JPH01286990A - 分子線結晶成長装置 - 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】 （ト）技術分野 この発明は、基板の上に半導体単結晶薄膜を成長させる
分子線結晶成長装置シζ関する。

特に、チタンサブリメーションポンプの部分の改良に関
する。

（イ）従来技術 ＧａＡｓ　、　ＡｌＧａＡｓなどの化合物半導体単結晶
薄膜をＧａＡｓなとの半導体基板の上にエピタキシャル
成長させる技術のひとつンζ分子線結晶成長法（以下Ｍ
ＢＥ法と略記する）がある。

ＭＢＥ法は、加熱され超高真空中に保持された基板に向
けて、原料物質の分子線を当てて、基板の上シー単結晶
を成長させてゆくものである。

ＭＢＥ法はＩＱ−１１Ｔｏｒｒ　〜ＩＱ−１０Ｔｏｒｒ
　ノ超高真空に引かれた真空チャンバの中で、薄膜成長
を行う。

このため、真空チャンバの真空排気装置は、いくつかの
真空ポンプを組合わせてなる。また、真空チャンバの内
部には液体窒素を入れるシュラウドが設けられる。

超高真空に引くので、超高真空チャンバという。

第２図によって、従来例にかかるＭＢＥ装置の概略を説
明する。

超高真空チャンバ１の中には、成長室シュラウド３が設
けられる。

超高真空チャンバ１の中央部に、マニピュレータ２によ
って基板４を保持する。基板４は、薄膜を成長させるべ
き土台となる単結晶である。

基板４は、マニピュレータ２によって回転するようにな
っている。またヒータ（図示せず）によって、適当な温
度に加熱される。

複数の分子線セル９が超高真空チャンバ１の壁面に設け
られる。エピタキシャル成長させようとする結晶の構成
元素を分子線とするための装置である。これは、薄膜の
構成元素、不純物元素について、独立に制御できる分子
線セルである。

分子線セル９は、ヒータ１１、るつぼ１２、熱遮蔽板１
３．７ランジ１５などよりなる。原料１４がるつぼ１２
の中で、ヒータ１１によって加熱される。加熱されて気
化した原料は、分子線となってるつぼ１２から飛び出す
。これが、加熱された基板４に当たる。

分子線のオン・オフ制御はシャッタ１６によってなされ
る。

超高真空チャンバ１の他にも、高真空室かい（つか接続
されている。基板は、大気中からいくつかの高真空室を
経て超高真空チャンバ１の中のマニピュレータ２へ搬送
される。

超高真空チャンバ１と他の真空室をつなぐ経路や、これ
を開閉するゲートパルプの図示は略した。

いくつかの分子線が、基板４の上へ照射されるので、基
板の上へ所望の成分の薄膜がエピタキシャル成長してゆ
く。

ＭＢＥ法は、構成元素の分子線を独立に制御できる。極
めて優れた制御性を有する。このため、各種半導体デバ
イスのエピタキシャル成長技術として利用されている。

ＭＢＥ法による高品質なエピタキシャル結晶の成長には
、炭化水素系ガス、酸素、水分、ＧＯなどの残留が少な
い良質の超高真空が不可欠である。

このため、ＭＢＥ装置の超高真空室１には、オイルフリ
ーで大排気量のポンプが使われる。

たとえば、スパッタイオンポンプ、チタンサブリメーシ
ョンポンプ、クライオポンプ、ターボ分子ポンプ等が使
用される。

ひとつのポンプで、大気圧から超高真空までに引くこと
はできないから、これらのポンプの中から適当なポンプ
の組合せを選択する。これら２又は３種のポンプを超高
真空チャンバにとりつけるわけである。

本発明は、チタンサブリメーションポンプを使うものに
関する改良である。

（ロ）　発明が解決しようとする問題点チタンサブリメ
ーションポンプは、前述の真空ポンプの中でも、特によ
く用いられる。オイルフリーであるし、超高真空域にま
で引くことができるからである。

これはポンプというが、機械的な運動を利用したもので
はない。新鮮なチタン表面は多様なガスを吸着する。こ
れをゲッタ作用又はゲッタリングという。フィラメント
、又は球状のチタンを加熱蒸発させて、液体窒素温度の
壁に付着させる。このチタンが、空間内のガス分子を吸
着する。ゲッタ作用によりガス分子を除き、真空を得る
。運動部を持たないが、ポンプという。主体は、チタン
フィラメントと電源、シュラウドである。

