JPH0469809B2 - - Google Patents

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JPH0469809B2
JPH0469809B2 JP61087185A JP8718586A JPH0469809B2 JP H0469809 B2 JPH0469809 B2 JP H0469809B2 JP 61087185 A JP61087185 A JP 61087185A JP 8718586 A JP8718586 A JP 8718586A JP H0469809 B2 JPH0469809 B2 JP H0469809B2
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JP
Japan
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cluster
compound semiconductor
crucibles
ionization
thin film
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JP61087185A
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Japanese (ja)
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JPS62244122A (en
Inventor
Hiromoto Ito
Yasuki Kuze
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はクラスタイオンビーム蒸着法(ICB
法)により、良質の化合物半導体を形成する化合
物半導体薄膜の製造装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is directed to cluster ion beam evaporation (ICB).
The present invention relates to a compound semiconductor thin film manufacturing device that forms a high-quality compound semiconductor using a method (method).

[従来の技術] 近年、シリコン又はゲルマニウム等の単体元素
からなる単元素半導体に対して2種以上の元素、
例えばガリウムヒ素GaAs、インジウム燐InP等
の−族の元素からなる化合物半導体がバンド
ギヤツプの制御が容易で、かつキヤリアの移動度
が大きい点を利用して、半導体デバイス−への応
用が注目されるようになつてきている。例えば上
述のような金属間化合物半導体は発光ダイオー
ド、半導体レーザ等で実用化されており、さらに
スーパーコンピユータに利用されようとしてい
る。
[Prior Art] In recent years, two or more elements,
For example, compound semiconductors made of - group elements such as gallium arsenide GaAs and indium phosphide InP are attracting attention for their application to semiconductor devices, taking advantage of the fact that band gaps can be easily controlled and carrier mobility is high. I'm getting used to it. For example, the above-mentioned intermetallic compound semiconductors have been put to practical use in light emitting diodes, semiconductor lasers, etc., and are about to be used in supercomputers.

第3図は特公昭56−41165号公報に記載された
従来の化合物半導体薄膜の製造装置の概略構成図
である。第3図において、1は目的とする化合物
半導体薄膜を成膜しようとする基板、2は導電材
により形成されており、基板1を保持する基板ホ
ルダ、3及び4は内部に目的とする化合物の成分
元素を含む被蒸発物質A及びB、例えばガリウム
Ga及びヒ素Asがそれぞれ充填される密閉型のル
ツボ、5及び6はルツボ3及び4に設けられた小
径の噴射ノズル、35及び36はルツボ3及び4
の外壁内部にそれぞれ配設されており、いわゆる
抵抗加熱法によりルツボ3及び4を加熱する発熱
体、37及び38はルツボ3及び4の外壁面にそ
れぞれ設けられたルツボ温度を測定する熱電対、
11及び12はルツボ3及び4の噴射ノズル5及
び6近傍にそれぞれ設けられたイオン化室であ
る。イオン化室11及び12はそれぞれ熱電子放
出用のイオン化フイラメント13及び14、熱電
子放出用のフイラメント13及び14から放出さ
れた熱電子を加速するグリツド15及び16並び
にシールド板17及び18から構成されている。
FIG. 3 is a schematic diagram of a conventional compound semiconductor thin film manufacturing apparatus described in Japanese Patent Publication No. 56-41165. In FIG. 3, 1 is a substrate on which the target compound semiconductor thin film is to be formed, 2 is a substrate holder made of a conductive material and holds the substrate 1, and 3 and 4 are the substrates on which the target compound semiconductor thin film is to be deposited. Evaporated substances A and B containing component elements, such as gallium
Closed crucibles filled with Ga and arsenic As, 5 and 6 are small diameter injection nozzles provided in crucibles 3 and 4, and 35 and 36 are crucibles 3 and 4.
Thermocouples 37 and 38 are provided on the outer walls of the crucibles 3 and 4 to measure the crucible temperature, respectively.
Ionization chambers 11 and 12 are provided near the injection nozzles 5 and 6 of the crucibles 3 and 4, respectively. The ionization chambers 11 and 12 are each composed of ionization filaments 13 and 14 for thermionic emission, grids 15 and 16 for accelerating thermionic electrons emitted from the thermionic filaments 13 and 14, and shield plates 17 and 18. There is.

