JPH03208887A - 分子線エピタキシャル成長方法 - Google Patents
分子線エピタキシャル成長方法Info
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- JPH03208887A JPH03208887A JP2004851A JP485190A JPH03208887A JP H03208887 A JPH03208887 A JP H03208887A JP 2004851 A JP2004851 A JP 2004851A JP 485190 A JP485190 A JP 485190A JP H03208887 A JPH03208887 A JP H03208887A
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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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。
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〕
この発明は、原子層制御を要する結晶成長、特に化合物
半導体等のエピタキシャル成長に適したイオン衝撃によ
る分子線エピタキシャル成長方法に関するものである。
半導体等のエピタキシャル成長に適したイオン衝撃によ
る分子線エピタキシャル成長方法に関するものである。
従来の技術を、第８図の分子線エピタキシャル成長（Ｍ
ｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅｅｓ Ｅｐｉｔａｘｙ、以降Ｍ
ＢＥと略する）に、高速反射電子線回折（Ｒｅｆｌｅｃ
ｔｉｏｎ ｏｆｆｌｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ ＤＬｆｆｒａｃｔｉｏｎ＋以降ＲＨＥＥＤと略
する）を設けたものを例にとって説明する。
ｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅｅｓ Ｅｐｉｔａｘｙ、以降Ｍ
ＢＥと略する）に、高速反射電子線回折（Ｒｅｆｌｅｃ
ｔｉｏｎ ｏｆｆｌｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ ＤＬｆｆｒａｃｔｉｏｎ＋以降ＲＨＥＥＤと略
する）を設けたものを例にとって説明する。
ＭＢＥ成長では、超高真空槽１中で、単一もしくは複数
個のクヌンセン・セル（以降にセルと略する）２から分
子線３として供給される元素４が基板５上でエピタキシ
ャル成長していく０例えば、ＧａＡｓ／＾１ＧａＡｓの
化合物半導体では、Ｇａ、 ＡｓおよびＡＩのにセル２
を３００〜７００度の範囲の温度でシャフタロの開閉に
より交互に分子線３として供給し、エピタキシャル成長
を行う、このとき、その成長の過程をＲＨＥＥＤで評価
する。
個のクヌンセン・セル（以降にセルと略する）２から分
子線３として供給される元素４が基板５上でエピタキシ
ャル成長していく０例えば、ＧａＡｓ／＾１ＧａＡｓの
化合物半導体では、Ｇａ、 ＡｓおよびＡＩのにセル２
を３００〜７００度の範囲の温度でシャフタロの開閉に
より交互に分子線３として供給し、エピタキシャル成長
を行う、このとき、その成長の過程をＲＨＥＥＤで評価
する。
ＲＨＥ Ｅ Ｄ ハ、電子線源７から１０〜４０ＫＶの
高速の電子を結晶成長中の基板５に入射させる。
高速の電子を結晶成長中の基板５に入射させる。
入射電子８は、基板５の表面の情報を反映して散乱され
る。その散乱電子９を蛍光塗料を塗っであるスクリーン
ｌＯで受けると、基板５の表面の情報を反映した電子線
回折像として得られる。この電子線回折像は、基板５の
表面の特に凹凸に敏感であり、その代表的なスポットの
強度だけに注目しても、明確な表面の様子を知ることが
できる。
る。その散乱電子９を蛍光塗料を塗っであるスクリーン
ｌＯで受けると、基板５の表面の情報を反映した電子線
回折像として得られる。この電子線回折像は、基板５の
表面の特に凹凸に敏感であり、その代表的なスポットの
強度だけに注目しても、明確な表面の様子を知ることが
できる。
第９図に、表面の成長の様子により、電子線回折像の代
表的なスポットの強度が変化する様子を示す、第９図（
ＭｌはＲＨＥＥＤのスポット強度の時間変化を示し、同
図伽＞、 （Ｃ１，（ｄ）は同図（ａ）のｂ点。
表的なスポットの強度が変化する様子を示す、第９図（
ＭｌはＲＨＥＥＤのスポット強度の時間変化を示し、同
図伽＞、 （Ｃ１，（ｄ）は同図（ａ）のｂ点。
０点およびｄ点の各位置に対応する基板５の表面状態の
概略図を示している。５ａは成長層である。
概略図を示している。５ａは成長層である。
ＲＨＥＥＤのスポット強度は、結晶成長の進行とともに
、強度が振動する。この振動の周期は、基板５の表面の
エピタキシャル膜が１ないし２原子層ずつ増加していく
速さに対応している。すなわち、結晶表面から反射され
る電子線の強度は、表面が平坦なときに強くなるが、層
成長の場合には、結晶面が１層成長する毎に平坦性が繰
り返されるため、ＲＩｔＥＥＤのスポット強度の振動と
なって観測される。
、強度が振動する。この振動の周期は、基板５の表面の
エピタキシャル膜が１ないし２原子層ずつ増加していく
速さに対応している。すなわち、結晶表面から反射され
る電子線の強度は、表面が平坦なときに強くなるが、層
成長の場合には、結晶面が１層成長する毎に平坦性が繰
り返されるため、ＲＩｔＥＥＤのスポット強度の振動と
なって観測される。
