JPH0653636B2 - 分子線エピタキシアル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、分子線エピタキシアル（ＭＢＥ）装置に関
する。

〔従来の技術〕

超高真空下で、分子或いは原子を基板上に照射して結晶
成長を行う分子線エピタキシアル装置が知られている。
従来の分子線エピタキシアル装置の概略は、第７図に示
すように、真空の成長室３１内に基板３２を支持し、こ
の基板３２に対して数種類の原料の炉３３_１〜３３_ｎを
設け、超高真空下で所定の炉から分子線を照射し、加熱
した基板３２上にエピタキシアル層を成長させる構成と
されている。分子線エピタキシアル装置は、分子線の組
み合わせを機械的シャッタにより可変でき、従って、膜
厚方向に原子層単位で多元化合物結晶を成長できる特徴
を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の分子線エピタキシアル装置は、結晶成長中に、そ
の真空度が結晶成長のために分子流が導入される前の真
空度（例えば１０^-10Torr）に比して１乃至２桁下がる
（例えば１０^-9Torr〜１０^-8Torr）のが普通であった。
この理由は、成長室３１内に分子流が導入され、成長室
３１のアウトガスに付加され、排気されるべき分子数が
増加するからである。

かかる従来の分子線エピタキシアル装置は、第８図に例
示されるような化合物半導体の多層構造デンバスを作る
のに不向きであった。第８図において、３５が基板を示
し、この基板３５上に組成元素をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと夫々
表す時に、化合物ＡＢの層と化合物ＣＤの層とが交互に
形成されている。化合物ＡＢは、例えばＣｄＴｅであ
り、化合物ＣＤは、例えばＩｎＳｂである。化合物ＡＢ
の層と化合物ＣＤの層とのヘテロ接合界面がステップ状
であることが要求される。このようなデバイスを作る場
合、第ｎ層（例えばＣｄＴｅ層）の成長に要する元素
（ＣｄとＴｅ）が第（ｎ＋１）層（例えばＩｎＳｂ）の
成長時に成長室に残留してはならない。このためには、
結晶成長中においても超高真空が保たれるか、或いは第
ｎ層の成分気体分子の分圧が第（ｎ＋１）層の成長時に
急速に減少する必要がある。

しかしながら、従来の分子線エピタキシアル装置は、結
晶成長中に真空度が低下するために、上述の要求を満た
すことができない欠点があった。

従って、この発明の目的は、結晶成長時に真空度が低下
することが防止された分子線エピタキシアル装置を提供
することにある。以下の説明において、分子は、分子の
みならず、原子、イオン及びラジカルを総称する意味の
語として用いている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、成長室に導入された分子線流を利用して真
空度の向上を図るものである。この発明では、排気のた
めの吸い込み口及び冷却された内壁により形成され、内
壁の全ての面ベクトルが吸い込み口を指向する形状とさ
れた成長室と、成長室に所定の分子線を導入する分子線
源と、成長室内で分子線の導入方向に配置され、また、
基板の略中央位置から立てた法線方向が上記吸い込み口
内に向かうように基板を支持する基板支持部とを設ける
ものである。また、この発明では、成長室内に設けられ
る基板支持機構，反射高エネルギー電子線回折用の装
置，四重極スペクトロメーター等の付属物によって、分
子線の結晶成長に不要な部分が吸い込み口に向かわず、
滞留することを防止するため、補助的な排気装置を設け
る。つまり、比熱比が比較的大きい分子流を吸い込み口
に向けて噴出する手段を設ける。

後述する実施例では、成長室の内壁を回転放物面として
いる。しかし、この発明は、成長室を円錐状或いはベル
ジャー型とすることをも包含するものである。

〔作用〕

成長室に導入され、基板に照射された分子線は、結晶成
長に寄与するが、その一部は、基板及び基板支持台より
反射又は再蒸発し、２次分子流を生長する。この２次分
子流は、大部分、吸い込み口に向かうが、一部は、内壁
に照射される。内壁に照射されたものの一部は、一回又
は複数回反射されて吸い込み口に向かい、他の部分は、
内壁に吸着される。この内壁が冷却されていると、吸着
された分子の再蒸発が抑制される。第９図に示すよう
に、再蒸発時には、蒸発面Ｐから余弦則に従って、図中
矢印で示されるベクトルと比例する個数の分子が種々の
方向に放出される。この再蒸発成分は、吸い込み口に向
かわない成分を含むので、内壁を冷却することにより、
再蒸発を抑制する必要がある。

