JP2011040771A - Material gas decomposing mechanism, thin film manufacturing device, thin film manufacturing method, and thin film laminate - Google Patents

Material gas decomposing mechanism, thin film manufacturing device, thin film manufacturing method, and thin film laminate Download PDF

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達志 品川
Hirotatsu Ishii
宏辰 石井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material gas decomposing mechanism that facilitates depositing a thin film of high quality on a substrate. <P>SOLUTION: The material gas decomposing mechanism provided for a thin film manufacturing device 1 that achieves vapor-phase deposition of a thin film on a substrate 21 in a pressure-reduced chamber 17, and decomposing decomposition species of one or a plurality of kinds of material gases being a material of the thin film to generate decomposition species of the material gases is provided with one or a plurality of gas introduction pipes 13 each having an opening communicating with a reaction room and configured to introduce the material gas into the reaction room through the opening, a catalyst 10 for material gas decomposition in proximity to the opening while displaced toward the substrate more than an opening surface of the opening on the side of the reaction room, and a heating power supply 12 for raising a temperature of the catalyst 10 by turning on electricity to the catalyst 10 through wires 11a, 11b. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、原料ガス分解機構、薄膜形成装置、薄膜製造方法、および薄膜積層体に関するものである。   The present invention relates to a raw material gas decomposition mechanism, a thin film forming apparatus, a thin film manufacturing method, and a thin film laminate.

この発明により、従来に比べて発光効率や絶縁破壊電界強度に優れる窒化物半導体薄膜を得ることができる。また、有機フィルムのような熱ダメージに弱い基板上に緻密な保護膜を形成することができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a nitride semiconductor thin film that is superior in light emission efficiency and dielectric breakdown electric field strength as compared with the prior art. In addition, a dense protective film can be formed on a substrate that is vulnerable to thermal damage such as an organic film.

従来から、窒素原料と金属原料とを化合させて形成された窒化物薄膜は、半導体としての物理的性質を有する場合、優れた光デバイスや電子デバイスとしての性能を発揮するばかりでなく、絶縁体としての物理的性質を有する場合、優れた絶縁保護膜としての性能を発揮する。このため、窒化物薄膜は、多岐に渡る分野において注目されている。   Conventionally, a nitride thin film formed by combining a nitrogen raw material and a metal raw material has not only excellent performance as an optical device or electronic device, but also an insulator, when it has physical properties as a semiconductor. When it has the physical properties, it exhibits excellent performance as an insulating protective film. For this reason, nitride thin films are attracting attention in a wide variety of fields.

この窒化物薄膜を形成する場合、一般に窒素原料ガスと金属原料とを基板上に気相堆積する方法が採られている。この気相堆積方法においては、熱CVD法(Thermal Chemical Vapor Deposition)、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)プラズマCVD法(PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、分子線エピタキシャル成長法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)、および触媒CVD法(Catalytic Chemical Vapor Deposition)等が知られている。   When forming this nitride thin film, generally a method of vapor-depositing a nitrogen source gas and a metal source on a substrate is employed. In this vapor deposition method, thermal CVD (Thermal Chemical Vapor Deposition), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), plasma enhanced CVD (PECVD), molecular beam epitaxial growth (MBE: Molecular Beam Epitaxy) and catalytic CVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition) are known.

熱CVD法およびMOCVD法は、基板を高温に加熱するため基板に熱ダメージを与えるという問題点があり、PECVD法は、気相中のプラズマが基板にプラズマダメージを与えるという問題点がある。このため、基板を高温に加熱せずに、かつプラズマレスで窒化物薄膜が形成できる触媒CVD法が注目されている。この触媒CVDは、加熱した触媒体に原料ガスを接触させて接触分解し、基板上に窒化物薄膜を形成する方法であり、窒化物薄膜の他、多結晶シリコン薄膜やアモルファスシリコン薄膜の堆積にも有用であることが知られている(特許文献1,2参照)。   The thermal CVD method and the MOCVD method have a problem that the substrate is heated to a high temperature, and thus the substrate is thermally damaged. The PECVD method has a problem that plasma in the gas phase causes the plasma damage to the substrate. For this reason, a catalytic CVD method that can form a nitride thin film without heating the substrate to a high temperature and without a plasma has attracted attention. This catalytic CVD is a method in which a source gas is brought into contact with a heated catalyst body for catalytic decomposition and a nitride thin film is formed on the substrate. In addition to the nitride thin film, a polycrystalline silicon thin film or an amorphous silicon thin film is deposited. Are also known to be useful (see Patent Documents 1 and 2).

特開昭61−276976号公報JP-A 61-276976 特開平8−250438号公報JP-A-8-250438

ところで、触媒CVD法は、触媒体を高温に加熱させて触媒体によって分解された原料ガスの分解種を基板に到達させるため、触媒体と基板とを接近させる必要がある。しかし、触媒体と基板との距離を近づけすぎると触媒体の輻射熱によって基板が高温になり、高品質な膜が形成されないという問題点があった。   By the way, in the catalytic CVD method, it is necessary to bring the catalyst body and the substrate close to each other in order to cause the decomposed species of the source gas decomposed by the catalyst body to reach the substrate by heating the catalyst body to a high temperature. However, if the distance between the catalyst body and the substrate is too close, there is a problem that the substrate becomes high temperature due to the radiant heat of the catalyst body and a high-quality film is not formed.

この発明は上記に鑑みてなされたものであって、高品質の薄膜を基板上に堆積させることを容易にする原料ガス分解機構、薄膜製造装置、および薄膜製造方法、ならびに高品質の薄膜積層体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and is a raw material gas decomposition mechanism, a thin film manufacturing apparatus, a thin film manufacturing method, and a high quality thin film laminate that facilitates the deposition of a high quality thin film on a substrate. The purpose is to provide.

なお、本発明の原料ガス分解機構、薄膜製造装置、および薄膜製造方法は、窒化物薄膜以外の薄膜に対して適用しても、低温堆積のメリットが得られる。   Even if the raw material gas decomposition mechanism, thin film manufacturing apparatus, and thin film manufacturing method of the present invention are applied to thin films other than nitride thin films, the merit of low temperature deposition can be obtained.

上記目的を達成するために、本発明にかかる原料ガス分解機構は、減圧下の反応室内で基板上に薄膜を気相堆積させる薄膜製造装置に設けられ、前記薄膜の原料となる1種類または複数種類の原料ガスを分解して該原料ガスの分解種を生成する原料ガス分解機構であって、前記反応室に連通される開口部を有し、該開口部を介して前記反応室に前記原料ガスを導入する1つまたは複数の原料ガス導入手段と、前記開口部での反応室側の開口面よりも前記基板側に変位した状態で、かつ前記開口部に近接した状態で配置される原料ガス分解用の触媒体と、前記触媒体に通電することで該触媒体を昇温させる触媒体加熱手段と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the raw material gas decomposition mechanism according to the present invention is provided in a thin film manufacturing apparatus for vapor-depositing a thin film on a substrate in a reaction chamber under reduced pressure, and one or a plurality of raw materials for the thin film are used. A raw material gas decomposition mechanism for decomposing various kinds of raw material gases to generate decomposition species of the raw material gas, comprising an opening communicated with the reaction chamber, and the raw material in the reaction chamber through the opening One or a plurality of source gas introduction means for introducing a gas, and a source material arranged in a state of being displaced closer to the substrate side than an opening surface on the reaction chamber side in the opening portion and in a state of being close to the opening portion It comprises a catalyst body for gas decomposition and a catalyst body heating means for raising the temperature of the catalyst body by energizing the catalyst body.

本発明にかかる薄膜製造装置は、減圧下の反応室内で基板上に薄膜を気相堆積させるにあたって、前記薄膜の原料となる1種類または複数種類の原料ガスを原料ガス分解機構によって分解して前記原料ガスの分解種を生成する薄膜製造装置であって、前記原料ガス分解機構は、前記反応室に連通される開口部を有し、該開口部を介して前記反応室に前記原料ガスを導入する1つまたは複数の原料ガス導入手段と、前記開口部での反応室側の開口面よりも前記基板側に変位した状態で、かつ前記開口部に近接した状態で配置される原料ガス分解用の触媒体と、前記触媒体に通電することで該触媒体を昇温させる触媒体加熱手段と、を備えることを特徴とする。   In the thin film manufacturing apparatus according to the present invention, when vapor-depositing a thin film on a substrate in a reaction chamber under reduced pressure, one or more kinds of raw material gases as raw materials for the thin film are decomposed by a raw material gas decomposition mechanism, and A thin film manufacturing apparatus for generating a decomposition species of a source gas, wherein the source gas decomposition mechanism has an opening communicating with the reaction chamber, and introduces the source gas into the reaction chamber through the opening One or a plurality of source gas introduction means for performing the source gas decomposition disposed in a state of being displaced closer to the substrate side than the opening surface on the reaction chamber side in the opening portion and in a state of being close to the opening portion And a catalyst body heating means for raising the temperature of the catalyst body by energizing the catalyst body.

本発明にかかる薄膜製造方法は、減圧下の反応室内で基板上に薄膜を気相堆積させる薄膜製造方法であって、前記薄膜の原料となる1種類または複数種類の原料ガスを上記本発明の原料ガス分解機構によって分解して該原料ガスの分解種を生成する工程を含むことを特徴とする。   A thin film manufacturing method according to the present invention is a thin film manufacturing method in which a thin film is vapor-deposited on a substrate in a reaction chamber under reduced pressure, and one or more kinds of source gases serving as a raw material of the thin film are used in the present invention. The method includes a step of generating a decomposition species of the raw material gas by decomposing by a raw material gas decomposition mechanism.

本発明にかかる薄膜積層体は、基板上に積層された複数の薄膜を有し、該複数の薄膜は、上記本発明の薄膜製造方法によって製造された薄膜を少なくとも一つ含むことを特徴とする。   The thin film laminate according to the present invention has a plurality of thin films laminated on a substrate, and the plurality of thin films include at least one thin film produced by the thin film production method of the present invention. .

本発明にかかる原料ガス分解機構では、原料ガス導入手段における反応室側の開口部での開口面よりも基板側に変位した状態で、かつ上記の開口部に近接した状態で触媒体が配置されるので、上記の開口面よりも原料ガス導入手段の内側に触媒体を配置した場合に比べ、分解種同士の衝突が抑制される。このため、所望の分解種を基板に照射し易い。結果として、高品質の薄膜を基板に堆積させることが容易になる。   In the raw material gas decomposition mechanism according to the present invention, the catalyst body is disposed in a state of being displaced closer to the substrate side than the opening surface at the opening portion on the reaction chamber side in the raw material gas introducing means and in the state of being close to the opening portion. Therefore, compared with the case where the catalyst body is arranged inside the raw material gas introduction unit with respect to the opening surface, collision between the decomposition species is suppressed. For this reason, it is easy to irradiate the substrate with a desired decomposition species. As a result, it becomes easy to deposit a high-quality thin film on the substrate.

この発明の実施形態1にかかる薄膜製造装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the thin film manufacturing apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかるタングステンワイヤの電気抵抗と温度との特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of the electrical resistance and temperature of the tungsten wire concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかるタングステンワイヤの温度と圧力との特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the characteristic of the temperature and pressure of the tungsten wire concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかるシャッタを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shutter concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかるシャッタを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shutter concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかるガス導入管を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the gas introduction pipe | tube concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1にかかる触媒体形状を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the catalyst body shape concerning Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態1の変形例にかかる窒化物薄膜製造装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the nitride thin film manufacturing apparatus concerning the modification of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施形態2にかかる薄膜製造装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the thin film manufacturing apparatus concerning Embodiment 2 of this invention. この発明の実施形態3にかかる薄膜製造装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the thin film manufacturing apparatus concerning Embodiment 3 of this invention. この発明の実施形態4にかかる薄膜製造装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the thin film manufacturing apparatus concerning Embodiment 4 of this invention. この発明の実施形態5にかかる薄膜製造装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the thin film manufacturing apparatus concerning Embodiment 5 of this invention. この発明の実施形態にかかるRHEEDパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the RHEED pattern concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかるRHEEDパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the RHEED pattern concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかるXRDパターンを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the XRD pattern concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかるPLパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows PL pattern concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかる薄膜が積層された積層断面を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the lamination | stacking cross section by which the thin film concerning embodiment of this invention was laminated | stacked. この発明の実施形態にかかる薄膜のへこみを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the dent of the thin film concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかる薄膜形成の工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the process of thin film formation concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかる薄膜形成の工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the process of thin film formation concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかるXRDパターンを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the XRD pattern concerning embodiment of this invention. この発明の実施形態にかかるPLパターンを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows PL pattern concerning embodiment of this invention.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる薄膜製造装置および薄膜の製造方法および薄膜積層体の好適な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a thin film manufacturing apparatus, a thin film manufacturing method, and a thin film stack according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

(実施形態1)
図1は、この発明の実施形態1である窒化物薄膜製造装置1の概要構成を示すブロック図である。この窒化物薄膜製造装置1は、窒化物薄膜を形成する反応室であるチャンバ17と、チャンバ17を所定の圧力に減圧する真空ポンプ18と、チャンバ17に窒素原料ガスであるアンモニア(NH3)を導入するガス導入管13と、ガス導入管13の開口部に配置され、導入されたNH3を解離する触媒体10と、金属原料であるガリウム(Ga)を加熱して分子線として放出するクヌーセンセル22aと、窒化ガリウム(GaN)を形成するSi基板21と、Si基板21を保持する基板ホルダ19と、Si基板21を加熱するヒータ20と、Si基板21を冷却する冷媒供給パイプ81を有する。Si基板21の回りには、未分解原料ガスを吸着するシュラウド82が設けられる。Si基板21および堆積膜の状態を観察する反射高速電子線回折用電子銃(RHEED)24およびスクリーン25と、チャンバ17内の残留ガスを検出する4重極質量分析計(QMS)23とを有する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a nitride thin film manufacturing apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention. The nitride thin film manufacturing apparatus 1 includes a chamber 17 that is a reaction chamber for forming a nitride thin film, a vacuum pump 18 that depressurizes the chamber 17 to a predetermined pressure, and ammonia (NH 3 ) that is a nitrogen source gas in the chamber 17. Is introduced into the gas inlet tube 13, the catalyst body 10 is disposed at the opening of the gas inlet tube 13 and dissociates the introduced NH 3 , and gallium (Ga), which is a metal raw material, is heated and released as a molecular beam. A Knudsen cell 22a, a Si substrate 21 for forming gallium nitride (GaN), a substrate holder 19 for holding the Si substrate 21, a heater 20 for heating the Si substrate 21, and a refrigerant supply pipe 81 for cooling the Si substrate 21 are provided. Have. A shroud 82 that adsorbs undecomposed source gas is provided around the Si substrate 21. A reflection high-energy electron diffraction (RHEED) 24 and screen 25 for observing the state of the Si substrate 21 and the deposited film, and a quadrupole mass spectrometer (QMS) 23 for detecting residual gas in the chamber 17 are included. .

Si基板21は、モリブデンなどで形成された基板保持具に取り付けられており、ロードロックシステム(図1に記載されていない)によって、チャンバ17を大気開放することなく、チャンバ17の内部の基板ホルダ19に真空中に搬送されて、取り付けられる。Si基板21は、基板ホルダ19に備えられたヒータ20および冷媒供給パイプ81により、任意の温度に調整することができる。なお、基板温度のモニタは、基板ホルダ19に備えられた熱電対(図示せず)を使用したり、基板からの熱輻射をパイロメータで観察する(図示せず)ことで達成される。また、窒化ガリウム基板のようなワイドギャップ材料を基板として使用する場合には、基板の裏面に高融点金属を予め堆積しておく必要がある。   The Si substrate 21 is attached to a substrate holder made of molybdenum or the like, and a substrate holder inside the chamber 17 is not opened to the atmosphere by a load lock system (not shown in FIG. 1) without opening the chamber 17 to the atmosphere. 19 is transported in vacuum and attached. The Si substrate 21 can be adjusted to an arbitrary temperature by the heater 20 and the refrigerant supply pipe 81 provided in the substrate holder 19. The monitoring of the substrate temperature is achieved by using a thermocouple (not shown) provided in the substrate holder 19 or observing thermal radiation from the substrate with a pyrometer (not shown). When a wide gap material such as a gallium nitride substrate is used as the substrate, it is necessary to deposit a refractory metal in advance on the back surface of the substrate.

排気装置は、ターボ分子ポンプが好適であり、クライオポンプや液体窒素トラップを備えた油拡散ポンプも使用できる。また、原料ガスを流す前の真空度向上のためには、イオンポンプやチタンサブリメーションポンプを利用することができる。このような排気装置により、原料ガスを導入しない場合の到達真空度は、一般には1×10-10Torr程度の真空度となる。また、ここでは図示しないが、排気装置は、原料ガスに対応した除害設備を備えている。 The exhaust device is preferably a turbo molecular pump, and an oil diffusion pump equipped with a cryopump or a liquid nitrogen trap can also be used. Further, an ion pump or a titanium sublimation pump can be used to improve the degree of vacuum before flowing the source gas. With such an exhaust device, the ultimate vacuum when the source gas is not introduced is generally about 1 × 10 −10 Torr. Further, although not shown here, the exhaust device includes a detoxification facility corresponding to the source gas.

窒素原料ガスであるアンモニアは、シリンダキャビネットに保管されたボンベ16より、圧力制御装置で適当な圧力に調整されて、バルブ14a,14bと流量制御計(MFC)15とを介して所望の流量に調整されて、最終的にはガス導入管13を通してチャンバ17に導入される。この他に、ここには図示しないが、原料ガス供給系には、パージ手段や漏洩対策のための各種安全装置を設ける必要がある。   Ammonia, which is a nitrogen source gas, is adjusted to an appropriate pressure by a pressure control device from a cylinder 16 stored in a cylinder cabinet, and adjusted to a desired flow rate through valves 14a and 14b and a flow rate controller (MFC) 15. It is adjusted and finally introduced into the chamber 17 through the gas introduction pipe 13. In addition to this, although not shown here, it is necessary to provide the source gas supply system with purge means and various safety devices for measures against leakage.

窒化原料ガスとしてアンモニア(NH3)を用いる場合を説明するが、ヒドラジン(N24)、アジ化水素(N3H)などの水素化窒素原料が利用できる。また、これらの窒素原料ガスに水素を混合する場合や、窒素や希ガスなどの不活性ガスを混合することもできる。これらの原料ガス選択や水素の混合は、加熱触媒体10に供給される原料ガスの成分として、窒素/水素の割合を調整するために適宣選択される。一方、窒素や希ガスの混合は、加熱触媒体10における窒素原料ガスの反応を抑制する効果をもつ。 Although the case of using ammonia (NH 3 ) as the nitriding source gas will be described, a nitrogen hydride source such as hydrazine (N 2 H 4 ) or hydrogen azide (N 3 H) can be used. In addition, hydrogen can be mixed with these nitrogen source gases, or an inert gas such as nitrogen or a rare gas can be mixed. The selection of the source gas and the mixing of hydrogen are appropriately selected to adjust the ratio of nitrogen / hydrogen as a component of the source gas supplied to the heating catalyst body 10. On the other hand, the mixing of nitrogen and rare gas has an effect of suppressing the reaction of the nitrogen source gas in the heating catalyst body 10.

