WO2009157228A1 - スパッタリング装置、スパッタリング方法及び発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

　スパッタリング装置は、真空排気することが可能な真空容器１と、真空容器１の内部に配設され、その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板８を保持する保持機構３０，３１を備えた基板ホルダ４０と、基板ホルダ４０の直下に基板８に対向させて配置され、ターゲット１６を支持するターゲット支持部１５と、基板ホルダ４０の、ターゲット１６から生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度を成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６０，６１と、を備える。

Description

スパッタリング装置、スパッタリング方法及び発光素子の製造方法

　本発明は、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング装置及びスパッタリング方法、並びに、前記スパッタリング装置を使用する発光素子の製造方法に関する。詳しくは、基板の処理されるべき面を下方に臨ませて基板を保持する基板ホルダを備えたフェイスダウン型のスパッタリング装置及びスパッタリング方法、並びに、前記フェイスダウン型のスパッタリング装置を使用する発光素子の製造方法に関する。

　スパッタリング装置は、基板とターゲットとの配置関係から、フェイスアップ型とフェイスダウン型とに大別される。

　フェイスアップ型のスパッタリング装置は、真空容器内の下部に基板ホルダを備え、基板ホルダに基板をその処理されるべき面を鉛直方向上方へ臨ませて保持し、基板ホルダの直上に基板に対向させてターゲット支持部を配置し、ターゲット支持部の下面にターゲットを支持している。

　他方、フェイスダウン型のスパッタリング装置は、真空容器内の上部に基板ホルダを備え、基板ホルダに基板をその処理されるべき面を鉛直方向下方へ臨ませて保持し、基板ホルダの直下に基板に対向させてターゲット支持部を配置し、ターゲット支持部の上面にターゲットを支持している（特許文献１参照）。このフェイスダウン型のスパッタリング装置は、フェイスアップ型のスパッタリング装置と比較して、基板の処理されるべき面に付着するパーティクルが少ない等の利点がある。

　しかし、フェイスダウン型のスパッタリング装置では、基板ホルダに基板を設置する場合に、基板あるいは基板を搭載したトレイが重力で落下しないように、基板ホルダの下面（設置面）に基板を固定または保持する必要がある。基板の保持構造には、基板あるいは基板を搭載したトレイの周辺部の全周をプレートで押さえて固定または保持する機構や、基板等の周辺部の２点以上の任意の箇所をチャックピンで押さえて固定する機構等が一般に用いられる。その他、基板ホルダの基板を保持する側に静電吸着用電極を配設し、静電吸着により基板を保持する構造が採用されている。

　特に、ターゲットとしてガリウム（Ｇａ）を用いた窒素（Ｎ₂）リアクティブスパッタリング法による窒化ガリウム（ＧａＮ）の成膜では、Ｇａの融点が低い。したがって、Ｇａを固体のままでターゲットとして使用することが困難であり、液体ターゲットとして収容しなければならないため、フェイスダウン型のスパッタリング装置を用いて成膜を行う必要がある。この場合、チャックプレートあるいはチャックピンを用いて、基板あるいは基板を搭載したトレイを基板ホルダの下面に保持した状態で、スパッタリング成膜が行われている。

　ところで、従来のスパッタリング装置では、成膜にともないチャックプレートやチャックピンにも成膜材料が付着する。この付着した膜は、厚みが増加するにつれて膜自身の応力が増大して剥離し、下方に位置するターゲット上に落下して、異常放電を誘発する。

　異常放電が発生すると、基板上に成膜される膜の品質が低下するため成膜工程が維持できなくなる。そのため、付着膜が剥離する前にチャックプレートやチャックピンを交換する等のメンテナンスを行う必要があった。この交換作業は、基板上への積算膜厚が数μｍ程度になる毎に頻繁に行う必要があり、生産性を低下させる要因となっていた。
特開２００３－１３２１９号公報

　本発明は、基板ホルダの、基板が存在せず、ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面に成膜材料が付着するのを防止することができ、基板上に成膜される膜の品質及び生産性を向上させることができるスパッタリング装置、スパッタリング方法、及び、発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の第１の側面は、真空排気することが可能な真空容器と、前記真空容器の内部に配設され、その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板を保持する保持機構を備えた基板ホルダと、前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置され、ターゲットを支持するターゲット支持部と、を備えたスパッタリング装置であって、前記基板ホルダの、前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度を前記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に加熱する加熱機構を有することを特徴とする。

