JP2005174987A

JP2005174987A - アルミ這い上がり防止分子線セル

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Publication number: JP2005174987A
Application number: JP2003408823A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kishino; 克巳岸野; Akihiko Kikuchi; 昭彦菊池; Takatoshi Yamamoto; 高稔山本
Original assignee: EPIQUEST KK; Kishino Katsumi
Current assignee: EPIQUEST KK; Kishino Katsumi
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】 III−V族窒化物系半導体薄膜を製造するためにＭＢＥ装置で使用する分子線セルにおいて、窒素ラジカルに接触したアルミの融液はるつぼを這い上がる。這い上がって、るつぼの鍔部から垂れたアルミはヒータに付着し断線させる。また反射板を付着汚染する。るつぼでのアルミ這い上がりを防ぐ必要がある。
【解決手段】るつぼを鍔部より上に延ばした突出部を形成する。ヒータから遠く低温である突出部でアルミ融液温度を下げ粘度を高め這い上がりを止める。さらにるつぼ内部にリング上の窒素侵入防止リングを設ける。融液の這い上がりはリングの裏面で停止する。リング開口部は狭くて窒素ラジカルの侵入を防ぐ。それはアルミ這い上がりを効果的に防ぐ。さらに内外二重るつぼとして内るつぼに突出部と窒素侵入防止リングを設けることもできる。
【選択図】図３

Description

この発明は分子線エピタキシー装置のアルミ（Ａｌ）用分子線セルの改良に関する。アルミ融液はＰＢＮるつぼとの濡れ性がよいので、るつぼを這い上がりヒータや反射板を汚染劣化させる。アルミ融液の這い上がりは特に窒化物の成長において著しく現れる現象である。この発明はIII−V族窒化物半導体エピタキシャル成長用のＡｌ分子線セルにおいてＡｌ融液の這い上がりをなくした分子線セルを提供することを目的とする。

分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置は、超高真空のチャンバにおいて、加熱された基板に向けて様々な物質の分子線を照射し、基板の上に多様な組成の薄膜を成長させる装置である。超高真空チャンバの内部には液体窒素シュラウドが設けられ真空排気装置によって内部が１０^−７〜１０^−９Ｐａ程度の超高真空に引かれる。

基板はホルダ−によって下向きに保持される。基板の斜め下には多数の分子線セルが基板を狙うような角度で上斜め向きに設けられる。基板を保持するマニピュレータには基板を加熱するためのヒータや、必要に応じて基板を回転する装置がついている。実験用の分子線エピタキシー装置の場合は厚みや膜の状態を監視するための膜厚モニタやＲＨＥＥＤ等が設けられることもある。

ＭＢＥチャンバは超高真空を維持するため他の真空室とゲートバルブを介して接続しており搬送機構によってウエハをセットしたホルダーを真空室から他の真空室へと搬送できるようになっている。

薄膜の成分を微細な分子線として飛ばすために多数の分子線セルが設けられる。分子線セルは固体原料を加熱して融液とし蒸発させ超高真空中で分子線とするものである。(固体原料を昇華させ、分子線とするものもある。) 様々な分子線セルがあるがここでは固体原料用の分子線セルを説明する。

図１は通常の固体原料用の分子線セルの断面である。コイル状に巻いたヒータ１の内部に有底円筒形のＰＢＮ（Pyrolitic Boron Nitride）るつぼ２が側面反射板３によって保持される。るつぼ２の内部に固体の原料を入れるようになっている。側面反射板３は厚みが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度のタンタルの薄い板である。同心円状に何枚も重ねて設けられる。薄いタンタル板には多数の突起が形成されており隣接板間に間隙を作るようになっている。

るつぼ２の下方には円形の薄いタンタルの底面反射板４が設けられる。これもたがねで突起をつくり隣接板の間に隙間を作り接触しないようになっている。反射板の枚数を増やすと保温効果が増える。側面反射板３は下端において円盤状のベース５に固定される。底面反射板４はベース５の上に載っている。るつぼ２は底部２２と中筒部２３と上方の広がった鍔部２４よりなる。鍔部２４の端が側面反射板３によって保持される。るつぼ２は鍔部２４、側面反射板３を通じてベース５に支持される。

