JPS59211778A - 真空排気装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （％ｉ明の利用分野〕 本発明はヘリウム冷凍機を応用したクライオポシプ排気
システムに係り、特に半導体薄膜生成装置に適用して好
適な真空排気装置に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、分子線エピタキシに代表される半導体薄膜生成装
置の構成ならびに真空排気装置は、第１図に示すように
なっているのが一般的である。

ｌは試料交換室、２は真空バルブ、３はターボ分子ポン
プ等に代表される高真空ポンプ、４はリークバルブ、５
は高真空ポンプ３の背圧排気に用いられるロータリーポ
ンプ、６は高真空チャンバである試料準備・分析室、７
は同じ曵高真空チャンバである薄膜成長室、８．　９．
１０．　１１はゲートバルブ、１２．１３はスパッタイ
オンポンプやクライオポンプに代表される油蒸気の逆拡
散がないクリーンな超高真空ポンプ、１４は試料基板ホ
ルダー、１５は試料基板の平行移動や回転を行うマニピ
ュレータ、１６は試料基板上に薄膜の素材を供給する素
材供給源（分子線エピタキシの場合は分子線源）、１７
．１８は薄膜成長室７の中に浮遊するガス分子を凝縮吸
着させて真空排気作用を行うための液体窒素シュラウド
である。

次に、この装置の作用について説明すると、試料交換室
ｌ、試料準備・分析室６ならびに薄膜成長室７をすべて
気密にし、試料交換室１＋こ試料を入れた後ゲートバル
ブ９．１１を閉にゲートバルブ８．１０を開にし、真空
バルブ２を開きリークバルブ４を閉じた状態でロータリ
ポンプ５を駆動する。

そして、試料交換室１をはじめとした真空排気空間が０
．１Ｔｏｒｒ以下の圧力になったところで高真空ポンプ
３を作動させる。真空排気空間の圧力がさらに低下して
きたところ（一般には１０””Ｔｏｒｒ以下）でゲート
バルブ９．１１を開き、ゲートバルブ８を閉じてクリー
ンな超高真空ポンプ１２．１３を作動させる。

試料準備・分析室６．薄膜成長室７の圧力が十分低下し
、所期の目標圧力まで低下したらゲートバルブ１０を閉
じてゲートバルブ８を開き、試料交換室ｌの中の試料°
を搬送装置（図示せず）　で試料準備・分析室６の中に
移動させる。次いで、ゲートバルブ８を閉じてゲートバ
ルブ１０を開き、試料を薄膜成長室７の中の試料基板ホ
ルダー１４の上にセットすると同時にゲートバルブ１０
を閉じる。その間、超高真空ポンプ稔、１３は作動を継
続している。

薄膜成長室７の圧力が目標値まで低下したら、素材供給
源　（分子線源）１６から試料基板上に半導体の素材を
とばして薄膜を生成する。

一方、薄膜成長室７において素材供給時に発生する不純
物は液体窒素シュラウド１７．１８の上に凝縮吸着され
、薄膜試料中に欠陥が生ずるのを防曵゛。

薄膜成長室７で試料基板上に薄膜を生成した後、試料は
試料準備・分析室６で所定のものが得られたかどうかチ
ェックされ、試料交換室１を経由して外に搬出される。

このような従来方式の半導体薄膜生成装置の真空排気装
！Ｉこおいては、次のような欠点があった。

すなわち、液体窒素シュラウド１７．１８の冷却源であ
る液体窒素は、従来外部に設置し、だ液体窒素容器から
供給し蒸発したガスは大気中に放出する、いわゆる使い
捨てであった。したがって、液体窒素式がかさむ上液体
窒素の定期的な補給が煩わしいという欠点があった。

また、薄膜成長室７と試料準備・、分析室６におのおの
別々に超高真空ポンプ１２．１３を設置しているのは不
経済であった０ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記のごとき従来の半導体薄膜生成装
置の真空排気装置における欠点を解消し、経済的で煩わ
しさのない真空排気装置を提供することにある。

（１°″°　　　　　　　　え 本発明の特徴は、液体窒素シュラウドに代ｐてヘリウム
冷凍機によりて冷却されるシュラウドをデい、薄膜成長
室や試料準備・分析室の超高真空ポンプ５もヘリウム冷
凍機によりて冷却されるクライオポンプを用い、これら
複数台のヘリウム冷凍機を１台のヘリウム圧縮機に連結
して運転するようにしたことにある。

〔発明の実施例〕

以下、、本発明の一実施例を第２図によって説明する。

第１図と同一の構成部品は同一符号で示す。

まず構成についてみると、２１．２２は２段式のヘリウ
ム冷凍機部、２９を適用したクライオポンプ、Ｕａ１２
４ｂは１段、式ヘリウム冷凍機るによって冷却されるシ
ュラウドで、それぞれ素材供給源（分子線源）１６、試
料基板ホルダー１４を囲むように配置されている。２５
ａ、２５ｂ、２５ｃはヘリウム圧縮機ｎからヘリウム冷
凍機２８．２９．　２３に高圧ヘリウムガスを供給する
ためのガス供給管、２６ａ、２６ｂ。

