CN116057669A - 成膜装置及成膜方法 - Google Patents

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松中繁树
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Abstract

本发明提供一种能够以高生产率形成GaN膜的成膜装置及成膜方法。实施方式的成膜装置1包括：腔室20，能够使内部为真空；旋转台31，设置于腔室20内，保持工件10，以圆周的轨迹循环搬送工件10；GaN成膜处理部40A，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及将导入至所述靶与所述旋转台之间的溅射气体G1等离子体化的等离子体产生器，通过溅射使含有GaN及Ga的成膜材料的粒子堆积于由旋转台31循环搬送的工件10；以及氮化处理部50，使在GaN成膜处理部40A中堆积的成膜材料的粒子在由旋转台31循环搬送的工件10氮化。

Description

成膜装置及成膜方法
技术领域
本发明涉及一种成膜装置及成膜方法。
背景技术
GaN(氮化镓：Gallium Nitride)作为下一代的设备材料受到关注。例如，作为使用了GaN的设备，有发光设备、功率设备、高频通信设备等。此种GaN设备是通过在硅(Si)晶片、碳化硅(SiC)晶片、蓝宝石基板、玻璃基板形成GaN膜来制造。之前以来，GaN的成膜是通过金属有机-化学气相沉积(metal organic chemical vapor deposition，MO-CVD)法进行。MO-CVD法是通过在经加热的基板上利用载气搬运包含有机金属的材料气体并使材料在高温下分解、进行化学反应的化学气相沉积而使膜析出的成膜法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2015-103652号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，利用MO-CVD法进行的GaN的成膜如以下那样在生产率上存在问题。首先，镓(Ga)在常温常压下为液体，但为了抑制Ga的蒸发且使Ga与氮(N)反应，大量需要处理中所使用的NH3气体。因此，材料的使用效率差。进而，材料气体的处理困难，难以稳定地维持装置的状态，因此成品率差。MO-CVD法为了将NH3气体完全分解，需要1000℃水平的高温处理，需要高输出的加热装置，从而成本变高。另外，在处理时处理气体中所包含的氢(H)会被掺入至所成膜的GaN膜中，因此需要脱氢处理等多余的工序。
本发明是为了解决如上所述的课题而提出，其目的在于提供一种能够以高生产率形成GaN膜的成膜装置及成膜方法。
解决问题的技术手段
为了实现所述目的，本实施方式的成膜装置包括：腔室，能够使内部为真空；旋转台，设置于所述腔室内，保持工件，以圆周的轨迹循环搬送所述工件；GaN成膜处理部，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及将导入至所述靶与所述旋转台之间的溅射气体等离子体化的等离子体产生器，通过溅射使含有GaN的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件；以及氮化处理部，使在所述GaN成膜处理部中堆积的所述成膜材料的粒子在由所述旋转台循环搬送的所述工件氮化。
本实施方式的成膜方法在能够使内部为真空的腔室内，通过旋转台保持工件并以圆周的轨迹循环搬送工件，同时在所述工件成膜，且所述成膜方法包括：GaN成膜处理，GaN成膜处理部通过溅射使含有GaN的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件，所述GaN成膜处理部具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及将导入至所述靶与所述旋转台之间的溅射气体等离子体化的等离子体产生器；以及氮化处理，氮化处理部使在所述GaN成膜处理部中堆积的所述成膜材料的粒子在由所述旋转台循环搬送的所述工件氮化。
发明的效果
根据本发明的实施方式，可提供一种能够以高生产率形成GaN膜的成膜装置及成膜方法。
附图说明
[图1]是示意性地表示实施方式的成膜装置的结构的透视平面图。
[图2]是图1中的A-A剖视图，且是从图1的实施方式的成膜装置的侧面观察到的内部结构的详细图。
[图3]是利用实施方式的成膜装置进行的处理的流程图。
[图4]是示意性地表示实施方式的变形例的透视平面图。
[图5]是示意性地表示实施方式的变形例的透视平面图。
[图6](A)是表示发光二极管(Light Emitting Diode，LED)的层结构的一例的剖视图，(B)是缓冲层的放大剖视图。
具体实施方式
参照附图对成膜装置的实施方式进行详细说明。
[概要]
图1所示的成膜装置1是通过溅射在作为成膜对象的工件10上形成GaN(氮化镓：Gallium Nitride)膜、AlN(氮化铝：Aluminum Nitride)膜的装置。工件10例如是硅(Si)晶片、碳化硅(SiC)晶片、蓝宝石基板、玻璃基板。
成膜装置1具有：腔室20、搬送部30、成膜处理部40、氮化处理部50、加热部60、移送室70、预备加热室80、冷却室90、控制装置100。腔室20为能够使内部为真空的容器。腔室20为圆柱形状，其内部被分成多个分区。成膜处理部40由分隔部22划分，配置于呈扇状分割的两个分区。在配置成膜处理部40的分区以外的分区，配置有氮化处理部50及加热部60。
