JPH0697253A - In-situ observation method for crystal growth of multilayer film - Google Patents
In-situ observation method for crystal growth of multilayer filmInfo
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ヘテロエピタキシャル成長の観測に適用で
き、また使用する光の波長の制限を受けず、更に観測時
に成長素過程に影響を及ぼさないようにしたその場観察
方法を実現すること。
【構成】 成長結晶薄膜表面からその下層のヘテロ界
面にまで進入できるエネルギーのレーザ光を入射し、上
記成長結晶薄膜表面での反射光と上記ヘテロ界面での反
射光の干渉光の強度（反射率）を検出する。
(57) [Abstract] [Purpose] Realize an in-situ observation method that can be applied to the observation of heteroepitaxial growth, is not restricted by the wavelength of the light used, and does not affect the growth elementary process during observation. thing. [Structure] The intensity of the interference light (reflectance of the reflected light on the surface of the growing crystal thin film and the reflected light on the hetero interface is irradiated by entering a laser beam having energy that can penetrate from the surface of the growing crystal thin film to the hetero interface below ) Is detected.
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、２種類以上の物質から
なる多層結晶膜のエピタキシャル成長等による成長過程
の結晶薄膜表面にプローブ光を入射させて、その反射光
から成長結晶薄膜表面を観察する方法に係り、特に成長
結晶薄膜表面での光干渉を観測してその結晶成長の把握
や制御を行うための情報を得るその場観察方法に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention makes probe light incident on the surface of a crystal thin film in a growth process such as epitaxial growth of a multilayer crystal film made of two or more kinds of substances, and observes the surface of the grown crystal thin film from the reflected light. More particularly, the present invention relates to an in-situ observation method for observing optical interference on the surface of a grown crystal thin film to obtain information for grasping and controlling the crystal growth.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体基板上に単結晶をエピタキシャル
成長方法で成長させるとき、その結晶成長素過程を観測
するその場観察方法は、結晶成長のメカニズムを知るた
めの重要な解析手段であると同時に、リアルタイムでそ
の結晶成長・デバイス構造作成制御を可能とする制御手
段として利用できる。2. Description of the Related Art When growing a single crystal on a semiconductor substrate by an epitaxial growth method, an in-situ observation method for observing the crystal growth elementary process is an important analysis means for understanding the mechanism of crystal growth, and at the same time, It can be used as a control means that enables control of crystal growth and device structure creation in real time.
【０００３】このようなその場観察方法の最も代表的な
ものとして、電子線をプローブとして用いる反射高速電
子線解析方法（以下、ＲＨＥＥＤ法と呼ぶ。）がある
が、これは電子線をプローブとして用いているために、
適用可能なエピタキシャル成長室の圧力範囲が電子の平
均自由行程によって制限され、有機金属気相成長法（以
下、ＭＯＶＰＥ法と呼ぶ。）のような圧力条件において
は適用できない。The most typical of such in-situ observation methods is a reflection high-speed electron beam analysis method using an electron beam as a probe (hereinafter referred to as RHEED method), which uses an electron beam as a probe. Because I am using
The applicable pressure range of the epitaxial growth chamber is limited by the mean free path of electrons, and cannot be applied under the pressure conditions such as the metal organic chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as MOVPE method).
【０００４】そこで、ＭＯＶＰＥ法による成長過程のそ
の場観察を行うには、電子線の代わりになる新たなプロ
ーブを用いる手法が必要であった。Therefore, in order to carry out in-situ observation of the growth process by the MOVPE method, a method using a new probe instead of the electron beam was necessary.
【０００５】これに応えるものとして、光をプローブと
する反射率差分法（以下、ＲＤＳ法と呼ぶ。）が提案さ
れた。これは、成長結晶薄膜表面に対して直線偏光を垂
直に入射させ、当該表面の構造に起因した光学的異方性
をその反射光の中から差分検出する方法である。この方
法によれば、気相中での光吸収が顕著とならない限り、
エピタキシャル成長室内の真空度や圧力範囲によって制
限を受けることなく、その場観測が可能となる。In response to this, a reflectance difference method (hereinafter, referred to as RDS method) using light as a probe has been proposed. This is a method in which linearly polarized light is vertically incident on the surface of the grown crystal thin film and the optical anisotropy caused by the structure of the surface is differentially detected from the reflected light. According to this method, unless light absorption in the gas phase becomes remarkable,
In-situ observation is possible without being restricted by the degree of vacuum and pressure range in the epitaxial growth chamber.
