JP2009099770A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易にサセプタの着脱を可能とし、メンテナンス性に優れた気相成長装置を提供することにある。
【解決手段】略円板状のサセプタ１と、前記サセプタ１の下に配置され、前記サセプタ１を回転自在に保持する基台２と、前記サセプタ１に略同一円周上に配置された開口８に回転自在に嵌め込まれ、基板Ｗを保持する基板ホルダ３と、前記サセプタ１の中心と同軸上に軸心が合致するように当該サセプタ１と機械的に連結されて当該サセプタ１を中心軸駆動することで、前記基板ホルダ３を前記サセプタ１の中心の周りに公転させる中心駆動軸４と、前記サセプタ１が前記中心軸駆動されることに伴って前記基板ホルダ３を自転させる基板ホルダ駆動部５とを有する気相成長装置であって、前記中心駆動軸４と前記サセプタ１とが、互いに嵌合されるように設けられた凹部６と凸部７とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サセプタ上に設置された基板を自公転させながら、基板の表面に半導体結晶を成長させる気相成長装置に関する。

近年、半導体デバイスの主要な製造プロセスとしてエピタキシャル結晶成長技術に対する要請が高まっており、その中でも、特にＭＯＰＶＥ法（有機金属気相成長法）は、光デバイスや高速デバイス等に好適な材質からなる化合物半導体の薄膜を形成するための気相成長技術として注目されている。

このＭＯＰＶＥ法に用いられる気相成長装置においては、反応性を有する原料ガスを基板表面へと供給し、所定の化学反応を生じさせることで均一にエピタキシャル成長を促すようにすることが極めて重要である。ＭＯＰＶＥ法によってエピタキシャル結晶成長が生じる際に、反応性を有する原料ガスによって基板の表面で起こる表面反応は、極めて複雑な機構であることが知られている。つまり、基板の温度、原料ガスの温度・流速・圧力等、多数のパラメータが前述の基板表面での反応に影響を与えるため、ＭＯＰＶＥ法のプロセスにおいて、これらのパラメータの全てを制御してエピタキシャル結晶成長を均一に行うことは極めて難しい。

そこで、ＭＯＰＶＥ法を用いた気相成長装置においては、上記のような各種パラメータを一定の条件の下で、基板の表面へのエピタキシャル結晶成長を、できるだけ均一にかつ安定的に形成させるための方法が提案されている。
そのうちの一つとして、膜厚および膜の組成を均一化するために、平面上で基板を回転させるという方法がある。この方法のうち、さらに結晶成長の均一化を高める方法として、基板自体を回転させると共に、その基板を保持しているサセプタ全体を回転させることで、基板を自転させつつサセプタの中心軸周りに公転させるという、いわゆる自公転機構を備えた気相成長装置などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２は、従来のいわゆる自公転機構を備えた気相成長装置における機構部の主要な構成を示す図である。この従来の気相成長装置は、基板１０１を保持する基板トレイ１０２と、その基板トレイ１０２を回転可能に保持するサセプタ１０３と、基板トレイ１０２を自転させる自転機構（詳細は図示省略）と、サセプタ１０３を中心軸周りに回転させることで基板トレイ１０２をサセプタ１０３の中心の周りに公転させる回転駆動軸１０４とを、その自公転機構の主要部として有している。このような自公転機構では、サセプタ１０３と回転駆動軸１０４とは、ボルト締結によって一体に連結されており、いわゆる中心軸回転の機構を有する。
なお、サセプタ１０３の上方には、基板１０１を所望の温度に加熱するためのヒータ装置１０５が設けられている。また、原料ガスは、サセプタ１０３の中心部の下方から供給され、サセプタ１０３の半径方向外方に基板１０１表面に沿って水平に流れるようになっている。

