JPH0469809B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はクラスタイオンビーム蒸着法（ICB
法）により、良質の化合物半導体を形成する化合
物半導体薄膜の製造装置に関する。

［従来の技術］ 近年、シリコン又はゲルマニウム等の単体元素
からなる単元素半導体に対して２種以上の元素、
例えばガリウムヒ素GaAs、インジウム燐InP等
の−族の元素からなる化合物半導体がバンド
ギヤツプの制御が容易で、かつキヤリアの移動度
が大きい点を利用して、半導体デバイス−への応
用が注目されるようになつてきている。例えば上
述のような金属間化合物半導体は発光ダイオー
ド、半導体レーザ等で実用化されており、さらに
スーパーコンピユータに利用されようとしてい
る。

第３図は特公昭56−41165号公報に記載された
従来の化合物半導体薄膜の製造装置の概略構成図
である。第３図において、１は目的とする化合物
半導体薄膜を成膜しようとする基板、２は導電材
により形成されており、基板１を保持する基板ホ
ルダ、３及び４は内部に目的とする化合物の成分
元素を含む被蒸発物質Ａ及びＢ、例えばガリウム
Ga及びヒ素Asがそれぞれ充填される密閉型のル
ツボ、５及び６はルツボ３及び４に設けられた小
径の噴射ノズル、３５及び３６はルツボ３及び４
の外壁内部にそれぞれ配設されており、いわゆる
抵抗加熱法によりルツボ３及び４を加熱する発熱
体、３７及び３８はルツボ３及び４の外壁面にそ
れぞれ設けられたルツボ温度を測定する熱電対、
１１及び１２はルツボ３及び４の噴射ノズル５及
び６近傍にそれぞれ設けられたイオン化室であ
る。イオン化室１１及び１２はそれぞれ熱電子放
出用のイオン化フイラメント１３及び１４、熱電
子放出用のフイラメント１３及び１４から放出さ
れた熱電子を加速するグリツド１５及び１６並び
にシールド板１７及び１８から構成されている。

又、３９及び４０はイオン化室１１及び１２に
対して基板ホルダ２を負の高電位に保ち、正イオ
ン化された粒子に対して基板１方向の運動エネル
ギを付与するイオン加速電源、４１及び４２はイ
オン化室１１及び１２のイオン化フイラメント１
３及び１４を加熱して熱電子を放出させる加熱電
源、４３及び４４はイオン化フイラメント１３及
び１４に対して、グリツド１５及び１６を正の電
位にし、イオン化フイラメント１３及び１４から
放出された熱電子を加速してイオン化室１１及び
１２内の粒子（クラスタ）に衝突させこれをイオ
ン化するためのイオン化電源、４５及び４６はル
ツボ３及び４の発熱体３５及び３６を加熱するル
ツボ加熱用電源である。なお、加熱電源４１及び
４２並びにルツボ加熱用電源４５及び４６はその
出力電圧を外部より任意に可変できるように構成
されている。

次に、４７及び４８はルツボ３及び４に装着さ
れた熱電対３７及び３８の出力によりルツボ３及
び４の温度をそれぞれ制御する温度制御部であ
る。温度制御部４７及び４８によりルツボ３及び
４内の蒸気圧がそれぞれ設定値に維持されるよう
になつている。

なお、各電源３９〜４６並びに温度制御部４７
及び４８を除く他の部分は、図示しない真空槽内
に配設されており、真空槽内の気体が排気系によ
り排除されると10^-4Torr以下の高真空雰囲気内
に置かれることになる。

次に、動作について説明する。まず、ルツボ３
及び４内に形成しようとする化合物の成分元素を
含む被蒸着物質Ａ及びＢをそれぞれ充填する。な
お、充填する被蒸着物質Ａ及びＢとしては、−
族化合物半導体を形成する場合、ルツボ３に
Ga又はIn等を、ルツボ４にAs又はＰ等をそれぞ
れ充填する。又、成分元素の単体をルツボ３及び
４内に充填するようにしてもよいし、成分元素を
含む化合物をルツボ３及び４内に充填するように
してもよい。ただし、成分元素を含む化合物の場
合は、成分元素以の元素の気体が他に悪影響を及
ぼさないような化合物を選ぶ必要がある。