吸い込み口には、被排気分子流を逆流させず、また逆拡
散のない真空ポンプが設けられ、結晶成長に不要になっ
た分子流が排出される。また、この分子流は、成長室内
の残留分子（即ち、成長室内壁等からのアウトガス及び
意図的に直前に導入された気体分子）に対して、吸い込
み口に向かう方向の運動エネルギーを与えるので、残留
分子に対しては、排気作用を行うことになり、結晶成長
中にその結晶成分分子が分子流中では局所的に増加する
が、上記分子流以外のバックグラウンドの分圧が下が
る。又は少なくとも、上記直前に導入された分子に起因
する残留分子の分圧の上昇が抑制される。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。第１図において１は、全体として成長室を示す。
成長室１は、底部開口を有する回転放物面の内壁を有す
る中空のケース２と、このケース２の内面に設けられた
同様に回転放物面の内壁を有するシュラウド３により構
成される。シュラウド３には、冷媒としての液体窒素の
導入口３Ａ及び気化した冷媒の排出口３Ｂが設けられて
いる。

成長室１の底部開口即ち、回転放物面の軸に直交する面
が吸い込み口４（図中、仮想線で示す）とされる。この
吸い込み口４に真空ポンプ例えばターボ分子ポンプ２０
の吸気口が結合される。ターボ分子ポンプ２０は、円筒
状の回転翼車２１の周面から一定の間隔で植立された回
転翼部２２と、円筒状のケース２３の内面から回転翼部
２２と交互に位置するように植立された固定翼２４から
なる。この回転翼部２２と固定翼２４の配列の上方の吸
気口が成長室１の吸い込み口４と結合される。

ターボ分子ポンプ２０の回転翼部２２がモータ２５によ
り高速回転することにより、その吸気口（成長室１の吸
い込み口４）から排気口２６に向かう方向の運動量が与
えられ、排気作用がなされる。排気口２６には、図示せ
ずも、油回転ポンプ等の補助ポンプが設けられている。

また、ターボ分子ポンプ２０の回転翼車２１の端面に
は、円錐状の偏向部材２７が配設されている。この偏向
部材２７は、図示せずも、液体窒素等の冷媒が内部に循
環されることにより、その表面が冷却されたものであ
る。ターボ分子ポンプの場合、排気方向と逆極性の面ベ
クトルを持つ部分があるので、この悪影響を緩和するた
めに、偏向部材２７が設けられている。つまり、偏向部
材２７によって、ターボ分子ポンプ２０の回転翼車２１
の端面における流入分子の反射による逆流が防止され、
また、冷却されていることによって、一部吸着された分
子の再蒸発が抑制され、成長室１の到達真空度を充分に
高くすることができる。成長室１では、図において矢印
Ａで示すような頂部から底部の吸い込み口４に向かう方
向の排気作用がなされる。

回転放物面の成長室１の焦点の近傍に基板支持台５がマ
ニピュレータ７により支持されている。基板支持台５
は、ヒータを有し、基板支持台５上の基板６が所定の温
度に加熱される。この基板６に対して、複数の分子線源
８から基板支持台５の外側に拡がりを持たないビームと
して噴出された分子線流が照射される。基板支持台５
は、入射分子流の反射方向を吸い込み口４に向けるよう
な角度でもって支持される。また、基板支持台５の周囲
には、基板６及び基板支持台５からの再蒸発分子流に吸
い込み口４に向かう指向性を持たせる笠状の反射板９が
配設されている。この反射板９の側面に、反射高エネル
ギー電子線回折用の電子ビームを通すための細い穴を形
成することができる。

分子線源８としては、固体原料を使用するクヌードセン
セル又はラングミュアーセルからの分子流が基板６のみ
に照射されるように収束させる構成のものを使用するこ
とができ、分子線源８の個数及び種類は、成長させる結
晶の種類に応じて任意に選ぶことができる。複数個の分
子線源８を使用する場合には、分子線源の切り替えのた
めのシャッタが必要とされ、所望の種類の分子線を所望
の時間、基板６の表面に照射するように制御される。分
子線源８としては、ガス状原料を用いる構成としても良
い。

