JPH04303921A - 半導体薄膜製造装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波素子又は発光
・受光素子等に使用される単結晶薄膜周期構造を形成す
るために使用される半導体薄膜製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数種類の原料を使用して分子線エピタ
キシャル成長により基板上に交互に異種層を積層形成す
る装置として、図４及び図５に示すものがある。

【０００３】図４に示す装置においては、例えば１０−
１１ｔｏｒｒの超高真空雰囲気に保持される減圧容器（
図示せず）内に、基板ホルダ１と、熱線ヒータ（図示せ
ず）が内蔵された２個の原料セル５，８が設置されてい
る。 この基板ホルダ１には基板２が設置されるようになって
おり、原料セル５，８には種類が相互に異なる原料４，
７が装入されるようになっている。そして、原料セル５
，８の前方にはシャッタ３，６が設置されており、この
シャッタ３，６は原料の加熱により発生した分子線を原
料セル５，８の出口にて通過させ、又は遮蔽する。 （特開昭５７ー４７１６０、特開昭５７ー１１８９９）
。

【０００４】この装置においては、原料セル５内の原料
４を加熱して原料を蒸発させ、シャッタ３を開にして原
料４の分子線束を基板１上の基板２の表面に照射させる
。これにより、１原子層又は２原子層のエピタキシャル
層を基板２上に形成する。次いで、シャッタ３を閉にし
、逆にシャッタ６を開にして原料７の分子線を基板上に
照射させる。これにより、基板２上に原料７の層が積層
形成される。

【０００５】また、図５に示す装置においては、減圧容
器内に、基板ホルダ１６が回転軸１７の周りに公転運動
するように設置されている。そして、原料セル１１，１
２内の原料９，１０から照射された分子線束１４，１５
はこの分子線束１４、１５が通過する孔を備えた固定マ
スク１３により選択的に基板１８に照射される（特開昭
６０−１４５９９８）。

【０００６】この装置においては、先ず、原料セル１２
内の原料１０から発せられた分子線束１５の照射域に基
板ホルダ１６を回動させると、この分子線束１５はマス
ク１３の孔を通過して基板１８上に照射される。これに
より、原料１０の層が基板１８上に形成される。次いで
、基板ホルダ１６をその回転軸１７の周りに１８０°回
転させる。そうすると、基板１８は原料９から発せられ
た分子線１４の照射域に介在することになり、分子線１
４が基板１８上に照射する。これにより、原料９の層が
基板１８の上に積層形成される。このようにして、基板
ホルダ１５を１８０゜づつ公転させることにより、基板
上に薄膜周期構造を形成することができる

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の従来の薄膜周期構造の形成装置には、以下に示す欠点
がある。

【０００８】先ず、図４に示す装置においては、分子線
強度がシャッタ３，６を開にした直後にオーバーシュー
トし、その後数秒で所定の分子線強度に低下して一定の
強度になる。しかし、単原子層を形成しようとすると、
このオーバーシュートの期間で制御する必要があるため
、単原子層レベルでの組成制御性が劣化し易い。また、
シャッタ３，６の開閉動作期間中に、シャッタ３，６が
半開の状態になり、この状態が単原子層制御のときに制
御性を劣化させる。更に、原料セル５，８の周囲近傍に
は原料加熱用のヒータ（図示せず）が設置されているが
、減圧容器のパネル自体は超高真空を保持するため、液
体窒素温度に保持され、真空中の不純物ガスをトラップ
するようになっている。このため、シャッタ３，６を開
にすると、シャッタ３，６が冷却されて容器内の不純物
ガスがシャッタ３，６にもトラップされやすい。 そして、シャッタ３，６を閉にしたときに、この不純物
ガスがシャッタ３，６から離脱して基板２に到達し、成
膜組成を劣化させ、デバイス性能を低下させる。

