(57)【要約】サセプタ支持台（１）とサセプタ（２）とを有し、サセプタ（２）を回転軸（５）により回転させる化学気相成長装置において、支持台（１）とサセプタ（２）の端との境界に、１ｍｍ程度以上の大きな隙間（１１）を設け、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長の際に、支持台（１）とサセプタ（２）との境界にＧａによるブリッジングが起きるのを防止し、回転障害を引き起こさないようにする。
2003017345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持台と、この支持台に設置された回転サセプタの端との境界に隙間が設けられていることを特徴とする化学気相成長装置。
【請求項２】
前記隙間の巾は０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項３】
前記隙間の巾は１ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項４】
前記隙間の巾は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項５】
前記隙間の巾は１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項６】
前記隙間の深さは１ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項７】
前記隙間の深さは２ｍｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項８】
前記隙間の深さは１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項９】
前記隙間の深さは２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項１０】
前記化学気相成長装置は有機金属化学気相成長装置であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【請求項１１】
前記化学気相成長装置はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の成長用の有機金属化学気相成長装置であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の化学気相成長装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、化学気相成長装置に関し、特に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に適用して好適なものである。
背景技術
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて製造される、ＬＥＤ、半導体レーザなどの発光素子や、通信用高周波トランジスタなどの素子は、シリコン（Ｓｉ）系素子とともに、現代の情報通信社会のハードウエアインフラストラクチャを構成している重要な素子である。
そして、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のヘテロ接合を巧みに利用した構造により、例えば半導体レーザなどの、Ｓｉでは実現の出来ない領域において、Ｓｉ系素子と相補的な役割を担っている。
また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体素子などの化合物半導体素子の製造においては、ＭＥＳＦＥＴなどの単純な構造の素子を除いて、ヘテロエピタキシャル技術が重要な技術となっており、基本的にはこのヘテロエピタキシャル技術によって支えられているといっても過言ではない。そして、このヘテロエピタキシャル技術としては、分子線エピタキシャル法と、化学気相成長法、特に、ＭＯＣＶＤ法とが現在主な技術であり、学術的には１９６０年代より研究されている。
ＭＯＣＶＤ法は、ＧａＡｓ系半導体レーザの製造のためのエピタキシャル成長技術として１９８３年頃から実用化され、現在では一度で多数枚の基板上にエピタキシャル成長を行うＭＯＣＶＤ装置が市販されている。この多数枚基板対応のＭＯＣＶＤ装置の要素技術においても様々な方式がある。すなわち、サセプタの形状としてはバレル型やパンケーキ型などがあり、ガス流の型としては高流速横型、高速回転型、縦型ダウンフロー型などがあり、基板の載置方法としては基板をガス流の上に置くもの（フェースダウン）やガス流の下に置くもの（フェースアップ）があり、加熱方式としては高周波加熱方式、抵抗加熱方式、ランプ加熱方式などがあり、それらの要素技術が組み合わされた様々な形式のＭＯＣＶＤ装置が用いられている。
