JPH11204440A - Manufacture of crystalline thin film - Google Patents

Manufacture of crystalline thin film

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JPH11204440A
JPH11204440A JP656998A JP656998A JPH11204440A JP H11204440 A JPH11204440 A JP H11204440A JP 656998 A JP656998 A JP 656998A JP 656998 A JP656998 A JP 656998A JP H11204440 A JPH11204440 A JP H11204440A
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crystalline
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▲やす▼之 名西
Shigeru Imai
茂 今井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To freely control crystal structure and plane orientation of a growth surface without depending on the underlying material, by radiating coherent synchrotron radiation or the like from a plurality of directions to form a specified two-dimensional interference image on the surface of an amorphous substrate, and at the same time, radiating molecules or atoms which are to be a crystal material. SOLUTION: Synchrotron radiation introduced into a reaction chamber 4 through a filter 6 from a synchrotron radiation light source 5 is split into a plurality of directions, for example, four directions, using half mirrors 13, 14, and 15, and is then radiated onto a substrate 7 through mirrors 16, 17, 18, and 19, thereby forming a two-dimensional interference image on the substrate 7. By changing the inclination of the synchrotron radiation in the four directions in a vertical plane, the spacing of the synchrotron radiation from the four directions reflected on the substrate 7 changes. In accordance with this change, the lattice spacing of the two-dimensional interference image changes. Thus, the inclination of the synchrotron radiation in the four directions in the vertical plane is set an a predetermined value in conformity to a desired lattice spacing of the two-dimensional interference image.

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、非晶質基板または結晶
性基板上に形成される結晶性薄膜の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing a crystalline thin film formed on an amorphous substrate or a crystalline substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】結晶性の下地の上に異なる物性を有する
結晶性薄膜を形成すること、また、非晶質の下地の上に
結晶性薄膜を形成すること、とりわけ非晶質の絶縁体の
上に半導体結晶の薄膜を形成する、いわゆるSOI技術
を実現することは、光電子デバイス、光電子融合回路、
光電子集積回路、あるいは次世代の微細化電子デバイ
ス、3次元集積回路を実現する上で、不可欠の課題であ
る。
2. Description of the Related Art The formation of a crystalline thin film having different physical properties on a crystalline base, the formation of a crystalline thin film on an amorphous base, especially the formation of an amorphous insulator. The realization of a so-called SOI technology for forming a thin film of a semiconductor crystal thereon has been achieved by optoelectronic devices, optoelectronic fusion circuits,
This is an indispensable issue in realizing an optoelectronic integrated circuit or a next-generation miniaturized electronic device and a three-dimensional integrated circuit.

【0003】発光材料、電子材料のなかには、化学組成
が同一でありながら結晶構造が異なるものがある。この
ような多形を有する材料は、結晶構造毎にそれぞれ固有
の物性を示すことが知られている。たとえば青色発光材
料である窒化ガリウムは六方晶系のウルツ鉱形構造もし
くは立方晶系のせん亜鉛鉱形構造を有しており、それぞ
れが異なる光学的電気的物性を有している。このような
材料の結晶構造を制御することはきわめて重要である。
Some luminescent materials and electronic materials have the same chemical composition but different crystal structures. It is known that a material having such a polymorph exhibits unique physical properties for each crystal structure. For example, gallium nitride, which is a blue light emitting material, has a hexagonal wurtzite structure or a cubic sphalerite structure, and each has different optical and electrical properties. It is very important to control the crystal structure of such materials.

【0004】現在存在している結晶性薄膜の成長法は非
常に多い。これらの成長法は、結晶の構造や成長面の面
方位がどのように決定されるかという観点から、2つの
方法に分類される。その第1の方法は、結晶性の下地を
種として用いることである。結晶性の下地表面の上に適
当な条件の下で薄膜を堆積すると、堆積する薄膜が下地
の結晶構造の対称性を引き継ぐことにより薄膜は結晶性
となる。下地のある部分が結晶性で他の部分が非晶質で
ある場合には、選択ラテラル成長を行うことにより、あ
るいは非晶質薄膜を堆積した後、溶融再結晶化もしくは
固相成長を行うことにより、非晶質の下地の上にも結晶
性薄膜を形成することができる。
[0004] There are a number of existing methods for growing crystalline thin films. These growth methods are classified into two methods from the viewpoint of how the crystal structure and the plane orientation of the growth plane are determined. The first method is to use a crystalline base as a seed. When a thin film is deposited on a crystalline underlying surface under suitable conditions, the deposited thin film becomes crystalline by inheriting the symmetry of the underlying crystal structure. If one part of the underlayer is crystalline and the other part is amorphous, perform selective lateral growth or perform melt recrystallization or solid phase growth after depositing an amorphous thin film. Thereby, a crystalline thin film can be formed on an amorphous base.

【0005】第2の方法は、表面エネルギーの異方性を
利用することである。種となる結晶構造がない場合、す
なわち下地が非晶質であるか、下地の結晶構造の対称性
が堆積する薄膜の結晶構造の対称性と著しく異なる場合
には、下地基板とその上に形成する結晶性薄膜との表面
エネルギーの異方性により結晶性薄膜の結晶構造と方位
が決定される。たとえば、平滑な非晶質のSiO2 基板
上に結晶性のシリコンを堆積する場合には、(100)
面が基板と接触した状態で析出しやすい。
[0005] A second method is to use anisotropy of surface energy. When there is no seed crystal structure, that is, when the underlayer is amorphous or the symmetry of the underlying crystal structure is significantly different from the symmetry of the crystal structure of the deposited thin film, the undersubstrate and the overlying substrate are formed. The crystal structure and orientation of the crystalline thin film are determined by the anisotropy of the surface energy with the crystalline thin film. For example, to deposit crystalline silicon on a smooth amorphous SiO 2 substrate, (100)
It is easy to precipitate in a state where the surface is in contact with the substrate.

