JP2010144196A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転軸の凸状先端の係合面と凹状回転軸支持部の係合面とがすべって空転現象が生じることを回避できる気相成長装置を提供する。
【解決手段】気相成長装置が、半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向の周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有する。前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、前記回転軸の空転現象を回避するために、それらの係合面の横断面形状が少なくとも２つの異なる曲率を有する曲面形状（例えば楕円形状）のみで構成され、かつ、その曲面形状が点対称の形状である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向の周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有する気相成長装置、とくに枚葉式エピタキシャル装置に関する。

枚葉式のエピタキシャル装置は、エピタキシャル（以下単にエピという）の成長のために、回転部分としてウェーハを載置するサセプタを有し、そのサセプタをサセプタ支持部材で支え、その支持部材を回転中心で回転軸によって回転可能に支持する。特許文献１参照。

これらのサセプタ、サセプタ支持部材及び回転軸の各部材は、エピ成長ごとに、または数回連続エピ成長ごとに、枚葉式エピタキシャル装置から取り外して、各部材の表面に付着したエピ膜等をエッチング処理して除去する必要がある。

また、これらの部材は、エピ成長雰囲気内で使用されるため、その材質は耐腐食性、金属汚染を引き起こさない高純度という特性を有することが求められる。そのため、これらの部材は、主に石英で形成される。

これらの部材を頻繁に取り外して再組み立てすること、石英はその材質の特性からあまり堅く固定したり複雑な形状にできないことから、枚葉式のエピタキシャル装置は、回転軸の先端にサセプタ支持部材を単純に載せる構造になっている。とくに、回転軸の先端とサセプタ支持部材は、水平方向に固定する部分や突起部分を持たない。

回転軸先端の切頭円錐状の先端を覆うキャップ形状の受け治具が回転軸先端と重なった状態で回転する。そのとき、回転軸先端の切頭円錐状の係合面と受け治具の切頭円錐状の係合面とが互いの摩擦力で回転力を伝達している。

また、切頭円錐状の係合面で回転中心を位置だしする構造にもなっている。
特表平２−５０３９３０号公報 特開２００７−８８３０３号公報

本発明者等は、研究を重ねることによって、前述の部材のエッチング処理を繰り返していくと、表面が滑らかになってきて、摩擦力が減少し、サセプタを高速で回転させると、回転時に回転軸先端の係合面と受け治具の係合面がすべって、空転現象が生じ、それが原因となって、エピ膜分布に異常が生じることを発見した。そして、このような空転現象がおこると、設定した回転数でサセプタが正確に回転しなくなるので、ウェーハのエピ膜がばらつく不具合が発生してしまうことを究明した。

本発明の解決手段を例示すると、特許請求の範囲の各請求項に記載のとおりである。すなわち、
（１）半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向の周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有し、前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、前記回転軸の空転現象を回避するために、それらの係合面の横断面形状が少なくとも２つの異なる曲率を有する曲面形状のみで構成され、かつ、その曲面形状が点対称の形状であることを特徴とする、気相成長装置。

（２）半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有し、前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、それらの係合面の横断面形状が、１つの楕円からなる曲面形状であることを特徴とする、気相成長装置。

（３）前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部の各係合面の横断面形状が、長辺／短辺比１．１以上２．０以下の楕円であることを特徴とする前述の気相成長装置。

（４）半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有し、前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、それらの係合面の横断面形状が、２つの真円をずらして重ねた曲面形状であることを特徴とする、気相成長装置。

（５）前記凹状回転軸支持部と前記回転軸の前記凸状先端部は、エッチング処理により表面を清浄化することが可能な材料から成ることを特徴とする前述の気相成長装置。

（６）前記凹状回転軸支持部と前記回転軸の前記凸状先端部は、石英、炭化ケイ素及び炭素のいずれか１つ、あるいは、これらを組み合わせた材料で構成されていることを特徴とする前述の気相成長装置。