従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長に用いられるＭＯＣＶＤ装置は、ＩＩＩ族元素としてガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）またはインジウム（Ｉｎ）を使用し、Ｖ族元素として砒素（Ａｓ）またはりん（Ｐ）を使用しており、成長温度は高々８００℃であった。一方、近年、アンモニア（ＮＨ３）を原料としてＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させるＭＯＣＶＤ装置の要求が高まってきた。
ＧａＮ系半導体のＭＯＣＶＤ装置においては、サファイアまたはＳｉＣからなる基板上に約１１００℃の温度で、ＩＩＩ族有機金属化合物とアンモニア（ＮＨ３）とを反応させ、単結晶薄膜を成長させる。この単結晶薄膜の成長において、良質な結晶を成長させるためのガス組成や成長条件はすでに学術的に発表され、知られている。しかしながら、良質な結晶を得るための最適化されたガス組成や成長条件を実現するためのＭＯＣＶＤ装置は、個々に行われる技術開発結果によって変更が加えられたものであり、一般には殆ど知られていない。それらのＭＯＣＶＤ装置のうちで公知となっているものとして、反応管構造に関するものがある（例えば、特開平２−２８８６６５号公報、特開平２−６１０８２号公報、特開平４−９４７１９号公報、特開平１１−１２０８５号公報）。しかしながら、これらの技術をもってしても、良質な結晶品質の半導体を再現性良く長期安定的に製造するのは様々な要因が絡み合い、困難であった。
従って、この発明の目的は、化合物半導体、特にＧａＮ系半導体のエピタキシャル成長において、良質の結晶を得るための最適化された化学気相成長装置を提供することにある。
発明の開示
本発明者は、従来技術が有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。以下にその概要を説明する。
一般に、第１図に示すように、化学気相成長装置は、サセプタと、サセプタを保持する支持台とでなっており、サセプタは支持台に対して、自転するように設計されている。第１図において、１は支持台、２はサセプタ、３は基板、５はサセプタを回転させる回転軸、６はヒーターである。ヒーター６は支持台１の中に載置されることもある。また、支持台１が回転する方式もある。サセプタ２の回転により、基板３の上に堆積する膜の膜厚の均一性が向上する。
ところで、使用回数が重なってゆくと、分解生成物が堆積物４としてサセプタ２と支持台１とに堆積してゆき、その相対運動をしている支持体１とサセプタ２との境界にも堆積し、回転運動の妨げになる。窒化ガリウム半導体の成長の場合、特に深刻な問題が発生することがわかった。例えば、１１００℃において１０数分間、水素を流し、基板表面の洗浄化処理を行うが、この高温クリーニングプロセス中に前回の製造過程のときにサセプタ２に堆積していた窒化物が分解し、金属ガリウムが微小液滴となって表面に残される。サセプタ２と支持台１との境界付近の液体ガリウムは表面張力によって小さな球体となり、サセプタ２と支持台１との境界で橋かけ（ブリッジング）が起きる。次のステップで、成長のためにアンモニアガスが供給されると、液体金属ガリウムは窒化され、再び窒化ガリウムの固体が、４１に示すように境界で成長する。こうして、境界に入り込んだＧａＮ固体によりサセプタ２の回転は著しく妨害され、甚だしくは、機械的に破損してしまうことがよく生じる。従って、サセプタ２と支持台１との間は、上記金属ガリウムがブリッジを形成しないように巾広くすることが有効である。
また、サセプタを含む支持台は、ガス流の上流から下流に向けて、傾斜を持たせ、ガスの流速を増加させる構造を採用することがある。これにより膜厚均一性が改善される。しかし、窒化物系の気相成長では、堆積した窒化物が上記の理由により、液体の金属ガリウムに転換し、傾斜面を移動し、サセプタと支持台との隙間に流れ込み、その間に金属ガリウムによる橋かけが行われ、次のステップでアンモニアが流されたときに固体となり、前記と同じ理由で不具合が生じることになる。従って、これを回避するには、支持台に凹凸の溝を形成しておき、流れる金属ガリウム液滴を阻止することが有効である。
