JP2013105831A

JP2013105831A - 気相成長装置

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Publication number: JP2013105831A
Application number: JP2011247452A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Okada; 俊範岡田; Hidekazu Sakagami; 英和坂上; Hiromutsu Kojima; 弘睦小島; Masaru Ogawa; 勝小川; Masaru Kadono; 勝かど野
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-30

Abstract

【課題】サセプタの面内温度分布の均一化を図りつつ、回転軸の耐久性の低下を抑制する。
【解決手段】成膜室１と、成膜室１内に成膜用の原料ガスを供給するシャワーヘッド７と、成膜室１内において被処理基板３を加熱するヒータ６と、成膜室１内において被処理基板３が載置される回転可能なサセプタ４と、サセプタ４を支持し、サセプタ４に回転力を伝達する回転軸２５とを備える。回転軸２５は、この回転軸２５の軸方向に並んで一体に連結される複数の軸部材５１，２２，５３を含む。複数の軸部材５１，２２，５３の各々は、外径が拡径した継手部５１ａ，２２ａ，２２ｂ，５３ａを有する。複数の軸部材５１，２２，５３のうちの互いに隣接する少なくとも１組の軸部材５１，２２の継手部５１ａ，２２ａ同士は、この軸部材５１，２２の材料より熱伝導率の低い材料で形成された側面視平板状の環状部材２１を間に挟んで互いに連結されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被処理基板上に薄膜を形成する気相成長装置に関する。

化合物半導体材料を用いたＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、発光ダイオード、半導体レーザ、宇宙用ソーラーパワーデバイス、および、高速デバイスなどが製造されている。

ＭＯＣＶＤ法においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）またはアルシン（ＡｓＨ₃）などの水素化合物ガスとを成膜に寄与する原料ガスとして用いる。

ＭＯＣＶＤ法は、上記の原料ガスをキャリアガスと共に成膜室内に導入して加熱し、被処理基板上で気相反応させることにより、被処理基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。

ＭＯＣＶＤ法によって所望の薄膜を形成する際、反応性を有する原料ガスによって被処理基板表面で生起される表面反応は、極めて複雑なメカニズムを有することが知られている。すなわち、原料ガスの温度、流速、圧力、原料ガスに含まれる活性化学種の種類、反応系における残留ガス成分、および、被処理基板の温度など、多数のパラメータが、上記表面反応に寄与する。そのため、ＭＯＣＶＤ法でこれらのパラメータを制御して所望の薄膜を形成させることは極めて難しい。

ＭＯＣＶＤ法において好適な結晶成長を実現するためには、被処理基板を均一な面内温度分布で加熱する必要がある。高精度の加熱温度制御を目的とした気相成長装置を開示した先行文献として、特開２００８−１７１９３３号公報(特許文献１)および特開２００５−３０２９３９号公報(特許文献２)がある。

特許文献１に記載された半導体製造装置においては、被処理基板を保持する回転可能なサセプタと、サセプタに回転力を伝える回転軸とを備える。回転軸のサセプタに面する先端部には回転軸連結部が配置される。サセプタの回転軸に面する主面の中央部には、連結部材が配置される。回転軸を回転させることにより、連結部材の側面を回転軸連結部の側面が押圧してサセプタを回転させることが可能となるように、回転軸はサセプタの主面の中央部上に配置される。

特許文献２に記載された気相成長装置においては、サセプタの熱が熱伝導により反応炉外部へ逃げるのを防止する目的で断熱シャフトを設けている。サセプタ側の下部回転軸のフランジ部と断熱シャフトである上部回転軸のフランジ部とを対向させて連結している。

特開２００８−１７１９３３号公報特開２００５−３０２９３９号公報

ＭＯＣＶＤ法により処理する気相成長装置には、化合物半導体結晶の品質を向上しつつ製造コストを抑えるために、材料の歩留まりおよび処理能力を向上することが求められる。そのため、可能な限り多くの大口径の被処理基板を一括して高品質に処理可能なように、気相成長装置の大型化が図られている。

大型の気相成長装置においては、大口径の被処理基板を多く処理するために、被処理基板を載置するサセプタが大型となる。また、処理能力を向上するために、大型のサセプタの中心部から端部まで被処理基板が敷き詰められて処理される。そのため、サセプタの面内温度分布の均一化を図りつつ、大型のサセプタを安定して支持した状態で回転させなければならない。