混合ガスを使用する場合には、原料ガス導入管13を供給側で分岐し、これらのガスを供給する手段を設けることで達成される。原料ガス導入パイプに排気手段を設けてガス導入管13内でガス混合状態を調整することも有効である。   In the case of using a mixed gas, this can be achieved by branching the source gas introduction pipe 13 on the supply side and providing means for supplying these gases. It is also effective to adjust the gas mixing state in the gas introduction pipe 13 by providing an exhaust means in the source gas introduction pipe.

ガス導入管13の先端の開口部には、触媒体10が備えられており、窒素原料ガスは、触媒体10に効率よく接触する。   A catalyst body 10 is provided at an opening at the tip of the gas introduction pipe 13, and the nitrogen source gas efficiently contacts the catalyst body 10.

触媒体10は、銀コートされた銅(Cu)で形成された導線11a,11bを介して加熱電源12に接続され、通電により所望の温度に設定される。触媒体10は、純度99.999%のタングステン(W)ワイヤによってW字状に形成され、ガス導入管13の開口部の開口面に平行に配置される。   The catalyst body 10 is connected to a heating power source 12 through conductive wires 11a and 11b formed of silver-coated copper (Cu), and is set to a desired temperature by energization. The catalyst body 10 is formed in a W shape by a tungsten (W) wire having a purity of 99.999%, and is arranged in parallel to the opening surface of the opening of the gas introduction pipe 13.

図2は、触媒体10への通電加熱によるタングステンワイヤの電気抵抗特性を調べた結果である。高純度のタングステンワイヤを使用すると、タングステンワイヤの電気抵抗率によりタングステンワイヤの温度を推定することが可能である。タングステンワイヤの径がσ(mm)であり、長さL(cm)の場合、タングステンワイヤへの通電電流がI(A)で電圧がV(V)であれば、タングステンワイヤの電気抵抗率ρ(μΩm)は、
ρ=V/I×σ/L×102
で求めることができる。ρが1μΩmを超えると、タングステンワイヤの融点である3400℃近くとなるため、タングステンワイヤは切れてしまう。ρが0.7μΩm以上であると、タングステンワイヤの温度はおよそ2000℃以上となり、タングステンの蒸気圧が高くなり、蒸発が顕著となるため、タングステンワイヤが次第に細くなり切れやすくなることに加え、タングステンワイヤの蒸発物が基板に付着して不純物となるため好適ではない。また、タングステンワイヤのタングステン純度が低い場合には、抵抗−温度関係の再現性が変化することに加え、不純物の基板への混入が発生する場合がある。したがって、ワイヤのタングステン純度は、99.99%(4N)以上が好適で、望ましくは、99.999%(5N)以上がよい。現在は、これ以上の純度のタングステンを市場より得ることは、簡単ではないが将来は6Nの純度が容易に利用できる可能性がある。
FIG. 2 shows the result of examining the electrical resistance characteristics of the tungsten wire by energization heating to the catalyst body 10. When a high-purity tungsten wire is used, the temperature of the tungsten wire can be estimated from the electrical resistivity of the tungsten wire. When the diameter of the tungsten wire is σ (mm) and the length is L (cm), the electrical resistivity ρ of the tungsten wire is given if the current flowing to the tungsten wire is I (A) and the voltage is V (V). (ΜΩm) is
ρ = V / I × σ / L × 10 2
Can be obtained. If ρ exceeds 1 μΩm, the melting point of the tungsten wire is close to 3400 ° C., so the tungsten wire is broken. When ρ is 0.7 μΩm or more, the temperature of the tungsten wire becomes about 2000 ° C. or more, the vapor pressure of tungsten becomes high, and the evaporation becomes remarkable, so that the tungsten wire gradually becomes thinner and easily cut. It is not preferable because the wire evaporation adheres to the substrate and becomes an impurity. Moreover, when the tungsten purity of the tungsten wire is low, the reproducibility of the resistance-temperature relationship may change, and impurities may be mixed into the substrate. Accordingly, the tungsten purity of the wire is preferably 99.99% (4N) or higher, and desirably 99.999% (5N) or higher. At present, it is not easy to obtain tungsten of higher purity from the market, but there is a possibility that 6N purity can be easily used in the future.

一方、原料ガスの分解は、タングステンワイヤが高温であるほど促進されることから、原料ガスの分解を促進したい場合は、ρが0.55μΩmに対応する、タングステンワイヤの温度1700℃の設定がよい。無通電を含む、これより低いタングステンワイヤの設定温度は、原料ガスの分解種の構成割合が変化することから、原料ガスの選択や工程の目的に応じて選択されて利用される。   On the other hand, the decomposition of the source gas is accelerated as the temperature of the tungsten wire is increased. Therefore, when it is desired to promote the decomposition of the source gas, the temperature of the tungsten wire corresponding to 0.55 μΩm is preferably set to 1700 ° C. . The set temperature of the tungsten wire lower than this including no energization is selected and used according to the selection of the source gas and the purpose of the process because the constituent ratio of the decomposition species of the source gas changes.

触媒体10は、Si基板21と対向して配置されており、触媒体10で分解した窒素原料は基板に効率よく照射される。未分解のままチャンバ17に導入された一部の窒素原料ガスは、チャンバ17内壁に備えられた液体窒素シュラウド82に吸着されるため、チャンバ17の圧力は、100sccm程度の窒素原料ガスを導入しても1×10-5Torr以下に設定することができる。 The catalyst body 10 is disposed so as to face the Si substrate 21, and the nitrogen material decomposed by the catalyst body 10 is efficiently irradiated onto the substrate. Since a part of the nitrogen source gas introduced into the chamber 17 without being decomposed is adsorbed by the liquid nitrogen shroud 82 provided on the inner wall of the chamber 17, the nitrogen source gas of about 100 sccm is introduced as the pressure in the chamber 17. However, it can be set to 1 × 10 −5 Torr or less.

図3にアンモニアを10sccm流した場合のタングステンフィラメント温度とチャンバ17圧力の関係を示す。なお、ここでは、ガス導入管13の開口径は、20mmであり、触媒体10とSi基板21との距離は、10cmである。   FIG. 3 shows the relationship between the tungsten filament temperature and the chamber 17 pressure when ammonia is flowed at 10 sccm. Here, the opening diameter of the gas introduction pipe 13 is 20 mm, and the distance between the catalyst body 10 and the Si substrate 21 is 10 cm.

未分解のまま導入されたアンモニアガスは、シュラウド82で吸着されるため、チャンバ17の圧力を上昇させない。触媒体10との接触反応において、分解が進行すると、最終的には多くの成分が水素と窒素ガスに変化し、これらは、シュラウド82で殆ど吸着されないので、チャンバ17に滞留したのち、排気装置により排気される。したがって図3に記載されたチャンバ圧力は、加熱触媒体10によりアンモニアガスの分解の程度を示す指標となる。なお、これらの原料ガス分解の挙動は、装置に取り付けられたQMS23によって詳細を調べることができる。   Ammonia gas introduced undecomposed is adsorbed by the shroud 82 and therefore does not increase the pressure in the chamber 17. When decomposition progresses in the catalytic reaction with the catalyst body 10, many components eventually change into hydrogen and nitrogen gas, and these are hardly adsorbed by the shroud 82. Is exhausted. Therefore, the chamber pressure shown in FIG. 3 serves as an index indicating the degree of decomposition of the ammonia gas by the heated catalyst body 10. In addition, the behavior of these raw material gas decomposition | disassembly can be investigated in detail with QMS23 attached to the apparatus.

図3に示されるようなアンモニアガスを10sccmとした場合、タングステンフィラメントを1700℃としてもチャンバ圧力は1×10-5Torr以下の低い状態が維持されている。チャンバ圧力とアンモニアガス流量は、この領域でほぼ比例し、100sccm以上の流量の場合も1×10-4Torr以下となる。この低いチャンバ圧力は、シュラウド82の効果であり、シュラウド82を冷却しない場合、アンモニアガスを10sccmとしてもチャンバ圧力は1×10-3Torrを超えてしまう。 When the ammonia gas as shown in FIG. 3 is 10 sccm, the chamber pressure is maintained at a low level of 1 × 10 −5 Torr or less even when the tungsten filament is set at 1700 ° C. The chamber pressure and the ammonia gas flow rate are substantially proportional in this region, and even when the flow rate is 100 sccm or more, it is 1 × 10 −4 Torr or less. This low chamber pressure is an effect of the shroud 82. If the shroud 82 is not cooled, the chamber pressure will exceed 1 × 10 −3 Torr even if the ammonia gas is 10 sccm.

このチャンバ圧力値は、基板への原料ガス分解種、あるいは、金属原料の供給手段からの金属分子線の基板への到達の程度に影響を与える重要なパラメータである。一般に低圧の分子流の領域においては、気体ガス分子の平均自由工程λc(cm)は、気体ガス分子の圧力をPc(Torr)(すなわち、チャンバ圧力に相当する値)として、
λc=(5×10-3)/Pc
の関係をほぼ満たすことが知られている。
This chamber pressure value is an important parameter that affects the degree of arrival of the metal molecular beam from the source gas decomposition species to the substrate or the metal source supply means to the substrate. In general, in the region of low-pressure molecular flow, the mean free path λc (cm) of gas gas molecules is obtained by setting the pressure of gas gas molecules as Pc (Torr) (that is, a value corresponding to the chamber pressure).
λc = (5 × 10 −3 ) / Pc
It is known that this relationship is almost satisfied.

まず、金属原料を供給するためのクヌーセンセルの開口位置は、基板から5cm以上の距離に配置することが一般的であり、同様の理由から、λcは、5cm以上、したがって、Pc<1×10-3Torrを満たす必要がある。λcが5cm以下となると、基板に到達するまえに金属分子線は、ガスと衝突し反応が阻害される場合がある。 First, the opening position of the Knudsen cell for supplying the metal raw material is generally arranged at a distance of 5 cm or more from the substrate. For the same reason, λc is 5 cm or more, and therefore Pc <1 × 10. -3 Torr must be satisfied. If λc is 5 cm or less, the metal molecular beam may collide with the gas before reaching the substrate and the reaction may be inhibited.

一方、加熱触媒体は、原料ガス分子の供給口にほぼ一致して配置されており、チャンバ17の圧力に比較し、必ず高いガス分子圧力下に保持されている。原料ガスの流量J(sccm)、気体ガス分子速度v(cm/s)、供給管の開口面積S(cm2)を使用すると、加熱触媒体近傍の圧力、Pcat(Torr)は、
Pcat=12.67J/S/v
により見積もることができる。室温におけるガス分子速度を4.7×104cm/sとして、開口径2cmの場合には、
Pcat=8.6×10-5JTorr
の関係となる。
On the other hand, the heating catalyst body is arranged substantially coincident with the supply port of the raw material gas molecules, and is always kept under a gas molecule pressure higher than the pressure in the chamber 17. Using the flow rate J (sccm) of the source gas, the gas gas molecular velocity v (cm / s), and the opening area S (cm 2 ) of the supply pipe, the pressure in the vicinity of the heated catalyst body, Pcat (Torr),
Pcat = 12.67 J / S / v
Can be estimated. When the gas molecular velocity at room temperature is 4.7 × 10 4 cm / s and the opening diameter is 2 cm,
Pcat = 8.6 × 10 −5 JTorr
It becomes the relationship.

Jを100sccmとすると、Pcatは、8.6×10-3Torrに達し、対応する平均自由工程は、0.58cmとなる。この値は小さいが、基板との間の領域では、ガスが広がるため、触媒体10から基板に到達するまでの過程において、平均自由工程は上昇していくので、L=10cm以下であれば、触媒体10からの解離原料ガス分子線を基板に有効に照射することが可能である。Lを小さくするほど、基板到達前の空間で他のガス分子と衝突する寄与を低減することができる。 When J is 100 sccm, Pcat reaches 8.6 × 10 −3 Torr, and the corresponding mean free path is 0.58 cm. Although this value is small, gas spreads in the region between the substrate and the mean free path increases in the process from the catalyst body 10 to the substrate, so if L = 10 cm or less, It is possible to effectively irradiate the substrate with the dissociation source gas molecular beam from the catalyst body 10. As L is reduced, the contribution of collision with other gas molecules in the space before reaching the substrate can be reduced.

一方、L(cm)を小さくしていくと、加熱触媒体10からの熱輻射が基板温度を上昇させてしまう。基板温度の上昇は、基板温度を冷却する手段81を使用することで、ある程度許容できるが、輻射の影響は、基板距離の2乗に比例して顕著となるため、少なくともLを1cm以上とする必要がある。したがって、本発明の窒素原料ガス供給手段において、触媒体10と基板の距離Lcmは、1≦L≦10を満たすように配置される。また、薄膜堆積のために原料ガス導入時における反応室圧力は1×10-3Torr以下に設定される。 On the other hand, when L (cm) is reduced, the heat radiation from the heating catalyst body 10 increases the substrate temperature. The rise in the substrate temperature can be tolerated to some extent by using the means 81 for cooling the substrate temperature. However, since the influence of radiation becomes prominent in proportion to the square of the substrate distance, at least L is set to 1 cm or more. There is a need. Therefore, in the nitrogen source gas supply means of the present invention, the distance Lcm between the catalyst body 10 and the substrate is arranged so as to satisfy 1 ≦ L ≦ 10. In addition, the reaction chamber pressure at the time of introducing the raw material gas for thin film deposition is set to 1 × 10 −3 Torr or less.

また、上記のパラメータLの最適化のためには、加熱触媒体における原料ガス圧力の設定が重要であり、これを制御するには、ガス導入管13の開口面積を変更することが有効である。開口面積の変更手段は、図4に示すように、カメラに設けられている絞り形状で、複数の金属片で構成されてもよいし、図5に示すように、開口部分が回転し、開口面積が可変できるような形状であってもよい。   In order to optimize the parameter L, it is important to set the raw material gas pressure in the heating catalyst body. To control this, it is effective to change the opening area of the gas introduction pipe 13. . As shown in FIG. 4, the aperture area changing means may be formed by a plurality of metal pieces in the shape of a diaphragm provided in the camera, or as shown in FIG. The shape may be such that the area can be varied.

なお、この実施形態1では、ガス導入管13は、チャンバ17に固定されていたが、図6に示すように、ベローズフランジ88を介してチャンバ17に固定し、ガス導入管13先端のガス導入部83に取り付けられた触媒体10をハンドル87によって駆動され、ネジ86がガイド85に沿って可変し、Si基板21との間の距離を可変できるようにしてもよい。これにより、L自身もある程度調整が可能となり、最適堆積条件を設定することが容易にできる。また、ハンドル87の代わりにモータを用いることにより、自動化できる。   In the first embodiment, the gas introduction pipe 13 is fixed to the chamber 17. However, as shown in FIG. 6, the gas introduction pipe 13 is fixed to the chamber 17 via the bellows flange 88 and the gas introduction pipe 13 is introduced at the tip. The catalyst body 10 attached to the portion 83 may be driven by the handle 87 so that the screw 86 can be varied along the guide 85 so that the distance from the Si substrate 21 can be varied. Thereby, L itself can be adjusted to some extent, and the optimum deposition condition can be easily set. Moreover, it can be automated by using a motor instead of the handle 87.

ここでは、触媒体10として、タングステンを原料としたワイヤを説明したが、その他の原料やワイヤ以外の形態の触媒体を利用することができる。   Here, although the wire which used tungsten as the raw material was demonstrated as the catalyst body 10, the catalyst body of forms other than another raw material and a wire can be utilized.

ワイヤとすることのできる触媒体材料は、タングステン単体に加え、フィラメント材料として一般的に使用されているトリア含有タングステンがある。また、その他の高融点金属であるモリブデン、タンタル、チタン、バナジウム、オスミウム、高純度鉄、白金などのワイヤを利用することができる。これらの材料を使用する場合は、それぞれの材質の蒸気圧や抵抗率を鑑み、通電条件を設定する必要がある。   Catalyst material that can be used as a wire includes tria-containing tungsten that is generally used as a filament material in addition to tungsten alone. In addition, other refractory metals such as molybdenum, tantalum, titanium, vanadium, osmium, high-purity iron, and platinum can be used. When using these materials, it is necessary to set energization conditions in view of the vapor pressure and resistivity of each material.

また、タングステンフィラメントやその他のヒータと組み合わせることで、導電性がなくとも板状や管状の色々な形態の触媒体の利用が可能となる。この場合には、材質は、上記の高融点金属材料に加えて、窒化ボロン、窒化シリコン、窒化アルミニウムや炭化珪素などのセラミックス材料、および、シリコンや窒化ガリウムなどの半導体材料、および、これらのセラミックスや半導体に金属を複合させた、金属蒸着セラミックや窒化膜によってコーティングされた高融点金属、シリサイドなどを原料としてもよい。   Further, by combining with a tungsten filament or other heaters, it is possible to use various plate-like or tubular catalyst bodies without electrical conductivity. In this case, in addition to the above refractory metal material, the material is boron nitride, silicon nitride, ceramic materials such as aluminum nitride and silicon carbide, semiconductor materials such as silicon and gallium nitride, and ceramics thereof. Alternatively, the metal may be a metal-deposited ceramic, a refractory metal coated with a nitride film, silicide, or the like in which a metal is combined with a semiconductor.

これらの材料の選択として、構成要素に酸素を含まないものがよい。酸素を含む場合には、触媒体の加熱温度は、分解温度以下とし、また、十分に焼きだしをしないと酸素が薄膜に混入する。炭素についても同様である。一般に薄膜構成要素以外の金属は、不純物として薄膜の性質に悪い影響を及ぼすため、触媒体への添加金属は、薄膜を構成する要素元素である、AlやIn、Ga、B(非金属であるが、ここでは一緒に定義する)などの原料やドーパントとして利用価値のある、SiやMg、Feなどの原料の窒化物セラミックス複合体が良好な加熱触媒体として利用できる。   As a selection of these materials, a component that does not contain oxygen is preferable. When oxygen is included, the heating temperature of the catalyst body is set to the decomposition temperature or lower, and oxygen is mixed into the thin film unless it is sufficiently baked out. The same applies to carbon. In general, metals other than the thin film constituent elements adversely affect the properties of the thin film as impurities. Therefore, the metal added to the catalyst body is an element element constituting the thin film, such as Al, In, Ga, and B (nonmetal). However, a nitride ceramic composite of a raw material such as Si, Mg, or Fe that is useful as a raw material or a dopant such as those defined here together can be used as a good heating catalyst.

