金属窒素化合物の分子線エピタキシー成膜方法及び装置
【課題】膜の成長量を精細に制御可能として生成膜の平坦性及び結晶性と成膜速度とを同時に有効に高めることができる金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法及び装置を提供すること。
【解決手段】固体金属用分子線セル１１の出口部分に配置したシャッター１２の周期的開閉動作と同期して、窒素励起セル２１の励起コイル２４へのＲＦ電力投入量を切替えることにより該窒素励起セル２１をＬＢモードとＨＢモード間で切替え、固体金属用分子線セル１１から成長室内の基板５に所定量の金属分子線を照射すると同時に窒素励起セル２１から金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射する一方、基板５への金属分子線の照射期間とオーバーラップするか又は該金属分子線の照射停止後の一定期間中、ＬＢモードからＨＢモードに切替えた窒素励起セル２１から上記基板５へ所定量の窒素活性種を照射するようにして成長量を精密に制御可能とする。
【解決手段】固体金属用分子線セル１１の出口部分に配置したシャッター１２の周期的開閉動作と同期して、窒素励起セル２１の励起コイル２４へのＲＦ電力投入量を切替えることにより該窒素励起セル２１をＬＢモードとＨＢモード間で切替え、固体金属用分子線セル１１から成長室内の基板５に所定量の金属分子線を照射すると同時に窒素励起セル２１から金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射する一方、基板５への金属分子線の照射期間とオーバーラップするか又は該金属分子線の照射停止後の一定期間中、ＬＢモードからＨＢモードに切替えた窒素励起セル２１から上記基板５へ所定量の窒素活性種を照射するようにして成長量を精密に制御可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属窒素化合物、代表的に、III族金属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、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ等のIII族金属窒素化合物半導体は、例えば、サファイア基板等の基板に結晶成長させるにあたり、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、膜成長室を、１０-5〜１０-9Ｐａ程度の超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、例えば、サファイア基板にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させるにあたり、ＭＢＥ成膜装置の成長室内に、基板を保持するとともにヒータを用いて６００℃〜８００℃程度に加熱し、固体金属用分子線セル、即ち、適当な坩堝を用いてクヌーセン（Knudesen）条件を満たすように構成したセル（Ｋセル）から蒸発したＧａ分子線を該Ｋセルの出口部分に配置したシャッターを介して上記基板に照射すると同時に、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波（Radio Frequency:ＲＦ）電力を用いたプラズマ放電室（励起セル）内に生成した窒素ラジカルビーム（窒素活性種ともいう）を、該窒素励起セルの出口部分に配置したシャッターを介して上記基板に照射し、該基板面にＧａＮ半導体膜を生成することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、ＭＢＥ成膜装置の成長室内に保持された基板にIII族金属窒素化合物、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分子線を連続的に照射する一方、ＲＦ窒素励起セルから窒素励起分子線を、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２を参照）。
【０００５】
更にまた、上記特許文献２のIII族窒化物半導体膜の成長方法における固体金属用分子線セルからの金属（例えば、Ｇａ）分子線と、窒素励起セルからの窒素励起分子線とを、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分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分子線の照射停止後（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分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）。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２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分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り、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いという問題があった。これは、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いないことによるものと考えられる。因みに、成膜速度を高めるべく、窒素励起セル用のシャッターの開時間とか窒素活性種の流量を増大しても有効に成長量を増大することが出来ず、かえってＧａ液滴又はカラムが生じ易く、平坦性が損なわれ易くなるばかりか、増量された窒素活性種が有効にＧａ分子との反応に使用されず、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。一方、単に、Ｇａフラックス流量を増大した場合には、Ｎ（窒素原子）欠損箇所が多数発生して結晶性が低下するとか、前述したと同様、Ｇａ液滴又はカラムが生じ、平坦性が損なわれることとなる。特に、最近の基板、代表的に、Ｓｉ基板の大径化、例えば、１２インチ（３００ｍｍ）の大径基板においては、成膜の平坦性の要求が非常に高い。また、上記シャッターの開閉制御機構は高速かつ高精度のものが要求され、特に、開閉頻度が高いことから機構的に高耐用性が要求されることから該シャッター機構全体の製作コストが高価であるという問題もあった。
【０００７】
一方、本発明の発明者等は、ＲＦ窒素励起セルを備えたＭＢＥ成膜装置を用いたIII族窒素化合物半導体の成膜実験を行った際、ＲＦ電源から窒素励起セルの励起コイルに、比較的小さいＲＦ電力ＷLBを投入することによりＧａ分子と反応しない窒素励起分子線を生成する低輝度 (Low Brightness：ＬＢ）モードと、比較的大きいＲＦ電力ＷHBを投入することによりＧａ分子と反応する窒素活性種を生成する高輝度（High Brightness：ＨＢ）モードとの２形態の励起状態を生起させ得ることを確認した（非特許文献２及び非特許文献３を参照）。
【０００８】
そこで、本発明の発明者等は、上記知見に基づいて更に鋭意研究した結果、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを周期的に開閉させ、該シャッターの開閉動作と同期して、ＲＦ電源から窒素励起セルの励起コイルへの電力投入量を切替えることにより該窒素励起セルをＬＢモードとＨＢモードとの間で切替え、固体金属用分子線セルから成長室内の基板に所定量の金属分子線、例えば、Ｇａフラックスを照射すると同時に窒素励起セルから直に金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射する一方、固体金属用分子線セルから基板への金属分子線の照射期間と若干オーバーラップするか又は該金属分子線の照射停止後における一定期間中、ＬＢモードからＨＢモードに切替えられた窒素励起セルから上記基板へ所定量の窒素活性種を照射することにより成長量を精密に制御する方法を案出した。この新しい成膜方式では、原理的に、従来方式の窒素励起セル用のシャッターを使用せず、該シャッターの開閉制御に代えて、ＲＦ電源から窒素励起セルへの給電制御回路手段により基板へ窒素活性種を照射するタイミング制御がなされる。
【特許文献１】特開平７−２９１７９１号公報
【特許文献２】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
【非特許文献２】第５３回応用物理学関係連合講演会（２００６春 武蔵工業大学 ）講演予稿集 講演番号２３ａ−ＺＫ−１ ３６１頁
【非特許文献３】第６６回応用物理学会学術講演会（２００５秋 徳島大学）講演 予稿集 講演番号８ａ−Ｘ−６ ２６８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来形式の金属窒素化合物、特に、III族金属窒素化合物の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膜の成長量を精細に制御して膜の平坦性及び結晶性と成膜速度とを同時に有効に高めることができる金属窒素化合物の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】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを周期的に一定の開期間Ｔ1（Ｔ1<周期Ｔ）をもって繰り返し開閉し、上記シャッターが開いた時点ｔ0から閉じる時点ｔ1までの期間Ｔ1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属分子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成するＬＢモードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、上記シャッターの開時点ｔ0から該シャッターの開期間Ｔ1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点ｔ2で上記窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードからＨＢモードに切替えて、上記時点ｔ2から予め定めたＨＢモード持続期間Ｔ3中、該窒素励起セルから上記基板に窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該ＨＢモード持続期間Ｔ3の満了時点ｔ3で再びＬＢモードに戻すようにした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。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、上記遅れ時間τを、周期的に繰り返し開閉するシャッターの開期間Ｔ1より予め定めた時間αだけ短い期間（Ｔ1−α）に相当する大きさに設定することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、上記シャッターが閉じた期間Ｔ2において、窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードからＬＢモードに戻した時点ｔ3から該シャッターが再び開く時点ｔ0までの期間β中、ＭＢＥ成長室内の残留金属分子を除去することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、シャッターの開期間Ｔ1が基板に１分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分子数量に応じて定められることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、シャッターの開期間Ｔ1が基板に複数分子層をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分子数量に応じて定められることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の金属窒素化合物の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モードを維持することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項７に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置において、上記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シャッター駆動手段と、上記シャッターの開閉動作の周期Ｔ及び開期間Ｔ1、上記シャッターの開時点ｔ0からの遅れ時間τ及びＨＢモード持続期間Ｔ3を予め設定してこれらの設定データ（Ｔ、Ｔ1、τ、Ｔ3）を入力するデータ入力手段と、上記シャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号、該時点ｔ0から上記遅れ時間τが経過した時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢモード持続期間Ｔ3が経過した時点ｔ3を示すタイミング信号を出力するタイマー手段と、上記タイマー手段からタイミング信号（ｔ0、ｔ2、ｔ3）を受けて上記窒素励起セルの励起コイルにそれぞれＬＢモード及びＨＢモードを確立するための高周波電力を供給するＲＦ電源と、上記ＲＦ電源と上記励起コイル間に挿入され、上記タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルに比較的小さい電力ＷLBをもって給電する一方、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルにＨＢモード持続期間Ｔ3中、比較的大きい一定の電力ＷHBをもって給電し、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