(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に設けられ液体窒素により冷却されるシュラウドを有する分子線エピタキシー装置において、シュラウドの内壁面が凹凸形状であり、その内壁面の凹凸形状は、その凸部が鋭角をなし、その凸部の上面が水平か、または凸部の突端側が凸部の根元側より高い位置となるような形状であることを特徴とする分子線エピタキシー装置。
【請求項２】
前記シュラウドに分子線セル用の開口が設けられ、シュラウドの内壁面の前記凹凸形状が、その分子線セル用の開口よりも上側に設けられてなる請求項１記載の分子線エピタキシー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は分子線エピタキシー装置に関し、さらに詳しくは、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ：高電子移動度トランジスタ）などの電子デバイス、半導体レーザなどの発光デバイスを製造するための結晶成長装置である分子線エピタキシー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に示すように、従来の分子線エピタキシー装置における結晶成長室である真空チャンバ２には、基板４を保持、加熱し、回転させるためのマニピュレータ３、複数個の分子線セル５、および分子線の基板への供給を制御するシャッターが取り付けられている。また、真空チャンバ２の内部には、液体窒素により冷却されるシュラウド（ｓｈｒｏｕｄ：囲い）２０が設けられている。シュラウド２０は、真空チャンバ２内の結晶成長の邪魔になる不要なガスを取り込み、マニピュレータ３、分子線セル５からの放熱を抑え、それによる脱ガスを防ぎ、超高真空状態を作り出す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
分子線エピタキシー装置が結晶成長中であるときには、シュラウド２０は、内部の空洞に液体窒素が満たされ、冷却されている。しかし、結晶成長が終了すると、シュラウド２０への液体窒素の供給が停止され、液体窒素が蒸発し除去される。結晶成長を行ってゆくにつれて、シュラウド２０の内壁面には徐々に付着物が形成されるが、結晶成長を繰り返すことにより、かなりの量のシュラウド２０への付着物６が剥がれ落ち、分子線セル付近に落下することになる。
【０００４】
分子線セル５内部にシュラウド２０の付着物が落下した場合、その直後の結晶成長において、成長膜の質が悪化する。具体的には欠陥が大量に発生することとなり、デバイスの特性に多大な悪影響を与えることになる。また、分子線セル５のごく近傍にシュラウド２０の付着物が落下した場合には、分子線セル５内部に落下した場合よりも緩やかに加熱され、その後の結晶成長における成長膜の質を、分子線セル５内部にシュラウドの付着物が落下した場合よりも程度は軽いが、長期間にわたって悪化させることになる。
【０００５】
また一度の材料充填の間での結晶成長の回数、または結晶成長に費やした時間が多くなるにつれて、シュラウド２０の付着物が落下する回数が増加し、成長した膜質の悪化が頻繁に起こるようになる。図４のグラフに示すように、成長時間が長くなるにつれて、成長表面の欠陥密度が正常な場合より多くなるという現象が頻繁に起こるようになる。これはシュラウド内壁の付着物が徐々に厚くなるため、加熱、冷却で剥離、落下しやすくなるためと予想される。
【０００６】
このような観点から、成長室である真空チャンバ内のシュラウドから付着物が剥がれにくい、または剥がれ落ちた付着物が分子線セル内もしくは分子線セル近傍に落下しないような分子線エピタキシー装置の出現が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者らは、真空チャンバ内での結晶成長中、砒素、ガリウムなどの所望の分子（あるいは原子、以後分子とのみ記す）を３００℃〜１２００℃に加熱して分子線セルから基板に放射する際、シュラウドによって冷却された分子やその周りの不要なガスが固化してシュラウドに付着するという現象を考慮した結果、シュラウドの内壁面の表面積を広くする、すなわちシュラウドの基板対向面である内壁面を、単純な平面でなく凹凸形状にすることで、シュラウドの内壁面に付着する分子の付着密度を低下させ、これにより上記課題を解決できることを見いだし、本発明をするに至った。
