(57)【要約】【課題】  基板ホルダー回転駆動器から、反応炉の中心部に設けられ外周に歯車を有する基板ホルダー回転板を介して、前記基板ホルダー回転板の周囲に設けられ外周に歯車を有する複数の基板ホルダーに回転駆動力を伝達することにより、前記基板ホルダーを回転させる構成を備えた気相成長装置において、大きな基板を複数枚用いた気相成長においても、基板ホルダーを安定して回転させることができる気相成長装置を提供する。【解決手段】  前述のような気相成長装置において、基板ホルダー回転板がベアリングボールを介して中心部の基台に対し回転自在に保持された構成を有する気相成長装置とする。【選択図】  図１
2014212204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板ホルダー回転駆動器から、反応炉の中心部に設けられ外周に歯車を有する基板ホルダー回転板を介して、前記基板ホルダー回転板の周囲に設けられ外周に歯車を有する複数の基板ホルダーに回転駆動力を伝達することにより、前記基板ホルダーを回転させる構成を備えた気相成長装置であって、前記基板ホルダー回転板がベアリングボールを介して中心部の基台に対し回転自在に保持された構成を有することを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】
基板ホルダーが、４インチ以上の径を有する基板を保持するものである請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
基台が、サセプタの上に固定して設けられたものである請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
基台が、円環状のサセプタの中心の空間部に、サセプタに保持されて設けられたものである請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項５】
ベアリングボールが、カーボン、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン及びそれらの組み合わせから選択される材質からなる請求項１に記載の気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気相成長装置に関し、詳細には、基板ホルダー回転駆動器から、反応炉の中心部に設けられた基板ホルダー回転板を介して、複数の基板ホルダーに回転駆動力を伝達することにより、基板ホルダーを回転させる構成を備えた気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶膜を基板上に成長する方法には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等があり、基板加熱を伴うＣＶＤ法は熱ＣＶＤ法等として知られている。近年、高温条件（例えば１０００℃以上）で基板を加熱して行う気相成長が増加しており、青色若しくは紫外ＬＥＤまたは青色若しくは紫外レーザーダイオードを製作するためのIII族窒化物半導体の気相成長もその一つである。例えば、III族窒化物半導体結晶膜の成長は、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、またはトリメチルアルミニウム等の有機金属ガスをIII族金属源として、アンモニアを窒素源として用い、１０００℃以上の高温に加熱されたシリコン（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）または窒化ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に結晶膜を気相成長する熱ＣＶＤ法により行われることがある。
【０００３】
気相成長装置には、基板の結晶成長面を上向きに配置するもの（フェイスアップ型）、基板の結晶成長面を下向きに配置するもの（フェイスダウン型）がある。また、１バッチあたり１枚の基板上に結晶膜を成長させる気相成長装置があるが、生産性を向上するために１バッチあたり複数枚の基板上に結晶膜を成長させる気相成長装置も知られている。
これらの気相成長装置においては、基板を自転させることにより、基板面内で均一な膜厚及び膜質の結晶膜を成長させることができる。また、基板を自公転させることにより、同一基板面内だけでなく各基板間においても均一な膜厚及び膜質を得ることができる。
【０００４】
基板を自公転させながら気相成長を行える気相成長装置の構成としては、例えば、基板を保持する複数の基板ホルダーがサセプタにより回転自在に保持され、サセプタが架台により回転自在に保持されている構成が挙げられる。例えば特許文献１、２に記載されている気相成長装置はそのような構成を有し、同一または別々の回転駆動器から基板ホルダー及びサセプタに回転駆動力が伝達されて、基板ホルダー及び基板は自公転する。気相成長装置は、成膜条件を最適化するために基板の自転速度と公転速度の比率を適宜変化させられるように、基板の自転機構と公転機構が別々に設けられることが望ましい。
