JPH0633230B2 - 結晶成長方法および結晶成長装置 - Google Patents

結晶成長方法および結晶成長装置

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JPH0633230B2
JPH0633230B2 JP18329389A JP18329389A JPH0633230B2 JP H0633230 B2 JPH0633230 B2 JP H0633230B2 JP 18329389 A JP18329389 A JP 18329389A JP 18329389 A JP18329389 A JP 18329389A JP H0633230 B2 JPH0633230 B2 JP H0633230B2
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、原子層制御を要する結晶成長、特に化合物半
導体等のエピタキシャル成長に適した、結晶成長方法お
よび結晶成長装置に関するものである。
(従来の技術) 従来の技術を、分子線エピタキシャル成長(molecular
Beam Epitaxy,以下MBEと称す)に、高速反射電子線
回折(Reflection of High Energy Electron Diffracti
on,以下RHEEDと称す)を設けたものを例に、第6
図により説明する。
MBE成長は、超高真空槽1中で、単一もしくは複数個
のクヌンセンセル(以降Kセルと略する)2から分子線
3として供給される元素4が、基板5上でエピタキシャ
ル成長していく。例えばGaAs/AlGaAsの化合物半導体で
は、温度300℃ないし700℃の範囲で、Ga,AsおよびAlの
Kセル2のシャッタ6を交互に開閉しながら、分子線3
として供給し、エピタキシャル成長を行う。この時、そ
の成長の過程をRHEEDで評価する。
RHEEDは、電子線源7から、10kVないし40kVの高速
の電子を結晶成長中の基板5に入射させると、入射電子
8は、基板5の表面の情報を反映して散乱する。その散
乱電子9を蛍光塗料が塗ってあるスクリーン10で受ける
と、基板表面の情報を反映した、電子線回折像が得られ
る。この回折像は、基板5の表面の凹凸に特に敏感であ
り、その代表的なスポットの強度だけに注目しても、明
確な表面の様子を知ることができる。
第7図は、回折像の代表的なスポットの強度の変化に対
応する表面の成長の様子を示す図である。RHEEDの
スポットの強度は、結晶成長の進行とともに変動する。
この変動の周期は、エピタキシャル膜が1ないし2原子
層ずつ増加していく速さに対応している。すなわち、結
晶表面から反射される電子線の強度は、表面が平坦なと
きに強くなるので、層成長の場合には、結晶面が1層成
長するごとに平坦性が繰り返され、RHEEDのスポッ
ト強度の変動となって観測される。このような手法を用
いることにより、結晶成長中に同時にその様子を観測し
ながら、制御することが可能である。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、従来のMBEによる成長方法とRHEE
D等の評価方法では、基板5の表面で成長中の元素ある
いは表面に構成される元素4の種類を見分けることがで
きないという問題があった。また、表面の凹凸を反射し
た強度変化は測定できるが、その凹凸の構造、成長初期
過程、原子サイズでの配置構成等の情報を得ることがで
きないという問題もあった。従って、原子を1層ずつ結
晶成長していくような場合は、表面に所望の元素がどの
ように、何原子層成長したか評価できないし、また制御
することもできないという問題があった。
本発明は上記の問題を解決するもので、成長している元
素の種類、原子層の成長過程の情報が得られる結晶成長
方法および結晶成長装置を提供するものである。
(課題を解決するための手段) 上記の課題を解決するため、本発明は、イオンを照射
し、散乱イオンのエネルギ分析を行うものである。
(作用) 上記の構成により、結晶の成長と同時に、成長表面にイ
オンを照射し、原子の種類によって異なる散乱イオンの
エネルギ分析を行うので、表面の原子の種類を評価する
ことができる。また、入射もしくは散乱方向の角度依存
性を測定することにより、表面の原子の構造をも観測す
ることが可能となる。従って、上記の評価方法により、
表面の各構成原子の被覆率を測定し、供給原子の種類お
よび供給時間を制御しながら、1原子層ずつ完全な結晶
成長をすることが可能となる。
(実施例) 本発明の一実施例を第1図なしい第5図により説明す
る。
第1図は、本発明によるMBE成長装置の構成を示す断
面図である。なお、第6図に示した従来例と同じ構成部
品には同一符号を付して説明を進める。
同図において、本発明によるMBE装置11は、フラスコ
