JP6013121B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、反応炉内に設置された基板上に原料ガスを供給して前記基板上に薄膜を成長させる気相成長装置に関する。

気相成長法は、薄膜の原料をガス状態にして基板上に供給し、化学反応により基板表面に原料を堆積させる薄膜形成法である。例えば、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオードや紫色レーザダイオードの材料となる窒化ガリウム系半導体薄膜は、原料として有機金属を用いるＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長）法により製造される。

気相成長法を利用して半導体薄膜を成膜する気相成長装置としては、例えば、特許文献1に開示されるものがある。特許文献１の気相成長装置は、チャンバー本体とチャンバー蓋とで上下に分割可能に構成され、該チャンバー本体と該チャンバー蓋を合わせると気相成長の反応炉となるチャンバーと、該チャンバーに複数枚の基板を載置したサセプタを設置し、チャンバー本体中央に配置されたノズルから、半導体薄膜の材料を含む原料ガスを全方位に供給して基板上に半導体薄膜を気相成長させる自公転型の気相成長装置である。

上記のように複数枚の基板に同時に半導体薄膜を気相成長させるためには、原料ガスが各基板上を均等に流れるように流路を形成する必要がある。そこで特許文献１の気相成長装置では、天井板（特許文献１中においては基板対向面部３３）を用いて原料ガスの流路を形成している。

特許文献１の気相成長装置の天井板は中央に開口部を有する円環状板からなり、その周縁部がチャンバー本体に設けられた支持部材によって支持されることで、流路を形成している（特許文献１の段落［００２８］および図１を参照）。なお、天井板の中央の開口部にはチャンバー蓋側の他の部材が入り込んで塞がれている。

特開２０１０−２３２２３６

しかし、特許文献１に記載の天井板は、気相成長時にその外周部が支持部材で支持されるようになっているが、天井板の中央部と他の部材との配置関係が明確でなく、場合によっては、天井板の中央の開口部と、前記チャンバー蓋側の他の部材との間にわずかな隙間ができて、その隙間から原料ガスが漏れ出る可能性がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、流路からガスが漏れ出ることなく気相成長を行うことができる気相成長装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る気相成長装置は、チャンバー本体とチャンバー蓋で構成されたチャンバー内に設置された基板上に原料ガスを供給して前記基板上に薄膜を成長させる気相成長装置であって、
前記チャンバー本体側に設置されて前記基板を保持するサセプタと、
該サセプタとの間に所定の間隔を離して対向配置されて前記原料ガスの流路を形成する天井板と、
前記チャンバー本体の中央部に設置されて、前記原料ガスを前記原料ガスの流路に供給するノズル装置とを備えてなり、
前記ノズル装置は、その上端部に、前記天井板の中央部が載置される載置部を有し、前記天井板は、その中央部が前記載置部に載置されることで前記ノズル装置に保持されることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記天井板は、その中央部に開口部を有し、
前記ノズル装置の上端部には前記開口部に挿入可能な凸部が形成され、該凸部の周辺部が前記載置部となっていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記凸部は上方に向かって縮径するテーパ状になっていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記ノズル装置は、径方向に所定間隔を離して複数配置されて原料ガスのガス導入路を形成するノズル壁部材を有し、最も内側のノズル壁部材が上下動可能な可動ノズル壁部材になっており、前記載置部は該可動ノズル壁部材の上端部に形成されていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（４）に記載のものにおいて、前記可動ノズル壁部材を上動させることで前記天井板を上昇させた状態で、該天井板を受け取って前記チャンバーの外に搬送可能な搬送アームを備えたことを特徴とするものである。

本発明においては、ノズル装置の上部で天井板を支持することにより、流路からガスが漏れ出ることなく気相成長を行うことができる。

本発明の実施の形態にかかる気相成長装置の立断面図である。 図１の気相成長装置のサセプタについて説明する説明図である。 図１の気相成長装置のサセプタカバーについて説明する説明図である。 図１の気相成長装置の天井板について説明する説明図である。 図１の気相成長装置の搬送アームについて説明する説明図である。 図１の気相成長装置におけるサセプタ等の交換時の一工程について説明する説明図である。 図１の気相成長装置における天井板の交換時の一工程について説明する説明図である（その１）。 図１の気相成長装置における天井板の交換時の一工程について説明する説明図である（その２）。 図１の気相成長装置における天井板の交換時の一工程について説明する説明図である（その３）。

