JPH06112135A - Thin film forming apparatus and thin film growing method - Google Patents

Thin film forming apparatus and thin film growing method

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Publication number
JPH06112135A
JPH06112135A JP26023792A JP26023792A JPH06112135A JP H06112135 A JPH06112135 A JP H06112135A JP 26023792 A JP26023792 A JP 26023792A JP 26023792 A JP26023792 A JP 26023792A JP H06112135 A JPH06112135 A JP H06112135A
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JP
Japan
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thin film
substrate
stress
growth
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP26023792A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kosuke Asai
孝祐 浅井
Hisashi Katahama
久 片浜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority to JP26023792A priority Critical patent/JPH06112135A/en
Publication of JPH06112135A publication Critical patent/JPH06112135A/en
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE:To control internal stress generated in a formed thin film by additionaly providing a stress measuring device in an epitaxial growing apparatus. CONSTITUTION:A heater is arranged for the outer surface parts of Knudsen cells 14, 15 and 16. The inner parts of the cells are filled with component raw materials of thin-film growing elements 14a, 15a and 16a. Thus, an epitaxial growing device 10 is constituted. A semitransparent mirror 25 is arranged on the vertical axis of the surface of a semiconductor 12 at the angle of 45 deg. with respect to the vertical axis in the vicinity of the outside of a window 17. A filter 24 and a lens 23 are arranged on the axis forming the angle of 45 deg. with respect to the semitransparent mirror 25. A light source 22 is arranged at a position, where the focal point of the lens 23 is focused. Thus, a stress measuring device 20 using a Newton ring interference method is constituted. The stress generated in the Si substrate is measured with the stress measuring device. A thin film is grown by changing the annealing temperature and/or the film thickness during the measurement.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は薄膜形成装置及び該装置
を用いた薄膜成長方法に関し、より詳細には例えば光あ
るいは高速デバイス用等の化合物半導体基板を製造する
際に用いられる薄膜形成装置及び薄膜成長方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film forming apparatus and a thin film growth method using the apparatus, and more particularly, to a thin film forming apparatus used for manufacturing a compound semiconductor substrate for optical or high speed devices and the like. The present invention relates to a thin film growth method.

【0002】[0002]

【従来の技術】基板となる半導体の単結晶板上において
該単結晶と結晶軸が揃い、かつ秩序正しい半導体結晶の
薄膜を形成させるエピタキシャル(Epitaxial)成長は、
一般にMBE(Molecular Beam Epitaxy: 分子線エピタ
キシャル成長)法やMOCVD(Metal Organic Chemic
al Vapor Deposition:有機金属化学気相成長)法等によ
り行なわれている。
2. Description of the Related Art Epitaxial growth for forming a thin film of an ordered semiconductor crystal with a crystal axis aligned with the single crystal on a semiconductor single crystal plate as a substrate is
Generally, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method and MOCVD (Metal Organic Chemic)
al Vapor Deposition: metal organic chemical vapor deposition) method and the like.

【0003】このエピタキシャル成長には基板と同一物
質の薄膜を成長させるホモエピタキシャル成長と、基板
とは異なる物質の薄膜を成長させるヘテロエピタキシャ
ル成長とがある。
This epitaxial growth includes homoepitaxial growth in which a thin film of the same material as the substrate is grown and heteroepitaxial growth in which a thin film of a material different from the substrate is grown.

【0004】前記ヘテロエピタキシャル成長にはSi
(シリコン)基板上にGe(ゲルマニウム)薄膜を成長
させたもの(以下、Ge/Siと記す)( W.D.NIX : M
etallurgical Transactions, A 20A(1989), p2217 )、
Si基板上にGaAs(ガリウム砒素)薄膜を成長させ
たもの(以下、GaAs/Siと記す)( S.F.Fang et
al.:J. Appl. Phys., 68(1990), pR31 ) 等があり、さ
らに新しい機能を有するデバイスの作製や安価な基板の
提供などを目的とした研究が盛んに行なわれている。
Si is used for the heteroepitaxial growth.
A thin film of Ge (germanium) grown on a (silicon) substrate (hereinafter referred to as Ge / Si) (WDNIX: M
et allurgical Transactions, A 20A (1989), p2217),
A GaAs (gallium arsenide) thin film grown on a Si substrate (hereinafter referred to as GaAs / Si) (SFFang et al.
al.:J. Appl. Phys., 68 (1990), pR31), etc., and research aiming at fabrication of devices having new functions and provision of inexpensive substrates has been actively conducted.

