JP5128907B2 - Activity controlled nitrogen compound MBE film forming method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法及び装置に関し、詳しくは、化学活性度制御式の窒素化合物、代表的に、III族窒素化合物の分子線エピタキシャル成膜方法及び装置に関する。 The present invention relates to a nitrogen compound MBE film forming method and apparatus for controlling activity, and more particularly to a molecular beam epitaxial film forming method and apparatus for chemical activity controlled nitrogen compounds, typically group III nitrogen compounds.
最近、青色発光ダイオード等の電子ディバイス用に、例えば、サファイア基板等の基板にGaN、InGaN、InN、InAlN等のIII族窒素化合物膜を生成するにあたり、比較的低温にて成膜操作が比較的簡単でありかつ膜厚を原子レベルで制御可能であることから、成膜室を、10-2〜10-9Pa程度の高真空とする分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)成膜装置を用いて作製されている。 Recently, for forming a group III nitrogen compound film such as GaN, InGaN, InN, InAlN on a substrate such as a sapphire substrate for an electronic device such as a blue light emitting diode, the film forming operation is relatively low. Since it is simple and the film thickness can be controlled at the atomic level, a molecular beam epitaxy (MBE) film forming apparatus that makes the film forming chamber a high vacuum of about 10 −2 to 10 −9 Pa is provided. It is made using.
従来、MBE成膜装置の成膜室内に保持された基板にIII族金属窒素化合物膜、例えば、GaN膜をエピタキシャル成長させるにあたり、成膜開始時にGa用分子線セル(固体金属Ga源)の出口部分に装着されたシャッターを開として上記基板にGa原子線を連続的に照射する一方、高周波(Radio Frequency:RF)電力を用いるRF窒素励起セルから励起窒素分子線を、該窒素励起セルの出口部分に配置したシャッターを周期的に時間幅変調デュ−ティ(開閉期間比)をもって断続的に開閉しながら上記基板に照射することにより、GaN膜の成長表面の平坦性を有効に向上させる方法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, when a group III metal nitrogen compound film, for example, a GaN film, is epitaxially grown on a substrate held in a film forming chamber of an MBE film forming apparatus, the exit portion of a molecular beam cell for Ga (solid metal Ga source) at the start of film formation The substrate mounted on the substrate is opened to continuously irradiate the substrate with Ga atom beams, while an excited nitrogen molecular beam is emitted from an RF nitrogen excitation cell using radio frequency (RF) power to the exit portion of the nitrogen excitation cell. A method of effectively improving the flatness of the growth surface of the GaN film is known by irradiating the substrate while periodically opening and closing the shutter disposed on the substrate with a time width modulation duty (open / close period ratio). (For example, see Patent Document 1).
また、固体金属分子線セルからの金属(例えば、Ga)原子線と、窒素励起セルからの励起窒素分子線とを、両セルの出口部分にそれぞれ配置したシャッターを交互に開閉し、基板面上でGa原子が横方向に拡散又は移動(Migration)する時間を付与しながら、Ga原子線の照射停止後(Ga分子線セル用のシャッターを閉じた後)、窒素励起セル用のシャッターを開いて該窒素励起セルから射出された窒素活性種を上記基板面に吸着したGa原子と反応させることにより、GaN成長面の平坦性を改善する方法が知られている(非特許文献1を参照)。 In addition, the metal (for example, Ga) atomic beam from the solid metal molecular beam cell and the excited nitrogen molecular beam from the nitrogen excitation cell are alternately opened and closed to open and close the shutter on the substrate surface. After suspending irradiation of the Ga atom beam (after closing the shutter for the Ga molecular beam cell) and opening the shutter for the nitrogen excitation cell while giving the time for Ga atoms to diffuse or move (Migration) in the lateral direction. A method for improving the flatness of the GaN growth surface is known by reacting nitrogen active species emitted from the nitrogen excitation cell with Ga atoms adsorbed on the substrate surface (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献1及び非特許文献1に記載の方法は、原理的に、窒素励起セルの出口部分に配置した機械的シャッターを断続的に開閉して基板面上に照射されたGa原子が分散又は移動する時間的猶予を付与することによりGaN膜の平坦性の向上化を図るものである。このため、金属フラックスと窒素活性種とを同時に基板に照射する通常方式による基板面の成長と比べ、かなり拙速であるばかりか、成長量を精細に制御することが難しく、特に、Gaフラックス量と窒素活性種の照射量とを関連付けて制御することが考慮されておらず、励起窒素フラックスの利用効率がいまひとつ良くなかった。 However, in principle, the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 have the following effect: Ga atoms irradiated on the substrate surface by intermittently opening and closing a mechanical shutter disposed at the exit portion of the nitrogen excitation cell. The flatness of the GaN film is improved by providing a grace period for dispersion or movement. For this reason, compared with the growth of the substrate surface by the normal method of irradiating the substrate with the metal flux and the nitrogen active species at the same time, it is not only very fast, but it is difficult to precisely control the growth amount. It was not taken into account to control the irradiation dose of nitrogen active species, and the utilization efficiency of the excited nitrogen flux was not so good.
そこで、本発明の発明者等は、従来形式のものにおける窒素励起セルの出口部に配置する機械的シャッターに代え、個体金属分子線セル(第1分子線セル)の出口部分に配置したシャッターの周期的開閉動作と同期して窒素励起セルの励起コイルへのRF電力量投入のタイミングを切替える、すなわち、該窒素励起セルの励起状態をLB励起モードとHB励起モード間で切替え、生成膜の平坦性及び結晶性並びに成膜速度を同時に有効に高め得るようにした励起モード切換式窒素化合物MBE成膜方法及び装置を既に提案している(特願2006‐252887号)。 Therefore, the inventors of the present invention replace the mechanical shutter disposed at the exit portion of the nitrogen excitation cell in the conventional type with the shutter disposed at the exit portion of the solid metal molecular beam cell (first molecular beam cell). The timing of RF power input to the excitation coil of the nitrogen excitation cell is switched in synchronization with the periodic switching operation, that is, the excitation state of the nitrogen excitation cell is switched between the LB excitation mode and the HB excitation mode, and the generated film is flattened. Have already been proposed (Japanese Patent Application No. 2006-252887), which is a method and apparatus for forming a nitrogen compound MBE that can switch the excitation mode and the crystallinity and the film formation rate effectively at the same time.
しかしながら、上記構成の本発明の発明者等による方法および装置により、成膜の平坦性及び成膜速度がかなり改善されるものの、通常のMBE方式における比較的低温かつ超高真空の製造条件下で、たとえば、熱力学的に準安定である立方晶閃亜鉛鉱形の窒素化合物半導体膜を安定して容易にかつ安価に製造することが非常に困難であった。実際上、従来形式のMBE方式によっては、比較的高温の製造条件下で熱力学的に安定である六方晶ウルツ鉱形の窒素化合物半導体膜が得られるものの、その製造コストも非常に高価であった。特に、成膜速度の向上化を図るにあたり、たとえば、固体金属セルからの金属原子の数量を増大させた場合、多結晶膜となり易く、熱力学的に安定性がありかつ結晶共有性、したがって電気特性が良好である立方晶または六方晶の窒素化合物半導体膜を得難いという問題があった。 However, although the method and apparatus by the inventors of the present invention having the above-described configuration significantly improve the film formation flatness and the film formation speed, it is possible to manufacture under the relatively low temperature and ultrahigh vacuum manufacturing conditions in the normal MBE method. For example, it has been extremely difficult to stably and easily manufacture a cubic zinc blende-type nitrogen compound semiconductor film which is thermodynamically metastable. In practice, some conventional MBE systems can produce hexagonal wurtzite nitrogen compound semiconductor films that are thermodynamically stable under relatively high temperature production conditions, but their production costs are also very high. It was. In particular, when improving of the deposition rate, for example, when increasing the number of metal atoms from a solid metal cell, tends to become polycrystalline film, thermodynamically it is stable and crystalline covalent, thus There has been a problem that it is difficult to obtain a cubic or hexagonal nitrogen compound semiconductor film having good electrical characteristics.
本発明の発明者等は、更に鋭意研究した結果、本発明の発明者等の先の出願に係るMBE成膜方法において、HB励起状態とされた窒素励起セルからターゲット位置に固定された基板に照射される窒素活性種のうち、窒素分子イオン及び電子は生成される膜の結晶性及び物理的特性に好ましくない影響を与えていると推論するに至った。 As a result of further earnest research, the inventors of the present invention, in the MBE film forming method according to the earlier application of the inventors of the present invention, from a nitrogen excitation cell in an HB excited state to a substrate fixed at a target position. Of the nitrogen active species irradiated, nitrogen molecular ions and electrons have been inferred to have an unfavorable effect on the crystallinity and physical properties of the film produced.
そこで、上記推論に基づき、本発明の発明者等は、金属分子線セル(第1分子線セル)の出口部に配置した第1分子線用のシャッター(第1シャッター)を周期的に開閉し、該第1シャッターの開期間中、LB励起状態とされる窒素励起セルからターゲット位置に保持した基板に向けて放出される窒素分子イオン及び電子を排除して実質的に励起窒素分子のみを上記基板に供給する一方、上記第1シャッターの閉期間中の一定期間、窒素励起セルをHB励起状態に保持して該窒素励起セルから上記基板に放射される窒素活性種の化学活性度を制御しながら基板に熱力学的に準安定または安定である立方晶または六方晶窒素化合物半導体膜を得る方法及び装置を案出するに至った。
本発明は、上記従来形式の窒素化合物、代表的に、III族窒素化合物の励起モード切換式窒素化合物MBE成膜方法及び装置における問題点を完全に解消して従来方式におけるよりも成膜の平坦性及び成膜速度を有効に高めることができるとともに結晶性が良好である立方晶または六法晶窒素化合物半導体膜を安定して容易にかつ安価に製造することができる活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention, the conventional form of nitrogen compounds, typically, flat film forming than in the conventional method to completely solve the problems in the excitation mode switching type nitrogen compound MBE deposition method and device for the Group III nitrogen compound The activity-controlled nitrogen compound MBE can be produced stably and easily at low cost, and can effectively improve the crystallinity and the film formation rate and can stably produce a cubic or hexagonal nitrogen compound semiconductor film having good crystallinity. An object is to provide a membrane method and apparatus.
本発明の請求項1に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法は、上記成膜サイクルの各成膜予備工程において、上記窒素励起セルから放射される窒素分子イオンおよび電子を排除しながら化学活性度の低い励起窒素分子のみを上記基板に照射する一方、
上記成膜サイクルの各成膜工程において、上記窒素励起セルの出口部分に配置した第2シャッターの開閉動作を制御するとともに、上記窒素励起セルへの供給電力を目標照射量に応じて電力調整(変調)することにより化学活性度を変化させ、該窒素励起セルから放射される窒素分子イオン及び電子を排除しながら、化学活性度の高い励起窒素原子N * および基底窒素原子Nを上記基板に照射する成膜工程とから成る、成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする。
The activity controlled nitrogen compound MBE film forming method according to claim 1 of the present invention excludes nitrogen molecular ions and electrons emitted from the nitrogen excitation cell in each film forming preliminary step of the film forming cycle. While the substrate is irradiated with only excited nitrogen molecules with low chemical activity,
In each film formation step of the film formation cycle, the opening and closing operation of the second shutter disposed at the exit portion of the nitrogen excitation cell is controlled, and the power supplied to the nitrogen excitation cell is adjusted according to the target irradiation amount ( The substrate is irradiated with excited nitrogen atoms N * and basal nitrogen atoms N with high chemical activity while eliminating the nitrogen molecular ions and electrons emitted from the nitrogen excitation cell. consisting of a film forming process to be characterized and this is repeated plural times film formation cycle.
本発明の請求項2に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法は、上記成膜サイクルを開始するまでに、LB励起状態とした上記窒素励起セルからターゲット位置に固定した上記基板に、窒素分子イオンおよび電子を排除して励起窒素分子を供給するかまたはHB励起状態とした上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち、窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子および基底窒素原子を低流量をもって上記基板に供給することにより上記基板表面に該基板と同元系の単結晶窒化膜を生成することを特徴とする。 Activity controlled nitrogen compounds MBE film forming method according to claim 2 of the present invention, before starting the deposition cycle, on the substrate which is fixed from the nitrogen pumping cell and LB excited state to a target position, of the nitrogen active species of nitrogen molecular ions and electrons by eliminating released from or HB excited state was the nitrogen pumping cell supplying excitation nitrogen partial child excitation nitrogen with the exclusion of nitrogen molecular ions and electrons By supplying atoms and basal nitrogen atoms to the substrate at a low flow rate, a single crystal nitride film of the same system as the substrate is formed on the substrate surface.
