JP5648289B2 - スパッタリング装置および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置およびそれを用いた半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、半導体発光素子の進展が目覚しい。特に、短波長光用の半導体材料として、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのＩＩＩ族窒化物化合物半導体が注目を集めている。ＩＩＩ族窒化物化合物半導体は、サファイア単結晶を始めとして、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、その上に成長される。

このような化合物半導体の成長は、一般に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、分子線結晶成長（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ハイドライド系気相成長（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの方法によって行われる。
これに対し、化合物半導体の成長に、運動エネルギを持った粒子（原子、分子）などを基板に衝突させる方法であるスパッタリング（スパッタ）法も用いられるようになってきた。

特許文献１には、基板上に、少なくともＩＩＩ族窒化物化合物からなる中間層を積層し、該中間層上に、下地層を備えるｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層を順次積層するＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記基板に対してプラズマ処理を行う前処理工程と、該前処理工程に次いで、前記基板上に前記中間層をスパッタ法によって成膜するスパッタ工程とが備えられたＩＩＩ族窒化物化合物半導体発光素子の製造方法が記載されている。

特開２００８−１０９０８４号公報

ところで、一般に、スパッタリング法により化合物半導体を成膜する際に、結晶性に優れた化合物半導体膜を形成しようとすると、基板の温度を例えば６００℃以上の高い温度に設定することが好ましい。これは、基板上に付着した化合物半導体を構成する粒子を、熱運動により結晶の格子位置にマイグレーションさせることにより、化合物半導体の結晶性を高めるためである。
しかし、例えば、基板にサファイアを用い、基板の加熱にハロゲンランプ等の赤外線ランプを用いると、赤外線ランプの放射する近赤外線（０．７μｍ〜２．５μｍ）は、サファイアにおいて透過率が高いため、基板を効率よく加熱しづらかった。
本発明は、基板を加熱する効率を向上させたスパッタリング装置およびそのスパッタリング装置による半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明が適用されるスパッタリング装置は、チャンバ内の下部に設置されたターゲットと、チャンバ内の上部に設置され、一方の表面がターゲットと対向するように配置されたサファイア基板と、チャンバ内において、サファイア基板の上方に設置され、４μｍ以上の波長を含む電磁波を放射し、サファイア基板を他方の表面側から加熱する加熱部材と、を備え、サファイア基板は、サファイア基板を一方の表面の端部で保持するようにサファイア基板の形状に対応して切り抜かれた開口を有する基板ホルダにおいて、開口に嵌め込まれて保持され、電磁波がサファイア基板の他方の表面の全面にわたって照射されるとともに、加熱部材は、基板ホルダを保持する基板ホルダ保持部内に収納されている。
このようなスパッタリング装置において、ターゲットは、ＩＩＩ族元素、ＩＩＩ族元素を含む混合物またはＩＩＩ族元素を含む化合物であって、ターゲットとサファイア基板との間に窒素を含む雰囲気中に形成されたプラズマ放電により、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物層を形成することを特徴とすることができる。
また、加熱部材は、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）で覆われた炭素であることを特徴とすることができる。

他の観点から捉えると、本発明が適用される半導体発光素子の製造方法は、チャンバ内の下部に設置されたＩＩＩ族元素、ＩＩＩ族元素を含む混合物またはＩＩＩ族元素を含む化合物のターゲットと、チャンバの上部に設置され、一方の表面がターゲットと対向するように配置されたサファイア基板と、サファイア基板の上方に設置された加熱部材と、を備え、サファイア基板が、サファイア基板を一方の表面の端部で保持するようにサファイア基板の形状に対応して切り抜かれた開口を有する基板ホルダにおいて、開口に嵌め込まれて保持されるとともに、加熱部材は、基板ホルダを保持する基板ホルダ保持部内に収納されているスパッタリング装置において、加熱部材から放射される４μｍ以上の波長を含む電磁波をサファイア基板の他方の表面の全面に照射して、サファイア基板を加熱する基板加熱工程と、ターゲットとサファイア基板との間に窒素を含む雰囲気において形成されたプラズマにより、サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物層を形成する工程とを含む。
このような半導体発光素子の製造方法において、加熱部材は、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）で覆われた炭素であることを特徴とすることができる。

