(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成膜室内のターゲット位置に固定した基板に、第１分子線セルの出口部分に配置した第１シャッターを介して第１原子線（III族金属原子線）を供給するとともに窒素励起セルから窒素活性種フラックスを供給するに際して、上記第１シャッターを周期的に繰り返し開閉し、該第１シャッターの開期間Ｔ1中、上記第１分子線セルから放出される該第１原子線を照射するとともに、上記窒素励起セル内を低輝度（Low Brightness：ＬＢ）励起状態に維持して該窒素励起セルから上記基板に化学活性度の低い窒素活性種フラックスを照射する成膜予備工程と、上記第１シャッターの閉期間Ｔ2における一定期間中、上記第１分子線セルから上記基板への第１原子線の照射を遮断するとともに上記窒素励起セル内を高輝度（High Brightness：ＨＢ）励起状態に維持して上記基板に化学活性度の高い窒素活性種フラックスを供給して該基板に窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜工程とから成る、成膜サイクルを複数回繰り返して窒素化合物のエピタキシャル膜を生成するにあたり、
上記成膜サイクルの各成膜予備工程において、上記窒素励起セルから放射される窒素分子イオンおよび電子を排除しながら化学活性度の低い励起窒素分子のみを上記基板に照射する一方、
上記成膜サイクルの各成膜工程において、上記窒素励起セルの出口部分に配置した第２シャッターの開閉動作を制御するとともに、上記窒素励起セルへの供給電力を目標照射量に応じて電力調整（変調）することにより化学活性度を変化させ、該窒素励起セルから放射される窒素分子イオン及び電子を排除しながら、化学活性度の高い励起窒素原子Ｎ*および基底窒素原子Ｎを上記基板に照射する成膜工程とから成る、成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項２】
上記成膜サイクルを開始するまでに、ＬＢ励起状態とした上記窒素励起セルからターゲット位置に固定した上記基板に、窒素分子イオンおよび電子を排除して励起窒素分子を供給するかまたはＨＢ励起状態とした上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち、窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子および基底窒素原子を低流量をもって上記基板に供給することにより上記基板表面に該基板と同元系の単結晶窒化膜を生成することを特徴とする請求項１に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項３】
上記第１シャッターの開時点ｔ0から該第１シャッターの繰り返し一定開期間Ｔ1に応じて予め定めた時間αだけ短い遅れ時間τ＝（Ｔ1−α）を経過した時点ｔ2で上記窒素励起セル内のＬＢ励起状態をＨＢ励起状態に切替えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項４】
上記第１シャッターが閉じた期間Ｔ2において、上記窒素励起セル内をＨＢ励起状態からＬＢ励起状態に戻した時点ｔ3より該第１シャッターが再び開く時点ｔ0までの期間β中、ＬＢ励起状態の上記窒素励起セルからの励起窒素分子により上記基板上の残留第1分子を除去することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項５】
上記第１シャッターの開期間Ｔ1は上記基板に１分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定め、ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3は上記第１シャッターの開期間Ｔ1中に上記基板に供給された金属原子と反応するに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定めることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項６】
上記第１シャッターの開期間Ｔ1が上記基板に複数分子層の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定められ、ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3が上記第１シャッターの開期間Ｔ1中に上記基板に供給された金属原子と反応するに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定められることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項７】
上記窒素励起セル内に電磁波を照射してＬＢ励起状態を維持することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法。
【請求項８】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成膜室内のターゲット位置に固定した基板に、第１分子線セルの出口部分に配置されて周期的に繰り返し開閉する第１シャッターを介して第１原子線を照射するとともに、上記基板に該窒素励起セルから窒素活性種フラックスを供給して窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する窒素化合物ＭＢＥ成膜装置において、
上記窒素励起セルの放出口部付近に配置され、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子を上記基板に照射する荷電粒子排除手段と、
上記第１シャッターを一定の開期間Ｔ1をもって周期的に繰り返し開閉する第１シャッター駆動手段と、
上記窒素励起セルの出口部分に第２シャッターを配置し、該第２シャッターの開閉を、上記第１シャッターの開閉動作と同期して駆動する該第２シャッター駆動手段と、
成膜対象に応じて少なくとも上記第１シャッターを開閉する周期Ｔ、開期間Ｔ1および高輝度（High Brightness：ＨＢ）励起状態保持期間Ｔ3を予め定めてこれらの設定データ（Ｔ、Ｔ1、Ｔ3）を入力する設定データ入力手段と、
上記第１シャッターおよび第２シャッターの開閉動作に同期して上記窒素励起セルの励起コイルに、電力ＷLBをもって給電することにより低輝度（Low Brightness：ＬＢ）励起状態を確立する一方、上記電力ＷLBよりも大きく、かつ窒素活性種の目標照射量に応じて変化する電力ＷHBをもって給電することによりＨＢ励起状態を確立するように、励起電力を切替え制御する給電制御手段とを備え、
上記窒素励起セルから窒素活性種フラックスの化学活性度を制御しながら上記基板に供給して窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置。
【請求項９】
上記荷電粒子排除手段は電磁荷電粒子偏向回路を含み、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を偏向させて励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子をターゲット位置に固定された上記基板に照射するように構成したことを特徴とする請求項８に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置。
【請求項１０】
上記ＭＢＥ成膜室内に上記窒素励起セルとして複数の窒素励起セルを配置し、上記第１シャッターの開閉動作と同期して上記各第２シャッターの開閉を制御するとともに、上記各窒素励起セルの励起コイルに給電する励起電力を、上記給電制御手段を介して切替え制御することにより、上記各窒素励起セルからターゲット位置に固定した上記基板に放射する窒素活性種の活性度を制御しながら該基板に窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置。
