JPH0619570Y2 - 気相成長装置のサセプタ回転軸冷却構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 (ア)技術分野 この考案は、縦型気相成長装置におけるサセプタ回転軸
の冷却構造に関する。

縦型気相成長装置というのは、例えば有機金属熱分解法
（ＭＯＣＶＤ）により、基板の上にエピタキシヤル薄膜
を成長させる装置である。

縦型真空チヤンバの中に、円筒形のサセプタが鉛直の軸
によつて回転可能に支持されている。サセプタの側周に
は、単結晶基板（ウエハ）が取付けてある。サセプタ、
ウエハをヒータによつて加熱する。サセプタは回転させ
る。

原料ガスを上から下に通す。ウエハの上で気相反応が起
る。反応生成物が加熱されたウエハの上に堆積してゆ
く。

(イ)従来技術 サセプタ回転機構が問題である。

サセプタは高熱に加熱される。この熱がサセプタ回転軸
にも伝わる。

サセプタ回転軸は、真空チヤンバの底壁の直下に設けた
モータ、減速器よりなる回転駆動系につながつている。

真空チヤンバの壁面を貫くように設けられるので、シー
ルが問題である。

シールはパツキンを用いる。しかし、回転軸は高熱にな
るので、パツキンの劣化が速い。

高温用のパツキンであつても、使用とともに劣化してし
まう。パツキンだけでなく、回転軸の高温による劣化の
問題もある。

さらに、軸受などの支持部材も高温から守る必要があ
る。

ところが、サセプタ回転軸を冷却できる構造が従来は存
在しなかつた。

このため、サセプタ回転駆動系は寿命が短く、頻繁に点
検し、取替えなければならなかつた。

(ウ)目的 縦型気相成長装置のサセプタ回転軸を冷却し、回転軸、
シール部材、軸受、伝達歯車などの高熱による劣化を防
ぐことのできる機構を提供することが本考案の目的であ
る。

(エ)構成 サセプタ回転軸を上、下の２軸に分割し、下軸には、ベ
ベルギヤ、又はウオーム歯車などにより側方から駆動力
を与える。サセプタ下軸は中空にしておき、この中へ内
外二重筒よりなる冷却用パイプを装入する。

内外二重筒とチヤンバ内空間とは完全に遮断されてい
る。

内外二重筒の中に冷却水を流す。

冷却用パイプの外壁が低温になるから、サセプタ下軸６
の空洞部を冷却する事ができる。

図面によつて説明する。

第１図は本考案の冷却機構を備えた縦型気相成長装置の
一例を示す縦断面図である。

縦型で円筒状の真空チヤンバ１はたとえば、ステンレス
などの容器である。

真空チヤンバ１の中に、円筒状又は多角形筒状のサセプ
タ２が設けられる。

サセプタ２を加熱するため、ヒータ３がその内部に設け
られる。これはカーボンの抵抗加熱ヒータである。この
他に、高周波誘導加熱ヒータを用いることもある。この
場合、真空チヤンバ１を石英など絶縁体で作り、ヒータ
コイルはチヤンバ１の外周に設置する。

サセプタ２の外周面には、複数のウエハ４が、ほぼ鉛直
方向に取付けられる。

サセプタ２は、周壁と頂壁とよりなるが、頂壁の中心を
サセプタ上軸５によつて支持される。

耐熱性が要求されるので、サセプタ上軸５は例えばカー
ボンで作る。

カーボンは加工が容易であるが、脆くて柔いので、軸受
などで支持するのが難しい。

そこで、サセプタ上軸５に対し、サセプタ下軸６を設
け、継手７に於て、両者を固結する。

サセプタ下軸６は、加工性がよく、丈夫なステンレス鋼
で作る事ができる。その他の金属でもよい。

サセプタ下軸６は、その直下に回転駆動系を持たず、チ
ヤンバ１の側壁に回転駆動系８がある。

回転駆動系８は、モータと減速機などを含む。回転駆動
系８から、回転導入器（図示せず）を経て回転導入軸９
が水平に延びている。

回転導入器は、公知のものを用いる。たとえば、ベロー
ズと、偏心回転する内外軸を組合わせたものである。チ
ヤンバ内の真空を維持しつつ、回転力だけを伝える事が
できる。

