JP2022037889A - Method for forming transition metal chalcogenide layered film, and apparatus therefor - Google Patents

Method for forming transition metal chalcogenide layered film, and apparatus therefor Download PDF

Info

Publication number
JP2022037889A
JP2022037889A JP2021105480A JP2021105480A JP2022037889A JP 2022037889 A JP2022037889 A JP 2022037889A JP 2021105480 A JP2021105480 A JP 2021105480A JP 2021105480 A JP2021105480 A JP 2021105480A JP 2022037889 A JP2022037889 A JP 2022037889A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
transition metal
substrate
forming
layered film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021105480A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
芳樹 佐久間
Yoshiki Sakuma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Publication of JP2022037889A publication Critical patent/JP2022037889A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

To provide a method for forming a transition metal chalcogenide layered film high in the controllability and stability of film deposition, capable of increasing an area and low in cost.SOLUTION: A method for forming a film comprises: oxidizing a transition metal block 32 to form a transition metal oxide layer on the surface; sublimating an oxide from the oxide layer to supply oxide gas and first inactive carrier gas to a substrate 38 through an exclusive pipe line 23; supplying chalcogen atom containing reactive gas and second inactive carrier gas to the substrate 38; heating the substrate 38 when supplying the oxide gas and the reactive gas to the substrate 38; and exhausting the oxide gas, the reactive gas, the first inactive carrier gas and the second inactive carrier gas.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法およびそのための装置に関する。 The present invention relates to a method for forming a transition metal chalcogenide layered film and an apparatus therefor.

近年、MoSやWSeなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜(以下、TMDCともいう)と呼ばれる分子層レベルの厚さをもつ半導体材料に注目が集まっている。 In recent years, attention has been focused on semiconductor materials having a thickness at the molecular layer level called transition metal dichalcogenide layered films (hereinafter, also referred to as TMDC) such as MoS 2 and WSe 2 .

この材料は、有限なバンドギャップをもつ2次元層状半導体である。TMDCはユニットセルの厚さがわずか原子3層からなる結晶であり、本質的に極薄性と平坦性に優れている。
また、2次元結晶の面直(c軸)方向に不飽和結合(ダングリングボンド)が無い特徴的な結晶構造をもつため、格子不整合や表面再結合など、従来の半導体材料が抱える諸問題が大幅に緩和されると期待されている。
加えて、単層膜の形成だけでなく、ファンデルワールス(vdW)力を介したTMDC間のヘテロ構造にも興味がもたれていて、MOSFETのチャネルやトンネルトランジスタをはじめ、軽量かつ超低消費電力で、機械的柔軟性にも優れる電子デバイスへの応用も検討されている。
さらに、単層化されたTMDCが直接遷移型のバンド構造をもち、極めて大きな励起子効果などユニークな物性を示すことが明らかにされていることから、極薄かつ柔軟性に優れた発光・受光素子のほか、光機能デバイス材料としても極めて有望と考えられている。
This material is a two-dimensional layered semiconductor with a finite bandgap. TMDC is a crystal in which the thickness of the unit cell is only three layers of atoms, and is essentially excellent in ultrathinness and flatness.
In addition, since it has a characteristic crystal structure without unsaturated bonds (dangling bonds) in the plane-to-plane (c-axis) direction of the two-dimensional crystal, there are various problems that conventional semiconductor materials have, such as lattice mismatch and surface recombination. Is expected to be significantly eased.
In addition, we are interested not only in the formation of single-layer films but also in the heterostructure between TMDCs via van der Waals (vdW) force, which is lightweight and has ultra-low power consumption, including MOSFET channels and tunnel transistors. Therefore, application to electronic devices with excellent mechanical flexibility is also being considered.
Furthermore, since it has been clarified that the monolayered TMDC has a direct transition type band structure and exhibits unique physical properties such as an extremely large exciton effect, it is extremely thin and has excellent light emission and light reception. In addition to devices, it is considered to be extremely promising as a material for optical functional devices.

以上のように、TMDCは、従来の半導体にない数多くの特徴や可能性をもつが、その成膜技術には解決すべき課題が多く、制御性、安定性、大面積化および量産性に優れた形成方法が確立されていないという問題がある。 As described above, TMDC has many features and possibilities that conventional semiconductors do not have, but there are many problems to be solved in its film formation technology, and it is excellent in controllability, stability, large area, and mass productivity. There is a problem that the forming method has not been established.

TMDCの物性やデバイス応用の研究は2010年頃より活発化したが、初期の頃の多くの研究では天然鉱物として産出するMoSの結晶表面をスコッチテープで剥離して使用していた。2012年になって、非特許文献1に開示されているように、三酸化モリブデン(MoO)と硫黄(S)の粉末から昇華させたガス成分を用いて、MoSの単層膜を合成する手法が初めて報告された。この手法は粉末昇華法(粉末法)とも呼ばれるもので、現在でもMoSの成膜に関する多くの報告は、これと同じ、あるいはそれを改善した方法を使っている。 Research on the physical properties of TMDC and device application became active from around 2010, but in many early researches, the crystal surface of MoS 2 produced as a natural mineral was peeled off with scotch tape and used. In 2012, as disclosed in Non-Patent Document 1, a monolayer film of MoS 2 was synthesized using a gas component sublimated from a powder of molybdenum trioxide (MoO 3 ) and sulfur (S). The method of doing so was reported for the first time. This method is also called the powder sublimation method (powder method), and many reports on MoS 2 film formation still use the same or improved method.

例えば、非特許文献2に開示されている技術では、MoとSの原料として粉末状態のMoOとSを用い、それぞれをホットウォール型の石英管内の最適な温度領域に置くことで揮発性のガス成分を昇華させて輸送し、基板上で反応させている。
この方法では、昇華の開始と終了をはじめ、原料輸送量を容易には制御できないという問題があるほか、粉末原料の減少や枯渇による昇華量の低下や、MoO粉末がボート内でSと反応して変化して昇華が妨げられるといった課題も生じる。このことから、成膜プロセスにおいて毎回MoO粉末を交換することが必要になるが、それでも再現性を得ることが難しい。また、小さなボート内に置いたMoO粉末と基板との幾何学的な配置関係はPoint-to-face供給法とも呼ばれるが、この方法は成膜領域でのガス成分の空間的濃度の均一化の実現が難しく、原理的に成膜の均一化や大面積化が容易ではないという問題がある。
For example, in the technique disclosed in Non-Patent Document 2, powdered MoO 3 and S are used as raw materials for Mo and S, and each of them is placed in an optimum temperature range in a hot wall type quartz tube to be volatile. The gas component is sublimated and transported, and reacted on the substrate.
This method has the problem that the amount of raw material transported, including the start and end of sublimation, cannot be easily controlled, the amount of sublimation is reduced due to the decrease and depletion of powder raw materials, and MoO 3 powder reacts with S in the boat. Then, there is a problem that it changes and sublimation is hindered. For this reason, it is necessary to replace the MoO 3 powder every time in the film forming process, but it is still difficult to obtain reproducibility. In addition, the geometrical arrangement relationship between the MoO 3 powder placed in a small boat and the substrate is also called the Point-to-face supply method, but this method makes the spatial concentration of the gas component uniform in the film formation region. There is a problem that it is difficult to realize the above, and in principle, it is not easy to make the film formation uniform and increase the area.

非特許文献3では、Moの金属箔を成膜用の基板領域にカバーとして被せ、このMo箔の表面からMo酸化物を昇華させて基板上に供給するFace-to-face手法の一種であるMoを用いたフォイル法(Moフォイル法)が開示されている。
この方法では、Mo箔の下部空間に置いた基板上に均一にMo原料が供給されるため、MoO粉末を用いる方法と比べて、成膜の均一化が得られやすいという利点が報告されている。しかしながら、この方法では、基板上だけでなくMo箔表面にも硫黄元素Sが供給されるので、Mo箔表面でMoSが意図せず形成されたり、MoOのような揮発性の高い成分が揮発性の低いMoOのような低酸化数の物質に変化し、Mo酸化物ガスの生成効率が下がったり、その生成が不安定になったりという色々な問題が発生する。
Non-Patent Document 3 is a kind of face-to-face method in which a metal foil of Mo is covered as a cover on a substrate region for film formation, and Mo oxide is sublimated from the surface of the Mo foil and supplied onto the substrate. A foil method using Mo (Mo foil method) is disclosed.
It has been reported that this method has an advantage that uniform film formation can be easily obtained as compared with the method using MoO 3 powder because the Mo raw material is uniformly supplied on the substrate placed in the lower space of the Mo foil. There is. However, in this method, since the sulfur element S is supplied not only on the substrate but also on the surface of the Mo foil, MoS 2 is unintentionally formed on the surface of the Mo foil, or a highly volatile component such as MoO 3 is formed. It changes to a substance with a low oxidation number such as MoO 2 , which has low volatility, and causes various problems such as a decrease in the production efficiency of Mo oxide gas and an unstable production.

上述のように、粉末MoO原料を使う方法では、原料ガスの安定供給、ひいては均一なMoS膜の形成が難しい。その一因として粉末原料の粒径分布の不均一性があるとして、非特許文献4には、基板上にあらかじめ微量のMoOを蒸着して粒径の均一化を図り、これを基板と対向させてMo原料に使う方法が開示されている。
また、単層MoSの単結晶ドメインサイズを大きくするためには、ごく微量の体積のMoOを使って気相中のMoOの過飽和度を大幅に下げることが極めて重要との考えから、非特許文献5には、基板上にMoOを溶かした溶液をあらかじめスピンコート法で分散・乾燥させ、これをMoOの昇華源として用いる方法が開示されている。
非特許文献4,5に開示されている方法は、前記した粉末法とMoフォイル法の中間的な複合法の位置づけの技術である。
As described above, in the method using the powdered MoO3 raw material, it is difficult to stably supply the raw material gas and to form a uniform MoS2 film. As one of the causes is the non-uniformity of the particle size distribution of the powder raw material, in Non-Patent Document 4, a small amount of MoO 3 is vapor-deposited on the substrate in advance to make the particle size uniform, and this is opposed to the substrate. The method of using it as a raw material for Mo is disclosed.
Further, in order to increase the single crystal domain size of the single layer MoS 2 , it is extremely important to significantly reduce the degree of supersaturation of MoO 3 in the gas phase by using a very small volume of MoO 3 . Non-Patent Document 5 discloses a method in which a solution in which MoO 3 is dissolved on a substrate is dispersed and dried in advance by a spin coating method, and this is used as a sublimation source of MoO 3 .
The methods disclosed in Non-Patent Documents 4 and 5 are techniques for positioning an intermediate composite method between the powder method and the Mo foil method described above.

しかしながら、これらの複合法でも、基板上に完全被覆されたMoS連続膜を形成できていない。これは、基板上にあらかじめ堆積したMoOが微量であるため、成膜時間内に全て昇華し尽くしてしまい、原料が完全に枯渇していることが原因と考えられる。
また、非特許文献4の方法に関しては、昇華用のMoOと原料Sの直接反応があり、原料ガスの安定供給の問題があるとの課題提起もなされている。
なお、TMDC成膜法に関する特許としては、特許文献1および2が開示されている。
以上述べてきたように、従来の方法には、成膜の安定性、制御性、成膜面積の大面積化およびコストといった品質および実用上の問題を抱えていた。なお、ここでは主にMoS膜についての従来技術について述べたが、上記の課題はMoS膜に限らずMoSe2や、さらにWSやWSe膜でも同様と考えられ、TMDCに共通の課題になっている。
However, even with these composite methods, it is not possible to form a MoS2 continuous film completely covered on the substrate. It is considered that this is because the amount of MoO 3 deposited in advance on the substrate is very small, so that all of the MoO 3 is sublimated within the film formation time, and the raw material is completely depleted.
Further, regarding the method of Non-Patent Document 4, it has been raised that there is a direct reaction between MoO 3 for sublimation and the raw material S, and there is a problem of stable supply of the raw material gas.
Patent Documents 1 and 2 are disclosed as patents relating to the TMDC film forming method.
As described above, the conventional method has problems of quality and practical use such as stability and controllability of film formation, large area of film formation and cost. Although the prior art for the MoS 2 film has been mainly described here, the above-mentioned problems are considered to be the same not only for the MoS 2 film but also for the MoSe 2 and the WS 2 and WSe 2 films, which are common problems for TMDC. It has become.

特開平7-069782号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-069782 特表2019-522106号公報Special Table 2019-522106 Gazette

Y.H.Lee et al.,Adv.Mater.,24,2320(2012)Y. H. Lee et al. , Adv. Mater. , 24, 2320 (2012) H.Nguyen et al.,Mater.Lett.,168,1(2016)H. Nguyen et al. , Mater. Let. , 168, 1 (2016) J.Zheng et al.,Adv.Mater.,29,1604540(2017)J. Zheng et al. , Adv. Mater. , 29,1604540 (2017) S.S.Withanage.,ACS Omega,3,18943(2018)S. S. Withage. , ACS Omega, 3,18943 (2018) J.Lee et al.,Adv.Mater.,29,1702206(2017)J. Lee et al. , Adv. Mater. , 29,1702206 (2017)

本発明では、背景技術のところで述べた従来技術の課題を解決する膜形成方法およびそのための製造装置を提供することを課題とする。すなわち、MoSなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜の成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる膜形成方法およびそのための製造装置を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a film forming method and a manufacturing apparatus for solving the problems of the prior art described in the background art. That is, to provide a film forming method and a manufacturing apparatus therefor, which have high stability and controllability of film formation of a transition metal dichalcogenide layered film such as MoS 2 , can increase the film forming area, and are excellent in terms of cost. The challenge is to do.

