JPH07115991B2 - 分子線エピタキシー装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明はチタンサブリメーションポンプを真空排気装
置のひとつとして用いる分子線エピタキシー装置の改良
に関する。

【従来の技術】

分子線エピタキシー装置の一例を第３図に示す。適数の
分子線セル１、１、・・・が、超高真空に引くことので
きる成長室チャンバ２の壁面に適数個設けられる。成長
室チャンバ２の中央にはマニピュレータ４が設けられ
る。これは基板を保持し加熱、回転するものである。成
長室チャンバ２の壁面に沿って成長室液体窒素シュラウ
ド５が設けられる。これの内部に液体窒素が導入される
と、シュラウド壁面が低温になるのでガスが吸着され真
空度が上がる。 成長室チャンバ２は10^-11〜10^-10Torrの超高真空に引か
なければならない。このためいくつかの真空排気装置が
継時的に用いられる。例えば粗引きはロータリポンプ、
ターボ分子ポンプ、高真空引きにはクライオポンプやイ
オンポンプ、チタンサブリメーションポンプなどを用い
る事ができる。この発明は真空排気装置としてチタンサ
ブリメーションポンプを用いるものの改良である。 チタンサブリメーションポンプ３は第３図に示すように
成長室チャンバに連続して設けられる。これはポンプ室
内に設けられるチタンサブリメーションポンプフィラメ
ント６とこれを囲むチタンサブリメーションポンプ用液
体窒素シュラウド８とよりなる。 フィラメントに通電するとチタン（Ti）フィラメントが
加熱され昇華し気体となって飛散する。このチタン蒸気
は液体窒素シュラウド８の表面に付着する。非常に活性
な状態であり多大のガスを吸着する。このため真空排気
装置として非常に有効である。低温であればあるほど吸
着能力は大きいので液体窒素温度に冷却したシュラウド
壁に付着させて利用する。フィラメント６から見た立体
角ができるだけ大きくなるように、チタンサブリメーシ
ョンポンプ用液体窒素シュラウド８を配置する。チタン
蒸気を生ずるものはチタンのフィラメントの他にチタン
よりなるタイボールもある。いずれも加熱してチタン蒸
気を生ずる。まとめてチタンサブリメーションポンプ発
熱体ということにする。 成長室にも液体窒素シュラウド５がある。既に述べたよ
うにこれも真空度を上げるためにある。マニピュレータ
の熱源（ヒータ）、分子線セルの熱源（ヒータ）により
大量のガス分子が放出される。このようなガス分子を冷
却された液体窒素シュラウド５の外壁面に吸着させる。
するとガス分子が基板の表面に到達して結晶成長の際に
不純物として含まれることがない。膜の純度を高め欠陥
の発生を制御することができる。 理想的には基板表面から見て立体角２π（全立体角の半
分）の領域は全て液体窒素シュラウド５で覆われている
のが望ましい。しかし、分子線セル１がある部分は切欠
かれるので、基板表面から立体角２πの領域全てに液体
窒素シュラウドが存在するようにはできない。

【発明が解決しようとする課題】

液体窒素シュラウドは液体窒素を入れる容器であるが熱
伝導が良く耐蝕性のあるもので作らなければならない。
多くの場合、液体窒素シュラウドは薄いステンレスの板
で作られる。製作時の歪み、溶接時の歪みに対し十分注
意して製作されなければならない。また77Kまで冷却さ
れるので構造材の低温脆性が問題になる。低温に於いて
も強く、温度サイクルに耐えられる高品質の材料でなけ
ればならない。このため材料費、加工費が高く液体窒素
シュラウドは高価なものになる。 従来は成長室とチタンサブリメーションポンプとに別異
の液体窒素シュラウドを２組設置していたのでシュラウ
ドの存在により価格を押し上げるという欠点がある。 ２組の液体窒素シュラウドがあるので、成長室チャンバ
の構造が複雑になる。マニピュレータを囲むシュラウド
と、フィラメントを囲むシュラウドが別個であるこれら
を共に成長室チャンバの中に収容しなければならないか
らである。 ２組の液体窒素シャラウドがあるので、液体窒素の供給
も２系統になる。両方の容器に液体窒素を供給し、消耗
分を補給しなければならない。 もうひとつ欠点はチタンサブリメーションポンプから見
て基板、マニピュレータのある空間との間の排気コンダ
クタンスが小さく排気能率が悪いということである。こ
れは成長室シュラウドの内側にマニピュレータがあり外
側にチタンサブリメーションポンプフィラメントがある
からである。 液体窒素シュラウドの構造を単純化し、成長室チャンバ
の内部構造を簡単にして製作しやすくしかつ液体窒素の
供給を１系統にすることのできる分子線エピタキシー装
置を提供することが本発明の目的である。

