JP3139045B2 - 分子線結晶成長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分子線結晶成長装置（以
下、ＭＢＥ装置と記す）、特にその基板ホルダの改良に
関する。

【０００２】ＭＢＥ装置は、超高真空中で金属ソースを
加熱・蒸発させ、その蒸気を分子線の形で加熱した基板
上に照射し、その基板上に単結晶薄膜を成長させる装置
であり（最近では金属ソースの代わりに化合物ガスを使
用するものも開発されている）、主として GaAs 等の化
合物半導体の結晶成長に利用されている。

【０００３】近年、超高速デバイス（ＨＥＭＴ、GaAsＦ
ＥＴ等）や光デバイス（半導体レーザ等）等、化合物半
導体デバイスが大量に生産されるようになったため、Ｍ
ＢＥ装置は生産性向上を求められるようになっており、
複数枚同時成長型の装置も開発されている。

【０００４】基板ホルダはＭＢＥ装置内で基板上に結晶
を成長させる際にその基板を保持するものであるから成
長する結晶の品質に影響を与え易く、特に複数枚同時成
長型の場合にその傾向が大きい。そのため基板ホルダは
成長する結晶の品質を低下させないものであることが望
まれている。

【０００５】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】図４はＭ
ＢＥ装置の概略を示す図である。図において、41は成長
室、42は分子線源、43は基板ホルダ、44は基板ホルダ保
持機構、45はヒータである。基板（図示は省略）を搭載
した基板ホルダ43はロードロック室（図示は省略）から
ゲートバルブ（図示は省略）を経由して超高真空に保た
れた成長室41内に移送され、基板ホルダ保持機構44に装
着される。基板はこの状態で背面からヒータ45により加
熱され、基板ホルダ保持機構44により回転しながら、表
面に分子線を照射されて結晶が成長する。

【０００６】次にＭＢＥ装置用基板ホルダの従来例を図
を参照しながら説明する。図５は従来の基板ホルダの例
を示す図であり、(a) 、(b) 、(c) はそれぞれ第一例、
第二例、第三例を示している。図において、１は結晶を
成長させる基板、45はヒータである。

【０００７】第一例の基板ホルダ（図５(a) 参照）は円
板状をなす金属製のブロック51からなり、これに基板１
をインジウム・ソルダ52で張り付けて使用する。この方
式によれば、結晶成長後に基板１裏面に付着したインジ
ウム・ソルダ52をラッピング等により除去しなければな
らず、しかもその際に基板１を破損したりフラットネス
を損ねる等して歩留りを低下させる、等の問題があっ
た。

【０００８】第二例及び第三例の基板ホルダはソルダフ
リー型であり、共に第一例の上記の問題点は解決されて
いる。先ず第二例の基板ホルダ（図５(b) 参照）は円板
状をなす金属製のブロック53、複数個の押さえ金具54、
複数個のねじ55からなり、基板１を押さえ金具54とねじ
55によりブロック53に固定する。この場合には、基板１
とブロック53との接触が全体として不均一となるために
基板１の温度分布が不均一となり、その結果、成長結晶
の品質が低下する、という問題があった。

【０００９】次に第三例の基板ホルダ（図５(c) 参照）
はリング状をなす金属製のブロック56、熱伝導の小さい
材料からなる断熱リング57、熱伝導が小さく且つ赤外線
透過性の良い材料からなる背面板58、金属製の止めリン
グ59からなり、基板１を断熱リング57と背面板58とを介
してブロック56に搭載する。この場合には、基板１はブ
ロック56からは熱的に絶縁され、主としてヒータ45から
の直接的な輻射により加熱される。従って、第二例の上
記の問題点は殆ど解決されている。

【００１０】以上の従来例はいずれも基板一枚を保持す
る基板ホルダであるが、複数枚同時成長型のＭＢＥ装置
では複数枚の基板を保持する大型の基板ホルダが必要で
ある。その従来例を図６に示す。図６は従来例のＭＢＥ
装置の要部を示す図であり、(a) は断面図、(b) は下面
図である。図において、61は基板ホルダであり、その
他、図３と同じものには同一の符号を付与した。基板ホ
ルダ61は複数枚の基板を搭載可能であり（この図では四
枚）、それぞれの基板搭載部分の細部は図５(c)と同じ
である。

