JPH01317193A

JPH01317193A - イオン化ガス供給ノズル

Info

Publication number: JPH01317193A
Application number: JP14642288A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Yamamoto; 睦山本; Takao Toda; 任田　隆夫; Atsushi Abe; 阿部　惇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-06-14
Filing date: 1988-06-14
Publication date: 1989-12-21
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: JPH07110800B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、分子線を用いる薄膜作製装置に関し、低温、
高真空状態で、化学量論的組成比や結晶性の良い、優れ
た薄膜を作製することができるイオン化分子線エピタキ
シ装置に関するものである。

また本発明は、低圧でガスを供給しながら薄膜を作製す
る装置において、供給するガスを分解、イオン化し、ガ
スを活性化することを目的としたイオン化ガス供給ノズ
ルに関するものである。

従来の技術近年のエレクトロニクス産業の発展に伴い、半導体をは
じめとした薄膜電子デバイスの作製技術として、真空蒸
着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、或は分子線エピタキシ法
などの薄膜作製技術が種々開発、実用化されている。例
えば真空蒸着法は、真空中で薄膜材料を加熱蒸発させ、
この蒸発粒子を基板上に付着させて薄膜を作製する方法
であり、電極材料やコーティング材料のような低融点の
金属薄膜の作製によく用いられている。またスパッタ法
は、電極間に発生させたグロー放電プラズマ中のイオン
により、蒸発材料で形成されたターゲットに物理的な衝
撃を与えてターゲット物質をスパッタ蒸発させ（スパッ
タリング）、この蒸発粒子を基板上に付着させて薄膜を
作製する方法であり、高融点材料や合金、或は酸化物の
薄膜の作製に用いられる。また、反応性ガス雰囲気中で
スパッタリングを行い、ターゲット物°質とガスを反応
させることによって、ターゲット物質とガス成分の化合
物の薄膜を作製する反応性スパッタ法などの応用例もあ
る。

ＣＶＤ法は、真空蒸着法やスパッタ法といった物理的蒸
着法と異なり、化学的な気相反応を利用した薄膜作製法
であり、近年半導体分野でのデバイス作製プロセスを中
心に広く用いられている。

新しく研究、開発されてきた薄膜作製法である分子線エ
ピタキシ法が近年大変注目され始めている。この方法は
、基本的には従来の熱蒸着法に類似した方法である。そ
の原理は、複数の蒸発源やガス供給ノズルより分子線を
発生させ、基板上で原料物質の拡散、反応を起こさせる
ことによって化学量論的組成比、或は結晶性の優れた薄
膜を作製するものである。この薄膜作製法の最大の特徴
は、原子スケールでほぼ平坦な膜を作製できることであ
り、ＧａＡｓ／（ＡＩＧａ）Ａｓ半導体レーザの試作が
行われ良好な結果を得ている。

上述した種々の薄膜作製方法の中には、スパッタ法やプ
ラズマＣＶＤ法のようにプラズマ状態を積極的に利用し
た方法も多い。その理由は、プラズマ状態が蒸発粒子、
或はガスを活性化して反応性を促進することによって、
より良好な薄膜を作製できると考えられるからである。

発明が解決しようとする課題上述したように、真空蒸着法やスパッタ法は蒸発粒子を
基板上に堆積させる方法であるため、化学量論的組成比
や結晶性の優れた膜を得るのは非常に困難である。また
、ＣＶＤ法は、作製時に大量のガスを導入するためガス
に含まれる不純物の影響が大きく、また化学的な気相成
長反応なので基板温度を高くしなければならないという
欠点がある。

これに対して分子線エピタキシ法は、低温、高真空状態
で化学量論的組成比や結晶性の優れた膜を得ることがで
きるが、分子線源として化合物の蒸気や化合物のガスを
用いる場合には、何らかの方法で蒸気やガスを分解する
必要がある。また、反応性を更に促進するために、分解
だけではなくイオン化することも有効な手段であるが、
蒸気やガスの分解、イオン化は容易ではなく、簡単で且
つイオン化率の高いような方法が必要である。

課題を解決するための手段低温、高真空状態で、化学量論的組成比や結晶性の良い
、優れた薄膜を作製する方法として、基板と、この基板
に向かって分子線が照射されるように配置された、坩堝
やガス供給ノズル等の複数の分子線源を有する分子線エ
ピタキシ装置において、各分子線源から照射された分子
線を、各分子線源近傍に設けた磁界発生装置から発生す
る磁界と、分子線エピタキシ装置内に導入されたマイク
ロ波との共鳴作用により生ずるマイクロ波放電によりイ
オン化する手段を設ける。

