JPWO2016175096A1 - テンプレート基板の作製方法および作製装置 - Google Patents

Abstract

Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製する。金属硫化物の組成を有するターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｓｉ（１００）単結晶基板１上に前記金属硫化物のバリア膜２を成膜する。その後、Ｓｉ（１００）単結晶基板１を加熱して、成膜された前記バリア膜２を固相エピタキシャル成長により結晶化したバリア膜３に変化させる。Ｓｉ（１００）単結晶基板１を加熱保持した状態で、前記金属硫化物の組成を有するターゲットを用いたスパッタリング法により、結晶化したバリア膜３上に、前記金属硫化物のエピタキシャル膜４をエピタキシャル成長させる。

Description

本発明は高輝度青色系発光素子（発光ダイオードおよび半導体レーザ）、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、その他の電子デバイスに用いて好適なテンプレート基板の作製方法及び作製装置に関する。

窒化物や酸化物、硫化物は多様な物性を示す。それらは多結晶体であっても有用な機能性材料ではあるが、単結晶であるとより高性能になったり、単結晶にすることで発現する特性もある。これら材料を薄膜素子に応用する場合も単結晶的な薄膜を形成することにより、多結晶薄膜では得られない高性能・高機能素子を形成することが可能である。

例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜を用いた高輝度青色系発光素子や窒化アルミニウム／窒化ガリウム（ＡｌＮ／ＧａＮ）薄膜を用いたＭＩＳＦＥＴや窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）薄膜を用いたＨＥＭＴなど、窒化物薄膜を用いた素子は数多く提案され実現されているが、窒化物薄膜は格子欠陥や粒界の少ない単結晶的な薄膜でないとキャリアの移動度が下がったり、発光層の発光効率や薄膜素子の寿命が悪くなってしまう。

これら単結晶的な薄膜は、単結晶基板を用いて、エピタキシャル成長させるのが一般的である。ＧａＮ系の場合、単結晶サファイア基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）やガスソースＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｍｅｔｈｏｄ；分子線エピタキシャル法）の手段で形成する報告や、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板の上に減圧式有機金属気相成長法により形成する報告などがある。酸化物系では単結晶チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３：ＳＴＯ）や単結晶ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ_３：ＬＡＯ）や単結晶サファイア基板上などにスパッタリング法やＰＬＤ法（ Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；パルスレーザ堆積法）などによりエピタキシャル薄膜が得られている。

しかしながら、これらサファイア基板、ＳｉＣ基板、単結晶ＳＴＯ基板、単結晶ＬＡＯ基板などは高価であるため、汎用的なＳｉ基板上、特に最も使用されるＳｉ（１００）基板上に形成することが望ましい。また、Ｓｉデバイスとの融合の観点からも、Ｓｉ上に機能性薄膜をエピタキシャル成長させることが望まれる。ところが、Ｓｉ単結晶基板の上に直接イオン結合性の薄膜をエピタキシャル成長させるのは困難である。その理由としては、Ｓｉは共有結合性の結晶であり、Ｓｉと数％格子定数が違う材料は基板にコヒーレント（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）に成長せず、格子欠陥が入ってしまうということが考えられる。

Ｓｉ単結晶基板上に薄膜を形成する方法として、バッファ層を介する方法がある。よく用いられるのは、酸化セリウム（ＣｅＯ_２），酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）のようなＳｉより酸化されやすい金属の酸化物を形成し非晶質の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の生成を防ぐ方法である。しかし、Ｓｉ表面が酸化してしまうことは避けられず、ＳｉＯ_２上に形成されたバッファ層の膜質はあまり良くないという問題がある。また窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）を用いたバッファ層も窒化シリコン（ＳｉＮ_Ｘ）を形成し良くない。

これに対し、バッファ層に金属硫化物薄膜を用いる方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１によると、Ｓｉの硫化物をつくる生成ギブズエネルギは比較的小さく、Ｓｉと格子定数が近い場合、バッファ層／Ｓｉ界面にアモルファス層を形成せずに硫化物をエピタキシャル成長させることが可能となる。特許文献１においてＳｉよりも硫化物をつくる生成ギブズエネルギが大きい元素には、Ａｌ，Ｂａ，Ｂｅ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｉｎ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｎａ，Ｓｒ，Ｔａ，Ｚｒがあり、それらの単独か、それらの組合せの硫化物を用いることにより、Ｓｉ界面反応を抑えることが可能であるとの開示があり、その金属硫化物層をバッファ層とした酸化物薄膜素子およびその製造方法が提案されている。また、硫化カドミウム（ＣｄＳ）や硫化亜鉛（ＺｎＳ）もＳｉより硫化物をつくる生成ギブズエネルギが大きい。さらに、ＺｎＳ以外の硫化物薄膜でもＳｉ基板上にエピタキシャル成長し、その上に酸化物以外でもイオン結晶をエピタキシャル成長させることが可能であることが見出され、Ｓｉ基板直上に金属硫化物のエピタキシャル薄膜を形成した薄膜素子、該エピタキシャル薄膜を成膜する薄膜素子の製造方法が提案されている（特許文献２および特許文献３参照）。

