JP2020013878A - 負イオン照射装置、及び負イオン照射装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化合物半導体の製造効率及び品質を向上できる負イオン照射装置、及び負イオン照射装置の制御方法を提供する。【解決手段】制御部５０は、ガス供給部４０を制御して、真空チャンバー１０内にガスを供給する。ガス供給部４０は、化合物半導体１１を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給する。従って、真空チャンバー１０内には、化合物半導体１１を形成するイオンと同じ元素が存在することとなる。そして、制御部５０は、プラズマ生成部１４を制御して、真空チャンバー１０内にプラズマＰ及び電子を生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを化合物半導体１１へ照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、負イオン照射装置、及び負イオン照射装置の制御方法に関する。

従来、化合物半導体として特許文献１に記載されたものが知られている。このような化合物半導体を構成する単結晶基板には、結晶欠陥が多くなる。特許文献１では、製造方法を工夫する事により、単結晶基板の結晶欠陥を低減しようとしている。

特開２０１４−２２７１１号公報

しかしながら、単結晶基板を製造する際は、製造方法を工夫しても、結晶欠陥の発生を防ぐことは困難であった。更には、単結晶基板に結晶欠陥が発生した場合、当該結晶欠陥を埋めるための実用的な手法が存在していなかった。よって、単結晶基板の結晶欠陥はそのままの状態で用いられていた。単結晶基板は、結晶欠陥の量に応じてグレード（品質）が決定され、グレードに応じて用途が決定される。従って、化合物半導体に用いることができる単結晶基板の数量が限定されてしまうことで、化合物半導体の製造効率が低下してしまうという問題がある。一方、グレードの低い単結晶基板を化合物半導体として用いた場合、化合物半導体の品質が低下してしまうという問題がある。

そこで本発明は、化合物半導体の製造効率及び品質を向上できる負イオン照射装置、及び負イオン照射装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る負イオン照射装置は、化合物半導体へ負イオンを照射する負イオン照射装置であって、内部で負イオンの生成が行われるチャンバーと、化合物半導体を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給するガス供給部と、チャンバー内において、プラズマ及び電子を生成するプラズマ生成部と、化合物半導体を配置する配置部と、負イオン照射装置の制御を行う制御部と、を備え、制御部は、ガス供給部を制御して、チャンバー内にガスを供給し、プラズマ生成部を制御して、チャンバー内にプラズマ及び電子を生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを化合物半導体へ照射する。

本発明に係る負イオン照射装置では、制御部は、ガス供給部を制御して、チャンバー内にガスを供給する。ガス供給部は、化合物半導体を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給する。従って、チャンバー内には、化合物半導体を形成するイオンと同じ元素が存在することとなる。そして、制御部は、プラズマ生成部を制御して、チャンバー内にプラズマ及び電子を生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを化合物半導体へ照射する。これにより、化合物半導体を形成するイオンと同じ元素の負イオンが、化合物半導体へ照射される。これにより、負イオンが化合物半導体内の陰イオン由来の結晶欠陥に入り込むことで、当該結晶欠陥を埋めることができる。このように化合物半導体の結晶欠陥を埋めることができるため化合物半導体の品質を向上することができる。また、負イオン照射前は化合物半導体としてのグレードが十分でなかった場合であっても、負イオン照射で品質を向上できるため、事前の単結晶基板のグレードの選別の必要性を低減することができる。以上により、化合物半導体の製造効率及び品質を向上できる。

本発明に係る負イオン照射装置の制御方法は、化合物半導体へ負イオンを照射する負イオン照射装置の制御方法であって、負イオン照射装置は、内部で負イオンの生成が行われるチャンバーと、化合物半導体を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給するガス供給部と、チャンバー内において、プラズマ及び電子を生成するプラズマ生成部と、化合物半導体を配置する配置部と、負イオン照射装置の制御を行う制御部と、を備え、制御部によりガス供給部を制御して、チャンバー内にガスを供給するガス供給工程と、制御部によりプラズマ生成部を制御して、チャンバー内にプラズマ及び電子を生成し、且つ、プラズマの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを化合物半導体へ照射する負イオン照射工程と、を有する。