記励起コイルに、再びＬＢモードに戻すように比較的小さい電力ＷLBをもって給電するようにした給電制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、更に、シャッターの周期的な開閉動作を開始するまでに窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードに設定し、タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けてから該シャッターの開期間Ｔ1中、ＭＢＥ成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルからの金属分子線を照射するとともに上記窒素励起セルからＬＢモードで生成する窒素励起分子線を照射し、次いで上記タイマー手段から励起モード切替時点ｔ2を示すタイミング信号を受けた際、上記窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードに切替え、該ＨＢモードで生成する窒素活性種を上記基板に照射して金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜サイクル動作を複数回繰り返すように制御する成膜制御手段を具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項９に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、上記給電制御手段を、ＲＦ電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間Ｔ3中、予め定めた一定値となるように上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を調整して上記励起コイルに比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１０に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、上記給電制御手段を、ＲＦ電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間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比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項１１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を有効とする一方、励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を無効とするように構成したことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項１２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、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】
【００２２】
本発明の請求項１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターの開閉動作の１周期Ｔに対応する成膜サイクル毎に、固体金属用分子線セルから成長室内の基板に所定量の金属分子線（金属フラックス）を照射すると同時に窒素励起セルから金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射することにより基板に付着した金属分子にエネルギーを付与して該基板表面を金属分子が拡散又は移動し易い状態とするとともに上記基板への金属分子線の照射停止後に窒素励起セルから基板に所定量の窒素活性種を供給することにより該基板面の金属分子と略過不足なく反応するように成長量を制御し、このような成膜サイクルを成膜対象の膜厚に応じて複数回繰り返すことにより、金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を従来方式によるよりも短時間で製作し得、特に、最近の基板の大径化に対し有効に対処し得るという優れた作用効果を奏する。
【００２３】
本発明の請求項２に記載の金属窒素化合物の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分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時点ｔ2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。
【００２４】
本発明の請求項３に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、一定期間Ｔ3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分子をβ期間中に除去することにより、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得るという優れた作用効果を奏する。
【００２５】
本発明の請求項４に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、固体金属用分子線セルから基板面に１原子層の生成に必要な金属分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分子と過不足なく反応する量の窒素活性種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金属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。
【００２６】
本発明の請求項５に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、固体金属用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分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分子と過不足なく反応する量の窒素活性種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及び結晶性の良好な金属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。
【００２７】
本発明の請求項６に記載の金属窒素化合物の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窒素励起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。
【００２８】
本発明の請求項７に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、データ入力手段に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置した周期的に繰り返し開閉するシャッターの開閉動作の周期Ｔ及び開期間Ｔ1、窒素励起セルの励起状態をＬＢモードからＨＢモードに切替えるタイミングを定める遅れ時間τ及びＨＢモード持続期間Ｔ3を、成膜対象の原材料（金属フラックス及び窒素活性種）に応じて予め適宜に設定した後、給電制御手段を介して上記請求項１に記載の成膜サイクルを実行することにより金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を製作し得るという優れた作用効果を奏する。
【００２９】
本発明の請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、データ入力設定手段に上記時間データ（Ｔ、Ｔ1、τ、Ｔ3）を設定した後、成膜制御手段を介して成膜対象の膜厚に応じて上記成膜サイクルを複数回繰り返し実行することにより、金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を製作し得るという優れた作用効果を奏する。
【００３０】
本発明の請求項９に記載の金属窒素化合物の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の励起状態を所望の励起モードに迅速に切替え得るという優れた作用効果を奏する。
【００３１】
本発明の請求項１０に記載の金属窒素化合物の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励起モードの切替えを行い得るという優れた作用効果を奏する。
【００３２】
本発明の請求項１１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、窒素励起セルの励起状態をＬＢモードからＨＢモードへ切替え時にのみ自動リアクタンス調整回路を作動させて迅速（急峻）にＨＢモードに立上げる、いわゆる、インピーダンス整合の応答性を高める一方、ＨＢモードからＬＢモードへの切替え時には、上記インピーダンス整合の高応答性を要しないことに鑑みて、従前（ＨＢモード時）のリアクタンス値をもってＲＦ電源から励起コイルへの投入電力の調整を行うことにより、自動リアクタンス調整操作を有効に省力化できるという優れた作用効果を奏し得る。
【００３３】
本発明の請求項１２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、コンピュータの記憶部に格納した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金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を製作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】
【００３４】
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。
本発明の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、図１に示されるように、一般に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長に用いられる成膜装置１を用いて実施される。
図１において、ＭＢＥ成長室２内に設けられた基板ホルダー３に、図示しない固定具を介して着脱可能に基板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の表面に金属窒素化合物、例えば、III族金属元素、代表的に、Ｇａの窒化物半導体（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、該マニピュレータ７により成長室２の外部から基板ホルダー３への基板５の固定操作とか、該基板ホルダー３に固定された基板５の回転操作等が可能とされる。８は真空機構部で、例えば、ターボ分子ポンプを用いて成長室２が１０-5〜１０-9Ｐａの超真空とされる。
【００３５】
基板ホルダー３の下方で成長室２の底部に、例えば、４つの固体金属用分子線セル１１ａ〜１１ｄが配置される。これらの固体金属用分子線セル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、坩堝１４に装入された固体金属材料、例えば、III族金属元素、代表的に、Ｇａを溶融ヒータ１５により溶融蒸発させ、各セル１１の出口部分にそれぞれ装着されたシャッター１２を開として基板ホルダー３に固定された基板５の表面に照射される。各シャッター１２は、それぞれ、図示しない開閉駆動機構部を介して開閉駆動される。シャッター１１が開閉駆動機構部により開とされると、該シャッター１２に対応する固体金属用分子線セル１１から溶融蒸発した金属分子線（Ｇａ分子線）が基板５に照射される。これらの固体金属用分子線セル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、固体金属用分子線セル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。
【００３６】
上記固体金属用分子線セル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、励起窒素原子、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。
【００３７】
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３４により検出される。
【００３８】
ＭＢＥ成長室２内の該基板ホルダー３に固定された基板５の表面に、成長室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３１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３２に投影され、該ＲＨＥＥＤスクリーン３２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することができる。また、ＭＢＥ成長室２の外壁部に四重極質量分析器３３が配置され、該成長室２内の残留ガスの種類及びその量が計測可能とされる。
【００３９】
次に、本発明の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法を、一実施例としてＧａＮ半導体膜を成長させる場合について、図２に示すタイムシーケンスに従って説明する。
いま、成長室２内の基板ホルダー３には、公知の方法でＡｌＮ（窒化アルミニューム）の高温バッファ層を成長させたＳｉ基板５が固定されているものとする。また、固体金属用分子線セル１１の坩堝１４に装入されたＧａ塊体がヒータ１５により加熱溶融されてＧａ蒸気が生成されている一方、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４３から比較的小さいＲＦ電力が投入されて励起室２２内が上記基板５に照射されたＧａ分子とは反応しない励起分子線を生成する低輝度励起状態（ＬＢモード）に維持されているものとする。
