JPS6356913A - 低パワ−多数枚成長用基板ホルダ - 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】 刀技術分野 この発明は、分子線結晶装置に於て用いられる低パワー
多数枚成長用基板ホルダに関する。

分子線エピタキシーは、半導体結晶基板（ウェハ）の上
に、同種又は異種の材料を結晶軸を整合させながら単結
晶を成長させてゆく技術である。

液相エピタキシー（ＬＰＥ）、気相エピタキシー（ＶＰ
Ｅ）に比べて、制御性に優れ、複数のエピタキシャル成
長膜を連続して形成できるなどの長所がある。

分子線エピタキシャル成長装置は、超高真空に引かれる
分子線結晶成長室と、これに続く、試料準備室、分析室
などよりなっている。いずれも高真空に引く事ができる
。ゲートバルブによす、相互につながっている。

半導体基板はＭＯ製の基板ホルダに固定され、装置内へ
入れられる。装置の内部ｔては基板ホルダを搬送する搬
送装置がある。

試料準備室から、基板ホルダは、順次、分子線結晶成長
室の中央に設けられたマニピュレータへ搬送される。

分子線結晶成長室は、超高真空（１０Ｔｏｒｒ）になり
うる密閉空間である。壁面にそって、液体窒素を充填し
たシュラウドが設けられる。

斜め下方には、極数の分子線源セルが設けられる。るつ
ぼ、ヒータ、熱遮蔽板、ハ電対よりなる分子線源セルで
あって、分子線になるべき原料をるつぼに入れ、加熱し
て蒸発させる。或は固体から直接に昇華させる。

超高真空であるので、分子の平均自由行程が長い。分子
はるつぼから直進して、半導体基板に当たる。

半導体基板の上に、分子が結晶を形成してゆくために、
基板は、かなり高温に加熱されていなければならない。

しかも、基板の温度は面内で一様である事が望ましい。

基板を加熱するため、基板の裏面にはヒータが設けられ
る。

又、エピタキシャル成長が一様になされるため、基板は
回転している事が多い。

しかし、ヒータは回転しない。従って、基板の温度は、
回転方向には一様になるが、半径方向に温度を一様にす
るのは難しく、ヒータの分布などに特別の配慮が必要で
ある。

さて、ヒータによって、強く基板が加熱されるが、ヒー
タの熱によって分子線結晶成長室の全体の温度が上って
しまってはならないので、分子線結晶成長室の壁面近く
に、液体窒素を充填したシュラウドが設けられる。

液体窒素は熱を吸収すると気化してしまう。

気化して失われた液体窒素Ｌｉｑ　Ｎ２は補給しなけれ
ばならない。

結局、ヒータのパワーが大きければ、液体窒素の消費量
が大きくなるわけである。

イ）従来技術 従来の分子線結晶成長装置は研究用のものが主であって
、１枚成長タイプであった。

つまり、１枚の半導体基板の上に、エピタキシャル成長
するのである。この場合、基板ホルダ）之１枚の基板を
保持するだけである。基板ホルダの回転中心は基板の中
心に合致していた。ヒータの分布も、基板の面積にほぼ
一致させる事ができる。

