JP2012153927A

JP2012153927A - 回転支持構造を有する成膜装置

Info

Publication number: JP2012153927A
Application number: JP2011012868A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Futagawa; 正康二川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】単純な形状で必要最小限に抑えた耐摩耗性の良い材料を用い、成膜条件の安定化と低コスト化とを実現する回転支持構造を有する成膜装置を提供することである。
【解決手段】ガイド部材１３と、自転リング１４と、両部材間に配された転動体１６とを備え、高温環境下で重力方向を回転軸として回転する回転支持構造１５を有する成膜装置であって、回転軸と平行な方向において、転動体１６とガイド部材１３との間に第１レール１７を、転動体１６と自転リング１４との間に第２レール１８をそれぞれ配し、第１及び第２レール１７、１８の転動体１６との接面は回転軸に垂直である構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温環境下で回転する回転支持構造を有する成膜装置に関する。

半導体レーザー素子、ＬＥＤ（発光ダイオード：Light Emitting Diode）素子等の化合物半導体の製造には、一般的にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置が用いられている。

図６は従来のＭＯＣＶＤ装置の側面断面図である。このＭＯＣＶＤ装置１００は、反応室２０の内部においてウエハ３０が回転台４０の上面に設けられた複数の載置台５０に載せられている（本図では２個のみ図示）。ウエハ３０の材料は、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、サファイアガラス等、生産する素子の種類により適切なものが使用される。

回転台４０は、回転軸６０の上端で支持されており、回転軸６０はモーター７０によって回転するようになっている。また、回転台４０の上面に設けられた複数の載置台５０は、それぞれ自転するように構成されている。このウエハ３０を載置した載置台５０を自転させる仕組みは、結晶成長層の均一性を向上させるために設けられたもので、結晶成長中にウエハ３０を自転させることにより、成長する膜の均一性を高めることができる。具体的な構造は、例えば特許文献１〜３に記載されているものがある。

更に、回転台４０の下方にはヒーター８０が配置されており、ヒーター８０によってウエハ３０を加熱できるようになっている。反応室２０の上側面には配管９０が接続されており、この配管９０の装置内部の先端はガス吹き出し口１０００となっており、原料ガス１１０が結晶膜の原料としてウエハ３０表面に供給される。配管９０の装置外部の他端には図示しないガス供給装置が接続されている。

この原料ガス１１０は、載置台５０上に載せられ、かつヒーター８０によって加熱されたウエハ３０上を通過後、下流側に設けられた排気経路１２０より排気される。その結果、ウエハ３０上近傍で所望の化学反応が行われることによってウエハ３０上に所望の成膜処理が実行される。

特公平７−７８２７６号公報（第７ａ図）特開２００２−１７５９９２号公報（図１）特開２００７−２４３０６０号公報（図１）

近年、照明やフラットパネルディスプレイのバックライト分野のＬＥＤ化が急速に進捗しており、これに使用される青色ＬＥＤの需要が拡大を続けている。その為、青色ＬＥＤの生産に用いられるＭＯＣＶＤ装置においても一台当たりの生産能力を拡大する為に使用するウエハサイズが大型化している。

特許文献１では載置台をガス流により浮上・回転させる方法が開示されているが、ガス流により浮上・回転させる方法は、ガス流による載置台の冷却作用を考慮して加熱しなければならない点と、ウエハの回転数が管理できない問題がある。

一方、特許文献２と特許文献３におけるベアリング、もしくは転動体と遊星ギヤを用いる方法は上記課題が無い為、これまで広く用いられてきた。しかしながら、近年の２〜３インチから４インチを経て６インチ以上へというウエハの大型化によって、ウエハを載置する回転部材の重量増加が著しい。

その結果、前記ベアリング、もしくは転動体、及びこれらが転動接触する転動面に加わる負荷が増大した為、前記ベアリング、もしくは転動体、及びこれらが転動接触する転動面の摩耗が急速に進行するという問題が発生している。

ＭＯＣＶＤ装置では載置台近傍は８００℃から１０００℃を越える温度となる為、耐熱性、加工性からグラファイトや窒化硼素系の材料が用いられるが、これらの材料は一般に脆く、摩耗しやすい。摩耗が進行すると回転抵抗が増加し、なめらかな回転が阻害される他、摩耗粉によるウエハ表面の汚染等の問題が発生する。さらに、摩耗の進行によって載置台の高さが徐々に低下することで成膜条件が刻々と変わっていく為、安定な生産ができないという深刻な問題も発生する。