本発明の請求項3に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法は、上記第1シャッターの開時点t0から該第1シャッターの繰り返し一定開期間T1に応じて予め定めた時間αだけ短い遅れ時間τ=(T1−α)を経過した時点t2で上記窒素励起セル内のLB励起状態をHB励起状態に切替えることを特徴とする。 Activity controlled nitrogen compounds MBE film forming method according to claim 3 of the present invention, the time predetermined according the open time t 0 of the first shutter to repeat certain open period T 1 of the first shutter α and it switches the LB excited state in a short delay time τ = (T 1 -α) elapsed time t 2 at the nitrogen pumping cell to HB excited state.
本発明の請求項4に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法は、上記第1シャッターが閉じた期間T2において、上記窒素励起セル内をHB励起状態からLB励起状態に戻した時点t3より該第1シャッターが再び開く時点t0までの期間β中、LB励起状態の上記窒素励起セルからの励起窒素分子により上記基板上の残留第1分子を除去することを特徴とする。 Time MBE method of forming activity controlled nitrogen compound according to claim 4 of the present invention, in the period T 2 in which the first shutter is closed, that returned within the nitrogen pumping cell from the HB excited state into LB excited state during time period β than t 3 to time t 0 when said first shutter is opened again, the excitation of nitrogen molecules from the nitrogen pumping cell in LB excited state and removing the remaining first molecule on the substrate.
本発明の請求項5に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法では、上記第1シャッターの開期間T1は上記基板に1分子層以下の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定め、HB励起状態保持期間T3は上記第1シャッターの開期間T1中に上記基板に供給された金属原子と反応するに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定めることを特徴とする。 The activity controlled nitrogen compounds MBE film forming method according to claim 5 of the present invention, the opening period T 1 of the said first shutter in accordance with the number of metal atoms epitaxially growing a 1 molecular layer below the membrane to the substrate defined, HB excited state holding period T 3 is characterized in that determined according to the nitrogen active species atomic quantity required to react with the first shutter open period T metal atoms supplied to the substrate during 1 .
本発明の請求項6に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法は、上記第1シャッターの開期間T1は上記基板に複数分子層の膜をエピタキシャル成長させる金属原子の数量に応じて定められ、HB励起状態保持期間T3が上記第1シャッターの開期間T1中に上記基板に供給された金属原子と反応するに必要な窒素活性種の原子数量に応じて定められることを特徴とする。 MBE method of forming activity controlled nitrogen compound according to claim 6 of the present invention, open period T 1 of the said first shutter is determined according to the number of metal atoms epitaxially growing a film of a plurality of molecular layers on the substrate is a feature that HB excited state holding period T 3 is determined according to the nitrogen active species atomic quantity required to react with the metal atoms supplied to the substrate during the open period T 1 of the said first shutter To do.
本発明の請求項7に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法は、上記窒素励起セル内に電磁波を照射してLB励起状態を維持することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an activity-controlled nitrogen compound MBE film forming method in which the nitrogen excitation cell is irradiated with electromagnetic waves to maintain the LB excitation state.
本発明の請求項8に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置は、
上記窒素励起セルの放出口部付近に配置され、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子を上記基板に照射する荷電粒子排除手段と、
上記第1シャッターを一定の開期間T1をもって周期的に繰り返し開閉する第1シャッター駆動手段と、
上記窒素励起セルの出口部分に第2シャッターを配置し、該第2シャッターの開閉を、上記第1シャッターの開閉動作と同期して駆動する第2シャッター駆動手段と、
成膜対象に応じて少なくとも上記第1シャッターを開閉する周期T、開期間T1および高輝度(High Brightness:HB)励起状態保持期間T3を予め定めてこれらの設定データ(T、T1、T3)を入力する設定データ入力手段と、
上記第1シャッターおよび第2シャッターの開閉動作に同期して上記窒素励起セルの励起コイルに、電力WLBをもって給電することにより低輝度(Low Brightness:LB)励起状態を確立する一方、上記電力WLBよりも大きく、かつ、窒素活性種の目標照射量に応じて変化する電力WHBをもって給電することによりHB励起状態を確立するように、励起電力を切替え制御する給電制御手段とを備え、
上記窒素励起セルから窒素活性種フラックスの化学活性度を制御しながら上記基板に供給して窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする。
The activity-controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus according to claim 8 of the present invention,
Is arranged near outlet portion of the upper Symbol nitrogen excited cells, upper Symbol nitrogen excited cells activated nitrogen species eliminated to excite the nitrogen atom of nitrogen molecular ions and electrons of the emitted from the base nitrogen atoms and excited nitrogen molecules above a load conductive particles exclude means you irradiating the substrate,
First shutter driving means for periodically opening and closing the first shutter with a certain open period T 1 ;
A second shutter driving means for disposing a second shutter at an outlet portion of the nitrogen excitation cell and driving the opening and closing of the second shutter in synchronization with the opening and closing operation of the first shutter;
Depending on the film formation target, at least the period T for opening / closing the first shutter, the open period T 1, and the high brightness (HB) excited state holding period T 3 are set in advance, and these setting data (T, T 1 , Setting data input means for inputting T 3 );
A low brightness (LB) excitation state is established by supplying power to the excitation coil of the nitrogen excitation cell with power W LB in synchronization with opening and closing operations of the first shutter and the second shutter , while the power W greater than LB, one or, to establish the HB excited state by feeding with a power W HB which changes according to the target dose of nitrogen active species, and a power supply control means for controlling switching of the excitation power ,
An epitaxial film of a nitrogen compound is generated by supplying the substrate while controlling the chemical activity of the nitrogen active species flux from the nitrogen excitation cell.
本発明の請求項9に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置における荷電粒子排除手段は電磁荷電粒子偏向回路を含み、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を偏向させて励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子をターゲット位置に固定された上記基板に照射するように構成したことを特徴とする。 Charged particle exclusion means in activity control nitrogen compounds MBE deposition apparatus according to claim 9 of the present invention includes an electromagnetic charged particles deflection circuit, and the nitrogen molecular ions of nitrogen active species released from the nitrogen pumping cell It deflects the electrons excitation nitrogen atom, characterized by being configured to illuminate the base nitrogen atoms and excited nitrogen molecules on the substrate which is fixed to the target position.
本発明の請求項10に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置は、上記MBE成膜室内に上記窒素励起セルとして複数の窒素励起セルを配置し、上記第1シャッターの開閉動作と同期して上記各第2シャッターの開閉を制御するとともに、上記各窒素励起セルの励起コイルに給電する励起電力を、上記給電制御手段を介して切替え制御することにより、上記各窒素励起セルからターゲット位置に固定した上記基板に放射する窒素活性種の活性度を制御しながら該基板に窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする。 Activity controlled nitrogen compounds MBE deposition apparatus according to claim 10 of the present invention, a plurality of nitrogen excited cells as the nitrogen pumping cell to the MBE deposition chamber arranged, the first shutter opening and closing operation and synchronization together control the opening and closing of each of the second shutter and the excitation power to power the excitation coil of the respective nitrogen pumping cell, by controlling switching through the power supply control unit, a target from the respective nitrogen pumping cell An epitaxial film of a nitrogen compound is formed on the substrate while controlling the activity of the nitrogen active species radiated to the substrate fixed at a position.
本発明の請求項11に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置の給電制御手段は、RF(高周波)電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した整合用可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段とを含み、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がHB励起状態保持期間T3中、上記整合用可変リアクタンス回路のリアクタンス値を予め定めた一定値となるように調整して上記励起コイルに上記HB励起状態を確立するための一定の電力WHBをもってRF電力を投入するように構成したことを特徴とする。 Power supply control means activity control nitrogen compounds MBE deposition apparatus according to claim 11 of the present invention includes a variable reactance circuit inserted matching between the RF (radio frequency) excitation coils of the power supply and the nitrogen pumping cell And a nitrogen beam flux detecting means for detecting the flow rate of the excited nitrogen beam flux emitted from the nitrogen excitation cell, and the value detected by the nitrogen beam flux detecting means is the variable reactance for matching during the HB excited state holding period T 3. The circuit is configured such that the reactance value of the circuit is adjusted to be a predetermined constant value, and RF power is supplied to the excitation coil with a constant power W HB for establishing the HB excitation state. .
本発明の請求項12に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置の給電制御手段は、RF(高周波)電源と上記窒素励起セルの励起コイルとの間に挿入した整合用可変リアクタンス回路と、上記窒素励起セルから放出される励起窒素ビームフラックス流量を検出する窒素ビームフラックス検出手段とを含み、上記窒素ビームフラックス検出手段による検出値がHB励起状態保持期間T3中、予め定めた一定値となるように上記RF電源の発振周波数を調整して上記励起コイルに上記HB励起状態を確立するための電力WHBをもってRF電力を投入するように構成したことを特徴とする。 Power supply control means activity control nitrogen compounds MBE deposition apparatus according to claim 12 of the present invention includes a variable reactance circuit inserted matching between the RF (radio frequency) excitation coils of the power supply and the nitrogen pumping cell , and a nitrogen beam flux detection means for detecting the excitation nitrogen beam flux flow emitted from the nitrogen pumping cell, the detected value is within HB excited state holding period T 3 by the nitrogen beam flux detection means, a predetermined fixed value The RF power is supplied with the power W HB for adjusting the oscillation frequency of the RF power supply so as to establish the HB excitation state in the excitation coil.
本発明の請求項13に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置は、上記第1シャッターの周期的開閉動作に従って成膜サイクル動作を逐次制御する制御プログラムを記憶部に格納したコンピュータを用いて構成したことを特徴とする。 Activity controlled nitrogen compounds MBE deposition apparatus according to claim 13 of the present invention, using a computer which stores a control program for sequentially controlling the deposition cycle operation in accordance with the periodic opening and closing of the first shutter in the storage unit It is characterized by being configured.
本発明の請求項1に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、第1分子線セルから第1シャッターを介して基板への第1(III族)分子線の照射量を制御するとともに、第1シャッターの閉期間T2中、LB励起状態からHB励起状態に切替えられた窒素励起セルから上記基板に向けて照射される窒素活性種のうち、生成膜の窒素化合物の化学(共有)結合に直接的に関与する励起窒素原子および基底窒素原子の照射量を制御しながら上記基板に付与されたIII族分子と共有結合させるようにしたから、従来のMBE成膜方法によるよりも当該窒素化合物膜の平坦性及び成膜速度を有効に高めるとともに成膜予備工程における励起窒素分子の保有エネルギーを有効に利用し、基板温度を比較的低温に抑えたままでエピタキシャル(層)膜の低温成膜を可能とし、熱力学的に安定性が高く、結晶性の良好な電気的特性の安定した立方晶または六方晶窒素化合物膜を容易にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。 According to the nitrogen compound MBE film forming method of the activity control type according to claim 1 of the present invention, the irradiation amount of the first (group III) molecular beam from the first molecular beam cell to the substrate through the first shutter is set. And controlling the chemistry of the nitrogen compound in the generated film among the nitrogen active species irradiated toward the substrate from the nitrogen excitation cell switched from the LB excitation state to the HB excitation state during the first shutter closing period T 2. Since the group III molecules attached to the substrate are covalently bonded while controlling the irradiation amount of excited nitrogen atoms and basal nitrogen atoms that are directly involved in (covalent) bonding, the conventional MBE film forming method can be used. In addition, it effectively increases the flatness and deposition rate of the nitrogen compound film, and effectively utilizes the energy held by the excited nitrogen molecules in the film deposition preliminary process, while maintaining the substrate temperature at a relatively low temperature. Excellent low temperature film formation, excellent thermodynamic stability, excellent crystallinity and stable electrical properties, cubic and hexagonal nitrogen compound films can be manufactured easily and inexpensively. Play.
