JP2023055564A - ターゲットの製造方法及びスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】純度の高いターゲット材を簡便かつ合理的に製造する。【解決手段】処理容器内に設けられた載置台に低融点金属又は低融点合金の粒状原料が納められた原料容器を準備する工程と、前記処理容器内を所定の真空度まで減圧する工程と、前記減圧した前記処理容器内にて前記原料容器を加熱し、前記原料容器内で粒状原料を溶融し、前記低融点金属又は低融点合金のターゲット材を形成する工程と、を含むターゲットの製造方法が提供される。【選択図】図１

Description

本開示は、ターゲットの製造方法及びスパッタ装置に関する。

例えば、特許文献１、２はターゲット材の製造方法を開示する。特許文献１では、バッキングプレートにガリウム（Ｇａ）又はＧａ合金を液体状態にして流し込む。そして、液体Ｇａを保持したバッキングプレートを、減圧状態または水素ガス雰囲気中でＧａもしくはＧａ合金の融点以上の温度で熱処理してから、ＧａもしくはＧａ合金を固体状態となるまで冷却させてターゲット材を製造する。

例えば、特許文献２は、原料室の供給容器にターゲット材を配置し、原料室を真空排気して真空雰囲気を形成する。その後、供給容器を加熱してターゲット材を接続し、原料室の内部に供給用圧力調整ガスを導入し、圧力差によって成膜容器にスパッタリングガスを導入し、成膜容器にスパッタ電圧を印加してターゲット材の液体をスパッタリングする。

例えば、特許文献３は窒化物半導体膜の形成方法を提案する。特許文献３では、窒素及びアルゴンを含む真空チャンバ内で窒化ガリウムのターゲット材を間欠的にスパッタする工程と、真空チャンバ内でターゲット材から飛散した窒化ガリウムのスパッタ粒子を、温度が５６０℃以上６５０℃以下の対象物上に堆積させる工程と、を有する。

特開２００８－２６０９７４号公報 特開２０２０－１８６４６３号公報 国際公開第２０２０／０７５５９９号公報

本開示は、純度の高いターゲット材を簡便かつ合理的に製造できる技術を提供する。

本開示の一の態様によれば、処理容器内に設けられた載置台に低融点金属又は低融点合金の粒状原料が納められた原料容器を準備する工程と、前記処理容器内を所定の真空度まで減圧する工程と、前記減圧した前記処理容器内にて前記原料容器を加熱し、前記原料容器内で粒状原料を溶融し、前記低融点金属又は低融点合金のターゲット材を形成する工程と、を含むターゲットの製造方法が提供される。

一の側面によれば、純度の高いターゲット材を簡便かつ合理的に製造できる。

実施形態に係るスパッタ装置を示す図である。 実施形態に係るターゲットの製造方法を示すフローチャートである。 図３（ａ）は実施形態に係るスパッタ装置におけるターゲットの製造方法を説明するための図であり、図３（ｂ）はる窒化ガリウム膜の成膜を説明するための図である。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［窒化物半導体膜］
青色発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）等に窒化ガリウム（ＧａＮ）膜が用いられている。窒化物半導体膜の一例である窒化ガリウム膜の特性はその結晶性に大きく影響を受ける。窒化ガリウムを成長させる際、一般に、有機金属化学気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法が使用される。

しかし、ＭＯＣＶＤ法によるプロセスは反応性ガスを大量に消費するなど環境負荷が問題になる場合がある。その解決策の一つとしてスパッタ法による窒化ガリウムの成長方法がある。ガリウム又はガリウム合金のターゲットの製造方法としては、例えば、スパッタ装置に隣接した別チャンバでガリウムを液化させ、バッキングプレートに入れて減圧状態でガリウム又はガリウム合金を冷却して固体状態のターゲット材を製造する方法がある。この方法では、スパッタ装置に隣接した別チャンバで液化させたガリウムを別チャンバからスパッタ装置へ流し、スパッタ装置内のバッキングプレートに流し込む。このシステムでは、別チャンバからスパッタ装置まで真空を保つ構造や原料を流し込む配管や配管を加熱する手段が必要になり、システム（構造物）が大型化し、フットプリントが増大する。また、ターゲット材の製造工程において、別チャンバにて液化したガリウムをスパッタ装置内のバッキングプレートに流し込む追加の工程が必要になる。