本発明に係る負イオン照射装置の制御方法によれは、上述の負イオン照射装置と同趣旨の作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、化合物半導体の製造効率及び品質を向上できる負イオン照射装置、及び負イオン照射装置の制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る負イオン照射装置の構成を示す概略断面図であって、プラズマ生成時における動作状態を示す図である。 図１の負イオン照射装置の構成を示す概略断面図であって、プラズマ停止時における動作状態を示す図である。 本実施形態に係る負イオン照射装置の制御方法を示すフローチャートである。 負イオンが化合物半導体へ照射されるときの様子を模式的に示す図である。 比較例として、化合物半導体に正イオンを注入するときの様子を模式的に示した図である。 化合物半導体に負イオンを注入するときの様子を模式的に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る負イオン照射装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る負イオン照射装置の構成について説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る負イオン照射装置の構成を示す概略断面図である。図１は、プラズマ生成時の動作状態を示し、図２は、プラズマ停止時における動作状態を示している。

図１及び図２に示すように、本実施形態の負イオン照射装置１は、いわゆるイオンプレーティング法に用いられる成膜技術を負イオン照射に応用した装置である。なお、説明の便宜上、図１及び図２には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する化合物半導体が搬送される方向である。Ｘ軸方向は、化合物半導体の厚さ方向である。Ｚ軸方向は、Ｙ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向である。

負イオン照射装置１は、化合物半導体１１の板厚方向が略鉛直方向となるように化合物半導体１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送されるいわゆる横型の負イオン照射装置であってもよい。この場合には、Ｚ軸及びＹ軸方向は水平方向であり、Ｘ軸方向は鉛直方向且つ板厚方向となる。なお、負イオン照射装置１は、化合物半導体１１の板厚方向が水平方向（図１及び図２ではＸ軸方向）となるように、化合物半導体１１を直立又は直立させた状態から傾斜した状態で、化合物半導体１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送される、いわゆる縦型の負イオン照射装置であってもよい。この場合には、Ｘ軸方向は水平方向且つ化合物半導体１１の板厚方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向となる。本発明の一実施形態に係る負イオン照射装置は、以下、横型の負イオン照射装置を例として説明する。

負イオン照射装置１は、真空チャンバー１０、搬送機構（配置部）３、プラズマ生成部１４、ガス供給部４０、回路部３４、電圧印加部９０、及び制御部５０を備えている。

真空チャンバー１０は、化合物半導体１１を収納し成膜処理を行うための部材である。真空チャンバー１０は、化合物半導体１１を搬送するための搬送室１０ａと、負イオンを生成するための生成室１０ｂと、プラズマガン７からビーム状に照射されるプラズマＰを真空チャンバー１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有している。搬送室１０ａ、生成室１０ｂ、及びプラズマ口１０ｃは互いに連通している。搬送室１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ）に（Ｙ軸に）沿って設定されている。また、真空チャンバー１０は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。搬送室１０ａには、化合物半導体１１を加熱するための加熱部３０が設けられる。加熱部３０は、搬送室１０ａのうち、生成室１０ｂとの連通部よりも搬送方向における上流側に設けられる。従って、生成室１０ｂからの負イオンは、加熱された状態の化合物半導体１１へ照射される。

生成室１０ｂは、壁部１０Ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１０ｈ，１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１０ｊと、を有する。

搬送機構３は、生成室１０ｂと対向した状態で化合物半導体１１を保持する化合物半導体保持部材１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。搬送機構３は、化合物半導体１１を配置する配置部として機能する。例えば化合物半導体保持部材１６は、化合物半導体１１の外周縁を保持する枠体である。搬送機構３は、搬送室１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、化合物半導体保持部材１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。なお、化合物半導体１１は、板状の基板である。化合物半導体１１の材質等については後述する。

続いて、プラズマ生成部１４の構成について詳細に説明する。プラズマ生成部１４は、真空チャンバー１０内において、プラズマ及び電子を生成する。プラズマ生成部１４は、プラズマガン７と、ステアリングコイル５と、ハース機構２と、を有している。

プラズマガン７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分が生成室１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して生成室１０ｂに接続されている。プラズマガン７は、真空チャンバー１０内でプラズマＰを生成する。プラズマガン７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１０ｃから生成室１０ｂ内へビーム状に出射される。これにより、生成室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。

