JPH02248392A - 分子線結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）技術分野 この発明は分子線結晶成長法（ＭＢＥ）のひとつの改良
であるＭＫＥ法と実効的シー同じことを装置の工夫によ
って行なうようにするものである。

分子線結晶成長法は、超高真空中で材料元素の分子線を
発生させて、加熱された基板に照射し、Ｍ板上にエピタ
キシャル薄膜を成長させる方法である。

たとえば、ＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓ　ｉｉｉ膜、Ａ
ＪＡｓ　トＧａＡｓが交互に成長した多層薄膜、ＧａＡ
７Ａｓ薄膜などを成長させる。ＩｎＰ基板の上に混晶薄
膜を成長させることもできる。

基板加熱温度は重要、なファクターである。基板温度が
低すぎるとエピタキシャル成長が行なわれない。

なぜ基板温度を上げなければならないか？というと、基
板面上での原子の移動を促進するためである。

ＧａＡｓ基板上へ、Ｇａ分十線、Ａ３分子線が同時に照
射される。これらは基板上のところどころに孤立して物
理吸着される。これが島状に分布する。

そのままでは基板と整合した単結晶層を作らない。

自由エネルギーを最小にする位置へ移動しなければなら
ない。仮に吸着された位置もポテンシャル的には極少で
あるわけであるから、移動するためには活性化エネルギ
ーが必要である。

活性化エネルギーを与えるために、基板を加熱し、熱エ
ネルギーの形で活性化エネルギーを与えているわけであ
る。

ＧａＡｓ基板中でのＧａ拡散の活性化エネルギーは例え
ば１．３ｅｖで、ｊＬ／拡散の活性化エネルギーは１．
６ｅｖである。これは表面状態や結晶方位にもよるが、
このオーダーの値である。かなり高いエネルギーである
。このため基板を高温に保たなければならない。

ところが、ＧａＡｓ　、ＩｎＰなどのｍ−ｖ族化合物半
導体はＶ族元素の解離圧が高いので、あま９高温にしな
い方が良い。Ｖ族元素が表面から抜けて表面が粗れたり
、欠陥が生じたりする。

この他にも理由があって、基板温度はなるべく低い方が
よい。低温で分子線結晶成長できる方法が強く望まれる
。

さらに従来のＭＢＥ法では、Ｇａ　、ＡＩなどの分子線
と、Ａｓの分子線とは同時照射しているが、この方法で
は、平坦性のよい薄膜が得に（いという欠点があった。

そこでＭＢＥ法の改良として提案されたのがマイクレー
ジョン・エンハンスメント・エピタキシー（Ｍｉｇｒａ
ｔｉｏｎ−Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　Ｅｐｉｔａｘｙ　
：　ＭＥＥ　）法である。

Ｙ、Ｈｏｒｉｋｏｓｈｉ　　、　　翼、Ｋａｗａｓｈｉ
ｍａ　、　　ａｎｄ　　Ｈ，Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　　。

Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈ７ｓ−２５（１９８
６）　Ｌ８６８（イ）ＭＥＥ法 前記の論文によれば、　Ｇａム３基板上での１１％Ｇａ
の拡散の活性化エネルギーが大きく、動きにくいのは、
これらがＧａＡｓ又はＡ７Ａｓとなり基板のＧａＡｓ結
晶と強い化学結合を形成するからである。このため、基
板を高温にして、Ａｓをいったん蒸発させ、Ｇａ　、ム
ｌ原子を孤立させる。すると基板結晶との共有結合が消
失するので、移動しゃす（なる。つまり、基板加熱はム
３を引き離すために必要だというわけである。

そうであればはじめからＡ３がなければよいわけである
。ムｌたけあるいはＧａだけを基板上に吸着させ自由に
拡散させる。そして位置が決まったところでＡ３分子線
を当てる。するとＡＩ又はＧａとム８とが反応しＡｌｌ
Ａｓ、ＧａＡｓとなる。これは基板のＧａＡｓと強い結
合を作る。

Ｇａ、Ａ７分子線の強度は重要なファクタである。

これは基板上のＧａサイト、ムｌサイトになるべきとこ
ろに過不足なく入らなければならない。基板上のこれら
原子サイトの密度をＮｓとする。Ｇａ分子線の単位面積
あたりの１回あたりの密度をＮＧａとすると、”Ｂ　＝
ＮＧａでなければならない。

