JPH0516399B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、分子線エピタキシー装置に関し、
詳しくは、装置の簡略化、およびＶ族成長材料の
効率的使用を達成したものに関する。

【従来の技術】

−Ｖ族化合物半導体の製造過程において単結
晶板上に−Ｖ族元素をエピタキシヤル成長させ
る手法として、分子線エピタキシー法が注目され
ている。これは、真空蒸発法の一種であり、ガリ
ウムGa、アルミニウムAl、インジウムIn、など
の族元素、および、ひ素As、燐ＰなどのＶ族
元素を成長材料として、10^-11torrの超高真空の
中でこれらを原子または分子線の形で照射して
Ga AsあるいはIn Ｐなどの単結晶基板上にGa
As、Al Ga As、In ＰあるいはIn Ga Ｐなどの
−Ｖ族化合物半導体結晶をエピタキシヤル成長
させる方法である。このような分子線エピタキシ
ー法によると、超高真空中での蒸着であるた
め、残留ガスからの不純物の混入が非常に少な
く、基板表面を清浄に保つことができる、大面
積にわたり、均一でかつ原子レベルで平坦な膜を
得ることできる、蒸着速度を非常に遅くするこ
とができ、しかも正確に制御できるため、厚膜を
数Åという単原子層のオーダで高精度の制御する
ことができる、多成分系の混晶膜も蒸発源を増
やすだけで容易に得られる、結晶成長意中に成
長層表面、あるいは分子線から成長条件について
のさまざまな情報を得ることができ、それを直ち
に成長制御フイードバツクすることができる、な
どの利点を享受することができる。 後述する本願発明の理解を容易にするため、上
記のような分子線エピタキシー法を行う分子線エ
ピタキシー装置の概要を第２図に示す概略構成図
によつて説明する。 超真空ポンプ１につながる成長室２の中央に
は、基板ホルダ３が配置され、これは、基板上の
結晶成長を一様なものとするために回転できるよ
うになつている。また、この基板ホルダ３に保持
される基板を所望の温度に昇温するためのヒータ
が付設されている。そして、成長室２の一側に
は、上記基板ホルダ３に向けて開口するルツボ４
に各成長材料を充填してなる複数個の蒸発源５…
が配置される。この蒸発源５…もまた、温度セン
サによる検出温度に基づいて制御されるヒータに
より、所望の温度に昇温されるようになつてい
る。なお、各蒸発源５は、各蒸発源が互いに熱影
響や汚染の影響を受けないように、液体窒素シユ
ラウド６で囲まれている。結晶成長の開始および
停止は、各ルツボ４の開口の前面に配置されたシ
ヤツタ７…を開閉することにより行われる。 たとえば、Ga As単結晶基板上にGa As層を
成長させるには、Gaが充填された蒸発源および
Asが充填された蒸発源５を所定の温度に加熱す
るとともに基板ホルダ３の温度を適当な温度に設
定しつつ、上記の各蒸発源５のシヤツタ７を所定
時間開状態とする。なお、Alを一緒に蒸発させ
るとGa_xAl_1-xAs層が成長する。このときGaとAl
の蒸発量の比を制御すれば、組成ｘが制御でき
る。また、成長層をｎ形にするには、Si、Snな
どを同時に蒸発させ、ｐ形にするには、Be、Mg
などを蒸発させる必要がある。

