JPH0878332A - 分子線エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 分子線エピタキシ−装置に用いられる分子線
セルにおいて、温度を変えることにより分子線量を調整
すると、基板における分子線の分布が変化し膜厚分布が
変わる。分子線のエネルギ−も変化して基板での反応条
件が変動する。分布や反応条件を変えることなく分子線
強度を調整できるようにした分子線セルの構造を与え
る。 【構成】 多数の孔を有する２枚の円盤を相対回転可能
に組合せた流量可変調節パネルを、分子線セルのるつぼ
開口部に設置する。相対角度を変えると共通の孔部の面
積が変動しここを通過する分子線の量を制御することが
できる。温度を変えることなく分子線量を自在に変化さ
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】この発明は、分子線エピタキシャ
ル成長装置において、分子線強度の調整を簡単に、精度
よく、再現性よく行うことができるようにする改良に関
する。分子線エピタキシャル成長法は、半導体、金属、
超伝導材料、誘電体、有機物などの薄膜の成長に広く利
用することができる。本発明はいずれの材料への応用に
おいても有用である。

【０００２】

【従来の技術】分子線エピタキシ−は超高真空を利用し
た優れた薄膜結晶の成長方法である。超高真空に引くこ
とのできるチャンバの内部に複数の分子線セル（Ｋセ
ル）を設け、分子線の延長線の交わる辺りに基板を設置
する。分子線セルから材料の分子線が飛び出し、これが
加熱された基板に衝突し、基板の上に堆積する。複数の
セルから材料を供給する場合は化合物の薄膜を作ること
ができる。

【０００３】成長速度や、組成比は、Ｋセルから出る分
子線量による。分子線量は、薄膜結晶の特性を決定する
きわめて重要なパラメ−タである。分子線量というの
は、単位時間に、ある分子線セルから飛び出す分子数と
して定義できる。あるいは単位時間に飛び出す分子質量
として表現することもできる。分子線量が多すぎても少
なすぎても所望の組成、特性の薄膜を得ることはできな
い。

【０００４】分子線セルは、固体材料を扱う場合はルツ
ボを使う。この分子線セルは、上方が開いたルツボと、
これを取り巻くヒ−タと、ヒ−タの外側にある反射板
（リフレクタ）、ルツボやリフレクタを支持する機構、
ルツボの温度をモニタするための熱電対、開口の上に開
閉自在に設けられるシャッタなどを含む。気体を材料と
する場合は、ガスソ−スセルという。ルツボの代わりに
筒体を用いる。これに外部のガスボンベからの気体原料
を導く。筒体の周りにはヒ−タ、レフレクタ、熱電対な
どの機構が設けられる。これにつながる外部のパイプに
はバルブやマスフロ−コトロ−ラなども設置される。ガ
スソ−スセルは材料が枯渇しないので、材料交換のため
にエピタキシ−を中断する必要がないという長所があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】分子線量を制御するに
は、ルツボを用いるセルの場合は、ヒ−タ電流を増減
し、ルツボの温度を変化させることによってなされてい
た。温度を上げると蒸発量が増えて分子線量が増える。
温度を下げると分子線量が減る。ガスソ−スセルの場合
は外部のマスフロ−コントロ−ラにより流量制御する。
しかしこのような分子線量の制御方法には次のような難
点がある。

【０００６】 固体材料を分子線とするＫセルにおい
て、材料の量によって温度と分子線量の関係が変動す
る。材料が減ってきた場合、同一の分子線量を得るには
Ｋセルの温度を上げる必要がある。 蒸気圧の高い材料（例えばＡｓ、Ｐ、Ｓｅ、Ｓ、Ｓ
ｂ等）は少しの温度変化でも分子線量の変化が大きい。
精度よく制御するのが困難である。 温度を変化させると、ルツボ内の圧力が変動する。
このために分子線の分布も変化することがあり、膜厚分
布に影響する。 ガスソ−スセルの場合、ガス流量を変えると、分子
線の分布も変わることがある。このために薄膜の膜厚分
布が変動することがある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、面積の変化す
る多数の孔を有する流量可変調節パネルを分子線セルの
前方に設ける。流量可変調節パネルというのは、二枚の
孔のある板を中心周りに回転可能に組み合わせて共通の
孔の面積を変化させるものである。分子線は直線的にし
か飛ばないので、共通孔面積を変えると、分子線が通過
し得る孔面積が変わる。この流量可変調節パネルは全体
として静止していることもできる。これを静止パネルと
呼ぶ。また全体として回転させることもできる。これを
回転パネルと呼ぶ。