この摩耗問題を軽減する為には、転動体と転動体が接触する部材を耐熱且つ耐摩耗材料で作製すればよい。例えば、ガイド部材１３や載置台５をすべてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）で製作する方法が考えられる。もしくはすべてアルミナで構成されたベアリングを用いる方法も考えられる。しかしながら、アルミナは高硬度であり耐摩耗性を期待できる反面、加工性が悪く、大きくかつ複雑な形状に精度良く成形することが困難であり、高コストになるという問題がある。

本発明は、単純な形状で必要最小限に抑えた耐摩耗性の良い材料を用い、成膜条件の安定化と低コスト化とを実現する回転支持構造を有する成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、非回転部材と、回転部材と、両部材間に配された転動体とを備え、高温環境下で重力方向を回転軸として回転する回転支持構造を有する成膜装置であって、前記回転軸と平行な方向において、前記転動体と前記非回転部材との間に第１内張部材を、前記転動体と前記回転部材との間に第２内張部材をそれぞれ配し、第１及び第２内張部材の前記転動体との接面は前記回転軸に垂直であることを特徴とする。

上記の回転支持構造を有する成膜装置において、第１及び／又は第２内張部材の前記転動体との接面とは異なる面の少なくとも一部が、前記回転支持構造の外部から見て曝露していることが好ましい。

また上記の回転支持構造を有する成膜装置において、前記非回転部材及び第１内張部材がリング状であり、第１内張部材の内側面の少なくとも一部が前記非回転部材の内側から見て曝露していることが好ましい。

また上記の回転支持構造を有する成膜装置において、前記回転部材及び第２内張部材がリング状であり、第２内張部材の内側面の少なくとも一部が前記回転部材の内側から見て曝露していることが好ましい。

また上記の回転支持構造を有する成膜装置において、第１及び／又は第２内張部材の外側面の少なくとも一部が前記回転支持構造の外側から見て曝露していることが好ましい。

また上記の回転支持構造を有する成膜装置において、第１及び／又は第２内張部材の前記転動体との接面とは反対面の一部が、前記回転支持構造の外部から見て曝露していることが好ましい。

また上記の回転支持構造を有する成膜装置において、第１及び／又は第２内張部材の前記転動体との接面とは反対面の一部が、前記非回転部材又は前記回転部材に形成された貫通穴を介して前記回転支持構造の外部から見て曝露していることが好ましい。

本発明によると、転動体及び転動体が接触する最も大きな重力荷重負荷が加わる部分を限定的に耐摩耗性が良い材料を用いて作製された内張部材で保護できるので、ウエハ径が大きくなっても摩耗を抑制することができる。

また、耐摩耗性が良い材料の使用量を必要最小限に抑えられると共に、内張部材は非常に単純な形状にでき、かつ十分な効果が得られる為、低コストで実現することができる。

また、複数の転動体それぞれの内張部材と接触する２つの接触点を結ぶ直線は回転軸に平行になるので、転動体と内張部材とは主に転がり接触が発生することになる為、よりいっそう摩耗を抑制することができる。その結果、長期間にわたってなめらかな回転が維持されると共に、載置台の位置変化を抑制でき、かつ摩耗粉による汚染も防止できる。

また、少なくとも一方の内張部材の、転動体及び転動体と接触する面とは異なる面の一部がガイド部材や載置台から外側もしくは内側、もしくは内張部材の転動体と接触する面に対し裏面となる側の少なくとも一部が回転支持構造体の外部から見て曝露されている為、内張部材と載置台とを一体的に取り扱いできるように保持、もしくは組み立て時に両者の嵌合状態を確認しながら組み立てができるようになり、組み立て性が大幅に改善される。

