JP4448664B2 - Method and apparatus for forming thin film material - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜材料の形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウムは、既に発光素子として開発されており、実用化されている。発光素子として利用する場合の窒化ガリウム半導体薄膜作成法は既に公知で基板の温度管理が重要であることが指摘されている。
通常、品質のよい薄膜を形成するには、基板温度を300℃以上の高温に保ち、アンモニアなどの有毒ガスを供給することによって、基板表面で化学反応を生じさせることが必要である(特許文献1等参照)。すなわち、高い基板温度は活発な反応と均一な薄膜材料の実現には不可欠な要素と考えられてきた。
【0003】
しかしながら、これまでの製法のように常温に比べて高い温度にて薄膜材料を作製した場合、窒化ガリウムと基板の熱膨張係数の差に起因して、窒化ガリウム薄膜を常温まで下げる過程において多数のクラックが発生し、半導体としての特性が劣化するという問題があった。この問題により、均一で高品質な窒化ガリウム半導体が供給されないため、窒化ガリウム半導体が持つ高速・高熱伝導性半導体材料としての利用分野が限られていた。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−206520号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みて、低温で有毒ガス等を発生させることなく基板上に薄膜材料を形成することができる薄膜材料の形成装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の発明者は、上記種々の問題点を解消するために、鋭意検討を重ねた結果、基板表面に窒化ガリウムを堆積させるにあたり、熱平衡系とは異なるプラズマ状態を利用し、薄膜を構成する材料をスパッタするためのスパッタリング用ガスとかスパッタされた該材料の原子・分子が保有する運動エネルギーや、プラズマ内に生成される中性励起原子・分子の励起エネルギーを、該窒化ガリウムの化学反応エネルギーの供給源として利用すれば、基板を常温に保った状態で薄膜を形成できるとの推論に基づき、本発明を完成するに至った。
【0012】
本発明の薄膜材料の形成装置は、真空状態に密封可能とした容器の内部に設けた基板固定手段に基板を固定し、前記基板に対向して膜を構成する液体または固体の金属材料を保持する材料保持手段を設け、前記容器の内部に導入されたスパッタリング用ガスを放電機構部により電離して放電プラズマを生成し、該放電プラズマ中の荷電粒子を前記材料表面に照射することによりスパッタされた該材料の中性粒子および励起粒子を前記基板に堆積させて薄膜を形成する薄膜材料の形成装置において、
前記容器の内部に前記基板の面積と略等大の貫通穴を形成した仕切り板を取付けて基板収容部とプラズマ発生部とに区分し、前記基板収容部に前記仕切り板の貫通穴と同心状にかつ該仕切り板に対し間隔をあけて平行状に基板を固定する基板固定手段を配置し、前記プラズマ発生部の底部に設けた電極を陰極とする一方、該プラズマ発生部の内壁面部を陽極とする電極対間に放電を生起させて該プラズマ発生部内に導入されたスパッタリング用ガスを電離する放電機構部を配置するとともに前記陰極の上方で前記仕切り板の貫通穴と同心状に間隔をあけて前記材料を保持する材料保持手段を配置し、前記材料保持手段に保持された材料表面を負電位に設定して前記放電プラズマ中のイオン引込みを促進する負バイアス電圧印加手段を配置し、
前記仕切り板の貫通穴の周辺部に該貫通穴を横断して前記基板固定手段に固定された基板面に平行状の直流磁界を発生する磁界発生部を配置し、
前記放電機構部に供給される放電電力と前記負バイアス電圧印加手段により前記材料表面に印加する負バイアス電圧とを調整することにより、前記プラズマ発生部から前記仕切り板の貫通穴に案内されるプラズマ中の中性粒子および励起された中性粒子の基板への流量を制御するとともに、前記貫通穴を横断する直流磁界と協働して該プラズマ中の高エネルギー電子の前記基板への入射量を抑制するように構成したことを特徴とする。
【0013】
前記薄膜材料の形成装置では、仕切り板に設ける貫通穴の内周面は、容器内の基板収容部側からプラズマ発生部側に向けて拡大するテーパ面とされる。
また、プラズマ発生部に設けた陰極の上方に配置される材料保持手段の材料保持部が仕切り板の貫通穴と同心状に間隔をあけて配置された基板に対し前記陰極を隠蔽するように設けられる。
