JP2021025118A - Semiconductor film deposition apparatus, film deposition method using the same and method for manufacturing semiconductor device using the film deposition method - Google Patents

Semiconductor film deposition apparatus, film deposition method using the same and method for manufacturing semiconductor device using the film deposition method Download PDF

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Abstract

To provide a semiconductor film deposition apparatus capable of forming a high purity film, a film deposition method using the same, and a method for manufacturing a semiconductor device.SOLUTION: The semiconductor film deposition apparatus including a first shutter insertable on a substrate holding table achieves high vacuum in a chamber by an exhaust step of performing at least one of a first process of emitting nitrogen radicals into a chamber in the state of closing the first shutter and stopping and exhausting the nitrogen radicals and a process 2 of evaporating a getter material in the state of closing the first shutter once or more to deposit a semiconductor film on the substrate. Consequently, a high purity film is provided; a high purity semiconductor film can be formed; and an excellent semiconductor device can be obtained.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は半導体成膜装置、特にIII族窒化物薄膜を形成する半導体成膜装置及びその成膜方法並びにそれを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor film forming apparatus, particularly a semiconductor film forming apparatus for forming a Group III nitride thin film, a film forming method thereof, and a method for manufacturing a semiconductor apparatus using the same.

近年、ワイドバンドギャップ半導体デバイスとしてGaN系の材料を用いた光デバイスや電子デバイスの研究が活発に行われている。このようなGaN系材料の結晶成長にはMOCVDやMBEが多く用いられている。最近では短パルスレーザーで加熱せずにIII族元素を昇華させつつ、プラズマ励起で窒素ラジカルを発生させることでV族を供給するPLD法(Pulse Laser Deposition)による成膜が注目されている。 In recent years, research on optical devices and electronic devices using GaN-based materials as wide bandgap semiconductor devices has been actively conducted. MOCVD and MBE are often used for crystal growth of such GaN-based materials. Recently, attention has been paid to film formation by the PLD method (Pulse Laser Deposition), which supplies group V by generating nitrogen radicals by plasma excitation while sublimating group III elements without heating with a short pulse laser.

PLD法は、短パルスレーザーをターゲット材料に照射することで材料が瞬間的に蒸発するアブレーションと呼ばれる現象を用いて、ターゲット材料を被成膜物である基板上に堆積する成膜方法であり、MOCVD法と異なり有機ソースガスの供給も除害設備も不要である。(特許文献1−4) The PLD method is a film forming method in which a target material is deposited on a substrate which is a film to be filmed by using a phenomenon called ablation in which the material is instantaneously evaporated by irradiating the target material with a short pulse laser. Unlike the MOCVD method, there is no need to supply organic source gas or ablation equipment. (Patent Document 1-4)

MBE法は、ターゲットを高温に加熱して膜を蒸着する成膜方法であり(例えば特許文献5)、有機ソースガスを使用しない。しかし、MBE成膜装置は、装置全体が高温となるため、装置全体を冷却し、温度管理するための複雑な機構が必要となる。
PLD法は、他の成膜方法と比べ、簡単な構成の成膜装置で、GaN系材料の結晶を形成することができる。
The MBE method is a film forming method in which a target is heated to a high temperature to deposit a film (for example, Patent Document 5), and an organic source gas is not used. However, since the entire apparatus of the MBE film forming apparatus becomes hot, a complicated mechanism for cooling the entire apparatus and controlling the temperature is required.
Compared with other film forming methods, the PLD method can form crystals of a GaN-based material with a film forming apparatus having a simple structure.

PLD法で使用するレーザーは、パルス幅(パルス長)が、例えばナノ秒オーダー、ピコ秒オーダー、フェムト秒オーダーのレーザーが使用できる。
ナノ秒オーダー以上の場合は、ターゲットの加熱を伴うことになるが、パルス幅がピコ秒オーダー、フェムト秒オーダーの場合は、ターゲットが加熱されることなく、レーザーが照射された箇所のターゲット材料を瞬間的に蒸発することができる。特にパルス幅がピコ秒オーダーの場合、安定して堆積速度の高い成膜が可能となる。
なお、本明細書において、簡単のためレーザー光を単にレーザーと称し、PLD法による成膜装置を単にPLD成膜装置又はPLD装置と称する。
As the laser used in the PLD method, a laser having a pulse width (pulse length) of, for example, nanosecond order, picosecond order, or femtosecond order can be used.
If it is on the order of nanoseconds or more, it will be accompanied by heating of the target, but if the pulse width is on the order of picoseconds or femtoseconds, the target material of the laser-irradiated part will be used without heating the target. It can evaporate instantaneously. In particular, when the pulse width is on the order of picoseconds, stable film formation with a high deposition rate is possible.
In the present specification, for the sake of simplicity, the laser beam is simply referred to as a laser, and the film forming apparatus by the PLD method is simply referred to as a PLD film forming apparatus or a PLD apparatus.

特開2018−206867号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-206867 特開2018−170437号公報JP-A-2018-170437 特開2017−157694号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-157694 特開2007−288141号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-288141 特開2015−62255号公報JP-A-2015-62255

PLD成膜装置では真空チャンバ内雰囲気の水分やハイドロカーボンが成膜中のGaN半導体層内に取り込まれ易いという問題がある。水から供給される酸素は、半導体中でドナーとなる場合があり、キャリア濃度の再現性を低下させる場合がある。またハイドロカーボンなどが残れば、カーボンはGaN結晶の中で複雑な深い準位を形成することが知られている。このように真空チャンバ内雰囲気の不純物を低減することはGaN層の高品質化のために重要である。 The PLD film forming apparatus has a problem that moisture in the atmosphere in the vacuum chamber and hydrocarbon are easily taken into the GaN semiconductor layer during film formation. Oxygen supplied from water can be a donor in the semiconductor and can reduce the reproducibility of carrier concentrations. Further, it is known that carbon forms a complicated deep level in a GaN crystal if hydrocarbon or the like remains. It is important to reduce the impurities in the atmosphere in the vacuum chamber in this way in order to improve the quality of the GaN layer.

上記課題を鑑み、本発明は、残留水分や残留ガスなどを効果的に排除した状態で成膜することを可能にする半導体成膜装置及びその成膜方法並びに半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a semiconductor film forming apparatus, a film forming method thereof, and a method for manufacturing the semiconductor apparatus, which enable film formation in a state in which residual moisture, residual gas, etc. are effectively removed. With the goal.

本発明に係る成膜方法は、
ラジカル発生装置と、
基板保持台とターゲットステージとを有するチャンバと、
前記チャンバを排気する排気装置と、
記基板保持台上で挿脱可能な第1のシャッターとを備えた半導体成膜装置において、
前記第1のシャッターを閉じた状態で、
前記ラジカル発生装置から窒素ラジカルを照射するラジカル照射工程と、
前記ラジカル発生装置からの窒素ラジカル照射を停止して排気する排気工程とをこの順に実行する第1のプロセスを1回以上含み、
前記第1のプロセスの後に前記第1のシャッターを開いた状態で、
前記ターゲットステージ上の第1のターゲットホルダーに収容された第1のターゲットを蒸発させ、前記基板保持台に保持された基板に成膜する成膜工程を含むことを特徴とする。
The film forming method according to the present invention
Radical generator and
A chamber with a board holder and a target stage,
An exhaust device that exhausts the chamber and
In a semiconductor film forming apparatus provided with a first shutter that can be inserted and removed on a substrate holding table,
With the first shutter closed
A radical irradiation step of irradiating nitrogen radicals from the radical generator, and
The first process of executing the exhaust step of stopping the irradiation of nitrogen radicals from the radical generator and exhausting the gas in this order is included once or more.
With the first shutter open after the first process,
It is characterized by including a film forming step of evaporating a first target housed in a first target holder on the target stage and forming a film on a substrate held on the substrate holding table.

このような成膜方法とすることにより、従来排気が困難であった水やハイドロカーボンを窒素ラジカルとの反応により排気を促進し、到達真空の圧力を低減することができる。その結果、半導体成膜装置により成膜された膜の純度を向上させることができる。 By adopting such a film forming method, it is possible to promote the exhaust of water or hydrocarbon, which has been difficult to exhaust in the past, by reacting with nitrogen radicals, and reduce the pressure of the ultimate vacuum. As a result, the purity of the film formed by the semiconductor film forming apparatus can be improved.

また、本発明に係る成膜方法は、
前記ラジカル発生装置は、周囲にコイルを有する放電室を備え、
前記放電室内には、触媒が配置されていることを特徴とする。
Further, the film forming method according to the present invention is
The radical generator includes a discharge chamber having a coil around it.
A catalyst is arranged in the discharge chamber.

また、本発明に係る成膜方法は、
前記触媒は、Ru又はReを担持したC12A7エレクトライドであることを特徴とする。
Further, the film forming method according to the present invention is
The catalyst is characterized by being a C12A7 electride carrying Ru or Re.

また、本発明に係る成膜方法は、
前記ラジカル照射工程において、前記ラジカル発生装置は、10%以下の酸素、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンうち少なくとも1種を添加した窒素ガスから窒素ラジカルを発生させることを特徴とする。
Further, the film forming method according to the present invention is
In the radical irradiation step, the radical generator is characterized in that nitrogen radicals are generated from nitrogen gas to which at least one of 10% or less of oxygen, hydrogen, helium, neon, argon, krypton, and xenon is added.