従来の切頭円錐状の係合面では、その横断面形状が真円であり、前述のように使用経過とともにすべりやすくなる。そこで、横断面形状を三角や四角の形状にすれば、一応、表面が滑らかになっても、その構造上すべることはない。しかし、先端部にはサセプタと支持部材の荷重が垂直方向にかかり、さらに回転時には遠心力が加わる。これが１０００度以上の高温下で働くので、非常に負荷が大きい。すると、三角や四角のような横断面形状の構造ではその角の部分が容易に変形したり欠けてしまう。

また、係合面に小さい切りかきや突起を設けて、それらの組合せで回転方向に対して止める構造にすることも可能であるが、同じ理由で、使用の経過とともに、その小さい突起が欠けてしまう。

また、前述の部材の全てが高速で回転するため、回転軸先端と受け治具の中心を一致させることが容易な構造でなくてはいけない。そのため、係合面の横断面形状は、石英等で正確に作成できシンプルな形状であることが求められる。

そこで、本発明においては、設定した回転数でサセプタが正確に回転しなくなる不具合を回避するために、回転軸先端の係合面と受け治具の係合面が回転時にすべらない（つまり空転現象が生じない）特別の形状にする。

例えば、それらの係合面の横断面形状は、少なくとも２つの異なる曲率を有する曲面形状（角がない形状）のみで構成し、かつ、その曲面形状は点対称の形状とする。このような曲面形状の例をあげると、１つの楕円からなる曲面形状や、２つの真円をずらして重ねた曲面形状である。

このように、係合面の横断面形状は、角をもたない曲面のみで構成された点対称形、たとえば１つの楕円や、２つの真円をずらして重ねたひょうたんのような形状が好ましい。

係合面の横断面形状が前述のように格別のものであると、回転方向の摩擦力が低下しても、構造上すべりが起こらず、かつ、回転中心が出しやすく、変形や欠けの生じやすい角部をもたず、回転対称から極力くずれない。

好ましくは、前述の凸状先端および凹状回転軸支持部の各係合面の横断面形状が、長辺／短辺比１．１以上２．０以下の楕円である。回転中心を出しやすくすること、きびしい設計精度が求められないこと、回転時の回転安定性が得やすいこと、そして石英部材間のクリアランス確保の点から、楕円の長辺と短辺の比があまり大きくなるのは好ましくないが、一方、この比が小さすぎると、実質上真円とかわらなくなり、エッチングを繰り返していくに従い表面のみならず、部材の寸法にも誤差が生じて、真円並みにすべりがおこりやすい形状まで型崩れするおそれがある。

好ましくは、前述の凹状回転軸支持部と回転軸の凸状先端部は、エッチング処理により表面を清浄化することが可能な材料から成る。

また、前述の凹状回転軸支持部と回転軸の凸状先端部は、石英、炭化ケイ素及び炭素のいずれか１つ、あるいは、これらを組み合わせた材料で構成されることが好ましい。

また、係合面の縦断面形状は台形の形状が好ましいが、本発明はそれに限定されない。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

図１および２において、気相成長装置とくに枚葉式エピタキシャル装置は、半導体基板ウェーハ１０を水平に載置するサセプタ１２と、サセプタ１２を水平方向に支持するスパインダー等のサセプタ支持部材１４と、サセプタ支持部材１４を垂直方向周りに回転可能に支持する凸状先端１６ａを有する回転軸１６と、回転軸１６の下端に接続されていて回転軸１６を所定の回転速度で回転駆動する駆動部１８と、サセプタ支持部材１４の下部に配置され回転軸１６の凸状先端１６ａに対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部２０を有する。

気相成長装置の気相成長用のチャンバー２２内には、周知のとおり、図１の右側の入口２４から左側の出口２６に向けてガスが矢印方向に流れる。

凸状先端１６ａおよび凹状回転軸支持部２０は、互いに係合する係合面を有する。それらの係合面の横断面形状は、図示例においては、１つの楕円からなる曲面形状である。それらの係合面の縦断面形状は、台形、つまり両側が「ハ」の形状である。

凸状先端１６および凹状回転軸支持部２０の各係合面の横断面形状は、好ましくは、長辺／短辺比１．１以上２．０以下の楕円である。

凹状回転軸支持部２０と回転軸１６の凸状先端部１６ａの材料は、エッチング処理により表面を清浄化することが可能な材料、例えば、石英、炭化ケイ素、炭素のいずれか１つ、あるいはこれらの組み合わせである。

