JPS61101490A

JPS61101490A - 分子線結晶成長方法と装置

Info

Publication number: JPS61101490A
Application number: JP22501684A
Authority: JP
Inventors: Hideki Mori; 英樹森; Hiroshi Okada; 浩岡田; Hiromi Yabutani; 薮谷　博美
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-10-24
Filing date: 1984-10-24
Publication date: 1986-05-20

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】（７）　　技　　術　　分　　野本発明は、表面欠陥の少い、平坦性の良い、■−Ｖ族化
合物半導体エピタキシャル成長ウェハを得るための分子
線結晶成長方法及びそのための装置に関する。

分子線結晶成長法は、分子線エピタキシー（ＭＢ　Ｅ　
：　　Ｍｏ１ｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ
　　）とも呼ばれる。真空中に於ける分子の動きを利用
したエピタキシー技術である。　　　− 超高真空容器の中に、半導体基板を置き、基板の前方に
材料を入れたルツボ（分子線セルという）を設け、材料
を加熱して分子線とし、材料分子線を基板に当てる事に
より結晶を成長させてゆく。

薄膜結晶を構成する元素ごとに分子線セルを配置する。

シャッタの開閉によって分子線を制御できる。

気相エピタキシー、液相エピタキシーに比べ、分子線エ
ピタキシーは、結晶成長速度が遅く、膜組成、膜厚を制
御しながら結晶成長させる事ができる。又、急峻な濃度
プロフィルを実現する事も可能である。

シリコン基板上のエピタキシーにも用いる事ができる。

しかし、特に、化合物半導体のエピタキシャル成長にと
って有用である。

（イ）従来技術とその問題点ＭＢＥが提案されて１０数年になる。装置の形態も変化
してきている。

初期の分子線エピタキシャル成長装置は、超高真空に引
けるチャンバ内に、基板加熱ホルダ、分子線セル、四重
極質伍分析計、オージェ電子分光装置、電子線回折装置
などを設けたものである。

基板加熱ホルダに基板をセットし、チャンバ内を超高真
空（１０−８〜１０−”　Ｔｏｒｒ）ニ引き、分子線セ
ルを加熱して、材料を分子状態にし、これを基板に当て
、基板に吸着させ、化学反応を起して、結晶を構成する
ようになっていた。

この装置には、次の欠点がある。

基板ホルダには、通常、２〜３枚の基板をセットできる
。これら基板の結晶成長は連続的に行う事ができるが、
これが終了すると、基板交換しなければならない。

この為、チャンバ内に大気を導入しなければならない。

これは、非常に面倒な問題を引き起す。

チャンバ内に空気が入るため、分子線ソースが空気によ
って汚染されてしまう。特に酸化が著しい。又チャンバ
内を再び超高真空にするためには、ベーキング等で１日
〜２日かかつてしまう。

エピタキシ一作業の能率が悪い。又、バッチごとに、エ
ピタキシャル成長膜の特性が異なる、という重大な難点
があった。

バッチごとの特性のバラつきを抑える為には、チャンバ
内が大気圧になる事なく、常に高真空の状態を保つよう
にする必要がある。

基板交換のために要する時間を節約し、成長薄膜のバッ
チ間の特性のバラつきを少くするために、ロードロック
付のパッチ式ＭＢＥ装置が考案された。

これは、チャンバ内を真空に保ったまま、基板交換でき
るように、もうひとつ真空排気できる空間を設けたもの
である。

基板加熱ホルダは、長いシャフトによって支持され、シ
ャフトの推進後退はベローズの膨縮によって行う。

基板ホルダに基板を取付けて挿入する空間（試料準備室
と仮に呼ぶ）と、超高真空チャンバはゲートバルブによ
って仕切られている。

基板をホルダに取付けた後、試料準備室を閉じ、真空に
引く。十分な高真空に達してから、ゲートバルブを開き
、基板ホルダを超高真空チャンバ内へ進める。

チャンバ内が大気圧になる事はなく常に真空状態である
。基板を入れた後、チャンバ内を超高真空に引く時間が
短縮され、１日に１〜２サイクルの成長を行う事ができ
るようになった。バッチ間の結晶薄膜の特性のバラつき
もある程度、改善された。

分析機器は、未だ成長機構を含む同じチャンバ内に設け
られていた。しかし、分析機器があると、これからのガ
スの放出などがあって、エピタキシャル成長中に、真空
度を低下させたりする事がある。

そこで、分析機器を、成長室から分離する、という傾向
が現われた。

これは、成長室、分析室、試料準備室よりなるＭＢＥ装
置である。

基板は、基板ホルダに予め取付ける。基板ホルダは、基
板搬送機構によって動かす事ができる。

成長室、分析室、試料準備室は、それぞれ真空排気装置
を持っている。各室の間には、真空バルブが設けてある
。

分析室には、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ　）、２次
イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）、ＥＳＣＡなどが設けら
れる。

