JP7120540B2 - イオン照射装置、イオン照射方法、成膜装置、及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオン照射装置、イオン照射方法、成膜装置、及び成膜方法に関する。

従来、半導体素子に用いられる基板として様々な種類の基板が用いられている。例えば、特許文献１には、発光ダイオードの製造に用いられる基板として、ＧａＮ基板が使用されている。

特開２０１６－１４１８３１号公報

ここで、次世代の半導体素子として、ＡｌＮ基板の使用が望まれている。ＡｌＮは、ＧａＮよりもバンドギャップが広く、熱伝導性が高く、且つ、静電破壊電界が高いという特性を有している。その一方、ＡｌＮ基板は欠陥が多く、誤作動などによって半導体素子としての性能を適切に出すことが難しい場合がある。

そこで本発明は、半導体素子として使用可能なＡｌＮ基板を製造できるイオン照射装置、成膜装置、イオン照射方法、及び成膜方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るイオン照射装置は、ＡｌＮ基板にイオンを照射するイオン照射装置であって、窒化物イオンを生成して、ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射する窒化物イオン照射部を備える。

本発明に係るイオン照射装置は、窒化物イオンを生成して、ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射する窒化物イオン照射部を備える。このように、ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射すると、窒化物イオンは、ＡｌＮ中の空孔内に入り込むことができる。従って、ＡｌＮ中に入り込んだ窒化物イオンにより、ＡｌＮ基板の欠陥を低減することができる。以上により、半導体素子として使用可能なＡｌＮ基板を製造できる。

イオン照射装置において、窒化物イオン照射部は、窒化物イオンとして、水素の窒化物イオンを生成してよい。例えば、窒化物の負イオンを生成し、ＡｌＮ基板へ負イオンを照射した後に窒素以外の元素を離脱させる際、水素であればＡｌＮ基板から離脱させ易くなる。

イオン照射装置は、窒化物イオン照射部による窒化物イオンの照射中、又は照射後に、ＡｌＮ基板を加熱する加熱部を更に備えてよい。この場合、ＡｌＮの格子間に入り込んだ窒化物イオンをアニールすることによって、ＡｌＮの空孔に入り込ませることができる。また、水素の窒化物イオンを照射した場合は、ＡｌＮから水素を外部へ出すことができる。

イオン照射装置において、窒化物イオン照射部は、窒化物イオンとして、負イオンを生成してよい。この場合、エネルギーの低い負イオンをＡｌＮ基板に照射することで、ＡｌＮ基板に対するダメージを低減することができる。

本発明に係るイオン照射方法は、ＡｌＮ基板にイオンを照射するイオン照射方法であって、窒化物イオンを生成して、ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射する工程を備える。

本発明に係るイオン照射方法によれば、上述のイオン照射装置と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明に係る成膜装置は、成膜対象物に成膜材料の膜を形成する成膜装置であって、成膜対象物を収容し成膜を行うチャンバーと、チャンバー内でプラズマを生成するプラズマガンと、チャンバー内でＡｌ又はＡｌＮを含む成膜材料を保持する成膜材料保持部と、窒化物ガスをチャンバー内へ供給する窒化物ガス供給部と、成膜装置を制御する制御部と、を備え、制御部は、プラズマガンで生成したプラズマを成膜材料又は成膜材料保持部へ照射し、成膜対象物に成膜材料の膜を形成し、プラズマガンでプラズマを生成すると共に、窒化物ガス供給部から窒化物ガスをチャンバー内へ供給することで窒化物イオンを生成し、成膜材料の膜に窒化物イオンを照射する。

本発明に係る成膜装置では、制御部は、プラズマガンで生成したプラズマを成膜材料又は成膜材料保持部へ照射し、成膜対象物に成膜材料の膜を形成する。これにより、成膜対象物にＡｌＮの膜が形成される。また、制御部は、プラズマガンでプラズマを生成すると共に、窒化物ガス供給部から窒化物ガスをチャンバー内へ供給することで窒化物イオンを生成し、成膜材料の膜に窒化物イオンを照射する。これにより、成膜装置は、ＡｌＮの膜に対して窒化物イオンを照射することができる。従って、上述のイオン照射装置と同様の作用・効果を得ることができる。更に、成膜装置は、成膜とイオン照射を同一のチャンバー内で行うことができる。

本発明に係る成膜方法は、成膜対象物に成膜材料の膜を形成する成膜方法であって、チャンバー内にプラズマガンで生成したプラズマをＡｌ又はＡｌＮを含む成膜材料又は当該成膜材料を保持する成膜材料保持部へ照射し、成膜対象物に成膜材料の膜を形成する工程と、プラズマガンでプラズマを生成すると共に、窒化物ガス供給部から窒化物ガスをチャンバー内へ供給することで窒化物イオンを生成し、成膜材料の膜に窒化物イオンを照射する工程と、を備える。