るつぼの中に原料融液２５が収容される。ＰＢＮるつぼであるから耐熱性に優れている。ヒータ１によって中筒部２３を加熱する。ここではコイル状ヒータを図示しているが上下に蛇行するリボン状のヒータを用いる事もある。
ヒータ１はるつぼ２の外周部にあって、側面反射板３、底面反射板４とは非接触である。るつぼ２の底部２２には熱電対６の先端が接触し温度を監視できるようになっている。

ベース５を保持するために複数の支柱８がフランジ７との間に設けられる。フランジ７は分子線エピタキシー装置の円筒形のポートに分子線セルを取り付けるための面となる。フランジ７には電流フィードスルー９、９があって、ヒータ用の電流が導入されるようになっている。これは導線を絶縁体で被覆したものでフランジの穴を貫通したものである。ポートの内側（フランジの上側）では導線１７、１７が上に伸びヒータ１の両端子に繋がっている。

フランジ７の中央には熱電対フィードスルー１０がある。熱電対の２端子が外部へ導き出されている。内部では熱電対のリードを通す絶縁碍子１８が鉛直に設けられる。ベース５の中央を貫いて熱電対の碍子１８が延びている。分子線セルはこれだけであるがるつぼの開口部にはシャッター（図示しない）が設けられる。軸を中心にして旋回することによりるつぼの開口部を閉ざしたり開いたりして分子線をオンオフする。

るつぼ２の原料固体を入れておき分子線セルを分子線結晶成長装置のポートに取り付けチャンバを真空に引いてからヒータ１に通電して加熱し原料融液を生成する。融液は蒸発する。超高真空なので細い分子線となって直進し基板に当たる。基板では単独であるいは他の元素と反応して薄膜を基板の上に形成する。

分子線セルは薄膜の主成分の材料や、ドーパント材料の数だけ必要である。例えばＳｉウエハにＳｉ薄膜を成長させるなら、Ｓｉ分子線セルだけでよい。燐、ボロンをドープするなら燐（Ｐ）、ボロンの分子線セルも必要である。

本発明はアルミの分子線セルを問題にする。ＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ薄膜を成長させて赤外レーザ、赤外発光ダイオードを作る場合、アルミが混晶成分として必要である。その場合はＧａ分子線セル、Ａｓ分子線セル、Ａｌ分子線セルを設けてＡｌＧａＡｓ薄膜を生成する。

その場合でもＡｌ分子線セルには問題があった。それはＡｌの融液がＰＢＮと濡れ性がよくて液状のＡｌがるつぼの壁面を這い上がるという現象である。るつぼの上まで這い上がり鍔部から反射板に滲み通り、さらにヒータへ垂れて行く。アルミ付着によってヒータを短絡、断線させることがある。ヒータが断線すると薄膜成長できなくなる。成長を中止し分子線セルを修繕してもう一度始めなければならない。ヒータだけでなく反射板はアルミで汚れ反射率が低下する。そのようにアルミの這い上がり現象は様々な不都合を引き起こす。アルミ這い上がりを防ぐための工夫がなされなければならない。

特許文献１は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ薄膜のＧａＡｓ基板上の成長においてアルミがＰＢＮるつぼを這い上がるのでそれを防ぐために、中央部に穴をもち中央近くで跳ね上がり周辺部で下へ折れ曲がるような円板形状のプロテクターキャップを、るつぼ鍔部の下部と側面反射板の間に入れて、アルミ融液が鍔部の裏面から反射板へ漏れないようにくい止めるようにした。プロテクターキャップのためにアルミ融液は最外反射板の外側を垂れるようになり、内部のヒータが保護される。
特開平１０ー１２０４９０号「分子線セル」

