JP2004523450A - Ｍ’ｎベース物質の生成装置及び生成方法 - Google Patents

Abstract

マイクロエレクトロニクス・デバイスや光エレクトロニクス・デバイス用に好ましく、エピタキシャル成長させる基板としても好ましく、高配向性の多結晶体のウインドウを形成するための、バルク状であって、低欠陥濃度の第ＩＩＩ族金属窒化物の単結晶体を形成するために、高い成膜速度のスパッタリング法が利用される。テンプレートにはエピタキシャル成長を導く成長面がある。第ＩＩＩ族金属ターゲットは、非熱電子／プラズマ注入装置を備えたスパッタリング装置を用いて強化プラズマ環境下でスパッタリングされ、第ＩＩＩ族金属ソース蒸気が生成する。第ＩＩＩ族金属ソース蒸気と、窒素含有ガスとを混合して、第ＩＩＩ族金属と窒素とからなる反応物蒸気種を生成する。反応物蒸気種は成長面の上に成膜され、単結晶Ｍ^ＩＩＩＮ層を形成する。テンプレートを除去し、直径約０．５インチ以上、厚さ５０μｍ以上の独立のＭ^ＩＩＩＮ単結晶体が得られる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、第ＩＩＩ族金属窒化物の生産物に関し、該生産物は、その後のプロセス、及び／又は、マイクロエレクトロニクスデバイス及びオプトエレクトロニクスデバイス用の基板等と同様の支持体なしの独立物（free-standing articles）として用いられる。特に、本発明は、強化スパッタ法に用いられる低欠陥濃度、単結晶体、及び高配向性多結晶体の生産物に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板自体の特性と異なるか、同等か、あるいはそれより優位な特性のうち所望の特性を得るために基板上に薄膜を成膜する技術は幅広く存在する。薄膜は、光学的、電気的、磁性的、化学的、機械的、及び熱的用途等の多くの用途に用いられている。光学用途では、反射／無反射用コーティング、干渉フィルタ、コンパクトディスク形態での記録媒体、それに導波路が含まれる。電気的用途では、絶縁デバイス、導電デバイス、及び半導体デバイス、さらに圧電デバイスが含まれる。磁性用途では、記録媒体が含まれる。化学的用途では、拡散又は合金化（例えば摩損（galling））に対するバリア、酸化や腐食に対する保護、及びガス又は液体センサ等が含まれる。機械的用途には、摩擦（耐摩耗）コーティング、所望の硬度又は粘着性を有するもの、及びマイクロメカニクスが含まれる。熱的用途には、バリア層及びヒートシンクが含まれる。
【０００３】
マイクロエレクトロニクスデバイス及び光学デバイスを作製する基板として、バルク体を用いることができる。窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、及びこれらの合金等の広いバンドギャップを有する半導体は、マイクロエレクトロニクス及び光学エレクトロニクスにおける潜在的な用途について研究されている。特に、これらの物質は、緑色、青色、さらに紫外光（ＵＶ）発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）等の短波長の光学用途、及び可視光及び太陽除け（solar-blind）ＵＶ光センサ用として好ましい。ＧａＮベースのＵＶ又は青色ＬＥＤを用いることによって、従来の光源に比べて高効率であって１０〜１００倍の寿命を有する半導体白色光源の作製の可能性が生まれた。さらに、ＧａＮは、電子速度の高いピークを有し、電子速度が高速で飽和している負の移動度の領域を有し、その領域は、高速スイッチング及びマイクロウエーブ部材を製造するために用いることができる。高い正孔濃度を有するＰ型不純物を添加したＧａＮ、ＡｌＧａＮは、現在容易に得られ、オーム接触及びショットキー接触は、ｎ型及びｐ型物質で特徴付けられる。そこで、多くの上記デバイスは、巨大な、技術的に重要な市場を現在持つか、あるいは潜在的に持っている。このような市場には、ディスプレイ技術、光記録技術、それに宇宙ベースの通信及び検出システムが含まれる。その他の用途には、高温マイクロエレクトロニクス、光学エレクトロニクスデバイス、圧電及び音響−光学変調器、負の電子親和力デバイス、及び、軍事用及び宇宙用の放射／ＥＭＰハードデバイスが含まれる。
【０００４】
低欠陥濃度の窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜をサファイアやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の基板上にヘテロエピタキシャル成長させる試みはある程度の成功をおさめた。これらの基板上にヘテロエピタキシャル成長させたＧａＮは、薄膜と基板との間の大きな格子不整合によって生じる、およそ１０^−８〜１０^−１０ｃｍ^−２程度の大きなスレッド欠陥（threading defects）濃度に悩まされる。スレッド欠陥によってダイオード及びＦＥＴ構造体への漏洩電流が増加し、スレッド欠陥は光検出器における重大なノイズ源として働く。その結果、高速、高感応性ＵＶ光検出器、高出力、高周波マイクロエレクトロニクスデバイス等の高機能デバイスには、現在限界がある。ＡｌＮ、ＧａＮ、及びその他の物質からなるバッファ層は、格子不整合（lattice mismatch）を減らすために用いられている。しかし、上記薄膜にはスレッド欠陥及び低角粒界（low angle grain boundaries）が残存している。上記薄膜と基板との熱膨張率差のためにストレスが薄膜内に生じる。
【０００５】
その結果、バルクのＧａＮ基板上にホモエピタキシャル成長させたＧａＮ薄膜は、大きな関心事である。ＧａＮ基板を使用することによって格子不整合や熱膨張不一致による問題を除外できる。残念なことに、従来の処理性能のためにＧａＮ基板の利用は制限される。この問題のためにＧａＮベースのデバイスや関連する窒化物系半導体の発展が妨げられている。エレクトロニクス用途及び他の用途のために、バルク、単結晶、多結晶、あるいはエピタキシャル膜のいずれでであろうと、第ＩＩＩ族元素の窒化物ベース物質の高品質のデバイスの製造及び商業化を成功させるにはいくつもの障害がある。これらの障害には、通常、コスト、再現性、それに純度がある。
【０００６】
例えば、窒化ガリウムは、窒素の高い平衡蒸気圧のために温度上昇に伴って分解してしまう。室温及び常圧における金属ガリウムへの窒素の溶解性は非常に低い。そのため、従来のＧａＮを成長させる結晶成長方法は現実的ではなかった。その結果、高温、高圧（１５ｋｂａｒ）での溶液成長、蒸発、及び昇華を含むいくつかのバルク成長方法が発展した。
【０００７】
現在、窒化アルミニウムや窒化ガリウムは、多結晶体、粉末、あるいは薄膜としてのみ存在する。窒化アルミニウムのバルク多結晶体は、粉末処理技術を用いて製造できる。この処理方法では、半導体グレードの単結晶体を作製できない。この方法には関連付けられたてごわい問題があり、純粋な窒化ガリウムを生成しようとすると、酸素フリーであって欠陥フリーの窒化ガリウムの焼結が生じる。これらの問題には、高純度で、しかも均一な粒子サイズの粉末という両方の問題が含まれている。高純度の粒子には、酸素やＹ_２Ｏ_３等のバインダを１％以下しか含まず、そのためには高濃度で窒化アルミニウムを製造する必要がある。そのため、コンタミネーションが生じることを犠牲にして高濃度が達成される。また、この窒化アルミニウム粉末の焼結処理は難しい処理である。窒化アルミニウムの共有特性（covalent nature）によって低温での純粋な窒化アルミニウムの焼きしまりが妨げられる。窒化アルミニウムは、約１６００℃の高温で分解するため、焼きしまりしない。そのため、高圧及び高不純物等の高価な焼結目的のためには、高濃度で生成する必要がある。窒化アルミニウムの粉末処理に関連する別の問題には、粉末の純度や無傷さを維持すること、高温での焼結温度での雰囲気や無欠陥の部分の生産物を制御することが含まれる。粉末処理方法によって、材料の光特性や熱特性において逆効果を生じる汚染が生じないように窒化アルミニウムを製造することは非常に難しい。これらの不純物は、結晶格子の構造の中に存在することがあり、焼結の間に粒界に移動し、その結果、赤外線吸収が高くなる。
【０００８】
以下に詳述するように、物理蒸着法（ＰＶＤ）であって、バルクの厚さがあり、デバイス品質の結晶体である低欠陥濃度の第ＩＩＩ族金属窒化物を製造するために利用できる強化スパッタリング法を見出したものである。マグネトロンスパッタリングは、従来の薄膜の成膜に関する方法である。スパッタリング合成の利点として、高純度のソース材料から直接に高純度の化合物を形成できるということが挙げられる。さらに、高度に制御された条件下で合成できる。窒素とアルミニウム等の第ＩＩＩ族金属は、マイクロ電子光学用の多くのソースから、超高純度グレード（例えば、９９．９９９９％）ですぐに利用することができる。スパッタリング合成は、スパッタリング雰囲気を超高真空条件に制御できることから、現在、バルクから水素を除外する最も有効な方法である。第ＩＩＩ族金属窒化物のスパッタリング合成によって、バルク特性に近い特性を有する材料を得ることができる。これは超高真空条件に置き換え可能なので、水素や酸素を材料から除去することができる。反応性スパッタリングでは、高濃度で高純度の材料を製造することができる利点があり、高品質の結晶材料を容易に生産できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来のマグネトロンスパッタリングには、バルク体の製造が困難であるといういくつかの欠点がある。これらの欠点には、望ましくないターゲット反応、移送限界、及び低成長速度などがある。マグネトロンスパッタリングの反応の間、カソードの表面上にマイクロアークを生じ、成膜された材料に不完全性を生じることがある。このプロセスに関連する別の問題として、ランダムに成長した絶縁層によってアノード全体が覆われる「アノード消失」現象がある。また、このプロセスに関連して、ターゲット表面への絶縁性の窒化物層の形成によって、ターゲットが「毒される」か、完全に絶縁性になるまで、カソードのインピーダンスが増加するという点で問題となる。この結果、ターゲットの窒化物化があまりに進んだ場合には、成膜速度が急激に減少し、ほとんどゼロになる。また、マグネトロンスパッタリングを用いてバルク結晶を成長させる場合には、側面への材料の損失が大きいため、材料移送が一つの問題となる。
【００１０】
本発明は、薄膜成長及びバルク成長に関連するこれらの問題やその他の問題を扱うものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る方法によって、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体を製造する。エピタキシャル成長を導く面を有するテンプレートを提供する。第ＩＩＩ族金属ターゲットを強化プラズマ雰囲気でスパッタリングして、第ＩＩＩ族金属ソース蒸気を生成する。第ＩＩＩ族金属ソース蒸気と、窒素含有ガスとを混合して、第ＩＩＩ族金属と窒素とからなる反応物蒸気種を生成する。反応物蒸気種を上記成長面に成膜して、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶層を生成する。テンプレートを除去して、直径約０．５インチ以上、厚さ約５０μｍ以上の独立したＭ^ＩＩＩＮ単結晶体を提供する。
【００１２】
本発明の方法は、新規なスパッタリング移送装置を提供することによって実施でき、それによって薄膜やバルク体の製造プロセスを発展させることができる。新規な移送装置によって、超高成膜速度、超高成長速度を実現でき、厚い膜を成長させることができ、製造プロセスにおけるスループットを増加させることができる。移送装置は、バルク結晶体を成長させるため、及び、バルク体の上に薄膜を成膜しエピタキシャル層とするため、のいずれにも用いることができる。他のスパッタリングプロセスと比較すると、およそこの移送装置は、低い処理圧力、高い成膜速度、高いイオン化効率、それに汚染のないコントロールされた処理雰囲気という利点を有している。この移送装置は、強化スパッタリング方法を用いて、金属も絶縁体の両方とも迅速に成膜する。これによって従来のＰＶＤ法の限界を超えることができる。