本発明に係る成膜方法によれば、上述の成膜装置と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明によれば、半導体素子として使用可能なＡｌＮ基板を製造できるイオン照射装置、イオン照射方法、成膜装置、及び成膜方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る成膜装置の構成を示す概略断面図であって、成膜処理モードにおける動作状態を示す図である。 図１の成膜装置の構成を示す概略断面図であって、窒化物イオン照射モードにおける動作状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る成膜装置における成膜方法を示すフローチャートである。 ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射したときの様子を示す概念図である。 ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射したときの様子を示す概念図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る成膜装置について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る成膜装置の構成について説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る成膜装置の構成を示す概略断面図である。図１は、成膜処理モードにおける動作状態を示し、図２は、窒化物イオン照射モードにおける動作状態を示している。ここで、成膜処理モードとは、真空チャンバー１０内で成膜対象物１１に対して成膜処理を行うモードである。窒化物イオン照射モードは、真空チャンバー１０内で窒化物イオンを生成し、成膜対象物１１に形成された膜の表面に照射するモードである。なお、成膜処理モード及び窒化物イオン照射モードの詳細については後述する。

図１及び図２に示すように、本実施形態の成膜装置１は、いわゆるイオンプレーティング法に用いられるイオンプレーティング装置である。成膜装置１は、窒化物イオンを生成するイオン照射装置１００としても機能する。以降の説明においては、特段の事情がない限り、イオン照射装置１００と成膜装置１とをまとめて「成膜装置１」と説明する場合がある。なお、説明の便宜上、図１及び図２には、ＸＹＺ座標系を示す。Ｙ軸方向は、後述する成膜対象物が搬送される方向である。Ｘ軸方向は、成膜対象物と後述するハース機構とが対向する位置である。Ｚ軸方向は、Ｙ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向である。

成膜装置１は、成膜対象物１１の板厚方向がＸ軸方向となるように、成膜対象物１１を配置させた状態で、成膜対象物１１が真空チャンバー１０内に配置されて搬送される横型の成膜装置である。この場合には、Ｘ軸方向は鉛直方向且つ成膜対象物１１の板厚方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は水平方向となる。なお、本発明の一実施形態に係る成膜装置は、成膜対象物の板厚方向が略水平方向となるように成膜対象物が真空チャンバー内に配置されて搬送されるいわゆる縦型の成膜装置であってもよい。この場合には、Ｘ軸及びＹ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向となる。以下、横型の成膜装置を例として説明する。

成膜装置１は、真空チャンバー１０、搬送機構３、成膜部１４、窒化物イオン照射部２４、磁場発生コイル３０、及び加熱部１６０を備えている。

真空チャンバー１０は、成膜対象物１１を収納し成膜処理を行う。真空チャンバー１０は、成膜材料Ｍａの膜が形成される成膜対象物１１を搬送するための搬送室１０ａと、成膜材料Ｍａを拡散させる成膜室１０ｂと、プラズマガン７からビーム状に照射されるプラズマＰを真空チャンバー１０に受け入れるプラズマ口１０ｃとを有している。搬送室１０ａ、成膜室１０ｂ、及びプラズマ口１０ｃは互いに連通している。搬送室１０ａは、所定の搬送方向（図中の矢印Ａ）に（Ｙ軸に）沿って設定されている。また、真空チャンバー１０は、導電性の材料からなり接地電位に接続されている。

成膜室１０ｂは、壁部１０Ｗとして、搬送方向（矢印Ａ）に沿った一対の側壁と、搬送方向（矢印Ａ）と交差する方向（Ｚ軸方向）に沿った一対の側壁１０ｈ，１０ｉと、Ｘ軸方向と交差して配置された底面壁１０ｊと、を有する。

搬送機構３は、成膜材料Ｍａと対向した状態で成膜対象物１１を保持する成膜対象物保持部材１６を搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。例えば成膜対象物保持部材１６は、成膜対象物１１の外周縁を保持するトレイである。搬送機構３は、搬送室１０ａ内に設置された複数の搬送ローラ１５によって構成されている。搬送ローラ１５は、搬送方向（矢印Ａ）に沿って等間隔に配置され、成膜対象物保持部材１６を支持しつつ搬送方向（矢印Ａ）に搬送する。なお、成膜対象物１１は、例えばガラス基板やプラスチック基板などの板状部材が用いられる。

続いて、成膜部１４の構成について詳細に説明する。成膜部１４は、イオンプレーティング法により成膜材料Ｍａの粒子を成膜対象物１１に付着させる。成膜部１４は、プラズマガン７と、ステアリングコイル５と、ハース機構２と、輪ハース６とを有している。