このように、ＧａＡｓ薄膜を作る時は、Ｇａ分子線とＡ
３分子線とを交互に基板に照射し１原子層ずつエピタキ
シャル成長させるのがＭＥＥ法である。

Ａｓ分子線が存在しない環境を作る事によってＧａ％Ａ
Ｊなどの移動を促進するのでマイグレーションエンハン
スメントという。これはＩｎＰ基板の上に、ＩｎＰ　Ｖ
ＩＷＸＪ？ＩｎＧａＡｓＰ混晶を成長させる場合にも応
用できる。

ｌ原子層ずつ成長してゆく様子はＲＨＥＩｉ：Ｄ振動が
減衰しないことによりたしかめる事ができる。

（ロ）発明が解決しようとする問題点 ＭＥＥ法は優れた方法であるが、分子線源中ルのシャッ
タの開閉が極めて頻繁であるという致命的な難点がある
。

たとえばＧａ分子線は約１秒照射し、Ａｓ分子線はこれ
に続いて約１秒照射するというように、約２秒周期で１
原子層が形成される。ｎ原子層を作ろうとすると、分子
層源セルシャッタをｎ回開閉しなければならない。

１μｍのＧａＡｓ薄膜を作ろうとすると、シャッタは４
０００回近く開閉しなければならない。通常のＭＢＥ法
では１回の開閉で済むものが、ＭＥｌｉｍ法になると数
千回の開閉を要する。

シャッタの頻繁な開閉ぐらいなんでもないと思われそう
であるがそうではない。

ＭＢＥ装置はｌＯ〜１０　　Ｔｏｒｒという超高真空に
維持されなければならない。分子線源セルシャッタは、
シャツタ板と、回転軸と軸受、回転駆動部などを含む。

軸受部は大気圧下では円滑に機能する。これは空気が潤
滑作用を持っているがらである。

超高真空中では空気が稀薄であるので空気による潤滑作
用が失われる。このため超高真空中では摩擦係数が極め
て高くなる。このため分子線源セルシャッタの回転は重
い。

抵抗の大きいシャッタを何百何千回と開閉するのである
から、シャッタの損耗は急激である。寿命が極めて短か
くなる。信頼性も十分でない。故障も起りやす（なるし
、点検や修理の手数も増える。

頻繁なシャッタの開閉は伴わず、実効的にＭＥＥ法と同
じ事が行なえるというのが最も望ましい。

に）構　成 分子線結晶成長室では中央をζマニピュレータがある。

複数の基板をと９つけた基板ホルダがマニピュレータに
下向きに保持される。マニピュレータは鉛直軸のまわり
に回転する。基板は円軌跡の上を運動する。

分子線源セルはマニピュレータの軸に対して等しい斜角
をなす方向にほぼ等しい角度で分布している。幾何学的
に分子線源セルは分離しヤすいということである。

分子線結晶成長室では超高真空であるので、分子線は直
進し、小さな隙間に曲りこんで入るということはない。

このような分子線結晶成長装置の特質を生かし、機構的
な改良により、シャッタ開閉によらないＭＥＥ成長装置
を提供する。

本発明に於ては、複数の分子線源セルからマニピュレー
タに至る空間を、各分子線源セルごとに仕切機構によっ
て仕切ることにする。

マニピュレータの円周面が、仕切機構により、異なる分
子線源セル■１、■２、・・・の占有空間Σｌ、Σ２、
・・・に分割される。

複数の基板を有する基板ホルダがマニピュレータの下面
に取付けられているから、基板はマニピュレータの回転
とともに円周軌跡Φを描いて移動する。φはマニピュレ
ータの占有空間Σｌ、Σ２、・・・を通る。基板は、占
有空間Σ１、Σ２、・・・を順に通ってゆくわけである
。

基板が占有空間Σ１を通過している時、分子線源セル■
ｉからの分子線だけの照射を受ける。他の分子線源セル
［１ｊ（ｊ＼ｌ）からの分子線は存在しない。

同じことは他の占有空間についてもいえる。

たとえば４つの分子線源セル■ｌ〜■４を配置し、■２
をＧａの、■４をＡｓ　ノ分子線源セルトし％■ｌ、■
３を閉じておくとする。基板はΣ２にあるときＧａ分子
線のみを受け、Σ４にあるときＡ８分子線のみを受ける
。これはＭＥＥ法に等価である。