关于成膜处理部40，一个分区为使用含有GaN的材料作为靶42形成GaN膜的GaN成膜处理部40A，另一个分区为使用含有Al的材料作为靶42形成Al膜的Al成膜处理部40B。工件10通过在腔室20内沿着周向环绕几圈，交替地巡回穿过GaN成膜处理部40A及氮化处理部50，在工件10上交替地重复GaN膜的形成与Ga的氮化，从而所期望的厚度的GaN膜生长。
另外，工件10通过在腔室20内沿着周向环绕几圈，交替地巡回穿过Al成膜处理部40B及氮化处理部50，在工件10上交替地重复Al膜的形成与Al的氮化，从而所期望的厚度的AlN膜生长。如此，重复GaN膜的成膜与AlN膜的成膜，GaN膜与AlN膜交替地层叠。
再者，在使用含有GaN的材料作为靶42的同时进一步设置氮化处理部50是基于以下的理由。即，Ga由于熔点低、在常温常压下为液体状态，因此为了制成固体的靶42，需要含有氮(N)。因此，也可考虑单纯地增多靶42的氮含量，仅利用靶42的溅射来成膜。
此处，为了提高成膜速率，与射频(Radio Frequency，RF)放电相比，直流(DirectCurrent，DC)放电溅射优选。但是，若靶42中包含较多的氮，则表面会成为绝缘物。如此，在表面成为绝缘物的靶42中，会产生不产生DC放电的情况。
即，GaN的靶42中可包含的氮量存在极限，靶42中的Ga的氮化停留于不充分的状态。即，含有GaN的靶42中包含与N(氮)原子的键结缺损的Ga原子。
另外，当向导入至成膜处理部40的溅射气体中添加氮气进行溅射时，靶42的表面被氮化，表面成为绝缘物。因此，为了弥补不足的氮，GaN成膜处理部40A无法向溅射气体中添加氮气。另一方面，若在所成膜的GaN膜中氮含量少而有氮缺陷，则膜的结晶性变差，平坦性受损。因此，在由GaN成膜处理部40A成膜的GaN膜中，为了填补不足的氮，在利用GaN成膜处理部40A进行的成膜后，进一步由氮化处理部50进行氮化。
[腔室]
如图2所示，腔室20是由圆盘状的顶部20a、圆盘状的内底面20b、及环状的内周面20c包围来形成。分隔部22为从圆柱形状的中心呈放射状地配设的方形的壁板，且从顶部20a朝内底面20b延长，未到达内底面20b。即，在内底面20b侧确保圆柱状的空间。
在所述圆柱状的空间中配置有搬送工件10的旋转台31。分隔部22的下端空开载置于旋转台31的工件10所穿过的间隙，与旋转台31中的工件10的载置面相向。通过分隔部22将利用成膜处理部40进行工件10的处理的处理空间41划分。另外，通过氮化处理部50的后述的筒状体51将处理空间59划分。即，成膜处理部40、氮化处理部50分别具有小于腔室20且彼此远离的处理空间41、处理空间59。通过分隔部22，可抑制成膜处理部40的溅射气体G1向腔室20内扩散。另外，通过氮化处理部50的筒状体51，可抑制工艺气体G2向腔室20内扩散。
另外，如后述那样，在成膜处理部40及氮化处理部50中，在处理空间41、处理空间59中生成等离子体，但只要调整被划分成比腔室20小的空间的处理空间41、处理空间59内的压力即可，因此可容易地进行压力调整，可使等离子体的放电稳定化。因此，只要可获得所述效果，则在俯视时，最低有夹着成膜处理部40的两个分隔部22即可。
再者，在腔室20设置有排气口21。在排气口21连接有排气部23。排气部23具有配管及未图示的泵、阀等。通过经由排气口21的利用排气部23进行的排气，可对腔室20内进行减压来变成真空。为了将氧浓度抑制得较低，排气部23例如进行排气直至真空度成为10-4Pa为止。
[搬送部]
搬送部30具有旋转台31、马达32及保持部33，沿着作为圆周的轨迹的搬送路径L循环搬送工件10。旋转台31具有圆盘形状，以不与内周面20c接触的程度大幅度扩展。马达32将旋转台31的圆中心作为旋转轴，以规定的旋转速度连续地旋转。旋转台31例如以1rpm～150rpm的速度旋转。
保持部33为在旋转台31的上表面配设于圆周等配位置的槽、孔、突起、治具、固定器等，利用机械式夹头、粘着夹头来保持载置有工件10的托盘34。工件10例如呈矩阵状地排列配置于托盘34上，保持部33在旋转台31上以60°间隔配设六个。即，成膜装置1可对保持于多个保持部33的多个工件10总括地进行成膜，因此生产率非常高。再者，也可省略托盘34，将工件10直接载置于旋转台31的上表面。
[成膜处理部]
成膜处理部40生成等离子体，使包含成膜材料的靶42暴露于所述等离子体中。由此，使通过等离子体中所包含的离子碰撞靶42而被敲击出的成膜材料的粒子(以下，设为溅射粒子)堆积于工件10上来进行成膜。如图2所示，所述成膜处理部40包括：包含靶42、支承板43及电极44的溅射源；以及包含电源部46与溅射气体导入部49的等离子体产生器。
靶42为包含堆积于工件10上而成为膜的成膜材料的板状构件。构成本实施方式的GaN成膜处理部40A中的靶42的成膜材料是含有Ga及GaN的材料，靶42成为堆积于工件10的含有Ga原子的溅射粒子的供给源。由于如上所述那样氮的含量受限定，因此靶42含有GaN与氮缺乏的不完全的GaN、即与N(氮)的键结缺损的Ga原子。
另外，构成Al成膜处理部40B中的靶42的成膜材料是含有Al的材料，靶42成为堆积于工件10的含有Al原子的溅射粒子的供给源。再者，若为能够供给含有Ga原子的溅射粒子、含有Al原子的溅射粒子的溅射用的靶42，则即便不含有Ga、Al、N(氮)也被允许。