【請求項１１】
上記給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した整合用可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段とを含み、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢ励起状態保持期間Ｔ3中、上記整合用可変リアクタンス回路のリアクタンス値を予め定めた一定値となるように調整して上記励起コイルに上記ＨＢ励起状態を確立するための一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入するように構成したことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置。
【請求項１２】
上記給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した整合用可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段とを含み、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢ励起状態保持期間Ｔ3中、予め定めた一定値となるように上記ＲＦ電源の発振周波数を調整して上記励起コイルに上記ＨＢ励起状態を確立するための一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入するように構成したことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置。
【請求項１３】
上記第１シャッターの周期的開閉動作に従って成膜サイクル動作を逐次制御する制御プログラムを記憶部に格納したコンピュータを用いて構成したことを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれかに記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法及び装置に関し、詳しくは、化学活性度制御式の窒素化合物、代表的に、III族窒素化合物の分子線エピタキシャル成膜方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、青色発光ダイオード等の電子ディバイス用に、例えば、サファイア基板等の基板にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ等のIII族窒素化合物膜を生成するにあたり、比較的低温にて成膜操作が比較的簡単でありかつ膜厚を原子レベルで制御可能であることから、成膜室を、１０-2〜１０-9Ｐａ程度の高真空とする分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）成膜装置を用いて作製されている。
【０００３】
従来、ＭＢＥ成膜装置の成膜室内に保持された基板にIII族金属窒素化合物膜、例えば、ＧａＮ膜をエピタキシャル成長させるにあたり、成膜開始時にＧａ用分子線セル（固体金属Ｇａ源）の出口部分に装着されたシャッターを開として上記基板にＧａ原子線を連続的に照射する一方、高周波（Radio Frequency:ＲＦ）電力を用いるＲＦ窒素励起セルから励起窒素分子線を、該窒素励起セルの出口部分に配置したシャッターを周期的に時間幅変調デュ−ティ（開閉期間比）をもって断続的に開閉しながら上記基板に照射することにより、ＧａＮ膜の成長表面の平坦性を有効に向上させる方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、固体金属分子線セルからの金属（例えば、Ｇａ）原子線と、窒素励起セルからの励起窒素分子線とを、両セルの出口部分にそれぞれ配置したシャッターを交互に開閉し、基板面上でＧａ原子が横方向に拡散又は移動（Migration）する時間を付与しながら、Ｇａ原子線の照射停止後（Ｇａ分子線セル用のシャッターを閉じた後）、窒素励起セル用のシャッターを開いて該窒素励起セルから射出された窒素活性種を上記基板面に吸着したＧａ原子と反応させることにより、ＧａＮ成長面の平坦性を改善する方法が知られている（非特許文献１を参照）。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１及び非特許文献１に記載の方法は、原理的に、窒素励起セルの出口部分に配置した機械的シャッターを断続的に開閉して基板面上に照射されたＧａ原子が分散又は移動する時間的猶予を付与することによりＧａＮ膜の平坦性の向上化を図るものである。このため、金属フラックスと窒素活性種とを同時に基板に照射する通常方式による基板面の成長と比べ、かなり拙速であるばかりか、成長量を精細に制御することが難しく、特に、Ｇａフラックス量と窒素活性種の照射量とを関連付けて制御することが考慮されておらず、励起窒素フラックスの利用効率がいまひとつ良くなかった。
【０００６】
そこで、本発明の発明者等は、従来形式のものにおける窒素励起セルの出口部に配置する機械的シャッターに代え、個体金属分子線セル（第１分子線セル）の出口部分に配置したシャッターの周期的開閉動作と同期して窒素励起セルの励起コイルへのＲＦ電力量投入のタイミングを切替える、すなわち、該窒素励起セルの励起状態をＬＢ励起モードとＨＢ励起モード間で切替え、生成膜の平坦性及び結晶性並びに成膜速度を同時に有効に高め得るようにした励起モード切換式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法及び装置を既に提案している（特願２００６‐２５２８８７号）。
【０００７】
しかしながら、上記構成の本発明の発明者等による方法および装置により、成膜の平坦性及び成膜速度がかなり改善されるものの、通常のＭＢＥ方式における比較的低温かつ超高真空の製造条件下で、たとえば、熱力学的に準安定である立方晶閃亜鉛鉱形の窒素化合物半導体膜を安定して容易にかつ安価に製造することが非常に困難であった。実際上、従来形式のＭＢＥ方式によっては、比較的高温の製造条件下で熱力学的に安定である六方晶ウルツ鉱形の窒素化合物半導体膜が得られるものの、その製造コストも非常に高価であった。特に、成膜速度の向上化を図るにあたり、たとえば、固体金属セルからの金属原子の数量を増大させた場合、多結晶膜となり易く、熱力学的に安定性がありかつ結晶共有性、したがって電気特性が良好である立方晶または六方晶の窒素化合物半導体膜を得難いという問題があった。
【０００８】
本発明の発明者等は、更に鋭意研究した結果、本発明の発明者等の先の出願に係るＭＢＥ成膜方法において、ＨＢ励起状態とされた窒素励起セルからターゲット位置に固定された基板に照射される窒素活性種のうち、窒素分子イオン及び電子は生成される膜の結晶性及び物理的特性に好ましくない影響を与えていると推論するに至った。
【０００９】
そこで、上記推論に基づき、本発明の発明者等は、金属分子線セル（第1分子線セル）の出口部に配置した第1分子線用のシャッター（第1シャッター）を周期的に開閉し、該第1シャッターの開期間中、ＬＢ励起状態とされる窒素励起セルからターゲット位置に保持した基板に向けて放出される窒素分子イオン及び電子を排除して実質的に励起窒素分子のみを上記基板に供給する一方、上記第１シャッターの閉期間中の一定期間、窒素励起セルをＨＢ励起状態に保持して該窒素励起セルから上記基板に放射される窒素活性種の化学活性度を制御しながら基板に熱力学的に準安定または安定である立方晶または六方晶窒素化合物半導体膜を得る方法及び装置を案出するに至った。
【特許文献１】特開平１１−１１１６１７号公報
【非特許文献１】Veeco Application Note March 2000 No.2/00,Veeco Instruments                  Company USA