【００４０】
上記固体金属用分子線セル１１の出口部分に配置したシャッター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。
【００４１】
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、固体金属用分子線セル１１から射出される金属分子線、即ち、Ｇａフラックスを基板５に照射するとともに、上記窒素励起セル２１からＬＢモードで生成される窒素励起分子線を基板５に照射する、成膜予備工程が実行される。この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１７からの１分子層分のＧａ分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線によりエネルギーが付与され、低温状態にて基板５上のＧａ分子の拡散又は移動を有効に促進する。
【００４２】
次に、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４３から比較的大きい一定のＲＦ電力を投入することにより励起状態をＬＢモードからＨＢモードに切替え、該励起モード切変え時点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モードで生成する窒素原子及び励起窒素原子並びに励起窒素分子（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分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。なお、上記時間τは本明細書において遅れ時間と称する。この遅れ時間τは、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モード持続期間Ｔ3は、シャッター１２の開期間Ｔ1中に基板５に供給されたＧａ分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。
【００４３】
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モードに戻され、該時点ｔ3から上記シャッター１２が再び開とされる時点ｔ0までの期間β中に、基板５の表面とか成長室２の内部に残留するＧａ分子、即ち、１分子層の形成にあたり余剰のＧａ分子が、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、励起モード切替え時点ｔ2から再びシャッター１２が開とされる時点ｔ0までの期間（成膜工程ＨＢモード持続期間Ｔ3＋期間β）において成膜工程が実行される。
【００４４】
上記シャッター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に成長させるＧａＮ半導体膜の膜厚に応じて複数回繰り返される。
【００４５】
なお、上記シャッター１２の開期間Ｔ1は、上述したように、１分子層以下の金属分子数量に限らず、複数分子層分の金属分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長させる初期には、複数分子層分の金属分子を供給して比較的速い速度で成長させ、終盤の仕上げ時期では、１分子層分の金属分子数量に応じた期間Ｔ1をもって成膜するようにすることにより、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。
【００４６】
以下に、本発明の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置の一実施例を、添付した図３及び図４とともに説明する。
図３は本発明の成膜装置の基本的構成概念を示し、図４は、上記タイムシーケンス（図２）に順じて上記成膜サイクルを実行する成膜制御装置３５のコントロールパネル３７の正面図を示す。なお、図３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。
【００４７】
図３において、成膜制御装置３５は、例えば、パーソナルコンピュータＰＣを用いて構成したもので、該コンピュータＰＣのメモリー（図示を省略する）に、上記タイムシーケンスにしたがって上記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。
【００４８】
上記成膜制御装置３５の制御盤（コントロールパネル）として、図４に示すように、例えば、コンピュータＰＣ用の液晶モニタ画面に可視表示した画像コントロールパネルが使用される。
【００４９】
上記画像コントロールパネルにおいて、５１は、成膜制御装置３５の制御開始指令用のスタートボタン、５２は、操作モード設定スイッチ、５３は、運転モード設定スイッチ、５４は、パルス（図２参照）周期切替えスイッチ、５５は、詳細に後述する給電制御回路４１における入力電流モニタ、５６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、５７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、５８は、投入設定ＲＦ電力の上限値設定ダイヤル、５９は、投入設定ＲＦ電力の下限値設定ダイヤル、及び６０は、ＬＢモード維持電力設定ダイヤルである。
【００５０】
ユーザ（成膜制御装置３５の使用者）が成膜作業対象に応じて随意に設定する入力データ設定スイッチとして、６１は、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、６２は、シャッター１２の開期間Ｔ1（sec）設定ボタン、６３は、時間α（sec）設定ボタン、６４は、ＨＢモード持続期間Ｔ3（sec）設定ボタン、及び６５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３５の図示しない演算論理部（ＡＬＵ）にて設定ボタン６２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、６６は、リアクタンス調整回路４４の動作モード切替えスイッチ、６８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。
【００５１】
上記成膜制御装置３５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６１〜６５と協働して該タイマー回路からシャッター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モードからＨＢモードに切替える時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢモード持続期間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。
【００５２】
ＲＦ電源４３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４１が接続される。給電制御回路４１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）４３間に接続される可変リアクタンス回路４２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３４と、上記窒素ビームフラックス検出器３４の検出値が上記目標電流設定ダイヤル５７又はＬＢモード維持電力設定ダイヤル６０で設定された目標値となるように可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値をフィードバック制御して、上記励起コイル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又は自動インピーダンスマッチング回路４４とにより構成される。
【００５３】
上記構成により、自動リアクタンス調整回路４４が成膜制御装置３５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６４により設定されたＨＢモード持続モード期間Ｔ3中、可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値を調整してＲＦ電源４３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モードを確立する。同様にして、自動リアクタンス調整回路４４が上記タイマー回路からタイミング信号ｔ3を受けると、可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値を調整してＲＦ電源４３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モードに切替えられる。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４４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モードに維持される。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。
【００５４】
上記自動リアクタンス調整回路４４による可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値の調整操作に代えて、ＲＦ電源４３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。
【００５５】
上記実施例の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置においては、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。
【００５６】
ＭＢＥ成膜装置、例えば、V.G.Semicon（英国）社製ＶＧ８０ＨＭＢＥ装置（図１）に、窒素励起セル２１と給電制御回路４１（可変リアクタンス回路４２及び自動リアクタンス調整回路４４）とＲＦ電源４３とを１セットとして市販される、例えば、アリオス株式会社（日本国東京）製ＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源（装置）を組み込み、図２のタイムシーケンスにしたがって窒素励起セル２１の励起コイル２４に、比較的小さい一定の電力ＷLBと比較的大きい一定の電力ＷHBとをもって給電することにより励起室２２の励起状態を変調した際、上記窒素励起セル２１のオリフィス２５を写真撮影したところ、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、ＬＢ(低輝度)モードとＨＢ（高輝度）モード間で上記オリフィス２５の明るさに顕著な差異が確認された。
【００５７】
上記窒素励起セル２１において、ＬＢモードからＨＢモードへの切替え（転移）と、それとは逆に、ＨＢモードからＬＢモードへの切替えとを、圧力センサ２８による窒素ガス供給圧力を一定として給電制御回路４１によりＲＦ電源２３から励起コイル２４への投入電力を変化させた場合と、給電電力を一定として窒素ガス供給圧力を変化させた場合とにおける転移点（ガス圧又は電力値）の測定結果が図６に示される。図６から分かるように、ＬＢからＨＢへの切替えの場合及びそれと逆の場合の何れにおいても、窒素ガス供給圧力が高くなればなる程、上記転移点の差が大きくなっていることを確認した。この予備試験結果に基づき、ＬＢモードからＨＢモードへ切替える時点ｔ2及びＨＢモードからＬＢモードへ切替える時点ｔ3で、それぞれ、成膜制御装置又は回路３５から給電制御回路４１に対し指令される給電電力ＷHB及びＷLBの指令値が定められる。給電電力指令値ＷHBは、図６において、窒素励起セル２１に対する窒素ガス圧力（Ｐａ）に対し白抜き□印でプロットされる破線上の点に相当するＲＦ電力値以上の適宜な値に設定される。一方、給電電力指令値ＷLBは、図６において、窒素励起セル２１に対する窒素ガス圧力（Ｐａ）に対する黒塗り■印でプロットされる破線上の点に相当するＲＦ電力値以下の適宜な値に設定される。
【００５８】
また、上記ＭＢＥ成膜装置の成長室２内で基板ホルダー３に固定された基板５に向けて射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、例えば、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７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示されるように、ＬＢモード（図７（Ａ））では励起窒素分子のみのスペクトルが観測され、ＨＢモード（図７（Ｂ））では窒素分子が解離して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、９０６ｎｍ及び９４０ｎｍ等が観測された。また、上記ＬＢモード及びＨＢモードにおいて、励起窒素原子から基底状態への遷移の際に発光する第１正帯及び励起窒素分子から励起窒素原子への遷移の際に発光する第２正帯が観測された。
【００５９】
次に、上記ＶＧ８０ＨＭＢＥ装置にＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源（装置）を組み込んだＭＢＥ成膜装置を用いて、共に、３インチ（７．６２ｃｍ）の２つのＳｉ（１１１）基板にＡｌＮバッファ層を成長させた後、本発明の成膜方法により、該ＡｌＮバッファ層に固体金属用分子線セル１１からＧａ分子線を、窒素励起セル２１から窒素活性種を、それぞれ、図２のタイムシーケンスにしたがって、共に同一の周期Ｔ＝５秒をもって繰り返し照射してＧａＮ膜を生成した。これらの成膜実施例の写真撮影した表面干渉模様を図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す。一方の図８（ａ）の実施例において、タイムシーケンスの開期間Ｔ1、ＨＢ持続期間Ｔ3並びに時間α及びβは、それぞれ、Ｔ1＝２sec、α＝０sec、Ｔ3＝２sec、β＝０secであった。他方の図８（ｂ）の実施例においては、それぞれ、Ｔ1＝２sec、α＝１sec、Ｔ3＝２sec、β＝０secであった。なお、両成膜実施例共々、基板温度は７００℃、窒素ガス圧力は１００Ｐａ、ＲＦ上限電力は５００Ｗ、ＲＦ下限電力は１５０Ｗとされた。