この他に、特別の処理室を設けたＭＢＥ装置もある。

反対に、最も単純なものは、分析室がなく、成長室と、
試料準備室とよりなるものである。

本発明は、分析室が有っても良いし、無くても良い。い
ずれのＭＢＥ装置にも適用する事ができる。

試料準備室は、外部に対して開閉する空間である。基板
を付けた基板ホルダを、ここからＭＢＥ装置の中へ入れ
、或はここから取出す。

基板ホルダを、基板搬送機構に取付け、試料準備室の蓋
（ゲートバルブ）を閉じ、真空に排気する。

真空になってから、反対側のゲートパルプを開き、基板
ホルダを、成長室又は分析室の中へと進める。

基板搬送機構にも様々な形態がある。

試料準備室、分析室、成長室が直線上に配置してあって
、長いロッド状の平行な基板移送棒を何本も利用して基
板ホルダを運んでゆくタイプの装置がある。これまで説
明したのは、このタイプのＭＢＥ装置である。

そうではなくて、直線の搬送室があり、これに対し、直
角に分析室、成長室が接続されているタイプの装置もあ
る。

基板ホルダは、搬送室内を直線状に進み、分析室や成長
室との連結部では、必要な時に、向きを換えて、これら
のチャンバの中へ進入する。

搬送機構としては、これ以外にも、多様なものがありう
る。現に使用されている。本発明は、搬送機構がどのよ
うなものであっても、適用できる。

分子線エピタキシーは、Ｓｉ基板に対しても、−など■
−■族化合物半導体基板に対しても行う事ができる。

いずれにしても、ウェハは、化学的エツチングし、基板
の汚れなどを除いてから、水洗、乾燥させてからＭＢＥ
装置に取付けられる。ところが、エツチング後に、大気
中にあるから、ゴミ、水蒸気、酸化物などが付着する慣
れがある。

従来の分子線エピタキシャル成長法の前処理として、化
学エツチングが行われる。

化学エツチング法は、次のように行う。ＧａＡｓ基板を
例にとって説明する。エツチング液は、４Ｈ２Ｓｏ４：
ｌＨ２Ｏ。：ｌＨ２Ｏノ組成ヲ持つ。これに基板を漬け
て表面をエツチングする。これによって加工歪みを取り
除き、洗浄する。さらにこれを乾燥する。これらの工程
は大気中で行われる。

乾燥した基板を、分子線結晶成長装置に入れてエピタキ
シャル成長ヲ行つ。

分子線エピタキシーによって成長させた薄膜結晶の表面
には、１〜１０μｍ直径の欠陥が多数光られる。これは
スピラン、オーバルディフェクトなどと呼ばれる。この
欠陥の数は、通常数十個／　ａＡ〜数万個／　ｃｒＡあ
る。

これらの観察結果などについては、例えばＪＡＰＡＮＥ
ＳＥＪ（Ｘ！’１ＮＡＬαに九Ｉ肋田δＩＣ３ＶＯＬ、
皿、　　１９８４．　ｐｐ１６４−１６７　’　５ｕｒ
ｆａｃｅ　Ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ＭＢＥ　−Ｇｒｏｗ
ｎ　ＧａＡｓ　’に記述がある。

このように表面欠陥の多いエピタキシャルウェハを用い
て電界効果トランジスタなどを作る場合、欠陥の大きさ
が１〜１０μｍであるので、ゲート部に欠陥の全部又は
一部が重なることがありうる。

この場合、そのトランジスタは不良となる。

単体のトランジスタの場合は、まだ良いが、ＦＥＴを集
積回路にした場合は問題である。ＩＣの中の全てのトラ
ンジスタの特性が一定していなければならないが、この
ような欠陥が一部に含まれると、ピンチオフ電圧などが
バラついて、全（ＩＣが取れなくなってしまう。

この表面欠陥の原因として、次の様な事が挙げられる。

（１）　　ＧａやＩｎの■族元素の分子線源で突沸が起
こり、ＧａやＩｎが非常に小さいながら粒子状になって
、基板へ飛んできて付着するため、（２）分子線結晶成
長室内に残留した酸素が原因である。又は原料中に含ま
れる酸化物が原因である。これらの酸素によって原料が
酸化し、或はもともと含まれていた酸化物が、基板表面
に付着するため、（３）基板は化学エツチングされた後、大気にさらされ
ている。この間基板の表面に空気中のゴミや水蒸気、酸
化物、酸素などが付着する。これらの汚れが、分子線結
晶成長装置の中へ導入された後、窒素ガスを吹き付ける
事によっても除去されず残り、この上に分子線結晶成長
したため、この内どれが主たる原因であるのか未だ明らかでない。

多分、全てが大なり小なり表面欠陥の原因として作用し
ているのであろう。（１）、（２）を除くために、充分
な注意をして分子線エピタキシーを実行しているが、そ
れでも表面欠陥が生ずる。

結局、化学エツチングの後、分子線結晶成長装置に挿入
される前の大気中での汚れが、主要な原因であろうと考
えられる。

既に述べたように、このような汚れを除くためニ、Ｓｉ
基板の場合は、アルゴンスパッタリングにより、分子線
結晶成長装置内で基板表面を軽く工ツチングする、とい
う事が行われる。しかし、化合物半導体基板の場合、Ｓ
ｉより柔いので、この方法を使うと、逆に表面に多くの
傷をつけるので望ましくない。

