JP2009097078A - ターゲット構造とターゲット保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投入電力を増大させて成膜速度を高めても、溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含む材料のスパッタリングを可能にするターゲット構造とこれを備えたスパッタリング装置。
【解決手段】金属材料からなる保持部の上にガリウムあるいはガリウムを含む材料が配置されてなるターゲット構造であって、前記ガリウムあるいはガリウムを含む材料との界面にあたる前記保持部の表面上に、溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含む材料との接触角が３０°以下である薄膜が形成されていることを特徴とするターゲット構造。当該ターゲット構造を有するスパッタリング装置。
【選択図】図１Ａ

Description

この発明は、融点の低い材料を用いてスパッタリング成膜するためのターゲット構造、ターゲット保持構造、及び、これらを用いたスパッタリング装置、ガリウム堆積物の製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などのIII族（現在は、ＸIII族）窒化物系化合物半導体は、例えば、発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲にわたる直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子に応用されている。
また、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛んに開発されている。
現在、III族（現在は、ＸIII族）窒化物系化合物半導体については、ガリウムなどのターゲット材料と窒素ガスとの化学反応により窒化物を形成するに際し、膜組成の再現性や膜厚制御の容易さに優れている等の理由からリアクティブスパッタ法等の物理的蒸着法を用いて量産する方法が試みられている。
しかし、リアクティブスパッタ法の場合、一般に、ターゲット材料のガリウムは、融点が２９．８℃であるため、固体状態を維持できるように、例えば、チラーなどを用いてターゲットを保持するバッキングプレートをマイナス２０度以下まで冷却する必要がある。
そこで、ガリウムがターゲットとして固体状態を維持できるように、絶縁材料または導電性材料で熱伝導性の良いシャーレをインジュームなどの固定材料で銅やステンレス（ＳＵＳ３０４）製のバッキングプレートに固定し、シャーレ内にガリウムを収容するようにしたガリウムターゲットが提案されている（特許文献１）。
特開平１１−１７２４２４号公報

スパッタリング法で成膜を行う場合には、産業上、成膜速度を高めて生産効率を少しでも良くするため、投入電力の向上（例えば、φ６インチサイズのターゲットに対する投入電力の場合では１ｋＷ以上）が求められている。
しかし、これまでに提案されているガリウムターゲット（φ６インチサイズ）ではチラー等を用いてその裏板を−２０℃に冷却しても、スパッタリング時に、例えば、高周波電力を２００Ｗ以上投入すると部分的にガリウムターゲットが溶融し始め、５００Ｗ投入すると完全に溶融してしまっていた。そのため、ガリウムの表面からの溶融を防ぐため、投入電力を抑える必要があり、産業上要請される高い成膜速度が得られない問題があった。
つまり、ガリウムターゲットの固体状態を維持するため、成膜速度を落として生産性を犠牲にせざるを得ない現実があった。
ＬＥＤやＬＤ等ではＧａＮの他に、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）や窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を積層して素子が作製されるが、これらをスパッタリングにより作製する際、ターゲットにはインジウムガリウムやアルミニウムガリウムを用いることになる。しかしこれらの材料も融点が低く、ガリウム同様の問題があった。

この発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、投入電力を増大させて成膜速度を高めても、溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含む材料のスパッタリングを可能にするターゲット構造と、かかるターゲット構造を備えたスパッタリング装置を提供することを目的としている。
特に、成膜速度を高めるために投入電力を増大させた結果、ガリウムやガリウムを含むターゲット材料が溶融した場合でも、これら材料を保持している装置の表面が溶融したターゲット材料を弾くことで露出され、露出された保持装置の表面がスパッタされることで成膜中に異物の混入されることのない良質のガリウムスパッタ膜を高い生産性のもとに成膜できるスパッタリング装置と、これに使用されるターゲットを提供することを目的としている。

前記目的を解決するためこの発明が提案するものは、金属材料からなる保持部の上にガリウムあるいはガリウムを含む材料が配置されてなるターゲット構造であって、前記ガリウムあるいはガリウムを含む材料との界面にあたる前記保持部の表面上に、溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含む材料との接触角が３０°以下である薄膜が形成されていることを特徴とするターゲット構造である。

接触角（ａｎｇｌｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ）とは、静止液体の自由表面が固体壁に接する場所で、液面と固体面とのなす角であって、液の内部にある角である。液体が固体をぬらす（付着力が大きい）場合には鋭角、ぬらさないときは鈍角である（岩波理化学辞典、１９８３年版、７２７頁、左欄を参照）。ここでは、ターゲット材料の圧力１atm下での溶隔温度（融点、ｍｅｌｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）での接触角を云う。
薄膜は炭素を含むものが好ましくは選ばれる。
本発明の実施例では、前記炭素を含む薄膜はダイヤモンドライクカーボンである。
以上の本発明のターゲットにおいて、前記保持部は銅製にすることができる。
また、前記目的を解決するためこの発明が提案するものは、以上の本発明のターゲット構造を有するスパッタリング装置である。