このような手法を用いることにより、結晶成長中に同時
にその様子を観測しながら、制御することが可能である
。このような手法を用いながら行うＭＢＥ成長では、基
板表面の平坦性を観察しながら成長を行えるが、平坦性
の制御を積極的に行うことはできない。
にその様子を観測しながら、制御することが可能である
。このような手法を用いながら行うＭＢＥ成長では、基
板表面の平坦性を観察しながら成長を行えるが、平坦性
の制御を積極的に行うことはできない。
一方、ｌ原子層サイズの平坦性を実現しようとする場合
、これまでは、基板表面に供給された原子に対して、外
部からエネルギを与えて表面での拡散を促進し、つぎの
供給原子が基板表面に到達する前に表面に一様に配列し
原子層サイズで平坦化するものであった。この外部から
のエネルギ供給方法は、基板の加熱が最もよく用いられ
てきた。
、これまでは、基板表面に供給された原子に対して、外
部からエネルギを与えて表面での拡散を促進し、つぎの
供給原子が基板表面に到達する前に表面に一様に配列し
原子層サイズで平坦化するものであった。この外部から
のエネルギ供給方法は、基板の加熱が最もよく用いられ
てきた。
また最近では、レーザのような光を照射する方法や、供
給する分子線をパルス状にして、分子線による構成原子
の供給後、表面での供給原子の十分な拡散を行える時間
をおいて、その後にさらに分子線を照射するというよう
に、繰り返して成長を行う方法も用いられている。
給する分子線をパルス状にして、分子線による構成原子
の供給後、表面での供給原子の十分な拡散を行える時間
をおいて、その後にさらに分子線を照射するというよう
に、繰り返して成長を行う方法も用いられている。
このような従来からの手法によれば、基板の種類によら
ず、ある程度の温度が必要となり、熱損傷等の悪影響が
問題となる。
ず、ある程度の温度が必要となり、熱損傷等の悪影響が
問題となる。
従来の技術の項で示したように、ＭＢＥ成長において、
供給原子の基板表面での拡散を促進するには、これまで
の成長方法では、基板加熱や光照射等の手法が用いられ
てきた。
供給原子の基板表面での拡散を促進するには、これまで
の成長方法では、基板加熱や光照射等の手法が用いられ
てきた。
基板加熱による方法を用いる場合、直接的にしろ間接的
にしろ、ある程度の温度までの加熱が必要となってくる
訳であるが、その際の熱の影響は避けられないものがあ
る。基板の熱損傷、熱により発生した不純物による汚染
、装置の劣化等々様々で・ある、また、特に化合物半導
体等では、熱に対して非常に不安定なものでは、根本的
に使用できないものである。
にしろ、ある程度の温度までの加熱が必要となってくる
訳であるが、その際の熱の影響は避けられないものがあ
る。基板の熱損傷、熱により発生した不純物による汚染
、装置の劣化等々様々で・ある、また、特に化合物半導
体等では、熱に対して非常に不安定なものでは、根本的
に使用できないものである。
一方、間接的な手法として、光照射による手法があるが
、この場合、基板表面の吸着原子に直接運動エネルギも
しくは運動量を与えているわけではない、すなわち、原
子もしくは分子線からの分子の内部エネルギの励起状態
を経て、間接的に吸着原子に表面拡散に必要なエネルギ
を供給している。したがって、このような過程によって
派生する問題点、例えば不必要な元素のイオン化等によ
る不純物原子の取り込みや、欠陥等の発生が生じる。ま
た、光照射による方法では、吸着原子に与えるエネルギ
に、方向性を与えることができない。
、この場合、基板表面の吸着原子に直接運動エネルギも
しくは運動量を与えているわけではない、すなわち、原
子もしくは分子線からの分子の内部エネルギの励起状態
を経て、間接的に吸着原子に表面拡散に必要なエネルギ
を供給している。したがって、このような過程によって
派生する問題点、例えば不必要な元素のイオン化等によ
る不純物原子の取り込みや、欠陥等の発生が生じる。ま
た、光照射による方法では、吸着原子に与えるエネルギ
に、方向性を与えることができない。
この発明の目的は、基板の損傷、不純物による汚染、装
置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥の発生等の問題
を生じることなく、吸着原子に与える運動エネルギに方
向性をもたせて、１原子層の大きさの平坦性を有するエ
ピタキシャル成長を実現することができる分子線エピタ
キシャル成長方法を提供することである。
置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥の発生等の問題
を生じることなく、吸着原子に与える運動エネルギに方
向性をもたせて、１原子層の大きさの平坦性を有するエ
ピタキシャル成長を実現することができる分子線エピタ
キシャル成長方法を提供することである。
請求項（１）記載の発明のイオン衝撃による分子線エピ
タキシャル成長方法は、結晶成長中の基板表面に表面原
子衝撃用イオンビームを照射して基板表面の吸着原子に
運動エネルギを与えることにより、吸着原子の基板表面
での拡散速度を大きくしながらエピタキシャル成長を行
う。
タキシャル成長方法は、結晶成長中の基板表面に表面原
子衝撃用イオンビームを照射して基板表面の吸着原子に
運動エネルギを与えることにより、吸着原子の基板表面
での拡散速度を大きくしながらエピタキシャル成長を行
う。
また、請求項（２）記載の発明のイオン衝撃による分子
線エピタキシャル成長方法は、表面構造評価用イオンビ
ームとこの表面構造評価用イオンビームと同種もしくは
異種のイオンからなる表面原子衝撃用イオンビームとを
結晶成長中の基板表面に同時に照射し、基板表面の原子
