JP2605810B2 - 気相成長装置の回転シヤフト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ア） 技術分野 この発明は、気相成長装置の回転シヤフトに関する。

気相成長装置はチヤンバの中に置かれ、適当な温度に
加熱された結晶基板の上に原料ガスを流し気相反応を起
こさせる事により、基板上に薄膜を成長させるものであ
る。

縦型のものと、横型のものがある。これは原料ガスの
流れによる分類である。

縦型のものであつて、複数の基板の上へ同時に薄膜成
長を行わせるものがある。これはサセプタという円筒形
の基板支持具を用いる。

サセプタは例えば多角形であつて、各面に基板がほぼ
鉛直に固定される。

サセプタは回転シヤフトによつて支持され、回転シヤ
フトの中心のまわりに、水平回転する。

（イ） 従来技術 サセプタの内部にヒータを設ける。これは、基板を結
晶化のおこる温度にまで加熱しておかなければならない
からである。

また、サセプタは回転しなければならない。これは、
複数の基板の間では勿論のこと、１枚の基板上でも膜成
長が均一に行われなければならないからである。

サセプタは熱に耐えなければならないのでカーボンで
作る。

サセプタを支持する回転シヤフトは、耐熱性がなけれ
ばならない。それだけではなく、機械的な強度もなくて
はならない。これは、軸受によつて回転可能に支持さ
れ、かつ歯車によつて回転力を受けなければならないか
らである。

耐熱性のある材料というと、Ta、Ｗ、Mo、Ｃなどがあ
る。

これらの材料を使つて、回転シヤフトを一本の部材で
作る事ができる。しかし、Ta、Ｗ、Moなど耐熱性のある
金属は、高価である。また加工性もよくない。重い。

より安価に作ろうとすればカーボンを使うのがよい。
カーボンは柔かくて加工しやすい。しかし脆い材料であ
るので機械的に弱い。

このため、カーボンの棒材１本で、回転シヤフトを作
る事ができない。

そこで、本発明者等は、回転シヤフトを上下２軸に分
け、高熱のかかる上シヤフトはカーボンとし、機械的強
度の要求される下シヤフトはステレスなどの金属にす
る、という構造を思いついた。

このような上下２軸構造であれば、両方の要求を満た
す事ができる。

ところが、このように上下２軸構造にしても、サセプ
タの温度が高く、大量の熱が回転シヤフトに伝わるの
で、いくつかの問題が生ずる。

シヤフト自体は問題がなくても、周辺の機構について
は解決しなければならないことがある。

（ウ） 発明が解決しようとする問題点 サセプタの加熱温度は900℃以上になる事がある。基
板がGaAsの場合は900℃かそれ以上に加熱する必要があ
る。Siの場合は、もつと高温にしなければならない事が
ある。

サセプタの温度が高いので、大量の熱がカーボンの上
軸に流れ込む。この熱は、軸継ぎ手を通して、下軸であ
るステンレスシヤフトに伝わる。

かなり温度が高いので、ステンレスシヤフトに付けら
れている歯車、軸受が加熱される。

（１） 歯車や軸受は金属でできている。これがあまり
耐熱性のない材料である。このため、歯車、軸受の寿命
が短くなる。熱により劣化するので、頻繁に補修しなけ
ればならない。

（２） また、歯車、軸受、回転機構部ハウジングなど
の金属部品が強く加熱されるので、表面に吸着したガス
を放出する。これは、チヤンバ内を汚染する原因にもな
る。

（３） ステンレスシヤフトが高温になると、著しく熱
膨張する。すると、軸受の内輪がステンレスシヤフトに
より押し拡げられる。ところが、軸受の外輪はそれほど
加熱されない。回転機構部ハウジングによつて固定さ
れ、熱が逃げやすいからである。

