水素ラジカル発生装置およびそれを備えた分子線エピタキシャル成長装置
【課題】 基板のクリーニング効果、および、結晶成長の高品質化を実現する。
【解決手段】 本発明の分子線エピタキシャル成長装置は、水素ラジカル発生装置１０および分子線セル２３が、それぞれ独立して設けられている。そして、水素ラジカル発生装置１０から水素ラジカルが、分子線セル２３から成膜材料の分子線または原子線が、それぞれ別々に、基板処理室２０に供給されるようになっている。さらに、水素ラジカルは光励起により発生させる。これにより、水素ラジカルを放出ガスの発生なしに効率的に発生させることができ、基板２１のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができる。
【解決手段】 本発明の分子線エピタキシャル成長装置は、水素ラジカル発生装置１０および分子線セル２３が、それぞれ独立して設けられている。そして、水素ラジカル発生装置１０から水素ラジカルが、分子線セル２３から成膜材料の分子線または原子線が、それぞれ別々に、基板処理室２０に供給されるようになっている。さらに、水素ラジカルは光励起により発生させる。これにより、水素ラジカルを放出ガスの発生なしに効率的に発生させることができ、基板２１のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的に水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置、および、その水素ラジカル発生装置を備え、基板のクリーニングおよび結晶成長の高品質化が可能な分子線エピタキシャル成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ラジカル発生装置（原子状水素発生源）は、水素分子を解離することによって、水素ラジカル（原子状水素）を発生させる装置である。この水素ラジカル発生装置は、例えば、分子線エピタキシャル成長装置（Molecular Beam Epitaxy；以下「ＭＢＥ装置」）等に搭載されている。水素ラジカル発生装置を備えたＭＢＥ装置は、水素のもつ還元作用により、成膜前には基板クリーニングの効果を示し、成膜中には、成膜成分中の不純物除去による膜質（結晶品質）の向上、あるいは、量子ドット形成など選択成長させる効果を示す。
【０００３】
また、水素ラジカル発生装置は、ＭＢＥ装置以外に、真空中で行う分析装置にも用いられる。この分析装置は、分析前の分析試料に、水素ラジカルを照射することにより、分析試料の洗浄等を行うことができる。
【０００４】
一般に水素ラジカル発生装置は、装置内部に導入された水素ガス中の水素分子を解離することによって、水素ラジカルを発生させる。水素分子の解離方法には、プラズマエネルギーを利用する方法（以下「プラズマ方式」）、熱エネルギーを利用する方法（以下「熱方式」）、および、光エネルギーを利用する方法（以下「光方式」）がある。
【０００５】
非特許文献１には、プラズマ方式の構成が開示されている。この構成では、まず、装置内に設置された放電室に水素ガスを導入する。そして、水素ガス雰囲気となった放電室内でプラズマを発生させることによって、そのプラズマエネルギーにより、水素分子を水素ラジカルに解離する。放電室の材質は、通常、ＰＢＮ（熱分解性窒化ホウ素）、石英、またはアルミナなどの絶縁材料が用いられる。この装置をＭＢＥ装置に適用した場合、放電室には、水素ガスの導入口以外に、一部開口部が設けられる。この開口部は、放電室内にて生成した水素ラジカルを、基板に向けて照射するための、射出口となる。また、プラズマエネルギーは大きいため、プラズマ方式の場合、放電室内には、水素ラジカルと同時に、水素イオンおよび電子も生成する。なお、水素分子の解離に利用するプラズマには、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ、または、ＲＦ（高周波電力）プラズマ等が用いられる。
【０００６】
一方、非特許文献２および特許文献１には、熱方式の構成が開示されている。これらの構成は、主に、以下に示す２つの方法である。
【０００７】
第１の方法は、水素ガスを流すガス配管内に設置されたタングステン製フィラメントを１５００℃以上に加熱することにより、加熱されたタングステン製フィラメントに接触した水素分子を、水素ラジカルに解離する方法である。この構成では、ガス配管は基板に向けて開放されており、生成された水素ラジカルが基板に照射されるようになっている。
【０００８】
より詳細には、図１０は、非特許文献２における、水素ラジカルの射出部分の模式図である。ガス配管９１は、通常、フィラメントとの接触による電気的ショートを避けるため、ＰＢＮなどの絶縁材料が用いられる。ガス配管９１の先端部には、開口部が形成されており、この開口部が、水素ラジカルの射出部となる。この射出部付近のガス配管９１内には、タングステンフィラメント９２が設置されている。タングステンフィラメント９２の両端には、電流導入端子９３および９４が設けられている。これにより、タングステンフィラメント９２は、ガス配管９１内から外に引き出されている。図１０の構成では、ガス配管９１を通過する水素分子のうち、タングステンフィラメント９２に接触した水素分子が、水素ラジカルに解離される。
【０００９】
熱方式による第２の方法は、１５００℃以上に加熱したタングステン製の配管内に水素ガスを流し、高温になる配管内壁面に衝突した水素分子を、水素ラジカルに解離する方法である。この方法における配管の加熱は、例えば、配管周辺に設置されたフィラメントに通電することによって発生させた熱電子を、該配管との間に加速電圧を印加し、該配管に向けて照射することにより行われる。
【００１０】
なお、熱方式による第１の方法および第２の方法では、タングステン材料が用いられている。その理由は、タングステン表面に水素分子が接触すると、タングステン原子と水素原子との電子同士の相互作用によって、水素分子の解離エネルギーを、実効的に低減させられるためである。すなわち、タングステンが、触媒作用を有するためである。これにより、水素分子は水素ラジカルに解離しやすくなる。
【００１１】
一方、特許文献３には、光方式の構成が開示されている。この構成では、紫外線照射室に導入された水素に紫外線を照射することにより、水素ラジカルを発生させている。なお、この構成では、紫外線照射室を出たガスを加熱することにより、光方式と熱方式とを組み合せて、水素ラジカルの発生量を増大させている。
【００１２】
また、特許文献４には、熱方式またはプラズマ方式により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置を備えたＭＢＥ装置が開示されている。
【００１３】
ところで、ＭＢＥ装置では、このような各方式により発生させた水素ラジカルが、様々な方法で、基板に照射される。
【００１４】
例えば、プラズマ方式（非特許文献１）、または、熱方式（非特許文献２，特許文献１）の構成を、ＭＢＥ装置に適用した場合、水素ラジカル発生装置内で発生させた水素ラジカルを、基板等の目的物に、直接照射する形態となる。
【００１５】
一方、光方式（特許文献２）の構成を、ＭＢＥ装置に適用した場合、基板の成膜処理を行う処理室内に水素ガス（水素分子）を導入し、処理室内で光照射により水素ラジカルを発生させる形態となる。そして、基板表面近傍で生成した水素ラジカルが基板に作用することによって、基板クリーニングが行われる。
【００１６】
より詳細には、この構成では、基板が設置された処理室内は、真空排気されることによって真空状態となっており、この処理室内に水素ガスを導入し、処理室内を水素雰囲気とする。そして、基板表面に紫外光を照射することによって、光エネルギーにより、基板表面近傍に存在する水素分子を水素ラジカルに解離する。このようにして生成した水素ラジカルによって、基板表面をクリーニングする。
【００１７】
また、特許文献３のＭＢＥ装置は、分子線セル（坩堝）内に水素ラジカルを導入し、分子線セルから蒸発した成膜材料に、水素ラジカルを作用させている。この構成では、成膜材料に水素ラジカルを作用させることによって、水素還元により成膜材料中の不純物（主として酸素）が除去される。これにより、成膜材料の高純度化を実現している。
【００１８】
具体的には、特許文献３の構成では、成膜材料と水素ラジカルとを混合し、その混合物が基板に照射されるようになっている。具体的には、特許文献３には、熱方式により発生させた水素ラジカルを分子線セル内に供給し、分子線セル内で成膜材料の分子線と水素ラジカルとが混合され、この混合物を結晶成長室に供給する構成が開示されている。また、特許文献３には、紫外線照射室内で紫外線照射により水素分子のラジカル化を促進し、さらに、紫外線照射室を出たガス（水素分子および水素ラジカル）を、ラジカル発生室に供給して、熱方式により水素ラジカルを発生させることによって、水素ラジカルの量を増大させる構成も開示されている。このような構成によって、水素ラジカルにより成膜材料中の不純物（主として酸素）を除去することにより、成膜材料の高純度化を図っている。
【００１９】
また、特許文献４には、分子線源セルと、熱方式で水素ラジカルを発生させる水素投射用のセルとが、並列して設けられているＭＢＥ装置が開示されている。この構成では、強い発光を示す高品質なＳｉ−ＳｉＧｅヘテロ結晶構造の半導体結晶薄膜を成長させることが可能である。
【特許文献１】特開平７−２９７１５６号公報（１９９６年６月２５日公開）
【特許文献２】特開昭５９−１１６２９号公報（１９８４年１月２１日公開）
【特許文献３】特開平８−１６７５７５号公報（１９９５年１１月１０日公開）
【特許文献４】特開平５−３３５２３８号公報（１９９３年１２月１７日公開）
【非特許文献１】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、２６巻、Ｌ１４２−１４４ページ、１９８７年（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.26, 1987, L142-L144.）
【非特許文献２】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、３０巻、Ｌ４０２ページ、１９９１年（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.30, 1987, L402-L404.）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、プラズマ方式による解離方法では、水素ラジカルとともに発生する高エネルギー粒子により、基板またはその成膜表面が損傷しやすく、また、熱方式による解離方法では、１５００℃以上の高温が必要となるため、放出ガスによる不純物が混入しやすいという問題がある。
【００２１】
さらに、水素ラジカルの基板への照射方法によって、水素ラジカルの発生効率が異なるという問題がある。すなわち、水素ラジカルの照射方法によって、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）が異なるという問題がある。
【００２２】
まず、プラズマ方式および熱方式による解離方法の問題について説明する。
【００２３】
プラズマ方式による解離方法では、放電室内に水素ラジカルと同時に、水素イオン（Ｈ＋）および電子などの高エネルギー粒子も生成される。このため、これらの高エネルギー粒子も基板に照射される。その結果、これらの高エネルギー粒子が、基板あるいは基板に形成された膜表面に、エネルギー損傷を与える。このため、基板表面粗度の劣化、あるいは、膜質および結晶性の劣化を招く。
【００２４】
また、高エネルギー粒子が、プラズマを発生させる放電室内壁面にも作用するため、その内壁面に付着する吸着物を放出させたり、放電室を構成する絶縁材料を分解し放出ガスを発生させたりする。例えば、放電室が、ＰＢＮであれば窒素を放出させ、石英やアルミナであれば酸素を放出させることになる。これらの放出ガスは、不純物として基板表面に到達する。その結果、これらの放出ガスが膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまう。
【００２５】
一方、熱方式による解離方法では、水素分子を解離するために、水素分子を衝突させるタングステン材料の温度を、１５００℃以上に昇温する必要がある。このように非常に高温になっている部材が存在すると、その周辺部材も、熱輻射および熱伝導により高温になる。このため、その高温になった部位から、ガスが放出される。その結果、その放出ガスが、基板に到達し、前述のように、放出ガスが膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまう。
【００２６】
ここで、高温になった部材を冷却する機構（冷却部）を設ければ、放出ガスを低減することは、ある程度可能である。しかしながら、このような構成とするには、冷却部としての水冷配管を、新たに水素ラジカル発生装置内に設置する必要があり、装置の構造が複雑になる。それに加えて、冷却部による冷却効果は、限定的であるため、高温になった部材の周辺部材の全てを冷却するのは不可能である。それゆえ、冷却部を設けたとしても、放出ガスを完全に抑制することはできない。
【００２７】
さらに、熱方式による解離方法では、フィラメントが構成部品として用いられる場合がある。しかしながら、この構成では、長時間使用すると、材質の劣化から生じるフィラメント寿命により、断線（フィラメント断線）する危険性がある。フィラメント断線が生じたフィラメントは、水素ラジカル発生装置を搭載しているＭＢＥ装置を、一旦大気開放しなければ、交換することができない。このため、フィラメント交換後に、ＭＢＥ装置を立上げる作業時間などを含めると、膨大な時間が必要となる。その結果、ＭＢＥ装置の装置稼働率を低下させるという致命的な問題が生じる。
【００２８】
次に、水素ラジカルの照射方法による問題について説明する。
【００２９】
特許文献２の構成では、水素雰囲気下の処理室内に設置された基板表面に、紫外線を照射することにより、処理室内（基板表面付近）で水素ラジカルを発生させる形態となる。この構成では、光源に水銀ランプを用いている。しかし、水銀ランプは光源からの紫外線に照射分布がある。このため、水素ラジカルの発生効率（水素分子の解離効率）に分布が生じ、結果として基板表面上での還元反応に、バラツキが生じる。その結果、水素ラジカルを基板に均一に照射することができないため、水素ラジカルによる基板のクリーニング効果を、均一に実現することができない。
【００３０】
また、紫外線の減衰を考慮すると、光源をできるだけ基板に近づける必要がある。その結果、この構成をＭＢＥ装置に適用した場合、基板に近づけた光源が分子線を遮蔽してしまう。このため、基板表面に予め設定した分子線を照射することができないという問題も生じる。
【００３１】
さらに、この構成では、水素ラジカルの発生効率（水素分子の解離効率）を向上させるために、かなり高圧（水素ガス圧として１００Ｔｏｒｒ）を必要としている。このため、超高真空を維持するＭＢＥ装置に、この構成を適用することは、現実的に困難である。
【００３２】
また、特許文献３の構成では、分子線セル内に導入された水素ラジカルが分子線セル内の空間にて蒸発する成膜材料と混ざり合う際、水素ラジカルは、分子線セルの内壁面，成膜材料分子，および成膜材料に含まれる不純物と衝突する。水素ラジカルは自然界では不安定な存在であるため、そのような衝突により、水素ラジカルは不活性化し、その一部は水素分子に戻る。その結果、基板に到達する水素ラジカルの量は、減少する。仮に、分子線セルの基板への射出口を加熱する構成であっても、一般にその加熱温度は、１０００℃程度である。しかし、１０００℃程度では、水素分子が再び解離し水素ラジカルになることはほとんどない。従って、このような分子線セルの場合、水素ラジカルによって基板表面のクリーニング効果（例えば、基板表面に存在する酸化物を除去する効果）は、著しく低下するという問題がある。
【００３３】
さらに、通常、ＭＢＥ装置には複数本の分子線セルが搭載されている。しかし、成膜材料と水素ラジカルとを混合する場合、複数の分子線セルそれぞれについて、水素ラジカル発生装置を備える必要があり、ＭＢＥ装置のコストアップにつながる。
【００３４】
また、特許文献３の光方式により水素ラジカルを発生させる構成では、分子線セルの前段に設けられた紫外線照射室に導入された水素ガスに紫外線を照射して、水素分子を解離することによって、水素ラジカルを発生させている。そして、紫外線照射室の水素ラジカルを、配管を介して、分子線セルに供給している。この構成では、紫外線照射室内で生成された水素ラジカルは、コンダクタンスの小さい配管を通過して、分子線セル内に供給されることになる。しかし、この配管内では、水素ラジカル同士の衝突による不活性化、あるいは、水素ラジカルの配管内壁面への衝突による不活性化などにより、水素ラジカルの発生効率（解離効率）が低くなる。このため、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）が低いという問題がある。
【００３５】
なお、特許文献３の構成では、分子線セルの側面に、水素ガス導入用のパイプが設けられている。このパイプは、分子線セルとの接続部付近にヒータを備えており、ヒータによりこのパイプを１５００℃以上に加熱している。そして、熱方式により水素分子を解離して水素ラジカルを発生させ、分子線セル内に水素ラジカルを導入している。このため、前述のように、周辺部品からの放出ガスが不純物として膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまうという問題もある。
【００３６】
特許文献４の構成において、水素ラジカルの使用目的は、成膜面の表面エネルギーを低減させ、ヘテロ接合界面（Ｓｉ薄膜とＳｉＧｅ薄膜との界面）の急峻性を向上させるためである。このため、水素ラジカルの発生効率、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）のそれぞれを高めることについては、何ら開示されていない。なお、「急峻性」とは、Ｓｉ薄膜とＳｉＧｅ薄膜との接合界面において、成分が厳密に異なることを意味する。
【００３７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率的に水素ラジカルを発生させることによって、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）の優れた水素ラジカル発生装置およびそれを備えた分子線エピタキシャル成長装置およびその利用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本願発明者等は、ＭＢＥ装置において、水素ラジカルの発生効率を高めるべく鋭意に検討した結果、水素ラジカルの基板への照射方法によって、水素ラジカルの発生効率が異なり、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）が異なることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００３９】
すなわち、上記の目的を達成するために、本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置は、真空条件下、基板に成膜処理を施す基板処理室と、光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置と、成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備え、水素ラジカル発生装置および分子線セルは、それぞれ、基板処理室とは独立して設けられ、かつ、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、上記基板処理室に供給されるようになっていることを特徴としている。
