JPS6310310B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はヘリウム冷凍機を応用したクライオポ
ンプ排気システムに係り、特に半導体薄膜生成装
置に適用して好適な真空排気装置に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

従来、分子線エピタキシに代表される半導体薄
膜生成装置の構成ならびに真空排気装置は、第１
図に示すようになつているのが一般的である。

１は試料交換室、２は真空バルブ、３はターボ
分子ポンプ等に代表される高真空ポンプ、４はリ
ークバルブ、５は高真空ポンプ３の背圧排気に用
いられるロータリーポンプ、６は高真空チヤンバ
である試料準備・分析室、７は同じく高真空チヤ
ンバである薄膜成長室、８，９，１０，１１はゲ
ートバルブ、１２，１３はスパツタイオンポンプ
やクライオポンプに代表される油蒸気の逆拡散が
ないクリーンな超高真空ポンプ、１４は試料基板
ホルダー、１５は試料基板の平行移動や回転を行
うマニピユレータ、１６は試料基板上に薄膜の素
材を供給する素材供給源（分子線エピタキシの場
合は分子線源）、１７，１８は薄膜成長室７の中
に浮遊するガス分子を凝縮吸着させて真空排気作
用を行うための液体窒素シユラウドである。

次に、この装置の作用について説明すると、試
料交換室１、試料準備・分析室６ならびに薄膜成
長室７をすべて気密にし、試料交換室１に試料を
入れた後ゲートバルブ９，１１を閉にゲートバル
ブ８，１０を閉にし、真空バルブ２を開きリーク
バルブ４を閉じた状態でロータリポンプ５を駆動
する。そして、試料交換室１をはじめとした真空
排気空間が0.1Torr以下の圧力になつたところで
高真空ポンプ３を作動させる。真空排気空間の圧
力がさらに低下してきたところ（一般には
10^-4Torr以下）でゲートバルブ９，１１を開き、
ゲートバルブ８を閉じてクリーンな超高真空ポン
プ１２，１３を作動させる。

試料準備・分析室６、薄膜成長室７の圧力が十
分低下し、所期の目標圧力まで低下したらゲート
バルブ１０を閉じてゲートバルブ８を開き、試料
交換室１の中の試料を搬送装置（図示せず）で試
料準備・分析室６の中に移動させる。次いで、ゲ
ートバルブ８を閉じてゲートバルブ１０を開き、
試料を薄膜成長室７の中の試料基板ホルダー１４
の上にセツトすると同時にゲートバルブ１０を閉
じる。その間、超高真空ポンプ１２，１３は作動
を継続している。

薄膜成長室７の圧力が目標値まで低下したら、
素材供給源（分子線源）１６から試料基板上に半
導体の素材をとばして薄膜を生成する。

一方、薄膜成長室７において素材供給時に発生
する不銃物は液体窒素シユラウド１７，１８の上
に凝縮吸着され、薄膜試料中に欠陥が生ずるのを
防ぐ。薄膜成長室７で試料基板上に薄膜を生成し
た後、試料は試料準備・分析室６で所定のものが
得られたかどうかチエツクされ、試料交換室１を
経由して外に搬出される。

このような従来方式の半導体薄膜生成装置の真
空排気装置においては、次のような欠点があつ
た。

すなわち、液体窒素シユラウド１７，１８の冷
却源である液体窒素は、従来外部に設置した液体
窒素容器から供給し蒸発したガスは大気中に放出
する、いわゆる使い捨てであつた。したがつて、
液体窒素代がかさむ上液体窒素の定期的な補給が
煩わしいという欠点があつた。

また、薄膜成長室７と試料準備・分析室６にお
のおの別々に超高真空ポンプ１２，１３を設置し
ているのは不経済であつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記のごとき従来の半導体薄
膜生成装置の真空排気装置における欠点を解消
し、経済的で煩わしさのない真空排気装置を提供
することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、液体窒素シユラウドに代えて
ヘリウム冷凍機によつて冷却されるシユラウドを
用い、薄膜成長室や試料準備・分析室の超高真空
ポンプにもヘリウム冷凍機によつて冷却されるク
ライオポンプを用い、こら複数台のヘリウム冷凍
機を１台のヘリウム圧縮機に連結して運転するよ
うにしたことにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第２図によつて説明
する。第１図と同一の構成部品は同一符号で示
す。まず構成についてみると、２１，２２は２段
式のヘリウム冷凍機２８，２９を適用したクライ
オポンプ、２４ａ，２４ｂは１段式ヘリウム冷凍
機２３によつて冷却されるシユラウドで、それぞ
れ素材供給源（分子線源）１６、試料基板ホルダ
ー１４を囲むように配置されている。２５ａ，２
５ｂ，２５ｃはヘリウム圧縮機２７からヘリウム
冷凍機２８，２９，２３に高圧ヘリウムガスを供
給するためのガス供給管、２６ａ，２６ｂ，２６
ｃはヘリウム冷凍機２８，２９，２３からヘリウ
ム圧縮機２７に低圧ヘリウムガスを循環させるた
めのガス戻し管である。

