KR20200010092A - 부이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법 - Google Patents

부이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법 Download PDF

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토시유키 사케미
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

화합물반도체의 제조효율 및 품질을 향상시킬 수 있는 부이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법을 제공한다.
제어부(50)는, 가스공급부(40)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 가스를 공급한다. 가스공급부(40)는, 화합물반도체(11)를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급한다. 따라서, 진공챔버(10) 내에는, 화합물반도체(11)를 형성하는 이온과 동일한 원소가 존재하게 된다. 그리고, 제어부(50)는, 플라즈마생성부(14)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 플라즈마(P) 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마(P)의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 화합물반도체(11)에 조사한다.

Description

부이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법{Negative ion irradiation apparatus and Method for controlling it}
본 출원은 2018년 7월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2018-134880호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 부(負)이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법에 관한 것이다.
종래, 화합물반도체로서 특허문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다. 이와 같은 화합물반도체를 구성하는 단결정기판에는, 결정결함이 많아진다. 특허문헌 1에서는, 제조방법을 연구함으로써, 단결정기판의 결정결함을 저감하려고 하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2014-22711호
그러나, 단결정기판을 제조할 때는, 제조방법을 연구해도, 결정결함의 발생을 방지하는 것은 곤란했다. 나아가서는, 단결정기판에 결정결함이 발생한 경우, 당해 결정결함을 메우기 위한 실용적인 수법이 존재하지 않았다. 따라서, 단결정기판의 결정결함은 그대로인 상태로 이용되고 있었다. 단결정기판은, 결정결함의 양에 따라 그레이드(품질)가 결정되며, 그레이드에 따라 용도가 결정된다. 따라서, 화합물반도체에 이용할 수 있는 단결정기판의 수량이 한정되어 버림으로써, 화합물반도체의 제조효율이 저하해 버린다는 문제가 있다. 한편, 그레이드가 낮은 단결정기판을 화합물반도체로서 이용한 경우, 화합물반도체의 품질이 저하해 버린다는 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 화합물반도체의 제조효율 및 품질을 향상시킬 수 있는 부이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 관한 부이온조사장치는, 화합물반도체에 부이온을 조사하는 부이온조사장치로서, 내부에서 부이온의 생성이 행해지는 챔버와, 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급하는 가스공급부와, 챔버 내에 있어서, 플라즈마 및 전자를 생성하는 플라즈마생성부와, 화합물반도체를 배치하는 배치부와, 부이온조사장치의 제어를 행하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 가스공급부를 제어하여, 챔버 내에 가스를 공급하고, 플라즈마생성부를 제어하여, 챔버 내에 플라즈마 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 화합물반도체에 조사한다.
본 발명에 관한 부이온조사장치에서는, 제어부는, 가스공급부를 제어하여, 챔버 내에 가스를 공급한다. 가스공급부는, 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급한다. 따라서, 챔버 내에는, 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소가 존재하게 된다. 그리고, 제어부는, 플라즈마생성부를 제어하여, 챔버 내에 플라즈마 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 화합물반도체에 조사한다. 이로써, 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소의 부이온이, 화합물반도체에 조사된다. 이로써, 부이온이 화합물반도체 내의 음이온 유래의 결정결함에 들어감으로써, 당해 결정결함을 메울 수 있다. 이와 같이 화합물반도체의 결정결함을 메울 수 있기 때문에 화합물반도체의 품질을 향상시킬 수 있다. 또, 부이온조사 전은 화합물반도체로서의 그레이드가 충분하지 않았던 경우이더라도, 부이온조사로 품질을 향상시킬 수 있기 때문에, 사전의 단결정기판의 그레이드의 선별 필요성을 저감시킬 수 있다. 이상에 의하여, 화합물반도체의 제조효율 및 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 부이온조사장치의 제어방법은, 화합물반도체에 부이온을 조사하는 부이온조사장치의 제어방법으로서, 부이온조사장치는, 내부에서 부이온의 생성이 행해지는 챔버와, 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급하는 가스공급부와, 챔버 내에 있어서, 플라즈마 및 전자를 생성하는 플라즈마생성부와, 화합물반도체를 배치하는 배치부와, 부이온조사장치의 제어를 행하는 제어부를 구비하고, 제어부에 의하여 가스공급부를 제어하여, 챔버 내에 가스를 공급하는 가스공급공정과, 제어부에 의하여 플라즈마생성부를 제어하여, 챔버 내에 플라즈마 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 화합물반도체에 조사하는 부이온조사공정을 갖는다.
본 발명에 관한 부이온조사장치의 제어방법에 의하면, 상술한 부이온조사장치와 동일한 취지의 작용·효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 화합물반도체의 제조효율 및 품질을 향상시킬 수 있는 부이온조사장치, 및 부이온조사장치의 제어방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 부이온조사장치의 구성을 나타내는 개략단면도이며, 플라즈마생성 시에 있어서의 동작상태를 나타내는 도이다.