【０００６】しかし、このＲＤＳ法は成長結晶薄膜表面
での異方性を検出する手法であるため、等方性或いは異
方性の小さい成長結晶薄膜表面のその場観察には、適用
できない。また、このＲＤＳ法は、その実施機構に複雑
な光学系を必要とするため、機械的雑音等に対する安定
性にも問題があった。However, since this RDS method is a method for detecting anisotropy on the surface of the grown crystal thin film, it cannot be applied to in-situ observation of the surface of the grown crystal thin film having isotropic or small anisotropy. Further, the RDS method requires a complicated optical system for its implementation mechanism, and thus has a problem in stability against mechanical noise and the like.
【０００７】一方、このような成長結晶薄膜表面の異方
性の有無に拘らず適用ができるその場観測方法として、
表面光吸収法（以下、ＳＰＡ法と呼ぶ）が近年提案され
た。このＳＰＡ法は、図５に示すように、エピタキシャ
ル成長室内（図示せず）に半導体基板１を配置してヒー
タ（図示せず）によって所定の温度に加熱しながら、そ
の基板１の表面にエピタキシャル成長法によって成長さ
せようとする結晶の原料ガスを供給し、その基板１の表
面に成長した結晶２の表面に、外部から２〜５ｅＶのエ
ネルギーをもつｐ偏光３（光軸と電界ベクトルとを含む
平面を結晶２の表面に対して垂直に直線偏光させた光）
を入射角θをブリュウスター角又はそれに近い角度に設
定して入射させ、その反射光４を光電変換素子５で検出
するものである。６は増幅器、７は信号処理／回析装置
である。On the other hand, as an in-situ observation method that can be applied regardless of the presence or absence of anisotropy on the surface of the grown crystal thin film,
A surface light absorption method (hereinafter referred to as SPA method) has been proposed in recent years. In this SPA method, as shown in FIG. 5, while the semiconductor substrate 1 is placed in an epitaxial growth chamber (not shown) and heated to a predetermined temperature by a heater (not shown), the epitaxial growth method is performed on the surface of the substrate 1. The source gas of the crystal to be grown is supplied to the surface of the crystal 2 that has grown on the surface of the substrate 1, and p-polarized light 3 having an energy of 2 to 5 eV from the outside (a plane including the optical axis and the electric field vector). Linearly polarized light perpendicular to the surface of crystal 2)
The incident angle θ is set to a Brewster's angle or an angle close thereto, and the reflected light 4 is detected by the photoelectric conversion element 5. Reference numeral 6 is an amplifier, and 7 is a signal processing / diffracting device.
【０００８】上記ブリュウスター角は、図６に示すよう
に、ｐ偏光を入射光としたときの反射率が最低値のとき
の入射角度である。このように最低の反射率を示すの
は、半導体母体（内部）結晶の反射率の主要部分を占め
ている屈折率の実数部による寄与が消失し、その結果、
成長結晶薄膜表面の光吸収係数の変化、つまり屈折率の
虚数部の変化に伴う反射率変化が大きく現れるからであ
る。換言すれば、母体結晶からの反射光が減少するから
である。As shown in FIG. 6, the Brewster's angle is the incident angle when the reflectance when p-polarized light is the incident light is the minimum value. In this way, the lowest reflectance is shown because the contribution of the real part of the refractive index, which occupies the main part of the reflectance of the semiconductor host (internal) crystal, disappears, and as a result,
This is because the change in the light absorption coefficient on the surface of the grown crystal thin film, that is, the change in the reflectance due to the change in the imaginary part of the refractive index appears significantly. In other words, the reflected light from the host crystal is reduced.
【０００９】この結果、検出される反射光は相対的に結
晶表面の影響を大きく受けることになる。よって、この
ＳＰＡ法では、検出した反射光が成長結晶の表面の状態
をより正確に高いＳ／Ｎで示す信号となるので、その検
出によって原料ガス分子の吸着、熱分解、離脱等の過程
の機構を知ることができる。As a result, the reflected light detected is relatively greatly affected by the crystal surface. Therefore, in this SPA method, the detected reflected light becomes a signal that more accurately indicates the state of the surface of the grown crystal with a high S / N, and therefore the detection of the source gas molecule adsorption, thermal decomposition, desorption, etc. You can know the mechanism.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】このように、このＳＰ
Ａ法は、ｐ偏光をブリュウスター角で入射させることに
よって母体結晶からの反射の影響を低減させ、成長結晶
薄膜表面での光吸収係数の変化、すなわち屈折率の虚数
部分の変化に伴う反射率変化を検知するものである。[Problems to be Solved by the Invention]
The method A reduces the influence of reflection from the host crystal by making p-polarized light incident at Brewster's angle, and changes the light absorption coefficient on the surface of the grown crystal thin film, that is, the reflectance with the change of the imaginary part of the refractive index. It detects changes.
