JP3126163B2

JP3126163B2 - ガスソース分子線エピタキシャル成長装置

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Publication number: JP3126163B2
Application number: JP03110637A
Authority: JP
Inventors: 淳二斎藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 2001-01-22
Anticipated expiration: 2016-01-22
Also published as: JPH04338632A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスソース分子線エピ
タキシャル成長装置に関し、より詳しくは、化合物半導
体結晶を多数枚同時に成長できる量産型のガスソース分
子線エピタキシャル成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空中で化合物半導体結晶基板を所定の
温度に加熱して、該基板上に複数の半導体元素の分子線
を照射することにより、該基板上に化合物半導体をエピ
タキシャル成長する分子線エピタキシー（ＭＢＥ）は、
超薄膜が制御性よく成長できることや、ヘテロエピタキ
シャル構造における界面が急峻であることなどの利点が
あるので、新しい電子デバイスや新しい光デバイスを実
現するための結晶成長技術として注目されている。

【０００３】最近、分子線原材料の供給方法として、従
来の金属ソースを真空チャンバ（結晶成長室）の中で保
持する方法から、有機金属化合物を含むガス状のソース
を真空チャンバの外部からガス導入バルブを通して真空
チャンバの内部へ導入する方法に変えたガスソース分子
線エピタキシー装置の開発が活発になっている。ガスソ
ースの分子線エピタキシー装置は、ソース材料の充填の
ために真空チャンバの真空を破る必要がなく、装置を効
率よく働かせることができるため、従来の分子線エピタ
キシー装置に比べ量産性がよく、より工業的な装置であ
る。

【０００４】しかし、例えば図６のように、従来のＭＢ
Ｅ装置にガスを導入しただけでは、ただＭＢＥのソース
源が金属からガスに変わっただけで、生産装置に対応し
ているとは言えず、ガスソースＭＢＥの特性を生かした
生産のための装置の開発が要求される。なお、図６にお
いて符号６１は結晶成長室、６２は基板ホルダ、６３は
基板マニピュレータ、６４ａは金属ソース型の分子線源
セル、６４ｂ，６４ｃはガスソース型の分子線源セル、
６５は液体窒素シュラウド、６６ａはターボ分子ポン
プ、６６ｂはオイルトラップ、６６ｃはロータリーポン
プ、６７ａ，６７ｂはガスボンベ、６８ａ〜６８ｄはバ
ルブ、６９ａ，６９ｂはマスフローコントローラ、６９
ｃはゲートバルブ、７０は遮蔽板、Ｗは基板を示してい
る。

【０００５】そこで、デバイスの生産、量産に対応でき
る化合物半導体結晶のエピタキシャル成長装置として、
バキューム・ケミカルエピタキシー（Vacum Chemical
Epitaxy；ＶＣＥ）が提案されている。これは、L.M.Fr
ass らによって考案されたもので、例えば次の様な文献
において紹介されている。

【０００６】"Epitaxal growth from organometallic
sources in high vacuum" Journalof Vacuum Science
& Technology B4, Jan/Feb, pp22-29, 1986、"Highth
roughput vacuum chemical epitaxy" Journal of Cryst
al Growth 105, pp 35-45,1990、"Vacuum Chemical E
pitaxyシステムの開発" Soid Srate Technology／日本
版２月号 pp21-27, 1990ところで、ＶＣＥは、基板を回
転することなく大面積、多数枚基板に均一成長を可能に
するために複数の分子線噴き出しオリフィスが原料ガス
を基板成長面へ均一に供給することを特徴とするエピタ
キシャル成長方法である。図７に、リアクタの概要図を
示した。

【０００７】リアクタ101 は、ステンレス性真空チャン
バー102 内に設置され、真空排気系により排気される。
原料ガスは、マスフローコントローラ103,104 により流
量制御されて、リアクタ101 に導入される。

【０００８】基板ｗは、チャンバー102 内で基板ホルダ
ー105にセットされた後、基板ホルダー105 と共にリア
クタ101 の天板部にフェースダウンでセットされ、リア
クタ101 と共に上部カーボンヒーター106 からの幅射に
よって加熱される。

【０００９】加熱されるリアクタ101 の材料は、SiＣコ
ートされたカーボングラファイトである。基板ｗに対向
する位置にオリフィスプレート107 が設置されており、
そこに設けられた複数の分子線噴き出しオリフィス108
から基板ｗの膜成長面に向けて原料ガスが照射される。

【００１０】ここで、ＶＣＥがガスソースＭＢＥと異な
るのは、基板ｗの膜成長面に入射し、成長に寄与するこ
とになる原料ガス分子線が、分子線噴き出しオリフィス
108から噴き出して直接基板ｗの膜成長面に到達する分
子線のみならず、加熱されている基板ホルダー105 やオ
リフィスプレート107から再蒸発してくる分子線も含ま
れていることにある。