次にこの装置の作用について説明すると、高真
空ポンプ３を作動させて真空排気空間である試料
交換室１、試料準備・分析室６ならびに薄膜成長
室７を10^-4Torr程度にするまでは、従来と同一
手順で行う。その後、ゲートバルブ８を閉じゲー
トバルブ９，１１を開にし、ヘリウム圧縮機２
７、ヘリウム冷凍機２３，２８，２９を運転開始
する。

ヘリウム冷凍機２３，２８，２９の温度が低下
するにしたがつてクライオポンプ２１，２２は超
高真空ポンプとして作用しはじめる。また、シユ
ラウド２４ａ，２４ｂも冷却されて真空ポンプと
して作用しはじめる。

一方、その間も高真空ポンプ３を作動させてお
き、試料交換室１での圧力が十分に低くなつたと
き（例えば10^-8Torr程度まで下つたとき）ゲー
トバルブ８，１０を開き、試料を試料交換室１か
ら搬送装置（図示せず）によつて試料準備・分析
室６を経て薄膜成長室７の中の試料基板ホルダー
１４の上に移動させる。

次いで、ゲートバルブ８，１０を閉じ、薄膜成
長室７の圧力が初期の目標まで低下したところで
素材供給源（分子線源）１６から試料基板上に半
導体の素材をとばして薄膜を生成する。そして、
薄膜成長室７において素材をとばすときに発生す
る不純物等の浮遊物はヘリウム冷凍機２３によつ
て冷却されたシユラウド２４ａ，２４ｂに凝縮吸
着され、これらの浮遊不純物が薄膜試料中に混入
して欠陥になるのを防ぐ作用を行う。

本実施例に用いられるヘリウム冷凍機のうちク
ライオポンプ２１，２２に用いられるヘリウム冷
凍機２８，２９が２段式になつているのは、超高
真空ポンプとして機能するには十分な低温を得る
必要があるためであり、現状製品における２段目
の低温端は15K程度になる。

ここで、現状クライオンポンプの概要を第３図
によつて説明すると、第１段シリンダ３１の低温
端につけた第１段パネル３４は大体50〜70Kとな
り、主に空気中の水分や炭酸ガス等沸点の高いガ
スを凝縮吸着し、第２段シリンダ３２の低温端に
つけた第２段パネル３６は大体15Kになつて酸
素、窒素、アルゴン等の低沸点ガスを凝縮吸着す
る。さらに沸点の低い水素やヘリウムガス等は第
２段パネル３６の内面に貼付けた吸着剤３７（例
えば活性炭やモレキユラシーブ等）によつて吸着
する。

特に、超高真空ポンプとしての性能を左右する
のはこの第２段パネル３６の温度をいかに低温に
できるかによつて決まるので、少くとも２段式ヘ
リウム冷凍機が要求されるものである。

シエブロン３５は、沸点の高いガスが直接低温
の第２段パネル３６に凝縮吸着されることによつ
て第２段パネル３６の低沸点ガス吸着能力が低下
するのを防止する機能を持つている。

一方、シユラウド２４ａ，２４ｂの冷却に用い
られるヘリウム冷凍機２３が１段式になつている
のは、シユラウド２４ａ，２４ｂでは比較的沸点
の高い半導体素材のガスを凝縮吸着するのがその
主な役目であるからさほど低温にする必要はな
く、したがつて１段式でよいわけである。

本実施例によれば、シユラウド２４ａ，２４ｂ
の冷却を１段式ヘリウム冷凍機２３で行うことが
できるので別に液体窒素を必要とせず、ランニン
グコストが安くなる上液体窒素の補給作業という
煩わしさもなくなるという効果がある。

さらに、薄膜成長室７、試料準備・分析室６の
超高真空ポンプとしてクライオポンプ２８，２９
を用い、クライオポンプの２段式ヘリウム冷凍機
２１，２２と上記シユラウド用１段式ヘリウム冷
凍機２３へのヘリウムガス供給を１台のヘリウム
圧縮機２７で行うことができるので、真空排気装
置として構成が簡単になり経済的であるという効
果もある。

第４図は本発明の他の実施例を示す図であり、
ヘリウム圧縮機２７に接続された複数台のヘリウ
ム冷凍機へのガスヘリウム供給量を各ヘリウム冷
凍機の要求に応じてコントロールできるようにし
たものである。

