JPH0633231B2 - 分子線エピタキシャル成長方法 - Google Patents
分子線エピタキシャル成長方法Info
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- JPH0633231B2 JPH0633231B2 JP2004851A JP485190A JPH0633231B2 JP H0633231 B2 JPH0633231 B2 JP H0633231B2 JP 2004851 A JP2004851 A JP 2004851A JP 485190 A JP485190 A JP 485190A JP H0633231 B2 JPH0633231 B2 JP H0633231B2
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- C30—CRYSTAL GROWTH
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、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イオン衝撃によ
る分子線エピタキシャル成長方法に関するものである。
半導体等のエピタキシャル成長に適したイオン衝撃によ
る分子線エピタキシャル成長方法に関するものである。
従来の技術を、第８図の分子線エピタキシャル成長（Mo
lecular Beem Epitaxy，以降ＭＢＥと略する）に、高速
反射電子線回折（Reflection of High Energy Electron
Diffraction，以降ＲＨＥＥＤと略する）を設けたもの
を例にとって説明する。
lecular Beem Epitaxy，以降ＭＢＥと略する）に、高速
反射電子線回折（Reflection of High Energy Electron
Diffraction，以降ＲＨＥＥＤと略する）を設けたもの
を例にとって説明する。
ＭＢＥ成長では、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、Ga,AsおよびAlのＫセル２を３００〜７００度
の範囲の温度でシャッタ６の開閉により交互に分子線３
として供給し、エピタキシャル成長を行う。このとき、
その成長の過程をＲＨＥＥＤで評価する。
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、Ga,AsおよびAlのＫセル２を３００〜７００度
の範囲の温度でシャッタ６の開閉により交互に分子線３
として供給し、エピタキシャル成長を行う。このとき、
その成長の過程をＲＨＥＥＤで評価する。
ＲＨＥＥＤは、電子線源７から１０〜４０KVの高速の電
子を結晶成長中の基板５に入射させる。入射電子８は、
基板５の表面の情報を反映して散乱される。その散乱電
子９を蛍光塗料を塗ってあるスクリーン１０で受ける
と、基板５の表面の情報を反映した電子線回折像として
得られる。この電子線回折像は、基板５の表面の特に凹
凸に敏感であり、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。
子を結晶成長中の基板５に入射させる。入射電子８は、
基板５の表面の情報を反映して散乱される。その散乱電
子９を蛍光塗料を塗ってあるスクリーン１０で受ける
と、基板５の表面の情報を反映した電子線回折像として
得られる。この電子線回折像は、基板５の表面の特に凹
凸に敏感であり、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９図に、表面の成長の様子により、電子線回折像の代
表的なスポットの強度が変化する様子を示す。第９図
(a)はＲＨＥＥＤのスポット強度の時間変化を示し、同
図(b),(c),(d)は同図(a)のｂ点，ｃ点およびｄ点の各位
置に対応する基板５の表面状態の概略図を示している。
５ａは成長層である。
表的なスポットの強度が変化する様子を示す。第９図
(a)はＲＨＥＥＤのスポット強度の時間変化を示し、同
図(b),(c),(d)は同図(a)のｂ点，ｃ点およびｄ点の各位
置に対応する基板５の表面状態の概略図を示している。
５ａは成長層である。
ＲＨＥＥＤのスポット強度は、結晶成長の進行ととも
に、強度が振動する。この振動の周期は、基板５の表面
の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が、
層成長の場合には、結晶面が１層成長する毎に平坦性が
繰り返されるため、ＲＨＥＥＤのスポット強度の振動と
なって観測される。
に、強度が振動する。この振動の周期は、基板５の表面
の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が、
層成長の場合には、結晶面が１層成長する毎に平坦性が
繰り返されるため、ＲＨＥＥＤのスポット強度の振動と
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。このような手法を用いながら行うＭＢＥ成長では、
基板表面の平坦性を観察しながら成長を行えるが、平坦
性の制御を積極的に行うことはできない。
にその様子を観測しながら、制御することが可能であ
る。このような手法を用いながら行うＭＢＥ成長では、
基板表面の平坦性を観察しながら成長を行えるが、平坦
性の制御を積極的に行うことはできない。
一方、１原子層サイズの平坦性を実現しようとする場
合、これまでは、基板表面に供給された原子に対して、
外部からエネルギを与えて表面での拡散を促進し、つぎ
の供給原子が基板表面に到達する前に表面に一様に配列
し原子層サイズで平坦化するものであった。この外部か
らのエネルギ供給方法は、基板の加熱が最もよく用いら
