JPS63310792A - 分子線エピタキシ−装置の原料補給装置 - 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】 （７）技術分野 この発明は、真空状態を破る事なく、原料を分子線源セ
ルに補給できるようにした分子線エピタキシー装置に関
する。

分子線結晶成長装置又は分子線エピタキシー装置は、超
高真空中で、原料を加熱して蒸発又は昇華させて分子線
とし、加熱されな基板へ当て、基板表面の原子に化学吸
着させる事により、エピタキシャル薄膜を成長させる装
置である。

分子線結晶成長装置は、いくつかの高真空室からなって
いる。そのうちのひとつが、分子線結晶成長室であって
、ここで、分子線エピタキシーが行なわれる。

その他にも、試料準備室、分析室、試料取出し室、ガス
エツチング室などを設けるものもある。目的によって、
多様な真空室を組合わせる。

これらの真空室は、連絡管で連結されている。

連絡管にはゲートバルブがあるので、各真空室を仕切る
事ができる。

また、搬送装置があって、真空室間で基板を移動できる
ようになっている。

基板は、ＧａＡｓウェハ、ＩｎＰウェハ、Ｓｉウェハな
ど半導体ウェハである事が多い。基板単独では、物理的
な強度がないし、確実に把持するのが雅しいので、基板
ホルダに固着する。

基板ホルダはＩｎ金属を用いるものと、用いないものが
ある。Ｉｎ金属を用いるものは、例えばＭＯの円板に基
板をＩｎで張りつけるようになっている。

全ての真空室は、独立した真空排気装置を備えている。

いずれも、１０−８〜ｌ　Ｑ−９Ｔｏｒｒ程度の高真空
に引くことができる。

分子線結晶成長室は、これらの真空室の中で最も重要な
ものである。

（イ）分子線結晶成長室 分子線結晶成長室は、真空排気装置の他に、適数の分子
線源、液体窒素シュラウド、ビューポート、基板ホルダ
を支持するためのマニピュレータなどを備えている。

分子線源セルは、たとえば６〜１０個設けられる。いく
つの分子線源セルを使用するか、という事はエピタキシ
ャル成長膜の組成による。

ＧａＡＳエピタキシャルの場合（ｚｌ、　Ａｓ　、　Ｓ
ｉ　、　ｋｌなどの分子線源セルが必要である。

分子線源セルは、原料を入れて溶融するためのルツボ、
原料を加熱するためのヒータ、熱遮蔽板、熱電対、超高
真空フランジなどよりなっている。

分子線源セルは、原料を加熱して、蒸発又は昇華するも
のである。原料を１回充填すれば、５０〜１００回の分
子線エピタキシーを行なう事ができる。エピタキシャル
成長の一回分で消費される原料の量は僅かなものである
。

しかし、何回も成長をくりかえすと、原料が消費され、
ルツボが枯渇してくる。

すると、原料を補給しなければならない。このため、超
高真空を破って、分子線結晶成長室を大気圧下にさらさ
なければならない。そして分子線源セルを取外し、ルツ
ボに新たな原料を充填する。分子線源セルを再び取付け
、分子線結晶成長室を真空引きしなければならない。

いったん大気圧にすると、分子線結晶成長室の内部にガ
ス分子が付着するし、内部が汚染される。再び超高真空
にするのに長い時間がかかる。極めて不能率である。

従来の分子線源セルは、このように、真空を破って原料
を補給するしか方法がなかった。

（つ）従来技術 しかし、超高真空を破らないで原料を補給できるのが最
も好都合である。もしもこのようにできれば、真空に引
くための時間を大幅に節減できる。なにより、成長室の
内部をガスで汚染するという惧れかない。

そこで、超高真空を破ることなく、固体原料を分子線源
セルに補給できるようにした装置が考えられた。第２図
に縦断面図を示す。このような原料補給機構を備えた分
子線結晶成長室は未だ僅かな数しか作られていない。多
くの分子線結晶成長装置は、未だ真空下での原料補給機
構を持っていない。

第２図に於て、成長室チャンバ１の、分子線源セル取付
位置に、ゲートバルブ３５を介して、伸縮できる分子線
源セルが取付けられる。セルの外形は、ゲートバルブ３
５に固定される直円筒部１５、これに続く伸縮自在のベ
ローズスライド機構３、超高真空フランジ１４などより
なっている。

クヌードセンセル４は、ルツボ１１とヒータ１２、及び
熱遮蔽板（図示せず）よりなっている。クヌードセンセ
ル４は支柱１３によって、超高真空フランジ１４に固定
される。