他のターゲットの製造方法では、大気雰囲気でバッキングプレートにガリウム又はガリウム合金を液体状態にして流し込み、液体のガリウム等を保持したバッキングプレートを、減圧状態または水素ガス雰囲気中のスパッタ装置に搬送する。そして、スパッタ装置内でガリウム等の融点以上の温度でバッキングプレート内のガリウム等を熱処理してから、ガリウム等を固体状態となるまで冷却させてターゲット材を製造する。

この場合、バッキングプレートに流し込むためのガリウム又はガリウム合金を融解する際や、完成したターゲット材をスパッタ装置のカソード電極に装着する際に、ターゲット材を大気に暴露することになる。この結果、大気中の酸素を不純物としてターゲット材に取り込んでしまう恐れがある。

以下の説明では、純度の高いターゲット材を簡便かつ合理的に製造できるターゲットの製造方法を例に挙げて説明する。本開示に係るターゲットの製造方法は、スパッタ装置内で製造される。製造されたターゲットを同一のスパッタ装置内でスパッタすることにより、窒化ガリウム膜を成長させることができる。

［スパッタ装置］
本開示に係るスパッタ装置１０について図１を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るスパッタ装置１０を示す図である。スパッタ装置１０は、窒化ガリウム膜の形成に好適な成膜装置である。スパッタ装置１０では、基板の一例であるウェハを保持するためのウェハホルダ１３及びバッキングプレート１１０が載置される載置台１２が処理容器１１内に設けられている。

バッキングプレートは銅（Ｃｕ）などの導電材料から形成されている。バッキングプレート１１０はトレイ状、皿状又はお椀状等、内部にターゲットＴの原料である低融点金属又は低融点合金の粒状原料が納められるように構成される。バッキングプレート１１０は、低融点金属又は低融点合金の粒状原料を充填する原料容器の一例である。

載置台１２は、処理容器１１の底部に支持されている。ウェハホルダ１３は、処理容器１１の天井部に吊り下げられている。載置台１２とウェハホルダ１３とは対向し、載置台１２とウェハホルダ１３との間に直流電圧又は矩形状の直流電圧である直流パルス電圧を印加する直流電源１５が接続されている。直流電源１５の替わりにウェハホルダ１３に高周波電源が接続され、高周波電源から高周波電圧を印加してもよい。

ウェハホルダ１３と載置台１２との間には図示しない開閉可能なシャッター１６（図3（ｂ）参照）が設けられている。処理容器１１としては、例えば、処理容器１１内の処理空間Ｕにてバッキングプレート１１０を２０℃以上２００℃以下の温度に制御し、１×１０^－４Ｐａ以下の高真空を実現できる処理容器１１を用いることが好ましい。処理容器１１内を１×１０^－６Ｐａ以下の高真空を実現できる処理容器１１を用いることが更に好ましい。

載置台１２はヒータ１４を内蔵する。載置台１２の上面とウェハホルダ１３の下面とが互いに対向している。従って、載置台１２に取り付けられた製造後のターゲットＴの上面と、ウェハホルダ１３に保持されたウェハＷの下面とが互いに対向する。載置台１２はカソード電極として機能し、ウェハホルダ１３はアノード電極として機能する。

処理容器１１には、ガス供給部２１から供給される窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスの供給ライン２２が設けられている。供給ライン２２にはバルブ２３が設けられ、供給ライン２２の先端のガス孔２４が処理容器１１内に開口し、ガス孔２４から窒素ガスやアルゴンガス等のガスが供給される。処理容器１１に設けられた排気口２６に繋がる排気ライン２７にはポンプＰ２５が接続されている。

スパッタ装置１０には、ガス供給部２１、ヒータ１４、直流電源１５、バルブ２３及びポンプＰ２５の動作を制御する制御部３０が設けられている。制御部３０は、例えばコンピュータで構成され、中央処理装置（central processing unit：ＣＰＵ）及びメモリ等の記憶媒体を備える。記憶媒体には、スパッタ装置１０において実行される各種の処理を制御するプログラムが格納される。制御部３０は、記憶媒体に記憶されたプログラムをＣＰＵに実行させることにより、スパッタ装置１０の動作を制御する。また、制御部３０は、入力インターフェース及び出力インターフェースを備える。制御部３０は、入力インターフェースで外部からの信号を受信し、出力インターフェースで外部に信号を送信する。

