JPH09306849A

JPH09306849A - 気相成長装置

Info

Publication number: JPH09306849A
Application number: JP12287496A
Authority: JP
Inventors: Yukio Komura; 幸夫香村; Toshihiro Mikami; 俊宏三上
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1996-05-17
Filing date: 1996-05-17
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】気相成長させる薄膜の生産性が向上し、ま
た、作業者の安全性が確保される気相成長装置を提供す
る。【解決手段】反応容器３２と、該反応容器３２の下側
に設けられ、かつ気密に保持可能な前室２１と、気相成
長をおこなう基板を装着する装着部２３ａを備え、シャ
フト３５に支持されたサセプタ２３とを有する気相成長
装置であって、前記前室２１は、位置検出器３９と光学
式位置検出器２５と照明装置と、ロボット２４と、制御
装置とを備え、前記前室２１を非酸化性雰囲気にして、
該前室２１内にサセプタ２３を位置させ、サセプタ２３
の装着部２３ａを照明装置で照明し、位置検出器３９と
光学式位置検出器２５で前記装着部２３ａを撮らえ、位
置検出器３９または光学式位置検出器２５からの情報を
制御装置に入力し、該制御装置からの出力でロボット２
４を操作して、前記基板をサセプタ２３の装着部２３ａ
に装着し、かつ前記基板を装着部２３ａから取り外す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気相成長装置の改
良に関し、特に、化合物半導体薄膜の気相成長の生産性
を向上させることができる気相成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によ
り、ＧａＡｓ基板あるいはＩｎＰ基板上に薄膜をエピタ
キシャル成長させたエピタキシャルウェハは、ＦＥＴ、
ＨＥＭＴなどのデバイスの製造に使用される。これらの
デバイスは、高周波特性が優れ、消費電力が少ないた
め、需要が急速に拡大している。有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ）法による化合物半導体薄膜の成長の原理は、
以下の通りである。即ち、例えば、反応容器内に、ガリ
ウム（Ｇａ）やアルミニウム（Ａｌ）の原料としてトリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）の有機金属を水素ガスなどのキャリアガスと
共に供給し、砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）の原料としてアル
シン（ＡｓＨ₃）やホスフィン（ＰＨ₃）などの水素化
物のガスを供給し、また、不純物としてのシリコン（Ｓ
ｉ）、亜鉛（Ｚｎ）の原料としてシラン（ＳｉＨ₄）や
トリメチルジンク（ＴＭＺｎ）を供給する。そうして、
これらのガスを流量制御しながら反応炉内に供給し、反
応容器内で加熱分解反応させることにより、加熱した化
合物半導体基板（ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）上に所望の組
成（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓな
ど）、膜厚、キャリア密度（ｎ型、ｐ型）の薄膜を堆積
するものである。

【０００３】このような成長を行う気相成長装置の中
で、一回の処理で多数枚の半導体基板を処理する装置と
して、その基板を装着するサセプタを多角形錐体状に作
り（一般にバレル型サセプタと称される）、その各面に
基板を装着する装置が量産装置として多く用いられてい
る。

【０００４】従来の気相成長装置は、例えば図４に示す
ような構造をしている。図において、２は、気相成長装
置を構成する筒状の石英ガラス製反応容器１の頂部に設
けられた、原料ガスとキャリアガスとの混合したガスを
導入するガス導入口である。３は反応容器１の底部に備
えられたキャリアガスと未反応の原料ガスの排気部であ
り、３ａは排気口である。４は上記反応容器１の内部に
設けられたカーボン製のサセプタであり、多角形錐体状
をなしている。このサセプタ４の側面に薄膜が成長され
る化合物半導体基板５が載置される。６は反応容器１の
外周に設けられた高周波誘導コイルである。この高周波
誘導コイル６による高周波誘導加熱によって、原料ガス
を６００〜７００℃に加熱し、５０〜３００Ｔｏｒｒの
圧力で加熱分解反応を起こさせ、化合物半導体基板５上
に化合物半導体薄膜を成長させる。７は反応容器１に設
けられた冷却ジャケット、８は冷却水入口、９は冷却水
出口である。１０はサセプタ４を保持し、且つ、回転さ
せるシャフトである。１１は前室であり、１２は反応容
器１側と前室１１の間を開閉するゲートバルブである。
１３はガス導入口、１４は基板の取り出し口である。

