WO2012120970A1

WO2012120970A1 - 昇降機構を有する気相成長装置

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Publication number: WO2012120970A1
Application number: PCT/JP2012/053118
Authority: WO
Inventors: 正明児玉; 弘睦小島
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2013-09-07
Also published as: JP2012186355A; JP5048853B2

Abstract

　気相成長装置は、ガス流出部（１４）を昇降するボールねじ（２２）の回転を強制的停止し、ガス流出部（１４）の落下機構を備えた気相成長装置であって、ガス流出部（１４）にシャフト（２１）を介して複数のボールねじ（２２）を相互に連結した上、それぞれのボールねじ（２２）とモータ（２６）とを連結するタイミングベルト（２７）の全てに複数のベルト破断検知センサ（２８、２９、３０、３１）を設置している。

Description

昇降機構を有する気相成長装置

　本発明は、被処理基板上に薄膜を形成する昇降機構を有する気相成長装置に関するものである。

　従来、化合物半導体材料を用いる発光ダイオード、半導体レーザ、宇宙用ソーラーパワーデバイス、及び高速デバイスの製造においては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）又はトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）等の有機金属ガスと、アンモニア（ＮＨ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）又はアルシン（ＡｓＨ₃）等の水素化合物ガスとを成膜に寄与する反応ガスとして成長室に導入して化合物半導体結晶を成長させるＭＯＣＶＤ法が用いられている。

　ＭＯＣＶＤ法は、上記の反応ガスをキャリアガスと共に成長室内に導入して加熱し、所定の基板上で気相反応させることにより、その基板上に化合物半導体結晶を成長させる方法である。ＭＯＣＶＤ法を用いた化合物半導体結晶の製造においては、成長する化合物半導体結晶の品質を向上させながら、コストを抑えて、歩留まりと生産能力とをどのように最大限確保するかということが常に高く要求されている。

　図１０は、ＭＯＣＶＤ法に用いられる従来のガス流出部型気相成長装置の一例の模式的な構成を示す。この気相成長装置においては、ガス供給源１０１から反応炉１０２の内部の成長室１０３に反応ガス及びキャリアガスを導入するためのガス配管１０４が接続されており、反応炉１０２における内部の成長室１０３の上部には該成長室１０３に反応ガス及びキャリアガスを導入するための複数のガス吐出孔を配設したガス流出部１０５がガス導入部として設置されている。

　また、成長室１０３の下部には、基板１０６を載置するためのサセプタ１０７が、ガス流出部１０５と対向するように設置されている。サセプタ１０７は、基板１０６を加熱するためのヒータ１０８を備え、図示しないアクチュエータによって回転軸１０９を中心に回転自在となっている。

　さらに、反応炉１０２の下部には、成長室１０３内のガスを外部に排気するためのガス排気部１１０が設置されている。このガス排気部１１０は、パージライン１１１を介して、排気されたガスを無害化するための排ガス処理装置１１２に接続されている。

　上記構成のガス流出部型気相成長装置において、化合物半導体結晶を成長させる場合には、まず、サセプタ１０７に基板１０６を設置し、サセプタ１０７を回転させ、ヒータ１０８により基板１０６を所定の温度に加熱する。その後、ガス流出部１０５に配設されている複数のガス吐出孔から成長室１０３に反応ガス及びキャリアガス（不活性ガス）を導入し、一定時間保持する事で、基板上１０６上に化合物半導体の結晶成長を行う。そして、反応炉１０２上部のガス流出部１０５を上昇させて、成長した基板の交換や反応分解物の除去を実施した後、再度、反応炉１０２上部のガス流出部１０５を下降させて成長室１０３を気密にした上で、同様の作業を繰り返し行う。

　一方、反応炉１０２上部のガス流出部１０５は、図示しない昇降機構によって保持されている。ガス流出部１０５は、基板１０６の大径化に伴い、重量が１トン近くになり、近年、ガス流出部１０５を保持する昇降機構に加わる重量がかなり増加している。その為、結晶成長毎に実施されるガス流出部１０５の昇降動作時にガス流出部１０５が落下しない対策を十分に実施することが必要となっている。このような昇降機構の安全に対処するための方法が特開２００２－１１００３号公報（特許文献１）および特開２００７－１９１２８４号公報（特許文献２）でそれぞれ提案されている。