プラズマガン７は、陰極６０により一端が閉塞されている。陰極６０とプラズマ口１０ｃとの間には、第１の中間電極（グリッド）６１と、第２の中間電極（グリッド）６２とが同心的に配置されている。第１の中間電極６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石６１ａが内蔵されている。第２の中間電極６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル６２ａが内蔵されている。

プラズマガン７は、負イオンを生成するときは、生成室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成する。具体的には、プラズマガン７は、後述の制御部５０によって生成室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成するように制御されている。この制御については、制御部５０の説明において詳述する。

ステアリングコイル５は、プラズマガンが装着されたプラズマ口１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル５は、プラズマＰを生成室１０ｂ内に導く。ステアリングコイル５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により励磁される。

ハース機構２は、プラズマガンからのプラズマＰを所望の位置へ導く機構である。ハース機構２は、主ハース１７及び輪ハース６を有している。主ハース１７は、負イオン照射装置１を用いて成膜を行う場合に、成膜材料を保持する陽極として機能する。ただし、負イオン生成を行う際には、プラズマＰが成膜材料に導かれないように、輪ハース６へプラズマが誘導される。従って、負イオン照射装置１が成膜を行わず、負イオン照射のみを行う場合は、主ハース１７に成膜材料は保持されていなくてよい。あるいは、ハース機構２は、プラズマＰを導くだけの構成を有していればよい。

輪ハース６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する陽極である。輪ハース６は、主ハース１７の充填部１７ａの周囲に配置されている。輪ハース６は、環状のコイル９と環状の永久磁石部２０と環状の容器１２とを有し、コイル９及び永久磁石部２０は容器１２に収容されている。本実施形態では、搬送機構３から見てＸ負方向にコイル９、永久磁石部２０の順に設置されているが、Ｘ負方向に永久磁石部２０、コイル９の順に設置されていてもよい。

ガス供給部４０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。ガス供給部４０は、生成室１０ｂの側壁（例えば、側壁１０ｈ）に設けられたガス供給口４１を通し、真空チャンバー１０内へガスを供給する。ガスの具体的な例は、後述する。

ガス供給口４１の位置は、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近の位置が好ましい。この場合、ガス供給部４０からのガスを、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に供給することができるので、当該境界付近において後述する負イオンの生成が行われる。よって、生成した負イオンを、搬送室１０ａにおける化合物半導体１１に好適に注入させることができる。なお、ガス供給口４１の位置は、生成室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に限られない。

回路部３４は、可変電源８０と、第１の配線７１と、第２の配線７２と、抵抗器Ｒ１〜Ｒ４と、短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、を有している。

可変電源８０は、接地電位にある真空チャンバー１０を挟んで、負電圧をプラズマガン７の陰極６０に、正電圧をハース機構２の主ハース１７に印加する。これにより、可変電源８０は、プラズマガン７の陰極６０とハース機構２の主ハース１７との間に電位差を発生させる。

第１の配線７１は、プラズマガン７の陰極６０を、可変電源８０の負電位側と電気的に接続している。第２の配線７２は、ハース機構２の主ハース１７（陽極）を、可変電源８０の正電位側と電気的に接続している。

抵抗器Ｒ１は、一端がプラズマガン７の第１の中間電極６１と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ１は、第１の中間電極６１と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ２は、一端がプラズマガン７の第２の中間電極６２と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ２は、第２の中間電極６２と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ３は、一端が生成室１０ｂの壁部１０Ｗと電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ３は、生成室１０ｂの壁部１０Ｗと可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ４は、一端が輪ハース６と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ４は、輪ハース６と可変電源８０との間において直列接続されている。

短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、それぞれ制御部５０からの指令信号を受信することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えられる切替部である。

短絡スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ２に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ１は、プラズマＰを生成するときはＯＦＦ状態とされる。これにより、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射される。なお、プラズマガン７からのプラズマＰを真空チャンバー１０内に出射する場合、第２の中間電極６２への電流を流れにくくする事に代えて、第１の中間電極６１への電流を流れにくくしてもよい。この場合、短絡スイッチＳＷ１は、第２の中間電極６２側に代えて、第１の中間電極６１側に接続される。

一方、短絡スイッチＳＷ１は、プラズマＰを停止するときはＯＮ状態とされる。これにより、第２の中間電極６２と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間に電流が流れる。すなわち、プラズマガン７に短絡電流が流れる。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射されなくなる。