【０００５】基板５のバレル型サセプタ４の側面への装
着およびサセプタ４からの基板５の取り外しは、サセプ
タ４の側面が垂直に近い角度（垂直方向に対して１〜１
０°）をなしているため、多くは手作業で行う。このた
め、サセプタ４や反応容器１の内壁は大気に触れること
になる。ところで、反応容器１の内壁には、粉末状の固
化物が付着し、表面積が大きくなっているので、ここに
大気が触れると、薄膜半導体結晶の純度に大きな影響を
及ぼす酸素や水分が吸着される。そこで、この吸着を防
ぐために、基板５の装着・取り外しを行う前室１１が設
けられている。そうして、基板５の装着・取り外しの際
には、サセプタ４を保持するシャフト１０の上下運動に
より、サセプタ４を前室１１に移動し、前室１１と反応
容器１をゲートバルブ１２などにより遮断する。こうす
ることにより、反応容器１部分を大気に曝すことを防止
する。また、前室１１内では水素または不活性ガスでガ
ス置換を行った後に（アルシンは許容濃度が０．０５ｐ
ｐｍの猛毒なガス）人手の作業を行う。基板５の装着・
取り外し後は、前室１１で再度、高純度水素などによる
ガス置換を行い、ゲートバルブ１２を開放して反応容器
１中にサセプタ４を上昇させることにより、成長させた
半導体薄膜の純度を維持する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
ＭＯＣＶＤ法による気相成長装置では、基板の装着・取
り外しに時間がかかり、原料ガスが流れて薄膜が成長し
ている時間は全体の３０％程度であり、７０％程度の時
間がサセプタの降温、ガス置換、基板の着脱に費やさ
れ、装置の生産性が低いという問題があった。また、基
板の着脱を人手で行うため、作業者の安全性にも問題が
あった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決すべくなされたもので、内部に原料ガスが流れる反応
容器と、該反応容器の原料ガス流の下流側に設けられ、
かつ気密に保持可能な前室と、気相成長をおこなう基板
を装着する装着部を備え、シャフトに支持されて前記反
応容器内と前室内の間を移動可能であるサセプタとを有
する気相成長装置であって、前記前室は、非接触位置検
出手段と、多関節ロボットと、制御装置とを備え、前記
前室を非酸化性雰囲気にして、該前室内にサセプタを位
置させ、サセプタの装着部を前記非接触位置検出手段で
検出し、前記非接触位置検出手段からの情報を制御装置
に入力し、該制御装置からの出力で多関節ロボットを操
作して、前記基板をサセプタの装着部に装着し、かつ前
記基板を装着部から取り外すことを特徴とするものであ
る。

【０００８】ここで、非酸化性雰囲気というのは、Ｇａ
Ａｓなどの酸化によりサセプタの変色が生じない雰囲気
を指し、例えば、Ｎ₂などの不活性ガスにより酸素含有
率を大気圧で０．５％以下にすればよく、また、１０to
rr以下程度に減圧することでもよい。また、非接触位置
検出手段としては、撮像管やＣＣＤ撮像素子などの照明
装置を要する光学式の非接触位置検出器や、レーザ光の
対象物からの反射を利用した非接触センサや渦電流式非
接触センサを例示することができる。

【０００９】本発明では、非酸化性雰囲気で基板の着脱
を行い、サセプタおよび基板を清浄に保持することがで
きるので、形成された薄膜の品質が向上する。また、多
関節ロボットで基板の着脱作業を行うことができるの
で、従来の人手で作業を行う場合に比較して、サセプタ
が高温の状態で作業を行うことができ、サセプタの冷却
時間を短縮することができる。さらに、ロボットの作業
では人手の作業に比較して有毒ガスを完全に置換する必
要がないので、前室内の有毒ガスを置換する時間を、人
手で作業する場合に比較して短縮することができる。こ
の結果、実際に気相成長を行う以外の時間を短縮するこ
とができるので、生産性が向上する。さらに、基板の着
脱をロボットで行うため、作業者の安全性を確保するこ
とができる。

【００１０】ところで、気相成長後にサセプタ上に残留
する原料ガスの分解生成物が酸素に触れて反応を起こす
と、サセプタ表面からの光反射の様子が変化し、基板の
装着部の輪郭部の色彩が微妙に変わる。そこで、非接触
位置検出手段として、照明装置を要する光学式の非接触
位置検出器を用いる。そうして、前室を非酸化性雰囲気
にし、その状態で照明装置により装着部を照明すると、
光学式位置検出器で装着部を正確に認識することができ
る。従って、光学式位置検出器からの画像情報を制御装
置に入力し、該制御装置からの出力で多関節ロボットを
操作することにより、基板を正確に装着部に装着し、ま
た、正確に装着部から基板を取り外すことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明にかかる気
相成長装置の一実施形態を示す横断面説明図であり、反
応容器より下側（原料ガスの流れの下流側）の部分を示
している。図２はその縦断面説明図である。また、図３
は本実施形態の基板着脱操作の説明図である。なお、図
２においては、反応容器よりも上側の部分は、従来技術
の説明に用いた図４に示した構造と同様な構造になって
いる。図１〜図３において、２１は前室、２２は予備
室、２３は筒状のサセプタ、２４は多関節のロボットで
あり、５自由度以上の自由度を有する多関節ロボットで
ある。２５は光学式位置検出器、３９は非接触センサ、
３２は反応容器、３３は照明装置、３４は制御装置であ
る。本実施形態の気相成長装置は、反応容器３２、その
下側（原料ガスの流れの下流側）に設けられた前室２
１、前室２１に隣接して設けられた予備室２２からな
る。前室２１と予備室２２は気密性を維持できる構造に
なっている。前室２１は、基板をサセプタ２３に着脱す
る操作を行うロボット２４、サセプタ２３の基板装着装
着部２３ａを照明する照明装置３３（図３に示す）を備
えている。ロボット２４の先端部には光学式位置検出器
２５が取り付けられている。この光学式位置検出器２５
は前記装着部２３ａを光学像として撮り、その画像情報
を制御装置３４（図３に示す）に与える。ロボット２４
は、５自由度以上の自由度を有する多関節ロボットであ
り、この制御装置３４により制御されて、基板を装着部
２３ａに着脱する操作を行う。