　特許文献１においては、気相成長装置ではないものの、Ｘ線管、天板、撮像装置等を昇降移動させるためのモータからボールネジへの動力伝達機構が破断した場合、装置等が落下しないように安全な機構を備えたＸ線診断装置の構造が記載されている。図１１に示すように、そのベルト１１３が破断した時、異常を検知する異常検知手段としてのベルト破断検出用センサ１１４を備えている。異常検出手段としてのベルト破断検出用センサ１１４は、例えば、ベルト１１３の走行する位置に、光発光部と受光部からなる透過型光センサを設けてその出力により動力伝達機構部の異常を検出する。一方、ボールネジ部は、ネジ棒１１５が装置に固定され、ナット１１６が回転するボールネジ機構を有している。

　特許文献２においては、図１３に示すように、手摺ベルトを駆動する駆動ベルトが、踏み板と同期して循環移動するように駆動する乗客コンベアの手摺ベルト駆動装置の構造が記載されている。また、図１４に示すように、アイドラー１１７を駆動チェーン１１８のたわみが解消する方向に付勢する付勢機構１１９は、アイドラー１１７を回転自在に支持する軸体１２０と、その軸体１２０を矢印Ｚ方向に移動可能に支持するように構成された筐体１２１と、その筐体１２１とアイドラー１１７との間に介装され、アイドラー１１７を常に駆動チェーン１１８を押圧するように付勢可能に装着されたコイルばね１２２とで構成されている。駆動チェーン１１８が摩耗等により、乗客の安全性が危ぶまれる程度に長さが長くなった状態では、リミットスイッチ１２３が作動し、その作動信号が制御盤に供給されて電動機をＯＦＦ操作させ、直ちに、踏み板及び手摺ベルトの移動を停止させることができる構造となっている。

特開２００２－１１００３号公報特開２００７－１９１２８４号公報

　気相成長装置の課題として、結晶成長毎に実施されるガス流出部１０５の昇降時にガス流出部１０５が落下しないように安全面で対策を実施することが必要であった。

　さらに、ガス流出部１０５自体の重量が１トン近く、かなりの重量物となっており、支持するボールねじを１本で保持する事が出来ず、２本以上の複数のボールねじで支持する必要があった。

　また、２本以上の複数のボールねじは、内部の成長室１０３に反応ガス及びキャリアガスを導入するためのガス配管１０４がガス流出部１０５に接続されている関係上、常に一定のガス流出部１０５の表面高さを維持しながら、昇降機構を動作させなければ、ガスの流量や流速に悪影響を及ぼし、さらには結晶成長させる際の成膜不均一を発生させる可能性があった。

　特許文献１の場合は、ベルト１１３の走行する位置に、光発光部と受光部からなる透過型光センサを設けてその出力により動力伝達機構部の異常を検出する。ボールネジ部は、ネジ棒１１５が装置に固定され、ナット１１６が回転するボールネジ機構である。この機構のネジ棒１１５は１本であり、昇降させるワーク（Ｘ線管、撮像装置、天板等が取り付けられている）には、重量物である構造体を連結する事は出来ない。また、図１２に示すように、透過型光センサ１１４では、ベルトが断線して、遮光する部分が完全にセンサ前面から無くならないと感知する事はなく、センサの反応までに時間的な遅れが発生する。特に、透過型光センサ間の２本のベルトの内、１本のみが断線した場合でも、残りの１本で遮光された状態が維持している場合、ベルト断線の検知が困難である。その為、気相成長装置のような大型の装置で求められる落下するまでの短時間での落下防止を十分に確保する事が出来ない。

　特許文献２の場合は、付勢機構１１９により付勢されて移動するアイドラー１１７の位置を検出可能な位置検出器１２４を備えており、特許文献１に比べて、短時間で断線防止を確認出来る。また、駆動チェーン１１８が摩耗等により、乗客の安全性が危ぶまれる程度に長さが長くなった状態で、リミットスイッチ１２３が作動し、その作動信号が制御盤に供給されて電動機をＯＦＦ操作させ、直ちに、踏み板及び手摺ベルトの移動を停止させることができ、駆動チェーン１１８が摩耗により全体の長さが長くなって、運転に支障が生ずる前に停止させることで、駆動ベルトが踏み板との間の同期がはずれ等により利用客が危険な状態になるのを未然に防止できる働きがある。

　しかし、駆動チェーン１１８は、１つの電動機、駆動輪のみを有しており、ガス流出部のような重量物を一定の昇降精度を維持しながら確保するのは困難である。また、位置検出器１２４は１カ所に付勢されており、何らかの影響で位置検出器１２４が動作不具合時には、十分な安全性を確保出来ない。従って、気相成長装置のようなガス流出部の重量物を精度良く昇降させ、かつ駆動チェーンのたわみ、断線時での安全性を十分確保した上での管理が困難であった。

