JP4825630B2 - 金属窒素化合物の分子線エピタキシー成膜方法及び装置 - Google Patents
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Description
上記シャッターを周期的に一定の開期間T1(T1<周期T)をもって繰り返し開閉し、
上記シャッターが開いた時点t0から閉じる時点t1までの期間T1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属原子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度(Low Brightness:LB)モードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、
上記シャッターの開時点t0から該シャッターの開期間T1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点t2で上記窒素励起セル内の励起状態を上記LBモードから上記窒素活性種を生成する高輝度(High Brightness:HB)モードに切替えて、上記時点t2から予め定めたHBモード持続期間T3中、該窒素励起セルから上記基板に上記窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該HBモード持続期間T3の満了時点t3で再び上記LBモードに戻すようにした成膜工程と、から成る成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする。
上記シャッターを一定の開期間T1をもって周期的に繰り返し開閉するシャッター駆動手段と、
上記シャッターの開閉動作の周期T、開期間T1、該開期間T1より予め定めた時間αだけ短い期間(T 1 −α)または長い期間(T 1 +α)に相当する大きさの遅れ時間τ(=T1±α)、および上記窒素励起セル内の励起状態を、上記窒素活性種を生成する高輝度(HB)モードに維持するHBモード持続期間T3についての予め設定されたデータ(T、T1、τ、T3)を入力するデータ入力手段と、
上記設定データ(T、T1、τ、T3)に基づき、上記シャッターの開時点t0、該時点t0から上記遅れ時間τが経過した時点t2および該時点t2から上記HBモード持続期間T3が経過した時点t3のそれぞれのタイミング信号を出力するタイマー手段と、
上記タイマー手段から受けた上記時点t 0 、t 2 またはt 3 のタイミング信号に応じて、上記該窒素励起セルの励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度(LB)モードと上記HBモードのいずれかの励起モードを確立するように、上記窒素励起セルの励起コイルに供給する高周波電力の量を切替え可能としたRF(高周波)電源と、
上記タイマー手段から上記時点t0のタイミング信号を受けたとき、上記窒素励起セル内の励起状態を上記LBモードとする一方、上記タイマー手段から上記時点t2のタイミング信号を受けたとき、上記窒素励起セル内の励起状態を上記HBモードに切替え、上記時点t3 で上記窒素励起セル内の励起状態を再び上記LBモードに戻すように、上記RF電源から出力される高周波電力の量を切替える給電制御手段と、を具備することを特徴とする。
上記RF電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した可変リアクタンス回路と、
上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を自動調整して上記HBモード持続期間T3中、上記励起コイルに一定の大きい電力WHBをもって高周波電力を供給する自動リアクタンス調整回路と、
上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段と、により構成したことを特徴とする。
上記RF電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した可変リアクタンス回路と、
上記RF電源の発振周波数を自動調整して上記HBモード持続期間T3中、上記励起コイルに一定の大きい電力WHBをもって高周波電力を供給する自動リアクタンス調整回路と、
上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段と、により構成したことを特徴とする。
本発明の金属窒素化合物のMBE成膜方法は、図1に示されるように、一般に、MBE(分子線エピタキシー)成長に用いられる成膜装置1を用いて実施される。
図1において、MBE成長室2内に設けられた基板ホルダー3に、図示しない固定具を介して着脱可能に基板5を固定するとともにヒータ4を介して該基板5を所定温度、例えば、600℃に加熱し、上記基板5の表面に金属窒素化合物、例えば、III族金属元素、代表的に、Gaの窒化物半導体(GaN)膜が成長させられる。基板ホルダー3に装着された操作棒を介してマニピュレータ7が装着され、該マニピュレータ7により成長室2の外部から基板ホルダー3への基板5の固定操作とか、該基板ホルダー3に固定された基板5の回転操作等が可能とされる。8は真空機構部で、例えば、ターボ分子ポンプを用いて成長室2が10-5〜10-9Paの超真空とされる。
