JPH0445275A - プラズマ装置 - 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】 り策よ五且工玉１ 本発明は化合物半導体の薄膜形成工程等に利用される、
マイクロ波導入機構、磁界印加機構及びプラズマ生成室
等を備えたプラズマ装置に関する。

従迷ヱＪえ術 ＧａＡｓに代表される化合物半導体は、発光デバイスや
ＦＥＴ等の材料として今日の産業界において極めて利用
価値が大きいものとなっており、近年では、ＧａＡｓ等
の化合物半導体を８１基板上に成長させる方法の一つで
ある気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　；　ＣＶ　Ｄ　）法の研究開発が活発に
行なわれている。

上記ＣＶＤ法により製造される化合物半導体は、半導体
基板として機能性に冨んでいるＳｉ基板を使用し、その
上に、高性能の化合物半導体層としてＧａＡｓを形成す
る。従って、液相成長法等で形成されるＧａＡｓの所謂
バルク結晶に比べ、機械的強度が大きく、安価でかつ大
口径化が可能であるという特徴を有している。

しかし、前記３１基板とＧａＡｓ等の化合物半導体とは
その熱膨張係数が異なるため、５００°Ｃ以上の高温下
で上記ＣＶＤ法を適用して前記化合物半導体を製造した
場合、前記熱膨張係数の差に起因する残留応力が発生し
、製造された化合物半導体に反りが生じるという欠点が
ある。

そこで、前記残留応力の発生を低減するために、低温で
成長速度を余り落とすことなく前記３１基板上にＧａＡ
ｓ膜等の薄膜を形成する方法として、電子サイクロトロ
ン共Ｑ＠　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲ
ｅｓｏｎａｎｃｅ　：　Ｅ　ＣＲ）プラズマＣＶＤ装置
を利用した方法が検討されてきている。

第２図はこの種のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の一例を模
式的に示した断面図である。

このＥＣＲプラズマＣＶＤ装置４０は、プラズマ生成室
４７と、プラズマ生成室４７の一端側に接続されてプラ
ズマ生成室４７に連通している試料室４１と、プラズマ
生成室４７の周囲に配設されて直流電源に接続される励
磁コイル５４と、マイクロ波をプラズマ生成室４７に導
入する導波管５０とを主要部として構成されている。

ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置４０において、まず、減圧下
、励磁コイル５４に直流電圧が印加されてプラズマ生成
室４７内に所定の磁場が形成されると共に、マイクロ波
が導波管５０からマイクロ波導入窓４９を経てプラズマ
生成室４７内に導入される。そして、共振器構造のプラ
ズマ生成室４７内でマイクロ波の定在波が形成される一
方、プラズマ生成室４７の一端側に設けられたガス導入
管５１から第１の反応ガスがプラズマ生成室４７に導入
されてプラズマが発生する。そしてこの後、プラズマは
発散磁界により試料４４側に加速され、試料室４１の側
壁に設けられたガス導入管５２から試料室４１内に導入
される第２の反応ガス、又はクヌーセンセル４５に収容
された固体源４６が所定温度に加熱されて蒸発して生成
した分子線と反応し、試料台４３に保持された試料４４
の表面に薄膜を形成する。

例えば、Ｓｉ基板上にＧａＡｓ膜（薄膜）を形成する場
合においては、第１の反応ガスとしてＨ２とＡｓ１（ｓ
との混合物を使用し、クヌーセンセル４５に分子線源と
して金属Ｇａを封入する例（名曲、近値：ｉｉ子情報通
信学会技術報告、８７［２７７］　ｐ、７７〜ｐ、８４
（１９８７）参照）が開示されている。

が　“しようとする課題 上記した従来のプラズマ装置においては、プラズマ生成
室４７の内周面がステンレス鋼で形成されているため、
プラズマの生成過程において、生成したプラズマによっ
て内周面がスパッタリングされ、ステンレス鋼の構成成
分であるＦｅ、　Ｃｒ、　Ｎｉ等の金属元素がＳｉ基板
上の薄膜中に不純物として混入し、製造される半導体素
子の電気的特性を損なうという課題があった。

また、Ｇａを分子線として効率よく試料４４に供給する
ためには、試料室４１の圧力を通常１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以
下にする必要があるが、１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以下では安定
してプラズマを発生させることができないという課題も
あった。

