JP4335743B2

JP4335743B2 - 成膜装置用の基板回転機構

Info

Publication number: JP4335743B2
Application number: JP2004155468A
Authority: JP
Inventors: 鈴弥山田; 美満川越; 清一山崎
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: JP2005340403A

Description

本発明は、化合物半導体の薄膜の成膜装置を初めとするいろいろな成膜装置に適用される基板回転機構であり、成膜される基板を回転しつつ保持するための基板トレイと、前記基板トレイを回転自在に保持する基板トレイ保持部と、前記基板トレイと基板トレイ保持部との間に存在する摺動部とからなる成膜装置の基板回転機構に関する。

近年、光デバイスや高速デバイス等に有用な化合物半導体の薄膜を成膜する技術は、ますます重要なものとなっており、特に青色発光素子の材料として用いられるＧａＮ系化合物半導体薄膜をＭＯＣＶＤ法により成長させる為の技術開発が活発に行われている。

ＭＯＣＶＤ法を用いて反応性原料ガスにより基板表面に薄膜形成を行う場合、極めて複雑なメカニズムをともなうことから、所望の特性の薄膜を均一に再現性良く得るには基板の温度、原料ガスの温度、組成、混合方法、流速、成膜圧力等の多数のパラメーターを制御する必要がある。

この為の手段として、ＭＯＣＶＤ装置においては、例えば特許文献１で開示されるように、基板を回転させる方法が適用されている。基板の回転機構の中で、更に膜厚及び膜組成・構造の均一性を高める為に、基板を自転させるとともに公転させる、自公転機構を備えたＭＯＣＶＤ装置が用いられる様になってきている。
特開２００２−２８０３０６公報。

また、特許文献２では、円板形状のサセプタをベースプレートで回転自在に保持して公転発生部によって外周駆動させて回転させるとともに、リング形状の基板トレイをサセプタに複数配された基板トレイ保持部で回転自在に保持して自転発生部により回転させることにより基板トレイに保持された複数の基板を自公転させつつ、基板に成膜処理を施す装置で、１つ以上の公転発生部と自転発生部により基板を自公転させるように構成する基板回転機構を備えた成膜装置が開示されている。
特開２００２−１７５９９２公報。

また、特許文献２では、前記の基板回転機構を有するＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮ系半導体結晶薄膜の基板上へ成膜することが例示されてもいる。つまり、ＧａＮを成膜させる場合は、ＩＩＩ族の原料ガスとしてＴＭＧを用い、また、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの混晶系を成長させる場合は、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩを用いる。Ｖ族の原料ガスについては、ＮＨ_３を用いる。サブフローガスとしてＨ_２とＮ_２の混合ガスが用いられ、ＩＩＩ族及びＶ族の原料ガスは、キャリアガスとしてＨ_２を用いてそれぞれ基板近傍に導入され、基板は１０５０℃に加熱されてＧａＮ系半導体結晶薄膜が基板上に成膜される。

前記基板回転機構における通常の構成は、外周部に歯車を有する形状の基板トレイが、サセプタ上に配置されており、基板トレイとサセプタのそれぞれに設けられたベアリング溝で支持されたベアリング形状の基板トレイ保持部により基板トレイを回転自在に保持している。

基板トレイ及び基板トレイ保持部は、回転機構を付与するために、歯車部を有する複雑形状を有していることから、一般に機械加工性、即ち快削性に優れ、比較的耐熱性の良好なグラファイトカーボンから構成されている。また、基板トレイと基板トレイ保持部との間に存在するベアリング形状を有する摺動部についても通常、グラファイトカーボンが使用されている。

しかしながら、グラファイトカーボンは、ＮＨ_３との反応により消耗が激しく、基板トレイ、基板トレイ保持部及び摺動部の寿命が短いという問題がある。また、基板トレイ及び基板トレイ保持部については、耐食性を改善したＳｉＣコートを行ったグラファイトカーボンも使用されているが、ＮＨ_３に対する耐食性は十分ではなく、ＮＨ_３との反応により徐々にＳｉＣコート膜の劣化が進んでピンホールが形成され、局部的な消耗が起こり十分な寿命が得られない。さらに成膜開始時の急激な昇温過程において熱衝撃により、ＳｉＣ膜が剥離するという問題が発生する。

本発明者は、前記従来技術の事情に鑑みていろいろ検討した結果、成膜時に高温下でＮＨ_３を用いる成膜装置、例えば、ＧａＮ系化合物半導体薄膜をＭＯＣＶＤ法により成長させるため等に使用される成膜装置において、その基板回転機構を特定な材料で構成することにより、耐食性及び耐摩耗性に優れ、長寿命の基板回転機構を提供することができるという知見を得て、本発明に至ったものである。