上述の一実施例において、成長室１に導入された分子の
内で結晶成長に消費されるもの以外の不要な２次分子流
が反射及び再蒸発によって発生する。しかしながら、こ
の２次分子流は、全体として運動方向が成長室１の内壁
の形状により、吸い込み口４に向いたものとされる。即
ち、資料としての基板６を回転放物面の成長室１の焦点
におくことにより、第１図において矢印Ｂで示すよう
に、一回の反射で分子流が吸い込み口４に向かうように
なされる。それ故、成長室１には、頂部から底部の排気
口４に向かう方向の排気作用がなされる。従って、２次
分子成分には、排気方向と同一の方向の運動エネルギー
が付与され、この２次分子流により、噴流ポンプの原理
に従って、成長室１の残留気体分子の排気が効果的にな
される。また、成長室１のシュラウド３によって、２次
分子流が内壁に吸着されること及び再蒸発を抑制するこ
とにより分子流の吸い込み口４と逆方向成分が少なくな
り、到高真空度が一層高いものとなる。

第２図はこの発明の他の実施例を示す。この他の実施例
では、前述の一実施例と同様に成長室１及びターボ分子
ポンプ２０が設けられている。成長室１の内壁形状と異
なり、その面ベクトルが吸い込み口４を指向しない部分
（即ち、排気系として理想的な形状でない部分例えば基
板６の受け渡し機構，結晶評価に必要な装置の設置等）
により、分子濃度の高い部分が発生する。第２図におけ
る凹部Ｃは、上記の機器を設置するためのスペースの一
例である。このため、成長室１の吸い込み口４のみに向
けて、比熱比の大きな蒸気例えば水銀蒸気を音速で噴出
するためのラバール管噴出機構１０が付加されている。
但し、ターボ分子ポンプの翼の速度が音速に達しない時
には、逆拡散の防止のため、それに見合った速度に蒸気
の速度を低下させる必要がある。

成長室１内に吹き出された蒸気によって、成長室１内の
上記残留分子に排気方向と同一方向の運動エネルギーが
付加され、成長室１内の滞留分子が排出される。従っ
て、到達真空度を一層高くできる。

上述の一実施例によりエピタキシアル成長を行うには、
成長室１を真空排気し、シュラウド３に冷媒を充填し、
基板支持台５を通じて基板６を指定温度に加熱する。し
かる後、分子線源８から分子線を飛ばし、基板６の表面
に照射して、成長を行わせる。この場合、分子線の種類
及び照射時間が制御され、化合物のエピタキシアル層を
成長させる。

第３図は、この発明の更に他の実施例を示す。この更に
他の実施例は、成長室１と独立に線源室１１を設ける構
成とし、また、分子線源８′の分子流を収束すること及
び分子線源８′を構成するるつぼ、ヒータ、熱遮蔽板及
びその支持材からのアウトガス及びシャッターOFF時の
不要な分子流を成長室内に導入しないものである。

第３図に示すように、成長室１と接するように、成長室
１を１８０度回転させて線源室１１が設けられる。この
線源室１１は、成長室１と同様の回転放物面の内壁を持
ち、その底部開口面の吸い込み口１２（第３図におい
て、仮想線で示す）にターボ分子ポンプ２８が設けられ
る。このターボ分子ポンプ２８は、成長室１の吸い込み
口４に設けられたターボ分子ポンプ２０と同一の構成の
ものである。従って、線源室１１において、その頂部か
ら吸い込み口１２に向かう矢印の方向の排気作用がなさ
れる。前述の他の実施例と同様に、線源室１１にラバー
ル管噴出機構を設けても良い。

線源室１１側に設けられた分子線源８′は、通常のクヌ
ードセンセル、ラングミュアセル又は気体噴出ノズル或
いはこれにクラッカファーネスを備えたものでも良く、
分子線源８′から放射された分子線流は、成長室１と線
源室１１の接触位置に穿設された複数の穴からなる穴群
１３を介して成長室１内に導入され、基板６のみに照射
される。分子線源８′からの分子流の中で、穴群１３を
通過しない不要な分子は、線源室１１のシュラウド１４
の内壁により反射されるか、シュラウド１４の内壁に吸
着される。反射或るいは、再蒸発した２次分子流は、吸
い込み口１２に向かう。従って、排気方向の運動エネル
ギーが付与された２次分子流により、噴射ポンプと同様
の原理により、残留気体分子の排気がなされ、線源室１
１が質の良い真空状態に保持される。

