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JP7656914B2 - Method and apparatus for forming transition metal chalcogenide layered films - Google Patents
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Method and apparatus for forming transition metal chalcogenide layered films Download PDF

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Description

本発明は、遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法およびそのための装置に関する。 The present invention relates to a method for forming a transition metal chalcogenide layered film and an apparatus for doing so.

近年、MoSやWSeなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜(以下、TMDCともいう)と呼ばれる分子層レベルの厚さをもつ半導体材料に注目が集まっている。 In recent years, attention has been focused on semiconductor materials with a thickness on the order of a molecular layer, called transition metal dichalcogenide layered films (hereinafter also referred to as TMDC), such as MoS2 and WSe2 .

この材料は、有限なバンドギャップをもつ2次元層状半導体である。TMDCはユニットセルの厚さがわずか原子3層からなる結晶であり、本質的に極薄性と平坦性に優れている。
また、2次元結晶の面直(c軸)方向に不飽和結合(ダングリングボンド)が無い特徴的な結晶構造をもつため、格子不整合や表面再結合など、従来の半導体材料が抱える諸問題が大幅に緩和されると期待されている。
加えて、単層膜の形成だけでなく、ファンデルワールス(vdW)力を介したTMDC間のヘテロ構造にも興味がもたれていて、MOSFETのチャネルやトンネルトランジスタをはじめ、軽量かつ超低消費電力で、機械的柔軟性にも優れる電子デバイスへの応用も検討されている。
さらに、単層化されたTMDCが直接遷移型のバンド構造をもち、極めて大きな励起子効果などユニークな物性を示すことが明らかにされていることから、極薄かつ柔軟性に優れた発光・受光素子のほか、光機能デバイス材料としても極めて有望と考えられている。
This material is a two-dimensional layered semiconductor with a finite band gap. TMDC is a crystal with a unit cell thickness of just three atomic layers, and is inherently extremely thin and flat.
In addition, because it has a unique crystal structure with no unsaturated bonds (dangling bonds) in the direction perpendicular to the two-dimensional crystal plane (c-axis), it is expected that the problems associated with conventional semiconductor materials, such as lattice mismatch and surface recombination, will be significantly alleviated.
In addition to the formation of monolayer films, heterostructures between TMDCs mediated by van der Waals (vdW) forces are also of interest, and applications to electronic devices that are lightweight, consume very little power, and have excellent mechanical flexibility, including MOSFET channels and tunnel transistors, are also being considered.
Furthermore, it has been shown that monolayer TMDC has a direct transition band structure and exhibits unique physical properties, such as an extremely large exciton effect, and is therefore considered to be extremely promising not only for use in extremely thin and flexible light-emitting and light-receiving elements, but also as a material for optical functional devices.

以上のように、TMDCは、従来の半導体にない数多くの特徴や可能性をもつが、その成膜技術には解決すべき課題が多く、制御性、安定性、大面積化および量産性に優れた形成方法が確立されていないという問題がある。 As described above, TMDC has many features and possibilities not found in conventional semiconductors, but there are many issues to be resolved in its film formation technology, and there are problems in that no formation method has been established that is excellent in controllability, stability, large area, and mass productivity.

TMDCの物性やデバイス応用の研究は2010年頃より活発化したが、初期の頃の多くの研究では天然鉱物として産出するMoSの結晶表面をスコッチテープで剥離して使用していた。2012年になって、非特許文献1に開示されているように、三酸化モリブデン(MoO)と硫黄(S)の粉末から昇華させたガス成分を用いて、MoSの単層膜を合成する手法が初めて報告された。この手法は粉末昇華法(粉末法)とも呼ばれるもので、現在でもMoSの成膜に関する多くの報告は、これと同じ、あるいはそれを改善した方法を使っている。 Research into the properties and device applications of TMDC has been active since around 2010, but in many early studies, the crystal surface of MoS2 , which is produced as a natural mineral, was peeled off with Scotch tape and used. In 2012, as disclosed in Non-Patent Document 1, a method for synthesizing a single layer of MoS2 was reported for the first time using gas components sublimated from powders of molybdenum trioxide ( MoO3 ) and sulfur (S). This method is also called the powder sublimation method (powder method), and even now, many reports on the formation of MoS2 films use the same method or an improved version of it.

例えば、非特許文献2に開示されている技術では、MoとSの原料として粉末状態のMoOとSを用い、それぞれをホットウォール型の石英管内の最適な温度領域に置くことで揮発性のガス成分を昇華させて輸送し、基板上で反応させている。
この方法では、昇華の開始と終了をはじめ、原料輸送量を容易には制御できないという問題があるほか、粉末原料の減少や枯渇による昇華量の低下や、MoO粉末がボート内でSと反応して変化して昇華が妨げられるといった課題も生じる。このことから、成膜プロセスにおいて毎回MoO粉末を交換することが必要になるが、それでも再現性を得ることが難しい。また、小さなボート内に置いたMoO粉末と基板との幾何学的な配置関係はPoint-to-face供給法とも呼ばれるが、この方法は成膜領域でのガス成分の空間的濃度の均一化の実現が難しく、原理的に成膜の均一化や大面積化が容易ではないという問題がある。
For example, in the technology disclosed in Non-Patent Document 2, powdered MoO3 and S are used as the raw materials for Mo and S, and each is placed in an optimal temperature region in a hot-wall type quartz tube, whereby volatile gas components are sublimated and transported, and reacted on the substrate.
In this method, there are problems such as the initiation and termination of sublimation, as well as the difficulty of controlling the amount of raw material transport, the decrease in the amount of sublimation due to the reduction or depletion of the powder raw material, and the MoO 3 powder reacting with S in the boat and changing, which hinders sublimation. For this reason, it is necessary to replace the MoO 3 powder every time in the film formation process, but even so, it is difficult to obtain reproducibility. In addition, the geometric arrangement relationship between the MoO 3 powder and the substrate placed in the small boat is also called the point-to-face supply method, but this method has the problem that it is difficult to achieve uniform spatial concentration of gas components in the film formation region, and in principle, it is not easy to uniformize the film formation or to increase the area.

非特許文献3では、Moの金属箔を成膜用の基板領域にカバーとして被せ、このMo箔の表面からMo酸化物を昇華させて基板上に供給するFace-to-face手法の一種であるMoを用いたフォイル法(Moフォイル法)が開示されている。
この方法では、Mo箔の下部空間に置いた基板上に均一にMo原料が供給されるため、MoO粉末を用いる方法と比べて、成膜の均一化が得られやすいという利点が報告されている。しかしながら、この方法では、基板上だけでなくMo箔表面にも硫黄元素Sが供給されるので、Mo箔表面でMoSが意図せず形成されたり、MoOのような揮発性の高い成分が揮発性の低いMoOのような低酸化数の物質に変化し、Mo酸化物ガスの生成効率が下がったり、その生成が不安定になったりという色々な問題が発生する。
Non-Patent Document 3 discloses a foil method using Mo (Mo foil method), which is a type of face-to-face method in which a Mo metal foil is placed as a cover over a substrate area for film formation, and Mo oxide is sublimated from the surface of the Mo foil and supplied onto the substrate.
In this method, the Mo raw material is uniformly supplied onto the substrate placed in the space below the Mo foil, and it has been reported that this method has the advantage of making it easier to obtain uniform film formation compared to the method using MoO3 powder. However, in this method, sulfur element S is supplied not only onto the substrate but also onto the Mo foil surface, which causes various problems such as the unintended formation of MoS2 on the Mo foil surface, the conversion of highly volatile components such as MoO3 into substances with low oxidation numbers such as less volatile MoO2 , and the reduction in the efficiency of Mo oxide gas generation and the instability of its generation.

上述のように、粉末MoO原料を使う方法では、原料ガスの安定供給、ひいては均一なMoS膜の形成が難しい。その一因として粉末原料の粒径分布の不均一性があるとして、非特許文献4には、基板上にあらかじめ微量のMoOを蒸着して粒径の均一化を図り、これを基板と対向させてMo原料に使う方法が開示されている。
また、単層MoSの単結晶ドメインサイズを大きくするためには、ごく微量の体積のMoOを使って気相中のMoOの過飽和度を大幅に下げることが極めて重要との考えから、非特許文献5には、基板上にMoOを溶かした溶液をあらかじめスピンコート法で分散・乾燥させ、これをMoOの昇華源として用いる方法が開示されている。
非特許文献4,5に開示されている方法は、前記した粉末法とMoフォイル法の中間的な複合法の位置づけの技術である。
As described above, in the method using the powdered MoO3 raw material, it is difficult to stably supply the raw material gas and, in turn, to form a uniform MoS2 film. One of the reasons for this is the non-uniformity of the particle size distribution of the powdered raw material, and Non-Patent Document 4 discloses a method in which a small amount of MoO3 is deposited on a substrate in advance to uniformize the particle size, and this is then placed opposite the substrate to be used as the Mo raw material.
In addition, in order to increase the single crystal domain size of single-layer MoS2 , it is considered extremely important to significantly reduce the degree of supersaturation of MoO3 in the gas phase by using a very small volume of MoO3 . Based on this idea, Non-Patent Document 5 discloses a method in which a solution in which MoO3 is dissolved is dispersed and dried in advance on a substrate by a spin coating method, and this is used as a sublimation source of MoO3 .
The methods disclosed in Non-Patent Documents 4 and 5 are techniques positioned as a composite method intermediate between the powder method and the Mo foil method described above.

しかしながら、これらの複合法でも、基板上に完全被覆されたMoS連続膜を形成できていない。これは、基板上にあらかじめ堆積したMoOが微量であるため、成膜時間内に全て昇華し尽くしてしまい、原料が完全に枯渇していることが原因と考えられる。
また、非特許文献4の方法に関しては、昇華用のMoOと原料Sの直接反応があり、原料ガスの安定供給の問題があるとの課題提起もなされている。
なお、TMDC成膜法に関する特許としては、特許文献1および2が開示されている。
以上述べてきたように、従来の方法には、成膜の安定性、制御性、成膜面積の大面積化およびコストといった品質および実用上の問題を抱えていた。なお、ここでは主にMoS膜についての従来技術について述べたが、上記の課題はMoS膜に限らずMoSe2や、さらにWSやWSe膜でも同様と考えられ、TMDCに共通の課題になっている。
However, even with these composite methods, it has not been possible to form a completely coated MoS2 continuous film on the substrate. This is thought to be because the amount of MoO3 previously deposited on the substrate is so small that it is completely sublimated within the film formation time, resulting in complete depletion of the raw material.
In addition, with regard to the method of Non-Patent Document 4, a problem has been raised that there is a direct reaction between MoO3 for sublimation and the raw material S, and there is a problem with the stable supply of the raw material gas.
Patent documents relating to the TMDC film formation method include Patent Documents 1 and 2.
As described above, the conventional methods had quality and practical problems such as film formation stability, controllability, enlarging the film formation area, and cost. Note that, although the conventional technology for MoS2 films has been mainly described here, the above problems are not limited to MoS2 films, but are also considered to be the same for MoSe2 , WS2 , and WSe2 films, and are common problems for TMDC.

特開平7-069782号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-069782 特表2019-522106号公報Special table 2019-522106 publication

Y.H.Lee et al.,Adv.Mater.,24,2320(2012)Y. H. Lee et al. , Adv. Mater. , 24, 2320 (2012) H.Nguyen et al.,Mater.Lett.,168,1(2016)H. Nguyen et al. , Mater. Lett. , 168, 1 (2016) J.Zheng et al.,Adv.Mater.,29,1604540(2017)J. Zheng et al. , Adv. Mater. , 29, 1604540 (2017) S.S.Withanage.,ACS Omega,3,18943(2018)S. S. Withanage. , ACS Omega, 3, 18943 (2018) J.Lee et al.,Adv.Mater.,29,1702206(2017)J. Lee et al. , Adv. Mater. , 29, 1702206 (2017)

本発明では、背景技術のところで述べた従来技術の課題を解決する膜形成方法およびそのための製造装置を提供することを課題とする。すなわち、MoSなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜の成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる膜形成方法およびそのための製造装置を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a film formation method and a manufacturing apparatus therefor that solve the problems of the prior art described in the Background Art section. That is, the present invention aims to provide a film formation method and a manufacturing apparatus therefor that have high stability and controllability in the formation of a layered film of a transition metal dichalcogenide such as MoS2 , can increase the area of the film formation, and are also excellent in terms of cost.