の種類および表面構造を１原子単位で測定するとともに
、基板に供給した吸着原子に運動エネルギを与えること
により吸着原子の基板表面での拡散速度を大きくしなが
らエピタキシャル成長を行う。
線エピタキシャル成長方法は、表面構造評価用イオンビ
ームとこの表面構造評価用イオンビームと同種もしくは
異種のイオンからなる表面原子衝撃用イオンビームとを
結晶成長中の基板表面に同時に照射し、基板表面の原子
の種類および表面構造を１原子単位で測定するとともに
、基板に供給した吸着原子に運動エネルギを与えること
により吸着原子の基板表面での拡散速度を大きくしなが
らエピタキシャル成長を行う。
請求項（３）記載の発明のイオン衝撃による分子線エピ
タキシャル成長方法は、分子線もしくは表面原子衝撃用
イオンビームと表面構造評価用イオンビームとを交互に
基板表面に照射することにより、基板表面の原子の種類
および表面構造の１原子単位の測定と、基板に供給した
吸着原子に運動エネルギを与えることにより吸着原子の
基板表面での拡散速度を大きくしながら行うエピタキシ
ャル成長とを交互に行う。
タキシャル成長方法は、分子線もしくは表面原子衝撃用
イオンビームと表面構造評価用イオンビームとを交互に
基板表面に照射することにより、基板表面の原子の種類
および表面構造の１原子単位の測定と、基板に供給した
吸着原子に運動エネルギを与えることにより吸着原子の
基板表面での拡散速度を大きくしながら行うエピタキシ
ャル成長とを交互に行う。
請求項１１）記載の発明の構成によれば、結晶成長中に
成長と同時にあるいは交互に、表面原子衝撃用イオンビ
ームを基板表面に照射して基板表面の吸着原子に運動エ
ネルギを与えることにより、吸着原子の基板表面での拡
散を促進させながら、エピタキシャル成長を行うので、
１原子層サイズの平坦性を制御したエピタキシャル成長
が可能となる。
成長と同時にあるいは交互に、表面原子衝撃用イオンビ
ームを基板表面に照射して基板表面の吸着原子に運動エ
ネルギを与えることにより、吸着原子の基板表面での拡
散を促進させながら、エピタキシャル成長を行うので、
１原子層サイズの平坦性を制御したエピタキシャル成長
が可能となる。
また、請求項値）または請求項（３）記載の発明のイオ
ン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法によれば、
表面原子衝撃用イオンビームと表面構造評価用イオンビ
ームとを同時もしくは交互に照射しながら、成長と評価
を同時または交互に行うことが可能で、制御性を向上さ
せることが可能である。イオン衝撃による表面構造評価
では、散乱されてくるイオンのエネルギ分析を行い、衝
突した原子の種類および表面構造を評価することが可能
である。また、入射イオンの入射角度を任意に選択する
ことにより、表面原子の表面拡散に方向性を持たせるこ
とが可能である。さらに、散乱されるイオンの角度依存
性を測定することにより、詳細な表面の原子の構造をも
観測することが可能となる。
ン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法によれば、
表面原子衝撃用イオンビームと表面構造評価用イオンビ
ームとを同時もしくは交互に照射しながら、成長と評価
を同時または交互に行うことが可能で、制御性を向上さ
せることが可能である。イオン衝撃による表面構造評価
では、散乱されてくるイオンのエネルギ分析を行い、衝
突した原子の種類および表面構造を評価することが可能
である。また、入射イオンの入射角度を任意に選択する
ことにより、表面原子の表面拡散に方向性を持たせるこ
とが可能である。さらに、散乱されるイオンの角度依存
性を測定することにより、詳細な表面の原子の構造をも
観測することが可能となる。
この発明の一実施例を図面に従って説明する。
第１図にこの発明の実施例のイオン衝撃による分子線エ
ピタキシャル成長方法における基板表面での反応過程を
示す、第１図において、基板５の表面に分子線３により
供給された原子４が到達し、その所存する運動エネルギ
の範囲で基板５の表面を拡散していく、運動エネルギが
不足していると、原料となる原子４は基板５の表面の適
当な配置（サイト）に落ち着くことができず、不適当な
場所に停止し、結晶欠陥等を生じる。そこに、分子線３
の照射によるエピタキシャル成長と同時に（交互でもよ
い）、表面原子衝撃用イオンビーム１１を照射すると、
表面衝撃用イオンが基板５の表面に吸着した原子４と衝
突し、原子４が運動エネルギを得ることにより、原子４
の基板５の表面での拡散速度が太き（なって表面拡散が
促進される。
ピタキシャル成長方法における基板表面での反応過程を
示す、第１図において、基板５の表面に分子線３により
供給された原子４が到達し、その所存する運動エネルギ
の範囲で基板５の表面を拡散していく、運動エネルギが
不足していると、原料となる原子４は基板５の表面の適
当な配置（サイト）に落ち着くことができず、不適当な
場所に停止し、結晶欠陥等を生じる。そこに、分子線３
の照射によるエピタキシャル成長と同時に（交互でもよ
い）、表面原子衝撃用イオンビーム１１を照射すると、
表面衝撃用イオンが基板５の表面に吸着した原子４と衝
突し、原子４が運動エネルギを得ることにより、原子４
の基板５の表面での拡散速度が太き（なって表面拡散が
促進される。
この運動エネルギの吸放出の過程は、第２図に示した過
程により、散乱イオン（表面原子衝撃用イオン）と標的
原子（原子４）の運動エネルギを第（１１式および第（
２）式で示すことができる。質量Ｍ。
程により、散乱イオン（表面原子衝撃用イオン）と標的
原子（原子４）の運動エネルギを第（１１式および第（
２）式で示すことができる。質量Ｍ。