　本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、ガス流出部の昇降時に、精度良くガス流出部の表面高さを維持しつつ、重量物であるガス流出部の落下を防止する停止機構を備えた気相成長装置を提供する事である。

　本発明の気相成長装置は、ガス流出部を昇降するボールねじの回転を強制的停止し、ガス流出部の落下機構を備えた気相成長装置であって、ガス流出部にシャフトを介して複数のボールねじを相互に連結した上、それぞれのボールねじとモータとを連結するタイミングベルトの全てに複数のベルト破断検知センサを設置したことを特徴とする。

　または、本発明の気相成長装置は、ガス流出部にシャフトを介して複数のボールねじを相互に連結した上、それぞれのボールねじとモータとを連結するタイミングベルトの一部にベルト破断検知センサを設置したことを特徴とする。

　気相成長装置のガス流出部に複数のシャフトを相互に連結した上、それぞれのシャフトとボールねじとモータを連結するタイミングベルトに複数のベルト破断検知センサを設置する事で、ガス流出部の昇降時に、精度良くガス流出部の表面高さを維持しつつ、重量物であるガス流出部の落下を防止する事が可能となる。

本発明に係る気相成長装置の全体構成を示す概略図である。気相成長装置の成長室内構成を示す断面図である。気相成長装置のガス流出部及び昇降機構の斜視図である。気相成長装置のガス流出部上部の昇降機構の斜視図である。実施の形態１のタイミングベルト及びベルト破断検知センサの配置上面図である。実施の形態１のタイミングベルト及びベルト破断検知センサ断線前の斜視図である。実施の形態１のタイミングベルト及びベルト破断検知センサ断線前の斜視図である。実施例２のベルト破断検知センサの配置斜視図である。実施の形態１及び実施の形態２のベルト破断検知センサの構造図である。従来例の気相成長装置の説明図である。従来例の特許文献１の説明図である。従来例の特許文献１の説明図である。従来例の特許文献２の説明図である。従来例の特許文献２の説明図である。

　（実施の形態１）
　本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。

　図１に、本発明の気相成長装置として、ＭＯＣＶＤ装置全体１の模式的な構成の一例を示す。図１に示すように、ＭＯＣＶＤ装置全体１は、主に化合物半導体結晶を成長させる成長室２、成長室内の基板を加熱する基板加熱機構３、ガス流出部を昇降する昇降機構４、図示しないガス流出部周辺を冷却する冷却配管系、成長室の排気を行う高真空排気系、プロセスガス排気系から構成される。本発明は、これらの主構成のうち、ガス流出部を昇降する昇降機構に関する。

　また、図２は、長室内構成を示す断面図である。成長室は、内部を大気側と隔離する反応炉５を備えており、反応炉５内部には、反応室隔壁６によって分離された反応外部空間７と反応室８が設けられている。反応外部空間７には、パージガス供給管９が接続されており、パージガス（Ｎ₂ガス、Ｈ₂ガス）が導入されている。反応室８には、被処理基板１０を載置する基板保持部１１（サセプタ）が備えられている。基板保持部１１は、回転伝達部１２の一端に備え付けられており、図示しない回転機構により回転可能となっている。また、基板保持部１１の下側には、被処理基板１０を加熱するための基板加熱ヒータ１３が設けられている。

　反応炉５の上部には、ガス流出部１４が取外し可能に配設されている。反応炉５とガス流出部１４は、Ｏリング１４ａでシールされており、反応炉５の内部をガス排出口から排気して気密状態に維持できるようなっている。

　被処理基板１０に化合物半導体結晶を成膜するときは、第１ガス分配空間１５に、例えば、ＩＩＩ族の元素を含む第１ガスが、第１ガス導入口１６ａから導入され、冷媒空間１７を貫通する複数の第１ガス供給管１７ｂを通って冷却された後、第１ガス供給管１７ｂのガス吐出孔Ｈ１に連通する中央プレート１８のプレート孔１８ａから反応室８に導入される。

　また、第２ガス分配空間１９には、例えば、Ｖ族の元素を含む第２ガスが、第２ガス導入口１９ａから導入され、冷媒空間１７を貫通する複数の第２ガス供給管２０ｂを通って冷却された後、第２ガス供給管２０ｂのガス吐出孔Ｈ２に連通する中央プレート１８から反応室８に導入される。

　このように、ガス流出部１４は、多数の第１ガス供給管、第２ガス供給管を有し、かつ被処理基板の大径化と共に面積が大型になっており、１トン近くの重量物となっている。成膜後には、ガス流出部１４は、反応炉５からＯリング１４ａで図示しない昇降機構に連結して開放され、結晶基板の交換及びメンテナンスが実施される。本実施例のガス流出部１４は、シャワーヘッドといわれる実施例で説明したが、本構成に限定されるものではなく、中央放射型、ライン放射型といわれるガス流出部を有しているものを含んでいる。

