JPH01187920A - 結晶成長装置 - Google Patents

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、化合物半導体基板、単結晶基板等の試料基板
に化合物半導体単結晶膜等の結晶膜を形成するための結
晶成長装置に関する。

〔従来技術〕

ＧａＡｓやＩｎＰ等からなる化合物半導体基板、Ｓｔか
らなる単結晶基板等の試料基板に化合物半導体単結晶膜
を形成する手段としては従来、有機金属化学的気相蒸着
法（以下ＭＯＣＶＤ法と記す）が利用されている。

第５図及び第６図は該ＭＯＣｖＤ法を実施するための従
来装置を例示している。該装置を用いて例えばＧａＡｓ
単結晶からなる試料基板ＳにＰ型のＧａＡｓ単結晶膜を
形成する場合、ガス導入口２０よりトリメチルガリウム
（以下ＴＭＧと記す）とアルシン（以下ＡｓＨ，と記す
）とＰ型ドーパントたるジメチル亜鉛（下位ＤＭＺと記
す）とからなる原料ガスを反応室２４内へ導入し、該反
応室２４内の試料基板Ｓをサセプタ２２共々、ＲＦコイ
ル２１を用いて加熱すると共に、その熱によって前記原
料ガスを熱分解させ、試料基板Ｓの表面にＧａＡｓ単結
晶膜を成長させ該単結晶膜を形成する。なお、ＴＭＧ及
びＤＭＺは液体であるために水素をキャリアにしてバブ
リングさせ、またＡｓＨ，は水素で希釈し、いずれもガ
ス状となして混合した上でガス導入口２０から反応室２
４内へ供給する。また前記原料ガスを熱分解させるには
、■族原料（ＡｓＨ３，ＰＨＩ、　Ｎｚ等）の熱分解温
度が高いため、６００〜８００℃と高温にて処理する必
要がある。

然るに、前記試料基板Ｓに化合物半導体単結晶膜を形成
する場合は、−船釣に２つの化合物半導体構成元素の蒸
気圧が異なるために上述の如き高温条件にて処理すると
、蒸気圧の高い方の元素が抜けて空孔が生じ易く、試料
基板Ｓに形成される結晶膜の品質劣化を招来するという
問題がある。

例えばＧａＡｓ単結晶を形成する場合にはＡｓが抜けて
空孔が生じ易く、またＧａＮ単結晶を形成する場合には
Ｎが抜けて空孔が生じ易＜、該空孔の成長により、試料
基板Ｓに形成される結晶膜の品質が劣化するという問題
がある。

そこで、上述の結晶成長を低温にて行うことが要望され
、その要望即ち結晶成長温度の低減を達成する手段とし
てプラズマを用いたＭＯＣＶＤ法が近年提案されている
。

第７図は該ＭＯＣＶＤ法を実施するための従来装置の一
例を示している。該装置を用いて試料基板Ｓに窒化物系
ｍ−ｖ族化合物半導体単結晶膜例えばＧａＮ単結晶膜を
形成する場合、先ずＮ２又はＮＨ，を矢符にて示す如く
導入したプラズマ生成室３４内に、白抜矢符にて示す如
く石英ガラス板３５経出でマイクロ波を導入すると共に
、磁界発生コイル３６への通電によって磁界を印加する
。そして該磁界の強さを電子のサイクロトロン周波数と
マイクロ波周波数とが一致するように選ぶことにより、
電子にマイクロ波のエネルギを共鳴吸収させ、前記プラ
ズマ生成室３４内に高活性なプラズマを発生させる。

更に該プラズマを、磁界発生コイル３６への通電によっ
て形成される発散磁界により、試料室３３側へ導いて基
板ホルダ３２上の試料基板Ｓへ到達させる。

そして該プラズマの流れの中途に設けられた円環状の有
機金属ガス導入リング３８からＴＭＧ等のガスを前記プ
ラズマの流れの中へ噴出させる。かくして前記試料基板
Ｓに４００℃程度の低温にて高品質なＧａＮ単結晶膜を
形成する（特開昭６１−２１５２８８号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