本発明の請求項2に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、窒素励セル21の出口部に配置した第2シャッター32の開口部またはその周辺部の間隙もしくは開き具合を調整してそこから漏出する解離窒素原子の数量を制御することにより、基板表面の同元系の窒化を緩慢に生起させることにより、初期成長に有効なバッファ層を迅速にかつ安価に生成することができるという優れた作用効果を奏する。 According to the nitrogen compound MBE film forming method of the activity control type according to the second aspect of the present invention, the opening of the second shutter 32 disposed at the outlet of the nitrogen excitation cell 21 or the gap or opening degree of the periphery thereof is set. By controlling the number of dissociated nitrogen atoms that can be adjusted and leaked from it, it is possible to generate a buffer layer effective for initial growth quickly and inexpensively by slowly generating homogenous nitridation on the substrate surface. It has an excellent effect of being able to.
本発明の請求項3に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、窒素励起セルのLB励起モードからHB励起モードへの切替え応答遅れ時間(むだ時間)に相当する時間αだけ基板面上の金属原子と反応する窒素励起セルからの窒素活性種の照射開始を繰り上げ、1成膜サイクル期間Tあたり成膜所要時間をα時間短縮して成膜速度を有効に高め得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity controlled nitrogen compound MBE film forming method of the third aspect of the present invention, only the time α corresponding to the switching response delay time (dead time) from the LB excitation mode to the HB excitation mode of the nitrogen excitation cell. The start of irradiation of nitrogen active species from the nitrogen excitation cell that reacts with metal atoms on the substrate surface is advanced, and the film formation speed can be effectively increased by reducing the required film formation time per film formation cycle period T by α hours. Has the function and effect.
本発明の請求項4に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、1成膜サイクル毎に窒素励起セルから供給される所定量の窒素活性種と反応しなかった基板上の余剰の金属原子をβ期間中に除去するようにしたから、成長面における窒素原子の欠損箇所の発生を抑制して平坦性及び結晶性を有効に高めかつ基板5上に残存する高温Ga原子を除去することにより、基板温度を低温に保持し、エピタキシャル膜の低温成膜を確保し得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity controlled nitrogen compound MBE film forming method of claim 4 of the present invention, on the substrate that has not reacted with a predetermined amount of nitrogen active species supplied from the nitrogen excitation cell every film forming cycle. Since excess metal atoms are removed during the β period, the generation of nitrogen atom defects on the growth surface is suppressed, the flatness and crystallinity are effectively enhanced, and the high-temperature Ga atoms remaining on the substrate 5 are removed. By removing it, the substrate temperature can be kept at a low temperature, and an excellent effect of being able to ensure low temperature film formation of the epitaxial film is achieved.
本発明の請求項5に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、1成膜サイクル毎に、第1分子線セルから基板面に1原子層の生成に必要な金属原子フラックスを照射するとともに窒素励起セルから該基板面における金属原子と過不足なく反応する量の励起窒素原子および基底窒素原子を照射するようにしたから、成長面における窒素原子の欠損箇所の少ない平坦性及び結晶性の良好な窒素化合物膜を成長させ得るという優れた作用効果を奏する。 According to the nitrogen compound MBE film formation method of the activity controlled nitrogen compound according to claim 5 of the present invention, the metal atom flux required for generating one atomic layer from the first molecular beam cell to the substrate surface every film formation cycle. And excited nitrogen atoms and basal nitrogen atoms in an amount that reacts with the metal atoms on the substrate surface without excess or deficiency from the nitrogen excitation cell. An excellent effect of being able to grow a nitrogen compound film having good crystallinity is obtained.
本発明の請求項6に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、1成膜サイクル毎に、第1分子線セルから基板面に複数原子層の生成に必要な金属原子フラックスを照射するとともに窒素励起セルから該基板面における金属原子と過不足なく反応する量の励起窒素原子および基底窒素原子を照射するようにしたから、比較的速い成長速度をもって平坦性の良好かつ結晶性が非常に高い窒素化合物膜を得られるという優れた作用効果を奏する。 According to the activity-controlled nitrogen compound MBE film forming method according to claim 6 of the present invention, the metal atom flux required for generating a plurality of atomic layers from the first molecular beam cell to the substrate surface every film forming cycle. And excited nitrogen atoms and basal nitrogen atoms in an amount that reacts with the metal atoms on the substrate surface without excess or deficiency from the nitrogen excitation cell. Has an excellent effect of obtaining a very high nitrogen compound film.
本発明の請求項7に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法によれば、窒素励起セルの全LB励起モード期間において該窒素励起セルの放電空間に電磁波エネルギーを補給して該放電空間内の解離窒素分子の分布に実質的な影響を及ぼすことなくLB励起状態を維持するようにしたから全成膜期間に渡って安定して基板面に成長させ得るという優れた作用効果を奏する。 According to the nitrogen compound MBE film forming method of the activity control type according to claim 7 of the present invention, the discharge space of the nitrogen excitation cell is replenished with electromagnetic wave energy during the entire LB excitation mode period of the nitrogen excitation cell. Since the LB excited state is maintained without substantially affecting the distribution of dissociated nitrogen molecules therein, an excellent effect of being able to stably grow on the substrate surface over the entire film formation period is achieved.
本発明の請求項8に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置によれば、第1シャッターの開閉動作、荷電粒子排除手段の窒素分子イオンおよび電子の排除動作ならびに給電制御手段の窒素励起コイルへの給電動作を逐次制御することにより、第1分子線セルから第1シャッターを介して基板への第1(III族)分子線の照射量を制御するとともに、窒素励起セルから上記基板に向けて照射される窒素活性種のうち、生成膜の窒素化合物の化学(共有)結合に実質的に関与する励起窒素原子および基底窒素原子の照射量を制御しながら上記基板に付与された第1分子(III族分子)と共有結合させるようにしたから、従来形式のMBE成膜装置によるよりも当該窒素化合物膜の平坦性及び成膜速度を有効に高めるとともに、LB励起状態の窒素励起セルから上記基板に照射される励起窒素分子の保有エネルギーを有効に利用し、基板温度を比較的低温に抑えたままでエピタキシャル(層)膜の低温成膜を可能とし、熱力学的に安定性が高く、共有性の良好な電気的特性の安定した立方晶または六方晶窒素化合物膜を容易にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity-controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus of claim 8 of the present invention, the opening / closing operation of the first shutter, the nitrogen molecular ion and electron exclusion operation of the charged particle exclusion means, and the nitrogen excitation of the power supply control means By sequentially controlling the power feeding operation to the coil, the irradiation amount of the first (Group III) molecular beam from the first molecular beam cell to the substrate through the first shutter is controlled, and the substrate from the nitrogen excitation cell to the substrate is controlled. Among the nitrogen active species irradiated toward the first, the first applied to the substrate while controlling the irradiation dose of excited nitrogen atoms and basal nitrogen atoms that are substantially involved in chemical (covalent) bonding of nitrogen compounds in the generated film Since it is covalently bonded to a molecule (group III molecule), the flatness and deposition rate of the nitrogen compound film can be effectively increased as compared with the conventional MBE film deposition apparatus, and nitrogen excitation in the LB excited state can be achieved. Effective use of the energy of the excited nitrogen molecules irradiated from the cell to the substrate allows low temperature deposition of the epitaxial (layer) film while keeping the substrate temperature relatively low, and is thermodynamically stable. A cubic or hexagonal nitrogen compound film that is high and has good shareability and stable electrical characteristics can be produced easily and inexpensively.
本発明の請求項9に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置によれば、窒素励起セルからターゲット位置に固定された基板に至る窒素活性種の照射経路領域に配置された電磁荷電粒子偏向回路により、第1シャッターの閉期間においてHB励起状態とされる窒素励起セルから上記基板に向けて放射される窒素活性種のうち、窒素分子イオンおよび電子を偏向させて基板上の第1分子(III族分子)との共有結合に実質的に関与する励起窒素原子及び基底窒素原子を上記基板に照射するようにしたから、熱力学的に安定性が高く、共有性の良好な電気的特性の安定した立方晶または六方晶窒素化合物膜を容易にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus of claim 9 of the present invention, the electromagnetically charged particles arranged in the irradiation path region of the nitrogen active species from the nitrogen excitation cell to the substrate fixed at the target position The first molecule on the substrate is deflected by the deflection circuit by deflecting nitrogen molecular ions and electrons out of the nitrogen active species emitted toward the substrate from the nitrogen excitation cell that is in the HB excited state during the closed period of the first shutter. The substrate is irradiated with excited nitrogen atoms and basal nitrogen atoms that are substantially involved in the covalent bond with (Group III molecule), so that the thermodynamically stable and good covalent electrical characteristics Thus, it is possible to produce a stable cubic or hexagonal nitrogen compound film easily and inexpensively.
本発明の請求項10に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置によれば、複数の、好ましくは、2つの窒素励起セルの出口部分にそれぞれ配置された第2シャッターの開閉動作を個別に制御することにより、各窒素励起セルから第2シャッターを介して基板への窒素励起原子及び基底窒素原子の供給態様を種々に変えることができ、化学活性度をより精密に制御することができ、立方晶または六方晶窒素化合物半導体膜をより確実にかつ安価に製造し得るという優れた作用効果を奏する。 According to the nitrogen compound MBE film forming apparatus of the activity control type according to claim 10 of the present invention, the opening and closing operations of the second shutters respectively disposed at the outlet portions of a plurality of, preferably two nitrogen excitation cells are individually performed. In this way, the supply mode of nitrogen excited atoms and ground nitrogen atoms from each nitrogen excitation cell to the substrate via the second shutter can be changed in various ways, and the chemical activity can be controlled more precisely. In addition, the cubic or hexagonal nitrogen compound semiconductor film can be manufactured more reliably and inexpensively.
本発明の請求項11に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置によれば、RF電源と窒素励起セルの励起コイル間に挿入された可変リアクタンス回路のリアクタンス値を、該窒素励起セル内のLB励起モードとHB励起モード間の切替えに伴うインピーダンス変化に追従して変化させることにより、上記励起コイルに所定のRF電力を投入するようにして窒素励起セルを所望の窒素励起状態(LBまたはHB励起状態)に迅速に切替え得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity-controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus of the eleventh aspect of the present invention, the reactance value of the variable reactance circuit inserted between the RF power source and the excitation coil of the nitrogen excitation cell is calculated in the nitrogen excitation cell. By changing the impedance according to the switching between the LB excitation mode and the HB excitation mode, the nitrogen excitation cell is put into a desired nitrogen excitation state (LB or LB) by applying predetermined RF power to the excitation coil. There is an excellent effect of being able to quickly switch to the HB excited state.
本発明の請求項12に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置によれば、RF電源の発振周波数を変化させることにより迅速かつ容易に可変インピーダンス回路のインピーダンス整合を行って瞬時的にLBおよびHB励起モード間の切替えを行い得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity-controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus of the twelfth aspect of the present invention, the impedance matching of the variable impedance circuit can be performed quickly and easily by changing the oscillation frequency of the RF power source to instantaneously perform LB. And the outstanding effect that it can switch between HB excitation modes is produced.
