(57)【要約】【課題】  気相成長装置においてサセプタの偏心を防止する。【解決手段】  原料ガスのガス流路７を区画する角形のフローチャンネル２の区画壁に、サセプタ１を回転自在に収容する開口部１０を設けた気相成長装置において、前記フローチャンネル２の区画壁外面に前記サセプタ１の回転軌道とするベアリングを前記開口部１０の軸芯と同心に位置決めし、前記サセプタ１を前記開口部１０に収容すると共に、前記サセプタ１の外周部を前記ベアリングに支持し、前記サセプタ１の軸芯部に設けられた回転軸１８を自在継手６を介して固定系に固設された駆動源の回転駆動軸１７に連結ものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスのガス流路を区画する角形のフローチャンネルの区画壁に、サセプタを回転自在に収容する開口部を設けた気相成長装置において、前記フローチャンネルの区画壁外面に前記サセプタの回転軌道とするベアリングを前記開口部の軸芯と同心に位置決めし、前記サセプタを前記開口部に収容すると共に、前記サセプタの外周部を前記ベアリングに支持し、前記サセプタの軸芯部に設けられた回転軸を自在継手を介して固定系に固設された駆動源の回転駆動軸に連結したことを特長とする気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を保持するサセプタを反応炉内の所定位置に配置し、このサセプタを回転軸にて回転駆動して、各基板上に単結晶、多結晶、あるいはアモルファスの薄膜を気相成長させる気相成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどの化合物半導体エピタキシャル結晶の積層構造は、ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）やＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）等の電子デバイスや、ＬＥＤ、レーザーといった発光デバイスとして広く使用されている。
【０００３】
この種、電子デバイス、発光デバイスを製造する方法には、例えば、ＭＯＶＰＥ法(有機気相成長方法)が用いられている。この方法は、原料ガス流に対して基板の成長面を平行に且つ接触可能に配置し、基板をエピタキシャル結晶の成長温度に加熱しながら原料ガス流と直交する直交軸周りに回転させることによって基板の成長面にエピタキシャル層を成長させる方法であり、特に、基板の成長面を下向きとして原料ガス流に接触させる方式は、フェイスダウンタイプと呼ばれている。フェイスダウンタイプのＭＯＶＰＥ法は、基板に原料ガスを供給する際に原料ガスの対流が生じにくく微細な積層構造を形成できるとともに、反応炉内に蓄積した堆積物が基板表面に舞い降りることが少なく表面不良も発生しにくいという特長がある。
【０００４】
図３は従来のフェイスダウンタイプの気相成長装置の反応部である気相成長部の縦断面図である。図３に示すように、ガス流路７となるフローチャンネル２は、直線状に延びた角形の石英ガラス管で形成されており、加熱室Ｈを区画する反応炉本体(図示せず)を横断している。原料ガス供給口（入口）８はフローチャンネル２の片側に開口し、排気ガスの排気口(出口)９は反対側に開口している。フローチャンネル２を区画する区画壁の上壁には、厚み方向に貫通する円形の開口部１０が形成されており、開口部１０にカーボン製のサセプタ１が回転自在に収容されている。サセプタ１の軸芯部に設けられた回転軸１８は前記反応炉本体の外面部に支持されたモータ(図示せず)の回転駆動軸(図示せず)と連結されていて、反応炉本体にモータを介して支持されている。
【０００５】
複数の半導体基板４は、前記サセプタ１の回転軸１８の外周側に円周方向に間隔を隔てて設けられたサセプタ１の開口部１１に収容されており、この開口部１１の周縁部に設けられた複数の支持爪１２に支持されている。なお、石英ガラスは、不純物を含まず、エピタキシャル層の高純度化に有利な材料として用いられている。
【０００６】
なお、本発明に関連する先行技術として、回転軸をなくしサセプタ外周部をベアリングを介してベースプレートに支持した気相成長装置（特許文献１）や基板を自転させるトレー回転軸を介してサセプタを回転する気相成長装置（特許文献２）が知られている。