上記のプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記憶されていたものであって、その記憶媒体から制御部３０の記憶媒体にインストールされたものであってもよい。コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体としては、例えば、ハードディスク（hard disk：ＨＤ）、フレキシブルディスク（flexible disk：ＦＤ）、光学ディスク（optical disk：ＯＤ）、マグネットオプティカルディスク（magneto-optical disk：ＭＯ）、ソリッドステートドライブ（solid state drive：ＳＳＤ）、メモリーカードなどが挙げられる。なお、プログラムは、インターネットを介してサーバからダウンロードされ、制御部３０の記憶媒体にインストールされてもよい。

［ターゲットの製造方法］
次に、本開示に係るスパッタ装置１０を用いた、ターゲットの製造方法について図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、実施形態に係るターゲットＴの製造方法を示すフローチャートである。図３（ａ）は実施形態に係るスパッタ装置１０におけるターゲットの製造方法を説明するための図であり、図３（ｂ）はスパッタ装置１０において実行される窒化ガリウム膜の成膜を説明するための図である。

（ガリウム原料の準備；Ｓ１）
本開示に係るターゲットＴの製造方法では、ステップＳ１において、バッキングプレート１１０内に粒状のガリウム原料１００を充填する。粒状のガリウム原料１００が充填されたバッキングプレート１１０を処理容器１１内に搬入し、載置台１２に載置する（図１参照）。

バッキングプレート１１０に充填されるターゲット材の材料は、低融点金属又は低融点合金の粒状原料である。低融点金属の一例としては、ガリウム又はインジウムであってよい。低融点合金の一例としては、ガリウムとインジウムの合金であってよい。

（真空排気；Ｓ３）
次に、ステップＳ３において、制御部３０は、ポンプＰ２５を制御し、処理容器１１内を所定の真空度まで減圧する。例えば、処理容器１１内を１×１０^－４Ｐａ以下の真空度まで減圧することが好ましい。処理容器１１内を１×１０^－６Ｐａ～１×１０^－７以下の真空度まで減圧することがさらに好ましい。処理容器１１内を上記真空度まで減圧することで、処理容器１１内の酸素等の不純物を処理容器１１から除去できる。ターゲットＴの製造過程において、粒状のガリウムの隙間に酸素を含む空気を気泡として取り込む可能性が高く、そうすると製造されたターゲット材の純度が下がる。そうすると、ターゲット材から空気を取り除くためにガリウム等の融解後、真空高温下の熱処理の工程が別途必要になる。

これに対して、本開示におけるターゲットの製造方法では、ガリウムの加熱前に真空排気を行いガリウム等の粒状固体の隙間を真空置換することで、ガリウム等の融解後の熱処理を省略することができる。また、スパッタ中のターゲット材の表面はプラズマに曝され、実質的にその表面は溶けてしまうので、バッキングプレート１１０内のガリウム等は液化したままでよく、再固化させる工程も不要である。

なお、真空排気とともに、ガス供給部２１から処理容器１１内に水素ガスを供給し、処理容器１１内の酸素ガスを含むガスを水素ガスで置換してもよい。水素ガスを導入し、処理容器１１内の水素ガス雰囲気中でターゲットＴを製造することで純度の高いターゲットＴを製造できる。

（加熱；Ｓ５）
次に、ステップＳ５において、制御部３０は、所定の真空度が維持された処理容器１１内で載置台１２に内蔵されたヒータ１４を制御し、バッキングプレート１１０を加熱する。これにより、バッキングプレート１１０内で粒状のガリウム原料１００を溶融し、液状のガリウムのターゲット材を形成する。このときバッキングプレート１１０を２０℃以上２００℃以下の温度に加熱してもよい。バッキングプレート１１０の加熱温度は、バッキングプレート１１０内の原料の融点以上であればよい。

例えば、ガリウムの融点は約３０℃であるため、バッキングプレート１１０内の原料がガリウムの場合、ガリウムの融点以上の温度である例えば５０℃程度にバッキングプレート１１０を加熱してもよい。インジウムの融点は約１５６℃であるため、バッキングプレート１１０内の原料がインジウムの場合、インジウムの融点以上の温度である例えば２００℃程度にバッキングプレート１１０を加熱してもよい。

バッキングプレート１１０内の原料がガリウム及びインジウムの場合、得たい発光波長に合わせてガリウム及びインジウムの組成比を決定する。よって、決定したガリウム及びインジウムの組成比でその組成物が溶融する温度を算出し、バッキングプレート１１０を算出した温度に制御してガリウム及びインジウムを溶融させる。