れてきた。また最近では、レーザのような光を照射する
方法や、供給する分子線をパルス状にして、分子線によ
る構成原子の供給後、表面での供給原子の十分な拡散を
行える時間をおいて、その後にさらに分子線を照射する
というように、繰り返して成長を行う方法も用いられて
いる。
合、これまでは、基板表面に供給された原子に対して、
外部からエネルギを与えて表面での拡散を促進し、つぎ
の供給原子が基板表面に到達する前に表面に一様に配列
し原子層サイズで平坦化するものであった。この外部か
らのエネルギ供給方法は、基板の加熱が最もよく用いら
れてきた。また最近では、レーザのような光を照射する
方法や、供給する分子線をパルス状にして、分子線によ
る構成原子の供給後、表面での供給原子の十分な拡散を
行える時間をおいて、その後にさらに分子線を照射する
というように、繰り返して成長を行う方法も用いられて
いる。
このような従来からの手法によれば、基板の種類によら
ず、ある程度の温度が必要となり、熱損傷等の悪影響が
問題となる。
ず、ある程度の温度が必要となり、熱損傷等の悪影響が
問題となる。
従来の技術の項で示したように、ＭＢＥ成長において、
供給原子の基板表面での拡散を促進するには、これまで
の成長方法では、基板加熱や光照射等の手法が用いられ
てきた。
供給原子の基板表面での拡散を促進するには、これまで
の成長方法では、基板加熱や光照射等の手法が用いられ
てきた。
基板加熱による方法を用いる場合、直接的にしろ間接的
にしろ、ある程度の温度までの加熱が必要となってくる
訳であるが、その際の熱の影響は避けられないものがあ
る。基板の熱損傷、熱により発生した不純物による汚
染、装置の劣化等々様々である。また、特に化合物半導
体等では、熱に対して非常に不安定なものでは、根本的
に使用できないものがある。
にしろ、ある程度の温度までの加熱が必要となってくる
訳であるが、その際の熱の影響は避けられないものがあ
る。基板の熱損傷、熱により発生した不純物による汚
染、装置の劣化等々様々である。また、特に化合物半導
体等では、熱に対して非常に不安定なものでは、根本的
に使用できないものがある。
一方、間接的な手法として、光照射による手法がある
が、この場合、基板表面の吸着原子に直接運動エネルギ
もしくは運動量を与えているわけではない。すなわち、
原子もしくは分子線からの分子の内部エネルギの励起状
態を経て、間接的に吸着原子に表面拡散に必要なエネル
ギを供給している。したがって、このような過程によっ
て派生する問題点、例えば不必要な元素のイオン化等に
よる不純物原子の取り込みや、欠陥等の発生が生じる。
また、光照射による方法では、吸着原子に与えるエネル
ギに、方向性を与えることができない。
が、この場合、基板表面の吸着原子に直接運動エネルギ
もしくは運動量を与えているわけではない。すなわち、
原子もしくは分子線からの分子の内部エネルギの励起状
態を経て、間接的に吸着原子に表面拡散に必要なエネル
ギを供給している。したがって、このような過程によっ
て派生する問題点、例えば不必要な元素のイオン化等に
よる不純物原子の取り込みや、欠陥等の発生が生じる。
また、光照射による方法では、吸着原子に与えるエネル
ギに、方向性を与えることができない。
この発明の目的は、基板の損傷、不純物による汚染、装
置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥の発生等の問題
を生じることなく、吸着原子に与える運動エネルギに方
向性をもたせて、１原子層の大きさの平坦性を有するエ
ピタキシャル成長を実現することができる分子線エピタ
キシャル成長方法を提供することである。
置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥の発生等の問題
を生じることなく、吸着原子に与える運動エネルギに方
向性をもたせて、１原子層の大きさの平坦性を有するエ
ピタキシャル成長を実現することができる分子線エピタ
キシャル成長方法を提供することである。
請求項１記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、超高真空中の分子線エピタキシャル成長方
法であって、 表面原子衝撃用イオンビームを前記基板表面に照射し、
分子線により前記基板表面に供給した吸着原子に運動エ
ネルギを与えることにより、前記吸着原子の前記基板表
面での拡散速度を大きくしてエピタキシャル成長を行う
工程と、 前記エピタキシャル成長中の基板表面の原子の種類また
は表面構造を１原子層単位で評価するための表面構造評
価用イオンビームを前記基板表面に照射する工程と を含む。
成長方法は、超高真空中の分子線エピタキシャル成長方
法であって、 表面原子衝撃用イオンビームを前記基板表面に照射し、
分子線により前記基板表面に供給した吸着原子に運動エ
ネルギを与えることにより、前記吸着原子の前記基板表
面での拡散速度を大きくしてエピタキシャル成長を行う
工程と、 前記エピタキシャル成長中の基板表面の原子の種類また
は表面構造を１原子層単位で評価するための表面構造評
価用イオンビームを前記基板表面に照射する工程と を含む。
請求項２記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１記載のイオン衝撃による分子線エ
ピタキシャル成長方法において、 エピタキシャル成長を行うための分子線の供給を任意の
時間周期でパルス状に行う第１の工程と、 基板表面に供給した吸着原子に運動エネルギを与えて前
記基板表面での拡散速度を大きくするため、パルス状に
表面原子衝撃用イオンビームを照射する第２の工程と、 エピタキシャル成長中の前記基板表面の原子の種類また
は表面構造を１原子層単位で評価するための表面構造評
価用イオンビームを照射する第３の工程と を含む。