【００６０】
図８（ａ）及び図８（ｂ）から分かるように、両実施例共、成膜操作中、基板ホルダー３により上記基板５の回転操作を行わかったにもかかわらず、回転操作をした場合と同様、ＧａＮ膜の全表面に同心円状の濃淡縞が見られるだけで、一方向に並んだ干渉縞は見当たらなかった。これは、上記タイムシーケンスにおけるパラメータＴ1、Ｔ3、α及びβを調整することにより基板の全表面にわたって良好な平坦性を得られることを示すと考えられる。また、両実施例の膜表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真からも分かるように、欠損部（凹部）もほとんど見られず、結晶性が良好であった。
【００６１】
上記実施例の成膜条件と同じ条件で従来形式の成膜方法で成膜した場合、図９に示すように、ＧａＮ膜の表面全体に一方向に並んだ干渉縞が見られ、Ｇａ液滴又はカラムが形成されたことを示し、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すものと比べ、平坦性及び結晶性が良くなかった。この実施例において、基板温度は７００℃、窒素ガス圧力は１００Ｐａ、ＲＦＨＢモード電力は４００Ｗとされた。
【００６２】
上記ＡｌＮによる高温バッファ層を成長させたＳｉ基板５を６００℃とし、窒素ガス励起セル２１をＬＢモードとして該基板５に、励起窒素分子線を照射せずにＧａフラックスを照射した場合（Ａ：図１０（ａ））と、励起窒素分子線を照射するとともにＧａフラックスを照射した場合（Ｂ：図１０（ｂ））とにおけるＲＨＥＥＤ輝度変化を観測した。励起窒素分子を照射した場合（Ｂ）における輝度の復帰時間ＴBDが励起窒素分子を照射しない場合（Ａ）におけるよりも顕著に短縮されたことからも分かるように、窒素励起分子がＧａ分子に衝突することで、該Ｇａ分子に高いエネルギーが付与され、上記Ｓｉ基板５の表面上を拡散し離脱し易い状態にされたと推測される。このことから、上記時間αの設定値を調整することにより、ＧａＮ成長量をより精密に制御し得ることが分かる。
【００６３】
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族金属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】
【００６４】
【図１】本発明の成膜方法を適用できる一般的に使用されるＭＢＥ成膜装置の主要構成部分を示す概略断面図である。
【図２】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３】本発明の成膜装置の主要構成を示す概略図である。
【図４】本発明の成膜装置における給電制御回路（装置）のコントロールパネルの正面図である。
【図５】本発明に適用される窒素励起セルの励起作動時のオリフィス部の明るさを示す写真で、（Ａ）はＬＢモード時、（Ｂ）はＨＢモード時のものである。
【図６】本発明に適用される窒素ガス励起セルのＬＤモード及びＨＤモード切替えにおけるＲＦ電力（Ｗ）と窒素ガス圧力（Ｐａ）との相関実験データを示すグラフである。
【図７】本発明に適用される窒素励起セルの励起作動時における窒素活性種のスペクトルで、（Ａ）はＬＢモード時、（Ｂ）はＨＢモード時のものである。
【図８】本発明の成膜方法を用いて２つの実施態様（成膜条件（ａ）及び（ｂ））で基板に成長させたＧａＮ表面の干渉写真及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】従来形式のＭＢＥ成膜方法を用いて図８（ａ）におけるものと同一条件でＳｉ基板に成長させたＧａＮ表面の干渉写真で、縞状に不均一成長した様子を示す。
【図１０】本発明の成膜方法によるＧａＮ成長時のＲＨＨＥＤ輝度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 本発明のＭＢＥ成膜装置
２ ＭＢＥ成長室
３ 基板ホルダー
５ 基板
６ 基板搬入部
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 固体金属用分子線セル（Ｋセル）
１１ａ〜１１ｄ 固体金属用分子線セル（Ｋセル）
１２ シャッター
１４ ＰＢＮ坩堝
１５ 溶融ヒータ
１７ ガス用分子線セル
１８ シャッター
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
３１ ＲＨＥＥＤ電子銃
３２ ＲＨＥＥＤスクリーン
３３ 四重極質量分析器
３４ 窒素ビームフラックス検出器
３５ 成膜制御装置（回路）
３６ シャッター駆動回路
３７ コントロールパネル
３８ スタートボタン
３９ データ入力設定ボタン（データ入力設定器）
４１ 給電制御回路
４２ 可変リアクタンス回路
４３ ＲＦ（高周波）電源
４４ 自動リアクタンス調整回路
５１ スタートボタン
５７ 目標電流（励起電力）設定ダイヤル
６０ ＬＢモード維持電力設定ダイヤル
６１ 周期Ｔ設定スイッチ
６２ 開期間Ｔ1設定スイッチ
６３ 時間α設定スイッチ
６４ ＨＢモード持続期間Ｔ3設定スイッチ
６５ 時間β設定スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属窒素化合物、代表的に、III族金属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、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＮ等のIII族金属窒素化合物半導体は、例えば、サファイア基板等の基板に結晶成長させるにあたり、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、膜成長室を、１０-5〜１０-9Ｐａ程度の超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、例えば、サファイア基板にＧａＮ膜をエピタキシャル成長させるにあたり、ＭＢＥ成膜装置の成長室内に、基板を保持するとともにヒータを用いて６００℃〜８００℃程度に加熱し、固体金属用分子線セル、即ち、適当な坩堝を用いてクヌーセン（Knudesen）条件を満たすように構成したセル（Ｋセル）から蒸発したＧａ分子線を該Ｋセルの出口部分に配置したシャッターを介して上記基板に照射すると同時に、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波（Radio Frequency:ＲＦ）電力を用いたプラズマ放電室（励起セル）内に生成した窒素ラジカルビーム（窒素活性種ともいう）を、該窒素励起セルの出口部分に配置したシャッターを介して上記基板に照射し、該基板面にＧａＮ半導体膜を生成することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、ＭＢＥ成膜装置の成長室内に保持された基板にIII族金属窒素化合物、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分子線を連続的に照射する一方、ＲＦ窒素励起セルから窒素励起分子線を、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２を参照）。
【０００５】
更にまた、上記特許文献２のIII族窒化物半導体膜の成長方法における固体金属用分子線セルからの金属（例えば、Ｇａ）分子線と、窒素励起セルからの窒素励起分子線とを、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分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分子線の照射停止後（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分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）。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献２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分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り、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いという問題があった。これは、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いないことによるものと考えられる。因みに、成膜速度を高めるべく、窒素励起セル用のシャッターの開時間とか窒素活性種の流量を増大しても有効に成長量を増大することが出来ず、かえってＧａ液滴又はカラムが生じ易く、平坦性が損なわれ易くなるばかりか、増量された窒素活性種が有効にＧａ分子との反応に使用されず、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。一方、単に、Ｇａフラックス流量を増大した場合には、Ｎ（窒素原子）欠損箇所が多数発生して結晶性が低下するとか、前述したと同様、Ｇａ液滴又はカラムが生じ、平坦性が損なわれることとなる。特に、最近の基板、代表的に、Ｓｉ基板の大径化、例えば、１２インチ（３００ｍｍ）の大径基板においては、成膜の平坦性の要求が非常に高い。また、上記シャッターの開閉制御機構は高速かつ高精度のものが要求され、特に、開閉頻度が高いことから機構的に高耐用性が要求されることから該シャッター機構全体の製作コストが高価であるという問題もあった。
【０００７】
一方、本発明の発明者等は、ＲＦ窒素励起セルを備えたＭＢＥ成膜装置を用いたIII族窒素化合物半導体の成膜実験を行った際、ＲＦ電源から窒素励起セルの励起コイルに、比較的小さいＲＦ電力ＷLBを投入することによりＧａ分子と反応しない窒素励起分子線を生成する低輝度 (Low Brightness：ＬＢ）モードと、比較的大きいＲＦ電力ＷHBを投入することによりＧａ分子と反応する窒素活性種を生成する高輝度（High Brightness：ＨＢ）モードとの２形態の励起状態を生起させ得ることを確認した（非特許文献２及び非特許文献３を参照）。
【０００８】
そこで、本発明の発明者等は、上記知見に基づいて更に鋭意研究した結果、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを周期的に開閉させ、該シャッターの開閉動作と同期して、ＲＦ電源から窒素励起セルの励起コイルへの電力投入量を切替えることにより該窒素励起セルをＬＢモードとＨＢモードとの間で切替え、固体金属用分子線セルから成長室内の基板に所定量の金属分子線、例えば、Ｇａフラックスを照射すると同時に窒素励起セルから直に金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射する一方、固体金属用分子線セルから基板への金属分子線の照射期間と若干オーバーラップするか又は該金属分子線の照射停止後における一定期間中、ＬＢモードからＨＢモードに切替えられた窒素励起セルから上記基板へ所定量の窒素活性種を照射することにより成長量を精密に制御する方法を案出した。この新しい成膜方式では、原理的に、従来方式の窒素励起セル用のシャッターを使用せず、該シャッターの開閉制御に代えて、ＲＦ電源から窒素励起セルへの給電制御回路手段により基板へ窒素活性種を照射するタイミング制御がなされる。
【特許文献１】特開平７−２９１７９１号公報
【特許文献２】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
【非特許文献２】第５３回応用物理学関係連合講演会（２００６春 武蔵工業大学 ）講演予稿集 講演番号２３ａ−ＺＫ−１ ３６１頁
【非特許文献３】第６６回応用物理学会学術講演会（２００５秋 徳島大学）講演 予稿集 講演番号８ａ−Ｘ−６ ２６８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来形式の金属窒素化合物、特に、III族金属窒素化合物の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膜の成長量を精細に制御して膜の平坦性及び結晶性と成膜速度とを同時に有効に高めることができる金属窒素化合物の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】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを周期的に一定の開期間Ｔ1（Ｔ1<周期Ｔ）をもって繰り返し開閉し、上記シャッターが開いた時点ｔ0から閉じる時点ｔ1までの期間Ｔ1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属分子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成するＬＢモードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、上記シャッターの開時点ｔ0から該シャッターの開期間Ｔ1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点ｔ2で上記窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードからＨＢモードに切替えて、上記時点ｔ2から予め定めたＨＢモード持続期間Ｔ3中、該窒素励起セルから上記基板に窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該ＨＢモード持続期間Ｔ3の満了時点ｔ3で再びＬＢモードに戻すようにした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。
