JP5055130B2 - 基板ホルダー、基板被膜装置および基板被膜方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの基板を、反応装置のハウジングのプロセスチャンバー中に保持し、操作装置とかみ合うための領域を有し、基板の、少なくともその周囲を載せる支持領域を有する装置に関する。
【０００２】
本発明はさらに被膜装置、特にＭＯＣＶＤ装置の形式、好ましくはＨＶＰＥの形式の装置であって、基板ホルダーに保持された少なくとも１つの基板に層を堆積させるための処理チャンバーを有し、処理チャンバーはヒーターにより処理温度に温度が上げられる被膜装置に関する。
【０００３】
さらに、本発明は、少なくとも１つの基板に少なくとも１つの層を堆積させる方法に関する、基板は、反応装置ハウジングのプロセスチャンバー中の基板ホルダー上で処理温度において被膜され、その後、特に冷却又は加熱することなく下方からのレーザー光の照射を受け、基板から層の少なくとも一部が引き離される方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
ＵＳ６,７５０,１２１Ｂ１は、窒化ガリウム層をサファイア基板に堆積する方法、熱膨張の係数が異なるために、層及び基板の熱的特性が、非常に異なり、比較的高温で堆積された層が冷却されると亀裂が生じることを開示している。
【０００５】
そのような亀裂を防止するため、ＵＳ６,７５０,１２１Ｂ１は、基板は実質的に処理温度において下方からのレーザー光によって処理されることが提案され、レーザー光はサファイア層を突き抜け、窒化ガリウム層の少なくとも一部が基板から引き離され、冷却されても亀裂が生じないことが開示されている。このようにして生成された窒化ガリウム層は、その後基板として他の被膜がなされる。その後、処理のさらなる段階において、窒化ガリウム層はサファイア基板から完全に引き離される。
【０００６】
ＤＥ１２２３７３１は、被膜装置のプロセスチャンバーの積載する及び積載しないメカニズムについて開示する、その内容は、基板ホルダーは、グリッパによって、基板ホルダーキャリアから持ち去られる、基板ホルダーは円形の形状をしており、グリッパは、周囲から基板の下をつかむ。
【特許文献１】
ＵＳ６,７５０,１２１Ｂ１
【特許文献２】
ＤＥ１２２３７３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の先行技術に基づいて、本発明は、層を基板の上に堆積するための改良された方法を提供する。その改良された方法において、層と基板の熱膨張特性は、異なり、特に、窒化ガリウム層基板の製造をすることができる。その改良された方法は、特に、サファイア基板上に１又は複数の厚い窒化ガリウム層を堆積させることを改良することを目的とするものであり、前記層は、その後、基板から引き離される。
【０００８】
本発明の目的は、何よりも先ず、独立請求項に記載された発明によって達成される。さらなる請求項は、正式には従属請求項というが、本発明を有利に発展させたものであり、独立請求項との組み合わせによる場合のみならず、従属請求項自身により解決されているものもある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
基板ホルダーは支持領域が光学的基板処理過程の波長を透過する点が、本発明の特徴である。その結果、被膜処理後の光学的処理は、同一の基板ホルダー上で行なわれる。光学的処理は、基板ホルダーをプロセスチャンバーから処理チャンバーに、ＤＥ１０２３２７３１に開示されているような操作装置によって移動させることにより可能であり、処理チャンバーは、好ましくはプロセスチャンバーに直接的に隣接し、実質的にプロセスチャンバーと同じ温度に保たれる。プロセスチャンバーと処理チャンバーは、壁によって互いに隔てられていることも可能である。前記二つのチャンバーは、同一の空間の一部を占めていてもよい。
【００１０】
好ましい態様においては、基板ホルダーは、環状の形状である。この目的のため、基板ホルダーは、円形リング又は環の形状をした基体を有していてもよい。基体の中心の空間は、基板の表面領域よりも幾分大きい輪郭を有する。この態様の結果として、基板表面の全体は基体の中心の空間を通過し、基板の下面に作用する下方からのレーザービームによって処理されることができる。支持領域は、好ましくは、基体上に載せられた支持要素によって形成されている。しかしながら、支持要素は、他の方法で基体に結合していてもよい。重要なことは、支持要素が光学的基板処理過程の波長を透過することである。この場合、支持要素は一部分でも、多部分を形成していてもよい。しかしながら、支持要素は中心空間に突き出す部分を有し、基板を載せる。支持要素は、好ましくは、基板と同じ材料からなる、すなわち、好ましくはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）である。基板ホルダー上には多くの基板を置くことができる。この目的のため、基板ホルダーは、グリッドの態様で多くの開口を有し、その周囲には、基板の周囲が載る。支持要素は、好ましくは、処理に必要とされる波長を透過するので、基板は、その表面全体が支持要素の上に載ることが可能である。しかしながら、支持要素は、好ましくは、円状のディスクを形成し、基体のステップの上に置かれる。
