JPS63120412A - 化合物半導体結晶製造装置 - 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〉 この発明は化合物半導体結晶製造装置に関し、さらに詳
細にいえば、基板上に厚さ並びに種類の異なる層を交互
に、周期的に積層して、マイクロ波素子、或は発光・受
光素子として使用する単結晶薄膜周期構造を形成するこ
とができる化合物半導体結晶製造装置に関する。

〈従来の技術〉 従来から、化合物半導体デバイス、特に光デバイスの製
法とｊ、て、薄い−様な層の成長、成分元素組成比の制
御の容易さからエピタキシャル成長方法が一般的に利用
されている。なかでも、最近特に注Ｌｌさイ１ている技
術として、分子線エピタキシャル成長方法（以下、ＭＢ
Ｅ成長法と略称する）が知られており、例えばｙ、’ｒ
、’ｒｓａｎｇにより日経エレクトロニクスｔ＠３０８
，１６３　（１９８３）において、ＭＢＥ成長法並びに
薄膜周期構造を利用したデバイスが詳細に説明されてい
る。

このＭＢＥ成長法に従えば、発光部に厚さ数１０八〜数
１００八程度の種類の異なる超薄膜層をアロイ・クラス
タの形成なしに交互に、周期的に積層することににす、
第７図に示すような多重量子井戸型レーザを製造するこ
とが可能となる。尚、図において（Ａ）はｐ型Ｇａ　Ａ
ｓ、（Ｂ）はｐ型Ｇ　ａ　ｘ　Ａｌ　（ｉ−Ｘ　）Ａ　
ｓ　−（Ｃ）はノンドープＧ　ａＡＳウェル、（Ｄ）は
ノンドープＧａｘＡ１（１−ｘ）Ａｓバリア、（Ｅ）は
ｎ型Ｇ　ａ　　Ａ　Ｉ　（１−ｘ）　Ａ　Ｓ　−（Ｆ）
はｉｌ型Ｇａ　Ａｓである。

従来の■−Ｖ族化合物半導体薄膜周期構造形成のための
ＭＢＥ成長法においては、例えば第８図に示すように、
成長室（３１）内において基板ホルダ（３５）上に基板
を保持し、かつ保持位置が、両セル（３２）　（３３）
の中心軸が交差する位置に設定されている。そして、両
セル（３２）（３３）に収納されている原料（３２ａ）
　（３３ａ）から蒸発した原料の分子線の、基板（３４
）に対する照射を制御するだめのセルシャッタ＜３２ｂ
）　（３３ｂ）が上記両セルＣ（２）（３３）に取イ４
けられており、セルシャッタ（３２１））（３３１〕）
を交互に所定の周期で開閉することにより、選択的に一
方の原料の分子線を基板（３４）に照射し１、基板（３
４）上に種類が異なる化合物半導体薄膜を交互に周期的
に形成することができる（特開昭５７−４７１Ｈ号、お
よび特開１Ｍ？　５’ｌｌ　ｌ　８９９号公報参照）。

また、成長中の膜の格子定数の、基板の格子定数に対す
る相対値を測定することによりセルシャッタの開閉を制
御するようにしたもの（特開昭５８−１９４７９５号公
報参照）、および 成長室、およびセルの高真空条件を保持したままで、セ
ル内に対する原料の供給を行なうことができるようにし
たもの（特開昭５８−１９４７９６号公報参照）等も提
供されていた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 １−記何れのＭＢＥ成長法においても、セルと成長室と
の相対位置関係は、互に所定の相対位置関係を保持させ
た状態で固定されているか、或は、セルに収容されてい
た原料粒子の飛行方向のみにセルが移動可能に取付けら
れているのみである。