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来形式の窒素化合物、代表的に、III族窒素化合物の励起モード切換式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法及び装置における問題点を完全に解消して従来方式におけるよりも成膜の平坦性及び成膜速度を有効に高めることができるとともに結晶性が良好である立方晶または六法晶窒素化合物半導体膜を安定して容易にかつ安価に製造することができる活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法及び装置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】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法は、上記成膜サイクルの各成膜予備工程において、上記窒素励起セルから放射される窒素分子イオンおよび電子を排除しながら化学活性度の低い励起窒素分子のみを上記基板に照射する一方、
上記成膜サイクルの各成膜工程において、上記窒素励起セルの出口部分に配置した第２シャッターの開閉動作を制御するとともに、上記窒素励起セルへの供給電力を目標照射量に応じて電力調整（変調）することにより化学活性度を変化させ、該窒素励起セルから放射される窒素分子イオン及び電子を排除しながら、化学活性度の高い励起窒素原子Ｎ*および基底窒素原子Ｎを上記基板に照射する成膜工程とから成る、成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法は、上記成膜サイクルを開始するまでに、ＬＢ励起状態とした上記窒素励起セルからターゲット位置に固定した上記基板に、窒素分子イオンおよび電子を排除して励起窒素分子を供給するかまたはＨＢ励起状態とした上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち、窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子および基底窒素原子を低流量をもって上記基板に供給することにより上記基板表面に該基板と同元系の単結晶窒化膜を生成することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法は、上記第１シャッターの開時点ｔ0から該第１シャッターの繰り返し一定開期間Ｔ1に応じて予め定めた時間αだけ短い遅れ時間τ＝（Ｔ1−α）を経過した時点ｔ2で上記窒素励起セル内のＬＢ励起状態をＨＢ励起状態に切替えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法は、上記第１シャッターが閉じた期間Ｔ2において、上記窒素励起セル内をＨＢ励起状態からＬＢ励起状態に戻した時点ｔ3より該第１シャッターが再び開く時点ｔ0までの期間β中、ＬＢ励起状態の上記窒素励起セルからの励起窒素分子により上記基板上の残留第1分子を除去することを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法では、上記第１シャッターの開期間Ｔ1は上記基板に１分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定め、ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3は上記第１シャッターの開期間Ｔ1中に上記基板に供給された金属原子と反応するに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定めることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法は、上記第１シャッターの開期間Ｔ1は上記基板に複数分子層の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定められ、ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3が上記第１シャッターの開期間Ｔ1中に上記基板に供給された金属原子と反応するに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定められることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法は、上記窒素励起セル内に電磁波を照射してＬＢ励起状態を維持することを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置は、
上記窒素励起セルの放出口部付近に配置され、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子を上記基板に照射する荷電粒子排除手段と、
上記第１シャッターを一定の開期間Ｔ1をもって周期的に繰り返し開閉する第１シャッター駆動手段と、
上記窒素励起セルの出口部分に第２シャッターを配置し、該第２シャッターの開閉を、上記第１シャッターの開閉動作と同期して駆動する第２シャッター駆動手段と、
成膜対象に応じて少なくとも上記第１シャッターを開閉する周期Ｔ、開期間Ｔ1および高輝度（High Brightness：ＨＢ）励起状態保持期間Ｔ3を予め定めてこれらの設定データ（Ｔ、Ｔ1、Ｔ3）を入力する設定データ入力手段と、
上記第１シャッターおよび第２シャッターの開閉動作に同期して上記窒素励起セルの励起コイルに、電力ＷLBをもって給電することにより低輝度（Low Brightness：ＬＢ）励起状態を確立する一方、上記電力ＷLBよりも大きく、かつ、窒素活性種の目標照射量に応じて変化する電力ＷHBをもって給電することによりＨＢ励起状態を確立するように、励起電力を切替え制御する給電制御手段とを備え、
上記窒素励起セルから窒素活性種フラックスの化学活性度を制御しながら上記基板に供給して窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項９に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置における荷電粒子排除手段は電磁荷電粒子偏向回路を含み、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を偏向させて励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子をターゲット位置に固定された上記基板に照射するように構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項１０に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置は、上記ＭＢＥ成膜室内に上記窒素励起セルとして複数の窒素励起セルを配置し、上記第１シャッターの開閉動作と同期して上記各第２シャッターの開閉を制御するとともに、上記各窒素励起セルの励起コイルに給電する励起電力を、上記給電制御手段を介して切替え制御することにより、上記各窒素励起セルからターゲット位置に固定した上記基板に放射する窒素活性種の活性度を制御しながら該基板に窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項１１に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置の給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した整合用可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段とを含み、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢ励起状態保持期間Ｔ3中、上記整合用可変リアクタンス回路のリアクタンス値を予め定めた一定値となるように調整して上記励起コイルに上記ＨＢ励起状態を確立するための一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入するように構成したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項１２に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置の給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した整合用可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段とを含み、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢ励起状態保持期間Ｔ3中、予め定めた一定値となるように上記ＲＦ電源の発振周波数を調整して上記励起コイルに上記ＨＢ励起状態を確立するための電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入するように構成したことを特徴とする。
