JPH06329495A - Method for molecular beam epitaxial growth and device using the same - Google Patents

Method for molecular beam epitaxial growth and device using the same

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JPH06329495A
JPH06329495A JP14016593A JP14016593A JPH06329495A JP H06329495 A JPH06329495 A JP H06329495A JP 14016593 A JP14016593 A JP 14016593A JP 14016593 A JP14016593 A JP 14016593A JP H06329495 A JPH06329495 A JP H06329495A
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JP
Japan
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target
temperature
raw material
melting
laser
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JP14016593A
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Japanese (ja)
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Toru Kachi
徹 加地
Hiroyuki Kano
浩之 加納
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Toyota Central R&D Labs Inc
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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 provide a method for MBE capable of lowering growth temperature in an extremely high degree of vacuum and attaining diversification of appli cable element, and a device using the method. CONSTITUTION:A target containing a raw material in a molten state set at a melting point or a temperature higher than the melting point is irradiated with laser beam, the raw material is evaporated in an atomic.molecular state and crystallized on a substrate. A device for molecular beam epitaxial growth comprises a heating source 51 for melting the target raw material, an evaporation source 30 for molten target composed of a sensing means for detecting the melting of the target and a temperature controlling means for maintaining the temperature of the molten target 36 constant, a laser transmission part 10 for sending laser beam, an optical means having an optical system 11 and a reflector 12 for introducing the emitted laser beam to the target. The sensing means and the temperature controlling means, for example, consist of a heating electric source 52, the heating source 51, a thermometer 53 and a controller 54.

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、化合物半導体などの薄
膜形成に有用な分子線エピタキシャル成長法(MBE
法)およびこれを採用したMBE装置に関する。
The present invention relates to a molecular beam epitaxial growth method (MBE) useful for forming a thin film of a compound semiconductor or the like.
Method) and an MBE device employing the same.

【0002】[0002]

【技術の背景】MBE法は、超高真空中で単結晶薄膜を
作成する技術である。MBE法では、結晶の構成元素を
るつぼ(分子線セル)に入れ、真空中で加熱し、発生す
る蒸気を分子線の形で加熱された基板にあてて、そこに
結晶をエピタキシャル成長させる。
BACKGROUND OF THE INVENTION The MBE method is a technology for forming a single crystal thin film in an ultrahigh vacuum. In the MBE method, the constituent elements of the crystal are placed in a crucible (molecular beam cell), heated in a vacuum, and the generated vapor is applied to the heated substrate in the form of a molecular beam, and the crystal is epitaxially grown there.

【0003】このMBE法は、(A)超高真空装置であ
るため残留ガス等の不純物の影響を排除でき、基板表面
を清浄に保てること、(B)よく制御された蒸発原(一
般にKセルが用いられる)から分子線を出すために、成
長速度を原子層レベルでコントロールできること、
(C)非平衡状態での結晶成長であるため、構成元素を
選択することにより新材料の作成の可能性があること、
などの特徴があり、量子効果を利用した電子素子あるい
は光素子の作成,物性研究などに広く利用されている。
Since the MBE method is (A) an ultra-high vacuum apparatus, it can eliminate the influence of impurities such as residual gas and keep the substrate surface clean, and (B) a well-controlled evaporation source (generally K cell). To control the growth rate at the atomic layer level,
(C) Since the crystal growth is in a non-equilibrium state, it is possible to create a new material by selecting the constituent elements.
It is widely used for making electronic devices or optical devices using quantum effects, and for studying physical properties.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような特
徴を有するMBE法も、以下に示す幾つかの課題を有し
ている。
However, the MBE method having such characteristics also has the following problems.

【0005】第1の課題は、高温に制御されるKセルを
装置内に多数有することによって、超高真空が要求され
る装置であってもその真空度に限界があり、また超高真
空を維持するために液体チッ素を大量に消費することで
ある。したがって、結晶成長中においても高温となる部
分を持たない構成とすることができれば、バックグラウ
ンドの真空度を低く保持することができ、高純度な結晶
の成長に寄与することができるだけでなく、液体チッ素
の消費量を低減させることが可能である。
The first problem is that the apparatus has a large number of K cells controlled to a high temperature, so that the degree of vacuum is limited even in an apparatus requiring an ultra-high vacuum. To consume a large amount of liquid nitrogen to maintain it. Therefore, if a structure that does not have a high temperature even during crystal growth can be provided, the background vacuum degree can be kept low and not only can it contribute to the growth of high-purity crystals, but also the liquid It is possible to reduce the consumption of nitrogen.

【0006】第2の課題は、融点の高い物質、例えば2
000℃以上の融点を有するタングステンなどはKセル
によっても蒸発させることができず、炭素も十分な分子
線強度を得ることができないことである。
The second problem is a substance having a high melting point, for example, 2
That is, tungsten having a melting point of 000 ° C. or higher cannot be evaporated even by the K cell, and carbon cannot obtain sufficient molecular beam strength.

【0007】第3の課題は、蒸気圧の高い物質はその蒸
発量をコントロールしにくいことである。例えば、リン
は重要なV族原料であるがMBE法では扱いが困難であ
り、またヒ素もIII −V族半導体の結晶成長時の組成元
素としては用いることができても、シリコンをMBE法
によって成長させたときのドーパントとして用いること
は困難である。
The third problem is that it is difficult to control the evaporation amount of a substance having a high vapor pressure. For example, although phosphorus is an important group V source material, it is difficult to handle it by the MBE method, and although arsenic can be used as a composition element during the crystal growth of III-V group semiconductors, silicon can be processed by the MBE method. It is difficult to use as a dopant when grown.