このような成膜方法とすることにより、さらに窒素ラジカルを効率的に発生させる効果を高めることができる。 By adopting such a film forming method, the effect of efficiently generating nitrogen radicals can be further enhanced.

また、本発明に係る成膜方法は、
前記ラジカル照射工程は、圧力が10[Pa]以下、窒素ラジカル密度と処理時間との積が1×1012[cm−3・min]以上であることを特徴とする。
Further, the film forming method according to the present invention is
The radical irradiation step is characterized in that the pressure is 10 [Pa] or less, and the product of the nitrogen radical density and the treatment time is 1 × 10 12 [cm -3 · min] or more.

このような成膜方法とすることにより、チャンバ内の残存する水やハイドロカーボンと効果的に窒素ラジカルが反応し、これらの残留ガス分圧を低下させることができる。 By adopting such a film forming method, nitrogen radicals can effectively react with the remaining water and hydrocarbon in the chamber, and the partial pressure of these residual gases can be reduced.

また、本発明に係る成膜方法は、
少なくとも前記第1のプロセスの前又は後に、
前記ターゲットステージ上の第2のターゲットホルダーにゲッター材料からなる第2のターゲットを収容し、前記第2のシャッターを閉じた状態で、前記第2のターゲットを蒸発させる第2のプロセスを実行する
Further, the film forming method according to the present invention is
At least before or after the first process
A second target made of getter material is housed in a second target holder on the target stage, and a second process of evaporating the second target is performed with the second shutter closed.

このような成膜方法においては、蒸発させたゲッター材料をチャンバ内、特に第1のシャッターに形成することにより、チャンバの雰囲気内に残存する不純物をさらに除去することができる。 In such a film forming method, impurities remaining in the atmosphere of the chamber can be further removed by forming the evaporated getter material in the chamber, particularly in the first shutter.

また、本発明に係る成膜方法は、
前記半導体成膜装置は、前記第1のターゲットにレーザーを照射するレーザー発生装置をさらに備え、
前記レーザー発生装置から照射されるレーザーは、パルス幅が1ピコ秒以上1000ピコ秒以下であることを特徴とする。
Further, the film forming method according to the present invention is
The semiconductor film forming apparatus further includes a laser generator that irradiates the first target with a laser.
The laser emitted from the laser generator is characterized in that the pulse width is 1 picosecond or more and 1000 picoseconds or less.

このような構成の半導体成膜装置において、上記レーザーパルス幅とすることで、安定してゲッター材料からなるターゲットを蒸発させることができる。 In the semiconductor film forming apparatus having such a configuration, the target made of the getter material can be stably evaporated by setting the laser pulse width.

また、本発明に係る成膜方法は、
前記第1のターゲットは、III族元素からなることを特徴とする。
Further, the film forming method according to the present invention is
The first target is characterized by being composed of Group III elements.

チャンバ内雰囲気の残存する水、ハイドロカーボンを効果的に排出することで、純度の高い膜、特にIII族元素及びその窒化物を得ることができる。 By effectively discharging the residual water and hydrocarbon in the atmosphere in the chamber, a highly pure film, particularly a Group III element and its nitride can be obtained.

本発明に係る半導体装置の製造方法は、
上記成膜方法を含むことを特徴とする。
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is as follows.
It is characterized by including the above-mentioned film forming method.

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、
前記成膜工程において、前記ラジカル発生装置から窒素ラジカルを照射することを特徴とする。
Further, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is as follows.
The film forming step is characterized in that nitrogen radicals are irradiated from the radical generator.

このような半導体装置の製造方法とすることにより、高純度な膜を形成でき、特にIII族窒化物半導体の製造が可能となり、ワイドバンドギャップ半導体装置等の半導体装置を製造することができる。 By adopting such a method for manufacturing a semiconductor device, a high-purity film can be formed, in particular, a group III nitride semiconductor can be manufactured, and a semiconductor device such as a wide bandgap semiconductor device can be manufactured.

本発明に係る半導体成膜装置は、
基板保持台とターゲットステージとを有するチャンバと、
前記チャンバを排気する排気装置と、
前記基板保持台に対して開閉可能な第1のシャッターと、
前記チャンバ内にパルスレーザーを照射するレーザー発生装置と、
前記チャンバ内に窒素ラジカルを照射するラジカル発生装置とを備え、
前記ターゲットステージは、蒸着材料を収容する第1のターゲットホルダーとゲッター材料を収容する第2のターゲットホルダーとを少なくとも備え、
前記ターゲットステージは、前記第1のターゲットホルダーと前記第2のターゲットホルダーの位置を変更するターゲットステージ駆動装置を備えたことを特徴とする。
The semiconductor film forming apparatus according to the present invention is
A chamber with a board holder and a target stage,
An exhaust device that exhausts the chamber and
A first shutter that can be opened and closed with respect to the substrate holder,
A laser generator that irradiates the chamber with a pulsed laser,
The chamber is provided with a radical generator that irradiates nitrogen radicals.
The target stage comprises at least a first target holder for accommodating the deposited material and a second target holder for accommodating the getter material.
The target stage is characterized by including a target stage driving device that changes the positions of the first target holder and the second target holder.

また、本発明に係る半導体成膜装置は、
前記ラジカル発生装置は、プラズマを発生させる放電室と、前記放電室の周囲を巻くコイルとを有し、
前記放電室内には、触媒が配置されていることを特徴とする。
Further, the semiconductor film forming apparatus according to the present invention is
The radical generator has a discharge chamber for generating plasma and a coil that winds around the discharge chamber.
A catalyst is arranged in the discharge chamber.

このような構成の半導体成膜装置とすることで、チャンバ内の到達真空の圧力を大幅に低減できる。その結果、純度の高い膜の形成が可能となる。 By adopting the semiconductor film forming apparatus having such a configuration, the pressure of the ultimate vacuum in the chamber can be significantly reduced. As a result, a highly pure film can be formed.

本発明によれば、従来困難であった残留水分や残留ガスなどを効果的に除去することが可能となる。
その結果、純度の高い膜、特にIII−窒化物系半導体を提供することが可能となる。
なお、一例であるが、膜中のカーボン及び酸素含有量が、それぞれ1桁及び2桁低減することを確認した。
According to the present invention, it is possible to effectively remove residual water, residual gas, etc., which has been difficult in the past.
As a result, it becomes possible to provide a highly pure film, particularly a III-nitride semiconductor.
As an example, it was confirmed that the carbon and oxygen contents in the film were reduced by one or two orders of magnitude, respectively.

本発明に係るPLD装置の主要構成図。The main block diagram of the PLD apparatus which concerns on this invention. ターゲットステージとレーザーとの関係を示す上面図。Top view showing the relationship between the target stage and the laser. ラジカル発生装置の構成を示す断面図。The cross-sectional view which shows the structure of the radical generator. ラジカル発生装置の触媒設置部の断面図。Sectional drawing of the catalyst installation part of a radical generator. チャンバ圧力のラジカル照射時間依存性を示すグラフ。The graph which shows the radical irradiation time dependence of a chamber pressure.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は、いずれも本発明の要旨の認定において限定的な解釈を与えるものではない。また、同一又は同種の部材については同じ参照符号を付して、説明を省略することがある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, none of the following embodiments give a limiting interpretation in finding the gist of the present invention. Further, the same or the same type of members may be designated by the same reference numerals and the description thereof may be omitted.

<PLD装置>
図1は第1の実施形態における半導体成膜装置であるPLD装置1の構成図を示したものである。
排気ポート(排気配管口)2を介して排気装置40(真空ポンプ)により排気され、内部を真空に保持可能なチャンバ(筐体)3の内部には、回転軸4の回りに回転可能なターゲットステージ5、成膜する対象(被成膜物)である基板6(ウェハ)を保持するサセプタ(基板保持台)7が設置されている。
サセプタ7は、加熱ヒータ8を備え、基板6を、例えば500〜1000[℃]に加熱することも可能である。
<PLD device>
FIG. 1 shows a configuration diagram of a PLD apparatus 1 which is a semiconductor film forming apparatus according to the first embodiment.
Inside the chamber (housing) 3 that is exhausted by the exhaust device 40 (vacuum pump) via the exhaust port (exhaust pipe port) 2 and can hold the inside in a vacuum, a target that can rotate around the rotating shaft 4 A stage 5 and a susceptor (substrate holding base) 7 for holding a substrate 6 (wafer) which is an object to be deposited (a film to be formed) are installed.
The susceptor 7 includes a heating heater 8, and the substrate 6 can be heated to, for example, 500 to 1000 [° C.].

