JP2773772B2 - Crystal growth equipment - Google Patents

Crystal growth equipment

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JP2773772B2
JP2773772B2 JP1041231A JP4123189A JP2773772B2 JP 2773772 B2 JP2773772 B2 JP 2773772B2 JP 1041231 A JP1041231 A JP 1041231A JP 4123189 A JP4123189 A JP 4123189A JP 2773772 B2 JP2773772 B2 JP 2773772B2
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【発明の詳細な説明】 [概要] 結晶成長室に原料ガスを供給するガス配管およびガス
供給セルの構成に新規な改良を行ったガスソース結晶成
長装置に関し、 ある成分の原料ガスを遮断した場合、結晶成長装置内
の残留ガスが結晶成長に与える問題を低減できるガスソ
ース結晶成長装置を提供することを目的とし、 低圧雰囲気中でガスソースから結晶を成長させるため
のガスソース結晶成長装置において、第1の真空排気系
に接続されて低圧雰囲気中で基板上に結晶を成長させる
ため、基板を載置するための基板ホルダを収容する気密
な結晶成長室と、結晶成長用原料ガスを前記基板ホルダ
に向けて供給するため、前記結晶成長室内に配置された
ガス供給セルと、前記ガス供給セルをガス源に制御可能
に接続するため、第1のバルブを備えて前記ガス供給セ
ルに接続されたガス導入路と、前記ガス供給セルを第2
の真空排気系に制御可能に接続するため、第2のバルブ
を備えて前記ガス供給セルに接続されたガス排出路とを
有するように構成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] The present invention relates to a gas source crystal growth apparatus in which the configuration of a gas pipe and a gas supply cell for supplying a source gas to a crystal growth chamber is newly improved. In order to provide a gas source crystal growth apparatus capable of reducing the problem of the residual gas in the crystal growth apparatus affecting crystal growth, a gas source crystal growth apparatus for growing a crystal from a gas source in a low-pressure atmosphere, An airtight crystal growth chamber for accommodating a substrate holder on which a substrate is mounted for growing a crystal on the substrate in a low-pressure atmosphere connected to a first evacuation system; A gas supply cell disposed in the crystal growth chamber for supplying toward the holder, and a first valve for controllably connecting the gas supply cell to a gas source. A gas introduction path connected to the gas supply cell;
In order to controllably connect to the vacuum evacuation system, a second valve is provided and a gas discharge path connected to the gas supply cell is provided.

[産業上の利用分野] 本発明はガスソース結晶成長装置に関し、特に結晶成
長室に原料ガスを供給するガス配管およびガス供給セル
の構成に新規な改良を行ったガスソース結晶成長装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas source crystal growth apparatus, and more particularly to a gas source crystal growth apparatus in which the configurations of a gas pipe for supplying a source gas to a crystal growth chamber and a gas supply cell are newly improved.

結晶基板に沿って半導体膜をエピタキシャル成長する
エピタキシャル結晶成長法は半導体構造の基礎技術であ
り、その1つとして低圧雰囲気中でガスソースから結晶
を成長させるガスソース結晶成長法がある。その注目技
術として、最近ガスソース分子線エピタキシが開発され
ている。
The epitaxial crystal growth method for epitaxially growing a semiconductor film along a crystal substrate is a basic technique of a semiconductor structure, and one of them is a gas source crystal growth method for growing a crystal from a gas source in a low-pressure atmosphere. Recently, gas-source molecular beam epitaxy has been developed as a notable technology.

このガスソース分子線エピタキシは、化合物ガスを超
高真空の結晶成長室に導入し、結晶成長層を形成する。
しかし、ガス流の制御によって成長層の成分や厚さを正
確に制御することは難しい。特にヘテロ接合構造やpn接
合構造のような界面構造を形成する場合、急峻な組成変
化が要望される。
In this gas source molecular beam epitaxy, a compound gas is introduced into an ultrahigh vacuum crystal growth chamber to form a crystal growth layer.
However, it is difficult to accurately control the composition and thickness of the growth layer by controlling the gas flow. In particular, when forming an interface structure such as a hetero junction structure or a pn junction structure, a steep composition change is required.

[従来の技術] ガスソース分子線エピタキシ法は、従来の分子線エピ
タキシ(MBE)法における金属等の固体ソースに代って
ガスソースを用いるものである。例えば、ガリウム砒素
(GaAs)層やアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層を
成長する場合、III族元素材料としてトリエチルガリウ
ム(TEG;Ga(C2H5)、トリエチルアルミニウム(TE
A;Al(C2H5)等の有機金属ガスを用い、V族元素材
料としてアルシン(AsH3)等の水素化物ガスが用いられ
る。
[Prior Art] The gas source molecular beam epitaxy uses a gas source instead of a solid source such as a metal in the conventional molecular beam epitaxy (MBE). For example, when growing a gallium arsenide (GaAs) layer or an aluminum gallium arsenide (AlGaAs) layer, triethyl gallium (TEG; Ga (C 2 H 5 ) 3 ), triethyl aluminum (TE
A: An organic metal gas such as Al (C 2 H 5 ) 3 ) is used, and a hydride gas such as arsine (AsH 3 ) is used as a group V element material.