課題を解決するための本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
遷移金属のブロックを酸化させて前記遷移金属の表面に前記遷移金属の酸化物層を形成することと、
前記酸化物層から前記酸化物を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記酸化物のガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記酸化物のガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を加熱することと、
前記酸化物のガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成2)
前記遷移金属は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1である、構成1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成3)
さらに、前記酸化物層を水素化された酸化物層とすることを含む、構成1または2記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成4)
前記水素化は、前記酸化を行う際に水素ガスを添加することによってなされる、構成3記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成5)
酸素を含むガスを供給しながらモリブデンからなるブロックを第1の温度T1で加熱して前記ブロックの表面に酸化モリブデン層を形成することと、
前記酸化モリブデン層から三酸化モリブデン(MoO)を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記MoOのガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記MoOのガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を第2の温度T2で加熱することと、
前記MoOのガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成6)
前記第1の温度T1は、500℃以上1200℃以下である、構成5記載のカルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成7)
前記第2の温度T2は、300℃以上1200℃以下である、構成5または6に記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成8)
前記専用配管は、生成した前記MoOの原料ガス成分が管内の途中で再堆積することを防止する温度で、少なくとも前記ブロックが配置されている場所から前記基板の直前の領域まで加熱されている、構成5から7の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成9)
前記カルコゲン原子は、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1である、構成1から8の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成10)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、構成1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成11)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、構成1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成12)
前記基板は、アルカリ金属元素を組成として含有することを特徴とする、構成1から11の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成13)
前記アルカリ金属元素は、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)からなる群より選ばれる1以上である、構成12記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成14)
前記基板は、アルカリ・アルミノ・シリケートガラスである、構成1から12の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
(構成15)
酸化物のガスを基板に供給する酸化物ガス供給手段と、反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上に遷移金属カルゴゲナイドを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記酸化物ガス供給手段は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給する手段と、ブロック状の遷移金属と、前記遷移金属を加熱する第1の加熱手段と、前記遷移金属から昇華生成される酸化物のガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給する手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記遷移金属が載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、前記遷移金属の酸化物の昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。
(構成16)
前記酸化物ガス供給手段は、さらに水素を含むガスを流量を制御して供給する手段を有する、構成15記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。
(構成17)
MoOのガスを基板に供給するMoOガス供給手段と、硫黄を含む反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上にMoSを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記MoOガス供給手段は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段と、モリブデンからなるブロックと、前記ブロックを加熱する第1の加熱手段と、前記ブロックから昇華生成されるMoOのガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、前記反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記ブロックが載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、MoOの昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、MoS層状膜を形成するための装置。
(構成18)
前記反応性ガスは、硫黄(S)、硫化水素(HS)、ジメチル硫黄((CHS)、ジエチル硫黄((CS),ジターシャリブチル硫黄([(CHC]S)、ジイソプロピル硫黄((i-CS)からなる群より選ばれる1以上である、構成17記載の装置。
(構成19)
前記第1の加熱手段および第2の加熱手段は、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱からなる群より選ばれる1以上の方式による、構成15から18の何れか1記載の装置。
(構成20)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、構成15から19の何れか1記載の装置。
(構成21)
前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、構成15から19の何れか1記載の装置。
(構成22)
前記専用配管は、石英ガラス、ガラス、ステンレスおよびセラミックスからなる群より選ばれる1からなる、構成15から21の何れか1記載の装置。
(構成23)
前記セラミックスは、アルミナ、SiCからなる群より選ばれる、構成22に記載の装置。
(構成24)
前記専用配管の前記基板近接部にはシャワーヘッドが備えられている、構成15から23の何れか1記載の装置。
(構成25)
前記試料台には回転機構が備えられている、構成15から24の何れか1記載の装置。
The configuration of the present invention for solving the problems is shown below.
(Configuration 1)
oxidizing a transition metal block to form an oxide layer of the transition metal on a surface of the transition metal;
sublimating the oxide from the oxide layer and supplying the oxide gas together with a first inert carrier gas to a substrate via a dedicated pipe;
supplying a reactive gas containing chalcogen atoms to the substrate together with a second inert carrier gas;
heating the substrate while delivering the oxidizing gas and the reactive gas to the substrate;
evacuating said oxide gas, said reactive gas, said first inert carrier gas and said second inert carrier gas.
(Configuration 2)
2. The method of claim 1, wherein the transition metal is selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten (W) and rhenium (Re).
(Configuration 3)
3. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 1, further comprising the step of: forming the oxide layer into a hydrogenated oxide layer.
(Configuration 4)
4. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 3, wherein the hydrogenation is performed by adding hydrogen gas when the oxidation is performed.
(Configuration 5)
heating a block made of molybdenum at a first temperature T1 while supplying a gas containing oxygen to form a molybdenum oxide layer on a surface of the block;
sublimating molybdenum trioxide (MoO 3 ) from the molybdenum oxide layer and supplying the MoO 3 gas to the substrate together with a first inert carrier gas through a dedicated pipe;
supplying a reactive gas containing chalcogen atoms to the substrate together with a second inert carrier gas;
heating the substrate at a second temperature T2 when the MoO3 gas and the reactive gas are supplied to the substrate;
and exhausting the MoO3 gas, the reactive gas, the first inert carrier gas, and the second inert carrier gas.
(Configuration 6)
6. The method of claim 5, wherein the first temperature T1 is 500° C. or more and 1200° C. or less.
(Configuration 7)
7. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 5, wherein the second temperature T2 is 300° C. or more and 1200° C. or less.
(Configuration 8)
The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of configurations 5 to 7, wherein the dedicated pipe is heated at a temperature that prevents the generated MoO3 raw material gas component from being redeposited midway through the pipe, at least from the location where the block is placed to a region immediately in front of the substrate.
(Configuration 9)
9. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 8, wherein the chalcogen atom is one selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te).
(Configuration 10)
10. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 9, wherein the first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas.
(Configuration 11)
10. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 9, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gas.
(Configuration 12)
12. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 11, wherein the substrate contains an alkali metal element as a composition.
(Configuration 13)
13. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 12, wherein the alkali metal element is at least one selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K).
(Configuration 14)
13. The method of claim 1, wherein the substrate is an alkali aluminosilicate glass.
(Configuration 15)
The method includes: an oxide gas supplying means for supplying an oxide gas to a substrate; a reactive gas supplying means for supplying a reactive gas to the substrate; a reaction chamber for forming a transition metal chalcogenide as a layered film on the substrate; and an exhausting means;
the oxide gas supplying means comprises: a means for supplying an oxygen-containing gas at a controlled flow rate; a means for supplying a first inert gas at a controlled flow rate; a block-shaped transition metal; a first heating means for heating the transition metal; and a dedicated pipe for supplying an oxide gas generated by sublimation from the transition metal onto the substrate;
the reactive gas supply means includes a means for supplying a reactive gas containing chalcogen atoms while controlling a flow rate thereof, and a means for supplying a second inert gas while controlling a flow rate thereof;
the reaction chamber includes a sample stage and a second heating means for heating the substrate placed on the sample stage, and is a separate chamber from a location where the transition metal is placed;
The apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film, wherein a heat treatment means is provided on a wall of the dedicated piping for maintaining a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the transition metal oxide.
(Configuration 16)
16. The apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 15, wherein the oxide gas supplying means further comprises a means for supplying a gas containing hydrogen at a controlled flow rate.
(Configuration 17)
The apparatus includes: a MoO3 gas supply means for supplying MoO3 gas to a substrate; a reactive gas supply means for supplying a sulfur-containing reactive gas to the substrate; a reaction chamber for forming MoS2 as a layered film on the substrate; and an exhaust means;
The MoO3 gas supply means includes a means for supplying a gas containing oxygen at a controlled flow rate, a means for supplying a first inert gas at a controlled flow rate, a block made of molybdenum, a first heating means for heating the block, and a dedicated pipe for supplying the MoO3 gas generated by sublimation from the block onto the substrate;
The reactive gas supplying means includes a means for supplying the reactive gas at a controlled flow rate, and a means for supplying a second inert gas at a controlled flow rate;
the reaction chamber includes a sample stage and a second heating means for heating the substrate placed on the sample stage, and is a separate chamber from a place where the block is placed;
The device for forming a MoS2 layered film, wherein the dedicated piping is provided on its wall with a heat treatment means that maintains a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of MoO3 .
(Configuration 18)
18. The apparatus of claim 17, wherein the reactive gas is one or more selected from the group consisting of sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), dimethyl sulfur ((CH 3 ) 2 S ) , diethyl sulfur ((C 2 H 5 ) 2 S), ditertiary butyl sulfur ([(CH 3 ) 3 C] 2 S), and diisopropyl sulfur ((iC 3 H 7 ) 2 S).
(Configuration 19)
19. The apparatus of any one of configurations 15 to 18, wherein the first heating means and the second heating means are heated by one or more methods selected from the group consisting of resistance heating, induction heating, and lamp heating.
(Configuration 20)
20. The apparatus of any one of configurations 15 to 19, wherein the first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas.
(Configuration 21)
20. The apparatus of any one of aspects 15 to 19, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gas.
(Configuration 22)
22. The apparatus according to any one of configurations 15 to 21, wherein the dedicated piping is made of one selected from the group consisting of quartz glass, glass, stainless steel, and ceramics.
(Configuration 23)
23. The apparatus of embodiment 22, wherein the ceramic is selected from the group consisting of alumina, SiC.
(Configuration 24)
24. The apparatus of any one of configurations 15 to 23, wherein the dedicated piping is provided with a showerhead in a portion adjacent to the substrate.
(Configuration 25)
25. The apparatus of any one of configurations 15 to 24, wherein the sample stage is equipped with a rotation mechanism.

本発明によれば、遷移金属ダイカルコゲナイド、特にMoSの成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる膜形成方法およびそのための製造装置が提供される。 According to the present invention, there is provided a film formation method and a manufacturing apparatus therefor that have high stability and controllability in film formation of transition metal dichalcogenides, particularly MoS2 , enable a large film formation area, and are also excellent in terms of cost.

装置の概略構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the device. 装置の概略構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the device. 装置の概略構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the device. ガス供給系の構成を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a gas supply system. 本発明の成膜方法を示すフローチャート図である。FIG. 2 is a flow chart showing a film forming method of the present invention. 本発明の成膜方法を示すフローチャート図である。FIG. 2 is a flow chart showing a film forming method of the present invention. MoOガス発生のメカニズムを示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the mechanism of MoO3 gas generation. 試作した装置の断面構成図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a prototype device. 試作した装置のガス配管系を中心とした構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram focusing on the gas piping system of a prototype device. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。13 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。13 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の膜評価を行った結果で、(a)はラマン分光評価、(b)は発光分光評価の結果である。The results of film evaluation of the produced MoS2 film are shown in Fig. 1A by Raman spectroscopy and in Fig. 1B by emission spectroscopy. 作製したMoS膜の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したMoS膜の膜評価を行った結果で、(a)はラマン分光評価、(b)は発光分光評価の結果である。The results of film evaluation of the produced MoS2 film are shown in Fig. 1A by Raman spectroscopy and in Fig. 1B by emission spectroscopy. 作製したMoS膜のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the fabricated MoS2 film. 作製したWS膜のSEM写真と膜特性をラマンおよびPLスペクトルで評価した図である。FIG. 1 shows an SEM photograph of the prepared WS2 membrane and the membrane properties evaluated by Raman and PL spectra. 作製したMoS膜のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the fabricated MoS2 film.

以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 The following describes the embodiment of the present invention with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
第1の実施の形態では、MoSを例示しながら、遷移金属カルコゲナイド層状膜の成膜装置およびその装置を使った成膜方法について述べる。
(First embodiment)
In the first embodiment, a film forming apparatus for a transition metal chalcogenide layered film and a film forming method using the apparatus will be described, taking MoS2 as an example.

<装置>
本発明の遷移金属カルコゲナイド層状膜形成装置は、図1に示すように、酸化物のガスを基板上に供給する酸化物ガス供給手段6と、反応性ガスを基板上に供給する反応性ガス供給手段7と、基板(試料)上に遷移金属カルゴゲナイドを層状膜として形成する反応室部8と、排気手段9とを具備する。
<Apparatus>
As shown in FIG. 1, the transition metal chalcogenide layered film forming apparatus of the present invention comprises an oxide gas supply means 6 for supplying an oxide gas onto a substrate, a reactive gas supply means 7 for supplying a reactive gas onto the substrate, a reaction chamber 8 for forming a transition metal chalcogenide as a layered film on the substrate (sample), and an exhaust means 9.

酸化物ガス供給手段6は、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段と、ブロック状の遷移金属と、遷移金属を加熱する第1の加熱手段と、遷移金属から昇華生成される酸化物ガスを基板上に供給する専用配管とを備える手段を備える。
具体的には、本発明の遷移金属カルコゲナイド層状膜形成装置10の酸化物ガス供給手段は、図2に示すように、酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段としての開閉・流量制御装置33、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段としての開閉・流量制御装置34、ブロック状の遷移金属32とそれを載置するためのステージ31を備える酸化物ガス発生室21、および遷移金属から昇華生成される酸化物ガスを基板上に供給する専用配管23を備える。なお、開閉・流量制御装置33と開閉・流量制御装置34は、後述の開閉・流量制御装置40に示すように、1つの開閉・流量制御装置とすることもできる。
The oxide gas supplying means 6 includes a means for supplying an oxygen-containing gas at a controlled flow rate, a means for supplying a first inert gas at a controlled flow rate, a block-shaped transition metal, a first heating means for heating the transition metal, and a dedicated piping for supplying the oxide gas generated by sublimation from the transition metal onto the substrate.
Specifically, the oxide gas supply means of the transition metal chalcogenide layered film forming apparatus 10 of the present invention includes an opening/closing/flow rate control device 33 as a means for controlling the flow rate of an oxygen-containing gas and supplying it, an opening/closing/flow rate control device 34 as a means for controlling the flow rate of a first inert gas, an oxide gas generating chamber 21 including a block-shaped transition metal 32 and a stage 31 for placing it thereon, and a dedicated pipe 23 for supplying the oxide gas generated by sublimation from the transition metal onto the substrate, as shown in Fig. 2. Note that the opening/closing/flow rate control device 33 and the opening/closing/flow rate control device 34 can also be integrated into a single opening/closing/flow rate control device, as shown in an opening/closing/flow rate control device 40 described below.

ここで、遷移金属としては、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1を挙げることができる。Moを用いると特に応用の期待が高いMoS層状膜を形成するすることができる。また、Mo金属については、高純度の多結晶Mo金属が入手しやすく、コストも低いというメリットがある。 Here, the transition metal may be one selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten (W) and rhenium (Re). When Mo is used, it is possible to form a MoS 2 layered film, which is particularly expected to be useful in applications. In addition, Mo metal has the advantage that high-purity polycrystalline Mo metal is easily available and is low in cost.

使用する遷移金属の形態としては、単結晶が好ましい。多結晶では多くの結晶粒界が存在するが、その状態では酸化物の生成、蓄積および昇華の進行が単結晶部と粒界部とで異なり、酸化物の生成、昇華の再現性、安定性が低下する傾向がある。例えば、多結晶Moには高密度の結晶粒界が存在し、Mo酸化物の生成や蓄積、昇華の進行が単結晶部と粒界部で異なる。ここで、一般には、Mo酸化物の生成や蓄積、昇華の進行は、粒界部で優位に進みやすい。そのため、MoOの生成と昇華の再現性や安定性を高め、制御をより厳密に行う観点からは、例えば電子ビーム溶融法等で作製した、単結晶Moを用いることが好ましい。 The form of the transition metal used is preferably single crystal. In polycrystals, many grain boundaries exist, and in this state, the generation, accumulation, and sublimation of oxides progress differently between the single crystal portion and the grain boundary portion, and the reproducibility and stability of the generation and sublimation of oxides tend to decrease. For example, polycrystalline Mo has high density grain boundaries, and the generation, accumulation, and sublimation of Mo oxides progress differently between the single crystal portion and the grain boundary portion. Here, generally, the generation, accumulation, and sublimation of Mo oxides tend to proceed predominantly in the grain boundary portion. Therefore, from the viewpoint of improving the reproducibility and stability of the generation and sublimation of MoO3 and controlling it more strictly, it is preferable to use single crystal Mo produced by, for example, an electron beam melting method.

