JP5200972B2 - 基板製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置に関するものである。

近年、パワー半導体として窒化ガリウムを用いることが提案されている。そして、このような窒化ガリウムの製造方法としては、例えば、種基板を原料気体中に晒すことによって種基板上に窒化ガリウムの結晶体からなる結晶基板を形成する気相法と、種基板を原料融液中に浸漬することによって種基板上に窒化ガリウムの結晶体からなる結晶基板を形成する液相法が提案されている。

例えば、特許文献１には、液相法によって窒化ガリウムの結晶体からなる結晶基板を形成する方法が提案されている。
この特許文献１では、密閉性耐圧耐熱容器内の坩堝中にガリウムとフラックスとして作用するナトリウムとを含む融液を入れ、この融液中に種基板を浸漬することによって上記結晶基板を製造している。

特開２００５−２６３６２２号公報

しかしながら、窒化ガリウムの製造は、現在のところ実験室レベルで行われており、窒化ガリウムを大量に製造することは考慮されていない。このため、今後は窒化ガリウムを量産可能とする方法の提案が必要となる。

例えば、特許文献１に開示された製造方法及び製造装置においては、密閉性耐圧耐熱容器の上部に設けられた蓋部を開放し、開放された密閉性耐圧耐熱容器の上部から内部に種基板が入った坩堝を出し入れしている。ところが、密閉性耐圧耐熱容器の上部から内部に種基板が入った坩堝を出し入れする場合には、密閉性耐圧耐熱容器の側壁に囲まれた狭い空間に対して坩堝を出し入れする必要があり、極めて作業性が悪い。
また、一般的に密閉性耐圧耐熱容器の内部に窒素ガスを供給するための配管等は、上方から密閉性耐圧耐熱容器に挿入されている。このため、密閉性耐圧耐熱容器の上部を開放可能とするためには、上記配管等の形状や材質を考慮する必要が生じる。

なお、このような問題は、加圧及び加熱された処理容器（密閉性耐圧耐熱容器）の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する方法を用いる場合に発生するものであり、窒化ガリウム基板を製造する場合における特有の問題では必ずしもない。ただし、上記問題は、上記液相法のように取り扱いに注意を要するナトリウム等を用いる窒化ガリウム基板を製造するにあたり特に顕著に現れるものである。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置において、作業性を向上させて結晶基板の量産を実現することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって上記種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置であって、上記処理容器の底部が、上記坩堝を載置可能であると共に下方に向けて取り外し可能とされているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記処理容器の下方に接続されると共に上記処理容器の底部を内部に収容可能な収容部と、該収容部の内部に上記坩堝内の融液に対して不活性なガスを供給する不活性ガス供給装置とを備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記複数の処理容器を備え、上記複数の上記処理容器が接続されると共に内部に上記種基板の受け渡しを行うハンドリング装置を有する接続部と、上記接続部の内部に上記坩堝内の融液に対して不活性なガスを供給する不活性ガス供給装置とを備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記結晶基板が形成された上記種基板に対する処理を行うと共に上記接続部に接続される後処理装置を備えるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記種基板が窒化ガリウム層を備えるサファイア基板であり、上記融液にガリウム及びナトリウムが含まれ、上記処理容器内部において融液中に窒素ガスが供給され、上記結晶基板が窒化ガリウム基板であるという構成を採用する。

本発明によれば、処理容器の底部が、坩堝を載置可能であると共に下方に向けて取り外し可能とされている。
このため、本発明によれば、坩堝が載置された処理容器の底部を取り外すことによって、坩堝を処理容器の外部に容易に取り出すことができる。また、本発明によれば、取り外された処理容器の底部に坩堝を載置して当該底部を取り付けることによって容易に坩堝を処理容器の内部に入れることができる。つまり、本発明によれば、処理容器の側壁に囲まれた狭い領域に対して坩堝を出し入れする必要がなくなり作業性が向上する。
したがって、本発明によれば、加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置において、作業性を向上させて結晶基板の量産を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態における基板製造装置の概略構成を示す平面図である。 本発明の一実施形態における基板製造装置の概略構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態における基板製造装置が備える反応ユニットの断面図である。 本発明の一実施形態における基板製造装置が備える反応ユニットの動作を説明するための断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る基板製造装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１及び図２は、本実施形態の基板製造装置Ｓの概略構成を示す図である。そして、図１が本実施形態の基板製造装置Ｓの平面図であり、図２が本実施形態の基板製造装置Ｓの正面図である。