このガスソース分子線結晶成長法は、従来のMBE法よ
りも表面欠陥が低減できること、速い成分速度が容易に
得られることなどの利点がある。さらに、成長容器内の
清浄な超高真空雰囲気を破ることなくソースの交換がで
きて、工業生産上大きな利点があるとされている。
The gas source molecular beam crystal growth method has advantages over the conventional MBE method in that surface defects can be reduced and a high component velocity can be easily obtained. Further, it is said that the source can be replaced without breaking the clean ultra-high vacuum atmosphere in the growth vessel, which has a great advantage in industrial production.

第2図(A)、(B)、(C)はそのガスソース分子
線結晶成長を行う従来の結晶成長装置を示している。結
晶成長装置全体を示す第2図(A)において、参照番号
51は結晶成長室、52は基板(被成長基板ないしウェー
ハ)、53は基板52を支持するための基板ホルダ、54は基
板加熱用のヒータ、55は分子線源セル、56は分子線源セ
ルに供給する原料ガスをオンオフ制御するためのバル
ブ、57はガス吸着用の液体窒素シュラウド、58は真空排
気系から結晶成長室51を遮断するためのゲートバルブで
ある。図示のように、基板52は基板ホルダ53に保持さ
れ、ヒータ54で加熱されて所定の基板温度に設定され
る。例えば、基板52がGaAs基板の場合に400〜700℃に加
熱される。ここで、分子線源セルは複数個がウェーハ52
に対向して配置されている。
2 (A), 2 (B) and 2 (C) show a conventional crystal growth apparatus for performing the gas source molecular beam crystal growth. In FIG. 2A showing the entire crystal growth apparatus, reference numerals are used.
51 is a crystal growth chamber, 52 is a substrate (substrate to be grown or wafer), 53 is a substrate holder for supporting the substrate 52, 54 is a heater for heating the substrate, 55 is a molecular beam source cell, 56 is a molecular beam source cell A reference numeral 57 denotes a liquid nitrogen shroud for adsorbing gas, and a reference numeral 58 denotes a gate valve for shutting off the crystal growth chamber 51 from a vacuum exhaust system. As shown, the substrate 52 is held by a substrate holder 53 and heated by a heater 54 to set a predetermined substrate temperature. For example, when the substrate 52 is a GaAs substrate, it is heated to 400 to 700 ° C. Here, a plurality of molecular beam source cells
Are arranged to face each other.

第2図(B)、(C)は従来の分子線源セルの断面図
を示し、(B)は低温分解ガス用の低温用セルであり、
(C)は高温分解ガス用の高温用セルである。
2 (B) and 2 (C) are cross-sectional views of a conventional molecular beam source cell, and FIG. 2 (B) is a low-temperature cell for low-temperature decomposition gas,
(C) is a high-temperature cell for high-temperature decomposition gas.

第2図(B)、(C)中、61はガス導入管、62はヒー
タ、63は結晶成長室51の真空フランジ、64はヒータ62の
周囲の熱遮蔽版、65は焼結窒化硼素(PBN)板である。
2 (B) and 2 (C), 61 is a gas introduction pipe, 62 is a heater, 63 is a vacuum flange of the crystal growth chamber 51, 64 is a heat shield around the heater 62, 65 is sintered boron nitride ( PBN) plate.

第2図(B)に示す低温分解ガス用分子線源セルは、
III族原料ガスである分解しやすいトリエチルガリウム
(TEG)やトリエチルアルミニウム(TEA)等の有機金属
ガス等に用いられ、セル内はガス分子が凝縮しない程度
の50〜60℃に加熱されている。出口のPBN板65の開口か
らガス分子を放射する。
The molecular beam source cell for low-temperature decomposition gas shown in FIG.
It is used for an organic metal gas such as triethylgallium (TEG) or triethylaluminum (TEA) that is easily decomposed, which is a group III source gas, and the inside of the cell is heated to 50 to 60 ° C. so that gas molecules do not condense. Gas molecules are emitted from the opening of the PBN plate 65 at the outlet.

第2図(C)に示す高温分解ガス用分子線源セルは、
たとえば、V族原料ガスであるアルシン(AsH3)等の金
属水素化物ガス等に用いられ、800〜900℃に加熱され
て、アルシンをAsとH2とに分解してAsを基板に向かって
放射する。
The molecular beam source cell for high-temperature decomposition gas shown in FIG.
For example, it is used for a metal hydride gas such as arsine (AsH 3 ), which is a group V source gas, and is heated to 800 to 900 ° C. to decompose arsine into As and H 2 and transfer As to the substrate. Radiate.

高温用セルでは出口部分にヒータ62とPBN板65とを密
に配置し、かつPBN板65の開口を互いにずらせて、ガス
を高温に加熱されたPBN板65に衝突させてガスを分解す
る熱クラッキング部66が設けられている。なお、低温分
解ガス用分子線源セルには熱クラッキング部66は設けら
れない。
In the high-temperature cell, the heater 62 and the PBN plate 65 are densely arranged at the outlet portion, and the openings of the PBN plate 65 are shifted from each other so that the gas collides with the PBN plate 65 heated at a high temperature to decompose the gas. A cracking section 66 is provided. The thermal cracking section 66 is not provided in the low-temperature decomposition gas molecular beam source cell.

これらの分子線源セルは、例えば、直径1/4インチ、
長さ約30cmの石英製チューブで形成され、セルの先端と
ウェーハ52との間隔が比較的短く構成されている。
These molecular beam source cells are, for example, 1/4 inch in diameter,
It is formed of a quartz tube having a length of about 30 cm, and the distance between the tip of the cell and the wafer 52 is relatively short.

