JP2592133B2 - Crystal growth method - Google Patents

Crystal growth method

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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば超格子構造を有する半導体レー
ザ装置などの半導体装置の製造などにおいて好適に実施
され、微細構造を有する結晶の成長のための結晶成長方
法に関するものである。
The present invention is suitably implemented, for example, in the manufacture of a semiconductor device such as a semiconductor laser device having a superlattice structure, and is used for growing a crystal having a fine structure. The present invention relates to a crystal growth method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

原子層単位で結晶を制御して、たとえば異なる原子層
を数10層程度ずつ交互に積層させた超格子素子は、印加
電圧による光学的禁制帯幅の変化,負性抵抗,高移動度
特性などの特異な特性を有し、半導体レーザ装置や高移
動度トランジスタなどに適用されている。
A superlattice element in which the crystal is controlled in units of atomic layers and several tens of different atomic layers are alternately stacked, for example, changes in the optical bandgap due to applied voltage, negative resistance, high mobility characteristics, etc. And has been applied to semiconductor laser devices, high mobility transistors, and the like.

このような超格子素子の作製のための半導体結晶の成
長では、従来からMBE(分子線エピタキシャル)法が用
いられ、原子層毎の結晶成長の制御が行われている。こ
の結晶成長のための構成は第3図に示されている。
Conventionally, MBE (Molecular Beam Epitaxy) has been used to grow semiconductor crystals for producing such a superlattice element, and crystal growth has been controlled for each atomic layer. The structure for this crystal growth is shown in FIG.

真空容器1内に図示しない構成により保持した基板2
に対向して、異なる物質を溶融・蒸発させる複数のるつ
ぼ3,4,5が配置される。るつぼ3,4,5に関連してシャッタ
6,7,8が配設されており、各シャッタの開閉により基板
2表面に堆積させる物質の制御が行われる。
Substrate 2 held in a vacuum vessel 1 by a configuration not shown
A plurality of crucibles 3, 4, and 5 for melting and evaporating different substances are arranged opposite to. Shutter related to crucibles 3, 4, 5
Reference numerals 6, 7, and 8 are provided, and control of a substance deposited on the surface of the substrate 2 is performed by opening and closing each shutter.

基板2のるつぼ3,4,5に対向する表面には、電子銃9
からの電子線10が照射され、基板2表面からの回折電子
線10aは蛍光板11に入射して、この蛍光板11に基板2表
面の原子のならびに対応した像を形成する。この像が、
いわゆるRHEED(Reflection High Energy Electron Dif
fraction:反射高速電子線回折)像である。
An electron gun 9 is provided on the surface of the substrate 2 facing the crucibles 3, 4, and 5.
From the surface of the substrate 2, the diffracted electron beam 10a from the surface of the substrate 2 is incident on the fluorescent screen 11, and forms an image corresponding to the atoms on the surface of the substrate 2 on the fluorescent screen 11. This image is
So-called RHEED (Reflection High Energy Electron Dif
fraction: reflection high-energy electron beam diffraction) image.

このRHEED像においてその中央部付近の最も明るい点
の光を光ファイバ12を介して光電子倍増管13に導いて検
出し、この光電子倍増管13の出力(以下「RHEED信号」
という。)をレコーダ14に与えて、その変化を記録する
とともに、前記RHEED信号を図示しない制御手段に与え
て結晶の成長レートを演算せしめ、この成長レートに対
応した前記シャッタ6,7,8の開閉制御を行わせる。
In the RHEED image, the light at the brightest point near the center of the RHEED image is guided to the photomultiplier tube 13 via the optical fiber 12 and detected, and the output of the photomultiplier tube 13 (hereinafter referred to as “RHEED signal”)
That. ) Is supplied to the recorder 14 to record the change, and the RHEED signal is supplied to control means (not shown) to calculate the crystal growth rate. The opening / closing control of the shutters 6, 7, 8 corresponding to the growth rate is performed. Is performed.

光電子倍増管13からのRHEED信号は、回折電子線10aの
強度に対応することになるが、このRHEED信号は第4図
に示すように変化する。すなわち、RHEED像の中央部付
近の最も明るい点を形成する回折電子線10aの強度は、
原子層1層の形成と等しい同期を有して振動する。この
振動はRHEED振動と呼ばれる。
The RHEED signal from the photomultiplier 13 corresponds to the intensity of the diffracted electron beam 10a, but the RHEED signal changes as shown in FIG. That is, the intensity of the diffracted electron beam 10a forming the brightest point near the center of the RHEED image is
Vibrates with the same synchronization as the formation of one atomic layer. This vibration is called RHEED vibration.