本発明の請求項13に記載の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置によれば、第1シャッターの周期的開閉動作に基づき構成される制御プログラムに従って全自動的に上記請求項1に記載の成膜サイクルを実行することにより第1分子線(III族分子線)ならびに励起窒素分子フラックスおよび窒素活性種フラックスを効率的に利用して基板温度を比較的低く抑えて低温成膜が可能となり、平坦性(均一成長)及び熱力学的に安定した、たとえば、立方晶または六方晶窒素化合物半導体膜を安価に量産し得るという優れた作用効果を奏する。 According to the activity controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus of the thirteenth aspect of the present invention, the automatic control apparatus according to the first aspect of the present invention is fully automatic according to a control program configured based on a periodic opening / closing operation of the first shutter. By performing the film formation cycle, the first molecular beam (Group III molecular beam), the excited nitrogen molecular flux and the nitrogen active species flux can be efficiently used to keep the substrate temperature relatively low, enabling low temperature film formation. For example, it has an excellent effect of being able to mass-produce, for example, a cubic or hexagonal nitrogen compound semiconductor film which is flat (uniform growth) and thermodynamically stable, for example.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
本発明の活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置1は、図1に示されるように、一般にMBE(分子線エピタキシー)成膜に用いられる、たとえば、V.G.Semicon(英国)社製VG80HMBE装置に、窒素励起セル21と給電制御回路51(整合用可変リアクタンス回路52及び自動リアクタンス調整回路54)とRF電源53とを1セットとして市販されている、アリオス株式会社(日本国東京)製IRFS−501RF励起窒素源(装置)を組み込んで構成される。上記MBE成膜装置1は、本発明の成膜装置の基本的構成概念を示す図2とともに詳細に説明する。なお、図2において、図1のMBE成膜装置の構成部分と等価の部分には同一の数字符号を付して詳細な説明を省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, the activity-controlled nitrogen compound MBE film forming apparatus 1 of the present invention is generally used for MBE (molecular beam epitaxy) film formation. For example, a VGSemicon (UK) VG80HMBE IRFS-501RF excited nitrogen manufactured by Arios Co., Ltd. (Tokyo, Japan), which is commercially available as a set of the excitation cell 21, the power supply control circuit 51 (matching variable reactance circuit 52 and automatic reactance adjustment circuit 54), and the RF power source 53. A source (device) is incorporated. The MBE film forming apparatus 1 will be described in detail with reference to FIG. 2 showing the basic configuration concept of the film forming apparatus of the present invention. In FIG. 2, parts equivalent to those of the MBE film forming apparatus of FIG.
図1において、MBE成膜室2内のターゲット位置に配置された基板ホルダー3に、図示しない固定具により着脱可能に基板5を固定するとともにヒータ4を介して該基板5を所定温度、例えば、600℃に加熱し、上記基板5の表面にIII族窒素化合物、例えば、代表的に、Ga窒化物半導体(GaN)膜が成長させられる。基板ホルダー3に装着された操作棒を介してマニピュレータ7が装着される。マニピュレータ7により成膜室2の外部から基板ホルダー3に基板5を固定する操作とか、基板ホルダー3に固定された基板5を回転する操作が可能とされる。8は真空機構部で、例えば、ターボ分子ポンプを用いて成膜室2が10-5〜10-9Paの超真空とされる。 In FIG. 1, a substrate 5 is detachably fixed to a substrate holder 3 disposed at a target position in the MBE film formation chamber 2 by a fixture (not shown), and the substrate 5 is placed at a predetermined temperature, for example, via a heater 4. By heating to 600 ° C., a group III nitrogen compound, for example, typically a Ga nitride semiconductor (GaN) film is grown on the surface of the substrate 5. A manipulator 7 is attached via an operating rod attached to the substrate holder 3. An operation of fixing the substrate 5 to the substrate holder 3 from the outside of the film forming chamber 2 by the manipulator 7 or an operation of rotating the substrate 5 fixed to the substrate holder 3 is possible. Reference numeral 8 denotes a vacuum mechanism, and, for example, the film forming chamber 2 is brought to an ultra vacuum of 10 −5 to 10 −9 Pa using a turbo molecular pump.
基板ホルダー3の下方で成膜室2の底部に、複数の、例えば、4つの固体金属分子線セル11a〜11dが配置される。これらの固体金属分子線セル11(代表的にそれらのうちの1つを、添字a〜dを省略して示す)は、例えば、PBN(Pyrolytic Boron Nitride)製坩堝14を用いて構成される。坩堝14に装入されたIII族固体金属材料、代表的に、Gaが溶融ヒータ15により溶融蒸発され、各セル11の出口部分にそれぞれ装着された金属分子線セル用のシャッター(以降、これを第1シャッターという)12を開き、金属分子線セル11からターゲット位置に固定された基板5の表面にGa原子線が照射される。各第1シャッター12は、それぞれ、図示しない開閉駆動機構部のシャッター駆動回路46(図2参照)により開閉駆動される。第1シャッター11が開閉駆動機構部により開とされると、該第1シャッター12に対応する固体金属分子線セル(以降、この金属分子線セルを第1分子線セルという)11から溶融蒸発した金属原子線(Ga原子線)が基板5に照射される。これらの固体金属分子線セル11a〜11dと一緒に、ガスソース、例えば、炭素化合物バッファ層又は膜を生成するためのアセチレンガスを分解して炭素分子線を生成する、いわゆる、ガス分子線セル17が装着される。このガス分子線セル17には、ガス供給管19を介して、例えば、アセチレンガスとか、有機金属ガス(MOガス)等が供給される。なお、固体金属分子線セル11a〜11dに、基板5の表面に成膜しようとする金属材料、例えば、Ga以外のAl、In又はTl等の固体金属材料とか、成膜された金属窒素化合物半導体にドープされる不純物材料を装入して使用することができる。 A plurality of, for example, four solid metal molecular beam cells 11 a to 11 d are arranged at the bottom of the film forming chamber 2 below the substrate holder 3. These solid metal molecular beam cells 11 (one of them is typically shown with the suffixes a to d omitted) are configured using, for example, a crucible 14 made of PBN (Pyrolytic Boron Nitride). A group III solid metal material charged in the crucible 14, typically Ga, is melted and evaporated by the melting heater 15, and is a shutter for a metal molecular beam cell attached to the outlet portion of each cell 11 (hereinafter referred to as this). (Referred to as the first shutter) 12 is opened, and the Ga atom beam is irradiated from the metal molecular beam cell 11 onto the surface of the substrate 5 fixed at the target position. Each first shutter 12 is driven to open and close by a shutter drive circuit 46 (see FIG. 2) of an opening / closing drive mechanism (not shown). When the first shutter 11 is opened by the opening / closing drive mechanism, the solid metal molecular beam cell corresponding to the first shutter 12 (hereinafter, this metal molecular beam cell is referred to as the first molecular beam cell) 11 is melted and evaporated. The substrate 5 is irradiated with a metal atom beam (Ga atom beam). Together with these solid metal molecular beam cells 11a to 11d, a so-called gas molecular beam cell 17 that generates a carbon molecular beam by decomposing acetylene gas for generating a gas source, for example, a carbon compound buffer layer or a film. Is installed. For example, acetylene gas, organometallic gas (MO gas), or the like is supplied to the gas molecular beam cell 17 through a gas supply pipe 19. It should be noted that the metal material to be deposited on the surface of the substrate 5 on the solid metal molecular beam cells 11a to 11d, for example, a solid metal material such as Al, In, or Tl other than Ga, or a metal nitrogen compound semiconductor that is deposited. It is possible to use an impurity material to be doped.
上記固体金属分子線セル11a〜11d及びガス分子線セル17と一緒に、窒素励起セル21が配置される。窒素励起セル21は、窒素ガスボンベ26から質量流量制御器27及びガス圧力計28を接続した窒素ガス供給管29から供給される窒素ガスN2を高周波電力により励起(放電)し、励起窒素分子、自由電子、励起窒素原子、基底窒素原子が混在する、いわゆる、窒素活性種を生成するものである。窒素励起セル21の励起室22を形成する筒体の外周に、同軸状に水冷パイプを兼用する励起コイル24が巻装される。この励起コイル24には、詳細に後述するように、RF電源43からRF電力を投入することにより励起室22内の窒素ガスを励起し、いわゆる、誘導結合プラズマICP(Inductively Coupled Plasma)方式にて窒素活性種を生成し、該窒素励起セル21の出口部に設けられたオリフィス25から窒素活性種を射出する。窒素励起セル21の後端部に形成した観察窓には、光ファイバーケーブルを介して、励起室22内の励起(放電)時の分光スペクトルを計測する、例えば、浜松ホトニクス社製のPMA−11分光器を用いた分光スペクトル測定器30が装着される。 A nitrogen excitation cell 21 is arranged together with the solid metal molecular beam cells 11 a to 11 d and the gas molecular beam cell 17. The nitrogen excitation cell 21 excites (discharges) nitrogen gas N2 supplied from a nitrogen gas cylinder 26 from a nitrogen gas supply pipe 29 connected to a mass flow controller 27 and a gas pressure gauge 28 with high-frequency power, and generates excited nitrogen molecules and free It generates a so-called nitrogen active species in which electrons, excited nitrogen atoms, and ground nitrogen atoms are mixed. An excitation coil 24 that also serves as a water-cooled pipe is coaxially wound around the outer periphery of the cylinder that forms the excitation chamber 22 of the nitrogen excitation cell 21. As will be described in detail later, the excitation coil 24 excites nitrogen gas in the excitation chamber 22 by applying RF power from an RF power source 43, and uses a so-called inductively coupled plasma (ICP) method. Nitrogen active species are generated, and the nitrogen active species are ejected from an orifice 25 provided at the outlet of the nitrogen excitation cell 21. The observation window formed at the rear end portion of the nitrogen excitation cell 21 measures a spectral spectrum during excitation (discharge) in the excitation chamber 22 via an optical fiber cable. For example, PMA-11 spectrum manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. A spectroscopic spectrum measuring device 30 using the instrument is attached.
上記窒素励起セル21の出口部分の付近に荷電粒子排除器34が配置される。荷電粒子排除器34は、該窒素励起セル21から放出される荷電粒子、すなわち、LB励起状態(放電モード)時に放出される中性の励起窒素分子以外の窒素分子イオン及び電子、ならびに、HB励起状態(放電モード)時に放出される中性の励起窒素原子、基底窒素原子、励起窒素分子以外の窒素分子イオン及び電子を電磁的にターゲット位置に固定された基板5に至る軌道から逸脱する又は軌道を偏向するように作用するものである。 A charged particle eliminator 34 is disposed in the vicinity of the outlet portion of the nitrogen excitation cell 21. The charged particle eliminator 34 is charged particles emitted from the nitrogen excitation cell 21, that is, nitrogen molecule ions and electrons other than neutral excitation nitrogen molecules emitted in the LB excitation state (discharge mode), and HB excitation. A neutral excited nitrogen atom, a ground nitrogen atom, a nitrogen molecular ion other than the excited nitrogen molecule, and an electron that are released in the state (discharge mode) deviate from orbits to the substrate 5 electromagnetically fixed to the target position or orbit It acts so as to deflect.
荷電粒子排除器34は、一対の半割円筒状電極体36と、直流電源(図示を省略)と、磁界発生用コイルを含む磁界発生器(図示を省略)とにより構成される。一対の半割円筒状電極体36は、窒素励起セル21の先端部に固定されたリング状のセラミック絶縁体35に互いに対向しかつ起立状に装着される。両半割円筒状電極体36、36は、それぞれ、直流電源により正電位、負電位に設定され、両半割円筒状電極体36、36間の電圧に応じた強さの電界が形成される。両半割円筒状電極体36、36の先端部に上記磁界発生器が装着され、該磁界発生器の励磁コイルの軸方向に発生する磁界と両半割円筒状電極体36、36の空間部に形成される電界とが交差(略直交)するように取り付けられる。 The charged particle eliminator 34 includes a pair of halved cylindrical electrode bodies 36 , a DC power source (not shown), and a magnetic field generator (not shown) including a magnetic field generating coil. The pair of halved cylindrical electrode bodies 36 are mounted in an upright manner facing each other on a ring-shaped ceramic insulator 35 fixed to the tip of the nitrogen excitation cell 21. Both halved cylindrical electrode bodies 36 , 36 are set to a positive potential and a negative potential by a DC power source, respectively, and an electric field having a strength corresponding to the voltage between both halved cylindrical electrode bodies 36 , 36 is formed. . The magnetic field generator is mounted at the tip of both halved cylindrical electrode bodies 36 , 36 , and the magnetic field generated in the axial direction of the excitation coil of the magnetic field generator and the space portion of the halved cylindrical electrode bodies 36 , 36 . It is attached so that the electric field formed in the crossing (substantially orthogonal).