遷移金属を加熱する第1の加熱手段としては、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱を挙げることができ、例えばステージ31をヒーター付きのものとすればよい。なお、抵抗加熱はコストが低く、扱いが容易であるという特徴があり、ランプ加熱や誘導加熱は応答性に優れるという特徴がある。
第1の加熱手段による温度T1の設定範囲は、500℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、遷移金属酸化物ガスを効率的に高い安定性で生成でき、その結果、均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
Examples of the first heating means for heating the transition metal include resistance heating, induction heating, and lamp heating, and for example, the stage 31 may be equipped with a heater. Note that resistance heating is characterized by low cost and ease of handling, while lamp heating and induction heating are characterized by excellent responsiveness.
The temperature T1 set by the first heating means is preferably in the range of 500° C. to 1200° C. This temperature range allows the transition metal oxide gas to be generated efficiently and with high stability, and as a result, it becomes possible to stably form a uniform transition metal chalcogenide layered film with few defects.

第1の不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。ブロック状の遷移金属32に遷移金属酸化物の層を形成し、その層から遷移金属酸化物のガスを昇華させるときの温度の関係で窒素ガスは十分な不活性ガスとして機能する。窒素ガスは入手が容易でコストも低いため、窒素ガスは第1の不活性ガスとして特に好適である。 The first inert gas may be one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas. Nitrogen gas functions as a sufficient inert gas in terms of the temperature when a layer of transition metal oxide is formed on the block-shaped transition metal 32 and the transition metal oxide gas is sublimated from the layer. Nitrogen gas is particularly suitable as the first inert gas because it is easily available and has low cost.

専用配管23は、その管壁が使用する遷移金属の酸化物の昇華温度以上に保たれる構成になっていることが必要で、例えば図3に示されるように管壁あるいはその近傍にヒーター25を備えておく。ヒーター25は抵抗加熱の他、誘導加熱やランプ加熱でもよい。また、専用配管23は、実施例のところで述べるように、専用配管23専用のヒーターを備えず、試料38の熱処理の一環の炉内に設置されて、遷移金属の酸化物の昇華温度以上に保たれるようにしてもよい。
専用配管の管壁に遷移金属酸化物が付着すると、試料38への遷移金属酸化物ガスの供給の制御性や安定性が低下する。上記構成にすることによって、この問題を解決することが可能になる。
The dedicated pipe 23 must be constructed so that its tube wall can be kept at or above the sublimation temperature of the oxide of the transition metal used, and for example, a heater 25 is provided on the tube wall or in its vicinity as shown in Fig. 3. The heater 25 may be a resistance heater, an induction heater, or a lamp heater. Also, as described in the examples, the dedicated pipe 23 may not be provided with a dedicated heater for the dedicated pipe 23, but may be installed in a furnace that is part of the heat treatment of the sample 38 and kept at or above the sublimation temperature of the oxide of the transition metal.
If transition metal oxide adheres to the wall of the dedicated piping, the controllability and stability of the supply of the transition metal oxide gas to the sample 38 decreases. By using the above configuration, this problem can be solved.

専用配管23の管壁の材料としては、石英ガラス、ガラス、ステンレスおよびセラミックスからなる群より選ばれる1を挙げることができる。セラミックスとしては、例えばアルミナ、SiCからなる群より選ばれるものを挙げることができる。
なお、専用配管23の先端や試料38が置かれている場所の近傍にはシャワーヘッド36が設けられて、遷移金属酸化物のガスが試料38の面内に均一に供給されるようにしておくことが好ましい。
The material of the wall of the dedicated pipe 23 may be one selected from the group consisting of quartz glass, glass, stainless steel, and ceramics. The ceramic may be, for example, one selected from the group consisting of alumina and SiC.
It is preferable that a shower head 36 be provided at the tip of the dedicated pipe 23 or near the location where the sample 38 is placed so that the transition metal oxide gas is supplied uniformly over the surface of the sample 38.

反応性ガス供給手段は、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段とを備えて前記反応性ガスを前記基板上に供給する手段とを具備する。
具体的には、本発明の遷移金属カルコゲナイド層状膜形成装置10の反応性ガス供給手段は、図2に示すように、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段および第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段としての開閉・流量制御装置40、および開閉・流量制御装置40からその反応性ガスを試料38近傍に供給する配管43を備える。ここで、開閉・流量制御装置40には反応性ガスを供給するポート(配管)41と第2の不活性ガスを供給するポート(配管)42が備えられている。また、図2では開閉・流量制御装置40は1つの装置としているが、反応性ガスを供給する開閉・流量制御装置と第2の不活性ガスを供給する開閉・流量制御装置の2つの開閉・流量制御装置としてもよい。
The reactive gas supplying means includes a means for supplying a reactive gas containing chalcogen atoms at a controlled flow rate, and a means for supplying a second inert gas at a controlled flow rate, and a means for supplying the reactive gas onto the substrate.
Specifically, the reactive gas supply means of the transition metal chalcogenide layered film forming apparatus 10 of the present invention includes, as shown in Fig. 2, a means for supplying a reactive gas containing chalcogen atoms at a controlled flow rate, an opening/closing flow rate control device 40 as a means for supplying a second inert gas at a controlled flow rate, and a pipe 43 for supplying the reactive gas from the opening/closing flow rate control device 40 to the vicinity of the sample 38. Here, the opening/closing flow rate control device 40 is provided with a port (piping) 41 for supplying a reactive gas and a port (piping) 42 for supplying a second inert gas. In Fig. 2, the opening/closing flow rate control device 40 is shown as one device, but it may be two opening/closing flow rate control devices, one for supplying a reactive gas and one for supplying a second inert gas.

カルコゲン原子としては、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1を挙げることができる。
また、カルコゲン原子含む反応性ガスとしては、硫黄(S)、硫化水素(HS)、ジメチル硫黄((CHS)、ジエチル硫黄((CS),ジターシャリブチル硫黄([(CHC]S)、ジイソプロピル硫黄((i-CS)からなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。この中で、SおよびHSは、入手が容易で、低コストであるため、好んで用いることができる。
The chalcogen atom may be one selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te).
Examples of reactive gases containing chalcogen atoms include one or more selected from the group consisting of sulfur (S), hydrogen sulfide (H 2 S), dimethyl sulfur ((CH 3 ) 2 S), diethyl sulfur ((C 2 H 5 ) 2 S), ditertiary butyl sulfur ([(CH 3 ) 3 C] 2 S), and diisopropyl sulfur ((i-C 3 H 7 ) 2 S). Among these, S and H 2 S are preferably used because they are easily available and low cost.

第2の不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。窒素ガスは入手が容易でコストも低いため、窒素ガスは第2の不活性ガスとして特に好適である。 The second inert gas may be one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas. Nitrogen gas is particularly suitable as the second inert gas because it is easily available and has low cost.

反応室(反応室部)22は、試料38とそれを載置する試料台37を備えた部屋で、遷移金属が載置されている酸化物ガス発生室21および専用配管23とはガスの往来の観点から隔離された別室とする。そして、反応室(反応室部)22は、試料38を加熱する第2の加熱手段を備える。第2の加熱手段としては、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱を挙げることができ、これらの中から選ばれた単独でも、複合でもよい。ヒーターを備えた試料台37を第2の加熱手段としてもよい。第2の加熱手段による温度T2の設定範囲は300℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、効率的に均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
なお、試料台37には回転機構が備えられているのが好ましい。このようにすると、試料38に遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成する際、試料38を回転しながら成膜することにより膜形成の面内均一性を向上させることができる。
The reaction chamber (reaction chamber section) 22 is a room equipped with a sample 38 and a sample stage 37 on which the sample 38 is placed, and is a separate room isolated from the oxide gas generation chamber 21 on which the transition metal is placed and the dedicated pipe 23 in terms of gas flow. The reaction chamber (reaction chamber section) 22 is equipped with a second heating means for heating the sample 38. The second heating means may be resistance heating, induction heating, or lamp heating, and may be a single or combination of these. The sample stage 37 equipped with a heater may be used as the second heating means. The setting range of the temperature T2 by the second heating means is preferably 300° C. or more and 1200° C. or less. This temperature range makes it possible to efficiently and stably form a transition metal chalcogenide layered film that is uniform and has few defects.
It is preferable that the sample stage 37 is provided with a rotation mechanism, so that when the transition metal chalcogenide layered film is formed on the sample 38, the sample 38 is rotated while the film is formed, thereby improving the in-plane uniformity of the film formation.

第1の加熱手段と第2の加熱手段は、その温度制御が個々別々としてもよいし、1つに集約して装置を簡素化してもよい。すなわち、2ゾーンあるいは2ゾーン以上としてもよいし1ゾーンとしてもよい。多ゾーンの制御の場合、例えば試料32の温度と酸化物ガス発生室21での温度を独立に制御でき、相互のパラメータの干渉を抑制できるので制御性が向上する。 The temperature control of the first heating means and the second heating means may be separate, or may be combined into one to simplify the device. That is, there may be two or more zones, or there may be one zone. In the case of multi-zone control, for example, the temperature of the sample 32 and the temperature in the oxide gas generation chamber 21 can be controlled independently, and interference between the parameters of each can be suppressed, improving controllability.

また、本発明の装置として実施の形態1では、横型リアクターと呼ばれる形状に分類される装置を例示して説明した。しかしながらこれは本質的ではなく、ガスの流れが上下方向となる縦型リアクターとしてもよい。 In addition, in the first embodiment of the present invention, an apparatus classified as a horizontal reactor was described as an example of the apparatus of the present invention. However, this is not essential, and a vertical reactor in which the gas flows vertically may also be used.

図4に示される開閉および流量が制御されるガス供給系12は、配管51、手動バルブ52、マスフローコントローラ53、エアバルブ54,56からなる第1のガス系統と、配管61、手動バルブ62、マスフローコントローラ63、エアバルブ64,66からなる第2のガス系統を例示として示したものである。第1のガス系統からのガスと第2のガス系統からのガスは、混合、On/Offおよび流量制御されて配管55により供給される。また、配管内のガス純度を十分確保するための排気配管57も備えられていてエアバルブ56や66を開閉することにより配管内を排気することが可能になっている。ここに示したガス供給系12を開閉・流量制御装置33,34,40,44に適用できる。 The gas supply system 12 in which the opening/closing and flow rate are controlled shown in FIG. 4 is an example of a first gas system consisting of a pipe 51, a manual valve 52, a mass flow controller 53, and air valves 54 and 56, and a second gas system consisting of a pipe 61, a manual valve 62, a mass flow controller 63, and air valves 64 and 66. The gas from the first gas system and the gas from the second gas system are mixed, turned on/off, and flow rate controlled, and supplied through the pipe 55. In addition, an exhaust pipe 57 is provided to ensure sufficient gas purity in the pipe, and the pipe can be exhausted by opening and closing the air valves 56 and 66. The gas supply system 12 shown here can be applied to the opening/closing and flow rate control devices 33, 34, 40, and 44.

ガス供給系12は、マスフローコントローラ53、63によって供給側でのガス流量が制御される。本発明では、図2に示すように、酸化物ガス発生室21に供給されるOを含んだガスと第1の不活性ガスの流量と遷移金属ブロック32への熱処理温度(T1)を制御することによって、試料38に供給する酸化物ガスの流量を制御することを1つの特徴にしている。
酸化物ガス発生室21で発生した酸化物ガスの流量やOn/Offを酸化物ガス発生室21より下流側で制御しようとすると、高温下でのOn/Offや流量制御が必要になり、装置コストのアップ、制御の精度低下と不安定化、故障の多発、メンテのしにくさといった問題が発生する。本発明の構成によりこのような問題を回避することが可能になる。
なお、図3は、反応室22に2つの開閉・流量制御装置40、44が繋がれている例を示している。このように複数の開閉・流量制御装置が反応室22に接続されていると、反応性ガスと第2の不活性ガスの導入のみならず、環境制御としての不活性キャリアガスに混じったOガスの供給などが行えて、より高度な制御が可能になる。なお、開閉・流量制御装置44には配管45,46および47が接続されている。
In the gas supply system 12, the gas flow rate on the supply side is controlled by mass flow controllers 53 and 63. One of the features of the present invention is that, as shown in Fig. 2, the flow rates of the O2 -containing gas and the first inert gas supplied to the oxide gas generation chamber 21 and the heat treatment temperature (T1) of the transition metal block 32 are controlled to thereby control the flow rate of the oxide gas supplied to the sample 38.
If it is attempted to control the flow rate and On/Off of the oxide gas generated in the oxide gas generation chamber 21 downstream of the oxide gas generation chamber 21, it becomes necessary to control the On/Off and flow rate at high temperatures, which results in problems such as increased equipment costs, reduced control accuracy and instability, frequent breakdowns, and difficult maintenance. The configuration of the present invention makes it possible to avoid such problems.
3 shows an example in which two on-off and flow rate control devices 40 and 44 are connected to the reaction chamber 22. When a plurality of on-off and flow rate control devices are connected to the reaction chamber 22 in this way, not only the introduction of the reactive gas and the second inert gas but also the supply of O2 gas mixed with an inert carrier gas as environmental control can be performed, enabling more advanced control. Pipes 45, 46, and 47 are connected to the on-off and flow rate control device 44.

上記では、酸化物ガスの発生源をブロック状の遷移金属とした場合を示したが、遷移金属ブロック32をブロック状金属モリブデン(Mo)とすると昇華発生する酸化物ガスはMoOになる。専用配管23を介してこのガスを反応室22に導き、また別系統で硫黄を含む反応性ガスを流量制御を伴って反応室22に導き、試料38に熱処理を加えれば、試料38にMoS層状膜を形成することができる。 In the above, the case where the source of the oxide gas is a block-shaped transition metal has been shown, but if the transition metal block 32 is a block-shaped metallic molybdenum (Mo), the oxide gas generated by sublimation will be MoO3 . This gas is introduced into the reaction chamber 22 via a dedicated pipe 23, and a reactive gas containing sulfur is also introduced into the reaction chamber 22 with flow rate control from a separate system, and a heat treatment is performed on the sample 38, whereby a MoS2 layered film can be formed on the sample 38.

本発明の装置の特徴を下記に示す。これらの特徴により、MoSなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜の成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる製造装置を提供することが可能になる。 The features of the device of the present invention are as follows. These features make it possible to provide a manufacturing device that has high stability and controllability in the formation of a layered film of a transition metal dichalcogenide such as MoS2 , can increase the area of the film formation, and is also excellent in terms of cost.

