JP4949135B2 - Laser heating apparatus for vacuum chamber and apparatus for vacuum process - Google Patents
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Description
本発明は、真空プロセスに用いられる真空装置全般において、超高真空下の真空チャンバ内に設置された試料の高温加熱を実現するレーザ加熱装置、及び該レーザ加熱装置と真空チャンバとを備えた真空プロセス用装置に関する。本発明の真空プロセス用装置としては、例えば、基板上に結晶を成長させる結晶成長装置や基板上に薄膜を形成する成膜装置などが挙げられ、特に、分子線エピタキシー装置などが挙げられる。 The present invention relates to a laser heating apparatus that realizes high-temperature heating of a sample installed in a vacuum chamber under an ultra-high vacuum, and a vacuum including the laser heating apparatus and the vacuum chamber. The present invention relates to a process device. Examples of the vacuum process apparatus of the present invention include a crystal growth apparatus for growing a crystal on a substrate and a film formation apparatus for forming a thin film on the substrate, and particularly a molecular beam epitaxy apparatus.
真空プロセスにおいて、超高真空下の真空チャンバ内に設置された基板等を加熱する場合、抵抗加熱方式や赤外線加熱方式などが広く用いられている。しかしこのような方法では、試料を高々800℃程度に加熱するのが限界である。熱容量の大きいヒータを用いることで、1000℃程度の高温は得られるが、この場合にはヒータ周りも加熱してしまい、周辺部やヒータ自身のアウトガスにより真空度を悪化させてしまう。真空度が悪化することで、基板上の試料へ不純物が混入し、該試料の特性や品質を悪化させてしまう問題がある。 In a vacuum process, when heating a substrate or the like installed in a vacuum chamber under ultra-high vacuum, a resistance heating method, an infrared heating method, or the like is widely used. However, such a method has a limit in heating the sample to about 800 ° C. at most. By using a heater with a large heat capacity, a high temperature of about 1000 ° C. can be obtained, but in this case, the area around the heater is also heated, and the degree of vacuum is deteriorated by the outgas of the peripheral part and the heater itself. As the degree of vacuum deteriorates, there is a problem that impurities are mixed into the sample on the substrate and the characteristics and quality of the sample are deteriorated.
一方、特許文献1に開示されているように、赤外線ランプから石英ロッドにより赤外線輻射を導光させ、試料を加熱する方法が提案されている。この方法は、赤外線ランプから輻射された赤外線を石英ロッドに効率よく導光して用いることで、試料を1200℃程度に加熱することができる。
On the other hand, as disclosed in
また、特許文献2に開示されているように、光ファイバによって導光されたレーザ光を熱源とする加熱方法が提案されている。この方法を用いることでも、1200℃程度の高温を得られるということが知られている。また、この方法は、レーザ光を用いているため、試料の微小領域を加熱できることも知られている。
しかしながら、特許文献1,2に開示された従来技術には、次のような問題があった。
特許文献1記載の加熱方法は、真空チャンバ外部にある赤外線ランプを石英ロッドで導光させる必要があり、大気側から真空側へO−リング等を介して石英ロッドを挿入させている。このような真空シールを用いた場合は、十分な真空度が得られない。また、赤外線ランプは寿命が短いため、コストやメンテナンス性の観点からも好ましくない。
However, the conventional techniques disclosed in
In the heating method described in
特許文献2記載のレーザ加熱装置は、熱源にレーザ光を用いているため、寿命やメンテナンス性の問題は解決されている。しかしながら、この加熱方法ではレーザ光により試料ホルダごと加熱するため、試料ホルダからのアウトガスが真空度を悪化させてしまう。また、光ファイバの真空導入部やレーザ光照射位置合わせのためのステージを真空チャンバ内に備えているため、可動部からのアウトガスの影響もあり、十分な真空度を得られなくなるという問題がある。
半導体結晶などの高品質な結晶成長のためには、蒸着のための原料またはガスなどを供給していない状態で、1.0×10−9Torr以下、好ましくは1.0×10−10Torr以下の超高真空が必要とされている。アウトガスなどの発生で真空度が悪化した状態で結晶成長を行うと結晶に不純物が混入し、結晶や薄膜の品質を低下させてしまう。そのため、前述したような赤外線ランプ加熱装置やレーザ加熱装置ではヒーターや基板ホルダ、可動部からのアウトガスにより真空度の悪化が起こり、十分な結晶品質を得ることが難しかった。
前項に記載した真空度とは蒸着のための原料またはガスなどを供給していない状態での真空度をさしており、以降に記述する真空度もこれに順ずる。
Since the laser heating apparatus described in
In order to grow a high-quality crystal such as a semiconductor crystal, 1.0 × 10 −9 Torr or less, preferably 1.0 × 10 −10 Torr, in a state where a raw material or gas for vapor deposition is not supplied. The following ultra-high vacuum is required. If crystal growth is performed in a state where the degree of vacuum has deteriorated due to the occurrence of outgas or the like, impurities are mixed into the crystal and the quality of the crystal or thin film is degraded. Therefore, in the infrared lamp heating apparatus and the laser heating apparatus as described above, the degree of vacuum is deteriorated by outgas from the heater, the substrate holder, and the movable part, and it is difficult to obtain a sufficient crystal quality.
