(57)【要約】【課題】基板上に結晶薄膜を均一に成長させることが可能な分子線エピタキシー装置および分子線エピタキシー法を提供すること。【解決手段】その内部を真空状態に保持可能であり、その内部に収容した基板Ｓｂに結晶成長させるための真空成長室１と、基板Ｓｂを保持する基板ホルダ２と、筒状の側壁３２と底３１とを有しており、基板Ｓｂに結晶成長させる材料Ｍｔを溶融状態で保持可能なるつぼ３と、を備える分子線エピタキシー装置Ａであって、るつぼ３の底３１には、溶融した材料Ｍｔが表面張力によって漏洩しないサイズとされた１以上の貫通孔３１ａが設けられており、基板ホルダ２は、るつぼ３に対して底３１の外面３１ｂが向く方向に配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部を真空状態に保持可能であり、その内部に収容した基板に結晶成長させるための真空成長室と、
上記基板を保持する基板ホルダと、
筒状の側壁と底とを有しており、上記基板に結晶成長させる材料を溶融状態で保持可能なるつぼと、
を備える分子線エピタキシー装置であって、
上記るつぼの上記底には、溶融した上記材料が表面張力によって漏洩しないサイズとされた１以上の貫通孔が設けられており、
上記基板ホルダは、上記るつぼに対して上記底の外面が向く方向に配置されていることを特徴とする、分子線エピタキシー装置。
【請求項２】
上記るつぼに溶融した上記材料が滞留した状態で、上記材料のうち上記底寄りにある部分の温度を計測可能である温度計測手段をさらに備える、請求項１に記載の分子線エピタキシー装置。
【請求項３】
その内部を真空状態に保持可能であり、その内部に収容した基板に結晶成長させるための真空成長室と、
上記基板を保持する基板ホルダと、
筒状の側壁と底とを有しており、上記基板に結晶成長させる材料を溶融状態で保持可能なるつぼと、
を用いて上記基板に結晶成長させる分子線エピタキシー法であって、
上記るつぼの上記底には、溶融した上記材料が表面張力によって漏洩しないサイズとされた１以上の貫通孔が設けられており、
上記基板ホルダは、上記るつぼに対して上記底の外面が向く方向に配置されており、
上記貫通孔から上記基板に向けて上記材料の分子線を照射することを特徴とする、分子線エピタキシー法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば半導体装置の製造工程において半導体の薄膜を形成するために用いられる分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置および分子線エピタキシー法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の分子線エピタキシー装置の一例を示している（たとえば、特許文献１参照）。同図に示された分子線エピタキシー装置Ｘは、真空成長室９１、基板ホルダ９２、るつぼ９３を備えている。基板ホルダ９２は、たとえば半導体の薄膜を成長させる基板Ｓｂを保持するためのものである。るつぼ９３は、たとえばＧａなどの材料Ｍｔを溶融状態で滞留させるためのものである。真空状態とされた真空成長室９１内においては、るつぼ９２内において溶融された材料Ｍｔの液面から、分子線Ｍｂが基板Ｓｂに向けて照射される。これにより、基板Ｓｂの表面に材料Ｍｔの結晶薄膜を成長させることができる。
【０００３】
しかしながら、基板Ｓｂへの結晶薄膜の成長を継続すると、るつぼ９２内の材料Ｍｔが減少する。このため、材料Ｍｔの液面がるつぼ９３内を下降する。材料Ｍｔの液面の高さが変わると、るつぼ９３から放出される分子線Ｍｂの照射範囲が変わってしまう。このようなことでは、基板Ｓｂに材料Ｍｔの結晶薄膜を均一に成長させることが困難であった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、基板上に結晶薄膜を均一に成長させることが可能な分子線エピタキシー装置および分子線エピタキシー法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面によって提供される分子線エピタキシー装置は、その内部を真空状態に保持可能であり、その内部に収容した基板に結晶成長させるための真空成長室と、上記基板を保持する基板ホルダと、筒状の側壁と底とを有しており、上記基板に結晶成長させる材料を溶融状態で保持可能なるつぼと、を備える分子線エピタキシー装置であって、上記るつぼの上記底には、溶融した上記材料が表面張力によって漏洩しないサイズとされた１以上の貫通孔が設けられており、上記基板ホルダは、上記るつぼに対して上記底の外面が向く方向に配置されていることを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、上記材料のうち上記貫通孔から露出した部分から分子線が照射される。上記基板への結晶薄膜の成長が継続されても、上記分子線が発生する位置は、常に一定である。したがって、上記分子線の照射範囲を一定とすることが可能であり、上記基板上に結晶薄膜を均一に成長させることができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記るつぼに溶融した上記材料が滞留した状態で、溶融した上記材料のうち上記底寄りにある部分の温度を計測可能である温度計測手段をさらに備える。このような構成によれば、上記温度計測手段により、上記材料のうち分子線となる部分の温度を容易に把握することが可能である。したがって、上記材料を上記分子線を照射するのに適した温度に保つことができる。