特開平２００２−３２９７号公報 特開平２００４−１１１８８３号公報 特開平２００６−３４４９８２号公報

前記特許文献２および特許文献３では、ＰＬＤ法によるＳｉ（１００）基板上への金属硫化物のエピタキシャル薄膜形成が開示されているが、ＰＬＤ法は大面積基板への成膜が難しく、量産性に問題がある。このＰＬＤ法に対してスパッタリング法は、大面積基板への成膜が容易な量産性に優れた薄膜形成法である。前記特許文献１では、このスパッタリング法によるＳｉ基板上への金属硫化物のエピタキシャル薄膜形成が開示されている。該特許文献１では、ＲＣＡ洗浄したＳｉ基板をスパッタリング成膜装置のチャンバーに入れ、８５０℃に加熱後、６００℃に下げて金属硫化物薄膜がエピタキシャル成長される。

しかしながら、本発明者らが上記特許文献１記載の方法によりＳｉ基板上に金属硫化物の薄膜を形成したところ、同じチャンバーで複数のＳｉ基板へのスパッタリング成膜を順次繰り返すと、成膜された金属硫化物薄膜の結晶性が徐々に悪化し、エピタキシャル成長できなくなる状態に至ることがわかった。このように、従来技術は再現性及び生産性（量産性）に問題があることが判明した。

このような問題を鑑み、本発明の目的は、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製できる方法、および装置を提供することである。

このような課題を解決するための手段を以下に説明するが、その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明は、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物のエピタキシャル膜が積層されたテンプレート基板の作製方法であって、以下の第１〜第３の工程を含む。

第１の工程では、金属硫化物の組成を有するターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に前記金属硫化物のバリア膜を成膜する。第２の工程では、Ｓｉ（１００）単結晶基板を加熱して、第１の工程で成膜された前記バリア膜を固相エピタキシャル成長により結晶化したバリア膜に変化させる。第３の工程では、前記金属硫化物の組成を有するターゲットを用いたスパッタリング法により、第２の工程で結晶化したバリア膜上に、前記金属硫化物のエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させる。

Ｓｉ（１００）単結晶基板の温度は、第１の工程においては９０℃以下に抑え、第２の工程では５００℃以上１０００℃以下に加熱するのが好適である。

また、他の発明は、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物のエピタキシャル膜が積層されたテンプレート基板の作製装置であって、第１及び第２の成膜処理室と搬送室とを備える。

第１の成膜処理室では、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物をターゲットとしてＳｉ（１００）単結晶基板上に、前記金属硫化物のバリア膜をスパッタリング成膜する。第１の成膜処理室でバリア膜を成膜したＳｉ（１００）単結晶基板を、搬送室を介して第２の成膜処理室に搬送する。第２の成膜処理室では、第１の成膜処理室でバリア膜を成膜したＳｉ（１００）単結晶基板を加熱保持した状態で、前記金属硫化物のターゲットと同一組成のターゲットを用いて前記金属硫化物のエピタキシャル薄膜をスパッタリング成膜する。

Ｓｉ（１００）単結晶基板の温度は、第１の成膜処理室では９０℃以下に抑え、第２の成膜処理室では５００℃以上１０００℃以下に加熱するのが好適である。

上記本発明によって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。

すなわち、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製することができる。

図１は、本発明に係るテンプレート基板の構成例を示す模式図である。 図２は、本発明に係るテンプレート基板の作製装置の構成例を模式的に示す平面図である。 図３は、第１の工程の模式的な説明図である。 図４は、第２の工程の模式的な説明図である。 図５は、第３の工程の模式的な説明図である。 図６は、第１の工程のＭｎＳ層の膜厚を変えた実験の結果を示す説明図である。 図７は、第１の工程の基板温度を変えた実験の結果を示す説明図である。 図８は、第２〜第３の工程の基板温度を変えた実験の結果を示す説明図である。 図９は、良好なエピタキシャル膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。 図１０は、結晶性が若干悪いエピタキシャル膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。 図１１は、多結晶膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。

１．実施の形態の概要
先ず、本願において開示される代表的な実施の形態について概要を説明する。

本発明者らは、上述のように、スパッタリング法によるＳｉ基板上への金属硫化物薄膜のエピタキシャル成長において、同じチャンバーでの複数のＳｉ基板へのスパッタリング成膜を順次繰り返した際に、成膜された金属硫化物薄膜の結晶性が徐々に悪化し、エピタキシャル成長できなくなる状態に至ることを見出した。このような、エピタキシャル成長できなくなる再現性の問題の原因について検討した結果、以下の結論を得た。即ち、スパッタリング成膜を繰り返し行うとチャンバー内壁にも金属硫化物膜が付着し、成膜前に行われる基板加熱時にチャンバー内壁が基板加熱の輻射により同時に加熱され、内壁に付着した金属硫化物膜から蒸気圧の高い硫黄が放出され、その硫黄が加熱中のＳｉ基板表面にダメージを与えるためと推断した。

