JP2015059242A - 気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置であって、大きな基板を複数枚用いた気相成長においても、広い面積を有するヒータを熱膨張による破損をさせることなく安定して支持することが可能な気相成長装置を提供する。【解決手段】 前述のような気相成長装置において、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板を設置し、前記反射板の穴及びヒータの線形パターンの間隙を貫通するヒータ支持部材を、反射板及びヒータに固定せずに設けて、ヒータを水平方向に可動な状態で反射板から吊り下げて支持する構成とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳細には、４インチ基板、６インチ基板等大きな基板を複数枚用いた気相成長において、大型のヒータを安定して支持するための構成を備えた気相成長装置に関する。

結晶膜を基板上に成長する方法には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等があり、基板加熱を伴うＣＶＤ法は熱ＣＶＤ法等として知られている。近年、高温条件（例えば１０００℃以上）で基板を加熱して行なう気相成長が増加しており、青色若しくは紫外ＬＥＤまたは青色若しくは紫外レーザーダイオードを製作するためのIII族窒化物半導体の気相成長もその一つである。
例えば、III族窒化物半導体結晶膜の成長は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、またはトリメチルアルミニウム等の有機金属ガスをIII族金属源として、アンモニアを窒素源として用い、１０００℃以上の高温に加熱されたシリコン（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）または窒化ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に結晶膜を気相成長する熱ＣＶＤ法により行なわれることがある。

気相成長装置には、基板の結晶成長面を上向きに配置するもの（フェイスアップ型）、基板の結晶成長面を下向きに配置するもの（フェイスダウン型）がある。また、１バッチあたり１枚の基板上に結晶膜を成長させる気相成長装置があるが、生産性を向上するために１バッチあたり複数枚の基板上に結晶膜を成長させる気相成長装置も知られている。
これらの気相成長装置においては、基板を自転させることにより、基板面内で均一な膜厚及び膜質の結晶膜を成長させることができる。また、基板を自公転させることにより、同一基板面内だけでなく各基板間においても均一な膜厚及び膜質を得ることができる。

前記のような気相成長装置には、基板を均一に加熱するためのヒータが設けられており、例えば特許文献１に示すような所定の線形パターンに形成されたヒータが開示されている。また、特許文献２〜４に示すように、サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側からヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置が知られている。
特開平９−２８９０７４号公報 特開２０１０−２３２６２４号公報 特開２０１１−１５５０４６号公報 特開２０１３−３０６３２号公報

III族窒化物半導体結晶膜の成長には、基板（基板ホルダー）を１０００℃以上の高温に加熱する必要があるため、グラファイトを発熱体として用い、耐腐食性が優れたホウ化窒素で被覆したヒータ（特許文献１）が好適に使用できる。
しかし、４インチ基板、６インチ基板等大きな基板を複数枚同時に気相成長するような大型の気相成長装置（特許文献４）においては、広い面積のヒータが必要となる。この点について、多数のヒータを用いることも考えられるが、均一な膜質、膜厚を得るために、精度の高い基板の温度コントロールが必要であり、ヒータの個数は少ない方が好ましく、必然的にヒータ１個当たりの大きさ（面積）は大きくなる。

広い面積を有するヒータを、フェイスダウン型の気相成長装置に用いる際には、１０００℃以上の高温下、ヒータの重力による垂れ下りや熱膨張によりヒータが変形する可能性がある。このような場合、基板の均一な温度コントロールが困難になり、均一な膜質、膜厚の半導体結晶膜が得られ難くなる虞、あるいはヒータが破損する虞がある。
従って、本発明が解決しようとする課題は、大きな基板を複数枚用いた気相成長においても、広い面積を有するヒータを破損させることなく安定して支持することが可能な気相成長装置を提供することである。

本発明の発明者らは、このような課題を解決すべく鋭意検討した結果、前述のような気相成長装置において、ヒータの上面側に穴加工が施された熱を反射するための反射板を設置し、前記反射板の穴及びヒータの線形パターンの間隙を貫通するヒータ支持部材を特定の状態で設けて、ヒータを反射板から吊り下げて支持する構成とすることにより、ヒータを破損させることなく安定して支持できることを見出し、本発明の気相成長装置に到達した。

すなわち本発明は、サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置であって、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板を設置し、前記反射板の穴及びヒータの線形パターンの間隙を貫通する１本の脚部を有するヒータ支持部材を、反射板及びヒータに固定せずに設けて、ヒータを水平方向に可動な状態で反射板から吊り下げて支持する構成を備えてなることを特徴とする気相成長装置である。

