JPH11172424A - ガリウム化合物の製造方法 - Google Patents

ガリウム化合物の製造方法

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JPH11172424A JP34266297A JP34266297A JPH11172424A JP H11172424 A JPH11172424 A JP H11172424A JP 34266297 A JP34266297 A JP 34266297A JP 34266297 A JP34266297 A JP 34266297A JP H11172424 A JPH11172424 A JP H11172424A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターゲットにガリウムを使用し、スパッタ法
でガリウム化合物膜、特に窒化ガリウム膜を製造するこ
とができる方法を提供すること。 【解決手段】 29℃以下に冷却したガリウムをターゲ
ットに用いることを特徴とするスパッタ法によるガリウ
ム化合物の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子として注
目されているガリウム化合物、特に窒化ガリウム(Ga
N)薄膜 をスパッタ法で製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、発光素子を目的とした窒化ガリウ
ム薄膜の製造は、分子線エピタキシー(MBE)法、イ
オンプレーティング法、有機金属化学気相成長(MOC
VD)法等で行なわれてきた。これらの方法は、エピタ
キシャル膜が得られ、現在主流となっている方法であ
る。しかしながら、MBE法やIBE法は製造装置が非
常に高価で操作も難しく、さらに成膜速度が極端に遅く
量産性に乏しい。MOCVD法は、成膜速度は改善され
量産性には優れているが、有機金属を気化して使用する
ため、有毒、引火性等の安全面に十分な対策が必要であ
る。また、使用後のガスの処理も必要である。そのため
製造装置本体に加え、ガス処理等の特殊な付帯施設が不
可欠で有り、それらを含めると結果的に高価な製造装置
となる。
【0003】このように、MBE法、IBE法、MOC
VD法の場合、総合的に見ると装置価格、操作性におい
て、手軽に窒化ガリウム膜が得られるとは言いがたい。
【0004】一方、スパッタ法は上記各方法に比べ操作
性、コスト、安全面で優れているが、スパッタ法で窒化
ガリウムを製造しようとした場合、ガリウムが室温で液
体であるため、ターゲットにガリウムを用いた反応性ス
パッタ法は極めて困難なものとなる。ターゲットに窒化
ガリウムを用いた方法は検討されたが、良質の膜は得ら
れていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はターゲットに
ガリウムを使用し、スパッタ法でガリウム化合物膜、特
に窒化ガリウム膜を製造することができる方法を提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は29℃
以下に冷却したガリウムをターゲットに用いることを特
徴とするスパッタ法によるガリウム化合物の製造方法に
関する。
【0007】ガリウムは29℃以下に冷却すると固体と
なる。本発明においては、ガリウムが固体状態を維持で
きる環境を作り、その状況下でガリウムをターゲットと
してスパッタリングを行なう。そのため、ガリウムター
ゲットの製作は、スパッタリング装置内でターゲットと
しての固体形状を維持できるのであれば、その製作は特
に限定されるものではないが、例えば以下の方法が簡便
かつ有用である。
【0008】バッキングプレート上に固定された容器に
液体ガリウムまたは固体ガリウムを入れ、固体ガリウム
の場合は一旦液体状にした後で、ガリウムを29℃以下
に冷却して固体化する。
【0009】バッキングプレートとしては銅等の金属、
その他、SUS304等の材料で構成されるプレートが
使用できる。
【0010】バッキングプレートに固定される容器は、
深さが一定であればその形状はどのようなものでもよ
く、ガリウムと反応性のない材料で構成されていること
が好ましい。このようなものとして例えば、石英、B
N、酸化ベリリウム、アルミナ等の非導電性材料、カー
ボン等の導電性材料等で熱伝導の良い材料が好ましく挙
げられ、それに含まれる不純物が少ないものほど好まし
い。このような材料で構成されている容器を使用するこ
とにより純度の高いガリウム化合物の薄膜を製造するこ
とができる。また、容器の底(バッキングプレートに固
定されている面)の厚さは、その厚さがあまり厚いと冷
却効果が低下するので、1〜3mm程度の厚みの底の容
