JPH0722133B2 - Vapor phase growth equipment - Google Patents

Vapor phase growth equipment

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JPH0722133B2
JPH0722133B2 JP3110186A JP3110186A JPH0722133B2 JP H0722133 B2 JPH0722133 B2 JP H0722133B2 JP 3110186 A JP3110186 A JP 3110186A JP 3110186 A JP3110186 A JP 3110186A JP H0722133 B2 JPH0722133 B2 JP H0722133B2
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growth
light
substrate
film
thin film
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弘治 河合
俊治 今永
伊知郎 長谷
邦雄 金子
尚三 渡部
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気相成長装置に関するものであって、MOCVD(M
etalorganic Chemical Vapor Deposition)装置に適用
して最適なものである。
The present invention relates to a vapor phase growth apparatus, and MOCVD (M
It is the most suitable to be applied to the etalorganic chemical vapor deposition equipment.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明は、光源と、吸収係数の異なる膜が成長される基
板が内部に保持されると共に上記光源からの光を通す窓
部を有する反応管と、上記光源から出射される光の少な
くとも振幅の量を検出すると共に上記基板上に成長され
る膜の表面および界面での多重反射による反射光強度の
少なくとも振幅の量を検出するデータ収集部と、上記デ
ータ収集部において上記振幅の減衰により得られた膜の
成長速度および組成の少なくとも一方の情報をもとに成
長条件を所望の値に制御しかつ上記基板上の膜の成長に
帰還する成長制御部とを有することによって、膜の成長
速度及び/又は組成を容易にしかも確実に制御すること
ができるようにしたものである。
The present invention provides a light source, a reaction tube having a window through which light from the light source passes and a substrate on which a film having a different absorption coefficient is grown, and at least an amplitude of light emitted from the light source. A data collecting section for detecting the quantity and detecting at least the quantity of the amplitude of the reflected light intensity due to the multiple reflections on the surface and interface of the film grown on the substrate; and The growth rate and the composition of the film are controlled by controlling the growth condition to a desired value based on the information of at least one of the growth rate and the composition of the film and returning to the growth of the film on the substrate. And / or the composition can be controlled easily and surely.

〔従来の技術〕 近年、高性能の半導体素子を作製するためには、エピタ
キシャル成長技術が重要な技術となっている。特にAlGa
As系素子、すなわちレーザーダイオード、高電子移動度
電界効果トランジスタ(HEMT)、ヘテロ接合バイポーラ
トランジスタ(HBT)等のヘテロ接合を利用した素子
は、エピタキシャル成長技術なしには作製し得ない。
[Prior Art] In recent years, an epitaxial growth technique has become an important technique for producing a high-performance semiconductor element. Especially AlGa
As-based devices, that is, devices using heterojunctions such as laser diodes, high electron mobility field effect transistors (HEMTs), and heterojunction bipolar transistors (HBTs) cannot be manufactured without epitaxial growth technology.

このエピタキシャル成長を行う場合には、成長時に成長
層の組成、成長速度等の成長パラメータをその場でモニ
ター(in−situ monitoring)することが本来好ましい
が、シリコンのエピタキシャル成長装置を含めて、従来
のエピタキシャル成長装置では、成長パラメータのその
場でのモニターは困難である。このため、実用装置では
成長パサラメータのその場でのモニターは行われていな
いのが現状である。
In the case of performing this epitaxial growth, it is essentially preferable to monitor the growth parameters such as the composition of the growth layer and the growth rate at the time of growth (in-situ monitoring). In-situ monitoring of growth parameters is difficult with the device. For this reason, the actual situation is that the practical equipment does not monitor the growth parameter on the spot.

近年、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法によるAlGaAs
のエピタキシャル成長を反射高速電子線回析(RHEED)
法によりその場観察する方法が、成長層の表面観察また
は成長装置へのフィードバック法として提案されてい
る。しかしながら、この方法は実用性に乏しいと考えら
れる。なぜならば、MBE法では分子線束の空間分布はMBE
固有の高い異方性を有するため、基板の回転なしには成
長の面内均一性が得られず、従って基板の回転が必要で
あるが、この回転によって基板が振動したり揺動したり
するため、電子線を低角度(度数)で入射させるRHEED
法による観察は極めて困難となるからである。
Recently, AlGaAs by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method
High-speed electron beam diffraction (RHEED)
A method for in-situ observation by the method has been proposed as a method for observing the surface of a growth layer or a feedback method to a growth apparatus. However, this method is considered to have poor practicality. This is because in the MBE method, the spatial distribution of molecular beam flux is MBE.
Due to its inherently high anisotropy, in-plane uniformity of growth cannot be obtained without rotation of the substrate, and therefore rotation of the substrate is necessary, but this rotation causes the substrate to vibrate or swing. Therefore, RHEED that makes the electron beam incident at a low angle (frequency)
This is because the observation by the method becomes extremely difficult.

