(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に配置した熱陰極および陽極と、
前記熱陰極から熱電子を放出させる第１の電源と、
前記熱陰極と前記陽極との間に電界を印加する第２の電源とを備え、
前記熱電子により電離した前記真空容器内の気体分子を前記熱陰極に付着させるように構成したことを特徴とするゲッターポンプ。
【請求項２】
前記真空容器内に陽極と、この陽極を挟んで配置した少なくとも２つの熱陰極を有することを特徴とする請求項１記載のゲッターポンプ。
【請求項３】
前記真空容器内に収容された円筒状の熱陰極と、この熱陰極の内部に陽極を配置したことを特徴とする請求項１記載のゲッターポンプ。
【請求項４】
前記熱陰極は、メッシュ状に加工された構造物であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３の何れか１項記載のゲッターポンプ。
【請求項５】
有機金属ガスを発生し前記真空容器内に供給する有機金属ガス供給手段と、
水素化ガスを発生し前記真空容器内に供給する水素ガス供給手段と、
前記真空容器内から未反応ガスを外部へ排出する排気系と、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４の何れか１項記載のゲッターポンプを具備することを特徴とする有機金属分子線エピタキシ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III-Ｖ族化合物半導体の薄膜を形成するために用いる真空容器内において、原料の有機金属ガスを効率よく捕獲するゲッターポンプ、すなわちガスを吸着させることにより高度の真空度をつくる装置、および、このゲッターポンプを具備した有機金属分子線エピタキシ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
III-Ｖ族化合物半導体の薄膜を形成するために用いられる有機金属分子線エピタキシ装置は、III族原料として有機金属を、Ｖ族原料として水素化物ガスを使用し、真空容器内に装填した基板結晶上に、前記III族およびＶ族原料を供給し、III-Ｖ族化合物半導体薄膜を成長させる装置である。高度の真空中で成長させることにより、高品質な結晶薄膜が得られることや、単原子層の厚さ程度の膜厚制御が可能なことから、特に多重量子井戸構造の成長に用いられている。また、２種以上のＶ族が含まれる混晶を成長させる際、原料ガスの供給比によりＶ族同士の組成比を制御できることから、Ｖ族元素としてＰとＡsを含む混晶を成長する際に用いられる。
【０００３】
図６は、従来の有機金属分子線エピタキシ装置の一例を示す図である。真空容器３内に装填された基板１結晶はヒータ２により加熱され、所望の温度に保持される。III族原料の有機金属は有機金属ボトル７に充填されており、流量調節装置８および配管１０ａを介して真空容器３に供給される。Ｖ族原料の水素化物ガスは水素化物ガスボンベ６に充填されており、流量調節装置９および配管１０ｂを介して真空容器３に供給される。原料ガスは、基板１上で熱分解され、結晶に取り込まれる。未反応ガスは排気系５により排気される。排気系５として、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、油回転ポンプおよびスパッタイオンポンプなどが用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
真空容器３内に供給された有機金属ガスは、熱分解して金属元素と有機側鎖に分解する。金属元素は結晶に取り込まれ、有機側鎖は排気系５により速やかに排気される。しかし、供給された有機金属ガスは、大部分が未分解のまま真空容器３内を漂う。有機金属ガスは、真空容器３の内壁への吸着と脱離を繰り返す性質があり、容易に排気されない。そのため、成長中の真空度が高くなること、いったん、有機金属ガスを供給すると供給を止めた後も真空度が速やかに下がらないこと等の問題がある。
【０００５】