The degree of vacuum described in the previous section refers to the degree of vacuum in a state where a raw material or gas for vapor deposition is not supplied, and the degree of vacuum described below also follows this.
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、超高真空雰囲気下で試料を高温に加熱し得るレーザ加熱装置及びそれを備えた真空プロセス用装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser heating apparatus capable of heating a sample to a high temperature in an ultra-high vacuum atmosphere and a vacuum process apparatus including the same.
前記目的を達成するため、本発明は、真空チャンバ内に取り付けられた段差のある孔を有する試料ホルダと、該試料ホルダ近傍の真空チャンバ壁に設けられた光透過窓と、真空チャンバ外に配置されたレーザ光源とを有し、前記試料ホルダの孔に落とし込んで保持した試料の背面に金属体を設置し、レーザにより金属体を加熱し、その金属体からの熱伝導により試料を加熱する構成とし、かつ、前記レーザ光源の出射端が可動であり、レーザ光源本体を固定したまま、レーザ光照射位置を変更可能な構成としたことを特徴とする真空チャンバ用レーザ加熱装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a sample holder having a stepped hole attached in a vacuum chamber, a light transmission window provided in a vacuum chamber wall near the sample holder, and an outside of the vacuum chamber. A metal body is placed on the back surface of the sample that is dropped and held in the hole of the sample holder, the metal body is heated by a laser, and the sample is heated by heat conduction from the metal body In addition, a laser heating apparatus for a vacuum chamber is provided in which the emission end of the laser light source is movable and the laser light irradiation position can be changed while the laser light source body is fixed .
本発明の真空チャンバ用レーザ加熱装置において、前記レーザ光源の出射端が可動であり、レーザ光源本体を固定したまま、前記レーザの光軸に対して平行に可動することが可能な構成としたことが好ましい。 In the laser heating apparatus for a vacuum chamber of the present invention, the emission end of the laser light source is movable, and the laser light source main body is fixed and can be moved in parallel with the optical axis of the laser. Is preferred.
本発明の真空チャンバ用レーザ加熱装置において、前記レーザ光源の出射端に集光レンズを備え、前記集光レンズを前記レーザの光軸に対して平行に可動して、レーザ光の焦点位置を変えることが可能な構成としたことが好ましい。 In the vacuum chamber laser heating apparatus of the present invention , a condensing lens is provided at an emission end of the laser light source, and the condensing lens is moved in parallel to the optical axis of the laser to change the focal position of the laser light. It is preferable to have a configuration that can be used.
また本発明は、真空チャンバと、該真空チャンバに取り付けられた前記本発明に係る真空チャンバ用レーザ加熱装置とを有することを特徴とする真空プロセス用装置を提供する。The present invention also provides a vacuum process apparatus comprising a vacuum chamber and the vacuum chamber laser heating apparatus according to the present invention attached to the vacuum chamber.
本発明の真空プロセス用装置において、100℃〜1400℃の温度範囲で1.0×10In the vacuum process apparatus of the present invention, 1.0 × 10 10 at a temperature range of 100 ° C. to 1400 ° C.
−9-9
Torr以下の超高真空が得られるものであることが好ましい。It is preferable that an ultrahigh vacuum of Torr or less can be obtained.
本発明の真空プロセス用装置において、1000℃〜1400℃の温度範囲で1.0×10In the vacuum process apparatus of the present invention, 1.0 × 10 10 at a temperature range of 1000 ° C. to 1400 ° C.
−9-9
Torr以下の超高真空が得られるものであることが好ましい。It is preferable that an ultrahigh vacuum of Torr or less can be obtained.