一方、J.Appl.Phys.51(3),pp.1599−1602(1980年3
月)において、MOCVD法によるGaAlAs−GaAs超格子のエ
ピタキシャル成長時にエリプソメトリ(偏光解析)法に
より成長のその場観察を行う方法が提案されている。こ
のエリプソメトリ法は、成長層の表面に固定された低角
度から偏光を入射させ、その反射光の位相情報から成長
層の膜厚及び屈折率の情報を得るものである。この方法
はかなり有効な方法であるが、入射光の窓と出射光の
窓とが必要であるため成長装置の構造上大きな制限が加
わる、入射光の入射角度を厳密に設定する必要がある
が、試料は加熱台にセットされているので全体のアライ
ンメント及び角度の調整が面倒である、低角度入射で
あるため入射光は成長ガス中を長距離通過するので、ガ
スによる擾乱に起因する雑音の侵入が大きい、試料の
僅かな位置変化または振動が測定に致命的な影響を与え
る、測定データは位相情報として得られるので、それ
を成長パラメータとして抽出するために計算機と連動さ
せる必要がある、という種々の欠点がある。
On the other hand, J.Appl.Phys.51 (3), pp.1599-1602 (1980 3
(Moon) proposed a method for in-situ observation of growth by ellipsometry (polarization analysis) during epitaxial growth of GaAlAs-GaAs superlattice by MOCVD method. In this ellipsometry method, polarized light is incident on the surface of the growth layer from a fixed low angle, and information on the film thickness and the refractive index of the growth layer is obtained from the phase information of the reflected light. This method is quite effective, but it requires a window for the incident light and a window for the emitted light, which greatly limits the structure of the growth apparatus. It is necessary to set the incident angle of the incident light strictly. Since the sample is set on the heating table, it is troublesome to adjust the overall alignment and angle.Since the incident light passes through the growth gas for a long distance due to the low-angle incidence, the noise caused by the gas disturbance is It is said that penetration is large, a slight position change or vibration of the sample has a fatal effect on the measurement, and the measurement data is obtained as phase information, so it is necessary to link it with a computer to extract it as a growth parameter. There are various drawbacks.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

本発明は、従来技術が有する上述のような種々の欠点を
是正した極めて新規かつ有効な気相成長装置を提供する
ことを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a very new and effective vapor phase growth apparatus in which the above-mentioned various drawbacks of the prior art are corrected.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

まず本発明の基本原理につき説明する。 First, the basic principle of the present invention will be described.

第2図に示すように、基板1上に厚さdの薄膜2が積層
され、これがガス相3中に置かれているとする。今この
薄膜2に波長λの光4を垂直入射させると、この薄膜2
と基板1との境界面及びガス相3と薄膜2との境界面で
のフレネルの反射係数はそれぞれ次の式及び式で表
される。
As shown in FIG. 2, it is assumed that a thin film 2 having a thickness d is laminated on a substrate 1 and placed in a gas phase 3. Now when light 4 of wavelength λ is vertically incident on this thin film 2, this thin film 2
The Fresnel reflection coefficient at the interface between the substrate 1 and the substrate 1 and at the interface between the gas phase 3 and the thin film 2 are represented by the following equations and equations, respectively.

ここで、 は物質jの複素屈折率であり、 で表される。ただし、njは の実部、kj=(4π/λ)αj(αj:物質jの吸収係
数)である。
here, Is the complex index of the material j, It is represented by. However, nj is Is the real part of kj = (4π / λ) αj (αj: absorption coefficient of substance j).

多重反射を考慮した合成反射係数Rは、 で表される。ここで、 である。測定される反射強度は|R|2である。式及び
式より、反射強度はdの増加に対して周期的に変化する
ことがわかる。そして式及び式より、m=0,1,2,…
…とすると、 となることがわかる。一例として基板1がGaAs、薄膜2
がAlxGa1-xAs(x=0.57)である場合に式を計算した
結果を第3図に示す。ただし、計算にはn=4.11,α
=81800cm-1,n=3.66,α=24200cm-1,n3=1,α=0を
用いた。この第3図に示すように、垂直入射でdの増加
すなわち成長に伴う反射光の強度の振動が観測されれ
ば、それから薄膜2のn2、従って薄膜2の組成を求める
ことができることがわかる。
The synthetic reflection coefficient R considering multiple reflection is It is represented by. here, Is. The measured reflection intensity is | R | 2 . From the equations and equations, it can be seen that the reflection intensity changes periodically with an increase in d. And from the formula and the formula, m = 0,1,2, ...
... It turns out that As an example, the substrate 1 is GaAs and the thin film 2
FIG. 3 shows the result of calculation of the formula in the case where is AlxGa 1- xAs (x = 0.57). However, n = 4.11, α 1 for calculation
= 81800 cm -1 , n = 3.66, α = 24200 cm -1 , n 3 = 1 and α 3 = 0 were used. As shown in FIG. 3, if an increase in d at normal incidence, that is, an oscillation of the intensity of reflected light accompanying growth, is observed, then n 2 of the thin film 2, and thus the composition of the thin film 2, can be determined. .

