JPH0867596A

JPH0867596A - 分子線エピタキシー装置

Info

Publication number: JPH0867596A
Application number: JP20408794A
Authority: JP
Inventors: Masaya Kawano; 連也川野
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JP2944426B2

Abstract

(57)【要約】【目的】基板の面内温度分布の均一化、成長前や成長
中を問わない基板温度の精密制御、不純物汚染の低減、
および成長プロセスの工数低減や歩留まり向上を達成す
ることができる分子線エピタキシー装置を提供する。【構成】基板１は基板保持具２により支持されてお
り、それらは裏面ヒーター３および前面ヒーター４によ
り加熱される。基板温度は基板１の裏面側に配置された
熱電対５により測定される。前面ヒーター４はＰＢＮ円
錐リング６と、その上に形成されたグラファイトから成
る発熱体７、さらにモリブデンからなる反射円錐リング
８から構成される。ＰＢＮ円錐リング６には熱電対９が
置かれ、温度が測定される。発熱体７に流される電流に
より熱が発生し、輻射により基板表面側を加熱する。両
端に持ち手１１を有する均熱板１０を基板１と裏面ヒー
タ３の間に配置しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分子線エピタキシー装
置、特にその基板温度制御に関し、基板温度の面内均一
性と成長時の基板温度安定性の向上が望まれる場合の利
用に適する。

【０００２】

【従来の技術】分子線エピタキシー法において、基板温
度の制御はエピ層の結晶性を大きく左右する要因として
非常に重要である。そのためこれまでの分子線エピタキ
シー装置では、基板加熱機構や基板保持方法に様々な工
夫がなされてきた。

【０００３】従来は、基板温度制御性を良くするため
に、熱伝導性の良い基板ホルダーに基板を低融点金属に
より貼り付ける方法がよく取られてきた。図２は従来例
における分子線エピタキシー装置を示す図である。基板
１は基板ホルダー１３に低融点金属１４を介して貼り付
けられる。これにより、基板１と基板ホルダー１３は十
分な熱接触を持つことになる。成長中の基板温度変化を
制御するために、基板１と基板ホルダー１３の間に半導
体結晶１５を挟むこともある（特願平４−３４４６４３
号明細書）。基板１および基板ホルダー１３は裏面ヒー
ター３により加熱され、その温度は基板ホルダー１３の
裏面に設置された熱電対５により測定される。熱電対５
を基板ホルダー１３に接触させることにより、さらに基
板温度を精密に制御することができる。その他、この装
置内には液体窒素シュラウド１６と分子線セル１７が配
置される。

【０００４】低融点金属を用いない場合は、基板の裏面
に配置したヒーターで直接基板を加熱する方法が一般的
である。しかし、この方法では基板を均一に加熱するこ
とが困難である。これを解決するためには、均熱板が用
いられる。図３と図４は従来例における分子線エピタキ
シー装置の基板加熱機構部を示したものである。これら
の従来例ではＰＢＮ、グラファイト、サファイア等から
成る均熱板１０が基板１と裏面ヒーター３との間に設置
される。そのとき、基板ホルダー側に均熱板が設置され
る場合（図３）と、ヒーター側に均熱板が設置される場
合（図４）がある。

【０００５】その他の基板加熱の方法については、前記
従来例のような基板もしくは基板ホルダーの裏側に配し
た抵抗体で加熱する抵抗加熱や、基板に赤外線を当てて
加熱する赤外線加熱、基板に直接電流を流して加熱する
通電加熱などがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】低融点金属により基板
を貼り付ける方法は、基板温度を厳密に制御できる反
面、低融点金属からの不純物汚染の問題がある。特に基
板としてＳｉを用いるような場合は、成長前に８５０℃
程度の熱処理が必要である。その時貼り付けに用いた低
融点金属から発生する多量の脱ガスは不純物汚染の原因
となる。

