TWI824304B - 成膜裝置及成膜方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種能夠以高生產率形成GaN膜的成膜裝置及成膜方法。實施方式的成膜裝置1包括：腔室20，能夠使內部為真空；旋轉台31，設置於腔室20內，保持工件10，以圓周的軌跡循環搬送工件10；GaN成膜處理部40A，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及將導入至所述靶與所述旋轉台之間的濺鍍氣體G1電漿化的電漿產生器，藉由濺鍍使含有GaN及Ga的成膜材料的粒子堆積於由旋轉台31循環搬送的工件10；以及氮化處理部50，使於GaN成膜處理部40A中堆積的成膜材料的粒子於由旋轉台31循環搬送的工件10氮化。

Description

成膜裝置及成膜方法
本發明是有關於一種成膜裝置及成膜方法。
GaN（氮化鎵：Gallium Nitride）作為下一代的設備材料受到關注。例如，作為使用了GaN的設備，有發光設備、功率設備、高頻通訊設備等。此種GaN設備是藉由在矽（Si）晶圓、碳化矽（SiC）晶圓、藍寶石基板、玻璃基板形成GaN膜來製造。先前以來，GaN的成膜是藉由金屬有機-化學氣相沈積（metal organic chemical vapor deposition，MO-CVD）法進行。MO-CVD法是藉由在經加熱的基板上利用載氣搬運包含有機金屬的材料氣體並使材料於高溫下分解、進行化學反應的化學氣相沈積而使膜析出的成膜法。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2015-103652號公報
[發明所欲解決之課題] 然而，利用MO-CVD法進行的GaN的成膜如以下般於生產率上存在問題。首先，鎵（Ga）於常溫常壓下為液體，但為了抑制Ga的蒸發且使Ga與氮（N）反應，大量需要處理中所使用的NH 3氣體。因此，材料的使用效率差。進而，材料氣體的處理困難，難以穩定地維持裝置的狀態，因此成品率差。MO-CVD法為了將NH 3氣體完全分解，需要1000℃水準的高溫處理，需要高輸出的加熱裝置，從而成本變高。另外，於處理時處理氣體中所包含的氫（H）會被摻入至所成膜的GaN膜中，因此需要脫氫處理等多餘的步驟。
本發明是為了解決如上所述的課題而提出，其目的在於提供一種能夠以高生產率形成GaN膜的成膜裝置及成膜方法。 [解決課題之手段]
為了實現所述目的，本實施方式的成膜裝置包括：腔室，能夠使內部為真空；旋轉台，設置於所述腔室內，保持工件，以圓周的軌跡循環搬送所述工件；GaN成膜處理部，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及將導入至所述靶與所述旋轉台之間的濺鍍氣體電漿化的電漿產生器，藉由濺鍍使含有GaN的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件；以及氮化處理部，使於所述GaN成膜處理部中堆積的所述成膜材料的粒子於由所述旋轉台循環搬送的所述工件氮化。
本實施方式的成膜方法於能夠使內部為真空的腔室內，藉由旋轉台保持工件並以圓周的軌跡循環搬送工件，同時於所述工件成膜，且所述成膜方法包括：GaN成膜處理，GaN成膜處理部藉由濺鍍使含有GaN的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件，所述GaN成膜處理部具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及將導入至所述靶與所述旋轉台之間的濺鍍氣體電漿化的電漿產生器；以及氮化處理，氮化處理部使於所述GaN成膜處理部中堆積的所述成膜材料的粒子於由所述旋轉台循環搬送的所述工件氮化。 [發明的效果]
根據本發明的實施方式，可提供一種能夠以高生產率形成GaN膜的成膜裝置及成膜方法。
參照圖式對成膜裝置的實施方式進行詳細說明。 [概要] 圖1所示的成膜裝置1是藉由濺鍍於作為成膜對象的工件10上形成GaN（氮化鎵：Gallium Nitride）膜、AlN（氮化鋁：Aluminum Nitride）膜的裝置。工件10例如是矽（Si）晶圓、碳化矽（SiC）晶圓、藍寶石基板、玻璃基板。
成膜裝置1具有：腔室20、搬送部30、成膜處理部40、氮化處理部50、加熱部60、移送室70、預備加熱室80、冷卻室90、控制裝置100。腔室20為能夠使內部為真空的容器。腔室20為圓柱形狀，其內部被分成多個分區。成膜處理部40由分隔部22劃分，配置於呈扇狀分割的兩個分區。於配置成膜處理部40的分區以外的分區，配置有氮化處理部50及加熱部60。
關於成膜處理部40，一個分區為使用含有GaN的材料作為靶42形成GaN膜的GaN成膜處理部40A，另一個分區為使用含有Al的材料作為靶42形成Al膜的Al成膜處理部40B。工件10藉由在腔室20內沿著周向環繞幾圈，交替地巡迴穿過GaN成膜處理部40A及氮化處理部50，於工件10上交替地重覆GaN膜的形成與Ga的氮化，從而所期望的厚度的GaN膜生長。
另外，工件10藉由在腔室20內沿著周向環繞幾圈，交替地巡迴穿過Al成膜處理部40B及氮化處理部50，於工件10上交替地重覆Al膜的形成與Al的氮化，從而所期望的厚度的AlN膜生長。如此，重覆GaN膜的成膜與AlN膜的成膜，GaN膜與AlN膜交替地積層。