研究用であれば、１枚成長タイプであって差支えない。

しかし、実際にこの基板を使って電子デバイスを量産す
るという場合、１枚成長タイプでは時間がかかりすぎて
、生産性に乏しい。

気相エピタキシーＶＰＥ１液相エピタキシーＬＰＨに於
ても、多数枚の基板を同時に処理する方法が既に確立さ
れている。

分子線エピタキシーＭＢＥに於ても、量産できるような
方法と装置が望まれる。このようなわけで、近年、量産
タイプのＭＢ］ｌｉ：装置が注目され始めてきた。

量産タイプのＭＢＥ装置として考えうろのは、（１）成
長室を複数個設ける方法 各成長室で一枚ずつエピタキシーを行なう。

Ｍ個の成長室があれば、同時にＭ枚の基板のエピタキシ
ーが行なわれる事になる。

（２）複数枚同時成長させる方法 成長室はひとつである。基板ホルダにＮ枚の基板を取り
付け、Ｎ枚の基板へ同時に分子線源セルからの分子線を
当てる。

というふたつの方法である。この内、本発明は（２）の
カテゴリーに属する。

４枚同時成長の例で説明する。

第７図はそのヱうな基板ホルダの正面図、第８図は縦断
面図である。

基板１は４枚あって、互に直角をなす方向に於て、基板
ホルダ２に取付けられている。

基板ホルダ２は、単なる円環ではない。平板状であって
、４筒所に於て、基板受は穴１３が穿孔されている。基
板受は穴１３は段部を中途に有する穴であって、内径が
２（の部分と、Σの部分とがある。Ａ〈Σである。基板
の直径をＷとすると１、＼　　＜Ｗ＜　　　Σ　　　　
　（１）である。

内径の狭い部分の線によって、基板１の裏面の周縁が支
持されるから、これを基板受座１４という。

基板１の反対側の面の周縁を押えるために、円環状の基
板固定リング１５が設けられる。これは基板の数だけで
ある。

基板１を、基板ホルダ２の基板受は穴１３へ入れ、基板
受座１４に当てた後、基板固定リング１５を基板ホルダ
２に固定する。これは、針金によって取付ける事ができ
る。

基板ホルダ２は、回転軸筒１０の開口端に、ホルダ固定
ピン１６により取付けられている。

回転軸筒１０は、基板ホルダ２を回転支持する。

基板ホルダ２の背面には、基板１を加熱するためのヒー
タ３がある。ヒータ３の背面には、複数枚の反射板４が
設けられる。これはヒータからの輻射を遮断し、これを
反射して、前方へ戻すものである。

ヒータ３、反射板４などは固定軸筒９により支持されて
いる。これは回転しない。

固定軸筒９と回転軸筒１０の間にはベアリング８が介装
されている。

熱電対８が、基板ホルダ２の裏面にあり、基板ホルダ２
の温度をモニタしている。

このようにすると、同時に４枚の基板についてエビクキ
シーを実行できるから、生産性が４倍に向上する。

（つ）発明が解決すべき問題点 多数同時成長クイブのＭＢＥ装置は、１枚成長タイプの
ものと異なり、いくつかの問題がある。

ＭＢＥ装置では、ヒータで基板を加熱しながら、分子線
を基板へ向って飛ばす。基板に当った分子は、基板上で
結晶を形成する。

基板の温度は、エピタキシャル成長の重要な条件である
。しかも、良好に成長を行なうために必要な基板温度は
かなり高い。ＧａＡｓ基板の場合、この温度は６００°
Ｃ〜７００°Ｃに達する。

ヒータ３の分布は、基板の裏面に対応するようにしたと
しても、ヒータの熱は基板だけを選択的に加熱するわけ
ではない。

基板ホルダ２も、ヒータ３に工って加熱される。

基板ホルダ２及び基板１．１、・・・・・・は、基板ホ
ルダの中心０のまわりに回転する。ヒータ３は固定され
ている。

従って、基板１も、基板ホルダ２も等しく　’、’ＪＯ
塾されろ。いずれも加熱され一定の温度になる。

一定の温度になったという事は、夢の流入と流出が等し
いという事である。基板１、基板ホルダ２は、ヒータに
ニリ裏面から熱せられる。平衡状態に於ては、これと同
じだけの熱量を前方へ輻射している事になる。

この輻射熱によりシュラウドが加熱され、液体窒素が気
化し失われる。液体窒素消費量と、ヒータ輻射熱とは、
はぼ比例する。

基板１は加熱しなければならないが、基板ホルダ２は加
熱する必要がない。基板ホルダ２を加熱するのは無駄で
ある。基板ホルダ２を加熱するのに用いられたヒータの
熱は無駄に失われた事になる。

