JP2003026496A - 分子線エピタキシー装置およびそのメンテナンス方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超高真空下でのＭＢＥ装置稼動に必須のプロ
セスである、シュラウドのメンテナンスに要する時間を
短縮し、稼動効率を上げたＭＢＥ装置およびそのメンテ
ナンス方法を提供する。 【解決手段】 チャンバ内にプロセスガス（Ａｒ、
Ｎ₂、Ｈｅ、Ｈ₂、Ｏ₂、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｋｒなど）を導入
し、シュラウドにＲＦまたはＤＣ電力を供給し、チャン
バとシュラウドとを電極としてプラズマを発生させシュ
ラウド表面を逆スパッタすることでシュラウド表面の吸
着物の除去を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シュラウドのクリ
ーニング機構を備えた分子線エピタキシー装置（以下、
「ＭＢＥ＜Molecular Beam Epitaxy＞装置」と称
す。）およびそのメンテナンス方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】化学半導体素子を作製するためのＭＢＥ
装置において、真空チャンバ内に設置されるシュラウド
は、内部に液体窒素などの冷媒を入れて表面を極低温に
冷却することにより、超高真空内の残留ガスや分子線セ
ルからの余剰材料を吸着する役割を果たし、超高真空雰
囲気を維持する。但し、シュラウドの表面に吸着した物
質が多くなると、フレークとなってチャンバ内に落下し
たり、シュラウドの余剰材料の吸着効率が低下するとい
う問題が生じる。このため、シュラウドの定期的なメン
テナンスは超高真空下でのプロセスを行なうための必須
の作業である。なお、シュラウドは別名クライオパネ
ル、液体窒素トラップなどの呼称がある。

【０００３】このプロセス装置に対して、定期的なシュ
ラウドのメンテナンスの際、一般に、超高真空となって
いる真空チャンバ内の圧力を、一旦、大気圧まで昇圧し
た後、大気開放した真空チャンバ内において作業員がシ
ュラウドに付着した物質を削り取る作業を行なう。そし
て、メンテナンス作業終了後、再び半導体素子などの作
製プロセスを実施するために、真空チャンバ内を排気
し、その際一定時間ベーキングなどの脱ガス作業を行な
い、超高真空域の真空度に減圧する作業を行なう。

【０００４】しかしながら、シュラウドのメンテナンス
を怠ると、素子成長中にシュラウドに付着した物質がフ
レークとしてチャンバ内に落下することがある。このた
め、セルシャッタが開いている場合に、分子線セル内に
フレークが侵入することで、不純物混入による素子の性
能悪化につながる可能性がある。したがって、シュラウ
ドの定期的なメンテナンス作業は、ＭＢＥ装置の稼動に
おいて必須の工程となっている。

【０００５】また、大気開放せずにクリーニングする方
法として、たとえば、特開昭６１−１０４９９２号公報
に開示されているように、真空チャンバ内に電極を配置
してガスを導入し、放電を行なうことにより、放出ガス
を低減する方法、または、特開昭６３−１７６４７５号
公報に開示されているように、反応性ガスをチャンバ内
に導入しチャンバ内壁面を清掃する方法がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】シュラウドのメンテナ
ンス周期については、定期的に大気圧に昇圧後メンテナ
ンス作業を開始する。メンテナンス作業は作業員がチャ
ンバ内において、数時間から数日間かけて、シュラウド
に付着した物質を削り取り、チャンバ外に取り除く。こ
のため、シュラウドのメンテナンス作業は、非常に多大
な時間と労力とを必要とする作業となる。また、その後
のベーキングなどを含めた真空排気に長時間を要する。

【０００７】また、大気開放せずシュラウドのクリーニ
ングをする場合、特開昭６１−１０４９９２号公報に開
示されている方法では、電極をチャンバ内に導入して放
電を行なうため、超高真空雰囲気で成長を行なうＭＢＥ
装置においては、電極が汚染源となる可能性があり、超
高真空雰囲気作成を妨げる原因となり得る。

【０００８】また、特開昭６３−１７６４７５号公報に
開示されている方法では、シュラウド吸着物質のエッチ
ングに適したガス種の検討と、多くの場合においては、
反応性ガスは毒性または爆発性があるなどの危険性が高
いため、反応性ガスの除外装置の設置など環境面への考
慮とが必要となるとともに、除外装置の設置に伴うコス
トアップも生じる。