III−V族薄膜のエピタキシャル成長の混晶成分としてアルミが用いられることがある。これまで述べたものは相手のV族がＡｓの場合であった。これを砒化物系薄膜と呼ぶことにする。ＧａＡｓ赤外レーザはアルミとガリウムの混晶膜を一部に含むからである。その場合もアルミのるつぼ這い上がりによるヒータ断線が問題になり特許文献１のような工夫がなされた。

III−V族薄膜のエピタキシャル成長の研究開発は、V族がＡｓでなく、窒素Ｎであるものが主流になっている。青色ＬＥＤ、青色ＬＤを作るためにサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の上に、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの混晶薄膜を成長させる。これは窒化物系薄膜と呼ぶことにする。この場合、Ｉｎ分子線セル、Ｇａ分子線セル、Ａｌ分子線セル、窒素ガスソースセルが必要である。その他にドーパントの分子線セルも必要である。

窒素は通常のガスソースセルでは窒素が膜中に取り込まれないためラジカルセルを用いる。それは本発明の対象でないから説明しない。Ｉｎ分子線セル、Ｇａ分子線セルなどは別段問題ない。しかしＡｌ分子線セルは這い上がりが問題になる。

しかも相手が窒素の場合は、Ａｌのるつぼ這い上がりがなおいっそう激しいということが分かってきた。

超高真空中のことであるし、各々の分子線セルは離れているのだから、他の分子線セルが何であるのかということは無関係のように思うが、実際にはそうでないようである。窒化物系薄膜成長の場合、窒素はラジカルセルを使い高周波、熱などで窒素を反応性の強いラジカルにするが、窒素ラジカルがＡｌ分子線セルに入りＡｌを活性化し、より強く這い上がるように仕向けているようである。（詳細については不明である。）

V族がＡｓの場合（砒化物系）の這い上がりよりも、５族がＮの場合（窒化物系）はなおいっそう強力になり旺盛なＡｌ這い上がり現象が起こる。だからV族がＡｓであるときのＡｌ分子線セルの技術工夫がＮの場合には最早役に立たない。

アルミの這い上がりを防ぐには開口部の温度を下げれば良い。るつぼの開口部近傍を水冷したというような分子線セルが提案され実施されている。分子線エピタキシー装置の内部に水冷パイプを導入しるつぼの上縁の廻りに巡らせる。外部から冷却水を送給しるつぼの上縁を冷やすようにする。開口部の温度を下げるとアルミが粘度を増して這い上がりにくくなる。一部は固体にもどりるつぼ壁を動けないようになる。

水冷るつぼは確かにアルミ這い上がりを防ぐことができる。しかしながら超高真空を維持しなければならない分子線エピタキシー装置チャンバに水冷パイプを新たに設けるので構造をより複雑にする。すぐ近くに電気系統もありヒータが近接して存在するのだから故障を引き起こしやすい。分子線セルのコストを押し上げる。分子線エピタキシー装置の保守の手間も増大する。冷却水導入による方法よりももっと簡便であって信頼性がありより低コストのアルミ這い上がりの工夫が望まれる。

本発明は、鍔部より上方へるつぼ円筒部を延長する。底部・鍔部の長さＬと延長した突出部Ｍの長さの和Ｌ＋Ｍがるつぼの全長になる。突出部はヒータから遠くて温度が低い。

あるいはさらにるつぼの内周面にリング状の窒素侵入防止板を付加する。るつぼの内径をＤとしてリング状窒素侵入防止板の内径をｄとする。ｄはＤより狭いので上方から窒素ラジカルがるつぼの内部まで侵入しにくくなる。

鍔部と突出部の両方を同じるつぼに形成すると複雑になる。そこで鍔部のあるるつぼと突出部のあるるつぼを組み合わせて用いてもよい。二重るつぼとすると、単純な断面形状のるつぼを二つ作ればよいから製造が容易である。

