靶结构和靶保持装置

摘要

靶结构和靶保持装置。提供一种靶结构，该靶结构使得即使当增大输入电功率来增大膜沉积速率时，也能实现熔化状态下的镓或含镓材料的溅射。还提供一种包括该靶结构的溅射装置。该靶结构包括：保持部，其由金属材料形成；以及镓或含镓材料，其被置于保持部上，其中，在保持部的形成与镓或含镓材料的界面的表面上形成有薄膜，该薄膜与熔化状态下的镓或含镓材料成不大于30°的接触角。该溅射装置包括该靶结构。

权利要求

1.一种靶结构，其包括：

靶保持部，其由金属材料形成；和

镓或含镓靶材，其被置于所述靶保持部上，其中，在所述靶保持部的形成与所述镓或含镓靶材的界面的表面上形成有包含碳的薄膜，该薄膜与熔化状态下的所述镓或含镓靶材成不大于30°的接触角。

2.根据权利要求1所述的靶结构，其特征在于，包含碳的所述薄膜是金刚石状碳的薄膜。

3.根据权利要求1所述的靶结构，其特征在于，所述保持部由铜形成。

4.一种包括权利要求1所述的靶结构的溅射装置。

5.一种靶保持结构，其包括：

保持部，其用于保持镓或含镓靶材；和覆膜，其形成在所述保持部的形成与所述镓或含镓靶材的界面的表面上，其中，所述覆膜由与熔化状态下的镓或含镓材料成不大于30°的接触角的包含碳的材料形成。

6.一种靶保持结构，其包括：

保持部，其用于保持镓或含镓靶材；和覆膜，其包括金刚石状碳并且形成在所述保持部的形成与所述镓或含镓靶材的界面的表面上。

7.一种制备镓沉积物的方法，其包括使用权利要求1所述的靶结构由溅射工艺来沉积镓或含镓膜的步骤。

8.一种制备镓沉积物的方法，其包括使用权利要求5所述的靶保持结构由溅射工艺来沉积镓或含镓膜的步骤。

9.一种制备镓沉积物的方法，其包括使用权利要求6所述的靶保持结构由溅射工艺来沉积镓或含镓膜的步骤。

说明书

靶结构和靶保持装置

技术领域

[0001] 本申请涉及：通过使用低熔点材料来溅射(sputter)的膜沉积用靶(target)结构；靶保持结构；以及使用该靶结构和靶保持结构的溅射装置和镓沉积物制备方法。

背景技术

[0002] 如氮化镓(GaN)等III族(现在归类为XIII族)氮化物基化合物半导体是直接带隙半导体，该直接带隙半导体在形成例如发光器件时呈现从紫外到红色的宽范围的发射光谱。该化合物半导体被应用于包括发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的发光器件。

[0003] 由于该类型的化合物半导体具有宽带隙，因而可以预期使用该化合物半导体的器件比使用其它半导体的器件可在更高的温度下稳定地工作。因此，加强了将III族(现在为XIII族)氮化物基化合物半导体应用于如FET等晶体管的开发。

[0004] 目前，正在试验通过使用如反应溅射工艺等物理气相沉积工艺来批量生产III族(现在为XIII族)氮化物基化合物半导体的方法，这是因为当通过例如镓等靶材和氮气之间的化学反应形成氮化物时，该工艺在膜组成的再现性和膜厚控制的容易性方面优异，等等。

[0005] 然而，由于镓的熔点低至29.8℃，因此，反应溅射工艺一般要求通过使用例如致冷装置(chiller)将保持靶的背板冷却到20℃以下，以将形成靶材的镓保持在固态。

[0006] 为了使作为靶的镓保持在其固态，已提出一种包括高导热性培养皿的镓靶，该培养皿包括利用如铟等接合材料被固定到铜或不锈钢(SUS 304)制的背板上的绝缘材料或导电材料，用来将镓收容在培养皿中(日本特开平11-172424号公报)。

[0007] 在通过溅射工艺的膜沉积中，工业上要求提高输入的电功率(例如，对于6英寸直径大小的靶，输入的电功率不小于1kW)，以提高膜沉积速率，从而实现生产率的提高。

[0008] 然而，对于至今为止提出的任何一个镓靶，对于6英寸直径大小的靶，即使当使用致冷装置等将靶的背板冷却到-20℃时，输入的例如不小于200W的高频(RF)电功率也将导致镓靶在溅射期间开始部分熔化。输入500W的RF电功率将导致镓靶完全熔化。因此，必须限制输入的电功率以防止镓从其表面熔化，从而产生不能实现工业上要求的如此高的膜沉积速率的问题。

