JP2664250B2 - 分子線エピタキシ装置 - Google Patents
分子線エピタキシ装置Info
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- JP2664250B2 JP2664250B2 JP15458089A JP15458089A JP2664250B2 JP 2664250 B2 JP2664250 B2 JP 2664250B2 JP 15458089 A JP15458089 A JP 15458089A JP 15458089 A JP15458089 A JP 15458089A JP 2664250 B2 JP2664250 B2 JP 2664250B2
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- Japan
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- substrate
- beam source
- crucible
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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〕 本発明は、分子線エピタキシ装置に係り、特に膜厚分
布，薄膜の組成比分布，不純物濃度分布等を均一化し、
基板表面に発生する欠陥を低減する分子線エピタキシ装
置に関する。
布，薄膜の組成比分布，不純物濃度分布等を均一化し、
基板表面に発生する欠陥を低減する分子線エピタキシ装
置に関する。
従来の装置は、特開昭62−12694号に記載のように、
基板の大きさに応じて分子線源の配置を定め、膜厚分
布，組成分布などを均一化するようにしていた。また、
特開昭62−12694号に記載のように、膜厚分布を均一化
するため、（ａ）複数の分子線源を対象な位置に配置
し、（ｂ）分子線源の基板への照射角を30゜以上とし、
さらに（ｃ）分子線源と基板との距離を基板直径の３倍
以上とするようにしていた。さらに、分子線源の照射中
心を基板中心から、基板半径以上ずらすようにしてい
た。
基板の大きさに応じて分子線源の配置を定め、膜厚分
布，組成分布などを均一化するようにしていた。また、
特開昭62−12694号に記載のように、膜厚分布を均一化
するため、（ａ）複数の分子線源を対象な位置に配置
し、（ｂ）分子線源の基板への照射角を30゜以上とし、
さらに（ｃ）分子線源と基板との距離を基板直径の３倍
以上とするようにしていた。さらに、分子線源の照射中
心を基板中心から、基板半径以上ずらすようにしてい
た。
また、特開昭62−54421号に記載のように、（ａ）基
板と分子線源との距離を基板直径の0.7から1.6倍の範囲
とし、（ｂ）分子線源の照射中心を基板中心からずら
し、その距離を基板直径の0.4から0.7倍の長さとするよ
うにしていた。
板と分子線源との距離を基板直径の0.7から1.6倍の範囲
とし、（ｂ）分子線源の照射中心を基板中心からずら
し、その距離を基板直径の0.4から0.7倍の長さとするよ
うにしていた。
また、特開昭61−91094号では、分子線源のルツボの
開き角（θ０）を考慮し、ルツボ出口直径（Ａ）と分子
線源照射角（θ）と基板と分子線源との距離（Ｌ）が、
基板直径（ｄ）との間に、次式（ｄ＜0.7（Ａ＋2Ltanθ
０）/cosθ）となるように分子線源を配置していた。
開き角（θ０）を考慮し、ルツボ出口直径（Ａ）と分子
線源照射角（θ）と基板と分子線源との距離（Ｌ）が、
基板直径（ｄ）との間に、次式（ｄ＜0.7（Ａ＋2Ltanθ
０）/cosθ）となるように分子線源を配置していた。
上記特開昭62−12694号および特開昭61−91094号はい
ずれも膜厚分布の均一化することを第一の目的とするも
のの、膜の成長速度（分子線強度）への配慮がなされて
いないという欠点があつた。このような場合、一般に分
子線源の加熱温度を制御して成長速度をコントロールす
るのであるが、分子線源の温度は無制限に高くできない
ので、成長速度の制御範囲が限られるという欠点があつ
た。特開昭62−54421号では膜厚分布の他に成長速度も
考慮されてはいるものの特開昭61−91094号に記載のよ
うにこれらはさらにルツボの形状にも依存していた。
ずれも膜厚分布の均一化することを第一の目的とするも