ヒータの熱が無駄に失われたという事だけでなく、この
熱を補償するための液体窒素も無駄に失われる、という
事である。

基板ホルダ２の面積Ｓを小さくすれば良いはずである。

しかし、これができない。・１枚のウェハを支持するホ
ルダにはＥうしでも、余分な面積が必要なのである。

これについて説明する。

４枚と限定せず、基板の数をトＩとする。これが、Ｎ回
対称の位置に置かれるものとする。

第５図はｌ＝４の例を示す。ホルダの直径をＨ１基板の
直径をＷとする。

隣接する基板の最小距離をσＷとする。

σＷとするのは、寸法をＷにより規格化するためである
。σは０〜１の正数である。

σＷの大きさは、基板ホルダの機械的強度などシーより
決定される。

又、基板の中心と反対側の縁と基板ホルダの縁との距離
をηＷとする。ηは０へ・１の正数である。

ホルダの中心をＯとする。

隣接する基板の中心をＰ、Ｑとする。円Ｐ１円Ｑは基板
の外周を指すものとする。

ホルダの外周は円０と書く事がある。

ＯＰと円Ｐの交点をＥとする。ＯＰのＰを５越える延長
と円Ｐの交点をＫとする。ＯＰの’ｒ４長がホルダ外周
と交わる点をＬとする。

線分ＯＱと、円Ｑの交点をＧとする。

線分ＰＱと、円Ｐ１円ｑの交点をＦ、Ｊとする。

ＰＫ−ＰＦ、ＱＪ＝ＱＧ＝Ｗ／２　　　　　（２）であ
る。定義から、 ＦＪ　　＝　　σＷ（３） ＫＬ　　＝　　ηＷ（４） である。

８枚の基板があるのであるから、／ＰＯＱは２π／Ｎで
ある。未知数はｏＰであるが、これは、によって求めら
れる。基板ホルダの直径がＨであるから、 −＝　　ＯＬ　　＝＝　　ｏｐ　　＋　　ｐｔ、　　　
　（６）定義から、 である。これらの値を代入すると、 Ｈ＝　Ｗ［（１＋σ）ｃｏｓｅｃ、、−＋　１　＋　２
η）　　（８）である。基板の全面積をＴとすると、 ’ｌ’　　＝−ＮＷ２（９） である。ホルダの面積Ｓは、 Ｓ　　＝　　−Ｈ−Ｔ　　　　　（１０）である。ホル
ダ面積Ｓを、基板面積Ｔで除した値ζは、ヒータパワー
の内、無効な熱量を表わす事になる。

無効熱量比ζは、 ζ＝□ である。

これは、パラメータσ、ηが決まらないと計算する事が
できない。

最も小さい極限σ−〇１　η→Ｏでの値は、Ｎ＝３でζ
＝　０．５４８、Ｎ＝４でζ＝　０．４５７、Ｎ＝５で
ζ＝　０．４５９、Ｎ＝５でζ＝０．５、Ｎ＝７でζ＝
０．５６である。