本発明によれば、基板を加熱する効率を向上させたスパッタリング装置およびそのスパッタリング装置による半導体発光素子の製造方法が提供できる。

本実施の形態が適用されるスパッタリング装置の一例の断面構成を示す図である。 本実施の形態に適用されるヒータの表面形状の一例を示す図である。 サファイアの電磁波に対する透過率、ＰＢＮヒータおよびハロゲンランプの電磁波の放射強度の波長依存性を示す図である。 本実施の形態が適用されるスパッタリング装置を用いて製造される半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。 図４に示す半導体発光素子を平面視したときの図である。 基板上にＩＩＩ族窒化物化合物半導体層を形成する方法を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（スパッタリング装置１）
図１は本実施の形態が適用されるスパッタリング（スパッタ）装置１の一例の断面構成を示す図である。

スパッタリング装置１は、内部が減圧状態に維持されてプラズマ放電２０が形成されるチャンバ１０と、チャンバ１０内に設置され、基板１１０上に形成される膜の原料を供給するターゲット２１を保持するカソード２２と、基板１１０を保持し基板１１０の一表面がターゲット２１の表面に対向するように基板１１０を保持する基板ホルダ６０とを備えている。基板ホルダ６０は、基板ホルダ保持部６１に保持されている。

このスパッタリング装置１のように、基板１１０の表面とターゲット２１の表面とが対向して配置する構成を平行平板型と呼ぶ。
そして、基板１１０は、図１において、スパッタリング装置１の上方に基板１１０の表面を下方に向けて配置されている。一方、ターゲット２１は、同じく図１において、スパッタリング装置１の下方にターゲット２１の表面を上方に向けて配置されている。すなわち、下方のターゲット２１の表面から上方に飛び出した（スパッタされた）粒子が、上方に配置された基板１１０の表面に飛来する、いわゆるスパッタアップの構成となっている。
このスパッタアップの構成は、チャンバ１０の側壁等に堆積した膜が剥離し、パーティクル（微粒子）となって、基板１１０上に付着し、歩留まりが低下することを抑制できる。

チャンバ１０は、円筒状の形状を有し上方に向かう開口が形成されるとともにその内部にターゲット２１を収容する収容部１１と、円板状の形状を有しこの収容部１１の上部に取り付けられ、基板ホルダ保持部６１を保持する蓋部１２とを備える。
ここで、収容部１１および蓋部１２は、ステンレス等の金属にて構成されている。また、蓋部１２は、収容部１１に対して開閉自在に取り付けられており、収容部１１に対して閉じられた場合には、収容部１１とともにチャンバ１０を形成する。なお収容部１１と蓋部１２とが対向する部位には、図示しないＯリング等のシール材が取り付けられている。
なお、収容部１１および蓋部１２は接地されて、電位の基準となっている。

また、蓋部１２の中央部には、基板ホルダ保持部６１の回転軸６２を貫通させるための貫通孔が形成されている。基板ホルダ保持部６１は、この回転軸６２を中心に回転する構成であってもよい。なお、基板ホルダ保持部６１とともに基板ホルダ６０を回転させると、基板１１０に形成される膜の膜厚均一性が向上することがある。
そして、基板ホルダ保持部６１を回転させる場合には、この貫通孔と回転軸６２との間に、外気の流入なく回転自在に基板ホルダ６０を保持するためのＯリング等による図示しない軸シールが設けられている。

一方、収容部１１の側面には、外部に設けられたガス供給部７０からチャンバ１０内部にガスを供給するための供給管１３が貫通形成されている。
さらに、収容部１１の底面には、チャンバ１０を排気するため、排気管１４が貫通形成されている。
そして、収容部１１の底面には、カソード２２に電力を供給するための貫通孔が設けられている。ターゲット２１はカソード２２に密着するように固定されている。また、カソード２２と収容部１１とは、電気的に絶縁されるとともに、減圧状態が維持できるようＯリング等によるシール材を介して固定されている。
さらにまた、収容部１１の側面には、外部からチャンバ１０の内部を観察するための貫通孔（図示せず）も形成されている。