ターゲットステージ5には、複数のターゲットホルダー51を保持することができ、この場合、回転軸4の回りに、ステッピングモータやサーボモータ等を用いたターゲットステージ駆動装置により回転可能である。
ターゲットホルダー51は、一般的には基板6上に堆積するための蒸着材料からなるターゲット、例えばIII族元素であるB、Ga、Al、Inを収容するが、さらには、チャンバ3内に残留する物質(例えば酸素、水)をゲッタリング(捕獲)する特性を有するゲッター材料からなるターゲット、例えばBa、Ti、B等を収容するよう構成されている。従って、ターゲットステージ5は、少なくとも1つの蒸着材料を収容するターゲットホルダー51(第1のターゲットホルダー)と、少なくとも1つのゲッター材料を収容するターゲットホルダー51(第2のターゲットホルダー)とを備える。
後述するように、ターゲットホルダー51の位置、すなわち蒸着材料とゲッター材料の位置は、回転軸4の回りにターゲットステージ5を回転することで、変更することができる。
なお、Tiはゲッター材料としてだけでなく、蒸着材料としても利用することができる。
A plurality of target holders 51 can be held in the target stage 5, and in this case, the target stage 5 can be rotated around the rotating shaft 4 by a target stage driving device using a stepping motor, a servomotor, or the like.
The target holder 51 generally houses a target made of a vapor-deposited material for depositing on the substrate 6, for example, Group III elements B, Ga, Al, In, but further remains in the chamber 3. It is configured to accommodate targets made of getter material having the property of gettering (capturing) substances (eg, oxygen, water), such as Ba, Ti, B and the like. Therefore, the target stage 5 includes a target holder 51 (first target holder) containing at least one vapor deposition material and a target holder 51 (second target holder) containing at least one getter material.
As will be described later, the position of the target holder 51, that is, the positions of the vapor deposition material and the getter material can be changed by rotating the target stage 5 around the rotation axis 4.
Ti can be used not only as a getter material but also as a vapor deposition material.

チャンバ3には、ビューポート(レーザー導入部)9が設けられており、ビューポート9を介してレーザー発生装置10から放射されたレーザーをチャンバ3内に導入することができる。
なお、レーザー発生装置10とビューポート9との間にレンズ等の光学素子を設置してもよい。
A viewport (laser introduction unit) 9 is provided in the chamber 3, and a laser radiated from the laser generator 10 via the viewport 9 can be introduced into the chamber 3.
An optical element such as a lens may be installed between the laser generator 10 and the viewport 9.

チャンバ3に導入されたレーザーは、ターゲットステージ5上の特定の位置を照射するよう光軸が調整されている。そのため、複数のターゲットホルダー51のうちの1つに収容されたターゲットの表面を照射することができる。
図2は、4つのターゲットホルダー51a、51b、51c、51dを備えたターゲットステージ5の例の上面図である。例えば、ターゲットホルダー51aはゲッター材料からなるターゲットを保持し、第2、3、4のターゲットホルダー51b、51c、51dは蒸着材料からなるターゲットを保持する。図2に示すように、ターゲットステージ5を回転することで、レーザーLの照射位置Pに、所望のターゲットホルダー51(例えばターゲットホルダー51a)を配置し、レーザーにより蒸発させるターゲット材料を選択(変更)することができる。
The optical axis of the laser introduced into the chamber 3 is adjusted to irradiate a specific position on the target stage 5. Therefore, the surface of the target housed in one of the plurality of target holders 51 can be irradiated.
FIG. 2 is a top view of an example of a target stage 5 provided with four target holders 51a, 51b, 51c, and 51d. For example, the target holder 51a holds a target made of a getter material, and the second, third, and fourth target holders 51b, 51c, and 51d hold a target made of a vapor-deposited material. As shown in FIG. 2, by rotating the target stage 5, a desired target holder 51 (for example, target holder 51a) is arranged at the irradiation position P of the laser L, and a target material to be evaporated by the laser is selected (changed). can do.

レーザー発生装置10から照射されるレーザーのパルス幅は、好適には、1ピコ秒以上1000ピコ秒以下とすることで、特に安定してターゲット材料の蒸発(プルームの発生)が可能である。具体的には、例えば波長1064[nm]、パルス幅10〜20[ps]、繰り返し周波数100[kHz]、平均パワー5[W])が放射されるが、この条件に限定されない。 The pulse width of the laser emitted from the laser generator 10 is preferably set to 1 picosecond or more and 1000 picoseconds or less, so that the target material can be evaporated (plume generation) particularly stably. Specifically, for example, a wavelength of 1064 [nm], a pulse width of 10 to 20 [ps], a repetition frequency of 100 [kHz], and an average power of 5 [W]) are emitted, but the conditions are not limited to this.

さらにPLD装置1は、ターゲットステージ5(又はターゲットホルダ51)とサセプタ7(基板6)との間に第1のシャッター(遮蔽板)11を備える。
第1のシャッター11は、第1の開閉軸12の回りに回転可能に設置されている。
ステッピングモータやサーボモータ等を用いた図示しない第1のシャッター駆動装置(シャッター開閉装置)により、第1のシャッター11を第1の開閉軸12の回りに回転させることで、ターゲットステージ5とサセプタ7との間に挿入(介在させ)たり(閉じた状態)、ターゲットステージ5とサセプタ7との間の位置から脱したり(開いた状態)することができる。すなわち、第1のシャッター11は第1のシャッター駆動装置によって、ターゲットステージ5とサセプタ7との間に挿脱可能(開閉可能)に設置されている。
Further, the PLD device 1 includes a first shutter (shielding plate) 11 between the target stage 5 (or the target holder 51) and the susceptor 7 (board 6).
The first shutter 11 is rotatably installed around the first opening / closing shaft 12.
The target stage 5 and the susceptor 7 are formed by rotating the first shutter 11 around the first opening / closing shaft 12 by a first shutter driving device (shutter opening / closing device) (not shown) using a stepping motor, a servomotor, or the like. It can be inserted (intervened) between and (closed state), and can be removed from the position between the target stage 5 and the susceptor 7 (open state). That is, the first shutter 11 is detachably (openable and closable) installed between the target stage 5 and the susceptor 7 by the first shutter driving device.

第1のシャッター11を閉じると、ターゲットから蒸発したターゲット材料は、第1のシャッター11により遮られ基板6に到達せず、第1のシャッター11上に堆積される。
第1のシャッター11を開くと、ターゲットホルダ51(ターゲット)とサセプタ7(基板6)との間から外れ、ターゲットから蒸発したターゲット材料は基板6に到達し、基板6上にターゲット材料を堆積できるようになる。
When the first shutter 11 is closed, the target material evaporated from the target is blocked by the first shutter 11 and does not reach the substrate 6, and is deposited on the first shutter 11.
When the first shutter 11 is opened, the target material is separated from the target holder 51 (target) and the susceptor 7 (board 6), and the target material evaporated from the target reaches the board 6 and can deposit the target material on the board 6. Will be.

PLD装置1は、ターゲットステージ5上に第2のシャッター(遮蔽板)13を備え、第2のシャッター13は、第2の開閉軸14の回りに回転可能に設置されている。図示しない第2のシャッター駆動装置(シャッター開閉装置)により、第2の開閉軸14の回りに回転させることで、ターゲットステージ5とサセプタ7(基板6)との間に挿脱可能に設置されている。 The PLD device 1 includes a second shutter (shielding plate) 13 on the target stage 5, and the second shutter 13 is rotatably installed around the second opening / closing shaft 14. By rotating around the second opening / closing shaft 14 by a second shutter driving device (shutter opening / closing device) (not shown), the target stage 5 and the susceptor 7 (board 6) are detachably installed. There is.

PLD装置1は、チャンバ3の内部にガス供給ポート15を備え、ガス供給ポート15にはラジカル発生装置(ラジカル源)16が接続されている。
例えば、窒化物等の化合物を形成する場合、ターゲット材料(蒸着材料)と反応し化合物を形成するガス(例えば窒素)を所定の流量に制御し、基板6表面に導入する。反応性ガスは、ターゲットから蒸発した蒸着材料と反応し、化合物(例えばGaNといったIII族窒化物等)が基板6表面に堆積される。
反応性ガスをラジカル発生装置16によって、活性なラジカルに変換することにより、蒸着材料との反応が促進し、安定して化合物を得ることができる。
ラジカル発生装置16は、例えばMBE装置に適用した実施形態について文献5に開示されているように、コイル状の電極に高周波電力を印加し、プラズマを生成してラジカルを放出する装置であり、上記のようにIII族窒化物を形成する場合に使用することがある。
The PLD device 1 includes a gas supply port 15 inside the chamber 3, and a radical generator (radical source) 16 is connected to the gas supply port 15.
For example, when forming a compound such as a nitride, the gas (for example, nitrogen) that reacts with the target material (deposited material) to form the compound is controlled to a predetermined flow rate and introduced into the surface of the substrate 6. The reactive gas reacts with the vaporized material evaporated from the target, and a compound (for example, a Group III nitride such as GaN) is deposited on the surface of the substrate 6.
By converting the reactive gas into active radicals by the radical generator 16, the reaction with the vapor-deposited material is promoted, and the compound can be stably obtained.
The radical generator 16 is a device that applies high-frequency power to a coiled electrode to generate plasma and emit radicals, as disclosed in Document 5 for an embodiment applied to an MBE device, for example. It may be used when forming a group III nitride as in.