成長方法は、請求項１記載のイオン衝撃による分子線エ
ピタキシャル成長方法において、 エピタキシャル成長を行うための分子線の供給を任意の
時間周期でパルス状に行う第１の工程と、 基板表面に供給した吸着原子に運動エネルギを与えて前
記基板表面での拡散速度を大きくするため、パルス状に
表面原子衝撃用イオンビームを照射する第２の工程と、 エピタキシャル成長中の前記基板表面の原子の種類また
は表面構造を１原子層単位で評価するための表面構造評
価用イオンビームを照射する第３の工程と を含む。
請求項３記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンとして、水素イオン、ヘリウムイ
オンを用いることを特徴とする。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンとして、水素イオン、ヘリウムイ
オンを用いることを特徴とする。
請求項４記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンの加速電圧は、前記イオンが基板
表面をスパッタ、ノックオンするのを無視でき、かつ侵
入深さが数原子程度であることを特徴とする。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンの加速電圧は、前記イオンが基板
表面をスパッタ、ノックオンするのを無視でき、かつ侵
入深さが数原子程度であることを特徴とする。
請求項５記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンに方向性を持たせることを特徴と
する。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンに方向性を持たせることを特徴と
する。
請求項６記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンが表面原子衝撃用イオンと同じで
あることを特徴とする。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンが表面原子衝撃用イオンと同じで
あることを特徴とする。
請求項７記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンのＬＥＩＳスペクトルの基板に対
する入射角度依存性を測定して、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を特徴と
する。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンのＬＥＩＳスペクトルの基板に対
する入射角度依存性を測定して、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を特徴と
する。
請求項８記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンの散乱ピーク強度から表面の構成
原子の被覆率を測定することを特徴とする。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンの散乱ピーク強度から表面の構成
原子の被覆率を測定することを特徴とする。
請求項９記載のイオン衝撃による分子線エピタキシャル
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンから得られた情報を、供給する分
子線、または表面原子衝撃用イオンにフィードバックし
て結晶成長することを特徴とする。
成長方法は、請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンから得られた情報を、供給する分
子線、または表面原子衝撃用イオンにフィードバックし
て結晶成長することを特徴とする。
この発明の構成によれば、結晶成長中に成長と同時にあ
るいは交互に、表面原子衝撃用イオンビームを基板表面
に照射して基板表面の吸着原子に運動エネルギを与える
ことにより、吸着原子の基板表面での拡散を促進させな
がら、エピタキシャル成長を行うので、１原子層サイズ
の平坦性を制御したエピタキシャル成長が可能となる。
るいは交互に、表面原子衝撃用イオンビームを基板表面
に照射して基板表面の吸着原子に運動エネルギを与える
ことにより、吸着原子の基板表面での拡散を促進させな
がら、エピタキシャル成長を行うので、１原子層サイズ
の平坦性を制御したエピタキシャル成長が可能となる。
また、結晶成長のための分子線と表面構造評価用イオン
ビームとを交互に照射しながら、成長と評価を交互に行
うので、つまり分子線エピタキシャル成長させながら、
結晶表面の構造まで評価するので、結晶表面表面の状態
を正確に観測しながら結晶成長でき、制御性を向上させ
ることが可能であって、高品質の結晶を成長させること
ができる。
ビームとを交互に照射しながら、成長と評価を交互に行
うので、つまり分子線エピタキシャル成長させながら、
結晶表面の構造まで評価するので、結晶表面表面の状態
を正確に観測しながら結晶成長でき、制御性を向上させ
ることが可能であって、高品質の結晶を成長させること
ができる。
イオン衝撃による表面構造評価では、散乱されてくるイ
オンのエネルギ分析を行い、衝突した原子の種類および
表面構造を評価することが可能である。また、入射イオ
ンの入射角度を任意に選択することにより、表面原子の
表面拡散に方向性を持たせることが可能である。さら
に、散乱されるイオンの角度依存性を測定することによ
り、詳細な表面の原子の構造をも観測することが可能と
なる。
オンのエネルギ分析を行い、衝突した原子の種類および
表面構造を評価することが可能である。また、入射イオ
