JP6519027B2 - ラジカル源及び分子線エピタキシー装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高密度のラジカルを生成するラジカル源及びそのラジカル源を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置に関する。特に、ＣＣＰプラズマをＩＣＰプラズマに導入してラジカルを生成するラジカル源とそのラジカル源を用いた成膜速度の高いＭＢＥ装置に関する。
従来より、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によってIII 族窒化物半導体などの半導体結晶を成長させる技術が知られている。ＭＢＥによってIII 族窒化物半導体を結晶成長させる場合、材料源としてIII 族元素と窒素の原子蒸気の生成が必要になる。III 族元素は固体金属なので、通常、ＰＢＮ（熱分解窒化ホウ素）製のるつぼに金属を入れて加熱して原子蒸気を発生させている。これに対して窒素は気体であるため、通常、窒素分子ガスを分解する方法や、アンモニアガスを分解する方法などの方法によって原子蒸気を発生させている。この窒素分子ガスを分解して窒素の原子蒸気を生成する方法として、コイル状の電極に高周波電力を印加して生成する誘導結合プラズマを用いた窒素ラジカル源が使われる。窒素ラジカル源を使用してIII 族窒化物半導体の結晶成長速度を向上させるためには、窒素ラジカルのエネルギーを高め、フラックス密度を高める必要がある。
本発明者等は、高密度のラジカルを生成することができるラジカル源として、特許文献１に開示の装置を開発し、ＭＢＥ装置として特許文献２に開示の装置を開発した。特許文献１に記載のラジカル源は、気体を供給する供給管の下流側において供給管と接続する誘電体からなるプラズマ生成管と、プラズマ生成管の外壁に位置し、プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、プラズマ生成管の外壁であって、コイルよりも供給管に近い側に位置し、プラズマ生成管の内部に容量結合プラズマを発生させて誘導結合プラズマ中に容量結合プラズマを導入する電極とを有する装置である。この装置により、容量結合により生じた高エネルギーを有したプラズマを誘導結合により生じた高密度のプラズマ中に注入することにより、高エネルギーを有した高密度のプラズマを生成することができる。
特開２０１２−０４９０２８ 特開２０１２−０４９３７５
しかし、特許文献１のラジカル源は、容量結合プラズマの生成される領域がラジカルを放出する開口部から離れた位置に存在するために、開口部に至るまでにプラズマ生成管の管壁への衝突や、プラズマ間の衝突により、エネルギーが低下し、放出されるラジカルのエネルギーや密度が低下するという問題があった。特に、III 族窒化物半導体を成膜するＭＢＥ装置における窒素ラジカル源のためには、さらに高密度なラジカルを生成することができるラジカル源が求められていた。
そこで本発明の目的は、より内部エネルギーが高く、高密度のラジカルを生成することができるラジカル源を提供することである。
本発明は、気体を供給する供給管と、供給管の下流側において供給管と接続する誘電体からなるプラズマ生成管と、プラズマ生成管の外壁に位置し、プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、プラズマ生成管の外側に配設され、コイルよりも供給管に近い側に位置し、プラズマ生成管の内部に第１の容量結合プラズマを発生させて誘導結合プラズマ中に第１の容量結合プラズマを導入する第１電極と、プラズマ生成管の外側に配設され、コイルよりも下流側に位置し、プラズマ生成管の内部に第２の容量結合プラズマを発生させて、下流に向かって流れる第１の容量結合プラズマ及び誘導結合プラズマ中に、第２の容量結合プラズマを導入する第２電極とを有し、プラズマ生成管のプラズマを放出する開口部は下流に向かって径が拡大したテーパ部を有し、このテーパ部の外壁に第２電極が配設されていることを特徴とするラジカル源である。