【発明が解決しようとする課題】

従来のこの種の分子線エピタキシー装置におい
ては、第２図に示されているように、あるいは、
特開昭62−62512号公報および特開昭61−53716号
公報に示されているように、族元素とＶ族元素
とにかかわらず、すべての元素を成長材料とする
蒸発源５…が基板ホルダ３からほぼ等距離の位置
に配置され、かつ、すべての蒸発源５につき、分
子線を遮蔽および開放するシヤツタ７が設けられ
ている。このような構成によると、回転シヤツタ
をすべての蒸発源に対して付設させる都合上、最
も消費量の多いヒ素AsなどのＶ族元素のための
蒸発源の大きさに限界があり、材料寿命が短くな
り、その結果として装置の連続運転期間が短くな
るという問題がある。 ところで、族元素に対するＶ族元素の付着係
数は、基板上の族元素の存在によつて決定され
ることが知られている。たとえば、Ga As基板
上へのAsの付着係数は、GaあるいはAlが存在す
れば１であり、存在しなければ０である。従来の
装置においてＶ族元素用の蒸発源が族元素用の
蒸発源と同様に基板ホルダから所定距離離れた位
置に配置されているのは、基板面へのＶ族元素の
付着の均一性を慮つたものであると考えられる
が、これは、上記のようなＶ族元素の付着係数を
考えた場合妥当とはいい難い。Ｖ族元素の基板へ
の付着は、族元素の付着によつて決定されるの
であり、族元素が基板上に均一に付着すれば、
Ｖ族元素もそれにしたがつて均一に付着するから
である。 また、上述のようにＶ族元素は基板上に族元
素が存在することによつてはじめて付着するこ
と、および、装置運転中のＶ族元素の温度は300
℃程度と他の蒸発源の温度に比して低温であり、
この温度制御による蒸発の開始および停止が比較
的容易であること、などから、従来の装置におい
てＶ族元素の蒸発源にも設けられているシヤツタ
は絶対必須のものであるとはいえない。 この発明は、上述の知見のもとで従来の分子線
エピタキシー装置における問題を一挙に解消し、
装置の簡略化および材料寿命の延長を同時に達成
することをその目的とする。

【課題を解決するための手段】

従来の課題を解決するため、この発明では、次
の技術的手段を講じている。 すなわち、本願の請求項１に記載した発明は、
超高真空ポンプにつながる成長室と、この成長室
の内部に配置した基板ホルダと、成長室の一側に
おいて軸線が上記基板ホルダを向くように配置さ
れた複数個の蒸発源とを備える分子線エピタキシ
ー装置において、上記蒸発源のうち、Ｖ族元素を
成長材料とする蒸発源（以下、Ｖ族蒸発源とい
う。）を他の蒸発源に比して基板ホルダに近接し
た位置に配置するとともに、このＶ族蒸発源以外
の各蒸発源の開口の遮蔽および開放を行うシヤツ
タを設けたことを特徴とする。 そして、本願の請求項２の記載した発明は、上
記請求項２に記載した分子線エピタキシー装置に
おいて、Ｖ族蒸発源を、成長室における基板ホル
ダと正面対向する位置に配置するとともに、他の
蒸発源を、ほぼ上記Ｖ族蒸発源の軸線を中心とす
る環状に配置したことを特徴とする。

【作用】

本願の発明においては、基本的に、軸線が成長
室内部の基板ホルダを向くように配置される複数
個の蒸発源のうち、Ｖ族蒸発源を他の蒸発源に比
してより基板ホルダに近接するように配置すると
ともに、このＶ族蒸発源のシヤツタを廃止してい
る。 Ｖ族元素は、基板上に族元素が付着してはじ
めてこれに付着するから、Ｖ族元素の付着は、
族元素の蒸発源による成長の開始および停止にし
たがう。これにより、Ｖ族蒸発源のシヤツタを省
略しても、族元素の蒸発源からの分子線照射が
それらに付設されるシヤツタによつて制御される
かぎり、基板上に混晶半導体を成長させる上で全
く不都合はない。 また、さらにこの発明では、Ｖ族蒸発源が他の
蒸発源に比して基板ホルダに近接して配置されて
いるので、多くの剰余の分子線が成長室に飛散す
ることがなく、ムダがはぶける。

【発明の効果】

上述のように本願の発明では、Ｖ族蒸発源のシ
ヤツタを廃止しているから、基本的に消費量が最
も多いＶ族蒸発源を、シヤツタの構成を考慮する
ことなく大型化してその容量を増大させることが
でき、材料寿命の延長と、装置の連続運転期間の
延長を図ることができる。そして、Ｖ族蒸発源を
基板ホルダに近接して設けることから、材料のム
ダがはぶけ、このことも材料寿命の延長に大きく
寄与する。また、Ｖ族蒸発源のシヤツタを省略し
たことから、装置の構造を簡略化することがで
き、メインテナンスの頻度および故障の発生頻度
がともに低下する。 そして、本願の請求項２に記載した発明におい
ては、とくにＶ族蒸発源を基板ホルダと正面対向
する中心に配置し、他の蒸発をその周囲に環状に
配置することになるから、Ｖ族蒸発源の大きさを
他の蒸発源の配置が構成する環の中央にいつぱい
に拡げることができ、成長室の一側内面を有効に
利用することができる。