本発明は上述のような原理に基づいて案出されたもので
ある。すなわち本発明に係る気相成長装置は、光源と、
吸収係数の異なる膜(例えば化合物半導体薄膜2)が成
長される基板が内部に保持されると共に上記光源からの
光(例えばHe−Neレーザー光4)を通す窓部を有する反
応管と、上記光源から出射される光の少なくとも振幅の
量を検出すると共に上記基板上に成長される膜の表面お
よび界面での多重反射による反射光強度の少なくとも振
幅の量を検出するデータ収集部と、上記データ収集部に
おいて上記振幅の減衰により得られた膜の成長速度およ
び組成の少なくとも一方の情報をもとに成長条件(例え
ば成長ガスの流量)を所望の値に制御しかつ上記基板上
の膜の成長に帰還する成長制御部とを有している。
The present invention has been devised based on the principle as described above. That is, the vapor phase growth apparatus according to the present invention, a light source,
A substrate on which a film having a different absorption coefficient (for example, compound semiconductor thin film 2) is grown is held inside, and a reaction tube having a window portion for passing light from the light source (for example, He-Ne laser light 4), and the light source. A data collecting unit for detecting at least the amount of amplitude of light emitted from the device and for detecting at least the amount of amplitude of reflected light intensity due to multiple reflection at the surface and interface of the film grown on the substrate; The growth condition (for example, the flow rate of the growth gas) is controlled to a desired value on the basis of the information on at least one of the growth rate and the composition of the film obtained by the attenuation of the amplitude at And a growth control unit for returning.

〔作 用〕[Work]

このように構成することによって、成長パラメータを成
長中にその場で容易にモニターすることが可能となり、
それによって得られるデータを成長装置に帰還させて成
長条件を制御することが可能になる。
With this configuration, it becomes possible to easily monitor the growth parameters on the spot during growth,
The data obtained thereby can be fed back to the growth apparatus to control the growth conditions.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明をMOCVD装置に適用した実施例につき図面を
参照しながら説明する。
An embodiment in which the present invention is applied to a MOCVD apparatus will be described below with reference to the drawings.

まず本発明の第1実施例につき説明する。First, a first embodiment of the present invention will be described.

第1図に示すように、第1実施例によるMOCVD装置にお
いては、源圧可能な石英反応管5内に設けられた例えば
カーボン製のサセプタ6の傾斜した上面に基板1が載置
されている。またこの石英反応管5内には、サセプタ6
の上流側にこのサセプタ6と同一高さの台7が設けられ
ていて、成長ガス(または反応ガス)が石英反応管5内
を円滑に流れるようになっている。そして、石英反応管
5の外周に設けられたRFコイル8により基板1を所定温
度に加熱した状態で石英反応管5に矢印Aで示すように
成長ガスを流すことにより、基板1上に薄膜(図示せ
ず)を成長させるようになっている。
As shown in FIG. 1, in the MOCVD apparatus according to the first embodiment, the substrate 1 is placed on the inclined upper surface of a susceptor 6 made of carbon, for example, provided in a quartz reaction tube 5 capable of source pressure. . Further, in the quartz reaction tube 5, a susceptor 6
A table 7 having the same height as the susceptor 6 is provided on the upstream side of the so that the growth gas (or reaction gas) can smoothly flow in the quartz reaction tube 5. Then, while the substrate 1 is heated to a predetermined temperature by the RF coil 8 provided on the outer periphery of the quartz reaction tube 5, a growth gas is flown through the quartz reaction tube 5 as indicated by an arrow A, so that a thin film ( (Not shown).

本実施例によるMOCVD装置においては、従来のMOCVD装置
と同様な上述の構成に加えて、既述の原理に基づいて薄
膜の成長をモニターするために、次のようなモニター系
が設けられている。すなわち、まず石英反応管5から所
定距離離れた位置にHe−Neレーザー光源9が設けられ、
このレーザー光源9から出射されるレーザー光4(λ=
6328Å)をチョッパ10、レンズ11(例えば焦点距離500m
m)及び石英反応管5を通して基板1に入射させること
ができるようになっている。このレーザー光4の基板1
による反射光は、反射鏡12により反射された後、互いに
積層された拡散板13、入射光を減衰させるためのND(Ne
utral Density)フィルター14及び波長600nm以上の光だ
けを通すためのカラーフィルター15を通って光電子増倍
管16に入射して検出されるようになっている。この光電
子増倍管16は、ロックインアンプ17に接続されている。
このロックインアンプ17はチョッパ10にも接続されてい
て、このチョッパ10により選択されたレーザー光4によ
る出力信号のみをレコーダ18に送って、チャート上に薄
膜2による反射光強度の時間変化を記録することができ
るようになっている。
In the MOCVD apparatus according to the present embodiment, in addition to the above-mentioned configuration similar to the conventional MOCVD apparatus, the following monitor system is provided to monitor the growth of the thin film based on the principle described above. . That is, first, the He-Ne laser light source 9 is provided at a position apart from the quartz reaction tube 5 by a predetermined distance,
Laser light 4 (λ =
6328Å) chopper 10, lens 11 (for example, focal length 500m
m) and the quartz reaction tube 5 so that they can be incident on the substrate 1. Substrate 1 of this laser light 4
The reflected light by the reflection mirror 12 is reflected by the reflecting mirror 12, and then the diffuser plates 13 stacked on each other and ND (Ne (Ne) for attenuating the incident light).
The light is incident on a photomultiplier tube 16 through a color filter 15 for transmitting only light having a wavelength of 600 nm or more, and is detected. The photomultiplier tube 16 is connected to a lock-in amplifier 17.
The lock-in amplifier 17 is also connected to the chopper 10, and sends only the output signal of the laser light 4 selected by the chopper 10 to the recorder 18, and records the time change of the reflected light intensity by the thin film 2 on the chart. You can do it.