【0008】これら第2,第3の課題の克服は、MBE
法の適用範囲を格段に拡大するものである。
MBE is to overcome these second and third problems.
The scope of application of the law is greatly expanded.

【0009】第4の課題は、結晶成長温度の低減化であ
る。MBE法は他の成長法と比べれば成長温度を低く制
御できる。しかし、ヘテロエピタキシーを考えたときに
は、基板と結晶成長層との間の熱歪みを緩和するため
に、現状よりさらに低温化する必要がある。
The fourth problem is to reduce the crystal growth temperature. The MBE method can control the growth temperature to be lower than that of other growth methods. However, when considering heteroepitaxy, it is necessary to further lower the temperature than the current state in order to alleviate thermal strain between the substrate and the crystal growth layer.

【0010】本発明は、このような従来の技術的課題の
背景のもとになされたものであり、その目的は、超高真
空度の状態で成長温度を低減化させ、さらに適用可能な
元素の多様化を達成することができるMBE法およびこ
れを用いた装置を提供することにある。
The present invention has been made under the background of such conventional technical problems, and an object thereof is to reduce the growth temperature in the state of ultra-high vacuum and further applicable elements. It is an object of the present invention to provide an MBE method capable of achieving diversification and a device using the MBE method.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、超高真空中で
原料を蒸発させ、加熱した基板上に結晶成長させる分子
線エピタキシャル成長法において、ターゲットとして、
融点ないし融点より高い温度に設定された溶融状態の原
料を含み、このターゲットにレーザ光を照射して前記原
料を原子・分子状態で蒸発させ、基板上に結晶成長させ
ることを特徴とする。
The present invention is directed to a molecular beam epitaxial growth method in which a raw material is evaporated in an ultrahigh vacuum and a crystal is grown on a heated substrate.
A melting point or a melting point of the raw material set to a temperature higher than the melting point is included, and the target is irradiated with a laser beam to evaporate the raw material in an atomic / molecular state and to grow crystals on the substrate.

【0012】また、本発明は、超高真空中で原料を蒸発
させ、加熱した基板上に結晶成長させる分子線エピタキ
シャル成長装置において、ターゲット原料を溶融する加
熱手段、ターゲット原料の融解を検知するセンサ手段、
および溶融されたターゲット原料の温度を一定に保持す
る温度制御手段を含む溶融ターゲット用蒸発源と、レー
ザ光を出射するレーザ発信手段と、出射されたレーザ光
をターゲットに導く光学手段と、を含むことを特徴とす
る。
Further, according to the present invention, in a molecular beam epitaxial growth apparatus for evaporating a raw material in an ultrahigh vacuum and growing a crystal on a heated substrate, a heating means for melting the target raw material and a sensor means for detecting the melting of the target raw material. ,
And a molten target evaporation source including temperature control means for holding the temperature of the melted target material constant, laser emitting means for emitting laser light, and optical means for guiding the emitted laser light to the target. It is characterized by

【0013】まず、本願発明の着目点について説明す
る。本願発明者らによって以下のことが確認されてい
る。
First, the points of interest of the present invention will be described. The following has been confirmed by the present inventors.

【0014】パルスレーザーは一般にメガワットのオー
ダーの出力を発生するので、それをターゲット上に集光
すると極めて高いパワーが得られ、ほとんどの物質は溶
解して蒸発する。従って、この方法をMBE法における
加熱蒸発源の代わりに用いれば、MBE法を適用するこ
とができる物質の範囲が著しく拡大する。しかし、ここ
で重要なことは、単にレーザーをターゲットに集光した
だけでは、蒸発源として用いることはできないことであ
る。すなわち、蒸発源として用いるためには、蒸発,飛
散の状態が原子・分子のレベルで分離していることが望
ましいが、レーザーをターゲットに照射した場合、ター
ゲット物質によっては1〜5μmの粒子が混在した状態
で蒸発,飛散する。
Since pulsed lasers generally produce outputs on the order of megawatts, focusing them on a target gives extremely high power and most substances dissolve and evaporate. Therefore, if this method is used instead of the heating evaporation source in the MBE method, the range of substances to which the MBE method can be applied is significantly expanded. However, what is important here is that the laser cannot be used as an evaporation source simply by focusing the laser on the target. That is, in order to use it as an evaporation source, it is desirable that the vaporized and scattered states are separated at the atomic / molecular level, but when the target is irradiated with a laser, particles of 1 to 5 μm are mixed depending on the target material. It evaporates and scatters in the state.

【0015】このことを示すために、図5において、数
種の物質をターゲットとしてレーザを照射し、基板に堆
積させたときの堆積表面の写真を示す。
In order to show this, FIG. 5 shows a photograph of the deposition surface when a laser is irradiated with several kinds of substances as targets to deposit them on the substrate.

【0016】図5(a),(b)は、それぞれタングス
テンおよび炭素の堆積表面の写真である。これらはいず
れも表面が平滑で、鏡面状態となっている。一方、図5
(c),(d)はアルミニウムおよびインジウムの堆積
表面の写真である。これらは、平滑な下地表面に粒状の
付着物が見られる。これは、蒸発時にターゲット物質が
原子・分子状に蒸発するだけでなく、1〜5μmの固形
物が同時に飛散していることを示している。
FIGS. 5A and 5B are photographs of deposited surfaces of tungsten and carbon, respectively. The surface of each of these is smooth and mirror-like. On the other hand, FIG.
(C) and (d) are photographs of deposited surfaces of aluminum and indium. In these, granular deposits are seen on the smooth surface of the base. This indicates that not only the target substance is vaporized in the form of atoms and molecules at the time of vaporization, but also solid substances of 1 to 5 μm are scattered at the same time.