【０００９】
本発明の第２の側面によって提供される分子線エピタキシー法は、その内部を真空状態に保持可能であり、その内部に収容した基板に結晶成長させるための真空成長室と、上記基板を保持する基板ホルダと、筒状の側壁と底とを有しており、上記基板に結晶成長させる材料を溶融状態で保持可能なるつぼと、を用いて上記基板に結晶成長させる分子線エピタキシー法であって、上記るつぼの上記底には、溶融した上記材料が表面張力によって漏洩しないサイズとされた１以上の貫通孔が設けられており、上記基板ホルダは、上記るつぼに対して上記底の外面が向く方向に配置されており、上記貫通孔から上記基板に向けて上記材料の分子線を照射することを特徴としている。
【００１０】
このような構成によれば、上記材料のうち上記分子線が発生する部分の位置は、上記基板に対して常に一定である。このため、上記基板への結晶薄膜の成長を継続しても上記分子線の照射範囲は変わらない。したがって、上記基板上に結晶薄膜を均一に成長させることができる。
【００１１】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る分子線エピタキシー装置の一例を示している。本実施形態の分子線エピタキシー装置Ａは、真空成長室１、基板ホルダ２、るつぼ３、熱電対４、およびシャッタ５を備えており、基板Ｓｂに材料Ｍｔの結晶薄膜を成長させるための装置である。
【００１４】
真空成長室１は、基板ホルダ２、るつぼ３を収容しており、その内部において基板Ｓｂに材料Ｍｔの結晶薄膜を成長させるためのものである。真空成長室１は、図外の真空ポンプによってその内部を真空状態とすることが可能に構成されている。
【００１５】
基板ホルダ２は、基板Ｓｂを保持するためのものである。基板ホルダ２は、真空成長室１内において下方寄りに配置されており、基板Ｓｂのうち結晶成長させられる面が上向きとなる姿勢で基板Ｓｂを保持する。基板ホルダ２には、基板Ｓｂを加熱するためのヒータが備えられている。
【００１６】
るつぼ３は、基板Ｓｂに結晶成長させる材料Ｍｔを溶融状態で保持するためのものである。るつぼ３は、真空成長室１内において上方寄りに配置されており、底３１と筒状の側壁３２とを有している。基板ホルダ２は、るつぼ３に対して、るつぼ３の底３１の外面３１ｂが向く方向、すなわち鉛直方向下方に配置されている。本実施形態においては、真空成長室１の蓋に、るつぼ３を収容可能な凸部が形成されている。図２に示すように、底３１には、複数の貫通孔３１ａが形成されている。貫通孔３１ａは、溶融状態とされた材料Ｍｔの表面張力を利用して材料Ｍｔが漏洩しないサイズとされている。貫通孔３１ａからは、材料Ｍｔの分子線Ｍｂが照射される。側壁３２には、貫通孔３２ａが形成されている。貫通孔３２ａは、材料Ｍｔが減少したときにるつぼ３内の真空度が真空成長室１内よりも高まることを防止するためのものである。
【００１７】
るつぼ３の具体的構成例は、以下の通りである。るつぼ３は、たとえば窒化ホウ素からなり、その直径が３０〜１００ｍｍ、その高さが１５０〜２００ｍｍ程度とされる。底３１および側壁３２は、いずれもその厚さが０．５〜１．０ｍｍ程度とされる。底３１には、５つの貫通孔３１ａが同心円状に形成されている。各貫通孔３１ａは、その直径が１．０ｍｍ程度とされる。
【００１８】
熱電対４は、るつぼ３に滞留した溶融状態の材料Ｍｔの温度を計測するためのものであり、本発明で言う温度計測手段の一例である。熱電対４は、その先端がるつぼ３の底３１に接する程度に位置することが可能に構成されている。熱電対４によって、溶融した材料Ｍｔのうち底３１付近にある部分の温度を計測することができる。この部分は、貫通孔３１ａから分子線Ｍｂとなって照射される部分とほぼ同じ温度である。
【００１９】
図１に示すように、シャッタ５は、たとえば金属製の円盤状であり、真空成長室１の上方寄りに配置されている。シャッタ５は、るつぼ３の直下位置とるつぼ３から退避した位置とを往復動可能に構成されている。シャッタ５をるつぼ３の直下位置に位置させることにより、るつぼ３からの分子線Ｍｂの照射を一時的に遮断することができる。基板Ｓｂに結晶薄膜を成長させるときには、シャッタ５をるつぼ３から退避した位置に移動させる。シャッタ５には、皿部５１が形成されている。皿部５１は、シャッタ５がるつぼ３の直下位置にあるときに、るつぼ３にクラックが発生するなどして材料Ｍｔが真空成長室１内に不当にこぼれてしまうことを防止するためのものである。
