JP5436043B2 - 気相成長装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気相成長装置に関し、詳しくは、基板を自公転させながら基板面に薄膜、特に窒化物系化合物半導体薄膜を気相成長させる自公転型の気相成長装置に関する。
一度に多数枚の基板に気相成長できる気相成長装置として、公転サセプタの外周部周方向に複数の自転サセプタ及び均熱板を配置し、該自転サセプタ及び均熱板の外周部に軸受と外歯車とを設け、反応容器内面に設けた内歯車と前記外歯車とを噛み合わせることによって成膜中の基板を自公転させる自公転型気相成長装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−２６６１２１号公報
しかしながら、前記特許文献１に記載された自公転型気相成長装置では、軸受が基板外周より外側に配置されているので、自転サセプタの最小外径は、基板外径に更に軸受の寸法を加えた寸法になるため、公転サセプタの外周部に配置する自転サセプタの数が制限されてしまい、多数枚の基板を処理するためには大径の公転サセプタを用いなければならず、フローチャンネルやチャンバーの大型化も招くことになり、原料ガスの使用量も増大するという問題がある。
そこで本発明は、サセプタなどを大型化することなく、一度に気相成長できる半導体薄膜の面積を大きくできる自公転型の気相成長装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の気相成長装置における第１の構成は、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向に形成された複数の円形開口内にそれぞれ設けられたリング状の軸受部材と、各軸受部材上にそれぞれ回転可能に載置された円盤状の均熱板と、各均熱板上にそれぞれ載置された外歯車部材と、該外歯車部材に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材と、前記外歯車部材の表面に保持された基板を前記サセプタの裏面側から加熱する加熱手段と、前記基板の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネルとを備えた自公転機構を有する横形気相成長装置において、前記軸受部材の外径を前記基板の外径より小さい寸法としたことを特徴としている。
また、本発明の気相成長装置における第２の構成は、チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向に設けられた複数の円形開口内にそれぞれ設けられたリング状の軸受部材と、各軸受部材上にそれぞれ回転可能に載置された円盤状の均熱板と、各均熱板上にそれぞれ載置された外歯車部材と、該外歯車部材に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材と、前記外歯車部材の表面に保持された基板を前記サセプタの裏面側から加熱する加熱手段と、前記基板の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネルとを備えた自公転機構を有する横形気相成長装置において、前記外歯車部材の歯車基準円直径を前記基板の外径より小さい寸法としたことを特徴としている。
さらに、本発明の気相成長装置は、前記第１の構成及び前記第２の構成において、前記均熱板と外歯車部材との間に、均熱空間部が設けられていることを特徴とし、また、前記基板の表面に窒化物系化合物半導体薄膜を成長させることを特徴としている。
本発明の気相成長装置によれば、軸受部材の外径又は外歯車部材の歯車基準円直径を基板の外径より小さい寸法としたことにより、サセプタなどを大型化することなく、一度に処理できる基板の枚数を多くすることができ、一度に気相成長させることができる半導体薄膜の面積を大幅に増加させることができる。
本発明の気相成長装置の一形態例を示す断面正面図である。 同じく要部の断面正面図である。 同じく各部材を分離して示す断面正面図である。 一度に気相成長できる基板の枚数を比較した説明図である。 外歯車部材の上面温度を比較した図である。