【0017】さらに各種物質に対し同様の実験を行い、
その堆積表面を観察した結果を、図6に3段階に別けて
示す。評価は、堆積表面に付着物がなく鏡面状態を示す
ものについては○、小さな(最大2μm程度)付着物が
認められるものを△、大きな(最大4μm程度)付着物
が認められるものを×と表記する。図6に、前記各種物
質の融点も示す。
Further, the same experiment was conducted for various substances,
The result of observing the deposition surface is shown in FIG. 6 in three stages. In the evaluation, if there is no deposit on the deposition surface and it shows a mirror surface condition, it is indicated as ○, small (maximum about 2 μm) deposit is recognized as △, and large (maximum about 4 μm) deposit is recognized as x. To do. FIG. 6 also shows the melting points of the various substances.

【0018】この結果は、物質の性質により、蒸発,飛
散の状態がことなることを示している。すなわち、炭素
やヒ素などの昇華性物質および融点が2000℃以上の
物質は、鏡面状態の堆積表面を形成し、従って、原子・
分子状態で蒸発,飛散していることが判る。それ以外の
物質は、堆積表面に付着物の存在が認められ、従って固
形物が共存した状態で蒸発,飛散していることを示して
いる。従って、中・低融点物質に対しては、何らかの対
策が必要である。
The results show that the states of evaporation and scattering differ depending on the nature of the substance. That is, a sublimable substance such as carbon or arsenic and a substance having a melting point of 2000 ° C. or higher form a deposition surface in a mirror state, and accordingly, atoms and
It can be seen that it is evaporated and scattered in the molecular state. For the other substances, the presence of deposits was recognized on the deposition surface, and therefore, it is shown that solid substances are evaporated and scattered in the coexistence state. Therefore, it is necessary to take some measures for the medium and low melting point substances.

【0019】そこで、ガリウムに注目すると、ガリウム
は低融点にもかかわらず、堆積表面に付着物が認められ
ない。その理由として、ガリウムは融点が30℃と低い
ため、レーザー照射中にガリウムが完全に融解している
ことが考えられる。従ってターゲットを溶融状態とすれ
ば、固形物の発生を防ぐことができると予想される。そ
こで、アルミニウム、インジウムに対し、これらを溶融
状態としてレーザーを照射し、その堆積表面を観察し
た。その結果を図7に示す。図7(a),(a´)はそ
れぞれアルミニウムの固体ターゲットおよび溶融ターゲ
ットを用いた時の堆積表面の写真である。図7(b),
(b´)はインジウムの固体ターゲットおよび溶融ター
ゲットを用いた場合の堆積表面の写真である。これらの
写真から、固体ターゲットを用いたときの堆積表面に付
着物が認められた物質は、溶融状態にすれば堆積時の固
形物の発生を防止できることが確認された。
Therefore, focusing on gallium, although gallium has a low melting point, no deposit is observed on the deposition surface. The reason may be that gallium has a low melting point of 30 ° C., and therefore gallium is completely melted during laser irradiation. Therefore, if the target is in a molten state, it is expected that the generation of solid matter can be prevented. Therefore, aluminum and indium were irradiated with a laser in a molten state, and the deposition surface was observed. The result is shown in FIG. 7. 7 (a) and 7 (a ') are photographs of the deposition surface when using a solid aluminum target and a molten target, respectively. 7 (b),
(B ') is a photograph of the deposition surface when using a solid target of indium and a molten target. From these photographs, it was confirmed that the substances in which deposits were found on the deposition surface when the solid target was used could prevent the generation of solids during deposition if they were in a molten state.

【0020】本発明はこのような新規な知見に基づいて
完成されたものであり、レーザー照射を伴うMBE法に
おいて、特定の物質については溶融状態のターゲットを
用いる点に主たる特徴を有している。溶融状態のターゲ
ットは、融点ないし融点より高い温度に設定され、より
好ましくは融点よりも高くしかも蒸気圧が十分に低い状
態に設定される。融点より高い温度範囲としては、20
〜50℃が好ましい。
The present invention has been completed on the basis of such novel knowledge, and has a main feature in the MBE method involving laser irradiation in that a molten target is used for a specific substance. . The target in the molten state is set to a melting point or a temperature higher than the melting point, more preferably higher than the melting point and sufficiently lower in vapor pressure. The temperature range above the melting point is 20
-50 degreeC is preferable.

【0021】そして、このMBE法を実施する装置にお
いては、ターゲット原料を抵抗加熱あるいは電子ビーム
加熱などにより溶解する加熱手段と、ターゲット原料が
融解したか否かを検知するセンサ手段と、溶融されたタ
ーゲット原料の温度を一定に保持する温度制御手段とを
備える溶融ターゲット用蒸発源が必要となる。また、固
体ターゲットの状態で良好な蒸発,飛散が可能な物質に
ついては、前記溶融ターゲット用蒸発源とは別個に、蒸
発源を備えることができる。そして、前記溶融ターゲッ
トおよび固体ターゲットには、適宜光学手段を介してレ
ーザ光が同時にあるいは交互に照射され、制御された分
子線エピタキシャル成長が行われる。また、本発明の装
置においては、前記溶融ターゲット用蒸発源の他に、固
体ターゲットを蒸発させる固体ターゲット用蒸発源を備
えることができる。
In the apparatus for carrying out the MBE method, heating means for melting the target raw material by resistance heating or electron beam heating, a sensor means for detecting whether or not the target raw material is melted, and a molten material are used. An evaporation source for a molten target, which is provided with a temperature control means for keeping the temperature of the target material constant, is required. Further, for a substance capable of excellent evaporation and scattering in a solid target state, an evaporation source can be provided separately from the evaporation target evaporation source. Then, the molten target and the solid target are simultaneously or alternately irradiated with laser light through appropriate optical means to perform controlled molecular beam epitaxial growth. Further, the apparatus of the present invention can be provided with a solid target evaporation source that evaporates the solid target, in addition to the molten target evaporation source.

