JP3070021B2 - Ｓｉ用分子線セルと分子線エピタキシー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＢＥ装置におい
て、膜を作るに十分な量のＳｉ分子線を得るためのＳｉ
用分子線セルとこれを用いた分子線エピタキシー装置に
関する。

【従来の技術】ＭＢＥ装置は超高真空中で加熱した基板
に適当な物質の分子線をあてその材料の薄膜を生成する
装置である。図２によって分子線エピタキシー装置（Ｍ
ＢＥ装置）の概略を述べる。中央上部にはマニピュレー
タ１があってこれが下向きに基板２を支持している。マ
ニピュレータ１は基板２を回転させる機能と基板２を加
熱する機能を有する。基板面に向かって材料の分子線を
照射するのが分子線セル３である。複数の分子線セル３
が放射状に設けられる。チャンバ６の壁面近くには液体
窒素のシュラウド５があってガスを吸着し、お互いの熱
干渉を防ぐようになっている。チャンバ６は超高真空に
引く事ができる。チャンバ６は他の真空室に連絡してい
てその真空室でウエハーを交換するようになっている。
縦長の分子線セルであるから４つ〜８つは簡単に設置で
きる。大型の場合は１０以上の分子線セルを設けること
もできる。

【０００２】分子線を生成する装置としては通常分子線
セル３（Ｋ−セル；クヌーセンセル）を用いる。これも
いろいろの変形例があるが典型的な一例を図４によって
説明する。有底円筒形状のるつぼ８を囲むように、ヒー
タ９が設けられる。これはリボン状のヒータ或いはコイ
ル状の抵抗加熱ヒータである。さらにその外側には複数
枚の円筒形反射板（リフレクタ）１０が設けられる。ヒ
ータの熱を反射しるつぼの方に戻すためである。底面に
も反射板１１がある。いずれも薄いタンタル（Ｔａ）の
板を重ねたものである。

【０００３】るつぼ８の下方には円板状の支持板１２が
あり、側面反射板１０の最外殻の板が支持板１２に結合
されている。るつぼ８の上部の鍔部１３が反射板１０の
上部端によって支持される。るつぼは反射板１０を介し
て支持板１２によって支持されることになる。支持板１
２は支柱１４によってさらに下方にある超高真空フラン
ジ１５に結合されている。超高真空フランジ１５はネジ
によってチャンバのフランジ１６に取り付けられてい
る。ネジをはずすと、超高真空フランジ１５ごとすっぽ
りと抜き取ることができる。

【０００４】るつぼ８の底部には熱電対１７の先端が接
触している。るつぼには材料固体を入れるが、真空中で
ヒータによって加熱され材料液体１８になる。液体の状
態で蒸発し分子線になる。物質によっては液体の状態を
とることなく固体から直接に気体になる（昇華）ことも
ある。砒素Ａｓや燐Ｐのような材料は液状にならないか
ら昇華させて分子線とする。るつぼはＰＢＮを用いる事
が多い。ＰＢＮは耐熱性が高く多くの物質と反応しない
からるつぼ材料として最適である。分子線セルのるつぼ
としてＰＢＮ以上のものはないと思われている。それで
殆どの材料についてＰＢＮをるつぼとする。分子線セル
はこのように縦長のＰＢＮるつぼ８、これを囲む抵抗加
熱ヒータ９、円筒形反射板１０などよりなる。図４の分
子線セルを複数個斜め上向きに設置した図２に示すもの
が通常の分子線エピタキシー装置である。このような装
置でＧａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｌ、Ｂなどを飛ばすこと
ができる。

【０００５】問題はＳｉである。Ｓｉは融点（１４１０
℃）が高くて簡単には融けない。また融けたＳｉは極め
て反応性に富む。ＧａＡｓやＩｎＰの薄膜を形成したと
きにＳｉをドーパントとして微量添加する場合はＳｉに
ついても在来のＰＢＮるつぼを使った分子線セルが用い
られる。ＧａＡｓのなかではＳｉは条件によってｎ型不
純物になったりｐ型不純物になったりする。重要なドー
パントである。ドーパントとする場合は分子線のフラッ
クス（単位時間の線量）が小さくてよいからＳｉは溶融
しないで固体のまま昇華させて分子線としている。固体
のままで融かさないからＰＢＮのるつぼであってもＳｉ
を保持できる。セル温度は融点より低いが微量の分子線
を生成できるのである。不純物としてＳｉを微量添加す
るのならこれで良い。