プラズマガン７は、例えば圧力勾配型のプラズマガンである。プラズマガン７は、アーク放電によってプラズマＰを生成する。プラズマガン７の本体部分は、成膜室１０ｂの側壁に設けられたプラズマ口１０ｃを介して成膜室１０ｂに接続されている。プラズマガン７は、真空チャンバー１０内でプラズマＰを生成する。プラズマガン７において生成されたプラズマＰは、プラズマ口１０ｃから成膜室１０ｂ内へビーム状に出射される。これにより、成膜室１０ｂ内にプラズマＰが生成される。

プラズマガン７は、陰極６０により一端が閉塞されている。陰極６０とプラズマ口１０ｃとの間には、第１の中間電極（グリッド）６１と、第２の中間電極（グリッド）６２とが同心的に配置されている。第１の中間電極６１内にはプラズマＰを収束するための環状永久磁石６１ａが内蔵されている。第２の中間電極６２内にもプラズマＰを収束するため電磁石コイル６２ａが内蔵されている。なお、プラズマガン７は、後述する窒化物イオン照射部２４としての機能も有する。この詳細については、窒化物イオン照射部２４の説明において後述する。

ステアリングコイル５は、プラズマガンが装着されたプラズマ口１０ｃの周囲に設けられている。ステアリングコイル５は、プラズマＰを成膜室１０ｂ内に導く。ステアリングコイル５は、ステアリングコイル用の電源（不図示）により励磁される。

ハース機構２は、成膜材料Ｍａを保持する。ハース機構２は、真空チャンバー１０の成膜室１０ｂ内に設けられ、搬送機構３から見てＸ軸方向の負方向に配置されている。ハース機構２は、プラズマガン７から出射されたプラズマＰを成膜材料Ｍａに導く主陽極又はプラズマガン７から出射されたプラズマＰが導かれる主陽極である主ハース１７を有している。

主ハース１７は、成膜材料Ｍａが充填されたＸ軸方向の正方向に延びた筒状の充填部１７ａと、充填部１７ａから突出したフランジ部１７ｂとを有している。主ハース１７は、真空チャンバー１０が有する接地電位に対して正電位に保たれている。また、プラズマＰは負電位である。従って、主ハース１７は、プラズマＰを吸引する。このプラズマＰが入射する主ハース１７の充填部１７ａには、成膜材料Ｍａを充填するための貫通孔１７ｃが形成されている。そして、成膜材料Ｍａの先端部分が、この貫通孔１７ｃの一端において成膜室１０ｂに露出している。

成膜材料Ｍａには、導電材料や、絶縁材料が例示される。成膜材料Ｍａが絶縁性物質からなる場合、主ハース１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰからの電流によって主ハース１７が加熱され、成膜材料Ｍａの先端部分が蒸発又は昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子（蒸発粒子）Ｍｂが成膜室１０ｂ内に拡散する。また、成膜材料Ｍａが導電性物質からなる場合、主ハース１７にプラズマＰが照射されると、プラズマＰが成膜材料Ｍａに直接入射し、成膜材料Ｍａの先端部分が加熱されて蒸発又は昇華し、プラズマＰによりイオン化された成膜材料粒子Ｍｂが成膜室１０ｂ内に拡散する。成膜室１０ｂ内に拡散した成膜材料粒子Ｍｂは、成膜室１０ｂのＸ軸正方向へ移動し、搬送室１０ａ内において成膜対象物１１の表面に付着する。なお、成膜材料Ｍａは、所定長さの円柱形状に成形された固体物であり、一度に複数の成膜材料Ｍａがハース機構２に充填される。そして、最先端側の成膜材料Ｍａの先端部分が主ハース１７の上端との所定の位置関係を保つように、成膜材料Ｍａの消費に応じて、成膜材料Ｍａがハース機構２のＸ負方向側から順次押し出される。本実施形態では、成膜材料Ｍａとして、Ａｌ、ＡｌＮ、又はＡｌ_ｘＮ_１－ｘを含有した材料が採用される。その結果、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａを成膜することで、ＡｌＮ膜１５１を有するＡｌＮ基板１５０が形成される（図２、図４及び図５参照）。

輪ハース６は、プラズマＰを誘導するための電磁石を有する補助陽極である。輪ハース６は、成膜材料Ｍａを保持する主ハース１７の充填部１７ａの周囲に配置されている。輪ハース６は、環状のコイル９と環状の永久磁石部２０と環状の容器１２とを有し、コイル９及び永久磁石部２０は容器１２に収容されている。本実施形態では、搬送機構３から見てＸ負方向にコイル９、永久磁石部２０の順に設置されているが、Ｘ負方向に永久磁石部２０、コイル９の順に設置されていてもよい。輪ハース６は、コイル９に流れる電流の大きさに応じて、成膜材料Ｍａに入射するプラズマＰの向き、または、主ハース１７に入射するプラズマＰの向きを制御する。

