TWI447273B

TWI447273B - Vapor deposition device

Info

Publication number: TWI447273B
Application number: TW101126851A
Authority: TW
Inventors: Toshinori Okada
Original assignee: Sharp Kk
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-08-01
Also published as: WO2013061649A1; JP2013093449A; TW201317412A; JP5064595B1

Description

氣相沉積裝置

本發明係關於一種於被處理基板上形成薄膜之氣相沉積裝置。

藉由使用有化合物半導體材料之MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學沉積)法，而製造發光二極體、半導體雷射、宇宙用太陽能裝置、及高速裝置等。

於MOCVD法中，使用三甲基鎵(TMG(Trimethylgallium))或者三甲基鋁(TMA(Trimethylaluminum))等有機金屬氣體及氨(NH₃ )、膦(PH₃ )或胂(AsH₃ )等氫化合物氣體作為有助於成膜之原料氣體。

MOCVD法係藉由將上述之原料氣體與載氣一併導入至成膜室內並加熱，並於被處理基板上進行氣相反應，而於被處理基板上使化合物半導體結晶沉積之方法。

眾所周知在藉由MOCVD法形成所需之薄膜時，藉由具有反應性之原料氣體而於被處理基板表面產生之表面反應具有極複雜之機制。即，原料氣體之溫度、流速、壓力、原料氣體中所含之活性化學物種之種類、反應系統中之剩餘氣體成分、及被處理基板之溫度等多數參數有助於上述表面反應。因此，藉由MOCVD法極難控制該等之參數而形成所需之薄膜。

於MOCVD法中為了實現較佳之結晶沉積，必須藉由均勻之面內溫度分佈加熱被處理基板。作為揭示有以高精度之加熱溫度控制為目的之半導體製造裝置之先前文獻，有日本專利特開2008-252106號公報(專利文獻1)及日本專利特開2008-171933號公報(專利文獻2)。

於專利文獻1所記載之CVD裝置中，為了使通過旋轉軸之熱擴散最小化，而旋轉軸之上端具有：具有自上表面延伸至下方之空腔的構造，或者基座之凹處之平坦面不與旋轉軸之上表面接觸的構造。

於專利文獻2所記載之半導體製造裝置中，包括保持被處理基板之可旋轉之基座，及向基座傳遞旋轉力之旋轉軸。於旋轉軸之面向基座之前端部配置有旋轉軸連結部。於基座之面向旋轉軸之主面之中央部，配置有連結構件。旋轉軸係配置於基座之主面之中央部上，以可藉由使旋轉軸旋轉，而使旋轉軸連結部之側面推壓連結構件之側面從而使基座旋轉。

藉由該構成，不採用將旋轉軸與基座一體地成形或者將旋轉軸與基座接合等之構成，便使旋轉軸之旋轉力可傳遞至基座。其結果，使熱不易自基座傳遞至旋轉軸，抑制了與旋轉軸接觸之部分之溫度降低。

先前技術文獻專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2008-252106號公報

專利文獻2：日本專利特開2008-171933號公報

於藉由MOCVD法進行處理之氣相沉積裝置中，為了一面提高化合物半導體結晶之品質一面控制製造成本，要求提高材料之良率及處理能力。因此，為了可總括且高品質地處理儘可能多之大口徑之被處理基板，而謀求氣相沉積裝置之大型化。

於大型之氣相沉積裝置中，為了較多地處理大口徑之被處理基板，而載置被處理基板之基座變大型。又，為了提高處理能力，而自大型之基座之中心部至端部為止鋪滿被處理基板進行處理。因此，必須一面謀求基座之面內溫度分佈之均勻化，一面於穩定支撐大型之基座之狀態下使其旋轉。

本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供可一面謀求基座之面內溫度分佈之均勻化，一面於穩定支撐基座之狀態下使其旋轉之氣相沉積裝置。

根據本發明之氣相沉積裝置包括：成膜室；氣體供給部，其向成膜室內供給成膜用之原料氣體；加熱器，其於成膜室內加熱被處理基板。又，氣相沉積裝置包括：基座，其於成膜室內載置被處理基板且可旋轉；支撐部，其自下方隔著隔熱構件支撐基座之邊緣；旋轉軸，其向基座傳遞旋轉力。旋轉軸於基座側之端部，於自此旋轉軸之中心軸偏心之位置具有突起部。基座於下表面具有滑插突起部之凹部。