【００１１】このため、このＳＰＡ法は、基板の結晶と
成長結晶が同一の結晶のホモエピタキシャル成長につい
は適用できるが、異なる結晶のヘテロエピタキシャル成
長のように、エピタキシャル成長膜と半導体基板との界
面（以下、ヘテロ界面と呼ぶ。）からの光反射が生じる
場合には、ＳＰＡ法が排除しようすとる光反射が支配的
となるばかりでなく、表面反射光との干渉も引き起こす
ため、表面光吸収に対応した反射率変化を検出すること
が困難となる。Therefore, this SPA method can be applied to homoepitaxial growth of a crystal having the same crystal as that of the substrate, but like heteroepitaxial growth of different crystals, the interface between the epitaxial growth film and the semiconductor substrate (hereinafter, referred to as When the light reflection from the hetero interface occurs), not only the light reflection to be eliminated by the SPA method becomes dominant, but also interference with the surface reflection light is caused, so that reflection corresponding to surface light absorption is caused. It becomes difficult to detect rate changes.
【００１２】また、成長結晶表面の反射光、つまりｐ偏
光の吸収率を計測する方法であるので、吸収に寄与しな
い光をプローブ光として使用することはできない。すな
わちここで使用可能な光の波長範囲は、光吸収の生じる
範囲に限定され、このため、その結晶のバンドギャップ
以上のエネルギーを有する光を用いることが多い。Further, since this is a method of measuring the absorptance of the reflected light on the surface of the grown crystal, that is, the p-polarized light, the light that does not contribute to the absorption cannot be used as the probe light. That is, the wavelength range of light that can be used here is limited to the range in which light absorption occurs, and therefore, light having energy higher than the band gap of the crystal is often used.
【００１３】更に、このように光吸収を利用するので、
プローブ光自体が成長素過程に影響を及ぼす可能性があ
るため、成長系によっては、より低いエネルギーの光を
プローブ光としなくてはならず、高Ｓ／Ｎの検出信号を
得ることができない。Further, since the light absorption is utilized in this way,
Since the probe light itself may affect the elementary process of growth, depending on the growth system, light of lower energy must be used as the probe light, and a high S / N detection signal cannot be obtained.
【００１４】本発明は、このような点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、ヘテロエピタキシャル成長の
観測に適用でき、また使用する光の波長の制限を受け
ず、更に観測時に成長素過程に影響を及ぼさないように
したその場観測方法を提供することである。The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is applicable to the observation of heteroepitaxial growth and is not limited by the wavelength of the light used. It is to provide an in-situ observation method that does not affect the
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明は、２種類以上の
物質からなる多層結晶膜の成長過程の結晶薄膜表面にプ
ローブ光を入射させて、その反射光から成長結晶薄膜表
面を観察する方法であって、上記プローブ光として上記
成長結晶薄膜表面からその下層のヘテロ界面にまで進入
できるエネルギーの光を使用し、上記成長結晶薄膜表面
での反射光と上記ヘテロ界面での反射光の干渉光の強度
（反射率）を検出することを特徴とするその場観察方法
によって、上記課題を解決している。The present invention is a method for observing a surface of a grown crystal thin film from reflected light by injecting probe light into the surface of the crystal thin film during the growth process of a multilayer crystal film composed of two or more kinds of substances. The light having energy that can penetrate from the surface of the grown crystal thin film to the hetero interface of the lower layer is used as the probe light, and the interference light of the reflected light at the surface of the grown crystal thin film and the reflected light at the hetero interface is used. The above-mentioned problem is solved by an in-situ observation method characterized by detecting the intensity (reflectance) of.
【００１６】[0016]
【作用】本発明では、成長結晶表面の原子・分子の１層
の屈折率の実数部及び虚数部の影響を反射率変化として
検出できる。特にプローブ光の波長を成長結晶膜内で光
吸収しない波長領域に設定し、或いは光吸収が生じる場
合であっても成長結晶膜内で干渉が起こる程度にその膜
が薄いときは、成長結晶膜表面の原子・分子の１層の屈
折率の実数部の変化が検出できる。このとき、成長表面
での光干渉により、成長した膜厚に依存して変化又は極
性反転するの干渉反射光強度信号（反射率信号）を得る
ことができる。この干渉反射光強度信号はこの発明特有
のものである。In the present invention, the influence of the real part and the imaginary part of the refractive index of one layer of atoms / molecules on the surface of the grown crystal can be detected as a change in reflectance. In particular, if the wavelength of the probe light is set to a wavelength range where light is not absorbed in the growth crystal film, or if the film is thin enough to cause interference in the growth crystal film even if light absorption occurs, the growth crystal film Changes in the real part of the refractive index of one layer of atoms / molecules on the surface can be detected. At this time, it is possible to obtain an interference reflected light intensity signal (reflectance signal) that changes or reverses polarity depending on the grown film thickness due to optical interference on the growth surface. This interference reflected light intensity signal is unique to this invention.
