JP6344959B2 - 気相成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相成長装置に関するものである。

従来から、反応炉内のサセプタに保持した基板を加熱手段で所定の温度に加熱した状態で反応炉内に原料ガスを供給し、基板面に薄膜を堆積させる気相成長装置として、サセプタを回転させると共にサセプタの回転に伴って成膜中の基板を自公転させることによって複数枚の基板に均一に薄膜を形成できるようにした自公転型気相成長装置が知られている。

一般的に、自公転型の気相成長装置は、反応炉内に、回転するサセプタと、基板が載置できる複数の基板載置手段と、を備えている。これらの基板載置手段の外周には外歯車が設けられており、反応炉に固定された固定歯車と歯合される。そして、サセプタの回転を固定歯車で伝えることで、各基板載置手段はそれぞれが自転する。

ここで、サセプタの回転を各基板載置手段に伝える固定歯車の構成としては、特許文献１及び特許文献２が知られている。具体的には、特許文献１には、サセプタの外周側であって、反応炉に固定された外周固定歯車が設けられた気相成長装置の構成が開示されている。この外周固定歯車には内歯車が設けられており、各基板載置手段の外歯車とそれぞれ歯合される。これにより、サセプタの回転が歯車によって各基板載置手段に伝達されるため、サセプタ上の基板載置手段は公転しつつ、それぞれが自転する構成となっている。

また、特許文献２には、サセプタの内側であって、反応炉の中央に固定された中央固定歯車が設けられた気相成長装置の構成が開示されている。この中央固定歯車には外歯車が設けられており、各基板載置手段の外歯車とそれぞれ歯合される。これにより、サセプタの回転が歯車によって各基板載置手段に伝達されるため、サセプタ上の基板載置手段は公転しつつ、それぞれが自転する構成となっている。

ところで、反応炉の内部には、基板を加熱する目的で、ヒーターがサセプタの下方に設けられている。また、サセプタ上に設置された基板載置手段は、ヒーターからの熱を効率よく基板に伝えるため、裏面側がヒーターの表面に露出しており、輻射熱を直接受けるような構造となっているのが一般的である。

これらのサセプタや基板載置手段は、一般的に、カーボンなど熱の良導体で製作されている。また、原料ガス（アンモニアガス等）による腐食防止のため、カーボンの表面に、ＳｉＣ等の表面コーティングが施されている（以下、「ＳｉＣコートカーボン」という）。

また、基板載置手段の歯車あるいは固定歯車の歯車としては、１，０００℃の高温に耐え、且つ、原料ガスの腐食性に耐性のある材質を用いる必要がある。このような材質としては、ＳｉＣバルク材、ＳｉＣコートカーボン、石英及び窒化ホウ素（以下、「ＢＮ」という）が知られている。これらの中でも、基板載置手段の歯車あるいは固定歯車の歯車としてＳｉＣコートカーボンどうしの組み合わせが、現状において最も選ばれていた（例えば、特許文献３を参照）。

特許第４５３７５６６号公報 特開２０１３−２１９２１７号公報 特開２０１３−００４７３０号公報

ところで、気相成長装置の運転時には、基板は１，０００℃程度まで加熱され、サセプタおよび固定歯車もそれぞれ熱膨張するが、ヒーターにより近いサセプタの方がより熱膨張するため、自転する基板載置手段の歯車と固定歯車との間隔は狭くなる傾向にある。このため、基板載置手段の歯車と固定歯車との間隔が適正範囲を下回ると、歯と歯が噛み込んで基板載置手段の自転異常の不具合を生じ、装置停止、もしくは歯の割れなどが多発してしまうという課題があった。

また、歯車どうしの材質の組み合わせによって、同程度の回転異常が生じた際の歯の欠けやすさには違いがあることは知られているが、基板載置手段の歯車及び固定歯車の材質の組み合わせとして、従来から用いられているＳｉＣコートカーボンどうしの組み合わせでは、摩擦抵抗が大きく、少しの調整のズレでも自転異常を生じやすいという問題があった。

さらに、近年、基板の大型化、基板数の多量化により、サセプタおよび固定歯車などの部品も大型化する傾向にあり、それに伴い部品の熱膨張による変形の影響が顕著になるという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、基板載置手段と固定歯車とのあいだの歯車どうしの衝突の衝撃を和らげ、歯車の破損を防ぐことが可能な気相成長装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、反応炉内に設置された回転型のサセプタと、
外周に外歯車を有し、基板を載置して自公転可能な複数の基板載置手段と、
前記反応炉側に固定され、前記サセプタに対して相対的に回転可能であり、当該サセプタの回転を前記基板載置手段の前記外歯車に伝達して当該基板載置手段をそれぞれ自転させる固定歯車と、
前記基板を加熱する加熱手段と、を備え、
前記固定歯車が、前記反応炉の外周側に固定された外周固定歯車であり、前記外周固定歯車の内周に、前記基板載置手段の前記外歯車と歯合される内歯車を有するとともに、
前記基板載置手段の前記外歯車の材質がＳiＣコートカーボンであり、
前記外周固定歯車の前記内歯車の材質が石英であることを特徴とする気相成長装置である。

