JP5272361B2

JP5272361B2 - スパッタ成膜装置およびスパッタ成膜装置用のバッキングプレート

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Publication number: JP5272361B2
Application number: JP2007235282A
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Inventors: 久幸三木; 健三塙; 保正佐々木
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Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）および電子デバイス等の作製に用いられるスパッタ成膜装置およびスパッタ成膜装置用バッキングプレートに関するものである。

ＩＩＩ族窒化物化合物半導体は、可視光から紫外光領域に相当するエネルギーの直接遷移型のバンドギャップをもち高効率な発光が可能であるため、ＬＥＤやＬＤとしての製品化が成されている。また、電子デバイスとしても従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では得られない特性が得られるポテンシャルを持っている。

一般的に、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体は有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって製造されている。ＭＯＣＶＤ法は、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアを原料とし、キャリアガスに原料の蒸気を含ませて基板表面に運搬し、加熱された基板との反応により原料を分解して結晶を成長させる方法である。精密な膜厚および組成制御を行うことができるというメリットを有する代わりに、成膜時間が長くなることおよび制御パラメータの操作が困難であるというようなデメリットがある。

そのため、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体をスパッタ法によって製造する研究も行われている。スパッタ法は、成膜速度を上げることができ、また制御パラメータの操作も簡易であるので、素子の生産性に大いに効果を発するためである。ＧａＮ膜をスパッタ法により成膜し、平滑性の良い膜を形成できたとの報告もある（非特許文献１および非特許文献２）。

非特許文献１には、Ｎ_２ガスを用いた高周波マグネトロンスパッタリングによってＳｉ（１００）およびサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）（０００１）上にＧａＮ膜を成膜したとの記載がある。成膜条件としては、全ガス圧力は２ｍＴｏｒｒ、投入電力は１００Ｗとし、基板温度を室温から９００℃まで変化させている。論文に掲げられた図によれば、用いた装置はターゲットと基板を対向させている。

また、非特許文献２では、カソードとターゲットを向かい合わせ、基板とターゲットの間にメッシュを入れた装置でＧａＮを成膜したとの記載がある。成膜条件はＮ_２ガス中で圧力を０．６７Ｐａとし、基板温度は８４から６００℃であり、投入電力は１５０Ｗ、基板とターゲット間の距離は８０ｍｍとされている。

更に、ＧａＮを用いたＩＩＩ族窒化物化合物半導体の積層構造体の製造において、ＭＯＣＶＤ法に加えてスパッタ法も合わせて行うことにより、精密な膜厚、組成制御とともに、成膜スピードを上げかつ欠陥の無い平滑な成膜を行うというような生産性の向上に大いに寄与する研究も行われ始めている。

特許文献１および２において、サファイア基板上にＧａＮ膜を積層する場合において、ＡｌＮのようなバッファ層を導入することによって、ＧａＮとサファイア層との間の格子不整合の問題を解消し、ＧａＮの結晶性を上げることが報告されている（特許文献１，２）。また、高周波スパッタ法を用いバッファ層の成膜を行い、そのバッファ層上に同じ組成の結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させ、エピタキシャル成長をさせることができる旨の報告がされている（特許文献３）。その成膜工程においてバッファ層のアニール処理を導入するとエピタキシャル成長の特性を向上させられるとの報告がなされ（特許文献４）、更に、バッファ層を４００℃以上の温度でＤＣスパッタにより成膜するとエピタキシャル成長の特性が向上させられるとの報告もなされている（特許文献５）。

このように、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体をスパッタ法により成膜する技術の重要性は高まっており、特にＧａＮをスパッタ法により成膜する技術の重要性が高まっている。しかし、Ｇａは常温で液体であるため、従来、Ｇａをターゲットとして成膜するときには、これを冷却して固体状態にして、スパッタ成膜をする必要があった。しかし、ターゲットの冷却が不十分であったり、投入するプラズマのパワーを上げたりした場合に、Ｇａの状態が固体から突然液体に状態変化し、成膜をうまく制御できない場合があった。

従来のバッキングプレートは、Ｇａを固体状態で用いることを前提に作られているので、液体状態となったＧａとの濡れ性を考慮していない。濡れ性が悪い材料がバッキングプレートのＧａと接触する面に使われている場合、熱がＧａからバッキングプレートにうまく逃げず、熱がこもりＧａを溶解させたり、冷却材によって冷やされたバッキングプレートの冷却効果がＧａにうまく伝わらず、Ｇａを冷却することができなかったりする場合がある。そのような場合、Ｇａが固体から突然液体に状態変化し、成膜制御を不安定にさせる。また、Ｇａが液体状態のとき、Ｇａは表面張力によって液滴となって寄り集まり、バッキングプレートの面を露出させる。その結果、バッキングプレート面の構成元素が一緒にスパッタされる弊害をもたらす。実際に、バッキングプレート表面が露出した状態でスパッタした場合、成膜したものを分析すると、バッキングプレートを構成する元素が不純物として混入している場合があった。

