JPH03115192A - 分子線エピタキシャル結晶成長装置 - Google Patents

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】 〔概　要〕 分子線エピタキシャル結晶成長装置に関し、水銀を含む
化合物半尋体のエピタキシャル結晶が所定の組成で得ら
れるような分子線エピタキシャル結晶成長装置を目的と
し、 エピタキシャル成長容器と、 該容器の内部に設置されたエピタキシャル成長用基板と
、 該基板に対向して設置され、エピタキシャル成長用ソー
ス材料を収容したソース坩堝と、前記エピタキシャル成
長用基板に光を照射する光照射手段と、 該光照射手段の光ビームを走査する光ビーム走査手段と
、該光ビーム強度を調節する光ビーム強度制御手段と、 前記基板表面温度分布の設計値を記憶する記憶装置とか
らなり、 前記記憶装置の記憶情報により前記光ビーム走査手段と
前記光ビーム強度制御手段を作動させて前記エピタキシ
ャル成長用基板の温度を制御しながらエピタキシャル成
長するようにして構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は分子線エピタキシャル結晶成長装置に関する。

赤外線センサ等の光電変換装置には、エネルギーバンド
ギャップの狭い水銀・カドミウム・テルル（Ｈｇ＋−ｘ
　Ｃｄ３　Ｔｅ）のような化合物半導体結晶が用いられ
ている。

このような赤外線センサは、益々多画素化、高性能化お
よび低価格化が要求されており、そのため、サファイア
やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の安価で大型の基板が容
易に人手できる基板上に該基板と格子定数等の結晶特性
が異なる水銀・カドミウム・テルル（Ｈｇ１−Ｘ　Ｃｄ
Ｘ　Ｔｅ）の化合物半導体結晶が高品質で得られるよう
にした方法や、装置が要望されている。

前記したＧａＡｓ基板やサファイア基板上に、該基板と
格子定数の異なるＨｇ＋−ｘ　ＣｄＸＴｅの結晶を成長
するには、平衡状態で結晶成長が行われる液相エピタキ
シャル成長法では良好な結晶が得られず、異種基板上に
も良好な結晶が得られる分子線エピタキシャル成長法等
の気相成長の開発が進められている。

また液相エピタキシャル成長方法では、成長温度が高い
ために、基板とエピタキシャル結晶のごとき組成の異な
る結晶間で相互拡散が生じるため、高機能デバイス作成
のために必要な急峻なペテロ界面や、微細な組成分布パ
ターンを実現することが困難であり、低温成長が可能な
気相エピタキシャル成長技術の開発が待たれている。

一方、成長すべきエピタキシャル結晶成分に蒸発し易い
水銀を含んでいると、基板温度の掻く僅かな温度差によ
っても、基板への水銀固着係数が大幅に異なるため、形
成されるエピタキシャル結晶の組成が一定にならない。

従来の気相成長技術では充分な温度制御が実現できず、
成長装置を改善して基板温度分布が設計値通りに精度良
く制御できる装置が望まれる。

〔従来の技術〕

第４図は従来の分子線エピタキシャル結晶成長装置の模
式図で、図示するようにエピタキシャル成長容器１の上
部の基板設置台２にはＧａＡｓ基板等のエピタキシャル
成長用基板３が設置されている。

更に該基板設置台２には該エピタキシャル成長用基板３
を加熱するための加熱ヒータ４が内蔵されている。

上記エピタキシャル成長容器１の底部で、前記エピタキ
シャル成長用基板３と対向する位置には、該基板上にエ
ピタキシャル成長すべきＨｇ＋−ｘ　ＣｄｘＴｅの結晶
の形成材料である所定の重量のＣｄＴｅを収容したＣｄ
Ｔｅソース坩堝５、所定の重量の水銀を収容したＨｇソ
ース坩堝６、所定の重量のテルルを収容したＴｅソース
坩堝７が設置されている。そして上記エピタキシャル成
長用基板３と各ソース坩堝との間には遮蔽板８が設置さ
れている。またエピタキシャル成長容器内には、二重構
造の内部側壁９が設けられ、該二重の内部側壁内には液
体窒素が流入され、エピタキシャル成長の過程で未反応
の水銀原子を該内部側壁に付着するようしており、更に
該内部側壁に付着した水銀を収容するための水銀回収器
１１がエピタキシャル成長容器の下部に接続されている
。