本発明の一実施の形態にかかる気相成長装置１は、図１に示すように、チャンバー本体３とチャンバー蓋４とに上下に分割可能なチャンバー２と、円板状からなりチャンバー本体３側に着脱可能に設置されて、気相成長のための基板５を保持する基板保持部７ｂ（図２参照）を備えるサセプタ７と、サセプタ７における基板保持部７ｂ以外の部位を覆うようにサセプタ７上に載置されるサセプタカバー９と、サセプタ７との間に所定の間隔を離して対向配置されて原料ガスの流路Ｌを形成する天井板１１と、チャンバー本体の中央部に設置されて天井板１１を支持するとともに原料ガスを原料ガスの流路Ｌに供給するノズル装置１３と、天井板１１の外周部が載置される天井板外周支持部１７と、サセプタ７、サセプタカバー９および天井板１１の搬入出を行う搬送アーム１９と、制御部（図示略）とを有している。
以下、各構成を図１〜図５に基づいて詳細に説明する。

＜チャンバー＞
チャンバー２は、図１に示すように、概形が偏平して両端が閉じた円筒状からなる。チャンバー２は、有底円筒状からなるチャンバー本体３と、チャンバー本体３の開口側を覆う有底円筒状からなるチャンバー蓋４とに上下に分割可能になっている。
チャンバー本体３は、開口側を上にして固定して設けられている。チャンバー蓋４は、開口側を下にしてチャンバー本体３の上方に昇降可能に設けられている。
チャンバー本体３とチャンバー蓋４は、図１に示すように、チャンバー蓋４を下降させて開口部同士を合わせることで密閉された円筒状になり、基板５（図２参照）上に半導体薄膜を成膜するための反応炉となる。
チャンバー本体３およびチャンバー蓋４の材質には、耐食性に優れたステンレスを用いることができる。
なお、上記では、チャンバー蓋４は上下方向のみに移動するものを例として説明したが、所定の位置まで上下方向に移動するとともに水平方向に移動してもよい。

＜サセプタ＞
サセプタ７は、図２の平面図に示すように、中央にノズル装置１３の上部が挿通可能な開口部７ａを有する円環板状からなり、チャンバー本体３内に設けられたサセプタ回転機構８に着脱可能にかつ回転可能に設置されている（図１参照）。
開口部７ａの周りには、薄膜が形成される基板５が載置される基板載置部７ｂが周方向に等間隔に複数設けられている。なお、図２は基板載置部７ｂに基板５を載置した状態を示している。
なお、サセプタ７の材質には、例えばカーボンを用いることができる。また、基板５の材質は、成膜する半導体薄膜の材料に合わせて選択される。

＜サセプタカバー＞
サセプタカバー９は、図３の平面図に示すように、平面視でサセプタ７とほぼ同形の円環板状からなり、中央にノズル装置１３の上部が挿入可能な開口部９ａと、開口部９ａの周りに複数の開口部９ｂとを有している。
サセプタカバー９は、サセプタ７上に載置されて原料ガスによる汚染や酸化等からサセプタ７を保護するものである。サセプタカバー９がサセプタ７上に載置されると、サセプタカバー９の上面とサセプタ７の基板載置部７ｂに載置された基板５との上面とが面一になるようになっており、これらの面と天井板１１の下面とで原料ガスの流路Ｌが形成されている。なお、サセプタカバー９の材質には、例えば石英が用いられる。