続いて、窒化物イオン照射部２４の構成について詳細に説明する。窒化物イオン照射部２４は、プラズマガン７と、窒化物ガス供給部４０と、制御部５０と、回路部３４とを有している。なお、制御部５０及び回路部３４に含まれる一部の機能は、前述の成膜部１４にも属する。窒化物イオン照射部２４は、窒化物イオンを生成する。また、窒化物イオン照射部２４は、生成した窒化物イオンをＡｌＮ基板１５０に照射する（図４参照）。窒化物イオン照射部２４は、窒化物イオンとして、負イオンを生成する。窒化物イオンとして、水素の窒化物イオン（ＮＨ_２ ^－）が挙げられる。なお、窒化物イオン照射部２４は、例えば、Ｎ^＋、Ｎ_２ ^＋などの窒素の陽イオンを生成してもよい。

プラズマガン７は、前述の成膜部１４が有するプラズマガン７と同様のものが用いられる。すなわち、本実施形態において、成膜部１４のプラズマガン７は、窒化物イオン照射部２４のプラズマガン７と兼用されている。プラズマガン７は、成膜部１４として機能すると共に、窒化物イオン照射部２４としても機能する。なお、成膜部１４と窒化物イオン照射部２４とで、互いに異なる別箇のプラズマガンを有していてもよい。

プラズマガン７は、成膜室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成する。具体的には、プラズマガン７は、後述の制御部５０によって成膜室１０ｂ内において間欠的にプラズマＰを生成するように制御されている。この制御については、後述の制御部５０の説明において詳述する。

窒化物ガス供給部４０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。窒化物ガス供給部４０は、成膜室１０ｂの側壁（例えば、側壁１０ｈ）に設けられたガス供給口４１を通し、真空チャンバー１０内へ窒化物イオンの原料ガスである窒化物ガスを供給する。窒化物ガスとして、例えば、ＮＨ_３ガス、ＮＨ_２ガス等が用いられる。窒化物ガス供給部４０は、例えば成膜処理モードから窒化物イオン照射モードに切り替わると、窒化物ガスの供給を開始する。また、窒化物ガス供給部４０は、成膜処理モード及び窒化物イオン照射モードの両方において窒化物ガスの供給を行い続けてもよい。

例えば、成膜材料としてＡｌを採用する場合、窒化物ガス供給部４０は、成膜処理モード時にＮ_２ガスを供給する。これにより、Ｎ_２をプラズマＰと反応させてＮ^＋またはＮ _２ ^＋とし、昇華したＡｌとＮ^＋またはＮ _２ ^＋によって、ＡｌＮ膜を形成する。そして、窒化物ガス供給部４０は、窒化物イオン照射モード時には、Ｎ_２ガス（正イオンを作る場合）、またはＮＨ_３ガス若しくはＮＨ_２ガス（負イオンを作る場合）を供給する。このような場合、窒化物ガス供給部４０は、供給するガスの種類に応じた複数のガス貯留部と接続され、使用するガスに応じてガス貯留部からガスを引き出してよい。

ガス供給口４１の位置は、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近の位置が好ましい。この場合、窒化物ガス供給部４０からの窒化物ガスを、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に供給することができるので、当該境界付近において後述する窒化物イオンの生成が行われる。よって、生成した窒化物イオンを、搬送室１０ａにおける成膜対象物１１に好適に付着させることができる。なお、ガス供給口４１の位置は、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの境界付近に限られない。

制御部５０は、真空チャンバー１０の外部に配置されている。制御部５０は、回路部３４が有する切替部を切り替える切替制御部として機能する。この制御部５０による切替部の切り替えについては、以下、回路部３４の説明と併せて詳述する。また、制御部５０は、窒化物ガス供給部４０を制御する窒化物ガス供給制御部として機能する。また、制御部５０は、磁場発生コイル３０による磁場の発生を制御するコイル制御部として機能する。

より詳細には、制御部５０は、プラズマガン７で生成したプラズマＰを成膜材料Ｍａ又は主ハースへ照射し、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａの膜を形成する。また、制御部５０は、プラズマガン７でプラズマＰを生成すると共に、窒化物ガス供給部４０から窒化物ガスを真空チャンバー１０内へ供給することで窒化物イオンを生成し、成膜材料Ｍａの膜、すなわちＡｌＮ基板１５０に窒化物イオンを照射する。

回路部３４は、可変電源８０と、第１の配線７１と、第２の配線７２と、抵抗器Ｒ１～Ｒ４と、短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、を有している。

可変電源８０は、接地電位にある真空チャンバー１０を挟んで、負電圧をプラズマガン７の陰極６０に、正電圧をハース機構２の主ハース１７に印加する。これにより、可変電源８０は、プラズマガン７の陰極６０とハース機構２の主ハース１７との間に電位差を発生させる。