【0005】図3は従来のMBE法に用いられるGaA
s/Si成長装置を模式的に示した概略断面図であり、
図中11はチャンバーを示している。チャンバー11に
は真空ポンプ(図示せず)が接続されており、チャンバ
ー11内部の上方にはSi基板12が保持され、基板1
2上面近傍にはヒーター13が配設されている。チャン
バー11内の下部にはその内部に薄膜成長用原料である
Ga14a、As15aが充填され、その外周部にヒー
タ(図示せず)が巻かれた有底円筒形状のクヌーセンセ
ル(Knudsen Cell) 14、15が配設されており、その
中心軸はそれぞれSi基板12に向くように取り付けら
れている。このように構成された装置を用いてエピタキ
シャル成長させる際には、チャンバー11内の真空度を
10-9Torr以下にし、クヌーセンセル14、15をそれ
ぞれ所定温度に加熱して成分元素のGa14a、As1
5aを蒸発させ、ヒーター13により所定温度に加熱し
た基板12下部表面に対してビーム状に噴出させて付着
させている。
FIG. 3 shows GaA used in the conventional MBE method.
It is a schematic sectional drawing which showed the s / Si growth apparatus typically,
In the figure, 11 indicates a chamber. A vacuum pump (not shown) is connected to the chamber 11, and the Si substrate 12 is held above the inside of the chamber 11 to
2 A heater 13 is arranged near the upper surface. In the lower part of the chamber 11, Ga14a and As15a, which are raw materials for thin film growth, are filled in the lower part, and a heater (not shown) is wound around the outer periphery of the chamber to form a bottomed cylindrical Knudsen Cell (Knudsen Cell) 14. 15 are provided, and their central axes are attached so as to face the Si substrate 12, respectively. When epitaxially growing using the apparatus configured as described above, the degree of vacuum in the chamber 11 is set to 10 -9 Torr or less, and the Knudsen cells 14 and 15 are heated to predetermined temperatures, respectively, and Ga14a and As1 of the component elements are heated.
5a is vaporized and ejected in a beam shape to adhere to the lower surface of the substrate 12 heated by the heater 13 to a predetermined temperature.

【0006】MOCVD法に用いられるGaAs/Si
成長装置では図における14、15をそれぞれTMG(T
ri Methyl Gallium)用ノズル、AsH3 用ノズルに替え
た構成となっている。
GaAs / Si used for MOCVD
In the growth device, TMG (T
ri Methyl Gallium) nozzle and AsH 3 nozzle.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上記したヘテロエピタ
キシャル成長においては基板とエピタキシャル薄膜層
(以下、薄膜と記す)との物質が相違しており、それぞ
れの結晶格子定数や熱膨張係数が異なっている。したが
ってこれらの系における成長時には格子定数が大きい結
晶には圧縮応力、小さい結晶には引っ張り応力がそれぞ
れ発生し、また例えば成長後の冷却過程では熱膨張係数
が大きい物質には引っ張り応力、小さい物質には圧縮応
力がそれぞれ発生しており、そのため種々の問題が生じ
ている。
In the above-mentioned heteroepitaxial growth, the material of the substrate and the epitaxial thin film layer (hereinafter referred to as a thin film) are different, and the respective crystal lattice constants and thermal expansion coefficients are different. Therefore, during growth in these systems, compressive stress is generated in crystals with a large lattice constant and tensile stress is generated in crystals with a small lattice constant. Causes compressive stress, which causes various problems.

【0008】まず第1には前記内部応力によって基板が
反るという問題があり、この反りはリソグラフィ工程に
おいて焦点ボケを生じさせ、パターンの精度を悪化さ
せ、また基板の機械的強度を低下させるという課題があ
った(杵築他:第38回応用物理学関係連合講演会予稿
集,(1991), p231 28a-ZV-4 )。
First, there is a problem that the substrate warps due to the internal stress. This warpage causes defocusing in the lithography process, deteriorates pattern accuracy, and lowers the mechanical strength of the substrate. There were challenges (Kitsuki et al .: Proceedings of the 38th Joint Lecture on Applied Physics, (1991), p231 28a-ZV-4).

【0009】第2には前記内部応力によって薄膜のエネ
ルギー帯構造に変調を来し、光学的特性や電気的特性に
悪影響を及ぼすという課題があった。
Secondly, there is a problem in that the internal stress causes a modulation in the energy band structure of the thin film, which adversely affects optical characteristics and electrical characteristics.