課題を解決するための本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
遷移金属のブロックを酸化させて前記遷移金属の表面に前記遷移金属の酸化物層を形成することと、
前記酸化物層から前記酸化物を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記酸化物のガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記酸化物のガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を加熱することと、
前記酸化物のガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成2)
前記遷移金属は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1である、構成1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成3)
さらに、前記酸化物層を水素化された酸化物層とすることを含む、構成1または2記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成4)
前記水素化は、前記酸化を行う際に水素ガスを添加することによってなされる、構成3記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成5)
酸素を含むガスを供給しながらモリブデンからなるブロックを第1の温度T1で加熱して前記ブロックの表面に酸化モリブデン層を形成することと、
前記酸化モリブデン層から三酸化モリブデン(MoO)を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記MoOのガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記MoOのガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を第2の温度T2で加熱することと、
前記MoOのガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成6)
前記第1の温度T1は、500℃以上1200℃以下である、構成5記載のカルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成7)
前記第2の温度T2は、300℃以上1200℃以下である、構成5または6に記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成8)
前記専用配管は、生成した前記MoOの原料ガス成分が管内の途中で再堆積することを防止する温度で、少なくとも前記ブロックが配置されている場所から前記基板の直前の領域まで加熱されている、構成5から7の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成9)
前記カルコゲン原子は、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1である、構成1から8の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成10)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、構成1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成11)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、構成1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成12)
前記基板は、アルカリ金属元素を組成として含有することを特徴とする、構成1から11の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成13)
前記アルカリ金属元素は、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)からなる群より選ばれる1以上である、構成12記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成14)
前記基板は、アルカリ・アルミノ・シリケートガラスである、構成1から12の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成15)
酸化物のガスを基板に供給する酸化物ガス供給手段と、反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上に遷移金属カルゴゲナイドを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記酸化物ガス供給手段は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給する手段と、ブロック状の遷移金属と、前記遷移金属を加熱する第1の加熱手段と、前記遷移金属から昇華生成される酸化物のガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給する手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記遷移金属が載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、前記遷移金属の酸化物の昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。
(構成16)
前記酸化物ガス供給手段は、さらに水素を含むガスを流量を制御して供給する手段を有する、構成15記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。
(構成17)
MoOのガスを基板に供給するMoOガス供給手段と、硫黄を含む反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上にMoSを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記MoOガス供給手段は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段と、モリブデンからなるブロックと、前記ブロックを加熱する第1の加熱手段と、前記ブロックから昇華生成されるMoOのガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、前記反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記ブロックが載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、MoOの昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、MoS層状膜を形成するための装置。
(構成18)
前記反応性ガスは、硫黄(S)、硫化水素(HS)、ジメチル硫黄((CHS)、ジエチル硫黄((CS),ジターシャリブチル硫黄([(CHC]S)、ジイソプロピル硫黄((i-CS)からなる群より選ばれる1以上である、構成17記載の装置。
(構成19)
前記第1の加熱手段および第2の加熱手段は、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱からなる群より選ばれる1以上の方式による、構成15から18の何れか1記載の装置。
(構成20)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、構成15から19の何れか1記載の装置。
(構成21)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、構成15から19の何れか1記載の装置。
(構成22)
前記専用配管は、石英ガラス、ガラス、ステンレスおよびセラミックスからなる群より選ばれる1からなる、構成15から21の何れか1記載の装置。
(構成23)
前記セラミックスは、アルミナ、SiCからなる群より選ばれる、構成22に記載の装置。
(構成24)
前記専用配管の前記基板近接部にはシャワーヘッドが備えられている、構成15から23の何れか1記載の装置。
(構成25)
前記試料台には回転機構が備えられている、構成15から24の何れか1記載の装置。
The configuration of the present invention for solving the problem is shown below.
(Structure 1)
Oxidizing a block of a transition metal to form an oxide layer of the transition metal on the surface of the transition metal,
The oxide is sublimated from the oxide layer, and the gas of the oxide is supplied to the substrate together with the first inert carrier gas via a dedicated pipe.
To supply the substrate with a reactive gas containing a chalcogen atom together with the second inert carrier gas.
By heating the substrate when the oxide gas and the reactive gas are supplied to the substrate,
A method for forming a transition metal chalcogenide layered film, which comprises exhausting the oxide gas, the reactive gas, the first inert carrier gas and the second inert carrier gas.
(Structure 2)
The transition metals include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten (W) and The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to Configuration 1, which is 1 selected from the group consisting of renium (Re).
(Structure 3)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to Configuration 1 or 2, further comprising forming the oxide layer into a hydrogenated oxide layer.
(Structure 4)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to composition 3, wherein the hydrogenation is performed by adding hydrogen gas at the time of performing the oxidation.
(Structure 5)
A block made of molybdenum is heated at a first temperature T1 while supplying a gas containing oxygen to form a molybdenum oxide layer on the surface of the block.
Molybdenum trioxide (MoO 3 ) is sublimated from the molybdenum oxide layer, and the MoO 3 gas is supplied to the substrate together with the first inert carrier gas via a dedicated pipe.
To supply the substrate with a reactive gas containing a chalcogen atom together with the second inert carrier gas.
When the MoO 3 gas and the reactive gas are supplied to the substrate, the substrate is heated at the second temperature T2.
A method for forming a transition metal chalcogenide layered film, which comprises exhausting the MoO 3 gas, the reactive gas, the first inert carrier gas and the second inert carrier gas.
(Structure 6)
The method for forming a chalcogenide layered film according to Configuration 5, wherein the first temperature T1 is 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower.
(Structure 7)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to configuration 5 or 6, wherein the second temperature T2 is 300 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower.
(Structure 8)
The dedicated pipe is heated from at least the place where the block is arranged to the region immediately before the substrate at a temperature at which the generated raw material gas component of MoO 3 is prevented from being redeposited in the middle of the pipe. , The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of configurations 5 to 7.
(Structure 9)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of configurations 1 to 8, wherein the chalcogen atom is 1 selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te).
(Structure 10)
The first inert gas and the second inert gas are any one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas, any of configurations 1 to 9. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to 1.
(Structure 11)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of configurations 1 to 9, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gases.
(Structure 12)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of configurations 1 to 11, wherein the substrate contains an alkali metal element as a composition.
(Structure 13)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to Constituent 12, wherein the alkali metal element is one or more selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K).
(Structure 14)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of configurations 1 to 12, wherein the substrate is an alkaline aluminosilicate glass.
(Structure 15)
An oxide gas supply means for supplying an oxide gas to a substrate, a reactive gas supply means for supplying a reactive gas to the substrate, a reaction chamber portion for forming a transition metal cargogenide as a layered film on the substrate, and a reaction chamber portion. Equipped with exhaust means,
The oxide gas supply means includes a means for supplying a gas containing oxygen by controlling the flow rate, a means for supplying the first inert gas by controlling the flow rate, a block-shaped transition metal, and the transition metal. A first heating means for heating the substrate and a dedicated pipe for supplying an oxide gas sublimated from the transition metal onto the substrate.
The reactive gas supply means includes a means for supplying a reactive gas containing a chalcogen atom by controlling the flow rate, and a means for supplying the second inert gas by controlling the flow rate.
The reaction chamber is provided with a sample table and a second heating means for heating the substrate placed on the sample table, and is separated from the place where the transition metal is placed. ,
A device for forming a transition metal chalcogenide layered film, wherein the tube wall of the dedicated pipe is provided with a heat treatment means for keeping the temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the oxide of the transition metal.
(Structure 16)
The apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film according to configuration 15, wherein the oxide gas supply means further includes means for supplying a gas containing hydrogen by controlling the flow rate.
(Structure 17)
A MoO 3 gas supply means for supplying MoO 3 gas to a substrate, a reactive gas supply means for supplying a reactive gas containing sulfur to the substrate, and a reaction chamber portion for forming MoS 2 as a layered film on the substrate. And equipped with exhaust means,
The MoO 3 gas supply means heats the gas containing oxygen by controlling the flow rate, the first inert gas by controlling the flow rate, the block made of molybdenum, and the block. A first heating means and a dedicated pipe for supplying the gas of MoO 3 sublimated and generated from the block onto the substrate are provided.
The reactive gas supply means includes a means for supplying the reactive gas by controlling the flow rate and a means for supplying the second inert gas by controlling the flow rate.
The reaction chamber is provided with a sample table and a second heating means for heating the substrate placed on the sample table, and is separated from the place where the block is placed.
A device for forming a MoS two -layered film, which is provided with a heat treatment means for maintaining a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of MoO 3 on the pipe wall of the dedicated pipe.
(Structure 18)
The reactive gas is sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), dimethyl sulfur ((CH 3 ) 2 S), diethyl sulfur ((C 2 H 5 ) 2 S), ditersial butyl sulfur ([(). CH 3 ) 3 C] 2 S), diisopropyl sulfur ((i-C 3 H 7 ) 2 S), one or more selected from the group consisting of the apparatus according to the configuration 17.
(Structure 19)
The apparatus according to any one of configurations 15 to 18, wherein the first heating means and the second heating means are one or more methods selected from the group consisting of resistance heating, induction heating, and lamp heating.
(Structure 20)
The first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas, any of configurations 15 to 19. The device according to 1.
(Structure 21)
The apparatus according to any one of configurations 15 to 19, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gases.
(Structure 22)
The device according to any one of configurations 15 to 21, wherein the dedicated pipe is composed of 1 selected from the group consisting of quartz glass, glass, stainless steel and ceramics.
(Structure 23)
The apparatus according to configuration 22, wherein the ceramic is selected from the group consisting of alumina and SiC.
(Structure 24)
The device according to any one of configurations 15 to 23, wherein a shower head is provided in a portion of the dedicated pipe near the substrate.
(Structure 25)
The device according to any one of configurations 15 to 24, wherein the sample table is provided with a rotation mechanism.

本発明によれば、遷移金属ダイカルコゲナイド、特にMoSの成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる膜形成方法およびそのための製造装置が提供される。 According to the present invention, a film forming method and a manufacturing apparatus for forming a transition metal dichalcogenide, particularly MoS 2 , which has high film forming stability and controllability, can increase the film forming area, and is excellent in terms of cost. Is provided.

装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the apparatus. 装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the apparatus. 装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the schematic structure of the apparatus. ガス供給系の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a gas supply system. 本発明の成膜方法を示すフローチャート図である。It is a flowchart which shows the film formation method of this invention. 本発明の成膜方法を示すフローチャート図である。It is a flowchart which shows the film formation method of this invention. MoOガス発生のメカニズムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mechanism of MoO 3 gas generation. 試作した装置の断面構成図である。It is sectional drawing of the prototype device. 試作した装置のガス配管系を中心とした構成図である。It is a block diagram centering on the gas piping system of the prototype device. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の膜評価を行った結果で、(a)はラマン分光評価、(b)は発光分光評価の結果である。It is the result of the film evaluation of the prepared MoS 2 film, (a) is the result of Raman spectroscopic evaluation, and (b) is the result of the emission spectroscopic evaluation. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the prepared MoS 2 film. 作製したMoS膜の膜評価を行った結果で、(a)はラマン分光評価、(b)は発光分光評価の結果である。It is the result of the film evaluation of the prepared MoS 2 film, (a) is the result of Raman spectroscopic evaluation, and (b) is the result of the emission spectroscopic evaluation. 作製したMoS膜のSEM写真である。It is an SEM photograph of the prepared MoS 2 film. 作製したWS膜のSEM写真と膜特性をラマンおよびPLスペクトルで評価した図である。It is a figure which evaluated the SEM photograph of the prepared WS2 film and the film property by Raman and PL spectrum. 作製したMoS膜のSEM写真である。It is an SEM photograph of the prepared MoS 2 film.

以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
第1の実施の形態では、MoSを例示しながら、遷移金属カルコゲナイド層状膜の成膜装置およびその装置を使った成膜方法について述べる。
(First Embodiment)
In the first embodiment, a film forming apparatus for a transition metal chalcogenide layered film and a film forming method using the apparatus will be described while exemplifying MoS 2 .

<装置>
本発明の遷移金属カルコゲナイド層状膜形成装置は、図1に示すように、酸化物のガスを基板上に供給する酸化物ガス供給手段6と、反応性ガスを基板上に供給する反応性ガス供給手段7と、基板(試料)上に遷移金属カルゴゲナイドを層状膜として形成する反応室部8と、排気手段9とを具備する。
<Device>
As shown in FIG. 1, the transition metal chalcogenide layered film forming apparatus of the present invention has an oxide gas supply means 6 for supplying an oxide gas onto a substrate and a reactive gas supply for supplying a reactive gas onto the substrate. The means 7 is provided with a reaction chamber portion 8 for forming a transition metal cargogenide as a layered film on a substrate (sample), and an exhaust means 9.

酸化物ガス供給手段6は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段と、ブロック状の遷移金属と、遷移金属を加熱する第1の加熱手段と、遷移金属から昇華生成される酸化物ガスを基板上に供給する専用配管とを備える手段を備える。
具体的には、本発明の遷移金属カルコゲナイド層状膜形成装置10の酸化物ガス供給手段は、図2に示すように、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段としての開閉・流量制御装置33、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段としての開閉・流量制御装置34、ブロック状の遷移金属32とそれを載置するためのステージ31を備える酸化物ガス発生室21、および遷移金属から昇華生成される酸化物ガスを基板上に供給する専用配管23を備える。なお、開閉・流量制御装置33と開閉・流量制御装置34は、後述の開閉・流量制御装置40に示すように、1つの開閉・流量制御装置とすることもできる。
The oxide gas supply means 6 heats a means for supplying a gas containing oxygen by controlling the flow rate, a means for supplying the first inert gas by controlling the flow rate, a block-shaped transition metal, and the transition metal. The first heating means is provided, and the means is provided with a dedicated pipe for supplying the oxide gas sublimated and generated from the transition metal onto the substrate.
Specifically, as shown in FIG. 2, the oxide gas supply means of the transition metal chalcogenide layered film forming apparatus 10 of the present invention is open / closed / flow control as a means for controlling the flow rate of a gas containing oxygen. An oxide gas generation chamber 21 including a device 33, an opening / closing / flow rate control device 34 as a supply means for controlling the flow rate of the first inert gas, a block-shaped transition metal 32, and a stage 31 for mounting the block-shaped transition metal 32. , And a dedicated pipe 23 for supplying the oxide gas sublimated and generated from the transition metal onto the substrate. The open / close / flow rate control device 33 and the open / close / flow rate control device 34 may be one open / close / flow rate control device as shown in the open / close / flow rate control device 40 described later.

ここで、遷移金属としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1を挙げることができる。Moを用いると特に応用の期待が高いMoS層状膜を形成するすることができる。また、Mo金属については、高純度の多結晶Mo金属が入手しやすく、コストも低いというメリットがある。 Here, as the transition metal, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten ( One selected from the group consisting of W) and renium (Re) can be mentioned. When Mo is used, it is possible to form a MoS two -layered film, which is highly expected to be applied. Further, as for Mo metal, there is an advantage that high-purity polycrystalline Mo metal is easily available and the cost is low.

使用する遷移金属の形態としては、単結晶が好ましい。多結晶では多くの結晶粒界が存在するが、その状態では酸化物の生成、蓄積および昇華の進行が単結晶部と粒界部とで異なり、酸化物の生成、昇華の再現性、安定性が低下する傾向がある。例えば、多結晶Moには高密度の結晶粒界が存在し、Mo酸化物の生成や蓄積、昇華の進行が単結晶部と粒界部で異なる。ここで、一般には、Mo酸化物の生成や蓄積、昇華の進行は、粒界部で優位に進みやすい。そのため、MoOの生成と昇華の再現性や安定性を高め、制御をより厳密に行う観点からは、例えば電子ビーム溶融法等で作製した、単結晶Moを用いることが好ましい。 A single crystal is preferable as the form of the transition metal to be used. There are many grain boundaries in polycrystals, but in that state, the progress of oxide formation, accumulation and sublimation differs between the single crystal and grain boundaries, and the reproducibility and stability of oxide formation and sublimation. Tends to decrease. For example, polycrystalline Mo has high-density grain boundaries, and the formation and accumulation of Mo oxides and the progress of sublimation differ between the single crystal and grain boundaries. Here, in general, the formation and accumulation of Mo oxide and the progress of sublimation tend to proceed predominantly at the grain boundaries. Therefore, from the viewpoint of improving the reproducibility and stability of MoO 3 generation and sublimation and performing more strict control, it is preferable to use a single crystal Mo produced by, for example, an electron beam melting method.