再者，於使用含有GaN的材料作為靶42的同時進一步設置氮化處理部50是基於以下的理由。即，Ga由於熔點低、於常溫常壓下為液體狀態，因此為了製成固體的靶42，需要含有氮（N）。因此，亦可考慮單純地增多靶42的氮含量，僅藉由靶42的濺鍍來成膜。
此處，為了提高成膜速率，與射頻（Radio Frequency，RF）放電相比，直流（Direct Current，DC）放電濺鍍較佳。但是，若靶42中包含較多的氮，則表面會成為絕緣物。如此，於表面成為絕緣物的靶42中，會產生不產生DC放電的情況。
即，GaN的靶42中可包含的氮量存在極限，靶42中的Ga的氮化停留於不充分的狀態。即，含有GaN的靶42中包含與N（氮）原子的鍵結缺損的Ga原子。
另外，當向導入至成膜處理部40的濺鍍氣體中添加氮氣進行濺鍍時，靶42的表面被氮化，表面成為絕緣物。因此，為了彌補不足的氮，GaN成膜處理部40A無法向濺鍍氣體中添加氮氣。另一方面，若於所成膜的GaN膜中氮含量少而有氮缺陷，則膜的結晶性變差，平坦性受損。因此，於由GaN成膜處理部40A成膜的GaN膜中，為了填補不足的氮，於利用GaN成膜處理部40A進行的成膜後，進一步由氮化處理部50進行氮化。
[腔室] 如圖2所示，腔室20是由圓盤狀的頂部20a、圓盤狀的內底面20b、及環狀的內周面20c包圍來形成。分隔部22為自圓柱形狀的中心呈放射狀地配設的方形的壁板，且自頂部20a朝內底面20b延長，未到達內底面20b。即，於內底面20b側確保圓柱狀的空間。
於該圓柱狀的空間中配置有搬送工件10的旋轉台31。分隔部22的下端空開載置於旋轉台31的工件10所穿過的間隙，與旋轉台31中的工件10的載置面相向。藉由分隔部22將利用成膜處理部40進行工件10的處理的處理空間41劃分。另外，藉由氮化處理部50的後述的筒狀體51將處理空間59劃分。即，成膜處理部40、氮化處理部50分別具有小於腔室20且彼此遠離的處理空間41、處理空間59。藉由分隔部22，可抑制成膜處理部40的濺鍍氣體G1向腔室20內擴散。另外，藉由氮化處理部50的筒狀體51，可抑制製程氣體G2向腔室20內擴散。
另外，如後述般，於成膜處理部40及氮化處理部50中，於處理空間41、處理空間59中生成電漿，但只要調整被劃分成較腔室20小的空間的處理空間41、處理空間59內的壓力即可，因此可容易地進行壓力調整，可使電漿的放電穩定化。因此，只要可獲得所述效果，則於俯視時，最低有夾著成膜處理部40的兩個分隔部22即可。
再者，於腔室20設置有排氣口21。於排氣口21連接有排氣部23。排氣部23具有配管及未圖示的泵、閥等。藉由經由排氣口21的利用排氣部23進行的排氣，可對腔室20內進行減壓來變成真空。為了將氧濃度抑制得較低，排氣部23例如進行排氣直至真空度成為10 -4Pa為止。
[搬送部] 搬送部30具有旋轉台31、馬達32及保持部33，沿著作為圓周的軌跡的搬送路徑L循環搬送工件10。旋轉台31具有圓盤形狀，以不與內周面20c接觸的程度大幅度擴展。馬達32將旋轉台31的圓中心作為旋轉軸，以規定的旋轉速度連續地旋轉。旋轉台31例如以1 rpm～150 rpm的速度旋轉。
保持部33為於旋轉台31的上表面配設於圓周等配位置的槽、孔、突起、治具、固定器等，利用機械式夾頭、黏著夾頭來保持載置有工件10的托盤34。工件10例如呈矩陣狀地排列配置於托盤34上，保持部33於旋轉台31上以60°間隔配設六個。即，成膜裝置1可對保持於多個保持部33的多個工件10總括地進行成膜，因此生產率非常高。再者，亦可省略托盤34，將工件10直接載置於旋轉台31的上表面。
[成膜處理部] 成膜處理部40生成電漿，使包含成膜材料的靶42暴露於該電漿中。藉此，使藉由電漿中所包含的離子碰撞靶42而被敲擊出的成膜材料的粒子（以下，設為濺鍍粒子）堆積於工件10上來進行成膜。如圖2所示，該成膜處理部40包括：包含靶42、支承板43及電極44的濺鍍源；以及包含電源部46與濺鍍氣體導入部49的電漿產生器。
靶42為包含堆積於工件10上而成為膜的成膜材料的板狀構件。構成本實施方式的GaN成膜處理部40A中的靶42的成膜材料是含有Ga及GaN的材料，靶42成為堆積於工件10的含有Ga原子的濺鍍粒子的供給源。由於如上所述般氮的含量受限定，因此靶42含有GaN與氮缺乏的不完全的GaN、即與N（氮）的鍵結缺損的Ga原子。
另外，構成Al成膜處理部40B中的靶42的成膜材料是含有Al的材料，靶42成為堆積於工件10的含有Al原子的濺鍍粒子的供給源。再者，若為能夠供給含有Ga原子的濺鍍粒子、含有Al原子的濺鍍粒子的濺鍍用的靶42，則即便不含有Ga、Al、N（氮）亦被允許。
靶42於載置於旋轉台31的工件10的搬送路徑L上遠離地設置。靶42的表面以與載置於旋轉台31的工件10相向的方式，保持於腔室20的頂部20a。靶42例如設置三個。於俯視時，三個靶42設置於排列在三角形的頂點上的位置。
支承板43為保持靶42的支持構件。該支承板43個別地保持各靶42。電極44為用於自腔室20的外部向各靶42各別地施加電力的導電性的構件，且與靶42電性連接。施加至各靶42的電力可各別地改變。此外，於濺鍍源中，視需要而適宜包括磁鐵、冷卻機構等。
電源部46例如為施加高電壓的直流DC電源，且與電極44電性連接。電源部46經由電極44而向靶42施加電力。再者，旋轉台31的電位與接地的腔室20相同，藉由向靶42側施加高電壓而產生電位差。
如圖2所示，濺鍍氣體導入部49向腔室20導入濺鍍氣體G1。濺鍍氣體導入部49具有未圖示的儲氣瓶等濺鍍氣體G1的供給源、配管48、以及氣體導入口47。配管48與濺鍍氣體G1的供給源連接，氣密地貫通腔室20並延長至腔室20的內部，其端部作為氣體導入口47而開口。本實施方式的濺鍍氣體導入部49以處理空間41成為0.3 Pa以下、0.1 Pa以上的方式向處理空間41導入濺鍍氣體G1。