【特許文献１】特開２００２−１７５９９２号公報（図２、図３）
【特許文献２】特開平６−２９５９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の気相成長装置(図３参照)では、モータを反応炉本体に支持し、モータの回転駆動軸にサセプタの回転軸を連結することで、フローチャンネルの開口部にサセプタを回転自在に収容している。しかし、開口部の中心に対してサセプタが偏芯し、サセプタの外周面が開口部の内面に接触してしまい、接触により発生した粉体がエピタキシャル層に取り込まれてしまうことがある。
【０００８】
このような偏芯の原因には、サセプタの回転軸とモータの回転駆動軸との芯ずれ、反応炉本体に対するモータの取り付け位置のずれ等、組み立て作業に起因するものと、高温下でのサセプタ、サセプタの回転軸、モータの回転駆動軸との間の熱膨張差による熱応力に起因するものがある。
このため、従来は、フローチャンネルの開口部の内周面とサセプタ外周面との間のクリアランスを、回転軸、回転駆動軸の連結時の芯ずれやモータの取り付け位置のずれ、すなわち、穴ガタに対応したクリアランスとし、回転軸と回転駆動軸との間の芯ずれや、モータの取り付け位置による芯ずれの修正を、基板の交換時や保守点検の際の組み付け作業ごとに実施しているが、その都度、高い組み立て精度が要求されるため、作業が面倒で時間が掛かるという問題がある。
【０００９】
また、サセプタの開口部の内周面とサセプタ外周面との間のクリアランスを大きくすると、原料ガスがこのクリアランスを通じてヒータ側へ流出したり、不純物およびパーティクルが流出したりするという虞もある。
【００１０】
さらに、サセプタの芯ずれによってサセプタの偏心の度合いが大きくなると、半導体基板の同一面内、もしくは同一バッチのエピタキシャルウェハ間で、基板の膜厚分布、組成分布、比抵抗分布に関する特性が異なってしまうという問題もある。
【００１１】
そこで、本発明は、サセプタの偏心回転を防止し、サセプタの磨耗に起因するエピタキシャル層の品質の低下を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の発明は、原料ガスのガス流路を区画する角形のフローチャンネルの区画壁に、サセプタを回転自在に収容する開口部を設けた気相成長装置において、前記フローチャンネルの区画壁外面に前記サセプタの回転軌道となるベアリングを前記開口部の軸芯と同心に位置決めし、前記サセプタを前記開口部に収容すると共に、前記サセプタの外周部を前記ベアリングに支持し、前記サセプタの軸芯部に設けられた回転軸を自在継手を介して固定系に固設された駆動源の回転駆動軸に連結したものである。
【００１３】
サセプタを開口部に収容すると共に、開口部と同芯に位置決めされたベアリングにサセプタの外周部を支持し、回転軸に自在継手を介して回転駆動軸を連結すると、回転軸と回転駆動軸との偏芯や熱応力が自在継手によって吸収ないし緩和される。このため、開口部に対するサセプタの偏芯回転が防止され、開口部の内周面とサセプタの外周面との接触が防止される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によればサセプタの回転軸と回転駆動軸との偏芯や熱応力が自在継手により吸収され、サセプタの外周面と開口部の内周面との接触が防止されるので、サセプタの外周面と開口部の周面との接触が防止され、サセプタに支持された基板のエピタキシャル層への磨耗粉の取り込みが防止される。このため、品質の高いエピタキシャル層の成長が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本実施形態に係る気相成長装置について説明する。なお、従来の気相成長装置と同じ構成部については同一符号を付して説明する。
図１は本発明の実施形態に係る気相成長装置を示す要部詳細断面図、図２はフローチャンネルからサセプタを分離した状態を示す断面図である。
【００１６】