図面によって説明する。

第１図は本発明の分子線結晶成長装置の一例を示す縦断
面図である。

分子線結晶成長室１は、超高真空に引く事のできる容器
である。真空排気装置があって内部を超高真空にする。

ゲートパルプ（図示せず）を介して他の高真空室につな
がっている。

分子線結晶成長室１の中央にはマニピュレータ２がある
。これは複数枚又は１枚の基板Ｗを把持する基本ホルダ
３を下向きに支持する。

マニピュレータ２は回転機構、加熱機構を内蔵する。背
面に基板加熱用ヒータ７があって、基板Ｗを加熱してい
る。

分子線結晶成長室１の壁面近くには液体窒素シュラウド
５が設けられる。

分子線結晶成長室１の斜め下方には適数の分子線源４が
設けられる。

分子線源はるっぽ８、リフレクタ９、ヒータ１０゜フラ
ンジ１２などより、なる。原料１１をるっぽ８に入れ、
ヒータ１０で加熱しこれを蒸発させる。

るつぼ８の開口を覆うことができるように分子線源シャ
ッタ７が開閉自在に設けられる。シャッタ７の開閉によ
り分子線を自由に通過、遮断させることができる。

このような構成は従来の分子線結晶成長装置と同じであ
る。

本発明に於ては新しく、分子線源セルを仕切るための仕
切機構６を設けている。

第２図は仕切機構６と分子線源セルのみの部分の底面図
である。第３図は仕切機構、マニピュレータの斜視図で
ある。

仕切機構６は円錐形の筒部１４の中へ放射状に隔壁部１
５を設けたものである。隔壁部１５によって分子線源セ
ル■１、■２、・・・の数に等しい占有空間Σ１１Σ２
、・・・が生ずる。

仕切機構６の下関口１６のすぐ上には、マニピュレータ
２によって保持される基板ホルダ３があるＯ 仕切機構６の下関口１７の直下には液体窒素シュラウド
５と、分子線源セル４がある。複数の分子線源があるの
でｓ　■１、口２、・・・ｎｎというように記号を付け
て区別する。ひとつの占有空間Σ１がひとつの分子線源
セル■１に対応している。占有空間Σｊには、他の分子
線源セルｒｌｊ（ｊ＼１）からの分子線が入らないよう
な幾何学的形状になっている。

マニピュレータ２の中央には、仕切り円錐１８があり、
中央での分子線の混在を防いでいる。

既に述べたように、超高真空中であるので、分子線の平
均自由行程が長い。このため分子線はセルから直進し、
分子線とおしで衝突するということが少ない。

従って幾何学的に分子線源セルを分離できれば、分子線
もほぼ完全に分離できるのである。

マニピュレータ２の大きさと、仕切機構６の上開口１６
が近接しているので、マニピュレータの近傍で分子線が
互に混り合うという事が少ない。

第４図はマニピュレータと仕切機構の上開口の部分のみ
の底面図である。第２図、第３図と同じような番号を付
してあ、る。基板Ｗも区別するためＷｌ−Ｗ４としであ
る。

これは占有空間Σの数と基板の数とが同じであるが、占
有空間の数ｎと基板の数ｍはもちろん異っていてもよい
。また偶数でなくてもよい、奇数であってもよい。

分子線源の数と占有空間の数は等しい。これは装置によ
って決まってしまう。これに対し基板の数は、大きさや
目的により自在に変更できる。

第５図はマニピュレータと仕切機構の上開口の部分のみ
の底面図であるが、ここでは、占有空間の数ｎは４で、
基板の数ｍは７としている。

に）作　用 マニピュレータ２は基板ホルダ３を保持して、鉛直軸の
まわりに回転させる。たとえば１分間に３０〜６０回転
する。

それぞれの基板Ｗｉに着目すると、これは占有空間Σ１
、Σ２．…Σｎを順に通ってゆ（。これらの空間では排
他的にその分子線源■１　、■２　ｓ・・・、ｎｎから
の分子線のみの照射を受ける。

たとえば、第４図に於て、ｎｌをＳｉ％ｎ２をＧａ。

■３をムｌ　ｓ　■４をＡ８の分子線源セルとする・　
Ｓｌとムｊの分子線源セル■１％ｎ３のシャッタを閉じ
ておく。Ｇａとム３の分子線源セル■２　、■４のシャ
ッタを開いてお（、開いたままである。頻繁に開閉する
のではない。