上記のようなガスソース分子線エピタキシャル成長装
置を用いて、例えば、GaAs層やAlGaAs層を成長する場
合、GaソースとしてTEG、AlソースとしてTEA、Asソース
としてアルシンを用い、V族元素原料のアルシンは約90
0℃に加熱した高温用分子線源セル(第2図(C))か
ら放出し、III族元素原料のTEG、TEAは約50〜60℃の低
温用分子線源セル(第2図(B))から放出する。アル
シンは400〜700℃に加熱したGaAs基板上では分解されな
いため、予め分子線源セル内で加熱分解させて単体のAs
分子あるいはAs2分子として放射するのである。
When a GaAs layer or an AlGaAs layer is grown using the gas source molecular beam epitaxial growth apparatus as described above, for example, TEG is used as the Ga source, TEA is used as the Al source, and arsine is used as the As source. About 90
It is released from the high-temperature molecular beam source cell heated to 0 ° C. (FIG. 2 (C)), and the TEG and TEA, which are group III element raw materials, are cooled at a low temperature of about 50-60 ° C. (FIG. 2 (B) )). Since arsine is not decomposed on a GaAs substrate heated to 400 to 700 ° C, it is preliminarily heated and decomposed in a molecular beam source cell to produce single As.
It emits as a molecule or As 2 molecule.

一方、TEGやTEAは低い温度で熱分解できるから、分子
線源セル内では熱分解させない。分子線源セルの管壁に
原料ガスが付着しない程度(50〜60℃)にセルを加熱し
ている。ガスソースは加熱したGaAs基板上で分解して被
着する。
On the other hand, since TEG and TEA can be thermally decomposed at a low temperature, they are not thermally decomposed in the molecular beam source cell. The cell is heated to such an extent that the source gas does not adhere to the tube wall of the molecular beam source cell (50 to 60 ° C). The gas source is decomposed and deposited on the heated GaAs substrate.

例えば、AlGaAs/GaAsヘテロ構造を成長する場合、TEA
の分子線源セルのガス導入バルブ56を開閉することによ
り、Al組成をオンオフ制御してAlGaAs層とGaAs層の切り
替えを行う。
For example, when growing an AlGaAs / GaAs heterostructure, TEA
By opening and closing the gas introduction valve 56 of the molecular beam source cell, the Al composition is turned on and off to switch between the AlGaAs layer and the GaAs layer.

このようにして形成された半導体結晶はダブルヘテロ
(DH)レーザやHEMT等の半導体装置、半導体集積装置を
製造するために用いられる。
The semiconductor crystal thus formed is used for manufacturing a semiconductor device such as a double hetero (DH) laser or HEMT, or a semiconductor integrated device.

[発明が解決しようとする課題] 上述のように、ガス源から結晶成長室内のガス供給用
のセルまでのガス供給路にはバルブ56が備えられてお
り、ガス供給の遮断はバルブ56を閉じることで行ってい
た。
[Problem to be Solved by the Invention] As described above, the gas supply path from the gas source to the gas supply cell in the crystal growth chamber is provided with the valve 56, and shutting off the gas supply closes the valve 56. I was going by that.

しかし、バルブ56を閉じても、このバルブ56からの供
給口までの間には原料ガスが残留しており、この原料ガ
スはセルの供給口から放出されて基板52上に到達する。
基板52上には遮断した成分を含まない結晶層を成長しよ
うとしているのに、遮断した成分が入り込むことにな
る。急峻な分布を持つ接合を形成しようとしても徐々に
変化する分布しか得られないことにもなる。
However, even when the valve 56 is closed, the source gas remains between the valve 56 and the supply port, and the source gas is released from the cell supply port and reaches the substrate 52.
Although an attempt is made to grow a crystal layer that does not include the blocked components on the substrate 52, the blocked components enter. Even if an attempt is made to form a junction having a steep distribution, only a gradually changing distribution can be obtained.

また、集積回路装置において、基板上に均質な成長膜
が必要な場合、成長膜の均質性を低下させることにもな
る。
In addition, when a uniform growth film is required on the substrate in the integrated circuit device, the uniformity of the growth film is reduced.

分式線源セルの供給口上にシャッタを付けて残留ガス
の流出を防ぐ試みもされているが、セル内に残留ガスが
あることは変らず、シャッタとセルの間の隙間を通って
ガスが放出され基板に到達する。ガスの単位時間当りの
流出量は減っても、なくなるまでの時間はかえって増加
する。このようにシャッタは完全な対策とはなっていな
い。特にドーパントとして、例えばSiH4やSi2H6等のガ
スを用いる場合、この残留ドーパントガスが問題となっ
てくる。
Attempts have been made to prevent leakage of residual gas by installing a shutter on the supply port of the split source cell.However, there is still the presence of residual gas in the cell, and gas flows through the gap between the shutter and the cell. Released and reach the substrate. Although the amount of outflow of gas per unit time decreases, the time until it disappears increases. Thus, the shutter is not a complete measure. In particular, when a gas such as SiH 4 or Si 2 H 6 is used as a dopant, the residual dopant gas poses a problem.

本発明はの目的は、ある成分の原料ガスを遮断した場
合、結晶成長装置内の残留ガスが結晶成長に与える問題
を低減できるガスソース結晶成長装置を提供することで
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gas source crystal growth apparatus capable of reducing a problem that a residual gas in a crystal growth apparatus gives to crystal growth when a source gas of a certain component is shut off.