また、本発明は、サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置であって、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板を設置し、前記反射板の穴及びヒータの線形パターンの間隙を貫通する複数本の脚部を有するヒータ支持部材を、反射板及びヒータに固定せず複数本の脚部がヒータの線形パターンを跨ぐように設けて、ヒータを水平方向に可動な状態で反射板から吊り下げて支持する構成を備えてなることを特徴とする気相成長装置である。

本発明の気相成長装置においては、複数個のヒータ支持部材により、ヒータの上面に設置された反射板からヒータを吊り下げて支持することができるので、大きな基板を複数枚用いた気相成長装置であっても、１０００℃以上の高温下、ヒータの重力による垂れ下り等を防止することができる。また、基板の温度コントロールを高精度で行なうことが可能となり、均一な膜質、膜厚の半導体結晶膜が得られる。また、これらのヒータ支持部材は、ヒータを水平方向に可動な状態で支持するので、熱膨張によるヒータの破損を防止することもできる。

本発明は、サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置に適用される。以下、本発明を、図１〜図１１に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されることはない。
尚、図１、図２は、本発明の気相成長装置の一例を示す垂直面の構成図である。図３〜図５は、ヒータ支持部材の例を示す垂直面の構成図である。図６、図７は、ヒータの線形パターンの例を示す水平面の構成図である。図８〜図１１は、ヒータ支持部材の線形パターン上の位置の一例を示す平面図である。

本発明の気相成長装置は、図１、図2に示すように、サセプタ１によって回転自在に保持された複数の基板２を、基板２の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータ５により加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置である。
そして、本発明の第１の形態の気相成長装置は、図１、図３に示すように、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板６を設置し、前記反射板６の穴７及びヒータ５の線形パターンの間隙８を貫通する１本の脚部１０ｂを有するヒータ支持部材１０を、反射板６及びヒータ５に固定せずに設けて、ヒータ５を水平方向に可動な状態で反射板６から吊り下げて支持する構成を備えてなる気相成長装置である。

また、本発明の第２の形態の気相成長装置は、図２、図４に示すように、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板６を設置し、前記反射板６の穴７及びヒータ５の線形パターンの間隙８を貫通する複数本の脚部１０ｂを有するヒータ支持部材１０を、反射板６及びヒータ５に固定せず複数本の脚部１０ｂがヒータ５の線形パターンを跨ぐように設けて、ヒータ５を水平方向に可動な状態で反射板６から吊り下げて支持する構成を備えてなる気相成長装置である。
本発明の気相成長装置は、第１の形態、第２の形態であっても、図５に示すように、さらに、ヒータ５の線形パターンの端部９に設けられた給電機能を有する支持部材１０’により、ヒータ５を支持する構成とすることができる。

本発明の気相成長装置に使用できるヒータ５は、通電により発熱する発熱線（発熱帯）を有し、後述する支持部材により吊り下げて支持できる線形パターンを形成するものであれば特に制限されることはない。このようなヒータは、通常は、外形が円形、楕円形であるか、または、半円形、扇形、環状形、またはこれらに類似する形状のものが複数個結合して、外形が円形、楕円形のものを形成する。また、通常は発熱線（発熱帯）が蛇行状に形成されており、折り返し部を有している。このようなヒータとしては、図６、図７に示すように、線形パターンが間隙８をもって蛇行状に形成され、図５に示すように、電極１９に接続する端部９を有するヒータを例示することができる。

本発明の気相成長装置に使用される反射板６は、熱を反射して断熱する効果を有するものであり、通常はセラミックス板等が用いられる。また、反射板の厚みは通常は１〜１０ｍｍ程度である。支持部材を挿入するために反射板に施される穴の数は、ヒータの大きさ等によって適宜決められるが、通常は５〜１００個／ｍ^２である。また穴の大きさ及び形状は、径が２〜２０ｍｍ程度の円形、楕円形、一辺が２〜２０ｍｍ程度の正方形または長方形、あるいはこれらと同程度の大きさを有する前記以外の形状のものである。しかし、これらの中でも、楕円形の長穴、長方形の長穴、または角に丸みを設けた長方形の長穴を、長辺が半径方向に向くように反射板の中心から放射状に設けることが好ましい。