　本発明の第２の側面は、その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板を基板ホルダに保持する工程と、前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置されたターゲット支持部にターゲットを支持する工程と、イオン化された不活性ガスあるいは不活性ガスと窒素ガスを前記ターゲットに衝突させて前記ターゲット物質をスパッタし、前記基板上に成膜する工程と、を含むスパッタリング方法であって、前記成膜工程において、前記基板の表面温度は前記基板上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度未満に制御され、前記基板ホルダの前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度は前記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に制御されることを特徴とする。

　本発明の第３の側面は、基板と、前記基板上に配置されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体層とを含む発光素子の製造方法であって、その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板を基板ホルダに保持する工程と、前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置されたターゲット支持部にＩＩＩ族元素を含むターゲットを支持する工程と、イオン化された不活性ガスあるいは不活性ガスと窒素ガスを前記ターゲットに衝突させて前記ターゲット物質をスパッタし、前記基板上にＩＩＩ族元素の窒化物半導体を成膜する工程と、を含み、前記成膜工程において、前記基板の表面温度はＩＩＩ族元素の窒化物半導体の分解温度または蒸発温度未満に制御され、前記基板ホルダの前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度はＩＩＩ族元素の窒化物半導体の分解温度または蒸発温度以上に制御されることを特徴とする。

　本発明によれば、基板ホルダの、基板が存在せず、ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に加熱するので、基板ホルダの基板が存在しない領域の表面に成膜材料が付着するのを防止することができる。したがって、基板上に成膜される膜の品質を向上させることができ、メンテナンスの頻度が減少するので、生産性を向上させることができる。

　添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明に係るフェイスダウン型スパッタリング装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。 チャックプレートを下方から見た模式図である。 第２の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。 第３の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。 第４の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。 第５の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。 第６の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。 チャックピンを下方から見た模式図である。 発光素子の一例を示す模式図である。

　以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術的範囲は、請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。

　〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明に係るフェイスダウン型スパッタリング装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。

　図１に示すように、第１の実施形態のスパッタリング装置は、処理室として真空排気することが可能な真空容器（チャンバ）１を備えている。この真空容器１には、不図示のコンダクタンスバルブを介して排気ポンプ等を備えた排気系２が接続されている。また、真空容器１には、スパッタリングガスの導入手段として、マスフローコントローラ等の自動流量制御器（不図示）を介して、ガスボンベ等のガス導入系３が接続され、このガス導入系３からスパッタリングガスが所定の流量で導入される。本実施形態では、スパッタリングガスとして、例えば、アルゴン（Ａｒ）、や窒素（Ｎ₂）、あるいはこれらの混合ガス等を使用する。

　本実施形態のスパッタリング装置は、所謂フェイスダウン型のマグネトロンスパッタリング装置であって、真空容器１の上部に基板８を保持する基板ホルダ４０を配置し、その直下にカソード電極１０及びターゲット１６を配置している。

　基板ホルダ４０は、ターゲット１６の直上に位置し、ターゲット１６と互いに対向するように配設されている。基板ホルダ４０は、例えば、基板８を保持する円板状の保持機構を備えている。基板ホルダ４０は、その基板を保持する面を鉛直方向下方へ臨ませて配設されている。即ち、基板ホルダ４０は、保持機構により基板ホルダ４０の下面（表面）にその処理すべき面を鉛直方向下方へ臨ませて基板８を保持する。

　基板８としては、例えば、半導体ウエハが挙げられ、基板のみの状態もしくはトレイに搭載された状態で、基板ホルダ４０に保持される。

　本実施形態の基板ホルダ４０は、基板ホルダ４０の下面に基板８を保持するために、基板８の周辺部を下方から支持する機械的な保持機構を備えている。機械的な保持機構としては、例えば、チャックプレート３０、３１が採用されている。チャックプレート３０、３１により基板ホルダ４０の下面に保持された基板８は、その処理すべき面を直下（鉛直方向下方）のターゲット１６に臨ませて配置される。なお、チャックプレート３０、３１の詳細構造については、後述する。

　また、基板ホルダ４０は、基板表面を加熱する加熱機構５０を内蔵している。本実施形態では、加熱機構５０として、電熱ヒータが採用されているが、これに限定されず、例えば、熱媒体の流通経路として構成してもよい。この加熱機構５０は、例えば、基板ホルダ４０を１１００℃の設定温度で加熱し、基板８の表面温度を９５０℃に維持する。なお、基板上に均一な成膜を行うため、基板ホルダ４０に不図示の回転機構を備えてもよい。