遷移金属を加熱する第1の加熱手段としては、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱を挙げることができ、例えばステージ31をヒーター付きのものとすればよい。なお、抵抗加熱はコストが低く、扱いが容易であるという特徴があり、ランプ加熱や誘導加熱は応答性に優れるという特徴がある。
第1の加熱手段による温度T1の設定範囲は、500℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、遷移金属酸化物ガスを効率的に高い安定性で生成でき、その結果、均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
As the first heating means for heating the transition metal, resistance heating, induction heating and lamp heating can be mentioned. For example, the stage 31 may be equipped with a heater. It should be noted that resistance heating is characterized by low cost and easy handling, and lamp heating and induction heating are characterized by excellent responsiveness.
The setting range of the temperature T1 by the first heating means is preferably 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. This temperature range allows the transition metal oxide gas to be efficiently produced with high stability, and as a result, the transition metal chalcogenide layered film that is uniform and has few defects can be stably formed.

第1の不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。ブロック状の遷移金属32に遷移金属酸化物の層を形成し、その層から遷移金属酸化物のガスを昇華させるときの温度の関係で窒素ガスは十分な不活性ガスとして機能する。窒素ガスは入手が容易でコストも低いため、窒素ガスは第1の不活性ガスとして特に好適である。 As the first inert gas, one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas can be mentioned. A layer of the transition metal oxide is formed on the block-shaped transition metal 32, and the nitrogen gas functions as a sufficient inert gas in relation to the temperature when the gas of the transition metal oxide is sublimated from the layer. Nitrogen gas is particularly suitable as the first inert gas because it is easily available and low in cost.

専用配管23は、その管壁が使用する遷移金属の酸化物の昇華温度以上に保たれる構成になっていることが必要で、例えば図3に示されるように管壁あるいはその近傍にヒーター25を備えておく。ヒーター25は抵抗加熱の他、誘導加熱やランプ加熱でもよい。また、専用配管23は、実施例のところで述べるように、専用配管23専用のヒーターを備えず、試料38の熱処理の一環の炉内に設置されて、遷移金属の酸化物の昇華温度以上に保たれるようにしてもよい。
専用配管の管壁に遷移金属酸化物が付着すると、試料38への遷移金属酸化物ガスの供給の制御性や安定性が低下する。上記構成にすることによって、この問題を解決することが可能になる。
The dedicated pipe 23 needs to be configured to be maintained at a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the oxide of the transition metal used in the pipe wall. For example, as shown in FIG. 3, the heater 25 is located in or near the pipe wall. Be prepared. The heater 25 may be induction heating or lamp heating in addition to resistance heating. Further, as described in the examples, the dedicated pipe 23 is not provided with a heater dedicated to the dedicated pipe 23, and is installed in the furnace as part of the heat treatment of the sample 38 to keep the temperature above the sublimation temperature of the oxide of the transition metal. You may let it hang down.
If the transition metal oxide adheres to the pipe wall of the dedicated pipe, the controllability and stability of the supply of the transition metal oxide gas to the sample 38 deteriorates. The above configuration makes it possible to solve this problem.

専用配管23の管壁の材料としては、石英ガラス、ガラス、ステンレスおよびセラミックスからなる群より選ばれる1を挙げることができる。セラミックスとしては、例えばアルミナ、SiCからなる群より選ばれるものを挙げることができる。
なお、専用配管23の先端や試料38が置かれている場所の近傍にはシャワーヘッド36が設けられて、遷移金属酸化物のガスが試料38の面内に均一に供給されるようにしておくことが好ましい。
As the material of the pipe wall of the dedicated pipe 23, 1 selected from the group consisting of quartz glass, glass, stainless steel and ceramics can be mentioned. Examples of the ceramics include those selected from the group consisting of alumina and SiC.
A shower head 36 is provided near the tip of the dedicated pipe 23 and the place where the sample 38 is placed so that the gas of the transition metal oxide is uniformly supplied into the plane of the sample 38. Is preferable.

反応性ガス供給手段は、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段とを備えて前記反応性ガスを前記基板上に供給する手段とを具備する。
具体的には、本発明の遷移金属カルコゲナイド層状膜形成装置10の反応性ガス供給手段は、図2に示すように、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段および第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段としての開閉・流量制御装置40、および開閉・流量制御装置40からその反応性ガスを試料38近傍に供給する配管43を備える。ここで、開閉・流量制御装置40には反応性ガスを供給するポート(配管)41と第2の不活性ガスを供給するポート(配管)42が備えられている。また、図2では開閉・流量制御装置40は1つの装置としているが、反応性ガスを供給する開閉・流量制御装置と第2の不活性ガスを供給する開閉・流量制御装置の2つの開閉・流量制御装置としてもよい。
The reactive gas supply means includes a means for supplying a reactive gas containing a chalcogen atom by controlling the flow rate and a means for supplying the second inert gas by controlling the flow rate, and supplies the reactive gas to the substrate. Provided with means to supply above.
Specifically, as shown in FIG. 2, the reactive gas supply means of the transition metal chalcogenide layered film forming apparatus 10 of the present invention is a means for supplying a reactive gas containing a chalcogen atom by controlling the flow rate and a second. It is provided with an opening / closing / flow rate control device 40 as a supply means for controlling the flow rate of the inert gas of No. 1 and a pipe 43 for supplying the reactive gas from the opening / closing / flow rate control device 40 to the vicinity of the sample 38. Here, the opening / closing / flow rate control device 40 is provided with a port (pipe) 41 for supplying the reactive gas and a port (pipe) 42 for supplying the second inert gas. Further, although the open / close / flow rate control device 40 is one device in FIG. 2, the open / close / flow rate control device for supplying the reactive gas and the open / close / flow rate control device for supplying the second inert gas are used. It may be a flow rate control device.

カルコゲン原子としては、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1を挙げることができる。
また、カルコゲン原子含む反応性ガスとしては、硫黄(S)、硫化水素(HS)、ジメチル硫黄((CHS)、ジエチル硫黄((CS),ジターシャリブチル硫黄([(CHC]S)、ジイソプロピル硫黄((i-CS)からなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。この中で、SおよびHSは、入手が容易で、低コストであるため、好んで用いることができる。
Examples of the chalcogen atom include 1 selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te).
The reactive gases containing chalcogen atoms include sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), dimethyl sulfur ((CH 3 ) 2 S), diethyl sulfur ((C 2 H 5 ) 2 S), and jittery. One or more selected from the group consisting of butyl sulfur ([(CH 3 ) 3 C] 2 S) and diisopropyl sulfur ((i-C 3 H 7 ) 2 S) can be mentioned. Among these, S and H 2S can be preferably used because they are easily available and low in cost.

第2の不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。窒素ガスは入手が容易でコストも低いため、窒素ガスは第2の不活性ガスとして特に好適である。 As the second inert gas, one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas can be mentioned. Nitrogen gas is particularly suitable as the second inert gas because it is easily available and low in cost.

反応室(反応室部)22は、試料38とそれを載置する試料台37を備えた部屋で、遷移金属が載置されている酸化物ガス発生室21および専用配管23とはガスの往来の観点から隔離された別室とする。そして、反応室(反応室部)22は、試料38を加熱する第2の加熱手段を備える。第2の加熱手段としては、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱を挙げることができ、これらの中から選ばれた単独でも、複合でもよい。ヒーターを備えた試料台37を第2の加熱手段としてもよい。第2の加熱手段による温度T2の設定範囲は300℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、効率的に均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
なお、試料台37には回転機構が備えられているのが好ましい。このようにすると、試料38に遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成する際、試料38を回転しながら成膜することにより膜形成の面内均一性を向上させることができる。
The reaction chamber (reaction chamber portion) 22 is a room provided with a sample 38 and a sample table 37 on which the sample 38 is placed, and gas flows in and out of the oxide gas generation chamber 21 on which the transition metal is placed and the dedicated pipe 23. It will be a separate room isolated from the viewpoint of. The reaction chamber (reaction chamber portion) 22 is provided with a second heating means for heating the sample 38. The second heating means may include resistance heating, induction heating and lamp heating, and may be used alone or in combination among these. The sample table 37 provided with a heater may be used as the second heating means. The setting range of the temperature T2 by the second heating means is preferably 300 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. This temperature range makes it possible to stably form a transition metal chalcogenide layered film that is efficiently uniform and has few defects.
It is preferable that the sample table 37 is provided with a rotation mechanism. By doing so, when the transition metal chalcogenide layered film is formed on the sample 38, the in-plane uniformity of the film formation can be improved by forming the film while rotating the sample 38.

第1の加熱手段と第2の加熱手段は、その温度制御が個々別々としてもよいし、1つに集約して装置を簡素化してもよい。すなわち、2ゾーンあるいは2ゾーン以上としてもよいし1ゾーンとしてもよい。多ゾーンの制御の場合、例えば試料32の温度と酸化物ガス発生室21での温度を独立に制御でき、相互のパラメータの干渉を抑制できるので制御性が向上する。 The temperature control of the first heating means and the second heating means may be individually separated, or may be integrated into one to simplify the apparatus. That is, it may be 2 zones, 2 zones or more, or 1 zone. In the case of multi-zone control, for example, the temperature of the sample 32 and the temperature in the oxide gas generation chamber 21 can be controlled independently, and interference between mutual parameters can be suppressed, so that controllability is improved.

また、本発明の装置として実施の形態1では、横型リアクターと呼ばれる形状に分類される装置を例示して説明した。しかしながらこれは本質的ではなく、ガスの流れが上下方向となる縦型リアクターとしてもよい。 Further, in the first embodiment as the apparatus of the present invention, an apparatus classified into a shape called a horizontal reactor has been exemplified and described. However, this is not essential, and a vertical reactor in which the gas flow is in the vertical direction may be used.

図4に示される開閉および流量が制御されるガス供給系12は、配管51、手動バルブ52、マスフローコントローラ53、エアバルブ54,56からなる第1のガス系統と、配管61、手動バルブ62、マスフローコントローラ63、エアバルブ64,66からなる第2のガス系統を例示として示したものである。第1のガス系統からのガスと第2のガス系統からのガスは、混合、On/Offおよび流量制御されて配管55により供給される。また、配管内のガス純度を十分確保するための排気配管57も備えられていてエアバルブ56や66を開閉することにより配管内を排気することが可能になっている。ここに示したガス供給系12を開閉・流量制御装置33,34,40,44に適用できる。 The gas supply system 12 whose opening / closing and flow rate is controlled shown in FIG. 4 includes a first gas system including a pipe 51, a manual valve 52, a mass flow controller 53, and air valves 54 and 56, and a pipe 61, a manual valve 62, and a mass flow. The second gas system including the controller 63 and the air valves 64 and 66 is shown as an example. The gas from the first gas system and the gas from the second gas system are mixed, On / Off, and flow rate controlled and supplied by the pipe 55. Further, an exhaust pipe 57 for ensuring sufficient gas purity in the pipe is also provided, and the inside of the pipe can be exhausted by opening and closing the air valves 56 and 66. The gas supply system 12 shown here can be applied to the open / close / flow rate control devices 33, 34, 40, 44.

ガス供給系12は、マスフローコントローラ53、63によって供給側でのガス流量が制御される。本発明では、図2に示すように、酸化物ガス発生室21に供給されるOを含んだガスと第1の不活性ガスの流量と遷移金属ブロック32への熱処理温度(T1)を制御することによって、試料38に供給する酸化物ガスの流量を制御することを1つの特徴にしている。
酸化物ガス発生室21で発生した酸化物ガスの流量やOn/Offを酸化物ガス発生室21より下流側で制御しようとすると、高温下でのOn/Offや流量制御が必要になり、装置コストのアップ、制御の精度低下と不安定化、故障の多発、メンテのしにくさといった問題が発生する。本発明の構成によりこのような問題を回避することが可能になる。
なお、図3は、反応室22に2つの開閉・流量制御装置40、44が繋がれている例を示している。このように複数の開閉・流量制御装置が反応室22に接続されていると、反応性ガスと第2の不活性ガスの導入のみならず、環境制御としての不活性キャリアガスに混じったOガスの供給などが行えて、より高度な制御が可能になる。なお、開閉・流量制御装置44には配管45,46および47が接続されている。
In the gas supply system 12, the gas flow rate on the supply side is controlled by the mass flow controllers 53 and 63. In the present invention, as shown in FIG. 2, the flow rates of the gas containing O 2 and the first inert gas supplied to the oxide gas generation chamber 21 and the heat treatment temperature (T1) for the transition metal block 32 are controlled. By doing so, one feature is to control the flow rate of the oxide gas supplied to the sample 38.
If an attempt is made to control the flow rate and On / Off of the oxide gas generated in the oxide gas generation chamber 21 on the downstream side of the oxide gas generation chamber 21, On / Off and flow rate control at a high temperature are required, and the apparatus Problems such as increased cost, reduced control accuracy and instability, frequent failures, and difficulty in maintenance occur. The configuration of the present invention makes it possible to avoid such a problem.
Note that FIG. 3 shows an example in which two open / close / flow rate control devices 40 and 44 are connected to the reaction chamber 22. When a plurality of open / close / flow rate control devices are connected to the reaction chamber 22 in this way, not only the introduction of the reactive gas and the second inert gas but also the O 2 mixed with the inert carrier gas for environmental control is performed. Gas can be supplied, and more advanced control becomes possible. The pipes 45, 46 and 47 are connected to the open / close / flow rate control device 44.

上記では、酸化物ガスの発生源をブロック状の遷移金属とした場合を示したが、遷移金属ブロック32をブロック状金属モリブデン(Mo)とすると昇華発生する酸化物ガスはMoOになる。専用配管23を介してこのガスを反応室22に導き、また別系統で硫黄を含む反応性ガスを流量制御を伴って反応室22に導き、試料38に熱処理を加えれば、試料38にMoS層状膜を形成することができる。 In the above, the case where the source of the oxide gas is a block-shaped transition metal is shown, but when the transition metal block 32 is a block-shaped metal molybdenum (Mo), the oxide gas sublimated becomes MoO 3 . If this gas is guided to the reaction chamber 22 via the dedicated pipe 23, the reactive gas containing sulfur is guided to the reaction chamber 22 with the flow rate control in another system, and the sample 38 is heat-treated, MoS 2 is added to the sample 38. A layered film can be formed.

本発明の装置の特徴を下記に示す。これらの特徴により、MoSなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜の成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる製造装置を提供することが可能になる。 The features of the apparatus of the present invention are shown below. Due to these characteristics, it is possible to provide a manufacturing apparatus which has high stability and controllability of film formation of a transition metal dichalcogenide layered film such as MoS 2 , can increase the film formation area, and is excellent in terms of cost. It will be possible.