第5図は基板2表面における原子層の形成の様子を時
系列に従って示す簡略化した断面図であり、第6図はレ
コーダ14における記録態様を時系列に従って示す説明図
である。第5図(1)〜(5)図示の状態の各時刻に対
応するレコーダ14の記録状態が第6図(1)〜(5)に
それぞれ示されている。
FIG. 5 is a simplified sectional view showing the state of formation of the atomic layer on the surface of the substrate 2 in a time series, and FIG. 6 is an explanatory view showing the recording mode in the recorder 14 in a time series. The recording states of the recorder 14 corresponding to the respective times in the states shown in FIGS. 5 (1) to (5) are shown in FIGS. 6 (1) to (5), respectively.

結晶の成長が開始される以前の第5図(1)図示の状
態では、基板2表面は平坦であり、したがって電子銃9
からの電子線10は蛍光板11の中央部に向けて反射され
る。したがってこの場合の回折電子線10aの強度は高
く、RHEED信号は比較的大きい。
In the state shown in FIG. 5A before crystal growth is started, the surface of the substrate 2 is flat,
The electron beam 10 is reflected toward the center of the fluorescent screen 11. Therefore, the intensity of the diffracted electron beam 10a in this case is high, and the RHEED signal is relatively large.

結晶の成長が開始されると、平坦な基板2表面に島状
に結晶15の成長が始まり、電子線10は基板2表面で散乱
されるようになる。この結果、結晶成長とともに蛍光板
11の中央部に向かう回折電子線10aの強度が低くなって
ゆき、第5図(2)図示の状態を経て、第5図(3)図
示の基板2表面の1/2の面積に結晶15が成長した状態で
最小となる。
When the growth of the crystal is started, the growth of the crystal 15 starts in an island shape on the flat surface of the substrate 2, and the electron beam 10 is scattered on the surface of the substrate 2. As a result, the phosphor screen
The intensity of the diffracted electron beam 10a toward the center of the substrate 11 decreases, and after passing through the state shown in FIG. 5 (2), the crystal 15a becomes 1/2 of the surface of the substrate 2 shown in FIG. 5 (3). Becomes minimum when grown.

この第5図(3)図示の状態から、さらに結晶15の成
長が進むと、基板2表面は逆に平坦度を増してゆき、こ
のため蛍光板11の中央部に向かう回折電子線10aの強度
が高くなる。このようにして第5図(4)図示の状態を
経て、第5図(5)図示の1層の原子層の成長が終了す
る時刻までの期間にRHEED信号は増加してゆき、1層の
原子層の成長が終了した時点で極大値をとる。
As the growth of the crystal 15 progresses further from the state shown in FIG. 5 (3), the flatness of the surface of the substrate 2 reversely increases, so that the intensity of the diffracted electron beam 10a heading toward the center of the fluorescent plate 11 increases. Get higher. In this way, the RHEED signal increases during the period from the state shown in FIG. 5 (4) to the time when the growth of one atomic layer shown in FIG. It takes a maximum value when the growth of the atomic layer is completed.

このように、RHEED振動の1周期が1原子層の周期に
対応することになる。したがって、レコーダ14の記録を
監視することにより、原子層を計数して成長レートを求
めることが可能であり、またこの成長レートに対応した
シャッタ6,7,8の開閉制御により、前述の超格子構造の
半導体結晶を得ることが可能である。
Thus, one cycle of the RHEED oscillation corresponds to the cycle of one atomic layer. Therefore, by monitoring the recording of the recorder 14, it is possible to calculate the growth rate by counting the atomic layers, and by controlling the opening and closing of the shutters 6, 7, 8 corresponding to this growth rate, It is possible to obtain a semiconductor crystal having a structure.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、上述のような構成では、光電子倍増管
13からのRHEED信号に各種の雑音が含まれるため、成長
レートを求める際に、前記雑音による誤差が問題とな
り、結果として結晶成長を原子オーダで制御することが
困難となっていた。
However, in the configuration described above, the photomultiplier tube
Since various noises are included in the RHEED signal from 13, an error due to the noise becomes a problem when determining the growth rate, and as a result, it has been difficult to control the crystal growth in the atomic order.