従って、Ｇａが固体状態および液体状態のいずれの状態においても、Ｇａとバッキングプレートとの間の熱伝導を均一に行うことによって、成膜を安定して行なわせる必要がある。また、Ｇａが液体状態のときには、バッキングプレートのスパッタ面に液体状態のＧａを均一に広げ、バッキングプレート表面が露出しない状態で成膜を行わせることによって、不純物を含まないＧａ窒化物化合物半導体を形成させる必要がある。
特許第３０２６０８７号公報特開平４−２９７０２３号公報特公平５−８６６４６号公報特許第３４４０８７３号公報特許第３７００４９２号公報２１世紀連合シンポジウム論文集、Ｖｏｌ．２ｎｄ、ｐ．２９５（２００３）バキューム（Ｖａｃｕｕｍ）、Ｖｏｌ．６６、ｐ．２３３（２００２）

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、Ｇａを安定して保持することが可能なスパッタ装置用のバッキングプレートおよびこのバッキングプレートを備えたスパッタ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用した。
（１）Ｇａを含むターゲット材料を保持するバッキングプレートを具備してなり、少なくとも前記バッキングプレートの前記ターゲット材料と接する接触面が、液体状態のＧａとの接触角が９０°以下となる易濡れ性材料で構成されており、かつ、前記バッキングプレートに前記易濡れ性材料がコーティングされて前記接触面が形成されていることを特徴とするスパッタ成膜装置。
（２）前記易濡れ性材料が、シリコン、カーボン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、および酸化シリコンからなる群より選ばれる１種の材料からなることを特徴とする（１）に記載のスパッタ成膜装置。
（３）基板上にＧａを含むＩＩＩ族窒化物化合物半導体からなる層を成膜する際に用いられることを特徴とする（１）または（２）に記載のスパッタ成膜装置。
（４）Ｇａを含むターゲット材料を保持するスパッタ成膜装置用のバッキングプレートであって、前記バッキングプレートの前記ターゲット材料と接する接触面が、液体状態のＧａとの接触角が９０°以下となる易濡れ性材料で構成されており、かつ、前記バッキングプレートに、前記易濡れ性材料がコーティングされて前記接触面が形成されていることを特徴とするスパッタ成膜装置用のバッキングプレート。
（５）前記易濡れ性材料が、ポリシリコン、カーボンおよび石英からなる群より選ばれる１種の材料からなることを特徴とする（４）に記載のスパッタ成膜装置用のバッキングプレート。

上記の構成によれば、液体Ｇａとの接触角が９０°以下である易濡れ性材料によってバッキングプレートの接触面を形成するので、Ｇａが液体の場合であっても接触面を露出させることなく、Ｇａを安定して保持することができる。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。図１は、バッキングプレート１の一例を示す断面図である。図１に示すバッキングプレート１は、易濡れ性材料からなるバッキングプレート本体１ａから構成されている。バッキングプレート本体１ａには、ターゲット材料を保持するための凹部１ｂが設けられている。この凹部の内面１ｃが、ターゲット材料との接触面とされている。図１に示すバッキングプレート１では、バッキングプレート本体１ａを易濡れ性材料で形成することによって、凹部１ｂの内面１ｃである接触面が、易濡れ性材料で構成されることになる。

図２には、バッキングプレートの別の例を示す。図２に示すバッキングプレート１１は、バッキングプレート本体１１ａと、コーティング層１１ｂとから構成されている。バッキングプレート本体１１ａには、その上面側１１ｃにターゲット材料を保持するための凹部１１ｄが設けられている。また、コーティング層１１ｂは、易濡れ性材料からなるものであって、厚みが０．１μｍ〜１ｍｍ程度の薄膜である。このコーティング層１１ｂは凹部１１ｄの内部の全面に形成されていれば良いが、凹部１１ｄの周りの上面側１１ｃに形成されていても良い。図２に示すバッキングプレート１１では、凹部内面に形成されたコーティング層１１ｂの表面がターゲット材料との接触面となる。

