JPH07257994A - Ｍｂｅ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ソースの供給／遮断によるフラックスの変動
を抑えて、任意の組成で急峻な界面をもつ複数層の薄膜
構造を結晶成長するＭＢＥ装置を提供する。 【構成】 複数あるソースセル１３はそのソースの流出
を遮る第一のシャッター１５を持ち、また第一シャッタ
ー１５から十分離れた位置に分子流の基板への成分を遮
断する第二シャッター１６を設ける。さらに、各ソース
セル１３を十分な容積を持つように囲むように、成長室
壁全体を覆う液体窒素充填シュラウド１８から延びるク
ライオパネル１１０が設置されている。この構成によ
り、各ソースセル１３間の汚染を抑え、また、基板１２
への照射時とほぼ同じ平衡状態をクライオパネル１１０
と第二のシャッター１６間で囲まれた空間で形成し、複
数層の薄膜構造を高精度に結晶成長させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体薄膜を作る装置に
関するものであり、特にＭＢＥ（分子線結晶成長）装置
の成長室内、及び分子線源セルの構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＭＢＥ装置は高度な構造の薄膜結晶成長
に必須な技術であり、従来のＭＢＥ装置として例えば特
開昭63-303890号公報や特開平2-277228号公報に記載さ
れたものが挙げられる。

【０００３】以下に、従来のＭＢＥ装置について説明す
る。図４は従来のＭＢＥ装置の断面概略図を示したもの
である。

【０００４】図４（ａ）において、排気装置４７を備
え、周囲をシュラウド４８により囲んだ真空容器４０中
のホルダー４１上に設置された基板４２に対向して複数
のソース（原料）セル４３が配置されている。また、複
雑な構造の薄膜を成長させるために、真空容器４０内に
は、基板４２近傍に設置されており、全てのソースセル
４３からのフラックス（分子流）を一斉に遮断するシャ
ッター（メインシャッター）４４と各ソースセル４３の
リップ（射出孔）近傍にあって、各ソースセル４３から
のソースの流出を妨げる第一のセルシャッター（第一シ
ャッター）４５との二種類のシャッターが構成されてい
る。さらに、セルリップから少し離れた第一シャッター
４４の外側にもそのソースセル４３のフラックスのみを
遮断する第二のセルシャッター（第二シャッター）４６
が構成されている。この第二シャッター４６は、ソース
セル４３からのソースの流出をより確実に防止するため
に設置されている。また、基板４２の近傍にはフラック
スの量を測定するための圧力ゲージ４９が設置されてい
る。

【０００５】上記のように構成されたＭＢＥ装置につい
て図４を参照しながらその動作を説明する。

【０００６】図４に示した従来のＭＢＥ装置で結晶成長
を行う場合、図４（ａ）に示すように先ず全てのシャッ
ターを閉じた状態で各ソースセル４３を基板４２への照
射を行うための所望の温度に昇温させる。

【０００７】次に図４（ｂ）に示すように、メインシャ
ッター４４を開放した後、所望の層を形成するために必
要なソースセル４３に対応するの第一シャッター４５を
開放し、続いて第二シャッター４６を回転して開放す
る。これにより、ソース４１０は、適当な温度に保持さ
れた基板４２上に照射され、薄膜が結晶成長される。

【０００８】さらに第二シャッター４６を適当な周期で
回転させることにより、図４（ｃ）に示すようにソース
の照射を断続させることによって、付着したソースの基
板表面でのマイグレーションを活性化して高精度な薄膜
の結晶成長を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のＭＢＥ装置の構成では、複数のソースセル４３は
互いに隔離されていないため、図４（ｄ）に示すように
第二シャッター４６から漏れ出るソース４１０が別のソ
ースセルも達してしまい、相互に他のセルを汚染してし
まう。

【００１０】また、薄膜の結晶成長を行ってシャッター
を開放しているときの第二シャッター４６の温度は、昇
温されたソースに接触していないため、ソース４１０を
遮断するために閉じているときの温度に比べて低くな
る。従って、開放していた表面温度の低い第二シャッタ
ー４６を薄膜結晶成長の周期により再びソース４１０の
遮断に用いた時に、第二シャッター４６はソースの温度
に対して常に低くなってしまい、第二シャッター４６の
ソースセル４３に向かう面には大量のソースが堆積して
フレークとなって落下し、ソースセル４３を汚染した
り、第二シャッター４６とセルリップとの間に挟まって
セルの開閉を阻害したりする。