し、たがって、セルからの原料粒子が基板に入射する際
の入射角度を変化させることが全く不可能であるという
問題がある。

さらに詳細に説明すると、例えば、第５図、および第６
図に示す２種類の構成で種類が互に異な＝　　５　− る結晶成長を行なわせようとする場合においても、原料
粒子の入射方向が一方向に限定されてしまうことになる
。具体的には、−に記第６図に示す構成の場合には、複
数枚の小面積の基板ウエノ１上に薄膜多層周期構造の成
長を行なわせることができ、第５図に示す構成の場合に
は、１枚の大面積の基板ウェハ上に混晶化合物半導体の
成長を行なわせることができる。そして、第６図の場合
において各小面積の基板ウェハ上での成長層の面内分布
を最も良好な状態にするためのセルの向きと、第５図の
場合において大面積ウェハ］″、での成長層の面内分布
を最も良好な状態にするためのセルの向きとは著しく異
なる。

しかし、セルの向きは予め設定されており、成長室内の
高真空を保持するためには、上記何れかの様式に基く成
長を行なう場合における面内分布を良好にすることがで
きる状態のままで他方の様式に基く成長を行なわせなけ
ればならないことになり、成長層の面内分布を良好にす
ることができないという問題がある。

−６＝ また、成長室の高真空を犠牲にしてセルの向きを変化さ
せようとした場合には、セルが大気により汚染される結
果、結晶成長膜中への不純物の混入が避けられなくなっ
てしまうという問題がある。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
成長室内の高真空を保持したままで、セルの向きを成長
様式に対応させて簡単に変化させることができる化合物
半導体結晶製造装置を提供することを目的としている。

く問題点を解決するための手段〉 」１記の目的を達成するための、この発明の化合物半導
体結晶製造装置は、各原料の基板に対する飛行軌跡を分
離する仕切り板と、所定位置に基板まで到達する原料の
飛行を許容するスリットを形成したマスクとを、上記成
長室外部に取付けられた回転導入部に連結しているとと
もに、上記セルを、基板に対する原料の入射角度を変化
させ得る状態で成長室に取付けているものである。

但し、上記セルとしては、移動ステージに対して取付け
られており、しかも移動ステージが、成長室の所定位置
に形成されたセルポートに対してベローズを介して気密
的に取付けられているものであることが好ましい。

また、上記仕切り板、およびマスクとしては、基板中央
部に対応する位置と、基板から全く離隔した位置との間
を移動可能に回転導入部と連結されたものであることが
好ましい。

さらに、上記基板としては、基板表面を含む面と垂直な
軸を中心として回転可能に支持されているものであるこ
とが好ましい。

く作用〉 以上の構成の化合物半導体結晶製造装置であれば、高真
空下に維持された成長室内でセル内に収納された複数種
類の原料を所定方向に飛行させ、上記成長室内に支持さ
れた基板表面に上記原料を付着させ、成長させる場合に
おいて、成長室外部に取付けられた回転導入部によりマ
スクを回動させることにより、各原料の基板に対する飛
行軌跡を仕切り板により分離した状態と、各原料の基板
に対する飛行軌跡を仕切り板によっては全く分離してい
ない状態とを簡単に選択することができる。

そして、上記各選択状態に対応させて、各原料を収容し
ているセルを、基板に対する原料の入射角度が最適値に
なるようにすることにより、良好な面内分布を有する状
態での化合物半導体結晶の成長を行なわせることができ
る。

さらに詳細に説明すると、大面積の基板ウエノ＼上に混
晶化合物半導体を成長させる場合には、各セルの向きを
、原料の飛行軌跡が上記基板ウニ／％の全面を均一にカ
バーする向きに設定することにより、全面にわたっての
面内分布を最小にすることができる。

逆に、小面積の基板ウェハ上に薄膜多層周期構造の成長
を行なわせる場合には、各セルの向きを、原料の飛行軌
跡が別々のスリットを通して対応する小面積基板ウェハ
の全面を均一にカバーする向きに設定し、かつ各セルか
ら飛行する原料が仕切り板にできるだけ当らないように
することにより、小面積基板全面にわたっての面内分布
を最小にすることかできる。