＜天井板＞
天井板１１は、図４に示すように、中央には後述するノズル装置１３の凸部１４が挿入可能な開口部１１ａを有する円板からなる。
図１は、天井板１１の開口部１１ａにノズル装置１３の凸部１４が挿入されて、天井板１１はノズル装置１３の中央に載置されて支持される状態を図示したものである。
上記のように天井板１１がノズル装置１３に載置されると、天井板１１の下面とサセプタカバー９の上面とで、半導体薄膜を成膜するための原料ガスの流路Ｌを形成する（図１参照）。このとき、天井板１１は自重でノズル装置１３と隙間なく当接しており、原料ガスが流路Ｌから漏れ出ることを防止している。
なお、天井板１１の材質には、例えば石英を用いることができる。

＜ノズル装置＞
ノズル装置１３は、チャンバー本体３の中央に設置されて、原料ガスの流路Ｌに原料ガスを供給する。
ノズル装置１３は、図１に示すように、径方向に所定間隔を離して複数配置されて原料ガスのガス導入路Ｆを形成するノズル壁部材（可動ノズル壁部材１３ａ、固定ノズル壁部材１３ｂ、固定ノズル壁部材１３ｃ、固定ノズル壁部材１３ｄ）を有している。

可動ノズル壁部材１３ａは、所定の径の円柱からなる本体部１６と、本体部１６の上端にあって外方に張り出す張出部１８を有し、張出部１８の上面に天井板１１の中央部が載置される載置部１２が形成されている。
固定ノズル壁部材１３ｂは、可動ノズル壁部材１３ａの円柱の直径よりも大径の管状からなり、一端が外方に張り出した形状になっている。
固定ノズル壁部材１３ｃは、固定ノズル壁部材１３ｂよりも大径の管状からなり、一端が外方に張り出した形状になっている。
固定ノズル壁部材１３ｄは、固定ノズル壁部材１３ｃよりもさらに大径の管状からなり、一端が外方に張り出した形状になっている。

ノズル装置１３は、可動ノズル壁部材１３ａを最も内側にして、可動ノズル壁部材１３ａの外側に径方向に所定の間隔を離して固定ノズル壁部材１３ｂが配置されており、可動ノズル壁部材１３ｂの外側に径方向に所定の間隔を離して固定ノズル壁部材１３ｃが配置されており、さらに、可動ノズル壁部材１３ｃの外側に径方向に所定の間隔を離して固定ノズル壁部材１３ｄが配置されている。

このように上記各ノズル壁部材（可動ノズル壁部材１３ａ、固定ノズル壁部材１３ｂ、固定ノズル壁部材１３ｃおよび固定ノズル壁部材１３ｄ）を入れ子状に配置することで、各部材の隣り合う部材同士で空間が形成され、該各空間が流路Ｌに原料ガスを導入するガス導入路Ｆになっている。各ガス導入路Ｆには、図示しない原料ガス供給部から原料ガスが供給される。例えば、成膜する半導体薄膜が窒化ガリウムである場合には、原料ガス供給部からそれぞれ有機金属ガスと、アンモニアガスと、パージガスとが供給される（図１中の矢印参照）。

ノズル装置１３から供給される原料ガスは、サセプタカバー９の上面と天井板１１の下面とで形成される原料ガスの流路Ｌ内を、チャンバー本体３の中央から外周に向かって流れて、チャンバー本体３の外周に設けられた排出口３ａから排出される（図１中の矢印参照）。これにより、サセプタ７に載置された基板５の表面上に半導体薄膜が形成される。
なお、原料ガスの材料は、成膜する半導体薄膜の種類等に合わせて選択される。

可動ノズル壁部材１３ａの載置部１２の上端部の中央には載置部１２よりも小径の略円盤状からなり天井板１１の開口部１１ａに挿入可能な凸部１４が形成されている。天井板１１が載置部に載置された際に、開口部１１ａに凸部１４が挿入されることで天井板１１の水平方向の位置がずれないようになっている。
凸部１４は上方に向かって次第に縮径しており、凸部１４の側面がテーパ面１４ａとなっている。テーパ面１４ａは天井板１１の開口部１１ａに凸部１４が挿入される際に、天井板１１をガイドして天井板１１の水平方向の位置決めを容易にする役割を担っている。