図１におけるバッキングプレート本体１ａまたは図２におけるコーティング層１１ｂを構成する易濡れ性材料とは、液体状態のＧａとの接触角が９０°以下となる材料である。

ここで、「濡れ性」は、液体と固体表面との間で一意に決まる物理量であり、「濡れ性」が高いとは、液体が固体表面に広がる現象をいい、「濡れ性」が低いとは、固体表面が液体をはじくような現象をいう。「濡れ性」の程度は、一般に接触角θで定義される。接触角θとは、固体または液体表面と液滴とが接するときに、液面と固体面とのなす角で液体を含む側の角をいう。θはＹｏｕｎｇの式γｓｖ＝γｌｖｃｏｓθ＋γｓｌにより、固気、気液および固液界面自由エネルギー（γｓｖ、γｌｖ、γｓｌ）と関連づけられる。

接触角θ＝１８０°のときは、全く濡れ性が無い状態であり、θが小さくなれば、濡れ性が高くなり、θ＝０°のとき、完全に濡れることをさす。本発明のバッキングプレート１、１１では、Ｇａと易濡れ性材料との接触角は基本的に小さければ小さいほど良く、９０°以下であることが望ましい。更に望ましくは、６０°以下であり、３０°以下であることが、特に望ましい。

次に、易濡れ性材料の具体例としては、たとえば、シリコン、カーボン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、および酸化シリコンを例示でき、好ましくはシリコン、カーボンを例示できる。また、図１のようにバッキングプレートそのものとして用いる場合には、成形できる程度の剛性を有する材料を用いることが好ましい。
ここでいうシリコンとは、単結晶であっても構わないし、多結晶であっても良い。価格の面から多結晶シリコンを用いることが望ましいが、含有される不純物を適切に制御する必要があることは言うまでもない。また、導電性を持つ材料とすることが望ましい。このことは、図１のようにバッキングプレート自体をシリコンで形成する場合でも、図２のように他の材料で作製したバッキングプレートをシリコンでコートする場合でも同様である。コート材料の場合は、ポリシリコンとすることが現実的であり、望ましい。
ここでいうカーボンとは、グラファイトカーボンであることが、価格、加工性、導電性の面から望ましい。この場合も、含有される不純物を適切に制御する必要がある。また、コート用の材料としては、ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣ）と呼ばれる材料も用いることができる。コートは、カーボンで作製したバッキングプレートに施すことも可能である。

図１または図２のバッキングプレート１、１１の凹部１ｂ、１１ｄに充填されるターゲット材料は、Ｇａ単独でもかまわないが、Ｇａに他の元素を混合させたものでも良い。他の元素としては、Ｍｇ、ＳｉおよびＡｌなど、ＧａＮのドーパントとして用いられるものを使用できる。また、Ｇａは液体として用いられてもよく、固体として用いられても良い。

Ｇａに他の元素を混合して使用する場合で、ターゲットを液体状態で使用したいときには、Ｇａに他の元素を完全に溶融させて化合物や合金とすることが望ましい。

Ｇａに他の元素を完全に溶融させることができず、固体としてＧａに他の元素を分散させる必要がある場合には、スパッタが進行してもターゲット面におけるＧａと他の元素の面積比が変化しないような工夫が必要である。例えば、スパッタによりターゲット表面が削られても、Ｇａと他の元素の面積比が変化しないように、他の元素の塊を、ターゲットの深さ方向に対して同じ断面積を呈するような形状として、固定して混入する。また、粒子状の他の元素をターゲット中に均一に分散させるなどの方法も取ることができる。もちろん、混合物として均一に混ざった状態で使用しても良い。

たとえば、ＧａにＭｇ、ＡｌもしくはＩｎを混合する場合は、ＧａとＭｇ、ＡｌやＩｎとの相溶性が高いので、ＧａにＭｇ、ＡｌもしくはＩｎを溶解させて用いるか、あるいはそれを固化させたものを用いることができる。

また、ＧａにＳｉを混合する場合は、ＧａとＳｉとの相溶性が低いので、Ｓｉを粒状または粉状にして、固体状態のＧａに均一に分散させたものを用いればよい。これは、液体状態のＧａに粒状のＳｉを混ぜて冷やし固めることによって作製すればよい。また、Ｇａを液体で使用したいときは、Ｓｉのターゲットを別途設けて、同時スパッタする、などの方法を取ることが望ましい。

上記のターゲット材料を、図１あるいは図２に示すバッキングプレート１，１１の凹部１ｂ、１１ｄに充填することによって、スパッタ成膜装置に用いられるスパッタターゲットが構成される。