一方、He−Neレーザー光源9から出射されたレーザー光
4の一部はレンズ11の平坦面で反射された後、反射鏡19
により反射されてパワーメータ20に入射し、その出力信
号がアンプ21により増幅され、レコーダ22に送られてチ
ャート上にレンズ11による反射光強度の時間変化が記録
されるようになっている。従って、このレコーダ22で記
録された強度で、レコーダ18で記録された強度を割算す
ることにより、レーザー光源9の出力が変動しても、薄
膜2による反射光の強度の時間変化を正確に測定するこ
とができるようになっている。
On the other hand, a part of the laser light 4 emitted from the He-Ne laser light source 9 is reflected by the flat surface of the lens 11 and then reflected by the reflecting mirror 19.
It is reflected by and is incident on the power meter 20, and its output signal is amplified by the amplifier 21 and sent to the recorder 22 to record the time change of the reflected light intensity by the lens 11 on the chart. Therefore, by dividing the intensity recorded by the recorder 18 by the intensity recorded by the recorder 22, even if the output of the laser light source 9 fluctuates, the time change of the intensity of the reflected light by the thin film 2 can be accurately performed. It can be measured.

次に上述のように構成された本実施例によるMOCVD装置
を用いて、700℃に加熱されたGaAs基板上にAlGaAsを成
長させる場合に反射光強度の測定を行った結果につき説
明する。成長にあたっては、Ga及びAlの原料としてそれ
ぞれTMG(トリメチルガリウム)及びTMA(トリメチルア
ルミニウム)を用い、TMGの流量は10ml/分に固定し、TM
Aの流量は5ml/分、10ml/分、20ml/分、40ml/分の4種類
に変化させた。なお石英反応管5の内壁に反応物が堆積
して光の透過に支障が生ずるのを防止するため、成長ガ
スは高流速(1m/秒以上)で流すようにした。
Next, the result of measurement of reflected light intensity when AlGaAs is grown on a GaAs substrate heated to 700 ° C. by using the MOCVD apparatus according to this embodiment configured as described above will be described. For the growth, TMG (trimethylgallium) and TMA (trimethylaluminum) were used as the raw materials for Ga and Al, respectively, and the flow rate of TMG was fixed at 10 ml / min.
The flow rate of A was changed to 4 types of 5 ml / min, 10 ml / min, 20 ml / min, and 40 ml / min. In order to prevent the reactant from accumulating on the inner wall of the quartz reaction tube 5 and hindering the transmission of light, the growth gas was made to flow at a high flow rate (1 m / sec or more).

第4図にその反射強度の測定結果を示す。成長後、得ら
れたAlxGa1-xAs薄膜のAl組成xをフォトルミネッセンス
の測定から求めたところ、それぞれ0.26,0.40,0.57,0.7
2であった。また成長後、AlxGa1-xAs薄膜の膜厚dを走
査型電子顕微鏡(SEM)により測定し、式より屈折率
の実部n2を求め、また反射強度の減衰率からI=I0exp
(−α2d)(I0:d=0のときの反射強度、I:膜厚dのと
きの反射強度)の式に基づいて吸収係数αを求めた。
この結果を次表に示す。なおこの表でGaAsのデータは、
GaAs基板上にまずAlAsを積層し、このAlAs上にGaAsを成
長させたときのGaAsの反射強度曲線の振動解析から求め
たものである。
FIG. 4 shows the measurement result of the reflection intensity. After growth, the Al composition x of the obtained Al x Ga 1- x As thin film was determined from the photoluminescence measurement, and was 0.26, 0.40, 0.57, 0.7, respectively.
Was 2. After the growth, the film thickness d of the AlxGa 1- xAs thin film is measured by a scanning electron microscope (SEM), the real part n 2 of the refractive index is obtained from the formula, and I = I 0 exp from the attenuation rate of the reflection intensity.
The absorption coefficient α 2 was obtained based on the formula (−α 2 d) (reflection intensity when I 0 : d = 0, I: reflection intensity when film thickness d).
The results are shown in the table below. The GaAs data in this table is
First, AlAs was laminated on a GaAs substrate, and it was obtained from vibration analysis of the reflection intensity curve of GaAs when GaAs was grown on this AlAs.