図１及び図２に示すように、円形のサセプタ１は、原料ガス１４のガス流路７となるフローチャンネル２の区画壁の上壁に設けられた円形の開口部１０に回転可能に収容されている。ガス流路７となるフローチャンネル２は、軸方向に沿って幅よりも高さが短い偏平な角形の石英ガラス管で形成されており、加熱室Ｈを区画する反応炉本体(図示せず)を直線的に横断している。原料ガス供給口（入口）８はフローチャンネル２の片側に開口し、排気ガスの排気口(出口)９は反対側に開口している。前記反応炉本体内には、ヒータ（図示せず）が配設されており、均熱板（図示せず）がヒータとサセプタ１の間に配置されている。均熱板が配置されると、半導体基板４がむらなく加熱され面内温度が均一化される。
【００１７】
サセプタ１はカーボンで構成されており、サセプタ１の外周部には、外向きフランジ１６を有するスリーブ１５が一体且つ同軸的に形成されており、サセプタ１の外向フランジ１６がベアリング２０を介してフローチャンネル２の上壁に支持されている。前記ベアリング２０は、外向きフランジ１６とフローチャンネル２との対向面に形成された一対のレース部１ａ，２ａと、一対のレース部１ａ，２ａに案内されて転動する複数の球体５とから構成されている。これらの球体５は、黒鉛等の耐熱性材料で構成されており、Ｖ字形のレース部１ａ，２ａに対して隙間なく配置され、隣接同士が接触している。
フローチャンネル２の上壁のレース部２ａは、フローチャンネル２の開口部１０の中心と同心に形成され、スリーブ１５、外向きフランジ１６及び外向きフランジ１６のレース部１ａは、サセプタ１の回転中心に対して同心に設けられている。
【００１８】
このように、フローチャンネル２のレース部２ａに複数の球体５を配置し、これらの複数の球体５に外向きフランジ１６を支持させると、サセプタ１の半径方向の移動が規制され、開口部１０の中心に対してサセプタ１が同芯に配置される。この結果、開口部１０の内周面に対するスリーブ１５の外周面の接触が防止される。このため、フローチャンネル２の開口部１０の内周面とスリーブ１５の外周面との間のクリアランスを小さくし、反応炉本体内への原料ガスの流出や不純物およびパーティクルの流出を抑制することが可能となる。
【００１９】
また、図１及び図２に示すように、各レース部１ａ，２ａをＶ字状とし、ベアリング２０に自動調芯機能を持たせた場合は、フローチャンネル２のレース部２ａ上に配置された複数の球体５の上方側からフランジ１６のレース部１ａを臨ませて載置するだけでサセプタ１が自動的に位置決めされるので、組み立てやメンテナンスが容易になるという利点もある。
【００２０】
前記サセプタ１の軸芯部には回転軸１８が一体に形成されており、サセプタ１の回転軸１８が駆動源としてのモータ(図示せず)の回転駆動軸１７に自在継手６を介して連結されている。前記モータは、固定系としての反応炉本体の外面部に固設されており、回転軸１８は、自在継手６及び回転駆動軸１７を介してモータに支持されている。前記自在継手６は、図１及び図２では簡略的に示されているが、具体的には、球面継手(関節継手)、たわみ継手(フレキシブル継手)のほか、遊びによって振動や偏芯を吸収するカップリング等で構成されている。
【００２１】
このように、回転駆動軸１７に自在継手６を介して回転軸１８を連結すると、回転軸１８に対して回転駆動軸１７が偏芯していたり、回転軸１８と回転駆動軸１８とに熱応力や振動が作用してもこれらが自在継手６の揺動又は撓みによって吸収ないし緩和されるので、サセプタ１は、開口部１０の軸芯を中心として偏芯なくスムーズに回転する。この結果、偏芯、熱応力、振動等に対しても開口部１０の内周面に対するサセプタ１の外周面の接触がなくなり、接触によるサセプタの磨耗も生じないので、磨耗した粉体の取り込みに起因するエピタキシャル層の汚染を防止することができる。また、自在継手６により、回転軸１８と回転駆動軸１７との間の熱応力が吸収ないし緩和され、レース部１ａ，２ａに対する球体５との間の軸受け荷重も大幅に減少するので、レース部１ａ，２ａと球体５との転がり接触による磨耗も大幅に減少するという効果もある。
【００２２】
また、前記スリーブ１５の軸長は、前記外向きフランジ１６のレース部１ａが前記複数の球体５に支持されたときに、サセプタ１のフローチャンネル２内側の下面がフローチャンネル２の上壁の内面と同一平面を構成するように決定されており、サセプタ１の各開口部１１の周縁部に設ける複数の支持爪１２の取り付け位置は、サセプタ１の開口部１１に収容した半導体基板４の成長面がフローチャンネル２の上壁の内面と同一平面を構成するように決定されている。