【００１１】なお、図中符号 109は均熱板、110 は冷却
水供給管、111 は中間室を示している。

【００１２】次に、ＶＣＥを用いた量産型装置として製
品化されているものの一例を図８に基づいて説明する。

【００１３】まず第一に、図８(A) に示すように、処理
チャンバー112 の円形プレート112a上に基板ｗを多数枚
設定して同一のガス噴出口113 の上に複数の基板ｗを設
置し、その面に膜を形成したのちに単一の取出口114 か
ら基板ｗを搬出する多数枚バッチ方式がある。第二に、
同図(B) に示すように、処理チャンバー115 を複数に仕
切って各区画毎に１枚の基板ｗを設定するとともに、そ
の下にガス噴出口116を設け、膜形成後に基板載置板117
を回転させて基板ｗを一枚ずつ外部に取り出すマルチ
リアクター方式がある。第三に、同図(C) に示すよう
に、ロードロックチャンバ119 の周辺に処理チャンバ12
0 を複数設けたマルチチャンバー方式が提案されてい
る。

【００１４】図９は、ガス分子と金属分子を両方使って
エピタキシャル成長を行なうＶＣＥ装置の成長室の概要
を示した図である。

【００１５】ここでは、Ｖ族分子線を金属分子線として
使っている。砒素分子線は従来のＭＢＥと同様に、容器
121 の中に保持された金属砒素ソース122 を抵抗加熱ヒ
ータ123 により加熱し、噴出口124 より分子線の形で取
出し使用する。そして、 III族ガス分子の噴出口125 の
上方周辺に砒素分子線の噴出口124 を設置してＶ族分子
線と III族ガス分子を同時に基板ｗ面に照射できるよう
にしている。

【００１６】なお、符号126 は、基板加熱用ヒータ、12
7 は処理チャンバ、128 はガス導入部を示している。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの方式
では基板の枚数の割には装置が大型化してしまい、本来
の意味での生産用装置とは言えない。

【００１８】例えば５０枚の基板にエピタキシャル結晶
を一度で成長する場合、図８(A) に示す多数枚バッチ方
式によれば、基板ｗを載置する円形プレート112aを大き
くする関係上、リアクタの設計が困難になり、しかも基
板ｗをセットする自動搬送ロボットの移動が複雑で大型
化する。また、同図(B) に示すマルチリアクター方式に
よれば、区画領域を確保する関係上、成長室全体が大型
化するという問題がある。さらに、同図(C) に示すマル
チチャンバー方式によれば分離した処理チャンバーが５
０室必要になり、現実的ではなくなってくる。

【００１９】ところで、従来例として示したＶＣＥ法は
ガス噴出口と基板との距離を数cm（２〜５cm) とし、成
長中の真空度が10^-3〜10^-4Torrで成長を行なうものであ
るが、円形プレート112aの上に基板ｗを多数枚配置して
同時に成長する多数枚バッチ方式の場合には、ガス噴出
口113 と基板ｗとの距離が短いために、ガスの排気コン
ダクタンスが各基板間で不均一になって、膜厚にバラツ
キが生じるといった問題が生じる。

【００２０】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、数十枚規模の多数枚基板の表面に同時に
均一な厚さの膜を成長でき、かつ、生産用の装置として
コンパクトなエピタキシャル成長を実施できるガスソー
ス分子線エピタキシャル成長装置を提供することにあ
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図１，
図２に例示するように、化合物半導体の構成元素を含む
複数のガス分子及び金属粒子を単結晶基板に噴出させ
て、該単結晶基板表面に化合物半導体膜をエピタキシャ
ル成長させるガスソース分子線エピタキシャル成長装置
において、エピタキシャル成長中のエピタキシャル成長
室２内を第１の真空度に保持し、基板ホルダー６と原料
ガス噴出セル９との距離を、前記真空度によって決定さ
れるエピタキシャル成長室29内のガス分子及び金属粒子
の平均自由工程以下に設定し、前記エピタキシャル成長
室２内に、前記複数の単結晶基板ｗを１列又は２列に並
べて保持した前記基板ホルダー６を配置し、前記基板ホ
ルダー６上の前記複数の単結晶基板ｗを複数の群に区分
するとともに、独立したガス供給制御系12をもつ原料ガ
ス噴出セル９を前記群に対応させて複数個並べることを
特徴とする前記ガスソース分子線エピタキシャル成長装
置により解決される。

【００２２】

【００２３】

【００２４】または、図５に例示するように、化合物半
導体の構成元素を含む複数のガス分子及び金属粒子を単
結晶基板ｗに噴出させて、該単結晶基板表面に化合物半
導体膜をエピタキシャル成長させるガスソース分子線エ
ピタキシャル成長装置において、複数の単結晶基板ｗを
１列又は２列に並べて保持する基板ホルダー６をエピタ
キシャル成長室２内に配置し、該基板ホルダー６上の複
数の単結晶基板ｗを複数の群に区分するとともに、独立
したガス供給制御系をもつ原料ガス噴出セル９と、独立
した金属供給制御系をもつ金属分子噴出セル30を前記群
に対応させて複数並べることを特徴とするガスソース分
子線エピタキシャル成長装置によって解決される。

【００２５】または、図５に例示するように、金属分子
噴出セル30は、前記エピタキシャル成長室２との遮断弁
32と、前記エピタキシャル成長室２を大気に戻さずにソ
ースのチャージが行える分子線源の引出し機構34と、専
用の排気系33とを備えていることを特徴とする前記ガス
ソース分子線エピタキシャル成長装置により達成する。