【０００９】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、超高真空下でのＭＢＥ装置稼動
に必須のプロセスである、シュラウドのメンテナンスに
要する時間を短縮し、稼動効率を向上させたＭＢＥ装置
およびそのメンテナンス方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の分子線エピタキ
シー装置は、シュラウドを内装可能な真空チャンバと、
シュラウドに電力を供給する電力供給手段と、真空チャ
ンバ内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入手段
とを備え、真空チャンバ内を高真空にした状態で、電力
供給手段からシュラウドに電力を供給することにより、
真空チャンバとシュラウドとの間でプロセスガスのプラ
ズマを生成し、この生成されたプラズマを用いてシュラ
ウドの表面に付着した物質を除去する機能を備えてい
る。

【００１１】上記の構成を備えていることにより、シュ
ラウドのメンテナンスを行なう際に、真空チャンバとシ
ュラウドとを電極としてプラズマを発生させ、シュラウ
ドの表面に存在する付着物質を逆スパッタにより除去す
ることができるため、シュラウドのクリーニングならび
に真空排気にかかる時間を短縮することができる。

【００１２】本発明の分子線エピタキシー装置は、シュ
ラウドを真空チャンバから絶縁する絶縁手段をさらに備
えている。

【００１３】上記のような構成にすることにより、シュ
ラウドと真空チャンバとを電極としてプラズマを発生さ
せることができる。

【００１４】本発明の分子線エピタキシー装置は、ま
た、真空チャンバ内に導入するプロセスガスが、Ａｒ、
Ｎ₂、Ｈｅ、Ｈ₂、Ｏ₂、Ｘｅ、Ｎｅ、および、Ｋｒから
なる物質を含む群より選ばれた１種のガスまたは２種以
上の混合ガスである。

【００１５】上記のようなガスを用いることで、真空チ
ャンバ内にプラズマを発生させることができる。

【００１６】本発明の分子線エピタキシー装置は、電力
供給手段がシュラウドに供給する供給電力が、高周波電
力、直流電力、または、直流電力と高周波電力とを重畳
した電力である。

【００１７】本発明の分子線エピタキシー装置のメンテ
ナンス方法は、シュラウドを内装可能な真空チャンバ
と、シュラウドに電力を供給する電力供給手段と、真空
チャンバ内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入
手段とを備えた分子線エピタキシー装置のメンテナンス
方法であって、真空チャンバ内を真空状態にした状態
で、電力供給手段によりシュラウドに電力を供給するこ
とにより、真空チャンバとシュラウドとの間でプロセス
ガスのプラズマを生成して、この生成されたプラズマを
用いてシュラウドの表面に付着した物質を除去する。

【００１８】上記のような方法を用いることにより、シ
ュラウドのメンテナンスを行なう際に、真空チャンバ内
壁面とシュラウドとを電極としてプラズマを発生させ、
シュラウドの表面に存在する付着物質を逆スパッタによ
り除去することができるため、シュラウドのクリーニン
グならびに真空排気にかかる時間を短縮することができ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。本実施の形態の真空チャンバ内の真
空シュラウドを超高真空領域下でクリーニングする機構
を備えたＭＢＥ装置１を、図１を用いて説明する。図１
に示すＭＢＥ装置１は、体積が４００Ｌである真空チャ
ンバ２を有する。ＭＢＥ装置１の真空チャンバ２には、
基板を保持するマニピュレータ、分子線を生成する分子
線セル、分子線を開閉により制御するセルシャッタなど
の他の要素部品が設けられているが、図１では、図面の
煩雑を避けるため図示していない。

【００２０】真空チャンバ２の内部には、アース電位で
ある真空チャンバ２と絶縁され、かつ、ＲＦ（Radio F
requency）電力を供給することができるシュラウド３が
設けられている。シュラウド３には、その中に液体窒素
を供給するための液体窒素供給ライン１４が接続されて
いる。また、真空チャンバ２には、プロセスガスである
アルゴンガス（Ａｒ）を真空チャンバ２内に供給するガ
ス導入系４と、真空チャンバ２内の真空度を測定する真
空計５とがそれぞれ接続されている。

【００２１】シュラウド３は、絶縁材料６を介して真空
チャンバ２とは絶縁状態を保ち、真空チャンバ２の外部
に設けられたＲＦ電源７に接続されており、このＲＦ電
源７からのＲＦ電力がシュラウド３に供給される。シュ
ラウド３とＲＦ電源７との間には、マッチングボックス
８が設けられており、ＲＦ電源７からシュラウド３に供
給されるＲＦ電力が、反射波としてＲＦ電源に戻らない
ように調整される。

【００２２】真空チャンバ２の内部に設けられたシュラ
ウド３は、絶縁材料６を介して真空チャンバ２から絶縁
されている。このため、真空チャンバ２にＲＦ電力が供
給されることはない。以上の構成からなる装置に導入さ
れたプロセスガス、および供給されたＲＦ電力により、
チャンバ内にプラズマＰが生成される。