【実施例の説明】

以下、本願発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。 本例の分子線エピタキシー装置は、縦形の成長
室２をもつているが、分子線エピタキシー装置と
しての基本的構成は第２図の従来例と同等であ
る。成長室２は、全体として縦形の円筒形をして
おり、天井板８に貫通支持された支軸９には、水
平状の基板ホルダ３を下端にもつ回転ケージ１０
のボス部１１が可回転に支持されている。この回
転ケージ１０は、ボス部１１に固定されたギヤ１
２に外部モータ１３の出力軸のピニオン１４を噛
合させることにより、回転制御される。支軸の先
端には、基板ホルダ３の背後に位置するヒータ１
０が設けられており、これによつて基板ホルダ３
に保持された基板Ｂを加熱しうる。なお、成長室
の側壁内周は、液体窒素シユラウド１５で囲まれ
ており、脱ガス時での不純物を吸着して超高真空
を維持するようにしてある。なお、成長室２は、
図示しない超高真空ポンプにつなげられている。 成長室２の底部は、中央が最も窪んだ略すりば
ち状をしており、この部にいくつかの蒸発源５
ａ，５ｂ，５ｃ…が、その軸線ａ，ｂ，ｃが上記
基板ホルダ３の中心を向くようにして配置されて
いる。 本願発明においてはとくに、ヒ素AsなどのＶ
族元素を成長材料とする蒸発源５ａを、上記基板
ホルダ３に対して正面に対向するように、すなわ
ち、本例では、この蒸発源５ａの軸線ａが縦形円
筒形の成長室２の鉛直中心線と一致するように配
置するとともに、その他の蒸発源５ｂ，５ｃを、
上記Ｖ族蒸発源５ａの軸線ａを中心とする円周上
に配置する。第１図においては、図の煩雑化を避
けるため、Ｖ族蒸発源５ａを挟んで互いに反対側
に位置する二つの蒸発源５ｂ，５ｃのみを示して
あるが、実際には、大小５〜７個の蒸発源が、各
軸線が基板ホルダ３の中心を向くようにして環状
に設けられている。 さて、上記各蒸発源５ａ，５ｂ，５ｃ…は、成
長室２の底壁に上端を固定された有底円筒状の容
器内に、各成長材料が充填されたルツボ４…をそ
れぞれ装填して構成される。そして、本願発明で
は、上記Ｖ族蒸発源５ａを他の蒸発源より基板ホ
ルダ３に近づけて配置するのであるが、本例では
これを、各容器に装填されるルツボ４の軸方向長
さを所定のように設定することで対応している。 すなわち、第１図に表れているように、Ｖ族蒸
発源５ａのルツボ４は、直径および長さが他の蒸
発源より大きく、とくにルツボ４の上端は、成長
室２の底壁からさらに基板ホルダ３に向けて突出
させられている。なお、各ルツボ４…は、これが
収容される各容器の底部に配置した図に表れない
ヒータによつて所望の温度に加熱されるようにな
つている。また、各ルツボ４を囲む上記容器に
は、液体窒素シユラウド６…が一体構成されてお
り、各蒸発源５ａ，５ｂ，５ｃ…が互いに熱影響
や汚染の影響を受けないようにしてある。 成長室２を超高真空状態とし、基板Ｂおよび各
蒸発源５ａ，５ｂ，５ｃ…を所定の温度まで昇温
させると、蒸発源５ａ，５ｂ，５ｃ…の成長材料
が原子あるいは分子線の形で基板表面にあたり、
基板上に結晶が成長するのであるが、この成長の
開始および停止は、本願発明では、Ｖ族蒸発源５
ａ以外の蒸発源５ｂ，５ｃ…の開口をシヤツタ７
で開閉することにより行われる。 シヤツタ７は、上記Ｖ族蒸発源以外の環状配置
された各蒸発源５ｂ，５ｃ…に近接する成長室の
内壁において外部からそれぞれ回転可能に導入支
持された軸７ａの先端に、閉位置において上記開
口を覆いうるシヤツタ板７ｂを固定して構成され
る。 本例においては、上記軸７ａの軸線ｌを、当該
シヤツタ７が開閉する蒸発源５ｂ，５ｃ…の軸線
ｂ，ｃに対し、蒸発源の開口から基板ホルダ３ま
での間において交差するように傾け、換言する
と、その蒸発源５ｂ，５ｃ…側に大きく傾けてい
る。 そうして、このように軸線ｌを傾けた軸７ａに
対し、閉位置において蒸発源５の開口を平行に覆
いうるように円形のシヤツタ板７ｂを固定するの
である。したがつて、軸７ａに対するシヤツタ板