σ、ηが有限であればもつと大きい値になる。

上の数値で分るように、Ｎ＝４は、最も小さいζを与え
る可能性がある。

このように多数枚の基板に、同時にエピタキシャル成長
を行なわせるようにした場合、基板ホルダもヒータの軌
跡上にあるから、ホルダが加熱される。

ホルダが高温になると、ホルダから輻射熱が出る。する
と分子線結晶成長装置全体がより強く加熱される事にな
る。

熱量が多いから、装置壁面から出るガスの放出量も増え
る。

熱量が多いから、これを補償するため、シュラウドに於
ける液体窒素の消費量が増える。

に）　　　目　　　　　　　的 量産型複数枚同時成長ＭＢＥ装置に於て、基板加熱のパ
ワーを抑えるようにした基板ホルダを提供する事が本発
明の第１の目的である。

基板ホルダからのガス放出を少なくした基板ホルダを提
供する事が本発明の第２の目的である。

シュラウドに於て消費される液体窒素の消費量を抑える
ようにした基板ホルダを提供する事が本発明の第３の目
的である。

（イ）構　成 複数枚同時成長ＭＢＥ装置に於て、基板ホルダが加熱さ
れるのはやむを得ない事である。ヒータの上を基板ホル
ダが通過するからである。

基板ホルダヘヒータの熱が吸収されるのはやむを得ない
としても、吸収される熱量を抑制する事ができる。

基板ホルダがヒータからの熱を受けて、昇温する。基板
ホルダはその熱を、輻射によって失う。

ヒータからの熱の流入と、輻射による流出がつり合って
いる。このために基板ホルダの温度が一定になる。

そうすると、基板ホルダからの輻射損失を抑えれば、基
板へのヒータからの熱流入も減るはずである。

本発明は、基板ホルダの前又は後或は両方に輻射を抑え
るための反射板を１枚或は複数枚設けた基板ホルダに関
する。

第１図は本発明の実施例に関する基板ホルダの平面図、
第２図は縦断面図である。

これは、第７図、第８図に示す従来例とほぼ同じ構造で
あるが、基板ホルダの前に、複数枚の薄い反射板６．６
、・・・・・・を設けた点が新規である。

４枚の基板１が、４つの基板受座１４を有する基板ホル
ダ２に装入されている。基板１の裏面の周縁が基板受座
１４に支持されている。

基板１の表面の周縁は、基板固定リング１５によって固
定されている。

基板ホルダ１は、ホルダ固定ビン１６により、回転軸筒
１０に固定されている。

回転軸筒１０は外側にあって回転する。従って基板ホル
ダ１も回転する。

回転軸筒１０の内部に固定軸筒９がある。固定軸筒９と
回転軸筒１０の間にはベアリング８が設けられている。

基板１の裏面に近接して、ヒータ３が設けられている。

これは回転しない。

ヒータ３の形状は任意である。

放射状に内から外、外から内へと前曲するヒータ線を使
う事もある。

あるいは、蚊取線香のような巻き形のヒータ線を２本組
合わせたヒータもある。外から内、内から外への電流の
渦巻が打消し合って磁場を生じないし、半径方向の熱発
生量が等しいようになっている。

ヒータ３の裏側には、複数枚の反射板４．４、・・・が
設けられている。

基板ホルダ２の中心の裏面には、熱電対５の先端があり
、この点の温度を測定している。

以上は、公知の構造である。

さらに、基板ホルダ２の表面を覆うように、３枚の反射
板６．６．６が設けられる。これは、基板ホルダ２の前
面のうち、基板固定リング１５を除いた形状である。

第３図は反射板６の平面図である。

打点を施したのは、この板には多数の小さな凸部がある
、という事を示している。

反射板はＭｏ又はＴａで作るが、薄い板であって良い。

これをポンチでたたくと、小さなへこみ（反対側に凸部
）ができる。このようなへこみを多数作っておく。

このように多数の凸部を形成するのは、隣接する反射板
や基板ホルダとの間に隙間を作るためである。

第４図は反射板の接触部の拡大断面図であり、６１は凸
部、６２は隙間である。

このような隙間６２がなければ、熱伝導によって、基板
ホルダ２の熱が、速やかに最上層の反射板６へ伝わり、
ここから輻射によって失われる。

反射板６．６、・・・・・・の間に隙間６２がある事に
より、熱伝導が著しく抑制される。

また、輻射も、これによって抑えられる。基板ホルダか
らの表面方向への輻射は、１枚目の反射板に当たる。１
部分は反射板によって吸収される。

残りは反射されてホルダに戻る。

１枚目の反射板が加熱されるから、この表面から輻射が
生ずる。この輻射は２枚目の反射板に当たる。一部は吸
収されるが残りは反射される。

以下同様である。反射板がある事によって、輻射損失が
抑えられる。

反射板６の形状は、第３図に示すように、基板ホルダ外
周に等しい大円から、基板にほぼ等しい小円をくり抜い
た形状になっている。

そして、この開口２０が基板の位置に一致するようにす
る。

第１図、第２図の基板ホルダは、前面に輻射遮断用の反
射板を設けたものである。

基板ホルダの背面に反射板６を設けるようにする事もで
きる。

第６図はそのような実施例を示している。

背面の反射板６は、基板ホルダ２からの背面方向の熱輻
射を遮断する事ができる。また、ヒータ３からの熱を反
射板６が反射するので、基板ホルダ２へ熱が伝わらない
、という事もある。