図３、図４、図５は、従来のいわゆる外周駆動機構を備えた気相成長装置における機構部の主要な構成を示す図である。この気相成長装置は、外形が円板状で、基板１０１を保持する基板トレイ２０１を円滑に回転可能に保持するための開口（基板トレイ保持部）２０２が設けられたサセプタ２０３を、基台２０４によって円滑に回転可能に保持させ、４つの歯車を用いた公転発生部２０５によってサセプタ２０３をその中心軸周りに回転させることで、基板トレイ２０１を公転させる。それと共に、自転発生部２０６の内周に設け
られた内歯車と基板トレイ２０１の外周に設けられた外歯車とが噛み合った状態で、それら両者が基板トレイ２０１の公転に伴って相対的に回転することにより、基板トレイ２０１が自転するように設定されている。

このように、従来の外周駆動機構を備えた気相成長装置では、外周駆動機構の主要な機械要素としてサセプタ２０３の外周部に配置された公転発生部２０５により、サセプタ２０３の中心部に駆動軸を連結することなく、サセプタ２０３を回転駆動させ、それと共に基板トレイ２０１を自公転させている。

なお、この外周駆動機構を備えた気相成長装置の場合には、図４に一例を示したように、サセプタ２０３と基台２０４との間にボールベアリング２０７を介在させることにより、サセプタ２０３を、基台２０４によって保持しつつ回転できるように設定されている。また、図５に一例を示したように、基板トレイ２０１とサセプタ２０３との間にボールベアリング２０８を介在させることにより、基板トレイ２０１がサセプタ２０３によって保持されつつ回転できるように設定されている。

特開２００２−１７５９９２号公報

しかしながら、上述した図２に示すような中心軸回転機構の従来技術では、回転駆動軸１０４とサセプタ１０３とをボルト締結によって連結する際に、回転駆動軸１０４に対してサセプタ１０３面が極めて高精度に直角に取り付けられることが強く要請される。これは、サセプタ１０３の取り付け角度の誤差が極めて僅かなものであっても、サセプタ１０３上に同時にエピタキシャル結晶成長された基板間に膜厚のばらつきが発生するなどの問題が生じるからである。

また、そのようなボルト締結の構造を有しているため、気相成長装置のメンテナンスの際に、サセプタ１０３の取り外しや取り付けなどの作業が煩雑なものとなり、その手間および時間が掛かってしまうという問題がある。

また、図３〜図５に示したような従来の外周駆動機構を備えた気相成長装置の技術では、公転発生部２０５がサセプタ２０３の外周部に、即ち原料ガスの排気口側に配置されているため、反応生成物等がその公転発生部２０５の駆動軸等の機構部に堆積し易く、メンテナンスの頻度が非常に高くなるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、その目的は、簡易にサセプタの着脱を可能とし、メンテナンス性に優れた気相成長装置を提供することにある。

本発明の気相成長装置は、略円板状のサセプタと、前記サセプタの下に配置され、前記サセプタを回転自在に保持する基台と、前記サセプタに略同一円周上に配置された開口に回転自在に嵌め込まれ、基板を保持する基板ホルダと、前記サセプタの中心と同軸上に軸心が合致するように当該サセプタと機械的に連結されて当該サセプタを中心軸駆動することで、前記基板ホルダを前記サセプタの中心の周りに公転させる中心駆動軸と、前記サセプタが前記中心軸駆動されることに伴って前記基板ホルダを自転させる基板ホルダ駆動部とを有する気相成長装置であって、前記中心駆動軸と前記サセプタとが、互いに嵌合されるように設けられた凹部と凸部とを備えており、前記凹部と前記凸部との嵌合によって、前記中心駆動軸による回転駆動力を前記サセプタに伝達可能とするとともに、前記中心駆動軸と前記サセプタとを着脱可能としたことを特徴とする。

上記の気相成長装置において、前記凸部が、前記中心駆動軸の前記サセプタの表面と対面する取り付け面に設けられた突起であり、前記凹部が、前記サセプタに設けられた、前記突起が嵌合される穴であるのが好ましい。また、前記突起および前記穴が、間隙を持たせて嵌合されているのが好ましい。
また、前記中心駆動軸は、前記サセプタの上側に連結され、前記基板ホルダは、前記基板を前記サセプタの下面側に保持して、当該基板の表面に沿って原料ガスが供給されるように設定するのが好ましく、更に、前記基板ホルダ駆動部は、前記サセプタの上側に配置されているのが好ましい。

