(57)【特許請求の範囲】
【請求項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壁であって、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、
誘電体からなり、前記供給管の開口であって前記供給管と前記プラズマ生成管との接続側に挿入され、前記供給管の内壁を覆う寄生プラズマ防止管とを、有し、
前記供給管は導体から成る
ことを特徴とするラジカル源。
【請求項２】
前記容量結合プラズマの発生する領域の前記プラズマ生成管外周に沿って配置され、前記プラズマ生成管の中心部に前記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を特徴とする請求項１に記載のラジカル源。
【請求項３】
前記電極は、その内部で水を還流させる中空部を有し、
前記永久磁石は、前記電極の内部であって、前記中空部に露出するよう配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載のラジカル源。
【請求項４】
前記電極は、円筒形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のラジカル源。
【請求項５】
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４の何れか１項に記載のラジカル源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度のラジカルを生成するラジカル源に関する。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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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、窒素ラジカルのフラックス密度を高める必要がある。
【０００３】
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に記載のラジカル源がある。特許文献１のラジカル源は、窒素ガスを供給する供給管、ＣＣＰ（容量結合プラズマ）を生成するＣＣＰ部、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を生成するＩＣＰ部とをこの順に直列に接続した構造である。この構造によると、ＩＣＰ部でプラズマ化される前に、あらかじめＣＣＰ部でプラズマ化されるため、高い窒素ラジカル密度が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−４１５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、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、特許文献１のラジカル源ではラジカル密度が十分でなく、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。
【０００６】
そこで本発明の目的は、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提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、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、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とを、有し、供給管は導体から成ることを特徴とするラジカル源である。
【０００８】
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。
【０００９】
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。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。
【００１０】
プラズマ生成管の、容量結合プラズマが生成させる領域の内径と、誘導結合プラズマが生成される領域の内径は、異なっていてもよいし、同一であってもよい。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、容量結合プラズマの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を特徴とするラジカル源である。
【００１２】
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。
【００１３】
第３の発明は、第２の発明において、電極は、その内部で水を還流させる中空部を有し、永久磁石は、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、ことを特徴とするラジカル源である。
【００１４】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、電極は、円筒形状であることを特徴とするラジカル源である。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、供給管により供給される気体は窒素であり、窒素ラジカルを生成することを特徴とするラジカル源である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、寄生プラズマ防止管によって、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。
【００１６】
また、第２の発明によれば、プラズマ生成管の中心部に容量結合プラズマを収縮して偏在させた状態で、容量結合プラズマを誘導結合プラズマに導入することができ、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。
【００１７】
また、第３の発明によると、容量結合プラズマ電極の中空部に水を還流させることで、容量結合プラズマ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。
【００１８】
また、第５の発明のように、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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１のラジカル源の構成を示した図。
【図２】図１におけるＡ−Ａでの断面図。
【図３】ガス流量と窒素ラジカル密度との関係を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１のラジカル源の構成について示した図である。また、図２は、図１でのＡ−Ａにおける断面図である。
【００２２】