第１の配線７１は、プラズマガン７の陰極６０を、可変電源８０の負電位側と電気的に接続している。第２の配線７２は、ハース機構２の主ハース１７（陽極）を、可変電源８０の正電位側と電気的に接続している。

抵抗器Ｒ１は、一端がプラズマガン７の第１の中間電極６１と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ１は、第１の中間電極６１と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ２は、一端がプラズマガン７の第２の中間電極６２と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ２は、第２の中間電極６２と可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ３は、一端が成膜室１０ｂの壁部１０Ｗと電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ３は、成膜室１０ｂの壁部１０Ｗと可変電源８０との間において直列接続されている。

抵抗器Ｒ４は、一端が輪ハース６と電気的に接続されていると共に、他端が第２の配線７２を介して可変電源８０と電気的に接続されている。すなわち、抵抗器Ｒ４は、輪ハース６と可変電源８０との間において直列接続されている。

短絡スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、それぞれ前述の制御部５０からの指令信号を受信することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えられる切替部である。

短絡スイッチＳＷ１は、抵抗器Ｒ２に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ１は、成膜処理モードであるか窒化物イオン照射モードであるかに応じて、制御部５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ１は、成膜処理モードにおいてはＯＦＦ状態とされる。これにより、成膜処理モードにおいては、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射され、成膜材料Ｍａに入射する（図１参照）。なお、プラズマガン７からのプラズマＰを真空チャンバー１０内に出射する場合、第２の中間電極６２への電流を流れにくくする事に代えて、第１の中間電極６１への電流を流れにくくしてもよい。この場合、短絡スイッチＳＷ１は、第２の中間電極６２側に代えて、第１の中間電極６１側に接続される。

一方、短絡スイッチＳＷ１は、窒化物イオン照射モードにおいては、プラズマガン７からのプラズマＰを真空チャンバー１０内で間欠的に生成するため、制御部５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられる。短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態に切り替えられると、第２の中間電極６２と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間に電流が流れる。すなわち、プラズマガン７に短絡電流が流れる。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射されなくなる。

短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態に切り替えられると、第２の中間電極６２と可変電源８０とが抵抗器Ｒ２を介して互いに電気的に接続されるので、第２の中間電極６２と可変電源８０との間には電流が流れにくい。その結果、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内に出射される。このように、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が制御部５０によって所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが真空チャンバー１０内において間欠的に生成される。すなわち、短絡スイッチＳＷ１は、真空チャンバー１０内へのプラズマＰの供給と遮断とを切り替える切替部である。

短絡スイッチＳＷ２は、抵抗器Ｒ４に並列接続されている。短絡スイッチＳＷ２は、例えば成膜処理モードになる前の成膜対象物１１の搬送前の状態であるスタンバイモードであるか成膜処理モードであるかに応じて、制御部５０によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替えられる。短絡スイッチＳＷ２は、スタンバイモードではＯＮ状態とされる。これにより、輪ハース６と可変電源８０との間の電気的な接続が短絡するので、主ハース１７よりも輪ハース６に電流を流しやすくなり、成膜材料Ｍａの無駄な消費を防ぐことができる。

一方、短絡スイッチＳＷ２は、成膜処理モードではＯＦＦ状態とされる。これにより、輪ハース６と可変電源８０が抵抗器Ｒ４を介して電気的に接続されるので、輪ハース６よりも主ハース１７に電流を流しやすくなり、プラズマＰの出射方向を好適に成膜材料Ｍａに向けることができる。なお、短絡スイッチＳＷ２は、窒化物イオン照射モードではＯＮ状態又はＯＦＦ状態のいずれの状態とされてもよい。

磁場発生コイル３０は、真空チャンバー１０内であって、成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの間に設けられている。磁場発生コイル３０は、例えばハース機構２と搬送機構３との間に配置されている。より具体的には、磁場発生コイル３０は、成膜室１０ｂの搬送室１０ａ側の端部と、搬送室１０ａの成膜室１０ｂ側の端部とに介在するように位置している。磁場発生コイル３０は、互いに対向する一対のコイル３０ａ，３０ｂを有している。各コイル３０ａ，３０ｂは、例えば成膜室１０ｂから搬送室１０ａへ向かう方向（ハース機構２から搬送機構３へ向かう方向）に交差する方向で互いに対向している。