【００２３】
本発明の請求項１３に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置は、上記第１シャッターの周期的開閉動作に従って成膜サイクル動作を逐次制御する制御プログラムを記憶部に格納したコンピュータを用いて構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の請求項１に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、第1分子線セルから第１シャッターを介して基板への第1（III族）分子線の照射量を制御するとともに、第1シャッターの閉期間Ｔ2中、ＬＢ励起状態からＨＢ励起状態に切替えられた窒素励起セルから上記基板に向けて照射される窒素活性種のうち、生成膜の窒素化合物の化学（共有）結合に直接的に関与する励起窒素原子および基底窒素原子の照射量を制御しながら上記基板に付与されたIII族分子と共有結合させるようにしたから、従来のＭＢＥ成膜方法によるよりも当該窒素化合物膜の平坦性及び成膜速度を有効に高めるとともに成膜予備工程における励起窒素分子の保有エネルギーを有効に利用し、基板温度を比較的低温に抑えたままでエピタキシャル（層）膜の低温成膜を可能とし、熱力学的に安定性が高く、結晶性の良好な電気的特性の安定した立方晶または六方晶窒素化合物膜を容易にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。
【００２５】
本発明の請求項２に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、窒素励セル２１の出口部に配置した第２シャッター３２の開口部またはその周辺部の間隙もしくは開き具合を調整してそこから漏出する解離窒素原子の数量を制御することにより、基板表面の同元系の窒化を緩慢に生起させることにより、初期成長に有効なバッファ層を迅速にかつ安価に生成することができるという優れた作用効果を奏する。
【００２６】
本発明の請求項３に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、窒素励起セルのＬＢ励起モードからＨＢ励起モードへの切替え応答遅れ時間（むだ時間）に相当する時間αだけ基板面上の金属原子と反応する窒素励起セルからの窒素活性種の照射開始を繰り上げ、１成膜サイクル期間Ｔあたり成膜所要時間をα時間短縮して成膜速度を有効に高め得るという優れた作用効果を奏する。
【００２７】
本発明の請求項４に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に窒素励起セルから供給される所定量の窒素活性種と反応しなかった基板上の余剰の金属原子をβ期間中に除去するようにしたから、成長面における窒素原子の欠損箇所の発生を抑制して平坦性及び結晶性を有効に高めかつ基板５上に残存する高温Ｇａ原子を除去することにより、基板温度を低温に保持し、エピタキシャル膜の低温成膜を確保し得るという優れた作用効果を奏する。
【００２８】
本発明の請求項５に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、第1分子線セルから基板面に１原子層の生成に必要な金属原子フラックスを照射するとともに窒素励起セルから該基板面における金属原子と過不足なく反応する量の励起窒素原子および基底窒素原子を照射するようにしたから、成長面における窒素原子の欠損箇所の少ない平坦性及び結晶性の良好な窒素化合物膜を成長させ得るという優れた作用効果を奏する。
【００２９】
本発明の請求項６に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、第1分子線セルから基板面に複数原子層の生成に必要な金属原子フラックスを照射するとともに窒素励起セルから該基板面における金属原子と過不足なく反応する量の励起窒素原子および基底窒素原子を照射するようにしたから、比較的速い成長速度をもって平坦性の良好かつ結晶性が非常に高い窒素化合物膜を得られるという優れた作用効果を奏する。
【００３０】
本発明の請求項７に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法によれば、窒素励起セルの全ＬＢ励起モード期間において該窒素励起セルの放電空間に電磁波エネルギーを補給して該放電空間内の解離窒素分子の分布に実質的な影響を及ぼすことなくＬＢ励起状態を維持するようにしたから全成膜期間に渡って安定して基板面に成長させ得るという優れた作用効果を奏する。
【００３１】
本発明の請求項８に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置によれば、第1シャッターの開閉動作、荷電粒子排除手段の窒素分子イオンおよび電子の排除動作ならびに給電制御手段の窒素励起コイルへの給電動作を逐次制御することにより、第1分子線セルから第１シャッターを介して基板への第1（III族）分子線の照射量を制御するとともに、窒素励起セルから上記基板に向けて照射される窒素活性種のうち、生成膜の窒素化合物の化学（共有）結合に実質的に関与する励起窒素原子および基底窒素原子の照射量を制御しながら上記基板に付与された第1分子（III族分子）と共有結合させるようにしたから、従来形式のＭＢＥ成膜装置によるよりも当該窒素化合物膜の平坦性及び成膜速度を有効に高めるとともに、ＬＢ励起状態の窒素励起セルから上記基板に照射される励起窒素分子の保有エネルギーを有効に利用し、基板温度を比較的低温に抑えたままでエピタキシャル（層）膜の低温成膜を可能とし、熱力学的に安定性が高く、共有性の良好な電気的特性の安定した立方晶または六方晶窒素化合物膜を容易にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。
【００３２】
本発明の請求項９に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置によれば、窒素励起セルからターゲット位置に固定された基板に至る窒素活性種の照射経路領域に配置された電磁荷電粒子偏向回路により、第１シャッターの閉期間においてＨＢ励起状態とされる窒素励起セルから上記基板に向けて放射される窒素活性種のうち、窒素分子イオンおよび電子を偏向させて基板上の第1分子（III族分子）との共有結合に実質的に関与する励起窒素原子及び基底窒素原子を上記基板に照射するようにしたから、熱力学的に安定性が高く、共有性の良好な電気的特性の安定した立方晶または六方晶窒素化合物膜を容易にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。
【００３３】
本発明の請求項１０に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置によれば、複数の、好ましくは、２つの窒素励起セルの出口部分にそれぞれ配置された第２シャッターの開閉動作を個別に制御することにより、各窒素励起セルから第２シャッターを介して基板への窒素励起原子及び基底窒素原子の供給態様を種々に変えることができ、化学活性度をより精密に制御することができ、立方晶または六方晶窒素化合物半導体膜をより確実にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。
