JPS60215593A - 単結晶膜成長方法 - 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】 （技術分野） 本発明は、基板上に所望の物質の単結晶膜を成長させる
単結晶膜成長方法に関し、特に、所望の化合物の単結晶
膜を単結晶基板を用いずに成長させるようにしたもので
ある。

（従来技術） 従来、基板上に単結晶膜を成長させるには、所望の物質
の単結晶基板上にその所望の物質をエピタキシアル成長
させる方法が一般に行われていた。さらに、最近におい
ては、基板の面にｐｍオグラ７オエピタキシの試みがな
されていた。；しかしながら、前者の方法には、基板と
する単結晶ウェハが高価であるうえに、１路程度の゛か
なシの厚みを要し、しかも、結晶裁断の際の切シしろと
して高価な材料を無駄にするなどの経済的、資源的な欠
点があった。また、後者の方法には、基板に微細ピッチ
の溝を設けるだめの製造コストおよび労力を軽視し得な
い欠点があった。

（目　的　） 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、高価な
単結晶基板を用いることなく、また、基板に特に加工す
ることなく、ガラス板、金属板、セラミック板尋の通常
の基板を用い、あるいは、温度条件が許せばプラスチッ
ク板をも用いるなど、任意の材料の基板を用いて所望の
化合物の単結晶膜を成長させ得るようにした単結晶膜成
長方法を提供することにある。

（発明の要点） すなわち、本発明単結晶膜成長方法は、単結晶基板を除
く所要の基板上に所望の化合物膜を生成させる過程と、
前記化合物膜を構成する成分物質のうち最低の融点およ
び蒸気圧を有する成分物質の被膜によシ前記化合物膜を
蔽う過程と、前記被膜によシ蔽った前記化合物膜をその
化合物膜の融点を含む範囲内の温度に加熱した後に冷却
する過程とを介して前記所望の化合物膜を単結晶化する
ことによシ、単結晶基板を用いずに所望の化合物の単結
晶膜を成長させることを特徴とするものである。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、本発明方法によシ製造する単結晶膜の基本構成を
第１図に示す。図中、１は基板、２は化合物膜、３はそ
の化合物膜２の一成分物質からｋる被膜でおる。さらに
詳述すれば、化合物膜２は、例えに、ＩｎＰ　Ｉ　Ｇａ
Ａｓ　ｌ工ｎｓｂ　、　Ｇａｒｂ　、　ＧａＰ　＊　Ｉ
ｎＡｓ等からなシ、あるいは、Ｉｎ、Ｇａ等を基体とし
てＡｔを加えた、例えばＧａＡｔＡｓ　ｔ　ＩｎＡｔＡ
ｓ等の三元もしくは四元のＧａＡｔＡｓＰ　、　ＩｎＡ
ムｓＰ等の化合物半導体からなる。かかる構成の化合物
膜２に対し、被膜３は、例えば、化合物膜２がＩｎＰ　
、　ＩｎＳｂ　。

ＩｎＡｓのいずれかよシなるときにはＩｎとし、あるい
は、化合物膜２がＧａＰ　、　Ｇａｒｂ　、　ＧａＡｓ
のいずれかであれはＧａ　とするなど、化合物膜２の成
分物質中、最低の融点および蒸気圧を有する物質によ多
形成する。すなわち、Ｉｎ、Ｇａは、それぞれの（３） 融点が１５７℃、３０℃と、いずれも上述の化合物群の
それぞれの成分物質中最も低く、また、蒸気圧１０　”
Ｔｏｒｒ　とするに要するそれぞれの温度が９５２℃、
　１０９３℃といずれもかなシ高＜、シたがって、上述
の化合物群のそれぞれの成分物質中最も低い蒸気圧とな
る。

図示の構成においては、例えば、厚さ約１ａｍのガラス
基板１上に分子線蒸着（超高真空蒸着）によυＩｎＰ膜
２を厚さ約３μｍに被着し、その上にＩｎ膜３を約１８
μｍに被着しである。

実際上、これらの厚さは厳密な値ではなく、ここに示し
た値を多少上下しても差支えない０上述の構成による化
合物膜の形成に用いた分子線蒸着装置の概略構成を第２
図に示す。図中、４は基板加熱用ヒータ、５は基板であ
る。また、６は化合物の一方の蒸着源物質、例えばイン
ジウムＩｎを収容したルツボ、７は他方の蒸着源物質、
例えば燐Ｐを収容したルツボである。さらに、８は液体
窒素を満した冷却用シュラウド、９は真空槽、１０は超
高真空排気ポンプ、例えばクライオ（４） ・ポンプ、イオンポンプ等への排気口である。