【０００９】また、図５に示す装置においては、図４に
示す装置のように、シャッタ３，６の開閉に伴う不都合
は生じないが、一方の分子線束１５，１４が基板表面に
照射されているときに、他方の分子線束１４，１５もマ
スク１３の孔を通過してしまい、超高真空チャンバの上
部及び複雑な基板回転機構部に照射されるという不都合
がある。その結果、これらの部分に原料が蒸着されてし
まい、装置内部を汚染したり、基板回転機構及び電気的
配線等の故障を引き起こし易い。また、基板ホルダ１６
を回転軸１７の周りに公転させる必要があるのに加え、
基板表面での成長層の厚さ均一性を高めるためには基板
ホルダ１６を自転させる必要がある。しかし、基板ホル
ダ１６に対し、公転及び自転の双方を実施させるために
は、その駆動機構が極めて複雑になるという難点がある
。更に、基板ホルダ１６には基板を加熱する機構も設置
する必要があるため、公転、自転及び加熱のいずれも可
能とするために基板ホルダの周辺の構造が更に一層複雑
になって前述の不要な分子線束の照射により故障が多発
する要因になっている。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、不要な分子線の基板ホルダ周辺への照射を
防止できると共に、構造が簡素であって信頼性が高い半
導体薄膜製造装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体薄膜
製造装置は、減圧容器と、この減圧容器内に設けられて
基板を保持する基板ホルダと、その分子線束の照射軸を
前記基板ホルダに保持された基板に向けて配置された複
数個の原料セルと、前記分子線束が通過する孔が設けら
れ前記各分子線束の照射域に交互に移動して介在するマ
スクと、を有し、前記マスクは複数の前記分子線束の縁
部が相互に交差する位置と前記原料セルとの間に配置さ
れていることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明においては、原料セルを分子線束の照射
軸が基板ホルダ上の基板に向かうように設置してある。 そして、各分子線束縁部が相互に交差する位置か、それ
よりも原料セル側の位置に、マスクを設け、このマスク
を各分子線束に交互に介在するように移動させる。これ
により、特定の分子線束がマスクの孔を通過していると
きは他の分子線束は実質的に前記孔を通過しない。この
ため、原料セル側からみてマスクの後方の基板表面以外
の部分には蒸着が殆ど生じない。従って、長期間使用後
も、装置内面に付着した蒸着物が落下することによる成
長層への不純物混入及び成長層表面への欠陥誘起等の不
都合が発生する虞が極めて少ない。また、回転機構部及
び加熱用電気配線等への蒸着が低減されるため、これら
の機構部の長寿命化が可能である。なお、セルシャッタ
を使用しないので、分子線のオーバーシュートが防止さ
れ、特に単原子層の制御性を向上させることができる。

【００１３】ところで、マスクの位置によっては、マス
クを各分子線束間で移動させる期間中に２つの分子線束
が前記孔を通過することがあるが、この場合も分子線束
は基板表面に照射され、装置内部の他の部分に分子線束
が照射されることはない。また、本発明においては、マ
スクを一方向に移動させるだけで異種層を交互に積層さ
せることができるので、その構造が簡素である。基板ホ
ルダは公転しないので、成膜厚さの均一化のために自転
機構のみを設ければ良く、基板加熱機構の設置も容易で
ある。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施例に係る半導体
薄膜製造装置の構造及び動作を示す正面断面図、図２は
同装置のマスク移動機構を示す正面断面図である。内部
を例えば１０−１１ｔｏｒｒの超高真空に保持すること
ができるチャンバ２０内には、基板ホルダ２２がその回
転軸２１を鉛直にし、基板装着面を下方に向けて設置さ
れている。この回転軸２１はその中心軸の回りに回転駆
動されるようになっており、これにより基板ホルダ２２
は自転することができる。基板２２の下面には基板２９
がその膜形成面を下方に向けて装着される。また、基板
ホルダ２２には、装着された基板２９を加熱して膜形成
を容易にするためのヒータ（図示せず）が内設されてい
る。