【０００６】しかしより強いＳｉのフラックスが必要と
される場合がでてきた。Ｓｉの膜を生成するという場合
などである。３つの新たな需要について述べよう。例え
ばＳｉ／Ｇｅの混晶膜を発光素子の材料として用いる試
みがなされる。Ｓｉは間接遷移型の半導体であるから発
光させるのは難しいがＧｅと混晶を作ることによって直
接遷移にすることができると言われており、ＧａＡｓ等
に代わる発光素子の材料として研究されている。混晶膜
を作る場合は、かなりの分子線強度が必要になる。２番
目の需要はＳｉウエハーの上にＳｉ薄膜を一様に形成し
その上にＤＲＡＭを作製するとＳｉウエハーに直接に形
成したものよりも品質のよいものが得られるかもしれな
い、と言われ研究されている。その場合はＳｉ一様膜を
作るのであるから強いフラックスが必要である。不純物
を飛ばすような弱い分子線では時間がかかりすぎて現実
的でない。

【０００７】３番目の需要としてはＧａＡｓウエハーに
Ｓｉ膜を付けてその上に新規な能動素子をつくろうとい
うものである。これも新しい試みであって希望がもて
る。いずれも実験段階の試みであるがＳｉの強い分子線
を必要としている。分子線強度を高めるにはやはりＳｉ
を溶融し液体にしてから蒸発させる必要がある。Ｓｉの
融液は反応性が強くるつぼと反応しるつぼの材料を変質
させる。高温のＳｉの融液を支えることのできるような
堅牢で耐熱性ある容器はない。ＭＢＥで通常使用される
ＰＢＮるつぼは溶融Ｓｉと反応し、反応したものが成長
膜に取り込まれるという問題がある。さらにＰＢＮるつ
ぼは溶融Ｓｉによって穴が穿く。ＰＢＮは溶融Ｓｉを保
持できない。従来はＳｉ自体を容器とする他はなかっ
た。つまりＳｉの塊の一部を融かしてそのほかの固体部
分でその融液を保持するようにする。抵抗加熱ヒータで
は一部だけを溶融するというようなことはできない。

【０００８】そこで局所的に加熱できる電子ビーム加熱
（ＥＢ加熱）を用いる。図３は電子ビーム加熱によるＳ
ｉ分子線源を示す。ＥＢガン用るつぼ１９は浅い容器で
あるがここにＳｉ固体２０が収容されている。電子ビー
ム２１を発するＥＢガンがあってそこからでた電子ビー
ムは磁場によって曲げられＳｉ固体２０の上面に衝突す
る。電子ビームを絞って狭い範囲に収束することができ
る。衝突した電子は運動エネルギーを失うのでここで熱
を生じる。熱によってＳｉが一部融ける。電子ビームが
当たるのは狭い領域であるからそれ以外のＳｉは固体の
ままである。丁度固体の上面にビームが当たるようにす
るからＳｉの固体部分２０は池のようになりＳｉ融液２
２をためることができる。池の周りは固体２０であるか
ら金属製のるつぼ１９によって保持できる。Ｓｉによっ
て金属るつぼ１９が侵されることはない。