負イオンを生成するときは、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が制御部５０によって所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内において間欠的に生成される。すなわち、短絡スイッチＳＷ１は、真空チャンバー１０内へのプラズマＰの供給と遮断とを切り替える切替部である。

短絡スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ４に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ２は、プラズマＰを主ハース１７側に導くか輪ハース６側へ導くかにより、制御部５０でＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ２がＯＮ状態とされると、輪ハース６と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、主ハース１７よりも輪ハース６に電流を流しやすくなる。これにより、プラズマＰは、輪ハース６に導かれやすくなる。一方、短絡スイッチＳＷ２がＯＦＦ状態とされると、輪ハース６と可変電源８０が抵抗器Ｒ４を介して電気的に接続されるので、輪ハース６よりも主ハース１７に電流を流しやすくなり、プラズマＰが主ハース１７側へ導かれやすくなる。なお、負イオン生成時には、短絡スイッチＳＷ２はＯＮ状態で保たれる。負イオン照射装置１で成膜を行わない場合は、短絡スイッチＳＷ２はＯＮ状態で保たれてよい。

電圧印加部９０は、成膜後の化合物半導体（対象物）１１に正の電圧を印加可能である。電圧印加部９０は、バイアス回路３５と、トロリ線１８と、を備える。

バイアス回路３５は、成膜後の化合物半導体１１に正のバイアス電圧を印加するための回路である。バイアス回路３５は、化合物半導体１１に正のバイアス電圧（以下、単に「バイアス電圧」ともいう）を印加するバイアス電源２７と、バイアス電源２７とトロリ線１８とを電気的に接続する第３の配線７３と、第３の配線７３に設けられた短絡スイッチＳＷ３とを有している。バイアス電源２７は、バイアス電圧として、周期的に増減する矩形波である電圧信号（周期的電気信号）を印加する。バイアス電源２７は、印加するバイアス電圧の周波数を制御部５０の制御によって変更可能に構成されている。第３の配線７３は、一端がバイアス電源２７の正電位側に接続されていると共に、他端がトロリ線１８に接続されている。これにより、第３の配線７３は、トロリ線１８とバイアス電源２７とを電気的に接続する。

短絡スイッチＳＷ３は、第３の配線７３によって、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側との間において直列に接続されている。短絡スイッチＳＷ３は、トロリ線１８へのバイアス電圧の印加の有無を切り替える切替部である。短絡スイッチＳＷ３は、制御部５０によってそのＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成時に所定のタイミングでＯＮ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＮ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７の正電位側とが互いに電気的に接続され、トロリ線１８にバイアス電圧が印加される。

一方、短絡スイッチＳＷ３は、負イオン生成時における所定のタイミングにおいてＯＦＦ状態とされる。短絡スイッチＳＷ３がＯＦＦ状態とされると、トロリ線１８とバイアス電源２７とが互いに電気的に切断され、トロリ線１８にはバイアス電圧が印加されない。

トロリ線１８は、化合物半導体保持部材１６への給電を行う架線である。トロリ線１８は、搬送室１０ａ内に搬送方向（矢印Ａ）に延伸して設けられている。トロリ線１８は、化合物半導体保持部材１６に設けられた給電ブラシ４２と接触することで、給電ブラシ４２を通して化合物半導体保持部材１６への給電を行う。トロリ線１８は、例えばステンレス製の針金等により構成されている。

制御部５０は、負イオン照射装置１全体を制御する装置であり、装置全体を統括的に管理するＥＣＵ[Electronic Control Unit]を備えている。ＥＣＵは、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]、ＣＡＮ［Controller Area Network］通信回路等を有する電子制御ユニットである。ＥＣＵでは、例えば、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。ＥＣＵは、複数の電子ユニットから構成されていてもよい。

制御部５０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。また、制御部５０は、ガス供給部４０によるガス供給を制御するガス供給制御部５１と、プラズマ生成部１４によるプラズマＰの生成を制御するプラズマ制御部５２と、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する電圧制御部５３と、を備えている。