【００１７】[0017]
【実施例】まず、本発明の原理について説明する。図１
はその説明図であり、半導体基板１１の上面にこの半導
体基板１１の結晶と異なる結晶でエピタキシャル成長層
１２を成長させた場合（ヘテロエピタキシャル成長系）
についてである。ここでは、プローブ光１３を入射させ
ると、これによる反射は成長結晶表面極薄膜（原子又は
分子の１層）１２ａの表面１２ｂだけでなく、ヘテロ界
面１４からも生じるため、反射光として検出されるの
は、これらの干渉光１５となる。なお、図１では成長結
晶表面極薄膜１２ａとその直下層の膜との界面からの反
射光も表示しているが、大きな干渉効果が得られるのは
ヘテロ界面１４からの反射光である。First, the principle of the present invention will be described. Figure 1
Is an explanatory view thereof, in the case where the epitaxial growth layer 12 is grown on the upper surface of the semiconductor substrate 11 with a crystal different from the crystal of the semiconductor substrate 11 (heteroepitaxial growth system).
About. Here, when the probe light 13 is incident, the reflection due to this is generated not only from the surface 12b of the ultrathin film (one layer of atoms or molecules) 12a of the grown crystal surface but also from the hetero interface 14, and is detected as reflected light. Is the interference light 15. Note that, although FIG. 1 also shows the reflected light from the interface between the grown crystal surface ultrathin film 12a and the film immediately below it, it is the reflected light from the hetero interface 14 that produces a large interference effect.
【００１８】ここで、ヘテロ界面１４から反射されてく
る光に着目すると、この反射光は、成長結晶表面極薄膜
１２ａを一旦透過したものであるため、ここでの屈折率
の実数部に対応した位相変化を受けている。従って、成
長結晶薄膜表面１２ｂからの反射光とヘテロ界面１４か
らの反射光とが相互干渉するとき、成長結晶表面極薄膜
１２ａで生じた位相変化がその干渉自体に影響を及ぼ
し、干渉反射光強度（反射率）に変化をもたらす。Here, paying attention to the light reflected from the hetero interface 14, since this reflected light has once passed through the grown crystal surface ultrathin film 12a, it corresponds to the real part of the refractive index here. It is undergoing a phase change. Therefore, when the reflected light from the growth crystal thin film surface 12b and the reflected light from the hetero interface 14 mutually interfere, the phase change generated in the growth crystal surface ultrathin film 12a affects the interference itself and the intensity of the interference reflected light is increased. It causes a change in (reflectance).
【００１９】本発明はこの干渉反射光強度の変化を検出
するものであり、ここから原子や分子の１層のオーダで
の成長素過程について情報を得ることができる。このよ
うに本発明の方法は、成長結晶表面極薄膜の屈折率の実
数部に対応した位相変化を、干渉効果による干渉反射光
強度の変化として検出する方法であり、実体は表面干渉
法（Surface Photo-Intereference ）である。以下で
は、その頭文字をとって「ＳＰＩ法」と呼ぶ。The present invention detects this change in the intensity of the interference reflected light, and from this it is possible to obtain information about the growth elementary process in the order of one layer of atoms or molecules. As described above, the method of the present invention is a method of detecting a phase change corresponding to the real part of the refractive index of the grown crystal surface ultrathin film as a change in the interference reflected light intensity due to the interference effect, and the substance is the surface interference method (Surface Photo-Intereference). Hereinafter, the initials will be referred to as “SPI method”.
【００２０】次に、干渉効果による位相変化の検出機構
を説明する。図２はその説明図であって、ヘテロエピタ
キシャル成長させる原料ガスＡ、Ｂを交互に供給したと
き、原料ガスＡを供給して堆積した原子・分子１層の膜
の屈折率の実数部をｎA とし、原料ガスＢを供給して堆
積した原子・分子１層の膜の屈折率の実数部をｎB とす
るとき、ｎA ＜ｎB であるとする。また、原料ガスＡに
より成長した直後の最表面層からの干渉反射光強度（反
射率）をＲA とし、原料ガスＢにより成長した直後の最
表面層からの干渉反射光強度をＲB とする。Next, the mechanism for detecting the phase change due to the interference effect will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram thereof, in which, when the source gases A and B for heteroepitaxial growth are alternately supplied, the real part of the refractive index of the film of the atomic / molecular single layer deposited by supplying the source gas A is n A. And n A <n B , where n B is the real part of the refractive index of the film of one layer of atoms and molecules deposited by supplying the source gas B. Further, the intensity (reflectance) of the interference reflected light from the outermost surface layer immediately after the growth with the raw material gas A is R A, and the intensity of the interference reflected light from the outermost surface layer immediately after the growth with the raw material gas B is R B. .
