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JPH0755879B2 - Thin film manufacturing method - Google Patents
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JPH0755879B2 - Thin film manufacturing method - Google Patents

Thin film manufacturing method

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JPH0755879B2
JPH0755879B2 JP1344472A JP34447289A JPH0755879B2 JP H0755879 B2 JPH0755879 B2 JP H0755879B2 JP 1344472 A JP1344472 A JP 1344472A JP 34447289 A JP34447289 A JP 34447289A JP H0755879 B2 JPH0755879 B2 JP H0755879B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、基板上にGaAs薄膜等を形成する方法に関す
る。
The present invention relates to a method for forming a GaAs thin film or the like on a substrate.

<従来の技術> GaAsは半導体として高速機能デバイス、光機能デバイス
への応用が考えられている。このGaAsは、例えばMBE法
やMOCVD法等の種々の方法で薄膜化が試みられている。
これらの場合、薄膜を形成する基板としてはGaAs基板あ
るいはSi基板等が用いられている。特に、Si基板の場
合、現在実用化されている半導体素子の殆どがSiデバイ
スであるため、これらのデバイスの機能とGaAデバイス
の機能とを結合できることから、様々の応用が考えられ
ている。(1989年5月26日応用物理学会・結晶工学分科
会,第92会研究会テキスト) ところで、GaおよびAsをSi基板上にヘテロエピタキシャ
ル成長させると、その格子定数の不整合、極性や熱膨張
係数の相違等により、良質のGaAs薄膜が得られない。そ
こで、従来では例えば、低温で基板表面にバッファ層を
積層した後、高温でそのバッファ層上に成膜する、いわ
ゆる2段階成長法や、歪み超格子をバッファとして用い
る方法、あるいはMEE法(マイグレーション・エンハン
スト・エピタキシ)等の種々の方法が試みられている。
<Prior Art> As a semiconductor, GaAs is expected to be applied to high-speed functional devices and optical functional devices. This GaAs has been tried to be thinned by various methods such as MBE method and MOCVD method.
In these cases, a GaAs substrate, a Si substrate or the like is used as the substrate for forming the thin film. In particular, in the case of a Si substrate, since most of the semiconductor elements currently in practical use are Si devices, the functions of these devices and the GaA device can be combined, so various applications are considered. (May 26, 1989, Textbook of the Society of Applied Physics, Crystal Engineering Subcommittee, 92nd Meeting) By the way, when Ga and As are grown heteroepitaxially on a Si substrate, their lattice constant mismatch, polarity and thermal expansion coefficient Due to the difference between the above, a good quality GaAs thin film cannot be obtained. Therefore, conventionally, for example, a so-called two-step growth method of forming a buffer layer on the surface of a substrate at a low temperature and then forming a film on the buffer layer at a high temperature, a method of using a strained superlattice as a buffer, or a MEE method (migration)・ Various methods such as enhanced epitaxy have been tried.

<発明が解決しようとする課題> ところが、上述の三つの方法によれば、いずれも得られ
るGaAs薄膜の表面に現れる転位つまり貫通転位の数が非
常に多く、実用可能な膜質が得られていないのが現状で
ある。
<Problems to be Solved by the Invention> However, according to the above-mentioned three methods, the number of dislocations, that is, threading dislocations, appearing on the surface of the obtained GaAs thin film is very large, and practical film quality is not obtained. is the current situation.

本発明の目的は、貫通転位等の少ない良質なGaAs等の薄
膜を製造することのできる方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method capable of producing a high quality thin film of GaAs or the like with few threading dislocations.

<課題を解決するための手段> 本発明にかかる薄膜製造方法は、複数の蒸着材料を真空
雰囲気中で加熱することにより蒸発させ、複数の蒸着粒
子を基板表面に照射することによって、その基板表面上
に前記複数の蒸着粒子の化合物よりなる薄膜を形成する
方法において、前記複数の蒸着粒子の基板への照射エネ
ルギーを変化させて、その基板表面上に、先に高エネル
ギ照射による前記化合物の層を次いで低エネルギ照射に
よる前記化合物の層の順で、積層して成膜を行うことを
特徴とする。
<Means for Solving the Problems> In the thin film manufacturing method according to the present invention, a plurality of vapor deposition materials are heated in a vacuum atmosphere to be vaporized, and a plurality of vapor deposition particles are irradiated on the substrate surface, thereby the substrate surface. In the method of forming a thin film made of a compound of a plurality of vapor deposition particles on the substrate, the irradiation energy of the plurality of vapor deposition particles to a substrate is changed, and a layer of the compound by high energy irradiation is previously formed on the substrate surface. Then, the layers of the compound are sequentially stacked by low energy irradiation to form a film.