ガス供給制御部５１は、ガス供給部４０を制御して、生成室１０ｂ内にガスを供給する。続いて、制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマガン７からのプラズマＰを生成室１０ｂ内で間欠的に生成するようにプラズマ生成部１４を制御する。例えば、制御部５０によって、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内で間欠的に生成される。

短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態とされているとき（図１の状態）は、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内に出射されるため、生成室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。プラズマＰは、中性粒子、正イオン、負イオン（酸素ガスなどの負性気体が存在する場合）、及び電子を構成物質としている。従って、生成室１０ｂ内に電子が生成されることとなる。短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態とされているとき（図２の状態）は、プラズマガン７からのプラズマＰが生成室１０ｂ内に出射されないので生成室１０ｂ内におけるプラズマＰの電子温度が急激に低下する。このため、生成室１０ｂ内に供給されたガスの粒子に、電子が付着し易くなる。これにより、生成室１０ｂ内には、負イオンが効率的に生成される。

制御部５０は、電圧印加部９０による電圧の印加を制御する。制御部５０は、所定のタイミング（例えば、プラズマＰが停止されているタイミング）にて、電圧印加部９０による電圧を印加する。なお、電圧印加部９０による電圧の印加を開始するタイミングは、制御部５０にて予め設定される。電圧印加部９０によって化合物半導体１１に正のバイアス電圧が付与されることで、真空チャンバー１０内の負イオンが化合物半導体１１へ導かれる。これにより、負イオンが化合物半導体へ照射される。

ここで、化合物半導体１１と負イオンとの関係について説明する。化合物半導体１１は陽イオン（カチオン）と陰イオン（アニオン）によって形成される。このような化合物半導体１１に対して、当該化合物半導体１１を形成する陰イオンと同じ元素を含む負イオンが照射される。また、ガス供給部４０によって供給されるガスは、化合物半導体１１を形成する陰イオンと同じ元素を含む。なお、ガスは、Ａｒなどの希ガスも含む。

例えば、化合物半導体１１がＺｎＯ、Ｇａ_２Ｏ_３などで形成される場合、Ｏ⁻などの負イオンが照射される。ガス供給部４０のガスは、Ｏ_２などを含む。化合物半導体１１がＡｌＮ、ＧａＮなどで形成される場合、ＮＨ⁻などの窒化物の負イオンが照射される。なお、注入したＨはアニールによって除去される。ガス供給部４０のガスは、ＮＨ_２、ＮＨ_４などを含む。その他、化合物半導体１１がＳｉＣなどで形成される場合、Ｃ⁻やＳｉ⁻などの負イオンが照射される。ガス供給部４０のガスは、Ｃ_２Ｈ_６やＳｉＨ_４などを含む。なお、化合物半導体１１がＳｉＣの場合には、Ｓｉも負イオンとすることができるので、カチオン側も負イオンとして照射することが可能である。

なお、電子親和力が正の原子、分子は負イオンになりやすい。従って、そのような原子、分子の陰イオンが化合物半導体１１に含まれている場合、同じ原子、分子を含む負イオンを照射してよい。例えば、負イオンにし易いものとして、Ｈ、Ｈｅ、Ｃ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ｓ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｈ_２、Ｏ_２、Ｃｌ_２、Ｂｒ_２、Ｉ_２、ＣＨ、ＯＨ、ＣＮ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＮＨ_２、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ_２、ＣＣｌ_４、ＳＦ_６等が挙げられる。

次に、図３を参照して、負イオン照射装置１の制御方法について説明する。図３は、本実施形態に係る負イオン照射装置１の制御方法を示すフローチャートである。なお、ここでは、化合物半導体１１がＺｎＯで形成されており、Ｏ⁻の負イオンを照射する場合を例にして説明する。

図３に示すように、負イオン照射装置１の制御方法は、ガス供給工程Ｓ１０と、プラズマ生成工程Ｓ２０（負イオン照射工程の一部）と、電圧印加工程Ｓ３０（負イオン照射工程の一部）と、を備える。各工程は、制御部５０によって実行される。

まず、制御部５０のガス供給制御部５１は、ガス供給部４０を制御して、真空チャンバー１０内にガスを供給する（ガス供給工程Ｓ１０）。これにより、真空チャンバー１０の生成室１０ｂにはＯ_２のガスが存在した状態となる。その後、プラズマ生成工程Ｓ２０が実行される。