靶42在载置于旋转台31的工件10的搬送路径L上远离地设置。靶42的表面以与载置于旋转台31的工件10相向的方式，保持于腔室20的顶部20a。靶42例如设置三个。在俯视时，三个靶42设置于排列在三角形的顶点上的位置。
支承板43为保持靶42的支持构件。所述支承板43个别地保持各靶42。电极44为用于从腔室20的外部向各靶42各别地施加电力的导电性的构件，且与靶42电性连接。施加至各靶42的电力可各别地改变。此外，在溅射源中，视需要而适宜包括磁铁、冷却机构等。
电源部46例如为施加高电压的直流DC电源，且与电极44电性连接。电源部46经由电极44而向靶42施加电力。再者，旋转台31的电位与接地的腔室20相同，通过向靶42侧施加高电压而产生电位差。
如图2所示，溅射气体导入部49向腔室20导入溅射气体G1。溅射气体导入部49具有未图示的储气瓶等溅射气体G1的供给源、配管48、以及气体导入口47。配管48与溅射气体G1的供给源连接，气密地贯通腔室20并延长至腔室20的内部，其端部作为气体导入口47而开口。本实施方式的溅射气体导入部49以处理空间41成为0.3Pa以下、0.1Pa以上的方式向处理空间41导入溅射气体G1。
气体导入口47在旋转台31与靶42之间开口，向形成于旋转台31与靶42之间的处理空间41导入成膜用的溅射气体G1。作为溅射气体G1，可采用稀有气体，适宜的是氩(Ar)气等。溅射气体G1是不包含氮(N)的气体，且可设为氩(Ar)单一气体。
在此种成膜处理部40中，若从溅射气体导入部49导入溅射气体G1，电源部46经由电极44而向靶42施加高电压，则已导入至形成于旋转台31与靶42之间的处理空间41的溅射气体G1等离子体化，产生离子等活性种。等离子体中的离子与靶42碰撞而敲击出溅射粒子。在GaN成膜处理部40A中，与包含含有Ga与GaN的材料的靶42碰撞而敲击出含有Ga原子的溅射粒子。在Al成膜处理部40B中，与包含含有Al的材料的靶42碰撞而敲击出含有Al原子的溅射粒子。
另外，由旋转台31循环搬送的工件10穿过所述处理空间41。被敲击出的溅射粒子在工件10穿过处理空间41时堆积于工件10上，含有Ga原子的膜或含有Al原子的膜形成于工件10上。工件10由旋转台31循环搬送，并重复穿过所述处理空间41，由此进行成膜处理。再者，含有Ga的GaN膜的形成、含有Al的AlN膜的形成并非并行地进行，而是通过在形成其中一个膜后，形成另一个膜来进行。
[氮化处理部]
氮化处理部50在导入了包含氮气的工艺气体G2的处理空间59内生成感应耦合等离子体。即，氮化处理部50将氮气等离子体化而生成化学物种。所产生的化学物种中所包含的氮原子碰撞利用成膜处理部40在工件10上成膜的含有Ga原子的膜、含有Al原子的膜，而与含有Ga原子的膜中的和氮的键结缺损的Ga原子、含有Al原子的膜中的Al原子键结。由此，可获得无氮缺陷的GaN膜或AlN膜。
如图2所示，氮化处理部50具有等离子体产生器，所述等离子体产生器包括筒状体51、窗构件52、天线53、RF电源54、匹配箱55及工艺气体导入部58。
筒状体51为覆盖处理空间59的周围的构件。筒状体51为如图1及图2所示那样水平剖面为圆角长方形的筒，且具有开口。筒状体51以其开口远离地朝向旋转台31侧的方式，嵌入至腔室20的顶部20a，并朝腔室20的内部空间突出。所述筒状体51设为与旋转台31相同的材质。
窗构件52为与筒状体51的水平剖面大致相似形状的石英等介电体的平板。所述窗构件52以堵塞筒状体51的开口的方式设置，并将腔室20内的导入包含氮气的工艺气体G2的处理空间59与筒状体51的内部划分。窗构件52需要抑制由于氧流入至处理空间59而引起的氧化。例如，所要求的氧浓度非常低，而为1019(atom/cm3)以下。为了应对此情况，在窗构件52的表面实施保护涂敷。例如，通过在窗构件52的表面进行利用Y2O3(氧化钇)的涂敷，可在抑制等离子体对窗构件52的消耗的同时抑制来自窗构件52的表面的氧放出，而将氧浓度维持得低。
处理空间59在氮化处理部50中，形成于旋转台31与筒状体51的内部之间。由旋转台31循环搬送的工件10重复穿过所述处理空间59，由此进行氮化处理。再者，窗构件52也可为氧化铝等介电体，也可为硅等半导体。
天线53为卷绕成线圈状的导电体，且配置于利用窗构件52而与腔室20内的处理空间59隔离的筒状体51的内部空间，通过流入交流电流而产生电场。理想的是天线53配置于窗构件52的附近，以使从天线53产生的电场经由窗构件52而有效率地导入至处理空间59。在天线53连接有施加高频电压的RF电源54。在RF电源54的输出侧串联地连接有作为匹配电路的匹配箱55。匹配箱55使输入侧及输出侧的阻抗匹配，由此使等离子体的放电稳定化。
如图2所示，工艺气体导入部58向处理空间59导入包含氮气的工艺气体G2。工艺气体导入部58具有未图示的储气瓶等工艺气体G2的供给源、及配管57、气体导入口56。配管57与工艺气体G2的供给源连接，在气密地密封腔室20的同时贯通腔室20并延伸至腔室20的内部，其端部作为气体导入口56而开口。
气体导入口56向窗构件52与旋转台31之间的处理空间59开口，并导入工艺气体G2。作为工艺气体G2，可采用稀有气体，适宜为氩气等。
在此种氮化处理部50中，从RF电源54向天线53施加高频电压。由此，在天线53流动高频电流，通过电磁感应而产生电场。电场经由窗构件52而导入处理空间59内，在工艺气体G2产生感应耦合等离子体。此时，产生包含氮原子的氮的化学物种，利用碰撞工件10上的含有Ga原子的膜、含有Al原子的膜，而与Ga原子、Al原子键结。其结果，可增加工件10上的膜的氮含量，可形成无氮缺陷的GaN膜、AlN膜。