本発明の他の目的は、ある成分の原料ガスを遮断した
場合、結晶成長装置内の残留ガスが自動的に排出される
ガスソース結晶成長装置を提供することである。
It is another object of the present invention to provide a gas source crystal growing apparatus in which a residual gas in a crystal growing apparatus is automatically discharged when a raw material gas of a certain component is shut off.

これらのガスソース結晶成長装置によって、急峻な分
布を有するヘテロ接合やpn接合の界面を形成する。
With these gas source crystal growth apparatuses, an interface of a hetero junction or a pn junction having a steep distribution is formed.

[課題を解決するための手段] 上述の目的は、ガス供給セルを排気系と接続するた
め、バルブを備えたガス排出路をガス供給セルに接続し
たガスソース結晶成長装置によって達成される。
[Means for Solving the Problems] The above-mentioned object is achieved by a gas source crystal growth apparatus in which a gas discharge path provided with a valve is connected to a gas supply cell in order to connect the gas supply cell to an exhaust system.

また、自動的に残留ガスを排出するには、ガス導入路
のバルブとガス排出路のバルブを同期して制御する制御
系を設ければ良い。
In order to automatically discharge the residual gas, a control system for synchronizing and controlling the valve of the gas introduction path and the valve of the gas discharge path may be provided.

第1図に本発明の原理説明図を示す。結晶成長室1は
基板2を支持する基板ホルダ3を収容し、第1の真空排
気系4に接続された気密容器である。結晶成長室1内に
ガス供給セル5が基板2と対向するように配置されてい
る。このガス供給セル5は、第1のバルブ6を有するガ
ス導入路8によってガス源7に接続される一方、第2の
バルブ9を有するガス排出路11によって第2の真空排出
系10に接続されている。第1の真空排気系と第2の真空
排気系は同ものであってもよい。また、ガス導入路8と
ガス排出路11とはバルブ6、9とガス供給セル5との間
の構造が一部共通であってもよい。
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. The crystal growth chamber 1 is an airtight container that houses a substrate holder 3 that supports a substrate 2 and is connected to a first evacuation system 4. A gas supply cell 5 is arranged in the crystal growth chamber 1 so as to face the substrate 2. The gas supply cell 5 is connected to a gas source 7 by a gas introduction path 8 having a first valve 6, and is connected to a second vacuum discharge system 10 by a gas discharge path 11 having a second valve 9. ing. The first evacuation system and the second evacuation system may be the same. Further, the structure between the valves 6, 9 and the gas supply cell 5 may be partially common between the gas introduction path 8 and the gas discharge path 11.

第1のバルブ6を閉じるとき、第2のバルブ9が同期
して開くように制御系12をさらに設けてもよい。
When closing the first valve 6, a control system 12 may be further provided so that the second valve 9 opens synchronously.

[作用] 従来、ガス導入路8の第1のバルブ6を閉じると、そ
の時第1のバルブ6とガス供給セル5の出口との間に存
在するガスは、ガス供給セル5の出口から出ていくしか
なかった。ガス供給セル5の出口と第1の真空排気系4
を結ぶガス流の経路上に基板2が存在するので、ガス分
子が基板2上に体積することは避け難かった。本発明の
ガスソース結晶成長装置によれば、ガス供給セル5を第
2の真空排気系10に接続するガス排出路11があるので、
このバルブ9を開ければ、ガス供給セル5ないしガス導
入路8の第1のバルブ6よりセル5側の部分に残留した
ガスを第2の真空排気系に排出することができる。この
ため、残留ガスの排出が速くなる。また、ガス供給セル
5の出口から基板2の方向に向かうガス分子を著しく減
少させることができる。このようにして基板2上に到達
する残留ガスを量的、時間的に減少させることができ、
急峻な分布を持つ界面を実現することができる。
[Operation] Conventionally, when the first valve 6 of the gas introduction path 8 is closed, the gas present between the first valve 6 and the outlet of the gas supply cell 5 at that time exits from the outlet of the gas supply cell 5. I had no choice. Outlet of gas supply cell 5 and first evacuation system 4
Since the substrate 2 exists on the path of the gas flow connecting the two, it is difficult to avoid that gas molecules are deposited on the substrate 2. According to the gas source crystal growth apparatus of the present invention, since there is the gas discharge path 11 connecting the gas supply cell 5 to the second evacuation system 10,
If this valve 9 is opened, the gas remaining in the portion of the gas supply cell 5 or the gas introduction path 8 closer to the cell 5 than the first valve 6 can be exhausted to the second evacuation system. For this reason, the discharge of the residual gas becomes faster. Further, gas molecules traveling from the outlet of the gas supply cell 5 toward the substrate 2 can be significantly reduced. In this way, the residual gas reaching the substrate 2 can be reduced quantitatively and temporally,
An interface having a steep distribution can be realized.

さらに、ガス導入路8の第1のバルブ6とガス排出路
11の第2のバルブ9を同期して制御する制御系を設ける
ことにより、ガス供給を遮断すると自動的に残留ガスを
排出するようにすることができる。
Further, the first valve 6 of the gas introduction path 8 and the gas discharge path
By providing a control system that controls the second valve 9 in a synchronized manner, the residual gas can be automatically discharged when the gas supply is cut off.