【００１１】
適切なガス入口装置とともに、プロセスチャンバーを形成するＣＶＤ装置は、少なくとも１つのガス排出装置と基板又は基板ホルダー又は基板ホルダーを載せる基板ホルダーキャリアを加熱するヒーターも備える。このヒーターは、抵抗ヒーターであってもよい。赤外線ヒーター又はＲＦヒーターであってもよい。プロセスチャンバー中には、好ましくは基板ホルダーキャリアが存在し、その上に基板ホルダーが操作装置によって置かれる。基板ホルダーキャリアは、好ましくは台を有し、支持要素がその台の上に置かれ、その台の上方に基板ホルダーをそっと置く。基板ホルダーキャリアはプロセスチャンバーの床の開口に置いてもよい。この開口の底は、ガスクッションを形成するガス排出ノズルを有し、前記ガスクッション上で、基板ホルダーキャリアは、浮遊した状態で回転駆動される。基板ホルダーキャリアは、好ましくは、開口の底から出るガスによって回転駆動される。
【００１２】
処理チャンバーがプロセスチャンバーに併設されている。処理チャンバーにおいて、実質的に同じ温度で光学的後処理が行なわれる。この目的のために、基板を上に載せた基板ホルダーは、操作装置によって、プロセスチャンバーから処理チャンバーに移される。ここで、上述のように、加熱は下方より行われる。下方からの基板へのレーザー光の照射は、例えば、波長３５５ｎｍのレーザービームによって行なわれる。それ故、処理チャンバーの底の凹部にレーザーアレイを有する。しかしながら、単一のレーザーを用いてその方向に影響を与えることが可能であり、基板の全表面領域を一線一線又はらせん状にスキャンする。その過程は、慣例のプロセス圧力、すなわち１０から１０００ｈＰａの間の圧力において行なわれる。光学的処理はこの範囲の全圧下で行なわれてもよい。プロセスチャンバー及び処理チャンバーは、例えば希ガス又は窒素又は水素といった不活性ガスによって、適切な方法でパージされていてもよい。さらに、アンモニアのような表面安定化ガスを用いてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に表した実施例は、基板ホルダー１であり、ＳｉＣ、ＴａＣからなる又は熱分解のＢＮで被膜されたグラファイト又は石英ガラスからなる環状の基体６を有する。基体６は、外壁に円周の溝を有し、フォーク形状の操作装置とかみ合う領域を形成する。このことは、ＤＥ１０２３２７３１に挙げられている。内部の空間７は、回転対称であり、環状の基体６は基板２の直径よりも大きい直径を有する。
【００１４】
基体６は、周囲のリブ９を形成して、段を形成する。サファイア体は、環状ディスクの形状をしており、支持要素８を形成し、基体６のステップ上に存在する。支持要素８は、その外周８’’によって、基体６のステップ上に載っている。支持要素８の内周８’は、基体６の中央の空間７に突き出している。
【００１５】
この空間７に突き出している内周８’は、基板２の周囲２’の支持領域５を形成する。周囲リブ９は、支持要素８を中心の置く役割を果たす。周囲のリブ９はサファイアから成る支持要素８の厚さよりも、いくぶん厚い。そのため、支持要素８の外周８’’に載っており、補償プレート１０を形成する環状のディスク形状のグラファイト又は石英体もまた中心に置かれることが可能である。この補償プレート１０の厚さは、実質的に基板２の厚さに相当する。補償プレート１０は、基板２を中心に置く役割を果たす。環状の補償プレート１０の内側の端は、基体６の内壁とほぼ一致している。
【００１６】
図３は、図式的に反応装置のハウジング１５を表し、プロセスチャンバー３とプロセスチャンバー３に併設された処理チャンバー１２を表す。プロセスチャンバー３は、壁１４によって処理チャンバー１２と分離されている。
【００１７】
ガス注入口（図には表示されていない）は、プロセスチャンバー３中へと開放され、例えば層を堆積させる反応性ガスをプロセスチャンバー３中に導入する。これらのガスは、水素化物及び塩化物であり、好ましくは、塩化ガリウム及びアンモニアである。ガス相における反応は、プラズマ支援であってもよく、反応性ガスを互いに破壊させあい、又は少なくとも熱的に励起されて、窒化ガリウム層が、基板の表面に堆積する。基板２は、サファイアからなる。それに加えて、プロセスチャンバー３は、プロセスガス又は反応生成物をプロセスチャンバー３から排出する手段を備える（図示されていない）。この手段は、真空ポンプを含んでいてもよい。