さらに、プラズマ発生部に、材料保持部に保持される材料に対し反応性を有すると反応性ガスと希ガスから選択される少なくとも1種類のガスとを、それぞれ所定の割合で個別に導入するガス導入部を設けられる。
【0014】
また、本発明の形成装置では、材料保持部材に保持される膜を構成する材料がGaとされ、プラズマ発生部に導入されるスパッタリング用ガスが前記Ga材料と反応可能な窒素N 2 ガスと希ガスとの混合ガスとされ、プラズマ発生部内の放電機構部により前記混合ガスの放電プラズマを生成し、該放電機構部に供給される放電電力と負バイアス電圧印加手段により前記材料表面に印加する負バイアス電圧とを調整することにより、前記プラズマ発生部で放電プラズマ中の混合ガスの荷電粒子による前記Ga材料のスパッタリングで生成されるGa材料の中性粒子、その励起中性粒子および該Ga材料から放出された2次電子並びに前記混合ガスの放電プラズマに含まれる窒素ガスの中性粒子、その励起中性粒子および高エネルギー電子を含むプラズマが前記仕切り板の貫通穴に案内された際、前記プラズマ中の中性粒子および励起された中性粒子の基板への流量を制御するとともに前記貫通穴を横断する直流磁界と協働して前記プラズマ中の高エネルギー電子の前記基板への入射量を抑制して該基板面にGaN薄膜が形成される。
【0016】
【発明の効果】
本発明の薄膜材料の形成装置によれば、膜を構成する材料のスパッタ粒子はプラズマ発生部に発生させたスパッタリング用ガスの放電プラズマに含まれる高エネルギーの励起荷電粒子を用いるものであり、プラズマ発生部12に設けた放電機構部に供給する放電電力および前記材料表面の負電位を設定する負バイアス電圧印加手段による負バイアス電圧を増大して前記材料をスパッタするイオン生成量および材料7のスッパタ量を増大する場合でも、材料表面部と仕切り板の貫通穴の周縁部との間の浮遊イオン層、いわゆる、イオンシースを形成することにより、該イオンシースを構成するプラズマ中の高エネルギー電子を含む荷電粒子密度を自動的に低下させてスパッタされた材料原子、その励起原子、反応性ガスの原子およびその励起原子等の中性粒子の基板4への流量を増大し、成膜速度を高めることができます。これと同時に、前記直流磁界G1と協働して該プラズマ中の高エネルギー電子の基板4への入射量を抑制することができ、基板は高エネルギー電子の衝突による加熱が抑制されることから、基板4を比較的低温に保持したまま薄膜材料を形成することができ、薄膜形成後に室温(常温)まで自然冷却しても当該形成薄膜にクラックを生じるといった不具合を回避することができます。
また、成膜工程時、高エネルギーのプラズマを利用するので、特に有毒なガス、危険なガスの使用が不必要となるため、安全上においても好ましい技術が実現できる。プラズマ内部の電位分布を適切に制御できるので劣化の少ない薄膜を作製できる。
【0017】
仕切り板3の貫通穴31の内周面は、基板収容部11側からプラズマ発生部12側に向かって径が徐々に拡大するテーパ面となっているので、仕切り板3の貫通穴31の内周面がプラズマ中のイオンの照射によりスパッタされても、該仕切り板3の不純物粒子がプラズマ側に戻り、基板側に到達しにくい。したがって、基板上の薄膜への不純物の混入を抑制することができる。
更に、基板面が材料保持手段の保持部により放電機構部の陰極から隠蔽されるように設けたから、、放電機構部が放電を行う際、陰極材料の蒸発粒子が放出されても、該蒸発粒子の基板面への入射が阻止され、薄膜への陰極材料不純物の混入を防止することができる。
更にまた、筒状容器のプラズマ発生部に少なくとも2以上のガス導入部を設けた薄膜形成装置によれば、1つのガス導入部に希ガスから選択したスパッタリング用ガスと、薄膜の構成成分を含む少なくとも1つの反応性ガスとをプラズマ発生部に導入することができ、窒素ガスのプラズマイオンでスパッタリングしにくいプラズマ中で金属ガリウム表面に形成された窒素過多の黒化窒化ガリウムがアルゴン等の希ガスのプラズマイオンによるスパッタリングによって排除され、窒化皮膜のない金属ガリウムが表面に露出し、ガリウム原子が基板側へ効率よく供給される。
【0018】
更にまた、本発明の装置によれば、低温度条件下で窒化ガリウムGaN膜を形成することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図1および図2は本発明にかかる薄膜材料形成装置の1つの実施の形態をあらわしている。
【0022】
図1および図2に示すように、この形成装置1は、円筒を立てた形状の容器2の内部に仕切り板3を取付けて基板収容部11とプラズマ発生部12とに区分され、たとえば、薄膜材料としての窒化ガリウム膜の形成に用いられる。
