JPS60180997A - 粒子線エピタキシヤル装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は基板上にエピタキシャル層、特に■−■族化合
物半導体エピタキシャル層を成長させる装置に関するも
のである。

（従来技術） エピタキシャル層の成長装置としては分子線エピタキシ
ャル（ＭＢＥ）装置がある。このＭＢＥ装置の概略は、
第１図に示されるように、高真空チェインバエ中に基板
２に対向して数種類の原料の炉３−１〜３−ｎ、を設け
、高真空下で所定の炉から分子線４を飛ばして加熱した
基板２上で反応させ、エピタキシャル層を成長させるも
のである。

分子線エピタキシャル装置を用いた成長方法は、他のエ
ピタキシャル成長方法に比べて膜の再現性がよく、膜厚
方向の制御が容易であるなどの長所を有するが、基板２
が分子線源の炉３−１〜３−ｎと同一真空チェインバエ
内に収容されるため、基板２の周辺の真空度が、例えば
結晶成長中には１０　”−’　〜１０−’　Ｔｏｒｒ程
度にしかならず、また、非平衡状態での結晶成長となる
ためエピタキシャル成長層に多くの欠陥を持ち品質が悪
くなるという問題を有している。

また、他のエピタキシャル成長方法としては、有機金Ｊ
ＬＪ７１成長（ＭＯＣＶＤ）法があるが、この方法では
基板面上での化学反応後発生する結晶成長に不要な残留
分子等の問題もあって、得られるエピタキシャル成長層
の品質も良いとはいえない。

（目的） 本発明は、分子線エピタキシャル成長方法の長所を生か
し、かつＭＢＥ装置よりも高真空雰囲気下で成長を起さ
せ、しかもＭＯＣＶＤ、ＩＭＢＥの長所である熱平衡状
態に近い状態で結晶成長させることによりエピタキシャ
ル成長層の品質を改良できる装置を提供することを目的
とするものである。

（構成） 本発明の装置では、粒子線源から基板へ飛ばされる粒子
線に対し傾きをもった冷却壁により真空チャンバが線源
室と成長室とに分離され、これら線源室と成長室とは粒
子線が通る穴を通じてつながるが、それぞれ独立した排
気系により排気されるとともに、各室で散乱される不用
な粒子線がそれぞれの排気系で分子流の状態を保ちなが
ら有効に排出されるように、冷却壁と基板の傾き、及び
各排気系の排気口の位置が設定されている。

本発明で、「粒子」の語は、分子、原子、イオン及びラ
ジカルを総称する意味で使用し、したがって本発明の装
置を従来の分子線エピタキシャル装置に対応させて粒子
線エピタキシャル装置と呼ぶことにする。

次に第２図により本発明の構成と作用を説明する。

真空チェインバ１０は傾斜して設けられた冷却壁１１に
より線源室１２と成長室１３に分離されている。

冷却壁１１は内部が中空で液体窒素のような冷媒を充填
することができ、冷媒導入口１４と気化した冷媒のガス
排気口１５を備えている。、冷却壁１１には線源室１２
から成長室１３へ粒子線を通すための穴１６や必要に応
じてシャッタ操作用の穴などが貫通して開けられている
。

線源室１２には複数の粒子線源１例えば記号１７〜１９
で示されるもの、粒子線を選択するシャッタ２０及び高
真空ポンプにつながる排気口２１とが設けられており、
その排気口２１は各粒子線源１７〜１９からの粒子線２
２の結晶成長にとって不用な部分が冷却壁１１で、又は
シャッタ２０が冷却壁１１に平行に設けられる場合には
冷却壁１１もしくはシャッタ２０で、又は高真空チェイ
ンバの壁面で反射されてできる不用な反射粒子線２３．
２３’を有効に排出できるように、冷却壁１１に対向す
る位置に設けられている。

成長室１３には基板２と、線源室１２の真空系とは独立
した高真空ポンプにつながる排気口２５が設けられてい
る。基板２の表面には、冷却壁１１の穴１６を経て粒子
線源１７〜１９から有用な粒子線２６が入射されるが、
その基板２の表面で反射されてできる不用な反射粒子線
２７が排気口２５の方向に反射されて有効に排出される
ように基板２の固着角度が設定されている。

