(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物薄膜形成装置に適用される、成膜物質と反応する反応ガスのプラズマを生成する高周波プラズマ源であって、
蓋付きのプラズマ容器と、
前記蓋に形成されたプラズマ噴出口と、
前記プラズマ容器から蓋に向かう方向を上とし、前記蓋の下面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するバイアス電極と、
前記蓋の上面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するアース電極と、を備え、
前記バイアス電極にマイナス電位を与えることによりプラズマ中に生成されたイオンがプラズマ容器内に閉じ込められるように構成されていることを特徴とする化合物薄膜形成用高周波プラズマ源。
【請求項２】
真空室内に、成膜物質の蒸発源と、この成膜物質と反応する反応ガスのプラズマを生成する高周波プラズマ源とを備え、これら反応ガスと成膜物質との反応により基板上に化合物薄膜を形成する化合物薄膜形成装置であって、
前記高周波プラズマ源として、蓋付きのプラズマ容器と、前記蓋に形成されたプラズマ噴出口と、前記プラズマ容器から蓋に向かう方向を上とし、前記蓋の下面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するバイアス電極と、前記蓋の上面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するアース電極と、を備え、前記バイアス電極にマイナス電位を与えることによりプラズマ中に生成されたイオンがプラズマ容器内に閉じ込められるように構成されたプラズマ源を用い、そして、前記基板上に、前記高周波プラズマ源から噴出された反応ガスのプラズマと前記蒸発源から供給された成膜物質との反応によりイオン照射損傷のない化合物薄膜が形成されるように構成されていることを特徴とする化合物薄膜形成装置。
【請求項３】
真空中で、基板上に、蒸発源から供給した成膜物質と高周波プラズマ源から供給した反応ガスのプラズマとの反応により化合物薄膜を形成する化合物薄膜形成方法であって、
前記高周波プラズマ源で反応ガスのプラズマを生成する際、蓋付きのプラズマ容器と、前記蓋に形成されたプラズマ噴出口と、前記プラズマ容器から蓋に向かう方向を上とし、前記蓋の下面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するバイアス電極と、前記蓋の上面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するアース電極とを備える高周波プラズマ源を用い、前記バイアス電極にマイナス電位を与えて生成プラズマ中のイオンを前記プラズマ容器内に閉じ込め、イオンを含まない反応ガスのプラズマを前記高周波プラズマ源から基板の表面に向かって噴出し、この基板上で、該プラズマ源から噴出された反応ガスのプラズマと蒸発源から供給された成膜物質との反応によりイオン照射損傷のない化合物薄膜を形成することを特徴とする化合物薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ源、薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関し、特に、酸化物膜や窒化物膜等の薄膜を形成する装置に適用される高周波プラズマ源、このプラズマ源を備えた化合物薄膜形成装置及びこの装置を用いる化合物薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、真空排気された真空室内に、固体金属からなる成膜物質を加熱して真空室内へその蒸気を供給するための蒸発源と、供給された成膜物質と反応せしめる酸素ガスや窒素ガスのような反応ガスを高周波等で励起することによりプラズマ化して真空室内に噴出せしめるように構成されたプラズマ源と、反応ガスと成膜物質との反応により化合物薄膜が形成される基板とを設けた化合物薄膜形成装置が知られている。この装置は、基板表面に向けて成膜物質の蒸気を供給し、基板上で成膜物質と反応ガスのプラズマとを反応させることにより酸化物や窒化物等の薄膜を形成するように構成されている。
【０００３】
上記高周波プラズマ源の一例は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すようなプラズマ容器からなり、金属製のシールド板１で囲った絶縁体からなる放電用容器２の下部に酸素ガスや窒素ガスの反応ガスを導入する導入口３が設けられ、この導入口から放電用容器２内に導入された反応ガスを、放電用容器２の周囲に設けた高周波コイル４で励起してプラズマ化し、生成したプラズマを放電用容器２の蓋５に形成された噴出口６から真空室内の基板に向けて噴出し、基板上で蒸発源から供給された成膜物質と反応させ成膜するように構成されている。噴出口６の口径は０．１ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の小さなものであり、高品質の化合物薄膜を形成するために、真空室内を１０−６Ｔｏｒｒ以下の高真空に保ったまま放電用容器２内の圧力を放電に必要な１０−２〜１０−３Ｔｏｒｒの低真空に維持できるようになっている。
【０００４】