[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第3図(A)、(B)、(C)は本発明の1実施例に
よるガスソース分子線結晶成長装置を示し、(A)は結
晶成長装置の要部全体、(B)、(C)は(A)の装置
に用いる低温用セルと高温用セルを示す。
3 (A), 3 (B), and 3 (C) show a gas source molecular beam crystal growth apparatus according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 (A) shows the entire main part of the crystal growth apparatus, and FIGS. ) Shows a low-temperature cell and a high-temperature cell used in the apparatus (A).

結晶成長室1はゲートバルブ18によって真空排気系に
接続された気密容器で形成され、その内部に基板2を載
置する基板ホルダ3と、基板2を加熱するためのタンタ
ル線等のヒータ14を収容し、さらにガス分子を吸着して
反射を防ぐ液体窒素冷却のシュラウドを内壁上に備えて
いる。図示の装置では結晶成長室1内に4つの分子線源
を構成するガス供給セル5が設けられている。この数は
必要に応じて増減できる。各ガス供給セル5には、第1
のバルブ6を備えたガス導入路8と第2のバルブ9を備
えたガス排出路11とが接続されている。
The crystal growth chamber 1 is formed of an airtight container connected to a vacuum evacuation system by a gate valve 18, and includes therein a substrate holder 3 on which a substrate 2 is mounted and a heater 14 such as a tantalum wire for heating the substrate 2. A liquid nitrogen-cooled shroud that accommodates and absorbs gas molecules to prevent reflection is provided on the inner wall. In the illustrated apparatus, a gas supply cell 5 constituting four molecular beam sources is provided in a crystal growth chamber 1. This number can be increased or decreased as needed. Each gas supply cell 5 has a first
The gas introduction path 8 having the valve 6 and the gas discharge path 11 having the second valve 9 are connected.

第3図(B)、(C)は(A)に示す結晶成長装置の
ガス供給セルと配管部の2つの構造を示す。
FIGS. 3B and 3C show two structures of a gas supply cell and a piping section of the crystal growth apparatus shown in FIG.

ガス導入管8の第1のバルブ6よりガス供給セル5側
に、第2のバルブ9を備えたガス排出管11が設けてあ
り、このガス排出管11は専用のターボ分子ポンプで排気
されている。ガス供給セル5は、開口を有する焼結窒化
硼素(PBN)板25で出口を画定された空間であり、タン
タル線等のヒータ22で加熱されている。ヒータ22の外側
には熱遮蔽板24が配置され、外部に熱が放射されるのを
防止する。23は結晶成長室1の壁となる真空フランジで
ある。第3図(C)の高温用セルでは出口付近に開口の
位置をずらせた複数のPBN板25を配置し、これらのPBN板
を密に巻いたヒータ22が加熱する。ガス分子は何度かPB
N板25に衝突して基板2に向かうことになる。衝突の
際、PBN板25から熱を受けとるのでガス分子は高温で分
解することになる。
A gas discharge pipe 11 provided with a second valve 9 is provided on the gas supply pipe 5 side of the gas introduction pipe 8 from the first valve 6. The gas discharge pipe 11 is evacuated by a dedicated turbo molecular pump. I have. The gas supply cell 5 is a space whose outlet is defined by a sintered boron nitride (PBN) plate 25 having an opening, and is heated by a heater 22 such as a tantalum wire. A heat shield plate 24 is arranged outside the heater 22 to prevent heat from being radiated to the outside. Reference numeral 23 denotes a vacuum flange serving as a wall of the crystal growth chamber 1. In the high-temperature cell shown in FIG. 3 (C), a plurality of PBN plates 25 whose openings are shifted near the outlet are arranged, and a heater 22 in which these PBN plates are densely wound is heated. Gas molecule is PB several times
It will collide with the N plate 25 and head toward the substrate 2. At the time of collision, heat is received from the PBN plate 25, so that gas molecules are decomposed at a high temperature.

III−V族化合物半導体の成長においては、例えばIII
族元素の原料ガスとしては、TEGやTEAのような有機金属
ガスを用い、V族元素の原料ガスとしては、アルシン、
ホスフィン等の水素化物を用いる。一般に有機金属ガス
は分解しやすいので第3図(B)の低温用セルで供給
し、水素化物は分解しにくいので第3図(C)の高温用
セルで高温に加熱して分解した後基板に供給する。
In the growth of III-V compound semiconductors, for example, III
An organic metal gas such as TEG or TEA is used as a source gas for the group V element, and arsine,
A hydride such as phosphine is used. In general, the organometallic gas is easily decomposed, so it is supplied in the low-temperature cell shown in FIG. 3 (B). Since the hydride is hardly decomposed, it is heated to a high temperature in the high-temperature cell shown in FIG. To supply.

ガス排出管11の第2のバルブ9は、ガス導入管8の第
1のバルブ6と開閉を同期させ、第2のバルブ9が開の
時は、自動的に第1のバルブ6が閉、第2のバルブ9が
閉の時は、自動的に第1のバルブ6が開となるように同
期制御系を設けてもよい。
The second valve 9 of the gas discharge pipe 11 synchronizes the opening and closing of the first valve 6 of the gas introduction pipe 8, and when the second valve 9 is open, the first valve 6 is automatically closed, When the second valve 9 is closed, a synchronous control system may be provided so that the first valve 6 is automatically opened.