さらに、１０−”Ｔａｒｒｙ下でガスを反応させるため
には、排気による到達真空度は１Ｇ−９〜１０−　”Ｔ
ｏｒｒ程度にする必要があり、真空シールにはゴム０リ
ングは使用できず、金属ガスケットを使用しなければな
らない。そのために、マイクロ波導入窓４９の部分には
ガラスと金属を溶接したものを使用するが、長時間プラ
ズマを発生させているとプラズマの熱によりガラスが破
損してしまうという課題もあった。

本発明はこのような課題に鑑み発明されたものであって
、固体源を加熱して分子線として基板に供給する際、高
真空で分子線を指向性よく供給し、しかも安定してプラ
ズマを発生させながら、効率よく基板に薄膜を成長させ
ることができるプラズマ装置を提供することを目的とし
ている。

課題を解Ｐするための　ｒ 上記目的を達成するために本発明に係るプラズマ装置は
、マイクロ波導入機構、磁界印加機構及びプラズマ生成
室等を備えたプラズマ装置において、前記プラズマ生成
室と試料室とにわたり該試料室側に開口したプラズマ放
電管が配設され、該プラズマ放電管の軸心方向に対して
垂直な方向における断面積が前記プラズマ生成室の同方
向における断面積よりも小さく形成されると共に、前記
プラズマ放電管にガス導入管が接続され、前記プラズマ
生成室内における前記プラズマ放電管の外側に耐熱性の
誘電材料が充填されていることを特徴としている。

旦 上記した構成によれば、マイクロ波導入機構、磁界印加
機構及びプラズマ生成室等を備えたプラズマ装置におい
て、前記プラズマ生成室と試料室とにわたり該試料室側
に開口したプラズマ放電管が配設され、該プラズマ放電
管の軸心方向に対して垂直な方向における断面積が前記
プラズマ生成室の同方向における断面積よりも小さく形
成されると共に、前記プラズマ放電管にガス導入管が接
続されているので、前記プラズマ放電管におけるプラズ
マ生成室側と試料室側との間には差圧が形成される。す
なわち、前記試料室の圧力を前記プラズマ生成室の圧力
よりも高真空に設定することが可能となる。従って、前
記試料室の圧力を分子線が効率よく基板に供給される圧
力、例えば１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以下に設定しても、前記プ
ラズマ生成室内の圧力は安定したプラズマの生成が可能
な１０−４〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒ程度の圧力に保持するこ
とが可能となり、安定したプラズマを生成させることが
可能となると共に、前記試料室を高真空となすことによ
り、クヌーセンセルからの分子線を指向性よく、基板上
に効率よ（供給することが可能となる。しかも、前記プ
ラズマ放電管内においてプラズマが発生するので、前記
プラズマ生成室の内周面がスパッタリングされることが
なく、金属元素の製品への混入が防止される。

また、前記プラズマ生成室内における前記プラズマ放電
管の外側に、耐熱性の誘電材料が充填されているので、
プラズマの熱がマイクロ波導入窓にあまり伝わらず、長
時間プラズマを発生さゼＣもマイクロ波導入窓が破損す
ることはない。

！施土 以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳説する。

第１図に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置において、１
１は試料室であり、試料室１１は略円筒形状に形成され
ると共に、試料室１１の側壁１１Ｃ上方には排気系（図
示せず）に接続される排気口１２が形成され、下部壁１
１ａの略中央部には孔１１ｂが形成されている。本実施
例においては、試料室１１の内径は約５００闘φに設定
されている。また、下部壁１１ａに形成された孔１１ｂ
に対向する上方位置には試料台１３が配設され、静電吸
着手段（図示せず）によって試料１４が試料台１３の下
面に固着されるように構成されている。

また、試料室１１の側壁１１ｃ近傍であって、下部壁１
１ａ部分にはクヌーセンセル１５が下方に傾斜状に突設
されている。クヌーセンセル１５は、セルに収容した固
体源１６を所定温度に加熱して蒸発させ分子線を生成す
るものであり、クヌーセンセル１５の上部に形成されて
いる小孔１５ａから前記分子線が射出され、矢印Ａで示
す如く、試料１４に到達するように構成されている。

さらに、試料室１１の下方には、略円筒形状のプラズマ
生成室１７が配設されており、試料室下部壁１１ａの孔
１１ｂから短管１８を介して試料室１１とプラズマ生成
室１７とが連通している。