ンの入射角度を任意に選択することにより、表面原子の
表面拡散に方向性を持たせることが可能である。さら
に、散乱されるイオンの角度依存性を測定することによ
り、詳細な表面の原子の構造をも観測することが可能と
なる。
この発明の一実施例を図面に従って説明する。
第１図にこの発明の実施例のイオン衝撃による分子線エ
ピタキシャル成長方法における基板表面での反応過程を
示す。第１図において、基板５の表面に分子線３により
供給された原子４が到達し、その所有する運動エネルギ
の範囲で基板５の表面を拡散していく。運動エネルギが
不足していると、原料となる原子４は基板５の表面の適
当な配置（サイト）に落ち着くことができず、不適当な
場所に停止し、結晶欠陥等を生じる。そこに、分子線３
の照射によるエピタキシャル成長と同時に（交互でもよ
い）、表面原子衝撃用イオンビーム１１を照射すると、
表面衝撃用イオンが基板５の表面に吸着した原子４と衝
突し、原子４が運動エネルギを得ることにより、原子４
の基板５の表面での拡散速度が大きくなって表面拡散が
促進される。
ピタキシャル成長方法における基板表面での反応過程を
示す。第１図において、基板５の表面に分子線３により
供給された原子４が到達し、その所有する運動エネルギ
の範囲で基板５の表面を拡散していく。運動エネルギが
不足していると、原料となる原子４は基板５の表面の適
当な配置（サイト）に落ち着くことができず、不適当な
場所に停止し、結晶欠陥等を生じる。そこに、分子線３
の照射によるエピタキシャル成長と同時に（交互でもよ
い）、表面原子衝撃用イオンビーム１１を照射すると、
表面衝撃用イオンが基板５の表面に吸着した原子４と衝
突し、原子４が運動エネルギを得ることにより、原子４
の基板５の表面での拡散速度が大きくなって表面拡散が
促進される。
この運動エネルギの吸放出の過程は、第２図に示した過
程により、散乱イオン（表面原子衝撃用イオン）と標的
原子（原子４）の運動エネルギを第(1)式および第(2)式
で示すことができる。質量Ｍ１の入射イオン（表面原子
衝撃用イオン）がＥ０のエネルギをもって質量Ｍ２の標
的原子に衝突したとき、質量Ｍ１の散乱イオンはＥ１の
運動エネルギを、また質量Ｍ２の標的原子はＥ２の運動
エネルギを有するようになる。θ，φはそれぞれ入射イ
オンの方向を基準にした散乱イオンおよび標的原子の運
動方向を示す角度である。
程により、散乱イオン（表面原子衝撃用イオン）と標的
原子（原子４）の運動エネルギを第(1)式および第(2)式
で示すことができる。質量Ｍ１の入射イオン（表面原子
衝撃用イオン）がＥ０のエネルギをもって質量Ｍ２の標
的原子に衝突したとき、質量Ｍ１の散乱イオンはＥ１の
運動エネルギを、また質量Ｍ２の標的原子はＥ２の運動
エネルギを有するようになる。θ，φはそれぞれ入射イ
オンの方向を基準にした散乱イオンおよび標的原子の運
動方向を示す角度である。
ただし、Ｍ２＞Ｍ１ ただし、φ＜π／２ ここで、運動エネルギＥ２が過剰であると、原子４は基
板５の表面から離脱、蒸発してしまい、エピタキシャル
成長ができなくなる。また、表面原子衝撃用イオンビー
ム１１を照射すると、スパッタリングやノックオン等の
現象が起こり、その結果、表面に損傷を与えてしまうこ
ともある。これらの現象は、イオンの種類，質量，エネ
ルギ，あるいは基板の種類によって異なった程度生じ
る。
板５の表面から離脱、蒸発してしまい、エピタキシャル
成長ができなくなる。また、表面原子衝撃用イオンビー
ム１１を照射すると、スパッタリングやノックオン等の
現象が起こり、その結果、表面に損傷を与えてしまうこ
ともある。これらの現象は、イオンの種類，質量，エネ
ルギ，あるいは基板の種類によって異なった程度生じ
る。
この実施例では、これらの損傷効果が許容できる範囲を
選択する。すなわち、表面原子衝撃用イオンの種類とし
ては、主として、比較的軽い水素イオンやヘリウムイオ
ンを用い、加速エネルギとしては、スパッタリングやノ
ックオンが無視できる程度で、かつ表面原子衝撃用イオ
ンの基板５内への侵入深さが数原子層程度と比較的浅
い、１ＫｅＶ程度以下の加速エネルギを用いる。
選択する。すなわち、表面原子衝撃用イオンの種類とし
ては、主として、比較的軽い水素イオンやヘリウムイオ
ンを用い、加速エネルギとしては、スパッタリングやノ
ックオンが無視できる程度で、かつ表面原子衝撃用イオ
ンの基板５内への侵入深さが数原子層程度と比較的浅
い、１ＫｅＶ程度以下の加速エネルギを用いる。
このような条件の表面原子衝撃用イオンビーム１１を用
いる場合、基板５の表面への入射角により、表面の原子
４に与える運動エネルギに一様な方向性を与えることが
可能である。第１図において、基板５の表面には図中左
側から１原子層サイズのステップ１２が形成されてい
る。このようなステップ１２は、基板５の面方位や表面
状態に依存したものであるが、エピタキシャル成長初期
過程においては、これらが核となって成長が始まる場合
がある。したがって、ステップ１２の段差の壁に原子４
が集まり、配列して平坦な成長が行われるわけである
が、十分な運動エネルギを所有していない原子４は、途
中で３次元的に島状の成長を始めてしまう。そこに、イ
オン衝撃により表面拡散の運動エネルギを供給するわけ
であるが、図中左側のステップ１２の段差の壁に向けて
原子４が拡散させるのが最も効率的である。したがっ
て、第１図に示したように、入射イオン（表面原子衝撃
用イオン）の入射角は、図中右側からが望ましい。
いる場合、基板５の表面への入射角により、表面の原子
４に与える運動エネルギに一様な方向性を与えることが
可能である。第１図において、基板５の表面には図中左
側から１原子層サイズのステップ１２が形成されてい
る。このようなステップ１２は、基板５の面方位や表面
状態に依存したものであるが、エピタキシャル成長初期
