ＩＩＩ族窒化物半導体の気相成長装置
【課題】 基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有するIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れ、基板ホルダー回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対するヒータからの熱伝導を抑制できる構造を有するIII族窒化物半導体の気相成長装置を提供することである。
【解決手段】 基板を保持する複数の基板ホルダーが、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダー回転駆動軸、該基板ホルダー回転駆動軸に設けられた複数本のツメ、及び反応炉の中心部に設けられ該ツメと脱着可能に噛み合わされた基板ホルダー回転板を介して伝達される回転駆動力により回転する構成とする。
【解決手段】 基板を保持する複数の基板ホルダーが、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダー回転駆動軸、該基板ホルダー回転駆動軸に設けられた複数本のツメ、及び反応炉の中心部に設けられ該ツメと脱着可能に噛み合わされた基板ホルダー回転板を介して伝達される回転駆動力により回転する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有するIII族窒化物半導体の気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体の結晶膜を、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に成長する方法には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等の方法があり、基板加熱を伴うＣＶＤ法には熱ＣＶＤ法等が知られている。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工程が増加しており、青色若しくは紫外ＬＥＤ又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工程もその一つである。III族窒化物半導体膜の形成は、例えば、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、又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℃程度の高温に加熱された基板上に結晶膜を気相成長する熱ＣＶＤ法により行われる。
【０００３】
III族窒化物半導体の気相成長装置には、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。このような気相成長装置としては、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。
III族窒化物半導体の気相成長装置の構成としては、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有する構成が考えられる。
【０００４】
このような気相成長装置において、均一な膜厚及び膜質を得るには、基板を回転させながら結晶膜を成長させることが有効である。１バッチあたり複数枚の基板上に結晶膜を成長させる場合には、反応炉の中心を回転の中心とする公転と、基板の中心を回転の中心とする自転を組み合わせて基板を回転させることにより、各基板間及び同一基板面内において、均一な膜厚及び膜質を得ることができる。一般に、基板を保持する基板ホルダーを回転させる基板ホルダー回転駆動器は、反応炉を内部に含む反応容器の外に設置され、その駆動力は、磁性流体により反応容器の内側と外側を遮蔽する磁性流体シール等を用いて反応容器に対して回転自在に封止された基板ホルダー回転駆動軸により反応容器内部の基板ホルダーに伝達されることが多い。
【０００５】
例えば、このような気相成長装置としては、特許文献１に記載の成膜装置があるが、基板の自転速度と公転速度の比率を変化させることができないので成膜条件の最適化が難しいという問題があり、サセプタを取り外す際にも固定ギア（自転発生部）を一旦取り外さなければならないなど、サセプタの脱着が煩雑でメンテナンス性に問題があった。また、基板の自転速度と公転速度の比率を変化させることが可能な半導体製造装置として、特許文献２に記載の半導体製造装置があるが、サセプタを容易に脱着できる構造を提供するまでには至っていなかった。
【０００６】
また、サセプタを取外し可能としたものに、特許文献３に記載の気相成長装置があるが、基板の自転速度と公転速度の比率を変化させることができず、基板ホルダーと基板ホルダー駆動部の噛み合わせは通常の平歯車構造であり、サセプタ取り付け時において、基板ホルダー駆動部と複数の基板ホルダーの間の噛み合わせを同時にとらなければならない煩雑さが解消されていなかった。さらに、特許文献１〜３に記載の気相成長装置において、回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対する熱伝導を低減する構造は検討されていなかった。
【０００７】
【特許文献１】特許第４５３７５６６号公報
【特許文献２】特開第２００４−２４１４６０号公報
【特許文献３】特開第２００９−９９７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
III族窒化物半導体の気相成長装置においては、気相成長が高温下で行われるために、原料ガスと接触する部材には原料ガスの分解による付着物が生じやすく、特に、基板に近接する基板ホルダー及びサセプタは頻繁にクリーニングを要するという問題がある。クリーニングは反応容器の外にサセプタを取り出して行う場合が多く、サセプタの脱着が容易な構造とすることでメンテナンス性を向上させた気相成長装置であることが望ましい。
また、III族窒化物半導体の気相成長装置において、基板ホルダー回転駆動器は耐熱性がない場合が多く、基板ホルダー回転駆動軸は高温下でアンモニア等の原料ガス雰囲気下に置かれ劣化が進行しやすい場合が多いことから、これらに対するヒータからの熱伝導を可能な限り抑制できる構造であることが好ましい。
【０００９】
すなわち、本発明が解決しようとする課題は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有するIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れ、基板ホルダー回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対するヒータからの熱伝導を抑制できる構造を有するIII族窒化物半導体の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】
【００１０】
本発明の発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、前述の気相成長装置において、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダーまでの回転伝達機構の少なくとも一部に断面が小さいツメを用いる構成とすることより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