【００２０】
次に、分子線エピタキシー装置Ａを用いた分子線エピタキシー法について以下に説明する。
【００２１】
まず、図１に示すように、基板ホルダ２にたとえばサファイアからなる基板Ｓｂを保持させる。シャッタ５をるつぼ３の直下位置に配置した状態で、るつぼ３に基板Ｓｂの表面に結晶成長させるたとえばＧａ、Ａｌ、Ｚｎなどの材料Ｍｔを挿入する。そして、図外の真空ポンプによって真空成長室１内を、真空状態とする。るつぼ３内の材料Ｍｔを図外のヒータなどの加熱手段によって加熱することにより溶融状態とする。溶融状態となった材料Ｍｔは、るつぼ３に保持されたままである。溶融した材料Ｍｔは、貫通孔３１ａから露出した状態となる。
【００２２】
次いで、熱電対４によって材料Ｍｔの温度が分子線Ｍｂの照射に適した温度に達したことを確認した後に、シャッタ５をるつぼ３から退避した位置に移動させる。これにより、貫通孔３１ａから材料Ｍｔの分子線Ｍｂが基板Ｓｂの上面に向けて照射される。基板Ｓｂの上面には、材料Ｍｔの結晶薄膜が徐々に成長する。熱電対４の計測結果を利用して、上記加熱手段の出力をたとえばフィードバック制御する。これにより、材料Ｍｔのうち貫通孔３１ａから露出する部分の温度を分子線Ｍｂを照射するのに適した温度に保っておく。
【００２３】
さらに、材料Ｍｔの結晶薄膜の成長を継続すると、るつぼ３内の材料Ｍｔの量が減少する。しかし、貫通孔３１ａから露出している材料Ｍｔの部分の位置は、一定とされている。これにより、るつぼ３から照射される分子線Ｍｂの照射範囲は結晶薄膜成長の開始時点から終了時点まで常に一定である。基板Ｓｂの上面に所望の厚さの結晶薄膜が形成されたことを確認すると、シャッタ５をるつぼ３の直下に移動させる。これにより、基板Ｓｂへの材料Ｍｔの結晶薄膜の形成が完了する。
【００２４】
次に、分子線エピタキシー装置Ａおよびこれを用いた分子線エピタキシー法の作用について説明する。
【００２５】
本実施形態によれば、分子線Ｍｂは、材料Ｍｔのうち貫通孔３１ａから露出した部分から照射される。このため、基板Ｓｂへの結晶薄膜の成長を継続しても、分子線Ｍｂが照射される範囲は、常に一定である。したがって、基板Ｓｂの所望の範囲に材料Ｍｔの分子線Ｍｂを照射し続けることが可能であり、基板Ｓｂに材料Ｍｔの結晶薄膜を均一に成長させることができる。
【００２６】
熱電対４をその先端がるつぼ３の底３１に接する程度の位置に配置すれば、材料Ｍｔのうち分子線Ｍｂとなる部分の温度を把握することが可能である。上述したとおり、材料Ｍｔのうち分子線Ｍｂとなる部分は、常に貫通孔３１ａから露出する部分であり、熱電対４の先端との位置関係は一定である。したがって、基板Ｓｂへの結晶薄膜成長の開始時点から終了時点までの間中、材料Ｍｔのうち貫通孔３１ａから露出する部分、すなわち分子線Ｍｂとなる部分の温度を、分子線Ｍｂを照射するのに適した温度とすることができる。
【００２７】
本発明に係る分子線エピタキシー装置および分子線エピタキシー法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る分子線エピタキシー装置および分子線エピタキシー法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【００２８】
本発明に係る分子線エピタキシー装置に備えられるるつぼの個数は、１つに限定されず、２以上であってもよい。２以上のるつぼを備える構成であれば、いずれかのるつぼを選択して使用することにより、異なる材料からなる複数の結晶薄膜を基板上に積層させることができる。また、真空成長室内に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のための要素を配置すれば、同一の基板に対して、分子線エピタキシー法と有機金属気相成長法との双方によって複数の結晶薄膜を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る分子線エピタキシー装置の一例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る分子線エピタキシー装置の一例に用いられるるつぼを示す断面図である。
【図３】従来の分子線エピタキシー装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
Ａ      分子線エピタキシー装置
Ｍｂ    分子線
Ｍｔ    材料
Ｓｂ    基板
１      真空成長室
２      基板ホルダ
３      るつぼ
４      熱電対（温度計測手段）
５      シャッタ
３１    底
３１ａ  貫通孔
３１ｂ  外面
３２    側壁
３２ａ  貫通孔
５１    皿部
【図１】
2008066509.tif 000003
【図２】
2008066509.tif 000004
【図３】
2008066509.tif 000005