可動ノズル壁部材１３ａは、上下動可能に設けられており、固定ノズル壁部材１３ｂ、固定ノズル壁部材１３ｃおよび固定ノズル壁部材１３ｄは、チャンバー本体３側に固定されている。
可動ノズル壁部材１３ａの上下動はパルスモータ等を有する上下動装置１５によって行われる。上下動装置１５はパルスモータ等によって可動ノズル壁部材１３ａの上下位置を高精度（サブミリオーダ）に調整可能になっている。
可動ノズル壁部材１３ａは、載置部１２で天井板１１を支持した状態で上下動可能となっており、天井板１１の上下位置を調整することで流路Ｌの高さを高精度に調整可能になっている。

なお、ノズル装置１３は、図１に示す構成に限定されるものではなく、天井板１１を支持して上下動可能であるとともに、原料ガスの流路Ｌに原料ガスを供給可能な構成であればどのようなものでもよい。

＜天井板外周支持部＞
天井板外周支持部１７は、図１に示すように、天井板１１の外周側にあって、チャンバー本体３またはチャンバー蓋４のいずれか一方に着脱可能になっている。
天井板外周支持部１７がチャンバー蓋４に装着されると、チャンバー２の開閉時に、チャンバー蓋４の昇降に伴って天井板外周支持部１７が昇降するようになっている。このとき天井板１１の外周部が天井板外周支持部１７によって支持されて、天井板１１も昇降する。天井板外周支持部１７をチャンバー蓋４１に装着した状態でチャンバー蓋を上昇させた状態を図６に示す。

他方、天井板外周支持部１７がチャンバー本体３に装着されると、チャンバー２の開閉時に、天井板外周支持部１７に天井板１１が載置されたまま、チャンバー蓋４のみを上昇させることができる。
このように、天井板外周支持部１７は、チャンバー２の昇降にともなって天井板１１を昇降させるか否かによって、チャンバー本体３またはチャンバー蓋４に選択的に装着される。

＜搬送アーム＞
搬送アーム１９は、チャンバー２外に設置され、サセプタ７、サセプタカバー９、天井板１１のいずれか１つ以上または全部をチャンバー２の内外に搬送する。
搬送アーム１９は、図５に示すように平面視が略Ｕ字状の板を、図１に示すように上下２段（上段部１９ａおよび下段部１９ｂ）有している。上段部１９ａおよび下段部１９ｂは、Ｕ字の曲線部で連結部１９ｃによって連結されている。上段部１９ａは天井板１１が載置可能になっている。

下段部１９ｂにはサセプタ７またはサセプタカバー９が重ねられたサセプタ７が載置可能になっている。
また、上段部１９ａおよび下段部１９ｂは、図５に示すように平面視でほぼ同じ大きさになっており、サセプタ７やサセプタカバー９を載置すると、これらの外周部がはみ出すような大きさに設定されている。

可動ノズル壁部材１３ａを上動させた状態で搬送アーム１９をチャンバー本体３の上方に進入させると、可動ノズル壁部材１３ａが搬送アーム１９のＵ字の曲線部内側に入り込んでぶつからないようになっている。
可動ノズル壁部材１３ａを上動させて可動ノズル壁部材１３ａに載置された天井板１１を上昇させた状態で、搬送アーム１９をチャンバー本体３の上方に位置させて、可動ノズル壁部材１３ａを下動させれば、天井板１１が搬送アーム１９の上段部１９ａに載置される。このようにして、搬送アーム１９は可動ノズル壁部材１９ａから天井板１１を受け取ることができる。また、天井板１１を受け取った後に、搬送アーム１９をチャンバー２の外に移動させることで、天井板１１を搬出可能となっている。

上段部１９ａと下段部１９ｂの間隔、すなわち連結部１９ｃの高さは、ノズル装置１３の可動ノズル壁部材１３ａの可動範囲を勘案して、搬送アーム１９の上段部１９ａおよび下段部１９ｂとの間で搬送対象の部材の受け渡しが円滑に行われるように設定される。