【０００９】このように大フラックスのＳｉ分子線を作
るためには電子ビーム加熱が用いられている。図１に分
子線セルとＥＢガンを併用した分子線エピタキシャル成
長装置の概略の断面図を示す。チャンバ６の一部に横向
きの円筒部を形成し先に鉛直方向の特別なフランジ２４
を形成し、これにＥＢガン４を取り付けた超高真空フラ
ンジ２３を固定するようになっている。ＥＢガン４のさ
らに先にはＥＢガン用るつぼ１９があってここにＳｉ固
体２０が収容される。ＥＢガン４から電子ビームがでて
磁場によって曲げられＳｉ固体２０の上頂にあたり図３
のように上頂部にＳｉ融液２２の池を作る。Ｓｉ融液２
２からＳｉの分子線が基板２に向けて照射される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】Ｓｉは高融点金属であ
って極めて扱いにくい。ＰＢＮるつぼが使えないのでや
むなく電子ビーム加熱して飛ばしているのが現状であ
る。局所加熱であり局所的にＳｉを融液にするがビーム
の状態が不安定であるために、融液量が常に変動する。
するとビーム量が時間的に変動して安定でない。薄膜の
厚みは時間で管理するがビームフラックスが不安定であ
ると薄膜厚みがばらついてしまう。分子線エピタキシャ
ル成長法は超格子など薄い薄膜を制御性よく成長させる
ために使われるから膜厚が正確に制御できないようでは
いけない。ＥＢガンによる局所加熱にはこのような不安
定性がある。

【００１１】もう一つの難点がある。電子ビームによっ
てＳｉの固体を叩くので一部がイオン化して飛ぶ。これ
がシュラウドに付着するとここが帯電する。帯電によっ
てフレーク（付着した不定型物）が飛び散り試料を汚染
することがある。さらなる欠点もある。図１によっても
分かるようにＥＢガンは装置の中に横向きに取り付けら
れるからより広い場所を占有してしまう。通常のＰＢＮ
分子線セルのように小さくない。中型の分子線エピタキ
シー装置の場合、ＰＢＮセルは８本ぐらい取り付けるこ
とができる。ところがＥＢガンの分子線セルは４本しか
取り付けることができない。ＰＢＮセルとＥＢガンセル
が混在する場合ＥＢガンの存在が邪魔になって所望の数
の分子線セルを取り付けることができない。

【００１２】このようにＳｉをＥＢガンによって飛ばす
のには難点が多い。ＥＢガンよりもるつぼを使い抵抗加
熱による通常の分子線セルによってＳｉを飛ばしたいと
いう要望が依然として強い。本発明者は、Ｓｉ分子線セ
ルとして、極めて巧妙なものをかつて発明している。実
願平２−２５８３３号「高温用分子線セル」である。ヒ
ータ絶縁材にサファイヤを、るつぼにサファイヤ、高純
度アルミナ、高純度カーボンを、ヒータをタングステン
としたものである。サファイヤによってヒータを保持す
るからＳｉを溶融するような高温にしても不純物が飛ば
ない。るつぼをＰＢＮにすると窒素が飛んで試料を汚染
するがサファイヤにすると窒素が出ないし高温に良く耐
えるからＳｉ全体を融液にしてよく保持できる。

【００１３】るつぼ・抵抗加熱にできたのはいいのであ
るが、サファイヤを多用する必要がありいかにも高価で
ある。ＰＢＮももちろん高価な材料であるがサファイヤ
をるつぼとヒータ絶縁材に使うと全体として極めて高価
な分子線セルになってしまう。やはり実用的な価額であ
ってしかもＳｉを抵抗加熱・円筒るつぼによって分子線
とすることのできる装置が欲しいものである。

【００１４】ＥＢガンによることなくＳｉを分子線にで
きる分子線セルを提供することが本発明の第１の目的で
ある。ＥＢガンによることなく実用的に十分なフラック
スをうることのできるＳｉ分子線セルを提供することが
本発明の第２の目的である。ＥＢガンより寸法が小さい
Ｓｉ分子線セルを使用しＳｉ分子線セルを含むより多く
の分子線セルを収容できる分子線エピタキシー装置を提
供することが本発明の第３の目的である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のＳｉ用分子線セ
ルは、３ｍｍ以上の肉厚をもつタンタル、タングステ
ン、モリブデン製のるつぼを抵抗加熱するものである。
つまり肉厚の高融点金属によってるつぼを作りこれを抵
抗加熱ヒータによって加熱する。ヒータの外側には反射
板があり輻射熱を反射する。電子ビーム加熱ではない抵
抗加熱である。ＥＢガンは使わない。つまり通常のＰＢ
Ｎるつぼを使う分子線セルと同じ形状をとるようにでき
る。通常の分子線セルのポートに取り付ける事ができス
ペースもＥＢガンの半分程度しか取らない。

