CN107078031A - 成膜方法、真空处理装置、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件、半导体电子元件的制造方法、半导体电子元件、照明装置 - Google Patents

成膜方法、真空处理装置、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件、半导体电子元件的制造方法、半导体电子元件、照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够通过溅射法制作+c极性的外延膜的成膜方法、成膜装置。本发明的一个实施方式为一种成膜方法，针对被加热器加热至规定温度的外延生长用基板通过溅射法来使具有纤锌矿型结构的半导体膜外延生长，该成膜方法具有以下的工序。首先，以上述基板与加热器分离规定距离地进行配置的方式，将上述基板配置于具有加热器的基板保持部。接着，一边调整上述基板保持部的阻抗一边在上述基板上形成具有纤锌矿型结构的半导体膜的外延膜。

Description

成膜方法、真空处理装置、半导体发光元件的制造方法、半导 体发光元件、半导体电子元件的制造方法、半导体电子元件、 照明装置
技术领域
本发明涉及一种成膜方法、真空处理装置、半导体发光元件的制造方法、半导体发光元件、半导体电子元件的制造方法、半导体电子元件、照明装置。
背景技术
III族氮化物半导体是以作为IIIB族元素(以下简称为III族元素)的铝(Al)原子、镓(Ga)原子、铟(In)原子与作为VB族元素(以下简称为V族元素)的氮(N)原子的化合物、即氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)以及它们的混合晶体(AlGaN、InGaN、InAlN、InGaAlN)的形式得到的化合物半导体材料。这种III族氮化物半导体是期望应用于光元件、电子元件的材料，该光元件是覆盖远紫外线区域·可见光区域·近红外区域的宽波长区域的发光二极管(LED：Light Emitting Diode)、激光二极管(LD：Laser Diode)、太阳能电池(PVSC：Photo Voltaic Solar Cell)、光电二极管(PD：Photo Diode)等，该电子元件是高频率/高输出用途的高电子迁移率晶体管(HEMT：High Electron Mobility Transistor)、金属氧化物半导体型场效应晶体管(MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor)等。
通常，为了实现上述这种应用，需要在单晶基板上使III族氮化物半导体薄膜外延生长，来得到晶体缺陷少的高品质的单晶膜(外延膜)。为了得到这种外延膜，最期望的是使用由与外延膜相同的材料构成的基板来进行同质外延生长(homoepitaxial growth)。
然而，由III族氮化物半导体构成的单晶基板非常昂贵，因此除一部分应用以外不使用该由III族氮化物半导体构成的单晶基板，主要通过在蓝宝石(α-Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)等异种基板上的异质外延生长来得到单晶膜。
另外，这种III族氮化物半导体薄膜的外延生长中使用能够得到高生产率且高品质的外延膜的有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD)法。但是，MOCVD法存在生产成本高、容易产生颗粒而难以得到高成品率等问题。
另一方面，溅射法具有能够将生产成本抑制得低且颗粒的产生概率也低的特性。因而，如果能够用溅射法代替III族氮化物半导体薄膜的成膜工艺中的至少一部分工艺，则有可能能够解决上述问题中的至少一部分问题。
然而，存在如下问题：通过溅射法制作出的III族氮化物半导体薄膜的结晶品质比通过MOCVD制作出的III族氮化物半导体薄膜的结晶品质更容易劣化。例如，在非专利文献1中公开了使用溅射法制作出的III族氮化物半导体薄膜的结晶性。在非专利文献1中记载了以下内容：使用高频磁控溅射法使c轴取向的GaN膜在α-Al2O3(0001)基板上外延生长，在测定GaN(0002)面的X射线摇摆曲线(XRC)时，该X射线摇摆曲线的半高宽(FWHM)为35.1arcmin(2106arcsec)。该值相对于当前市场上大量销售的α-Al2O3基板上的GaN膜而言是非常大的值，表示后述的倾斜的镶嵌度大而使结晶品质差。
即，为了采用溅射法来作为III族氮化物半导体薄膜的成膜工艺，需要减小由III族氮化物半导体构成的外延膜的镶嵌度来获得高结晶品质。
此外，作为表示由III族氮化物半导体构成的外延膜的结晶品质的指标，存在倾斜的镶嵌度(基板垂直方向上的结晶方位的偏差)和扭转的镶嵌度(面内方向上的结晶方位的偏差)。图8A～图8D是在α-Al2O3(0001)基板上以c轴取向进行外延生长的由III族氮化物半导体构成的晶体的示意图。在图8A～图8D中，附图标记901是α-Al2O3(0001)基板，附图标记902～911是由III族氮化物半导体构成的晶体，附图标记cf是由III族氮化物半导体构成的各晶体的c轴的朝向，cs是α-Al2O3(0001)基板的c轴的朝向，af是由III族氮化物半导体构成的晶体的a轴的朝向，as是α-Al2O3(0001)基板的a轴的朝向。
在此，图8A是利用俯视图来展现由III族氮化物半导体构成的晶体以具有倾斜的镶嵌度的方式形成的样态的图，图8B示出该晶体的一部分的截面构造。如根据这些图可知的那样，由III族氮化物半导体构成的晶体902、903、904的c轴的朝向cf与基板的c轴的朝向cs大致平行，成为对整体而言支配性的基板垂直方向上的结晶方位，与此相对，由III族氮化物半导体构成的晶体905、906的c轴的朝向cf以相对于上述的支配性的基板垂直方向上的结晶方位稍微偏离的方式形成。另外，图8C是利用俯视图来展现由III族氮化物半导体构成的晶体以具有扭转的镶嵌度的方式形成的样态的图，图8D示出其俯视图。如根据这些图可知的那样，由III族氮化物半导体构成的晶体907、908、909的a轴的朝向af与α-Al2O3(0001)基板的a轴的朝向as之间所成的角为大致30°，该的a轴的朝向af成为对整体而言支配性的面内方向上的结晶方位，与此相对，由III族氮化物半导体构成的晶体910、911的a轴的朝向af以相对于上述的支配性的面内方向上的结晶方位稍微偏离的方式形成。
将这种对整体而言支配性的结晶方位的偏差称为镶嵌度，特别地，将基板垂直方向上的结晶方位的偏差称为倾斜的镶嵌度，将面内方向上的结晶方位的偏差称为扭转的镶嵌度。已知倾斜的镶嵌度、扭转的镶嵌度与形成于III族氮化物半导体薄膜的内部的螺旋位错、刃状位错等缺陷的密度之间具有相关性。通过减小倾斜的镶嵌度、扭转的镶嵌度，上述的缺陷的密度降低，从而易于得到高品质的III族氮化物半导体薄膜。
此外，通过对与基板表面平行地形成的特定的晶格面(对称面)、与基板表面垂直地形成的特定的晶格面进行XRC测定，并调查所得到的衍射峰的FWHM，能够评价倾斜的镶嵌度及扭转的镶嵌度的大小。
此外，图8A～图8D、上述的说明是概要地以易于理解的方式对倾斜的镶嵌度、扭转的镶嵌度进行说明的图和说明，并不保证任何严格性。
另外，一般地，已知如下情况：III族氮化物半导体薄膜存在如图9所示的+c极性的生长方式和-c极性的生长方式，与-c极性的生长相比，+c极性的生长更容易得到优质的外延膜。因而，期望的是，在采用溅射法来作为III族氮化物半导体薄膜的成膜工艺的基础上，能够得到+c极性的外延膜。
此外，在本说明书中，对于AlN、GaN、InN，“+c极性”为意味着Al极性、Ga极性、In极性的用语。另外，“-c极性”为意味着N极性的用语。
另一方面，以往，为了得到优质的III族氮化物半导体薄膜而进行了许多尝试(参照专利文献1、2)。
专利文献1中公开了一种在使用溅射法在α-Al2O3基板上形成III族氮化物半导体薄膜(在专利文献1中为AlN)之前通过对基板进行等离子处理来实现III族氮化物半导体薄膜的高品质化的方法、特别是得到倾斜的镶嵌度非常小的III族氮化物半导体薄膜的方法。
另外，专利文献2中公开了一种III族氮化物半导体(在专利文献2中为III族氮化物系化合物半导体)发光元件的制造方法，在该制造方法中，通过溅射法在基板上形成由III族氮化物半导体(在专利文献2中为III族氮化物系化合物)构成的缓冲层(在专利文献2中为中间层)，将具备基部膜的n型半导体层、发光层、p型半导体层依次层叠在由该III族氮化物半导体构成的缓冲层上。
专利文献2中记载了以下内容：作为形成由III族氮化物半导体构成的缓冲层的过程，具备对基板实施等离子处理的预处理工序、以及在预处理工序之后通过溅射法形成由III族氮化物半导体构成的缓冲层的工序。另外，在专利文献2中，作为基板和由III族氮化物半导体构成的缓冲层的优选的方式，使用了α-Al2O3基板和AlN，作为具备基部膜的n型半导体层、发光层、p型半导体层的成膜方法，优选使用了MOCVD法。
专利文献1：国际公开第2009/096270号
专利文献2：日本特开2008-109084号公报
非专利文献1：Y.Daigo，N.Mutsukura，“Synthesis of epitaxial GaN single-crystalline film by ultra high vacuumr.f.magnetron sputtering method”、ThinSolid Films 483(2005)p38-43.