触媒体10の形状は、線材の場合、図7に示すように、コイル状、また、図8に示すように、W字状などのワイヤ状、また、図9に示すように、バネ状にしてもよい。また、これらの材料を板状に成型し、通電して加熱することもできる。図10に示すように、シート状、また、図11に示すように、リング状、また、図12に示すように、網状、とすることができる。一方、これらの通電加熱触媒体と、この熱により過熱される別の触媒体を組み合わせることもできる。図13に示す形態は、通電加熱されるバネ状触媒体と通電されない網状触媒体を組合わせた形状である。また、図14に示すように、バネとスリットとを組合わせた形状、また、図15に示すように、ドーナツ状の絶縁体触媒体に導体コイルを組み合わせた形状、また、図16に示すように、スリットにドーナツ状のコイルを組合わせた形状であってもよい。   In the case of a wire rod, the shape of the catalyst body 10 is a coil shape as shown in FIG. 7, a wire shape such as a W shape as shown in FIG. 8, and a spring shape as shown in FIG. May be. Also, these materials can be molded into a plate shape and heated by energization. As shown in FIG. 10, it can be a sheet shape, a ring shape as shown in FIG. 11, and a net shape as shown in FIG. On the other hand, these electrically heated catalyst bodies can be combined with another catalyst body heated by this heat. The form shown in FIG. 13 is a combination of a spring-like catalyst body that is energized and heated and a mesh-like catalyst body that is not energized. Further, as shown in FIG. 14, a shape in which a spring and a slit are combined, as shown in FIG. 15, a shape in which a conductor coil is combined with a donut-shaped insulator catalyst body, and as shown in FIG. Moreover, the shape which combined the donut-shaped coil with the slit may be sufficient.

(実施形態1の変形例1)
次に、この実施形態1の変形例1について説明する。実施形態1では、窒化物薄膜製造装置1は、1個の触媒体10付きガス導入管13と1個のGaが装填されたクヌーセンセル22aを用いて、Si基板21上にGaNを形成するようにしていたが、この変形例では、インジウム(In)を装填したクヌーセンセルをさらに備え、Si基板に替え、GaAs基板21bの上にInGaNを形成するようにしている。
(Modification 1 of Embodiment 1)
Next, Modification 1 of Embodiment 1 will be described. In the first embodiment, the nitride thin film manufacturing apparatus 1 forms GaN on the Si substrate 21 using one gas introduction tube 13 with the catalyst body 10 and one Knudsen cell 22a loaded with one Ga. However, in this modification, a Knudsen cell charged with indium (In) is further provided, and InGaN is formed on the GaAs substrate 21b instead of the Si substrate.

図17は、この変形例である窒化物薄膜製造装置1Aの概要構成を示すブロック図である。この窒化物薄膜製造装置1Aは、実施の形態1で示したSi基板21をGaAs基板21Aに代え、チャンバ17にInが装填されたクヌーセンセル22bが備えている。なお、図1と同一の構成部分には同一の符号を付している。   FIG. 17 is a block diagram showing a schematic configuration of a nitride thin film manufacturing apparatus 1A which is this modification. This nitride thin film manufacturing apparatus 1A includes a Knudsen cell 22b in which In is loaded in a chamber 17 by replacing the Si substrate 21 shown in the first embodiment with a GaAs substrate 21A. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as FIG.

(実施形態1の変形例2)
この実施形態1の別の変形例として、Inが装填されたクヌーセンセル22bに加え、Alが装填されたクヌーセンセル22cを備える構成がある。また、n型のドーピングに使用するSiが装填されたクヌーセンセル22dを備え、さらに、p型のドーピングに使用されるMg原料となるジメチルマグネシウム(DMM)を供給するためのガス導入管が配置されている。基板21は、面方位(111)のn型Si基板を使用して、AlNバッファ層を成長後にn型GaN層およびアンドープInGaN層とp型GaN層を順次成膜することに利用される。
(Modification 2 of Embodiment 1)
As another modification of the first embodiment, there is a configuration including a Knudsen cell 22c loaded with Al in addition to the Knudsen cell 22b loaded with In. Further, a Knudsen cell 22d loaded with Si used for n-type doping is provided, and a gas introduction pipe for supplying dimethylmagnesium (DMM) as an Mg raw material used for p-type doping is arranged. ing. The substrate 21 is used to sequentially form an n-type GaN layer, an undoped InGaN layer, and a p-type GaN layer after growing an AlN buffer layer using an n-type Si substrate having a plane orientation (111).

(実施形態2)
次に、この発明の実施形態2について説明する。実施形態1およびその変形例では、クヌーセンセル22a、22b、22c、22d、および、p型ドーピングのためのガス導入管13bが基板を見込む面と同じ面に触媒体10付きガス導入管13aを配置するようにしていたが、この実施の形態2では、クヌーセンセルの分子線と干渉しないように、触媒体10付きガス導入管13aを配置するようにしている。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment and the modification thereof, the Knudsen cells 22a, 22b, 22c, 22d, and the gas introduction pipe 13a with the catalyst body 10 are arranged on the same plane as the gas introduction pipe 13b for p-type doping. However, in the second embodiment, the gas introduction pipe 13a with the catalyst body 10 is arranged so as not to interfere with the molecular beam of the Knudsen cell.

図18は、この発明の実施形態2である窒化物薄膜製造装置2の概要構成を示すブロック図である。図18に示すように、この窒化物薄膜製造装置2は、触媒体10付きガス導入管13aは、クヌーセンセル22a〜22cが基板21Bを見込む面と垂直な面に配置されている。   FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of a nitride thin film manufacturing apparatus 2 according to Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 18, in this nitride thin film manufacturing apparatus 2, the gas introduction tube 13a with the catalyst body 10 is arranged on a surface perpendicular to the surface on which the Knudsen cells 22a to 22c look at the substrate 21B.

図1に示す実施の形態1で説明したように、NH3の分解種を基板21Bに到達させる場合、基板21Bと触媒体10との距離Lは、一般に1cm〜10cmとなる。一方、クヌーセンセル22a〜22cの先端と基板21Bとの距離は、20〜30cmである。 As described in Embodiment 1 shown in FIG. 1, when NH 3 decomposition species reach the substrate 21B, the distance L between the substrate 21B and the catalyst body 10 is generally 1 cm to 10 cm. On the other hand, the distance between the tips of the Knudsen cells 22a to 22c and the substrate 21B is 20 to 30 cm.

そのため、例えば、基板21B上に4種類の化合物膜を形成する場合、クヌーセンセル22a〜22cを3個、ドーピング用クヌーセンセルを1個、また、ドーピング用ガスセルを1個に加え、触媒体10付きガス導入管13を1個、チャンバ17に配置する必要があるが、クヌーセンセル22a〜22cと触媒体10付きガス導入管13を同じ面内に配置すると、触媒体10付きガス導入管13の先端がクヌーセンセル22a〜22cから出射された分子線と干渉し、良好な膜が基板21B上に形成されない。   Therefore, for example, when four types of compound films are formed on the substrate 21B, three Knudsen cells 22a to 22c, one Knudsen cell for doping, and one gas cell for doping are added to the catalyst body 10. It is necessary to arrange one gas introduction pipe 13 in the chamber 17, but if the Knudsen cells 22a to 22c and the gas introduction pipe 13 with the catalyst body 10 are arranged in the same plane, the tip of the gas introduction pipe 13 with the catalyst body 10 is disposed. Interferes with the molecular beam emitted from the Knudsen cells 22a to 22c, and a good film is not formed on the substrate 21B.

そこで、クヌーセンセル22a〜22cが基板21Bを見込む面に垂直な面に触媒体10付きガス導入管13を配置することによって、クヌーセンセル22a〜22cから出射された分子線と干渉せずに、分解種を基板21Bに到達させることができる。   Therefore, disposing the Knudsen cells 22a to 22c without interfering with the molecular beam emitted from the Knudsen cells 22a to 22c by disposing the gas introduction tube 13 with the catalyst body 10 on a surface perpendicular to the surface on which the substrate 21B is viewed. The seed can reach the substrate 21B.

この実施形態2では、クヌーセンセル22a〜22cから出射された分子線と干渉しないように触媒体10付きガス導入管13aを配置し、良好な膜を基板21B上に形成するようにした。   In the second embodiment, the gas introduction tube 13a with the catalyst body 10 is disposed so as not to interfere with the molecular beam emitted from the Knudsen cells 22a to 22c, and a good film is formed on the substrate 21B.

この構成により、クヌーセンセルは、その他の薄膜構成元素やドーピングやサーファクタント添加元素に対応して、10本程度まで配置することが可能である。また、ガス供給管を複数設けることもできる。ガス供給管には、13aと同様に触媒体を配置することもできるが、この場合は、ガス導入管13aと同様に他のクヌーセンセルと干渉しない位置に配置することが好適である。触媒体をもたないガスセルには、ガス供給管の温度を上昇させるためだけの目的のヒータを備える構成とすることもできる。これらのガス導入管は、一般にはクヌーセンセルと同程度に離した距離に配置する。   With this configuration, it is possible to arrange up to about 10 Knudsen cells corresponding to other thin film constituent elements, doping and surfactant-added elements. A plurality of gas supply pipes can also be provided. The catalyst body can be arranged in the gas supply pipe as in the case of 13a. In this case, it is preferable to arrange the catalyst body at a position where it does not interfere with other Knudsen cells like the gas introduction pipe 13a. A gas cell having no catalyst body may be provided with a heater intended only for raising the temperature of the gas supply pipe. These gas introduction pipes are generally arranged at a distance as far as the Knudsen cell.

(実施形態3)
次に、この発明の実施形態3について説明する。実施形態1および変形例と実施形態2では、チャンバに1個の触媒体10付きガス導入管13を配置するようにしていたが、この実施の形態3では、同一のチャンバに複数の触媒体10付きガス導入管13を配置するようにしている。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, the modified example, and the second embodiment, one gas introduction pipe 13 with the catalyst body 10 is disposed in the chamber. However, in the third embodiment, a plurality of catalyst bodies 10 are disposed in the same chamber. The attached gas introduction pipe 13 is arranged.

図19は、この発明の実施形態3である窒化物薄膜製造装置3の概要構成を示すブロック図である。図19に示すように、この窒化物薄膜製造装置3には、触媒体10a〜10cがそれぞれ付いたガス導入管13a〜13cが備えられ、各ガス導入管13a〜13cからは、NH3、シラン(SiH4)、水素(H2)が導入されるようになっている。実施形態1とその変形例に比較すると、金属原料を供給するクヌーセンセルを使用しない構成になっていることに特徴を有する。 FIG. 19 is a block diagram showing a schematic configuration of a nitride thin film manufacturing apparatus 3 according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 19, the nitride thin film manufacturing apparatus 3 includes gas introduction pipes 13a to 13c with catalyst bodies 10a to 10c, respectively. NH 3 and silane are provided from the gas introduction pipes 13a to 13c. (SiH 4 ) and hydrogen (H 2 ) are introduced. Compared to the first embodiment and its modification, the embodiment is characterized in that a Knudsen cell for supplying a metal raw material is not used.

図19に示すように、ガス導入管13aからNH3を導入すると、触媒体10aによって、NH3が分解され、ガス導入管13bからSiH4を導入すると、触媒体10bによってSiH4が分解され、ガス導入管13cからH2を導入すると、触媒体10cによって、H2が分解されて、基板12Cに照射される。 As shown in FIG. 19, when NH 3 is introduced from the gas introduction pipe 13a, NH 3 is decomposed by the catalyst body 10a, and when SiH 4 is introduced from the gas introduction pipe 13b, SiH 4 is decomposed by the catalyst body 10b, When H 2 is introduced from the gas introduction pipe 13c, the catalyst body 10c decomposes H 2 and irradiates the substrate 12C.

この結果、NH3の分解種およびH2の分解種を基板12C上に照射すると、基板表面のクリーニングを行うのに好適である。一方、NH3分解種とSiH4の分解種を照射することによって、基板21C上に高品質な窒化珪素(SiN)の膜を形成することができる。また、SiH4の代わりにジボラン(B24)を導入し、NH3の分解種とB24の分解種を基板に照射すると、基板21C上に高品質な窒化ホウ素(BN)の膜を形成することができる。シランを導入する触媒分解セルとジボランを導入する触媒分解セルを同時に備え、窒化珪素膜と窒化硼素膜の両方を堆積可能とすることも可能である。この場合、窒化珪素膜と窒化硼素膜の多層膜や混合組成をもつ膜の堆積が可能である。 As a result, irradiation of NH 3 decomposition species and H 2 decomposition species onto the substrate 12C is suitable for cleaning the substrate surface. On the other hand, by irradiating NH 3 decomposition species and SiH 4 decomposition species, a high-quality silicon nitride (SiN) film can be formed on the substrate 21C. Further, when diborane (B 2 H 4 ) is introduced instead of SiH 4 and the substrate is irradiated with NH 3 decomposition species and B 2 H 4 decomposition species, high-quality boron nitride (BN) is formed on the substrate 21C. A film can be formed. It is possible to simultaneously provide a catalytic decomposition cell for introducing silane and a catalytic decomposition cell for introducing diborane so that both a silicon nitride film and a boron nitride film can be deposited. In this case, a multilayer film of a silicon nitride film and a boron nitride film or a film having a mixed composition can be deposited.

この実施形態3では、複数の触媒体10a〜10c付きガス導入管13a〜13cを備えることによって、基板21Cの表面クリーニング処理を行うとともに高品質なSiN、あるいは、BN膜を形成するようにしている。なお、この実施の形態3では、NH3の分解種とH2の分解種とによって、基板21Cの表面クリーニング処理を行っていたが、H2の分解種のみで表面クリーニング処理を行うようにしてもよい。また、触媒体10a〜10c付きのガス導入管13a〜13cをそれぞれ3個としたが、3個に限定する必要はない。 In the third embodiment, by providing the gas introduction pipes 13a to 13c with a plurality of catalyst bodies 10a to 10c, the surface cleaning process of the substrate 21C is performed and a high-quality SiN or BN film is formed. . In the third embodiment, the surface cleaning process of the substrate 21C is performed using the NH 3 decomposition species and the H 2 decomposition species. However, the surface cleaning process is performed using only the H 2 decomposition species. Also good. In addition, the number of the gas introduction pipes 13a to 13c with the catalyst bodies 10a to 10c is three, but it is not necessary to limit to three.

(実施形態4)
次に、この発明の実施形態4について説明する。実施形態3では、比較的小面積の基板に対して、触媒体から分解種を供給し、基板上に所望の膜を形成するようにしていたが、この実施の形態4では、大面積の有機フィルムに所望の膜を形成するようにしている。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, a decomposition species is supplied from a catalyst body to a relatively small area substrate to form a desired film on the substrate. In the fourth embodiment, a large area organic substance is formed. A desired film is formed on the film.

図20は、この実施形態4である窒化物薄膜製造装置4の概要構成を示すブロック図である。図20に示すように、この窒化物薄膜製造装置4は、所望の膜を形成するチャンバ17Aと、チャンバ17Aにガスを導入するガス導入室13Aと、導入されたガスを分解する複数の触媒体10A〜10Dと、所望の膜を形成する有機フィルム21Dと、有機フィルム21Dを回転させ、新規な膜形成面を設定する回転ローラ27a、27bと、有機フィルム21Dを所定の温度に加熱するヒータ20Aとを有する。   FIG. 20 is a block diagram showing a schematic configuration of the nitride thin film manufacturing apparatus 4 according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 20, this nitride thin film manufacturing apparatus 4 includes a chamber 17A for forming a desired film, a gas introduction chamber 13A for introducing a gas into the chamber 17A, and a plurality of catalyst bodies for decomposing the introduced gas. 10A to 10D, an organic film 21D for forming a desired film, rotating rollers 27a and 27b for rotating the organic film 21D to set a new film forming surface, and a heater 20A for heating the organic film 21D to a predetermined temperature And have.

このように、複数の触媒体10A〜10Dを配置することによって、ガス導入室13Aから導入されたガスが触媒体10A〜10Dによって分解され、大面積の有機フィルム21D上に所望の膜を形成することができる。なお、複数の触媒体10A〜10Dを4個としたが、4個に限定する必要はない。   As described above, by arranging the plurality of catalyst bodies 10A to 10D, the gas introduced from the gas introduction chamber 13A is decomposed by the catalyst bodies 10A to 10D, and a desired film is formed on the organic film 21D having a large area. be able to. Although the plurality of catalyst bodies 10A to 10D are four, it is not necessary to limit the number to four.

(実施形態5)
次に、この発明の実施形態5について説明する。実施形態1〜4では、触媒体の熱を遮蔽していなかったが、この実施の形態5では、触媒体と基板との間に熱遮蔽を行う熱遮蔽板を配置するようにしている。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the first to fourth embodiments, the heat of the catalyst body is not shielded, but in this fifth embodiment, a heat shielding plate that performs heat shielding is arranged between the catalyst body and the substrate.

図21は、この実施形態5である窒化物薄膜製造装置5の概要構成を示すブロック図である。図21に示すように、この窒化物薄膜製造装置5は、所望の膜を形成するチャンバ17Cと、チャンバ17C内にガスを導入するガス導入室13Bとを有する。なお、ガス導入室13Bは、導入ガスを均一に分散させるガス分散板130を有し、チャンバ17Cは、触媒体10Aの熱を遮蔽する輻射熱遮蔽板32を有する。   FIG. 21 is a block diagram showing a schematic configuration of the nitride thin film manufacturing apparatus 5 according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 21, the nitride thin film manufacturing apparatus 5 includes a chamber 17C for forming a desired film and a gas introduction chamber 13B for introducing a gas into the chamber 17C. The gas introduction chamber 13B has a gas dispersion plate 130 that uniformly disperses the introduction gas, and the chamber 17C has a radiant heat shielding plate 32 that shields the heat of the catalyst body 10A.

図21に示すように、輻射熱遮蔽板32によって、触媒体が発する熱が吸収され、基板に対する輻射熱の影響を抑制することができるため、低温で膜成長が行え、高品質な膜が基板上に形成される。輻射熱遮蔽板32は、触媒体10と同様に高融点の金属で形成することが好ましい。   As shown in FIG. 21, the heat generated by the catalyst body is absorbed by the radiant heat shielding plate 32, and the influence of radiant heat on the substrate can be suppressed. Therefore, film growth can be performed at a low temperature, and a high-quality film is formed on the substrate. It is formed. The radiant heat shielding plate 32 is preferably formed of a high melting point metal like the catalyst body 10.

(実施形態6)
次に製法に関する実施形態6を説明する。実施形態1の形成装置を例に説明を行うが、実施形態1とその変形例および実施形態2の形成装置に対して適用することができる。また、実施形態3と4に関する場合も取り挙げ説明を加える。
(Embodiment 6)
Next, Embodiment 6 regarding the manufacturing method will be described. Although the description will be made by taking the forming apparatus of the first embodiment as an example, the present invention can be applied to the forming apparatus of the first embodiment and its modified examples and the second embodiment. In addition, a case description relating to Embodiments 3 and 4 will be given.