又、39及び40はイオン化室11及び12に
対して基板ホルダ2を負の高電位に保ち、正イオ
ン化された粒子に対して基板1方向の運動エネル
ギを付与するイオン加速電源、41及び42はイ
オン化室11及び12のイオン化フイラメント1
3及び14を加熱して熱電子を放出させる加熱電
源、43及び44はイオン化フイラメント13及
び14に対して、グリツド15及び16を正の電
位にし、イオン化フイラメント13及び14から
放出された熱電子を加速してイオン化室11及び
12内の粒子(クラスタ)に衝突させこれをイオ
ン化するためのイオン化電源、45及び46はル
ツボ3及び4の発熱体35及び36を加熱するル
ツボ加熱用電源である。なお、加熱電源41及び
42並びにルツボ加熱用電源45及び46はその
出力電圧を外部より任意に可変できるように構成
されている。
Further, 39 and 40 are ion accelerating power supplies that maintain the substrate holder 2 at a negative high potential with respect to the ionization chambers 11 and 12 and provide kinetic energy in the direction of the substrate 1 to positively ionized particles; Ionization filament 1 in ionization chambers 11 and 12
Heating power supplies 43 and 44 heat the grids 15 and 16 to a positive potential with respect to the ionization filaments 13 and 14, and heat the grids 15 and 16 to emit the thermoelectrons emitted from the ionization filaments 13 and 14. Ionization power supplies 45 and 46 are used to accelerate and collide particles (clusters) in the ionization chambers 11 and 12 to ionize them, and 45 and 46 are crucible heating power supplies that heat the heating elements 35 and 36 of the crucibles 3 and 4. Note that the heating power supplies 41 and 42 and the crucible heating power supplies 45 and 46 are configured such that their output voltages can be arbitrarily varied from the outside.

次に、47及び48はルツボ3及び4に装着さ
れた熱電対37及び38の出力によりルツボ3及
び4の温度をそれぞれ制御する温度制御部であ
る。温度制御部47及び48によりルツボ3及び
4内の蒸気圧がそれぞれ設定値に維持されるよう
になつている。
Next, 47 and 48 are temperature control units that control the temperatures of the crucibles 3 and 4 by the outputs of thermocouples 37 and 38 attached to the crucibles 3 and 4, respectively. The vapor pressures in the crucibles 3 and 4 are maintained at set values by the temperature control units 47 and 48, respectively.

なお、各電源39〜46並びに温度制御部47
及び48を除く他の部分は、図示しない真空槽内
に配設されており、真空槽内の気体が排気系によ
り排除されると10-4Torr以下の高真空雰囲気内
に置かれることになる。
In addition, each power source 39 to 46 and temperature control section 47
The other parts except 48 are arranged in a vacuum chamber (not shown), and when the gas in the vacuum chamber is removed by the exhaust system, they are placed in a high vacuum atmosphere of 10 -4 Torr or less. .

次に、動作について説明する。まず、ルツボ3
及び4内に形成しようとする化合物の成分元素を
含む被蒸着物質A及びBをそれぞれ充填する。な
お、充填する被蒸着物質A及びBとしては、−
族化合物半導体を形成する場合、ルツボ3に
Ga又はIn等を、ルツボ4にAs又はP等をそれぞ
れ充填する。又、成分元素の単体をルツボ3及び
4内に充填するようにしてもよいし、成分元素を
含む化合物をルツボ3及び4内に充填するように
してもよい。ただし、成分元素を含む化合物の場
合は、成分元素以の元素の気体が他に悪影響を及
ぼさないような化合物を選ぶ必要がある。
Next, the operation will be explained. First, crucible 3
and 4 are respectively filled with vapor deposition substances A and B containing component elements of the compound to be formed. Note that the vapor deposition substances A and B to be filled are -
When forming a group compound semiconductor, in crucible 3
The crucible 4 is filled with Ga, In, etc., and As, P, etc., respectively. Furthermore, the crucibles 3 and 4 may be filled with single component elements, or the crucibles 3 and 4 may be filled with compounds containing the component elements. However, in the case of a compound containing component elements, it is necessary to select a compound in which the gases of the elements other than the component elements do not have an adverse effect on others.

次いで、ルツボ3及び4の発熱体35及び36
をルツボ加熱用電源45及び46によりそれぞれ
通電し、ルツボ3及び4を加熱して被蒸発物質A
及びBの蒸気Am及びBmを生成する。この場合、
ルツボ3及び4内における蒸気Am及びBmの圧
力がそれぞれルツボ3及び4外の圧力の少なくと
も100倍以上になるように、温度制御部47及び
48によりルツボ加熱用電源45及び46の出力
電圧をそれぞれ制御し、ルツボ3及び4の温度を
それぞれ調整する。
Next, heating elements 35 and 36 of crucibles 3 and 4
are energized by the crucible heating power supplies 45 and 46, respectively, to heat the crucibles 3 and 4 and evaporate the substance A.
and B vapors Am and Bm are produced. in this case,
Temperature controllers 47 and 48 control the output voltages of crucible heating power supplies 45 and 46, respectively, so that the pressures of steam Am and Bm inside crucibles 3 and 4 are at least 100 times the pressure outside crucibles 3 and 4, respectively. control and adjust the temperatures of crucibles 3 and 4, respectively.

このようにして、ルツボ3及び4内の蒸気Am
及びBmは、それぞれの噴射ノズル5及び6より
少なくとも1/100以下の圧力領域に噴出される
際の断熱膨張に基づく過冷却現象により、通常
100〜2000個程度の原子がフアンデルワールス力
により緩く結合した塊状の原子集団、いわゆるク
ラスタAc及びBcをそれぞれ形成する。
In this way, the steam Am in crucibles 3 and 4
and Bm are generally
Approximately 100 to 2000 atoms form clusters of atoms loosely bonded by Van der Waals forces, so-called clusters Ac and Bc, respectively.