　カソード電極１０には、直流電力または高周波電力を供給する不図示の放電用の電源が接続されている。カソード電極１０の表面側（上面側）には、裏板１５を介して、ターゲット１６が支持されている。本実施形態では、ターゲット１６としてガリウム（Ｇａ）を採用し、窒素（Ｎ₂）リアクティブスパッタリング法による窒化ガリウム（ＧａＮ）を成膜する。前述したように、Ｇａは、融点が低く液体ターゲットとして収容しなければならないため、裏板１５を容器状に形成し、その内部に液体ターゲット１６を収容する。本実施形態では、カソード電極１０の容器状の裏板１５をターゲット支持部としたが、ターゲット支持部をカソード電極１０とは別に設けることも可能である。

　カソード電極１０の本体内には、マグネトロン放電用の磁石ユニット１１が配置されている。磁石ユニット１１は、例えば、ヨーク１２上にそれぞれ逆方向に磁化された中央磁石１３と外側磁石１４とが固定された構造を有している。磁石ユニット１１は、不図示の回転機構に接続され、カソード電極１０の面内方向に沿って回転可能と成っており、カソード表面にマグネトロン放電用の磁場を形成する。不活性ガスの導入下において、回転機構によって磁石ユニット１１を回転させながらカソード電極１０に放電用の電力を投入して高電圧を印可することで、基板ホルダ４０との間でマグネトロン放電が行われ、ターゲット物質がスパッタされる。

　ターゲット１６の周囲は、ターゲット以外の部分がスパッタされるのを防止するため、絶縁材７を介して、真空容器１と同電位に接地されたカソードシールド６で覆われている。

　また、本実施形態のスパッタリング装置では、基板ホルダ４０とカソード１０との間の空間を取り囲むように、略筒体状の開閉可能な防着シールド２０、２１が配されている。防着シールド２０、２１は、基板ホルダ４０とカソード電極１０との間の空間を覆って、スパッタされた粒子が真空容器１の内壁に付着するのを防止する。固定側の防着シールド２０は、真空容器１の底部のカソード電極１０の周囲に固定されて、上方へと起立している。他方、可動側の防着シールド２１は、真空容器１の上部の不図示の駆動機構に接続された操作ロッド２４の下部に固定されている。この操作ロッド２４は、伸縮可能なベローズ２２内に挿通され、矢印２３に示す上下方向に操作されて、可動側の防着シールド２１を開閉させる。

　可動側の防着シールド２１の一側方の真空容器１の側壁にはゲートバルブ４が配設され、基板ホルダ４０に保持される基板８が矢印５に示す基板搬送経路で搬入または搬出される。

　次に、チャックプレート３０、３１の構造について説明する。図２は、チャックプレート３０，３１を下方から見た模式図である。

　図２に示すように、基板（ウエハ）８を保持するチャックプレート３０、３１は、角度（円弧長さ）の異なる円弧状の帯板であって、不図示の駆動機構に接続された操作ロッド５１、５２の下部に固定されている。これらの操作ロッド５１、５２は、伸縮可能なベローズ３５、３７内に挿通され、矢印３６、３８に示す上下方向に操作されて、チャックプレート３０、３１を昇降動作させる。操作ロッド５１、５２によってチャックプレート３０、３１が上昇したときに、基板８の周辺部の全周を下方から支持（チャック）して基板ホルダ４０の下面に押し付けるようになっている。

　また、基板ホルダ４０は、基板８が存在せず、ターゲット１６から生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度を、基板８上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６０、６１を有する。第１の実施形態では、加熱機構６０、６１は、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１に沿って配設されている。具体的には、加熱機構６０、６１は、チャックプレート３０、３１の直下（前面側）に配置され、チャックプレート３０、３１に沿ってリング状に形成された電熱ヒータによって構成されている。したがって、基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）が加熱される。

　本実施形態では、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面を１０００℃以上に加熱する。なお、ここにいう基板ホルダ４０とは、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１を含む概念である。ＧａＮが分解または蒸発する温度は、１Ｐａ程度の圧力では約１０００℃である。

　したがって、基板８上にはＧａＮが成膜されるが、ヒータ６０、６１及びこれによって加熱された基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面には成膜されない。これにより、基板８上への成膜を繰り返し行っても、ヒータ６０、６１及び基板ホルダ４０からの膜剥れが発生することはない。よって、チャックプレート３０、３１やヒータ６０、６１の交換作業を行う必要がなく、メンテナンスの頻度が減少して、生産性を従来よりも大幅に向上させることができる。