すなわち本発明は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有し、基板を保持する基板ホルダーが、原料ガス導入部の周囲に複数個備えられたIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、基板を保持する複数の基板ホルダーが、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダー回転駆動軸、該基板ホルダー回転駆動軸に設けられた複数本のツメ、及び反応炉の中心部に設けられ該ツメと脱着可能に噛み合わされた基板ホルダー回転板を介して伝達される回転駆動力により回転する構成であることを特徴とするIII族窒化物半導体の気相成長装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、基板ホルダー回転駆動軸を上下方向に移動させるのみで、基板ホルダー回転板とツメとの噛み合わせを取り外しでき、サセプタ脱着の煩雑さが解消される。したがって、本発明により、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れたIII族窒化物半導体の気相成長装置が提供される。
また、本発明の気相成長装置は、基板ホルダー回転板が、断面積が小さいツメと、水平方向及び垂直方向の隙間を持って噛み合わされており、該噛み合わせが形成されるときに、該基板ホルダー回転板の上面と該基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に隙間が形成される。これにより、ヒータにより加熱された基板ホルダー回転板から基板ホルダー回転駆動軸への熱の伝達が抑制され、延いては基板ホルダー回転駆動器への熱の伝達が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有し、基板を保持する基板ホルダーが、原料ガス導入部の周囲に複数個備えられたIII族窒化物半導体の気相成長装置に適用される。
以下、本発明の気相成長装置を、図１〜図３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ものではない。尚、図１は、本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面概略図、図２は、本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＡ−Ａ断面）、図３は、本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＢ−Ｂ断面）である。
【００１４】
図１の気相成長装置において、基板１は、成長面を下向きにした状態で基板ホルダー２により保持されている。基板ホルダー２は、直径が２インチ、３インチ、４インチ又は６インチの基板を１枚保持できるが、特にこれらの大きさの基板に限定されない。ここで、ヒータ５からの熱を基板１へ均一に伝達するために、均熱板１６を設けてもよい。基板ホルダー２は、基板ホルダー２の下面及びサセプタ３の上面に刻まれたベアリング溝１８により挟持されたベアリング１７を介して、サセプタ３上に回転自在に保持されている。ベアリング１７は、直径３〜１０ｍｍの球形であることが好ましい。ベアリング溝１８の鉛直方向の断面は、半円形、三角形又は四角形であることが好ましいが、特に限定されない。
【００１５】
一方、サセプタ３は、サセプタの対面４とともに反応炉６を形成し、反応炉６は、反応容器１９に収められ密封されている。サセプタ３は、直径３００〜１０００ｍｍ、厚さ５〜３０ｍｍの円盤状であり、６〜１５個の基板ホルダー２を保持できることが好ましいが、特に限定されない。反応炉６において、サセプタ３とサセプタの対面４の間隙は、８ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがより好ましいが、特にこれらの大きさの間隙に限定されない。
【００１６】
基板ホルダー回転駆動器９からの回転駆動力は、まず、磁性流体シールを用いて反応容器１９に対して回転自在に封止された基板ホルダー回転駆動軸１０に伝達される。基板ホルダー回転駆動軸１０の基板ホルダー回転板側の先端には複数本のツメ１１が設けられており、ツメ１１が、基板ホルダー回転板１２の上面に設けられた差込口に差し込まれることにより脱着可能に噛み合わさり、回転駆動力が基板ホルダー回転板１２に伝達される。
【００１７】
基板ホルダー回転板１２は、基板ホルダー回転板１２の下面及びサセプタ３上面に刻まれたベアリング溝１８により挟持されたベアリング１７を介して、サセプタ３により回転自在に保持されている。基板ホルダー２は、原料ガス導入部７の周囲に複数個設けられており、基板ホルダー回転板１２の縁部に設けられた平歯車部と各基板ホルダー２の縁部に設けられた平歯車部が噛み合わさることにより各基板ホルダー２に回転駆動力が伝達され、各基板ホルダー２は自転により回転する。
【００１８】
基板ホルダー回転板１２は、直径１００〜５００ｍｍ、厚さ３〜２０ｍｍの円盤状の平歯車構造を有することが好ましいが、特に限定されない。基板ホルダー回転駆動軸１０は、直径１０〜５０ｍｍの円柱状であることが好ましいが、特に限定されない。ツメ１１は、円柱、楕円柱、角柱、円錐、角錐、またはこれらに類似する形状、これらを組み合せた形状であるが、直径３〜１０ｍｍ、長さ１０〜３０ｍｍの円柱状であることが好ましい。さらに、ツメ１１は、基板ホルダー回転板１２との噛み合わせが容易となるように、このような大きさの円柱状であって、長さ方向に３〜１０ｍｍ（円柱状の長さに含まれる）の先端部が円錐状に加工されたものがより好ましい。また、ツメ１１は、２〜１０本設けられることが好ましいが、特にこれらの本数に限定されない。
【００１９】
また、すべてのツメ１１の断面積の合計は、基板ホルダー回転駆動軸１０の断面積よりも小さく、（すべてのツメ１１の断面積の合計）／（基板ホルダー回転駆動軸１０の断面積）の比が、０．１〜０．５であることがより好ましいが、特にこの範囲の比に限定されない。基板ホルダー回転板１２の上面に設けられるツメ１１の差込口２４は、基板ホルダー回転板１２の下面にまで貫通した貫通穴でも、貫通しない凹部でもよい。ツメ１１の差込口は、ツメ１個につき１箇所ずつ設けられ、直径６〜３０ｍｍ、深さ５〜２０ｍｍの凹部であることがより好ましいが、特に限定されない。
【００２０】
また、噛み合わせが形成されるときに、基板ホルダー回転板１２の上面と基板ホルダー回転駆動軸１０の下面との間に隙間を有することが好ましい。隙間がない場合は、加熱された際に基板ホルダー回転駆動軸が熱膨張し、基板ホルダー回転板を下側に加圧して不具合を起す虞がある。間隙は１〜２０ｍｍ程度であることが好ましいが、特に限定されない。さらに、基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板に設けられた差込口の内面とツメの先端との間に、水平方向及び垂直方向の間隙が形成されることが好ましい。特に差込口２４が貫通しない凹部である場合、垂直方向（差込口の底面とツメの先端との間）に隙間がない場合は、加熱された際に基板ホルダー回転駆動軸が熱膨張し、基板ホルダー回転板を下側に加圧して不具合を起す虞がある。間隙は、水平方向に１〜２０ｍｍ、垂直方向に１ｍｍ以上であることが好ましいが、特に限定されない。
【００２１】