従来の代表的な真空ポンプであるスパッタイオンポンプは、真空中の電離現象を利用した真空ポンプである。スパッタイオンポンプは、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ハニカム状の陽極１３とそれを挾む２枚の平板状の陰極１２からなる。陰極１２はチタン（Ｔi）からなる。陽極１３には、陰極１２に対して３〜７kＶの電位が印加されている。また図示のように磁場Ｂが印加されている。陰極１２と陽極１３との間の高電圧により陰極１２から放出された電子は、磁場Ｂの作用により螺旋運動をしながら対向する陰極１２の間を往復運動し、容易に陽極１３に達することができない。そのため、電子は陽極１３に達するまで極めて長い距離を走ることになる。この間、電子は気体分子と衝突し、これを電離させる。電離により生じた陽イオンは陰極１２に向かって加速され、数千ボルトのエネルギーで陰極１２に衝突し、チタンをスパッタする（はじき飛ばす）。スパッタされたチタン原子は陽極１３やポンプを構成する内壁に付着して、極めて清浄なチタン膜を形成する。
【０００６】
このような放電現象の下にスパッタイオンポンプでは次の２つの過程で排気作用が起こる。１つは清浄なチタン膜のもつゲッター作用であり、もう１つは電離された気体分子が陰極１２に衝突して陰極１２内部に潜り込み、捕獲される現象である。有機金属ガスは、分子量が大きいため、スパッタイオンポンプでは排気が困難である。本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、有機金属ガスを容易に排気可能なゲッターポンプと、このゲッターポンプを使用した有機金属分子線エピタキシ装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のゲッターポンプは、真空容器内に配置された熱陰極および陽極と、この熱陰極から熱電子を放出させる電源と、前記熱電子により電離させた気体分子を移動させる電界を前記熱陰極と前記陽極の間に印加する電源とを具備し、電離した気体分子を前記熱陰極に付着させるように構成したことを特徴としている。
【０００８】
また、前記本発明のゲッターポンプは、陽極とこの陽極を挟んで少なくとも２つの熱陰極を対向して配置したもの、または、円筒状の熱陰極と、この熱陰極の内部に陽極を配置したものである。
【０００９】
さらに、本発明の有機金属分子線エピタキシ装置は、真空容器内に配置された熱陰極および陽極と、この熱陰極から熱電子を放出させる電源と、この熱電子により電離させた気体分子を移動させる電界を前記熱陰極と前記陽極の間に印加する電源とを具備し、電離した気体分子を前記熱陰極に付着させるゲッターポンプを具備することを特徴とする。
【００１０】
図１は、本発明のゲッターポンプの基本構造を示す概念図である。真空容器内に熱陰極３１および陽極３３が配置されている。熱陰極３１から熱電子を放出させるための電源Ｖf３２と、熱陰極３１と陽極３３の間に電界を印加する電源Ｖc３４が接続されている。通常、ゲッターポンプを単独で使用することはなく、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、油回転ポンプ等の他の排気系（図には示していない）と組み合わせて使用する。
【００１１】
本発明のゲッターポンプの動作原理について説明する。熱陰極３１は電源Ｖf３２から供給される電流により熱せられ、熱電子を放出する。熱陰極３１から放出された熱電子は、周辺の有機金属分子に衝突して分子を電離させる。有機金属分子は主に正に帯電するので、陽極と陰極間の電界により、陰極側に移動する。本実施の形態では、陰極の表面が熱せられて熱陰極３１を形成しているため、熱陰極３１に付着した有機金属分子は熱分解され、蒸気圧の低い金属元素と蒸気圧の高い有機側鎖に分解する。蒸気圧の高い有機側鎖は脱離するが、蒸気圧の低い金属元素は熱陰極３１の表面に吸着されたままになる。有機側鎖は、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、油回転ポンプ等の排気系により速やかに排気される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明のゲッターポンプの一実施の形態を示す図であって、メッシュ状に加工した２つの熱陰極３１を、陽極３３を挾んだ対向位置に配置したゲッターポンプを示している。熱陰極３１は陽極３３を挾んで対向するように配置にしたため、一方の熱陰極３１から放出された熱電子は陽極３３を通り過ぎても対向するもう１方の熱陰極３１により形成される電場の影響で逆戻りする。このようなことを繰り返し、電子が極めて長い距離を運動するため、有機金属分子を効率よく電離することができる。したがって陰極側における有機金属分子の熱分解、および分解された金属元素の付着も増加する。また、メッシュ状に加工することにより、単線の熱陰極に比べて熱分解した金属元素を吸着する面積を広くとることができる。