２６ｃはヘリウム冷凍機２８．　２９．　Ｚ３からヘリ
ウム圧縮機ｎに低圧ヘリウムガスを循環させるためのガ
ス戻し管である。

次にこの装置の作用について説明すると、高真空ポンプ
３を作動させて真空排気空間である試料交換室ｌ、試料
準備・分析室６ならびに薄膜成長室７を１０−”ｒｏｒ
ｒ程度にするまでは、従来と同一手順で行う。その後、
ゲートバルブ８を閉じゲートバルブ９，１１を開にし、
ヘリウム圧縮機ｎ、ヘリウム冷凍機ｘ、　２８．２９を
運転關始する。

ヘリウム冷凍機Ｚ３．２８．　２９の温度が低下するに
したがってクライオポンプ２１．２２は超高真空ポンプ
として作用しはじめる。また、シュラウド２４ａ。

２４ｂも冷却されて真空ボン、プとして作用しはじめる
。

一方、その間も高真空ポンプ３を作動させておき、試料
交換室ｌでの圧力が十分に低鳴なったとき（例えば１０
−’　Ｔｏｒｒ程度まで下ったとき）ゲートバルブ８，
１０を開き、試料を試料交換室１から搬送装置（図示せ
ず）によって試料準備・分析室６を経て薄膜成長室７の
中の試料基板ホルダー１４の土量こ移動させる。

次いで、ゲートバルブ８，１０を閉じ、薄膜成長室７の
圧力が初期の目標まで低下したところで素材供給源（分
子線源）１６から試料基板上に半導体の素材をとばして
薄膜を生成する。そして、薄膜成長室７において素材を
とばすときに発生する不純物等の浮遊物はヘリウム冷凍
機田によりて冷却されたシュラウド２４ａ、２４ｂに凝
縮吸着され、これらの浮遊不純物が薄膜試料中に混入し
て欠陥になるのを防畷゛作用を行う。

本実施例に用いられるヘリウム冷凍機のうちりとして機
能するには十分な低温を得る必要があるためであり、現
状製品における２段目の低温端は１５に程度になる。

ここで、現状クライオンポンプの概要を第３図によって
説明すると、第１段シリンダ３１の低温端につけた第１
段パネル調は大体５０〜７０にとなり、主に空気中の水
分や炭酸ガス等沸点の高いガスを凝縮吸着し、第２段シ
リンダｎの低温端につけた第２段パネル菖は大体１５Ｋ
になって酸素、窒素、アルゴン等の低沸点ガスを凝縮吸
着する。さらに、沸点の低い水素やヘリウムガス等は第
２段パネルあの内面に貼付けた吸着剤３７（例えば活性
炭やモレキニラシーブ等）によって吸着する。

特に、超高真空ポンプとしての性能を左右するのはこの
第２段パネルあの温度をいかに低温にできるかによって
決まるので、少くとも２段式ヘリウム冷凍機が要求され
るものである。

シェブロンあは、沸点の高いガスが直接低温の第２段パ
ネル蕊に凝縮吸着されることによって第２段パネル蕊の
低沸点ガス吸着能力が低下するのを防止する機能を持っ
ている。

一方、シュラウドｕａ、２４ｂの冷却に用いられるヘリ
ウム冷凍機幻が１段式になっているのは、シュラウド２
４ａ、２４ｂでは比較的沸点の高い半導体素材のガスを
凝縮吸着するのがその主な役目であるからさほど低温に
する必要はな鳴、したがって１段式でよいわけである。

本実施例によれば、シュラウド２４ａ、２４ｂの冷却を
１段式ヘリウム冷凍＠’ｚｓで行うことができるので別
に液体窒素を必要とせず、ランニングコストが安くなる
上液体窒素の補給作業という煩わしさもなくなるという
効果がある。

さらに、薄膜成長室７．試料準備・分析室６の超高真空
ポンプとしてクライオポンプＺ、２９を用い、クライオ
ポンプの２段式ヘリウム冷凍機２１゜ｎと上記シュラウ
ド用１段式ヘリウム冷凍機乞へのヘリウムガス供給を１
台のヘリウム圧縮機ｎで行うことができるので、真空排
気装置として構成が簡単になり経済的であるという効果
もある。

第４図は本発明の他の実施例を示す図であり、ヘリウム
圧縮機ｎに接続された複数台のヘリウム冷凍機へのガス
ヘリウム供給量を各ヘリウム冷凍機の要求に応じてコン
トロールできるようにしたものである。

すなわち、ヘリウム冷凍機２８．２９．２３へのガス供
給管２５ａ、２５ｂ、２５ｃにガス流量調整弁４１ａ。

４１ｂ、４１ｃを備え、試料準備・分析室６の圧力を下
げたいときには調整弁４１　ａを開放して４１ｂ、４Ｚ
Ｃを絞り加減にし、また、薄膜生長室７の圧力を下げた
いときには調整弁４１　ｂを開放して４１ａ、４１Ｃを
絞り気味にする。さらに、シュラウド２４ａ。