【０００８】
かくしてこの発明によれば、真空チャンバ内に設けられ液体窒素により冷却されるシュラウドを有する分子線エピタキシー装置において、シュラウドの内壁面が凹凸形状であり、その内壁面の凹凸形状は、その凸部が鋭角をなし、その凸部の上面が水平か、または凸部の突端側が凸部の根元側より高い位置となるような形状であることを特徴とする分子線エピタキシー装置が提供される。
【０００９】
この発明によれば、シュラウドの基板対向面である内壁面の表面積が広くなるので、付着物の密度が低下し、これによりシュラウドの付着物が剥離、落下しにくくなる。また、シュラウド内壁面の凹凸形状から付着物が剥離、落下したとしても、シュラウド上にとどまり、分子線セル内部、またはその近傍に落下することはない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明において、真空チャンバとしては、結晶成長させる基板の大きさに応じたものが適用されるが、一般的には、例えば直径１ｍ程度の半球状の形をしたものが適用される。
【００１１】
シュラウドは、この真空チャンバの内壁に沿い、真空チャンバの内壁から約１０ｃｍ程度離して設けられている。したがって、シュラウドは、真空チャンバよりひとまわり小さい大きさであり、真空チャンバが直径１ｍの半球状であるとすれば、シュラウドは直径約８０ｃｍの半球状の形である。
【００１２】
真空チャンバには、基板に分子を供給する分子線セルが取り付けられている。この分子線セルは、シュラウドを通して設けられ、分子を供給するための開口を基板の方向に向けて配置されている。この開口面はシュラウドの内壁面とほぼ同じ高さであり、開口の直径は上記の真空チャンバの大きさのものでは約１０ｃｍ程度である。
【００１３】
分子線セルの内部には坩堝が設けられており、材料は坩堝内で電気的に加熱され、分子線セルの開口から基板に放射される。供給される材料は、いずれも公知のものを適用することができる。
【００１４】
シュラウドは、内部に空洞が設けられており、結晶成長中はその空洞内に液体窒素が満たされ、冷却されている。そして、結晶成長が終了すると、シュラウドへの液体窒素の供給が停止され、液体窒素が蒸発し除去されるようになっている。シュラウド内に充填する液体窒素としては、公知のものを使用することができる。
【００１５】
シュラウドの内壁面とは、シュラウドの基板対向面を意味する。シュラウドの内壁面に形成された凹凸形状は、付着物が剥離、落下しない程度に付着物の付着面積を広げうる形状であればよい。
【００１６】
シュラウドの内壁面の凹凸形状は、その凸部が鋭角をなし、その凸部の上面が水平か、または凸部の突端側が凸部の根元側より高い位置となるような形状であることが望ましい。
【００１７】
以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施例１
この発明の実施例１を図１を用いて説明する。
本実施例の分子線エピタキシー装置は、真空チャンバ２内に、液体窒素で冷却されるシュラウド１が設けられている。真空チャンバ２内は、約１．３３×１０-8Ｐａの真空状態となっている。シュラウド１は、真空チャンバ２とほぼ同じ形状で、ひとまわり小さい大きさである。真空チャンバ２上部の中心部にはマニピュレータ３が設けられ、このマニピュレータ３によって基板４を保持、加熱、回転させることができる。
【００１９】
真空チャンバ２の大きさは、結晶を成長させる基板４の大きさによって異なるが、本実施例においては、直径約１ｍの円筒部と半球状の底部からなる形状のものを用いている。
【００２０】
シュラウド１は、この真空チャンバ２の内壁に沿い、真空チャンバ２の内壁から約１０ｃｍ程度離して設けられている。したがって、シュラウド１は、直径約８０ｃｍの円筒部と半球状の底部からなる形状である。
【００２１】
真空チャンバ２には、基板４に分子を供給する分子線セル５が取り付けられている。この分子線セル５は、シュラウド１に開けられた分子線セル５を通すための穴を通して配置されている。