【００２１】この図２にあるように、干渉反射光強度は
ＲA 、ＲB ともに成長膜厚（横軸）が変化（増大）する
につれて振動（変化）している。この振動が生じるの
は、成長結晶薄膜表面での反射光とヘテロ界面での反射
光に光路差が発生するためである。なお、干渉反射光強
度ＲA とＲB の振動波形１６ａ、１６ｂは、干渉反射光
強度の成長膜厚に対する変化の様子であり、この両振動
波形間に見られる成長膜厚方向に対するズレは、成長結
晶表面極薄膜の屈折率の実数部が原料供給に対応して、
ｎA 、ｎB と変化することを反映している。As shown in FIG. 2, the interference reflected light intensities oscillate (change) as the grown film thickness (horizontal axis) changes (increases) in both R A and R B. This vibration occurs because an optical path difference occurs between the reflected light on the surface of the grown crystal thin film and the reflected light on the hetero interface. The vibration waveforms 16a and 16b of the interference reflected light intensities R A and R B show changes in the interference reflected light intensity with respect to the growth film thickness, and the deviation between the vibration waveforms in the growth film thickness direction is as follows. The real part of the refractive index of the grown crystal surface ultra-thin film corresponds to the raw material supply,
It reflects the change between n A and n B.
【００２２】ここで、原料ガスＡ、Ｂが交互に供給さ
れ、成長結晶表面極薄膜の屈折率の実数部ｎA 、ｎB が
これに対応して変化するとき、振動波形が１６ａ、１６
ｂのように交番するため、この様子はある成長薄膜にお
いて反射光強度として検出される。図２の（ａ）の上部
に示した左右の拡大図は、以上の機構に基づいて検出さ
れる干渉反射光強度を原料供給シーケンスと共に模式的
に示したものである。このように、干渉反射光強度は原
料供給毎に交番していてＲA とＲB が交互に現れてい
る。この交互に現れる特性曲線が実際に測定で得られる
信号（ＳＰＩ信号）である。When the source gases A and B are alternately supplied and the real parts n A and n B of the refractive index of the grown crystal surface ultrathin film change correspondingly, the vibration waveforms 16a and 16a are generated.
Since the alternation occurs as shown in b, this state is detected as the reflected light intensity in a certain grown thin film. The left and right enlarged views shown in the upper part of FIG. 2A schematically show the interference reflection light intensity detected based on the above mechanism together with the raw material supply sequence. In this way, the interference reflected light intensity alternates for each supply of raw material, and R A and R B appear alternately. This alternately appearing characteristic curve is a signal (SPI signal) actually obtained by measurement.
【００２３】なお、この拡大図において、原料ガスＡ、
Ｂの供給に対応して現れている干渉反射光強度ＲA 、Ｒ
B を個別の包絡線として示したものが、下の振動波形１
６ａ、１６ｂの一部分に相当する。この干渉反射光強度
の信号によって、原子・分子１層の高い精度でのその場
観察が実現でき、これを用いて結晶成長・デバイス構造
作成制御が可能となる。In this enlarged view, the raw material gas A,
The interference reflected light intensities R A , R appearing in response to the supply of B
B is shown as an individual envelope, and the vibration waveform 1 below is shown.
It corresponds to a part of 6a and 16b. This interference reflected light intensity signal enables in-situ observation of a single layer of atoms and molecules with high accuracy, and by using this, it becomes possible to control crystal growth and device structure creation.
【００２４】このとき、両干渉反射光強度ＲA とＲB の
差で表される干渉反射光強度差（反射率差）ΔＲ（＝Ｒ
A −ＲB ）は、図２の（ｂ）に示すように、図２の
（ａ）の干渉反射光強度の波形に依存した変化、又はそ
の極点近傍を境にした極性反転を生じる。At this time, the interference reflection light intensity difference (reflectance difference) ΔR (= R) represented by the difference between the interference reflection light intensities R A and R B.
A -R B), as shown in FIG. 2 (b), change depending on the waveform of the interference reflected light intensity in FIG. 2 (a), or results in a polarity inversion that the pole near the border.
【００２５】以上から、振動波形が何を示すか、成長結
晶表面極薄膜の屈折率の実数部ｎA、ｎB がその振動波
形にどのように作用するか、その作用がいかにして干渉
反射光強度の信号となるか、そして、干渉反射光強度信
号の成長膜厚依存性（極性反転）について、が明らかに
なった。From the above, what the vibration waveform shows, how the real parts n A and n B of the refractive index of the grown crystal surface ultra-thin film act on the vibration waveform, and how that action causes interference reflection It was clarified whether the light intensity signal was obtained and the dependence of the interference reflection light intensity signal on the growth film thickness (polarity inversion).
