JPH0513332A - 冷却機構つきマニピユレ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 分子線結晶成長装置において多くの場合基板
を加熱する必要がある。しかし特別な薄膜を成長させる
場合冷却する必要のあることもある。従来は冷却用のマ
ニピュレ−タと、加熱用のマニピュレ−タを交換して用
いていた。しかしそうすると真空チャンバの真空を破ら
なければならない。真空を維持したまま加熱と冷却のた
めの機構を交換できるようにすることが望まれる。 【構成】 冷却プレ−トや液体窒素容器を含む冷却機構
と、ヒ−タや反射板を含む加熱機構とを昇降可能または
回転可能に真空チャンバ内に設け何れかを成膜位置に設
定し他方を非成膜位置に設定する。これで分子線結晶成
長ができる。真空を破ることなく加熱機構と冷却機構を
交換できるので能率が向上するし真空チャンバ内部を汚
染しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は分子線成長装置に於け
るマニピュレ−タの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】分子線成長装置は、超高真空中で原料物
質の分子線を基板に当てて基板の上に所望の成分の薄膜
を成長させるものである。超高真空チャンバの中央部に
マニピュレ−タがありその下方に幾つかの分子線セルが
ある。真空排気装置が連結されておりこれによって超高
真空に引くことができる。壁面に沿って液体窒素シュラ
ウドが設けられる。分子線セルはるつぼ、ヒ−タ、反射
板、熱電対等を備える。るつぼに原料固体を入れておき
真空チャンバを真空に引いてからるつぼを加熱すれば原
料が溶融し気体となる。

【０００３】基板は一般に適当な高温に加熱される。Ｓ
ｉ基板やＧａＡｓ基板の上に無機材料を成長させる場合
は普通７００℃以上というような高温である。最適温度
は基板と成長させるべき薄膜の成分によって決まる。一
般に低温では成長しないものが多いので基板を高温に加
熱する。従来の分子線エピタキシャル成長装置に於いて
はこのような訳でマニピュレ−タにはヒ−タが必ず備え
られていた。ヒ−タは抵抗加熱ヒ−タである。その後方
には反射板があって輻射熱を基板の方へ戻すようになっ
ている。

【０００４】分子線成長装置の用途が益々拡がりつつあ
り、無機材料だけでなく、常温で活性な有機金属、有機
材料の薄膜を成長する試みがなされ始めてきた。基板は
ＳｉやＧａＡｓなど良く利用れるものであっても、成長
させるべき薄膜の性質によって基板を冷却するというこ
とが望まれる。例えば液体窒素によって−１９６℃に冷
却しなければならない。従来のマニピュレ−タはヒ−タ
を持つが冷却機構を備えるものはなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで冷却機構を備え
たマニピュレ−タを作りこれを従来の加熱機構を持つマ
ニピュレ−タと交換して使用するということが行われ
る。基板の上に加熱を要する薄膜と冷却を要する薄膜と
を交互に積層するというような必要がないのでこれでも
十分使えるのである。加熱を要する薄膜成長と、冷却を
要する薄膜成長は全然別異の目的でなされるので両者を
同時に行うことはない。

【０００６】しかしながら、マニピュレ−タを交換する
ためには分子線結晶成長装置の真空チャンバを開き内部
を大気に晒して作業を行う必要がある。真空チャンバは
一旦大気に晒すと超高真空に引くのに長い時間がかか
る。脱ガスの為にベ−キングなどもしなければならな
い。また大気中の物質によって汚染されることもある。
逆に真空チャンバ内部の物質が大気中に拡散して汚染物
質を排出することもある。超高真空チャンバはできるだ
け大気に晒さないようにしたものである。真空チャンバ
の真空を破ることなく加熱機構を有するマニピュレ−タ
と冷却機構を有するマニピュレ−タを簡単に交換できる
ようにした分子線成長装置のマニピュレ−タを提供する
ことが本発明の目的である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の冷却機構つきマ
ニピュレ−タは、超高真空中で原料の分子線を基板に照
射しエピタキシャル成長を行う分子線エピタキシャル成
長装置に於いて基板を定位置に保持するために用いられ
るマニピュレ−タであって基板を保持し加熱する基板加
熱機構と、基板を保持し冷却する基板冷却機構とを備
え、基板加熱機構と基板冷却機構とは昇降あるいは回転
可能であって択一的に同一の分子線照射位置に基板を位
置させることができるようにしたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明のマニピュレ−タは基板加熱機構と、基
板冷却機構とを昇降あるいは回転させることによって何
れか一方を一定位置に位置させることができるから、基
板を加熱しなければならない薄膜成長にも、冷却しなけ
ればならない薄膜成長に対しても同様に利用できる。両
者の切り替えのために真空チャンバを開く必要がない。
超高真空を維持したまま交換できる。従って交換後の真
空引きのための作業がなく、能率が良く生産性が向上す
る。また大気によってチャンバ内に不純物が混入すると
いうことが少なくなるので膜質が向上する。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の実施例にかかる冷却機構つき
マニピュレ−タの縦断面図である。これは冷却機構のあ
るマニピュレ−タを使っている場合の図である。図２は
これと直角な方向の縦断面図であり加熱機構を使ってい
る状態の図である。これらは分子線成長装置の上部の一
部である。この下方には幾つかの分子線セルがあり、壁
面にそっては液体窒素シュラウドがあるのであるがここ
では簡単のため図示しない。