ラジカル発生装置16のガス放出口には、第3のシャッター(遮蔽板)18が設置されている。第3のシャッター18は、第3の開閉軸19の回りに回転可能に設置されている。
図示しない第3のシャッター駆動装置(シャッター開閉装置)により、第3の開閉軸19の回りに回転させることで、第3のシャッター18をラジカル発生装置16とサセプタ7(基板6)との間に挿脱可能に設置されている。第3のシャッター18の挿脱により、サセプタ7(基板6)へのラジカルの供給、停止を行うことが可能である。
A third shutter (shielding plate) 18 is installed at the gas discharge port of the radical generator 16. The third shutter 18 is rotatably installed around the third opening / closing shaft 19.
By rotating the third shutter 18 around the third opening / closing shaft 19 by a third shutter driving device (shutter opening / closing device) (not shown), the third shutter 18 is placed between the radical generator 16 and the susceptor 7 (board 6). It is installed so that it can be inserted and removed. By inserting and removing the third shutter 18, it is possible to supply and stop radicals to the susceptor 7 (substrate 6).

なお、PLD装置1は、大気を導入することができるリークポート20を備え、ターゲットの交換やPLD装置1の定期洗浄等のメンテナンス作業を行うために、チャンバ3を大気開放することが可能である。
この場合、真空ポンプに通じる排気ポート2のバルブを閉じることは言うまでもない。
The PLD device 1 is provided with a leak port 20 capable of introducing the atmosphere, and the chamber 3 can be opened to the atmosphere in order to perform maintenance work such as replacement of a target and periodic cleaning of the PLD device 1. ..
In this case, it goes without saying that the valve of the exhaust port 2 leading to the vacuum pump is closed.

なお、第1のシャッター11、第2のシャッター13、第3のシャッター18は、それぞれ第1の開閉軸12、第2の開閉軸14、第3の開閉軸19の回りに回転することで移動する例を示したが、平行に並進させて移動してもよい。
また、第1のシャッター11、第2のシャッター13、第3のシャッター18の形状は円板形状であっても、矩形形状であっても他の形状でもよい。
The first shutter 11, the second shutter 13, and the third shutter 18 move by rotating around the first opening / closing shaft 12, the second opening / closing shaft 14, and the third opening / closing shaft 19, respectively. Although an example is shown, it may be translated and moved in parallel.
Further, the shapes of the first shutter 11, the second shutter 13, and the third shutter 18 may be a disk shape, a rectangular shape, or another shape.

<ラジカル発生装置>
図3は、ラジカル発生装置16の主要構成を示す断面図である。
マスフローコントローラ17により流量制御された気体、例えば窒素を、気体導入口21から導入し、供給管22を介して、PBN(熱分解窒化ホウ素)や石英からなる放電室23に供給する。
高周波電源24(RF電源)によって発生した高周波(交流)電力(例えば13.56[MHz])は、整合器25によりインピーダンス整合され、伝送線26を介してコイル27に供給される。コイル27は、放電室23の回りに巻回されており、放電室23内の気体を励起し、ラジカルが生成される。
なお、伝送線26の一方はグランド接続されている。
<Radical generator>
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main configuration of the radical generator 16.
A gas whose flow rate is controlled by the mass flow controller 17, for example, nitrogen, is introduced from the gas introduction port 21 and supplied to the discharge chamber 23 made of PBN (pyrolytic boron nitride) or quartz via the supply pipe 22.
The high frequency (alternating current) power (for example, 13.56 [MHz]) generated by the high frequency power supply 24 (RF power supply) is impedance-matched by the matching box 25 and supplied to the coil 27 via the transmission line 26. The coil 27 is wound around the discharge chamber 23 and excites the gas in the discharge chamber 23 to generate radicals.
One of the transmission lines 26 is connected to the ground.

生成されたラジカルは、放電室23の先端に設けられたオリフィス28(第1のオリフィス)を経由し、筐体29に設けられた開口部30から放出される。
また、図においてオリフィス28は、1つの孔で構成しているが、複数の孔を配列して構成してもよい。
また、放出されるラジカルの分布を、オリフィス28の形状により制御してもよい。例えば、オリフィス28(開孔部)を円筒形状とし、その半径及び高さ(長さ)を調整する、又は、円錐台形状とし、その底面、上面の半径及び高さを調整することができる。
オリフィス28は、複数種類準備しておき、蒸着材料及び成膜条件に合わせて適宜変更することができる。例えば、図3に示されている開口部30の前面に設置するシャッター18の一部にさらに第2のオリフィス33を設け、シャッター18を回転させることで、ラジカルの放出を停止したり、第2のオリフィス33からラジカルを放出してもよい。
この場合、第2のオリフィス33として、シャッター18に複数種類の形状の第2のオリフィス33設け、シャッター18を回転させて、第2のオリフィス33を適宜選択することができる。
The generated radicals are discharged from the opening 30 provided in the housing 29 via the orifice 28 (first orifice) provided at the tip of the discharge chamber 23.
Further, although the orifice 28 is composed of one hole in the figure, a plurality of holes may be arranged in an array.
Further, the distribution of the emitted radicals may be controlled by the shape of the orifice 28. For example, the orifice 28 (opening portion) has a cylindrical shape and its radius and height (length) can be adjusted, or a truncated cone shape can be formed and the radius and height of its bottom surface and top surface can be adjusted.
A plurality of types of orifices 28 can be prepared and appropriately changed according to the vapor deposition material and the film formation conditions. For example, a second orifice 33 is further provided in a part of the shutter 18 installed in front of the opening 30 shown in FIG. 3, and the shutter 18 is rotated to stop the emission of radicals or a second. Radicals may be emitted from the orifice 33 of the.
In this case, as the second orifice 33, the shutter 18 is provided with a second orifice 33 having a plurality of types of shapes, and the shutter 18 can be rotated to appropriately select the second orifice 33.

コイル27は、中空状の管で構成され、その内部に冷却水を流すことができる。冷却水は、給排水口31から供給及び排出される。給排水口31は、整合器25に設けられているが、それに限定されるものではない。 The coil 27 is composed of a hollow pipe, and cooling water can flow through the coil 27. The cooling water is supplied and discharged from the water supply / drainage port 31. The water supply / drainage port 31 is provided in the matching unit 25, but is not limited thereto.

放電室23内に触媒32を設けてもよい。図3は、コイル27により巻回された箇所とオリフィス28との間に設けた例を示す。図4は、放電室23及び触媒32の断面拡大図を示す。
触媒32は、図4(a)に示すように、放電室23内壁に沿って設けることができるが、図4(b)に示すように、網目状の円板形状であってもよく、また、図4(c)に示すように、粒状をなし、気体が通過できる程度の間隔を設けて充填してもよい。
触媒32は、金属表面の触媒作用を利用することができ、金属表面に吸着した窒素分子の乖離を促進する。すなわち、金属表面の触媒作用によって、窒素分子の結合を弱め、活性な窒素ラジカルの生成を促進し、窒素ラジカルの密度を高めることができる。
なお、金属の他に、例えばWN(窒化タングステン)やTiN(窒化チタン)等の窒化金属も触媒作用があり、触媒32として金属や窒化金属を使用することができる。
The catalyst 32 may be provided in the discharge chamber 23. FIG. 3 shows an example provided between the portion wound by the coil 27 and the orifice 28. FIG. 4 shows an enlarged cross-sectional view of the discharge chamber 23 and the catalyst 32.
The catalyst 32 can be provided along the inner wall of the discharge chamber 23 as shown in FIG. 4A, but may have a mesh-like disk shape as shown in FIG. 4B. , As shown in FIG. 4 (c), the particles may be granulated and filled at intervals that allow gas to pass through.
The catalyst 32 can utilize the catalytic action of the metal surface and promotes the dissociation of nitrogen molecules adsorbed on the metal surface. That is, the catalytic action of the metal surface can weaken the bond of nitrogen molecules, promote the generation of active nitrogen radicals, and increase the density of nitrogen radicals.
In addition to the metal, a metal nitride such as WN (tungsten nitride) or TiN (titanium nitride) also has a catalytic action, and the metal or the metal nitride can be used as the catalyst 32.

さらに、触媒32として、担体(例えば、ゼオライト等の多孔質な物質)上に金属のナノ粒子(ナノメートルオーダーの微粒子)を担持したものを用いることができるが、好適には金属としてRuのナノ粒子を担持させたC12A7エレクトライド(12CaO・7Al)が使用できる。Ruの他、Reを使用してもよい。特にC12A7エレクトライドは、導電性が高く、担持した金属微粒子へ電子を供与する機能に優れ、金属微粒子の触媒特性を助長するとともに、非常に安定な材料であるため、このような放電室23内に設置しても、耐久性が高く好適である。
なお、触媒32は、放電室23内において、周囲がコイル27により巻回された箇所に設置してもよい。電磁誘導により、触媒32の金属微粒子の温度が上昇し、窒素分解を促進する。また、触媒32は、接地してもよいが、生成されたプラズマにより電子の供給が可能であるため、必ずしも接地は不要である。
Further, as the catalyst 32, a catalyst in which metal nanoparticles (fine particles on the order of nanometers) are supported on a carrier (for example, a porous substance such as zeolite) can be used, but Ru nanos are preferably used as the metal. C12A7 electride which was supported particles (12CaO · 7Al 2 O 3) can be used. In addition to Ru, Re may be used. In particular, C12A7 electride has high conductivity, is excellent in the function of donating electrons to the supported metal fine particles, promotes the catalytic properties of the metal fine particles, and is a very stable material. Therefore, in such a discharge chamber 23, Even if it is installed in, it is highly durable and suitable.
The catalyst 32 may be installed in the discharge chamber 23 at a location around which the coil 27 is wound. The electromagnetic induction raises the temperature of the metal fine particles of the catalyst 32 and promotes nitrogen decomposition. Further, the catalyst 32 may be grounded, but it is not always necessary to ground the catalyst 32 because electrons can be supplied by the generated plasma.