次に、サセプタ２の回転機構として、公知の技術では、第２図に示すように、支持台１とサセプタ２１とに同一半径の溝が形成され、それらの間にカーボンの球９１が入れられ、サセプタ２１の端にギア９３が形成されており、このギア９３を外部固定ギア８で駆動することにより摩擦の少ない回転運動を実現している。しかしながら、これらのサセプタ２１と支持体１とは一体化されておらず、回転速度が大きいときには、振動によりサセプタ２１が飛び離れ、外れてしまうことがあった。特に、高温で成長を行う窒化物系半導体の成長装置では表面粗度の荒いＳｉＣ系の材料を用いることがあり、サセプタの構造の改善が望まれていた。従って、サセプタ２１と支持台１との間には、独立したベアリング機構を新たに備えることが有効である。
次に、一般にサセプタを回転させる機構として、サセプタの中心軸を直接回転駆動できない場合があり、そのときにはサセプタの円周上にギアを設け、そのギアを外部のギアにより駆動する方式が一般的である。しかしながら、この場合、窒化物半導体の成長装置のように高温で成長を行う場合、熱膨張による相対位置のずれや、摩擦力の増大に備える必要がある。従って、新規な方式としてはサセプタ、またはベアリングの、一つのリングの円周上に風圧を受ける機構と、この機構にガス流を導く導入管を設けることで、異常トルクの発生をスリップにより回避できるので、上記の相対位置ずれによる回転部分の破損や摩擦力の増大に対し有効となる。
次に、サセプタの加熱方式として、ランプ加熱方式があるが、窒化物系半導体の成長装置では、常圧方式において採用された実績がある（特開平１１−１２０８５号公報）。しかし、減圧方式では加熱用ランプの構成方式の例は少なく、特に窒化物系半導体の成長装置では皆無であった。これは、ランプハウス自体が減圧容器の一部を構成する方式をとることによって可能となる。
次に、大型の回転サセプタまたは支持台を回転させる機構において、回転中心軸を保持しない方式をとる場合がある。例えば、第３図のように、中心軸のある回転石英円盤からなる支持台１の周辺にドーナツ型のカーボンサセプタ２を配置し、このドーナツ型カーボンサセプタ２のみ加熱する場合、石英円盤からなる支持台１の熱膨張率とカーボンサセプタ２の熱膨張率とに差があるので、両者一体の固定はできず、従って、両者の相対位置は、温度が変化をするごとに不定となってしまう。また、第４図のように、回転中心軸のある大型回転支持台１に取り付けられた複数のサセプタ２１を、その外周に取り付けられた固定ギア８で自公転させる構成では、外周の固定ギア８は、温度上昇（下降）時には、回転支持台１の熱膨張（収縮）に伴い、中心点を保存しながら、等方的に膨張（収縮）させる必要が生じる。そうでなければ、ギアの噛み合わせが不一致となりギアが破損してしまう。窒化物系半導体の成長装置のように１１００℃程度の高温成長が要求される反応装置では、熱膨張の量は大きいので、外周固定ギア８の中心点を保った膨張をさせないと、回転円盤に取り付けられたサセプタ２１のギア９０と外周部の固定ギア８との噛み合いが不正確となり、回転が不可能になってしまう。従って、中心点を固定し得ない部材の熱膨張等の等方的変形に対し、中心点の位置を保持する構造が必須となる。その構造として、回転対称性を有する上記部材の円周上の複数の箇所に、連結棒を設備し、その点を通る直径方向に対して、直径方向とは異なる角度で、角度と長さの等しい上記連結棒が、その他端を前記回転対称部材から独立した部材に接続されている構成とすると、等方的変形に対し、中心点が保存されることがわかる。
次に、中心軸を直接駆動する回転方法において、回転体側に異常摩擦が生じたとき、瞬時に駆動機（モータ）を停止する方法として、従来は、駆動機と回転軸との間にスリップ機構を挟む方法が一般的であった。しかし、この方法では、回転体はスリップにより停止はするが異常の発生は、その時点では知ることはできない。そこで、上記機構を更に発展させ、回転体とスリップ部品または捩れ変形する部品との間にロータリーエンコーダーを導入し、このロータリーエンコーダーの回転出力と、駆動機からの回転出力とを比較器と情報処理装置とにより処理して異常を知り、駆動機を停止させるとともに、アラーム信号を発生させることが有効である。
次に、上記機構の別の形態として、駆動機自身にスリップ機構を持たせる方法として、エア駆動型を用いる方法が有効である。
