(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシー装置で分子線源シャッタを用いて基板上にエピタキシャル膜を成長させるエピタキシャル膜の製造方法において、ＣＶＤ法で作製されたＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ及びＳｉ３Ｎ４のいずれか１つからなる前記分子線源シャッタには冷却機構が設けてあり、前記分子線エピタキシー装置のチャンバー内壁を冷却するために循環させる液体窒素または液体ヘリウムを、前記冷却機構にも循環させ、前記分子線源シャッタが開いた状態でも原料融液からの輻射熱損失が変化しないように、前記分子線源シャッタの冷却度合いを、前記分子線エピタキシー装置のチャンバー内壁と同じ温度に保つようにすることを特徴とする分子線エピタキシー装置で分子線源シャッタを用いて基板上にエピタキシャル膜を成長させるエピタキシャル膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子線エピタキシー法によりエピタキシャル膜を成長させる分子線エピタキシー装置において、開閉操作によってＫセルからの分子線を放射したり停止する分子線源シャッタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと略称することがある）法は、薄膜成長室を１０-6〜１０-11 Ｔｏｒｒという超高真空下、ＭＢＥ用分子線源ルツボ（以下、ＭＢＥルツボと略称することがある）を装着したＫセルと呼ばれる分子線放射装置で、ＭＢＥルツボを５００〜１５００℃に加熱し、分子線源シャッタを開けて分子線原料である溶融金属から放射する分子線を、加熱された半導体基板上に当てることにより、基板上にエピタキシャル膜の成長を行うもので、数原子層レベルの制御が可能な薄膜製造法であり、特に、ＧａＡｓ等の化合物半導体のエピタキシー膜の製造に広く用いられている。
【０００３】
従来、このようなＭＢＥ法において、シャッタを開けて分子線ビームを発生させる際に、発生直後と数秒経過後では分子線ビーム強度が変化する現象があり、フラックストランジェントと呼ばれている（図６参照）。これは、シャッタが開くことにより分子線源ルツボからの輻射熱（放射熱）の損失が増え、一時的に分子線原料融液の温度が下がるため、分子線ビーム強度が低下してしまうのである（図５（ａ）、（ｂ）参照）。分子線ビーム強度が低下すると、エピタキシャル膜中の原子組成比が変動してしまい、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質、歩留りの低下を引き起こしてしまう。
【０００４】
この問題を解決するために、シャッタに角度を付けて分子線ビーム強度の突出を制御しようという提案（村越義修他、電子材料1991別冊、P.36〜41）もなされているが、完全なものではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、シャッタが開いた際に、原料融液の温度が下がらないようにして、分子線ビーム強度の低下を防止し、均一な分子線が安定して放射可能な分子線源シャッタを、簡単かつ低コストで提供し、分子線エピタキシー操業の安定化とエピタキシャル膜中の原子組成比の変動を抑えて、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質と歩留りの改善を図ることを主たる目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、本発明は、分子線エピタキシーの分子線を放射するＫセルに用いられる分子線源シャッタにおいて、該シャッタに冷却機構を設けたことを特徴とする分子線エピタキシー用分子線源シャッタである。
【０００７】
このように、分子線エピタキシー用分子線源シャッタとして、シャッタに冷却機構を設け、冷媒を流してシャッタを冷却しながらシャッタを開くと、シャッタを開いた直後に起こる分子線ビーム強度の突出現象が殆どなくなり、シャッタを閉じるまでの間、極めて安定した一定強度の分子線を放射することができる。従って、ウエーハ上に生成したエピタキシャル膜は、原子組成比が一定で、膜厚もバラツキが殆どなく均一であり、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質と歩留りの向上を図ることができる。