氣體導入口47於旋轉台31與靶42之間開口，向形成於旋轉台31與靶42之間的處理空間41導入成膜用的濺鍍氣體G1。作為濺鍍氣體G1，可採用稀有氣體，適宜的是氬（Ar）氣等。濺鍍氣體G1是不包含氮（N）的氣體，且可設為氬（Ar）單一氣體。
於此種成膜處理部40中，若自濺鍍氣體導入部49導入濺鍍氣體G1，電源部46經由電極44而向靶42施加高電壓，則已導入至形成於旋轉台31與靶42之間的處理空間41的濺鍍氣體G1電漿化，產生離子等活性種。電漿中的離子與靶42碰撞而敲擊出濺鍍粒子。於GaN成膜處理部40A中，與包含含有Ga與GaN的材料的靶42碰撞而敲擊出含有Ga原子的濺鍍粒子。於Al成膜處理部40B中，與包含含有Al的材料的靶42碰撞而敲擊出含有Al原子的濺鍍粒子。
另外，由旋轉台31循環搬送的工件10穿過該處理空間41。被敲擊出的濺鍍粒子於工件10穿過處理空間41時堆積於工件10上，含有Ga原子的膜或含有Al原子的膜形成於工件10上。工件10由旋轉台31循環搬送，並重覆穿過該處理空間41，藉此進行成膜處理。再者，含有Ga的GaN膜的形成、含有Al的AlN膜的形成並非並行地進行，而是藉由在形成其中一個膜後，形成另一個膜來進行。
[氮化處理部] 氮化處理部50於導入了包含氮氣的製程氣體G2的處理空間59內生成感應耦合電漿。即，氮化處理部50將氮氣電漿化而生成化學物種。所產生的化學物種中所包含的氮原子碰撞藉由成膜處理部40於工件10上成膜的含有Ga原子的膜、含有Al原子的膜，而與含有Ga原子的膜中的和氮的鍵結缺損的Ga原子、含有Al原子的膜中的Al原子鍵結。藉此，可獲得無氮缺陷的GaN膜或AlN膜。
如圖2所示，氮化處理部50具有電漿產生器，所述電漿產生器包括筒狀體51、窗構件52、天線53、RF電源54、匹配箱55及製程氣體導入部58。
筒狀體51為覆蓋處理空間59的周圍的構件。筒狀體51為如圖1及圖2所示般水平剖面為圓角長方形的筒，且具有開口。筒狀體51以其開口遠離地朝向旋轉台31側的方式，嵌入至腔室20的頂部20a，並朝腔室20的內部空間突出。該筒狀體51設為與旋轉台31相同的材質。
窗構件52為與筒狀體51的水平剖面大致相似形狀的石英等介電體的平板。該窗構件52以堵塞筒狀體51的開口的方式設置，並將腔室20內的導入包含氮氣的製程氣體G2的處理空間59與筒狀體51的內部劃分。窗構件52需要抑制由於氧流入至處理空間59而引起的氧化。例如，所要求的氧濃度非常低，而為10 19（atom/cm 3）以下。為了應對此情況，於窗構件52的表面實施保護塗敷。例如，藉由在窗構件52的表面進行利用Y 2O 3（氧化釔）的塗敷，可於抑制電漿對窗構件52的消耗的同時抑制來自窗構件52的表面的氧放出，而將氧濃度維持得低。
處理空間59於氮化處理部50中，形成於旋轉台31與筒狀體51的內部之間。由旋轉台31循環搬送的工件10重覆穿過該處理空間59，藉此進行氮化處理。再者，窗構件52亦可為氧化鋁等介電體，亦可為矽等半導體。
天線53為捲繞成線圈狀的導電體，且配置於藉由窗構件52而與腔室20內的處理空間59隔離的筒狀體51的內部空間，藉由流入交流電流而產生電場。理想的是天線53配置於窗構件52的附近，以使自天線53產生的電場經由窗構件52而有效率地導入至處理空間59。於天線53連接有施加高頻電壓的RF電源54。於RF電源54的輸出側串聯地連接有作為匹配電路的匹配箱55。匹配箱55使輸入側及輸出側的阻抗匹配，藉此使電漿的放電穩定化。
如圖2所示，製程氣體導入部58向處理空間59導入包含氮氣的製程氣體G2。製程氣體導入部58具有未圖示的儲氣瓶等製程氣體G2的供給源、及配管57、氣體導入口56。配管57與製程氣體G2的供給源連接，於氣密地密封腔室20的同時貫通腔室20並延伸至腔室20的內部，其端部作為氣體導入口56而開口。
氣體導入口56向窗構件52與旋轉台31之間的處理空間59開口，並導入製程氣體G2。作為製程氣體G2，可採用稀有氣體，適宜為氬氣等。
於此種氮化處理部50中，自RF電源54向天線53施加高頻電壓。藉此，於天線53流動高頻電流，藉由電磁感應而產生電場。電場經由窗構件52而導入處理空間59內，於製程氣體G2產生感應耦合電漿。此時，產生包含氮原子的氮的化學物種，藉由碰撞工件10上的含有Ga原子的膜、含有Al原子的膜，而與Ga原子、Al原子鍵結。其結果，可增加工件10上的膜的氮含量，可形成無氮缺陷的GaN膜、AlN膜。
[加熱部] 加熱部60於腔室20內對由旋轉台31循環搬送的工件10進行加熱。加熱部60具有設置於旋轉台31的與工件10的搬送路徑L相向的位置的加熱源。加熱源例如為鹵素燈。加熱溫度例如較佳為設為工件10被加熱至500℃左右的溫度。
[移送室] 移送室70為用於經由閘閥將工件10於腔室20搬入及搬出的容器。如圖1所示，移送室70具有用來收容搬入至腔室20之前的工件10的內部空間。移送室70經由閘閥GV1與腔室20連接。雖然未圖示，但於移送室70的內部空間中設置有搬送部件，該搬送部件用於將搭載有工件10的托盤34於與腔室20之間搬入、搬出。移送室70藉由未圖示的真空泵等排氣部件減壓，藉由搬送部件於維持腔室20的真空的狀態下，將搭載有未處理的工件10的托盤34搬入至腔室20內，將搭載有處理完畢的工件10的托盤34自腔室20搬出。