通常、プラズマ中にはイオンが生成し、生成したイオンが成膜物質に照射されると、成膜物質にイオン照射損傷が生じ、その結果、得られた化合物薄膜中に結晶欠陥等の損傷が導入される。そのため、高品質の酸化物膜又は窒化物膜を基板上に成膜するためには、プラズマ中のイオンが成膜物質に照射されないようにすることが不可欠であった。そこで、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、プラズマ容器の先端部分でプラズマ噴出口６の近傍に平行平板型の電極７を２枚設置し、この電極によってプラズマ噴出口の近傍に電場を形成し、噴出されたプラズマ中のイオンを偏向させて、イオンが基板上の成膜物質に照射されるのを防いでいる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のプラズマ源では、プラズマ噴出口から噴出するプラズマの拡がり角が大きいため、平行平板型の電極を設置したとしても、基板上の成膜物質に照射されるイオンを完全になくすというのは困難であった。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、プラズマ中の生成イオンが基板上に供給される成膜物質に照射されないようにして、イオン照射損傷のない成膜物質を得ることができるように構成された高周波プラズマ源、このプラズマ源を備えた化合物薄膜形成装置、及びこの装置を用いる化合物薄膜形成方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の化合物薄膜形成用高周波プラズマ源は、成膜物質と反応する反応ガスのプラズマを生成する高周波プラズマ源であって、蓋付きのプラズマ容器と、前記蓋に形成されたプラズマ噴出口と、前記プラズマ容器から蓋に向かう方向を上とし、前記蓋の下面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するバイアス電極と、前記蓋の上面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するアース電極と、を備え、前記バイアス電極にマイナス電位を与えることによりプラズマ中に生成されたイオンがプラズマ容器内に閉じ込められるように構成されている。このプラズマ源は化合物薄膜形成装置に適用される。バイアス電極は、導電性の物質であれば特に制限はなく、例えば、ドープされたパイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等のような導電性の物質からなるものであれば良い。
【０００７】
本発明の化合物薄膜形成装置は、真空室内に、成膜物質の蒸発源と、この成膜物質と反応する反応ガスのプラズマを生成する高周波プラズマ源とを備え、これら反応ガスと成膜物質との反応により基板上に化合物薄膜を形成する化合物薄膜形成装置であって、前記高周波プラズマ源として、蓋付きのプラズマ容器と、前記蓋に形成されたプラズマ噴出口と、前記プラズマ容器から蓋に向かう方向を上とし、前記蓋の下面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するバイアス電極と、前記蓋の上面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するアース電極と、を備え、前記バイアス電極にマイナス電位を与えることによりプラズマ中に生成されたイオンがプラズマ容器内に閉じ込められるように構成されたプラズマ源を用い、そして、前記基板上に、前記高周波プラズマ源から噴出された反応ガスのプラズマと前記蒸発源から供給された成膜物質との反応によりイオン照射損傷のない化合物薄膜が形成されるように構成されている。
【０００８】
本発明の化合物薄膜形成方法は、上記化合物薄膜形成装置を用いて行われる。すなわち、真空中で、基板上に、蒸発源から供給した成膜物質と高周波プラズマ源から供給した反応ガスのプラズマとの反応により化合物薄膜を形成する方法であって、前記高周波プラズマ源で反応ガスのプラズマを生成する際、蓋付きのプラズマ容器と、前記蓋に形成されたプラズマ噴出口と、前記プラズマ容器から蓋に向かう方向を上とし、前記蓋の下面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するバイアス電極と、前記蓋の上面に接合され、前記プラズマ噴出口に連通するスリットを有するアース電極と、を備える高周波プラズマ源を用い、前記バイアス電極にマイナス電位を与えて生成プラズマ中のイオンを前記プラズマ容器内に閉じ込め、イオンを含まない反応ガスのプラズマを前記高周波プラズマ源から基板の表面に向かって噴出し、この基板上で、該プラズマ源から噴出された反応ガスのプラズマと蒸発源から供給された成膜物質との反応によりイオン照射損傷のない化合物薄膜を形成することからなる。使用され得る成膜物質としては、特に制限されないが、例えば、ＺｎＯ、ＧａＮ等をあげることができ、また、反応ガスとしては、例えば、酸素ガス、窒素ガス等をあげることができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図２に、本発明の高周波プラズマ源の一例であるプラズマ源を示す。図２中の参照符号は、図１の場合と同じ構成要素については同じ符号を用いる。すなわち、本実施例の高周波プラズマ源では、金属製シールド板１、放電用容器２、ガス導入口３、高周波コイル４、放電用容器の蓋５、蓋５に形成されたプラズマ噴出口６を備えた高周波プラズマ源に、さらに、プラズマ噴出口６の近傍、すなわち蓋５の上流側に金属（Ｔａ）製のバイアス電極８及び下流側にアース電極９がそれぞれ蓋に接して設けられている。バイアス電極及びアース電極にはスリットが設けられ、プラズマが通過できるようになっている。
【００１０】