【００２６】または、図１，２，５に例示するように、
前記基板ホルダー６上の複数の単結晶基板ｗを複数の群
に区分するとともに、前記エピタキシャル成長室２の排
気口12を前記群に対応させて多数個並べ、前記群毎に独
立に排気することを特徴とする前記ガスソース分子線エ
ピタキシャル成長装置によって解決される。

【００２７】または、図１，２，５に例示するように、
前記エピタキシャル成長室２内に配置される前記基板ホ
ルダー６の長辺寄りに、前記基板ホルダー６入出用の開
閉弁４を介して基板交換室５を設けたことを特徴とする
前記ガスソース分子線エピタキシャル成長装置により達
成する。

【００２８】または、図１，２，５に例示するように、
前記開閉弁４と前記基板交換室５を前記エピタキシャル
成長室２の二方向に設定することを特徴とする前記ガス
ソース分子線エピタキシャル成長装置によって解決され
る。なお、上記した図番、符号は、発明の理解を容易に
するために引用されたものであって、本発明はそれらに
限定されるものではない。

【００２９】

【作用】本発明によれば、所定の大きさの真空度の下
で、ガス分子及び金属粒子の平均自由工程以下になるよ
うに、基板ホルダー６と原料ガス噴出セル９との距離を
設定している。このため、成長ガス、金属粒子の衝突に
よる散乱が減少し、半導体の成長速度が高くなるととも
に、均一な成長が得られる。なお、第１の真空度として
例えば１０^-3〜１０^-4Torr台に設定するものがある。

【００３０】しかも、複数枚の基板ｗを平面横方向に１
列又は２列並べるようにしているので、全ての基板ｗ
が、その下に置かれるリアクタの側部に並ぶことにな
り、各基板ｗの成長表面付近での排気コンダクタ及びガ
ス供給量が等しくなる。これによって成長中の真空度の
ばらつきによる成長速度の不均一や、それに伴う膜厚均
一性の面内でのばらつきを無視できる。

【００３１】また、本発明によれば、独立したガスの制
御系をもつ原料ガス噴出セル９や、独立した金属供給制
御系をもつ金属分子噴出セル３０を設けるようにしてい
る。このため、１又は２列に配置された複数の基板ｗの
全てに均等に成長ガスを供給することが可能になり、膜
の均一性が向上する。

【００３２】また、上記した発明において、成膜室２を
大気に戻すことなく、金属分子噴出セル３０内のソース
の補給を行えるようにしてもよい。このため、成膜処理
の効率がよくなる。

【００３３】さらに、上記した発明において、複数の単
結晶基板ｗに複数の排気口１２を設けるようにしてもよ
く、排気コンダクタンスが各基板ｗに対して等しくな
り、各基板ｗ面の真空度が均一になり成長した膜の厚さ
が均等になる。

【００３４】上記した発明において、基板ホルダー６の
長辺側が基板交換室５に近くなるように配置してもよ
い。このため、多数枚の基板ｗを基板搬送口３に沿って
並べ、かつ排気コンダクタンスが各基板ｗに対して等し
くなるように多数設けることにより、ガス噴出口８を有
するリアクタ９の設計も容易になる。

【００３５】さらに、多数枚の基板ｗを平面横方向に並
べた場合、この基板ホルダー６を成長室２に搬入、搬出
する方向として最短になるのが基板ホルダー６の長辺側
であるようにすれば、基板ｗの移動時間が短くなり、成
膜処理効率が良くなる。

【００３６】また、上記した発明において、多数枚の基
板ｗを交換するには、相当な時間がかかるため、基板交
換室５を、図１のように成長室２の左右双方向に２つ設
けるようにしてもよい。これにより、成長室２に搬送し
た基板ホルダー６上の多数の基板ｗに膜を成長している
間に、一方の交換室５においては成膜後の基板取り出し
のために待機し、他方の基板交換室５では次の成長のた
めの基板ｗの搭載を行なうことができ、量産性に優れた
生産装置を構成することになる。

【００３７】

【実施例】（ａ）本発明の第１実施例の説明図１は、本発明の一実施例を示す装置の平面図で、図２
(A) 及び(B) は、図１のＸ−Ｘ線断面図、Ｙ−Ｙ線断面
図である。

【００３８】図中符号１は、ガスソース分子線エピタキ
シャル成長装置で、ステンレス製の成長室２を有し、そ
の両側に設けられた基板搬送口３には、それぞれゲート
バルブ４を介して基板交換室５が設けられている。な
お、図において基板交換室５の一方は省略されている。

【００３９】６は、成長室２と基板交換室５の中を移動
可能に収容される長方形の基板ホルダーで、その長辺を
基板搬送口３に対向させて配置され、また、その長手方
向には、複数の基板窓７が１列又は２列に形成されてお
り、それぞれの基板窓７の縁部で基板ｗを支持するとと
もに、基板窓７を通して基板ｗの成膜面を下から露出す
るように構成されている。