他の発明は、気体を供給する導体から成る供給管と、供給管の下流側において供給管と接続する円筒状の誘電体からなるプラズマ生成管と、プラズマ生成管の外壁に位置し、プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、プラズマ生成管の外側に配設され、コイルよりも供給管に近い側に位置し、プラズマ生成管の内部に第１の容量結合プラズマを発生させて誘導結合プラズマ中に第１の容量結合プラズマを導入する、中空部を有した二重円筒形状の第１電極と、プラズマ生成管の外側に配設され、コイルよりも下流側に位置し、プラズマ生成管の内部に第２の容量結合プラズマを発生させて、下流に向かって流れる第１の容量結合プラズマ及び誘導結合プラズマ中に、第２の容量結合プラズマを導入する、中空部を有した二重円筒形状の第２電極と、第１電極の中空部において、プラズマ生成管の円筒外周に沿って配設され、プラズマ生成管の中心部に第１の容量結合プラズマを偏在させる複数の永久磁石であって、プラズマ生成管の円筒の中心軸に向かって磁化され、隣接する磁石間では磁化の向きが互いに反転した永久磁石と、を有することを特徴とするラジカル源である。
また、上述の両発明において、高周波電力を生成する高周波電源と、高周波電源の出力する高周波電力を、第１電極、コイル、第２電極へ分配し、且つ高周波電源に対してインピーダンス整合を取る機能を有するインピーダンス整合部を有する分配器と、分配器による第１電極、コイル、第２電極への分配電力を、外部指令により可変制御する制御装置とを有した電源装置を設けることができる。これにより、第１の容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、第２の容量結合プラズマの密度比を調整することができ、開口部から放出されるプラズマの密度、本装置から出力されるラジカルの密度と、エネルギーとを適正に制御することができる。また、供給管とプラズマ生成管との接続部において、供給管の開口から挿入された、プラズマ生成管の底部から連続して伸びた結合管を有し、供給管は導体とすることが望ましい。また、誘電体からなり、供給管の開口であって供給管とプラズマ生成管との接続側に挿入され、供給管の内壁を覆う寄生プラズマ防止管を、有し、供給管は導体としても良い。
供給管によりプラズマ生成管内に供給するガスには、窒素、酸素、水素、アンモニア、水、フルオロカーボン、炭化水素、シラン、ゲルマンなど所望の種類のガスを供給することができ、それらのガスから所望の種類のラジカルを得ることができるが、特に窒素、酸素、水素、アンモニアを用いて発生させるラジカルが有用である。また、アルゴンなどの希ガス等によって希釈して用いてもよい。
結合管又は寄生プラズマ防止管は、電極と供給管内壁との間で寄生プラズマが生じてラジカル密度の低下を引き起こしてしまうのを防止するものである。プラズマ生成管及びそれに連続した結合管、又は、寄生プラズマ防止管の材料は、ＢＮ、ＰＢＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 などのセラミックを用いることができる。
プラズマ生成管の、第１の容量結合プラズマが生成される領域の内径、誘導結合プラズマが生成される領域の内径、第２の容量結合プラズマが生成される領域の内径は、それぞれ、異なっていてもよいし、同一であってもよい。
本発明において、第１の容量結合プラズマ又は第２の容量結合プラズマを発生する領域のプラズマ生成管外周に沿って配置され、プラズマ生成管の中心部に第１の容量結合プラズマ又は第２の容量結合プラズマを偏在させる複数の永久磁石をさらに有することが望ましい。永久磁石は、消磁防止の観点からキュリー温度の高いものが望ましく、たとえばＳｍＣｏ磁石、ＡｌＮｉＣｏ磁石などを用いることができる。また、永久磁石に代えて電流を通電する電磁石としても良いし、永久磁石に追加して電磁石を設けても良い。
また、本発明において、第１電極及び第２電極は、その内部で水を還流させる中空部を有することが望ましい。これにより、第１電極、第２電極を冷却することができ、高エネルギーの容量結合プラズマを安定して発生させることができる。
また、本発明において、永久磁石又は電磁石は、電極の内部であって、中空部に露出するよう配置されていることが望ましい。
また、本発明において、第１電極又は第２電極は、円筒形状であることが望ましい。
また、本発明において、供給管により供給される気体を窒素とすることで、窒素ラジカルを生成することができる。
また、他の発明は、上記のラジカル源を有する分子線エピタキシー装置である。これにより、高エネルギー且つ高密度のラジカルを発生させるラジカル源を有した分子線エピタキシー装置とすることができる。特に、供給するラジカルを窒素ラジカルとすることで、III 族窒化物半導体の成膜速度を向上させた分子線エピタキシー装置とすることができる。