上記高周波プラズマ源に窒素ガスを３ｓｃｃｍ流した状態で２００Ｗで放電させたときの発光スペクトルを分光光度計で測定し、その結果を図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す。図３（Ａ）は、バイアス電極８を電気的に浮かした状態、すなわち、従来の高周波プラズマ源の場合の発光スペクトルを示す。このスペクトルから、生成プラズマ中には、励起Ｎ２分子、Ｎ２イオン、Ｎ原子が生成していることがわかる。これに対し、図３（Ｂ）は、バイアス電極８に−１００Ｖを印加した状態の発光スペクトルを示す。このスペクトルは、図３（Ａ）に示したバイアス電極８を電気的に浮かした状態の場合と全く同じであり、バイアス電極に電位を与えても、生成するプラズマの状態には全く影響しないことがわかる。すなわち、プラズマ容器内に生成したプラズマの状態はマイナス電位を与えても与えなくとも同じであった。
【００１１】
上記した各放電状態において、プラズマ噴出口６から２０ｃｍ離した位置にファラデーカップを置き、噴出されたプラズマ中のイオン電流密度を測定したところ、バイアス電極８を電気的に浮かした状態では５Ｘ１０−８Ａ／ｃｍ２であったのに対し、バイアス電極８に−１００Ｖを印加した状態では電流密度は測定限界（１Ｘ１０−１０Ａ／ｃｍ２）以下であった。また、バイアス電極８に−５００Ｖを印加した場合も結果は同様であった。
【００１２】
さらに、９００℃に加熱したサファイア（０００１）基板上に、上に述べた各条件で放電させて生成した窒素プラズマを照射し、噴出口６から噴出せしめたプラズマ中にイオンが含まれているかどうかを調べた。この結果を図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図４（Ａ）はバイアス電極８を電気的に浮かした状態で放電させ（２００Ｗ、３ｓｃｃｍ）、噴出したプラズマを９００℃に加熱されたサファイア基板上に３０分照射した後の反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを示す。この図から明らかなように、サファイア基板のパターンと共にＡｌＮのパターンも観察された。一般に、窒素イオンを９００℃に加熱されたサファイア基板に照射すると、ＡｌＮが形成されることは良く知られている。このことから、従来の高周波プラズマ源から噴出するプラズマ中にはイオンも含まれていることがわかる。これに対し、図４（Ｂ）に、バイアス電極８に−１００Ｖを印加した状態で放電させ（２００Ｗ、３ｓｃｃｍ）、噴出したプラズマを９００℃に加熱されたサファイア基板に３０分照射した後の反射高速電子回折パターンを示す。この場合、図４（Ａ）と異なり、ＡｌＮのパターンは観察されず、サファイア基板のパターンのみが観察された。このことから、バイアス電極８に−１００Ｖを印加した状態で放電させた場合には、噴出したプラズマ中にイオンは含まれていないことがわかる。また、バイアス電極８に−５００Ｖを印加した場合も結果は同様であった。
【００１３】
上記したように構成されたプラズマ源を設けた公知の化合物薄膜形成装置を用いて、成膜物質としてＧａ、反応ガスとして窒素ガスを供給し、通常の条件でＧａＮ薄膜を形成した。得られた薄膜には結晶欠陥等の損傷は導入されていなかった。
【００１４】
以上説明したように、プラズマ容器内でプラズマ噴出口近傍にバイアス電極を設置し、この電極にマイナス電位を与えることにより、噴出するプラズマ中に含まれるイオンが抑制されるので、イオンが噴出口を通過するのを阻止し得たことが確認できた。印加電圧としては、−１００Ｖ〜−５００Ｖであれば良い。電圧が低くなると電子のエネルギーが大きくなり、試料に損傷を与える可能性があり、また、電圧が高くなるとイオンが照射される可能性がある。−２００Ｖ程度が望ましい電圧である。
また、バイアス電極としてＴａからなる金属板を用いたが、ドープされたパイロリティックボロンナイトライド（ＰＢＮ）等のような導電性物質の場合にも同様な傾向が得られる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の高周波プラズマ源によれば、プラズマ容器内に導体（例えば、金属からなるバイアス電極）を設置し、この導体にマイナス電位を与えることにより、プラズマ中に含まれるイオンをプラズマ容器内に完全に閉じ込めることができるため、従来の偏向板を用いたプラズマ源の場合と異なり、成膜物質に対するイオン照射損傷を完全に抑えることができる。そのため、このプラズマ源を備えた化合物薄膜形成装置を用いれば、結晶欠陥等の損傷がない高品質の化合物薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）従来の高周波プラズマ源の概略の構成を示す側面図。
（Ｂ）図１（Ａ）に示す高周波プラズマ源の上面図。
【図２】（Ａ）本発明の高周波プラズマ源の概略の構成を示す側面図。
（Ｂ）図２（Ａ）に示す高周波プラズマ源の上面図。
【図３】（Ａ）従来の高周波プラズマ源を用いた場合の発光スペクトル図。
（Ｂ）本発明の高周波プラズマ源を用いた場合の発光スペクトル図。
【図４】（Ａ）従来の高周波プラズマ源を用いた場合の基板表面における反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを示す図。
（Ｂ）本発明の高周波プラズマ源を用いた場合の基板表面における反射高速電子回折パターンを示す図。
【符号の説明】
１  シールド板                      ２  放電用容器
３  ガス導入口                      ４  高周波コイル
５  蓋                              ６  プラズマ噴出口
７  平行平板型電極                  ８  バイアス電極
９  アース電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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