図１、２のように、実施例１のラジカル源は、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。プラズマ生成管１１の内径は２４ｍｍであり、長さは９０ｍｍである。プラズマ生成管１１の供給管１０接続側とは反対側の開口には、直径５ｍｍの孔が開けられたオリフィス板１９が配置されている。
【００２３】
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、円筒形のＣＣＰ電極１３が配置されている。ＣＣＰ電極１３は、その内部に中空部１３ａを有している。また、ＣＣＰ電極１３には給水管１６および排水管１７が接続されており、ＣＣＰ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ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａへと冷却水を導入し、排水管１７より冷却水を排出することが可能な構造となっており、冷却水を還流させてＣＣＰ電極１３を冷却可能となっている。
【００２４】
ＣＣＰ電極１３の内部には、プラズマ生成管１１の外周に沿って等間隔に６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。また、これらの永久磁石１４は、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに露出している。そのため、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａに冷却水を還流させてＣＣＰ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、ＣＣＰ電極１３の加熱によって上昇する永久磁石１４の温度を効率的に抑えることができる。
【００２５】
プラズマ生成管１１の外側であって、ＣＣＰ電極１３よりも下流側（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は中空のステンレス管を３回半巻いたものであり、そのステンレス管内部に冷却水を通して冷却できる構造となっている。
【００２６】
ＣＣＰ電極１３とコイル１２には高周波電源（図示しない）が接続されており、供給管１０は接地されている。高周波電源によって高周波電力をＣＣＰ電極１３、コイル１２にそれぞれ印加することで、プラズマ生成管１１内部であって外周にコイル１２が配置された領域に誘導結合プラズマを、プラズマ生成管１１内部であって外周にＣＣＰ電極１３が配置された領域に容量結合プラズマを、それぞれ形成することができる。
【００２７】
供給管１０とプラズマ生成管１１との接続部における供給管１０の開口には、供給管１０側に向かって、セラミックからなる寄生プラズマ防止管１５が挿入されている。寄生プラズマ防止管１５の内径は１ｍｍ、外径は供給管１０の内径にほぼ等しい。この寄生プラズマ防止管１５の挿入により、供給管１０の内壁は寄生プラズマ防止管１５に覆われ、ＣＣＰ電極１３と供給管１０の内壁との間で寄生プラズマが発生してしまうのが防止される。
【００２８】
寄生プラズマを効果的に防止するためには、寄生プラズマ防止管１５の挿入長は、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。
【００２９】
これらのプラズマ生成管１１、コイル１２、ＣＣＰ電極１３は、円筒状の筐体１８に納められている。筐体１８は、ラジカル照射側が開口している。その開口近傍には、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。
【００３０】
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およびＣＣＰ電極１３への高周波電力の印加によって、プラズマ生成管１１内部に誘導結合プラズマと容量結合プラズマとをそれぞれ生成し、容量結合プラズマを誘導結合プラズマに注入することによって高密度のラジカルを生成する構成である。
【００３１】
ここで、実施例１のラジカル源では、供給管１０に寄生プラズマ防止管１５が挿入されており、ＣＣＰ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生じてしまうのを防止している。この寄生プラズマ防止管１５を挿入したことにより、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、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。
【００３２】
また、容量結合プラズマは、６個の永久磁石１４によるカプス磁場によって、プラズマ生成管１１の中心部に収縮して偏在する。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、ラジカル密度が高い状態である。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、中心部のプラズマ密度が低い状態であり、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、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。このような内部エネルギーの高い原子ラジカルは、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。
【００３３】
また、永久磁石１４は、ＣＣＰ電極１３の中空部１３ａ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の温度上昇を抑制して永久磁石１４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ＣＣＰ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密度なラジカルの生成を維持することができる。
【００３４】
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。
【００３５】
図３は、実施例１のラジカル源によって発生させた窒素ラジカルの密度を、真空紫外吸光分光法によって測定し、窒素ラジカルの密度と窒素ガスの流速との関係を調べた結果である。従来の誘導結合プラズマによって発生させるラジカル源では、窒素ラジカルの密度はおよそ１×１０11ｃｍ-3であるのに対し、実施例１のラジカル源を用いると、窒素ガス流速が５〜３５ｓｃｃｍの範囲において１×１０11ｃｍ-3よりも高い密度であることがわかる。特に窒素ガス流速が１５〜２５ｓｃｃｍの範囲では、１×１０12ｃｍ-3以上の密度であり、従来のラジカル源に比べて１０倍以上の密度の窒素ラジカルが生成されていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
１０：供給管
１１：プラズマ生成管
１２：コイル
１３：ＣＣＰ電極
１４：永久磁石
１５：寄生プラズマ防止管
１６：給水管
１７：排水管
１８：筐体
【図１】
0005669084.tif 000002
【図２】
0005669084.tif 000003
【図３】
0005669084.tif 000004