【0010】第3には前記内部応力が臨界応力を超える
と薄膜または基板内に転位が発生し、あるいはまた薄膜
と基板との界面にとどまっていた転位線が前記薄膜の表
面へ伝播して結晶性を劣化させるという課題があった
(上田修:応用物理,61(1992), p126)。図4は従来の
GaAs/Siにおける2段階成長方法の成長プロセス
を示したグラフであり、図中31は成長前のSi基板表
面を高温(T=T3)でクリーニングする工程、32は第1
のGaAsのバッファー層を低温(T=T1)で形成する工
程、33は第2のGaAs層を高温(T=T2)で形成する
工程、34は冷却する工程を示している。このようにし
て薄膜を形成した直後33aにおいてHCl−GaCl
ガスにより気相エッチングした該薄膜のエッチピット密
度(Etch Pit Density: 以下、EPDと記す)は略10
4cm-2 程度であるが、薄膜を形成後に室温34aまで冷
却すると溶融KOHによりエッチングした該薄膜のEP
Dは略106cm-2 程度に増加しており、いちじるしい結
晶性の劣化が生じている(M.Tachikawa ,H.Mori :Appl.
Phys. Lett. 56(1990),p2225 ) 。
Third, when the internal stress exceeds the critical stress, dislocations occur in the thin film or the substrate, or dislocation lines remaining at the interface between the thin film and the substrate propagate to the surface of the thin film and crystallize. There was a problem of degrading the property (Osamu Ueda: Applied Physics, 61 (1992), p126). FIG. 4 is a graph showing a growth process of a conventional two-step growth method in GaAs / Si, in which 31 is a step of cleaning the Si substrate surface before growth at a high temperature (T = T 3 ), and 32 is a first step.
Is a step of forming the GaAs buffer layer at low temperature (T = T 1 ), 33 is a step of forming the second GaAs layer at high temperature (T = T 2 ), and 34 is a step of cooling. Immediately after the thin film is formed in this way, HCl-GaCl is formed 33a.
The etch pit density (Etch Pit Density: hereinafter referred to as EPD) of the thin film vapor-phase-etched with gas is about 10
It is about 4 cm -2 , but when the thin film is cooled to room temperature 34a after it is formed, the EP of the thin film etched by molten KOH
D has increased to about 10 6 cm -2 , and remarkable deterioration of crystallinity has occurred (M. Tachikawa, H.Mori: Appl.
Phys. Lett. 56 (1990), p2225).

【0011】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、ヘテロエピタキシャル成長において薄膜の内
部応力の発生を抑制することにより、基板の反りを抑制
してリソグラフィ工程における焦点ボケを抑制し、パタ
ーンの精度を向上させるとともに基板の機械的強度の低
下を抑制し、また薄膜におけるエネルギー帯構造の変調
を抑制して光学的特性や電気的特性を向上させ、さらに
転位の発生や転位線の伝播を抑制して結晶性を向上させ
ることができる薄膜形成装置及び薄膜成長方法を提供す
ることを目的としている。
The present invention has been made in view of the above problems, and suppresses the generation of internal stress of a thin film in heteroepitaxial growth, thereby suppressing the warp of the substrate and suppressing the focus blur in the lithography process, and the pattern. The accuracy of the substrate and the mechanical strength of the substrate, and the modulation of the energy band structure in the thin film to improve the optical and electrical characteristics. It is an object of the present invention to provide a thin film forming apparatus and a thin film growth method capable of suppressing and improving crystallinity.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る薄膜形成装置は、エピタキシャル成長装
置に応力測定装置が添設されていることを特徴としてい
る。
In order to achieve the above object, a thin film forming apparatus according to the present invention is characterized in that a stress measuring apparatus is additionally provided in an epitaxial growth apparatus.

【0013】また本発明に係る薄膜成長方法は、上記薄
膜形成装置を使用し、応力を測定しながらアニール温度
及び/または膜厚を変化させて薄膜に生ずる応力を制御
することを特徴としている。
The thin film growth method according to the present invention is characterized in that the thin film forming apparatus is used to control the stress generated in the thin film by changing the annealing temperature and / or the film thickness while measuring the stress.

【0014】[0014]

