JPH01294594A - 分子線エピタキシャル成長装置 - Google Patents

分子線エピタキシャル成長装置

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JPH01294594A
JPH01294594A JP12390488A JP12390488A JPH01294594A JP H01294594 A JPH01294594 A JP H01294594A JP 12390488 A JP12390488 A JP 12390488A JP 12390488 A JP12390488 A JP 12390488A JP H01294594 A JPH01294594 A JP H01294594A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
molecular beam
electron
substrate
substrate holder
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JP12390488A
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English (en)
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Mitsuro Kawano
川野 充郎
Shinji Yamazaki
真嗣 山崎
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は例えば半導体多層薄膜構造の結晶等を成長す
る分子線エピタキシャル装置に関する。
(従来の技術) 分子線エピタキシャル成長法(以下MBE法と略記する
)は、真空容器内で分子線源から射出した分子線を半導
体基板に照射して半導体単結晶膜を成長する技術である
MBE法で成長した多層薄膜構造の結晶(−層あたりの
膜厚は数人から数百A)を用いて優れた特性の半導体素
子を製作することができる。このような半導体結晶を製
作するためには結晶の成長速度を精密に測定し、所定の
膜厚にする必要がある。
従来の分子線エピタキシャル成長装置(以下MBE装置
と略記する。)の−例を第6図に示された断面図で説明
する。真空容器(11)内には複数個の分子線源(12
)、(13)が設置され、その各々には分子線を開閉す
るシャッタ(14) 、 (15)が設けられている。
分子線?R(12) 、 <13)に対向する位置には
半導体基板(20)を保持した半導体基板ホルダ(19
)が設けられている。半導体基板や成長した結晶に電子
線を照射するための電子銃(21)と、結晶表面からの
反射電子線の回折像を映し出す蛍光スクリーン(24)
が配置されている。
前記電子銃(21)より放射される電子線の回折像を前
記蛍光スクリーン(24)に映し出すことにより、半導
体基板や成長した結晶の表面状態、結晶性を調べること
ができるようにしている。
従来、上記のMBE装置で成長した結晶の成長速度を求
めるには次の手順によっていた。結晶成長終了後、結晶
をヘキ開し、その断面をスティンエッチして成長層境界
線を見易くした後、走査型電子顕微鏡(SEM)を用い
て膜厚を測定し、その膜厚と成長時間から成長速度を計
算する。しかし、この方法では全部の層の成長が終了し
た後でないと成長速度を知ることができない。また、多
層膜の成長ではその中の一つの層の膜厚が規格外であっ
ても、多層膜全体が規格外不良になるという欠点があっ
た。また、極めて薄い膜の場合は測定精度が悪くなるか
、又は測定不可能であった。
MBEに関する最近の研究により、結晶成長中に10k
eV程度の高エネルギーで加速した電子線を結晶表面に
ほぼ平行な角度で入射させ、その反射電子線回折像(R
HEED回折像)を観測すると次のことが明らかになっ
た。RHEED回折像の回折強度が時間と共に周期的に
変動し、その変動は、結晶の成長過程に対応している。
−例として第7図にGaAs (砒化ガリウム) (0
01)面の<110>方向入射による反射電子回折パタ
ーン強度の時間変化の様子を示す。この振動の一周期が
GaAsの一原子層の成長に相当することが知られてい
る。
上記の知見に基き、このRHEED回折像の回折強度の
周期を観測することにより、リアルタイムで原子尺度の
成長速度を知り、成長の制御が可能になる。しかし、こ
のRHEED回折像の振動を観測するためには、電子線
の結晶への入射方向が一定の結晶方位となる必要がある
。そこで通常の成長では成長層の均一性を保つために不
可欠な基板回転を行うことができない。従って、従来は
基板の回転を止めて、RHEED回折像の強度を観測し
て成長の精密制御を行う必要があった。しかし、この方
法では基板の回転を止めるため成長層の面内均一性の低
下を招き、所望する半導体結晶の精密な膜厚制御を行う
ことができない。
(発明が解決しようとする課題) 以上述べたように、結晶成長終了後、試料をヘキ関し断
面をスティンエツチングして結晶層厚を観測する方法で
は、成長終了後でないと成長層の膜厚、もしくは成長速
度がわからない。一方、RHEED回折像の回折強度の
振動を観測して成長速度を知る方法は、基板を回転させ
ることができないため、成長層の面内均一性が低下した
。そこで本発明では、結晶成長中に精度よく結晶の成長
速度を観測し、原子層尺度での成長厚の制御を可能とす
る成長装置を提供することを目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明ではMBE装置にお