【００２２】
分子線セル５は、複数種類の材料を基板４に対して同時に供給できるように、１０個取り付けられている。一般に、材料は、基板４に垂直な方向から供給することが最も効率が良いとされるが、基板４に垂直な方向から材料を供給する構造とした場合には、分子線セル５を１つしか配置できない。このため、複数の分子線セル５を、各分子線セル５から基板４までの距離が等しくなるように、基板４を中心とした同心円上に配置し、基板４に対して斜め方向から材料を供給するようにしている。本実施例では、分子線セル５は、真空チャンバ２の底頂部を中心とする円形状に１０個配置した構造となっている（図では、分子線セル５は１つのみ示し他は省略している）。
【００２３】
分子線セル５は、分子を供給するための開口５ａを基板４の方向に向けて配置されている。この開口面はシュラウド１の内壁面１ａとほぼ同じ高さであり、開口５ａの直径は約１０ｃｍ程度である。
【００２４】
分子線セル５の内部には坩堝が設けられており、結晶成長の作業前に、真空チャンバ２を開け、この坩堝内に材料を充填する。材料は坩堝内で電熱装置によって３００℃〜１２００℃に加熱され、分子線セル５の開口５ａから基板に放射される。
【００２５】
坩堝は、開口５ａの内部にあり、加熱された材料には溶融状態のものも存在する。例えばガリウムでは融点が約３０℃であるため、加熱時は溶融状態である。したがって、分子線セル５の開口５ａが下向きであれば材料が流出してしまうため、分子線セル５は開口５ａを上向きにして配置され、基板４に対し下側から材料を放射するようになっている。
【００２６】
分子線セル５への材料の供給は使用量に応じて適宜行われる。例えば、基板４の大きさ、および結晶の成長量にもよるが、ほぼ４００時間〜５００時間の使用毎に材料が供給される。１回の結晶成長の作業時間は、だいたい１〜４時間程度であるので、約１００〜４００回の作業毎に材料が供給される。供給される材料は、いずれも公知のものを適用することができる。
【００２７】
シュラウド１は、内部に直径５ｃｍ〜１０ｃｍの空洞が設けられており、分子線エピタキシー装置が結晶成長中であるときには、空洞内に液体窒素が満たされ、冷却されている。そして、結晶成長が終了すると、シュラウド１への液体窒素の供給が停止され、液体窒素が蒸発し除去される。シュラウド１内に充填する液体窒素としては、公知のものを使用することができる。
【００２８】
結晶成長を行ってゆくにつれて、シュラウド１の内壁面１ａには徐々に付着物が形成される。このため、真空チャンバ２内は、材料の供給毎に掃除が行われ、シュラウド１の内壁面１ａに付着した付着物や、シュラウド１の底部に落下した付着物が取り除かれる。
【００２９】
シュラウド１の付着物は、数ｃｍの大きさであるため、落下して、分子線セル５の開口５ａに入り込むことがあり、このように、分子線セル５の内部にシュラウド１の付着物が入った場合、その直後の結晶成長において、成長膜の質が悪化する。具体的には欠陥が大量に発生することとなり、デバイスの特性に多大な悪影響を与えることになる。
【００３０】
これに対処するために、シュラウド１の基板対向面である内壁面１ａは凹凸形状となっており、この内壁面１ａの凹凸により、付着物の剥離、落下を防止する。すなわち、この凸凹は、内壁面１ａの表面積を広げ、これにより付着物の単位面積当たりの付着量を減少させる（付着物の厚みを薄くする）働きをする。付着物は、上述したように数ｃｍの大きさであるので、この凸凹は、凸部の高さが数ｃｍ〜十数ｃｍの大きさであればよい。
【００３１】
この凹凸は、シュラウド１の内壁面１ａ全体に均一に形成してもよいし、分子線セル５の開口５ａの周囲に形成するようにしてもよい。開口５ａの周囲に形成する場合には、開口５ａを、開口５ａの高さよりも高い凸部で取り囲むように凹凸を形成することが望ましい。この場合、開口５ａから外側に向けて凸部が張り出すように凹凸を形成するようにしてもよい。
【００３２】
分子線セル５の開口５ａの周囲に凹凸を形成する場合、開口５ａを２重または３重に取り囲むように凹凸を形成してもよい。
また、シュラウド１の内壁面１ａのどの部分の付着物が落下しやすいのかを観察し、その落下しやすい部分だけに凹凸を形成するようにしてもよい。
【００３３】