【００１８】
プロセスチャンバー３の底部は凹部を形成する。凹部１９の底にガス供給ライン１６に接続しているノズル１７が配置されている。ノズル１７からガス流が出され、そのガス流は、凹部１９中に載せられている基板ホルダーキャリア１８を持ち上げ、回転させる。基板ホルダーキャリア１８は好ましくは被膜グラファイトにより製造され、基板ホルダー１が操作装置（図示されていない）によって置かれる台を形成する。同時に、基板ホルダーキャリア１８の台は、基体６の中心の空間７に突き出している。基板ホルダー１及び基板ホルダーキャリア１８は、プロセスチャンバー３のその他の要素と同様に、耐高温の適切な材料により製造されていてもよい。例示の態様において、支持要素８の内側に突き出す内周８’は、前記台の上面によって支持されている。基体６は、一端が、凹部１９の壁から形成され、もう一方の端が、前記台の外壁から形成されている環状の窪み中にある。
【００１９】
上述のガスとさらなるキャリアガス、例えば水素又は窒素を導入し、プロセスチャンバー３を加熱することにより、化学反応が始まる。
【００２０】
プロセスチャンバー３の加熱は、全面から行なわれる。図３においては、加熱はただ矢印で示されている。
【００２１】
処理チャンバー１２はプロセスチャンバー３に近接して設けられ、特に同じハウジング１５の中に設けられる。実質的にプロセスチャンバー３と処理チャンバー１２には、同じ温度が拡がる。しかしながら、処理チャンバー１２内の温度は、プロセスチャンバー３内の温度よりも低くてもよい。重要なことは、両者の温度差が少なく、上述の損傷を生じないことである。しかしながら、反応性ガスは処理チャンバー１２中には入らない。壁が両者を隔てる。しかしながら、壁を設けないことも可能である。
【００２２】
例示の態様においては、処理チャンバー１２の底は凹部を形成する。凹部の底には
レーザー装置２１が配置され、波長３５５ｎｍのレーザー光を放出する。他の工程においては、他の波長のレーザー光が放出されていてもよい。
【００２３】
レーザー装置２１により放出されるレーザー光は、サファイアからなる環状ディスクの形状をしている支持要素の内周８’及び基板２の全体、すなわち環状ディスクの上に載っている基板２の周囲２’を突き抜ける。光のエネルギーが導入された結果、基板と窒化ガリウム層の境界面が、柔らかくなるよう変化する。このことは、窒化ガリウム層を部分的に基板の表面から引き離す。窒化ガリウム層と基板間の結晶結合が破壊される。境界面の領域ではアモルファス材料が生成する。
【００２４】
光学的処理の間、処理チャンバー１２内の処理温度は、処理温度以下の温度よりさらに低くなる。
【００２５】
前記方法を実行するためには、まず第一に基板が上に載せられている基板ホルダーがプロセスチャンバー３に入れられる。そこで、窒化ガリウム層は数マイクロメーターの厚さで、公知の方法によりサファイアからなる基板２に堆積される。それから、操作装置が基板２を上に載せた基板ホルダー１を持ち上げ、処理チャンバー１２に運び、そこで基板２は下方からのレーザー光の作用を受け、窒化ガリウム層がサファイア基板から引き離される。どちらの過程も約１０００℃又は１１００℃の実質的に同じ温度で行なわれることが出来る。
【００２６】
その後、基板２を上に載せた基板ホルダー１は、操作装置によって処理チャンバー１２から取り去られ、冷却される。冷却の間、前記層は基板に関して側面の方向に移るため、亀裂が生じない。
【００２７】
図４に示す更なる実施の態様において、環状ディスクの形状をしている支持要素８の下に下敷プレート１１を有する。下敷プレート１１は、環状ディスクの形状をしており、基体により形成されるステップの上にある。
【００２８】
図５に示す実施の態様において、基板ホルダーキャリア１８は、全部で３つの基板ホルダー１、１’を載せる。基板ホルダー１は上述の形状を有する。基板ホルダー１’は異なった形状を有する。基板ホルダー１’は、多数の基板２を載せることが可能である。
【００２９】
フォーク形状の操作装置は、チャネル２２によって、基板ホルダーに近づく。このことは、ＤＥ１０２３２７３１に記載されている。
【００３０】
図６に示す実施の態様において、 処理チャンバー１２は、じょうご形状の開口を備えた底を有する。じょうご形状の入口域に、位置合わせ可能なレーザー装置２１がある。このレーザー装置２１は、様々な回転軸の回りを回転することができ、基板の下面をレーザービーム２３でスキャンする。
【００３１】
図７に示す実施の態様において、基板ホルダー１の下に配置された反応装置の壁２５は、開口を有し、その開口は、シール２７が介在してフレーム２８に支持された窓２６により閉じられている。窓２６の下、すなわち実際上は処理チャンバー又は反応器チャンバーの外側に、レーザー装置２１がある。そこには、真空装置を有することもある。レーザー装置２１は、回転可能なレーザーであってもよく、レーザー装置２１のレーザービーム２３は、基板の下面をスキャンすることができ、こうして厚い窒化ガリウム層を透過性の基板から引き離す。