【００４０】
本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ装置）は、水素ラジカル発生装置を備え、基板の成膜処理（基板にエピタキシャル成長層を形成する処理）を行う成膜装置である。
【００４１】
上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置は、光照射により、水素ラジカルを発生させる。これにより、プラズマ方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、高エネルギー粒子（水素イオンおよび電子など）が発生しない。また、高エネルギー粒子による不純物も発生しない。さらに、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、加熱による不純物も発生しない。従って、水素ラジカルを効率的に発生させることができる。さらに、高エネルギー粒子による基板および成膜表面の損傷を、防ぐことができる。このため、基板に形成されたエピタキシャル成長層の膜質および結晶性の劣化を、防ぐこともできる。
【００４２】
また、上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置にて予め発生させた水素ラジカルを、基板処理室に供給している。これにより、基板処理室内に水素を供給して基板処理室内で水素ラジカルを発生させる場合に比べて、基板処理室内の水素ラジカル量を、顕著に高め、かつ均一に供給することができる。
【００４３】
さらに、上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置と分子線セルとが、それぞれ独立して設けられている。そして、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、基板処理室に供給され、基板に照射される。前述のように、基板処理室には、予め発生させた水素ラジカルが供給されるため、基板処理室内の水素ラジカル量は、顕著に高くなっている。従って、水素ラジカルによる、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果（成膜材料の高品質化）も顕著に高めることができる。
【００４４】
このように、本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置は、光照射により水素ラジカルを発生させる構成，水素ラジカル発生装置で予め発生させた水素ラジカルを基板処理室に供給する構成，水素ラジカル発生装置および分子線セルをそれぞれ基板処理室と独立して設ける構成，および、水素ラジカルと分子線または原子線とを別々に基板処理室に供給する構成を組み合せた構成である。そして、このような構成を組み合せることによって、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができるという効果を奏する。つまり、本発明の技術的意義は、このような顕著な効果が、これらの構成を組み合せることによって、初めてもたらされることを見出した点にある。
【００４５】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、真空室内で水素ラジカルを発生させるようになっており、上記基板処理室と水素ラジカル発生装置とが、連結されている構成であってもよい。
【００４６】
上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置と基板処理室とが、互いに真空条件を維持して連結される。これにより、水素ラジカル発生装置にて発生させた水素ラジカルが不活性化されることなく、確実に基板処理室に供給することができる。
【００４７】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記真空室内に水素分子を供給する配管と、上記水素分子に光を照射するための光源とを備えており、上記配管の先端の水素供給口が、上記光源と略同じ高さに設けられている構成であってもよい。
【００４８】
上記の構成によれば、例えば、水素ラジカル発生装置は、配管の先端の水素供給口が、真空室内まで延びている構造となっている。これにより、水素供給口から射出された直後の水素分子に、光源からの光を照射することができる。このため、水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。従って、水素ラジカルの発生効率をより高めることができる。
【００４９】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記光源は、真空条件下または窒素雰囲気下で、光を照射するようになっている構成であってもよい。
【００５０】
上記の構成によれば、真空条件下または窒素雰囲気下で、光源からの光が照射されるようになっている。言い換えれば、酸素非存在下で、光源からの光が照射されるようになっている。これにより、光源から照射された光が、大気中の酸素との反応により減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【００５１】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記光源は、上記真空室内に設けられている構成であってもよい。
【００５２】
上記の構成によれば、光源が真空室内に設けられているため、光源と水素供給口とを近くに設定できる。これにより、水素供給口から照射される水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。また、光源を真空内に設けているため、光源から照射された光が、大気中の酸素との反応により減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【００５３】
上記分子線エピタキシャル成長装置は、上記光源は、上記真空室とは独立して設けられている構成であってもよい。
【００５４】
上記の構成によれば、光源が真空室とは独立して設けられているため、光源を真空室内に設ける必要がない。これにより、光源を真空室内に設ける場合よりも、光源配置の自由度が増す、あるいは真空内設置ポートの制限がなくなるなど、効率よく光を照射するための設計の自由度を増すことができる。
【００５５】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光を反射させる反射部を備えている構成であってもよい。
【００５６】
上記の構成によれば、光源から照射された光が、反射部によって反射する。このため、水素分子を水素ラジカルに解離することによって、減衰した光が、反射部によって反射する。これにより、反射部によって反射された光も、水素ラジカルを発生させるために利用することができる。従って、光源からの光を有効に利用することができ、水素ラジカルの発生効率も高めることもできる。
【００５７】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記光源および／または反射部は、真空または窒素雰囲気に維持された容器に収容されている構成であってもよい。
【００５８】
上記の構成によれば、真空室とは独立して設けられた光源、および／または、光源から照射された光を反射させる反射部が、真空または窒素雰囲気に維持された容器に収容されている。これにより、光源から照射された光が、大気中の酸素との反応により減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【００５９】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する光検出部を備えている構成であってもよい。
【００６０】
上記の構成によれば、光検出部が、光源から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する。これにより、光検出部により、光源から照射される光を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源に生じたトラブルにより、水素ラジカルを発生させるために必要な波長の光および光量が不足したとしても、光検出部の検出結果に基づき、光源から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室に供給することができる。
【００６１】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、水素ラジカル発生量を検出する水素ラジカル検出部を備えている構成であってもよい。
【００６２】
上記の構成によれば、水素ラジカル検出部が、水素ラジカル発生装置にて発生した水素ラジカルの発生量を検出する。これにより、水素ラジカル検出部により、水素ラジカルの発生量を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源に生じたトラブルにより、水素ラジカルの発生量が変化したとしても、水素ラジカル検出部の検出結果に基づき、光源から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室に供給することができる。
【００６３】
本発明にかかる成膜基板の製造方法は、上記の課題を解決するために、前記いずれかの分子線エピタキシャル成長装置を用いて基板の成膜処理を行うことを特徴としている。すなわち、上記成膜基板の製造方法は、成膜工程において、基板処理室とは独立して設けられた、水素ラジカル発生装置および分子線セルから、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とを、それぞれ独立して基板処理室に供給する工程を、少なくとも含んでいる。
【００６４】
上記の構成によれば、上記分子線エピタキシャル成長装置を用いて基板の成膜処理を行っている。これにより、基板上に、膜特性が向上した高品質のエピタキシャル成長層を形成した成膜基板（半導体装置）を製造することができる。
【００６５】
本発明のかかる水素ラジカル発生装置は、上記の課題を解決するために、光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置であって、真空条件下基板に成膜処理を施す基板処理室と、成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備えた分子線エピタキシャル成長装置に用いられる水素ラジカル発生装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記分子線セルとは独立して設けられ、かつ、発生させた水素ラジカルを、成膜材料の分子線または原子線とは独立して上記基板処理室に供給するようになっていることを特徴としている。
【００６６】
上記の構成によれば、前述の分子線エピタキシャル成長装置と同様に、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができる。
【発明の効果】
【００６７】
本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置は、以上のように、光照射により水素ラジカルを発生させる構成，水素ラジカル発生装置で予め発生させた水素ラジカルを基板処理室に供給する構成，水素ラジカル発生装置および分子線セルをそれぞれ基板処理室と独立して設ける構成，および、水素ラジカルと分子線または原子線とを別々に基板処理室に供給する構成を組み合せた構成である。そして、このような構成を組み合せることによって、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００６９】
（１）分子線エピタキシャル成長装置
本発明にかかる分子線エピタキシャル（Molecular Beam Epitaxy）成長装置（ＭＢＥ装置）は、別々に発生させた水素ラジカルと成膜材料の分子線（または原子線）とを、基板に照射することによって、基板のクリーニング効果および成膜材料中の不純物を除去する効果（結晶成長の高品質化）を高めるものである。
【００７０】
図１は、本実施形態にかかるＭＢＥ装置の概略構成を示す断面図である。図１のＭＢＥ装置は、基板処理室２０、水素ラジカル発生装置１０、および、分子線セル２３を備えている。このＭＢＥ装置は、超高真空条件に保持された基板処理室（成膜室）２０内に設けられた基板２１の成膜処理（基板２１上にエピタキシャル成長層を形成する処理）を行うものである。
【００７１】
基板処理室２０は、成膜しない場合、すなわち分子線または原子線が照射されない場合には高真空状態（１０−１１Ｔｏｒｒ台）に維持されており、基板処理室２０内に設けられた基板２１の成膜処理を行う。基板処理室２０は、基板２１を保持，加熱，および回転するための、マニピュレータ２２を備えている。基板処理室２０内は、液体窒素シュラウド２４により包囲されており、基板２１の成長に寄与しない余剰の成膜材料をトラップできるようになっている。基板処理室２０には、後述のように、水素ラジカル発生装置１０から水素ラジカルが、また、分子線セル２３から成膜材料の分子線または原子線が、それぞれ導入される。
【００７２】
水素ラジカル発生装置１０は、光照射により水素分子を解離し、水素ラジカルを発生させる。図１の構成では、水素ラジカル発生装置１０は、基板処理室２０の底部の中央部に、基板２１に対向するように設けられているが、基板に照射できる位置であればこれに限定されるものではない。
【００７３】
ここで、水素分子の解離エネルギーは４．５ｅＶであるため、これ以上のエネルギーを与れば、水素分子を水素ラジカルに解離することができる。光の波長（λ）とエネルギー（Ｅ）との関係は、下記式（１）で表される。また、単位系でジュール（Ｊ）とエレクトロンボルト（ｅＶ）との関係は、下記式（２）で表される
Ｅ＝ｈ・ｃ／λ・・・・・・（１）
Ｅ：エネルギー
ｈ：プランク定数（６．６２６１×１０−３４Ｊ・ｓ）
ｃ：光速（２．９９７９×１０８ｍ／ｓ）
λ：波長
１（Ｊ）＝１．６０２×１０−１９（ｅＶ）・・・・・・（２）
式（１）および（２）より、４．５ｅＶのエネルギーを持つ光の波長を求めると、２７５ｎｍとなる。従って、水素分子を水素ラジカルに解離するには、水素分子に２７５ｎｍ以下の光を照射すればよい。つまり、水素ラジカル発生装置１０は、２７５ｎｍ以下の波長を含む光を、照射するものであればよい。
【００７４】
なお、水素ラジカル発生装置１０にて発生させた水素ラジカルは、基板処理室２０に供給され、基板２１に照射されるようになっている。水素ラジカル発生装置１０の詳細は、後述する。
【００７５】
分子線セル２３は、成膜材料の分子線または原子線（結晶の原材料）を発生させるものである。図１の構成では、２つの分子線セル２３が、基板処理室２０の底部の両端部に、水素ラジカル発生装置１０を間に挟むように設けられているが、基板２１に照射できる位置であれば本数を含めこれに限定されるものでない。
【００７６】
ＭＢＥ装置では、通常、複数の成膜材料の結晶成長が行われる。このため、ＭＢＥ装置は、通常、結晶成長に必要な材料の種類の数の、分子線セル２３を備えている。これにより、各分子線セル２３にて、異なる成膜材料の分子線または原子線を発生させ、結晶成長させることが可能となる。例えば、図１では、２個の分子線セル２３を備えているため、２種類の成膜材料の結晶成長が可能である。また同種の材料であっても、目的が異なる場合に複数本の分子線セルを備える場合もある。分子線セル２３にて発生させた成膜材料の分子線または原子線は、基板処理室２０に供給され、基板２１に照射されるようになっている。
【００７７】
なお、水素ラジカル発生装置１０および分子線セル２３の射出口は、いずれも基板２１に向いており、水素ラジカル、および、分子線または原子線を、それぞれ基板２１表面（成膜面）に向けて照射できるような構成となっている。また、図１のＭＢＥ装置には、図示しない、分子線の照射を遮断するセルシャッター、真空計およびガス分析計などの計測器、および、ゲートバルブを介して真空ポンプを接続する排気系などが実際には搭載されている。
【００７８】
ここで、本実施形態のＭＢＥ装置は、効率的に水素ラジカルを発生させ、基板２１のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を高めるために、以下の特徴的構成を有している。
（ａ）光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置１０を備える構成；（ｂ）水素ラジカル発生装置１０にて予め発生させた水素ラジカルを基板処理室２０に供給する構成；
（ｃ）水素ラジカル発生装置１０および分子線セル２３が、それぞれ、基板処理室２０とは独立して設けられる構成；
（ｄ）水素ラジカル発生装置１０から水素ラジカルを、分子線セル２３からの成膜材料の分子線または原子線を、それぞれ別々に、基板処理室２０に供給する構成。
【００７９】
このように、本実施形態のＭＢＥ装置では、水素ラジカル発生装置１０が、プラズマ方式でも熱方式でもなく、光方式（光照射）により水素ラジカルを発生させる。これにより、プラズマ方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、高エネルギー粒子（水素イオンおよび電子など）が発生しない。また、高エネルギー粒子による不純物も発生しない。さらに、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、加熱による不純物も発生しない。従って、水素ラジカルを効率的に発生させることができる。さらに、高エネルギー粒子による基板２１および成膜表面が、損傷されることを防ぐことができる。このため、基板２１に形成されたエピタキシャル成長層の膜質および結晶性の劣化を、防ぐこともできる。
【００８０】
また、本実施形態のＭＢＥ装置は、水素ラジカル発生装置１０にて予め発生させた水素ラジカルを、基板処理室２０に供給している。これにより、基板処理室２０内に水素を供給して基板処理室２０内で水素ラジカルを発生させる場合に比べて、基板処理室２０内の水素ラジカル量を、顕著に高めることができる。
【００８１】
さらに、本実施形態のＭＢＥ装置は、水素ラジカル発生装置１０と分子線セル２３とが、それぞれ独立して設けられている。そして、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、基板処理室２０に供給される。すなわち、水素ラジカルと、成膜材料の分子線または原子線とが、独立して基板処理室２０内の基板２１に照射される。前述のように、基板処理室２０には、予め発生させた水素ラジカルが供給されるため、基板処理室２０内の水素ラジカル量は、顕著に高くなっている。従って、水素ラジカルによる、基板２１のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果（成膜材料の高品質化）も顕著に高めることができる。
【００８２】
なお、後述する実施例では、基板２１にアルミニウム−ガリウム−砒素結晶の成長を行っている。しかし、本実施形態のＭＢＥ装置は、ＭＢＥ装置によって結晶成長させることができる全ての成膜材料を、適用できる。
【００８３】
（２）水素ラジカル発生装置
次に、水素ラジカル発生装置１０の構成について、詳細に説明する。図２、図４〜図８は、水素ラジカル１０ａ〜１０ｆの構成の断面図である。なお、図４〜図８の構成（水素ラジカル発生装置１０ｂ〜１０ｆ）では、主に図２の構成（水素ラジカル発生装置１０ａ）との相違点について説明するものとする。また、説明の便宜上、図２にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００８４】