【００１２】この装置を用いて、基板の着脱は以下のよ
うにして行う。即ち、１）図１、２に示すように、予備室２２の基板供給用の
気密性ドア２６を開けて、カセット２７をレール２８上
の台車２９にセットする。

【００１３】２）ドア２６を閉めて、予備室２２内を排
気、減圧した後に、不活性ガスで置換して低濃度酸素状
態にする。次いで、前室２１（予め低濃度酸素状態にな
っている）および予備室２２をともに不活性ガスで大気
圧付近で同圧にした後、前室２１と予備室２２の境の気
密性ドア３０を開け、サセプタ２３の装着部２３ａに装
着するだけの枚数の基板を収納したカセット２７を一
個、予備室２２から前室２１に入れる。このカセット２
７は位置Ａ（図１）にセットする。

【００１４】３）次いで、図１、２に示すように、ドア
３０を閉めて、前室２１内のリフター３１のヘッド３１
ａを位置Ａのカセット２７まで伸ばし、その後、カセッ
ト２７内にヘッド３１ａからグリッパ（図示せず）を下
降させて基板を把持し、基板を引き上げる。リフター３
１で基板をカセット２７から離れた位置まで引き上げた
後に、ロボット２４のアーム２４ａの先端に設けたリス
ト２４ｂに取り付けた真空吸引ツール（図示せず）で吸
引して基板を把持する。

【００１５】４）次いで、図３に示すように、照明装置
３３でサセプタ２３の装着部２３ａを照明し、ロボット
２４のアーム２４ａの先端に取り付けた光学式位置検出
器２５で装着部２３ａ付近を撮像する。この光学式位置
検出器２５からの画像情報を制御装置３４に入力し、こ
の制御装置３４により、シャフト３５の回転角度とロボ
ット２４のアーム２４ａとリスト２４ｂを制御して、基
板をサセプタ２３の装着部２３ａに装着する。

【００１６】５）次いで、シャフト３５を回転すること
により、サセプタ２３を回転して隣接する他の装着部２
３ａに基板を同様に装着する。この操作を繰り返して、
複数の装着部２３ａに基板を装着する。

【００１７】６）その後、図２に示すように、サセプタ
２３をシャフト３５により前室２１上部の開口部３６を
通って上昇させて、反応容器３２に入れ、シャフト３５
に設けたフランジ３７で開口部３６を気密に閉じる。

【００１８】７）次いで、反応容器３２内で薄膜を気相
成長させる。成長完了後、反応容器３２内のガスを置換
して低濃度酸素状態にし、サセプタ２３温度を下げる。

【００１９】８）サセプタ２３が所定の温度まで下がっ
た後、サセプタ２３をシャフト３５により前室２１の下
部に下降させる。その後、基板の装着とは逆に、光学式
位置検出器２５で基板の位置を確認し、光学式位置検出
器２５からの画像情報を制御装置３４に入力する。そう
して、ロボット２４のアーム２４ａとリスト２４ｂを制
御して、リスト２４ｂに取り付けた真空吸引ツールで吸
引して基板を把持し、基板をサセプタ２３上の装着部２
３ａから一枚ずつ取り外し、リフター３１のヘッド３１
ａに乗せ換えた後、位置Ｂ（図１）にあるカセット２７
内に順に収納していく。

【００２０】９）薄膜成長が終了した基板を収納したカ
セット２７は、ドア３０を開けた後、レール２８上を動
いて予備室２２内に移動する。カセット２７が予備室２
２内に移った後、ドア３０を閉じ、次いでドア３８を開
いて、カセット２７を予備室２２の外に取り出す。