制御部５０のプラズマ制御部５２は、プラズマ生成部１４を制御して、真空チャンバー１０内にプラズマＰ及び電子を生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成する（プラズマ制御工程Ｓ２０）。真空チャンバー１０の生成室１０ｂ内でプラズマＰ及び電子が生成されると、プラズマＰによって「Ｏ_２＋ｅ⁻→２Ｏ＋ｅ⁻」という反応が進む。その後、プラズマＰの生成が停止されると、生成室１０ｂ内では、電子温度が急激に低下することで、「Ｏ＋ｅ⁻→Ｏ⁻」という反応が進む。プラズマ生成工程Ｓ２０が実行された後の所定のタイミングで、電圧印加工程Ｓ３０が実行される。なお、厳密にはプラズマ生成中にも負イオンは生成されており、負イオン照射時には、プラズマ生成時に生成された負イオンも照射される。

制御部５０の電圧制御部５３は、電圧印加部９０を制御して化合物半導体１１にバイアス電圧を印加する（電圧制御工程Ｓ３０）。これにより、生成室１０ｂ内のＯ⁻の負イオン８１が化合物半導体１１側へ向かい、当該化合物半導体１１へ照射される（図２及び図４参照）。

次に、本実施形態に係る負イオン照射装置１及びその制御方法の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る負イオン照射装置１では、制御部５０は、ガス供給部４０を制御して、真空チャンバー１０内にガスを供給する。ガス供給部４０は、化合物半導体１１を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給する。従って、真空チャンバー１０内には、化合物半導体１１を形成するイオンと同じ元素が存在することとなる。そして、制御部５０は、プラズマ生成部１４を制御して、真空チャンバー１０内にプラズマＰ及び電子を生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを化合物半導体１１へ照射する。

例えば、図４（ａ）に示すように、化合物半導体１１を形成するイオンと同じ元素の負イオン８１が、化合物半導体１１へ照射される。負イオン８１は、化合物半導体１１の表面１１ａから内部へ入り込む。これにより、負イオン８１が化合物半導体１１内の陰イオン由来の結晶欠陥８５に入り込むことで、図４（ｂ）に示すように、当該結晶欠陥８５を埋めることができる。

ここで、図５及び図６を参照して、化合物半導体１１に対して負イオンを照射することのメリットについて説明する。図５及び図６では、化合物半導体１１を形成する陽イオン８６及び陰イオン８７のイオン結合構造が示されている。図５は、比較例として、化合物半導体に正イオン８３を注入するときの様子を模式的に示した図である。図５に示すように、化合物半導体１１に正イオン８３が注入されると、正イオン８３は、陽イオン８６と陰イオン８７とのクーロン力の影響の中を通過していかなくてはならないため、化合物半導体１１内部へスムーズに入っていきにくいという問題がある。また、正イオン８３の注入によって二次電子としての電子８２の放出が生じると、基板がチャージアップしてしまうという問題が生じる。

これに対し、化合物半導体１１へ向かう負イオン８１（図６（ａ）参照）が当該化合物半導体１１に到達すると、図６（ｂ）に示すように、衝突によって電子８２が取れ易い。従って、負イオン８１は、電子８２が取れた中性状態の粒子８１ａとして、イオン結合の中を進行してゆく。中性状態の粒子８１ａは、陽イオン８６と陰イオン８７とのクーロン力の影響を受けずに化合物半導体１１内部へスムーズに入っていくことができる。従って、負イオン８１のエネルギーは例えば７０ｅＶ以下の低エネルギーでよい。また、負イオン８１を注入する際には、基板のチャージアップも生じない。なお、負イオン８１は、加熱部３０（図１参照）で加熱された状態の化合物半導体１１へ注入される。従って、濃度拡散によって化合物半導体１１の奥へ所望の元素が入っていき、また、熱処理によって余分な元素が抜けてゆくため、粒子８１ａが結晶欠陥のみを埋めることができる。