次に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＭＯＣＶＤでは原料として、複数の原料ガスを使用するが、流量制御された原料ガスを反応器に通じるメインの管に合流させるとき、合流配管を正しく構成する必要があることが判明した。例えば、第５図に示すように、２つの管を真正面からぶつかり合うように合流させると、流量条件によっては、２つの管のガスのぶつかり合いにより、互いに干渉し合いガス流の振動が生じ、正確に流速制御できなくなる。従って、原料ガスを含む複数の管が合流するとき、管どうしが正面対向しないか、または、各々の管の合流点が、少なくともその管径以上の距離だけ離れた構造が有効であることが判明した。
本発明は、本発明者による以上の検討に基づいて案出されたものである。
すなわち、前記目的を達成するため、本発明の第１の発明は、
支持台と、この支持台に設置された回転サセプタの端との境界に隙間が設けられていることを特徴とする化学気相成長装置である。
ここで、支持台と回転サセプタの端との境界に設けられる隙間の巾は、橋かけを確実に防止する観点より、好適には０．５ｍｍ以上、より好適には１ｍｍ以上に選ばれ、一方、この隙間が広過ぎると、この隙間の中にも原料ガスが容易に侵入してその側壁にも堆積が起きてしまうため、これを防止する観点より、好適には３ｍｍ以下、より好適には２ｍｍ以下に選ばれる。同様に、この隙間の深さは、好適には１ｍｍ以上、より好適には２ｍｍ以上に選ばれ、一方、好適には４ｍｍ以下、より好適には３ｍｍ以下に選ばれる。
本発明の第２の発明は、
支持台と、この支持台に重力方向に対して傾斜をもって設置された回転サセプタとを備えた化学気相成長装置において、前記支持台に凹凸の溝が設けられ、ガス分解物が溝の凹部に集積されるように構成されたことを特徴とする化学気相成長装置である。
本発明の第３の発明は、
支持台と、この支持台に固定され、回転伝達用ギアを備えたベアリング機構と、ベアリングの一方の回転部材に固定されて回転するサセプタとにより構成されたサセプタ回転機構とを備えたことを特徴とする化学気相成長装置である。
ここで、典型的には、球を挟んで対向する一対の回転部材を一体化するベアリング構造として、上記一対の回転部材に同心円上にネジが切られており、両者のネジをはめ込み、更に貫通させ切り、ネジが障害となり外れなくなり、一体化させたベアリング機構を用いる。
本発明の第４の発明は、
支持台と、この支持台に固定されたベアリング機構と、ベアリングの一方の回転部材に固定されて回転するサセプタとにより構成されたサセプタ回転機構とを備えた化学気相成長装置であって、ベアリングの対向する一方の回転部材に風圧を受ける機構部と、この機構部にガス流を導く機構とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の第５の発明は、
外部加熱手段と反応室とが仕切り板によって別室構成となっている化学気相成長装置において、外部加熱手段と反応室とが同圧となるようにガス排出口付近に連絡通路が設けられていることを特徴とするものである。
本発明の第６の発明は、
回転対称性を有し、かつ、中心点の位置が固定されない構造体が設置されており、その構造体の熱膨張等の等方的変形に対し、中心点の位置を保存する構造を備えたことを特徴とする化学気相成長装置である。
ここで、典型的には、中心点の位置を保存する構造として、回転対称性を有する部材の、円周上の複数の点からその点を通る直径に対して、直径方向とは異なる角度で、角度と長さの等しい連結棒がその他端を前記回転対称性を持つ部材から独立した部材に接続される。
本発明の第７の発明は、
基板回転機構の故障による異常トルクに対する駆動力の切り離し機構として、ロータリーエンコーダーを備え、このロータリーエンコーダーと駆動機との間に、異常トルクの発生に対し、スリップまたは変形する連結器を備え、前記ロータリーエンコーダーの回転信号と前記駆動機の回転信号との比較により、前記駆動機を停止させる機構を備えたことを特徴とする化学気相成長装置である。
本発明の第８の発明は、
基板回転機構の故障による異常トルクに対する駆動力の切り離し機構として、回転軸に直結したエア駆動機を備え、異常トルクの発生に対し、前記エア駆動機がスリップするようにしたことを特徴とする化学気相成長装置である。
本発明の第９の発明は、
原料ガスを含む複数の管が合流する単位配管構造に対して、管どうしが正面対向しないか、または、各々の管の合流点が管径以上離れた構造であることを特徴とする化学気相成長装置である。
