JPH07330486A - 分子線結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】分子線源セルからの不所望の分子線によって化
合物半導体結晶層が形成された化合物半導体基板の表面
が汚染されることを効果的に防止でき、清浄な表面を保
持した状態で化合物半導体を結晶成長させ得る分子線結
晶成長装置を提供する。 【構成】分子線結晶成長装置１０は、（イ）分子線源室
２０、（ロ）成膜室３０、及び、（ハ）分子線源室２０
と成膜室３０とを仕切り得る可動式遮蔽装置４０を具備
している。可動式遮蔽装置４０は、例えばゲートバルブ
から構成することが望ましい。更に、分子線源室２０と
成膜室３０のそれぞれに真空ポンプを備えることが望ま
しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば化合物半導体結
晶を成長させるために用いられる分子線結晶成長装置
（ＭＢＥ装置）に関する。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体の結晶成長装置の一種であ
る分子線結晶成長装置は、超高真空中で化合物半導体を
構成する元素を原子若しくは分子として単結晶化合物半
導体基板上に供給し、化合物半導体基板上に化合物半導
体結晶をエピタキシャル成長させる装置である。このよ
うな分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）は真空蒸着法の一種
といえる。例えばＧａＡｓから成る化合物半導体基板上
にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させる場合には、Ｇ
ａ、Ａｌ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素を含む物質と、Ａｓ、
Ｐ等のＶ族元素を含む物質とを分子線源として用いる。
分子線結晶成長装置においては、超高真空中で化合物半
導体を結晶成長させるので、結晶成長層中に、分子線結
晶成長装置の成膜チャンバ内の残留不純物が混入し難
い。それ故、結晶性の高い単結晶薄膜を成膜することが
可能である。

【０００３】図３に概念図を示すように、従来の分子線
結晶成長装置１００は、通常、内部を超高真空雰囲気と
し得る成膜チャンバ１１０から成る。成膜チャンバ１１
０には、分子線源が収納されたクヌーセンセル（Ｋ−セ
ル）等から成る分子線源セル２１、化合物半導体基板５
０を載置し且つ加熱するためのマニピュレータ３１、分
子線源セル２１とマニピュレータ３１との間に配置され
た分子線源セル用シャッター２２及びマニピュレータ用
シャッター３２が設けられている。マニピュレータ３１
は分子線源セル２１に相対して配置されている。更に、
成膜チャンバ１１０には搬送室３５が備えられており、
成膜チャンバ１１０と搬送室３５との間には、ゲートバ
ルブ３４が配設されている。成膜チャンバ１１０内のガ
スはガス排出部１１１を介して真空ポンプ（図示せず）
によって排気される。

【０００４】分子線結晶成長装置を用いて化合物半導体
基板５０上に化合物半導体の結晶成長を行う場合、通
常、酸化膜等から成る保護膜が表面に形成された化合物
半導体基板５０を、搬入出手段（図示せず）によって搬
送室３５からゲートバルブ３４を介して成膜チャンバ１
１０に搬入し、マニピュレータ３１上に載置する。そし
て、先ず、マニピュレータ３１によって化合物半導体基
板５０を所定の温度に加熱して化合物半導体基板５０の
表面に形成された保護膜を除去する、所謂サーマルエッ
チングを行う。あるいは又、水素プラズマや電子ビーム
の照射によって保護膜の除去を行う。次いで、化合物半
導体基板５０の表面に化合物半導体を結晶成長させる。

【０００５】通常、結晶成長の開始前に分子線源セル２
１に備えられたヒータ（図示せず）によって分子線源は
加熱されているので、分子線源セル２１から分子線が放
出されているが、かかる分子線は分子線源用シャッター
２２によって遮蔽されている。従って、分子線の殆ど
は、搬送中あるいはマニピュレータ３１上に載置された
化合物半導体基板５０には到達しない。しかしながら、
分子線源用シャッター２２による分子線の遮蔽は完全な
ものでなく、一部の分子線は化合物半導体基板５０に到
達する。

【０００６】このような従来の分子線結晶成長法によれ
ば、結晶成長開始直前まで、化合物半導体基板５０の表
面は、分子線源セル２１から洩れ出した分子線に対して
保護膜によって保護されている。従って、結晶成長開始
直前まで、化合物半導体基板５０の表面の汚染発生を防
止することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、複数の成膜
チャンバから構成され且つ各成膜チャンバが真空チャン
バで接続された分子線結晶成長装置を用いて、第１の成
膜チャンバで化合物半導体基板上に化合物半導体結晶層
（以下、便宜上、第１の化合物半導体結晶層と呼ぶ）を
結晶成長させた後、第２の成膜チャンバに搬送し、かか
る第２の成膜チャンバにて、既に形成された第１の化合
物半導体結晶層の上に更に化合物半導体結晶層（以下、
便宜上、第２の化合物半導体結晶層と呼ぶ）を結晶成長
させる場合がある。例えば、ＧａＡｓから成る化合物半
導体基板上に第１の化合物半導体結晶層としてＧａＡｓ
から成るバッファ層を第１の成膜チャンバにて形成した
後、かかるバッファ層の上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
結晶から成る第２の化合物半導体結晶層を第２の成膜チ
ャンバにて形成する場合を挙げることができる。

