(57)【要約】【課題】プラズマセルで得た原子状ガスを高密度に反応系に供給し、前記原子状ガスの活性を利用して高品質の膜体を得る。【解決手段】所定のプラズマセル３１の内部で生成した原子状ガスを、プラズマセル３１の上面の略中央部に設けられた細孔３３から放出する。次いで、プラズマセル３１の細孔３３と連続するように管状部材４０を設け、プラズマセル３１から放出された前記原子状ガスを、管状部材４０を介して集束させた状態で反応系に供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面の略中央部において、内部で生成した原子状ガスを放出するための細孔が設けられたプラズマセルと、
前記プラズマセルの前記細孔と連続するように設けられ、前記プラズマセルから放出された前記原子状ガスを集束させるための、管状部材と、
を具えることを特徴とする、原子状ガスセル。
【請求項２】
前記管状部材は回転対称の管状部材であって、その断面直径が前記プラズマセルから後退するにつれて増大し、前記断面直径の増加率が前記プラズマセルから後退するにつれて減少することを特徴とする、請求項１に記載の原子状ガスセル。
【請求項３】
前記管状部材は互いに連続した複数の円錐状部材からなり、前記複数の円錐状部材における側面の、前記プラズマセルの中心線からの傾斜角度が前記プラズマセルから後退するにつれて減少することを特徴とする、請求項１に記載の原子状ガスセル。
【請求項４】
前記プラズマセルの前記細孔の大きさが１ｍｍ〜５ｍｍであって、前記管状部材の開口部の大きさが５ｍｍ〜２５ｍｍであり、前記管状部材の高さが１５ｍｍ〜４５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の原子状ガスセル。
【請求項５】
前記管状部材はタンタル、窒化ボロン及び窒化アルミニウムの少なくとも一つから構成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の原子状ガスセル。
【請求項６】
前記原子状ガスは原子状窒素ガスであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の原子状ガスセル。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一に記載の原子状ガスセルを具えることを特徴とする、成膜装置。
【請求項８】
前記原子状ガスセルから原子状窒素ガスを供給し、III族窒化物を形成することを特徴とする、請求項７に記載の成膜装置。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか一に記載の原子状ガスセルを具えることを特徴とする、分子線エピタキシー装置。
【請求項１０】
前記原子状ガスセルから原子状窒素ガスを供給し、III族元素窒化物を形成することを特徴とする、請求項９に記載の分子線エピタキシー装置。
【請求項１１】
所定のプラズマセルの内部で生成した原子状ガスを、前記プラズマセルの上面の略中央部に設けられた細孔から放出する工程と、
前記プラズマセルの前記細孔と連続するように管状部材を設け、前記プラズマセルから放出された前記原子状ガスを集束させる工程と、
を具えることを特徴とする、原子状ガスの生成方法。
【請求項１２】
前記管状部材を回転対称の管状部材から構成し、その断面直径を前記プラズマセルから後退するにつれて増大させ、前記断面直径の増加率を前記プラズマセルから後退するにつれて減少させることを特徴とする、請求項１１に記載の原子状ガスの生成方法。
【請求項１３】
前記管状部材を互いに連続した複数の円錐状部材から構成し、前記複数の円錐状部材における側面の、前記プラズマセルの中心線からの傾斜角度を前記プラズマセルから後退するにつれて減少させることを特徴とする、請求項１１に記載の原子状ガスの生成方法。
【請求項１４】
前記プラズマセルの前記細孔の大きさを１ｍｍ〜５ｍｍとし、前記管状部材の開口部の大きさを５ｍｍ〜２５ｍｍとし、前記管状部材の高さを１５ｍｍ〜４５ｍｍとすることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一に記載の原子状ガスの生成方法。
【請求項１５】
前記管状部材はタンタル、窒化ボロン及び窒化アルミニウムの少なくとも一つから構成することを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか一に記載の原子状ガスの生成方法。
【請求項１６】
前記原子状ガスは原子状窒素ガスであることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一に記載の原子状ガスの生成方法。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれか一に記載の方法で生成した原子状ガスを反応雰囲気中に供給し、所定の膜体を形成することを特徴とする、成膜方法。