過程においては、これらが核となって成長が始まる場合
がある。したがって、ステップ１２の段差の壁に原子４
が集まり、配列して平坦な成長が行われるわけである
が、十分な運動エネルギを所有していない原子４は、途
中で３次元的に島状の成長を始めてしまう。そこに、イ
オン衝撃により表面拡散の運動エネルギを供給するわけ
であるが、図中左側のステップ１２の段差の壁に向けて
原子４が拡散させるのが最も効率的である。したがっ
て、第１図に示したように、入射イオン（表面原子衝撃
用イオン）の入射角は、図中右側からが望ましい。
このような構成によれば、この角度を自由に選択するこ
とが可能であり、より高効率で平坦性に優れたエピタキ
シャル成長が可能となる。また、基板５に任意の微細構
造を形成し、前述のような任意の方向からのイオン衝撃
による選択成長も可能となるものである。
とが可能であり、より高効率で平坦性に優れたエピタキ
シャル成長が可能となる。また、基板５に任意の微細構
造を形成し、前述のような任意の方向からのイオン衝撃
による選択成長も可能となるものである。
このようなイオン衝撃による成長において、特に化合物
半導体のエピタキシャル成長の原子層単位での制御で
は、原子４の供給をパルス状の分子線３により行い、制
御性を上げることが可能である。
半導体のエピタキシャル成長の原子層単位での制御で
は、原子４の供給をパルス状の分子線３により行い、制
御性を上げることが可能である。
第３図に供給分子線３，表面原子衝撃用衝撃用イオンビ
ーム１３および表面構造評価用イオンビーム１４の供給
時間タイミングを示し、(a)は分子線パルス、(b)は表面
原子衝撃用イオンビームパルス、(c)は表面構造評価用
イオンビームパルスである。
ーム１３および表面構造評価用イオンビーム１４の供給
時間タイミングを示し、(a)は分子線パルス、(b)は表面
原子衝撃用イオンビームパルス、(c)は表面構造評価用
イオンビームパルスである。
第４図に第３図に対応した基板表面の様子を示し、(a)
は分子線３の照射時の状態を、(b)は表面原子衝撃用イ
オンビーム１３の照射時の状態を、(c)は表面構造評価
用イオンビーム１４の照射時の状態をそれぞれ示してい
る。この場合、第３図(a)の分子線パルスと同図(b)の表
面原子衝撃用イオンビームパルスと同図(c)の表面構造
評価用イオンビームとは時分割で発生し、それらの強度
は、分子線パルスが一番強く、つぎが表面原子衝撃用イ
オンビームパルスで、一番弱いのが表面構造評価用イオ
ンビームパルスである。
は分子線３の照射時の状態を、(b)は表面原子衝撃用イ
オンビーム１３の照射時の状態を、(c)は表面構造評価
用イオンビーム１４の照射時の状態をそれぞれ示してい
る。この場合、第３図(a)の分子線パルスと同図(b)の表
面原子衝撃用イオンビームパルスと同図(c)の表面構造
評価用イオンビームとは時分割で発生し、それらの強度
は、分子線パルスが一番強く、つぎが表面原子衝撃用イ
オンビームパルスで、一番弱いのが表面構造評価用イオ
ンビームパルスである。
第３図(a)の分子線パルスのタイミングで照射される分
子線３は基板５の表面に原料となる原子４を供給するも
のであり、第４図(a)に示すように、基板５の表面では
原子４が適切もしくは不適切な場所に配置している。
子線３は基板５の表面に原料となる原子４を供給するも
のであり、第４図(a)に示すように、基板５の表面では
原子４が適切もしくは不適切な場所に配置している。
そこに、第３図(b)の表面原子衝撃用イオンビームパル
スのタイミングで表面原子衝撃用イオンビーム１３を照
射する。イオンビーム１３は供給分子線３等と交差する
ことはないので、第４図(b)に示すように、表面に吸着
した原子４のみに運動エネルギを与える。イオン衝撃に
よりエネルギを得た表面の原子４は、基板５の表面での
拡散速度が大きくなって基板５の表面での拡散が促進さ
れ、適切な配置に再配列される。
スのタイミングで表面原子衝撃用イオンビーム１３を照
射する。イオンビーム１３は供給分子線３等と交差する
ことはないので、第４図(b)に示すように、表面に吸着
した原子４のみに運動エネルギを与える。イオン衝撃に
よりエネルギを得た表面の原子４は、基板５の表面での
拡散速度が大きくなって基板５の表面での拡散が促進さ
れ、適切な配置に再配列される。
さらに、第３図(c)および第４図(c)に示すように、表面
構造評価用イオンビーム１４を照射して、散乱イオン１
５のエネルギ分析を行うことで表面構造の分析，評価を
行い、不十分であれば、供給分子線３もしくは表面原子
衝撃用衝撃用イオンビーム１３にフィードバックし、良
好な状態になるように、原子４を補給したり、表面の原
子４の拡散をさらに促進させる。
構造評価用イオンビーム１４を照射して、散乱イオン１
５のエネルギ分析を行うことで表面構造の分析，評価を
行い、不十分であれば、供給分子線３もしくは表面原子
衝撃用衝撃用イオンビーム１３にフィードバックし、良
好な状態になるように、原子４を補給したり、表面の原
子４の拡散をさらに促進させる。
このような工程の繰り返しにより、原子層単位での平坦
性の制御を行ったエピタキシャル成長が実現できるもの
である。
性の制御を行ったエピタキシャル成長が実現できるもの
である。
以下に、エピタキシャル成長の具体的実施例を示す。
ＩｎＰ(100)基板にＭＢＥ装置でＡｓ分子線を照射しな
がら、400℃にてＩｎＰ(100)基板の表面洗浄を行う。
がら、400℃にてＩｎＰ(100)基板の表面洗浄を行う。
つぎに、ＩｎおよびＡｓの分子線（各Ｋセルの温度はそ
れぞれ900℃，300℃）とＡｌ（Ｋセルの温度は1000℃）
およびＡｓの分子線とを５秒間隔で３秒ずつ交互に照射
する。この５秒間は、表面に供給されたＩｎＡｓとＡｌ
Ａｓを表面に均一に拡散させるために、１ＫｅＶの入射