发明内容
如根据以上所述明确可知的那样，专利文献1所记载的技术是能够降低倾斜的镶嵌度的技术，但是为了使用溅射法形成更高品质的外延膜，该技术仍存在应进行改善的问题。特别地，如上述的那样，如果能够进行+c极性的生长，则能够形成优质的外延膜，因此期望在基板整个面上形成+c极性的III族氮化物半导体薄膜，但是在专利文献1中没有记述用于获得期望的极性的具体方法。本发明人们对专利文献1所公开的技术进行确认实验的结果为，所得到的III族氮化物半导体薄膜是以镶嵌度小的外延膜的形式得到的，但是+c极性与-c极性混合在一起。因而，明确可知的是，如果只通过专利文献1所公开的技术，则无法得到+c极性的III族氮化物半导体薄膜。
另外，不得不说，专利文献2所记载的技术从以下观点来看并不充分。
即，在专利文献2中，关于使用溅射法形成的由III族氮化物半导体构成的缓冲层，没有记载极性的控制方法。本发明人们对专利文献2所公开的技术进行确认实验的结果也同样，所得到的发光元件无法得到良好的发光特性。
本发明人们进一步调查通过上述专利文献2中的确认实验得到的发光元件之后获知，使用溅射法形成的由III族氮化物半导体构成的缓冲层为+c极性和-c极性混合在一起的外延膜。更详细地说，即使通过MOCVD法将具备基部膜的n型半导体层、发光层、p型半导体层依次层叠，也会在元件内部形成很多因由III族氮化物半导体构成的缓冲层中的极性混合而产生的反相畴界等缺陷，从而使发光特性降低。即，明确可知的是，如果只通过专利文献2所公开的技术，则无法得到+c极性的III族氮化物半导体薄膜，从而无法得到良好的发光特性的发光元件。
这样，如果只通过专利文献1、2所公开的现有技术，则难以控制III族氮化物半导体薄膜的极性、即难以得到+c极性的外延膜，从而难以得到更良好的发光元件。
并且，本发明人们根据上述的专利文献1、2的确认实验的结果得出以下结论：在使用溅射法制作出的III族氮化物半导体薄膜是极性混合在一起的外延膜时，无法避免因形成于元件内部的反相畴界等缺陷而导致的元件特性降低。
鉴于上述问题点，本发明的目的在于提供一种能够通过溅射法制作+c极性的外延膜的成膜方法和适合于该成膜方法的真空处理装置，并且提供一种使用该外延膜的半导体发光元件和半导体电子元件的制造方法、通过该制造方法制造出的半导体发光元件和半导体电子元件、以及照明装置。
本发明人们潜心研究的结果发现，如后述的那样，外延膜的极性受到向基板保持器载置基板的载置方法的影响，本发明人们还发现，将阻抗可变机构与设置于基板外周部的导电性的基板保持装置连接并调整基板保持装置的阻抗，由此外延膜的极性受到影响，本发明人们基于上述发现而完成了本发明。
本发明所涉及的成膜方法使用真空处理装置通过溅射法来在所述基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜的外延膜，其中，该真空处理装置具备：真空容器，其能够进行真空排气；基板保持部，其用于将基板支承在所述真空容器内；加热器，其能够将被保持在所述基板保持部的所述基板加热至任意的温度；靶电极，其设置在所述真空容器内，能够安装靶；高频电源，其经由所述靶电极向所述靶输入高频电力；电极部，其配置在被保持在所述基板保持部的所述基板的周围，形成返回路径的一部分，该返回路径是从所述高频电源输入的高频电力向接地返回的路径；以及阻抗调整部，其用于调整所述电极部的阻抗，所述成膜方法的特征在于，包括以下工序：基板输送工序，使所述基板以与所述加热器的基板对置面分离规定距离地保持的方式保持于所述基板保持部；成膜工序，在被保持在所述基板保持部的所述基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜；以及阻抗调整工序，在所述成膜工序时，调整所述阻抗调整部使得所述电极部的阻抗成为规定的值。
另外，本发明所涉及的半导体发光元件和半导体电子元件的制造方法的特征在于，具有上述的成膜方法。另外，本发明所涉及的半导体发光元件和半导体电子元件的特征在于，具有通过上述的成膜方法制作出的纤锌矿型结构的半导体薄膜的外延膜。本发明所涉及的照明装置的特征在于，具备上述的半导体发光元件。
或者，本发明所涉及的真空处理装置具备：真空容器，其能够进行真空排气；基板保持部，其用于将基板支承在所述真空容器内；加热器，其能够将被保持在所述基板保持部的所述基板加热至任意的温度；靶电极，其设置在所述真空容器内，能够安装靶；高频电源，其经由所述靶电极向所述靶输入高频电力；电极部，其配置在被保持在所述基板保持部的所述基板的周围，形成返回路径的一部分，该返回路径是从所述高频电源输入的高频电力向接地返回的路径；以及阻抗调整部，其用于调整所述电极部的阻抗，其中，所述基板保持部在所述真空容器内设置在所述靶电极的重力方向上，该真空处理装置的特征在于，进行以下工序：基板输送工序，将所述基板以与所述加热器的基板对置面分离规定距离地保持的方式保持于所述基板保持部；成膜工序，在被保持在所述基板保持部的所述基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜；以及阻抗调整工序，在所述成膜工序时，调整所述阻抗调整部使得所述电极部的阻抗成为规定的值。
根据本发明的成膜方法、真空处理装置，能够使用溅射法在基板上制作倾斜的镶嵌度、扭转的镶嵌度少且+c极性的由纤锌矿型结构构成的外延膜。另外，根据本发明的成膜方法、真空处理装置，能够减少这种+c极性的比例在要被进行处理的各基板之间的偏差，从而能够再现性良好地得到外延膜。并且，通过本发明的成膜方法制作出的半导体发光元件和半导体电子元件、或者具备半导体发光元件的照明装置具有稳定的品质。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的高频溅射装置的截面概要图。
图2是本发明的一个实施方式所涉及的加热器的截面概要图。
图3是本发明的一个实施方式所涉及的加热器的其它的截面概要图。
图4A是示出本发明的一个实施方式所涉及的加热器电极的结构例的俯视图。
图4B是示出本发明的一个实施方式所涉及的加热器电极的结构例的俯视图。
图5是示出本发明的一个实施方式所涉及的基板保持装置的结构例的图。
图6是示出本发明的一个实施方式所涉及的基板保持装置的支承部的结构例的图。
图7是示出本发明的一个实施方式所涉及的基板保持装置的支承部的其它的结构例的图。
图8A是示出由III族氮化物半导体构成的晶体的倾斜的镶嵌度和扭转的镶嵌度的示意图。
图8B是示出由III族氮化物半导体构成的晶体的倾斜的镶嵌度和扭转的镶嵌度的示意图。
图8C是示出由III族氮化物半导体构成的晶体的倾斜的镶嵌度和扭转的镶嵌度的示意图。
图8D是示出由III族氮化物半导体构成的晶体的倾斜的镶嵌度和扭转的镶嵌度的示意图。
图9是示出III族氮化物半导体薄膜中的+c极性和-c极性的示意图。
图10是示出本发明的一个实施方式所涉及的对III族氮化物半导体薄膜进行CAICISS测定所得到的测定结果的图。
图11是示出本发明的靶电极中感应出的电压与第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系的一例的示意图。
图12是示出本发明的靶电极中感应出的电压与第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系的一例的示意图。
图13是示出本发明的靶电极中感应出的电压与第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系的一例的示意图。
图14A是本发明的一个实施方式所涉及的阻抗可变机构的电路图的结构例。
图14B是本发明的一个实施方式所涉及的阻抗可变机构的电路图的结构例。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。此外，在以下所说明的附图中，对具有相同功能的部分标注相同的附图标记，不重复进行说明。
本发明所涉及的主要特征在于，在通过例如高频溅射法之类的溅射法在后述的外延生长用基板上使具有纤锌矿型结构(wurtzite structure)的半导体薄膜外延生长时，一边将被加热器加热后的基板以与加热器的基板对置面分离规定距离的方式进行保持一边在该基板上形成具有纤锌矿型结构的半导体薄膜。此外，作为外延生长用基板，例如能够列举α-Al2O3基板、Si基板、Ge基板之类的具有非极性表面(后述)的基板、4H-SiC基板、6H-SiC基板之类的具有有极性表面(后述)的基板等。作为具有纤锌矿型结构的半导体薄膜，例如能够列举纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜等。