分子線源セルは、独自の真空排気装置３６を備える。

分子線結晶成長を実行している間はクヌードセンセル４
が、一点鎖線で示すＸ位置にある。

ベローズスライド機構３が収縮状態にある。ゲートバル
ブ３５が開いている。

原料が枯渇すると、補充しなければならない。

このため、ベローズスライド機構３を伸長させる。実線
で示すＹ位置へクヌードセンセル４が移動する。

ゲートバルブ３５を閉じる。このため、以後も、成長室
チャンバ１の超高真空が維持される。

ゲートバルブ３５より先端の方で、分子線源セルの直円
筒部１５を取り・はずす。実際には、フランジ３７を取
り外す。

分子線源セルは大気圧下になる。

ルツボ１１に原料を補給する。さらに、フランジ３７に
於て、ゲートバルブ３５に再び取りつける。真空排気装
置３６によって、分子線源セルの内部を真空に引く。

十分な真空度に達してから、ゲートバルブ３５ヲ開＜。

ベローズスライド機構を収縮させる。

クヌードセンセルは、Ｘ位置になる。

このようにして、原料を補給する事ができる。

この機構によれば、成長室チャンバ１の超高真空を破る
必要がない。したがって成長室チャンバ内部が汚染され
ない。超高真空に引くための時間が不要になる。

このような利点があった。

に）従来技術の問題点 しかし、第２図に示す原料補給機構には、次の難点があ
る。

（１）　　フランジ３７を再びゲートバルブフランジに
取付ける時、締付不良で、リークがある、という事があ
る。この場合、フランジ３７を外して、再び取付けなけ
ればならない。

（２）’ｒ’−）バルブ３５が成長室チャンバ１の空間
からみて下方に位置している。成長室チャンバ内には原
材料が固化したフレーク状の堆積物がある。この堆積物
が、ゲートバルブのシール面へ落下するという可能性が
ある。すると、ゲートバルブのシール性が損われる。つ
まりゲートバルブでリークして、超高真空が維持されな
い。

この場合、成長室の真空を破り、大気を導入してから、
ゲートバルブを取外し、分解して、洗浄しなくてはなら
ない。

すると、その作業中、分子線結晶成長装置を使う事がで
きない。多大の時間を浪費する。生産性を低下させる。

また、ゲートバルブの分解、洗浄、再取付という作業自
体、煩瑣である。

（３）原料をルツボに補給した後、分子線源セルを真空
排気する間、ヒータに通電しルツボを加熱し、補給原料
に付着したガスを抜くようにする事が望ましい。真空排
気装置で引くだけでは、なかなか脱ガスできないからで
ある。

そうすると、ルツボから蒸発した原料がゲートバルブの
弁体裏面に付着する。これはゲートバルブ故障の原因と
なる。

（４）　　また、ヒータによる脱ガスに於て、ヒータか
らの輻射熱がゲートバルブを加熱する。これがゲートバ
ルブ故障の原因となる。

（５）　　このような事があるので、原料補給後、加熱
して脱ガスをするという工程を行なわないとすれば、真
空度が上がりにくいという欠点がある。

００　　　目　　　的 成長室チャンバの超高真空をそこなう事なく、原料を補
給できる機構であって、ゲートバルブに成長室からの堆
積物が落下する事のないようにした分子線源セルを与え
ることが本発明の第１の目的である。

原料補給後、ヒータによって脱ガスをした時に、蒸発物
がゲートバルブに付着しないようにした分子線源セルを
与える事が本発明の第２の目的である。

原料補給後、ヒータにより脱ガスした時、ヒータよりの
輻射熱がゲートバルブを損傷しないようにした分子線源
セルを与えることが本発明の第３の目的である。

（２）構成 第１図は本発明の分子線結晶成長室の概略断面図である
。

これにより、本発明に於ける、分子線源セルの原料補給
機構を説明する。

成長室チャンバ１は密閉できる空間である。

ステンレスで作る事が多い。アルミに耐蝕材料をコーテ
ィングしたもので作る事もある。

液体窒素シュラウド２が、成長室チャンバ１の内壁にそ
って設けられる。

真空排気装置１０が成長室チャンバ１の内部を、１０″
１１〜１０−１°Ｔｏｒｒの超高真空にすルタメニ設置
される。

他の真空室との連絡管にはゲートバルブ２３がある。

マニピュレータ２４は、基板ホルダ２６を支持し回転す
るものである。基板ホルダ２６の表面には基板２７が保
持されている。基板ヒータ２５が基板２７を適当な温度
になるよう加熱している。

サラニ、成長室チャンバ１の器壁には、適数の分子線源
セルが設けられる。ここでは、２つの分子線源セルＡ、
Ｂを示している。実際には４〜ＩＯの分子線源セルを設
ける。