【００３２】
図８ａに示すように、この場合レーザーは、基板の下面を一線一線スキャンしてもよい。しかしながら、図８ｂに示すように、基板の下面をらせん状にスキャンすることもまた可能である。らせん状のスキャンは内から外に向けて行なってもよく、外から内に向けて行なってもよい。らせん状のスキャンは、好ましくは外から内に向けて行なう。そして、温度を同時に下げることもできる。
【００３３】
図９に示す実施の態様において、支持要素８は環状ディスクを形成する、支持要素８は、例えば波長３５５ｎｍのレーザービームを透過する。支持要素８は基板２を完全に支持する、なぜなら基板２は円形ディスクの形状をしているからである。
【００３４】
図１０に示す基体６の実施の態様において、ステップ６’を備えた四角形の開口が示されており、その上には対応する形状をした支持要素８がおかれ、円形および多角形の基板のいずれもが本装置で処理することが可能となる。図９に示す実施の態様においても、補償プレート１０を備えることができ、支持要素８の適切な中心に基板を置くことができる。
【００３５】
プロセスチャンバーは、ヒーターによって処理温度に上げられる。基板ホルダー１の基体６は、操作装置がかみ合うためのかみ合い領域４を有する。
【００３６】
開示した特徴の全ては、本発明と関連する。優先権証明書（先の出願の写し）に記載された事項もまた、出願の請求の範囲に特徴を盛り込む目的で、完全に本出願の開示に盛り込まれている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第一の態様における、基板を上に載せた基板ホルダーの半分の遠近法の図である。
【図２】本発明の第一の態様（図１）における、基板を上に載せていない基板ホルダーの遠近法の図である。
【図３】プロセスチャンバーとプロセスチャンバーに併設された処理チャンバーを備えた反応装置ハウジングの断面の模式図である。
【図４】本発明の基板ホルダーの第二の態様を図１と同様の表し方で表した図である。
【図５】本発明の更なる態様の平面図である、基板ホルダーキャリア上に３つの異なって構成された基板ホルダーが載せられている。
【図６】本発明の更なる態様を、図３と同様の表現方法で表したものである。
【図７】処理チャンバー中の本発明の更なる態様を、図３と同様の表現方法で表したものである。
【図８a】制御可能なレーザーの１つのスキャン曲線を表したものである。
【図８ｂ】制御可能なレーザーの異なるスキャン曲線を表したものである。
【図９】基体の更なる態様を断面図で示したものである。
【図１０】基体の更なる態様を平面図で示したものを、図１と同様に表したものである。

Claims (19)

1. 少なくとも１つの基板（２）を反応装置のハウジング（１５）のプロセスチャンバー（３）又は処理チャンバー（１２）中に保持するための基板ホルダー（１）であって、
   操作装置とかみ合うためのかみ合い領域（４）を外壁に有し、前記基板（２）の直径よりも大きい直径を持つ内部の空間（７）を有する環状の基体（６）を備え、
   前記基体（６）の上に載る外周（８’’）と、前記内部の空間（７）に突き出しており、少なくとも前記基板（２）の周囲（２’）を載せる支持領域（５）を形成する内周（８’）とを有する支持要素（８）を備え、前記内周（８’）は前記処理チャンバー（１２）において光学的基板処理過程を行なうための波長のレーザー光を透過させ、
   前記支持要素（８）の外周（８’’）に載っており、前記基板（２）を中心に置く役割を果たす補償プレート（１０）を備える、
   ことを特徴とする基板ホルダー。
2. 環状であることを特徴とする請求項１に記載の基板ホルダー。
3. 前記基板（２）は、前記基体（６）の内部の空間（７）の上に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板ホルダー。
4. 前記支持要素（８）が前記基板（２）と同一の材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
5. 多数の前記基板（２）が載っていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
6. 前記支持要素（８）が、環状ディスクの形状であり、前記基体（６）のステップ上に載っていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
7. 前記支持要素（８）がサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
