JPH04338632A - ガスソース分子線エピタキシャル成長装置 - 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、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、６９ｃ
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　　Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　　Ｅｐｉｔａｘｙ；ＶＣＥ）が提案さ
れている。これは、Ｌ．Ｍ．Ｆｒａｓｓ　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　ｆ
ｒｏｍ　ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ
ｓ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｖａｃｕｕｍ”　Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ　Ｂ４，　Ｊａｎ／Ｆｅｂ，　ｐｐ２２−２
９，　１９８６、■”Ｈｉｇｈｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　
ｖａｃｕｕｍ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｐｉｔａｘｙ”　
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ
　１０５，　ｐｐ　３５−４５，１９９０、■”Ｖａｃ
ｕｕｍ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｐｉｔａｘｙ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、Ｓ
ｉＣ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１２０　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
、１２７　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１１２
ａ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５０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、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する
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
装置によって達成する。

【００２２】または、図１，２に例示するように、前記
エピタキシャル成長室２内に、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
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達成する。

【００２３】または、図１，２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を複数の郡に区
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を前記郡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
長装置によって達成する。

【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を複数の郡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
郡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達成する。

【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を複数の郡
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を前記郡に対応させて多数個並べ、前記郡毎に
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達成する。

【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達成する
。

【００２９】

【作　　用】第１の発明によれば、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】第２、４の発明によれば、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。こ
のため、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、第３、４の発明によれば、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、第４の発明によれば、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いる。このため、成膜処理の効
率がよくなる。

【００３３】さらに、第６の発明によれば、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いるた
めに、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】第７の発明によれば、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いる。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
となり基板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、第８の発明によれば、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
るようにしている。このため、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／Ｐｄ
２）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
１５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（ＡｓＨ３）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×
２２ｃｍ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Ｇ
ａＡｓ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（郡）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Ｇａ
Ａｓ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１０−９Ｔ
ｏｒｒ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１
０ｓｃｃｍ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Ｈ２　に熱分解され、基板ホルダー６の基板窓７を通
してＧａＡｓ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Ｇａ
Ａｓ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ＧａＡ
ｓ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Ｇ
ａＡｓ基板ｗを４０枚同時成長するためのガスソースＭ
ＢＥ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Ｉ
ｎＰ，ＧａＳｂ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ＧａＡｓ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（Ｃ２Ｈ５）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、ＧａＡｓ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、５０ｓｃｃｍ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７×１０−５Ｔｏ
ｒｒから７　×１０−４Ｔｏｒｒ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２×１０−３Ｔｏｒｒ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１０−３〜１０−４Ｔｏｒ
ｒ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（Ａｓ
Ｈ３）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１０−８Ｔ
ｏｒｒ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。ＴＥＧ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５×１０−４Ｔｏ
ｒｒ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ＧａＡ
ｓ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Ｍ
ＢＥ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、Ｉ
ｎＰ，ＧａＳｂ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】以上述べたように第１の発明によれば、
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】また、第２，４の発明によれば、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】また、第３，４の発明によれば、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、第５の発明によれば、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
行えるようにしたので、成膜処理の効率がよくなる。

【０１０１】さらに、第６の発明によれば、複数の単結
晶基板に複数の排気口を設けるようにしたので、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、第７の発明によれば、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たので、
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、第８の発明によれば、基板交換室を
、成長室の左右双方向に２つ設けるようにしたので、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ＡｌＧ
ａＡｓ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１
４　　　　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

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【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（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す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。
2. 【請求項２】前記エピタキシャル成長室（２）内に、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）を配置することを特徴とする請
   求項１記載のガスソース分子線エピタキシャル成長装置
   。
3. 【請求項３】前記基板ホルダー（６）上の複数の単結晶
   基板（ｗ）を複数の郡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
   前記郡に対応させて複数個並べ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。
4. 【請求項４】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）を複数の郡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
   記郡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。
5. 【請求項５】前記金属分子噴出セル（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請
   求項４記載のガスソース分子線エピタキシャル成長装置
   。
6. 【請求項６】前記基板ホルダー（６）上の複数の単結晶
   基板（ｗ）を複数の郡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）を前記郡に対応
   させて多数個並べ、前記郡毎に独立に排気することを特
   徴とする請求項２〜５記載のガスソース分子線エピタキ
   シャル成長装置。
7. 【請求項７】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請求項２〜６記載の
   ガスソース分子線エピタキシャル成長装置。
8. 【請求項８】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
   ことを特徴とする請求項７記載のガスソース分子線エピ
   タキシャル成長装置。