本発明の気相成長装置に使用できる支持部材１０は、図３、図４に示すように、通常は頭部１０a、脚部１０ｂ、支持部１０ｃからなり、第１の形態においては、図３に示すように、Ｉ字の形状、τ字の形状、Ｌの形状、またはＴ字の形状を例示することができ、第２の形態においては、図４に示すように、π字の形状を例示することができる。第１の形態においては、頭部１０aは、通常は薄厚の円柱、角柱、板状等であり、少なくとも反射板６の穴７より大きな径または寸法を有する必要があるが、安定してヒータ５を可動の状態で支持するために、穴７の２倍以上の径または寸法を有することが好ましい。第２の形態においては、頭部１０aはこのような制限がない。支持部１０ｃは、通常は薄厚の円柱、角柱、板状等であるが、いずれの形態においても、前記と同様にヒータ５の線形パターンの間隙８より大きな径または寸法を有する必要があり、さらにこれらの２倍以上の径または寸法を有することが好ましい。

尚、支持部材１０を構成するこれらの部材は、効率よく取付け取外しができるように、ボルトの形状、ねじの形状を含むものとすることができる。本発明は、このような形状の支持部材１０により、ヒータ５を反射板６から吊り下げて支持し、ヒータと基板の距離を一定に保持するものである。反射板６とヒータ５の距離は、特に制限されることはないが、通常は５〜５０ｍｍである。ヒータ支持部材１０、１０’の材質としては、電気絶縁性及び耐熱性に優れたものであれば使用することが可能であり、例えば、窒化ホウ素、窒化ケイ素等のセラミック、あるいはカーボン系材料をセラミック材料でコーティングしたもの（ＳｉＣコートカーボン等）を例示することができる。

本発明における支持部材１０は、反射板６及びヒータ５に固定せずに設けて、ヒータ５の熱膨張に応じてヒータ５が水平方向に動けるように用いられる。その際、ヒータ５の線形パターンの間隙８は、効率よく基板を加熱するために小さいことが好ましく、常温時及び気相成長の加熱時における反射板の穴７の径をヒータの線形パターンの間隙８より大きくして、ヒータ５の水平方向への可動を充分な状態とすることが好ましい。このような構成であるので、ヒータ５が反射板６と異なる熱膨張を起こしても、ヒータを破損させることなく安定して支持できる。常温時における反射板６とヒータ５の相対的可動距離は、通常は０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上である。

本発明において、ヒータ支持部材１０の設置位置は、脚部がヒータの線形パターンの間隙を貫通するのであれば特に制限されることはないが、給電機能を有するヒータ支持部材１０’と併せて、通常は図８〜図１１に示すように等間隔に設置される。尚、図８、図９は、第１の形態におけるヒータ支持部材の例、図１０、図１１は、第２の形態における２本の脚部を有するヒータ支持部材の例を示すものである。第２の形態においては、ヒータ支持部材の脚部を、例えば３本、４本、または５本等とすることもできる。

次に、本発明の気相成長装置の前記以外の主要部について説明する。本発明の気相成長装置は、前述のヒータ支持部材等以外については、従来から用いられているものを使用することができる。そのような気相成長装置としては、例えば、図１、図２（前述のヒータ支持部材等を除く）に示すような気相成長装置を挙げることができる。このような気相成長装置において、結晶膜を生成するための気相成長が行なわれる。反応炉１２は、通常はサセプタ１とセプタの対面１１から形成され、気相成長反応は反応炉１２において行なわれる。図１の気相成長装置は、反応炉の中央部から原料ガスを供給し、周辺部から外部に排出する構成であるが、本発明は、このような気相成長装置に限定されることはなく、例えば反応炉の一端から原料ガスを供給し、反応後のガスを他の一端から外部に排出する気相成長装置に適用することもできる。

反応容器２７の内部には、結晶膜を気相成長させるための基板２、基板２を保持する基板ホルダー３、複数の基板ホルダー３に回転駆動力を伝達する基板ホルダー回転板２０、均熱板４を介して基板２を加熱するヒータ５、複数の基板ホルダー３及び基板ホルダー回転板２０をベアリングボール２４により回転自在に保持する円盤状のサセプタ１、ベアリングボール２５によりサセプタ１を回転自在に保持するリング状の基台２６が備えられており、これらの部材は外形が円盤状の反応容器２７の中に収められて密閉されている。

サセプタ１により回転自在に保持された基板ホルダー３は、基板ホルダー回転駆動器１６からの回転駆動力を受けて回転する。すなわち、基板ホルダー回転駆動器１６からの回転駆動力は、まず、磁性流体シール等の手段により反応容器２７に対して回転自在に封止された基板ホルダー回転駆動軸１７に伝達される。基板ホルダー回転駆動軸１７は、基板ホルダー回転駆動軸１７を上下動できるように、蛇腹等を介して反応容器２７に設置されている。基板ホルダー回転駆動軸１７のツメ１８が基板ホルダー回転板２０の差込口に差し込まれることによって、サセプタ１により回転自在に保持された基板ホルダー回転板２０に回転駆動力が伝達される。そして、基板ホルダー回転板２０の外周に設けられた歯車と各基板ホルダー３の外周に設けられた歯車が噛み合わさることにより、各基板ホルダー３に回転駆動力が伝達され、各基板２は自転する。

