JP2010130006A - 化学気相蒸着装置用サセプタ及び化学気相蒸着装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板の曲がり現象を抑えて基板を加熱する温度が基板全体にわたって均一に維持されるようにした化学気相蒸着装置用サセプタを提供する。
【解決手段】本発明の化学気相蒸着装置用サセプタは、駆動装置と連結された回転軸１３０を通じて回転する回転体１１０と、回転体１１０の上部面に形成され、基板１０を載せるポケット１２０とを含み、ポケット１２０の底面には、均一な応力分布のために基板１０の底面に形成された溝と対応する位置に、上部に突出したブロック部１２１を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１ａ
【解決手段】本発明の化学気相蒸着装置用サセプタは、駆動装置と連結された回転軸１３０を通じて回転する回転体１１０と、回転体１１０の上部面に形成され、基板１０を載せるポケット１２０とを含み、ポケット１２０の底面には、均一な応力分布のために基板１０の底面に形成された溝と対応する位置に、上部に突出したブロック部１２１を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１ａ
Description
本発明は、基板上に高温の化学気相蒸着を行う装置に関し、より詳細には基板を積載したサセプタの構造を変更することにより、加熱温度を基板全体にわたって均一にする化学気相蒸着装置用サセプタ及びこれを備えた化学気相蒸着装置に関するものである。
最近、多様な産業分野において半導体素子の微細化と高効率、高出力ＬＥＤの開発等の要求が次第に増加するに伴って品質や性能が低下することなしに大量生産が可能な化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）装置が求められている。
一般的に化学気相蒸着は、反応チャンバの内部に供給された反応ガスが、加熱された基板の上部表面で化学反応を起こしてエピタキシャル薄膜を成長させるものである。
このとき、基板表面の全領域でエピタキシャル層が均一な厚さとなるようにする必要がある。しかし、そのためには基板を加熱する温度が基板の全領域にわたって均一になるように調節することが最も重要である。
しかし、基板のサイズが次第に大きくなるに伴って基板の厚さが増加し、これによる応力差によって基板が曲がる現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）やクラック（ｃｒａｃｋ）が発生する現象が起こるようになった。
このような基板の曲がり現象によって基板の内側はポケットの底面と接して温度が高くなり、基板の外側はポケットから離隔して温度が低くなってしまう。
結局、基板上で基板の内側と外側との間の温度差を誘発することになり、成長する物質の濃度が変化し、ＬＥＤのような素子の成長時には波長均一度を破壊させる上に、後続工程が困難になるので、生産性及び質的向上に大きな影響を及ぼすという問題が生じていた。
このような基板の大口径化による曲がり現象の問題を解決すべく、基板にパターンを形成するか、またはサセプタの形状を変更する等様々なことが試されている。
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためのものであり、その目的は構造が簡単で、基板の曲がり現象を抑えて基板を加熱する温度が基板全体で均一に維持されるようにすると共に、エピタキシャル層の波長均一度を維持することができる化学気相蒸着装置用サセプタ及びこれを備えた化学気相蒸着装置を提供することにある。
上記の目的を達成するための技術的構成として、本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタは、駆動装置と連結された回転軸を通じて回転する回転体と、上記回転体の上部面に少なくとも１つ備えられ、基板を載せるポケットとを含み、上記基板を載せる上記ポケットの底面には、均一な応力分布のために上記基板の底面に形成された溝と対応する位置に、上部に突出したブロック部を備えていることを特徴とする。
また、上記ポケットの底面には、上記基板の底面に形成された溝の位置及び数に従って、上記溝と対応する位置に上記溝の数のブロック部を備えていることが可能である。
また、上記ブロック部は環状であることができる。
また、上記ブロック部は、複数のブロックが一定間隔で離隔して配置された環状であることができる。
また、上記ポケットは上記回転体から分離された構造であり、上記回転体に対して回転可能に設置されることができる。