【００３４】
本発明の請求項１１に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置によれば、ＲＦ電源と窒素励起セルの励起コイル間に挿入された可変リアクタンス回路のリアクタンス値を、該窒素励起セル内のＬＢ励起モードとＨＢ励起モード間の切替えに伴うインピーダンス変化に追従して変化させることにより、上記励起コイルに所定のＲＦ電力を投入するようにして窒素励起セルを所望の窒素励起状態（ＬＢまたはＨＢ励起状態）に迅速に切替え得るという優れた作用効果を奏する。
【００３５】
本発明の請求項１２に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置によれば、ＲＦ電源の発振周波数を変化させることにより迅速かつ容易に可変インピーダンス回路のインピーダンス整合を行って瞬時的にＬＢおよびＨＢ励起モード間の切替えを行い得るという優れた作用効果を奏する。
【００３６】
本発明の請求項１３に記載の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置によれば、第1シャッターの周期的開閉動作に基づき構成される制御プログラムに従って全自動的に上記請求項１に記載の成膜サイクルを実行することにより第1分子線（III族分子線）ならびに励起窒素分子フラックスおよび窒素活性種フラックスを効率的に利用して基板温度を比較的低く抑えて低温成膜が可能となり、平坦性（均一成長）及び熱力学的に安定した、たとえば、立方晶または六方晶窒素化合物半導体膜を安価に量産し得るという優れた作用効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
本発明の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置１は、図１に示されるように、一般にＭＢＥ（分子線エピタキシー）成膜に用いられる、たとえば、V.G.Semicon（英国）社製ＶＧ８０ＨＭＢＥ装置に、窒素励起セル２１と給電制御回路５１（整合用可変リアクタンス回路５２及び自動リアクタンス調整回路５４）とＲＦ電源５３とを１セットとして市販されている、アリオス株式会社（日本国東京）製ＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源（装置）を組み込んで構成される。上記ＭＢＥ成膜装置１は、本発明の成膜装置の基本的構成概念を示す図２とともに詳細に説明する。なお、図２において、図１のＭＢＥ成膜装置の構成部分と等価の部分には同一の数字符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３８】
図１において、ＭＢＥ成膜室２内のターゲット位置に配置された基板ホルダー３に、図示しない固定具により着脱可能に基板５を固定するとともにヒータ４を介して該基板５を所定温度、例えば、６００℃に加熱し、上記基板５の表面にIII族窒素化合物、例えば、代表的に、Ｇａ窒化物半導体（ＧａＮ）膜が成長させられる。基板ホルダー３に装着された操作棒を介してマニピュレータ７が装着される。マニピュレータ７により成膜室２の外部から基板ホルダー３に基板５を固定する操作とか、基板ホルダー３に固定された基板５を回転する操作が可能とされる。８は真空機構部で、例えば、ターボ分子ポンプを用いて成膜室２が１０-5〜１０-9Ｐａの超真空とされる。
【００３９】
基板ホルダー３の下方で成膜室２の底部に、複数の、例えば、４つの固体金属分子線セル１１ａ〜１１ｄが配置される。これらの固体金属分子線セル１１（代表的にそれらのうちの１つを、添字ａ〜ｄを省略して示す）は、例えば、ＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）製坩堝１４を用いて構成される。坩堝１４に装入されたIII族固体金属材料、代表的に、Ｇａが溶融ヒータ１５により溶融蒸発され、各セル１１の出口部分にそれぞれ装着された金属分子線セル用のシャッター（以降、これを第１シャッターという）１２を開き、金属分子線セル１１からターゲット位置に固定された基板５の表面にＧａ原子線が照射される。各第１シャッター１２は、それぞれ、図示しない開閉駆動機構部のシャッター駆動回路４６（図２参照）により開閉駆動される。第１シャッター１１が開閉駆動機構部により開とされると、該第１シャッター１２に対応する固体金属分子線セル（以降、この金属分子線セルを第１分子線セルという）１１から溶融蒸発した金属原子線（Ｇａ原子線）が基板５に照射される。これらの固体金属分子線セル１１ａ〜１１ｄと一緒に、ガスソース、例えば、炭素化合物バッファ層又は膜を生成するためのアセチレンガスを分解して炭素分子線を生成する、いわゆる、ガス分子線セル１７が装着される。このガス分子線セル１７には、ガス供給管１９を介して、例えば、アセチレンガスとか、有機金属ガス(ＭＯガス)等が供給される。なお、固体金属分子線セル１１ａ〜１１ｄに、基板５の表面に成膜しようとする金属材料、例えば、Ｇａ以外のＡｌ、Ｉｎ又はＴｌ等の固体金属材料とか、成膜された金属窒素化合物半導体にドープされる不純物材料を装入して使用することができる。
【００４０】
上記固体金属分子線セル１１ａ〜１１ｄ及びガス分子線セル１７と一緒に、窒素励起セル２１が配置される。窒素励起セル２１は、窒素ガスボンベ２６から質量流量制御器２７及びガス圧力計２８を接続した窒素ガス供給管２９から供給される窒素ガスＮ２を高周波電力により励起（放電）し、励起窒素分子、自由電子、励起窒素原子、基底窒素原子が混在する、いわゆる、窒素活性種を生成するものである。窒素励起セル２１の励起室２２を形成する筒体の外周に、同軸状に水冷パイプを兼用する励起コイル２４が巻装される。この励起コイル２４には、詳細に後述するように、ＲＦ電源４３からＲＦ電力を投入することにより励起室２２内の窒素ガスを励起し、いわゆる、誘導結合プラズマＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）方式にて窒素活性種を生成し、該窒素励起セル２１の出口部に設けられたオリフィス２５から窒素活性種を射出する。窒素励起セル２１の後端部に形成した観察窓には、光ファイバーケーブルを介して、励起室２２内の励起（放電）時の分光スペクトルを計測する、例えば、浜松ホトニクス社製のＰＭＡ−１１分光器を用いた分光スペクトル測定器３０が装着される。
【００４１】
上記窒素励起セル２１の出口部分の付近に荷電粒子排除器３４が配置される。荷電粒子排除器３４は、該窒素励起セル２１から放出される荷電粒子、すなわち、ＬＢ励起状態（放電モード）時に放出される中性の励起窒素分子以外の窒素分子イオン及び電子、ならびに、ＨＢ励起状態（放電モード）時に放出される中性の励起窒素原子、基底窒素原子、励起窒素分子以外の窒素分子イオン及び電子を電磁的にターゲット位置に固定された基板５に至る軌道から逸脱する又は軌道を偏向するように作用するものである。
【００４２】
荷電粒子排除器３４は、一対の半割円筒状電極体３６と、直流電源（図示を省略）と、磁界発生用コイルを含む磁界発生器（図示を省略）とにより構成される。一対の半割円筒状電極体３６は、窒素励起セル２１の先端部に固定されたリング状のセラミック絶縁体３５に互いに対向しかつ起立状に装着される。両半割円筒状電極体３６、３６は、それぞれ、直流電源により正電位、負電位に設定され、両半割円筒状電極体３６、３６間の電圧に応じた強さの電界が形成される。両半割円筒状電極体３６、３６の先端部に上記磁界発生器が装着され、該磁界発生器の励磁コイルの軸方向に発生する磁界と両半割円筒状電極体３６、３６の空間部に形成される電界とが交差（略直交）するように取り付けられる。
【００４３】