＜制御部＞
制御部は、チャンバー蓋４、ノズル装置１３、天井板外周支持部１７、搬送アーム１９の動作を制御する。具体的には例えば、チャンバー蓋４の昇降、ノズル装置１３の可動ノズル壁部材１３ａの上下動、天井板外周支持部１７のチャンバー本体３またはチャンバー蓋４への装着、搬送アーム１９のチャンバー２内外への搬送の動作を制御する。なお、制御部の設置場所は、ノズル装置１３、天井板外周支持部１７、搬送アーム１９の動作の制御が可能であれば、特に限定されない。

以上のように構成された本実施の形態の気相成長装置１において、気相成長後に使用後のサセプタ７等の交換を行う場合の天井板１１に関連する動作について説明する。
気相成長後の状態は、図１と同様の状態である。つまり、チャンバー２は閉じており、天井板１１は可動ノズル壁部材１３ａによって支持されている。
この状態から、天井板外周支持部１７をチャンバー蓋４に装着して、チャンバー蓋４を上昇させる（図６参照）。このとき、天井板１１は、図６に示すように、天井板外周支持部１７によって外周部を支持され、チャンバー蓋４とともに上昇している。この状態で搬送アーム１９等を用いてサセプタ７等の交換を行う。

次に、チャンバー蓋４を下降させ、チャンバー２を閉じた状態にする。このとき、天井板１１は、チャンバー蓋４の下降に伴って下降し、天井板１１の開口部１１ａに可動ノズル壁部材１３ａの凸部１４が再び挿入されて、天井板１１が可動ノズル壁部材１３ａの載置部１２によって支持される。このとき天井板１１と可動ノズル壁部材１３ａとが隙間なく当接しているため、流路Ｌから原料ガスが漏れ出ることがない。

また、上述したとおり、天井板１１の上下方向の位置を調整することで流路Ｌの高さを微調整可能となっている。流路Ｌの高さを毎回同じ値に設定すれば、原料ガスの流れ具合を毎回一定にすることができ、気相成長の再現性が高くすることができる。

以上のようにしてサセプタ７等の交換が終了する。この状態で再び気相成長を行うことができる。

以上のように、本実施の形態においては、サセプタ７等の交換後においても、可動ノズル壁部材１３ａの載置部１２によって天井板１１が支持されて、天井板１１と可動ノズル壁部材１３ａとが隙間なく当接しているので、流路Ｌから原料ガスが漏れ出ることなく気相成長を行うことができる。

次に、気相成長装置１における天井板１１を搬入する方法の一例を、気相成長装置１の動作と共に説明する。
各工程における気相成長装置１の構成要素の動作は、制御部により制御する。

図７は、気相成長装置１の各部材の初期位置を示す図であり、気相成長処理後に、図１の状態からチャンバー蓋４を搬送アーム１９の上段部１９ａよりも高い位置まで上昇させることでチャンバー２を開いた後、使用後の天井板１１を搬出した後の状態である。搬出の方法については後述する。
図７に示すように、サセプタ７はサセプタ回転機構８に支持されている。このサセプタ７にはサセプタカバー９が載置されている。また、サセプタ７の基板載置部７ｂには基板５が載置されている。可動ノズル壁部材１３ａの位置は、気相成長処理時と同位置である。天井板外周支持部１７は、チャンバー本体３に装着されている。搬送アーム１９はチャンバー２の外に待機しており、チャンバー２の上段部１９ａには使用前の天井板１１が載置されている。

まず、搬送アーム１９を水平方向に移動させて、チャンバー本体３の上方に位置させる。
次に、可動ノズル壁部材１３ａを上動させて、搬送アーム１９の上段部１９ａに載置されている天井板１１を可動ノズル壁部材１３ａで突き上げて支持する（図８参照）。こうすることによって天井板１１が搬送アーム１９から可動ノズル壁部材１３ａに受け渡される。その後、搬送アーム１９を水平方向に移動させてチャンバー２の外に出す。