【００１６】どうして高融点金属の円筒形のるつぼでＳ
ｉ融液を保持できるのか？これが疑問となろう。Ｓｉは
極めて反応性の強い金属でありＳｉの融点ではどのよう
な金属とも激しく反応する。それはそうなのであるが金
属とＳｉがシリサイドという化合物をつくる。これはＳ
ｉより安定な材料である。ある程度の厚みのシリサイド
ができるとこれが融液を遮断して金属をＳｉ融液から保
護する作用をする。為にそれ以上Ｓｉ融液と金属るつぼ
の反応が進まない。これ以後は金属シリサイドによって
守られて安定になる。金属るつぼが３ｍｍ以上あるとシ
リサイドが外部にまで出ないので金属層は守られる。タ
ンタル、モリブデン、タングステンでないといけないの
は、Ｓｉの融点以上の高温にも耐えるためである。るつ
ぼは内面を予めＳｉと反応させシリサイドの層を作りこ
れによって内面をコ−テイングしおくと更に良い。

【００１７】本発明者は何年も前からＳｉ用の抵抗加熱
分子線セルを開発してきた。ＰＢＮるつぼは高温にする
から窒素が出るし溶融Ｓｉと反応するから使えない。石
英るつぼはやはりＳｉと反応し脆くなって割れる。パリ
ロリティックカーボンＰＧを被覆したＰＢＮるつぼもや
はり割れる。タンタルの０．１ｍｍ〜１ｍｍの肉厚のる
つぼも作って試したがＳｉがるつぼを溶かし穴が開く。
タングステンやモリブデンでも試みたが１ｍｍ以下の肉
厚のものではＳｉのために穴が穿いてしまう。

【００１８】そこで３ｍｍ以上のタンタルでるつぼを作
って分子線セルに組み込み試してみるとＳｉ融液を保持
できＳｉの分子線を生成することができた。３ｍｍもの
肉厚のるつぼというのはそれまでなかったものである。
融液に接触する面をシリサイドに変えることによって本
体をＳｉの反応性から防護するようにしている。敢えて
常識に挑戦してＳｉるつぼの難問を解決したのである。

【００１９】

【発明の実施の形態】図５は、本発明が提案するＳｉの
るつぼの断面図である。タンタル、モリブデン、タング
ステン製の有底円筒のるつぼである。るつぼ３０は肉厚
であって底部３１、円筒部３２、鍔部３３よりなる。底
部３１、円筒部３２は３ｍｍ以上の肉厚がある。例えば
５ｍｍとか４ｍｍとかの分厚いものである。鍔部は融液
が直接にふれないから３ｍｍ以下であっても良い。これ
を図４のような分子線セルのるつぼとして使う。ＰＢＮ
をこのるつぼに置き換えるだけでよい。図６は本発明の
実施例にかかるＳｉ用分子線セルの断面図である。肉厚
金属の有底円筒るつぼ３０がセルの中心にある。側面ヒ
ータ９や側面反射板１０、底部反射板１１などは同じよ
うに設ける。側面反射板１０の一部によってるつぼ３０
の鍔部が支持される。反射板１０、１１がるつぼ側へ熱
を反射する。支持板１２が反射板９、１０を支持する。
支柱１４（図２）が、支持板１２を超高真空フランジ１
５に固定する。熱電対１７の先端をるつぼ３０の底部に
接触させる。鍔部を側面反射板１０によって支持する構
造も図４のものと同様である。リボンヒータあるいはコ
イル上のヒータ９によってるつぼを加熱する。抵抗加熱
してＳｉを全部融液にしてしまう。融液の表面積はるつ
ぼの断面積に等しく不変である。蒸発面積が同一である
から分子線強度は安定する。Ｓｉに接触する部分で金属
はシリサイドになるがこれがそれ以上の化学反応を防ぎ
金属を保護する。