另外，本发明的特征还在于，一边将被加热器加热后的基板以与加热器的基板对置面分离规定距离的方式进行保持一边在该基板上形成具有上述纤锌矿型结构的半导体薄膜时，在利用与配置在基板外周部的导电性的基板保持装置连接的阻抗可变机构对该基板保持装置的阻抗进行调整后的状态下，形成具有纤锌矿型结构的半导体薄膜。下面，参照附图来说明本发明。此外，不言而喻的是，以下所说明的构件、配置等是使发明具体化的一例，而不是对本发明进行限定，能够按照本发明的主旨进行各种改变。
图1至图7是关于本发明的一个实施方式所涉及的真空处理装置(高频溅射装置)或使用所形成的外延膜制作的LED结构的图。为了防止附图的复杂化而除一部分之外进行了省略。
图1是本发明所涉及的形成III族氮化物半导体薄膜时所使用的溅射装置的一例的概要结构图。在示出溅射装置S的图1中，附图标记101表示真空容器，附图标记102表示靶电极，附图标记99表示基板保持器，附图标记103表示加热器，附图标记703表示基板保持装置，附图标记105表示靶屏蔽件，附图标记106表示高频电源，附图标记107表示基板，附图标记108表示靶，附图标记109表示气体导入机构，附图标记110表示用于对真空容器101内进行排气的排气机构，附图标记112表示反射器，附图标记113表示绝缘件，附图标记114表示腔室屏蔽件，附图标记115表示磁体单元，附图标记116表示靶屏蔽件保持机构，附图标记120表示匹配箱，附图标记203表示加热器电极。另外，附图标记750是用于支承基板保持装置703的保持器支承部。附图标记P是加热器103的与被保持于后述的基板保持装置503的状态的基板相向的上表面(基板对置面)。
真空容器101由不锈钢、铝合金等金属构件制成，与接地电连接。另外，真空容器101通过未图示的冷却机构来防止或减少壁面的温度上升。并且，真空容器101经由未图示的质量流量控制器而与气体导入机构109相连接，经由未图示的可调电导阀而与排气机构110相连接。
靶屏蔽件105经由靶屏蔽件保持机构116而被安装于真空容器101。靶屏蔽件保持机构116和靶屏蔽件105能够设为不锈钢、铝合金等金属构件，在直流时与真空容器101成为相同的电位。
靶电极102经由绝缘件113而被安装于真空容器101。另外，靶108被安装于靶电极102，靶电极102经由匹配箱120而与高频电源106相连接。靶108可以直接被安装于靶电极102，也可以隔着由铜(Cu)等金属构件构成的未图示的接合板而安装于靶电极102。
另外，靶108可以是含有Al、Ga、In中的至少一个元素的金属靶，或者可以是含有上述III族元素中的至少一个元素的氮化物靶。靶电极102中具备用于防止靶108的温度上升的未图示的冷却机构。另外，靶电极102中内置有磁体单元115。作为高频电源106，13.56MHz的高频电源在工业上是易于使用的，但是还能够是使用其它频率的高频电源、在高频上叠加直流的高频电源或以脉冲的形式使用这些频率的高频电源。
腔室屏蔽件114被安装于真空容器101，防止在成膜时膜附着于真空容器101。
基板保持器99具有加热器103、基板保持装置703(基板保持部)、反射器112来作为主要的构成要素。加热器103内置有加热器电极203。基板保持装置703的至少与基板接触的部分为绝缘构件，利用保持器支承部750固定该基板保持装置703。通过将基板107保持于基板保持装置703，能够将该基板107配置为与加热器103的基板对置面P之间具有规定的间隙。此外，在后面记述基板保持装置703的详细的例子。
在本实施方式中，如图1所示，在真空容器101内，在靠重力方向上侧配置能够配置靶的靶电极102，在比靶电极102更靠重力方向下侧配置基板保持器99。因而，能够利用重力将基板107保持于基板保持装置703，因此只通过将基板107以抵接于基板保持装置703的基板支承部(后述的附图标记704等)的状态载置于该基板保持装置703的基板支承部，就能够使基板107的成膜面的整个面在靶108侧暴露，从而能够对基板107整个面进行外延膜形成。
此外，在本实施方式中，示出了在真空容器101内的靠重力方向上侧配置靶电极102、在比靶电极102更靠重力方向下侧配置基板保持器99的例子，但是也可以是，在真空容器101内的靠重力方向上侧设置基板保持器99，在比基板保持器99更靠重力方向下侧配置靶电极102。
图2或图3示出了加热器103的结构例。在图2中，附图标记201是基部，附图标记202是基部涂层，附图标记203是加热器电极，附图标记204是背面涂层，附图标记205是外涂层。
基部201是石墨，加热器电极203、背面涂层204是热解石墨(PG：PyrolyticGraphite)，基部涂层202、外涂层205是热解氮化硼(PBN：Pyrolytic Boron Nitride)。此外，由PBN构成的基部涂层202和外涂层205是高电阻材料。
根据这种结构，加热器103能够发射出规定波长范围的红外线，并能够将基板加热至任意的温度。
图3是加热器的其它结构例，附图标记301是基部，附图标记302是加热器电极，附图标记303是背面涂层，附图标记304是外涂层。基部301是氮化硼(BN：Boron Nitride)，加热器电极302、背面涂层303是PG，外涂层304是PBN。此外，由BN构成的基部301和由PBN构成的外涂层304是高电阻材料。
此外，构成上述的加热器的材料与以往的红外线灯相比，对α-Al2O3基板加热的效率高，因此优选使用该材料，但是只要能够将α-Al2O3基板加热至规定的温度即可，并不限定于该材料。
图4A、4B中示出加热器电极203(或302)的结构例(俯视图)。内置于加热器103中的加热器电极203(或302)具有图4A、4B那样的电极图案。将电源(未图示)与该电极图案连接，并对该电极图案施加直流或交流的电压，由此电流流过加热器电极203(或302)，加热器103通过所产生的焦耳热而被加热。利用从加热器103辐射的红外线对基板进行加热。
通过使用图4A、4B那样的电极图案，能够对基板107的整个面均匀地提供热，因此期望使用使热尽可能均匀地作用于基板整个面那样的电极图案。然而，在本发明中，重要的是使用使热均匀地作用于基板那样的电极图案也能够形成+c极性的外延膜，而将电极图案本身形成为何种形状并不是本质问题。因而，在本实施方案中，并不限定于图4A、4B所示的电极图案。
在图2和图3所示的加热器103的结构例中，对形成有图4A、4B所示那样的图案的加热器电极203或302的一侧的面标注附图标记P，并将该面设为加热器103的基板对置面，但是加热器103也可以是将图2或图3所示的加热器103反过来的结构、即将与图2和图3中用附图标记P表示的面相反的一面设为基板对置面。在该情况下，隔着背面涂层204或303对基板进行加热，因此基板加热的电力效率降低，但是背面涂层204或303发挥均热的作用，具有使热均匀地作用于基板的效果。
图5示出基板保持装置的结构例。在图5中，附图标记107是基板，附图标记703是基板保持装置。基板保持装置703是具有同一截面的大致环状的构件，具有第一基板保持装置704和第二基板保持装置705。基板107的外周部分以抵接于第一基板保持装置704的设置在其内周侧的704a的状态被载置于该704a。第二基板保持装置705支承第一基板保持装置704的外周部分。图中的d1是配置于基板保持装置703的基板107的背面与基板对置面P之间的间隙，d2是第一基板保持装置704与基板对置面P之间的间隙。
图6是示出基板保持装置703的支承部的结构例的示意图。保持器支承部750是用于支承第二基板保持装置705的构件，以导电件751、绝缘件753以及不锈钢管755为主要的构成要素。导电件751与设置在真空容器101的外侧的高频电源757和第二基板保持装置705电连接。匹配箱9005连接在高频电源757与导电件751之间。由此，从高频电源757经由导电件751向第二基板保持装置705供给高频电力。导电件751被绝缘件753和不锈钢管755覆盖。
另外，导电件751与真空容器101之间的绝缘也是通过绝缘件753来确保的。构成为利用绝缘件753来避免不锈钢管755与第二基板保持装置705电接触。这样，保持器支承部750构成为用于支承第二基板保持装置705，并且向该第二基板保持装置705供给电力。因此，在含有N2、稀有气体等气体的环境中，通过向第二基板保持装置705供给高频电力，来在基板附近产生等离子体，从而能够进行基板的表面处理。另外，传感器9001是能够同步地测定靶电极102的直流及高频电压和第二基板保持装置705的直流及高频电压的中央传感器，例如能够使用示波器。此外，传感器9001能够设为相对于溅射装置S可拆卸的结构，在成膜工序中，能够在已将传感器9001拆卸的状态下进行成膜。