（ターゲットＴの完成；Ｓ７）
次に、ステップＳ７において、制御部３０は、バッキングプレート１１０を２０℃以上２００℃以下の温度であってガリウム及びインジウムの組成比に応じた温度に変更することでこのターゲットＴの製造工程を終了する。これにより、図３（ａ）に示すように、粒状のガリウム原料１００を溶融させて純度を高めた平坦なガリウムのターゲットＴが完成する。これにより、次のステップＳ９において説明するように、純度の高いターゲットＴを使用してウェハＷを成膜できる。

完成したガリウムのターゲットＴは、バッキングプレート１１０内に納められ、液体であってよい。ただし、完成したターゲットＴは、液体に限らず、少なくとも表面が液体でもよい。完成したターゲットＴは、載置台１２側が固体、プラズマ側が液体であってよい。ターゲットＴは液体のままでよい。次の成膜処理では溶融したターゲットＴを使用できる。なお、ターゲットＴは冷却して固体にしてもよいが、この場合、ターゲットＴを固体にする工程が増える。また、成膜時、プラズマに晒されるターゲットの表面部分（エロ―ジョン）を中心にターゲットＴの表面は溶融していると考えられるため、ターゲットＴは固体にしなくてもよい。

ターゲットＴの製造工程が終了すると、同一装置内、すなわちスパッタ装置内で直ちにターゲット材を用いたスパッタによる成膜が可能になる。これにより、脱気工程が不要となり、ガリウムのターゲットＴの製造から窒化ガリウム膜の成膜までの全体工程数を大幅に削減できる。本実施形態では、ステップＳ１～Ｓ７において製造したガリウムのターゲットＴを使用してステップＳ９～Ｓ１３の成膜が実行される。

（成膜開始；Ｓ９）
ステップＳ９において、制御部３０は、窒化ガリウム膜の成膜を開始する。そして、制御部３０は、処理容器１１内にウェハＷを搬入し、搬入したウェハＷをウェハホルダ１３に保持し、バッキングプレート１１０の温度と処理容器１１内の圧力とを調整する。これにより、図３（ｂ）に示すように、ウェハＷがウェハホルダ１３に保持され、図示しないヒータによりウェハホルダ１３の温度を例えば１８０℃～２２０℃に予備加熱する。これにより、ウェハＷを予備加熱できる。

スパッタ中にターゲットＴがアルゴンイオンに叩かれたり、プラズマに晒されたりする等の理由によりターゲットＴの温度が上昇する。このため、成膜中、載置台１２に図示しない流路を設け、所定温度に制御された冷媒を流路に循環させることで、ターゲットＴの裏面が１０℃程度になるように載置台１２を冷却してもよい。

（プレスパッタ処理；Ｓ１１）
次に、ステップＳ１１において窒化ガリウム膜の成膜前のプレスパッタ処理を実行する。制御部３０は、ウェハＷの温度を成膜温度に制御し、図３（ｂ）に示すシャッター１６を閉じた状態で、バルブ２３の開度を調整して、ガス供給部２１から窒素ガス及びアルゴンガスを処理容器１１内に供給する。また、直流電源１５からウェハホルダ１３と載置台１２との間に直流電圧を印加する。プレスパッタ処理では、ターゲットＴからガリウムのスパッタ粒子が飛散するが、シャッター１６が閉じているため、スパッタ粒子はウェハＷには到達しない。プレスパッタ処理の間に、ターゲットＴからのスパッタ粒子の飛散が安定する。例えば、プレスパッタ処理の時間は３分間～７分間であってよい。

（スパッタ処理；Ｓ１３）
次に、ステップＳ１３においてスパッタ処理を実行する。これにより、窒化ガリウム膜の成膜を実行する。スパッタ処理では、シャッター１６を開く。このため、ターゲットＴをアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気でスパッタし、窒化ガリウム膜の成長を行う。

つまり、ターゲットＴから飛散したガリウムのスパッタ粒子と処理空間Ｕ中の窒素ガスがウェハＷ上に堆積し、ウェハＷ上に窒化ガリウム膜が成長する。なお、直流電圧は間欠的に印加し、パルススパッタリングを行ってもよい。

窒化ガリウム膜の成膜が終了した場合、窒素ガス及びアルゴンガスの供給、ヒータへの通電並びに直流電圧の印加を停止し、ウェハＷを冷却する。ウェハＷの温度が予め定められた温度に達したところでウェハＷを処理容器１１から搬出し、本処理を終了する。このようにしてウェハＷ上に窒化ガリウム膜を形成できる。