【０００８】このような場合、第２の成膜チャンバに搬
入された化合物半導体基板の表面は第１の化合物半導体
結晶層から構成されているだけであり、第１の化合物半
導体結晶層上に保護膜は形成されていない。即ち、第１
の化合物半導体結晶層が剥き出しの状態にある。従っ
て、第２の成膜チャンバに搬入中あるいは結晶成長開始
前、化合物半導体基板に形成された第１の化合物半導体
結晶層は、第２の成膜チャンバに配設された分子線源セ
ルから洩れ出した分子線によって汚染される。このよう
な第１の化合物半導体結晶層に汚染が発生すると、第１
の化合物半導体結晶層の表面の化学組成（ストイキオメ
トリ）が意図しないものとなったり、第１の化合物半導
体結晶層が意図しない原子や分子で被覆されるという問
題がある。その結果、所望の特性を有する第２の化合物
半導体結晶層を得ることができなくなる。

【０００９】化合物半導体基板がマニピュレータ３１に
載置された後には、マニピュレータ用シャッター３２に
よって分子線を遮蔽することで、第１の化合物半導体結
晶層の汚染発生を防止することができる。しかしなが
ら、第２の成膜チャンバへ化合物半導体基板を搬入した
直後からマニピュレータ３１に化合物半導体基板を載置
するまでの間は、化合物半導体基板への分子線の到達を
マニピュレータ用シャッター３２によって阻止すること
ができない。

【００１０】従って、本発明の目的は、分子線源セルか
らの不所望の分子線によって化合物半導体結晶層が形成
された化合物半導体基板の表面が汚染されることを効果
的に防止でき、清浄な表面を保持した状態で化合物半導
体を結晶成長させ得る分子線結晶成長装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の分子線結晶成長装置は、（イ）分子線源
室、（ロ）成膜室、及び、（ハ）分子線源室と成膜室と
を仕切り得る可動式遮蔽装置を具備したことを特徴とす
る。本発明の分子線結晶成長装置においては、可動式遮
蔽装置は如何なる形式の機構とすることもできるが、中
でも分子線源室と成膜室とを密封状態に仕切り得る、例
えばゲートバルブから構成することが望ましい。更に、
分子線源室と成膜室のそれぞれに真空ポンプを備えるこ
とが望ましい。

【００１２】

【作用】本発明の分子線結晶成長装置においては、可動
式遮蔽装置によって分子線源室と成膜室とを密封状態あ
るいは被密封状態に仕切ることができる。従って、可動
式遮蔽装置によって分子線源室と成膜室とを仕切った状
態で化合物半導体基板を成膜室に搬入すれば、分子線源
室から分子線が成膜室内に侵入することを防止できるの
で、化合物半導体の結晶成長前に化合物半導体基板の表
面が汚染されることを極めて効果的に防止することがで
きる。

【００１３】また、分子線源を収納する分子線源セルや
分子線源等の脱ガス時に、成膜室内の汚染発生を防止す
ることができるし、マニピュレータ等の脱ガス時に、分
子線源室内の汚染発生を防止することができる。更に、
分子線源室と成膜室のそれぞれに真空ポンプを備えるこ
とによって、分子線結晶成長装置全体を短時間で超高真
空にすることができる。また、分子線源室と成膜室とを
密封状態に仕切ることで、成膜室と分子線源室とを独立
して保守することが可能になるし、分子線源の補充・交
換も容易に行うことができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。

【００１５】本発明の分子線結晶成長装置１０は、図１
に概念図を示すように、分子線源室２０と、成膜室３０
と、分子線源室２０と成膜室３０とを仕切り得る可動式
遮蔽装置４０を具備している。可動式遮蔽装置４０は、
例えばゲートバルブから成る。尚、図１には、可動式遮
蔽装置のシール部や遮蔽板移動装置等の図示は省略し
た。分子線源室２０と成膜室３０のそれぞれには、イオ
ンポンプやターボ分子ポンプ等から成る超高真空ポンプ
（図示せず）が備えられている。