更に該エピタキシャル成長容器全体を１０””ｔｏｒｒ
程度の高真空に排気するための真空排気装置１２が容器
に接続されている。

このような従来の装置を用いて、エピタキシャル成長用
基板上にＨｇＩ−ｘ　Ｃｄｘ　Ｔｅのエピタキシャル結
晶を成長する場合、前記基板設置台２にエピタキシャル
成長用基板３を設置した後、各ソース坩・堝とエピタキ
シャル成長用基板との間に遮蔽板８を介在させた状態で
、各ソース坩堝の周囲に設けた加熱ヒータ（図示せず）
を加熱し、該ソース坩堝の温度が所定の温度に到達した
時点で、前記遮蔽板８を移動させ、ソース坩堝からの各
ソースの蒸発成分を基板上に照射させるとともに、エピ
タキシャル成長用基板を加熱して該基板上にＨｇ＋−ｘ
ＣｄＸＴｅのエピタキシャル結晶を気相成長している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、ＣｄＴｅやＴｅのソース材料は高温で加熱さ
れているのに対し、エピタキシャル成長用基板３の温度
は２００℃の比較的低温に保たないと水銀が基板上に付
着しない問題がある。

然し、ソース材料より発生する輻射熱等が影響してエピ
タキシャル成長用基板表面の温度が基板全体で均一な温
度に成らない問題がある。エピタキシャル成長用基板全
体の温度を上昇させると基板表面の温度分布制御は比較
的容易となるが、水銀の基板への固着係数が極端に低下
しＨｇ＋−ｘ　ＣｄｘＴｅのエピタキシャル成長が不可
能となる。

一方、エピタキシャル成長用基板３の温度が所定の温度
より低下すると、形成されるエピタキシャル結晶の組成
がずれるのみならず、エピタキシャル成長用基板上に過
剰の水銀が付着して形成されるエピタキシャル結晶の結
晶性が極端に悪くなる問題が生じる。

従来の装置に於いては、エピタキシャル成長用基板温度
の温度制御が充分確保できていないため、水銀を成分と
して含む化合物半導体の分子線エピタキシャル結晶成長
は組成、結晶性とも再現性が悪く、実用的な技術と成っ
ていない。

そのため、エピタキシャル成長用基板温度を均一にする
ために基板裏面に均熱板や、加熱ヒータを設ける等の従
来の装置では、必要とする精度で基板温度の絶対値と分
布を制御できない結果、基板への水銀固着係数が場所的
に、時間的に一定でないため、エピタキシャル結晶の組
成が成長ロフト間で異なり、エピタキシャル結晶の組成
の均一性も悪くなる問題が生じる。

本発明は上記した問題点を除去し、基板の表面温度分布
が均一に、或いは設計値どおりに正確に制御できるよう
な分子線エピタキシャル結晶成長装置の提供を目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明の分子線エピタキシャル結晶
成長装置は第１図の原理図に示すように、エピタキシャ
ル成長容器ｌと、該容器の内部に設置されたエピタキシ
ャル成長用基板３と、該基板に対向して設置されエピタ
キシャル成長用ソース材料を収容したソース坩堝５．６
．７と、前記エピタキシャル成長用基板に光を照射する
光照射手段２２と、該光照射手段の光ビームを走査する
光ビーム走査手段２３と、該光ビーム強度を調節する光
ビーム強度制御手段２４と、前記基板表面温度分布の設
計値を記憶する記憶装置２５とからなり、前記記憶装置
２５の記憶情報により前記光ビーム走査手段２３と、前
記光ビーム強度制御手段２４を作動させて前記エピタキ
シャル成長用基板の温度を制御しながらエピタキシャル
成長するようにして構成する。