第１実施形態のＭＯＣＶＤ装置の側面断面図である。第１実施形態のＭＯＣＶＤ装置の回転支持構造の側面断面図である。第１実施形態のＭＯＣＶＤ装置の他の形態の回転支持構造の側面断面図である。第２実施形態の回転支持構造の側面断面図である。第３実施形態の回転支持構造の側面断面図である。従来のＭＯＣＶＤ装置の側面断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。以下の説明においては、各形態に先行する形態ですでに説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組み合わせ、寸法等に限るものではなく、特に支障が生じなければ、異なる組み合わせ、寸法であってもよい。また実施形態は、本発明に係る技術を具体化するために例示するものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明に係る技術内容は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態のＭＯＣＶＤ装置の側面断面図である。ＭＯＣＶＤ装置（成膜装置）１は、反応室２を有し、反応室２の内部には重力方向を回転軸方向として回転する回転台４を備える。

回転台４の上側にはガイド部材（非回転部材）１３と自転リング（回転部材）１４とを含み、回転台４と同様に重力方向を回転軸方向として回転しうる回転支持構造１５が複数配置され、それぞれの自転リング１４には載置台５が配置されている。載置台５の上面には被処理ウエハとしてのウエハ３が設置される。装置によっては載置台５の上面にウエハ３を直接置かずに、石英や窒化硼素、炭化珪素、グラファイト等で作られたウエハホルダーを使用する場合もある。ウエハ３としては、たとえばＳｉ、ＧａＡｓやＩｎＰ、ＧａＮ、サファイア等が使用される。

回転台４の下側には加熱手段としてのヒーター８が配置されている。回転台４には回転台４に接続された回転軸６が通っている。回転軸６の下端にはモーター７が設けられている。また、図示しない回転駆動手段によって自転リング１４側面に駆動力を加えることで回転駆動可能に構成されている。

反応室２の上部（上側面）には配管９が接続されており、この配管９の装置内部側の先端はガス吹き出し口１０となっており、回転台４の回転軸上から回転台４表面に沿って放射状に、原料ガス１１が結晶膜の原料としてウエハ３表面に供給される。一方、配管９の装置外部側の他端には図示しないガス供給装置が接続されている。原料ガス１１は、載置台５上に載せられ、かつヒーター８によって加熱されたウエハ３上を通過後、下流側に設けられた排気経路１２より排気される。その結果、ウエハ３上近傍で所望の化学反応が行われることによってウエハ３上に所望の成膜処理が実行される。

次に、図２を用いてガイド部材１３と自転リング１４とで構成される回転支持構造１５の詳細を説明する。図２はＭＯＣＶＤ装置１の回転支持構造の側面断面図である。ガイド部材１３と自転リング１４それぞれにはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）製の球体である転動体１６が配置される為の溝様形状部が形成されている。ガイド部材１３に設けられた溝様形状部にはリング状に形成された内張部材（第１内張部材）としてアルミナ製の第１レール１７がはめ込まれている。一方、自転リング１４に設けられた溝様形状部にもリング状に形成された内張部材（第２内張部材）としてアルミナ製の第２レール１８がはめ込まれている。

ガイド部材１３と自転リング１４を、両者の第１レール１７と第２レール１８とで複数個の転動体１６を挟むように重ね合わせて回転支持構造１５が構成される。つまり回転支持構造１５は、ガイド部材１３と第１レール１７と転動体１６と第２レール１８と自転リング１４とがこの順序で自転リング１４の自転軸方向に平行に配置されている。

第１レール１７及び第２レール１８の転動体１６とのそれぞれの接面は自転リング１４の自転軸方向に垂直に形成されているので、第１レール１７及び第２レール１８は研削加工によって容易に精度良く製作することができる。また、第１レール１７の転動体１６との接面及び第２レール１８の転動体１６との接面は、自転リング１４の自転軸方向に垂直に形成されており、かつ自転リング１４の自転軸方向は重力方向と一致しているので、自転リング１４及び載置台５及びウエハ３の重量による荷重は第１レール１７及び第２レール１８の転動体１６との接面に垂直に作用する。

つまり、複数個の転動体１６個々の荷重は、重力方向にほぼ一直線に並んだ第１レール１７と転動体１６との第１接触点１９と、第２レール１８と転動体１６との第２接触点２０とで支持されることとなる。