次に上述の結果を基にして、薄膜の成長中に成長パラメ
ータを求める方法につき説明する。第5図は、第4図の
各反射強度曲線における振動の第一番目の谷の反射強度
bのGaAs基板の反射強度aに対する比b/aをAl組成xに
対してプロットしたものである。この第5図に示すグラ
フを用いると、エピタキシャル成長開始後、第一番目の
谷の反射強度から、今成長しているAlxGa1-xAsのAl組成
xを求めることができる。なおこの第一番目の反射強度
の谷に対応する薄膜の厚さはほぼ40nmである。また第6
図は、既述の表をグラフ化したものである。なおこの第
6図においてx=0.8付近でnが不連続となっているの
は、AlxGa1-xAsのバンドギャップに起因するものであ
る。第5図からAl組成xがわかれば、この第6図から屈
折率nを求めることができる。従って、この屈折率nを
用いて式より第一番目の反射強度の谷までの膜厚を求
めることができ、この膜厚をその成長時間で割ることに
より、薄膜の成長速度を決定することができる。なお以
上の手続きは、一旦第5図及び第6図に示すグラフ並び
に式に基づいて検量線を作成しておけば、以後は計算
をすることなく、この検量線に基づいて直接行うことが
できる。
Next, a method for obtaining the growth parameter during the growth of the thin film will be described based on the above results. FIG. 5 is a plot of the ratio b / a of the reflection intensity b of the first trough of the vibration in each reflection intensity curve of FIG. 4 to the reflection intensity a of the GaAs substrate against Al composition x. Using the graph shown in FIG. 5, the Al composition x of AlxGa 1- xAs that is now grown can be determined from the reflection intensity of the first valley after the start of epitaxial growth. The thickness of the thin film corresponding to the first valley of the reflection intensity is approximately 40 nm. Also the 6th
The figure is a graph of the above table. The discontinuity of n near x = 0.8 in FIG. 6 is due to the band gap of AlxGa 1- xAs. If the Al composition x is known from FIG. 5, the refractive index n can be obtained from this FIG. Therefore, by using this refractive index n, the film thickness up to the first trough of the reflection intensity can be obtained from the formula, and by dividing this film thickness by the growth time, the growth rate of the thin film can be determined. it can. In addition, once the calibration curve is created based on the graphs and equations shown in FIGS. 5 and 6, the above procedure can be directly performed based on this calibration curve without any calculation thereafter. .

上述のようにして、AlxGa1-xAs薄膜の成長速度及びAl組
成xを成長中にその場でモニターすることができるの
で、これらが所望の値と異なる場合や値を変更したい場
合には、これらのデータをMOCVD装置のMFC(マス・フロ
ー・コントローラ)に帰還させて成長ガス濃度を再調整
することにより、所望の成長速度及びAl組成xに容易に
しかも確実に制御することができる。
As described above, the growth rate of the Al x Ga 1- x As thin film and the Al composition x can be monitored in-situ during the growth, so if these are different from the desired values or if it is desired to change the values, these By returning the above data to the MFC (mass flow controller) of the MOCVD apparatus to readjust the growth gas concentration, the desired growth rate and Al composition x can be controlled easily and reliably.

次に薄膜2へのレーザー光4の入射角度のずれによる測
定誤差の検討を行う。入射光が垂直入射からずれると膜
内における光路長が長くなるため、干渉の周期が短くな
る。光路長が1%長くなるとき、すなわち干渉の周期が
1%短くなるときの入射角度は、薄膜2がAlGaAs(n2
3.5)のときには次のようになる。すなわち、スネルの
法則よりn3sinθ=n2sinθ′(θ:入射角、θ′:屈折
角、n3:ガス相の屈折率(=1))が成り立つので、こ
の式でcosθ′=0.99とするとθ′=8゜であるからθ
=sin-1(3.5sin8゜)=30゜となる。従って、入射角が
垂直から30゜ずれても測定誤差は1%と極めて小さい。
この点でエリプソメトリ法による測定に比べて極めて有
利である。
Next, the measurement error due to the deviation of the incident angle of the laser beam 4 on the thin film 2 will be examined. When the incident light deviates from the normal incidence, the optical path length in the film becomes long, and the period of interference becomes short. When the optical path length becomes 1% longer, that is, when the interference period becomes 1% shorter, the incident angle is as follows when the thin film 2 is AlGaAs (n 2 =
In case of 3.5), it becomes as follows. That is, n 3 sin θ = n 2 sin θ ′ (θ: incident angle, θ ′: refraction angle, n 3 : gas phase refractive index (= 1)) is established according to Snell's law. Therefore, cos θ ′ = 0.99 Then θ ′ = 8 °, so θ
= Sin -1 (3.5sin8 °) = 30 °. Therefore, even if the incident angle deviates from the vertical by 30 °, the measurement error is as small as 1%.
In this respect, it is extremely advantageous as compared with the measurement by the ellipsometry method.

