JPS6047238B2 - crystal growth method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明はイオンビーム結晶成長法に関し、特に二次元パ
ターンをもつた単結晶薄膜の形成法に関するものてある
。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ion beam crystal growth method, and more particularly to a method for forming a single crystal thin film having a two-dimensional pattern.
イオンビーム結晶成長法は10−可orr以下の高真空
下において1個ないし複数個のイオン銃を用いて、1種
ないし複数種のイオンビームを生成し、これらのイオン
ビームを加熱された単結晶基板表面に照射して、各々の
イオンビームを構成する元素を構成元素ないし不純物元
素とする半導体の単結晶薄膜を単結晶基板表面に形成す
る方法である。The ion beam crystal growth method uses one or more ion guns under a high vacuum of 10-orr or less to generate one or more types of ion beams, and these ion beams are used to grow heated single crystals. This is a method of forming a single crystal thin film of a semiconductor on the surface of a single crystal substrate by irradiating the surface of the substrate with the elements constituting each ion beam as constituent elements or impurity elements.
したがつて、イオンビーム結晶成長法においては結晶成
長中に基板に到達するイオンの数は、イオン電流の形で
正確に測定でき、また純電子的に制御できることから、
真空蒸着法ないし分子線結晶成長法に比較して、単結晶
半導体薄膜の膜厚、不純物分布、あるいは組成比の制御
精度は極めて高いものである。さらに、基板に到達する
イオンのエネルギーは電気的加速により得られるもので
あるから、真空蒸着法ないし分子線結晶成長法において
基板に到達する原子ないし分子の持つ熱的に得られたエ
ネルギーに比較して2軸から数100晧もの大きさとな
る。エネルギーのほとんどはイオンが基板に到達した時
点で熱に転換される。したがつて、イオンビーム結晶成
長法では、真空蒸着法ないし分子線結晶成長法に比較し
て、半導体単結晶薄膜が単結晶基板上に形成するために
必要な基板温度を低くすることができる。このことは特
に化合物半導体MIS(Metal−Insulato
r−Semicnductor)構造の作成において変
成層の発生を防止することが可能となる点て重要な意義
Jがある。一方、二次元パターンを有する半導体単結晶
薄膜の形成に関しては、従来のイオンビーム結晶成長法
は真空蒸着法ないし分子線結晶成長法と何等変わるとこ
ろがなかつた。Therefore, in the ion beam crystal growth method, the number of ions reaching the substrate during crystal growth can be accurately measured in the form of ion current and controlled purely electronically.
Compared to the vacuum evaporation method or the molecular beam crystal growth method, the control accuracy of the thickness, impurity distribution, or composition ratio of a single crystal semiconductor thin film is extremely high. Furthermore, since the energy of the ions reaching the substrate is obtained by electrical acceleration, it is compared to the thermally obtained energy of atoms or molecules reaching the substrate in vacuum evaporation or molecular beam crystal growth. With two axes, the size is several hundred centimeters. Most of the energy is converted into heat once the ions reach the substrate. Therefore, in the ion beam crystal growth method, the substrate temperature required for forming a semiconductor single crystal thin film on a single crystal substrate can be lowered compared to the vacuum evaporation method or the molecular beam crystal growth method. This is especially true for compound semiconductor MIS (Metal-Insulators).
It has an important meaning in that it becomes possible to prevent the generation of metamorphic layers in the creation of r-semiconductor structures. On the other hand, regarding the formation of a semiconductor single crystal thin film having a two-dimensional pattern, the conventional ion beam crystal growth method is no different from the vacuum evaporation method or the molecular beam crystal growth method.
即ち、単結晶基板表面夕に近接ないし密接させた金属マ
スクを通してイオンビームを照射するか、あるいは一旦
基板表面全面にわたつて半導体単結晶薄膜を形成した後
、成長装置外部において物理的ないし化学的にエッチン
グを行なうという方法がとられていた。しかしながら、
金属マスクを利用する方法では独立した領域を有する二
次元パターンを得ることは極めて困難であり、また成長
装置外部での物理的・化学的エッチングを利用する方法
では、工程が長くかつ複雑になるという難点があつた。
ところで、イオンビームは荷電粒子ビームであるから電
子ビームと同様集束および走査が可能でる。In other words, an ion beam is irradiated through a metal mask that is close to or in close contact with the surface of a single crystal substrate, or a semiconductor single crystal thin film is once formed over the entire surface of the substrate, and then it is physically or chemically irradiated outside the growth apparatus. The method used was etching. however,
It is extremely difficult to obtain a two-dimensional pattern with independent regions using a metal mask, and the process using physical and chemical etching outside the growth apparatus is long and complicated. There was a problem.