然るに、上述した如きプラズマを用いたＭＯＣＶＤ法を
実施するための従来装置にて試料基板Ｓに単結晶膜を形
成する場合、次に述べるようないくつかの問題がある。

先ず、磁界発生コイル３６への通電によって印加される
発散磁界は磁界発生コイル３６の両側即ち試料室３３側
及び石英ガラス板３５側の双方に発散するため、プラズ
マ発生室３４内で発生したプラズマが石英ガラス板３５
側へも導かれ、該プラズマによって石英ガラス板３５が
高温に加熱される結果、該石英ガラス板３５に接触した
状態で装着されている真空封止材が溶損し易くなるとい
う問題がある。

また石英ガラス板３５側へ導かれたプラズマ中のイオン
が石英ガラス板３５を衝撃し、石英ガラス板３５上に付
着している膜をスパッタするために、パーティクルが発
生しやすくなっている。

また、プラズマが試料基板Ｓに直接触れるため、試料基
板Ｓに形成された結晶膜がイオン衝撃によるダメージを
受けるおそれがあるという問題がある。即ち第７図に示
した如きタイプの装置ではイオンエネルギが低エネルギ
であることが知られているが、処理条件を変えることに
より、具体的にはマイクロ波パワーを大きくしたりガス
圧力を低くしたりすることにより、イオンエネルギが大
きくなり過ぎて前記結晶膜がイオン衝撃によってダメー
ジを受けることがあるという問題がある。換言すれば、
第７図に示した如きタイプの装置では、マイクロ波パワ
ーやガス圧力等の結晶成長パラメータによってイオンエ
ネルギが一義的に決まってしまうため、最適なイオンエ
ネルギを選択することができないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その
第１の課題は、プラズマを全て試料室側へ導くことによ
って石英ガラス板及びそれに接触する真空封止材がプラ
ズマによって高温に加熱されることを抑え、該真空封止
材の溶損を防止し、またパーティクルの発生を防止し、
得る結晶成長装置を提供する点にあり、またその第２の
課題は、前記結晶成長パラメータとは独立にイオンエネ
ルギを制御し得る結晶成長装置を提供して結晶成長温度
を低減し得るのに有効な結晶成長装置を得る点にある。

〔課題を解決するための手段〕

前記第１の課題を解決するための結晶成長装置は、真空
チャンバのプラズマ生成部内へ導入したガスに、マイク
ロ波による高周波電界と前記プラズマ生成部の周囲に配
置した励磁コイルによって形成される磁界とを作用させ
てプラズマを発生させると共に、該プラズマを前記磁界
により真空チャンバの試料配置部側へ導き、該試料配置
部内の加熱された試料基板に結晶膜を形成する結晶成長
装置において、前記プラズマ生成部の周囲の励磁コイル
配置位置の試料配置部側に、マイクロ波共振器が配置さ
れていることを特徴とする。

また、前記第２の課題を解決するための結晶成長装置は
、前記真空チャンバの周囲であって前記マイクロ波共振
器配置位置の試料配置部側に、前記励磁コイルと別の励
磁コイルが設けられていることを特徴とする。

〔作用〕　・ 上述の第１の課題を解決するための結晶成長装置にあっ
ては、真空チャンバの周囲の励磁コイル配置位置の試料
配置部側にマイクロ波共振器が配置されているため、該
マイクロ波共振器によって適当な磁場分布を形成し、そ
れによってプラズマを全て試料配置部側へ導くことがで
きる。即ち、プラズマ中の２点間の電位差φは下記（１
）式にて与えられるため、ある点における電子の円運動
エネルギを一定とすると、イオンは、磁束密度が大きい
領域から小さい領域へ向かうに従って加速され、逆方向
へ向かうに従って減速されることとなり、プラズマも前
記イオンの挙動と同様に引き出されたり押し戻されたり
する結果、前記マイクロ波共振器によって適当な磁場分
布を形成することにより、プラズマを全て試料配置部側
へ導くことが可能となる。