次いで、クラスタAc及びBcが噴出時の運動エ
ネルギーをもつて、それぞれイオン化室11及び
12にクラスタビームとなつて入り、イオン化フ
イラメント13及び14から放出される電子ビー
ムとの相互作用により、そのうちの少なくとも1
個の原子が正の電荷を持つイオンにイオン化さ
れ、クラスタイオンAi及びBiになる。
Next, the clusters Ac and Bc enter the ionization chambers 11 and 12 as cluster beams with the kinetic energy at the time of ejection, and by interaction with the electron beams emitted from the ionization filaments 13 and 14, at least one of them is 1
atoms are ionized into positively charged ions, forming cluster ions Ai and Bi.

そして、クラスタイオンAi及びBiはイオン加
速電源39及び40によつて基板1方向へ加速さ
れて運動エネルギをそれぞれ付与されてクラスタ
イオンビームとなり、基板1に射突する。又、イ
オン化室11及び12でイオン化されずに噴出時
の運動エネルギをもつて基板1方向に進む中性の
クラスタAc及びBcのクラスタビームも基板1に
射突し、上述のクラスタイオンビームと共に基板
1上に堆積(蒸着)し、化合物半導体の薄膜33
を形成する。
Then, the cluster ions Ai and Bi are accelerated in the direction of the substrate 1 by the ion accelerating power supplies 39 and 40 and given kinetic energy, respectively, to become a cluster ion beam and impinge on the substrate 1. In addition, the cluster beams of neutral clusters Ac and Bc that are not ionized in the ionization chambers 11 and 12 and move toward the substrate 1 with the kinetic energy of ejection also impinge on the substrate 1, and together with the above-mentioned cluster ion beams, the cluster beams of neutral clusters Ac and Bc travel toward the substrate 1. A thin film 33 of compound semiconductor is deposited (evaporated) on 1.
form.

このように、ルツボから出射されるクラスタビ
ーム、そのクラスタビームをイオン化したクラス
タビームの両ビームは同一ビームに含まれるの
で、以下ルツボ及びイオン化室を合わせて、ビー
ム源と称することにする。
In this way, since both the cluster beam emitted from the crucible and the cluster beam obtained by ionizing the cluster beam are included in the same beam, the crucible and the ionization chamber will hereinafter be collectively referred to as a beam source.

ところで、上述のようなクラスタイオンビーム
蒸着法(ICB法)により蒸着膜を形成する場合、
イオン加速電圧を変えることにより蒸着膜がアモ
ルフアス、多結晶又は単結晶に変わる。又、化合
物半導体薄膜を構成する各物質元素が単結晶とな
るための最適イオン加速電圧は元素毎に異なるの
で、それぞれのビーム源におけるクラスタイオン
Ai及びBiのイオン加速電圧はルツボ3及び4並
びにイオン化室11及び12毎に変える必要があ
る。
By the way, when forming a deposited film by the cluster ion beam evaporation method (ICB method) as described above,
By changing the ion acceleration voltage, the deposited film can be changed to amorphous, polycrystalline, or single crystal. In addition, since the optimum ion acceleration voltage for each material element constituting a compound semiconductor thin film to become a single crystal differs for each element, cluster ion acceleration at each beam source is
The ion acceleration voltages of Ai and Bi need to be changed for each crucible 3 and 4 and each ionization chamber 11 and 12.

[発明が解決しようとする課題] 上記のような従来の化合物半導体薄膜の製造装
置では、それぞれの元素が単結晶となる最適イオ
ン加速電圧を印加しても、イオン化室と基板間に
生ずる電位分布の影響により、期待する成果が得
られないという問題がある。
[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional compound semiconductor thin film manufacturing apparatus as described above, even if the optimum ion acceleration voltage is applied to form a single crystal of each element, the potential distribution that occurs between the ionization chamber and the substrate is There is a problem that the expected results cannot be obtained due to the influence of

すなわち、第4図は従来の化合物半導体薄膜の
製造装置の電位分布を示す図である。なお、第4
図において第3図と同様の機能を果たす部分につ
いては同一の符号を付し、その説明は省略する。
第4図に点線で示した等電位線は基板1に対して
対称でない。このため、それぞれの元素が単結晶
となる最適イオン加速電圧を印加しても、より高
電位に保たれているイオン化室11又は12で形
成されたクラスタイオンが、実線矢印のように低
電位のイオン化室12又は11の方に引き寄せら
れたり、さらにイオン化室12又は11に侵入し
たりして互いに干渉して、最適な運動エネルギを
与えられないという問題があつた。そして、特に
シールド板17,18の近傍の上述の等電位線
は、電位分布の非対称性や局所的歪みによつて、
クラスタイオンビームの設定軸方向に対して対称
性が失われるから、出射されて基板1に到達する
までのイオン軌道も第4図の実線矢印のように軸
方向から大きくずれたり、歪んだりして、均質な
クラスタイオンビームが得られないという問題が
あつた。
That is, FIG. 4 is a diagram showing the potential distribution of the conventional compound semiconductor thin film manufacturing apparatus. In addition, the fourth
In the figure, parts that perform the same functions as those in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and their explanation will be omitted.
The equipotential lines indicated by dotted lines in FIG. 4 are not symmetrical with respect to the substrate 1. Therefore, even if the optimum ion accelerating voltage at which each element becomes a single crystal is applied, the cluster ions formed in the ionization chambers 11 or 12, which are kept at a higher potential, will remain at a lower potential as shown by the solid arrow. There was a problem in that the particles were drawn toward the ionization chamber 12 or 11 or even invaded the ionization chamber 12 or 11 and interfered with each other, making it impossible to provide optimal kinetic energy. In particular, the above-mentioned equipotential lines near the shield plates 17 and 18, due to the asymmetry of the potential distribution and local distortion,
Since the cluster ion beam loses its symmetry with respect to the axial direction, the ion trajectory from the time it is emitted until it reaches the substrate 1 is also greatly deviated from the axial direction or distorted, as shown by the solid line arrow in Figure 4. However, there was a problem that a homogeneous cluster ion beam could not be obtained.