【００２１】ここで、筒状のサセプタ２３の表面に設け
られた装着部２３ａについて述べる。この装着部２３ａ
は、図３に示すように、深さ１ｍｍ程度の円形凹部をな
しており、円形の基板を装着した状態で基板と凹部のク
リアランスは０．４〜０．９ｍｍ程度になっている。こ
のような装着部２３ａに基板を装着するには、精度よく
ロボット２４を制御する必要がある。ロボット２４の制
御は、例えば以下のように行う。即ち、装着部２３ａが
位置するサセプタ２３上の平面Ｓの空間的位置を、３点
の空間的位置計測により求める。この計測は、ロボット
２４の先端に距離検出をする非接触センサ３９を設けて
行う。次いで、円形凹部をなす装着部２３ａの中心Ｔの
位置を、光学式位置検出器２５からの画像情報をもとに
求める。このようにして求められた平面Ｓと中心Ｔに関
する情報を制御装置３４に入力する。そうして、この制
御装置３４からの出力によりロボット２４を制御して、
平面Ｓ上で中心Ｔを有する装着部２３ａに、ロボット２
４の先端に設けた真空吸引ツールにより基板を装着す
る。また、同様にして、真空吸引ツールにより基板を装
着部２３ａから取り外す。本実施形態では非接触センサ
３９からなる位置検出器と光学式位置検出器２５を併用
してロボット２４の制御を行っているが、位置検出器ま
たは光学式位置検出器２５のみを用いて位置検出を行う
ことも可能である。但し、その場合には信頼性が両者を
併用する場合に比較して低下する。

【００２２】上述の気相成長装置を用いると、基板上に
薄膜を形成する生産性が従来のほぼ２倍になった。例え
ば、従来の技術で説明した装置では、一日２４時間のう
ち、原料ガスが流れて、薄膜が形成されている時間が、
（２時間／回）×４回＝８時間であり、残りの１６時間
がサセプタ温度の降温、ガスの置換、基板の着脱に費や
されている場合を例にとる。上記気相成長装置を用いて
同じ条件の薄膜形成を行うと、薄膜が形成されている時
間が、（２時間／回）×８回＝１６時間となり、サセプ
タ温度の降温、ガスの置換、基板の着脱に費やされる時
間が８時間に減少した。言い換えると、本発明の装置を
用いることにより、薄膜の生産性が倍増した。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、内部に原
料ガスが流れる反応容器と、該反応容器の原料ガス流の
下流側に設けられ、かつ気密に保持可能な前室と、気相
成長をおこなう基板を装着する装着部を備え、シャフト
に支持されて前記反応容器内と前室内の間を移動可能で
あるサセプタとを有する気相成長装置であって、前記前
室は、非接触位置検出手段と、多関節ロボットと、制御
装置とを備え、前記前室を非酸化性雰囲気にして、該前
室内にサセプタを位置させ、サセプタの装着部を前記非
接触位置検出手段で検出し、前記非接触位置検出手段か
らの情報を制御装置に入力し、該制御装置からの出力で
多関節ロボットを操作して、前記基板をサセプタの装着
部に装着し、かつ前記基板を装着部から取り外すため、
気相成長させる薄膜の生産性が向上し、また、作業者の
安全性が確保されるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる気相成長装置の一実施形態の横
断面説明図である。

【図２】上記実施形態の縦断面説明図である。

【図３】上記実施形態の基板着脱操作の説明図である。

【図４】従来の気相成長装置の縦断面図である。

【符号の説明】

２１前室２２予備室２３サセプタ２３ａ装着部２４ロボット２４ａアーム２４ｂリスト２５光学式位置検出器２６、３０、３８ドア２７カセット２８レール２９台車３１リフター３１ａヘッド３２反応容器３３照明装置３４制御装置３５シャフト３６開口部３７フランジ３９非接触センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に原料ガスが流れる反応容器と、該
反応容器の原料ガス流の下流側に設けられ、かつ気密に
保持可能な前室と、気相成長をおこなう基板を装着する
装着部を備え、シャフトに支持されて前記反応容器内と
前室内の間を移動可能であるサセプタとを有する気相成
長装置であって、前記前室は、非接触位置検出手段と、
多関節ロボットと、制御装置とを備え、前記前室を非酸
化性雰囲気にして、該前室内にサセプタを位置させ、サ
セプタの装着部を前記非接触位置検出手段で検出し、前
記非接触位置検出手段からの情報を制御装置に入力し、
該制御装置からの出力で多関節ロボットを操作して、前
記基板をサセプタの装着部に装着し、かつ前記基板を装
着部から取り外すことを特徴とする気相成長装置。
【請求項２】非接触位置検出手段は、光学式位置検出
器と照明装置とを有することを特徴とする請求項１記載
の気相成長装置。