２４ｂの機能を向上させたいときには調整弁４１　ｃを
開放して４１ａ、４１ｂを絞り気味にする。

本実施例によれば、複数台のヘリウム冷凍機にガスを供
給する際に必要に応じて各ヘリウム冷凍機への供給量を
調整することができるので、相対的にヘリウム圧縮機は
小容量ですみ経済的になるという効果がある。

本実施例の変形例として、供給管２５Ｂ　＋　２５　ｂ
　１２５ｃに調整弁を備える代りにガス戻し管２６ａ、
２６ｂ、２６ｃに調整弁を備えても同様な効果が得られ
る。また、ヘリウム冷凍機２８．２９．２３の往復周波
数を支配しているモータ　（図示せず）の回転数を制御
してもよい。

第５図は本発明のさらに別の実施例で、シュラウド２４
ａ、２４ｂとヘリウム冷凍機器を直接熱的に接続して冷
却する代りに液体窒素でシュラウド冴ａ、２４ｂを冷却
し、蒸発した窒素ガスをヘリウム冷凍機器で再液化させ
るものである。

この場合は、蒸発した窒素ガスを上方のガス貯蔵室４２
に導き、該貯蔵室４２にヘリウム冷凍機ｎの低温端を熱
的に接触させて冷却することにより、ここで液化してシ
ュラウド２４ａ、２４ｂに循環するのでシュラウドが太
き（なってもシュラウドの温度はほぼ均一に保持でき、
しかもヘリウム冷凍機ｎとの相対的な位置に制約を受け
ないですむという効果がある。もちろん、この場合はシ
ュラウド冷却の窒素ガスがヘリウム冷凍機で再液化され
るので、ランニングコストは増大する二′とはない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シェラウドの冷却をヘリウム冷凍機で
行うことができるので、ランニングコストな低減できる
上に作業が簡単になり、かつ、ク　−ライオポンプやシ
ュラウドを冷却する複数台のヘリウム冷凍機を１台のヘ
リウム圧縮機に連結して運転できるので、経済的に４る
という効果がある０

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体薄膜生成装置の構成を示す系統図
、第２図は本興明の真空排気装置を有する半導体薄膜生
成装置の系統図、第３図はクライオポンプの一般的な構
造を示す断面図、第４図は本発明の他の実施例による半
導体薄膜生成装Ｈｃ。 系統図、第５図は本発明のさらに別の実施例による半導
体薄膜生成装置の系統図である。 １・・・・・・試料交換室、２・・・・・・真空バルブ
、３・・・・・・高真空ポンプ、４・・・・・・リーク
バルブ、５・・・・・・ロータリーポンプ、６・・・・
・・試料準備・分析室、７・・・・・・薄膜成長室、８
．　９．１０．１１・・・・・・ゲートバルブ、１４・
・・・・・試料基板ホルダー、巧・・・・・・マニピュ
レータ、１６・・・・・・素材供給源、２１．’２２・
・・・・・クライオポンプ、乞・・・・・・１段式ヘリ
ウム冷凍機、２４ａ、２４ｂ・・・・・・シュラウド、
ｎ・・・・・・ヘリウム圧縮機、　２８．２９・・・・
・・ヘリウム冷凍機 牛１図 ３Ｉ′２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の真空槽とそれらを結ぶゲートバルブから構成
   され、少々とも一方の真空槽には基板上に半導体の薄膜
   を生成させるための素材供給源。 試料基板の保持移動を行うためのマニピュレータおよび
   半導体材料の浮遊ガスを凝縮吸着−せるためのシュラウ
   ド等を備えた半導体薄膜生成装置において、少々とも一
   つの真空槽の排気用トシてヘリウム冷凍機付クライオポ
   ンチを設け、シェラウドの冷却用としてヘリウム冷凍機
   を設け、上記クライオポンプ用ヘリウム冷凍機とシュラ
   ウド冷却用ヘリウム冷凍機を１台のヘリウム圧縮機に接
   続したことを特徴とする真空排気装置。 ２、　ヘリウム圧ＡＩＩＪａとヘリウム冷凍機を−ぶ配
   管にヘリウムガス流量調整手段を備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲１ｉＪ１項記載の真空排気装置。 ３、各ヘリウム冷凍機に往復周波数制御手段を備えたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の真空排気装
   置。 ４、　シュラウドの一部に蒸発窒素ガス貯蔵室を設ｉ、
   該窒素ガス貯蔵室にヘリウム冷凍機の低温端を熱的に接
   触させたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   真空排気装置。 ５、　クライオポンプに２段式ヘリウム冷凍機を備え、
   一方、シュラウドに１段式ヘリウム冷凍機を装着したこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記戦の真空排気装
   置。