上記荷電粒子排除器34の各半割円筒状電極体35に印加する電圧は、MBE成膜室2内の真空圧、窒素励起セル21の操作条件(励起電流)等に応じて調整または制御され、窒素励起セル21から基板5に向けて放射される窒素分子イオン(+)及び電子(−)は、それぞれ、上記電界および磁界中で作用する電磁力によって逆電位(極性)の半割円筒状電極体35に吸引または吸着するもしくは偏向され、これによりターゲット位置に向かう軌道から逸脱し、荷電粒子フラックスから排除される。なお、本実施例のMBE成膜装置1においては、荷電粒子排除器34の電極体は、一対の半割円筒状電極体35を用いて構成されたが、複数の対向電極対を用いて構成することもできる。また、荷電粒子排除器34は、磁界発生器を省略して少なくとも一対の対向電極体により構成したものであってもよい。 The voltage applied to each halved cylindrical electrode body 35 of the charged particle eliminator 34 is adjusted or controlled according to the vacuum pressure in the MBE film forming chamber 2, the operating conditions (excitation current) of the nitrogen excitation cell 21, and the like. The nitrogen molecular ions (+) and electrons (−) emitted from the nitrogen excitation cell 21 toward the substrate 5 are respectively half cylinders having a reverse potential (polarity) due to the electromagnetic force acting in the electric field and magnetic field. The electrode body 35 is attracted or adsorbed or deflected, thereby deviating from the trajectory toward the target position and excluded from the charged particle flux. In the MBE film forming apparatus 1 of the present embodiment, the electrode body of the charged particle eliminator 34 is configured using a pair of halved cylindrical electrode bodies 35, but is configured using a plurality of counter electrode pairs. You can also Further, the charged particle eliminator 34 may be configured by at least a pair of counter electrode bodies by omitting the magnetic field generator.
上記窒素励起セル21から基板ホルダー3に固定された基板5に照射される窒素活性種(励起窒素ビームフラックス)の分子数量は、例えば、基板ホルダー3と接続した固定部材に装着した窒素ビームフラックス検出器44により検出される。 The molecular quantity of the nitrogen active species (excited nitrogen beam flux) irradiated to the substrate 5 fixed to the substrate holder 3 from the nitrogen excitation cell 21 is, for example, the detection of the nitrogen beam flux mounted on the fixing member connected to the substrate holder 3. Detected by the instrument 44.
MBE成膜室2内のターゲット位置に固定された基板5の表面に、成膜室2の外壁の一側部(図1の左側部)に配置したRHEED(Reflection High-energy Electron Diffraction)電子銃41から浅い角度(1〜2°)で入射された反射高速電子ビームが基板5の表面で反射回折して他側部(図1の右側部)に配置されたRHEEDスクリーン42に投影され、該RHEEDスクリーン42の影像に基づき基板5の成長表面の結晶状態が観察される。例えば、RHEED反射ビーム強度の振動を公知の方法で分析することにより、結晶成長機構を解明可能とされる。また、MBE成膜室2の外壁部に四重極質量分析器43が配置され、該成膜室2内の残留ガスの種類及びその量を計測可能とされる。 An RHEED (Reflection High-energy Electron Diffraction) electron gun disposed on one side (left side in FIG. 1) of the outer wall of the deposition chamber 2 on the surface of the substrate 5 fixed at the target position in the MBE deposition chamber 2 The reflected fast electron beam incident at a shallow angle (1-2 °) from 41 is reflected and diffracted on the surface of the substrate 5 and projected onto the RHEED screen 42 disposed on the other side (right side in FIG. 1). Based on the image of the RHEED screen 42, the crystal state of the growth surface of the substrate 5 is observed. For example, the crystal growth mechanism can be clarified by analyzing the vibration of the RHEED reflected beam intensity by a known method. In addition, a quadrupole mass analyzer 43 is disposed on the outer wall portion of the MBE film forming chamber 2 so that the type and amount of residual gas in the film forming chamber 2 can be measured.
次に、本発明の活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法を、たとえば、GaN半導体膜を成膜させる場合について、図3に示すタイムシーケンスにしたがって説明する。
上記タイムシーケンスに順じた成膜サイクルは、詳細に後述するように、図2に示される本発明のMBE成膜装置1の成膜制御装置45(図2に示す)を用いて実行される。
Next, the activity-controlled nitrogen compound MBE film forming method of the present invention will be described in the case of forming a GaN semiconductor film, for example, according to the time sequence shown in FIG.
The film formation cycle in accordance with the above time sequence is executed using the film formation control device 45 (shown in FIG. 2) of the MBE film formation apparatus 1 of the present invention shown in FIG. 2, as will be described in detail later. .
まず、上記成膜サイクルの実行開始前、すなわち、時点t0より前に、窒素励起セル21を起動し、該窒素励起セル21から成膜対象の基板5に活性度の比較的低い励起窒素分子線を照射するかまたは活性度の比較的高い解離窒素原子線を照射して基板5、たとえば、Si基板の表面に窒化膜、単結晶β-Si3N4膜を生成する。 First, before starting the film formation cycle, that is, before the time point t 0 , the nitrogen excitation cell 21 is activated, and excited nitrogen molecules having relatively low activity from the nitrogen excitation cell 21 to the film formation target substrate 5. A nitride film or a single crystal β-Si 3 N 4 film is formed on the surface of the substrate 5, for example, the Si substrate, by irradiating a line or irradiating a dissociated nitrogen atom beam having a relatively high activity.
窒素励起セル21をLB励起状態に設定する場合には、詳細に後述するように、窒素励起セル21の出口部に装着した励起セル用の第2シャッター32を開として、成膜対象の基板の材質および径寸法に見合せて、たとえば、3インチ(7.62cm)のSi基板(Siウェハ)に対し、約20分間をかけて窒化膜(バッファ層)を生成する。一方、窒素励起セル21をHB励起状態に設定する場合には、上記第2シャッター32を閉じて、該第2シャッター32の隙間から漏出する解離窒素原子線を利用して約20秒程で窒化膜を生成することができる。このようにして、第2シャッター32を有効に利用することにより、初期成長に有効なバッファ層を迅速にかつ安価に生成することができる。 When the nitrogen excitation cell 21 is set to the LB excitation state, as will be described in detail later, the second shutter 32 for the excitation cell attached to the outlet of the nitrogen excitation cell 21 is opened, and the substrate to be deposited is formed. For example, a nitride film (buffer layer) is formed over about 20 minutes on a 3-inch (7.62 cm) Si substrate (Si wafer) in accordance with the material and diameter. On the other hand, when the nitrogen excitation cell 21 is set in the HB excitation state, the second shutter 32 is closed and nitriding is performed in about 20 seconds using the dissociated nitrogen atom beam leaking from the gap of the second shutter 32. A membrane can be produced. In this way, by effectively using the second shutter 32, a buffer layer effective for initial growth can be generated quickly and inexpensively.
第1分子線セル11の坩堝14にGa塊体を装入してヒータ15により加熱溶融され、Ga蒸気が生成される。上記窒素励起セル21の励起コイル24に、詳細に後述するように、RF電源53から比較的小さいRF電力が投入され、励起室22は、上記基板5に照射されたGa原子とは反応しない励起分子線が生起する低輝度励起状態(LB励起状態)に保持される。 A Ga mass is charged into the crucible 14 of the first molecular beam cell 11 and heated and melted by the heater 15 to generate Ga vapor. As will be described in detail later, the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21 is supplied with relatively small RF power from an RF power source 53, and the excitation chamber 22 is excited without reacting with Ga atoms irradiated on the substrate 5. It is held in a low-brightness excited state (LB excited state) in which molecular beams occur.
上記窒素励起セル21のLB励起状態は、窒素励起セル21の励起コイル24に、比較的小さい電力WLBもって給電することにより、図4(a)に示されるように、励起室22内に生起する専ら電界Eに基づき確立され、図4(b)に示されるように、上記窒素励起セル21のオリフィス25は、比較的暗い状態とされる。LB励起状態とされる窒素励起セル21から放出される励起窒素分子線のスペクトル(放電スペクトル)を、浜松ホトニクス株式会社製PMA−11分光器を用いて計測したところ、図4(c)に示されるように、励起窒素分子のみのスペクトルが観測された。また、比較的大きな第1正帯及び第2正帯が観測された。 LB excited state of the nitrogen pumping cell 21, the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21, by feeding with a relatively small power W LB, as shown in FIG. 4 (a), occurs in the excitation chamber 22 As shown in FIG. 4B, the orifice 25 of the nitrogen excitation cell 21 is in a relatively dark state. The spectrum (discharge spectrum) of the excited nitrogen molecular beam emitted from the nitrogen excitation cell 21 in the LB excited state was measured using a PMA-11 spectrometer manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. and shown in FIG. As can be seen, a spectrum of only excited nitrogen molecules was observed. A relatively large first positive band and second positive band were also observed.
上記固体金属分子線セル11の出口部分に配置した第1シャッター12は、予め定めた一定の周期T及び開期間T1(T1<周期T)をもって周期的に繰り返し開閉される。周期Tは、事前に採取した実験データに基づき、上記基板5のAlNバッファ層上にエピタキシャル成長させるGaNの膜厚が1分子層(monolayer)以下となるように定められる。 The first shutter 12 disposed at the outlet portion of the solid metal molecular beam cell 11 is periodically opened and closed with a predetermined constant period T and an open period T 1 (T 1 <period T). The period T is determined based on experimental data collected in advance so that the film thickness of GaN epitaxially grown on the AlN buffer layer of the substrate 5 is not more than one monolayer.
第1シャッター12が開いた時点t0から閉じる時点t1までの期間T1中、第1分子線セル11から射出される金属原子線、即ち、Gaフラックスを基板5に照射するとともにLB励起状態の窒素励起セル21から放射される励起窒素分子線を基板5に照射する成膜予備工程が実行される。 During time period T 1 of the up time t 1 to close from time t 0 to the first shutter 12 is opened, a metal atom beam emitted from the first molecular beam cell 11, i.e., LB excited state irradiates the Ga flux to the substrate 5 A film formation preliminary step of irradiating the substrate 5 with excited nitrogen molecular beams emitted from the nitrogen excitation cell 21 is executed.
上記成膜予備工程において、LB励起状態とされる窒素励起セル21から放射される窒素活性種のうち、プラス(+)の荷電粒子である窒素分子イオンと、マイナス(−)の荷電粒子である電子は、該窒素励起セル21の出口部分に配置された荷電粒子排除器34により有効に排除され、比較的低い励起電力WLBに応じたエネルギーを保有する励起窒素分子線が基板5に照射される。 Among the nitrogen active species radiated from the nitrogen excitation cell 21 in the LB excited state in the film forming preliminary step, nitrogen molecular ions that are positive (+) charged particles and negative (−) charged particles. The electrons are effectively removed by the charged particle eliminator 34 disposed at the exit portion of the nitrogen excitation cell 21, and the substrate 5 is irradiated with an excited nitrogen molecular beam having energy corresponding to a relatively low excitation power WLB. The
成膜予備工程において、基板5の表面に吸着されたGa用分子線セル(第1分子線セル)11からの1分子層分のGa原子が拡散又は移動すると同時に、窒素励起セル21から照射される励起窒素分子からGa原子にエネルギーが付与または転送され、基板5上のGa原子の拡散又は移動を有効に促進する。また、窒素励起分子からエネルギーを付与されたGa原子の活性度が高まり、基板温度の上昇を抑え、次のHB励起状態に切り替えられた窒素励起セル21から放射される窒素活性種による成膜工程においてGaN膜を低温成膜させることができる。 In the film forming preliminary step, Ga atoms corresponding to one molecular layer from the molecular beam cell for Ga (first molecular beam cell) 11 adsorbed on the surface of the substrate 5 are diffused or moved, and simultaneously irradiated from the nitrogen excitation cell 21. Energy is imparted or transferred from the excited nitrogen molecules to the Ga atoms, and the diffusion or movement of Ga atoms on the substrate 5 is effectively promoted. In addition, the activity of Ga atoms energized by nitrogen excited molecules is increased, the increase in the substrate temperature is suppressed, and the film forming step by the nitrogen active species emitted from the nitrogen excited cell 21 switched to the next HB excited state. The GaN film can be formed at a low temperature.