【００４０】９は、上向きの多孔性ガス噴出口８を有す
る熱調整可能なリアクタ（ガス噴出セル）で、このリア
クタ９は、成長室２内でその側部に沿った方向に複数個
隣接され、これらを囲む領域には基板ホルダー支持板１
０が取付けられている。また、成長室２の上部には、リ
アクタ９の上面に対向するヒータ１１が複数個取付けら
れ、さらに、その底部には、各リアクタ９を配列方向に
挟む複数の排気口１２が設けられている。そして、基板
ホルダー支持板１０上に載置された基板ホルダー６の一
定範囲内にある基板ｗを、１組のヒータ１１、リアクタ
９及び排気口１０により分担するように構成されてい
る。この場合、ヒータ１１の材料はカーボンである。ま
た、リアクタ９のうち加熱される部分の材料はSiCコー
トされたカーボングラファイトから形成されている。

【００４１】ところで、ガス噴出口８と基板ホルダー支
持板１０との距離は、エピタキシャル成長中の真空度に
よって決まる。本実施例では膜成長中の典型的な真空度
Ｐが２×１０^-3Torrであるため、この時のガス粒子の平
均自由工程λ（cm）は次の式で与えられる。

【００４２】λ＝２．３３×１０^-20 ×（Ｔ／Ｐｄ²) ここで、Ｔはガス温度（Ｋ）、ｄはガス分子直径（cm）
である。ガス温度Ｔを４００Ｋとし、また分子直径ｄを
水素分子の直径２．７５×１０^-8cmで代表させて代入す
ると、λは6.2cm となる。そこで本実施例ではガス噴出
口８と基板ホルダー支持板１０との距離は３cmとした。

【００４３】１３は、ウェハトレー１４を有する基板
ローディング／アンローディング室で、ゲートバルブ１
５を介して基板交換室５の基板出入口５ａに取付けら
れ、その外側には基板交換ハッチ１６が設けられてい
る。

【００４４】１７は、基板交換室５の内部に設けられた
基板ホルダー搬送機で、この基板ホルダー搬送機１７
は、基板ホルダー６を支持移設する支持部１７ａと、そ
の両端近傍に取付けられて基板ローディング／アンロー
ディング室１３の両脇を摺動する摺動杆１７ｂと、摺動
杆１７ｂを基板ホルダー６の長辺と垂直に摺動させる駆
動部１７ｃとを有しており、基板搬送口３を通して支持
部１７ｂを進退させるように構成されている。

【００４５】１８は、基板交換室５の基板ローディング
／アンローディング室１３寄りの領域に設けられたウェ
ハ搬送用ロボットで、このロボット１８は、伸縮回動可
能なアーム１８ａと、そのアーム１８ａを基板交換室５
の側部に沿って走査させる走査部１８ｂを有しており、
基板交換室５内に収納された基板ホルダー６から基板ｗ
を一枚ずつ取り出してウェハトレー１４に載置したり、
その反対にウェハトレー１４から基板ホルダー６に基板
ｗを移すように構成されている。

【００４６】なお、図中符号１９は、各リアクタ９に導
入される原料ガスの流量を調整するマス・フローコント
ローラ、２０は、基板ローディング／アンローディング
室１３の外側に形成された基板交換ハッチ、２１は、基
板交換室５の下に設けられた排気口、２２は基板ローデ
ィング／アンローディング室１３の下に取付けられた排
気口である。

【００４７】次に、上記した装置を使用してGaAs膜を成
長する場合を具体的に説明する。

【００４８】この場合、GaAs膜を形成する対象として４
インチ直径の（１００）面半絶縁性GaAs基板ｗを使用
し、エピタキシャル成長用のガスソース材料として、ト
リエチルガリウム（ＴＥＧ；Ga(C₂H₅)₃）とアルシン(A
sH₃)を使用する。

【００４９】また、成長室２に配置されるリアクタ９は
１０個、その底部の排気口１２は１１個分散されてお
り、その排気はそれぞれに独立したターボ分子ポンプと
ドライポンプを接続して行う。

【００５０】さらに、基板ホルダー６は、２２０cm×２
２cmの長方形をしており、そこには２列×２０列の複数
の基板窓７が形成され、それらの上には４０枚のGaAs基
板ｗを並べる。

【００５１】この場合、成長室２のリアクタ９はタテ・
ヨコ２枚×２枚＝計４枚を一つのユニット（群）として
考えて基板ホルダー６を１０ユニットに区画し、ガス噴
出口リアクタ９の数はそれに対応させている。また、リ
アクタ９のガス噴出口８と基板ｗとの距離を３cmに設定
し、各リアクタ９に接続されるマスフローコントローラ
１９は各ユニット毎に取付けられて独立に調整できるよ
うにする。また、リアクタ９の上方に取付けられた基板
加熱ヒータ１１もユニットに対応させて１０個取付けら
れ、ユニット毎に調整するようにしている。

【００５２】さらに、成長室２と基板交換室５の内部の
ガスを各排気口１２，２１から排気して内部圧力を１０
^-9Torr台にする。

【００５３】それから、脱脂洗浄および酸洗浄したGaAs
基板ｗをウエハトレー１４に４０枚格納し、大気圧に戻
した基板ローディング／アンローディング室１３に設置
する。この時、この室１３には、成長した後のウエハｗ
を収納するための空のウエハトレー１４も別に並べて設
置しておく。

【００５４】次に、基板交換ハッチ１６を閉めて、ロー
タリーポンプ及びターボ分子ポンプを使ってその中を排
気し、基板ローディング／アンローディング室１３の真
空度を10^-8Torr台までに低下させる。