のの、膜の成長速度（分子線強度）への配慮がなされて
いないという欠点があつた。このような場合、一般に分
子線源の加熱温度を制御して成長速度をコントロールす
るのであるが、分子線源の温度は無制限に高くできない
ので、成長速度の制御範囲が限られるという欠点があつ
た。特開昭62−54421号では膜厚分布の他に成長速度も
考慮されてはいるものの特開昭61−91094号に記載のよ
うにこれらはさらにルツボの形状にも依存していた。
上記従来技術は分子線エピタキシ装置における膜厚分
布，成長速度に影響する分子線源と基板間距離，照射
角，照射中心位置および基板サイズ、分子線源の大きさ
（ルツボ形状）等との関係が総合的に関係ずけられてお
らず、経験により上記分子線源の配置を求めていたの
で、長時間を要し、しかもそれが必ずしも最適とは言い
難い難点があつた。
布，成長速度に影響する分子線源と基板間距離，照射
角，照射中心位置および基板サイズ、分子線源の大きさ
（ルツボ形状）等との関係が総合的に関係ずけられてお
らず、経験により上記分子線源の配置を求めていたの
で、長時間を要し、しかもそれが必ずしも最適とは言い
難い難点があつた。
本発明の目的は、分子線源と基板間の距離を最適の位
置に配置して高品質の薄膜を効率的に製造することがで
きる分子線エピタキシ装置を提供することにある。
置に配置して高品質の薄膜を効率的に製造することがで
きる分子線エピタキシ装置を提供することにある。
本発明は上記の目的を達成するために、膜厚偏差、お
よび薄膜の成長速度と、ルツボおよび基板間の大きさ，
距離，角度その他の配置情報との間の関係を明確にし、
それにより所定の膜厚偏差、および薄膜の成長速度を与
えるようにしたものである。
よび薄膜の成長速度と、ルツボおよび基板間の大きさ，
距離，角度その他の配置情報との間の関係を明確にし、
それにより所定の膜厚偏差、および薄膜の成長速度を与
えるようにしたものである。
上記配置情報により、従来のような非能率な試行を繰
り返す事無く、所定の膜厚偏差、および薄膜の成長速度
に対する分子線エピタキシの装置の運転条件が直ちに求
まる。
り返す事無く、所定の膜厚偏差、および薄膜の成長速度
に対する分子線エピタキシの装置の運転条件が直ちに求
まる。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図は本発明の分子線エピタキシ装置の中から基板
と分子線源のみを抽出して示したものである。ルツボ２
の中に充填された原料３には例えばガリウムやアルミニ
ウムなどが用いられ、加熱されて熔解され、液面４は水
平になつてある。ｄは基板１の直径、Ｄはルツボの直
径、βはルツボ２の開口角、ｈはルツボ２の出口から液
面４の中心までの深さ、Ｌは基板１とルツボ２の出口ま
での距離、θはルツボ２の中心軸が基板１となす角（照
射角）、Ｓはルツボ２の中心軸と基板１の交点Ａ（照射
中心）と基板１の中心０間の距離（シフト量）である。
と分子線源のみを抽出して示したものである。ルツボ２
の中に充填された原料３には例えばガリウムやアルミニ
ウムなどが用いられ、加熱されて熔解され、液面４は水
平になつてある。ｄは基板１の直径、Ｄはルツボの直
径、βはルツボ２の開口角、ｈはルツボ２の出口から液
面４の中心までの深さ、Ｌは基板１とルツボ２の出口ま
での距離、θはルツボ２の中心軸が基板１となす角（照
射角）、Ｓはルツボ２の中心軸と基板１の交点Ａ（照射
中心）と基板１の中心０間の距離（シフト量）である。
第１図に示した分子線エピタキシ装置において、膜厚
分布，成長速度等は分子線源と基板間距離L,照射角θ，
照射中心位置Ｓおよび基板サイズd,ルツボの大きさＤ等
に関係して変化する。本発明ではこのような関係を分析
し、総合的に把握して上記の分子線源の最適な配置を求
めるようにする。このため、まずシフト量Ｓがゼロの場
合につき、基板１とルツボ２との距離Ｌと膜厚偏差ｔと
の関係を計算機シミユレイシヨンにより求め第２図に示
すような結果を得た。ただし、基板直径ｄ＝180mm,開口
角β＝５゜，照射角θ＝45゜，液面深さｈ＝90mmであ
る。また、パラメータはそれぞれルツボ径Ｄが70,60,5
0,35（mm）の場合に対応する。
分布，成長速度等は分子線源と基板間距離L,照射角θ，
照射中心位置Ｓおよび基板サイズd,ルツボの大きさＤ等
に関係して変化する。本発明ではこのような関係を分析