化合物半導体の場合は、窒素ガスを吹き付けて、表面を
清浄にする、という事が行われる。しかし、これによっ
て、取れるのは大きいゴミだけで、表面汚れは殆んど除
去できない。

表面欠陥を減少する為、水を噴射して、基板表面を清浄
する、という事が提案されている（特公昭５９−１２４
７１０号、昭和５９年７月１８日公告）。

これは、基板に水を噴射して、表面の汚れを取り、この
後窒素ガスを吹き付けて乾燥するものである。

ガスだけによるものよりは有効であるが、しかし、水で
は取れない汚れもある。

また、水を噴射すると、これを完全に乾燥しなければな
らない。残留した水滴などがあってはならない。又、基
板表面から水滴が除去されたとしても、チャンバ内に水
滴が残り、この後真空度が十分上らなくなる、などの難
点もある。時間のかかる工程を挿入する事になり、分子
線エピタキシーの能率を低下させる。

化合物半導体基板の表面を浄化するため、分子線結晶成
長装置の内部で行う事のできる工程として、以上に述べ
たものの他、基板加熱法が提案されている。

例えば、予備排気室に相当する準備室又は分析室と呼ば
れている超高真空の部屋で、基板を加熱する。これによ
って基板表面に付着している酸化物などを飛ばして、表
面を浄化する。ＧａＡｓの場合で、６００℃近くまで昇
温する。

加熱法は、しかしながら、強く付着している汚れを取る
事ができない。又、化合物半導体の場合、長時間高温状
態にすると、基板表面から■族元素例えばＡｓ５Ｐ、Ｓ
ｂなどが抜ける、という現象が起る。このため、基板表
面の荒れを生じたりする。

必ずしも満足のできるエピタキシーができるわけではな
い。この方法を用いたところで、欠陥は殆ど減少しない
。

位）発明の目的エピタキシャル成長前の基板表面の汚れを、分子線結晶
成長装置内に於て除去し、清浄な表面を得て、大気中を
通す事なく、分子線エビクキシーを行い、表面欠陥の少
い結晶成長膜を得る事が本発明の目的である。

この為に、新たにガスエツチング室を設けて、ガスによ
って、化学的に基板をエツチングする。

エツチングガスを基板に当てるだけでは、エツチングが
速く進みすぎる事もあるので、分子線を同時に、又は交
代に当てて、エツチング速度を制御できるようにしてい
る。

に）発明の構成分子線結晶成長装置の内部に、ガスエツチング室を新た
に設け、Ｖ族元素の蒸気圧下で、エツチングガスを基板
に吹き付け、化学的表面処理によって基板表面をエツチ
ングし、基板を大気中にさらす事なく、真空状態のまま
分子線結晶室へ移送し、基板上に分子線結晶成長を行う
。

ガスエツチング室は真空排気された状態でエツチングを
行う。ガスエツチング室には、エッチングガ°ス導入口
と、Ｖ族元素の分子線セルと、真空排気装置、基板搬送
機構などを備える。

ガスエツチング室と分子線結晶成長室の間は直結されて
いても良いし、真空度を高めるため排気予備室を備えて
も良い。

ガスエツチング室へは、大気圧が入らないように、基板
導入室を設ける。これによって、分子線セルが大気にさ
らされる事のないようにする。

各チャンバの間には真空バルブが設けてある。

真空バルブを開いて、基板を順次移送するための基板搬
送機構が各チャンバの中に設けてある。

ガスエツチング室に■族元素の蒸気圧を与えるために、
分子線セルを設けている。

エツチングガスは、基板によって異なるが、エツチング
ガスの選択については公知である。例えば、ＧａＡｓ基
板のエツチングには、ＨＣｌ又はＡｓＣｌ３を用いる。

Ａｓの蒸気圧を与えるための分子線材料としてはＡｓ又
はＡｓＨ３を使う事ができる。

以下、図面によって本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の分子線結晶成長装置の略縦断面図であ
る。

この装置は、分子線結晶成長室１、排気予備室２、ガス
エツチング室３、基板導入室４よりなる。

これらのチャンバは直線状に出口人が連結されている。

基板導入室４と、ガスエツチング室３とは出入口が連結
されているが、真空バルブ５によって連結口が開閉でき
るようになっている。

基板導入室４には、基板導入室排気装置２２があって、
大気圧から１０　〜１０　　Ｔｏｒｒまでの真空に引く
事ができる。これは、既に述べた分子線結晶装置の試料
準備室に当る。真空バルブ５と反対側に、大気と基板導
入室４の内部とを仕切る真空バルブ１７が設けられてい
る。

基板は、基板ホルダにＧａ、又はＩｎを使って貼り付け
る。各チャンバには基板搬送機構１５があって、基板ホ
ルダを、順次送ってゆき、マニピュレータにセットする
ようになっている。