また、薄膜作製中に活性化したガスを導入する手段とし
て、真空容器内にガスを供給する構造の薄膜作製装置におけ
るガス供給ノズルを、供給されたガスがマイクロ波放電
により容易に分解、イオン化されることができるように
、ガス供給゛ノズルの先端部に中空状の磁界発生部を有
し、この中空状の磁界発生部の中心部よりガスが真空容
器内に供給される構造、あるいは、ガス供給ノズルの先
端部に同心円状の磁界発生部を何し、この同心円状の磁
界発生部の外心部と内心部の間よりガスが真空容器内に
供給される構造とする。

作用上記構成のイオン化分子線エピタキシ装置によれば、分
子線源、或はガス供給ノズルより照射された分子線、或
はガスは、磁界とマイクロ波による電子サイクロトン共
鳴により分解、イオン化されて基板上に到達し、化合物
を形成しつつ堆積する。電子サイクロトン共鳴によるイ
オン化はイオン化率が高いため、高真空状態でも多くの
イオン化した分子線を得ることができる。

上記構成のイオン化ガス供給ノズルによれば、ノズル先
端部の磁界とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴
により、ノズル先端部でガスがイオン化され、高活性状
態のガスが得られる。

実施例実施例１第１図は、特許請求の範囲第１項に記載したイオン化分
子線エピタキシ装置の一つの形態を示したものである。

真空排気系１を備えた真空容器２内部には、基板加熱用
ヒータ３を備えた基板保持具４、基板５、メインシャッ
タ８、分子線源７　ａ１７　ｂｓ　　７　ＣＮ　　７　
ｄｌ　磁界発生装置８ａ１８ｂ１８ＣＮ　　８．ｄｌ　
　シャッタ９ａ１９ｂ１９ｃ１９ｄｔ　　冷却用シュラ
ウド１０などが配置されている。、分子線源７ａ〜７ｄ
は、各々分子線が基板５の方向に向くよう配置されてい
る。各分子線源７ａ〜７ｄ１及び各シャッタ９ａ〜９ｄ
は、各々独立に制御することができる。磁界発生装置８
ａ〜８ｄはサマリウム、コバルトなどを主成分とする円
筒形の希土類磁石からなり、中心部の磁束密度は約９０
０Ｇａｕｓｓで、円筒の軸方向に磁界が発生するように
磁化されている。磁界発生装置８ａ〜８ｄは、各分子線
源７ａ〜７ｄより照射される各々の分子線が、各磁界発
生装置８ａ〜８ｄの中心部を通るように、各分子線源７
ａ〜７ｄの直上に配置した。真空容器２の側面にはマイ
クロ波導入窓１１が設けられており、発振器１４により
発生させた２、４５ＧＩ（ｚのマイクロ波を、電力計１
３を介した導波管１２によリマイクロ波導入窓１１より
真空容器２内に導入できる構成となっている。

また本装置には、製膜中の膜の表面状態が観察できるよ
うＲＨＥＥＤ電子銃１５、及びスクリーン１６が取り付
けられている。また、製膜中の分子の種類を調べるため
の四重極質量分析計１７も取り付けられている。

上述の装置を用いて、薄膜ＥＬ素子を作製した例を示す
。第２図に、一般的な薄膜ＥＬ素子の構成を示す。第２
図に示したように、一般的な薄膜ＥＬ素子は、ガラス基
板２１上に透明電極２２、第１絶縁体層２３、発光層２
４、第２絶縁体層２５、背面電極２６を順次積層した構
成となっている。透明電極２２と背面電極２６の間に交
流電圧を印加することにより、発光層２４を発光させる
ことができる。この薄膜ＥＬ素子の発光層２４を本発明
の装置で作製した場合について説明する。

分子線源７ａにＺｎ塊、分子線源７ｂにＳ粉末、及び分
子線源７ｃにＴｂＦ３粉末をそれぞれセットする。

各分子線源７ａ〜７ｃは、抵抗加熱法により分子線を供
給する構造となっており（クヌードセンセル）、各々独
立に分子線量を調節できる。また分子線源７ｄは、適切
な流量に制御された［（２Ｓガスを供給する。基板５と
しては、ガラス基板２１上に透明電極２２として酸化イ
ンジウムすずを堆積させ、その上に第１絶縁体層２３と
して酸化アルミニウムを堆積させたものを用いた。真空
容器２内を１　、ＯＸ　１Ｏ−８Ｔｏｒｒ以下まで排気
した後、各分子線の供給速度が各々所望の一定速度にな
るように、分子線源７ａ〜７ｄを各々独立に制御する。