エネルギーのＨｅイオンを照射する。ＩｎＡｓとＡｌＡ
ｓの各層はほぼ１分子量ずつ均一性よく成長し、ＩｎＰ
基板上へＩｎＡｓ／ＡｌＡｓの超格子を均一性よく作成
できる。
れぞれ900℃，300℃）とＡｌ（Ｋセルの温度は1000℃）
およびＡｓの分子線とを５秒間隔で３秒ずつ交互に照射
する。この５秒間は、表面に供給されたＩｎＡｓとＡｌ
Ａｓを表面に均一に拡散させるために、１ＫｅＶの入射
エネルギーのＨｅイオンを照射する。ＩｎＡｓとＡｌＡ
ｓの各層はほぼ１分子量ずつ均一性よく成長し、ＩｎＰ
基板上へＩｎＡｓ／ＡｌＡｓの超格子を均一性よく作成
できる。
第５図にＭＢＥ装置１６Ａに表面原子衝撃用および表面
構造評価用用イオン供給源を組み込んだ装置の全体図を
示す。イオン供給源は、低エネルギイオン散乱（Low En
ergy Ion Scattering；以降、ＬＥＩＳと略する）装置
１６Ｂを構成しているものである。
構造評価用用イオン供給源を組み込んだ装置の全体図を
示す。イオン供給源は、低エネルギイオン散乱（Low En
ergy Ion Scattering；以降、ＬＥＩＳと略する）装置
１６Ｂを構成しているものである。
ＭＢＥ装置１６Ａは、超高真空槽１中にＫセル２，基板
５を有し、結晶成長に必要な構成元素を分子線３として
基板５の表面に供給するものである。成長のための条件
としては、成長するものにより異なり、特にＫセル２の
温度は、元素の種類による蒸気圧と所望の結晶に必要な
供給量を考慮し、さらに基板温度等も踏まえた上で決定
する必要がある。
５を有し、結晶成長に必要な構成元素を分子線３として
基板５の表面に供給するものである。成長のための条件
としては、成長するものにより異なり、特にＫセル２の
温度は、元素の種類による蒸気圧と所望の結晶に必要な
供給量を考慮し、さらに基板温度等も踏まえた上で決定
する必要がある。
イオン供給源は、表面構造評価用ＬＥＩＳと表面原子衝
撃用が兼用となっており、同じ種類のイオンを用いるも
のの例である。表面構造評価用イオン（表面原子衝撃用
を兼ねる）としてヘリウム（Ｈｅ）イオンを用いる場
合、ヘリウムイオン源１７でヘリウム原子がイオン化さ
れイオンビーム１８として出射される。その後、イオン
の進行方向を調整する２組の偏向板１９、集光のための
静電レンズ２０を通過する。偏向板１９および静電レン
ズ２０には、各々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１８の最適
化を行う。イオンビーム１８はさらに、パルス電圧が印
加される偏向板１９により、スリット２１上を走査さ
れ、スリット２１を通過したときだけのパルス状イオン
ビーム２２となる。パルス状イオンビーム２２は、真ん
中に穴の開いた検出器２３の穴を通過して基板５の表面
に衝突する。衝突したイオンは、表面の原子の種類、主
に原子の質量に依存した速度で散乱イオンとなって散乱
される。そのなかで、入射方向に対して１８０度、すな
わち後方に散乱するイオンだけが、検出器２３に到達す
る。イオンビーム２２はパルス状であるので、一定の飛
程２４を走行したイオンは、速度が異なると、パルスビ
ームがスリット２１を通過して、つぎのパルス状イオン
ビーム２２がくるまでに、検出器２３に到達し、検出さ
れるイオンの走行時間を測定すれば、散乱されてくるイ
オンのエネルギ分析が可能となる。
撃用が兼用となっており、同じ種類のイオンを用いるも
のの例である。表面構造評価用イオン（表面原子衝撃用
を兼ねる）としてヘリウム（Ｈｅ）イオンを用いる場
合、ヘリウムイオン源１７でヘリウム原子がイオン化さ
れイオンビーム１８として出射される。その後、イオン
の進行方向を調整する２組の偏向板１９、集光のための
静電レンズ２０を通過する。偏向板１９および静電レン
ズ２０には、各々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１８の最適
化を行う。イオンビーム１８はさらに、パルス電圧が印
加される偏向板１９により、スリット２１上を走査さ
れ、スリット２１を通過したときだけのパルス状イオン
ビーム２２となる。パルス状イオンビーム２２は、真ん
中に穴の開いた検出器２３の穴を通過して基板５の表面
に衝突する。衝突したイオンは、表面の原子の種類、主
に原子の質量に依存した速度で散乱イオンとなって散乱
される。そのなかで、入射方向に対して１８０度、すな
わち後方に散乱するイオンだけが、検出器２３に到達す
る。イオンビーム２２はパルス状であるので、一定の飛
程２４を走行したイオンは、速度が異なると、パルスビ
ームがスリット２１を通過して、つぎのパルス状イオン
ビーム２２がくるまでに、検出器２３に到達し、検出さ
れるイオンの走行時間を測定すれば、散乱されてくるイ
オンのエネルギ分析が可能となる。
４１はコンピュータ、４２はトリガ、４３はタイム・デ
ジタルコンバータ、４４はゲート・遅延信号発生器、４
５はパルス発生器、４６は高電圧電源、４７は静電レン
ズ・偏向板用電源である。
ジタルコンバータ、４４はゲート・遅延信号発生器、４
５はパルス発生器、４６は高電圧電源、４７は静電レン
ズ・偏向板用電源である。
第６図に前記手法を用い、２ＫｅＶの加速電圧で測定し
たＩｎＰ基板表面のＬＥＩＳのスペクトルの測定例を示
す。横軸が走行時間で散乱されてくるイオンの運動エネ
ルギに、縦軸が散乱されてくるイオンの数に相当する。
ここで観測される２つのピーク２５，２６は、表面近傍
のインジウム（Ｉｎ）原子と、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、実際にＭＢＥ成長をさせながら行うことにより、Ｉ
ｎＰの場合を例とするならば、基板の成長表面の構成原
