JPH01305894A - 薄膜結晶成長装置および成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は真空中で基板上に所望の薄膜結晶を成長させる
方法のうちで、分子線エピタキシー法、更に詳しくは構
成元素を交互に一層ずつ堆積していく原子層エピタキシ
ー法、あるいは構成原子団。

分子団を交互に順次積層していく方法に用いられる装置
およびそれによる製膜方法に関するものであり、オプト
エレクトロニクスデバイスなどの高度に制御された薄膜
を必要とする分野において幅広く利用されうるものであ
る。

従来の技術 分子線エピタキシー法（以下、ＭＢＥという）、あるい
は原子層エピタキシー法（以下、ＡＬＥという）では線
源および基板が熱的、幾何学的に独立しており、線源の
数２種類は任意であり、また、それぞれの温度を独立に
制御できる。材料分子は線源から基板上に向かって分子
線として超高真空中を直進し輸送される。ＭＢＥでは複
数種の分子線が基板上に同時に到達し、分子線強度をそ
れぞれ独立に制御することにより基板上に飛来する各材
料分子線の強度に応じた組成を有する結晶を制御性よく
作製できる。ＡＬＥはＭＥＥの一種であるが、複数の材
料分子線を交互に基板に到達させるところに特徴がある
。堆積した膜の表面元素と、原料元素との付着係数の差
を利用するものであって、ＩＩ−■族化合物半導体を例
にとると、次のように説明できる。常温においては任意
の原子層数の積層が可能であるが、ある特定の温度領域
においては■族元素と■族元素は互いに結合しやすいが
、■族元素同志あるいは■族元素同志では結合しにくい
。このような温度領域においては、たとえば基板上に■
族元素が一原子層付着した後にはさらに■族元素の分子
線のみを照射し続けてもそれ以上付着することはない。

この状態で■族元素の分子線照射をやめ、■族元素の分
子線を照射するならば、一原子層の■族元素上に■族元
素が付着する。しかし、−度■族元素が一原子層付着し
てしまうと■族元素の場合と同様にそれ以上の付着はお
きない。そこで再び■族元素の照射をやめ、■族元素の
照射を開始するならば■族元素の一原子層が形成される
。以上のような分子線の照射を繰り返すことにより、ｆ
ｆ−■族化合物半導体の薄膜が■族、■族交互に一層ず
つ付着しながら形成されていく。

従来、ＡＬＥにおいては交互に照射する分子線の切り換
えのために、各々の材料分子線経路の途中に設けられた
シャッターが用いられている。前記の■−■族を例にと
れば、■族元素を堆積中には■族元素の分子線をシャッ
ターによってさえぎり、ある一定時間の後に■族元素の
分子線をシャッターでさえぎり、しかる後■族元素の分
子線をさえぎっているシャッターを開け、■族元素の堆
積を開始する。すなわち、各分子線用のシャッターを時
間で制御しながら交互に開閉するわけである。また、こ
のシャッター開閉のシーフェンスは通常マイクロコンピ
ュータ−などによって制御される。

発明が解決しようとする課題 分子線強度の角度分布は、その線源の開口部の形状に依
在するものの、およそ第７図に示すような分布をとり、
開口部の法線方向からずれるに従って急激に減少する。

このため第８図に示すごとく、複数の分子線源２００は
円周上にならべられ、その開口部２０１の法線は基板２
０２の法線と、ある角度をなす、すなわち各々の分子線
がそれぞれ平均的に基板とある角度をなして照射され、
また、すべての分子線の最大強度位置を一致させ、その
位置に基板２０２を配置しなければならない。

このために均一な製膜が可能な領域が限定されてしまい
、−回の製膜で使用可能な基板が、たとえば直径２イン
チのものが一枚というように処理能力がきわめて低い。

また、基板に飛来する分子線の切換えを、各々の分子線
の飛来経路上に独立に設けられたシャッターによって行
なわなければならないために、各々のシャッターは分子
線源の開口出口のごく近く、たとえば数センチメートル
以内の距離に設置する必要がある。もし、これ以上の距
離にシャッターを設置するならば、距離の２乗に比例し
た大きな面積のシャッターを用いなければ分子線を確実
に遮断することができないが、実用上大きなシャッター
を開閉するスペースはとれないために使用できない。こ
のように分子線源開口部より近距離にシャッターが存在
する場合には分子線強度の精密な制御に影響が出てくる
。分子線源として通常よ〈用いられるルツボに入れられ
た材料物質を加熱する場合、シャッターの開閉にともな
い分子線強度が変化してしまう。ことに、シャッターを
開ける時間が長いほどその変化は大きい。これは近距離
に存在するシャッターの熱副射の影響と考えられ、この
ようなシャッターを用いる限り回避することの難しい問
題である。