まず、実施形態6−1として、基板表面のクリーニング工程について説明する。基板は、大気中よりロードロック機構よってチャンバ17内に導入される。基板表面に予めウェット処理を施しても、完全には表面酸化物等の不純物を取り去ることはできず、ロードロック機構の中で500℃程度の予備加熱を施して、この不純物量を減少させることもできるが完全に取り去ることはできないため、導入直後の基板表面には、酸化物等の不純物が残留している。本発明のクリーニング工程は、この基板上の酸素や炭素を含む残留不純物を効果的に取り去るものである。   First, as Embodiment 6-1, a substrate surface cleaning step will be described. The substrate is introduced into the chamber 17 from the atmosphere by a load lock mechanism. Even if wet processing is performed on the substrate surface in advance, impurities such as surface oxides cannot be completely removed, and preheating at about 500 ° C. is performed in a load lock mechanism to reduce the amount of impurities. However, since it cannot be completely removed, impurities such as oxide remain on the substrate surface immediately after introduction. The cleaning process of the present invention effectively removes residual impurities including oxygen and carbon on the substrate.

Si基板21をホルダに配置後、基板温度を所望の温度に設定する。次に、触媒体10を1700℃程度に設定し、10〜100sccmのNH3を導入し、Si基板21表面に照射することにより、Si基板表面のクリーニング処理が実現する。Si基板21の温度は、300℃以上に設定することによって、クリーニング効果が得られる。Siの場合は、高温の基板温度としても熱ダメージが小さいので、700℃以上の設定にして、10分間処理するのが望ましい。このクリーニング処理に先立ち、NH3を導入しない状態でSi基板21温度700以上の熱清浄化を施してもよい。これらの処理により基板表面の清浄化が実施できる。 After placing the Si substrate 21 on the holder, the substrate temperature is set to a desired temperature. Next, the cleaning of the surface of the Si substrate is realized by setting the catalyst body 10 to about 1700 ° C., introducing NH 3 of 10 to 100 sccm, and irradiating the surface of the Si substrate 21. A cleaning effect can be obtained by setting the temperature of the Si substrate 21 to 300 ° C. or higher. In the case of Si, thermal damage is small even at a high substrate temperature. Therefore, it is desirable to set the temperature to 700 ° C. or higher for 10 minutes. Prior to this cleaning process, the Si substrate 21 may be heat-cleaned at a temperature of 700 or more without introducing NH 3 . By these treatments, the substrate surface can be cleaned.

Si基板21として、(111)面方位の基板を使用したときのクリーニング後の表面をRHEEDで観測すると、図22に模式的に示されるように、ストリークパターンとなる。図22は、700℃における観察例で、Si表面の超構造が観測されているが、基板温度を低温にするとSi結晶周期に起因するパターンとなる。これらのパターンは、Si基板21の表面が清浄化されていることを示している。   When the surface after cleaning when a substrate having a (111) plane orientation is used as the Si substrate 21, a streak pattern is obtained as schematically shown in FIG. FIG. 22 shows an example of observation at 700 ° C., where the superstructure of the Si surface is observed. When the substrate temperature is lowered, the pattern is caused by the Si crystal cycle. These patterns indicate that the surface of the Si substrate 21 is cleaned.

上記のようにSi基板21温度を700℃以上に設定し、10分間以上のクリーニング処理を行うと、(2)や(3)の反応がSi基板21表面で発生し、Si基板21と堆積膜の界面領域に残留する炭素および酸素不純物濃度を低減することができる。これらの不純物は、単純な高温処理では、固相中を熱的に拡散する場合がある。また気相に放出されて、その後の堆積膜中に取り込まれる場合もあるので、本発明の分解種を照射した環境で、比較的長時間のクリーニング処理を行うことが望ましい。   As described above, when the temperature of the Si substrate 21 is set to 700 ° C. or more and the cleaning process is performed for 10 minutes or more, the reactions (2) and (3) occur on the surface of the Si substrate 21, and the Si substrate 21 and the deposited film The concentration of carbon and oxygen impurities remaining in the interface region can be reduced. These impurities may diffuse thermally through the solid phase in simple high temperature processing. Further, since it may be released into the gas phase and taken into the subsequent deposited film, it is desirable to perform a cleaning process for a relatively long time in an environment irradiated with the decomposition species of the present invention.

上記の拡散や再取り込まれが抑制されるため、基板と薄膜の界面を含む10nmから50nmの領域の不純物を低減することができる。この領域をSIMS法で観測すると、酸素および炭素不純物量は、ピーク値で、1×1017cm-3以下とすることができる。 Since the above diffusion and reuptake are suppressed, impurities in a region of 10 nm to 50 nm including the interface between the substrate and the thin film can be reduced. When this region is observed by the SIMS method, the amount of oxygen and carbon impurities can be set to a peak value of 1 × 10 17 cm −3 or less.

GaAs基板など熱ダメージが発生する場合は、基板21の温度を400℃程度に低下する必要がある。この場合は、クリーニング時間を比較的長時間とすることが有効である。なお、実施形態3および4の場合は、窒素原料ガスのみを流し、このガス導入管に設置された触媒体を加熱することでクリーニング効果が得られる。H2ガスを導入してもよい。 When thermal damage such as a GaAs substrate occurs, the temperature of the substrate 21 needs to be lowered to about 400 ° C. In this case, it is effective to make the cleaning time relatively long. In the case of Embodiments 3 and 4, the cleaning effect can be obtained by flowing only the nitrogen source gas and heating the catalyst body installed in the gas introduction pipe. H 2 gas may be introduced.

基板21表面のクリーニング原理について説明する。NH3が加熱された触媒体10に接触すると、以下の反応(1)が生起し、分解種NHXと水素ラジカル(3−x)Hとが生成される。
NH3→NHX+(3−x)H ・・・(1)
但し、xは、0〜2
触媒体10温度1700℃以上に設定することにより、(1)の反応が促進される。ここで発生する水素ラジカルは、(2)や(3)の表面反応により、基板21表面から酸素や炭素を含む付着物を有効に取り去り、除去し、クリーニングをする効果を有する。
2H+O→H2O(脱離) ・・・(2)
4H+C→CH4(脱離) ・・・(3)
触媒体10から基板の距離は10cmに配置されており、反応容器の圧力はシュラウド82の効果で小さく保たれているので、反応容器内における分解種の平均自由工程は、十分に大きく、Si基板21に有効に到達する。
The principle of cleaning the surface of the substrate 21 will be described. When NH 3 comes into contact with the heated catalyst body 10, the following reaction (1) occurs, and decomposition species NH X and hydrogen radicals (3-x) H are generated.
NH 3 → NH x + (3-x) H (1)
Where x is 0-2
By setting the temperature of the catalyst body 10 to 1700 ° C. or higher, the reaction (1) is promoted. The hydrogen radicals generated here have the effect of effectively removing, removing, and cleaning deposits containing oxygen and carbon from the surface of the substrate 21 by the surface reaction of (2) and (3).
2H + O → H 2 O (desorption) (2)
4H + C → CH 4 (elimination) (3)
Since the distance from the catalyst body 10 to the substrate is 10 cm, and the pressure in the reaction vessel is kept small by the effect of the shroud 82, the mean free path of the decomposed species in the reaction vessel is sufficiently large. 21 is effectively reached.

(実施形態6−2)
次に実施形態6−2として、基板の表面処理工程について説明する。次に、Si基板21の表面処理について述べる。Si基板21温度を700℃にしたまま、アンモニアを100sccm導入し、触媒体10温度を300℃に設定すると、10分程度後に、RHEED像は、図23に示すようなハローパターンに変化する。これは、Si基板表面が窒化されたことを示している。
Embodiment 6-2
Next, as Embodiment 6-2, a substrate surface treatment process will be described. Next, the surface treatment of the Si substrate 21 will be described. When 100 sccm of ammonia is introduced while the temperature of the Si substrate 21 is kept at 700 ° C. and the temperature of the catalyst body 10 is set at 300 ° C., the RHEED image changes to a halo pattern as shown in FIG. 23 after about 10 minutes. This indicates that the surface of the Si substrate has been nitrided.

この表面処理は、後で述べる堆積しようとする薄膜の品質設計を制御する手段の一つとなる。GaN堆積膜の場合は、表面処理工程を行うと500℃以下のSi基板21温度で立方晶GaNが得られる。表面処理工程を行わない場合と基板温度を550℃以上に設定すると六方晶GaNが支配的である。550℃以上の六方晶GaNにおいて、表面処理工程を行うと窒素極性が支配的となる。中間的な温度や表面処理が不十分の場合は、薄膜の状態が、これらの混合物により構成される場合がある。したがって、単に堆積を行う場合には、この表面処理工程は行わなくてもよい。   This surface treatment is one of means for controlling the quality design of a thin film to be deposited, which will be described later. In the case of a GaN deposited film, cubic GaN is obtained at a Si substrate 21 temperature of 500 ° C. or lower when the surface treatment process is performed. When the surface treatment step is not performed and when the substrate temperature is set to 550 ° C. or higher, hexagonal GaN is dominant. In the hexagonal GaN at 550 ° C. or higher, the nitrogen polarity becomes dominant when the surface treatment process is performed. If the intermediate temperature or surface treatment is insufficient, the state of the thin film may be composed of a mixture thereof. Therefore, when the deposition is simply performed, this surface treatment process may not be performed.

なお、実施形態3および4の場合は、窒素原料ガスのみを供給し、これに取り付けられた触媒体を1000℃程度に設定して窒化が実現する。   In the case of Embodiments 3 and 4, only the nitrogen source gas is supplied, and the catalyst body attached thereto is set at about 1000 ° C. to achieve nitriding.

(実施形態6−3)
次に実施形態6−3として、基板への薄膜堆積工程について説明する。さらに、触媒体10を2000℃以下の任意の温度に設定し、NH3を10sccm以上導入し、300℃以上に保持されたSi基板21上に照射するとともに、ガリウム(Ga)が装填されたクヌーセンセル22aを加熱して、Ga分子線をSi基板21上に照射することにより、窒化ガリウムの堆積膜が得られる。
Embodiment 6-3
Next, as Embodiment 6-3, a thin film deposition process on a substrate will be described. Furthermore, the catalyst body 10 is set to an arbitrary temperature of 2000 ° C. or less, NH 3 is introduced at 10 sccm or more, irradiated onto the Si substrate 21 held at 300 ° C. or more, and Knudsen loaded with gallium (Ga). By heating the cell 22a and irradiating the Si substrate 21 with a Ga molecular beam, a deposited film of gallium nitride is obtained.

触媒体の温度設定は、成長温度に影響を与える。この際、Ga分子線の供給量を調整することで窒化物の堆積物が得られる。Ga量が多すぎると金属ドロップレットが発生しやすいので注意を要す。   The temperature setting of the catalyst body affects the growth temperature. At this time, a nitride deposit is obtained by adjusting the supply amount of the Ga molecular beam. Care must be taken because metal droplets are likely to be generated when the amount of Ga is too large.

次にSi基板21上へのGaN堆積工程について述べる。Si基板21温度を550℃に設定し、反応室にNH3を100sccm導入し、触媒体10温度を700℃に設定し、クヌーセンセル22aからのGa分子線の供給を開始すると、GaNの薄膜堆積が発生する。550℃以下のSi基板21温度では、NH3の流量を最適化しないとRHEEDパターンがスポット状に変化しやすい。このことは、GaN薄膜の表面平坦性が劣化していることを意味する。また、GaN堆積に先立ちAlNを堆積することでSi基板21温度を700℃以上の設定にしても平坦なGaN薄膜が堆積できる。 Next, a GaN deposition process on the Si substrate 21 will be described. When the Si substrate 21 temperature is set to 550 ° C., NH 3 is introduced into the reaction chamber at 100 sccm, the catalyst body 10 temperature is set to 700 ° C., and the supply of Ga molecular beam from the Knudsen cell 22a is started, the GaN thin film deposition Will occur. At the Si substrate 21 temperature of 550 ° C. or lower, the RHEED pattern tends to change into a spot shape unless the flow rate of NH 3 is optimized. This means that the surface flatness of the GaN thin film is deteriorated. Further, by depositing AlN prior to GaN deposition, a flat GaN thin film can be deposited even if the temperature of the Si substrate 21 is set to 700 ° C. or higher.

GaNの堆積は、(1)で示したNH3の触媒体10での反応がやや抑制されるため、水素ラジカルによるエッチング効果が制限され、以下の反応(4)がSi基板21上で促進されるために発生する。
NHx+Ga→GaN+xH ・・・(4)
In the deposition of GaN, the reaction of the NH 3 catalyst body 10 shown in (1) is somewhat suppressed, so that the etching effect by hydrogen radicals is limited, and the following reaction (4) is promoted on the Si substrate 21. To occur.
NHx + Ga → GaN + xH (4)

Gaフラックス量を5×10-8Torrとし、Si基板21温度を500℃としたとき、GaNの成長速度は、0.1μm/hrであり、この方法で0.1μmのGaNを堆積した。窒化処理を行わない場合に観測されるX線回折結果を図24に示すように、GaNは、六方晶となっている。また、図25にPLスペクトルを示す。HeCdレーザ(325nm)で1mW/cm2程度の弱励起を行い、スリット幅を3000ミクロンに開放しているが、385nmのバンドギャップ起因の発光が支配的で、炭素不純物に関連する発光(Yellow発光)が十分に抑圧されている。また、酸素不純物に起因するキャリアも認められず、高純度のGaN層が形成されていることが分かる。 When the Ga flux amount was 5 × 10 −8 Torr and the Si substrate 21 temperature was 500 ° C., the growth rate of GaN was 0.1 μm / hr, and 0.1 μm of GaN was deposited by this method. As shown in FIG. 24 of the X-ray diffraction results observed when nitriding is not performed, GaN is hexagonal. FIG. 25 shows the PL spectrum. The HeCd laser (325 nm) is weakly excited at about 1 mW / cm 2 and has a slit width of 3000 microns. The emission due to the band gap of 385 nm is dominant, and the emission associated with carbon impurities (Yellow emission). ) Is sufficiently suppressed. Also, no carriers due to oxygen impurities are observed, indicating that a high-purity GaN layer is formed.

実施形態3および4では、Gaの代わりにシラン、ジボランを供給する。これらのガス導入管の触媒体温度は、大凡1700℃の温度がよい。実施の形態1の変形例では、InやAlの供給をGaとともに適当に行い、色々な組成の多層膜が形成される。   In Embodiments 3 and 4, silane and diborane are supplied instead of Ga. The catalyst body temperature of these gas introduction pipes is preferably about 1700 ° C. In the modification of the first embodiment, In and Al are appropriately supplied together with Ga, and multilayer films having various compositions are formed.

(実施形態6−4)
最後に実施形態6−4として、エッチング工程について述べる。窒化物堆積後にGaの供給を中止し、アンモニアを流したまま触媒体10温度を1700℃以上に設定するとGaN層のエッチングが起こる。NHxの寄与で表面のN原料分圧が上昇しているため、N空格子などの結晶欠陥の導入なしのエッチングが可能となる。
Embodiment 6-4
Finally, an etching process will be described as Embodiment 6-4. When the supply of Ga is stopped after depositing the nitride and the temperature of the catalyst body 10 is set to 1700 ° C. or higher with ammonia flowing, etching of the GaN layer occurs. Etching without introducing crystal defects such as N vacancies is possible because the surface partial pressure of N material on the surface is increased due to the contribution of NHx.

この実施形態6−4では、触媒体10をガス導入管13の開口部先端に配置し、NH3を効率よく分解することによって、Si基板21にクリーニング処理を行うことができる。この後に実施形態6−3の構成により、Si基板21上に高品質のGaNを形成することができる。 In Embodiment 6-4, the Si substrate 21 can be cleaned by disposing the catalyst body 10 at the tip of the opening of the gas inlet tube 13 and efficiently decomposing NH 3 . Thereafter, high-quality GaN can be formed on the Si substrate 21 by the configuration of the embodiment 6-3.

ここでは、堆積した窒化物薄膜のエッチングを示したが、例えばMOCVDなどの別の装置で形成されたGaNエピタキシャル層を基板として使用する場合や、ドライエッチングプロセスを施したGaN層を基板として使用する場合に、表面のダメージ層などを取り去る目的で、本発明のエッチング工程を利用することが有効である。   Here, etching of the deposited nitride thin film is shown. However, for example, when a GaN epitaxial layer formed by another apparatus such as MOCVD is used as a substrate, or a GaN layer subjected to a dry etching process is used as a substrate. In some cases, it is effective to use the etching process of the present invention for the purpose of removing the damaged layer on the surface.

(実施形態7)
次に実施形態6−1〜4で説明した各工程の組み合わせによる望ましい薄膜堆積工程の実施形態を説明する。
(Embodiment 7)
Next, an embodiment of a desirable thin film deposition process by a combination of the processes described in Embodiments 6-1 to 4 will be described.

そこで、導電性Si基板上に窒化物半導体による発光素子を形成する場合について説明する。   Therefore, a case where a light emitting element made of a nitride semiconductor is formed on a conductive Si substrate will be described.

(基板表面ウェット処理)
Si基板前処理として有機洗浄とフッ酸処理を施すことにより、基板表面の洗浄とSi基板表面を水素で終端化することにより安定な表面を形成する。付着した水素は、反応室で清浄化工程を行うことにより脱離し、きれいな表面を形成できる。
(Substrate surface wet treatment)
By performing organic cleaning and hydrofluoric acid treatment as Si substrate pretreatment, a stable surface is formed by cleaning the substrate surface and terminating the Si substrate surface with hydrogen. The attached hydrogen is desorbed by performing a cleaning process in the reaction chamber, and a clean surface can be formed.

(基板のホルダへの基板装着)
ウェット処理を施したSi基板をモリブデンで形成された基板保持具に取り付ける。
(Board mounting on the board holder)
The Si substrate subjected to the wet treatment is attached to a substrate holder made of molybdenum.

(装置への基板導入)
Si基板を固定した基板保持具を反応室とは別に設けられた準備室に導入する。薄膜製造装置には、反応室の他に基板を導入する準備室と反応室に導入する前に予備加熱を行う導入室の2室を有しており、これらはロードロックシステムによって、反応室を大気開放することがない構成になっている。準備室に導入後、準備室内を真空ポンプにより1×10-7Torr以下に真空排気する。
(Introduction of the substrate to the equipment)
A substrate holder to which the Si substrate is fixed is introduced into a preparation chamber provided separately from the reaction chamber. In addition to the reaction chamber, the thin film manufacturing apparatus has two chambers, a preparation chamber for introducing a substrate and an introduction chamber for preheating before introduction into the reaction chamber. It is configured not to be exposed to the atmosphere. After introduction into the preparation chamber, the preparation chamber is evacuated to 1 × 10 −7 Torr or less by a vacuum pump.