ガスエツチング室３には、基板回転機構６を有するエツ
チング室マニピュレータ８と、基板加熱装置７とが設け
られる。

基板ホルダヒ、マニピュレータ８にセットされ得る。

ガスエツチング室３には、エツチング室排気装置９が設
けられる。これは、大気圧から１０〜１０Ｔｏｒｒ　　
の真空度にまで排気する事ができる。

ガスエツチング室３の基板の取付位置より斜め下方に、
エツチングガスを導入するべきガス導入口１０．１１が
設けられる。エツチングガスは、ガス導入口１０又は１
１からエツチング室内へ入り、マニピュレータ８の上に
固定された基板表面に当り、基板表面をエツチングする
。

又、ガスエツチング室３には、■族元素を基板表面へ供
給するための分子線セル１２．１３が設けられている。

これは成長させる■−■族化合物半導体の内の■族元素
を入れる。ＧａＡｓを成長させる場合は、Ａｓを入れる
。ＧａＡｓＰの場合は、Ｐと飴を入れる。分子線セル１
２．１３には、分子線セル加熱装置４２．４３が設けて
ある。

又■族元素の水素化合物ＡｓＨ３やＰＨ３を導入する場
合は、ガス導入口１０．１１のいずれかを用いる。

ガス導入口１０．１１には、ガスを加熱するための導入
ガス加熱装置４０．４１が設けられる。

ガスエツチング室３と排気予備室２の出入口は、連結さ
れているが、真空バルブ１４によって、連結口を開閉す
る事ができる。

排気子＠室２の中には基板搬送機構１５があるだけであ
る。これは、分子線結晶成長室１の真空度を高めるため
に、ガスエツチング室３と成長室１を分離するバッファ
室である。ガスエツチング室で、十分超高真空（１０〜
　１０）に引く事ができる場合、排気予備室２は不要で
ある。排気予備室２は、排気予備室排気装置２１によっ
て、１０−９〜１０Ｔｏｒｒの超高真空を得る事ができ
るようになっている。

排気予備室２と分子線結晶成長室１との連結部には真空
バルブ１６が設けられる。

分子線結晶成長室１の構成は公知である。基板の上へ材
料を供給するための分子線セル１８．１９がある。ここ
では２本図示しているが、８本ある事が多い。分子線セ
ルの周囲には分子を蒸発させるための加熱装置が設けら
れている。

又、成長室排気装置２０があって、成長室を超高真空状
態にしている。ＩＱ　　Ｔｏｒｒ程度に引いてから、分
子線エピタキシーを開始する。

分子線結晶成長室１には、基板回転機構３７を備えた成
長室マニピュレータ３８と、基板搬送機構１５とを備え
ている。成長室マニピュレータ３８に基板を貼りつけた
基板ホルダが取付けられる。

基板ホルダの取付位置の背後には、基板加熱装置３９が
設けられている。

本発明は、ガスエツチング室を分子線結晶成長装置の中
に設けたところに特徴があるので、第２図、第３図によ
って、ガスエツチング室につきより詳しく説明する。

第２図、第３図に於て、２３はガス分圧測定器である。

これは、四重極質量分析計であって、エツチングガスや
■族元素のガス分圧をモニタする事ができる。これによ
って、導入ガス（エツチングガス、■族元素ガス）の量
を測定し、その測定値は分圧信号線２４を通って、スロ
ーリークバルブ制御器２５に入る。

制御信号は、スローリークバルブ２６の弁の開度を制御
し、ガス導入パイプ２７を流れるエツチングガスの量を
制御する。

第２図の構成はエツチングガスがガスボンベ２８から、
レギュレータ３６を経て、スローリークバルブ２６によ
って制御され、ガス導入口１０．１１からガスエツチン
グ室３へ導入される構造を示している。

これは略図であって、エツチングガスの池に水素ガスを
キャリヤガスとし°て、エツチングガスと混合してガス
導入口１０．１１から、エツチング室へ送給する事も多
い。ここでは、キャリヤガスの図示を略しているが、実
際にはキャリヤガスを用いる事が多い。

■族元素を供給するため、分子線セルを用いる事の他、
水素化合物ガスＡｓＨ３、ＰＨ３をガス導入口１０から
ガスエツチング室３へ導入する事も可能である。

ガス導入口１０．１１には、導入ガス加熱装置４０．４
１があって、導入するガスを２００℃〜１２００℃に加
熱できるようになっている。

エツチングガスは、高温である方が少量であっても同一
のエツチング効果を挙げる事ができる。

第３図は、エツチング物質が常温常圧で液体である場合
の構成を示す。３２は恒温槽で、３１はバブラである。

ＧａＡｓに対して、ＡｓｆＪ３はエツチング物質として
作用する。このような液体がバブラ３１の中に収容され
ている。水素ガスをキャリヤガスとして、液体をキャリ
ヤガス中に含ませたエツチングガスをバブラ３１で発生
させる。流量を、ガス分圧測定器２３によってモニタし
た分圧値によって、スローリークバルブ２６愕より制御
するようにした点は前例と同じである。