【００１１】
本発明の請求項２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、上記遅れ時間τを、周期的に繰り返し開閉するシャッターの開期間Ｔ1より予め定めた時間αだけ短い期間（Ｔ1−α）に相当する大きさに設定することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、上記シャッターが閉じた期間Ｔ2において、窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードからＬＢモードに戻した時点ｔ3から該シャッターが再び開く時点ｔ0までの期間β中、ＭＢＥ成長室内の残留金属分子を除去することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、シャッターの開期間Ｔ1が基板に１分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分子数量に応じて定められることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項５に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、シャッターの開期間Ｔ1が基板に複数分子層をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分子数量に応じて定められることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の金属窒素化合物の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モードを維持することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項７に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置において、上記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シャッター駆動手段と、上記シャッターの開閉動作の周期Ｔ及び開期間Ｔ1、上記シャッターの開時点ｔ0からの遅れ時間τ及びＨＢモード持続期間Ｔ3を予め設定してこれらの設定データ（Ｔ、Ｔ1、τ、Ｔ3）を入力するデータ入力手段と、上記シャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号、該時点ｔ0から上記遅れ時間τが経過した時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢモード持続期間Ｔ3が経過した時点ｔ3を示すタイミング信号を出力するタイマー手段と、上記タイマー手段からタイミング信号（ｔ0、ｔ2、ｔ3）を受けて上記窒素励起セルの励起コイルにそれぞれＬＢモード及びＨＢモードを確立するための高周波電力を供給するＲＦ電源と、上記ＲＦ電源と上記励起コイル間に挿入され、上記タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルに比較的小さい電力ＷLBをもって給電する一方、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルにＨＢモード持続期間Ｔ3中、比較的大きい一定の電力ＷHBをもって給電し、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記励起コイルに、再びＬＢモードに戻すように比較的小さい電力ＷLBをもって給電するようにした給電制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、更に、シャッターの周期的な開閉動作を開始するまでに窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードに設定し、タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けてから該シャッターの開期間Ｔ1中、ＭＢＥ成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルからの金属分子線を照射するとともに上記窒素励起セルからＬＢモードで生成する窒素励起分子線を照射し、次いで上記タイマー手段から励起モード切替時点ｔ2を示すタイミング信号を受けた際、上記窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードに切替え、該ＨＢモードで生成する窒素活性種を上記基板に照射して金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜サイクル動作を複数回繰り返すように制御する成膜制御手段を具備したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項９に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、上記給電制御手段を、ＲＦ電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間Ｔ3中、予め定めた一定値となるように上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を調整して上記励起コイルに比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１０に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、上記給電制御手段を、ＲＦ電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間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比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項１１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を有効とする一方、励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を無効とするように構成したことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項１２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置は、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】
【００２２】
本発明の請求項１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターの開閉動作の１周期Ｔに対応する成膜サイクル毎に、固体金属用分子線セルから成長室内の基板に所定量の金属分子線（金属フラックス）を照射すると同時に窒素励起セルから金属分子と反応しない窒素励起分子線を照射することにより基板に付着した金属分子にエネルギーを付与して該基板表面を金属分子が拡散又は移動し易い状態とするとともに上記基板への金属分子線の照射停止後に窒素励起セルから基板に所定量の窒素活性種を供給することにより該基板面の金属分子と略過不足なく反応するように成長量を制御し、このような成膜サイクルを成膜対象の膜厚に応じて複数回繰り返すことにより、金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を従来方式によるよりも短時間で製作し得、特に、最近の基板の大径化に対し有効に対処し得るという優れた作用効果を奏する。
【００２３】
本発明の請求項２に記載の金属窒素化合物の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分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時点ｔ2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。
【００２４】
本発明の請求項３に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、一定期間Ｔ3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分子をβ期間中に除去することにより、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得るという優れた作用効果を奏する。
【００２５】
本発明の請求項４に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、固体金属用分子線セルから基板面に１原子層の生成に必要な金属分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分子と過不足なく反応する量の窒素活性種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金属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。
【００２６】
本発明の請求項５に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法によれば、１成膜サイクル毎に、固体金属用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分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分子と過不足なく反応する量の窒素活性種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及び結晶性の良好な金属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。
【００２７】
本発明の請求項６に記載の金属窒素化合物の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窒素励起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。
【００２８】
本発明の請求項７に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、データ入力手段に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置した周期的に繰り返し開閉するシャッターの開閉動作の周期Ｔ及び開期間Ｔ1、窒素励起セルの励起状態をＬＢモードからＨＢモードに切替えるタイミングを定める遅れ時間τ及びＨＢモード持続期間Ｔ3を、成膜対象の原材料（金属フラックス及び窒素活性種）に応じて予め適宜に設定した後、給電制御手段を介して上記請求項１に記載の成膜サイクルを実行することにより金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を製作し得るという優れた作用効果を奏する。
【００２９】
本発明の請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、データ入力設定手段に上記時間データ（Ｔ、Ｔ1、τ、Ｔ3）を設定した後、成膜制御手段を介して成膜対象の膜厚に応じて上記成膜サイクルを複数回繰り返し実行することにより、金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を製作し得るという優れた作用効果を奏する。
【００３０】
本発明の請求項９に記載の金属窒素化合物の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の励起状態を所望の励起モードに迅速に切替え得るという優れた作用効果を奏する。
【００３１】
本発明の請求項１０に記載の金属窒素化合物の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励起モードの切替えを行い得るという優れた作用効果を奏する。
【００３２】
本発明の請求項１１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、窒素励起セルの励起状態をＬＢモードからＨＢモードへ切替え時にのみ自動リアクタンス調整回路を作動させて迅速（急峻）にＨＢモードに立上げる、いわゆる、インピーダンス整合の応答性を高める一方、ＨＢモードからＬＢモードへの切替え時には、上記インピーダンス整合の高応答性を要しないことに鑑みて、従前（ＨＢモード時）のリアクタンス値をもってＲＦ電源から励起コイルへの投入電力の調整を行うことにより、自動リアクタンス調整操作を有効に省力化できるという優れた作用効果を奏し得る。
【００３３】
本発明の請求項１２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置によれば、コンピュータの記憶部に格納した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金属フラックス及び窒素活性種を効率的に利用して平坦性（均一成長）及び結晶性の良好な金属窒素化合物膜を製作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】
【００３４】
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。