また、本発明の気相成長装置は、サセプタがサセプタ支持プレート上に設置され、該サセプタ支持プレートが回転自在に保持され、サセプタ回転駆動器から伝達される回転駆動力による該サセプタ支持プレートの回転に伴って該サセプタが回転する構成であることが好ましい。これにより、基板を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。すなわち、サセプタ３をサセプタ支持プレート２０上に設置し、サセプタ支持プレート２０の下面及び基台２１の上面に刻まれたベアリング溝１８により挟持されたベアリング１７を介して、サセプタ支持プレート２０を基台２１により回転自在に保持する。サセプタ支持プレート２０は、基台２１の上に、嵌め合わせ等の方法により位置ずれが生じないように設置されることが好ましい。このとき、サセプタ回転駆動器１３からの回転駆動力は、サセプタ回転駆動軸１４に伝達され、サセプタ回転駆動軸１４のサセプタ支持プレート側先端に固定されたサセプタ回転板１５の縁部に設けられた平歯車部とサセプタ支持プレート２０の縁部に設けられた平歯車部が噛み合わさることによりサセプタ支持プレート２０に回転駆動力が伝達され、サセプタ支持プレート２０が回転する。同時に、サセプタ支持プレート２０の上に設置されたサセプタ３も回転し、サセプタ３上に配置された基板ホルダー２は公転する。気相成長反応中は、基板ホルダー２を常時公転させることが好ましい。
【００２２】
基板ホルダー２及びサセプタ３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９及びサセプタ回転駆動器１３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。基板ホルダー回転軸１０を上下に移動させることにより、基板ホルダー回転板１２に設けた差込口からツメ１１を引き抜くことができるように、伸縮可能な蛇腹管２２を設けてもよい。サセプタ３を取り出し易いように、上下動によりサセプタ３を昇降させるサセプタ昇降機構２３を設けてもよい。
【００２３】
反応炉６の中心部には原料ガス導入部７が設けられ、原料ガスは、原料ガス導入部７から放射状に吹き出し、基板１の成長面に対して水平に供給される。気相成長反応は、反応炉６において、ヒータ５により基板１を加熱しながら、原料ガス導入部７から原料ガスを供給することにより行われ、基板１の成長面にはIII族窒化物半導体の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８から排出される。気相成長反応中は、基板ホルダー２を常時自転させることが好ましい。各基板間において均一な膜厚及び膜質を得るためには、各基板ホルダー２を反応炉の中心に対して同一円周上に配置して、原料ガス導入部からの距離を等しくすることが好ましいが、特に限定されない。
【００２４】
基板ホルダー２、サセプタ３、及び基板ホルダー回転板１２は、カーボン系材料又はカーボン系材料をセラミック材料でコーティングしたものが好ましいが、特に限定されない。基板ホルダー回転駆動軸１０及びツメ１１は、金属、合金、金属酸化物、カーボン系材料、セラミック系材料、カーボン系材料をセラミック材料でコーティングしたもの、又はこれらの組み合わせが好ましいが、特に限定されない。ベアリング１７は、セラミック材料であることが好ましいが、特に限定されない。ここで、合金の例には、ステンレス又はインコネルがあるが、特に限定されない。カーボン系材料の例には、カーボン、パイオロリティックグラファイト（ＰＧ）、グラッシカーボン（ＧＣ）等があるが、特に限定されない。セラミックス系材料の例には、アルミナ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）等があるが、特に限定されない。
【００２５】
特に、基板ホルダー２、サセプタ３及び基板ホルダー回転板１２は、ＳｉＣコートカーボン、ベアリング１７は、アルミナであることが好ましいが、特に限定されない。基板ホルダー回転駆動軸１０は、強度を確保するために基板ホルダー回転駆動器側部分をインコネル製とし、基板ホルダー回転板１２との噛み合わせを取る際の破損等を防止するために基板ホルダー回転板側部分をＳｉＣコートカーボン製とし、ネジ等で両者を固定することにより一体化したものが好ましく、ツメ１１は、ＳｉＣコートカーボン製で、基板ホルダー回転駆動軸の基板ホルダー回転板側部分の端面にあらかじめ一体として形成されていることが好ましい。
尚、図１〜３においては、本発明の気相成長装置の一例（フェイスダウン型）を示したが、本発明の実施形態としては、本発明の範囲内におけるフェイスアップ型の気相成長装置も適用できる。
【実施例】
【００２６】
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。
【００２７】
［実施例１］
（気相成長装置の製作）
図１〜図３に示すような気相成長装置を製作した。直径３インチのサファイア基板を１枚保持可能である基板ホルダー２（ＳｉＣコートカーボン製）８個と、基板ホルダー回転板１２（ＳｉＣコートカーボン製、直径２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を、サセプタ３（ＳｉＣコートカーボン製、直径６００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、３インチの基板を８枚保持可能）により、ベアリング１７を介して保持し、基板ホルダー２と基板ホルダー回転板１２の平歯車部を噛み合わせた。
【００２８】
ツメ１１は、先端部３ｍｍが円錐状に加工された、断面の直径５ｍｍ、長さ１２ｍｍ（円錐状の部分を含む）の円柱状であり、断面の直径２０ｍｍの基板ホルダー回転駆動軸１０の先端に等間隔で３本設けた。ツメ１１の差込口２４として、基板ホルダー回転板１２の上面に、直径１０ｍｍ、深さ１２ｍｍの円柱状の凹部を、各ツメに対して１つずつ設けた。ツメ１１と凹部の間には、水平方向に最大５ｍｍの間隙が生じ、垂直方向に５ｍｍの間隙を設けたため、基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間には５ｍｍの間隙が生じた。
【００２９】
基板ホルダー回転駆動軸１０はインコネル及びＳｉＣコートカーボンからなり、基板ホルダー回転駆動器側部分をインコネル製（直径２０ｍｍ、長さ２７０ｍｍの円柱状）とし、基板ホルダー回転板側部分をＳｉＣコートカーボン製（直径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱状）とし、両者をカーボン製のネジで固定することにより一体化して基板ホルダー回転駆動軸１０とした。ツメ１１はＳｉＣコートカーボン製であり、基板ホルダー回転駆動軸１０の下面にあらかじめ一体として形成した。サセプタの対面４、サセプタ支持プレート２０及び基台２１はカーボン製とし、反応容器１９はステンレス製とした。
【００３０】
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、基板ホルダー回転駆動軸の温度測定を行った。まず、基板ホルダーに基板（直径３インチ、サファイア）をセットし、基板ホルダー回転駆動器は停止させ、基板ホルダー回転駆動軸が自由に回転できないように処置した。その後、サセプタ回転駆動器のみの稼働により、基板を公転（１ｒｐｍ）させたが、それに伴って基板も自転した。なお、温度測定が終了するまでこの状態を維持し、反応容器内を大気圧に保った。次に、原料ガス導入部から水素を流しながら基板の温度を１０５０℃まで昇温させ、基板ホルダー回転駆動軸の上面（基板ホルダー回転駆動器側）の温度を測定したところ４１℃であった。
【００３１】
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、基板の表面に窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長を行った。まず、基板ホルダーに基板（直径３インチ、サファイア）基板をセットし、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器を稼働させて、基板の自転（１０ｒｐｍ）及び公転（１ｒｐｍ）を開始した。なお、すべての成長が終了後、ヒータ温度が室温付近に下がるまで、基板の自転及び公転をこれらの速度で継続し、反応容器内を大気圧に保った。