【0006】しかし、表面エネルギーの異方性を利用す
る場合、基板表面に垂直な結晶方位は制御できても、水
平方向は制御されない。そこで、基板表面に周期的な凹
凸を付与し、凹凸の側面の表面エネルギーの異方性を利
用して結晶性薄膜の水平方向の結晶方位も揃える、グラ
フォエピタキシーが提案されている。とはいえ、薄膜の
結晶構造や配向性は、薄膜の堆積条件に微妙に依存する
場合が多く、条件によっては種々な構造や方位を有する
結晶が同時に形成される。
However, when utilizing the anisotropy of the surface energy, the crystal orientation perpendicular to the substrate surface can be controlled, but the horizontal direction is not controlled. Therefore, graphoepitaxy has been proposed in which periodic irregularities are provided on the substrate surface, and the horizontal crystal orientation of the crystalline thin film is made uniform by utilizing the anisotropy of the surface energy of the side surfaces of the irregularities. Nevertheless, the crystal structure and orientation of the thin film often slightly depend on the deposition conditions of the thin film, and depending on the conditions, crystals having various structures and orientations are simultaneously formed.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の結晶成長技術においては、結晶性薄膜の結晶構造と
成長面の方位は、種となる結晶の構造と方位によるか、
あるいは下地との表面エネルギーの異方性によって決定
される。しかし、いずれの場合においても、下地の材料
に依存しているため、結晶性薄膜の製造には様々な制約
がある。種結晶を利用する場合、種結晶自体の結晶構造
と方位が制御されていなければならないので、通常、種
結晶は結晶性基板である。従って、堆積する結晶性薄膜
は結晶性基板と接していなければならない。
As described above, in the conventional crystal growth technique, the crystal structure of the crystalline thin film and the orientation of the growth plane depend on the structure and orientation of the seed crystal.
Alternatively, it is determined by the anisotropy of the surface energy with the base. However, in any case, the production of the crystalline thin film has various restrictions because it depends on the material of the base. When a seed crystal is used, the crystal structure and orientation of the seed crystal itself must be controlled. Therefore, the seed crystal is usually a crystalline substrate. Therefore, the crystalline thin film to be deposited must be in contact with the crystalline substrate.

【0008】また、種結晶の下地の上に結晶構造の対称
性が下地と著しく異なる結晶性薄膜を堆積することはで
きない。表面エネルギーの異方性を利用する場合も、結
晶性薄膜と下地の組み合わせや結晶成長条件には制約が
ある。従って、結晶構造あるいは成長面の面方位の著し
く異なる2種類以上の結晶性薄膜を同一の下地の上に形
成することは、下地が結晶性の場合でも非晶質の場合で
も困難である。
In addition, it is not possible to deposit a crystalline thin film having a crystal structure that is significantly different from the underlayer on the seed crystal underlayer. Also when utilizing the anisotropy of surface energy, there are restrictions on the combination of the crystalline thin film and the underlayer and the crystal growth conditions. Therefore, it is difficult to form two or more types of crystalline thin films having significantly different crystal structures or growth plane orientations on the same base, regardless of whether the base is crystalline or amorphous.

【0009】さらに、非晶質の下地表面の上に形成され
た結晶性薄膜の内部には結晶粒界や亜粒界が存在する
が、これらは結晶性薄膜の電気的特性を劣化させるの
で、この結晶性薄膜を有するデバイスの特性を劣化させ
る。この問題を回避するためには、結晶性薄膜の成長条
件を制御して結晶粒の大きさをデバイスのサイズより大
きくしなければならないし、結晶粒の位置を制御するた
めの特別の工夫が必要である。
Further, crystal grain boundaries and sub-grain boundaries are present inside the crystalline thin film formed on the amorphous base surface, and these degrade the electrical characteristics of the crystalline thin film. This degrades the characteristics of the device having the crystalline thin film. In order to avoid this problem, the size of the crystal grains must be made larger than the device size by controlling the growth conditions of the crystalline thin film, and special measures must be taken to control the position of the crystal grains. It is.

【0010】従って、本発明は上述の各問題点を解決す
るためになされたものであって、下地の材料に依存しな
いような方法により、自由に結晶構造や成長面の面方位
を制御することができるような結晶性薄膜の製造方法を
提供することにある。
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to freely control the crystal structure and the plane orientation of a growth surface by a method that does not depend on the underlying material. It is an object of the present invention to provide a method for producing a crystalline thin film that can produce a thin film.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の請求項1の結晶性薄膜の製造方法は、コ
ヒーレントな放射光、レーザー光またはコヒーレントな
電子ビームのいずれか(以下、コヒーレントビームと呼
ぶことがある)を複数の方向から非晶質基板表面に照射
して基板表面に特定の結晶構造の特定の面方位の結晶面
の対称性を有する2次元干渉像を形成し、同時に結晶の
原料となる分子または原子を照射することにより、上記
特定の結晶構造および上記特定の面方位の成長面を有す
る結晶性薄膜を非晶質基板上に堆積させることを特徴と
するものである。
In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing a crystalline thin film according to claim 1 of the present invention is directed to a method for producing a coherent radiation, a laser beam, or a coherent electron beam (hereinafter referred to as a coherent electron beam). , Which may be referred to as a coherent beam) on a surface of an amorphous substrate from a plurality of directions to form a two-dimensional interference image having symmetry of a crystal plane having a specific plane orientation of a specific crystal structure on the substrate surface. Simultaneously irradiating a molecule or atom as a crystal raw material, thereby depositing a crystalline thin film having the specific crystal structure and a growth plane having the specific plane orientation on an amorphous substrate. It is.