[加热部]
加热部60在腔室20内对由旋转台31循环搬送的工件10进行加热。加热部60具有设置于旋转台31的与工件10的搬送路径L相向的位置的加热源。加热源例如为卤素灯。加热温度例如优选为设为工件10被加热至500℃左右的温度。
[移送室]
移送室70为用于经由闸阀将工件10在腔室20搬入及搬出的容器。如图1所示，移送室70具有用来收容搬入至腔室20之前的工件10的内部空间。移送室70经由闸阀GV1与腔室20连接。虽然未图示，但在移送室70的内部空间中设置有搬送部件，所述搬送部件用于将搭载有工件10的托盘34在与腔室20之间搬入、搬出。移送室70通过未图示的真空泵等排气部件减压，利用搬送部件在维持腔室20的真空的状态下，将搭载有未处理的工件10的托盘34搬入至腔室20内，将搭载有处理完毕的工件10的托盘34从腔室20搬出。
在移送室70经由闸阀GV2连接有负载锁定部71。负载锁定部71为在维持移送室70的真空的状态下，通过未图示的搬送部件从外部将搭载有未处理的工件10的托盘34搬入至移送室70内，并将搭载有处理完毕的工件10的托盘34从移送室70搬出的装置。再者，负载锁定部71在利用未图示的真空泵等排气部件减压的真空状态、与被真空破坏的大气开放状态之间进行切换。
[预备加热室]
预备加热室80对搬入至腔室20内之前的工件10进行加热。预备加热室80包括与移送室70连接的容器，具有对搬入至移送室70之前的工件10进行加热的加热源。作为加热源，例如使用加热器或加热灯。作为预备加热的温度，优选为工件10被加热至300℃左右的温度。再者，预备加热室80与移送室70之间的托盘34的搬送是通过未图示的搬送部件进行。
[冷却室]
冷却室90对从腔室20内搬出的工件10进行冷却。冷却室90包括与移送室70连接的容器，具有对从移送室70搬出的托盘34上所搭载的工件10进行冷却的冷却部件。作为冷却部件，例如可应用吹附冷却气体的吹附部。冷却气体例如可使用来自溅射气体G1的供给源的Ar气体。作为要冷却的温度，优选为设为在大气中能够搬送的温度，例如30℃。再者，移送室70的搭载有处理完毕工件10的托盘34通过未图示的搬送部件被搬入至冷却室90。
[控制装置]
控制装置100对排气部23、溅射气体导入部49、工艺气体导入部58、电源部46、RF电源54、搬送部30、加热部60、移送室70、负载锁定部71、预备加热室80、冷却室90等构成成膜装置1的各种元件进行控制。所述控制装置100是包括可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)或中央处理器(Central Processing Unit，CPU)的处理装置，且存储有记述了控制内容的程序。
作为具体进行控制的内容，可列举：成膜装置1的初期排气压力、对于靶42及天线53的施加电力、溅射气体G1及工艺气体G2的流量、导入时间及排气时间、成膜时间、马达32的旋转速度等。由此，控制装置100能够应对多种多样的成膜规格。另外，控制装置100也对加热部60的加热温度、加热时间、预备加热室80的加热温度、加热时间、冷却室90的冷却温度、冷却温度等进行控制。
[动作]
接着，对由控制装置100控制的成膜装置1的动作进行说明。再者，如以下所述，利用成膜装置1进行成膜的成膜方法也为本发明的一实施例。图3是利用本实施方式的成膜装置1进行的成膜处理的流程图。所述成膜处理是在工件10上交替地层叠AlN膜、GaN膜，进而形成GaN层的处理。硅晶片或蓝宝石基板与GaN的结晶晶格不同，因此在直接形成GaN的膜的情况下，存在GaN的结晶性下降的问题。为了消除此种结晶晶格的失配，通过交替地层叠AlN膜、GaN膜，形成缓冲层，在所述缓冲层上形成GaN层。这可用于以下情况：例如在卧式的金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)或LED的制造中，在硅晶片上隔着缓冲层形成GaN层。
首先，腔室20内通过排气部23从排气口21排气，并始终减压至规定的压力。另外，在排气的同时，加热部60开始加热，旋转台31开始旋转，由此穿过加热部60的旋转台31被加热。通过来自被加热的旋转台31的辐射而腔室20内被加热。通过与排气一起进行加热，促进腔室20内的水分子或氧分子等残留气体的脱离。由此，在成膜时残留气体难以作为杂质混入，膜的结晶性提高。在利用Q-Mass等气体分析装置检测到腔室20内的氧浓度成为规定值以下之后，停止加热部60的加热，停止旋转台31的旋转。另外，在预备加热室80内，搭载于托盘34的工件10被预备加热至300℃左右(步骤S01)。
搭载有所预备加热的工件10的托盘34通过搬送部件被搬入至移送室70，经由闸阀GV1被依次搬入至腔室20内(步骤S02)。在所述步骤S02中，旋转台31使空的保持部33依次移动至从移送室70的搬入部位。保持部33分别各别地保持由搬送部件搬入的托盘34。如此，搭载有工件10的托盘34全部载置于旋转台31上。
加热部60再次开始加热，并且载置有工件10的旋转台31开始旋转，由此工件10被加热(步骤S03)。当经过通过模拟或实验等而预先获得的规定时间后，工件10被加热至500℃左右。再者，在加热时，为了更均匀地进行加热，使旋转台31以100rpm左右的比较快的速度旋转。