そして、上記セルが、移動ステージに対して取付けられ
ており、しかも移動ステージが、成長室の所定位置に形
成されたセルポートに対してベローズを介して気密的に
取付けられているものである場合には、成長室内の高真
空を保持したままで、セルの向きを自由に変化させるこ
とができ、成長様式に対応させて最適の原料入射角度を
選択することができる。

また、上記仕切り板、およびマスクが、基板中央部に対
応する位置と、基板から全く離隔した位置との間を移動
可能に回転導入部と連結されたものである場合には、小
面積の基板ウェハ上における成長、および大面積の基板
ウェハ上における成長とを簡単に選択することができる
。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明の化合物半導体結晶製造装置の一実施
例の内部を上から見た概略図、第２図は内部機構を示す
概略斜視図であり、成長室（１）の側壁所定位置にそれ
ぞれ■族第１−原料（２ａ）、■族第２原料（３ａ）を
格納するセル（２）　（３）を設けているとともに、成
長室（１）の内部所定位置に、内部にヒータ（５１）　
（第５図、および第６図参照）を有する基板ホルダ（５
］により基板（４）を回転可能に保持し、さらに成長室
（１）の内部における■放置子線相互の混合を防１トす
るための仕切り板１６）、および基板（４）に対する分
子線の照射領域を規制するマスク板（７）を、一体向に
回動可能に取（ツけている。

さらに詳細に説明すると、成長室（１）の所定位置に取
付けたフランジ（８）に対して回転可能に回転導入端子
（９）を１［２付けているとともに、成長室（１）の内
部に位置する支持棒哨を、上記フランジ（８）を気密的
に貫通させて回転導入端子（９）に連結している。

上記支持棒０（１は、先端寄り部がほぼ弧状に湾曲形成
されたものであり、弧状湾曲部に、成長室【１）の側壁
に向かって延びる仕切り板（６）、および基板（４）と
１Ｅ対１７得るマスク板（７）を一体向に取付けている
。

そして、上記マスク板（７）には、第４図に示すように
、仕切り板（６）を挟んで各セル（２）　（３）の中心
軸と正対する位置に、基板（４）を所定の中心角度で扇
状に露呈させることができるスリット（７ａ）　（７ｂ
）を形成し、ている。このスリット＜７ａ）　（７ｂ）
は、開口面積が固定されたものとし２て示されているが
、マスク板（７）を２枚重ねた構成とすることにより、
開口面積を変化させることができるものとすることもで
きる。また、−１−記基板（４）とマスク板（７）との
間隔は、例えば２ｍｌ１１以内に設定されている。

また、上記セル（２）　［３）の取付は構成は以下のと
おりである。但し、両爪イ１け構成は互に同一であるか
ら、以下においては、第３図に示す拡大図を参照しなが
ら、セル（′２３の取付は構成について説明する。

上記成長室（１］の所定位置に短寸の筒状のセルポー　
）　（２１）を形成しているとともに、セルボート（２
１）の外端縁部に形成されたフランジ（２２）を介して
ベロー（２３）の一端側を気密的に取付けている。

また、上記ベロー（２３）の他端側には、セル（２）を
支持するだめの移動ステージ（２４）を気密的に取付は
ている。そして、上記移動ステージ（２４）の所定位置
に、仮固定するための固定ねじ（２５）を取付けており
、−Ｊ−記セル［２）を、保持軸（２６）により移動ス
テージ（２４）に対して固定し５ている。

尚、上記セル（２）は、図示しないセルヒータ、および
熱量対を有しており、上記セルヒータに対して所定の電
力を供給するための端子（２７）、および熱量対からの
温度検出信号を取出して図示し、ないセル温度制御部に
供給するための端子（２８）を上記移動ステージ（２４
）を貫通する状態で取付けている。