本形態例に示す気相成長装置は、チャンバー１１内に円盤状のサセプタ１２を回転可能に設けるとともに、該サセプタ１２の外周部周方向に形成された複数の円形開口１２ａ内にそれぞれ設けられたリング状の軸受部材１３と、各軸受部材１３上にそれぞれ回転可能に載置された円盤状の均熱板１４と、各均熱板１４上にそれぞれ載置された外歯車部材（自転サセプタ）１５と、該外歯車部材１５に噛合する内歯車１６を備えたリング状の固定内歯車部材１７と、前記外歯車部材１５の表面に保持された基板１８を前記サセプタ１２の裏面側から加熱する加熱手段（ヒーター）１９と、前記基板１８の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネル２０とを備えている。
前記サセプタ１２の中央には、該サセプタ１２の下方に向かって延設され、チャンバー１１の底板１１ａを貫通する中空軸部材２１が設けられており、該中空軸部材２１の内部が原料ガス通路として用いられ、中空軸部材２１の下部には、該中空軸部材２１を介してサセプタ１２を回転させる駆動手段（図示せず）が設けられている。さらに、中空軸部材２１の上端部には、前記フローチャンネル２０内に原料ガスを導入するガス導入部２２が設けられており、フローチャンネル２０の外周には、複数のガス排出部２３が設けられている。
前記軸受部材１３は、外周部に立ち上がり部１３ａを有する断面Ｌ字状に形成されており、下面外周には、前記円形開口１２ａの開口縁に設けられた上向きの係止段部１２ｂに対応した下向きの係止段部１３ｂが設けられている。立ち上がり部１３ａの内周側上面には、複数の転動部材（ボール）１３ｃを保持する周溝１３ｄが設けられている。
また、均熱板１４は、下面外周部周方向に、前記軸受部材１３を収容するリング状の収容溝１４ａを有するとともに、外周部には、前記外歯車部材１５を載置するための上向きの係止段部１４ｂを有している。さらに、上面外周部には小突片１４ｃがリング状に設けられており、該小突片１４ｃの内周側には、小突片１４ｃに囲まれた円形の凹状部１４ｄが形成されている。
外歯車部材１５は、下面外周部にリング状の外歯車部１５ａを設けたもので、外歯車部１５ａの内径及び高さ（厚さ）は、均熱板１４の係止段部１４ｂに対応した寸法に形成されている。また、外歯車部材１５の上面には、前記基板１８を保持する凹部１５ｂが設けられている。
軸受部材１３、均熱板１４及び外歯車部材１５を組み付けて外歯車部材１５に基板１８を保持した状態で、軸受部材１３の下面及び均熱板１４の下面とサセプタ１２の下面とが面一になり、外歯車部材１５の外周部上面及び基板１８の上面とサセプタ１２の上面とが面一になるように形成されている。
そして、本形態例では、軸受部材１３の外径Ａ及び外歯車部材１５における外歯車部１５ａの歯車基準円直径Ｂを基板１８の外径Ｃより小さい寸法に設定している。すなわち、基板１８を保持する外歯車部材１５の下面外周部で、かつ、歯先円が外歯車部材１５の外周縁の内周側に位置するようにして外歯車部１５ａを設けることにより、外歯車部材１５は、外歯車部材１５の表面側に設けられている基板保持部１５ｂの外周部分が外歯車部材１５における最大外径としている。
このように、基板保持部１５ｂの外周部分を外歯車部材１５における最大外径とすることにより、例えば、図４（ａ）、図４（ｂ）に比較して示すように、同一径のサセプタ５１を使用した場合、図４（ｂ）に示すように、外歯車５２が最外周に位置する従来の構造では、基板５３を６枚しか同時処理できないのに対し、図４（ａ）に示すように、基板保持部５４が最外周に位置し、外歯車５５が内周に位置する前述の構造を採用することにより、同じ基板５２を７枚同時に処理することが可能となり、一度に成膜できる半導体薄膜の面積を大幅に増大させることができる。
また、本形態例に示すように、均熱板１４の上面外周部に小突片１４ｃを設け、該小突片１４ｃの内周側に凹状部１４ｄを形成することにより、均熱板１４の上面と外歯車部材１５の下面との間に、外歯車部材１５の温度、すなわち、外歯車部材１５の上面に保持される基板１８の表面温度の均一化を図るための均熱空間部２４を形成することができる。
このような均熱空間部２４を形成することにより、外歯車部材１５、均熱板１４及び軸受部材１３の形状、構造、材質などが異なっていても、下方の加熱手段１９からこれらを介して基板１８に伝達される熱量の均一化を図ることができ、基板１８の表面の温度分布を小さくすることができ、基板１８の表面に形成される半導体薄膜の均一化を図ることができる。
例えば、窒化物系化合物半導体薄膜の場合、特に青色ＬＥＤの材料となるＩｎＧａＮ薄膜の成長においては、結晶成長する際の組成安定条件範囲が極めて狭く、最も成長温度に敏感な発光層であるとされるため、基板１８の表面の温度分布を小さくすること、すなわち、均一な基板温度でＩｎＧａＮ薄膜を成長させることが望ましい。