真空チヤンバ１の側方に回転駆動系８があるという事が
重要である。回転力を側方から、サセプタ下軸に伝え
る。

これは、ベベルギヤ、ウオーム歯車などの伝達系を用い
る事ができる。

ここでは、ベベルギヤの例を示している。

回転導入軸９の先端には、ベベルギヤ１０が固着され
る。これと直角をなして、サセプタ下軸６にも、ベベル
ギヤ１１が固着される。

サセプタ下軸６は、機械的強度のある軸であるから、軸
受によつて支承する事ができる。

軸受１２，軸受１３によつて、上下２箇所が回転可能に
支持される。

さらに、スラスト軸受１４によつて、サセプタ、軸の荷
重を支えるようにしている。

スラスト軸受１４は、真空チヤンバ１のチヤンバ底板１
５により、直接に或は部材を介して間接に支持される。

軸受１２、１３は、支持環１８、１９を介して、ギヤケ
ース１７によつて支持される。ギヤケース１７は底板１
５に固定されている。

気相成長装置であるから、原料ガス供給系２０から、真
空チヤンバ１の頂部に原料ガスが導入される。

これは、半球体２１によつて、整えられ、下向きのガス
流になる。

半球体２１には、冷却水パイプ２２から冷却水が導入さ
れる。

真空チヤンバ１の外周には、冷却水ジヤケツト２３が設
けられる。冷却水入口２４から冷却水が導入され、冷却
水出口２５から排出される。

真空チヤンバ１は、いくつかに分割されている。たとえ
ば、それらの部材がフランジ２６、２７でボルト２８に
よつて締結されている。

ヒータ３の内側、下側には、ヒータの輻射をサセプタの
方へ反射するための熱反射板２９が設置されている。

本考案は、サセプタ下軸の冷却構造に関するものであ
る。第２図により、この部分を説明する。

サセプタ上軸５の下端は、半径方向に膨出したフランジ
３０となつている。

サセプタ下軸６の上端も、半径方向に膨出したフランジ
３１となつている。

これらフランジ３０、３１がボルト３２によつて結合さ
れている。このためサセプタ上軸５とサセプタ下軸６と
は一体で回転する。

サセプタ下軸６は、中空になつている。この中に冷却用
パイプ１６が装入されている。

冷却用パイプ１６は外筒３３と内筒３４よりなる二重筒
体である。

外筒３３は継目のないパイプである。これはチヤンバ底
板１５に隙間なく固定されている。

外筒３３の内側に同心円状に内筒３４が挿入されてい
る。

こうして、内筒３４、外筒３３、サセプタ下軸６よりな
る三重管構造が形成される。

内筒３４の内部を冷却内空間Ξという。

内筒３４と外筒３３の間の空間を冷却外空間Λという。

サセプタ下軸６と外筒３３の間を、伝熱空間Σという。

(オ)作用 サセプタ２に、半導体ウエハ４を取りつける。

これは、GaAs、InP、Siなどのウエハである。

真空チヤンバ１を閉じ、いつたん真空に引いてから、原
料ガスを導入する。ヒータ３でサセプタ２、ウエハ４を
加熱する。サセプタ２は、回転している。

回転駆動系８から回転力が、ベベルギヤ１０に伝わる。
これがベベルギヤ１１を回す。こうしてサセプタ２が回
転する。

ヒータ電流導入端子３５から、ヒータ３に給電される。

半球体２１と、真空チヤンバ１の壁面は冷却されてい
る。原料ガスは、半球体２１によつて整えられ、乱れの
少ない下降流となつて流れる。加熱されたウエハ４に当
つて、ここで、気相反応を起こす。化合物の薄膜がウエ
ハの上に成長してゆく。

サセプタ２は強く加熱される。たとえば800℃〜1000℃
にもなる。

この熱は中実体であるサセプタ上軸５を伝わる。

さらに、継手７を経て、この熱がサセプタ下軸６に伝わ
る。

サセプタ上軸５は、例えばカーボンとするので、高熱に
なつても十分に耐える事ができる。ところがこれは機械
的な強度がないので、軸受で保持する事は難しい。

サセプタ下軸６はステンレス、その他の硬い金属とす
る。このため、軸受でしつかりと支持できる。ところ
が、これらの金属は一般に熱に弱い。

そこで、冷却用パイプ１６により、サセプタ下軸６を冷
却する。

外筒３３の中へ冷却水を導入する。これは外筒３３を冷
却する。冷却水は下から上へ加熱されながら流れる。冷
却外空間Λの頂部に至つてから冷却空間Ξの中へ入り、
ここで下降流になる。そして、内筒３４を流れて排除さ
れる。

サセプタ下軸６の内部の伝熱空間は、真空チヤンバ１の
雰囲気と同じ雰囲気になつている。

水素ガスを主成分とするガスがある。圧力は0.1Torr〜1
0Torr（減圧ＣＶＤ）である。

これら雰囲気ガスの対流により、サセプタ下軸６の内壁
を冷却する。また、幅射によつて、直接に内壁を冷却す
る事ができる。

このように、サセプタ下軸６が冷却されるので、軸受や
ベベルギヤなども冷却され、高熱から防護される。

冷却用パイプ１６は、ステンレス、銅などの材料で作る
ことができる。

冷却媒体としては、水が最も安価であるが、水以外の液
体或は気体を冷却媒体として用いる事ができる。

(カ)実施例 サセプタ下軸６、外筒、内筒をステンレスで作つた。サ
セプタは800℃に加熱し、水素ガスを10／minの割合い
で真空チヤンバ１の上から下へ流した。これは、エピタ
キシヤル成長時とほぼ同様であるが、有機金属ガス、水
素化物ガスは流さなかつた。