【００５５】この後に、基板ローディング／アンローデ
ィング室１３と基板交換室５の間のゲートバルブ１５を
開き、ウェハ搬送用ロボット１８によってウェハトレー
１４の基板ｗを取り上げ、これを図３(B) に示すように
基板交換室５内の基板ホルダー６上に一枚ずつ載置す
る。

【００５６】この後、基板ホルダー搬送機１７の支持部
１７ａに乗せた基板ホルダー６を基板交換室５から成長
室２のリアクタ９の基板ホルダー支持板１０上にセット
し、ついで基板ホルダー搬送機１７を引っ込めた後に成
長室２の側部のゲートバルブ４を閉じる（図３(A))。

【００５７】そして、成長室２内の真空度が10^-9Torr台
にあるのを確認した後、基板交換室５内の基板ｗをヒー
タ１１により加熱し、同時にアルシンガスを１０sccmの
流量でリアクタ９に導入する。

【００５８】このアルシンは、リアクタ９内の約９００
°Ｃに加熱された部分を通過することによってAs₂とＨ
₂に熱分解され、基板ホルダー６の基板窓７を通してGa
As基板ｗ下面に照射される。そしてGaAs基板ｗを６００
℃まで加熱し、この状態を約１０分間保持すると、GaAs
基板ｗ表面の自然酸化膜は除去される。

【００５９】次に、ヒータ１１を調整して基板温度を５
５０℃に下げ、ついで、ＴＥＧをマスフローコントロー
ラ１９により0.5 sccmの流量に調整してリアクタ９に導
入する。この場合ＴＥＧは分解しないでそのままリアク
タ９のガス噴出口８から基板窓６を通してGaAs基板ｗ表
面に照射し、これによりGaAs成長が生ずる。成長中の真
空度は２×１０^-3Torrとする。

【００６０】１時間の成長の後、まずＴＥＧの流入バル
ブ（不図示）を閉じ、基板加熱ヒータ１１のパワーを切
って基板温度を下げる。基板温度が４００℃以下になる
までアルシンを流し続ける。

【００６１】その後、アルシンの流入バルブ（不図示）
を閉じて、成長室２内の真空度が10 ^-8Torr台になるまで
排気した後に、図３(B) に示すように、成長室２と基板
交換室５の間のゲートバルブ４を開けて基板ホルダー６
を搬送機１７によって基板交換室５へ搬出する。

【００６２】次に、基板交換室５に戻された基板ホルダ
ー６上の基板ｗは、ウエハ搬送ロボット１８によって取
り上げられ、空のウエハートレー１４に格納される。同
時に新しい基板ｗがこのロボット１８によってウエハー
トレー１４から基板ホルダー６上に置かれる。その所要
時間は約１時間であった。この間、成長室２側のゲート
バルブ４は閉、基板ローディング／アンローディング室
１３側のゲートバルブ１５は開であり、基板ローディン
グ／アンローディング室１３の排気口２２は閉じられ、
基板交換室５は排気口２１を通してイオンポンプによっ
て排気される。そして、基板ホルダー６上の基板ｗを交
換した後に、ゲートバルブ１５を閉じ、基板ローディン
グ／アンローディング室１３を大気に戻し、ウェハトレ
ー１４の基板ｗを新たなものと交換する。

【００６３】それから、膜成長後に基板ホルダー６を一
方の基板交換室５に戻し、その間にあるゲートバルブ４
を閉めた後に、他方のゲートバルブ４を開け、他の基板
交換室５において未成長の基板ｗがセットされている基
板ホルダー６を成長室２へ導入し、リアクタ９の基板ホ
ルダー支持板１０の上にセットする。そして、基板ホル
ダー搬送機１７の支持部１７ａが基板交換室５内に完全
に戻った後にそのゲートバルブ４を閉じ（図３(C))、前
記した膜の成長を行う。

【００６４】これらの動作を繰り返して行い、大量の基
板に膜の成長を続けて行うことになる。

【００６５】以上のようにして成長したGaAsエピタキシ
ャル膜は膜厚のばらつきが、４インチGaAs基板の面内お
よび４０枚の基板ｗ間で±１％となり、非常に均一な膜
が得られた。また、成長速度は約１．５μｍ／ｈであっ
た。

【００６６】電子デバイスに用いるGaAsエピタキシャル
結晶の厚さは通常１μｍ前後であるため、本装置を使う
ことによって１時間あたり４０枚の４インチGaAs基板ｗ
上へのエピタキシャル結晶成長が可能であり、基板交換
室５を双方向に２つ取付けることにより、基板交換のた
めのロス時間をとることなく連続した成長が可能となっ
た。

【００６７】なお、本発明の一実施例として４インチGa
As基板ｗを４０枚同時成長するためのガスソースＭＢＥ
装置について述べたが、本発明は基板ｗの大きさや枚数
を制限することはない。また基板材料についてもInP,Ga
Sb等も可能である。エピタキシャル結晶材料も制限する
ものではない。

【００６８】ところで、本発明者は、GaAs基板上にガス
ソースとしてトリエチルガリウムとアルシンを使ってGa
Asを成長する場合、GaAsの成長速度が成長中の真空度に
依存することを見出し、１９９０年秋季応用物理学会講
演会（予稿集講演番号２７ａ−Ｖ─２）において発表し
た。