【０００８】

【作用】本発明は、二枚の有孔板を相対回転可能に組合
せ、共通孔の面積が実効的に変化する流量可変調節パネ
ルを、分子線セルの前方に設ける。これは２枚の円盤
Ｃ、Ｄを中心軸の周りに相対回転することができるよう
に組み合わせたものである。Ｃの孔の面積をＲとし、Ｄ
の孔の面積をＳとする。これは同形、同大であることも
できる。もちろん違っていても良い。いずれでも良い
が、中心軸周りに相対回転することにより、共通の孔部
の面積が変化するようになっていれば良い。相対回転角
をΘとする。回転範囲は、孔部の対称性によって決め
る。４回対称であれば回転角は９０度で良い。８回対称
であれば、４５度の回転範囲Ｗを設定する（０≦Θ≦
Ｗ）。ｎ回対称なら、３６０／ｎ°が回転範囲になる。

【０００９】この範囲で、Θが増えると共通孔部の面積
ＱはΘの関数として減少する。線形であることが望まし
いが、必ずしも線形である必要はない。２枚のパネルの
孔が同形同大であるという場合について説明する（Ｒ＝
Ｓ）。最大孔面積はＲである。Θ＝０の時にＲを取る。
Θが増えると共通孔部の面積が減る。Θ＝Ｗで共通孔部
面積Ｑ＝０となる。

【００１０】分子線セルの温度はこの間変化させない。
所望の温度のままで気化させる。温度が変わらないの
で、分子線の条件が変化しない。しかし流量のみを自在
に変化させることができる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の分子線エピタキシャル成長装
置の概略構成図である。真空チャンバ１は、超高真空に
引くことのできる真空容器である。これは、試料準備室
や、試料前処理室などの他の真空容器と連通している
が、ここでは他の真空容器や、搬送装置の図示を略す。
真空チャンバ１の内壁に沿って液体窒素シュラウド２が
設けられる。低温の表面にガスを吸着して真空度を上げ
る作用がある。

【００１２】チャンバの壁面には複数の分子線セル３が
設けられる。これは原料の固体を加熱して蒸発させる装
置である。チャンバ１の上方中央部には、基板ホルダ−
４がある。これの表面にエピタキシャル成長させるべき
薄膜の基板５が固定される。基板ホルダ−４の背面には
ヒ−タ６があって、基板を適当な温度に加熱している。
支持軸７は基板ホルダ−を回転可能に支持する。ヒ−タ
６は静止しているが基板ホルダ−が回転する。これはウ
エハ（基板）の面内の薄膜成長を均一にするためであ
る。

【００１３】分子線セルは原料の種類によって複数個用
いられる。この図では固体原料に対する分子線セルを示
す。この他にガスソ−スセルや、ラジカルセルが用いら
れることもある。本発明はこのようなセルにも適用でき
る。

【００１４】分子線セル３はるつぼ８、ヒ−タ９、リフ
レクタ１０、支柱１１、真空フランジ１２、シャッタ１
３、熱電対１４などを含む。るつぼ８は固体の原料を入
れてこれを加熱するための容器である。ＰＢＮなどのる
つぼを用いる。ヒ−タ９はるつぼの周りから原料を輻射
によって加熱する装置である。リボン状のもの、コイル
状のものが使われる。リフレクタ１０はヒ−タの熱を反
射して熱を閉じ込める作用がある。ヒ−タの熱によって
加熱され固体原料が液体になり蒸発する。あるいは５族
元素のように直接に昇華して気体となる場合もある。気
化したものはるつぼの外に飛び出す。真空度が高いので
平均自由行程が長い。ために分子線となり直進して基板
５に当たる。