又、−族化合物半導体は、高融点化合物で
ありながら、その成分となるV族のリンP又はヒ
素Asの蒸気圧が極めて高い。即ち、リンP又は
ヒ素Asを蒸発させるのに必要なルツボ温度が500
〜600℃であるのに対し、族のガリウムGa又は
インジウムInは1000〜1200℃程度のルツボ温度が
必要である。従つて、族元素の充填されたルツ
ボからの輻射熱によりV族元素の充填されたルツ
ボが加熱され、蒸気圧の高いV族の物質が逃散し
てしまい、その蒸着速度の制御が非常に難しいと
いう問題があつた。
Furthermore, although the - group compound semiconductor is a high melting point compound, the vapor pressure of its component V group phosphorus P or arsenic As is extremely high. In other words, the crucible temperature required to evaporate phosphorus P or arsenic As is 500°C.
~600°C, whereas gallium Ga or indium In of the group requires a crucible temperature of about 1000 to 1200°C. Therefore, the radiant heat from the crucible filled with group V elements heats the crucible filled with group V elements, causing the group V substances with high vapor pressure to escape, making it extremely difficult to control the deposition rate. There was a problem.

本発明は上述の問題点を解決するためになされ
たもので、特に上記のシールド板からの基板まで
のイオン加速空間における電位分布の改良と、ル
ツボ間の熱干渉の問題を解決することによつて、
基板上に結晶性の優れた良質の化合物半導体を得
ることができる化合物半導体薄膜の製造装置を提
供することを目的とする。
The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and in particular, by improving the potential distribution in the ion acceleration space from the shield plate to the substrate and solving the problem of thermal interference between crucibles. Then,
An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a compound semiconductor thin film that can obtain a high-quality compound semiconductor with excellent crystallinity on a substrate.

[課題を解決するための手段] この発明に係る化合物半導体薄膜の製造装置
は、化合物半導体の複数の成分元素のクラスタビ
ームを出射する各蒸発源と、この蒸発源の近傍に
設けられたクラスタビームを電子衝撃してクラス
タイオンを生成するイオン化室と、このイオン化
室にそれぞれ所定の電圧を印加してクラスタイオ
ンに接地電位の被成膜用の基板に対する射突エネ
ルギを付与したイオン加速手段とからなるクラス
タイオンビーム蒸着法による化合物半導体薄膜の
製造装置であつて、蒸発源とイオン化室とからな
る各ビーム源を、クラスタビーム及びクラスタイ
オンビームを出射する噴出口を有する接地電位の
加速電極とこれと一体形成したシールド板とで囲
繞する構造を有するものである。
[Means for Solving the Problems] A compound semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention includes each evaporation source that emits a cluster beam of a plurality of component elements of a compound semiconductor, and a cluster beam provided near the evaporation source. an ionization chamber that generates cluster ions by electron bombarding the ionization chamber; and an ion accelerating means that applies a predetermined voltage to each of the ionization chambers to impart impact energy to the cluster ions against a substrate on which a film is to be formed at a ground potential. This is an apparatus for manufacturing compound semiconductor thin films by the cluster ion beam evaporation method, in which each beam source consisting of an evaporation source and an ionization chamber is connected to an accelerating electrode at a ground potential and having an ejection port for emitting a cluster beam and a cluster ion beam. It has a structure in which it is surrounded by a shield plate formed integrally with the shield plate.