【００２６】このように、本発明のＳＰＩ法は、結晶表
面の光吸収以外に屈折率の実数部の変化、つまり成長結
晶表面極薄膜の表面での反射光の位相変化を検出の対象
とするものである。よって、前述した従来のＳＰＡ法に
比べてより広い波長範囲の光をプローブとして選択する
ことができる。また、その位相変化は、成長結晶表面極
薄膜の屈折率の実数部によって決定されるため、吸収に
ほとんど寄与しない光を用いた場合でも、結晶の成長素
過程を観察することができる。従って、プローブ光を光
吸収の起こらない波長領域に設定し、位相変化のみを検
出すれば、観察すべき成長素過程に対して、測定系から
与える影響はほとんどない。その他に、このＳＰＩ法
は、反射光強度（反射率）を検出するので成長結晶表面
の異方性の有無によってその観察法の適用が制限を受け
ることはない。As described above, in the SPI method of the present invention, the change of the real part of the refractive index, that is, the phase change of the reflected light on the surface of the grown crystal surface ultrathin film is detected in addition to the light absorption on the crystal surface. It is a thing. Therefore, light in a wider wavelength range can be selected as a probe as compared with the conventional SPA method described above. In addition, since the phase change is determined by the real part of the refractive index of the grown crystal surface ultrathin film, it is possible to observe the crystal growth elementary process even when light that hardly contributes to absorption is used. Therefore, if the probe light is set to a wavelength region where light absorption does not occur and only the phase change is detected, the growth system to be observed has little influence from the measurement system. In addition, since the SPI method detects the intensity of reflected light (reflectance), the application of the observation method is not limited by the presence or absence of anisotropy on the surface of the grown crystal.
【００２７】次に、実験例を説明する。ここでは、有機
金属分子線結晶成長装置において、原料としてＤＭＺｎ
とＨ2 Ｓｅを交互に供給し、ＺｎＳｅのエピタキシャル
成長膜を（００１）ＧａＡｓ基板上に成長させた。そし
て、このとき、プローブ光としてＨｅ−Ｎｅレーザの光
源から波長が６３２．８ｎｍのレーザ光を［１１０］方
向にＧａＡｓ基板の法線に対して７０度傾けて、ｐ偏光
として入射させた。図３はこのとき得られた干渉反射光
強度（反射率）の特性図である。横軸は時間であるが、
時間経過と共に膜厚は厚くなるので、膜厚で表すことも
できる。Next, an experimental example will be described. Here, in the organometallic molecular beam crystal growth apparatus, DMZn is used as a raw material.
And H 2 Se were alternately supplied to grow a ZnSe epitaxial growth film on a (001) GaAs substrate. Then, at this time, laser light having a wavelength of 632.8 nm was inclined as the probe light from the light source of the He—Ne laser in the [110] direction by 70 degrees with respect to the normal line of the GaAs substrate, and was made incident as p-polarized light. FIG. 3 is a characteristic diagram of the interference reflection light intensity (reflectance) obtained at this time. The horizontal axis is time,
Since the film thickness increases with the lapse of time, it can be expressed by the film thickness.
【００２８】図３内の左右の拡大図において、原料（Ｄ
ＭＺｎ、Ｈ2 Ｓｅ）の供給シーケンスに対応した干渉反
射光強度変化が得られていることが確認できる。これ
は、成長結晶表面において、Ｚｎ膜、Ｓｅ膜が原料の供
給によって交互に形成されていることを示すものであ
る。この実験で注目すべき点は、ＺｎＳｅのバンドギャ
ップ（２．６７ｅＶ）よりもプローブ光であるＨｅ−Ｎ
ｅレーザ光のフォトンエネルギー（１．９６ｅＶ）が十
分小さく、エピタキシャル成長層にはそのプローブ光が
ほとんど吸収されないという点である。In the left and right enlarged views in FIG. 3, the raw material (D
It can be confirmed that the interference reflected light intensity change corresponding to the supply sequence of MZn, H 2 Se) is obtained. This shows that the Zn film and the Se film are alternately formed on the surface of the grown crystal by supplying the raw material. The point to be noted in this experiment is that He—N which is the probe light rather than the band gap (2.67 eV) of ZnSe.
This is that the photon energy (1.96 eV) of the e-laser light is sufficiently small and the probe light is hardly absorbed in the epitaxial growth layer.