【００６９】図４はアルシン、トリエチルガリウムおよ
びトリエチルアルミニウム（Al(C₂H ₅)₃)を使って成長し
たGaAsおよびAlGaAsの成長速度のアルシン流量依存性を
示したものである。アルシンの流量が５sccmの場合、Ga
Asの成長速度は約0.8 μｍ／ｈであったが、アルシンの
流量が増加するに従って、GaAsの成長速度は減少し、５
０sccmの場合、約0.4 μｍ／ｈになった。なお、ガス噴
出口・基板間距離は２５cmである。

【００７０】この時、成長中の真空度はアルシンの流量
０から５０sccmの増加に比例して7×10^-5Torrから7 ×1
0^-4Torrに変化した。この結果を気体分子運動論を使っ
て解析したところ、トリエチルガリウム分子が噴出セル
から基板に到達する間に、真空度を形成しているガス粒
子と衝突して散乱することによって、基板に到達するト
リエチルガリウム分子の数が減り、成長速度が減少して
いることがわかった。真空度を形成しているガス粒子
は、主に、アルシンを熱分解する時に砒素（As₂)の副生
成物としてでる水素（H₂）であると考えられる。

【００７１】この現象は、ガスソースＭＢＥ装置におい
て成長室２を設計する時に、非常に重要な要因となる。

【００７２】即ち、成長中の真空度を形成しているガス
粒子の平均自由行程に比較して、ガス噴出口と基板との
距離は十分に短くする必要がある。10^-4Torr台の真空中
で成長を行なう場合には10cm以下、10^-3Torr台の真空度
の場合には、１cm以下とすれば、 III族ガス分子の飛行
中の衝突散乱による成長速度の現象は無視することがで
きる。上記した実施例では、成長中の真空度が２×10^-3
Torrガス噴出口８と基板ｗとの距離を３cmとしているた
めに図４に示すような成長速度の減少は顕著でないと考
えられる。

【００７３】しかし、基板ｗを多数枚並べて同時に成長
する場合には、ガス噴出口８と基板ｗとの距離が短いた
めに、ガスの排気コンダクタンスが各基板間で等しくな
るように考慮する必要がある。

【００７４】上記実施例は、この点を考慮し、多数枚同
時成長において、拡張性が容易で大口径基板上に高均
一、高品質エピタキシャル結晶が成長できるようにした
ものである。

【００７５】そして、上記した実施例によれば、多数枚
の基板ｗを平面横方向に１列又は２列並べることによ
り、全ての基板ｗがリアクタ９の側部に並ぶことにな
り、各基板ｗの成長表面付近での排気コンダクタとガス
供給量が等しくなる。これによって成長中の真空度のば
らつきによる成長速度の不均一や、それに伴う膜厚均一
性の面内でのばらつきを無視できる。

【００７６】また、排気コンダクタンスを各基板に対し
て等しくするため、図２(B) の側面図で示したように排
気口１２を各リアクタ９のユニット毎に設ける。

【００７７】しかも、多数枚の基板を基板搬送口３に沿
って並べ、かつ排気コンダクタンスが各基板ｗに対して
等しくなるように多数設けることにより、ガス噴出口８
を有するリアクタ９の設計も容易になる。すなわち、４
枚のGaAs基板ｗを１つのユニットとしてとらえ、最初に
この４枚同時成長用のガス噴出口リアクタ９による大口
径高均一結晶成長技術を開発し、このユニットを横方向
に第１図の様に並べることにより、多数枚基板上の大口
径・高均一結晶成長が可能になる。

【００７８】さらに、多数枚の基板を平面横方向に並べ
た場合、この基板ホルダー６を成長室２に搬入、搬出す
る方向として最短になるのが基板ホルダー６の長辺側で
ある。

【００７９】即ち、基板交換のための基板ホルダー６の
成長室２への搬入、搬出は基板ホルダー６の長辺と直交
する向きに移送することにより、短い距離と短い時間で
実現できることがわかる。

【００８０】また、多数枚の基板ｗを交換するには、相
当な時間がかかるため、基板交換室５を、図１のように
成長室２の左右双方向に２つ設けることにより、例え
ば、一方の基板交換室５から搬送した基板ホルダー６上
の多数の基板ｗに膜を成長している間に、他方の基板交
換室５において次の成長のための、基板ｗの取り出しと
搭載を行なうことができるため、量産性に優れた生産装
置となる。

【００８１】なお、この装置においては、成長中の真空
度を２×１０^-3Torrとしたが、その大きさはこれに限る
ものではなく、エピタキシャル成長中のエピタキシャル
成長室２内の真空度を１０^-3〜１０^-4Torr台に保持し、
基板ホルダー６と原料ガス噴出セル９との距離を、前記
真空度によって決定されるエピタキシャル成長室２９内
のガス分子及び金属粒子の平均自由工程以下の大きさに
設定してもよい。

【００８２】これによれば、成長ガス分子や金属元素の
衝突による散乱が減少して成長速度が高くなる。

【００８３】（ｂ）本発明の第２実施例の説明第一の実施例では、Ｖ族元素のソース材料としてアルシ
ン(AsH₃)を用いたが、これに替えて、金属ソースをＶ族
元素分子線源とした場合について第二の実施例で説明す
る。装置の概要は、第一の実施例とほとんど同じである
が、図５の断面図に示すように、第一の実施例の装置に
金属砒素分子線源３０を付加したところが異っていて、
その他の構成は同一である。