[作用] この発明においては、各イオン化室のビーム出
射領域にビーム噴出口を有する接地電位のイオン
の加速電極を設け、この電極と一体形成したシー
ルド板で蒸発源とイオン化室とからなる各ビーム
源を囲繞する構成としたから、まず、上述の加速
電極によつて、クラスタイオンビームが加速され
る領域がビーム源の出射部分の狭い範囲に限定さ
れるため、この加速電極を出射した後のクラスタ
イオンは互に他のビーム源の電界の影響を受ける
ことなく、設定されたビーム軸方向に進行する。
また、この作用は最適の運動エネルギのみを各ク
ラスタイオンに付与するのに役立つ。さらに、加
速電極と一体形成されたシールド板は他のビーム
源に電界の影響を及ぼさないばかりでなく、その
熱シールド効果で、他のビーム源への輻射熱をお
さえるので、例えば各蒸発源の温度制御に対して
不都合な干渉をしない。
[Function] In the present invention, a ground potential ion accelerating electrode having a beam outlet is provided in the beam emission region of each ionization chamber, and a shield plate integrally formed with this electrode is used to accelerate each beam consisting of an evaporation source and an ionization chamber. Since the cluster ion beam is configured to surround the source, firstly, the area where the cluster ion beam is accelerated by the above-mentioned accelerating electrode is limited to a narrow range of the emission part of the beam source. The cluster ions travel in the set beam axis direction without being affected by the electric fields of other beam sources.
This action also serves to impart only optimal kinetic energy to each cluster ion. Furthermore, the shield plate integrally formed with the accelerating electrode not only does not affect the electric field on other beam sources, but also has a heat shielding effect that suppresses radiant heat to other beam sources, so for example, the temperature of each evaporation source Do not interfere with the control.

[実施例] 以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して
詳細に説明する。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

第1図は本発明に係る化合物半導体薄膜の製造
装置の概略構成図である。第1図において、1は
目的とする化合物半導体薄膜を形成する基板、2
は基板1を保持する基板ホルダ、3及び4はそれ
ぞれ内部に目的とする化合物の各成分元素を含む
被蒸発物質A及びBが充填されるルツボ(蒸発
源)、5及び6はルツボ3及び4に設けられた小
径の噴射ノズル、7及び8はそれぞれルツボ3及
び4の近傍に配設されたルツボ加熱用フイラメン
ト、9及び10はルツボ加熱用フイラメント7及
び8の熱シールド板、11及び12はイオン化
室、13及び14は熱電子放出用のイオン化フイ
ラメント、15及び16はグリツド、17及び1
8はシールド板、19及び20はグリツド15及
び16の上部に設けられたアース電位のイオンの
加速電極、21及び22はビーム源全体を囲むア
ース電位のシールド板、23及び24はルツボ加
熱用フイラメント7及び8を通電加熱する交流電
源、25及び26はルツボ3及び4をルツボ加熱
用フイラメント7及び8に対して正電位にバイア
スする直流電源、27及び28はイオン化フイラ
メント13及び14を通電加熱する交流電源、2
9及び30はグリツド15及び16をイオン化フ
イラメント13及び14に対して正電位にバイア
スする直流電源、31及び32はグリツド15及
び16並びにルツボ3及び4をアース電位である
加速電極19及び20に対して正電位にバイアス
する、即ちイオンの加速電圧を供給する直流電源
である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a compound semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a substrate on which the target compound semiconductor thin film is to be formed;
is a substrate holder that holds the substrate 1; 3 and 4 are crucibles (evaporation sources) filled with substances to be evaporated A and B containing each component element of the target compound; 5 and 6 are crucibles 3 and 4; 7 and 8 are crucible heating filaments disposed near the crucibles 3 and 4, respectively; 9 and 10 are heat shield plates for the crucible heating filaments 7 and 8; 11 and 12 are heat shield plates for the crucible heating filaments 7 and 8; ionization chamber, 13 and 14 are ionization filaments for thermionic emission, 15 and 16 are grids, 17 and 1
8 is a shield plate, 19 and 20 are earth potential ion accelerating electrodes provided above the grids 15 and 16, 21 and 22 are earth potential shield plates that surround the entire beam source, and 23 and 24 are crucible heating filaments. 25 and 26 are DC power sources that bias the crucibles 3 and 4 to a positive potential with respect to the crucible heating filaments 7 and 8; 27 and 28 are energizing and heating the ionizing filaments 13 and 14; AC power supply, 2
9 and 30 are DC power supplies that bias the grids 15 and 16 to a positive potential with respect to the ionizing filaments 13 and 14; 31 and 32 are the DC power supplies that bias the grids 15 and 16 and the crucibles 3 and 4 with respect to the accelerating electrodes 19 and 20, which are at ground potential; This is a DC power supply that biases the ions to a positive potential, that is, supplies an acceleration voltage for ions.

なお、基板1、基板ホルダ2、ルツボ3,4、
ルツボ加熱用フイラメント7,8、熱シールド板
9,10、イオン化室11,12、イオン化フイ
ラメント13,14、グリツド15,16、シー
ルド板17,18、加速電極19,20、アース
電位のシールド板21,22は図示しない真空槽
内に収容されて、真空槽内の気体が排気系により
排除されると10-4Torr以下の高真空雰囲気内に
置かれる。
Note that the substrate 1, substrate holder 2, crucibles 3, 4,
Crucible heating filaments 7, 8, heat shield plates 9, 10, ionization chambers 11, 12, ionization filaments 13, 14, grids 15, 16, shield plates 17, 18, accelerating electrodes 19, 20, earth potential shield plate 21 , 22 are housed in a vacuum chamber (not shown), and when the gas in the vacuum chamber is removed by an exhaust system, they are placed in a high vacuum atmosphere of 10 -4 Torr or less.