(予備加熱)
導入室を真空排気した後、ゲートバルブを開けて導入室に基板を搬送する。導入室内は、反応室と同様に大気開放することがなく、常に1×10-10Torr程度の超高真空に保持されている。搬送後に、Si基板を導入室内に設置された基板ホルダに基板を取り付けて、ヒータで600℃まで加熱し、600℃に到達した後30分間保持することにより予備加熱し、大気中から持ち出した基板及び基板保持具に付着した水分等を取り除く。その後、室温まで温度を下げていく。この工程は、導入室で行ってもよい。
(Preheating)
After the introduction chamber is evacuated, the gate valve is opened and the substrate is transferred to the introduction chamber. Like the reaction chamber, the introduction chamber is not open to the atmosphere and is always maintained at an ultrahigh vacuum of about 1 × 10 −10 Torr. After transportation, the Si substrate is attached to a substrate holder installed in the introduction chamber, heated to 600 ° C. with a heater, preheated by holding for 30 minutes after reaching 600 ° C., and taken out from the atmosphere Then, remove moisture adhering to the substrate holder. Thereafter, the temperature is lowered to room temperature. This step may be performed in the introduction chamber.

(反応室への基板導入)
予備加熱後に基板が室温まで降温した後、ゲートバルブを開けて反応室に基板を導入する。
(Introducing the substrate into the reaction chamber)
After the substrate is cooled to room temperature after preheating, the gate valve is opened and the substrate is introduced into the reaction chamber.

(排気:到達真空度)
反応室内は、シュラウドに液体窒素が導入され、十分に冷却された状態であり、1×10-10Torr程度の超高真に到達している。金属原料が所望の供給量に相当する温度に予め設定してあり、シャッタにより反応室内には放出されていない状態である。
(Exhaust: Ultimate vacuum)
The reaction chamber is in a state where liquid nitrogen is introduced into the shroud and is sufficiently cooled, and reaches an ultra high trueness of about 1 × 10 −10 Torr. The metal raw material is preset to a temperature corresponding to a desired supply amount and is not discharged into the reaction chamber by the shutter.

(クリーニング工程) 700℃ 実施形態6−1
Si基板表面のクリーニングを行うために、基板温度を700℃まで加熱する。表面状態は、RHEEDにより、その場観察しており、表面に付着していた水素が取り除かれ、Si結晶周期に起因するパターンが観測される。これにより、Si基板表面が清浄されたことが確認できる。
(Cleaning Step) 700 ° C. Embodiment 6-1
In order to clean the surface of the Si substrate, the substrate temperature is heated to 700 ° C. The surface state is observed in situ by RHEED, and hydrogen attached to the surface is removed, and a pattern resulting from the Si crystal cycle is observed. Thereby, it can confirm that the Si substrate surface was cleaned.

(表面処理工程)300℃ 実施形態6−2
表面を窒化処理するために、基板温度は700℃にしたまま、NH3を導入し、触媒体温度を300℃に設定し、保持する。これにより、RHEEDでハローパターンに変化し、基板表面が窒化されていることが確認できる。
(Surface treatment process) 300 ° C. Embodiment 6-2
In order to nitride the surface, NH 3 is introduced with the substrate temperature kept at 700 ° C., and the catalyst body temperature is set at 300 ° C. and held. Thereby, it can confirm that it changes to a halo pattern by RHEED and the substrate surface is nitrided.

(堆積工程1 バッファ層)650℃ AlN 実施形態6−3
表面窒化処理後に、基板温度を650℃に降温する。650℃に保持された時点で、Alが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、Alを基板に照射して基板表面にAlNバッファ層が堆積される。
(Deposition Step 1 Buffer Layer) 650 ° C. AlN Embodiment 6-3
After the surface nitriding treatment, the substrate temperature is lowered to 650 ° C. When the temperature is maintained at 650 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with Al is opened, and the substrate is irradiated with Al to deposit an AlN buffer layer on the substrate surface.

(堆積工程2 n−クラッド層)700℃ GaN 実施形態6−3
バッファ層が堆積された後、基板温度を700℃に昇温する。700℃に保持された時点で、Gaが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、Gaを基板に照射して、GaN薄膜が積層される。
(Deposition Step 2 n-Clad Layer) 700 ° C. GaN Embodiment 6-3
After the buffer layer is deposited, the substrate temperature is raised to 700 ° C. When the temperature is maintained at 700 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with Ga is opened, and the substrate is irradiated with Ga to laminate the GaN thin film.

(堆積工程3 QW層) 500℃ InGaN 実施形態6−3
GaN層が積層された後、基板温度を500℃に降温する。500℃に保持された時点で、InとGaが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、InとGaを基板に照射して、InGaN薄膜が積層される。
(Deposition Step 3 QW Layer) 500 ° C. InGaN Embodiment 6-3
After the GaN layer is deposited, the substrate temperature is lowered to 500 ° C. When the temperature is maintained at 500 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with In and Ga is opened, and the substrate is irradiated with In and Ga to deposit an InGaN thin film.

(堆積工程4 p−クラッド層)600℃ GaN 実施形態6−3
InGaN層が積層された後、基板温度を600℃に昇温する。600℃に保持された時点で、Gaが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、Gaを基板に照射してGaN薄膜が積層される。
(Deposition Step 4 p-Clad Layer) 600 ° C. GaN Embodiment 6-3
After the InGaN layer is stacked, the substrate temperature is raised to 600 ° C. When the temperature is maintained at 600 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with Ga is opened, and the substrate is irradiated with Ga to deposit a GaN thin film.

(堆積工程5 コンタクト層)700℃ GaN 実施形態6−3
GaN層が積層された後、基板温度を700℃に昇温する。700℃に保持された時点で、Gaが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、Gaを基板に照射してGaN薄膜が積層される。
(Deposition Step 5 Contact Layer) 700 ° C. GaN Embodiment 6-3
After the GaN layer is stacked, the substrate temperature is raised to 700 ° C. When the temperature is maintained at 700 ° C., the shutter of the Knudsen cell in which Ga is loaded is opened, and the substrate is irradiated with Ga to deposit a GaN thin film.

(取り出し)
薄膜堆積後、基板温度を基板ホルダの保持温度である150℃まで降温する。使用した金属原料のクヌーセンセルの温度も保持温度である150℃まで降温する。基板温度が150℃に到達したら、ゲートバルブを開けて基板ホルダを導入室に搬送する。さらに、準備室まで搬送させ、準備室を大気圧に窒素を導入してリークする。大気圧になったら、基板ホルダを準備室から取り出す。
(take out)
After the thin film is deposited, the substrate temperature is lowered to 150 ° C. which is the holding temperature of the substrate holder. The temperature of the Knudsen cell of the metal raw material used is also lowered to 150 ° C. which is the holding temperature. When the substrate temperature reaches 150 ° C., the gate valve is opened and the substrate holder is transferred to the introduction chamber. Furthermore, it is transported to the preparation room, and the preparation room is leaked by introducing nitrogen into the atmospheric pressure. When atmospheric pressure is reached, the substrate holder is removed from the preparation chamber.

(実施形態8)
次に実施形態8について説明する。この実施形態8では、絶縁性GaN基板上に窒化物半導体による電界効果トランジスタを形成する場合について説明する。
(Embodiment 8)
Next, an eighth embodiment will be described. In the eighth embodiment, a case where a field effect transistor made of a nitride semiconductor is formed on an insulating GaN substrate will be described.

(基板表面ウェット処理)
絶縁性GaN基板を有機洗浄および塩酸系と硫酸系溶液を用いてエッチングする。
(Substrate surface wet treatment)
The insulating GaN substrate is etched using organic cleaning and hydrochloric acid and sulfuric acid solutions.

(基板のホルダへの基板装着)
ウェット処理を施したGaN基板をモリブデンで形成された基板保持具に取り付ける。
(Board mounting on the board holder)
A wet-processed GaN substrate is attached to a substrate holder made of molybdenum.

(装置への基板導入)
GaN基板を固定した基板保持具を反応室とは別に設けられた準備室に導入する。薄膜製造装置には、反応室の他に基板を導入する準備室と反応室に導入する前に予備加熱を行う導入室の2室を有しており、これらはロードロックシステムによって、反応室を大気開放することがない構成になっている。準備室に導入後、準備室内を真空ポンプにより1×10-7Torr以下に真空排気する。
(Introduction of the substrate to the equipment)
A substrate holder to which the GaN substrate is fixed is introduced into a preparation chamber provided separately from the reaction chamber. In addition to the reaction chamber, the thin film manufacturing apparatus has two chambers, a preparation chamber for introducing a substrate and an introduction chamber for preheating before introduction into the reaction chamber. It is configured not to be exposed to the atmosphere. After introduction into the preparation chamber, the preparation chamber is evacuated to 1 × 10 −7 Torr or less by a vacuum pump.

(予備加熱)
導入室を真空排気した後、ゲートバルブを開けて導入室に基板を搬送する。導入室内は、反応室と同様に大気開放することがなく、常に1×10-10Torr程度の超高真空に保持されている。搬送後に、GaN基板を導入室内に設置された基板ホルダに基板を取り付けて、ヒータで600℃まで加熱し、600℃に到達した後30分間保持することにより予備加熱し、大気中から持ち出した基板および基板保持具に付着した水分等を取り除く。その後、室温まで温度を下げていく。
(Preheating)
After the introduction chamber is evacuated, the gate valve is opened and the substrate is transferred to the introduction chamber. Like the reaction chamber, the introduction chamber is not open to the atmosphere and is always maintained at an ultrahigh vacuum of about 1 × 10 −10 Torr. After transporting, the substrate is attached to a substrate holder installed in the introduction chamber, heated to 600 ° C. with a heater, preheated by holding for 30 minutes after reaching 600 ° C., and taken out from the atmosphere Also, remove moisture adhering to the substrate holder. Thereafter, the temperature is lowered to room temperature.

(反応室への基板導入)
予備加熱後に基板が室温まで降温した後、ゲートバルブを開けて反応室に基板を導入する。
(Introducing the substrate into the reaction chamber)
After the substrate is cooled to room temperature after preheating, the gate valve is opened and the substrate is introduced into the reaction chamber.

(排気:到達真空度)
反応室内は、シュラウドに液体窒素が導入され、十分に冷却された状態であり、1×10-10Torr程度の超高真に到達している。金属原料が所望の供給量に相当する温度に予め設定してあり、シャッタにより反応室内には放出されていない状態である。
(Exhaust: Ultimate vacuum)
The reaction chamber is in a state where liquid nitrogen is introduced into the shroud and is sufficiently cooled, and reaches an ultra high trueness of about 1 × 10 −10 Torr. The metal raw material is preset to a temperature corresponding to a desired supply amount and is not discharged into the reaction chamber by the shutter.

(クリーニング工程) 700℃ 実施形態6−1
GaN基板表面のクリーニングを行うために、基板温度を700℃まで加熱する。表面状態は、RHEEDにより、その場観察しており、表面に付着していた水素が取り除かれ、GaN結晶周期に起因するパターンが観測される。これにより、GaN基板表面が清浄されたことが確認できる。
(Cleaning Step) 700 ° C. Embodiment 6-1
In order to clean the surface of the GaN substrate, the substrate temperature is heated to 700 ° C. The surface state is observed in situ by RHEED, and hydrogen attached to the surface is removed, and a pattern due to the GaN crystal period is observed. Thereby, it can confirm that the GaN substrate surface was cleaned.

(エッチング工程)300℃ 実施形態6−4
GaN基板表面をエッチング処理するために、基板温度は550℃に設定し、550℃に保持された時点で、NH3を導入し、触媒体温度を1700℃に設定し、保持する。これにより、GaN基板表面がエッチングされる。RHEEDはストリークパターンのままである。
(Etching step) 300 ° C. Embodiment 6-4
In order to etch the surface of the GaN substrate, the substrate temperature is set to 550 ° C. When the substrate temperature is maintained at 550 ° C., NH 3 is introduced, and the catalyst body temperature is set to 1700 ° C. and maintained. Thereby, the GaN substrate surface is etched. RHEED remains a streak pattern.

(堆積工程1 高純度GaN層)700℃ 実施形態6−3
GaN基板のエッチング後に、基板温度を700℃に昇温する。700℃に保持された時点で、Gaが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、Gaを基板に照射して基板表面にGaN薄膜が堆積される。
(Deposition Step 1 High Purity GaN Layer) 700 ° C. Embodiment 6-3
After etching the GaN substrate, the substrate temperature is raised to 700 ° C. When the temperature is maintained at 700 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with Ga is opened, and the substrate is irradiated with Ga to deposit a GaN thin film on the substrate surface.

(堆積工程2 AlGaN層)700℃ 実施形態6−3
GaN層堆積後に、基板温度は700℃にしたまま、AlとGaが装填されているクヌーセンセルのシャッタを開けて、AlとGaを基板に照射して基板表面にAlGaN薄膜が堆積される。
(Deposition Step 2 AlGaN Layer) 700 ° C. Embodiment 6-3
After depositing the GaN layer, with the substrate temperature kept at 700 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with Al and Ga is opened, and the substrate is irradiated with Al and Ga to deposit an AlGaN thin film on the substrate surface.

(取り出し)
薄膜堆積後、基板温度を基板ホルダの保持温度である150℃まで降温する。使用した金属原料のクヌーセンセルの温度も保持温度である150℃まで降温する。基板温度が150℃に到達したら、ゲートバルブを開けて基板ホルダを導入室に搬送する。さらに、準備室まで搬送させ、準備室を大気圧に窒素を導入してリークする。大気圧になったら、基板ホルダを準備室から取り出す。
(take out)
After the thin film is deposited, the substrate temperature is lowered to 150 ° C. which is the holding temperature of the substrate holder. The temperature of the Knudsen cell of the used metal raw material is also lowered to a holding temperature of 150 ° C. When the substrate temperature reaches 150 ° C., the gate valve is opened and the substrate holder is transferred to the introduction chamber. Furthermore, it is transported to the preparation room, and the preparation room is leaked by introducing nitrogen into the atmospheric pressure. When atmospheric pressure is reached, the substrate holder is removed from the preparation chamber.

(実施形態9)
次に、実施形態9について説明する。実施形態9では、有機EL素子上に窒化物絶縁体によるパッシベーション膜を形成する場合について説明する。
(Embodiment 9)
Next, Embodiment 9 will be described. In the ninth embodiment, a case where a passivation film made of a nitride insulator is formed on an organic EL element will be described.

(基板表面ウェット処理)
(基板のホルダへの基板装着)
有機EL素子を基板保持具に取り付ける。
(Substrate surface wet treatment)
(Board mounting on the board holder)
An organic EL element is attached to a substrate holder.

(装置への基板導入)
有機EL素子を固定した基板保持具を反応室とは別に設けられた準備室に導入する。薄膜製造装置には、反応室の他に基板を導入する準備室と反応室に導入する前に予備加熱を行う導入室の2室を有しており、これらはロードロックシステムによって、反応室を大気開放することがない構成になっている。準備室に導入後、準備室内を真空ポンプにより1×10-4Torr以下に真空排気する。
(Introduction of the substrate to the equipment)
A substrate holder to which the organic EL element is fixed is introduced into a preparation chamber provided separately from the reaction chamber. In addition to the reaction chamber, the thin film manufacturing apparatus has two chambers, a preparation chamber for introducing a substrate and an introduction chamber for preheating before introduction into the reaction chamber. It is configured not to be exposed to the atmosphere. After introduction into the preparation chamber, the preparation chamber is evacuated to 1 × 10 −4 Torr or less by a vacuum pump.

(予備加熱)
導入室を真空排気した後、ゲートバルブを開けて導入室に基板を搬送する。導入室内は、反応室と同様に大気開放することがなく、常に1×10-7Torr程度の高真空に保持されている。搬送後に、有機EL基板を導入室内に設置された基板ホルダに基板を取り付けて、ヒータで150℃まで加熱し、150℃に到達した後30分間保持することにより予備加熱し、大気中から持ち出した基板および基板保持具に付着した水分等を取り除く。その後、室温まで温度を下げていく。この工程は、導入室で行ってもよい。2室構成のロードロックシステムで構成することもできる。
(Preheating)
After the introduction chamber is evacuated, the gate valve is opened and the substrate is transferred to the introduction chamber. Like the reaction chamber, the introduction chamber is not opened to the atmosphere and is always maintained at a high vacuum of about 1 × 10 −7 Torr. After transportation, the organic EL substrate was attached to a substrate holder installed in the introduction chamber, heated to 150 ° C. with a heater, preheated by holding for 30 minutes after reaching 150 ° C., and taken out from the atmosphere. Remove moisture etc. adhering to the substrate and the substrate holder. Thereafter, the temperature is lowered to room temperature. This step may be performed in the introduction chamber. A two-room load lock system can also be used.

(反応室への基板導入)
予備加熱後に基板が室温まで降温した後、ゲートバルブを開けて反応室に基板を導入する。
(Introducing the substrate into the reaction chamber)
After the substrate is cooled to room temperature after preheating, the gate valve is opened and the substrate is introduced into the reaction chamber.

(排気:到達真空度)
反応室内は、シュラウドに液体窒素が導入され、十分に冷却された状態であり、1×10-7Torr程度の高真に到達している。
(Exhaust: Ultimate vacuum)
The reaction chamber is in a state where liquid nitrogen is introduced into the shroud and is sufficiently cooled, and reaches a high true value of about 1 × 10 −7 Torr.

(クリーニング工程) 150℃ 実施形態6−1
有機EL基板表面のクリーニングを行うために、基板温度を150℃まで加熱する。ここで、H2を導入できるガス導入開口部に配置された触媒体の温度を1200℃に設定して、H2を流すことにより、触媒体とH2との接触分解反応により原子状水素を生成して、基板表面に照射することにより、有機EL基板表面が清浄できる。
(Cleaning Step) 150 ° C. Embodiment 6-1
In order to clean the surface of the organic EL substrate, the substrate temperature is heated to 150 ° C. Here, by setting the temperature of the arranged catalytic body to the gas introduction openings can be introduced with H 2 to 1200 ° C., by flowing of H 2, the atomic hydrogen by catalytic cracking reaction of the catalyst and H 2 The organic EL substrate surface can be cleaned by generating and irradiating the substrate surface.

ここで、NH3を導入できるガス導入開口部に配置された触媒体の温度を1700℃に設定して、NH3を流すことにより、原子状水素を生成して、基板表面に照射することにより、有機EL基板表面を清浄することも可能である。 Here, by setting the temperature of the catalyst body arranged in the gas introduction opening where NH 3 can be introduced to 1700 ° C. and flowing NH 3 , atomic hydrogen is generated and irradiated onto the substrate surface. It is also possible to clean the surface of the organic EL substrate.