【００３２】
次に、原料ガス導入部から水素を流しながら基板の温度を１０５０℃まで昇温させ、基板のクリーニングを行った。続いて、ヒータ温度を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、サファイア基板上にＧａＮからなる膜厚２０μｍ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、ヒータ温度を１０５０℃まで上昇させた。その後、原料ガス導入部から、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時間行った。
【００３３】
以上のようにIII族窒化物半導体を成長させた後、室温付近まで放冷させ、基板を反応容器から取り出した。基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３４】
（サセプタの脱着）
気相成長実験終了後、基板を室温付近まで放冷してから反応容器内を開放し、基板ホルダー回転駆動軸を上方に移動させ、ツメを基板ホルダー回転板の凹部から引き抜いた。その後、サセプタ昇降機構によりサセプタを持ち上げ、人手により取り出したところ、基板ホルダー、基板ホルダー回転板及びベアリングを保持させたままでサセプタを反応容器の外に容易に取り出すことができた。
【００３５】
また、反応容器の外で基板ホルダー及びサセプタ等のクリーニングを行った後に基板ホルダー、基板ホルダー回転板及びベアリングを保持したサセプタを人手により反応容器内に設置し、サセプタ昇降機構により基台の上の所定の位置に戻した。基板ホルダー回転駆動軸を当初の位置に戻してから、反応容器を密閉し、上記の気相成長実験を再度行った。基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３６】
［実施例２］
（気相成長装置の製作）
ツメの差込口として、基板ホルダー回転板を貫通する直径１０ｍｍの貫通穴を、各ツメに対して１つずつ設けた。ツメ１１と貫通穴の間には、水平方向に最大５ｍｍの間隙が生じ、基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間には５ｍｍの間隙を設けた。それ以外は、実施例１の気相成長装置と同様のものを製作した。
【００３７】
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様の温度測定を行ったところ、基板ホルダー回転駆動軸の上面の温度は４０℃であった。
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様の気相成長実験を行った。その結果、基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３８】
（サセプタの脱着）
気相成長実験終了後、実施例１と同様にサセプタを取り出したところ、基板ホルダー、基板ホルダー回転板及びベアリングを保持させたままでサセプタを反応容器の外に容易に取り出すことができた。
また、実施例１と同様の操作でサセプタを反応容器内の所定の位置に戻し、基板ホルダー回転駆動軸を当初の位置に戻してから、反応容器を密閉し、実施例１と同様の気相成長実験を再度行った。基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３９】
［比較例１］
（気相成長装置の製作）
基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に間隙が生じないように両者を接触させ、ツメの先端と凹部の底面を接触させた他は、実施例１と同様の気相成長装置を製作した。
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様の温度測定を行ったところ、基板ホルダー回転駆動軸の上面の温度は５３℃であった。
【００４０】
［比較例２］
（気相成長装置の製作）
基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に間隙が生じないように両者を接触させた他は、実施例２と同様の気相成長装置を製作した。
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、実施例２と同様の温度測定を行ったところ、基板ホルダー回転駆動軸の上面の温度は４９℃であった。
【００４１】
以上のように、本発明の気相成長装置は、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れ、基板ホルダー回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対するヒータからの熱伝導を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面概略図である。
【図２】本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＡ−Ａ断面）である。
【図３】本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＢ−Ｂ断面）である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 基板
２ 基板ホルダー
３ サセプタ
４ サセプタの対面
５ ヒータ
６ 反応炉
７ 原料ガス導入部
８ 反応ガス排出部
９ 基板ホルダー回転駆動器
１０ 基板ホルダー回転駆動軸
１１ ツメ
１２ 基板ホルダー回転板
１３ サセプタ回転駆動器
１４ サセプタ回転駆動軸
１５ サセプタ回転板
１６ 均熱板
１７ ベアリング
１８ ベアリング溝
１９ 反応容器
２０ サセプタ支持プレート
２１ 基台
２２ 蛇腹管
２３ サセプタ昇降機構
２４ 差込口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有するIII族窒化物半導体の気相成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体の結晶膜を、シリコン（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に成長する方法には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等の方法があり、基板加熱を伴うＣＶＤ法には熱ＣＶＤ法等が知られている。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工程が増加しており、青色若しくは紫外ＬＥＤ又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工程もその一つである。III族窒化物半導体膜の形成は、例えば、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、又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℃程度の高温に加熱された基板上に結晶膜を気相成長する熱ＣＶＤ法により行われる。
【０００３】
III族窒化物半導体の気相成長装置には、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。このような気相成長装置としては、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。
III族窒化物半導体の気相成長装置の構成としては、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有する構成が考えられる。