本発明の真空プロセス用装置において、100℃〜1400℃の温度範囲で1.0×10−10Torr以下の超高真空が得られるものであることが好ましい。 In the vacuum process apparatus of the present invention, it is preferable that an ultrahigh vacuum of 1.0 × 10 −10 Torr or less is obtained in a temperature range of 100 ° C. to 1400 ° C.
本発明の真空チャンバ用レーザ加熱装置は、真空チャンバ内に取り付けられた試料ホルダと、該試料ホルダ近傍の真空チャンバ壁に設けられた光透過窓と、該光透過窓を通して前記試料ホルダに保持された試料にレーザ光を照射可能に真空チャンバ外に配置されたレーザ光源とを有し、熱源や可動部を真空チャンバ外部にもつ構造になっているため、熱源や可動部からアウトガスがないので1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下に設置した試料を100〜1400℃程度の温度に加熱することができる。
また、試料のみを加熱することができるので、試料ホルダなどからのアウトガスが無く、1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下で高温処理を行うことが可能となる。
The vacuum chamber laser heating device of the present invention is held by the sample holder attached to the vacuum chamber, a light transmission window provided on the vacuum chamber wall near the sample holder, and the sample holder through the light transmission window. Since the sample has a laser light source arranged outside the vacuum chamber so that the sample can be irradiated with laser light and has a heat source and a movable part outside the vacuum chamber, there is no outgas from the heat source and the movable part. A sample placed in an ultrahigh vacuum atmosphere of 0.0 × 10 −10 Torr or less can be heated to a temperature of about 100 to 1400 ° C.
Further, since only the sample can be heated, there is no outgas from the sample holder or the like, and high temperature processing can be performed in an ultrahigh vacuum atmosphere of 1.0 × 10 −10 Torr or less.
本発明の真空プロセス用装置は、真空チャンバと、前記本発明の真空チャンバ用レーザ加熱装置とを有するものなので、真空チャンバ内で1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下に設置した試料にレーザ光を照射して、100〜1400℃程度の温度に加熱することができるので、優れた品質の結晶や薄膜を得ることができる。
また、試料のみを加熱することができるので、試料ホルダなどからのアウトガスが無く、1.0×10−10Torr以下の超高真空下で高温処理を行うことが可能となり、不純物の混入が極めて少ない高品質の結晶や薄膜を得ることができる。
Since the vacuum process apparatus of the present invention includes the vacuum chamber and the vacuum chamber laser heating apparatus of the present invention, it is installed in an ultrahigh vacuum atmosphere of 1.0 × 10 −10 Torr or less in the vacuum chamber. Since the sample can be irradiated with laser light and heated to a temperature of about 100 to 1400 ° C., crystals and thin films of excellent quality can be obtained.
In addition, since only the sample can be heated, there is no outgas from the sample holder and the like, and high temperature processing can be performed under an ultrahigh vacuum of 1.0 × 10 −10 Torr or less, and impurities are extremely mixed. Less high quality crystals and thin films can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の真空チャンバ用レーザ加熱装置及び真空プロセス用装置の一実施形態を示す概略構成図である。本実施形態の真空プロセス用装置は、本発明に係る真空チャンバ用レーザ加熱装置1と、真空チャンバ2とを備えて構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a laser heating apparatus for a vacuum chamber and an apparatus for a vacuum process according to the present invention. The vacuum process apparatus according to this embodiment includes a vacuum chamber