【請求項１８】
前記原子状ガスは原子状窒素ガスであるとともに、前記反応雰囲気はIII族元素を含み、前記膜体はIII族窒化物から構成することを特徴とする、請求項１７に記載の成膜方法。
【請求項１９】
所定の基板上に、請求項１１〜１６のいずれか一に記載の方法で生成した原子状ガスを供給するとともに、所定の分子線を供給し、所定の膜体を形成することを特徴とする、分子線エピタキシー法。
【請求項２０】
前記原子状ガスは原子状窒素ガスであるとともに、前記分子線はIII族元素を含み、前記膜体はIII族窒化物から構成することを特徴とする、請求項１９に記載の分子線エピタキシー法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子状ガスセル及び原子状ガスの生成方法、並びにこれらを利用した成膜装置及び成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガリウムやアルミニウムなどのIII族元素を含む窒化物膜は、半導体材料として種々の電子デバイスに応用されている。このようなIII族窒化物膜は、一般に、所定のIII族元素原料と窒素ガスとを反応させることによって形成する。従来においては、前記反応をより活性化した状態で実現し、高品質のIII族窒化物膜を得るべく、高周波プラズマセルなどを用いて、前記高周波プラズマセルから高活性な原子状窒素ガスを得、これを前記III族元素原料を含む反応系に供給することなどが試みられていた。
【０００３】
図１は、従来の高周波プラズマセルの一例を示す構成図である。図１に示す高周波プラズマセル１０は、プラズマ発生室１１と、このプラズマ発生室１１内に原料ガスを導入するための導入管１２とを具えている。プラズマ発生室１１には図示しない高周波電源から所定の高周波電力が供給され、導入管１２よりプラズマ発生室１１内に導入された前記原料ガスをプラズマ化して活性化する。これによって、前記原料ガスから活性な原子状ガスが形成される。前記原子状ガスはプラズマ発生室１１の上面に設けられた細孔１３より外部の反応系に供給され、所定の反応工程を経て高品質の膜体が形成されることになる。
【０００４】
前記原料ガスとして窒素ガスを用い、前記反応系がIII族元素原料を含むようにすれば、上記工程により高品質のIII族窒化物膜を得ることができる。
【０００５】
しかしながら、図１に示すプラズマセル１０を用いた場合、細孔１３より放出された前記原子状ガスは方向性を有することなく、図中の矢印で示すようにあらゆる方向に飛散する。この結果、前記反応系に対して所定量の原子状ガスを供給することが困難となっていた。一方、前記反応系に対する前記原子状ガスの供給量を満足しようとすると、前記原子状ガスの供給量自体を全体として増大させる必要が生じ、この結果、飛散して反応に供しない原子状ガスの量も増大してしまっていた。このため、前記原子状ガスを用いた場合においても、前記反応系を含む雰囲気の真空度が劣化して、目的とする膜体に品質を十分に向上させることができないという問題を生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、プラズマセルで得た原子状ガスを高密度に反応系に供給し、前記原子状ガスの活性を利用して高品質の膜体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、
上面の略中央部において、内部で生成した原子状ガスを放出するための細孔が設けられたプラズマセルと、
前記プラズマセルの前記細孔と連続するように設けられ、前記プラズマセルから放出された前記原子状ガスを集束させるための、管状部材と、
を具えることを特徴とする、原子状ガスセルに関する。
【０００８】
また、本発明は、
所定のプラズマセルの内部で生成した原子状ガスを、前記プラズマセルの上面の略中央部に設けられた細孔から放出する工程と、
前記プラズマセルの前記細孔と連続するように管状部材を設け、前記プラズマセルから放出された前記原子状ガスを集束させる工程と、
を具えることを特徴とする、原子状ガスの生成方法に関する。
【０００９】
本発明によれば、従来のプラズマセルに対して、その上面に設けられた細孔と連続するようにして管状部材を設け、前記プラズマセル内で生成した原子状ガスを前記管状部材を介して反応系に供給するようにしている。したがって、前記原子状ガスは前記プラズマセルから放出された後は、前記管状部材の内壁面に沿って方向づけられることになる。このため、前記管状部材の形状及び大きさを適宜に調節することによって、前記原子状ガスを反応系に対して所望する密度の状態で供給することができるようになる。
【００１０】
この結果、前記原子状ガス全体の供給量を増大させることなく、前記反応系に対して所望量の原子状ガスを供給することができるようになる。したがって、前記反応系を含む雰囲気の真空度を劣化させることなく、前記原子状ガスの活性を利用することにより高品質の膜体を簡易に得ることができるようになる。