然后，通过交替地重复进行利用Al成膜处理部40B与氮化处理部50的AlN膜的成膜、和利用GaN成膜处理部40A与氮化处理部50的GaN膜的成膜来形成缓冲层。首先，利用Al成膜处理部40B及氮化处理部50在工件10上形成AlN膜(步骤S04)。即，溅射气体导入部49经由气体导入口47供给溅射气体G1。溅射气体G1被供给至包括Al的靶42的周围。电源部46向靶42施加电压。由此，使溅射气体G1等离子体化。通过等离子体而产生的离子碰撞靶42而敲击出含有Al原子的溅射粒子。
在未处理的工件10，在穿过Al成膜处理部40B时，形成在表面堆积了含有Al原子的溅射粒子的薄膜。在本实施方式中，每当穿过一次Al成膜处理部40B，便能够以在厚度方向上能够包含一个～两个Al原子的水平的膜厚进行堆积。
如此，通过旋转台31的旋转而穿过了Al成膜处理部40B的工件10穿过氮化处理部50，在所述过程中薄膜的Al原子被氮化。即，工艺气体导入部58经由气体导入口56来供给包含氮气的工艺气体G2。包含氮气的工艺气体G2被供给至由窗构件52与旋转台31夹着的处理空间59。RF电源54向天线53施加高频电压。
通过高频电压的施加而流动有高频电流的天线53所产生的电场经由窗构件52而导入处理空间59内。然后，利用所述电场，激发供给至所述空间的包含氮气的工艺气体G2而产生等离子体。利用等离子体而产生的氮的化学物种碰撞工件10上的薄膜，由此与Al原子键结，形成充分地氮化的AlN膜。
旋转台31持续旋转，直至规定厚度的AlN膜在工件10上成膜为止，即直至经过通过模拟或实验等而预先获得的规定时间为止。换言之，在形成规定厚度的AlN膜之前的期间，工件10在成膜处理部40与氮化处理部50中持续循环。再者，每当以原子级的膜厚堆积Al时优选为进行氮化，因此为了取得成膜与氮化的平衡，旋转台31的旋转速度设为50rpm～60rpm的比较慢的速度。
当经过规定的时间后，首先停止Al成膜处理部40B的运转。具体而言，停止利用电源部46向靶42的电压施加。
接着，利用GaN成膜处理部40A与氮化处理部50在工件10上形成GaN膜(步骤S05)。即，通过利用溅射气体导入部49向靶42的周围的溅射气体G1的供给、利用电源部46向靶42的电压的施加，使溅射气体G1等离子体化。利用等离子体而产生的离子碰撞靶42而敲击出含有Ga原子的溅射粒子。
由此，在AlN膜的表面形成含有Ga原子的溅射粒子堆积而成的薄膜。在本实施方式中，每当穿过一次成膜处理部40，便能够以能够包含一个～两个Ga原子的水平的膜厚进行堆积。
如此，通过旋转台31的旋转而穿过了GaN成膜处理部40A的工件10穿过氮化处理部50，在所述过程中薄膜的Ga原子被氮化。即，如上所述，利用等离子体而产生的氮的化学物种碰撞工件10上的薄膜，由此和与氮的键结缺损的Ga原子键结，形成无氮缺陷的GaN膜。
作为在工件10上形成规定厚度的GaN膜的时间，当经过了通过模拟或实验而获得的时间后，旋转台31首先停止成膜处理部40的运转。即，当经过了规定的时间后，停止GaN成膜处理部40A的运转。具体而言，停止利用电源部46向靶42的电压施加。重复如以上所述那样的AlN膜与GaN膜的形成，直至达到规定的层叠数为止(步骤S06否(Nо))。在达到规定的层叠数的情况下(步骤S06是(Yes))，结束缓冲层的形成。
进而，在缓冲层重叠地形成GaN层(步骤S07)。所述GaN层的形成与所述缓冲层中的GaN膜的形成同样地进行。但是，在成为作为GaN层而设定的规定厚度的时间内进行成膜。
在形成如以上那样的缓冲层、GaN层后，在如上所述那样停止GaN成膜处理部40A的运转之后，停止氮化处理部50的运转(步骤S09)。具体而言，停止利用RF电源54向天线53的高频电力的供给。然后，使旋转台31的旋转停止，利用搬送部件将载置有所成膜的工件10的托盘34经由移送室70搬入至冷却室90，在将工件10冷却至规定的温度之后，从负载锁定部71排出(步骤S09)。
再者，在所述说明中，氮化处理部50在缓冲层的成膜中(步骤S04～步骤S06)的期间持续运转，但也可每当步骤S04～步骤S06的各步骤结束时停止氮化处理部50的运转。在此情况下，在Al成膜处理部40B、GaN成膜处理部40A的运转停止后，停止氮化处理部50的运转。由此，在工件10所成膜的膜表面也可进行充分的氮化，可获得无氮缺陷的AlN膜、GaN膜。
[效果]
(1)本实施方式的成膜装置1包括：腔室20，能够使内部为真空；旋转台31，设置于腔室20内，保持工件10，以圆周的轨迹循环搬送工件10；GaN成膜处理部40A，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及将导入至靶42与旋转台31之间的溅射气体G1等离子体化的等离子体产生器，通过溅射使含有GaN的成膜材料的粒子堆积于由旋转台31循环搬送的工件10；以及氮化处理部50，使在GaN成膜处理部40A堆积的所述成膜材料的粒子在由旋转台31循环搬送的工件10氮化。
本实施方式的成膜方法在能够使内部为真空的腔室20内，通过旋转台31保持工件10并以圆周的轨迹循环搬送，同时在工件10进行成膜，且所述成膜方法包括：GaN成膜处理，GaN成膜处理部40A通过溅射使含有GaN的成膜材料的粒子堆积于由旋转台31循环搬送的工件10，所述GaN成膜处理具有包含含有GaN的成膜材料的靶42、及将导入至靶42与旋转台31之间的溅射气体G1等离子体化的等离子体产生器；以及氮化处理，氮化处理部50使在GaN成膜处理部40A中堆积的成膜材料的粒子在由旋转台31循环搬送的工件10氮化。