次に、本発明に係る化合物半導体薄膜の製造装
置の動作について説明する。まず、ルツボ3及び
4内に目的とする化合物の成分元素を含む被蒸着
物質A及びB(例えば、Ga及びAs)をそれぞれ
充填する。
Next, the operation of the compound semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention will be explained. First, the crucibles 3 and 4 are filled with deposited substances A and B (eg, Ga and As) containing constituent elements of the target compound, respectively.

次いで、交流電源23及び24によりルツボ加
熱用フイラメント7及び8をそれぞれ通電加熱す
るとともに、直流電源25及び26によりルツボ
3及び4をルツボ加熱用フイラメント7及び8よ
りそれぞれ正電位に保ち、ルツボ加熱用フイラメ
ント7及び8から飛び出す熱電子を加速してルツ
ボ3及び4に衝突させ、ルツボ3及び4をそれぞ
れ加熱し、被蒸発物質A及びBの蒸気Am及び
Bmをそれぞれ生成する。この場合、ルツボ3及
び4はそれぞれ熱シールド板9及び10とその外
側のシールド板21及び22の2重の熱シールド
効果によつて、蒸気圧の高いV族の元素等が他の
蒸発源の輻射によつて逃散するのを防ぎ、蒸気
Am及びBmの圧力が、これらによつて構成され
る化合物の化学量論的組成に合致するように各ル
ツボ3及び4の温度を別個に制御することを可能
にする。
Next, the crucible heating filaments 7 and 8 are electrically heated by the AC power supplies 23 and 24, respectively, and the crucibles 3 and 4 are kept at a more positive potential than the crucible heating filaments 7 and 8 by the DC power supplies 25 and 26, respectively. Thermionic electrons ejected from the filaments 7 and 8 are accelerated and collided with the crucibles 3 and 4, heating the crucibles 3 and 4, respectively, and producing vapors Am and B of the substances A and B to be evaporated.
Generate Bm respectively. In this case, the crucibles 3 and 4 have a double heat shielding effect of the heat shield plates 9 and 10 and the outer shield plates 21 and 22, so that group V elements with high vapor pressure are removed from other evaporation sources. prevents it from escaping by radiation and
The pressures of Am and Bm make it possible to control the temperature of each crucible 3 and 4 separately to match the stoichiometry of the compounds constituted by them.

このようにして、ルツボ3及び4から噴出され
た蒸気Am及びBmが小径の噴射ノズル5,6か
ら噴出する時の断熱膨張に基づく冷却現象によ
り、通常100〜2000個程度の原子がフアンデルワ
ールス力により緩く結合した塊状の原子集団、い
わゆるクラスタAc及びBcをそれぞれ形成する。
このクラスタAc及びBcがそれぞれ噴出時の運動
エネルギにより、イオン化室11及び12に入る
と、クラスタAc及びBcがイオン化室11及び1
2でイオン化フイラメント13及び14からそれ
ぞれ放出され、グリツド15及び16によりそれ
ぞれ加速された熱電子と衝突して、それぞれクラ
スタAc及びBcを構成する少なくとも1個の原子
がイオン化され、クラスタイオンAi及びBiにな
る。
In this way, due to the cooling phenomenon based on adiabatic expansion when the vapors Am and Bm ejected from the crucibles 3 and 4 are ejected from the small-diameter injection nozzles 5 and 6, approximately 100 to 2000 atoms are They form clusters of atoms loosely bonded by force, so-called clusters Ac and Bc, respectively.
When these clusters Ac and Bc enter the ionization chambers 11 and 12 due to the kinetic energy at the time of ejection, the clusters Ac and Bc enter the ionization chambers 11 and 12, respectively.
At least one atom constituting the clusters Ac and Bc, respectively, is ionized by colliding with thermionic electrons emitted from the ionization filaments 13 and 14, respectively, and accelerated by the grids 15 and 16, respectively, to form cluster ions Ai and Bi. become.

次いで、直流電源31及び32によつてグリツ
ド15及び16と加速電極19及び20との間に
それぞれ形成される電位勾配により形成される電
界レンズにより、クラスタイオンAi及びBiがそ
れぞれ基板1方向へ運動エネルギをそれぞれ付与
され、かつ加速される。
Next, the cluster ions Ai and Bi are moved toward the substrate 1 by electric field lenses formed by potential gradients formed between the grids 15 and 16 and the acceleration electrodes 19 and 20, respectively, by the DC power supplies 31 and 32. Each is energized and accelerated.