【0022】[0022]

【作用】本発明によれば、次のような作用効果がある。According to the present invention, there are the following operational effects.

【0023】(a)高真空度の維持 レーザー照射によってターゲットを蒸発させるため、従
来のKセルのような高温部を必要としないため、結晶成
長中においても真空容器内の真空度を極めて高く保持す
ることができる。また、溶融状態のターゲットは、融点
ないし融点より少し上の温度に設定されているので、タ
ーゲットの蒸気圧をかなり低くすることができ、Kセル
を用いたときより結晶成長時の圧力をさらに低くするこ
とができる。
(A) Maintaining a high degree of vacuum Since the target is vaporized by laser irradiation, a high temperature portion unlike the conventional K cell is not required, so that the degree of vacuum in the vacuum container is kept extremely high even during crystal growth. can do. In addition, since the melting target is set to a melting point or a temperature slightly higher than the melting point, the vapor pressure of the target can be made considerably low, and the pressure during crystal growth can be made lower than when using the K cell. can do.

【0024】(b)適用材料の拡大 蒸発手段としてレーザを用いることによりタングステン
などの高融点物質は勿論のこと、Kセルで分子線強度を
制御することが困難な物質(例えば炭素、あるいはヒ素
をドーパントとして使用する場合)もMBE法で使用す
ることが可能となる。そして、アルミニウム,インジウ
ムのような中・低融点物質に対しては、これらを溶融状
態にしてターゲットとして用いることにより、レーザ照
射による原子・分子状態の蒸発が可能となる。このよう
に、従来のMBE法を適用できる物質のみならず高融点
物質、Kセルで分子線強度を制御することが困難な炭
素,ヒ素、あるいはその他の昇華性物質など、その適用
範囲を大幅に拡大することができる。
(B) Expansion of applicable materials Not only refractory substances such as tungsten but also substances (for example, carbon or arsenic) for which it is difficult to control the molecular beam intensity by the K cell by using a laser as evaporation means are used. (When used as a dopant) can also be used in the MBE method. Then, for medium and low melting point substances such as aluminum and indium, by using these as a target in a molten state, it is possible to vaporize the atomic and molecular states by laser irradiation. As described above, not only the substances to which the conventional MBE method can be applied, but also the high melting point substances, carbon, arsenic, or other sublimable substances whose molecular beam intensity is difficult to control by the K cell are widely applied. Can be expanded.

【0025】(c)成長温度の低減 結晶成長温度を規定する大きな要素として、元素の表面
拡散現象がある。従来のMBE法では、基板温度を高温
にすることによりその表面拡散を促進し、それによって
良好な結晶を得ている。したがって、基板を加熱する以
外の方法で表面拡散を促進することができれば、結晶成
長温度を低減できることになる。本発明においては、レ
ーザ照射によってターゲットを蒸発させているため、蒸
発した物質は1〜15eVの高いエネルギーをもって基
板に到達することになる。このエネルギー状態は、Kセ
ルから蒸発した物質が持つエネルギーの1〜2桁高いも
のである。そして、基板に到達した蒸発物質は、その表
面と衝突してエネルギーを放出することにより表面を局
部的に加熱することとなり、表面拡散が促進される。し
たがって、基板温度を従来のMBE法に比べて低くして
も良好な結晶性を有する堆積層を成長させることができ
る。
(C) Reduction of growth temperature A major factor that regulates the crystal growth temperature is the surface diffusion phenomenon of elements. In the conventional MBE method, the surface diffusion is promoted by raising the substrate temperature to obtain a good crystal. Therefore, if the surface diffusion can be promoted by a method other than heating the substrate, the crystal growth temperature can be reduced. In the present invention, since the target is evaporated by laser irradiation, the evaporated substance reaches the substrate with high energy of 1 to 15 eV. This energy state is one to two orders of magnitude higher than the energy of the substance evaporated from the K cell. Then, the vaporized substance that has reached the substrate collides with the surface and releases energy, thereby locally heating the surface, and the surface diffusion is promoted. Therefore, even if the substrate temperature is lowered as compared with the conventional MBE method, the deposited layer having good crystallinity can be grown.

【0026】[0026]

【実施例】図1は、本願発明が適用されるMBE装置の
一例を示す概略構成図である。
1 is a schematic configuration diagram showing an example of an MBE apparatus to which the present invention is applied.

【0027】このMBE装置は、真空容器20とレーザ
発信部10とを備えている。
This MBE apparatus comprises a vacuum container 20 and a laser emitting section 10.

【0028】前記真空容器20は、一方側にサセプタ2
1が配置され、他方側に溶融ターゲット用蒸発源30お
よび固体ターゲット用蒸発源40が配置されている。こ
れら溶融ターゲット用蒸発源30および固体ターゲット
用蒸発源40は、それぞれほぼ筒状体からなり、上部の
真空フランジ35,45によって前記真空容器の本体に
着脱可能に形成されている。また、前記真空容器20
は、真空ポンプ23によって内部を高真空状態とするこ
とができる。
The vacuum container 20 has a susceptor 2 on one side.
1 is arranged, and the evaporation source 30 for the melting target and the evaporation source 40 for the solid target are arranged on the other side. The melting target evaporation source 30 and the solid target evaporation source 40 are each formed of a substantially cylindrical body, and are detachably formed on the main body of the vacuum container by upper vacuum flanges 35 and 45. In addition, the vacuum container 20
Can be brought to a high vacuum state by the vacuum pump 23.