【作用】本発明者らは上記した従来技術について調査解
析し、かつ研究を行なった結果、ヘテロエピタキシャル
成長における内部応力は基板または薄膜に形成される不
整合転位の密度によって決まり、該不整合転位の密度は
成長温度、膜厚、成長後のアニール温度等により変化す
ることを知見した。すなわち、エピタキシャル成長また
はアニール温度が十分高く、かつ膜厚が十分厚い場合に
は、格子定数差を緩和するのに十分な数の不整合転位が
形成されるため、この温度(高温)における内部応力は
略零になる。一方、エピタキシャル成長またはアニール
温度が低いかまたは膜厚が薄い場合には、転位が移動し
にくくなって格子定数差を緩和するのに十分な数の不整
合転位が形成されないため、この温度(低温)において
内部応力が発生する。またエピタキシャル成長またはア
ニール温度から室温まで冷却する過程においては、基板
と薄膜との熱膨張係数差によって内部応力が発生する。
これはエピタキシャル成長またはアニール温度において
必要とされる不整合転位密度と室温において必要とされ
る不整合転位密度との間に差があることに起因してい
る。
As a result of investigating, analyzing and researching the above-mentioned conventional technique, the present inventors have determined that the internal stress in heteroepitaxial growth is determined by the density of mismatched dislocations formed in the substrate or thin film, and It was found that the density changes depending on the growth temperature, the film thickness, the annealing temperature after growth, and the like. That is, if the epitaxial growth or annealing temperature is sufficiently high and the film thickness is sufficiently thick, a sufficient number of mismatched dislocations are formed to relax the difference in lattice constant, so that the internal stress at this temperature (high temperature) is It becomes almost zero. On the other hand, when the epitaxial growth or annealing temperature is low or the film thickness is thin, dislocations are hard to move and a sufficient number of mismatched dislocations are not formed so as to relax the difference in lattice constant. Internal stress occurs at. Also, in the process of cooling from the epitaxial growth or annealing temperature to room temperature, internal stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the thin film.
This is due to the difference between the mismatched dislocation density required at the epitaxial growth or annealing temperature and the mismatched dislocation density required at room temperature.

【0015】上記知見に基づき、成長温度が十分高く、
かつ膜厚が十分厚い場合と成長温度が低いかまたは膜厚
が薄い場合とに分け、基板と薄膜との格子定数差及び熱
膨張係数差が内部応力に及ぼす影響について整理すると
下記の表1に示すとおりとなる。
Based on the above findings, the growth temperature is sufficiently high,
Table 1 below shows the effects of the lattice constant difference and the thermal expansion coefficient difference between the substrate and the thin film on the internal stress, divided into the case where the film thickness is sufficiently thick and the case where the growth temperature is low or the film thickness is thin. As shown.

【0016】[0016]

【表1】 [Table 1]

【0017】表中af は薄膜の格子定数、as は基板の
格子定数、αf は薄膜の熱膨張係数、αs は基板の熱膨
張係数、TG はエピタキシャル成長温度、RTは室温、
応力は薄膜の内部応力を示している。
In the table, a f is the lattice constant of the thin film, a s is the lattice constant of the substrate, α f is the thermal expansion coefficient of the thin film, α s is the thermal expansion coefficient of the substrate, T G is the epitaxial growth temperature, RT is room temperature,
The stress indicates the internal stress of the thin film.

【0018】この表1よりエピタキシャル成長条件とそ
の後の冷却操作によって内部応力は複雑に影響を受けて
おり、成長温度が高く、かつ膜厚が厚い場合は全てのケ
ースにおいて、成長温度では薄膜の内部応力は非常に小
さいが、その後の冷却過程で引っ張りまたは圧縮内部応
力が発生することが分かった。また成長温度が低いかま
たは膜厚が薄い場合、薄膜の格子定数が基板のそれより
大きく、かつ薄膜の熱膨張係数が基板のそれより小さい
かあるいはその逆のケースにおいて、成長温度ですでに
引っ張りまたは圧縮内部応力が発生しており、その後の
冷却過程でこれがさらに増大することが分かった。そし
て表中*1及び*2印で示したケース(薄膜の格子定数
及び熱膨張係数がともに基板のそれらより大きいかある
いは小さい)の場合、アニール条件及び/または膜厚条
件を適当に選ぶことにより、室温において内部応力が非
常に小さい薄膜が得られることが分かった。
From Table 1, the internal stress is complicatedly influenced by the epitaxial growth conditions and the subsequent cooling operation. In all cases where the growth temperature is high and the film thickness is thick, the internal stress of the thin film is increased at the growth temperature. Was very small, but it was found that tensile or compressive internal stress was generated in the subsequent cooling process. If the growth temperature is low or the film thickness is thin, the lattice constant of the thin film is larger than that of the substrate and the coefficient of thermal expansion of the thin film is smaller than that of the substrate, or vice versa. Alternatively, it was found that a compressive internal stress was generated and further increased in the subsequent cooling process. Then, in the case shown by * 1 and * 2 in the table (both the lattice constant and the thermal expansion coefficient of the thin film are larger or smaller than those of the substrate), by appropriately selecting the annealing condition and / or the film thickness condition. It was found that a thin film with very low internal stress can be obtained at room temperature.