本発明によれば、サセプタを基台によって回転可能に支持させ、かつ、中心駆動軸とサセプタとが、互いに嵌合されるように設定された凹部と凸部とを備えており、それら両者の嵌合によって中心駆動軸による回転駆動力をサセプタに伝達可能とするとともに中心駆動軸とサセプタとを着脱することができるようにしたので、サセプタの表面に対して中心駆動軸が厳密に直角に連結されていなくとも、基台によってサセプタを常に正しい姿勢に支持された状態のままに保ちつつ、中心駆動軸によって回転力をサセプタへと伝達して、そのサセプタを回転運動させることができる。これにより、エピタキシャル結晶成長によって得られる基板間の膜厚の不均一を生じる虞なく、極めて簡易にサセプタを着脱することができる。

以下、本実施の形態に係る気相成長装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る気相成長装置における特に自公転機構部の主要な構成を示す図である。

この気相成長装置は、サセプタ１と、基台２と、基板ホルダ３と、中心駆動軸４と、基板ホルダ駆動部５とを、その自公転機構部の主要な構成要素として備えている。

サセプタ１は、外形が円板状のもので、サセプタ１の中心部の所定位置には、嵌合穴（凹部）６が設けられている。嵌合穴６は、中心駆動軸４の取り付け面に設けられたピン状の嵌合突起（凸部）７を着脱可能に嵌め合わすことができ、かつ中心駆動軸４からの回転力をガタツキや振動なく円滑にこのサセプタ１本体へと伝達することができるような、適度な間隙、いわゆる遊びを有する寸法および形状に設定されている。
また、サセプタ１には、ほぼ同一円周上に配列された基板ホルダ保持用の開口８が形成されている。各開口８はサセプタ１の厚さ方向に貫通して設けられており、各開口８には、基板ホルダ３が回転自在に嵌め込まれる。

基台２は、サセプタ１の外縁側の下方に配置されて、サセプタ１を回転自在に保持するものである。この基台２とサセプタ１との間にはボールベアリング９が配置されていて、サセプタ１が基台２上で円滑に回転運動できるようにしている。従って、基台２によってサセプタ１は水平に回転自在に支持されて、サセプタ１の水平面精度は常に正確に保たれることとなる。

基板ホルダ３は、外形がほぼリング状のもので、基板ホルダ３内には半導体等の基板（ウェハ）Ｗが収納される。基板ホルダ３とサセプタ１との間にはボールベアリング１１が配置されていて、基板ホルダ３がサセプタ１に対して円滑に回転運動できるように設定され、基板ホルダ３に収納された基板Ｗは基板ホルダ３と共に回転する。基板ホルダ３の下面には、基板Ｗを安定的に保持するための爪状の保持部（保持具）１０が設けられ、この保持部１０によって基板Ｗが基板ホルダ３の下面側に保持される。

サセプタ１の下方には、サセプタ１に対向する対向板（図示せず）が設けられ、対向板のサセプタ１中心部下方の位置には、原料ガスの供給管（図示せず）が接続されていて、この供給管から上向きに原料ガスが供給され、サセプタ１の中心部から半径方向外方へと放射状に、サセプタ１と対向板との間の流路を原料ガスが流れて、基板Ｗの下面に結晶が成長する。
なお、サセプタ１の上方には、基板Ｗを所望の温度に加熱するためのヒータ（図示せず）が設けられ、また、基板ホルダ３の上部には基板Ｗを均一に加熱するための均熱板（図示せず）が嵌め込まれる。また、原料ガスは、サセプタ１の外周部側から排気されるようになっている。