도 2는 도 1의 부이온조사장치의 구성을 나타내는 개략단면도이며, 플라즈마정지 시에 있어서의 동작상태를 나타내는 도이다.
도 3은 본 실시형태에 관한 부이온조사장치의 제어방법을 나타내는 플로차트이다.
도 4는 부이온이 화합물반도체에 조사될 때의 모습을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 5는 비교예로서 화합물반도체에 정(正)이온을 주입할 때의 모습을 모식적으로 나타낸 도이다.
도 6은 화합물반도체에 부이온을 주입할 때의 모습을 모식적으로 나타낸 도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시형태에 관한 부이온조사장치에 대하여 설명한다. 다만, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시형태에 관한 부이온조사장치의 구성에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2는, 본 실시형태에 관한 부이온조사장치의 구성을 나타내는 개략단면도이다. 도 1은, 플라즈마생성 시의 동작상태를 나타내고, 도 2는, 플라즈마정지 시에 있어서의 동작상태를 나타내고 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 부이온조사장치(1)는, 이른바 이온플레이팅법에 이용되는 성막기술을 부이온조사에 응용한 장치이다. 다만, 설명의 편의상, 도 1 및 도 2에는, XYZ 좌표계를 나타낸다. Y축방향은, 후술하는 화합물반도체가 반송되는 방향이다. X축방향은, 화합물반도체의 두께방향이다. Z축방향은, Y축방향과 X축방향에 직교하는 방향이다.
부이온조사장치(1)는, 화합물반도체(11)의 판두께방향이 대략 연직방향이 되도록 화합물반도체(11)가 진공챔버(10) 내에 배치되어 반송되는 이른바 가로형 부이온조사장치여도 된다. 이 경우에는, Z축 및 Y축방향은 수평방향이며, X축방향은 연직방향 또한 판두께방향이 된다. 다만, 부이온조사장치(1)는, 화합물반도체(11)의 판두께방향이 수평방향(도 1 및 도 2에서는 X축방향)이 되도록, 화합물반도체(11)를 직립 또는 직립시킨 상태로부터 경사진 상태로, 화합물반도체(11)가 진공챔버(10) 내에 배치되어 반송되는, 이른바 세로형 부이온조사장치여도 된다. 이 경우에는, X축방향은 수평방향 또한 화합물반도체(11)의 판두께방향이고, Y축방향은 수평방향이며, Z축방향은 연직방향이 된다. 본 발명의 일 실시형태에 관한 부이온조사장치는, 이하, 가로형 부이온조사장치를 예로 하여 설명한다.
부이온조사장치(1)는, 진공챔버(10), 반송기구(배치부)(3), 플라즈마생성부(14), 가스공급부(40), 회로부(34), 전압인가부(90), 및 제어부(50)를 구비하고 있다.
진공챔버(10)는, 화합물반도체(11)를 수납하고 성막처리를 행하기 위한 부재이다. 진공챔버(10)는, 화합물반도체(11)를 반송하기 위한 반송실(10a)과, 부이온을 생성하기 위한 생성실(10b)과, 플라즈마건(7)으로부터 빔상으로 조사되는 플라즈마(P)를 진공챔버(10)에 수용하는 플라즈마구(10c)를 갖고 있다. 반송실(10a), 생성실(10b), 및 플라즈마구(10c)는 서로 연통하고 있다. 반송실(10a)은, 소정의 반송방향(도면 중 화살표 A)을(Y축을) 따라 설정되어 있다. 또, 진공챔버(10)는, 도전성의 재료로 이루어지며 접지전위에 접속되어 있다. 반송실(10a)에는, 화합물반도체(11)를 가열하기 위한 가열부(30)가 마련된다. 가열부(30)는, 반송실(10a) 중, 생성실(10b)과의 연통부보다 반송방향에 있어서의 상류측에 마련된다. 따라서, 생성실(10b)로부터의 부이온은, 가열된 상태의 화합물반도체(11)에 조사된다.
생성실(10b)은, 벽부(10W)로서, 반송방향(화살표 A)을 따른 한 쌍의 측벽과, 반송방향(화살표 A)과 교차하는 방향(Z축방향)을 따른 한 쌍의 측벽(10h, 10i)과, X축방향과 교차하여 배치된 저면벽(10j)을 갖는다.
반송기구(3)는, 생성실(10b)과 대향한 상태로 화합물반도체(11)를 유지하는 화합물반도체유지부재(16)를 반송방향(화살표 A)으로 반송한다. 반송기구(3)는, 화합물반도체(11)를 배치하는 배치부로서 기능한다. 예를 들면 화합물반도체유지부재(16)는, 화합물반도체(11)의 외주가장자리를 유지하는 프레임체이다. 반송기구(3)는, 반송실(10a) 내에 설치된 복수의 반송롤러(15)에 의하여 구성되어 있다. 반송롤러(15)는, 반송방향(화살표 A)을 따라 등간격으로 배치되고, 화합물반도체유지부재(16)를 지지하면서 반송방향(화살표 A)으로 반송한다. 다만, 화합물반도체(11)는, 판상의 기판이다. 화합물반도체(11)의 재질 등에 대해서는 후술한다.