【００８４】金属砒素分子線源３０は、成長室２の下方
にガスの導入ラインと同じ側に各リアクタ９毎に独立し
て取付けられている。砒素分子の噴出口３１は、ガス分
子噴出口８の前面周辺部に取り付けられ、砒素分子線を
基板ｗに照射できるようにしている。

【００８５】金属砒素分子線源３０は、そのフランジ
毎、真空ベローズによって成長室２より抜き出せる引出
機構３４を有し、成長室２との間のゲートバルブ３２を
閉じて成長室２より抜き出す。

【００８６】その後、分子線源の入った室を大気ベント
し、新しい砒素ソースをチャージすることができる。チ
ャージ後は、排気口３３から分子線源専用の排気ポンプ
（不図示）によって内部を排気し、真空度が10^-8Torr以
下になった後に、成長室２との間のゲートバルブ３２を
開けて、分子線源３０を送り出し、成長室２にセットす
る。分子線源３０には金属砒素を約３ｋｇチャージでき
る。

【００８７】そして、加熱ヒータにより分子線源セル容
器内にチャージした砒素を加熱し、約３５０℃にするこ
とにより、分子線噴出口３１より砒素分子線を取り出す
ことができる。砒素分子線のビーム強度は、砒素の加熱
強度によって制御する。

【００８８】このような装置において、第１図のように
４インチのGaAs基板を２列×２０列＝４０枚並べた基板
ホルダー６を基板加熱ヒータ１１により加熱し、同時に
分子線源３０から金属砒素分子線をGaAs基板ｗ表面に照
射する。

【００８９】次に、GaAs基板ｗを６００℃まで加熱し、
約１０分間保持することによりGaAs基板ｗ表面の自然酸
化膜を除去する。次に基板温度を５５０℃に下げる。Ｔ
ＥＧをマスフローコントローラ１９により0.5sccm の流
量に調整してリアクタ９に導入する。

【００９０】ＴＥＧは分解しないでそのままリアクタ９
のガス噴出口８からGaAs基板ｗ表面に照射し、その面に
成長が生じる。成長中の真空度は５×１０^-4Torrであ
る。

【００９１】１時間の成長の後、まずＴＥＧを流入を停
止し、基板加熱ヒータ１１のパワーを切って、基板温度
を下げる。

【００９２】基板温度が４００℃以下になるまで砒素分
子線は照射を続ける。その後、砒素分子線のビーム噴出
口３１のシャッター（不図示）を閉じて成長室２内の真
空度が10^-8Torr台になるまで排気した後、基板ホルダー
６を基板交換室５へ取り出す。

【００９３】以上のようにして成長したGaAsエピタキシ
ャル膜は膜厚のばらつきが、４インチGaAs基板ｗの面内
および４０枚の基板間で±１％となり、非常に均一な膜
が得られた。また、成長速度は約１．５μｍ／ｈであっ
た。

【００９４】電子デバイスに用いるGaAsエピタキシャル
結晶の厚さは通常１μｍ前後であるため、本装置を使う
ことによって１時間あたり４０枚の４インチGaAs基板上
へのエピタキシャル結晶成長が可能であり、基板交換室
５を双方向に２つ取付けることにより、基板交換のため
のロス時間をとることなく連続した成長が可能となっ
た。

【００９５】また、Ｖ族原料ソースとして金属砒素を使
っているため、第一の実施例で用いたアルシンに比較し
て非常に安定性が高く、生産のための装置として優れて
いる。

【００９６】以上、本発明第二の実施例として４インチ
GaAs基板を４０枚同時成長するためのガスソースＭＢＥ
装置について述べたが、本発明は基板の大きさや枚数を
制限することはない。また、基板材料について、InP,Ga
Sb等も可能であり、金属分子線ソース材料として、Ｐや
Ｓｂをチャージして使う。

【００９７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、所定
の大きさの真空度の下で平均自由工程以下になるよう
に、基板ホルダーと原料ガス噴出セルとの距離を設定し
ているので、成長ガス、金属粒子の衝突による散乱を減
少させ、半導体の成長速度を高くするとともに、均一に
成長させることができる。

【００９８】しかも、複数枚の基板を平面横方向に１列
又は２列並べるようにしているので、全ての基板が、そ
の下に置かれるリアクタの側部に並ぶことになり、各基
板の成長表面付近での排気コンダクタ及びガス供給量を
等しくすることができ、これにより、成長中の真空度の
ばらつきによる成長速度の不均一や、それに伴う膜厚均
一性の面内でのばらつきを無視できる。

【００９９】さらに、独立したガスの制御系をもつ原料
ガス噴出セルや、独立した金属供給制御系をもつ金属分
子噴出セルを設けるようにしているので、１又は２列に
配置された複数の基板の全てに均等に成長ガスを供給す
ることが可能になり、膜の均一性を向上することができ
る。

【０１００】また、本発明において、成膜室を大気に戻
すことなく、金属分子噴出セル内のソースの補給を行え
るようにしてもよく、これによって成膜処理の効率がよ
くなる。