本実施形態において、真空チャンバ用レーザ加熱装置1は、真空チャンバ2内に取り付けられた試料ホルダ3と、この試料ホルダ3近傍の真空チャンバ壁に設けられた光透過窓4と、この光透過窓4を通して試料ホルダに保持された試料にレーザ光7を照射可能に真空チャンバ2外に配置されたレーザ光源6とからなり、熱源や可動部を真空チャンバ2外部にもつ構造になっている。
In the present embodiment, the
本実施形態において、前記試料ホルダ3は、試料5が挿入可能な孔径を持ち、段差3aのある孔3bが穿設された厚板やブロックからなるホルダ部と、該ホルダ部を真空チャンバ壁に固定している基部3cとからなっている。この試料ホルダ3は、試料5を孔3bに落とし込むことで、試料5が段差3aに係合し保持され、その試料5の背面に光透過窓4を通して集光されたレーザ光7が照射されるようになっている。これにより、試料ホルダ3自体は実質的に加熱されず、試料5のみを加熱することができる。
In the present embodiment, the sample holder 3 has a hole diameter into which the
本実施形態においてレーザ光源6の出射端は可動であり、レーザ光軸に直交する方向及び平行方向に可動可能である。このため、レーザの照射位置の調整が容易であり、集光レンズ等を用いることで、レーザ光の焦点を容易に調整できるため、試料の局所加熱や全体加熱が選択可能となる。
In the present embodiment, the emission end of the
また、図2に示す本発明の別の実施形態では、前記試料ホルダ102に保持された試料104の背面には金属体105が配置され、金属体105と試料104は熱伝導が効率よく発生するよう密着しているため、金属体105がレーザ光を効率よく吸収し、熱せられた金属体105からの熱伝導で試料104を加熱することが可能となる。
Further, in another embodiment of the present invention shown in FIG. 2, a
本実施形態において、前記レーザ光源6は、半導体レーザなどのレーザ光源本体と、該レーザ光源本体から発したレーザ光を伝搬する導光用ファイバと、導光用ファイバの出射端から出力されたレーザ光を集光する集光レンズ等で構成されている。なお、レーザ光源本体としては、半導体レーザに限らず、例えば、炭酸ガスレーザ、YAGレーザ、ファイバレーザなどを用いることもできる。
In the present embodiment, the
このレーザ光源6から出射されたレーザ光7は、光透過窓4を通して、真空チャンバ2内部に導光され、試料ホルダ3に保持されている試料5の背面に照射される。この光透過窓4は、使用するレーザ光7に対して透過率の高い透明材料からなり、例えば、石英ガラスなどを用いることができる。レーザにあわせた反射防止膜を設けるとなお良い。
The
真空チャンバ2の適所には、真空ポンプ系9に接続された真空排気口8が設けられている。この真空ポンプ系9としては、真空チャンバ2内を1.0×10−4Torr以下の高真空雰囲気、好ましくは1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気に保持することができればよく、従来より周知の超高真空排気用ポンプ等を用いることができる。
A vacuum exhaust port 8 connected to a vacuum pump system 9 is provided at an appropriate position of the
本実施形態の真空チャンバ用レーザ加熱装置1は、真空チャンバ2内に取り付けられた試料ホルダ3と、その近傍に設けられた光透過窓4と、この光透過窓4を通して試料5にレーザ光7を照射可能に真空チャンバ外に配置されたレーザ光源6とを有し、熱源や可動部を真空チャンバ外部にもつ構造になっているため、1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下に設置した試料5を100〜1400℃程度の温度に加熱することができる。
また、試料5のみを加熱することができるので、試料ホルダ3などからのアウトガスが無く、1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下で高温処理を行うことが可能となる。
さらに、レーザ光源6の出射端を可動にすることで、試料5の位置を動かすことなく位置あわせが可能となる。
The
Further, since only the
Further, by making the emission end of the
図3は、本発明の真空プロセス用装置の一例である分子線エピタキシー装置の概略構成図である。
この分子線エピタキシー装置10は、成膜室である真空チャンバ13と、その内部に配置され、真空チャンバ13の内壁の形状に合わせて設けられたシュラウド14と、本発明に係る真空チャンバ用レーザ加熱装置12と、シュラウド14内に挿入された複数個の分子線セル16A,16Bとを備えて構成されている。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a molecular beam epitaxy apparatus which is an example of the vacuum processing apparatus of the present invention.