次いで、ルツボ３及び４の発熱体３５及び３６
をルツボ加熱用電源４５及び４６によりそれぞれ
通電し、ルツボ３及び４を加熱して被蒸発物質Ａ
及びＢの蒸気Am及びBmを生成する。この場合、
ルツボ３及び４内における蒸気Am及びBmの圧
力がそれぞれルツボ３及び４外の圧力の少なくと
も100倍以上になるように、温度制御部４７及び
４８によりルツボ加熱用電源４５及び４６の出力
電圧をそれぞれ制御し、ルツボ３及び４の温度を
それぞれ調整する。

このようにして、ルツボ３及び４内の蒸気Am
及びBmは、それぞれの噴射ノズル５及び６より
少なくとも１／100以下の圧力領域に噴出される
際の断熱膨張に基づく過冷却現象により、通常
100〜2000個程度の原子がフアンデルワールス力
により緩く結合した塊状の原子集団、いわゆるク
ラスタAc及びBcをそれぞれ形成する。

次いで、クラスタAc及びBcが噴出時の運動エ
ネルギーをもつて、それぞれイオン化室１１及び
１２にクラスタビームとなつて入り、イオン化フ
イラメント１３及び１４から放出される電子ビー
ムとの相互作用により、そのうちの少なくとも１
個の原子が正の電荷を持つイオンにイオン化さ
れ、クラスタイオンAi及びBiになる。

そして、クラスタイオンAi及びBiはイオン加
速電源３９及び４０によつて基板１方向へ加速さ
れて運動エネルギをそれぞれ付与されてクラスタ
イオンビームとなり、基板１に射突する。又、イ
オン化室１１及び１２でイオン化されずに噴出時
の運動エネルギをもつて基板１方向に進む中性の
クラスタAc及びBcのクラスタビームも基板１に
射突し、上述のクラスタイオンビームと共に基板
１上に堆積（蒸着）し、化合物半導体の薄膜３３
を形成する。

このように、ルツボから出射されるクラスタビ
ーム、そのクラスタビームをイオン化したクラス
タビームの両ビームは同一ビームに含まれるの
で、以下ルツボ及びイオン化室を合わせて、ビー
ム源と称することにする。

ところで、上述のようなクラスタイオンビーム
蒸着法（ICB法）により蒸着膜を形成する場合、
イオン加速電圧を変えることにより蒸着膜がアモ
ルフアス、多結晶又は単結晶に変わる。又、化合
物半導体薄膜を構成する各物質元素が単結晶とな
るための最適イオン加速電圧は元素毎に異なるの
で、それぞれのビーム源におけるクラスタイオン
Ai及びBiのイオン加速電圧はルツボ３及び４並
びにイオン化室１１及び１２毎に変える必要があ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の化合物半導体薄膜の製造装
置では、それぞれの元素が単結晶となる最適イオ
ン加速電圧を印加しても、イオン化室と基板間に
生ずる電位分布の影響により、期待する成果が得
られないという問題がある。

すなわち、第４図は従来の化合物半導体薄膜の
製造装置の電位分布を示す図である。なお、第４
図において第３図と同様の機能を果たす部分につ
いては同一の符号を付し、その説明は省略する。
第４図に点線で示した等電位線は基板１に対して
対称でない。このため、それぞれの元素が単結晶
となる最適イオン加速電圧を印加しても、より高
電位に保たれているイオン化室１１又は１２で形
成されたクラスタイオンが、実線矢印のように低
電位のイオン化室１２又は１１の方に引き寄せら
れたり、さらにイオン化室１２又は１１に侵入し
たりして互いに干渉して、最適な運動エネルギを
与えられないという問題があつた。そして、特に
シールド板１７，１８の近傍の上述の等電位線
は、電位分布の非対称性や局所的歪みによつて、
クラスタイオンビームの設定軸方向に対して対称
性が失われるから、出射されて基板１に到達する
までのイオン軌道も第４図の実線矢印のように軸
方向から大きくずれたり、歪んだりして、均質な
クラスタイオンビームが得られないという問題が
あつた。