【００１３】
本発明に係る移送装置によれば、他のどの直接成膜法で到達する成膜速度の１０倍を越える成膜速度が得られる。現在試験されているように、この装置によれば、単結晶体や多結晶体を約６０μｍ／時間を超える速度で成膜できる。高速の成膜速度によって短時間でバルク体を製造する高い処理能力を実現できる。この装置では、スパッタリング材料を「害する」ことなくスパッタリングプロセスを増幅する非常に高いイオン化効果のために成長速度が高くなる。高い成膜速度で成膜するアビリティは、風変わりなもの（exotic materials）の厚膜を製造する高い処理能力を含む多くの商業的な用途があるであろう。さらに、高品質物質をコスト効率よく成膜できる。また、この装置によって、バルクの誘電体及び半導体の商業化を助け、他の物質への多くの用途を含むものと予想される。
【００１４】
この移送装置は、三極管スパッタリング装置での非汚染方法を提供することから現在の技術を上回っており、それによってイオン化効率が増加し、その結果全体の成膜速度が増す。また、この装置によれば、熱イオン中空カソード装置よりも低い動作温度という利点があり、その結果、低温材料からなる注入部材を用いることができ、従来の方法と比べて使用できる材料の幅が広がる。この移送装置によれば、低いスパッタリング圧力でターゲット材料の成膜速度が増し、その結果、視線方向（line-of-sight）成膜ができる。
【００１５】
この移送装置によれば、窒化アルミニウムや他の第ＩＩＩ族金属の窒化物等のバルク体を成長させることができ、半導体技術における深いトレンチの中に金属を成膜させることができる。
【００１６】
本発明によれば、この移送装置は、マグネトロンソースと、マグネトロンプラズマを増幅する非熱イオン・非熱電子の（又は要するにプラズマ）注入装置を備える。電子／プラズマ注入器は、カソードであるターゲット材料の面の直下に配置することが好ましく、マグネトロンソースによって生成された磁場中に電子を注入する複数の非熱イオンの中空カソード型注入装置を含むことが好ましい。注入器は、様々な配置（例えば、環状や線状）に応じて大きさをあわせることができ、それによって様々なマグネトロン形状を提供できる。円形リングの場合には、注入器にはリングの内径に沿って配置された複数の中空カソードを含む。
【００１７】
この移送装置は、以前に開発された熱イオン放射に依存している中空カソード強化マグネトロンスパッタリング装置を超える改良点を有している。本発明の装置は、「低温」プラズマソースとして動作し、そのスパッタリングターゲットと同じ材料で構成される非熱イオン・非熱電子照射器を備える。注入器は、高純度金属（例えば、９９．９９９９％）で製造され、それによって成長する薄膜中への汚染源を除去できる。この注入器をマグネトロンスパッタリング法に加えることで、従来のマグネトロンスパッタリング装置によって以前に達成された成膜速度と比較すると、より高い成膜速度が得られる。さらに、この移送装置は、磁場中に電子及びプラズマを注入することによって、従来のタンタルチップへの熱イオン照射に関連した汚染問題を生じることなく、プラズマ濃度を増すことができるという中空カソード効果の利点を有している。上述したように、この移送装置では、さらに、動作圧力を減らすことができ、従来のマグネトロンスパッタリングよりイオン化効率を増すことができる。
【００１８】
そのため、本発明の他の方法によれば、非熱イオン・非熱電子／プラズマ注入器を備え、第ＩＩＩ族金属ターゲットから第ＩＩＩ族金属ソース蒸気を生成するスパッタリング装置を用いて、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体を製造することができる。第ＩＩＩ族金属ソース蒸気と、窒素含有ガスとを混合し、第ＩＩＩ族金属と窒素とからなる反応物蒸気種を生成する。反応物蒸気種はテンプレートの成長面に成膜され、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体を生成する。
【００１９】
スパッタリング移送装置は、封止可能あるいは排気可能な圧力制御室を備え、該室は、内側のスペース、室内に配置されたターゲットのカソード、それに室内にターゲットカソードと距離を置いて配置された基板とによって画成される。ターゲットカソードは、好ましくはターゲットカソードホルダに結合され、負にバイアスされている。マグネトロン装置は室内のターゲットカソードの近くに配置される。負にバイアスされ、非熱イオン・非熱電子／プラズマ注入装置は、ターゲットカソードと基板ホルダとの間に配置される。注入装置は、反応性ガスソースと流体的に連絡しており、複数の中空カソード型構造を有している。それぞれの中空カソードには、室内の内側のスペースと連絡しているオリフィスを含んでいる。
【００２０】
本発明のある態様によれば、電子／プラズマ注入装置は、プラズマを反応室内に非熱イオン的に供給するために改良されている。この注入装置は、本体と複数の交換可能なガスノズルとを備えている。本体は、中心軸について環状方向に展開しており、プロセス・ガス部と冷却部とを備えている。プロセス・ガス部は、プロセス・ガス室を画成し、冷却部は熱伝導流体リサーバを画成している。ガスノズルは本体に取り外し可能なように中心軸について半径方向に取りつけられており、熱伝導流体リサーバと熱伝導し得るように配置されている。それぞれのガスノズルによってプロセス・ガス室と本体の外側との間の流体的な連絡がされている。
【００２１】
本発明の方法は、デバイス品質のものを製造するために利用できる。
【００２２】
本発明のある実施の形態によれば、直径が約０．５インチ〜１２インチの範囲であって、厚さが５０μｍ以上のＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体が得られる。
【００２３】
本発明の別の形態によれば、厚さが約５０μｍ〜１ｍｍの範囲のウエハ形状のＭ^ＩＩＩＮ単結晶体が得られる。
【００２４】
本発明のさらに別の形態によれば、直径が２インチ以上であって厚さが１ｍｍ〜１００ｍｍ以下のブール形状のＭ^ＩＩＩＮ単結晶体が得られる。
【００２５】
本発明のまたさらに別の形態によれば、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体層が種結晶として用いられ、第ＩＩＩ族金属と窒素とからなる別の反応物種がＭ^ＩＩＩＮ層の上に成膜され、ホモエピタキシャル成長したＭ^ＩＩＩＮ単結晶体が得られる。
【００２６】
本発明の方法によってバルクＭ^ＩＩＩＮ結晶体が得られると共に、そのＭ^ＩＩＩＮ結晶体からウエハが切り出され、その後、そのウエハ上にエピタキシャル層を成膜できる。
【００２７】
本発明の方法によって得られたＭ^ＩＩＩＮ単結晶層又は単結晶体は、約１０μｍ／時間以上の成長速度で形成できる。
【００２８】
本発明の方法によって同時にマイクロエレクトロニックデバイス又は光エレクトロニックデバイスあるいはコンポーネントをＭ^ＩＩＩＮ単結晶層又は単結晶体の上、又はＭ^ＩＩＩＮ単結晶層又は単結晶体の上に成長させた別の層に製造できる。
【００２９】
本発明のさらなる実施の形態によれば、高配向の第ＩＩＩ族金属窒化物の多結晶体が得られる。この多結晶体は、細長面と該細長面の法線に実質的に配向している複数の粒界とを有している。多結晶体の細長面の略法線方向の厚さ方向を介する熱伝導率は高く、細長面に略平行な方向についての熱伝導率は低い（即ち、遅い）。多結晶体は、細長面の略法線方向に沿って、赤外スペクトル、マイクロ波スペクトル、あるいは両方のスペクトルの放射エネルギーについて透明である。多結晶体の成長方法の一部として、多結晶体は、金属性フレームと結合され、指向性のある熱伝導率及び／又は透明性が利点となる用途に用いられる。
【００３０】
本発明の別の方法によれば、赤外及び／又はマイクロ波の放射エネルギーを照射するように改良されたウインドウが得られる。ターゲット材料を含み、負にバイアスされたターゲットカソードが封止された室内に準備される。室内に金属製フレームが準備され、ターゲットカソードと距離が置かれる。ターゲットカソードに動作電圧を印加すると、室内に電場が形成される。室内にマグネトロン装置が準備され、磁場が形成される。負にバイアスされ、非熱イオン・非熱電子／プラズマ注入装置がターゲットカソードと金属フレームとの間に配置され、ターゲットカソードの近くに極めて強いプラズマを生成する。バックグラウンドガスを室内に導入し、プラズマ媒体を生成するための雰囲気を提供する。ターゲット材料の一部をスパッタリングして、プラズマ媒体を介して金属製フレームへ移送する。
【００３１】
そこで、本発明の目的は、従来達成できなかった純度及びサイズで規定される、低欠陥濃度の、第ＩＩＩ族金属窒化物の単結晶体、基板、及びデバイス層を提供することである。
【００３２】
本発明の別の目的は、低欠陥濃度の第ＩＩＩ族金属窒化物を超高速成膜・成長速度で形成できる新規なスパッタリング材料移送方法及び移送装置を提供することである。
【００３３】
本発明のまた別の目的は、赤外光エネルギー及び／又はマイクロ波エネルギーを伝達させることができるバルク形状の他結晶体を提供することである。
【００３４】
上述の目的、及び他の目的は、添付図面と関連して、以下の最も好ましい記載によって明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
ここに記載の目的に関して、層、領域又は基板等の所定コンポーネントが他のコンポーネントの「上に」配置又は形成されたものを意味する場合には、その所定コンポーネントは他のコンポーネントの上に直接あってもよく、又は、別の場合には介在物（例えば、一以上のバッファ層、中間層、電極又はコンタクト等）が存在していてもよいことが分かる。さらに、「〜の上に配置」や「〜の上に形成」等の語句は、所定コンポーネントが他のコンポーネントとの関係においてどのように配置されているか、又は、どのように置かれているかを示すために交換可能に用いることができることが分かる。そこで、「〜の上に配置」と「〜の上に形成」とは、特定の物質移送方法、成膜方法、製造方法に関連したいかなる制限をも導くものではない。
【００３６】
ここで、”Ｍ^ＩＩＩＮ”、”Ｍ^ＩＩＩ窒化物”、及び”第ＩＩＩ族金属窒化物”の語句は、２元、３元、及び４元系の第ＩＩＩ族金属窒化物ベースの化合物として用いられる。例えば、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム・ガリウム、窒化インジウム・ガリウム、及び窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム、及びこれらの間の合金、さらにドーパント又は故意に入れた不純物を含む、あるいは含まない、また、全ての可能性のある結晶構造、形態、誘導体、修飾された複合体を意味する。
【００３７】
ここでは、ミラー指数や層の面に関する角度等の結晶方位に関する用語は、例えば（１１６）や４５°等として示される正確な値だけでなく、その正確な値からわずかに外れた観測値をも含むものとして使用される。
【００３８】
「エピタキシー」の用語は、結晶性基板の上に形成された単結晶薄膜構造を意味するものとして用いられる。エピタキシーはおよそ、ホモエピタキシーとヘテロエエピタキシーの２つのカテゴリに分類される。ホモエピタキシーの場合には、薄膜と下地の基板とは同じ構造的関係を有している。基板をその上に積層された同じ構造が観測されるエピタキシャル薄膜層、”エピ層”まで広げる理由としては、エピタキシャル層は、（１）基板と比べてより欠陥を含まないこと、（２）基板と比べて純度が高いこと、（３）基板とは別個に添加できること、を理由として挙げられる。エピ層と基板のそれぞれの格子定数は完全に一致し、界面結合歪みを生じない。
【００３９】