【０００５】
基板の自転機構としては、基板ホルダー回転駆動器から、反応炉の中心部に設けられ外周に歯車を有する基板ホルダー回転板を介して、前記基板ホルダー回転板の周囲に設けられ外周に歯車を有する複数の基板ホルダーに回転駆動力を伝達することにより、前記基板ホルダーを回転させる構成が知られている。例えば、特許文献１に記載されている気相成長装置においては、基板ホルダー回転駆動軸（基板回転軸）が基板ホルダー回転板（中心ギア）に結合され、基板ホルダー回転駆動器（第二モータ）からの回転駆動力が基板ホルダー回転板（中心ギア）を介して基板ホルダーに伝達される。
【特許文献１】特開２００４−２４１４６０号公報
【特許文献２】特開２００９−９９７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２に記載の気相成長装置においては、基板ホルダー回転板の下には何も支えがなく不安定である。そのため、特に４インチ基板、６インチ基板等大きな基板を複数枚用いた気相成長においては、基板ホルダー回転板には大きな回転力がかかり、基板ホルダー回転駆動器からの回転駆動力が適切に基板ホルダーに伝達できなくなる虞がある。
従って、本発明が解決しようとする課題は、大きな基板を複数枚用いた気相成長においても、基板ホルダーを安定して回転させることができる気相成長装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者らは、このような課題を解決すべく鋭意検討した結果、前述のような気相成長装置において、中心部に基板ホルダー回転板を支えるための基台を設け、基板ホルダー回転板をベアリングボールを介してこの基台に対し回転自在に保持することにより、基板ホルダー、基板ホルダー回転板等の機械的強度の向上を図ることなく、安定して回転させることができることを見出し、本発明の気相成長装置に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、基板ホルダー回転駆動器から、反応炉の中心部に設けられ外周に歯車を有する基板ホルダー回転板を介して、前記基板ホルダー回転板の周囲に設けられ外周に歯車を有する複数の基板ホルダーに回転駆動力を伝達することにより、前記基板ホルダーを回転させる構成を備えた気相成長装置であって、前記基板ホルダー回転板がベアリングボールを介して中心部の基台に対し回転自在に保持された構成を有することを特徴とする気相成長装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の気相成長装置において、基板ホルダー回転板は、ベアリングボールを介して中心部の基台により保持されるので、４インチ基板、６インチ基板等大きな基板を複数枚用いた気相成長においても、基板ホルダー回転板、基板ホルダーを安定して回転させることができる。その結果、気相成長中に基板ホルダーの回転不良（回転速度の変動等）を起こすことなく、気相成長を安定して行なうことができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、基板ホルダー回転駆動器から、反応炉の中心部に設けられ外周に歯車を有する基板ホルダー回転板を介して、前記基板ホルダー回転板の周囲に設けられ外周に歯車を有する複数の基板ホルダーに回転駆動力を伝達することにより、前記基板ホルダーを回転させる構成を備えた気相成長装置に適用される。以下、本発明を、図１〜図４に基づいて詳細に説明するが、本発明がこれらにより限定されることはない。
尚、図１は、本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面構成図であり、図２は、図１のＢ−Ｂ断面構成図であり、図３は、図１のＣ−Ｃ断面構成図である。図４は、図１のＡ部の拡大図である。
【００１１】
本発明の気相成長装置は、図１に示すように、基板ホルダー回転駆動器８から、反応炉の中心部に設けられ外周に歯車を有する基板ホルダー回転板６を介して、前記基板ホルダー回転板６の周囲に設けられ外周に歯車を有する複数の基板ホルダー３に回転駆動力を伝達することにより、前記基板ホルダー３を回転させる構成を備えた気相成長装置であって、図４に示すように、前記基板ホルダー回転板６がベアリングボール２を介して中心部の基台１０に対し回転自在に保持された構成を有することを特徴とする気相成長装置である。
【００１２】