図３は、図１に示すバッキングプレート１を用いてスパッタターゲット２６を製造する方法を説明する工程図である。まず、図３（ａ）に示すように易濡れ性材料からなる塊状の母材２２ａを用意する。次に、図３（ｂ）に示すように、その母材２２を成形加工することによって、凹部１ｂを形成する。凹部１ｂの成形加工方法は、研削、プレス成形等を利用できる。このようにして、易濡れ性材料からなるバッキングプレート１を製造する。次に、図３（ｃ）に示すように、冷却プレート２３の上に接着材２４を介して、バッキングプレート１を固定する。ビーカーにＧａ粒を数粒いれ、暖めて液体Ｇａにした後、バッキングプレート１の凹部１ｂに流しいれ、室温まで冷却してＧａを固体にする。最終的に、図３（ｅ）に示すスパッタターゲット２６を製造する。

図４は、図２に示すバッキングプレート１１を用いてスパッタターゲット２７を製造する方法を説明する工程図である。まず、図４（ａ）に示すように塊状の母材２２ｂを用意する。次に、図４（ｂ）に示すように、その母材２２ｂを成形加工することによって、凹部１１ｄを形成する。凹部１１ｄの成形加工方法は、研削、プレス成形等を利用できる。図４（ｃ）に示すように、コーティング材１１ｂで凹部１１ｄおよび上面側１１ｃをコーティングする。このようにして、易濡れ性材料でコーティングされたバッキングプレート１１を製造する。図４（ｄ）から（ｆ）に示す工程は、図３に示す工程と同様にして、図４（ｆ）に示すスパッタターゲット２７を製造する。

コーティングの方法としては、一般的に知られたものを問題なく使用することができる。例えば、ＣＶＤ、スパッタ、蒸着、メッキなどである。特にＣＶＤは、比較的稠密な膜を大きなサイズの物体にも成膜することが可能なので、本発明のコーティング方法として適している。きわめて高温での反応を必要とするコーティング方法は、本体である金属が融解する可能性があるので、適用できない。

上記のバッキングプレート１、１１は、液体Ｇａとの接触角が９０°以下である易濡れ性材料によって、接触面を形成するので、Ｇａが液体の場合であっても接触面を露出させることなく、Ｇａとの接触面である凹部１ｂの内面１ｃあるいは凹部１１ｄ内面に形成されたコーティング層１１ｂの表面に、Ｇａを隙間無く均一に広げて保持することができる。これにより、易濡れ性材料自体をスパッタするおそれがない。

図１に示すように、バッキングプレート１自体を易濡れ性材料で構成した場合には、衝撃や擦れなどによりバッキングプレート１の凹部１ｂの内面１ｃに傷が付いても、易濡れ性材料が削られ、新しい表面が露出するだけなので、Ｇａとの濡れ性には影響が無く、Ｇａとの接触面である凹部１ｂの内面１ｃに隙間無く均一に広げて保持できる。なお、易濡れ性材料の多くは熱伝導性が低く、Ｇａを低温にして固体状態に維持しにくい場合がある。そのため、図３に示す例のスパッタターゲット２６は、液体Ｇａをターゲット材料とする場合に用いるのが好ましい。

一方、図２に示すように、コーティング材料１１ｂを易濡れ性材料としてバッキングプレートにコートした場合は、バッキングプレート本体１１ａを熱伝導性の優れた銅、アルミ、鉄などの金属等で製造し、表面だけを易濡れ性材料でコーティングすることができるので、バッキングプレート本体１１ａを介してターゲット材料を効率よく冷却できる。従って、図４に示す例のスパッタターゲット２７は、液体Ｇａだけでなく固体Ｇａもターゲット材料とする可能性がある場合に用いるのが好ましい。

また，図３あるいは図４に示すスパッタターゲット２６，２７の製造工程において、Ｇａとの接触面である凹部１ｂの内面１ｃあるいは凹部１１ｄ内面に形成されたコーティング層１１ｂの表面に易濡れ性材料を用いれば、バッキングプレート本体１ａあるいはコーティング層１１ｂ表面を露出せず、ターゲット材料である液体Ｇａを隙間無く均一に広げて保持するバッキングプレート１、１１も容易に製造することができる。

コーティングは、複数の層で構成することができる。例えば、コーティング層とする材料がＧａとの親和性があったとしても、バッキングプレート材料との親和性が悪い場合、コーティング層の剥がれが発生する可能性がある。このような場合、その間に両方との親和性を持つ材料からなる層を形成することができる。例えば、Ｃｕ製のプレートにカーボンコート使用とした場合、間にポリシリコン製の被膜を入れることができる。