請求項２に係る発明は、反応炉内に設置された回転型のサセプタと、
外周に外歯車を有し、基板を載置して自公転可能な複数の基板載置手段と、
前記反応炉側に固定され、前記サセプタに対して相対的に回転可能であり、当該サセプタの回転を前記基板載置手段の前記外歯車に伝達して当該基板載置手段をそれぞれ自転させる固定歯車と、
前記基板を加熱する加熱手段と、を備え、
前記固定歯車が、前記反応炉の中央に固定された中央固定歯車であり、前記中央固定歯車の外周に、前記基板載置手段の前記外歯車と歯合される外歯車を有するとともに、
前記基板載置手段の前記外歯車の材質がＳiＣコートカーボンであり、
前記中央固定歯車の前記外歯車の材質が石英であることを特徴とする気相成長装置である。

請求項３に係る発明は、前記基板載置手段が、基板載置部本体と、外歯車と、に分離可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の気相成長装置である。

本発明の気相成長装置によれば、基板載置手段の外歯車の材質をＳiＣコートカーボンとするとともに、固定歯車の材質を石英とするため、基板載置手段と固定歯車とのあいだの歯車どうしの衝突の衝撃を和らげ、歯車の破損を防ぐことが可能となる。

本発明を適用した第１の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を説明するための平面模式図である。 本発明を適用した第１の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を説明するための断面模式図である。 本発明を適用した第２の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を説明するための平面模式図である。 本発明を適用した第２の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を説明するための断面模式図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である気相成長装置について、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
先ず、本発明を適用した第１実施形態である気相成長装置の構成について説明する。図１は、第１の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を示す平面模式図である。また、図２は、第１の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を示す断面模式図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の気相成長装置３１は、密閉された反応炉２内に設置された自転型のサセプタ６と、外周に外歯車５ｂを有し、基板１を載置して自公転可能な複数の基板載置部（基板載置手段）５と、反応炉２の外周側に固定され、サセプタ６に対して相対的に回転可能であり、当該サセプタ６の回転を基板載置部５の外歯車５ｂに伝達して当該基板載置部５をそれぞれ自転させる外周固定歯車（固定歯車）７と、サセプタ６の下方に設けられ、基板１の温度を１０００℃以上に加熱可能なヒーター（加熱手段）１０と、を備えて概略構成されている。

より具体的には、図２に示すように、反応炉２内の中央上部には、製品薄膜の原料ガス（例えば、トリメチルガリウムガスやアンモニアガス等）１３を供給する配管３が上蓋を貫通して設けられている。また、配管３の先端には、原料ガス１３を基板１上に噴出するためのノズル４が設けられている。

サセプタ６は、すべての基板１上の成膜を平均化させるため、ノズル４を中心軸として回転可能となっている。さらに、サセプタ６上に設けられた各基板載置部５は、それぞれが自転可能になっており、各基板載置部５の自転軸はサセプタ６の回転軸から均一距離かつ等角度間隔となるように配置されている。

図１及び図２に示すように、基板載置部５の外周には、外歯車５ｂが設けられている。一方、サセプタ６の外周側には、反応炉２に固定された外周固定歯車７が設けられている。この外周固定歯車７の内周には、内歯車７ａが設けられている。これにより、各基板載置部５の外歯車５ｂと、外周固定歯車７の内歯車７ａとがそれぞれ歯合され、サセプタ６の回転を外周固定歯車７によって各基板載置部５に伝えることで、各基板載置部５はそれぞれが自転することができる。

図２に示すように、反応炉２の内部には、基板１を加熱する目的で、ヒーター１０がサセプタ６の下方となる位置に設けられている。これにより、ノズル４より噴出された原料ガス１３は、高温に加熱された基板１上で化学反応し、生成された分子が基板１の表面に堆積して成膜が行われる。一方、成膜に使用されずに基板１を通過した原料ガス１３は、反応炉２の外周下部に取り付けられた排気口１２により、反応炉２から排出される。

サセプタ６上に設置された基板載置部５は、高温状態でも安定した自転を得る必要がある。このため、基板載置部５とサセプタ６との接点は、玉軸受け構造となっており、基板載置部５は、カーボン製やセラミック製のベアリング９を介して自転している。また、基板載置部５は、ヒーター１０からの熱を効率よく基板１に伝えるため、裏面側をヒーター１０の表面に露出しており、輻射熱を直接受けるような構造となっている。