【００２０】さらに本発明者の先願である実願平２−２
５８３３号の工夫を加えればより効果的である。つまり
ヒータ絶縁材がサファイヤであり、ヒータがタングステ
ンであるようにする。また、他の手段としてヒ−タを自
立型とする方法もある。これならヒ−タ絶縁材を使用し
ないため、絶縁材を用いなくて済む。

【００２１】

【実施例】本発明のＳｉ用分子線セルは図５のようにコ
ンパクトになる。これを配置した分子線エピタキシー装
置は図２と同じようになる。抵抗加熱であって縦長のる
つぼを使うので通常の分子線セルになっておりスペース
を取らない。中型の規模の分子線エピタキシー装置の場
合８つの分子線セルを並べることができる。またるつぼ
内部のＳｉは全部融かして融液とする。液面積が一定で
温度も一定であるから分子線フラックスが安定しＳｉ膜
厚を時間によって正確に制御することができる。制御
性、省スペースという二大特徴の他にもまだ利点があ
る。ヒータ電力がＥＢガンよりも小さくて済む。５００
Ｗ〜１ｋＷ程度のヒータパワーによってＳｉ分子線を飛
ばすことができる。電子ビームを飛ばさないからＳｉが
イオン化する可能性がない。イオンがシュラウドについ
て放電を惹起するというようなこともない。まことに優
れた発明である。

【００２２】本発明の最も優れている点はその制御性で
ある。ＥＢガンには望み難いことであるが抵抗加熱によ
る本発明は優れた制御性がある。制御パラメータはヒー
タ電流であるがそれがセルの温度を決めるからセル温度
をパラメータとしても良い。セル温度は熱電対によって
測定しており、扱い易い変数である。Ｓｉウエハーの上
にＳｉ薄膜を成長させた場合、セル温度（℃）と成長速
度（ｎｍ）の関係を測定した。その結果を図７に示す。
１３５０℃のとき成長速度は４．３ｐｍ／ｓである。１
４８９℃で４３ｐｍ／ｓである。１６６０℃の時に０．
４８ｎｍ／ｓの程度である。温度を３００℃変えること
によって薄膜成長速度を１００倍にすることができる。
つまりＳｉ分子線の強度を１倍〜１００倍に変化させる
ことができる。ヒータパワーの調整によって所望の強度
の分子線を自在に作り出すことができる。極めて好都合
な性質である。

【００２３】さらにＳｉ基板上に成長させたＳｉ薄膜の
成分をオージェ分析した。その結果を図８に示す。横軸
は電子の運動エネルギーである（ｅＶ）。縦軸はその電
子の強度を示す。Ｘ線を試料に与えると、Ｘ線によって
内殻の電子が叩き出される。その軌道に外殻の電子が落
ち込むのであるがそのときにＸ線が出る。外殻軌道と内
殻軌道のエネルギー差は元素によって決まるからそのＸ
線の強度によって元素が分かるのである。エネルギーに
よって元素を決めることができるがＳｉ、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ
のピークがでているだけである。ＣとＯはＳｉ薄膜を大
気中にさらした結果現れたピークである。つまり膜内に
はＳｉだけが存在する。るつぼ材料であるタンタルは膜
中に存在しない。シリサイドの部分も蒸発していないこ
とが分かる。不純物の少ない薄膜を作製することができ
る。