すると、軸受の内輪が外側へ向つて大きく拡がる。外
輪は拡がらない。すると、ボールを入れた軸受の中間の
空間が狭くなる。そうすると、軸受の回転が重くなる。
甚しい場合、シヤフトが軸受の抵抗のために回わらなく
なつてしまうのである。

これらの欠点は、下軸に大量の熱が伝達される事によ
つて生ずる。

（エ） 目的 気相成長装置の、サセプタを支持するための回転シヤ
フトが、上下２分割軸構造であつて、下軸への熱伝達を
大幅に減少させる事のできる構造を提供することが本発
明の目的である。

（オ） 構成 本発明の構造は、継ぎ手に於ける熱伝導を最小にする
ため、ステンレスシヤフトとカーボンシヤフトの接触面
積をできるだけ狭くしたものである。

ステンレスシヤフトの端面は、円板状のフランジとせ
ず、放射状にのびる複数の分岐を設ける。この分岐は、
ボルトで、カーボンシヤフトフランジにステンレスシヤ
フト端面を固定するためのものである。

さらに、ボルトで固定する部分以外は凹部として、カ
ーボンシヤフト端面と接触しないようにしてある。

接触面積が狭いので、熱伝導が少なくなり、下シヤフ
トの加熱が緩和される。

図面によつて説明する。

第１図は本発明の回転シヤフトを備えた気相成長装置
の概略全体断面図である。これは、CVD装置（Chemical
Vapor Deposition）と略称される事もある。

縦長で円筒形のチヤンバ１は真空容器である。チヤン
バ１の上方は半球状になつている。

チヤンバ１の内部には、サセプタ２が設けられる。こ
れは多角形状の筒体であり、外側面に基板３が複数枚と
りつけられる。

サセプタ２の上方の半球体は、ガス流れを整流するた
めのものである。このサセプタ２はバレル型サセプタと
いう事もある。

サセプタ２は、回転可能である。

サセプタ２は角筒形の側板と、これらの上端につなが
る上板とよりなり、通常カーボンを主体として作られ
る。セサプタ２の上板の中央に回転シヤフトの上端が固
着される。

本発明に於ては、回転シヤフトが上下の２本のシヤフ
トに分かれている。上シヤフト４と、下シヤフト10であ
る。

上シヤフト４はカーボンで作る。直接に高熱が伝わる
部分であるからである。下シヤフト10は、耐熱性は劣る
が、加工性、機械的強度、耐薬品性に優れたステンレス
などの金属を用いる。

上下シヤフトを結合する軸継ぎ手11の部分の改良が、
本発明の眼目である。

サセプタ２の内部には、円筒形で、電流路が上下に蛇
行するように設けられたカーボン抵抗加熱ヒータ５が設
けられる。

カーボンヒータ５は、外部から電流導入端子６によ
り、直流電流が供給される。

チヤンバ１の上頂部には、原料ガス導入管15が設けら
れる。原料ガスは、基板の上に成長させるべき薄膜の構
成元素を含むガスである。例えば、GaAs薄膜を成長させ
る場合、トリエチルガリウム、トリメチルガリウムなど
有機金属ガスと、アルシンとが原料ガスであり、水素ガ
スをキヤリヤガスとしてチヤンバ１内に吹きこまれる。

チヤンバ１の下側方には、ガス排気管16がある。

チヤンバ１の上半には、冷却水ジヤケツト17が設けら
れる。

さて、下シヤフト10は、真空軸受21、22などによつて
回転可能に支持される。これらの軸受は、その外輪が回
転機構ハウジング７によつて支持される。

下シヤフト10にはカサ歯車９が固着される。これは回
転力を導入するためのものであ。チヤンバ１の外にモー
タ13（減速機を含む）が設けられる。

モータの回転力が、チヤンバ１壁面の回転フイードス
ルー12により、チヤンバ内の横軸18に伝わる。横軸18の
回転力がカサ歯車９によつて、下シヤフト10を回転させ
る。