【課題を解決するための手段】

本発明の分子線エピタキシー装置は、チタンサブリメー
ションポンプのためのシュラウドと成長チャンバのため
のシュラウドとを一体化したものである。つまり２つの
液体窒素シュラウドがあるのではなく単一の液体窒素シ
ュラウドがあり、成長室チャンバの中でマニピュレータ
とチタンサブリメーションポンプ発熱体をともに液体窒
素シュラウドで囲まれる空間の内側に設ける。 マニピュレータとチタン発熱体の間には可動式の遮蔽板
を設けフィラメントを加熱するときは遮蔽板を閉じてチ
タン蒸気がマニピュレータの基板上へ飛ばないようにす
る。

【作 用】

成長室チャンバの中には単一の液体窒素シュラウドが存
在するだけである。これが従来の成長室シュラウドとチ
タンサブリメーションポンプ用シュラウドの２つの役割
を果たす。すなわち分子線セルのヒータを加熱し、マニ
ピュレータのヒータを加熱してガスが放出されるがこれ
を液体窒素シュラウドで吸着することができる。いっぽ
うチタンサブリメーションポンプフィラメントに通電さ
れフィラメントが加熱されてチタンが昇華した場合この
チタン蒸気は同じ液体窒素シュラウドの壁面に付着す
る。活性なチタンはガスを吸着して真空度を上げること
ができる。 このように液体窒素シュラウドは本発明に於いて二通り
の役割を担うことができる。これはマニピュレータ、チ
タンサブリメーションポンプフィラメントのいずれかが
単一の液体窒素シュラウドの内部にあるから可能にな
る。 チタンサブリメーションフィラメントは間欠的に通電加
熱するだけで良い。フィラメントに通電する時間は僅か
である。フィラメントに通電しチタンを昇華する時は遮
蔽板を閉じてチタン蒸気がマニピュレータの基板表面に
付着したり、分子線セルの内に入らないようにする。そ
れ以外の時は遮蔽板を開く。そうすると排気コンダクタ
ンスが高くなり排気能率が上がる。

【実 施 例】

第１図は本発明の実施例に係る分子線エピタキシー装置
の概略縦断面図。第２図は第１図中のII−II断面図であ
る。 適数個の分子線セル１、１・・・を下底壁に有する成長
室チャンバ２は円筒を横にした単純な形状をしている。
内部の中央に基板を保持すべきマニピュレータ４が設け
られる。これは基板を保持し加熱し回転させる。マニピ
ュレータ４に並んでチタンサブリメーションポンプフィ
ラメント６が設けられる。成長室チャンバ２の内壁に沿
って単一に液体窒素シュラウド５が設けられる。これは
マニピュレータ４もフィラメント６も内部にとり囲む形
状になっている。 マニピュレータ４とチタンサブリメーションポンプフィ
ラメント６の間には可動式の遮蔽板７を設けてある。 成長室チャンバ２の開口９先端のフランジ10はゲートバ
ルブ（図示せず）を介して隣接する真空室（図示せず）
などにつながっている。基板を取り付けた基板ホルダは
隣接の真空室からゲートバルブを通して搬送機構（図示
せず）によりマニピュレータへ搬送される。 液体窒素シュラウド５は、マニピュレータ４、チタンサ
ブリメーションポンプフィラメント６を内部にとり囲ん
だ形状になっているが、いくつかの貫通穴があいてい
る。 分子線セルを通すための貫通穴11、マニピュレータを通
すための貫通穴12、ゲートバルブを介して隣接する真空
室へ基板ホルダを搬送するための貫通穴13などがある。 分子線セル１は、PBNるつぼ20、ヒータ21、リフレクタ2
2、熱電対23などを含む。るつぼ20に材料物質を収容し
ヒータ21によって加熱し分子線とする。これは基板に向
かって飛ぶ。るつぼの上にはシャッタ25がある分子線の
流れを遮断できる。これらの構造は周知である。分子線
セルの構造は全て同じであるので、ひとつだけ断面図を
示し他は外観を示す。 この例では略横向円筒形の成長室チャンバ２の内壁にＵ
字型断面の液体窒素シュラウド５を設けている。シュラ
ウド５の形状が単純化されている。 またこの例では成長室チャンバ２の側方にあるフランジ
15に超高真空フランジ16を取り付け、フィラメント支持
板17をこれに対して固定している。フィラメント支持板
17の取り外してフィラメントを補修できる。また超高真
空フランジ16の内側にも液体窒素シュラウドを延長して
設けることができる。 第１図。第２図は横型の例であるが、第４図の例は縦型
の実施例を示している。 成長室チャンバ２は縦型直円筒形の真空室である。側壁
に斜めに膨出した円筒管部26が形成されており、ここに
適数個の分子線セル１、１・・・が取り付けられる。上
半が分子線エピタキシーを行う空間でこの中央にマニピ
ュレータ４が設けられる。マニピュレータ４の下面に基
板が取り付けられる。マニピュレータ４の内部にはヒー
タがあって基板を気相反応が可能な温度に加熱する。分
子線セル１、１・・・は基板に立てた法線を中心線とす
る円錐母線に沿うように配置されている。 成長室チャンバ２の上下は、超高真空フランジ27、28に
よって閉ざされている。上超高真空フランジ27に、マニ
ピュレータ取り付け板29が取り付けられる。下超高真空
フランジ28にチタンサブリメーションポンプフィラメン
ト６を支持するフィラメント支持板30が取り付けられ
る。 フィラメント６とマニピュレータ４が上下なに並ぶが、
この中間位置に可動式に遮蔽板７を設ける。 円筒形の成長室チャンバ２の内壁に沿って内筒状の液体
窒素シュラウド５が設置されている。 第１の実施例でも第２の実施例でも成長室チャンバ、液
体窒素シュラウドの形状が単純化されている。作用はい
ずれも同じである。超高真空に引けた状態で分子線セル
から材料物質の分子線を飛ばし基板の上に薄膜の成長を
行う。 チタン蒸気を飛ばすのは数10分に１回という低いデュー
ティになる。この時は遮蔽板７を閉じてチタン蒸気が基
板、マニピュレータや分子線セルの方へ飛散しないよう
にする。遮蔽板７が閉となった時、その遮蔽板の形状
は、マニピュレータ上の基板上の面及び分子線セルのツ
ルボ開口面のどの位置から見てもチタンフィラメントが
見えないように設計されている。チタンの蒸気はその周
囲の液体窒素チュラウド５の内面に付着する。このチタ
ンは極めて活性で多様なガス分子を吸着しチャンバ内の
真空度を上げる。 チタン蒸気を飛ばさない時は遮蔽板７の開く。マニピュ
レータや分子線セルは高温であるのでガスが放出される
が、これが熱運動して液体窒素シュラウドに当るとチタ
ンのゲッター作用によって捕獲されてしまう。 つまりチタンが付着している液体窒素シュラウドの面が
マニピュレータ、分子線セルに近くしかも互いに向き合
っているので脱ガスを吸着する効率が非常に良い。排気
コンダクタンスが高いということである。