【００１６】チャンバ２０の下部には、原料セル２３，
２５が設置されている。この原料セル２３，２５内には
夫々原料２４，２６がるつぼ内に収納されて保持される
ようになっており、原料セル２３，２５の周囲には、夫
々原料２４，２６を加熱するためのヒータ（図示せず）
が設置されている。このヒータにより加熱されて原料セ
ル２３，２５内の原料２４，２６から分子線束３０，３
１が出力される。

【００１７】また、これらの原料セル２３，２５と基板
ホルダ２２との間には、マスク２７がその面を水平にし
て設置されている。このマスク２７にはその中央に各原
料セル２３，２５から出力された分子線束３０，３１の
１つが通過するだけの大きさの孔２８が形成されている
。そして、マスク２７は、図２に示すように、その原料
セル２３，２５の離隔方向の両端部にて、１対の支持棒
３３により支持されている。一方の支持棒３３はチャン
バ２０の壁に外側に突出して設けられた保持部３４に設
置された保持台３５に支持棒３３の長手方向に移動可能
に支持されており、他方の支持棒３３は移動部材３６に
支持されている。そして、この移動部材３６は適宜の駆
動装置（図示せず）に連結されていてこの駆動装置によ
り駆動されて移動部材３６は支持棒３３の長手方向に往
復移動する。これにより、マスク２７が水平方向に往復
移動する。なお、移動部材３６とチャンバ２０との間の
空間は蛇腹状の遮蔽部材３７により気密的に被覆されて
おり、これにより、移動部材３６の移動に拘らずチャン
バ２０内部が超高真空に保持されるようになっている。 また、マスク２７、支持棒３３及び保持台３５等はタン
タル等の金属で製造することができる。

【００１８】しかして、基板ホルダ２２、マスク２７及
び原料セル２３，２５の配置は、以下のとおりである。 先ず、各原料セル２３，２５は、その収納原料から発せ
られる分子線束３０，３１の照射軸が基板ホルダ２２に
保持された基板２９の中心に向かうように配置される。 また、マスク２７は前述の如く水平移動可能であるが、
その垂直方向の位置は、分子線束３０，３１の縁部が原
料セル２３，２５に最も近い側で交差する位置（図１中
、Ｘで示す）である。

【００１９】次に、上述の如く構成された薄膜製造装置
の動作について説明する。先ず、原料セル２３，２５に
異種材料の原料２４，２６を装入し、チャンバ２０内を
真空に減圧すると共に、原料セル２３，２５のヒータに
通電して原料を加熱する。また、基板２９を加熱しつつ
、基板ホルダ２２を自転させる。

【００２０】そして、マスク２７をその孔２８が原料２
４から発せられた分子線束３０に整合する位置に移動さ
せる。そうすると、この分子線束３０がマスク２７の孔
２８を通過し、原料２４の成分の膜が基板２９上に形成
される。

【００２１】次いで、移動部材３６をチャンバ２０に接
近移動させて、マスク２７を、その孔２８が原料２６か
ら発せられた分子線束３１に整合する位置に水平移動さ
せる。そうすると、この分子線束３１がマスク２７の孔
２８を通過し、基板２９上に原料２６の成分が蒸着され
る。

【００２２】このような操作を繰り返すことにより、基
板２９上に異種材料の膜を交互に積層形成することがで
きる。本実施例においては、分子線束３０，３１は基板
２９か又はマスク２７にしか照射されず、マスク後方の
チャンバ内面又はチャンバ内収容物に分子線束が照射さ
れることはないので、これらの面又は部材に原料成分が
蒸着してしまうことがない。このため、蒸着物に起因し
て回転機構又は電気配線等に故障が発生することを防止
できる。また、基板ホルダ２２は公転する必要がなく、
成膜厚さ均一化のために、自転のみ行なえばよいので、
その構造が簡素である。