るつぼの上端をヒータよりも上へ延ばしたので、その部分の温度Ｔｍは鍔部温度Ｔｔより低くてアルミ融液の粘度が上がる。粘度が高くなるから這い上がりにくくなる。るつぼ頂点までの距離が、底部・鍔部までの長さＬに突出部の長さＭを加えたものになる。るつぼが高くなるからアルミ融液の這い上がりが起こっても頂点まで到達しない。るつぼが高くなるから上縁から窒素ラジカルが侵入してもアルミ融液までなかなか降りてこない。だからラジカルによるアルミ引き上げ作用も減退する。そのような効果があるためには、突出部の高さＭは、るつぼ開口部直径をＤとして、０．２５Ｄ≦Ｍ≦２Ｄの範囲にあることが望ましい。

るつぼ上方の内部にリング状の窒素侵入防止リングを設けると、（Ｄ−ｄ）／２の幅の下面が生成される。這い上がりアルミ融液はリングの下面の（Ｄ−ｄ）／２を伝って上面へ登ることができない。必ず途中で落下する。だからアルミ這い上がりをもっと効果的に防ぐことができる。さらに開口部が狭小化するので窒素ラジカルが入りにくくなる。窒素ラジカルがアルミ融液から切り放される。そのためにアルミを引上げる駆動力が減少する。

さらにるつぼを内外二重にし、内るつぼを背の高いものにするとアルミの這い上がりの距離が長くなる。アルミ融液は頂点までのぼらないで落ちてしまう。二つのるつぼを使うことにすれば一つのるつぼに鍔部と突出部の両方を形成する必要がないから構造が単純化される。内るつぼは単純な円筒形状となり清掃も容易になる。ＰＢＮは熱ＣＶＤで製造するから複雑な形状のものは作りにくいが、二重るつぼならそのような製造の難しさはない。二つのるつぼを使うからコストはそれだけ増加する。しかしそれは水冷機構をチャンバ内部へ追加設置するよりは低コストである。二重になって加熱の効率が下がるように思えるがＰＢＮは赤外に対して殆ど透明で内部までヒータの輻射熱を良く通す。

［実施例１（突出部）］
図２によって本発明の実施例１にかかる分子線セルを説明する。コイル状のヒータ１の内側にＰＢＮるつぼ２が設けられる。このるつぼ２は底部２２と中筒部２３と鍔部２４を有する。そこまでは従来例にかかるるつぼと同様である。しかしこのるつぼは鍔部より上に突出部２０が新たに設けられている。これによって突出部の高さＭだけ上方へ延長されることになる。そのほかの構造は従来のものと同じである。円筒形のタンタル薄板を組み合わせた側面反射板３がるつぼを包囲するように設けられる。これはたがねで表面に凹凸を多数形成するなどの手法によって板が重ならず隙間を形成するようになっている。ヒータから外へ向かう輻射熱を内部へ反射してるつぼの温度を高める作用がある。

るつぼ２の下方には底面反射板４が設けられる。これもタンタルなど高融点金属の薄板であって、円盤状に切ったものを隙間を作るように重ねたものである。円盤状のベース５が側面反射板３の下端を支持する。底面は反射板４とベース５の真ん中に通し穴があって、熱電対６の絶縁碍子１８が通し穴を挿通している。熱電対６の先端はＰＢＮるつぼ２の底部に接触している。

ベース５が支柱８によってフランジ７に結合され、電流フィードスルー９、熱電対フィードスルー１０がフランジに設けられるという構造は図１のものと同様である。

固体アルミ原料をるつぼに入れておいて分子線エピタキシー装置にセットし真空に引いてヒータに通電するとるつぼ内の原料が加熱されてアルミ融液２５となる。蒸発してアルミ分子線２６となって開口部から飛んで基板（図示しない）へ向かう。高温のアルミ融液はＰＢＮに対して濡れ性が高いので壁面を伝ってのぼってゆく。