【0012】すなわち、本発明では、複数の方向からの
コヒーレントビームによる干渉像を、結晶構造や成長面
の面方位を制御するために利用する。この場合、コヒー
レントビームの波長は、原子サイズのレベルまで短くす
ることが必要である。短波長のコヒーレントビーム、た
とえば、波長1ナノメーターの放射光は、約1keVと
化学反応を促進するのに充分高いエネルギーを有してい
るので、原料は上記2次元干渉像が存在する位置、すな
わち、所望の結晶構造の格子点に対応する位置で反応す
るので、2次元干渉像によって決まる結晶構造と成長面
を有する結晶性薄膜が堆積する。
That is, in the present invention, an interference image by coherent beams from a plurality of directions is used to control the crystal structure and the plane orientation of a growth plane. In this case, it is necessary to shorten the wavelength of the coherent beam to the level of the atomic size. Since a short-wavelength coherent beam, for example, radiation having a wavelength of 1 nanometer has an energy of about 1 keV, which is high enough to promote a chemical reaction, the raw material is located at a position where the two-dimensional interference image exists, that is, Reacts at a position corresponding to a lattice point of a desired crystal structure, and a crystalline thin film having a crystal structure and a growth surface determined by a two-dimensional interference image is deposited.

【0013】多形を持つ材料については、所望の結晶構
造の成長面の対称性を有する2次元干渉像を形成するこ
とにより、結晶構造を作り分けることが可能になる。た
とえば、上方から見て90°間隔をなす4方向からコヒ
ーレントビームを照射して4回対称性で且つ結晶の成長
面における格子定数に等しい格子間隔を有する2次元干
渉像を形成し、同時に原料となる原子または分子を照射
することにより、結晶構造を4回対称性の構造に制御し
ながら結晶を成長させることができる。
For a material having a polymorph, by forming a two-dimensional interference image having a symmetry of a growth plane of a desired crystal structure, it becomes possible to form different crystal structures. For example, a two-dimensional interference image having four-fold symmetry and a lattice spacing equal to the lattice constant on the crystal growth surface is formed by irradiating coherent beams from four directions at 90 ° intervals when viewed from above, By irradiating the atoms or molecules, the crystal can be grown while controlling the crystal structure to a four-fold symmetric structure.

【0014】また、たとえば、上方から見て120°間
隔をなす3方向からコヒーレントビームを照射して6回
対称性で且つ結晶の成長面における格子定数に等しい格
子間隔を有する2次元干渉像を形成し、同時に原料とな
る原子または分子を照射することにより、結晶構造を6
回対称性の構造に制御しながら結晶を成長させることが
できる。なお、多形を持たない材料においても、同様に
して結晶構造の成長面の面方位を所望の方向に制御しな
がら結晶を成長させることができる。
Further, for example, a two-dimensional interference image having six-fold symmetry and a lattice spacing equal to the lattice constant on the crystal growth surface is formed by irradiating coherent beams from three directions at 120 ° intervals when viewed from above. At the same time, by irradiating atoms or molecules as a raw material, the crystal structure is changed to 6
Crystals can be grown while controlling to a symmetric structure. Note that, even in a material having no polymorph, a crystal can be grown in the same manner while controlling the plane orientation of the growth surface of the crystal structure in a desired direction.

【0015】請求項2の結晶性薄膜の製造方法は、コヒ
ーレントな放射光、レーザー光またはコヒーレントな電
子ビームのいずれかを複数の方向から結晶性基板表面に
照射して基板表面に特定の結晶構造の特定の面方位の結
晶面の対称性を有する2次元干渉像を形成し、同時に結
晶の原料となる分子または原子を照射することにより、
結晶性基板の構造とは独立に上記特定の結晶構造および
上記特定の面方位の成長面を有する結晶性薄膜を結晶性
基板上に堆積させることを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a crystalline thin film, wherein the substrate surface is irradiated with one of coherent radiation light, laser light, and a coherent electron beam from a plurality of directions. By forming a two-dimensional interference image having the symmetry of the crystal plane of the specific plane orientation of, and simultaneously irradiating the molecules or atoms as the raw material of the crystal,
Independently from the structure of the crystalline substrate, a crystalline thin film having the specific crystal structure and a growth plane having the specific plane orientation is deposited on the crystalline substrate.