【0029】前記サセプタ21は、その内部にヒータが
設けられ図示しないコントローラによって一定温度に制
御される。このサセプタ21上には基板22が載置され
ている。
The susceptor 21 is provided with a heater inside and is controlled to a constant temperature by a controller (not shown). A substrate 22 is placed on the susceptor 21.

【0030】前記溶融ターゲット用蒸発源30は、図2
に拡大して示すように、底部にターゲットを溶融した状
態で収納するるつぼ32を備えている。このるつぼ32
は、加熱電源52、加熱源51によって加熱される。加
熱源51としては、抵抗加熱あるいは電子ビーム加熱が
用いられる(図示例の場合は抵抗加熱)。また、溶融タ
ーゲット36は、温度計53およびコントローラ54に
よって所定の温度範囲に設定される。
The evaporation source 30 for the melting target is shown in FIG.
As shown in the enlarged view of FIG. 1, a crucible 32 for accommodating the target in a molten state is provided at the bottom. This crucible 32
Is heated by the heating power source 52 and the heating source 51. Resistance heating or electron beam heating is used as the heating source 51 (resistance heating in the illustrated example). Further, the melting target 36 is set in a predetermined temperature range by the thermometer 53 and the controller 54.

【0031】また、溶融ターゲット用蒸発源30の側部
には、前記レーザ発信部10に対向する位置にレーザ用
窓31が形成され、このレーザ用窓31反対側の側部に
はレーザ発信部10から発信されたレーザビームを前記
るつぼ32に向けて照射する凹面鏡33が設けられてい
る。この凹面鏡33は、凹面鏡駆動装置34によってレ
ーザビームが溶融ターゲット36上を走査するよう駆動
される。このようにレーザビームを走査することによ
り、大きな面積のターゲットが使用できるため、蒸発物
質の飛散範囲を拡げることができる。その結果、前記基
板22(図1参照)上の堆積層の膜厚の均一性を向上さ
せるとともに、大きな面積の基板を使用することができ
る。
Further, a laser window 31 is formed on a side portion of the evaporation source 30 for the melting target at a position facing the laser emitting portion 10, and a laser emitting portion is provided on a side portion opposite to the laser window 31. A concave mirror 33 is provided which irradiates the crucible 32 with a laser beam emitted from the laser beam 10. The concave mirror 33 is driven by a concave mirror driving device 34 so that the laser beam scans the molten target 36. By scanning the laser beam in this manner, a target having a large area can be used, so that the scattering range of the evaporated substance can be expanded. As a result, it is possible to improve the uniformity of the film thickness of the deposited layer on the substrate 22 (see FIG. 1) and use a substrate having a large area.

【0032】次に、溶融ターゲット36の温度制御につ
いて説明する。
Next, the temperature control of the melting target 36 will be described.

【0033】ターゲットの融解を確認する手段として
は、例えばターゲット原料の温度上昇の割合の変化をモ
ニタする方法がある。図3は、インジウムを一定のパワ
ーで加熱したときの温度変化を示している。すなわち、
横軸に加熱時間、縦軸に温度を示している。図3から明
らかなように、ターゲットの温度はインジウムの融点
(157℃)に達するまではほぼ一定の割合で上昇し、
融点に達すると、融解熱を奪われるため、原料全部が融
解するまで一定の温度となり、原料の全部が融解した後
にふたたび温度が上昇する。したがって、ターゲットの
温度上昇が止まり、ふたたび上昇する時点を、温度計5
3およびコントローラ54を用いてモニタすることによ
り、全原料が融解したかどうかを知ることができる。
As a means for confirming the melting of the target, for example, there is a method of monitoring the change in the rate of temperature rise of the target raw material. FIG. 3 shows a temperature change when indium is heated with a constant power. That is,
The horizontal axis shows the heating time and the vertical axis shows the temperature. As is clear from FIG. 3, the temperature of the target rises at a substantially constant rate until it reaches the melting point of indium (157 ° C.),
When the melting point is reached, the heat of fusion is taken away, so the temperature becomes constant until the entire raw material melts, and the temperature rises again after the entire raw material melts. Therefore, when the temperature rise of the target stops and the temperature rises again, the thermometer 5
By monitoring with 3 and the controller 54, it is possible to know whether or not all the raw materials are melted.

【0034】本実施例においては、溶融ターゲット36
の温度は、ターゲットの種類によっても異なるが、ター
ゲット物質の融点より高くしかも蒸気圧が十分低くなる
ように制御され、たとえば融点より20〜50℃高い温
度に設定される。
In this embodiment, the melting target 36
The temperature of is different depending on the type of the target, but is controlled so as to be higher than the melting point of the target material and to have a sufficiently low vapor pressure, and is set to, for example, 20 to 50 ° C. higher than the melting point.