中心駆動軸４は、サセプタ１の回転中心に対して同軸上に軸心が合致するように、サセプタ１に嵌合により連結されており、サセプタ１を中心軸駆動することで、基板ホルダ３をサセプタ１の中心の周りに公転させる。中心駆動軸４はサセプタ１の上側に連結されていて、中心駆動軸４のサセプタ１表面と対面する取り付け面に、ピン状の嵌合突起７を備えている。その嵌合突起７が、サセプタ１の嵌合穴６と間隙を持たせて嵌合されることで、中心駆動軸４による回転駆動力がサセプタ１に伝達される。

従って、中心駆動軸４がサセプタ１表面に対して正確に直角でなくとも、多少の誤差の範囲内で、つまり間隙を持たせた嵌合の「遊び」による許容範囲内で、中心駆動軸４が斜めに配置されていても、そのような誤差は中心駆動軸４の嵌合突起７とサセプタ１の嵌合穴６との間に設けられた間隙によって吸収されるので、中心駆動軸４の回転力がガタツキや振動なく円滑にサセプタ１へと伝達される。また、中心駆動軸４の嵌合突起７とサセプタ１の嵌合穴６との間に設けられた間隙によって、中心駆動軸４とサセプタ１とを容易に着脱することができる。

基板ホルダ駆動部５は、サセプタ１の上側に配置された内歯車１２を有する機構部であり、基板ホルダ３の上部外周に設けられた外歯車１３と噛み合わされるように設定されている。したがって、サセプタ１が中心駆動軸４によって回転されると、このサセプタ１の回転により、基板ホルダ３が中心駆動軸４の周りを公転するが、この基板ホルダ３の公転に伴って、基板ホルダ駆動部５の内歯車１２と基板ホルダ３の外歯車１３とが噛み合って基板ホルダ３が自転する。このようにして、中心駆動軸４から伝達される回転力によって、サセプタ１を回転させ、その回転によって基板ホルダ３を公転させると共に自転させることができる。

この様な動作において、サセプタ１は、常に基台２によって円滑に回転自在に支えられているので、水平面精度を常に正確に保つことができる。従って、サセプタ１が中心駆動軸４に対して正確に直角に支持されていなくてもよいので、従来の中心駆動軸４にサセプタ１をボルト締結するような構成の場合に要求されていた、サセプタ１に対する中心駆動軸４の極めて厳密な取付精度が必要なくなる。また、サセプタ１に対して中心駆動軸４を間隙を持たせて嵌合するだけでよくなるので、正確な取付角度調節を必要とするボルト締結のような煩雑な作業を行うことなく、極めて簡易に、サセプタ１と中心駆動軸４との着脱作業を行うことが可能となる。

これにより、本実施形態に係る着脱式の中心駆動機構の気相成長装置では、サセプタ１の水平面精度を中心駆動軸４に対する取付精度に依存することなく常に正確に保って、基板の表面におけるエピタキシャル結晶成長の均一性を常に良好なものに保ちつつ、自公転機構部のメンテナンス等を行う際の、サセプタ１と中心駆動軸４との着脱作業の容易化や作業の簡略化・迅速化等を大幅に向上することができる。

また、基板ホルダ駆動部５をサセプタ１の上側に配置し、サセプタ１の下側で気相成長が行われるように設定しているので、基板ホルダ駆動部５が直接に原料ガスに曝されることがなくなる。その結果、気相成長の際の反応生成物が基板ホルダ駆動部５等に堆積することが回避されて、それらのメンテナンスの頻度を大幅に低減することが可能となる。

また、基板ホルダ３の下面側に基板Ｗを保持させた状態で、基板Ｗの下面に沿って原料ガスを流して気相成長を行っているので、基板Ｗのエピタキシャル結晶成長が施される表面に、上方から落下して来る反応生成物のパーティクルや塵埃等の異物の付着を防止することができる。