各分子線源７ａ〜７ｄの分子線供給速度が各々所望の一
定速度になったら、シャッタ９ａ〜９ｄを開ける。

同時に、発振器１４を動作させマイクロ波導入窓１１よ
り真空容器２内にマイクロ波を導入する。

マイクロ波と、各分子線源７ａ〜７ｄの直上に配置され
た磁界発生装置８ａ〜８ｄによって発生させた磁界との
共鳴現象（電子サイクロトロン共鳴）により、各磁界発
生装置８ａ〜８ｄの各々の中心部にプラズマが生成され
、各分子線源７ａ〜７ｄから照射される各々の分子線が
イオン化される。

プラズマが安定したところでメインシャッタ６を開け、
基板５上に発光層２４としてＺ　ｎ　Ｓ　；Ｔ　ｂ　＋
　Ｆ膜を堆積させる。Ｚ　ｎ　Ｓ　；Ｔ　ｂ　＋　Ｆ膜
が所望の厚さになったらメインシャッタ６を閉じ、続い
てシャッタ９ａ〜９ｄを閉じ、分子線の供給、及びマイ
クロ波の導入を止め、発光層２４の製膜を終了する。薄
膜ＥＬ素子は、発光層２４の上に第２絶縁体層２５とし
てタンタル酸バリウムを堆積し、更に背面電極２６とし
てアルミ電極を形成して得られる。このようにして得ら
れた薄膜ＥＬ素子のＺ　ｎ　Ｓ　＋　Ｔ　ｂ　ｒ　Ｆ膜
は大変結晶性に優れ、また化学量論的組成比も良い膜が
得られ、従来にない高輝度、高効率の明るい緑色発光を
示した。

以上の実施例１では、磁界発生装置として希土類磁石を
用いたが、電磁石を用いても同等の結果が得られること
は明らかである。電磁石を用いた場合には、各分子線源
近傍に配置した各々の電磁石をそれぞれ独立に制御する
ことによって、各分子線源から供給される分子線のイオ
ン化の状態を各々独立に制御できるという利点がある。

しかし−＋１− ながら、電磁石で希土類磁石と同等の強さの磁界を発生
させるには装置が大きくなり、構成も若干複雑になると
いう欠点もある。磁界発生装置から発生する磁界の強さ
は、磁界発生部の中心部での磁束密度が１５０Ｇａｕｓ
ｓ以上であれば良い。また上述の実施例では、全ての分
子線をイオン化したが、材料によっては必ずしも全ての
分子線をイオン化する必要はなく、適時磁界発生装置の
設置を検討すれば良い。

本実施例１では、薄膜ＥＬ素子を作製した場合について
述べたが、本発明の装置は、従来分子線エピタキシ装置
で製膜されていた膜のみならず、それ以外の化合物薄膜
等の作製にも用いることができることは明らかである。

実施例２第３図は、特許請求の範囲第２項に記載したイオン化ガ
ス供給ノズルの１つの形態を示したものである。ガス供
給管３２の先端には、中空状の磁界発生部３３が取り付
けられている。磁界発生部３３はサマリウム、コバルト
などを主成分とする中空状の希土類磁石からなり、中心
部の磁束密度は約９０００ａｕｓｓである。ガス導入口
３１より導入されたガスは、ガス供給口３４より真空容
器内に供給される。この時、真空容器内に導入されたマ
イクロ波と、磁界発生部３−３より発生する磁界との共
鳴現象により、ガス供給口３４より供給されるガスがイ
オン化される。

このイオン化ガス供給ノズルを用いて、薄膜ＥＬ素子を
作製した例を以下に示す。第４図は、薄膜ＥＬ素子の作
製に用いた真空蒸着装置の概略を示したものである。真
空排気系４１を備えた真空容器４２内部には、基板加熱
用ヒータ４３を備えた基板保持具４４、基板４５、シャ
ッタ４６、電子線加熱蒸発源４７、抵抗加熱蒸発源４８
、及びガス供給ノズル４９などが配置されている。電子
線加熱蒸発源４７、及び抵抗加熱蒸発源４８は各々独立
に制御できる構成となっている。また、ガス供給ノズル
４９より真空容器４２内に供給されるガスは、流量計５
０によりその流量を制御されている。真空容器４２の側
面にはマイクロ波導入窓５１が設けられており、発振器
５２により発生させた２、４５ＧＨｚのマイクロ波を、
電力計５３を介した導波管５４により、マイクロ波導入
窓５１より真空容器４２内に導入できる構成となってい
る。