即ち、本発明は、成膜装置用の基板回転機構であって、成膜される基板を回転しつつ保持するための基板トレイと、前記基板トレイを回転自在に保持する基板トレイ保持部と、前記基板トレイと基板トレイ保持部との間に存在する摺動部とからなる基板回転機構であって、前記摺動部が窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする基板回転機構であり、好ましくは、基板トレイが、窒化硼素を５〜５０質量％含有する窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする前記の基板回転機構であり、好ましくは、基板トレイ保持部が、窒化硼素を５〜５０質量％含有する窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする前記の基板回転機構であり、更に好ましくは、成膜装置が９００℃以上で窒化物を形成する成膜装置であることを特徴とする前記の基板回転機構である。

本発明の成膜装置用の基板回転機構は、９００℃以上のＮＨ_３雰囲気における耐食性及び耐摩耗性が良好である特徴を有していることから、基板トレイ、摺動部、基板トレイ保持部がいずれも長寿命であり、例えば、ＧａＮ系半導体結晶薄膜を形成するＭＯＣＶＤ装置等の成膜装置の基板回転機構として好適である。

本発明は、成膜装置用の基板回転機構であって、成膜される基板を回転しつつ保持するための基板トレイと、前記基板トレイを回転自在に保持する基板トレイ保持部と、前記基板トレイと基板トレイ保持部との間に存在する摺動部とからなる基板回転機構であって、前記摺動部が窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする基板回転機構である。

本発明において、適用されるべき成膜装置としては、成膜が９００℃以上の高温下でＮＨ_３雰囲気とする条件下で行われる成膜装置であり、例えば、ＧａＮ系半導体結晶薄膜を形成するＭＯＣＶＤ装置等の成膜装置が該当する。

本発明において、基板トレイは成膜される基板を回転しつつ保持する機能を有するものであり、当該回転運動を達成するために通常は歯車形状部分を有している。また、摺動部は、前記基板トレイと後述の基板トレイ保持部との間に存在し、両者が滑らかに回転する機能を確保するために設けられており、通常はベアリングと呼ばれ、ボール状或いはロール状の形状をしている。また、基板トレイ保持部は、前記基板トレイを摺動部を介して回転自在に保持する機能を有すれば良く、成膜装置中に固定部材として設置されるが、前記摺動部が安定して摺動特性を発揮させるために、ベアリングを保持するための溝等の部分をも有している。

本発明の基板回転機構は、摺動部に、９００℃以上のＮＨ_３雰囲気に対する耐食性に優れ、しかもアルミナ質、窒化珪素質、窒化硼素含有窒化珪素質等の焼結体からなる部材と接した際に優れた摺動特性を示す窒化珪素質焼結体を用いているので、例えば、ＧａＮ系半導体結晶薄膜を形成するＭＯＣＶＤ装置等の成膜装置などに好ましく用いられる。

本発明に用いる窒化珪素質焼結体は、前記した通りに、９００℃以上のＮＨ_３雰囲気に対する耐食性に優れ、しかもアルミナ質、窒化珪素質、窒化硼素含有窒化珪素質等の焼結体からなる部材と接した際に優れた摺動特性を示す窒化珪素質焼結体である。
このような特性を有する窒化珪素質焼結体は、９００℃以上のＮＨ_３雰囲気に対する耐食性に優れるためには、炭素或いは炭化珪素等の炭素含有成分が含まれないものが望ましく、また他部材と小面積で接するので機械的特性に優れる必要がある。このような要求を満足する窒化珪素質焼結体としては、本発明者の検討結果に拠れば、炭素含有量が５質量％以下であり、曲げ強さが６００ＭＰａ以上であれば使用することができる。９００℃以上のＮＨ_３雰囲気に対する耐食性に優れるために、当該窒化珪素質焼結体が窒化物を含有することもできるが、窒化物が窒化硼素の場合には５質量％以上含まれると、機械的特性が低下し、所望の摺動特性が得られないことがあるので避けるべきである。

本発明に使用される窒化珪素質焼結体は、前記特性を有するものであれば、通常の焼結法によって作製されたものを適用することができる。即ち、窒化珪素粉末にＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の焼結助剤を数質量％添加混合して原料粉末を得て、これを加圧しながら焼結を行うホットプレス法によって、或いは前記原料粉末を成形後、常圧或いは高圧下で焼結する方法によって摺動部に適用される窒化珪素質焼結体を得ることができるし、また、後述する、基板トレイや基板トレイ保持部に使用される窒化硼素含有窒化珪素質焼結体については、窒化珪素粉末と窒化硼素粉末とにＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の焼結助剤を数質量％添加混合して原料粉末を得て、前記のホットプレス法や焼結法によって作製することができる。

本発明において、基板トレイは、前述した通りに、摺動部として窒化珪素質焼結体が用いられるので、これと摺動する際にその特性が良い材料であることが望まれ、このような材料としてアルミナ質、窒化珪素質、窒化硼素含有窒化珪素質等の焼結体が用いることができるが、９００℃以上のＮＨ_３雰囲気に対する耐食性に優れること、また、前記窒化珪素質焼結体からなる摺動部との摺動特性に優れるという理由から、窒化硼素含有窒化珪素質焼結体が好ましく、ことに窒化硼素を５〜５０質量％含有する窒化珪素質焼結体が好ましい。

