JPH04338193A - 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】

【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、ＧａＡ
ｓＦＥＴ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
、ＭＢＥ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３
１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１１
ｂ　を有している。

【００２０】第一例（図３（ａ）　参照）ではヒータ３
３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　Ｇａ
Ａｓ　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／ｈ
ｒ、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１
１ａ，　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

Claims (3)

【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。