於移送室70經由閘閥GV2連接有負載鎖定部71。負載鎖定部71為於維持移送室70的真空的狀態下，藉由未圖示的搬送部件自外部將搭載有未處理的工件10的托盤34搬入至移送室70內，並將搭載有處理完畢的工件10的托盤34自移送室70搬出的裝置。再者，負載鎖定部71於藉由未圖示的真空泵等排氣部件減壓的真空狀態、與被真空破壞的大氣開放狀態之間進行切換。
[預備加熱室] 預備加熱室80對搬入至腔室20內之前的工件10進行加熱。預備加熱室80包括與移送室70連接的容器，具有對搬入至移送室70之前的工件10進行加熱的加熱源。作為加熱源，例如使用加熱器或加熱燈。作為預備加熱的溫度，較佳為工件10被加熱至300℃左右的溫度。再者，預備加熱室80與移送室70之間的托盤34的搬送是藉由未圖示的搬送部件進行。
[冷卻室] 冷卻室90對自腔室20內搬出的工件10進行冷卻。冷卻室90包括與移送室70連接的容器，具有對自移送室70搬出的托盤34上所搭載的工件10進行冷卻的冷卻部件。作為冷卻部件，例如可應用吹附冷卻氣體的吹附部。冷卻氣體例如可使用來自濺鍍氣體G1的供給源的Ar氣體。作為要冷卻的溫度，較佳為設為於大氣中能夠搬送的溫度，例如30℃。再者，移送室70的搭載有處理完畢工件10的托盤34藉由未圖示的搬送部件被搬入至冷卻室90。
[控制裝置] 控制裝置100對排氣部23、濺鍍氣體導入部49、製程氣體導入部58、電源部46、RF電源54、搬送部30、加熱部60、移送室70、負載鎖定部71、預備加熱室80、冷卻室90等構成成膜裝置1的各種元件進行控制。該控制裝置100是包括可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）或中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）的處理裝置，且記憶有記述了控制內容的程式。
作為具體進行控制的內容，可列舉：成膜裝置1的初期排氣壓力、對於靶42及天線53的施加電力、濺鍍氣體G1及製程氣體G2的流量、導入時間及排氣時間、成膜時間、馬達32的旋轉速度等。藉此，控制裝置100能夠應對多種多樣的成膜規格。另外，控制裝置100亦對加熱部60的加熱溫度、加熱時間、預備加熱室80的加熱溫度、加熱時間、冷卻室90的冷卻溫度、冷卻溫度等進行控制。
[動作] 接著，對由控制裝置100控制的成膜裝置1的動作進行說明。再者，如以下所述，藉由成膜裝置1進行成膜的成膜方法亦為本發明的一形態。圖3是利用本實施方式的成膜裝置1進行的成膜處理的流程圖。該成膜處理是於工件10上交替地積層AlN膜、GaN膜，進而形成GaN層的處理。矽晶圓或藍寶石基板與GaN的結晶晶格不同，因此於直接形成GaN的膜的情況下，存在GaN的結晶性下降的問題。為了消除此種結晶晶格的失配，藉由交替地積層AlN膜、GaN膜，形成緩衝層，於該緩衝層上形成GaN層。這可用於以下情況：例如於臥式的金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）或LED的製造中，於矽晶圓上隔著緩衝層形成GaN層。
首先，腔室20內藉由排氣部23自排氣口21排氣，並始終減壓至規定的壓力。另外，於排氣的同時，加熱部60開始加熱，旋轉台31開始旋轉，藉此穿過加熱部60的旋轉台31被加熱。藉由來自被加熱的旋轉台31的輻射而腔室20內被加熱。藉由與排氣一起進行加熱，促進腔室20內的水分子或氧分子等殘留氣體的脫離。藉此，於成膜時殘留氣體難以作為雜質混入，膜的結晶性提高。於藉由Q-Mass等氣體分析裝置檢測到腔室20內的氧濃度成為規定值以下之後，停止加熱部60的加熱，停止旋轉台31的旋轉。另外，於預備加熱室80內，搭載於托盤34的工件10被預備加熱至300℃左右（步驟S01）。
搭載有所預備加熱的工件10的托盤34藉由搬送部件被搬入至移送室70，經由閘閥GV1被依次搬入至腔室20內（步驟S02）。於該步驟S02中，旋轉台31使空的保持部33依次移動至自移送室70的搬入部位。保持部33分別各別地保持由搬送部件搬入的托盤34。如此，搭載有工件10的托盤34全部載置於旋轉台31上。
加熱部60再次開始加熱，並且載置有工件10的旋轉台31開始旋轉，藉此工件10被加熱（步驟S03）。當經過藉由模擬或實驗等而預先獲得的規定時間後，工件10被加熱至500℃左右。再者，於加熱時，為了更均勻地進行加熱，使旋轉台31以100 rpm左右的比較快的速度旋轉。
然後，藉由交替地重覆進行利用Al成膜處理部40B與氮化處理部50的AlN膜的成膜、和利用GaN成膜處理部40A與氮化處理部50的GaN膜的成膜來形成緩衝層。首先，利用Al成膜處理部40B及氮化處理部50於工件10上形成AlN膜（步驟S04）。即，濺鍍氣體導入部49經由氣體導入口47供給濺鍍氣體G1。濺鍍氣體G1被供給至包括Al的靶42的周圍。電源部46向靶42施加電壓。藉此，使濺鍍氣體G1電漿化。藉由電漿而產生的離子碰撞靶42而敲擊出含有Al原子的濺鍍粒子。
於未處理的工件10，於穿過Al成膜處理部40B時，形成在表面堆積了含有Al原子的濺鍍粒子的薄膜。於本實施方式中，每當穿過一次Al成膜處理部40B，便能夠以於厚度方向上能夠包含一個～兩個Al原子的水準的膜厚進行堆積。
如此，藉由旋轉台31的旋轉而穿過了Al成膜處理部40B的工件10穿過氮化處理部50，於該過程中薄膜的Al原子被氮化。即，製程氣體導入部58經由氣體導入口56來供給包含氮氣的製程氣體G2。包含氮氣的製程氣體G2被供給至由窗構件52與旋轉台31夾著的處理空間59。RF電源54向天線53施加高頻電壓。