窒化硼素は高温領域のＮＨ_３雰囲気に対する耐食性が良好であり、また快削性に優れた材料であることから、窒化珪素質焼結体の耐食性を損なうことなく機械加工性を改善する。また、成膜中に基板周辺の基板トレイ部に付着した膜状物を定期的に除去するが、基板トレイ部の材料中に窒化硼素が存在するときには、膜状物の付着力が弱くなり除去が容易になる特徴がある。しかし、窒化硼素の含有量が５０質量％を越えるものでは、機械的特性が劣化し、当該基板トレイの回転運動を駆動させる歯車部が破損し易くなるとともに、耐摩耗性が低下してしまい寿命が短くなるし、窒化硼素の含有量が５質量％未満であると快削性が十分でなく、当該基板トレイを生産し難くなるし、また前記効果も顕著でなくなることから、前記数値範囲が好ましく選択される。

また、本発明に於いて、基板トレイ保持部についても、上記と同じ理由で、アルミナ質、窒化珪素質、窒化硼素含有窒化珪素質等の焼結体が用いることができ、そのうちでは窒化硼素含有窒化珪素質焼結体が好ましく、更に窒化硼素を５〜５０質量％含有する窒化珪素質焼結体が好ましく選択される。

（実施例１、２）窒化硼素含有窒化珪素質焼結体として、市販の３０質量％窒化硼素を含む窒化珪素質焼結体（電気化学工業（株）製「ＳＢＮ７０」）（以下、単に「ＳＢＮ７０」という）を準備した。また、市販の窒化珪素質焼結体（京セラ社製「ＳＮ−２３５Ｐ」、単に「窒化珪素」という）を準備した。

前記２種の焼結体から、ブロック状の試験片とリング状の試験片とを作成した。リング状試験片は、外径３５ｍｍ、内径１６ｍｍ、長さ８．７５ｍｍであり、ブロック状試験片は３ｍｍ×４ｍｍ×１．５ｍｍである。

前記２種の試験片を用いて、ブロックオンリング試験を行った。当該試験の条件としては、押付加重：５Ｎ、摺動速度０．１５ｍ／秒、摺動距離１５０ｍ、温度２５℃、湿度２５％の空気中、である。試験終了後、表面粗さ計を用いて、ブロック状試片の摺動面（３ｍｍ×４ｍｍの面）の摩耗プロファイルを測定し、摩耗体積を測定し、比摩耗量を計算した。この結果を次に示す。

（実施例１）
ブロック状試片：ＳＢＮ７０
リング状試片：窒化珪素
比摩耗量：５．９×１０^−９ｍｍ^２／Ｎ

（実施例２）
ブロック状試片：窒化珪素
リング状試片：ＳＢＮ７０
比摩耗量：１．４×１０^−９ｍｍ^２／Ｎ

（比較例）ブロック状試片とリング状試片とを、ともにＳＮＢ７０を用いて作製したこと以外は、実施例１と同様の手順にてブロックオンリング試験を行った。その結果は次の通りである。
ブロック状試片：ＳＢＮ７０
リング状試片：ＳＢＮ７０
比摩耗量：４．０×１０^−８ｍｍ^２／Ｎ

（実施例３）
実施例１の窒化珪素を用いて、直径５ｍｍのボールベアリングを作成するとともに、ＳＢＮ７０を用いて、基板トレイと基板トレイ保持部とを作成し、ＧａＮ系半導体結晶薄膜を形成するＭＯＣＶＤ装置に使用した。１００時間運転したが、その間、何ら異常が認められなかった。

本発明の成膜装置用の基板回転機構は、９００℃以上のＮＨ_３雰囲気における耐食性及び耐摩耗性が良好であることから、例えばＧａＮ系半導体結晶薄膜を形成するＭＯＣＶＤ装置等の成膜装置の基板回転機構として好適であり、産業上有用である。

Claims

成膜装置用の基板回転機構であって、成膜される基板を回転しつつ保持するための基板トレイと、前記基板トレイを回転自在に保持する基板トレイ保持部と、前記基板トレイと基板トレイ保持部との間に存在する摺動部とからなり、前記基板トレイが窒化硼素を５〜５０質量％含有する窒化珪素質焼結体、前記基板トレイ保持部が窒化硼素を５〜５０質量％含有する窒化珪素質焼結体、前記摺動部が窒化硼素を５質量％未満含有する窒化珪素質焼結体からなることを特徴とする成膜装置の基板回転機構。
成膜装置が、９００℃以上で窒化物を形成する成膜装置であることを特徴とする請求項１記載の基板回転機構。