JP2008078200A - 金属窒素化合物の分子線エピタキシー成膜方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体金属用分子線セル11の出口部分に配置したシャッター12の周期的開閉動作と同期して、窒素励起セル21の励起コイル24へのRF電力投入量を切替えることにより該窒素励起セル21をLBモードとHBモード間で切替え、固体金属用分子線セル11から成長室内の基板5に所定量の金属分子線を照射すると同時に窒素励起セル21から金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射する一方、基板5への金属分子線の照射期間とオーバーラップするか又は該金属分子線の照射停止後の一定期間中、LBモードからHBモードに切替えた窒素励起セル21から上記基板5へ所定量の窒素活性種を照射するようにして成長量を精密に制御可能とする。
【選択図】図2
Description
本発明の金属窒素化合物のMBE成膜方法は、図1に示されるように、一般に、MBE(分子線エピタキシー)成長に用いられる成膜装置1を用いて実施される。
図1において、MBE成長室2内に設けられた基板ホルダー3に、図示しない固定具を介して着脱可能に基板5を固定するとともにヒータ4を介して該基板5を所定温度、例えば、600℃に加熱し、上記基板5の表面に金属窒素化合物、例えば、III族金属元素、代表的に、Gaの窒化物半導体(GaN)膜が成長させられる。基板ホルダー3に装着された操作棒を介してマニピュレータ7が装着され、該マニピュレータ7により成長室2の外部から基板ホルダー3への基板5の固定操作とか、該基板ホルダー3に固定された基板5の回転操作等が可能とされる。8は真空機構部で、例えば、ターボ分子ポンプを用いて成長室2が10-5〜10-9Paの超真空とされる。
いま、成長室2内の基板ホルダー3には、公知の方法でAlN(窒化アルミニューム)の高温バッファ層を成長させたSi基板5が固定されているものとする。また、固体金属用分子線セル11の坩堝14に装入されたGa塊体がヒータ15により加熱溶融されてGa蒸気が生成されている一方、窒素励起セル21の励起コイル24に、詳細に後述するように、RF電源43から比較的小さいRF電力が投入されて励起室22内が上記基板5に照射されたGa分子とは反応しない励起分子線を生成する低輝度励起状態(LBモード)に維持されているものとする。
図3は本発明の成膜装置の基本的構成概念を示し、図4は、上記タイムシーケンス(図2)に順じて上記成膜サイクルを実行する成膜制御装置35のコントロールパネル37の正面図を示す。なお、図3において、図1のMBE成膜装置の構成部分と等価の部分には同一の数字符号を付して詳細な説明を省略する。
2 MBE成長室
3 基板ホルダー
5 基板
6 基板搬入部
8 真空機構部(ターボ分子ポンプ)
9 液体窒素シュラウド
11 固体金属用分子線セル(Kセル)
11a〜11d 固体金属用分子線セル(Kセル)
12 シャッター
14 PBN坩堝
15 溶融ヒータ
17 ガス用分子線セル
18 シャッター
21 窒素励起セル
22 励起室
24 励起コイル
25 オリフィス
26 窒素ガスボンベ
27 質量流量制御器
28 圧力計
29 窒素ガス供給管
30 分光スペクトル測定器
31 RHEED電子銃
32 RHEEDスクリーン
33 四重極質量分析器
34 窒素ビームフラックス検出器
35 成膜制御装置(回路)
36 シャッター駆動回路
37 コントロールパネル
38 スタートボタン
39 データ入力設定ボタン(データ入力設定器)
41 給電制御回路
42 可変リアクタンス回路
43 RF(高周波)電源
44 自動リアクタンス調整回路
51 スタートボタン
57 目標電流(励起電力)設定ダイヤル
60 LBモード維持電力設定ダイヤル
61 周期T設定スイッチ
62 開期間T1設定スイッチ
63 時間α設定スイッチ
64 HBモード持続期間T3設定スイッチ
65 時間β設定スイッチ
Claims (12)
- MBE(分子線エピタキシー)成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素原子線及び窒素励起原子線並びに窒素励起分子線を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成するにあたり、
上記シャッターを周期的に一定の開期間T1(T1<周期T)をもって繰り返し開閉し、
上記シャッターが開いた時点t0から閉じる時点t1までの期間T1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属分子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度(Low Brightness:LB)モードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、上記シャッターの開時点t0から該シャッターの開期間T1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点t2で上記窒素励起セル内の励起状態をLBモードから高輝度(High Brightness:HB)モードに切替えて、上記時点t2から予め定めたHBモード持続期間T3中、該窒素励起セルから上記基板に窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該HBモード持続期間T3の満了時点t3で再びLBモードに戻すようにした成膜工程とから成る成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする金属窒素化合物のMBE成膜方法。 - 遅れ時間τは、周期的に繰り返し開閉するシャッターの開期間T1より予め定めた時間αだけ短い期間(T1−α)に相当する大きさに設定することを特徴とする請求項1に記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- シャッターが閉じた期間T2において、窒素励起セル内の励起状態をHBモードからLBモードに戻した時点t3から該シャッターが再び開く時点t0までの期間β中、基板上の残留金属分子を除去することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- シャッターの開期間T1が基板に1分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、HBモード持続期間T3がシャッターの開期間T1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分子数量に応じて定められることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- シャッターの開期間T1が基板に複数分子層の膜をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、HBモード持続期間T3がシャッターの開期間T1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分子数量に応じて定められることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- 窒素励起セル内に電磁波を照射してLBモードを維持することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- MBE(分子線エピタキシー)成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する金属窒素化合物のMBE成膜装置において、
上記シャッターを一定の開期間T1をもって周期的に繰り返し開閉するシャッター駆動手段と、上記シャッターの開閉動作の周期T及び開期間T1、上記シャッターの開時点t0からの遅れ時間τ及びHBモード持続期間T3を予め設定してこれらの設定データ(T、T1、τ、T3)を入力するデータ入力手段と、上記シャッターの開時点t0を示すタイミング信号、該時点t0から上記遅れ時間τが経過した時点t2を示すタイミング信号及び該時点t2から上記HBモード持続期間T3が経過した時点t3を示すタイミング信号を出力するタイマー手段と、上記タイマー手段からタイミング信号(t0、t2、t3)を受けて上記窒素励起セルの励起コイルにそれぞれLBモード及びHBモードを確立するための高周波電力を供給するRF電源と、上記RF電源と上記励起コイル間に挿入され、上記タイマー手段からシャッターの開時点t0を示すタイミング信号を受けて上記RF電源から上記窒素励起セルの励起コイルに比較的小さい電力WLBをもって給電する一方、上記タイマー手段から励起モード切替え時点t2を示すタイミング信号を受けて上記RF電源から上記窒素励起セルの励起コイルにHBモード持続期間T3中、比較的大きい電力WHBをもって給電し、上記タイマー手段から励起モード切替え時点t3を示すタイミング信号を受けて上記RF電源から上記励起コイルに、再びLBモードに戻すように比較的小さい電力WLBをもって給電するようにした給電制御手段とを具備することを特徴とする金属窒素化合物のMBE成膜装置。 - 更に、シャッターの周期的な開閉動作を開始するまでに窒素励起セル内の励起状態をLBモードに設定し、タイマー手段からシャッターの開時点t0を示すタイミング信号を受けてから該シャッターの開期間T1中、MBE成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルからの金属分子線を照射するとともに上記窒素励起セルからLBモードで生成する窒素励起分子線を照射し、次いで上記タイマー手段から励起モード切替時点t2を示すタイミング信号を受けた際、上記窒素励起セル内の励起状態をHBモードに切替え、該HBモードで生成する窒素活性種を上記基板に照射して金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜サイクル動作を複数回繰り返すように制御する成膜制御手段を具備したことを特徴とする請求項7に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
- 給電制御手段は、RF(高周波)電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段と、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がHBモード持続期間T3中、予め定めた一定値となるように上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を調整して上記励起コイルに比較的大きい一定の電力WHBをもってRF電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
- 給電制御手段は、RF(高周波)電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段と、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がHBモード持続期間T3中、予め定めた一定値となるように上記RF電源の発振周波数を調整して上記励起コイルに比較的大きい一定の電力WHBをもってRF電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
- 給電制御手段の自動リアクタンス調整回路は、タイマー手段から励起モード切替え時点t2を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を有効とする一方、励起モード切替え時点t3を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を無効とするように構成したことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
- 給電制御手段及び成膜制御手段は、シャッターの周期的開閉動作に従って成膜サイクル動作を逐次制御する制御プログラムを記憶部に格納したコンピュータを用いて構成したことを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
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