図１及び図２に示すように本実施形態の基板製造装置Ｓは、反応ユニット１と、洗浄ユニット２（後処理装置）と、搬送ユニット３（接続部）と、窒素ガス供給装置４（不活性ガス供給装置）とを備えている。

本実施形態の基板製造装置Ｓは、搬送ユニット３に対して各々接続される３つの反応ユニット１を備えている。そして、反応ユニット１は、図１に示すように、収容部５と反応容器６（処理容器）とが高さ方向に積み上げられた外形形状を有している。

図３は、反応ユニット１の断面図である。この図に示すように、反応容器６は、該反応容器６の外形を構成する略円筒形状の外容器６ａと、該外容器６ａの内部に支持部６ｃを介して収容支持されると共に断熱材からなる円筒形状の内容器６ｂとを備えている。

そして、本実施形態の基板製造装置Ｓにおいては、外容器６ａの底部６ａ１と内容器６ｂの底部６ｂ１によって構成されている反応容器６の底部６ｄが、容器本体に対して取り外し可能とされている。

なお、外容器６ａの底部６ａ１と容器本体とは、クラッチ構造６ｅによって連結可能とされており、外容器６ａの底部６ａ１を回転させることによって底部６ａ１の固定状態を変更することができる。そして、外容器６ａの底部６ａ１を容器本体に対して固定することによって反応容器６が密閉される。

このような反応容器６では、底部６ｄ上に坩堝１０が載置される。そして、坩堝１０が載置された状態で底部６ｄを容器本体に対して固定することによって、坩堝１０が反応容器６の内容器６ｂの内部に収容される。

また、内容器６ｂの内部にはヒータ７が設置されている。また、外容器６ａには、不図示の加圧減圧装置が接続されている。そして、これらのヒータ７及び加圧減圧装置によって反応容器６内を加熱及び加圧減圧可能とされている。

収容部５は、中空の箱形状を有しており、反応容器６の下方に接続されている。そして、収容部５は、図３に示すように、反応容器６の底部６ｄを収容可能な内部空間を有している。
この収容部５の内部には、反応容器６の底部６ｄと接続されると共に、底部６ｄを昇降及び回転させるための駆動装置８が設置されている。
そして、容器本体に対して固定されている反応容器６の底部６ｄは、駆動装置８によって回転されると共に下降されることによって、図４に示すように取り外されて収容部５に収容される。

また、反応ユニット１は、収容部５を介して搬送ユニット３に接続されている。そして、収容部５と搬送ユニット３との接続箇所には開閉可能な扉が設けられており、坩堝１０が当該扉を介して反応ユニット１と搬送ユニット３との間を移動可能に構成されている。

なお、上述のように構成された反応ユニット１において加圧及び加熱された反応容器６の内部に載置された坩堝１０内において種基板２０が融液３０に浸漬されることによって種基板２０上に結晶基板が形成される。
そして、本実施形態の基板製造装置Ｓにおいては、種基板２０として窒化ガリウム層を備えるサファイア基板を用い、融液３０にガリウム及びナトリウムを含ませ、さらに反応容器６内部において融液３０近傍に窒素ガスを供給することによって、種基板２０上に窒化ガリウム基板を形成する。

図１及び図２に戻り、洗浄ユニット２は、反応ユニット１において結晶基板が形成された種基板２０に対する処理として洗浄処理を行うものであり、反応ユニット１から取り出された坩堝１０に収容された種基板を結晶基板ごと洗浄することによって基板の表面に付着したナトリウムやガリウムなど薬剤を洗い流すものである。
そして、当該洗浄ユニット２は、図１に示すように、上記反応ユニット１と同様に搬送ユニット３に接続されている。

搬送ユニット３は、各反応ユニット１と洗浄ユニット２が接続されたものであり、外壁部３ａによって囲まれた空間に、坩堝１０を移動させることによって種基板２０の受け渡しを行うハンドリング装置３ｂが設置されている。
そして、当該ハンドリング装置３ｂは、反応ユニット１と洗浄ユニット２との間において坩堝１０の移動を行う。また、搬送ユニット３の外壁部３ａには外部と内部とを接続する扉が設置されており、当該扉の外側にロードポート３ｃが設置されている。そして、ハンドリング装置３ｂは、ロードポート３ｃに対する坩堝１０あるいは種基板２０の受け渡しを行う。