【００１６】成膜室２０内には、化合物半導体基板５０
を載置し且つ加熱するためのマニピュレータ３１、及び
マニピュレータ用シャッター３２が配置されている。成
膜室２０には、更に、搬送室３５が備えられており、成
膜室３０と搬送室３５との間には、ゲートバルブ３４が
配設されている。成膜室３０内のガスはガス排出部３３
を介して真空ポンプ（図示せず）によって排気され、成
膜室３０内は１０^-8Ｐａ程度又はそれ以下の超高真空に
される。

【００１７】分子線源室２０には、分子線源が収納され
たクヌーセンセル（Ｋ−セル）から成る分子線源セル２
１が備えられている。このクヌーセンセルは、例えばＰ
ＢＮ製のるつぼ及びその周囲に配置された加熱ヒータか
ら成る。るつぼ内に分子線源を収納し、るつぼを加熱ヒ
ータで加熱して分子線を生成させる。生成した分子線は
化合物半導体基板５０に向かって放出される。加熱ヒー
タの制御によって、生成する分子線の量を制御すること
ができる。るつぼの温度は熱電対によって測定される。
るつぼ及び加熱ヒータはケースに納められている。分子
線の流れは、分子線源用シャッター２２の開閉によって
制御される。分子線源室２０内のガスはガス排出部２３
を介して真空ポンプ（図示せず）によって排気され、分
子線源室２０内は１０^-8Ｐａ程度又はそれ以下の超高真
空にされる。

【００１８】可動式遮蔽装置４０には、遮蔽板４１が収
納位置にあるときに遮蔽板４１を冷却するために、例え
ば液体窒素を用いた冷却装置（図示せず）が備えられて
いることが望ましい。冷却装置を備えることによって、
遮蔽板４１からのガス放出を抑制することができる。

【００１９】本発明の分子線結晶成長装置１０を用いて
化合物半導体基板５０上に化合物半導体の結晶成長を行
う前に、図１に示した本発明の分子線結晶成長装置１０
あるいは図３に示した従来の分子線結晶成長装置を用い
て、酸化膜等の保護膜が形成された化合物半導体基板に
従来のＭＢＥ法に基づき化合物半導体結晶層を形成す
る。即ち、マニピュレータ３１によって化合物半導体基
板５０を所定の温度に加熱し、化合物半導体基板５０の
表面に形成された保護膜を除去する。あるいは又、水素
プラズマや電子ビームの照射によって保護膜の除去を行
う。次いで、化合物半導体基板５０の表面に化合物半導
体を結晶成長させ、化合物半導体基板５０上に第１の化
合物半導体結晶層を形成する。あるいは、表面処理装置
を用いて、化合物半導体基板表面や化合物半導体結晶層
の表面に対して、例えば清浄化処理を行う。

【００２０】第１の化合物半導体結晶層の形成完了後、
あるいは表面処理を行った後、真空チャンバ（図示せ
ず）、搬送室３５、ゲートバルブ３４を経由して本発明
の分子線結晶成長装置１０の成膜室３０に化合物半導体
基板５０を搬入し、化合物半導体基板５０をマニピュレ
ータ３１に載置する。この時点において、分子線源セル
２１に設けられた加熱ヒータによって分子線源セル２１
に収納された分子線源は加熱されている。分子線源用シ
ャッター２２及びマニピュレータ用シャッター３２は閉
じている。また、可動式遮蔽装置４０も閉じている（図
１においては、この状態を点線で示した）。その結果、
分子線が化合物半導体基板５０に到達することを防止で
き、化合物半導体基板５０に形成された第１の化合物半
導体結晶層の分子線による汚染を防止することができ、
あるいは化合物半導体基板の清浄な表面を保持すること
ができる。

【００２１】マニピュレータ３１によって化合物半導体
基板５０を加熱し、化合物半導体基板５０が所定の温度
に達した後、可動式遮蔽装置４０を開き（（図１におい
ては、この状態を実線で示した）、同時にあるいはその
後、分子線源用シャッター２２及びマニピュレータ用シ
ャッター３２を開く。これによって、分子線源セル２１
から放出された分子線により、化合物半導体基板５０上
の第１の化合物半導体結晶層の上に、あるいは化合物半
導体基板の表面上に、化合物半導体が結晶成長する。
尚、収納位置にある遮蔽板４１を冷却装置によって冷却
すれば、遮蔽板４１からのガス放出を効果的に抑制する
ことができる。

【００２２】化合物半導体結晶層の形成が完了したなら
ば、分子線源用シャッター２２及びマニピュレータ用シ
ャッター３２を閉じ、同時にあるいはその後、可動式遮
蔽装置４０を閉じる。そして、化合物半導体基板５０を
冷却した後、成膜室３０から化合物半導体基板５０を搬
出する。