上記荷電粒子排除器３４の各半割円筒状電極体３５に印加する電圧は、ＭＢＥ成膜室２内の真空圧、窒素励起セル２１の操作条件（励起電流）等に応じて調整または制御され、窒素励起セル２１から基板５に向けて放射される窒素分子イオン（＋）及び電子（−）は、それぞれ、上記電界および磁界中で作用する電磁力によって逆電位（極性）の半割円筒状電極体３５に吸引または吸着するもしくは偏向され、これによりターゲット位置に向かう軌道から逸脱し、荷電粒子フラックスから排除される。なお、本実施例のＭＢＥ成膜装置１においては、荷電粒子排除器３４の電極体は、一対の半割円筒状電極体３５を用いて構成されたが、複数の対向電極対を用いて構成することもできる。また、荷電粒子排除器３４は、磁界発生器を省略して少なくとも一対の対向電極体により構成したものであってもよい。
【００４４】
上記窒素励起セル２１から基板ホルダー３に固定された基板５に照射される窒素活性種（励起窒素ビームフラックス）の分子数量は、例えば、基板ホルダー３と接続した固定部材に装着した窒素ビームフラックス検出器４４により検出される。
【００４５】
ＭＢＥ成膜室２内のターゲット位置に固定された基板５の表面に、成膜室２の外壁の一側部（図１の左側部）に配置したＲＨＥＥＤ（Reflection High-energy Electron Diffraction）電子銃４１から浅い角度（１〜２°）で入射された反射高速電子ビームが基板５の表面で反射回折して他側部（図１の右側部）に配置されたＲＨＥＥＤスクリーン４２に投影され、該ＲＨＥＥＤスクリーン４２の影像に基づき基板５の成長表面の結晶状態が観察される。例えば、ＲＨＥＥＤ反射ビーム強度の振動を公知の方法で分析することにより、結晶成長機構を解明可能とされる。また、ＭＢＥ成膜室２の外壁部に四重極質量分析器４３が配置され、該成膜室２内の残留ガスの種類及びその量を計測可能とされる。
【００４６】
次に、本発明の活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜方法を、たとえば、ＧａＮ半導体膜を成膜させる場合について、図３に示すタイムシーケンスにしたがって説明する。
上記タイムシーケンスに順じた成膜サイクルは、詳細に後述するように、図２に示される本発明のＭＢＥ成膜装置１の成膜制御装置４５（図２に示す）を用いて実行される。
【００４７】
まず、上記成膜サイクルの実行開始前、すなわち、時点ｔ0より前に、窒素励起セル２１を起動し、該窒素励起セル２１から成膜対象の基板５に活性度の比較的低い励起窒素分子線を照射するかまたは活性度の比較的高い解離窒素原子線を照射して基板５、たとえば、Ｓｉ基板の表面に窒化膜、単結晶β-Ｓｉ3Ｎ4膜を生成する。
【００４８】
窒素励起セル２１をＬＢ励起状態に設定する場合には、詳細に後述するように、窒素励起セル２１の出口部に装着した励起セル用の第２シャッター３２を開として、成膜対象の基板の材質および径寸法に見合せて、たとえば、３インチ（７．６２ｃｍ）のＳｉ基板（Ｓｉウェハ）に対し、約２０分間をかけて窒化膜（バッファ層）を生成する。一方、窒素励起セル２１をＨＢ励起状態に設定する場合には、上記第２シャッター３２を閉じて、該第２シャッター３２の隙間から漏出する解離窒素原子線を利用して約２０秒程で窒化膜を生成することができる。このようにして、第２シャッター３２を有効に利用することにより、初期成長に有効なバッファ層を迅速にかつ安価に生成することができる。
【００４９】
第１分子線セル１１の坩堝１４にＧａ塊体を装入してヒータ１５により加熱溶融され、Ｇａ蒸気が生成される。上記窒素励起セル２１の励起コイル２４に、詳細に後述するように、ＲＦ電源５３から比較的小さいＲＦ電力が投入され、励起室２２は、上記基板５に照射されたＧａ原子とは反応しない励起分子線が生起する低輝度励起状態（ＬＢ励起状態）に保持される。
【００５０】
上記窒素励起セル２１のＬＢ励起状態は、窒素励起セル２１の励起コイル２４に、比較的小さい電力ＷLBもって給電することにより、図４（ａ）に示されるように、励起室２２内に生起する専ら電界Ｅに基づき確立され、図４（ｂ）に示されるように、上記窒素励起セル２１のオリフィス２５は、比較的暗い状態とされる。ＬＢ励起状態とされる窒素励起セル２１から放出される励起窒素分子線のスペクトル（放電スペクトル）を、浜松ホトニクス株式会社製ＰＭＡ−１１分光器を用いて計測したところ、図４（ｃ）に示されるように、励起窒素分子のみのスペクトルが観測された。また、比較的大きな第１正帯及び第２正帯が観測された。
【００５１】
上記固体金属分子線セル１１の出口部分に配置した第１シャッター１２は、予め定めた一定の周期Ｔ及び開期間Ｔ1（Ｔ1<周期Ｔ）をもって周期的に繰り返し開閉される。周期Ｔは、事前に採取した実験データに基づき、上記基板５のＡｌＮバッファ層上にエピタキシャル成長させるＧａＮの膜厚が１分子層(monolayer）以下となるように定められる。
【００５２】
第１シャッター１２が開いた時点ｔ0から閉じる時点ｔ1までの期間Ｔ1中、第１分子線セル１１から射出される金属原子線、即ち、Ｇａフラックスを基板５に照射するとともにＬＢ励起状態の窒素励起セル２１から放射される励起窒素分子線を基板５に照射する成膜予備工程が実行される。
【００５３】
上記成膜予備工程において、ＬＢ励起状態とされる窒素励起セル２１から放射される窒素活性種のうち、プラス（＋）の荷電粒子である窒素分子イオンと、マイナス（−）の荷電粒子である電子は、該窒素励起セル２１の出口部分に配置された荷電粒子排除器３４により有効に排除され、比較的低い励起電力ＷLBに応じたエネルギーを保有する励起窒素分子線が基板５に照射される。
【００５４】
成膜予備工程において、基板５の表面に吸着されたＧａ用分子線セル（第１分子線セル）１１からの１分子層分のＧａ原子が拡散又は移動すると同時に、窒素励起セル２１から照射される励起窒素分子からＧａ原子にエネルギーが付与または転送され、基板５上のＧａ原子の拡散又は移動を有効に促進する。また、窒素励起分子からエネルギーを付与されたＧａ原子の活性度が高まり、基板温度の上昇を抑え、次のＨＢ励起状態に切り替えられた窒素励起セル２１から放射される窒素活性種による成膜工程においてＧａＮ膜を低温成膜させることができる。
【００５５】
次に、第１シャッターの開時点ｔ0から予め定めた時間τが経過した又は遅れた時点ｔ2で、詳細に後述するように、窒素励起セル２１の励起コイル２４にＲＦ電源５３から比較的大きい一定のＲＦ電力を投入することによりＬＢ励起状態からＨＢ励起状態に切替え、該励起状態切変え時点ｔ2から予め定めた期間Ｔ3中、ＨＢモードを持続し、該窒素励起セル２１内にＨＢ励起状態で生成される励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子（これらを窒素活性種という）を一定の分子数量をもって上記基板５に照射し、該基板５に分散して吸着したＧａ原子と略過不足なく反応して金属窒素化合物ＧａＮのエピタキシャル膜の生成が開始される。上記時間τは、本明細書において遅れ時間と称する。
【００５６】
上記窒素励起セル２１のＨＢ励起状態は、窒素励起セル２１の励起コイル２４に、比較的大きい電力ＷHBもって給電することにより、図５（ａ）に示されるように、励起室２２内に生起する電界Ｅおよび磁界Ｈに基づき確立され、図５（ｂ）に示されるように、上記窒素励起セル２１のオリフィス２５は、非常に明るい状態とされる。ＨＢ励起状態とされる窒素励起セル２１から放出される励起窒素分子線のスペクトル（放電スペクトル）を、上記ＰＭＡ−１１分光器を用いて計測したところ、図５（ｃ）に示されるように、窒素原子の原子スペクトル７４７ｎｍ、励起窒素原子の原子スペクトル８２２ｎｍ、８６８ｎｍ、９４０ｎｍ等が観測された。また、比較的弱小な第１正帯及び第２正帯が観測された。
【００５７】