上述の蒸着装置による化合物膜蒸着、成分物質被膜蒸着
および単結晶化処理の一連工程における基板５の温度変
化と経過時間との関係の例を第３図に示す。まず、基板
５の温度を２７０℃に保ちながら、いずれも純度６　ｎ
１ｎｅのインジウムＩｎと赤燐Ｐとをそれぞれ収容した
蒸着源ルツボ６と７とから基板５上に分子線蒸着すなわ
ち超高真空蒸着を行う。その蒸着前の真空度は５．５　
Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、蒸着時の真空度は燐Ｐの蒸気圧
によ、り　１．５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ程度となった
。なお、インジウムＩｎは７００〜８００℃、燐Ｐは約
３００℃でそれぞれ蒸発した。このようにして厚さ３μ
ｍのＩｎＰ化合物膜２の合成被着を行った後、引続き、
ルツボ７の温度を下げて燐Ｐの蒸発を停止し、ルツボ６
からのインジウムＩｎのみの蒸着を続行して厚さ約１８
μｍのＩｎ被膜３を化合物膜２上に積層する。かかる積
層２，３の形成は、第３図に示したタイムチャートにお
ける区間ｂ−ｃにおいて基板５の温度を２７０℃に保っ
たまま行う。引続いて、基板５の温度を、一旦、区間ｃ
−ｆにて順次に低下させた後に、区間ｆ−ｈにおいて、
基板５の温度を約１０００℃まで急速に上昇させた後、
自然放熱冷却にょシ常温に降下させる。化合物ＩｎＰの
融点は１０６０　℃であるから、かかる１０００℃まで
の温度急上昇の過程において化合物ＩｎＰが再結晶し、
その結晶粒が肥大化するとともに、いずれの結晶粒も基
板５０面に平行な（１１１）面が優位配向となる。その
再結晶に際して、予め蒸着したＩｎＰ化合物の不純物が
極めて少なければ、結晶粒界を形成する不純物も極めて
少なくなって結晶粒界はほとんど無くなるか、極めてわ
ずかに存在するか、のいずれかとなるＯ しかして、工ｎＰ化合物中に存在する蒸気圧の高い燐Ｐ
は解離して脱出しようとするが、表面をＩｎ被膜によっ
て蔽われているために脱出し得す、一部の燐Ｐがインジ
ウムＩｎ中に溶は込む。ついで、上述したように基板温
度が再結晶温度約１０００℃に達した後に、直ちに自然
放熱によシ室温まで低下させると、その自然冷却過程に
おいては、第２図　− 赤面側が低い温度勾配が基板面に垂直に生じ＼−被着脱
には膜直に垂直にゾーンメルティングが′行われること
になシ、従って、ＩｎＰ化合物膜２が耐化されることに
なる。ここで注意すべきは、もし再結晶温度１０００℃
に長時間保持しておれば、工ｎＰ化合物２とＩｎ被膜３
とが互いに拡散融食してしまい、所望の成膜が得られな
くなる。上述したように再結晶温度１０００℃に達した
後に直ちに自然冷却、させると、その温度降下の過程に
おいては、単結１品乃至単結晶に近い（、１１１）面優
先配向の状態にある下地のＩｎＰ化合物膜２の上に、上
述のようにして燐Ｐが溶は込んでいるインジウムＩｎの
融液が接触して液相エピタキシャル成長が行われ、かつ
ゾーンメルティングによる結晶膜純化が行われるものと
考えられる。

要するに、本発明による単結晶膜成長の過程においては
、再結晶によシ単結晶または単結晶に近い状態にあって
、しかも、基板面に平行な（ｉｉｉ）（７） 面優先配向を有するＩｎＰ化合物膜が種単結晶膜となっ
て、その上にＩｎＰ化合物の液相エピタキシャル成長が
行われることによシ、単結晶化の改善促進がなされるも
のと考えられる。更には、上述の様に基板片側にのみヒ
ータを装着する構造とすれば、再結晶及びその後の液相
エピタキシャル成長における常温への冷却過程を通して
膜面に直交する温度傾度を生じてゾーンメルティングが
同時にＩｎＰ単結晶膜の反射Ｘ線うウー写真の例を第讐
・図゛に示す。図示の反射Ｘ線ラウェ写真の作成に当っ
て、照射Ｘ線ビームは直径１謡のコリメータを通してあ
シ、従って、照射面積は直径１ｍの円相当であるが、は
＃１１　ａｎ角の膜の全面に亘って図示のようなスポッ
トパターンが示された。図示の写真から判るように、本
発明方法による生成膜は基板に平行な（ｉｉｉ　）面を
有する単結晶膜であることがスポットの３回対称配列か
ら判る。なお、第３（８） −ｅ−ｆは、ＩｎＰ化合物膜２とＩｎ被膜３とが急１　
・ 度１０００℃まで基板温度を上昇させることもできる。