このようなガス供給セルを用いて、例えば、アルシン
(AsH3)、トリエチルガリウム(TEG)、トリエチルア
ルミニウム(TEA)を原料ガスとして使ってGaAs/AlGaAs
ヘテロ接合を形成する場合、ガス導入管8および第1の
バルブ6を介してガス供給セル5内にこれらのガスを導
入する。アルシンには第3図(C)に示す高温用セルを
用い、TEG、TEAには第3図(B)に示す低温用セルを用
いる。3つのガス供給セルから分子線を供給し、GaAs層
の成長に移る時には、TEA用ガス供給セルのガス導入管
のバルブ6を閉にし、同時にガス排出管のバルブ9を開
にする。TEA用のガス供給セル内に残留しているTEAガス
はガス排出管11を通して排気される。
Using such a gas supply cell, for example, GaAs / AlGaAs using arsine (AsH 3 ), triethylgallium (TEG), and triethylaluminum (TEA) as source gases
When forming a hetero junction, these gases are introduced into the gas supply cell 5 via the gas introduction pipe 8 and the first valve 6. The high-temperature cell shown in FIG. 3 (C) is used for arsine, and the low-temperature cell shown in FIG. 3 (B) is used for TEG and TEA. When molecular beams are supplied from the three gas supply cells and the growth of the GaAs layer is started, the valve 6 of the gas introduction pipe of the TEA gas supply cell is closed, and the valve 9 of the gas discharge pipe is opened at the same time. The TEA gas remaining in the TEA gas supply cell is exhausted through the gas exhaust pipe 11.

第3図(A)、(B)、(C)に示すガスソース分子
線結晶成長装置を使用し、アルシン、TEG、TEAを導入し
てGaAs基板上にAlGaAs層を成長する具体例を説明する。
基板温度は600℃とする。AlGaAs層を約0.5μm成長した
後、TEA用の分子線源セルのガス導入管のバルブ6を閉
じ、同時にガス排出管のバルブ9を開けることによっ
て、AlGaAs層の成長を終わり、GaAs層の成長を開始す
る。GaAs層は約0.1μm成長する。このようにして、成
長したAlGaAs/GaAsヘテロ構造の界面の急峻性は、スパ
ッタオージェ(AES)によるAl元素の深さ方向プロファ
イルで調べることができる。従来のガス導入管の開閉バ
ルブ6だけを使って、同様に成分を制御して成長したAl
GaAs/GaAsヘテロ構造と比較すれば、上述の成長プロセ
スによる結晶においてはAl元素の深さ方向プロファイル
の急峻性は約5Åとなり、従来のものと比べて約半分と
なる。急峻なヘテロ結晶成長層の形成に有効であること
が判る。
A specific example of growing an AlGaAs layer on a GaAs substrate by introducing arsine, TEG, and TEA using the gas source molecular beam crystal growth apparatus shown in FIGS. 3 (A), (B) and (C) will be described. .
The substrate temperature is 600 ° C. After growing the AlGaAs layer by about 0.5 μm, the valve 6 of the gas inlet tube of the molecular beam source cell for TEA is closed and the valve 9 of the gas outlet tube is opened at the same time to terminate the growth of the AlGaAs layer. To start. The GaAs layer grows about 0.1 μm. Thus, the steepness of the interface of the grown AlGaAs / GaAs heterostructure can be examined by a depth profile of the Al element by sputter auger (AES). Al grown using only the on-off valve 6 of the conventional gas introduction pipe and controlling the components in the same manner.
Compared with the GaAs / GaAs heterostructure, in the crystal formed by the above-described growth process, the steepness of the Al element in the depth direction is about 5 °, which is about half that of the conventional one. It turns out that it is effective for forming a steep heterocrystal growth layer.

上記はIII族元素の分子線を閉じる場合の実施例で説
明したが、ジシラン(Si2H6)のようなドーパント用の
ガスのための分子線源セルを使用することによって急峻
なドーピングプロファイルを持つ結晶が成長できること
はもちろんである。ジシランの場合には第3図(C)の
高温用セルが使われる。
Although the above is described in the embodiment in which the molecular beam of the group III element is closed, a sharp doping profile can be obtained by using a molecular beam source cell for a gas for a dopant such as disilane (Si 2 H 6 ). Needless to say, it is possible to grow a crystal. In the case of disilane, the high temperature cell shown in FIG. 3 (C) is used.

第4図(A)、(B)に本発明の他の実施例を示す。
第4図(A)において、ガス源7からのガスはマスフロ
ーメータ32で一定の流量に制御され、ガス導入路8に供
給される。マスフローメータ32と結晶成長室1内のガス
供給セル5との間には第1の開閉バルブ6が配置されて
ガス流をオンオフ制御している。第1の開閉バルブ6が
閉じられる時、第2の開閉バルブ9と第3の開閉バルブ
34が開かれる。第2の開閉バルブ9は、第1の開閉バル
ブ6とガス供給セル5との間でガス導入路に接続された
第1ガス排出路11に設けられている。第1の開閉バルブ
6を閉じ、第2の開閉バルブ9を開けることによりガス
供給セル5内の残留ガスを第1のガス排出路11を介して
真空排気できる。
FIGS. 4A and 4B show another embodiment of the present invention.
In FIG. 4 (A), the gas from the gas source 7 is controlled at a constant flow rate by the mass flow meter 32 and supplied to the gas introduction path 8. A first opening / closing valve 6 is arranged between the mass flow meter 32 and the gas supply cell 5 in the crystal growth chamber 1 to control the gas flow on and off. When the first on-off valve 6 is closed, the second on-off valve 9 and the third on-off valve
34 is opened. The second opening / closing valve 9 is provided in a first gas discharge passage 11 connected to a gas introduction passage between the first opening / closing valve 6 and the gas supply cell 5. By closing the first opening / closing valve 6 and opening the second opening / closing valve 9, the residual gas in the gas supply cell 5 can be evacuated via the first gas discharge path 11.