本発明の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法は、図１に示されるように、一般に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長に用いられる成膜装置１を用いて実施される。
図１において、ＭＢＥ成長室２内に設けられた基板ホルダー３に、図示しない固定具を介して着脱可能に基板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の表面に金属窒素化合物、例えば、III族金属元素、代表的に、Ｇａの窒化物半導体（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、該マニピュレータ７により成長室２の外部から基板ホルダー３への基板５の固定操作とか、該基板ホルダー３に固定された基板５の回転操作等が可能とされる。８は真空機構部で、例えば、ターボ分子ポンプを用いて成長室２が１０-5〜１０-9Ｐａの超真空とされる。
【００３５】
基板ホルダー３の下方で成長室２の底部に、例えば、４つの固体金属用分子線セル１１ａ〜１１ｄが配置される。これらの固体金属用分子線セル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、坩堝１４に装入された固体金属材料、例えば、III族金属元素、代表的に、Ｇａを溶融ヒータ１５により溶融蒸発させ、各セル１１の出口部分にそれぞれ装着されたシャッター１２を開として基板ホルダー３に固定された基板５の表面に照射される。各シャッター１２は、それぞれ、図示しない開閉駆動機構部を介して開閉駆動される。シャッター１１が開閉駆動機構部により開とされると、該シャッター１２に対応する固体金属用分子線セル１１から溶融蒸発した金属分子線（Ｇａ分子線）が基板５に照射される。これらの固体金属用分子線セル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、固体金属用分子線セル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。
【００３６】
上記固体金属用分子線セル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、励起窒素原子、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。
【００３７】
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３４により検出される。
【００３８】
ＭＢＥ成長室２内の該基板ホルダー３に固定された基板５の表面に、成長室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３１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３２に投影され、該ＲＨＥＥＤスクリーン３２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することができる。また、ＭＢＥ成長室２の外壁部に四重極質量分析器３３が配置され、該成長室２内の残留ガスの種類及びその量が計測可能とされる。
【００３９】
次に、本発明の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法を、一実施例としてＧａＮ半導体膜を成長させる場合について、図２に示すタイムシーケンスに従って説明する。
いま、成長室２内の基板ホルダー３には、公知の方法でＡｌＮ（窒化アルミニューム）の高温バッファ層を成長させたＳｉ基板５が固定されているものとする。また、固体金属用分子線セル１１の坩堝１４に装入されたＧａ塊体がヒータ１５により加熱溶融されてＧａ蒸気が生成されている一方、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４３から比較的小さいＲＦ電力が投入されて励起室２２内が上記基板５に照射されたＧａ分子とは反応しない励起分子線を生成する低輝度励起状態（ＬＢモード）に維持されているものとする。
【００４０】
上記固体金属用分子線セル１１の出口部分に配置したシャッター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。
【００４１】
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、固体金属用分子線セル１１から射出される金属分子線、即ち、Ｇａフラックスを基板５に照射するとともに、上記窒素励起セル２１からＬＢモードで生成される窒素励起分子線を基板５に照射する、成膜予備工程が実行される。この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１７からの１分子層分のＧａ分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線によりエネルギーが付与され、低温状態にて基板５上のＧａ分子の拡散又は移動を有効に促進する。
【００４２】
次に、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４３から比較的大きい一定のＲＦ電力を投入することにより励起状態をＬＢモードからＨＢモードに切替え、該励起モード切変え時点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モードで生成する窒素原子及び励起窒素原子並びに励起窒素分子（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分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。なお、上記時間τは本明細書において遅れ時間と称する。この遅れ時間τは、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モード持続期間Ｔ3は、シャッター１２の開期間Ｔ1中に基板５に供給されたＧａ分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。
【００４３】
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モードに戻され、該時点ｔ3から上記シャッター１２が再び開とされる時点ｔ0までの期間β中に、基板５の表面とか成長室２の内部に残留するＧａ分子、即ち、１分子層の形成にあたり余剰のＧａ分子が、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、励起モード切替え時点ｔ2から再びシャッター１２が開とされる時点ｔ0までの期間（成膜工程ＨＢモード持続期間Ｔ3＋期間β）において成膜工程が実行される。
【００４４】
上記シャッター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に成長させるＧａＮ半導体膜の膜厚に応じて複数回繰り返される。
【００４５】
なお、上記シャッター１２の開期間Ｔ1は、上述したように、１分子層以下の金属分子数量に限らず、複数分子層分の金属分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長させる初期には、複数分子層分の金属分子を供給して比較的速い速度で成長させ、終盤の仕上げ時期では、１分子層分の金属分子数量に応じた期間Ｔ1をもって成膜するようにすることにより、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。
【００４６】
以下に、本発明の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置の一実施例を、添付した図３及び図４とともに説明する。
図３は本発明の成膜装置の基本的構成概念を示し、図４は、上記タイムシーケンス（図２）に順じて上記成膜サイクルを実行する成膜制御装置３５のコントロールパネル３７の正面図を示す。なお、図３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。
【００４７】
図３において、成膜制御装置３５は、例えば、パーソナルコンピュータＰＣを用いて構成したもので、該コンピュータＰＣのメモリー（図示を省略する）に、上記タイムシーケンスにしたがって上記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。
【００４８】
上記成膜制御装置３５の制御盤（コントロールパネル）として、図４に示すように、例えば、コンピュータＰＣ用の液晶モニタ画面に可視表示した画像コントロールパネルが使用される。
【００４９】
上記画像コントロールパネルにおいて、５１は、成膜制御装置３５の制御開始指令用のスタートボタン、５２は、操作モード設定スイッチ、５３は、運転モード設定スイッチ、５４は、パルス（図２参照）周期切替えスイッチ、５５は、詳細に後述する給電制御回路４１における入力電流モニタ、５６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、５７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、５８は、投入設定ＲＦ電力の上限値設定ダイヤル、５９は、投入設定ＲＦ電力の下限値設定ダイヤル、及び６０は、ＬＢモード維持電力設定ダイヤルである。
【００５０】
ユーザ（成膜制御装置３５の使用者）が成膜作業対象に応じて随意に設定する入力データ設定スイッチとして、６１は、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、６２は、シャッター１２の開期間Ｔ1（sec）設定ボタン、６３は、時間α（sec）設定ボタン、６４は、ＨＢモード持続期間Ｔ3（sec）設定ボタン、及び６５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３５の図示しない演算論理部（ＡＬＵ）にて設定ボタン６２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、６６は、リアクタンス調整回路４４の動作モード切替えスイッチ、６８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。
【００５１】
上記成膜制御装置３５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６１〜６５と協働して該タイマー回路からシャッター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モードからＨＢモードに切替える時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢモード持続期間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。
【００５２】
ＲＦ電源４３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４１が接続される。給電制御回路４１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）４３間に接続される可変リアクタンス回路４２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３４と、上記窒素ビームフラックス検出器３４の検出値が上記目標電流設定ダイヤル５７又はＬＢモード維持電力設定ダイヤル６０で設定された目標値となるように可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値をフィードバック制御して、上記励起コイル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又は自動インピーダンスマッチング回路４４とにより構成される。
【００５３】
上記構成により、自動リアクタンス調整回路４４が成膜制御装置３５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６４により設定されたＨＢモード持続モード期間Ｔ3中、可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値を調整してＲＦ電源４３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モードを確立する。同様にして、自動リアクタンス調整回路４４が上記タイマー回路からタイミング信号ｔ3を受けると、可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値を調整してＲＦ電源４３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モードに切替えられる。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４４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モードに維持される。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。
【００５４】
上記自動リアクタンス調整回路４４による可変リアクタンス回路４２のリアクタンス値の調整操作に代えて、ＲＦ電源４３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。
【００５５】
上記実施例の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置においては、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。
【００５６】