基板収容部11に基板固定手段が配置され、該基板固定手段に薄膜材料を堆積させるシリコン等で形成された基板4の堆積面をプラズマ発生部12側に向けて固定され、基板収容部11の壁面に内部を高真空状態に減圧できる排気経路13が開口している。
【0023】
仕切り板3は、ステンレス鋼、窒化ホウ素、石英ガラス等を用いて形成され、反応部11に固定された基板4と対向する部分に、最小径部が基板4の面と略等大の貫通穴31が形成され、該貫通穴31の内周面がプラズマ発生部側に向かって徐々に拡大される、すなわち、テーパ面となっている。このテーパ面の傾斜角度は、特に限定されないが、30°〜60°、好ましくは、略45°とされる。
また、仕切り板3の貫通穴31の周辺部に、2つの永久磁石M1が埋め込まれ、図1中、反応部11に収容された基板4の前方で該基板面に平行状に貫通穴31を横断する直流磁界G1を形成している。
【0024】
なお、この仕切り板3は、貫通穴31に案内されるプラズマの密度、特に、該プラズマ中の荷電粒子密度を減少させるために用いられるもので、1cm程度以上の厚みを有することが望ましい。
プラズマ発生部12には、その周囲に8つの永久磁石M2がその周囲にプラズマ発生部12側に向かってN極とS極とを交互に向けるように放射状に設けられ、2点鎖線で示すようなプラズマ閉じ込め用の磁界G2がプラズマ発生部12の内部に形成される。
【0025】
また、プラズマ発生部12には、材料保持手段5と、放電機構の一方を構成する陰極6とが設けられている。
材料保持手段5は、円盤状をしていて、上面に材料である金属ガリウム7を受ける凹部53を備えた保持部51が後述するプラズマの略中央部に位置するように支柱部52を介してプラズマ発生部12の底12aに支持されている。
【0026】
また、材料保持手段5は、保持部51が保持される液体金属ガリウムと反応しないモリブデンなどの材質で形成されるとともに、保持部51および支柱部52の外面が、プラズマの直接照射を避けるためにアルミナや石英ガラス等で被覆されている。
なお、基板4と保持部51上の金属ガリウム7との間隔を短くすることにより、スパッタされたガリウム原子の流れが基板に到達する割合を増大させることができるが、あまり近づけると保持部51と仕切り板3との間でプラズマが挟まれ、ガリウム表面の前方部のプラズマ密度が減少し、スパッタの絶対量が減少するために、全体としてガリウム原子の流量が減少することになる。また、プラズマ密度の減少は窒素イオンや混入したガス種の励起原子・分子の流れも減少させるので距離の設定は運転圧力、プラズマの電子温度、密度に応じて決める必要があるが、スパッタ粒子の平均自由行程などから10cm程度の間隔が適当である。
【0027】
陰極6は、基板4に対して材料保持部51がブラインドになる位置に設けられていて、放電機構の一方を構成する陽極であるプラズマ発生部12の周壁面との間で放電するようになっている。
さらに、プラズマ発生部12の底12aには、2つの流量調節機能付きのガス導入経路8が開口している。
【0028】
つぎに、この形成装置1を用いた本発明の薄膜材料の形成方法の1つの実施の形態である窒化ガリウム薄膜の形成方法を詳しく説明する。
この窒化ガリウム薄膜の形成方法は、まず、容器2内が0.00001Pa程度になるまで真空ポンプ(図示せず)によって、排気経路13を介して容器内のガスを排気するとともに、十分な焼きだしを行って容器2内の炭素や酸素不純物を除去した後、0.1Pa程度まで一方のガス導入経路8を用いて流量調整しながら窒素ガスを導入する。また、必要に応じて他方のガス導入経路8を介して流量調整しながらアルゴン等の希ガスを導入する。
【0029】
前記円筒状容器2のプラズマ発生部12の底部に設けられた棒状電極を陰極6とする一方、プラズマ発生部12の内壁面部を陽極とする電極対間に直流電圧を印加して放電を生起させ、プラズマ発生部12内に導入されたスパッタリングプロセスガスのプラズマを発生させる。
発生したプラズマは、プラズマ発生部12の内壁面部の周囲を取り囲むように配置された永久磁石M2によって生じる磁界G2内に閉じ込められ、材料保持手段5の保持部51によって水平状に保持された金属ガリウムGa7が位置する中心部に2eV以上の高電子温度(高エネルギー)のプラズマ部が形成される。なお、プラズマの閉じ込めは、取り付けられた永久磁石M2により効率の改善が可能であるが、必ずしも必須の要素ではない。この構成により、プラズマの空間電位は陽極に対し数ボルト高い正電位となる。
【0030】