第2図は電界レンズの形成の様子を示す図であ
る。なお、第2図において、第1図と同様の機能
を果たす部分については同一の符号を付し、その
説明は省略する。電界レンズは第2図に示すよう
な等電位面を形成し、クラスタイオンAi及びBi
をそれぞれ基板1方向に導くことになる。この有
様は、第4図に示したクラスタイオンの軌道と比
べると目をみはる程に画然としており、均質のク
ラスタイオンビームが形成され、それが基板1に
射突することを示している。
FIG. 2 is a diagram showing how an electric field lens is formed. Note that in FIG. 2, parts that perform the same functions as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and their explanations are omitted. The electric field lens forms an equipotential surface as shown in Figure 2, and the cluster ions Ai and Bi
are respectively guided in one direction of the substrate. This situation is strikingly clear when compared with the trajectory of the cluster ions shown in FIG. 4, indicating that a homogeneous cluster ion beam is formed and hits the substrate 1. .

そして、クラスタイオンAi及びBiは、イオン
化室11及び12でイオン化されずに噴出時の運
動エネルギによつて基板1方向に進む中性のクラ
スタAc及びBcとともに、基板1に射突し、基板
1上に結晶性の良い化合物半導体の薄膜33を形
成する。この場合、クラスタイオンが加速される
領域は、個々の蒸発源に印加されている加速電圧
が異なつていても、蒸発源がアース電位であるシ
ールド板21及び22並びに加速電極19及び2
0によつてそれぞれ電界的にシールドされている
ので、グリツド15及び16と加速電極19及び
20との間に形成されている電界レンズの作用の
みに限定される。従つて、他の電界の影響を受け
ずに結晶薄膜を形成するのに最適の運動エネルギ
をクラスタイオンに付与できる。
The cluster ions Ai and Bi, along with the neutral clusters Ac and Bc that are not ionized in the ionization chambers 11 and 12 and move toward the substrate 1 due to the kinetic energy of the ejection, impinge on the substrate 1. A thin film 33 of a compound semiconductor with good crystallinity is formed thereon. In this case, the region where the cluster ions are accelerated is the shield plates 21 and 22 and the acceleration electrodes 19 and 2 where the evaporation sources are at ground potential, even if the acceleration voltages applied to the individual evaporation sources are different.
0 respectively, the effect is limited to the effect of the electric field lenses formed between the grids 15 and 16 and the accelerating electrodes 19 and 20. Therefore, the optimum kinetic energy for forming a crystal thin film can be imparted to the cluster ions without being influenced by other electric fields.

このように、クラスタイオンAi及びBiはそれ
ぞれの加速電極19及び20によりそれぞれ加速
されるようになつている。これにより、基板1に
対する各クラスタイオンAi及びBiの付着状態を
制御でき、ルツボ3及び4内で、その蒸気の圧力
が良く制御されていることと相まつて化学量論的
組成からのずれの少ない化合物半導体の薄膜33
が形成できる。
In this way, the cluster ions Ai and Bi are accelerated by the respective acceleration electrodes 19 and 20, respectively. This makes it possible to control the state of adhesion of each cluster ion Ai and Bi to the substrate 1, and the pressure of the vapor in the crucibles 3 and 4 is well controlled, resulting in less deviation from the stoichiometric composition. Compound semiconductor thin film 33
can be formed.

なお、本実施例ではルツボ3及び4の加熱手段
としてルツボ加熱用のフイラメントを用いた電子
衝撃法を採用したが、従来の抵抗加熱法によつて
も行なうことができる。
In this embodiment, an electron impact method using a filament for heating the crucibles was employed as heating means for the crucibles 3 and 4, but a conventional resistance heating method may also be used.

又、上記実施例ではルツボを2個設けて二元の
化合物半導体GaAs、InP等の薄膜を製造する例
について説明したが、三元又はそれ以上の化合物
半導体を製造する場合、さらに化合物でなく多層
元素薄膜を連続的に形成する場合等にも適用でき
る。
In addition, in the above embodiment, an example was explained in which two crucibles were provided to manufacture thin films of binary compound semiconductors such as GaAs and InP. However, when manufacturing ternary or more compound semiconductors, it is necessary to use a multilayer instead of a compound. It can also be applied to cases where elemental thin films are continuously formed.

[発明の効果] 以上説明したようにこの発明によれば、化合物
半導体の各成分元素の蒸発源から出射するクラス
タビームと、このクラスタビームをイオン化して
得られるクラスタイオンビームの各ビーム源をそ
の近傍で中央にビーム噴出口を設けたクラスタイ
オンの加速電極を設け、同時にこの電極と一体形
成したシールド板で囲繞する構成としたので、接
地電位で使用する前記の加速電極によつて、クラ
スタイオンビームが加速される領域を各ビーム源
の上部の狭い範囲に限定したため、互い他のビー
ム源の電界の影響受けることなくクラスタイオン
ビームが基板に正対して出射されるので、均質な
ビームが形成されることによつて良質の化合物半
導体薄膜が形成できる。そして、この電界の悪影
響を除去できた効果は最適の運動エネルギをクラ
スタイオンに付与するので、良好な単結晶からな
る化合物半導体の薄膜形成に寄与すること大であ
る。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, each beam source of a cluster beam emitted from an evaporation source of each component element of a compound semiconductor and a cluster ion beam obtained by ionizing this cluster beam is A cluster ion accelerating electrode with a beam outlet in the center was provided nearby, and at the same time it was surrounded by a shield plate formed integrally with this electrode. Since the region where the beam is accelerated is limited to a narrow area above each beam source, the cluster ion beam is emitted directly toward the substrate without being affected by the electric fields of other beam sources, forming a homogeneous beam. By doing so, a high quality compound semiconductor thin film can be formed. The effect of eliminating the adverse effects of this electric field is to impart optimal kinetic energy to the cluster ions, which greatly contributes to the formation of a thin film of a compound semiconductor made of a good single crystal.