【0035】前記固体ターゲット用蒸発源40は、図4
に拡大して示すように、底部に回転式ターゲットホルダ
42が設けられている。このターゲットホルダ42は,
モータ部46によって間欠的に回転駆動される。ターゲ
ットホルダ42上には、複数の固体ターゲット46が離
れて載置され、ターゲットホルダ42を所定回転角だけ
回転させることにより、必要な固体ターゲット46がレ
ーザビームの集光位置に設置されるように構成されてい
る。
The solid target evaporation source 40 is shown in FIG.
As shown in enlarged form, a rotary target holder 42 is provided on the bottom. This target holder 42 is
It is rotationally driven intermittently by the motor unit 46. A plurality of solid targets 46 are placed apart from each other on the target holder 42, and by rotating the target holder 42 by a predetermined rotation angle, the necessary solid targets 46 are installed at the laser beam focusing position. It is configured.

【0036】前記レーザ発信部10とレーザ用窓31と
の間には、レーザビームの光路上にレーザ用光学系11
が設置され、このレーザ用光学系11と前記固体ターゲ
ット用蒸発源40のレーザ用窓41との間には、複数
(本実施例では3個)の反射鏡12が設置されている。
前記レーザ用光学系11は、半透明鏡あるいはモータ1
3で光路に対して進退可能な可動鏡で構成され、レーザ
ビームをターゲット36,46に同時に導くか、あるい
はターゲット36,46に交互に導く機能を有する。
A laser optical system 11 is provided on the optical path of the laser beam between the laser transmission unit 10 and the laser window 31.
A plurality of (three in this embodiment) reflecting mirrors 12 are installed between the laser optical system 11 and the laser window 41 of the solid target evaporation source 40.
The laser optical system 11 is a semitransparent mirror or a motor 1.
3 is composed of a movable mirror which can advance and retreat with respect to the optical path, and has a function of simultaneously guiding the laser beams to the targets 36 and 46 or alternately to the targets 36 and 46.

【0037】次に、本実施例の装置の作動について説明
する。
Next, the operation of the apparatus of this embodiment will be described.

【0038】まず、結晶成長させようとする物質に合わ
せ、単数あるいは複数のターゲットを選択する。その
際、レーザ照射を行ったときに堆積面に粒子状の付着物
を発生するか否かを予め調べておき、付着物が発生しな
いターゲットについては固体ターゲット用蒸発源40に
セットし、付着物が発生するターゲットについては溶融
ターゲット用蒸発源30にセットする。
First, a single target or a plurality of targets are selected according to the substance to be crystal-grown. At that time, it is checked in advance whether or not a particulate adhered matter is generated on the deposition surface when laser irradiation is performed, and a target in which the adhered matter is not generated is set in the solid target evaporation source 40 and the adhered matter is set. The target for which is generated is set in the evaporation source 30 for the molten target.

【0039】ついで、真空ポンプ23を駆動させ、真空
容器20内を超高真空(10-8Pa以下)まで減圧す
る。そして、サセプタ21に、結晶堆積膜を成長させる
基板22をセットし、この基板22を所定温度に加熱
し、保持する。この状態でレーザ発信部10を駆動さ
せ、レーザビームを出力すると、レーザビームは光学系
11によって各蒸発源30,40に配分され、溶融ター
ゲット36および固体ターゲット46に向けて照射され
る。この照射によってターゲット成分が蒸発し、基板2
2においてエピタキシャル成長が行われる。
Next, the vacuum pump 23 is driven to reduce the pressure in the vacuum container 20 to an ultrahigh vacuum (10 -8 Pa or less). Then, the substrate 22 for growing the crystal deposition film is set on the susceptor 21, and the substrate 22 is heated to a predetermined temperature and held. When the laser emitting unit 10 is driven in this state and a laser beam is output, the laser beam is distributed to the evaporation sources 30 and 40 by the optical system 11 and irradiated toward the melting target 36 and the solid target 46. The target component is evaporated by this irradiation, and the substrate 2
At 2, epitaxial growth is performed.

【0040】光学系11は、例えば2元化合物を結晶さ
せるとき、同時に各元素を供給したい場合には、半透明
鏡あるいはビーム断面を2分する構成がとられる。ま
た、原料を交互に供給したい場合には、モータ13を駆
動することによって鏡を移動させ、レーザビームを蒸発
源30あるいは40に交互に供給する。本実施例には図
示されていないが、さらに多元の化合物を成長させたい
場合には、複数の鏡の組み合わせ、あるいは複数のレー
ザを使用することによってそれぞれの蒸発源にレーザ光
を供給することができる。
The optical system 11 has a structure in which a semitransparent mirror or a beam cross section is divided into two parts when it is desired to supply each element at the same time when a binary compound is crystallized. Further, when it is desired to supply the raw materials alternately, the motor 13 is driven to move the mirror and alternately supply the laser beam to the evaporation source 30 or 40. Although not shown in the present embodiment, when it is desired to grow a compound of multiple elements, a laser beam can be supplied to each evaporation source by using a combination of a plurality of mirrors or a plurality of lasers. it can.