一方、ヘテロエピタキシーでは、薄膜と基板とは異なる構成を有する。さらに、ヘテロエピタキシーの場合には、それぞれの格子定数は、明らかに多少ミスマッチである。ヘテロエピタキシーは、いくつかの工程を経て得られ、その結果、わずかに格子ミスマッチが生じ、それによってヘテロジャンクションの界面構造はホモエピタキシャル構造と同様になる。それでもなお、熱的ミスマッチ、即ち、薄膜と基板との間の熱膨張率の差は、薄膜と基板との間のそれぞれの化学特性と同様に電気的特性及び界面特性を劣化させる。格子定数のミスマッチが大きい場合には、緩やかな（relaxed）エピタキシーあるいはストレイン・エピタキシー（strained epitaxy)）が生じる。緩やかなエピタキシーの場合には、薄膜と基板との間の界面に不整転位欠陥（misfit dislocation defect）が形成される。ストレイン・エピタキシーの場合には、薄膜と基板のそれぞれの格子は、それぞれの結晶性の違いに対応するために歪む傾向がある。
【００４０】
ここでは、”デバイス（装置）（device）”の語句は、”コンポーネント（component）”を交換可能な手段を有するものとして解釈する。
【００４１】
図１を参照すると、符号１０として、本発明のヘテロ構造が示されている。ヘテロ構造１０は、ベース基板１２と、その上にエピタキシャル成長した低欠陥濃度の単結晶Ｍ^ＩＩＩＮ層１４とからなる。ベース基板は直径が０．５インチ以上であることが好ましい。ベース基板１２には、Ｍ^ＩＩＩＮ層１４用のテンプレートとしての機能を果たすことができる組成及び構造を備える成長面１２Ａを有する。別の例としては、Ｍ^ＩＩＩＮ層１４用の適当なエピタキシー成長を開始させる成長面１６Ａを提供するために、ベース基板１２の上にバッファ層又は中間層１６を成長させることが好ましい。
【００４２】
ベース基板１２として用いられる好ましい組成としては、サファイア、シリコン、シリコンカーバイド、ダイアモンド、没食子酸リチウム（lithium gallate）、アルミン酸リチウム、ＳｃＡｌＭｇＯ_４、酸化亜鉛、スピネル、酸化マグネシウム、ヒ化ガリウムガラス、タングステン、モリブデン、ハフニウム、窒化ハフニウム、ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭素、絶縁体上のシリコン（silicon-on-insulator）、炭素上の炭化シリコン（carbonized silicon-on-silicon）、及び窒化ガリウムが挙げられる。なおこれらに限るものではない。さらに、導電基板、絶縁基板、半絶縁基板、ツイスト結合（twist-bonded）基板、準拠基板（compliant substrate）、パターン基板として特徴付けられる特定基板を選択してもよい。
【００４３】
中間層１６として用いられるものには、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、及びそれらの合金が好ましいが、これらに限定されるものではない。また、中間層１６は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ダイヤモンド、没食子酸リチウム、アルミン酸リチウム、酸化亜鉛、スピネル、酸化マグネシウム、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、タングステン、モリブデン、ハフニウム、窒化ハフニウム、ジルコニウム、窒化ジルコニウム、及び炭素で構成されていてもよい。
【００４４】
ベース基板１２は、熱的ミスマッチを最小にするために、Ｍ^ＩＩＩＮ層１４と熱膨張率が実質的に同じであることが好ましい。しかし、中間層１６が成長面１２Ａの上に最初に成膜された場合には、ベース基板１２とＭ^ＩＩＩＮ層１４との間の熱的ミスマッチの心配はほとんどない。
【００４５】
本発明の方法の一つによれば、ベース基板１２と第ＩＩＩ族金属ターゲットをスパッタ成膜室に置く。アルゴン等の適当な雰囲気ガスを用いて、室内に高エネルギー強化プラズマ雰囲気を生成する。窒素含有ソースガスを室内に導く。別例として、プラズマを生成するために用いられるガスとしては、バックグラウンドガスが窒化物種を提供する反応物ソースガスを使用してもよい。第ＩＩＩ族金属ターゲットをスパッタリングして第ＩＩＩ族金属ソース蒸気を生成する。第ＩＩＩ族金属ソース蒸気と、窒素含有ガスとを混合する。この窒素含有ガスは、２原子分子の窒素、窒素原子、窒素イオン、それに部分的にイオン化された窒素、アンモニア等の窒素含有化合物等の一以上の種類を含むものとして特徴付けられる。その結果、第ＩＩＩ族金属と窒素とを構成要素とする反応物蒸気種が室内に生成し、ベース基板１２の成長面１２Ａ（あるいは最初にバッファ層１６を成膜している場合には成長面１６Ａ）の上に成膜される。成膜された反応物蒸気種は、成長面１２Ａの上にエピタキシャル成長して、単結晶Ｍ^ＩＩＩＮ層１４を生成する。Ｍ^ＩＩＩＮ層１４には、通常の添加方法、例えばコントロールされた条件下で反応室内にドーパント含有ガスを導入して添加することができる。
【００４６】
本発明のある態様によれば、バルク結晶がデバイス品質を考慮して十分に低欠陥濃度となることを確実にするために十分な厚さとなるまでＭ^ＩＩＩＮ層１４の成長を継続することができる。さらに、従来法に従って成長するようにＭ^ＩＩＩＮ層１４を回転してもよい。その後、構造物を室内から取り外し、ベース基板１２をＭ^ＩＩＩＮ層１４から分離あるいは取り外す。ベース基板１２をＭ^ＩＩＩＮ層１４から取り外すために、例えば、研磨、化学的機械的研磨法、レーザ誘導リフトオフ法、劈開法、ウエットエッチング、ドライエッチング等を用いることができる。取り外し方法の選択は、ベース基板１２の特定組成に応じて行われる。同様に、ウエットエッチングが所望の場合には、ベース基板１２の特定組成に応じてエッチャントを選択する。さらに、ドライエッチングを所望の場合、ベース基板１２の特定組成に応じてエッチャントを選択する。
【００４７】
図２を参照して、基板の取り外しプロセスを完了すると、単独のＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体２０が得られる。本発明によれば、単結晶体２０は、直径ｄが０．５インチ以上、厚さｔが５０μｍ以上であって、欠陥濃度が１０^９／ｃｍ^３以下である。単結晶体２０には、既知の方法で添加できる。合金及び化合物の製造方法によって、得られる組成は５０％以上の第ＩＩＩ族金属と窒素の要素を有している。
【００４８】
ここで記載したような大きさと特性を有する単結晶体２０を生成するために、本発明の方法において重要なステップは、構成要素のＭ^ＩＩＩＮ層１４をベース基板１２の成長面１２Ａに移送することである。本発明によれば、他の物理蒸着法からスパッタリング法を選択して行うことが好ましく、同様に化学気相成長法や他の気相成長法が選ばれる。スパッタリング法は、以下に詳述する新奇な非熱イオン式、強化プラズマスパッタリング法によって１０μｍ／時間以上の成長率で行うことが好ましい。
【００４９】
成長面１２Ａの上に中間層１６を形成する場合には、この中間層１６は、スパッタリング法等の物理蒸着法、分子ビームエピタキシ法、雰囲気化学気相成長法、低圧化学気相成長法、強化プラズマ化学気相成長法、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、蒸発法、水素化物蒸気気相エピタキシ法を含むどの方法で成膜してもよい。その後、化学エッチング、劈開法、レーザ・リフトオフ、あるいは他の適当な取り外し法を用いて、ベース基板１２をＭ^ＩＩＩＮ層１４から分離する。
【００５０】
図２に示すバルク結晶体は、厚さが５０μｍ〜１ｍｍの範囲のウエハ形状で生成される。複数のウエハは、一度に一つ生成されるか、あるいは反応室内に一以上のベース基板１２を用意することによって生成される。別の製造方法の一部として、エピタキシャル成長のためのウエハの主面は、既知の方法、例えば、研磨法によって準備し、その後、適当な組成のエピタキシャル層を準備した面の上に成膜する。
【００５１】
さらに、本発明の方法によって、直径が少なくとも２インチであり、厚さが１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲のブール形状のバルク結晶体を生成することができる。複数のウエハをウエハ・ソーを用いてブールから切断し、その後、エピタキシャル用に準備できる。
【００５２】
図３Ａを参照すると、本発明の別のヘテロ構造体３０が示されている。図に示されているように、Ｍ^ＩＩＩＮ２０は、該Ｍ^ＩＩＩＮ２０よりも欠陥濃度が低いバルクである第２のＭ^ＩＩＩＮ層３２をホモエピタキシャル成長させるための種結晶としての機能を果たすことができる。この方法によれば、Ｍ^ＩＩＩＮ２０は、厚さが約５０μｍ〜１０００μｍの範囲である。上述したように、結晶体２０を取り外し、例えば図２で示すように、独立したバルク結晶体のＭ^ＩＩＩＮ層３２を生成する。この方法によれば、Ｍ^ＩＩＩＮ層３２は、厚さが約０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲にあり、直径が約０．５インチ以上である。さらに、Ｍ^ＩＩＩＮ層３２は、上述したようにウエハ形状又はブール形状に成長させることができる。ウエハは、上述のようにブールからスライスすることができる。
【００５３】
Ｍ^ＩＩＩＮ層３２は、結晶体２０の成長面２０Ａの上に、スパッタリング法等の物理蒸着法、分子ビームエピタキシ法、雰囲気化学気相成長法、低圧化学気相成長法、強化プラズマ化学気相成長法、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、蒸発法、水素化物蒸気気相エピタキシ法を含むどの方法で成膜してもよい。
【００５４】
図３Ｂを参照すると、本発明の別のヘテロ構造体３５が示されている。図に示されているように、Ｍ^ＩＩＩＮ層１４は、該第１Ｍ^ＩＩＩＮ層１４よりも欠陥濃度が低いバルクである第２Ｍ^ＩＩＩＮ層３６をホモエピタキシャル成長させるための種結晶としての機能を果たすことができる。この方法によれば、第１Ｍ^ＩＩＩＮ層１４は、厚さが約１０ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲に成長させる。上述したように、ベース基板１２を取り外し、図２では独立したバルク結晶体２０であって、この実施の形態では対応するＭ^ＩＩＩＮ層３６を生成する。さらに、Ｍ^ＩＩＩＮ層３６は、上述したようにウエハ形状又はブール形状に成長させることができる。ウエハは、上述のようにブールからスライスすることができる。
【００５５】
第２Ｍ^ＩＩＩＮ層３６は、成長面１４Ａの上に、スパッタリング法等の物理蒸着法、分子ビームエピタキシ法、雰囲気化学気相成長法、低圧化学気相成長法、強化プラズマ化学気相成長法、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、蒸発法、水素化物蒸気気相エピタキシ法を含むどの方法で成膜してもよい。
【００５６】
図４Ａから図４Ｄを参照すると、本発明によって生成されるＭ^ＩＩＩＮ結晶体２０、層１４、３２、３６は、一以上のマイクロエレクトロニクスデバイス、光学エレクトロニクスデバイス、及び／又は他のエレクトロニクスコンポーネント３８を製造するためのプラットフォームとしての機能を果たすデバイス品質を有する。なお、上記デバイス３８の例に限定するものではなく、デバイス３８には、光放射ダイオード、検出器、生物又は化学センサ、フィルタ、トランジスタ、整流回路、半導体レーザ、ボンドパッド、金属化部材、及び内部配線が含まれる。
【００５７】
図５Ａを参照すると、横方向エピタキシャル過度成長法（lateral epitaxial overgrowth method）を行う、本発明の他のヘテロ構造体について符号４０で示す。この実施の形態では、中間層１６及び／又は別の中間層１８（中間層１６とは異なる組成であってもよい）をベース基板１２の上に成膜し、その後、通常のマスキング及び／又はエッチング法を用いてパターン化して、例えばストライプ状のパターン層４２を形成する。ここで記載した強化スパッタリング法を用いて第ＩＩＩ族金属と窒素をコンポーネントとして含む反応物蒸気種をパターン層４２及び層４２の露出部４２Ａに移送する。デバイス品質の、バルク単結晶体のＭ^ＩＩＩＮ層４４が層４２の露出部４２Ａから上方に向って成長し、パターン層４２の頂部を越えて横方向に成長する。Ｍ^ＩＩＩＮ層４４の継続する成長によって、成長する結晶は合体して低欠陥濃度層の連続体を形成する。