このほか、上述の加速電界と一体形成したシー
ルド板は各ビーム源に上述のような相互に電界の
影響するのを防止するばかりでなく、その熱シー
ルド効果によつて、他のビーム源への輻射熱をお
さえるので、各ビーム源の温度制御に対して好ま
しくない影響を及ぼさないので、物理的及び熱力
学的に性質の異なる元素からなる結晶性の良い化
合物半導体の薄膜を形成できるという効果があ
る。
In addition, the shield plate integrally formed with the accelerating electric field described above not only prevents each beam source from being affected by the electric field, but also prevents other beam sources from being affected by its heat shielding effect. Since it suppresses radiant heat, it does not have an unfavorable effect on the temperature control of each beam source, so it has the effect of forming a thin film of a compound semiconductor with good crystallinity made of elements with different physical and thermodynamic properties. .

また、結晶引き出し法のような複雑な工程を経
ずに化合物半導体の薄膜を安価に形成できるとい
う効果が得られる。
Further, an effect can be obtained that a thin film of a compound semiconductor can be formed at low cost without going through a complicated process such as a crystal drawing method.

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

第1図は本発明に係る化合物半導体薄膜の製造
装置の概略構成図、第2図は第1図に示した化合
物半導体薄膜の製造装置により形成される電界レ
ンズの説明図、第3図は従来の化合物半導体薄膜
の製造装置の概略構成図、第4図は従来の化合物
半導体薄膜の製造装置の電位分布図である。 図中、1は基板、2は基板ホルダ、3,4はル
ツボ、5,6は噴射ノズル、7,8はルツボ加熱
用フイラメント、9,10は熱シールド板、1
1,12はイオン化室、13,14はイオン化フ
イラメント、15,16はグリツド、17,18
はシールド板、19,20は加速電極、21,2
2はアース電位のシールド板、23,24,2
7,28は交流電源、25,26,29,30,
31,32は直流電源、33は薄膜である。な
お、図中同一符号は同一又は相当部分を示すもの
である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a compound semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of an electric field lens formed by the compound semiconductor thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a conventional diagram. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a compound semiconductor thin film manufacturing apparatus, and FIG. 4 is a potential distribution diagram of a conventional compound semiconductor thin film manufacturing apparatus. In the figure, 1 is a substrate, 2 is a substrate holder, 3 and 4 are crucibles, 5 and 6 are injection nozzles, 7 and 8 are crucible heating filaments, 9 and 10 are heat shield plates, 1
1, 12 are ionization chambers, 13, 14 are ionization filaments, 15, 16 are grids, 17, 18
is a shield plate, 19, 20 is an accelerating electrode, 21, 2
2 is a shield plate with earth potential, 23, 24, 2
7, 28 are AC power supplies, 25, 26, 29, 30,
31 and 32 are DC power supplies, and 33 is a thin film. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 化合物半導体を構成する複数の成分元素のク
ラスタビームを出射する各蒸発源と、この各蒸発
源の近傍に設けられ、前記クラスタを電子衝撃し
てクラスタイオンを生成するイオン化室と、この
イオン化室にそれぞれ所定の電圧を印加して接地
電位の被成膜用基板に対する射突エネルギを前記
クラスタイオンに付与したクラスタイオンビーム
を得るイオン加速手段とからなるクラスタイオン
ビーム蒸着法による化合物半導体薄膜の製造装置
であつて、 前記蒸発源及びイオン化室からなる各ビーム源
を前記クラスタビーム及びクラスタイオンビーム
出射用の噴出口を有する接地電位の加速電極とこ
の加速電極と一体形成したシールド板とでそれぞ
れ囲繞したことを特徴とする化合物半導体薄膜の
製造装置。
[Scope of Claims] 1.Each evaporation source that emits a cluster beam of a plurality of component elements constituting a compound semiconductor, and an ionization device that is provided near each evaporation source and that bombards the cluster with electrons to generate cluster ions. A cluster ion beam evaporation method comprising: a chamber; and an ion accelerating means for obtaining a cluster ion beam in which a predetermined voltage is applied to each of the ionization chambers to impart impact energy to the cluster ions against a substrate to be deposited at a ground potential to obtain a cluster ion beam. An apparatus for manufacturing a compound semiconductor thin film according to the present invention, wherein each beam source consisting of the evaporation source and the ionization chamber is integrally formed with an accelerating electrode at a ground potential and having an ejection port for emitting the cluster beam and the cluster ion beam, and the accelerating electrode. 1. An apparatus for manufacturing a compound semiconductor thin film, characterized in that each of the thin films is surrounded by a shield plate.
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