また、第3の開閉バルブ34は第2のガス排出路36に設
けられている。第2のガス排出路36は第1の開閉バルブ
6とマスフローメータ32との間でガス導入路8に接続さ
れ、他端を排気系に接続されている。第1の開閉バルブ
6が閉じる時、第3の開閉バルブ34が開けられ、マスフ
ローメータ32からのガス流をバイパスさせる。
Further, the third opening / closing valve 34 is provided in the second gas discharge path 36. The second gas discharge path 36 is connected to the gas introduction path 8 between the first opening / closing valve 6 and the mass flow meter 32, and the other end is connected to an exhaust system. When the first opening / closing valve 6 closes, the third opening / closing valve 34 is opened to bypass the gas flow from the mass flow meter 32.

これら3つの開閉バルブ6、9、34は同期制御系38に
よって同期して制御されている。すなわち、マスフロー
メータ32からの供給されるガス流はガス導入路8か第2
のガス排出路36かのどちらかに送られ、結晶成長装置1
内のガス供給セル5はガス導入路8から原料ガスを供給
されるか、第1のガス排出路11によって排気される。
These three on-off valves 6, 9, and 34 are synchronously controlled by a synchronous control system 38. That is, the gas flow supplied from the mass flow meter 32 is
Sent to one of the gas discharge paths 36 of the crystal growth apparatus 1
The gas supply cell 5 is supplied with a source gas from a gas introduction path 8 or is exhausted through a first gas discharge path 11.

このようなバルブ群6,9,34は第4図(B)に示すよう
な4方口バルブによって構成できる。第4図(B)にお
いて、A、B、C、Dが4つのポートを示し、41、42、
43がベローズバルブを示す。ポートAをガス供給セル側
に、ポートBのガス源側に、ポートC、ポートDとは排
気系に接続する。バルブ41、42を閉じた時、超高真空に
なる結晶成長室1に向かう面にはベローズは表れない。
Such a valve group 6, 9, 34 can be constituted by a four-way valve as shown in FIG. 4 (B). In FIG. 4 (B), A, B, C, and D indicate four ports, and 41, 42,
43 indicates a bellows valve. Port A is connected to the gas supply cell side, port B is connected to the gas source side, and ports C and D are connected to the exhaust system. When the valves 41 and 42 are closed, no bellows appear on the surface facing the crystal growth chamber 1 where the vacuum becomes extremely high.

このような4方口バルブを、電磁的力やエア等の流体
的力によって制御してもよい。
Such a four-way valve may be controlled by electromagnetic force or fluid force such as air.

第5図(A)、(B)はエアシリンダ弁によって駆動
する4方口バルブを示し、(A)が平面図を、(B)が
VB−VB′線に沿う断面を示す。
FIGS. 5A and 5B show a four-way valve driven by an air cylinder valve, where FIG. 5A is a plan view and FIG.
The cross section along the line VB-VB 'is shown.

第5図(A)において、A、B、C、Dが4方口を構
成する4つのポートであり、エアシリンダ弁44、45、46
がエアで3つのバルブを操作する駆動源である。
In FIG. 5 (A), A, B, C, and D are four ports constituting four ports, and the air cylinder valves 44, 45, 46
Is a drive source for operating three valves with air.

第5図(B)の断面図において、エアシリンダ弁44、
45、46は矢印で示すようなエア流を受けてその駆動シリ
ンダ47、48、49を移動させ、これらの駆動シリンダ47、
48、49によってベローズバルブ41、42、43が操作され
る。分岐A′、B′はポートA、ポートBに向かう流路
の入口である。3つのエア流を同期制御することによ
り、第5図(A)、(B)の4方口バルブを同期制御す
ることができる。
In the sectional view of FIG. 5B, the air cylinder valve 44,
45 and 46 receive the air flow shown by the arrows and move their drive cylinders 47, 48 and 49, and these drive cylinders 47 and
The bellows valves 41, 42, 43 are operated by 48, 49. Branches A ′ and B ′ are inlets of a flow path toward ports A and B. By synchronously controlling the three air flows, the four-way valve shown in FIGS. 5A and 5B can be synchronously controlled.

以上実施例に沿って、本発明を説明したが、これら実
施例は何等制限的意味を持つものではない。本発明の範
囲内で種々の変更、修正、組み合わせ等ができることは
当業者に自明であろう。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the embodiments are not limited in any way. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, modifications, combinations, and the like can be made within the scope of the present invention.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、ガス供給セル
を直接排気できるので、ガス供給セル内等の残留ガスを
速やかに排出でき、基板上に供給する原料ガスの組成を
速やかに変更できる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, since the gas supply cell can be directly evacuated, the residual gas in the gas supply cell or the like can be quickly discharged, and the composition of the source gas supplied onto the substrate can be reduced. Can be changed quickly.