<成膜装置の処理方法>
以下、本PLD装置1を用いて成膜するために、チャンバ3を排気する(高真空とする)方法について説明する。
PLD装置1のチャンバ3の内壁に付着した水やハイドロカーボンに起因して、チャンバ3内の雰囲気に水やハイドロカーボンが残存すると、排出が困難である。雰囲気中に残存する水やハイドロカーボンは、基板6上に堆積する膜中に不純物として取り込まれ、堆積膜の純度(品質)を低下させてしまうことがある。
<Processing method of film forming equipment>
Hereinafter, a method of exhausting the chamber 3 (making a high vacuum) in order to form a film using the PLD device 1 will be described.
If water or hydrocarbon remains in the atmosphere inside the chamber 3 due to water or hydrocarbon adhering to the inner wall of the chamber 3 of the PLD device 1, it is difficult to discharge the water or hydrocarbon. Water and hydrocarbon remaining in the atmosphere may be incorporated as impurities into the film deposited on the substrate 6 and reduce the purity (quality) of the deposited film.

本発明にかかる排気及び成膜方法においては、排出が特に困難な水やハイドロカーボンを窒素ラジカル照射を用い効果的に排出することができる。その結果、ベースプレッシャー(到達真空圧)を大幅に低減し、PLD法により形成される膜の品質を向上することが可能である。
なお、以下に説明する各プロセスでは、排気ポート2を介し、真空ポンプ(例えばターボポンプ)でチャンバ3を排気している。
In the exhaust and film forming method according to the present invention, water and hydrocarbon, which are particularly difficult to discharge, can be effectively discharged by using nitrogen radical irradiation. As a result, it is possible to significantly reduce the base pressure (reaching vacuum pressure) and improve the quality of the film formed by the PLD method.
In each process described below, the chamber 3 is exhausted by a vacuum pump (for example, a turbo pump) via the exhaust port 2.

まず、成膜対象物である基板6をサセプタ7に載置させる。その後、レーザー照射により蒸着材料を基板6上に成膜する前に、チャンバ3を高真空状態にする排気処理(工程)として、以下のプロセスを実行する。
なお、基板6をサセプタ7に載置させる過程において、チャンバ3を大気開放した場合、通常通り、排気装置40のみを使用して、チャンバ3を排気する。以下のプロセス1、2は、排気装置40のみを使用した従来の排気工程の後に実行する。例えば、排気装置40のみを使用して、所定の圧力に到達した後に実行する。所定の圧力は、事前に設定した圧力値とするか、又は圧力低下が飽和したときの圧力としてもよい。
First, the substrate 6 which is the object of film formation is placed on the susceptor 7. Then, before the vapor-deposited material is deposited on the substrate 6 by laser irradiation, the following process is executed as an exhaust treatment (process) for bringing the chamber 3 into a high vacuum state.
When the chamber 3 is opened to the atmosphere in the process of placing the substrate 6 on the susceptor 7, the chamber 3 is exhausted by using only the exhaust device 40 as usual. The following processes 1 and 2 are performed after the conventional exhaust process using only the exhaust device 40. For example, only the exhaust device 40 is used and executed after reaching a predetermined pressure. The predetermined pressure may be a preset pressure value, or may be a pressure when the pressure drop is saturated.

プロセス1(第1のプロセス):
第1のシャッター11及び第2のシャッター13を閉じ、第3のシャッター18を開きラジカル発生装置16から窒素ラジカルをチャンバ3内に照射しながら、排気装置40により排気する。この処理を、簡単のため、ラジカル照射工程と称す。
この場合、レーザー発生装置10からレーザーは照射しない。
Process 1 (first process):
The first shutter 11 and the second shutter 13 are closed, the third shutter 18 is opened, and nitrogen radicals are radiated into the chamber 3 from the radical generator 16 while being exhausted by the exhaust device 40. For the sake of simplicity, this process is referred to as a radical irradiation step.
In this case, the laser is not emitted from the laser generator 10.

窒素ラジカルを生成するため、マスフローコントローラ17により流量制御された窒素ガスをラジカル発生装置16に供給する。このとき、窒素ガスに、少量の添加物、具体的には10%以下の酸素、水素や、希ガスであるヘリウム、ネオン、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンから選択された1種以上のガスを混合してもよい。
このようなガスを窒素ガスに添加することで、プラズマの生成が助長され、窒素ラジカルの密度を向上させることができる。
特に、窒素ガスに水素を添加し窒素ラジカルを発生させる場合、C12A7エレクトライドに金属微粒子を担持した触媒32を使用すると、(添加した水素はC12A7エレクトライドに捕獲されるため)金属微粒子表面上で、水素が窒素の乖離を阻害することを防止する。
In order to generate nitrogen radicals, nitrogen gas whose flow rate is controlled by the mass flow controller 17 is supplied to the radical generator 16. At this time, a small amount of additives, specifically 10% or less of oxygen and hydrogen, and one or more gases selected from rare gases such as helium, neon, argon, neon, krypton, and xenon are added to the nitrogen gas. It may be mixed.
By adding such a gas to the nitrogen gas, the generation of plasma is promoted and the density of nitrogen radicals can be improved.
In particular, when hydrogen is added to nitrogen gas to generate nitrogen radicals, if a catalyst 32 in which metal fine particles are supported on C12A7 electride is used, the added hydrogen is captured by the C12A7 electride on the surface of the metal fine particles. , Prevents hydrogen from inhibiting the divergence of nitrogen.

窒素ラジカル処理は、具体的には(限定するものではないが)、チャンバ3の圧力10[Pa]以下の条件で、窒素ラジカル密度が1×1012[cm−3]以上の高密度で、処理時間1分以上、或いは窒素ラジカル密度と処理時間の積が1×1012[cm−3・min]以上の条件で実行する。このとき、特にPLD装置1の加熱は必要ではないが、その後の成膜に備え、基板6を保持しているサセプタ7をヒーター8により加熱していてもよい。
なお、チャンバ3内の圧力制御は、排気ポート2に設けたバルブ開度の調整、マスフローコントローラ17による窒素ガスの流量制御により可能である。
Specifically (but not limited to), the nitrogen radical treatment is carried out under the condition that the pressure of the chamber 3 is 10 [Pa] or less, and the nitrogen radical density is 1 × 10 12 [cm -3 ] or more. The treatment is carried out under the condition that the treatment time is 1 minute or more, or the product of the nitrogen radical density and the treatment time is 1 × 10 12 [cm -3 · min] or more. At this time, heating of the PLD apparatus 1 is not particularly necessary, but the susceptor 7 holding the substrate 6 may be heated by the heater 8 in preparation for the subsequent film formation.
The pressure in the chamber 3 can be controlled by adjusting the valve opening degree provided in the exhaust port 2 and controlling the flow rate of nitrogen gas by the mass flow controller 17.

窒素ラジカルを照射した場合、窒素ラジカルを照射しない場合に比べ、水の分圧を低減できることを四重極型質量分析計(QMASS)により確認した。
水の分圧を低減できた原因としては、以下の反応式によると考えられる。
O+N → NH+NO+H (式1)
すなわち、残存する水が、蒸気圧が高く沸点の低い物質に変換されることにより、効果的に排出されるため、水の分圧を低減できる。
また、ハイドロカーボンについても、例えば以下に示すように、窒素ラジカルによって排気が容易な物質に変換されて効果的に排出が可能である。
CxOyHz+N → CO+NH+NO (式2)
その結果、水及びハイドロカーボンが排出され、ベースプレッシャーが低下し、一層の高真空が実現される。
It was confirmed by a quadrupole mass analyzer (QMASS) that the partial pressure of water could be reduced when the nitrogen radical was irradiated as compared with the case where the nitrogen radical was not irradiated.
The reason why the partial pressure of water could be reduced is considered to be the following reaction formula.
H 2 O + N * → NH 3 + NO + H 2 (Equation 1)
That is, the remaining water is effectively discharged by being converted into a substance having a high vapor pressure and a low boiling point, so that the partial pressure of water can be reduced.
Further, as shown below, for example, hydrocarbon can be effectively discharged by being converted into a substance that can be easily exhausted by nitrogen radicals.
CxOyHz + N * → CO + NH + NO (Equation 2)
As a result, water and hydrocarbon are discharged, the base pressure is reduced, and a higher vacuum is realized.