サセプタに回転力を伝達する回転軸は、高温に曝されつつ回転力が繰り返し負荷される。そのため、回転軸の一部が劣化して破損することがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、サセプタの面内温度分布の均一化を図りつつ、回転軸の耐久性の低下を抑制できる気相成長装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく気相成長装置は、成膜室と、成膜室内に成膜用の原料ガスを供給するガス供給部と、成膜室内において被処理基板を加熱するヒータと、成膜室内において被処理基板が載置される回転可能なサセプタと、サセプタを支持し、サセプタに回転力を伝達する回転軸とを備える。回転軸は、この回転軸の軸方向に並んで一体に連結される複数の軸部材を含む。複数の軸部材の各々は、外径が拡径した継手部を有する。複数の軸部材のうちの互いに隣接する少なくとも１組の軸部材の継手部同士は、この軸部材の材料より熱伝導率の低い材料で形成された側面視平板状の環状部材を間に挟んで互いに連結されている。

本発明の一形態においては、環状部材が石英で形成されている。
本発明の一形態においては、複数の軸部材が、下端に継手部を有する上部軸部材、両端に継手部を有する中間軸部材、および、上端に継手部を有する下部軸部材からなる。上記１組の軸部材は、上部軸部材および中間軸部材である。

本発明の一形態においては、中間軸部材がモリブデンから形成されている。

本発明によれば、サセプタの面内温度分布の均一化を図りつつ、回転軸の耐久性の低下を抑制できる。

比較例のＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る気相成長装置および比較例の気相成長装置について説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。また、気相成長装置の一例として、縦型シャワーヘッド型のＭＯＣＶＤ装置について説明する。まず、比較例の気相成長装置について図を参照して説明する。

(比較例)
図１は、比較例のＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置１０は、内部が気密に保持される成膜室１を備える。成膜室１は、後述する原料ガスを排気するための排気口１ａを下部に有する。また、成膜室１の天井部は、後述するシャワーヘッド７で構成されている。成膜室１の側壁部とシャワーヘッド７とは、Ｏリング２を間に挟んで気密に連結されている。

ＭＯＣＶＤ装置１０は、成膜室１内において被処理基板３が載置される回転可能なサセプタ４、成膜室１内に成膜用の原料ガスを供給するガス供給部であるシャワーヘッド７、および、成膜室１内において被処理基板３を加熱するヒータ６を備える。また、ＭＯＣＶＤ装置１０は、サセプタ４を下方から支持し、サセプタ４に回転力を伝達する回転軸１５を備える。

シャワーヘッド７は、サセプタ４と対向している。シャワーヘッド７の上部は、原料ガスが導入される配管８の一端と接続されている。配管８の他端には、原料ガスを貯蔵した図示しないガスボンベおよびマスフローコントローラなどが接続されている。シャワーヘッド７の下面には、原料ガスを噴出するための複数の開口が設けられている。

ヒータ６は、サセプタ４の下方に位置している。本実施形態においては、ヒータ６の面内における複数エリアを個別に加熱可能なマルチゾーンヒータを用いている。ヒータ６の下方および側方には、ヒータ６の熱を反射するリフレクタ１１が設けられている。

回転軸１５は、回転軸１５の中心軸がサセプタ４の中心と重なるように、サセプタ４の下方に位置している。回転軸１５は、図示しない回転駆動部と連結され、軸中心に回転可能にされている。

回転軸１５は、回転軸１５の軸方向に並んで一体に連結される複数の軸部材を含む。複数の軸部材の各々は、外径が拡径した継手部を有する。比較例に係るＭＯＣＶＤ装置１０においては、複数の軸部材は、下端に継手部５１ａを有する上部軸部材５１、両端に継手部５２ａ，５２ｂを有する中間軸部材５２、および、上端に継手部５３ａを有する下部軸部材５３からなる。

上部軸部材５１および下部軸部材５３は、たとえば、耐熱鋼で形成されている。中間軸部材５２は、約１１００℃の温度のＮ₂、Ｈ₂およびＮＨ₃雰囲気下において耐性を有し、耐熱鋼より熱膨張係数および熱伝導率の低い石英で形成されている。