また、基板２は自転に加えて公転によって回転する。基台２６により回転自在に保持されたサセプタ１は、サセプタ回転駆動器２１からの回転駆動力を受けて回転する。すなわち、サセプタ回転駆動器２１からの回転駆動力が、磁性流体シール等の手段により反応容器２７の密封性を損なわないように回転自在にシールされたサセプタ回転駆動軸２２を介して、サセプタ回転駆動軸２２のサセプタ側先端に固定されたサセプタ回転板２３に伝達される。そして、サセプタ１の外周、及びサセプタ回転板２３の外周には歯車が設けられており、これらが噛み合わさることによりサセプタ回転駆動器２１からの回転駆動力はサセプタ１に伝達されて、各基板２は公転する。

また、反応炉１２の中心部には原料ガス配管１５が設けられ、原料ガスは原料ガス導入部１３から放射状に吹き出し、基板２の結晶成長面に対して水平に供給される。気相成長反応は、反応炉１２において、ヒータ５により均熱板４を介して基板２を加熱しながら、原料ガス導入部１３から原料ガスを供給することにより行なわれ、基板２の結晶成長面には結晶膜が形成される。気相成長反応に用いられた原料ガスは、一部が反応に使用された後、反応ガス排出部１４から排出される。

気相成長中、基板２は、基板ホルダー３及びサセプタ１の回転により常時自転及び公転することが好ましい。基板ホルダー３及びサセプタ１の回転方向及び回転速度は、それぞれ、基板ホルダー回転駆動器１６及びサセプタ回転駆動器２１の回転方向及び回転速度を変化させることにより、任意に設定することができる。各基板間において均一な膜厚及び膜質を得るために、各基板ホルダー３は、原料ガス導入部１３を中心とする同一円周上に配置され、原料ガス導入部１３からの距離を等しくすることが好ましい。

次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれにより限定されるものではない。

［実施例１］
（気相成長装置の製作）
図１に示すような気相成長装置を以下のように製作した。
ステンレス製の反応容器の内部に、サセプタ（ＳｉＣコートカーボン製）、冷媒を流通する構成を備えたサセプタの対面（ＳｉＣコートカーボン製）、ヒータ、反射板、原料ガスの導入部（カーボン製）、反応ガス排出部等を設けた。また、基板ホルダー回転板（ＳｉＣコートカーボン製、直径２５５ｍｍ、厚さ８．５ｍｍ）を、ベアリングボールを介して、１個の中央部の穴と６個の周辺部の穴を有するサセプタ(直径８０ｃｍ、厚さ８〜１５ｍｍ（表面に凹凸あり）)上の基台により回転自在となるように設置した。また、６インチサイズのサファイアからなる基板を保持した基板ホルダー６個を、ベアリングボールを介してサセプタにセットするとともに、各回転駆動器からの回転駆動力が基板ホルダー及びサセプタに伝達されるように設定した。

図６に示すように別々に温度コントロール可能な円環状からなるヒータを、図３（１）に示すようにＩ字の形状のヒータ支持部材により反射板（直径７７．７ｃｍ、厚さ５ｍｍ、窒化ホウ素（ＢＮ）製）から吊り下げて支持し、さらにヒータの線形パターンの端部において給電機能を有するヒータ支持部材により反射板から吊り下げて支持した。尚、ヒータの外径は７３．７ｃｍ、内径は２４．５ｃｍ、ヒータの線形パターンの間隙は７ｍｍ、反射板の穴は楕円形（長径１４ｍｍ、短径１０ｍｍ）、ヒータと反射板の距離は５ｍｍ、ヒータ支持部材の設置は図８に示す位置で行なった。

（ヒータの昇降温試験）
このような気相成長装置を用いて、ヒータを１時間１１００℃に昇温する操作と、室温まで冷却する操作を５回繰り返して行なった後、各部品の状態を確認した。その結果、ヒータ、反射板、ヒータ支持部材等の破損がないことが確認できた。

［実施例２］
実施例１における気相成長装置の製作において、ヒータを図７に示すような線形パターンのものに替え、ヒータ支持部材の設置を図９に示す位置に替えほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。このヒータの外径及び内径、ヒータの線形パターンの間隙、ヒータと反射板の距離は、実施例１と同様であった。
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様なヒータの昇降温試験を行なった。その結果、ヒータ、反射板、ヒータ支持部材等の破損がないことが確認できた。