のみならず、上述の第1実施例によれば次のような種々
の利点がある。すなわち、薄膜への入射光及び薄膜によ
る反射光は同一の窓を通るようになっているので、装置
上の制限が緩和される。薄膜による反射光の強度及び光
路長は入射角の変化にはほとんど依存しないので、薄膜
への入射光の光軸を厳密に調整する必要がない。成長ガ
ス中で入射光及び反射光の光路長をエリプソメトリ法に
おけるような低角度入射に比べて短くすることができる
ので、ガスによる擾乱に起因する雑音の発生がない。
Besides, according to the above-mentioned first embodiment, there are various advantages as follows. That is, since the incident light to the thin film and the reflected light from the thin film pass through the same window, the limitation on the device is relaxed. Since the intensity and the optical path length of the light reflected by the thin film hardly depend on the change in the incident angle, it is not necessary to strictly adjust the optical axis of the light incident on the thin film. Since the optical path lengths of the incident light and the reflected light can be made shorter in the growth gas as compared with the low-angle incidence as in the ellipsometry method, noise caused by the gas disturbance is not generated.

次に本発明の第2実施例につき説明する。Next, a second embodiment of the present invention will be described.

第2実施例においては、第1実施例と同様なMOCVD装置
を用いて多層膜の成長を行い、その成長を反射強度によ
りモニターする。第7図は、GaAs基板上にTMG流量20ml/
分で薄くGaAsを成長させた後、このGaAs上にTMA流量40m
l/分でAlAsを成長させ、次いでこのAlAs上にGaAsを成長
させた場合の反射強度の測定結果を示す。この第7図に
示す反射強度曲線から明らかなように、AlAsによる振動
の次にGaAsによる振動が明瞭に現れている。このような
多層膜の場合、その成長を決定するためには多少の計算
を要するが、第1実施例と同様にして求められることは
明らかである。従って、このようにして得られた成長パ
ラメータをMOCVD装置のMFCにフィードバックすることに
より、第1実施例と同様にして組成及び成長速度の制御
が可能である。
In the second embodiment, a MOCVD apparatus similar to that of the first embodiment is used to grow a multilayer film, and the growth is monitored by the reflection intensity. Figure 7 shows TMG flow rate of 20ml / on a GaAs substrate.
After thinly growing GaAs, the TMA flow rate of 40 m on this GaAs.
The measurement result of the reflection intensity when AlAs is grown at l / min and then GaAs is grown on this AlAs is shown. As is clear from the reflection intensity curve shown in FIG. 7, the vibration due to GaAs appears clearly after the vibration due to AlAs. In the case of such a multilayer film, some calculation is required to determine its growth, but it is clear that it is obtained in the same manner as in the first embodiment. Therefore, by feeding back the growth parameters thus obtained to the MFC of the MOCVD apparatus, the composition and the growth rate can be controlled in the same manner as in the first embodiment.

次に本発明の第3実施例につき説明する。なお以下の第
8図においては、第1図と同一機能を有する部分には同
一の符号を付し、必要に応じてその説明を省略する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In FIG. 8 below, parts having the same functions as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as necessary.

第8図に示すように、第3実施例によるMOCVD装置にお
いては、白色光源23からの光をレンズ24を通して高速ス
キャン分光器25に入射させて分光し、分光された光をチ
ョッパ10、レンズ11及びビームスプリッタ26を通して石
英反応管5内の基板1にその表面に対してほぼ垂直に入
射させるようになっている。この基板1による反射光
は、反射鏡12により反射されて光電子増倍管16に入射
し、検出されるようになっている。そしてこの光電子増
倍管16の出力信号はロックインアンプ17により増幅され
た後、データ収集部27に入力される。一方、ビームスプ
リッタ26により反射された光は光電子増倍管28に入射し
て検出され、その出力信号はロックインアンプ29により
増幅された後、上記データ収集部27に入力されるように
なっている。
As shown in FIG. 8, in the MOCVD apparatus according to the third embodiment, the light from the white light source 23 is incident on the high-speed scanning spectroscope 25 through the lens 24 and is dispersed, and the dispersed light is chopper 10 and lens 11. Also, the light is incident on the substrate 1 in the quartz reaction tube 5 through the beam splitter 26 almost perpendicularly to the surface thereof. The light reflected by the substrate 1 is reflected by the reflecting mirror 12, enters the photomultiplier tube 16, and is detected. The output signal of the photomultiplier tube 16 is amplified by the lock-in amplifier 17 and then input to the data collection unit 27. On the other hand, the light reflected by the beam splitter 26 enters the photomultiplier tube 28 and is detected, and its output signal is amplified by the lock-in amplifier 29 and then input to the data collecting section 27. There is.

上記データ収集部27は計算機を内蔵する成長制御部30に
接続されていて、これらの間で情報の授受を行うことが
できるようになっている。この成長制御部30はさらにMF
C制御部31に接続されていて、このMFC制御部31によりMF
C32を制御することによって反応管5内に流す成長ガス
量を調整することができるようになっている。また石英
反応管5内の圧力情報も圧力測定器33から上記データ収
集部27に入力され、この圧力情報を成長制御部30を介し
てMFC制御部31に入力し、このMFC制御部31によってキャ
リアガス用のMFC34を制御することにより、石英反応管
5内の圧力を調整することができるようになっている。
The data collection unit 27 is connected to the growth control unit 30 having a built-in computer so that information can be exchanged between them. This growth control unit 30 is further MF
It is connected to the C control unit 31, and the MF is controlled by this MFC control unit 31.
By controlling C32, the amount of growth gas flowing in the reaction tube 5 can be adjusted. Further, the pressure information in the quartz reaction tube 5 is also input from the pressure measuring device 33 to the data collection unit 27, and this pressure information is input to the MFC control unit 31 via the growth control unit 30. By controlling the MFC 34 for gas, the pressure in the quartz reaction tube 5 can be adjusted.