【０００７】また、基板の貼り付け、取り外し、洗浄等
の工程が必要であることから、前処理・後処理の工数が
増えると共に、基板表面汚染の危険性を増大させる。

【０００８】次に、低融点金属を用いない方法は不純物
汚染の問題が低減されるが、基板温度の制御が非常に難
しく、次のような二つの問題点がある。

【０００９】まず第１の問題点は、基板温度の正確な測
定そのものが困難ということである。通常、基板もしく
は均熱板の裏面付近に熱電対が設置されるが、基板その
ものの温度とはかなり異なる温度表示になるのが一般的
である。しかもエピ成長により、基板表面やその周囲の
構造物に放射率の異なる材料がコーティングされると、
熱電対表示温度を一定にしていても基板温度が変化す
る。このような場合、単結晶成長温度範囲の狭い結晶、
例えばＨｇＣｄＴｅのような結晶を成長することはでき
ない。

【００１０】第２の問題点として、基板全面を均一に加
熱することが難しいということが挙げられる。ただし、
これは均熱板の挿入によりある程度解決できる。しか
し、ヒーター側に均熱板を設置した場合は、基板の面内
温度分布を均一にするような均熱板の設計は非常に難し
い。それは、基板への熱輻射を均一にするだけでは、基
板ホルダー等の影響により基板温度の面内均一性は保て
ないからである。

【００１１】それに対し、基板ホルダー側に均熱板を配
した構造であれば、均熱板の設計の最適化により基板温
度面内均一性をかなり良くすることができる。しかし、
この場合は均熱板および基板ホルダーは基板と一体構造
となるため、基板の導入過程で大気にさらされることに
なる。これにより、基板の熱処理時に均熱板および基板
ホルダーから大量の脱ガスが発生し、基板表面を汚染す
る危険性がある。実際、Ｓｉ基板を熱処理により清浄化
する場合、基板のみを導入した場合が最も表面の汚染が
少なく、基板ホルダーや均熱板等を基板と一体化させる
に従い表面汚染が増加する。

【００１２】これら二つの問題点は、従来の加熱方法で
は解決できない。前記抵抗加熱や、前記赤外線加熱では
第１の問題点が特に顕著になり、成長中の基板温度変化
が避けられない。前記通電加熱では特に大型基板におい
て第２の問題点が顕著になるが、そもそも基板に電極を
付ける必要があるなど生産性の点で問題点が多い。

【００１３】本発明はこのような従来の事情に鑑みてな
されたもので、基板の面内温度分布の均一化、成長前や
成長中を問わない基板温度の精密制御、不純物汚染の低
減、および成長プロセスの工数低減や歩留まり向上を達
成することができる分子線エピタキシー装置を提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の発明の分子線エピタキシー装置においては、
基板裏面側と表面側の両側に加熱部を備え、かつ表面側
の加熱部は分子線を遮断しない構造のヒーターを有する
ことを特徴としている。その基板表面側の加熱部におい
ては、ＰＢＮ円錐リング、その表面に形成された発熱
体、反射円錐リング、およびＰＢＮの表面に設置された
熱電対により構成されることにより、大きな効果が得ら
れる。

【００１５】また、第２の発明の分子線エピタキシー装
置においては、均熱板を成長室に設置したまま基板の導
入と取り出しができる基板脱着機構と、成長時に前記均
熱板を前記基板の裏面に接触させて置くことができる均
熱板設置機構とを有することを特徴とするものである。
さらに、その基板脱着機構および均熱板設置機構におい
ては、前記均熱板に備えた持ち手と、前記均熱板を保持
し且つその上下方向の移動を許す均熱板保持具とを有す
ることを特徴としている。

【００１６】

【作用】このような手段を備えた第１の発明における分
子線エピタキシー装置では、基板は裏面と表面の両側か
ら加熱される。ここで、基板に前記基板より放射率の高
い材料が付着する場合を考える。基板がその裏側から熱
伝導で加熱される場合は、材料の付着により基板表面か
らの熱の放出が増加し、基板温度が低下する。基板が赤
外線等により輻射加熱される場合は、熱吸収の増加によ
り基板温度が上昇する。