藉由高頻電壓的施加而流動有高頻電流的天線53所產生的電場經由窗構件52而導入處理空間59內。然後，藉由該電場，激發供給至該空間的包含氮氣的製程氣體G2而產生電漿。藉由電漿而產生的氮的化學物種碰撞工件10上的薄膜，藉此與Al原子鍵結，形成充分地氮化的AlN膜。
旋轉台31持續旋轉，直至規定厚度的AlN膜於工件10上成膜為止，即直至經過藉由模擬或實驗等而預先獲得的規定時間為止。換言之，於形成規定厚度的AlN膜之前的期間，工件10於成膜處理部40與氮化處理部50中持續循環。再者，每當以原子級的膜厚堆積Al時較佳為進行氮化，因此為了取得成膜與氮化的平衡，旋轉台31的旋轉速度設為50 rpm～60 rpm的比較慢的速度。
當經過規定的時間後，首先停止Al成膜處理部40B的運轉。具體而言，停止利用電源部46向靶42的電壓施加。
接著，藉由GaN成膜處理部40A與氮化處理部50於工件10上形成GaN膜（步驟S05）。即，藉由利用濺鍍氣體導入部49向靶42的周圍的濺鍍氣體G1的供給、利用電源部46向靶42的電壓的施加，使濺鍍氣體G1電漿化。藉由電漿而產生的離子碰撞靶42而敲擊出含有Ga原子的濺鍍粒子。
藉此，於AlN膜的表面形成含有Ga原子的濺鍍粒子堆積而成的薄膜。於本實施方式中，每當穿過一次成膜處理部40，便能夠以能夠包含一個～兩個Ga原子的水準的膜厚進行堆積。
如此，藉由旋轉台31的旋轉而穿過了GaN成膜處理部40A的工件10穿過氮化處理部50，於該過程中薄膜的Ga原子被氮化。即，如上所述，藉由電漿而產生的氮的化學物種碰撞工件10上的薄膜，藉此和與氮的鍵結缺損的Ga原子鍵結，形成無氮缺陷的GaN膜。
作為於工件10上形成規定厚度的GaN膜的時間，當經過了藉由模擬或實驗而獲得的時間後，旋轉台31首先停止成膜處理部40的運轉。即，當經過了規定的時間後，停止GaN成膜處理部40A的運轉。具體而言，停止利用電源部46向靶42的電壓施加。重覆如以上所述般的AlN膜與GaN膜的形成，直至達到規定的積層數為止（步驟S06否（Nо））。於達到規定的積層數的情況下（步驟S06是（Yes）），結束緩衝層的形成。
進而，於緩衝層重疊地形成GaN層（步驟S07）。該GaN層的形成與所述緩衝層中的GaN膜的形成同樣地進行。但是，於成為作為GaN層而設定的規定厚度的時間內進行成膜。
於形成如以上般的緩衝層、GaN層後，於如上所述般停止GaN成膜處理部40A的運轉之後，停止氮化處理部50的運轉（步驟S08）。具體而言，停止利用RF電源54向天線53的高頻電力的供給。然後，使旋轉台31的旋轉停止，藉由搬送部件將載置有所成膜的工件10的托盤34經由移送室70搬入至冷卻室90，於將工件10冷卻至規定的溫度之後，自負載鎖定部71排出（步驟S09）。
再者，於所述說明中，氮化處理部50於緩衝層的成膜中（步驟S04～步驟S06）的期間持續運轉，但亦可每當步驟S04～步驟S06的各步驟結束時停止氮化處理部50的運轉。於此情況下，於Al成膜處理部40B、GaN成膜處理部40A的運轉停止後，停止氮化處理部50的運轉。藉此，於工件10所成膜的膜表面亦可進行充分的氮化，可獲得無氮缺陷的AlN膜、GaN膜。
[效果] （1）本實施方式的成膜裝置1包括：腔室20，能夠使內部為真空；旋轉台31，設置於腔室20內，保持工件10，以圓周的軌跡循環搬送工件10；GaN成膜處理部40A，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及將導入至靶42與旋轉台31之間的濺鍍氣體G1電漿化的電漿產生器，藉由濺鍍使含有GaN的成膜材料的粒子堆積於由旋轉台31循環搬送的工件10；以及氮化處理部50，使於GaN成膜處理部40A堆積的所述成膜材料的粒子於由旋轉台31循環搬送的工件10氮化。
本實施方式的成膜方法於能夠使內部為真空的腔室20內，藉由旋轉台31保持工件10並以圓周的軌跡循環搬送，同時於工件10進行成膜，且所述成膜方法包括：GaN成膜處理，GaN成膜處理部40A藉由濺鍍使含有GaN的成膜材料的粒子堆積於由旋轉台31循環搬送的工件10，所述GaN成膜處理具有包含含有GaN的成膜材料的靶42、及將導入至靶42與旋轉台31之間的濺鍍氣體G1電漿化的電漿產生器；以及氮化處理，氮化處理部50使於GaN成膜處理部40A中堆積的成膜材料的粒子於由旋轉台31循環搬送的工件10氮化。
於本實施方式中，於腔室20內，對由旋轉台31循環搬送的工件10進行利用濺鍍的成膜，藉此能夠以高生產率形成GaN膜。即，無需如MO-CVD法般使用大量的NH 3氣體，於真空的腔室20內的有限的區域中流動濺鍍氣體G1、製程氣體G2，使靶42的材料以原子級的膜厚堆積並氮化，因此材料的使用效率高。另外，由於不使用包含氫（H）的反應氣體，因此不需要脫氫等多餘的步驟。另外，將容易處理的稀有氣體導入至腔室20內即可，因此容易穩定地維持裝置的狀態，成品率變得良好。加熱溫度亦為比較低的溫度，而為500℃左右，因此加熱裝置所要求的輸出亦低。於腔室20內完成緩衝層與GaN層的一系列的成膜處理，因此於一系列的成膜中途於不同的腔室形成其他層，因此無需於腔室間移動，可於氧濃度同樣低的環境下進行成膜。
另外，由於重覆進行原子級的膜厚的成膜材料的積層與氮化，因此與MO-CVD法相比較，儘管成膜時間短，亦可形成結晶性高、表面的凹凸少的膜。