此外，在不在基板附近产生等离子体且不进行基板的表面处理的情况下，并不一定需要与第二基板保持装置705连接的匹配箱和经由匹配箱连接的高频电源。图7中示出不对第二基板保持装置705连接高频电源的情况的结构例。在不对第二基板保持装置705连接高频电源的情况下，只要将第二基板保持装置705与作为阻抗调整部的阻抗可变机构9002连接即可。在后面记述图7。
此外，在本发明中，能够如以下那样说明将等离子体考虑为基准的情况下的高频电力的输入路径和返回路径。例如在图6中，从高频电源106经由匹配箱120向靶电极102和靶108输入高频电力。将该电力的路径称为输入路径。通过向靶108输入的高频电力而产生等离子体，从而能够产生溅射现象。
另一方面，高频电力从等离子体经由未图示的腔室屏蔽件(在图1中为腔室屏蔽件114)、第二基板保持装置705向接地(ground)返回。将该电力的路径称为返回路径。在经由第二基板保持装置705的情况下，高频电力经由导电件751、匹配箱9005、高频电源757向接地返回。本发明的重点在于，通过在该返回路径设置匹配箱9005等阻抗可变机构，来调整以等离子体为基准的高频电力的返回路径中的阻抗，进行抑制等离子体状态的变化并将等离子体的特性的变化限制在容许范围内的调整。
例如，在特定的等离子体状态由于某些影响而发生了推移的情况下，能够通过调整返回路径的阻抗来使该特定的等离子体状态恢复为从相位差的观点来看原始的状态。作为特定的等离子体状态发生推移的原因，能够例示溅射物质在第二基板保持装置705上的堆积。
此外，作为能够调整返回路径中的阻抗的电极部，例如能够列举对基板保持装置705的第一基板保持装置704进行支承的导电性构件的环。
另外，在图5中，第一基板保持装置704具备用于从基板107的下方支承基板107的由绝缘构件构成的基板支承部704a。在基板支承部704a的背侧与加热器103的基板对置面P之间设置有间隙d1，在基板107与加热器103的基板对置面P之间设置有间隙d2。期望间隙d1为0.4mm以上，期望间隙d2为0.5mm以上。在间隙d1小于0.4mm的情况下，容易在外周部形成极性混合在一起的III族氮化物半导体薄膜，在间隙d2小于0.5mm的情况下，容易在基板的整个面形成极性混合在一起的III族氮化物半导体薄膜，因此不是优选的。
此外，如果将间隙d1和d2设置得宽，则加热器103对基板107的加热效率下降，因此间隙d1和d2过宽不是优选的。另外，如果间隙d1和d2、特别是d2过宽，则有时导致在加热器103与基板107之间的空间产生等离子体，从而导致失去本发明的效果，因此期望设为5mm以下，期望更优选为2mm以下。
在不需要向第二基板保持装置705供给电力的情况下，并不一定需要匹配箱9005和经由匹配箱9005而与导电件751连接的高频电源757，只要例如图7那样连接阻抗可变机构9002来代替匹配箱9005和高频电源757即可。
在该情况下，经由基板保持装置705向接地返回的高频电力形成为高频电力经由导电件751、阻抗可变机构9002向接地返回。在经由阻抗可变机构的返回路径，也能够调整以等离子体为基准的高频电力的返回路径中的阻抗，并且能够抑制等离子体状态的变化，将等离子体的特性的变化限制在容许范围内。作为能够调整返回路径中的阻抗的电极部，例如能够列举对基板保持装置705的第一基板保持装置704进行支承的导电性构件的环。
图7中示出不对第二基板保持装置705连接高频电源的情况的结构例。在该情况下，期望安装有传感器9001，该传感器9001能够对在靶电极102和第二基板保持装置705中感应出的直流或/和高频电压进行监视。期望传感器9001为能够同步地测定靶电极102的直流及高频电压和第二基板保持装置705的直流及高频电压的结构。通过这样，能够确认在靶电极102中感应出的直流或/和高频电压与在第二基板保持装置705中感应出的直流或/和高频电压之间的关系。更具体地说，能够确认在靶电极102中感应出的直流电压与在第二基板保持装置705中感应出的直流电压之间的关系。另外，能够确认在靶电极102中感应出的高频电压与在第二基板保持装置705中感应出的高频电压之间的相位差(电位的相位差)。并且，能够确认在靶电极102中感应出的高频电压的振幅与在第二基板保持装置705中感应出的高频电压的振幅之间的关系。通过使用这种结构，能够调整配置于阻抗可变机构(阻抗调整部)的可变电容器的电容，使避免第二基板保持装置705的阻抗在要被进行处理的各基板之间大幅地变动。因而，能够防止由纤锌矿型结构构成的外延膜的+c极性的比例在要被进行处理的每个基板发生变化，从而能够使品质稳定。
此外，在图7所示的基板保持装置的结构例中，使用环状的绝缘构件来作为基板支承部704a，但是也可以不是环状。例如，也可以将基板支承部704a设为没有形成开口部的板状的绝缘构件。不言而喻的是，在该情况下，将基板支承部以与加热器103之间具有规定的间隙(例如d1)的方式进行配置。但是，通过如本实施方式那样将基板支承部设为环状，能够将基板107与加热器103的基板对置面P以具有规定的间隙的方式进行配置，并能够使基板107暴露于加热器103。因而，能够有效地对基板107进行加热，因此将基板支承部设为环状是优选的方式。
另外，作为基板支承部704a中使用的绝缘构件，例如能够使用石英、蓝宝石、氧化铝、BN等。
基板保持装置703的结构可以使用图7所示的结构，也可以使用其它结构的基板保持装置。在本实施方式中重要的是，在形成III族氮化物半导体薄膜时，将基板以与加热器的基板对置面P分离规定距离的方式进行配置。在本实施方式中，将加热器的基板对置面P与基板之间的空间形成为间隙，但是认为在该间隙填充绝缘构件也能够得到同样的效果。因而，只要是能够将基板以与加热器的基板对置面P分离规定距离的方式进行配置的结构即可，并不限于图5的结构，可以使用任意结构的基板保持装置。例如，也可以在具有通过升降销的升降来进行基板交接的机构的装置的情况下，使用升降销来将基板保持在与加热器103的基板对置面P之间具有规定的间隙的位置。但是，在该情况下，膜从基板的外周与加热器103之间的间隙绕进去而附着于加热器103的基板对置面P，导致来自加热器103的辐射随时间经过而发生变化，因此本实施方式是期望的方式。
在上述的图6、图7的结构中，作为能够调整阻抗的电极部的基板保持装置705构成为对第一基板保持装置704进行支承的导电性构件的环。然而，也可以是在第一基板保持装置704的周围设置能够调整阻抗的导电性的环来作为电极部的结构。在该情况下，设置于第一基板保持装置704的外周部的电极部与阻抗可变机构(阻抗调整部)9002、9005、高频电源连接。期望的是，能够调整阻抗的电极部处于位于成膜位置的基板的外周部。并且，也可以为如下形状：在变更第一基板保持装置704的一部分的厚度而第一基板保持装置被配置于加热器103的基板对置面P的状态下，第一基板保持装置的背侧(与加热器103相对的一侧)与加热器103的基板对置面P之间为间隙d1，基板107与加热器103的基板对置面P之间为间隙d2。
另外，也可以在形成III族氮化物半导体薄膜之前，使用与图6所示的第二基板保持装置705连接的高频电源757来在基板附近产生等离子体，将附着于基板表面的水分、烃等成分去除。并且，关于加热器电极的结构，可以使用图4A、4B所示的任一个图案，也可以如上述那样使用其它结构的图案。
下面，参考附图来说明使用本发明的一个实施方式所涉及的溅射装置来形成具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜的成膜方法(外延形成方法)。在本实施方式中，通过具有以下的第一工序至第五工序的方法来在α-Al2O3基板上形成外延膜。此外，在本实施方式中，对具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜的成膜方法进行了说明，但是不言而喻的是，也可以在α-Al2O3基板上形成ZnO系半导体薄膜时应用本实施方式所涉及的成膜方法。
首先，作为第一工序(基板输送工序)，将基板107导入到通过排气机构110被保持为规定的压力的真空容器101中。此时，基板(α-Al2O3基板)107被未图示的输送机器人输送至加热器103的上部，并被载置于从加热器103突出的未图示的升降销的上部(基板输送)。之后，使保持着基板107的升降销下降，来将基板107配置于基板保持装置503。