次に、第1シャッターの開時点t0から予め定めた時間τが経過した又は遅れた時点t2で、詳細に後述するように、窒素励起セル21の励起コイル24にRF電源53から比較的大きい一定のRF電力を投入することによりLB励起状態からHB励起状態に切替え、該励起状態切変え時点t2から予め定めた期間T3中、HBモードを持続し、該窒素励起セル21内にHB励起状態で生成される励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子(これらを窒素活性種という)を一定の分子数量をもって上記基板5に照射し、該基板5に分散して吸着したGa原子と略過不足なく反応して金属窒素化合物GaNのエピタキシャル膜の生成が開始される。上記時間τは、本明細書において遅れ時間と称する。 Next, at a time t 2 when a predetermined time τ has elapsed or delayed since the opening time t 0 of the first shutter, as will be described in detail later, the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21 is relatively connected from the RF power source 53. By switching on a large constant RF power, the LB excitation state is switched to the HB excitation state, and the HB mode is maintained for a predetermined period T 3 from the excitation state switching time t 2 to enter the nitrogen excitation cell 21. excited nitrogen atoms produced by HB excited state, the base nitrogen atoms and excited molecular nitrogen (that these nitrogen active species) have a certain molecular quantity irradiated to the substrate 5, Ga atoms adsorbed dispersed in the substrate 5 And the formation of an epitaxial film of the metal nitrogen compound GaN is started. The time τ is referred to as a delay time in this specification.
上記窒素励起セル21のHB励起状態は、窒素励起セル21の励起コイル24に、比較的大きい電力WHBもって給電することにより、図5(a)に示されるように、励起室22内に生起する電界Eおよび磁界Hに基づき確立され、図5(b)に示されるように、上記窒素励起セル21のオリフィス25は、非常に明るい状態とされる。HB励起状態とされる窒素励起セル21から放出される励起窒素分子線のスペクトル(放電スペクトル)を、上記PMA−11分光器を用いて計測したところ、図5(c)に示されるように、窒素原子の原子スペクトル747nm、励起窒素原子の原子スペクトル822nm、868nm、940nm等が観測された。また、比較的弱小な第1正帯及び第2正帯が観測された。 The HB excited state of the nitrogen excitation cell 21 is generated in the excitation chamber 22 as shown in FIG. 5A by supplying power to the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21 with a relatively large power W HB . As shown in FIG. 5B, the orifice 25 of the nitrogen excitation cell 21 is brought into a very bright state. When the spectrum (discharge spectrum) of the excited nitrogen molecular beam emitted from the nitrogen excitation cell 21 in the HB excited state was measured using the PMA-11 spectrometer, as shown in FIG. An atomic spectrum of nitrogen atom of 747 nm, an atomic spectrum of excited nitrogen atoms of 822 nm, 868 nm, 940 nm, and the like were observed. In addition, a relatively weak first positive band and second positive band were observed.
上記遅れ時間τは、第1シャッター12の開期間T1と励起コイル24へのRF給電切替え条件に応じて予め定めた時間α(α≧0)とをもってτ=T1±αと表示される。遅れ時間τ=T1−αとは、時点t0から第1シャッター12の開期間T1が満了する時点t1より時間αだけ前の時点までの期間に相当する時間であり、遅れ時間τ=T1+αとは、時点t0から第1シャッター12の開期間T1が満了した時点t1より時間αだけ後の時点までの期間に相当する時間である。また、上記HB励起状態保持期間T3は、第1シャッター12の開期間T1中に基板5に供給されたGa原子と結合反応するのに必要な窒素活性種の分子数量に応じて予め定められる。 The delay time τ is expressed as τ = T 1 ± α with the opening period T 1 of the first shutter 12 and a time α (α ≧ 0) predetermined according to the RF power supply switching condition to the excitation coil 24. . The delay time τ = T 1 −α is a time corresponding to a period from the time point t 0 to a time point a time α before the time point t 1 when the opening period T 1 of the first shutter 12 expires. = T 1 + α is a time corresponding to a period from time t 0 to time after time t 1 when the opening period T 1 of the first shutter 12 expires. The HB excited state holding period T 3 is determined in advance according to the molecular quantity of the nitrogen active species necessary for the binding reaction with the Ga atoms supplied to the substrate 5 during the opening period T 1 of the first shutter 12. It is done.
次に、上記HBモード持続期間T3が満了した時点t3で再び窒素励起セル21の励起状態がLB励起状態に戻され、該時点t3から上記第1シャッター12が再び開とされる時点t0までの期間β中に、基板5の表面とか成膜室2の内部に残留するGa原子、即ち、1分子層の形成にあたり余剰のGa原子が、公知のクリーニング手段により除去される。このようにして、基板5上に残存する高温Ga原子を除去することにより、基板温度を低温に保持し、励起状態切替え時点t2から再び第1シャッター12が開とされる時点t0までの期間(成膜工程HB励起状態保持期間T3+期間β)、エピタキシャル膜の低温成膜を確保しながら成膜工程が実行される。 Next, at the time t 3 when the HB mode duration T 3 expires, the excited state of the nitrogen excitation cell 21 is returned to the LB excited state, and the first shutter 12 is opened again from the time t 3. During the period β up to t 0, Ga atoms remaining on the surface of the substrate 5 or inside the film forming chamber 2, that is, excess Ga atoms in forming one molecular layer are removed by a known cleaning means. In this way, by removing the high-temperature Ga atoms remaining on the substrate 5, holding the substrate temperature to a low temperature, from time t 2 switch excited state up to the time t 0 which is again the first shutter 12 is opened During the period (film formation process HB excited state holding period T 3 + period β), the film formation process is executed while ensuring low temperature film formation of the epitaxial film.
上記第1シャッター12の開閉動作の1周期T中の成膜予備工程と成膜工程とから成る成膜サイクルは、上記基板5に成膜させるGaN半導体膜の膜厚に応じて複数回繰り返される。 A film forming cycle including a film forming preliminary process and a film forming process during one cycle T of the opening / closing operation of the first shutter 12 is repeated a plurality of times according to the film thickness of the GaN semiconductor film to be formed on the substrate 5. .
上記第1シャッター12の開期間T1は、上述したように、1分子層以下の金属原子数量に限らず、複数分子層分の金属原子数量に応じた期間長さとして成膜速度を高めるようにしてもよい。特に、所定厚さの金属窒素化合物膜を成膜させる初期には、複数分子層分の金属原子を供給して比較的速い速度で成膜させ、終盤の仕上げ時期では、1分子層分の金属原子数量に応じた期間T1をもって成膜予備工程を実行することにより、当該成膜操作全体の生成速度を有効に高めることができるとともに膜表面の平坦性及び結晶性を良好なものとすることができる。 As described above, the opening period T 1 of the first shutter 12 is not limited to the number of metal atoms of one molecular layer or less, but is a period length corresponding to the number of metal atoms for a plurality of molecular layers so as to increase the film formation rate. It may be. In particular, at the initial stage of forming a metal nitrogen compound film having a predetermined thickness, metal atoms for a plurality of molecular layers are supplied to form a film at a relatively high speed. By performing the film formation preliminary process with a period T 1 corresponding to the atomic quantity, the generation rate of the entire film formation operation can be effectively increased, and the flatness and crystallinity of the film surface should be improved. Can do.
上記成膜制御装置45は、例えば、パーソナルコンピュータPCを用いて構成され、該コンピュータPCのメモリー(図示を省略する)に、図3に示されるタイムシーケンスにしたがって上述した成膜サイクルを実行する成膜制御プログラムが格納される。 The film formation control device 45 is configured using, for example, a personal computer PC, and executes the above-described film formation cycle in a memory (not shown) of the computer PC according to the time sequence shown in FIG. A membrane control program is stored.
上記成膜制御装置45の制御盤(コントロールパネル)は、図4に示されるように、コンピュータPC用の液晶モニタ画面に可視表示される画像コントロールパネルが使用される。 As the control panel (control panel) of the film formation control device 45, as shown in FIG. 4, an image control panel that is visually displayed on a liquid crystal monitor screen for a computer PC is used.
上記画像コントロールパネルにおいて、61は、成膜制御装置45の制御開始指令用のスタートボタン、62は、操作モード設定スイッチ、63は、運転モード設定スイッチ、64は、パルス(図2参照)周期切替えスイッチ、65は、詳細に後述する給電制御回路51における入力電流モニタ、66は、窒素励起セル21の励起コイル24への投入設定RF電力に対応する出力電圧モニタ、67は、HBモード設定RF電力Wに対応する電流目標値を設定する目標電流設定ダイヤル、68は、投入設定RF電力の上限値設定ダイヤル、69は、投入設定RF電力の下限値設定ダイヤル、70は、LB励起状態保持電力設定ダイヤルである。 In the image control panel, 61 is a start button for a command to start control of the film formation control device 45, 62 is an operation mode setting switch, 63 is an operation mode setting switch, and 64 is a pulse (see FIG. 2) cycle switching. The switch 65 is an input current monitor in the power supply control circuit 51 to be described in detail later, 66 is an output voltage monitor corresponding to the input RF power applied to the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21, and 67 is the HB mode setting RF power. Target current setting dial for setting a current target value corresponding to W, 68 is an upper limit setting dial for making setting RF power, 69 is a lower limit setting dial for making setting RF power, and 70 is LB excitation state holding power setting It is a dial.
ユーザ(成膜制御装置45の使用者)が成膜作業対象に応じて予め設定する各種設定データ入力スイッチを備え、71は、第1シャッター12の周期的開閉動作の1周期T(sec)設定ボタン、72は、第1シャッター12の開期間T1(sec)設定ボタン、73は、時間α(sec)設定ボタン、74は、HBモード持続期間T3(sec)設定ボタン、75は、時間β(sec)設定ボタンである。なお、遅延時間τ=T1±αは、後述するタイマー回路からタイミング信号t2が出力される際、成膜制御装置45の図示しない演算論理部(ALU)にて設定ボタン72で設定されたT1値及び設定ボタン63で設定されたα値に基づいて演算される。その他、76は、リアクタンス調整回路54の動作モード切替えスイッチ、78は、マニュアル操作モード時の投入設定RF電力に対応する出力電圧設定ダイヤルである。 A user (user of the film formation control device 45) includes various setting data input switches that are preset according to the film formation work target, and 71 is a period T (sec) setting of the periodic opening / closing operation of the first shutter 12 The button 72 is an opening period T 1 (sec) setting button of the first shutter 12, 73 is a time α (sec) setting button, 74 is an HB mode duration T 3 (sec) setting button, and 75 is a time. This is a β (sec) setting button. The delay time τ = T 1 ± α is set by the setting button 72 in an arithmetic logic unit (ALU) (not shown) of the film formation control device 45 when a timing signal t 2 is output from a timer circuit described later. Calculation is performed based on the T 1 value and the α value set by the setting button 63. In addition, 76 is an operation mode changeover switch of the reactance adjustment circuit 54, and 78 is an output voltage setting dial corresponding to the input setting RF power in the manual operation mode.
上記成膜制御装置45のメモリー領域を利用してタイマー回路(図示しない)が形成され、上記コントロールパネルに配置されたデータ入力設定スイッチ71〜75と協働して該タイマー回路から第1シャッター12の開時点t0を示すタイミング信号、該時点t0から遅れ時間τが経過して窒素励起セル21をLB励起状態からHB励起状態に切替える時点t2を示すタイミング信号及び該時点t2から上記HB励起状態保持期間T3が経過した時点t3を示すタイミング信号が出力される。 A timer circuit (not shown) is formed using the memory area of the film formation control device 45, and from the timer circuit, the first shutter 12 is operated in cooperation with the data input setting switches 71 to 75 arranged on the control panel. the above timing signal indicating an open time t 0, the timing signal and said time point t 2 indicating the time t 2 to switch with time delayed said time point t 0 tau nitrogen excitation cell 21 from the LB excited state to the HB excitation state A timing signal indicating the time point t 3 when the HB excited state holding period T 3 has elapsed is output.