【００２３】次ぎに、図３を参照して本発明の他の実施
例について説明する。この実施例は、マスク４０を図１
，２の実施例の場合よりも原料セル２３，２５寄りに配
置した点に特徴があり、他の構成は図１，２の実施例と
同様であるので、その部分は同一符号を付して詳細な説
明を省略する。本実施例は、分子線束３０，３１の縁部
が最も原料セルに近い側で交差する位置（図中Ｘ）より
も原料セル側にマスク４０を配置した。このため、図３
（ａ）に示すように、原料２４の分子線束３０が基板表
面に照射されている状態から、図３（ｃ）に示すように
、原料２６の分子線束３１が基板表面に照射される状態
まで、マスク４０を水平移動させると、図３（ｂ）に示
すように、その中間のマスク位置では、基板２９にいず
れの分子線束も照射されない状態が出現する。これによ
り、本実施例では、図１，２の実施例の効果に加え、分
子線の切れがよくなり、界面での組成の変化が大きな積
層膜を得ることができるという効果を奏する。また、こ
のいずれの分子線束も照射されない成長中断の状態をつ
くることができるので、この成長中断を利用して基板表
面の熱処理等も容易に実施することができる。

【００２４】なお、本発明は上記各実施例に限定されな
いことは勿論である。例えば、分子線束を上記実施例の
ように下方から上方に向けて照射する場合に限らず、種
々の態様が考えられる。また、原料セルの数も２個に限
らず、３個以上複数個設けることもできる。更に、マス
ク２７（移動部材３６）の移動も駆動装置によらず、手
動でマスク２７を切り替えることも可能である。

【００２５】本願発明者が実際に図１に示す装置を使用
して異種材料の積層膜を形成した結果、極めて良好な薄
膜周期構造を形成することができた。使用した分子線束
はＧａ分子線束と、Ａｌ分子線束であるが、化合物半導
体膜を形成するために、Ａｓ用のるつぼも別の位置に設
置した。このＡｓ分子線はＧａ及びＡｌとは異なり、指
向性が著しく悪いため、真空チャンバ２０内を雰囲気と
して漂っている。このため、Ａｓ分子はマスク２７の孔
２８の位置に殆ど影響されずに基板表面に到達する。そ
の結果、ＧａＡｓ２分子面（ＧａＡｓで１分子）とＡｌ
Ａｓ１分子面からなる薄膜周期構造を形成することがで
きた。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
原料セルからは分子線束を基板に向けて常時出力させて
おき、マスクにより基板表面に照射させる分子線束を選
択するようにし、このマスクを前記分子線束の縁部が最
も原料セル側で交差する位置か、それよりも原料セル寄
りに配置したから、分子線束が基板及びマスク以外の部
分に照射されることはなく、減圧容器内の汚損、減圧容
器内に収納された回転機構及び電気配線等への蒸着が防
止され、蒸着に起因する故障を回避することができる。 また、基板ホルダは自転のみ行なえばよく、公転させる
必要がないので、その構造が簡素化されると共に、その
耐久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る半導体薄膜製造装置を示
す図であって、（ａ），（ｂ）はその動作を示す。

【図２】同じくそのマスク移動機構を示す図である。

【図３】本発明の他の実施例に係る半導体薄膜製造装置
を示す図である。

【図４】従来の薄膜製造装置を示す図である。

【図５】従来の他の薄膜製造装置を示す図である。

【符号の説明】

２０；チャンバ ２２；基板ホルダ ２３，２５；原料セル ２４，２６；原料 ２７，４０；マスク ２８，４１；孔 ２９；基板 ３０，３１；分子線束

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　減圧容器と、この減圧容器内に設けら
   れて基板を保持する基板ホルダと、その分子線束の照射
   軸を前記基板ホルダに保持された基板に向けて配置され
   た複数個の原料セルと、前記分子線束が通過する孔が設
   けられ前記分子線束の照射域に介在するマスクと、を有
   し、前記マスクは複数の前記分子線束の縁部が相互に交
   差する位置と前記原料セルとの間に配置されていること
   を特徴とする半導体薄膜製造装置。