【００５８】
図６を参照すると、以下に詳述する非熱イオン、強化プラズマスパッタリング法を用いて、高純度、高配向性の多結晶体の赤外及び／又はマイクロ波に透明なバルク形状の第ＩＩＩ族金属窒化物のウインドウが符号５０で示されている。ウインドウ５０には、通常、金属フレーム５４で支えられた、窒化アルミニウムや窒化ガリウム等のバルクの第ＩＩＩ族金属窒化物からなるウインドウ部材５２を含んでいる。ウインドウ部材５２は、窒化アルミニウムの場合には熱伝導率３２０Ｗ／ｍ×Ｋの理論的なバルク値に近い特性を有する。高い熱伝導率のために、ウインドウ部材５２は熱ショックに抵抗を有する。さらに、約５０μｍ以上の厚さにすることができる。ウインドウ部材の透明性は約６５％以上である。
【００５９】
図６に示すように、ウインドウ部材５２には、外側細長面５２Ａと内側細長面５２Ｂを含む。複数の粒界５２Ｃは、細長面５２Ａ，５２Ｂの法線にほぼ配向している。そこで、ウインドウ部材５２では、熱エネルギーＨは細長面５２Ａ，５２Ｂの法線方向の厚さを介して（即ち、通常、粒界５２Ｃに沿って）直ちに伝わる。しかし、細長面５２Ａ，５２Ｂに平行な方向には熱エネルギーＨの伝達が遅れる。使用においては、内側細長面５２Ｂの直前又は近くに水素やヘリウム等の熱伝達媒体Ｇを供給して、内側細長面５２Ｂから熱エネルギーＨを運び去ることができる。本発明のウインドウ５０の製造方法の利点としては、ウインドウ部材５２を成長プロセスの本来のステップとして金属製フレーム５４に直接結合できることである。金属製フレーム５４は、異なる多くの形状、断面形状で提供でき、その後の取り付け過程でウインドウ部材５２について構造的な支持体として用いることができる。最初の基板をウインドウ部材５２を成長させるものとして用いてもよく、その後、エッチングやその他の既知の除去方法によって取り外してもよい。
【００６０】
ウインドウ５０には様々な有用な用途があり、用途としては、高出力レーダー用のマイクロ波ウインドウ、高速熱探知ミサイル用赤外ウインドウ、高温製造工程における光学モニタ用ウインドウ、タービンエンジン内や出力プラント内の光学センサ用ウインドウ、電子基板用材料、高出力電子デバイスにおける熱拡散コンポーネント等がある。
【００６１】
焼結やその他のセラミックス粉末処理方法等によるその他の供給方法によって得られるバルク形状の窒化アルミニウムや窒化ガリウムでは、従来の製造方法の結果として、バルク内に多量に存在する不純物のために、ＩＲ及びマイクロ波ウインドウに関する要求を満足させることができない。例えば、セラミックス粉末処理方法では、粒界を塞ぐ酸化物バインダーを必要とし、その結果、赤外光やマイクロ波の透過が減少する。
【００６２】
上述の本発明に係る実施の形態では、高成長速度のスパッタリング法で少なくとも一層のＭ^ＩＩＩＮ層がエピタキシャル成長する。このスパッタリング法は、従来法によってさえ行うことができ、あるいは以下に記載の新規な強化スパッタリング法によって実施することが好ましい。
【００６３】
従来のスパッタリング法では、平行板の、平面ダイオード構成が用いられ、互いに電極ギャップ分だけ離して置かれたカソードとアノードが封止可能な反応室内に置かれている。カソードは、電源によって負にされている。２つの電極間にはグロー放電プラズマが生じ、反応室の接地された金属真空封じ込め壁によって閉じ込められている。放電を起こす（「ストライク」）ために、高電圧のスパイクを与える必要があり、あるいは、利用可能な電圧でガスが分解（break down）するように圧力を最小に調整する必要がある。プラズマのシースを横切る電圧の低下によって、正イオンによるカソードの高エネルギーイオン衝撃とカソードのスパッタリングとが生じる。また、カソードの電圧低下は、イオン化衝突のカスケードを引き起こすプラズマ中のカソードから放出された２次電子を加速することによってプラズマを支える。ダイオードは、直流ＤＣ電圧又はＲＦ電圧下で動作させることができる。絶縁性のターゲットをスパッタリングする場合にはＲＦ励起する必要がある。
【００６４】
「反応性スパッタリング」として知られているプラズマ強化型化学活性化モードでは、ガスの一つを伴うスパッタリングされたソース材料を用いる。ガスはスパッタリングプラズマに引き離され、反応して化合物薄膜を形成する。カソードがターゲット材料として機能する場合に、カソードのスパッタリング侵食によって薄膜を成膜するための上記を供給するために平行な平板状のプラズマ構成が使用される。プラズマは場合によってマグネトロン装置を用いて磁化される。化合物ターゲットをスパッタリングする場合に生成する化合物薄膜の化学量論比をずらせるために、あるいは、アルミニウム等の金属ターゲットをスパッタリングして化合物薄膜を成膜するために、反応ガス（例えば、窒素Ｎ_２）がスパッタリングプラズマ（例えば、アルゴンガスプラズマ）に添加される。金属ターゲットを反応性スパッタリングして行う化合物の成膜では、化合物ターゲットを用いる場合と比べてターゲットの製造コストは低くなり、ターゲットの純度が増すが、その一方、薄膜組成が重要（critical）な場合には、プロセス制御がより困難になる。
【００６５】
スパッタリングを起こすために平面ダイオードプラズマ構成を用いる場合には、カソードからのビーム状の電子は、アノードに達して除去される前に、プラズマを維持するためにガスとの十分なイオン化衝突を受けなければならない。このために、動作圧力には最低限界を必要とし、これはマグネトロン装置の使用を通じて増幅される。マグネトロン装置は、通常、中心のバー状磁石と外部リング磁石、又は対極の磁石を備える。マグネトロンによってカソードに渡る横方向の磁場が形成される。磁場によってカソード表面の軌道上にビーム状の電子をトラップする。その結果、衝突スパッタリングによって最終的に電子がアノードへ逃れる前に、ビーム上の電子の行程（path length）は劇的に増す。電子の行程が電極間ギャップよりも長くなるために、マグネトロンを用いない平板ダイオードと比較した場合にマグネトロンを用いた場合のほうが、プラズマを維持するために必要とされる最低圧力はより低くなる（３Ｐａよりも低く、およそ０．１Ｐａ）。より低い圧力（例えば、０．１Ｐａ）では、スパッタリングされた粒子は基板に到達するまでその力学的エネルギーのほとんどを保っており、成膜する薄膜の構造に有利な効果を持つ。さらに、カソード上でスパッタリングされた粒子の散乱や再成膜の減少によって成膜速度が増加する。さらに、ビーム状の電子を用いることでより効果があり、その結果、所定濃度のプラズマを維持するために必要な印加電圧が低くなり（例えば、５００Ｖ）、マグネトロンを用いない平板ダイオード型の場合と比べて、パワー入力と共に電圧は緩やかに上昇する。
【００６６】
通常、マグネトロンは平面で円形構造を有している。カソードのターゲット材料はディスク状で、厚さが３−１０ｍｍであって、水冷型銅支持板に（例えば、はんだ付けによって、良好な熱接触を得るために）結合している。冷却水は、電気的にバイアスされている支持板と接地されている水供給器との間の電解腐蝕を防止するために脱イオン化されている。カソードは、セラミック製絶縁リングで接地面から浮かせている。スパッタリングされた材料を閉じ込めるために接地されたシールドが設けられているが、反応室の封じ込め壁はアノードとして機能する。磁石によって横方向の磁場が形成される。磁石は、鉄製の「フィールド・リターン（field-return）」板の後ろに取りつけて、磁気回路を完成させ、磁場を閉じ込める。
【００６７】
プラズマを点火して、プラズマ中でカソードから放射されるビーム状の電子がカソードシースの電場によって加速される。磁場の存在のために、ローレンツ力Ｆ＝Ｆ_Ｅ＋Ｆ_Ｂ＝ｑ_ｅＥ＋ｑ_ｅＶ×Ｂが働くためにビーム状の電子は軌道を描くようになる。軌道の半径（以下、ギラトロン（gyratron）、サイクロトン（cyclotron）又はラーモア半径という）は、磁場の大きさと、電子速度の磁場に垂直な成分とに依存する。磁場がビーム状電子に影響を与えるためには、圧力は電子の平均自由行程が軌道半径以上となるように、十分に低く（およそ数Ｐａより低く）なければならない。この条件が満たされる場合には、イオンは磁化されていないが、ビーム状電子は「磁化された」という。マグネトロンは十分高圧下ではスパッタリングソースとして動作するが、このような場合には、ガス散乱が磁場に代わってビーム状電子の振る舞いを左右する。
【００６８】
低圧条件下では、カソードのターゲット表面から放射された、あるいはシース場中でのイオン化によって生成されたビーム状電子は、電場によって垂直に加速され、同時に磁場によって横向きに力を受ける。最終的にはビーム状電子は逆方向にもどり、ターゲットに戻る。ビーム状電子がターゲットに向う場合、その方向が再度逆方向になるまで電場のために減速し、それを繰り返す。これらの電子の正味の動き、あるいは行程は、ターゲットの周囲に円形ドリフト行程を描く。このドリフト行程は、Ｅ×Ｂベクトル積の方向である。マグネトロンは、通常、Ｅ×Ｂドリフト行程がそれ自体で閉じているように設計されるので、ビーム状電子は一定の場所に積み重なることはなく、堆積しない。
【００６９】
反応室内に発生するプラズマは、イオン衝撃を受けたターゲットカソードから放射された２次電子をトラップするために用いる幾何学手段を含む「中空カソード」効果、現象を利用することによって増幅される。中空カソード型構造を非常に高い放電電流で駆動した場合には、そのカソード表面は熱電子放出を生じるのに十分なほどの温度に加熱され、局所プラズマのグロー放電がアークモードに入る。中空カソードは通常、耐熱材料からなり、ガス供給の近くに設けられており、プラズマ用の適度に活動的な電子の有用なソースとなる。中空カソードは、タンタルチップを有する管状形状で提供されている。ガスソースは、中空カソードの一端に接続されており、小さいアパーチャ又はオリフィスがチップに設けられている。アパーチャによってガス流が制限され、その結果、チップの径に垂直方向に大きな圧力が生じる。中空カソードの内部圧力は、およそ数百ｍＴｏｒｒの範囲である。中空カソードを局所プラズマ電位（およそ接地電位である）に対して負にバイアスすることによって電子が放射される。数Ａ〜１０Ａの電流を生成するために、直径わずか数ｍｍの中空カソードが用いられる。放射に必要な温度に中空カソードを加熱するために外部ヒータ又は短期の高電圧スパイクが用いられる。
【００７０】
中空カソードはマグネトロンの磁場の縁領域に置かれ、マグネトロン放電に別の電子を供給する。中空カソードは、ダイオードプラズマの電流−電圧関係を分離する働きをし、室内の動作圧力が低い場合と同様に、広範囲の電圧及び電流でプラズマを扱うことができる。中空カソードは、上述の従来のマグネトロン／ダイオード装置の範囲の下限より低い０．１ｍＴｏｒｒで動作する。従来のマグネトロン／ダイオード装置をそれより低い圧力で動作させた場合には、ガス状原子が十分でなく、２次電子によるイオン化が十分に行われない。しかし、中空カソードから別に電子供給することによって、この制限が除かれ、マグネトロン装置について約０．１ｍＴｏｒｒ、ＲＦダイオード装置について０．５ｍＴｏｒｒでの動作もできる。このような圧力では、平均自由行程が長いモードとなり、スパッタリングされた原子やイオンは、ガス散乱を起こすことなくまっすぐに、視線方向の弾道で動く。
【００７１】
中空カソード強化スパッタリング装置によって他のスパッタリング成膜方法を越える利点が得られる一方、熱電子放出デバイスであるという事実のために、その使用においてはなお問題がある。例えば、中空カソードチップの材料が気化しやすく、成長している成膜材料に混入するため、依然として汚染が観測されるという問題がある。他の問題として、熱電子放射によって激しく加熱され、成長材料にダメージを与えることがある。そのため本発明の好ましい実施の形態によれば、非熱イオン・非熱電子／プラズマ注入装置を用いた新規なスパッタリング移送装置が提供される。