此處，示出對在以下的成膜條件下成膜的膜進行了評價的結果。 ·工件：Si（111）基板 ·旋轉台的轉速：60 rpm ·向天線（氮化處理部）的高頻的施加電力：4000 W ·向濺鍍源的直流的施加電力：GaN成膜處理部 800 W～1500 W、Al成膜處理部 2000 W～3500 W（於包括兩個濺鍍源的成膜處理部中，向各個濺鍍源的施加電力的值） ·成膜速率：GaN層 0.28 nm/sec AlN層 0.43 nm/sec ·成膜處理部的Ar氣體流量：GaN成膜處理部 80 sccm Al成膜處理部 45 sccm ·氮化處理部的N 2氣體流量：30 sccm 再者，於所述實施方式中不進行成膜中的加熱。
對在工件上成膜的AlN膜3 μm（No.1）、GaN膜3 μm（No.2）、AlN膜5 nm/GaN膜5 nm的30層的積層膜（No.3）、於AlN膜5 nm/GaN膜5 nm的30層的積層膜上積層了GaN膜3 μm而成的積層膜（No.4）進行了利用X射線繞射法的解析。其結果，膜表面的（002）面的、藉由2θ/ω掃描獲得的搖擺曲線的半值寬（°）示出了No.1為0.246，No.2為0.182，No.3為0.178，No.4為0.197。
一般而言，可以說半值寬越小，結晶方位的偏差越小，結晶性越高。於本實施方式中，可形成半值寬（2θ/ω）為0.2°以下的結晶性高的膜。另外，GaN系設備中所使用的GaN緩衝層的膜厚一般而言設為3 μm～10 μm，但MO-CVD法的成膜速率據說為數μm/h。本實施方式的成膜速率為相同程度，但進而可省略氫脫離步驟，因此與MO-CVD法相比較可縮短成膜時間。另外，與MO-CVD法相比較，即便是低溫成膜亦可獲得結晶性高的膜。
進而，若固體的靶42中包含較多的氮，則存在表面成為絕緣物的問題，從而靶42中無法包含較多的氮，包含與氮的鍵結缺陷的Ga原子。若使用此種靶42進行濺鍍，則會形成存在氮缺陷的GaN膜。但是，於本實施方式中，藉由與GaN成膜處理部40A獨立地設置氮化處理部50，即便靶42中包含與氮的鍵結缺陷的Ga原子，最終亦可藉由氮化處理部50增多氮含量而獲得無氮缺陷的GaN膜。另外，於GaN成膜處理部40A中，不使用氮氣，而可將濺鍍氣體G1作為氬單一氣體，藉由與GaN成膜處理部40A分離的氮化處理部50使堆積於工件10的成膜材料的粒子氮化。因此，靶42的表面不會成為絕緣物，可使用DC放電來提高成膜速率。
（2）成膜裝置1具有Al成膜處理部40B，所述Al成膜處理部40B具有包含含有Al的成膜材料的靶42，藉由濺鍍使含有Al的成膜材料的粒子堆積於由旋轉台31循環搬送的工件10，氮化處理部50使於Al成膜處理部40B中堆積的成膜材料的粒子於由旋轉台31循環搬送的工件10氮化。
因此，例如，於使用矽等結晶晶格與GaN不同的工件10的情況下，藉由GaN成膜處理部40A、Al成膜處理部40B及氮化處理部50形成作為交替地積層了GaN膜及AlN膜而成的膜的緩衝層，藉此可抑制GaN層的結晶性的下降。
另外，形成緩衝層之後，可於不暴露於大氣中的情況下形成GaN層，因此緩衝層的最表面變質得到抑制，可防止於緩衝層上進一步成膜的GaN層的變質。另外，無需為了形成GaN層而移動至與緩衝層的成膜環境不同的環境，無需削減搬送時間或另外設置調整了氧濃度等的空間。
另外，於Al成膜處理部40B中，亦不使用氮氣，而可將濺鍍氣體G1作為氬單一氣體，藉由與Al成膜處理部40B分離的氮化處理部50使堆積於工件10的成膜材料的粒子氮化。因此，靶42的表面不會成為絕緣物，可使用DC放電來提高成膜速率。
（3）成膜裝置1具有對由旋轉台31循環搬送的工件10進行加熱的加熱部60。藉此，可形成結晶性更優異的膜。
（4）成膜裝置1更具有對搬入至腔室20內之前的工件10進行加熱的預備加熱室80。藉由利用預備加熱室80預先對工件10進行加熱，可縮短利用加熱部60的加熱時間，而提高生產率。
[變形例] （1）於所述實施方式中，如圖4所示，亦可設置對所成膜的GaN膜添加n型或p型雜質（摻雜劑）的雜質添加處理部。於此情況下，於循環搬送的路徑上以按照GaN成膜處理部、氮化處理部、雜質添加處理部的順序排列的方式配置。雜質添加處理部包括與成膜處理部40A、成膜處理部40B的成膜處理部相同的結構。更具體而言，雜質添加處理部只要為如下所述即可：包括靶及電漿產生器，所述靶包含含有n型雜質或p型雜質的成膜材料，所述雜質添加處理部藉由對靶進行濺鍍，能夠將包含成為雜質的離子的成膜材料的粒子（濺鍍粒子）添加至工件10上所堆積的膜。例如，可將具有包含含有Mg的成膜材料的靶42的Mg成膜處理部40C、具有包含含有Si的成膜材料的靶42的Si成膜處理部40D作為雜質添加處理部。Mg成膜處理部40C、Si成膜處理部40D除了包括靶42的材料以外，亦包括與GaN成膜處理部40A相同的結構。即，Mg成膜處理部40C、Si成膜處理部40D包括：包含靶42、支承板43及電極44的濺鍍源；以及包含電源部46及濺鍍氣體導入部49的電漿產生器。
於此種形態中，於GaN膜的成膜時，使Mg成膜處理部40C與GaN成膜處理部40A、氮化處理部50一起運轉，藉此可形成包含向GaN層中添加了Mg離子的p通道（p型半導體）的層。另外，於GaN膜的成膜時，使Si成膜處理部40D與GaN成膜處理部40A、氮化處理部50一起運轉，藉此可形成包含向GaN層中添加了Si離子的n通道（n型半導體）的層。
為了形成n通道、p通道，先前，於GaN膜的成膜後，藉由離子束等離子注入裝置注入Mg或Si的離子，並藉由進行熱處理來添加。但是，於此種方法中，由於是對成為規定膜厚的膜進行離子注入，因此注入深度、注入量（劑量）有時與設計值不同，不容易控制。根據本形態，交替地重覆GaN膜的堆積與Si離子或Mg離子的添加，直至GaN膜達到規定的膜厚為止。藉此，根據向靶42施加的電力及旋轉台31的旋轉速度，與每當旋轉一次所成膜的GaN層的膜厚相對應的Mg離子或Si離子的注入深度、注入量的控制變得容易。