又、−族化合物半導体は、高融点化合物で
ありながら、その成分となるＶ族のリンＰ又はヒ
素Asの蒸気圧が極めて高い。即ち、リンＰ又は
ヒ素Asを蒸発させるのに必要なルツボ温度が500
〜600℃であるのに対し、族のガリウムGa又は
インジウムInは1000〜1200℃程度のルツボ温度が
必要である。従つて、族元素の充填されたルツ
ボからの輻射熱によりＶ族元素の充填されたルツ
ボが加熱され、蒸気圧の高いＶ族の物質が逃散し
てしまい、その蒸着速度の制御が非常に難しいと
いう問題があつた。

本発明は上述の問題点を解決するためになされ
たもので、特に上記のシールド板からの基板まで
のイオン加速空間における電位分布の改良と、ル
ツボ間の熱干渉の問題を解決することによつて、
基板上に結晶性の優れた良質の化合物半導体を得
ることができる化合物半導体薄膜の製造装置を提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る化合物半導体薄膜の製造装置
は、化合物半導体の複数の成分元素のクラスタビ
ームを出射する各蒸発源と、この蒸発源の近傍に
設けられたクラスタビームを電子衝撃してクラス
タイオンを生成するイオン化室と、このイオン化
室にそれぞれ所定の電圧を印加してクラスタイオ
ンに接地電位の被成膜用の基板に対する射突エネ
ルギを付与したイオン加速手段とからなるクラス
タイオンビーム蒸着法による化合物半導体薄膜の
製造装置であつて、蒸発源とイオン化室とからな
る各ビーム源を、クラスタビーム及びクラスタイ
オンビームを出射する噴出口を有する接地電位の
加速電極とこれと一体形成したシールド板とで囲
繞する構造を有するものである。

［作用］ この発明においては、各イオン化室のビーム出
射領域にビーム噴出口を有する接地電位のイオン
の加速電極を設け、この電極と一体形成したシー
ルド板で蒸発源とイオン化室とからなる各ビーム
源を囲繞する構成としたから、まず、上述の加速
電極によつて、クラスタイオンビームが加速され
る領域がビーム源の出射部分の狭い範囲に限定さ
れるため、この加速電極を出射した後のクラスタ
イオンは互に他のビーム源の電界の影響を受ける
ことなく、設定されたビーム軸方向に進行する。
また、この作用は最適の運動エネルギのみを各ク
ラスタイオンに付与するのに役立つ。さらに、加
速電極と一体形成されたシールド板は他のビーム
源に電界の影響を及ぼさないばかりでなく、その
熱シールド効果で、他のビーム源への輻射熱をお
さえるので、例えば各蒸発源の温度制御に対して
不都合な干渉をしない。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して
詳細に説明する。

第１図は本発明に係る化合物半導体薄膜の製造
装置の概略構成図である。第１図において、１は
目的とする化合物半導体薄膜を形成する基板、２
は基板１を保持する基板ホルダ、３及び４はそれ
ぞれ内部に目的とする化合物の各成分元素を含む
被蒸発物質Ａ及びＢが充填されるルツボ（蒸発
源）、５及び６はルツボ３及び４に設けられた小
径の噴射ノズル、７及び８はそれぞれルツボ３及
び４の近傍に配設されたルツボ加熱用フイラメン
ト、９及び１０はルツボ加熱用フイラメント７及
び８の熱シールド板、１１及び１２はイオン化
室、１３及び１４は熱電子放出用のイオン化フイ
ラメント、１５及び１６はグリツド、１７及び１
８はシールド板、１９及び２０はグリツド１５及
び１６の上部に設けられたアース電位のイオンの
加速電極、２１及び２２はビーム源全体を囲むア
ース電位のシールド板、２３及び２４はルツボ加
熱用フイラメント７及び８を通電加熱する交流電
源、２５及び２６はルツボ３及び４をルツボ加熱
用フイラメント７及び８に対して正電位にバイア
スする直流電源、２７及び２８はイオン化フイラ
メント１３及び１４を通電加熱する交流電源、２
９及び３０はグリツド１５及び１６をイオン化フ
イラメント１３及び１４に対して正電位にバイア
スする直流電源、３１及び３２はグリツド１５及
び１６並びにルツボ３及び４をアース電位である
加速電極１９及び２０に対して正電位にバイアス
する、即ちイオンの加速電圧を供給する直流電源
である。