本発明者らによる更なる検討の結果、Ｓｉ単結晶基板上に低温で形成した非晶質の金属硫化物薄膜が、その後の加熱中にＳｉ基板表面にダメージを与えると推断される硫黄に対するバリア膜となり、加えて、基板加熱中に固相エピタキシャル成長することを見出した。このとき、Ｓｉ基板表面への硫黄のダメージが９０℃よりも高い温度で現れることを見出し、前記バリア膜となる非晶質の金属硫化物薄膜の成膜は９０℃以下でなければならないこと、また非晶質の金属硫化物薄膜がその後の加熱中に固相エピタキシャル成長できる膜厚が１０ｎｍ以下であることを見出した。ここで、バリア膜として機能する金属硫化物薄膜は、膜厚が薄いためにその結晶性を正確に観測することは容易ではないが、形成される時の基板温度が９０℃以下であることから、非晶質であることが強く推認される。しかし、仮に非晶質ではなく、多結晶であっても、バリア膜としての保護機能を有することには変わりはなく、その後の加熱によって固相エピタキシャル成長する限りにおいては、本発明の解決原理に、何らの変更を求めるものでもない。

よって、本発明の代表的な実施の形態は、以下の通りである。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。

本発明の代表的な実施の形態は、シリコン（Ｓｉ）（１００）単結晶基板（１）上に金属硫化物のエピタキシャル膜（３、４）が積層されたテンプレート基板の作製方法であって、以下の第１〜第３の工程を含む、テンプレート基板の作製方法である。

第１の工程は、金属硫化物の組成を有するターゲット（６）を用いたスパッタリング法により、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）上に前記金属硫化物のバリア膜（２）を成膜する工程である。第２の工程は、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を加熱して、前記第１の工程で成膜されたバリア膜（２）を固相エピタキシャル成長により結晶化する工程である。結晶化されたバリア膜は、符号「３」により参照する。第３の工程は、前記金属硫化物の組成を有するターゲット（６）を用いたスパッタリング法により、前記第２の工程で結晶化したバリア膜（３）上に、前記金属硫化物のエピタキシャル膜（４）をエピタキシャル成長させる工程である。

これにより、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製することができる。

ここで、より好適な実施の形態は、以下の通りである。

第１の工程において、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を９０℃以下に保持する。このときに成膜されるバリア膜（２）は非晶質である。ここで、基板温度の下限については特に制限されず例えば常温（室温）とされ、上限は実験的に求められる。

第２の工程において、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を５００℃以上１０００℃以下に加熱する。ここで、基板温度の下限と上限は実験的に求められる。

第１の工程で成膜されるバリア膜（２）の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好適である。ここで、下限の０．５ｎｍは、前記金属硫化物が結晶化したときの格子定数に相当し、概ね２原子層とされ、上限は実験的に求められる。

前記金属硫化物は、好適には、硫化マンガン（ＭｎＳ），硫化マグネシウム（ＭｇＳ）または硫化カルシウム（ＣａＳ）である。

同じチャンバーでの複数のＳｉ基板へのスパッタリング成膜を順次繰り返すことによって、高い量産性で、Ｓｉ基板上への金属硫化物薄膜のエピタキシャル成長を連続して行うときに、当該チャンバーにおける基板温度を、エピタキシャル成長を可能とする高温（好適には上記５００℃以上１０００℃以下）に保持するのが好適である。本発明者らは、このとき、バリア層を有さないＳｉ（１００）単結晶基板が、当該チャンバーに導入されると、当該チャンバー内の硫黄がＳｉ（１００）単結晶基板にダメージを与えるという問題があることに気付いた。しかしながら、当該チャンバーにおける基板温度を９０℃以下に下げて、上記第１の工程によりバリア層を形成した上で、基板温度を高温（例えば上記５００℃以上１０００℃以下）に上昇させた後に、金属硫化物薄膜のエピタキシャル成長を行うとすると、基板温度を下げる時間、上昇させる時間、及び安定させる時間を要するため、スループットが著しく低下することがわかった。

よって、本発明の別の代表的な実施の形態は、第１及び第２の成膜処理室（１２、１３）と搬送室（１０）とを備える、テンプレート基板の作製装置であって、以下のように構成される。

第１の成膜処理室（１２）では、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）上に金属硫化物をターゲット（６）として前記Ｓｉ（１００）単結晶基板上（１）に、前記金属硫化物のバリア膜（２）をスパッタリング成膜する。

第２の成膜処理室（１３）では、第１の成膜処理室で前記バリア膜（２）を成膜した前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を加熱して、成膜された前記バリア膜（２）を固相エピタキシャル成長により結晶化し、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を加熱した状態を保持して、前記金属硫化物のターゲットと同一組成のターゲット（６）を用いて前記金属硫化物のエピタキシャル膜（４）をスパッタリング成膜する。

搬送室（１０）は、前記第１の成膜処理室（１２）で前記バリア膜（２）を成膜した前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を前記第２の成膜処理室（１３）に搬送するためのスペースである。

これにより、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製するときに、高いスループットを保つことができる。

ここで、より好適な実施の形態は、以下の通りである。

第１の成膜処理室（１２）において、前記スパッタリング成膜を行うまでの前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を９０℃以下に保持する。このとき、前記第１の成膜処理室で成膜されるバリア膜は、非晶質である。第１の成膜処理室（１２）における前記スパッタリング成膜は、上述の第１の工程に対応し、同様に、基板温度の下限については特に制限されず例えば常温（室温）とされ、上限は実験的に求められる。