上部軸部材５１の継手部５１ａと中間軸部材５２の継手部５２ａとは、図示しないボルトおよびナットにより締結されている。中間軸部材５２の継手部５２ｂと下部軸部材５３の継手部５３ａとは、図示しないボルトおよびナットにより締結されている。その結果、上部軸部材５１、中間軸部材５２および下部軸部材５３が一体で連結されている。

回転軸１５は、ベアリングユニット９により回転可能に支持されている。ベアリングユニット９は、真空環境用の２つのベアリング９ａとベアリングホルダ９ｂとを含む。２つのベアリング９ａの各々の内径部に、下部軸部材５３が嵌通している。２つのベアリング９ａの各々の外径部とベアリングホルダ９ｂの内径部とが嵌合している。ベアリング９ａの耐熱温度は３５０℃である。

上部軸部材５１の上端部とサセプタ４の下部とが互いに連結されている。回転駆動部により回転軸１５が図中の矢印方向に回転させられることにより、サセプタ４が回転軸１５と一緒に回転する。

サセプタ４の側面と対向し、かつ、サセプタ４の下方を覆うように筒状部材１３が設けられている。筒状部材１３の外表面に沿って成膜室１内の原料ガスが排気口１ａから排気されるため、回転軸１５、ヒータ６およびリフレクタ１４などに原料ガスとの反応生成物であるパーティクルが付着することを抑制できる。

ＭＯＣＶＤ装置１０により被処理基板３に薄膜を形成する際には、原料ガスをシャワーヘッド７から成膜室１へ供給する。このとき、サセプタ４を介してヒータ６により被処理基板３を加熱する。ヒータ６の設定加熱温度は１３００℃程度とする。加熱された被処理基板３上で化学反応が起こることにより、被処理基板３上に薄膜が形成される。被処理基板３上を通過したガスは、排気口１ａから排気される。

比較例のＭＯＣＶＤ装置１０においては、回転軸１５の中間に位置する中間軸部材５２が熱伝導率の低い石英で形成されているため、回転軸１５を伝わる熱量を低減できる。また、回転軸１５が複数の軸部材で構成されていることにより、軸部材同士の間に伝熱抵抗が発生して、回転軸１５を伝わる熱量が低減される。

そのため、ベアリングホルダ９ｂの外表面の温度は、１７６℃程度以下に維持される。このように回転軸１５への熱拡散を低減することにより、サセプタ４の中心部における温度低下を抑制して、サセプタ４の面内温度分布の均一化を図れる。

しかし、比較例のＭＯＣＶＤ装置１０において回転軸１５の回転駆動を継続して行なうと、中間軸部材５２に破損が発生することがある。これは、中間軸部材５２を構成している石英が非常に脆い材料であり、回転駆動の衝撃により亀裂が発生して破損するためである。特に、継手部５２ａ，５２ｂの根元部に応力が集中して破損が発生する。このように、中間軸部材５２を石英などの断熱性の高い脆性材料で形成した場合、回転軸１５の耐久性が低下する。

そこで、本実施形態に係るＭＯＣＶＤ装置２０においては、サセプタ４の面内温度分布の均一化を図りつつ、回転軸の耐久性の低下を抑制するために、比較例のＭＯＣＶＤ装置１０とは異なる構成を有している。

以下、本発明の一実施形態に係る気相成長装置について図を参照して説明する。なお、本実施形態に係るＭＯＣＶＤ装置２０は、回転軸の構成のみ比較例のＭＯＣＶＤ装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(本実施形態)
図２は、本発明の一実施形態に係るＭＯＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。ＭＯＣＶＤ装置２０においては、複数の軸部材のうちの互いに隣接する少なくとも１組の軸部材の継手部同士が、この軸部材の材料より熱伝導率の低い材料で形成された側面視平板状の環状部材を間に挟んで互いに連結されている。

図２に示すように、本実施形態においては、回転軸２５を構成する複数の軸部材が、下端に継手部５１ａを有する上部軸部材５１、両端に継手部２２ａ，２２ｂを有する中間軸部材２２、および、上端に継手部５３ａを有する下部軸部材５３からなる。

上記１組の軸部材は、上部軸部材５１および中間軸部材２２である。すなわち、上部軸部材５１の継手部５１ａと中間軸部材２２の継手部２２ａとが、環状部材２１を間に挟んで、図示しないボルトおよびナットにより互いに締結されている。環状部材２１には、ボルトが挿通するための複数の開口が形成されている。その結果、上部軸部材５１、中間軸部材２２、下部軸部材５３および環状部材２１が一体で連結されて回転軸２５を構成している。