の入射イオン（表面原子衝撃用イオン）がＥ、のエネル
ギをもって質量Ｍ、の標的原子に衝突したとき、質量Ｍ
、の散乱イオンはＥｌの運動エネルギを、また質量Ｍ、
の標的原子はＥｌの運動エネルギを有するようになる。
ギをもって質量Ｍ、の標的原子に衝突したとき、質量Ｍ
、の散乱イオンはＥｌの運動エネルギを、また質量Ｍ、
の標的原子はＥｌの運動エネルギを有するようになる。
θ、φはそれぞれ入射イオンの方向を基準にした散乱イ
オンおよび標的原子の運動方向を示す角度である。
オンおよび標的原子の運動方向を示す角度である。
Ｍｌ ＋Ｍ＋
・・・・・・（１）
ただし、Ｍ□＞Ｍ。
Ｅよ ”Ｅｅ−Ｅ＋
（Ｍｌ ＋Ｍｔ ） ”
・・・・・・（２）
ただし、φ〈π／２
ここで、運動エネルギＥ３が過剰であると、原子４は基
板５の表面から離脱、蒸発してしまい、エピタキシャル
成長ができなくなる。また、表面原子衝撃用イオンビー
ム１１を照射すると、スパッタリングやノックオン等の
現象が起こり、その結果、表面に損傷を与えてしまうこ
ともある。これらの現象は、イオンの種類、質量、エネ
ルギ。
板５の表面から離脱、蒸発してしまい、エピタキシャル
成長ができなくなる。また、表面原子衝撃用イオンビー
ム１１を照射すると、スパッタリングやノックオン等の
現象が起こり、その結果、表面に損傷を与えてしまうこ
ともある。これらの現象は、イオンの種類、質量、エネ
ルギ。
あるいは基板の種類によって異なった程度生じる。
この実施例では、これらの損傷効果が許容できる範囲を
選択する。すなわち、表面原子衝撃用イオンの種類とし
ては、主として、比較的軽い水素イオンやヘリウムイオ
ンを用い、加速エネルギとしては、スパッタリングやノ
ックオンが無視できる程度で、かつ表面原子衝撃用イオ
ンの基板５内への侵入深さが数原子層程度と比較的浅い
、ＩＫｅＶ程度以下の加速エネルギを用いる。
選択する。すなわち、表面原子衝撃用イオンの種類とし
ては、主として、比較的軽い水素イオンやヘリウムイオ
ンを用い、加速エネルギとしては、スパッタリングやノ
ックオンが無視できる程度で、かつ表面原子衝撃用イオ
ンの基板５内への侵入深さが数原子層程度と比較的浅い
、ＩＫｅＶ程度以下の加速エネルギを用いる。
このような条件の表面原子衝撃用イオンビーム１１を用
いる場合、基板５の表面への入射角により、表面の原子
４に与える運動エネルギに−様な方向性を与えることが
可能である。第１図において、基板５の表面には図中左
側からｌ原子層サイズのステップ１２が形成されている
。このようなステップ１２は、基板５の面方位や表面状
態に依存したものであるが、エピタキシャル成長初期過
程においては、これらが核となって成長が始まる場合が
ある。したがって、ステップ１２の段差の壁に原子４が
集まり、配列して平坦な成長が行われるわけであるが、
十分な運動エネルギを所有していない原子４は、途中で
３次元的に島状の成長を始めてしまう、そこに、イオン
衝撃により表面拡散の運動エネルギを供給するわけであ
るが、図中左側のステップ１２の段差の壁に向けて原子
４が拡散させるのが最も効率的である。したがって、第
１図に示したように、入射イオン（表面原子衝撃用イオ
ン）の入射角は、図中右側からが望ましい。
いる場合、基板５の表面への入射角により、表面の原子
４に与える運動エネルギに−様な方向性を与えることが
可能である。第１図において、基板５の表面には図中左
側からｌ原子層サイズのステップ１２が形成されている
。このようなステップ１２は、基板５の面方位や表面状
態に依存したものであるが、エピタキシャル成長初期過
程においては、これらが核となって成長が始まる場合が
ある。したがって、ステップ１２の段差の壁に原子４が
集まり、配列して平坦な成長が行われるわけであるが、
十分な運動エネルギを所有していない原子４は、途中で
３次元的に島状の成長を始めてしまう、そこに、イオン
衝撃により表面拡散の運動エネルギを供給するわけであ
るが、図中左側のステップ１２の段差の壁に向けて原子
４が拡散させるのが最も効率的である。したがって、第
１図に示したように、入射イオン（表面原子衝撃用イオ
ン）の入射角は、図中右側からが望ましい。
このような構成によれば、この角度を自由に選択するこ
とが可能であり、より高効率で平坦性に優れたエピタキ
シャル成長が可能となる。また、基板５に任意の微細構
造を形成し、前述のような任意の方向からのイオン衝撃
による選択成長も可能となるものである。
とが可能であり、より高効率で平坦性に優れたエピタキ
シャル成長が可能となる。また、基板５に任意の微細構
造を形成し、前述のような任意の方向からのイオン衝撃
による選択成長も可能となるものである。
このようなイオン衝撃による成長において、特に化合物
半導体のエピタキシャル成長の原子層単位での制御では
、原子４の供給をパルス状の分子線３により行い、制御
性を上げることが可能である。
半導体のエピタキシャル成長の原子層単位での制御では
、原子４の供給をパルス状の分子線３により行い、制御
性を上げることが可能である。
第３図に供給分子線３２表面原子衝撃用衝撃用イオンビ
ーム１３および表面構造評価用イオンビ−ム１４の供給
時間タイミングを示し、ｔａｌは分子線パルス、（ｂｌ
は表面原子衝撃用イオンビームパルス、ｔａｌは表面構
造評価用イオンビームパルスである。
ーム１３および表面構造評価用イオンビ−ム１４の供給
時間タイミングを示し、ｔａｌは分子線パルス、（ｂｌ
は表面原子衝撃用イオンビームパルス、ｔａｌは表面構
造評価用イオンビームパルスである。
第４図に第３図に対応した基板表面の様子を示し、（ａ
ｌは分子ｗＡ３の照射時の状態を、伽）は表面原子衝撃
用イオンビーム１３の照射時の状態を、Ｔｅｌは表面構