上記遅れ時間τは、第１シャッター１２の開期間Ｔ1と励起コイル２４へのＲＦ給電切替え条件に応じて予め定めた時間α（α≧０）とをもってτ＝Ｔ1±αと表示される。遅れ時間τ＝Ｔ1−αとは、時点ｔ0から第１シャッター１２の開期間Ｔ1が満了する時点ｔ1より時間αだけ前の時点までの期間に相当する時間であり、遅れ時間τ＝Ｔ1＋αとは、時点ｔ0から第１シャッター１２の開期間Ｔ1が満了した時点ｔ1より時間αだけ後の時点までの期間に相当する時間である。また、上記ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3は、第１シャッター１２の開期間Ｔ1中に基板５に供給されたＧａ原子と結合反応するのに必要な窒素活性種の分子数量に応じて予め定められる。
【００５８】
次に、上記ＨＢモード持続期間Ｔ3が満了した時点ｔ3で再び窒素励起セル２１の励起状態がＬＢ励起状態に戻され、該時点ｔ3から上記第１シャッター１２が再び開とされる時点ｔ0までの期間β中に、基板５の表面とか成膜室２の内部に残留するＧａ原子、即ち、１分子層の形成にあたり余剰のＧａ原子が、公知のクリーニング手段により除去される。このようにして、基板５上に残存する高温Ｇａ原子を除去することにより、基板温度を低温に保持し、励起状態切替え時点ｔ2から再び第１シャッター１２が開とされる時点ｔ0までの期間（成膜工程ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3＋期間β）、エピタキシャル膜の低温成膜を確保しながら成膜工程が実行される。
【００５９】
上記第１シャッター１２の開閉動作の１周期Ｔ中の成膜予備工程と成膜工程とから成る成膜サイクルは、上記基板５に成膜させるＧａＮ半導体膜の膜厚に応じて複数回繰り返される。
【００６０】
上記第１シャッター１２の開期間Ｔ1は、上述したように、１分子層以下の金属原子数量に限らず、複数分子層分の金属原子数量に応じた期間長さとして成膜速度を高めるようにしてもよい。特に、所定厚さの金属窒素化合物膜を成膜させる初期には、複数分子層分の金属原子を供給して比較的速い速度で成膜させ、終盤の仕上げ時期では、１分子層分の金属原子数量に応じた期間Ｔ1をもって成膜予備工程を実行することにより、当該成膜操作全体の生成速度を有効に高めることができるとともに膜表面の平坦性及び結晶性を良好なものとすることができる。
【００６１】
上記成膜制御装置４５は、例えば、パーソナルコンピュータＰＣを用いて構成され、該コンピュータＰＣのメモリー（図示を省略する）に、図３に示されるタイムシーケンスにしたがって上述した成膜サイクルを実行する成膜制御プログラムが格納される。
【００６２】
上記成膜制御装置４５の制御盤（コントロールパネル）は、図４に示されるように、コンピュータＰＣ用の液晶モニタ画面に可視表示される画像コントロールパネルが使用される。
【００６３】
上記画像コントロールパネルにおいて、６１は、成膜制御装置４５の制御開始指令用のスタートボタン、６２は、操作モード設定スイッチ、６３は、運転モード設定スイッチ、６４は、パルス（図２参照）周期切替えスイッチ、６５は、詳細に後述する給電制御回路５１における入力電流モニタ、６６は、窒素励起セル２１の励起コイル２４への投入設定ＲＦ電力に対応する出力電圧モニタ、６７は、ＨＢモード設定ＲＦ電力Ｗに対応する電流目標値を設定する目標電流設定ダイヤル、６８は、投入設定ＲＦ電力の上限値設定ダイヤル、６９は、投入設定ＲＦ電力の下限値設定ダイヤル、７０は、ＬＢ励起状態保持電力設定ダイヤルである。
【００６４】
ユーザ（成膜制御装置４５の使用者）が成膜作業対象に応じて予め設定する各種設定データ入力スイッチを備え、７１は、第１シャッター１２の周期的開閉動作の１周期Ｔ（sec）設定ボタン、７２は、第１シャッター１２の開期間Ｔ1（sec）設定ボタン、７３は、時間α（sec）設定ボタン、７４は、ＨＢモード持続期間Ｔ3（sec）設定ボタン、７５は、時間β（sec）設定ボタンである。なお、遅延時間τ＝Ｔ1±αは、後述するタイマー回路からタイミング信号ｔ2が出力される際、成膜制御装置４５の図示しない演算論理部（ＡＬＵ）にて設定ボタン７２で設定されたＴ1値及び設定ボタン６３で設定されたα値に基づいて演算される。その他、７６は、リアクタンス調整回路５４の動作モード切替えスイッチ、７８は、マニュアル操作モード時の投入設定ＲＦ電力に対応する出力電圧設定ダイヤルである。
【００６５】
上記成膜制御装置４５のメモリー領域を利用してタイマー回路（図示しない）が形成され、上記コントロールパネルに配置されたデータ入力設定スイッチ７１〜７５と協働して該タイマー回路から第１シャッター１２の開時点ｔ0を示すタイミング信号、該時点ｔ0から遅れ時間τが経過して窒素励起セル２１をＬＢ励起状態からＨＢ励起状態に切替える時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3が経過した時点ｔ3を示すタイミング信号が出力される。
【００６６】
ＲＦ電源５３と窒素励起セル２１の励起コイル２４とを接続する高周波給電線路に給電制御回路５１が接続される。給電制御回路５１は、窒素励起セル２１における、例えば、それ自体公知の誘導結合型窒素ガス励起（放電）回路を構成する励起コイル２４と上記ＲＦ電源（回路）５３間に接続される整合用可変リアクタンス回路５２と、上記窒素励起セル２１から放出される励起窒素ビームフラックスの分子数量を検出する窒素ビームフラックス検出器４４と、上記窒素ビームフラックス検出器４４の検出値が上記目標電流設定ダイヤル６７又はＬＢ励起状態保持電力設定ダイヤル７０で設定された目標値となるように整合用可変リアクタンス回路５２のリアクタンス値をフィードバック制御し、これにより励起コイル２４に比較的大きい一定の電力ＷHB又は比較的小さい一定の電力ＷLBをもってＲＦ電力を投入するようにした自動リアクタンス調整（自動インピーダンスマッチング回路）５４とにより構成される。
【００６７】
上記構成により、自動リアクタンス調整回路５４が成膜制御装置４５のタイマー回路からタイミング信号ｔ2を受けると、上記設定ボタン７４により設定されたＨＢ励起状態保持期間Ｔ3中、整合用可変リアクタンス回路５２のリアクタンス値を調整してＲＦ電源５３から窒素励起セル２１の励起コイル２４に比較的大きい一定の電力ＷHBをもって給電し、窒素励起セル２１の励起室２２内にＨＢ励起状態を確立する。同様にして、自動リアクタンス調整回路５４が上記タイマー回路からタイミング信号ｔ3を受けると、整合用可変リアクタンス回路５２のリアクタンス値を調整してＲＦ電源５３から励起コイル２４に、比較的小さい電力ＷLBをもって給電し、窒素励起セル２１の励起室２２がＬＢ励起状態に切替えられる。該窒素励起セル２１の励起室２２は、時点ｔ3以降、再び次の成膜サイクルにおいて自動リアクタンス調整回路５４が上記タイマー回路からタイミング信号ｔ2を受けるまでの期間（＝β＋τ）中、ＬＢ励起状態に保持される。なお、この期間（＝β＋τ）において、励起室２２内に電磁波を照射して励起状態、即ち、放電が完全に消滅又は消弧しないようにすることができる。このようにして、窒素励起セル２１のＬＢモードからＨＢモードへの切替えを安定して確実なものとすることができる。
【００６８】
上記自動リアクタンス調整回路５４による整合用可変リアクタンス回路５２のリアクタンス値の調整操作に代えて、ＲＦ電源５３の発振周波数を変化させることにより、当該高周波給電回路のインピーダンスマッチング操作を行うようにしてもよい。このようにして、自動マッチング操作の応答性を有効に高め、したがって、膜の成長をより精密に制御することができる。
【００６９】
上記実施例のＭＢＥ成膜装置１においては、固体金属としてIII族金属元素のＧａを使用する場合について説明したが、その他のIII族金属元素Ａｌ、Ｉｎ又はＴｌの窒素化合物ＡｌＮ、ＩｎＮ又はＴｌＮ及びそれらを含む合金膜を生成する場合にも適用することができる。
【００７０】
上記実施例のＭＢＥ成膜装置１においては、単一の窒素励起セル２１が装着されたが、
複数、好ましくは、２〜３の窒素励起セル２１を装着するようにしてもよい。図１１及び図１２に示されるように、たとえば、２つの窒素励起セル２１を、間隔をあけて配置し、各窒素励起セル２１の出口部の中心軸をターゲット位置に固定された基板面に適宜設定した２つの照準点（位置）に合わせて各窒素励起セル２１から窒素活性種フラックスを放射するように構成することができる。この構成により、ターゲット位置に固定された基板５における成膜領域の化学活性度をより精密に制御可能となり、高品質のエピタキシャル膜を製造することができる。