本実施形態の気相成長装置３１は、固定歯車と基板載置部の歯車との材質の組み合わせとして、基板載置部５の外歯車５ｂの材質をＳiＣコートカーボンとし、外側固定歯車７の材質（すなわち、内歯車７ａの材質）を石英とすることを特徴としている。

ここで、固定歯車と基板載置部の歯車との材質の組み合わせについて説明する。
先ず、歯車の材質としては、１，０００℃の高温に耐え、且つ、原料ガスの腐食性に耐性のあることが必要である。このような材質としては、ＳｉＣバルク材、ＳｉＣコートカーボン、石英及び窒化ホウ素（ＢＮ）が知られている。

上述した材質の中において、ＢＮは柔らかく、摩耗が激しいため、歯車の材質への適用はあまり好ましくはない。
また、従来のように、固定歯車と基板載置部の歯車との材質の組み合わせに、ＳｉＣコートカーボンどうしを組み合わせた場合では、他の材質の組み合わせと比較して、摩擦抵抗が大きいことが判明した。同様に、ＳｉＣバルク材どうしを組み合わせた場合も、より摩擦抵抗が大きいことが判明した。

一方、石英どうしを組み合わせた場合は、石英自体が脆性かつ強度が弱いため、何かの拍子に力が加わると脆性破壊となる可能性が高いことが判明した。
また、石英とＳｉＣバルク材とを組み合わせた場合では、石英の強度がＳｉＣバルク材よりも弱すぎるため、石英歯車の破損が頻繁に生じるという問題があった。
さらに、ＳｉＣコートカーボンとＳｉＣバルク材とを組み合わせた場合では、衝突の衝撃が非常に強く、ＳｉＣコートカーボンが割れる場合があるという問題があった。

後に、上述した材質の中において、ＳｉＣコートカーボンは、素材であるカーボンに近い性質であり、ヤング率が小さく、弾性変形しやすいという特性がある。このため、他の脆性材料と組み合わせると、衝突の衝撃を緩和して割れを生じにくくすることが解った。
よって、石英とＳｉＣコートカーボンとを組み合わせた場合では、石英が少々削れるものの、衝撃の吸収性を考慮し、最も良い組み合わせであることが判明した。

次に、ＳｉＣコートカーボンと石英との温度変化による変形の様子を比較すると、ＳｉＣコートカーボンには歪点がなく、高温下で膨張した後、温度が下がると収縮して元の形状に戻る。一方、石英は、歪点（１，１２０℃）よりも高い高温下において力が加わるなどにより変形した場合、温度が下がっても元の形状に戻らない。このことから、石英を比較的温度の低い方の歯車の材質とすることが望ましいことが判明した。

また、本実施形態の気相成長装置３１では、基板載置部５を基板載置部本体５ａと外歯車５ｂとに分離可能な構造とすることが好ましい。このように外歯車５ｂを分離可能な構造とすることにより、基板載置部本体５ａと外歯車５ｂとの間の微小な隙間が生じる。そして、この微小な隙間の存在によって、当該外歯車５ｂと外側固定歯車７の内歯車７ａとの衝突の衝撃が和らぐため、歯車５ａ，７ａの破損を防ぐことが可能となる。また、外歯車５ｂが破損した場合、基板載置部本体５ａを含む基板載置部５の全体を交換することなく、外歯車５ｂのみを交換すればよい。同様に、外側固定歯車７についても、外側固定歯車本体と内歯車７ａとに分離可能な構造とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の気相成長装置３１によれば、基板載置部５の外歯車５ｂの材質をＳiＣコートカーボンとするとともに、内歯車７ａを含む外側固定歯車７の材質を石英とするため、基板載置部５と外側固定歯車７とのあいだの歯車どうしの衝突の衝撃を和らげ、歯車の破損を防ぐことが可能となる。

また、本実施形態の気相成長装置３１によれば、基板載置部５を基板載置部本体５ａと外歯車５ｂとに分離可能な構造とすることにより、歯車どうしの衝突の衝撃を和らげて、歯車の破損をより効果的に防ぐことができる。さらに、外歯車５ｂが破損した場合には、基板載置部５の全体ではなく、外歯車５ｂのみを交換すればよいため、経済的である。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２実施形態である気相成長装置の構成について説明する。図３は、第２の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を示す平面模式図である。また、図４は、第２の実施形態である気相成長装置のサセプタ周囲の構成を示す断面模式図である。