(1)Moなどの遷移金属ブロック32を載置する酸化物ガス発生室21が、S原料ガスなど他の反応性ガスが意図せず侵入して反応しないように分離されている。
(2)遷移金属ブロックを載置する酸化物ガス発生室21には、Nのような不活性ガスと反応性をもつOの両方を供給可能な構成となっており、バルブ動作により遷移金属ブロック32に接触するガスが切り替えられる。
(3)上記(2)の構成で、各ガスラインにはマスフローコントローラ等の流量制御機器が設置されており、これによりNおよびOガスの流量や濃度の制御が可能になっている。しかも、この流量制御は常温下で行えるので、安定性、制御性、メンテ性が高く、コストを抑えられて故障発生頻度も少ない。
(4)遷移金属ブロックを載置する酸化物ガス発生室21は試料38が置かれている領域とは独立になっており、発生した酸化物ガスを試料38が置かれている領域に導くことができる構成となっている。
(5)試料38が置かれている領域に導かれた酸化物ガスは、シャワーヘッド方式などガス吹き出し部の形状加工により、試料38が置かれている場所でのガス濃度の均一化が図れる構造になっている。
(6)S原料等の反応性ガスが、(5)のようにして試料38が置かれている場所に導かれた酸化物ガスと試料38の近傍で混合されて反応する構成となっている。
(1) The oxide gas generation chamber 21 on which the transition metal block 32 such as Mo is placed is separated so that other reactive gas such as S raw material gas does not unintentionally invade and react.
(2) Transition The oxide gas generation chamber 21 on which the metal block is placed is configured to be capable of supplying both an inert gas such as N 2 and reactive O 2 and transitions by valve operation. The gas in contact with the metal block 32 is switched.
(3) With the configuration of (2) above, a flow rate control device such as a mass flow controller is installed in each gas line, which makes it possible to control the flow rate and concentration of N 2 and O 2 gas. Moreover, since this flow rate control can be performed at room temperature, stability, controllability, and maintainability are high, costs can be suppressed, and the frequency of failure occurrence is low.
(4) The oxide gas generation chamber 21 on which the transition metal block is placed is independent of the region where the sample 38 is placed, and the generated oxide gas is guided to the region where the sample 38 is placed. It is configured to be able to.
(5) The oxide gas guided to the region where the sample 38 is placed has a structure in which the gas concentration can be made uniform in the place where the sample 38 is placed by processing the shape of the gas blowing portion such as a shower head method. It has become.
(6) The reactive gas such as the S raw material is mixed and reacted in the vicinity of the sample 38 with the oxide gas guided to the place where the sample 38 is placed as in (5). ..

<方法>
本発明の方法を、フローチャート図である図5および5を参照しながら説明する。
本発明の方法では、遷移金属のブロックを酸化させて前記遷移金属の表面に前記遷移金属の酸化物層を形成すること(図5、工程S1)と、酸化物層から酸化物を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに酸化物のガスを基板(試料)に供給すること(工程S2)と、カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給すること(工程S3)と、前記酸化物のガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を加熱して基板上に遷移金属カルコゲン層状膜を形成すること(工程S4)と、工程S4時を含めて酸化物のガス、反応性ガス、第1の不活性キャリアガスおよび第2の不活性キャリアガスを排気すること(工程S5)を行う。ここで、工程S2と工程S3は同時に行ってもよいし、工程S3が工程S2に先行して行われてもよい。
<Method>
The method of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 5 which are flowcharts.
In the method of the present invention, a block of the transition metal is oxidized to form an oxide layer of the transition metal on the surface of the transition metal (FIG. 5, step S1), and the oxide is sublimated from the oxide layer. The oxide gas is supplied to the substrate (sample) together with the first inert carrier gas via a dedicated pipe (step S2), and the reactive gas containing a chalcogen atom is supplied together with the second inert carrier gas. Supplying to the substrate (step S3) and heating the substrate when supplying the oxide gas and the reactive gas to the substrate to form a transition metal chalcogen layered film on the substrate (step S4). And, including the time of step S4, the oxide gas, the reactive gas, the first inert carrier gas and the second inert carrier gas are exhausted (step S5). Here, the process S2 and the process S3 may be performed at the same time, or the process S3 may be performed prior to the process S2.

ここで、遷移金属は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1とする。 Here, the transition metals are titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), and tungsten (W). ) And 1 selected from the group consisting of renium (Re).

遷移金属カルコゲナイド層状膜として大いに嘱望されているMoS層状膜を形成する場合は、酸素を含むガスを供給しながらモリブデンからなるブロックを第1の温度T1で加熱して前記ブロックの表面に酸化モリブデン層を形成すること(図6、工程S11)と、酸化モリブデン層から三酸化モリブデン(MoO)を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記MoOのガスを基板に供給すること(工程S12)と、カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに基板に供給すること(工程S13)と、MoOのガスおよび反応性ガスの基板への供給時に基板を第2の温度T2で加熱すること(工程S14)と、工程S14時を含めてMoOのガス、反応性ガス、第1の不活性キャリアガスおよび第2の不活性キャリアガスを排気すること(工程S15)を含めてMoS層状膜を形成する。ここで、工程S12と工程S13は同時に行ってもよいし、工程S13が工程S12に先行して行われてもよい。 When forming a MoS two -layered film, which is highly desired as a transition metal chalcogenide layered film, a block made of molybdenum is heated at a first temperature T1 while supplying a gas containing oxygen, and molybdenum oxide is formed on the surface of the block. Forming a layer (FIG. 6, step S11) and sublimating molybdenum trioxide (MoO 3 ) from the molybdenum oxide layer, the gas of MoO 3 is used as a substrate together with the first inert carrier gas via a dedicated pipe. (Step S12), supplying a reactive gas containing a chalcogen atom to the substrate together with the second inert carrier gas (step S13), and supplying the MoO 3 gas and the reactive gas to the substrate. Occasionally, the substrate is heated at the second temperature T2 (step S14), and the MoO 3 gas, the reactive gas, the first inert carrier gas and the second inert carrier gas are exhausted including the step S14. (Step S15) is included to form a MoS two -layered film. Here, the process S12 and the process S13 may be performed at the same time, or the process S13 may be performed prior to the process S12.

ここで、第1の温度T1は、500℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、遷移金属酸化物ガスを効率的に高い安定性で生成でき、その結果、均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
また、第2の温度T2は、300℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、効率的に均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
Here, the first temperature T1 is preferably 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. This temperature range allows the transition metal oxide gas to be efficiently produced with high stability, and as a result, the transition metal chalcogenide layered film that is uniform and has few defects can be stably formed.
The second temperature T2 is preferably 300 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. This temperature range makes it possible to stably form a transition metal chalcogenide layered film that is efficiently uniform and has few defects.

専用配管は、装置のところで述べたように、生成したMoO等の原料ガス成分が管内の途中で再堆積することを防ぐ目的で、少なくとも金属ブロックが配置されている場所から基板の直前の領域まで加熱されていることが好ましい。 As mentioned in the equipment, the dedicated pipe is located in the area immediately before the substrate from the place where the metal block is placed, at least for the purpose of preventing the generated raw material gas components such as MoO 3 from redepositing in the middle of the pipe. It is preferably heated to.

カルコゲン原子としては、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1を挙げることができる。 Examples of the chalcogen atom include 1 selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te).

第1の不活性ガスおよび第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。この中で、窒素ガスは低コストで入手も容易であることから特に好んで用いることができる。 The first inert gas and the second inert gas can be one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas. Of these, nitrogen gas is particularly preferred because it is inexpensive and easily available.

酸素を含むガスの酸素含有量は0.01体積%以上100体積%以下が好ましい。
第2の不活性ガスのsccm流量S02に対するHSのsccm流量Sの比S/S02は、0.01体積%以上100体積%以下が好ましい。
以上の条件により、遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
The oxygen content of the gas containing oxygen is preferably 0.01% by volume or more and 100% by volume or less.
The ratio S 2 / S 02 of the sccm flow rate S 2 of H 2 S to the sccm flow rate S 02 of the second inert gas is preferably 0.01% by volume or more and 100% by volume or less.
Under the above conditions, it becomes possible to stably form a transition metal chalcogenide layered film.

遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成する基板(試料基板)は、アルカリ金属元素を組成として含有することが好ましい。
ここで、アルカリ金属元素としては、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)からなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。アルカリ金属を含む基板上にMoSなどのTMDCのCVDを行うと、アルカリ金属による触媒効果によって堆積速度が向上して成膜の生産効率が上がるとともに、単結晶ドメインのサイズも増大して成膜品質の改善にも寄与する。
この基板の具体例としては、アルカリ・アルミノ・シリケートガラスを挙げることができる。アルカリ・アルミノ・シリケートガラスは、スマートフォンなどの強化カバーガラス用に表面でのイオン交換反応を促進するために開発された素材であり、SiOやAlのほか、重量比で20%前後のNaO成分を含んでいる。
The substrate (sample substrate) forming the transition metal chalcogenide layered film preferably contains an alkali metal element as a composition.
Here, as the alkali metal element, one or more selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K) can be mentioned. When TMDC CVD such as MoS 2 is carried out on a substrate containing an alkali metal, the deposition rate is improved due to the catalytic effect of the alkali metal, the production efficiency of film formation is increased, and the size of the single crystal domain is also increased to form a film. It also contributes to quality improvement.
Specific examples of this substrate include alkaline, aluminosilicate, and silicate glass. Alkaline / aluminosilicate glass is a material developed to promote the ion exchange reaction on the surface for reinforced cover glass such as smartphones. In addition to SiO 2 and Al 2 O 3 , it is about 20% by weight. Contains the Na 2 O component of.

次に、TMDCとしてMoSを例示として、TMDC形成のメカニズムを説明する。
本発明の重要な点は、独立して設けた酸化物ガス発生室21内に金属モリブデン(Mo)を置き、そこに酸素(O)を含むガスを供給することによって、Moの原料ガスとなる酸化モリブデン(三酸化モリブデン(MoO)が主)を発生させ、このMo原料ガスを試料(基板)38が置かれた成膜領域に導いて利用する点にある。
一般に、遷移金属元素であるMoは高融点金属に分類され、融点は約2600℃以上と非常に高く、金属原料自体を蒸発させるには極めて高い温度が必要である。
一方で、Moを酸化して得られる6価酸化物のMoOは比較的蒸気圧が高く、500℃以上で急速に昇華が進行する。本発明では、金属Mo表面に希薄なOガスを供給した際に同時進行するMoOの生成反応と昇華を積極的に利用している。
Next, the mechanism of TMDC formation will be described by exemplifying MoS 2 as the TMDC.
The important point of the present invention is that the metal molybdenum (Mo) is placed in the oxide gas generation chamber 21 provided independently, and the gas containing oxygen (O 2 ) is supplied to the metal molybdenum (Mo) to obtain the raw material gas of Mo. Molybdenum oxide (mainly molybdenum trioxide (MoO 3 )) is generated, and this Mo raw material gas is guided to a film forming region on which the sample (substrate) 38 is placed and used.
Generally, Mo, which is a transition metal element, is classified as a refractory metal, has a very high melting point of about 2600 ° C. or higher, and requires an extremely high temperature to evaporate the metal raw material itself.
On the other hand, the hexavalent oxide MoO 3 obtained by oxidizing Mo has a relatively high vapor pressure, and sublimation proceeds rapidly at 500 ° C. or higher. In the present invention, the MoO 3 formation reaction and sublimation that proceed simultaneously when a dilute O 2 gas is supplied to the metal Mo surface are actively utilized.

次に、本発明をMo金属表面にOガスを供給した際に進行する酸化膜(酸化スケールとも呼ばれる)の形成とその昇華反応について説明する。
図7に、加熱された環境下でMo金属1にOガスを供給した際に考えられる酸化スケール形成と昇華の描像を示す。供給されたO(4)はMo表面に吸着後、Moと反応して酸化スケール(2や3)が形成されるが、有限な厚さの酸化スケールが形成された後は、OはMo金属と酸化スケールの界面まで拡散し、そこで新たな酸化スケールが形成されることになる。そして、MoOがガスとなって昇華していく。ここで、図7(a)は後程説明するように、希薄なOガスが供給される場合を示し、図7(b)は十分なOガスが供給される場合を示す。
形成される酸化スケールの化学組成に関しては、充分なO分圧下であれば表面層の大部分は蒸気圧(昇華性)の高いMoO(3)であるが、Mo金属との界面付近には昇華性が低くごく薄い厚さをもつMoOが存在する。また、MoOからMoOへの遷移領域にMoO(2<x<3)のようなサブオキサイドも存在する。図7では、MoOおよびサブオキサイドを2として表示している。
Next, the present invention describes the formation of an oxide film (also called an oxide scale) and its sublimation reaction that proceed when O 2 gas is supplied to the Mo metal surface.
FIG. 7 shows a picture of oxidation scale formation and sublimation that can be considered when O 2 gas is supplied to Mo metal 1 in a heated environment. After the supplied O 2 (4) is adsorbed on the Mo surface, it reacts with Mo to form an oxidation scale (2 or 3), but after the oxidation scale of a finite thickness is formed, O 2 is formed. It diffuses to the interface between the Mo metal and the oxidation scale, where a new oxidation scale is formed. Then, MoO 3 becomes gas and sublimates. Here, FIG. 7 (a) shows a case where a dilute O 2 gas is supplied, and FIG. 7 (b) shows a case where a sufficient O 2 gas is supplied, as will be described later.
Regarding the chemical composition of the oxide scale formed, most of the surface layer is MoO 3 (3) with high vapor pressure (sublimation) under sufficient O 2 partial pressure, but near the interface with Mo metal. There is MoO 2 which has a low sublimation property and a very thin thickness. There are also suboxides such as MoO x (2 <x <3) in the transition region from MoO 3 to MoO 2 . In FIG. 7, MoO 2 and the suboxide are displayed as 2.

一方、酸化スケールの膜厚の時間発展については、酸化開始の初期では時間(t)に対して線形に膜厚が増加し、次第にt1/2(パラボリック則)に変化するとの報告もあるが、温度やO分圧にも依存する。このようにMoの酸化スケールの形成過程やその構造は複雑である。 On the other hand, regarding the time evolution of the film thickness of the oxidation scale, it is reported that the film thickness increases linearly with time (t) at the initial stage of the start of oxidation and gradually changes to t 1/2 (parabolic rule). It also depends on the temperature and O 2 partial pressure. As described above, the formation process of the oxidation scale of Mo and its structure are complicated.

本発明において特に重要なことは、酸化スケールの形成速度と昇華速度の競合関係である。酸化スケール(2,3)の形成速度と昇華速度の大小により、差し引きの酸化スケールの成長速度あるいは厚みが決まるからである。この競合関係は温度やOの供給量(分圧)に影響される。 Of particular importance in the present invention is the competitive relationship between the rate of formation of the oxide scale and the rate of sublimation. This is because the growth rate or thickness of the subtracted oxidation scale is determined by the magnitude of the formation rate and the sublimation rate of the oxidation scale (2, 3). This competitive relationship is affected by the temperature and the amount of O 2 supplied (partial pressure).