本プロセスの効果を確認した結果を図5に示す。
図中黒丸(●)は、流量20[sccm]([ml/min(標準状態)])の窒素ガス(N2)をラジカル発生装置16に導入し、窒素ラジカルをチャンバ3内へ照射した場合の圧力変化を示す。実線は、窒素ラジカルを発生させることなく流量20[sccm]の窒素ガス(N2)をチャンバ3に導入した場合の圧力を示す。
The result of confirming the effect of this process is shown in FIG.
Black circles (●) in the figure indicate cases where nitrogen gas (N2) having a flow rate of 20 [sccm] ([ml / min (standard state)]) is introduced into the radical generator 16 and the nitrogen radicals are irradiated into the chamber 3. Shows pressure change. The solid line shows the pressure when nitrogen gas (N2) having a flow rate of 20 [sccm] is introduced into the chamber 3 without generating nitrogen radicals.

図中黒丸で示されるように、窒素ラジカルをチャンバ3内へ照射すると、窒素ラジカルがチャンバ3内(チャンバ3内壁を含む)の水やハイドロカーボンと反応し脱ガスが発生するため、実線と比較して、圧力は一旦上昇する。しかし、窒素ラジカル照射時間とともに圧力は減少傾向となる。窒素ラジカルの照射時間が約50分以降では、圧力は一定の値になり、実線と比較して低くなることが理解できる。
すなわち、窒素ラジカルを照射しない場合、チャンバ3の水やハイドロカーボンが残存しているが、窒素ラジカルを照射した場合、チャンバ3の水やハイドロカーボンが窒素ラジカルによって除去されていく。そのため、最終的には、水やハイドロカーボンが寄与する分圧に相当する圧力だけ、チャンバ3内の圧力を低下させることができる。
As shown by the black circles in the figure, when nitrogen radicals are irradiated into the chamber 3, the nitrogen radicals react with water and hydrocarbon in the chamber 3 (including the inner wall of the chamber 3) to generate degassing, so compare with the solid line. Then, the pressure rises once. However, the pressure tends to decrease with the nitrogen radical irradiation time. It can be understood that after the irradiation time of the nitrogen radical is about 50 minutes or later, the pressure becomes a constant value and becomes lower than the solid line.
That is, when the nitrogen radical is not irradiated, the water and the hydrocarbon in the chamber 3 remain, but when the nitrogen radical is irradiated, the water and the hydrocarbon in the chamber 3 are removed by the nitrogen radical. Therefore, in the end, the pressure in the chamber 3 can be reduced by the pressure corresponding to the partial pressure contributed by water or hydrocarbon.

その後、窒素ラジカル照射を停止する。排気ポート2を介した排気装置40によりチャンバ3内を排気し、減圧する。チャンバ3内の雰囲気又はチャンバ3の内壁等に付着していた水やハイドロカーボンが除去されることにより、この排気工程において、到達真空の圧力が一層低下する。 After that, the nitrogen radical irradiation is stopped. The inside of the chamber 3 is exhausted by the exhaust device 40 via the exhaust port 2 to reduce the pressure. By removing water and hydrocarbon adhering to the atmosphere in the chamber 3 or the inner wall of the chamber 3, the pressure of the ultimate vacuum is further reduced in this exhaust step.

窒素ラジカル照射時の圧力と、到達真空圧力との相関データを予め取得しておけば、窒素ラジカル照射工程の圧力をモニターすることで、所望の到達真空圧力を実現できる。 If the correlation data between the pressure at the time of nitrogen radical irradiation and the ultimate vacuum pressure is acquired in advance, the desired ultimate vacuum pressure can be realized by monitoring the pressure in the nitrogen radical irradiation step.

なお、ラジカル照射工程の間も、排気装置40による排気を行っているが、窒素ラジカルの供給を停止した状態を、簡単のため、排気工程と称し、上記ラジカル照射工程と排気工程とをこの順に実行する処理を、プロセス1と称す。
このプロセス1を少なくとも1回、又は所望の到達真空が得られるまで複数回繰り返してもよい。
Although the exhaust device 40 is used for exhaust during the radical irradiation step, the state in which the supply of nitrogen radicals is stopped is referred to as an exhaust step for the sake of simplicity, and the radical irradiation step and the exhaust step are described in this order. The process to be executed is called process 1.
This process 1 may be repeated at least once or multiple times until the desired ultimate vacuum is obtained.

プロセス2(第2のプロセス):
ゲッター材料をターゲットとして収容するターゲットホルダー51にレーザーが照射されるようにターゲットステージ5の回転角を調整する。
第1のシャッター11を閉じ、第2のシャッター13を開き、ゲッター材料(例えば、Ti、B、Ba)からなるターゲットに、レーザー発生装置10からレーザーを照射する。
なお、この場合、ラジカル発生装置16からのラジカル照射は行わない。
Process 2 (second process):
The rotation angle of the target stage 5 is adjusted so that the target holder 51 that houses the getter material as a target is irradiated with the laser.
The first shutter 11 is closed, the second shutter 13 is opened, and the target made of getter material (for example, Ti, B, Ba) is irradiated with a laser from the laser generator 10.
In this case, the radical irradiation from the radical generator 16 is not performed.

レーザーが照射された箇所から、ゲッター材料が蒸発する。蒸発したゲッター材料は、主として第1のシャッター11に堆積(蒸着)されるが、基板6には堆積されない。
なお、第1のシャッター11以外のチャンバ3内壁に、一部のゲッター材料が堆積されてもよい。
The getter material evaporates from the area irradiated with the laser. The evaporated getter material is mainly deposited (deposited) on the first shutter 11, but not on the substrate 6.
A part of the getter material may be deposited on the inner wall of the chamber 3 other than the first shutter 11.

第1のシャッター11等に堆積されたゲッター材料の表面は活性であり、水、酸素、窒素等の反応性ガスを捕獲(ゲッタリング)する。
ゲッター材料を蒸発させることなく真空ポンプのみにより真空排気した場合、ベースプレッシャは10−6[Pa]であったが、ゲッター材料としてB(ボロン)を用いてPLD法により蒸発させ第1のシャッター11等に堆積した場合、ベースプレッシャが10−8[Pa]となり2桁の圧力の低下(改善)を確認できた。
このような2桁の圧力の低下は、チャンバ3内の水、ハイドロカーボン、その他活性な残存ガスをゲッター材料が捕獲するためである。
第1のシャッター11は、基板6へのゲッター材料の形成を防止するとともに、ゲッター面として作用する。また、第1のシャッター11が開いた状態でも、第1のシャッター11は基板6近傍に存在する構成であるため、成膜対象の基板6近傍においてゲッタリング効果を高める効果がある。
The surface of the getter material deposited on the first shutter 11 or the like is active and captures (gettering) reactive gases such as water, oxygen, and nitrogen.
When the getter material was evacuated only by the vacuum pump without evaporating, the base pressure was 10-6 [Pa], but it was evaporated by the PLD method using B (boron) as the getter material and the first shutter 11 When it was deposited on the ground, the base pressure became 10-8 [Pa], and a double-digit pressure drop (improvement) could be confirmed.
This double-digit pressure drop is due to the getter material capturing water, hydrocarbon, and other active residual gases in the chamber 3.
The first shutter 11 prevents the formation of the getter material on the substrate 6 and acts as a getter surface. Further, even when the first shutter 11 is open, since the first shutter 11 exists in the vicinity of the substrate 6, there is an effect of enhancing the gettering effect in the vicinity of the substrate 6 to be formed.

このプロセス2において、第3のシャッター18を閉じてもよい。殆どのゲッター材料は、第1のシャッター11及びその周囲のチャンバ3内壁に堆積されるため、ラジカル発生装置16への付着は少ないため、第3のシャッター18を閉じることは必須ではない。しかし、第3のシャッター18を閉じることにより、ラジカル発生装置16に、不必要にゲッター材料が堆積され、ラジカル発生装置16から照射される窒素ラジカルが捕獲され、チャンバ3内に供給する窒素ラジカルが減少するリスクを防止できる。 In this process 2, the third shutter 18 may be closed. Since most getter materials are deposited on the first shutter 11 and the inner wall of the chamber 3 around it, there is little adhesion to the radical generator 16, so it is not essential to close the third shutter 18. However, by closing the third shutter 18, the getter material is unnecessarily deposited on the radical generator 16, the nitrogen radicals irradiated from the radical generator 16 are captured, and the nitrogen radicals supplied into the chamber 3 are released. The risk of reduction can be prevented.

なお、上記プロセス1及びプロセス2において、チャンバ3は排気ポート2を介して排気装置40により排気されていることは言うまでもない。 Needless to say, in the above processes 1 and 2, the chamber 3 is exhausted by the exhaust device 40 via the exhaust port 2.

以上のプロセス1及びプロセス2により、チャンバ3の雰囲気中の水やハイドロカーボンが効果的に除去(又はそれぞれの分圧を低下)することができる。 By the above processes 1 and 2, water and hydrocarbon in the atmosphere of the chamber 3 can be effectively removed (or the partial pressures of each can be reduced).