【００１１】さらに、第二シャッター４６が第一シャッ
ター４５に近接して設置されているため、各々のシャッ
ターを閉じているときのソースセル４３内の温度等の平
衡状態と、開放してソース４１０を照射しているときの
平衡状態が著しく異なってしまい、膜厚等の制御が困難
になる。

【００１２】また、真空容器内の真空度が悪いときには
基板面近傍に置かれた圧力ゲージ４９だけでは各セルの
フラックスを独立に正しく測ることができない。

【００１３】以上のように、従来のＭＢＥ装置ではソー
スセル４３の汚染、第二シャッター４６へのソースの堆
積及び不正確なフラックスの測定等に基づき、高精度に
複数層の薄膜を結晶成長させることが困難であった。

【００１４】本発明は上記課題を解決するものであり、
急峻な界面を持った任意の組成の複数層の薄膜構造を高
精度に結晶成長するＭＢＥ装置を提供することを目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のＭＢＥ装置は複数個存在するある分子線源
セルはセルリップ近傍にセルシャッター（第一シャッタ
ー）を持ち、さらに第一シャッターとは別に第一シャッ
ターから十分離れた場所にその小隔室からのフラックス
をのみを遮る第二のセルシャッター（第二シャッター）
をも有する。また、それぞれの分子線源セルはクライオ
パネルを使って一個一個十分な容積を持った小隔室に仕
切られた構成を有している。また、第二シャッターには
クリスタルモニター（膜厚計）が備えられている。

【００１６】

【作用】上記の構成により、各ソースセルのフラックス
や漏れによる雰囲気が他のセルに到達するのを防止し、
複数個存在するソースの相互汚染のを防止できる。ま
た、あるソースの使用に先だってその第二シャッターを
閉じた状態で第一シャッターを開けておき、十分な容積
を有する隔室内が平衡に達した後、第二シャッターの開
放することによってソースフラックスの供給を始めてや
れば、ソースフラックスの供給／遮断による、フラック
スや温度の変動をなくすことができる。その結果、急峻
な界面を持った複数層の薄膜結晶を任意の組成で成長す
ることが可能となる。

【００１７】さらに第二シャッターの開閉によって平衡
状態は変化せずフラックスや温度の変動がないため、第
二シャッター上の膜厚計で測定したソース堆積速度は実
際の基板の成長速度に比例することになり、従って各ソ
ースの流出速度を同時に測定でき、かつ複数のセルから
の漏れによって、成長室内のバックグラウンド（背圧）
が悪くなってしまった状態でも正しく独立に測定するこ
とができる。また、第二シャッターをその開放時にヒー
ターで加熱し堆積したソースを除去してやることによっ
てフレークの発生を抑え、かつ膜厚計を再生することが
できる。

【００１８】

【実施例】以下に、本発明の実施例におけるＭＢＥ装置
を図面を参照しながら説明する。

【００１９】図１は本発明の実施例のＭＢＥ装置の断面
概略図を示したものである。図１（ａ）において、本発
明の実施例におけるＭＢＥ装置は、図４に示した従来の
ＭＢＥ装置と比較して、第二シャッターがセルリップか
ら十分離れて設置されている点、分子線源セル同士が十
分な容積を確保してクライオパネルで隔離されており、
クライオパネルと第二シャッターにより実際のソースの
基板への照射時とほぼ同じ平衡状態を形成する点、第二
シャッターの開放時待機場所にヒーターを持つ点、第二
シャッターの開放時待機場所近傍に排気装置を持つ点、
第二シャッターに膜厚計が備えられている点で相違す
る。

【００２０】ソースセル１１は排気手段１７を有する真
空容器内１０中にあり、そのセルリップ（射出孔）をホ
ルダー１１上に設置された基板１２に対向して配置され
ている。