【００１３】
図３は、メッシュ状に加工した円筒状の熱陰極３１を用いた他の実施の形態のゲッターポンプを示す図である。陽極３３は円筒状の熱陰極３１内に配置されている。図３のゲッターポンプにおいても、図２のゲッターポンプのところで説明した効果と同様の効果がある。さらに、熱陰極３１をメッシュ状に加工しているため、有機金属分子が円筒状の熱陰極３１の内側に入り易くなっている。そのため、効率よく有機金属分子を捕獲することができる。
【００１４】
図４は、本発明のゲッターポンプ３０を備えた有機金属分子線エピタキシ装置５０の構成図である。点線で囲まれた部分がゲッターポンプ３０である。真空容器３内に装填された基板１結晶はヒータ２により加熱され所望の温度に保持される。III族原料の有機金属は有機金属ボトル７に充填されており、流量調節装置８および配管１０ａを介して真空容器３に供給される。Ｖ族原料の水素化物ガスは水素化物ガスボンベ６に充填されており、流量調節装置９および配管１０ｂを介して真空容器３に供給される。未反応ガスは排気系５により排気される。排気系としては、油拡散ポンプと油回転ポンプが用いられる。本発明の有機金属分子線エピタキシ装置５０は、ゲッターポンプ３０を備えているところが、従来の有機金属分子線エピタキシ装置２０（図５）と異なる。このため、従来よりも低真空度を保持したままで成長できること、有機金属ガスの供給を止めた後に速やかに真空度が低下するという効果がある。
【００１５】
【発明の効果】
本発明のゲッターポンプは、真空容器内に配置された熱陰極および陽極と、この熱陰極から熱電子を放出させる電源と、前記熱電子により電離させた気体分子を移動させる電界を前記熱陰極と前記陽極の間に印加する電源とを具備し、電離した気体分子を前記熱陰極に付着させるように構成したことにより、有機金属分子を効率よく排気することができる。また、本発明の有機金属分子線エピタキシ装置は、真空容器内に配置された熱陰極および陽極と、前記熱陰極から熱電子を放出させる電源と、前記熱電子により電離させた気体分子を移動させる電界を前記熱陰極と前記陽極の間に印加する電源とを具備し、電離した気体分子を前記熱陰極に付着させるように構成したゲッターポンプを備えることにより、従来よりも低真空度を保持したままで成長できること、有機金属ガスの供給を停止した後に速やかに真空度が低下するという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のゲッターポンプの基本構造を示す概念図である。
【図２】本発明のゲッターポンプの一実施の形態を示す図である。
【図３】本発明のゲッターポンプの他の実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の有機金属分子線エピタキシ装置の構成図である。
【図５】従来技術のスパッタイオンポンプを示す図である。
【図６】従来の有機金属分子線エピタキシ装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…基板        ２…ヒータ
３…真空容器    ４…ゲートバルブ
５…排気系      ６…水素化物ガスボンベ
７…有機金属ボトル
８…有機金属ガス流量調節装置
９…水素化物ガス流量調節装置
１０…配管ａ            １１…配管ｂ
１２…陰極              １３…陽極
２０…有機金属分子線エピタキシ装置
３０…ゲッターポンプ    ３１…熱陰極
３２…電源Ｖf           ３３…陽極
３４…電源Ｖc
５０…有機金属分子線エピタキシ装置
【図１】
0003540130.tif 000002
【図２】
0003540130.tif 000003
【図３】
0003540130.tif 000004
【図４】
0003540130.tif 000005
【図５】
0003540130.tif 000006
【図６】
0003540130.tif 000007