窒素ガス供給装置４は、反応容器６内に載置された坩堝１０内に窒素ガスを供給すると共に、洗浄ユニット２、搬送ユニット３及び収容部５に対して窒素ガスを供給するものである。
例えば、窒素ガス供給装置４は、図３に示すように、反応容器６を上方から貫通すると共に先端が坩堝１０に貯留する融液３０近傍に配置される配管４ａを介して融液３０に窒素ガスを供給する。なお、純窒素ガスや少なくとも窒素ガスを含んだ不活性ガス混合ガスにより基板製造装置Ｓ内を加圧する。

次に、このように構成された本実施形態の基板製造装置Ｓの動作について説明する。なお、本実施形態の基板製造装置Ｓは、不図示の制御装置を備えている。そして、以下の動作は、特に断りがない限り、当該制御装置を主体者として行われる。

例えば作業者あるいは外部の搬送装置によってロードポート３ｃに坩堝１０が配置されると、搬送ユニット３のハンドリング装置３ｂによって坩堝１０が外壁部３ａの内部に取り込まれる。
なお、坩堝１０内には、種基板２０が収容されている。

続いて、ハンドリング装置３ｂによって坩堝１０が、内部に坩堝１０が存在しない、いずれかの反応ユニット１に搬送される。
内部に坩堝１０が存在しない反応ユニット１は、収容部５が開放されていると共に、反応容器６の底部６ｄが下降された状態で待機されている。ただし、収容部５の開放及び底部６ｄの下降は、坩堝１０がハンドリング装置３ｂによって反応ユニット１の前まで搬送された後であっても良い。

続いて、ハンドリング装置３ｂによって、収容部５内において下降された底部６ｄ上に坩堝１０が載置される。
底部６ｄ上に坩堝１０が載置されると、底部６ｄが駆動装置８によって上昇及び回転されて容器本体に取り付けられると共に固定される。これによって、坩堝１０が反応容器６の内部に配置される。

このように坩堝１０が反応容器６の内部に配置されると、ヒータ７及び加圧減圧装置によって反応容器６の内部が真空（減圧）状態の後加圧及び加熱状態とされる。引き続いて配管にて溶融したガリウムと溶融したナトリウムを坩堝１０内に導入する。
この結果、坩堝１０内の種基板２０はガリウムとナトリウムとを含む融液３０に浸漬される。

続いて、窒素ガス供給装置４から配管４ａを介して、坩堝１０内の融液３０近傍に窒素ガスが供給される。
この結果、融液３０に窒素ガスが溶け込み、このような融液３０に浸漬された種基板２０の表面に結晶基板が徐々に形成される。なお、液体金属が蒸発し難いように加圧状態が好ましい。

このようにして種基板２０の表面に結晶基板が形成されると、配管を用いてナトリウム／ガリウム合金（融液３０）を吸引して除く。坩堝１０は駆動装置８によって、底部６ｄが下降及び回転されて容器本体から取り外される。そして、底部６ｄ上に載置された坩堝１０がハンドリング装置３によって収容部５の外部に取り出され、さらに洗浄ユニット２に搬送される。洗浄ユニット２に搬送された坩堝１０は、例えば種基板２０と共に洗浄された後、再びハンドリング装置３ｂによってロードポート３ｃまで搬送される。

このような工程によって、種基板２０の表面に窒化ガリウムからなる結晶基板を形成することができる。
なお、洗浄ユニット２によって洗浄処理が行われている間に、次の坩堝１０がロードポート３ｃから空いている反応ユニット１に受け渡されて、上述のように結晶基板の形成が行われる。

そして、本実施形態の基板製造装置Ｓにおいては、融液３０（特にナトリウム）に対して不活性な窒素ガスが、反応ユニット１の収容部５の内部、搬送ユニット３の外壁部３ａの内部、及び洗浄ユニット２に対して供給されている。このように窒素ガスが充満された環境内において坩堝１０の搬送が行われる。

以上のような本実施形態の基板製造装置Ｓによれば、反応容器６の底部６ｄが、坩堝１０を載置可能であると共に下方に向けて取り外し可能とされている。
このため、本実施形態の基板製造装置Ｓによれば、坩堝１０が載置された反応容器６の底部６ｄを取り外すことによって、坩堝１０を反応容器６の外部に容易に取り出すことができる。また、本実施形態の基板製造装置Ｓによれば、取り外された反応容器６の底部６ｄに坩堝１０を載置して当該底部６ｄを取り付けることによって容易に坩堝１０を反応容器６の内部に入れることができる。つまり、本実施形態の基板製造装置Ｓによれば、反応容器６の側壁に囲まれた狭い領域に対して坩堝１０を出し入れする必要がなくなり作業性が向上する。
したがって、本実施形態の基板製造装置Ｓによれば、加圧及び加熱された反応容器６の内部に載置された坩堝１０内において種基板２０を融液３０に浸漬することによって種基板２０上に結晶基板を形成する基板製造装置において、作業性を向上させて結晶基板の量産を実現することが可能となる。