いま、成長室2内の基板ホルダー3には、公知の方法でAlN(窒化アルミニューム)の高温バッファ層を成長させたSi基板5が固定されているものとする。また、固体金属用分子線セル11の坩堝14に装入されたGa塊体がヒータ15により加熱溶融されてGa蒸気が生成されている一方、窒素励起セル21の励起コイル24に、詳細に後述するように、RF電源43から比較的小さいRF電力が投入されて励起室22内が上記基板5に照射されたGa原子とは反応しない励起分子線を生成する低輝度励起状態(LBモード)に維持されているものとする。
図3は本発明の成膜装置の基本的構成概念を示し、図4は、上記タイムシーケンス(図2)に順じて上記成膜サイクルを実行する成膜制御装置35のコントロールパネル37の正面図を示す。なお、図3において、図1のMBE成膜装置の構成部分と等価の部分には同一の数字符号を付して詳細な説明を省略する。
2 MBE成長室
3 基板ホルダー
5 基板
6 基板搬入部
8 真空機構部(ターボ分子ポンプ)
9 液体窒素シュラウド
11 固体金属用分子線セル(Kセル)
11a〜11d 固体金属用分子線セル(Kセル)
12 シャッター
14 PBN坩堝
15 溶融ヒータ
17 ガス用分子線セル
18 シャッター
21 窒素励起セル
22 励起室
24 励起コイル
25 オリフィス
26 窒素ガスボンベ
27 質量流量制御器
28 圧力計
29 窒素ガス供給管
30 分光スペクトル測定器
31 RHEED電子銃
32 RHEEDスクリーン
33 四重極質量分析器
34 窒素ビームフラックス検出器
35 成膜制御装置(回路)
36 シャッター駆動回路
37 コントロールパネル
38 スタートボタン
39 データ入力設定ボタン(データ入力設定器)
41 給電制御回路
42 可変リアクタンス回路
43 RF(高周波)電源
44 自動リアクタンス調整回路
51 スタートボタン
57 目標電流(励起電力)設定ダイヤル
60 LBモード維持電力設定ダイヤル
61 周期T設定スイッチ
62 開期間T1設定スイッチ
63 時間α設定スイッチ
64 HBモード持続期間T3設定スイッチ
65 時間β設定スイッチ
Claims (12)
- MBE(分子線エピタキシー)成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属原子線を供給するとともに、窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成するにあたり、
上記シャッターを周期的に一定の開期間T1(T1<周期T)をもって繰り返し開閉し、
上記シャッターが開いた時点t0から閉じる時点t1までの期間T1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属原子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度(Low Brightness:LB)モードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、
上記シャッターの開時点t0から該シャッターの開期間T1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点t2で上記窒素励起セル内の励起状態を上記LBモードから上記窒素活性種を生成する高輝度(High Brightness:HB)モードに切替えて、上記時点t2から予め定めたHBモード持続期間T3中、該窒素励起セルから上記基板に上記窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該HBモード持続期間T3の満了時点t3で再び上記LBモードに戻すようにした成膜工程と、
から成る成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする金属窒素化合物のMBE成膜方法。 - 上記遅れ時間τは、周期的に繰り返し開閉する上記シャッターの開期間T1より予め定めた時間αだけ短い期間(T1−α)または長い期間(T 1 +α)に相当する大きさに設定することを特徴とする請求項1に記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- 上記シャッターが閉じた期間T2において、上記窒素励起セル内の励起状態を上記HBモードから、上記時点t3から上記時点t0までの期間β中、上記基板上の残留金属原子を除去することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- 上記シャッターの開期間T1 は上記基板に1分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定められ、上記HBモード持続期間T3 は上記シャッターの開期間T1中に上記基板に供給された金属原子と反応するのに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定められることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- 上記シャッターの開期間T1 は上記基板に複数分子層の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定められ、上記HBモード持続期間T3 は上記シャッターの開期間T1中に上記基板に供給された金属原子と反応するのに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定められることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- 上記窒素励起セル内の励起状態を上記HBモードから上記LBモードに切り替えた後、該窒素励起セルの励起室内に電磁波を照射して上記LBモードの励起状態を維持することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜方法。