계속해서, 플라즈마생성부(14)의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 플라즈마생성부(14)는, 진공챔버(10) 내에 있어서, 플라즈마 및 전자를 생성한다. 플라즈마생성부(14)는, 플라즈마건(7)과, 스티어링코일(5)과, 하스기구(2)를 갖고 있다.
플라즈마건(7)은, 예를 들면 압력구배형 플라즈마건이며, 그 본체 부분이 생성실(10b)의 측벽에 마련된 플라즈마구(10c)를 통하여 생성실(10b)에 접속되어 있다. 플라즈마건(7)은, 진공챔버(10) 내에서 플라즈마(P)를 생성한다. 플라즈마건(7)에 있어서 생성된 플라즈마(P)는, 플라즈마구(10c)로부터 생성실(10b) 내에 빔상으로 출사된다. 이로써, 생성실(10b) 내에 플라즈마(P)가 생성된다.
플라즈마건(7)은, 음극(60)에 의하여 일단이 폐색되어 있다. 음극(60)과 플라즈마구(10c)의 사이에는, 제1 중간전극(그리드)(61)과, 제2 중간전극(그리드)(62)이 동심적으로 배치되어 있다. 제1 중간전극(61) 내에는 플라즈마(P)를 수렴하기 위한 환상 영구자석(61a)이 내장되어 있다. 제2 중간전극(62) 내에도 플라즈마(P)를 수렴하기 위하여 전자석코일(62a)이 내장되어 있다.
플라즈마건(7)은, 부이온을 생성할 때는, 생성실(10b) 내에 있어서 간헐적으로 플라즈마(P)를 생성한다. 구체적으로는, 플라즈마건(7)은, 후술하는 제어부(50)에 의하여 생성실(10b) 내에 있어서 간헐적으로 플라즈마(P)를 생성하도록 제어되어 있다. 이 제어에 대해서는, 제어부(50)의 설명에 있어서 상세하게 서술한다.
스티어링코일(5)은, 플라즈마건이 장착된 플라즈마구(10c)의 주위에 마련되어 있다. 스티어링코일(5)은, 플라즈마(P)를 생성실(10b) 내에 유도한다. 스티어링코일(5)은, 스티어링코일용 전원(도시생략)에 의하여 여자(勵磁)된다.
하스기구(2)는, 플라즈마건으로부터의 플라즈마(P)를 원하는 위치에 유도하는 기구이다. 하스기구(2)는, 메인하스(17) 및 링하스(6)를 갖고 있다. 메인하스(17)는, 부이온조사장치(1)를 이용하여 성막을 행하는 경우에, 성막재료를 유지하는 양극으로서 기능한다. 단, 부이온생성을 행할 때에는, 플라즈마(P)가 성막재료에 유도되지 않도록, 링하스(6)에 플라즈마가 유도된다. 따라서, 부이온조사장치(1)가 성막을 행하지 않고, 부이온조사만 행하는 경우는, 메인하스(17)에 성막재료는 유지되어 있지 않아도 된다. 혹은, 하스기구(2)는, 플라즈마(P)를 유도하기만 하는 구성을 갖고 있으면 된다.
링하스(6)는, 플라즈마(P)를 유도하기 위한 전자석을 갖는 양극이다. 링하스(6)는, 메인하스(17)의 충전부(17a)의 주위에 배치되어 있다. 링하스(6)는, 환상의 코일(9)과 환상의 영구자석부(20)와 환상의 용기(12)를 갖고, 코일(9) 및 영구자석부(20)는 용기(12)에 수용되어 있다. 본 실시형태에서는, 반송기구(3)에서 보아 X축 부방향으로 코일(9), 영구자석부(20)의 순으로 설치되어 있지만, X축 부방향으로 영구자석부(20), 코일(9)의 순으로 설치되어 있어도 된다.
가스공급부(40)는, 진공챔버(10)의 외부에 배치되어 있다. 가스공급부(40)는, 생성실(10b)의 측벽(예를 들면, 측벽(10h))에 마련된 가스공급구(41)를 통하여, 진공챔버(10) 내에 가스를 공급한다. 가스의 구체적인 예는, 후술한다.
가스공급구(41)의 위치는, 생성실(10b)과 반송실(10a)의 경계 부근의 위치가 바람직하다. 이 경우, 가스공급부(40)로부터의 가스를, 생성실(10b)과 반송실(10a)의 경계 부근에 공급할 수 있으므로, 당해 경계 부근에 있어서 후술하는 부이온의 생성이 행해진다. 따라서, 생성한 부이온을, 반송실(10a)에 있어서의 화합물반도체(11)에 적합하게 주입시킬 수 있다. 다만, 가스공급구(41)의 위치는, 생성실(10b)과 반송실(10a)의 경계 부근에 한정되지 않는다.
