(57)【要約】【課題】  ターゲットである成膜材料の加熱手段を見直すことで、電子線がターゲットである成膜材料に正確に焦点を合わせることが出来るようにし、それ故成膜材料を効率良く安定して蒸発することが可能で、高純度の半導体膜を形成することを可能とする。【解決手段】  ハイブリッドＥＢセルは、成膜材料１１を収納する坩堝７と、この坩堝７の中の成膜材料１１をその融点以下の温度に加熱するヒータ９と、この坩堝７の中の成膜材料１１に向けて加速した電子を収束して発射する電子銃１とを有する。坩堝７の中に収納された成膜材料１１をヒータ９で融点以下の温度に加熱しながら、電子銃１から前記坩堝７の中の成膜材料１１に向けて加速した電子を収束して発射し、この電子のエネルギにより成膜材料１１を加熱、溶融、蒸発してその蒸気を固体表面に向けて発射する。【選択図】      図１
2005194552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜材料（１１）を蒸発または昇華させて、固体の表面に向けて発射し、固体の表面に成膜材料（１１）を凝着させるためのハイブリッドＥＢセルであって、成膜材料（１１）を収納する坩堝（７）と、この坩堝（７）の中の成膜材料（１１）をその融点以下の温度に加熱するヒータ（９）と、この坩堝（７）の中の成膜材料（１１）に向けて加速した電子を収束して発射する電子銃（１）とを有することを特徴とするハイブリッドＥＢセル。
【請求項２】
坩堝（７）は、高純度のカーボンからなり、このカーボン製の坩堝（７）がカーボン製の支持部材により支持され、且つこの支持部材を介して接地されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドＥＢセル。
【請求項３】
成膜材料（１１）を蒸発または昇華させて、固体の表面に向けて発射し、固体の表面に成膜材料（１１）を凝着させるための成膜材料蒸発方法であって、坩堝（７）の中に収納された成膜材料（１１）をヒータ（９）で融点以下の温度に加熱しながら、電子銃（１）から前記坩堝（７）の中の成膜材料（１１）に向けて加速した電子を収束して発射し、この電子のエネルギにより成膜材料（１１）を加熱、溶融、蒸発してその蒸気を固体表面に向けて発射することを特徴とするハイブリッドＥＢセルを使用した成膜材料蒸発方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空蒸着装置や分子線エピタキシー装置において、基板等の固体の表面に向けて成膜材料の分子を発射させるＥＢセルに関し、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体を蒸発して基板上に成膜するに当たり、高純度の成膜材料を効率良く発射するため、坩堝に収納した成膜材料を加熱する加熱手段が複数あるハイブリッドＥＢセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
真空蒸着装置や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置では、一般に分子線源として抵抗加熱方式のクヌードセンセル（Ｋセル）が用いられており、これにより原料を蒸発または昇華させて発射している。これに対し、Ｓｉ等の半導体やＭｏのような高融点材料には、電子ビームの照射による衝撃により成膜材料を加熱、蒸発させるＥＢガンを使用した電子衝撃型の分子線源セル、いわゆるＥＢセルが使用される。
【０００３】
前記のＥＢガンは、フィラメントで発生させた熱電子をアノードで１０ＫｅＶ程度のエネルギーに加速し、これを電子レンズで収束して電子線として、ターゲットである成膜材料に焦点を合わせて照射する。成膜材料は加速された電子線により衝撃を受けて加熱し、蒸発または昇華して基板等の固体表面に向けて発射される。この場合、ターゲットである成膜材料は、水冷される銅製の坩堝の中に収納された炭素等からなる炉床に収納する。
【０００４】
半導体装置の小型、薄型化の要請に伴い、より高純度の半導体膜の成膜が要請されている。
従来、ＥＢセルでは電子銃から発射された電子が水冷された室温に近い温度の成膜材料の表面に飛来し、成膜材料が電子の有するエネルギーにより衝撃されて加熱溶融され、蒸発または昇華すると考えられていた。
しかし、このような状況下において半導体材料や導体材料を蒸発しようとすると、ターゲットである成膜材料の電流が流れにくく、電子線の焦点が合わなくなるという、いわゆるデフォーカス現象が起こることが分かった。デフォーカス現象が起こると、ターゲットである成膜材料が効率良く蒸発出来ず、成膜速度が極端に低くなるという課題があった。