【００１０】真空チャンバ１は超高真空に引くことので
きる容器である。この上方に開口があり開口廻りにマニ
ピュレ−タ取付フランジ２が形成されている。これに中
央に開口を有する加熱機構取付フランジ３が固定されて
いる。加熱機構取付フランジ３の開口には冷却機構取付
フランジ４が、上下用ベロ−ズ５を介して取り付けられ
る。外部に昇降機構があり冷却機構取付フランジ４を昇
降できる。冷却機構取付フランジ４には縦方向に長い冷
却機構シリンダ６が固定されている。冷却機構シリンダ
６の上方開口部はシリンダ蓋７によって閉じられる。シ
リンダ蓋７の穴を貫いて、上下方向に昇降ロッド８が昇
降自在に設けられる。昇降ロッド８とシリンダ蓋７の穴
の間にはシ−ル材９がある。昇降ロッド８の上端にはハ
ンドル１０が固着されている。

【００１１】冷却機構シリンダ６の途中には円筒状の液
体窒素容器１１が固着されている。上方に液体窒素入口
１２を有する液体窒素導入管１３が外部から液体窒素容
器１１の中に至るように設けられる。これによって液体
窒素が外部から液体窒素容器１１の中に導入される。液
体窒素容器１１によって囲まれる冷却機構シリンダ６の
一部には小孔１４がある。冷却機構シリンダ６の下端に
は円盤状の冷却プレ−ト１５が取り付けられる。冷却プ
レ−ト１５の中央には冷却機構シリンダ６の内筒面に面
一になるように溜り１６が形成されている。液体窒素容
器１１から液体窒素は小孔１４を通り冷却機構シリンダ
７に入り、冷却プレ−ト１５の溜り１６に入る。冷却プ
レ−ト１５は内部の液体窒素によって冷却される。冷却
プレ−ト１５の外周には冷却時温調用ヒ−タ１７が取り
付けられる。液体窒素を入れると−１９６℃まで冷却で
きるが、冷却時温調用ヒ−タ１７によって冷却プレ−ト
１５をこれ以上の任意の温度に保持できる。但しこれで
数百度の高温には加熱できない。

【００１２】昇降ロッド８の下端にはピストン１８が固
着されこれが冷却機構シリンダ６の内部を摺動できるよ
うになっている。これは液体窒素の溜り１６への流入を
制御し液面を調整することができる。液体窒素は液体窒
素容器１１の中で蒸発するのであるが冷却機構シリンダ
６の上方に設けた液体窒素ガス出口１９から外部に排出
できるようになっている。基板支持棒２０は昇降可能な
上下方向の棒で下端に基板保持部２１を備える。これは
水平の板であって基板２２を下向きに保持するものであ
る。冷却プレ−ト１５の下面と基板保持部２１の間に基
板２２を固定できる。搬送装置（図示しない）によって
基板、またはトレ−に載せた基板が水平方向に運ばれて
くるがこれを基板保持部２１と冷却プレ−ト１５の下面
の間に保持する。あるいは保持されていた基板を搬送装
置に渡す。このために基板支持棒２０は冷却プレ−ト１
５に対して相対的に上下動できるようになっている。