また、上記ポケットは、回転駆動時に内部に載せられた基板が離脱しないように固定する固定クリップをさらに含むことができる。
また、上記ブロック部は、上記溝の形状と対応する形状で形成されて上記溝と結合することができる。
一方、本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置は、ガス供給部を通して反応ガスを供給し蒸着を可能にする反応チャンバと、上記反応ガスの提供を受けて上部面にエピタキシャル層が蒸着され、蒸着過程で応力が均一に分布されるように底面に溝が形成される基板と、上記基板が載せられて、上記基板の底面と接触する底面に上記溝と対応する位置において上部に突出されたブロック部を備えるポケットと、上記ポケットが上部面に備えられるサセプタと、上記サセプタの下部面に備えられて上記基板を加熱する加熱手段を含むことができる。
また、上記ポケットは、上記基板の底面に形成される溝の位置及び数に従って上記溝と対応する位置及び数でブロック部を備えることができる。
また、上記ポケットは、上記ブロック部が環状で備えられるか、または上記ブロック部を成す複数のブロックが一定間隔で離隔配置されて環状で備えられることができる。
また、上記ポケットは、上記サセプタに対して回転可能に上記サセプタと分離された構造で備えられることができる。
また、上記ブロック部は、上記溝の形状と対応する形状で形成されて上記溝と結合することができる。
本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタ及びこれを備えた化学気相蒸着装置は、基板の大口径化による応力差によって発生する基板の曲がり現象を最小化し、基板を加熱する温度が基板全体にわたって均一に維持されるようにすると共に、エピタキシャル層の波長均一度を維持することができ、優れた品質の基板を製造することができる。
本発明に係る化学気相蒸着装置用サセプタ及びこれを備えた化学気相蒸着装置の実施例に関する具体的な事項を図面を参照して説明する。
図１ａは本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタを示す平面図であり、図１ｂは図１ａに図示した化学気相蒸着装置用サセプタをＸ-Ｘ’軸において切断した状態を示す断面図である。
図１ａ及び図１ｂに図示したように、本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタ１００は、回転体１１０と、ポケット１２０と、回転軸１３０とを含んで構成されている。
回転体１１０は、カーボン（ｃａｒｂｏｎ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）がコーティングされたグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）からなる回転構造物であり、反応ガスが供給される反応チャンバ３１（図６ａ）内で容易に回転できるようにディスク形態となっている。
回転体１１０の上部面には、金属化合物を化学的に蒸着するための基板１０を置くためのポケット１２０が、同一面上に回転体１１０の回転中心を基準に円周方向に一定間隔で複数設置されている。
これにより、回転体１１０のポケット１２０に複数の基板１０を設置して同時に回転させ、エピタキシャル（ｅｐｉｔａｘｉａｌ）層を成長させることが可能となる。
回転体１１０の下部面には、駆動装置（図示せず）と連結される回転軸１３０が結合され、駆動装置で駆動されて回転軸１３０が一方向に回転すると、回転体１１０は回転軸１３０と共に一方向に回転する。
ポケット１２０は、回転体１１０の上部面に少なくとも１つ備えられ、エピタキシャル層を成長させるための基板１０が内部に載せられる。
図２乃至図５を参照してポケットの構造についてより詳細に説明する。
図２ａは、本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタのポケット及びブロック部の一実施例を示す拡大斜視図でり、図２ｂはポケット及びブロック部の他の実施例を示す拡大斜視図であり、図３は図２ａ及び図２ｂに図示したポケット及びブロック部を示す断面図であり、図４ａ、図４ｂは本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタのポケット及びブロック部の様々な実施例を示す断面図であり、図５は本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタのポケットの他の実施例を示す断面図である。