この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、微細
構造の結晶成長が格段に良好に行われるようにした結晶
成長方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a crystal growth method which solves the above-mentioned technical problem and enables crystal growth of a fine structure to be performed extremely well.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

この発明の結晶成長方法は、基板表面からの回折電子
線強度の検出信号をフーリエ変換して、このフーリエ変
換した信号から結晶の成長レートを求め、この成長レー
トに対応して分子線の照射の制御を行うことを特徴とす
る。
According to the crystal growth method of the present invention, the detection signal of the intensity of the diffracted electron beam from the substrate surface is Fourier-transformed, the crystal growth rate is obtained from the Fourier-transformed signal, and the irradiation of the molecular beam is performed in accordance with the growth rate. The control is performed.

〔作用〕[Action]

この発明の構成によれば、原子層の成長と等しい周期
を有して振動する回折電子線強度の検出信号をフーリエ
変換して周波数に変換するようにしたので、回折電子線
強度の振動の周波数を、雑音の影響を排除して求めるこ
とができるようになる。すなわち、前記フーリエ変換し
た信号から結晶成長レートを正確に求めることができる
ようになり、したがってこの成長レートに対応して分子
線の照射の制御を行えば、結晶の成長を原子オーダで制
御することが可能となる。
According to the configuration of the present invention, the detection signal of the intensity of the diffracted electron beam that oscillates with the same period as the growth of the atomic layer is converted to a frequency by Fourier transform, so that the frequency of the oscillation of the intensity of the diffracted electron beam is changed. Can be obtained without the influence of noise. That is, the crystal growth rate can be accurately obtained from the Fourier-transformed signal. Therefore, if the irradiation of the molecular beam is controlled in accordance with the growth rate, the crystal growth can be controlled in the atomic order. Becomes possible.

〔実施例〕〔Example〕

第1図はこの発明の一実施例の結晶成長方法の実施の
ための基本的な構成を示す概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic configuration for implementing a crystal growth method according to one embodiment of the present invention.

この第1図において、前述の第3図に示された各部に
対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実
施例では、光電子倍増管13からのRHEED信号は、信号処
理用コンピュータ16に入力され、この信号処理用コンピ
ュータ16においてフーリエ変換される。光電子倍増管13
からのRHEED信号は、前述の第4図に示されるように変
化するのであるが、このRHEED信号をフーリエ変換する
ことにより、第2図に示すようにピークPをとる信号に
変換することができる。
In FIG. 1, parts corresponding to the respective parts shown in FIG. 3 are given the same reference numerals. In this embodiment, the RHEED signal from the photomultiplier tube 13 is input to a signal processing computer 16, where it is subjected to Fourier transform. Photomultiplier tube 13
The RHEED signal changes from the RHEED signal as shown in FIG. 4 described above. By subjecting this RHEED signal to Fourier transform, it can be converted into a signal having a peak P as shown in FIG. .

このピークPにおける周波数foは、RHEED信号の振動
の周波数であり、この第2図から明らかなように、雑音
成分がはっきりと分離されている。したがって、ピーク
Pにおける周波数foに基づいて結晶の成長レートを求め
れば、従来の方法に比較して、1桁正確な成長レートを
求めることが可能である。
Frequency f o at the peak P is the frequency of oscillation of the RHEED signal, as is clear from the Figure 2, the noise component is clearly separated. Therefore, by obtaining the growth rate of the crystal based on the frequency f o at the peak P, as compared with the conventional methods, it is possible to determine the order of magnitude exact growth rate.

なお、第1図において17はCRT(陰極線管)などの表
示装置であり、18は印刷装置であって、たとえば表示装
置17にはフーリエ変換した第2図図示の信号を表示し、
印刷装置18には光電子倍増管13からのRHEED信号の波形
を出力などさせるようにしてもよい。
In FIG. 1, reference numeral 17 denotes a display device such as a CRT (cathode ray tube), and reference numeral 18 denotes a printing device. For example, the display device 17 displays Fourier-transformed signals shown in FIG.
The printing device 18 may output the waveform of the RHEED signal from the photomultiplier 13 or the like.