つぎに、図示しない直流電源により金属ガリウム7の表面部に負のバイアス電圧を加えて該表面部を負電位に設定する。すなわち、該電圧が100V以上であれば、該表面部にプラズマからイオンを引込み、スパッタリングが起こることによってガリウム原子が金属ガリウム表面に対して垂直な方向に生成される。そして、加える電圧を大きくすることにより、生成されるガリウム原子の流れは大きくなるが、材料保持手段5と容器2の間に放電が生じると不純物が生成され、基板4を汚染するので、300Vから500V程度が適切である。生成されるガリウム原子の流れは、材料保持手段5の真上に位置した基板4に到達する。
【0031】
一方、プラズマ発生部12に発生されたプラズマには、励起された窒素原子および窒素分子が含まれ、これらの活性種は、励起された高電子温度の荷電粒子、すなわち、スパッタリング用ガスのイオンおよび励起電子の一部と一緒に基板に向けて飛翔し、基板4上で、後述するように、スパッタされたガリウム金属のGa原子およびその励起原子と化学反応を起こして窒化ガリウムGaNの薄膜を形成する。この際の化学反応に必要なエネルギーは、励起された窒素原子のエネルギー、スパッタされたガリウム金属材料のGa原子および励起されたGa原子の運動エネルギーおよびそれらから放出される光子から付与される。なお、プラズマ発生部12に、反応性ガスとして窒素ガスに加えてスパッタリング用ガスとして希ガスを混入する場合、準安定励起状態の希ガス原子も基板表面での反応エネルギー供給源となりえる。
また、プラズマ発生部12と基板4を収容する基板収容部11との間に設けられた仕切り板3により円筒状容器2が区分され、仕切り板3の貫通穴31は、図1に示すように、反応部11に配置された基板4面と同心状に間隔をあけて配置され、プラズマ発生部12内に発生されたプラズマは、該仕切り板3の貫通穴31を介してのみ基板収容部11側に向かって流れるプラズマ流束を形成する。しかも、仕切り板3の貫通穴31の径が基板収納部11側からプラズマ発生部12側に向かって徐々に拡大するテーパ面になっているので、プラズマ発生部12で発生されたプラズマ中のイオン粒子等が該テーパ面に照射されてスパッタリングが生じても、生成された荷電粒子は基板収容部11側に進入すること無く、プラズマ発生部12側に戻る。すなわち、この構成により、スパッタされた仕切り板3の粒子(不純物)の基板4への堆積量を減少させることができる。
【0032】
さらに、仕切り板3に設けられた永久磁石M1によって、貫通穴31を横断する、つまり、基板4の前面と平行状の直流磁界G1が形成されているので、基板4近傍のプラズマの密度が下げられ、密度とともに電子温度も引き下げられる。これは水素の負イオン源などに多用される磁気フィルター構造であり、電子密度が小さくなることによって基板4に照射されるイオンの量が減少する。また、窒化ガリウムのように抵抗率が大きな薄膜を作成する場合、あるいは基板4が絶縁体である場合には、堆積した薄膜材料である窒化ガリウムの表面電位はプラズマの浮遊電位となるので、電子温度の減少に応じて薄膜に到達するイオンのエネルギーが減少することになる。
【0033】
以上のように、上記形成装置1を用いた本発明の形成方法によれば、基板4の前方を横切る磁界G1を設けることによって、基板4に到達するイオンの流れの量を小さく保ち、基板表面の電位が深い負電位にならぬようにしたので、基板4上に生成した窒化ガリウムをプラズマからのイオン照射により損傷することなく成長させることができる。
【0034】
本発明は、上記の実施の形態に限定されない。たとえば、金属ガリウムGaに対し反応性ガスを有する窒素ガスには予めスパッタリングを助長する希ガスを混ぜて容器内に導入してもよい。上記の実施の形態では、プラズマ中央部が略無磁界の領域となっているが、後述するように特に中央部の無磁界部分の有無が効果に大きな影響を与えるものではない。
【0035】
上記の実施の形態では、薄膜材料が窒化ガリウムであったが、この形成方法によれば、たとえば、酸化亜鉛等も形成することができる。
また、材料保持手段には、保持部に保持された材料の基板との距離を変更可能にする保持部の位置変更機構を設けるようにしても構わない。
【0036】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を詳しく説明する。
【0037】
(実施例1)