　さらに、本実施形態のスパッタリング装置には、上記した加熱機構５０の温度、加熱機構６０、６１の温度、排気ポンプ、磁石ユニット１１の回転機構、カソード１０の給電、防着シールド２１の駆動機構、チャックプレート３０、３１の駆動機構等の各構成要素の動作を制御する不図示の制御装置が備えられている。制御装置は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部等からなるコンピュータを備えて構成されている。ＣＰＵは、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理等を行う。記憶部は、予め各種プログラムやパラメータを格納しておくＲＯＭ、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するＲＡＭ等からなる。この制御装置は、不図示の温度センサ、ダイアフラムゲージやＢ－Ａ（Ｂａｙａｒａｄ－Ａｌｐｅｒｔ）ゲージ等の各種センサに接続され、各センサの検出信号に基づいて、制御指令を出力する。特に、制御装置は、ヒータ５０に制御指令を出力して基板８の処理されるべき面の加熱温度を制御し、ヒータ６０、６１に制御指令を出力して基板ホルダ４０の基板が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）の加熱温度を制御する。

　次に、第１の実施形態のスパッタリング装置の作用と共に、本発明に係るスパッタリング方法について説明する。本実施形態のスパッタリング方法は、準備工程、基板の搬入工程、成膜工程及び基板の搬出工程の順に行われる。

　以下、各工程の順に説明するが、成膜条件は次の通りである。ターゲット１６はＧａであって、ターゲットサイズはφ９．３インチとする。基板８はサファイア基板であって、基板サイズはφ４インチとする。ヒータ５０による基板ホルダ４０の設定温度は約１１００℃であり、基板８の表面温度は９５０℃である。Ａｒ流量は２５ｓｃｃｍで、Ｎ₂流量は１２ｓｃｃｍである。スパッタリング圧力は１Ｐａであり、放電用の電力はパルス（ＤＣ）２ｋＷ（周波数：３５ｋＨｚ，ｄｕｔｙ：８２．５％）とする。

　＜準備工程＞
　真空容器１内を排気系２により所定の圧力まで排気する。基板ホルダ４０に内蔵されたヒータ５０に不図示の電源より電力を供給し、基板ホルダ４０を設定温度に加熱する。

　＜基板の搬入工程＞
　次に、真空容器１の側壁に配設されたゲートバルブ４を開ける。そして、不図示の駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の上方向へ動作させ、矢印５に示す基板の搬送経路を開放する。

　さらに、不図示の駆動機構の操作ロッド５１、５２を介して、チャックプレート３０、３１を矢印３６、３８の下方向へ動作させ、基板の搬送経路の下方（アンチャック位置）まで降下させる。

　この状態で、ロボットアーム等の不図示の搬送アームを用いて、基板８を基板ホルダ４０の下面（前面）へと搬送する。そして、駆動機構の操作ロッド５２により、チャックプレート３１を図１に示した位置まで矢印３８の上方向へと動作させ、基板８の周辺部を保持する。さらに、上記搬送アームを後退させた後、駆動機構の操作ロッド５１により、チャックプレート３０を図１に示した位置まで矢印３６の上方向へ動作させ、基板８を保持する。

　そして、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の下方向へと動作させ、図１に示す位置に戻す。その後、ゲートバルブ４を閉じる。

　＜成膜工程＞
　基板８の表面温度が所定の温度（９５０℃）に到達するまで加熱時間をおいた後、ガス導入系３より所定の流量のＡｒとＮ₂を導入する。また、排気系２のコンダクタンスバルブにより真空容器１の内部を任意の圧力に調整する。

　この不活性ガスの導入下において、不図示の回転機構によって磁石ユニット１１を回転させながら、カソード電極１０に放電用の電力を投入する。カソード電極１０に高電圧を印可すると、カソード１０と基板ホルダ４０との間でマグネトロン放電が行われ、ターゲット物質がスパッタされ、ターゲット１６に対向配置された基板８の処理されるべき面に薄膜（ＧａＮ膜）が堆積される。

　その際、ヒータ５０で基板８の表面温度は基板８上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度未満に制御され、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面温度は上記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に制御される。具体的には、ヒータ５０で基板表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板８が存在せず、ターゲット１６から生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面を１０００℃以上に加熱する。なお、ここにいう基板ホルダ４０とは、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１を含む概念である。ＧａＮが分解または蒸発する温度は、１Ｐａ程度の圧力では約１０００℃である。

　基板８上に所定の膜厚を堆積後、放電用の電源からの電力供給を停止する。さらに、ガス導入系３からのＡｒ及びＮ₂の導入を停止し、排気系２のコンダクタンスバルブを開放して真空容器１の内部を排気する。