【０１０１】さらに、本発明において、複数の単結晶基
板に複数の排気口を設けるようにしてもよく、これによ
って排気コンダクタンスが各基板に対して等しくなり、
各基板面の真空度が均一になり成長した膜の厚さを均等
にすることができる。

【０１０２】また、本発明において、基板ホルダーの長
辺側が基板交換室に近くなるように配置してもよく、こ
れにより、多数枚の基板を基板搬送口に沿って並べ、か
つ排気コンダクタンスが各基板に対して等しくなるよう
に多数設けることにより、ガス噴出口を有するリアクタ
の設計も容易になる。さらに、多数枚の基板を平面横方
向に並べた場合、この基板ホルダーを成長室に搬入、搬
出する方向として最短になるのが基板ホルダーの長辺側
となり基板の移動時間が短くなり、成膜処理効率を良く
することができる。

【０１０３】また、本発明において、基板交換室を、成
長室の左右双方向に２つ設けるようにしてもよく、これ
により、成長室に搬送した基板ホルダー上の多数の基板
に膜を成長している間に、一方の交換室においては成膜
後の基板の取り出しのために待機し、他方の基板交換室
では次の成長のための基板の搭載を同時に行なうことが
でき、量産性をさらに向上することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例装置を示す平面図である。

【図２】本発明の第１実施例装置を示す断面図である。

【図３】本発明の第１実施例装置の動作説明図である。

【図４】AsH₃−ＴＥＧ−Al系のGaAsとAlGaAs成長速度の
AsH₃の流量依存性を示す特性図である。

【図５】本発明の第２実施例装置を示す断面図である。

【図６】従来のガスソースＭＢＥ装置の一例を示す概要
構成図である。

【図７】従来装置のリアクタを示す概要構成図である。

【図８】従来のＶＣＥを用いた量産型装置の一例を示す
上面図である。

【図９】従来の多数枚バッチ方式の分子線エピタキシャ
ル成長装置の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ガスソース分子線エピタキシャル成長装置２成長室３基板搬送口４ゲートバルブ５基板交換室６基板ホルダー７基板窓８ガス噴出口９リアクタ（ガス噴出セル） 10 基板ホルダー支持板 11 ヒータ 12 排気口 13 基板ローディング／アンローディング室 14 ウェハトレー 16 基板交換ハッチ 17 基板ホルダー搬送機 18 ウェハ搬送用ロボット 30 分子線源 31 分子線噴出口 32 ゲートバルブ 33 排気口 34 引出機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/203,21/363 C30B 23/08,29/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】化合物半導体の構成元素を含む複数のガス
分子及び金属粒子を単結晶基板に噴出させて、該単結晶
基板表面に化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる
ガスソース分子線エピタキシャル成長装置において、エピタキシャル成長中のエピタキシャル成長室内を第１
の真空度に保持し、基板ホルダーと原料ガス噴出セルと
の距離を、前記真空度によって決定されるエピタキシャ
ル成長室内のガス分子及び金属粒子の平均自由工程以下
に設定し、前記エピタキシャル成長室内に、複数の単結晶基板を１
列又は２列に並べて保持した前記基板ホルダーを配置
し、前記基板ホルダー上の前記複数の単結晶基板を複数の群
に区分するとともに、独立したガス供給制御系をもつ原
料ガス噴出セルを前記群に対応させて複数個並べること
を特徴とするガスソース分子線エピタキシャル成長装
置。
【請求項２】化合物半導体の構成元素を含む複数のガス
分子及び金属粒子を単結晶基板に噴出させて、該単結晶
基板表面に化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる
ガスソース分子線エピタキシャル成長装置において、複数の単結晶基板を１列又は２列に並べて保持する基板
ホルダーをエピタキシャル成長室内に配置し、該基板ホ
ルダー上の複数の単結晶基板を複数の群に区分するとと
もに、独立したガス供給制御系をもつ原料ガス噴出セルと、独
立した金属供給制御系をもつ金属分子噴出セルを前記群
に対応させて複数並べることを特徴とするガスソース分
子線エピタキシャル成長装置。
【請求項３】前記金属分子噴出セルは、前記エピタキシ
ャル成長室との遮断弁と、前記エピタキシャル成長室を
大気に戻さずにソースのチャージが行える分子線源の引
出し機構と、専用の排気系とを備えていることを特徴と
する請求項２記載のガスソース分子線エピタキシャル成
長装置。
【請求項４】前記基板ホルダー上の前記複数の単結晶基
板を前記複数の群に区分するとともに、前記エピタキシャル成長室の排気口を前記群に対応させ
て多数個並べ、前記群毎に独立に排気することを特徴と
する請求項１〜３記載のガスソース分子線エピタキシャ
ル成長装置。
【請求項５】前記エピタキシャル成長室内に配置される
前記基板ホルダーの長辺寄りに、前記基板ホルダー入出
用の開閉弁を介して基板交換室を設けたことを特徴とす
る請求項１〜４記載のガスソース分子線エピタキシャル
成長装置。
【請求項６】前記開閉弁と前記基板交換室を前記エピタ
キシャル成長室の二方向に設定することを特徴とする請
求項５記載のガスソース分子線エピタキシャル成長装
置。