図２ａ及び図２ｂに示すように、ポケット１２０は、一般的な環状基板１０の形状と対応する形状を有し、基板１０が容易に配置及び除去できるように基板１０の直径よりも大きく形成する。
そして、ポケット１２０は、基板１０を載せる底面に、上部に突出したブロック部１２１を備えている。このブロック部１２１は、均一な応力分布のために基板１０の底面に形成された溝１１と対応した位置に形成される。
即ち、サファイア基板１０上にＧａＮエピタキシャル層が成長するとき、これらの間の格子常数の差と熱膨脹係数の差によって不均一な応力分布が発生し、基板の曲がり現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）が発生するという問題がある。このような問題は、基板１０が４インチから６インチ、８インチへと次第に大口径化するほど目立ってくる。
このような基板の曲がり現象を防ぐためには、サファイア基板１０とＧａＮエピタキシャル層との間の応力分布の差を最小化する必要があり、これはサファイア基板１０の底面に所定サイズの溝１１を形成することで解決することができる。
一方、底面に溝１１を備えた基板１０がポケット１２０の底面と接触する場合、溝１１とポケット１２０の底面との間には空洞（ａｉｒ ｃａｖｉｔｙ）が形成されることになり、サセプタ１００の下部側に設置された加熱手段３３（図６ａ）から供給される熱は基板１０の全領域にわたって不均一な分布を示すことになる。
即ち、基板１０がポケット１２０の底面と直接接触する部分では熱伝導率がよくて温度が高くなる反面、空洞が形成された溝１１の部分では熱伝導率が悪くて温度が相対的に低くなる。
このような温度分布の不均一は、基板１０上で成長する物質の濃度を変化させて、ＬＥＤ成長時にエピタキシャル層の波長不均一度を高めるという問題を発生させる。
従って、ポケット１２０の底面にブロック部１２１を突出形成することにより、サファイア基板１０がポケット１２０内に載せられたときに、ブロック部１２１が溝１１と結合して空洞が形成されないようにする。
これによって温度分布の均一度を維持することができ、波長不均一度を最小化して高品質のエピタキシャル層が基板１０の表面に均一に成長できるようにし、優れた品質の基板を製造することができる。
図２ａのように、ポケット１２０の底面に突出形成されたブロック部１２１は環状基板１０の底面に形成されている環状の溝１１と対応するように環状になっている。
しかし、これに限定されるわけではなく、図２ｂに示すようにブロック部１２１’を成す複数のブロック１２２が一定間隔に離隔して配置されて環状を成すことも可能である。
そして、図３に示すように、基板１０がポケット１２０内に載せられると、ブロック部１２１は基板１０の溝１１と結合して溝１１による空洞が形成されることを防ぐことができる。
基板１０に形成された溝１１は、図３に示すように単一の円を成す溝で形成することも可能であるが、これに限定されるわけではなく図４ａに示すように複数個の円で形成することもできる。
この場合、ポケット１２０は、基板１０の底面に形成された溝１１の位置及び数に従って、溝１１と対応した位置に溝１１の数のブロック部１２１を備えている。
そして、溝１１は、図４ｂに示すように、断面が緩やかな曲面を有する弧（ａｒｃ）状に形成することも可能であり、この場合、ブロック部１２１も溝１１と対応する形状に突出形成される。
本発明に係るポケット１２０のブロック部１２１は、その断面構造が図面に図示した四角形または弧状に限定されるわけではなく、三角形等の様々な形状で形成することができ、これは基板１０の底面に形成される溝１１の形状によって決まる。
一方、ポケット１２０は、図２乃至図４に図示したように、回転体１１０の上部面に所定の深さに陥没して形成され、回転体１１０と一体をなす構造で備えられている。
しかし、図５に示すように、ポケット１２０は回転体１１０に対して回転可能に、回転体１１０と分離した構造で備えることもできる。
上記のようにポケット１２０が回転体１１０に対して分離可能な構造で着脱可能に備えられている場合、サファイア基板１０のサイズに従って該当する口径に合ったポケット１２０に交換して結合することができる。また、基板１０に形成された溝１１の形状及び数に従って、溝１１と対応する構造のポケット１２０に交換することも可能である。
従って、サセプタ自体を交換せずにポケット１２０のみを交換できるので、基板１０の構造及び口径に関係なく様々な構造及び口径を有する基板１０に広く適用することができる。
また、回転体１１０の回転とは別に、ポケット１２０も回転体１１０に対して同じ方向、または反対方向に回転させることが可能であり、これによって基板１０は回転体１１０の回転だけではなく、ポケット１２０の回転によって自転することもでき、より均一なエピタキシャル層を形成することができる。