なお、バッキングプレート１１０内のターゲットＴが所定量以内又は所定の厚さ以下になったら交換し、本処理を再スタートさせて、次のターゲットＴの製造及び成膜を行う。

（ターゲットＴの原料の不純物の濃度）
ターゲットＴの原料に用いるガリウムやインジウムの純度は５Ｎ以上が望ましい。

（処理容器１１）
処理容器１１としては、成長温度において１×１０^－５Ｐａ以下の真空度が達成できるものを用いることが好ましい。処理容器１１内で発生する不純物の窒化ガリウム膜への混入を抑制するためである。

処理容器１１内に、窒化ガリウム膜に導電型を付与する物質のターゲットを取り付けるためのカソード電極（ターゲット保持部）が設けられていてもよい。窒化ガリウム膜に導電型を付与する物質としては、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。マグネシウムを添加することでｐ型ＧａＮ膜を形成することができ、シリコンを添加することでｎ型ＧａＮ膜を形成することができる。

処理容器１１内に、窒化ガリウム膜を混晶とする物質のターゲットを取り付けるためのカソード電極（ターゲット保持部）が設けられていてもよい。窒化ガリウム膜を混晶とする物質としては、アルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。アルミニウムを含有させることでＡｌＧａＮ膜を形成することができる。つまり、本開示により形成される窒化物半導体膜は窒化ガリウム膜に限定されない。ＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜は、例えば、ＬＥＤ等の光デバイスだけでなく、高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transistor：ＨＥＭＴ）等の電子デバイスに用いることができる。

このように、窒化ガリウムのターゲットを間欠的にスパッタする際に、成膜する窒化ガリウムに混入させる物質のターゲットを間欠的にスパッタしてもよい。マグネシウム、シリコン、アルミニウム又はインジウムのターゲットは、これら物質の単体のターゲットであってもよい。

（ウェハＷ）
ウェハＷとしては、窒化ガリウム膜が形成される面に、単結晶の窒化ガリウム層を備えるものを用いることが好ましい。結晶性が良好な窒化ガリウム膜を形成するためである。このようなウェハＷとしては、例えば、窒化ガリウムの単結晶基板、窒化ガリウム単結晶テンプレート付きサファイア基板又は窒化ガリウム単結晶テンプレート付きシリコン基板を用いることができる。

以上に説明したように、本実施形態に係るターゲットの製造方法及びスパッタ装置によれば、純度の高いターゲット材を簡便かつ合理的に製造することができる。

今回開示された実施形態に係るターゲットの製造方法及びスパッタ装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

１０ スパッタ装置
１２ 載置台
１３ ウェハホルダ
１４ ヒータ
１５ 直流電源
１１０ バッキングプレート
Ｔ ターゲット

Claims (9)

1. 処理容器内に設けられた載置台に低融点金属又は低融点合金の粒状原料が納められた原料容器を準備する工程と、
   前記処理容器内を所定の真空度まで減圧する工程と、
   前記減圧した前記処理容器内にて前記原料容器を加熱し、前記原料容器内で粒状原料を溶融し、前記低融点金属又は低融点合金のターゲット材を形成する工程と、を含むターゲットの製造方法。
2. 前記低融点金属は、ガリウム又はインジウムであり、
   前記低融点合金は、ガリウムとインジウムの合金である、
   請求項１に記載のターゲットの製造方法。
3. 前記減圧する工程は、前記処理容器内を１×１０^－４Ｐａ以下の真空度まで減圧する、
   請求項１又は２に記載のターゲットの製造方法。
4. 前記減圧する工程は、前記処理容器内を１×１０^－６Ｐａ以下の真空度まで減圧する、
   請求項３に記載のターゲットの製造方法。
5. 前記ターゲット材を形成する工程は、前記原料容器を２０℃以上２００℃以下の温度に加熱する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のターゲットの製造方法。
6. 前記ターゲット材を形成する工程は、前記原料容器に納められ、少なくとも表面が液体のターゲット材を製造する、
   請求項１～５のいずれか一項に記載のターゲットの製造方法。
7. 前記ターゲット材を形成する工程は、前記処理容器内に水素ガスを導入し、前記処理容器内の水素ガス雰囲気中で前記ターゲットを製造する、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のターゲットの製造方法。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載のターゲットの製造方法により前記ターゲット材を製造可能なスパッタ装置。
9. 前記スパッタ装置は、前記ターゲット材を製造した同一の装置内で前記ターゲット材をスパッタし、基板に窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウム薄膜を形成する、
   請求項８に記載のスパッタ装置。

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