【００１１】一般に、基板ホルダは使用中、その表側
（分子線源に面する側）には結晶成長材料が堆積し、裏
側（ヒータに面する側）には僅かではあるがヒータ材料
が蒸着される。長期間使用しているとこれらの膜厚は次
第に厚くなり、裏側からの熱吸収と表側からの熱放射は
共に増加して行く。その上、裏側での熱吸収が多くなれ
ば反射板で反射して基板に向かう熱が減ることになる。
その結果、ヒータの温度が同じであると基板の温度が低
下して行く。又、堆積した結晶成長材料は基板ホルダを
大気中に取り出した際に大気中の酸素を吸収し、次の成
長時にこれを放出する。これらのことはいずれも成長す
る結晶の品質低下につながる。但し、図５(c) の場合に
は基板ホルダの表面積が小さいから大きな問題とはなら
ない。

【００１２】ところが図６から明らかなように複数枚の
基板を搭載可能な基板ホルダ61の場合には、表側・裏側
ともに表面積が非常に大きいから、この傾向が大であり
無視出来ない、という問題があった。又、複数枚の小口
径基板を同時に成長可能なＭＢＥ装置で大口径基板一枚
を処理するための基板ホルダにあっても、同様の問題が
あった。

【００１３】本発明はこのような問題を解決して、基板
上に成長する結晶の品質低下を防止することが可能なＭ
ＢＥ装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的は、本発明によ
れば、一枚又は複数枚の基板１を保持する基板ホルダ31
と、該基板ホルダ31を保持する基板ホルダ保持機構32
と、該基板１を背面から加熱するヒータ33とを有して該
基板１の表面に分子線を照射する分子線結晶成長装置に
おいて、該基板ホルダ31は該基板１の保持及び該基板ホ
ルダ保持機構32との係合のいずれにも関与しない部分に
分子線源側からヒータ33側に貫通する貫通孔11b を設け
て表面積を減らし、該ヒータ33は窒化ボロンで被覆する
か、或いは該ヒータ33の前面に分子線を遮断するヒータ
保護板35を配設したことを特徴とする分子線結晶成長装
置とすることで、達成される。

【００１５】

【作用】本発明では、基板ホルダは基板ホルダ保持機構
と係合する外周部と基板搭載部の周辺部以外は殆ど除去
されて貫通孔を形成しているから、複数枚の基板を搭載
可能な大型のものであってもその表面積が小さい。従っ
て、長期使用によっても結晶成長材料の堆積、ヒータ材
料の蒸着共に少なく、基板温度の低下や酸素の放出は僅
少である。その結果、成長する結晶の品質低下がない。

【００１６】一方、このような基板ホルダの改良により
分子線がヒータに到達することになり、これがヒータの
寿命を縮める場合がある。これに対しては、ヒータの被
覆、或いはヒータ前面への保護板の配設により対処して
いる。即ち、一般的に使用されているタンタル製のヒー
タは Ga の分子線に腐食されるが、この場合には窒化ボ
ロン、サファイヤ等、 Ga により腐食されずしかも耐熱
性と赤外線透過性の良い材料で Ga の分子線を遮断する
ことにより、上記の問題は解消する。

【００１７】

【実施例】本発明に基づくＭＢＥ装置の実施例を図を参
照しながら説明する。図１は本発明に係る基板ホルダの
一例を示す図である。この例は、四枚の基板を同時に処
理出来る基板ホルダであり、図は基板を装着した状態を
示し、(a) は平面図、(b) は断面図である。図におい
て、１は結晶を成長させる基板、11はブロック、12は断
熱リング、13は背面板、14は止めリングである。

【００１８】ブロック11は耐熱性金属（モリブデン等）
からなり、基板１搭載部分に基板１の外径にほぼ等しい
貫通孔11a を有するほか、外周部と貫通孔11a の周辺部
以外は殆ど除去されて貫通孔11b を形成している。従っ
て、前述の従来の基板ホルダ（図６における61）に比し
て上面及び下面の表面積はともに遙かに小さい。断熱リ
ング12及び背面板13は耐熱性でしかも熱伝導の悪い材料
（焼結窒化ボロン等）からなり、基板１とブロック11と
を熱的に絶縁するとともに、背面板13は基板１が GaAs
の場合には As が蒸発するのを防ぐ機能をも有する。