なお、本発明方法による単結晶膜製作例における積層方
向の成分元素分布をＸ線マイクロアナライザの線分析に
よシ確認したところでは、まず、φ工ｎ超過の燐ＰＯ層
、すなわち、燐Ｐが溶は込多 Ｌ’＆だインジウムＩｎの層があシ、そのインジウムＩ
ｎの量が次第に増加して、最後に表面層として厚さ約１
８μｍのＩｎ被膜が積層された構造になっていた。また
、ボンド法測定による生成膜格子定数は立方晶系で５．
８８９　Ａと測定され、Ａ　、Ｓ、　Ｔ　。

Ｍ、カードに示されている工ｎＰ単結晶の格子定数５、
８６９１との良い一致を示していた。

上述のようにして製作したＩｎＰ単結晶膜上のＩｎ被膜
は、その単結晶膜を用いて製作する電子デバイスの構成
に応じてそのまま残して利用することができ、一部を残
して残余の部分をエツチングにより除去することもでき
る。なお、このＩｎ被膜を除去するには、例えば、工ｎ
Ｐ単結晶膜２は溶解変質せず、しかも、Ｉｎ被膜が溶融
状態になるように、基板温度を約２００℃に上昇させて
機械的にＩｎ被膜を除去し、あるいは、スパッタエツチ
ングによＪ）　Ｉｎ被膜３のみを除去するなど、適切な
ｊについては、その単結晶膜上にアンドープにてさ、１ −らにＩｎＰをエピタキシャル成長させることができ、
あるいは、不純物をドープさせなからＩｎＰをエピタキ
シャル成長させるなど、それぞれの使用目的に応じてそ
のＩｎＰ単結単結晶上２上膜を施し、良好な品質の単結
晶膜を製作し、さらには、その単結晶膜を用いた電子デ
バイスや光デバイス等を製作することができる。

なお、上述したＩｎ被膜３の除去に当っては、露出した
ＩｎＰ単結晶膜２を種単結晶基板として引（１１） 続き行うＩｎＰエピタキシャル成長に際してその種単結
晶基板表面が空気中に含まれる炭素Ｃや酸素０に汚染さ
れないようにするために、真空を破ることなく引続いて
超高真空中においてＩｎ被膜３の除去を行い、引続きそ
の上にエピタキシャル成長させることが極めて重要であ
る。換言すれば、従来のエピタキシャル成長においては
単結晶バルク基板表面を研磨して洗滌エツチングした後
超高真空の分子ビームエピタキシー装置中に入れて所望
の基板温度に上昇しＡｓ分子や２分子の照射をして表面
洗滌しＯ−？Ｏを除いていたが、本発明によれば基板結
晶に代る単結晶膜段階から清浄な結晶面を得ることがで
き、結晶の清浄さを保ちながら一貫したデバイス製作を
行うことができるという極めて大きな利点を有するもの
である。

また、化合物膜２については、三温度方法を用いて成膜
する例を述べたが、フラッシュ蒸着、スｉ′ （１２） 以上の説明から明らかなように、本発明によれυみられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によシ製造する単結晶膜の基本構成
を示す断面図、 第２図は本発明方法による分子線蒸着装置の概略構成を
示す断面図、 第３図は本発明方法による基板温度変化の過程の例を示
すタイムチャート、 第４図は本発明方法によシ製造した単結晶膜の反射Ｘ線
ラウェ写真の転写図である。 １・・・　基板 ２・・・　化合物膜 ３・・・　被膜 ４・・・　基板加熱用ヒータ ５・・・　基板 ６．７・・・　蒸着源および同月ルツボ８・・・　冷却
用シュラウド ９・・・　真空槽 １０・・・　真空排気口。 第３ 第１図 特開日：ＧＯ−２１５５９３（５） 図 ０　１　２　３　４　５　６　７　８　９　ＩＱ経過賭
間　（賭ｆａ　） 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶基板を除く所要の基板上に所望の化合物膜
   を生成させる過程と、前記化合物膜を構成する成分物質
   のうち最低の融点および蒸気圧を有する成分物質の被膜
   によシ前記化合物膜を蔽う過程と、前記被膜によシ蔽っ
   た前記化合物膜をその化合物膜の融点を含む範囲内の温
   度に加熱した後に冷却する過程とを介して前記所望の化
   合物膜を単結晶化することによシ、単結晶基板を用いず
   に所望の化合物の単結晶膜を成長させることを特徴とす
   る単結晶膜成長方法。 （２、特許請求の範囲第１項記載の成長方法において、
   前記基板の面に直交する方向に温度勾配を与えることに
   よシゾーンメルテイングを行うことを特徴とする単結晶
   膜成長方法。