회로부(34)는, 가변전원(80)과, 제1배선(71)과, 제2배선(72)과, 저항기(R1~R4)와, 단락스위치(SW1, SW2)를 갖고 있다.
가변전원(80)은, 접지전위에 있는 진공챔버(10)를 사이에 두고, 부전압을 플라즈마건(7)의 음극(60)에, 정전압을 하스기구(2)의 메인하스(17)에 인가한다. 이로써, 가변전원(80)은, 플라즈마건(7)의 음극(60)과 하스기구(2)의 메인하스(17)의 사이에 전위차를 발생시킨다.
제1배선(71)은, 플라즈마건(7)의 음극(60)을, 가변전원(80)의 부전위측과 전기적으로 접속하고 있다. 제2배선(72)은, 하스기구(2)의 메인하스(17)(양극)를, 가변전원(80)의 정전위측과 전기적으로 접속하고 있다.
저항기(R1)는, 일단이 플라즈마건(7)의 제1 중간전극(61)과 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 타단이 제2배선(72)을 통하여 가변전원(80)과 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 저항기(R1)는, 제1 중간전극(61)과 가변전원(80)의 사이에 있어서 직렬접속되어 있다.
저항기(R2)는, 일단이 플라즈마건(7)의 제2 중간전극(62)과 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 타단이 제2배선(72)을 통하여 가변전원(80)과 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 저항기(R2)는, 제2 중간전극(62)과 가변전원(80)의 사이에 있어서 직렬접속되어 있다.
저항기(R3)는, 일단이 생성실(10b)의 벽부(10W)와 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 타단이 제2배선(72)을 통하여 가변전원(80)과 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 저항기(R3)는, 생성실(10b)의 벽부(10W)와 가변전원(80)의 사이에 있어서 직렬접속되어 있다.
저항기(R4)는, 일단이 링하스(6)와 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 타단이 제2배선(72)을 통하여 가변전원(80)과 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 저항기(R4)는, 링하스(6)와 가변전원(80)의 사이에 있어서 직렬접속되어 있다.
단락스위치(SW1, SW2)는, 각각 제어부(50)로부터의 지령신호를 수신함으로써, ON/OFF 상태로 전환되는 전환부이다.
단락스위치(SW1)는, 저항기(R2)에 병렬접속되어 있다. 단락스위치(SW1)는, 플라즈마(P)를 생성할 때는 OFF 상태가 된다. 이로써, 제2 중간전극(62)과 가변전원(80)이 저항기(R2)를 통하여 서로 전기적으로 접속되므로, 제2 중간전극(62)과 가변전원(80)의 사이에는 전류가 흐르기 어렵다. 그 결과, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)가 진공챔버(10) 내에 출사된다. 다만, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)를 진공챔버(10) 내에 출사하는 경우, 제2 중간전극(62)으로의 전류를 흐르기 어렵게 하는 것 대신에, 제1 중간전극(61)으로의 전류를 흐르기 어렵게 해도 된다. 이 경우, 단락스위치(SW1)는, 제2 중간전극(62)측 대신에, 제1 중간전극(61)측에 접속된다.
한편, 단락스위치(SW1)는, 플라즈마(P)를 정지할 때는 ON 상태가 된다. 이로써, 제2 중간전극(62)과 가변전원(80)의 사이의 전기적인 접속이 단락되므로, 제2 중간전극(62)과 가변전원(80)의 사이에 전류가 흐른다. 즉, 플라즈마건(7)에 단락전류가 흐른다. 그 결과, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)가 진공챔버(10) 내에 출사되지 않게 된다.
부이온을 생성할 때는, 단락스위치(SW1)의 ON/OFF 상태가 제어부(50)에 의하여 소정 간격으로 전환됨으로써, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)가 진공챔버(10) 내에 있어서 간헐적으로 생성된다. 즉, 단락스위치(SW1)는, 진공챔버(10) 내로의 플라즈마(P)의 공급과 차단을 전환하는 전환부이다.
단락스위치(SW2)는, 저항기(R4)에 병렬접속되어 있다. 단락스위치(SW2)는, 플라즈마(P)를 메인하스(17)측에 유도할지 링하스(6)측에 유도할지에 따라, 제어부(50)에 의하여 ON/OFF 상태가 전환된다. 단락스위치(SW2)가 ON 상태가 되면, 링하스(6)와 가변전원(80)의 사이의 전기적인 접속이 단락되므로, 메인하스(17)보다도 링하스(6)에 전류를 흘리기 쉬워진다. 이로써, 플라즈마(P)는, 링하스(6)에 유도되기 쉬워진다. 한편, 단락스위치(SW2)가 OFF 상태가 되면, 링하스(6)와 가변전원(80)이 저항기(R4)를 통하여 전기적으로 접속되므로, 링하스(6)보다 메인하스(17)에 전류를 흘리기 쉬워져, 플라즈마(P)가 메인하스(17)측에 유도되기 쉬워진다. 다만, 부이온생성 시에는, 단락스위치(SW2)는 ON 상태로 유지된다. 부이온조사장치(1)에서 성막을 행하지 않는 경우는, 단락스위치(SW2)는 ON 상태로 유지되어어도 된다.