図7には、酸化スケールの形成と昇華の競合関係として考えられる2つの両極端な状況が示されている。
図7(a)は酸化スケールの形成速度よりも昇華速度が圧倒的に大きい、「酸化スケール形成速度<<昇華速度」の場合である。このような状況は、O供給量が少ない、あるいは温度が高く昇華が極めて活発に起こるような場合に実現される。理想的な極限状況下では、形成された酸化スケールのうちMoO成分は直ちにMoO(5)となって昇華して表面には滞留せず、定常的に揮発性が低いMoOやMoOの薄膜が露出しているような描像となる。この場合、MoSのCVDに重要な単位時間当たりのMoO昇華量は、Oの供給流量で律速されると考えられる。そのため、Oの供給量を一定に保てばMoSの成長速度は一定となり、MoSの堆積量(成長時間内の積分量)は時間に比例する。
FIG. 7 shows two extreme situations that can be considered as a competitive relationship between the formation of the oxidation scale and sublimation.
FIG. 7A shows the case of “oxidation scale formation rate << sublimation rate” in which the sublimation rate is overwhelmingly higher than the oxidation scale formation rate. Such a situation is realized when the O 2 supply is low, or the temperature is high and sublimation occurs extremely actively. Under ideal extreme conditions, the MoO 3 component of the formed oxidation scale immediately becomes MoO 3 (5) and sublimates and does not stay on the surface, and MoO x and MoO 2 which are constantly low in volatility. The picture looks like the thin film of is exposed. In this case, the amount of MoO 3 sublimation per unit time, which is important for MoS 2 CVD, is considered to be rate-determined by the supply flow rate of O 2 . Therefore, if the supply amount of O 2 is kept constant, the growth rate of MoS 2 becomes constant, and the accumulation amount of MoS 2 (integrated amount within the growth time) is proportional to the time.

一方、図7(b)は酸化スケール形成が昇華によるスケールの目減りを上回り、結果としてMoO酸化スケールの厚さが増加する状況である。すなわち、「酸化スケール形成速度>昇華速度」の場合である。これはO供給量が充分で、かつ比較的温度が低く昇華速度が抑えられた状況下で実現される。
このような状況では、Mo金属の表面がMoO(3)で常に覆われており、かつMoO(3)の厚み(すなわち体積)が時間とともに増加する。このような状況でMoSのCVDを行うと、Oガスの供給量を一定にしたとしても、MoOの昇華量は時間に対して一定にはならず、MoOの厚みとともに時間に比例して増加すると考えられる。そのため、CVDにおけるMoSの成長速度も時間に対して線形に増加し、積分量である総堆積量は時間に対して2次関数的に増えると予想される。また、このような状況下では、バルブ操作でO供給を停止してもMo(1)表面に蓄積したMoO(3)が昇華して無くなるまでは発生が続くことになるから、MoSの成長を停止する場合、応答が悪くなる。
以上のように、金属Mo表面の酸化スケール形成とMoOの昇華を使ったMoSのCVDでは2つの状態が起こりうる。どちらの状況下でもMoSの成膜は実現できるが、制御性や応答性の観点からは図7(a)の状況を達成するのが好ましい。
以上のことから、実施の形態1により、MoSなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜の成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる成膜方法を提供することが可能になる。
On the other hand, FIG. 7B shows a situation in which the formation of the oxidation scale exceeds the reduction of the scale due to sublimation, and as a result, the thickness of the MoO3 oxidation scale increases. That is, it is the case of "oxidation scale formation rate> sublimation rate". This is realized in a situation where the O 2 supply amount is sufficient, the temperature is relatively low, and the sublimation rate is suppressed.
In such a situation, the surface of the Mo metal is always covered with MoO 3 (3), and the thickness (ie, volume) of MoO 3 (3) increases with time. When MoS 2 is CVD in such a situation, the sublimation amount of MoO 3 is not constant with respect to time even if the supply amount of O 2 gas is made constant, and is proportional to the time with the thickness of MoO 3 . It is thought that it will increase. Therefore, it is expected that the growth rate of MoS 2 in CVD also increases linearly with time, and the total accumulated amount, which is an integral amount, increases quadratically with time. Further, under such a situation, even if the O 2 supply is stopped by operating the valve, the generation continues until the Mo O 3 ( 3 ) accumulated on the Mo (1) surface is sublimated and disappears. If you stop growing, the response will be poor.
As described above, two states can occur in the CVD of MoS 2 using the formation of an oxidation scale on the surface of metal Mo and the sublimation of MoO 3 . Although the film formation of MoS 2 can be realized under either situation, it is preferable to achieve the situation shown in FIG. 7 (a) from the viewpoint of controllability and responsiveness.
From the above, according to the first embodiment, the film formation stability and controllability of the transition metal dichalcogenide layered film such as MoS 2 is high, the film formation area can be increased, and the cost is also excellent. It becomes possible to provide a membrane method.

背景技術で述べた3つの方法、すなわち(i)MoOなどの金属酸化物として粉末原料を用いる方法(粉末法)、(ii)試料に対向させたMoなどの金属箔を用いる方法(フォイル法)、(iii)上記2つを組み合わせたような複合法の3つの方法と本発明の方法との違いをまとめて下記に示す。 The three methods described in the background technology, that is, (i) a method using a powder raw material as a metal oxide such as MoO 3 (powder method), and (ii) a method using a metal foil such as Mo facing a sample (foil method). ), (Iii) The differences between the three methods of the composite method such as the combination of the above two methods and the method of the present invention are summarized below.

粉末法との差異は、本発明の方法ではMoOなどの金属酸化物の発生をブロック状の金属表面にOガスを供給してその場で生成するので粉末原料が不要なことと、金属酸化物の原料部でSなどのカルコゲン元素との直接反応が起こらず制御性が高まることである。
フォイル法との差異は、金属箔である必要が無くブロック状としたことによりMoなどの金属原料の形状や大きさを試料のサイズや枚数に依存せず選択できる自由度が得られること、金属フォイルを基板に対向させる必要が無く、酸化物ガス発生室で発生する金属酸化物ガスを配管やノズル、シャワーヘッド等で試料が置かれている反応室に導く自由度が高く、その結果成膜均一性を高めやすい構造であること、および使用する金属が変質せず繰り返し使用できることである。
複合法との差異は、MoOなどの金属酸化物は金属とOの反応でその場で生成されるため金属酸化物の枯渇を回避できること、金属酸化物の昇華量(特に、低い過飽和度の実現)がO流量で広範囲に制御可能でかつ成膜中に自由に変化できること、および金属酸化物の原料部でSなどのカルコゲン元素との直接反応が起こらず制御性が高まることである。
The difference from the powder method is that the method of the present invention does not require a powder raw material because the generation of metal oxides such as MoO 3 is generated on the spot by supplying O 2 gas to the block-shaped metal surface. This means that the raw material portion of the oxide does not directly react with a chalcogen element such as S, and the controllability is improved.
The difference from the foil method is that the shape and size of the metal raw material such as Mo can be selected without depending on the size and number of samples because it does not need to be a metal foil and is made into a block shape. There is no need to face the foil to the substrate, and there is a high degree of freedom to guide the metal oxide gas generated in the oxide gas generation chamber to the reaction chamber where the sample is placed by piping, nozzles, shower heads, etc., resulting in film formation. The structure should be easy to improve the uniformity, and the metal used should not be deteriorated and can be used repeatedly.
The difference from the composite method is that metal oxides such as MoO 3 are generated in-situ by the reaction between the metal and O 2 , so that depletion of the metal oxide can be avoided, and the sublimation amount of the metal oxide (particularly, low degree of hypersaturation). (Realization) can be controlled over a wide range by the O 2 flow rate and can be freely changed during film formation, and the controllability is improved because the direct reaction with the chalcogen element such as S does not occur in the raw material portion of the metal oxide. ..

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態では、水素ガス添加により成膜効率を高めた遷移金属カルコゲナイド層状膜の成膜装置およびその装置を使った成膜方法について述べる。
(Second embodiment)
In the second embodiment, a film forming apparatus for a transition metal chalcogenide layered film whose film forming efficiency is enhanced by adding hydrogen gas and a film forming method using the apparatus will be described.

装置は、基本的に実施の形態1に準拠しているが、実施の形態1と異なる点は、酸化物ガス発生室に流量を正確に制御できる水素ガス(Hガス)供給系統をさらに備えていることである。すなわち、図2または図3でいうと、開閉・流量制御装置33,34に加えて酸化物ガス発生室21に水素ガスを供給する開閉・流量制御装置33や34と同じような設備を備えることである。 The apparatus basically conforms to the first embodiment, but the difference from the first embodiment is that the oxide gas generation chamber is further provided with a hydrogen gas (H 2 gas) supply system capable of accurately controlling the flow rate. That is. That is, in FIG. 2 or FIG. 3, in addition to the open / close / flow rate control devices 33 and 34, the same equipment as the open / close / flow rate control devices 33 and 34 for supplying hydrogen gas to the oxide gas generation chamber 21 is provided. Is.

昇華温度が高い金属酸化物から遷移金属カルコゲナイド層状膜を作製する場合、実施の形態1の方法では酸化物ガスを生成するための第1の加熱処理の温度T1は高くなり、酸化物ガスの生成効率を高めるのも容易ではなくなる。例えば、W金属ブロックを酸化・昇華させて反応室22までWOガスを導いてWS層状膜を製膜する場合、WOはMoOと比べて著しく昇華が起こりにくいので、その昇華には800℃以上というような高温の処理が必要となる。 When the transition metal chalcogenide layered film is produced from a metal oxide having a high sublimation temperature, the temperature T1 of the first heat treatment for producing the oxide gas becomes high in the method of the first embodiment, and the oxide gas is generated. It will not be easy to increase efficiency. For example, when the W metal block is oxidized and sublimated and WO 3 gas is guided to the reaction chamber 22 to form a WS two -layered film, WO 3 is significantly less likely to sublimate than MoO 3 , so the sublimation is difficult. High temperature treatment such as 800 ° C or higher is required.

実施の形態2では、遷移金属ブロック上に形成された金属酸化物やその生成を行うときの環境に水素ガスを加える。このようにするとその金属酸化物分子に水(HO)が付加される。すなわち、水素化された酸化物層が形成される。このようにすると昇華温度が下がり、加熱処理の温度T1を与える設備を簡便なものにすることができるとともに、扱いやすくなって制御性も高めやすくなり、酸化物ガスの発生効率も高めやすくなる。
例えば、W金属ブロックに酸素ガスと水素ガスを供給して第1の加熱処理を行ってW金属ブロックの表面にHWOを生成させ、その物質を昇華させる。この場合、昇華温度が下がり(WOと比べて相対的に蒸気圧が高くなる)、700℃という温度でWS層状膜を形成することが可能になる。
In the second embodiment, hydrogen gas is added to the metal oxide formed on the transition metal block and the environment for producing the metal oxide. In this way, water (H 2 O) is added to the metal oxide molecule. That is, a hydrogenated oxide layer is formed. In this way, the sublimation temperature is lowered, the equipment for giving the temperature T1 of the heat treatment can be simplified, the handling becomes easy, the controllability becomes easy, and the oxide gas generation efficiency becomes easy to improve.
For example, oxygen gas and hydrogen gas are supplied to the W metal block and the first heat treatment is performed to generate H 2 WO 4 on the surface of the W metal block and sublimate the substance. In this case, the sublimation temperature is lowered (the vapor pressure is relatively higher than that of WO 3 ), and it becomes possible to form a WS two -layered film at a temperature of 700 ° C.

以下では実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、この実施例はあくまで本発明の理解を助けるためここに挙げたものであり、本発明をこれに限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but these examples are given here only for the purpose of assisting the understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
実施例1では、MoSの成膜装置を作製し、その装置を用いて基板上にMoSを形成してその膜を評価した。
(Example 1)
In Example 1, a film forming apparatus for MoS 2 was produced, MoS 2 was formed on a substrate using the apparatus, and the film was evaluated.

<装置>
実施例1で試作した装置13の要部構成を図8に示す。ここで、図8(a)は全体概要で、図8(b)に示す石英管部14は、石英管71内の主要部の構成を寸法を併記しながら示したものである。
装置13は、土台となる基体72の上に支持具73を介して石英管71が配置され、さらに、石英管71内に配置されたMoS層状膜形成室部(反応室部)79とMo反応室(MoOガス発生室)81を含んだ領域を覆うように電気炉74が配置された構成になっている。また、石英管71内には石英で作られたAライン76とBライン77用の配管チューブが設置されており、石英管71にはCライン78用のチューブが取り付けられていて、Cライン用のガスは石英管71内に供給されるようになっている。
<Device>
FIG. 8 shows the main configuration of the apparatus 13 prototyped in the first embodiment. Here, FIG. 8A is an overall overview, and the quartz tube portion 14 shown in FIG. 8B shows the configuration of the main portion in the quartz tube 71 with dimensions.
In the apparatus 13, a quartz tube 71 is arranged on a substrate 72 as a base via a support 73, and further, a MoS two -layer film forming chamber portion (reaction chamber portion) 79 and Mo arranged in the quartz tube 71. The electric furnace 74 is arranged so as to cover the area including the reaction chamber (MoO 3 gas generation chamber) 81. Further, a piping tube for A line 76 and B line 77 made of quartz is installed in the quartz tube 71, and a tube for C line 78 is attached to the quartz tube 71 for C line. The gas is supplied into the quartz tube 71.

ここで、MoS層状膜形成室部79には、MoS層状膜が形成される試料が載置されるサセプタ75が配置され、シャワーヘッドをもつ上部ノズル82からはMo反応室81から供給されるMoOガスが、Bライン77に繋がれている下部ノズル83からはHS反応性ガスが供給されるようになっている。なお、雰囲気ガスやガスの流れ、排気の促進などを石英管71に繋がれているCライン78からのガスで制御できるようになっている。 Here, a susceptor 75 on which a sample on which a MoS two -layer film is formed is placed is arranged in the MoS two -layer film formation chamber 79, and is supplied from the Mo reaction chamber 81 from an upper nozzle 82 having a shower head. The MoO 3 gas is supplied from the lower nozzle 83 connected to the B line 77, and the H2S reactive gas is supplied. It should be noted that the atmosphere gas, the flow of gas, the promotion of exhaust gas, and the like can be controlled by the gas from the C line 78 connected to the quartz tube 71.