磁場発生コイル３０は、成膜処理モードにおいては励磁されず、窒化物イオン照射モードにおいて磁場発生コイル３０用の電源（不図示）により励磁される。磁場発生コイル３０は、窒化物イオン照射モードにおいて励磁されることにより、成膜室１０ｂから搬送室１０ａへ向かう方向（ハース機構２から搬送機構３へ向かう方向）と交差する方向に伸びる磁力線を有する封止磁場Ｍを真空チャンバー１０内に形成する（図２参照）。磁場発生コイル３０は、このような封止磁場Ｍを発生させることにより、成膜室１０ｂ内の電子が搬送室１０ａ内へ流入するのを抑制する。封止磁場Ｍが有する磁力線は、例えば成膜対象物１１の搬送方向（矢印Ａ）に略平行な方向に伸びる部分を有していてもよい。なお、磁場発生コイル３０用の電源のＯＮ／ＯＦＦ状態の切り替えは、制御部５０によって制御されてもよい。磁場発生コイル３０は、成膜材料Ｍａが堆積しないようケース３１で覆われている。なお、磁場発生コイル３０はケース３１で覆われていなくてもよい。

加熱部１６０は、窒化物イオン照射部２４による窒化物イオンの照射中、又は照射後に、ＡｌＮ基板１５０を加熱する。加熱部１６０は、制御部５０からの制御信号に基づいて、加熱のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。加熱部１６０は、電熱線等によって構成される。なお、図１及び図２では、加熱部１６０は、搬送機構３のうち真空チャンバー１０に対応する位置に一つ設けられているが、当該位置よりも下流側に設けてもよく、二つ以上設けてもよい。

次に、図３を参照して、成膜装置１における成膜方法について詳細に説明する。図３は、成膜装置１における成膜方法を示すフローチャートである。

図３に示すように、まず、成膜装置１は、制御部５０によって成膜処理モードに切り替えられると、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａの膜を形成する（Ｓ１：成膜工程）。このとき、制御部５０によって短絡スイッチＳＷ１がＯＦＦ状態とされている。また、成膜処理モードにおいて、ステアリングコイル５が励磁されている一方、磁場発生コイル３０は励磁されていない。これにより、プラズマガン７によって成膜室１０ｂ内でプラズマＰが生成され、当該プラズマＰが主ハース１７に照射される（図１参照）。その結果、主ハース１７における成膜材料ＭａがプラズマＰによりイオン化されて成膜材料粒子Ｍｂとなり、成膜室１０ｂ内に拡散し、搬送室１０ａ内の成膜対象物１１の表面に付着する。このようにして、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａの膜が形成され、成膜工程Ｓ１が終了する。

続いて、成膜装置１では、窒化物イオン照射モードにおいて、ＡｌＮ基板１５０に窒化物イオンを照射する（Ｓ２：窒化物イオン照射工程）。以下、窒化物イオン照射工程Ｓ２について具体的に説明する。まず、窒化物ガス供給部４０によって、成膜室１０ｂ内に窒化物ガスが供給される（Ｓ２１：窒化物ガス供給工程）。

続いて、制御部５０によって、プラズマガン７からのプラズマＰを成膜室１０ｂ内で間欠的に生成するようにプラズマガン７が制御される（Ｓ２２：プラズマ生成工程）。例えば、制御部５０によって、短絡スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦ状態が所定間隔で切り替えられることにより、プラズマガン７からのプラズマＰが成膜室１０ｂ内で間欠的に生成される。

短絡スイッチＳＷ１がＯＮ状態とされているときは、プラズマガン７からのプラズマＰが成膜室１０ｂ内に出射されないので成膜室１０ｂ内におけるプラズマＰの電子温度が急激に低下する。このため、前述の窒化物ガス供給工程Ｓ２１において成膜室１０ｂ内に供給された窒化物ガスの粒子に、プラズマＰの電子が付着し易くなる。これにより、成膜室１０ｂ内には、窒化物イオンが効率的に生成される。

続いて、制御部５０によって、真空チャンバー１０内に封止磁場Ｍが形成される（Ｓ２３：封止磁場形成工程）。例えば、磁場発生コイル３０が励磁されることにより、真空チャンバー１０内で成膜室１０ｂと搬送室１０ａとの間に介在するように封止磁場Ｍが形成される（図２参照）。封止磁場Ｍは、成膜室１０ｂから搬送室１０ａへ向かう方向（ハース機構２から搬送機構３へ向かう方向）に交差する方向に伸びる磁力線を有している。なお、封止電場形成工程Ｓ２３は省略されてもよい。この場合、プラズマＰの生成を止めた後、所定時間（例えば２ｍｓｅｃ）経過した後に、ＡｌＮ基板１５０にバイアス電圧をかけてＡｌＮ基板１５０に負イオンを照射する。このようにプラズマＰを止めてから所定時間が経過することで電子の多くが消失するため、電子の流入を抑制しつつ負イオンをＡｌＮ基板１５０に照射することが可能となる。