【００２３】なお、シュラウド３には、ＲＦ電力を供給
する構成に代えて、ＤＣ（DirectCurrent）電力による
電力の供給、ＤＣ電力に重畳したＲＦ電力の供給によ
り、プラズマＰを生成するようにしてもよい。

【００２４】真空チャンバ２およびシュラウド３には、
ステンレスなどの金属が用いられ、ガス導入系４は、プ
ロセスガスであるアルゴンを供給する高純度アルゴンボ
ンベ９を有し、高純度アルゴンボンベ９が金属配管１０
によって真空チャンバ２に接続されている。この高純度
アルゴンボンベ９と真空チャンバ２との間には、真空チ
ャンバ２に供給されるアルゴンガスの流量を調節する流
量計１２と、真空チャンバ２へのアルゴンガス供給を開
閉するバルブ１３とがこの順に金属配管１０を介して接
続されている。なお、プロセスガスとしては、Ａｒ、Ｎ
₂、Ｏ₂、Ｈ₂、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒなどを使用して
もよく、または、これらの混合ガスを使用してもよい。

【００２５】次に、上記構成のＭＢＥ装置１を用いた真
空チャンバ２内のシュラウド３に付着した堆積物を除去
する方法について説明する。

【００２６】（１） メンテナンス対象であるシュラウ
ド３が真空下のチャンバ２内に存在する状態で、プラズ
マイオン種となるＡｒガスを供給する。このＡｒガスの
供給は、ガス導入系４のバルブ１３を開き、流量計１２
を調節することにより、真空チャンバ２内の圧力が所望
のガス圧になるように昇圧する。

【００２７】（２） ＲＦ電源７からプラズマ生成用電
極としてのシュラウド３にＲＦ電力を供給し、マッチン
グボックス８により、効率よくＲＦ電極が供給されるよ
うに調節し、真空チャンバ２内にプラズマＰを発生す
る。

【００２８】（３） 生成したプラズマＰ内に存在する
イオンにより真空チャンバ２内のシュラウド３壁面をス
パッタし、シュラウド３表面の吸着ガスおよび堆積した
物質を相当量除去し、排気系１５によりチャンバ内から
排出する。

【００２９】上記（１）〜（３）の工程を行なうことに
より、従来方法での手作業によるシュラウドのクリーニ
ング方法に比較して、ＭＢＥ装置の立上げまで含めたト
ータルのメンテナンス時間を短縮することができる。

【００３０】以下に具体的なクリーニング方法を示す。 （１） 超高真空雰囲気下において、ガス導入系４のバ
ルブ１３を開き、アルゴンガスを真空チャンバ２内に導
入し、流量計１２を調節することにより真空チャンバ内
の圧力を０．３Ｐａの圧力で一定になるように調整す
る。

【００３１】（２） ＲＦ電源７によりシュラウドに一
例として、ＲＦ０．５Ｗ／ｃｍ²の電力を供給し、真空
チャンバ２内にプラズマＰを生成させる。プラズマＰが
発生した状態を４８時間維持し、シュラウド３の壁面上
の吸着物質除去を行なう。その後、ＲＦ電力の供給およ
びＡｒガスの供給を停止することにより、真空チャンバ
２内のプラズマＰを消滅させる。

【００３２】（３） 真空排気工程に入り、１×１０^-7
Ｐａの真空度に達した時点で２４時間のベーキング工程
を行なう。ベーキング工程における真空チャンバ２内の
温度は、真空チャンバ２の表面が２００℃になるように
調節する。２００℃の高温状態を２４時間にわたって維
持した後、真空チャンバ２の加熱を停止し、室温まで自
然冷却させる。

【００３３】上記工程中の真空チャンバ２内の真空度を
真空計５により経時的に測定した。図２に本実験結果で
ある真空チャンバ２内の真空度の経時変化を実線により
示す。また、比較のため、プラズマＰによるシュラウド
３のクリーニングを行なわず、従来の手作業による方法
を用いてメンテナンスを行なった場合の真空度の変化を
図２の破線により示す。この場合のベーキング時間は４
８時間としたが、これは手作業でメンテナンス作業を行
なう場合は大気開放を行なうため、所望の真空度を得る
にはより長いベーキング時間を必要とするからである。

【００３４】図２の実線に示した結果により、本実施の
形態のプラズマによる吸着物質除去をシュラウドに対し
て行なった場合には、ベーキング工程を２４時間にわた
って行なった後、約２４時間経過後に、１×１０^-8Ｐａ
の真空度に達し、メンテナンスとして約１２２時間を要
することとなった。