【0016】請求項2においても、コヒーレントビーム
の波長は原子サイズのレベルまで短くすることが好まし
く、請求項1と同様に多形を持つ材料においては結晶構
造を4回対称性または6回対称性等の構造に制御しなが
ら結晶を成長させることができる。また、多形を持たな
い材料においても、結晶構造の成長面の面方位を制御し
ながら結晶を成長させることができる。
Also in the second aspect, it is preferable that the wavelength of the coherent beam be shortened to the level of the atomic size. As in the case of the first aspect, in the case of a material having a polymorph, the crystal structure has a four-fold symmetry or a six-fold symmetry. Crystals can be grown while controlling the structure as described above. Further, even in a material having no polymorph, the crystal can be grown while controlling the plane orientation of the growth surface of the crystal structure.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1に本実施の形態で使用する結
晶性薄膜の製造装置を示す。本装置は、コヒーレントビ
ーム供給装置1、ガス供給装置2、基板交換室3および
反応室4から構成されている。コヒーレントビーム供給
装置1は、例えば、シンクロトロン放射光装置等の放射
光光源5から放出されるコヒーレントな放射光をフィル
ター6により単色化した後、反応室4に供給するように
なっている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an apparatus for manufacturing a crystalline thin film used in the present embodiment. This apparatus includes a coherent beam supply device 1, a gas supply device 2, a substrate exchange chamber 3, and a reaction chamber 4. The coherent beam supply device 1 is configured to monochromatize coherent radiation emitted from a radiation light source 5 such as a synchrotron radiation device with a filter 6 and then supply the monochromatic radiation to a reaction chamber 4.

【0018】ガス供給装置2は、原料ガスを反応室4に
供給するものである。基板交換室3は反応室4の真空を
破らずに基板7を反応室4に導入するために設けられて
おり、反応室4と基板交換室3とはゲートバルブ8によ
り隔てられている。基板交換室3と反応室4とは、それ
ぞれ独立の真空排気装置9、10を備えている。
The gas supply device 2 supplies a raw material gas to the reaction chamber 4. The substrate exchange chamber 3 is provided for introducing the substrate 7 into the reaction chamber 4 without breaking the vacuum of the reaction chamber 4, and the reaction chamber 4 and the substrate exchange chamber 3 are separated by a gate valve 8. The substrate exchange chamber 3 and the reaction chamber 4 are provided with independent vacuum exhaust devices 9 and 10, respectively.

【0019】反応室4は、常時真空排気装置10により
真空が保たれている。反応室4内において基板7は基板
ホルダー11上に装着される。基板ホルダー11の下部
には基板ヒーター12が取り付けられていて、必要に応
じて基板7を加熱する。なお、基板ヒーター12を設け
る代わりに、基板ホルダー11から離れた位置から赤外
線等を照射して加熱するようにしてもよい。
The reaction chamber 4 is always kept in a vacuum by a vacuum exhaust device 10. The substrate 7 is mounted on the substrate holder 11 in the reaction chamber 4. A substrate heater 12 is mounted below the substrate holder 11, and heats the substrate 7 as necessary. Note that, instead of providing the substrate heater 12, heating may be performed by irradiating infrared rays or the like from a position away from the substrate holder 11.

【0020】放射光光源5からフィルター6を介して反
応室4内に導入された放射光は、ハーフミラー13、1
4、15を用いて、複数方向、たとえば4方向に分割さ
れ、さらにミラー16、17、18、19を介して、た
とえば4方向から基板7上に照射される。なお、ハーフ
ミラー13および15間、ハーフミラー14とミラー1
7間、およびハーフミラー15とミラー19間には、そ
れぞれミラー20、21、22が配置されている。放射
光を基板7に照射する方向が常に一定であれば、ハーフ
ミラー13乃至15やミラー16乃至22は反応室4の
外部に位置していても差し支えない。
The radiated light introduced into the reaction chamber 4 from the radiated light source 5 via the filter 6 is applied to the half mirrors 13 and 1.
The light is divided into a plurality of directions, for example, four directions using the light sources 4 and 15, and is further irradiated onto the substrate 7 from the four directions via mirrors 16, 17, 18, and 19. In addition, between the half mirrors 13 and 15, the half mirror 14 and the mirror 1
Mirrors 20, 21 and 22 are arranged between the mirrors 7 and between the half mirror 15 and the mirror 19, respectively. The half mirrors 13 to 15 and the mirrors 16 to 22 may be located outside the reaction chamber 4 as long as the direction of irradiating the substrate 7 with the radiated light is always constant.

【0021】上記基板7上において、たとえば、正方格
子の周期構造を有する2次元干渉像を形成するために、
4つのミラー16乃至19を介して4方向A乃至Dから
放射光を照射する場合、これらの4方向は、図2に示す
ように、上方から見て、90°の角度間隔となるように
設定されている。4方向の放射光の垂直面内での傾斜角
度(図3中θ)は、基板7上に製造すべき結晶構造の成
長面内における格子間隔に対応させて、互いに等しくさ
れる。なお、上記傾斜角度θが変化すると、上記4方向
A乃至Dからの放射光の波Wが基板7に写る間隔が変化
し、それに伴って、上記2次元干渉像の格子間隔も変化
するので、所望の2次元干渉像の格子間隔に合わせて、
上記垂直面内での傾斜角度θを所定の値に設定する必要
がある。上記のように、たとえば、上方から見て90°
の間隔に設定され、且つ垂直面内での傾斜角度θが互い
に等しくされた4方向A乃至Dからの波が互いに干渉す
ることにより、正方格子を有する2次元的に周期配列し
た干渉像が形成される。
On the substrate 7, for example, to form a two-dimensional interference image having a periodic structure of a square lattice,
When radiated light is irradiated from four directions A to D via four mirrors 16 to 19, these four directions are set to have an angular interval of 90 ° when viewed from above as shown in FIG. Have been. The inclination angles (θ in FIG. 3) of the emitted light in the four directions in the vertical plane are made equal to each other according to the lattice spacing in the growth plane of the crystal structure to be manufactured on the substrate 7. When the inclination angle θ changes, the interval at which the waves W of the radiated light from the four directions A to D appear on the substrate 7 changes, and accordingly, the lattice interval of the two-dimensional interference image also changes. According to the lattice spacing of the desired two-dimensional interference image,
It is necessary to set the inclination angle θ in the vertical plane to a predetermined value. As described above, for example, 90 ° when viewed from above
And the waves from the four directions A to D having the same inclination angle θ in the vertical plane mutually interfere with each other, so that a two-dimensional periodic interference image having a square lattice is formed. Is done.