φ＝　−Ｗｏ／　ｅ　　（Ｉ　　Ｂｂ／Ｂａ）　　　　
　　・”（１）但し、　ｅ：電子電荷 ｗｏ　：プラズマ中の任意の点ａにおける電子の円運動
エネルギ Ｂａ−プラズマ中の任意の点ａにおける磁束密度 Ｂｂ：プラズマ中の任意の点すにおける磁束密度 また、第２の課題を解決するための結晶成長装置にあっ
ては、前記励磁コイルとは別の励磁コイルがマイクロ波
共振器配置位置と試料配置部側に設けられているため、
その部分の磁束密度を上述の如く設けられた別の励磁コ
イルによって変化させ、イオンのエネルギを制御するこ
とが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明に係る結晶成長装置の模式的縦断面図で
あり、図中２は真空チャンバを示している。該真空チャ
ンバ２は、ベース１５上に上端側が縮径された円筒状の
石英チューブ１３を配置することによって外殻が構成さ
れており、その上端側の縮径された部分の一部がプラズ
マ生成部２ａとなっている。そしてベース１５側に設け
られた排気装置（図示せず）を用いて白抜矢符にて示す
如く排気することにより、真空チャンバ２内は所定の真
空度に保たれるようになっている。また前記石英チュー
ブ１３の上端にはガス導入口９が装着されており、該ガ
ス導入口９からは■族原料ガスが真空チャンバ２内へ導
入されるようになっている。また前記石英チューブ１３
の中腹部にはその周囲に装着されているフランジ１４を
貫通するようにガス導入口１０が装着されており、該ガ
ス導入口１０からは■族原料ガスが真空チャンバ２内へ
導入されるようになっている。更に該真空チャンバ２の
下端側は、その内部に試料基板Ｓを載置支持する基板ホ
ルダ７が配置された試料配置部２ｂとなっている。なお
該基板ホルダ７はヒータ１６によって試料基板Ｓ共々所
定温度に加熱されるようになっている。

かかる真空チャンバ２のプラズマ生成部２ａの周囲には
、石英チューブ１３と同心状に励磁コイル４が配置され
ている。また前記プラズマ生成部２ａの周囲には、前記
励磁コイル４の配置位置の試料配置部２ｂ側に第２図に
示す如きドーナツ状のマイクロ波共振器３が配置されて
いる。換言すれば前記マイクロ波共振器３内を石英チュ
ーブ１３が貫通した状態となっている。なお該マイクロ
波共振器３はマイクロ波導波管工１によってマイクロ波
発振器１２と連結されている。

また前記真空チャンバ２の周囲であって前記マイクロ波
発振器３の配置位置の試料配置部２ｂ側に、より具体的
には前記マイクロ波発振器３配置位置と前記フランジ１
４装着位置との間に、前記励磁コイル４とは別の励磁コ
イル５が配置されている。

更に前記真空チャンバ２の周囲であって前記基板ホルダ
７の配置位置に、前記再励磁コイル４゜５とは別の励磁
コイル６が配置されている。

かかる本発明の結晶成長装置を用いて試料基板Ｓに例え
ばＧａＡｓ単結晶を成長させる場合は、真空チャンバ２
内を１０−’Ｔｏｒｒ以下の真空度となした後、該真空
チャンバ２内へガス導入口９よりＡｓＨ，を、ガス導入
口１０よりＴＭＧを夫々導入し、その内部を２　Ｘ　１
０−’Ｔｏｒｒから４　ｘ４０−３Ｔｏｒｒまでの真空
度に保つ。そして励磁コイル４への通電によって静磁界
を形成すると共に、マイクロ波発振器１２にてマイクロ
波を発振させ、これをマイクロ波導波管１１にて伝播さ
せてマイクロ波共振器３にて共振させる。

この状態で、石英チューブ１３のマイクロ波共振器３内
貫通部分の磁界の強さを、その磁界による電子サイクロ
トロン周波数とマイクロ波周波数とが一致するように選
ぶと、電子はマイクロ波のエネルギを共鳴吸収し、真空
チャンバ２のプラズマ生成部２ａに、即ち石英チューブ
１３におけるマイクロ波共振器３を貫通する部分に高活
性なプラズマが発生し、前記（１）弐にて示した磁場勾
配によりプラズマは試料基板Ｓ側へのみ押し出される。

そして前述の如く真空チャンバ２内へ導入された原料ガ
スは、前記プラズマによって分解され、ヒータ１６によ
って４００〜５００℃に加熱された試料基ｔｒＩｉｓ上
にその結晶膜が成長することとなる。