チヤンバ内の圧力が10Torrになるようにした。熱電対を
サセプタ下軸６に接触させ、時間とともに昇温するのを
モニタした。

これと比較するため、冷却機構のない、回転駆動部をチ
ヤンバ底板の下に設けたものについて、同じ条件で、サ
セプタ回転軸の温度上昇を測定した。

第３図にその結果を示す。

破線で示すのが従来例である。約１時間30分で温度上昇
が飽和しはじめ、370℃になつて一定温度になる。ステ
ンレスは300℃を超えると硬度が低下しはじめ、急激に
劣化する。放出ガスも多くなる。

370℃にもなるのは望ましくない。

カーボンの軸であればこの温度に耐えるが、途中に軸受
を設ける事ができない。

本考案の実施例を実線で示す。２時間ほどで昇温が止ま
り、260℃を保つ。300℃以下であるので、ステンレスを
使う事ができる。

従来例の場合、Mo、Taなどを使う事も可能であろう。し
かし、Moは純度の高いものが得られず、硬く脆いものし
かない。加工が難しい。

Taはより加工しやすく、強いが、著しく高価になり、水
素雰囲気中では使用できない。

(キ)効果 高熱が伝わるサセプタの下半部を冷却できる。このた
め、高熱に耐えない金属をサセプタ下軸の材料として使
う事ができる。また、軸受、ギヤ、ボルトなども高熱に
よる劣化から防護できる。

シールは冷却用パイプ１６の外筒３３とチヤンバ底板１
５の間でなされる。これらは互に固定されるのであるか
ら、シールは容易である。回転軸をシールするのとは違
う。

回転軸がチヤンバ底板を貫くような構造であると、回転
軸と底板の穴との間を動的にシールしなければならな
い。高温であることもあつて、これは固難の多い構造と
なる。

本考案は、サセプタ下軸６が底板１５を貫かないので、
このような難点から免れる。

外筒３３を継目なしのパイプで作ることにすれば、外筒
３３が破れて、雰囲気ガスがリークする惧れもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案のサセプタ回転軸冷却構造を持つ気相成
長装置の縦断面図。 第２図はサセプタ下軸の近傍のみの拡大縦断面図。 第３図は本考案（実線）と従来例（破線）の装置に於け
るサセプタ回転軸の温度測定結果を示すグラフ。 １……真空チヤンバ ２……サセプタ ３……ヒータ ４……ウエハ ５……サセプタ上軸 ６……サセプタ下軸 ７……継手 ８……回転駆動系 ９……回転導入軸 １０，１１……ベベルギア １２，１３……軸受 １４……スラスト軸受 １５……チヤンバ底板 １６……冷却用パイプ １７……ギヤケース １８，１９……支持環 ２０……原料ガス供給系 ２１……半球体 ２２……冷却水パイプ ２３……冷却水ジヤケツト ２４……冷却水入口 ２５……冷却水出口 ３０……フランジ ３１……フランジ ３２……ボルト ３３……外筒 ３４……内筒 ３５……ヒータ電流導入端子 ３６……排気口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 久保田 清 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内 (72)考案者 森 和夫 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】縦長の真空チヤンバ１と、真空チヤンバ１
   の中に設けられウエハをほぼ鉛直に支持する筒形のサセ
   プタ２と、サセプタ２を加熱するヒータ３と、サセプタ
   ２を支持するサセプタ回転軸と、サセプタ回転軸を回転
   駆動する回転駆動系８と、真空チヤンバ１の上頂部に原
   料ガスを供給する原料ガス供給系２０と、真空チヤンバ
   １のガスを排気するための真空排気装置とを備えた縦型
   気相成長装置のサセプタ回転軸に於て、サセプタ回転軸
   がサセプタ上軸５と、サセプタ下軸６とに分かれてお
   り、これらは継手７で結合され、サセプタ下軸６は軸受
   によつて回転可能に支持され真空チヤンバ側方に設けら
   れた回転駆動系８によつて回転し、かつサセプタ下軸６
   は中空となつており、この中に外筒３３と内筒３４より
   なる冷却用パイプ１６が挿入され、外筒３３と内筒３４
   の中に冷却媒体を流すことにより、サセプタ下軸6を冷
   却する事を特徴とする気相成長装置のサセプタ回転軸冷
   却構造。