前述のプラズマ生成工程Ｓ２２において生成された成膜室１０ｂ内におけるプラズマＰの電子は、封止磁場形成工程Ｓ２３において形成された封止磁場Ｍの磁力線に阻害され、搬送室１０ａへの流入が抑制される。これにより、成膜室１０ｂ内の窒化物ガスの粒子に、プラズマＰの電子が付着し易くなり、より効率的に窒化物イオンを生成することができる。そして、プラズマ生成工程Ｓ２２において生成された窒化物イオンが成膜室１０ｂのＸ軸正方向へ移動し、搬送室１０ａ内において、成膜処理によってＡｌＮ基板１５０のＡｌＮ膜１５１の表面に付着する。なお、ＡｌＮ基板１５０に正のバイアス電圧をかけることによって、より積極的に窒化物イオンをＡｌＮ基板１５０に形成されたＡｌＮ膜１５１の表面に付着させてもよい。以上のようにして、窒化物イオン照射工程Ｓ２が終了すると、図３に示す成膜方法が終了する。

ここで、図４及び図５を参照して、ＡｌＮ基板１５０に窒化物イオンを照射したときの窒化物イオンの挙動等について説明する。ここでは、窒化物イオン８５として、水素の負イオンである「ＮＨ_２ ^－」を照射するものとする。また、成膜対象物１１にＡｌＮ膜１５１を形成したものをＡｌＮ基板１５０と称する。まず、図４（ａ）に示すように、ＡｌＮ基板１５０に対して、加速された窒化物イオン８５を照射する。これにより、図４（ｂ）に示すように、窒化物イオン８５がＡｌＮ膜１５１中に注入される。このとき、窒化物イオン８５の電子はＡｌＮ膜１５１との衝突時に、窒化物イオン８５から取れる。

次に、図５（ａ）に示すように、一部の窒素８１は、ＡｌＮ膜１５１の空孔１５１ａ内に入り（例えば窒素８１Ａ）、他の一部はＡｌＮ膜１５１の格子間に入り込む（例えば窒素８１Ｂ）。また、水素８２の一部もＡｌＮ膜１５１の格子間に残存する。次に、ＡｌＮ基板１５０を加熱部１６０で加熱することにより、水素８２はＡｌＮ膜１５１から外部へ出て行く。加熱によってアニールされることで、格子間に入り込んでいた窒素８１が、空孔１５１ａに入り込む。以上により、ＡｌＮ膜１５１の空孔１５１ａに窒素８１が入り込むことにより、ＡｌＮ膜１５１の強度が向上し、ＡｌＮ基板１５０の欠陥が抑制される。

次に、本実施形態に係るイオン照射装置１００、イオン照射方法、成膜装置１、及び成膜方法の作用・効果について説明する。

本実施形態に係るイオン照射装置１００は、窒化物イオンを生成して、ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射する窒化物イオン照射部２４を備える。このように、ＡｌＮ基板に窒化物イオンを照射すると、窒化物イオンは、ＡｌＮ膜１５１中の空孔１５１ａ内に入り込むことができる（図５参照）。従って、ＡｌＮ膜１５１中に入り込んだ窒化物イオンにより、ＡｌＮ基板１５０の欠陥を低減することができる。以上により、半導体素子として使用可能なＡｌＮ基板１５０を製造できる。

イオン照射装置１００において、窒化物イオン照射部２４は、窒化物イオンとして、水素の窒化物イオンを生成してよい。例えば、窒化物の負イオンを生成し、ＡｌＮ基板１５０へ負イオンを照射した後に窒素以外の元素を離脱させる際、水素であればＡｌＮ基板１５０から離脱させ易くなる。より詳細に説明すると、Ｎ_２ガスからは直接Ｎ^－を作ることができないため、ＮＨ_２ ^－などの状態で窒化物の負イオンを生成する。このとき、ＮＨ_２ ^－をＡｌＮ基板１５０に注入した後、ＡｌＮ基板１５０を加熱処理することでサイズが小さな水素はＡｌＮ基板１５０から離脱することができる。なお、水素以外の他の元素の場合、サイズが大きいため、ＡｌＮ基板１５０から脱離させにくくなる。

イオン照射装置１００は、窒化物イオン照射部２４による窒化物イオンの照射中、又は照射後に、ＡｌＮ基板１５０を加熱する加熱部１６０を更に備えてよい。この場合、ＡｌＮ膜１５１の格子間に入り込んだ窒化物イオン（及び窒化物（中性））をアニールすることによって、ＡｌＮ膜１５１の空孔１５１ａに入り込ませることができる（図５（ｂ）参照）。また、水素の窒化物イオンを照射した場合は、ＡｌＮ膜１５１から水素を外部へ出すことができる（図５（ｂ）参照）。

イオン照射装置１００において、窒化物イオン照射部２４は、窒化物イオンとして、負イオンを生成してよい。この場合、エネルギーの低い負イオンをＡｌＮ基板１５０に照射することで、ＡｌＮ基板１５０に対するダメージを低減することができる。