上述の真空蒸着装置に取り付けられたガス供給ノズル４
９として、本発明のイオン化ガス供給ノズルを用い、実
施例１中で示したものと同様の薄膜ＥＬ素子を作製する
場合について説明する。電子線加熱蒸発源４７としてＺ
ｎＳペレットを、また抵抗加熱蒸発源４８としてＴｂＦ
３粉末をセットする。

基板４５には、第２図で示したガラス基板２１上に透明
電極２２として酸化インジウムすずを堆積させ、その上
に第１絶縁体層２３としてチタン酸ジルコン酸ストロン
チウムを堆積させたものを用いた。真空容器４２内を１
．ＯＸ　１Ｏ−６Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、排気し
つつガス供給ノズル４９より硫化水素（ｎ２ｓ）ガスを
導入し、真空容器４２内を所望の一定圧力に保った後、
抵抗加熱蒸発源４８であるＴｂＦ３粉末を蒸発させる。

ＴｂＦ３の堆積速度が所望の一定速度になるように制御
した後、引き続いて電子線加熱蒸発源４７であるＺｎＳ
ペレットに電子線を照射し、ＺｎＳを蒸発させる。Ｚｎ
Ｓの堆積速度が所望の一定速度になるように制御したら
、発振器５２を動作させ、マイクロ波導入窓５１より真
空容器４２内にマイクロ波を導入する。マイクロ波の導
入によりガス供給ノズル４９の先端部にプラズマが発生
し、Ｈ２Ｓガスはイオン化される。この状態でシャッタ
４６を開き、基板４５上に発光層２４としてＺｎＳ；Ｔ
ｂ＋Ｆ膜を堆積させる。ＺｎＳ；Ｔｂ、Ｆ膜が所望の厚
さになったらシャッタ４６を閉じ、マイクロ波の導入を
止め、発光層２４の製膜を終了する。

薄膜ＥＬ素子は、発光層２４の上に第２絶縁体層２５と
してタンタル酸バリウムを堆積し、更に背面電極２６と
してアルミ電極を形成して得られる。

基板温度を１５０℃、Ｈ２Ｓガスの流量、及び圧力を各
々４０ＳＣＣＭ１　　及び１．ＯＸ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ
、　ＺｎＳ１　及びＴｂＦａの蒸発速度を各々２．０ｎ
ｍ／ｓｅｃ、　　及び０　、Ｏ２ｎｍ／ｓｅｃとし１発
光層の厚さを５００ｎｍとしたＺｎＳ：Ｔｂ、Ｆ緑色Ｅ
Ｌ素子を作製したところ高い輝度、効率が得られた。発
光層であるＺｎＳ膜は化学量論的組成比に優れており、
Ｈ２Ｓガスをイオン化して供給したことの効果が現れて
いる。そしてこのことがＥＬ素子の高輝度、高効率に寄
与しているものと考えられる。

上述の実施例２では、磁界発生部として希土類磁石を用
いたが、電磁石を用いることもできる。

電磁石を用いた場合には、磁界の強さを制御できるとい
う利点はあるが、装置が大型化するという欠点もある。

実施例３第５図及び第６図は、特許請求の範囲第３項で示したイ
オン化ガス供給ノズルの１つの形態を示したものである
。ガス供給管６２の先端には、磁界発生部内各部６４、
及び磁界発生部外心部６５よりなる同心円状の磁界発生
部が取り付けられている。磁界発生部内各部６４、及び
磁界発生部外心部６５は、サマリウム、コバルトなどを
主成分とする希土類磁石からなり、それぞれ軸方向に磁
化されている。磁界発生部内各部６４と磁界発生部外心
部６５の磁界の向きは互いに逆向きとなっており、磁界
発生部での磁束密度は約９００Ｇａｕｓｓである。磁界
発生部内各部６４と磁界発生部外心部６５の後部は、磁
性板６３により磁気的に結合しており、磁界がガス供給
ノズルの先端部にのみ強く発生する構造となっている。

ガス導入口６１より導入されたガスは、磁性板６３に設
けられたガス供給口６６から磁界発生部内各部６４と磁
界発生部外心部６５の間を通り、真空容器内に供給され
る。この時、真空容器内に導入されたマイクロ波と、磁
界発生部より発生する磁界との共鳴現象により、供給さ
れたガスがイオン化される。ガス供給口６６は、第５図
に示したような、穴がガス供給管６２の軸方向に向いて
いるものと、第６図に示したような、穴がガス供給管６
２の円周方向に向いているものとがあり、どちらも同等
の効果が得られる。また穴の形状は特に規定されるもの
ではなく種々の形状が考えられ、穴の形状により供給さ
れるガスの分布が変化し、製膜された膜の膜厚分布等に
影響する。