７ｂの取付け角度は、蒸発源５ｂ，５ｃの軸線
ｂ，ｃと軸７ａの軸線ｌの交差角を直角から差し
引いた角度となる。このようにすると、軸７ａを
中心とするシヤツタ板７ｂの回転軌跡において、
シヤツタ板７ｂが第１図に実線で示す閉位置にあ
るときが最も蒸発源５ｂ，５ｃないし成長室２の
内壁に近接し、それ以外の回動位置のすべてにお
いて、シヤツタ板７ｂが蒸発源の開口ないし成長
室２の内壁から離れることとなる。 なお、本例においてはさらに、シヤツタ７の軸
７ａを二分割構成とするとともに、この軸７ａを
通すモータブラケツト１６の筒部をもフランジ１
７ａ，１７ｂどうしの接続によつて連結しうる分
割構成とし、上記軸７ａのモータ側の第一部分７
a′とシヤツタ板側の第二部分７a″とを上記フラン
ジ１７ａ，１７ｂを分離した状態で成長室の外部
において接続あるいは分離しうるようにしてあ
る。従来装置における回転シヤツタでは、単一の
回転軸を成長室内に貫通導入し、こうして成長室
内に導入された軸の先端にシヤツタ板を取付ける
構造が一般的であつたため、シヤツタ板の交換時
等においては成長室内にビユーポートから手を入
れ、ねじ止め作業等の煩雑な作業をする必要があ
つたが、本例では、上記のように軸７ａの接続を
実質的に成長室の外部で行なえるようにしたか
ら、シヤツタ板７の取付けが非常に簡単かつ安全
となる。 第１図から明らかなように、本願発明では、Ｖ
族蒸発源５ａのシヤツタを省略したから、シヤツ
タの構成について考慮することなく、それだけこ
のＶ族蒸発源５ａの容量を増大することができ、
成長材料の寿命を延長することができる。また、
Ｖ族蒸発源５ａを他の蒸発源に比べてより基板ホ
ルダ３に近づけて配置しているから、ムダな分子
線が成長室内に放散することがなく、効率が良く
なる。また、実施例では、Ｖ族蒸発源５ａのまわ
りに他の蒸発源を環状に配置するという構成をと
つているため、成長室２の内壁を有効に利用し、
装置全体をコンパクトにまとめることができる。 なお、図示例のように縦形の成長室をもつ装置
においてＶ族蒸発源５ａを成長室の底部中央に配
置すると、基板回転部等からの塵が直下のＶ族蒸
発源に落下してこれを汚染するという懸念がある
が、実際上、Ｖ族蒸発源は低温で機能するため、
たとえ他の元素が入り込んでもほとんど問題はな
いのである。 もちろん、この発明の範囲は上述の実施例に限
定されることはない。たとえば、シヤツタの具体
的構成等、装置の細部は種々設計変更可能であ
る。 また、実施例は、縦形の成長室をもつている
が、成長室を横形に構成しても差支えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明の一実施例を示す縦断面図、
第２図は従来例を示す概略構成図である。 ２……成長室、３……基板ホルダ、５ａ……Ｖ
族元素を成長材料とする蒸発源、５ｂ，５ｃ……
（その他の）蒸発源、７……シヤツタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超高真空ポンプにつながる成長室と、この成
   長室の内部に配置した基板ホルダと、成長室の一
   側において軸線が上記基板ホルダを向くように配
   置された複数個の蒸発源とを備える分子線エピタ
   キシー装置において、 上記蒸発源のうち、Ｖ族元素を成長材料とする
   蒸発源を他の蒸発源に比して基板ホルダに近接し
   た位置に配置するとともに、このＶ族元素を成長
   材料とする蒸発以外の各蒸発源の開口の遮蔽およ
   び開放を行うシヤツタを設けたことを特徴とす
   る、分子線エピタキシー装置。 ２ 上記請求項２に記載した分子線エピタキシー
   装置において、上記Ｖ族元素を成長材料とする蒸
   発源を、成長室における基板ホルダと正面対向す
   る位置に配置するとともに、他の蒸発源を、ほ
   ぼ、上記Ｖ族元素を成長材料とする蒸発源の軸線
   を中心とする環状に配置したことを特徴とする、
   分子線エピタキシー装置。