ＭＢＥ成膜装置、例えば、V.G.Semicon（英国）社製ＶＧ８０ＨＭＢＥ装置（図１）に、窒素励起セル２１と給電制御回路４１（可変リアクタンス回路４２及び自動リアクタンス調整回路４４）とＲＦ電源４３とを１セットとして市販される、例えば、アリオス株式会社（日本国東京）製ＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源（装置）を組み込み、図２のタイムシーケンスにしたがって窒素励起セル２１の励起コイル２４に、比較的小さい一定の電力ＷLBと比較的大きい一定の電力ＷHBとをもって給電することにより励起室２２の励起状態を変調した際、上記窒素励起セル２１のオリフィス２５を写真撮影したところ、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、ＬＢ(低輝度)モードとＨＢ（高輝度）モード間で上記オリフィス２５の明るさに顕著な差異が確認された。
【００５７】
上記窒素励起セル２１において、ＬＢモードからＨＢモードへの切替え（転移）と、それとは逆に、ＨＢモードからＬＢモードへの切替えとを、圧力センサ２８による窒素ガス供給圧力を一定として給電制御回路４１によりＲＦ電源２３から励起コイル２４への投入電力を変化させた場合と、給電電力を一定として窒素ガス供給圧力を変化させた場合とにおける転移点（ガス圧又は電力値）の測定結果が図６に示される。図６から分かるように、ＬＢからＨＢへの切替えの場合及びそれと逆の場合の何れにおいても、窒素ガス供給圧力が高くなればなる程、上記転移点の差が大きくなっていることを確認した。この予備試験結果に基づき、ＬＢモードからＨＢモードへ切替える時点ｔ2及びＨＢモードからＬＢモードへ切替える時点ｔ3で、それぞれ、成膜制御装置又は回路３５から給電制御回路４１に対し指令される給電電力ＷHB及びＷLBの指令値が定められる。給電電力指令値ＷHBは、図６において、窒素励起セル２１に対する窒素ガス圧力（Ｐａ）に対し白抜き□印でプロットされる破線上の点に相当するＲＦ電力値以上の適宜な値に設定される。一方、給電電力指令値ＷLBは、図６において、窒素励起セル２１に対する窒素ガス圧力（Ｐａ）に対する黒塗り■印でプロットされる破線上の点に相当するＲＦ電力値以下の適宜な値に設定される。
【００５８】
また、上記ＭＢＥ成膜装置の成長室２内で基板ホルダー３に固定された基板５に向けて射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、例えば、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７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示されるように、ＬＢモード（図７（Ａ））では励起窒素分子のみのスペクトルが観測され、ＨＢモード（図７（Ｂ））では窒素分子が解離して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、９０６ｎｍ及び９４０ｎｍ等が観測された。また、上記ＬＢモード及びＨＢモードにおいて、励起窒素原子から基底状態への遷移の際に発光する第１正帯及び励起窒素分子から励起窒素原子への遷移の際に発光する第２正帯が観測された。
【００５９】
次に、上記ＶＧ８０ＨＭＢＥ装置にＩＲＦＳ−５０１ＲＦ励起窒素源（装置）を組み込んだＭＢＥ成膜装置を用いて、共に、３インチ（７．６２ｃｍ）の２つのＳｉ（１１１）基板にＡｌＮバッファ層を成長させた後、本発明の成膜方法により、該ＡｌＮバッファ層に固体金属用分子線セル１１からＧａ分子線を、窒素励起セル２１から窒素活性種を、それぞれ、図２のタイムシーケンスにしたがって、共に同一の周期Ｔ＝５秒をもって繰り返し照射してＧａＮ膜を生成した。これらの成膜実施例の写真撮影した表面干渉模様を図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す。一方の図８（ａ）の実施例において、タイムシーケンスの開期間Ｔ1、ＨＢ持続期間Ｔ3並びに時間α及びβは、それぞれ、Ｔ1＝２sec、α＝０sec、Ｔ3＝２sec、β＝０secであった。他方の図８（ｂ）の実施例においては、それぞれ、Ｔ1＝２sec、α＝１sec、Ｔ3＝２sec、β＝０secであった。なお、両成膜実施例共々、基板温度は７００℃、窒素ガス圧力は１００Ｐａ、ＲＦ上限電力は５００Ｗ、ＲＦ下限電力は１５０Ｗとされた。
【００６０】
図８（ａ）及び図８（ｂ）から分かるように、両実施例共、成膜操作中、基板ホルダー３により上記基板５の回転操作を行わかったにもかかわらず、回転操作をした場合と同様、ＧａＮ膜の全表面に同心円状の濃淡縞が見られるだけで、一方向に並んだ干渉縞は見当たらなかった。これは、上記タイムシーケンスにおけるパラメータＴ1、Ｔ3、α及びβを調整することにより基板の全表面にわたって良好な平坦性を得られることを示すと考えられる。また、両実施例の膜表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真からも分かるように、欠損部（凹部）もほとんど見られず、結晶性が良好であった。
【００６１】
上記実施例の成膜条件と同じ条件で従来形式の成膜方法で成膜した場合、図９に示すように、ＧａＮ膜の表面全体に一方向に並んだ干渉縞が見られ、Ｇａ液滴又はカラムが形成されたことを示し、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すものと比べ、平坦性及び結晶性が良くなかった。この実施例において、基板温度は７００℃、窒素ガス圧力は１００Ｐａ、ＲＦＨＢモード電力は４００Ｗとされた。
【００６２】
上記ＡｌＮによる高温バッファ層を成長させたＳｉ基板５を６００℃とし、窒素ガス励起セル２１をＬＢモードとして該基板５に、励起窒素分子線を照射せずにＧａフラックスを照射した場合（Ａ：図１０（ａ））と、励起窒素分子線を照射するとともにＧａフラックスを照射した場合（Ｂ：図１０（ｂ））とにおけるＲＨＥＥＤ輝度変化を観測した。励起窒素分子を照射した場合（Ｂ）における輝度の復帰時間ＴBDが励起窒素分子を照射しない場合（Ａ）におけるよりも顕著に短縮されたことからも分かるように、窒素励起分子がＧａ分子に衝突することで、該Ｇａ分子に高いエネルギーが付与され、上記Ｓｉ基板５の表面上を拡散し離脱し易い状態にされたと推測される。このことから、上記時間αの設定値を調整することにより、ＧａＮ成長量をより精密に制御し得ることが分かる。
【００６３】
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族金属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】
【００６４】
【図１】本発明の成膜方法を適用できる一般的に使用されるＭＢＥ成膜装置の主要構成部分を示す概略断面図である。
【図２】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３】本発明の成膜装置の主要構成を示す概略図である。
【図４】本発明の成膜装置における給電制御回路（装置）のコントロールパネルの正面図である。
【図５】本発明に適用される窒素励起セルの励起作動時のオリフィス部の明るさを示す写真で、（Ａ）はＬＢモード時、（Ｂ）はＨＢモード時のものである。
【図６】本発明に適用される窒素ガス励起セルのＬＤモード及びＨＤモード切替えにおけるＲＦ電力（Ｗ）と窒素ガス圧力（Ｐａ）との相関実験データを示すグラフである。
【図７】本発明に適用される窒素励起セルの励起作動時における窒素活性種のスペクトルで、（Ａ）はＬＢモード時、（Ｂ）はＨＢモード時のものである。
【図８】本発明の成膜方法を用いて２つの実施態様（成膜条件（ａ）及び（ｂ））で基板に成長させたＧａＮ表面の干渉写真及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図９】従来形式のＭＢＥ成膜方法を用いて図８（ａ）におけるものと同一条件でＳｉ基板に成長させたＧａＮ表面の干渉写真で、縞状に不均一成長した様子を示す。
【図１０】本発明の成膜方法によるＧａＮ成長時のＲＨＨＥＤ輝度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１ 本発明のＭＢＥ成膜装置
２ ＭＢＥ成長室
３ 基板ホルダー
５ 基板
６ 基板搬入部
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 固体金属用分子線セル（Ｋセル）
１１ａ〜１１ｄ 固体金属用分子線セル（Ｋセル）
１２ シャッター
１４ ＰＢＮ坩堝
１５ 溶融ヒータ
１７ ガス用分子線セル
１８ シャッター
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
３１ ＲＨＥＥＤ電子銃
３２ ＲＨＥＥＤスクリーン
３３ 四重極質量分析器
３４ 窒素ビームフラックス検出器
３５ 成膜制御装置（回路）
３６ シャッター駆動回路
３７ コントロールパネル
３８ スタートボタン
３９ データ入力設定ボタン（データ入力設定器）
４１ 給電制御回路
４２ 可変リアクタンス回路
４３ ＲＦ（高周波）電源
４４ 自動リアクタンス調整回路
５１ スタートボタン
５７ 目標電流（励起電力）設定ダイヤル
６０ ＬＢモード維持電力設定ダイヤル
６１ 周期Ｔ設定スイッチ
６２ 開期間Ｔ1設定スイッチ
６３ 時間α設定スイッチ
６４ ＨＢモード持続期間Ｔ3設定スイッチ
６５ 時間β設定スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素原子線及び窒素励起原子線並びに窒素励起分子線を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成するにあたり、
上記シャッターを周期的に一定の開期間Ｔ1（Ｔ1<周期Ｔ）をもって繰り返し開閉し、
上記シャッターが開いた時点ｔ0から閉じる時点ｔ1までの期間Ｔ1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属分子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度（Low Brightness：ＬＢ）モードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、上記シャッターの開時点ｔ0から該シャッターの開期間Ｔ1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点ｔ2で上記窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードから高輝度（High Brightness：ＨＢ）モードに切替えて、上記時点ｔ2から予め定めたＨＢモード持続期間Ｔ3中、該窒素励起セルから上記基板に窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該ＨＢモード持続期間Ｔ3の満了時点ｔ3で再びＬＢモードに戻すようにした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金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項２】
遅れ時間τは、周期的に繰り返し開閉するシャッターの開期間Ｔ1より予め定めた時間αだけ短い期間（Ｔ1−α）に相当する大きさに設定することを特徴とする請求項１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項３】
シャッターが閉じた期間Ｔ2において、窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードからＬＢモードに戻した時点ｔ3から該シャッターが再び開く時点ｔ0までの期間β中、基板上の残留金属分子を除去することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項４】
シャッターの開期間Ｔ1が基板に１分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分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３のいずれかに記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項５】
シャッターの開期間Ｔ1が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分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分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３のいずれかに記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項６】
窒素励起セル内に電磁波を照射してＬＢモードを維持す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金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項７】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置において、
上記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シャッター駆動手段と、上記シャッターの開閉動作の周期Ｔ及び開期間Ｔ1、上記シャッターの開時点ｔ0からの遅れ時間τ及びＨＢモード持続期間Ｔ3を予め設定してこれらの設定データ（Ｔ、Ｔ1、τ、Ｔ3）を入力するデータ入力手段と、上記シャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号、該時点ｔ0から上記遅れ時間τが経過した時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢモード持続期間Ｔ3が経過した時点ｔ3を示すタイミング信号を出力するタイマー手段と、上記タイマー手段からタイミング信号（ｔ0、ｔ2、ｔ3）を受けて上記窒素励起セルの励起コイルにそれぞれＬＢモード及びＨＢモードを確立するための高周波電力を供給するＲＦ電源と、上記ＲＦ電源と上記励起コイル間に挿入され、上記タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルに比較的小さい電力ＷLBをもって給電する一方、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルにＨＢモード持続期間Ｔ3中、比較的大きい電力ＷHBをもって給電し、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記励起コイルに、再びＬＢモードに戻すように比較的小さい電力ＷLBをもって給電するようにした給電制御手段とを具備することを特徴とする金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項８】