【0041】次に、本発明の実験例について説明する。
この実験例においては、化合物半導体のヒ化ガリウムの
エピタキシャル成長を行わせた。MBE装置としては、
図1に示したものを使用し、ターゲット原料としては、
ガリウムとヒ素の2種類を用いた。ガリウムは低融点金
属であるので、抵抗加熱を備えた溶融ターゲット用蒸発
源30にセットされ、ヒ素は昇華性物質であるので、固
体ターゲット用蒸発源40にセットされた。また、レー
ザ発信部10としては、ArFエキシマレーザが使用さ
れた。エキシマレーザのパルス幅およびピーク出力は、
それぞれ10n秒,200MWであり、レーザ光は光学
系11に使用された鏡を光路中に出し入れすることによ
り、各蒸発源30および40に交互に導入された。そし
て、レーザ用窓31,41から入射したレーザ光は焦点
距離200mmの凹面鏡でターゲット上に集光される。
レーザ光は、ガリウムおよびヒ素に対するパルス数が
1:2となる割合で照射された。
Next, an experimental example of the present invention will be described.
In this experimental example, a compound semiconductor, gallium arsenide, was epitaxially grown. As an MBE device,
Using the one shown in FIG. 1, as the target raw material,
Two types of gallium and arsenic were used. Since gallium is a low melting point metal, it was set in the evaporation source 30 for melting targets equipped with resistance heating, and arsenic was set in the evaporation source 40 for solid targets because it was a sublimable substance. An ArF excimer laser was used as the laser emitting unit 10. The pulse width and peak power of the excimer laser are
The laser light was 10 nsec and 200 MW, respectively, and the laser light was alternately introduced into the evaporation sources 30 and 40 by moving the mirror used in the optical system 11 in and out of the optical path. Then, the laser light incident from the laser windows 31 and 41 is focused on the target by a concave mirror having a focal length of 200 mm.
The laser light was applied at a ratio that the pulse number for gallium and arsenic was 1: 2.

【0042】一方、真空容器20は1×10-7Paに減
圧され、基板22としては単結晶のヒ化ガリウムが用い
られ、この基板22はサセプタ21上にセットされ、ヒ
ータで200℃〜400℃の間に設定された。
On the other hand, the vacuum container 20 is decompressed to 1 × 10 −7 Pa, a single crystal gallium arsenide is used as the substrate 22, the substrate 22 is set on the susceptor 21, and the heater is used at 200 ° C. to 400 ° C. Was set between ° C.

【0043】図8(a)に、基板温度300℃でエピタ
キシャル成長させたヒ化ガリウムの表面の写真を示す。
また、比較のために、図8(b)に同じ基板温度300
℃で固体のヒ化ガリウムをターゲットとしてエピタキシ
ャル成長させた表面の写真を示す。これらの写真を比較
すると、ガリウムを溶融させた状態でターゲットとして
用いた堆積表面は鏡面状態であり、これに対し固体ヒ化
ガリウムをターゲットとして用いた場合の表面は多数の
粒子状付着物が認められ、このことから本発明の方法が
有効であることが確認された。また、従来のMBE法で
は、ヒ化ガリウムをエピタキシャル成長する場合には、
その成長温度を500〜700℃とする必要があった
が、本願発明では200〜400℃の成長温度でエピタ
キシャル成長が可能であることから、本発明の方法が成
長温度の低減化を達成できることも確認された。
FIG. 8 (a) shows a photograph of the surface of gallium arsenide epitaxially grown at a substrate temperature of 300.degree.
For comparison, the same substrate temperature 300 is shown in FIG.
The photograph of the surface which carried out the epitaxial growth of the solid gallium arsenide as a target at ℃ is shown. Comparing these photographs, the deposited surface used as a target in the molten state of gallium is a mirror surface state, whereas a large number of particulate deposits are observed on the surface when solid gallium arsenide is used as a target. From this, it was confirmed that the method of the present invention is effective. Further, in the conventional MBE method, when gallium arsenide is epitaxially grown,
Although it was necessary to set the growth temperature to 500 to 700 ° C., it is also confirmed that the method of the present invention can achieve the reduction of the growth temperature because the present invention allows epitaxial growth at the growth temperature of 200 to 400 ° C. Was done.

【0044】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の
要旨の範囲内で種々の改変が可能である。例えば、前記
実施例では、化合物を結晶成長させる際に、各構成元素
を単独でターゲットとして用いているが、化合物そのも
のをターゲットとして用いることも可能である。ただ
し、蒸発の際に固形物の発生をともなう物質の場合に
は、ターゲットを溶融状態とすることが必要である。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in the above-mentioned examples, each constituent element is used alone as a target when growing a compound crystal, but the compound itself may be used as a target. However, in the case of a substance that accompanies the generation of solid matter during evaporation, it is necessary to bring the target into a molten state.

【0045】また、前記実施例においては、溶融ターゲ
ット用蒸発源30において単一のるつぼ32を用いた
が、溶融ターゲットが複数ある場合には、その数に応じ
た複数のるつぼを設置することができる。この場合、固
体ターゲット用蒸発源40と同様に回転式ターゲットホ
ルダなどを用いてるつぼを移動可能とすることもでき
る。
Further, in the above embodiment, the single crucible 32 is used in the evaporation source 30 for the melting target. However, when there are a plurality of melting targets, a plurality of crucibles corresponding to the number may be installed. it can. In this case, the crucible using a rotary target holder or the like can be made movable as in the solid target evaporation source 40.

【0046】また、本発明は、化合物だけでなく元素半
導体、例えばシリコンなどの成長にも適用することがで
きる。ただし、シリコンは融点が1412℃と高いた
め、ターゲットの融解手段として電子ビーム加熱が有効
である。さらに、ターゲットとしてシリコンおよびヒ素
を用い、シリコンの蒸発とともに必要なタイミングでヒ
素の蒸発源にレーザ照射を行うことにより、シリコン結
晶にヒ素のドーピングを行うことができる。そして、レ
ーザ発信のON,OFF操作でターゲットの供給を制御
できるため、極めて急峻な界面を有するドーピング、例
えばデルタドープのようなドーピングも可能である。
The present invention can be applied not only to the growth of compounds but also to the growth of elemental semiconductors such as silicon. However, since the melting point of silicon is as high as 1412 ° C., electron beam heating is effective as a means for melting the target. Further, silicon and arsenic are used as targets, and the silicon crystal is doped with arsenic by irradiating the arsenic evaporation source with laser at a necessary timing as the silicon is evaporated. Further, since the supply of the target can be controlled by the ON / OFF operation of the laser emission, doping having an extremely steep interface, for example, doping such as delta doping is also possible.