(表面処理工程)150℃ 実施形態6−2
有機EL基板を表面処理するために、基板温度は150℃に保持された状態で、NH3を導入し、保持する。これにより、有機EL基板表面を窒化することもできる。
(Surface treatment step) 150 ° C. Embodiment 6-2
In order to surface-treat the organic EL substrate, NH 3 is introduced and held while the substrate temperature is kept at 150 ° C. Thereby, the organic EL substrate surface can be nitrided.

(堆積工程 SiN)150℃ 実施形態6−3
有機EL基板の表面処理の後に、基板温度は150℃に保持された状態で、SiH4を導入できるガス導入部に配置された触媒体の温度を1700℃に、NH3を導入できるガス導入部に配置された触媒体の温度を1200℃にそれぞれ設定し、SiH4とNH3を導入することにより、SiH4とNH3がそれぞれ触媒体との接触分解反応により生成された分解種を有機EL基板上に照射することにより、SiN薄膜が堆積される。
(Deposition Process SiN) 150 ° C. Embodiment 6-3
After the surface treatment of the organic EL substrate, the temperature of the catalyst body arranged in the gas introduction part where SiH 4 can be introduced can be set to 1700 ° C. and NH 3 can be introduced while maintaining the substrate temperature at 150 ° C. respectively set the temperature of the disposed catalyst bodies 1200 ° C. in, SiH 4 and by introducing NH 3, and the organic EL decomposition species SiH 4 and NH 3 is produced by catalytic cracking with the catalyst body, respectively By irradiating the substrate, a SiN thin film is deposited.

(取り出し)
薄膜堆積後、ガス導入を停止し、触媒体温度を室温まで降温する。また、同時に基板温度を基板ホルダの室温まで降温する。基板温度が下がったら、ゲートバルブを開けて基板ホルダを導入室に搬送する。さらに、準備室まで搬送させ、準備室を大気圧に窒素を導入してリークする。大気圧になったら、基板ホルダを準備室から取り出す。
(take out)
After thin film deposition, gas introduction is stopped and the temperature of the catalyst body is lowered to room temperature. At the same time, the substrate temperature is lowered to the room temperature of the substrate holder. When the substrate temperature falls, the gate valve is opened and the substrate holder is transferred to the introduction chamber. Furthermore, it is transported to the preparation room, and the preparation room is leaked by introducing nitrogen into the atmospheric pressure. When atmospheric pressure is reached, the substrate holder is removed from the preparation chamber.

(実施形態10)
次に、実施形態10について説明する。実施形態10では、形成される窒化物半導体薄膜積層体の実施形態について説明する。
(Embodiment 10)
Next, Embodiment 10 will be described. In the tenth embodiment, an embodiment of a nitride semiconductor thin film stack to be formed will be described.

Si基板21を用いて窒化物薄膜を形成したが、ゲルマニウム、シリコンカーバイト、ガリウム砒素、ガリウム燐、インジウム燐、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、サファイア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、のいずれかの単結晶基板を用いてもよい。また、Si基板21は、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、のいずれかを原料として形成してもよい。   A nitride thin film was formed using the Si substrate 21, but germanium, silicon carbide, gallium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, zinc selenide, cadmium sulfide, gallium nitride, aluminum nitride, sapphire, zinc oxide, magnesium oxide, Any of the single crystal substrates may be used. The Si substrate 21 may be formed using quartz glass, borosilicate glass, or aluminosilicate glass as a raw material.

単結晶基板上に堆積した様々な組成のAlGaInN薄膜の多層膜であり、基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。 It is a multilayer film of AlGaInN thin films of various compositions deposited on a single crystal substrate, and the carbon and oxygen impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film is 1 × 10 17 cm −3 or less.

単結晶基板上に堆積した様々な組成のAlGaInN薄膜の多層膜。基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。AlGaInN薄膜の多層膜の少なくとも一層が単結晶である。薄膜堆積前にクリーニング処理を施してもよい。薄膜堆積前に表面処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にエッチング処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にバッファ層を形成してもよい。バッファ層が有る場合は、バッファ層を含み、基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。 A multilayer film of AlGaInN thin films of various compositions deposited on a single crystal substrate. The carbon and oxygen impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film is 1 × 10 17 cm −3 or less. At least one of the multilayer films of the AlGaInN thin film is a single crystal. You may perform a cleaning process before thin film deposition. Surface treatment may be performed before thin film deposition. Moreover, you may perform an etching process before thin film deposition. Further, the buffer layer may be formed before the thin film is deposited. When there is a buffer layer, the carbon and oxygen impurity concentrations at the interface between the substrate and the thin film are 1 × 10 17 cm −3 or less including the buffer layer.

単結晶基板上に堆積した様々な組成のAlGaInN薄膜の多層膜。基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。AlGaInN薄膜の多層膜の少なくとも一層が多結晶である。薄膜堆積前にクリーニング処理を施してもよい。薄膜堆積前に表面処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にエッチング処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にバッファ層を形成してもよい。バッファ層が有る場合は、バッファ層を含み、基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。 A multilayer film of AlGaInN thin films of various compositions deposited on a single crystal substrate. The carbon and oxygen impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film is 1 × 10 17 cm −3 or less. At least one of the multilayered AlGaInN thin films is polycrystalline. You may perform a cleaning process before thin film deposition. Surface treatment may be performed before thin film deposition. Moreover, you may perform an etching process before thin film deposition. Further, the buffer layer may be formed before the thin film is deposited. When there is a buffer layer, the carbon and oxygen impurity concentrations at the interface between the substrate and the thin film are 1 × 10 17 cm −3 or less including the buffer layer.

単結晶基板上に堆積した様々な組成のAlGaInN薄膜の多層膜。基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。AlGaInN薄膜の多層膜の少なくとも一層がアモルファスである。薄膜堆積前にクリーニング処理を施してもよい。薄膜堆積前に表面処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にエッチング処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にバッファ層を形成してもよい。バッファ層が有る場合は、バッファ層を含み、基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。 A multilayer film of AlGaInN thin films of various compositions deposited on a single crystal substrate. The carbon and oxygen impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film is 1 × 10 17 cm −3 or less. At least one of the multilayer films of the AlGaInN thin film is amorphous. You may perform a cleaning process before thin film deposition. Surface treatment may be performed before thin film deposition. Moreover, you may perform an etching process before thin film deposition. Further, the buffer layer may be formed before the thin film is deposited. When there is a buffer layer, the carbon and oxygen impurity concentrations at the interface between the substrate and the thin film are 1 × 10 17 cm −3 or less including the buffer layer.

単結晶基板上に堆積した様々な組成のAlGaInN薄膜の多層膜。基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。AlGaInN薄膜の多層膜の少なくとも一層が立方晶である。薄膜堆積前にクリーニング処理を施してもよい。薄膜堆積前に表面処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にエッチング処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にバッファ層を形成してもよい。バッファ層が有る場合は、バッファ層を含み、基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。 A multilayer film of AlGaInN thin films of various compositions deposited on a single crystal substrate. The carbon and oxygen impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film is 1 × 10 17 cm −3 or less. At least one layer of the multilayer film of the AlGaInN thin film is cubic. You may perform a cleaning process before thin film deposition. Surface treatment may be performed before thin film deposition. Moreover, you may perform an etching process before thin film deposition. Further, the buffer layer may be formed before the thin film is deposited. When there is a buffer layer, the carbon and oxygen impurity concentrations at the interface between the substrate and the thin film are 1 × 10 17 cm −3 or less including the buffer layer.

単結晶基板上に堆積した様々な組成のAlGaInN薄膜の多層膜。基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。AlGaInN薄膜の多層膜の少なくとも一層が六方晶である。薄膜堆積前にクリーニング処理を施してもよい。薄膜堆積前に表面処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にエッチング処理を施してもよい。また、薄膜堆積前にバッファ層を形成してもよい。バッファ層が有る場合は、バッファ層を含み、基板と薄膜界面の炭素および酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下である。 A multilayer film of AlGaInN thin films of various compositions deposited on a single crystal substrate. The carbon and oxygen impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film is 1 × 10 17 cm −3 or less. At least one of the multilayer films of the AlGaInN thin film is hexagonal. You may perform a cleaning process before thin film deposition. Surface treatment may be performed before thin film deposition. Moreover, you may perform an etching process before thin film deposition. Further, the buffer layer may be formed before the thin film is deposited. When there is a buffer layer, the carbon and oxygen impurity concentrations at the interface between the substrate and the thin film are 1 × 10 17 cm −3 or less including the buffer layer.

(実施形態11)
次に実施形態11について説明する。実施形態11では、電子デバイスエピについて説明する。GaN基板、または、GaNエピタキシャル層上に電子デバイスを作製するための実施形態について説明する。
(Embodiment 11)
Next, Embodiment 11 will be described. In the eleventh embodiment, an electronic device epi will be described. An embodiment for producing an electronic device on a GaN substrate or a GaN epitaxial layer will be described.

ここでは、プレーナ型のFETを作製する構成を説明する。サファイア基板上に高抵抗GaNエピタキシャル層を予め形成しておき、テンプレート基板とする。   Here, a structure for manufacturing a planar FET will be described. A high-resistance GaN epitaxial layer is formed in advance on a sapphire substrate to form a template substrate.

高抵抗GaN層は高純度で厚さが1〜3μm程度が望ましい。サファイア上のGaN層に替え、GaN基板を使用することもできる。   The high-resistance GaN layer is highly pure and desirably has a thickness of about 1 to 3 μm. Instead of the GaN layer on sapphire, a GaN substrate can be used.

実施形態11では、GaN基板層とこの層状に実施形態1ないしは2で形成される高純度GaN層との界面には、実施形態6−1のクリーニング法を適用することで、不純物が残留しない。GaN基板はドライエッチングなどの手法で加工されていてもよい。この場合には、実施形態6−4のエッチング法を適用することでダメージ層が取り除かれている。この実施形態の基板と成長層の界面をSIMSで測定すると、界面の領域において検出される酸素および炭素不純物量は、1×1017cm-3以下となる。この界面上に高品質のSiドープn型GaN層が実施形態6−3の方法で0.1μm形成されており、電子走行層となる。アンドープGaN層を0.1μm形成し、さらにアンドープAlGaN層を20〜30nm連続積層することにより、分極効果による2次元電子を発生させて、これをキャリアとするHEMTの構成としてもよい。この場合、AlGaN層のAlNモル組成は、0.2〜0.3に設定される。 In Embodiment 11, no impurities remain at the interface between the GaN substrate layer and the high-purity GaN layer formed in Embodiments 1 and 2 by applying the cleaning method of Embodiment 6-1. The GaN substrate may be processed by a technique such as dry etching. In this case, the damaged layer is removed by applying the etching method of Embodiment 6-4. When the interface between the substrate and the growth layer in this embodiment is measured by SIMS, the amount of oxygen and carbon impurities detected in the interface region is 1 × 10 17 cm −3 or less. A high-quality Si-doped n-type GaN layer is formed to 0.1 μm on this interface by the method of Embodiment 6-3, and serves as an electron transit layer. An undoped GaN layer may be formed to have a thickness of 0.1 μm, and an undoped AlGaN layer may be continuously stacked for 20 to 30 nm to generate two-dimensional electrons due to a polarization effect, and this may be used as a HEMT configuration using this as a carrier. In this case, the AlN molar composition of the AlGaN layer is set to 0.2 to 0.3.

(実施形態12)
次に実施形態12について説明する。実施形態12では、SIN膜を表面保護膜として実施形態3の装置を用いて形成された有機EL素子の構成を述べる。
Embodiment 12
Next, Embodiment 12 will be described. In the twelfth embodiment, a configuration of an organic EL element formed using the apparatus of the third embodiment using a SIN film as a surface protective film will be described.

有機EL素子を構成する材料は、この実施形態(図26)では、厚さ0.5mmのアクリル系透明フィルム上にEL素子が形成されている。この他にも基板は、ガラスやシリコン、ポリイミド、ポリフタレートなどのプラスチックフィルムが使用可能である。まず、陽極のアルミニウムが0.2μm真空蒸着で基板上に形成され、この上層に電子輸送層、発光層、正孔輸送層の有機フィルムが順次、一般の蒸着やコーティング法で堆積されている。発光層は、発光色の選択にあわせて適宜えらばれる。可視域の発光特性を有する一般の蛍光系や燐光系の発光ポリマーが利用可能である。正孔輸送層の上層に、酸化インジウム錫(ITO)が形成されている。酸化亜鉛系の陽極でもよい。実施形態12では、予めITO膜まで形成ずみの有機EL素子の最上層に保護膜として0.1μmのSiN膜が積層されている。陽極、陰極からの配線引き出しも予め作製しておいてもよい。本発明の製法を用いると堆積時に基板温度を150℃以下の設定とできるため、フィルムの縮みや熱膨張率の差による反りがないSiN保護膜つき有機EL素子が構成されている。反りの大きさは、素子サイズ10cm角に対し、曲率半径100cm以上とほぼ平坦であった(図27)。素子中央のへこみ量は約25μm以下とすることができる。このため、ガラス基板などを使わなくても薄い自立型の表示素子を構成できる。これに加えて、従来は、パッシベーション膜の堆積時に高温にする必要があり、有機ELフィルムに凹凸が発生したり、素子抵抗が増大する不具合があった。実施形態12では、フィルムに実施例6−3の堆積に先立ち、実施例6−2の表面処理が実施されており、SiN膜の密着性が向上している。SiN膜の組成は、化学量論組成に対しややSiリッチのSi/N比の0.75〜0.9の組成とする。SiN膜の厚さは、0.05〜0.5μmで保護膜としの効果が得られる。この構成による有機EL素子は、緻密なSiNが保護膜となり、大気中からの水分などの浸入を防ぐため、長時間の使用に耐える有機EL素子ができる。   In this embodiment (FIG. 26), the material constituting the organic EL element is such that the EL element is formed on an acrylic transparent film having a thickness of 0.5 mm. In addition to this, a plastic film such as glass, silicon, polyimide, polyphthalate or the like can be used for the substrate. First, aluminum of an anode is formed on a substrate by 0.2 μm vacuum vapor deposition, and an organic film of an electron transport layer, a light emitting layer, and a hole transport layer is sequentially deposited thereon by a general vapor deposition or coating method. The light emitting layer is appropriately selected according to the selection of the light emission color. A general fluorescent or phosphorescent light emitting polymer having light emission characteristics in the visible range can be used. Indium tin oxide (ITO) is formed on the upper layer of the hole transport layer. A zinc oxide-based anode may also be used. In the twelfth embodiment, a 0.1 μm SiN film is laminated as a protective film on the uppermost layer of the organic EL element that has already been formed up to the ITO film. Wiring extraction from the anode and cathode may also be made in advance. When the production method of the present invention is used, the substrate temperature can be set to 150 ° C. or lower during deposition, and thus an organic EL element with a SiN protective film that does not warp due to shrinkage of the film or a difference in thermal expansion coefficient is configured. The warpage was almost flat with a radius of curvature of 100 cm or more for an element size of 10 cm square (FIG. 27). The dent amount at the center of the element can be about 25 μm or less. Therefore, a thin self-supporting display element can be configured without using a glass substrate or the like. In addition to this, conventionally, it has been necessary to increase the temperature during the deposition of the passivation film, and there has been a problem that unevenness occurs in the organic EL film or the element resistance increases. In Embodiment 12, the surface treatment of Example 6-2 is performed on the film prior to the deposition of Example 6-3, and the adhesion of the SiN film is improved. The composition of the SiN film is a composition having a Si / N ratio of 0.75 to 0.9 which is slightly Si-rich with respect to the stoichiometric composition. The thickness of the SiN film is 0.05 to 0.5 μm, and an effect as a protective film can be obtained. In the organic EL element having this configuration, dense SiN serves as a protective film and prevents intrusion of moisture and the like from the atmosphere, so that an organic EL element that can be used for a long time can be obtained.

(実施例1)
具体的な窒化物薄膜製造装置について説明する。反応室を所定の圧力に減圧するための真空ポンプとして、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプを有している。イオンポンプおよびチタンサブリメーションポンプは原料ガスを流す前に真空度向上のために利用する。
Example 1
A specific nitride thin film manufacturing apparatus will be described. As a vacuum pump for reducing the reaction chamber to a predetermined pressure, an ion pump, a titanium sublimation pump, a turbo molecular pump, and a rotary pump are provided. The ion pump and the titanium sublimation pump are used to improve the degree of vacuum before flowing the raw material gas.

反応室内には、基板を保持するための基板ホルダを配置しており、ホルダには所望の温度に基板を加熱するためのヒータおよび冷却パイプを有している。基板温度のモニタは設置している熱電対を使用したり、基板からの熱輻射をパイロメータで観測する。また、基板ホルダには回転機構を有しており、薄膜堆積中に回転することが可能である。基板は、モリブデンで形成された基板保持具に取り付けられ、反応室内まで搬送し、基板ホルダに固定する。   A substrate holder for holding the substrate is disposed in the reaction chamber, and the holder has a heater and a cooling pipe for heating the substrate to a desired temperature. The substrate temperature is monitored by using an installed thermocouple or by observing thermal radiation from the substrate with a pyrometer. Further, the substrate holder has a rotation mechanism, and can rotate during the thin film deposition. The substrate is attached to a substrate holder made of molybdenum, transported to the reaction chamber, and fixed to the substrate holder.

反応室の側壁、原料ガスセル周辺およびチタンポンプ付近にシュラウドを配置しており、液体窒素を流し、冷却することにより、放出ガスを吸着することにより、反応室内を高真空に保つことができる。この中で反応室の側壁に設けたシュラウドにより、未分解の導入したNH3を吸着し、反応室内を滞留させないことができる。   A shroud is disposed on the side wall of the reaction chamber, around the source gas cell, and in the vicinity of the titanium pump, and the reaction chamber can be kept at a high vacuum by adsorbing the released gas by flowing and cooling liquid nitrogen. Among these, the shroud provided on the side wall of the reaction chamber can adsorb undecomposed NH 3 and prevent the reaction chamber from staying.

反応室内には、窒素原料ガスであるNH3を導入するガス導入管とガス導入管の開口部とほぼ一致した部分に配置され、導入したNH3を解離する純度99.999%のタングステンから成る触媒体が設置されている。触媒体は銀コートされた銅で形成された導線に接続しており、本薄膜堆積装置の外部に設置した加熱電源を用いて、通電により所望の温度に設定する。 The reaction chamber is made of tungsten having a purity of 99.999%, which disposes the introduced NH 3, which is arranged in a portion substantially coincident with the opening of the gas introduction tube and the gas introduction tube for introducing NH 3 as the nitrogen source gas. A catalyst body is installed. The catalyst body is connected to a conductive wire formed of silver-coated copper, and is set to a desired temperature by energization using a heating power source installed outside the thin film deposition apparatus.