〔作　用〕

本発明の装置では第１図および第２図に示すように、レ
ーザ光の光強度を制御しながら、レーザ光スポットをエ
ピタキシャル成長用基板３の表面に走査することにより
、基板表面温度分布を制御している。基板表面温度分布
を熱像映像化装置２６で計測するようにし、計測された
基板表面の温度分布に対する信号出力と、記憶装置２５
に予め記憶しておいた所定の温度分布（設計温度分布）
に対する信号出力とを演算器２７で比較演算して、その
演算結果を光ビーム強度制御手段（光減衰器）２４や、
光ビーム走査手段（光学走査器）２３にフィードバック
して光照射手段（炭酸ガスレーザ管）２２の基板への光
ビームの走査位置や、照射する光ビーム強度を制御する
ようにしている。

従って、熱像映像化装置２６で計測した実際の基板表面
の温度分布と、記憶装置２５に記憶されている基板表面
温度分布の設計値とに差異が有る場合には、その差異に
応じて光減衰器２４を用いて光ビームの強度を制御し、
或いは光ビーム走査手段２３で光ビーム走査速度を変化
させることによって、基板表面温度分布を設計温度分布
にほぼ一致させることが出来る。

〔実　施　例〕

以下、図面を用いて本発明の一実施例につき詳細に説明
する。

第２図は本発明の分子線エピタキシャル成長装置の模式
図である。

図示するようにエピタキシャル成長容器１内の上部の基
板設置台２上には、ＧａＡｓよりエピタキシャル成長用
基板３が設置されている。

そして該基板の下部には、前記したＣｄＴｅソース坩堝
５、Ｈｇソース坩堝６およびＴｅソース坩堝７が設置さ
れ、該エピタキシャル成長用基板と前記ソース坩堝との
間には遮蔽板８が設けられている。

前記エピタキシャル成長容器１の側壁には、斜め方向よ
り基板を下部より覗くような鏡筒３１が設けられ、この
鏡筒３１の端部には光透過基板２１が設けられている。

この光透過基板２１とエピタキシャル成長用基板３とを
結んだ線上にエピタキシャル成長用基板の基板表面温度
分布を測定するための赤外線カメラ、例えばＩＲＣＣＤ
のような熱像映像化装置２６が設置されている。

また前記鏡筒３１の下部には、更に鏡筒３２が設けられ
、該鏡筒３２には前記エピタキシャル成長用基板３を覗
くような光透過基板２１が設置され、該基板２１とエピ
タキシャル成長用基板３とを結んだ線上には、第３図に
示すように、炭酸ガスレーザ管２２より照射されるレー
ザ光のスポットを基板のＸ方向に走査するＸ方向走査鏡
４１と、該レーザ光のスポットを基板のＹ方向に走査す
るＹ方向走査鏡４２と前記走査鏡を駆動させる駆動用電
磁コイル４３゜４４とよりなる光ビーム走査手段２３と
、第２図に示す該レーザ光の光強度を所定の強度に保つ
ための入射光に対する角度が可変なハーフミラ−で構成
された可変型ビームスプリッタ等の光減衰器２４が設置
され、更に前記した炭酸ガスレーザ管２２が設置されて
いる。

そして上記光ビーム走査手段２３や、光減衰器２４は前
記熱像映像化装置２６で計測された値と、設計値の基板
表面温度が記憶された記憶装置２５からの値を演算器２
７で演算比較し、この演算器２７で得られた値に応じて
前記光ビーム走査手段２３に於ける走査鏡の移動角度を
変化させたり、或いは光減衰器の可変型ビームスプリフ
タ等を作動させて基板表面の各位置に於けるレーザスポ
ット光の照度を変えるようにしている。

上記した記憶装置２５にはエピタキシャル成長用基板の
設計温度分布の情報が記憶されている。

この設計温度分布は基板全体が均一となるような温度パ
ターンか、或いは基板が部分的に温度の上下があるよう
な温度パターンに設計されている。

上記した熱像映像化袋Ｗ１２６は、常にエピタキシャル
成長用基板３の表面を撮影している。輻射率の等しい物
体に付いては、温度の高い物体程多くの赤外線を放射し
ているので、この赤外線強度を映像化する熱像映像化装
置によってエピタキシャル成長用基板表面の温度が計測
できる。然し、エピタキシャル成長用基板３の表面は一
般に鏡面であり、反射係数（＝１−輻射率）が大きいた
め、熱像映像化装置より見て基板表面で反射して見える
場所より多くの赤外線が放射されていると、基板表面で
反射して熱像映像化装置に入射し、正確な基板表面温度
分布が計測出来なくなる。