本発明は、化学気相成長装置の中でも有機金属化学気相成長装置に適用して好適なものであり、取り分け、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれた少なくとも１種のＩＩＩ族元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）およびヒ素（Ａｓ）からなる群より選ばれた少なくとも窒素を含むＶ族元素とを含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の成長に適用して好適なものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
第６図は本発明の第１の実施形態による化学気相成長装置の反応器の構成を示す。第６図において、１は支持台で石英材質である。２はＳｉＣコートのサセプタ、３は基板でここではサファイア基板である。５はサセプタ２を回転させる回転軸、６はヒーター、７はステンレス製の反応器である。さて、ＧａＮの結晶成長を行う場合のプロセスを以下に説明する。まず、反応器７内に水素ガスを流し、温度１１００℃程度で１５分間程度加熱し、サファイア基板の表面をクリーニングする。次に、温度を５５０℃程度に下げて、アンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを供給し、アモルファス状のＧａＮを約３０ｎｍ堆積させる。次に、ＴＭＧの供給を停止し、アンモニアと水素とを流しながら、温度を約１１００℃まで上昇させ、低温堆積したＧａＮを結晶化させ、引続いてＴＭＧを供給し、微小な種結晶の上に単結晶ＧａＮを積層してゆく。この一連のプロセスは公知である。
こうして結晶成長が終了したら、基板を取り出し、新たにサファイア基板を同じ位置に設置し、次の成長作業を行うことになる。第１回目の作業と異なる状況としては、サセプタ２の周辺または支持台１にＧａＮが堆積していることである。第２回目の作業の最初のステップである基板表面洗浄化プロセスで、このＧａＮ堆積物は水素中での高温度のため分解し、Ｇａの微小な金属液滴へと転換する。この堆積物を第１図の４に示した。第１図は従来の化学気相成長装置のサセプタ近傍の構成を示す。回転サセプタ２と支持台１との境界は、通常は工作精度の範囲内で隙間のないように作製されるが、現実的には、０．１ｍｍ程度の隙間が生じている。生成した金属ガリウムは、この隙間の上、すなわち、サセプタ２と支持台１との境界にも存在することがあり、経験的にはこの隙間の中に入り込むようであった。メカニズムは不明であるが、微小液滴どうしが合体し、適当な大きさになり、表面張力により隙間にしみ込むようである。これを第１図の４１に示す。
次に、アンモニアを流し、窒化ガリウムを形成するプロセスで、この金属Ｇａはアンモニアにより窒化され、再びＧａＮへと転換される。すると、固体化と同時に体積膨張が起こり、回転に対する強力な摩擦力が発生し、回転が阻害される。甚だしいときには、破損してしまうことがあった。このような経験に鑑み、本発明の第１の実施形態においては、第６図に示すような改良を加えた。即ち、回転サセプタ２と支持台１との間には、常識に反して、接触に近い形ではなく、むしろ、１ｍｍ程度以上の隙間をとり、深さは２ｍｍ以上に掘り下げた。それを第６図の１１に示す。このようにすると、支持台１の上に堆積したＧａＮは、金属ガリウムに転換してもサセプタ２との間でブリッジが出来ないので、隙間１１に入り込まない。また、この隙間１１の側壁への堆積は、原料ガスが届かないので少なかった。従って、サセプタ２を取り替えずに結晶成長できる回数が大幅に増加し、生産性の向上を図ることができた。
次に、原料ガスが横方向から流入して基板と平行に流れる横型方式では、成長膜厚を一定にするため、サセプタの下流側を持上げて、傾斜角をつけることがある。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の場合は、前記のサセプタ２と支持台１との境界への金属ガリウムの橋かけは、この傾斜構造では、ガリウムの液滴自身が傾斜を下り降りるので、更に顕著となる。この困難さを改良するために、本発明の第２の実施形態においては、第７図のような改良を施した。すなわち、支持台１に凹凸の溝１２を形成した。金属ガリウムはこの溝１２中に落ち込むか、溝１２によって坂下への流れが阻止され、サセプタ２と支持台１との間に金属ガリウムが溜りにくく、成長回数が格段に増加し生産性が上昇した。