し、総合的に把握して上記の分子線源の最適な配置を求
めるようにする。このため、まずシフト量Ｓがゼロの場
合につき、基板１とルツボ２との距離Ｌと膜厚偏差ｔと
の関係を計算機シミユレイシヨンにより求め第２図に示
すような結果を得た。ただし、基板直径ｄ＝180mm,開口
角β＝５゜，照射角θ＝45゜，液面深さｈ＝90mmであ
る。また、パラメータはそれぞれルツボ径Ｄが70,60,5
0,35（mm）の場合に対応する。
第２図の特性を近似的に数式化すると式（１）が得ら
れる。
れる。
ｔ（180）は、基板径ｄ＝180mmにおける膜厚偏差ｔを
意味する。これにより、膜厚分布の許容値を、例えばｔ
（180）≦１％とすると、Ｌは式（２）に示す値とせね
ばならないことがわかる。
意味する。これにより、膜厚分布の許容値を、例えばｔ
（180）≦１％とすると、Ｌは式（２）に示す値とせね
ばならないことがわかる。
同様にして計算機シミユレーシヨンにより成長速度Ｒ
を求めると第３図に示す結果が得られ、これを近似的に
数式化すると式（３）が得られる。
を求めると第３図に示す結果が得られ、これを近似的に
数式化すると式（３）が得られる。
これより成長速度Ｒの許容値を例えば１μm/hにする
と許容されるＬの範囲として次式が得られる。
と許容されるＬの範囲として次式が得られる。
したがつて式（２）および式（４）よりｔ（180）
１％,R＝１μm/hという条件を満たすＬの範囲は式
（５）のように与えられる。
１％,R＝１μm/hという条件を満たすＬの範囲は式
（５）のように与えられる。
第４図の斜線で示す部分が式（５）を満足する範囲で
ある。直線13が式（５）の右辺の関係、直線14が同左辺
の関係に対応する。
ある。直線13が式（５）の右辺の関係、直線14が同左辺
の関係に対応する。
Ｃ点がルツボ直径Ｄの最小値と距離Ｌの最小値を与
え、それぞれはＤ＝63mm,L＝285mmとなる。なお、上記
の関係は基板直径がｄ＝180mmの場合であるが、ｄがこ
れ以外の値の場合は、膜厚分布ｔを１％以内、許容成長
速度をR0すれば式（２），（４）等はそれぞれ式（６）
および式（７）のように表わすことができる。
え、それぞれはＤ＝63mm,L＝285mmとなる。なお、上記
の関係は基板直径がｄ＝180mmの場合であるが、ｄがこ
れ以外の値の場合は、膜厚分布ｔを１％以内、許容成長
速度をR0すれば式（２），（４）等はそれぞれ式（６）
および式（７）のように表わすことができる。
これより同様にしてＬの範囲を導くと式（８）が得ら
れる。
れる。
上記した関係式はさらにシフト量Ｓや照射角θ，液面
深さｈ等の変化に対応して修正されねばならない。しか
し、上記S,θ,h等の値が以下に示す範囲内であればその
影響は少ないので上記の関係式をそのまゝ用いることが
できる。
深さｈ等の変化に対応して修正されねばならない。しか
し、上記S,θ,h等の値が以下に示す範囲内であればその
影響は少ないので上記の関係式をそのまゝ用いることが
できる。
例えば、通常の分子線エピタキシ装置は、基板に対し
て対称な位置に複数の分子線源を設置するので実際上、
それらを限られたスペース内に実装できるかどうかを考
慮する必要があり、その結果、例えば照射角θを自由に
選定できない。照射角θが大きいほど膜厚偏差ｔは減少
するのであるが、成長速度Ｒも同時に減少するので、照
射角θの上限も自ずと決まつてくる。また、照射角θが
大きいほど、分子線源に近い基板上の位置と遠い位置と
の分子線強度差が大きくなるので、膜厚分布や膜質分布
を均一化するには基板の自転回転数を増さなければなら
ず、これからも照射角θが制限される。照射角θの下限
は、分子線源が実装できるかによつて自ずと定まる。以
上の点より照射角θは実際上25〜50゜の範囲に限定され
る。
て対称な位置に複数の分子線源を設置するので実際上、
それらを限られたスペース内に実装できるかどうかを考
慮する必要があり、その結果、例えば照射角θを自由に
選定できない。照射角θが大きいほど膜厚偏差ｔは減少
するのであるが、成長速度Ｒも同時に減少するので、照
射角θの上限も自ずと決まつてくる。また、照射角θが
大きいほど、分子線源に近い基板上の位置と遠い位置と
の分子線強度差が大きくなるので、膜厚分布や膜質分布
を均一化するには基板の自転回転数を増さなければなら
ず、これからも照射角θが制限される。照射角θの下限
は、分子線源が実装できるかによつて自ずと定まる。以