〔構成例１〕
図２に示すように、水素ラジカル発生装置１０ａは、短管５、短管５内に水素ガスを導入する配管２、および、水素ラジカルを発生させるための光源９を備えている。そして、水素ラジカル発生装置１０ａは、短管５内に供給された水素分子（水素ガス）に対し、光照射することにより、水素ラジカルを発生させる。
【００８５】
短管５の一端（底部）は、短管５内を真空状態とするために、真空フランジ１に接続されている。また、短管５の他端は、ＭＢＥ装置の基板処理室２０の底部（図１参照）に設けられた接続フランジ６に接続されている。これにより短管５内は真空状態にすることが可能となり、真空室を形成する。すなわち、水素ラジカル発生装置１０とＭＢＥ装置（基板処理室２０）とは、真空状態を維持して連結されている。なお、短管５と真空フランジ１とは、真空フランジ１のシール部を介して連結されている。また、短管５とＭＢＥ装置の接続フランジ６とは、接続フランジ６のシール部を介して連結されている。なお、短管５と真空フランジ１とを一体加工した形態（すなわちシール部がない形態）をとることも可能である。
【００８６】
配管２は、図２の直線矢印にて示すように、短管５内に水素ガスＨを導入する。配管２は、短管５の底部に設けられた真空フランジ１を貫通して設けられている。従って、配管２の開放端４は、短管５内に設けられることになる。水素ガスＨは、配管２を通って、この開放端４から短管５内に供給される。つまり、開放端４は、水素ガスＨを射出する射出口（水素ガス供給口）となる。そして、配管２の開放端４から射出される水素ガスの方向は、図示しない、ＭＢＥ装置内の基板２１表面（成膜面）を向くようになっている。
【００８７】
なお、配管２は、水素ボンベから水素ガスＨを供給する。水素ガスＨは、配管２に到達するまでに、図示しないバルブ，レギュレータ，マスフロー，フィルター，および精製器などのガス供給系を介して、短管５内に供給される。
【００８８】
また、配管２は真空フランジ１を貫通しているため、貫通部３では、配管２の外周部と真空フランジ１の貫通穴との間に隙間ができないように、配管２と真空フランジ１とが溶接されている。これにより、配管２は固定されるとともに、真空排気時には大気リークしない構造となっている。配管２と真空フランジ１との溶接は、短管５内（真空側）で行っても、短管５外部（大気側）で行ってもよい。
【００８９】
短管５の側面には、短管５内に光源９からの光を導入するためのポートが設けられている。このポートには、接続フランジ７が設けられている。接続フランジ７は、短管５内を覗くための覗き窓１１を備えたビューフランジ８に接続されている。この覗き窓１１により、外部から、短管５内を覗くことができる。例えば、配管２の開放端４から射出された水素ガスの流れを確認することができる。
【００９０】
ここでは、覗き窓１１は、合成石英製のものを使用している。この他にも、覗き窓１１は、光源９から照射される紫外領域の波長を有する光を通すことができる材質であれば、特に限定されるものではない。このような材質としては、例えば、サファイヤ、フッ化マグネシウム、またはフッ化カルシウム製のものなどが挙げられる。
【００９１】
光源９は、ビューフランジ８の外側（短管５の外部）に設けられている。すなわち、光源９は、ビューフランジ８の大気側に設けられている。前述のように、水素ラジカルを発生させるために、光源９から照射される光には、２７５ｎｍ以下の波長が含まれる。ここでは、光源９として低圧水銀ランプを用いているが、エキシマランプやエキシマレーザや重水素ランプなどを用いることもできる。なお、図示しないが、光源９には、光源９の出力を調整する電源が接続されている。
【００９２】
光源９から照射された光Ｌは、ビューフランジ８を介して、短管５内に導入される。図２の構成では、開放端４と光源９とは、略同じ高さに設けられている。このため、光源９から照射された光Ｌは、配管２の開放端４近傍に到達することになる。すなわち、配管２を通って開放端４から射出された水素ガスＨに、略垂直に光源９からの光Ｌが照射される。これにより、水素ガスＨ中の水素分子が、水素ラジカルに解離される。そして、生成した水素ラジカルが、基板２１に向け照射される。
【００９３】
ＭＢＥ装置は、高真空中で結晶成長が行われるため、分子の平均自由行程は、基板処理室（成長室）２０の大きさに比較して著しく長い。このため、水素ラジカル発生装置１０ａで生成され、基板処理室２０に供給された水素ラジカルは、互いに、あるいは他の分子や原子と衝突することなく、確実に基板２１に照射することができる。
【００９４】
このように、図２の構成では、光源９が、配管２の開放端４と略同じ高さに設けられており、開放端４から射出された水素に光を照射するようになっている。そして、光源９は、水素ガスの供給方向に対して、略垂直方向に光を照射するようになっている。これにより、光源９は、開放端４から射出された直後の水素ガスに対し、確実に光照射することが可能となる。このため、水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。従って、水素ラジカルの発生効率をより高めることができる。
【００９５】
なお、光源９は、開放端４から射出された水素に光を照射できる位置であれば、特に限定されるものではない。言い換えれば、光源９は、照射する光（紫外光）が遮蔽されることなく、照射された光が水素に到達する範囲（位置）であれば、特に限定されるものではない。ただし、光源９を開放端４と略同じ高さに設ければ、確実に水素に光を照射することができ、水素ラジカルを特に効率的に発生させることができるため好ましい。
【００９６】
〔構成例２〕
次に、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂについて説明する。図４の水素ラジカル発生装置１０ｂと、図２の水素ラジカル発生装置１０ａとでは、光を照射する方式が、異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。
【００９７】
すなわち、前述の水素ラジカル発生装置１０ａでは大気側（短管５の外側）に光源９が設けられていたのに対し、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂでは、短管５内にフランジ付光源（光源）４８が設けられている。つまり、図４の構成では、光源９が、真空内で光を照射する方式となっている。
【００９８】
水素ラジカル発生装置１０ｂでは、フランジ付光源４８の光源部（低圧水銀ランプ）が短管５内に配されるように、接続フランジ７とフランジ付光源４８のフランジ部とが、接続されている。すなわち、フランジ付光源４８の光源部は、短管５内（真空内）に設けられている。このため、フランジ付光源４８は、真空内で光照射できるように、フランジ付光源４８のフランジ部を貫通する電流導入端子４９を備えている。そして、この電流導入端子４９により、フランジ付光源４８の光源部に電力を供給している。
【００９９】
このように、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂは、短管５内にフランジ付光源４８を備えているため、フランジ付光源４８と開放端４とを、近づけて設けることができる。これにより、開放端４から照射される水素ガスＨ中の水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。また、フランジ付光源４８を真空内に設けているため、フランジ付光源４８から照射された光Ｌが、大気を通過することはない。このため、照射された光Ｌが、大気中の酸素との反応により、減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【０１００】
〔構成例３〕
次に、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃについて説明する。図５の水素ラジカル発生装置１０ｃと、図２の水素ラジカル発生装置１０ａとでは、光を照射する方式が異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。また、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃも、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂと同様に、真空内で、光照射するようになっている。
【０１０１】
すなわち、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃは、図２の水素ラジカル発生装置１０ａにおいて、光源９を、真空に保持した密封容器５１０内に設置した構成である。
【０１０２】
密封容器５１０は、短管５とは独立して設けられている。このため、密封容器５１０は、短管５のポート７との接続を、Ｏリングなどの真空シールを介して行うことにより、密封容器５１０内の密封状態を保持している。密封容器５１０には開口部５１１が設けられており、この開口部５１１には真空ポンプ５１２が接続されている。これにより、密封容器５１０内を真空排気できる構成としている。そして、真空ポンプ５１２によって密封容器５１０内を真空排気することにより、光源９から照射された光（紫外光を含む）は、短管５内に照射される。
【０１０３】
このように、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃは、短管５とは独立して設けられ、真空に維持された密封容器５１０内に、光源９を備えている。すなわち、光源９は、真空内に設けられている。このため、光源９から照射された光Ｌが、大気を通過することはない。これにより、光源９から照射された光Ｌが、大気中の酸素との反応により、減衰することを防ぐことができる。このため、効率よく短管５内に、光を照射することができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【０１０４】
なお、密封容器５１０は、密封容器５１０内を真空排気する他にも、窒素置換することにより、紫外光と酸素の反応を抑制してもよい。
【０１０５】
〔構成例４〕
次に、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄについて説明する。図６の水素ラジカル発生装置１０ｄと、図２の水素ラジカル発生装置１０ａとでは、光を照射する方式が異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。
【０１０６】
すなわち、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄは、光源９から照射される光を反射させるための反射鏡（反射部）６１２および６１３を備えた構成である。
【０１０７】
水素ラジカル発生装置１０ｄは、光源９からビューフランジ８を介して導入される光路の延長線上に、別のポートが設けられている。すなわち、水素ラジカル発生装置１０ｄでは、短管５の側部の両側に、対向してポートが設けられている。このポートには、光源９が設けられたポートと同様に、接続フランジ７が設けられている。また、接続フランジ７は、短管５内を覗くための覗き窓１１を備えたビューフランジ８に接続されている。
【０１０８】
そして、光源９が設けられた側のポートには、ビューフランジ８との間に光源９が配置されるように、反射鏡６１２が設けられている。すなわち、反射鏡６１２は、光源９の背後に設けられている。これにより、光源９からは、反射鏡６１２により反射された光も照射される。
【０１０９】
一方、反対側のポートのビューフランジ８の外側（大気側）であって、光源９の光路の延長線上にも、反射鏡６１３が設けられている。これにより、開放端４近傍を通過した光は、ビューフランジ８を介してミラー６１３で反射される。そして、その反射光は再び配管２の開放端４に到達し、水素分子の解離に寄与することになる。さらに、この反射光は、再び光源９側へ到達し、光源９の背後に設置された反射鏡６１２により一部反射され、再び開放端４近傍に導入され、水素分子を解離する。
【０１１０】
このように、反射鏡６１２および６１３の間に、光源９が配置されるようにすることによって、光源９の光を有効に利用することができる。これにより、水素ラジカルの発生効率を高めることができる。
【０１１１】
なお、反射鏡６１２および６１３の配置状態は、光源９からの光の反射光も利用できる状態であれば特に限定されるものではなく、図６のように、２枚の反射鏡６１２および６１３を対向するように配置してもよいし、短管５の周囲に反射鏡を設ける構成とすることもできる。
また、光源９を真空内に設置してもよいし、反射鏡６１２および６１３を真空内に設置して、光の往復路を形成する構成とすることもできる。
【０１１２】
このように、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄは、光源９から照射された光が、反射鏡６１２および６１３によって反射する。これにより、反射鏡６１２および６１３によって反射された光も、水素ラジカルを発生させるために利用することができる。従って、光源９からの光を有効に利用することができ、水素ラジカルの発生効率も高めることもできる。
【０１１３】
なお、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄは、図５の構成のように、光源９を、真空に保持した密封容器内に設置することもできる。これにより、光源９から照射される紫外光が、大気中で酸素と反応して減衰することを回避できる。また、光源９に加えて、反射鏡６１２および６１３も真空に保持した密封容器内に設置することによって、より一層紫外光の減衰を防止できる。
【０１１４】
〔構成例５〕
次に、図７の水素ラジカル発生装置１０ｅについて説明する。図７の水素ラジカル発生装置１０ｅは、光源から照射される光を計測する機構（光検出部）を設置した点が、図２の水素ラジカル発生装置１０ａと異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。また、図７の構成は、図６の構成において反射鏡６１２および６１３がない構成であって、反射鏡６１３の部分に、光源から照射される光を計測する機構を設置した構成である。
【０１１５】
すなわち、図７の水素ラジカル発生装置１０ｅは、光源９から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する分光測定装置（光検出部）７１２を備えた構成である。
【０１１６】
水素ラジカル発生装置１０ｅは、光源９からビューフランジ８を介して導入される光路の延長線上に、別のポートが設けられている。このポートには、光源９が設けられたポートと同様に、接続フランジ７が設けられている。また、接続フランジ７は、短管５内を覗くための覗き窓１１を備えたビューフランジ８に接続されている。
【０１１７】
そして、光源９が設けられた側のポートの反対側のポートには、ビューフランジ８の外側（大気側）であって、光源９の光路の延長線上に、光計測のための分光測定装置７１２が設置されている。このため、開放端４近傍を通過した光は、ビューフランジ８を介して分光測定装置７１２に照射されることになる。そして、分光測定装置７１２により、光源９から照射された光の波長及び照射強度（光量）が計測される。
【０１１８】
そして、分光測定装置７１２により、実際に、水素ガスＨに照射される光量を見積もることが可能となる。このため、この光量を、光源９の電源の出力値にフィードバックすることにより、例えば何らかの原因でビューフランジ８が成膜され透過率が低下した場合、または、光源９のランプの出力揺らぎで照射量が不安定になった場合にも、光源９を制御する電源の出力を調整することができる。これにより、光源９の光量を調整し、最終的には、基板２１に到達する水素ラジカル量を制御することができる。
【０１１９】
なお、ここでは、分光測定装置７１２は、分光器としてグレーティングを備え、検出にはフォトディテクターを備えている構成としている。ただし、この構成に限定されるものではなく、波長および強度が測定できる他の測定装置でもよい。
【０１２０】
このように、図７の水素ラジカル発生装置１０ｅは、分光測定装置７１２が、光源９から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する。これにより、分光測定装置７１２により、光源９から照射される光を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源９に生じたトラブルにより、水素ラジカルを発生させるために必要な波長の光および光量が不足したとしても、分光測定装置７１２の検出結果に基づき、光源９から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室２０に供給することができる。
【０１２１】
〔構成例６〕
次に、図８の水素ラジカル発生装置１０ｆについて説明する。図８の水素ラジカル発生装置１０ｆは、光源９から照射される光によって解離した水素ラジカル量を測定する機構（水素ラジカル検出部）を設置した点が、図２の水素ラジカル発生装置１０ａと異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。
【０１２２】
すなわち、図８の水素ラジカル発生装置１０ｆは、水素ラジカル発生装置１０ｆ内で発生した水素ラジカル発生量を検出する検出器（水素ラジカル検出部）８１５を備えた構成である。
【０１２３】
水素ラジカル発生装置１０ｆは、光源９が設けられたポートよりも、基板処理室２０側（接続フランジ６側）の短管５の両側部に、互いに対向するポート８０９および８１０が設けられている。すなわち、短管５には、光源９を設けるためのポートとは別に、一対の貫通位置関係になるポート８０９およびポート８１０が設けられている。それぞれのポートの接続フランジには、ビューフランジ８１１およびビューフランジ８１２が接続されている。なお、ポート８０９とポート８１０との位置関係は、図のような位置関係に限定されるものではなく、短管５内にて配管８２から射出される水素ガス（水素ラジカル）流を貫通する位置関係にあれば良い。
【０１２４】
水素ラジカル発生装置１０ｆでは、ビューフランジ８１１および８１２を用い、レーザー誘起蛍光測定（以下、ＬＩＦ測定と称す）により水素の解離効率（水素ラジカルの発生効率）を測定した。
【０１２５】
ＬＩＦ測定は、レーザー光により原子および分子を電子励起させ，それらが基底準位に落ちる際に発する蛍光を観測する手法である。この手法では、エネルギー準位間の共鳴遷移を利用するため、その励起の確率は大きく、高い感度での検出が可能である。
【０１２６】
ＬＩＦ測定を実施する測定システムは、ビューフランジ８１１の外側（大気側）に計測用のレーザー光源８１４を、短管８５内に照射できるように配置する。また、ビューフランジ８１２の外側（大気側）には検出器８１５を配置し、レーザー光源８１４からのレーザー光を検出する。このような測定システムにより測定した計測値は、水素ラジカル発生量に対応する量であるため、導入した水素ガス総量に対する割合から解離効率（水素ラジカル発生効率）を算出することが可能となる。従って、この解離効率から光源９の照射条件を最適化することができる。
【０１２７】
なお、ここでは、ＬＩＦ測定について説明したが、この手法に限定されるものではない。例えば、ポート８０９を利用して、ビューフランジ８１１の代わりに、四重極質量分析計（ＱＭＳ）を設置する。そして、そのＱＭＳのイオン化部が、開放端４から出て、かつ、光Ｌにより解離された後の水素ラジカルを含む水素ガスの流れを測定できるように設置する構成とすることもできる。このような構成によって、ガス分析を行うことにより、水解離効率を測定することもできる。また、これら以外の解離効率を測定するためのその他の構成を備えるものでもよい。