전압인가부(90)는, 성막 후의 화합물반도체(대상물)(11)에 정(正)의 전압을 인가 가능하다. 전압인가부(90)는, 바이어스회로(35)와, 트롤리선(18)을 구비한다.
바이어스회로(35)는, 성막 후의 화합물반도체(11)에 정의 바이어스전압을 인가하기 위한 회로이다. 바이어스회로(35)는, 화합물반도체(11)에 정의 바이어스전압(이하, 간단히 "바이어스전압"이라고도 함)을 인가하는 바이어스전원(27)과, 바이어스전원(27)과 트롤리선(18)을 전기적으로 접속하는 제3 배선(73)과, 제3 배선(73)에 마련된 단락스위치(SW3)를 갖고 있다. 바이어스전원(27)은, 바이어스전압으로서, 주기적으로 증감하는 구형파(矩形波)인 전압신호(주기적 전기신호)를 인가한다. 바이어스전원(27)은, 인가하는 바이어스전압의 주파수를 제어부(50)의 제어에 의하여 변경 가능하게 구성되어 있다. 제3 배선(73)은, 일단이 바이어스전원(27)의 정전위측에 접속되어 있음과 함께, 타단이 트롤리선(18)에 접속되어 있다. 이로써, 제3 배선(73)은, 트롤리선(18)과 바이어스전원(27)을 전기적으로 접속한다.
단락스위치(SW3)는, 제3 배선(73)에 의하여, 트롤리선(18)과 바이어스전원(27)의 정전위측의 사이에 있어서 직렬로 접속되어 있다. 단락스위치(SW3)는, 트롤리선(18)으로의 바이어스전압의 인가의 유무를 전환하는 전환부이다. 단락스위치(SW3)는, 제어부(50)에 의하여 그 ON/OFF 상태가 전환된다. 단락스위치(SW3)는, 부이온생성 시에 소정의 타이밍으로 ON 상태가 된다. 단락스위치(SW3)가 ON 상태가 되면, 트롤리선(18)과 바이어스전원(27)의 정전위측이 서로 전기적으로 접속되어, 트롤리선(18)에 바이어스전압이 인가된다.
한편 단락스위치(SW3)는, 부이온생성 시에 있어서의 소정의 타이밍에 있어서 OFF 상태가 된다. 단락스위치(SW3)가 OFF 상태가 되면, 트롤리선(18)과 바이어스전원(27)이 서로 전기적으로 절단되어, 트롤리선(18)에는 바이어스전압이 인가되지 않는다.
트롤리선(18)은, 화합물반도체유지부재(16)에 대한 급전을 행하는 가선(架線)이다. 트롤리선(18)은, 반송실(10a) 내에 반송방향(화살표 A)으로 뻗어 마련되어 있다. 트롤리선(18)은, 화합물반도체유지부재(16)에 마련된 급전브러시(42)와 접촉함으로써, 급전브러시(42)를 통하여 화합물반도체유지부재(16)로의 급전을 행한다. 트롤리선(18)은, 예를 들면 스테인리스제의 와이어 등에 의하여 구성되어 있다.
제어부(50)는, 부이온조사장치(1) 전체를 제어하는 장치이며, 장치 전체를 통괄적으로 관리하는 ECU[Electronic Control Unit]를 구비하고 있다. ECU는, CPU[Central Processing Unit], ROM[Read Only Memory], RAM[Random Access Memory], CAN[Controller Area Network] 통신회로 등을 갖는 전자제어유닛이다. ECU에서는, 예를 들면, ROM에 기억되어 있는 프로그램을 RAM에 로드하고, RAM에 로드된 프로그램을 CPU로 실행함으로써 각종 기능을 실현한다. ECU는, 복수의 전자유닛으로 구성되어 있어도 된다.
제어부(50)는, 진공챔버(10)의 외부에 배치되어 있다. 또, 제어부(50)는, 가스공급부(40)에 의한 가스공급을 제어하는 가스공급제어부(51)와, 플라즈마생성부(14)에 의한 플라즈마(P)의 생성을 제어하는 플라즈마제어부(52)와, 전압인가부(90)에 의한 전압의 인가를 제어하는 전압제어부(53)를 구비하고 있다.