較佳為，於基座旋轉時，旋轉軸與基座僅於突起部之外周面之一部分與凹部之內周面之一部分接觸。

較佳為，突起部之外周面具有隨著接近基座而突起部之直徑變大之錐形狀。凹部之內周面以沿突起部之外周面之方式具有錐形狀。

較佳為，突起部可裝卸地設置於旋轉軸。

較佳為，突起部包含較構成旋轉軸之材料具有更低之熱導率之材料。

於本發明之一形態中，支撐部具有止推軸承構造。

較佳為，隔熱構件包括：於基座之周向及徑向與基座卡合之第1卡合部，及於基座之周向及徑向與支撐部卡合之第2卡合部。基座包括與第1卡合部卡合之第1被卡合部。支撐部包括與第2卡合部卡合之第2被卡合部。

於本發明之一形態中，隔熱構件由石英構成。

根據本發明，可一面謀求基座之面內溫度分佈之均勻化，一面於穩定支撐基座之狀態下旋轉。

以下，對本發明之一實施形態之氣相沉積裝置進行說明。於以下之實施形態之說明中，對圖中之相同或者相當部分附上相同符號，不重複其說明。又，作為氣相沉積裝置之一例，對立式氣體噴頭型之MOCVD裝置進行說明。

圖1係表示本發明之一實施形態之MOCVD裝置之構成之剖面圖。如圖1所示，MOCVD裝置10包括內部保持氣密之成膜室1。成膜室1於下部具有用以排出下述原料氣體之排氣口1a。又，成膜室1之頂棚部由下述氣體噴頭20構成。成膜室1之側壁部與氣體噴頭20係將O形環2夾持於中間並氣密連結。

MOCVD裝置10包括：可旋轉之基座4，其於成膜室1內載置被處理基板3；氣體噴頭20，其係向成膜室1內供給成膜用之原料氣體之氣體供給部；及加熱器6，其於成膜室1內加熱被處理基板3。又，MOCVD裝置10包括：支撐部11，其自下方隔著隔熱構件12支撐基座4之邊緣；旋轉軸5，其向基座4傳遞旋轉力。

氣體噴頭20與基座4相對向。氣體噴頭20之上部與導入原料氣體之配管15之一端連接。於配管15之另一端，連接有貯存有原料氣體之未圖示之儲氣罐及質量流量控制器等。於氣體噴頭20之下表面設置有用以噴出原料氣體之複數個開口。

加熱器6位於基座4之下方。於本實施形態中，使用可使加熱器6之面內之複數個區域個別地進行加熱之多區加熱器。於加熱器6之下方及側方，設置有反射加熱器6之熱之反射器14。

旋轉軸5係以旋轉軸5之中心軸與基座4之中心重合之方式位於基座4之下方。旋轉軸5係與未圖示之旋轉驅動部連結，且可沿軸中心旋轉。

支撐部11係安裝於筒狀構件13之內周面。本實施形態之支撐部11具有止推軸承構造，且包含上側構件11a、下側構件11c、及夾持於上側構件11a與下側構件11c之間之複數個球狀體11b。

於上側構件11a及下側構件11c之各者中，形成有保持複數個球狀體11b之溝槽。於本實施形態中，形成有橫截面為V字狀或倒V字狀之溝槽，但只要為可保持球狀體11b之形狀則溝槽之形狀並無特別限定。上側構件11a及下側構件11c經由複數個球狀體11b相互可旋轉移動地組合。

於上側構件11a之上表面，隔著隔熱構件12載置有基座4。於本實施形態中，隔熱構件12由石英構成。以若基座4旋轉，則隔熱構件12及上側構件11a亦與基座4一併旋轉之方式，構成支撐部11。

筒狀構件13係以覆蓋支撐部11之外側之方式構成。因此，由於成膜室1內之原料氣體沿筒狀構件13之外表面自排氣口1a排氣，故可抑制作為與原料氣體之反應生成物的微粒附著於支撐部11。

藉由本實施形態之MOCVD裝置10而於被處理基板3上形成薄膜時，自氣體噴頭20向成膜室1供給原料氣體。此時，介隔基座4藉由加熱器6而加熱被處理基板3。藉由於經加熱之被處理基板3上引起化學反應，而於被處理基板3上形成薄膜。通過被處理基板3上之氣體係自排氣口1a排氣。