器を使用することが好ましい。
【0011】バッキングプレートと容器を固定する材料
は、導電性材料、例えばインジウム、導電性接着剤を用
いる。このように導電性材料を使用してバッキングプレ
ートと容器を固定するのは容器をバッキングプレートの
一体の電極とするためである。
【0012】より具体的には、例えばバッキングプレー
トにあらかじめ導電性接着剤またはインジウムでシャー
レ(石英,BN,アルミナ,酸化ベリリウム製等)を接
着しておき、シャーレにガリウム を入れて30℃以上
150℃以下に加熱して、ガリウムを液体状態にして、
ガリウムをシャーレに馴染ませる。30℃未満では、ガ
リウムが溶けず、150℃以上(正確には156.17
℃)ではインジウムが溶けてしまい、シャーレがバッキ
ングプレートから剥がれてしまう。
【0013】また、導電性接着剤も大体150℃辺りが
接着限界温度である。その後、29℃以下に冷却してガ
リウムターゲットを得る。
【0014】このターゲットを29℃、好ましくは20
℃以下に冷却しながら、マグネトロンスパッタ法または
ヘリコンスパッタ法またはイオンビームスパッタ法また
はレーザビームスパッタ法等のスパッタ法に供すること
によりガリウム化合物の薄膜を製造することができる。
ターゲットをスパッタ装置内で29℃以下に維持するに
は、例えばターゲットがおかれるカソード電極を循環冷
却系で冷やすことにより、間接的にターゲットの冷却を
維持してもよいし、また上部が開いた冷蔵庫タイプの冷
却槽を真空槽内に別に設け、その冷却槽の内部でターゲ
ットが冷却される構成としてもよい。
【0015】その他の、スパッタリングの方法自体は従
来と同様に行えばよい。スパッタガスには通常アルゴン
が用いられるが、窒化ガリウム薄膜を得るために窒素を
加えた混合ガスでスパッタする。あるいは、窒素のみで
スパッタしてもよい。この時、基板近傍を窒素プラズマ
雰囲気とするとより効果的である。また、たとえばアル
ミニウムやインジウムを窒化ガリウム成膜時に同時に、
別途蒸発源より蒸発させれば、窒化ガリウム化合物薄膜
を得ることができる。
【0016】また、強固な密着性や結晶性の向上を求め
るならば、成膜時の基板温度を250℃〜790℃,好
ましくは350〜700℃とするとよい。窒化ガリウム
の昇華点は、800℃であるため、成膜時の基板温度が
790℃以上では、膜が形成されなくなる。
【0017】さらに、膜中の残留酸素の除去が必要で有
れば、水素または水素プラズマ雰囲気で還元反応処理を
行なうことで改善される。この処理方法は、成膜後、真
空槽内を水素または水素プラズマで満たし、基板温度を
200〜500℃程度にして10分〜1時間程度、成膜
後の窒化ガリウム薄膜をさらしてやればよい。また、成
膜前にこの処理や逆スパッタを行って基板をクリーニン
グしてもよいし、成膜中に若干の水素を混合させて成膜
と同時にクリーニングしてもよい。
【0018】本発明では、基本的には従来と同様にスパ
ッタ法を適用できるため、製造装置は比較的安価で操作
も易しい。さらに、使用後のガス処理等の付帯施設は、
一般的なものでよく、取扱も安全である。
【0019】
【実施例】実施例1 スパッタに用いるガリウムターゲットを以下のようにし
て製作した。まず、固定材料2としてインジウムを使用
しバッキングプレート(銅製)1にシャーレ(石英製)
3を接着した。ガリウム4を入れ50℃に加熱し液体状
でガリウムをシャーレに馴染ませた。その後10℃に冷
却してガリウムターゲットを得た(図1)。
【0020】このターゲットを図2の構成のRFマグネ
トロンスパッタ装置内に取り付けた。図2のマグネトロ
ンスパッタ装置は、真空槽5、真空槽5を排気系と繋ぐ
排気管6、真空槽5下部に設け られたマグネトロンカ
ソード7、マグネトロンカソード7を冷却するための循
環冷却系9、マグネトロンカソード7と対抗して設けら
れた基板ホルダー8、基板ホルダー8を加熱するための
加熱ヒーター10、真空槽5内にガスを導入するための
ガス導入管11からなり、マグネトロンカソード7は高
周波電源12に接続されている。この装置の特徴は独立
した冷却系に冷凍液を循環させて、マグネトロンカソー
ドを強制的に冷却する点で、この方法によりターゲット
本体を29℃以下に保っていることである。
【0021】ターゲット13はマグネトロンカソード7
上に設置し、循環冷却系9内に冷却液を循環しながら、
ターゲット部分を−5℃に冷却し、以下の成膜条件で成
膜を行った。 成膜真空度 :5×10-3Torr スパッタガス :アルゴン,4×10-4Torr 反応ガス :窒素,2×10-4Torr 基板温度 :350℃ 基板 :シリコン 放電電力 :RF13.56MHz,300W 成膜レート :100Å/min 膜厚 :3000Å
【0022】得られた薄膜をオージェ分析したところ、