另外，可於一個腔室20內進行緩衝層、GaN層、包含n通道的層、包含p通道的層的一系列的成膜。因此，無需為了形成n通道或p通道而移動至與GaN層的成膜環境不同的環境，無需削減搬送時間或另外設置調整了氧濃度的空間。
（2）除了所述形態以外，如圖5所示，作為成膜處理部40，亦可具有InN成膜處理部40E，所述InN成膜處理部40E具有包含含有InN的成膜材料的靶42。銦（In）單體的熔點低，實際上為了製成固體的靶42，設為添加了氮（N）的InN靶。InN靶包含與氮的鍵結不充分的In原子，這與所述相同。
於此種形態中，於GaN膜的成膜時，使InN成膜處理部40E與GaN成膜處理部40A、氮化處理部50一起運轉，藉此可形成InGaN膜。如圖6的（A）所示，該InGaN膜作為LED的發光層14而發揮功能。圖6的（A）表示LED的積層結構，於矽的工件10上積層有緩衝層11、包含n通道的GaN層12、緩衝層11、包含p通道的GaN層13、發光層14、透明導電膜15。透明導電膜15是氧化銦錫（Indium Tin Oxid，ITO）膜。再者，關於電極，省略了圖示。另外，圖6的（B）表示緩衝層11。
於此種形態中，可於一個腔室20中進行LED中的緩衝層11、包含n通道的GaN層12、緩衝層11、包含p通道的GaN層13、發光層14的一系列的成膜。因此，無需為了形成發光層14而移動至與GaN層的成膜環境不同的環境，可削減搬送時間。或者，無需另外設置調整了氧濃度等的空間。進而，可根據發光層14的厚度改變顏色，但於該形態中，厚度的控制變得容易，因此顏色不同的發光層14的製作變得容易。
（3）對不同種類的材料進行成膜的成膜處理部中所使用的電源亦可設為不同種類的電源。例如，亦可將其中一個成膜處理部中所使用的電源設為DC電源，將另一個成膜處理部中所使用的電源設為包括脈衝開關的脈衝電源。於此情況下，於進行所述Mg離子的添加的情況下，亦可將GaN成膜處理部40A中所使用的電源設為DC電源，將Mg成膜處理部40C中所使用的電源設為脈衝電源。或者於進行Si離子的添加的情況下，亦可將GaN成膜處理部40A中所使用的電源設為DC電源，將Si成膜處理部40D中所使用的電源設為脈衝電源。特別是藉由以短時間內接通基於脈衝波的大電力的方式設定脈衝寬度及電力以進行高功率脈衝磁控濺射（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HiPIMS），生成高密度電漿，飛躍性地提高濺鍍粒子的離子化率，從而能夠更有效率地進行粒子注入。
或者，對相同種類的材料進行成膜的成膜處理部中所使用的電源亦可組合不同種類的電源，於規定的時機切換使用。例如，亦可兼具DC電源與包括脈衝開關的脈衝電源，於規定的時機切換使用。於此情況下，於形成GaN膜時，亦可於僅與基板或其他種類的膜相接的初始層使用脈衝電源，形成規定的膜厚後，切換至利用DC電源的成膜。
[其他實施方式] 雖然對本發明的實施方式及各部的變形例進行了說明，但該實施方式或各部的變形例是作為一例而提示，並不意圖限定發明的範圍。所述該些新穎的實施方式能夠以其他各種形態實施，可於不脫離發明的主旨的範圍內進行各種省略、置換、變更。該些實施方式或其變形包含於發明的範圍或主旨中，並且包含於申請專利範圍所記載的發明中。
另外，於腔室20內設置的成膜處理部40的種類或數量、氮化處理部50的數量不限定於所述形態。亦可將成膜處理部40僅設為GaN成膜處理部40A而構成為形成GaN膜的成膜裝置1。另外，除了所述成膜處理部40之外，亦可追加利用與其不同種類的靶的成膜處理部40，或者追加利用相同種類的靶的成膜處理部，或者追加氮化處理部50。例如，亦可追加具有包含成為ITO成膜材料的氧化銦及氧化錫的靶42的成膜處理部40，以於腔室20內形成ITO膜。於此情況下，亦可於氮化處理部50中導入氧氣來代替導入氮氣，以彌補ITO膜的氧化。另外，例如亦可使GaN成膜處理部40A、Al成膜處理部40B與氮化處理部50同時運轉，以形成含有Ga、Al與N的AlGaN（Aluminum Gallium Nitride）膜。
另外，於雜質添加處理部中添加的n型雜質或p型雜質並不限定於所述實施方式。例如，作為n型雜質亦可列舉Ge或Sn。於此情況下，構成設置於雜質添加處理部的靶的成膜材料可應用包含Ge或Sn來代替Si的成膜材料。
1:成膜裝置 10:工件 11:緩衝層 12、13:GaN層 14:發光層 15:透明導電膜 20:腔室 20a:頂部 20b:內底面 20c:內周面 21:排氣口 22:分隔部 23:排氣部 30:搬送部 31:旋轉台 32:馬達 33:保持部 34:托盤 40:成膜處理部 40A:GaN成膜處理部/成膜處理部 40B:Al成膜處理部/成膜處理部 40C:Mg成膜處理部 40D:Si成膜處理部 40E:InN成膜處理部 41、59:處理空間 42:靶 43:支承板 44:電極 46:電源部 47、56:氣體導入口 48、57:配管 49:濺鍍氣體導入部 50:氮化處理部 51:筒狀體 52:窗構件 53:天線 54:RF電源 55:匹配箱 58:製程氣體導入部 60:加熱部 70:移送室 71:負載鎖定部 80:預備加熱室 90:冷卻室 100:控制裝置 G1:濺鍍氣體 G2:製程氣體 GV1、GV2:閘閥 L:搬送路徑 S01、S02、S03、S04、S05、S06、S07、S08、S09:步驟