以−１−の構成であれば、回転導入端子（９）を介して
支持棒哨とともに仕切り板（６）、およびマスク板（７
）を回動させることにより、仕切り板（６）、およびマ
スク板（７）を基板（４）から全く離隔した状態とすれ
ば、セル（２）　（３）に格納された■族第１原料（２
ａ）、■族第２原料（３ａ）からの分子線が同時に大面
積の基板（４〕に照射されて、混晶の結晶の成長を行な
うことができる。そして、この場合における上記各分子
線の基板（４）に対する入射角度は、固定ねじ（２５）
を緩めた状態で移動ステージ（２４）を移動させるとと
もに、セルボート（２１）に対する角度を変化させるこ
とにより、第５図に示すように、」１記基板（４）の全
範囲にわたって均一な原料の照射を行なうことができる
角度に設定し、角度設定が終了した後は、固定ねじ（２
５）を緊締することにより、セル（２）の向きを固定す
ることができるので、最適な入射角度での原料の照射を
行なわせ、面内分布が最小の状態で混晶化合物半導体結
晶を成長させることができる。

また、仕切り板〔６）、およびマスク板（７）を基板ホ
ルダ（５）の中央部に対応する状態とすれば、セル（２
）（３）に格納された■族第１原料（２ａ）、■族第２
原料（３ａ）からの分子線が、仕切り板（６）により互
に分離された状態で基板（４）に照射されて、超格子構
造の半導体薄膜の成長を行なうことができる。尚、この
場合における基板（４）は、小面積のものであり、マス
ク板（７）に形成されたスリット（７ａ）　（７ｂ）と
正対させ得る状態で基板ホルダ（！５）に取付けられて
いる。

そして、この場合における上記各分子線の基板（４）に
対する入射角度は、固定ねじ（２５）を緩めた状態で移
動ステージ（２４）を移動させるとともに、セルボート
（２１）に対する角度を変化させることにより、第６図
に示すように、上記各基板（４）の全範囲にわたって均
一な原料の照射を行なうことができる角度に設定し、角
度設定が終了した後は、固定ねじ（２５）を緊締するこ
とにより、セル（２）の向きを固定することができるの
で、最適な入射角度での原料の照射を行なわせることが
できる。そして、基板ホルダ（口を回転させることによ
り、面内分布が最小の状態で薄膜多層周期構造の成長を
行なわせることができる。

そして、」上記の各成長動作の切替は、成長室〔１〕内
の高真空状態を保持させたままで行なうことができ、セ
ル（２）　（３）等が大気に曝されることに起因する不
純物の混入を確実に防止することができる。

」１記の構成の化合物半導体結晶製造装置を使用して、
例えば、ＩｎＰ基板上に化合物半導体結晶を成長させた
場合には、以下のように優れた厚みの面内分布を達成す
ることができた。

但し、セルの数は合計３個であり、各セルにそれぞれＧ
ａ、Ｉｎ、ＡＳを収容し、セルポート（２１）の突出長
すは２ＣＩＩ、ベロー（２３）の非伸張状態における長
さは２０ｃｍ、保持軸（２６）の長さは２４備であり、
基板ホルダ〔Ｓの直径は６インチ、小面積の基板（４）
の直径は２インチ、大面積の基板（４）の直径は３イン
チの条件下において化合物半導体結晶の成長を行なった
。

上記の条件下においては、基板ホルダ（５］に対して小
面積の基板］４）を４枚取付けた状態で、第６図に示す
原料の照射を行なわせることにより、ＩｎＡａ層とＧａ
　Ａｓ層とからなる薄膜多層構造を上記四枚の基板〔４
〕の上に、１度の成長動作を遂行することにより形成す
ることができた。そして、この場合における基板面内に
おける厚みの分布は±０．３％以下であり、しかも、各
基板間における厚みの変動は測定限界以下であった。

また、基板ホルダ〔（ト）に対して大面積の基板を１枚
取付けた状態で、第５図に示す原料の照射を行なわせる
ことにより、Ｉｎ　　　Ｇａ　　　Ａｓから０．５３　
　　０．４７ なる混晶化合物半導体を形成することができた。