RF電源53と窒素励起セル21の励起コイル24とを接続する高周波給電線路に給電制御回路51が接続される。給電制御回路51は、窒素励起セル21における、例えば、それ自体公知の誘導結合型窒素ガス励起(放電)回路を構成する励起コイル24と上記RF電源(回路)53間に接続される整合用可変リアクタンス回路52と、上記窒素励起セル21から放出される励起窒素ビームフラックスの分子数量を検出する窒素ビームフラックス検出器44と、上記窒素ビームフラックス検出器44の検出値が上記目標電流設定ダイヤル67又はLB励起状態保持電力設定ダイヤル70で設定された目標値となるように整合用可変リアクタンス回路52のリアクタンス値をフィードバック制御し、これにより励起コイル24に比較的大きい一定の電力WHB又は比較的小さい一定の電力WLBをもってRF電力を投入するようにした自動リアクタンス調整(自動インピーダンスマッチング回路)54とにより構成される。 A feed control circuit 51 is connected to a high-frequency feed line that connects the RF power source 53 and the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21. The power supply control circuit 51 is a variable variable for matching connected between the excitation coil 24 constituting the known inductively coupled nitrogen gas excitation (discharge) circuit in the nitrogen excitation cell 21 and the RF power source (circuit) 53. A reactance circuit 52, a nitrogen beam flux detector 44 for detecting the molecular quantity of the excited nitrogen beam flux emitted from the nitrogen excitation cell 21, and the detected value of the nitrogen beam flux detector 44 are the target current setting dial 67 or The reactance value of the variable reactance circuit for matching 52 is feedback-controlled so as to be the target value set by the LB excitation state holding power setting dial 70, whereby a relatively large constant power W HB or relatively small is applied to the excitation coil 24. automatic reactance adjustment so as to introduce the RF power with a constant power W LB (own Constituted by an impedance matching circuit) 54.
上記構成により、自動リアクタンス調整回路54が成膜制御装置45のタイマー回路からタイミング信号t2を受けると、上記設定ボタン74により設定されたHB励起状態保持期間T3中、整合用可変リアクタンス回路52のリアクタンス値を調整してRF電源53から窒素励起セル21の励起コイル24に比較的大きい一定の電力WHBをもって給電し、窒素励起セル21の励起室22内にHB励起状態を確立する。同様にして、自動リアクタンス調整回路54が上記タイマー回路からタイミング信号t3を受けると、整合用可変リアクタンス回路52のリアクタンス値を調整してRF電源53から励起コイル24に、比較的小さい電力WLBをもって給電し、窒素励起セル21の励起室22がLB励起状態に切替えられる。該窒素励起セル21の励起室22は、時点t3以降、再び次の成膜サイクルにおいて自動リアクタンス調整回路54が上記タイマー回路からタイミング信号t2を受けるまでの期間(=β+τ)中、LB励起状態に保持される。なお、この期間(=β+τ)において、励起室22内に電磁波を照射して励起状態、即ち、放電が完全に消滅又は消弧しないようにすることができる。このようにして、窒素励起セル21のLBモードからHBモードへの切替えを安定して確実なものとすることができる。 With the above configuration, when the automatic reactance adjustment circuit 54 receives the timing signal t 2 from the timer circuit of the film formation control device 45, the matching variable reactance circuit 52 during the HB excitation state holding period T 3 set by the setting button 74. The RF power source 53 supplies power to the excitation coil 24 of the nitrogen excitation cell 21 with a relatively large constant power W HB to establish an HB excitation state in the excitation chamber 22 of the nitrogen excitation cell 21. Similarly, when the automatic reactance adjustment circuit 54 receives the timing signal t 3 from the timer circuit, the reactance value of the matching variable reactance circuit 52 is adjusted, and a relatively small power W LB is supplied from the RF power source 53 to the excitation coil 24. The excitation chamber 22 of the nitrogen excitation cell 21 is switched to the LB excitation state. The excitation chamber 22 of the nitrogen excitation cell 21 is subjected to LB excitation during a period (= β + τ) after the time t 3 until the automatic reactance adjustment circuit 54 receives the timing signal t 2 from the timer circuit in the next film formation cycle. Kept in a state. In this period (= β + τ), the excitation chamber 22 can be irradiated with electromagnetic waves so that the excited state, that is, the discharge is not completely extinguished or extinguished. In this manner, the switching of the nitrogen excitation cell 21 from the LB mode to the HB mode can be made stable and reliable.
上記自動リアクタンス調整回路54による整合用可変リアクタンス回路52のリアクタンス値の調整操作に代えて、RF電源53の発振周波数を変化させることにより、当該高周波給電回路のインピーダンスマッチング操作を行うようにしてもよい。このようにして、自動マッチング操作の応答性を有効に高め、したがって、膜の成長をより精密に制御することができる。 Instead of the operation of adjusting the reactance value of the variable reactance circuit 52 for matching by the automatic reactance adjustment circuit 54, the impedance matching operation of the high-frequency power feeding circuit may be performed by changing the oscillation frequency of the RF power supply 53. . In this way, the responsiveness of the automatic matching operation can be effectively increased, and thus film growth can be controlled more precisely.
上記実施例のMBE成膜装置1においては、固体金属としてIII族金属元素のGaを使用する場合について説明したが、その他のIII族金属元素Al、In又はTlの窒素化合物AlN、InN又はTlN及びそれらを含む合金膜を生成する場合にも適用することができる。 In the MBE film forming apparatus 1 of the above embodiment, the case where the group III metal element Ga is used as the solid metal has been described. However, other group III metal elements Al, In or Tl nitrogen compounds AlN, InN or TlN and The present invention can also be applied when producing an alloy film containing them.
上記実施例のMBE成膜装置1においては、単一の窒素励起セル21が装着されたが、
複数、好ましくは、2〜3の窒素励起セル21を装着するようにしてもよい。図11及び図12に示されるように、たとえば、2つの窒素励起セル21を、間隔をあけて配置し、各窒素励起セル21の出口部の中心軸をターゲット位置に固定された基板面に適宜設定した2つの照準点(位置)に合わせて各窒素励起セル21から窒素活性種フラックスを放射するように構成することができる。この構成により、ターゲット位置に固定された基板5における成膜領域の化学活性度をより精密に制御可能となり、高品質のエピタキシャル膜を製造することができる。
In the MBE film forming apparatus 1 of the above embodiment, a single nitrogen excitation cell 21 is mounted.
A plurality of, preferably a few, nitrogen excitation cells 21 may be mounted. As shown in FIG. 11 and FIG. 12, for example, two nitrogen excitation cells 21 are arranged at intervals, and the central axis of the outlet portion of each nitrogen excitation cell 21 is appropriately set on the substrate surface fixed at the target position. It can be configured to emit nitrogen active species flux from each nitrogen excitation cell 21 in accordance with two set aiming points (positions). With this configuration, the chemical activity of the film formation region in the substrate 5 fixed at the target position can be controlled more precisely, and a high-quality epitaxial film can be manufactured.
また、図11および図12に示すように、窒素励起セル21の出口部の先端部に、セラミック絶縁体35および荷電粒子排除器34を装着し、該荷電粒子排除器34の前方に、窒素励起セル用シャッター32(以下、これを第2シャッターという)を配置し、第1分子線セル用の第1シャッター12と同様、シャッター駆動回路33を介して第2シャッター32の開閉動作を制御することにより、ターゲット位置に固定された基板5における成膜領域の化学活性度をより精密に制御可能となり、高品質のエピタキシャル膜を製造することができる。 Also, as shown in FIGS. 11 and 12, a ceramic insulator 35 and a charged particle eliminator 34 are attached to the tip of the outlet of the nitrogen excitation cell 21, and nitrogen excitation is performed in front of the charged particle eliminator 34. A cell shutter 32 (hereinafter referred to as a second shutter) is arranged, and the opening / closing operation of the second shutter 32 is controlled via the shutter drive circuit 33 in the same manner as the first shutter 12 for the first molecular beam cell. As a result, the chemical activity of the film formation region in the substrate 5 fixed at the target position can be controlled more precisely, and a high-quality epitaxial film can be manufactured.
さらに、窒素励起セル21の出口部に第2シャッター32を配置することにより、窒素励起セル21のHB励起状態時、第2シャッター32の開口部またはその周辺部の間隙もしくは開き具合を調整してそこから漏出する解離窒素原子量を変化させることができる。これにより、基板5の表面に到達する解離窒素原子の数量を制御することができ、反応数量に見合うようにGa原子とか、Al原子数量を調整すれば成膜量を制御することができる。基板表面、たとえば、Si基板の場合、その表面の同元系(Si)の窒化を緩慢に起こさせることにより、成膜工程における基板のバッファ層として単結晶β−Si3N4膜を生成することができる。このようにして、成膜サイクルの開始直後における初期成長を制御することができ、成膜領域の結晶性および平坦性の良好なエピタキシャル膜を製造することができる。この場合、窒素原子ビームフラックスは窒素原子ビームフラックス測定器44を用いて計測またはモニタしながら、第2シャッター32のしまり具合を調整することができる。 Further, by arranging the second shutter 32 at the outlet of the nitrogen excitation cell 21, the opening of the second shutter 32 or the gap or opening degree of the periphery of the second shutter 32 is adjusted when the nitrogen excitation cell 21 is in the HB excitation state. It is possible to change the amount of dissociated nitrogen atoms leaking from there. As a result, the number of dissociated nitrogen atoms reaching the surface of the substrate 5 can be controlled, and the amount of film formation can be controlled by adjusting the number of Ga atoms or Al atoms so as to match the number of reactions. In the case of a substrate surface, for example, a Si substrate, a single crystal β-Si 3 N 4 film is formed as a buffer layer of the substrate in the film forming process by slowly causing nitridation of the homogeneous system (Si) on the surface. be able to. In this way, the initial growth immediately after the start of the film formation cycle can be controlled, and an epitaxial film with good crystallinity and flatness in the film formation region can be manufactured. In this case, the degree of tightness of the second shutter 32 can be adjusted while measuring or monitoring the nitrogen atom beam flux using the nitrogen atom beam flux measuring device 44.
次に、本発明のMBE成膜装置を用いて、共に、3インチ(7.62cm)のSi(111)基板(試料1および試料2)にAlNバッファ層を成膜させた後、両試料1および試料2に、第1分子線セル11からGa原子線を、窒素励起セル21から荷電粒子排除器34を介して窒素活性種を、図3のタイムシーケンスにしたがって共に同一の周期T=2.8秒、T1=1秒、T2=1.8秒にて繰り返し照射することによりGaN膜を生成した。
試料1においては、第1シャッター12が開とされ、試料1にGa原子線を照射するとともに窒素励起セル21の出口部に装着した第2シャッター32を開き、LB励起状態とされる窒素励起セル21から荷電粒子排除器34を介して試料1の基板面に励起窒素分子線を照射する。次いで、第1シャッター12を閉じて基板面へのGa原子線の照射を停止し、HB励起状態に切り替えられた窒素励起セル21から開とされた第2シャッター32および荷電粒子排除器34を介して基板面に解離窒素原子を照射する成膜サイクルを繰り返し実行してGaN膜が生成された。
試料2においては、第1シャッター12が開とされ、試料1にGa原子線を照射するとともに窒素励起セル21の出口部に装着した第2シャッター32を閉じ、LB励起状態とされる窒素励起セル21から荷電粒子排除器34を介して試料1の基板面へ励起窒素分子線の照射を遮断する。次いで、第1シャッター12を閉じて基板面へのGa原子線の照射を停止し、HB励起状態に切り替えられた窒素励起セル21から開とされた第2シャッター32および荷電粒子排除器34を介して基板面に解離窒素原子を照射する成膜サイクルを繰り返し実行してGaN膜が生成された。
試料1および試料2は、成膜時ともに基板ホルダー3を回転することなく、基板温度がともに610℃とされ、Ga分子線セル(第1分子線セル)11内の温度がともに1030℃とされた。
Next, an AlN buffer layer was formed on a 3-inch (7.62 cm) Si (111) substrate (Sample 1 and Sample 2) using the MBE film forming apparatus of the present invention, and then both samples 1 3 and the sample 2, the Ga atom beam from the first molecular beam cell 11, the nitrogen active species from the nitrogen excitation cell 21 through the charged particle eliminator 34, and the same period T = 2. A GaN film was formed by repeated irradiation for 8 seconds, T 1 = 1 second, and T 2 = 1.8 seconds.
In the sample 1, the first shutter 12 is opened, the sample 1 is irradiated with the Ga atom beam, the second shutter 32 attached to the outlet of the nitrogen excitation cell 21 is opened, and the nitrogen excitation cell is brought into the LB excitation state. The substrate surface of the sample 1 is irradiated with an excited nitrogen molecular beam from 21 through the charged particle eliminator 34. Next, the first shutter 12 is closed, the irradiation of the Ga atom beam on the substrate surface is stopped, and the second shutter 32 opened from the nitrogen excitation cell 21 switched to the HB excitation state and the charged particle eliminator 34 are passed through. Then, a GaN film was formed by repeatedly executing a film formation cycle in which the substrate surface was irradiated with dissociated nitrogen atoms.