本発明によると、気体の流れる方向に沿って、第１電極、コイル、第２電極が配設されているので、プラズマ生成管の内部において、気体流の方向に、第１の容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、第２の容量結合プラズマが生成される。高エネルギーの第１の容量結合プラズマは、高密度の誘導結合プラズマに注入されて、その領域でプラズマ密度がさらに向上するが、プラズマが開口部に向かうに連れ、また、放出される時の開口部の壁面への衝突により、高エネルギーを有したプラズマの密度が低下する。しかし、本発明では、プラズマが放射されるプラズマ生成管の開口部の付近では、さらに、高エネルギーの第２の容量結合プラズマが添加されるので、本ラジカル源装置の開口部から放出されるラジカルは高エネルギーで且つ高密度となる。これより、例えば、III 族窒化物半導体の成膜速度を向上させた窒素ラジカルを供給できる装置を実現することができる。
また、プラズマ生成管のプラズマを放出する開口部を下流に向かって径が拡大したテーパ部として、このテーパ部の外壁に第２電極を配設した場合には、より高エネルギーで且つ高密度のプラズマを得ることができ、また、プラズマのビーム径を拡大することができる。この結果、本プラズマ源装置の開口部から放出されるラジカルを高エネルギーで且つ高密度とし、さらにラジカルのビーム径を拡大でき、本発明のラジカル源を用いた分子線エピタキシー装置は、成膜の大面積化と、高速化を実現することができる。
プラズマ生成管から連続した結合管、又は、寄生プラズマ防止管を用いた場合には、供給管の内壁と容量結合プラズマ電極との間での放電により、供給管内部に寄生プラズマが発生してしまうのを防止することができる。これにより、容量結合プラズマはプラズマ生成管内部にのみ生成され、プラズマ密度が向上する。その結果、容量結合プラズマ形成によるラジカル生成能力を向上させることができ、より高密度のラジカルを生成することができるラジカル源を実現することができる。
また、第１電極、コイル、第２電極への分配電力を、外部指令により可変制御する装置を設けた場合には、生成されたプラズマにおける第１の容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、第２の容量結合プラズマのエネルギーと密度比を制御できるので、要求される特性のプラズマを生成し、その結果、本装置は、高エネルギー、高密度ラジカルを放射させることができる。
また、永久磁石や電磁石を用いた場合には、プラズマ生成管の中心部に第１の容量結合プラズマ又は第２の容量結合プラズマを収縮して、偏在させた状態を実現することができる。これにより、第１の容量結合プラズマを誘導結合プラズマに効率良く導入することができ、また、外部に放射されるプラズマの中心部のプラズマのエネルギーと密度を向上させることができる。すなわち、ラジカルのフラックス密度を高めるために高いガス圧とした場合において、プラズマ生成管の中心部における誘導結合プラズマの密度が減少してしまうのを補償することができる。そのため、より高密度のラジカルを生成することができる。また、容量結合プラズマにはエネルギーの高い電子が多く存在しており、これが誘導結合プラズマに注入されるため、ガス分子の原子への分解能を向上させることができるとともに、原子ラジカルに高い内部エネルギーを付与することができる。
また、第１電極及び第２電極を、その内部にて水が循環する中空部とする場合には、第１電極及び第２電極の温度上昇を抑制することができる。また、磁石を直接水に浸して冷却することができる。そのため、磁石の消磁を抑制することができ、高密度なラジカルの生成を長時間持続することができる。
また、気体を窒素とする場合には、本発明のラジカル源は窒素ラジカルを高密度に生成することができる。また、窒素分子の窒素原子への分解能が高く、窒素原子の内部エネルギーを高めることができる。このような内部エネルギーの高い窒素原子ラジカルは、III 族窒化物半導体などの窒化物を結晶成長させる際に成長温度の低減などを図ることができ、非常に有用である。
実施例１のラジカル源の構成を示した軸方向に平行な断面図。 図１におけるＡ−Ａでの断面図。 電源装置の構成図。 実施例２のラジカル源の構成を示した軸方向に平行な断面図。 実施例３に係るＭＢＥ装置の構成図。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、実施例１のラジカル源の構成について示した軸方向に平行な断面図である。また、図２は、図１でのＡ−Ａにおける断面図である。
図１、２のように、実施例１のラジカル源は、金属製の筐体１８、筐体１８の端面に設けられた金属製の端面板２１と、ＳＵＳからなる供給管１０と、供給管１０に接続する熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）からなる円筒状のプラズマ生成管１１を有している。端面板２１の中心部には、ラジカルを出力する開口２２が形成されている。プラズマ生成管１１の内径は７２ｍｍであり、長さは１４５ｍｍである。プラズマ生成管１１の供給管１０との接続側とは反対側の開口には、直径０．２ｍｍの孔２０が多数開けられたオリフィス板１９が配置されている。