(1)Moなどの遷移金属ブロック32を載置する酸化物ガス発生室21が、S原料ガスなど他の反応性ガスが意図せず侵入して反応しないように分離されている。
(2)遷移金属ブロックを載置する酸化物ガス発生室21には、Nのような不活性ガスと反応性をもつOの両方を供給可能な構成となっており、バルブ動作により遷移金属ブロック32に接触するガスが切り替えられる。
(3)上記(2)の構成で、各ガスラインにはマスフローコントローラ等の流量制御機器が設置されており、これによりNおよびOガスの流量や濃度の制御が可能になっている。しかも、この流量制御は常温下で行えるので、安定性、制御性、メンテ性が高く、コストを抑えられて故障発生頻度も少ない。
(4)遷移金属ブロックを載置する酸化物ガス発生室21は試料38が置かれている領域とは独立になっており、発生した酸化物ガスを試料38が置かれている領域に導くことができる構成となっている。
(5)試料38が置かれている領域に導かれた酸化物ガスは、シャワーヘッド方式などガス吹き出し部の形状加工により、試料38が置かれている場所でのガス濃度の均一化が図れる構造になっている。
(6)S原料等の反応性ガスが、(5)のようにして試料38が置かれている場所に導かれた酸化物ガスと試料38の近傍で混合されて反応する構成となっている。
(1) The oxide gas generation chamber 21 in which the transition metal block 32 such as Mo is placed is separated from other reactive gases such as S raw material gas so that they do not unintentionally enter and react with each other.
(2) The oxide gas generation chamber 21 in which the transition metal block is placed is configured to be capable of supplying both an inert gas such as N2 and reactive O2 , and the gas that comes into contact with the transition metal block 32 can be switched by operating the valve.
(3) In the configuration of (2) above, flow control devices such as mass flow controllers are installed on each gas line, which allows control of the flow rate and concentration of N2 and O2 gases. Moreover, this flow control can be performed at room temperature, so it is highly stable, controllable, and easy to maintain, and costs are kept low and the frequency of breakdowns is low.
(4) The oxide gas generation chamber 21 in which the transition metal block is placed is independent of the area in which the sample 38 is placed, and is configured so that the generated oxide gas can be guided to the area in which the sample 38 is placed.
(5) The oxide gas introduced into the region where the sample 38 is placed is structured so that the gas concentration at the location where the sample 38 is placed can be made uniform by shaping the gas outlet, such as a shower head.
(6) A reactive gas such as an S raw material is mixed with the oxide gas introduced to the location where the sample 38 is placed as in (5) near the sample 38 and reacts with it.

<方法>
本発明の方法を、フローチャート図である図5および5を参照しながら説明する。
本発明の方法では、遷移金属のブロックを酸化させて前記遷移金属の表面に前記遷移金属の酸化物層を形成すること(図5、工程S1)と、酸化物層から酸化物を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに酸化物のガスを基板(試料)に供給すること(工程S2)と、カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給すること(工程S3)と、前記酸化物のガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を加熱して基板上に遷移金属カルコゲン層状膜を形成すること(工程S4)と、工程S4時を含めて酸化物のガス、反応性ガス、第1の不活性キャリアガスおよび第2の不活性キャリアガスを排気すること(工程S5)を行う。ここで、工程S2と工程S3は同時に行ってもよいし、工程S3が工程S2に先行して行われてもよい。
Methods
The method of the present invention will now be described with reference to flow chart diagrams FIGS.
In the method of the present invention, the following steps are performed: oxidizing a transition metal block to form an oxide layer of the transition metal on the surface of the transition metal (FIG. 5, step S1); sublimating the oxide from the oxide layer and supplying the oxide gas together with a first inert carrier gas to a substrate (sample) through a dedicated pipe (step S2); supplying a reactive gas containing chalcogen atoms together with a second inert carrier gas to the substrate (step S3); heating the substrate while supplying the oxide gas and the reactive gas to the substrate to form a transition metal chalcogen layered film on the substrate (step S4); and exhausting the oxide gas, reactive gas, first inert carrier gas, and second inert carrier gas (step S5) including during step S4. Here, steps S2 and S3 may be performed simultaneously, or step S3 may be performed prior to step S2.

ここで、遷移金属は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1とする。 Here, the transition metal is one selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten (W) and rhenium (Re).

遷移金属カルコゲナイド層状膜として大いに嘱望されているMoS層状膜を形成する場合は、酸素を含むガスを供給しながらモリブデンからなるブロックを第1の温度T1で加熱して前記ブロックの表面に酸化モリブデン層を形成すること(図6、工程S11)と、酸化モリブデン層から三酸化モリブデン(MoO)を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記MoOのガスを基板に供給すること(工程S12)と、カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに基板に供給すること(工程S13)と、MoOのガスおよび反応性ガスの基板への供給時に基板を第2の温度T2で加熱すること(工程S14)と、工程S14時を含めてMoOのガス、反応性ガス、第1の不活性キャリアガスおよび第2の不活性キャリアガスを排気すること(工程S15)を含めてMoS層状膜を形成する。ここで、工程S12と工程S13は同時に行ってもよいし、工程S13が工程S12に先行して行われてもよい。 In the case of forming a MoS2 layered film, which is highly desired as a transition metal chalcogenide layered film, a block made of molybdenum is heated at a first temperature T1 while supplying a gas containing oxygen to form a molybdenum oxide layer on the surface of the block (FIG. 6, step S11), molybdenum trioxide (MoO3 ) is sublimated from the molybdenum oxide layer, and the MoO3 gas is supplied to the substrate together with a first inert carrier gas through a dedicated pipe (step S12), a reactive gas containing chalcogen atoms is supplied to the substrate together with a second inert carrier gas (step S13), the substrate is heated at a second temperature T2 when the MoO3 gas and the reactive gas are supplied to the substrate (step S14), and the MoO3 gas, the reactive gas, the first inert carrier gas, and the second inert carrier gas are exhausted including the time of step S14 (step S15), thereby forming a MoS2 layered film. Here, steps S12 and S13 may be performed simultaneously, or step S13 may be performed prior to step S12.

ここで、第1の温度T1は、500℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、遷移金属酸化物ガスを効率的に高い安定性で生成でき、その結果、均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
また、第2の温度T2は、300℃以上1200℃以下が好ましい。この温度範囲により、効率的に均一で欠陥も少ない遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
Here, the first temperature T1 is preferably 500° C. or more and 1200° C. or less. This temperature range allows the transition metal oxide gas to be generated efficiently and with high stability, and as a result, it becomes possible to stably form a uniform transition metal chalcogenide layered film with few defects.
The second temperature T2 is preferably not less than 300° C. and not more than 1200° C. This temperature range makes it possible to efficiently and stably form a uniform transition metal chalcogenide layered film with few defects.

専用配管は、装置のところで述べたように、生成したMoO等の原料ガス成分が管内の途中で再堆積することを防ぐ目的で、少なくとも金属ブロックが配置されている場所から基板の直前の領域まで加熱されていることが好ましい。 As described in the device description, the dedicated pipe is preferably heated at least from the location where the metal block is placed to the region immediately before the substrate in order to prevent the generated source gas components such as MoO3 from being redeposited midway through the pipe.

カルコゲン原子としては、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1を挙げることができる。 The chalcogen atom can be one selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te).

第1の不活性ガスおよび第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。この中で、窒素ガスは低コストで入手も容易であることから特に好んで用いることができる。 The first inert gas and the second inert gas can be one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas. Among these, nitrogen gas is particularly preferred because of its low cost and ease of availability.

酸素を含むガスの酸素含有量は0.01体積%以上100体積%以下が好ましい。
第2の不活性ガスのsccm流量S02に対するHSのsccm流量Sの比S/S02は、0.01体積%以上100体積%以下が好ましい。
以上の条件により、遷移金属カルコゲナイド層状膜を安定して形成することが可能になる。
The oxygen content of the oxygen-containing gas is preferably 0.01% by volume or more and 100% by volume or less.
The ratio S 2 /S 02 of the sccm flow rate S 2 of H 2 S to the sccm flow rate S 02 of the second inert gas is preferably 0.01 vol % or more and 100 vol % or less.
Under the above conditions, a transition metal chalcogenide layered film can be stably formed.

遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成する基板(試料基板)は、アルカリ金属元素を組成として含有することが好ましい。
ここで、アルカリ金属元素としては、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)からなる群より選ばれる1以上を挙げることができる。アルカリ金属を含む基板上にMoSなどのTMDCのCVDを行うと、アルカリ金属による触媒効果によって堆積速度が向上して成膜の生産効率が上がるとともに、単結晶ドメインのサイズも増大して成膜品質の改善にも寄与する。
この基板の具体例としては、アルカリ・アルミノ・シリケートガラスを挙げることができる。アルカリ・アルミノ・シリケートガラスは、スマートフォンなどの強化カバーガラス用に表面でのイオン交換反応を促進するために開発された素材であり、SiOやAlのほか、重量比で20%前後のNaO成分を含んでいる。
The substrate (sample substrate) on which the transition metal chalcogenide layered film is formed preferably contains an alkali metal element as a composition.
Here, the alkali metal element may be one or more selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K). When CVD of TMDC such as MoS2 is performed on a substrate containing an alkali metal, the deposition rate is improved due to the catalytic effect of the alkali metal, increasing the production efficiency of the film formation, and the size of the single crystal domain is also increased, contributing to improving the quality of the film formation.
A specific example of this substrate is alkali aluminosilicate glass, which was developed to promote ion exchange reactions on the surface of reinforced cover glass for smartphones and other devices, and contains SiO2 , Al2O3 , and about 20% Na2O by weight.

次に、TMDCとしてMoSを例示として、TMDC形成のメカニズムを説明する。
本発明の重要な点は、独立して設けた酸化物ガス発生室21内に金属モリブデン(Mo)を置き、そこに酸素(O)を含むガスを供給することによって、Moの原料ガスとなる酸化モリブデン(三酸化モリブデン(MoO)が主)を発生させ、このMo原料ガスを試料(基板)38が置かれた成膜領域に導いて利用する点にある。
一般に、遷移金属元素であるMoは高融点金属に分類され、融点は約2600℃以上と非常に高く、金属原料自体を蒸発させるには極めて高い温度が必要である。
一方で、Moを酸化して得られる6価酸化物のMoOは比較的蒸気圧が高く、500℃以上で急速に昇華が進行する。本発明では、金属Mo表面に希薄なOガスを供給した際に同時進行するMoOの生成反応と昇華を積極的に利用している。
Next, the mechanism of TMDC formation will be explained using MoS2 as an example of TMDC.
The important point of the present invention is that metallic molybdenum (Mo) is placed in an independently provided oxide gas generation chamber 21, and a gas containing oxygen ( O2 ) is supplied thereto to generate molybdenum oxide (mainly molybdenum trioxide ( MoO3 )) which serves as the Mo raw material gas, and this Mo raw material gas is introduced into a film formation area in which a sample (substrate) 38 is placed for use.
Generally, Mo, which is a transition metal element, is classified as a high melting point metal, and has a very high melting point of about 2600° C. or higher, so that an extremely high temperature is required to evaporate the metal raw material itself.
On the other hand, MoO3 , a hexavalent oxide obtained by oxidizing Mo, has a relatively high vapor pressure and rapidly sublimes at temperatures above 500° C. In the present invention, the formation reaction and sublimation of MoO3 , which proceed simultaneously when dilute O2 gas is supplied to the surface of metallic Mo, are actively utilized.

次に、本発明をMo金属表面にOガスを供給した際に進行する酸化膜(酸化スケールとも呼ばれる)の形成とその昇華反応について説明する。
図7に、加熱された環境下でMo金属1にOガスを供給した際に考えられる酸化スケール形成と昇華の描像を示す。供給されたO(4)はMo表面に吸着後、Moと反応して酸化スケール(2や3)が形成されるが、有限な厚さの酸化スケールが形成された後は、OはMo金属と酸化スケールの界面まで拡散し、そこで新たな酸化スケールが形成されることになる。そして、MoOがガスとなって昇華していく。ここで、図7(a)は後程説明するように、希薄なOガスが供給される場合を示し、図7(b)は十分なOガスが供給される場合を示す。
形成される酸化スケールの化学組成に関しては、充分なO分圧下であれば表面層の大部分は蒸気圧(昇華性)の高いMoO(3)であるが、Mo金属との界面付近には昇華性が低くごく薄い厚さをもつMoOが存在する。また、MoOからMoOへの遷移領域にMoO(2<x<3)のようなサブオキサイドも存在する。図7では、MoOおよびサブオキサイドを2として表示している。
Next, the present invention will be described with respect to the formation of an oxide film (also called oxide scale) and its sublimation reaction which proceeds when O2 gas is supplied to a Mo metal surface.
Figure 7 shows the possible oxide scale formation and sublimation when O2 gas is supplied to Mo metal 1 in a heated environment. The supplied O2 (4) is adsorbed on the Mo surface and reacts with Mo to form oxide scale (2 or 3). After an oxide scale of a finite thickness is formed, O2 diffuses to the interface between the Mo metal and the oxide scale, where new oxide scale is formed. Then, MoO3 becomes gas and sublimes. Here, Figure 7(a) shows the case where dilute O2 gas is supplied, as will be explained later, and Figure 7(b) shows the case where sufficient O2 gas is supplied.
Regarding the chemical composition of the oxide scale formed, under sufficient O2 partial pressure, most of the surface layer is MoO3 (3), which has a high vapor pressure (sublimability), but near the interface with the Mo metal, there is MoO2 , which has a low sublimability and is very thin. In addition, suboxides such as MoOx (2<x<3) also exist in the transition region from MoO3 to MoO2 . In Figure 7, MoO2 and suboxides are displayed as 2.

一方、酸化スケールの膜厚の時間発展については、酸化開始の初期では時間(t)に対して線形に膜厚が増加し、次第にt1/2(パラボリック則)に変化するとの報告もあるが、温度やO分圧にも依存する。このようにMoの酸化スケールの形成過程やその構造は複雑である。 On the other hand, it has been reported that the thickness of the oxide scale increases linearly with time (t) in the early stage of oxidation, and gradually changes to t1 /2 (parabolic law), but it also depends on the temperature and O2 partial pressure. Thus, the formation process and structure of Mo oxide scale are complex.

本発明において特に重要なことは、酸化スケールの形成速度と昇華速度の競合関係である。酸化スケール(2,3)の形成速度と昇華速度の大小により、差し引きの酸化スケールの成長速度あるいは厚みが決まるからである。この競合関係は温度やOの供給量(分圧)に影響される。 What is particularly important in the present invention is the competitive relationship between the rate of oxide scale formation and the rate of sublimation. The net growth rate or thickness of oxide scale (2, 3) is determined by the magnitude of the rate of oxide scale formation and the rate of sublimation. This competitive relationship is influenced by temperature and the amount of O2 supply (partial pressure).