【００１１】
前記管状部材は回転対称の管状部材から構成することができる。この場合、前記管状部材の断面直径が前記プラズマセルから後退するにつれて増大し、前記断面直径の増加率が前記プラズマセルから後退するにつれて減少するようにする。
【００１２】
また、前記管状部材は互いに連続した複数の円錐状部材から構成することができる。個の場合、前記複数の円錐状部材における側面の、前記プラズマセルの中心線からの傾斜角度が前記プラズマセルから後退するにつれて減少するようにする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマセルで得た原子状ガスを高密度に反応系に供給し、前記原子状ガスの活性を利用して高品質の膜体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図２は、本発明の原子状ガスセルの一例を示す構成図である。図２に示す原子状ガスセル２０は高周波プラズマセル３０を有しており、この高周波プラズマセル３０はプラズマ発生室３１と、このプラズマ発生室３１内に原料ガスを導入するための導入管３２とを具えている。また、プラズマ発生室３１の上面の略中央部には細孔３３が設けられ、この細孔３３と連続するようにして回転対称の管状部材４０が設けられている。
【００１６】
管状部材４０の断面方向における直径（断面直径）は、プラズマセル３０から後退するにつれて増大している。一方、前記断面直径の直径増大率は、プラズマセル３０から後退するにつれて減少している。この結果、管状部材４０は包絡状の断面を有するようになり、管状部材４０の内壁面は包絡面を構成するようになる。
【００１７】
プラズマ発生室３１には図示しない高周波電源から所定の高周波電力が供給され、導入管３２よりプラズマ発生室３１内に導入された前記原料ガスをプラズマ化して活性化する。これによって、前記原料ガスから活性な原子状ガスが形成される。前記原子状ガスはプラズマ発生室３１の上面に設けられた細孔３３より放出され、管状部材４０を介して外部の反応系に供給される。
【００１８】
このとき、管状部材４０が包絡状の内壁面を有するので、前記原子状ガスは管状部材４０内を通る間に、飛散することなく所定方向に集束される。したがって、目的とする前記反応系に対して前記原子状ガスを高密度に供給することができるようになる。この結果、  前記原子状ガス全体の供給量を増大させることなく、前記反応系に対して所望量の原子状ガスを供給することができるようになる。したがって、前記反応系を含む雰囲気の真空度を劣化させることなく、前記原子状ガスの活性を利用することにより高品質の膜体を簡易に得ることができるようになる。
【００１９】
前記原子状ガスは活性であるとともに比較的高温であるため、管状部材４０は前記原子状ガスと化学的に反応しないような材料から構成することが必要である。具体的には、タンタルや窒化ボロンから構成することが好ましい。
【００２０】
また、図２に示す原子状ガスセル２０を実用に供するためには、例えば細孔３３の大きさを１ｍｍ〜５ｍｍにする。また、管状部材４０の開口部の大きさ（直径）Ｄ１を５ｍｍ〜２５ｍｍにする。さらに、管状部材４０の高さＨ１を１５ｍｍ〜４５ｍｍにする。
【００２１】
図２に示す原子状ガスセル２０において、原料ガスとして窒素ガスを用いれば、活性な原子状窒素ガスを供給することができる。したがって、反応系中にIII族元素原料を含ませるようにすれば、前記原子状窒素ガスの供給によって、高品質のIII族窒化物膜を形成することができる。
【００２２】
特に、前記原子状窒素ガスを基板上に供給するとともに、前記III族元素原料としてガリウム及びアルミニウムなどのIII族元素の分子ビームを用い、この分子ビームを前記基板上に前記原子状窒素ガスと同時に供給するようにすれば、分子線エピタキシー法によって、前記基板上に高品質のIII族窒化物膜を形成することができる。
【００２３】
図３は、本発明の原子状ガスセルの他の例を示す構成図である。図３に示す原子状ガスセル５０は、図２に示す原子状ガスセル２０と同様の高周波プラズマセル３０を有しており、プラズマ発生室３１の上面の略中央部に設けられた細孔３３と連続するようにして第１の円錐状部材６１及び第２の円錐状部材６２からなる管状部材６０が設けられている。
【００２４】
第１の円錐状部材６１のプラズマセル３０の中心線からの傾斜角度θ１に対して、第２の円錐状部材６２の前記中心線からの傾斜角度θ２は小さくなっている。すなわち、管状部材６０を構成する複数の円錐状部材の、プラズマセル３０の中心線からの傾斜角度は、プラズマセル３０から後退するにつれて減少している。したがって、管状部材６０は内側に屈曲した矩形状の断面を有し、管状部材６０は内側に屈曲した内壁面を有するようになる。
【００２５】