そして、ポケット１２０は、回転駆動時に内部に載せられた基板１０が離脱しないように固定させる固定クリップ（不図示）をさらに含むことが好ましい。
次に、上記した構成の化学気相蒸着装置用サセプタ１００を備えた化学気相蒸着装置３０、３０’に関する具体的な事項を、図面を参照して説明する。
図６ａは、本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタを備えた化学気相蒸着装置の一実施例を示す断面図であり、図６ｂは本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置用サセプタを備えた化学気相蒸着装置の他の実施例を示す断面図である。
図６ａ、図６ｂに示すように、本発明の一実施例に係る化学気相蒸着装置３０、３０’は、反応チャンバ３１と、基板１０と、ポケット１２０と、サセプタ１００と、加熱手段３３とを含んで構成されている。
反応チャンバ３１は、ガス供給部３４、３４’を通じて内部に流入した反応ガスと、蒸着対象物であるサファイア基板１０との間に化学気相反応が行われてエピタキシャル層が基板１０の上部面に蒸着及び成長するように所定サイズの内部空間を提供する垂直円筒型の構造物である。
反応チャンバ３１は、耐摩耗性及び耐腐食性に優れた金属材質からなり、内部面には高温雰囲気に耐えられるように断熱材を備えることもできる。
また、反応チャンバ３１は、少なくとも１つの基板１０が装着されるサセプタ１００及び加熱手段３３を内部に備え、基板１０との化学気相反応が終了した廃ガスを外部に排出するための排気口１３１を備えている。
図６ａに示すように、ガス供給部３４は反応チャンバ３１の上部側に設置され、下部側で回転するサセプタ１００の上に反応ガスを垂直噴射するシャワーヘッド型構造で備えられている。
また、図６ｂに示すように、ガス供給部３４’は反応チャンバ３１の側端部の周りに沿って設置され、複数の噴射ノズル３５を通じて反応チャンバ３１の周辺部から中心部へ向かって反応ガスを水平噴射する惑星型（ｐｌａｎｅｔａｒｙ）構造で備えることもできる。
この場合、反応ガスは、サセプタ１００の外周面から中心部の回転軸１３０に向かって流れて蒸着が行われ、サセプタ１００の回転軸１３０ 内に備えられた排気口１３１を通じて外部に排出されることになる。
このとき、排気口１３１には、排気される反応ガスが圧力差や誤作動等によって反応チャンバ３１の内部に逆流することを防ぐ逆流防止手段（不図示）を備えていることが好ましい。
一方、基板１０が載せられたポケット１２０の底面には、蒸着過程で応力が均一に分布するように、基板１０の底面に形成された溝１１と対応する位置に上部に突出形成されたブロック部１２１を備えている。
そして、サセプタ１００は、一回の蒸着サイクルで複数の基板上に同時に蒸着を行うことができるように、ポケット１２０を上部面に複数備えている。
基板１０とポケット１２０を上部面に備えたサセプタ１００は、図１乃至図５に図示した実施例と実質的に同一で、具体的な構造及び機能についての説明は省略する。
加熱手段３３は、基板１０が搭載されたサセプタ１００の下部側の近傍に配置され、基板１０を加熱するための熱をサセプタ１００に提供する。
このような加熱手段３３は、電気ヒーター、高周波誘導、赤外線放射、レーザー等のうちのいずれかで形成することができる。
そして、反応チャンバ３１には、サセプタ１００の外部面や加熱手段３３に近接して配置され、反応チャンバ３１の内部雰囲気温度を随時測定し、その測定値に基づいて加熱温度を調節することができるように温度センサ（不図示）を備えていることが好ましい。
上記の構成を有するサセプタ１００を化学気相蒸着装置に採用してサファイア基板１０の表面に窒化ガリウム（ｇａｌｌｉｕｍ；ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ；ＡｌＮ）、窒化インジウム（ｉｎｄｉｕｍ；ＩｎＮ）またはこのような混晶のエピタキシャル層を成長させて蒸着する場合、先ず蒸着作業の対象物である基板１０を回転体１１０の上部面にあるポケット１２０に載せることになる。
このような状態で、回転体１１０は、不図示の駆動モーターの回転駆動力によって一方向に回転駆動され、回転体１１０が配置された反応チャンバ３１の内部空間にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）のような３族ガスであるソースガス（ｓｏｕｒｃｅ ｇａｓ）と共にアンモニアのようなキャリアガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ）を供給する。