【００１７】本発明の特徴は、基板の両側にヒーターを
配置することにより、基板およびその周辺を熱平衡に近
い状態にすることにある。これにより、基板の表面側あ
るいは裏面側から一方的に熱が放出されるということが
抑制される。そのため、先ほどの放射率の高い材料の付
着による基板温度低下は回避される。また、ヒーターそ
のものの温度を、従来の加熱方法よりも基板温度の値に
近づけることができる。従って、放射率の変動により基
板温度が大きく変化してしまう問題が回避できる。

【００１８】なお、特開昭５９−１１１９９７号公報、
実開昭５７−２０３５４４号公報等に、原料ガスを用い
た気相成長装置に関して、基板の裏面側にヒーターを配
置し、ベルジャーの内面及び基板台の内面に反射率の高
い材料で作った反射層を配置することでサセプタ内の温
度勾配、温度分布が大幅に改善され品質が著しく向上す
ると述べられている。しかし、分子線エピタキシー装置
においては、前記成長装置とは異なり、分子線条件を満
足させるために、基板および分子線セル以外の部分は、
極力液体窒素のシュラウドにより覆わなければならな
い。そのため、前記発明のような反射層を配置すること
は不可能である。また仮に、分子線条件を極力妨げない
程度に、部分的に反射層を配置したとしても、それによ
り、基板およびその周辺を熱平衡状態に持っていくのは
不可能である。

【００１９】また、赤外ランプを用いる場合は、効率よ
く基板を加熱することができる反面、赤外ランプ自体の
温度は基板温度よりもかなり高くなり、基板周囲を熱平
衡状態に置くことは不可能である。一般的に、赤外ラン
プから放射される赤外線の波長ピークは、基板温度にお
ける黒体輻射の波長ピークより短い。また、半導体結晶
はその種類によってバンドギャップが異なるため、赤外
ランプからの輻射の吸収係数も、その種類により大きく
変化する。そのため、例えばワイドギャップの半導体基
板にナローギャップの半導体結晶を成長した場合、基板
温度が急上昇してしまう。つまりそれは、ワイドギャッ
プ半導体では短波長の赤外線を透過するのに対して、ナ
ローギャップ半導体では、それを吸収するためである。

【００２０】従って、どのような結晶を成長するかにか
かわらず、基板温度を一定に制御するためには、基板お
よびその周辺をほぼ熱平衡状態にすることのできる本発
明の装置が不可欠である。

【００２１】第２の発明における分子線エピタキシー装
置では、基板以外はすべて成長室内の超高真空中に保持
できるので、脱ガスを極めて少なくできる。なおかつ、
均熱板を基板に直接接触させることができるため、基板
の面内温度分布を均一にすることがでる。また、均熱板
として赤外に対して不透明な材料、例えばグラファイト
や高濃度ドーピングされたシリコン、あるいはそれらを
ＰＢＮによりコーティングしたもの等を使うことによ
り、成長中の基板の放射率の変化による基板温度の変動
を抑制することができる。

【００２２】また、第１の発明と第２の発明は組み合わ
せて用いれば、さらに大きな効果を得ることができる
が、それぞれを単独で用いても前記のような効果が得ら
れることは言うまでもない。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００２４】（実施例１）第１の発明における分子線エ
ピタキシー装置において、基板１は基板保持具２により
支持されており、それらは裏面ヒーター３および前面ヒ
ーター４により加熱される。基板温度は裏面ヒーター近
くに配置された熱電対５により測定される。前面ヒータ
ー４はＰＢＮ円錐リング６と、その上に形成されたグラ
ファイトから成る発熱体７、さらにモリブデンからなる
反射円錐リング８から構成される。ＰＢＮ円錐リング６
には熱電対９が置かれ、その温度が測定される。発熱体
７に流される電流により熱が発生し、輻射により基板表
面側を加熱する。