この際、シャッタの冷却度合いは、シャッタが開いても原料融液からの輻射熱損失が変化しないように、シャッタとＭＢＥ装置のチャンバー内壁とをほぼ同じ温度に保つようにするのが望ましい。
【０００８】
この場合、前記冷却機構が、冷媒として液体窒素または液体ヘリウムを該シャッタ内を循環させるものであることを特徴とする分子線エピタキシー用分子線源シャッタとすることができる。
通常、ＭＢＥ装置のチャンバー内は液体窒素によって冷却されているため、シャッタの冷却用冷媒としてこれらの不活性液体を使用すれば、シャッタを開いた時にも温度環境の変化が起こらず、安定して分子線ビームを放射することができる。また、安全上極めて有効であり、熱容量も大きいので冷却速度も速く、高い冷却効果を得ることができる。
そしてこの場合、前記冷却機構の冷媒を、分子線エピタキシー装置のチャンバーを冷却する冷媒と同じものとすることが望ましく、このようにすれば、シャッタの温度をチャンバーの内壁温度とほぼ同じ温度にすることができるのでシャッタを開いた時にも温度環境の変化が起こらず、安定して分子線ビームを放射することができる。
【０００９】
そして、本発明は、前記分子線源シャッタの材料が、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でかつ耐熱性が６００℃以上のものとすることができる。
このようにシャッタの材料として熱伝導率が高く、耐熱性も十分ある高融点金属、合金、セラミックス等を使用すれば、高温環境下においてもシャッタの冷却効果が発揮され、分子線ビーム強度が安定化し、組成の均一なエピタキシャル膜を成膜することができ、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質、歩留りの向上を図ることができる。
【００１０】
さらにこの場合、前記分子線源シャッタの材質を、ＣＶＤ法で作製されたＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ及びＳｉ３Ｎ４のいずれか１つからなるものとすることできる。
このように、セラミックスとしてＣＶＤ法で作製されたＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ及びＳｉ３Ｎ４のいずれか１つからなるものを採用すれば、これらはいずれも熱伝導率が高く、耐熱性も高いのでシャッタの材質として好適に使用することができる。従って、高温環境下においてもシャッタの冷却効果が十分に発揮され、分子線ビーム強度が安定化し、組成の均一なエピタキシャル膜を成膜することができ、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質、歩留りの高い改善効果を得ることができる。
【００１１】
このような分子線源シャッタを採用したＭＢＥ装置では、極めて高品質のエピタキシャル膜を成長させることができる。
さらに上記のような分子線エピタキシー用分子線源シャッタを用いた装置により、エピタキシャル膜を成長させる方法によれば、強度の安定したビームによって極めて高品質のエピタキシャル膜付き半導体ウエーハを製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明者らは、分子線エピタキシーにおいて、Ｋセルのシャッタを開いた際に、分子線の放射直後、一端上昇した分子線ビーム強度が急激に下がる現象があり、その原因が、シャッタが開くことによりルツボからの輻射熱の損失が増え、ルツボ内の原料融液の温度が下がることにあり、この融液の温度が変化しないようにするには、シャッタを冷却して、シャッタ開閉時の熱的環境に変化がないように、シャッタ温度を装置チャンバー内壁温度とほぼ同じにすればよいことを見出し、諸条件を精査して本発明を完成させたものである。
【００１３】
本発明の冷却機構を有する分子線源シャッタを設けたＭＢＥ装置の一例を挙げると、図１に示した様に、ＭＢＥ装置１は、チャンバー８内に分子線を放射するＫセル２と基板ホルダに保持された基板９と分子線の放射を開閉制御する分子線源シャッタ４から構成されている。Ｋセル２は、原料７を収容するＰＢＮ（熱分解窒化硼素）製の円錐形ルツボ３とヒータ５から成り、ヒートシールド６（断熱材）で被覆されている。
【００１４】
本発明の分子線源シャッタ４は、その一例として図２に示したように、薄い箱形のシャッタ４に、冷却機構１１として冷媒流入管１２と冷媒流出管１３を設け、冷媒を循環させるようにしている。シャッタ４の開閉は、ベローズ１０を用いて高真空気密を保持し、流体シリンダ（図示せず）で前後進させて行う。
