JP2612467B2 - 異種構造薄膜同時成長装置 - Google Patents

異種構造薄膜同時成長装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、異種構造薄膜同時成長装置に関し、詳しく
は、分子線エピタキシ装置や真空蒸着装置、スパッタリ
ング装置などの装置として、特に複数の異なる構成材料
による薄膜の積層構造を同時に作製することが可能な異
種構造薄膜同時成長装置に関するものである。
〔発明の概要〕
本発明は、分子線エピタキシ装置になどよる異種構造
薄膜成長装置において、成長用基板の回転と同期して回
転する回転シャッターを分子線源と基板との間に設ける
ことにより、同一の成長条件下で異なる構造の薄膜結晶
または薄膜状の固体を同時に成長させることができるよ
うにしたものである。
なお、この概要は、あくまでも本発明の技術的内容に
迅速にアクセスするためにのみ供されるものであって、
本発明の技術的範囲および権利解釈に対しては何の影響
も及ぼさないものである。
〔従来の技術〕
極めて微薄な積層構造を作製する装置として従来から
知られているものに分子線エピタキシ装置がある。本装
置は、第7図に示すように、超高真空容器1中で成長用
基板ホルダー2に貼りつけられた成長用基板3に向けて
半導体等の原料A,B,C…を分子線として原料セル4A,4B,4
C…から放射させ、これら分子線の流れを原料セルシャ
ッタ5A,5B,5C…により制御することで成長用基板3上に
任意の積層構造を作るように構成されている。
ところで、上述の装置では原料セル4A,4B,4C…の取り
付け角度や、各原料セル4A,4B,4C…内の原料A,B,Cの残
量のいかん等により原料セルから放射される原料の流れ
の指向性が微妙に変化する。そこで、成長用基板3の全
面にわたって膜厚、組成が均一な構造の積層が得られる
ようにするために、成長用基板ホルダー2を回転させな
がら成長を進行させるようにしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上述したような従来の薄膜成長装置で
は1度の成長過程で1種類の構造しか作れないために、
以下に述べるような問題点がある。すなわち、その第1
の点は後述する第1実施例の場合のように、部分的に構
造の異なる材料によってn種類の積層体を形成する場
合、成長過程をn回繰返さねばならず、時間や原料がn
倍かかる。その第2の点は、部分的に構造が異なる材料
間での特性の比較を行う場合、成長条件(成長時の基板
温度,原料供給量,背景真空度,残留不純物ガス等)を
完全に同一にすることが困難なため、何度か成長過程を
繰返して実施し、その再現性を確認する必要がある。そ
のため第1の点に加えてさらに時間的,経済的損失が増
す。
そこで、上述の問題点を解決する1つの手段として、
第8図に示すように成長用基板3の直前に基板3の一部
をしゃ蔽する基板マスク6を設け、この基板マスク6を
基板ホルダー2上に固定させるようにすることが考えら
れる。このようにすると、原料Aの流れ7は基板3の全
面に到達するが、原料Bの流れ8は基板マスク7でしゃ
蔽されている部分には到達せず、1度の成長過程で異な
る構造を作ることができる。しかし、第8図に示すよう
な構成では基板ホルダー2を回転させることができず、
前述した均一性が悪くなることから実用に供することが
むずかしい。
本発明の目的は、上述した従来の問題点の解決を図
り、成長条件が本質的に同一である一度の成長過程にお
いて成長材料の均一性を維持しながら部分的に異なる構
造の積層材料を複数個成長させることが可能な異種構造
薄膜成長装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
かかる目的を達成するために、本発明は、薄膜形成用
原料を個々に分子線として放射する複数のセルと、複数
の成長用基板を保持して回転する基板ホルダーと、基板
ホルダーと複数のセルのうちの少なくとも1つとの間に
配設され、基板ホルダーに同期して回転し、複数のセル
のうちの少なくとも1つと複数の成長用基板のうちの1
つとの間をしゃ蔽可能な回転シャッタと、複数のセルの
個々と基板ホルダーに保持される複数の成長用基板との
間のしゃ蔽が可能な固定シャッタとを具え、回転シャッ
タおよび固定シャッタの開閉操作により複数の成長用基
板上に形成される薄膜の構造を互いに異ならせることが
可能なようにしたことを特徴とするものである。
〔作 用〕
本発明によれば、基板ホルダーにより複数の成長用基
板を保持させた状態で回転させながら、回転シャッタと
固定シャッタとの開閉を適切に行うことにより、複数の
セルから放射される原料の分子線を成長用基板の全てに