以下，對旋轉及支撐基座4之構造詳細地進行說明。

圖2係表示旋轉軸之突起部及基座之凹部之構造的局部剖面圖。圖3係表示旋轉軸之突起部之構造的立體圖。圖4 係表示旋轉軸之突起部及基座之凹部之構造的分解立體圖。

如圖2~4所示，於旋轉軸5之基座4側之端部5a，於自旋轉軸5之中心軸偏心距離D之位置設置有2個突起部7。突起部7具有大致圓柱狀之外形，其直徑為dt。

於基座4之下表面4a，於自基座4之中心偏心距離D之位置，設置有滑插突起部7之兩個凹部8。凹部8於俯視時為圓形，其內徑為Dt。

突起部7之直徑dt與凹部8之內徑Dt滿足Dt>dt之關係。因此，使突起部7之外周面與凹部8之內周面不接觸，於凹部8內可插入突起部7。

又，於旋轉軸5之中心軸方向，於突起部7之端面與凹部8之底面之間，確保有距離h之間隙。於旋轉軸5之端部5a與凹部8之開口端之間確保有距離H之間隙。即，於將突起部7滑插於凹部8內之狀態下，基座4與旋轉軸5不接觸。

於基座4旋轉時，旋轉軸5與基座4僅於突起部7之外周面之一部分與凹部8之內周面之一部分接觸。即，藉由突起部7之外周面之一部分推壓凹部8之內周面之一部分，而旋轉驅動部之動力經由旋轉軸5傳遞至基座4。

如上所述，旋轉軸5不具有支撐基座4之功能。基座4與旋轉軸5僅於旋轉時，為了使基座4旋轉而具有所需最小限度之接觸面積。藉由該構成，可抑制自基座4向旋轉軸5之熱擴散。其結果，可抑制基座4之中心部之溫度降低。

於本實施形態中，分別設置有2個突起部7及2個凹部8，但只要分別設置1個以上即可。藉由根據旋轉動力之傳遞所必需之轉矩要求突起部7之必需強度，可適當設定突起部7之個數。

又，將突起部7及凹部8之形狀設為俯視圓形，但亦可為俯視橢圓形。只要為基座4與旋轉軸5之接觸表面壓力相對於基座4及旋轉軸5各自之材料的降伏點可確保充分之安全率之形狀即可。

圖5係表示本實施形態之第1變化例之突起部之構成的局部剖面圖。如圖5所示，於第1變化例中，於旋轉軸5之端部5a設置有與突起部7之下部嵌合之孔部7a。突起部7係藉由下部與孔部7a嵌合而與旋轉軸5連結，且可裝卸地設置於旋轉軸5。

藉由該構成，於突起部7之外周面與凹部8之內周面反覆接觸而在突起部7產生磨耗或者破損之情形時，藉由僅更換突起部7便可恢復，不需要更換旋轉軸5。

又，藉由利用與旋轉軸5不同之構件構成突起部7，而於突起部7與旋轉軸5之間產生熱阻，故而可抑制自突起部7向旋轉軸5之熱擴散。其結果，可進而抑制基座4之中心部之溫度降低。

作為構成突起部7之材料，較佳為於約1100℃之溫度的N₂ 、H₂ 及NH₃ 氛圍下具有耐性，且熱膨脹係數及熱導率較構成旋轉軸5之材料更低者。作為滿足此條件之材料有石英。藉由利用石英構成突起部7，可進而抑制自基座4向旋轉軸5之熱擴散。

圖6係表示本實施形態之支撐部之構成之局部剖面圖。如圖6所示，於本實施形態中，藉由支撐部11而自下方支撐基座4之邊緣，故可穩定支撐大型之基座4。

支撐部11係隔著隔熱構件12支撐基座4。因此，於基座4與隔熱構件12之接觸界面、及隔熱構件12與支撐部11之上側構件11a之接觸界面產生熱阻。其結果，可抑制自基座4向支撐部11之熱擴散。

圖7係表示本實施形態之支撐部之一部分及隔熱構件之構造之分解立體圖。如圖7所示，隔熱構件12形成為具有平坦之上表面及下表面之環狀。

於上側構件11a之上表面，形成有用以載置隔熱構件12之平坦面。以此平坦面與隔熱構件12之下表面接觸之方式，將隔熱構件12載置於上側構件11a上。又，以隔熱構件12之上表面與基座4之邊緣之下表面接觸之方式，將基座4載置於隔熱構件12上。

藉由上述之構造，而基座4與隔熱構件12係藉由基座4與隔熱構件12之接觸部之摩擦阻力而約束彼此之位置。隔熱部材12與上側構件11a係藉由隔熱構件12與上側構件11a之接觸部之摩擦阻力而約束彼此之位置。

作為構成隔熱構件12之材料，較佳為於約1100℃之溫度的N₂ 、H₂ 及NH₃ 氛圍下具有耐性，且熱膨脹係數及熱導率較構成上側構件11a之材料更低者。作為滿足此條件之材料有石英。藉由利用石英構成隔熱構件12，可抑制自基座4向支撐部11之熱擴散。其結果，可抑制基座4之邊緣之溫度降低。