가스공급제어부(51)는, 가스공급부(40)를 제어하여, 생성실(10b) 내에 가스를 공급한다. 계속해서, 제어부(50)의 플라즈마제어부(52)는, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)를 생성실(10b) 내에서 간헐적으로 생성하도록 플라즈마생성부(14)를 제어한다. 예를 들면, 제어부(50)에 의하여, 단락스위치(SW1)의 ON/OFF 상태가 소정 간격으로 전환됨으로써, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)가 생성실(10b) 내에서 간헐적으로 생성된다.
단락스위치(SW1)가 OFF 상태가 되어 있을 때(도 1 상태)는, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)가 생성실(10b) 내에 출사되기 때문에, 생성실(10b) 내에 플라즈마(P)가 생성된다. 플라즈마(P)는, 중성입자, 정이온, 부이온(산소가스 등의 부성(負性) 기체가 존재하는 경우), 및 전자를 구성물질로 하고 있다. 따라서, 생성실(10b) 내에 전자가 생성되게 된다. 단락스위치(SW1)가 ON 상태가 되어 있을 때(도 2 상태)는, 플라즈마건(7)으로부터의 플라즈마(P)가 생성실(10b) 내에 출사되지 않기 때문에 생성실(10b) 내에 있어서의 플라즈마(P)의 전자온도가 급격하게 저하한다. 이 때문에, 생성실(10b) 내에 공급된 가스의 입자에, 전자가 부착되기 쉬워진다. 이로써, 생성실(10b) 내에는, 부이온이 효율적으로 생성된다.
제어부(50)는, 전압인가부(90)에 의한 전압의 인가를 제어한다. 제어부(50)는, 소정의 타이밍(예를 들면, 플라즈마(P)가 정지되어 있는 타이밍)으로, 전압인가부(90)에 의한 전압을 인가한다. 다만, 전압인가부(90)에 의한 전압의 인가를 개시하는 타이밍은, 제어부(50)에서 미리 설정된다. 전압인가부(90)에 의하여 화합물반도체(11)에 정의 바이어스전압이 부여됨으로써, 진공챔버(10) 내의 부이온이 화합물반도체(11)에 유도된다. 이로써, 부이온이 화합물반도체에 조사된다.
여기에서, 화합물반도체(11)와 부이온의 관계에 대하여 설명한다. 화합물반도체(11)는 양이온(카티온)과 음이온(아니온)에 의하여 형성된다. 이와 같은 화합물반도체(11)에 대하여, 당해 화합물반도체(11)를 형성하는 음이온과 동일한 원소를 포함하는 부이온이 조사된다. 또, 가스공급부(40)에 의하여 공급되는 가스는, 화합물반도체(11)를 형성하는 음이온과 동일한 원소를 포함한다. 다만, 가스는, Ar 등의 희가스도 포함한다.
예를 들면, 화합물반도체(11)가 ZnO, Ga2O3 등으로 형성되는 경우, O- 등의 부이온이 조사된다. 가스공급부(40)의 가스는, O2 등을 포함한다. 화합물반도체(11)이 AlN, GaN 등으로 형성되는 경우, NH- 등의 질화물의 부이온이 조사된다. 다만, 주입한 H는 어닐링에 의하여 제거된다. 가스공급부(40)의 가스는, NH2, NH4 등을 포함한다. 그 외, 화합물반도체(11)가 SiC 등으로 형성되는 경우, C-나 Si- 등의 부이온이 조사된다. 가스공급부(40)의 가스는, C2H6나 SiH4 등을 포함한다. 다만, 화합물반도체(11)가 SiC인 경우에는, Si도 부이온으로 할 수 있으므로, 카티온측도 부이온으로서 조사하는 것이 가능하다.
다만, 전자친화력이 정인 원자, 분자는 부이온이 되기 쉽다. 따라서, 그와 같은 원자, 분자의 음이온이 화합물반도체(11)에 포함되어 있는 경우, 동일한 원자, 분자를 포함하는 부이온을 조사해도 된다. 예를 들면, 부이온으로 하기 쉬운 것으로서, H, He, C, O, F, Si, S, Cl, Br, I, H2, O2, Cl2, Br2, I2, CH, OH, CN, HCl, HBr, NH2, N2O, NO2, CCl4, SF6 등을 들 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 부이온조사장치(1)의 제어방법에 대하여 설명한다. 도 3은, 본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1)의 제어방법을 나타내는 플로차트이다. 다만, 여기에서는, 화합물반도체(11)가 ZnO로 형성되어 있고, O-의 부이온을 조사하는 경우를 예로 하여 설명한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 부이온조사장치(1)의 제어방법은, 가스공급공정(S10)과, 플라즈마생성공정(S20)(부이온조사공정의 일부)과, 전압인가공정(S30)(부이온조사공정의 일부)을 구비한다. 각 공정은, 제어부(50)에 의하여 실행된다.
먼저, 제어부(50)의 가스공급제어부(51)는, 가스공급부(40)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 가스를 공급한다(가스공급공정(S10)). 이로써, 진공챔버(10)의 생성실(10b)에는 O2의 가스가 존재한 상태가 된다. 그 후, 플라즈마생성공정(S20)이 실행된다.