尚、図１の気相成長装置には、前述の他、ベアリングボール２を介して複数の基板ホルダー３を回転自在に保持するサセプタ９、ベアリングボール２を介してサセプタ９を回転自在に保持する架台１９、サセプタの対面１１、基板ホルダー３に載置され基板５を加熱する均熱板４、均熱板４を加熱するヒータ１２、サセプタ９とサセプタの対面１１の間隙からなる反応炉１３、反応炉１３へ原料ガスを供給する原料ガス導入部１４、反応炉１３から反応ガスを排出する反応ガス排出部１５も備えられており、基板ホルダー３の回転により基板５が自転し、サセプタ９の回転により基板５が公転する構成となっている。
【００１３】
本発明の気相成長装置に用いられる基板ホルダーは、通常は直径２インチ以上、好ましくは直径３インチ以上、より好ましくは直径４インチ以上の基板を１枚保持できるように設定されていることが好ましいが、そのような設定に限定されることはない。本発明の気相成長装置には基板ホルダーは複数設けられ、各基板ホルダーの外周には歯車が設けられている。例えば、図１の気相成長装置において、各基板ホルダー３はリング乃至筒の形状を有し、基板５の結晶成長面が下向きとなるように基板５を保持しているが、本発明に用いられる基板ホルダーは、このような基板を下向きに保持する基板ホルダーに限定されることはなく、例えば、上向きに保持する基板ホルダーでもよい。本発明の気相成長装置に用いられる基板ホルダーは、ベアリングボール等の手段により回転自在に保持されていることが好ましい。例えば、図１の気相成長装置において、各基板ホルダー３は、基板ホルダー３の下面及びサセプタ９の上面のそれぞれに刻まれたベアリング溝（３ｂ、９ｂ）により挟持されたベアリングボール２を介して、サセプタ９により回転自在に保持されている。
【００１４】
本発明の気相成長装置において、基板ホルダー回転板は反応炉の中心部に設けられ、基板ホルダー回転板の周囲に複数の基板ホルダーが配置され、基板ホルダー回転板の外周には歯車が設けられており、各基板ホルダーの歯車と基板ホルダー回転板の歯車が噛み合わさることにより基板ホルダー回転板から各基板ホルダーに回転駆動力が伝達される。本発明の気相成長装置に用いられる基板ホルダー回転板は、ベアリングボールを介して回転自在に保持されている。例えば、図１の気相成長装置において、基板ホルダー回転板６は、図４に示すように、基板ホルダー回転板６の下面及び基台１０の上面にそれぞれ刻まれたベアリング溝（６ｃ、１０ａ）により挟持されているベアリングボール２を介して、反応炉１３の中心部に設けられた基台１０により回転自在に保持されている。尚、基板ホルダー回転板６は、直径１００〜５００ｍｍ、厚さ３〜２０ｍｍの円盤状であることが好ましいが、このような形状及び大きさに限定されることはない。
【００１５】
本発明の気相成長装置に用いられる基台は、ベアリングボールを介して基板ホルダー回転板を回転自在に保持可能な部材であればよく、図１の気相成長装置のように円盤状であることが好ましいが、円盤状に限定されることはない。基台１０は、直径１００〜５００ｍｍ、厚さ３〜２０ｍｍの円盤状であることが好ましいが、このような大きさに限定されることはない。基台１０は、図１に示すように、通常はサセプタの上に固定して設けられる。
【００１６】
本発明の気相成長装置に用いられるサセプタは、複数の基板ホルダーを保持可能な部材であればよく、図３に示すように円環状であることが好ましいが、円環状に限定されることはない。サセプタが円環状である場合には、基台はサセプタの円環の中心の空間部に、サセプタに保持されて設置されることが好ましい。サセプタは、外径３００〜１０００ｍｍ、内径１００〜５００ｍｍ、厚さ５〜３０ｍｍの円環状であり、６〜１５個の基板ホルダーを保持できることが好ましいが、このような大きさに限定されることはない。
【００１７】
本発明の気相成長装置において、基台及びサセプタは一体として一部材を形成してもよく、その場合、基台及びサセプタが一体として形成する一部材は円盤状であることが好ましいが、円盤状に限定されることはない。また、本発明の気相成長装置において、メンテナンスを容易にする等の目的で、基台とサセプタは、分離可能となるように別々の部材として設けられることが好ましいが、分離可能であることに限定されることはない。例えば、図１、図３の気相成長装置は、基台１０とサセプタ９が分離可能な別々の部材として設けられているが、基台１０の外周上部とサセプタ９の内周下部に、中心に向かってそれぞれ設けられた突出部を重ね合せることにより、基台１０がサセプタ９により保持される構成を有している。
【００１８】
本発明において用いられるベアリングボールの径は１〜１０ｍｍであることが好ましいが、そのような大きさに限定されることはない。本発明に用いられるベアリングボールは、カーボン、窒化ホウ素（ＢＮ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、二硫化タングステン（ＷＳ２）及びそれらの組み合わせから選択される材質からなることが好ましいが、このような材質に限定されることはない。これらの材質は、潤滑性、耐腐食性及び耐熱性に優れているため、ベアリングボールとその接触部の摩擦を低減し、気相成長装置内部のような環境下での使用にも耐久性がある。