上記形成装置1を用いて以下のような形成条件で薄膜材料としての窒化ガリウム薄膜を得た。そして、得られた窒化ガリウム薄膜は、亀裂もなかった。また、得られた窒化ガリウム薄膜をX線回折により調査したところ図3に示すように単一の構造を示した。そして、図示された角度は立方晶系(1,1,1)、若しくは六方晶系(0,0,0,2)に対応しているが、集束イオンビーム顕微鏡により得られた画像から立方晶系を有していると結論付けられる。また、膜厚から逆算した窒化ガリウム粒子の基板正面到達率は1平方センチメートル、1秒当り10の14乗個程度であり、スパッタリング率と形状因子から計算されるガリウム原子粒子束の値とほぼ一致する値であった。
【0038】
〔形成条件〕
容器の内径:16cm
容器の高さ:20cm
仕切り板の厚み:2cm
仕切り板の孔の最小径:5cm
孔のテーパ:45°
基板の材質:シリコン
基板温度:30℃(常温)
基板とガリウムとの距離:10cm
容器内の窒素ガス圧:0.05Pa
容器内のアルゴンガス圧:0.01Pa
ガリウムへの印加電圧:300V
放電電圧:50V
処理時間:5〜6時間
【0039】
なお、窒素ガス圧は、分光器を用いてガリウム表面周囲のプラズマからの発光を観測することにより、ガリウム原子から放出される線スペクトル強度と励起窒素原子・分子の発光は一定圧力(0.05Pa)付近で緩やかな極大値を取ることが判ったので、この極大値付近に設定した。
【0040】
(実施例2)
窒素ガスとアルゴンガスとの混合比を変化させた場合のGa(417nm),Ga(403nm)およびN2(391nm)の励起スペクトル強度の変化を分光器を用いて測定し、その結果を図4に示した。
図4から、窒素ガスのみでは、材料保持手段とプラスマ発生部の壁面とが直接放電を発生しない状況で最大の窒化ガリウム層が表面を覆うため、その抵抗率の高さから表面電位をプラズマ浮遊電位程度に落としてしまう。したがって、大きな負電圧をガリウム保持機構に与えても、窒素イオンによるスパッタ減少によって除去することができない。しかし、窒素プラズマ中にアルゴンなどの希ガスを導入すると、希ガスイオンが窒化層をスパッタリングによって除去しガリウム原子の生成を回復することができることがわかる。すなわち、窒素ガスとアルゴンガスとを混合して用いるが有用であり、好適な成膜条件を実現できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる薄膜材料形成装置の1つの実施の形態を概略的にあらわす説明図である。
【図2】図1のX−X線断面図である。
【図3】実施例1で得た窒化ガリウム薄膜のX線回折データである。
【図4】アルゴン濃度とガリウム原子生成量の変化を調べた分光機によるガリウム線スペクトルデータである。
【符号の説明】
1 形成装置
11 基板収容部
12 プラズマ発生部
2 容器
3 仕切り板
31 貫通穴
4 基板
5 材料保持手段
6 陰極
7 金属ガリウムGa(材料)
8 ガス導入経路
M1、M2 永久磁石(磁界発生手段)
G1、G2 磁界[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for forming a thin film material.
[0002]
[Prior art]
Gallium nitride has already been developed as a light emitting device and has been put to practical use. It has been pointed out that the temperature control of the substrate is important because the method for producing a gallium nitride semiconductor thin film when used as a light-emitting element is already known.
Usually, in order to form a high-quality thin film, it is necessary to cause a chemical reaction on the substrate surface by keeping the substrate temperature at a high temperature of 300 ° C. or higher and supplying a toxic gas such as ammonia (Patent Document). 1 etc.). That is, high substrate temperature has been considered an essential element for active reaction and the realization of uniform thin film materials.