8. 透明な前記支持要素（８）が円形のディスクの形状をしていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の基板ホルダー。
9. 基板に被膜するための基板被膜装置であって、
   台を形成する基板ホルダーキャリア（１８）の上に置かれた基板ホルダー（１）によって保持される少なくとも１つの基板（２）上に層を堆積するためのプロセスチャンバー（３）と、当該プロセスチャンバー（３）に併設されており、凹部の底に配置されたレーザー装置（２１）から当該凹部の上に置かれた前記基板ホルダー（１）によって保持される少なくとも１つの前記基板（２）に前記基板（２）を透過する波長のレーザー光を照射して光学的基板処理過程を行う処理チャンバー（１２）とを有するハウジング（１５）を備え、
   前記基板ホルダー（１）は、前記基板（２）の直径よりも大きい直径を持つ内部の空間（７）を有する環状の基体（６）と、当該基体（６）の上に載る外周（８’’）および前記内部の空間（７）に突き出しており、少なくとも前記基板（２）の周囲（２’）を載せる支持領域（５）を形成する内周（８’）を有する支持要素（８）とを備え、前記内周（８’）は前記処理チャンバー（１２）において前記光学的基板処理過程を行うために下方より照射されるレーザー光を透過させ、
   前記プロセスチャンバー（３）の中に前記基板ホルダー（１）が置かれるとき、前記基板ホルダーキャリア（１８）の台が前記基板ホルダー（１）の内部の空間（７）に突き出し、前記基板ホルダー（１）の支持要素（８）の内周（８’）が前記台の上面で支持され、一方の側が前記プロセスチャンバー（３）の凹部（１９）の壁から形成され、他方の側が前記基板ホルダーキャリア（１８）の台の外壁から形成される環状の窪みの中に前記基体（６）が配置され、
   前記プロセスチャンバー（３）は、ヒータ（１３）により処理温度まで熱せられ、
   前記処理チャンバー（１２）では、前記基板ホルダー（１）上に載せられて前記プロセスチャンバー（３）から運ばれてきた少なくとも１つの前記基板（２）に対して、前記処理温度と等しい温度又は前記処理温度よりわずかに低い温度において、前記光学的基板処理過程が行なわれる、
   ことを特徴とする基板被膜装置。
10. 前記基板ホルダーキャリア（１８）を下方から加熱することが可能であることを特徴とする請求項９に記載の基板被膜装置。
11. 前記基板ホルダーキャリア（１８）が、ガスクッション上に載せられ、回転制御されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の基板被膜装置。
12. 前記レーザー装置（２１）が、３５５ｎｍの波長のレーザー光を放出することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の基板被膜装置。
13. １又は複数の基板（２）に、少なくとも１つの層を被膜するための基板被膜方法であって、
    前記基板（２）は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の基板ホルダー（１）に載せられて、反応装置のハウジング（１５）のプロセスチャンバー（３）の中で処理温度で被膜され、
    その後、同一の前記基板ホルダー（１）に載せられ、処理チャンバー（１２）の中で、冷却されることなく、又はわずかに冷却され、下方からレーザー光の照射を受けることにより、前記被膜の層と前記基板（２）の境界面が作用を受け、前記基板（２）を部分的に前記層から引き離す、
    ことを特徴とする基板被膜方法。
14. 前記処理温度が、９００℃より大きい、又は１０００℃より大きい、又は１１００℃より大きいことを特徴とする請求項１３に記載の基板被膜方法。
15. 擬似基板としての役割を果たす数μｍの厚さの窒化ガリウム層が、サファイアからなる前記基板（２）に堆積することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の基板被膜方法。
16. 前記プロセスチャンバー（３）に導入された反応性ガスによって、前記被膜が行なわれることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の基板被膜方法。
17. 前記プロセスチャンバー（３）に導入される前記反応性ガスが、第III族及び第V族又は第II族及び第VI族の元素を含むことを特徴とする請求項１６に記載の基板被膜方法。
18. 前記プロセスチャンバー（３）に導入される前記反応性ガスが、塩化物及び水素化物であることを特徴とする請求項１６に記載の基板被膜方法。
19. 塩化ガリウム及びアンモニアを前記プロセスチャンバー（３）に導入し、窒化ガリウム層を成長させることを特徴とする請求項１８に記載の基板被膜方法。

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