次に上述のように構成された第3実施例によるMOCVD装
置により薄膜の成長を行う場合の成長パラメータのモニ
タリング方法につき説明する。
Next, a method of monitoring growth parameters when a thin film is grown by the MOCVD apparatus according to the third embodiment configured as described above will be described.

まず成長ガスをMFC32により所定量流して薄膜の成長を
開始する。同時に高速スキャン分光器25を成長による膜
厚変化が無視できる程度の速さで波長スキャンする。な
お現在では1秒以下の時間で一回の波長スキャンを行う
ことができる高速スキャン分光器25が市販されているの
で、このような高速波長スキャンは容易に行うことがで
きる。成長中の薄膜による反射光は、光電子増倍管16に
より検出され、ロックインアンプ17の反射強度出力Bを
ロックインアンプ29の出力Aで割った値B/Aが波長λの
関数としてレコーダ(図示せず)のチャート上に第9図
に示すように記録される。一方、この波長λの関数とし
て得られた反射強度B/Aのデータはデータ収集部27から
成長制御部30に入力されて解析された後、その解析結果
に応じた信号をMFC制御部31に与えてMFC32を制御し、薄
膜の組成及び成長速度を目的とする値に制御する。また
必要に応じて、反応管5内の圧力をMFC34によるキャリ
アガス流量の制御により調整する。
First, a predetermined amount of growth gas is flown by the MFC 32 to start thin film growth. At the same time, the high-speed scanning spectroscope 25 scans the wavelength at such a speed that the change in film thickness due to growth can be ignored. At present, a high-speed scanning spectroscope 25 that can perform one wavelength scan in a time of 1 second or less is commercially available, and thus such a high-speed wavelength scan can be easily performed. The light reflected by the growing thin film is detected by the photomultiplier tube 16, and the value B / A obtained by dividing the reflected intensity output B of the lock-in amplifier 17 by the output A of the lock-in amplifier 29 is a function of the wavelength λ ( It is recorded as shown in FIG. 9 on the chart (not shown). On the other hand, the data of the reflection intensity B / A obtained as a function of this wavelength λ is input to the growth control unit 30 from the data collection unit 27 and analyzed, and then a signal according to the analysis result is sent to the MFC control unit 31. The MFC32 is controlled to control the composition and growth rate of the thin film to target values. If necessary, the pressure in the reaction tube 5 is adjusted by controlling the carrier gas flow rate by the MFC 34.

このように上述の第2実施例によれば、高速スキャン分
光器による波長スキャンにより成長中にその場で得られ
た反射強度データ(波長λの関数)をMFC制御部31に帰
還させてMFC32、34を制御することにより、第1実施例
と同様に薄膜の成長パラメータ、すなわち組成及び成長
速度の制御を容易にしかも確実に行うことができる。
As described above, according to the second embodiment described above, the reflection intensity data (function of wavelength λ) obtained in-situ during growth by wavelength scanning by the high speed scanning spectroscope is fed back to the MFC controller 31, and the MFC 32, By controlling 34, the growth parameters of the thin film, that is, the composition and the growth rate can be controlled easily and reliably as in the first embodiment.

なお成長中に薄膜の成長速度を容易に変化させることが
できるので、例えば第2実施例のように多層膜の成長を
行う場合、成長速度を遅くすることにより界面がシャー
プな多層膜を得ることが可能である。
Since the growth rate of the thin film can be easily changed during the growth, when the multilayer film is grown as in the second embodiment, for example, by slowing the growth rate, a multilayer film having a sharp interface can be obtained. Is possible.

以上本発明の実施例につき説明したが、本発明は上述の
3つの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術
的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、薄膜
による反射光の強度情報を帰還させて成長パラメータの
制御を行うための制御系は必要に応じて上述の3つの実
施例と異なる構成とすることも可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described three embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention. For example, the control system for controlling the growth parameter by returning the intensity information of the light reflected by the thin film may have a configuration different from those of the above-mentioned three embodiments, if necessary.