なお、基板１、基板ホルダ２、ルツボ３，４、
ルツボ加熱用フイラメント７，８、熱シールド板
９，１０、イオン化室１１，１２、イオン化フイ
ラメント１３，１４、グリツド１５，１６、シー
ルド板１７，１８、加速電極１９，２０、アース
電位のシールド板２１，２２は図示しない真空槽
内に収容されて、真空槽内の気体が排気系により
排除されると10^-4Torr以下の高真空雰囲気内に
置かれる。

次に、本発明に係る化合物半導体薄膜の製造装
置の動作について説明する。まず、ルツボ３及び
４内に目的とする化合物の成分元素を含む被蒸着
物質Ａ及びＢ（例えば、Ga及びAs）をそれぞれ
充填する。

次いで、交流電源２３及び２４によりルツボ加
熱用フイラメント７及び８をそれぞれ通電加熱す
るとともに、直流電源２５及び２６によりルツボ
３及び４をルツボ加熱用フイラメント７及び８よ
りそれぞれ正電位に保ち、ルツボ加熱用フイラメ
ント７及び８から飛び出す熱電子を加速してルツ
ボ３及び４に衝突させ、ルツボ３及び４をそれぞ
れ加熱し、被蒸発物質Ａ及びＢの蒸気Am及び
Bmをそれぞれ生成する。この場合、ルツボ３及
び４はそれぞれ熱シールド板９及び１０とその外
側のシールド板２１及び２２の２重の熱シールド
効果によつて、蒸気圧の高いＶ族の元素等が他の
蒸発源の輻射によつて逃散するのを防ぎ、蒸気
Am及びBmの圧力が、これらによつて構成され
る化合物の化学量論的組成に合致するように各ル
ツボ３及び４の温度を別個に制御することを可能
にする。

このようにして、ルツボ３及び４から噴出され
た蒸気Am及びBmが小径の噴射ノズル５，６か
ら噴出する時の断熱膨張に基づく冷却現象によ
り、通常100〜2000個程度の原子がフアンデルワ
ールス力により緩く結合した塊状の原子集団、い
わゆるクラスタAc及びBcをそれぞれ形成する。
このクラスタAc及びBcがそれぞれ噴出時の運動
エネルギにより、イオン化室１１及び１２に入る
と、クラスタAc及びBcがイオン化室１１及び１
２でイオン化フイラメント１３及び１４からそれ
ぞれ放出され、グリツド１５及び１６によりそれ
ぞれ加速された熱電子と衝突して、それぞれクラ
スタAc及びBcを構成する少なくとも１個の原子
がイオン化され、クラスタイオンAi及びBiにな
る。

次いで、直流電源３１及び３２によつてグリツ
ド１５及び１６と加速電極１９及び２０との間に
それぞれ形成される電位勾配により形成される電
界レンズにより、クラスタイオンAi及びBiがそ
れぞれ基板１方向へ運動エネルギをそれぞれ付与
され、かつ加速される。

第２図は電界レンズの形成の様子を示す図であ
る。なお、第２図において、第１図と同様の機能
を果たす部分については同一の符号を付し、その
説明は省略する。電界レンズは第２図に示すよう
な等電位面を形成し、クラスタイオンAi及びBi
をそれぞれ基板１方向に導くことになる。この有
様は、第４図に示したクラスタイオンの軌道と比
べると目をみはる程に画然としており、均質のク
ラスタイオンビームが形成され、それが基板１に
射突することを示している。

そして、クラスタイオンAi及びBiは、イオン
化室１１及び１２でイオン化されずに噴出時の運
動エネルギによつて基板１方向に進む中性のクラ
スタAc及びBcとともに、基板１に射突し、基板
１上に結晶性の良い化合物半導体の薄膜３３を形
成する。この場合、クラスタイオンが加速される
領域は、個々の蒸発源に印加されている加速電圧
が異なつていても、蒸発源がアース電位であるシ
ールド板２１及び２２並びに加速電極１９及び２
０によつてそれぞれ電界的にシールドされている
ので、グリツド１５及び１６と加速電極１９及び
２０との間に形成されている電界レンズの作用の
みに限定される。従つて、他の電界の影響を受け
ずに結晶薄膜を形成するのに最適の運動エネルギ
をクラスタイオンに付与できる。