Mo反応室81はその管壁が石英で、Mo反応室81内には金属モリブデンのブロックが配置されている。そして、上流側に繋がれたAライン76から酸素ガス(Oガス)および不活性キャリアガスとしての窒素ガス(Nガス)が供給され、下流側に繋がれた上部ノズル82からMoOガスがMoS層状膜形成室部79に供給される構成になっている。ここで、Mo反応室81から上部ノズル82にかけての管は専用配管の状態になっているが、その専用配管は電気炉74の内側に配置されており、電気炉74がオンされるとその管壁は温められるので、その管壁にはMoやMoOxが付着しにくい構成になっている。
なお、石英管71の末端部には排気系が繋がれていて、排気80されるようになっている。ここで、排気設備としては空冷式の小型ドライポンプを用いた。また、ポンプの下流にはHSの乾式吸着を行うための除害装置を設置した。
The tube wall of the Mo reaction chamber 81 is quartz, and a block of metallic molybdenum is arranged in the Mo reaction chamber 81. Oxygen gas (O 2 gas) and nitrogen gas (N 2 gas) as an inert carrier gas are supplied from the A line 76 connected to the upstream side, and MoO 3 gas is supplied from the upper nozzle 82 connected to the downstream side. Is supplied to the MoS two -layered film forming chamber 79. Here, the pipe from the Mo reaction chamber 81 to the upper nozzle 82 is in the state of a dedicated pipe, but the dedicated pipe is arranged inside the electric furnace 74, and when the electric furnace 74 is turned on, the pipe is used. Since the wall is heated, Mo and MoOx are hard to adhere to the pipe wall.
An exhaust system is connected to the end of the quartz tube 71 so that the exhaust 80 is exhausted. Here, an air-cooled small dry pump was used as the exhaust equipment. In addition, a detoxification device for dry adsorption of H2S was installed downstream of the pump.

ガス供給系統を中心に描いた装置13の構成図を図9に示す。
装置13では、希釈Oガスの供給ライン(A-2ライン)に設置した手動バルブ62aおよびエアバルブ64aの開閉動作により、Aライン76に繋がれているMo反応室81内でのMoOガスの発生と停止が行える。また、N専用のA-1ラインおよび希釈Oライン(A-2)には、それぞれマスフローコントローラ(MFC)53aおよび63aが設置されており、この2つのMFCの流量比により、Mo反応室内の実効的なO濃度を精密に変えられる構成になっている。なお、A-1ラインおよびA-2ラインにはそれぞれ排気57aに繋がるエアバルブ56aおよび66aが配置されていて、排気動作により配管内の清浄度が十分保たれるようになっている。また、A-1ラインにはNラインガスを接続し、A-2ラインにはNを用いて1%に希釈されたOガスのボンベを接続している。なお、装置13には、手動バルブ85が備えられていて手動バルブ85を開くことにより石英管71の排気80を行うことができるようになっている。また、装置13には、圧力表示器84が備えられていて石英管71内の圧力をモニターできるようになっている。
FIG. 9 shows a configuration diagram of the device 13 drawn centering on the gas supply system.
In the apparatus 13, the MoO 3 gas in the Mo reaction chamber 81 connected to the A line 76 is operated by opening and closing the manual valve 62a and the air valve 64a installed in the diluted O 2 gas supply line (A-2 line). It can be started and stopped. In addition, mass flow controllers (MFCs) 53a and 63a are installed in the A-1 line and the dilution O2 line (A- 2 ) dedicated to N2, respectively, and the flow ratio of these two MFCs allows the Mo reaction chamber to be installed. The structure is such that the effective O 2 concentration can be changed precisely. Air valves 56a and 66a connected to the exhaust 57a are arranged in the A-1 line and the A-2 line, respectively, so that the cleanliness in the pipe can be sufficiently maintained by the exhaust operation. Further, an N 2 line gas is connected to the A-1 line, and an O 2 gas cylinder diluted to 1% using N 2 is connected to the A-2 line. The device 13 is provided with a manual valve 85 so that the quartz tube 71 can be exhausted by opening the manual valve 85. Further, the device 13 is provided with a pressure indicator 84 so that the pressure in the quartz tube 71 can be monitored.

硫黄(S)原料は、HSガスを別系統のガスライン(B-1)から供給する構成とした。
Bラインのガス供給系はAラインのガス供給系と同様の構成とした。そこでは、手動バルブ52b、MFC53b、エアバルブ54bを介して1%に希釈したHSガスのボンベから供給される反応性ガスがB-1ラインに供給され、手動バルブ62b、MFC63b、エアバルブ64bを介してラインのNガスがB-2ラインに供給される構成になっている。また、配管内のガス純度を高めるために、B-1ライン側にエアバルブ56bを、B-2ライン側にエアバルブ64bを配置して、両エアバルブの先から排気をとれる構成とした。
The sulfur (S) raw material was configured to supply H2S gas from a gas line (B-1) of another system.
The gas supply system of the B line has the same configuration as the gas supply system of the A line. There, the reactive gas supplied from the cylinder of H2S gas diluted to 1% via the manual valve 52b, MFC53b, and air valve 54b is supplied to the B-1 line, and the manual valve 62b, MFC63b, and air valve 64b are supplied. The N2 gas of the line is supplied to the B-2 line via the line. Further, in order to increase the gas purity in the pipe, an air valve 56b is arranged on the B-1 line side and an air valve 64b is arranged on the B-2 line side so that exhaust can be taken from the tips of both air valves.

ここで、S原料については粉末Sを使うことも可能であるが、ここでは、バルブによるOn/Off動作や、マスフローコントローラ(MFC)を使ったより精密な供給量の制御を可能にする本構成とした。なお、粉末Sの枯渇の問題を回避するうえで、MOCVD法で実績のあるHSや(CHSや(CSといった有機金属化合物をガス原料として供給できる構成が好ましい。 Here, it is possible to use powder S for the S raw material, but here, with this configuration that enables On / Off operation by a valve and more precise control of the supply amount using a mass flow controller (MFC). did. In order to avoid the problem of powder S depletion, organic metal compounds such as H 2 S, (CH 3 ) 2 S and (C 2 H 5 ) 2 S, which have been proven in the MOCVD method, can be supplied as a gas raw material. Is preferable.

Cラインについては、手動バルブ62c、MFC63c、エアバルブ64cを介してラインのNガスがC-1ラインに供給され、手動バルブ52c、MFC53c、エアバルブ54cを介してNガスにより1%に希釈されたOガスボンベから供給される希釈OスがC-2ラインに供給される構成になっている。 For the C line, the N2 gas of the line is supplied to the C-1 line via the manual valve 62c, MFC63c and air valve 64c, and diluted to 1% with N2 gas via the manual valve 52c, MFC53c and air valve 54c. The diluted O2 gas supplied from the O2 gas cylinder is supplied to the C- 2 line.

装置13は、実施の形態1でも述べた遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成に求められる下記技術項目を満たす構成になっている。
(1)金属Moを載置する反応室が、S原料ガスなど他の反応性ガスが意図せず侵入して反応しないように分離されていること。
(2)金属Moを載置する反応室には、Nのような不活性ガスと反応性をもつOの両方を供給可能な構成となっており、バルブ動作によりMo金属に接触するガスを切り替えられること。
(3)上記(2)の構成で、各ガスラインにはマスフローコントローラ等の流量制御機器が設置されており、これによりNおよびOガスの流量や濃度の制御が可能なこと。
(4)金属Moを載置する反応室は基板領域と独立になっており、発生したMoOガスを基板領域に導くことができる構成となっていること。
(5)基板領域に導かれたMoOガスは、シャワーヘッド方式などガス吹き出し部の形状加工により、基板部でのガス濃度の均一化が図れる構造になっていること。
(6)S原料の原料ガスが、(5)のようにして基板部に導かれたMoOと基板部領域で混合されて反応する構成となっていること。
The apparatus 13 is configured to satisfy the following technical items required for the formation of the transition metal chalcogenide layered film described in the first embodiment.
(1) The reaction chamber on which the metal Mo is placed is separated so that other reactive gases such as S raw material gas do not unintentionally invade and react.
(2) The reaction chamber in which the metal Mo is placed is configured to be capable of supplying both an inert gas such as N 2 and reactive O 2 and a gas that comes into contact with the Mo metal by valve operation. Can be switched.
(3) With the configuration of (2) above, flow control equipment such as a mass flow controller is installed in each gas line, which enables control of the flow rate and concentration of N 2 and O 2 gas.
(4) The reaction chamber on which the metal Mo is placed is independent of the substrate region, and the generated MoO3 gas can be guided to the substrate region.
(5) The MoO 3 gas guided to the substrate region has a structure that can make the gas concentration uniform in the substrate portion by processing the shape of the gas blowing portion such as the shower head method.
(6) The raw material gas of the S raw material is mixed and reacts with MoO 3 guided to the substrate portion in the substrate portion region as in (5).

<プロセス>
酸化物ガス(MoOガス)発生室(Mo反応室)81内に設置する金属Moとして、純度99.97%の高純度のブロック(Pansee社製)を準備し、それを20mm×6mm×2mmの短冊状に切断した。そして、有機溶剤と純水でクリーニングした後、酸化物ガス発生室81にチャージした。
ガスとHSはどちらも高純度Nで1%に希釈されたボンベを用意した。代表的な成膜条件は下記のとおりである。
・石英反応室71内圧:20Torr
・成膜温度:700℃または750℃
・Aライン流量:100sccm(1%O/N20sccm+N80sccm、またはN100sccm)
・Bライン流量:50sccm(1%HS/N10sccm+N40sccm、またはN50sccm)
・Cライン流量:250sccm(N
・成膜時間:3分以上15分以下
・基板:アルカリ・アルミノ・シリケートガラス(20mm×20mm×0.55mm)
<Process>
As a metal Mo to be installed in the oxide gas (MoO 3 gas) generation chamber (Mo reaction chamber) 81, a high-purity block (manufactured by Pansee) with a purity of 99.97% was prepared, and the block (manufactured by Pansee) was 20 mm × 6 mm × 2 mm. It was cut into strips. Then, after cleaning with an organic solvent and pure water, the oxide gas generation chamber 81 was charged.
For both O 2 gas and H 2 S, cylinders diluted to 1% with high-purity N 2 were prepared. Typical film formation conditions are as follows.
-Quartz reaction chamber 71 internal pressure: 20 Torr
-Film film temperature: 700 ° C or 750 ° C
-A-line flow rate: 100 sccm (1% O 2 / N 2 20 sccm + N 2 80 sccm, or N 2 100 sccm)
B-line flow rate: 50 sccm (1% H 2 S / N 2 10 sccm + N 2 40 sccm, or N 250 sccm)
・ C line flow rate: 250 sccm (N 2 )
・ Film formation time: 3 minutes or more and 15 minutes or less ・ Substrate: Alkaline, aluminosilicate glass (20 mm x 20 mm x 0.55 mm)

基板は、有機溶剤(アセトン、IPS)と純水で超音波洗浄し、Nブローで乾燥したのち、アルミナ製のサセプタ75に載せて電気炉74の所定位置に導入した。
その後、石英管内を真空度約2Pa付近まで充分に真空引きしたのち、Aライン76からCライン78の各ラインに所定流量のNガスのみを流しながら、リアクタ内圧力が20Torrになるように排気側のニードルバルブを調整した。このNフローの状態から、25℃/minの昇温速度で成膜温度700℃まで昇温し、700℃に到達後5分間安定化させた。
その後、切り替えバルブでBライン77にHS混合ガスを流し、30秒待ってから切り替えバルブでAライン76にO混合ガスを流して、酸化物ガス発生室で酸化モリブデンスケールの生成と昇華を開始した。
そして、Aライン76にOを流し始めた時間を成膜開始時間と定義し、所定の成膜時間の経過後に切り替えバルブでOをNに切り替えることでMoOの発生を停止し、成膜を終了した。
その後、Bライン77のHSは流したまま電気炉74を自然冷却し、室温付近になったのちに試料を取り出した。
The substrate was ultrasonically cleaned with an organic solvent (acetone, IPS) and pure water, dried with an N2 blow, placed on a susceptor 75 made of alumina, and introduced into a predetermined position of an electric furnace 74.
After that, the inside of the quartz tube is sufficiently evacuated to a degree of vacuum of about 2 Pa, and then exhausted so that the pressure inside the reactor becomes 20 Torr while flowing only the N2 gas of a predetermined flow rate from the A line 76 to the C line 78. Adjusted the needle valve on the side. From this state of N 2 flow, the temperature was raised to 700 ° C. at a temperature rising rate of 25 ° C./min, and the film was stabilized for 5 minutes after reaching 700 ° C.
After that, the H 2S mixed gas is passed through the B line 77 with the switching valve, and after waiting for 30 seconds, the O 2 mixed gas is passed through the A line 76 with the switching valve to generate and sublimate the molybdenum oxide scale in the oxide gas generation chamber. Started.
Then, the time when O 2 is started to flow on the A line 76 is defined as the film formation start time, and after the lapse of a predetermined film formation time, the generation of MoO 3 is stopped by switching O 2 to N 2 with the switching valve. The film formation was completed.
Then, the electric furnace 74 was naturally cooled while the H2S of the B line 77 was flowing, and the sample was taken out after reaching room temperature.

<材料評価>
図10から図13に、700℃、20Torrで成膜時間を3分、5分、10分、15分と変えて成膜したMoSの光学顕微鏡写真を示す。ここで、各図の(a)、(b)および(c)はそれぞれ上流、中央、下流の場所(図8(b)の79で示された領域の左、中央および右側の場所)でのそれを示す。
本発明の方法により、光学顕微鏡で認識できるサイズをもったMoSの三角形ドメインが形成できていることがわかるが、この事実はこの分野では画期的であり、従来法に比べて高い品質のTMDCになっている。
また、成膜時間の増加とともに三角形ドメインのサイズは数μm(成膜時間3分)から数十μm(成膜時間10分、15分)へと増大し、最終的には合体して連続膜が形成されていた。ここで、連続膜の例として、700℃、20Torrで成膜時間を15分として形成したときの膜で、上記図の(c)より更なる下流での光学顕微鏡写真を図14に示す。
なお、Mo金属原料を交換することなく、かつ再現性よく実現できることも確認している。
<Material evaluation>
10 to 13 show optical micrographs of MoS 2 formed at 700 ° C. and 20 Torr with different film formation times of 3 minutes, 5 minutes, 10 minutes, and 15 minutes. Here, (a), (b) and (c) of each figure are upstream, central and downstream locations (locations on the left, center and right side of the region shown by 79 in FIG. 8 (b)). Show it.
It can be seen that the method of the present invention forms a triangular domain of MoS 2 having a size recognizable by an optical microscope, but this fact is epoch-making in this field, and the quality is higher than that of the conventional method. It is TMDC.
In addition, as the film formation time increases, the size of the triangular domain increases from several μm (film formation time 3 minutes) to several tens of μm (film formation time 10 minutes, 15 minutes), and finally coalesces into a continuous film. Was formed. Here, as an example of a continuous film, a film formed at 700 ° C. and 20 Torr with a film formation time of 15 minutes is shown in FIG. 14 with an optical micrograph further downstream from (c) in the above figure.
It has also been confirmed that it can be realized with good reproducibility without replacing the Mo metal raw material.