　次に、本発明の特徴的である昇降機構の実施例を図３から図４を用いて、ベルト破断検知センサ及び別の実施例を図５から図７を用いて詳細に説明する。

　図３に気相成長装置のガス流出部及び昇降機構の斜視図を示す。ガス流出部１４は、グローブボックスを貫通した４本のシャフト２１にて連結している。４本のシャフト２１は互いに２本ずつ１本のボールねじ２２と連結している。連結しているボールねじ２２は、一定の速度で回転しながら、連結しているシャフト２１を上昇、あるいは下降させる。その結果、シャフト２１に連結したガス流出部１４が上昇、あるいは下降を一定の速度で行う。重量物であるガス流出部１４は、４本のシャフト２１及び２本のボールねじ２２にて構成される事で、高さばらつきを抑えて精度良く、大径化したガス流出部１４の上部にブレーキ部２３を構成し、ボールねじ２２の上昇の限界を超えた場合に強制的に静止出来る。さらに、２本のボールねじ２２は、それぞれ上部において橋渡し部２４を介して連結しており、ガス流出部によるボールねじへの負荷を均一に分散する効果を有している。図３では、ボールねじ２２と４本のシャフト２１の連結部分２５は下部に位置しており、ガス流出部１４が下降した状態を表している。

　図４は、気相成長装置のガス流出部上部の昇降機構の斜視図である。図４では、図３に比べて連結部分２５が上部に位置しており、図に記載した矢印方向にボールねじ２２の回転によって４本のシャフト２１が上昇し、ガス流出部１４が上昇した状態を表している。２本のボールねじ２２は、それぞれ上部において橋渡し部２４を介して連結により、ガス流出部１４によるボールねじ２２への負荷を均一に分散しながら上昇し、上限にて強制的に静止している状態になっている。これらの構造により、４本のシャフト２１の落下への安全性が連結されていない場合に比べて改善されている。

　図５にシャフト２１、ボールねじ２２、モータ２６のタイミングベルト２７による駆動構造及びベルト破断検知センサ２８、２９、３０、３１の配置を上面図で示す。図５における２本のボールねじ２２の回転駆動は、ボールねじ２２に巻かれたタイミングベルト２７によって、中継軸３２を介して、それぞれ同じ1つのモータ２６に連結されている。つまり、このモータ２６からの駆動をタイミングベルト２７が伝達し、各２本のボールねじ２２の回転駆動へと変換する構造となっている。この時、いずれかのボールねじ２２への過加重、あるいはタイミングベルト２７の損傷の影響を受けて、タイミングベルト２７が断線する事が想定される。そこで、モータ２６と中継軸３２を繋ぐ２本のタイミングベルト２７にそれぞれ２カ所のベルト破断検知センサ２８、３１を配置し、中継軸３２とボールねじ２２を繋ぐ２本のタイミングベルト２７の２カ所のベルト破断検知センサ２９、３０を配置し、各ベルト破断検知センサ２８、２９、３０、３１は、図５のようにモータ２６を中心に左右ボールねじ２２に対照な位置に配置されている。この構成を有する事で、いずれかのボールねじ２２への過加重、あるいはタイミングベルト２７の損傷の影響を受けて、タイミングベルト２７が断線する場合に、いずれかのベルト破断検知センサ２８、２９、３０、３１がその状況を検知し、断線によるガス流出部１４の落下を防止できる。また、複数のベルト位置のいずれにおいてもベルト破断検知センサ２８、２９、３０、３１を配置する事で、いずれもタイミングベルト２７の破断時にも短時間に落下を防止出来る効果を有する。

　図６に一例として、ベルト破断検知センサ２８の構造図を示す。ベルト破断検知センサ２８は、主に発光部３３と受光部３４からなるフォトセンサとフラグ板３５で構成される。さらに、図７において、ベルト破断検知センサの断線時の挙動について説明する。これらのベルト破断検知センサを使用し、図７のように、タイミングベルト２７が断線していない状況では、タイミングベルト２７によるテンションでフラグ板３５が押され、発光部３３と受光部３４との間にフラグ板３５が挿入した状態で受光部３４には入光せず、ブレーキが常時通電となる。次に、図８のように、タイミングベルト２７が断線した状況では、タイミングベルト２７によるテンションが瞬時に失われ、フォトセンサにおけるフラグ板３５の発光部３３と受光部３４との間の遮光が無くなり、受光部３４に入光する。この状態ではブレーキは遮電されて、ガス流出部１４の落下を防止する停止機構が瞬時に作動する。