【0019】ところで、内部応力の測定方法には下記に
示す片持ち梁法、回析法、円板法等が知られている(金
原,藤原:「薄膜」,裳華房,p127-p131 )。 (1)片持ち梁法:短冊形に形成された薄い基板の一端
を固定して薄膜を蒸着させると、発生した内部応力の大
きさによって固定された一端と対向する他端が変位す
る。この変位量を測定することにより応力を求める方法
である。 (2)回析法:基板にX線や電子線を照射し、得られた
回析線の位置より蒸着した薄膜における格子定数の変化
を測定して内部応力を求める方法である。 (3)円板法:円板形に形成された基板に薄膜を蒸着さ
せると、発生した内部応力の大きさによって基板の曲率
が変化する。この曲率の変化をニュートンリングを用い
た干渉法やレーザーの反射光の変位量で測定することに
より応力を求める方法である。 前記した各種内部応力の測定方法について調査した結
果、エピタキシャル成長においてin−situの観測
(その場観測)が行なえる測定法として、(3)の円板
法が適用できることが分かった。
By the way, as a method of measuring the internal stress, the following cantilever method, diffraction method, disk method, etc. are known (Kanehara, Fujiwara: "Thin film", Sohuabo, p127-p131). . (1) Cantilever method: When one end of a thin substrate formed in a strip shape is fixed and a thin film is vapor-deposited, the other end opposed to the fixed one end is displaced due to the magnitude of internal stress generated. This is a method of obtaining stress by measuring this displacement amount. (2) Diffraction method: a method in which the substrate is irradiated with an X-ray or an electron beam and the change in the lattice constant of the deposited thin film is measured from the position of the obtained diffraction line to determine the internal stress. (3) Disc method: When a thin film is deposited on a disc-shaped substrate, the curvature of the substrate changes depending on the magnitude of the internal stress generated. The stress is obtained by measuring the change in the curvature by an interferometry method using a Newton ring or the displacement amount of the reflected light of the laser. As a result of investigating the above-mentioned measuring methods of various internal stresses, it was found that the disk method of (3) can be applied as a measuring method that allows in-situ observation (in-situ observation) in epitaxial growth.

【0020】本発明に係る薄膜形成装置によれば、エピ
タキシャル成長装置に応力測定装置が添設されているの
で、内部応力を測定しながらエピタキシャル成長させう
ることとなる。
According to the thin film forming apparatus of the present invention, since the stress measuring device is attached to the epitaxial growth device, the epitaxial growth can be performed while measuring the internal stress.

【0021】また本発明に係る薄膜成長方法によれば、
前記薄膜形成装置を使用し、応力を測定しながらアニー
ル温度及び/または膜厚を変化させて薄膜に生ずる応力
を制御するので、ヘテロエピタキシャル成長において薄
膜の内部応力の発生を抑制しうることとなる。したがっ
て基板の反りが抑制されてリソグラフィ工程における焦
点ボケが抑制され、パターンの精度が向上されるととも
に基板の機械的強度の低下が抑制されることとなる。ま
た薄膜におけるエネルギー帯構造の変調が抑制されて光
学的特性や電気的特性が向上されることなる。さらに転
位の発生や転位線の伝播が抑制されて結晶性が向上され
ることとなる。
According to the thin film growth method of the present invention,
Since the stress generated in the thin film is controlled by changing the annealing temperature and / or the film thickness while measuring the stress using the thin film forming apparatus, it is possible to suppress the generation of the internal stress of the thin film in the heteroepitaxial growth. Therefore, the warp of the substrate is suppressed, the defocusing in the lithography process is suppressed, the accuracy of the pattern is improved, and the reduction in the mechanical strength of the substrate is suppressed. Further, the modulation of the energy band structure in the thin film is suppressed, and the optical characteristics and electrical characteristics are improved. Further, generation of dislocations and propagation of dislocation lines are suppressed, and crystallinity is improved.

【0022】[0022]