【００２３】
各半導体基板４の成長面をフローチャンネル２の内面と同一平面内で回転させると原料ガス１４の流れを乱すことなく、サセプタ１の加熱によって熱分解した原料ガスの分子ガスが各半導体基板４下に到達するので、各半導体基板４の成長面に同じ品質のエピタキシャル層が成長する。
【００２４】
本実施形態にかかる効果を確認するため、本実施形態にかかる気相成長装置（図１）を用い、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓ半導体ウェハにＨＥＭＴ用のIII−Ｖ族化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる試験を実施すると共に、比較のため、従来の気相成長装置を用い、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓ半導体ウェハにＨＥＭＴ用のIII−Ｖ族化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる試験を実施すると、従来の気相成長装置を用いたエピタキシャル成長では、膜厚分布、組成分布、比抵抗分布に関して、同一バッチ内のエピタキシャルウェハでありながら、エピタキシャルウェハによって特性が異なることがある。この場合、フローチャンネル２とサセプタ１を交換すると、一部のエピタキシャルウエハに、サセプタ１とフローチャンネル２の開口部１０との擦れによる黒鉛(カーボン)が取り込まれていた。
【００２５】
これに対し、本実施形態の気相成長装置によるエピタキシャル成長では、同一バッチ内のエピタキシャルウェハについての膜厚分布、組成分布、比抵抗分布に関する特性の差が、従来と比較して１／２から１／５程度に低減した。さらに、サセプタ１とフローチャンネル２を交換して再度気相成長を実施したが、交換前の場合と同様に、膜厚分布、組成分布、比抵抗分布に関して、同一バッチ内のエピタキシャルウェハ間の特性差は少なく、特性の均一性が良好であり、サセプタ１とフローチャンネル２間の擦れも発生しなかった。従って、本実施の形態に係る気相成長装置は、サセプタ１の偏芯回転に起因するエピタキシャルウェハの品質低下防止に効果的であることが分かった。
【００２６】
なお、本実施形態では、ベアリング２０を球体５と一対のレース部１ａ，２ａに分割して配置したが、一体のベアリングをフローチャンネル２の上壁外面で且つ開口部１０の周縁部に開口部１０と同心に位置決めし、このベアリングに前記スリーブ１５の外向きフランジ１６を支持させてサセプタ１を開口部１０と同心に回転させるように構成してもよい。また、図１、及び図２において、前記レース部１ａ、２ａを耐熱性材料で別途形成し、これを外向きフランジ１６とフローチャンネル２の上壁外面に固定する構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る気相成長装置の気相成長部の断面図であり、サセプタとフローチャンネルとを組み立て状態を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る気相成長装置の気相成長部の要部詳細断面図であり、フローチャンネルからサセプタを分離した状態を示す断面図である。
【図３】従来の気相成長装置の気相成長部の構成を示す要部詳細断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１      サセプタ
２      フローチャンネル
４      半導体基板
６      自在継手
７      ガス流路
１０      フローチャンネルの開口部
１１      サセプタの開口部
１８      回転軸
１６      外向フランジ
１７      回転駆動軸
２０      ベアリング
【図１】
2007173492.tif 000003
【図２】
2007173492.tif 000004
【図３】
2007173492.tif 000005