　＜基板の搬出工程＞
　次に、ゲートバルブ４を開けた後、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の上方向へ動作させ、矢印５に示す基板の搬送経路を開放する。

　さらに、駆動機構の操作ロッド５１により、チャックプレート３０を矢印３６の下方向へ動作させ、矢印５に示す基板の搬送経路の下（アンチャック位置）まで下降させる。
  不図示の搬送アームを挿入し、駆動機構の操作ロッド５２により、チャックプレート３１を矢印３８の下方向へと動作させ、上記アンチャック位置まで下降させて、搬送アームに基板８を載置する。

　次に、搬送アームを後退させ、真空容器１から基板８を搬出する。また、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の下方向へ動作させ、図１の位置に戻す。さらに、駆動機構の操作ロッド５１、５２により、チャックプレート３０、３１を矢印３６、３８の上方向へ動作させ、チャック位置に戻す。最後に、ゲートバルブ４を閉じて、全工程を終了する。

　本実施形態のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法の成膜工程では、ヒータ６０、６１によって、基板ホルダ４０の基板8が存在しない領域の表面を成膜材料の分解温度または蒸発温度以上の温度に加熱するので、ターゲット１６に対向する基板８が存在しない領域の表面（前面）に成膜材料が付着しなくなる。そのため、ターゲット１６上へ付着された膜が落下することがなく、この付着された膜の落下による異常放電の発生を抑制して、基板８上に堆積される膜の品質を向上させることができる。また、チャックプレート３０、３１やヒータ６０、６１の交換作業を行う必要がなく、メンテナンスの頻度が減少して、生産性を従来よりも大幅に向上させることができる。

　〔第２の実施形態〕
　図３は、第２の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

　第２の実施形態では、基板ホルダ４０に備えられた保持機構は機械的な保持機構であって、加熱機構６２、６３は機械的な保持機構に内蔵されている。具体的には、チャックプレートをチャックプレート形状（円弧状）のヒータ６２、６３で形成し、これらのヒータ６２、６３で基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）を加熱するように構成されている。即ち、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、チャックプレート形状のヒータ６２、６３で基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面には成膜材料が付着しない。

　第２の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第２の実施形態によれば、機械的な保持機構に加熱機構５０を内蔵しているので、部品点数が少なくして装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。

　〔第３の実施形態〕
　図４は、第３の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

　第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、保持機構は機械的な保持機構であって、加熱機構６４、６５は機械的な保持機構に沿って配設されている。具体的には、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１の上部（背面）にヒータ６４、６５を配置し、ヒータ６４、６５によって、チャックプレート３０、３１を加熱するように構成されている。これにより、基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）が加熱される。即ち、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６４、６５で基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４０の基板８が存在しない領域の表面には成膜材料が付着しない。

　第３の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。

　〔第４の実施形態〕
　図５は、第４の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

　第４の実施形態では、基板ホルダ５１に基板８を保持する保持機構が、静電吸着により基板８を保持する静電吸着用電極（ＥＳＣ電極）７０、７１によって構成されている。静電吸着用電極７０、７１は、基板ホルダ４１の基板を保持する側（下面側）に配設されている。この基板ホルダ４１は、基板８の表面を加熱する加熱機構（電熱ヒータ）５１を内蔵している。

　且つ、基板ホルダ４１は、基板８が存在しない領域の表面温度を基板８上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６６を有する。加熱機構６６は、基板ホルダ４１及び基板８を囲繞するリング状の電熱ヒータであり、基板８が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）を加熱する。即ち、ヒータ５１で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６６で基板８が存在しない領域の表面を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４１の基板８が存在しない領域の表面には成膜材料が付着しない。

　第４の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第４の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１により構成しているので、機械的な保持機構を採用する場合に比して、装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。

　〔第５の実施形態〕
　図６は、第５の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

　第５の実施形態では、基板ホルダ４１に基板８を保持する保持機構が、静電吸着により基板８を保持する静電吸着用電極（ＥＳＣ電極）７０、７１によって構成されている。静電吸着用電極７０、７１は、基板ホルダ４１の基板を保持する側（下面側）に配設されている。基板ホルダ４２のホルダ本体がターゲット１６の表面以上（上面以上）の大きさに形成され、基板ホルダ４２に内蔵された加熱機構５２は基板ホルダ４２の表面全体（下面全体）を加熱するように構成されている。これにより、基板ホルダ４２の基板８が存在しない領域の表面には成膜材料が付着し難くなる。