By the way, since the ion beam is a charged particle beam, it can be focused and scanned like an electron beam.
またイオンと固体表面との相互作用には、イオンのもつ
エネルギーが低い場合は(1)イオンが固体表面に付着
し、またエネルギーが高い場合には(Ii)イオンが固
体表面をスパッタする、という2つの場合がある。この
2つの場合を分けるイオンエネルギーの閾値は、イオン
種および固体物質の種類によつて定まつている。本発明
の目的はイオンビームの持つ上記特性を利用して、従来
のイオンビーム結晶成長法の持つ前記の難点を除去した
改良された結晶成長法を提供することにある。In addition, the interaction between ions and the solid surface is such that when the energy of the ions is low, (1) the ions attach to the solid surface, and when the energy is high, (Ii) the ions sputter on the solid surface. There are two cases. The ion energy threshold that separates these two cases is determined by the ion species and the type of solid material. An object of the present invention is to provide an improved crystal growth method that eliminates the above-mentioned difficulties of conventional ion beam crystal growth methods by utilizing the above-mentioned characteristics of the ion beam.
本発明にしたがえば、一種ないし複数種のイオンビーム
を集束しかつ単結晶基板表面を走査すると同時に前記一
種ないし複数種のイオンビームの加速電圧をイオンビー
ム走査パルスと同期して一時的に単結晶基板をスパッタ
するに充分な電圧にまで高めることにより任意の二次元
パターンを有−する溝を単結晶基板表面に形成すると同
時に単結晶基板表面の溝が形成されていない部分に半導
体単結晶薄膜を形成することを特徴とする結晶成長法が
得られる。According to the present invention, one or more types of ion beams are focused and scanned over the surface of a single crystal substrate, and at the same time, the accelerating voltage of the one or more types of ion beams is temporarily adjusted in synchronization with the ion beam scanning pulse. By increasing the voltage to a level sufficient to sputter the crystal substrate, grooves with an arbitrary two-dimensional pattern are formed on the surface of the single crystal substrate, and at the same time, a semiconductor single crystal thin film is formed on the portions of the surface of the single crystal substrate where grooves are not formed. A crystal growth method characterized by forming .
以下、本発明についてGaAsを例に挙げて詳述!する
。The present invention will be explained in detail below using GaAs as an example! do.
第1図A,b,cは本発明の一実施例を説明するため図
てある。As+イオンビームは集束電極および走査電極
を通らす、単結晶GaAs基板表面全面を均一に照射し
、Ga+イオンビームのみが集束されかつ単結晶GaA
s基板表面を走査する。同図a!1Ga+イオンビーム
の水平走査電圧と垂直走査電圧、および加速電圧との関
係を示した図であり水平走査パルス周期は32.55μ
s垂直走査パルス周期は16.67TLsであるTV(
7)NTSC方式と同様の走査を行つている。またGa
+イオンビームにクより単結晶GaAsをスパッタする
ためのGa+イオンエネルギーの閾値はほぼ20(′V
であるがスパッタ率をイオンビーム結晶成長上有意な0
.01p1hr以上とするためにはGa+イオンビーム
の加速電圧は500V以上でなければならない。したが
つてGaAs成長時の加速電圧は10Vに、また基板ス
パッタ時の加速電圧は500Vにとつている。同図bは
同図aに示した関係のGa+イオンビーム加速電圧をも
つて単結晶GaAs基板1上に成長させた単結晶GaA
s薄膜2およびスパッタエッチされた部分3を示したも
のである。スパッタエッチされた部分3の幅は、上限は
加速電圧が500Vとなつている時間、下限はGa+イ
オンビームの径で制限さ)れる。また同図cは、同図b
に示されたA一A″部分の断面図を示したものである。
ここで、Ga+イオンビームの走査面積が1cm×1C
77!であるとき、水平走査パルス周期が32.55μ
sであれば、成長した単結晶GaAs薄膜2の膜厚が均
一であるためには集束されたGa+イオンビームの単結
晶GaAsl表面ての直径は19.5μm以上でなけれ
ばならない。FIGS. 1A, 1B, and 1C are illustrated to explain one embodiment of the present invention. The As+ ion beam passes through the focusing electrode and the scanning electrode, and uniformly irradiates the entire surface of the single-crystal GaAs substrate.