そして、回転体１１０の下部側に配置された加熱手段３３を用いて高温の熱を提供すると、回転体１１０と共に一方向に回転する蒸着対象物の基板１０の表面には、キャリアガスとソースガスが混合された反応ガスが均一に接触して窒化物が成長した薄膜（例えば、半導体エピタキシャル層）が均一に形成され、未反応の残留ガスや分散物は反応チャンバ３１の壁面に沿って下部に排出される。
以上のように、基板１０の底面に溝１１を形成して基板１０の成長時に起こる曲がり現象（ｂｏｗｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を防ぎ、基板１０が載せられて接触するポケット１２０の底面に突出形成されたブロック部１２１を溝１１と結合することにより、基板１０における温度の不均一度を最小化し、エピタキシャル層の波長均一度を維持することができる。これにより、高品質の窒化物膜を基板１０の表面に均一に形成し、優れた品質の基板製品を製造することができる。
Claims (12)
- 駆動装置と連結された回転軸を通じて回転する回転体と、
前記回転体の上部面に少なくとも１つ備えられ、基板を載せるポケットとを含み,
前記基板を載せる前記ポケットの底面には、均一な応力分布のために前記基板の底面に形成された溝と対応する位置に、上部に突出したブロック部を備えていることを特徴とする化学気相蒸着装置用サセプタ。 - 前記ポケットの底面には、前記基板の底面に形成された溝の位置及び数に従って、前記溝と対応する位置に前記溝の数のブロック部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の化学気相蒸着装置用サセプタ。
- 前記ブロック部は環状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化学気相蒸着装置用サセプタ。
- 前記ブロック部は、複数のブロックが一定間隔で離隔して配置された環状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の化学気相蒸着装置用サセプタ。
- 前記ポケットは前記回転体から分離された構造であり、前記回転体に対して回転可能に設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の化学気相蒸着装置用サセプタ。
- 前記ポケットは、回転駆動時に内部に載せられた基板が離脱しないように固定する固定クリップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の化学気相蒸着装置用サセプタ。
- 前記ブロック部は、前記溝の形状と対応する形状で形成されて前記溝と結合することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の化学気相蒸着装置用サセプタ。
- ガス供給部を通じて反応ガスが供給されて蒸着を可能にする反応チャンバと、
前記反応ガスの供給を受けて上部面にエピタキシャル層が蒸着され、蒸着過程で応力が均一に分布するように底面に溝が形成された基板と、
前記基板を載せたときに前記基板の底面と接触する底面に、前記溝と対応する位置に上部に突出したブロック部を備えているポケットと、
前記ポケットを上部面に備えているサセプタと、
前記サセプタの下部面に設置されて前記基板を加熱する加熱手段と
を含むことを特徴とする化学気相蒸着装置。 - 前記ポケットの底面には、前記基板の底面に形成された溝の位置及び数に従って、前記溝と対応する位置に前記溝の数のブロック部を備えていることを特徴とする請求項８に記載の化学気相蒸着装置。
- 前記ブロック部は環状であるか、あるいは複数のブロックが一定間隔で離隔して配置された環状であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の化学気相蒸着装置。
- 前記ポケットは前記サセプタと分離された構造であり、前記サセプタに対して回転可能に設置されていることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の化学気相蒸着装置。
- 前記ブロック部は、前記溝の形状と対応する形状で形成されて前記溝と結合することを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載の化学気相蒸着装置。
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