在本实施方式中，在腔室20内，对由旋转台31循环搬送的工件10进行利用溅射的成膜，由此能够以高生产率形成GaN膜。即，无需如MO-CVD法那样使用大量的NH3气体，在真空的腔室20内的有限的区域中流动溅射气体G1、工艺气体G2，使靶42的材料以原子级的膜厚堆积并氮化，因此材料的使用效率高。另外，由于不使用包含氢(H)的反应气体，因此不需要脱氢等多余的工序。另外，将容易处理的稀有气体导入至腔室20内即可，因此容易稳定地维持装置的状态，成品率变得良好。加热温度也为比较低的温度，而为500℃左右，因此加热装置所要求的输出也低。在腔室20内完成缓冲层与GaN层的一系列的成膜处理，因此在一系列的成膜中途在不同的腔室形成其他层，因此无需在腔室间移动，可在氧浓度同样低的环境下进行成膜。
另外，由于重复进行原子级的膜厚的成膜材料的层叠与氮化，因此与MO-CVD法相比较，尽管成膜时间短，也可形成结晶性高、表面的凹凸少的膜。
此处，示出对在以下的成膜条件下成膜的膜进行了评价的结果。
·工件：Si(111)基板
·旋转台的转速：60rpm
·向天线(氮化处理部)的高频的施加电力：4000W
·向溅射源的直流的施加电力：GaN成膜处理部800W～1500W、Al成膜处理部2000W～3500W(在包括两个溅射源的成膜处理部中，向各个溅射源的施加电力的值)
·成膜速率：GaN层0.28nm/sec AlN层0.43nm/sec
·成膜处理部的Ar气体流量：GaN成膜处理部80sccm Al成膜处理部45sccm
·氮化处理部的N2气体流量：30sccm
再者，在所述实施方式中不进行成膜中的加热。
对在工件上成膜的AlN膜3μm(No.1)、GaN膜3μm(No.2)、AlN膜5nm/GaN膜5nm的30层的层叠膜(No.3)、在AlN膜5nm/GaN膜5nm的30层的层叠膜上层叠了GaN膜3μm而成的层叠膜(No.4)进行了利用X射线衍射法的分析。其结果，膜表面的(002)面的、通过2θ/ω扫描获得的摇摆曲线的半值宽(°)示出了No.1为0.246，No.2为0.182，No.3为0.178，No.4为0.197。
一般而言，可以说半值宽越小，结晶方位的偏差越小，结晶性越高。在本实施方式中，可形成半值宽(2θ/ω)为0.2°以下的结晶性高的膜。另外，GaN系设备中所使用的GaN缓冲层的膜厚一般而言设为3μm～10μm，但MO-CVD法的成膜速率据说为数μm/h。本实施方式的成膜速率为相同程度，但进而可省略氢脱离工序，因此与MO-CVD法相比较可缩短成膜时间。另外，与MO-CVD法相比较，即便是低温成膜也可获得结晶性高的膜。
进而，若固体的靶42中包含较多的氮，则存在表面成为绝缘物的问题，从而靶42中无法包含较多的氮，包含与氮的键结缺陷的Ga原子。若使用此种靶42进行溅射，则会形成存在氮缺陷的GaN膜。但是，在本实施方式中，通过与GaN成膜处理部40A独立地设置氮化处理部50，即便靶42中包含与氮的键结缺陷的Ga原子，最终也可通过氮化处理部50增多氮含量而获得无氮缺陷的GaN膜。另外，在GaN成膜处理部40A中，不使用氮气，而可将溅射气体G1作为氩单一气体，通过与GaN成膜处理部40A分离的氮化处理部50使堆积于工件W的成膜材料的粒子氮化。因此，靶42的表面不会成为绝缘物，可使用DC放电来提高成膜速率。
(2)成膜装置1具有Al成膜处理部40B，所述Al成膜处理部40B具有包含含有Al的成膜材料的靶42，通过溅射使含有Al的成膜材料的粒子堆积于由旋转台31循环搬送的工件10，氮化处理部50使在Al成膜处理部40B中堆积的成膜材料的粒子在由旋转台31循环搬送的工件10氮化。
因此，例如，在使用硅等结晶晶格与GaN不同的工件10的情况下，利用GaN成膜处理部40A、Al成膜处理部40B及氮化处理部50形成作为交替地层叠了GaN膜及AlN膜而成的膜的缓冲层，由此可抑制GaN层的结晶性的下降。
另外，形成缓冲层之后，可在不暴露于大气中的情况下形成GaN层，因此缓冲层的最表面变质得到抑制，可防止在缓冲层上进一步成膜的GaN层的变质。另外，无需为了形成GaN层而移动至与缓冲层的成膜环境不同的环境，无需削减搬送时间或另外设置调整了氧浓度等的空间。
另外，在Al成膜处理部40B中，也不使用氮气，而可将溅射气体G1作为氩单一气体，通过与Al成膜处理部40B分离的氮化处理部50使堆积于工件W的成膜材料的粒子氮化。因此，靶42的表面不会成为绝缘物，可使用DC放电来提高成膜速率。
(3)成膜装置1具有对由旋转台31循环搬送的工件10进行加热的加热部60。由此，可形成结晶性更优异的膜。
(4)成膜装置1还具有对搬入至腔室20内之前的工件10进行加热的预备加热室80。通过利用预备加热室80预先对工件10进行加热，可缩短利用加热部60的加热时间，而提高生产率。
[变形例]
(1)在所述实施方式中，如图4所示，也可设置对所成膜的GaN膜添加n型或p型杂质(掺杂剂)的杂质添加处理部。在此情况下，在循环搬送的路径上以按照GaN成膜处理部、氮化处理部、杂质添加处理部的顺序排列的方式配置。杂质添加处理部包括与成膜处理部40A、成膜处理部40B的成膜处理部相同的结构。更具体而言，杂质添加处理部只要为如下所述即可：包括靶及等离子体产生器，所述靶包含含有n型杂质或p型杂质的成膜材料，所述杂质添加处理部通过对靶进行溅射，能够将包含成为杂质的离子的成膜材料的粒子(溅射粒子)添加至工件10上所堆积的膜。例如，可将具有包含含有Mg的成膜材料的靶42的Mg成膜处理部40C、具有包含含有Si的成膜材料的靶42的Si成膜处理部40D作为杂质添加处理部。Mg成膜处理部40C、Si成膜处理部40D除了包括靶42的材料以外，也包括与GaN成膜处理部40A相同的结构。即，Mg成膜处理部40C、Si成膜处理部40D包括：包含靶42、支承板43及电极44的溅射源；以及包含电源部46及溅射气体导入部49的等离子体产生器。