ただし、これらの分子線源セルのうち、全てを、ここに
示す原料補給機構付きのものにする必要はない。消費量
の多い元素の分子線源セルだけに限ってもよい。消費量
の少い元素の分子線源セルは、従来通りの原料補給機構
のないものでもよい。

たとえば、ＳｉドープＧａＡｓエピタキシャル層を作る
という場合、ＣａとＡｓの分子線源セルだけを原料補給
機構付きとし、Ｓｉの分子線源セルは原料補給機構がな
いものとしてもよい。

分子線源セルＡ、Ｂは等価なものであるが、Ａは補給中
の状態を、Ｂは補給後の状態を例示している。

分子線源セルは、ステンレスなどで作られた直円筒部１
５と、これに直線状に続いて設けられるベローズスライ
ド機構３と、直円筒部１５の側方に設けられる分岐管部
１６と、ゲートバルブ５、予備室６などよりなる。

ベローズスライド機構３の底部には、ステンレスなどの
超高真空フランジ１４が取付けられている。超高真空フ
ランジ１４から支柱１３が立ててあり、先端にクヌード
センセル（ＫｎｕｄｓｅｎＣｅｌｌ）４が固着しである
。ここでは、１本の支柱１３だけを示しているが、実際
には、複数本設けた方が支持構造が安定する。

クヌードセンセル４は、通常のものと同じ構造である。

ルツボ１１とヒータ１２及び熱遮蔽板よりなっている。

測温のための熱電対もあるが、簡単のため図示を略した
。

直円筒部１５の上端はフランジ２１になっていて、成長
室チャンバ１のフランジ２０にボルトで固定される。

クヌードセンセル４は、ベローズスライド機構３の作用
によって昇降できる。分子線源セルＡは下降位置Ｙにあ
るものを例示している。分子線源セルＢは上昇位置Ｘに
あるものを例示している。

分岐管部１６は直円筒部１５に対してほぼ直角に形成さ
れている。

予備室６は原料補給のために作られた空間である。

予備室６は、原料２９を補給するための補給部３０と、
この後方に続く長い後管部３１と、前方に続く短い前管
部３２とよりなる。前管部３２の端はフランジ３３とな
っている。

予備室６も、独立の真空排気装置３６を備える。

分岐管部のフランジ３４と、予備室のフランジ３３とが
ゲートバルブ５の両側に固着される。

予備室６の中を、操作捧８が、マグネットカップリング
式操作機構７によって、長手方向に運動できるようにな
っている。

操作棒８の前端には受け皿９が取付けである。

操作棒８の後端には、従動磁石１８が取付けである。こ
れらは、予備室６の中を動きうる。

予備室６の後管部３１の外側には、主動磁石１９が設け
である。従動磁石１８と主動磁石１９とは、磁力によっ
て、遠隔的に結合している。

主動磁石１９を回転する事により、従動磁石１８を回転
させる事ができる。主動磁石１９を進退する事により、
従動磁石１８を進退させる事ができる。つまり直線運動
と回転運動とを伝達する事ができる。

マグネットカップリング式操作機構７は、大気中にある
主動磁石１９によって、真空中にある操作棒８と受け皿
９とを、直進、回転させるものである。

（１）作用 分子線を発生させる時は、ルツボ１１、ヒータ１２より
なるクヌードセンセル４を、成長室チャンバ１の中の、
Ｘ位置に固定する。ヒータ１２で原料を加熱し、原料を
蒸発、気化させる。

シャッタ２２を開けば、基板２７に向って分子線が飛ぶ
。

この時、ゲートバルブ５は閉じている。

原料を補給するには、予備室蓋１７を開き、受け皿９に
原料２９を入れる。この時、補給部３０に受け皿９が位
置するようにする。

予備室蓋１７を閉じる。真空排気装置３６によって、予
備室６の内部を真空に引く。

ベローズスライド機構３を伸長させ、空になったクヌー
ドセンセル４をＹ位置まで後退させる。

ゲートバルブ５を開く。マグネットカップリング式操作
機構７を操作して、受け皿９を前進させ直円筒部１５ま
で移動させる。分子線源セルＡはこの状態にある。

主動磁石１９を回して、受け皿９をひつくり返す。原料
２９がルツボ１１の中へ入る。

操作機構７を操作して、受け皿９を、予備室６内へ後退
させる。ゲートバルブ５を閉じる。

ベローズスライド機構３を収縮して、クヌードセンセル
４をＸ位置まで上げる。

これで原料の補給が終了する。以後、再び分子線結晶成
長を続ける事ができる。

注意すべき事は、原料の補給中に於て、成長室チャンバ
１の真空を破る必要がないという事である。

また、成長室チャンバ１がらみて、ゲートバルブ５が直
視できる位置にないから、成長室の７１／−り状の堆積
物が落下しても、ゲートバルブ５の弁体、弁座には至ら
ない。ゲートバルブのシール性を損う惧れかない。