プラズマ生成管１１の外側であって、供給管１０とプラズマ生成管１１との接続部近傍には、二重円筒形状の第１ＣＣＰ電極１３（第１電極）が配置されている。第１ＣＣＰ電極１３は、二重の円筒壁に囲まれた内部に中空部１３ａを有している。また、第１ＣＣＰ電極１３には給水管１６および排水管１７が接続されており、第１ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａと給水管１６および排水管１７の管内とが連続している。給水管１６から第１ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａへと冷却水を導入し、冷却水は中空部１３ａ内の全体を均一一様に循環して、排水管１７より冷却水を排出する構造により、冷却水を還流させて第１ＣＣＰ電極１３を冷却可能となっている。第１ＣＣＰ電極１３、給水管１６、排水管１７は、ともに、ＳＵＳからなる。
第１ＣＣＰ電極１３の内部には、プラズマ生成管１１の円形の外周に沿って等間隔に１２個の永久磁石１４が配置されている。永久磁石１４はＳｍＣｏからなる。各永久磁石１４は、円筒の中心軸に向かう法線方向（磁石の厚さ方向）に磁化されており、プラズマ生成管１１に近い側の面がＮ極、又は、Ｓ極に磁化されている。そして、隣接する永久磁石１４間では、プラズマ生成管１１に近い側の面（内面）の磁極が、異なる。したがって、永久磁石１４の内面は、円周方向に沿って、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極…のように交互に磁化されている。また、これらの永久磁石１４は、第１ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに露出している。そのため、第１ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに冷却水を還流させて第１ＣＣＰ電極１３を冷却する際、永久磁石１４は冷却水と直接接触する。これにより、第１ＣＣＰ電極１３の加熱による永久磁石１４の温度上昇を効率的に抑えることができる。
プラズマ生成管１１の外側であって、第１ＣＣＰ電極１３よりも下流側（ガス流の向き、供給管１０側とは反対側）には、プラズマ生成管１１の外周に沿って巻かれたコイル１２を有している。コイル１２は中空の銅管を３回半巻いたものであり、その銅管内部に冷却水を通して冷却できる構造となっている。銅管の外側には銀がメッキされており、銅管の外皮が給電線路を構成している。
コイル１２の下流側で、オリフィス板１９に近くのプラズマ生成管１１の外側には、二重円筒形状の第２ＣＣＰ電極３０（第２電極）が配置されている。第２ＣＣＰ電極３０は、第１ＣＣＰ電極１３と同様に、二重円筒壁の内部に中空部３０ａを有している。また、第２ＣＣＰ電極３０には給水管３１および排水管３２が接続されており、第２ＣＣＰ電極３０の中空部３０ａと給水管３１および排水管３２の管内とが連続している。給水管３１から第２ＣＣＰ電極３０の中空部３０ａへと冷却水を導入し、中空部３０ａの内部を均一一様に冷却水が循環して排水管３２より冷却水を排出する構造により、冷却水を還流させて第２ＣＣＰ電極３０を冷却可能となっている。第２ＣＣＰ電極３０、給水管３１、排水管３２は、ともに、ＳＵＳからなる。
また、第２ＣＣＰ電極３０の内部には、プラズマ生成管１１の外周に沿って等間隔に１２個の永久磁石３３が配置されている。永久磁石３３はＳｍＣｏからなり、永久磁石３３の磁化方向や磁極に関する配置は永久磁石１４の配置と同一である。また、これらの永久磁石３３は、第２ＣＣＰ電極３０の中空部３０ａに露出している。そのため、第２ＣＣＰ電極３０の中空部３０ａに冷却水を還流させて第２ＣＣＰ電極３０を冷却する際、永久磁石３３は冷却水と直接接触する。これにより、第２ＣＣＰ電極３０の加熱による永久磁石３３の温度上昇を効率的に抑えることができる。
第１ＣＣＰ電極１３は、それに接続された給水管１６と排水管１７の外皮により給電され、第２ＣＣＰ電極３０は、それに接続された給水管３１と排水管３２の外皮により給電される。供給管１０、筐体１８、端面板２１は同電位であり接地されている。また、コイル１２の片端はコンデンサ（１００〜２００ｐＦ）を介して接地されている。これによりプラズマを安定して生成でき、装置から放射されるラジカルの密度を安定して高く維持することができる。給水管１６と排水管１７、給水管３１と排水管３２は、それぞれ、共に、電圧を印加する給電線（活線）であり、アース線はプラズマ生成管１１の中に生成されたプラズマと筐体１８である。第１ＣＣＰ電極１３と第２ＣＣＰ電極３０とは、プラズマ生成管１１の外壁をリング状に取り囲んでいるために、プラズマ生成管１１の中心軸（ガス流方向）に対して放射線状の交流電界を発生させ、電界に垂直に同心円状に交流磁界を発生させる。コイル１２は、プラズマ生成管１１の中心軸に平行に交流磁界を発生させ、磁界に垂直に同心円状に交流電界を発生させる。