課題を解決するための手段 本発明においては、複数の基板への製膜を可能にし、分
子線源に近接するシャッターの開閉による分子線強度の
変化を防ぐために、次のような装置構成および製膜方法
をとる。１ず、各分子線が基板位置−点に集中すること
のないように各分子線発生源の開口部の法線が基板位置
あるいはこの開口部と基板位置との間で交わることのな
いような向きに配置し、各々の分子線経路間に隔壁を設
ける。こうして区切られた各分子線の到達領域を複数の
基板が順次移動していく。すなわち、ある一つの分子線
到達域にある一つの基板が静止またはこの領域を通過し
ている時に、同時にこれとは別の分子線到達域に別の基
板が静止またはこの領域を通過していく。各基板は一定
時間の静止またはある速度である分子線到達域を通過の
後、各々別々の領域へ移動していく。このような工程を
反復することにより薄膜結晶成長を行なう。

作　　　用 各々の分子線の到達領域を分け、相互に混合することの
ない様にしであるために、各々の分子線を同時に別々の
基板への製膜に利用できる。そして、これらの領域を順
次移動してゆくことから、複数の基板の使用が可能とな
る。また、このような配置をとることにより、各々の分
子線ごとにシャッターを設け、それにより分子線飛来の
有無を制御するという必要がなくなるために、分子線源
開口部に近接するシャッターを使用せずにすむため、こ
れらによる分子線強度への影響を排除できる。

実施例 （実施例１） 以下に、実施例に基づいて本発明の詳細を述べる。本発
明による装置は、化合物半導体薄膜あるいは超格子形成
に用いられるいわゆるＡＬＥ法のみならず、ＡＬＥと同
様の原理、すなわち、付着係数に大きな差があるために
交互の積層が可能なものであれば有機物、無機物あるい
は分子団、原子団としての積層にも利用しうるものであ
るが、ここでは■−■族化合物半導体薄膜単結晶作製の
例について記す。

第１図は、本発明による装置の構成を示す概念図である
。実際の装置に装備されている、基板セツティングのだ
めのロードロック室、試料分析室等の記載は省略しであ
る。真空室１は排気系１゜により排気される。ここに用
いられる真空ポンプとしてはターボ分子ポンプ、クライ
オポンプ等がある。液体窒素シュラウド３との併用によ
り到達真空度は１０”　−１０””０Ｔｏｒｒ代である
。基板８は基板ホルダー１１に装着されており、背面よ
りヒーター６で加熱され、また、回転制御系７により基
板ホルダー１１と一体で回転できるようになっている。

るつぼ２ａには■族元素、るっぽ２ｂには■族元素の原
料が入れられている。ここではＺｎＴｅ０製膜を例にと
る。Ｚｎ、Ｔｏいずれも高純度のもの（ｅＮ以上）であ
り、るつぼ内で加熱され、分子線として上方の基板方向
へ向っていく。

分子線強度は分子線強度モニター４とおよび４ｂでモニ
ターされる。分子線強度モニターとしてはヌードイオン
ゲージタイプの電離真空計を用いているが、これはクォ
ーツクリスタルモニターでもかまわない。基板用シャッ
ター５ａおよび５ｂはるつぼ２ａ、２ｂからは光分離れ
た位置にあり、分子線強度に影響を与えることはない。

るつぼ２ａおよび２ｂから飛来する分子線は隔壁９によ
り仕切られており、基板面で混ざり合うことはない。

第２図は基板８９分子線源２ａ、　　２ｂ、隔壁９の配
置を示す。

次に実際の薄膜形成工程を述べる。基板８としては、た
とえばＧａＡ８（１００）結晶が用いられる。

基板８はトリクロロエタン、アセトン等による脱脂の後
、硫酸：過酸化水素水：水＝５：１：１の液でエツチン
グしである。ＺｎおよびＴｅの分子線強度はおよそ１：
１が適当である。分子線強度モニター４ａ、４ｂにより
それぞれおよそ１０６ａ　ｔ　ｏｍｓ　／ｃｒｔｉ・８
に調整する。エピタキシャル成長させるのに適した基板
温度はある範囲を持っておシ、ＡＬＥではＭＢＥよりも
その範囲が広く、およそ２５０℃〜４００℃ぐらいであ
るが、表面モフォロジー等も考慮に入れ、ここでは３２
６℃に設定する。基板は製膜時の温度に設定する前にサ
ー＼マルエッチングを行なう。基板温度を６００℃前後
に数分間保持することにより、表面の薄い酸化層を除去
し、原子レベルでクリーンなＧ　ａ　Ａ　ｓの表面を出
す。