また、バリア膜（２）の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好適である。ここでのバリア膜（２）の好適な範囲も、上述と同様に規定される。

第２の成膜処理室（１３）では、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を５００℃以上１０００℃以下に加熱保持する。ここで、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）が第２の成膜処理室（１３）に搬送され、基板温度が加熱されたときに、上述の第２の工程に対応して、バリア膜（２）を固相エピタキシャル成長により結晶化し、その後のスパッタリングによって、前記金属硫化物のエピタキシャル膜（４）が成膜される工程が、上述の第３の工程に対応する。このときの、基板温度の下限と上限は、上述と同様に実験的に求められる。

また、前記金属硫化物は、好適には、ＭｎＳ，ＭｇＳまたはＣａＳである。

より好適なテンプレート基板の作製装置において、搬送室（１０）は基板搬送用のロボット（３０）を備え、さらにロードロック室（１１）を備えてマルチチャンバーシステムに対応する。

本発明によって奏せられる効果について総括すると以下の通りである。

本発明では、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を９０℃以下に保持して金属硫化物ターゲット（６）をスパッタリングして金属硫化物を成膜する第１の工程により、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）上にバリア膜（２）が形成される。このとき前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を低温（例えば９０℃以下）に保持しているため、チャンバー（９）内壁から放出される硫黄によるＳｉ基板（１）表面にダメージが与えられることがない。この第１の工程で形成されるバリア膜（２）は、次の第２の工程で前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を高温（例えば５００℃以上１０００℃以下）に加熱保持する際に、チャンバー内壁から放出される硫黄によるＳｉ基板表面へのダメージに対する表面保護膜として機能する。また、第１の工程で形成された非晶質の金属硫化物薄膜は、この第２の工程で前記Ｓｉ（１００）単結晶基板が５００℃以上１０００℃以下に加熱保持されるので、固相エピタキシャル成長する。第２の工程に続く第３の工程では、Ｓｉ（１００）単結晶基板を同じく高温（例えば５００℃以上１０００℃以下）に加熱保持した状態で、固相エピタキシャル成長した第１の工程の金属硫化物薄膜（３）の上に、前記金属硫化物ターゲット（６）（または金属硫化物ターゲット（６＿１）と同じ組成の金属硫化物ターゲット（６＿２））をスパッタリングして金属硫化物薄膜（４）を堆積するので、第３の工程の金属硫化物薄膜（４）はエピタキシャル成長する。

以上のようにスパッタリング法によるＳｉ基板上への金属硫化物薄膜のエピタキシャル成長において、スパッタリング成膜を連続して繰り返した際にエピタキシャル成長できなくなる再現性の問題を解決でき、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製することが可能となる。

さらに、本発明では、第１の工程で形成する金属硫化物薄膜の膜厚を１０ｎｍ以下とすることで、第２の工程における加熱保持の際に第１の工程で形成した金属硫化物薄膜が固相エピタキシャル成長可能となる。

さらに、本発明では、前記金属硫化物薄膜をＳｉの格子定数０．５４３ｎｍに近い格子定数を有するＭｎＳ（０．５２０９ｎｍ），ＭｇＳ（０．５６０７ｎｍ）またはＣａＳ（０．５６８３６ｎｍ）のいずれかとすることでＳｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル成長させることができ、テンプレート基板が作製可能となる。

本発明では、基板搬送用のロボット（３０）を備えている搬送室（１０）の周囲に複数の独立した成膜処理室（１２、１３）とロードロック室（１１）とが備えられているマルチチャンバーシステムに対応するテンプレート基板の作製装置であって、Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）上に金属硫化物をターゲット（６＿１）として前記Ｓｉ（１００）単結晶基板の温度を９０℃以下に保持した状態で前記金属硫化物の薄膜をスパッタリング成膜する第１の成膜処理室（１２）と、前記第１の成膜処理室で前記金属硫化物薄膜を成膜した前記Ｓｉ（１００）単結晶基板（１）を５００℃以上１０００℃以下に加熱保持した状態で前記金属硫化物のターゲットと同一組成のターゲット（６＿２）を用いて前記金属硫化物薄膜をスパッタリング成膜する第２の成膜処理室（１３）とをそれぞれ少なくとも１室ずつ有する構成とする。本発明の構成とすることにより、前記第１の工程を第１の成膜処理室で行い、前記第２〜第３の工程を第２の処理室で行うことにより、それぞれ個別の処理室で行うことができ、第１の工程と第２〜第３の工程を同一成膜処理室で行った場合に必要な基板を加熱保持する機構の加熱と冷却の時間を省くことができ、Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板をスパッタリング法により再現性良く安定に連続して作製できるとともに、スループットを高くすることができ生産性を向上させることができる。

２．実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。

〔実施例１〕
図１は、本発明に係るテンプレート基板の構成例を示す模式図である。Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物であるＭｎＳ薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板を示す。１はＳｉ（１００）単結晶基板、３は第１の工程で成膜され第２の工程で固相エピタキシャルさせて作製したＭｎＳ層、４は第３の工程でスパッタリング法により作成したＭｎＳ層である。