また上述の第1実施例においては、反射強度曲線の第1
番目の振動の谷から屈折率n、従ってAl組成と成長速度
とを求めたが、これらのデータ(n,成長速度)を初期パ
ラメータとして、この後に時々刻々得られる反射強度の
測定値に対してパラメータ・フィッティングすることに
より、測定精度をより高くすることが可能である。さら
に、反射強度の振動の山、谷の強度を計算機に入力して
計算を行うことによっても測定精度を高めることが可能
である。さらにまた、上述の3つの実施例においては、
本発明を横型のMOCVD装置に適用した場合につき説明し
たが、縦型のMOCVD装置は勿論、その他の各種気相成長
装置にも本発明を適用することが可能である。
Further, in the above-described first embodiment, the first reflection intensity curve
The refractive index n, that is, the Al composition and the growth rate were obtained from the second vibration trough, and these data (n, growth rate) were used as initial parameters for the measurement value of the reflection intensity obtained momentarily thereafter. By performing parameter fitting, it is possible to improve the measurement accuracy. Furthermore, it is possible to improve the measurement accuracy by inputting the intensity of the peaks and troughs of the vibration of the reflection intensity into the calculator and performing the calculation. Furthermore, in the three embodiments described above,
The case where the present invention is applied to the horizontal MOCVD apparatus has been described, but the present invention can be applied not only to the vertical MOCVD apparatus but also to other various vapor phase growth apparatuses.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、成長パラメータを成長中にその場で容
易にモニターすることが可能となるので、それによって
得られるデータに応じて成長条件を制御することが可能
となり、従って膜の成長速度及び/又は組成を容易にし
かも確実に制御することが可能である。
According to the present invention, the growth parameters can be easily monitored in-situ during the growth, so that the growth conditions can be controlled according to the data obtained thereby, and thus the growth rate of the film and It is possible to easily and surely control the composition.

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

第1図は本発明の第1実施例によるMOCVD装置の構成
図、第2図は本発明の基本原理を説明するための断面
図、第3図は薄膜の厚さdによる反射強度変化の一例を
示すグラフ、第4図は基板温度700℃で成長ガスの流量
を種々に変えてAlxGa1-xAs薄膜の成長を行った場合の成
長に伴う反射強度の変化を示すグラフ、第5図はAlxGa
1-xAsにおけるAl組成xと第4図に示す反射強度曲線に
おける谷の強度bのGaAs基板の強度aに対する比b/aと
の関係を示すグラフ、第6図はAlxGa1-xAsにおけるAl組
成xと屈折率との関係を示すグラフ、第7図は本発明の
第2実施例において多層膜の成長に伴う反射強度の変化
を示すグラフ、第8図は本発明の第3実施例によるMOCV
D装置の構成図、第9図は本発明の第3実施例で得られ
る反射強度比B/Aの波長による変化の一例を示すグラフ
である。 なお図面に用いた符号において、 1……基板 2……薄膜 4……光 5……石英反応管 6……サセプタ 9……レーザー光源 16,28……光電子増倍管 25……高速スキャン分光器 27……データ収集部 30……成長制御部 31……MFC制御部 である。
FIG. 1 is a block diagram of a MOCVD apparatus according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view for explaining the basic principle of the present invention, and FIG. 3 is an example of a change in reflection intensity depending on the thickness d of a thin film. Fig. 4 is a graph showing the change in reflection intensity with growth of an AlxGa 1- xAs thin film grown at various substrate gas temperatures of 700 ° C with various growth gas flow rates. Fig. 5 shows AlxGa
A graph showing the relationship between the Al composition x in 1- xAs and the ratio b / a of the valley intensity b to the intensity a of the GaAs substrate in the reflection intensity curve shown in FIG. 4, FIG. 6 is the Al composition in AlxGa 1- xAs. FIG. 7 is a graph showing the relationship between x and the refractive index, FIG. 7 is a graph showing the change in reflection intensity with the growth of a multilayer film in the second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a MOCV according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of the D device, and FIG. 9 is a graph showing an example of changes in the reflection intensity ratio B / A with wavelength, which is obtained in the third embodiment of the present invention. In the reference numerals used in the drawings, 1 ... Substrate 2 ... Thin film 4 ... Light 5 ... Quartz reaction tube 6 ... Susceptor 9 ... Laser light source 16, 28 ... Photomultiplier tube 25 ... High-speed scanning spectroscopy Container 27 …… Data collection unit 30 …… Growth control unit 31 …… MFC control unit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 邦雄 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 渡部 尚三 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Kunio Kaneko 6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation (72) Inventor Shozo Watanabe 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo No. Sony Corporation

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光源と、吸収係数の異なる膜が成長される
基板が内部に保持されると共に上記光源からの光を通す
窓部を有する反応管と、上記光源から出射される光の少
なくとも振幅の量を検出すると共に上記基板上に成長さ
れる膜の表面および界面での多重反射による反射光強度
の少なくとも振幅の量を検出するデータ収集部と、上記
データ収集部において上記振幅の減衰により得られた膜
の成長速度および組成の少なくとも一方の情報をもとに
成長条件を所望の値に制御しかつ上記基板上の膜の成長
に帰還する成長制御部とを有する気相成長装置。
1. A light source, a reaction tube having therein a substrate on which a film having a different absorption coefficient is grown and having a window portion through which light from the light source passes, and at least an amplitude of light emitted from the light source. And a data collecting unit for detecting at least the amount of amplitude of the reflected light intensity due to multiple reflections on the surface and interface of the film grown on the substrate, and by the attenuation of the amplitude in the data collecting unit. A vapor phase growth apparatus having a growth control unit for controlling the growth condition to a desired value based on information on at least one of the growth rate and the composition of the film thus obtained and for returning the growth condition to the growth of the film on the substrate.
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