既に述べたように、下シヤフト10があまりに加熱され
ると、歯車、軸受を痛めるし、軸受部のクリヤランスが
なくなり回転不能になる。

本発明は、軸継ぎ手11での上下シヤフトの結合が、熱
をできるだけ伝えないような構造にしたものである。こ
のため、接触面積を狭くしてある。

第２図は軸継ぎ手の部分縦断面図、第３図はそれと45
゜の角度をなす縦断面図である。

第４図は下シヤフト10の上端面を示す平面図、第５図
は下シヤフト10の上端近傍の斜視図である。

上シヤフト４の下端は、円板状の通常のフランジ19に
なつている。カーボンは柔い材料であるので複雑な形状
に加工すると強度が著しく低下する事がある。このた
め、単純な形状であるのが望ましい。

しかし、金属である下シヤフト10は、強さ、加工性と
もによいので、複雑な形状に加工できる。

そこで、下シヤフト10の上端は、ありふれた円形のフ
ランジにしない。

フランジのかわりに、下シヤフト10の上端には、複数
の放射状に伸びた取付分岐８を形成する。

取付分岐８の数として、４本のものを例示している。
しかし、４本に限らず、２本、３本、５〜８本であつて
もよい。

取付分岐８は、ボルト14によつて、上シヤフトフラン
ジ19の固着するための部分である。

このため、取付分岐８には、螺穴26が穿孔されてい
る。

上シヤフト４の端面との接触を避けるため、下シヤフ
ト10の上端面の中央部は広くえぐられた凹部23となつて
いる。

凹部23の中央に穴25がさらに穿たれる。

上シヤフト４の下端面中央に、短い突起24が形成され
る。

突起24が、穴25に差込まれる。こうすることにより、
下シヤフト10、上シヤフト４の中心が合致するようにな
つている。

ボルト14が、上シヤフトフランジ19の上面から穴に差
込まれ、下シヤフトの取付分岐８の螺穴26に螺込まれ
る。これにより、上シヤフト４が下シヤフト10の上に固
着される。

（カ） 作用 ボルト14によつて、上下シヤフトが締結されている。
そこで下シヤフトがモータ13によつて回転すると、上シ
ヤフトも一体となつて回転する。

ヒータ５の熱により、サセプタ２が高温になる。この
熱は、上シヤフト４に伝わり、さらに下シヤフト10に伝
わる。

しかし、下シヤフト10と、上シヤフト４の下端面との
接触面27は、極めて狭い。下シヤフト10の上端面の大部
分が凹部23となつており、これが非接触だからである。

熱の伝達は、熱伝導、輻射、対流の３作用による。

これは、0.1Torr〜10Torrの真空中であるので、対流
は殆ど問題にならない。

最も有力なものは、熱伝導である。これは接触面を通
じてなされる熱の伝達の態様である。本発明では、接触
面27が極めて狭い。このため熱伝導が著しく少ない。

第２図〜第５図の例では、それでもなお、接触面27が
ある程度の拡がりをもつ。

そこで、第６図のように、ボルト14のまわりの極く狭
い部分のみを残して、下シヤフト10の上端面をさらにえ
ぐるようにすると、より一層効果的である。つまり、一
層、熱伝導を抑制できる。

熱伝導は接触面積に比例するので、どの程度減少した
のかを評価するのは簡単である。

ただし、上シヤフト４はやわらかく、脆い材質である
から、あまりに接触面を狭くすると、単位面積あたりの
荷重が増えて、上シヤフトが破損する惧れがある。

このため、接触面の削減には限界がある。

熱輻射も減少する。熱輻射によつて、熱が伝わるとい
う場合、熱を受ける方からいうと、熱源に対する立体角
に比例する。

この場合、上シヤフトフランジ19の下端面が熱源とみ
なされる。

この熱源からの熱は、下シヤフトの接触面27も、非接
触面である凹部23も等しく受けとる。

しかし、取付分岐８、８の間は空間になつている。こ
の空間に輻射される熱は下シヤフトの熱にならない。

もしも、下シヤフト上端面も広いフランジになつてい
れば、これが受取る輻射熱はかなり大きい。ところが、
本発明では、広いフランジにせず、放射状の取付分岐を
複数個設けているだけである。