反射板の間には隙間があって、熱伝導が妨げられるから
、反射板６から基板ホルダ２へは熱があまり伝わらない
。

基板ホルダ２が過度に加熱されないから、基板ホルダ２
を通して失われる熱も少なくなる。

■作　用 このように反射板６は、輻射熱を効率よく反射するので
、反射板６を表面方向に設けた第１図の実施例では、基
板ホルダ２からの表面方向への輻射を効率良く抑制する
事ができる。

基板ホルダ２からの熱の損失が少なくなる。

ヒータの熱量のうち基板加熱に用いられる熱量の比が高
まる。

基板の望ましい加熱温度は予め決まっている。

従って、この加熱温度を維持するために必要なヒータの
パワーが少なくなるのである。

第６図の例は、基板ホルダ２の裏面方向に反射板６を設
けたものである。この上うな反射板６により、後方（裏
面方向）への輻射を防ぐ事ができる。

またヒータからの輻射は、最外反射板６に当たり、基板
ホルダ２へは直接に当たらない。このため、ヒータから
基板ホルダ２へ流れる熱流か弱くなる。

すると、基板ホルダ２の表面から逃げる熱も少なくなる
。

結局、ヒータパワーの内、基板ホルダを通して失われる
熱量の比率が減少する。

（１）効　果 複数枚同時成長を行なうＭＢＥ装置に於ては、ヒータの
近傍を基板ホルダが通過するので、必ず基板ホルダも加
熱される。ヒータは基板だけを加熱すれば良いのであっ
て、基板ホルダは加熱しなくても良いのである。

本発明に於て、基板ホルダの表面側又は裏面側或は両側
に複数枚の反射板を設けているから、基板ホルダを通じ
て失われる熱量の比率が減少する。

従って、ヒータのパワーの全量をより小さくする事がで
きる。

こうすると、ヒータを駆動するための電力量が順＋’Ｒ
嘔れる。さらに、ＭＢＥ装置の中へ供給される熱量が減
るわけであるから、不純ガスの放出が抑えられる。

不純ガスの放出は、壁面が高温になるほど多くなる。壁
面の過熱を避ける事ができ不純ガスの放出が少いのであ
る。

また、ヒータパワーを打消すだけの液体窒素がシュラウ
ド内に於て消費されるが、ヒータパワーが減少するので
、液体窒素の減少量も少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るＭＢＥ装置の基板ホルダ
の正面図。 第２図は同じものの縦断面図。 第３図は反射板のみの正面図。 第４図は反射板相互の組合わせを示す断面図。 第５図は基板ホルダの説明用正面図。 第６図は他の実施例を示す縦断面図。 第７図は従来例の基板ホルダ正面図。 第８図は従来例の基板ホルダ縦断面図。 １　　・・・・・・・・・　基　　　　　仮２　・・・
・・・・・・基板ホルダ ３　　　・・・　・・・　・・・　　　ヒ　　　−　　
　タ４・・・・・・・・・反射板 ５・・・・・・・・・熱電対 ６・・・・・・・・・反射板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）分子線結晶成長装置の中に設けられ、複数枚の基
   板を保持するための基板ホルダであつて、基板の収容さ
   れている部分を除く基板ホルダの表面又は裏面或は両面
   に複数枚の反射板６、６、・・・・・・を設けた事を特
   徴とする低パワー多数枚成長用基板ホルダ。
2. （２）反射枚６、６、・・・・・・が相互に隙間を有し
   、板面に打点を施すことによつて形成した凸部によつて
   隙間を維持するようにした事を特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項記載の低パワー多数枚成長用基板ホルダ。