於基座4之邊緣，隨著基座4之半徑變大，旋轉之周速度加快，又離心力變大。若基座4之周速度成為特定值以上，則僅藉由摩擦阻力無法約束，於基座4與隔熱構件12之間、或者隔熱構件12與上側構件11a之間，產生由周向之滑動所引起之位置偏移。

同樣，若基座4之離心力成為特定值以上，則僅藉由摩擦阻力無法約束，於基座4與隔熱構件12之間、或者隔熱構件12與上側構件11a之間，產生由徑向之滑動所引起之位置偏移。

如上述般，於周向或者徑向產生滑動之情形時，由於各個構件之硬度不同，硬度較低之構件磨耗而產生磨耗粉。若磨耗粉附著於被處理基板3上，則形成於被處理基板3之薄膜之品質降低。又，若產生上述之磨耗及位置偏移，則基座4與加熱器6之間之距離於基座4之面內不均勻地變化，且基座4之面內溫度分佈之均勻性降低。

如此，為了解決使用半徑較特定值大之基座4之情形時所產生之滑動之問題，本實施形態之第2變化例之基座4、支撐部11之上側構件11a及隔熱構件12具有下述之構成。

圖8係表示本實施形態之第2變化例之基座、支撐部之上側構件及隔熱構件之構成的分解立體圖。圖9係將圖8之IX部放大表示之分解立體圖。於圖8中係將基座4之一部分截斷圖示。

如圖8、9所示般，隔熱構件12具有第1卡合部16a，其於基座4之周向及徑向與基座4卡合；及第2卡合部16b，其於基座4之周向及徑向與支撐部11之上側構件11a卡合。具體而言，設置有鍵部16，該鍵部16包括於隔熱構件12之上表面之一部分突出之第1卡合部16a，及於隔熱構件12之外周面之一部分突出之第2卡合部16b。

基座4包括與第1卡合部16a卡合之第1被卡合部17。具體而言，於基座4之邊緣之下部之一部分設置有第1被卡合部17，該第1被卡合部17包括能夠以懷抱第1卡合部16a之方式卡合之切口。

支撐部11之上側構件11a包括與第2卡合部16b卡合之第2被卡合部18。具體而言，於上側構件11a之內周面之一部分，設置有第2被卡合部18，該第2被卡合部18包括能夠以懷抱第2卡合部16b之方式卡合之切口。

根據該構成，基座4與隔熱構件12彼此之位置被牢固地約束，又，隔熱構件12與上側構件11a彼此之位置被牢固地約束。其結果，可防止於基座4與隔熱構件12之間、及隔熱構件12與上側構件11a之間，產生由基座4之周向及徑向之滑動所引起之位置偏移。

本實施形態之基座4係藉由支撐部11自下方支撐，但自上方未被約束。又，本實施形態之突起部7之外周面及凹部8之內周面係沿鉛垂方向延伸。突起部7之外周面與凹部8之內周面之接觸部，於沿鉛垂方向延伸時，無鉛垂向上之力作用於基座4之情況。

但是，若旋轉軸5之向基座4之旋轉動力之傳遞次數變多，則有突起部7之外周面或者凹部8之內周面中之任一硬度較低者，產生磨耗或者缺口之情況。特別是，於突起部7之角部，應力集中而容易產生磨耗或者缺口。

於成為在突起部7之外周面產生磨耗或者缺口，且凹部8之內周面覆蓋於突起部7之外周面上之狀態之情形時，鉛垂向上之力作用於基座4。於此情形時，基座4產生上下方向之振動，基座4之面內溫度分佈變得不均勻，又，成膜室1內之材料氣體之流動產生混亂。其結果，無法於被處理基板3上形成均勻之膜。

為了解決此種基座4之振動之問題，本實施形態之第3變化例之基座4及旋轉軸5具有下述之構成。

圖10係表示本實施形態之第3變化例之突起部之構成的局部剖面圖。如圖10所示，於第3變化例中，突起部7之外周面具有隨著接近基座4而突起部7之直徑變大之錐形狀。若將突起部7之前端部之直徑設為b1，將突起部7之根部之直徑設為b2，則滿足b1>b2之關係。