到達させたり、成長用基板のいずれかには到達させなか
ったりすることができ、それによって複数の成長用基板
上に異なる組成や厚さの異なる薄膜を同一の成長条件の
下で同時に成長させることができ、このような過程を繰
返すことによって全体的に構造の異なる積層薄膜の作製
を同時に実施することができる。
〔実施例〕
以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具
体的に説明する。
第1図は本発明の第1実施例を示す。ここで、20は成
長用基板ホルダーであるが、本例のホルダー20では複数
の成長用基板、本例の場合2枚の成長用基板31および32
を異なる位置に保持可能なように構成されており、これ
らの基板31および32を保持した状態で真空容器1中を回
転する。60は原料セル4Aと成長用基板ホルダー20との間
に設けられ、成長用基板ホルダー20と同期して回転する
回転シャッタである。このシャッタの構造はシャッタ部
61の部分で原料Aの流れを阻止し、その影の部分には原
料Aは到達しない。この回転シャッタは基板ホルダー20
と同じ速度で回転するが、回転を少し早めて、成長用基
板32に原料Aが到達するようにもできるし、第1図のよ
うに成長用基板32に原料Aが到達しないようにすること
もできる。すなわち、基板ホルダー20が回転していても
成長用基板31に原料Aが到達するのを常にさえぎること
はないが、成長用基板32に対してはさえぎることもでき
るし、透過させることも可能なようにしてある。回転シ
ャッタのこのような機能は回転の駆動にパルスモータを
採用することによって容易に達成することができる。
なお成長用基板32に向けての原料Aの流れを開閉する
ためには回転シャッタ60の中に開閉自在のシャッタ部61
をそれ以外の部分は原料Aの流れを妨げないように組み
込むことによって行うこともできる。
このように構成した異種構造薄膜成長装置において
は、例えば固定シャッタ5A,5Bおよび5Cをいずれも開放
状態に保ち、かつ、回転シャッタ60のシャッタ部61を閉
状態に保つことにより成長用基板31上には原料A,Bおよ
びCによる混合層を形成し、成長用基板32上には原料B
およびCのみによる混合層を形成することができる。
そこで、第1の実施例として基板31上には原料A,Bお
よびCによる混合層(A+B+C)を形成し、その上に
第2層として同様に(A+B)の混合層を、第3層に
(A+B+C)の混合層、更にその上に(A+B)の混
合層を以下順次に積層すると同時に、基板32上には混合
層(A+B+C)と原料Bによる層(B)とを同様にし
て交互に積層する場合を第2図に参照して説明する。
この場合、シャッタ5A,5Bおよび5Cを第2図の
(A),(B)および(C)の状態に保ち、また、回転
シャッタ60を基板31、32に対して(D)および(E)の
ような状態に保つことにより、第1層形成時T1では基板
31および32の双方に(A+B+C)の混合層を、また第
2層形成時T2では基板31に(A+B)の混合層と同時に
基板32に(B)のみの層を形成することができ、同様に
して第3層形成時T3以下で第1層および第2層に対応し
た層を基板31および32上に繰返し形成していくことがで
きる。
そこで、例えば、III−V族半導体GaAsおよびAlGaAs
の2つの薄膜結晶に不純物としてSiを厚み方向において
それぞれ異なる濃度分布でドーピング(添加)しながら
結晶成長させる場合を上記の実施例にあてはめてみるこ
ととする。なおこの場合、原料AがSi、原料BがGa,原
料CがAlであり、更に不図示の同様手段でAsが他の原料
として供給されているものとする。
そうすると、基板31上には第1層の(A+B+C)と
してSiドープAlGaAsが、第2層の(A+B)としてSiド
ープGaAsが、更にまた第3層の(A+B+C)としてSi
ドープAlGaAsが、以下順次に形成されていく。また、同
時に基板32上には第1層としてSiドープAlGaAs,第2層
としてノンドープGaAs,第3層としてSiドープAlGaAs
が、以下順次形成され、かくしてGaAs層としてSiがドー
プされた結晶とドープされない結晶とを他の成長条件を
同一に保ったまま別の基板上に得ることができる。第3
図は、このようにして成長用基板31および32上に積層形
成された各層の断面(ロ)および(イ)をそれぞれ示
す。
第4図は本発明の第2実施例としてのシャッタ操作タ
イミングを示す。本例はシャッタ5Aを(A)で示すよう
に開放のままに保ち、基板32に対しては(B)に示すよ
うなタイミングで回転シャッタ60を閉成することによ
り、第5図の(A)と(B)とで示すように基板32と31
とでそのエピタキシによる薄膜層の厚さを異ならせ、閉