すなわち、ヘリウム冷凍機２８，２９，２３へ
のガス供給管２５ａ，２５ｂ，２５ｃにガス流量
調整弁４１ａ，４１ｂ，４１ｃを備え、試料準
備・分析室６の圧力を下げたいときには調整弁４
１ａを開放して４１ｂ，４１ｃを絞り加減にし、
また、薄膜生長室７の圧力を下げたいときには調
整弁４１ｂを開放して４１ａ，４１ｃを絞り気味
にする。さらに、シユラウド２４ａ，２４ｂの機
能を向上させたいときには調整弁４１ｃを開放し
て４１ａ，４１ｂを絞り気味にする。

本実施例によれば、複数台のヘリウム冷凍機に
ガスを供給する際に必要に応じて各ヘリウム冷凍
機への供給量を調整することができるので、相対
的にヘリウム圧縮機は小容量ですみ経済的になる
という効果がある。

本実施例の変形例として、供給管２５ａ，２５
ｂ，２５ｃに調整弁を備える代りにガス戻し管２
６ａ，２６ｂ，２６ｃに調整弁を備えても同様な
効果が得られる。また、ヘリウム冷凍機２８，２
９，２３の往復周波数を支配しているモータ（図
示せず）の回転数を制御してもよい。

第５図は本発明のさらに別の実施例で、シユラ
ウド２４ａ，２４ｂとヘリウム冷凍機２３を直接
熱的に接続して冷却する代りに液体窒素でシユラ
ウド２４ａ，２４ｂを冷却し、蒸発した窒素ガス
をヘリウム冷凍機２３で再液化させるものであ
る。

この場合は、蒸発した窒素ガスを上方のガス貯
蔵室４２に導き、該貯蔵室４２にヘリウム冷凍機
２３の低温端を熱的に接触させて冷却することに
より、ここで液化してシユラウド２４ａ，２４ｂ
に循環するのでシユラウドが大きくなつてもシユ
ラウドの温度はほぼ均一に保持でき、しかもヘリ
ウム冷凍機２３との相対的な位置に制約を受けな
いですむという効果がある。もちろん、この場合
はシユラウド冷却の窒素ガスがヘリウム冷凍機で
再液化されるので、ランニングコストは増大する
ことはない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シユラウドの冷却をヘリウム
冷凍機で行うことができるので、ランニングコス
トを低減できる上に作業が簡単になり、かつ、ク
ライオポンプやシユラウドを冷却する複数台のヘ
リウム冷凍機を１台のヘリウム圧縮機に連結して
運転できるので、経済的になるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体薄膜生成装置の構成を示
す系統図、第２図は本発明の真空排気装置を有す
る半導体薄膜生成装置の系統図、第３図はクライ
オポンプの一般的な構造を示す断面図、第４図は
本発明の他の実施例による半導体薄膜生成装置の
系統図、第５図は本発明のさらに別の実施例によ
る半導体薄膜生成装置の系統図である。 １……試料交換室、２……真空バルブ、３……
高真空ポンプ、４……リークバルブ、５……ロー
タリーポンプ、６……試料準備・分析室、７……
薄膜成長室、８，９，１０，１１……ゲートバル
ブ、１４……試料基板ホルダー、１５……マニピ
ユレータ、１６……素材供給源、２１，２２……
クライオポンプ、２３……１段式ヘリウム冷凍
機、２４ａ，２４ｂ……シユラウド、２７……ヘ
リウム圧縮機、２８，２９……ヘリウム冷凍機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の真空槽とそれらを結ぶゲートバルブか
   ら構成され、少くとも一方の真空槽には基板上に
   半導体の薄膜を生成させるための素材供給源、試
   料基板の保持移動を行うためのマニピユレータお
   よび半導体材料の浮遊ガスを凝縮吸着させるため
   のシユラウド等を備えた半導体薄膜生成装置にお
   いて、少くとも一つの真空槽の排気用としてヘリ
   ウム冷凍機付クライオポンプを設け、シユラウド
   の冷却用としてヘリウム冷凍機を設け、上記クラ
   イオポンプ用ヘリウム冷凍機とシユラウド冷却用
   ヘリウム冷凍機を１台のヘリウム圧縮機に接続し
   たことを特徴とする真空排気装置。 ２ ヘリウム圧縮機とヘリウム冷凍機を結ぶ配管
   にヘリウムガス流量調整手段を備えたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の真空排気装
   置。 ３ 各ヘリウム冷凍機に往復周波数制御手段を備
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の真空排気装置。 ４ シユラウドの一部に蒸発窒素ガス貯蔵室を設
   け、該窒素ガス貯蔵室にヘリウム冷凍機の低温端
   を熱的に接触させたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の真空排気装置。 ５ クライオポンプに２段式ヘリウム冷凍機を備
   え、一方、シユラウドに１段式ヘリウム冷凍機を
   装着したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の真空排気装置。