【００２１】また、セルリップ近傍には、ソースの流出
を遮るシャッター（第一シャッター）１５が設けられ、
基板１２の近傍には全てのソースセル１３からのフラッ
クスを遮断することのできるメインシャッター１４が設
けられている。真空容器１０の壁全体を覆う液体窒素充
填シュラウド１８から延びるクライオパネル１１０は、
各ソースセル１３を互いに隔離するのに十分な容積を持
って囲んでいる。このクライオパネル１１０で囲まれた
領域の基板側の第一シャッター１５から十分離れた位置
には第二シャッター１６が設けられており、各々のソー
スセル１３のソースフラックス（分子線）が基板１２に
到達するのを防止して、クライオパネル１１０と第二シ
ャッター１６によりソースセル１３内と異なる平衡状態
を形成する。

【００２２】次に、図２は図１に示した本発明の実施例
におけるＭＢＥ装置のソースセル１３近傍の第一シャッ
ター１５及び第二シャッター１６の詳細図を示したもの
である。

【００２３】図２に示すように、第二シャッター１６の
基板１２に対向する面には膜厚測定用の膜厚計（クリス
タルモニター）２１が備えられており、また第二シャッ
ター１６の中心には数ミリの開口部２２が設けられてお
り、その開口部２２より膜厚計２１がソースセル１３に
対して露出する構成となっている。

【００２４】また、図３は図１に示した本発明の実施例
におけるＭＢＥ装置において、第二シャッター１６開放
時に第二シャッター１６を加熱する加熱装置３１の概略
図を示したものである。図３に示すように、第二シャッ
ター１６を開放した際に第二シャッター１６が引き込ま
れてくる位置には第二シャッター１６を加熱するヒータ
ー３２が置かれ、またこのヒーター３２の近傍には拡散
ポンプやターボ分子ポンプ等の排気装置３３が設けられ
ている。

【００２５】上記のように構成された本発明の実施例に
おけるＭＢＥ装置の動作を図１を参照しながら説明す
る。

【００２６】図１（ａ）に示すように、先ず全てのシャ
ッターを閉じた状態でセルの温度を使用する温度に昇温
させる。

【００２７】ついで図１（ｂ）に示すように結晶成長の
開始に先だって、使用したいソースセル１３の第二シャ
ッター１６は閉じたままで、第一シャッター１５のみを
開放する。この時、第二シャッター１６は第一シャッタ
ー１５から離間した位置に設定されており、この第二シ
ャッター１６とクライオパネル１１０により形成される
空間はソースセル１３と第一シャッター１５により形成
される空間よりも外部に対して開放された空間となる。
これに伴って、ソースの平衡状態も変化し、第二シャッ
ター１６とクライオパネル１１０により形成される空間
内のソースの温度等の平衡状態は、第二シャッター１６
を開放して膜形成を行うときとほぼ同じ状態に達する。

【００２８】次に、第二シャッター１６に備え付けられ
た膜厚計２１を用いてソースの堆積速度の計測を行い、
ソースの堆積速度が安定したところで図１（ｃ）に示す
ように第二シャッター１６を開いて結晶成長を開始す
る。なお、第二シャッター１６とクライオパネル１１０
により形成される空間内のソースの温度等の平衡状態は
その外部とほぼ同じ状態になるため、膜厚計２１により
計測されるソースの堆積速度は実際に基板１２に結晶成
長させる際のソースの堆積速度にほぼ比例している。

【００２９】引き続いて異なる膜構造の結晶をその上に
成長する場合も上記したように、次に使用するソースセ
ルの第一シャッター１５をその使用に先だって開放して
置き、やはり膜厚計２１でモニターしてその堆積速度の
安定を確認しておく。

【００３０】そして図１（ｄ）に示すように所定の時間
に第二シャッター１６を開放して次の膜構造の成長を始
める。使用しなくなったセルは第二シャッター１６のみ
閉鎖し、次の使用にそなえる。このように事前に第一シ
ャッター１５を開放し、第二シャッター１６でソースの
供給をコントロールして、供給分子流の変動を抑えて急
峻な界面を持った複数層の膜構造を結晶成長させる。全
く使う機会のない分子線源セルについては、第二シャッ
ター１６だけでなく第一シャッター１５も閉鎖してソー
スの流出を防ぐ。

【００３１】なお、第二シャッター１６の開放時には、
この第二シャッター１６を図３に示した加熱装置３１中
に収納することにより第二シャッター１６に堆積したソ
ースを取り除く。従って、第二シャッター１６に備えら
れた膜厚計２１を再生することもできる。