第１ＣＣＰ電極１３とコイル１２と第２ＣＣＰ電極３０には、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する電源装置６０（図３）が接続されている。電源装置６０によって高周波電力をコイル１２に給電することで、プラズマ生成管１１の内部であって、軸方向には外周にコイル１２が配置された領域に、誘導結合プラズマが生成される。また、電源装置６０による高周波電圧を、第１ＣＣＰ電極１３と第２ＣＣＰ電極３０とに印加することにより、プラズマ生成管１１の内部であって、軸方向には外周に第１ＣＣＰ電極１３と第２ＣＣＰ電極３０とが配置された領域に、第１の容量結合プラズマと第２の容量結合プラズマがそれぞれ生成される。
図３に示すように、電源装置６０は、ＲＦ発振器（高周波電源）５０と、電力を３分配し、且つ、ＲＦ発振器（高周波電源）５０と分配出力端との間でインピーダンス整合を取る機能を有するインピーダンス整合部５１０を有する分配器５１と、３分配された各電力の強度を外部から調整できる調整器（制御装置）５２ａ、５２ｂ、５２ｃにより構成されている。そして、調整器５２ａの出力が第１ＣＣＰ電極１３に、調整器５２ａの出力がコイル１２に、調整器５２ｃの出力が第２ＣＣＰ電極３０に、それぞれ、接続されている。調整器５２ａ、５２ｂ、５２ｃにより、第１の容量結合プラズマ、誘導結合プラズマ、第２の容量結合プラズマのエネルギーと生成密度を独立に制御することができ、オリフィス板１９から最適なエネルギーと密度を有したラジカルを放射することができる。
プラズマ生成管１１の供給管１０と接続される側は、プラズマ生成管１１の底部から連続して細い結合管２３が伸びており、結合管２３の外部に設けられたリング状の結合部材２４により供給管１０と接合されている。結合管２３の供給管１０側の先端の内径は４ｍｍである。結合管２３の長さは８８ｍｍであり、結合管２３の存在により、第１ＣＣＰ電極１３と供給管１０の内壁との距離が長くなり、両者の間で寄生プラズマが発生することが防止される。寄生プラズマを効果的に防止するためには、結合管２３の長さは、供給管１０の内径の１０倍以上とすることが望ましい。より望ましくは、供給管１０の内径の２０〜５０倍である。なお、プラズマ生成管１１の底部から結合管２３を連続させるのではなく、結合管２３と類似形状及び寸法であって、プラズマ生成管１１とは別体の誘電体で構成された寄生プラズマ防止管によりプラズマ生成管１１の底部と供給管１０とを接続しても良い。
これらのプラズマ生成管１１、コイル１２、第１ＣＣＰ電極１３、第２ＣＣＰ電極３０は、円筒状の筐体１８に納められている。筐体１８は、ラジカル照射側において、中央部に開口２２を有する端面板２１に接続されている。その開口２２の近傍には、イオンを除去するための電極、あるいは磁石（いずれも図示しない）を配置してもよい。
実施例１のラジカル源は、プラズマ生成管１１内部に供給管１０からガスを供給し、コイル１２、第１ＣＣＰ電極１３、第２ＣＣＰ電極３０への高周波電力の印加によって、プラズマ生成管１１の内部に誘導結合プラズマと第１の容量結合プラズマと第２の容量接合プラズマをそれぞれ生成し、第１の容量結合プラズマを誘導結合プラズマに注入し、プラズマ生成管１１の開口部付近において、第２の容量結合プラズマを、さらに、プラズマに注入するようにしている。このようにすることで、オリフィス板１９の孔２０から放出されるラジカルを高エネルギー、高密度とすることができる。
ここで、実施例１のラジカル源では、プラズマ生成管１１の底から細く伸びた結合管２３が供給管１０の内部に入り込んでいるので、第１ＣＣＰ電極１３と供給管１０の内壁との間での放電により供給管１０内部に寄生プラズマが発生することが防止される。この構造により、第１の容量結合プラズマがプラズマ生成管１１内部にのみ生成され、第１の容量結合プラズマのプラズマ密度が向上する。そのため、生成されるラジカル密度も向上する。