子の種類を散乱イオンの時間差で、量を強度で、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ることにより、表面構造を観
測することが可能となる。これは、第７図のように、表
面近傍を形成している第１原子層２７，第２原子層２８
もしくはそれ以降の原子層において、入射イオン２９に
対する衝突断面積３０のため、表面の第１原子層２７の
影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ＬＥＩＳスペクトルにピークとして観測さ
れず、第１原子層２７のピークのみの場合がある。この
ようにして、基板５の角度を変化させ、ＬＥＩＳ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、前述の散乱イオンのピーク強
度と合わせて、表面の構成原子４の被覆率をも知ること
が可能である。
たＩｎＰ基板表面のＬＥＩＳのスペクトルの測定例を示
す。横軸が走行時間で散乱されてくるイオンの運動エネ
ルギに、縦軸が散乱されてくるイオンの数に相当する。
ここで観測される２つのピーク２５，２６は、表面近傍
のインジウム（Ｉｎ）原子と、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、実際にＭＢＥ成長をさせながら行うことにより、Ｉ
ｎＰの場合を例とするならば、基板の成長表面の構成原
子の種類を散乱イオンの時間差で、量を強度で、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ることにより、表面構造を観
測することが可能となる。これは、第７図のように、表
面近傍を形成している第１原子層２７，第２原子層２８
もしくはそれ以降の原子層において、入射イオン２９に
対する衝突断面積３０のため、表面の第１原子層２７の
影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ＬＥＩＳスペクトルにピークとして観測さ
れず、第１原子層２７のピークのみの場合がある。この
ようにして、基板５の角度を変化させ、ＬＥＩＳ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、前述の散乱イオンのピーク強
度と合わせて、表面の構成原子４の被覆率をも知ること
が可能である。
イオン衝撃用としても上記のパルス状のイオンビームを
使用する場合は、表面構造評価用イオンビームもしくは
前述の成長用パルス分子線と同期をとるが、イオン衝撃
用としてのみ用いるときは、偏向板に電圧を印加せずに
用いる。入射角については、基板５を回転させるか、も
しくはイオンビームラインを回転させて、入射角を偏向
する。
使用する場合は、表面構造評価用イオンビームもしくは
前述の成長用パルス分子線と同期をとるが、イオン衝撃
用としてのみ用いるときは、偏向板に電圧を印加せずに
用いる。入射角については、基板５を回転させるか、も
しくはイオンビームラインを回転させて、入射角を偏向
する。
このような装置を用いることにより、イオン衝撃による
エピタキシャル成長は、基板５の表面の原子４の表面拡
散を促進し、原子層サイズの平坦性を有する成長制御を
実現することができる。この結果、従来例のように熱や
光によって表面の平坦化を実現するのではないので、基
板の損傷、不純物による汚染、装置の劣化、不純物原子
の取り込み、欠陥の発生等の問題を生じることなく、吸
着原子に与える運動エネルギに方向性をもたせて、１原
子層の大きさの平坦性を有するエピタキシャル成長を実
現することができる。
エピタキシャル成長は、基板５の表面の原子４の表面拡
散を促進し、原子層サイズの平坦性を有する成長制御を
実現することができる。この結果、従来例のように熱や
光によって表面の平坦化を実現するのではないので、基
板の損傷、不純物による汚染、装置の劣化、不純物原子
の取り込み、欠陥の発生等の問題を生じることなく、吸
着原子に与える運動エネルギに方向性をもたせて、１原
子層の大きさの平坦性を有するエピタキシャル成長を実
現することができる。
この発明のイオン衝撃による分子線エピタキシャル成長
方法によれば、結晶成長中に表面原子衝撃用イオンビー
ムを成長表面に照射し、基板表面の吸着原子に運動エネ
ルギを与え、表面での拡散を促進させながら、１原子層
サイズの平坦性を制御したエピタキシャル成長を可能と
することができ、熱や光によって表面の平坦化を実現す
るのではないので、基板の損傷、不純物による汚染、装
置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥の発生等の問題
を生じることなく、吸着原子に与える運動エネルギに方
向性をもたせて、１原子層の大きさの平坦性を有するエ
ピタキシャル成長を実現することができる。
方法によれば、結晶成長中に表面原子衝撃用イオンビー
ムを成長表面に照射し、基板表面の吸着原子に運動エネ
ルギを与え、表面での拡散を促進させながら、１原子層
サイズの平坦性を制御したエピタキシャル成長を可能と
することができ、熱や光によって表面の平坦化を実現す
るのではないので、基板の損傷、不純物による汚染、装
置の劣化、不純物原子の取り込み、欠陥の発生等の問題
を生じることなく、吸着原子に与える運動エネルギに方
向性をもたせて、１原子層の大きさの平坦性を有するエ
ピタキシャル成長を実現することができる。
また、結晶成長のための分子線と表面構造評価用イオン
ビームとを交互に照射することにより、成長と評価を交
互に行うので、つまり分子線エピタキシャル成長させな
がら、結晶表面の構造まで評価するので、結晶成長表面
の状態を正確に観測しながら結晶成長でき、制御性を向
上させることが可能であって、高品質の結晶を成長させ
ることができる。
ビームとを交互に照射することにより、成長と評価を交