【０００４】
このような気相成長装置において、均一な膜厚及び膜質を得るには、基板を回転させながら結晶膜を成長させることが有効である。１バッチあたり複数枚の基板上に結晶膜を成長させる場合には、反応炉の中心を回転の中心とする公転と、基板の中心を回転の中心とする自転を組み合わせて基板を回転させることにより、各基板間及び同一基板面内において、均一な膜厚及び膜質を得ることができる。一般に、基板を保持する基板ホルダーを回転させる基板ホルダー回転駆動器は、反応炉を内部に含む反応容器の外に設置され、その駆動力は、磁性流体により反応容器の内側と外側を遮蔽する磁性流体シール等を用いて反応容器に対して回転自在に封止された基板ホルダー回転駆動軸により反応容器内部の基板ホルダーに伝達されることが多い。
【０００５】
例えば、このような気相成長装置としては、特許文献１に記載の成膜装置があるが、基板の自転速度と公転速度の比率を変化させることができないので成膜条件の最適化が難しいという問題があり、サセプタを取り外す際にも固定ギア（自転発生部）を一旦取り外さなければならないなど、サセプタの脱着が煩雑でメンテナンス性に問題があった。また、基板の自転速度と公転速度の比率を変化させることが可能な半導体製造装置として、特許文献２に記載の半導体製造装置があるが、サセプタを容易に脱着できる構造を提供するまでには至っていなかった。
【０００６】
また、サセプタを取外し可能としたものに、特許文献３に記載の気相成長装置があるが、基板の自転速度と公転速度の比率を変化させることができず、基板ホルダーと基板ホルダー駆動部の噛み合わせは通常の平歯車構造であり、サセプタ取り付け時において、基板ホルダー駆動部と複数の基板ホルダーの間の噛み合わせを同時にとらなければならない煩雑さが解消されていなかった。さらに、特許文献１〜３に記載の気相成長装置において、回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対する熱伝導を低減する構造は検討されていなかった。
【０００７】
【特許文献１】特許第４５３７５６６号公報
【特許文献２】特開第２００４−２４１４６０号公報
【特許文献３】特開第２００９−９９７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
III族窒化物半導体の気相成長装置においては、気相成長が高温下で行われるために、原料ガスと接触する部材には原料ガスの分解による付着物が生じやすく、特に、基板に近接する基板ホルダー及びサセプタは頻繁にクリーニングを要するという問題がある。クリーニングは反応容器の外にサセプタを取り出して行う場合が多く、サセプタの脱着が容易な構造とすることでメンテナンス性を向上させた気相成長装置であることが望ましい。
また、III族窒化物半導体の気相成長装置において、基板ホルダー回転駆動器は耐熱性がない場合が多く、基板ホルダー回転駆動軸は高温下でアンモニア等の原料ガス雰囲気下に置かれ劣化が進行しやすい場合が多いことから、これらに対するヒータからの熱伝導を可能な限り抑制できる構造であることが好ましい。
【０００９】
すなわち、本発明が解決しようとする課題は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有するIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れ、基板ホルダー回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対するヒータからの熱伝導を抑制できる構造を有するIII族窒化物半導体の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】
【００１０】
本発明の発明者らは、これらの課題を解決すべく鋭意検討した結果、前述の気相成長装置において、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダーまでの回転伝達機構の少なくとも一部に断面が小さいツメを用いる構成とすることより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
すなわち本発明は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有し、基板を保持する基板ホルダーが、原料ガス導入部の周囲に複数個備えられたIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、基板を保持する複数の基板ホルダーが、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダー回転駆動軸、該基板ホルダー回転駆動軸に設けられた複数本のツメ、及び反応炉の中心部に設けられ該ツメと脱着可能に噛み合わされた基板ホルダー回転板を介して伝達される回転駆動力により回転する構成であることを特徴とするIII族窒化物半導体の気相成長装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、基板ホルダー回転駆動軸を上下方向に移動させるのみで、基板ホルダー回転板とツメとの噛み合わせを取り外しでき、サセプタ脱着の煩雑さが解消される。したがって、本発明により、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れたIII族窒化物半導体の気相成長装置が提供される。
また、本発明の気相成長装置は、基板ホルダー回転板が、断面積が小さいツメと、水平方向及び垂直方向の隙間を持って噛み合わされており、該噛み合わせが形成されるときに、該基板ホルダー回転板の上面と該基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に隙間が形成される。これにより、ヒータにより加熱された基板ホルダー回転板から基板ホルダー回転駆動軸への熱の伝達が抑制され、延いては基板ホルダー回転駆動器への熱の伝達が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有し、基板を保持する基板ホルダーが、原料ガス導入部の周囲に複数個備えられたIII族窒化物半導体の気相成長装置に適用される。
以下、本発明の気相成長装置を、図１〜図３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ものではない。尚、図１は、本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面概略図、図２は、本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＡ−Ａ断面）、図３は、本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＢ−Ｂ断面）である。
【００１４】
図１の気相成長装置において、基板１は、成長面を下向きにした状態で基板ホルダー２により保持されている。基板ホルダー２は、直径が２インチ、３インチ、４インチ又は６インチの基板を１枚保持できるが、特にこれらの大きさの基板に限定されない。ここで、ヒータ５からの熱を基板１へ均一に伝達するために、均熱板１６を設けてもよい。基板ホルダー２は、基板ホルダー２の下面及びサセプタ３の上面に刻まれたベアリング溝１８により挟持されたベアリング１７を介して、サセプタ３上に回転自在に保持されている。ベアリング１７は、直径３〜１０ｍｍの球形であることが好ましい。ベアリング溝１８の鉛直方向の断面は、半円形、三角形又は四角形であることが好ましいが、特に限定されない。
【００１５】