いて、半導体基板の回転と同期してこの半導体基板に入
射する電子線を断続的に遮断する機構、又は反射回折し
た電子線を基板回転と同期して観測、信号処理する機構
を設け、基板上に成長する結晶の成長中に結晶表面に電
子線を照射し、結晶表面からのRHEED回折像を観測
し、結晶層の成長と原子層尺度での成長速度のモニタを
同時に達成することができるようにしたものである。
(作 用) 半導体基板回転と同期して半導体基板に入射する電子線
を断続的に遮断する機構、又は反射回折した電子線を基
板回転と同期して観測、信号処理する機構を設けたこと
により、回転する基板に対しても常に一定の結晶方位か
らのRHEED回折像のみを観#lPIできる。
これにより、結晶成長中に一定の結晶方位からのRHE
ED回折像の強度振動を観測して、結晶の成長速度を精
度よくリアルタイムで知ることができる。
(実施例) 第1図に■−V族化合物半導体、例えばGaAsの分子
線エピタキシャル成長に本発明を適用した実施例を示す
真空容器(101)内にGaおよびAsの分子線源(1
02) 。
(103)とシャッタ(104) 、 (105)が設
置され、前記分子線源(102) 、 (103)と対
向する位置にGaAs基板(110)を取付けた半導体
基板ホルダ(109)が設置され、この半導体基板ホル
ダ(109)はその面の中心で面に垂直な軸を中心とし
て回転させることができる。
(111)は電子銃でRHEED回折像は蛍光スクリー
ン(114)に映出され、蛍光スクリーン(114)の
外側には、光ファイバーと光電子増倍管とから成る検出
器(115)が取付けられており、回折像強度の変化を
観察できる。
電子銃(lit)の直前には例えば第2図に示すような
スリット付回転板(113)があり、これに幅数百μm
程度のスリット(121)が開孔している。回転板(1
13)の回転によってスリット(121)の存在で電子
線が断続的に遮断される。スリットが回転して電子線が
GaAs基板(110)に入射するタイミングと基板回
転とは、GaAs基板の常に定まった結晶方位のR)I
EED回折像を蛍光スクリーン(114)上で観測でき
るように同期されている。
次に、上述した分子線エピタキシャル成長装置の動作に
ついて説明する。
加熱したGaAs基板(110)に対し、As分子線源
(103)よりAs分子線をシャッタ(105)を介し
て照射しながら基板表面のクリーニングを行う。その後
、Ga分子線源(102)のシャッタ(104)を介し
て、回転状態にあるGaAs基板(110)に対し、G
aAsの成長を行う。成長中にスリット付回転板(11
3)を回転させながら、電子銃(1,11)より電子線
を照射し、例えばGaAs(001)面の<110>方
向から入射する電子線のRHEED回折像を蛍光スクリ
ーン(114)上に映出し、あらかじめ観測しやすいよ
うに選んでおいた輝点の強度振動を検出器(115)に
より検出し、これを適宜表示装置により表示する。スリ
ットの回転は前記(001)面の前記<110>方向の
回折像のみが観測できるように基板回転と同期するよう
にあらかじめ調整されている。
通常、MBE法における結晶の成長速度は0.5 μm
/h 〜1 μm/hであり、このときRHEED回街
像の強度振動の周期は1秒程度である。
そこで成長を行う時、基板回転を6〜8回/秒とし、第
2図に示されるスリット付回転板(113)を回転数3
〜4回/秒として、基板を回転しながら、基板より反射
し回折した電子線の振動を観測することができるもので
ある。
GaAsの成長が始まると、例えば第3図に示されるよ
うなRIIEED振動を観測することができ、この振動
周期は単原子層の成長過程が思案に反映されるものであ
る。
なお、上記によれば、スリット付回転板(+13)を電
子銃(111)と半導体基板ホルダ(109)の間に設
けたが、これを前記半導体基板ホルダ(109)と検出
器(115)との間に設けるようにしても差し支えない
次に第4図に他の実施例の要部を示す。以下説明すると
、真空容器(201)内にある電子銃(203)の直前
に2個1組の周知の平行平板電極(202) 。
(202)を置く。この平行平板電極(202) 、 
(202)間の印加電圧を変化させることにより、電極
間で電子線を任意の方向に偏向させることができる。
したがって、印加電圧を適切に変化させれば、電子線を
半導体基板に入射させたり、入射させなかったりと断続
さiることができる。さらに、基板回転と同期して印加
電圧を変化して、基板回転と同期した周期で極めて短時
間、基板に電子線が入射するようにすると、半導体基板
の常に定まった結晶方位のR)IEED回折像のみを観
測できるようになる。上記の実施例と同様の条件下でG
aAsの成長を行ったところ、成長中に数10回のRH
EED振動を観測することができた。
更に、上述の各実施例におけるスリット゛付回転板や平
行平板電極で電子線を断続する代りに、蛍光スクリーン
上に映出されたRHEED回折像の強度を検出し、その
強度信号をサンプリングする方法でもよい。この方法に
よれば、サンプリングを基板回転と同期して行い、特定
の結晶方位のRIIEED回折像だけを観測できる。す
なわち、この方法について、第5図により説明する。
なお、第1図と同一の部分には同一の番号を付し、詳細
な説明は省略する。蛍光スクリーン(114)の外側に
は光ファイバーと光電子増倍管とから成る検出器(l1
5a)及び信号処理系回路を含む検出装置が設けられて
おり、回折像強度の変化を観測できるものである。すな
わち、検出器(115a)からの出力信号はバンドパス
フィルタ(115b)により不要な周波数成分が取除か