実施例１におけるテンプレート基板の作製方法について、詳しく説明する。

まずＳｉ（１００）単結晶基板１の表面の自然酸化膜を弗酸（弗化水素（ＨＦ；Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）水溶液）で除去し、水洗をせずに表面を水素終端した状態でスパッタリング成膜を行う成膜処理室に入れ、５×１０^−６Ｐａまで真空排気した。次に、このＳｉ（１００）単結晶基板１上に第１の工程でＭｎＳ層２を２ｎｍスパッタリング成膜した。第１の工程のスパッタリング成膜条件は、以下の通りである。

成膜方式： 斜め回転スパッタリング
スパッタリング方式： ＲＦマグネトロンスパッタリング
基板温度： ５０℃以下（無加熱）
スパッタリングガス： アルゴン（Ａｒ）
スパッタリング圧力： ２Ｐａ
ターゲット： ＭｎＳ
スパッタリング電力： ＲＦ１５０Ｗ
ターゲット−基板間距離： １４０ｍｍ
前記第１の工程でＭｎＳ層２を成膜した後、成膜を一旦止めて基板温度を７００℃まで加熱した（第２の工程）。この第２の工程でＭｎＳ層２は固相エピタキシャル成長すると考えられる。次に基板温度以外を前記第１の工程と同じスパッタリング成膜条件とした第３の工程でＭｎＳ層４を５０ｎｍ成膜した。

図９は前記実施例１のテンプレート基板の２次元検出器を用いたＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）測定結果（２次元イメージ）を示す図である。２θ＝３４．４°にＭｎＳ（２００）のχ方向に輝線のない輝点が観察され、Ｓｉ（１００）単結晶基板１上にＭｎＳ層３およびＭｎＳ層４が単結晶エピタキシャル成長していることを示している。

前記実施例によれば、繰り返し何度スパッタリング成膜を行っても図９に示すＸＲＤ測定結果が得られ、Ｓｉ（１００）単結晶基板上にＭｎＳ薄膜をエピタキシャル成長させたテンプレート基板を再現性良く安定に作製することができた。

本実施例１では、基板温度以外のスパッタリング成膜条件を、第１の工程と第３の工程との間で同条件としたが、それぞれの工程において最適化してもよい。

〔実施例２〕
図２は、本発明に係るテンプレート基板の作製装置の構成例を模式的に示す平面図である。本実施例２で例示するテンプレート基板の作製装置は、基板搬送用のロボットを備えている搬送室の周囲に複数の独立した成膜処理室とロードロック室とが備えられているマルチチャンバーシステムに対応する。マルチチャンバーシステムは、基板搬送用ロボット３０を備えた搬送室１０と、その周囲にロードロック室１１と、第１の成膜処理室１２と、第２の成膜処理室１３とがゲートバルブ２１、２２、２３を介して備えられている。搬送室１０、ロードロック室１１、第１の成膜処理室１２、および第２の成膜処理室１３には真空ポンプ（図示せず）がそれぞれ接続されており、それら真空ポンプによって各室が真空排気されるようになっている。

本テンプレート基板の作製装置を用いた処理手順を以下に説明する。図３、図４及び図５はそれぞれ、第１、第２及び第３の工程の模式的な説明図である。図３、図４及び図５において、６＿１と６＿２は前記金属硫化物のスパッタリングのターゲット、７＿１と７＿２は基板ホルダー、８＿１と８＿２はヒーター、９＿１と９＿２はチャンバーである。ヒーター８＿１と８＿２は、特に制限されないが例えば電熱線で、外部から電源が供給されることによって基板ホルダー７＿１と７＿２を介して基板をそれぞれ加熱することができる。チャンバー９＿１と９＿２内には、それぞれ高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電極が設置され、外部から供給されるＲＦ電力によって、スパッタリングガス（例えばＡｒ）をプラズマ放電させる。チャンバー９の内部に設置されまたは外部に接続される、真空ポンプからなる排気装置の他、ＲＦ電極、スパッタリングガスの導入管とバルブ、真空ゲージ、基板温度計その他のセンサーなどは、図示が省略されている。

まずＳｉ（１００）単結晶基板１の表面の自然酸化膜をＨＦで除去し、水洗をせずに表面を水素終端した状態でロードロック室１１内に導入して、真空ポンプによってロードロック室１１内を真空排気する。ロードロック室１１を所望の圧力まで真空排気した後、ゲートバルブ２１および２２を介して基板搬送用ロボット３０で前記Ｓｉ（１００）単結晶基板１をロードロック室１１から第１の成膜処理室１２へ搬送する。