接着，作为第二工序(基板加热工序)，对向内置于加热器103中的加热器电极203施加的电压进行控制，来将基板107保持为规定温度。此时，使用内置于加热器103中的热电偶(未图示)来监视加热器103的温度，或者使用设置于真空容器101的未图示的高温计来监视加热器103的温度，并进行控制，以使得这些温度变为规定的温度。
接着，作为第三工序，从气体导入机构109向真空容器101导入N2气体、稀有气体以及N2气体与稀有气体的混合气体中的任种气体，并利用质量流量控制器(未图示)和可调电导阀(未图示)将真空容器101的压力设定为规定的压力。
接着，作为第四工序，调整第二基板保持装置705的阻抗。在使用图6所示的基板保持装置的情况下，期望使用匹配箱9005来调整第二基板保持装置705的阻抗。另外，在使用图7所示的基板保持装置的情况下，期望使用阻抗可变机构9002来调整第二基板保持装置705的阻抗。在使用图6和图7所示的基板保持装置的情况下，期望安装有传感器9001，该传感器9001能够对在靶电极102中感应出的直流或/和高频电压以及在第二基板保持装置705中感应出的直流或/和高频电压进行监视。
期望传感器9001为能够同步地测定靶电极102的直流及高频电压和第二基板保持装置705的直流及高频电压的结构。通过这样，能够确认在靶电极102中感应出的直流或/和高频电压与在第二基板保持装置705中感应出的直流或/和高频电压之间的关系。更具体地说，能够确认在靶电极102中感应出的直流电压与在第二基板保持装置705中感应出的直流电压之间的关系。另外，能够确认在靶电极102中感应出的高频电压与在第二基板保持装置705中感应出的高频电压之间的相位差(电位的相位差)。并且，能够确认在靶电极102中感应出的高频电压的振幅与在第二基板保持装置705中感应出的高频电压的振幅之间的关系。通过使用这种结构，能够调整配置于阻抗可变机构9002的可变电容器的电容，以避免第二基板保持装置705的阻抗在要被进行处理的各基板之间大幅地变动。
此外，可变电容器的电容的调整可以在后述的第五工序(成膜工序)之前进行，但是也可以在第五工序(成膜工序)中进行可变电容器的电容的调整。在第五工序(成膜工序)之前进行可变电容器的电容的调整时，例如基于传感器9001的测定结果预先决定电容器电容的调整值以形成期望的电位的相位差即可。此外，为了应对电位的相位差随时间经过的变化，事先按规定的累积电力决定电容器电容的调整值即可。
作为其它的调整方法，在第五工序(成膜工序)中进行可变电容器的电容的调整时，例如一边调整电容器以形成期望的电位的相位差一边进行成膜即可。对阻抗调整装置(阻抗调整部)9002、9005的各电容器容量进行调整以使得由传感器9001测定出的波形成为例如图11那样即可。
最后，作为第五工序(成膜工序)，从高频电源106施加高频电力，来在靶108前面产生高频等离子体，等离子体中的离子溅射出构成靶108的元素，由此形成III族氮化物半导体薄膜。此外，在靶108使用金属靶的情况下，作为处理气体，优选使用N2气体或N2气体与稀有气体的混合气体。在该情况下，在靶108的表面、基板107的表面、靶108与基板107之间的空间中的至少一个区域中，构成金属靶的III族元素氮化，从而在基板上形成III族氮化物半导体薄膜。此外，在本实施方式中，与靶电极102连接的电源是高频电源106，但是也可以设为如下方式：将高频电源与直流电源并联连接，来在高频电力中叠加直流电力。在该情况下，期望在直流电源与靶电极102之间设置低通滤波器等，以避免向直流电源输入高频电力。
另外，在使用氮化物靶的情况下，优选使用N2气体、稀有气体、N2气体与稀有气体的混合气体中的任一种气体，溅射颗粒以原子或氮化物分子的形态从靶表面发射出。将从靶表面以原子形式发射出的III族元素在靶108的表面、基板107的表面、靶108与基板107之间的空间中的至少一个区域中氮化，从而在基板上形成III族氮化物半导体薄膜。另一方面，从靶表面发射出的氮化物分子的大部分到达基板并形成III族氮化物半导体薄膜。
从靶表面发射出的氮化物分子的一部分有可能在基板107的表面、或靶108与基板107之间的空间中发生解离，但是因解离而生成的III族元素至少在基板107的表面、靶108与基板107之间的空间中的至少一方再次被氮化，从而形成III族氮化物半导体薄膜。
期望第一工序中的规定的压力小于5×10-4Pa，如果规定的压力为5×10-4Pa以上，则氧等杂质混入到III族氮化物半导体薄膜的内部，从而难以得到良好的外延膜。另外，关于第一工序中的加热器103的温度，并不特别地进行限定，但是从生产率的观点考虑，期望事先设定为得到成膜时的基板温度所需要的温度。
从生产率的观点考虑，期望将第二工序中的规定的温度事先设定为第五工序中的成膜温度，另外，从生产率的观点考虑，期望将第三工序中的规定的压力设定为第五工序中的成膜压力。第二工序和第三工序可以以更换实施的时机的方式实施，也可以同时实施。另外，从生产率的观点考虑，期望将在第二工序中设定的温度和在第三工序中设定的压力至少保持到开始进行第五工序为止。
关于进行第五工序时的基板温度，期望使得为100℃～1200℃的范围内，更优选在400℃～1000℃的范围内。在小于100℃的情况下，容易形成混合有非晶质结构的膜，如果是高于1200℃的温度，则不形成膜本身，或者即使形成膜，也由于热应力而容易得到缺陷多的外延膜。另外，第五工序中的成膜压力期望被设定在0.1mTorr～100mTorr(1.33×10-2Pa～1.33×101Pa)的范围内，更优选设定在1.0mTorr～10mTorr(1.33×10-1Pa～1.33Pa)的范围内。
如果小于0.1mTorr(1.33×10-2Pa)，则高能粒子容易入射至基板表面，因此难以得到良好的III族氮化物半导体薄膜，如果是高于100mTorr(1.33×101Pa)的压力，则成膜速度变得非常慢，因此不是优选的。在开始进行第四工序时，还能够将真空容器101的压力暂时提高为成膜压力以上，来促进等离子体的产生。在该情况下，可以通过使处理气体中的至少一种气体的流量暂时增多并导入该气体来提高成膜压力，也可以通过使可调电导阀(未图示)的开度暂时减小来提高成膜压力。
并且，不言而喻，也可以在第一工序之前具有如下工序：将基板107输送至预处理室(未图示)，在成膜温度以上的温度下对基板107进行热处理、等离子处理。
(第一实施例)
作为本发明的第一实施例，对以下例子进行说明：使用本发明的一个实施方式所涉及的具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜的成膜方法来在α-Al2O3(0001)基板上形成AlN膜，更详细地说，使用溅射法，在对第二基板保持装置的阻抗进行了调整的状态下在通过基板保持装置以与加热器的基板对置面之间具有间隙的方式载置的α-Al2O3(0001)基板上形成具有纤锌矿型结构的AlN膜。此外，在本实施例中，使用与图1同样的溅射装置来形成AlN膜，加热器的结构使用与图2同样的结构，加热器电极的图案使用与图4A同样的图案，基板保持装置使用与图5同样的基板保持装置，保持器支承部使用与图6同样的保持器支承部。图6中的匹配箱9005的电路图为图14A的电路图。另外，将图5中的基板支承部704a与加热器103的基板对置面P之间的间隙d1设为1mm，将图5中的基板107与加热器103的基板对置面P之间的间隙d2设为2mm。
在本实施例中，首先，通过第一工序将α-Al2O3(0001)基板输送至被保持为1×10- 4Pa以下的真空容器101中，并将该α-Al2O3(0001)基板配置于基板保持装置703，通过第二工序将基板保持为作为第五工序的成膜温度的550℃。此时，加热器103进行控制，以使得加热器103中内置的热电偶的监视值成为750℃。接着，通过第三工序，将N2与Ar的混合气体以成为N2/(N2+Ar)：20％的方式导入，将真空容器101的压力设定为作为第五工序的成膜压力的3.75mTorr(0.5Pa)。接着，使用图14A中的匹配箱9005，该匹配箱9005具有C1为219pF～1370pF的可变电容器、C2为80.5pF～480pF的可变电容器、C3为4.7pF的固定电容器、L2为0.886μH的线圈以及L1为0.35μH的线圈。首先，最初，将C1设定为1370pF，将C2设定为144.42pF。在该状态下，通过第五工序，从高频电源106向由金属Al构成的靶108施加2000W的高频电力，通过溅射法来在基板上形成了膜厚为50nm的AlN膜。各个可变电容器的调整值是基于传感器9001的测定结果预先决定的值。