<作用> 蒸発粒子の基板への照射エネルギを変更して、基板表面
に高エネルギ照射による層と低エネルギ照射による層を
積層すると、その第1層目の積層時に基板との界面で発
生した転位は、その上層との界面でこの界面に沿う方向
に曲がり、これにより貫通転位が減少する。
<Operation> When the irradiation energy of the vaporized particles to the substrate is changed and a layer by high energy irradiation and a layer by low energy irradiation are stacked on the substrate surface, dislocations occurred at the interface with the substrate when the first layer is stacked. Bends in the direction along this interface at the interface with its upper layer, which reduces threading dislocations.

<実施例> 本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説明する。<Examples> Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第2図は本発明方法を実施に使用する薄膜製造装置の概
略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a thin film manufacturing apparatus used for carrying out the method of the present invention.

真空チャンバ1内に二つの蒸発源、Ga蒸発源2およびAs
蒸発源3が配設されている。この各蒸発源2,3は、それ
ぞれ内部に蒸着材料GaまたはAsを収容し、かつ、上部壁
体に噴射孔21a,31aを備えたるつぼ21,31と、その各るつ
ぼ21,31の側方周辺を囲ってなる加熱用フィラメント22,
32等を備え、るつぼ21,31それぞれを加熱用フィラメン
ト22,32により加熱することによって内部の蒸着材料を
蒸気化するよう構成されている。そして、蒸気化した蒸
着材料は、噴射孔21a,31aから吹き出してクラスタ(塊
状原子集団)となって真空チャンバ1内を進行し、その
クラスタはともに同じ真空チャンバ1に設置された同一
の基板Sに到達する。
Two evaporation sources, a Ga evaporation source 2 and an As in the vacuum chamber 1.
An evaporation source 3 is provided. Each of the evaporation sources 2 and 3 contains a vapor deposition material Ga or As inside, and crucibles 21 and 31 having injection holes 21a and 31a in the upper wall body, and lateral sides of the respective crucibles 21 and 31. Heating filament 22 surrounding the periphery,
32, etc., and is configured to vaporize the vapor deposition material inside by heating the crucibles 21, 31 with the heating filaments 22, 32, respectively. Then, the vaporized vapor deposition material is blown out from the injection holes 21a and 31a to form a cluster (lumped atomic group) and advances in the vacuum chamber 1, and both clusters are the same substrate S installed in the same vacuum chamber 1. To reach.

各蒸発源2,3と基板S間のクラスタ進行路上には、それ
ぞれイオン化部4,5および加速電極6,7が順次配設されて
いる。さらに、各加速電極6,7と基板Sとの間には、そ
れぞれシャッタ8,9が配設されており、この各シャッタ
8,9の操作により各蒸発源2,3からのクラスタの基板Sへ
の進行を選択できるようになっている。
On the cluster advancing path between each evaporation source 2, 3 and the substrate S, an ionization section 4, 5 and an acceleration electrode 6, 7 are sequentially arranged. Further, shutters 8 and 9 are provided between the acceleration electrodes 6 and 7 and the substrate S, respectively.
By operating 8, 9 it is possible to select the progress of the cluster from each evaporation source 2, 3 to the substrate S.

各イオン化部4,5は、イオン化フィラメント4a,5aおよび
グリッド4b,5b等を備え、各イオン化フィラメント4a,5a
に通電することにより発生する熱電子を、グリッド4b,5
bにより各蒸発源2,3からのクラスタへと引き寄せ衝突さ
せることによって、そのクラスタを陽イオン化するよう
構成されている。
Each of the ionization units 4 and 5 includes ionization filaments 4a and 5a and grids 4b and 5b, and the like.
The thermoelectrons generated by energizing the
The clusters are configured to be positively ionized by attracting and colliding with the clusters from the respective evaporation sources 2 and 3 by b.

基板Sおよび加速電極6,7は接地電位に置かれている。
また、各加速電極6,7と各蒸発源2,3との間には、それぞ
れ可変直流電源(図示せず)が設けられており、蒸発源
2,3が正電位になるよう、その両者間にそれぞれ任意の
大きさの電位差を付与することができる。そして、この
電位差によって形成される電場によって、イオン化部4,
5において陽イオン化されたクラスタは、それぞれ加速
されてイオンビームとなって基板S表面に衝突する。
The substrate S and the acceleration electrodes 6 and 7 are placed at the ground potential.
Further, a variable DC power source (not shown) is provided between each acceleration electrode 6, 7 and each evaporation source 2, 3, respectively.
It is possible to give a potential difference of arbitrary magnitude between the two so that they have a positive potential. Then, due to the electric field formed by this potential difference, the ionization section 4,
The clusters positively ionized in 5 are accelerated to form an ion beam, which collides with the surface of the substrate S.