水素ガスボンベ２８から出た水素は、レギュレータ３６
から、水素ガス純化装置２９を通って、純度が９９．９
９９９％以上の高純度水素ガスとなる。

これが流動制御器３０を経て、バブラ３１に入る。

ここで、バブラ内の液体を含むガスとなって、ガス導入
パイプ２７の中へ送給される。

け）作　用化学エツチングした後、乾燥させた■−■化合物半導体
基板を、Ｇａ、Ｉｎによって基板ホルダに貼付ける。真
空バルブ１７を開いて、基板導入室４の中の基板搬送機
構１５に基板ホルダを取付ける。真空バルブ１７を閉じ
る。

基板導入室排気装置２２を駆動して、基板導入室４を真
空にする。

１０　〜１０　　Ｔｏｒｒ程度の高真空に達した時、真
空バルブ５を開き、基板ホルダをガスエツチング室３の
内部へ移す。基板搬送機構１５によって、マニピュレー
タ８の先端に、基板ホルダが固定される。真空パルプ５
を閉じる。基板加熱装置７によって、基板を加熱する。

基板が適当な温度に達した時、エツチングを開始する。

エツチングは、ガス導入口１０．１１から、加熱された
エツチングガスを導入する事によって行われる。分子線
セル１２．１３は、■族元素を基板へ供給するものであ
る。■族元素を与えるから、Ｖ族元素の自然蒸発は抑制
される。エツチングガスの導入量によって、エツチング
の速さをコントロールできる。

ＧａＡｓ基板を例にとって説明する。ＨＣＩをエツチン
グガスとすると、エツチングの反応式は、によって与え
られる。

ＧａＡｓ基板の温度を高くし７てゆくと、ＧａＡｓ表面
からＡｓが飛び出し、基板表面はＡｓ抜けの状態になる
傾向にある。このＡｓ抜けは基板表面の弱い部分、例え
ば転位の部分、析出物の部分などが起り易い事が多く、
表面の荒れを起こす。特にエツチング速度が遅い時この
様な現象が顕著になり、平坦なエツチング表面が得難く
なる。これを避ける為に本発明はＡｓ蒸気を基板表面に
あて、Ａｓを基板表面に供給してやるもので、これによ
り非常に遅い速度のエツチングが可能になり、平坦なエ
ツチング面を得る事が出来るようになる。分子線結晶成
長は原子層単位の結晶成長ができるわけであるが、本発
明の基板表面のエツチングは通常の気相反応による化学
エツチングでは困難な原子層単位のエツチングの可能性
がある事を示すものである。

ＧａＡｓ基板の場合、液体のエッチャントとして、Ａｓ
Ｃ４３がある。反応式は、２　ＨＣｌ　　　：　Ｈ２＋ｃ１２（４）２ＨＣｄ　＋
　ＧａＣ１二ＧａＣ６ａ　＋　Ｈ２（５）である。（３
）式は（１）式と同一で、これがエツチングの式である
。（４）式はエツチングがＣ１２ガスで起る可能性があ
る事を示しているもので、（３）式中のＨ（Ｊに（４）
式のＭＣＩを代入すればＣ１２によるエツチングの式と
なる。

又、（５）式はエツチング反応後のＧａの塩化物が、Ｇ
ａＣｌ３である可能性を示しており、同様に（３）式中
のＧａＣｌ２に（５）式からＧａＣ１を代入すればその
反応式となる。

いずれにしろ、エツチング反応の基本式は（３）式で与
えられる。

エツチングの目的は、基板の汚れを除去する事である。

適当な厚さ分だけエツチングされた基板は、清浄な表面
を持つ。エツチング室は高真空状態であるから、新たに
汚れが付くという惧れは極めて少い。

真空バルブ１４を開く。マニピュレータ８から基板ホル
ダを外し、基板搬送機構１５によって、排気予備室２へ
基板付きの基板ホルダを送り込む。

真空バルブ１４を閉じる。

排気予備室２は、排気予備室排気装置２１によって、真
空状態に保持される。真空バルブ１４を開いた時、エツ
チング室と同じ真空度になるが、真空バルブ１４を閉じ
ると、すぐに、真空度が上昇する。このバッファ室は、
分子線結晶成長室１の超高真空を損わないために設けた
ものであるから、ガスエツチング室の排気能力が十分で
あればこれを省く事もできる。

排気予備室（バッファ室）２の真空度が上り、１０−’
〜１Ｏ−１０Ｔｏｒｒ程度になると、真空バルブ１６を
開き、基板付き基板￥ルダを、分子線結晶成長室１へ送
り込む。基板搬送機構１５によって、基板ホルダは、マ
ニピュレータ３８の下端に固定される。基板加熱装置３
９によって基板が加熱される。基板回転機構３７によっ
て、基板が回転する。