【０１２８】
このように、図８の水素ラジカル発生装置１０ｆは、検出器８１５が、水素ラジカル発生装置にて発生した水素ラジカルの発生量を検出する。これにより、検出器８１５により、水素ラジカルの発生量を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源９に生じたトラブルにより、水素ラジカルの発生量が変化したとしても、検出器８１５の検出結果に基づき、光源から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室２０に供給することができる。
【０１２９】
なお、本発明のＭＢＥ装置と、特許文献３および特許文献４のＭＢＥ装置とでは、以下の点が異なる。
【０１３０】
すなわち、特許文献３の熱方式により水素ラジカルを発生させる構成は、１５００℃以上の加熱により水素ラジカルを発生させ、しかもその水素ラジカルを分子線セル内に導入している。このため、加熱による周辺部品からの放出ガスが不純物として膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまうという問題がある。
【０１３１】
また、特許文献３の光方式により水素ラジカルを発生させる構成では、紫外線照射室内で生成された水素ラジカルは、コンダクタンスの小さい配管を通過して、分子線セル内に供給される。言い換えれば、ＵＶ照射室で生成された水素ラジカルは、ＵＶ照射室よりも細い（幅が狭い）、配管から照射されることとなる。すなわち、生成された水素ラジカルは、先細の配管（隘路）を経由して、分子線セル内に供給される。このため、この配管内では、水素ラジカル同士の衝突による不活性化、あるいは、水素ラジカルの配管内壁面への衝突による不活性化などにより、水素ラジカルの発生効率（解離効率）が低くなる。このように、特許文献３では、ＵＶ照射により水素ラジカルを発生させているものの、ＵＶ照射励起後に、水素ラジカルが配管や坩堝に衝突するため、水素ラジカルの発生効率が著しく低下するという問題がある。
【０１３２】
さらに、特許文献４の構成において、水素ラジカルの使用目的は、成膜面の表面エネルギーを低減させ、ヘテロ接合界面（Ｓｉ薄膜とＳｉＧｅ薄膜との界面）の急峻性を向上させるためである。しかし、水素ラジカルの発生効率、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）のそれぞれを高めるという、本発明の課題および効果については、何ら開示されていない。すなわち、特許文献４には、光励起方式（光方式）については一切記載されておらず、熱方式およびプラズマ方式のみが開示されているにすぎない。しかも、特許文献４は、Ｓｉ−Ｇｅという特有の材料における特有の課題を解決のための構成が開示されているのであって、本発明のような水素ラジカルの発生効率を高めるという課題は想定されていない。
【０１３３】
従って、熱方式および光方式が開示された特許文献３と、特有のヘテロ接合界面の急峻性を向上させ、成膜面の表面エネルギーを低減させるために水素ラジカルを用いることが開示された特許文献４とを組み合せる必然性はない。
【０１３４】
仮に、特許文献３のＵＶ励起（光方式）を、他の分子線セルと同様、単独で使用した場合、ＵＶ照射室を別途設ける必要があり、そこから射出口となる配管を有し、水素ラジカルを基板に向けて照射する形態となる。しかしながら、ＵＶ照射室で励起されて発生した水素ラジカルの一部は、ＵＶ照射室壁面または上記配管の内壁面で衝突するため、水素ラジカルが、消失すると考えられる。なお、水素分子の再解離を促すために、射出口となる配管材料を触媒効果のあるタングステン製にして、かつ１５００℃以上に加熱する構成も考え得るが、この場合には、〔発明が解決しようとする課題〕で述べたような、放出ガスによる不純物の混入が問題となる。なお、水素ラジカルの消失度合いは、ＵＶ照射室形状や射出口形状に依存するため、各形状により異なる。
【０１３５】
これに対し、本発明のＭＢＥ装置では、短管５が先細とはなっていない（隘路がない）ため、短管５の壁面への衝突により、水素ラジカルが消失することを防ぐことができる。すなわち、水素ラジカルが基板に到達するまでの間に消失することを防ぐことができる。従って、仮に照射するＵＶ光量が同じであれば、確実に本願の構成の方が、特許文献３の構成よりも、水素ラジカルの発生効率が高くなる。
【０１３６】
さらに、本発明のＭＢＥ装置と、特許文献３および４のＭＢＥ装置とでは、発生した水素ラジカルの分布状態が異なる。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、各構成における、発生した水素ラジカルの分布状態を示すグラフであり、図９（ａ）は特許文献４の構成で熱方式の場合，図９（ｂ）は特許文献３の構成中でＵＶ照射部を仮に基板に向けた場合，図９（ｃ）は本発明の構成の場合における水素ラジカルの分布状態をそれぞれ示している。各図の縦軸は基板への水素ラジカルの照射強度の最大値で規格化した値、横軸は水素ラジカルの照射範囲の中心軸断面を示している。なお、縦軸の値の算出方法は、以下のとおりである。基板への水素ラジカルの照射強度は、基板に到達するラジカル濃度に比例する。従って、ラジカルの飛来量が最大となった基板の位置のラジカル照射強度が、最大となる。基板へのラジカルの飛来量は、ラジカル発生源の形状等の構造，ラジカル発生原理等の発生条件などに依存する。このため、ラジカル発生源の構造や発生条件は、ラジカルの飛来量に変化をもたらす。しかし、ラジカルの照射分布の傾向は、その構造や発生条件によって変わらない。このため、照射強度の最大値を基準値とすることにより、基板のラジカル照射分布の状況を表すことができる。
【０１３７】
図９（ａ）のように、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合、加熱された配管４０ａの壁面に衝突した水素分子が水素ラジカルに解離され、その壁面に衝突しなかった水素分子に解離されずに、基板に照射される。また、解離された水素ラジカルが、配管４０ａの壁面にさらに衝突すると、その水素ラジカルは消失し、基板に照射されない。このため、配管４０ａの先端と基板とを結ぶ軸を０度とすると、発生した水素ラジカルは、その軸のオフセット角へ照射されることになる。従って、熱方式では、水素ラジカルは、基板の中心部よりも、周辺部に多く照射される傾向となる。つまり、分子流領域で考えると、配管４０ａ先端で衝突した水素ラジカルが基板に照射されることになり、基板への水素ラジカルの照射量は、基板の中心部よりも周辺部の照射量が多くなる。
【０１３８】
このように、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合、加熱された配管４０ａの先端部の壁面に衝突し解離された水素ラジカルの飛来方向が、基板に照射される水素ラジカルの照射分布に寄与する。
【０１３９】
図９（ｂ）のような光照射方式により水素ラジカルを発生させる場合、ＵＶ照射室４１にて解離された水素ラジカルが配管４０ｂの先端から基板に照射され、配管４０ｂの先端部の壁面に衝突した水素ラジカルは、その活性を消失するため、基板に照射されない。つまり、この構成では、ＵＶ照射室４１よりも幅の狭い配管４０ｂに衝突して消失しなかった水素ラジカルの飛来方向が、基板に照射される水素ラジカルの照射分布に寄与する。このため、図９（ｂ）の光照射方式では、基板の中心部の照射量が多くなる。
【０１４０】
図９（ｃ）のような本発明の構成の場合には、配管４から射出された水素分子に対して光を照射して、水素ラジカルを発生させる。このため、この構成では、配管４への衝突の制限がなく射出口から出た水素分子を一様に、水素ラジカルに解離することができるため、基板に照射される水素ラジカルの照射分布は、略平坦となることがわかる。また、本発明の構成では、プラズマ方式による高エネルギー粒子の発生および熱方式による放出ガスの発生がないため、水素ラジカルの発生効率が高い。しかも、本発明の構成では、水素ラジカルを広範囲に渡って、均一に照射できることが確認された。
【０１４１】
なお、上記で説明した水素ラジカル発生装置は、ＭＢＥ装置の他にも、蒸着装置、気相成長装置、またはエッチング装置などの各種プロセス装置、あるいは電子顕微鏡などの超高真空を要する分析装置における、分析試料の前洗浄用の装置にも適用することもできる。
【０１４２】
なお、本発明を以下のように表現することもできる。
【０１４３】
〔１〕本発明の水素ラジカル発生装置は、真空室（真空チャンバ；真空槽）（短管５）に接続する機構（例えば真空フランジ１）と、当該真空室内に気体を導入する配管２とを備え、当該配管２は真空室内にて開放端４を有し、配管内を通じて水素ガスを真空室内に導入し、当該水素ガスが配管２の開放端４から射出された後、当該水素ガス中の水素分子に光を照射し、当該水素分子を前記光により原子状水素に解離する水素ラジカル発生装置。
【０１４４】
〔２〕〔１〕に記載の光源を設置する環境において、〔１〕記載の配管２の開放端４を設置する環境と同一環境下に設置することを特徴とする水素ラジカル発生装置。
【０１４５】
この構成は、例えば真空フランジに設置した電流導入端子を介して真空内にて使用できる光源を用いた構成である。これにより、水素を射出する開放端と光源が同じ減圧下に存在するため、効率よく水素分子を原子状水素に解離することが可能となる。
【０１４６】
〔３〕〔１〕に記載の光源を設置する環境において、〔１〕記載の配管２の開放端４を設置する環境と同一環境下に設置しない場合において、当該光源の周囲を真空状態に、または窒素雰囲気状態に保持することができる密封容器で囲うことと、かつ当該容器は覗き窓を介して〔１〕記載の配管の開放端を設置する環境を保持する容器に接続されていることと、かつ当該覗き窓を通して前記光源からの光を照射する水素ラジカル発生装置。
【０１４７】
〔４〕１枚以上の鏡（反射鏡）を設置し、〔１〕記載の前記光源からの光を当該鏡にて反射させることにより、〔１〕記載の開放端４から射出された水素ガス流の中を、１回以上光が往復する水素ラジカル発生装置。
【０１４８】
即ち、例えば２枚の鏡の間に前記開放端からの水素ガス流が存在し、かつ光が当該鏡との反射により往復を繰り返すことにより、水素ガス流中の水素分子の解離はより促進され、水素ラジカルへの解離効率が上昇する。
【０１４９】
〔５〕〔１〕記載の光の波長、及び強度を測定する測定器（光検出部）を搭載する水素ラジカル発生装置。
【０１５０】
〔６〕光を照射することにより水素分子を原子状水素に解離する〔１〕記載の原子状水素の生成量を測定する測定器を搭載する水素ラジカル発生装置。
【０１５１】
〔７〕光を照射することにより水素分子を水素ラジカル（原子状水素）に解離する〔１〕記載の水素ラジカル発生装置（原子状水素源）を搭載する水素ラジカル発生装置。
【０１５２】
〔８〕光を照射することにより水素分子を原子状水素に解離する〔１〕記載の原子状水素源を搭載した分子線エピタキシャル成長装置を用いて結晶成長させることを特徴とする基板（半導体装置）の製造方法。
【０１５３】
〔９〕光を照射することにより水素分子を原子状水素に解離する〔１〕記載の原子状水素源を搭載した分子線エピタキシャル成長装置を用いて結晶成長することにより製造されることを特徴とする基板（半導体装置）。
【０１５４】
これらの構成によれば、水素イオンや電子といった高エネルギー粒子を発生させないため、基板や膜にイオン損傷を与えることなく、また高エネルギー粒子による不純物のたたき出しもなく、さらには高温に加熱される部分がないため、部材からの放出ガスによる不純物混入もなく、基板のクリーニング、及び結晶成長の高品質化を実現する効果を奏する。
【０１５５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１５６】
本実施例では、図２の水素ラジカル発生装置１０ａ（構成例１）を備えたＭＢＥ装置を用いて、ガリウム砒素基板（ＧａＡｓ）に対し、アルミニウム−ガリウム−砒素（Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ）の単結晶膜を成長させた。結晶成長は、基板温度を５８０℃、成長速度を１ミクロン／時間として行った。水素ラジカルを照射した効果を明確にするために、成長中、一定時間のみ水素ラジカルを照射した。水素ラジカル発生装置２０に供給した水素ガス流量は１０ｓｃｃｍであり、このときの水素ガス分圧は５×１０−４Ｐａであった。図３は、成長させた膜中の残留酸素の測定結果を示すグラフである。図３のグラフは、結晶成長したアルミニウム−ガリウム−砒素単結晶膜中に残留する酸素濃度を、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて、膜表面から膜厚方向（膜に対して鉛直方向）に測定した結果を示している。また、このグラフの縦軸は、膜中の残留酸素濃度であり、横軸は膜表面からエッチング深さ（即ち表面からの距離）を示している。そして、図３のグラフ中の矢印Ａ部が、水素ラジカルを照射しながら成長させた結晶部分に相当する。
【０１５７】
図３のグラフに示すように、水素ラジカルを照射しながら成長させた結晶中の残留酸素濃度は、約３．５×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３である。この濃度は、水素ラジカルを照射せずに成長させた結晶中の残留酸素濃度（約７×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３）よりも、約１／２に低減されている。これは、結晶成長させる際、活性な水素ラジカルが、成長面に飛来する酸素を還元することにより、酸素が結晶内に混入することを抑制しているためであると考えられる。
【０１５８】
このように、本発明のＭＢＥ装置は、水素ラジカルの発生効率を高め、成長させた結晶を高品質化させることができることが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明は、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができるので、ＭＢＥ装置を用いる電子部品産業にて利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明にかかるＭＢＥ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明にかかる構成例１の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図２の水素ラジカル発生装置をＭＢＥ装置に搭載し、結晶成長させた単結晶膜の膜厚方向の残留酸素濃度を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる構成例２の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明にかかる構成例３の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明にかかる構成例４の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明にかかる構成例５の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明にかかる構成例６の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明にかかる水素ラジカル発生装置，特許文献３および４の水素ラジカル発生装置における、水素ラジカルの分布状態を示すグラフである。
【図１０】熱励起方式による従来の水素ラジカル発生装置の水素ラジカルの射出部近傍の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１ 真空フランジ
２ 配管
３ 貫通部
４ 開放端（水素供給口）
５ 短管（真空室）
６ 接続フランジ
７ 接続フランジ
５７、８７、８９、８１０ ポート
８、５８、６８，７８，８８、６１０、７１０、８１１、８１２ ビューフランジ
９、４８、５９，６１１，７１１，８１３ 光源
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 水素ラジカル発生装置
４９ 電流導入端子
５１０ 密封容器（容器）
５１１ 真空排気用ポート
５１２ 真空ポンプ
６１２，６１３ 反射鏡（反射部）
７１２ 分光測定装置（光検出部）
８１４ レーザー光源
８１５ 検出器（水素ラジカル検出部）
２０ 基板処理室
２１ 基板
２２ マニピュレータ
２３ 分子線セル
２４ シュラウド
９１ ＰＢＮ管
９２ タングステン製フィラメント
９３，９４ タングステンフィラメント用電流導入端子
Ｈ 水素ガス
Ｌ 照射光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的に水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置、および、その水素ラジカル発生装置を備え、基板のクリーニングおよび結晶成長の高品質化が可能な分子線エピタキシャル成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素ラジカル発生装置（原子状水素発生源）は、水素分子を解離することによって、水素ラジカル（原子状水素）を発生させる装置である。この水素ラジカル発生装置は、例えば、分子線エピタキシャル成長装置（Molecular Beam Epitaxy；以下「ＭＢＥ装置」）等に搭載されている。水素ラジカル発生装置を備えたＭＢＥ装置は、水素のもつ還元作用により、成膜前には基板クリーニングの効果を示し、成膜中には、成膜成分中の不純物除去による膜質（結晶品質）の向上、あるいは、量子ドット形成など選択成長させる効果を示す。
【０００３】
また、水素ラジカル発生装置は、ＭＢＥ装置以外に、真空中で行う分析装置にも用いられる。この分析装置は、分析前の分析試料に、水素ラジカルを照射することにより、分析試料の洗浄等を行うことができる。
【０００４】
一般に水素ラジカル発生装置は、装置内部に導入された水素ガス中の水素分子を解離することによって、水素ラジカルを発生させる。水素分子の解離方法には、プラズマエネルギーを利用する方法（以下「プラズマ方式」）、熱エネルギーを利用する方法（以下「熱方式」）、および、光エネルギーを利用する方法（以下「光方式」）がある。
【０００５】
非特許文献１には、プラズマ方式の構成が開示されている。この構成では、まず、装置内に設置された放電室に水素ガスを導入する。そして、水素ガス雰囲気となった放電室内でプラズマを発生させることによって、そのプラズマエネルギーにより、水素分子を水素ラジカルに解離する。放電室の材質は、通常、ＰＢＮ（熱分解性窒化ホウ素）、石英、またはアルミナなどの絶縁材料が用いられる。この装置をＭＢＥ装置に適用した場合、放電室には、水素ガスの導入口以外に、一部開口部が設けられる。この開口部は、放電室内にて生成した水素ラジカルを、基板に向けて照射するための、射出口となる。また、プラズマエネルギーは大きいため、プラズマ方式の場合、放電室内には、水素ラジカルと同時に、水素イオンおよび電子も生成する。なお、水素分子の解離に利用するプラズマには、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ、または、ＲＦ（高周波電力）プラズマ等が用いられる。
【０００６】
一方、非特許文献２および特許文献１には、熱方式の構成が開示されている。これらの構成は、主に、以下に示す２つの方法である。
【０００７】