本発明の粒子線エピタキシャル装置の動作中番よ、線源
室１２では、冷却壁１１の穴１６を通過しない不用な粒
子線はシャツタ２０又番よ冷却壁１１で反射されて排気
口２１へ排出される力１．液体窒素その他の冷媒温度に
冷却されてｂ）る冷却壁１１に吸着されることにより線
源室１２の高真空力を維持される。成長室１３では穴１
６を通過してきた有用な粒子線２６により基板２上で結
晶成長力１イテなわれるが１粒子線２６のうち結晶成長
しこ使用されなかった不用な粒子線は反射粒子線２７と
なる力１、又は壁面で再反射されて分子線の平均的な流
れ２７′となって排気口２５へ排出される力＼、冷却壁
１１に吸着されることにより、成長室１３の高真空が維
持される。そして、成長室１３でｌよ穴１６を経て入射
される粒子線２６の量カへ線源室１２へ入射される粒子
ｖＡ２２の量よりも少なく。

また、成長室１３と線源室１２と番よ穴１６でつながっ
ているとはいえ、この六１６の怪力＜？＆却壁１１の全
面積に比べると極めて小さを）こと、及び画室の粒子が
分子流の条件を満たして１するので成炎室１３と線源室
１２の間で差動排気が行なわれて成長室１３の方が高真
空となり、基板２の周辺が一層清浄に保たれることにな
る。

本発明ではまた、冷却壁１１が排気口２１及び２５に対
向して傾斜しているので、線源以外に何らかの原因で発
生した結晶成長に不要な、又は有害な不純物粒子線にも
指向性を与えて排気口２１又は２５へ導き、有効に排出
することができる。

冷却壁１１はまた、線源室１２及び成長室１３中の水や
二酸化炭素などを吸着して真空チャンバ１０内を高真空
゛にする役目を果している。

本発明の粒子線エピタキシャル装置でエピタキシャル成
長を行なうには、線源室１２及び成長室１３を真空排気
し、冷却壁１１に液体窒素のような冷媒を充填して、基
板支持台２４を通じて基板２を所定温度に加熱する。し
かる後、粒子線源１７〜１９から粒子線２２を飛ばし、
シャッタ２０で所望の穴１６を開けて所望の種類（単数
又は複数）の粒子線群２６のみを基板２の表面へ入射さ
せて成長を行なわせる。その粒子線群２６による成長が
所定量行なわれると、次にシャッタ２０を操作して開け
るべき素群１６を変更し、次の粒子線群２６を選択して
再び成長を行なわせるという操作を繰り返して化合物の
多層エピタキシャル層を成長させる。

（実施例） 第２図において、冷却壁１１に充填される冷媒としては
、液体窒素が最も扱いやすいが、液体ヘリウムでもよい
。冷却壁１１はシャッタ２０及び−基板台２４等ととも
に上方に除去できるように構成しておけば真空チェイン
バエ０内の清掃や組立ての際に好都合である。

排気口２１．２５につながる高真空ポンプとしては、タ
ーボ分子ポンプ、イオンポンプ、油拡散ポンプ、クライ
オポンプなど種々のものが使用できるが、長時間の連続
運転を行ない、また清浄な雰囲気を保つにはターボ分子
ポンプが最も優れている。

粒子線源１７〜１９としては後述のようなガス状原料を
使用するタイプのイオンソースのほか、従来の分子線エ
ピタキシャル装置で使用されてｂ）るような固体原料を
使用するクヌードセンセルやラングミューアセルを使用
することもでき、粒子線源の種類と数は成長させる結晶
の種類に応じて任意に選ぶことができる。ガス状原料を
用１′する場合には高真空ポンプとして連続運転可能な
ターボ分子ポンプが最も好ましい。

シャッタ２０は真空チェインノ＜１０の外部力箋ら操作
できて冷却壁１０の所定の六１６群又番よ粒子線源１７
〜１９を選択できるものであれ＜ｉよく、第２図のよう
に冷却壁１１に平行に設けるのカへ最も好ましいが１粒
子線′ｆＡ１７〜１９の側番；設番プることもできる。

また、シャッタ２０は各穴１６又は各粒子線源１７〜１
９に対して個別に設番することもできるし、１枚のシャ
ッタを回転させて所望の穴１６又は粒子線源１７〜１９
を選択するようにしてもよい。

単結晶基板２は支持台２４に内臓されたヒータにより、
又は誘導加熱により加熱すること力ｔできる。基板支持
台２４はまた、基板２に回転、ＸＹＺ軸移動、傾きを与
えることができるようにしてもよく、又は基板２を走査
することができるようにしてもよい、基板を回転させる
ことにより反射高速電子回折装置（ＲＨＥ　Ｅ　Ｄ）に
よる成長層の結晶評価を可能にし、また差動排気の効果
を高め。