- MBE(分子線エピタキシー)成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属原子線を供給するとともに、窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する金属窒素化合物のMBE成膜装置において、
上記シャッターを一定の開期間T1をもって周期的に繰り返し開閉するシャッター駆動手段と、
上記シャッターの開閉動作の周期T、開期間T1、該開期間T1より予め定めた時間αだけ短い期間(T 1 −α)または長い期間(T 1 +α)に相当する大きさの遅れ時間τ(=T1±α)、および上記窒素励起セル内の励起状態を、上記窒素活性種を生成する高輝度(HB)モードに維持するHBモード持続期間T3についての予め設定されたデータ(T、T1、τ、T3)を入力するデータ入力手段と、
上記設定データ(T、T1、τ、T3)に基づき、上記シャッターの開時点t0、該時点t0から上記遅れ時間τが経過した時点t2および該時点t2から上記HBモード持続期間T3が経過した時点t3のそれぞれのタイミング信号を出力するタイマー手段と、
上記タイマー手段から受けた上記時点t 0 、t 2 またはt 3 のタイミング信号に応じて、上記該窒素励起セルの励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度(LB)モードと上記HBモードのいずれかの励起モードを確立するように、上記窒素励起セルの励起コイルに供給する高周波電力の量を切替え可能としたRF(高周波)電源と、
上記タイマー手段から上記時点t0のタイミング信号を受けたとき、上記窒素励起セル内の励起状態を上記LBモードとする一方、上記タイマー手段から上記時点t2のタイミング信号を受けたとき、上記窒素励起セル内の励起状態を上記HBモードに切替え、上記時点t3 で上記窒素励起セル内の励起状態を再び上記LBモードに戻すように、上記RF電源から出力される高周波電力の量を切替える給電制御手段と、
を具備することを特徴とする金属窒素化合物のMBE成膜装置。 - 更に、上記シャッターの周期的な開閉動作を開始するまでに上記窒素励起セル内の励起状態を上記LBモードに設定し、上記タイマー手段から上記シャッターの開時点t0を示すタイミング信号を受けてから該シャッターの開期間T1中、上記基板に、上記固体金属用分子線セルからの金属原子線を照射するとともに上記窒素励起セルから上記LBモードで生成される窒素励起分子線を照射し、次いで上記タイマー手段から上記時点t2を示すタイミング信号を受けた際、上記窒素励起セル内の励起状態を上記HBモードに切替え、該HBモードで生成される窒素活性種を上記基板に照射して金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜サイクル動作を複数回繰り返すように制御する成膜制御手段を具備したことを特徴とする請求項7に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
- 上記給電制御手段は、
上記RF電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した可変リアクタンス回路と、
上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を自動調整して上記HBモード持続期間T3中、上記励起コイルに一定の大きい電力WHBをもって高周波電力を供給する自動リアクタンス調整回路と、
上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段と、
により構成したことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。 - 上記給電制御手段は、
上記RF電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した可変リアクタンス回路と、
上記RF電源の発振周波数を自動調整して上記HBモード持続期間T3中、上記励起コイルに一定の大きい電力WHBをもって高周波電力を供給する自動リアクタンス調整回路と、
上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段と、
により構成したことを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。 - 上記給電制御手段の自動リアクタンス調整回路は、上記タイマー手段から上記時点t2 のタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を有効とする一方、上記時点t3 のタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を無効とするように構成したことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
- 上記給電制御手段および上記成膜制御手段は、上記シャッターの周期的開閉動作に従って成膜サイクル動作を逐次制御する制御プログラムを記憶部に格納したコンピュータを用いて構成したことを特徴とする請求項8〜請求項11のいずれかに記載の金属窒素化合物のMBE成膜装置。
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