【0022】図4は、六方格子の周期構造を有する2次
元干渉像を形成するために、基板7上への放射光の照射
を3方向E乃至Gからとし、お互いに対して、それぞれ
120°の角度をなす方向から照射する場合を示したも
のである。3方向の放射光の垂直面内での傾斜角度は、
製造すべき結晶構造の成長面内における格子間隔に対応
させて、互いに等しくされる。この場合、3方向からの
放射光が互いに干渉して、六方格子を有する2次元的に
周期配列した干渉像が形成される。
FIG. 4 shows that, in order to form a two-dimensional interference image having a periodic structure of a hexagonal lattice, the substrate 7 is irradiated with the radiated light from three directions E to G, and each of them is 120 ° relative to each other. 3 shows a case where irradiation is performed from a direction having an angle of. The tilt angles of the three directions of radiation in the vertical plane are
These are made equal to each other in accordance with the lattice spacing in the growth plane of the crystal structure to be manufactured. In this case, the emitted lights from three directions interfere with each other to form a two-dimensionally periodic interference image having a hexagonal lattice.

【0023】なお、本発明において、基板7上に形成さ
れる2次元干渉像は、上記の正方格子を有するものや六
方格子を有するものに限定されない。放射光を照射する
方向の数、上方から見た角度、垂直面内での傾斜角度を
変えることにより、任意の周期配列を有する2次元干渉
像を形成することが可能である。
In the present invention, the two-dimensional interference image formed on the substrate 7 is not limited to an image having a square lattice or an image having a hexagonal lattice. It is possible to form a two-dimensional interference image having an arbitrary periodic arrangement by changing the number of directions in which the emitted light is irradiated, the angle viewed from above, and the inclination angle in the vertical plane.

【0024】図1において、ガス供給装置2から反応室
4内に導入された原料ガスは、ガスノズル23により基
板7上に照射されるようになっている。
In FIG. 1, a source gas introduced into a reaction chamber 4 from a gas supply device 2 is irradiated onto a substrate 7 by a gas nozzle 23.

【0025】[0025]

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。たとえ
ば、GaNは六方晶と立方晶の結晶構造を有し、それぞ
れ固有の物性を示すことが知られている。GaNの六方
晶と立方晶はそれぞれ3.189オングストロームと
4.51オングストロームの格子定数を有する。従っ
て、六方晶のGaNを成長させる場合は、図4に示した
ように、基板7上に上方から見て120°間隔で3方向
から放射光を照射することにより、図5に示すように、
基板7の表面に3.189オングストロームの格子間隔
L1を有する六方格子の周期構造を有する2次元干渉像
を形成し、同時に基板7の温度を900℃に保持しなが
ら原料としてトリメチルガリウムとアンモニアとを供給
すれば、図6に示すように、基板7上に六方晶のGaN
24が成長する。
Next, embodiments of the present invention will be described. For example, GaN has a hexagonal crystal structure and a cubic crystal structure, and is known to exhibit unique physical properties. Hexagonal and cubic GaN have lattice constants of 3.189 angstroms and 4.51 angstroms, respectively. Therefore, when growing hexagonal GaN, as shown in FIG. 4, by irradiating the substrate 7 with radiated light from three directions at intervals of 120 ° when viewed from above, as shown in FIG.
A two-dimensional interference image having a hexagonal lattice periodic structure having a lattice interval L1 of 3.189 angstroms is formed on the surface of the substrate 7, and at the same time, while maintaining the temperature of the substrate 7 at 900 ° C., trimethylgallium and ammonia are used as raw materials. If supplied, as shown in FIG. 6, hexagonal GaN
24 grow.

【0026】一方、立方晶のGaNを成長させる場合
は、図2に示したように、基板7上に上方から見て90
°間隔で4方向から放射光を照射することにより、図7
に示すように、基板7上に4.51オングストロームの
格子間隔L2を有する正方格子の周期構造を有する2次
元干渉像を形成し、同時に基板温度900℃で上記と同
じトリメチルガリウムとアンモニアとを供給すれば、図
8に示すように、基板7上に立方晶のGaN25が成長
する。
On the other hand, when cubic GaN is grown, as shown in FIG.
By irradiating radiation from four directions at intervals of °,
As shown in the figure, a two-dimensional interference image having a periodic structure of a square lattice having a lattice spacing L2 of 4.51 Å is formed on the substrate 7, and at the same time, the same trimethylgallium and ammonia are supplied at a substrate temperature of 900 ° C. Then, as shown in FIG. 8, cubic GaN 25 grows on substrate 7.