【００３２】以上のように本発明のＭＢＥ装置では、ク
ライオパネル１１０により各々のソースセル１３を隔離
し、流出したソース１９をクライオパネル１１０により
吸着できるため、各々のソースセル１３間の照射される
ソースによる汚染を防止することができる。

【００３３】また、第二シャッター１６を第一シャッタ
ー１５から隔離し、この第二シャッター１６とクライオ
パネル１１０によりソースセル１３中よりも開放された
空間を形成しているため、第一シャッター１５を開放し
第二シャッター１６を閉じた時に、この空間内のソース
の温度等の平衡状態を実際の基板１２への照射の際の平
衡状態とほぼ同じにすることができる。従って、急峻な
界面を有する複数層の膜構造の結晶成長を行うためのソ
ースの制御を容易に行うことができる。さらに、第二シ
ャッター１６に膜厚計２１を形成しているため、実際の
ソースの基板１２への照射の際の膜成長速度に比例した
膜成長速度を計測することができ、膜厚等の制御が容易
になる。

【００３４】さらに、第二シャッター１６の開放時に第
二シャッター１６を加熱する加熱装置３１が設けられて
いるため、第一シャッター１５を開放し第二シャッター
１６を閉じているときに、第二シャッター１６に堆積し
たソースを焼き出すことができる。従って、フレークの
発生を抑制するとともにソースの汚染やソースセル１３
の開閉の阻害を防止することができる。

【００３５】また、この第二シャッター１６の開放時に
第二シャッター１６を加熱する加熱装置３１に排気手段
３３が設けられているため、焼き出したソースを除去す
ることにより第二シャッター１６の寿命を長くすること
ができる。従って、この第二シャッター１６に膜厚計２
１を設置し結晶成長速度の制御も容易にすることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば複数のソースセルをクライオパネルで隔離し２
枚のシャッターを用いることによって、急峻な界面を持
った任意の組成の複数層の膜構造を高精度に結晶成長す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるＭＢＥ装置の断面概略
図

【図２】本発明の実施例におけるＭＢＥ装置の第一シャ
ッター及び第二シャッターの詳細図

【図３】本発明の実施例におけるＭＢＥ装置の第二シャ
ッターを加熱する加熱手段の概略図

【図４】従来のＭＢＥ装置の断面概略図

【符号の説明】

１０ 真空容器 １１ ホルダー １２ 基板 １３ ソースセル １４ メインシャッター １５ 第一シャッター １６ 第二シャッター １７ 排気装置 １８ シュラウド １９ ソース １１０ クライオパネル ２１ 膜厚計 ２２ 開口部 ３１ 加熱装置 ３２ ヒーター ３３ 排気装置 ４０ 真空容器 ４１ ホルダー ４２ 基板 ４３ ソースセル ４４ メインシャッター ４５ セルシャッター ４６ 第二セルシャッター ４７ 排気装置 ４８ シュラウド ４９ 圧力ゲージ ４１０ ソース ４１１ ソース

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ホルダーに設置された基板に結晶成長させ
   る材料を所望の温度にて保持する複数個のソースセル
   と、前記基板に照射される材料を全て遮断するメインシ
   ャッターと、各々の前記ソースセルに対して設置され前
   記ソースセル中に蓄えられた材料の前記ソースセル外部
   への流出を遮断する第一のシャッターと、前記メインシ
   ャターと前記第一のシャッター間に各々の前記ソースセ
   ルに対して設置され前記第一のシャッター開放時に前記
   ソースセル中から流出し前記基板照射される材料のうち
   の前記基板方向への成分を遮断する第二のシャッター
   と、前記複数個のソースセルを相互に隔離するソースセ
   ル隔離手段とを有するＭＢＥ装置。
2. 【請求項２】ソースセル隔離手段が排気手段を具備して
   いることを特徴とする請求項１記載のＭＢＥ装置。
3. 【請求項３】第二のシャッターの開放時に、第二のシャ
   ッターを昇温させる第二シャッター加熱手段を有するこ
   とを特徴とする請求項１または２記載のＭＢＥ装置。
4. 【請求項４】第二のシャッター昇温手段が排気手段を具
   備していることを特徴とする請求項３記載のＭＢＥ装
   置。
5. 【請求項５】第二のシャッターが膜厚計を具備している
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の
   ＭＢＥ装置。