本実施形態の気相成長装置４１は、反応炉２の外周側に固定された外側固定歯車７に代えて、反応炉２の中央に固定された中央固定歯車（固定歯車）８を備える点で異なっている。したがって、本実施形態の気相成長装置４１については、第１の実施形態の気相成長装置３１と同一の構成部分については同じ符号を付するとともに説明を省略する。

図３及び図４に示すように、中央固定歯車８は、反応炉２の中央にサセプタ６の自転軸と中心を等しくして固定されている。この中央固定歯車８の外周には、外歯車８ａが設けられている。これにより、各基板載置部５の外歯車５ｂと、中央固定歯車８の外歯車８ａとがそれぞれ歯合され、サセプタ６の回転を中央固定歯車８によって各基板載置部５に伝えることで、各基板載置部５はそれぞれが自転することができるように構成されている。

本実施形態の気相成長装置４１は、固定歯車と基板載置部の歯車との材質の組み合わせとして、基板載置部５の外歯車５ｂの材質をＳiＣコートカーボンとし、中央固定歯車８の材質（すなわち、外歯車８ａの材質）を石英とすることを特徴としている。これにより、第１の実施形態の気相成長装置３１と同様に、基板載置部５と中央固定歯車８とのあいだの歯車どうしの衝突の衝撃を和らげ、歯車の破損を防ぐことが可能となる。

本実施形態の気相成長装置４１によれば、固定歯車として中央固定歯車８としたことにより、大きな部品であって不具合の主な原因となる外周固定歯車をなくすことができる。さらに、外周固定歯車と比較して、中央固定歯車８は固定歯車自体を小さくすることができる。

また、中央固定歯車８は、比較的温度の低い反応炉２の内側に配置される。これによって、熱膨張による変形が外周固定歯車に比べて抑制されるため、石英製としても変形を起こすことを防ぐことができる。

さらに、固定歯車として中央固定歯車８とすることにより、固定歯車の歯の形状を内歯車から外歯車にすることができる。これにより、熱膨張による基板載置部５の外歯車５ｂとの噛み合わせの不具合を防ぐことができる。更にまた、基板載置部５と中央固定歯車８との歯車どうしの接点を比較的温度の低い反応炉２の中央側とすることができるため、熱の影響による不具合を抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上述した第１及び第２実施形態の気相成長装置３１，４１によれば、基板１上の成膜の成長面は基板上側となっているが、これに限定されるものではない。基板１上への不純物の付着防止の観点から、基板１をサセプタ６の下側の面となるように設置して、成膜の成長面が基板１の下側であってもよい。

１・・・基板
２・・・反応炉
５・・・基板載置部（基板載置手段）
５ａ・・・基材載置部本体
５ｂ・・・外歯車
６・・・サセプタ
７・・・外周固定歯車（固定歯車）
７ａ・・・内歯車
８・・・中央固定歯車（固定歯車）
８ａ・・・外歯車
１０・・・ヒーター
３１，４１・・・気相成長装置

Claims (3)

1. 反応炉内に設置された回転型のサセプタと、
   外周に外歯車を有し、基板を載置して自公転可能な複数の基板載置手段と、
   前記反応炉側に固定され、前記サセプタに対して相対的に回転可能であり、当該サセプタの回転を前記基板載置手段の前記外歯車に伝達して当該基板載置手段をそれぞれ自転させる固定歯車と、
   前記基板を加熱する加熱手段と、を備え、
   前記固定歯車が、前記反応炉の外周側に固定された外周固定歯車であり、前記外周固定歯車の内周に、前記基板載置手段の前記外歯車と歯合される内歯車を有するとともに、
   前記基板載置手段の前記外歯車の材質がＳiＣコートカーボンであり、
   前記外周固定歯車の前記内歯車の材質が石英であることを特徴とする気相成長装置。
2. 反応炉内に設置された回転型のサセプタと、
   外周に外歯車を有し、基板を載置して自公転可能な複数の基板載置手段と、
   前記反応炉側に固定され、前記サセプタに対して相対的に回転可能であり、当該サセプタの回転を前記基板載置手段の前記外歯車に伝達して当該基板載置手段をそれぞれ自転させる固定歯車と、
   前記基板を加熱する加熱手段と、を備え、
   前記固定歯車が、前記反応炉の中央に固定された中央固定歯車であり、前記中央固定歯車の外周に、前記基板載置手段の前記外歯車と歯合される外歯車を有するとともに、
   前記基板載置手段の前記外歯車の材質がＳiＣコートカーボンであり、
   前記中央固定歯車の前記外歯車の材質が石英であることを特徴とする気相成長装置。
3. 前記基板載置手段が、基板載置部本体と、外歯車と、に分離可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の気相成長装置。

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