【００１３】以上に説明したものは冷却機構に関する。
以下に加熱機構を備えたマニピュレ−タ部分を説明す
る。加熱機構取付フランジ３の下面に加熱機構懸架棒２
３が垂下されこの下端に円環状の支持リング２４が固定
される。支持リング２４の直径上の２箇所に軸穴を有す
るブラケット２５がある。これの軸穴には軸受け２６が
あってピン２７がこれを挿通している。ピン２７の一端
にはア−ム２８が固着される。ア−ム２８の下端には水
平方向に加熱支持部２９が懸架される。この中にはヒ−
タ３０、反射板３１、支持具３２などを備える。基板３
３は支持具３２によって下向きに支持される。ヒ−タ３
０は抵抗加熱ヒ−タである。Ｔａ、Ｗ、カ−ボンのヒ−
タを用いることができる。反射板３１はヒ−タの輻射熱
を反射し基板の方へ戻すためのものである。ヒ−タ用の
リ−ド線がア−ムに沿って設けられるがここでは図示を
略している。これは１０００℃程度まで基板を加熱保持
できる。従来の分子線成長装置のマニピュレ−タとほぼ
同じものであるが従来のもののように水平方向に回転す
ることができない。そのかわりこれは上下方向に回転移
動できる。ピン２７にはベベルギヤ３４が固着される。
これは他のべべルギヤ３５と噛み合っている。駆動機構
３７からの動力がべべルギヤ３５に伝えられる。これが
べべルギヤ３４を回転させるからア−ム２８が回転す
る。冷却機構を使う場合は、これを側方に上げておき、
冷却プレ−ト１５、冷却機構シリンダ６、液体窒素容器
１１等を下降させる。加熱機構を使う場合は、冷却プレ
−ト１５、冷却機構シリンダ６、液体窒素容器１１等を
上に引き上げ、加熱機構のア−ム２８を回し加熱支持部
２９を最下点に位置させる。

【００１４】基板を加熱するときはヒ−タに通電して抵
抗加熱する。これは従来のものと異ならない。冷却する
場合について説明する。図１のように加熱支持部２９を
引き上げる。冷却機構取付フランジ４を下げて冷却プレ
−ト１５が分子線の照射位置に来るようにする。昇降ロ
ッド８を引き上げて小孔１４を開き、液体窒素入口１２
から液体窒素を液体窒素容器１１の中に導入する。ピス
トン１８が小孔１４を閉塞していないので液体窒素は小
孔１４を通って冷却プレ−ト１５の溜り１６に入る。基
板２２は基板保持部２１によって冷却プレ−ト１５に押
し付けられているから冷却プレ−ト１５によって効率的
に冷却される。これは最低温度に冷却する場合である。

【００１５】これより高い温度にしたい場合は、ピスト
ン１８を下げて小孔１４を塞ぎ液体窒素が溜り１６に入
らないようにし冷却時温調用ヒ−タ１７に通電する。こ
の様にして本発明のマニピュレ−タは基板を加熱するこ
ともでき冷却することもできる。マニピュレ−タの交換
のために真空チャンバを開く必要がなく、閉じたまま交
換できる。従ってマニピュレ−タの交換後に真空に引く
ための時間や手数が不要である。真空チャンバの内部を
汚染することもなく能率も向上する。液体窒素の代わり
に液体ヘリウムや冷凍機を用いると液体ヘリウム温度ま
で基板の温度を下げることができる。

【００１６】

【発明の効果】分子線成長装置の成膜位置に冷却用機構
の付いた基板保持部と加熱機構のついた基板保持部を択
一的に位置させることができる。これらの交換のために
真空チャンバを開く必要がなく、高真空のままで交換で
きる。冷却を必要とする成膜にも加熱を必要とする成膜
にも等しく利用できるから分子線成長装置の価値を実効
的に高揚することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるマニピュレ−タの冷却
機構部が成膜位置に或る場合の縦断面図

【図２】本発明の実施例にかかるマニピュレ−タの加熱
機構部が成膜位置にある場合の他の方向から見た縦断面
図。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ マニピュレ−タ取付フランジ ３ 加熱機構取付フランジ ４ 冷却機構取付フランジ ５ 上下用ベロ−ズ ６ 冷却シリンダ ７ シリンダ蓋 ８ 昇降ロッド ９ シ−ル材 １０ ハンドル １１ 液体窒素容器 １２ 液体窒素入口 １３ 液体窒素導入管 １４ 小孔 １５ 冷却プレ−ト １６ 溜り １７ 冷却時温調用ヒ−タ １８ 小孔 １９ 液体窒素蒸発出口 ２０ 基板支持棒 ２１ 基板保持部 ２２ 基板 ２３ 加熱機構懸架棒 ２４ 支持リング ２５ ブラケット ２６ 軸受け ２７ ピン ２８ ア−ム ２９ 加熱支持部 ３０ ヒ−タ ３１ 反射板 ３２ 支持具 ３３ 基板 ３４ ベベルギヤ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 超高真空中で原料の分子線を基板に照射
   しエピタキシャル成長を行う分子線エピタキシャル成長
   装置に於いて基板を定位置に保持するために用いられる
   マニピュレ−タであって基板を保持し加熱する基板加熱
   機構と、基板を保持し冷却する基板冷却機構とを備え、
   基板加熱機構と基板冷却機構とは昇降あるいは回転可能
   であって択一的に同一の分子線照射位置に基板を位置さ
   せることができるようにしたことを特徴とする冷却機構
   つきマニピュレ−タ。