　なお、加熱機構５２は、例えば、電熱ヒータにより構成され、基板８の処理すべき面を加熱するヒータ部分に電力供給する不図示の閉回路と、基板８が存在しない領域の表面（ターゲット１６の対向面）を加熱するヒータ部分に電力供給する不図示の閉回路と、を備えていてもよい。この場合、各閉回路は不図示の制御装置に接続され、基板８の処理すべき面の加熱温度と、基板８が存在しない領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能に構成されている。即ち、基板８の表面（処理されるべき面）を９５０℃に加熱し、基板８が存在しない領域の表面を１０００℃以上に加熱制御する。これにより、基板ホルダ４２の基板８が存在しない領域の表面には成膜材料が付着しない。

　第５の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第５の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１で構成し、基板ホルダ４２のホルダ本体をターゲット１６の表面以上の大きさに形成しているので、装置構造を大幅に簡略化できるという特有の効果を奏する。

　〔第６の実施形態〕
　図７は、第６の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

　第６の実施形態では、基板ホルダ４３のホルダ本体がターゲット１６の表面以上の大きさに形成されている。この基板ホルダ４３には、基板８の処理すべき面を加熱する加熱機構５３と、基板ホルダ４３の基板８が存在しない領域の表面（ターゲット対向面）を加熱する加熱機構５４と、が内蔵されている。

　各加熱機構５３、５４は、例えば、電熱ヒータであって、各ヒータ５３、５４は別個に温度制御可能に構成されている。具体的には、各ヒータ５３、５４は、それぞれ基板８の処理すべき面の加熱温度と、基板８が存在しない領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能な不図示の制御装置に接続されている。上記基板８の処理すべき面を加熱する加熱機構５３は、基板８上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度未満の温度に加熱し、基板以８が存在しない領域の表面を加熱する加熱機構５４は上記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上の温度に加熱する。即ち、基板８の表面（処理すべき面）を９５０℃に加熱し、基板８が存在しない領域の表面を１０００℃以上に加熱制御する。これにより、基板ホルダ４３の基板８が存在しない領域の表面には成膜材料が付着しない。

　第６の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第６の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１で構成し、基板ホルダ４２のホルダ本体をターゲット１６の表面以上の大きさに形成し、基板ホルダ４２に各ヒータ５３、５４を内蔵する構造であるので、装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。また、第５の実施形態に比べ、静電吸着型基板ホルダ４３の基板８が存在しない領域の表面温度を基板８の温度と別個に制御することができ、これらの温度の差をより大きくしたい場合に好適である。

　〔第７の実施形態〕
　第７の実施形態のスパッタリング装置は、第１から第６の実施形態における基板ホルダ４０～４３の少なくとも基板８が存在しない領域の表面（ターゲット対向面）に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が被覆されている。

　スパッタリング装置では、スパッタリング圧力が一般に１Ｐａより低い場合、ターゲットの対向面で高エネルギー粒子の衝撃によるスパッタが生じる。そのため、ターゲットに対向する基板８が存在しない領域の表面がスパッタリングされ、その構成元素が不純物として基板上に堆積する膜中に直接混入したり、ターゲット上に付着してターゲット物質と共に再スパッタリングされて混入したりする。したがって、これらの不純物元素の混入により膜の特性が劣化してしまう。

　ＧａＮの場合、Ａｌが混入しても膜の特性を劣化させる不純物とはならない。また、ＡｌＮの分解温度は、ＧａＮのそれよりも若干高い。これらのことから、例え低いスパッタリング圧力でスパッタリングして基板ホルダ４０～４３の基板８が存在しない表面がスパッタリングされ、その構成元素が基板８上に堆積される膜中に混入しても、その元素がＡｌ及びＮであるため膜の特性を劣化させる不純物とはならない。

　したがって、第７の実施形態によれば、基板８上に成膜される膜の品質特性を積極的に向上させることができるという特有の効果を要する。

　以上の実施形態では、ＧａＮの成膜について述べたが、本発明の要旨は、基板ホルダ４０～４３の基板８が存在しない表面（ターゲット１６の対向面）を成膜材料の分解温度または蒸発温度以上の温度に加熱して、成膜材料が付着しないようにすることである。したがって、成膜材料は上記の実施形態で述べたＧａＮに限るものではなく、金属や合金、ＧａＮと同様の窒化物であるＡｌＮやＩｎＮ等、色々な材料を使用可能である。