第１の方法は、水素ガスを流すガス配管内に設置されたタングステン製フィラメントを１５００℃以上に加熱することにより、加熱されたタングステン製フィラメントに接触した水素分子を、水素ラジカルに解離する方法である。この構成では、ガス配管は基板に向けて開放されており、生成された水素ラジカルが基板に照射されるようになっている。
【０００８】
より詳細には、図１０は、非特許文献２における、水素ラジカルの射出部分の模式図である。ガス配管９１は、通常、フィラメントとの接触による電気的ショートを避けるため、ＰＢＮなどの絶縁材料が用いられる。ガス配管９１の先端部には、開口部が形成されており、この開口部が、水素ラジカルの射出部となる。この射出部付近のガス配管９１内には、タングステンフィラメント９２が設置されている。タングステンフィラメント９２の両端には、電流導入端子９３および９４が設けられている。これにより、タングステンフィラメント９２は、ガス配管９１内から外に引き出されている。図１０の構成では、ガス配管９１を通過する水素分子のうち、タングステンフィラメント９２に接触した水素分子が、水素ラジカルに解離される。
【０００９】
熱方式による第２の方法は、１５００℃以上に加熱したタングステン製の配管内に水素ガスを流し、高温になる配管内壁面に衝突した水素分子を、水素ラジカルに解離する方法である。この方法における配管の加熱は、例えば、配管周辺に設置されたフィラメントに通電することによって発生させた熱電子を、該配管との間に加速電圧を印加し、該配管に向けて照射することにより行われる。
【００１０】
なお、熱方式による第１の方法および第２の方法では、タングステン材料が用いられている。その理由は、タングステン表面に水素分子が接触すると、タングステン原子と水素原子との電子同士の相互作用によって、水素分子の解離エネルギーを、実効的に低減させられるためである。すなわち、タングステンが、触媒作用を有するためである。これにより、水素分子は水素ラジカルに解離しやすくなる。
【００１１】
一方、特許文献３には、光方式の構成が開示されている。この構成では、紫外線照射室に導入された水素に紫外線を照射することにより、水素ラジカルを発生させている。なお、この構成では、紫外線照射室を出たガスを加熱することにより、光方式と熱方式とを組み合せて、水素ラジカルの発生量を増大させている。
【００１２】
また、特許文献４には、熱方式またはプラズマ方式により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置を備えたＭＢＥ装置が開示されている。
【００１３】
ところで、ＭＢＥ装置では、このような各方式により発生させた水素ラジカルが、様々な方法で、基板に照射される。
【００１４】
例えば、プラズマ方式（非特許文献１）、または、熱方式（非特許文献２，特許文献１）の構成を、ＭＢＥ装置に適用した場合、水素ラジカル発生装置内で発生させた水素ラジカルを、基板等の目的物に、直接照射する形態となる。
【００１５】
一方、光方式（特許文献２）の構成を、ＭＢＥ装置に適用した場合、基板の成膜処理を行う処理室内に水素ガス（水素分子）を導入し、処理室内で光照射により水素ラジカルを発生させる形態となる。そして、基板表面近傍で生成した水素ラジカルが基板に作用することによって、基板クリーニングが行われる。
【００１６】
より詳細には、この構成では、基板が設置された処理室内は、真空排気されることによって真空状態となっており、この処理室内に水素ガスを導入し、処理室内を水素雰囲気とする。そして、基板表面に紫外光を照射することによって、光エネルギーにより、基板表面近傍に存在する水素分子を水素ラジカルに解離する。このようにして生成した水素ラジカルによって、基板表面をクリーニングする。
【００１７】
また、特許文献３のＭＢＥ装置は、分子線セル（坩堝）内に水素ラジカルを導入し、分子線セルから蒸発した成膜材料に、水素ラジカルを作用させている。この構成では、成膜材料に水素ラジカルを作用させることによって、水素還元により成膜材料中の不純物（主として酸素）が除去される。これにより、成膜材料の高純度化を実現している。
【００１８】
具体的には、特許文献３の構成では、成膜材料と水素ラジカルとを混合し、その混合物が基板に照射されるようになっている。具体的には、特許文献３には、熱方式により発生させた水素ラジカルを分子線セル内に供給し、分子線セル内で成膜材料の分子線と水素ラジカルとが混合され、この混合物を結晶成長室に供給する構成が開示されている。また、特許文献３には、紫外線照射室内で紫外線照射により水素分子のラジカル化を促進し、さらに、紫外線照射室を出たガス（水素分子および水素ラジカル）を、ラジカル発生室に供給して、熱方式により水素ラジカルを発生させることによって、水素ラジカルの量を増大させる構成も開示されている。このような構成によって、水素ラジカルにより成膜材料中の不純物（主として酸素）を除去することにより、成膜材料の高純度化を図っている。
【００１９】
また、特許文献４には、分子線源セルと、熱方式で水素ラジカルを発生させる水素投射用のセルとが、並列して設けられているＭＢＥ装置が開示されている。この構成では、強い発光を示す高品質なＳｉ−ＳｉＧｅヘテロ結晶構造の半導体結晶薄膜を成長させることが可能である。
【特許文献１】特開平７−２９７１５６号公報（１９９６年６月２５日公開）
【特許文献２】特開昭５９−１１６２９号公報（１９８４年１月２１日公開）
【特許文献３】特開平８−１６７５７５号公報（１９９５年１１月１０日公開）
【特許文献４】特開平５−３３５２３８号公報（１９９３年１２月１７日公開）
【非特許文献１】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、２６巻、Ｌ１４２−１４４ページ、１９８７年（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.26, 1987, L142-L144.）
【非特許文献２】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、３０巻、Ｌ４０２ページ、１９９１年（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.30, 1987, L402-L404.）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、プラズマ方式による解離方法では、水素ラジカルとともに発生する高エネルギー粒子により、基板またはその成膜表面が損傷しやすく、また、熱方式による解離方法では、１５００℃以上の高温が必要となるため、放出ガスによる不純物が混入しやすいという問題がある。
【００２１】
さらに、水素ラジカルの基板への照射方法によって、水素ラジカルの発生効率が異なるという問題がある。すなわち、水素ラジカルの照射方法によって、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）が異なるという問題がある。
【００２２】
まず、プラズマ方式および熱方式による解離方法の問題について説明する。
【００２３】
プラズマ方式による解離方法では、放電室内に水素ラジカルと同時に、水素イオン（Ｈ＋）および電子などの高エネルギー粒子も生成される。このため、これらの高エネルギー粒子も基板に照射される。その結果、これらの高エネルギー粒子が、基板あるいは基板に形成された膜表面に、エネルギー損傷を与える。このため、基板表面粗度の劣化、あるいは、膜質および結晶性の劣化を招く。
【００２４】
また、高エネルギー粒子が、プラズマを発生させる放電室内壁面にも作用するため、その内壁面に付着する吸着物を放出させたり、放電室を構成する絶縁材料を分解し放出ガスを発生させたりする。例えば、放電室が、ＰＢＮであれば窒素を放出させ、石英やアルミナであれば酸素を放出させることになる。これらの放出ガスは、不純物として基板表面に到達する。その結果、これらの放出ガスが膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまう。
【００２５】
一方、熱方式による解離方法では、水素分子を解離するために、水素分子を衝突させるタングステン材料の温度を、１５００℃以上に昇温する必要がある。このように非常に高温になっている部材が存在すると、その周辺部材も、熱輻射および熱伝導により高温になる。このため、その高温になった部位から、ガスが放出される。その結果、その放出ガスが、基板に到達し、前述のように、放出ガスが膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまう。
【００２６】
ここで、高温になった部材を冷却する機構（冷却部）を設ければ、放出ガスを低減することは、ある程度可能である。しかしながら、このような構成とするには、冷却部としての水冷配管を、新たに水素ラジカル発生装置内に設置する必要があり、装置の構造が複雑になる。それに加えて、冷却部による冷却効果は、限定的であるため、高温になった部材の周辺部材の全てを冷却するのは不可能である。それゆえ、冷却部を設けたとしても、放出ガスを完全に抑制することはできない。
【００２７】
さらに、熱方式による解離方法では、フィラメントが構成部品として用いられる場合がある。しかしながら、この構成では、長時間使用すると、材質の劣化から生じるフィラメント寿命により、断線（フィラメント断線）する危険性がある。フィラメント断線が生じたフィラメントは、水素ラジカル発生装置を搭載しているＭＢＥ装置を、一旦大気開放しなければ、交換することができない。このため、フィラメント交換後に、ＭＢＥ装置を立上げる作業時間などを含めると、膨大な時間が必要となる。その結果、ＭＢＥ装置の装置稼働率を低下させるという致命的な問題が生じる。
【００２８】
次に、水素ラジカルの照射方法による問題について説明する。
【００２９】
特許文献２の構成では、水素雰囲気下の処理室内に設置された基板表面に、紫外線を照射することにより、処理室内（基板表面付近）で水素ラジカルを発生させる形態となる。この構成では、光源に水銀ランプを用いている。しかし、水銀ランプは光源からの紫外線に照射分布がある。このため、水素ラジカルの発生効率（水素分子の解離効率）に分布が生じ、結果として基板表面上での還元反応に、バラツキが生じる。その結果、水素ラジカルを基板に均一に照射することができないため、水素ラジカルによる基板のクリーニング効果を、均一に実現することができない。
【００３０】
また、紫外線の減衰を考慮すると、光源をできるだけ基板に近づける必要がある。その結果、この構成をＭＢＥ装置に適用した場合、基板に近づけた光源が分子線を遮蔽してしまう。このため、基板表面に予め設定した分子線を照射することができないという問題も生じる。
【００３１】
さらに、この構成では、水素ラジカルの発生効率（水素分子の解離効率）を向上させるために、かなり高圧（水素ガス圧として１００Ｔｏｒｒ）を必要としている。このため、超高真空を維持するＭＢＥ装置に、この構成を適用することは、現実的に困難である。
【００３２】
また、特許文献３の構成では、分子線セル内に導入された水素ラジカルが分子線セル内の空間にて蒸発する成膜材料と混ざり合う際、水素ラジカルは、分子線セルの内壁面，成膜材料分子，および成膜材料に含まれる不純物と衝突する。水素ラジカルは自然界では不安定な存在であるため、そのような衝突により、水素ラジカルは不活性化し、その一部は水素分子に戻る。その結果、基板に到達する水素ラジカルの量は、減少する。仮に、分子線セルの基板への射出口を加熱する構成であっても、一般にその加熱温度は、１０００℃程度である。しかし、１０００℃程度では、水素分子が再び解離し水素ラジカルになることはほとんどない。従って、このような分子線セルの場合、水素ラジカルによって基板表面のクリーニング効果（例えば、基板表面に存在する酸化物を除去する効果）は、著しく低下するという問題がある。
【００３３】
さらに、通常、ＭＢＥ装置には複数本の分子線セルが搭載されている。しかし、成膜材料と水素ラジカルとを混合する場合、複数の分子線セルそれぞれについて、水素ラジカル発生装置を備える必要があり、ＭＢＥ装置のコストアップにつながる。
【００３４】
また、特許文献３の光方式により水素ラジカルを発生させる構成では、分子線セルの前段に設けられた紫外線照射室に導入された水素ガスに紫外線を照射して、水素分子を解離することによって、水素ラジカルを発生させている。そして、紫外線照射室の水素ラジカルを、配管を介して、分子線セルに供給している。この構成では、紫外線照射室内で生成された水素ラジカルは、コンダクタンスの小さい配管を通過して、分子線セル内に供給されることになる。しかし、この配管内では、水素ラジカル同士の衝突による不活性化、あるいは、水素ラジカルの配管内壁面への衝突による不活性化などにより、水素ラジカルの発生効率（解離効率）が低くなる。このため、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）が低いという問題がある。
【００３５】
なお、特許文献３の構成では、分子線セルの側面に、水素ガス導入用のパイプが設けられている。このパイプは、分子線セルとの接続部付近にヒータを備えており、ヒータによりこのパイプを１５００℃以上に加熱している。そして、熱方式により水素分子を解離して水素ラジカルを発生させ、分子線セル内に水素ラジカルを導入している。このため、前述のように、周辺部品からの放出ガスが不純物として膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまうという問題もある。
【００３６】
特許文献４の構成において、水素ラジカルの使用目的は、成膜面の表面エネルギーを低減させ、ヘテロ接合界面（Ｓｉ薄膜とＳｉＧｅ薄膜との界面）の急峻性を向上させるためである。このため、水素ラジカルの発生効率、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）のそれぞれを高めることについては、何ら開示されていない。なお、「急峻性」とは、Ｓｉ薄膜とＳｉＧｅ薄膜との接合界面において、成分が厳密に異なることを意味する。
【００３７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率的に水素ラジカルを発生させることによって、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）の優れた水素ラジカル発生装置およびそれを備えた分子線エピタキシャル成長装置およびその利用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本願発明者等は、ＭＢＥ装置において、水素ラジカルの発生効率を高めるべく鋭意に検討した結果、水素ラジカルの基板への照射方法によって、水素ラジカルの発生効率が異なり、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）が異なることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００３９】
すなわち、上記の目的を達成するために、本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置は、真空条件下、基板に成膜処理を施す基板処理室と、光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置と、成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備え、水素ラジカル発生装置および分子線セルは、それぞれ、基板処理室とは独立して設けられ、かつ、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、上記基板処理室に供給されるようになっていることを特徴としている。
【００４０】
本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ装置）は、水素ラジカル発生装置を備え、基板の成膜処理（基板にエピタキシャル成長層を形成する処理）を行う成膜装置である。
【００４１】
上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置は、光照射により、水素ラジカルを発生させる。これにより、プラズマ方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、高エネルギー粒子（水素イオンおよび電子など）が発生しない。また、高エネルギー粒子による不純物も発生しない。さらに、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、加熱による不純物も発生しない。従って、水素ラジカルを効率的に発生させることができる。さらに、高エネルギー粒子による基板および成膜表面の損傷を、防ぐことができる。このため、基板に形成されたエピタキシャル成長層の膜質および結晶性の劣化を、防ぐこともできる。
【００４２】
また、上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置にて予め発生させた水素ラジカルを、基板処理室に供給している。これにより、基板処理室内に水素を供給して基板処理室内で水素ラジカルを発生させる場合に比べて、基板処理室内の水素ラジカル量を、顕著に高め、かつ均一に供給することができる。
【００４３】
さらに、上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置と分子線セルとが、それぞれ独立して設けられている。そして、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、基板処理室に供給され、基板に照射される。前述のように、基板処理室には、予め発生させた水素ラジカルが供給されるため、基板処理室内の水素ラジカル量は、顕著に高くなっている。従って、水素ラジカルによる、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果（成膜材料の高品質化）も顕著に高めることができる。
【００４４】
このように、本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置は、光照射により水素ラジカルを発生させる構成，水素ラジカル発生装置で予め発生させた水素ラジカルを基板処理室に供給する構成，水素ラジカル発生装置および分子線セルをそれぞれ基板処理室と独立して設ける構成，および、水素ラジカルと分子線または原子線とを別々に基板処理室に供給する構成を組み合せた構成である。そして、このような構成を組み合せることによって、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができるという効果を奏する。つまり、本発明の技術的意義は、このような顕著な効果が、これらの構成を組み合せることによって、初めてもたらされることを見出した点にある。
【００４５】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、真空室内で水素ラジカルを発生させるようになっており、上記基板処理室と水素ラジカル発生装置とが、連結されている構成であってもよい。
【００４６】
上記の構成によれば、水素ラジカル発生装置と基板処理室とが、互いに真空条件を維持して連結される。これにより、水素ラジカル発生装置にて発生させた水素ラジカルが不活性化されることなく、確実に基板処理室に供給することができる。
【００４７】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記真空室内に水素分子を供給する配管と、上記水素分子に光を照射するための光源とを備えており、上記配管の先端の水素供給口が、上記光源と略同じ高さに設けられている構成であってもよい。
【００４８】