造評価用イオンビーム１４の照射時の状態をそれぞれ示
している。この場合、第３図ｔａｌの分子線パルスと同
図（ｂｌの表面原子衝撃用イオンビームパルスと同図（
Ｃ１の表面構造評価用イオンビームとは時分割で発生し
、それらの強度は、分子線パルスが一番強く、つぎが表
面原子衝撃用イオンビームパルスで、一番弱いのが表面
構造評価用イオンビームパルスである。
ｌは分子ｗＡ３の照射時の状態を、伽）は表面原子衝撃
用イオンビーム１３の照射時の状態を、Ｔｅｌは表面構
造評価用イオンビーム１４の照射時の状態をそれぞれ示
している。この場合、第３図ｔａｌの分子線パルスと同
図（ｂｌの表面原子衝撃用イオンビームパルスと同図（
Ｃ１の表面構造評価用イオンビームとは時分割で発生し
、それらの強度は、分子線パルスが一番強く、つぎが表
面原子衝撃用イオンビームパルスで、一番弱いのが表面
構造評価用イオンビームパルスである。
第３図（ａｌの分子線パルスのタイミングで照射される
分子線３は基板５の表面に原料となる原子４を供給する
ものであり、第４図（ａ）に示すように、基板５の表面
では原子４が適切もしくは不適切な場所に配置している
。
分子線３は基板５の表面に原料となる原子４を供給する
ものであり、第４図（ａ）に示すように、基板５の表面
では原子４が適切もしくは不適切な場所に配置している
。
そこに、第３図〜）の表面原子衝撃用イオンビームパル
スのタイミングで表面原子衝撃用イオンビーム１３を照
射する。イオンビーム１３は供給分子線３等と交差する
ことはないので、第４図伽）に示すように、表面に吸着
した原子４のみに運動エネルギを与える。イオン衝撃に
よりエネルギを得た表面の原子４は、基板５の表面での
拡散速度が大きくなって基板５の表面での拡散が促進さ
れ、適切な配置に再配列される。
スのタイミングで表面原子衝撃用イオンビーム１３を照
射する。イオンビーム１３は供給分子線３等と交差する
ことはないので、第４図伽）に示すように、表面に吸着
した原子４のみに運動エネルギを与える。イオン衝撃に
よりエネルギを得た表面の原子４は、基板５の表面での
拡散速度が大きくなって基板５の表面での拡散が促進さ
れ、適切な配置に再配列される。
さらに、第３図（Ｃ１および第４図ｔｅｌに示すように
、表面構造評価用イオンビーム１４を照射して、散乱イ
オン１５のエネルギ分析を行うことで表面構造の分析、
評価を行い、不十分であれば、供給分子線３もしくは表
面原子衝撃用衝撃用イオンビーム１３にフィードバック
し、良好な状態になるように、原子４を補給したり、表
面の原子４の拡散をさらに促進させる。
、表面構造評価用イオンビーム１４を照射して、散乱イ
オン１５のエネルギ分析を行うことで表面構造の分析、
評価を行い、不十分であれば、供給分子線３もしくは表
面原子衝撃用衝撃用イオンビーム１３にフィードバック
し、良好な状態になるように、原子４を補給したり、表
面の原子４の拡散をさらに促進させる。
このような工程の繰り返しにより、原子層単位での平坦
性の制御を行ったエピタキシャル成長が実現できるもの
である。
性の制御を行ったエピタキシャル成長が実現できるもの
である。
以下に、エピタキシャル成長の具体的実施例を示す。
Ｉ ｎ Ｐ （１００）基板にＭＢＥ装置でＡｓ分子線
を照射しながら４００℃にてＩ ｎ Ｐ （１００）基
板の表面洗浄を行う。
を照射しながら４００℃にてＩ ｎ Ｐ （１００）基
板の表面洗浄を行う。
つぎに、ＩｎおよびＡｓの分子線（各にセルの温度はそ
れぞれ９００℃、３００℃）とＡ１ （Ｋセルの温度は
１０００℃）およびＡｓの分子線とを５秒間隔で３秒ず
つ交互に照射する。この５秒間は、表面に供給されたＩ
ｎＡｓとＡｌＡｓを表面に均一に拡散させるために、Ｉ
ＫｅＶの入射エネルギーのＨｅイオンを照射するｅｌｎ
ＡｓとＡｌＡｓの各層はほぼ１分子層ずつ均一性よく成
長し、ＩｎＰ基板上へＩ ｎ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ Ａ
ｓの超格子を均一性よく作成できる。
れぞれ９００℃、３００℃）とＡ１ （Ｋセルの温度は
１０００℃）およびＡｓの分子線とを５秒間隔で３秒ず
つ交互に照射する。この５秒間は、表面に供給されたＩ
ｎＡｓとＡｌＡｓを表面に均一に拡散させるために、Ｉ
ＫｅＶの入射エネルギーのＨｅイオンを照射するｅｌｎ
ＡｓとＡｌＡｓの各層はほぼ１分子層ずつ均一性よく成
長し、ＩｎＰ基板上へＩ ｎ Ａ ｓ ／ Ａ Ｉ Ａ
ｓの超格子を均一性よく作成できる。
第５図にＭＢＥＩＩｉ置１６Ａ装表面原子衝撃用および
表面構造評価用用イオン供給源を組み込んだ装置の全体
図を示す、イオン供給源は、低エネルギイオン散乱（Ｌ
ｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ
；以降、ＬＥＩＳと略する）装置１６Ｂを構成している
ものである。
表面構造評価用用イオン供給源を組み込んだ装置の全体
図を示す、イオン供給源は、低エネルギイオン散乱（Ｌ
ｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ
；以降、ＬＥＩＳと略する）装置１６Ｂを構成している
ものである。
ＭＢＥ装置１６Ａは、超高真空槽ｌ中ににセル２、基板
５を有し、結晶成長に必要な構成元素を分子線３として
基板５０表面に供給するものである。成長のための条件
としては、成長するものにより異なり、特ににセル２の
温度は、元素の種類による蒸気圧と所望の結晶に必要な
供給量を考慮し、さらに基板温度等も踏まえた上で決定
する必要がある。
５を有し、結晶成長に必要な構成元素を分子線３として
基板５０表面に供給するものである。成長のための条件