图11中示出此时由传感器9001测定出的在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系。此外，图11示出为了以易于理解现象的方式进行说明而用正弦波形表示该现象的图表，但是并不局限于用正弦波形来测量。此外，在图11中，电压VTGT是在靶电极中感应出的电压，电压VHOLD是在第二基板支承装置中感应出的电压。另外，图11中的电压波形是将高频电压与直流电压叠加来进行表示的。
如根据图11可知的那样，在靶电极中感应出的高频电压与在第二基板支承装置中感应出的高频电压成为大致反相的关系。另外，在靶电极中感应出的直流电压为-20V左右，在第二基板支承装置中感应出的直流电压为-150V左右。并且，在靶电极中感应出的高频电压的振幅为570V左右，在第二基板支承装置中感应出的高频电压的振幅为400V左右。
此外，关于本实施例中的成膜温度是利用嵌入有热电偶的α-Al2O3(0001)基板预先进行基板温度测定、并基于此时的α-Al2O3(0001)基板的温度与内置于加热器中的热电偶的监视值即加热器的温度之间的关系来设定的。
在本实施例中，针对所制作出的AlN膜，通过对称反射位置处的2θ/ω扫描模式的X射线衍射(XRD)测定、针对对称面的ω扫描模式下的XRC测定、面内(In-plane)配置中的φ扫描模式的XRC测定、以及同轴正碰撞离子散射光谱(CAICISS：Coaxial Impact CollisionIon Scattering Spectroscopy)测定来进行评价。在此，对称反射位置处的2θ/ω扫描模式的XRD测定用于确认结晶取向，针对对称面的ω扫描模式下的XRC测定和面内配置中的φ扫描模式下的XRC测定分别用于评价倾斜的镶嵌度和扭转的镶嵌度。另外，CAICISS测定作为极性的判定手段来使用。
首先，当针对在本实施例中制作出的AlN膜将测定范围设为2θ＝20°～60°的范围来进行对称反射位置处的2θ/ω扫描模式的XRD测定时，只观测到AlN(0002)面的衍射峰和α-Al2O3(0006)面的衍射峰，观测不到表示AlN的其它晶格面的衍射峰。由此可知，所得到的AlN膜进行了c轴取向。
接着，对本实施例所涉及的AlN膜进行针对对称面的ω扫描模式下的XRC测定。此外，在测定时使用AlN(0002)面。在将检测器设为开放检测器状态的情况下，所得到的XRC曲线的FWHM为450arcsec以下，在将晶体分析仪插入到检测器中的情况下，所得到的XRC曲线的FWHM为100arcsec以下，能够确认出所制作出的AlN膜中的倾斜的镶嵌度非常小。另外，根据制作条件的不同，在将晶体分析仪插入到检测器中的情况下的XRC测定中，还能够得到FWHM为20arcsec以下的XRC曲线。
此外，将检测器设为开放检测器状态的情况是本来的XRC测定，但是在如本实施方式那样是膜厚较薄的试样的情况下，XRC曲线的FWHM因膜厚效应、晶格弛豫而变宽，从而难以正确地对镶嵌度进行评价。因此，近年来，如上述那样将晶体分析仪插入到检测器中的情况也被作为广义上的XRC测定来进行处理。下面，只要没有特别说明，则在XRC测定中都使用开放检测器状态。
接着，针对本实施例所涉及的AlN膜，在面内配置下进行φ扫描模式的XRC测定。此外，在测定时使用AlN{10-10}面。在所得到的XRC曲线中，以60°为间隔出现六个衍射峰，能够确认AlN膜具有六重对称性、即外延生长出AlN膜。另外，可知：基于最大强度的衍射峰求出的FWHM为2.0°以下，所制作出的AlN膜的扭转的镶嵌度比较小。此外，当对α-Al2O3(0001)基板的面内结晶方位与AlN膜的面内结晶方位进行比较时，能够确认AlN膜的a轴相对于α-Al2O3(0001)基板的a轴在面内旋转了30°。这表示以使AlN膜在α-Al2O3(0001)基板上外延生长时的一般的外延关系形成了AlN膜。
图10是针对本实施例所涉及的AlN膜的CAICISS测定结果。在本测定中，从AlN[11-20]方位改变入射角度地检测Al信号，可知在入射角度为70°附近的峰以单一的形状获得。这表示所得到的AlN膜大致为+c极性(Al极性)。
此外，CAICISS测定不适合于检测微量的极性反转。即，在以+c极性为主的AlN膜中局部混合有-c极性的情况下，有可能不能检测出-c极性。因此，在使用已知-c极性的蚀刻速率比+c极性的蚀刻速率快的NaOH溶液进行蚀刻处理之后，几乎不形成凹坑。因此，认为在所得到的AlN膜中几乎没有形成-c极性。
接着，使用虚设基板，以与上述同样的条件连续地进行溅射处理，在累积电力为100kWh左右的时间点，再次在α-Al2O3(0001)基板上形成AlN膜。图12中示出此时由传感器9001测定出的在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系。
如根据图12可知的那样，在靶电极中感应出的高频电压与在第二基板支承装置中感应出的高频电压为大致同相的关系。另外，在靶电极中感应出的直流电压为-90V左右，在第二基板支承装置中感应出的直流电压为+20V左右。在通过CAICISS来对以这种状态得到的AlN膜进行测定时，可知大致为+c极性。另外，在使用NaOH溶液进行蚀刻处理之后，确认出比较多的凹坑。因此，认为所得到的AlN膜整体上为+c极性，但是局部混合有-c极性。认为这是由于第二基板支承装置的阻抗因第二基板支承装置中堆积了AlN膜而随时间经过发生变化所引起的。
之后，在一边使C1和C2变化一边由传感器9001调查在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系之后，通过将C1设定为1370pF、将C2设定为142.42pF，能够得到与图11大致同样的状态。在该状态下形成AlN膜之后，可知形成了如下的AlN膜：在CAICISS测定中，被判定为大致为+c极性，在使用NaOH溶液进行的蚀刻处理中，几乎确认不出凹坑，即形成了几乎不混合有-c极性的AlN膜。即，通过调整了匹配箱9005的C1、C2，而能够得到与在图11的状态下得到的AlN膜同样的AlN膜。因此，能够提高AlN膜的极性的再现性。
此外，在本实施例中，说明了在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压为反相的情况、以及在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压为同相的情况，但是并不限定于此。例如，在将C1设为995.93pF、将C2设为140.43pF的情况下，可知在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压随着反复进行AlN膜的形成而从与图11同样的状态向图13的状态变化。在图13中，在第二基板支承装置中感应出频率为在靶电极中感应出的高频电压的频率的大致成倍的高频电压。在这种情况下，也能够使用与上述同样的方法来恢复为图11的状态。即，能够提高AlN膜的极性的再现性。
基于以上的内容，本实施例所涉及的AlN膜成为+c极性(Al极性)且倾斜的镶嵌度非常小的c轴取向外延膜，并且通过利用匹配箱调整第二基板支承装置的阻抗，能够得到AlN膜的极性的稳定性。即，根据本发明明确可知的是，能够降低倾斜的镶嵌度和扭转的镶嵌度，并能够再现性良好地得到+c极性的III族氮化物半导体薄膜。
(第一比较例)
作为本发明的第一比较例，对在不进行本发明中特征性的第二基板支承装置的阻抗的调整的情况下使用溅射法在α-Al2O3(0001)基板上形成AlN膜的例子进行说明。此外，在本比较例中，关于AlN膜，除了不进行第二基板支承装置的阻抗的调整以外，使用与第一实施例相同的溅射装置、加热器以及加热器电极。另外，AlN膜的成膜条件也使用与第一实施例相同的条件。
在本比较例中，确认出最初形成的AlN膜通过使用NaOH溶液进行的蚀刻处理而成为凹坑少的AlN膜。另一方面，确认出在累积电力超过100kWh时形成的AlN膜通过使用NaOH溶液进行的蚀刻处理而成为具有比较多的凹坑的AlN膜。并且确认出，在不进行使用匹配箱的阻抗调整的情况下多次形成AlN膜之后，通过利用NaOH溶液进行的蚀刻处理而成为具有更多凹坑的AlN膜。
基于以上的内容，在不调整第二基板支承装置的阻抗的情况下在α-Al2O3(0001)基板上形成了III族氮化物半导体薄膜的情况下，+c极性的再现性变差。
这样，本发明的主要特征在于，为了使III族氮化物半导体的+c极性的再现性良好而着眼于对设置在基板外周部的第二基板支承装置的阻抗进行调整，该特征是以往所没有的技术思想。