上記の構成によれば、例えば、水素ラジカル発生装置は、配管の先端の水素供給口が、真空室内まで延びている構造となっている。これにより、水素供給口から射出された直後の水素分子に、光源からの光を照射することができる。このため、水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。従って、水素ラジカルの発生効率をより高めることができる。
【００４９】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記光源は、真空条件下または窒素雰囲気下で、光を照射するようになっている構成であってもよい。
【００５０】
上記の構成によれば、真空条件下または窒素雰囲気下で、光源からの光が照射されるようになっている。言い換えれば、酸素非存在下で、光源からの光が照射されるようになっている。これにより、光源から照射された光が、大気中の酸素との反応により減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【００５１】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記光源は、上記真空室内に設けられている構成であってもよい。
【００５２】
上記の構成によれば、光源が真空室内に設けられているため、光源と水素供給口とを近くに設定できる。これにより、水素供給口から照射される水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。また、光源を真空内に設けているため、光源から照射された光が、大気中の酸素との反応により減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【００５３】
上記分子線エピタキシャル成長装置は、上記光源は、上記真空室とは独立して設けられている構成であってもよい。
【００５４】
上記の構成によれば、光源が真空室とは独立して設けられているため、光源を真空室内に設ける必要がない。これにより、光源を真空室内に設ける場合よりも、光源配置の自由度が増す、あるいは真空内設置ポートの制限がなくなるなど、効率よく光を照射するための設計の自由度を増すことができる。
【００５５】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光を反射させる反射部を備えている構成であってもよい。
【００５６】
上記の構成によれば、光源から照射された光が、反射部によって反射する。このため、水素分子を水素ラジカルに解離することによって、減衰した光が、反射部によって反射する。これにより、反射部によって反射された光も、水素ラジカルを発生させるために利用することができる。従って、光源からの光を有効に利用することができ、水素ラジカルの発生効率も高めることもできる。
【００５７】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記光源および／または反射部は、真空または窒素雰囲気に維持された容器に収容されている構成であってもよい。
【００５８】
上記の構成によれば、真空室とは独立して設けられた光源、および／または、光源から照射された光を反射させる反射部が、真空または窒素雰囲気に維持された容器に収容されている。これにより、光源から照射された光が、大気中の酸素との反応により減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【００５９】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する光検出部を備えている構成であってもよい。
【００６０】
上記の構成によれば、光検出部が、光源から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する。これにより、光検出部により、光源から照射される光を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源に生じたトラブルにより、水素ラジカルを発生させるために必要な波長の光および光量が不足したとしても、光検出部の検出結果に基づき、光源から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室に供給することができる。
【００６１】
上記分子線エピタキシャル成長装置において、上記水素ラジカル発生装置は、水素ラジカル発生量を検出する水素ラジカル検出部を備えている構成であってもよい。
【００６２】
上記の構成によれば、水素ラジカル検出部が、水素ラジカル発生装置にて発生した水素ラジカルの発生量を検出する。これにより、水素ラジカル検出部により、水素ラジカルの発生量を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源に生じたトラブルにより、水素ラジカルの発生量が変化したとしても、水素ラジカル検出部の検出結果に基づき、光源から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室に供給することができる。
【００６３】
本発明にかかる成膜基板の製造方法は、上記の課題を解決するために、前記いずれかの分子線エピタキシャル成長装置を用いて基板の成膜処理を行うことを特徴としている。すなわち、上記成膜基板の製造方法は、成膜工程において、基板処理室とは独立して設けられた、水素ラジカル発生装置および分子線セルから、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とを、それぞれ独立して基板処理室に供給する工程を、少なくとも含んでいる。
【００６４】
上記の構成によれば、上記分子線エピタキシャル成長装置を用いて基板の成膜処理を行っている。これにより、基板上に、膜特性が向上した高品質のエピタキシャル成長層を形成した成膜基板（半導体装置）を製造することができる。
【００６５】
本発明のかかる水素ラジカル発生装置は、上記の課題を解決するために、光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置であって、真空条件下基板に成膜処理を施す基板処理室と、成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備えた分子線エピタキシャル成長装置に用いられる水素ラジカル発生装置において、上記水素ラジカル発生装置は、上記分子線セルとは独立して設けられ、かつ、発生させた水素ラジカルを、成膜材料の分子線または原子線とは独立して上記基板処理室に供給するようになっていることを特徴としている。
【００６６】
上記の構成によれば、前述の分子線エピタキシャル成長装置と同様に、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができる。
【発明の効果】
【００６７】
本発明にかかる分子線エピタキシャル成長装置は、以上のように、光照射により水素ラジカルを発生させる構成，水素ラジカル発生装置で予め発生させた水素ラジカルを基板処理室に供給する構成，水素ラジカル発生装置および分子線セルをそれぞれ基板処理室と独立して設ける構成，および、水素ラジカルと分子線または原子線とを別々に基板処理室に供給する構成を組み合せた構成である。そして、このような構成を組み合せることによって、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００６９】
（１）分子線エピタキシャル成長装置
本発明にかかる分子線エピタキシャル（Molecular Beam Epitaxy）成長装置（ＭＢＥ装置）は、別々に発生させた水素ラジカルと成膜材料の分子線（または原子線）とを、基板に照射することによって、基板のクリーニング効果および成膜材料中の不純物を除去する効果（結晶成長の高品質化）を高めるものである。
【００７０】
図１は、本実施形態にかかるＭＢＥ装置の概略構成を示す断面図である。図１のＭＢＥ装置は、基板処理室２０、水素ラジカル発生装置１０、および、分子線セル２３を備えている。このＭＢＥ装置は、超高真空条件に保持された基板処理室（成膜室）２０内に設けられた基板２１の成膜処理（基板２１上にエピタキシャル成長層を形成する処理）を行うものである。
【００７１】
基板処理室２０は、成膜しない場合、すなわち分子線または原子線が照射されない場合には高真空状態（１０−１１Ｔｏｒｒ台）に維持されており、基板処理室２０内に設けられた基板２１の成膜処理を行う。基板処理室２０は、基板２１を保持，加熱，および回転するための、マニピュレータ２２を備えている。基板処理室２０内は、液体窒素シュラウド２４により包囲されており、基板２１の成長に寄与しない余剰の成膜材料をトラップできるようになっている。基板処理室２０には、後述のように、水素ラジカル発生装置１０から水素ラジカルが、また、分子線セル２３から成膜材料の分子線または原子線が、それぞれ導入される。
【００７２】
水素ラジカル発生装置１０は、光照射により水素分子を解離し、水素ラジカルを発生させる。図１の構成では、水素ラジカル発生装置１０は、基板処理室２０の底部の中央部に、基板２１に対向するように設けられているが、基板に照射できる位置であればこれに限定されるものではない。
【００７３】
ここで、水素分子の解離エネルギーは４．５ｅＶであるため、これ以上のエネルギーを与れば、水素分子を水素ラジカルに解離することができる。光の波長（λ）とエネルギー（Ｅ）との関係は、下記式（１）で表される。また、単位系でジュール（Ｊ）とエレクトロンボルト（ｅＶ）との関係は、下記式（２）で表される
Ｅ＝ｈ・ｃ／λ・・・・・・（１）
Ｅ：エネルギー
ｈ：プランク定数（６．６２６１×１０−３４Ｊ・ｓ）
ｃ：光速（２．９９７９×１０８ｍ／ｓ）
λ：波長
１（Ｊ）＝１．６０２×１０−１９（ｅＶ）・・・・・・（２）
式（１）および（２）より、４．５ｅＶのエネルギーを持つ光の波長を求めると、２７５ｎｍとなる。従って、水素分子を水素ラジカルに解離するには、水素分子に２７５ｎｍ以下の光を照射すればよい。つまり、水素ラジカル発生装置１０は、２７５ｎｍ以下の波長を含む光を、照射するものであればよい。
【００７４】
なお、水素ラジカル発生装置１０にて発生させた水素ラジカルは、基板処理室２０に供給され、基板２１に照射されるようになっている。水素ラジカル発生装置１０の詳細は、後述する。
【００７５】
分子線セル２３は、成膜材料の分子線または原子線（結晶の原材料）を発生させるものである。図１の構成では、２つの分子線セル２３が、基板処理室２０の底部の両端部に、水素ラジカル発生装置１０を間に挟むように設けられているが、基板２１に照射できる位置であれば本数を含めこれに限定されるものでない。
【００７６】
ＭＢＥ装置では、通常、複数の成膜材料の結晶成長が行われる。このため、ＭＢＥ装置は、通常、結晶成長に必要な材料の種類の数の、分子線セル２３を備えている。これにより、各分子線セル２３にて、異なる成膜材料の分子線または原子線を発生させ、結晶成長させることが可能となる。例えば、図１では、２個の分子線セル２３を備えているため、２種類の成膜材料の結晶成長が可能である。また同種の材料であっても、目的が異なる場合に複数本の分子線セルを備える場合もある。分子線セル２３にて発生させた成膜材料の分子線または原子線は、基板処理室２０に供給され、基板２１に照射されるようになっている。
【００７７】
なお、水素ラジカル発生装置１０および分子線セル２３の射出口は、いずれも基板２１に向いており、水素ラジカル、および、分子線または原子線を、それぞれ基板２１表面（成膜面）に向けて照射できるような構成となっている。また、図１のＭＢＥ装置には、図示しない、分子線の照射を遮断するセルシャッター、真空計およびガス分析計などの計測器、および、ゲートバルブを介して真空ポンプを接続する排気系などが実際には搭載されている。
【００７８】
ここで、本実施形態のＭＢＥ装置は、効率的に水素ラジカルを発生させ、基板２１のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を高めるために、以下の特徴的構成を有している。
（ａ）光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置１０を備える構成；（ｂ）水素ラジカル発生装置１０にて予め発生させた水素ラジカルを基板処理室２０に供給する構成；
（ｃ）水素ラジカル発生装置１０および分子線セル２３が、それぞれ、基板処理室２０とは独立して設けられる構成；
（ｄ）水素ラジカル発生装置１０から水素ラジカルを、分子線セル２３からの成膜材料の分子線または原子線を、それぞれ別々に、基板処理室２０に供給する構成。
【００７９】
このように、本実施形態のＭＢＥ装置では、水素ラジカル発生装置１０が、プラズマ方式でも熱方式でもなく、光方式（光照射）により水素ラジカルを発生させる。これにより、プラズマ方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、高エネルギー粒子（水素イオンおよび電子など）が発生しない。また、高エネルギー粒子による不純物も発生しない。さらに、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合のように、加熱による不純物も発生しない。従って、水素ラジカルを効率的に発生させることができる。さらに、高エネルギー粒子による基板２１および成膜表面が、損傷されることを防ぐことができる。このため、基板２１に形成されたエピタキシャル成長層の膜質および結晶性の劣化を、防ぐこともできる。
【００８０】
また、本実施形態のＭＢＥ装置は、水素ラジカル発生装置１０にて予め発生させた水素ラジカルを、基板処理室２０に供給している。これにより、基板処理室２０内に水素を供給して基板処理室２０内で水素ラジカルを発生させる場合に比べて、基板処理室２０内の水素ラジカル量を、顕著に高めることができる。
【００８１】
さらに、本実施形態のＭＢＥ装置は、水素ラジカル発生装置１０と分子線セル２３とが、それぞれ独立して設けられている。そして、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、基板処理室２０に供給される。すなわち、水素ラジカルと、成膜材料の分子線または原子線とが、独立して基板処理室２０内の基板２１に照射される。前述のように、基板処理室２０には、予め発生させた水素ラジカルが供給されるため、基板処理室２０内の水素ラジカル量は、顕著に高くなっている。従って、水素ラジカルによる、基板２１のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果（成膜材料の高品質化）も顕著に高めることができる。
【００８２】
なお、後述する実施例では、基板２１にアルミニウム−ガリウム−砒素結晶の成長を行っている。しかし、本実施形態のＭＢＥ装置は、ＭＢＥ装置によって結晶成長させることができる全ての成膜材料を、適用できる。
【００８３】
（２）水素ラジカル発生装置
次に、水素ラジカル発生装置１０の構成について、詳細に説明する。図２、図４〜図８は、水素ラジカル１０ａ〜１０ｆの構成の断面図である。なお、図４〜図８の構成（水素ラジカル発生装置１０ｂ〜１０ｆ）では、主に図２の構成（水素ラジカル発生装置１０ａ）との相違点について説明するものとする。また、説明の便宜上、図２にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００８４】
〔構成例１〕
図２に示すように、水素ラジカル発生装置１０ａは、短管５、短管５内に水素ガスを導入する配管２、および、水素ラジカルを発生させるための光源９を備えている。そして、水素ラジカル発生装置１０ａは、短管５内に供給された水素分子（水素ガス）に対し、光照射することにより、水素ラジカルを発生させる。
【００８５】
短管５の一端（底部）は、短管５内を真空状態とするために、真空フランジ１に接続されている。また、短管５の他端は、ＭＢＥ装置の基板処理室２０の底部（図１参照）に設けられた接続フランジ６に接続されている。これにより短管５内は真空状態にすることが可能となり、真空室を形成する。すなわち、水素ラジカル発生装置１０とＭＢＥ装置（基板処理室２０）とは、真空状態を維持して連結されている。なお、短管５と真空フランジ１とは、真空フランジ１のシール部を介して連結されている。また、短管５とＭＢＥ装置の接続フランジ６とは、接続フランジ６のシール部を介して連結されている。なお、短管５と真空フランジ１とを一体加工した形態（すなわちシール部がない形態）をとることも可能である。
【００８６】
配管２は、図２の直線矢印にて示すように、短管５内に水素ガスＨを導入する。配管２は、短管５の底部に設けられた真空フランジ１を貫通して設けられている。従って、配管２の開放端４は、短管５内に設けられることになる。水素ガスＨは、配管２を通って、この開放端４から短管５内に供給される。つまり、開放端４は、水素ガスＨを射出する射出口（水素ガス供給口）となる。そして、配管２の開放端４から射出される水素ガスの方向は、図示しない、ＭＢＥ装置内の基板２１表面（成膜面）を向くようになっている。
【００８７】
なお、配管２は、水素ボンベから水素ガスＨを供給する。水素ガスＨは、配管２に到達するまでに、図示しないバルブ，レギュレータ，マスフロー，フィルター，および精製器などのガス供給系を介して、短管５内に供給される。
【００８８】
また、配管２は真空フランジ１を貫通しているため、貫通部３では、配管２の外周部と真空フランジ１の貫通穴との間に隙間ができないように、配管２と真空フランジ１とが溶接されている。これにより、配管２は固定されるとともに、真空排気時には大気リークしない構造となっている。配管２と真空フランジ１との溶接は、短管５内（真空側）で行っても、短管５外部（大気側）で行ってもよい。
【００８９】
短管５の側面には、短管５内に光源９からの光を導入するためのポートが設けられている。このポートには、接続フランジ７が設けられている。接続フランジ７は、短管５内を覗くための覗き窓１１を備えたビューフランジ８に接続されている。この覗き窓１１により、外部から、短管５内を覗くことができる。例えば、配管２の開放端４から射出された水素ガスの流れを確認することができる。
【００９０】
ここでは、覗き窓１１は、合成石英製のものを使用している。この他にも、覗き窓１１は、光源９から照射される紫外領域の波長を有する光を通すことができる材質であれば、特に限定されるものではない。このような材質としては、例えば、サファイヤ、フッ化マグネシウム、またはフッ化カルシウム製のものなどが挙げられる。
【００９１】
光源９は、ビューフランジ８の外側（短管５の外部）に設けられている。すなわち、光源９は、ビューフランジ８の大気側に設けられている。前述のように、水素ラジカルを発生させるために、光源９から照射される光には、２７５ｎｍ以下の波長が含まれる。ここでは、光源９として低圧水銀ランプを用いているが、エキシマランプやエキシマレーザや重水素ランプなどを用いることもできる。なお、図示しないが、光源９には、光源９の出力を調整する電源が接続されている。
【００９２】
光源９から照射された光Ｌは、ビューフランジ８を介して、短管５内に導入される。図２の構成では、開放端４と光源９とは、略同じ高さに設けられている。このため、光源９から照射された光Ｌは、配管２の開放端４近傍に到達することになる。すなわち、配管２を通って開放端４から射出された水素ガスＨに、略垂直に光源９からの光Ｌが照射される。これにより、水素ガスＨ中の水素分子が、水素ラジカルに解離される。そして、生成した水素ラジカルが、基板２１に向け照射される。
【００９３】
ＭＢＥ装置は、高真空中で結晶成長が行われるため、分子の平均自由行程は、基板処理室（成長室）２０の大きさに比較して著しく長い。このため、水素ラジカル発生装置１０ａで生成され、基板処理室２０に供給された水素ラジカルは、互いに、あるいは他の分子や原子と衝突することなく、確実に基板２１に照射することができる。