るための素群１６の小型化による結晶成長面の挟まりが
あっても、走査させれば大面積の成長力１可能になり量
産化を図るうえで好都合である。

本発明の粒子線エピタキシャル装置は種々の粒子線源を
用いることができるが、特に好ましし１粒子線源として
ガス状原料（固体をヒータで蒸発させたものも含む）を
用いる方式のものを第３図に例示する。

３０は粒子線として電子衝撃により発生するイオンを使
用する電子イオン化線源であり、原料ガスの流量を制御
するマスフローコントローラ３１、その制御された原料
ガスをビーム状にする粒子線発生絞り、その粒子線に電
子線を照射してイオン化するイオン化室、イオン化され
た粒子線を力ｌ速し電界又は磁界により収束させる収束
レンズ、イオン化されなかった粒子線を排出する排気口
、及び磁場を印加してイオンを分離し選択する磁場印加
手段３６を備えている。この電子イオン化線源３０では
、粒子線発生絞りでビーム状になった粒子線がイオン化
室を通るときにイオン化され、収束レンズで加速され収
束され一磁場で不用なイオンが分離されて有用なイオン
のみが粒子線２２となって孔３７から線源室１２へ導入
される。

４０は粒子線として光照射により発生するイオンやラジ
カルを使用する光イオン化線源であり、電子イオン化線
源３０と同様に、マスフローコントローラ４１．粒子線
発生絞りを備えるが、この線源の場合は光イオン化室を
備え、電子線照射に代えてＡｒレーザ光のような光を照
射して粒子線をイオン化又はラジカル化する。不用なイ
オンを分離するために四重極マスフィルタを備え、不用
な粒子を排出する排気口も備えている。この光イ、・′
− オン化線源４０では、光イオン化室でイオン化又はラジ
カル化された粒子線のうち不用な粒子線は四重極マスフ
ィルタで分離されて除去され、有用なイオン又はラジカ
ルの粒子線のみが粒子線２２となって孔４６から線源室
１２へ導入される。

５０は熱分解影線源であり、減圧弁５１と原料ガスを加
熱して分解させる加熱手段５２とを備え、加熱され分解
された原料ガスが小孔５３がら線源室１２へ導入される
。

電子イオン化線源３０及び光イオン化線源４゜では粒子
線が線源室１２へ入る段階ですでにイオン化又はラジカ
ル化されて加速され、磁場又は四重極マスフィルタによ
り不用な粒子線は分離されて排出されており、更に本発
明装置の冷却壁１１の穴１Ｇとシャッタ２０によっても
不用な粒子線が分離されて排気口２１へ排出されるので
、成長室１３△導入される粒子線２６は殆んどが結晶成
長に必要なもののみとなる利点がある。熱分解影線源５
０の場合でも冷却壁１１の穴１６とシャッタ２０によっ
て不用な粒子線が分離されて排気口２１へ排出されるの
で、成長室１３へは結晶成長に必要なもののみが導入さ
れることになる。

また、これらの粒子線源３０，４０．５０では、成長室
１３へ導入される粒子線２６は電子衝撃。

光照射、加熱などにより化学的に活性化されているので
、有機金属気相成長法の長所である熱平衡状態における
結晶成長が清浄な雰囲気中で基板上においてのみ達成さ
れることになる。その結果、従来の分子線エピタキシャ
ル成長法より基板温度を低温にして成長層の層間拡散を
抑え、一層高品質のエピタキシャル層を成長させること
ができる。

このようなガス状原料を使用する粒子線源を用いること
の他の長所は、原料を交換するために真空を破るという
ような、固体原料の場合に生じる問題がなく、連続して
運転ができて一層高品質のエピタキシャル層を成長させ
うる点にある。