【００１５】
分子線源シャッタ４の冷却機構１１の別の例を挙げると、前記冷媒流入管１２の先端を毛細管とし、液体窒素を気化させて気化潜熱で冷却し、冷媒ガスを回収し液化して循環する方法でも良い。
【００１６】
本発明の最大の特徴は、分子線エピタキシーの分子線を放射するＫセルに用いられる分子線源シャッタにおいて、該シャッタに冷却機構を設けたことである。
このように、分子線エピタキシー用分子線源シャッタとして、シャッタに冷却機構を設け、冷媒を流してシャッタを冷却しながらシャッタを開くと、シャッタを開いた直後に起こる分子線ビーム強度の突出現象が殆どなくなり、シャッタを閉じるまでの間、極めて安定した一定強度の分子線を放射することができる。従って、ウエーハ上に生成したエピタキシャル膜は、原子組成比が一定で、膜厚もバラツキなく均一であり、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質と歩留りの向上を図ることができる。
【００１７】
この際、シャッタの冷却度合いは、シャッタが開いている時と、閉じている時とでシャッタ回りの熱的環境に変化がないように、すなわちシャッタが開いても原料融液からの輻射熱損失が変化しないように、シャッタとＭＢＥ装置のチャンバー内壁とをほぼ同じ温度に保つようにするのが望ましい。
【００１８】
従来のシャッタで閉の状態では、融液からの輻射熱の大部分がシャッタで反射してシャッタやルツボの開口部回りで蓄熱していたが、シャッタを開くと同時に放熱と分子線放射が突出し、それに伴って融液温度が低下し、徐々に分子線ビーム強度が弱くなり、ある所で平衡状態になる経過をたどっていた（図５の（ａ）、（ｂ）、図６参照）。
【００１９】
一方、本発明の冷却機構付きシャッタを使用した場合、シャッタ閉の状態では、融液からの輻射熱の大部分がシャッタ内を循環する冷媒に吸収されて、シャッタで反射していた反射熱が殆どなくなり、Ｋセルの熱的環境がシャッタ開で平衡状態の時とほぼ同様になるので、融液の温度もシャッタの開閉に関わらず変動が少なく、従って、分子線ビーム強度の突出も急激な下降もなく、ほぼ一定強度で安定したビームが得られる（図３参照）。
【００２０】
この場合、前記冷却機構が、冷媒として液体窒素または液体ヘリウムを該シャッタ内を循環させるものがよい。
通常、ＭＢＥ装置のチャンバー内は液体窒素によって冷却されているため、シャッタの冷却用冷媒としてこれらの不活性液体を使用すれば、シャッタを開いた時にも温度環境の変化が起こらず、安定して分子線ビームを放射することができる。また、安全上極めて有効であり、熱容量も大きいので冷却速度も速く、高い冷却効果を得ることができる。
特に、シャッタの冷媒をチャンバーを冷却する冷媒と同じものとすれば、シャッタの温度をチャンバーの内壁温度とほぼ同じ温度にすることが容易にできるので、シャッタを開いた時にも温度環境の変化が起こらず、安定して分子線ビームを放射することができる。
【００２１】
そして、分子線源シャッタの材料としては、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でかつ耐熱性が６００℃以上のものがよい。
熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものとすると、冷却効率が一層よくなってビーム強度の変動によりよく追随できるようになる。また、耐熱性が６００℃以上のものとするとＭＢＥ装置の熱的環境によりよく適合した装置とすることができる。
このようにシャッタの材料として熱伝導率が高く、耐熱性もある金属、合金、セラミックス等を使用すれば、高温環境下においてもシャッタの冷却効果が発揮され、分子線ビーム強度が安定化し、組成の均一なエピタキシャル膜を成膜することができ、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質、歩留りを著しく改善することができる。
【００２２】
さらにこの場合、前記分子線源シャッタの材質を、ＣＶＤ法で作製されたＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣまたはＳｉ3 Ｎ4 とすることできる。