【００１９】
次に、図１の気相成長装置をさらに詳細に説明する。図１の気相成長装置には、基板５を自公転させる基板回転機構が設けられている。すなわち、基板ホルダー３及び基板ホルダー回転板６が、前述のように回転自在に保持され、同様にサセプタ９もベアリングボール２を用いてリング状の架台１９により回転自在に保持されている。
【００２０】
基板ホルダー回転駆動器８からの回転駆動力は、まず、磁性流体シール等の手段により反応容器２０の密封性を損なわないように回転自在にシールされた基板ホルダー回転駆動軸７に伝達される。基板ホルダー回転駆動軸７の基板ホルダー回転板６側の先端には複数本の突起７ａが設けられており、突起７ａが基板ホルダー回転板６の上面に設けられた穴６ａに差し込まれることにより着脱可能に噛み合わさり、回転駆動力が基板ホルダー回転板６に伝達される。複数の基板ホルダー３が、原料ガス導入部１４の周囲に設けられており、図２に示すように、基板ホルダー回転板６の外周に設けられた歯車６ｂと各基板ホルダー３の歯車３ａが噛み合わさることにより各基板ホルダー３に回転駆動力が伝達され、各基板５は自転し、各基板面内において均一な膜質及び膜厚の結晶膜を得ることができる
【００２１】
また、サセプタ回転駆動器１６からの回転駆動力は、まず磁性流体シール等の手段により反応容器２０の密封性を損なわないように回転自在にシールされたサセプタ回転駆動軸１７を介して、サセプタ回転駆動軸１７のサセプタ側先端に固定されたサセプタ回転板１８に伝達される。図３に示すように、サセプタ９の周縁部には歯車９ａが設けられ、サセプタ回転板１８の周縁部には歯車１８ａが設けられており、それらが互いに噛み合わさることによりサセプタ回転駆動器１６からの回転駆動力はサセプタ９に伝達されて、サセプタ９は回転する。このようにしてサセプタ９を回転させることにより基板５は公転し、各基板面間において均一な膜質及び膜厚の結晶膜を得ることができる。
各ベアリング溝の鉛直方向の断面は、半円形、三角形または四角形であることが好ましいが、このような断面に限定されることはない。また、各歯車は、平歯車構造を有することが好ましいが、特に限定されることはない。
【００２２】
結晶膜を生成するための気相成長反応は、反応容器２０内部の反応炉１３において行われる。反応炉１３の中心部には原料ガス導入部１４が設けられ、原料ガスは原料ガス導入部１４の先端から放射状に吹き出し、基板５の結晶成長面に対して水平に供給されるが、このような構成に限定されることはない。気相成長反応は、反応炉１３において、ヒータ１２により均熱板４を介して基板５を加熱しながら、原料ガス導入部１４から原料ガスを供給することにより行われ、基板５の結晶成長面には結晶膜が形成される。気相成長反応に用いられた原料ガスは、そのまま反応ガスとして反応ガス排出部１５から排出される。尚、本発明は、反応炉の中央部から原料ガスを供給し、周辺部から外部に排出する気相成長装置に限定されることはなく、例えば、反応炉の一端から原料ガスを供給し、反応後のガスを他の一端から外部に排出する気相成長装置に適用することもできる。
【００２３】
気相成長中、基板５は、基板ホルダー３の回転により常時自転することが好ましく、基板ホルダー３及びサセプタ９の回転により常時自転及び公転することがより好ましい。基板ホルダー３及びサセプタ９の回転方向及び回転速度は、それぞれ、基板ホルダー回転駆動器８及びサセプタ回転駆動器１６の回転方向及び回転速度を変化させることにより、任意に設定することができる。各基板間において均一な膜厚及び膜質を得るために、各基板ホルダー３は、原料ガス導入部１４を中心とする同一円周上に配置され、原料ガス導入部１４からの距離を等しくすることが好ましいが、そのような構成に限定されることはない。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明がこれらにより限定されるものではない。
【００２５】
［実施例１］        
（気相成長装置の製作）
図１に示すような気相成長装置を製作した。直径４ｍｍの窒化ホウ素製の球状のベアリングボール２を介して、基板ホルダー回転板６（ＳｉＣコートカーボン製、直径２５５ｍｍ（歯車６ｂを含む）、厚さ８．５ｍｍ）を、基台１０（ＳｉＣコートカーボン製、直径２６０ｍｍ（突出部を含む）、厚さ５ｍｍ）により回転自在に保持した。尚、ベアリング溝は、ベアリングボール２が直径２１０ｍｍの円周上を移動可能なように設置した。さらに、基板ホルダー回転板６を保持した基台１０をサセプタ９（ＳｉＣコートカーボン製、外径７２０ｍｍ（歯車９ａを含む）、内径２３０ｍｍ（突出部を含む）、厚さ１１ｍｍの円環状、基板ホルダー６個を保持可能）により保持した。また、同じ大きさ及び材質のベアリングボール２を用いて、各基板ホルダー３及びサセプタ９を回転自在に保持した。