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る薄膜形成装置
及び薄膜成長方法の実施例を図面に基づいて説明する。
なお、従来例と同一機能を有する構成部品には同一の符
号を付すこととする。図1は本発明に係る薄膜形成装置
の一実施例を模式的に示した概略断面図であり、図中1
1はチャンバーを示している。チャンバー11には真空
ポンプ(図示せず)が接続されており、チャンバー11
内部の上方に配設されたホルダー18には基板12下面
が薄膜成長面になるように載置され、基板12の上面近
傍にはヒーター13が配設されている。チャンバー11
内の下部には基板12と対向する位置に窓17が形成さ
れている。また窓17の周囲には有底円筒形状のクヌー
センセル(Knudsen Cell) 14、15、16が配設され
てその中心軸がそれぞれ基板12に向くように取りつけ
られており、クヌーセンセル14、15、16にはその
外周部にヒータ(図示せず)が配設され、その内部に薄
膜成長元素の成分原料14a、15a、16aが充填さ
れることによりエピタキシャル成長装置が構成されてい
る。さらに基板12面の垂直軸上には、窓17外側近傍
において前記垂直軸と45°の角度をなして半透鏡25
が配設され、次にレンズ26が配設され、レンズ26の
焦点が結ぶ位置に受像装置が配設されている。また半透
鏡25と45°の角度をなす軸上には、フィルター2
4、レンズ23が配設され、レンズ23の焦点が結ぶ位
置に光源22が配設されることによりニュートンリング
の干渉法を用いた応力測定装置が構成されている。
EXAMPLES AND COMPARATIVE EXAMPLES Examples of a thin film forming apparatus and a thin film growth method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
It should be noted that components having the same functions as those of the conventional example are designated by the same reference numerals. FIG. 1 is a schematic sectional view schematically showing an embodiment of a thin film forming apparatus according to the present invention.
Reference numeral 1 indicates a chamber. A vacuum pump (not shown) is connected to the chamber 11,
A lower surface of the substrate 12 is placed on a holder 18 arranged above the inside so that the lower surface of the substrate 12 becomes a thin film growth surface, and a heater 13 is arranged near the upper surface of the substrate 12. Chamber 11
A window 17 is formed in the lower part of the inside so as to face the substrate 12. Further, cylindrical Knudsen cells (14, 15, 16) having a bottomed cylindrical shape are arranged around the window 17 and are attached so that their central axes face the substrate 12, respectively. A heater (not shown) is provided on the outer peripheral portion of 16 and the inside thereof is filled with the component raw materials 14a, 15a, 16a of the thin film growth element to form an epitaxial growth apparatus. Further, on the vertical axis of the surface of the substrate 12, a semi-transparent mirror 25 is formed near the outside of the window 17 at an angle of 45 ° with the vertical axis.
Is provided, the lens 26 is provided next, and the image receiving device is provided at a position where the focal point of the lens 26 is focused. On the axis that makes an angle of 45 ° with the semi-transparent mirror 25, the filter 2
4. The lens 23 is provided, and the light source 22 is provided at the position where the focal point of the lens 23 is connected, whereby a stress measuring device using the Newton ring interferometry is configured.

【0023】このように構成された装置を用いてエピタ
キシャル成長させる際には、チャンバー11内の真空度
を10-9Torr以下にし、クヌーセンセル14、15、1
6をヒーターによりそれぞれ所定温度に加熱して成分元
素14a、15a、16aを蒸発させ、ヒーター13に
より所定温度に加熱した基板12下部表面に対してビー
ム状に噴出させて付着させる。そして応力測定装置20
でSi基板12に生ずる応力を測定しながらアニール温
度及び/または膜厚を変化させて薄膜を成長させる。
When epitaxial growth is performed using the apparatus thus constructed, the vacuum degree in the chamber 11 is set to 10 -9 Torr or less, and the Knudsen cells 14, 15, 1 are used.
6 is heated to a predetermined temperature by a heater to evaporate the component elements 14a, 15a and 16a, and is ejected in a beam shape and attached to the lower surface of the substrate 12 heated to a predetermined temperature by the heater 13. And the stress measuring device 20
While measuring the stress generated in the Si substrate 12, the annealing temperature and / or the film thickness is changed to grow a thin film.

【0024】以下に、基板12に直径が4インチのSi
を、また薄膜成長元素の成分原料14a、15a、16
aにそれぞれGa、As、Siを用い(上記表1におけ
る*1のケース)、内部応力を測定しながらアニール温
度を変えてGaAs/Si成長を行った結果について説
明する。
Below, the substrate 12 is made of Si having a diameter of 4 inches.
And the raw materials 14a, 15a, 16
The results of performing GaAs / Si growth by changing the annealing temperature while measuring the internal stress using Ga, As, and Si for a (case of * 1 in Table 1 above) will be described.