更に、シャッターの周期的な開閉動作を開始するまでに窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードに設定し、タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けてから該シャッターの開期間Ｔ1中、ＭＢＥ成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルからの金属分子線を照射するとともに上記窒素励起セルからＬＢモードで生成する窒素励起分子線を照射し、次いで上記タイマー手段から励起モード切替時点ｔ2を示すタイミング信号を受けた際、上記窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードに切替え、該ＨＢモードで生成する窒素活性種を上記基板に照射して金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜サイクル動作を複数回繰り返すように制御する成膜制御手段を具備したことを特徴とする請求項７に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項９】
給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間Ｔ3中、予め定めた一定値となるように上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を調整して上記励起コイルに比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１０】
給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間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比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１１】
給電制御手段の自動リアクタンス調整回路は、タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を有効とする一方、励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を無効とするように構成したことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１２】
給電制御手段及び成膜制御手段は、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１１のいずれかに記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素原子線及び窒素励起原子線並びに窒素励起分子線を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成するにあたり、
上記シャッターを周期的に一定の開期間Ｔ1（Ｔ1<周期Ｔ）をもって繰り返し開閉し、
上記シャッターが開いた時点ｔ0から閉じる時点ｔ1までの期間Ｔ1中、上記固体金属用分子線セルから放出される金属分子線を上記基板に照射するとともに、上記窒素励起セル内の励起状態を、窒素励起分子を生成する低輝度（Low Brightness：ＬＢ）モードに維持して上記基板に窒素励起分子線を照射する成膜予備工程と、上記シャッターの開時点ｔ0から該シャッターの開期間Ｔ1に応じて予め定めた遅れ時間τが経過した時点ｔ2で上記窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードから高輝度（High Brightness：ＨＢ）モードに切替えて、上記時点ｔ2から予め定めたＨＢモード持続期間Ｔ3中、該窒素励起セルから上記基板に窒素活性種を照射することにより該基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成し、該ＨＢモード持続期間Ｔ3の満了時点ｔ3で再びＬＢモードに戻すようにした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金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項２】
遅れ時間τは、周期的に繰り返し開閉するシャッターの開期間Ｔ1より予め定めた時間αだけ短い期間（Ｔ1−α）に相当する大きさに設定することを特徴とする請求項１に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項３】
シャッターが閉じた期間Ｔ2において、窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードからＬＢモードに戻した時点ｔ3から該シャッターが再び開く時点ｔ0までの期間β中、基板上の残留金属分子を除去することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項４】
シャッターの開期間Ｔ1が基板に１分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分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３のいずれかに記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項５】
シャッターの開期間Ｔ1が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分子の数量に応じて定められ、ＨＢモード持続期間Ｔ3がシャッターの開期間Ｔ1中に基板に供給された金属分子と反応するに必要な窒素活性種の分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３のいずれかに記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項６】
窒素励起セル内に電磁波を照射してＬＢモードを維持す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金属窒素化合物のＭＢＥ成膜方法。
【請求項７】
ＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルの出口部分に配置したシャッターを介して金属分子線を供給するとともに窒素励起セルから窒素活性種を供給して上記基板に金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置において、
上記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シャッター駆動手段と、上記シャッターの開閉動作の周期Ｔ及び開期間Ｔ1、上記シャッターの開時点ｔ0からの遅れ時間τ及びＨＢモード持続期間Ｔ3を予め設定してこれらの設定データ（Ｔ、Ｔ1、τ、Ｔ3）を入力するデータ入力手段と、上記シャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号、該時点ｔ0から上記遅れ時間τが経過した時点ｔ2を示すタイミング信号及び該時点ｔ2から上記ＨＢモード持続期間Ｔ3が経過した時点ｔ3を示すタイミング信号を出力するタイマー手段と、上記タイマー手段からタイミング信号（ｔ0、ｔ2、ｔ3）を受けて上記窒素励起セルの励起コイルにそれぞれＬＢモード及びＨＢモードを確立するための高周波電力を供給するＲＦ電源と、上記ＲＦ電源と上記励起コイル間に挿入され、上記タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルに比較的小さい電力ＷLBをもって給電する一方、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記窒素励起セルの励起コイルにＨＢモード持続期間Ｔ3中、比較的大きい電力ＷHBをもって給電し、上記タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けて上記ＲＦ電源から上記励起コイルに、再びＬＢモードに戻すように比較的小さい電力ＷLBをもって給電するようにした給電制御手段とを具備することを特徴とする金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項８】
更に、シャッターの周期的な開閉動作を開始するまでに窒素励起セル内の励起状態をＬＢモードに設定し、タイマー手段からシャッターの開時点ｔ0を示すタイミング信号を受けてから該シャッターの開期間Ｔ1中、ＭＢＥ成長室内に保持した基板に、固体金属用分子線セルからの金属分子線を照射するとともに上記窒素励起セルからＬＢモードで生成する窒素励起分子線を照射し、次いで上記タイマー手段から励起モード切替時点ｔ2を示すタイミング信号を受けた際、上記窒素励起セル内の励起状態をＨＢモードに切替え、該ＨＢモードで生成する窒素活性種を上記基板に照射して金属窒素化合物のエピタキシャル膜を生成する成膜サイクル動作を複数回繰り返すように制御する成膜制御手段を具備したことを特徴とする請求項７に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項９】
給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間Ｔ3中、予め定めた一定値となるように上記可変リアクタンス回路のリアクタンス値を調整して上記励起コイルに比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１０】
給電制御手段は、ＲＦ（高周波）電源と窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した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、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がＨＢモード持続期間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比較的大きい一定の電力ＷHBをもってＲＦ電力を投入する自動リアクタンス調整回路とにより構成したことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１１】
給電制御手段の自動リアクタンス調整回路は、タイマー手段から励起モード切替え時点ｔ2を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を有効とする一方、励起モード切替え時点ｔ3を示すタイミング信号を受けたときにリアクタンス調整操作を無効とするように構成したことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【請求項１２】
給電制御手段及び成膜制御手段は、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１１のいずれかに記載の金属窒素化合物のＭＢＥ成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図５】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図５】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−７８２００（Ｐ２００８−７８２００Ａ）
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５２８８７（Ｐ２００６−２５２８８７）
【出願日】平成１８年９月１９日（２００６．９．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年９月１１日 インターネットアドレス「ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ａｒｉｏｓ．ｃｏ．ｊｐ／」に発表
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【出願人】（５０００３６８３１）アリオス株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１９日（２００６．９．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００６年９月１１日 インターネットアドレス「ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ａｒｉｏｓ．ｃｏ．ｊｐ／」に発表
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【出願人】（５０００３６８３１）アリオス株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
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