これらの粒子線源で使用できる主な原料ガスとしては下
表に示されるものがあり、これらの原料ガスを用いて成
長される化合物としては、（Ｇａ。

ＡＱ、Ｉｎ）−（Ａｓ、Ｐ、Ｎ、Ｓｂ）系の■−Ｖ族の
二元、三元又は四元系の化合物半導体を挙げることがで
きる。また、ドーパントを選んでＰ。

Ｎ型にすることもできる。

本発明装置の一実施態様のシステム図を第４図に示す。

粒子線源としては第３図に示された電子イオン化線源３
０、光イオン化線源４ｏの他に、分子線エピタキシャル
装置で用いられるクヌードセンセル６０を用いるものと
する。６２は原子吸光分光器で、成長室１３の基板２に
到達する直前の粒子線の原子吸光分光によりその粒子線
量を測定し、その信号で電子イオン化線源３０、光イオ
ン化線源４０のそれぞれのマスフローコントローラ３１
゜４１、及びクヌードセンセル６ｏのセルコントローラ
６１を制御してこれらの粒子線源３０，４０゜６０から
出射される粒子線量が一定になるように制御している。

原子吸光分光器６２の光源としては、例えばレーザを用
い、光ファイバーで基板２の近傍まで導くようにしても
よい。

６３はシャッタ用回転導入端子であり、シャッタ２０を
回転式のものにして、そのシャッタ２０を真空チャンバ
１０の外部から操作する。６４は基板台用ゴニオメータ
であり、基板台２４番二固着された基板２を回転させた
り、走査したりするように基板台２４を真空チャンバ１
０の外部から操作する。６５は反射高速電子回折装置（
ＲＨＥＥＤ）であり、基板２の表面にほぼ平行に電子線
を照射して成長中のエピタキシャル層の結晶状態を測定
するものである。

６６．６７はそれぞれ線源室１２、成長室１３を高真空
排気するターボ分子ポンプで、６８゜６９は各ターボ分
子ポンプ６６．６７の補助ポンプとしてのロータリーポ
ンプである。７０．７１はゲートバルブ、７２．７３は
真空バルブである。

また、本装置には基板交換室７４がゲートバルブ７５を
介して成長室１３に設けられており、高真空バルブ７６
を経てターボ分子ポンプ６６で排気され、基板台用ゴニ
オメータ７７で基板交換が操作されることにより基板交
換の際にも真空チェインバｌＯの真空度を低下させない
ようになっている。

（効果） 本発明の粒子線エピタキシャル装置では、従来の分子線
エピタキシャル装置より高真空下で結晶成長を行なうこ
とができ、良品質のエピタキシャル層を成長させること
ができる。例えば、本発明の粒子線エピタキシャル装置
において、粒子線源として従来の分子線エピタキシャル
装置と同じクヌードセンセルを用い、高真空ポンプとし
てターボ分子ポンプを用い、冷却壁１１の冷媒として液
体窒素を用いて動作させたところ、主たる分子線外の雰
囲気は、線源室１２ではその真空度は１０−’　Ｔｏｒ
ｒ程度であったが、成長室１３ではその真空度は１０−
”〜１０−”Ｔｏｒｒ程度になった。第１図に示された
ような従来の分子線エピタキシャル装置では基板２の周
辺も含め結晶成長中で１０−　”　Ｔｏｒｒ程度にしか
ならなかったことと比較すると、本発明の粒子線エピタ
キシャル装置はそれより真空度が１〜２桁向上している
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の分子線エピタキシャル装置を示す概略図
、第２図は本発明の粒子線エピタキシャル装置の一実施
例を示す断面図、第３図は種々の粒子線源を設けた一実
施例を示す概略図、第４図は一実施例の全システムを示
すブロック図である。 ２・・・・・・基板、　１１・・・・・・冷却壁、１２
・・・・・・線源室、　１３・・・・・・成長室、１６
・・・・・・粒子線用の穴。 １７〜１９・・・・・・粒子線源、２０・・・・・・シ
ャッタ、２１．２５・・・・・・排気口、　２４・・・
・・・基板支持台。 特許出願人　株式会社島津製作所 代理人　弁理士　野口繁雄 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒子線源と粒子線を選択するシャッタとを有する
   線源室と、基板を収容する成長室とが相互に独立した排
   気系を備え、 これら線源室と成長室との間は、粒子線源から基板へ粒
   子線を通す孔を有し粒子線流に対し傾きをもって設けら
   れた冷却壁により分離されており、線源室の排気系の排
   気口は粒子線が前記冷却壁と平行な面及び相対する壁面
   で反射されたときのその粒子線の平均的進行方向の前方
   に位置し、かつ、成長室の基板はその基板表面及び相対
   する壁面で粒子線が反射されたときその反射粒子線が成
   長室の排気系の排気口へ向うような角度で基板支持台に
   固着されることを特徴とする粒子線エピタキシャル装置
   。