【００９４】
このように、図２の構成では、光源９が、配管２の開放端４と略同じ高さに設けられており、開放端４から射出された水素に光を照射するようになっている。そして、光源９は、水素ガスの供給方向に対して、略垂直方向に光を照射するようになっている。これにより、光源９は、開放端４から射出された直後の水素ガスに対し、確実に光照射することが可能となる。このため、水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。従って、水素ラジカルの発生効率をより高めることができる。
【００９５】
なお、光源９は、開放端４から射出された水素に光を照射できる位置であれば、特に限定されるものではない。言い換えれば、光源９は、照射する光（紫外光）が遮蔽されることなく、照射された光が水素に到達する範囲（位置）であれば、特に限定されるものではない。ただし、光源９を開放端４と略同じ高さに設ければ、確実に水素に光を照射することができ、水素ラジカルを特に効率的に発生させることができるため好ましい。
【００９６】
〔構成例２〕
次に、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂについて説明する。図４の水素ラジカル発生装置１０ｂと、図２の水素ラジカル発生装置１０ａとでは、光を照射する方式が、異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。
【００９７】
すなわち、前述の水素ラジカル発生装置１０ａでは大気側（短管５の外側）に光源９が設けられていたのに対し、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂでは、短管５内にフランジ付光源（光源）４８が設けられている。つまり、図４の構成では、光源９が、真空内で光を照射する方式となっている。
【００９８】
水素ラジカル発生装置１０ｂでは、フランジ付光源４８の光源部（低圧水銀ランプ）が短管５内に配されるように、接続フランジ７とフランジ付光源４８のフランジ部とが、接続されている。すなわち、フランジ付光源４８の光源部は、短管５内（真空内）に設けられている。このため、フランジ付光源４８は、真空内で光照射できるように、フランジ付光源４８のフランジ部を貫通する電流導入端子４９を備えている。そして、この電流導入端子４９により、フランジ付光源４８の光源部に電力を供給している。
【００９９】
このように、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂは、短管５内にフランジ付光源４８を備えているため、フランジ付光源４８と開放端４とを、近づけて設けることができる。これにより、開放端４から照射される水素ガスＨ中の水素分子を、確実に水素ラジカルに解離することができる。また、フランジ付光源４８を真空内に設けているため、フランジ付光源４８から照射された光Ｌが、大気を通過することはない。このため、照射された光Ｌが、大気中の酸素との反応により、減衰することを防ぐことができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【０１００】
〔構成例３〕
次に、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃについて説明する。図５の水素ラジカル発生装置１０ｃと、図２の水素ラジカル発生装置１０ａとでは、光を照射する方式が異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。また、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃも、図４の水素ラジカル発生装置１０ｂと同様に、真空内で、光照射するようになっている。
【０１０１】
すなわち、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃは、図２の水素ラジカル発生装置１０ａにおいて、光源９を、真空に保持した密封容器５１０内に設置した構成である。
【０１０２】
密封容器５１０は、短管５とは独立して設けられている。このため、密封容器５１０は、短管５のポート７との接続を、Ｏリングなどの真空シールを介して行うことにより、密封容器５１０内の密封状態を保持している。密封容器５１０には開口部５１１が設けられており、この開口部５１１には真空ポンプ５１２が接続されている。これにより、密封容器５１０内を真空排気できる構成としている。そして、真空ポンプ５１２によって密封容器５１０内を真空排気することにより、光源９から照射された光（紫外光を含む）は、短管５内に照射される。
【０１０３】
このように、図５の水素ラジカル発生装置１０ｃは、短管５とは独立して設けられ、真空に維持された密封容器５１０内に、光源９を備えている。すなわち、光源９は、真空内に設けられている。このため、光源９から照射された光Ｌが、大気を通過することはない。これにより、光源９から照射された光Ｌが、大気中の酸素との反応により、減衰することを防ぐことができる。このため、効率よく短管５内に、光を照射することができる。従って、水素ラジカルの発生効率を、より高めることができる。
【０１０４】
なお、密封容器５１０は、密封容器５１０内を真空排気する他にも、窒素置換することにより、紫外光と酸素の反応を抑制してもよい。
【０１０５】
〔構成例４〕
次に、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄについて説明する。図６の水素ラジカル発生装置１０ｄと、図２の水素ラジカル発生装置１０ａとでは、光を照射する方式が異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。
【０１０６】
すなわち、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄは、光源９から照射される光を反射させるための反射鏡（反射部）６１２および６１３を備えた構成である。
【０１０７】
水素ラジカル発生装置１０ｄは、光源９からビューフランジ８を介して導入される光路の延長線上に、別のポートが設けられている。すなわち、水素ラジカル発生装置１０ｄでは、短管５の側部の両側に、対向してポートが設けられている。このポートには、光源９が設けられたポートと同様に、接続フランジ７が設けられている。また、接続フランジ７は、短管５内を覗くための覗き窓１１を備えたビューフランジ８に接続されている。
【０１０８】
そして、光源９が設けられた側のポートには、ビューフランジ８との間に光源９が配置されるように、反射鏡６１２が設けられている。すなわち、反射鏡６１２は、光源９の背後に設けられている。これにより、光源９からは、反射鏡６１２により反射された光も照射される。
【０１０９】
一方、反対側のポートのビューフランジ８の外側（大気側）であって、光源９の光路の延長線上にも、反射鏡６１３が設けられている。これにより、開放端４近傍を通過した光は、ビューフランジ８を介してミラー６１３で反射される。そして、その反射光は再び配管２の開放端４に到達し、水素分子の解離に寄与することになる。さらに、この反射光は、再び光源９側へ到達し、光源９の背後に設置された反射鏡６１２により一部反射され、再び開放端４近傍に導入され、水素分子を解離する。
【０１１０】
このように、反射鏡６１２および６１３の間に、光源９が配置されるようにすることによって、光源９の光を有効に利用することができる。これにより、水素ラジカルの発生効率を高めることができる。
【０１１１】
なお、反射鏡６１２および６１３の配置状態は、光源９からの光の反射光も利用できる状態であれば特に限定されるものではなく、図６のように、２枚の反射鏡６１２および６１３を対向するように配置してもよいし、短管５の周囲に反射鏡を設ける構成とすることもできる。
また、光源９を真空内に設置してもよいし、反射鏡６１２および６１３を真空内に設置して、光の往復路を形成する構成とすることもできる。
【０１１２】
このように、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄは、光源９から照射された光が、反射鏡６１２および６１３によって反射する。これにより、反射鏡６１２および６１３によって反射された光も、水素ラジカルを発生させるために利用することができる。従って、光源９からの光を有効に利用することができ、水素ラジカルの発生効率も高めることもできる。
【０１１３】
なお、図６の水素ラジカル発生装置１０ｄは、図５の構成のように、光源９を、真空に保持した密封容器内に設置することもできる。これにより、光源９から照射される紫外光が、大気中で酸素と反応して減衰することを回避できる。また、光源９に加えて、反射鏡６１２および６１３も真空に保持した密封容器内に設置することによって、より一層紫外光の減衰を防止できる。
【０１１４】
〔構成例５〕
次に、図７の水素ラジカル発生装置１０ｅについて説明する。図７の水素ラジカル発生装置１０ｅは、光源から照射される光を計測する機構（光検出部）を設置した点が、図２の水素ラジカル発生装置１０ａと異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。また、図７の構成は、図６の構成において反射鏡６１２および６１３がない構成であって、反射鏡６１３の部分に、光源から照射される光を計測する機構を設置した構成である。
【０１１５】
すなわち、図７の水素ラジカル発生装置１０ｅは、光源９から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する分光測定装置（光検出部）７１２を備えた構成である。
【０１１６】
水素ラジカル発生装置１０ｅは、光源９からビューフランジ８を介して導入される光路の延長線上に、別のポートが設けられている。このポートには、光源９が設けられたポートと同様に、接続フランジ７が設けられている。また、接続フランジ７は、短管５内を覗くための覗き窓１１を備えたビューフランジ８に接続されている。
【０１１７】
そして、光源９が設けられた側のポートの反対側のポートには、ビューフランジ８の外側（大気側）であって、光源９の光路の延長線上に、光計測のための分光測定装置７１２が設置されている。このため、開放端４近傍を通過した光は、ビューフランジ８を介して分光測定装置７１２に照射されることになる。そして、分光測定装置７１２により、光源９から照射された光の波長及び照射強度（光量）が計測される。
【０１１８】
そして、分光測定装置７１２により、実際に、水素ガスＨに照射される光量を見積もることが可能となる。このため、この光量を、光源９の電源の出力値にフィードバックすることにより、例えば何らかの原因でビューフランジ８が成膜され透過率が低下した場合、または、光源９のランプの出力揺らぎで照射量が不安定になった場合にも、光源９を制御する電源の出力を調整することができる。これにより、光源９の光量を調整し、最終的には、基板２１に到達する水素ラジカル量を制御することができる。
【０１１９】
なお、ここでは、分光測定装置７１２は、分光器としてグレーティングを備え、検出にはフォトディテクターを備えている構成としている。ただし、この構成に限定されるものではなく、波長および強度が測定できる他の測定装置でもよい。
【０１２０】
このように、図７の水素ラジカル発生装置１０ｅは、分光測定装置７１２が、光源９から照射された光の波長および光量の少なくとも一方を検出する。これにより、分光測定装置７１２により、光源９から照射される光を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源９に生じたトラブルにより、水素ラジカルを発生させるために必要な波長の光および光量が不足したとしても、分光測定装置７１２の検出結果に基づき、光源９から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室２０に供給することができる。
【０１２１】
〔構成例６〕
次に、図８の水素ラジカル発生装置１０ｆについて説明する。図８の水素ラジカル発生装置１０ｆは、光源９から照射される光によって解離した水素ラジカル量を測定する機構（水素ラジカル検出部）を設置した点が、図２の水素ラジカル発生装置１０ａと異なる。それ以外の構成は、図２の構成と同様である。
【０１２２】
すなわち、図８の水素ラジカル発生装置１０ｆは、水素ラジカル発生装置１０ｆ内で発生した水素ラジカル発生量を検出する検出器（水素ラジカル検出部）８１５を備えた構成である。
【０１２３】
水素ラジカル発生装置１０ｆは、光源９が設けられたポートよりも、基板処理室２０側（接続フランジ６側）の短管５の両側部に、互いに対向するポート８０９および８１０が設けられている。すなわち、短管５には、光源９を設けるためのポートとは別に、一対の貫通位置関係になるポート８０９およびポート８１０が設けられている。それぞれのポートの接続フランジには、ビューフランジ８１１およびビューフランジ８１２が接続されている。なお、ポート８０９とポート８１０との位置関係は、図のような位置関係に限定されるものではなく、短管５内にて配管８２から射出される水素ガス（水素ラジカル）流を貫通する位置関係にあれば良い。
【０１２４】
水素ラジカル発生装置１０ｆでは、ビューフランジ８１１および８１２を用い、レーザー誘起蛍光測定（以下、ＬＩＦ測定と称す）により水素の解離効率（水素ラジカルの発生効率）を測定した。
【０１２５】
ＬＩＦ測定は、レーザー光により原子および分子を電子励起させ，それらが基底準位に落ちる際に発する蛍光を観測する手法である。この手法では、エネルギー準位間の共鳴遷移を利用するため、その励起の確率は大きく、高い感度での検出が可能である。
【０１２６】
ＬＩＦ測定を実施する測定システムは、ビューフランジ８１１の外側（大気側）に計測用のレーザー光源８１４を、短管８５内に照射できるように配置する。また、ビューフランジ８１２の外側（大気側）には検出器８１５を配置し、レーザー光源８１４からのレーザー光を検出する。このような測定システムにより測定した計測値は、水素ラジカル発生量に対応する量であるため、導入した水素ガス総量に対する割合から解離効率（水素ラジカル発生効率）を算出することが可能となる。従って、この解離効率から光源９の照射条件を最適化することができる。
【０１２７】
なお、ここでは、ＬＩＦ測定について説明したが、この手法に限定されるものではない。例えば、ポート８０９を利用して、ビューフランジ８１１の代わりに、四重極質量分析計（ＱＭＳ）を設置する。そして、そのＱＭＳのイオン化部が、開放端４から出て、かつ、光Ｌにより解離された後の水素ラジカルを含む水素ガスの流れを測定できるように設置する構成とすることもできる。このような構成によって、ガス分析を行うことにより、水解離効率を測定することもできる。また、これら以外の解離効率を測定するためのその他の構成を備えるものでもよい。
【０１２８】
このように、図８の水素ラジカル発生装置１０ｆは、検出器８１５が、水素ラジカル発生装置にて発生した水素ラジカルの発生量を検出する。これにより、検出器８１５により、水素ラジカルの発生量を検出しながら、水素ラジカルを発生させることができる。このため、例えば、光源９に生じたトラブルにより、水素ラジカルの発生量が変化したとしても、検出器８１５の検出結果に基づき、光源から照射される光の波長および光量を調節することができる。従って、安定して水素ラジカルを発生させることができ、常に一定の水素ラジカルを、基板処理室２０に供給することができる。
【０１２９】
なお、本発明のＭＢＥ装置と、特許文献３および特許文献４のＭＢＥ装置とでは、以下の点が異なる。
【０１３０】
すなわち、特許文献３の熱方式により水素ラジカルを発生させる構成は、１５００℃以上の加熱により水素ラジカルを発生させ、しかもその水素ラジカルを分子線セル内に導入している。このため、加熱による周辺部品からの放出ガスが不純物として膜中に取り込まれ、結晶品質が劣化してしまうという問題がある。
【０１３１】
また、特許文献３の光方式により水素ラジカルを発生させる構成では、紫外線照射室内で生成された水素ラジカルは、コンダクタンスの小さい配管を通過して、分子線セル内に供給される。言い換えれば、ＵＶ照射室で生成された水素ラジカルは、ＵＶ照射室よりも細い（幅が狭い）、配管から照射されることとなる。すなわち、生成された水素ラジカルは、先細の配管（隘路）を経由して、分子線セル内に供給される。このため、この配管内では、水素ラジカル同士の衝突による不活性化、あるいは、水素ラジカルの配管内壁面への衝突による不活性化などにより、水素ラジカルの発生効率（解離効率）が低くなる。このように、特許文献３では、ＵＶ照射により水素ラジカルを発生させているものの、ＵＶ照射励起後に、水素ラジカルが配管や坩堝に衝突するため、水素ラジカルの発生効率が著しく低下するという問題がある。
【０１３２】
さらに、特許文献４の構成において、水素ラジカルの使用目的は、成膜面の表面エネルギーを低減させ、ヘテロ接合界面（Ｓｉ薄膜とＳｉＧｅ薄膜との界面）の急峻性を向上させるためである。しかし、水素ラジカルの発生効率、基板のクリーニング効果、および、成膜成分中の不純物を除去することによる効果（結晶成長の高品質化）のそれぞれを高めるという、本発明の課題および効果については、何ら開示されていない。すなわち、特許文献４には、光励起方式（光方式）については一切記載されておらず、熱方式およびプラズマ方式のみが開示されているにすぎない。しかも、特許文献４は、Ｓｉ−Ｇｅという特有の材料における特有の課題を解決のための構成が開示されているのであって、本発明のような水素ラジカルの発生効率を高めるという課題は想定されていない。
【０１３３】
従って、熱方式および光方式が開示された特許文献３と、特有のヘテロ接合界面の急峻性を向上させ、成膜面の表面エネルギーを低減させるために水素ラジカルを用いることが開示された特許文献４とを組み合せる必然性はない。
【０１３４】
仮に、特許文献３のＵＶ励起（光方式）を、他の分子線セルと同様、単独で使用した場合、ＵＶ照射室を別途設ける必要があり、そこから射出口となる配管を有し、水素ラジカルを基板に向けて照射する形態となる。しかしながら、ＵＶ照射室で励起されて発生した水素ラジカルの一部は、ＵＶ照射室壁面または上記配管の内壁面で衝突するため、水素ラジカルが、消失すると考えられる。なお、水素分子の再解離を促すために、射出口となる配管材料を触媒効果のあるタングステン製にして、かつ１５００℃以上に加熱する構成も考え得るが、この場合には、〔発明が解決しようとする課題〕で述べたような、放出ガスによる不純物の混入が問題となる。なお、水素ラジカルの消失度合いは、ＵＶ照射室形状や射出口形状に依存するため、各形状により異なる。
【０１３５】
これに対し、本発明のＭＢＥ装置では、短管５が先細とはなっていない（隘路がない）ため、短管５の壁面への衝突により、水素ラジカルが消失することを防ぐことができる。すなわち、水素ラジカルが基板に到達するまでの間に消失することを防ぐことができる。従って、仮に照射するＵＶ光量が同じであれば、確実に本願の構成の方が、特許文献３の構成よりも、水素ラジカルの発生効率が高くなる。
【０１３６】