また、第１の容量結合プラズマ及び第２の容量結合プラズマは、１２個の永久磁石１４、３３によるカスプ磁場によって、プラズマ生成管１１の中心部に収縮して偏在する。すなわち、一つの永久磁石１４又は永久磁石３３の内面のＮ極から両側に位置する永久磁石１４又は永久磁石３３の内面のＳ極に向けて磁束が形成される。これにより６０度間隔の円弧状の磁束が形成されて、プラズマはその磁束により排斥されて、プラズマ生成管１１の中心軸側に収縮して偏在する。分子の分解能を高めるために高いガス圧力とする場合、誘導結合プラズマは通常はハイブライトモードではなく、ローブライトモードとなる。ハイブライトモードとは、プラズマ生成管１１の中心部にプラズマが形成された状態であり、中心軸付近程、ラジカル密度が高くなる状態である。一方、ローブライトモードとは、プラズマ形状がプラズマ生成管１１の内壁に沿って形成され、中心軸に向かう程、プラズマ密度が低くなり、全体としてラジカル密度が低く出力されるラジカル密度が低い状態である。
しかし、中心部に偏在した第１の容量結合プラズマを誘導結合プラズマに注入することで、ローブライトモードのプラズマ形状が変動し、中心部でのプラズマ密度の低下が補償される。その結果、高いガス圧力の場合であっても、中心部のプラズマ密度が向上し、誘導結合プラズマのみを生成する場合に比べて非常に高いラジカル密度を実現することができる。また、第１の容量結合プラズマ中に多く存在する高エネルギーな電子により、ガスの分子から原子への分解能が高まるとともに、その生成された原子ラジカルの内部エネルギーが向上する。
また、オリフィス板１９の近くに、第２ＣＣＰ電極３０を配設して、プラズマ生成管１１の内部において軸方向には第２ＣＣＰ電極３０が配設されている領域において、第２の容量結合プラズマが生成される。これにより、第１の容量結合プラズマと誘導結合プラズマとの混合プラズマが、オリフィス板１９近くまで流れる過程において、プラズマのエネルギーと密度が低下するのであるが、プラズマ生成管１１の中心軸付近程、ラジカル密度が高くなるハイブライトモードの第２の容量結合プラズマをプラズマ中に注入することができる。この結果、オリフィス板１９から出力されるラジカルを、内部エネギーを高くして且つ高密度とすることができる。このような内部エネルギーの高い高密度原子ラジカルは、たとえば結晶成長用の元素に用いる場合に成長温度の低減などを図ることができるので非常に有用である。
また、永久磁石１４、３３は、それぞれ、第１ＣＣＰ電極１３、第２ＣＣＰ電極３０の中空部１３ａ、３０ａに冷却水を還流させることで直接冷却することができ、永久磁石１４、３３の温度上昇を抑制して永久磁石１４、３３の消磁を効果的に防止することができる。そのため、プラズマ生成管１１の中心部に第１の容量結合プラズマと第２の容量結合プラズマが偏在する状態を長時間維持することができ、その結果、長時間にわたって、高エネルギー且つ高密度なラジカルの生成を維持することができる。
なお、永久磁石１４、３３は、必ずしも存在しなくとも良いし、何れか１方のみ存在するようにしても良い。また、電磁石に代えても良いし、永久磁石に追加して電磁石を設けても良い。
なお、実施例１のラジカル源は、任意のガスを供給管１０により供給することで、任意のラジカルを生成することができる。供給するガスとして、たとえば、窒素、酸素、水素、アンモニア、水、フルオロカーボン、炭化水素、シラン、ゲルマンなどのガスを供給することができ、それらのガスから所望の種類のラジカルを得ることができる。特に窒素、酸素、水素、アンモニアを用いて発生させるラジカルが有用である。また、供給管１０によりガスを供給する際、アルゴンなどの希ガス等によって希釈して用いてもよい。
図４は、実施例２に係るラジカル源の軸方向に平行な断面図である。実施例１のラジカル源と異なる点は、プラズマ生成管１１の開口部に付近において、軸に沿ってオリフィス板１９に接近する程、プラズマ生成管１１の直径が増加している点である。すなわち、開口部付近では、プラズマ生成管１１はオリフィス板１９に向かってテーパー形状に広がっている。これにより、第２の容量結合プラズマが収束している中心軸付近のプラズマ束をテーパー状に拡大することができる。この結果、出力するラジカルビームの径を、エネルギーを損失させることなく、密度を低下させることなく、拡大することができる。テーパーの傾斜角は１５度以上６０度以下が望ましい。なお、実施例２においても、実施例１と同様に、永久磁石１４、３３は、必ずしも存在しなくとも良いし、何れか１方のみ存在するようにしても良い。また、電磁石に代えても良いし、永久磁石に追加して電磁石を設けても良い。