なお、中心駆動軸４に設けられる嵌合突起７（凸部）およびサセプタ１に設けられる嵌合穴６（凹部）の具体的な形状は、本実施の形態で説明したような、ピン状の突起とそれに対応して嵌合される円柱状の穴のみには限定されないことは勿論である。
この他にも、例えば、図示は省略するが、中心駆動軸４には凸部として半球状の突起を設けると共に、その突起に対して適度な間隙を有して嵌合されるように設定された半球状の穴を凹部としてセサプタ１に設けるようにしてもよい。このように突起や穴の立体形状を滑らかな曲面状とすることで、中心駆動軸４とサセプタ１との着脱をさらに簡易なものとすることが可能となる。

あるいは、突起と穴との組み合わせの他にも、例えば平面視で十字状の凸部を中心駆動軸４に設けると共に、その凸部に対して適度な間隙を有して嵌合されるように設定された平面視で十字状の溝を凹部としてサセプタ１に設けるようにしてもよい。

また、上記のような突起（凸部）および穴（凹部）は、最低限１組だけでも可能であるが、１組の場合よりも、複数組を均等ピッチ等で配置するようにしたほうが、さらに確実に回転力を伝達することが可能となるので、突起および穴を複数組設けるのがより望ましい。

また、図示および詳細な説明は省略するが、中心駆動軸４を回転させるための機械的動力源としては、例えば、比較的容易に安定した回転力を得ることが可能である、磁気シールされたサーボモータや、ステッピングモータなどを、好適に用いることが可能である。

本発明の実施の形態に係る気相成長装置における特に自公転機構部の主要な構成を示す図である。 従来の中心軸回転機構を備えた気相成長装置における機構部の主要な構成を示す図である。 従来の外周駆動機構を備えた気相成長装置における機構部の主要な構成を示す図である。 図３に示した従来の気相成長装置における機構部の主要な構成のさらに細部を示す図である。 図３に示した従来の気相成長装置における機構部の主要な構成のさらに細部を示す図である。

符号の説明

１ サセプタ
２ 基台
３ 基板ホルダ
４ 中心駆動軸
５ 基板ホルダ駆動部
６ 嵌合穴
７ 嵌合突起
８ 開口
１０ 保持部
１２ 内歯車
１３ 外歯車
Ｗ 基板

Claims (5)

1. 略円板状のサセプタと、前記サセプタの下に配置され、前記サセプタを回転自在に保持する基台と、前記サセプタに略同一円周上に配置された開口に回転自在に嵌め込まれ、基板を保持する基板ホルダと、前記サセプタの中心と同軸上に軸心が合致するように当該サセプタと機械的に連結されて当該サセプタを中心軸駆動することで、前記基板ホルダを前記サセプタの中心の周りに公転させる中心駆動軸と、前記サセプタが前記中心軸駆動されることに伴って前記基板ホルダを自転させる基板ホルダ駆動部とを有する気相成長装置であって、
   前記中心駆動軸と前記サセプタとが、互いに嵌合されるように設けられた凹部と凸部とを備えており、前記凹部と前記凸部との嵌合によって、前記中心駆動軸による回転駆動力を前記サセプタに伝達可能とするとともに、前記中心駆動軸と前記サセプタとを着脱可能とした
   ことを特徴とする気相成長装置。
2. 請求項１記載の気相成長装置において、
   前記凸部が、前記中心駆動軸の前記サセプタの表面と対面する取り付け面に設けられた突起であり、
   前記凹部が、前記サセプタに設けられた、前記突起が嵌合される穴であることを特徴とする気相成長装置。
3. 請求項２記載の気相成長装置において、
   前記突起および前記穴が、間隙を持たせて嵌合されていることを特徴とする気相成長装置。
4. 請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の気相成長装置において、
   前記中心駆動軸は、前記サセプタの上側に連結され、
   前記基板ホルダは、前記基板を前記サセプタの下面側に保持して、当該基板の表面に沿って原料ガスが供給されるように設定したことを特徴とする気相成長装置。
5. 請求項４記載の気相成長装置において、
   前記基板ホルダ駆動部は、前記サセプタの上側に配置されていることを特徴とする気相成長装置。

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