チタンサブリメーションポンプが有効に機能するために
は、シュラウドの表面積が広く、開口面積の広い事が要
求される。

シュラウドにガスが吸着されるのであるから吸着すべき
表面積が広い方が良いのは当然である。

シュラウドが低温であるほど、排気能力が大きいので、
通常ＭＢＥではシュラウドには液体窒素が入れられる。

開口面積が大きいというのは、ガスのコンダクタンスを
大きくするためである。

超高真空チャンバ１の内部空間と、チタンサブリメーシ
ョンポンプの内部空間との間のコンダクタンスを大きく
しなければならない。

第２図に於て、チタンサブリメーションポンプチャンバ
８は、超高真空チャンバ１の外壁側面にとりつけられて
いる。

チタンサブリメーションポンプは、中央にあるチタンフ
ィラメント５と、チタンサブリメーションポンプ電源６
、チタンサブリメーションポンプ用シュラウド７とより
なる。

チタンフィラメント５が加熱されると、チタンが昇華し
、チタンサブリメーションポンプ用シュラウド７の内壁
Ｅに付着する。

すると、ポンプ空間り内のガス分子が内壁Ｅのチタンに
吸着される。

超高真空チャンバ１内のガス分子は成長室シュラウド３
の開口部とチタンサブリメーシ゛ヨンボンプ開口部を通
ってチタンに吸着される。

チタンサブリメーションポンプの開口が大きければコン
ダクタンスが大きい。また、シュラウド７の大きい方が
より多くのガスを吸着できる。

このため、シュラウドまで含めたチタンサブリメーショ
ンポンプ本体は非常に大きなものになってしまう。これ
を成長室である超高真空チャンバ１の側面に取付けるの
である。

超高真空チャンバには、分子線セル、イオンゲージ、ビ
ューイングポート、電子線回折装置など各種機器を取付
けなければならない。

大きすぎるチタンサブリメーションポンプの存在のため
に、これらの機器、装置をとりつける空間が制約される
という不都合があった。

００　　　目　　　　　　　的 チタンサブリメーションポンプの取付構造を改善し、超
高真空チャンバまわりの空間を有効利用できるようして
シた分子線結晶成長装置を提供する事が本発明の目的で
ある。

（４）構　成 本発明に於ては、超高真空チャンバのシュラウドと壁面
の間を広くシ、ここにチタンサブリメーションポンプの
フィラメントを設ける。チャンバの壁面と成長室シュラ
ウド面とにチタンを付着させ、ここを吸着面とする。

第１図は本発明の一例を示す。

超高真空チャンバ１の中にマニピュレータ２があり、壁
面にそって成長室シュラウド３が設けられている。

これらの構造は従来のものと同様であるが、超高真空チ
ャンバ１の壁面Ａと、成長室シュラウド３の外壁面Ｃの
間が従来のものより広くなっている。この空間Ｂに、チ
タンフィラメント５が設置されている。

チタンサブリメーションポンプ電源６からチタンフィラ
メント５へ給電されつる。

チタンフィラメント５が加熱されると、チタンが昇華し
、超高真空チャンバ１の内壁Ａと、成長室シュラウド３
のチャンバ壁に対向する外壁Ｃにチタンが付着する。

すなわち、チャンバ内壁Ａとシュラウド外壁Ｃで囲まれ
るポンプ空間Ｂが、チャンバ１の内部に形成される。

その他の構成は従来のものと同様である。

超高真空チャンバ１の外壁の一部に適数の分子線セル９
．９、・・・が設置される。

分子線セル９は、ヒータ１１、るつぼ１２、熱遮蔽板１
３、フランジ１５などよりなる。るつぼ１２に入れた原
料１４を加熱し、これを分子線とする。シャッタ１６で
分子線を制御できる。

マニピュレータ２には、基板４が取付けられる。

基板４は適当なヒータによって加熱される。さらにマニ
ピュレータ２によって、基板４は中心軸のまわりに回転
するようになっている。

フランジ２１．２２に於て、超高真空チャンバ１を分割
する事ができる。

ａ）作　用 超高真空チャンバ１内に於て、内壁Ａとシュラウド外壁
Ｃによって囲まれるポンプ空間Ｂが生ずる。

チタンフィラメント５から昇華したチタンは、内壁Ａと
シュラウド外壁Ｃに付着する。このポンプ空間Ｂは、超
高真空チャンバ１の内部にあるから、シュラウド内方か
ら、このポンプ空間Ｂｔでの流路のコンダクタンスは大
きい。

成長室シュラウド３の外壁にチタンを付けるのであるか
ら、チタンを付着した吸着面の面積が広い。また、超高
真空チャンバ１の内壁Ａも、液体窒素温度ではないため
、排気量は小さいが、吸着面として作用する。吸着面が
広く、コンダクタンスが大きいので、より速く真空排気
できる事になる。