The molecular
この分子線エピタキシー装置10に用いられている真空チャンバ用レーザ加熱装置12は、試料ホルダ3に代えて、被処理基板15を保持したマニピュレータ11を用いている以外は、前述した図1に示す真空チャンバ用レーザ加熱装置1と同様の構成要素を備えており、シュラウド14内に取り付けられたマニピュレータ11と、この近傍に設けられた光透過窓4と、この光透過窓4を通してマニピュレータ11に保持された被処理基板15にレーザ光7を照射可能に真空チャンバ13外に配置されたレーザ光源6とからなっている。
The vacuum chamber laser heating apparatus 12 used in the molecular
マニピュレータ11は、被処理基板15が挿入可能な孔径を持ち、段差11aのある孔11bが穿設された厚板やブロックからなるホルダ部と、該ホルダ部を真空チャンバ壁に固定している基部11cとからなっている。このマニピュレータ11は、被処理基板15を孔11bに落とし込むことで、被処理基板15が段差11aに係合し保持され、その被処理基板15の背面に光透過窓4を通して集光されたレーザ光7が照射されるようになっている。これにより、マニピュレータ11自体は実質的に加熱されず、被処理基板15のみを加熱することができる。
The
複数個の分子線セル16A,16Bは、それぞれ成膜材料を収容した蒸発るつぼ(図示せず)及びシャッタ(図示せず)を有し、その先端を被処理基板15の被成膜面に向けた状態でシュラウド14内に挿入されている。これらの分子線セル16A,16Bは、蒸発るつぼを加熱してシャッタを開くことで、成膜材料の蒸気を被処理基板15に向けて放出できるようになっている。放出された成膜材料は、被処理基板15の被成膜面に到達し、該面上に薄膜が形成される。
Each of the plurality of
レーザ加熱装置12のレーザ光源6より出射されたレーザ光7は、透明窓4を通して被処理基板15の裏面に直接照射される。このレーザ光源6は可動機構を持ち、被処理基板15に対して照射位置の調整が可能である。
この分子線エピタキシー装置10は、真空チャンバ13と、真空チャンバ用レーザ加熱装置12とを有するものなので、真空チャンバ13内で1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下に設置した被処理基板15にレーザ光7を照射して、100〜1400℃程度の温度に加熱することができるので、優れた品質の薄膜を得ることができる。
また、被処理基板15のみを加熱することができるので、試料ホルダとしてのマニピュレータ11などからのアウトガスが無く、1.0×10−10Torr以下の超高真空雰囲気下で高温処理を行うことが可能となり、不純物の混入が極めて少ない高品質の薄膜を得ることができる。
Since this molecular
Further, since only the substrate to be processed 15 can be heated, there is no outgas from the
[実施例1]
本発明を用いた分子線エピタキシー装置を説明する。図4にレーザ加熱分子線エピタキシー装置の概要を示す。レーザ光源には、波長808nm、光出力140Wの半導体レーザ127を用いた。半導体レーザ127から出射されたレーザ光は、光ファイバ128を介してレンズユニットに導光される。レンズユニットはxyz軸の3軸に可動なステージに保持されているため、レンズユニットからの出射光をxyz軸方向に可動させることができる。本実施例ではレンズユニットに、導光されたレーザ光をφ10mmの平行光130に拡げるコリメートレンズ129を用いた。レンズユニットから出射されたφ10mmの平行光130は波長808nmの光に対して0.1%以下の反射率を持つ反射防止膜を両面に備えた石英透明窓131を介して、真空チャンバ137内部へ導光される。
[Example 1]
A molecular beam epitaxy apparatus using the present invention will be described. FIG. 4 shows an outline of a laser heating molecular beam epitaxy apparatus. As a laser light source, a
被処理基板132を段差のある孔を有する試料ホルダに設置し、真空チャンバ137内に導入する。被処理基板132を前述の構成のレーザ加熱装置により加熱を行う。本実施例では10mm×10mmの被処理基板132を導入した。前述の通り半導体レーザ127のレンズユニットはxyz軸の3軸に可動機構を有するため、半導体レーザ127に備えられた可視光のパイロットレーザ等を用いて被処理基板132とレーザの位置を調整することが可能である。
The substrate to be processed 132 is placed in a sample holder having a stepped hole and introduced into the
基板温度測定は放射温度計136により被処理基板132の表面からの放射熱を計測し、温度を測定する。真空チャンバ137において、被処理基板132が見える位置に備えられた石英透明窓135から放射温度計136で被処理基板132の温度を測定する。放射温度計136の測定波長は、測定を行う石英透明窓135に対して透明な1550nmの波長を選択した。放射温度計136の測定波長は、レーザ光源と異なる波長を選択することで、基板のみの放射熱を精度良く測定することが可能となる。
In the substrate temperature measurement, the
半導体レーザ127は投入電流を0〜40Aの範囲で調整することで、出射されるレーザ光の出力を0〜140Wに制御することが出来る。つまり半導体レーザ127への投入電流を調整することで、基板温度の制御が可能となる。
The
前述した本実施例の構成では、被処理基板132を1400℃以上に加熱することが可能となる。この時、真空度は1.0×10−10Torr以下を維持でき、超高真空雰囲気下での高温処理が可能となり、高純度な処理、薄膜の製造、半導体結晶の成長が可能となる。 In the configuration of the present embodiment described above, the substrate to be processed 132 can be heated to 1400 ° C. or higher. At this time, the degree of vacuum can be maintained at 1.0 × 10 −10 Torr or less, enabling high-temperature processing in an ultra-high vacuum atmosphere, enabling high-purity processing, thin film manufacturing, and semiconductor crystal growth.