真空バルブ１６は閉じ、成長室排気装置２０は、チャン
バ内を超高真空に（〜ｌ０Ｔｏｒｒ　）する。

分子線セル１８．１９も加熱され、分子線が発生する。

基板の温度が適当な値に達した時、分子線セル１８．１
９のシャッタを開く。材料の分子線は基板に当り、化学
反応を起こして、ここにエピタキシャル成長層を作る。

エピタキシャル層の厚みが適当な値に達すると、エピタ
キシーを停止する。分子線セルにシャッタをし、セルの
温度を下げる。

真空バルブ１６を開いて、基板ホルダを排気予備室２へ
戻す。さらに、基板ホルダをガスエツチング室３、基板
導入室４へと、基板搬送機構１５によって戻してゆく。

真空バルブ１６．１４．５は択一的に開くから、各チャ
ンバの真空度は殆ど下らない。

最後に、真空バルブ１７を開いて、基板ホルダを外部へ
取出す。ここで、エピタキシャル成長層を有する基板は
、はじめて大気に接する。

（力）　実　　施　　例　　Ｉ化学エツチングされたＧａＡｓ基板を導入室４より導入
し、ガスエツチング室３のマニピュレータ８にセットし
て、エツチングした。エツチング条件は、基　　板　　温　　度　　　　　６００℃基　　板　　
回　　転　　　　　　２ＯＲＰＭＡｓ分子線セル温度　
　　　２３０℃エツチングガス　　　ＨＣｌ（非加熱）
キャリヤガス　　Ｈ２混合ガス（Ｈ（Ｊ＋Ｈ２）流量　　１．３Ｘ　１０−”
ＳＣＣＭエツチング時間　　　１０分である。基板温度が３００℃に達した時に、分子線セル
のシャッターを開き、Ａｓを飛ばし始めた。

ＳＣＣＭ　（廁虐ｄｃｕｂｉｃ　ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ
　ｐｅｒ　ｍ１ｎｕｔｅ　　）は、気体の流量を表わす
単位であって、標準状ｆｌＫ換算して、１分間にどれだ
けの気体が流れたかという事をαを単位として示す。

エツチングガスを止め、冷却してから、排気予備室を経
て、分子線結晶成長室へ移し、分子線エピタキシーを行
った。条件は、基　　板　　温　　度　　　　６３０℃基　　板　　回
　　転　　　　２０ＲＰＭ成　　長　　時　　間　　　
２．５時間成長層厚さ　　３μｍであった。

成長層表面は平坦で均一な鏡面成長をしていた。

ノマルスキー微分干渉顕微鏡で調べた結果、表面欠陥密
度は、約３００個／ｃ１Ａと、通常の方法より大幅に低
減していた。エツチングをしない通常の分子線エピタキ
シーの場合、この値は数千〜敵方／ｃＡであった。

上の例で、エツチングガス（ＨＣｌ　−１−Ｈ２混合ガ
ス）は加熱していなかったが、導入ガス加熱装置４０．
４１によって、ガスを６００℃に加熱すると、ガス量を
前例の約半分にしても、同様の効果があった。

ガスエツチング室３に於て、分子線セル１２．１３より
Ａｓの分子線をあてたが、これの代わりに、ＡｓＨ３ガ
スをエツチング室の内部に導入して、ＡＳの蒸気圧を与
えるようにしても同じ効果がある。

ＨＣｌガスの導入量の制御は四重極質量分析計よりなる
ガス分圧測定器２３によりＣｅの濃度をモニタしながら
、スローリークバルブ２６の開度を制御する事によって
行った。

Ａｓ分千線の代わりに、ＡｓＨ３ガスを入れる場合は、
ガス導入口１０．１１のいずれかを利用し、これから導
入した。このガスの流量制御も、ガス分圧測定器２３の
モニタ値を使い、他のスローリークバルブを制御する事
によって行った。

（ト）　　実　　施　　例　　■ エツチングガスとしてＡｓＣらを用いた。

第３図に示すバブラ３１の中にＡｓＣｌ３を入れ、恒温
槽３２によって、１２″Ｃに保つ。

水素ガスボンベ２８から、水素ガスは、レギュレータ３
６、水素ガス純化装置２９を通り、純度が９９．９９９
９％の高純度ガスとなる。

水素ガスは、流量制御器３０を経て、バブラ３１の中へ
入る。バブリングする水素ガスの流量は、約５０　ＳＣ
ＣＭであった。これは大部分出口３３から排出されるが
、一部はＴ字管で分岐しへスローリークバルブ２６を経
て、少量がガス導入口１１から、ガスエツチング室３の
内部へ導入される。

エツチング条件は前例と同じである。Ａｓ蒸気圧を与え
るためにＡｓを用いる時は分子線セル１２．１３からＡ
ｓを飛ばす。ＡｓＨ３ガスを用いる時は、入口３４から
ガス導入口１０を通ってガスエツチング室の内部へ送り
込む。

分子線エピタキシーの条件も前例と同じである。

成長した結晶は平坦で鏡面であった。

表面欠陥密度も前例とほぼ同じであった。

表面汚染による欠陥はこれによって除かれたものと推定
される。

汐）　　他　　の　　用　　途ここでは、ＣｒａＡｓ基板の分子線エピタキシーのみを
例に挙げて説明した。しかし、本発明は、ｍ−Ｖ族化合
物半導体基板ＧａＰ　１１ｎＰ　、　ＧａＳｂ　、　Ｉ
ｎＳｂ　。