バルブを同期制御する場合は、自動的に遮断したガス
の排出が行える。
When the valves are controlled synchronously, the automatically shut off gas can be discharged.

原料ガス組成の速やかな切換えにより、急峻なプロフ
ァイルを持つヘテロ接合やpn接合等の界面構造を実現で
きる。
An interface structure such as a hetero junction or a pn junction having a steep profile can be realized by quickly switching the source gas composition.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の原理説明図、 第2図(A)、(B)、(C)は従来のガスソース分子
線結晶成長装置を示し、(A)が全体の断面図、
(B)、(C)が低温用および高温用のガス供給セル部
の断面図、 第3図(A)、(B)、(C)は本発明の1実施例によ
るガスソース分子線結晶成長装置を示し、(A)が全体
の断面図、(B)、(C)が低温用および高温用のガス
供給セル部の断面図、 第4図(A)、(B)は本発明の他の実施例を示し、
(A)が要部のブロック図、(B)がバルブ系を示す線
図、 第5図(A)、(B)は、第4図(A)、(B)に示す
本発明の実施例に用いることのできるバルブの例を示
し、(A)が平面図、(B)が断面図である。 図において、 1……結晶成長室 2……基板 3……基板ホルダ 4……第1の真空排気系 5……ガス供給セル 6……第1のバルブ 7……ガス源 8……ガス導入路 9……第2のバルブ 10……第2の真空排気系 11……ガス排出路 12……同期制御系 14……ヒータ 17……シュラウド 18……ゲートバルブ 22……ヒータ 23……フランジ 24……熱遮蔽板 25……PBN板 34……第3のバルブ 36……第2のガス排出路 41,42,43……ベローズバルブ 44,45,46……エアシリンダ弁 A,B,C,D……ポート 47,48,49……駆動シリンダ 51……結晶成長室 52……基板 53……基板ホルダ 54……ヒータ 55……分子線源セル 56……バルブ 57……シュラウド 58……ゲートバルブ 61……ガス導入管 62……ヒータ 63……真空フランジ 64……熱遮蔽板 65……PBN板 66……熱クラッキング部
FIG. 1 is a view for explaining the principle of the present invention, FIGS. 2 (A), (B) and (C) show a conventional gas source molecular beam crystal growing apparatus, wherein (A) is an overall sectional view,
(B) and (C) are cross-sectional views of a gas supply cell portion for a low temperature and a high temperature, and FIGS. 3 (A), (B) and (C) show gas source molecular beam crystal growth according to one embodiment of the present invention. (A) is an overall cross-sectional view, (B) and (C) are cross-sectional views of a low-temperature and high-temperature gas supply cell section, and FIGS. 4 (A) and (B) show other examples of the present invention. Example of the,
(A) is a block diagram of a main part, (B) is a diagram showing a valve system, and FIGS. 5 (A) and (B) are embodiments of the present invention shown in FIGS. 4 (A) and (B). (A) is a plan view and (B) is a sectional view. In the figure, 1 ... crystal growth chamber 2 ... substrate 3 ... substrate holder 4 ... first evacuation system 5 ... gas supply cell 6 ... first valve 7 ... gas source 8 ... gas introduction Path 9 Second valve 10 Second vacuum exhaust system 11 Gas exhaust path 12 Synchronous control system 14 Heater 17 Shroud 18 Gate valve 22 Heater 23 Flange 24: heat shield plate 25: PBN plate 34: third valve 36: second gas discharge passage 41, 42, 43 ... bellows valve 44, 45, 46 ... air cylinder valve A, B, C, D ... ports 47, 48, 49 ... driving cylinder 51 ... crystal growth chamber 52 ... substrate 53 ... substrate holder 54 ... heater 55 ... molecular beam source cell 56 ... valve 57 ... shroud 58 … Gate valve 61… Gas inlet tube 62… Heater 63… Vacuum flange 64… Heat shield plate 65… PBN plate 66… Thermal cracking part

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 25/00 - 25/22 H01L 21/205 C30B 28/00 - 35/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C30B 25/00-25/22 H01L 21/205 C30B 28/00-35/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1の真空排気系に接続される結晶成長室
と、 該結晶成長室内に開口するガス供給セルと、 該ガス供給セルに接続され、且つガス源に連通するガス
導入路と、 該ガス導入路から分岐して第2の真空排気系に連通する
ガス排出路と、 前記ガス導入路と前記ガス排出路との分岐点より上流側
の前記ガス導入路に備えられた第1のバルブと、前記ガ
ス排出路に備えられた第2のバルブと、 を有し、前記第1のバルブと前記第2のバルブとが同期
制御されていることを特徴とする結晶成長装置。
1. A crystal growth chamber connected to a first evacuation system, a gas supply cell opening into the crystal growth chamber, a gas introduction path connected to the gas supply cell and communicating with a gas source. A gas discharge passage branched from the gas introduction passage and communicating with a second evacuation system; and a first gas supply passage provided on the gas introduction passage upstream of a branch point between the gas introduction passage and the gas discharge passage. And a second valve provided in the gas discharge path, wherein the first valve and the second valve are synchronously controlled.
【請求項2】該第1のバルブが閉じると同時に該第2の
バルブが開くように制御されていることを特徴とする請
求項1記載の結晶成長装置。
2. The crystal growth apparatus according to claim 1, wherein the second valve is opened simultaneously with the closing of the first valve.
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