【0047】さらに、Kセルと本発明の方法を組み合わ
せることも可能であり、また結晶成長以外の薄膜形成、
例えば半導体デバイスの電極形成,反射鏡の反斜面の形
成,各種保護膜の形成などに適用することもできる。
Furthermore, it is possible to combine the method of the present invention with the K cell, and thin film formation other than crystal growth,
For example, it can be applied to formation of electrodes of semiconductor devices, formation of anti-slopes of reflecting mirrors, formation of various protective films and the like.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明によれば、超高真空度の状態で成
長温度を低減化させ、さらに適用可能な元素の多様化を
達成することができるMBE法およびこれを用いた装置
を提供することができる。
According to the present invention, there is provided an MBE method capable of reducing the growth temperature in an ultra-high vacuum state and further achieving diversification of applicable elements, and an apparatus using the MBE method. be able to.

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

【図1】本発明を適用したMBE装置の一例を示す概略
構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an MBE device to which the present invention is applied.

【図2】図1に示すMBE装置の溶融ターゲット用蒸発
源を示す概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a melting target evaporation source of the MBE apparatus shown in FIG.

【図3】インジウムを加熱したときの温度上昇の状態を
示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state of temperature rise when indium is heated.

【図4】図1に示すMBE装置の固体ターゲット用蒸発
源を示す概略構成図である。
4 is a schematic configuration diagram showing a solid target evaporation source of the MBE apparatus shown in FIG. 1. FIG.

【図5】各種ターゲットにレーザを照射し、基板に堆積
された薄膜表面の顕微鏡写真であり、(a)はタングス
テン、(b)は炭素、(c)はアルミニウムおよび
(d)はインジウムの場合を示す。
FIG. 5 is a photomicrograph of the surface of a thin film deposited on a substrate by irradiating various targets with a laser, where (a) is tungsten, (b) is carbon, (c) is aluminum, and (d) is indium. Indicates.

【図6】図5に挙げたターゲット以外の各種ターゲット
について、堆積表面の状態および融点を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a state of a deposition surface and melting points of various targets other than the targets listed in FIG.

【図7】アルミニウムおよびインジウムについて、固体
並びに溶融状態のターゲットを用いた場合の表面の顕微
鏡写真であり、(a)は固体アルミニウム、(a´)は
溶融アルミニウム、(b)は固体インジウム、および
(b´)は溶融インジウムの場合を示す。
FIG. 7 is a micrograph of a surface of aluminum and indium using a target in a solid state and a molten state, (a) is solid aluminum, (a ′) is molten aluminum, (b) is solid indium, and (B ') shows the case of molten indium.

【図8】(a)は溶融ガリウムと固体ヒ素をターゲット
としたヒ化ガリウムの表面の顕微鏡写真であり、(b)
は固体ヒ化ガリウムをターゲットとしたヒ化ガリウムの
表面の顕微鏡写真である。
FIG. 8A is a micrograph of the surface of gallium arsenide targeting molten gallium and solid arsenic, and FIG.
FIG. 4 is a micrograph of the surface of gallium arsenide targeting solid gallium arsenide.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 レーザ発信部 20 真空容器 21 サセプタ 22 基板 30 溶融ターゲット用蒸発源 36 溶融ターゲット 40 固体ターゲット用蒸発源 46 固体ターゲット 10 Laser Transmitting Section 20 Vacuum Container 21 Susceptor 22 Substrate 30 Evaporation Source for Melting Target 36 Melting Target 40 Evaporation Source for Solid Target 46 Solid Target

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超高真空中で原料を蒸発させ、加熱した
基板上に結晶成長させる分子線エピタキシャル成長法に
おいて、 ターゲットとして、融点ないし融点より高い温度に設定
された溶融状態の原料を含み、このターゲットにレーザ
光を照射して前記原料を原子・分子状態で蒸発させ、基
板上に結晶成長させることを特徴とする分子線エピタキ
シャル成長法。
1. A molecular beam epitaxial growth method of evaporating a raw material in an ultrahigh vacuum and growing a crystal on a heated substrate, the raw material being in a molten state set at a melting point or a temperature higher than the melting point as a target. A molecular beam epitaxial growth method characterized in that a target is irradiated with laser light to evaporate the raw material in an atomic / molecular state, and crystal is grown on a substrate.
【請求項2】 超高真空中で原料を蒸発させ、加熱した
基板上に結晶成長させる分子線エピタキシャル成長装置
において、 ターゲット原料を溶融する加熱手段、ターゲット原料の
融解を検知するセンサ手段、および溶融されたターゲッ
ト原料の温度を一定に保持する温度制御手段を含む溶融
ターゲット用蒸発源と、 レーザ光を出射するレーザ発信手段と、 出射されたレーザ光をターゲットに導く光学手段と、 を含むことを特徴とする分子線エピタキシャル成長装
置。
2. A molecular beam epitaxial growth apparatus for evaporating a raw material in an ultrahigh vacuum to grow a crystal on a heated substrate, a heating means for melting the target raw material, a sensor means for detecting melting of the target raw material, and a melted target material. And an evaporation source for melting the target, which includes a temperature control means for keeping the temperature of the target material constant, a laser emitting means for emitting a laser beam, and an optical means for guiding the emitted laser beam to the target. Molecular beam epitaxial growth equipment.
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