図３は、図１に示す気相成長装置のチャンバー２２内に入口２４から出口２６に向けて矢印の方向にガスを流したとき、回転軸１６の回転無しの場合におけるウェーハ１０上のエピ膜の厚みを示す。入口２４側のエピ膜厚が大きく、少しずつ出口２６側に行くにしたがってエピ膜厚が小さくなっている。

図４は、図１に示す気相成長装置のチャンバー２２内に入口２４から出口２６に向けて矢印の方向にガスを流したとき、回転軸１６の回転有り（回転速度３５ｒｐｍ）の場合におけるウェーハ１０上のエピ膜の厚みを示す。

図４においては、回転軸１６が正常に回転しており、途中に空転現象がまったく発生していない。

もし、回転軸１６の回転中に少しでも空転現象が生じると、その空転現象の間は、図３に示すような厚みのエピ膜が形成されてしまう。

図５において、（Ａ）は、回転軸１６の回転異常（空転有り）時のエピ膜分布を示しており、（Ｂ）は、回転軸１６の回転正常（空転無し）時のエピ膜分布を示している。（Ｃ）は、（Ａ）及び（Ｂ）におけるエピ膜分布に対応する回転方向のエピ膜厚変化を示す。

図５の（Ａ）では、エピ膜分布は同心円上でバラツキがあるが、図５の（Ｂ）では、エピ膜分布は同心円上でバラツキがない。

本発明の最良の形態による気相成長装置の主要部を概略的に示す説明図。 図１に示した気相成長装置の主要部のうち、とくにサセプタ支持材と回転軸との接続部分を拡大して示す斜視図。 図１に示した気相成長装置において回転軸の回転無しの状態でガスを流したときのエピ膜厚を示す。 図１に示した気相成長装置において回転軸の回転有り（３５ｒｐｍ）の状態でガスを流したときのエピ膜厚を示す。 （Ａ）は、図１に示した気相成長装置において回転軸の回転に異常があるときのエピ膜厚分布（バラツキ有）を示し、（Ｂ）は、図１に示した気相成長装置において回転軸の回転が正常な状態でガスを流したときのエピ膜厚分布（バラツキ無）を示し、（Ｃ）は、（Ａ）及び（Ｂ）に対応するエピ膜厚変化を示す。

符号の説明

１０ ウェーハ
１２ サセプタ
１４ サセプタ支持部材
１６ 回転軸
１６ａ 凸状先端
１８ 駆動部
２０ 凹状回転軸支持部
２２ 気相成長用のチャンバー
２４ 入口
２６ 出口

Claims (6)

1. 半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向の周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有し、前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、前記回転軸の空転現象を回避するために、それらの係合面の横断面形状が少なくとも２つの異なる曲率を有する曲面形状のみで構成され、かつ、その曲面形状が点対称の形状であることを特徴とする、気相成長装置。
2. 半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有し、前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、それらの係合面の横断面形状が、１つの楕円からなる曲面形状であることを特徴とする、気相成長装置。
3. 前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部の各係合面の横断面形状が、長辺／短辺比１．１以上２．０以下の楕円であることを特徴とする、請求項２に記載の気相成長装置。
4. 半導体基板を水平に載置するサセプタと、前記サセプタを水平方向に支持するサセプタ支持部材と、前記サセプタ支持部材を垂直方向周りに回転可能に支持する凸状先端を有する回転軸と、前記サセプタ支持部材の下部に配置され前記回転軸の前記凸状先端に対して垂直上方から載置される凹状回転軸支持部を有し、前記凸状先端および前記凹状回転軸支持部が互いに係合する係合面を有し、それらの係合面の横断面形状が、２つの真円をずらして重ねた曲面形状であることを特徴とする、気相成長装置。
5. 前記凹状回転軸支持部と前記回転軸の前記凸状先端部は、エッチング処理により表面を清浄化することが可能な材料から成ることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気相成長装置。
6. 前記凹状回転軸支持部と前記回転軸の前記凸状先端部は、石英、炭化ケイ素及び炭素のいずれか１つ、あるいは、これらを組み合わせた材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の気相成長装置。