s Scan the substrate surface. Same figure a! This is a diagram showing the relationship between the horizontal scanning voltage, vertical scanning voltage, and accelerating voltage of a 1Ga+ ion beam, and the horizontal scanning pulse period is 32.55μ.
s TV whose vertical scanning pulse period is 16.67TLs (
7) Scanning is performed in the same way as the NTSC system. Also Ga
The threshold of Ga + ion energy for sputtering single crystal GaAs with + ion beam is approximately 20 ('V).
However, the sputtering rate is significantly lower than 0 for ion beam crystal growth.
.. In order to obtain 01p1hr or more, the acceleration voltage of the Ga+ ion beam must be 500V or more. Therefore, the acceleration voltage during GaAs growth is set at 10V, and the acceleration voltage during substrate sputtering is set at 500V. Figure b shows single-crystal GaA grown on a single-crystal GaAs substrate 1 with the Ga+ ion beam acceleration voltage shown in figure a.
2 shows a thin film 2 and a sputter-etched portion 3. The width of the sputter-etched portion 3 is limited (the upper limit is limited by the time the accelerating voltage is 500 V, and the lower limit is limited by the diameter of the Ga + ion beam). Also, figure c is the same figure b.
2 is a cross-sectional view of the A-A″ portion shown in FIG.
Here, the scanning area of the Ga+ ion beam is 1cm x 1C
77! , the horizontal scanning pulse period is 32.55μ
s, the diameter of the focused Ga+ ion beam on the surface of the single crystal GaAsl must be 19.5 μm or more in order for the grown single crystal GaAs thin film 2 to have a uniform thickness.
したがつてスパッタエッチされた部分3の幅も19.5
μm以上となる。スパッタエッチされた部分3の幅を1
μmにするためには゛集束されたGa+イオンビームの
単結晶QaAsl表面での直径は大きくとも1μmでな
ければならず、したがつて成長した単結晶GaAs薄膜
2の膜厚が均一であるためには水平走査パルス周期は1
.6μs以下でなければならない。なお、インターレー
ス走体査方式を併用すれは水平走査パルス周期を2倍に
するか、あるいはGa+イオンビームの直径を1ノ2に
しても、成長した単結晶GaAs薄膜の膜厚の均一性は
失なわれない。第2図A,b,cは本発明の第二の実施
例を説明するための図である。Therefore, the width of the sputter-etched portion 3 is also 19.5
It becomes more than μm. The width of the sputter-etched part 3 is set to 1
In order to make the thickness of the single crystal GaAs thin film 2 μm, the diameter of the focused Ga+ ion beam on the single crystal QaAsl surface must be at most 1 μm. Horizontal scanning pulse period is 1
.. It must be less than 6 μs. Note that if the interlaced scanning method is also used, even if the horizontal scanning pulse period is doubled or the diameter of the Ga+ ion beam is increased to 1:2, the uniformity of the thickness of the grown single-crystal GaAs thin film will be lost. I can't get used to it. FIGS. 2A, b, and c are diagrams for explaining a second embodiment of the present invention.
As+イオンビームは単結晶GaAs基板表面全面を均
一に照射し、Ga+イオンビームのみが集束されかつ単
結晶GaAs基板表面を走査することは第一の実施例と
同様てある。また、水平走査パルス周期および垂直パル
ス周期も第一の実施例と同様であるが、Ga+イオンビ
ームの加速電圧パルスを同図aに示すように垂直同期パ
ルスの1周期の間に512パルスある水平同期パルスの
各々に対する位相および数を変化させて、成長を行なつ
ている。同図bは本実施例により得られたGaAs単結
晶薄膜を示した図であり、1は単結晶GaAs基板、2
は成長した単結晶GaAs薄膜、3はスパッタエッチさ
れた部分を示している。また同図cは同図bに示された
B−B″部分の断面図を示したものである。以上説明し
たように、本発明を用いれば、単結晶基板上への二次元
パターンをもつた単結晶半導体薄膜の形成を、金属マス
クの使用あるいは結晶成長装置外部での物理的・化学的
エッチングを行なうことなく、イオンの加熱電圧を制御
するこことによつて電気的に容易に行なうことができる
。As in the first embodiment, the As+ ion beam uniformly irradiates the entire surface of the single-crystal GaAs substrate, and only the Ga+ ion beam is focused and scans the surface of the single-crystal GaAs substrate. In addition, the horizontal scanning pulse period and the vertical pulse period are the same as those in the first embodiment, but the acceleration voltage pulse of the Ga + ion beam is Growth is accomplished by varying the phase and number of synchronization pulses for each. Figure b shows a GaAs single-crystal thin film obtained in this example, where 1 is a single-crystal GaAs substrate, 2
3 shows the grown single-crystal GaAs thin film, and 3 shows the sputter-etched part. In addition, Figure c shows a cross-sectional view of the section B-B'' shown in Figure b.As explained above, by using the present invention, it is possible to form a two-dimensional pattern on a single crystal substrate. To electrically easily form a single crystal semiconductor thin film by controlling the heating voltage of ions without using a metal mask or performing physical or chemical etching outside a crystal growth apparatus. I can do it.