ここでは時間依存性を示したが、O流量によっても制御できることを確認した。そこでは、Oに対する成膜プロセスの時間応答の線形(比例)性と応答速度を重視する場合、図7を用いて説明してきたように、酸化スケールの形成速度が小さく、昇華速度を上回らない範囲にO流量を抑えることが重要であった。 Although time dependence was shown here, it was confirmed that it can also be controlled by the O2 flow rate. There, when the linearity (proportionality) of the time response of the film formation process to O 2 and the response rate are emphasized, as explained with reference to FIG. 7, the formation rate of the oxide scale is small and does not exceed the sublimation rate. It was important to keep the O 2 flow rate within the range.

図16(a)は、10分成膜した下流の場所の三角形ドメイン部(図15参照)で測定したMoSのラマンスペクトルの測定例である。A1gとE 2gのモードが明確に観測され、その波数間隔は20cm-1であることから、単層であることがわかる。
また、図16(b)は、同じ測定部から得られた室温でのフォトルミネッセンス(PL)・スペクトルの測定結果である。この図から、666nm付近に非常に強い発光が観測され、このMoSが直接遷移型バンド構造を持つ単層膜であることが示唆された。
図18(a)と(b)は、各々15分成長したサンプルの連続膜の部分(図17参照)で測定したラマンとPLスペクトルである。この場合にも、得られた膜が極めて結晶性の良好なMoS単層膜であることが示されている。
以上のように、本発明が結晶性の良好なMoSの単層膜の成膜方法として有用なことが実験的に示された。
FIG. 16A is a measurement example of the Raman spectrum of MoS 2 measured at the triangular domain portion (see FIG. 15) at the downstream location where the film was formed for 10 minutes. The modes of A 1 g and E 12 g are clearly observed, and the wavenumber interval is 20 cm -1 , indicating that it is a single layer.
Further, FIG. 16B is a measurement result of the photoluminescence (PL) spectrum obtained from the same measuring unit at room temperature. From this figure, very strong emission was observed near 666 nm, suggesting that this MoS 2 is a monolayer film having a direct transition type band structure.
18 (a) and 18 (b) are Raman and PL spectra measured in the continuous membrane portion (see FIG. 17) of the sample grown for 15 minutes, respectively. Also in this case, it is shown that the obtained film is a MoS 2 monolayer film having extremely good crystallinity.
As described above, it has been experimentally shown that the present invention is useful as a method for forming a single-layer film of MoS 2 having good crystallinity.

(実施例2)
実施例2では、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)方式の成膜装置を用いて、MoS成膜の基板依存性を調べた。
(Example 2)
In Example 2, the substrate dependence of MoS 2 film formation was investigated using a MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) type film forming apparatus.

使用した装置は、高純度のグラファイトからなるサセプタを有する減圧・横型式のリアクタを用いたMOCVD用の装置である。そして、サセプタ上に載置されるウエハ(試料)は、サセプタ裏面からハロゲンランプ加熱により、所望の温度での熱処理を行うことができる構成になっている。 The device used is a device for MOCVD using a decompression / horizontal reactor having a susceptor made of high-purity graphite. The wafer (sample) placed on the susceptor is configured to be able to be heat-treated at a desired temperature by heating the wafer (sample) from the back surface of the susceptor with a halogen lamp.

モリブデン元素の原料プリカーサとしてはオキシクロライド、具体的なプリカーサとしては、二酸化二塩化モリブデン(MoOCl)を用いた。一方、カルコゲン元素の硫黄(S)原料にはN2ガスで体積濃度10%に希釈された硫化水素(HS)ガスを用いた。
ここで、MoOClは室温では固体であるが、加熱による昇華でガスを発生させることができる。実施例2では、その封入容器を約20℃の恒温槽で保温して蒸気を発生させ、Nガスをキャリアとして原料ガスの輸送を行った。
Oxychloride was used as the raw material precursor for the molybdenum element, and molybdenum dichloride (MoO 2 Cl 2 ) was used as the specific precursor. On the other hand, hydrogen sulfide ( H2S ) gas diluted to a volume concentration of 10% with N2 gas was used as the sulfur (S) raw material of the chalcogen element.
Here, MoO 2 Cl 2 is solid at room temperature, but gas can be generated by sublimation by heating. In Example 2, the enclosed container was kept warm in a constant temperature bath at about 20 ° C. to generate steam, and the raw material gas was transported using N 2 gas as a carrier.

実施例2は前記オキシクロライドとHSを用いたカーボンレス成膜である。
したがって、実施例2は、MOCVD装置を用いているが、厳密にはMOCVD成膜ではない。繰り返しになるが、実施例1と同様のカーボンレス(有機レス)成膜である。
Example 2 is a carbonless film formation using the oxychloride and H2S .
Therefore, although the MOCVD apparatus is used in the second embodiment, strictly speaking, it is not a MOCVD film formation. Again, it is a carbon-less (organic-less) film formation similar to that of Example 1.

実施例2におけるMoS膜の典型的な成膜条件を下記に示す。
・成長温度:700℃
・圧力:50Torr
・成長時間:1時間
・リアクタ内総流量:Nガス 2.5slm
・MoOCl供給条件:Nガス 75sccm、充填容器18.0℃、内圧760Torrで制御
・10%HS流量:10sccm
The typical film formation conditions of the MoS 2 film in Example 2 are shown below.
・ Growth temperature: 700 ℃
・ Pressure: 50 Torr
・ Growth time: 1 hour ・ Total flow rate in the reactor: N 2 gas 2.5 slm
・ MoO 2 Cl 2 supply conditions: N 2 gas 75 sccm, filling container 18.0 ° C, controlled by internal pressure 760 Torr ・ 10% H 2 S flow rate: 10 sccm

基板としては、成膜時に加わる熱による基板変形や溶融を回避する観点から軟化点の高い、ガラス中にアルミナ成分(Al)を含むアルミノ・シリケート・ガラスおよびNaやKのようなアルカリ元素の触媒効果の付加も期待したアルカリ・アルミノ・シリケート・ガラスを選択して、成膜性を評価した。そのガラスの一覧を下記表1および2に示す。組成は蛍光X線で測定した。
ここで、AはDragontrailTM(DT)(AGC製)、BはDragontrail ProTM(AGC製)、CはDinorexTM(NEG製)、DはGorilla-3TM(Corning製)、そしてEはEagle-XGTM(Corning製)である。A~Dがアルカリ・アルミノ・シリケート・ガラスであり、Eは無アルカリのアルミノ・シリケート・ガラスである。
As the substrate, aluminosilicate glass containing an alumina component (Al 2 O 3 ) in the glass and alkali such as Na and K, which have a high softening point from the viewpoint of avoiding deformation and melting of the substrate due to heat applied during film formation. Alkaline, aluminosilicate, and glass, which were expected to add the catalytic effect of the element, were selected and the film forming property was evaluated. A list of the glasses is shown in Tables 1 and 2 below. The composition was measured by fluorescent X-ray.
Here, A is Dragontrail TM (DT) (manufactured by AGC), B is Dragontrail Pro TM (manufactured by AGC), C is Dinorex TM (manufactured by NEG), D is Gorilla-3 TM (manufactured by Corning), and E is Eagle-. It is XG TM (manufactured by Corning). A to D are alkaline aluminosilicate glass, and E is non-alkali aluminosilicate glass.

Figure 2022037889000002
Figure 2022037889000002

Figure 2022037889000003
Figure 2022037889000003

上記の成膜条件にて、ガラス基板の種類を変えてMoSを成膜した。試料表面のSEM観察の結果を図19に示す。
図19から、ガラスの種類により、MoSのドメインサイズや密度が大きく異なることがわかる。特に、Eの無アルカリガラスではMoSの成膜が見られなかったことから、ガラス中のNaやKなどアルカリ金属元素の触媒効果が働いていると推察される。
最も大きな単結晶ドメインが得られたのは、AやBのガラスを用いたときであった。この再現性は極めて高かった。
Under the above film forming conditions, MoS 2 was formed by changing the type of the glass substrate. The result of SEM observation of the sample surface is shown in FIG.
From FIG. 19, it can be seen that the domain size and density of MoS 2 differ greatly depending on the type of glass. In particular, since the film formation of MoS 2 was not observed in the non-alkali glass of E, it is presumed that the catalytic effect of alkali metal elements such as Na and K in the glass is working.
The largest single crystal domain was obtained when A or B glass was used. This reproducibility was extremely high.

なお、ここでは、プリカーサとして二酸化二塩化モリブデン(MoOCl)を用いたMoSの成膜について示したが、MoOClに限らず、一酸化四塩化タングステン(WOCl)を用いてWSの成膜を行う場合でも同様の結果を得た。
その一例として、AのDragontrailTM(DT)(AGC製)ガラス上にMOCVD方式の装置でWSを成膜した結果(電子顕微鏡写真、ラマンスペクトル、PLスペクトル)を図20に示す。WSの場合にも、AのDragontrailTM(DT)(AGC製)ガラス上に大きな単結晶ドメインが形成され、ラマンとPLのスペクトルは結晶性が良好であることを示している。ここで、WOClを用いる場合には、その封入容器を40~45℃の恒温槽で保温して蒸気を発生させ、Nガスをキャリアとして、原料ガスの輸送を行った。
Although the film formation of MoS 2 using molybdenum dichloride (MoO 2 Cl 2 ) as a precursor is shown here, not only MoO 2 Cl 2 but also tungsten monoxide tetrachloride (WOCl 4 ) is used. Similar results were obtained when a film of WS 2 was formed.
As an example, FIG. 20 shows the results (electron micrograph, Raman spectrum, PL spectrum) of forming WS2 on the Dragontrail TM ( DT) (manufactured by AGC) glass of A by a MOCVD device. In the case of WS 2 , a large single crystal domain was formed on the Dragontrail TM (DT) (made by AGC) glass of A, and the spectra of Raman and PL show good crystallinity. Here, when WOCl 4 was used, the enclosed container was kept warm in a constant temperature bath at 40 to 45 ° C. to generate steam, and the raw material gas was transported using N2 gas as a carrier.

WS膜の典型的な成膜条件を下記に示す。
・成長温度:700℃
・圧力:50Torr
・成長時間:1時間
・リアクタ内総流量:Nガス 2.5slm
・WOCl4供給条件:Nガス 250sccm、充填容器45.0℃、内圧760Torrで制御
・10%HS流量:5sccm
Typical film formation conditions for the WS2 film are shown below.
・ Growth temperature: 700 ℃
・ Pressure: 50 Torr
・ Growth time: 1 hour ・ Total flow rate in the reactor: N 2 gas 2.5 slm
・ WOCl 4 supply conditions: N 2 gas 250 sccm, filling container 45.0 ° C, controlled by internal pressure 760 Torr ・ 10% H 2 S flow rate: 5 sccm

以上、実施例2では、MOCVD装置を用いてMoSを成膜した場合を示したが、第1の実施の形態、実施例1と2は共にカーボンレスの原料ガスを用いた無機の成膜法で、ガラス基板に対する成膜特性も第1の実施の形態、実施例1と2は共通するものであった。 As described above, in Example 2, the case where MoS 2 is formed by using the MOCVD apparatus is shown, but in the first embodiment, Examples 1 and 2, both the inorganic film formation using the carbonless raw material gas is shown. By the method, the film forming characteristics for the glass substrate were also common to the first embodiment, Examples 1 and 2.

(実施例3)
実施例3では、実施例2において少量の酸素ガス(Oガス)を添加したときの効果を実施例2で述べた装置を用いて調べた。
(Example 3)
In Example 3, the effect of adding a small amount of oxygen gas (O 2 gas) in Example 2 was investigated using the apparatus described in Example 2.

実施例3におけるMoS膜の典型的な成膜条件を下記に示す。
・成長温度:700℃
・圧力:50Torr
・成長時間:1時間
・リアクタ内総流量:Nガス 2.5slm
・MoOCl供給条件:Nガス 75sccm、充填容器18.0℃、内圧760Torrで制御
・10%HS流量:10sccm
・0.1%O流量:100sccm
したがって、0.1%Oの添加以外は実施例2と同じ条件である。ここで、0.1%のOとは、Nガスに対する体積比で0.1%のOガスのことである。
基板としては実施例2に示したA~Dの4種類のアルカリ・アルミノ・シリケートガラスを用いて評価した。
The typical film formation conditions of the MoS 2 film in Example 3 are shown below.
・ Growth temperature: 700 ℃
・ Pressure: 50 Torr
・ Growth time: 1 hour ・ Total flow rate in the reactor: N 2 gas 2.5 slm
・ MoO 2 Cl 2 supply conditions: N 2 gas 75 sccm, filling container 18.0 ° C, controlled by internal pressure 760 Torr ・ 10% H 2 S flow rate: 10 sccm
・ 0.1% O 2 flow rate: 100 sccm
Therefore, the conditions are the same as in Example 2 except that 0.1% O 2 is added. Here, 0.1% O 2 means O 2 gas having a volume ratio of 0.1% with respect to N 2 gas.
As the substrate, four types of alkali, aluminosilicate, and silicate glass of A to D shown in Example 2 were used for evaluation.

MoS成膜試料表面のSEM観察の結果を図21に示す。
基板としてガラスAを用いた場合、単結晶ドメインは、約10μmと他のガラス基板を用いた場合より圧倒的に大きい。ガラス基板Bより数倍は大きく、ガラス基板C、Dとは桁違いの大きさである。
の添加効果は、実施例2との比較でわかるが、単結晶ドメインに有意の差があるのはガラス基板Aを用いた場合のみで、他のガラス基板を用いた場合はO添加に対して優位の差は認められなかった。
ガラス基板Aは、特異に単結晶のMoS成膜に効果のある基板であった。
第1の実施の形態および実施例1では、成膜時に自動的にOが添加される。実施例1でも、ガラス基板Aを用いたときは、大きな単結晶ドメインのMoS成膜に効果が認められた。
FIG. 21 shows the results of SEM observation of the surface of the MoS 2 film-formed sample.
When glass A is used as the substrate, the single crystal domain is about 10 μm, which is overwhelmingly larger than when other glass substrates are used. It is several times larger than the glass substrate B and is an order of magnitude larger than the glass substrates C and D.
The effect of adding O 2 can be seen by comparison with Example 2, but the single crystal domain has a significant difference only when the glass substrate A is used, and when another glass substrate is used, O 2 is added. No difference in superiority was observed.
The glass substrate A was a substrate specifically effective for forming a single crystal MoS 2 .
In the first embodiment and the first embodiment, O 2 is automatically added at the time of film formation. Also in Example 1, when the glass substrate A was used, the effect was observed in the formation of MoS 2 in a large single crystal domain.

遷移金属カルコゲナイド層状膜(TMDC)は、前述のように、極薄かつ柔軟性に優れた発光・受光素子、光機能デバイスおよび超低消費電力電子デバイスのメインの機能材料として大いに期待されているが、本発明によれば、遷移金属カルコゲナイド層状膜、特にMoSの成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる膜形成方法およびそのための製造装置が提供される。
したがって、本発明は上記素子、デバイスを中心に革新的に産業に寄与するものと考えられる。
As mentioned above, transition metal chalcogenide layered films (TMDCs) are highly expected as the main functional materials for ultra-thin and flexible light-emitting / light-receiving elements, optical functional devices, and ultra-low power consumption electronic devices. According to the present invention, a film forming method for forming a transition metal chalcogenide layered film, particularly MoS 2 , which has high stability and controllability, can increase the film forming area, and is excellent in cost. Manufacturing equipment is provided.
Therefore, it is considered that the present invention contributes to the industry innovatively centering on the above-mentioned elements and devices.