図7には、酸化スケールの形成と昇華の競合関係として考えられる2つの両極端な状況が示されている。
図7(a)は酸化スケールの形成速度よりも昇華速度が圧倒的に大きい、「酸化スケール形成速度<<昇華速度」の場合である。このような状況は、O供給量が少ない、あるいは温度が高く昇華が極めて活発に起こるような場合に実現される。理想的な極限状況下では、形成された酸化スケールのうちMoO成分は直ちにMoO(5)となって昇華して表面には滞留せず、定常的に揮発性が低いMoOやMoOの薄膜が露出しているような描像となる。この場合、MoSのCVDに重要な単位時間当たりのMoO昇華量は、Oの供給流量で律速されると考えられる。そのため、Oの供給量を一定に保てばMoSの成長速度は一定となり、MoSの堆積量(成長時間内の積分量)は時間に比例する。
FIG. 7 shows two possible extremes of the competition between oxide scale formation and sublimation.
FIG. 7(a) shows the case where the sublimation rate is overwhelmingly larger than the formation rate of the oxide scale, i.e., "oxide scale formation rate << sublimation rate". This situation is realized when the O2 supply amount is small or the temperature is high and sublimation occurs extremely actively. Under ideal extreme conditions, the MoO3 component of the formed oxide scale immediately becomes MoO3 (5) and sublimes, and does not remain on the surface, resulting in a depiction of a steadily low-volatility thin film of MoOx or MoO2 being exposed. In this case, the amount of MoO3 sublimation per unit time, which is important for CVD of MoS2 , is considered to be rate-limited by the supply flow rate of O2 . Therefore, if the supply amount of O2 is kept constant, the growth rate of MoS2 becomes constant, and the amount of MoS2 deposition (integral amount within the growth time) is proportional to time.

一方、図7(b)は酸化スケール形成が昇華によるスケールの目減りを上回り、結果としてMoO酸化スケールの厚さが増加する状況である。すなわち、「酸化スケール形成速度>昇華速度」の場合である。これはO供給量が充分で、かつ比較的温度が低く昇華速度が抑えられた状況下で実現される。
このような状況では、Mo金属の表面がMoO(3)で常に覆われており、かつMoO(3)の厚み(すなわち体積)が時間とともに増加する。このような状況でMoSのCVDを行うと、Oガスの供給量を一定にしたとしても、MoOの昇華量は時間に対して一定にはならず、MoOの厚みとともに時間に比例して増加すると考えられる。そのため、CVDにおけるMoSの成長速度も時間に対して線形に増加し、積分量である総堆積量は時間に対して2次関数的に増えると予想される。また、このような状況下では、バルブ操作でO供給を停止してもMo(1)表面に蓄積したMoO(3)が昇華して無くなるまでは発生が続くことになるから、MoSの成長を停止する場合、応答が悪くなる。
以上のように、金属Mo表面の酸化スケール形成とMoOの昇華を使ったMoSのCVDでは2つの状態が起こりうる。どちらの状況下でもMoSの成膜は実現できるが、制御性や応答性の観点からは図7(a)の状況を達成するのが好ましい。
以上のことから、実施の形態1により、MoSなどの遷移金属ダイカルコゲナイド層状膜の成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる成膜方法を提供することが可能になる。
On the other hand, Fig. 7(b) shows a situation where the oxide scale formation exceeds the scale loss due to sublimation, resulting in an increase in the thickness of the MoO3 oxide scale. In other words, this is the case of "oxide scale formation rate > sublimation rate". This is realized when the O2 supply is sufficient and the temperature is relatively low, suppressing the sublimation rate.
In such a situation, the surface of Mo metal is always covered with MoO 3 (3), and the thickness (i.e., volume) of MoO 3 (3) increases with time. When CVD of MoS 2 is performed in such a situation, even if the supply amount of O 2 gas is constant, the sublimation amount of MoO 3 does not become constant with time, and it is thought that it increases in proportion to the time along with the thickness of MoO 3. Therefore, it is expected that the growth rate of MoS 2 in CVD also increases linearly with time, and the total deposition amount, which is the integral amount, increases quadratically with time. In addition, under such a situation, even if the O 2 supply is stopped by valve operation, the generation will continue until the MoO 3 (3) accumulated on the Mo (1) surface is sublimated and disappears, so the response will be poor when the growth of MoS 2 is stopped.
As described above, two states can occur in the CVD of MoS2 using the oxide scale formation on the metal Mo surface and the sublimation of MoO3 . Although the deposition of MoS2 can be realized under either state, from the viewpoint of controllability and responsiveness, it is preferable to achieve the state shown in Fig. 7(a).
From the above, according to the first embodiment, it is possible to provide a film formation method that has high stability and controllability in the formation of a transition metal dichalcogenide layered film such as MoS2 , can increase the film formation area, and is also excellent in terms of cost.

背景技術で述べた3つの方法、すなわち(i)MoOなどの金属酸化物として粉末原料を用いる方法(粉末法)、(ii)試料に対向させたMoなどの金属箔を用いる方法(フォイル法)、(iii)上記2つを組み合わせたような複合法の3つの方法と本発明の方法との違いをまとめて下記に示す。 The differences between the three methods described in the Background Art section, namely, (i) a method using a powder raw material as a metal oxide such as MoO3 (powder method), (ii) a method using a metal foil such as Mo facing the sample (foil method), and (iii) a composite method combining the above two methods, and the method of the present invention are summarized below.

粉末法との差異は、本発明の方法ではMoOなどの金属酸化物の発生をブロック状の金属表面にOガスを供給してその場で生成するので粉末原料が不要なことと、金属酸化物の原料部でSなどのカルコゲン元素との直接反応が起こらず制御性が高まることである。
フォイル法との差異は、金属箔である必要が無くブロック状としたことによりMoなどの金属原料の形状や大きさを試料のサイズや枚数に依存せず選択できる自由度が得られること、金属フォイルを基板に対向させる必要が無く、酸化物ガス発生室で発生する金属酸化物ガスを配管やノズル、シャワーヘッド等で試料が置かれている反応室に導く自由度が高く、その結果成膜均一性を高めやすい構造であること、および使用する金属が変質せず繰り返し使用できることである。
複合法との差異は、MoOなどの金属酸化物は金属とOの反応でその場で生成されるため金属酸化物の枯渇を回避できること、金属酸化物の昇華量(特に、低い過飽和度の実現)がO流量で広範囲に制御可能でかつ成膜中に自由に変化できること、および金属酸化物の原料部でSなどのカルコゲン元素との直接反応が起こらず制御性が高まることである。
The difference from the powder method is that in the method of the present invention, metal oxides such as MoO3 are generated on the spot by supplying O2 gas to the surface of a block-shaped metal, so that no powder raw material is required, and there is no direct reaction with chalcogen elements such as S in the raw material of the metal oxide, improving controllability.
The differences with the foil method are that it does not have to be a metal foil and is made in a block shape, which gives the freedom to select the shape and size of the metal raw material such as Mo regardless of the size or number of samples; it is not necessary to face the metal foil to the substrate, so there is a high degree of freedom to direct the metal oxide gas generated in the oxide gas generation chamber to the reaction chamber in which the sample is placed via piping, nozzles, shower heads, etc., resulting in a structure that makes it easy to improve the uniformity of the film formation; and the metal used does not deteriorate and can be used repeatedly.
The difference with the composite method is that metal oxides such as MoO3 are generated on the spot by the reaction of metal with O2 , so that depletion of metal oxides can be avoided, the amount of sublimation of metal oxides (particularly, realization of low degree of supersaturation) can be controlled over a wide range by the O2 flow rate and can be freely changed during film formation, and no direct reaction with chalcogen elements such as S occurs in the raw material of metal oxide, so that controllability is improved.

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態では、水素ガス添加により成膜効率を高めた遷移金属カルコゲナイド層状膜の成膜装置およびその装置を使った成膜方法について述べる。
Second Embodiment
In the second embodiment, a deposition apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film in which the deposition efficiency is improved by adding hydrogen gas and a deposition method using the apparatus will be described.

装置は、基本的に実施の形態1に準拠しているが、実施の形態1と異なる点は、酸化物ガス発生室に流量を正確に制御できる水素ガス(Hガス)供給系統をさらに備えていることである。すなわち、図2または図3でいうと、開閉・流量制御装置33,34に加えて酸化物ガス発生室21に水素ガスを供給する開閉・流量制御装置33や34と同じような設備を備えることである。 The apparatus basically conforms to the first embodiment, but differs from the first embodiment in that it further includes a hydrogen gas ( H2 gas) supply system capable of accurately controlling the flow rate to the oxide gas generation chamber. That is, in terms of Fig. 2 or Fig. 3, in addition to the opening/closing and flow rate control devices 33 and 34, it includes equipment similar to the opening/closing and flow rate control devices 33 and 34 that supply hydrogen gas to the oxide gas generation chamber 21.

昇華温度が高い金属酸化物から遷移金属カルコゲナイド層状膜を作製する場合、実施の形態1の方法では酸化物ガスを生成するための第1の加熱処理の温度T1は高くなり、酸化物ガスの生成効率を高めるのも容易ではなくなる。例えば、W金属ブロックを酸化・昇華させて反応室22までWOガスを導いてWS層状膜を製膜する場合、WOはMoOと比べて著しく昇華が起こりにくいので、その昇華には800℃以上というような高温の処理が必要となる。 When a transition metal chalcogenide layered film is produced from a metal oxide having a high sublimation temperature, the temperature T1 of the first heat treatment for generating the oxide gas becomes high in the method of embodiment 1, and it is not easy to increase the efficiency of generating the oxide gas. For example, when a WS2 layered film is produced by oxidizing and sublimating a W metal block and introducing WO3 gas to the reaction chamber 22, WO3 is significantly less likely to sublimate than MoO3 , so a high-temperature treatment of 800°C or higher is required for the sublimation.

実施の形態2では、遷移金属ブロック上に形成された金属酸化物やその生成を行うときの環境に水素ガスを加える。このようにするとその金属酸化物分子に水(HO)が付加される。すなわち、水素化された酸化物層が形成される。このようにすると昇華温度が下がり、加熱処理の温度T1を与える設備を簡便なものにすることができるとともに、扱いやすくなって制御性も高めやすくなり、酸化物ガスの発生効率も高めやすくなる。
例えば、W金属ブロックに酸素ガスと水素ガスを供給して第1の加熱処理を行ってW金属ブロックの表面にHWOを生成させ、その物質を昇華させる。この場合、昇華温度が下がり(WOと比べて相対的に蒸気圧が高くなる)、700℃という温度でWS層状膜を形成することが可能になる。
In the second embodiment, hydrogen gas is added to the metal oxide formed on the transition metal block or to the environment during its generation. In this way, water (H 2 O) is added to the metal oxide molecules. That is, a hydrogenated oxide layer is formed. In this way, the sublimation temperature is lowered, the equipment for applying the heat treatment temperature T1 can be simplified, and the equipment becomes easier to handle and control, which makes it easier to increase the efficiency of oxide gas generation.
For example, oxygen gas and hydrogen gas are supplied to a W metal block to perform a first heat treatment, generating H2WO4 on the surface of the W metal block, and the substance is sublimated. In this case, the sublimation temperature is lowered (the vapor pressure becomes relatively higher compared to WO3 ), making it possible to form a WS two- layer film at a temperature of 700°C.

以下では実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、この実施例はあくまで本発明の理解を助けるためここに挙げたものであり、本発明をこれに限定するものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, these examples are provided merely to aid in understanding the present invention and are not intended to limit the present invention.

(実施例1)
実施例1では、MoSの成膜装置を作製し、その装置を用いて基板上にMoSを形成してその膜を評価した。
Example 1
In Example 1, a film formation apparatus for MoS2 was produced, and the film was formed on a substrate using the apparatus and evaluated.

<装置>
実施例1で試作した装置13の要部構成を図8に示す。ここで、図8(a)は全体概要で、図8(b)に示す石英管部14は、石英管71内の主要部の構成を寸法を併記しながら示したものである。
装置13は、土台となる基体72の上に支持具73を介して石英管71が配置され、さらに、石英管71内に配置されたMoS層状膜形成室部(反応室部)79とMo反応室(MoOガス発生室)81を含んだ領域を覆うように電気炉74が配置された構成になっている。また、石英管71内には石英で作られたAライン76とBライン77用の配管チューブが設置されており、石英管71にはCライン78用のチューブが取り付けられていて、Cライン用のガスは石英管71内に供給されるようになっている。
<Apparatus>
The configuration of the main part of the device 13 prototyped in Example 1 is shown in Fig. 8. Here, Fig. 8(a) is an overall overview, and Fig. 8(b) shows the configuration of the main parts inside the quartz tube 71 with their dimensions.
The apparatus 13 is configured such that a quartz tube 71 is placed on a base 72 via a support 73, and further, an electric furnace 74 is placed so as to cover an area including a MoS2 layered film formation chamber (reaction chamber) 79 and a Mo reaction chamber ( MoO3 gas generation chamber) 81 placed in the quartz tube 71. In addition, piping tubes for an A line 76 and a B line 77 made of quartz are installed in the quartz tube 71, and a tube for a C line 78 is attached to the quartz tube 71, so that gas for the C line is supplied into the quartz tube 71.

ここで、MoS層状膜形成室部79には、MoS層状膜が形成される試料が載置されるサセプタ75が配置され、シャワーヘッドをもつ上部ノズル82からはMo反応室81から供給されるMoOガスが、Bライン77に繋がれている下部ノズル83からはHS反応性ガスが供給されるようになっている。なお、雰囲気ガスやガスの流れ、排気の促進などを石英管71に繋がれているCライン78からのガスで制御できるようになっている。 Here, in the MoS2 layered film formation chamber 79, a susceptor 75 on which a sample on which a MoS2 layered film is to be formed is placed is arranged, and MoO3 gas is supplied from a Mo reaction chamber 81 through an upper nozzle 82 having a shower head, and H2S reactive gas is supplied from a lower nozzle 83 connected to a B line 77. The atmospheric gas, gas flow, and exhaust promotion can be controlled by gas from a C line 78 connected to the quartz tube 71.