基板Ｗ１は占有空間Σ１〜Σ４を繰返し通過してゆく。

占有空間Σ４にある時はム３の分子線のみが基板Ｗ１に
当や、Σ２にある時はＧａの分子線のみが当るＯ Σ２を通る時に基板上に照射されるＧａの分子線密度Ｎ
（ｌａが、基板上の格子数Ｎｓに等しくなるようにする
。これは分子線強度を調整したりマニピュレータの回転
速度を調整したりする事によってなされる。

Σ２にあるとき、Ｇａは基板上で自由に移動できる。自
由エネルギー最少の点に全ての仮原子が移動し基板の上
の最上のＧａ層を形成できる。

マニピュレータが回転しΣ４に入るとＡ３分子線が基板
の上に照射される。Ｇａと反応し基板の構成元素と結合
の手を形成する。ＧａＡｓ層が平坦均一に形成されるこ
とになる。

このような作用は、第５図のようにｍ＼ｎの場合でも同
じである。

たとえば、マニピュレータの回転速度が３ＯＲＰＭだと
すると、回転の周期は２秒である。

先述したＭＥＩ法では、Ｇａ分子線シャッタを１秒開き
、ついでＡｓ分子線シャッタを１秒開く、というように
、約２秒が１周期になっていた。本発明法でも、同じ程
度の時間的関係になる。

マニピュレータの回転が、仕切機構を用いることにより
、シャッタの開閉に置換えられたということである。

ａ）効　果 本発明によれば、シャッタの頻繁な開閉を行なうことな
（、Ｍｌ：Ｅ法と等価なエピタキシャル成長を行なうこ
とができる。

超高真空中では、軸受部の摩擦が甚しくなり、頻繁にシ
ャッタを開閉すると短時間で故障する。

本発明に於ては、シャッタの開閉によらずＭＥＥ法を行
なうことができる。シャッタの寿命を延ばすことができ
る。

しかも、単に仕切機構を追加するだけであって、従来の
ＭＢＥ装置に適用するのが容易である。

本発明は副次的に次の効果をももたらすことができる。

分子線源セルが互に隔離されているので、他の分子線が
分子線源セルに混入するという惧れかない。つまり分子
線源とおしの汚染の心配がないということである。これ
はエピタキシャル成長薄膜の品質を向上させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分子線結晶成長装置の一例を示す縦断
面図。 第２図は仕切機構とマニピュレータの部分のみの底面図
。 第３図は仕切機構とマニピュレータの部分のみの斜視図
。 第４図はマニピュレータに保持された基板と占有空間の
関係を示す底面図。 第５図はマニピュレータに保持された基板と占有空間の
関係を示す底面図 １−・・・・・分子線結晶成長室 ２……マニピユレータ ３・・・・・・基板ホルダ ４・・・・・・分子線源セル ５・・・・・・液体窒素シュラウド ６・・・・・・仕切機構 Ｔ・・・・・・分子線源セルシャッタ ８・・・・・・るつぼ ９・・・・・・リフレクタ １０・・・・・・ １１・・・・・・ １２・・・・・・ １４・・・・・・ １５・・・・・・ １６・・・・・・ １７・・・・・・ １８・・・・・・ ■１〜■４・・・・・・ Σｌ〜Σ４・・・・・・ Ｗ１〜Ｗ４・・・・・・ φ　・・・・・・ ヒータ 原料 フランジ 円錐筒部 隔壁部 上開口 下開口 仕切り円錐 分子線源セル 占有空間 基板 基板の円周軌跡 発明者

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超高真空にすることのできる分子線結晶成長室と、分子
   線結晶成長室内に設けられ複数の基板を固定した基板ホ
   ルダを回転支持するマニピュレータと、分子線結晶成長
   室の器壁に設けられ基板に向かつて分子線を照射する適
   数の分子線源セルΠ＿１、Π＿２、…Π＿ｎとを有する
   分子線結晶成長装置に於て、マニピュレータ直下から分
   子線源セルに至る空間を各分子線源セルごとの占有空間
   Σ＿１、Σ＿２…Σ＿ｎに分割する仕切機構を設けた事
   を特徴とする分子線結晶成長装置。