【0027】また、他の実施例として、SiCも六方晶
と立方晶の結晶構造を有することが知られており、Si
Cの六方晶と立方晶はそれぞれ3.086オングストロ
ームと4.358オングストロームの格子定数を有す
る。従って、六方晶のSiCを成長させる場合は、図4
に示すように、基板7上に上方から見て120°間隔で
3方向から放射光を照射することにより、図5に示すよ
うに、基板7の表面に3.086オングストロームの格
子間隔L1を有する六方格子の周期構造を有する2次元
干渉像を形成し、同時に基板7の温度を900℃に保持
しながら原料としてジシランとアセチレンとを供給すれ
ば、基板7上に六方晶のSiCが成長する。
As another example, it is known that SiC also has hexagonal and cubic crystal structures.
Hexagonal and cubic crystals of C have lattice constants of 3.086 angstroms and 4.358 angstroms, respectively. Therefore, when growing hexagonal SiC, FIG.
As shown in FIG. 5, by irradiating the substrate 7 with radiation light at intervals of 120 ° when viewed from above, the substrate 7 has a lattice spacing L1 of 3.086 Å on the surface of the substrate 7 as shown in FIG. If a two-dimensional interference image having a hexagonal lattice periodic structure is formed and, at the same time, disilane and acetylene are supplied as raw materials while maintaining the temperature of the substrate 7 at 900 ° C., hexagonal SiC grows on the substrate 7.

【0028】一方、立方晶のSiCを成長させる場合
は、図2に示したように、基板7上に上方から見て90
°間隔で4方向から放射光を照射することにより、図7
に示すように、基板7上に4.358オングストローム
の格子間隔L2を有する正方格子の周期構造を有する2
次元干渉像を形成し、同時に基板温度900℃で上記と
同じジシランとアセチレンとを供給すれば、基板7上に
六方晶のSiCが成長する。
On the other hand, when cubic SiC is grown, as shown in FIG.
By irradiating radiation from four directions at intervals of °,
As shown in FIG. 2, a substrate having a square lattice periodic structure having a lattice spacing L2 of 4.358 angstroms on the substrate 7
If a two-dimensional interference image is formed and simultaneously the same disilane and acetylene are supplied at a substrate temperature of 900 ° C., hexagonal SiC grows on the substrate 7.

【0029】さらに、別の実施例としてシリコンの結晶
の成長面の方位を制御する場合を説明する。すなわち、
単一のダイヤモンド構造を有するシリコンにおいても、
たとえば(100)シリコンを成長させる場合、図2に
示したように、基板7上に上方から見て90°間隔で4
方向から放射光を照射することにより、図9に示すよう
に、基板7上にシリコンの格子定数に等しい5.431
オングストロームの格子間隔L3を有する正方格子の周
期構造を有する2次元干渉像を形成し、同時にジシラン
またはジクロルシラン等の原料を照射すれば、(10
0)面が成長面となり、図10に示すように、基板7上
に(100)シリコン26が堆積する。
Further, as another embodiment, a case where the orientation of the growth plane of the silicon crystal is controlled will be described. That is,
Even in silicon having a single diamond structure,
For example, when growing (100) silicon, as shown in FIG.
By irradiating the emitted light from the direction, as shown in FIG.
By forming a two-dimensional interference image having a periodic structure of a square lattice having a lattice spacing L3 of angstrom and simultaneously irradiating a raw material such as disilane or dichlorosilane, (10
The (0) plane becomes the growth plane, and (100) silicon 26 is deposited on the substrate 7 as shown in FIG.

【0030】一方、(111)シリコンを成長させる場
合、図4に示したように、基板7上に上方から見て12
0°間隔で3方向から放射光を照射して、図11に示す
ように、基板7上に3.840オングストローム(シリ
コンの格子定数の1/√2)の格子間隔L4を有する六
方格子の周期構造を有する2次元干渉像を形成し、同時
にジシランまたはジクロルシラン等の原料を照射すれ
ば、(111)面が成長面となり、図12に示すように
基板7上に(111)シリコン27が堆積する。
On the other hand, when growing (111) silicon, as shown in FIG.
Irradiation light is irradiated from three directions at intervals of 0 °, and as shown in FIG. 11, the period of a hexagonal lattice having a lattice spacing L4 of 3.840 angstroms (1 / √2 of the lattice constant of silicon) is formed on the substrate 7. When a two-dimensional interference image having a structure is formed and simultaneously irradiated with a raw material such as disilane or dichlorosilane, the (111) plane becomes a growth plane, and (111) silicon 27 is deposited on the substrate 7 as shown in FIG. .