一方、サセプタ３は、サセプタの対面４とともに反応炉６を形成し、反応炉６は、反応容器１９に収められ密封されている。サセプタ３は、直径３００〜１０００ｍｍ、厚さ５〜３０ｍｍの円盤状であり、６〜１５個の基板ホルダー２を保持できることが好ましいが、特に限定されない。反応炉６において、サセプタ３とサセプタの対面４の間隙は、８ｍｍ以下であることが好ましく、５ｍｍ以下であることがより好ましいが、特にこれらの大きさの間隙に限定されない。
【００１６】
基板ホルダー回転駆動器９からの回転駆動力は、まず、磁性流体シールを用いて反応容器１９に対して回転自在に封止された基板ホルダー回転駆動軸１０に伝達される。基板ホルダー回転駆動軸１０の基板ホルダー回転板側の先端には複数本のツメ１１が設けられており、ツメ１１が、基板ホルダー回転板１２の上面に設けられた差込口に差し込まれることにより脱着可能に噛み合わさり、回転駆動力が基板ホルダー回転板１２に伝達される。
【００１７】
基板ホルダー回転板１２は、基板ホルダー回転板１２の下面及びサセプタ３上面に刻まれたベアリング溝１８により挟持されたベアリング１７を介して、サセプタ３により回転自在に保持されている。基板ホルダー２は、原料ガス導入部７の周囲に複数個設けられており、基板ホルダー回転板１２の縁部に設けられた平歯車部と各基板ホルダー２の縁部に設けられた平歯車部が噛み合わさることにより各基板ホルダー２に回転駆動力が伝達され、各基板ホルダー２は自転により回転する。
【００１８】
基板ホルダー回転板１２は、直径１００〜５００ｍｍ、厚さ３〜２０ｍｍの円盤状の平歯車構造を有することが好ましいが、特に限定されない。基板ホルダー回転駆動軸１０は、直径１０〜５０ｍｍの円柱状であることが好ましいが、特に限定されない。ツメ１１は、円柱、楕円柱、角柱、円錐、角錐、またはこれらに類似する形状、これらを組み合せた形状であるが、直径３〜１０ｍｍ、長さ１０〜３０ｍｍの円柱状であることが好ましい。さらに、ツメ１１は、基板ホルダー回転板１２との噛み合わせが容易となるように、このような大きさの円柱状であって、長さ方向に３〜１０ｍｍ（円柱状の長さに含まれる）の先端部が円錐状に加工されたものがより好ましい。また、ツメ１１は、２〜１０本設けられることが好ましいが、特にこれらの本数に限定されない。
【００１９】
また、すべてのツメ１１の断面積の合計は、基板ホルダー回転駆動軸１０の断面積よりも小さく、（すべてのツメ１１の断面積の合計）／（基板ホルダー回転駆動軸１０の断面積）の比が、０．１〜０．５であることがより好ましいが、特にこの範囲の比に限定されない。基板ホルダー回転板１２の上面に設けられるツメ１１の差込口２４は、基板ホルダー回転板１２の下面にまで貫通した貫通穴でも、貫通しない凹部でもよい。ツメ１１の差込口は、ツメ１個につき１箇所ずつ設けられ、直径６〜３０ｍｍ、深さ５〜２０ｍｍの凹部であることがより好ましいが、特に限定されない。
【００２０】
また、噛み合わせが形成されるときに、基板ホルダー回転板１２の上面と基板ホルダー回転駆動軸１０の下面との間に隙間を有することが好ましい。隙間がない場合は、加熱された際に基板ホルダー回転駆動軸が熱膨張し、基板ホルダー回転板を下側に加圧して不具合を起す虞がある。間隙は１〜２０ｍｍ程度であることが好ましいが、特に限定されない。さらに、基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板に設けられた差込口の内面とツメの先端との間に、水平方向及び垂直方向の間隙が形成されることが好ましい。特に差込口２４が貫通しない凹部である場合、垂直方向（差込口の底面とツメの先端との間）に隙間がない場合は、加熱された際に基板ホルダー回転駆動軸が熱膨張し、基板ホルダー回転板を下側に加圧して不具合を起す虞がある。間隙は、水平方向に１〜２０ｍｍ、垂直方向に１ｍｍ以上であることが好ましいが、特に限定されない。
【００２１】
また、本発明の気相成長装置は、サセプタがサセプタ支持プレート上に設置され、該サセプタ支持プレートが回転自在に保持され、サセプタ回転駆動器から伝達される回転駆動力による該サセプタ支持プレートの回転に伴って該サセプタが回転する構成であることが好ましい。これにより、基板を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。すなわち、サセプタ３をサセプタ支持プレート２０上に設置し、サセプタ支持プレート２０の下面及び基台２１の上面に刻まれたベアリング溝１８により挟持されたベアリング１７を介して、サセプタ支持プレート２０を基台２１により回転自在に保持する。サセプタ支持プレート２０は、基台２１の上に、嵌め合わせ等の方法により位置ずれが生じないように設置されることが好ましい。このとき、サセプタ回転駆動器１３からの回転駆動力は、サセプタ回転駆動軸１４に伝達され、サセプタ回転駆動軸１４のサセプタ支持プレート側先端に固定されたサセプタ回転板１５の縁部に設けられた平歯車部とサセプタ支持プレート２０の縁部に設けられた平歯車部が噛み合わさることによりサセプタ支持プレート２０に回転駆動力が伝達され、サセプタ支持プレート２０が回転する。同時に、サセプタ支持プレート２０の上に設置されたサセプタ３も回転し、サセプタ３上に配置された基板ホルダー２は公転する。気相成長反応中は、基板ホルダー２を常時公転させることが好ましい。
【００２２】
基板ホルダー２及びサセプタ３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９及びサセプタ回転駆動器１３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。基板ホルダー回転軸１０を上下に移動させることにより、基板ホルダー回転板１２に設けた差込口からツメ１１を引き抜くことができるように、伸縮可能な蛇腹管２２を設けてもよい。サセプタ３を取り出し易いように、上下動によりサセプタ３を昇降させるサセプタ昇降機構２３を設けてもよい。
【００２３】
反応炉６の中心部には原料ガス導入部７が設けられ、原料ガスは、原料ガス導入部７から放射状に吹き出し、基板１の成長面に対して水平に供給される。気相成長反応は、反応炉６において、ヒータ５により基板１を加熱しながら、原料ガス導入部７から原料ガスを供給することにより行われ、基板１の成長面にはIII族窒化物半導体の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８から排出される。気相成長反応中は、基板ホルダー２を常時自転させることが好ましい。各基板間において均一な膜厚及び膜質を得るためには、各基板ホルダー２を反応炉の中心に対して同一円周上に配置して、原料ガス導入部からの距離を等しくすることが好ましいが、特に限定されない。
【００２４】
基板ホルダー２、サセプタ３、及び基板ホルダー回転板１２は、カーボン系材料又はカーボン系材料をセラミック材料でコーティングしたものが好ましいが、特に限定されない。基板ホルダー回転駆動軸１０及びツメ１１は、金属、合金、金属酸化物、カーボン系材料、セラミック系材料、カーボン系材料をセラミック材料でコーティングしたもの、又はこれらの組み合わせが好ましいが、特に限定されない。ベアリング１７は、セラミック材料であることが好ましいが、特に限定されない。ここで、合金の例には、ステンレス又はインコネルがあるが、特に限定されない。カーボン系材料の例には、カーボン、パイオロリティックグラファイト（ＰＧ）、グラッシカーボン（ＧＣ）等があるが、特に限定されない。セラミックス系材料の例には、アルミナ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）等があるが、特に限定されない。
【００２５】