1:金属モリブデン(Mo)
2:酸化スケール(MoO層(2≦x<3)
3:酸化スケール(MoO層)
4:O
5:MoO
6:酸化物ガス供給手段
7:反応性ガス供給手段
8:反応室部
9:排気手段
10:成膜装置
11:成膜装置
12:ガス供給系
13:装置
14:石英管部
21:酸化物ガス発生室
22:反応室
23:専用配管
25:ヒーター
31:ステージ(ヒーター付きステージ)
32:遷移金属ブロック
33:開閉・流量制御装置
34:開閉・流量制御装置
35:排気配管
36:ノズル
37:試料台(ヒーター付き試料台)
38:試料
40:開閉・流量制御装置
41:配管(ポート)
42:配管(ポート)
43:配管
44:開閉・流量制御装置
45:配管(ポート)
46:配管(ポート)
47:配管
51:配管
52、52a、52b、52c:バルブ(手動バルブ)
53、53a、53b、53c:マスフローコントローラ
54、54a、54b、54c:バルブ(エアバルブ)
55:配管
56、56a、56b:バルブ(エアバルブ)
57:排気配管
61:配管
62、62a、62b、62c:バルブ(手動バルブ)
63、63a、63b、63c:マスフローコントローラ
64、64a、64b、64c:バルブ(エアバルブ)
66、66a、66b:バルブ(エアバルブ)
71:石英管
72:基体(土台)
73:支持具
74:電気炉
75:試料台(基板用サセプタ)
76:Aライン
77:Bライン
78:Cライン
79:MoS層状膜形成室部(反応室部)
80:排気
81:Mo反応室(MoOガス発生室)
82:上部ノズル
83:下部ノズル
84:圧力表示器
85:手動バルブ
1: Metallic molybdenum (Mo)
2: Oxidation scale (MoO x layer (2 ≦ x <3))
3: Oxidation scale (MoO 3 layer)
4: O 2
5: MoO 3
6: Oxide gas supply means 7: Reactive gas supply means 8: Reaction chamber 9: Exhaust means 10: Film formation device 11: Film formation device 12: Gas supply system 13: Device 14: Quartz tube section 21: Oxide Gas generation chamber 22: Reaction chamber 23: Dedicated piping 25: Heater 31: Stage (stage with heater)
32: Transition metal block 33: Open / close / flow rate control device 34: Open / close / flow rate control device 35: Exhaust piping 36: Nozzle 37: Sample stand (sample stand with heater)
38: Sample 40: Open / close / flow rate control device 41: Piping (port)
42: Piping (port)
43: Piping 44: Open / close / flow rate control device 45: Piping (port)
46: Piping (port)
47: Piping 51: Piping 52, 52a, 52b, 52c: Valve (manual valve)
53, 53a, 53b, 53c: Mass flow controller 54, 54a, 54b, 54c: Valve (air valve)
55: Piping 56, 56a, 56b: Valve (air valve)
57: Exhaust piping 61: Piping 62, 62a, 62b, 62c: Valve (manual valve)
63, 63a, 63b, 63c: Mass flow controller 64, 64a, 64b, 64c: Valve (air valve)
66, 66a, 66b: Valve (air valve)
71: Quartz tube 72: Hypokeimenon (base)
73: Support 74: Electric furnace 75: Sample stand (substrate susceptor)
76: A line 77: B line 78: C line 79: MoS 2 -layer film forming chamber (reaction chamber)
80: Exhaust 81: Mo reaction chamber (MoO 3 gas generation chamber)
82: Upper nozzle 83: Lower nozzle 84: Pressure indicator 85: Manual valve

Claims (25)

遷移金属のブロックを酸化させて前記遷移金属の表面に前記遷移金属の酸化物層を形成することと、
前記酸化物層から前記酸化物を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記酸化物のガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記酸化物のガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を加熱することと、
前記酸化物のガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
Oxidizing a block of a transition metal to form an oxide layer of the transition metal on the surface of the transition metal,
The oxide is sublimated from the oxide layer, and the gas of the oxide is supplied to the substrate together with the first inert carrier gas via a dedicated pipe.
To supply the substrate with a reactive gas containing a chalcogen atom together with the second inert carrier gas.
By heating the substrate when the oxide gas and the reactive gas are supplied to the substrate,
A method for forming a transition metal chalcogenide layered film, which comprises exhausting the oxide gas, the reactive gas, the first inert carrier gas and the second inert carrier gas.
前記遷移金属は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1である、請求項1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The transition metals include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten (W) and The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 1, which is 1 selected from the group consisting of renium (Re). さらに、前記酸化物層を水素化された酸化物層とすることを含む、請求項1または2記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 1 or 2, further comprising making the oxide layer a hydrogenated oxide layer. 前記水素化は、前記酸化を行う際に水素ガスを添加することによってなされる、請求項3記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 3, wherein the hydrogenation is performed by adding hydrogen gas during the oxidation. 酸素を含むガスを供給しながらモリブデンからなるブロックを第1の温度T1で加熱して前記ブロックの表面に酸化モリブデン層を形成することと、
前記酸化モリブデン層から三酸化モリブデン(MoO)を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記MoOのガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記MoOのガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を第2の温度T2で加熱することと、
前記MoOのガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
A block made of molybdenum is heated at a first temperature T1 while supplying a gas containing oxygen to form a molybdenum oxide layer on the surface of the block.
Molybdenum trioxide (MoO 3 ) is sublimated from the molybdenum oxide layer, and the MoO 3 gas is supplied to the substrate together with the first inert carrier gas via a dedicated pipe.
To supply the substrate with a reactive gas containing a chalcogen atom together with the second inert carrier gas.
When the MoO 3 gas and the reactive gas are supplied to the substrate, the substrate is heated at the second temperature T2.
A method for forming a transition metal chalcogenide layered film, which comprises exhausting the MoO 3 gas, the reactive gas, the first inert carrier gas and the second inert carrier gas.
前記第1の温度T1は、500℃以上1200℃以下である、請求項5記載のカルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a chalcogenide layered film according to claim 5, wherein the first temperature T1 is 500 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. 前記第2の温度T2は、300℃以上1200℃以下である、請求項5または6に記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 5 or 6, wherein the second temperature T2 is 300 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. 前記専用配管は、生成した前記MoOの原料ガス成分が管内の途中で再堆積することを防止する温度で、少なくとも前記ブロックが配置されている場所から前記基板の直前の領域まで加熱されている、請求項5から7の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The dedicated pipe is heated from at least the place where the block is arranged to the region immediately before the substrate at a temperature at which the generated raw material gas component of MoO 3 is prevented from being redeposited in the middle of the pipe. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 5 to 7. 前記カルコゲン原子は、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1である、請求項1から8の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 8, wherein the chalcogen atom is 1 selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te). 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、請求項1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas, according to claims 1 to 9. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of the above. 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、請求項1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 9, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gases. 前記基板は、アルカリ金属元素を組成として含有することを特徴とする、請求項1から11の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 11, wherein the substrate contains an alkali metal element as a composition. 前記アルカリ金属元素は、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)からなる群より選ばれる1以上である、請求項12記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 12, wherein the alkali metal element is one or more selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K). 前記基板は、アルカリ・アルミノ・シリケートガラスである、請求項1から12の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 12, wherein the substrate is an alkaline aluminosilicate glass. 酸化物のガスを基板に供給する酸化物ガス供給手段と、反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上に遷移金属カルゴゲナイドを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記酸化物ガス供給手段は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給する手段と、ブロック状の遷移金属と、前記遷移金属を加熱する第1の加熱手段と、前記遷移金属から昇華生成される酸化物のガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給する手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記遷移金属が載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、前記遷移金属の酸化物の昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。
An oxide gas supply means for supplying an oxide gas to a substrate, a reactive gas supply means for supplying a reactive gas to the substrate, a reaction chamber portion for forming a transition metal cargogenide as a layered film on the substrate, and a reaction chamber portion. Equipped with exhaust means,
The oxide gas supply means includes a means for supplying a gas containing oxygen by controlling the flow rate, a means for supplying the first inert gas by controlling the flow rate, a block-shaped transition metal, and the transition metal. A first heating means for heating the substrate and a dedicated pipe for supplying an oxide gas sublimated from the transition metal onto the substrate.
The reactive gas supply means includes a means for supplying a reactive gas containing a chalcogen atom by controlling the flow rate, and a means for supplying the second inert gas by controlling the flow rate.
The reaction chamber is provided with a sample table and a second heating means for heating the substrate placed on the sample table, and is separated from the place where the transition metal is placed. ,
A device for forming a transition metal chalcogenide layered film, wherein the tube wall of the dedicated pipe is provided with a heat treatment means for keeping the temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the oxide of the transition metal.
前記酸化物ガス供給手段は、さらに水素を含むガスを流量を制御して供給する手段を有する、請求項15記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。 The apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 15, wherein the oxide gas supply means further includes means for supplying a gas containing hydrogen by controlling the flow rate. MoOのガスを基板に供給するMoOガス供給手段と、硫黄を含む反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上にMoSを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記MoOガス供給手段は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段と、モリブデンからなるブロックと、前記ブロックを加熱する第1の加熱手段と、前記ブロックから昇華生成されるMoOのガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、前記反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記ブロックが載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、MoOの昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、MoS層状膜を形成するための装置。
A MoO 3 gas supply means for supplying MoO 3 gas to a substrate, a reactive gas supply means for supplying a reactive gas containing sulfur to the substrate, and a reaction chamber portion for forming MoS 2 as a layered film on the substrate. And equipped with exhaust means,
The MoO 3 gas supply means heats the gas containing oxygen by controlling the flow rate, the first inert gas by controlling the flow rate, the block made of molybdenum, and the block. A first heating means and a dedicated pipe for supplying the gas of MoO 3 sublimated and generated from the block onto the substrate are provided.
The reactive gas supply means includes a means for supplying the reactive gas by controlling the flow rate and a means for supplying the second inert gas by controlling the flow rate.
The reaction chamber is provided with a sample table and a second heating means for heating the substrate placed on the sample table, and is separated from the place where the block is placed.
A device for forming a MoS two -layered film, which is provided with a heat treatment means for maintaining a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of MoO 3 on the pipe wall of the dedicated pipe.
前記反応性ガスは、硫黄(S)、硫化水素(HS)、ジメチル硫黄((CHS)、ジエチル硫黄((CS),ジターシャリブチル硫黄([(CHC]S)、ジイソプロピル硫黄((i-CS)からなる群より選ばれる1以上である、請求項17記載の装置。 The reactive gas is sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), dimethyl sulfur ((CH 3 ) 2 S), diethyl sulfur ((C 2 H 5 ) 2 S), ditersial butyl sulfur ([(). CH 3 ) 3 C] 2 S), diisopropyl sulfur ((i-C 3 H 7 ) 2 S), which is 1 or more selected from the group consisting of the apparatus according to claim 17. 前記第1の加熱手段および第2の加熱手段は、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱からなる群より選ばれる1以上の方式による、請求項15から18の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 18, wherein the first heating means and the second heating means are one or more methods selected from the group consisting of resistance heating, induction heating and lamp heating. 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、請求項15から19の何れか1記載の装置。 The first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas and xenon gas, according to claims 15 to 19. The device according to any one. 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、請求項15から19の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 19, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gases. 前記専用配管は、石英ガラス、ガラス、ステンレスおよびセラミックスからなる群より選ばれる1からなる、請求項15から21の何れか1記載の装置。 The device according to any one of claims 15 to 21, wherein the dedicated pipe is composed of 1 selected from the group consisting of quartz glass, glass, stainless steel and ceramics. 前記セラミックスは、アルミナ、SiCからなる群より選ばれる、請求項22に記載の装置。 22. The apparatus according to claim 22, wherein the ceramic is selected from the group consisting of alumina and SiC. 前記専用配管の前記基板近接部にはシャワーヘッドが備えられている、請求項15から23の何れか1記載の装置。 The device according to any one of claims 15 to 23, wherein a shower head is provided in the vicinity of the substrate of the dedicated pipe. 前記試料台には回転機構が備えられている、請求項15から24の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 24, wherein the sample table is provided with a rotation mechanism.
JP2021105480A 2020-08-25 2021-06-25 Method for forming transition metal chalcogenide layered film, and apparatus therefor Pending JP2022037889A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020141680 2020-08-25
JP2020141680 2020-08-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022037889A true JP2022037889A (en) 2022-03-09

Family

ID=80494886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021105480A Pending JP2022037889A (en) 2020-08-25 2021-06-25 Method for forming transition metal chalcogenide layered film, and apparatus therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022037889A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021129450A1 (en) Method for preparing uniform material layer based on chemical vapor deposition
US9735007B2 (en) Method of processing substrate, substrate processing apparatus, and recording medium
WO2022009524A1 (en) Method for producing gallium oxide semiconductor film and film formation device
CN112695381A (en) Method for rapidly growing ultrathin large-size single crystal transition metal sulfur/selenide
JP2002265296A (en) Diamond thin film and manufacturing method therefor
JP2006222265A (en) Substrate processing apparatus
JP2024023981A (en) Crystalline oxide thin film, laminate and method for manufacturing crystalline oxide thin film
JP4641533B2 (en) Carbon composite material for reducing atmosphere furnace and method for producing the same
JP2022037889A (en) Method for forming transition metal chalcogenide layered film, and apparatus therefor
JP5649894B2 (en) Method for forming Ge-Sb-Te film
WO2010143570A1 (en) Method for forming ge-sb-te film, and storage medium
JP2007277089A (en) SYNTHETIC METHOD OF GaN SINGLE CRYSTAL
JP2022037504A (en) Method of depositing molybdenum oxide film and equipment for the same
US11236419B2 (en) Multilayer stack for the growth of carbon nanotubes by chemical vapor deposition
JP2004296820A (en) Method of manufacturing semiconductor device and substrate treatment equipment
WO2003104520A1 (en) Method for forming organic thin film
CN115341276B (en) r-GeO 2 Thin film single crystal and method for growing the same
JP7315148B2 (en) CERAMICS, CERAMIC COATING METHOD, AND CERAMIC COATING APPARATUS
JPS62228471A (en) Formation of deposited film
JP7436333B2 (en) Film-forming method and film-forming equipment
CN114214603B (en) Method for preparing multilayer transition metal chalcogenide by crystal face regulation
CN216864379U (en) Two-dimensional material vapor deposition reaction chamber with uniform atmosphere field and reaction device
CN114959636A (en) Two-dimensional transition metal sulfide and preparation method and application thereof
TW201736623A (en) Method of cleaning SiC single crystal growing chamber
JP2007327143A (en) Method for producing carbon composite material for reducing atmospheric furnace

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240314