次に第１の成膜処理室１２において、搬送されたＳｉ（１００）単結晶基板１の温度を９０℃以下に保持した状態で、金属硫化物（例えばＭｎＳ）をターゲット６＿１として前記Ｓｉ（１００）単結晶基板１上に金属硫化物の薄膜２をスパッタリング成膜する、すなわち第１の工程、例えば前記実施例１記載の第１の工程を行う。例えば図３に示すように、ヒーター８＿１による基板加熱を行わず、Ｓｉ（１００）単結晶基板１の基板温度を低温に保ったままで、金属硫化物（例えばＭｎＳ）層２をスパッタリング成膜する。このとき、チャンバー９＿１の内壁には、金属硫化物が付着する。複数毎のＳｉ（１００）単結晶基板１を順次搬送チャンバー９＿１内に導入し、スパッタリング法による金属硫化物層２のスパッタリング成膜を行って搬出する工程を、繰り返し行ったときには、チャンバー９＿１の内壁に付着する金属硫化物は増していく。しかし、Ｓｉ（１００）単結晶基板１を加熱しないため、チャンバー９＿１の内壁の温度は上昇しない。このため、内壁から離脱して雰囲気中に放出される硫黄の量は少なく（ほとんどなく）、また、基板温度が低く抑えられているので、Ｓｉ（１００）単結晶基板１の清浄なＳｉ表面が露出していても硫黄との反応は抑えられ、ダメージは発生しない。

第１の成膜処理室１２における第１の工程終了後、ゲートバルブ２２および２３を介して基板搬送用ロボット３０で、第１の工程の成膜がなされたＳｉ（１００）単結晶基板１を、第１の成膜処理室１２から第２の成膜処理室１３へ搬送する。第２の成膜処理室１３では、第１の工程の成膜がなされたＳｉ（１００）単結晶基板１を５００℃以上１０００℃以下に加熱保持した状態で前記金属硫化物のターゲットと同一組成のターゲット６＿２を用いて前記金属硫化物薄膜をスパッタリング成膜する。すなわちＳｉ（１００）単結晶基板１を高温に加熱する第２の工程、例えば前記実施例１記載の第２の工程と、高温に加熱保持されたＳｉ（１００）単結晶基板１にスパッタリング成膜する第３の工程、例えば前記実施例１記載の第３の工程とを行う。例えば図４に示すように、第１の工程の成膜がなされたＳｉ（１００）単結晶基板１を、ヒーター８＿２によって５００℃以上１０００℃以下に加熱する。より具体的には、５００℃以上１０００℃以下に加熱保持されているホルダー７＿２上に、第１の工程の成膜がなされたＳｉ（１００）単結晶基板１を搬送して載置することにより、基板温度がホルダー７＿２の温度に向かって上昇し、その過程で第１の工程で成膜された金属硫化物薄膜２が固相エピタキシャル成長して金属硫化物膜３に変化する（第２の工程）。その後、例えば図５に示すように、Ｓｉ（１００）単結晶基板１の基板温度を高温に保ったままで、金属硫化物膜３上に金属硫化物（例えばＭｎＳ）層４をスパッタリング成膜する（第３の工程）。このとき、チャンバー９＿２の内壁には、金属硫化物が付着する。複数毎のＳｉ（１００）単結晶基板１を順次搬送してチャンバー９＿２内に導入し、スパッタリング法による金属硫化物層４のスパッタリング成膜を行って搬出する工程を、繰り返し行ったときには、チャンバー９＿２の内壁に付着する金属硫化物は増していく。ヒーター８＿２により基板ホルダー７＿２の温度は高温に保たれているため、その輻射によってチャンバー９＿２の内壁は加熱され、蒸気圧の高い硫黄が内壁面から離脱して雰囲気中に放出されている。しかし、この雰囲気に搬送導入されるＳｉ（１００）単結晶基板１の表面には金属硫化物層２が成膜されているので、この金属硫化物層２が、雰囲気中の硫黄とＳｉ（１００）単結晶基板１のＳｉ表面との反応を妨げる、バリア膜として機能する。

第２の成膜処理室１３にて第３の工程の成膜がなされたＳｉ（１００）単結晶基板１は、ゲートバルブ２３および２１を介して第２の成膜処理室１３からロードロック室１１へ戻され、冷却後にロードロック室１１をベントして取り出される。なお前記一連の処理工程で、ゲートバルブ２１、２２、２３は各室の真空状態がお互いに影響しないように同時に開いた状態とならないように制御される。

本実施例２では、第１の工程と第２及び第３の工程とをそれぞれ個別に第１の成膜処理室１２と第２の成膜処理室１３で行うので、第２の成膜処理室１３の基板加熱機構（図３及び図４に示すヒーター８＿２）を加熱したままの状態とすることができ、第１の工程と第２及び第３の工程とを同一成膜処理室で行った場合に必要となる基板加熱機構の加熱と冷却の時間を省くことができる。

前記実施例２の第１の成膜処理室１２および第２の成膜処理室１３に取り付ける金属硫化物ターゲット６＿１と６＿２としては、ＭｎＳの他、ＭｇＳ、ＣａＳのいずれかを用いることができる。

前記実施例２では、ロードロック室１１、第１の成膜処理室１２および第２の成膜処理室１３を各１室としているが、これに限るものではなく、各室を搬送室１０の周囲にゲートバルブを介して複数配置することができる。例えば、ロードロック室を２室として、一つをロード専用、もう一つをアンロード専用としてもよく、一連の処理時間における排気・ベントの占める時間を短くすることができる。また第１の工程よりも処理時間が長くなる第２及び第３の工程を行う第２の成膜処理室１３を複数配置してもよく、スループットが高くなり、生産性を向上させることができる。

また、前記実施例では金属硫化物としてＭｎＳについて示したが、ＭｇＳまたはＣａＳでも同様にＳｉ（１００）単結晶基板上にエピタキシャル成長でき、テンプレート基板を作製できる。