在此种实施例中，在GaN膜的成膜时，使Mg成膜处理部40C与GaN成膜处理部40A、氮化处理部50一起运转，由此可形成包含向GaN层中添加了Mg离子的p通道(p型半导体)的层。另外，在GaN膜的成膜时，使Si成膜处理部40D与GaN成膜处理部40A、氮化处理部50一起运转，由此可形成包含向GaN层中添加了Si离子的n通道(n型半导体)的层。
为了形成n通道、p通道，之前，在GaN膜的成膜后，通过离子束等离子注入装置注入Mg或Si的离子，并通过进行热处理来添加。但是，在此种方法中，由于是对成为规定膜厚的膜进行离子注入，因此注入深度、注入量(剂量)有时与设计值不同，不容易控制。根据本实施例，交替地重复GaN膜的堆积与Si离子或Mg离子的添加，直至GaN膜达到规定的膜厚为止。由此，根据向靶42施加的电力及旋转台31的旋转速度，与每当旋转一次所成膜的GaN层的膜厚相对应的Mg离子或Si离子的注入深度、注入量的控制变得容易。
另外，可在一个腔室20内进行缓冲层、GaN层、包含n通道的层、包含p通道的层的一系列的成膜。因此，无需为了形成n通道或p通道而移动至与GaN层的成膜环境不同的环境，无需削减搬送时间或另外设置调整了氧浓度的空间。
(2)除了所述实施例以外，如图5所示，作为成膜处理部40，也可具有InN成膜处理部40E，所述InN成膜处理部40E具有包含含有InN的成膜材料的靶42。铟(In)单体的熔点低，实际上为了制成固体的靶42，设为添加了氮(N)的InN靶。InN靶包含与氮的键结不充分的In原子，这与所述相同。
在此种实施例中，在GaN膜的成膜时，使InN成膜处理部40E与GaN成膜处理部40A、氮化处理部50一起运转，由此可形成InGaN膜。如图6(A)所示，所述InGaN膜作为LED的发光层14而发挥功能。图6(A)表示LED的层叠结构，在硅的工件10上层叠有缓冲层11、包含n通道的GaN层12、缓冲层11、包含p通道的GaN层13、发光层14、透明导电膜15。透明导电膜15是氧化铟锡(Indium Tin Oxid，ITO)膜。再者，关于电极，省略了图示。另外，图6(B)表示缓冲层11。
在此种实施例中，可在一个腔室20中进行LED中的缓冲层11、包含n通道的GaN层12、缓冲层11、包含p通道的GaN层13、发光层14的一系列的成膜。因此，无需为了形成发光层14而移动至与GaN层的成膜环境不同的环境，可削减搬送时间。或者，无需另外设置调整了氧浓度等的空间。进而，可根据发光层14的厚度改变颜色，但在所述实施例中，厚度的控制变得容易，因此颜色不同的发光层14的制作变得容易。
(3)对不同种类的材料进行成膜的成膜处理部中所使用的电源也可设为不同种类的电源。例如，也可将其中一个成膜处理部中所使用的电源设为DC电源，将另一个成膜处理部中所使用的电源设为包括脉冲开关的脉冲电源。在此情况下，在进行所述Mg离子的添加的情况下，也可将GaN成膜处理部40A中所使用的电源设为DC电源，将Mg成膜处理部40C中所使用的电源设为脉冲电源。或者在进行Si离子的添加的情况下，也可将GaN成膜处理部40A中所使用的电源设为DC电源，将Si成膜处理部40D中所使用的电源设为脉冲电源。特别是通过以短时间内接通基于脉冲波的大电力的方式设定脉冲宽度及电力以进行高功率脉冲磁控溅射(High Power Impulse Magnetron Sputtering，HiPIMS)，生成高密度等离子体，飞跃性地提高溅射粒子的离子化率，从而能够更有效率地进行粒子注入。
或者，对相同种类的材料进行成膜的成膜处理部中所使用的电源也可组合不同种类的电源，在规定的时机切换使用。例如，也可兼具DC电源与包括脉冲开关的脉冲电源，在规定的时机切换使用。在此情况下，在形成GaN膜时，也可在仅与基板或其他种类的膜相接的初始层使用脉冲电源，形成规定的膜厚后，切换至利用DC电源的成膜。
[其他实施方式]
虽然对本发明的实施方式及各部的变形例进行了说明，但所述实施方式或各部的变形例是作为一例而提示，并不意图限定发明的范围。所述这些新颖的实施方式能够以其他各种方式实施，可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形包含于发明的范围或主旨中，并且包含于权利要求所记载的发明中。
另外，在腔室20内设置的成膜处理部40的种类或数量、氮化处理部50的数量不限定于所述实施例。也可将成膜处理部40仅设为GaN成膜处理部40A而构成为形成GaN膜的成膜装置1。另外，除了所述成膜处理部40之外，也可追加利用与其不同种类的靶的成膜处理部40，或者追加利用相同种类的靶的成膜处理部，或者追加氮化处理部50。例如，也可追加具有包含成为ITO成膜材料的氧化铟及氧化锡的靶42的成膜处理部40，以在腔室20内形成ITO膜。在此情况下，也可在氮化处理部50中导入氧气来代替导入氮气，以弥补ITO膜的氧化。另外，例如也可使GaN成膜处理部40A、Al成膜处理部40B与氮化处理部50同时运转，以形成含有Ga、Al与N的AlGaN(Aluminum Gallium Nitride)膜。
另外，在杂质添加处理部中添加的n型杂质或p型杂质并不限定于所述实施方式。例如，作为n型杂质也可列举Ge或Sn。在此情况下，构成设置于杂质添加处理部的靶的成膜材料可应用包含Ge或Sn来代替Si的成膜材料。