このように、管状部材６０は内側に屈曲した内壁面を有するので、プラズマ発生室３１内で形成された原子状ガスは管状部材６０内を通る間に、飛散することなく所定方向に集束される。したがって、目的とする前記反応系に対して前記原子状ガスを高密度に供給することができるようになる。この結果、前記原子状ガス全体の供給量を増大させることなく、前記反応系に対して所望量の原子状ガスを供給することができるようになる。したがって、前記反応系を含む雰囲気の真空度を劣化させることなく、前記原子状ガスの活性を利用することにより高品質の膜体を簡易に得ることができるようになる。
【００２６】
図３に示す原子状ガスセル５０を実用に供するためには、例えば細孔３３の大きさを１ｍｍ〜５ｍｍにする。また、管状部材６０の開口部の大きさ（直径）Ｄ２を５ｍｍ〜２５ｍｍにする。さらに、管状部材６０の高さＨ２を１５ｍｍ〜４５ｍｍにする。
【００２７】
なお、管状部材６０も図２に示す原子状ガスセルにおける管状部材４０と同様に、タンタルや窒化ボロン、窒化アルミニウムなどの、前記原子状ガスと化学的に反応しないような材料から構成することが好ましい。
【００２８】
また、図３に示す原子状ガスセル５０においても、原料ガスとして窒素ガスを用いれば、活性な原子状窒素ガスを供給することができる。したがって、反応系中にIII族元素原料を含ませるようにすれば、前記原子状窒素ガスの供給によって、高品質のIII族窒化物膜を形成することができる。
【００２９】
特に、前記原子状窒素ガスを基板上に供給するとともに、前記III族元素原料としてガリウム及びアルミニウムなどのIII族元素の分子ビームを用い、この分子ビームを前記基板上に前記原子状窒素ガスと同時に供給するようにすれば、分子線エピタキシー法によって、前記基板上に高品質のIII族窒化物膜を形成することができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
図２に示す本発明の原子状ガスセル２０を用いて、分子線エピタキシー法により窒化ガリウム膜を形成した。このとき、原子状窒素ガスの１ｓｃｃｍの供給量に対して得た成膜速度は３０ｎｍ／分であった。
【００３１】
一方、図１に示す従来の原子状ガスセル１０を用い、分子線エピタキシー法により窒化ガリウム膜を形成した。このとき、原子状窒素ガスの同一の供給量に対して得た成膜速度は５．５ｎｍ／分であった。すなわち、本発明に従った図２に示す原子状ガスセル２０を用いて原子状窒素ガスを供給し、成膜操作を実施した場合においては、従来の原子状ガスセル１０を用いた場合と比較して、成膜速度が約５倍向上することが確認された。
【００３２】
また、図２に示す原子状ガスセル２０を用いた場合、図１に示す原子状ガスセル１０を用いた場合と同じ成膜速度を達成するために必要な原子状窒素ガスの供給量は１／５以下であることが確認された。
【００３３】
（実施例２）
図３に示す本発明の原子状ガスセル５０を用いて、分子線エピタキシー法により窒化ガリウム膜を形成した。このとき、原子状窒素ガスの２ｓｃｃｍの供給量に対して得た成膜速度は３５ｎｍ／分であった。
【００３４】
一方、図１に示す従来の原子状ガスセル１０を用い、分子線エピタキシー法により窒化ガリウム膜を形成した。このとき、原子状窒素ガスの同一の供給量に対して得た成膜速度は１１ｎｍ／分であった。すなわち、本発明に従った図３に示す原子状ガスセル４０を用いて原子状窒素ガスを供給し、成膜操作を実施した場合においては、従来の原子状ガスセル１０を用いた場合と比較して、成膜速度が約３倍向上することが確認された。
【００３５】
また、図３に示す原子状ガスセル５０を用いた場合、図１に示す原子状ガスセル１０を用いた場合と同じ成膜速度を達成するために必要な原子状窒素ガスの供給量は１／３以下であることが確認された。
【００３６】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、図３に示す原子状ガスセル５０においては、管状部材６０を２つ（第１の円錐状部材６１及び第２の円錐状部材６２）の円錐状部材から構成しているが、円錐状部材の数は複数であれば特に限定されるものではなく、３以上の円錐状部材を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の原子状ガスセル（高周波プラズマセル）の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の原子状ガスセルの一例を示す構成図である。
【図３】本発明の原子状ガスセルの他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、３０  高周波プラズマセル
２０、５０  原子状ガスセル
４０、６０  管状部材
１１、３１  プラズマ発生室
１２、３２  導入管
１３、３３  細孔
６１  第１の円錐状部材
６２  第２の円錐状部材
【図１】
2005187299.tif 000003
【図２】
2005187299.tif 000004
【図３】
2005187299.tif 000005