〔実施例３〕
第１の工程における金属硫化物膜２の膜厚と基板温度、及び、第２の工程における基板温度について、さらに詳しく検討する。図６、図７及び図８は、第１の工程の金属硫化物膜２の一例であるＭｎＳ層の膜厚を変えた実験の結果、第１の工程の基板温度を変えた実験の結果、及び、第２〜第３の工程の基板温度を変えた実験の結果を、それぞれ示す説明図である。いずれも、第３の工程で金属硫化物（ＭｎＳ）膜をスパッタリング法によって成膜した金属硫化物（ＭｎＳ）膜の結晶性を評価した結果である。「○」印は良好なエピタキシャル膜が成膜されたことを表し、「△」印は結晶性が若干悪いエピタキシャル膜が成膜されたことを表し、「×」印は多結晶膜が成膜されたことを表す。

金属硫化物（ＭｎＳ）膜の結晶性は、２次元検出器を用いたＸ線回折（ＸＲＤ）で観測した結果に基づいて評価した。図９は、良好なエピタキシャル膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。入射Ｘ線の入射角θと等しい回折Ｘ線の強度を表す２θ方向に加え、それと垂直な面内の２次元の回折Ｘ線の強度をχ方向として、２次元イメージで表したものである。

図９は、良好なエピタキシャル膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。２θ＝３４．４°にＭｎＳ（２００）のχ方向に輝線のない輝点（スポット）が観察され、基板面に垂直方向および面内方向に軸が揃っていることがわかる。即ち、Ｓｉ（１００）単結晶基板１上にＭｎＳ層が単結晶エピタキシャル成長していること（上記「○」印に相当）を示している。

図１０は、結晶性が若干悪いエピタキシャル膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。（１００）配向はしているが、χ方向に輝線が延びており、面内方向の配向性が若干悪いことがわかる。即ち、成膜されたＭｎＳ層は、結晶性が若干悪いエピタキシャル膜であること（上記「△」印に相当）を示している。

図１１は、多結晶膜が成膜された場合の２次元検出器を用いたＸＲＤ測定結果（２次元イメージ）を示す図である。（１００）配向はしているが、χ方向にリング状の輝線が観察され、面内方向の配向性がないことがわかる。即ち、成膜されたＭｎＳ層は多結晶膜であること（上記「×」印に相当）を示している。

図６は、第１の工程のＭｎＳ層の膜厚を変えた実験の結果を示す説明図である。第１の工程のＭｎＳ層の膜厚を、１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍと変化させ、第２〜第３の工程まで行った上で成膜されたＭｎＳ膜の結晶性を、２次元検出器を用いたＸＲＤを使って評価した結果をまとめたものである。第１の工程のＭｎＳ層の膜厚以外の条件は、上述の実施例１に示した条件と同じである。ＭｎＳ層の膜厚が１ｎｍ，２ｎｍ及び５ｎｍでは、良好なエピタキシャル膜が成膜されている（「○」印）。膜厚が１０ｎｍでは、結晶性が若干悪いエピタキシャル膜であり（「△」印）、１５ｎｍと２０ｎｍでは多結晶膜である（「×」印）であることが観測された。

図７は、第１の工程の基板温度を変えた実験の結果を示す説明図である。第１の工程においてＭｎＳ膜２をスパッタリング成膜する際の基板温度を、２５℃，５０℃，７０℃，９０℃，１１０℃と変化させ、第２〜第３の工程まで行った上で成膜されたＭｎＳ膜の結晶性を、２次元検出器を用いたＸＲＤを使って評価した結果をまとめたものである。第１の工程の基板温度以外の条件は、上述の実施例１に示した条件と同じである。基板温度が２５℃，５０℃及び７０℃では、良好なエピタキシャル膜が成膜されている（「○」印）。基板温度が９０℃では、結晶性が若干悪いエピタキシャル膜であり（「△」印）、１１０℃では多結晶膜である（「×」印）であることが観測された。

図８は、第２〜第３の工程の基板温度を変えた実験の結果を示す説明図である。実施例１に示した条件で第１の工程を行った後、第２〜３の工程における基板温度を、４００℃，５００℃，７００℃，９００℃，１０００℃，１１００℃と変化させ、第２〜第３の工程まで行った上で成膜されたＭｎＳ膜の結晶性を、２次元検出器を用いたＸＲＤを使って評価した結果をまとめたものである。第１の工程の基板温度以外の条件は、上述の実施例１に示した条件と同じである。基板温度が７００℃及び９００℃では、良好なエピタキシャル膜が成膜されている（「○」印）。基板温度が５００℃または１０００℃では、結晶性が若干悪いエピタキシャル膜であり（「△」印）、４００℃と１１００℃では多結晶膜である（「×」印）であることが観測された。