特に、基板ホルダー２、サセプタ３及び基板ホルダー回転板１２は、ＳｉＣコートカーボン、ベアリング１７は、アルミナであることが好ましいが、特に限定されない。基板ホルダー回転駆動軸１０は、強度を確保するために基板ホルダー回転駆動器側部分をインコネル製とし、基板ホルダー回転板１２との噛み合わせを取る際の破損等を防止するために基板ホルダー回転板側部分をＳｉＣコートカーボン製とし、ネジ等で両者を固定することにより一体化したものが好ましく、ツメ１１は、ＳｉＣコートカーボン製で、基板ホルダー回転駆動軸の基板ホルダー回転板側部分の端面にあらかじめ一体として形成されていることが好ましい。
尚、図１〜３においては、本発明の気相成長装置の一例（フェイスダウン型）を示したが、本発明の実施形態としては、本発明の範囲内におけるフェイスアップ型の気相成長装置も適用できる。
【実施例】
【００２６】
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。
【００２７】
［実施例１］
（気相成長装置の製作）
図１〜図３に示すような気相成長装置を製作した。直径３インチのサファイア基板を１枚保持可能である基板ホルダー２（ＳｉＣコートカーボン製）８個と、基板ホルダー回転板１２（ＳｉＣコートカーボン製、直径２００ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を、サセプタ３（ＳｉＣコートカーボン製、直径６００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、３インチの基板を８枚保持可能）により、ベアリング１７を介して保持し、基板ホルダー２と基板ホルダー回転板１２の平歯車部を噛み合わせた。
【００２８】
ツメ１１は、先端部３ｍｍが円錐状に加工された、断面の直径５ｍｍ、長さ１２ｍｍ（円錐状の部分を含む）の円柱状であり、断面の直径２０ｍｍの基板ホルダー回転駆動軸１０の先端に等間隔で３本設けた。ツメ１１の差込口２４として、基板ホルダー回転板１２の上面に、直径１０ｍｍ、深さ１２ｍｍの円柱状の凹部を、各ツメに対して１つずつ設けた。ツメ１１と凹部の間には、水平方向に最大５ｍｍの間隙が生じ、垂直方向に５ｍｍの間隙を設けたため、基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間には５ｍｍの間隙が生じた。
【００２９】
基板ホルダー回転駆動軸１０はインコネル及びＳｉＣコートカーボンからなり、基板ホルダー回転駆動器側部分をインコネル製（直径２０ｍｍ、長さ２７０ｍｍの円柱状）とし、基板ホルダー回転板側部分をＳｉＣコートカーボン製（直径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱状）とし、両者をカーボン製のネジで固定することにより一体化して基板ホルダー回転駆動軸１０とした。ツメ１１はＳｉＣコートカーボン製であり、基板ホルダー回転駆動軸１０の下面にあらかじめ一体として形成した。サセプタの対面４、サセプタ支持プレート２０及び基台２１はカーボン製とし、反応容器１９はステンレス製とした。
【００３０】
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、基板ホルダー回転駆動軸の温度測定を行った。まず、基板ホルダーに基板（直径３インチ、サファイア）をセットし、基板ホルダー回転駆動器は停止させ、基板ホルダー回転駆動軸が自由に回転できないように処置した。その後、サセプタ回転駆動器のみの稼働により、基板を公転（１ｒｐｍ）させたが、それに伴って基板も自転した。なお、温度測定が終了するまでこの状態を維持し、反応容器内を大気圧に保った。次に、原料ガス導入部から水素を流しながら基板の温度を１０５０℃まで昇温させ、基板ホルダー回転駆動軸の上面（基板ホルダー回転駆動器側）の温度を測定したところ４１℃であった。
【００３１】
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、基板の表面に窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長を行った。まず、基板ホルダーに基板（直径３インチ、サファイア）基板をセットし、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器を稼働させて、基板の自転（１０ｒｐｍ）及び公転（１ｒｐｍ）を開始した。なお、すべての成長が終了後、ヒータ温度が室温付近に下がるまで、基板の自転及び公転をこれらの速度で継続し、反応容器内を大気圧に保った。
【００３２】
次に、原料ガス導入部から水素を流しながら基板の温度を１０５０℃まで昇温させ、基板のクリーニングを行った。続いて、ヒータ温度を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、サファイア基板上にＧａＮからなる膜厚２０μｍ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、ヒータ温度を１０５０℃まで上昇させた。その後、原料ガス導入部から、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時間行った。
【００３３】
以上のようにIII族窒化物半導体を成長させた後、室温付近まで放冷させ、基板を反応容器から取り出した。基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３４】
（サセプタの脱着）
気相成長実験終了後、基板を室温付近まで放冷してから反応容器内を開放し、基板ホルダー回転駆動軸を上方に移動させ、ツメを基板ホルダー回転板の凹部から引き抜いた。その後、サセプタ昇降機構によりサセプタを持ち上げ、人手により取り出したところ、基板ホルダー、基板ホルダー回転板及びベアリングを保持させたままでサセプタを反応容器の外に容易に取り出すことができた。
【００３５】
また、反応容器の外で基板ホルダー及びサセプタ等のクリーニングを行った後に基板ホルダー、基板ホルダー回転板及びベアリングを保持したサセプタを人手により反応容器内に設置し、サセプタ昇降機構により基台の上の所定の位置に戻した。基板ホルダー回転駆動軸を当初の位置に戻してから、反応容器を密閉し、上記の気相成長実験を再度行った。基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３６】
［実施例２］
（気相成長装置の製作）
ツメの差込口として、基板ホルダー回転板を貫通する直径１０ｍｍの貫通穴を、各ツメに対して１つずつ設けた。ツメ１１と貫通穴の間には、水平方向に最大５ｍｍの間隙が生じ、基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間には５ｍｍの間隙を設けた。それ以外は、実施例１の気相成長装置と同様のものを製作した。
【００３７】
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様の温度測定を行ったところ、基板ホルダー回転駆動軸の上面の温度は４０℃であった。
（気相成長実験）
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様の気相成長実験を行った。その結果、基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３８】
（サセプタの脱着）
気相成長実験終了後、実施例１と同様にサセプタを取り出したところ、基板ホルダー、基板ホルダー回転板及びベアリングを保持させたままでサセプタを反応容器の外に容易に取り出すことができた。
また、実施例１と同様の操作でサセプタを反応容器内の所定の位置に戻し、基板ホルダー回転駆動軸を当初の位置に戻してから、反応容器を密閉し、実施例１と同様の気相成長実験を再度行った。基板の自転及び公転の開始から終了まで、基板ホルダー回転駆動器及びサセプタ回転駆動器は正常に作動し、放冷後に、反応容器内の各部品を目視で点検したところ、腐食、破損等の異常はなかった。