以下、上記のスパッタターゲット２６、２７を備えたスパッタ成膜装置について説明する。

図５は、上記のスパッタターゲット２６、２７を用いたスパッタ成膜装置の一例を示す概略図である。このスパッタ成膜装置３０は、図５に示すように、チャンバ３１と、チャンバ３１内に設置されたスパッタターゲット２６、２７と、スパッタターゲット２６、２７に対してパワーを印加するマッチングボックス３２とを備えている。また、図５に示すように、スパッタ成膜装置３０のチャンバ３１内には、基板３３をスパッタターゲット２６、２７に対向させて下向きに取り付けるための取り付け手段３３ｂと、基板３３を加熱するためのヒーター３４とが備えられており、マッチングボックス３２に導電接続される電源３５と、チャンバ３１内の圧力を制御するポンプなどからなる圧力制御手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃと、チャンバ３１内にガスを供給するガス供給手段３７ａ、３７ｂとが備えられている。

スパッタターゲット２６、２７はスパッタ成膜装置３０のチャンバ３１内の所定の位置に設置する。Ｇａを固体ターゲットとして使用する場合、スパッタターゲット２６、２７は、冷却プレート２３により冷却される。基板３３をチャンバ３１内に搬入し、スパッタターゲット２６、２７の上部に設置する。チャンバ３１内は、減圧状態とされ、ガス供給手段３７ａ、３７ｂによりアルゴンガスおよび窒素ガスが流入される。基板３３はヒーター３４により加熱され、スパッタ成膜は電源３５を入れてマッチングボックス３２を制御することにより行われる。

スパッタ法には、ＲＦスパッタとＤＣスパッタがあるが、たとえば、リアクティブスパッタを用いた場合にはＲＦスパッタを用いないと成膜レートをコントロールできないと言われており、ＲＦスパッタを用いるか、または、ＤＣスパッタでもパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッタを用いることが望ましい。また、ＲＦスパッタを用いた場合には、膜厚の均一性を向上させる方法として、マグネットの位置をターゲット内で移動させることが望ましい。具体的な運動の方法は装置により選択することができ、揺動させたり、回転運動させたりすることができる。

以下、上記のスパッタ成膜装置３０を用いたＧａ窒化物化合物半導体素子の製造方法の一例を説明する。Ｇａ窒化物化合物半導体素子の製造に用いる基板３３としては、一般にＩＩＩ族窒化物化合物半導体結晶を成膜できる基板であれば、どのような材料も用いることが可能である。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステンおよびモリブデンなどである。また、一般的にスパッタ法は基板の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ基板上にも、基板にダメージを与えることなく成膜が可能である。

本実施形態に用いる窒素原料としては、一般に知られている化合物をなんら問題なく用いることができる。特に、アンモニアと窒素は取り扱いが楽で、比較的安価に入手可能であるので望ましい。アンモニアは分解効率が良いので、早い成長速度で成膜することができるが、反応性や毒性も高いので、毒性除害設備やガス検知器などを必要とし、反応装置の材料を化学的に安定性の高いものに変更する必要があるなど様々な対策が必要となる。逆に、窒素は、装置が簡便で済む代わりに、早い成長速度は得られない。窒素を電界や熱などにより分解してから装置に導入する方法は、アンモニアを使用した成膜速度には劣るが利用可能な程度であり、装置コストとの兼ね合いを考えると、最も好適な窒素源である。

成膜時の基板温度は、室温〜１２００℃であることが望ましい。それ以下の温度では、基板面でのマイグレーションが抑えられて、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物化合物半導体結晶ができない。一方、１２００℃以上の温度ではＩＩＩ族窒化物化合物半導体結晶が分解してしまう。さらに望ましくは３００〜１０００℃であり、５００〜８００℃が最も好適である。

本実施形態の製造方法では、スパッタ法で半導体層を成膜する際、スパッタターゲットに印加するパワーを０．１Ｗ／ｃｍ^２〜１００Ｗ／ｃｍ^２の範囲とすることが好ましく、１Ｗ／ｃｍ^２〜５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲とすることがより好ましく、１．５Ｗ／ｃｍ^２〜５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲とすることが最も好ましい。スパッタターゲット２６，２７に印加するパワーを上記範囲とすることにより、大きなパワーの反応種を生成し、また、この反応種を高い運動エネルギーで基板３３へ供給できるので、基板上におけるマイグレーションが活発になり、良好な結晶を得ることができる。あまりに大きいパワーを導入すると、スパッタターゲット２６，２７表面の温度が上昇し、固体と液体の混じった状態となる。このような状態でスパッタを行うことは、ダストの発生やスパークの発生を招き、望ましくない。

チャンバ３１内の圧力は０．３Ｐａ以上であることが望ましい。これ以下の圧力では、窒素の存在量が少なく、スパッタされた金属が窒化物とならずに付着する。圧力の上限は特に定めるものではないが、プラズマを発生させることができる程度の低圧が必要なことは言うまでもない。