Mo反応室81はその管壁が石英で、Mo反応室81内には金属モリブデンのブロックが配置されている。そして、上流側に繋がれたAライン76から酸素ガス(Oガス)および不活性キャリアガスとしての窒素ガス(Nガス)が供給され、下流側に繋がれた上部ノズル82からMoOガスがMoS層状膜形成室部79に供給される構成になっている。ここで、Mo反応室81から上部ノズル82にかけての管は専用配管の状態になっているが、その専用配管は電気炉74の内側に配置されており、電気炉74がオンされるとその管壁は温められるので、その管壁にはMoやMoOxが付着しにくい構成になっている。
なお、石英管71の末端部には排気系が繋がれていて、排気80されるようになっている。ここで、排気設備としては空冷式の小型ドライポンプを用いた。また、ポンプの下流にはHSの乾式吸着を行うための除害装置を設置した。
The Mo reaction chamber 81 has a tube wall made of quartz, and a metal molybdenum block is disposed inside the Mo reaction chamber 81. Oxygen gas ( O2 gas) and nitrogen gas ( N2 gas) as an inert carrier gas are supplied from the A line 76 connected to the upstream side, and MoO3 gas is supplied to the MoS2 layered film formation chamber 79 from the upper nozzle 82 connected to the downstream side. Here, the tube from the Mo reaction chamber 81 to the upper nozzle 82 is in a dedicated piping state, but the dedicated piping is disposed inside the electric furnace 74, and when the electric furnace 74 is turned on, the tube wall is heated, so that Mo and MoOx are unlikely to adhere to the tube wall.
An exhaust system was connected to the end of the quartz tube 71, and exhaust 80 was performed. An air-cooled small dry pump was used as the exhaust system. A detoxification device for dry adsorption of H2S was installed downstream of the pump.

ガス供給系統を中心に描いた装置13の構成図を図9に示す。
装置13では、希釈Oガスの供給ライン(A-2ライン)に設置した手動バルブ62aおよびエアバルブ64aの開閉動作により、Aライン76に繋がれているMo反応室81内でのMoOガスの発生と停止が行える。また、N専用のA-1ラインおよび希釈Oライン(A-2)には、それぞれマスフローコントローラ(MFC)53aおよび63aが設置されており、この2つのMFCの流量比により、Mo反応室内の実効的なO濃度を精密に変えられる構成になっている。なお、A-1ラインおよびA-2ラインにはそれぞれ排気57aに繋がるエアバルブ56aおよび66aが配置されていて、排気動作により配管内の清浄度が十分保たれるようになっている。また、A-1ラインにはNラインガスを接続し、A-2ラインにはNを用いて1%に希釈されたOガスのボンベを接続している。なお、装置13には、手動バルブ85が備えられていて手動バルブ85を開くことにより石英管71の排気80を行うことができるようになっている。また、装置13には、圧力表示器84が備えられていて石英管71内の圧力をモニターできるようになっている。
FIG. 9 shows a configuration diagram of the device 13, focusing on the gas supply system.
In the device 13, the MoO 3 gas can be generated and stopped in the Mo reaction chamber 81 connected to the A line 76 by opening and closing the manual valve 62a and the air valve 64a installed in the supply line (A-2 line) of the diluted O 2 gas. In addition, mass flow controllers (MFCs) 53a and 63a are installed in the A-1 line and the diluted O 2 line (A-2) dedicated to N 2 , respectively, and the effective O 2 concentration in the Mo reaction chamber can be precisely changed by the flow rate ratio of these two MFCs. In addition, air valves 56a and 66a connected to the exhaust 57a are arranged in the A-1 line and the A-2 line, respectively, so that the cleanliness of the inside of the piping is sufficiently maintained by the exhaust operation. In addition, N 2 line gas is connected to the A-1 line, and a cylinder of O 2 gas diluted to 1% with N 2 is connected to the A-2 line. The apparatus 13 is provided with a manual valve 85, and the quartz tube 71 can be evacuated 80 by opening the manual valve 85. The apparatus 13 is also provided with a pressure indicator 84, and the pressure inside the quartz tube 71 can be monitored.

硫黄(S)原料は、HSガスを別系統のガスライン(B-1)から供給する構成とした。
Bラインのガス供給系はAラインのガス供給系と同様の構成とした。そこでは、手動バルブ52b、MFC53b、エアバルブ54bを介して1%に希釈したHSガスのボンベから供給される反応性ガスがB-1ラインに供給され、手動バルブ62b、MFC63b、エアバルブ64bを介してラインのNガスがB-2ラインに供給される構成になっている。また、配管内のガス純度を高めるために、B-1ライン側にエアバルブ56bを、B-2ライン側にエアバルブ64bを配置して、両エアバルブの先から排気をとれる構成とした。
As the sulfur (S) raw material, H 2 S gas was supplied from a separate gas line (B-1).
The gas supply system of the B line was configured similarly to the gas supply system of the A line. In this system, reactive gas supplied from a cylinder of H 2 S gas diluted to 1% was supplied to the B-1 line via a manual valve 52b, an MFC 53b, and an air valve 54b, and N 2 gas in the line was supplied to the B-2 line via a manual valve 62b, an MFC 63b, and an air valve 64b. In order to increase the gas purity in the piping, an air valve 56b was placed on the B-1 line side and an air valve 64b was placed on the B-2 line side, so that exhaust could be taken from the ends of both air valves.

ここで、S原料については粉末Sを使うことも可能であるが、ここでは、バルブによるOn/Off動作や、マスフローコントローラ(MFC)を使ったより精密な供給量の制御を可能にする本構成とした。なお、粉末Sの枯渇の問題を回避するうえで、MOCVD法で実績のあるHSや(CHSや(CSといった有機金属化合物をガス原料として供給できる構成が好ましい。 Although powdered S can be used as the S raw material, the present configuration allows for more precise control of the supply amount using an On/Off valve and a mass flow controller (MFC). In order to avoid the problem of exhaustion of powdered S, it is preferable to use a configuration that allows for supplying organometallic compounds such as H2S , ( CH3 ) 2S , and ( C2H5 ) 2S , which have a proven track record in the MOCVD method, as gas raw materials.

Cラインについては、手動バルブ62c、MFC63c、エアバルブ64cを介してラインのNガスがC-1ラインに供給され、手動バルブ52c、MFC53c、エアバルブ54cを介してNガスにより1%に希釈されたOガスボンベから供給される希釈OスがC-2ラインに供給される構成になっている。 Regarding the C line, N2 gas is supplied to the C-1 line via a manual valve 62c, an MFC 63c, and an air valve 64c, and diluted O2 gas , which is supplied from an O2 gas cylinder diluted to 1% with N2 gas, is supplied to the C-2 line via a manual valve 52c, an MFC 53c, and an air valve 54c.

装置13は、実施の形態1でも述べた遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成に求められる下記技術項目を満たす構成になっている。
(1)金属Moを載置する反応室が、S原料ガスなど他の反応性ガスが意図せず侵入して反応しないように分離されていること。
(2)金属Moを載置する反応室には、Nのような不活性ガスと反応性をもつOの両方を供給可能な構成となっており、バルブ動作によりMo金属に接触するガスを切り替えられること。
(3)上記(2)の構成で、各ガスラインにはマスフローコントローラ等の流量制御機器が設置されており、これによりNおよびOガスの流量や濃度の制御が可能なこと。
(4)金属Moを載置する反応室は基板領域と独立になっており、発生したMoOガスを基板領域に導くことができる構成となっていること。
(5)基板領域に導かれたMoOガスは、シャワーヘッド方式などガス吹き出し部の形状加工により、基板部でのガス濃度の均一化が図れる構造になっていること。
(6)S原料の原料ガスが、(5)のようにして基板部に導かれたMoOと基板部領域で混合されて反応する構成となっていること。
The apparatus 13 has a configuration that satisfies the following technical requirements for forming the transition metal chalcogenide layered film described in the first embodiment.
(1) The reaction chamber in which the metallic Mo is placed must be separated so that other reactive gases, such as S source gas, do not inadvertently enter and react with the Mo.
(2) The reaction chamber in which the metal Mo is placed is configured to be capable of supplying both an inert gas such as N2 and reactive O2 , and the gas that comes into contact with the Mo metal can be switched by operating a valve.
(3) In the configuration of (2) above, a flow control device such as a mass flow controller is installed on each gas line, which makes it possible to control the flow rate and concentration of N2 and O2 gas.
(4) The reaction chamber in which the metallic Mo is placed is independent of the substrate region, and is configured so that the generated MoO3 gas can be guided to the substrate region.
(5) The MoO3 gas introduced into the substrate region is structured so that the gas concentration in the substrate region can be made uniform by processing the shape of the gas outlet, such as a shower head.
(6) The raw material gas of the S raw material is mixed with the MoO3 introduced to the substrate portion as in (5) and reacts with the MoO3 in the substrate portion region.

<プロセス>
酸化物ガス(MoOガス)発生室(Mo反応室)81内に設置する金属Moとして、純度99.97%の高純度のブロック(Pansee社製)を準備し、それを20mm×6mm×2mmの短冊状に切断した。そして、有機溶剤と純水でクリーニングした後、酸化物ガス発生室81にチャージした。
ガスとHSはどちらも高純度Nで1%に希釈されたボンベを用意した。代表的な成膜条件は下記のとおりである。
・石英反応室71内圧:20Torr
・成膜温度:700℃または750℃
・Aライン流量:100sccm(1%O/N20sccm+N80sccm、またはN100sccm)
・Bライン流量:50sccm(1%HS/N10sccm+N40sccm、またはN50sccm)
・Cライン流量:250sccm(N
・成膜時間:3分以上15分以下
・基板:アルカリ・アルミノ・シリケートガラス(20mm×20mm×0.55mm)
<Process>
A high-purity block (manufactured by Pansee) with a purity of 99.97% was prepared as metal Mo to be placed in the oxide gas ( MoO3 gas) generation chamber (Mo reaction chamber) 81, and it was cut into a strip of 20 mm x 6 mm x 2 mm. Then, after cleaning with an organic solvent and pure water, it was charged into the oxide gas generation chamber 81.
Both O2 gas and H2S were prepared in cylinders diluted to 1% with high purity N2 . The typical film formation conditions are as follows.
Quartz reaction chamber 71 internal pressure: 20 Torr
Film formation temperature: 700°C or 750°C
A-line flow rate: 100 sccm (1% O2 / N2 20 sccm + N2 80 sccm, or N2 100 sccm)
B line flow rate: 50 sccm (1% H2S /N2 10 sccm + N2 40 sccm, or N2 50 sccm)
C line flow rate: 250 sccm ( N2 )
・Deposition time: 3 minutes to 15 minutes ・Substrate: Alkaline aluminosilicate glass (20 mm x 20 mm x 0.55 mm)

基板は、有機溶剤(アセトン、IPS)と純水で超音波洗浄し、Nブローで乾燥したのち、アルミナ製のサセプタ75に載せて電気炉74の所定位置に導入した。
その後、石英管内を真空度約2Pa付近まで充分に真空引きしたのち、Aライン76からCライン78の各ラインに所定流量のNガスのみを流しながら、リアクタ内圧力が20Torrになるように排気側のニードルバルブを調整した。このNフローの状態から、25℃/minの昇温速度で成膜温度700℃まで昇温し、700℃に到達後5分間安定化させた。
その後、切り替えバルブでBライン77にHS混合ガスを流し、30秒待ってから切り替えバルブでAライン76にO混合ガスを流して、酸化物ガス発生室で酸化モリブデンスケールの生成と昇華を開始した。
そして、Aライン76にOを流し始めた時間を成膜開始時間と定義し、所定の成膜時間の経過後に切り替えバルブでOをNに切り替えることでMoOの発生を停止し、成膜を終了した。
その後、Bライン77のHSは流したまま電気炉74を自然冷却し、室温付近になったのちに試料を取り出した。
The substrate was ultrasonically cleaned with an organic solvent (acetone, IPS) and pure water, dried with N 2 blowing, and then placed on an alumina susceptor 75 and introduced into a predetermined position in an electric furnace 74 .
After that, the inside of the quartz tube was sufficiently evacuated to a vacuum degree of about 2 Pa, and then the exhaust needle valve was adjusted so that the pressure inside the reactor was 20 Torr while flowing only N2 gas at a predetermined flow rate into each line from A line 76 to C line 78. From this N2 flow state, the temperature was raised to a film formation temperature of 700°C at a heating rate of 25°C/min, and after reaching 700°C, it was stabilized for 5 minutes.
Thereafter, the H 2 S mixed gas was allowed to flow into line B 77 using the switching valve, and after waiting 30 seconds, the O 2 mixed gas was allowed to flow into line A 76 using the switching valve, thereby starting the generation and sublimation of molybdenum oxide scale in the oxide gas generation chamber.
The time when O 2 started to flow into the A line 76 was defined as the film formation start time, and after a predetermined film formation time had elapsed, the generation of MoO 3 was stopped by switching O 2 to N 2 using a switching valve, thereby terminating the film formation.
Thereafter, the electric furnace 74 was naturally cooled while the H 2 S in the B line 77 was still flowing, and after the temperature had reached approximately room temperature, the sample was taken out.

<材料評価>
図10から図13に、700℃、20Torrで成膜時間を3分、5分、10分、15分と変えて成膜したMoSの光学顕微鏡写真を示す。ここで、各図の(a)、(b)および(c)はそれぞれ上流、中央、下流の場所(図8(b)の79で示された領域の左、中央および右側の場所)でのそれを示す。
本発明の方法により、光学顕微鏡で認識できるサイズをもったMoSの三角形ドメインが形成できていることがわかるが、この事実はこの分野では画期的であり、従来法に比べて高い品質のTMDCになっている。
また、成膜時間の増加とともに三角形ドメインのサイズは数μm(成膜時間3分)から数十μm(成膜時間10分、15分)へと増大し、最終的には合体して連続膜が形成されていた。ここで、連続膜の例として、700℃、20Torrで成膜時間を15分として形成したときの膜で、上記図の(c)より更なる下流での光学顕微鏡写真を図14に示す。
なお、Mo金属原料を交換することなく、かつ再現性よく実現できることも確認している。
<Materials evaluation>
10 to 13 show optical microscope photographs of MoS2 films formed at 700°C and 20 Torr for deposition times of 3, 5, 10, and 15 minutes, where (a), (b), and (c) in each figure show the upstream, center, and downstream locations (the left, center, and right locations of the area indicated by 79 in FIG. 8(b)), respectively.
It can be seen that the method of the present invention enables the formation of triangular domains of MoS2 with a size that can be recognized by an optical microscope. This fact is a breakthrough in this field, and results in TMDCs of higher quality than those obtained by conventional methods.
In addition, as the deposition time increased, the size of the triangular domains increased from several μm (deposition time 3 minutes) to several tens of μm (deposition time 10 minutes, 15 minutes), and finally merged to form a continuous film. As an example of a continuous film, an optical microscope photograph of a film formed at 700° C., 20 Torr, and with a deposition time of 15 minutes, taken further downstream than (c) in the above figure, is shown in FIG. 14.
It has also been confirmed that this can be achieved with good reproducibility without replacing the Mo metal raw material.