【００２５】本実施例では、赤外光を透過するＳｉ基板
上に、やはり赤外光を透過するＣｄＴｅバッファー層を
介して、ＨｇＣｄＴｅの分子線エピタキシー成長を行っ
た。今回成長したＨｇＣｄＴｅ層は波長約７μm までの
赤外光は透過しない。本実施例で用いた成長条件では、
基板温度１８０度で単結晶のＨｇＣｄＴｅが成長する。
基板温度が低い場合は双晶となり、高い場合は多結晶が
成長する。成長中のＨｇＣｄＴｅの結晶性は反射高速電
子線回折（ＲＨＥＥＤ）により観察した。なお、この実
施例では均熱板１０は用いなかった。

【００２６】まず、従来法により前面ヒーター４を加熱
せずに成長を行った。熱電対５の表示温度を１８０℃に
して成長を行ったところ、基板温度が低すぎて単結晶が
成長せず、双晶になった。熱電対５の表示温度を２３０
℃に設定して成長を行ったところ、成長初期には単結晶
が成長したが、すぐに多結晶となった。これは基板温度
が上昇したことを示す。以上の結果より単結晶のＨｇＣ
ｄＴｅを得ることはできなかった。

【００２７】次に、前面ヒーター４を加熱し、熱電対９
の表示温度を２２０℃、熱電対５の表示温度を１８０℃
に設定した。この条件で膜厚１０μm のＨｇＣｄＴｅ層
を成長したところ、成長初期から終了まで単結晶を成長
することができた。基板を取り出した後、エピ層をＸ線
回折により評価し、基板全面に渡って単結晶のＨｇＣｄ
Ｔｅが成長していることを確認した。これにより、本発
明の有効性が証明された。

【００２８】なお、第１の発明による成長時の注意点と
しては、ヒーター電流をできるだけ一定にすることが挙
げられる。熱電対表示温度がほぼ一定であっても、ヒー
ター電流に変動があると、それが基板温度に影響するこ
とがある。

【００２９】（実施例２）第２の発明の分子線エピタキ
シー装置においては、均熱板１０が基板１と裏面ヒータ
ー３の間に配置される。均熱板１０はグラファイトをＰ
ＢＮでコートしたもので構成される。また均熱板１０
は、その両端に持ち手１１があり、基板の導入と取り出
し時以外は均熱板保持具１２により保持される。基板１
が成長室内に導入されると、基板保持具２と共に裏面ヒ
ーター３側に近づけられ、その全面に渡って均熱板１０
と接触する。均熱板保持具１２は均熱板１０の上下方向
の移動を許すため、均熱板１０は基板１の上に完全に乗
った状態となる。成長はこの状態で行われる。成長終了
後、基板１と基板保持具２が共に下げられて、均熱板１
０と基板が分離し、基板１のみが成長室外に取り出され
る。

【００３０】実施例では、まずＳｉ基板の清浄化を行っ
た。なお、第２の発明の実施例では前面ヒーター４は用
いていない。Ｓｉ基板の清浄化温度は８５０℃である。
従来例のように基板と同じサイズの均熱板を基板と一体
化して大気から導入すると、均熱板から大量の脱ガスが
発生した。その時の真空度は最大で１×１０^-7Ｔｏｒｒ
である。その後Ｓｉ基板上にＣｄＴｅを成長したとこ
ろ、成長面には多数の欠陥が見らられた。しかし、本発
明の装置でＳｉ基板の清浄化を行った場合は、真空度が
最大でも１×１０^-9Ｔｏｒｒと二桁の向上が見られた。
また、その表面上にＣｄＴｅを成長したところ、基板全
面に渡って鏡面で結晶性の良いＣｄＴｅ層が得られた。