スパッタ法を用いて、混晶を成膜したいときは、金属材料の混合物（必ずしも、合金を形成していなくても構わない）をターゲットとして用意することもできるし、異なる材料からなる２つのターゲットを用意して同時にスパッタする方法を取ることもできる。一般に、決まった組成の膜を成膜したければ混合材料のターゲットを用い、組成の異なる何種類かの膜を成膜したければ複数のターゲットをチャンバ３１内に設置する。

成膜したいＩＩＩ族窒化物が単組成のＧａＮではない場合、Ｇａ以外の元素を混ぜ込んだターゲットをスパッタすることにより所望の組成の成膜を行うことができる。Ｇａと混晶を形成するＡｌやＩｎのほか、導電性を制御する目的で結晶中にドープする、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどを混合することもできる。混合する量は、目的とする結晶の組成、ドープ量およびスパッタレートを考慮し計算することができる。混合元素は、均一に混合した混合物（合金や化合物）としても構わないし、組成の不均一を含む混合物としても良い。

本実施形態のバッキングプレート１，１１は、易濡れ性材料を用いて成形もしくはコーティングされるという構成なので、液体Ｇａがターゲット内で凝集することなく、ターゲット面に均一に広がり、バッキングプレート１，１１自体をスパッタさせることはなく、成膜したＧａ窒化物化合物には、それに起因する不純物を含まないようにすることができる。

本実施形態のバッキングプレートを用いて成膜を行うことにより、Ｇａ窒化物化合物半導体素子をも作成できる。

上記のＧａ窒化物化合物半導体素子は、スパッタ法により、ＩＩＩ族窒化物化合物を基板上に形成し、その層の上に機能性を持つ半導体積層構造を積層し、各種の半導体素子として構成したものである。このＧａ窒化物化合物半導体素子は、発光素子のほか、レーザー素子および受光素子などの光電気変換素子、およびＨＢＴおよびＨＥＭＴなどの電子デバイスなどに用いることができる。これらのＧａ窒化物化合物半導体素子は各種構造のものが多数知られており、本発明のＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造体の上に積層する素子構造は、それら周知の素子構造を含めて何ら制限されない。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。

（実施例１）
ポリシリコン製の母材を成形加工することにより、図１に示すような、ポリシリコン製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着材により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａ粒を数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却してＧａを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、図５に示すように、このスパッタターゲットをスパッタ成膜装置のチャンバ内の所定の位置に設置し、その上部にはサファイア基板を設置した。スパッタ成膜装置内で、サファイア基板を５００℃まで加熱し、窒素ガスを１５ｓｃｃｍの流量で流しいれ、チャンバ内の圧力を１．０Ｐａ（０．６×１０^−３Ｔｏｒｒ）とし、５０Ｗの高周波プラズマで基板洗浄を行った。次に、基板温度を５００℃に保持し、アルゴンガスおよび窒素ガスをそれぞれ５ｓｃｃｍおよび１５ｓｃｃｍの流量で流入させた状態で、上記バッキングプレートをヒーターにより暖め、Ｇａを液体状態にした後、１Ｗ／ｃｍ^２のパワーの高周波をＧａターゲットに印加し、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を形成した。完成したＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＧａＮの膜中のＳｉ濃度は、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。このＳｉは、バッキングプレートの構成材料に由来するものであるが、検出された濃度では、膜に悪影響を与える量ではないことが分かった。
（実施例２）

Ｃｕ製の母材を成形加工し、ＣＶＤ法によりカーボン・コーティングを行い、図２に示すような、膜厚２００μｍのカーボン・コーティングされたＣｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、実施例１と同様にして、スパッタターゲットを製造した。
さらに、冷却プレートによりスパッタターゲットを冷却し、固体状態のＧａをスパッタしたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を形成した。完成したＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＣｕおよびＣが不純物として検出されるかどうか調べたが、ＳＩＭＳの検出レベル以下であった。
（実施例３）

ＳｉＯ_２製の母材を成形加工し、図１に示すようなＳｉＯ_２製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、直径１ｍｍ程度のＡｌ線を２〜３ｃｍに切ったものを、１ｋｇのＧａにつき８ｇのＡｌとなる割合で加え、溶融させたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却し、ＧａＡｌを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、実施例１と同様にして、サファイア基板上にＡｌＧａＮの単層膜を形成した。完成したＡｌＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＡｌＧａＮの膜中のＳｉ濃度は、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。このＳｉは、バッキングプレート材料として用いたＳｉＯ_２に由来するものであるが、検出された濃度では、膜に悪影響を与える量ではないことが分かった。
（実施例４）