【００３５】一方、プラズマＰを生成させることなく、
作業員によるシュラウドのメンテナンス作業をおよそ５
日間行なった後、４８時間にわたってベーキング工程を
行なった場合は、図２の破線で示すように１×１０^-8Ｐ
ａの真空度を得るのに約２０２時間を要することとなっ
た。

【００３６】この結果、１０^-8Ｐａ台の超真空領域の真
空度を得るためには、プラズマ処理を行なわずに手作業
によるメンテナンスを行なった場合には、プラズマ処理
を行なった場合に比べて８０時間（約３日間）余計に必
要となることがわかり、真空チャンバ２内で生成された
プラズマによるシュラウド３の表面の吸着物質の除去効
果としてメンテナンス時間の短縮が確認された。

【００３７】上記のような本実施の形態のＭＢＥ装置に
よれば、真空下で、真空チャンバ内にガス導入系からＡ
ｒなどのガスを導入する。そして、チャンバと絶縁され
たシュラウドにＲＦまたは、ＤＣ電力を供給しシュラウ
ドとチャンバとを電極としてプラズマを発生させる。発
生したプラズマ内のイオンによって、シュラウドの壁面
をスパッタすることにより、付着した物質を除去する。
これにより、新しく部品をチャンバに導入することな
く、反応性ガス種も使わないためにガス種の検討また新
たな除外装置の設置などの手間を省くことができる。

【００３８】なお、今回開示された実施の形態はすべて
の点で例示であって制限的なものではないと考えられる
べきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許
請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意
味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図
される。

【００３９】

【発明の効果】本発明の分子線エピタキシー装置によれ
ば、シュラウドのメンテナンスを行なう際に、真空チャ
ンバ内とシュラウドとを電極としてプラズマを発生さ
せ、シュラウドの表面に存在する付着物質を逆スパッタ
により除去することができるため、シュラウドのクリー
ニングならびに真空排気にかかる時間を短縮することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態のシュラウドのメンテナンス時
間短縮方法を説明するための真空チャンバを備えたＭＢ
Ｅ装置の概略構成図である。

【図２】 従来の手作業によるメンテナンスを行なった
場合と本実施の形態によるシュラウドのメンテナンスを
適用した場合との、チャンバ内の真空度の経時変化の比
較を示すための図である。

【符号の説明】

１ ＭＢＥ装置、２ 真空チャンバ、３ シュラウド、
４ ガス導入系、５真空計、６ 絶縁材料、７ ＲＦ電
源、８ マッチングボックス、９ Ａｒガスボンベ、１
０ 金属配管、１１ レギュレータ、１２ 流量計、１
３ バルブ、１４ 液体窒素導入ライン、１５ 排気
系。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シュラウドを内装可能な真空チャンバ
   と、 前記シュラウドに電力を供給する電力供給手段と、 前記真空チャンバ内にプロセスガスを導入するプロセス
   ガス導入手段と、 前記シュラウドを前記真空チャンバから絶縁する絶縁手
   段とを備え、 前記真空チャンバ内を真空にした状態で、前記電力供給
   手段から前記シュラウドに電力を供給することにより、
   前記真空チャンバと前記シュラウドとの間で前記プロセ
   スガスのプラズマを生成し、該生成されたプラズマを用
   いて前記シュラウドの表面に付着した物質を除去する機
   能を備えている、分子線エピタキシー装置。
2. 【請求項２】 前記真空チャンバ内に導入するプロセス
   ガスが、Ａｒ、Ｎ₂、Ｈｅ、Ｈ₂、Ｏ₂、Ｘｅ、Ｎｅ、お
   よび、Ｋｒからなる物質を含む群より選ばれた１種のガ
   スまたは２種以上の混合ガスである、請求項１に記載の
   分子線エピタキシー装置。
3. 【請求項３】 前記電力供給手段として前記シュラウド
   に供給する供給電力が、高周波電力、直流電力、また
   は、直流電力と高周波電力とを重畳した電力である、請
   求項１または請求項２に記載の分子線エピタキシー装
   置。
4. 【請求項４】 シュラウドを内装可能な真空チャンバ
   と、前記シュラウドに電力を供給する電力供給手段と、
   前記真空チャンバ内にプロセスガスを導入するプロセス
   ガス導入手段とを備えた分子線エピタキシー装置のメン
   テナンス方法であって、 前記真空チャンバ内を真空状態にした状態で、前記電力
   供給手段により前記シュラウドに電力を供給することに
   より、前記真空チャンバと前記シュラウドとの間で前記
   プロセスガスのプラズマを生成して、該生成されたプラ
   ズマを用いて前記シュラウドの表面に付着した物質を除
   去する、分子線エピタキシー装置のメンテナンス方法。