形の超高真空槽1の口の部分に、イオン散乱分光(Ion
Scatterring Spectroscopy;以下ISSと称す)装置12
を配置したものである。
MBE装置11は、従来例と同様に、超高真空槽1中に、
Kセル2および基板5を配置し、結晶成長に必要な構成
元素4を分子線3として基板5の表面に供給する。な
お、成長の条件は、元素4により異なり、特にKセル2
の温度は、元素4の蒸気圧、所望の結晶に必要な供給量
および基板5の温度等考慮して決定する。
次に、ISS装置12について、ヘリウム(He)イオンを
用いた場合を例として説明する。ヘリウムイオン13は、
ヘリウムイオン源14でイオン化されイオンビーム15とし
て出射される。その後、イオンビーム15の進行方向を調
整する2組の偏向板16と17および集光のための静電レン
ズ18を通過する。なお、上記の偏向板16と17および静電
レンズ18は、それぞれ直流電圧が印加されており、加速
エネルギ等によって電圧を調整し、イオンビーム15の最
適化を行うものである。さらに、進行したイオンビーム
15は、パルス電圧が印加された偏向板19により、スリッ
ト20上を走査し、スリット20の通過によってパルス状イ
オンビーム21となる。パルス状イオンビーム21は、環状
の検出器22の貫通孔を通過して基板5上の表面に衝突す
る。衝突したイオンは、表面の原子の種類、および主に
原子の質量に依存した速度で散乱イオン23となって散乱
する。そのなかで、入射に対して180度、すなわち後方
に散乱される散乱イオン23だけが、検出器22に到達す
る。
入射するイオンビームはパルス状イオンビーム21なの
で、図中に寸法線で示した一定の飛程24を走行した散乱
イオン23の速度が異なると、パルスビームがスリット20
を通過して、つぎのパルスビームがくるまでに、検出器
22に到達し、検出される散乱イオン23の走行時間を測定
すれば、散乱イオン23のエネルギ分析が可能となる。
第2図は、上記の手法を用い、2keVの加速電圧で測定
したInP基板表面のISSスペクトルの測定例を示す
エネルギ分布図で、横軸の走行時間が散乱イオン23のエ
ネルギに、縦軸が散乱イオン23の数にそれぞれ相当す
る。ここで観測される2つのピーク25、および26は、そ
れぞれ表面近傍のインジウム(In)原子および、燐(P)原
子に衝突して散乱されてくるイオンを示している。
このような測定を、実際のMBE成長しながら同時に行
うことにより、InPの場合を例とするならば、成長表
面の構成原子の種類および量を散乱イオン23の時間差お
よび強度で、それぞれ同時に観測することができる。
また、基板の角度を変化させて、入射角度分布を測定す
れば、表面構造を観測することも可能となる。この原理
について、第3図により説明する。同図において、成長
面は、第1原子層27、第2原子層28およびそれ以降の原
子層で形成されている。入射イオン29は、各原子がそれ
ぞれ持つ衝突断面積30に遮られるため、第1原子層27の
原子によるシャドーコーン31が、第2原子層28以降に広
がり、入射角度によっては、第2原子層28以降は、第2
図のようなISSスペクトルにピークとして観測され
ず、第1原子層27のピークのみとなる場合が生ずる。こ
のようにして、基板の角度を変化させ、ISSスペクト
ルの入射角度依存性を測定することにより、表面もしく
は表面から数原子層までの構成原子の構造を観測するこ
とが可能である。また、前述の散乱イオン23のピーク強
度とあわせて、表面の構成原子の被覆率をも知ることが
できる。
このようなMBE成長と同時に、ISSによる評価方法
を用い、原子層制御を行いながら結晶を成長させる方法
について、InPを例に説明する。MBEによるInP
の成長は、Kセル2のシャッタ6を開閉しながら、In
およびPを交互に供給して1層ずつ形成し、同時に行う
ISSによる成長表面の評価は、第1原子層27のシャド
ーコーン31が第2原子層28以降の原子層を覆う条件で、
交互に供給される原子の様子を観測しながら行う。
第4図は、InおよびPの各原子に対応したISSスペ
クトルのピーク強度の時間変化を示す時系列状態図で、
ISSスペクトルの、InとPのピーク強度の変化に注
目すると、各々の原子に対応するピーク強度に対して、
各原子のKセル2のシャッタ6の開閉のタイミングが、
RHEEDのスポット強度の時間変化のように、ピーク
強度の時間変化に対応していることが判る。従って、こ
のピーク強度の時間変化にあわせて各原子のKセル2の
シャッタ6の開閉を行えば、各原子について、1原子層
ずつの成長制御が可能である。
第5図は、本発明による結晶成長方法を採用した自動制
御MBE装置の構成図で、MBE装置11内に設置された
ISS装置12にデータ処理機32とピーク強度分析系33を
接続し、さらに、Kセル2のシャッタ6の開閉を制御す