圖1是示意性地表示實施方式的成膜裝置的結構的透視平面圖。 圖2是圖1中的A-A剖視圖，且是自圖1的實施方式的成膜裝置的側面觀察到的內部結構的詳細圖。 圖3是利用實施方式的成膜裝置進行的處理的流程圖。 圖4是示意性地表示實施方式的變形例的透視平面圖。 圖5是示意性地表示實施方式的變形例的透視平面圖。 圖6的（A）是表示發光二極體（Light Emitting Diode，LED）的層結構的一例的剖視圖，圖6的（B）是緩衝層的放大剖視圖。
1:成膜裝置
10:工件
20:腔室
22:分隔部
30:搬送部
31:旋轉台
40:成膜處理部
40A:GaN成膜處理部/成膜處理部
40B:Al成膜處理部/成膜處理部
42:靶
50:氮化處理部
60:加熱部
70:移送室
71:負載鎖定部
80:預備加熱室
90:冷卻室
100:控制裝置
GV1、GV2:閘閥
L:搬送路徑

Claims (11)

  1. 一種成膜裝置，其特徵在於包括：腔室，能夠使內部為真空；旋轉台，設置於所述腔室內，保持工件，以圓周的軌跡循環搬送所述工件；GaN成膜處理部，具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及將導入至所述靶與所述旋轉台之間的濺鍍氣體電漿化的電漿產生器，藉由濺鍍使含有GaN的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件；氮化處理部，使於所述GaN成膜處理部中堆積的所述成膜材料的粒子於由所述旋轉台循環搬送的所述工件氮化；以及雜質添加處理部，具有包含含有p型雜質或n型雜質的成膜材料的靶、及將導入至所述包含含有p型雜質或n型雜質的成膜材料的靶與所述旋轉台之間的濺鍍氣體電漿化的電漿產生器，藉由濺鍍向於所述GaN成膜處理部中堆積於所述工件的含有GaN的成膜材料的粒子中添加n型雜質或p型雜質，所述GaN成膜處理部、所述氮化處理部及所述雜質添加處理部配置於所述循環搬送的路徑上，所述旋轉台使所述工件依次重覆穿過所述GaN成膜處理部、所述氮化處理部及所述雜質添加處理部，藉此以重覆GaN膜的成膜、氮化及雜質添加的方式進行搬送，從而在所述工件形成規定的積層數的包含所述n型雜質或所述p型雜質的GaN膜。
  2. 如請求項1所述的成膜裝置，其中所述濺鍍氣體為氬單一氣體。
  3. 如請求項1或請求項2所述的成膜裝置，其中具有Al成膜處理部，所述Al成膜處理部具有包含含有Al的成膜材料的靶，藉由濺鍍使含有Al的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件，所述氮化處理部使於所述Al成膜處理部中堆積的所述成膜材料的粒子於由所述旋轉台循環搬送的所述工件氮化。
  4. 如請求項3所述的成膜裝置，其中所述GaN成膜處理部、所述Al成膜處理部及所述氮化處理部形成交替地積層了GaN膜及AlN膜的膜。
  5. 如請求項1所述的成膜裝置，其中所述雜質添加處理部為Mg成膜處理部，所述Mg成膜處理部具有包含含有Mg的成膜材料的靶，藉由濺鍍使含有Mg的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件，所述GaN成膜處理部、所述氮化處理部及所述Mg成膜處理部形成向GaN中添加了Mg的膜。
  6. 如請求項1所述的成膜裝置，其中所述雜質添加處理部為Si成膜處理部，所述Si成膜處理部具有包含含有Si的成膜材料的靶，藉由濺鍍使包含Si的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件，所述GaN成膜處理部、所述氮化處理部及所述Si成膜處理 部形成向GaN中添加了Si的膜。
  7. 如請求項1所述的成膜裝置，其中具有InN成膜處理部，所述InN成膜處理部具有包含含有InN的成膜材料的靶，藉由濺鍍使含有InN的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件，所述GaN成膜處理部、所述氮化處理部及所述InN成膜處理部形成InGaN的膜。
  8. 如請求項1所述的成膜裝置，其中具有對由所述旋轉台循環搬送的所述工件進行加熱的加熱部。
  9. 如請求項8所述的成膜裝置，其中更具有對搬入至所述腔室內之前的所述工件進行加熱的預備加熱室。
  10. 如請求項1所述的成膜裝置，其中藉由脈衝電源來施加向所述雜質添加處理部施加的電力。
  11. 一種成膜方法，於能夠使內部為真空的腔室內，藉由旋轉台保持工件並以圓周的軌跡循環搬送工件，同時於所述工件成膜，且所述成膜方法的特徵在於包括：GaN成膜處理，GaN成膜處理部藉由濺鍍使含有GaN的成膜材料的粒子堆積於由所述旋轉台循環搬送的所述工件，所述GaN成膜處理部具有包含含有GaN的成膜材料的靶、及將導入至所述靶與所述旋轉台之間的濺鍍氣體電漿化的電漿產生器； 氮化處理，氮化處理部使於所述GaN成膜處理部中堆積的所述成膜材料的粒子於由所述旋轉台循環搬送的所述工件氮化；以及雜質添加處理，藉由濺鍍向於所述GaN成膜處理部中堆積於所述工件的含有GaN的成膜材料的粒子中添加n型雜質或p型雜質，藉由循環搬送所述工件，而依次重覆所述GaN成膜處理、所述氮化處理、所述雜質添加處理來進行處理，藉此在所述工件形成規定的積層數的包含所述n型雜質或所述p型雜質的GaN膜。
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