互に行うので、つまり分子線エピタキシャル成長させな
がら、結晶表面の構造まで評価するので、結晶成長表面
の状態を正確に観測しながら結晶成長でき、制御性を向
上させることが可能であって、高品質の結晶を成長させ
ることができる。
イオン衝撃による表面構造評価では、散乱されてくるイ
オンのエネルギ分析を行い、衝突した原子の種類および
表面構造を評価することが可能である。また、入射イオ
ンの入射角度を任意に選択することにより、表面原子の
表面拡散に方向性を持たせることが可能である。さら
に、散乱されるイオンの角度依存性を測定することによ
り、詳細な表面の原子の構造をも測定することが可能と
なる。
オンのエネルギ分析を行い、衝突した原子の種類および
表面構造を評価することが可能である。また、入射イオ
ンの入射角度を任意に選択することにより、表面原子の
表面拡散に方向性を持たせることが可能である。さら
に、散乱されるイオンの角度依存性を測定することによ
り、詳細な表面の原子の構造をも測定することが可能と
なる。
第１図，第２図，第３図および第４図はこの発明の一実
施例の分子線エピタキシャル成長方法の原理を示す図、
第５図はこの発明の実施例において用いる装置の概要
図、第６図は評価結果を示す図、第７図は評価の原理を
示す図、第８図および第９図は従来例を示す図である。 ３……分子線、４……原子、５……基板、１１……表面
原子衝撃用イオンビーム、１３……表面原子衝撃用イオ
ンビーム、１４……表面構造評価用イオンビーム、１５
……散乱イオン
施例の分子線エピタキシャル成長方法の原理を示す図、
第５図はこの発明の実施例において用いる装置の概要
図、第６図は評価結果を示す図、第７図は評価の原理を
示す図、第８図および第９図は従来例を示す図である。 ３……分子線、４……原子、５……基板、１１……表面
原子衝撃用イオンビーム、１３……表面原子衝撃用イオ
ンビーム、１４……表面構造評価用イオンビーム、１５
……散乱イオン
Claims (9)
- 【請求項１】超高真空中の分子線エピタキシャル成長方
法であって、 表面原子衝撃用イオンビームを前記基板表面に照射し、
分子線により前記基板表面に供給した吸着原子に運動エ
ネルギを与えることにより、前記吸着原子の前記基板表
面での拡散速度を大きくしてエピタキシャル成長を行う
工程と、 前記エピタキシャル成長中の基板表面の原子の種類また
は表面構造を１原子層単位で評価するための表面構造評
価用イオンビームを前記基板表面に照射する工程と を含むことを特徴とするイオン衝撃による分子線エピタ
キシャル成長方法。 - 【請求項２】請求項１記載のイオン衝撃による分子線エ
ピタキシャル成長方法において、 エピタキシャル成長を行うための分子線の供給を任意の
時間周期でパルス状に行う第１の工程と、 基板表面に供給した吸着原子に運動エネルギを与えて前
記基板表面での拡散速度を大きくするため、パルス状に
表面原子衝撃用イオンビームを照射する第２の工程と、 エピタキシャル成長中の前記基板表面の原子の種類また
は表面構造を１原子層単位で評価するための表面構造評
価用イオンビームを照射する第３の工程と を含むことを特徴とするイオン衝撃による分子線エピタ
キシャル成長方法。 - 【請求項３】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンとして、水素イオン、ヘリウムイ
オンを用いることを特徴とする イオン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - 【請求項４】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンの加速電圧は、前記イオンが基板
表面をスパッタ、ノックオンするのを無視でき、かつ侵
入深さが数原子程度であることを特徴とする イオン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - 【請求項５】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面原子衝撃用イオンに方向性を持たせることを特徴と
する イオン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - 【請求項６】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンが表面原子衝撃用イオンと同じで
あることを特徴とする イオン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - 【請求項７】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンのＬＥＩＳスペクトルの基板に対
する入射角度依存性を測定して、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を特徴と
する イオン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - 【請求項８】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンの散乱ピーク強度から表面の構成
原子の被覆率を測定することを特徴とする イオン衝撃による分子線エピタキシャル成長方法。 - 【請求項９】請求項１または２記載のイオン衝撃による
分子線エピタキシャル成長方法において、 表面構造評価用イオンから得られた情報を、供給する分
子線、または表面原子衝撃用イオンにフィードバックし
て結晶成長することを特徴とするイオン衝撃による分子
線エピタキシャル成長方法。
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