[実施例2]
本発明を用いた分子線エピタキシー装置を説明する。図5にレーザ加熱分子線エピタキシー装置の概要を示す。レーザ光源には波長808nm、光出力140Wの半導体レーザ139を用いた。半導体レーザ139から出射されたレーザ光は、光ファイバ140を介してレンズユニットに導光される。レンズユニットはxyz軸の3軸に可動なステージに保持されているため、レンズユニットからの出射光をxyz軸方向に可動させることができる。本実施例ではレンズユニットに、導光されたレーザ光をφ10mmの平行光142に拡げるコリメートレンズ141を用いた。レンズユニットから出射されたφ10mmの平行光142は波長808nmの光に対して0.1%以下の反射率を持つ反射防止膜を両面に備えた石英透明窓143を介して、真空チャンバ150内部へ導光される。
[Example 2]
A molecular beam epitaxy apparatus using the present invention will be described. FIG. 5 shows an outline of a laser heating molecular beam epitaxy apparatus. As the laser light source, a
被処理基板144を段差のある孔を有する試料ホルダに設置し、被処理基板144の裏面に金属体145を設置する。金属体145はレーザ光を効率よく吸収できる材質が好ましく、また、被処理基板144との熱伝導を効率よく行えるよう平坦度が高いものが好ましい。
The substrate to be processed 144 is set on a sample holder having a stepped hole, and a
被処理基板144を前述の構成のレーザ加熱装置により加熱を行う。本実施例では10mm×10mmの被処理基板144と同じサイズの金属体145を導入した。前述の通り半導体レーザのレンズユニットはxyz軸の3軸に可動機構を有するため、半導体レーザ139に備えられた可視光のパイロットレーザ等を用いて被処理基板144とレーザの位置を調整することが可能である。
The substrate to be processed 144 is heated by the laser heating apparatus having the above-described configuration. In this embodiment, a
基板温度測定は放射温度計149により被処理基板144の表面からの放射熱を計測し、温度を測定する。真空チャンバ150において、被処理基板144が見える位置に備えられた石英透明窓148から放射温度計149で被処理基板144の温度を測定する。放射温度計149の測定波長は、測定を行う石英透明窓148に対して透明な1550nmの波長を選択した。放射温度計149の測定波長は、レーザ光源と異なる波長を選択することで、基板のみの放射熱を精度良く測定することが可能となる。
The substrate temperature is measured by measuring radiant heat from the surface of the substrate to be processed 144 using a
半導体レーザ139は投入電流を0〜40Aの範囲で調整することで、出射されるレーザ光の出力を0〜140Wに制御することが出来る。つまり半導体レーザ139への投入電流を調整することで、基板温度の制御が可能となる。
The
図6は、本実施例で被処理基板144をレーザ光で加熱した場合の、半導体レーザ出力と被処理基板温度の関係を示すグラフである。図6に示す通り、前述した本実施例の構成では被処理基板144を1400℃以上に加熱することが可能である。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the output of the semiconductor laser and the temperature of the substrate to be processed when the substrate to be processed 144 is heated with laser light in this embodiment. As shown in FIG. 6, the substrate to be processed 144 can be heated to 1400 ° C. or higher in the configuration of this embodiment described above.
このとき、基板温度を1000℃まで上昇させてもチャンバ内部の真空度は悪化することはなく、1.0×10−9Torr以下の真空度を維持することが出来る(表1及び図7参照)。つまり、超高真空下でのプロセスが可能となり、不純物混入の少ないプロセスが実現できる。また、チャンバ内部での発熱を極力抑えることが出来るので、チャンバ内部の熱による損傷や歪みも抑えることができる。 At this time, even if the substrate temperature is raised to 1000 ° C., the degree of vacuum inside the chamber does not deteriorate, and the degree of vacuum of 1.0 × 10 −9 Torr or less can be maintained (see Table 1 and FIG. 7). ). That is, an ultra-high vacuum process can be performed, and a process with less impurities can be realized. Further, since heat generation inside the chamber can be suppressed as much as possible, damage and distortion due to heat inside the chamber can also be suppressed.