本実施形態に係るイオン照射方法は、ＡｌＮ基板１５０にイオンを照射するイオン照射方法であって、窒化物イオンを生成して、ＡｌＮ基板１５０に窒化物イオンを照射する工程を備える。

このイオン照射方法によれば、上述のイオン照射装置１００と同様な作用・効果を得ることができる。

本発明に係る成膜装置１では、制御部５０は、プラズマガン７で生成したプラズマを成膜材料Ｍａ又は主ハース１７へ照射し、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａの膜を形成する。これにより、成膜対象物１１にＡｌＮの膜が形成される。また、制御部５０は、プラズマガン７でプラズマを生成すると共に、窒化物ガス供給部４０から窒化物ガスを真空チャンバー１０内へ供給することで窒化物イオンを生成し、成膜材料の膜に窒化物イオンを照射する。これにより、成膜装置１は、ＡｌＮ膜１５１に対して窒化物イオンを照射することができる。従って、上述のイオン照射装置１００と同様の作用・効果を得ることができる。更に、成膜装置１は、成膜とイオン照射を同一のチャンバー内で行うことができる。

本実施形態に係る成膜方法は、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａの膜を形成する成膜方法であって、真空チャンバー１０内にプラズマガン７で生成したプラズマをＡｌ又はＡｌＮを含む成膜材料Ｍａ又は当該成膜材料Ｍａを保持する主ハース１７へ照射し、成膜対象物１１に成膜材料Ｍａの膜を形成する工程と、プラズマガン７でプラズマを生成すると共に、窒化物ガス供給部４０から窒化物ガスをチャンバー内へ供給することで窒化物イオンを生成し、成膜材料Ｍａの膜に窒化物イオンを照射する工程と、を備える。

この成膜方法によれば、上述の成膜装置１と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、一つのチャンバー内で成膜と窒化物イオンの照射を行った。これに代えて、成膜を行うチャンバーと、窒化物イオンの照射を行うチャンバーを分けてもよい。

上記実施形態に係る成膜装置は、イオンプレーティング法を用いて成膜を行う装置であるとしたが、これに限られない。例えば、スパッタリング法、又は化学蒸着法等を用いて成膜を行ってもよい。

１…成膜装置、７…プラズマガン、１０…真空チャンバー（チャンバー）、１１…成膜対象物、１４…成膜部、１７…主ハース（成膜材料保持部）、２４…窒化物イオン照射部、５０…制御部、１００…イオン照射装置。

Claims (6)

1. ＡｌＮ基板にイオンを照射するイオン照射装置であって、
   窒化物負イオンを生成して、前記ＡｌＮ基板に窒化物負イオンを照射する窒化物負イオン照射部を備える、イオン照射装置。
2. 前記窒化物負イオン照射部は、前記窒化物負イオンとして、水素原子を含有するの窒化物負イオンを生成する、請求項１に記載のイオン照射装置。
3. 前記窒化物負イオン照射部による前記窒化物負イオンの照射中、又は照射後に、前記ＡｌＮ基板を加熱する加熱部を更に備える、請求項１又は２に記載のイオン照射装置。
4. ＡｌＮ基板にイオンを照射するイオン照射方法であって、
   窒化物負イオンを生成して、前記ＡｌＮ基板に窒化物負イオンを照射する工程を備える、イオン照射方法。
5. 成膜対象物に成膜材料の膜を形成する成膜装置であって、
   前記成膜対象物を収容し成膜を行うチャンバーと、
   前記チャンバー内でプラズマを生成するプラズマガンと、
   前記チャンバー内でＡｌ又はＡｌＮを含む前記成膜材料を保持する成膜材料保持部と、
   少なくとも窒化物ガスを前記チャンバー内へ供給するガス供給部と、
   前記成膜装置を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記プラズマガンで生成したプラズマを前記成膜材料又は前記成膜材料保持部へ照射し、前記成膜対象物に前記成膜材料の膜を形成し、
   前記プラズマガンで前記プラズマを生成すると共に、前記ガス供給部から少なくとも前記窒化物ガスを前記チャンバー内へ供給することで窒化物負イオンを生成し、前記成膜材料の膜に前記窒化物負イオンを照射する、成膜装置。
6. 成膜対象物に成膜材料の膜を形成する成膜方法であって、
   チャンバー内にプラズマガンで生成したプラズマをＡｌ又はＡｌＮを含む前記成膜材料又は当該成膜材料を保持する成膜材料保持部へ照射し、前記成膜対象物に前記成膜材料の膜を形成する工程と、
   前記プラズマガンで前記プラズマを生成すると共に、ガス供給部から少なくとも窒化物ガスを前記チャンバー内へ供給することで窒化物負イオンを生成し、前記成膜材料の膜に前記窒化物負イオンを照射する工程と、を備える、成膜方法。
   

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