このように、セラミックスとしてＣＶＤ法で作製されたＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣまたはＳｉ3 Ｎ4 を採用すれば、これらはいずれも緻密で機械的強度に優れ、熱伝導率が高く、耐熱性も高いのでシャッタの材質として好適に使用することができる。従って、高温環境下においてもシャッタの冷却効果が十分に発揮され、分子線ビーム強度が安定化し、組成の均一なエピタキシャル膜を成膜することができ、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質と歩留りの向上を図ることができる。
これらは、シャッタ全体をこれらの材質としてもよいし、あるいは、耐熱性金属等の成形体の表面にこれらを蒸着したものとしてもよい。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示したようなＭＢＥ装置１において、Ｋセル２中のＰＢＮルツボ３に分子線原料７としてＧａを入れ、チャンバー８内を真空排気し、１０-11 Ｔｏｒｒまで減圧し、ルツボ３を９６０℃まで徐々に加熱した。シャッタ４は、材質を熱分解窒化ほう素（ＰＢＮ）とし、図２のような冷却機構１１を設け、液体窒素を循環させてマイナス１５０℃以下に冷却した。
【００２４】
次いでシャッタを開閉させることによって分子線ビームの発射、停止を行い、その際のＧａの基板上での成長速度から分子線ビーム強度の推移を調査したところ、図３に示したように、シャッタ開放直後も安定したものとなり、均一にエピタキシャル成長をすることができるものであった。
【００２５】
（実施例２）
図２に示した冷却機構１１を備えたシャッタ４の表面に熱分解窒化硼素（ＰＢＮ）膜を固定した他は実施例１と同様な方法でＧａの分子線ビーム強度を調べたところ、実施例１とほぼ同様に図３のような安定したものとなった。さらにこのものはフレーク状のゴミの発生も少なく、エピタキシャル膜内の欠陥も極めて少ないものとなった。
【００２６】
（比較例）
図４に示したような、従来の冷却機構を持たないシャッタを使用した以外は、実施例と同一条件でＧａの分子線ビーム強度を調べたところ、図６のようにシャッタ開放時に分子線ビーム強度の立ち上がりが大きくなった後、徐々に小さくなって約１０秒位でやっと安定した。この分子線ビームで成長したエピタキシャル膜は、その特性のバラツキが大きいものとなり、歩留りも低下した。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００２８】
例えば、本発明の冷却機構は、シャッタを有効に冷却して、開閉時に熱環境の変化を、抑制できるものであれば、原則としてどのようなものでも良く、図２に紹介したものに限定されるものではない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＢＥ装置で起こり易いシャッタ開放時の分子線ビーム強度の突出現象を防止することができ、シャッタを閉じるまでの間、極めて安定した一定強度の分子線を放射することができる。従って、基板上に生成したエピタキシャル膜は、原子組成比が一定で、膜厚もバラツキなく均一であり、エピタキシャル膜付き半導体ウエーハの品質と歩留りの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分子線源シャッタを設けたＭＢＥ装置の実施形態の一例を示す縦断面説明図である。
【図２】本発明の冷却機構を備えた分子線源シャッタの一例を示す縦断面説明図である。
【図３】本発明の冷却機構を備えた分子線源シャッタを使用した場合、シャッタ開放後の分子線ビーム強度の推移を示すグラフである。
【図４】従来の分子線源シャッタを示す縦断面説明図である。
【図５】従来の分子線源シャッタを開閉した場合の輻射熱の状態を示す説明図である。（ａ）シャッタが開いている場合、（ｂ）シャッタが閉じている場合。
【図６】従来の分子線源シャッタを使用した場合、シャッタ開放後の分子線ビーム強度の推移を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ＭＢＥ装置、  ２…Ｋセル、  ３…分子線源ルツボ、  ４…シャッタ、
５…ヒータ、  ６…ヒートシールド、  ７…分子線原料、
８…チャンバー、  ９…基板、  １０…ベローズ、  １１…冷却機構、
１２…冷媒流入管、  １３…冷媒流出管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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