しかしこの分子線セルは突出部２０があるからその高さＭの分だけるつぼが高くなる。突出部２０の上縁は、ヒータ１の上端からＭ以上離れる。そのため突出部２０の温度はるつぼの鍔部２４、中筒部２３より低くなる。温度が低いとアルミ融液の粘度が高くなりアルミ融液が這い上がりにくくなる。途中で上昇を停止する。それに上縁までの距離が長くなるからアルミが這い上がっても上縁まで到達しない。また開口部上端からアルミ融液２５面までの距離がＭだけ長くなるから窒素ラジカルが液面まで至らない。窒素ラジカルの引き上げ効果が少なくなるからアルミ這い上がりがその意味でも少なくなる。

［実施例２（突出部＋窒素侵入防止リング）］
図３によって本発明の実施例２にかかる分子線セルを説明する。このるつぼ２は上に延びる突出部２０を持ちしかも円筒内部に窒素侵入防止リング３２を有する。だからこのるつぼ２は底部２２、中筒部２３、鍔部２４と突出部２０と窒素侵入防止リング３２を有する。かなり複雑な形状であるが、リングだけを後付けにすればよい。

ヒータから離れた突出部２０の温度は低くアルミ融液の温度が下がるから這い上がりが減る。突出部のためるつぼが長くなるからるつぼの上縁までの距離が長く、這い上がりアルミ融液２７が上頂まで至らない。

そのような効果のほかに、窒素侵入防止リング３２をるつぼの内部で中筒部２３の上端近傍に設けているのでその効果もある。窒素侵入防止リング３２によってアルミ融液の上昇運動が遮られる。融液は連続体だから上部でつまるとその下からの這い上がりは止まってしまう。その効果は顕著である。

図３に示すように、這い上がりアルミ融液２７が窒素侵入防止リング３２の裏面にまで到達したとしても、リング３２の近傍では温度が高いので融液の粘度が低く、リング裏面から脱落しやすい。そこで狭い開口部ｄを越えることができず液面に落下する。壁面を這い上がらず液面から蒸発して窒素侵入防止リング３２の裏面に付いたものもあるがそれも長く付着できず裏面から落下する。

窒素ラジカルが上方開口部から入ってくるのであるがそれが窒素侵入防止リング３２の狭い開口部（直径ｄ）によって遮られる。リングの内径ｄはるつぼの内径Ｄの１／３〜３／４程度とする。

［実施例３（二重るつぼ＋突出部＋窒素侵入防止リング）］
図４によって本発明の実施例３にかかる分子線セルを説明する。これはるつぼを二つ組み合わせた二重るつぼである。外側のるつぼ２は通常の有底有鍔円筒形である。円形底部２２、中筒部２３、鍔部２４よりなる。これは支持用のるつぼであり鍔部の端が側面反射板３によって保持される。

中に挿入した内部るつぼ３０は鍔部がなくて、外部るつぼよりも長い円筒を持つ。内部るつぼ３０は内部るつぼ底部３３、円筒の内部るつぼ胴部３４、上方への突出部３６を有する。突出部３６の突出の高さＭは、０．２５Ｄ≦Ｍ≦２Ｄ（Ｄはるつぼ開口部直径）である。内部るつぼ３０はヒータ上端あたりに窒素侵入防止リング３２を有する。内部るつぼ３０と外部るつぼ２の間には環状のスペーサ３５が挿入されている。それは内部るつぼのガタツキを防ぐためである。

二重るつぼ方式でも実施例２と同様の効果がある。内部るつぼ３０のヒータから離れた突出部３６の温度は低くアルミ融液の温度が下がるから這い上がりが減る。突出部３６のためつぼが長くなるからるつぼの上縁までの距離が長く、這い上がりアルミ融液２７が上頂まで至らない。

内部るつぼ３０の内側で中筒部２３の上端近傍に、窒素侵入防止リング３２を設けているので壁面を伝うアルミ融液の上昇運動が妨げられる。液面から蒸発してきたアルミ融液がリング下面に付着してもやがて落下する。例え裏面に表面張力で滞留してもリングの上面までまわり込むことができない。さらに窒素ラジカルの侵入が狭い開口部（直径ｄ）で遮られて活性なラジカルが内部の融液２５にまで到達しない。窒素ラジカルとの反応が減ってアルミ這い上がりの契機がなくなる。