つまり、本発明の場合、上シヤフトフランジ底面を熱
源とみなし、熱源からみた下シヤフト端面の立体角が狭
くなつている。このため輻射も減少するわけである。

本発明は、基板１枚ずつ、或は多数枚同時に薄膜を成
長させるものの何れにも適用できる。また、バレル型サ
セプタに限らずパンケーキ型サセプタの場合にも適用で
きる。

要は、サセプタを回転させるもので、このサセプタに
支持した基板をチヤンバの内部或は外部に設けた加熱手
段により加熱させるものには何にでも適用できる。

（キ） 効果 気相成長装置のサセプタ回転シヤフトを、カーボン製
の上シヤフトと、金属製の下シヤフトに分け、上下シヤ
フトを軸継ぎ手によつて結合している。軸継ぎ手に於
て、上シヤフトから下シヤフトへ向う熱伝導、熱輻射が
著しく削減される。

下シヤフトの温度が過度に高くならない。

下シヤフトに取付けられた軸受や歯車の劣化が遅くな
る。このため頻繁に点検、取替えをしなくてもよいよう
になる。

下シヤフトが加熱される事により、軸受の内輪が過度
に膨張して、回転しにくくなる、という事がない。

下シヤフトの加熱が抑制されるので、下シヤフト表
面、歯車、軸受、ハウジング表面に吸着されたガスの放
出が減少し、チヤンバ内を汚染する可能性が少なくな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転シヤフトを備えた気相成長装置の
全体縦断面図。 第２図は軸継ぎ手の部分のボルトを含む縦断面図。 第３図は軸継ぎ手の部分のボルトを含む面から45゜の角
をなす面で切つた縦断面図。 第４図は下シヤフト上端面の平面図。 第５図は下シヤフト上端近傍の斜視図。 第６図は他の実施例を示す継ぎ手部の一部縦断面図。 １……チヤンバ ２……サセプタ ３……基板 ４……上シヤフト ５……カーボンヒータ ６……電流導入端子 ７……ハウジング ８……取付分岐 ９……カサ歯車 10……下シヤフト 11……軸継ぎ手 12……回転フイードスルー 13……モータ 14……ボルト 15……原料ガス導入管 16……ガス排気管 17……冷却水ジヤケツト 18……横軸 19……上シヤフトフランジ 21,22……軸受 23……凹部 24……突起 25……穴 26……螺穴 27……接触面

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空容器であるチヤンバ１と、チヤンバ１
   の中に設けられ基板３を取付けられるサセプタ２と、基
   板３を加熱するための手段と、セサプタ２を回転可能に
   支持する回転シヤフトと、回転シヤフトを支持する軸受
   と、回転シヤフトに回転力を与えるための回転駆動機構
   とよりなり、チヤンバ１の一端から原料ガスを導入し、
   加熱された基板３の上に薄膜を成長させ、チヤンバの他
   端部から排ガスを排出するようにした気相成長装置に於
   て、回転シヤフトが、サセプタ２を直接に支持する第１
   のシヤフト４と、軸受、回転駆動部の設けられる金属製
   の第２のシヤフト10とよりなり、第１のシヤフト４の一
   端は円形のフランジ19となり、第２のシヤフト10の一端
   には放射状に延びる複数の取付分岐８が形成され、取付
   分岐８の螺穴26の近傍のみを接触面27として残し、他の
   部分は接触面27より低い凹部23とし、ボルト14によつて
   第１のシヤフトフランジ19と第２のシヤフトの取付分岐
   ８とを固着した時、第２のシヤフト上端面の凹部23は第
   １のシヤフトフランジに接触しないようにした事を特徴
   とする気相成長装置の回転シヤフト。