上記反射で熱像映像化装置に入射する赤外線量を一定と
し、演算器で差し引けるようにするには、熱像映像化装
置より見て、基板表面で反射して見える場所に温度の均
一な低温黒体を設置するのが望ましい。

そのため、更に前記エピタキシャル成長容器ｌの左側の
側壁部に、前記エピタキシャル成長用基板３を斜め下部
方向より覗くような鏡筒３３を設け、該鏡筒３３に前記
基板表面から反射される赤外線を透過するゲルマニウム
板より成る赤外線透過窓３４、および赤外線を反射しな
いカーボンよりなる低温黒体３５が設置されている。

そしてより高精度にエピタキシャル成長用基板の温度分
布を計測するには、前記反射によって熱像映像化装置に
入射される赤外線を一定にする丈でなく、できる丈減少
させる必要があり、そのためには前記した黒体を低温に
保つことが必要となる。

然し、水銀を含むエピタキシャル結晶の成長に於いては
、エピタキシャル成長用基板に固着されなかった水銀分
子がエピタキシャル成長容器ｌ内に浮遊して低温部に付
着するので、上記したように低温黒体３５は、水銀が付
着しない高温の赤外線透過窓３４で保護されている。上
記赤外線透過窓３４からの赤外線放射は、透過窓の輻射
率（＝１−透過率）は小さいため、反射で透過窓より熱
像映像化装置に入射する赤外線は増加しない。

更にこの装置全体を排気するための真空排気装置１２や
、前記内部側壁９内に蓄積される未反応の水銀を回収す
るための水銀回収器１１が前記エピタキシャル成長容器
１に接続されて配置されている。

このような本発明の分子線エピタキシャル成長装置の動
作に付いて説明する。

まず前記した基板設置台２にエピタキシャル成長用基ｌ
ｌ１３を設置した後、エピタキシャル成長容器１内を真
空排気装置１２を用いて１０−　”　ｔｏｒｒの真空度
に成る迄排気する。

次いで各々のソース坩堝を加熱し、これ等のソース坩堝
の温度が所定の温度に成った時点で前記遮蔽板８を該ソ
ース坩堝の上部より、横方向に移動させる。

次いで前記光減衰器２４の減衰率を下げて、炭酸ガスレ
ーザ管２２からのレーザ光がエピタキシャル成長用基板
３の所定位置に到達するように光学走査器２３を走査す
る。

この状態で所定時間レーザ光をエピタキシャル成長用基
板上に照射し、該基板の温度が所定の温度に上昇した段
階で、前記基板表面の所定の位置の温度を熱像映像化装
置２６で計測する。

そしてこの温度を前記記憶装置２５に記憶されている所
定位置の基板表面温度の設計値温度と比較検知し、この
比較した値を演算器２７で演算し、該演算した情報に基
づいて前記した光学走査器２３の走査鏡を基板の所定位
置にレーザ光が到達するように走査し、又光減衰器２４
のハーフミラ−のレーザ光の入射光に対する角度を変え
るようにしてレーザ光の光スポットの強度を調節する。

また前記した基板で反射した赤外光が、前記熱像映像化
装置に入り込んで、該装置の計測値の値が前記反射赤外
光の影響を受けるのを防止するために、本発明の装置に
於けるように、前記熱像映像化装置より見て、前記基板
で反射して見える位置に赤外光を反射せず、かつ殆ど放
射もしない低温黒体３５と赤外光を透過し、殆ど放射し
ない赤外線透過窓３４を設けることで、反射赤外光が熱
像映像化装置に入射しなく、更にエピタキシャル成長装
置の信頼度が向上する。

尚、本発明の変形例として、基板表面で反射して熱像映
像化装置に入射する赤外線の低減手段を低温黒体と赤外
透過窓の組み合わせとしたが、均一温度の黒体のみで構
成しても良い。