次に、第２図に、公知の基板回転技術の一つを示した。支持台１とサセプタ２１には円周状の溝があり、カーボンの球９１が複数個この溝に入れられ、サセプタ２１が回転する。回転力の伝達はサセプタ２１の端にギア９３が形成されており、外部の固定ギア８と噛み合っており、回転軸５により、支持台１が回転するとサセプタ２１が自転する。この機構は良く出来ているが、構成する材料によっては不十分であることがわかってきた。ＧａＮの成長のような高温成長であると、支持台１やサセプタ２１はＳｉＣまたはＳｉＣコートのカーボンが用いられる。これらは非常に硬い材料であり、溝やギアの作製精度や表面状態はカーボン材料よりも悪い。しかも、カーボンの球９１でなくサファイアの球を用いるので、潤滑性が悪く、回転の摩擦力が大きい。従って、回転数を上げると、振動が大きくなり、甚だしくは脱調し、サセプタ２１が外れてしまう。従って、ＧａＮ系半導体の成長では、回転中に脱調しない構造が必要であった。これには、独立したベアリング機構を設け、それを支持台１とサセプタ２との間に挿入することで解決できることがわかった。第８図は本発明の第３の実施形態を示し、このようなシステムの説明に必要な部分を示したものである。第８図において、２１はサセプタ、９０、９１、９２はベアリングを構成している部品で、ＳｉＣまたは窒化物系のニューセラミックスからなる。９３はベアリングの一方の回転部材に形成されたギアで、外部の固定ギア８と連結されている。このベアリング機構を一体化した、振動しても外れない機構は、オスメスのネジ９４によって実現される。組み立ては、支持台１に固定されたベアリングの他方の部材９２の溝にサファイアの球９１をおき、もう一方の回転部材９０を合わせ、回転させネジ９４を締め込んでゆき、ついにネジ９４が外れて図のように自由な状態となる。すると、このベアリングは、重力に逆らって持上げて逆回転しない限りは外れない。このベアリングにはギア９３が形成されており、外部の固定ギア８との相対運動により、回転する。尚、ベアリングを一体化する構成は上述したもの以外にも各種ある。また、リテーナを導入して、球の相互の干渉を減少させれば、更に、安定回転が得られる。
第９図は本発明の第４の実施形態による化学気相成長装置を示し、第８図のベアリングの回転方法に関する別の例を示すものである。図で９５は、ガス流入部８１からの風圧を受け止め、その力をベアリングの回転力へと変換する風圧受け部である。この機構を採ることにより、ベアリングに異常抵抗が加わったときに、スリップによって破損を回避できる利点が生じる。
第１０図は、本発明の第５の実施形態による化学気相成長装置を示し、加熱手段として、上面からのランプ加熱を適用したものである。第１０図において、７１はランプハウスで圧力容器の一部をなしている。７２はハロゲンランプ、７３はランプ冷却用の冷却ガス導入路、７４は反応器の下流側に開放される圧力導通路、７５はランプ部とガス流入路とを分ける仕切り板である。仕切り板７５は５〜１０ｍｍ厚みの透明石英板である。圧力導通路７４は排ガスと合流するので、反応圧力の変化に対して排ガスがランプ側に逆流する可能性があり、これを抑えるために、冷却用不活性ガスを冷却ガス導入路７３から常時流しておく。圧力導通路７４を設けたことにより、ランプ側と基板側の気圧がほぼ同圧となるので、仕切り板７５は薄くすることができる。本構成とすることにより、減圧下においてランプ加熱方式が可能となった。
第３図に、大型のドーナツ型回転サセプタ２が回転し、支持台１の周上に保持され、支持台１を回転することによりサセプタ２を回転させる方式を示した。ドーナツ型サセプタ２は、原料ガスが中心から半径方向に吹き出す方式の場合に採用される方式である。支持台１は通常石英製であり、ドーナツ型サセプタ２はＳｉＣコートのカーボンである。支持台１は加熱されず、サセプタ２は加熱され、例えば１１００℃となる。従って、両者を固定することはできず、支持台１の周上にサセプタ２が乗っているだけである。または、動径方向のガイドを施すことはできるが、支持台１との一体化はできない。従って、加熱冷却のサイクルでの熱膨張収縮によりサセプタ２の中心位置がずれてしまうことになる。そこで、本発明の第６の実施形態においては、この位置ずれを回避するため、石英製の連結棒１００を両者に接続した。この複数の連結棒１００は支持台１の周上とサセプタ２の周上に固定点をもち、支持台１の固定点を含む直径方向に対して、ある角度例えば４５度に設置される。動作は次のようになる。温度上昇によりドーナツ型サセプタ２が膨張したとすると、サセプタ２の内径も膨張する。すると、第３図の場合、連結棒１００は、その直径方向との角度を小さくする方向となるように、サセプタ２の膨張力を利用して半時計方向にサセプタ２を回転させる。このようにして、ドーナツ型サセプタ２は自身の等方的な変形に対し、中心点を保持することができる。