また、例えば、比較例として負イオン源を用いて負イオン照射する場合、負イオンを照射できる面積が小さい。一方、本実施形態のように、プラズマ生成部１４を備える負イオン照射装置１は、化合物半導体１１に対して大面積で負イオンを照射することができる。また、例えば、比較例として単一のエネルギーの負イオンのみを照射した場合、化合物半導体１１の所定の深さ位置にのみ負イオンが入り込むため、深さ方向の広い範囲にわたって結晶欠陥を埋めることができない。一方、本実施形態に係る負イオン照射装置１は、幅広いエネルギーの負イオンを生成することができるため、深さ方向の広い範囲にわたって結晶欠陥を埋めることができる。

以上のように、本実施形態に係る負イオン照射装置１は、化合物半導体１１の結晶欠陥を埋めることができるため化合物半導体１１の品質を向上することができる。また、負イオン照射前は化合物半導体１１としてのグレードが十分でなかった場合であっても、負イオン照射で品質を向上できるため、事前の単結晶基板のグレードの選別の必要性を低減することができる。以上により、化合物半導体の製造効率及び品質を向上できる。

本実施形態に係る負イオン照射装置１の制御方法は、ガス供給部４０を制御して、真空チャンバー１０内にガスを供給するガス供給工程Ｓ１０と、プラズマ生成部１４を制御して、真空チャンバー１０内にプラズマＰ及び電子を生成し、且つ、プラズマＰの生成を停止することで電子とガスとにより負イオンを生成し、当該負イオンを化合物半導体１１へ照射する負イオン照射工程（プラズマ制御工程Ｓ２０、電圧印加工程Ｓ３０）と、を有する。

本実施形態に係る負イオン照射装置１の制御方法によれは、上述の負イオン照射装置１と同趣旨の作用・効果を得ることができる。

以上、本実施形態の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

また、上記実施形態では、イオンプレーティング型の成膜装置としての機能も備えた負イオン照射装置について説明したが、負イオン照射装置は、成膜装置の機能を有していなくてもよい。従って、プラズマＰは、例えばプラズマガンと対向する壁部の電極などに導かれてよい。

例えば、上記実施形態では、プラズマガン７を圧力勾配型のプラズマガンとしたが、プラズマガン７は、真空チャンバー１０内にプラズマを生成できればよく、圧力勾配型のものには限られない。

また、上記実施形態では、プラズマガン７とプラズマＰを導く箇所（ハース機構２）の組が真空チャンバー１０内に一組だけ設けられていたが、複数組設けてもよい。また、一箇所に対して、複数のプラズマガン７からプラズマＰを供給してもよい。

１…負イオン照射装置（負イオン照射装置）、３…搬送機構（配置部）、７…プラズマガン、１０…真空チャンバー、１１…化合物半導体、１４…プラズマ生成部、４０…ガス供給部、５０…制御部、Ｐ…プラズマ。

Claims (2)

1. 化合物半導体へ負イオンを照射する負イオン照射装置であって、
   内部で前記負イオンの生成が行われるチャンバーと、
   前記化合物半導体を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給するガス供給部と、
   前記チャンバー内において、プラズマ及び電子を生成するプラズマ生成部と、
   前記化合物半導体を配置する配置部と、
   前記負イオン照射装置の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記ガス供給部を制御して、前記チャンバー内に前記ガスを供給し、
   前記プラズマ生成部を制御して、前記チャンバー内に前記プラズマ及び前記電子を生成し、且つ、前記プラズマの生成を停止することで前記電子と前記ガスとにより前記負イオンを生成し、当該負イオンを前記化合物半導体へ照射する、負イオン照射装置。
2. 化合物半導体へ負イオンを照射する負イオン照射装置の制御方法であって、
   前記負イオン照射装置は、
   内部で前記負イオンの生成が行われるチャンバーと、
   前記化合物半導体を形成するイオンと同じ元素を含むガスを供給するガス供給部と、
   前記チャンバー内において、プラズマ及び電子を生成するプラズマ生成部と、
   前記化合物半導体を配置する配置部と、
   前記負イオン照射装置の制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部により前記ガス供給部を制御して、前記チャンバー内に前記ガスを供給するガス供給工程と、
   前記制御部により前記プラズマ生成部を制御して、前記チャンバー内に前記プラズマ及び前記電子を生成し、且つ、前記プラズマの生成を停止することで前記電子と前記ガスとにより前記負イオンを生成し、当該負イオンを前記化合物半導体へ照射する負イオン照射工程と、を有する、負イオン照射装置の制御方法。

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