なお、以上の説明では、イオン種をGa+イオンおよび
As+イオンにまた単結晶基板をGaAsに限つたが、
上記材料に限定する必要はない。例えば、イオン種とし
てはS1+イオン、Sn+イオン、In+イオンおよび
P+イオン、またはCd+イオンおよびTe+イオン等
に、また単結晶基板としてはSi,.Gel■NP等を
用いて本発明を実施しても全く同様の効果が得られる。In the above explanation, the ion species were limited to Ga+ ions and As+ ions, and the single crystal substrate was limited to GaAs.
It is not necessary to limit the material to the above materials. For example, ion species include S1+ ions, Sn+ ions, In+ ions and P+ ions, or Cd+ ions and Te+ ions, and single crystal substrates include Si, . Exactly the same effect can be obtained even if the present invention is implemented using Gel NP or the like.
第1図A,b,cは本発明の一実施例を説明するための
図である。FIGS. 1A, b, and c are diagrams for explaining one embodiment of the present invention.
Claims (1)
複数種のイオンビームを生成し、これらのイオンビーム
を加熱された単結晶基板表面に照射して、各々のイオン
ビームを構成する元素を構成元素ないし不純物元素とす
る半導体の単結晶薄膜を単結晶基板表面に形成するイオ
ンビーム結晶成長法において、一種ないし複数種のイオ
ンビームを集束しかつ単結晶基板表面を走査すると同時
に前記一種ないし複数種のイオンビームの加速電圧をイ
オンビーム走査パルスと同期して一時的に単結晶基板を
スパッタするに充分な電圧にまで高めることにより任意
の二次元のパターンを有する溝を単結晶基板表面に形成
すると同時に単結晶基板表面の溝が形成されていない部
分に半導体単結晶薄膜を形成することを特徴とする結晶
成長法。1. Generate one or more types of ion beams using one or more ion guns, and irradiate these ion beams onto the surface of a heated single crystal substrate to extract elements constituting each ion beam. In the ion beam crystal growth method for forming a single crystal thin film of a semiconductor on the surface of a single crystal substrate, one or more types of ion beams are focused and scanned over the surface of the single crystal substrate, and at the same time the one or more types of ion beams are scanned over the surface of the single crystal substrate. Grooves with arbitrary two-dimensional patterns can be formed on the surface of a single crystal substrate by increasing the acceleration voltage of multiple types of ion beams to a voltage sufficient to temporarily sputter the single crystal substrate in synchronization with the ion beam scanning pulse. A crystal growth method characterized by forming a semiconductor single-crystal thin film on a portion of a single-crystal substrate surface where grooves are not formed at the same time as the formation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3133478A JPS6047238B2 (en) | 1978-03-17 | 1978-03-17 | crystal growth method |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP3133478A JPS6047238B2 (en) | 1978-03-17 | 1978-03-17 | crystal growth method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS54123587A JPS54123587A (en) | 1979-09-25 |
| JPS6047238B2 true JPS6047238B2 (en) | 1985-10-21 |
Family
ID=12328346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3133478A Expired JPS6047238B2 (en) | 1978-03-17 | 1978-03-17 | crystal growth method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6047238B2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4622093A (en) * | 1983-07-27 | 1986-11-11 | At&T Bell Laboratories | Method of selective area epitaxial growth using ion beams |
-
1978
- 1978-03-17 JP JP3133478A patent/JPS6047238B2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS54123587A (en) | 1979-09-25 |
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