・・・・・・のエピタキシーに広く用いる事ができる。

ＩｎＰ基板の場合は、Ｈ（Ｊ又はＰＣｌ３によるエツチ
ングを行う。Ｖ族元素であるＰの蒸気圧をエツチング室
に与えるためには、分子線セルからＰを飛ばしても良い
し、ガス導入口からＰＨ３を入れても良い。

（ト）効　果（１）化学エツチングした後、大気中にあって、汚れ、
水、酸素などが付着している化合物半導体基板を、分子
線結晶成長装置の中へ入れてからガスエツチングするの
で、基板上の汚れなどを完全に除去する事ができる。基
板は。真空中を移送され、分子線結晶成長室に入り分子
線エピタキシーが行われる。再び汚れが付着せず、清浄
な表面のままエピタキシーが行われる。

この為、表面欠陥の少いエピタキシャル層を成長させる
事ができる。

（２）　　アルゴンスパッタリングエッチンクハＳｉ基
板に対して用いられる。物理的エツチングであるので、
化合物半導体基板に用いれば、表面に著しい損傷を与え
るので望ましくない。

本発明は、ガスを用いて化学エツチングしているから、
化合物半導体の表面に損傷を与えない。

汚れのない事とあいまって、表面欠陥の少いエピタキシ
ャル層を成長させる事ができる。

（３）基板に窒素ガスを吹きつけるだけの従来法に比べ
、基板の表面についた汚れをより完全に除去する事がで
きる。

（４）基板に水噴射するものに比べて、汚れを取る効果
は大きい。又、水蒸気、酸素などが残留するという惧れ
もない。水を乾燥するには時間がかかるが、本発明は、
エツチング後の処理が不要であるから、迅速に次工程へ
進める事ができる。

（５）　　ＸＪＫ空中でガスエツチングするから、エツ
チングガスの流量を少なくしても十分なエツチングがな
される。

ＭＣＩ　、　ＡＳＣ１３などはチャンバ内を汚すので、
使用量はできるだけ少い方が良い。

通常のガスエツチングは大気中で実行する事が多い。大
気中ではガス分子の平均自由行程が短いので、同−深さ
のエツチングをする場合でも、より多くのエツチングガ
スを必要とする。

本発明の場合、高真空中でガスエツチングする。ガス分
子の平均自由行程が長く、ガス導入口からでたガス分子
は、大部分が基板に当り、有効に利用される。

このような理由で、エツチングガス量を節減できる。チ
ャンバ内の汚れも少い。

（６）ｖ族元素をガスエツチング室へ導入し、有限のＶ
族元素の蒸気圧を存在させる。ここでガスエツチングす
るから、エツチングが急激に進むのを防ぎ、エツチング
速度を最適な値に制御する事ができる。

このエツチングは基板の表面を清浄にするためのもので
あるから、表面を僅かに除去すれば良いのであつ−て、
エツチングが過度に進むと表面が粗面になる惧れがある
。エツチング速度を制御できるので、最適のエツチング
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分子線結晶成長装置の全体構成図。第２図はエツチングガスをガスエツチング室へ導入する
ための構成を示す図。第３図は液体エッチャントをキャリヤガスによって、ガ
スエツチング室へ導入するための構成を示す図。１　・・・・・・・・・　分子線結晶成長室２　・・・
・・・・・・　排気予備室３　・・・・・・・・・　ガスエツチング室４　・・・
・・・・・・　基板導入室５　・・・・・・・・・　真空バルブ６　・・・・・・・・・　基板回転機構７　・・・・・
・・・・　基板加熱装置８　　・・・・・・・・・　　
エツチング室マニピュレータ９　・・・・・・・・・　
エツチング室排気装置１０．１１　　・・・・・・・・
・　ガス導入口１２．１３　　・・・・・・・・・　分
子線セル１４　　・・・・・・・・・　真空バルブ１５
　　・・・・・・・・・　基板搬送機構１６　　・・・
・・・・・・　真空バルブ１８．１９　　・・・・・・
・・・　分子線セル２０　　・・・・・・・・・　成長
室排気装置２１　　・・・・・・・・・　排気予備室排
気装置２２　　・・・・・・・・・　基板導入室排気装
置２３　　・・・・・・・・・　ガス分圧測定器２４　
　・・・・・・・−・　分圧信号線゛２５　　　・・・
・・・・・・　スローリークパルプ制ｍＷ２６　　・・
・・・・・・・　スローリークパルプ２７　　・・・・
・・・・・　ガス導入バイブ２８　　・・・・・・・・
・　水素ガスボンベ２９　　・・・・・・・・・　水素
ガス純化装置３０　　・・・・・・・・・　流量制御器
３１　　・・・・・・・・・　　バ　　ブ　　ラ３２・
・・・・・・・・恒温槽３３　　・・・・・・・・・　水素ガス出口３４　　・
・・・・・・・・　ＡｓＨ３ガス導入口３６　　・・・
・・・・・・　レギュレータ４０．４１　　・・・・・
・・・・　導入ガス加熱装置４２．４３　　・・・・・
・・・・　分子線セル加熱装置発　　明　　者　　　　
　森　　　　　　英　　樹間　　　１）　　　　　　浩藪　　谷　　博　　美