膜中に酸素が10.5%(atomic%、以下同様)含まれ
た窒化ガリウム薄膜であった。
【0023】この薄膜を再度スパッタ装置に入れ、基板
温度400℃、5×10-2Torrの条件下、水素プラ
ズマで30分処理を行なった。オージェ分析を行なった
ところ、膜中の酸素は2%以下に除去されており、良好
な窒化ガリウム薄膜が得られた。
【0024】実施例2 スパッタに用いるガリウムターゲットを以下のようにし
て製作した。まず、固定材料2として導電性接着剤(フ
ルウチ化学製:ドータイト)を使用しバッキングプレー
ト(SUS304製)1にシャーレ(カーボン製)3を
接着した。
【0025】シャーレにガリウムを入れて85℃に加熱
し、液体状態でガリウムをシャーレに馴染ませた。その
後20℃に冷却してガリウムターゲットを得た(図
1)。
【0026】このターゲットを図3の構成のヘリコンス
パッタ装置内に取り付けた。図3のヘリコンスパッタ装
置は、真空槽5、真空槽5を排気系と繋ぐ排気管6、真
空槽5下部に設けられたヘリコンカソード15、マグネ
トロンカソード16を冷却するための循環冷却系9、ヘ
リコンカソード16と対抗して設けられた基板ホルダー
8、基板ホルダー8を加熱するための加熱ヒーター1
0、真空槽5内にガスを導入するためのガス導入管11
からなり、マグネトロンカソード16は高周波電源12
に、コイル状電極17は高周波電源18に接続されてい
る。ここで、ヘリコンカソード((株)ULVAC)15と
は、カソード内に設けられたマグネトロンカソード16
と、カソード内で該マグネトロンカソード16の上に設
けられたコイル状電極17とよりなる。この装置の特徴
は実施例1と同じマグネトロンカソード部の冷却方法で
ある。
【0027】ターゲット13はヘリコンカソード16上
に設置し、循環冷却系9内に冷却液を循環しながら、タ
ーゲット部分を−10℃に冷却し、以下の成膜条件で成
膜を行った。 成膜真空度 :5×10-4Torr スパッタガス :アルゴン,4×10-4Torr 反応ガス :窒素,1×10-4Torr 基板温度 :600℃ 基板 :シリコン 放電電力 :RF13.56MHz,カソード16:100W コイル17:50W 成膜レート :25Å/min 膜厚 :3000Å
【0028】得られた薄膜をオージェ分析したところ、
膜中の酸素は検出されず良好な窒化ガリウム薄膜であっ
た。また、X線回折法でこの薄膜の結晶性を調べたとこ
ろ(001)配向のエピタキシャル薄膜であった。
【0029】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、スパッタ法
によりガリウム化合物、特に窒化ガリウム薄膜が容易に
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ガリウムターゲットの概略断面図。
【図2】 マグネトロンスパッタ装置の概略構成図。
【図3】 ヘリコンスパッタ装置の概略構成図。
【符号の説明】
1:バッキングプレート、2:固定材料、3:シャー
レ、4:ガリウム 、5:真空槽、6:マグネトロンカ
ソード、8:基板ホルダー、9:循環冷却系、10:加
熱ヒーター、11:ガス導入管、12:高周波電源、1
3:ターゲット、15:ヘリコンカソード室、16:マ
グネトロンカソード、17:コイル状電極、18:高周
波電源

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 29℃以下に冷却したガリウムをターゲ
    ットに用いることを特徴とするスパッタ法によるガリウ
    ム化合物の製造方法。
  2. 【請求項2】 スパッタ法が、マグネトロンスパッタ
    法、ヘリコンスパッタ法、イオンビームスパッタ法、ま
    たはレーザビームスパッタ法である請求項1に記載のガ
    リウム化合物の製造方法。
  3. 【請求項3】 29℃以下に冷却したガリウムをターゲ
    ットに用い、少なくとも窒素で該ターゲットのスパッタ
    リングを行なうことを特徴とする窒化ガリウム薄膜の製
    造方法。
  4. 【請求項4】 基板温度を、250〜790℃に調整し
    てある請求項3に記載の製造方法。
  5. 【請求項5】 スパッタリングが、マグネトロンスパッ
    タ法、ヘリコンスパッタ法、イオンビームスパッタ法、
    またはレーザビームスパッタ法によることを特徴とする
    請求項3または4に記載の製造方法。
  6. 【請求項6】 窒化ガリウム薄膜形成後、さらに、水素
    または水素プラズマ雰囲気処理を行なうことを特徴とす
    る請求項3〜5いずれかに記載の製造方法。
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