第４図は本発明の第７の実施形態による化学気相成長装置を示し、中心点位置を保存しながら膨張収縮を必要とする別の例である。第４図において、２１はサセプタで、ベアリング機構の中に設置されている。８は外部の固定ギアである。９３はギア９０の歯である。ギア９０の歯９３は外部の固定ギア８の歯と噛合っている。１００は外部の固定ギア８と容器との間の連結棒である。動作は次のようになる。支持台１が中心点を中心に回転すると、ベアリング機構の上に設置されているサセプタ２１は、ギア９０の歯９３の噛合わせにより、自転および公転をする。次に、温度が上昇すると、支持台１と外部の固定ギア８とは熟膨張により膨らむ。ここで、もし外部の固定ギア８が、何も拘束されないで、つまり中心点を保持しないで膨張するとすると、一方では噛合わせはきつくなるし、他方ではゆるくなる。このようなギアの噛合わせの不一致は、ギアの歯の衝突を引き起こし、破損を生じてしまう。そこで、上記のように連結棒１００を設置することにより、前記の例と同じ原理により、固定ギア８は中心点を保存しながら膨張をさせることができ、スムースな回転が保証される。
回転異常時の対処に関する公知の技術は殆ど開示されていない。第１１図は本発明の第８の実施形態による化学気相成長装置を示し、装置異常時の対策として、回転系の動力伝達系に工夫を凝らしたものである。第１１図において、１１０はロータリーエンコーダー、１１１は大きなトルクによりスリップまたは捩れ変形する連結器、１１２は駆動機、例えばステッピングモーターである。１１３は電気信号の比較器、１１４は情報処理装置である。以下、本システムの動作を説明する。今、支持台１の回転系に異常が生じ、異常トルクが発生したとする。連結器１１１がスリップまたは捩れを起こすと、ロータリーエンコーダー１１０からの回転信号と駆動機１１２からの回転信号とが不一致となる。この不一致を比較器１１３で検出し、ディジタル信号変換し情報処理装置１１４に伝達する。情報処理装置１１４は異常を分析し、駆動機１１２を停止させ、アラーム信号１１５を発生する。このようにして、未然に反応器の破損を防ぐことができる。
化学気相成長装置において、原料ガスを反応装置に供給する配管形式として、通常はメイン配管にキャリアガスを流し、そのメイン配管に原料ガス管を接続する。第５図に従来の配管図を示す。例えば、１１６はメインの管であり、Ｉの部分で反応器に接続されている。図でＡはキャリアガス管、ＢからＨまでは原料ガス管である。Ａ，Ｂの部分は一原料ユニット、Ｃ，Ｄの部分は二原料ユニット、Ｅ，Ｈの部分は四原料ユニットの配管である。通常は第５図に示すように原料ガス管は集合させ、ほぼ同じ地点に接続される。その理由は、メイン管の配管抵抗が大きいと場所により圧力差が生じ、ガス切り替えで支障が出る可能性があるからである。しかしながら、このような配管構成では実施の結果、次の不具合が明らかになった。すなわち、原料ガスの流量が多くなると、原料ガスの流量に振動現象が発生した。これは向かい合った相手方の管Ｃから出るガス圧がこちらの管Ｄに影響を与え、管Ｄの流量制御器（マスフローコントローラ、ＭＦＣ）がフィードバック制御を加え、その結果が相手方の管Ｃの制御に影響を与え、この繰り返しにより振動現象、またはカオス的振る舞いになることがわかった。流量制御器の時定数を調整することによって、ある程度は、この振動は制御可能であるが、根本的には、本発明の第９の実施形態を示す第１２図のように配管すれば、振動現象が取除けることがわかった。すなわち、複数の管が合流するとき、管どうしが正面対向しないこと、または、各々の管の合流点が、互いに、ガスの吹き出し口からの圧力変動が無視できるように離れていることである。少なくとも、管径以上離れていることが必要であることがわかった。
以上、本発明の実施形態につき具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、第６図に示す第１の実施形態は、多数枚基板システムに拡張可能である。また、上述の実施形態においては、フェースアップの方式について説明したが、フェースダウンの方式についても可能である。また、第３図、第４図に示した連結棒１００による中心点の保持の思想は、例えば、本装置の中でベアリング機構を保持する場合にも適用できるばかりでなく、中心点を固定できないあらゆる機構に対して適用可能であることは言うまでもない。