【0025】図2は実施例に係るGaAs/Si成長方
法の成長プロセスを示したグラフであり、まず洗浄した
Si基板12をエピタキシャル成長装置10に入れ、チ
ャンバー11内の真空度を10-9Torr以下にし、略50
0℃の温度に加熱して付着した水分等の除去を行い(図
中41)、さらに略1000℃の温度に加熱して約15
分間程保持し、Si基板12表面の酸化膜の除去を行っ
た(図中42)。次にSi基板12の温度を下げ、略3
00℃の低温において0.3μm/hrの成長速度により略
0.05μm の膜厚までバッファ層を成長させた(図中
43)。なお、AsはSi基板12の温度が600℃の
温度に達すると照射した(図中43a)。次にSi基板
12を再び昇温し、略600℃に加熱して約5分間程保
持して、前記バッファ層のアニールを行い(図中4
4)、再び温度を下げて略300℃の低温においてME
E(Migration-Enhanced Epitaxy)法により略1.0μ
m の膜厚までGaAs層を成長させるとともにSiを略
6×1015cm-3程ドープした(図中45)。応力測定装
置20を用いてニュートンリングから薄膜に圧縮応力が
作用していることを確認し(図中45a)、次いで前記
ニュートンリングを観察しながら圧縮応力が略ゼロにな
るまでSi基板12の温度を上げた(図中46)後、S
i基板12の温度を300℃に下げた。そしてMEE法
により略2.0μm の膜厚までGaAs層を成長させ
(図中47)、室温まで冷却して(図中48)Si基板
12をエピタキシャル成長装置10から取り出した。
FIG. 2 is a graph showing the growth process of the GaAs / Si growth method according to the embodiment. First, the cleaned Si substrate 12 is put into the epitaxial growth apparatus 10 and the vacuum degree in the chamber 11 is 10 -9 Torr or less. And about 50
The attached water is removed by heating to a temperature of 0 ° C (41 in the figure), and further heated to a temperature of about 1000 ° C for about 15 minutes.
After holding for about one minute, the oxide film on the surface of the Si substrate 12 was removed (42 in the figure). Next, the temperature of the Si substrate 12 is lowered to about 3
A buffer layer was grown at a low temperature of 00 ° C. at a growth rate of 0.3 μm / hr to a film thickness of about 0.05 μm (43 in the figure). In addition, As was irradiated when the temperature of the Si substrate 12 reached a temperature of 600 ° C. (43 a in the figure). Next, the temperature of the Si substrate 12 is raised again to about 600 ° C. and the temperature is maintained for about 5 minutes to anneal the buffer layer (4 in the figure).
4), reduce the temperature again, and perform ME at a low temperature of approximately 300 ° C.
Approximately 1.0μ by E (Migration-Enhanced Epitaxy) method
A GaAs layer was grown to a thickness of m and Si was doped to about 6 × 10 15 cm -3 (45 in the figure). It is confirmed that the compressive stress acts on the thin film from the Newton ring using the stress measuring device 20 (45a in the figure), and then the temperature of the Si substrate 12 is observed until the compressive stress becomes substantially zero while observing the Newton ring. After raising (46 in the figure), S
The temperature of the i substrate 12 was lowered to 300 ° C. Then, a GaAs layer was grown to a film thickness of approximately 2.0 μm by the MEE method (47 in the figure), cooled to room temperature (48 in the figure), and the Si substrate 12 was taken out from the epitaxial growth apparatus 10.

【0026】なお比較例として、応力測定装置20を配
設していない装置で2段階成長法により同様のGaAs
/Si成長を行った。
As a comparative example, the same GaAs was prepared by the two-step growth method in a device without the stress measuring device 20.
/ Si growth was performed.

【0027】実施例と比較例との方法によりそれぞれ成
長させた薄膜の応力及び結晶性を比較すると表2の結果
が得られた。
The results shown in Table 2 were obtained by comparing the stress and crystallinity of the thin films grown by the methods of Examples and Comparative Examples.

【0028】[0028]

【表2】 [Table 2]

【0029】この結果から明らかなように、本実施例に
係る薄膜形成装置及び薄膜成長方法によれば、従来の装
置及び方法に比べてGaAs/Si薄膜の応力が抑制さ
れ、結晶性の優れた薄膜が得られている。したがって、
f >as 、αf >αs の関係にあるGaAs/Si薄
膜を300℃の低温で略1.0μm の膜厚まで成長させ
たとき(成長プロセスの45a)に薄膜が圧縮応力を有
しているのは該薄膜中における不整合転位密度が300
℃における格子定数差を緩和するには不足しており、次
いで行うアニール(成長プロセスの46)によって前記
薄膜中に十分な不整合転位が形成され、内部応力がゼロ
になることが分かる。また上記した表1における*1で
示したケースの場合、アニール条件及び/または膜厚条
件を適当に選ぶことにより、室温において内部応力が非
常に小さい薄膜が得られることが確認された。
As is clear from these results, according to the thin film forming apparatus and the thin film growing method of this embodiment, the stress of the GaAs / Si thin film is suppressed and the crystallinity is excellent as compared with the conventional apparatus and method. A thin film has been obtained. Therefore,
When a GaAs / Si thin film having the relationship of a f > a s and α f > α s is grown at a low temperature of 300 ° C. to a thickness of about 1.0 μm (45a in the growth process), the thin film has compressive stress. The reason for this is that the misfit dislocation density in the thin film is 300.
It can be seen that it is insufficient to alleviate the difference in lattice constants at 0 ° C., and the subsequent annealing (growth process 46) forms sufficient mismatched dislocations in the thin film, resulting in zero internal stress. In addition, in the case indicated by * 1 in Table 1 above, it was confirmed that a thin film having very small internal stress at room temperature can be obtained by appropriately selecting the annealing condition and / or the film thickness condition.