另一方面，凹部8之內周面以沿突起部7之外周面之方式具有錐形狀。若將突起部7之外周面與鉛垂方向所成之角設為θ°，則凹部8之內周面與鉛垂方向所成之角亦為θ°。

若將凹部8之開口側之孔徑設為B1，將凹部8之內側之孔徑設為B2，則滿足B1<B2之關係。又，以B1>b1之方式構成，並可向凹部8內滑插突起部7。

藉由該構成，於旋轉軸5旋轉時，突起部7及凹部8之錐形面彼此接觸且鉛垂向下方向之力常作用於基座4。其結果，可抑制基座4上下振動。

以下，對本實施形態之基座4之搬送方法進行說明。如上所述，基座4未被自上方約束。因此，如圖2、6所示，藉由利用可沿箭頭方向驅動之上下驅動機構而使旋轉軸5移動至上方，可抬起基座4。於抬起基座4之狀態下，可藉由未圖示之搬送機構支撐基座4之下表面並搬送。

於抬起基座4之狀態下，基座4藉由旋轉軸5僅支撐中心部。假設於僅藉由基座4之凹部8與旋轉軸5之突起部7之卡合而抬起基座4之情形時，於基座4負載有外力時，有在突起部7局部地作用過大荷重而損壞突起部7之虞。

因此，如圖2所示，於本實施形態之基座4之中心部之下部，設置有收納旋轉軸5本體之前端部的突出部19。藉由該構成，於基座4負載有外力時，旋轉軸5之本體亦承受荷重，從而可防止集中荷重作用於突起部7。

又，於較基座4之重心21更上方，以基座4與旋轉軸5接觸之方式設定凹部8之尺寸。具體而言，凹部8之底面係以較基座4之重心21而位於距離a之上方的方式形成。又，以距離H>距離h之方式形成凹部8。藉由該構成，可藉由旋轉軸5穩定抬起基座4。

又，由於加熱器6與突出部19之間之距離較加熱器6與基座4之下表面4a之間之距離更短，因此突出部19被加熱至更高溫。其結果，可抑制基座4之中心部之溫度降低。

於本實施形態之氣相沉積裝置中，由於基座4之中心部及邊緣之溫度降低得以抑制，故而可謀求面內溫度分佈之均勻化。又，於藉由支撐部11穩定支撐基座4之狀態下，可藉由旋轉軸5而使其旋轉。其結果，可於被處理基板3上穩定成膜品質及厚度均勻之膜。

再者，於本實施形態中，支撐部11具有止推軸承構造，於隔熱構件12具有自潤滑性之情形時，亦可為基座4與隔熱構件12滑動、支撐部11不移動之構造。

或者，隔熱構件12亦可由複數個球狀體構成，於基座4之邊緣之下部及支撐部11之上部亦可形成保持隔熱構件12之溝槽部。

應認為此次所揭示之實施形態於所有方面均為例示，而並非限制者。本發明之範圍並非由上述說明而是由申請專利範圍所表示，且意圖包含與申請專利範圍均等之意思及範圍內之所有變更。

1‧‧‧成膜室

1a‧‧‧排氣口

2‧‧‧環

3‧‧‧被處理基板

4‧‧‧基座

4a‧‧‧下表面

5‧‧‧旋轉軸

5a‧‧‧端部

6‧‧‧加熱器

7‧‧‧突起部

7a‧‧‧孔部

8‧‧‧凹部

10‧‧‧MOCVD裝置

11‧‧‧支撐部

11a‧‧‧上側構件

11b‧‧‧球狀體

11c‧‧‧下側構件

12‧‧‧隔熱構件

13‧‧‧筒狀構件

14‧‧‧反射器

15‧‧‧配管

16‧‧‧鍵部

16a‧‧‧第1卡合部

16b‧‧‧第2卡合部

17‧‧‧第1被卡合部

18‧‧‧第2被卡合部

19‧‧‧突出部

20‧‧‧氣體噴頭

21‧‧‧重心

圖1係表示本發明之一實施形態之MOCVD裝置之構成的剖面圖。

圖2係表示旋轉軸之突起部及基座之凹部之構造的局部剖面圖。

圖3係表示旋轉軸之突起部之構造之立體圖。

圖4係表示旋轉軸之突起部及基座之凹部之構造的分解立體圖。

圖5係表示該實施形態之第1變化例之突起部之構成的局部剖面圖。

圖6係表示該實施形態之支撐部之構成的局部剖面圖。

圖7係表示該實施形態之支撐部之一部分及隔熱構件之構造的分解立體圖。

圖8係表示該實施形態之第2變化例之基座、支撐部之上側構件及隔熱構件之構成的分解立體圖。

圖9係將圖8之IX部放大表示之分解立體圖。

圖10係表示該實施形態之第3變化例之突起部之構成的局部剖面圖。