なお、基板Sは、例えば加熱器および熱電対等を備えた
ホルダ10によって、真空チャンバ1内の所定位置に保持
されるとともに、成膜に適した温度に維持される。
The substrate S is held at a predetermined position in the vacuum chamber 1 by a holder 10 equipped with, for example, a heater and a thermocouple, and is maintained at a temperature suitable for film formation.

さて、以上説明した装置を使用して、Si基板上にGaAs薄
膜を形成する場合の手順を、第1図を参照して説明す
る。
Now, a procedure for forming a GaAs thin film on a Si substrate using the apparatus described above will be described with reference to FIG.

まず、前処理を施したSi基板Sを真空チャンバ1内のホ
ルダ10に装着し、チャンバ内の真空引きを行った後、基
板Sの温度を成膜に適した温度に保つ。次いで、各蒸発
源2,3および各イオン化部4,5をそれぞれ駆動した状態
で、As蒸発源3側のシャッタ9だけを開き、基板S表面
に電圧1.3kV程度で加速されたAsクラスタ・イオンを照
射して基板S表面のクリーニングを行う(a)。
First, the pre-processed Si substrate S is mounted on the holder 10 in the vacuum chamber 1, the chamber is evacuated, and then the temperature of the substrate S is maintained at a temperature suitable for film formation. Then, with each evaporation source 2, 3 and each ionization unit 4, 5 being driven, only the shutter 9 on the As evaporation source 3 side is opened, and As cluster ions accelerated to a voltage of about 1.3 kV on the surface of the substrate S. Is irradiated to clean the surface of the substrate S (a).

次に、Ga蒸発源2側のシャッタ8を開いて、基板S表面
に電圧1.3kV程度で加速されたGaおよびAsクラスタ・イ
オンをそれぞれ照射して基板S表面上にバッファ層Bを
積層する(b)。このバッファ層Bの膜厚は1.5μm程
度とする。
Next, the shutter 8 on the Ga evaporation source 2 side is opened, and the surface of the substrate S is irradiated with Ga and As cluster ions accelerated at a voltage of about 1.3 kV, respectively, and the buffer layer B is laminated on the surface of the substrate S ( b). The thickness of the buffer layer B is about 1.5 μm.

次いで、各イオン化部4,5の駆動を停止し、かつ、各蒸
発源2,3を接地電位に落とすことによって、GaおよびAs
クラスタをイオン化・加速せずに基板S表面に照射し
て、先に積層したバッファ層B上にGaAs薄膜Tを成長さ
せる(c)。この薄膜の膜厚も1.5μm程度とする。
Next, by stopping the driving of the ionization units 4 and 5, and lowering the evaporation sources 2 and 3 to the ground potential, Ga and As
The surface of the substrate S is irradiated with the clusters without ionization / acceleration to grow a GaAs thin film T on the buffer layer B previously stacked (c). The thickness of this thin film is also about 1.5 μm.

以上の手順により、Si基板上に成長させたGaAs薄膜のTE
M(透過電子顕微鏡)像の写生図を第3図に示す。
Through the above procedure, TE of GaAs thin film grown on Si substrate
A sketch of an M (transmission electron microscope) image is shown in FIG.

Si基板とGaAs膜(バッファ層)との界面で発生した転位
は、イオン化・加速の変化による界面、すなわちバッフ
ァ層と本成膜層との界面付近で減少している。これは、
バッファ層と本成膜層との界面で転位を横方向に曲げる
力が作用するためである。従って、このTEM像から明ら
かなように、本発明方法は、貫通転位の少ない良質のGa
As薄膜を得るための有効な方法であることが判る。
The dislocations generated at the interface between the Si substrate and the GaAs film (buffer layer) are reduced at the interface due to changes in ionization and acceleration, that is, near the interface between the buffer layer and the main layer. this is,
This is because a force for laterally bending dislocations acts on the interface between the buffer layer and the main film formation layer. Therefore, as is clear from this TEM image, the method of the present invention is of good quality with few threading dislocations.
It turns out that this is an effective method for obtaining an As thin film.

なお、以上の手順において、(b)および(c)の工程
を繰り返して行えば、転位を横方向に曲げる機会が多く
なり、貫通転位をさらに減少させることが可能となる。
In the above procedure, if the steps (b) and (c) are repeated, the chance of laterally bending dislocations increases, and threading dislocations can be further reduced.

また、(c)工程においては、GaおよびAsクラスタをイ
オン化・加速を行わないで基板に照射しているが、例え
ば、その各クラスタのイオンを低エネルギ加速、例えば
0.1kV程度で加速して基板表面に照射してもよい。要す
るに、(c)工程における各クラスタの基板への入射エ
ネルギは、良質な薄膜を得ることのできる最適値を選定
すればよいわけである。
Further, in the step (c), the Ga and As clusters are irradiated onto the substrate without ionization / acceleration, but for example, the ions of each cluster are accelerated by low energy, for example,
The substrate surface may be irradiated with acceleration at about 0.1 kV. In short, the incident energy of each cluster on the substrate in the step (c) may be selected to be an optimum value capable of obtaining a good quality thin film.