【発明の効果】

分子線エピタキシー装置に於いて、成長室チャンバの液
体窒素シュラウドとチタンサブリメーションポンプの液
体窒素シュラウドとを一体化している。 このため液体窒素シュラウドが単純化され容積も小さく
なるので材料費、製作費ともに低減される。 液体窒素の供給系統が１系統になるので液体窒素の供
給、監視、補給などの作業がより単純化される。 成長室チャンバの構造も単純化される。 さらにチタンサブリメーションポンプの排気コンダクタ
ンスが高まり排気効果が良くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る分子線エピタキシー装置
の縦断面図。 第２図は第１図のII−II断面図。 第３図は従来例に係る他の実施例に係る分子線エピタキ
シー装置の縦断面図。 第４図は本発明の他の実施例に係る分子線エピタキシー
装置の縦断面図。 １……分子線セル ２……成長室チャンバ ３……チタンサブリメーションポンプ ４……マニピュレータ ５……液体窒素シュラウド ６……チタンサブリメーションポンプフィラメント ７……遮蔽板 ８……チタンサブリメーションポンプ用液体窒素シュラ
ウド ９……開口 10……フランジ 11、12、13……シュラウドの貫通穴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空排気装置によって超高真空に引くこと
   のできる成長室チャンバと、基板を保持し加熱するため
   成長室チャンバの中に設けられるマニピュレータと、原
   料物質を収容し加熱気化し分子線として基板に向かって
   照射するため成長室チャンバに取り付けられる適数個の
   分子線セルと、真空排気装置のひとつとして成長室チャ
   ンバの中に設けられたチタンサブリメーションポンプ発
   熱体と、成長室チャンバの壁面に沿ってマニピュレータ
   及びチタンサブリメーションポンプ発熱体を囲むように
   連続して設けられた単一の液体窒素シュラウドと、マニ
   ピュレータとチタンサブリメーションポンプ発熱体の間
   に設けられ、且つ操作により前記チタンサプリメーショ
   ンポンプ発熱体を前記マニピュレータの基板上の面及び
   前記分子線セルのルツボ開口面のどの位置からも遮蔽で
   きる可動遮蔽板とより構成される事を特徴とする分子線
   エピタキシー装置。