上の点より照射角θは実際上25〜50゜の範囲に限定され
る。
次に、シフト量Ｓの許容範囲について考える。通常、
複数の分子線源は基板の回転軸に対して対称に配置され
る。基板の回転軸に分子線源に近づけると、膜厚偏差ｔ
が増加するうえ、実装もしにくくなる。したがつて分子
線源は通常基板の回転軸から離すようにしたい。しか
し、同時に成長速度Ｒも低下するので、分子熱源を基板
の方に近づけだり、ルツボ径Ｄを大きくしたりして上記
Ｒの減少を埋め合わせながら、上記シフト量Ｓを適当な
値に設定するようにしている。
複数の分子線源は基板の回転軸に対して対称に配置され
る。基板の回転軸に分子線源に近づけると、膜厚偏差ｔ
が増加するうえ、実装もしにくくなる。したがつて分子
線源は通常基板の回転軸から離すようにしたい。しか
し、同時に成長速度Ｒも低下するので、分子熱源を基板
の方に近づけだり、ルツボ径Ｄを大きくしたりして上記
Ｒの減少を埋め合わせながら、上記シフト量Ｓを適当な
値に設定するようにしている。
第５図はシフト量Ｓと成長速度Ｒの関係の一例であ
る。たゞし、横軸はＳと基板直径ｄの比で示した。後述
するように、成長速度をあまりに遅くと正常な結晶成長
が困難になるので、Ｒ≧0.5μm/hとして選択すると、S/
d≦１となり、シフト量Ｓは基板径ｄ以下とするのが望
ましいことがわかる。
る。たゞし、横軸はＳと基板直径ｄの比で示した。後述
するように、成長速度をあまりに遅くと正常な結晶成長
が困難になるので、Ｒ≧0.5μm/hとして選択すると、S/
d≦１となり、シフト量Ｓは基板径ｄ以下とするのが望
ましいことがわかる。
次に、許容成長速度R0の値について説明する。例えば
GaAs薄膜の成長を行なう場合、成長速度は通常は１μm/
h程度の値に設定される。この成長速度はGa分子線源の
温度、すなわち、Ga分子線の強度に依存しており、Ga分
子線源の温度を低くすると成長速度は低下し、同時にGa
酸化物（Ga2O）の蒸発も少なくなるのでいわゆるオーバ
ルデイフエクト（oval defect）と称する表面欠陥を減
少させる効果が得られる。しかし、成長速度を過度に小
さくすると成長時間が長くなり、また残留ガス成分中の
一酸化炭素などの有害分子が基板上に取り込まれる確率
が増加する。成長速度の低下に対応して、基板上のGaや
As原子の拡散時間を適正化するために基板温度を下げる
と表面欠陥が増加する等の問題も発生する。以上の諸点
を考慮すると式（８）に示した許容成長速度はR0≧0.5
（μm/h）とするのが妥当である。
GaAs薄膜の成長を行なう場合、成長速度は通常は１μm/
h程度の値に設定される。この成長速度はGa分子線源の
温度、すなわち、Ga分子線の強度に依存しており、Ga分
子線源の温度を低くすると成長速度は低下し、同時にGa
酸化物（Ga2O）の蒸発も少なくなるのでいわゆるオーバ
ルデイフエクト（oval defect）と称する表面欠陥を減
少させる効果が得られる。しかし、成長速度を過度に小
さくすると成長時間が長くなり、また残留ガス成分中の
一酸化炭素などの有害分子が基板上に取り込まれる確率
が増加する。成長速度の低下に対応して、基板上のGaや
As原子の拡散時間を適正化するために基板温度を下げる
と表面欠陥が増加する等の問題も発生する。以上の諸点
を考慮すると式（８）に示した許容成長速度はR0≧0.5
（μm/h）とするのが妥当である。
実際の分子線エピタキシ装置では、分子線原料の種類
によつてたとえば、Asは消費量が多いので、大き目の分
子線源としたり、ドーピング用Siは、消費量が少ないが
分子線源温度が高いので小容量にしたりして分子線源の
容量を変えている。しかし、何れの場合も本発明によつ
て導かれた式（８）に示す位置関係により分子線源取付
位置を定めれば高品質の膜を成長させることができるの
である。
によつてたとえば、Asは消費量が多いので、大き目の分
子線源としたり、ドーピング用Siは、消費量が少ないが
分子線源温度が高いので小容量にしたりして分子線源の
容量を変えている。しかし、何れの場合も本発明によつ
て導かれた式（８）に示す位置関係により分子線源取付
位置を定めれば高品質の膜を成長させることができるの
である。
〔発明の効果〕 以上詳述したように、本発明により導かれた製造条件
を適用すると実用的な成長速度で膜厚偏差の少ないエピ
タキシ結晶薄膜を得ることができる。また、従来装置の