また、本実施形態の基板製造装置Ｓにおいては、反応ユニット１の収容部５の内部、搬送ユニット３の外壁部３ａの内部、及び洗浄ユニット２に対して窒素ガス又は窒素を含む不活性ガスを供給している。このため、坩堝１０の搬送に伴って融液３０が酸化等反応することを防止される。

また、本実施形態の基板製造装置Ｓにおいては、複数の反応ユニット１を備え、これらの反応ユニット１に対して坩堝１０を搬送する搬送ユニット３を備えている。
このため、同時に複数の種基板２０に対して結晶基板を成長させることが可能となる。

また、上記実施形態においては、洗浄ユニット２を備えている。
このため、結晶基板が成長された種基板２０に対する後処理を基板製造装置Ｓのなかで行うことが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、種基板２０が窒化ガリウム層を備えるサファイア基板であり、融液３０にガリウム及びナトリウムが含まれ、反応容器６内部において融液３０中に窒素ガスが供給され、結晶基板が窒化ガリウム基板であるという構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置の全般に適用することが可能である。

また、本発明は、例えば、単一の反応ユニット１を有し、洗浄ユニット２及び搬送ユニット３を備えない基板製造装置に適用することも可能である。

また、上記実施形態においては、ハンドリング装置３ｂによって坩堝１０を移動させることによって種基板２０を移動させる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ハンドリング装置３ｂを坩堝１０に対して種基板２０を受け渡し可能に構成し、ハンドリング装置３ｂによって種基板２０を直接移動させても良い。

また、上記実施形態においては、３つの反応ユニット１を備える構成について説明した。
しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、より多いあるいはより少ない反応ユニット１を備える構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、結晶基板が形成された種基板２０に対する処理を行う後処理装置として洗浄ユニット２を備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の後処理装置を備える構成を採用しても良い。
このような他の後処理装置としては、例えば、種基板２０と結晶基板とを切り離す等の加工を行う加工装置を用いることができる。

また、上記実施形態においては、後処理装置として単一の洗浄ユニット２を備える構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、さらに複数の後処理装置を備える構成を採用しても良い。

また、上記実施形態においては、不活性ガスとして窒素ガスを用いることによって、坩堝１０内に供給するガスと不活性ガスとを共通化させ、これによって装置構成を簡便化した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、坩堝１０内に供給するガス供給装置と収容部５などに供給するガス供給装置は別の構成とし、個別に制御してガスを供給してもよい。また、不活性ガスとしてアルゴン等の希ガスを用いても良い。

Ｓ……基板製造装置、１……反応ユニット、２……洗浄ユニット（後処理装置）、３……搬送ユニット（接続部）、３ｂ……ハンドリング装置、４……窒素ガス供給装置（不活性ガス供給装置）、５……収容部、６……反応容器（処理容器）、６ｄ……底部、１０……坩堝、２０……種基板、３０……融液

Claims (3)

1. 加圧及び加熱された処理容器の内部に載置された坩堝内において種基板を融液に浸漬することによって前記種基板上に結晶基板を形成する基板製造装置であって、
   複数の前記処理容器と、
   複数の前記処理容器が接続されると共に内部に前記種基板の受け渡しを行うハンドリング装置を有する接続部と、
   前記接続部の内部に前記坩堝内の融液に対して不活性なガスを供給する不活性ガス供給装置と、
   前記処理容器の下方に接続されると共に前記処理容器の底部を内部に収容可能な収容部と
   を備え、
   前記処理容器の底部が、前記種基板が収容された前記坩堝を載置可能であると共に、前記処理容器の前記底部以外の他の部位を残して下方に向けて取り外し可能とされていることを特徴とする基板製造装置。
2. 前記結晶基板が形成された前記種基板に対する処理を行うと共に前記接続部に接続される後処理装置を備えることを特徴とする請求項１記載の基板製造装置。
3. 前記種基板が窒化ガリウム層を備えるサファイア基板であり、前記融液にガリウム及びナトリウムが含まれ、前記処理容器内部において融液中に窒素ガスが供給され、前記結晶基板が窒化ガリウム基板であることを特徴とする請求項１または２記載の基板製造装置。

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