次に、可動ノズル壁部材１３ａを下動させて天井板１１の外周部を天井板外周支持部１７の凹部に納める（図９参照）。こうすることによって、天井板１１の下面とサセプタカバー９の上面とで、原料ガスの流路Ｌが形成される。このとき、天井板１１と可動ノズル壁部材１３ａとが隙間なく当接しているので、流路Ｌから原料ガスが漏れ出ることなく気相成長を行うことができる。また、流路Ｌの高さを毎回同じ高さになるように天井板１１の上下位置を調整すれば、気相成長の再現性を向上させることができる。

このようにして天井板１１の搬入および設置が完了する。その後、チャンバー蓋４を下降させてチャンバー２を閉じれば、再び気相成長を行うことができる。
天井板１１の搬出は、上記の搬入および設置を逆の順番で行うことで実施できる。つまり、可動ノズル壁部材１３ａに支持されている天井板１１を、可動ノズル壁部材１３ａによって上昇させる。次に搬送アーム１９をチャンバー本体２の上方かつ、上昇した天井板１１の下方に位置させる。次いで、可動ノズル壁部材１３ａを下動させることで、搬送アーム１９の上段部１９ａに天井板１１を載置する。こうすることで天井板１１を可動ノズル壁部材１３ａから搬送アーム１９に受け渡す。次いで、搬送アーム１９をチャンバー２の外に移動させる。以上のようにして、使用後の天井板１１がチャンバー２外へ搬出される。搬出された天井板１１は洗浄することができる。

以上のように、本実施の形態においては、ノズル装置１３の上部である可動ノズル壁部材１３ａによって天井板１１が支持された状態で天井板１１の上下位置を調整することができるので、流路Ｌの高さを毎回同じに設定することができ、それ故、気相成長の再現性が高くすることができる。

Ｌ 流路
Ｆ ガス導入路
１ 気相成長装置
２ チャンバー
３ チャンバー本体
３ａ 排出口
４ チャンバー蓋
５ 基板
７ サセプタ
７ａ 開口部
７ｂ 基板載置部
８ サセプタ回転機構
９ サセプタカバー
９ａ 開口部
９ｂ 開口部
１１ 天井板
１２ 載置部
１３ ノズル装置
１３ａ 可動ノズル壁部材
１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 固定ノズル壁部材
１４ 凸部
１４ａ テーパ面
１５ 上下動装置
１６ 本体部
１７ 天井板外周支持部
１８ 張出部
１９ 搬送アーム
１９ａ 上段部
１９ｂ 下段部
１９ｃ 連結部

Claims (4)

1. チャンバー本体とチャンバー蓋で構成されたチャンバー内に設置された基板上に原料ガスを供給して前記基板上に薄膜を成長させる気相成長装置であって、
   前記チャンバー本体側に設置されて前記基板を保持するサセプタと、
   該サセプタとの間に所定の間隔を離して対向配置されて前記原料ガスの流路を形成する天井板と、
   前記チャンバー本体の中央部に設置されて、前記原料ガスを前記原料ガスの流路に供給するノズル装置とを備えてなり、
   前記ノズル装置は、その上端部に、前記天井板の中央部が載置される載置部を有し、前記天井板は、その中央部が前記載置部に載置されることで前記ノズル装置に保持され、かつ前記ノズル装置は、径方向に所定間隔を離して複数配置されて原料ガスのガス導入路を形成するノズル壁部材を有し、最も内側のノズル壁部材が上下動可能な可動ノズル壁部材になっており、前記載置部は該可動ノズル壁部材の上端部に形成されていることを特徴とする気相成長装置。
2. 前記天井板は、その中央部に開口部を有し、
   前記ノズル装置の上端部には前記開口部に挿入可能な凸部が形成され、該凸部の周辺部が前記載置部となっていることを特徴とする請求項１記載の気相成長装置。
3. 前記凸部は上方に向かって縮径するテーパ状になっていることを特徴とする請求項２記載の気相成長装置。
4. 前記可動ノズル壁部材を上動させることで前記天井板を上昇させた状態で、該天井板を受け取って前記チャンバーの外に搬送可能な搬送アームを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気相成長装置。

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