その結果、第１レール１７表面と転動体１６表面との相対速度は第２レール１８と転動体１６との相対速度とほぼ一致するので、どちらの接触点においても主に転がり接触が発生し、滑り接触がほとんど発生しない。つまり、荷重のほとんどを構成する重力成分を転がり接触で支持する構成となっているので、第１及び第２レール１７、１８と転動体１６の摩耗消耗を最小限にすることができる。

また、前記第２レール１８はその内径側（内側面）２１が自転リング１４の内側から見て曝露（露出）されている。

上記の回転支持構造１５の組み立ては以下の手順で実施する。まずガイド部材１３を平らな台の上に静置し、ガイド部材１３に設けられた溝様形状部に第１レール１７を載置する。次に、第１レール１７の上に複数個の転動体１６を並べる。

一方、別途自転リング１４と第２レール１８を嵌合させ、両者の位置関係が変化しないように自転リング１４の内側から見て曝露されている第２レール１８の内径側２１と自転リング１４とを保持しつつ、転動体１６の上に載置する。その結果、回転支持構造１５が完成する。

第２レール１８はその内径側２１が自転リング１４の内側から見て曝露されている為、作業者は両者を手もしくは治具で同時に把持することができるので、回転支持構造１５を容易に組み立てることができる。

仮に第２レール１８の内径側２１が自転リング１４の内側から見て曝露されていない場合、自転リング１４と第２レール１８を嵌合させた転動体１６の上に自転リング１４と第２レール１８を嵌合させたものを第２レール１８を下向きに載置しようとした段階で、曝露されておらず把持できない第２レール１８は重力によって自転リング１４との嵌合が解除されてしまい、容易には組み立てることができない。

自転リング１４と第２レール１８を接着する方法は、本回転支持構造１５が非常に高温の環境化（載置台近傍は８００℃から１０００℃を越える温度となる）で使用されることから適切な接着方法が無い為、実現不可能である。なお、本実施形態では第２レール１８の内径側２１が自転リング１４の内側から見てすべて曝露されている構成としているが、すべて曝露されている必要は無く、その一部が曝露されているだけでもよい。望ましくは、曝露部分は第２レール１８の中心を囲んだ２カ所か、若しくは３カ所以上あるとよい。

曝露についても第２レール１８の内径側が自転リング１４の内側から突出している必要はなく、例えば図３に示すように、自転リング１４１の内側から第２レール１８１の内側面に向かって、自転リング１４１の数カ所に貫通穴２２が設けられているだけでもよい。

この場合、作業者は真空吸着保持治具を使用してこの貫通穴２２を介して、第２レール１８１を吸着することができ、結果として自転リング１４１と第２レール１８１を同時に把持することができるので、回転支持構造１５１を容易に組み立てることができる。

もちろん作業者が使用する治具は真空吸着保持治具に限らず貫通穴２２を通して第２レール１８を保持できるものであれば何でもよい。なお、本実施形態では第２レール１８、１８１の内径側が自転リング１４、１４１の内側から見て曝露されている構成としているが、逆に第１レール１７の内径側がガイド部材１３の内側から見て曝露されている構成であってもよい。

この場合、ガイド部材１３はリング状であることが望ましく、かつ組み立て作業時は自転リング１４を上下逆さまにして平らな台の上に静置し、自転リング１４に設けられた溝に設けられた凹部にアルミナ製の第２レール１８を嵌合させ、その上に複数個のアルミナ製の球体である転動体１６を並べ、更にその上にガイド部材１３と第１レール１７を嵌合させ、両者の位置関係が変化しないようにガイド部材１３の内側から見て曝露されている第１レール１７の内径側とガイド部材１３とを保持しつつ、前記転動体１６の上に載置した後、組み上がった回転支持構造１５をその構成が変化しないように保持しつつ上下を正しい向きにひっくり返すことで組み立てを行うことができる。

なお、本実施形態では転動体１６、第１レール１７、第２レール１８、１８１はアルミナで作製したが、窒化珪素やモリブデン等、耐熱性、耐摩耗性のよい他の材料でもよい。例えば、転動体１６はアルミナ、第１レール１７、第２レール１８、１８１はモリブデンといった組み合わせであってもよい。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態の回転支持構造の側面断面図である。本実施形態は、第１実施形態に対し、第２レール１８の外径側（外側面）２３の少なくとも一部が自転リング１４２の外側から見て曝露（露出）されている構成である。