また、各部材を製作して組み付けた状態で温度分布を測定し、小突片１４ｃに対する凹状部１４ｄの深さや、凹状部１４ｄの表面状態を調節することにより、均熱空間部２４の最適化を図ることができ、１枚の基板の温度だけでなく、同時に処理する複数枚の基板間における温度差も解消することができる。
これにより、軸受部材１３の外径Ａ及び外歯車部材１５における外歯車部１５ａの歯車基準円直径Ｂを基板１８の外径Ｃより小さい寸法に設定しても、均一な半導体薄膜を効率よく安定して得ることができる。特に、基板１８の加熱温度が高く、基板表面の温度差によって形成した半導体薄膜の性能にばらつきが生じやすい窒化物系化合物半導体薄膜を気相成長させる場合は、前記均熱空間部２４を形成することにより、均一で高品質の窒化物系化合物半導体薄膜を得ることができる。
図５は、基板１８の中心に相当する外歯車部材１５の上面（基板１８に接する面）の温度分布を測定した結果の一例を示すものである。前記均熱空間部２４を設けていない場合の温度分布は線Ｍに示すように、５．３℃の温度差が発生していたが、均熱空間部２４を設けた場合の温度分布は線Ｎに示すように、温度差は１．３℃であり、均熱空間部２４によって温度差を小さくできることがわかる。
また、各サセプタ位置において、基板１８の中心から±３０ｍｍ離れた２点に相当する外歯車部材１５の上面の温度もそれぞれ測定した結果、基板１８の中心に相当する外歯車部材１５の上面の温度と基板１８の中心から±３０ｍｍ離れた２点に相当する外歯車部材１５の上面の温度との温度差は最大で２℃程度であり、基板毎の温度均一性も保たれていた。
１１…チャンバー、１１ａ…底板、１２…サセプタ、１２ａ…円形開口、１２ｂ…係止段部、１３…軸受部材、１３ａ…立ち上がり部、１３ｂ…係止段部、１３ｃ…転動部材、１３ｄ…周溝、１４…均熱板、１４ａ…収容溝、１４ｂ…係止段部、１４ｃ…小突片、１４ｄ…凹状部、１５…外歯車部材、１５ａ…外歯車部、１５ｂ…凹部、１６…内歯車、１７…固定内歯車部材、１８…基板、１９…加熱手段、２０…フローチャンネル、２１…中空軸部材、２２…ガス導入部、２３…ガス排出部、２４…均熱空間部、５１…サセプタ、５２…外歯車、５３…基板、５４…基板保持部、５５…外歯車、Ａ…軸受部材１３の外径、Ｂ…外歯車部１５ａの歯車基準円直径、Ｃ…基板１８の外径

Claims (4)

  1. チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向に形成された複数の円形開口内にそれぞれ設けられたリング状の軸受部材と、各軸受部材上にそれぞれ回転可能に載置された円盤状の均熱板と、各均熱板上にそれぞれ載置された外歯車部材と、該外歯車部材に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材と、前記外歯車部材の表面に保持された基板を前記サセプタの裏面側から加熱する加熱手段と、前記基板の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネルとを備えた自公転機構を有する横形気相成長装置において、前記軸受部材の外径を前記基板の外径より小さい寸法としたことを特徴とする気相成長装置。
  2. チャンバー内に回転可能に設けられた円盤状のサセプタと、該サセプタの外周部周方向に設けられた複数の円形開口内にそれぞれ設けられたリング状の軸受部材と、各軸受部材上にそれぞれ回転可能に載置された円盤状の均熱板と、各均熱板上にそれぞれ載置された外歯車部材と、該外歯車部材に噛合する内歯車を備えたリング状の固定内歯車部材と、前記外歯車部材の表面に保持された基板を前記サセプタの裏面側から加熱する加熱手段と、前記基板の表面に平行な方向に原料ガスを導くフローチャンネルとを備えた自公転機構を有する横形気相成長装置において、前記外歯車部材の歯車基準円直径を前記基板の外径より小さい寸法としたことを特徴とする気相成長装置。
  3. 前記均熱板と外歯車部材との間に、均熱空間部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の気相成長装置。
  4. 前記基板の表面に窒化物系化合物半導体薄膜を成長させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の気相成長装置。
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