符号的说明
1：成膜装置
10：工件
11：缓冲层
12：GaN层
13：GaN层
14：发光层
15：透明导电膜
20：腔室
20a：顶部
20b：内底面
20c：内周面
21：排气口
22：分隔部
23：排气部
30：搬送部
31：旋转台
32：马达
33：保持部
34：托盘
40：成膜处理部
40A：GaN成膜处理部
40B：Al成膜处理部
40C：Mg成膜处理部
40D：Si成膜处理部
40E：InN成膜处理部
41：处理空间
42：靶
43：支承板
44：电极
46：电源部
47：气体导入口
48：配管
49：溅射气体导入部
50：氮化处理部
51：筒状体
52：窗构件
53：天线
54：RF电源
55：匹配箱
56：气体导入口
57：配管
58：工艺气体导入部
59：处理空间
60：加热部
70：移送室
71：负载锁定部
80：预备加热室
90：冷却室
100：控制装置

Claims (12)

1.一种成膜装置，其特征在于包括：
腔室，能够使内部为真空；
旋转台，设置于所述腔室内，保持工件，以圆周的轨迹循环搬送所述工件；
GaN成膜处理部，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及将导入至所述靶与所述旋转台之间的溅射气体等离子体化的等离子体产生器，通过溅射使含有GaN的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件；以及
氮化处理部，使在所述GaN成膜处理部中堆积在由所述旋转台循环搬送的所述工件的所述成膜材料的粒子氮化。
2.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于
所述溅射气体为氩单一气体。
3.根据权利要求1或2所述的成膜装置，其特征在于
具有Al成膜处理部，所述Al成膜处理部具有包含含有Al的成膜材料的靶，通过溅射使含有Al的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件，
所述氮化处理部使在所述Al成膜处理部中堆积在由所述旋转台循环搬送的所述工件的所述成膜材料的粒子氮化。
4.根据权利要求3所述的成膜装置，其特征在于
所述GaN成膜处理部、所述Al成膜处理部及所述氮化处理部形成交替地层叠了GaN膜及AlN膜的膜。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的成膜装置，其特征在于
具有杂质添加处理部，所述杂质添加处理部通过溅射向在所述GaN成膜处理部中堆积于所述工件的含有GaN的成膜材料的粒子中添加n型杂质或p型杂质，
在所述循环搬送的路径上依次配置所述GaN成膜处理部、所述氮化处理部、所述杂质添加处理部。
6.根据权利要求5所述的成膜装置，其特征在于
所述杂质添加处理部为Mg成膜处理部，所述Mg成膜处理部具有包含含有Mg的成膜材料的靶，通过溅射使含有Mg的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件，
所述GaN成膜处理部、所述氮化处理部及所述Mg成膜处理部形成向GaN中添加了Mg的膜。
7.根据权利要求5所述的成膜装置，其特征在于
所述杂质添加处理部为Si成膜处理部，所述Si成膜处理部具有包含含有Si的成膜材料的靶，通过溅射使包含Si的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件，
所述GaN成膜处理部、所述氮化处理部及所述Si成膜处理部形成向GaN中添加了Si的膜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的成膜装置，其特征在于
具有InN成膜处理部，所述InN成膜处理部具有包含含有InN的成膜材料的靶，通过溅射使含有InN的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件，
所述GaN成膜处理部、所述氮化处理部及所述InN成膜处理部形成InGaN的膜。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的成膜装置，其特征在于
具有对由所述旋转台循环搬送的所述工件进行加热的加热部。
10.根据权利要求9所述的成膜装置，其特征在于
还具有对搬入至所述腔室内之前的所述工件进行加热的预备加热室。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的成膜装置，其特征在于
利用脉冲电源来施加向所述杂质添加处理部施加的电力。
12.一种成膜方法，在能够使内部为真空的腔室内，通过旋转台保持工件并以圆周的轨迹循环搬送工件，同时在所述工件成膜，且所述成膜方法的特征在于包括：
GaN成膜处理，GaN成膜处理部通过溅射使含有GaN的成膜材料的粒子堆积于由所述旋转台循环搬送的所述工件，所述GaN成膜处理部具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及将导入至所述靶与所述旋转台之间的溅射气体等离子体化的等离子体产生器；以及
氮化处理，氮化处理部使在所述GaN成膜处理部中堆积在由所述旋转台循环搬送的所述工件的所述成膜材料的粒子氮化。
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