[0009] 也就是说，现实是：为了使镓靶保持在固态，必须通过降低膜沉积速率来牺牲生产率。

[0010] 除了GaN之外，堆叠氮化铟镓(InGaN)和氮化铝镓(AlGaN)膜，以制造如LED或LD等器件。在通过溅射形成该膜时，铟镓合金或铝镓合金用于靶。这些材料也具有低熔点，因而具有与镓同样的问题。

[0011] 考虑到上述问题，已经作出本发明。因此，本发明的目的是提供：靶结构，该靶结构使得即使在通过增加输入的电功率来增加膜沉积速率时也能实现熔化状态下的镓或含镓材料的溅射；以及包括该靶结构的溅射装置。

[0012] 特别地，本发明的目的是提供：溅射装置，即使当为了增加膜沉积速率而增大输入的电功率使得镓或含镓靶材变成熔化状态时，该溅射装置也能够以高生产率沉积高品质的镓或含镓溅射膜，该膜中不包含由保持靶材的装置的通过弹回(repel)靶材而露出的表面的溅射所带来的异物；以及用于该溅射装置的靶。

发明内容

[0013] 为了实现上述目的，本发明提出一种靶结构，该靶结构包括：保持部，其由金属材料形成；以及镓或含镓材料，其被置于保持部上，其中，在保持部的形成与镓或含镓材料的界面的表面上形成有薄膜，该薄膜与熔化状态下的镓或含镓材料成不大于30°的接触角。

[0014] “接触角”是在静止液体的自由表面接触固体壁的位置处在液体表面和固体表面之间形成的并且在液体内部限定的角度。当液体润湿固体(即，液体具有大的附着力)时，接触角是锐角，而当液体不能润湿固体时，接触角是钝角(参见“Iwanami’s Dictionary of Physics and Chemistry”，1983年版，第727页，左栏)。在本文中，“接触角”被定义为在1大气压(atm)的压强下在靶材的熔化温度(即，熔点)时形成的接触角。

[0015] 薄膜优选从含碳的薄膜中选择。

[0016] 在本发明的实施方式中，含碳的薄膜是金刚石状碳的薄膜。

[0017] 在本发明的上述靶中，保持部可由铜形成。

[0018] 为了实现上述目的，本发明还提出具有根据本发明的上述靶结构的溅射装置。

[0019] 根据本发明的靶结构包括：保持部，其由金属材料形成；以及镓或含镓材料，其被置于保持部上，其中，在保持部的形成与镓或含镓材料的界面的表面上形成有薄膜，该薄膜与熔化状态下的镓或含镓材料成不大于30°的接触角。该结构能够抑制保持部的金属材料在溅射期间露出。

[0020] 可采用金刚石状碳薄膜作为与熔化状态下的镓或含镓材料成不大于30°的接触角的薄膜。金刚石状碳是具有与形成保持部的金属材料的优异附着性、高导热性、由于其硬度和密度而难以溅射的性质以及与镓或含镓材料的良好的润湿性的材料。

[0021] 结果，根据本发明的靶结构使得对于6英寸直径大小的靶材，能够在不小于1kW的高输入电功率条件下溅射镓或含镓材料，从而使得可以增大膜沉积速率并且提高生产率。

[0022] 即使当镓或含镓材料从其表面开始熔化时，由于在保持部的形成与镓或含镓材料的界面的表面上形成的薄膜与熔化状态下的镓或含镓材料成不大于30°的接触角，因此，该薄膜能够防止金属材料制的保持部的表面露出，从而使得可沉积未混入异物的优良品质的溅射膜。

[0023] 通过使用本发明的靶结构，根据本发明的溅射装置能够增大膜沉积速率，提高生产率以及沉积未混入异物的优良品质的溅射膜。

附图说明

[0024] 图1A是图解根据本发明的一个典型镓靶结构的剖面图。

[0025] 图1B是图解根据本发明的典型镓靶结构的放大的局部剖面图。

[0026] 图2是示意性示出根据本发明的一个典型溅射装置的构造的图。

具体实施方式

[0027] 在下文中，将参考附图说明本发明的优选实施方式。

[0028] 图1是示出被置于图2所示的溅射装置20的室23中的镓靶(靶结构)1的放大图。具体地，图1A是镓靶1的放大剖面图，图1B是图1A所示的镓靶1的一部分的放大的局部图。

[0029] 根据本发明的镓靶结构1包括由金属材料形成的保持部3和置于保持部3上的镓2。在所示的实施方式中，保持部3的内表面涂覆有作为薄膜的金刚石状(diamond-like)碳5。

[0030] 在图1所示的实施方式中，保持部3由铜形成并且在俯视图中基本为圆盘状。在图1中，保持部3在其上侧具有环状凸条部(ridge)，并且在环状凸条部的内侧限定凹部4。镓2被保持在凹部4中，以形成根据本发明的镓靶结构1。