そして、この場合における基板面内における厚みの分布
は±１％以下であった。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば、薄膜周期構造の形成に必要なセルの数に対応
させて２個以上の仕切り板【■を回動可能に取付けるこ
とが可能である他、仕切り板【６）を基板ホルダ（口の
中央部に対応する位置に回動させた状態で、２種類の半
導体層を形成させるために必要な■族、および■族原料
を備えた複数のセルをそれぞれ仕切り板Ｓ）の両側に取
付けることにより種々の半導体薄膜周期構造を形成する
ことが可能であり、その他、この発明の要旨を変更しな
い範囲内において種々の設計変更を施すことが可能であ
る。

（発明の効果〉 以上のようにこの発明は、仕切り板とマスク板とを成長
室外部に取付けた回転導入部と連結しているとともに、
原料を収容したセルを、基板に対する原料の入射角度を
変化させ得る状態で成長室に取付けているので、成長室
内部における高真空を保持させたままで、分子線相互の
混合を防止して化合物半導体薄膜を成長させる状態と、
分子線を混合させて混晶半導体結晶を成長させる状態と
を、成長室内部の高真空を保持させた状態で、簡単に切
替えることができるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は化合物半導体結晶製造装置の一実施例の内部を
上から見た概略図、 第２図は内部機構を示す概略斜視図、 第３図はセル取付は部を詳細に示す拡大図、第４図はマ
スク板の構成を示す正面図、第５図は薄膜多層構造を形
成する場合における原料の飛行軌跡を説明する概略図、 第６図は混晶半導体結晶を成長させる場合における原料
の飛行軌跡を説明する概略図、第７図は多重量子井戸型
レーザを示す概略図、第８図は従来のＭＢＥ成長装置を
示す概略図。 （１）・・・成長室、（２１（３）・・・セル、（２ａ
）・・・■放電１原料、（３ａ）・・・■放電２原料、
（４）・・・基板、（５）・・・基板ホルダ、（６）・
・・仕切り板、（刀・・・マスク板、（７ａ）　（７ｂ
）・・・スリット、（９）・・・回転導入端子、（２３
）・・・ベロー、（２４）・・・移動ステージ特許出願
人　　住友電気工業株式会社 代　　理　　人　　　弁理士　　亀　　井　　弘　　勝
（ほか３名） ３２３１ｊ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高真空下に維持された成長室内でセル内に収納され
   た複数種類の原料を所定方向に飛行させ、上記成長室内
   に支持された基板表面に上記原料を付着させ、成長させ
   る化合物半導体結晶製造装置であって、 各原料の基板に対する飛行軌跡を分離する仕切り板と、
   所定位置に基板まで到達する原料の飛行を許容するスリ
   ットを形成したマスクとを、上記成長室外部に取付けら
   れた回転導入部に連結しているとともに、上記セルを、
   基板に対する原料の入射角度を変化させ得る状態で成長
   室に取付けていることを特徴とする化合物半導体結晶製
   造装置。 ２、セルが、移動ステージに対して取付けられており、
   しかも移動ステージが、成長室の所定位置に形成された
   セルポートに対してベローズを介して気密的に取付けら
   れているものである上記特許請求の範囲第１項記載の化
   合物半導体結晶製造装置。 ３、仕切り板、およびマスクが、基板中央部に対応する
   位置と、基板から全く離隔した位置との間を移動可能に
   回転導入部と連結されたものである上記特許請求の範囲
   第１項記載の化合物半導体結晶製造装置。 ４、基板が、基板表面を含む面と垂直な軸を中心として
   公転または自転可能に支持されており、かつ一回転する
   間のスリットを通る時のみ原料が付着するように構成さ
   れている上記特許請求の範囲第１項記載の化合物半導体
   結晶製造装置。