【0031】なお、上記各実施例において、基板7は非
晶質基板または結晶性基板のいずれであってもよく、非
晶質基板の具体例としては、石英ガラス等が挙げられ、
結晶性基板の具体例としては、シリコン、ガリウム砒素
等が挙げられる。そして、上述したように、非晶質基板
を用いた場合は、SOI構造のように、非晶質の下地の
上に結晶性薄膜を形成する際に結晶構造と成長面の面方
位を自由に制御することができ、一方、結晶性基板を用
いた場合は、該基板上に基板の結晶構造の対称性と著し
く異なる対称性を有する結晶性薄膜を形成できる利点が
ある。
In each of the above embodiments, the substrate 7 may be either an amorphous substrate or a crystalline substrate. Specific examples of the amorphous substrate include quartz glass and the like.
Specific examples of the crystalline substrate include silicon, gallium arsenide, and the like. As described above, when an amorphous substrate is used, when a crystalline thin film is formed on an amorphous base such as an SOI structure, the crystal structure and the plane orientation of the growth surface can be freely changed. On the other hand, when a crystalline substrate is used, there is an advantage that a crystalline thin film having a symmetry significantly different from that of the crystal structure of the substrate can be formed on the substrate.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
の結晶性薄膜の製造方法によれば、コヒーレントな放射
光、レーザー光またはコヒーレントな電子ビームのいず
れか(コヒーレントビーム)を複数の方向から非晶質基
板表面に照射して基板表面に特定の結晶構造の特定の面
方位の結晶面の対称性を有する2次元干渉像を形成し、
同時に結晶の原料となる分子または原子を照射すること
により、上記特定の結晶構造および上記特定の面方位の
成長面を有する結晶性薄膜を非晶質基板上に堆積させる
ようにしたので、多形を持つ材料においては、上方から
見て、たとえば、90°または120°等の所定の間隔
をなす複数方向からコヒーレントビームを照射して4回
対称性または6回対称性等で且つ結晶の成長面における
格子定数に等しい格子間隔を有する2次元干渉像を形成
し、同時に原料の原子線または分子線を照射することに
より、結晶構造を4回対称性または6回対称性等の所望
の対称性の構造に制御しながら結晶を成長させることが
できる。また、多形を持たない材料においても、同様に
して、結晶構造の成長面を所望の面方位に制御しながら
結晶を成長させることができる。これにより、SOI構
造のように、非晶質の下地の上に結晶性薄膜を形成する
際に結晶構造と成長面の面方位を自由に制御することが
可能になる。
As described above, according to the first aspect of the present invention,
According to the method for producing a crystalline thin film of (1), any one of coherent radiation, laser light, or coherent electron beam (coherent beam) is irradiated on the surface of the amorphous substrate from a plurality of directions, and a specific crystal is formed on the substrate surface. Forming a two-dimensional interference image having symmetry of a crystal plane having a specific plane orientation of the structure,
At the same time, by irradiating the molecules or atoms that are the raw materials of the crystal, the crystalline thin film having the specific crystal structure and the growth plane with the specific plane orientation is deposited on the amorphous substrate, so that the polymorphism When viewed from above, a coherent beam is irradiated from a plurality of directions at predetermined intervals, for example, 90 ° or 120 ° to obtain a material having four-fold symmetry or six-fold symmetry and a crystal growth surface. By forming a two-dimensional interference image having a lattice spacing equal to the lattice constant at the same time and simultaneously irradiating the atomic or molecular beam of the raw material, the crystal structure can be changed to a desired symmetry such as 4-fold or 6-fold symmetry. Crystals can be grown while controlling the structure. Further, even in a material having no polymorph, a crystal can be grown in a similar manner while controlling the growth plane of the crystal structure to a desired plane orientation. This makes it possible to freely control the crystal structure and the plane orientation of the growth surface when forming a crystalline thin film on an amorphous base, as in the SOI structure.

【0033】請求項2の結晶性薄膜の製造方法は、コヒ
ーレントな放射光、レーザー光またはコヒーレントな電
子ビームのいずれかを複数の方向から結晶性基板表面に
照射して基板表面に特定の結晶構造の特定の面方位の結
晶面の対称性を有する2次元干渉像を形成し、同時に結
晶の原料となる分子または原子を照射することにより、
結晶性基板の構造とは独立に上記特定の結晶構造および
上記特定の面方位の成長面を有する結晶性薄膜を結晶性
基板上に堆積させるようにしたので、請求項1と同様に
多形を持つ材料においては結晶構造を4回対称性または
6回対称性等の所望の対称性の構造に制御しながら結晶
を成長させることができ、多形を持たない材料において
も、結晶構造の成長面を所望の面方位に制御しながら結
晶を成長させることができる。これにより、特定の結晶
性基板の上に基板の結晶構造の対称性と著しく異なる対
称性を有する結晶性薄膜を形成することが可能になる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a crystalline thin film, wherein the surface of the crystalline substrate is irradiated with any one of a coherent radiation, a laser beam and a coherent electron beam from a plurality of directions. By forming a two-dimensional interference image having the symmetry of the crystal plane of the specific plane orientation of, and simultaneously irradiating the molecules or atoms that are the raw materials of the crystal,
Independently from the structure of the crystalline substrate, the crystalline thin film having the specific crystal structure and the growth plane having the specific plane orientation is deposited on the crystalline substrate. Crystals can be grown while controlling the crystal structure to a desired symmetry structure such as four-fold or six-fold symmetry in a material having the crystal structure. Can be grown while controlling the crystallographic orientation to a desired plane orientation. This makes it possible to form a crystalline thin film having a symmetry significantly different from that of the crystal structure of the substrate on a specific crystalline substrate.

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

【図1】本発明の実施の形態で使用する結晶性薄膜の製
造装置を示す説明図。
FIG. 1 is an explanatory view showing an apparatus for manufacturing a crystalline thin film used in an embodiment of the present invention.

【図2】上記実施の形態で基板に対して上方から見て4
方向から光を照射する場合の光の照射方向を示す概略平
面図。
FIG. 2 is a plan view of the substrate according to the embodiment shown in FIG.
The schematic plan view which shows the irradiation direction of light when irradiating light from a direction.