なお、短管１８はガス導入管２２をプラズマ放電管２１
に接続しやすくするために設けたものであり、この短管
１８を省いて、ガス導入管２２をプラズマ生成室１７の
領域でプラズマ放電管２１に接続してもよい。また、プ
ラズマ生成室１７の下部壁は、マイクロ波を導入するた
めの導波管２０と接続されており、導波管２０は、その
内径がプラズマ生成室１７の内径と略同−内径に設定さ
れている。プラズマ生成室１７と導波管２ｏとの接続部
にはマイクロ波導入窓１９が形成されており、マイクロ
波導入窓１９は、耐熱性ガラスと金属とを溶接して形成
され、真空シールには金属性のガスケットが使用されて
いる。本実施例ではプラズマ生成室１７は内径的８４ｍ
ｍψ、長さ約１３０ｍｍに設定されており、マイクロ波
周波数は２４５ＧＨ，に設定されている。

プラズマ生成室１７と試料室１１とにわたって、試料室
−１１側に開口した石英ガラス等の耐熱性誘電体材料に
より構成されたプラズマ放電管２１が配設されている。

このプラズマ放電管２１は、軸心方向に対して垂直な方
向における断面積がプラズマ生成室１７の同方向におけ
る断面積よりも小さく形成されている。プラズマ生成室
１７内であって、プラズマ放電管２１の外側には耐熱性
の誘電材料２３が充填されており、プラズマ放電管２１
の側壁にはガス導入管２２が接続されている。このガス
導入管２２からプラズマ放電管２１内にガスを供給する
ことにより、プラズマ放電管２１と試料室１１との間に
差圧を生じさせることができる。

さらに、プラズマ生成室１７の外周には同心状に、直流
電源（図示せず）に接続される環状の励磁コイル２４が
配設されている。励磁コイル２４は、直流電流が流され
ると所定の磁場を発生する。これによりマイクロ波発振
器（図示せず）からプラズマ放電管２１に導入されるマ
イクロ波周波数と電子サイクロトロン周波数とが、プラ
ズマ放電管２１内において等しくなるような磁場が形成
され、電子に共鳴運動を行なわせるように構成されてい
る。

以上のように構成されたＥＣＲプラズマＣＶＤ装置１０
を用いて、３１基板上にＧａＡｓ膜のエピタキシャル成
長を行なった。

まず、クヌーセンセル１５に金属Ｇａを充填した後、排
気系を操作して試料室１１及びプラズマ放電管２１の内
部をＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ以下の圧力に減圧し、そ
の後、Ｈ２とＡｓｈｓとの混合ガスをガス導入管２２か
らプラズマ放電管２１に導入する６次いで、クヌーセン
セル１５の温度を上げて９００℃に設定し、金属Ｇａを
蒸発させてＧａの分子線を生成し、矢印入方向に分子線
を導（。前記金属Ｇａの分子線が試料室１１に安定して
供給可能となるように、試料室１１の圧力を２ｘ　１Ｏ
−１ＩＴｏｒｒ程度に設定する。この時、プラズマ放電
管２１内の圧力は、試料室１１の圧力よりも高（なりプ
ラズマが安定して生成可能な５　Ｘ　１（］−”Ｔｏｒ
ｒ程度に保持された。

一方、マイクロ波をマイクロ波発振器（図示せず）から
導波管２０を介してプラズマ生成室１７内のプラズマ放
電管２１に導入すると共に、励磁コイル２４に直流電流
を流して、プラズマ放電管２１内にＥＣＲ条件を満足す
る磁場を生しさせる。そしてプラズマ放電管２１内でサ
イクロトロン共鳴運動をしている高エネルギ電子と原料
ガスとを衝突させ、この原料ガスを分解してイオン化し
、プラズマを生成させる。生成したこのプラズマは発散
磁界により加速されて試料室１１内に導かれる。そして
、Ｌ　＋　ＡＳＨ３のプラズマとＧａの分子線とを反応
させ、Ｓｉ基板の表面にＧａＡｓ膜を形成した。基板温
度は４００℃に設定した。