【００１５】フランジ１２はチャンバ１に分子線セルを
着脱可能に取り付けるためのものである。支柱１１はリ
フレクタ１０、ヒ−タ９、るつぼ８などを支持する。熱
電対１４はるつぼの温度を監視する。シャッタ１３はる
つぼの上面開口を開閉する。シャッタを閉じると分子線
が遮られる。シャッタを開くと分子線セルが基板まで飛
んで行くようになる。

【００１６】本発明は流量可変調節パネル１６を、るつ
ぼ８の開口の上に設けている。これはシャッタ１３より
もるつぼに近い方にあっても良いし、遠い方にあっても
良い。流量可変調節パネル１６は、２枚の有孔板１７、
１８をある点を中心として回転可能に組み合わせたもの
である。また流量可変調節パネルを加熱し、原料が板面
に付かないようにヒ−タ１９が背後に設けられる。

【００１７】この図ではるつぼの開口を覆うように見え
るがそうでない。ヒ−タ１９は開口よりも遠方にあり、
流量可変調節パネル１６の一部を加熱できるようになっ
ている。ヒ−タ１９を動かすか或いは、流量可変調節パ
ネルを動かしてパネルの全体をヒ−タの熱によって加熱
できるようになっている。原料が流量可変調節パネルに
付着すると固体になり、これが時としてるつぼに落ち不
純物が融液に混ざる惧れがある。これを防ぐためにパネ
ル加熱用のヒ−タ１９を設けるのである。

【００１８】シャフト２０により、流量可変調節パネル
１６の２枚の板１７、１８を相対回転することができ
る。これは静止型の場合である。シャフト２０を内外２
重管構造にすると、２枚の板の相対回転角Θを自在に調
整し、全体を一定角速度で回転することができるように
なる。これは回転型の場合である。

【００１９】図２、図３により静止型と回転型の流量可
変調節パネル１６の例を説明する。図２において、分子
線セルの上に静止型の流量可変調節パネル１６がある。
これは、シャフト２０によって支持され回転できる第２
円盤（回転円盤）１８と、他のシャフト２１によって支
持され静止している第１円盤（固定円盤）１７とよりな
っている。回転円盤１８にも、固定円盤１７にも同様の
寸法配置の孔がある。相対回転角Θ＝０の時は孔が一致
し、実効的な孔面積が最大になる。回転円盤１８をシャ
フト２０により回転させると、円盤１７、１８の共通の
孔の面積が減少する。ここを通る分子線の量が減少す
る。相対回転角Θにより分子線の強さを自在に制御でき
る。

【００２０】この図ではヒ−タがセルに近い方にある
が、ヒ−タはるつぼ開口を遮らない位置にある。材料が
流量可変調節パネルに付着するのを防止する。ヒ−タは
円盤の外側つまり基板に近い方にあっても差し支えな
い。図３は、回転型の流量可変調節パネル１６の例を示
す。第１円盤１７、第２円盤１８は、シャフト２０によ
って相対回転が可能で、しかも全体として一体として回
転できるようにしてある。こうするためには例えばシャ
フトを２重管構造にして、内管を第１円盤に固定し、外
管を第２円盤に固定するということによってなされる。
相対角度の調整は、内管と外管との位相を調整すること
によってなされる。全体としての回転は内管、外管の一
体回転によってなされる。

【００２１】本発明において問題なのは、流量可変調節
パネルの板面にどのような孔を開けるかということであ
る。分子線の分布が均一になるということが重要であ
る。また相対角により流量を調整するが角度と流量の間
に線形性のあることが望まれる。さらにまた加工しやす
いということも条件になろう。図４に５つの例を示す。
パネル１７、１８のいずれもが同じ形状の孔構造を持つ
ので一つだけを示す。しかしこれらが上記の全ての条件
を満足しているわけではない。図において黒の分が板の
存在する部分を示し、白抜きの部分が孔を示す。