【００１９】図３は本発明の実施例のＭＢＥ装置の要部
を示す図であり、(a) 、(b) はそれぞれ第一例、第二例
を示している。図において、１は基板、31は基板ホル
ダ、32は基板ホルダ保持機構、33はヒータ、34は反射
板、35はヒータ保護板である。基板ホルダ31は上述の図
１の基板ホルダに相当し、貫通孔11b を有している。

【００２０】第一例（図３(a) 参照）ではヒータ33の材
質は焼結グラファイト（ＰＧ）であり、表面を焼結窒化
ボロン（ＰＢＮ）で被覆されているため、基板ホルダ31
の貫通孔11b を通過した Ga(ガリウム) のビームによる
腐食はない。一方、第二例（図３(b) 参照）ではヒータ
33の材質に一般的なタンタル (Ta) を使用している。こ
れは、貫通孔11b を通過した Ga のビームにより腐食さ
れるため、ヒータ33の前には Ga により腐食されずしか
も耐熱性と赤外線透過性の良い材料（ＰＢＮ、サファイ
ヤ等）のヒータ保護板35が配設されている。

【００２１】本発明者は、これらのＭＢＥ装置により３
インチ径の GaAs基板上に厚さ約１μm の GaAs 結晶を
100回成長した（但し、基板回転速度を10〜20r.p.m.、
結晶成長速度を１μm/hr、基板温度を 680℃とした）。
その結果、結晶の品質低下は認められず、又、この間、
ヒータの入力電力を一定としたが基板温度に変化がなか
った。尚、第二例の場合、上記の条件においてヒータ保
護板35の温度は 800℃以上となり、結晶材料がこれに付
着することはなかった。

【００２２】本発明は以上の実施例に限定されることな
く、更に種々変形して実施することが出来る。例えば、
図２に示すような基板一枚を保持する基板ホルダの場合
であっても、本発明は有効である。図２は本発明に係る
基板ホルダの他の一例を示す図である。この例は、複数
枚の小口径基板を同時に成長可能なＭＢＥ装置で大口径
基板一枚を処理するための基板ホルダであり、ブロック
21は外周部と基板搭載部分以外は殆ど除去されて貫通孔
21b を形成している。尚、同図において、１は基板、22
は断熱リングである。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板上に成長する結晶の品質低下を防止することが可能
な分子線結晶成長装置装置を提供することが出来、半導
体デバイスの製造歩留りの向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る基板ホルダの一例を示す図であ
る。

【図２】 本発明に係る基板ホルダの他の一例を示す図
である。

【図３】 本発明の実施例のＭＢＥ装置の要部を示す図
である。

【図４】 ＭＢＥ装置の概略を示す図である。

【図５】 従来の基板ホルダの例を示す図である。

【図６】 従来例のＭＢＥ装置の要部を示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 11, 21, 51, 53, 56 ブロック 11a, 11b, 21b 貫通孔 12, 22, 57 断熱リング 13, 58 背面板 14, 59 止めリング 31, 43, 61 基板ホルダ 32, 44 基板ホルダ保持機構 33, 45 ヒータ 34 反射板 35 ヒータ保護板 41 成長室 42 分子線源 52 インジウム・ソルダ 54 押さえ金具 55 ねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 23/00 - 23/08 C30B 25/00 - 25/22 C23C 14/00 - 14/58 C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 21/31

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一枚又は複数枚の基板(1) を保持する基
   板ホルダ(31)と、該基板ホルダ(31)を保持する基板ホル
   ダ保持機構(32)と、該基板(1) を背面から加熱するヒー
   タ(33)とを有して該基板(1) の表面に分子線を照射する
   分子線結晶成長装置において、該基板ホルダ(31)は該基
   板(1) の保持及び該基板ホルダ保持機構(32)との係合の
   いずれにも関与しない部分に分子線源側からヒータ(33)
   側に貫通する貫通孔(11b) を設けて表面積を減らしたこ
   とを特徴とする分子線結晶成長装置。
2. 【請求項２】 前記ヒータ(33)は窒化ボロンで被覆され
   ていることを特徴とする請求項１記載の分子線結晶成長
   装置。
3. 【請求項３】 前記ヒータ(33)の前面に分子線を遮断す
   るヒータ保護板(35)を備えていることを特徴とする請求
   項１記載の分子線結晶成長装置。