分子線強度および基板温度が安定したのを確認した後に
シャッター６ａおよび５ｂを開け、製膜を開始する。こ
こで基板は２枚とし、一方がＺｎの分子線域に、また、
他方がＴｅの分子線域にあるものとする。第一層目の元
素を統一する場合には、一方のシャッターを第一層目堆
積中のみ閉じておき、また、その必要がない場合には同
時に両者のシャッターを開ける。分子線に基板が照射さ
れる時間は２〜４層分に相当する分子数が飛来するのに
要する時間程度が適当であり、ここでは１０秒とする。

１０秒間静止した後、回転制御系７により各々の基板は
別々の分子線域に移動し、同じ時間だけ静止する。この
工程を〈９返し、あらかじめプログラムされた回数の移
動を行ない、製膜を終了する。基板ホルダーが１００回
転すればＺｎＴｅが１００原子層形成される。

第３．第４図に上記の結晶成長過程を模式的に示す。区
別のために基板をＡおよびＢと呼ぶ。基板Ａがａ　（Ｚ
ｎ）の分子線領域にある時はａ　（Ｚｎ）層がｂ（Ｔｅ
）層上に堆積し、このとき基板Ｂはｂ（Ｔｏ）領域にあ
ってｂ（Ｔｅ）層がａ　（Ｚｎ）層上に堆積する（第３
図）。基板Ａがｂ　（Ｔｏ）領域に、また、基板Ｂがａ
　（Ｚｎ）領域にある時は、ちょうどこれと反対になる
（第４図）。

第５図ａ−ｄに、ＺｎおよびＴｅが交互に一層ずつ付着
していく様子を示す。このように適当な温度範囲におい
ては■族および■族がそれぞれ同族のものが付着し続け
ることはなく、交互に堆積されていく。

（実施例２） 第６図は複数の基板を連続的に移動させることによる製
膜方法および装置の概略を示す図である。

製膜開始前の条件、操作等は実施例１において説明した
ものと共通する部分が多いのでここでは省略する。基板
のサーマルエツチングを終え、分子線強度および基板温
度が安定した後に以下のように結晶成長を行なう。第６
図には基板が６枚の例を示しである。第一層目の元素を
統一する場合には、一方のシャッターのみをはじめに開
け、基板ホルダー１１１が１回転した後に他方のシャッ
ターも開ける。第一層目の元素を特には指定せず、交互
堆積していればよい場合にはシャッター１０５ａ。

１０６ｂともに同時に開け、製膜を開始すればよい。

基板ホルダーの連続回転は回転制御系１０７により行な
われる。基板が分子線に照射される時間は２〜４層分相
当程度が適当であるので、基板ホルダー１１１の回転速
度は１　ｒｐｍとする。基板ホルダー１１１の１回転に
より、分子線源１０２ａ（Ｚｎ）および１０２ｂ（Ｔｏ
）の元素が各々−層ずつ堆積する。したがって回転数に
より積層数を決めることができ、１００回転ならばＺｎ
Ｔｅが１００層、２００回転ならば２００層形成される
ことになる。

発明の効果 本発明の方法によれば、ＡＬＥによシ複数の基板上に同
時に薄膜結晶成長を行なうことが可能であり、また、分
子線強度の変化を生ずることがないために安定した製膜
ができる。さらに装置の大型化も容易であり、生産機と
しても実用化しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第７図は分子線強度の角度分布を示す図であり、第８図
は基板と分子線源の向き９位置関係を示す（２）、第１
図および第６図は本発明の実施例による装置および製膜
方法を説明する概略構成図、第２図は第１図の要部断面
図、第３図および第４図は製膜過程を示す図、第６図は
結晶成長時の原子（分子）付着過程を示す図である。 １　、　１０１−・・−真空室、２　ａ、　　ｂ、　　
１０２ａ、　ｂ・・・・・・分子線源、８，１０８・・
・・・・基板、９，１０９・・・・・・隔壁、１１．１
ｆｔ・・・・・・基板ホルダー。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名ｌノ
Ｘ５已４（Ａ〉りニー 第２図 第　３　図 第　４　図 第７図 第　８　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空室中に設置された基板上に成長させようとす
   る薄膜の構成元素を含む材料物質の分子線を供給し、前
   記基板上に堆積させて薄膜結晶を成長させるに際し、前
   記複数種の材料物質をそれぞれ独立な分子線発生源にて
   分子線とし、前記複数の分子線発生源の開口部の法線は
   前記基板の位置あるいは前記開口部と前記基板位置との
   間にいずれの２つも交わることがなく、前記複数の分子
   線経路間に隔壁を設け、前記基板は前記複数の分子線の
   各々の到達領域間を移動できることを特徴とする薄膜結
   晶成長装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の薄膜結晶成長装置を
   用い、基板が複数の分子線の各々の到達領域にて定めら
   れた時間ずつ静止し、順次移動することにより製膜を行
   なう薄膜結晶成長方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の薄線結晶成長装置を
   用い、基板が複数の分子線の各々の到達領域間を連続的
   に移動することにより製膜を行なう薄膜結晶成長方法。