（り）効果 第２図のものに比較して、本発明の顕著な効果を述べる
。

（１）原料補給のため、分子線源セルをフランジから取
外す必要がない。このため手間が省ける。

原料補給後、フランジをゲートバルブに取付けるという
必要もない。当然、リークチェックの必要もない。

煩労な動作を不要とする。

フランジの着脱に比べて、本発明では、予備室蓋１７の
開閉動作だけで済み、極めて簡単である。

（２）　　ベローズスライド機構がゲートバルブを介さ
ず、直接に成長室チャンバに結合されている。

このため、原料からガス抜きをするために、クヌードセ
ンセルをヒータによって加熱しても、何ら問題が生じな
い。

輻射熱はゲートバルブ５に当たらない。またクヌードセ
ンセルから出る分子線もゲートバルブ５に当たらない。

輻射熱、分子線に起因したゲートバルブの故障を少くす
ることができる。

（３）成長室内の堆積物が、直接にゲートバルブのシー
ル面（弁体、弁座）に落ちない。ゲートバルブのシール
不良事故が著しく低減する。

（４）　　このように真空を破ることなく原料補給を行
なう事のできる装置を全く備えていない、既存の分子線
エピタキシー装置に於ても、本発明の装置を附加する事
ができる。既存の分子線源セルをフランジ２０から取外
し、かわりに本発明の分子線源セルを、フランジ２０に
固着すればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分子線エピタキシー装置の概略縦断面
図。 第２図は従来例にかかる分子線エピタキシー装置の概略
縦断面図。 １・・・・・・成長室チャンバ ２・・・・・・液体窒素シュラウド ３・・・・・・ベローズスライド機構 ４・・・・・・クヌードセンセル ５・・・・・・ゲートバルブ ６・・・・・・予備室 ７・・・・・・マグネットカップリング式操作機構８・
・・・・・操作捧 ９・・・・・・受け皿 １０・・・・・真空排気装置 １１・・・・・・ルツボ １２・・・・・・ヒータ １３・・・・・・支　柱 １４・・・・・・超高真空フランジ １５・・・・・・直円筒部 １６・・・・・・分岐管部 １７・・・・・・予備室蓋 １８・・・・・・従動磁石 １９・・・・・・主動磁石 ２０　、２１・・・・・・フランジ ２２・・・・・・シャッタ ２３・・・・・・ゲートバルブ ２４・・・・・・マニピュレータ ２５・・・・・・基板ヒータ ２６・・・・・・基板ホルダ ２７・・・・・・基板 ２９・・・・・・原料 ３０・・・・・・補給部 ３１・・・・・・後管部 ３２・・・・・・前管部 ３３．３４・・・・・・フランジ ３５・・・・・・ゲートバルブ ３６・・・・・・真空排気装置 ３７・・・・・・フランジ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空排気装置１０と、基板を保持するマニピュレータ２
   ４と、液体窒素シュラウド２と、ルツボ１１、ヒータ１
   ２を備えた適数の分子線源セルを有する分子線エピタキ
   シー装置の全部或は一部の分子線源セルに原料を補給す
   るための機構であつて、成長室チャンバ１に取付けられ
   る直円筒部１５と、直円筒部１５の他端に伸縮自在に設
   けられるベローズスライド機構３と、ベローズスライド
   機構３の後端に取付けられた超高真空フランジ１４と、
   ルツボ１１、ヒータ１２、遮蔽板よりなるクヌードセン
   セル４を超高真空フランジ１４に対して支持する支柱１
   ３と、前記直円筒部１５の側方に形成された分岐管部１
   ６と、原料を補給するための補給部３０と管部３２、３
   １と補給部３０を開閉する予備室蓋１７とよりなる予備
   室６と、予備室６と分岐管部１６との間に設けられるゲ
   ートバルブ５と、原料２９を入れる事のできる受け皿９
   を前端に備え、後端に従動磁石１８を有し予備室６、分
   岐管部１６、ゲートバルブ５の中を進退できる操作捧８
   と、予備室６を真空に排気するための真空排気装置３６
   と、予備室６の外側にあつて従動磁石１８を回転進退さ
   せるための主動磁石１９とよりなる事を特徴とする分子
   線エピタキシー装置の原料補給装置。