Ｃｕ製の母材を成形加工し、ＣＶＤ法によりカーボン・コーティングを行い、図２に示すような、膜厚２００μｍのカーボン・コーティングされたＣｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、Ｉｎを、１ｋｇのＧａにつき１６４ｇのＩｎとなる割合で数粒加えたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却し、ＧａＩｎを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、冷却プレートによりスパッタターゲットを冷却し、固体状態のＧａＩｎをスパッタしたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア基板上にＩｎＧａＮの単層膜を形成した。完成したＩｎＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＣｕおよびＣが不純物として検出されるかどうか調べたが、ＳＩＭＳの検出レベル以下であることが分かった。
（実施例５）

カーボン製の母材を成形加工し、図１に示すようなカーボン製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、直径１ｃｍ程度のＭｇ塊を、１ｋｇのＧａにつき８００ｍｇのＭｇとなる割合で加え、溶解させたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却し、ＧａＭｇを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、実施例１と同様にして、サファイア基板上にＭｇをドープしたＧａＮ（以下、ＧａＮ：Ｍｇ）の単層膜を形成した。完成したＧａＮ：Ｍｇの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。Ｃが不純物として検出されるかどうか調べたが、ＳＩＭＳの検出レベル以下であることが分かった。
（実施例６）

Ｃｕ製の母材を成形加工し、ＣＶＤ法によりシリコン・コーティングを行い、図２に示すような、膜厚１００μｍのシリコン・コーティングされたＣｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、直径５０μｍ程度の粒状Ｓｉを、１ｋｇのＧａにつき１２６０ｍｇのＳｉとなる割合で加えたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却し、ＧａＳｉを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、冷却プレートによりスパッタターゲットを冷却し、固体状態のＧａＳｉをスパッタしたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア基板上にＳｉをドープしたＧａＮ（以下、ＧａＮ：Ｓｉ）の単層膜を形成した。完成したＧａＮ：Ｓｉの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＧａＮ：Ｓｉの膜中のＳｉ濃度は、５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。ドーパントとして添加したＳｉの適切な値が得られた。
（実施例７）

実施例１と同様にして、ポリシリコン製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、直径１ｍｍ程度のＡｌ線を２〜３ｃｍに切ったものを、加えたものに、さらに直径１ｃｍ程度のＭｇ塊を、１ｋｇのＧａにつき８００ｍｇのＭｇとなる割合で加え、溶解させたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却し、ＧａＡｌＭｇを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、実施例１と同様にして、サファイア基板上にＭｇをドープしたＡｌＧａＮ（以下、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ）の単層膜を形成した。完成したＡｌＧａＮ：Ｍｇの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＡｌＧａＮ：Ｍｇの膜中のＳｉ濃度は、５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。バッキングプレート材料として用いたポリシリコンの元素が不純物として検出されたが、膜に悪影響を与える量ではないことが分かった。
（実施例８）

Ｃｕ製の母材を成形加工し、Ｃｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にした後、Ｉｎを少量加え、溶解させたものに、直径５０μｍ程度の粒状Ｓｉを、１ｋｇのＧａにつき１２６０ｍｇのＳｉとなる割合で加えたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却し、ＧａＩｎＳｉを固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、冷却プレートによりスパッタターゲットを冷却し、固体状態のＧａＩｎＳｉをスパッタしたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア基板上にＳｉをドープしたＩｎＧａＮ（以下、ＩｎＧａＮ：Ｓｉ）の単層膜を形成した。完成したＩｎＧａＮ：Ｓｉの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。検出された元素はＳｉであり、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。ドーパントとして添加したＳｉの適切な値が得られた。
（実施例９）
Ｃｕ製の母材を成形加工し、ＣＶＤ法により窒化シリコンによるコーティングを行い、図２に示すような、膜厚２００μｍの窒化シリコン・コーティングされたＣｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＩＰＡなどの有機溶剤に浸して洗浄した後、接着剤により冷却プレートに固定した。ビーカーにＧａを数粒いれ、６０℃に暖めて液体にしたものを、上記バッキングプレートの凹部に流し入れ、クリーンルームの設定した室温２５℃まで冷却して固化することにより、スパッタターゲットを製造した。
さらに、冷却プレートによりスパッタターゲットを冷却し、固体状態のＧａをスパッタしたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を形成した。完成したＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＣｕおよびＳｉが不純物として検出されるかどうか調べたが、ＳＩＭＳの検出レベル以下であることが分かった。
（比較例１）

Ｃｕ製の母材を成形加工し、Ｃｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、実施例１と同様にして、スパッタターゲットを製造した。
さらに、実施例１と同様にして、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を形成した。完成したＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。主に、不純物として検出された元素はＣｕであり、その量は１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。バッキングプレートの材料に用いたＣｕが不純物として膜に含有されていた。この量は膜の特性に影響を与えるものであるので、比較例１に用いた方法は実用には用いることができないことが分かった。
（比較例２）