上記薄膜形成工程において、プラズマが発生して接触す
る部分は耐熱性の誘電体材料で覆われているので、Ｆｅ
、　Ｎｉ、　Ｃｒ等の金属成分が膜中に混入することが
なく、基板の表面にはモホロジーのよい良質のＧａＡｓ
膜を形成することができた。また、プラズマ放電管２１
のプラズマ生成部分は耐熱性の誘電材料２３で覆われて
いるので、プラズマ発生部からマイクロ波導入窓１９へ
の熱伝達が防止され、マイクロ波電力６００Ｗでプラズ
マを３時間発生させてもマイクロ波導入窓１９が破損す
るようなことはなかった。

また、上記実施例においては試料１４温度を４００℃に
設定した場合について説明したが、試料１４温度を３０
０℃に設定してＧａＡｓ膜を形成した場合においても良
質の化合物半導体が得られることが確認された。したが
って、より低温での製造プロセスの実用化が可能となり
、さらに信頼性の高い高品質の製品を製造することが可
能となる。

また、上記実施例においてはＨ２とＡｓＨｓの混合物を
プラズマ化することにより、ＧａＡｓ膜の形成を行なっ
たが、Ｈ２のみをプラズマ化し、ＡＳＨ３を熱分解して
試料室１１内に導入するか、クヌーセンセル１５により
分子線として金属Ａｓを試料室１１内に供給することに
より、ＧａＡｓ膜を形成してもよい。

及五ユ四】 以上詳述したように本発明に係るプラズマ装置は、マイ
クロ波導入機構、磁界印加機構及びプラズマ生成室等を
備えたプラズマ装置において、前記プラズマ生成室と試
料室とにわたり該試料室側に開口したプラズマ放電管が
配設され、該プラズマ放電管の軸心方向に対して垂直な
方向における断面積が前記プラズマ生成室の同方向にお
ける断面積よりも小さく形成されると共に、前記プラズ
マ放電管にガス導入管が接続されているので、該ガス導
入管からプラズマ生成用のガスを供給することにより、
真空下において前記プラズマ放電管における前記プラズ
マ生成室側と前記試料室側との間には差圧が生じる。す
なわち、前記試料室側の圧力を前記はプラズマ生成室側
の圧力よりも高真空に設定することができる。従って、
前記試料室の圧力を分子線が効率よく基板に供給される
圧力、例えば１０−’Ｔｏｒｒ程度に設定しても、前記
プラズマ生成室側の圧力は安定したプラズマの生成が可
能な１０−４〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒの圧力に保持すること
が可能となり、安定したプラズマを生成させることが可
能となると共に、前記試料室を高真空となすことにより
、クヌーセンセルから金属Ｇａ等の分子線を指向性よく
、基板上に効率よく供給することが可能となる。しかも
、前記プラズマ放電管内でプラズマが発生するため前記
プラズマ生成室の内周面がスパッタリングされることが
なく、金属元素の製品への混入を防止することができる
。

また、前記プラズマ生成室内における前記プラズマ放電
管の外側に耐熱性の誘電材料が充填されているので、プ
ラズマ発生部外部でのプラズマ発生を防止し、プラズマ
発生部からマイクロ波導入窓への熱伝達を防止して、マ
イクロ波導入窓を保護し、長時間プラズマを発生させて
もマイクロ波導入窓が破損することはない。

さらに、低温成長で良質な膜を形成することができ、基
板と薄膜材料との間の残留応力の発生を低減して、信頼
性に優れた高品質の半導体デバイスを得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラズマ装置の一実施例を模式的
に示した断面図、第２図は従来のプラズマ装置を模式的
に示した断面図である。 ｌＯ・・・プラズマ装置 １１・・・試料室 １７・・・プラズマ生成室 ２１・・・プラズマ放電管 ２２・・・ガス導入管 ２３・・・誘電材料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波導入機構、磁界印加機構及びプラズマ
   生成室等を備えたプラズマ装置において、前記プラズマ
   生成室と試料室とにわたり該試料室側に開口したプラズ
   マ放電管が配設され、該プラズマ放電管の軸心方向に対
   して垂直な方向における断面積が前記プラズマ生成室の
   同方向における断面積よりも小さく形成されると共に、
   前記プラズマ放電管にガス導入管が接続され、前記プラ
   ズマ生成室内における前記プラズマ放電管の外側に耐熱
   性の誘電材料が充填されていることを特徴とするプラズ
   マ装置。