さらに、本発明のＭＢＥ装置と、特許文献３および４のＭＢＥ装置とでは、発生した水素ラジカルの分布状態が異なる。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、各構成における、発生した水素ラジカルの分布状態を示すグラフであり、図９（ａ）は特許文献４の構成で熱方式の場合，図９（ｂ）は特許文献３の構成中でＵＶ照射部を仮に基板に向けた場合，図９（ｃ）は本発明の構成の場合における水素ラジカルの分布状態をそれぞれ示している。各図の縦軸は基板への水素ラジカルの照射強度の最大値で規格化した値、横軸は水素ラジカルの照射範囲の中心軸断面を示している。なお、縦軸の値の算出方法は、以下のとおりである。基板への水素ラジカルの照射強度は、基板に到達するラジカル濃度に比例する。従って、ラジカルの飛来量が最大となった基板の位置のラジカル照射強度が、最大となる。基板へのラジカルの飛来量は、ラジカル発生源の形状等の構造，ラジカル発生原理等の発生条件などに依存する。このため、ラジカル発生源の構造や発生条件は、ラジカルの飛来量に変化をもたらす。しかし、ラジカルの照射分布の傾向は、その構造や発生条件によって変わらない。このため、照射強度の最大値を基準値とすることにより、基板のラジカル照射分布の状況を表すことができる。
【０１３７】
図９（ａ）のように、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合、加熱された配管４０ａの壁面に衝突した水素分子が水素ラジカルに解離され、その壁面に衝突しなかった水素分子に解離されずに、基板に照射される。また、解離された水素ラジカルが、配管４０ａの壁面にさらに衝突すると、その水素ラジカルは消失し、基板に照射されない。このため、配管４０ａの先端と基板とを結ぶ軸を０度とすると、発生した水素ラジカルは、その軸のオフセット角へ照射されることになる。従って、熱方式では、水素ラジカルは、基板の中心部よりも、周辺部に多く照射される傾向となる。つまり、分子流領域で考えると、配管４０ａ先端で衝突した水素ラジカルが基板に照射されることになり、基板への水素ラジカルの照射量は、基板の中心部よりも周辺部の照射量が多くなる。
【０１３８】
このように、熱方式により水素ラジカルを発生させる場合、加熱された配管４０ａの先端部の壁面に衝突し解離された水素ラジカルの飛来方向が、基板に照射される水素ラジカルの照射分布に寄与する。
【０１３９】
図９（ｂ）のような光照射方式により水素ラジカルを発生させる場合、ＵＶ照射室４１にて解離された水素ラジカルが配管４０ｂの先端から基板に照射され、配管４０ｂの先端部の壁面に衝突した水素ラジカルは、その活性を消失するため、基板に照射されない。つまり、この構成では、ＵＶ照射室４１よりも幅の狭い配管４０ｂに衝突して消失しなかった水素ラジカルの飛来方向が、基板に照射される水素ラジカルの照射分布に寄与する。このため、図９（ｂ）の光照射方式では、基板の中心部の照射量が多くなる。
【０１４０】
図９（ｃ）のような本発明の構成の場合には、配管４から射出された水素分子に対して光を照射して、水素ラジカルを発生させる。このため、この構成では、配管４への衝突の制限がなく射出口から出た水素分子を一様に、水素ラジカルに解離することができるため、基板に照射される水素ラジカルの照射分布は、略平坦となることがわかる。また、本発明の構成では、プラズマ方式による高エネルギー粒子の発生および熱方式による放出ガスの発生がないため、水素ラジカルの発生効率が高い。しかも、本発明の構成では、水素ラジカルを広範囲に渡って、均一に照射できることが確認された。
【０１４１】
なお、上記で説明した水素ラジカル発生装置は、ＭＢＥ装置の他にも、蒸着装置、気相成長装置、またはエッチング装置などの各種プロセス装置、あるいは電子顕微鏡などの超高真空を要する分析装置における、分析試料の前洗浄用の装置にも適用することもできる。
【０１４２】
なお、本発明を以下のように表現することもできる。
【０１４３】
〔１〕本発明の水素ラジカル発生装置は、真空室（真空チャンバ；真空槽）（短管５）に接続する機構（例えば真空フランジ１）と、当該真空室内に気体を導入する配管２とを備え、当該配管２は真空室内にて開放端４を有し、配管内を通じて水素ガスを真空室内に導入し、当該水素ガスが配管２の開放端４から射出された後、当該水素ガス中の水素分子に光を照射し、当該水素分子を前記光により原子状水素に解離する水素ラジカル発生装置。
【０１４４】
〔２〕〔１〕に記載の光源を設置する環境において、〔１〕記載の配管２の開放端４を設置する環境と同一環境下に設置することを特徴とする水素ラジカル発生装置。
【０１４５】
この構成は、例えば真空フランジに設置した電流導入端子を介して真空内にて使用できる光源を用いた構成である。これにより、水素を射出する開放端と光源が同じ減圧下に存在するため、効率よく水素分子を原子状水素に解離することが可能となる。
【０１４６】
〔３〕〔１〕に記載の光源を設置する環境において、〔１〕記載の配管２の開放端４を設置する環境と同一環境下に設置しない場合において、当該光源の周囲を真空状態に、または窒素雰囲気状態に保持することができる密封容器で囲うことと、かつ当該容器は覗き窓を介して〔１〕記載の配管の開放端を設置する環境を保持する容器に接続されていることと、かつ当該覗き窓を通して前記光源からの光を照射する水素ラジカル発生装置。
【０１４７】
〔４〕１枚以上の鏡（反射鏡）を設置し、〔１〕記載の前記光源からの光を当該鏡にて反射させることにより、〔１〕記載の開放端４から射出された水素ガス流の中を、１回以上光が往復する水素ラジカル発生装置。
【０１４８】
即ち、例えば２枚の鏡の間に前記開放端からの水素ガス流が存在し、かつ光が当該鏡との反射により往復を繰り返すことにより、水素ガス流中の水素分子の解離はより促進され、水素ラジカルへの解離効率が上昇する。
【０１４９】
〔５〕〔１〕記載の光の波長、及び強度を測定する測定器（光検出部）を搭載する水素ラジカル発生装置。
【０１５０】
〔６〕光を照射することにより水素分子を原子状水素に解離する〔１〕記載の原子状水素の生成量を測定する測定器を搭載する水素ラジカル発生装置。
【０１５１】
〔７〕光を照射することにより水素分子を水素ラジカル（原子状水素）に解離する〔１〕記載の水素ラジカル発生装置（原子状水素源）を搭載する水素ラジカル発生装置。
【０１５２】
〔８〕光を照射することにより水素分子を原子状水素に解離する〔１〕記載の原子状水素源を搭載した分子線エピタキシャル成長装置を用いて結晶成長させることを特徴とする基板（半導体装置）の製造方法。
【０１５３】
〔９〕光を照射することにより水素分子を原子状水素に解離する〔１〕記載の原子状水素源を搭載した分子線エピタキシャル成長装置を用いて結晶成長することにより製造されることを特徴とする基板（半導体装置）。
【０１５４】
これらの構成によれば、水素イオンや電子といった高エネルギー粒子を発生させないため、基板や膜にイオン損傷を与えることなく、また高エネルギー粒子による不純物のたたき出しもなく、さらには高温に加熱される部分がないため、部材からの放出ガスによる不純物混入もなく、基板のクリーニング、及び結晶成長の高品質化を実現する効果を奏する。
【０１５５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１５６】
本実施例では、図２の水素ラジカル発生装置１０ａ（構成例１）を備えたＭＢＥ装置を用いて、ガリウム砒素基板（ＧａＡｓ）に対し、アルミニウム−ガリウム−砒素（Ａｌ−Ｇａ−Ａｓ）の単結晶膜を成長させた。結晶成長は、基板温度を５８０℃、成長速度を１ミクロン／時間として行った。水素ラジカルを照射した効果を明確にするために、成長中、一定時間のみ水素ラジカルを照射した。水素ラジカル発生装置２０に供給した水素ガス流量は１０ｓｃｃｍであり、このときの水素ガス分圧は５×１０−４Ｐａであった。図３は、成長させた膜中の残留酸素の測定結果を示すグラフである。図３のグラフは、結晶成長したアルミニウム−ガリウム−砒素単結晶膜中に残留する酸素濃度を、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて、膜表面から膜厚方向（膜に対して鉛直方向）に測定した結果を示している。また、このグラフの縦軸は、膜中の残留酸素濃度であり、横軸は膜表面からエッチング深さ（即ち表面からの距離）を示している。そして、図３のグラフ中の矢印Ａ部が、水素ラジカルを照射しながら成長させた結晶部分に相当する。
【０１５７】
図３のグラフに示すように、水素ラジカルを照射しながら成長させた結晶中の残留酸素濃度は、約３．５×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３である。この濃度は、水素ラジカルを照射せずに成長させた結晶中の残留酸素濃度（約７×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３）よりも、約１／２に低減されている。これは、結晶成長させる際、活性な水素ラジカルが、成長面に飛来する酸素を還元することにより、酸素が結晶内に混入することを抑制しているためであると考えられる。
【０１５８】
このように、本発明のＭＢＥ装置は、水素ラジカルの発生効率を高め、成長させた結晶を高品質化させることができることが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【０１５９】
本発明は、水素ラジカルを効率的に発生させることができ、基板のクリーニング効果、および、成膜材料中の不純物を除去する効果を顕著に高めることができるので、ＭＢＥ装置を用いる電子部品産業にて利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明にかかるＭＢＥ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明にかかる構成例１の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図２の水素ラジカル発生装置をＭＢＥ装置に搭載し、結晶成長させた単結晶膜の膜厚方向の残留酸素濃度を示すグラフである。
【図４】本発明にかかる構成例２の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明にかかる構成例３の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明にかかる構成例４の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明にかかる構成例５の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明にかかる構成例６の水素ラジカル発生装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明にかかる水素ラジカル発生装置，特許文献３および４の水素ラジカル発生装置における、水素ラジカルの分布状態を示すグラフである。
【図１０】熱励起方式による従来の水素ラジカル発生装置の水素ラジカルの射出部近傍の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１ 真空フランジ
２ 配管
３ 貫通部
４ 開放端（水素供給口）
５ 短管（真空室）
６ 接続フランジ
７ 接続フランジ
５７、８７、８９、８１０ ポート
８、５８、６８，７８，８８、６１０、７１０、８１１、８１２ ビューフランジ
９、４８、５９，６１１，７１１，８１３ 光源
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 水素ラジカル発生装置
４９ 電流導入端子
５１０ 密封容器（容器）
５１１ 真空排気用ポート
５１２ 真空ポンプ
６１２，６１３ 反射鏡（反射部）
７１２ 分光測定装置（光検出部）
８１４ レーザー光源
８１５ 検出器（水素ラジカル検出部）
２０ 基板処理室
２１ 基板
２２ マニピュレータ
２３ 分子線セル
２４ シュラウド
９１ ＰＢＮ管
９２ タングステン製フィラメント
９３，９４ タングステンフィラメント用電流導入端子
Ｈ 水素ガス
Ｌ 照射光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空条件下、基板に成膜処理を施す基板処理室と、
光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置と、
成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備え、
水素ラジカル発生装置および分子線セルは、それぞれ、基板処理室とは独立して設けられ、かつ、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、上記基板処理室に供給されるようになっていることを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
上記水素ラジカル発生装置は、真空室内で水素ラジカルを発生させるようになっており、
上記基板処理室と水素ラジカル発生装置とが、連結されていることを特徴とする請求項１に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
上記水素ラジカル発生装置は、
上記真空室内に水素分子を供給する配管と、上記水素分子に光を照射するための光源とを備えており、
上記配管の先端の水素供給口が、上記光源と略同じ高さに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
上記光源は、真空条件下または窒素雰囲気下で、光を照射するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項５】
上記光源は、上記真空室内に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項６】
上記光源は、上記真空室とは独立して設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項７】
上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光を反射させる反射部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項８】
上記光源および／または反射部は、真空または窒素雰囲気に維持された容器に収容されていることを特徴とする請求項６または７に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項９】
上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光量を検出する光量検出部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項１０】
上記水素ラジカル発生装置は、水素ラジカル発生量を検出する水素ラジカル検出部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の分子線エピタキシャル成長装置を用いて基板の成膜処理を行うことを特徴とする成膜基板の製造方法。
【請求項１２】
光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置であって、
真空条件下基板に成膜処理を施す基板処理室と、成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備えた分子線エピタキシャル成長装置に用いられる水素ラジカル発生装置において、
上記水素ラジカル発生装置は、上記分子線セルとは独立して設けられ、かつ、発生させた水素ラジカルを、成膜材料の分子線または原子線とは独立して上記基板処理室に供給するようになっていることを特徴とする水素ラジカル発生装置。
【請求項１】
真空条件下、基板に成膜処理を施す基板処理室と、
光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置と、
成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備え、
水素ラジカル発生装置および分子線セルは、それぞれ、基板処理室とは独立して設けられ、かつ、水素ラジカルと成膜材料の分子線または原子線とが、別々に、上記基板処理室に供給されるようになっていることを特徴とする分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項２】
上記水素ラジカル発生装置は、真空室内で水素ラジカルを発生させるようになっており、
上記基板処理室と水素ラジカル発生装置とが、連結されていることを特徴とする請求項１に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項３】
上記水素ラジカル発生装置は、
上記真空室内に水素分子を供給する配管と、上記水素分子に光を照射するための光源とを備えており、
上記配管の先端の水素供給口が、上記光源と略同じ高さに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項４】
上記光源は、真空条件下または窒素雰囲気下で、光を照射するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項５】
上記光源は、上記真空室内に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項６】
上記光源は、上記真空室とは独立して設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項７】
上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光を反射させる反射部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項８】
上記光源および／または反射部は、真空または窒素雰囲気に維持された容器に収容されていることを特徴とする請求項６または７に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項９】
上記水素ラジカル発生装置は、上記光源から照射された光量を検出する光量検出部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項１０】
上記水素ラジカル発生装置は、水素ラジカル発生量を検出する水素ラジカル検出部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の分子線エピタキシャル成長装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の分子線エピタキシャル成長装置を用いて基板の成膜処理を行うことを特徴とする成膜基板の製造方法。
【請求項１２】
光照射により水素ラジカルを発生させる水素ラジカル発生装置であって、
真空条件下基板に成膜処理を施す基板処理室と、成膜材料の分子線または原子線を発生させる分子線セルとを備えた分子線エピタキシャル成長装置に用いられる水素ラジカル発生装置において、
上記水素ラジカル発生装置は、上記分子線セルとは独立して設けられ、かつ、発生させた水素ラジカルを、成膜材料の分子線または原子線とは独立して上記基板処理室に供給するようになっていることを特徴とする水素ラジカル発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３５１６４３（Ｐ２００６−３５１６４３Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７２９８３（Ｐ２００５−１７２９８３）
【出願日】平成１７年６月１３日（２００５．６．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１３日（２００５．６．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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