Ｃｕ製の母材を成形加工し、Ｃｕ製バッキングプレートを製造した。
次に、上記バッキングプレートを、ＨＣｌに浸して洗浄したこと以外は施例１と同様にして、スパッタターゲットを製造した。
さらに、冷却プレートを通してスパッタターゲットを冷却し、固体状態のＧａをスパッタしたこと以外は実施例１と同様にして、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を形成した。完成したＧａＮの単層膜を取り出し、ＳＩＭＳ分析を行った。ＧａＮの膜中のＣｕ濃度は、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であった。バッキングプレート材料として用いたＣｕが不純物として検出されたが、膜に悪影響を与える量ではないことが分かった。
以上の結果を表１に示す。

なお、実施例１〜９では、図６（ａ）に示すように、Ｇａを含むターゲット材料４０がスパッタターゲットの凹部全面に均一に広がるのに対し、比較例１では、図６（ｂ）に示すように、ターゲット材料４０が凝集して丸まり、スパッタターゲットの凹部内部でアイランド状に分散することによって、バッキングプレート面を露出させたため、バッキングプレートを構成するＣｕが不純物として成膜される結果となった。実際、スパッタ成膜後のスパッタターゲットを観察すると、Ｇａが凝集し、バッキングプレート面を一部露出させていた。２回目の成膜では、スパークが発生し、成膜できないおそれがあることが分かった。

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）および電子デバイス等の作製に用いられる、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物化合物半導体の製造に用いられる、スパッタ成膜装置のＧａ用バッキングプレートおよび成膜装置に応用することができる。特に結晶性の良いＩＩＩ族窒化物化合物半導体積層構造体を、サファイア基板上に形成させるために好適に用いることができる、Ｇａ用バッキングプレートおよび成膜装置に応用することができる。

本発明の実施形態であるバッキングプレートの一例を示す断面模式図である。本発明の実施形態であるバッキングプレートの別の例を示す断面模式図である。図１に示すバッキングプレートを用いたスパッタターゲットの製造工程を説明する工程図である。図２に示すバッキングプレートを用いたスパッタターゲットの製造工程を説明する工程図である。本発明の実施形態であるスパッタ成膜装置の一例を示す模式図である。スパッタターゲットを示す図である。（ａ）は実施例１，３，５および７のスパッタターゲットの断面模式図であり、（ｂ）は比較例１および２のスパッタターゲットの断面模式図である。

符号の説明

１…バッキングプレート、１ａ…バッキングプレート本体、１ｂ…凹部、１ｃ…凹部の内面、１１…バッキングプレート、１１ａ…バッキングプレート本体、１１ｂ…コーティング層、１１ｃ…バッキングプレート上面側、１１ｄ…凹部、２２ａ…バッキングプレート母材、２２ｂ…バッキングプレート母材、２３…冷却プレート、２４…接着材、２５…液体Ｇａ、２６…スパッタターゲット、２７…スパッタターゲット、３０…スパッタ装置、３１…チャンバ、３２…マッチングボックス、３３…基板、３３ｂ…取り付け手段、３４…ヒーター、３５…電源、３６ａ…圧力制御手段、３６ｂ…圧力制御手段、３６ｃ…圧力制御手段、３７ａ…ガス供給手段、３７ｂ…ガス供給手段

Claims

Ｇａを含むターゲット材料を保持するバッキングプレートを具備してなり、少なくとも前記バッキングプレートの前記ターゲット材料と接する接触面が、液体状態のＧａとの接触角が９０°以下となる易濡れ性材料で構成されており、かつ、前記バッキングプレートに前記易濡れ性材料がコーティングされて前記接触面が形成されていることを特徴とするスパッタ成膜装置。
前記易濡れ性材料が、シリコン、カーボン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、および酸化シリコンからなる群より選ばれる１種の材料からなることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
基板上にＧａを含むＩＩＩ族窒化物化合物半導体からなる層を成膜する際に用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスパッタ成膜装置。
Ｇａを含むターゲット材料を保持するスパッタ成膜装置用のバッキングプレートであって、前記バッキングプレートの前記ターゲット材料と接する接触面が、液体状態のＧａとの接触角が９０°以下となる易濡れ性材料で構成されており、かつ、前記バッキングプレートに、前記易濡れ性材料がコーティングされて前記接触面が形成されていることを特徴とするスパッタ成膜装置用のバッキングプレート。
前記易濡れ性材料が、ポリシリコン、カーボンおよび石英からなる群より選ばれる１種の材料からなることを特徴とする請求項４に記載のスパッタ成膜装置用のバッキングプレート。