基板と触媒体との距離は10cmである。窒素ガス原料であるアンモニア(NH3)は、シリンダキャビネットに保管されたボンベより圧力制御装置で適当な圧力に調整されて、流量制御計(MFC)を介して、所望の流量を反応室に導入される。 The distance between the substrate and the catalyst body is 10 cm. Ammonia (NH 3 ), which is a nitrogen gas raw material, is adjusted to an appropriate pressure by a pressure controller from a cylinder stored in the cylinder cabinet, and a desired flow rate is introduced into the reaction chamber via a flow rate controller (MFC). Is done.

金属原料としては、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)が、ドーパント原料としては、シリコン(Si)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)がそれぞれ加熱して分子線として放出するクヌーセンセルを反応室に有している。
また、反応室には、基板や堆積された薄膜の状態を堆積中にその場で観察できる反射高速電子線回折用電子銃(RHEED)およびスクリーン、チャンバ内の残留ガスを検出できる4重極質量分析計(QMS)とを有している。
Gallium (Ga), indium (In), and aluminum (Al) are used as metal materials, and silicon (Si), magnesium (Mg), and beryllium (Be) are heated as a dopant material and emitted as molecular beams. It has a Knudsen cell in the reaction chamber.
The reaction chamber also has a reflection high-energy electron diffraction electron gun (RHEED) that can be observed in-situ during deposition, a screen, and a quadrupole mass that can detect residual gas in the chamber. Analyzer (QMS).

(実施例2)
具体的な窒化物薄膜の製造方法について、図28および図29を参照して説明する。図28は、Si基板上にGaN薄膜堆積の工程図である。図28に示すように、Si基板を800℃に加熱し、30分間保持する。この結果Si基板表面が清浄化される。
(Example 2)
A specific method for manufacturing a nitride thin film will be described with reference to FIGS. FIG. 28 is a process diagram for depositing a GaN thin film on a Si substrate. As shown in FIG. 28, the Si substrate is heated to 800 ° C. and held for 30 minutes. As a result, the Si substrate surface is cleaned.

ここで、Si基板を300℃でNH3を100sccm導入し、加熱触媒体温度を1700℃で10分間保持することにより、同様にSi基板表面が清浄化される。Si基板表面の清浄化工程の後、窒化処理を行ってもよい。窒化処理により、Si基板上に立方晶構造を有するGaN薄膜の堆積が可能になる。 Here, by introducing 100 sccm of NH 3 at 300 ° C. and maintaining the heating catalyst temperature at 1700 ° C. for 10 minutes, the surface of the Si substrate is similarly cleaned. A nitriding treatment may be performed after the Si substrate surface cleaning step. The nitriding treatment enables the deposition of a GaN thin film having a cubic structure on the Si substrate.

その後、Si基板を500℃に降温し、NH3を100sccm導入し、加熱触媒体温度を1200℃として、クヌーセンセルを加熱して、Gaフラックス量を5×10-8Torrにし、1時間保持する。なお、この時のチャンバ内の圧力は、1×10-5Torr程度であり、GaN薄膜の成長速度は、0.1μm/hr程度である。 Thereafter, the temperature of the Si substrate is lowered to 500 ° C., NH 3 is introduced at 100 sccm, the heating catalyst temperature is set to 1200 ° C., the Knudsen cell is heated, the Ga flux amount is set to 5 × 10 −8 Torr, and held for 1 hour. . At this time, the pressure in the chamber is about 1 × 10 −5 Torr, and the growth rate of the GaN thin film is about 0.1 μm / hr.

ここで、GaN薄膜堆積には、触媒体温度は1200℃以下で行ってもよい。また、アンモニアと触媒体による窒素供給を用いる代わりに、窒素プラズマガンにより窒素を供給してもよい。   Here, the GaN thin film deposition may be performed at a catalyst body temperature of 1200 ° C. or less. Further, instead of using nitrogen supply by ammonia and a catalyst body, nitrogen may be supplied by a nitrogen plasma gun.

この薄膜堆積により、膜厚100nmのGaNがSi基板上に形成され、このGaN薄膜に対してX線回折(XRD)分析とフォトルミネッセンス(PL)分析とを行った。図24は、Si基板上のGaN薄膜のXRD結果を示す。図24に示すように、GaN薄膜が六方晶(ウルツァイト)のGaN薄膜が堆積されていることが分かる。   By this thin film deposition, GaN having a thickness of 100 nm was formed on the Si substrate, and X-ray diffraction (XRD) analysis and photoluminescence (PL) analysis were performed on the GaN thin film. FIG. 24 shows the XRD result of the GaN thin film on the Si substrate. As shown in FIG. 24, it can be seen that a hexagonal (wurzeite) GaN thin film is deposited.

また、図25は、Si基板上のPL結果を示す。図25に示すように、波長385nm付近に青色の強いピークが観測されるとともに、不純物による発光(Yellow Band)が観測されず、高品質のGaN薄膜が堆積されていることが分かる。   FIG. 25 shows the PL result on the Si substrate. As shown in FIG. 25, a strong blue peak is observed in the vicinity of a wavelength of 385 nm, and light emission due to impurities (Yellow Band) is not observed, indicating that a high-quality GaN thin film is deposited.

基板として、シリコンに限らず、ゲルマニウム、ガリウム砒素、インジウム燐、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、の単結晶を用いた場合も同様なGaN薄膜堆積が可能である。   The substrate is not limited to silicon but germanium, gallium arsenide, indium phosphide, zinc selenide, cadmium sulfide, zinc sulfide, gallium nitride, and aluminum nitride can be used for the same GaN thin film deposition.

堆積する薄膜として、金属原料をAlまたはInまたはGaを少なくとも1種類用いることによりGaN以外の2元(AlN,InN)、3元(AlGaN,AlInN,InGaN)、4元(AlInGaN)のいずれかの単層膜もしくはその多層膜も堆積可能である。   As a thin film to be deposited, any one of binary (AlN, InN), ternary (AlGaN, AlInN, InGaN), and quaternary (AlInGaN) other than GaN by using at least one kind of metal raw material, Al, In or Ga. A single layer film or a multilayer film thereof can also be deposited.

(実施例3)
図29は、Si基板上にInGaN SQW(Single Quantum Well 単一量子井戸)構造を堆積する工程図である。前記の窒化物半導体装置を用いて実施した。図29に示すように、基板温度を300℃まで加熱し、NH3を100sccm導入して、タングステン触媒体温度を1700℃で、30分間保持し、表面の清浄化を行う。
(Example 3)
FIG. 29 is a process diagram for depositing an InGaN SQW (Single Quantum Well) structure on a Si substrate. It implemented using the said nitride semiconductor device. As shown in FIG. 29, the substrate temperature is heated to 300 ° C., NH 3 is introduced at 100 sccm, the tungsten catalyst body temperature is maintained at 1700 ° C. for 30 minutes, and the surface is cleaned.

この際に、基板温度を800℃まで上げて30分保持することによりサーマルクリーニングを用いてもよい。表面の清浄化の後、温度制御を行い、基板温度を800℃まで加熱し、基板温度が800℃に保持された時点でNH3を100sccm導入して、10分間保持することにより、基板表面を窒化してもよい。 At this time, thermal cleaning may be used by raising the substrate temperature to 800 ° C. and holding it for 30 minutes. After cleaning the surface, temperature control is performed, the substrate temperature is heated to 800 ° C., and when the substrate temperature is held at 800 ° C., NH 3 is introduced at 100 sccm, and the substrate surface is held for 10 minutes. Nitriding may be performed.

基板温度を550℃まで加熱する。基板が550℃に保持された時点で、予めクヌーセンセルを加熱してフラックス量を5×10-8TorrにしていたAlセルのシャッタを開け、Alを基板に照射し、10分間保持する。この結果、基板にAlNバッファ層が10nm程度堆積される。 The substrate temperature is heated to 550 ° C. When the substrate is held at 550 ° C., the Knudsen cell is heated in advance to open the shutter of the Al cell whose flux amount is set to 5 × 10 −8 Torr, and the substrate is irradiated with Al and held for 10 minutes. As a result, an AlN buffer layer of about 10 nm is deposited on the substrate.

バッファ層が堆積された後、温度制御を行い、基板温度を800℃にする。基板温度が800℃に保持された時点で、予めクヌーセンセルを加熱してフラックス量を1×10-7TorrにしておいたGaセルのシャッタを開け、Gaを基板に照射し、30分間保持する。この結果、GaN薄膜が100nm程度積層される。 After the buffer layer is deposited, temperature control is performed to bring the substrate temperature to 800 ° C. When the substrate temperature is kept at 800 ° C., the Knudsen cell is heated in advance to open the shutter of the Ga cell whose flux amount is set to 1 × 10 −7 Torr, and the substrate is irradiated with Ga and held for 30 minutes. . As a result, a GaN thin film is laminated about 100 nm.

GaN薄膜が積層された後、温度制御を行い、基板温度を550℃にする。基板温度が550℃に保持された時点でInとGaが装填されたクヌーセンセルのシャッタを開け、InとGaを基板に照射し、15分間保持する。この際のInフラックス量は5×10-8Torr、Gaフラックス量は5×10-8Torrである。この結果、In組成が5%のInGaN薄膜が20nm程度積層される。 After the GaN thin film is deposited, temperature control is performed to bring the substrate temperature to 550 ° C. When the substrate temperature is maintained at 550 ° C., the shutter of the Knudsen cell loaded with In and Ga is opened, and the substrate is irradiated with In and Ga and held for 15 minutes. At this time, the amount of In flux is 5 × 10 −8 Torr, and the amount of Ga flux is 5 × 10 −8 Torr. As a result, an InGaN thin film having an In composition of 5% is laminated to about 20 nm.

InGaN薄膜が積層された後、温度制御を行い、基板温度を800℃に加熱する。基板温度が800℃に保持された時点で、予めクヌーセンセルを加熱してフラックス量を1×10-7TorrにしておいたGaセルのシャッタを開け、Gaを基板に照射し、15分間保持する。この結果、GaN薄膜が50nm積層される。 After the InGaN thin film is stacked, temperature control is performed and the substrate temperature is heated to 800 ° C. When the substrate temperature is held at 800 ° C., the Knudsen cell is heated in advance to open the shutter of the Ga cell whose flux amount is set to 1 × 10 −7 Torr, and the substrate is irradiated with Ga and held for 15 minutes. . As a result, a GaN thin film is laminated by 50 nm.

GaN薄膜が積層された後、Gaが装填されたクヌーセンセルのシャッタを閉じ、NH3を停止し、基板加熱を停止し、基板を室温に戻す。この結果、基板上にGaN/InGaN/GaN積層膜が堆積される。 After the GaN thin film is deposited, the shutter of the Knudsen cell loaded with Ga is closed, NH 3 is stopped, substrate heating is stopped, and the substrate is returned to room temperature. As a result, a GaN / InGaN / GaN laminated film is deposited on the substrate.

積層された積層膜をX線回折とフォトルミネッセンス分析を行った。図30は、Si基板上のInGaN SQW構造の積層膜のXRD結果を示す。図30に示すように、六方晶のGaN薄膜とIn組成5%のInGaN薄膜が堆積されているのが分かった。   The laminated film was subjected to X-ray diffraction and photoluminescence analysis. FIG. 30 shows the XRD result of the laminated film having the InGaN SQW structure on the Si substrate. As shown in FIG. 30, it was found that a hexagonal GaN thin film and an InGaN thin film with an In composition of 5% were deposited.

また、図31は、Si基板上のInGaN SQW構造の積層膜のフォトルミネッセンス結果を示す。図31に示すように、380nm付近にGaNと400nm付近にInGaNからの発光が観測された。また、不純物による発光(Yellow Band)が観測されず、高品質のGaN薄膜が堆積されていることが分かる。   FIG. 31 shows the photoluminescence result of the laminated film having the InGaN SQW structure on the Si substrate. As shown in FIG. 31, light emission from GaN near 380 nm and InGaN near 400 nm was observed. Moreover, light emission (Yellow Band) due to impurities is not observed, and it can be seen that a high-quality GaN thin film is deposited.

堆積された薄膜を二次イオン質量分析(SIMS)により、分析したところ、AlNバッファ層を含む堆積した薄膜と基板の界面付近に存在する炭素および酸素濃度が1×1017cm-3以下であることが分かった。 When the deposited thin film was analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS), the concentration of carbon and oxygen existing in the vicinity of the interface between the deposited thin film containing the AlN buffer layer and the substrate was 1 × 10 17 cm −3 or less. I understood that.

前記InGaN SQW構造の積層膜堆積において、触媒体温度は2000℃以下で行ってもよい。また、アンモニアと触媒体による窒素供給を用いる代わりに、窒素プラズマガンにより窒素を供給してもよい。   In the deposition of the laminated film having the InGaN SQW structure, the catalyst body temperature may be 2000 ° C. or lower. Further, instead of using nitrogen supply by ammonia and a catalyst body, nitrogen may be supplied by a nitrogen plasma gun.

前記InGaN SQW構造の積層膜において、基板にn型Si導電性基板を用いて、下層のGaN薄膜にn型ドーピングし、上層のGaN薄膜にp型ドーピングした窒化物薄膜に基板下部と積層体上部の上下部に電極(Ni/Au)を真空蒸着法により蒸着することによりオーミック性コンタクトを形成し、発光デバイスが実現できる。   In the laminated film of the InGaN SQW structure, an n-type Si conductive substrate is used as a substrate, a lower GaN thin film is n-type doped, and an upper GaN thin film is p-type doped nitride thin film. An ohmic contact is formed by depositing electrodes (Ni / Au) on the top and bottom of the substrate by a vacuum deposition method, thereby realizing a light emitting device.

前記InGaN SQW構造の積層膜において、基板にp型Si導電性基板を用いて、下層のGaN薄膜にp型ドーピングし、上層のGaN薄膜にn型ドーピングした窒化物薄膜に基板下部と積層体上部の上下部に電極(Ni/Au)を真空蒸着法により蒸着することによりオーミック性コンタクトを形成し、発光デバイスが実現できる。   In the laminated film of the InGaN SQW structure, a p-type Si conductive substrate is used as a substrate, a lower GaN thin film is p-type doped, and an upper GaN thin film is n-type doped nitride thin film. An ohmic contact is formed by depositing electrodes (Ni / Au) on the top and bottom of the substrate by a vacuum deposition method, thereby realizing a light emitting device.

前記InGaN SQW構造の積層膜において、量子井戸構造の井戸層と障壁層は、金属原料をAlまたはInまたはGaを少なくとも1種類用いることにより、2元(GaN,AlN,InN)、3元(AlGaN,AlInN,InGaN)、4元(AlInGaN)のいずれかの組み合わせた窒化物半導体から構成され、MQW構造(Multi Quntum Well 多重量子井戸)であってもよい。   In the stacked film of the InGaN SQW structure, the well layer and the barrier layer of the quantum well structure are binary (GaN, AlN, InN), ternary (AlGaN) by using at least one kind of metal material, Al, In, or Ga. , AlInN, InGaN), or a quaternary (AlInGaN) combination of nitride semiconductors, and may have a MQW structure (Multi Quntum Well).

(実施例4)
有機フィルム上にSiN薄膜製造装置を説明する。反応室を所定の圧力に減圧するための真空ポンプとして、イオンポンプ、チタンサブリメーションポンプ、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプを有している。イオンポンプおよびチタンサブリメーションポンプは原料ガスを流す前に真空度向上のために利用する。
Example 4
A SiN thin film manufacturing apparatus will be described on an organic film. As a vacuum pump for reducing the reaction chamber to a predetermined pressure, an ion pump, a titanium sublimation pump, a turbo molecular pump, and a rotary pump are provided. The ion pump and the titanium sublimation pump are used to improve the degree of vacuum before flowing the raw material gas.

反応室内には、基板を保持するための基板ホルダを配置しており、ホルダには所望の温度に基板を加熱するためのヒータおよび冷却パイプを有している。基板温度のモニタは設置している熱電対を使用したり、基板からの熱輻射をパイロメータで観測する。また、基板ホルダには回転機構を有しており、薄膜堆積中に回転することが可能である。基板は、モリブデンで形成された基板保持具に取り付けられ、反応室内まで搬送し、基板ホルダに固定する。   A substrate holder for holding the substrate is disposed in the reaction chamber, and the holder has a heater and a cooling pipe for heating the substrate to a desired temperature. The substrate temperature is monitored by using an installed thermocouple or by observing thermal radiation from the substrate with a pyrometer. Further, the substrate holder has a rotation mechanism, and can rotate during the thin film deposition. The substrate is attached to a substrate holder made of molybdenum, transported to the reaction chamber, and fixed to the substrate holder.

反応室の側壁、原料ガスセル周辺およびチタンポンプ付近にシュラウドを配置しており、液体窒素を流し、冷却することにより、放出ガスを吸着することにより、反応室内を高真空に保つことができる。この中で反応室の側壁に設けたシュラウドにより、未分解の導入したNH3を吸着し、反応室内を滞留させないことができる。 A shroud is disposed on the side wall of the reaction chamber, around the source gas cell, and in the vicinity of the titanium pump, and the reaction chamber can be kept at a high vacuum by adsorbing the released gas by flowing and cooling liquid nitrogen. Among them, the shroud provided on the side wall of the reaction chamber can adsorb undecomposed NH 3 and prevent the reaction chamber from staying.

反応室内には、窒素原料ガスであるNH3とシリコン原料ガスであるSiH4を導入する2つのガス導入管と、それぞれのガス導入管に、ガス導入管の開口部とほぼ一致した部分に配置され、導入したNH3を解離する純度99.999%のタングステンから成る触媒体が設置されている。触媒体は銀コートされた銅で形成された導線に接続しており、本薄膜堆積装置の外部に設置した加熱電源を用いて、通電により所望の温度に設定する。基板と触媒体との距離は10cmである。 In the reaction chamber, two gas introduction pipes for introducing NH 3 which is a nitrogen source gas and SiH 4 which is a silicon source gas, and the gas introduction pipes are arranged at portions substantially coincident with the openings of the gas introduction pipes. A catalyst body made of tungsten having a purity of 99.999% for dissociating the introduced NH 3 is installed. The catalyst body is connected to a conductive wire formed of silver-coated copper, and is set to a desired temperature by energization using a heating power source installed outside the thin film deposition apparatus. The distance between the substrate and the catalyst body is 10 cm.

窒素ガス原料であるアンモニア(NH3)は、シリンダキャビネットに保管されたボンベより圧力制御装置で適当な圧力に調整されて、流量制御計(MFC)を介して、所望の流量を反応室に導入される。 Ammonia (NH 3 ), which is a nitrogen gas raw material, is adjusted to an appropriate pressure by a pressure controller from a cylinder stored in the cylinder cabinet, and a desired flow rate is introduced into the reaction chamber via a flow rate controller (MFC). Is done.