れる。次いでサンプルホールド装置(l15c)により
サンプルホールドされ、直流微少電圧計(l15d)で
検出され、記録器(115e)に入力される。サンプル
ホールド装置(l15a)へ入力されるサンプリングパ
ルスは基板回転を基準とした同期信号からサンプリング
パルス発生器(115「)により発生される。
以上の各実施例の何れにおいても成長したGaAsの表
面は良好で通常の成長と比べて成長層に異常は見られな
かった。観測された振動により、結晶成長中のGaAs
の成長速度を成長層の均一性を保ちながら知ることがで
き、単原子層尺度での成長制御が可能となった。
本実施例ではGaAsの成長について述べたがAlGa
As等の他の結晶成長についても適用できる。
この発明は上記実施例に限ることなく、その他この発明
の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ること
は勿論である。
[発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば成長中に基板を回転し
ながら、RHEED回折像の強度振動を観測することが
でき、成長層の均一性を保ちながら成長中に精密にかつ
リアルタイムで結晶の成長速度を知ることができる分子
線エピタキシャル成長装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を説明する分子線エピタキシ
ャル装置の断面図、第2図は本発明の第1図におけるス
リット付回転板を示す斜視図、第3図は第1図に示され
る実施例において観測されたRHEED回折像の強度振
動の一例を示す図、第4図は本発明の他の実施例を示す
分子線エピタキシャル成長装置の要部の断面図、第5図
は本発明の更に他の実施例の分子線エピタキシャル成長
装置を示す図、第6図は従来のエピタキシャル成長装置
の断面図、第7図は第6図の例における従来のRHEE
D回折像の強度振動の一例を示す図である。 11.101,201・・・・・・・・・真空容器10
2.103,12.13・・・分子線源104.105
,14.15・・・分子線源のシャッタ109.19・
・・・・・・・・・・・・・・半導体基板ホルダ20・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・半導体基板
110・・・・・・・・・・・・・・・・・・CaAs
基板113・・・・・・・・・・・・・・・・・・スリ
ット付円板121・・・・・・・・・・・・・・・・・
・スリット111.203.21・・・・・・・・・電
子銃114.24・・・・・・・・・・・・・・・蛍光
スクリーン202・・・・・・・・・・・・・・・・・
・平行平板電極115.115a、25・・・・・・検
出器116・・・・・・・・・・・・・・・・・・検出
装置115b・・・・・・・・・・・・・・・・・・バ
ンドパスフィルタ115C・・・・・・・・・・・・・
・・・・・サンプルホールド装置115d・・・・・・
・・・・・・・・・・・・直流微少電圧計115e・・
・・・・・・・・・・・・・・・・記録器115r・・
・・・・・・・・・・・・・・・・サンプリングパルス
発生器出願人代理人 弁理士 側近 憲佑 同  山王  − 101奥墾容憑 115   検出6 第2図 第3図 第4図 L       −−−−J

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)分子線を放出する分子線源と、前記分子線源に対
    向配置し、一つの軸を中心として回転する半導体基板ホ
    ルダと、前記半導体基板ホルダに保持される半導体基板
    に電子線を放射する電子銃と、前記電子銃より放射され
    る電子線を前記半導体基板ホルダの回転と同期して断続
    的に遮断する遮蔽板と、これら分子線源、半導体基板ホ
    ルダ、電子銃および遮蔽板を収納する真空容器と、前記
    電子銃より前記半導体基板に対して照射され、前記半導
    体基板より反射回折した電子線を検出する検出器を具備
    した分子線エピタキシャル成長装置。
  2. (2)分子線を放出する分子線源と、前記分子線源に対
    向配置し、一つの軸を中心として回転する半導体基板ホ
    ルダと、前記半導体基板ホルダに保持される半導体基板
    に電子線を放射する電子銃と、前記電子銃より放射され
    る電子線を前記半導体基板ホルダの回転と同期して断続
    的に電界により偏向する電子線断続偏向装置と、これら
    分子線源、半導体基板ホルダ、電子銃および電子線断続
    偏向装置を収納する真空容器と、前記電子銃より前記半
    導体基板に対して照射され前記半導体基板より反射回折
    した電子線を検出する検出器とを具備した分子線エピタ
    キシャル成長装置。
  3. (3)分子線を放出する分子線源と、前記分子線源に対
    向配置し、一つの軸を中心として回転する半導体基板ホ
    ルダと、前記半導体基板ホルダに保持される半導体基板
    に電子線を放出する電子銃と、これら分子線源、半導体
    基板ホルダ、および電子銃を収納する真空容器と、前記
    電子銃より前記半導体基板に対して照射され、前記半導
    体基板より反射回折した電子線の回折強度信号を検出す
    る検出器とこの回折強度信号を前記半導体基板ホルダの
    回転と同期してサンプリングする信号処理系回路を有す
    る検出装置を具備した分子線エピタキシャル成長装置。
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