[0031] 保持部3具有涂覆有金刚石状碳5的与镓2的界面。在所示的实施方式中，环状凸条部的作为凹部4的内周面的内壁面3a以及凹部4的内底面4a涂覆有金刚石状碳5。

[0032] 在形成在保持部3的形成与镓2的界面的表面上、并且与熔化状态下的镓成不大于30°的接触角的薄膜(即所示实施方式中的金刚石状碳5)形成在镓2和保持部3之间的界面处的状态下，该薄膜形成为不使该薄膜剥离从而露出保持部3并且不妨碍镓2的冷却效果的厚度。薄膜可形成为例如0.5μm至5μm的厚度。可通过利用例如空心阴极放电(HCD)的膜沉积方法来沉积该金刚石状碳薄膜。

[0033] 尽管根据本实施例由铜形成保持部3，但可使用如不锈钢(SUS304)等其它金属材料来形成保持部3。考虑到本发明的目的，可期望如本实施方式中所用的铜等具有高导热性的材料。

[0034] 使用该镓靶结构1构造图2所示的溅射装置20。

[0035] 图2所示的溅射装置20是磁控溅射装置，该磁控溅射装置包括：室23，抽真空系统21和气体导入系统22被连接到该室23；图1所示的镓靶1，其位于室23的下部中；以及基底保持件24，其位于室23的上部中，镓靶1和基底保持件24在室23内彼此相对。当从气体导入系统22导入放电用惰性气体时，溅射成为可能。当从气体导入系统22导入如氮气或者氮气和惰性气体的混合气体等气体时，反应溅射成为可能。

[0036] 可以由具有供冷却剂流过的管道的外部冷却装置25来有效地冷却镓靶结构1。

[0037] 镓靶结构1被连接到RF电源(13.56MHz)27。在镓靶结构1的背面侧设置磁体组件，该磁体组件能够在镓靶结构1的上方形成预定的磁场，以使磁控溅射成为可能。其上将沉积膜的基底28被安装到基底保持件24的面对镓靶结构1的一侧。

[0038] 根据如此构造的溅射装置20，具有高导热性的金刚石状碳5的膜形成在镓2和保持镓2的金属材料制的保持部3相互接触的界面处，该镓2和保持镓2的金属材料制的保持部3形成镓靶结构1。这样，可以将在溅射期间由镓2产生的热有效地传递到由具有高导热性的金属材料形成的保持部3，因此，可以充分地冷却镓2。

[0039] 因此，可以增大用于溅射的电功率，提高膜沉积速率，并且以高生产率沉积镓化合物的薄膜。

[0040] 也就是说，即使当镓2开始熔化时，镓2和金刚石状碳5之间的良好的润湿性也可防止铜制的保持部3露出。因此，可防止异物混入镓化合物薄膜内，从而沉积高品质的膜。

[0041] 特别地，通过在保持部3的形成与镓2的界面的表面上设置与熔化状态下的镓成不大于30°的接触角的薄膜，可以减小溅射期间保持部的金属材料露出的可能性。当形成在保持部3的形成与镓2的界面的表面上的薄膜与熔化状态下的镓成大于30°的接触角时，在溅射期间保持部的金属材料露出，这导致保持部的金属材料混入由具有本发明的镓靶的溅射装置沉积的薄膜中的可能性增大。因此，该接触角不是优选的。

[0042] 根据本发明的靶保持结构也适用于使用如铝镓、铟镓、磷化镓以及砷化镓等含镓材料的情况。对于除含镓材料以外的在熔化状态时与薄膜的材料成小的接触角的任何材料，使用根据本发明的靶保持结构使得可以防止混入保持结构的材料。

[0043] 比较例

[0044] 采用TiN和AlN作为均与熔化状态下的镓成大于30°的接触角的材料。由溅射工艺使以图1中示出的形式的铜制的保持部3的表面分别涂覆TiN和AlN。用如图1所示的镓填充保持部3，以提供作为比较例的两个镓靶结构。

[0045] 由利用作为比较例的每一个镓靶结构由图2所示的上述磁控溅射装置进行实验镓溅射。

[0046] 结果，涂覆有TiN的靶结构使得熔化的镓在膜沉积的途中弹回，从而露出保持部3。

[0047] 同涂覆有TiN的靶结构一样，涂覆有AlN的靶结构使得熔化的镓在膜沉积的途中弹回。另外，保持部3的颜色变为绿色。可想到该颜色变化是由AlN的Al的化学反应导致的。

[0048] 已经说明了基本的磁控溅射装置作为根据本发明的溅射装置的实施方式。根据本发明的溅射装置不限于该磁控溅射装置，而可以是使用置于其中的上述镓靶结构1的任何其它类型的溅射装置。这些溅射装置也可提供如上所述的相同优点。

[0049] 相关申请的横向参考

[0050] 本申请还要求于2007年9月25日提交的日本专利申请No.2007-247523的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。