【非特許文献１】平尾孝、吉田哲久、早川茂共著「薄膜技術の新潮流」工業調査会１９９７年刊
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記従来のＥＢセルにおける課題に鑑み、ターゲットである成膜材料の加熱手段を見直すことで、電子線がターゲットである成膜材料に正確に焦点を合わせることが出来るようにし、それ故成膜材料を効率良く安定して蒸発することが可能で、高純度の半導体膜を形成するのに好適なハイブリッドＥＢセルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、前記の目的を達成するため、ターゲットである成膜材料１１を水冷したり或いは常温中に保持することなく、その融点に近い温度まで加熱した状態で、電子銃１から成膜材料１１に収束した電子線を照射する。これにより、成膜材料１１の電気伝導度を高くし、よって成膜材料１１中に電子がチャージされるのを防止し、電子線のデフォーカス現象が起こるのを防止したものである。
【０００７】
本発明によるハイブリッドＥＢセルの構成をより正確に説明すると、このハイブリッドＥＢセルは、成膜材料１１を収納する坩堝７と、この坩堝７の中の成膜材料１１をその融点以下の温度に加熱するヒータ９と、この坩堝７の中の成膜材料１１に向けて加速した電子を収束して発射する電子銃１とを有する。
【０００８】
電子銃１から坩堝７の中に収納された成膜材料１１に向けて焦点を合わせて収束した電子線を照射したときに、成膜材料１１で焦点が合わなくなるデフォーカスが起こる原因について検討した。その結果、蒸発時における成膜材料１１の電気伝導度が小さいために、電流が流れにくく、成膜材料１１の中に電子がチャージしてしまうことがその最大の原因であることを突き止めた。
【０００９】
シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム等に代表される半導体は、水冷された常温に近い状態では、電気伝導度が小さいために、電流が流れにくい。これに対して例えば図３に示すように、シリコンの融点１６８５Ｋ、ゲルマニウムの融点１１８３Ｋ、ヒ化ガリウムの融点１４６５Ｋでは、真性キャリア密度が約１０19ｃｍ-3となり、電気伝導度が常温下の固体の状態に比べて飛躍的に大きくなる。
【００１０】
そこで本発明では、成膜材料１１を水冷しながら電子線を照射して蒸発するという従来の常識的な手法を排し、ヒータ９で成膜材料１１をその融点に近い温度、具体的には融点直下の温度から融点より４００度程度低い温度に加熱した状態で、電子銃１で成膜材料１１に電子線を収束して照射し、成膜材料１１を加熱、溶融、蒸発させるようにしたものである。これにより成膜材料１１中の電気伝導度を高くして成膜材料１１中の電流の流れを良好にすることで、電子のチャージをなくし、成膜材料１１に電子線の焦点が合うようにしたものである。
【００１１】
さらにこのような観点から、坩堝７は高純度のカーボンとし、これをカーボン製の支持部材により支持し、且つこの支持部材を介して接地する。これにより、高温下においても、成膜材料１１とカーボン製の坩堝７との電気的な接触抵抗を抑制することが出来、電子銃１から電子線を成膜材料１１に安定して照射することが出来るようになる。これにより、成膜速度の変動を抑制することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によるハイブリッドＥＢセルでは、成膜材料１１中の電子のチャージを少なくし、成膜材料１１中の電流の流れを良好にすることで、成膜材料１１に電子線の焦点が合うようにしたので、成膜材料を効率良く安定して蒸発することが可能で、高純度の半導体膜を形成するのに好適なハイブリッドＥＢセルを得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明では、成膜材料１１を水冷しながら電子線を照射して蒸発するという従来の常識的な手法を排し、ヒータ９で成膜材料１１をその融点に近い温度に加熱した状態で、成膜材料１１を電子衝撃により加熱、溶融、蒸発させることで、その目的を達成するものである。
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙げて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例によるハイブリッドＥＢセルを示す概念図である。図示はしていないが、電源系統以外は、減圧された真空チャンバの内部等の真空空間に置かれる。