二重るつぼにするのは複雑な断面形状のＰＢＮるつぼが作りにくいから、突出部と鍔部をもつるつぼを分離したものである。二重るつぼにするからるつぼコストが２倍になる。またヒータ熱が内部まで入るかどうか疑問があろう。しかしＰＢＮはヒータが発する赤外光に対して透明だからヒータの輻射熱は二重るつぼを容易に透過して融液に到達できる。もう一つの問題は熱電対の測温の精度である。熱電対先端と融液の間に二重のるつぼが介在する。それによって温度測定に少し時間遅れが出るがそれは僅かである。

［実施例４（二重るつぼ＋突出部）］
実施例３において窒素侵入防止リング３２を省略した二重るつぼもアルミ這い上がりを防ぐ効果がある。内部るつぼは底部３３、胴部３４、突出部３６を有するが窒素侵入防止リング３２を持たない。外部るつぼ２は底部２２。中筒部２３、鍔部２４を持つ。外部るつぼの鍔部２４が側面反射板３で支持される。内外るつぼの間にはスペーサがある。それは図３と図２から容易に類推できるから図面を省略した。内部るつぼの突出部は温度が低いので融液は粘度を増しあるいは固化するのでアルミ融液の這い上がりを防ぐことができる。液面からるつぼ開口部縁までの距離が長くてアルミがそこまで高く這い上がれない。二重の意味でアルミの這い上がりを防ぐ。

従来例にかかる分子線セル全体の概略断面図。

突出部を設けた本発明の第１の実施例にかかる分子線セルのベースより上部のみの断面図。

突出部と窒素侵入防止リングを設けた本発明の第２の実施例にかかる分子線セルの上部のみの断面図。

突出部と窒素侵入防止リングをもつ内部るつぼと、鍔部をもつ外部るつぼを組み合わせた二重るつぼである本発明の第３の実施例にかかる分子線セルの上部のみの断面図。

符号の説明

１ヒータ
２るつぼ
３側面反射板
４底面反射板
５ベース

６熱電対
７フランジ
８支柱
９電流フィードスルー
１０熱電対フィードスルー

１７導電線
１８絶縁碍子
２０突出部
２２底部

２３中筒部
２４鍔部
２５アルミ融液
２６アルミ分子線

２７這い上がりアルミ融液
２８横這いアルミ融液
２９漏れアルミ融液
３０内部るつぼ

３２窒素侵入防止リング
３３内部るつぼ底部
３４内部るつぼ胴部
３５スペーサ
３６るつぼ突出部

Claims

分子線エピタキシー装置において使用する底部、中筒部、鍔部をもつ有底円筒状のＡｌ分子線セルであって、鍔部の上に延びる突出部を設けたことを特徴とするアルミ這い上がり防止分子線セル。
分子線エピタキシー装置において使用する底部、中筒部、鍔部をもつ有底円筒状のＡｌ分子線セルであって、鍔部の上に延びる突出部を設け、上方内面に窒素侵入防止リングを設けたことを特徴とするアルミ這い上がり防止分子線セル。
分子線エピタキシー装置において使用するアルミ分子線セルであって、底部、中筒部、鍔部をもつ有底円筒状の外部るつぼと、底部、胴部をもち外部るつぼより背の高い内部るつぼとを内外二重に組み合わせて、外部るつぼ鍔部より内部るつぼが突出するようにしてあることを特徴とするアルミ這い上がり防止分子線セル。
分子線エピタキシー装置において使用するアルミ分子線セルであって、底部、中筒部、鍔部を持つ有底円筒状の外部るつぼと、底部、胴部を持ち胴部内部に窒素侵入防止リングを有し外部るつぼより背の高い内部るつぼとを内外二重に組み合わせて、外部るつぼ鍔部より内部るつぼが突出するようにしてあることを特徴とするアルミ這い上がり防止分子線セル。