ここでは時間依存性を示したが、O流量によっても制御できることを確認した。そこでは、Oに対する成膜プロセスの時間応答の線形(比例)性と応答速度を重視する場合、図7を用いて説明してきたように、酸化スケールの形成速度が小さく、昇華速度を上回らない範囲にO流量を抑えることが重要であった。 Although the time dependency was shown here, it was confirmed that it can also be controlled by the O 2 flow rate. In this case, when the linearity (proportionality) and response speed of the time response of the film formation process to O 2 are important, as explained using Figure 7, it was important to suppress the O 2 flow rate to a range where the formation rate of the oxide scale is small and does not exceed the sublimation rate.

図16(a)は、10分成膜した下流の場所の三角形ドメイン部(図15参照)で測定したMoSのラマンスペクトルの測定例である。A1gとE 2gのモードが明確に観測され、その波数間隔は20cm-1であることから、単層であることがわかる。
また、図16(b)は、同じ測定部から得られた室温でのフォトルミネッセンス(PL)・スペクトルの測定結果である。この図から、666nm付近に非常に強い発光が観測され、このMoSが直接遷移型バンド構造を持つ単層膜であることが示唆された。
図18(a)と(b)は、各々15分成長したサンプルの連続膜の部分(図17参照)で測定したラマンとPLスペクトルである。この場合にも、得られた膜が極めて結晶性の良好なMoS単層膜であることが示されている。
以上のように、本発明が結晶性の良好なMoSの単層膜の成膜方法として有用なことが実験的に示された。
Figure 16(a) shows an example of the Raman spectrum of MoS2 measured in the triangular domain part (see Figure 15) downstream of 10 minutes of deposition. The A1g and E12g modes are clearly observed, and the wave number interval is 20 cm -1 , indicating that it is a single layer.
Fig. 16(b) shows the photoluminescence (PL) spectrum at room temperature obtained from the same measurement section. From this figure, very strong emission was observed around 666 nm, suggesting that this MoS2 is a single layer film with a direct transition band structure.
Figures 18(a) and (b) show Raman and PL spectra, respectively, measured on the continuous film portion of the sample grown for 15 min (see Figure 17), which again shows that the resulting film is a MoS2 monolayer with excellent crystallinity.
As described above, it has been experimentally demonstrated that the present invention is useful as a method for forming a single layer film of MoS2 with good crystallinity.

(実施例2)
実施例2では、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)方式の成膜装置を用いて、MoS成膜の基板依存性を調べた。
Example 2
In Example 2, the substrate dependency of MoS2 film formation was examined using a film formation apparatus using the MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) method.

使用した装置は、高純度のグラファイトからなるサセプタを有する減圧・横型式のリアクタを用いたMOCVD用の装置である。そして、サセプタ上に載置されるウエハ(試料)は、サセプタ裏面からハロゲンランプ加熱により、所望の温度での熱処理を行うことができる構成になっている。 The equipment used is a MOCVD device that uses a low-pressure horizontal reactor with a susceptor made of high-purity graphite. The wafer (sample) placed on the susceptor is heated from the backside of the susceptor by a halogen lamp, allowing it to be heat-treated at the desired temperature.

モリブデン元素の原料プリカーサとしてはオキシクロライド、具体的なプリカーサとしては、二酸化二塩化モリブデン(MoOCl)を用いた。一方、カルコゲン元素の硫黄(S)原料にはN2ガスで体積濃度10%に希釈された硫化水素(HS)ガスを用いた。
ここで、MoOClは室温では固体であるが、加熱による昇華でガスを発生させることができる。実施例2では、その封入容器を約20℃の恒温槽で保温して蒸気を発生させ、Nガスをキャリアとして原料ガスの輸送を行った。
As a precursor of the molybdenum element, oxychloride was used, specifically, molybdenum dioxide dichloride ( MoO2Cl2 ) was used as a precursor. On the other hand, as a source of sulfur (S) of the chalcogen element, hydrogen sulfide ( H2S ) gas diluted with N2 gas to a volume concentration of 10% was used.
Here, MoO2Cl2 is a solid at room temperature, but can generate gas by sublimation when heated. In Example 2, the sealed container was kept warm in a thermostatic chamber at about 20°C to generate steam, and the source gas was transported using N2 gas as a carrier.

実施例2は前記オキシクロライドとHSを用いたカーボンレス成膜である。
したがって、実施例2は、MOCVD装置を用いているが、厳密にはMOCVD成膜ではない。繰り返しになるが、実施例1と同様のカーボンレス(有機レス)成膜である。
Example 2 is a carbonless film formation using the oxychloride and H2S .
Therefore, although the MOCVD apparatus is used in the second embodiment, strictly speaking, the deposition is not MOCVD. To repeat, the deposition is carbonless (organic-less) like the deposition in the first embodiment.

実施例2におけるMoS膜の典型的な成膜条件を下記に示す。
・成長温度:700℃
・圧力:50Torr
・成長時間:1時間
・リアクタ内総流量:Nガス 2.5slm
・MoOCl供給条件:Nガス 75sccm、充填容器18.0℃、内圧760Torrで制御
・10%HS流量:10sccm
Typical deposition conditions for the MoS2 film in Example 2 are shown below.
・Growth temperature: 700℃
Pressure: 50 Torr
Growth time: 1 hour Total flow rate in reactor: N2 gas 2.5 slm
MoO2Cl2 supply conditions: N2 gas 75 sccm , filled container 18.0°C, internal pressure controlled at 760 Torr 10% H2S flow rate: 10 sccm

基板としては、成膜時に加わる熱による基板変形や溶融を回避する観点から軟化点の高い、ガラス中にアルミナ成分(Al)を含むアルミノ・シリケート・ガラスおよびNaやKのようなアルカリ元素の触媒効果の付加も期待したアルカリ・アルミノ・シリケート・ガラスを選択して、成膜性を評価した。そのガラスの一覧を下記表1および2に示す。組成は蛍光X線で測定した。
ここで、AはDragontrailTM(DT)(AGC製)、BはDragontrail ProTM(AGC製)、CはDinorexTM(NEG製)、DはGorilla-3TM(Corning製)、そしてEはEagle-XGTM(Corning製)である。A~Dがアルカリ・アルミノ・シリケート・ガラスであり、Eは無アルカリのアルミノ・シリケート・ガラスである。
As the substrate, aluminosilicate glass containing alumina ( Al2O3 ) and having a high softening point in order to avoid deformation or melting of the substrate due to heat applied during film formation, and alkali aluminosilicate glass, which is also expected to have a catalytic effect of alkali elements such as Na and K, were selected and film formability was evaluated. The list of glasses is shown in Tables 1 and 2 below. The composition was measured by fluorescent X-ray.
Here, A is Dragontrail (DT) (manufactured by AGC), B is Dragontrail Pro (manufactured by AGC), C is Dinorex (manufactured by NEG), D is Gorilla-3 (manufactured by Corning), and E is Eagle-XG (manufactured by Corning). A to D are alkali alumino silicate glasses, and E is non-alkali alumino silicate glass.

上記の成膜条件にて、ガラス基板の種類を変えてMoSを成膜した。試料表面のSEM観察の結果を図19に示す。
図19から、ガラスの種類により、MoSのドメインサイズや密度が大きく異なることがわかる。特に、Eの無アルカリガラスではMoSの成膜が見られなかったことから、ガラス中のNaやKなどアルカリ金属元素の触媒効果が働いていると推察される。
最も大きな単結晶ドメインが得られたのは、AやBのガラスを用いたときであった。この再現性は極めて高かった。
Under the above film formation conditions, MoS2 films were formed on different types of glass substrates. The results of SEM observation of the sample surfaces are shown in FIG.
It can be seen from Fig. 19 that the domain size and density of MoS2 vary greatly depending on the type of glass. In particular, since no MoS2 film was observed in the alkali-free glass E, it is presumed that the catalytic effect of alkali metal elements such as Na and K in the glass is at work.
The largest single crystal domains were obtained using glasses A and B. This was highly reproducible.

なお、ここでは、プリカーサとして二酸化二塩化モリブデン(MoOCl)を用いたMoSの成膜について示したが、MoOClに限らず、一酸化四塩化タングステン(WOCl)を用いてWSの成膜を行う場合でも同様の結果を得た。
その一例として、AのDragontrailTM(DT)(AGC製)ガラス上にMOCVD方式の装置でWSを成膜した結果(電子顕微鏡写真、ラマンスペクトル、PLスペクトル)を図20に示す。WSの場合にも、AのDragontrailTM(DT)(AGC製)ガラス上に大きな単結晶ドメインが形成され、ラマンとPLのスペクトルは結晶性が良好であることを示している。ここで、WOClを用いる場合には、その封入容器を40~45℃の恒温槽で保温して蒸気を発生させ、Nガスをキャリアとして、原料ガスの輸送を行った。
In this example, the formation of a MoS2 film using molybdenum dioxide dichloride ( MoO2Cl2 ) as a precursor is shown, but similar results were obtained when a WS2 film was formed using tungsten tetrachloride oxide ( WOCl4 ) instead of MoO2Cl2 .
As an example, the results of forming a film of WS2 on Dragontrail (DT) (AGC) glass A using an MOCVD device (electron microscope photograph, Raman spectrum, and PL spectrum) are shown in Figure 20. In the case of WS2 , a large single crystal domain was also formed on Dragontrail (DT) (AGC) glass A, and the Raman and PL spectra show good crystallinity. Here, when WOCl4 was used, the sealed container was kept warm in a thermostatic chamber at 40 to 45°C to generate steam, and the raw material gas was transported using N2 gas as a carrier.

WS膜の典型的な成膜条件を下記に示す。
・成長温度:700℃
・圧力:50Torr
・成長時間:1時間
・リアクタ内総流量:Nガス 2.5slm
・WOCl4供給条件:Nガス 250sccm、充填容器45.0℃、内圧760Torrで制御
・10%HS流量:5sccm
Typical deposition conditions for the WS2 film are shown below.
・Growth temperature: 700℃
Pressure: 50 Torr
Growth time: 1 hour Total flow rate in reactor: N2 gas 2.5 slm
WOCl4 supply conditions: N2 gas 250 sccm, filled container 45.0°C, internal pressure controlled at 760 Torr 10% H2S flow rate: 5 sccm

以上、実施例2では、MOCVD装置を用いてMoSを成膜した場合を示したが、第1の実施の形態、実施例1と2は共にカーボンレスの原料ガスを用いた無機の成膜法で、ガラス基板に対する成膜特性も第1の実施の形態、実施例1と2は共通するものであった。 As described above, in Example 2, a case where a MoS2 film was formed using an MOCVD apparatus was shown, but the first embodiment and Examples 1 and 2 were all inorganic film formation methods using carbonless source gases, and the film formation characteristics for a glass substrate were also common to the first embodiment and Examples 1 and 2.

(実施例3)
実施例3では、実施例2において少量の酸素ガス(Oガス)を添加したときの効果を実施例2で述べた装置を用いて調べた。
Example 3
In Example 3, the effect of adding a small amount of oxygen gas ( O2 gas) in Example 2 was examined using the device described in Example 2.

実施例3におけるMoS膜の典型的な成膜条件を下記に示す。
・成長温度:700℃
・圧力:50Torr
・成長時間:1時間
・リアクタ内総流量:Nガス 2.5slm
・MoOCl供給条件:Nガス 75sccm、充填容器18.0℃、内圧760Torrで制御
・10%HS流量:10sccm
・0.1%O流量:100sccm
したがって、0.1%Oの添加以外は実施例2と同じ条件である。ここで、0.1%のOとは、Nガスに対する体積比で0.1%のOガスのことである。
基板としては実施例2に示したA~Dの4種類のアルカリ・アルミノ・シリケートガラスを用いて評価した。
Typical deposition conditions for the MoS2 film in Example 3 are shown below.
・Growth temperature: 700℃
Pressure: 50 Torr
Growth time: 1 hour Total flow rate in reactor: N2 gas 2.5 slm
MoO2Cl2 supply conditions: N2 gas 75 sccm , filled container 18.0°C, internal pressure controlled at 760 Torr 10% H2S flow rate: 10 sccm
・0.1% O2 flow rate: 100sccm
Therefore, the conditions are the same as those in Example 2 except for the addition of 0.1% O2 . Here, 0.1% O2 means 0.1% O2 gas in terms of volume ratio to N2 gas.
As the substrate, the four types of alkali alumino-silicate glass A to D shown in Example 2 were used for evaluation.

MoS成膜試料表面のSEM観察の結果を図21に示す。
基板としてガラスAを用いた場合、単結晶ドメインは、約10μmと他のガラス基板を用いた場合より圧倒的に大きい。ガラス基板Bより数倍は大きく、ガラス基板C、Dとは桁違いの大きさである。
の添加効果は、実施例2との比較でわかるが、単結晶ドメインに有意の差があるのはガラス基板Aを用いた場合のみで、他のガラス基板を用いた場合はO添加に対して優位の差は認められなかった。
ガラス基板Aは、特異に単結晶のMoS成膜に効果のある基板であった。
第1の実施の形態および実施例1では、成膜時に自動的にOが添加される。実施例1でも、ガラス基板Aを用いたときは、大きな単結晶ドメインのMoS成膜に効果が認められた。
FIG. 21 shows the results of SEM observation of the surface of the MoS2 film sample.
When glass A was used as the substrate, the single crystal domain was about 10 μm, which was overwhelmingly larger than when other glass substrates were used. It was several times larger than glass substrate B and an order of magnitude larger than glass substrates C and D.
The effect of adding O2 can be seen in comparison with Example 2. A significant difference in the single crystal domain was only observed when glass substrate A was used, and no significant difference was observed with the addition of O2 when other glass substrates were used.
The glass substrate A was uniquely effective for forming a single crystal MoS2 film.
In the first embodiment and Example 1, O2 is automatically added during film formation. Also in Example 1, when the glass substrate A was used, an effect was observed in the formation of a MoS2 film with a large single crystal domain.

遷移金属カルコゲナイド層状膜(TMDC)は、前述のように、極薄かつ柔軟性に優れた発光・受光素子、光機能デバイスおよび超低消費電力電子デバイスのメインの機能材料として大いに期待されているが、本発明によれば、遷移金属カルコゲナイド層状膜、特にMoSの成膜の安定性、制御性が高く、成膜面積の大面積化が図れ、かつコストの面でも優れる膜形成方法およびそのための製造装置が提供される。
したがって、本発明は上記素子、デバイスを中心に革新的に産業に寄与するものと考えられる。
As described above, transition metal chalcogenide layered films (TMDC) are highly anticipated as the main functional material for extremely thin and highly flexible light emitting and receiving elements, optical functional devices, and ultra-low power consumption electronic devices. According to the present invention, there are provided a film formation method and a manufacturing apparatus therefor, which have high stability and controllability in the formation of transition metal chalcogenide layered films, particularly MoS2 , enable the formation of a large film area, and are also excellent in terms of cost.
Therefore, the present invention is believed to make an innovative contribution to industry, focusing on the above elements and devices.