ように上記成長速度を早めるための分子線源の温度を高
める必要がなく、適度の温度で加熱して十分な成長速度
が得られるので、分子線源温度を下げて基板表面の欠陥
を低減させた良質のエピタキシ基板を得ることができ
る。
を適用すると実用的な成長速度で膜厚偏差の少ないエピ
タキシ結晶薄膜を得ることができる。また、従来装置の
ように上記成長速度を早めるための分子線源の温度を高
める必要がなく、適度の温度で加熱して十分な成長速度
が得られるので、分子線源温度を下げて基板表面の欠陥
を低減させた良質のエピタキシ基板を得ることができ
る。
第１図は本発明の分子線エピタキシ装置の原理的構成
図、第２図は本発明の根拠になる分子線源距離と結晶の
膜厚偏差との関係図、第３図は本発明の根拠になる分子
線源距離と結晶の成長速度との関係図、第４図は本発明
の結論を示す特性図、第５図は本発明の適用範囲を確認
するための特性図である。 １……基板、２……ルツボ、３……原料、４……液面。
図、第２図は本発明の根拠になる分子線源距離と結晶の
膜厚偏差との関係図、第３図は本発明の根拠になる分子
線源距離と結晶の成長速度との関係図、第４図は本発明
の結論を示す特性図、第５図は本発明の適用範囲を確認
するための特性図である。 １……基板、２……ルツボ、３……原料、４……液面。
フロントページの続き (72)発明者 小川 芳文 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−12694（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−54421（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91094（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】ルツボ内の原料を加熱する分子線源により
基板上に結晶を成長せしめる分子線エピタキシ装置にお
いて、上記ルツボの開口部の直径をＤ（mm）、上記基板
直径をｄ（mm）、上記ルツボの開口角β（度）、上記結
晶の許容成長速度をR0（μm/h）として、上記ルツボと
上記基板間の間隔Ｌ（mm）を で定まる範囲に設定したことを特徴とする分子線エピタ
キシ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15458089A JP2664250B2 (ja) | 1989-06-19 | 1989-06-19 | 分子線エピタキシ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15458089A JP2664250B2 (ja) | 1989-06-19 | 1989-06-19 | 分子線エピタキシ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0323290A JPH0323290A (ja) | 1991-01-31 |
| JP2664250B2 true JP2664250B2 (ja) | 1997-10-15 |
Family
ID=15587323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15458089A Expired - Lifetime JP2664250B2 (ja) | 1989-06-19 | 1989-06-19 | 分子線エピタキシ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2664250B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3803960B1 (en) * | 2018-06-07 | 2023-11-08 | Silanna UV Technologies Pte Ltd | Optoelectronic device |
-
1989
- 1989-06-19 JP JP15458089A patent/JP2664250B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0323290A (ja) | 1991-01-31 |
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