るシャッタコントローラ34に接続したものである。
このような構成により、データ処理機32で得られる第4
図のような信号から各原子のピーク強度をピーク強度分
析系33に読み取らせ、そのデータをもとに、各原子の中
の成長中の原子のピーク強度が最大になった時点でシャ
ッタ6を切り替えるように、シャッタコントローラ34に
信号を送ると、MBE成長とリアルタイムにISSによ
る評価が可能となり、従って、複数の供給原子に対する
原子層制御が可能となる。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明の結晶成長方法によれば、
結晶の成長中にイオンを成長表面に照射し、散乱イオン
のエネルギ分析と、入射もしくは散乱方向の角度依存性
の測定により、表面の原子の種類、被覆率および構造を
観測することが可能となる。
また、上記の観測手段を併用する本発明の結晶成長装置
によれば表面の各構成原子の被覆率を測定し、供給原子
の種類および供給時間を制御しながら、1原子層ずつ完
全な結晶層を成長させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるMBE装置の構成を示す断面図、
第2図は本発明の結晶成長方法で得られる測定例を示す
エネルギ分布図、第3図はその模型図、第4図は本発明
によるISSのデータ処理機の時系列ピーク強度を示す
図、第5図は本発明による自動制御MBE装置の構成
図、第6図および第7図は従来のMBE装置と時系列ピ
ーク強度を示す図である。 1……超高真空槽、2……クヌンセンセル、3……分子
線、4……元素、5……基板、6……シャッタ、7……
電子線源、8……入射電子、9……散乱電子、10……ス
クリーン、11……分子線エピタキシャル成長(MBE)
装置、12……イオン散乱分光(ISS)装置、13……ヘ
リウムイオン、14……ヘリウムイオン源、15……イオン
ビーム、16,17,19……偏向板、18……静電レンズ、20…
…スリット、21……パルス状イオンビーム、22……検出
器、23……散乱イオン、24……飛程、25,26……ピー
ク、27……第1原子層、28……第2原子層、29……入射
イオン、30……衝突断面積、31……シャドーコーン、32
……データ処理機、33……ピーク強度分析系、34……シ
ャッタコントローラ。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超高真空中の分子線結晶成長において、 基板に結晶を成長させるのと同時に前記基板表面にイオ
    ンを照射し、前記結晶表面からの散乱イオンのエネルギ
    分析を行い、結晶成長中の基板表面の原子の種類を1原
    子層単位で測定する工程と、 前記結晶原子の1原子層単位の成長の後、前記基板に供
    給する供給原子の種類を変更し、別の原子を1原子層単
    位で前記基板に成長させる工程とを含むことを特徴とす
    る結晶成長方法。
  2. 【請求項2】基板に結晶を成長させる工程と、前記基板
    表面へのイオン照射の工程とを同時に行わないことを特
    徴とする請求項1に記載の結晶成長方法。
  3. 【請求項3】散乱イオンのエネルギ分析のピーク強度か
    ら、基板表面の原子の被覆率を測定することを特徴とす
    る請求項1に記載の結晶成長方法。
  4. 【請求項4】基板表面の構成原子のピーク強度にあわせ
    てシャッターの開閉をして1原子層単位の結晶成長を制
    御することを特徴とする請求項1に記載の結晶成長方
    法。
  5. 【請求項5】基板表面にイオンビームを照射しつつ、前
    記基板と前記イオンビームとの角度を変化させることに
    より測定した、前記基板に対する前記イオンビームの散
    乱イオンの入射角度依存性から前記基板表面の数原子層
    の構成原子の構造を測定する工程を含むことを特徴とす
    る請求項1に記載の結晶成長方法。
  6. 【請求項6】内部に基板を設置し、前記基板に成長させ
    る膜を供給する複数のKセルを有したMBE装置と、 前記基板表面にイオンを照射し、前記基板で散乱される
    前記イオンを検出するISS装置と、 前記散乱イオンピーク強度を分析するピーク分析装置
    と、 前記ピーク分析装置からのデータにより前記MBE装置
    内の前記Kセルのシャッターをコントロールするシャッ
    ターコントローラ装置とを備えたことを特徴とする結晶
    成長装置。
  7. 【請求項7】散乱イオンピーク強度が、所定のピーク強
    度に達した時点でKセルのシャッターを切り換えること
    を特徴とする請求項6に記載の結晶成長装置。
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