なお、シュラウド１の内壁面１ａに凹凸を設ける場合、分子線セル５の開口５ａの下方に位置する内壁面１ａには凹凸を付ける必要はないが、シュラウド１の内壁面１ａ全体の面積を広げるという意味合いからは、開口５ａの下方に位置する内壁面１ａにも凹凸を形成するようにしてもよい。
【００３４】
本実施例によれば、結晶成長を行ってゆくにつれて、シュラウド１の内壁面１ａに徐々に付着物が形成されるが、図３に示す従来のシュラウド２０の形状と比較して、図１に示す本発明のシュラウド１の内壁面１ａは、凹凸形状のため表面積が広くなり、付着物の厚さが薄くなる。
【００３５】
したがって従来と比較すると、従来ではシュラウドから剥離した付着物６が分子線セル５内あるいは分子線セル５の付近に落下していたが、本例では、シュラウド１の付着物は剥離しにくくなり、付着物の落下を抑えることができる。
【００３６】
すなわち、使用する材料の量が同じであれば、付着物の厚さは、表面積が広くなった分薄くなるので、付着物の自重による落下の確率が減り、これにより、分子線セル内部あるいは近傍に付着物が落下することによる成長膜の欠陥の大量発生を抑制することができる。
【００３７】
実施例２
この発明の実施例２を図２を用いて説明する。
本実施例の分子線エピタキシー装置は、真空チャンバ２内のシュラウド１０の内壁面１０ａは、その凸部が鋭角をなす凹凸形状を有している。凸部の上面１０ｂは水平となっている。この凸部は、凸部の突端側が凸部の根元側より高い位置となるような形状であってもよい。その他の構成は実施例１と同じである。
【００３８】
この例においても、実施例１と同様に、シュラウド１０の内壁面１０ａの表面積が大きくなるため、付着物の厚さが薄くなる。また、それに加えて、シュラウド１０の内壁面１０ａの凸部の下面１０ｃから付着物が剥離、落下したとしても、付着物はシュラウド１０の凸部の上面１０ｂに留まり、分子線セル５に落下することはない。
【００３９】
このように、シュラウドの内壁面の表面積を広くして、単位面積当たりの付着量（厚さ）を減らすことにより、付着物の自重による落下を防止することができ、これにより、分子線セル内部あるいは近傍に付着物が落下することによる成長膜の欠陥の大量発生を抑制することができる。
【００４０】
本実施例においては、基板を下向きに配置し、基板に対して下側から材料を供給する形式の分子線エピタキシー装置を例に挙げたが、分子線エピタキシー装置には様々なものがあり、基板の取り付けかたや、材料の供給のしかたの異なる各種のものが存在する。しかしながら、上述したように、分子線セルは必ず上向きに配置されているため、シュラウドの形状がどのようなものであっても、分子線セルの内部にシュラウドの付着物が入ったり、分子線セルの近傍にシュラウドの付着物が落下する可能性がある。
【００４１】
したがって、分子線セルを上向きに配置し、かつ真空チャンバ内にシュラウドを配置し、このような付着物落下の危険性のある分子線エピタキシー装置であれば、どのような形式のものであっても本発明を適用することが可能である。
【００４２】
【発明の効果】
この発明によれば、付着物がシュラウドから剥離、落下しにくく、また落下したとしても分子線セル内部、近傍に落下しないため、成長層の膜質に悪影響を及ぼすことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１の分子線エピタキシー装置の概略図である。
【図２】この発明の実施例２の分子線エピタキシー装置の概略図である。
【図３】従来の分子線エピタキシー装置の概略図である。
【図４】従来技術における結晶成長に費やした時間と結晶成長表面の欠陥密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１，１０  シュラウド
１ａ，１０ａ  シュラウドの内壁面
１０ｂ  シュラウドの内壁面の凸部の上面
１０ｃ  シュラウドの内壁面の凸部の下面
２  真空チャンバ
３  マニピュレータ
４  基板
５  分子線セル
【図１】
0003630562.tif 000002
【図２】
0003630562.tif 000003
【図３】
0003630562.tif 000004
【図４】
0003630562.tif 000005