表1及び図7に示すように、本実施例では1100℃程度からわずかな真空度の悪化がみられるが、半導体などの結晶成長では成長温度はせいぜい1000℃程度であるので、本実施例の構成を用いることで十分な超高真空下での高温処理が可能となる。 As shown in Table 1 and FIG. 7, in this example, a slight deterioration in the degree of vacuum is observed from about 1100 ° C., but the growth temperature is at most about 1000 ° C. in crystal growth of semiconductors and the like. By using the configuration, high-temperature processing can be performed under sufficiently high ultra-high vacuum.
本実施例では1.0×10−9Torr以下の真空度であるが、半導体結晶成長などの不純物制御が必要なプロセスでも十分な真空度であり、真空度が1.0×10−10Torr以下で得られる半導体結晶の特性と差がみられないため、真空排気系を複雑にする必要がなくなる。また、1.0×10−9Torrより大きい真空度になると、半導体結晶中に多くの不純物を取り込んでしまい、半導体結晶の特性を低下させてしまう。 In this embodiment, the degree of vacuum is 1.0 × 10 −9 Torr or less, but the degree of vacuum is sufficient even in a process that requires impurity control such as semiconductor crystal growth, and the degree of vacuum is 1.0 × 10 −10 Torr. Since there is no difference from the characteristics of the semiconductor crystal obtained below, it is not necessary to make the evacuation system complicated. Further, when the degree of vacuum is greater than 1.0 × 10 −9 Torr, many impurities are taken into the semiconductor crystal and the characteristics of the semiconductor crystal are deteriorated.
本実施例では1.0×10−9Torr以下の真空度であるが、金属体145の設計最適化や、真空チャンバ150の構成を最適化することで、1.0×10−10Torr以下の真空度を達成可能である。また、前記の真空度の悪化は被処理基板144が高温になったため、被処理基板144からの輻射熱でチャンバ内部が温められたためのものであり、本発明の効果の及ぶところではない。この問題はチャンバの内部構造を最適化することで改善が可能な問題である。
In this embodiment, the degree of vacuum is 1.0 × 10 −9 Torr or less. However, by optimizing the design of the
本実施例では、被処理基板144の裏面に金属体145を用いることでレーザ光に対して透明な被処理基板144も加熱することが可能となり、適切な金属体145を選択することで効率よく加熱が可能となる。
In this embodiment, by using the
[実施例3]
本発明を用いた別の実施例の分子線エピタキシー装置を説明する。図8に別の実施例のレーザ加熱分子線エピタキシー装置の概要を示す。レーザ光源には波長808nm、光出力140Wの半導体レーザ152を用いた。半導体レーザ152から出射されたレーザ光は、光ファイバ153を介してレンズユニットに導光される。レンズユニットはxyz軸の3軸に可動なステージ156に保持されているため、レンズユニットからの出射光をxyz軸方向に可動させることができる。本実施例ではレンズユニットに、導光されたレーザ光を集光する集光レンズ154を用いた。本実施例の構成ではz方向に可動なステージ156を有しているため、レンズユニットから出射された集光光155はz方向の調整により、レーザ光の焦点位置を変えることが可能となり、被処理基板158を集光により局所的に加熱または散光により全体加熱が可能となる。
また、集光光155は実施例1と同様に、波長808nmの光に対して0.1%以下の反射率を持つ反射防止膜を両面に備えた石英透明窓157を介して、真空チャンバ163内部へ導光される。
[Example 3]
Another embodiment of the molecular beam epitaxy apparatus using the present invention will be described. FIG. 8 shows an outline of a laser heating molecular beam epitaxy apparatus of another embodiment. As the laser light source, a
Similarly to the first embodiment, the
被処理基板158を段差のある孔を有する試料ホルダに設置し、真空チャンバ163内に導入する。被処理基板158を前述の構成のレーザ加熱装置により加熱を行う。
The substrate to be processed 158 is set in a sample holder having a stepped hole and introduced into the
基板温度測定は放射温度計162により被処理基板158の表面からの放射熱を計測し、温度を測定する。真空チャンバ163において、被処理基板158が見える位置に備えられた石英透明窓161から放射温度計162で被処理基板158の温度を測定する。放射温度計162の測定波長は、測定を行う石英透明窓161に対して透明な1550nmの波長を選択した。放射温度計162の測定波長は、レーザ光源と異なる波長を選択することで、基板のみの放射熱を精度良く測定することが可能となる。
In the substrate temperature measurement, the
前述した本実施例の構成では超高真空雰囲気下での高温処理が可能となるうえ、レーザ光軸と平行方向に集光レンズ154を可動する機構を有しているため、レーザ光の焦点を容易に変更できるようになり、レーザ光の集光により局所加熱が可能となり、散光により全面加熱が可能となる。
In the configuration of this embodiment described above, high-temperature processing in an ultra-high vacuum atmosphere is possible, and a mechanism for moving the condensing
前述した本実施例の構成では、レーザ光を集光可能であり試料の局所加熱が可能なため、被処理基板158の面内で温度勾配が発生し、一つの試料で様々な温度条件が実現できる。また、z方向に可動なステージを有しているため、レンズユニットの可動が容易になり、メンテナンス性も向上する。 In the configuration of this embodiment described above, the laser beam can be condensed and the sample can be locally heated. Therefore, a temperature gradient is generated in the surface of the substrate to be processed 158, and various temperature conditions are realized with one sample. it can. In addition, since the stage movable in the z direction is provided, the lens unit can be easily moved, and the maintainability is improved.