以上説明したように、本発明の第１の発明によれば、回転サセプタと支持台との間に隙間を設けたので、この隙間に堆積物の橋かけ効果による回転障害がなくなり、結晶成長作業回数が多くとれ、生産性が向上する。
また、本発明の第２の発明によれば、傾斜した反応装置においても、支持台に凹凸の溝をつけたことにより、堆積物が流動して、サセプタとの間に移動して回転障害を起こすことがなくなり、成長作業の回数が増加し、生産性が向上する。
また、本発明の第３および第４の発明によれば、独立した新規なベアリング機構を回転系に導入したことにより、安定的な基板回転運動が得られ、歩留まりが高くなり、生産性が向上する。
また、本発明の第５の発明によれば、ランプ加熱方式において、圧力導通路を設けたことにより、減圧システムにおいても、ランプ加熱が安定して採用でき、高品質の成長基板が形成できる。
また、本発明の第６の発明によれば、熱膨張等の等方的な変形が生じるシステムにおいて、夫々が回転対称の中心の位置を保持できるので、それらの回転運動が安定的に可能となり、装置性能が向上する。
また、本発明の第７の発明によれば、ロータリーエンコーダーとスリップまたは捩れ変形する連結器を組み合わせたので、回転異常に際し、駆動機を確実に停止させ、かつ、アラーム信号を発することにより、装置の破損を未然に防ぐことができる。
また、本発明の第８の発明によれば、回転軸に直結したエア駆動機を備えているので、回転異常に際し、駆動機を確実に停止させることができ、装置の破損を未然に防ぐことができる。
また、本発明の第９の発明によれば、化学気相成長装置の配管で、原料ガス管を正面対向させない合流方式のため、ガス流に振動が発生せず、高精度な結晶成長が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の化学気相成長装置の要部を示す断面図、第２図は、他の従来の化学気相成長装置の要部を示す断面図、第３図は、他の従来の化学気相成長装置および本発明の第６の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す平面図、第４図は、他の従来の化学気相成長装置および本発明の第７の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す平面図、第５図は、従来の化学気相成長装置の配管システムを示す略線図、第６図は、本発明の第１の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す断面図、第７図は、本発明の第２の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す断面図、第８図は、本発明の第３の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す断面図、第９図は、本発明の第４の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す断面図、第１０図は、本発明の第５の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す断面図、第１１図は、本発明の第８の実施形態による化学気相成長装置の要部を示す略線図、第１２図は、本発明の第９の実施形態による化学気相成長装置の配管システムを示す略線図である。
符号の説明
１      支持台
２      サセプタ
３      基板
４      堆積物
７      反応器
８      固定ギア
７１    ランプハウス
７２    ランプ
７４    圧力導通路
７５    仕切り板
８１    風圧供給部
９０    ベアリングの回転部材
９１    ベアリングの球
９２    ベアリングのもう一方の回転部材
９３    ギアの歯
９５    風圧受け部
９４    ネジ
１００  連結棒
１１０  ロータリーエンコーダ
１１１  連結器
１１２  駆動機
１１３  比較器
１１４  情報処理装置
１１６  メインガス管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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