[0003]
However, in the case of manufacturing a thin film material at a higher temperature than the ordinary temperature as in the previous process, due to the difference in the thermal expansion coefficient of GaN and the substrate, a number in the process of lowering the gallium nitride thin film to room temperature There was a problem that the characteristics of the semiconductor deteriorated. Due to this problem, a uniform and high-quality gallium nitride semiconductor is not supplied, so that the field of use as a high-speed and high-thermal-conductivity semiconductor material possessed by the gallium nitride semiconductor has been limited.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-206520
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a thin film material forming apparatus capable of forming a thin film material on a substrate at low temperatures without generating a toxic gas or the like.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the inventors of the present invention have intensively studied in order to solve the above various problems , and as a result, in depositing gallium nitride on the substrate surface, a plasma state different from the thermal equilibrium system is used, and a thin film is formed. The kinetic energy possessed by the sputtering gas for sputtering the constituent material or the atoms / molecules of the sputtered material, and the excitation energy of neutral excited atoms / molecules generated in the plasma, are used for the chemistry of the gallium nitride. by using as a source of reactive energy, based on the inference of the thin film can be formed while maintaining the substrate at room temperature, was optimum Tsu completed the present invention.
[0012]
Forming apparatus of a thin film material of the present invention, the substrate was fixed to a substrate fixing means provided in the interior of the container to allow sealing in a vacuum state, holds the liquid or solid metal material forming the film facing the substrate The material holding means is provided, the sputtering gas introduced into the container is ionized by the discharge mechanism to generate discharge plasma, and the surface of the material is sputtered by irradiating charged particles in the discharge plasma. In a thin film material forming apparatus for forming a thin film by depositing neutral particles and excited particles of the material on the substrate,
A partition plate in which a through hole having approximately the same area as the substrate is formed is attached to the inside of the container to be divided into a substrate housing portion and a plasma generating portion, and the substrate housing portion is concentric with the through hole of the partition plate. In addition, a substrate fixing means for fixing the substrate in parallel with a gap with respect to the partition plate is disposed, and the electrode provided at the bottom of the plasma generating unit is used as a cathode, while the inner wall surface of the plasma generating unit is used as an anode. And a discharge mechanism for ionizing the sputtering gas introduced into the plasma generator by disposing the electrode between the pair of electrodes, and concentrically with the through hole of the partition plate above the cathode. A material holding means for holding the material, and a negative bias voltage applying means for accelerating the ion attraction in the discharge plasma by setting the material surface held by the material holding means to a negative potential,
A magnetic field generator that generates a parallel DC magnetic field on the substrate surface that is fixed to the substrate fixing means across the through hole is disposed around the through hole of the partition plate,
The plasma guided from the plasma generator to the through hole of the partition plate by adjusting the discharge power supplied to the discharge mechanism and the negative bias voltage applied to the material surface by the negative bias voltage applying means. The flow rate of neutral and excited neutral particles to the substrate is controlled, and the amount of high energy electrons in the plasma incident on the substrate is controlled in cooperation with a DC magnetic field traversing the through hole. It is characterized by being configured to suppress.
[0013]
In the thin film material forming apparatus, the inner peripheral surface of the through hole provided in the partition plate is a tapered surface that expands from the substrate housing portion side to the plasma generating portion side in the container .
Further, the material holding part of the material holding means arranged above the cathode provided in the plasma generating part is provided so as to conceal the cathode from the substrate arranged concentrically with the through hole of the partition plate. It is done.
Furthermore, a gas that individually introduces at least one kind of gas selected from a reactive gas and a rare gas into the plasma generation unit when the material is reactive with the material held in the material holding unit. An introduction part is provided.
[0014]
Further, in the forming apparatus of the present invention, the material constituting the film held by the material holding member is Ga, and the sputtering gas introduced into the plasma generating part is a nitrogen N 2 gas that can react with the Ga material and a rare gas. The gas is mixed with the gas, discharge plasma of the mixed gas is generated by the discharge mechanism in the plasma generator, and the negative power applied to the material surface by the discharge power and negative bias voltage applying means supplied to the discharge mechanism. By adjusting the bias voltage, neutral particles of Ga material generated by sputtering of the Ga material by charged particles of a mixed gas in the discharge plasma in the plasma generation unit, the excited neutral particles, and the Ga material Includes the emitted secondary electrons and neutral particles of nitrogen gas contained in the discharge plasma of the mixed gas, their excited neutral particles and high-energy electrons When the plasma is guided to the through hole of the partition plate, it controls the flow rate of neutral particles and excited neutral particles in the plasma to the substrate and cooperates with a DC magnetic field that traverses the through hole. A GaN thin film is formed on the surface of the substrate while suppressing the amount of high energy electrons in the plasma incident on the substrate.