以上の実験結果から、前記実施例１及び２で示したスパッタリング条件は、これらに限られるものではなく、第１の工程の基板温度を９０℃以下に保持すること、第１の工程のＭｎＳ層２の膜厚を１０ｎｍ以下にすること、第２〜第３の工程の基板温度を５００℃以上１０００℃以下に加熱保持するのが好適であることがわかる。さらには、第１の工程の基板温度を７０℃以下に保持し、第１の工程のＭｎＳ層２の膜厚を５ｎｍ以下にし、第２〜第３の工程の基板温度を７００℃以上９００℃以下に加熱保持するとより好適である。ここで、第１の工程の基板温度の下限は任意であるが、同じチャンバーで行われる別の工程で積極的に基板を冷却する必要があるなどの特別の理由がなければ、室温または単に基板を加熱しない（ヒーターをオフする）とすればよい。また、第１の工程のＭｎＳ層２は、バリア膜としての機能を果たし、かつ、第２の工程における上記基板温度によって結晶化する膜厚であればよいので、下限は金属硫化物の結晶の格子定数相当（２原子層に相当）である、０．５ｎｍ程度である。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、スパッタリング法をＣＶＤ法など他の成膜法に変更してもよい。第３の工程における金属硫化膜のエピタキシャル成膜のために、基板が高温に加熱されるより前に、バリア層が形成されており、そのバリア層が上記エピタキシャル成膜のための基板加熱によって結晶化すればよいからである。したがって、第１の工程または第３の工程の成膜法の一方だけをＣＶＤ法など他の成膜法に変更してもよい。

本発明は、高輝度青色系発光素子、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ、その他の電子デバイスに用いて好適なテンプレート基板の作製方法及び作製装置などに広く適用することができる。

１ Ｓｉ（１００）単結晶基板
２ 低温の基板温度でスパッタリング成膜したＭｎＳ層
３ 固相エピタキシャル成長したＭｎＳ層
４ 高温の基板温度でスパッタリング成膜したＭｎＳ層（エピタキシャル膜）
６ ターゲット
７ 基盤ホルダー
８ ヒーター
９ チャンバー
１０ 搬送室
１１ ロードロック室
１２ 第１の成膜処理室
１３ 第２の成膜処理室
２１、２２、２３ ゲートバルブ
３０ 基板搬送用ロボット

Claims (13)

1. シリコン（Ｓｉ）（１００）単結晶基板上に金属硫化物のエピタキシャル膜が積層されたテンプレート基板の作製方法であって、
   前記金属硫化物の組成を有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板上に前記金属硫化物のバリア膜を成膜する第１の工程と、
   前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を加熱して、前記第１の工程で成膜された前記バリア膜を固相エピタキシャル成長により結晶化する第２の工程と、
   前記金属硫化物の組成を有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第２の工程で結晶化した前記バリア膜上に、前記金属硫化物のエピタキシャル膜をエピタキシャル成長させる第３の工程とを含むことを特徴とするテンプレート基板の作製方法。
2. 前記第１の工程で成膜されるバリア膜が、非晶質であることを特徴とする請求項１記載のテンプレート基板の作製方法。
3. 前記第１の工程において、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を９０℃以下に保持することを特徴とする請求項１記載のテンプレート基板の作製方法。
4. 前記第２の工程において、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を５００℃以上１０００℃以下に加熱することを特徴とする請求項３記載のテンプレート基板の作製方法。
5. 前記第１の工程で成膜されるバリア膜の膜厚が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のテンプレート基板の作製方法。
6. 前記金属硫化物は、硫化マンガン（ＭｎＳ），硫化マグネシウム（ＭｇＳ）または硫化カルシウム（ＣａＳ）であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のテンプレート基板の作製方法。
7. Ｓｉ（１００）単結晶基板上に金属硫化物をターゲットとして、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板上に前記金属硫化物のバリア膜をスパッタリング成膜する第１の成膜処理室と、
   前記第１の成膜処理室で前記バリア膜を成膜した前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を加熱して、前記第１の工程で成膜された前記バリア膜を固相エピタキシャル成長により結晶化し、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を加熱した状態を保持して、前記金属硫化物のターゲットと同一組成のターゲットを用いて前記金属硫化物のエピタキシャル膜をスパッタリング成膜する、第２の成膜処理室と、
   前記第１の成膜処理室で前記バリア膜を成膜した前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を前記第２の成膜処理室に搬送するための搬送室とを備えることを特徴とする、テンプレート基板の作製装置。
8. 前記第１の成膜処理室で成膜されるバリア膜が、非晶質であることを特徴とする請求項７記載のテンプレート基板の作製装置。
9. 前記第１の成膜処理室において、前記スパッタリング成膜を行うまでの前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を９０℃以下に保持することを特徴とする請求項７記載のテンプレート基板の作製装置。
10. 前記第２の成膜処理室では、前記Ｓｉ（１００）単結晶基板を５００℃以上１０００℃以下に加熱保持することを特徴とする請求項９記載のテンプレート基板の作製装置。
11. 前記バリア膜の膜厚が０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７記載のテンプレート基板の作製装置。
12. 前記金属硫化物は、ＭｎＳ，ＭｇＳまたはＣａＳであることを特徴とする請求項７から１１のうちのいずれか１項記載のテンプレート基板の作製装置。
13. 前記搬送室は基板搬送用のロボットを備え、さらにロードロック室を備えてマルチチャンバーシステムに対応する、請求項７から１２のうちのいずれか１項記載のテンプレート基板の作製装置。

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