シリコン原料であるシラン(SiH4)は、シリンダキャビネットに保管されたボンベより圧力制御装置で適当な圧力に調整されて、流量制御計(MFC)を介して、所望の流量を反応室に導入される。 Silane (SiH 4 ), which is a silicon raw material, is adjusted to an appropriate pressure by a pressure controller from a cylinder stored in a cylinder cabinet, and a desired flow rate is introduced into the reaction chamber via a flow rate controller (MFC). The

また、反応室には、基板や堆積された薄膜の状態を堆積中にその場で観察できる反射高速電子線回折用電子銃(RHEED)およびスクリーン、チャンバ内の残留ガスを検出できる4重極質量分析計(QMS)とを有している。   The reaction chamber also has a reflection high-energy electron diffraction electron gun (RHEED) that can be observed in-situ during deposition, a screen, and a quadrupole mass that can detect residual gas in the chamber. Analyzer (QMS).

(実施例5)
有機フィルム上にSiN薄膜製造方法を説明する。初めに有機フィルム基板を150℃まで加熱する。その際、温度制御には、ヒータと水冷を用いている。150℃に保持された時点で、タングステン触媒体温度を1700℃に過熱した状態で、NH3を20sccm導入して、10分間保持し、表面クリーニング処理を行う。SiH4とNH3はそれぞれ別々の開口部にタングステン触媒体を有するガス導入部が設けられており、基板が150℃に保持された時点で、SiH4を10sccm、NH3を100sccmそれぞれ導入して、NH3を導入するガス導入部の開口部のタングステン触媒体温度を1200℃程度に加熱し、SiH4を導入するガス導入部の開口部のタングステン触媒体温度を1700℃に加熱した状態でSiH4を導入し、NH3とSiH4をそれぞれ分解する。反応室内の圧力は、1×10-5Torr程度である。これら加熱触媒体で分解された分解種を有機フィルム基板上に照射させることにより、SiN薄膜を100nm堆積させた。
(Example 5)
A method for producing a SiN thin film on an organic film will be described. First, the organic film substrate is heated to 150 ° C. At that time, a heater and water cooling are used for temperature control. When the temperature is maintained at 150 ° C., 20 sccm of NH 3 is introduced with the tungsten catalyst body temperature heated to 1700 ° C., and the surface is maintained for 10 minutes. SiH 4 and NH 3 are each provided with a gas introduction part having a tungsten catalyst body in separate openings, and when the substrate is held at 150 ° C., SiH 4 is introduced at 10 sccm and NH 3 is introduced at 100 sccm. The tungsten catalyst body temperature at the opening of the gas introduction part for introducing NH 3 is heated to about 1200 ° C., and the tungsten catalyst body temperature at the opening of the gas introduction part for introducing SiH 4 is heated to 1700 ° C. 4 is introduced to decompose NH 3 and SiH 4 respectively. The pressure in the reaction chamber is about 1 × 10 −5 Torr. An SiN thin film was deposited to a thickness of 100 nm by irradiating an organic film substrate with the decomposition species decomposed by these heating catalyst bodies.

堆積させた薄膜は、平坦性に優れていて、反りが1mm以下であることが分かった。また、外部からの水分を防げることや表面のひっかき強度が強いことから、幅広い応用例がある。   The deposited thin film was found to have excellent flatness and a warp of 1 mm or less. In addition, it has a wide range of application examples because it prevents moisture from the outside and has high scratch strength on the surface.

前記の有機フィルムとして、保護膜の堆積前に予め電極および配線の配設が行われた有機EL素子が形成されているフィルムを用いることにより、堆積した薄膜は、有機EL素子のガスバリア保護膜として用いられる。   By using a film in which an organic EL element in which an electrode and a wiring are arranged in advance before deposition of the protective film is used as the organic film, the deposited thin film is used as a gas barrier protective film of the organic EL element. Used.

(実施例6)
基板表面の清浄化工程についての変形例を以下に説明する。Si基板を前処理としてフッ酸処理を行い、Si基板表面を水素で終端化したものを、チャンバ内に導入した。Si基板を300℃程度まで加熱し、300℃に保持された時点で、NH3を100sccm導入して、タングステン触媒体温度を1700℃にして、10分間保持する。これにより、表面が清浄化されてRHEEDでストリークパターンになることが分かった。基板温度は300℃以上でもよい。また、触媒体温度は1200℃以上、2000℃以下でよい。ガスは、水素、ヒドラジンまたはアジ化水素でもよい。
(Example 6)
A modification of the substrate surface cleaning step will be described below. A hydrofluoric acid treatment was performed using the Si substrate as a pretreatment, and the surface of the Si substrate terminated with hydrogen was introduced into the chamber. When the Si substrate is heated to about 300 ° C. and maintained at 300 ° C., NH 3 is introduced at 100 sccm, the tungsten catalyst body temperature is set to 1700 ° C. and held for 10 minutes. As a result, it was found that the surface was cleaned and a streak pattern was formed by RHEED. The substrate temperature may be 300 ° C. or higher. The catalyst body temperature may be 1200 ° C. or more and 2000 ° C. or less. The gas may be hydrogen, hydrazine or hydrogen azide.

基板は、シリコンに限らず、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム燐、インジウム燐、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、チッ化ガリウム、チッ化アルミニウム、の単結晶でもよい。各々の基板は、チャンバ内に導入する前に所望の有機洗浄およびウェットエッチングによる前処理を施すのが望ましい。   The substrate is not limited to silicon, but may be a single crystal of germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, zinc selenide, cadmium sulfide, zinc sulfide, gallium nitride, and aluminum nitride. Each substrate is preferably pretreated with the desired organic cleaning and wet etching prior to introduction into the chamber.

(実施例7)
基板表面の窒化処理工程についての変形例を以下に説明する。Si基板を前処理としてフッ酸処理を行い、Si基板表面を水素で終端化したものを、チャンバ内に導入した。Si基板を加熱していくと、Si基板表面の水素が除去されてRHEEDパターンがストリークになる。800℃程度まで加熱し、30分間程度保持した後に、800℃に保持された時点で、NH3を100sccm導入して、30分間保持する。これにより、Si基板表面が窒化されてハローパターンになることが、RHEED観察により分かった。基板温度は、800℃以下でもよい。基板は、シリコンに限らず、ガリウム砒素、ガリウム燐、インジウム燐、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、チッ化ガリウム、チッ化アルミニウム、の単結晶でもよい。各々の基板は、チャンバ内に導入する前に所望の有機洗浄およびウェットエッチングによる前処理を施すのが望ましい。
(Example 7)
A modification of the nitriding process on the substrate surface will be described below. A hydrofluoric acid treatment was performed using the Si substrate as a pretreatment, and the surface of the Si substrate terminated with hydrogen was introduced into the chamber. When the Si substrate is heated, hydrogen on the surface of the Si substrate is removed and the RHEED pattern becomes a streak. After heating to about 800 ° C. and holding for about 30 minutes, when the temperature is held at 800 ° C., NH 3 is introduced at 100 sccm and held for 30 minutes. As a result, it was found by RHEED observation that the Si substrate surface was nitrided to form a halo pattern. The substrate temperature may be 800 ° C. or lower. The substrate is not limited to silicon, and may be a single crystal of gallium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, zinc selenide, cadmium sulfide, zinc sulfide, gallium nitride, or aluminum nitride. Each substrate is preferably pretreated with the desired organic cleaning and wet etching prior to introduction into the chamber.

(実施例8)
窒化物薄膜のエッチング工程についての変形例を以下に説明する。Si基板上GaN薄膜を基板温度550℃まで加熱し、550℃に保持された時点で、NH3を100sccm導入して、加熱触媒体温度を1700℃にして1時間保持する。これにより、100nm程度GaN薄膜をエッチングした。触媒体温度は1700℃以上、2000℃以下でもよい。基板は、シリコンに限らず、ガリウム砒素、ガリウム燐、インジウム燐、セレン化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、チッ化ガリウム、チッ化アルミニウム、の単結晶でもよい。また、堆積膜もAlまたはInまたはGaまたはこれらの組み合わせを含む窒化物薄膜およびこれらの多層膜でもよい。
(Example 8)
A modification of the nitride thin film etching process will be described below. The GaN thin film on the Si substrate is heated to a substrate temperature of 550 ° C., and when it is held at 550 ° C., 100 sccm of NH 3 is introduced and the heated catalyst body temperature is set to 1700 ° C. and held for 1 hour. This etched the GaN thin film about 100 nm. The catalyst body temperature may be 1700 ° C. or more and 2000 ° C. or less. The substrate is not limited to silicon, and may be a single crystal of gallium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, zinc selenide, cadmium sulfide, zinc sulfide, gallium nitride, or aluminum nitride. The deposited film may also be a nitride thin film containing Al, In, Ga, or a combination thereof and a multilayer film thereof.

1,1A,2,3,4,5 薄膜製造装置
10,10A,10B,10C,10D,10E 触媒体
11a,11b 導線
12 加熱電源
13,13a,13b,13c ガス導入管
13A ガス導入室
14a,14b,32a,32b,32c バルブ
15 MFC
16,31 ボンベ
17,17A,17B チャンバ
18 真空ポンプ
19,19B 基板ホルダ
19A フィルムホルダ
20,20A,20B ヒータ
21 Si基板
21B,21C,21E,21F 基板
21D 有機フィルム
22 輻射熱遮蔽板
22a,22b,22c クヌーセンセル
23 QMS
24 RHEED
25 スクリーン
27a,27b 回転ローラ
28 誘導コイル
29 電源
29a,29b,29c バブラ
30a,30b,30c 有機金属原料
33 有機金属ガス原料発生部
81 冷媒供給パイプ
82 シュラウド
83 ガス導入口
84 ベローズ
85 ガイド
86 ネジ
87 ハンドル
130 ガス分散板
1, 1A, 2, 3, 4, 5 Thin film production apparatus 10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E Catalyst 11a, 11b Conductor 12 Heating power source 13, 13a, 13b, 13c Gas introduction pipe 13A Gas introduction chamber 14a, 14b, 32a, 32b, 32c Valve 15 MFC
16, 31 cylinder 17, 17A, 17B chamber 18 vacuum pump 19, 19B substrate holder 19A film holder 20, 20A, 20B heater 21 Si substrate 21B, 21C, 21E, 21F substrate 21D organic film 22 radiant heat shielding plate 22a, 22b, 22c Knudsen Cell 23 QMS
24 RHEED
25 Screen 27a, 27b Rotating roller 28 Inductive coil 29 Power supply 29a, 29b, 29c Bubbler 30a, 30b, 30c Organometallic raw material 33 Organometallic gas raw material generating part 81 Refrigerant supply pipe 82 Shroud 83 Gas inlet 84 Bellows 85 Guide 86 Screw 87 Handle 130 Gas dispersion plate

Claims (18)

減圧下の反応室内で基板上に薄膜を気相堆積させる薄膜製造装置に設けられ、前記薄膜の原料となる1種類または複数種類の原料ガスを分解して該原料ガスの分解種を生成する原料ガス分解機構であって、
前記反応室に連通される開口部を有し、該開口部を介して前記反応室に前記原料ガスを導入する1つまたは複数の原料ガス導入手段と、
前記開口部での反応室側の開口面よりも前記基板側に変位した状態で、かつ前記開口部に近接した状態で配置される原料ガス分解用の触媒体と、
前記触媒体に通電することで該触媒体を昇温させる触媒体加熱手段と、
を備えることを特徴とする原料ガス分解機構。
A raw material which is provided in a thin film manufacturing apparatus for vapor-depositing a thin film on a substrate in a reaction chamber under reduced pressure, and decomposes one or more kinds of raw material gases used as the raw material of the thin film to generate decomposition species of the raw material gas A gas decomposition mechanism,
One or a plurality of source gas introducing means for introducing the source gas into the reaction chamber through the opening, the opening communicating with the reaction chamber;
A catalyst body for decomposing a raw material gas disposed in a state of being displaced closer to the substrate side than an opening surface on the reaction chamber side in the opening, and in a state of being close to the opening;
Catalyst body heating means for heating the catalyst body by energizing the catalyst body;
A raw material gas decomposition mechanism comprising:
前記触媒体は、高融点金属、高融点金属化合物、薄膜構成原料と高融点材料との複合体のいずれかを原料とすることを特徴とする請求項1に記載の原料ガス分解機構。   2. The raw material gas decomposition mechanism according to claim 1, wherein the catalyst body is made of any one of a refractory metal, a refractory metal compound, and a composite of a thin film constituent raw material and a refractory material. 前記触媒体は、純度99.99%以上のタングステン(W)であることを特徴とする請求項1に記載の原料ガス分解機構。   The raw material gas decomposition mechanism according to claim 1, wherein the catalyst body is tungsten (W) having a purity of 99.99% or more. 前記触媒体は、コイル状、ワイヤ状、網状、リング状、シート状、またはこれらの形状を組合わせた形状を呈することを特徴とする請求項1に記載の原料ガス分解機構。   The raw material gas decomposition mechanism according to claim 1, wherein the catalyst body has a coil shape, a wire shape, a net shape, a ring shape, a sheet shape, or a shape obtained by combining these shapes. 前記原料ガス導入手段は、前記開口面の面積を可変する開口面積可変手段を有することを特徴とする請求項1に記載の原料ガス分解機構。   2. The source gas decomposition mechanism according to claim 1, wherein the source gas introduction unit has an opening area varying unit that varies an area of the opening surface. 前記原料ガス導入手段は、前記基板との距離を可変にする可変手段を有することを特徴とする請求項1に記載の原料ガス分解機構。   The source gas decomposition mechanism according to claim 1, wherein the source gas introduction unit includes a variable unit that varies a distance from the substrate. 前記原料ガス導入手段は、前記開口面よりも内側にガス分散板を有することを特徴とする請求項1に記載の原料ガス分解機構。   2. The source gas decomposition mechanism according to claim 1, wherein the source gas introduction means has a gas dispersion plate inside the opening surface. 減圧下の反応室内で基板上に薄膜を気相堆積させるにあたって、前記薄膜の原料となる1種類または複数種類の原料ガスを原料ガス分解機構によって分解して前記原料ガスの分解種を生成する薄膜製造装置であって、
前記原料ガス分解機構は、
前記反応室に連通される開口部を有し、該開口部を介して前記反応室に前記原料ガスを導入する1つまたは複数の原料ガス導入手段と、
前記開口部での反応室側の開口面よりも前記基板側に変位した状態で、かつ前記開口部に近接した状態で配置される原料ガス分解用の触媒体と、
前記触媒体に通電することで該触媒体を昇温させる触媒体加熱手段と、
を備えることを特徴とする薄膜製造装置。
When a thin film is vapor-deposited on a substrate in a reaction chamber under reduced pressure, the thin film that decomposes one or more kinds of raw material gases as raw materials of the thin film by a raw material gas decomposition mechanism to generate decomposition species of the raw material gas Manufacturing equipment,
The raw material gas decomposition mechanism is
One or a plurality of source gas introducing means for introducing the source gas into the reaction chamber through the opening, the opening communicating with the reaction chamber;
A catalyst body for decomposing a raw material gas disposed in a state of being displaced closer to the substrate side than an opening surface on the reaction chamber side in the opening, and in a state of being close to the opening;
Catalyst body heating means for heating the catalyst body by energizing the catalyst body;
A thin film manufacturing apparatus comprising:
前記触媒体は、該触媒体と前記基板との距離が1cm以上10cm以下となるように配置されることを特徴とする請求項8に記載の薄膜製造装置。   The thin film manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the catalyst body is disposed such that a distance between the catalyst body and the substrate is 1 cm or more and 10 cm or less. 金属を加熱し、該金属を分子線として前記基板に照射する金属原料導入手段を更に備えることを特徴とする請求項8に記載の薄膜製造装置。   9. The thin film manufacturing apparatus according to claim 8, further comprising metal raw material introduction means for heating the metal and irradiating the substrate with the metal as a molecular beam. 前記触媒体と前記基板との間に輻射熱遮蔽板を更に備えることを特徴とする請求項8に記載の薄膜製造装置。   The thin film manufacturing apparatus according to claim 8, further comprising a radiant heat shielding plate between the catalyst body and the substrate. 減圧下の反応室内で基板上に薄膜を気相堆積させる薄膜製造方法であって、
前記薄膜の原料となる1種類または複数種類の原料ガスを請求項1に記載の原料ガス分解機構によって分解して該原料ガスの分解種を生成する工程を含むことを特徴とする薄膜製造方法。
A thin film manufacturing method in which a thin film is vapor-deposited on a substrate in a reaction chamber under reduced pressure,
The thin film manufacturing method characterized by including the process of decomposing | disassembling one type or multiple types of source gas used as the raw material of the said thin film by the source gas decomposition | disassembly mechanism of Claim 1, and producing | generating the decomposition | disassembly seed | species of this source gas.
前記薄膜の気相堆積前に、前記原料ガス分解機構によって所定の原料ガスの分解種を生成し、該分解種によって前記基板の表面を清浄化する工程を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の薄膜製造方法。   13. The method according to claim 12, further comprising the step of generating a predetermined source gas decomposition species by the source gas decomposition mechanism and cleaning the surface of the substrate with the decomposition species before vapor deposition of the thin film. The thin film manufacturing method as described in any one of. 前記原料ガス分解機構によって所定の原料ガスの分解種を生成し、該分解種によって前記基板の表面または前記薄膜の表面をエッチング処理する工程を更に含むことを特徴とする請求項12に記載の薄膜製造方法。   13. The thin film according to claim 12, further comprising a step of generating a decomposition source of a predetermined source gas by the source gas decomposition mechanism and etching the surface of the substrate or the surface of the thin film with the decomposition species. Production method. 基板上に積層された複数の薄膜を有し、該複数の薄膜は、請求項12に記載の薄膜製造方法によって製造された薄膜を少なくとも一つ含むことを特徴とする薄膜積層体。   A thin film laminate comprising a plurality of thin films laminated on a substrate, wherein the plurality of thin films include at least one thin film produced by the thin film production method according to claim 12. 前記基板と該基板に接する薄膜との界面での炭素不純物濃度が1×1017cm-3以下、酸素不純物濃度が1×1017cm-3以下であることを特徴とする請求項15に記載の薄膜積層体。 The carbon impurity concentration at the interface between the substrate and the thin film in contact with the substrate is 1 × 10 17 cm −3 or less, and the oxygen impurity concentration is 1 × 10 17 cm −3 or less. Thin film laminate. 前記基板は有機フィルムであることを特徴とする請求項15に記載の薄膜積層体。   The thin film laminate according to claim 15, wherein the substrate is an organic film. 前記請求項12に記載の薄膜製造方法によって製造された薄膜は、前記基板上に形成された有機EL素子を覆う保護膜であることを特徴とする請求項15に記載の薄膜積層体。   The thin film laminate according to claim 15, wherein the thin film produced by the thin film production method according to claim 12 is a protective film that covers the organic EL element formed on the substrate.
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