ここで、前記励磁コイル５に前記励磁コイル４と同方向
電流を通電すると、再励磁コイル４，５間にミラー磁場
が形成され、該ミラー磁場によって前述の如く押し出さ
れるプラズマは閉じ込められるこことなる。しかも励磁
コイル５にて磁界の強さを適宜変化させることにより、
前記プラズマを閉じ込める能力を変化させることができ
、試料基板Ｓへ向かうイオンのエネルギを制御すること
ができるようになる。

第３図は、上述の如くイオンエネルギを制御することが
できる理由をより明らかにすべく、各励磁コイル４．５
．６にて変化せしめられる磁力線（破線にて示す）の状
態を示すものである。図から明らかなように、マイクロ
波共振器３配置位置に相当する領域Ａにて発生したプラ
ズマは、磁束密度の大きい前記領域Ａから磁束密度の小
さい領域Ｂへ押し出されるが、該領域Ｂから励磁コイル
５配置位置に相当する領域Ｃへ向けては磁束密度が逆勾
配になっているので、前記プラズマは押し戻されてミラ
ー磁場内に閉じ込められる。そしてプラズマ中のイオン
も前記（１）式に基づき、領域Ａから領域Ｂへ向かうに
従って加速される一方、領域Ｂから領域Ｃへ向かうに従
って減速される。即ち、励磁コイル５を用いて領域Ｃに
おける磁束密度を変化させることにより、イオンのエネ
ルギを制御することができる。

なお、今一つの励磁コイル６は主に最終的なプラズマの
拡がりを制御するためのものである。

なお、マイクロ波共振器３は上述のドーナツ状のもの以
外にも種々の形状のものが考えられる。

例えば第４図に示す如（、中心貫通孔を有する円柱状体
の天面が一部斜面とされた形状のマイクロ波共振器３′
であってもよい。

〔効果〕

以上詳述した如く、本発明の結晶成長装置を用いる場合
は、真空チャンバのプラズマ生成部にて生成されるプラ
ズマを全て真空チャンバの試料配置部側へ導くことがで
きる結果、その反対側に位置する石英ガラス板及びそれ
に接触する真空封止材がプラズマによって高温に加熱さ
れることが抑えられ、該真空封止材の溶損が防止できる
ようになり、その水冷機構の筒略化等が可能となる。ま
たパーティクルの発生を現象させることも可能となる。

また結晶成長パラメータとは独立にイオンエネルギを制
御し得るようになり、イオンエネルギが大きくなり過ぎ
て試料基板に形成される結晶膜がイオン衝撃によってダ
メージを受けることがなくなり、該結晶膜の高品質化が
可能となる等、種々の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結晶成長装置を示す模式的縦断面
図、第２図及び第４図は該装置に組み込まれるマイクロ
波共振器を示す斜視図、第３図は該装置を用いて試料基
板に結晶膜を形成するときに生ずる磁力線の状態を示す
説明図、第５図〜第７図は・従来の結晶成長装置を示す
模式的縦断面図である。 ２・・・真空チャンバ　２ａ・・・プラズマ生成部　２
ｂ・・・試料配置部　３．３′・・・マイクロ波共振器
　４゜５．６・・・励磁コイル　１２・・・マイクロ波
発振器Ｓ・・・試料基板 特　許　出願人　　住友金属工業株式会社代理人　弁理
士　　河　　野　　登　　夫蔦　　１　　図 Ａ１１ｉ ｖＪ４　　図 蔦　し　図 纂　６　図 、、？に へ　７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空チャンバのプラズマ生成部内へ導入したガスに
   、マイクロ波による高周波電界と前記プラズマ生成部の
   周囲に配置した励磁コイルによって形成される磁界とを
   作用させてプラズマを発生させると共に、該プラズマを
   前記磁界により真空チャンバの試料配置部側へ導き、該
   試料配置部内の加熱された試料基板に結晶膜を形成する
   結晶成長装置において、前記プラズマ生成部の周囲の励
   磁コイル配置位置の試料配置部側に、マイクロ波共振器
   が配置されていることを特徴とする結晶成長装置。 ２、前記真空チャンバの周囲であって前記マイクロ波共
   振器配置位置の試料配置部側に、前記励磁コイルと別の
   励磁コイルが設けられている請求項１記載の結晶成長装
   置。