なお、以上は、イオン・クラスタ・ビーム法に基づく薄
膜製造装置を使用して本発明方法を実施した例について
説明したが、これに限られることなく、例えばイオン・
プレーティング法に基づく薄膜製造装置等、蒸発粒子の
基板への照射エネルギを任意に変化させることが可能な
他の薄膜製造装置を使用しても実施できることは勿論で
ある。
In the above, an example in which the method of the present invention is carried out using a thin film manufacturing apparatus based on the ion cluster beam method has been described, but the present invention is not limited to this, and for example, ion
It is needless to say that the present invention can be carried out by using another thin film manufacturing apparatus capable of arbitrarily changing the irradiation energy of evaporated particles to the substrate, such as a thin film manufacturing apparatus based on the plating method.

<発明の効果> 以上説明したように、本発明方法によれば、蒸発粒子の
基板への照射エネルギを変更して、高エネルギ照射によ
る層と低エネルギ照射による層を積層したので、貫通転
位の数が極めて少ない良質な薄膜を得ることができ、こ
れにより、例えばSi基板上に実用可能なGaAs薄膜を形成
することが可能となる。このことは、Siデバイスの機能
とGaAsデバイス機能とを結合した様々な半導体装置の実
現化への可能性を広げる。
<Effects of the Invention> As described above, according to the method of the present invention, the irradiation energy of vaporized particles to the substrate is changed so that a layer formed by high energy irradiation and a layer formed by low energy irradiation are stacked. It is possible to obtain a good quality thin film of which the number is extremely small, which makes it possible to form a practical GaAs thin film on a Si substrate, for example. This expands the possibility of realizing various semiconductor devices that combine the functions of Si devices and the functions of GaAs devices.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明方法の手順の説明図で、また、第2図は
本発明の実施に使用する装置の概略構成図である。 第3図は本発明方法によりSi基板上に成長させたGaAs薄
膜のTEM像の写生図である。 1……真空チャンバ 2……Ga蒸発源 3……As蒸発源 4,5……イオン化部 6,7……加速電極 S……Si基板 B……バッファ層 T……GaAs薄膜
FIG. 1 is an explanatory diagram of the procedure of the method of the present invention, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an apparatus used for carrying out the present invention. FIG. 3 is a TEM image of a GaAs thin film grown on a Si substrate by the method of the present invention. 1 ... Vacuum chamber 2 ... Ga evaporation source 3 ... As evaporation source 4,5 ... Ionization part 6,7 ... Acceleration electrode S ... Si substrate B ... Buffer layer T ... GaAs thin film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小河 潔 京都府京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式会社島津製作所三条工場内 (72)発明者 岸原 弘之 京都府京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式会社島津製作所三条工場内 (56)参考文献 特開 昭50−32875(JP,A) 特開 平1−157406(JP,A) 特開 昭53−99762(JP,A) 特開 平2−180793(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Kiyoshi Ogawa 1 Nishinokyo Kuwabara-cho, Nakagyo-ku, Kyoto City, Kyoto Prefecture Shimadzu Corporation Sanjo Factory (72) Inventor Hiroyuki Kishihara 1-chome Nishinokyo-Kuwabara-cho, Nakagyo-ku, Kyoto Prefecture Kyoto Stock Shimadzu Corporation Sanjo Factory (56) Reference JP-A-50-32875 (JP, A) JP-A-1-157406 (JP, A) JP-A-53-99762 (JP, A) JP-A-2-180793 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】複数の蒸着材料を真空雰囲気中で加熱する
ことにより蒸発させ、その複数の蒸着粒子を基板表面に
照射することによって、その基板表面上に前記複数の蒸
着粒子の化合物よりなる薄膜を形成する方法において、 前記複数の蒸着粒子の基板への照射エネルギーを変化さ
せて、その基板表面上に、先に高エネルギ照射による前
記化合物の層を次いで低エネルギ照射による前記化合物
の層の順で、積層して成膜を行うことを特徴とする、薄
膜製造方法。
1. A thin film made of a compound of a plurality of vapor deposition particles on a substrate surface by evaporating a plurality of vapor deposition materials by heating in a vacuum atmosphere and irradiating the substrate surface with the plurality of vapor deposition particles. In the method of forming a layer, the irradiation energy of the plurality of vapor-deposited particles to a substrate is changed, and a layer of the compound is first irradiated with high energy and then a layer of the compound is irradiated with low energy on the substrate surface. 2. A method of manufacturing a thin film, which comprises stacking and forming a film.
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