成膜時の雰囲気中のカーボンや酸素の分圧を低減することで、成膜されたGaNに取り込まれるカーボンや酸素の濃度を低減できる。窒素ラジカル処理の有無のサンプルに対して、SIMS分析により膜中のカーボン及び酸素の濃度を比較調査した。その結果、窒素ラジカル処理無しのサンプルでは、カーボン(C)濃度が3×1019[cm−3]、酸素(O)濃度が4×1020[cm−3]であるのに対し、窒素ラジカル処理有りのサンプルでは、カーボン(C)濃度が2×1018[cm−3]、酸素(O)濃度が2×1018[cm−3]であり、カーボン濃度が1桁低下し、酸素濃度は2桁低下しており、大幅に膜の純度が向上することが確認された。 By reducing the partial pressure of carbon and oxygen in the atmosphere at the time of film formation, the concentration of carbon and oxygen incorporated into the film-forming GaN can be reduced. The concentrations of carbon and oxygen in the membrane were compared and investigated by SIMS analysis for the samples with and without nitrogen radical treatment. As a result, in the sample without nitrogen radical treatment, the carbon (C) concentration was 3 × 10 19 [cm -3 ] and the oxygen (O) concentration was 4 × 10 20 [cm -3 ], whereas the nitrogen radical was In the treated sample, the carbon (C) concentration was 2 × 10 18 [cm -3 ], the oxygen (O) concentration was 2 × 10 18 [cm -3 ], the carbon concentration was reduced by an order of magnitude, and the oxygen concentration was reduced. Has decreased by two orders of magnitude, confirming that the purity of the film is significantly improved.

これらの2つのプロセスの順番は限定するものではないが、プロセス1、プロセス2の順に実行する場合、プロセス1で窒素ラジカルと反応して発生した副生成物をプロセス2でさらに効果的に排除できる。 The order of these two processes is not limited, but when the processes 1 and 2 are executed in this order, the by-products generated by reacting with the nitrogen radicals in the process 1 can be more effectively eliminated in the process 2. ..

なお、成膜プロセスにおいて、蒸着した膜を窒化する場合、例えばGaNを成膜する場合、好適にはプロセス2、プロセス1の順に実行することができる。チャンバ3内雰囲気に窒素ラジカルにより予め満たすことができる。
なお、プロセス2の後にプロセス1を実行すると、窒素ラジカル照射直後において活性な窒素ラジカルが、第1のシャッター11等に堆積されたゲッター材料により捕獲されてしまうため、窒素ラジカル照射時間を長くする等の時間調整が必要となることがある。
なお、プロセス1及びプロセス2の一方のみを実行してもよい。
In the film forming process, when the deposited film is nitrided, for example, when GaN is formed, the process 2 and the process 1 can be preferably executed in this order. The atmosphere inside the chamber 3 can be prefilled with nitrogen radicals.
If the process 1 is executed after the process 2, the active nitrogen radicals are captured by the getter material deposited on the first shutter 11 or the like immediately after the nitrogen radical irradiation, so that the nitrogen radical irradiation time is lengthened. Time adjustment may be required.
In addition, only one of process 1 and process 2 may be executed.

以後、第1のシャッター11及び第2のシャッター13を開放し、PLD法により成膜プロセスを実行する。
例えばIII族元素であるGa(ただし、限定するものではない)をターゲットにパルスレーザーを照射するとともに、第3のシャッター18を開き、ラジカル発生装置16から窒素ラジカルを照射することにより、III族窒化物(Ga窒化物)を形成することができる。
チャンバ3内部雰囲気の不純物が低減されているため、高純度なGa窒化物を形成できる。得られたIII族窒化物である半導体を用いることにより、良好な特性を有するワイドバンドギャップ半導体装置を提供することが可能となる。
なお、III族元素の窒化物だけでなく、他の金属窒化物(WN、TiN等)の高純度な成膜も可能である。
また、窒素ラジカル照射を行わずにPLD法により成膜することで、窒化物以外の高純度な金属や半導体を形成できることは言うまでもない。
さらに、窒素以外の他の元素(例えば酸素)のラジカルを照射し、他の化合物(又は化合物半導体)を形成できることは言うまでもない。
After that, the first shutter 11 and the second shutter 13 are opened, and the film forming process is executed by the PLD method.
For example, by irradiating a pulsed laser on Ga (but not limited to) the Group III element, opening the third shutter 18, and irradiating nitrogen radicals from the radical generator 16, Group III nitride is used. A substance (Ga nitride) can be formed.
Since impurities in the internal atmosphere of the chamber 3 are reduced, high-purity Ga nitride can be formed. By using the obtained semiconductor which is a group III nitride, it becomes possible to provide a wide bandgap semiconductor device having good characteristics.
In addition to the nitrides of Group III elements, high-purity film formation of other metal nitrides (WN, TiN, etc.) is also possible.
Needless to say, a high-purity metal or semiconductor other than nitride can be formed by forming a film by the PLD method without irradiating with nitrogen radicals.
Furthermore, it goes without saying that other compounds (or compound semiconductors) can be formed by irradiating radicals of elements other than nitrogen (for example, oxygen).

PLD装置1の成膜方法において、上記プロセス1及び/又はプロセス2と成膜との組合わせフローは、予めPLD装置1のメモリに登録しておき、演算処理部によりPLD装置1を制御することで自動的に処理を行うことができる。 In the film forming method of the PLD device 1, the combined flow of the process 1 and / or the process 2 and the film forming is registered in advance in the memory of the PLD device 1, and the PLD device 1 is controlled by the arithmetic processing unit. Can be processed automatically with.

具体的には、プロセス1は以下のフローに従って排気することができる。
(1)予め判定値として第1の圧力をメモリに登録しておき、上記プロセス1を実行し、その後チャンバ3の圧力を測定する。
(2)チャンバ3の圧力が第1の圧力以下であれば、次の工程、例えば成膜処理、又はプロセス2を実行する。
(3)チャンバ3の圧力が第1の圧力より高ければ、プロセス1を再度実行する。
(4)プロセス1を、所定の回数(例えば5回)実行しても、チャンバ3の圧力が第1の圧力以下とならない場合、PLD装置1は、エラーメッセージを表示する。
Specifically, the process 1 can be exhausted according to the following flow.
(1) The first pressure is registered in the memory as a determination value in advance, the above process 1 is executed, and then the pressure in the chamber 3 is measured.
(2) If the pressure in the chamber 3 is equal to or lower than the first pressure, the next step, for example, a film forming process or process 2 is executed.
(3) If the pressure in the chamber 3 is higher than the first pressure, the process 1 is executed again.
(4) If the pressure in the chamber 3 does not become equal to or lower than the first pressure even after the process 1 is executed a predetermined number of times (for example, 5 times), the PLD device 1 displays an error message.

また同様に、プロセス2は以下のフローに従って排気することができる。
(1)予め判定値として第2の圧力をメモリに登録しておき、プロセス2の工程を実行し、その後チャンバ3の圧力を測定する。
(2)チャンバ3の圧力が第2の圧力以下であれば、次の工程、例えば成膜処理、又はプロセス1を実行する。
(3)チャンバ3の圧力が第2の圧力より高ければ、プロセス2を再度実行する。
(4)プロセス2が、所定の回数(例えば5回)実行しても、チャンバ3の圧力が第2の圧力以下とならない場合、PLD装置1は、エラーメッセージを表示する。
Similarly, the process 2 can be exhausted according to the following flow.
(1) A second pressure is registered in the memory as a determination value in advance, the process of process 2 is executed, and then the pressure in the chamber 3 is measured.
(2) If the pressure in the chamber 3 is equal to or lower than the second pressure, the next step, for example, a film forming process or process 1 is executed.
(3) If the pressure in the chamber 3 is higher than the second pressure, the process 2 is executed again.
(4) If the pressure in the chamber 3 does not fall below the second pressure even after the process 2 is executed a predetermined number of times (for example, 5 times), the PLD device 1 displays an error message.

例えば、プロセス1の後にプロセス2を実行する場合、第1の圧力を第2の圧力より高く設定してもよい。逆に、プロセス2の後にプロセス1を実行する場合、第2の圧力を第1の圧力より高く設定してもよい For example, when the process 2 is executed after the process 1, the first pressure may be set higher than the second pressure. On the contrary, when the process 1 is executed after the process 2, the second pressure may be set higher than the first pressure.

なお、成膜処理の場合、PLD法により、レーザーをターゲットホルダ51に収容された蒸着材料からなるターゲットに照射し成膜処理を行うが、窒化物を形成する場合、レーザーによりターゲット材料を蒸発させながら窒素ラジカルを照射してもよい。 In the case of the film forming process, the laser is irradiated to the target made of the vapor-deposited material housed in the target holder 51 by the PLD method to perform the film forming process, but when forming a nitride, the target material is evaporated by the laser. However, nitrogen radicals may be irradiated.