また、専用のチタンサブリメーションポンプチャンバ８
のようなものがないので、チャンバまわりの空間を有効
に利用する事ができるのである。

（１）実施例 第１図による実施例を説明する。この装置は、３インチ
ウェハ１枚成長用のＭＢＥ装置である。

超高真空チャンバ１はステンレス製で外径が約６００ｍ
冨である。

真空ポンプは、チタンサブリメーションボンブト、スパ
ッターイオンポンプ（図示せず）とよりなる。

チタンサブリメーションポンプのフィラメント５を、成
長室シュラウド３の外壁と、チャンバ内壁Ａの間に配置
している。こうするために、成長室シュラウドと、超高
真空チャンバとの間隔ＡＣは、通常よりも広い。この例
で間隔は１００朋となっている。

この装置に於て、到達真空度は２〜３　Ｘ　１０−”Ｔ
ｏｒｒであった。これは、チタンサブリメーションポン
プが非常に有効に作用するためである。

超高真空チャンバ外壁に、チタンサブリメーションポン
プチャンバがないので、まわりのスペースは有効に利用
できる。

この装置を用いて、下記の条件でＧａＡｓ基板上に、Ｇ
ａＡｓ薄膜のエピタキシャル成長を試みた。条件は以下
のようであった。

基板温度　　６２０°Ｃ 基　　　板　　　半絶縁性ＧａＡｓ基板（面方位（１０
０））Ｇａフラックス強度　　５．ＯＸ　１Ｏ−７Ｔｏ
ｒｒＡｓフラックス強度　　５．ＯＸ　１０　Ｔｏｒｒ
Ｓｉセル温度　　　７５０℃ 成長時間　　　　６時間 Ｓｉはｎ型ＧａＡｓとするために入れる。ｎ型ドーパン
トである。

こうして作られたＧａＡｓ薄膜は、 膜　　　厚　　　　　約６，４　μｍ 移動度（７７Ｋ）　　　１．２　Ｘ　１０’ｃｎ（／Ｖ
−ｓｅｃキャリヤ濃度　　　３．８　Ｘ　１０　ｃｍで
あった。不純物混入のない良好なＧａＡＳエピタキシャ
ル結晶の得られた事が分った。

し）効　果 本発明によれば、成長室シュラウドと超高真空チャンバ
内壁との間にチタンサブリメーションポンプフィラメン
トを取付ける。

チャンバ内壁とシュラウドによって囲まれる部分がチタ
ンサブリメーションポンプとなる。

専用のポンプチャンバをチャンバ外壁に設けない。この
ためチャンバまわりの空間を有効に利用できる。この空
間には、分子線セル、イオンゲージ、ビューイングボー
ト、電子線回折装置その他多くの装置をとりつけなけれ
ばならないが、空間的に余裕ができる。

成長室シュラウドを、チタンサブリメーションポンプ用
のシュラウドとして利用するので、チタン付着面と、チ
ャンバ中央部との間の流路コンダクタンスを大きくする
事ができる。このため、真空排気性能が高くなり、到達
真空度もより優れたものになる。

【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概略断面図。 第２図は従来例に係る分子線結晶成長装置の概略断面図
。 １・・・・・・超高真空チャンバ ２・・・・・・マニピュレータ ３・・・・・・成長室シュラウド ４・・・・・・基　板 ５・・・・・・チタンフィラメント ６・・・・・・チタンサブリメーションポンプ電源７・
・・・・・チタンサブリメーションポンプ用シュラウ８
・・・・・・チタンサブリメーションポンプチャンバ９
・・・・・・分子線セル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　チタンサブリメーシヨンポンプを真空排気装置のひと
   つとして備える超高真空チャンバ１と、超高真空チャン
   バ１の内壁にそつて設けられ液体窒素を入れて冷却でき
   る成長室シユラウド３と、成長室シユラウド３で囲まれ
   る空間の中央部に基板４を保持し、加熱し、回転させる
   マニピュレータ２と、超高真空チャンバ１の壁面に設け
   られ成長させるべき半導体結晶の構成元素の分子線を発
   生するための複数の分子線セル９とを有する分子線結晶
   成長装置において、超高真空チャンバ１の内壁Ａと成長
   室シユラウド３の外壁Ｃの間に生ずる空間Ｂにチタンサ
   ブリメーシヨンポンプのチタンフィラメント５を設け、
   成長室シユラウド３の外壁Ｃと超高真空チャンバ１の内
   壁Ａとをチタンの付着する吸着面とした事を特徴とする
   分子線結晶成長装置。