［実施例３］
実施例１における気相成長装置の製作において、ヒータ支持部材を図４に示すような形状のものに替え、ヒータ支持部材の設置を図１０に示す位置に替えたほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。このヒータの外径及び内径、ヒータの線形パターンの間隙、ヒータと反射板の距離は、実施例１と同様であった。
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様なヒータの昇降温試験を行なった。その結果、ヒータ、反射板、ヒータ支持部材等の破損がないことが確認できた。

［実施例４］
実施例１における気相成長装置の製作において、ヒータを図７に示すような線形パターンのものに替え、ヒータ支持部材を図４に示すような形状のものに替え、さらにヒータ支持部材の設置を図１１に示す位置に替えたほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。このヒータの外径及び内径、ヒータの線形パターンの間隙、ヒータと反射板の距離は、実施例１と同様であった。
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様なヒータの昇降温試験を行なった。その結果、ヒータ、反射板、ヒータ支持部材等の破損がないことが確認できた。

以上の実施例のように、本発明の気相成長装置は、ヒータの大きさに関係なく、ヒータ支持部材によりヒータを水平方向に可動な状態で支持するので、熱膨張によるヒータの破損を防止することができる。

本発明の気相成長装置は、例えば、青色、紫外の発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の製造に用いられるIII族窒化物半導体の気相成長装置として好適である。

本発明の気相成長装置の一例を示す垂直面の構成図 本発明の図１以外の気相成長装置の一例を示す垂直面の構成図 ヒータ支持部材の例を示す垂直面の構成図 図３以外のヒータ支持部材の例を示す垂直面の構成図 図３、図４以外のヒータ支持部材の例を示す垂直面の構成図 ヒータの線形パターンの一例を示す水平面の構成図 図６以外のヒータの線形パターンの一例を示す水平面の構成図 ヒータ支持部材の線形パターン上の位置の一例を示す平面図 ヒータ支持部材の図８以外の線形パターン上の位置の一例を示す平面図 ヒータ支持部材の図８、図９以外の線形パターン上の位置の一例を示す平面図 ヒータ支持部材の図８〜図１０以外の線形パターン上の位置の一例を示す平面図

１ サセプタ
２ 基板
３ 基板ホルダー
４ 均熱板
５ ヒータ
６ 反射板
７ 反射板の穴
８ ヒータの線形パターンの間隙
９ ヒータの線形パターンの端部
１０，１０’ヒータ支持部材
１１ サセプタの対面
１２ 反応炉
１３ 原料ガス導入部
１４ 反応ガス排出部
１５ 原料ガス配管
１６ 基板ホルダー回転駆動器
１７ 基板ホルダー回転駆動軸
１８ ツメ
１９ 電極
２０ 基板ホルダー回転板
２１ サセプタ回転駆動器
２２ サセプタ回転駆動軸
２３ サセプタ回転板
２４ ベアリングボール
２５ ベアリングボール
２６ 基台
２７ 反応容器
２８ 冷媒を流通する流路

Claims (6)

1. サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置であって、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板を設置し、前記反射板の穴及びヒータの線形パターンの間隙を貫通する１本の脚部を有するヒータ支持部材を、反射板及びヒータに固定せずに設けて、ヒータを水平方向に可動な状態で反射板から吊り下げて支持する構成を備えてなることを特徴とする気相成長装置。
2. サセプタによって回転自在に保持された複数の基板を、基板の裏側から所定の線形パターンで形成されたヒータにより加熱する構造を有するフェイスダウン型の気相成長装置であって、ヒータの上面側に穴加工が施された反射板を設置し、前記反射板の穴及びヒータの線形パターンの間隙を貫通する複数本の脚部を有するヒータ支持部材を、反射板及びヒータに固定せず複数本の脚部がヒータの線形パターンを跨ぐように設けて、ヒータを水平方向に可動な状態で反射板から吊り下げて支持する構成を備えてなることを特徴とする気相成長装置。
3. さらに、ヒータの線形パターンの端部に設けられた給電機能を有する支持部材により、ヒータを支持する構成を備えてなる請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。
4. ヒータ支持部材が、Ｉ字の形状、τ字の形状、Ｌの形状、またはＴ字の形状を有するものである請求項１に記載の気相成長装置。
5. ヒータ支持部材が、π字の形状を有するものである請求項２に記載の気相成長装置。
6. 常温時及び気相成長の加熱時において、反射板の穴の径がヒータの線形パターンの間隙より大きい請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。

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