【００７２】
図７を参照すると、非熱イオンスパッタリング移送装置が符号１００で示されている。移送装置１００の主要な動作コンポーネントは、接地され、封止可能なスパッタリング移送室１０２内に収容されている。当業者が容易に分かるように、ポンプシステム（図示せず）が室内１０２の圧力を（真空に、あるいは別なように）制御するために設けられている。また、バックグラウンドガス（例えば、アルゴン等）や、反応性スパッタリングの場合には反応ガス（例えば、窒素）を室１０２内に供給するために供給システム（図示せず）が設けられている。また、本発明のある用途では、反応ガスはバックグラウンドガスとしても働く。
【００７３】
金属製の、誘電体の、又は化合物のターゲット材料をターゲットホルダ１０６に結合して、それらの間の熱的接触を実現する。ターゲットカソード１０４は、円形ディスク形状、又は直線的な板、あるいはその他の形状であってもよい。ターゲットホルダ１０６は、熱伝導性及び導電性のいずれもが許容レベルにある銅や、他の相対的に安価な材料からなることが好ましい。熱交換システム（図示せず）が設けられ、水等の熱伝導媒体をターゲットホルダ１０６を通して循環させ、ターゲットホルダ１０６（さらにターゲットカソード１０４）を冷たくする。マグネトロン装置１１０には、磁場リターン板１１８によって接続された一組の極が対向する磁石１１２、１１６を含む。磁石１１２、１１６の配置としては、中央磁石バー１１２を外部環状磁石１１６で囲んだ配置が好ましいが、これに限定するものではなく、他の配置であってもよい。磁石１１２、１１６は、ターゲットカソード１０４と対向するターゲットホルダ１０６の側に配置することが好ましい。ターゲットホルダ１０６を電圧源１２０に直列に接続し、ターゲットホルダ１０６に負バイアスの電圧を印加する。
【００７４】
第１のアノードとして働く基板ホルダ１３０は、室１０２内に、ターゲットカソード１０４と一定間隔を空けて配置される。その間隔は、約２ｃｍ〜２０ｃｍの範囲が好ましい。基板ホルダ１３０は、導電性のある、あるいは絶縁されているいずれかであって、冷却構造又は加熱構造を設けることができるのであればどのような材料で構成されていてもよい。移送装置１００は、ターゲットカソード１０４が基板ホルダ１３０と物理的に対向して配置されるようにすることが好ましいが、ターゲットカソード１０４と基板ホルダ１３０との上下は問わない。基板１３２は、基板ホルダ１３０の上に置かれる。移送装置１００の特定用途によって、基板は最初に薄膜が成膜するバルク形状として設けられ、あるいは、基板は移送装置１００を用いて成長させたバルク体を意味する。
【００７５】
当業者が分かるように、基板ホルダ１３０又は関連する移送アーム（図示せず）を基板ホルダ１３０、妥当な場合には、最初に設けた基板材料を室１０２内へ、又は、外へ移送するために用いてもよい。さらに、基板ホルダ１３０及び／又は最初に設けた基板材料が装着され、その後室１０２内から除去される場合に、室１０２内の減圧維持を補助するために、室１０２と周囲との間のインターフェースとして、ロード・ロックあるいは同様のコンポーネント（図示せず）を設けてもよい。電子制御システム、電力供給システム、圧力モニタシステム、マスフロー制御システム、温度モニタシステム、及びワークピース（workpiece）の自動トラッキング及び移送システムを含む移送装置１００の使用を含む本発明の方法の実行を補助するために、必要に応じて他の既知のプロセス・コンポーネントを用いてもよい。
【００７６】
本発明の主要な態様の一つとして、注入装置１５０が室１０２内のターゲットカソード１０４の近くに単独で配置され、電圧ソース１５２と直列接続され、負にバイアスされている。それによって、注入装置１５０はターゲットカソード１０４と離れた別のカソードとして働き、移送装置１００は３極管スパッタリングソースとして特徴付けられる。
【００７７】
図８Ａ及び８Ｂを参照すると、注入装置１５０には、本質的に個々の中空カソードとして働く複数の注入器１５２が含まれる。各注入器１５２は、室１０２内のターゲットカソード１０４の表面近くの領域に接続している注入口のオリフィス１５２Ａで終端している。この実施の形態では、注入装置１５０は、それぞれのオリフィス１５２Ａが室１０２内に対して半径方向の内側に面するように注入リングを構成しているが、各注入器１５２は、直線的、あるいは他の配置をとってもよい。
【００７８】
動作において、追加の、あるいは補助のプラズマビームの形での電子は、注入器１５２からその箇所で電場の大きさが増した結果、非熱電子的に放射され、その結果、その後電子はマグネトロンソース１１０によって形成された磁場（仮想的な磁力線をＢで表す）に斜めに注入され、連結されて強烈なプラズマを生成する。注入装置１５０は、図７に示すように、ターゲットカソード１０４の近くの領域にイオンと電子とをほぼ同数だけ注入し、それによってターゲット材料のイオン化の高い確率を生じさせる、冷たい、非熱イオン・非熱電子／プラズマソースによって特徴付けられる。マグネトロン電流の増加は注入装置１５０から付加される電子によって観測される。この効果は、プラズマの明るさが大きく増すことによって確認でき、また、スパッタリングの成膜速度が大幅に増加する。ターゲットカソード１０４の近くに生成された強烈なプラズマによって、成膜速度が増して、従来法の１０倍を超えるようになる。また、注入装置１５０は、プラズマを静電気的に封じ込めて、基板１３２に向う幅広いプラズマビーム１６０を形成させるように働く。注入装置１５０のバルク質量及び／又は冷却設計のために、その温度は低く保たれ、その結果、成膜の間、熱電子的放射、気化、あるいは汚染は起きない。
【００７９】
移送装置１００は、連続的ＤＣ、パルスＤＣ、ＡＣ、又はＲＦモードのいずれでも動作させることができ、導電性材料から絶縁性材料に至る広い範囲で非常に高い成膜速度で成膜することができる。高い確率でガスをイオン化するので、ターゲット面に有害な絶縁層が形成されるのを防ぐためにターゲットカソード１０４の材料は超高速でスパッタリングされる。さらに、本発明に係る方法に関連してイオン化エネルギーが非常に高いため、多量の材料をスパッタリングできる。装置１００は１００％反応ガス環境下で実験して成功しており、そこで、非常に反応しやすい条件下で装置の安定性を示すことができる。
【００８０】
上述のように、ターゲットホルダ１０６には負バイアスが印加され、マグネトロンスパッタリング放電を生じ、注入装置１５０には別の負バイアスが印加される。これによって強烈なプラズマが生成し、注入装置１５０のそれぞれの注入器１５２からプラズマの小ビーム（beamlets）を伴う。ターゲットカソードの領域での付加されたプラズマ濃度やイオン化確率は、ターゲット衝撃の総量を増やし、それによってスパッタリングレートを増やすことができる。スパッタリングガスの利用が増えることによって、バックグラウンドの処理圧力は、例えば、約５ｍＴｏｒｒから約０．１ｍＴｏｒｒに低くすることができ、成膜される材料のマイクロ構造を改善できる。圧力を減らすことによって、分子の平均自由行程を増やすことができ、ターゲットカソード１０４と基板ホルダ１３０との間に非常に高いイオン化効率と超高速のスパッタリング移送速度で特徴付けられるプラズマビーム１６０を形成できる。
【００８１】
図９を参照して、本発明の別の実施の形態に係るスパッタリング移送装置は、符号２００で示されている。この実施の形態では、アルミニウム又は他の導電性材料からなるバイアスされた封じ込めシールド２０２は、室１０２内のターゲットカソード１０４と基板ホルダ１３０との間に配置され、封じ込め磁石２０４によって囲まれている。電圧ソース２０６から封じ込めシールド２０２に印加された高電圧は、スパッタリングされた材料やプラズマビーム１６０を成長している基板１３２の上に集中させるように働き、それによって（窒化アルミニウム等の）スパッタリングされた材料の基板への移送効率を増すことができる。イオンや電子は、電場及び磁場の影響下で封じ込め領域の中にトラップされ、その後、基板１３２に成膜される。
【００８２】
ある状況下では、移送装置１００、２００のユーザは注入装置１５０による加熱によって低融点金属が溶けることに気付くことがあるかもしれない。この問題は、図９に示すように、注入装置１５０を備え付けの銅冷却リング２２０によって冷却することによって解消することができる。
【００８３】
図１０から図１３を参照すると、好ましい実施形態の液冷型のリング形状の注入装置が符号３００で示されている。注入装置３００には、本体３０２と締め付けネジ３０６で固定された取り外し可能な外部カラー３０４とを含む。本体にはプロセス・ガス部３０２Ａと冷却部３０２Ｂとを備える。図１１Ａと図１１Ｂとに最もよく示されているように、プロセス・ガス部３０２Ａと外部カラー３０４とによってプロセス・ガス室３０８を構成している。電子を供給し、プラズマを冷却するそれぞれの注入器は符号３１０で示され、交換可能なガスノズル３１２によって画成されており、ガスノズル３１２はその一端でプロセス・ガス室３０８と流体的に接続し、その他端でスパッタリング移送室１０２と流体的に接続している。ガスノズル３１２は、ターゲットカソード１０４及び／又は封じ込めシールド２０２と同じ材料で構成されていてもよく、あるいは異なっていてもよい。本体３０２の冷却部３０２Ｂは、それぞれのガスノズル３１２の近くに水等の熱伝導液体を循環させるように取り付けられた冷却リサーバ３１４によって画成される。熱伝導液体は、熱伝導液体入口配水管３１６と出口配水管３１８とによって冷却リサーバ３１４を介して循環する。２原子分子の窒素やアルゴン等のプロセス・ガスを、本体３０２の一以上のプロセス・ガス注入口３２２に接続しているプロセス・ガス配管システム３２０を用いて注入装置３００に供給する。図１３には、注入装置３００によるプラズマ／電子３１０の放射パターンの一例を示している。ガスノズルの圧力と同様に、一以上のそれぞれのガスノズル３１２を塞ぐことによってこのパターンを変えることができる。
【００８４】
従来、スパッタリングで成膜する場合、低い反応スパッタリング速度、過度のストレス、貧弱な結晶成長に苦しめられた。しかし、装置１００、２００の無汚染特性のために、上述のように、低圧下で超高速の成膜速度で材料へのストレスを最小にして、単結晶体や高配向多結晶体、バルク形状基板を製造するために、中空カソード効果を有利に利用することができる。また、移送装置１００、２００は、基板上へのエピタキシャル層成長にも用いることができる。成膜する材料としては、第ＩＩＩ族金属窒化物ベースの２元系、３元系、４元系化合物であり、例えば、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム・ガリウム、窒化インジウム・ガリウム、窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム及びこれらの合金がある。成長プロセスにおいて適当なドーパントを添加してもよい。単結晶体、多結晶体のいずれの形態も得ることができる。ある実施例では、移送装置１００、２００を使って、粉末処理法で作製したものよりも純度の高く、ＣＶＤ法よりも高速に窒化アルミニウムを成長させることができる。さらに、移送装置１００、２００は非常に高い度合いでスパッタリング粒子のイオン化が行われるので、移送装置１００、２００によって窒化物ベースの材料の合成を促進するプラズマビーム環境を形成することができる。移送装置１００、２００によって成長する材料は、高い結晶性と高い純度が得られることから、窒化物のバルク特性を示す。特に、移送装置１００、２００で製造されたバルク状の窒化アルミニウムは、高いＩＲとＵＶ透過性、高い熱伝導性、高いｃ軸配向性を有している。
【００８５】
上述の材料の成長に加えて、移送装置１００、２００は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛等の様々なセラミック薄膜を成長させるために用いることができ、あるいは銅やその他の金属中間層をパターン化された電子デバイス上に成膜するために用いることができる。また、高い移送速度によって目的物を被覆する高い処理能力が得られる。