[0016]
【The invention's effect】
According to the thin-film material forming apparatus of the present invention, the high-energy excited charged particles contained in the discharge plasma of the sputtering gas generated in the plasma generator are used as the sputtered particles of the material constituting the film. The amount of ions generated and the sputtering of
In addition, since a high-energy plasma is used during the film forming process, it is not necessary to use a particularly toxic gas or a dangerous gas, so that a technology preferable in terms of safety can be realized. Since the potential distribution inside the plasma can be controlled appropriately, a thin film with little deterioration can be produced.
[0017]
The inner peripheral surface of the
Furthermore, since the substrate surface is provided so as to be concealed from the cathode of the discharge mechanism part by the holding part of the material holding means, even if the evaporated particles of the cathode material are released when the discharge mechanism part performs discharge, the evaporated particles Is prevented from entering the substrate surface, and contamination of the cathode material impurities into the thin film can be prevented.
Furthermore, according to the thin film forming apparatus in which at least two or more gas introduction portions are provided in the plasma generation portion of the cylindrical container, one gas introduction portion includes a sputtering gas selected from a rare gas and a constituent of the thin film. At least one reactive gas can be introduced into the plasma generator, and nitrogen-rich black gallium nitride formed on the metal gallium surface in a plasma that is difficult to sputter with nitrogen gas plasma ions is a rare gas such as argon. Thus, metal gallium without a nitride film is exposed on the surface, and gallium atoms are efficiently supplied to the substrate side.
[0018]
Furthermore, according to the apparatus of the present invention, a gallium nitride GaN film can be formed under a low temperature condition.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing embodiments thereof.
1 and 2 show one embodiment of a thin film material forming apparatus according to the present invention.
[0022]
As shown in FIGS. 1 and 2, this forming
Is disposed substrate fixing means to a
[0023]
The
Further , two permanent magnets M1 are embedded in the peripheral portion of the through
[0024]
The
The
[0025]
Further, the
The material holding means 5 has a disc shape and has a
[0026]
Further, the material holding means 5 is formed of a material such as molybdenum that does not react with the liquid metal gallium on which the holding
Incidentally, by shortening the distance between the
[0027]
The
Further, two
[0028]
Next, a method for forming a gallium nitride thin film, which is one embodiment of the method for forming a thin film material of the present invention using this forming
In this method of forming a gallium nitride thin film, first, the inside of the
[0029]
Generate discharge the one of a
The generated plasma is confined in the magnetic field caused by the permanent magnet M2 arranged to surrounding the periphery of the inner wall surface of the
[0030]
Then, in addition a negative bias voltage by the DC power supply (not shown) on the surface of
[0031]
On the other hand, the plasma generated in the
Moreover, the
[0032]
Further, the permanent magnet M1 provided on the
[0033]
As described above, according to the forming method of the present invention using the forming
[0034]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, a nitrogen gas having a reactive gas with respect to metal gallium Ga may be mixed with a rare gas that promotes sputtering in advance and introduced into the container. In the above embodiment, the plasma central portion is a substantially no magnetic field region. However, as described later, the presence or absence of the no magnetic field portion in the central portion does not greatly affect the effect.
[0035]
In the above embodiment, the thin film material is gallium nitride. However, according to this formation method, for example, zinc oxide or the like can be formed.
The material holding means may be provided with a holding portion position changing mechanism that can change the distance of the material held by the holding portion from the substrate.
[0036]
【Example】
Examples of the present invention will be described in detail below.
[0037]
Example 1
Using the forming
[0038]
[Formation conditions]
Inner diameter of container: 16cm
Container height: 20cm
Partition plate thickness: 2cm
Minimum diameter of partition hole: 5cm
Hole taper: 45 °
Substrate material: Silicon substrate Temperature: 30 ° C (room temperature)
Distance between substrate and gallium: 10 cm
Nitrogen gas pressure in the container: 0.05 Pa
Argon gas pressure in the container: 0.01 Pa
Applied voltage to gallium: 300V
Discharge voltage: 50V
Processing time: 5-6 hours [0039]
The nitrogen gas pressure is determined by observing light emission from the plasma around the gallium surface using a spectroscope, so that the line spectrum intensity emitted from the gallium atoms and the light emission of excited nitrogen atoms / molecules are constant pressure (0.05 Pa). ) Since it has been found that the local maximum takes a moderate value in the vicinity, it was set near this local maximum.
[0040]
(Example 2)
Changes in the excitation spectrum intensities of Ga (417 nm), Ga (403 nm) and N 2 (391 nm) when the mixing ratio of nitrogen gas and argon gas was changed were measured using a spectroscope, and the results are shown in FIG. It was shown to.