[比較例1]
従来の技術である抵抗加熱装置による加熱の例として、図9にタンタル(Ta)ヒータの抵抗加熱分子線エピタキシー装置の概要を示す。図9中、符号165は抵抗加熱ヒータ、166は基板温度測定用熱電対、167は被処理基板、168はマニピュレータ、169は分子線セル、170は真空チャンバ、171は液体窒素シュラウドである。抵抗加熱装置では熱源であるヒータが真空チャンバ内部にあるため、ヒータ自身からのアウトガスによりチャンバ内の真空度を悪化させてしまう。本比較例では400℃からアウトガスの発生が始まり、900℃程度では1.0×10−8Torrのアウトガスを発生させてしまった(表1及び図7参照)。
[Comparative Example 1]
FIG. 9 shows an outline of a resistance heating molecular beam epitaxy apparatus of a tantalum (Ta) heater as an example of heating by a resistance heating apparatus which is a conventional technique. In FIG. 9,
また、本比較例で挙げるTaヒータの抵抗加熱装置は最大加熱温度が900℃程度で、1000℃以上の高温を得ることができない。また、ヒータに通電し基板ホルダごと加熱を行うので、ホルダのみならず、ヒータ自身やその周囲も加熱してしまい、真空度を悪化させるだけではなく、装置自身に熱によるダメージを与えてしまう。 Further, the resistance heating device of the Ta heater mentioned in this comparative example has a maximum heating temperature of about 900 ° C. and cannot obtain a high temperature of 1000 ° C. or higher. In addition, since the heater is energized and the entire substrate holder is heated, not only the holder but also the heater itself and its surroundings are heated, not only worsening the degree of vacuum but also damaging the apparatus itself.
1,12,100…レーザ加熱装置、2,13,101,137,150,163,170…真空チャンバ、3,102…試料ホルダ、4,103…光透過窓、5,104…試料、6,106…レーザ光源、7,107…レーザ光、8,108…真空排気口、9,109…真空ポンプ系、10…分子線エピタキシー装置(真空プロセス用装置)、11,133,146,159,168…マニピュレータ、14,138,151,164,171…液体窒素シュラウド、15,132,144,158,167…被処理基板、16A,16B,134,147,160,169…分子線セル、105…金属体、127,139,152…半導体レーザ、128,140,153…光ファイバ、129,141…コリメートレンズ、130,142…平行光、131,143,157…石英透明窓、135、148,161…石英透明窓、136,149,162…放射温度計、156…ステージ、165…抵抗加熱ヒータ、166…基板温度測定用熱電対。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記試料ホルダの孔に落とし込んで保持した試料の背面に金属体を設置し、レーザにより金属体を加熱し、その金属体からの熱伝導により試料を加熱する構成とし、
かつ、前記レーザ光源の出射端が可動であり、レーザ光源本体を固定したまま、レーザ光照射位置を変更可能な構成としたことを特徴とする真空チャンバ用レーザ加熱装置。 A sample holder having a stepped hole attached in the vacuum chamber, a light transmission window provided in a vacuum chamber wall near the sample holder, and a laser light source arranged outside the vacuum chamber,
A metal body is placed on the back of the sample held in the hole of the sample holder, the metal body is heated by a laser, and the sample is heated by heat conduction from the metal body,
In addition, the laser heating device for a vacuum chamber is characterized in that the emitting end of the laser light source is movable and the laser light irradiation position can be changed while the laser light source body is fixed .
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