【００２２】（１）は格子状に小さい孔が全体に分布し
ている場合である。これの利点は分子線が小さい線に分
けられて基板に照射される時には十分に均一になるとい
うことである。２枚のパネルを相対回転すると、共通孔
部の面積が変化するが、面積が角度Θに対して線形でな
い。また相対回転角の範囲も狭い。 （２）は長い平行な孔を多数穿った例である。これは２
つのパネルを重ねて相対回転すると、中央部での孔面積
の変化が少なく、周辺部での孔面積の変動が大きい。ま
た共通孔の形状が菱形になる。ビ−ムの均一性に難点が
あるかもしれない。

【００２３】（３）は渦巻き形状の孔が多数穿孔され
る。孔は中心から周辺部まで曲がって連続している。こ
れは相対回転角Θと、開口面積の間の線形性に勝れる。
しかも中心部での開口比と、周辺部の開口比が常に同一
になる。これらは長所である。 （４）は放射状の孔が半径上に沿って多数穿孔される例
である。孔は中心から、周辺部まで直線的に続いてい
る。これは相対回転角Θと、共通孔部の面積の間に線形
性がある。しかし周辺部での分子線の分布が均一になら
ない。

【００２４】（５）は多数の同心円と多数の直径により
形成される孔の模様である。これは相対回転させた時の
回転角Θと開口部の面積の間に線形性がある。また周辺
部における開口面積が広くなりすぎない。しかしながら
加工が難しい。これらの他にさまざまな流量可変調節パ
ネルの孔の分布形状を考えることができる。これらは静
止型の流量可変調節パネルとしても、回転型（全体が回
転する）としても利用することができる。

【００２５】

【発明の効果】分子線セルから出る分子線の強度を温度
変化によらず自在に調整することができる。同一温度の
分子線セルから発生する分子線であるから速度分布など
が同一である。量の大小に拘らず同じ反応を起こすこと
ができる。分子線の線量の調整が容易になる。特に高蒸
気圧の物質の分子線の場合、温度の変化により流量が大
きく変化する。温度変化による方法は制御が難しい。本
発明は温度を制御手段としないので。高蒸気圧材料も一
定の速度でるつぼから出るようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流量可変調節パネルを備える分子線エ
ピタキシ−装置の概略構成図。

【図２】円盤２枚を相対回転させ組み合わせた後は全体
を固定する静止型の流量可変調節パネルを示す断面図。

【図３】円盤２枚を相対回転させ組み合わせた後に全体
を一定速度で回転する回転型の流量可変調節パネルを示
す断面図。

【図４】円盤の孔の形状分布の例を示す図。２枚の円盤
が同一の孔形状を持つものとして１枚だけを示す。
（１）は微細格子模様、（２）は一方向縞模様、（３）
は渦巻き模様、（４）は放射線模様、（５）は同心放射
模様の例を示す。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ 液体窒素シュラウド ３ 分子線セル ４ 基板ホルダ− ５ 基板 ６ 基板ヒ−タ ７ 回転軸（支持軸） ８ るつぼ ９ ヒ−タ １０ リフレクタ １１ 支柱 １２ 真空フランジ １３ シャッタ １４ 熱電対 １６ 流量可変調節パネル １７ 第１円盤 １８ 第２円盤 １９ ヒータ ２０ シャフト ２１ シャフト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超高真空に引くことのできる真空チャン
   バと、真空チャンバの内部に設けられ基板を保持する基
   板ホルダ−と、基板を加熱するヒ−タと、真空チャンバ
   の壁面に適数個設置され分子線を発生する分子線セルと
   を含み、分子線セルから材料の分子線を発生しこれを基
   板に当てて材料を含む薄膜をエピタキシャル成長させる
   分子線エピタキシャル成長装置において、分子線セルの
   開口の前方に、孔部を有する円盤２枚を相対回転可能に
   組み合わせた流量可変調節パネルを分子線セルの開口の
   前方に設け、２枚の円盤の相対角度を変化させることに
   より共通孔部の面積を変化させここを通過する分子線の
   量を制御するようにしたことを特徴とする分子線エピタ
   キシャル成長装置。