中間軸部材２２は、約１１００℃の温度のＮ₂、Ｈ₂およびＮＨ₃雰囲気下において耐性を有し、耐熱鋼より熱膨張係数が低く、石英より引張強度が高いモリブデンで形成されている。

環状部材２１は、約１１００℃の温度のＮ₂、Ｈ₂およびＮＨ₃雰囲気下において耐性を有し、耐熱鋼およびモリブデンより熱膨張係数および熱伝導率の低い石英で形成されている。

本実施形態のＭＯＣＶＤ装置２０においては、回転軸２５の中間に位置する環状部材２１が熱伝導率の低い石英で形成されているため、回転軸２５を伝わる熱量を低減できる。また、回転軸２５が複数の軸部材および環状部材２１で構成されていることにより、軸部材同士、および、軸部材と環状部材２１との間に伝熱抵抗が発生する。比較例の回転軸１５より回転軸２５における界面の数が多い分だけ、この伝熱抵抗は大きくなる。

ベアリングホルダ９ｂの外表面の温度は、２３２℃程度以下に維持される。比較例に比べてベアリングホルダ９ｂの外表面の温度が高いのは、環状部材２１を比較例の中間軸部材５２より薄く形成したためである。

このように回転軸２５への熱拡散を低減することにより、サセプタ４の中心部における温度低下を抑制して、サセプタ４の面内温度分布の均一化を図れる。

また、環状部材２１を側面視平板状に形成することにより、継手部のような応力集中部をなくしたことにより、石英で形成されている環状部材２１が回転駆動の衝撃により破損することを抑制できる。

さらに、本実施形態においては、中間軸部材２２をモリブデンで形成しているため、中間軸部材２２を石英で形成した場合に比較して、回転駆動の衝撃により中間軸部材２２が破損することを抑制できる。

このように、環状部材２１および中間軸部材２２を用いることにより、回転軸２５の耐久性の低下を抑制することができる。

なお、回転軸２５を構成する複数の軸部材、および、環状部材２１の材質は上記に限られず、同様の効果を得られるものであればよい。たとえば、上部軸部材５１および下部軸部材５３の両方をモリブデンで形成してもよい。

また、環状部材２１を中間軸部材２２の継手部２２ｂと下部軸部材５３の継手部５３ａとの間にさらに配置してもよい。

上記の構成により、ＭＯＣＶＤ装置２０は、サセプタの面内温度分布の均一化を図りつつ、回転軸の耐久性の低下を抑制できる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１成膜室、１ａ排気口、２Ｏリング、３被処理基板、４サセプタ、１５，２５回転軸、６ヒータ、７シャワーヘッド、８配管、９ベアリングユニット、９ａベアリング、９ｂベアリングホルダ、１０，２０ＭＯＣＶＤ装置、１１，１４リフレクタ、１３筒状部材、２１環状部材、２２，５２中間軸部材、２２ａ，２２ｂ，５１ａ，５２ａ，５２ｂ，５３ａ継手部、５１上部軸部材、５３下部軸部材。

Claims

成膜室と、
前記成膜室内に成膜用の原料ガスを供給するガス供給部と、
前記成膜室内において被処理基板を加熱するヒータと、
前記成膜室内において被処理基板が載置される回転可能なサセプタと、
前記サセプタを支持し、前記サセプタに回転力を伝達する回転軸と
を備え、
前記回転軸は、該回転軸の軸方向に並んで一体に連結される複数の軸部材を含み、
前記複数の軸部材の各々は、外径が拡径した継手部を有し、
前記複数の軸部材のうちの互いに隣接する少なくとも１組の軸部材の前記継手部同士は、該軸部材の材料より熱伝導率の低い材料で形成された側面視平板状の環状部材を間に挟んで互いに連結されている、気相成長装置。
前記環状部材が石英で形成されている、請求項１に記載の気相成長装置。
前記複数の軸部材が、下端に前記継手部を有する上部軸部材、両端に前記継手部を有する中間軸部材、および、上端に前記継手部を有する下部軸部材からなり、
前記１組の軸部材は、前記上部軸部材および前記中間軸部材である、請求項１または２に記載の気相成長装置。
前記中間軸部材がモリブデンから形成されている、請求項３に記載の気相成長装置。