次に、実施例３に係るＭＢＥ装置について説明する。図５は、実施例３のＭＢＥ装置の構成を示した図である。実施例３のＭＢＥ装置は、図５のように、内部が１０-8Ｐａ程度の超真空に保持される真空容器１と、真空容器１の内部に設けられ、基板３を保持し、基板３の回転、加熱が可能な基板ステージ２と、基板３の表面に分子線（原子線）を照射する分子線セル４Ａ、４Ｂ、４Ｃと、基板３の表面に窒素ラジカルを供給するラジカル源５と、を備えている。実施例３のＭＢＥ装置は、超真空中に加熱して保持された基板３の表面に、分子線セル４Ａ、４Ｂ、４ＣによってIII 族金属の原子線を、ラジカル源５によって窒素ラジカルを照射することで、基板３の表面にIII 族窒化物半導体を結晶成長させる装置である。
分子線セル４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、III 族金属材料を保持する坩堝、坩堝を加熱するヒータ、シャッターを有し、坩堝を加熱してIII 族金属の蒸気を発生させて原子線を形成し、原子線をシャッターによって開閉することで原子線量を制御可能としている。分子線セル４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、たとえば分子線セル４ＡがＧａ、分子線セル４ＢがＩｎ、分子線セル４ＣがＡｌの原子線を生成する。他に、ｎ型不純物（たとえばＳｉ）や、ｐ型不純物（たとえばＭｇ）の分子線を基板３に照射する分子線セル４を設けてもよい。
ラジカル源５は、実施例１の図１、２に示す構造のラジカル源又は実施例２の図４に示す構造のラジカル源である。実施例３では、供給管１０から窒素ガスがプラズマ生成管１１に供給される。そして、プラズマ生成管１１において、窒素ガスは分解される。実施例１において説明したように、第１の容量結合プラズマと第２の容量結合プラズマは、１２個の永久磁石１４と１２個の永久磁石３３によるカスプ磁場によって、プラズマ生成管１１の中心部に収縮して偏在する。この結果、窒素分子の分解能を高めるために高いガス圧力とする場合において、誘導結合プラズマはローブライトモードとなり、中心部のラジカル密度が低い状態となる。しかし、中心部に偏在した第１の容量結合プラズマを誘導結合プラズマに注入することで、ローブライトモードのプラズマ形状が変動し、中心部でのプラズマ密度の低下が補償される。また、プラズマ生成管１１の開口部付近において、第２の容量結合プラズマが生成されるので、高エネルギーのプラズマが供給される。その結果、高いガス圧力の場合であっても、中心部のプラズマ密度が向上し、誘導結合プラズマのみを生成する場合に比べて非常に高いラジカル密度を実現することができる。また、第１容量結合プラズマ及び第２の容量結合プラズマ中に多く存在する高エネルギーな電子により、窒素ガスの分子から原子への分解能が高まるとともに、その生成された原子状ラジカルの内部エネルギーが向上する。
実施例３のＭＢＥ装置では、上記のように生成される窒素ラジカルの密度が高いラジカル源５を備えているため、III 族窒化物半導体の成膜速度が従来のＭＢＥ装置に比べて向上している。また、内部エネルギーの高い窒素ラジカルを照射することができるので、結晶表面における窒素の表面マイグレーション機能を高めることができる。すなわち、窒素元素が結晶表面で十分に動き、成長サイトに到達する確率が向上し、結晶性の向上や、層間界面の急峻性の向上を図ることができる。また、基板３の温度を低減することができ、これによりさらなる結晶性の向上を図ることができる。また、ラジカル源５は長時間にわたって窒素ラジカルを生成できるため、III 族窒化物半導体の成膜も長時間安定して行うことができる。
本発明のラジカル源は、たとえば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置などの窒素ラジカル源に利用することができ、III 族窒化物半導体などの窒化物の形成に用いることができる。他にも、ラジカル照射による基板クリーニングや基板表面処理など、本発明のラジカル源はさまざまな応用が可能である。
１：真空容器
２：基板ステージ
３：基板
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ：分子線セル
１０：供給管
１１：プラズマ生成管
１２：コイル
１３：第１ＣＣＰ電極
１４：永久磁石
１６：給水管
１７：排水管
１８：筐体
１９：オリフィス板
２０：孔
２１：端面板
２２：開口
２３：結合管
３０：第２ＣＣＰ電極

Claims (10)

  1. 気体を供給する供給管と、
    前記供給管の下流側において前記供給管と接続する誘電体からなるプラズマ生成管と、
    前記プラズマ生成管の外壁に位置し、前記プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、