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超高真空にした分子線結晶成長室１の中で、マニ
ピュレータ３８にセットされ加熱されているIII−Ｖ族
化合物半導体基板に、材料を入れた分子線セル１８、１
９から分子線を当て、基板上に材料元素を含む結晶をエ
ピタキシャル成長させる事とした分子線結晶成長方法に
於て、分子線結晶成長室１に、１或は複数の真空バルブ
１４、１６を介して接続された真空排気しうるガスエッ
チング室３を設け、ガスエッチング室３を真空にして基
板をセットしＶ族元素の蒸気圧下に於て基板を加熱し、
エッチングガスを当てて基板をエッチングする工程と、
エッチングされた基板を真空中のみを通つて分子線結晶
成長室１へ搬送する工程と、分子線結晶成長室１で基板
上に分子線エピタキシャル成長させる工程を含む事を特
徴とする分子線結晶成長方法。
（２）エッチングガスが塩化水素ガス、又は水素で希釈
された塩化水素ガスである特許請求の範囲第（１）項記
載の分子線結晶成長方法。
（３）エッチングガスとしてＡｓＣｌ＿３、又は水素で
希釈されたＡｓＣｌ＿３を用いる特許請求の範囲第（１
）項記載の分子線結晶成長方法。
（４）ガスエッチング室内にＶ族元素蒸気圧を与えるた
めに、ＡｓＨ＿３、ＰＨ＿３などのＶ族元素の水素化合
物ガスをガスエッチング室３に設けたガス導入口１０よ
り導入する事とした特許請求の範囲第（１）項、第（２
）項、第（３）項又は第（４）項に記載の分子線結晶成
長方法。
（５）ガスエッチング室内にＶ族元素蒸気圧を与えるた
めに、Ｖ族元素を分子線セル１２、１３によつて基板に
当てるようにした特許請求の範囲第（１）項、第（２）
項又は第（３）項に記載の分子線結晶成長方法。
（６）エッチングガスをガス導入口に設けた加熱装置に
よつて加熱し２００℃〜１２００℃にしてガスエツチン
グ室内へ導入するようにした特許請求の範囲第（２）項
、第（３）項、第（４）項、又は第（５）項に記載の分
子線結晶成長方法。
（７）Ｖ族元素の水素化合物ガスをガス導入口に設けた
加熱装置によつて加熱し２００℃〜１２００℃にしてガ
スエッチング室内へ導入するようにした特許請求の範囲
第（４）項又は第（６）項記載の分子線結晶成長方法。
（８）分子線結晶成長室１と、基板ホルダを支持でき回
転機構６によつて回転しうるマニピュレータ８、排気装
置９、エッチングガス又はエッチングガスとＶ族の水素
化合物ガスを導入するためのガス導入口１０、１１と、
Ｖ族元素を基板に向けて飛ばすための分子線セル１２、
１３とを有するガスエッチング室３と、ガスエッチング
室３と分子線結晶成長室１との間の連結口を仕切る１以
上の真空バルブ１４、１６と、ガスエッチング室３と外
部との連結口を仕切る１以上の真空バルブ５、１７と、
ガスエッチング室３、分子線結晶成長室１、その他のチ
ャンバ間の基板の移送を行う基板搬送機構１５とより構
成される事を特徴とする分子線結晶成長装置。
（９）ガスエッチング室３のガス導入口１０、１１には
導入ガス加熱装置４０、４１を設けてある特許請求の範
囲第（８）項記載の分子線結晶成長装置。
（１０）分子線結晶成長室１と、ガスエッチング室３と
の間に、排気装置２１を備えた排気予備室２を設け、真
空バルブ１４によつてガスエッチング室３との間を仕切
り、真空バルブ１６によつて分子線結晶成長室１との間
を仕切るようにした特許請求の範囲第（８）項又は第（
９）項記載の分子線結晶成長装置。
（１１）ガスエッチング室３は、石英又はステンレスで
構成されている特許請求の範囲第（８）項、第（９）項
又は第（１０）項に記載の分子線結晶成長装置。
（１２）ガスエッチング室３の中に、マニピュレータ８
によつて保持された基板を加熱するための基板加熱装置
７を設けた特許請求の範囲第（８）項、第（９）項、第
（１０）項又は第（１１）項に記載の分子線結晶成長装
置。
（１３）ガスエッチング室３の前段に、排気装置２２を
有する基板導入室４を有し、真空バルブ５によつて、両
者の連結口が開閉でき、基板導入室４の入口には真空バ
ルブ１７を設けてある特許請求の範囲第（８）〜第（１
２）項のいずれかに記載の分子線結晶成長装置。