としては、成長するものにより異なり、特ににセル２の
温度は、元素の種類による蒸気圧と所望の結晶に必要な
供給量を考慮し、さらに基板温度等も踏まえた上で決定
する必要がある。
イオン供給源は、表面構造評価用ＬＥＩＳと表面原子衝
撃用が兼用となっているものの例である。
撃用が兼用となっているものの例である。
表面構造評価用イオン（表面原子衝撃用を兼ねる）とし
てヘリウム（Ｈｅ）イオンを用いる場合、ヘリウムイオ
ン源１７でヘリウム原子がイオン化されイオンビーム１
８として出射される。その後、イオンの進行方向を調整
する２組の偏向板１９、集光のための静電レンズ２０を
通過する。偏向板１９および静電レンズ２０には、各々
直流電圧が印加されており、加速エネルギ等によって電
圧を調整し、イオンビーム１８の最適化を行う、イオン
ビーム１８はさらに、パルス電圧が印加される偏向板１
９により、スリット２１上を走査され、スリット２１を
通過したときだけのパルス状イオンビーム２２となる。
てヘリウム（Ｈｅ）イオンを用いる場合、ヘリウムイオ
ン源１７でヘリウム原子がイオン化されイオンビーム１
８として出射される。その後、イオンの進行方向を調整
する２組の偏向板１９、集光のための静電レンズ２０を
通過する。偏向板１９および静電レンズ２０には、各々
直流電圧が印加されており、加速エネルギ等によって電
圧を調整し、イオンビーム１８の最適化を行う、イオン
ビーム１８はさらに、パルス電圧が印加される偏向板１
９により、スリット２１上を走査され、スリット２１を
通過したときだけのパルス状イオンビーム２２となる。
パルス状イオンビーム２２は、真ん中に穴の開いた検出
器２３の穴を通過して基板５の表面に衝突する。衝突し
たイオンは、表面の原子の種類、主に原子の買置に依存
した速度で散乱イオンとなって散乱される。そのなかで
、入射方向に対して１８０度、ｆなわち後方に散乱する
イオンだけが、検出器２３に到達する。イオンビーム２
２はパルス状であるので、一定の飛程２４を走行したイ
オンは、速度が異なると、パルスビームがスリット２１
を通過して、つぎのパルス状イオンビーム２２がくるま
でに、検出器２３に到達し、検出されるイオンの走行時
間を測定すれば、散乱されて（るイオンのエネルギ分析
が可能となる。
器２３の穴を通過して基板５の表面に衝突する。衝突し
たイオンは、表面の原子の種類、主に原子の買置に依存
した速度で散乱イオンとなって散乱される。そのなかで
、入射方向に対して１８０度、ｆなわち後方に散乱する
イオンだけが、検出器２３に到達する。イオンビーム２
２はパルス状であるので、一定の飛程２４を走行したイ
オンは、速度が異なると、パルスビームがスリット２１
を通過して、つぎのパルス状イオンビーム２２がくるま
でに、検出器２３に到達し、検出されるイオンの走行時
間を測定すれば、散乱されて（るイオンのエネルギ分析
が可能となる。
４１はコンピュータ、４２はトリガ、４３はタイム・デ
ジタルコンバータ、４４はゲート・遅延信号発生器、４
５はパルス発生器、４６は高電圧電源、４７は静電レン
ズ・偏向板用電源である。
ジタルコンバータ、４４はゲート・遅延信号発生器、４
５はパルス発生器、４６は高電圧電源、４７は静電レン
ズ・偏向板用電源である。
第６図に前記手法を用い、２ＫｅＶの加速電圧で測定し
たＩｎＰ基板表面のＬＥＩＳＯスペクトルの測定例を示
す、横軸が走行時間で散乱されてくるイオンの運動エネ
ルギに、縦軸が散乱されてくるイオンの数に相当する。
たＩｎＰ基板表面のＬＥＩＳＯスペクトルの測定例を示
す、横軸が走行時間で散乱されてくるイオンの運動エネ
ルギに、縦軸が散乱されてくるイオンの数に相当する。
ここで観測される２つのピーク２５．２６は、表面近傍
のインジウム（Ｉｎ）原子と、燐（Ｐ）原子に衝突して
散乱されてくるイオンを示している。このような測定を
、実際にＭＢＥ成長をさせながら行うことにより、Ｉｎ
Ｐの場合を例とするならば、基板の成長表面の構成原子
の種類を散乱イオンの時間差で、量を強度で、同時に観
測することができる。また、基板の角度を変化させて、
入射角度分布を測定することにより、表面構造を観測す
ることが可能となる。これは、第７図のように、表面近
傍を形成している第１原子層２７．第２原子層２８もし
くはそれ以降の原子層において、入射イオン２９に対す
る衝突断面積３０のため、表面の第１原子層２７の影に
よるシャドーコーン３）が第２原子層２８以降に広がり
、入射角度によっては、第２原子層２８以降は、第２図
のようなＬＥＩＳスペクトルにピークとして観測されず
、第１原子層２７のピークのみの場合がある。このよう
にして、基板５の角度を変化させ、ＬＥＩＳスペクトル
の入射角度依存性を測定することにより、表面もしくは
表面から致原子層までの構成原子の構造を観測すること
が可能である。また、前述の散乱イオンのピーク強度と
合わせて、表面の構成原子４の被覆率をも知ることが可
能である。
のインジウム（Ｉｎ）原子と、燐（Ｐ）原子に衝突して
散乱されてくるイオンを示している。このような測定を
、実際にＭＢＥ成長をさせながら行うことにより、Ｉｎ
Ｐの場合を例とするならば、基板の成長表面の構成原子
の種類を散乱イオンの時間差で、量を強度で、同時に観
測することができる。また、基板の角度を変化させて、
入射角度分布を測定することにより、表面構造を観測す
ることが可能となる。これは、第７図のように、表面近
傍を形成している第１原子層２７．第２原子層２８もし
くはそれ以降の原子層において、入射イオン２９に対す
る衝突断面積３０のため、表面の第１原子層２７の影に
よるシャドーコーン３）が第２原子層２８以降に広がり
、入射角度によっては、第２原子層２８以降は、第２図