第１実施形態と同様に、ガイド部材１３と自転リング１４２とで構成される回転支持構造１５２を組み立てる際に、第２レール１８２はその外径側２３が自転リング１４２の外側から見て曝露されている為、作業者は両者を手もしくは治具で同時に把持することができるので、回転支持構造１５２を容易に組み立てることができる。なお、第１実施形態と同様に、逆に第１レール１７の外径側がガイド部材１３の外側から見て曝露されている構成であってもよい。その他の構成についても第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態の回転支持構造の側面断面図である。本実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態に対し、第２レール１８３の転動体１６との接面とは反対面２４の少なくとも一部が、自転リング１４３に形成された貫通穴２２を介して回転支持構造１５３の外部から見て曝露（露出）している構成である。換言すれば、第２レール１８３の転動体１６との接面に対し裏面となる側２４（以下裏面側２４と呼称）の少なくとも一部が、回転支持構造１５を裏面側２４から見て曝露（露出）されている構成である。

ガイド部材１３と自転リング１４３とで構成される回転支持構造１５３を組み立てる際に、裏面側２４の一部が、自転リング１４３の上面側から見て曝露されている。具体的には、自転リング１４の上面側から第２レール１８に向かって貫通穴２２が設けられている。

作業者は真空吸着保持治具を使用して貫通穴２２を介して、第２レール１８３を吸着することができ、結果として自転リング１４３と第２レール１８３を同時に把持することができるので、回転支持構造１５３を容易に組み立てることができる。

なお、作業者が使用する治具は真空吸着保持治具に限るものではなく、貫通穴２２を通して第２レール１８３を保持できるものであれば何でもよい。また、第１実施形態と同様に、逆に第１レール１７の転動体１６との接面とは反対面の一部が、ガイド部材１３に形成された貫通穴を介して回転支持構造の外部から見て曝露している構成であってもよい。換言すれば、第１実施形態と同様に、逆に第１レール１７の転動体１６との接面に対し裏面となる側の一部がガイド部材１３の外側から見て曝露されている構成であってもよい。その他の構成についても第１実施形態と同様である。

１ＭＯＣＶＤ装置（成膜装置）
１３ガイド部材（非回転部材）
１４自転リング（回転部材）
１６転動体
１７第１レール（第１内張部材）
１８第２レール（第２内張部材）
２１第２内張部材の内側面
２２貫通穴
２３第２内張部材の外側面
２４反対面

Claims

非回転部材と、回転部材と、両部材間に配された転動体とを備え、高温環境下で重力方向を回転軸として回転する回転支持構造を有する成膜装置であって、
前記回転軸と平行な方向において、前記転動体と前記非回転部材との間に第１内張部材を、前記転動体と前記回転部材との間に第２内張部材をそれぞれ配し、
第１及び第２内張部材の前記転動体との接面は前記回転軸に垂直であることを特徴とする回転支持構造を有する成膜装置。
第１及び／又は第２内張部材の前記転動体との接面とは異なる面の少なくとも一部が、前記回転支持構造の外部から見て曝露していることを特徴とする請求項１記載の回転支持構造を有する成膜装置。
前記非回転部材及び第１内張部材がリング状であり、
第１内張部材の内側面の少なくとも一部が前記非回転部材の内側から見て曝露していることを特徴とする請求項２記載の回転支持構造を有する成膜装置。
前記回転部材及び第２内張部材がリング状であり、
第２内張部材の内側面の少なくとも一部が前記回転部材の内側から見て曝露していることを特徴とする請求項２又は３記載の回転支持構造を有する成膜装置。
第１及び／又は第２内張部材の外側面の少なくとも一部が前記回転支持構造の外側から見て曝露していることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の回転支持構造を有する成膜装置。
第１及び／又は第２内張部材の前記転動体との接面とは反対面の一部が、前記回転支持構造の外部から見て曝露していることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の回転支持構造を有する成膜装置。
第１及び／又は第２内張部材の前記転動体との接面とは反対面の一部が、前記非回転部材又は前記回転部材に形成された貫通穴を介して前記回転支持構造の外部から見て曝露していることを特徴とする請求項６記載の回転支持構造を有する成膜装置。