【００３１】（実施例３）第１の発明の実施例と同様Ｈ
ｇＣｄＴｅをＳｉ基板上に分子線エピタキシー成長し
た。熱電対５の表示温度を２００℃に設定した。このと
き基板表面の温度は１８０℃となる。成長を開始する
と、ＲＨＥＥＤのパターンから判断して、基板温度の上
昇が見られた。ただし、単結晶成長は維持された。その
後基板温度は徐々に下降し始めたが、膜厚１０μm の成
長終了まで単結晶は維持された。成長終了後Ｘ線回折に
よる評価を行ったところ、基板全面に渡って単結晶が得
られていることを確認した。また、そのＸ線回折半値幅
は基板全面に渡ってほぼ同じ値であった。これは基板の
面内温度分布が非常に均一であることを示している。

【００３２】（実施例４）最後に、第１の発明と第２の
発明を組み合わせてＨｇＣｄＴｅ成長を行った。熱電対
５の表示温度を１８０℃、熱電対９の温度を２２０℃と
した。ＲＨＥＥＤのパターンから判断して、成長開始か
ら膜厚１０μm の成長終了後まで、基板温度の変化は一
切見られなかった。また、裏面ヒーター３および前面ヒ
ーター４に流れる電流が多少変動したとしても、熱電対
表示温度さえ一定であれば結晶性に影響するほど基板温
度が変化することはなかった。成長後のＸ線回折による
評価でも、基板全面に渡って非常に良好な結晶性のＨｇ
ＣｄＴｅエピ層が得られていることがわかった。また、
得られたエピ層の残留不純物濃度を調べたところ、５×
１０¹⁴cm^-3以下という非常に高純度な結晶が得られた。

【００３３】なお、本発明の装置で成長を行った場合、
導入や取り出しを基板のみで行うため前処理や後処理の
工程が非常に簡単であった。しかも、低融点金属による
貼り付けを行わないので、基板表面の不純物汚染の心配
がなく、歩留まりも向上した。

【００３４】

【発明の効果】本発明の装置により、分子線エピタキシ
ー成長において、基板の面内温度分布の均一化、成長前
や成長中を問わない基板温度の精密制御、不純物汚染の
低減、および成長プロセスの工数低減や歩留まり向上を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における分子線エピタキシー装置の基板
加熱機構部を示す図である。

【図２】従来例における分子線エピタキシー装置を示す
図である。

【図３】従来例における、基板ホルダー側に均熱板が設
置された場合の、分子線エピタキシー装置の基板加熱機
構部を示す図である。

【図４】従来例における、裏面ヒーター側に均熱板が設
置される場合の、分子線エピタキシー装置の基板加熱機
構部を示す図である。

【符号の説明】

１基板２基板保持具３裏面ヒーター４前面ヒーター５熱電対６ＰＢＮ円錐リング７発熱体８反射円錐リング９熱電対１０均熱板１１持ち手１２均熱板保持具１３基板ホルダー１４低融点金属１５半導体結晶１６液体窒素シュラウド１７分子線セル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エピタキシャル成長を行う基板を加熱する
ヒーターを備える分子線エピタキシー装置において、基
板裏面側と表面側の両側に加熱部を備え、かつ表面側の
加熱部は分子線を遮断しない構造のヒーターよりなるこ
とを特徴とする分子線エピタキシー装置。
【請求項２】基板表面側の加熱部が、ＰＢＮ円錐リン
グ、その表面に形成された発熱体、反射円錐リング、お
よびＰＢＮの表面に設置された熱電対により構成される
ことを特徴とする請求項１記載の分子線エピタキシー装
置。
【請求項３】エピタキシャル成長を行う基板を加熱する
ヒーターと、前記基板と前記ヒーターとの間に設置され
る均熱板とを備える分子線エピタキシー装置において、
前記均熱板を成長室に設置したまま前記基板の導入及び
排出を行う基板脱着機構と、成長時に前記均熱板を前記
基板の裏面に接触させて置くことができる均熱板設置機
構とを有することを特徴とする分子線エピタキシー装
置。
【請求項４】均熱板に備えた持ち手と、前記均熱板を保
持し且つその上下方向の移動を許す均熱板保持具とを有
することを特徴とする請求項３記載の分子線エピタキシ
ー装置。