のようなＬＥＩＳスペクトルにピークとして観測されず
、第１原子層２７のピークのみの場合がある。このよう
にして、基板５の角度を変化させ、ＬＥＩＳスペクトル
の入射角度依存性を測定することにより、表面もしくは
表面から致原子層までの構成原子の構造を観測すること
が可能である。また、前述の散乱イオンのピーク強度と
合わせて、表面の構成原子４の被覆率をも知ることが可
能である。
イオン衝撃用としても上記のパルス状のイオンビームを
使用する場合は、表面構造評価用イオンビームもしくは
前述の成長用パルス分子線と同期をとるが、イオン衝撃
用としてのみ用いるときは、偏向板に電圧を印加せずに
用いる。入射角については、基板５を回転させるか、も
しくはイオンビームラインを回転させて、入射角を偏向
する。
使用する場合は、表面構造評価用イオンビームもしくは
前述の成長用パルス分子線と同期をとるが、イオン衝撃
用としてのみ用いるときは、偏向板に電圧を印加せずに
用いる。入射角については、基板５を回転させるか、も
しくはイオンビームラインを回転させて、入射角を偏向
する。
このような装置を用いることにより、イオン衝撃による
エピタキシャル成長は、基板５の表面の原子４の表面拡
散を促進し、原子層サイズの平坦性を有する成長制御を
実現することができる。この結果、従来例のように熱や
光によって表面の平坦化を実現するのではないので、基
板の損傷、不純物による汚染、装置の劣化、不純物原子
の取り込み、欠陥の発生等の問題を生じることな（、吸
着原子に与える運動エネルギに方向性をもたせて、１原
子層の大きさの平坦性を有するエピタキシャル成長を実
現することができる。
エピタキシャル成長は、基板５の表面の原子４の表面拡
散を促進し、原子層サイズの平坦性を有する成長制御を
実現することができる。この結果、従来例のように熱や
光によって表面の平坦化を実現するのではないので、基
板の損傷、不純物による汚染、装置の劣化、不純物原子
の取り込み、欠陥の発生等の問題を生じることな（、吸
着原子に与える運動エネルギに方向性をもたせて、１原
子層の大きさの平坦性を有するエピタキシャル成長を実
現することができる。
請求項（１）記載の発明のイオン衝撃による分子線エピ
タキシャル成長方法によれば、結晶成長中に表面原子衝
撃用イオンビームを成長表面に照射し、基板表面の吸着
原子に運動エネルギを与え、表面での拡散を促進させな
がら、１原子層サイズの平坦性を制御したエピタキシャ
ル成長を可能とすることができ、熱や光によって表面の
平坦化を実現するのではないので、基板の損傷、不純物
による汚染、装置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥
の発生等の問題を生じることなく、吸着原子に与える運
動エネルギに方向性をもたせて、１原子層の大きさの平
坦性を有するエピタキシャル成長を実現することができ
る。
タキシャル成長方法によれば、結晶成長中に表面原子衝
撃用イオンビームを成長表面に照射し、基板表面の吸着
原子に運動エネルギを与え、表面での拡散を促進させな
がら、１原子層サイズの平坦性を制御したエピタキシャ
ル成長を可能とすることができ、熱や光によって表面の
平坦化を実現するのではないので、基板の損傷、不純物
による汚染、装置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥
の発生等の問題を生じることなく、吸着原子に与える運
動エネルギに方向性をもたせて、１原子層の大きさの平
坦性を有するエピタキシャル成長を実現することができ
る。
請求項（２）または請求項（３）記載の発明のイオン衝
撃による分子線エピタキシャル成長方法によれば、表面
原子衝撃用イオンビームと表面構造評価用イオンビーム
とを同時もしくは交互に照射することにより、成長と評
価を同時または交互に行うことが可能となり、制御性を
向上させることが可能である。イオン衝撃による表面構
造評価では、散乱されてくるイオンのエネルギ分析を行
い、衝突した原子の種類および表面構造を評価すること
が可能である。また、入射イオンの入射角度を任意に選
択することにより、表面原子の表面拡散に方向性を持た
せることが可能である。さらに、散乱されるイオンの角
度依存性を測定することにより、詳細な表面の原子の構
造をも観測することが可能となる。
撃による分子線エピタキシャル成長方法によれば、表面
原子衝撃用イオンビームと表面構造評価用イオンビーム
とを同時もしくは交互に照射することにより、成長と評
価を同時または交互に行うことが可能となり、制御性を
向上させることが可能である。イオン衝撃による表面構
造評価では、散乱されてくるイオンのエネルギ分析を行
い、衝突した原子の種類および表面構造を評価すること
が可能である。また、入射イオンの入射角度を任意に選
択することにより、表面原子の表面拡散に方向性を持た
せることが可能である。さらに、散乱されるイオンの角
度依存性を測定することにより、詳細な表面の原子の構
造をも観測することが可能となる。
第１図、第２図、第３図および第４図はこの発明の一実
施例の分子線エピタキシャル成長方法の原理を示す図、
第５図はこの発明の実施例において用いる装置の概要図
、第６図は評価結果を示す図、第７図は評価の原理を示
す図、第８図および第９図は従来例を示す図である。 ３・・・分子線、４・・・原子、５・・・基板、１１・
・・表面原子衝撃用イオンビーム、１３・・・表面原子
衝撃用イオンビーム、１４・・・表面構造評価用イオン
ビーム、１５・・・散乱イオン ｌＳ 図 第２図 ３分徊陳 第３図 吟 嘲 第 ４ 図 ト 第 ８ 図
施例の分子線エピタキシャル成長方法の原理を示す図、