半導体等の蒸発材料１１を収納した坩堝７は、高純度カーボンからなる容器状のもので、この坩堝７は、その周囲に接触させたカーボン製のバネ１５とこのバネ１５を坩堝７に固定したカーボン製のネジ１６により電気的に接続され、接地されている。坩堝７の周囲にはヒータ９が配置され、また坩堝７の底部には温度測定用の熱電対１０の測温接点が接触している。坩堝７の開口部はシャッタ８により開閉される。
【００１５】
この坩堝７の中の蒸発材料１１に向けて電子銃１が配置されている。この電子銃１の基本的な構成は、加熱電源５により加熱されることにより、熱電子を放出するフィラメント２と、このフィラメント２で放出された熱電子を収束して電子線とするウエネルト３である。フィラメント２とウエネルト３には、バイアス電源６が接続され、これらは１０ＫｅＶ程度の高電圧のバイアス電圧が印加される。さらに、電子銃１の先端側には、電子線を電磁偏向または電場偏向して電子線の蒸発材料１１に対する照射位置を決定するための電子偏向レンズ４が設けられている。図１において、電子銃１の発射口から坩堝７内の蒸発材料１１への電子の照射点までの距離はＤである。
【００１６】
他方、前記坩堝７の開口部に対向してその真上に蒸発材料１１の蒸気を被着させる固体物質としての基板１２が設置されている。また、この坩堝７の開口部に対向して、水晶振動子等により基板に飛来する蒸気の量を計測する膜厚計１３が設置される。図１において、蒸発材料１１への電子の照射点から膜厚計１３までの距離はＴ／Ｘｔａｌである。
【００１７】
このような装置において、フラメント９で坩堝７の中の蒸発材料１１をその融点よりやや低い温度に加熱しながら、前記電子銃１から１０ＫｅＶ程度のエネルギーが与えられた電子線を照射する。例えば代表的な半導体であるシリコンの融点は１６８５Ｋ、ゲルマニウムの融点は１１８３Ｋ、ヒ化ガリウムの融点は１４６５Ｋであるので、蒸発材料１１はそれら融点の直下の温度から融点より４００度程度低い温度の範囲に加熱する。
【００１８】
既に述べた通り、半導体は、水冷された常温に近い状態では、電気伝導度が小さいために、電流が流れにくい。これに対して半導体をその融点近い温度まで加熱すると、真性キャリア密度が増大し、電気伝導度が常温下の固体の状態に比べて飛躍的に大きくなる。
図２は、本発明によるハイブリッドＥＢセルと、従来のＥＢセルとの動作の違いを説明する概念図である。図２（ａ）に示すように、半導体は、水冷された常温に近い状態では、電気伝導度が小さいために、電流が流れにくい。このため、蒸発材料１１の中に負の電荷がチャージされ、デフォーカス状態となる。これに対し、図２（ｂ）に示すように、蒸発材料１１をヒータ９でその融点近い温度まで加熱すると、電気伝導度が大きくなるため、電流の流れがよくなり、負の電荷がチャージされず、フォーカス状態が維持される。
【００１９】
次に、本発明によるハイブリッドＥＢセルを使用したシリコンの蒸着試験の結果を示すが、その時のハイブリッドＥＢセルの動作条件は次の通りであった。
真空度＝０．９〜１．２×１０-6Ｔｏｒｒ
蒸発材料と膜厚計との距離Ｔ／Ｘｔａｌ＝１４０ｍｍ
電子銃発射口と蒸発材料との距離Ｄ＝３２０ｍｍ
高純度カーボン坩堝の容積＝２ｃｃ
坩堝の底面温度＝１２６０℃
フィラメントバイアス電圧＝４．７５ｋＶ
エミッション電流＝４６．５ｍＡ
フィラメント電流＝３０Ａ
この条件での蒸発試験の結果では、電子線のデフォーカス現象が発生せず、連続して安定したシリコンの蒸発が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例によるハイブリッドＥＢセルを示す概念図である。
【図２】本発明によるハイブリッドＥＢセルと、従来のＥＢセルとの動作の違いを説明する概念図である。
【図３】代表的な半導体としてシリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウムの温度と真性キャリア密度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１    電子銃
７    坩堝
９    ヒータ
１１  成膜材料
１２  基板
【図１】
2005194552.tif 000003
【図２】
2005194552.tif 000004
【図３】
2005194552.tif 000005