【0030】本実施例における薄膜形成装置ではニュー
トンリングの干渉方式の応力測定装置が配設されたMB
E方式のエピタキシャル成長装置を用いたが、前記応力
測定装置としてレーザーの反射光方式等を、また前記エ
ピタキシャル成長装置としてMOCVD等を用いても同
様の結果が得られる。また上記した表1における*2印
で示したケースについても同様の結果を得ることができ
る。
In the thin film forming apparatus according to the present embodiment, an MB having a Newton ring interference type stress measuring apparatus is provided.
Although the E-type epitaxial growth apparatus was used, the same result can be obtained by using a laser reflected light method or the like as the stress measuring apparatus and MOCVD or the like as the epitaxial growth apparatus. Similar results can be obtained for the cases indicated by * 2 in Table 1 above.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る薄膜形
成装置にあっては、エピタキシャル成長装置に応力測定
装置が添設されているので、内部応力を測定しながらエ
ピタキシャル成長をさせることができる。
As described above in detail, in the thin film forming apparatus according to the present invention, since the stress measuring device is attached to the epitaxial growth device, the epitaxial growth can be performed while measuring the internal stress.

【0032】また本発明に係る薄膜成長方法にあって
は、前記薄膜形成装置を使用し、応力を測定しながらア
ニール温度及び/または膜厚を変化させて薄膜に生ずる
応力を制御するので、ヘテロエピタキシャル成長におい
て薄膜の内部応力の発生を抑制することができる。した
がって基板の反りを抑制してリソグラフィ工程における
焦点ボケを抑制し、パターンの精度を向上させるととも
に基板の機械的強度の低下を抑制することができる。ま
た薄膜におけるエネルギー帯構造の変調を抑制して光学
的特性や電気的特性を向上させることができる。さらに
転位の発生や転位線の伝播を抑制して結晶性を向上させ
ることができる。
In the thin film growth method according to the present invention, the thin film forming apparatus is used to control the stress generated in the thin film by changing the annealing temperature and / or the film thickness while measuring the stress. It is possible to suppress the generation of internal stress in the thin film during epitaxial growth. Therefore, it is possible to suppress the warp of the substrate, suppress the defocus in the lithography process, improve the accuracy of the pattern, and suppress the decrease in the mechanical strength of the substrate. Further, modulation of the energy band structure in the thin film can be suppressed to improve optical characteristics and electrical characteristics. Furthermore, the generation of dislocations and the propagation of dislocation lines can be suppressed to improve the crystallinity.

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

【図1】本発明に係る薄膜形成装置の一実施例を模式的
に示した概略断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view schematically showing an embodiment of a thin film forming apparatus according to the present invention.

【図2】実施例に係るGaAs/Si成長方法の成長プ
ロセスを示したグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a growth process of a GaAs / Si growth method according to an example.

【図3】従来のMBE法に用いられるGaAs/Si成
長装置を模式的に示した概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view schematically showing a GaAs / Si growth apparatus used in a conventional MBE method.

【図4】従来のGaAs/Siにおける2段階成長方法
の成長プロセスを示したグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a growth process of a conventional two-step growth method on GaAs / Si.

【符号の説明】 10 エピタキシャル成長装置 20 応力測定装置[Explanation of reference numerals] 10 Epitaxial growth apparatus 20 Stress measurement apparatus

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/203 M 8422−4M ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/203 M 8422-4M

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 エピタキシャル成長装置に応力測定装置
が添設されていることを特徴とする薄膜形成装置。
1. A thin film forming apparatus, wherein a stress measuring device is attached to an epitaxial growth device.
【請求項2】 上記薄膜形成装置を使用し、応力を測定
しながらアニール温度及び/または膜厚を変化させて薄
膜に生ずる応力を制御することを特徴とする薄膜成長方
法。
2. A method for growing a thin film, which comprises using the thin film forming apparatus to control the stress generated in the thin film by changing the annealing temperature and / or the film thickness while measuring the stress.
JP26023792A 1992-09-29 1992-09-29 Thin film forming apparatus and thin film growing method Pending JPH06112135A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009295685A (en) * 2008-06-03 2009-12-17 Sumitomo Electric Ind Ltd Film deposition device
CN104316235A (en) * 2014-11-04 2015-01-28 苏州精创光学仪器有限公司 Device for detecting thin film stress through cantilever beam method
CN111998979A (en) * 2020-07-24 2020-11-27 中南大学 Method for calculating instantaneous stress of film

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