    前記プラズマ生成管の外側に配設され、前記コイルよりも前記供給管に近い側に位置し、前記プラズマ生成管の内部に第１の容量結合プラズマを発生させて誘導結合プラズマ中に第１の容量結合プラズマを導入する第１電極と、
    前記プラズマ生成管の外側に配設され、前記コイルよりも下流側に位置し、前記プラズマ生成管の内部に第２の容量結合プラズマを発生させて、下流に向かって流れる前記第１の容量結合プラズマ及び前記誘導結合プラズマ中に、第２の容量結合プラズマを導入する第２電極と
    を有し、
    前記プラズマ生成管のプラズマを放出する開口部は下流に向かって径が拡大したテーパ部を有し、このテーパ部の外壁に前記第２電極が配設されている
    ことを特徴とするラジカル源。
  2. 気体を供給する導体から成る供給管と、
    前記供給管の下流側において前記供給管と接続する円筒状の誘電体からなるプラズマ生成管と、
    前記プラズマ生成管の外壁に位置し、前記プラズマ生成管の内部に誘導結合プラズマを発生させるコイルと、
    前記プラズマ生成管の外側に配設され、前記コイルよりも前記供給管に近い側に位置し、前記プラズマ生成管の内部に第１の容量結合プラズマを発生させて誘導結合プラズマ中に第１の容量結合プラズマを導入する、中空部を有した二重円筒形状の第１電極と、
    前記プラズマ生成管の外側に配設され、前記コイルよりも下流側に位置し、前記プラズマ生成管の内部に第２の容量結合プラズマを発生させて、下流に向かって流れる前記第１の容量結合プラズマ及び前記誘導結合プラズマ中に、第２の容量結合プラズマを導入する、中空部を有した二重円筒形状の第２電極と、
    前記第１電極の前記中空部において、前記プラズマ生成管の円筒外周に沿って配設され、前記プラズマ生成管の中心部に前記第１の容量結合プラズマを偏在させる複数の永久磁石であって、前記プラズマ生成管の円筒の中心軸に向かって磁化され、隣接する磁石間では磁化の向きが互いに反転した永久磁石と、
    を有することを特徴とするラジカル源。
  3. 前記第１電極は中空部を有した二重円筒形状をしており、該中空部において前記プラズマ生成管の円筒外周に沿って配設され、前記プラズマ生成管の中心部に前記第１の容量結合プラズマを偏在させる複数の永久磁石であって、前記プラズマ生成管の円筒の中心軸に向かって磁化され、隣接する磁石間では磁化の向きが互いに反転した永久磁石を
    有することを特徴とする請求項１に記載のラジカル源。
  4. 前記第２電極は中空部を有した二重円筒形状をしており、該中空部において前記プラズマ生成管の円筒外周に沿って配設され、前記プラズマ生成管の中心部に前記第２の容量結合プラズマを偏在させる複数の永久磁石であって、前記プラズマ生成管の円筒の中心軸に向かって磁化され、隣接する磁石間では磁化の向きが互いに反転した永久磁石を
    有することを特徴とする請求項１又は請求項３に記載のラジカル源。
  5. 前記第２電極の前記中空部において、前記プラズマ生成管の円筒外周に沿って配設され、前記プラズマ生成管の中心部に前記第２の容量結合プラズマを偏在させる複数の永久磁石であって、前記プラズマ生成管の円筒の中心軸に向かって磁化され、隣接する磁石間では磁化の向きが互いに反転した永久磁石を有することを特徴とする請求項２に記載のラジカル源。
  6. 前記第１電極の前記中空部に配設された前記永久磁石は前記中空部に露出しており、該中空部に該永久磁石を冷却する冷却水を還流させる冷却構造を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のラジカル源。
  7. 前記第２電極の前記中空部に配設された前記永久磁石は前記中空部に露出しており、該中空部に該永久磁石を冷却する冷却水を還流させる冷却構造を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のラジカル源。
  8. 前記プラズマ生成管は、該プラズマ生成管の底部から連続して延出され、先端部を含む一部分が前記供給管の開口から挿入された結合管が一体形成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のラジカル源。
  9. 前記供給管により供給される前記気体は窒素であり、窒素ラジカルを生成することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載のラジカル源。
  10. 請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のラジカル源を有する分子線エピタキシー装置。
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