【００２３】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
い。可動式遮蔽装置はゲートバルブに限定されず、分子
線源室から成膜室への分子線の流れを確実に遮蔽できる
形式の可動式遮蔽装置であれば如何なる形式の装置も用
いることができる。例えば、分子線源室と成膜室との間
の分子線結晶成長装置に設けられた溝部と、かかる溝部
を滑動し得る遮蔽板とから可動式遮蔽装置を構成しても
よい。可動式遮蔽装置が閉じた状態にあるとき、分子線
源室と成膜室とを密封状態に仕切ることが望ましいが、
場合によっては分子線源室と成膜室とを密封状態に仕切
らなくともよい。遮蔽板の移動は、モータや油圧シリン
ダー等の遮蔽板移動装置を用いてもよいし、手動で行っ
てもよい。

【００２４】実施例においては縦型の分子線結晶成長装
置を例にとり説明したが、分子線結晶成長装置は横型あ
るいは斜め配置型であってもよい。分子線源セルはクヌ
ーセンセル（Ｋ−セル）に限定されず、例えばクラッカ
ーセルやバルブドクラッカーセルを用いることもでき
る。クラッカーセルは、クヌーセンセルのるつぼの先端
に、蒸発分子を熱分解するための、あるいは又、蒸発分
子に熱的エネルギーを与えるためのクラッキング用ヒー
タ線及びＢＮ等から成る導入管が配置された分子線源セ
ルである。バルブドクラッカーセルは、るつぼの代わり
に、分子線材料が収納された高圧容器、及びバルブから
構成されている。バルブの前方には、クラッキング用ヒ
ータ線及び導入管が配置されている。バルブドクラッカ
ーセルにおいては、分子線源を加熱して得られた高圧蒸
気の噴出量をバルブによって制御する。

【００２５】図１に示した本発明の分子線結晶成長装置
１０を図２に概念的に示すように２つ（あるいは３つ以
上）組み合わせ、分子線結晶成長装置を真空チャンバ６
０で接続した形式の分子線結晶成長装置も、本発明の分
子線結晶成長装置に包含される。尚、図２中、参照番号
６１はゲートバルブである。また、本発明の分子線結晶
成長装置の成膜室に、ＥＣＲプラズマセルを備えること
ができる。このＥＣＲプラズマセルを備えることによっ
て、例えばＺｎＳｅ等から成るｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物
半導体結晶層を形成する場合、ＥＣＲプラズマ法にてＮ
（窒素）のドーピングを行い、ｐ型ＩＩ−ＶＩ族化合物
半導体結晶層をＭＢＥ法で結晶成長させることができ
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明の分子線結晶成長装置において
は、可動式遮蔽装置によって分子線源室と成膜室とを仕
切った状態で化合物半導体基板を成膜室に搬入すれば、
分子線源室から分子線が成膜室内に侵入することを防止
でき、化合物半導体の結晶成長前に化合物半導体基板の
表面や既に形成された化合物半導体結晶層が汚染される
ことを極めて効果的に防止することができる。また、分
子線源を収納する分子線源セルや分子線源等の脱ガス時
に、成膜室内の汚染発生を防止することができるし、マ
ニピュレータ等の脱ガス時に、分子線源室内の汚染発生
を防止することができる。

【００２７】また、可動式遮蔽装置を分子線源室と成膜
室とを密封状態に仕切り得る装置とすることによって、
化合物半導体基板に化合物半導体を結晶成長する前に、
分子線源室からの不純物ガスによって成膜室内の真空度
が低下することを防止でき、分子線源室内よりも成膜室
内を高い真空度に保持することができる。更に、分子線
源室と成膜室のそれぞれに真空ポンプを備えることによ
って、分子線結晶成長装置全体を従来の分子線結晶成長
装置よりも短時間で超高真空にすることができる。ま
た、成膜室と分子線源室とを独立して保守することが可
能になり、分子線源の補充・交換も容易に行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分子線結晶成長装置の概念図である。

【図２】本発明の分子線結晶成長装置を２つ組み合わせ
た分子線結晶成長装置の概念図である。

【図３】従来の分子線結晶成長装置の概念図である。

【符号の説明】 ２０ 分子線源室 ２１ 分子線源セル ２２ 分子線源用シャッター ３０ 成膜室 ３１ マニピュレータ ３２ マニピュレータ用シャッター ３４ ゲートバルブ ３５ 搬送室 ４０ 可動式遮蔽装置 ４１ 遮蔽板 ５０ 化合物半導体基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（イ）分子線源室、（ロ）成膜室、及び、
   （ハ）該分子線源室と成膜室とを仕切り得る可動式遮蔽
   装置を具備したことを特徴とする分子線結晶成長装置。
2. 【請求項２】可動式遮蔽装置はゲートバルブから成るこ
   とを特徴とする分子線結晶成長装置。
3. 【請求項３】分子線源室と成膜室のそれぞれに真空ポン
   プが備えられていることを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載の分子線結晶成長装置。