　（実施の形態２）
　別の実施形態について図９に基づいて説明する。図９は、図５でベルト破断検知センサ２８、２９、３０、３１の配置構成のみが異なるため、異なる部分のみ説明する。

　図９において、ベルト破断検知センサ３０、３１の配置状態を示す。本実施例では、モータ２６と中継軸３２を繋ぐ２本のタイミングベルト２７のうち１カ所にベルト破断検知センサ３１を配置し、中継軸３２とボールねじ２２を繋ぐ２本のタイミングベルト２７のうち１カ所にベルト破断検知センサ３０を配置している。

　この構成により、ベルト破断検知センサの個数を削減でき、タイミングベルト２７の破断時に、実施例１に対して検知時間は遅くなるが、より低コストで断線によるガス流出部１４の落下防止を検知できる。また、ベルト破断検知センサ３０、３１は、タイミングベルト２７の長さ方向に対して、垂直方向にフラグ板３５が動作するように、グローボックス上に固定されている。

　図９のように、タイミングベルト２７のベルト２７ａ、２７ｂの方向位置が異なる場合、それぞれの方向位置に垂直な方向にフラグ板３５が動作するように、ベルト破断検知センサ３０、３１の配置位置を変更している。

　また、これらのベルトへの加重、たわみの一例の数値としては、ベルト２７ａでは３６．５Ｎ、たわみ８．４ｍｍ程度、ベルト２７ｂでは３５．２Ｎ、たわみ３．３ｍｍ程度を最適な条件で設定されている。

　今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　本発明は、昇降機構を有する気相成長装置に利用することができる。

　１　ＭＯＣＶＤ装置全体、２　成長室、３　基板加熱機構、４　昇降機構、５　反応炉、６　反応室隔壁、７　反応外部空間、８　反応室、９　パージガス供給管、１０　被処理基板、１１　基板保持部、１２　回転伝達部、１３　基板加熱ヒータ、１４　ガス流出部、１４ａ　Ｏリング、１５　第１ガス分配空間、１６　第１ガス導入口、１７　冷媒空間、１７ｂ　第１ガス供給管、１８　中央プレート、１８ａ　プレート孔、１９　第２ガス分配空間、１９ａ　第２ガス導入口、２０ｂ　第２ガス供給管、２１　シャフト、２２　ボールねじ、２３　ブレーキ部、２４　橋渡し部、２５　連結部分、２６　モータ、２７　タイミングベルト、２７ａ　ベルト、２７ｂ　ベルト、２８　ベルト破断検知センサ、２９　ベルト破断検知センサ、３０　ベルト破断検知センサ、３１　ベルト破断検知センサ、３２　中継軸、３３　発光部、３４　受光部、３５　フラグ板、１０１　ガス供給源、１０２　反応炉、１０３　成長室、１０４　ガス配管、１０５　ガス流出部、１０６　基板、１０７　サセプタ、１０８　ヒータ、１０９　回転軸、１１０　ガス排気部、１１１　パージライン、１１２　排ガス処理装置、１１３　ベルト、１１４　透過型光センサ、１１５　ネジ棒、１１６　ナット、１１７　アイドラー、１１８　駆動チェーン、１１９　付勢機構、１２０　軸体、１２１　筐体、１２２　コイルばね、１２３　リミットスイッチ、１２４　位置検出器。

Claims

　ガス流出部（１４）と、複数のボールねじ部と、前記ボールねじ部に連結したガス流出部を昇降するシャフト部と、前記ボールねじ部とモータ部の間にタイミングベルト（２７）による保持機構と、前記タイミングベルトの近傍にセンサ部とを備えた気相成長装置。
　前記ボールねじ部とモータ部の間に中継軸（３２）を有し、前記ボールねじ部と前記中継軸及び前記中継軸と前記モータ部間の全てのタイミングベルト近傍にセンサ部を備えた請求項１に記載の気相成長装置。
　前記ボールねじ部とモータ部の間に中継軸（３２）を有し、前記ボールねじ部と前記中継軸及び前記中継軸と前記モータ部間のいずれか一方のタイミングベルト近傍にセンサ部を備えた請求項１に記載の気相成長装置。
　前記ガス流出部は、複数のガス配管からなるシャワーヘッド部を構成する請求項１に記載の気相成長装置。
　前記ボールねじ部に、ガス流出部の上昇を停止するブレーキ部（２３）を備えたことする請求項１に記載の気相成長装置。
　前記ボールねじ部は、橋渡し部（２４）を介して互いに連結されている請求項１に記載の気相成長装置。