【００３９】
［比較例１］
（気相成長装置の製作）
基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に間隙が生じないように両者を接触させ、ツメの先端と凹部の底面を接触させた他は、実施例１と同様の気相成長装置を製作した。
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、実施例１と同様の温度測定を行ったところ、基板ホルダー回転駆動軸の上面の温度は５３℃であった。
【００４０】
［比較例２］
（気相成長装置の製作）
基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に間隙が生じないように両者を接触させた他は、実施例２と同様の気相成長装置を製作した。
（温度測定）
このような気相成長装置を用いて、実施例２と同様の温度測定を行ったところ、基板ホルダー回転駆動軸の上面の温度は４９℃であった。
【００４１】
以上のように、本発明の気相成長装置は、サセプタの脱着が容易でメンテナンス性に優れ、基板ホルダー回転駆動器及び基板ホルダー回転駆動軸に対するヒータからの熱伝導を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の気相成長装置の一例を示す垂直断面概略図である。
【図２】本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＡ−Ａ断面）である。
【図３】本発明の気相成長装置の水平断面概略図（図１におけるＢ−Ｂ断面）である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 基板
２ 基板ホルダー
３ サセプタ
４ サセプタの対面
５ ヒータ
６ 反応炉
７ 原料ガス導入部
８ 反応ガス排出部
９ 基板ホルダー回転駆動器
１０ 基板ホルダー回転駆動軸
１１ ツメ
１２ 基板ホルダー回転板
１３ サセプタ回転駆動器
１４ サセプタ回転駆動軸
１５ サセプタ回転板
１６ 均熱板
１７ ベアリング
１８ ベアリング溝
１９ 反応容器
２０ サセプタ支持プレート
２１ 基台
２２ 蛇腹管
２３ サセプタ昇降機構
２４ 差込口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有し、基板を保持する基板ホルダーが、原料ガス導入部の周囲に複数個備えられたIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、基板を保持する複数の基板ホルダーが、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダー回転駆動軸、該基板ホルダー回転駆動軸に設けられた複数本のツメ、及び反応炉の中心部に設けられ該ツメと脱着可能に噛み合わされた基板ホルダー回転板を介して伝達される回転駆動力により回転する構成であることを特徴とするIII族窒化物半導体の気相成長装置。
【請求項２】
サセプタが、サセプタ回転駆動器から、サセプタ回転駆動軸、サセプタ回転板、及び該サセプタを保持するサセプタ支持プレートを介して伝達される回転駆動力により回転する構成である請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に間隙が形成される請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
基板ホルダー回転板の上部に、ツメの差込口が設けられた請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項５】
基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板に設けられた差込口の底面とツメの先端との間に間隙が形成される請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板に設けられた差込口の内面とツメの先端との間に、水平方向及び垂直方向の間隙が形成される請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項７】
ツメの差込口が、基板ホルダー回転板を貫通した貫通穴である請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項１】
基板を保持する基板ホルダー、該基板ホルダーを回転自在に保持するサセプタ、該サセプタの対面、該基板を加熱するためのヒータ、該サセプタと該サセプタの対面の間隙からなる反応炉、該反応炉の中心部から周辺部に向かって原料ガスを供給する原料ガス導入部、反応ガス排出部、及び基板ホルダー回転駆動器を有し、基板を保持する基板ホルダーが、原料ガス導入部の周囲に複数個備えられたIII族窒化物半導体の気相成長装置であって、基板を保持する複数の基板ホルダーが、基板ホルダー回転駆動器から、基板ホルダー回転駆動軸、該基板ホルダー回転駆動軸に設けられた複数本のツメ、及び反応炉の中心部に設けられ該ツメと脱着可能に噛み合わされた基板ホルダー回転板を介して伝達される回転駆動力により回転する構成であることを特徴とするIII族窒化物半導体の気相成長装置。
【請求項２】
サセプタが、サセプタ回転駆動器から、サセプタ回転駆動軸、サセプタ回転板、及び該サセプタを保持するサセプタ支持プレートを介して伝達される回転駆動力により回転する構成である請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項３】
基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板の上面と基板ホルダー回転駆動軸の下面との間に間隙が形成される請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項４】
基板ホルダー回転板の上部に、ツメの差込口が設けられた請求項１に記載の気相成長装置。
【請求項５】
基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板に設けられた差込口の底面とツメの先端との間に間隙が形成される請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項６】
基板ホルダー回転板とツメが噛み合わされるとき、基板ホルダー回転板に設けられた差込口の内面とツメの先端との間に、水平方向及び垂直方向の間隙が形成される請求項４に記載の気相成長装置。
【請求項７】
ツメの差込口が、基板ホルダー回転板を貫通した貫通穴である請求項４に記載の気相成長装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２２７２３１（Ｐ２０１２−２２７２３１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９１３８８（Ｐ２０１１−９１３８８）
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【出願人】（０００２２９６０１）日本パイオニクス株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【出願人】（０００２２９６０１）日本パイオニクス株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
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