【００８６】
図１４は、電子増幅のない通常のマグネトロンスパッタリング装置と比較して、０．７Ａの電子増幅下（即ち、発明によって設けられた注入リングと中空カソード型構造から電流を供給することによる）で移送装置１００を動作させた場合の印加する電源電圧の関数としてプラズマ電流をプロットして、成膜速度についての劇的な改良を実証するものである。
【００８７】
従来の平面マグネトロンでは、トレンチ状の腐食パターンがビーム状電子のＥ×Ｂドリフト行程の付近におけるターゲット材料の表面に形成されやすいため、利用するターゲット材料の弱さに苦しめられている。このトレンチの半径の狭さは、既知の「磁気ミラー」効果によって順に生じるプラズマの半径方向の圧縮に起因する。プラズマの電子は、磁場が磁極ピースに向って集中する箇所における大小のマグネトロン半径から離れるような力を受ける。電子は、これらのミラーによって磁場が均一な半径方向の中間領域に向って圧縮される。プラズマ衝撃とイオン衝撃の何れも、磁場が均一な領域で最も激しい。磁場のミラー効果は、フラットな磁場を設計することによって、あるいはスパッタリングの間、磁石を前後に機械的に走査することによって幾分減らすことができる。プラズマ圧縮に起因する薄膜の厚さの不均一さは、成膜の間に基板をあちこち移動させることによって避けることができる。符号４１０で示すように、矩形のマグネトロンを用いて幾何学的に均一性を改善する簡単な試みの一つを図１５に示している。矩形対象を伴い、磁力線Ｂの多くは線形方向に沿っており、ビーム状電子は、ターゲットカソード１０４で長円又は「レーストラック（racetrack）状」のＥ×Ｂドリフト行程を描く。不均一性が問題を生じる場合には、本発明に関連して矩形形状のマグネトロンを用いてもよい。
【００８８】
マグネトロン装置１１０の横磁場によるターゲットカソード１０４にわたるプラズマの局在化の結果、マグネトロンを用いない平面ダイオードの場合より基板１３２にわたってのプラズマ濃度を低くすることができ、それによって基板１３２へのイオン衝撃フラックスを減少させることができる。これは、スパッタリングされた中性粒子のみが薄膜構造を最適化するために十分な力学的エネルギーを持つ場合や、あるいはイオン衝撃の結果生じる熱を最低に保つことが重要な場合に必要とされる。しかし、別の場合には、移送装置１００、２００の動作圧力を低く保ちながら薄膜への衝撃を増やす必要がある。成長している薄膜へのイオン衝撃を増やす一つの方法として、例えば中心磁石を小型化することによってマグネトロン装置１１０の磁石を「アンバランス」にして、中央の磁石１１２が外部磁石１１６から発散している磁力線の全てを引き付けられないようにする。そこで、アンバランスな配置においては、中心の磁石１１２に引き付けられない磁力線は基板ホルダ１３０に向って曲がる。電子の磁場に平行な移動に対しては磁場の影響はないので、電子はこれらの予想外の磁力線に沿って逃れることができ、基板１３２へと移動する。逃れる電子によってそれらと共に両極性拡散によって正イオンを引き付け、その結果、基板１３２へのイオン衝撃フラックスが増す。さらに、衝撃エネルギーは、負にバイアスされた基板１３２によって増える。
【００８９】
成長する薄膜へのイオン衝撃を増やす別の方法として、ＲＦ出力コイルを用いて基板への移送の間にスパッタリングされた中性粒子フラックスののほとんどをイオン化する方法がある。コイルは、マグネトロンプラズマの第２プラズマ下流における誘導的なカップリングエネルギーによって動作する。
【００９０】
図１６を参照すると、本発明の別の実施の形態に係るスパッタリング移送装置が符号６００で示されている。スパッタリング移送装置の多くのコンポーネントは、図７に示されたスパッタリング移送装置１００と同様である。特に、上述のように、物質移送プロセスを強化するために注入装置１５０が用いられる。基本的な違いは、液相アルミニウム又は液相ガリウム等の液体ターゲット６０４をソース種として用いていることである。この形態においては、ターゲットホルダは、液体ターゲット材料を含むカップ６０６の形状で用意されている。このターゲットホルダは、必要な熱に耐えると共に、ターゲット材料を汚染しない適当な材料からなることが好ましい。ターゲットホルダ６０６用の候補材料としては、モリブデンやステンレススチールがある。ある実施の形態では、ホルダと高純度（９９．９９９９％）の液体ガリウム又は液体アルミニウムとの反応を避けるために、液体ガリウム又は液体アルミニウム用の直径６インチのモリブデンホルダ６０６が用いられている。ガリウム又はアルミニウムの平坦な液体表面を得るため、ガリウム又はアルミニウムとモリブデンホルダ６０６との十分なぬれが生じる必要がある。このためにターゲットホルダ６０６の底に溝を切って表面積を増やし、それによってぬれ性を増加させる。さらに、溝に接続しているガス抜き穴によって、液体ガリウム又は液体アルミニウム下にトラップされたガスを除去することができる。
【００９１】
図１７を参照すると、本発明のさらに別の実施の形態に係るスパッタリング移送装置は符号７００で示されている。スパッタリング移送装置７００は、図９に示されたと同様に、バイアスされた封じ込めシールド２０２と封じ込め磁石２０４とを備えている。封じ込めシールド２０２に印加される高電圧は、スパッタリングされた材料を基板上に成長している薄膜１３２に集中させ、それによって基板又は薄膜１３２へのＧａ又はＡｌの移送効率を増すことができる。
【００９２】
スパッタリング移送装置６００及び７００を上述のように動作させる。カソードからスパッタリングされたガリウム（又はアルミニウム）粒子は、カソードの磁場中の原子で存在する窒素原子と反応する。窒化ガリウム（又は窒化アルミニウム）粒子は封じ込め磁場を介して基板まで移動する。成長膜の品質は基板表面での核形成と成長によって決まる。
【００９３】
（実施例１）
窒素雰囲気中でガリウムを強化スパッタリングすることによってＧａＮ単結晶層をサファイア基板上に形成する方法の一例について説明する。この方法で用いられる未加工の原料は、純度９９．９９９９％のガリウムと窒素やアンモニア等の窒素含有ガスである。ガリウム源（ソース）の蒸気を得るために用いられるガリウムターゲットは、真空室内に配置され、水冷されたマグネトロン装置の上に取り付けられる。窒素源の蒸気を得るために用いられる窒素含有ガスは、マスフローコントローラを用いて真空室内に導入される。
【００９４】
サファイアウエハは洗浄され、ウエハプラッタの上に置かれる。ウエハは、真空室内に取り付けられ、基板ヒータ装置と接続して配置される。真空室は、機械式真空ポンプによって１０^−２Ｔｏｒｒまで減圧される。１０^−７Ｔｏｒｒに減圧する場合には拡散ポンプが使用される。試料は１時間で１０００℃に加熱される。真空室を、１０^−６Ｔｏｒｒで焼く。その後、窒素及びアルゴンガスが真空室内に導入される。アルゴン分圧を２．５ｍＴｏｒｒ、窒素分圧を７．５ｍＴｏｒｒとし、全圧を１０ｍＴｏｒｒとする。
【００９５】
プラズマは点火され、出力５ｋＷに設定される。システムはこの条件で１２時間の間維持する。その後、プラズマは消されてヒータが２５℃に５時間ランプ（ramped）される。このステージの間に、図１で例えば層１４と表わされるように、ＧａＮ単結晶層がサファイアウエハ上に形成される（ただし、図示されているバッファ層１６は考慮していない）。結晶が室温に冷却された後、ガス流が止められる。ＧａＮ結晶は室内から取り出される。サファイア上の所定のＧａＮ層は、３００μｍの厚さで２インチの直径である。
【００９６】
そして、ＧａＮ層をサファイアテンプレートから解放でき、基板として用いるために準備できる。、既知の方法、例えば機械的ラッピング装置を用いてサファイアテンプレートをＧａＮ層から取り外す。得られるＧａＮウエハは、例えば、図２に符号２０で示すように、約２００μｍの厚さと約２インチの直径を有する。その後、ＧａＮウエハを既知の方法で化学的又は機械的研磨する。研磨ステップをドライエッチング法によって行って、ＧａＮ薄膜を受け入れることができるＧａＮウエハの表面を形成する。適当な方法、例えばスパッタリング、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ等によってＧａＮウエハの用意された表面上に約１〜２μｍの厚さのＧａＮのエピタキシャル層が成膜される。それによって様々なデバイス、コンポーネント、および／又は別の層を準備されたＧａＮ基板の上に形成できる。
【００９７】
（実施例２）
サファイア上のＧａＮバッファ層の上に、窒素雰囲気中にガリウムを強化スパッタリングすることによってＧａＮ単結晶ホモエピタキシャル層を生成する方法の一例について説明する。この方法で使用する原料そのものには純度９９．９９９９％のガリウムと、窒素やアンモニア等の窒素含有ガスが含まれる。ガリウムソース蒸気を生成するために用いられるガリウムターゲットが、真空室内に配置された水冷マグネトロンの上に置かれる。窒素ソース蒸気を生成するための窒素含有ガスは、マスフローコントローラを用いて真空室内に導入される。サファイアウエハは洗浄され、ウエハプラッタに置かれる。ウエハプラッタは真空室に置かれ、基板ヒータ装置と接続して配置される。その後、真空室を機械式真空ポンプによって１０^−２Ｔｏｒｒまで減圧する。また、拡散ポンプを用いて室内を１０^−７Ｔｏｒｒに減圧する。試料は１時間で１０００℃に加熱される。室内は１０^−６Ｔｏｒｒで焼かれる。その後、１０分で５００℃に温度を下げる。窒素とアルゴンを真空室に導入する。アルゴン分圧を２．５ｍＴｏｒｒ、窒素分圧を７．５ｍＴｏｒｒとし、室内の全圧を１０ｍＴｏｒｒにする。プラズマを１分間で５００ｍＷに点火する。この場合に、サファイアウエハの上に、例えば図１に中間層１６で示されているようにＧａＮバッファ層を形成する。５分で１０００℃に昇温し、１０分間維持する。プラズマを再点火し、５ｋＷに設定する。システムをこの条件で１２時間維持する。その後、プラズマは消火され、ヒータが５時間で２５℃にランプ（ramped）される。このステージの間、例えば、図１の層１４で示すように、ＧａＮ単結晶層がバッファ層の上に形成される。結晶が室温に冷却された後にガス流を停止する。その後、ＧａＮ結晶を室内から取り外す。その結果、サファイア及びバッファ層の上のＧａＮ層は３００μｍの厚さで直径２インチである。
【００９８】
その後、ＧａＮ層をサファイアテンプレートから解放して基板として用いるために準備する。サファイアテンプレートは、既知の方法、例えば、機械的ラッピング装置を用いてＧａＮ層を取り外す。得られるＧａＮウエハは、例えば、図２の符号２０で示されるように、約２００μｍの厚さと直径約２インチである。その後、ＧａＮウエハは既知の方法で化学的機械的研磨される。ドライエッチング法で研磨され、ＧａＮフィルムを受け入れることができるＧａＮウエハの面を生成する。その後、ＧａＮウエハの準備した面の上にＧａＮエピタキシャル層を既知の方法、例えば、スパッタリング、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥによって成膜し、厚さ約１〜２μｍとする。そして、様々なデバイス、コンポーネント、及び／又は別の層を準備したＧａＮ基板の上に形成できる。
【００９９】
（実施例３）
サファイア基板上のＧａＮバッファ層の上に、窒素雰囲気中にガリウムを強化スパッタリングすることによってＧａＮ単結晶ホモエピタキシャル層を生成する方法の別例について説明する。この方法で使用する原料そのものには純度９９．９９９９％のガリウムと、窒素やアンモニア等の窒素含有ガスが含まれる。ガリウムソース蒸気を生成するために用いられるガリウムターゲットが、真空室内に配置された水冷マグネトロンの上に置かれる。窒素ソース蒸気を生成するための窒素含有ガスは、マスフローコントローラを用いて真空室内に導入される。
【０１００】