【図3】上記4方向の光の垂直面内での傾斜角度を示す
概略垂直断面図。
FIG. 3 is a schematic vertical sectional view showing inclination angles of light in the four directions in a vertical plane.

【図4】上記基板に対して3方向から光を照射する場合
の光の照射方向を示す概略平面図。
FIG. 4 is a schematic plan view showing the irradiation direction of light when the substrate is irradiated with light from three directions.

【図5】上記基板上に六方晶のGaNの成長面に対応し
た六方格子の周期構造を有する2次元干渉像を形成した
状態を示す説明図。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state where a two-dimensional interference image having a periodic structure of a hexagonal lattice corresponding to a growth surface of hexagonal GaN is formed on the substrate.

【図6】図6の基板上に六方晶のGaNを堆積させた状
態を示す説明図。
FIG. 6 is an explanatory view showing a state in which hexagonal GaN is deposited on the substrate of FIG. 6;

【図7】上記基板上に立方晶のGaNの成長面に対応し
た正方格子の周期構造を有する2次元干渉像を形成した
状態を示す説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state in which a two-dimensional interference image having a periodic structure of a square lattice corresponding to a growth surface of cubic GaN is formed on the substrate.

【図8】図7の基板上に立方晶のGaNを堆積させた状
態を示す説明図。
FIG. 8 is an explanatory view showing a state where cubic GaN is deposited on the substrate of FIG. 7;

【図9】上記基板上にシリコンの格子定数に等しい格子
間隔の正方格子の周期構造を有する2次元干渉像を形成
した状態を示す説明図。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a state in which a two-dimensional interference image having a periodic structure of a square lattice having a lattice spacing equal to the lattice constant of silicon is formed on the substrate.

【図10】図9の基板上に(100)シリコンを堆積さ
せた状態を示す説明図。
FIG. 10 is an explanatory view showing a state where (100) silicon is deposited on the substrate of FIG. 9;

【図11】上記基板上にシリコンの格子定数の1/√2
に等しい格子間隔の六方格子の周期構造を有する2次元
干渉像を形成した状態を示す説明図。
FIG. 11 shows 1 / √2 of the lattice constant of silicon on the substrate.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a state in which a two-dimensional interference image having a hexagonal lattice periodic structure with a lattice spacing equal to.

【図12】図11の基板上に(111)シリコンを堆積
させた状態を示す説明図。
FIG. 12 is an explanatory view showing a state where (111) silicon is deposited on the substrate of FIG. 11;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 コヒーレントビーム供給装置 2 ガス供給装置 3 基板交換室 4 反応室 5 放射光光源 6 フィルター 7 基板 8 ゲートバルブ 9、10 真空排気装置 11 基板ホルダー 12 基板ヒーター 13乃至15 ハーフミラー 16乃至22 ミラー 23 ガスノズル 24 GaN(六方晶) 25 GaN(立方晶) 26 (100)シリコン 27 (111)シリコン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coherent beam supply device 2 Gas supply device 3 Substrate exchange room 4 Reaction chamber 5 Synchrotron radiation source 6 Filter 7 Substrate 8 Gate valve 9, 10 Vacuum exhaust device 11 Substrate holder 12 Substrate heater 13 to 15 Half mirror 16 to 22 Mirror 23 Gas nozzle 24 GaN (hexagonal) 25 GaN (cubic) 26 (100) silicon 27 (111) silicon

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 コヒーレントな放射光、レーザー光また
はコヒーレントな電子ビームのいずれかを複数の方向か
ら非晶質基板表面に照射して基板表面に特定の結晶構造
の特定の面方位の結晶面の対称性を有する2次元干渉像
を形成し、同時に結晶の原料となる分子または原子を照
射することにより、上記特定の結晶構造および上記特定
の面方位の成長面を有する結晶性薄膜を非晶質基板上に
堆積させることを特徴とする結晶性薄膜の製造方法。
An amorphous substrate surface is irradiated with a coherent radiation light, a laser beam, or a coherent electron beam from a plurality of directions to form a crystal plane having a specific crystal orientation and a specific crystal orientation on a substrate surface. By forming a two-dimensional interference image having symmetry and simultaneously irradiating a molecule or atom serving as a crystal raw material, the crystalline thin film having the specific crystal structure and the growth plane having the specific plane orientation can be made amorphous. A method for producing a crystalline thin film, comprising: depositing a crystalline thin film on a substrate.
【請求項2】 コヒーレントな放射光、レーザー光また
はコヒーレントな電子ビームのいずれかを複数の方向か
ら結晶性基板表面に照射して基板表面に特定の結晶構造
の特定の面方位の結晶面の対称性を有する2次元干渉像
を形成し、同時に結晶の原料となる分子または原子を照
射することにより、結晶性基板の構造とは独立に上記特
定の結晶構造および上記特定の面方位の成長面を有する
結晶性薄膜を結晶性基板上に堆積させることを特徴とす
る結晶性薄膜の製造方法。
2. A method of irradiating a coherent radiation beam, a laser beam, or a coherent electron beam onto a surface of a crystalline substrate from a plurality of directions, and symmetrical crystal planes having a specific plane orientation of a specific crystal structure on the substrate surface. By forming a two-dimensional interference image having a characteristic and simultaneously irradiating a molecule or an atom serving as a crystal raw material, the growth surface of the specific crystal structure and the specific plane orientation can be formed independently of the structure of the crystalline substrate. A method for producing a crystalline thin film, comprising depositing a crystalline thin film on a crystalline substrate.
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