【００２９】ここで、図３の２つの拡大図を比較してみ
ると、左の拡大図ではＤＭＺｎ供給時に干渉反射光強度
が下降し、Ｈ2 Ｓｅ供給時に上昇しているのに対して、
右の拡大図ではＤＭＺｎ供給時に上昇し、Ｈ2 Ｓｅ供給
時に下降している。つまり、ΔＲの極性が反転している
のである。Here, comparing the two enlarged views of FIG. 3, in the left enlarged view, the intensity of interference reflected light decreases when DMZn is supplied, and rises when H 2 Se is supplied.
In the enlarged view on the right, it rises when DMZn is supplied and falls when H 2 Se is supplied. That is, the polarity of ΔR is inverted.
【００３０】図４はこのΔＲの極性反転の様子をより詳
しく示したものである。このときのΔＲは、ＤＭＺｎと
Ｈ2 Ｓｅの供給時の各々の干渉反射光強度（反射率）を
ＲZn 、ＲSeとすると、ΔＲ＝ＲZn−ＲSeで定義される。
この図４において、ΔＲの極性の反転するＺｎＳｅ膜の
膜厚は約６００オングストロームであり、この膜厚は干
渉反射光強度の波形の極小点に相当している。FIG. 4 shows in more detail how the polarity of ΔR is reversed.
It is a good example. At this time, ΔR is
H2 The intensity (reflectance) of each interference reflection light at the time of supplying Se
RZn , RSeThen, ΔR = RZn-RSeIs defined by
In FIG. 4, the ZnSe film whose ΔR polarity is reversed is shown.
The film thickness is about 600 Å, which is
It corresponds to the minimum point of the waveform of the intensity of the reflected light.
【００３１】なお、本発明のＳＰＩ法では、使用するプ
ローブ光の光エネルギーは、成長結晶薄膜表面から最初
のヘテロ界面或いは内部のヘテロ界面にまで進入できる
エネルギー（例えば０．５〜６．５ｅＶ）であればよ
く、また成長結晶薄膜表面へのプローブ光の入射角度は
任意角度である。更に、そのプローブ光の偏光もｐ偏
光、ｓ偏光、円偏光等任意である。また、このプローブ
光は、変調をかければ外来ノイズ（ノイズ光＋機械的・
電気的ノイズを含む）の影響を減少することができる
が、その変調方式も任意である。更に、このその場観察
方法は、２種類以上の物質からなる多層膜の結晶成長に
も適用できることは勿論である。このようにして、本観
察法は、測定系の制約をそれほど受けることなく、結晶
成長表面のその場観察を精度高く実現できる手法であ
る。In the SPI method of the present invention, the optical energy of the probe light used is such that it can penetrate from the surface of the grown crystal thin film to the first hetero interface or the internal hetero interface (for example, 0.5 to 6.5 eV). The incident angle of the probe light on the surface of the grown crystal thin film is arbitrary. Furthermore, the polarization of the probe light is arbitrary such as p-polarized light, s-polarized light and circularly polarized light. In addition, if this probe light is modulated, it will be affected by external noise (noise light + mechanical
The influence of (including electrical noise) can be reduced, but its modulation method is also arbitrary. Furthermore, it goes without saying that this in-situ observation method can also be applied to crystal growth of a multilayer film composed of two or more kinds of substances. In this way, the present observation method is a method that can realize in-situ observation of the crystal growth surface with high accuracy without being greatly restricted by the measurement system.
【００３２】[0032]
【発明の効果】以上から本発明によれば、次に示す効果
がある。第１に、成長結晶表面の干渉反射光強度（反射
率）の変化を検出するものであるため、その成長結晶表
面の異方性の有無に拘らず、結晶成長素過程の観察がで
きる。第２に、その干渉反射光強度の変化は成長結晶表
面で生じる反射光の干渉によるものであるので、成長結
晶表面の屈折率の実数部、虚数部の両方の変化を同時に
検出（特に実数部の変化検出が重要）でき、ヘテロエピ
タキシャル成長の分子・原子１層単位のその場観察に好
適である。第３に、同様の理由から、より広い波長範囲
の光をプローブとして利用することができ、よって光吸
収に寄与せず成長素過程に影響を与えない波長域の光を
選択することができる。第４に、得られた干渉反射光強
度の信号は極性反転の特性があるので、これを利用して
例えば成長結晶膜厚の測定その他に利用でき、膜厚制御
その他にその情報をフィードバックさせることもでき
る。As described above, the present invention has the following effects. First, since the change in the interference reflection light intensity (reflectance) on the surface of the grown crystal is detected, the crystal growth elementary process can be observed regardless of the presence or absence of anisotropy on the surface of the grown crystal. Secondly, since the change in the intensity of the interference reflected light is due to the interference of the reflected light generated on the surface of the growing crystal, both the real part and the imaginary part of the refractive index on the surface of the growing crystal are detected at the same time (especially, the real part). Change is important) and is suitable for in-situ observation of one layer of molecule / atom in heteroepitaxial growth. Thirdly, for the same reason, light in a wider wavelength range can be used as a probe, and thus light in a wavelength range that does not contribute to light absorption and does not affect the growth elementary process can be selected. Fourthly, since the obtained signal of the intensity of interference reflected light has a characteristic of polarity reversal, it can be used for, for example, measurement of a grown crystal film thickness and the like, and the information can be fed back to film thickness control and the like. You can also
【図１】 本発明の原理の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of the present invention.