本発明のターゲットによれば、金属材料からなる支持部の上にガリウムあるいはガリウムを含む材料が配置されてなるターゲット構造において、前記ガリウムあるいはガリウムを含む材料との界面にあたる支持部の表面上に、溶融状態のガリウムとの接触角が３０°以下である薄膜が形成されているので、スパッタリング時に支持部の金属材料が露出することを抑制できる。
溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含む材料との接触角が３０°以下である薄膜としてダイヤモンドライクカーボン薄膜を採用できる。ダイヤモンドライクカーボンは、保持部を構成している金属材料との密着性に優れ、高い熱伝導性があり、そして硬質で緻密性があるためにスパッタされにくい性質を有し、しかもガリウムあるいはガリウムを含む材料との濡れ性も良い材料である。

この結果、本発明のターゲット構造によれば、φ６インチサイズのターゲット材料に対する投入電力として、１ｋＷ以上の高投入電力の条件でガリウムあるいはガリウムを含む材料をスパッタリングすることが可能となり、成膜速度を高め、生産効率を向上できる。
また、ガリウムあるいはガリウムを含む材料が表面から溶融し始めても、ガリウムあるいはガリウムを含む材料との界面にあたる支持部の表面上に形成されている薄膜は溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含む材料との接触角が３０°以下のものであるので、金属材料製の保持部の表面が露出してしまうのを防ぎ、異物の混入のない良質のスパッタ膜を成膜できる。
そして、本発明のパッタリング装置によれば、かかる本発明のターゲットを使用していることにより、成膜速度を高め、生産効率を向上できると共に、異物の混入のない良質なスパッタ膜を成膜できる。

以下、この発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、図２に示したスパッタリング装置２０のチャンバー２１内に設置されるガリウムターゲット（ターゲット構造）１を拡大して示したものである。図１（Ａ）は拡大断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一部を拡大して示した部分断面図である。
本発明のガリウムターゲット構造１は、金属材料製の保持部３の上にガリウム２が配置されているものであり、図示の実施形態では、この薄膜として保持部３の内表面上にダイヤモンドライクカーボン５がコーティングされている。

図１図示の実施形態では、保持部３は銅製で、平面視ほぼ円盤状であり、図１中、上側に環状突条部を有し、この内側に凹部４が形成されている。この凹部４内にガリウム２が収容されて本発明のガリウムターゲット構造１となっている。
そこで、ガリウム２と接触する保持部３の界面、すなわち、図示の例では、凹部４の内面である環状突条部の内壁面３ａと、凹部４の内底面４ａとがダイヤモンドライクカーボン５で被覆されている。

ガリウム２との界面にあたる保持部３の表面上に形成され、溶融状態のガリウムとの接触角が３０°以下である薄膜（図示の実施形態ではダイヤモンドライクカーボン５）は、ガリウム２と保持部３の界面に形成されるものとして、剥離や保持部３の露出を引き起こさず、かつ、ガリウム２の冷却効果を妨げるものでないような膜厚に形成する。例えば、０．５〜５μｍの膜厚に形成することができる。このようなダイヤモンドライクカーボン薄膜は、例えば、ホロカソード放電イオン（ＨＣＤ）等を利用した成膜方法により形成することができる。
なお、この実施形態では保持部３を銅製としているが、ステンレス（ＳＵＳ３０４）など、他の金属材料で構成しても良い。ただし、本発明の目的から、本実施形態に示した銅のように熱伝導率の高い材料であることが望ましい。
このようなガリウムターゲット構造１を用いて、図２に示したスパッタリング装置２０を構成する。

図２に図示のスパッタリング装置２０は、マグネトロンスパッタリング装置で、真空排気系２１とガス導入系２２が接続されたチャンバー２３内に、図１に示したガリウムターゲット１を下部に、基板ホルダ２４を上部にして、互いに対向するように設置している。ガス導入系２２から、放電用の不活性ガスを導入することで、スパッタリングが可能である。さらに、ガス導入系２２から、窒素ガス、窒素ガスと不活性ガスの混合ガスなどを導入することで、反応性スパッタリングが可能である。
ガリウムターゲット構造１は、その中で冷媒が流動する配管を有する外部の冷却装置２５によって効率良く冷却できるようにされている。
また、ガリウムターゲット構造１には高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）２７が接続されている。また、ガリウムターゲット構造１の裏面側には、ガリウムターゲット構造１上に所定の磁場を形成可能な磁石機構が設けられ、マグネトロンスパッタリングが可能になっている。一方、基板ホルダ２４には、ガリウムターゲット構造１と対向する面に被成膜物である基板２８を取り付けてある。
以上の如くのスパッタリング装置２０によれば、ガリウムターゲット構造１を構成しているガリウム２と、これを保持する金属材料製の保持部３とが接触する界面に高い熱伝導性を有するダイヤモンドライクカーボン５の膜が形成されているため、スパッタリング中のガリウム２の熱を、熱伝導性の良い金属材料からなる保持部３へ効率良く伝達し、十分に冷却することができる。