成が行われる基板32の側の層を他方の基板31の側の層よ
り薄くすることができる。
第6図は本発明の第3実施例として複数枚の成長用基
板31,32,33,…上にそれぞれ厚さおよび構造の異なる薄
膜層を形成した場合を示す。すなわち、本例は、第1実
施例と第2実施例との組合わせによるタイミングでその
(A)に示すように成長用基板32上には層形成の原料が
A→B→A→B→…と云った構造を、また、基板31上に
は(B)に示すように原料Aのみの構造を、また基板33
上には(C)に示すように原料Bのみの構造をしかも、
層の厚さを変えて一度に形成する場合の例を示す。
なお、以上に述べたようなエピタキシ等による構造は
半導体等の材料開発のための基礎評価にとって不可欠の
ものであり、それだけに貢献度が高いばかりでなく、本
発明では複数の成長用基板上に薄膜層の同時成長を行う
ものであるので、極めて精度の高い材料サンプリングや
特性評価に役立つことができる。
また、以上の説明では1つの原料セルと基板ホルダー
との間に回転シャッタを設けたが、複数の原料セルと基
板ホルダーとの間にそれぞれ互いに独立して基板ホルダ
ーと同期して回転する回転シャッタを設けることができ
るのはいうまでもなく、それによって、より一層複雑に
構造の異なる層を同時成長させることができる。
〔発明の効果〕
以上説明してきたように、本発明によれば、基板ホル
ダーにより複数の成長用基板を回転させながら保持さ
せ、しかも、回転シャッタと固定シャッタとの開閉によ
り複数の成長用基板に複数のセルから供給する原料の分
子線を制御することにより、薄膜成長を各成長用基板に
対して同時に行わせるようにしたので、成長条件を本質
的に同一に保つことができることから構造の違いのみに
よる材料特性を比較することができ、また、複数種類の
原料による構成を同時成長で実施することにより従来に
比して時間および経済性を少なくとも複数分の1に短縮
することができ、更に前段に述べた効果との相乗作用に
よる経済的効果もまた大きい。
よって本発明は、研究開発および多品種少量生産型の
電子素子用ならびに光学素子用の薄膜形成装置として好
適であり、特に上述したような超格子や量子井戸などで
の極薄膜を生成する場合は成長速度が遅いので1回での
成長にかなりの時間を要するが、本発明を適用すること
によりその経済性を著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明異種構造薄膜成長装置の一例を模式的に
示す構成図、 第2図は第1図に示す装置を用いて、組成の異なる構造
の薄膜を同時成長させるときの第1実施例におけるシャ
ッタ動作のタイミングチャート、 第3図は第1実施例によって得られた2種類の構造を有
する積層膜の断面図、 第4図は第2実施例におけるシャッタ動作のタイミング
チャート、 第5図は第2実施例によって得られた厚さの異なる積層
膜の断面図、 第6図は第3の実施例として組成および膜厚の双方が異
なる構造の薄膜を同時成長させた場合の一例を示す積層
膜の断面図、 第7図は従来の分子線薄膜成長装置の一例を模式的に示
す構成図、 第8図は従来の異種構造薄膜成長装置の模式的な構成図
である。 1……超高真空容器、 4A〜4C……原料セル、 5A〜5C……固定シャッタ、 20……成長用基板ホルダー、 31,32,33……成長用基板、 60……回転シャッタ、 61……シャッタ部。
フロントページの続き (72)発明者 鈴木 健夫 東京都世田谷区砧1丁目10番11号 日本 放送協会放送技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−161958(JP,A) 特開 昭62−265714(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】薄膜形成用原料を個々に分子線として放射
    する複数のセルと、 複数の成長用基板を保持して回転する基板ホルダーと、 該基板ホルダーと前記複数のセルのうちの少なくとも1
    つとの間に配設され、前記基板ホルダーに同期して回転
    し、前記複数のセルのうちの少なくとも1つと前記複数
    の成長用基板のうちの1つとの間をしゃ蔽可能な回転シ
    ャッタと、 前記複数のセルの個々と前記基板ホルダーに保持される
    前記複数の成長用基板との間のしゃ蔽が可能な固定シャ
    ッタと を具え、前記回転シャッタおよび前記固定シャッタの開
    閉操作により前記複数の成長用基板上に形成される薄膜
    の構造を互いに異ならせることが可能なようにしたこと
    を特徴とする異種構造薄膜同時成長装置。
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