サファイアウエハは洗浄され、ウエハプラッタに置かれる。ウエハプラッタは真空室に置かれ、基板ヒータ装置と接続して配置される。その後、真空室を機械式真空ポンプによって１０^−２Ｔｏｒｒまで減圧する。また、拡散ポンプを用いて室内を１０^−７Ｔｏｒｒに減圧する。試料は１時間で１０００℃に加熱される。室内は１０^−６Ｔｏｒｒで焼かれる。その後、１０分で５００℃に温度を下げる。アルゴンを上述の非熱イオン・非熱電子／プラズマ注入装置を介して真空室に導入する。また窒素ガスを真空室内のサファイア・ウエハ基板の近くに導入する。アルゴン分圧を２．５ｍＴｏｒｒ、窒素分圧を７．５ｍＴｏｒｒとし、室内の全圧を１０ｍＴｏｒｒにする。マグネトロンプラズマを点火して５ｋＷに設定する。注入装置によって供給するプラズマを点火し、１ｋＷの出力に設定する。システムをこの条件で３時間維持する。その後、プラズマは消火され、ヒータが５時間で２５℃にランプ（ramped）される。このステージの間、例えば、図１の層１４で示すように（ただし図中のバッファ層は考慮しない）、ＧａＮ単結晶層がサファイアウエハ上に形成される。結晶が室温に冷却された後にガス流を停止する。その後、ＧａＮ結晶を室内から取り外す。その結果、サファイアの上のＧａＮ層は３００μｍの厚さで直径２インチである。
【０１０１】
その後、ＧａＮ層をサファイアテンプレートから解放して基板として用いるために準備する。サファイアテンプレートは、既知の方法、例えば、機械的ラッピング装置を用いてＧａＮ層を取り外す。得られるＧａＮウエハは、例えば、図２の符号２０で示されるように、約２００μｍの厚さと直径約２インチである。その後、ＧａＮウエハは既知の方法で化学的機械的研磨される。ドライエッチング法で研磨され、ＧａＮフィルムを受け入れることができるＧａＮウエハの面を生成する。その後、ＧａＮウエハの準備した面の上にＧａＮエピタキシャル層を既知の方法、例えば、スパッタリング、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥによって成膜し、厚さ約１〜２μｍとする。そして、様々なデバイス、コンポーネント、及び／又は別の層を準備したＧａＮ基板の上に形成できる。
【０１０２】
（実施例４）
サファイア基板上のＧａＮバッファ層の上に、窒素雰囲気中にガリウムを強化スパッタリングすることによってＧａＮ単結晶ホモエピタキシャル層を生成する方法の一例について説明する。この方法で使用する原料そのものには純度９９．９９９９％のガリウムと、窒素やアンモニア等の窒素含有ガスが含まれる。ガリウムソース蒸気を生成するために用いられるガリウムターゲットが、真空室内に配置された水冷マグネトロンの上に置かれる。窒素ソース蒸気を生成するための窒素含有ガスは、マスフローコントローラを用いて真空室内に導入される。
【０１０３】
サファイアウエハは洗浄され、ウエハプラッタに置かれる。ウエハプラッタは真空室に置かれ、基板ヒータ装置と接続して配置される。その後、真空室を機械式真空ポンプによって１０^−２Ｔｏｒｒまで減圧する。また、拡散ポンプを用いて室内を１０^−７Ｔｏｒｒに減圧する。試料は１時間で１０００℃に加熱される。室内は１０^−６Ｔｏｒｒで焼かれる。その後、１０分で５００℃に温度を下げる。アルゴンを上述の非熱電子／プラズマ注入装置を介して真空室に導入する。また窒素ガスを真空室内のサファイアウエハ基板の近くに導入する。アルゴン分圧を２．５ｍＴｏｒｒ、窒素分圧を７．５ｍＴｏｒｒとし、室内の全圧を１０ｍＴｏｒｒにする。マグネトロンプラズマを点火して１分間で５ｋＷに設定する。この場合に、サファイアウエハの上に、例えば図１に中間層１６で示されているようにＧａＮバッファ層を形成する。温度を５分間で１０００℃に昇温して、１０分間維持する。上述の封じこめシールドに１００Ｖを印加し、封じこめマグネットによって磁場を印加する。マグネトロンプラズマを点火し、１０ｋＷの出力に設定する。注入装置によって供給されるプラズマを点火し、５ｋＷの出力に設定する。システムをこの条件で５０時間維持する。その後、プラズマは消火され、ヒータが５時間で２５℃にランプ（ramped）される。このステージの間、例えば、図３の層３２で示すように、ＧａＮ単結晶層がバッファ層の上に形成される。結晶が室温に冷却された後にガス流を停止する。その後、ＧａＮ結晶ブール（boule）を室内から取り外す。そのサファイアの上のＧａＮブールは３０ｍｍの厚さで直径２インチである。
【０１０４】
その後、一以上のデバイス用基板がＧａＮブールから得られる。ＧａＮブールは、既知の方法、例えば、内側直径ウエハ・ソーを用いて切断して、ＧａＮウエハが得られる。得られるウエハは、約５００μｍの厚さと直径約２インチである。その後、ＧａＮウエハは既知の方法で化学的機械的研磨される。ドライエッチング法で研磨され、ＧａＮフィルムを受け入れることができるＧａＮウエハの面を生成する。その後、ＧａＮウエハの準備した面の上にＧａＮエピタキシャル層を既知の方法、例えば、スパッタリング、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥによって成膜し、厚さ約１〜２μｍとする。そして、様々なデバイス、コンポーネント、及び／又は別の層を準備したＧａＮ基板の上に形成できる。
【０１０５】
本発明の様々な内容について本発明の範囲から離れることなく変更することができる。さらに、ここまでの記載は実例としてのみのものであって、請求項によって規定される発明の内容を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明に係るヘテロ構造の側断面図である。
【図２】本発明に係る取り付け体であるバルク体の側断面図である。
【図３Ａ】図２のバルク体の上にさらに成膜された一層を有するバルク体の側断面図である。
【図３Ｂ】図１のヘテロ構造の上にさらに成膜された一層を有するヘテロ構造の側断面図である。
【図４Ａ】図２のバルク体の上にデバイスが形成されたバルク体の側断面図である。
【図４Ｂ】図３Ａのヘテロ構造の上にデバイスが形成されたヘテロ構造の側断面図である。
【図４Ｃ】図１のヘテロ構造の上にデバイスが形成されたヘテロ構造の側断面図である。
【図４Ｄ】図３Ｂのヘテロ構造の上にデバイスが形成されたヘテロ構造の側断面図である。
【図５Ａ】横方向エピタキシャル過度成長に備えて成膜された中間層を有するヘテロ構造の側断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａのヘテロ構造にパターニングの後、横方向エピタキシャル過度成長を行ったヘテロ構造の側断面図である。
【図６】本発明によって製造された、高透明性の、高配向多結晶体を含む窓の側断面図である。
【図７】本発明の実施の形態における新しいスパッタリング移送装置の概略図である。
【図８Ａ】本発明のある実施の形態で提供される電子／プラズマ注入装置の平面図である。
【図８Ｂ】図８Ａの注入装置の線８Ｂ−８Ｂに沿った切り取り垂直断面図である。
【図９】本発明の別の実施の形態に係る新しいスパッタリング移送装置の概略図である。
【図１０】本発明の別の実施の形態に係る電子／プラズマ注入装置の斜視図である。
【図１１】図１０の注入装置の平面概略図である。
【図１１Ａ】図１１の注入装置の線１１Ａ−１１Ａに沿った垂直断面図である。
【図１１Ｂ】図１１の注入装置の線１１Ｂ−１１Ｂに沿った垂直断面図である。
【図１２Ａ】図１０の注入装置の別の斜視図である。
【図１２Ｂ】図１０の注入装置の平面図である。
【図１３】図１０の注入装置の動作と、典型的な電子／プラズマ注入パターンを示す斜視図である。
【図１４】本発明の移送装置のソース特性と、従来のマグネトロン・ソースのソース特性とを比較するグラフである。
【図１５】本発明と組み合わせて用いることができる矩形状マグネトロン・ソースの斜視図である。
【図１６】本発明の別の実施の形態に係る新奇なスパッタリング移送装置の概略図である。
【図１７】本発明のさらに別の実施の形態に係る新奇なスパッタリング移送装置の概略図である。

Claims (56)

1. エピタキシャル成長を導く成長面を有するテンプレートを用意するステップと、
   第ＩＩＩ族金属のターゲットを強化プラズマ雰囲気下でスパッタリングして第ＩＩＩ族金属ソース蒸気を生成するステップと、
   前記第ＩＩＩ族金属ソース蒸気と、窒素含有ガスとを混合して第ＩＩＩ族金属と窒素とから構成される反応物蒸気種を生成するステップと、
   前記反応物蒸気種を前記成長面に堆積させて、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶層を生成するステップと、
   前記テンプレートを除去し、それによって支持体を有しない直径が約０．５インチ以上であって、厚さが約５０μｍ以上のＭ^ＩＩＩＮ単結晶体を提供するステップと
   を含む、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体の製造方法。
2. 前記テンプレートは、サファイア、シリコンカーバイド、ダイアモンド、没食子酸リチウム、アルミン酸リチウム、ＳｃＡｌＭｇ、酸化亜鉛、スピネル、酸化マグネシウム、ヒ化ガリウム、ガラス、タングステン、モリブデン、ハフニウム、窒化ハフニウム、ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭素、絶縁体上シリコン、絶縁体上炭化シリコン、シリコン上炭化シリコン、窒化ガリウムからなる群から選ばれる一種からなる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記テンプレートは、導電性基板、絶縁性基板、半絶縁性基板、ツイスト結合基板、仕様準拠基板、パターン基板からなる群から選ばれる一種からなる、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記テンプレートの熱膨張率は、前記Ｍ^ＩＩＩＮ層と実質的に同じである、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記テンプレートの直径は、実質的に０．５インチ以上である、請求項１に記載の製造方法。
6. 前記第ＩＩＩ族金属ターゲットは、ガリウム、インジウム、アルミニウム、及びこれらの２元合金、３元合金、又は４元合金の群から選ばれる一種を含む、請求項１に記載の製造方法。
7. 前記窒素含有ガスは、２個の窒素原子を含むガス、１個の窒素原子を含むガス、窒素イオン、部分イオン化窒素、アンモニアガス、窒素含有化合物、及びこれらの混合ガスの群から選ばれる一種を含む、請求項１に記載の製造方法。
8. 前記反応物蒸気種を前記テンプレートの上に直接堆積させる、請求項１に記載の製造方法。
9. 前記反応物蒸気種を堆積させる前に、前記テンプレートの上に中間層を堆積させるステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
10. 前記中間層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、及びこれらの合金からなる群から選ばれる一種からなる、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記中間層は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ、ダイアモンド、没食子酸リチウム、アルミン酸リチウム、酸化亜鉛、スピネル、酸化マグネシウム、ヒ化ガリウム、タングステン、モリブデン、ハフニウム、窒化ハフニウム、ジルコニウム、窒化ジルコニウム、炭素の群から選ばれる一種を含む、請求項９に記載の製造方法。
12. 前記中間層は、前記成長面の上に横方向エピタキシャル過度成長（lateral epitaxial overgrowth）によって堆積させた、請求項９に記載の製造方法。
13. 前記中間層は、２層以上からなる、請求項９に記載の製造方法。
14. 前記中間層は、物理蒸着法、スパッタリング法、分子ビームエピタキシ法、大気圧下化学蒸着法、低圧下化学蒸着法、強化プラズマ化学蒸着法、有機金属化学蒸着法、蒸発法、昇華法、及び水素化物気相エピタキシ法からなる群から選ばれる一の方法で堆積させる、請求項９に記載の製造方法。