【００２４】

【発明の効果】本発明は金属厚肉のるつぼを使ってＳｉ
を抵抗加熱して融液とし蒸発させて分子線としている。
ＥＢガンを用いずに十分なフラックスのＳｉ分子線を飛
ばす実用的な装置を初めて与えることができる。Ｓｉ薄
膜をエピタキシャル成長させるという用途は増えつつあ
るからその需要に時宜良く応えることができる。サファ
イヤのるつぼのように高価額の装置にはならない。抵抗
加熱によってＳｉの全体を融液にしているから分子線の
フラックスの揺らぎはＥＢガンに比較して著しく小さく
なる。品質、膜厚の安定したＳｉ薄膜を成長させること
ができる。微妙な膜厚の薄膜を成長することが多い分子
線エピタキシー装置に最適である。また分子線エピタキ
シー装置ではＥＢガンを使う装置は異質であるが本発明
によって在来のＰＢＮ分子線セルと同じ形状の分子線セ
ルを与えることができるので取扱い容易である。ＥＢガ
ンよりも寸法が小さいのでより多くの分子線セルを一つ
の分子線エピタキシー装置に設けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＥＢガンを用いた従来のＳｉ分子線セルを含む
分子線エピタキシー装置の概略断面図。

【図２】抵抗加熱・円筒るつぼを用いる本発明のＳｉ分
子線セルを含む分子線エピタキシー装置の概略断面図。

【図３】Ｓｉ固体に電子ビームを当てて局所加熱し一部
だけを融液にして蒸発させＳｉの分子線とする従来の電
子ビーム加熱Ｓｉ分子線セルの断面図。

【図４】ＰＢＮるつぼと抵抗加熱ヒータとより成る従来
の分子線セルの断面図。

【図５】本発明の分子線セルに用いられる肉厚金属円筒
からなるるつぼの断面図。

【図６】肉厚金属円筒のるつぼを用いた本発明のＳｉ用
分子線セルの断面図。

【図７】Ｓｉ基板の上に、本発明のＳｉ用分子線セルを
用いて、Ｓｉ薄膜を成長させたときのセル温度（℃）を
変えて成長速度（ｎｍ／ｓ）を測定した結果を示すグラ
フ。

【図８】Ｓｉ基板の上に、本発明のＳｉ用分子線セルに
よってＳｉ薄膜を成長させた場合のＳｉ膜のオージェ分
析結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１ マニピュレータ ２ 基板 ３ 抵抗加熱分子線セル ４ ＥＢガン ５ 液体窒素シュラウド ６ チャンバ ８ るつぼ ９ 抵抗加熱ヒータ １０ 側面反射板 １１ 底面反射板 １２ 支持板 １３ るつぼの鍔部 １４ 支柱 １５ 超高真空フランジ １６ 取り付けフランジ １７ 熱電対 １８ 原料融液 １９ ＥＢガン用金属るつぼ ２０ Ｓｉ固体 ２１ 電子ビーム ２２ Ｓｉ融液 ２３ 超高真空フランジ ２４ 取り付けフランジ ３０ 金属るつぼ ３１ るつぼ底面 ３２ るつぼ円筒面 ３３ 鍔部 ３４ シリサイド層

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タンタル、タングステンあるいはモリブ
   デンによって作った肉厚が３ｍｍ以上のるつぼと、るつ
   ぼを抵抗加熱するヒ−タと、ヒ−タ熱を反射する為の反
   射板を含み、るつぼ内面とＳｉ融液とが反応して形成さ
   れたシリサイドがるつぼ内面を保護するようにしたこと
   を特徴とするＳｉ用分子線セル。
2. 【請求項２】 ヒ−タ絶縁材がサファイヤであることを
   特徴とする請求項１に記載のＳｉ用分子線セル。
3. 【請求項３】 ヒ−タを自立型としたことを特徴とする
   請求項１に記載のＳｉ用分子線セル。
4. 【請求項４】 タンタル、タングステンあるいはモリブ
   デンによって作った肉厚が３ｍｍ以上のるつぼと、るつ
   ぼを抵抗加熱するヒ−タと、ヒ−タ熱を反射する為の反
   射板を含むＳｉ用分子線セルと、ＰＢＮるつぼと抵抗加
   熱ヒ−タと反射板よりなるＳｉ以外の原料の為の分子線
   セルとを含み、Ｓｉ用分子線セルにおいてはるつぼ内面
   とＳｉ融液とが反応して形成されたシリサイドがるつぼ
   内面を保護するようにしたことを特徴とする分子線エピ
   タキシー装置。