【図２】 本発明の干渉反射光強度（反射率）変化の説
明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a change in interference reflection light intensity (reflectance) according to the present invention.
【図３】 実験例の干渉反射光強度の特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram of interference reflection light intensity in an experimental example.
【図４】 実験例の干渉反射光強度差の特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram of interference reflection light intensity difference in an experimental example.
１１：半導体基板、１２：ヘテロエピタキシャル成長
層、１２ａ：成長結晶表面極薄膜、１２ｂ：成長結晶薄
膜表面、１３：入射光、１４：ヘテロ界面、１５：干渉
光。Reference numeral 11: semiconductor substrate, 12: heteroepitaxial growth layer, 12a: growth crystal surface ultrathin film, 12b: growth crystal thin film surface, 13: incident light, 14: hetero interface, 15: interference light.
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成５年３月１９日[Submission date] March 19, 1993
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】図面の簡単な説明[Name of item to be corrected] Brief description of the drawing
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】 本発明の原理の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of the present invention.
【図２】 本発明の干渉反射光強度（反射率）変化の説
明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a change in interference reflection light intensity (reflectance) according to the present invention.
【図３】 実験例の干渉反射光強度の特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram of interference reflection light intensity in an experimental example.
【図４】 実験例の干渉反射光強度差の特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram of interference reflection light intensity difference in an experimental example.
【図５】 表面光吸収法によるその場観察方法の説明図
である。FIG. 5 is an explanatory diagram of an in-situ observation method by a surface light absorption method.
【図６】 ブリュースター角の説明のための反射率特性
図である。FIG. 6 is a reflectance characteristic diagram for explaining Brewster's angle.
【符号の説明】 １１：半導体基板、１２：ヘテロエピタキシャル成長
層、１２ａ：成長結晶表面極薄膜、１２ｂ：成長結晶薄
膜表面、１３：入射光、１４：ヘテロ界面、１５：干渉
光。[Description of Reference Signs] 11: semiconductor substrate, 12: heteroepitaxial growth layer, 12a: growth crystal surface ultrathin film, 12b: growth crystal thin film surface, 13: incident light, 14: hetero interface, 15: interference light.
Claims (1)
成長過程の結晶薄膜表面にプローブ光を入射させて、そ
の反射光から成長結晶薄膜表面を観察する方法であっ
て、 上記プローブ光として上記成長結晶薄膜表面からその下
層のヘテロ界面にまで進入できるエネルギーの光を使用
し、上記成長結晶薄膜表面での反射光と上記ヘテロ界面
での反射光の干渉光の強度を検出することを特徴とする
その場観察方法。1. A method for injecting probe light into the surface of a crystal thin film in the course of growth of a multilayer crystal film composed of two or more kinds of substances, and observing the surface of the grown crystal thin film from the reflected light. It is characterized in that the intensity of the interference light of the reflected light at the surface of the growing crystal thin film and the reflected light at the hetero interface is detected by using the light having energy that can penetrate from the surface of the growing crystal thin film to the hetero interface of the lower layer. In-situ observation method.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5705403A (en) * | 1995-12-20 | 1998-01-06 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Method of measuring doping characteristic of compound semiconductor in real time |
| EP0827192A3 (en) * | 1996-09-02 | 1999-02-24 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method of measuring carrier concentration of semiconductor, process of manufacturing semiconductor device and semiconductor wafer |
-
1992
- 1992-09-15 JP JP4271193A patent/JP3064693B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5705403A (en) * | 1995-12-20 | 1998-01-06 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Method of measuring doping characteristic of compound semiconductor in real time |
| EP0827192A3 (en) * | 1996-09-02 | 1999-02-24 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method of measuring carrier concentration of semiconductor, process of manufacturing semiconductor device and semiconductor wafer |
| US6153444A (en) * | 1996-09-02 | 2000-11-28 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method of measuring free carrier concentration and/or thickness of a semiconductor and process of manufacturing semiconductor device and semiconductor wafer using such method |
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| JP3064693B2 (en) | 2000-07-12 |
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