第５図はこの発明の実施例において用いる装置の概要図
、第６図は評価結果を示す図、第７図は評価の原理を示
す図、第８図および第９図は従来例を示す図である。 ３・・・分子線、４・・・原子、５・・・基板、１１・
・・表面原子衝撃用イオンビーム、１３・・・表面原子
衝撃用イオンビーム、１４・・・表面構造評価用イオン
ビーム、１５・・・散乱イオン ｌＳ 図 第２図 ３分徊陳 第３図 吟 嘲 第 ４ 図 ト 第 ８ 図
Claims (3)
- （１）超高真空中の分子線エピタキシャル成長において
、 結晶成長中の基板表面に表面原子衝撃用イオンビームを
照射し、分子線により前記基板表面に供給した吸着原子
に運動エネルギを与えることにより、前記吸着原子の前
記基板表面での拡散速度を大きくしてエピタキシャル成
長を行うことを特徴とするイオン衝撃による分子線エピ
タキシャル成長方法。 - （２）超高真空中の分子線エピタキシャル成長において
、 結晶成長中の基板表面の原子の種類および表面構造を１
原子層単位で評価するための表面構造評価用イオンビー
ムを前記基板表面に照射する工程と、 前記表面構造評価用イオンビームと同種もしくは異種の
イオンからなる表面原子衝撃用イオンビームを前記基板
表面に同時に照射し、分子線により前記基板表面に供給
した吸着原子に運動エネルギを与えることにより、前記
吸着原子の前記基板表面での拡散速度を大きくしてエピ
タキシャル成長を行う工程とを含むことを特徴とするイ
オン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - （３）請求項（２）記載のイオン衝撃による分子線エピ
タキシャル成長方法において、 エピタキシャル成長を行うための分子線の供給を任意の
時間周期でパルス状に行う第１の工程と、基板表面に供
給した吸着原子に運動エネルギを前記パルス状の分子線
と同期してパルス状に与えることにより、前記吸着原子
の前記基板表面での拡散速度を大きくするための表面原
子衝撃用イオンビームを照射する第２の工程と、前記パ
ルス状の表面原子衝撃用イオンビームもしくは分子線の
つぎの供給までの間の時間に、結晶成長中の前記基板表
面の原子の種類および表面構造を１原子層単位で評価す
るための表面構造評価用イオンビームを照射する第３の
工程との各工程、もしくは前記第１および第２の各工程
を周期状に繰り返しながら、エピタキシャル成長を行う
ことを特徴とするイオン衝撃による分子線エピタキシャ
ル成長方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004851A JPH0633231B2 (ja) | 1990-01-12 | 1990-01-12 | 分子線エピタキシャル成長方法 |
| US07/639,788 US5120393A (en) | 1990-01-12 | 1991-01-10 | Method for molecular-beam epitaxial growth |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004851A JPH0633231B2 (ja) | 1990-01-12 | 1990-01-12 | 分子線エピタキシャル成長方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03208887A true JPH03208887A (ja) | 1991-09-12 |
| JPH0633231B2 JPH0633231B2 (ja) | 1994-05-02 |
Family
ID=11595181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004851A Expired - Fee Related JPH0633231B2 (ja) | 1990-01-12 | 1990-01-12 | 分子線エピタキシャル成長方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5120393A (ja) |
| JP (1) | JPH0633231B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07273032A (ja) * | 1994-03-29 | 1995-10-20 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | 半導体結晶成長方法 |
| US7235131B2 (en) * | 1999-03-01 | 2007-06-26 | The University Of Tokyo | Method for forming a single crystalline film |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2679929B1 (fr) * | 1991-08-01 | 1993-10-22 | Alcatel Alsthom Cie Gle Electric | Procede et cellule d'effusion pour la formation de jets moleculaires. |
| US5346581A (en) * | 1993-04-01 | 1994-09-13 | At&T Bell Laboratories | Method of making a compound semiconductor device |
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