在本发明中，基于上述本发明特有的技术思想，将用于将基板以与加热器的基板对置面分离规定距离的方式进行配置的基板保持装置(基板支承部)设置于基板保持器，在形成III族氮化物半导体薄膜时使基板远离加热器的基板对置面。另外，对设置在基板外周部的第二基板支承装置的阻抗进行调整。通过这样，如上述的第一实施例和第一比较例所示的那样，能够良好地保持III族氮化物半导体薄膜的+c极性的再现性。
此外，在上述实施方式和实施例中，示出了只将基板导入真空容器中的情况，但是也可以使用托盘来导入基板，基于本发明的思想，在要将载置着基板的托盘配置于基板保持装置时，只要将基板和载置着基板的托盘以与加热器分离规定距离的方式进行配置即可。另外，也可以将基板支承部704a用为托盘来将基板导入。
并且，本发明人们发现，在使用Si(111)基板等基板材料的情况、形成氧化锌(ZnO)系半导体薄膜等薄膜材料的情况下，应用上述的技术思想不仅能够再现性良好地得到高品质的外延膜，而且是有效的。下面记述以下例子：使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法来在Si(111)基板上形成具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜的例子(第二实施例)；在不使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法的情况下在Si(111)基板上形成III族氮化物半导体薄膜的例子(第二比较例)；使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法来在α-Al2O3(0001)基板上形成具有纤锌矿型结构的ZnO系半导体薄膜的例子(第三实施例)；以及在不使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法的情况下在α-Al2O3(0001)基板上形成ZnO系半导体薄膜的例子(第三比较例)。
(第二实施例)
在本实施例中，使用通过氢氟酸处理将表面的自然氧化膜去除后的Si(111)基板，除此之外使用与第一实施例同样的方法/条件来形成具有纤锌矿型结构的AlN膜。但是，基于利用嵌入有热电偶的Si(111)基板预先进行的基板温度测定的结果来设定本实施例中的成膜温度(550℃)。
在本实施例中，关于Si(111)基板上形成的AlN膜，通过调整第二基板支承装置的阻抗而能够良好地保持处理后的基板之间的+c极性的再现性。
(第二比较例)
在本比较例中，不调整第二基板支承装置的阻抗，除此之外使用与第二实施例同样的方法/条件来在Si(111)基板上形成AlN膜。其结果可知，处理后的基板之间的+c极性的再现性变差。
(第三实施例)
在本实施例中，除了靶材料、处理气体、成膜温度以及膜厚以外，使用与第一实施例同样的方法/条件来在α-Al2O3(0001)基板上形成具有纤锌矿型结构的ZnO膜。将靶材料设为金属Zn，将处理气体设为O2与Ar的混合气体(O2/(O2+Ar)：25％)，将成膜温度设为800℃，将膜厚设为100nm。
本实施例所涉及的ZnO膜是与III族氮化物半导体同样的晶体结构(纤锌矿型结构)，并且形成为与III族氮化物半导体同样的c轴取向的外延膜，其极性为+c极性(Zn极性)。另外，通过调整第二基板支承装置的阻抗，能够良好地保持处理后的基板之间的+c极性的再现性。
另外，当使用由Mg-Zn合金构成的靶来代替金属Zn靶、并通过本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法形成具有纤锌矿型结构的添加有Mg的ZnO膜(以下为MgZnO膜)时，与ZnO膜同样地，能够得到+c极性且结晶性优异的MgZnO膜。另外，通过调整第二基板支承装置的阻抗，能够良好地保持处理后的基板之间的+c极性的再现性。
(第三比较例)
在本比较例中，不调整第二基板支承装置的阻抗，除此之外使用与第三实施例同样的方法/条件来在α-Al2O3(0001)基板上形成ZnO膜。本比较例所涉及的ZnO膜与第三实施例同样，能够以c轴取向的外延膜得到，但是可知处理后的基板之间的+c极性的再现性变差。
此外，当使用Si(111)基板实施与第三实施例同样的实验时，在Si(111)基板上也能够再现性良好地得到+c极性的ZnO系半导体薄膜。另外，当使用Si(111)基板实施与第三比较例同样的实验时，可知在所得到的ZnO系半导体薄膜中，处理后的基板之间的+c极性的再现性变差。
(第四实施例)
在本实施例中，对使用图7所示的保持器支承部的结构例来在α-Al2O3(0001)基板上形成AlN膜的例子进行说明。将图7中的阻抗可变机构9002的电路图设为图14B所示的结构。在本实施例中，使用图14B中的阻抗可变机构9002，该阻抗可变机构9002具有C1为219pF～1370pF的可变的电容器、C2为80.5pF～480pF的可变的电容器、C3为4.7pF的固定电容器、L2为0.886μH的线圈以及L1为0.35μH的线圈。首先，最初，将C1设定为1370pF，将C2设定为144.42pF，在与实施例1同样的条件下形成了AlN膜。各个可变电容器的调整值是基于传感器9001的测定结果预先决定的值。此时由传感器9001测定出的在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系与图11相同。
如根据图11可知的那样，在靶电极中感应出的高频电压与在第二基板支承装置中感应出的高频电压成为大致反相的关系。另外，在靶电极中感应出的直流电压为-20V左右，在第二基板支承装置中感应出的直流电压为-150V左右。在通过CAICISS对在这种状态下得到的AlN膜进行测定之后，可知该AlN膜大致为+c极性。另外，在利用NaOH溶液对所得到的AlN膜进行蚀刻处理之后，几乎不形成凹坑。因此，认为在所得到的AlN膜中几乎没有形成-c极性。
接着，使用虚设基板，以与上述同样的条件连续地进行溅射处理，在累积电力超过100kWh左右的时间点，再次在α-Al2O3(0001)基板上形成AlN膜。此时由传感器9001测定出的在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系与图12相同。
如根据图12可知的那样，在靶电极中感应出的高频电压与在第二基板支承装置中感应出的高频电压成为大致同相的关系。另外，在靶电极中感应出的直流电压为-90V左右，在第二基板支承装置中感应出的直流电压为+20V左右。在通过CAICISS对在这种状态下得到的AlN膜进行测定之后，可知该AlN膜大致为+c极性。另外，在利用NaOH溶液进行蚀刻处理之后，确认出比较多的凹坑。因此，认为所得到的AlN膜虽然整体上为+c极性，但是局部混合有-c极性。认为这是由于第二基板支承装置的阻抗因第二基板支承装置中堆积了AlN膜而随时间经过发生变化所引起的。
之后，在一边使C1和C2变化一边由传感器9001调查在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系之后，通过将C1设定为1370pF、将C2设定为142.42pF，能够得到与图11大致同样的状态。在该状态下形成AlN膜之后，可知形成了如下的AlN膜：在CAICISS测定中，被判定为大致为+c极性，在使用NaOH溶液进行的蚀刻处理中，几乎确认不出凹坑，即形成了几乎不混合有-c极性的AlN膜。即，通过调整了阻抗可变机构的C1、C2，能够得到与在图11的状态下得到的AlN膜同样的AlN膜。因此，能够提高AlN膜的极性的再现性。
此外，在本实施例中，说明了在靶电极中感应出的电压与在第二基板支承装置中感应出的电压之间的关系随着反复进行成膜而从反相变为同相的情况，但是并不限定于此。例如，在将C1设为995.93pF、将C2设为140.43pF的情况下，有时在靶电极中感应出的电压和在第二基板支承装置中感应出的电压随着反复进行AlN膜的形成而从与图11同样的状态向与图13同样的状态变化。在图13中，在第二基板支承装置中感应出频率为在靶电极中感应出的高频电压的频率的大致成倍的高频电压。在这种情况下，也能够使用与上述同样的方法来恢复为图11的状态。即，能够提高AlN膜的极性的再现性。
(第五实施例)
在本实施例中，使用通过上述的实施例得到的AlN膜来制作半导体发光元件和半导体电子元件。其结果，在通过本发明的成膜方法制造的半导体发光元件之间以及半导体电子元件之间能够得到稳定的品质。另外，使用所制造出的半导体发光元件来制作照明装置的情况也能够得到稳定的品质。