上述のイオン化ガス供給ノズルを用い、実施例２で示し
た真空蒸着装置を用い、全く同じ方法で薄膜ＥＬ素子を
作製したところ、実施例２で得たのと同様の高輝度、高
効率のＺｎＳ：Ｔｂ、Ｆ緑色ＥＬ素子が得られ、本発明
のイオン化ガス供給ノズルの有効性が認められた。

本実施例３では磁界発生部に希土類磁石を用いたが、電
磁石を用いても良い。この場合磁界の強さを制御できる
という利点があると同時に、電磁石によ、って希土類磁
石と同等の磁界を得ようとすると磁界発生部が大きくな
るという欠点もある。

以上の実施例２、及び実施例３では、本発明のイオン化
ガス供給ノズルを従来用いられている真空蒸着装置に取
り付けた場合について述べたが、真空蒸着装置以外にも
、分子線エピタキシ装置や、スパッタ装置に取り付けて
用いることができる。

また上述の実施例２、及び実施例３では、Ｈ２Ｓガスを
用いて薄膜ＥＬ素子の発光層を作製する場合について述
べたが、使用するガスはＨ２Ｓガスに限るものではなく
、また薄膜ＥＬ素子以外の製膜にも用いることができる
のは明らかである。

発明の効果本発明のイオン化分子線エピタキシ装置を用いることに
より、従来得られなかった、結晶性が高く、化学量論的
組成比の優れた薄膜を作製することができる。また本発
明のイオン化ガス供給ノズルを用いることにより、イオ
ン化率の高いガスを簡単に得ることができ、且つ従来あ
る真空蒸着装置等に本発明のイオン化ガス供給ノズルを
用いることにより、非常に化学量論的組成比の優れた薄
膜を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明の一実施例におけるイオン化分
子線エピタキシ装置の概略を示す断面図、第１図（ｂ）
は、第１図（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、第２図は、
−膜面な薄膜ＥＬ素子の構成を示した断面図、第３図（
ａ）は、本発明の実施例におけるイオン化ガス供給ノズ
ルの断面図、第３図（ｂ）は、同要部の正面図、第４図
は、本発明の他の実施例におけるガス供給ノズルが取り
付けられた真空蒸着装置の概略断面図、第５図（ａ）お
よび第６図（ａ）は、各々本発明の実施例におけるイオ
ン化ガス供給ノズルの断面図、第５図（ｂ）および第６
図（ｂ）は、各々第５図（ａ）および第６図（ａ）の要
部を示す平面図である。１・・・真空排気系、２・・・真空容器、３・・・基板
加熱用ヒータ、４・・・基板保持具、５・・・基板、６
・・・メインシャッタ、７ａ〜７ｄ・・・分子線源、８
ａ〜８ｄ・・・磁界発生装置Ｎ　　９ａ〜９ｄ・・・シ
ャッタ、１０・・・冷却用シュラウド、１１・・・マイ
クロ波導入窓、１２・・・導波管、１３・・・電力計、
１４・・・発振器、１５・・・ＲＨＥＥＤ電子銃、１６
・・・スクリーン、１７・・・四重極質量分析計。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板と、この基板に向かって分子線が照射される
ように配置された、坩堝やガス供給ノズル等の複数の分
子線源を有する分子線エピタキシ装置において、各分子
線源から照射された分子線を、各分子線源近傍に設けた
磁界発生装置から発生する磁界と、分子線エピタキシ装
置内に導入されたマイクロ波との共鳴作用により生ずる
マイクロ波放電によりイオン化する手段を設けているこ
とを特徴とするイオン化分子線エピタキシ装置。
（２）真空容器内にガスを供給する構造の薄膜作製装置
におけるガス供給ノズルにおいて、供給されたガスがマ
イクロ波放電により容易に分解、イオン化されることが
できるように、ガス供給ノズルの先端部に中空状の磁界
発生部を有し、この中空状の磁界発生部の中心部よりガ
スが真空容器内に供給される構造を有するイオン化ガス
供給ノズル。
（３）真空容器内にガスを供給する構造の薄膜作製装置
におけるガス供給ノズルにおいて、供給されたガスがマ
イクロ波放電により容易に分解、イオン化されることが
できるように、ガス供給ノズルの先端部に同心円状の磁
界発生部を有し、この同心円状の磁界発生部の外心部と
内心部の間よりガスが真空容器内に供給される構造を有
するイオン化ガス供給ノズル。