　なお、ＧａＮ等の窒化物の分解温度は、Ｎ₂の分圧に依存し、低圧ほど低温度で分解する。したがって、１０００℃という加熱温度は例示に過ぎず、１０００℃に限定されない。

　また、上記の実施形態では、機械的な保持機構としてチャックプレートを例示したが、これに限定されない。図８に示すように、機械的な保持機構として、例えば、基板８または基板８を搭載したトレイの周辺部を２点以上の任意の箇所で支持（チャック）するチャックピン３２を採用しても構わない。この図示例では、基板８を３本のチャックピン３２でチャックした状態が表されている。

　本発明は、スパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置及び液晶ディスプレイ製造装置等の基板ホルダを備えた処理装置に応用して適用可能である。

　［発光素子の製造方法］
　以下に、本発明に係る発光素子の製造方法の一実施形態について、上述した実施形態のスパッタリング装置によって得られる発光素子の積層構造を示す図９を用いて説明する。発光素子の積層半導体１００は、基板８上にＩＩＩ族窒化物化合物からなるバッファ層１１２が積層され、該バッファ層１１２上に、ｎ型半導体層１１４、発光層１１５及びｐ型半導体層１１６が順次形成されている。ｎ型半導体層１１４は、下地層１１４ａ、ｎ型コンタクト層１１４ｂ、ｎ型クラッド層１１４ｃから構成される。発光層１１５は、障壁層１１５ａ、井戸層１１５ｂとが交互に繰り返して積層され、ｐ型半導体層１１６は、ｐ型クラッド層１１６ａ、ｐ型コンタクト層１１６ｂから構成されている。なお、ｎ型コンタクト層１１４ｂはｎ型クラッド層１１４ｃを、ｐ型コンタクト層１１６ａはｐ型クラッド層１１６ｂを兼ねることが可能である。

　本発明に係る発光素子の製造方法は、前述したスパッタリング装置を用い、例えば基板８上に積層半導体１００を構成する層を成膜する方法であり、本実施形態では、積層半導体１００の内、ｎ型半導体層１１４を構成する下地層１１４ａ及びｎ型クラッド層１１４ｃを兼ねるｎ型コンタクト層１１４ｂを成膜している。その他の層は、例えばバッファ層１１２はスパッタリング法によって成膜したＡｌＮであり、発光層１１５及びｐ型半導体層１１６は、現在量産工程で使用されているＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）により形成した。

　本実施形態の製造方法では、パルス的にパワーを印加するパルス式ＤＣスパッタリング法を用い、スパッタリングガスとしてＡｒにＮ₂を添加するリアクティブスパッタリング法を用いている。

　成膜条件は、前記第１の実施形態で述べた通りである。ただし、ｎ型コンタクト層１１４ｂを形成する際のターゲット１６は、ｎ型のドーパントとなるシリコン（Ｓｉ）をＧａに１×１０^１８／ｃｍ^３混合したターゲットを用いた。ｎ型のドーパントとしては、Ｓｉ以外にゲルマニウム（Ｇｅ）や錫（Ｓｎ）等を用いてもよく、ドープ量は所望の膜特性が得られる濃度に混合されていればよく、好ましくは膜中で１×１０^１７／ｃｍ^３～１×１０^２０／ｃｍ^３の範囲になるように混合されていればよい。下地層１１４ａは、基板８にサファイア基板を用いた場合、ドープしない方が結晶性が良好になるため、前記第１の実施形態で述べたＧａをターゲットとした。

　上述のｎ型半導体層１１４を構成する下地層１１４ａ及びｎ型コンタクト層１１４ｂの形成において、前述したスパッタリング装置を用い、その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板８を基板ホルダ４０～４３に保持する工程と、前記基板ホルダ４０～４３の直下に基板８に対向させて配置されたターゲット支持部にＩＩＩ族元素を含むターゲット１６を支持する工程と、イオン化された不活性ガスあるいは不活性ガスと窒素ガスをターゲット１６に衝突させてターゲットをスパッタし、基板８上にＩＩＩ族窒化物を主体とする半導体を成膜する工程と、を含み、成膜工程において、基板８の表面温度はＩＩＩ族元素の窒化物半導体の分解温度または蒸発温度未満に制御され、基板ホルダ４０～４３のターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度はＩＩＩ族元素の窒化物半導体の分解温度または蒸発温度以上に制御されることにより、ｎ型半導体層１１４を構成する下地層１１４ａ及びｎ型コンタクト層１１４ｂを成膜する際に、異常放電が起きることがなく、所定の条件のｎ型半導体層１１４を構成する下地層１１４ａ及びｎ型コンタクト層１１４ｂを形成することができ、結晶性の良い積層半導体１００を有する発光素子が形成可能となる。