In the sample 2, the first shutter 12 is opened, the sample 1 is irradiated with the Ga atom beam, the second shutter 32 attached to the outlet of the nitrogen excitation cell 21 is closed, and the nitrogen excitation cell is brought into the LB excitation state. The irradiation of the excited nitrogen molecular beam is cut off from 21 to the substrate surface of the sample 1 through the charged particle eliminator 34. Next, the first shutter 12 is closed, the irradiation of the Ga atom beam on the substrate surface is stopped, and the second shutter 32 opened from the nitrogen excitation cell 21 switched to the HB excitation state and the charged particle eliminator 34 are passed through. Then, a GaN film was formed by repeatedly executing a film formation cycle in which the substrate surface was irradiated with dissociated nitrogen atoms.
Sample 1 and Sample 2 are both set to a substrate temperature of 610 ° C. without rotating the substrate holder 3 during film formation, and the temperature in the Ga molecular beam cell (first molecular beam cell) 11 is set to 1030 ° C. It was.
試料1および試料2のGaN表面の干渉写真(図9)から分かるように、試料1では、同心円状の濃淡縞が見られる一方、試料2では、一方向に並んだ干渉縞が見られ、平坦性に関し、試料1の方が良好であった。
試料1および試料2のGaN表面における膜厚分布に関し、図8のX線回折計測データから分かるように、平坦性に関し、試料1の方が試料2よりも良好であった。
また、試料1および試料2のGaN表面における膜厚分布に関し、図8のX線回折計測データから分かるように、試料1のX線回折半値幅が試料2の半値幅よりも狭小で 平坦性に関し、試料1の方が試料2よりも良好であった。
As can be seen from the interference photographs of the GaN surfaces of Sample 1 and Sample 2 (FIG. 9), Sample 1 shows concentric shading, while Sample 2 shows interference fringes arranged in one direction and is flat. Regarding the property, Sample 1 was better.
Regarding the film thickness distribution on the GaN surface of Sample 1 and Sample 2, as can be seen from the X-ray diffraction measurement data in FIG. 8, Sample 1 was better than Sample 2 in terms of flatness.
Further, regarding the film thickness distribution on the GaN surface of Sample 1 and Sample 2, as can be seen from the X-ray diffraction measurement data in FIG. 8, the X-ray diffraction half-value width of Sample 1 is narrower than the half-value width of Sample 2, and the flatness Sample 1 was better than Sample 2.
上記実施例からも明らかなように、本発明の成膜方法は、III族窒素化合物半導体に限らず、例えば、上記窒素ガス励起セル21と同様のRF酸素ガス励起セル(図示しない)を用いて、錫(Sn)とか亜鉛(Zn)などの金属系元素を酸化させた酸化物半導体、例えば、TiO2、ZnO、NiO、SnO2等の成膜に適用することができる。 As is clear from the above embodiments, the film forming method of the present invention is not limited to the group III nitrogen compound semiconductor, but, for example, using an RF oxygen gas excitation cell (not shown) similar to the nitrogen gas excitation cell 21 described above. It can be applied to film formation of oxide semiconductors obtained by oxidizing metal elements such as tin (Sn) or zinc (Zn), such as TiO 2 , ZnO, NiO, and SnO 2 .
1 本発明のMBE成膜装置
2 MBE成膜室
3 基板ホルダー
5 基板
8 真空機構部(ターボ分子ポンプ)
9 液体窒素シュラウド
11 固体金属分子線セル(第1分子線セル)
11a〜11d 固体金属分子線セル(Kセル)
12 第1シャッター(金属分子線セル用シャッター)
14 PBN坩堝
15 溶融ヒータ
21 窒素励起セル
22 励起室
24 励起コイル
25 オリフィス
26 窒素ガスボンベ
27 質量流量制御器
28 圧力計
29 窒素ガス供給管
30 分光スペクトル測定器
32 第2シャッター(窒素励起セル用シャッター)
33 第2シャッター駆動回路
34 荷電粒子排除器
35 セラミック絶縁体
36 半割円筒状電極体
41 RHEED電子銃
42 RHEEDスクリーン
43 四重極質量分析器
44 窒素ビームフラックス検出器
45 成膜制御装置(回路)
46 シャッター駆動回路
47 コントロールパネル
48 スタートボタン
49 データ入力設定ボタン(データ入力設定器)
51 給電制御回路
52 整合用可変リアクタンス回路
53 RF(高周波)電源
61 スタートボタン
67 目標電流(励起電力)設定ダイヤル
70 LBモード維持電力設定ダイヤル
71 周期T設定スイッチ
72 開期間T1設定スイッチ
73 時間α設定スイッチ
74 HB励起状態保持期間T3設定スイッチ
75 時間β設定スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 MBE film-forming apparatus 2 MBE film-forming chamber 3 Substrate holder 5 Substrate 8 Vacuum mechanism (turbo molecular pump)
9 Liquid nitrogen shroud 11 Solid metal molecular beam cell (first molecular beam cell)
11a to 11d Solid metal molecular beam cell (K cell)
12 First shutter (Shutter for metal molecular beam cell)
14 PBN crucible 15 Melting heater 21 Nitrogen excitation cell 22 Excitation chamber 24 Excitation coil 25 Orifice 26 Nitrogen gas cylinder 27 Mass flow controller 28 Pressure gauge 29 Nitrogen gas supply pipe 30 Spectral spectrum measuring instrument 32 Second shutter (shutter for nitrogen excitation cell)
33 Second shutter drive circuit 34 Charged particle eliminator 35 Ceramic insulator 36 Half cylindrical electrode body 41 RHEED electron gun 42 RHEED screen 43 Quadrupole mass analyzer 44 Nitrogen beam flux detector 45 Deposition control device (circuit)
46 Shutter drive circuit 47 Control panel 48 Start button 49 Data input setting button (data input setting device)
51 Power Supply Control Circuit 52 Matching Variable Reactance Circuit 53 RF (High Frequency) Power Supply 61 Start Button 67 Target Current (Excitation Power) Setting Dial 70 LB Mode Maintenance Power Setting Dial 71 Period T Setting Switch 72 Open Period T 1 Setting Switch 73 Time α Setting switch 74 HB excitation state holding period T 3 setting switch 75 Time β setting switch
Claims (13)
上記成膜サイクルの各成膜予備工程において、上記窒素励起セルから放射される窒素分子イオンおよび電子を排除しながら化学活性度の低い励起窒素分子のみを上記基板に照射する一方、
上記成膜サイクルの各成膜工程において、上記窒素励起セルの出口部分に配置した第2シャッターの開閉動作を制御するとともに、上記窒素励起セルへの供給電力を目標照射量に応じて電力調整(変調)することにより化学活性度を変化させ、該窒素励起セルから放射される窒素分子イオン及び電子を排除しながら、化学活性度の高い励起窒素原子N * および基底窒素原子Nを上記基板に照射する成膜工程とから成る、成膜サイクルを複数回繰り返すことを特徴とする活性度制御式窒素化合物MBE成膜方法。 While supplying a first atomic beam (group III metal atomic beam) to a substrate fixed at a target position in a MBE (molecular beam epitaxy) deposition chamber via a first shutter disposed at an exit portion of the first molecular beam cell. Runisaishite to supply nitrogen active species flux from nitrogen exciting cell, the first shutter repeatedly opened and closed periodically, in open period T 1 of the said first shutter, said first emitted from the first molecular beam cell the atomic beam as well as elevation irradiation, the inside of the nitrogen pumping cell low brightness (low brightness: LB) deposition of irradiating the low nitrogen active species flux from nitrogen excited cells in chemical activity in the substrate is maintained in an excited state During the preliminary process and a fixed period in the first shutter closing period T 2 , the irradiation of the first atomic beam from the first molecular beam cell to the substrate is interrupted and the inside of the nitrogen excitation cell has high brightness (H igh Brightness: HB) to maintain the excited state comprising a film forming step of producing an epitaxial film of a nitrogen compound to the substrate by supplying a high nitrogen active species flux in chemical activity in the substrate, a plurality of deposition cycles Upon times repeatedly to produce an epitaxial film of nitrogen compounds,
In each film formation preliminary step of the film formation cycle, while irradiating the substrate with only excited nitrogen molecules having low chemical activity while eliminating nitrogen molecular ions and electrons emitted from the nitrogen excitation cell,
In each film formation step of the film formation cycle, the opening and closing operation of the second shutter disposed at the exit portion of the nitrogen excitation cell is controlled, and the power supplied to the nitrogen excitation cell is adjusted according to the target irradiation amount ( The substrate is irradiated with excited nitrogen atoms N * and basal nitrogen atoms N with high chemical activity while eliminating the nitrogen molecular ions and electrons emitted from the nitrogen excitation cell. film forming process consisting of the activity of control nitrogen compounds MBE deposition wherein that you repeated a plurality of times deposition cycles.
上記窒素励起セルの放出口部付近に配置され、上記窒素励起セルから放出される窒素活性種のうち窒素分子イオン及び電子を排除して励起窒素原子、基底窒素原子および励起窒素分子を上記基板に照射する荷電粒子排除手段と、
上記第1シャッターを一定の開期間T1をもって周期的に繰り返し開閉する第1シャッター駆動手段と、
上記窒素励起セルの出口部分に第2シャッターを配置し、該第2シャッターの開閉を、上記第1シャッターの開閉動作と同期して駆動する該第2シャッター駆動手段と、
成膜対象に応じて少なくとも上記第1シャッターを開閉する周期T、開期間T1および高輝度(High Brightness:HB)励起状態保持期間T3を予め定めてこれらの設定データ(T、T1、T3)を入力する設定データ入力手段と、
上記第1シャッターおよび第2シャッターの開閉動作に同期して上記窒素励起セルの励起コイルに、電力WLBをもって給電することにより低輝度(Low Brightness:LB)励起状態を確立する一方、上記電力WLBよりも大きく、かつ窒素活性種の目標照射量に応じて変化する電力WHBをもって給電することによりHB励起状態を確立するように、励起電力を切替え制御する給電制御手段とを備え、
上記窒素励起セルから窒素活性種フラックスの化学活性度を制御しながら上記基板に供給して窒素化合物のエピタキシャル膜を生成することを特徴とする活性度制御式窒素化合物MBE成膜装置。 While irradiating a substrate fixed at a target position in an MBE (molecular beam epitaxy) deposition chamber with a first atomic beam via a first shutter that is arranged at the exit portion of the first molecular beam cell and periodically opens and closes. in nitrogen compound MBE deposition apparatus for generating an epitaxial film of a nitrogen compound by supplying nitrogen active species flux from the nitrogen pumping cell on the substrate,
It is arranged near outlet portion of the nitrogen pumping cell, eliminating the nitrogen molecular ions and electrons of the nitrogen activity is released from the top Symbol nitrogen excited cell species excited nitrogen atom, basal nitrogen atom and excited nitrogen molecules to the substrate a load conductive particles exclude means you irradiated to,
First shutter driving means for periodically opening and closing the first shutter with a certain open period T 1 ;
A second shutter driving means for disposing a second shutter at an outlet portion of the nitrogen excitation cell and driving the opening and closing of the second shutter in synchronization with the opening and closing operation of the first shutter;
Depending on the film formation target, at least the period T for opening / closing the first shutter, the open period T 1, and the high brightness (HB) excited state holding period T 3 are set in advance, and these setting data (T, T 1 , Setting data input means for inputting T 3 );
A low brightness (LB) excitation state is established by supplying power to the excitation coil of the nitrogen excitation cell with power W LB in synchronization with opening and closing operations of the first shutter and the second shutter , while the power W to establish a HB excited state by feeding with a power W HB which changes according to the target dose of greater or one nitrogen active species than LB, and a power supply control means for controlling switching of the excitation power,
An activity-controlled nitrogen compound MBE film-forming apparatus, wherein an epitaxial film of nitrogen compound is generated by supplying to the substrate while controlling the chemical activity of nitrogen active species flux from the nitrogen excitation cell.
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