なお、上記の成膜方法は、従来到達真空の向上(圧力の低減)が困難であったPLD法による半導体成膜装置において特に有効であるが、MBE法による半導体成膜装置についても適用可能である。
すなわち、MBE装置においては、レーザー照射によりターゲット材料及びゲッタリング材料を蒸発させる替わりに、ヒーターや電子線等の公知の加熱装置を設け、ターゲットホルダー(るつぼ)に収容したターゲット材料及びゲッタリング材料を加熱して蒸発させればよく、さらにMBE装置に対してラジカル発生装置16を設置し、MBE装置のチャンバ内にラジカルを導入可能な構成とすればよい。
この場合、MBE法による基板6への成膜(ターゲット材料の蒸着)の前に、プロセス1若しくはプロセス2又はプロセス1とプロセス2の組合わせを実行すればよい。これにより、MBE装置においても、一層の到達真空の向上(圧力の低減)が可能となる。
The above film forming method is particularly effective in the semiconductor film forming apparatus by the PLD method, in which it has been difficult to improve the ultimate vacuum (reduction of pressure) in the past, but it can also be applied to the semiconductor film forming apparatus by the MBE method. is there.
That is, in the MBE device, instead of evaporating the target material and the gettering material by laser irradiation, a known heating device such as a heater or an electron beam is provided, and the target material and the gettering material housed in the target holder (crucible) are placed. It may be heated and evaporated, and a radical generator 16 may be installed in the MBE device so that radicals can be introduced into the chamber of the MBE device.
In this case, process 1 or process 2 or a combination of process 1 and process 2 may be executed before the film formation on the substrate 6 (deposition of the target material) by the MBE method. This makes it possible to further improve the ultimate vacuum (reduce the pressure) even in the MBE device.

本発明によれば、半導体成膜装置において、到達真空の一層の向上(低い圧力)を実現することが可能となり、その結果、純度の高いIII窒化物を含む膜を提供することができる。
また、得られた高純度のIII窒化物は、例えばパワーデバイスや発光デバイス等の様々な半導体装置を用いた製品への適用が期待でき、産業上の利用可能性は高い。
According to the present invention, it is possible to further improve the ultimate vacuum (low pressure) in the semiconductor film forming apparatus, and as a result, it is possible to provide a film containing high-purity III nitride.
Further, the obtained high-purity III nitride can be expected to be applied to products using various semiconductor devices such as power devices and light emitting devices, and has high industrial applicability.

1 PLD装置
2 排気ポート(排気配管)
3 チャンバ(筐体)
4 回転軸
5 ターゲットステージ
51、51a、51b、51c、51d ターゲットホルダー
6 基板
7 サセプタ(基板保持台)
8 加熱ヒータ
9 ビューポート(レーザー導入部)
10 レーザー発生装置
11 第1のシャッター(遮蔽板)
12 第1の開閉軸
13 第2のシャッター(遮蔽板)
14 第2の開閉軸
15 ガス供給ポート
16 ラジカル発生装置
17 マスフローコントローラ
18 第3のシャッター(遮蔽板)
19 第3の開閉軸
20 リークポート
21 気体導入口
22 供給管
23 放電室
24 高周波電源
25 整合器
26 伝送線
27 コイル
28 オリフィス(第1のオリフィス)
29 筐体
30 開口部
31 給排水口
32 触媒
33 第2のオリフィス
40 排気装置(真空ポンプ)
1 PLD device 2 Exhaust port (exhaust piping)
3 chamber (housing)
4 Rotating shaft 5 Target stages 51, 51a, 51b, 51c, 51d Target holder 6 Board 7 Suceptor (board holding base)
8 Heater 9 Viewport (laser introduction)
10 Laser generator 11 First shutter (shielding plate)
12 First opening / closing shaft 13 Second shutter (shielding plate)
14 Second opening / closing shaft 15 Gas supply port 16 Radical generator 17 Mass flow controller 18 Third shutter (shielding plate)
19 Third on-off shaft 20 Leak port 21 Gas inlet 22 Supply pipe 23 Discharge chamber 24 High-frequency power supply 25 Matcher 26 Transmission line 27 Coil 28 Orifice (first orifice)
29 Housing 30 Opening 31 Water supply / drainage port 32 Catalyst 33 Second orifice 40 Exhaust device (vacuum pump)

Claims (12)

ラジカル発生装置と、
基板保持台とターゲットステージとを有するチャンバと、
前記チャンバを排気する排気装置と、
記基板保持台上で挿脱可能な第1のシャッターとを備えた半導体成膜装置において、
前記第1のシャッターを閉じた状態で、
前記ラジカル発生装置から窒素ラジカルを照射するラジカル照射工程と、
前記ラジカル発生装置からの窒素ラジカル照射を停止して排気する排気工程とをこの順に実行する第1のプロセスを1回以上含み、
前記第1のプロセスの後に前記第1のシャッターを開いた状態で、
前記ターゲットステージ上の第1のターゲットホルダーに収容された第1のターゲットを蒸発させ、前記基板保持台に保持された基板に成膜する成膜工程を含むことを特徴とする成膜方法。
Radical generator and
A chamber with a board holder and a target stage,
An exhaust device that exhausts the chamber and
In a semiconductor film forming apparatus provided with a first shutter that can be inserted and removed on a substrate holding table,
With the first shutter closed
A radical irradiation step of irradiating nitrogen radicals from the radical generator, and
The first process of executing the exhaust step of stopping the irradiation of nitrogen radicals from the radical generator and exhausting the gas in this order is included once or more.
With the first shutter open after the first process,
A film forming method comprising a film forming step of evaporating a first target housed in a first target holder on the target stage and forming a film on a substrate held by the substrate holding table.
前記ラジカル発生装置は、周囲にコイルを有する放電室を備え、
前記放電室内には、触媒が配置されていることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
The radical generator includes a discharge chamber having a coil around it.
The film forming method according to claim 1, wherein a catalyst is arranged in the discharge chamber.
前記触媒は、Ru又はReを担持したC12A7エレクトライドであることを特徴とする請求項1又は2記載の成膜方法。 The film forming method according to claim 1 or 2, wherein the catalyst is a C12A7 electride carrying Ru or Re. 前記ラジカル照射工程において、前記ラジカル発生装置は、10%以下の酸素、水素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンうち少なくとも1種を添加した窒素ガスから窒素ラジカルを発生させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の成膜方法。 In the radical irradiation step, the radical generator is characterized in that nitrogen radicals are generated from nitrogen gas to which at least one of 10% or less of oxygen, hydrogen, helium, neon, argon, krypton, and xenon is added. Item 3. The film forming method according to any one of Items 1 to 3. 前記ラジカル照射工程は、圧力が10[Pa]以下、窒素ラジカル密度と処理時間との積が1×1012[cm−3・min]以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の成膜方法。 The radical irradiation step is any of claims 1 to 4, wherein the pressure is 10 [Pa] or less, and the product of the nitrogen radical density and the treatment time is 1 × 10 12 [cm -3 · min] or more. The film forming method according to item 1. 少なくとも前記第1のプロセスの前又は後に、
前記ターゲットステージ上の第2のターゲットホルダーにゲッター材料からなる第2のターゲットを収容し、前記第2のシャッターを閉じた状態で、前記第2のターゲットを蒸発させる第2のプロセスを実行することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の成膜方法。
At least before or after the first process
A second process of accommodating a second target made of getter material in a second target holder on the target stage and evaporating the second target with the second shutter closed is performed. The film forming method according to any one of claims 1 to 5, wherein the film forming method is characterized.
前記半導体成膜装置は、前記第1のターゲットにレーザーを照射するレーザー発生装置をさらに備え、
前記レーザー発生装置から照射されるレーザは、パルス幅が1ピコ秒以上1000ピコ秒以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の成膜方法。
The semiconductor film forming apparatus further includes a laser generator that irradiates the first target with a laser.
The film forming method according to any one of claims 1 to 6, wherein the laser irradiated from the laser generator has a pulse width of 1 picosecond or more and 1000 picoseconds or less.
前記第1のターゲットは、III族元素からなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の成膜方法。 The film forming method according to any one of claims 1 to 7, wherein the first target is composed of a group III element. 請求項1乃至8のいずれか1項記載の成膜方法を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises the film forming method according to any one of claims 1 to 8. 請求項8記載の前記成膜工程において、前記ラジカル発生装置から窒素ラジカルを照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device, which comprises irradiating a nitrogen radical from the radical generator in the film forming step according to claim 8. 基板保持台とターゲットステージとを有するチャンバと、
前記チャンバを排気する排気装置と、
前記基板保持台に対して開閉可能な第1のシャッターと、
前記チャンバ内にパルスレーザーを照射するレーザー発生装置と、
前記チャンバ内に窒素ラジカルを照射するラジカル発生装置とを備え、
前記ターゲットステージは、蒸着材料を収容する第1のターゲットホルダーとゲッター材料を収容する第2のターゲットホルダーとを少なくとも備え、
前記ターゲットステージは、前記第1のターゲットホルダーと前記第2のターゲットホルダーの位置を変更するターゲットステージ駆動装置を備えたことを特徴とする半導体成膜装置。
A chamber with a board holder and a target stage,
An exhaust device that exhausts the chamber and
A first shutter that can be opened and closed with respect to the substrate holder,
A laser generator that irradiates the chamber with a pulsed laser,
The chamber is provided with a radical generator that irradiates nitrogen radicals.
The target stage comprises at least a first target holder for accommodating the deposited material and a second target holder for accommodating the getter material.
The target stage is a semiconductor film forming apparatus including a target stage driving device that changes the positions of the first target holder and the second target holder.
前記ラジカル発生装置は、プラズマを発生させる放電室と、前記放電室の周囲を巻くコイルとを有し、
前記放電室内には、触媒が配置されていることを特徴とする請求項11記載の半導体成膜装置。
The radical generator has a discharge chamber for generating plasma and a coil that winds around the discharge chamber.
The semiconductor film forming apparatus according to claim 11, wherein a catalyst is arranged in the discharge chamber.
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