1:金属モリブデン(Mo)
2:酸化スケール(MoO層(2≦x<3)
3:酸化スケール(MoO層)
4:O
5:MoO
6:酸化物ガス供給手段
7:反応性ガス供給手段
8:反応室部
9:排気手段
10:成膜装置
11:成膜装置
12:ガス供給系
13:装置
14:石英管部
21:酸化物ガス発生室
22:反応室
23:専用配管
25:ヒーター
31:ステージ(ヒーター付きステージ)
32:遷移金属ブロック
33:開閉・流量制御装置
34:開閉・流量制御装置
35:排気配管
36:ノズル
37:試料台(ヒーター付き試料台)
38:試料
40:開閉・流量制御装置
41:配管(ポート)
42:配管(ポート)
43:配管
44:開閉・流量制御装置
45:配管(ポート)
46:配管(ポート)
47:配管
51:配管
52、52a、52b、52c:バルブ(手動バルブ)
53、53a、53b、53c:マスフローコントローラ
54、54a、54b、54c:バルブ(エアバルブ)
55:配管
56、56a、56b:バルブ(エアバルブ)
57:排気配管
61:配管
62、62a、62b、62c:バルブ(手動バルブ)
63、63a、63b、63c:マスフローコントローラ
64、64a、64b、64c:バルブ(エアバルブ)
66、66a、66b:バルブ(エアバルブ)
71:石英管
72:基体(土台)
73:支持具
74:電気炉
75:試料台(基板用サセプタ)
76:Aライン
77:Bライン
78:Cライン
79:MoS層状膜形成室部(反応室部)
80:排気
81:Mo反応室(MoOガス発生室)
82:上部ノズル
83:下部ノズル
84:圧力表示器
85:手動バルブ
1: Metallic molybdenum (Mo)
2: Oxide scale (MoO x layer (2≦x<3)
3: Oxide scale (MoO 3 layers)
4: O2
5: MoO3
6: Oxide gas supply means 7: Reactive gas supply means 8: Reaction chamber 9: Exhaust means 10: Film forming apparatus 11: Film forming apparatus 12: Gas supply system 13: Apparatus 14: Quartz tube 21: Oxide gas generation chamber 22: Reaction chamber 23: Dedicated piping 25: Heater 31: Stage (stage with heater)
32: Transition metal block 33: Opening/closing and flow rate control device 34: Opening/closing and flow rate control device 35: Exhaust pipe 36: Nozzle 37: Sample stage (sample stage with heater)
38: Sample 40: Opening/closing/flow rate control device 41: Piping (port)
42: Piping (port)
43: Piping 44: Opening/closing/flow rate control device 45: Piping (port)
46: Piping (port)
47: Piping 51: Piping 52, 52a, 52b, 52c: Valves (manual valves)
53, 53a, 53b, 53c: Mass flow controllers 54, 54a, 54b, 54c: Valves (air valves)
55: Pipe 56, 56a, 56b: Valve (air valve)
57: Exhaust pipe 61: Pipe 62, 62a, 62b, 62c: Valves (manual valves)
63, 63a, 63b, 63c: Mass flow controllers 64, 64a, 64b, 64c: Valves (air valves)
66, 66a, 66b: Valve (air valve)
71: Quartz tube 72: Base (base)
73: Support 74: Electric furnace 75: Sample stage (susceptor for substrate)
76: Line A 77: Line B 78: Line C 79: MoS 2- layer film formation chamber (reaction chamber)
80: Exhaust 81: Mo reaction chamber ( MoO3 gas generation chamber)
82: Upper nozzle 83: Lower nozzle 84: Pressure indicator 85: Manual valve

Claims (25)

遷移金属のブロックを酸化させて前記遷移金属の表面に前記遷移金属の酸化物層を形成することと、
前記遷移金属の酸化物層の形成と同時に前記酸化物層から前記酸化物を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記酸化物のガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記酸化物のガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を加熱することと、
前記酸化物のガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
oxidizing a transition metal block to form an oxide layer of the transition metal on a surface of the transition metal;
simultaneously with the formation of an oxide layer of the transition metal, sublimating the oxide from the oxide layer, and supplying the oxide gas together with a first inert carrier gas to the substrate via a dedicated pipe;
supplying a reactive gas containing chalcogen atoms to the substrate together with a second inert carrier gas;
heating the substrate while delivering the oxidizing gas and the reactive gas to the substrate;
evacuating said oxide gas, said reactive gas, said first inert carrier gas and said second inert carrier gas.
前記遷移金属は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)およびレニウム(Re)からなる群より選ばれる1である、請求項1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 1, wherein the transition metal is one selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), tungsten (W) and rhenium (Re). さらに、前記酸化物層を水素化された酸化物層とすることを含む、請求項1または2記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 1 or 2, further comprising converting the oxide layer into a hydrogenated oxide layer. 前記水素化は、前記酸化を行う際に水素ガスを添加することによってなされる、請求項3記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 3, wherein the hydrogenation is performed by adding hydrogen gas when the oxidation is performed. 酸素を含むガスを供給しながらモリブデンからなるブロックを第1の温度T1で加熱して前記ブロックの表面に酸化モリブデン層を形成することと、
前記酸化モリブデン層の形成と同時に前記酸化モリブデン層から三酸化モリブデン(MoO)を昇華させ、専用配管を介して、第1の不活性キャリアガスとともに前記MoOのガスを基板に供給することと、
カルコゲン原子を含む反応性ガスを第2の不活性キャリアガスとともに前記基板に供給することと、
前記MoOのガスおよび前記反応性ガスの前記基板への供給時に前記基板を第2の温度T2で加熱することと、
前記MoOのガス、前記反応性ガス、前記第1の不活性キャリアガスおよび前記第2の不活性キャリアガスを排気すること、を含む遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。
heating a block made of molybdenum at a first temperature T1 while supplying a gas containing oxygen to form a molybdenum oxide layer on a surface of the block;
simultaneously with the formation of the molybdenum oxide layer, sublimating molybdenum trioxide (MoO 3 ) from the molybdenum oxide layer, and supplying the MoO 3 gas to the substrate together with a first inert carrier gas through a dedicated pipe;
supplying a reactive gas containing chalcogen atoms to the substrate together with a second inert carrier gas;
heating the substrate at a second temperature T2 when the MoO3 gas and the reactive gas are supplied to the substrate;
and exhausting the MoO3 gas, the reactive gas, the first inert carrier gas, and the second inert carrier gas.
前記第1の温度T1は、500℃以上1200℃以下である、請求項5記載のカルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a chalcogenide layered film according to claim 5, wherein the first temperature T1 is 500°C or more and 1200°C or less. 前記第2の温度T2は、300℃以上1200℃以下である、請求項5または6に記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 5 or 6, wherein the second temperature T2 is 300°C or higher and 1200°C or lower. 前記専用配管は、生成した前記MoOの原料ガス成分が管内の途中で再堆積することを防止する温度で、少なくとも前記ブロックが配置されている場所から前記基板の直前の領域まで加熱されている、請求項5から7の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 8. The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 5, wherein the dedicated pipe is heated at a temperature that prevents the generated MoO3 raw material gas component from being redeposited midway through the pipe, at least from the location where the block is placed to a region immediately in front of the substrate. 前記カルコゲン原子は、硫黄(S)、セレン(Se)およびテルル(Te)からなる群より選ばれる1である、請求項1から8の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 8, wherein the chalcogen atom is one selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te). 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、請求項1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 9, wherein the first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas. 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、請求項1から9の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 9, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gas. 前記基板は、アルカリ金属元素を組成として含有することを特徴とする、請求項1から11の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the substrate contains an alkali metal element as a composition. 前記アルカリ金属元素は、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)およびカリウム(K)からなる群より選ばれる1以上である、請求項12記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 12, wherein the alkali metal element is one or more selected from the group consisting of sodium (Na), lithium (Li) and potassium (K). 前記基板は、アルカリ・アルミノ・シリケートガラスである、請求項1から12の何れか1記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜の形成方法。 The method for forming a transition metal chalcogenide layered film according to any one of claims 1 to 12, wherein the substrate is alkali aluminosilicate glass. 酸化物のガスを基板に供給する酸化物ガス供給手段と、反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上に遷移金属カルゴゲナイドを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記酸化物ガス供給手段は、ブロック状の遷移金属と、前記遷移金属を加熱する第1の加熱手段と、加熱した前記ブロック状の遷移金属に酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給する手段と、前記遷移金属から昇華生成される酸化物のガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、カルコゲン原子を含む反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給する手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記遷移金属が載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、前記遷移金属の酸化物の昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。
The method includes: an oxide gas supplying means for supplying an oxide gas to a substrate; a reactive gas supplying means for supplying a reactive gas to the substrate; a reaction chamber for forming a transition metal chalcogenide as a layered film on the substrate; and an exhausting means;
the oxide gas supplying means comprises a block- shaped transition metal, a first heating means for heating the transition metal , a means for supplying an oxygen-containing gas to the heated block-shaped transition metal at a controlled flow rate, a means for supplying a first inert gas at a controlled flow rate, and a dedicated pipe for supplying an oxide gas generated by sublimation of the transition metal onto the substrate;
the reactive gas supply means includes a means for supplying a reactive gas containing chalcogen atoms while controlling a flow rate thereof, and a means for supplying a second inert gas while controlling a flow rate thereof;
the reaction chamber includes a sample stage and a second heating means for heating the substrate placed on the sample stage, and is a separate chamber from a location where the transition metal is placed;
The apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film, wherein a heat treatment means is provided on a wall of the dedicated piping for maintaining a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of the transition metal oxide.
前記酸化物ガス供給手段は、さらに水素を含むガスを流量を制御して供給する手段を有する、請求項15記載の遷移金属カルコゲナイド層状膜を形成するための装置。 The apparatus for forming a transition metal chalcogenide layered film according to claim 15, wherein the oxide gas supply means further includes a means for supplying a gas containing hydrogen at a controlled flow rate. MoOのガスを基板に供給するMoOガス供給手段と、硫黄を含む反応性ガスを前記基板に供給する反応性ガス供給手段と、前記基板上にMoSを層状膜として形成する反応室部と、排気手段とを備え、
前記MoOガス供給手段は、モリブデンからなるブロックと、前記ブロックを加熱する第1の加熱手段と、加熱した前記モリブデンからなるブロックに酸素を含むガスを流量を制御して供給する手段と、第1の不活性ガスを流量を制御して供給手段と、前記ブロックから昇華生成されるMoOのガスを前記基板上に供給する専用配管とを備え、
前記反応性ガス供給手段は、前記反応性ガスを流量を制御して供給する手段と、第2の不活性ガスを流量を制御して供給手段とを備え、
前記反応室部は、試料台と、前記試料台上に載置された前記基板を加熱する第2の加熱手段を備え、かつ前記ブロックが載置されている場所とは別室になっており、
前記専用配管の管壁には、MoOの昇華温度以上の温度に保たれる熱処理手段が備えられている、MoS層状膜を形成するための装置。
The apparatus includes: a MoO3 gas supply means for supplying MoO3 gas to a substrate; a reactive gas supply means for supplying a sulfur-containing reactive gas to the substrate; a reaction chamber for forming MoS2 as a layered film on the substrate; and an exhaust means;
The MoO3 gas supply means includes a block made of molybdenum , a first heating means for heating the block , a means for supplying a gas containing oxygen to the heated block made of molybdenum while controlling the flow rate, a means for supplying a first inert gas while controlling the flow rate, and a dedicated pipe for supplying the MoO3 gas generated by sublimation from the block onto the substrate;
The reactive gas supply means includes a means for supplying the reactive gas at a controlled flow rate, and a means for supplying a second inert gas at a controlled flow rate;
the reaction chamber includes a sample stage and a second heating means for heating the substrate placed on the sample stage, and is a separate chamber from a place where the block is placed;
The device for forming a MoS2 layered film, wherein the dedicated piping is provided on its wall with a heat treatment means that maintains a temperature equal to or higher than the sublimation temperature of MoO3 .
前記反応性ガスは、硫黄(S)、硫化水素(HS)、ジメチル硫黄((CHS)、ジエチル硫黄((CS),ジターシャリブチル硫黄([(CHC]S)、ジイソプロピル硫黄((i-CS)からなる群より選ばれる1以上である、請求項17記載の装置。 18. The apparatus of claim 17, wherein the reactive gas is one or more selected from the group consisting of sulfur (S), hydrogen sulfide ( H 2 S), dimethyl sulfur ((CH 3 ) 2 S), diethyl sulfur ((C 2 H 5 ) 2 S), ditertiary butyl sulfur ([(CH 3 ) 3 C] 2 S), and diisopropyl sulfur ((i-C 3 H 7 ) 2 S). 前記第1の加熱手段および第2の加熱手段は、抵抗加熱、誘導加熱およびランプ加熱からなる群より選ばれる1以上の方式による、請求項15から18の何れか1記載の装置。 The device according to any one of claims 15 to 18, wherein the first heating means and the second heating means are heated by one or more methods selected from the group consisting of resistance heating, induction heating, and lamp heating. 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、クリプトンガス、ネオンガス、ヘリウムガスおよびキセノンガスからなる群より選ばれる1以上である、請求項15から19の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 19, wherein the first inert gas and the second inert gas are one or more selected from the group consisting of nitrogen gas, argon gas, krypton gas, neon gas, helium gas, and xenon gas. 前記第1の不活性ガスおよび前記第2の不活性ガスは、窒素ガスである、請求項15から19の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 19, wherein the first inert gas and the second inert gas are nitrogen gas. 前記専用配管は、石英ガラス、ガラス、ステンレスおよびセラミックスからなる群より選ばれる1からなる、請求項15から21の何れか1記載の装置。 The device according to any one of claims 15 to 21, wherein the dedicated piping is made of a material selected from the group consisting of quartz glass, glass, stainless steel, and ceramics. 前記セラミックスは、アルミナ、SiCからなる群より選ばれる、請求項22に記載の装置。 The device according to claim 22, wherein the ceramic is selected from the group consisting of alumina and SiC. 前記専用配管の前記基板近接部にはシャワーヘッドが備えられている、請求項15から23の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 23, wherein a shower head is provided in the portion of the dedicated pipe adjacent to the substrate. 前記試料台には回転機構が備えられている、請求項15から24の何れか1記載の装置。 The apparatus according to any one of claims 15 to 24, wherein the sample stage is provided with a rotation mechanism.
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