また上記実施例では、熱像映像化装置から計測された基
板表面温度分布の計測値を、レーザ光の照射強度にフィ
ードバックしているが、設計温度分布情報を記憶してい
る記憶装置からの出力だけでレーザ光照射強度を制御し
ても良い。

またエピタキシャル成長基板の温度は、レーザ光だけで
制御しているが、基板の裏面にヒータや均温板を設ける
等の補助加熱手段や、補助温度分布手段を付設しても良
い。

Ｃ発明の効果〕 以上の説明から明らかなように本発明によれば、基板表
面の温度分布を設計温度分布通りにできるため、上記設
計温度分布を均一温度と設定すれば基板表面は均一温度
になり、基板全体にわたって均一、かつ所定の組成を有
するエピタキシャル結晶が成長でき、この結晶を用いて
赤外線エリアセンサ等を製作すれば、画素間の特性が均
一なセンサが得られる。

また設計温度分布を部分的に異なる温度パターンに設定
すると、基板表面に所定の温度パターンが精度良く実現
でき、この温度パターンに応じてＸ値の異なるＨｇｒ−
ｘ　Ｃｄｚ　Ｔｅのエピタキシャル結晶が基板の所定位
置に選択成長でき、このような選択成長されたエピタキ
シャル結晶を用いて赤外線センサを形成すると高機能の
赤外線センサが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の原理図、 第２図は本発明の装置の一実施例の模式図、第３図は本
発明の要部を示す模式図、 第４図は従来の装置の模式図である。 図において、 １はエビクキシャル成長容器、２は基板設置台、３はエ
ピタキシャル成長用基板、５はＣｄＴｅソース坩堝、６
はＨｇソース坩堝、７はＴｅソース坩堝、８は遮蔽板、
９は内部側壁、１１は回収手段（水銀回収器）、１２は
排気手段（真空排気装置）、２１は光透過基板、２２は
光照射手段（ｌｉｅ−Ｎｅレーザ管）、２３は光ビーム
走査手段（光学走査器）、２４は光ビーム強度制御手段
（光減衰器）、２５は記憶装置、２６は熱像映像化装置
、２７は演算器、３１．３２．３３は鏡筒、３４は赤外
線透過窓、３５は低温黒体を示す。 滲発’１ｌ−ｉ　１／−Ｌ　ｔＪＰ＊；ｉ−ＩＩＮＫｍ
第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）エピタキシャル成長容器（１）と、 該容器の内部に設置されたエピタキシャル成長用基板（
   ３）と、 該基板に対向して設置されエピタキシャル成長用ソース
   材料を収容したソース坩堝（５、６、７）と、前記エピ
   タキシャル成長用基板に光を照射する光照射手段（２２
   ）と、 該光照射手段の光ビームを走査する光ビーム走査手段（
   ２３）と、該光ビーム強度を調節する光ビーム強度制御
   手段（２４）と、 前記基板表面温度分布の設計値を記憶する記憶装置（２
   ５）とからなり、 前記記憶装置の記憶情報により前記光ビーム走査手段と
   前記光ビーム強度制御手段を作動させて前記エピタキシ
   ャル成長用基板の温度を制御しながらエピタキシャル成
   長するようにしたことを特徴とする分子線エピタキシャ
   ル結晶成長装置。
2. （２）前記エピタキシャル成長用基板の表面温度分布を
   計測する熱像映像化装置（２６）を設け、該熱像映像化
   装置で測定された測定値と、前記記憶装置に蓄積された
   基板表面温度分布の設計値とを演算器（２７）で比較演
   算し、該比較演算された情報により前記光ビーム走査手
   段（２３）と、光ビーム強度制御手段（２４）を作動さ
   せることを特徴とする請求項（１）記載の分子線エピタ
   キシャル結晶成長装置。
3. （３）前記熱像映像化装置（２６）に前記エピタキシャ
   ル成長用基板（３）で反射した赤外光が入射しないよう
   な赤外線低減手段（３４、３５）を設けたことを特徴と
   する請求項（１）または（２）に記載の分子線エピタキ
   シャル結晶成長装置。