15. 前記テンプレートは、研磨法、化学機械研磨法、レーザ誘起リフトオフ（liftoff）、劈開法（cleaving）、湿式エッチング、乾式エッチングの群から選ばれる一の方法によって除去する、請求項９に記載の製造方法。
16. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ層にドーパントを添加するステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
17. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ層は、１０μｍ／時間以上の成長レートで形成されている、請求項１に記載の製造方法。
18. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体は、ドーパントの添加のないイントリンシックＭ^ＩＩＩＮ、添加されたＭ^ＩＩＩＮ、Ｍ^ＩＩＩＮ合金、５０％以上のＭ^ＩＩＩとＮとを含む化合物からなる群から選ばれる一種の形態である、請求項１に記載の製造方法。
19. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体は、直径が実質的に２インチ以上であって、厚さが１ｍｍ以上である、請求項１に記載の製造方法。
20. 前記テンプレートは、研磨法、化学機械研磨法、レーザ誘起リフトオフ（liftoff）、劈開法（cleaving）、湿式エッチング、乾式エッチングの群から選ばれる一の方法によって除去する、請求項１に記載の製造方法。
21. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体からウエハを切り出すステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
22. エピタキシャル成長用に前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体の表面を準備するステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
23. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体の上にエピタキシャル層を堆積させるステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
24. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体の上にデバイスを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
25. 前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶層を種結晶として用いて、第ＩＩＩ族金属と窒素とからなる反応物蒸気種を前記Ｍ^ＩＩＩＮ層の上に堆積させてバルク体であってホモエピタキシャル成長させたＭ^ＩＩＩＮ単結晶体を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
26. 前記Ｍ^ＩＩＩＮバルク体は、物理蒸着法、スパッタリング法、分子ビームエピタキシ法、大気圧下化学蒸着法、低圧下化学蒸着法、強化プラズマ化学蒸着法、有機金属化学蒸着法、蒸発法、昇華法、及び水素化物気相エピタキシ法からなる群から選ばれる一の方法で堆積させる、請求項２５に記載の製造方法。
27. バルク体であって、ホモエピタキシャル成長させた前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体からウエハを切り出すステップをさらに含む、請求項２５に記載の製造方法。
28. エピタキシャル成長用に前記ウエハの表面を準備するステップをさらに含む、請求項２７に記載の製造方法。
29. 前記ウエハの上にエピタキシャル層を堆積させるステップをさらに含む、請求項２８に記載の製造方法。
30. 前記ウエハの上にデバイスを形成するステップをさらに含む、請求項２７に記載の製造方法。
31. 前記テンプレートを除去することなく、
    前記Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶層を種結晶として用いて、第ＩＩＩ族金属と窒素とからなる反応物蒸気種を前記Ｍ^ＩＩＩＮ層の上に堆積させてバルク体であってホモエピタキシャル成長させたＭ^ＩＩＩＮ単結晶体を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
32. 前記Ｍ^ＩＩＩＮバルク体は、物理蒸着法、スパッタリング法、分子ビームエピタキシ法、大気圧下化学蒸着法、低圧下化学蒸着法、強化プラズマ化学蒸着法、有機金属化学蒸着法、蒸発法、昇華法、及び水素化物気相エピタキシ法からなる群から選ばれる一の方法で堆積させる、請求項３１に記載の製造方法
33. 前記Ｍ^ＩＩＩＮバルク体からウエハを切り出すステップをさらに含む、請求項３１に記載の製造方法。
34. エピタキシャル成長用に前記ウエハの表面を準備するステップをさらに含む、請求項３３に記載の製造方法。
35. 前記ウエハの上にエピタキシャル層を堆積させるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記ウエハの上にデバイスを形成するステップをさらに含む、請求項３３に記載の製造方法。
37. 請求項１に記載の製造方法によって製造されたＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体であって、前記単結晶体は、直径が実質的に０．５インチ〜１２インチの範囲内にあって、厚さが実質的に５０μｍ以上である、Ｍ^ＩＩＩＮバルク単結晶体。
38. 請求項１に記載の製造方法によって製造されたＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体であって、前記単結晶体は、厚さが５０μｍ〜１ｍｍの範囲内のウエハ形状である、Ｍ^ＩＩＩＮバルク単結晶体。
39. 請求項１に記載の製造方法によって製造されたＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体であって、前記単結晶体は、直径が２インチ以上であって厚さが１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内であるブール（boule）形状である、Ｍ^ＩＩＩＮバルク単結晶体。
40. エピタキシャル成長を導く成長面を有するテンプレートを準備するステップと、
    非熱電子／プラズマ注入装置からなるスパッタリング装置を用いて第ＩＩＩ族金属のターゲットから第ＩＩＩ族金属ソース蒸気を生成するステップと、
    前記第ＩＩＩ族金属ソース蒸気と、窒素含有ガスとを混合して第ＩＩＩ族金属と窒素とから構成される反応物蒸気種を生成するステップと、
    前記反応物蒸気種を前記成長面に堆積させて、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶層を生成するステップと
    を含む、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体の製造方法。
41. 前記注入装置は、ガスソースと流体的に連絡して配置されている複数の中空カソード注入器を備え、各注入器はスパッタリング室と接続されているオリフィスを含んでいる、請求項４０に記載の製造方法。
42. 前記注入装置は、
    （ａ）中心軸に対して円周方向に構成されており、プロセス・ガス部と冷却ガス部とを備える本体であって、前記プロセス・ガス部によってプロセス・ガス室が画成され、前記冷却ガス部によって熱伝導流体リサーバを画成する、本体と、
    （ｂ）脱離可能であって、前記中心軸に対して半径方向に前記本体に配置されており、前記熱伝導流体リサーバと熱伝導するように配置されており、各ガスノズルによって前記プロセス・ガス室と前記本体の外側領域との間に流体の連絡を実現する複数のガスノズルと
    を備える、請求項４０に記載の方法。
43. 前記テンプレートを除去し、それによって支持体を有しないＭ^ＩＩＩＮ単結晶体を提供するステップをさらに含む、請求項４０に記載の製造方法。
44. 請求項４０に記載の製造方法によって製造されるＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体であって、前記単結晶体は、直径が０．５μｍ以上であって、厚さが５０μｍ以上である、Ｍ^ＩＩＩＮバルク単結晶体。
45. 請求項４０に記載の製造方法によって製造されるＭ^ＩＩＩＮ単結晶体であって、前記単結晶体は、厚さが５０μｍ〜１ｍｍの範囲内のウエハ形状である、Ｍ^ＩＩＩＮ単結晶体。
46. 請求項４０に記載の製造方法によって製造されるＭ^ＩＩＩＮ単結晶体であって、前記単結晶体は、直径が２インチ以上であって厚さが１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内であるブール（boule）形状であるＭ^ＩＩＩＮバルク単結晶体。
47. 請求項４０に記載の製造方法によって、実質的に１０μｍ／時間以上の成長レートで製造されるＭ^ＩＩＩＮ単結晶体。
48. 細長面と、前記細長面の法線に実質的に配向している複数の粒界とを有し、熱伝導率は、実質的に前記細長面の法線方向について厚さを介して高くなっており、前記細長面の面に平行な方向については熱伝導が妨げられ、前記細長面の法線方向に沿って赤外スペクトル又はマイクロ波スペクトルの放射線エネルギについて実質的に透明である第ＩＩＩ族金属窒化物の高配向多結晶体。
49. 前記多結晶体は、窒化アルミニウム化合物を有する請求項４８に記載の多結晶体。
50. 前記多結晶体は、窒化ガリウム化合物を有する請求項４８に記載の多結晶体。
51. 前記多結晶体は、厚さが少なくとも実質的に５０μｍである、請求項４８に記載の多結晶体。
52. 赤外線及び／又はマイクロ波の放射エネルギを透過させるために取り付けられるウインドウであって、
    （ａ）金属製フレームと、
    （ｂ）前記金属フレームによって支持されている第ＩＩＩ族金属窒化物多結晶体であって、前記多結晶体は、互いに対向する細長面の外側と内側と、前記細長面の法線に実質的に配向している複数の粒界とを有し、熱伝導率は、実質的に前記細長面の法線方向について厚さを介して高くなっており、前記細長面の面に平行な方向については熱伝導が妨げられる、ウインドウ。
53. 前記多結晶体が窒化アルミニウムである、請求項５２に記載のウインドウ。
54. 前記多結晶体が窒化ガリウムである、請求項５２に記載のウインドウ。
55. 前記多結晶体が少なくとも実質的に５０μｍの厚さを有する、請求項５２に記載のウインドウ。
56. 赤外スペクトル及び／又はマイクロ波スペクトルのエネルギーを伝送するために取り付けられたウインドウを提供する方法であって、
    （ａ）封止された室内にターゲット材料を有する負にバイアスされたターゲットカソードを準備するステップと、
    （ｂ）前記封止された室内に前記ターゲットカソードから離して金属製フレームを準備するステップと、
    （ｃ）前記ターゲットカソードに動作電圧を印加して前記室内に電場を生成するステップと、
    （ｄ）前記室内にマグネトロン装置を準備して、前記室内に磁場を生成するステップと、
    （ｅ）前記ターゲットカソードの直前に強烈なプラズマを生成するように負にバイアスされた非熱イオン性の電子／プラズマ注入装置を前記ターゲットカソードと前記金属製フレームとの間に準備するステップと、
    （ｆ）ガスを前記室内に導入して、プラズマ媒体を生成する環境を準備するステップと、
    （ｇ）前記ターゲット材料の一部にスパッタリングを引き起こし、プラズマ媒体を介して前記金属製フレームに向って移送するステップと
    を含む、ウインドウを提供する方法。

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