【００７１】
また、図１１および図１２に示すように、窒素励起セル２１の出口部の先端部に、セラミック絶縁体３５および荷電粒子排除器３４を装着し、該荷電粒子排除器３４の前方に、窒素励起セル用シャッター３２（以下、これを第２シャッターという）を配置し、第１分子線セル用の第１シャッター１２と同様、シャッター駆動回路３３を介して第２シャッター３２の開閉動作を制御することにより、ターゲット位置に固定された基板５における成膜領域の化学活性度をより精密に制御可能となり、高品質のエピタキシャル膜を製造することができる。
【００７２】
さらに、窒素励起セル２１の出口部に第２シャッター３２を配置することにより、窒素励起セル２１のＨＢ励起状態時、第２シャッター３２の開口部またはその周辺部の間隙もしくは開き具合を調整してそこから漏出する解離窒素原子量を変化させることができる。これにより、基板５の表面に到達する解離窒素原子の数量を制御することができ、反応数量に見合うようにＧａ原子とか、Ａｌ原子数量を調整すれば成膜量を制御することができる。基板表面、たとえば、Ｓｉ基板の場合、その表面の同元系（Ｓｉ）の窒化を緩慢に起こさせることにより、成膜工程における基板のバッファ層として単結晶β−Ｓｉ3Ｎ4膜を生成することができる。このようにして、成膜サイクルの開始直後における初期成長を制御することができ、成膜領域の結晶性および平坦性の良好なエピタキシャル膜を製造することができる。この場合、窒素原子ビームフラックスは窒素原子ビームフラックス測定器４４を用いて計測またはモニタしながら、第２シャッター３２のしまり具合を調整することができる。
【００７３】
次に、本発明のＭＢＥ成膜装置を用いて、共に、３インチ（７．６２ｃｍ）のＳｉ（１１１）基板（試料１および試料２）にＡｌＮバッファ層を成膜させた後、両試料１および試料２に、第１分子線セル１１からＧａ原子線を、窒素励起セル２１から荷電粒子排除器３４を介して窒素活性種を、図３のタイムシーケンスにしたがって共に同一の周期Ｔ＝２．８秒、Ｔ1＝１秒、Ｔ2＝１．８秒にて繰り返し照射することによりＧａＮ膜を生成した。
試料１においては、第１シャッター１２が開とされ、試料１にＧａ原子線を照射するとともに窒素励起セル２１の出口部に装着した第２シャッター３２を開き、ＬＢ励起状態とされる窒素励起セル２１から荷電粒子排除器３４を介して試料１の基板面に励起窒素分子線を照射する。次いで、第１シャッター１２を閉じて基板面へのＧａ原子線の照射を停止し、ＨＢ励起状態に切り替えられた窒素励起セル２１から開とされた第２シャッター３２および荷電粒子排除器３４を介して基板面に解離窒素原子を照射する成膜サイクルを繰り返し実行してＧａＮ膜が生成された。
試料２においては、第１シャッター１２が開とされ、試料１にＧａ原子線を照射するとともに窒素励起セル２１の出口部に装着した第２シャッター３２を閉じ、ＬＢ励起状態とされる窒素励起セル２１から荷電粒子排除器３４を介して試料１の基板面へ励起窒素分子線の照射を遮断する。次いで、第１シャッター１２を閉じて基板面へのＧａ原子線の照射を停止し、ＨＢ励起状態に切り替えられた窒素励起セル２１から開とされた第２シャッター３２および荷電粒子排除器３４を介して基板面に解離窒素原子を照射する成膜サイクルを繰り返し実行してＧａＮ膜が生成された。
試料１および試料２は、成膜時ともに基板ホルダー３を回転することなく、基板温度がともに６１０℃とされ、Ｇａ分子線セル（第１分子線セル）１１内の温度がともに１０３０℃とされた。
【００７４】
試料１および試料２のＧａＮ表面の干渉写真（図９）から分かるように、試料１では、同心円状の濃淡縞が見られる一方、試料２では、一方向に並んだ干渉縞が見られ、平坦性に関し、試料１の方が良好であった。
試料１および試料２のＧａＮ表面における膜厚分布に関し、図８のＸ線回折計測データから分かるように、平坦性に関し、試料１の方が試料２よりも良好であった。
また、試料１および試料２のＧａＮ表面における膜厚分布に関し、図８のＸ線回折計測データから分かるように、試料１のＸ線回折半値幅が試料２の半値幅よりも狭小で    平坦性に関し、試料１の方が試料２よりも良好であった。
【００７５】
上記実施例からも明らかなように、本発明の成膜方法は、III族窒素化合物半導体に限らず、例えば、上記窒素ガス励起セル２１と同様のＲＦ酸素ガス励起セル（図示しない）を用いて、錫（Ｓｎ）とか亜鉛（Ｚｎ）などの金属系元素を酸化させた酸化物半導体、例えば、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ2等の成膜に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の成膜方法を適用できる活性度制御式窒素化合物ＭＢＥ成膜装置の概略断面図である。
【図２】本発明の成膜装置の主要構成部分を拡大して示す概略図である。
【図３】本発明の成膜方法の成膜サイクルの基本的タイムシーケンスを示す図である。
【図４】本発明に適用される窒素励起セルのＬＢ励起状態の説明図で、（ａ）は、ＬＢ励起状態発生の原理を示す図、（ｂ）は、ＬＢ励起状態作動時のオリフィス部の明るさを示す写真で、（ｃ）は、ＬＢ励起状態時の窒素励起セル２１から放出される励起窒素分子線のスペクトル（放電スペクトル）の計測グラフを示す。
【図５】本発明に適用される窒素励起セルのＨＢ励起状態の説明図で、（ａ）は、ＨＢ励起状態発生の原理を示す図、（ｂ）は、ＨＢ励起状態作動時のオリフィス部の明るさを示す写真で、（ｃ）は、ＨＢ励起状態時の窒素励起セル２１から放出される励起窒素分子線のスペクトル（放電スペクトル）の計測グラフを示す。
【図６】本発明の成膜装置における給電制御装置のコントロールパネルの正面図である。
【図７】本発明の成膜装置を用いて異なる成膜制御方式により実施された２つの平坦性の比較データを示す。
【図８】上記試料１及び試料２に生成されたＧａＮ表面の平坦性改善比較データを示す。
【図９】上記試料１及び試料２に生成されたＧａＮ表面の位置に対する膜厚分布の比較データを示す。
【図１０】上記試料１及び試料２に生成されたＧａＮ表面の干渉写真である。
【図１１】本発明のＭＢＥ成膜装置の変形例の主要構成部分の概念図を示す。
【図１２】上記変形例の主要構成部分の概略図を示す。
【符号の説明】
【００７７】
１  本発明のＭＢＥ成膜装置
２  ＭＢＥ成膜室
３  基板ホルダー
５  基板
８  真空機構部（ターボ分子ポンプ）
９  液体窒素シュラウド
１１  固体金属分子線セル（第1分子線セル）
１１ａ〜１１ｄ  固体金属分子線セル（Ｋセル）
１２  第１シャッター（金属分子線セル用シャッター）
１４  ＰＢＮ坩堝
１５  溶融ヒータ
２１  窒素励起セル
２２  励起室
２４  励起コイル
２５  オリフィス
２６  窒素ガスボンベ
２７  質量流量制御器
２８  圧力計
２９  窒素ガス供給管
３０  分光スペクトル測定器
３２  第２シャッター（窒素励起セル用シャッター）
３３  第２シャッター駆動回路
３４  荷電粒子排除器
３５  セラミック絶縁体
３６  半割円筒状電極体
４１  ＲＨＥＥＤ電子銃
４２  ＲＨＥＥＤスクリーン
４３  四重極質量分析器
４４  窒素ビームフラックス検出器
４５  成膜制御装置（回路）
４６  シャッター駆動回路
４７  コントロールパネル
４８  スタートボタン
４９  データ入力設定ボタン（データ入力設定器）
５１  給電制御回路
５２  整合用可変リアクタンス回路
５３  ＲＦ（高周波）電源
６１  スタートボタン
６７  目標電流（励起電力）設定ダイヤル
７０  ＬＢモード維持電力設定ダイヤル
７１  周期Ｔ設定スイッチ
７２  開期間Ｔ1設定スイッチ
７３  時間α設定スイッチ
７４  ＨＢ励起状態保持期間Ｔ3設定スイッチ
７５  時間β設定スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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