此外，本发明所涉及的成膜方法中能够使用的基板不限定于α-Al2O3(0001)基板和Si(111)基板。
例如，虽然α-Al2O3(0001)基板、Si(111)基板与III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜之间具有外延关系，但是在该基板表面不具有能够对该III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜等的极性进行控制的这种晶体信息。在本说明书中，将这种基板记载为具有非极性表面的基板。
因此，如果不使用本发明所涉及的成膜方法那样的能够对具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜的极性进行控制的成膜方法，则难以在具有非极性表面的基板上得到+c极性的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜。然而，通过使用本发明所涉及的成膜方法，在具有非极性表面的基板上也能够形成+c极性的具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜。
作为这种具有非极性表面的基板，存在锗(Ge)(111)基板、表面形成有(111)取向的SiGe外延膜的Si(111)基板、形成有(111)取向的掺杂有碳(C)的Si(111)外延膜的Si(111)基板等。
另外，为了得到+c极性的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜，一般而言，经常使用具有被称作Si面的基板表面的4H-SiC(0001)基板、6H-SiC(0001)基板、具有被称作Ga面的基板表面的GaN(0001)基板等。具有上述面的上述基板与在基板上形成的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜之间具有外延关系，并且在基板表面具有能够将该III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜控制为+c极性的晶体信息。因此，具有以下特征：即使不使用能够对该III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜的极性进行控制的特殊的成膜技术，也能够容易地得到+c极性的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜。此外，将像这样与III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜之间具有外延关系且具有能够将该III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜控制为+c极性那样的晶体信息的基板设为具有有极性表面的基板。
在这些具有有极性表面的基板上，即使不使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法，也能够得到+c极性的存在比例高且较高品质的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜。但是，在使用这样的基板的情况下，通过使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法，能够得到更高品质的具有纤锌矿型结构的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜。
在使用上述具有有极性表面的基板的情况下，III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜等能够以大致单一的+c极性的外延膜得到。但是，特别是在生长初期等有时在局部少量地形成-c极性的区域(以下记载为反转畴区域)，该-c极性的区域有时形成反相畴界等缺陷并向上述薄膜表面传播。即，通过使用本发明的一个实施方式所涉及的成膜方法，进一步降低了这种反转畴的形成概率，从而进一步抑制了反相畴界等缺陷的形成，因此认为即使在使用具有有极性表面的基板的情况下也能够得到本发明的效果。
作为这种与III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜之间具有外延关系且具有非极性表面或有极性表面的基板的统称，设为使用外延生长用基板这样的术语。
本发明的主要特征在于，为了在外延生长用基板上使具有纤锌矿型的晶体结构的III族氮化物半导体薄膜、ZnO系半导体薄膜的+c极性的再现性良好而着眼于对设置在基板外周部的第二基板支承装置的阻抗进行调整，该特征是以往所没有的技术思想。

Claims (10)

1.一种成膜方法，使用真空处理装置通过溅射法来在基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜的外延膜，其中，该真空处理装置具备：
真空容器，其能够进行真空排气；
基板保持部，其用于将所述基板支承在所述真空容器内；
加热器，其能够将被保持在所述基板保持部的所述基板加热至任意的温度；
靶电极，其设置在所述真空容器内，能够安装靶；
高频电源，其经由所述靶电极向所述靶输入高频电力；
电极部，其配置在被保持在所述基板保持部的所述基板的周围，形成返回路径的一部分，该返回路径是从所述高频电源输入的高频电力向接地返回的路径；以及
阻抗调整部，其用于调整所述电极部的阻抗，
所述成膜方法的特征在于，包括以下工序：
基板输送工序，使所述基板以与所述加热器的基板对置面分离规定距离地保持的方式保持于所述基板保持部；
成膜工序，在被保持在所述基板保持部的所述基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜；以及
阻抗调整工序，在所述成膜工序时，调整所述阻抗调整部使得所述电极部的阻抗成为规定的值。
2.根据权利要求1所述的成膜方法，其特征在于，
还具有基板加热工序，在该基板加热工序中，利用所述加热器将通过所述基板输送工序保持于所述基板保持部的所述基板加热至任意的温度，
在所述成膜工序中，在通过所述基板加热工序加热后的所述基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜的外延膜。
3.根据权利要求2所述的成膜方法，其特征在于，
所述基板保持部以与所述基板的靠重力方向下侧的面抵接的状态保持所述基板。
4.一种真空处理装置，具备：
真空容器，其能够进行真空排气；
基板保持部，其用于将基板支承在所述真空容器内；
加热器，其能够将被保持在所述基板保持部的所述基板加热至任意的温度；
靶电极，其设置在所述真空容器内，能够安装靶；
高频电源，其经由所述靶电极向所述靶输入高频电力；
电极部，其配置在被保持在所述基板保持部的所述基板的周围，形成返回路径的一部分，该返回路径是从所述高频电源输入的高频电力向接地返回的路径；以及
阻抗调整部，其用于调整所述电极部的阻抗，
其中，所述基板保持部在所述真空容器内设置在所述靶电极的重力方向上，
所述真空处理装置的特征在于，进行以下工序：
基板输送工序，使所述基板以与所述加热器的基板对置面分离规定距离地保持的方式保持于所述基板保持部；
成膜工序，在被保持在所述基板保持部的所述基板上形成纤锌矿型结构的半导体薄膜；以及
阻抗调整工序，在所述成膜工序时，调整所述阻抗调整部使得所述电极部的阻抗成为规定的值。
5.根据权利要求4所述的真空处理装置，其特征在于，
所述基板保持部具备环状的绝缘构件，该环状的绝缘构件构成为支承所述基板的外周部分，
所述电极部是设置在所述基板保持部的外周部分的环状的导电性构件。
6.一种半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
具有根据权利要求1所述的成膜方法。
7.一种半导体发光元件，其特征在于，
具有通过根据权利要求1所述的成膜方法制作出的纤锌矿型结构的半导体薄膜的外延膜。
8.一种照明装置，其特征在于，
具备根据权利要求7所述的半导体发光元件。
9.一种半导体电子元件的制造方法，其特征在于，
具有根据权利要求1所述的成膜方法。
10.一种半导体电子元件，其特征在于，
具有通过根据权利要求1所述的成膜方法制作出的纤锌矿型结构的半导体薄膜的外延膜。
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