　以上の発光素子の製造方法に係る実施形態では、前述したスパッタリング装置を用い、積層半導体１００の内、ｎ型半導体層１１４を構成する下地層１１４ａ及びｎ型コンタクト層１１４ｂを成膜した場合について述べたが、積層半導体１００のその他の層も、ターゲット１６に各層を構成する元素からなるターゲットを適用することにより形成することが可能である。例えば、発光層１１５の障壁層１１５ａの成膜には４０％以下のＩｎを含有したＧａ、井戸層１１５ｂの成膜には３０％以下のＡｌを含有したＧａ、ｐ型半導体層１１６のｐ型クラッド層１１６ａやｐ型コンタクト層１１６ｂの成膜にはマグネシウム（Ｍｇ）を含有したＧａをターゲット１６として用いればよい。本発明の要旨は、基板上に配置されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体層とを含む発光素子を製造する方法であって、基板ホルダ４０～４３の基板８が存在しない表面（ターゲット１６の対向面）を成膜材料の分解温度または蒸発温度以上の温度に加熱して、成膜材料が付着しないようにすることであり、何れの層の成膜にも適用可能である。

　以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面の参照により説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々な形態に変更可能である。

　本願は、２００８年６月２６日提出の日本国特許出願特願２００８－１６６７５６を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (14)

1. 　真空排気することが可能な真空容器と、前記真空容器の内部に配設され、その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板を保持する保持機構を備えた基板ホルダと、前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置され、ターゲットを支持するターゲット支持部と、を備えたスパッタリング装置であって、
   　前記基板ホルダの、前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度を前記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に加熱する加熱機構を有することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 　前記保持機構は機械的な保持機構を含み、前記加熱機構は前記機械的な保持機構に沿って配設されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 　前記保持機構は機械的な保持機構を含み、前記加熱機構は前記機械的な保持機構に内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
4. 　前記保持機構は、静電吸着用電極を含むことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
5. 　前記加熱装置は、前記基板ホルダ及び基板を囲むように配置されていることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
6. 　前記基板ホルダのホルダ本体は前記ターゲットの表面以上の大きさに形成され、前記加熱機構は前記基板ホルダの表面全体を加熱することを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
7. 　前記基板ホルダに、前記基板の処理されるべき面を加熱する加熱機構と、前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面を加熱する加熱機構と、が内蔵され、各加熱機構は別個に温度制御可能であることを特徴とする請求項４または請求項６に記載のスパッタリング装置。
8. 　前記基板の処理されるべき面を加熱する加熱機構は、前記基板上に成膜される成膜材料の分解温度または蒸発温度未満の温度に加熱し、前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面を加熱する加熱機構は、前記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上の温度に加熱することを特徴とする請求項７に記載のスパッタリング装置。
9. 　前記基板の処理されるべき面の加熱温度と、前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面の加熱温度と、を別個に制御可能な制御装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
10. 　前記基板ホルダの前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面に窒化アルミニウムが被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
11. 　前記成膜材料は窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
12. 　その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板を基板ホルダに保持する工程と、前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置されたターゲット支持部にターゲットを支持する工程と、イオン化された不活性ガスあるいは不活性ガスと窒素ガスを前記ターゲットに衝突させて前記ターゲット物質をスパッタし、前記基板上に成膜する工程と、を含むスパッタリング方法であって、
    　前記成膜工程において、前記基板の表面温度は前記基板上に成膜する成膜材料の分解温度または蒸発温度未満に制御され、前記基板ホルダの前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度は前記成膜材料の分解温度または蒸発温度以上に制御されることを特徴とするスパッタリング方法。
13. 　前記成膜材料は、窒化ガリウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載のスパッタリング方法。
14. 　基板上と、前記基板上に配置されたＩＩＩ族元素の窒化物半導体層とを含む発光素子の製造方法であって、
    　その処理されるべき面を下方へ臨ませて基板を基板ホルダに保持する工程と、
    　前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置されたターゲット支持部にＩＩＩ族元素を含むターゲットを支持する工程と、
    　イオン化された不活性ガスあるいは不活性ガスと窒素ガスを前記ターゲットに衝突させて前記ターゲット物質をスパッタし、前記基板上にＩＩＩ族元素の窒化物半導体を成膜する工程と、を含み、
    　前記成膜工程において、前記基板の表面温度はＩＩＩ族元素の窒化物半導体の分解温度または蒸発温度未満に制御され、前記基板ホルダの前記ターゲットから生成される成膜材料に曝される領域の少なくとも一部の表面温度はＩＩＩ族元素の窒化物半導体の分解温度または蒸発温度以上に制御されることを特徴とする発光素子の製造方法。

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