제어부(50)의 플라즈마제어부(52)는, 플라즈마생성부(14)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 플라즈마(P) 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마(P)의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성한다(플라즈마생성공정(S20)). 진공챔버(10)의 생성실(10b) 내에서 플라즈마(P) 및 전자가 생성되면, 플라즈마(P)에 의하여 "O2+e-→2O+e-"라는 반응이 진행된다. 그 후, 플라즈마(P)의 생성이 정지되면, 생성실(10b) 내에서는, 전자온도가 급격하게 저하함으로써, "O+e-→O-"라는 반응이 진행된다. 플라즈마생성공정(S20)이 실행된 후의 소정의 타이밍으로, 전압인가공정(S30)이 실행된다. 다만, 엄밀하게는 플라즈마생성 중에도 부이온은 생성되고 있으며, 부이온조사 시에는, 플라즈마생성 시에 생성된 부이온도 조사된다.
제어부(50)의 전압제어부(53)는, 전압인가부(90)를 제어하여 화합물반도체(11)에 바이어스전압을 인가한다(전압인가공정(S30)). 이로써, 생성실(10b) 내의 O-의 부이온(81)이 화합물반도체(11)측을 향하여, 당해 화합물반도체(11)에 조사된다(도 2 및 도 4 참조).
다음으로, 본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1) 및 그 제어방법의 작용·효과에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1)에서는, 제어부(50)는, 가스공급부(40)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 가스를 공급한다. 가스공급부(40)는, 화합물반도체(11)를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급한다. 따라서, 진공챔버(10) 내에는, 화합물반도체(11)를 형성하는 이온과 동일한 원소가 존재하게 된다. 그리고, 제어부(50)는, 플라즈마생성부(14)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 플라즈마(P) 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마(P)의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 화합물반도체(11)에 조사한다.
예를 들면, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 화합물반도체(11)를 형성하는 이온과 동일한 원소의 부이온(81)이, 화합물반도체(11)에 조사된다. 부이온(81)은, 화합물반도체(11)의 표면(11a)으로부터 내부로 들어간다. 이로써, 부이온(81)이 화합물반도체(11) 내의 음이온 유래의 결정결함(85)으로 들어감으로써, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 당해 결정결함(85)을 메울 수 있다.
여기에서, 도 5 및 도 6을 참조하여, 화합물반도체(11)에 대하여 부이온을 조사하는 것의 메리트에 대하여 설명한다. 도 5 및 도 6에서는, 화합물반도체(11)를 형성하는 양이온(86) 및 음이온(87)의 이온결합구조가 나타나 있다. 도 5는, 비교예로서 화합물반도체에 정이온(83)을 주입할 때의 모습을 모식적으로 나타낸 도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 화합물반도체(11)에 정이온(83)이 주입되면, 정이온(83)은, 양이온(86)과 음이온(87)의 쿨롱력의 영향 속을 통과해가야 하기 때문에, 화합물반도체(11) 내부로 원활하게 들어가기 어렵다는 문제가 있다. 또, 정이온(83)의 주입에 의하여 2차전자로서의 전자(82)의 방출이 발생하면, 기판이 차지 업되어 버린다는 문제가 생긴다.
이것에 대하여, 화합물반도체(11)를 향하는 부이온(81)(도 6의 (a) 참조)이 당해 화합물반도체(11)에 도달하면, 도 6의 (b)에 나타내는 바와 같이, 충돌에 의하여 전자(82)가 떨어져 나가기 쉽다. 따라서, 부이온(81)은, 전자(82)가 떨어져 나간 중성상태의 입자(81a)로서, 이온결합 속으로 진행해 간다. 중성상태의 입자(81a)는, 양이온(86)과 음이온(87)의 쿨롱력의 영향을 받지 않고 화합물반도체(11) 내부로 원활하게 들어갈 수 있다. 따라서, 부이온(81)의 에너지는 예를 들면 70eV 이하의 저에너지이면 된다. 또, 부이온(81)을 주입할 때에는, 기판의 차지 업도 발생하지 않는다. 다만, 부이온(81)은, 가열부(30)(도 1 참조)에 의하여 가열된 상태의 화합물반도체(11)에 주입된다. 따라서, 농도확산에 의하여 화합물반도체(11)의 안쪽으로 원하는 원소가 들어가고, 또한, 열처리에 의하여 여분의 원소가 빠져나가기 때문에, 입자(81a)가 결정결함만을 메울 수 있다.