このように、クラスタイオンAi及びBiはそれ
ぞれの加速電極１９及び２０によりそれぞれ加速
されるようになつている。これにより、基板１に
対する各クラスタイオンAi及びBiの付着状態を
制御でき、ルツボ３及び４内で、その蒸気の圧力
が良く制御されていることと相まつて化学量論的
組成からのずれの少ない化合物半導体の薄膜３３
が形成できる。

なお、本実施例ではルツボ３及び４の加熱手段
としてルツボ加熱用のフイラメントを用いた電子
衝撃法を採用したが、従来の抵抗加熱法によつて
も行なうことができる。

又、上記実施例ではルツボを２個設けて二元の
化合物半導体GaAs、InP等の薄膜を製造する例
について説明したが、三元又はそれ以上の化合物
半導体を製造する場合、さらに化合物でなく多層
元素薄膜を連続的に形成する場合等にも適用でき
る。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば、化合物
半導体の各成分元素の蒸発源から出射するクラス
タビームと、このクラスタビームをイオン化して
得られるクラスタイオンビームの各ビーム源をそ
の近傍で中央にビーム噴出口を設けたクラスタイ
オンの加速電極を設け、同時にこの電極と一体形
成したシールド板で囲繞する構成としたので、接
地電位で使用する前記の加速電極によつて、クラ
スタイオンビームが加速される領域を各ビーム源
の上部の狭い範囲に限定したため、互い他のビー
ム源の電界の影響受けることなくクラスタイオン
ビームが基板に正対して出射されるので、均質な
ビームが形成されることによつて良質の化合物半
導体薄膜が形成できる。そして、この電界の悪影
響を除去できた効果は最適の運動エネルギをクラ
スタイオンに付与するので、良好な単結晶からな
る化合物半導体の薄膜形成に寄与すること大であ
る。

このほか、上述の加速電界と一体形成したシー
ルド板は各ビーム源に上述のような相互に電界の
影響するのを防止するばかりでなく、その熱シー
ルド効果によつて、他のビーム源への輻射熱をお
さえるので、各ビーム源の温度制御に対して好ま
しくない影響を及ぼさないので、物理的及び熱力
学的に性質の異なる元素からなる結晶性の良い化
合物半導体の薄膜を形成できるという効果があ
る。

また、結晶引き出し法のような複雑な工程を経
ずに化合物半導体の薄膜を安価に形成できるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る化合物半導体薄膜の製造
装置の概略構成図、第２図は第１図に示した化合
物半導体薄膜の製造装置により形成される電界レ
ンズの説明図、第３図は従来の化合物半導体薄膜
の製造装置の概略構成図、第４図は従来の化合物
半導体薄膜の製造装置の電位分布図である。 図中、１は基板、２は基板ホルダ、３，４はル
ツボ、５，６は噴射ノズル、７，８はルツボ加熱
用フイラメント、９，１０は熱シールド板、１
１，１２はイオン化室、１３，１４はイオン化フ
イラメント、１５，１６はグリツド、１７，１８
はシールド板、１９，２０は加速電極、２１，２
２はアース電位のシールド板、２３，２４，２
７，２８は交流電源、２５，２６，２９，３０，
３１，３２は直流電源、３３は薄膜である。な
お、図中同一符号は同一又は相当部分を示すもの
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 化合物半導体を構成する複数の成分元素のク
   ラスタビームを出射する各蒸発源と、この各蒸発
   源の近傍に設けられ、前記クラスタを電子衝撃し
   てクラスタイオンを生成するイオン化室と、この
   イオン化室にそれぞれ所定の電圧を印加して接地
   電位の被成膜用基板に対する射突エネルギを前記
   クラスタイオンに付与したクラスタイオンビーム
   を得るイオン加速手段とからなるクラスタイオン
   ビーム蒸着法による化合物半導体薄膜の製造装置
   であつて、 前記蒸発源及びイオン化室からなる各ビーム源
   を前記クラスタビーム及びクラスタイオンビーム
   出射用の噴出口を有する接地電位の加速電極とこ
   の加速電極と一体形成したシールド板とでそれぞ
   れ囲繞したことを特徴とする化合物半導体薄膜の
   製造装置。