上述のように、RHEED信号をフーリエ変換した信号の
ピークPにおける周波数foに基づいて結晶成長レートを
求めることにより、正確な成長レートを求めることがで
きるので、こうして求めた結晶成長レートに基づいて、
シャッタ6,7,8の開閉制御を行って、るつぼ3,4,5からの
各分子線の照射を制御することにより、基板2表面に原
子オーダの精密な制御が行われた超格子構造などを有す
る半導体結晶などを形成することができる。
As described above, by determining the crystal growth rate based on the frequency fo at the peak P of the signal obtained by Fourier-transforming the RHEED signal, an accurate growth rate can be determined.Based on the crystal growth rate thus determined,
By controlling the opening and closing of the shutters 6, 7, 8 to control the irradiation of each molecular beam from the crucibles 3, 4, and 5, a superlattice structure with precise control of the atomic order on the surface of the substrate 2 And the like can be formed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のようにこの発明の結晶成長方法によれば、原子
層の成長と等しい周期を有して振動する回折電子線強度
の検出信号をフーリエ変換して周波数に変換するように
したので、回折電子線強度の振動の周波数を、雑音の影
響を排除して求めることができるようになる。すなわ
ち、前記フーリエ変換した信号から結晶成長レートを正
確に求めることができるようになり、したがってこの成
長レートに対応して分子線の照射の制御を行えば、結晶
の成長を原子オーダで制御することが可能となる。この
結果、微細構造の結晶成長を良好に行って、たとえば超
格子構造を有する半導体結晶などで良好な特性を得るこ
とができるようになる。
As described above, according to the crystal growth method of the present invention, the detection signal of the intensity of the diffracted electron beam that oscillates with the same period as the growth of the atomic layer is Fourier-transformed and converted into a frequency. The frequency of the vibration of the line intensity can be obtained without the influence of noise. That is, the crystal growth rate can be accurately obtained from the Fourier-transformed signal. Therefore, if the irradiation of the molecular beam is controlled in accordance with the growth rate, the crystal growth can be controlled in the atomic order. Becomes possible. As a result, it becomes possible to favorably grow a crystal having a fine structure, and to obtain good characteristics in, for example, a semiconductor crystal having a superlattice structure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の一実施例の結晶成長方法の実施のた
めの基本的な構成を示す概念図、第2図は光電子倍増管
13からのRHEED信号をフーリエ変換した信号を示す図、
第3図は従来技術の基本的な構成を示す概念図、第4図
は光電子倍増管13からのRHEED信号を示す図、第5図は
基板2表面における結晶成長の様子を示す簡略化した断
面図、第6図はレコーダ14の記録態様を簡略化して示す
説明図である。 2……基板、9……電子銃、10……電子線、10a……回
折電子線、11……蛍光板、13……光電子倍増管、16……
信号処理用コンピュータ
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic structure for implementing a crystal growth method according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a photomultiplier tube.
Diagram showing a signal obtained by Fourier transforming the RHEED signal from 13;
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a basic configuration of the prior art, FIG. 4 is a diagram showing an RHEED signal from the photomultiplier tube 13, and FIG. 5 is a simplified cross section showing a state of crystal growth on the surface of the substrate 2. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the recording mode of the recorder 14 in a simplified manner. 2 ... Substrate, 9 ... Electron gun, 10 ... Electron beam, 10a ... Diffraction electron beam, 11 ... Fluorescent plate, 13 ... Photomultiplier tube, 16 ...
Computer for signal processing

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板表面に分子線を照射して結晶を成長さ
せるとともに、前記基板表面に電子線を照射し、前記基
板表面からの回折電子線強度の振動を検出して、この検
出結果に基づいて前記分子線の照射の制御を行う結晶成
長方法において、 前記回折電子線強度の検出信号をフーリエ変換して、こ
のフーリエ変換した信号から結晶の成長レートを求め、
この成長レートに対応して前記分子線の照射の制御を行
うことを特徴とする結晶成長方法。
1. A method for irradiating a molecular beam on a substrate surface to grow a crystal, irradiating an electron beam on the substrate surface, detecting a vibration of a diffracted electron beam intensity from the substrate surface, In the crystal growth method of controlling the irradiation of the molecular beam based on the Fourier transform of the detection signal of the intensity of the diffracted electron beam, the crystal growth rate is obtained from the Fourier transformed signal,
A crystal growth method, wherein the irradiation of the molecular beam is controlled according to the growth rate.
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