【００２６】
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、基板の結晶成長面に窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長を行なった。まず、基板ホルダー３に基板５（直径６インチ、サファイア）を１枚ずつセットし、基板５の自転（１０ｒｐｍ）及び公転（１ｒｐｍ）を開始した。尚、すべての成長が終了してから内部の温度が室温付近に下がるまで、基板５の自転及び公転をこれらの速度で継続し、反応容器２０の中を大気圧に保った。
【００２７】
その後、原料ガス導入部１４から水素を流しながら基板５の温度を１０５０℃まで昇温させ、基板５のアニールを行なった。続いて、ヒータ１２の温度を５１０℃まで下げて、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア、キャリアガスとして水素を用いて、サファイア基板５の上にＧａＮからなる膜厚２０ｎｍのバッファー層の成長を行い、バッファー層成長後に、ＴＭＧのみ供給を停止し、ヒータ１２の温度を１０５０℃まで上昇させた。その後、原料ガス導入部１４から、ＴＭＧとアンモニアの他に、キャリアガスとして水素と窒素を供給して、アンドープＧａＮの成長を１時間行なった。
【００２８】
以上のようにＧａＮを成長させた後、ヒータ１２の温度を下げて内部を室温付近まで冷却してから基板５の自公転を停止した。基板５の自公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器８及びサセプタ回転駆動器１６は正常に作動した。その後に、反応容器２０を開放し、基板５を取り出したところ、基板５の上にはＧａＮの形成が確認された。また、反応容器２０の中の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなく、ベアリングボール２が、基板ホルダーを安定して回転させた効果が確認された。
【００２９】
［比較例１］    
実施例１における気相成長装置の製作において、ベアリングボールを介した基台の支えを用いなかったほかは実施例１と同様にして気相成長装置を製作した。このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様に気相成長実験を行なった。しかし、アンドープＧａＮの成長中に、基板ホルダー回転駆動器８の警報装置が異常を検出したため気相成長実験を中断した。
ヒータ１２の温度を下げて内部を室温付近まで放冷してから反応容器２０を開放し、反応容器２０の中の各部品を点検したところ、腐食、破損等の異常はなかったが、基板ホルダー回転板６から基板ホルダー３に対して、適切な回転駆動力が伝達されなかったことによる異常であることがわかった。
【００３０】
以上の実施例のように、本発明の気相成長装置は、基板ホルダー回転板がベアリングボールを介して中心部の基台により保持されるので、大きな基板を複数枚用いた気相成長においても、基板ホルダー回転板、基板ホルダーを安定して回転させることができる。その結果、気相成長中に基板ホルダーの回転不良を起こすことなく、気相成長を安定して行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の気相成長装置は、例えば、青色または紫外の発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の製造に用いられるIII族窒化物半導体の気相成長装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面構成図
【図２】図１のＢ−Ｂ断面構成図
【図３】図１のＣ−Ｃ断面構成図
【図４】図１のＡ部の拡大図
【符号の説明】
【００３３】
１  蛇腹
２  ベアリングボール
３  基板ホルダー
３ａ  歯車
３ｂ  ベアリング溝
４  均熱板
５  基板
６  基板ホルダー回転板
６ａ  穴
６ｂ  歯車
６ｃ  ベアリング溝
７  基板ホルダー回転駆動軸
７ａ  突起
８  基板ホルダー回転駆動器
９  サセプタ
９ａ  歯車
９ｂ、９ｂ’  ベアリング溝
１０  基台
１０ａ  ベアリング溝
１１  サセプタの対面
１２  ヒータ
１３  反応炉
１４  原料ガス導入部
１５  反応ガス排出部
１６  サセプタ回転駆動器
１７  サセプタ回転駆動軸
１８  サセプタ回転板
１８ａ  歯車
１９  架台
１９ａ  ベアリング溝
２０  反応容器
【図１】
2014212204.tif 000003
【図２】
2014212204.tif 000004
【図３】
2014212204.tif 000005
【図４】
2014212204.tif 000006