또, 예를 들면, 비교예로서 부이온원을 이용하여 부이온조사하는 경우, 부이온을 조사할 수 있는 면적이 작다. 한편, 본 실시형태와 같이, 플라즈마생성부(14)를 구비하는 부이온조사장치(1)는, 화합물반도체(11)에 대하여 대면적으로 부이온을 조사할 수 있다. 또, 예를 들면, 비교예로서 단일 에너지의 부이온만 조사한 경우, 화합물반도체(11)의 소정의 깊이위치에만 부이온이 들어가기 때문에, 깊이방향의 넓은 범위에 걸쳐서 결정결함을 메울 수 없다. 한편, 본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1)는, 폭넓은 에너지의 부이온을 생성할 수 있기 때문에, 깊이방향의 넓은 범위에 걸쳐서 결정결함을 메울 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1)는, 화합물반도체(11)의 결정결함을 메울 수 있기 때문에 화합물반도체(11)의 품질을 향상시킬 수 있다. 또, 부이온조사 전은 화합물반도체(11)로서의 그레이드가 충분하지 않았던 경우이더라도, 부이온조사로 품질을 향상시킬 수 있기 때문에, 사전의 단결정기판의 그레이드 선별 필요성을 저감시킬 수 있다. 이상에 의하여, 화합물반도체의 제조효율 및 품질을 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1)의 제어방법은, 가스공급부(40)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 가스를 공급하는 가스공급공정(S10)과, 플라즈마생성부(14)를 제어하여, 진공챔버(10) 내에 플라즈마(P) 및 전자를 생성하고 또한 플라즈마(P)의 생성을 정지함으로써 전자와 가스에 의하여 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 화합물반도체(11)에 조사하는 부이온조사공정(플라즈마생성공정(S20), 전압인가공정(S30))을 갖는다.
본 실시형태에 관한 부이온조사장치(1)의 제어방법에 의하면, 상술한 부이온조사장치(1)와 동일한 취지의 작용·효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 실시형태의 일 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 각 청구항에 기재한 요지를 변경하지 않는 범위에서 변형하거나, 또는 다른 것에 적용한 것이어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 이온플레이팅형 성막장치로서의 기능도 구비한 부이온조사장치에 대하여 설명했지만, 부이온조사장치는, 성막장치의 기능을 갖지 않아도 된다. 따라서, 플라즈마(P)는, 예를 들면 플라즈마건과 대향하는 벽부의 전극 등에 유도되어도 된다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 플라즈마건(7)을 압력구배형 플라즈마건으로 했지만, 플라즈마건(7)은, 진공챔버(10) 내에 플라즈마를 생성할 수 있으면 되고, 압력구배형인 것에는 한정되지 않는다.
또, 상기 실시형태에서는, 플라즈마건(7)과 플라즈마(P)를 유도하는 개소(하스기구(2))의 세트가 진공챔버(10) 내에 1세트만 마련되어 있었지만, 복수 세트 마련해도 된다. 또, 한 개소에 대하여, 복수의 플라즈마건(7)으로부터 플라즈마(P)를 공급해도 된다.
1…부이온조사장치(부이온조사장치)
3…반송기구(배치부)
7…플라즈마건
10…진공챔버
11…화합물반도체
14…플라즈마생성부
40…가스공급부
50…제어부
P…플라즈마

Claims (2)

  1. 화합물반도체에 부이온을 조사하는 부이온조사장치로서,
    내부에서 상기 부이온의 생성이 행해지는 챔버와,
    상기 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급하는 가스공급부와,
    상기 챔버 내에 있어서, 플라즈마 및 전자를 생성하는 플라즈마생성부와,
    상기 화합물반도체를 배치하는 배치부와,
    상기 부이온조사장치의 제어를 행하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는,
    상기 가스공급부를 제어하여, 상기 챔버 내에 상기 가스를 공급하고,
    상기 플라즈마생성부를 제어하여, 상기 챔버 내에 상기 플라즈마 및 상기 전자를 생성하고 또한 상기 플라즈마의 생성을 정지함으로써 상기 전자와 상기 가스에 의하여 상기 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 상기 화합물반도체에 조사하는 부이온조사장치.
  2. 화합물반도체에 부이온을 조사하는 부이온조사장치의 제어방법으로서,
    상기 부이온조사장치는,
    내부에서 상기 부이온의 생성이 행해지는 챔버와,
    상기 화합물반도체를 형성하는 이온과 동일한 원소를 포함하는 가스를 공급하는 가스공급부와,
    상기 챔버 내에 있어서, 플라즈마 및 전자를 생성하는 플라즈마생성부와,
    상기 화합물반도체를 배치하는 배치부와,
    상기 부이온조사장치의 제어를 행하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부에 의하여 상기 가스공급부를 제어하여, 상기 챔버 내에 상기 가스를 공급하는 가스공급공정과,
    상기 제어부에 의하여 상기 플라즈마생성부를 제어하여, 상기 챔버 내에 상기 플라즈마 및 상기 전자를 생성하고 또한 상기 플라즈마의 생성을 정지함으로써 상기 전자와 상기 가스에 의하여 상기 부이온을 생성하며, 당해 부이온을 상기 화합물반도체에 조사하는 부이온조사공정을 갖는 부이온조사장치의 제어방법.

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