この為、スパッタリングのための電力を増大させることが可能で、成膜速度を向上させ、生産性良くガリウム化合物の薄膜を成膜することができた。
すなわち、ガリウム２に対するダイヤモンドライクカーボン５の良好な濡れ性によって、ガリウム２が溶融をし始めても、銅製の保持部３を露出させないようにできる。この為、ガリウム化合物薄膜への異物の混入を避け、良質の膜を成膜することができる。
特に、ガリウム２との界面にあたる保持部３の表面上に、溶融状態のガリウムとの接触角が３０°以下である薄膜が形成されていることにより、スパッタリング時に保持部の金属材料が露出するおそれを抑えることができる。ガリウム２との界面にあたる保持部３の表面上に形成される薄膜の、溶融状態のガリウムとの接触角が３０°を越えると、スパッタリング時に保持部の金属材料が露出してしまい、本発明のガリウムターゲットを有するスパッタリング装置によって成膜された薄膜に保持部の金属材料が混入する可能性が高くなるので好ましくない。

なお、ターゲット材料として、例えば、ガリウムアルミニウム、ガリウムインジウム、ガリウムリン、ガリウム砒素などのガリウム含有材料を用いる場合にも、本発明のターゲット保持構造を適用できる。また、ガリウム含有材料以外にも、溶融状態において、ダイヤモンドライクカーボンなどの薄膜材料との接触角が低いものであれば、本発明のターゲット保持構造を用いることで、保持構造の材料が混入するのを防止できる。

（比較例）
溶融状態のガリウムとの接触角が３０°を越える材料としてＴｉＮと、ＡｌＮを採用した。図１図示の形態の銅製の保持部３の表面上にＴｉＮ、ＡｌＮをそれぞれスパッタリング法でコーティングし、図１図示のようにガリウムを充填して比較例のガリウムターゲット構造２個を準備した。
この比較例のガリウムターゲット構造を用い、図２に図示し、前記で説明したマグネトロンスパッタリング装置でガリウムスパッタの実験を行った。
その結果、ＴｉＮがコーティングされていたターゲット構造では、成膜の途中で溶融したガリウムが弾けて保持部３が露出してしまった。
また、ＡｌＮがコーティングされていたターゲット構造でも、ＴｉＮがコーティングされていたターゲット構造の場合と同じく、成膜の途中で溶融したガリウムが弾けた。また、保持部３が緑色に変色してしまった。これは、ＡｌＮのＡｌが化学反応を起こしたためと思われる。
以上、本発明のスパッタリング装置が基本的なマグネトロンスパッタリング装置である場合の例を説明した。本発明のスパッタリング装置はこのようなマグネトロンスパッタリング装置に限られるものではなく、他の方式のスパッタリング装置に前記ガリウムターゲット構造１を設置するようにしても良い。前記と同様の効果を得ることができる。

この発明のガリウムターゲット構造の一例を説明する断面図である。 この発明のガリウムターゲット構造の一例を説明する部分拡大断面図である。 この発明のスパッタリング装置の一例の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ ガリウムターゲット構造
２ ガリウム
３ 保持部
３ａ 内壁面
４ 凹部
４ａ 内底面
５ ダイヤモンドライクカーボン
２０ スパッタリング装置
２１ 真空排気系
２２ ガス導入系
２３ チャンバー
２４ 基板ホルダ
２５ 冷却装置
２７ 高周波電源
２８ 基板

Claims (10)

1. 金属材料からなるターゲット保持部の上にガリウムあるいはガリウムを含むターゲット材料が配置されてなるターゲット構造であって、前記ターゲット材料との界面にあたる前記保持部の表面上に、溶融状態のガリウムを含むターゲット材料との接触角が３０°以下である薄膜が形成されていることを特徴とするターゲット構造。
2. 前記薄膜が炭素を含むことを特徴とする請求項１記載のターゲット構造。
3. 前記炭素を含む薄膜がダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項２記載のターゲット構造。
4. 前記保持部が銅製であることを特徴とする請求項１に記載のターゲット構造。
5. 請求項１に記載のターゲット構造を有するスパッタリング装置。
6. ガリウムあるいはガリウムを含むターゲット材料を保持するための保持部と、前記保持部の表面に形成された被覆膜とからなるターゲット保持構造において、
   前記被覆膜は、溶融状態のガリウムあるいはガリウムを含むターゲット材料との接触角が３０°以下である材料で形成されていることを特徴とするターゲット保持構造。
7. ターゲット材料を保持するための保持部と、前記保持部の表面に形成されたダイヤモンドライクカーボンからなる被膜とからなるターゲット保持構造。
8. 請求項１に記載のターゲット構造を用い、スパッタリング法によりガリウムあるいはガリウムを含む膜を形成する工程を含むことを特徴とするガリウム堆積物の製造方法。
9. 請求項６のターゲット保持構造を用い、スパッタリング法によりガリウムあるいはガリウムを含む膜を形成する工程を含むことを特徴とするガリウム堆積物の製造方法。
10. 請求項７のターゲット保持構造を用い、スパッタリング法によりガリウムあるいはガリウムを含む膜を形成する工程を含むことを特徴とするガリウム堆積物の製造方法。

Images