複数の分子線源８′に個別にシャッターを設ける場合、
第３図に示すように、シャッター用回転導入端子１６を
介して外部から各分子線源毎にON，OFFが制御可能なシ
ャッター１７を設けることができる。このシャッター１
７は、例えばモリブデン等の板からなるもので、図示の
状態がON状態であり、このON状態で分子流が穴群１３を
介して成長室１の基板６に照射される。また、第３図に
おいて、仮想線で示す状態がシャッター１７のOFFの状
態である。OFF状態で、シャッター１７は、反射した分
子流を吸い込み口１２に向かわせる角度でもって取り付
けられている。シャッターOFF状態で吸着された分子が
余弦則により種々の方向に再蒸発することを防止するた
めに、シャッター１７を冷却しても良い。OFF状態のシ
ャッター１７により反射された分子流が線源室１１の残
留分子の排気に役立てられる。

第１図及び第２図に夫々示す実施例において、成長室１
に複数例えば２個の分子線源８_１及び８_２を設ける場合
には、第４図に示すように配置しても良い。第３図に示
す例においては、第４図中の分子線源８_１及び８_２と対
応する位置に穴が夫々設けられ、穴群１３が構成される
ので、成長室１と線源室１１との接面を大きくする必要
がある。

第５図は、多数の分子線源を必要とする場合に対してこ
の発明を適用したより更に他の実施例を示す。回転放物
面のケース２及びシュラウド３によって成長室１が構成
される。第５図に示される例は、吸い込み口４と平行に
基板支持台５が設けられ、この基板支持台５上に位置さ
れた基板６に対し、吸い込み口４と略々同じ高さ位置に
配設された分子線源８_１及び８_２の夫々からの分子流が
照射されるものである。基板支持台５が吸い込み口４と
平行に設けられているので、第６図に示すように、分子
線源８_１及び８_２の夫々からの反射分子流が流入する領
域１８_１及び１８_２には、他の分子線源を設けないよう
にして、その分子線源の汚染を防ぐ必要がある。

尚、ターボ分子ポンプ以外に、分子流の再蒸発、反射に
よる逆拡散を防止するようにした拡散ポンプ、クライオ
ポンプ等の真空ポンプを使用しても良い。

また、エアロック機構により分離した資料準備室、資料
評価室をも成長室１に対して接続することができる。更
に、蒸着速度（アライバルレート）測定用ヌードイオン
ゲージ、四重極マススペクトロメータ、結晶成長中の結
晶の評価のための反射高エネルギー電子線回折装置等の
設置も可能である。

〔発明の効果〕

この発明に依れば、成長室内に導入された分子線の内
で、結晶成長に使用されない不要な分子流を利用して排
気を行うので、装置全体として真空ポンプが構成される
ことになり、従来の分子線エピタキシアル装置に比して
成長室の排気速度を高め、結晶成長中における真空度を
極めて高くでき、特に、良好な多層構造の結晶成長を行
わせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の断面図、第２図はこの発
明の他の実施例の断面図、第３図はこの発明の更に他の
実施例の断面図、第４図はこの発明の実施例における分
子線源の配置関係を示す上面図、第５図及び第６図はこ
の発明のより更に他の実施例の断面図及び上面図、第７
図は従来の分子線エピタキシアル装置の説明のための略
線図、第８図はこの発明を適用できる化合物半導体のと
一例の断面図、第９図は吸着された分子の再蒸発の説明
に用いる略線図である。 図面における主要な符号の説明 １：成長室、４：吸い込み口、５：基板支持台、６：基
板、８：分子線源、１０：ラバール管噴射機構、１１：
線源室。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気のための吸い込み口及び冷却された内
   壁により形成され、上記内壁の全ての面ベクトルが上記
   吸い込み口を指向する形状とされた成長室と、 上記成長室に所定の分子線を導入する分子線源と、 上記成長室内で上記分子線の導入方向に配置され、ま
   た、基板の略中央位置から立てた法線方向が上記吸い込
   み口内に向くように上記基板を支持する基板支持部と を備えたことを特徴とする分子線エピタキシアル装置。
2. 【請求項２】排気のための吸い込み口及び冷却された内
   壁により形成され、上記内壁の全ての面ベクトルが上記
   吸い込み口を指向する形状とされた成長室と、 上記成長室に所定の分子線を導入する分子線源と、 上記成長室内で上記分子線の導入方向に配置され、ま
   た、基板の略中央位置から立てた法線方向が上記吸い込
   み口内に向くように上記基板を支持する基板支持部と、 比熱比が比較的大きい分子流を上記吸い込み口に向けて
   噴出する手段と を備えたことを特徴とする分子線エピタキシアル装置。