As shown in FIG. 4, with nitrogen gas alone, the maximum potential gallium nitride layer covers the surface when the material holding means and the wall surface of the plasma generating portion do not generate a direct discharge. It drops to about the potential. Therefore, even if a large negative voltage is applied to the gallium holding mechanism, it cannot be removed due to the reduction of sputtering due to nitrogen ions. However, it is understood that when a rare gas such as argon is introduced into the nitrogen plasma, the rare gas ions can remove the nitride layer by sputtering and recover the generation of gallium atoms. In other words, it is useful to use a mixture of nitrogen gas and argon gas, and it can be seen that suitable film forming conditions can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing one embodiment of a thin film material forming apparatus according to the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
3 is an X-ray diffraction data of the gallium nitride thin film obtained in Example 1. FIG.
FIG. 4 is gallium line spectrum data obtained by a spectroscope in which changes in argon concentration and gallium atom production were examined.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
8 Gas introduction path M1, M2 Permanent magnet (magnetic field generating means)
G1, G2 magnetic field
Claims (5)
前記容器の内部に前記基板の面積と略等大の貫通穴を形成した仕切り板を取付けて基板収容部とプラズマ発生部とに区分し、
前記基板収容部に前記仕切り板の貫通穴と同心状にかつ該仕切り板に対し間隔をあけて平行状に基板を固定する基板固定手段を配置し、
前記プラズマ発生部の底部に設けた電極を陰極とする一方、該プラズマ発生部の内壁面部を陽極とする電極対間に放電を生起させて該プラズマ発生部内に導入されたスパッタリング用ガスを電離する放電機構部を配置するとともに前記陰極の上方で前記仕切り板の貫通穴と同心状に間隔をあけて前記材料を保持する材料保持手段を配置し、
前記材料保持手段に保持された材料表面を負電位に設定して前記放電プラズマ中のイオン引込みを促進する負バイアス電圧印加手段を配置し、
前記仕切り板の貫通穴の周辺部に該貫通穴を横断して前記基板固定手段に固定された基板面に平行状の直流磁界を発生する磁界発生部を配置し、
前記放電機構部に供給される放電電力と前記負バイアス電圧印加手段により前記材料表面に印加する負バイアス電圧とを調整することにより、前記プラズマ発生部から前記仕切り板の貫通穴に案内されるプラズマ中の中性粒子および励起された中性粒子の基板への流量を制御するとともに、前記貫通穴を横断する直流磁界と協働して該プラズマ中の高エネルギー電子の前記基板への入射量を抑制するように構成したことを特徴とする薄膜材料の形成装置。 The substrate is fixed to the substrate fixing means provided inside the container that can be sealed in a vacuum state, and the material holding means for holding the liquid or solid material constituting the film is provided opposite to the substrate, and the inside of the container The sputtering gas introduced into is ionized by the discharge mechanism to generate discharge plasma, and the charged particles in the discharge plasma are irradiated onto the material surface to neutral and excited particles of the material sputtered. In a thin film material forming apparatus for forming a thin film by being deposited on the substrate,
Attach a partition plate formed with a through hole approximately the same size as the area of the substrate inside the container, and divide it into a substrate accommodating portion and a plasma generating portion,
A substrate fixing means for fixing the substrate concentrically with the through hole of the partition plate in the substrate accommodating portion and in parallel with a space from the partition plate is disposed,
While the electrode provided at the bottom of the plasma generation unit is used as a cathode, a discharge is generated between an electrode pair having the inner wall surface of the plasma generation unit as an anode to ionize the sputtering gas introduced into the plasma generation unit. Disposing a discharge mechanism and arranging a material holding means for holding the material concentrically with the through hole of the partition plate above the cathode,
A negative bias voltage applying means for accelerating ion attraction in the discharge plasma by setting the material surface held by the material holding means to a negative potential;
A magnetic field generator that generates a parallel DC magnetic field on the substrate surface that is fixed to the substrate fixing means across the through hole is disposed around the through hole of the partition plate,
The plasma guided from the plasma generator to the through hole of the partition plate by adjusting the discharge power supplied to the discharge mechanism and the negative bias voltage applied to the material surface by the negative bias voltage applying means. The flow rate of neutral and excited neutral particles to the substrate is controlled, and the amount of high energy electrons in the plasma incident on the substrate is controlled in cooperation with a DC magnetic field traversing the through hole. An apparatus for forming a thin film material, characterized by being configured to suppress .
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