スパッタリング装置１は、高周波電力がターゲット２１に効率よく供給されるように、コイルおよび可変コンデンサからなる第１インピーダンスマッチング回路を備えた第１マッチングボックス５１を備えている。そして、第１インピーダンスマッチング回路の出力端子はカソード２２に接続され、第１インピーダンスマッチング回路の入力端子は、電力を供給する第１電源に接続されている。
なお、直流（ＤＣ）スパッタリングの場合には、第１マッチングボックス５１を設けず、または第１マッチングボックス５１を迂回して、直流電力を直接カソード２２に供給するようにすればよい。
また、ターゲット２１の近傍に磁界を発生させることにより電子をマグネトロン運動させて高密度なプラズマ放電２０を形成するマグネトロンスパッタリング方式の場合には、カソード２２に永久磁石（マグネット）等からなるマグネトロンスパッタリング用のモジュールが設けられていてもよい。

さらに、スパッタリング装置１は、逆スパッタリング（逆スパッタ）を可能にするため、コイルおよび可変コンデンサからなる第２インピーダンスマッチング回路を備えた第２マッチングボックス５２を備えている。第２インピーダンスマッチング回路の出力端子は基板ホルダ保持部６１に接続されている。そして、第２インピーダンスマッチング回路の入力端子は、電力を供給する第２電源に接続されている。逆スパッタリングは、基板１１０の表面をプラズマ放電２０に曝すことにより、基板１１０表面上に付着した有機物や酸化物を除去する。
逆スパッタリングを直流で行う場合には、第２インピーダンスマッチング回路を介さず、直流電力を直接基板ホルダ６０に供給するようにすればよい。
前述したように、スパッタリング装置１の収容部１１および蓋部１２は接地されている。よって、収容部１１および蓋部１２と第１電源９１または第２電源９２との間に、高周波または直流の電圧が印加されることになる。

スパッタリング装置１の基板ホルダ６０は、図１に示すように、基板１１０の周囲の端部で基板１１０が保持されるように、基板１１０の形状に対応して切り抜かれた開口を有している。そして、基板ホルダ６０への基板１１０の着脱は、蓋部１２を図１における上側に開放して、手作業によって行ってもよく、蓋部１２を開放することなく、チャンバ１０に隣接して設けたロードロック室内のロボットアーム（図示せず）によって行ってもよい。なお、チャンバ１０内が外気およびチャンバ１０外から飛来するパーティクル等で汚染されることを抑制するとともに、排気のための時間を短縮できることから、ロボットアームによる方法が好ましい。

さらにまた、スパッタリング装置１は、基板１１０を加熱するための加熱部材の一例としてのヒータ６５を備えている。そして、ヒータ６５に電力を供給し、基板１１０の温度を制御する基板加熱部６４を備えている。本実施の形態では、ヒータ６５は、基板１１０裏面の近傍に、基板１１０に接触することなく、基板１１０に対向して配置されている。
ヒータ６５は、例えば炭素（カーボン）から構成された抵抗体６６が熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ：Ｐｙｒｉｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）で覆われて構成されている（後述する図２参照）。炭素は、例えばグラファイト（黒鉛）である。ヒータ６５は、基板加熱部６４から抵抗体６６に電流が供給されることにより加熱される。そして、基板１１０は、ヒータ６５から放射される電磁波を吸収して、温度が上昇する。ヒータ６５の抵抗体６６については、後に詳述する。

そして、スパッタリング装置１は、供給管１３からガスをチャンバ１０に供給するガス供給部７０を備えている。本実施の形態では、ガス供給部７０は、Ａｒ源７１から供給されるアルゴンと、Ｎ_２源７２から供給される窒素との混合ガスを供給するようになっている。なお、アルゴンは不活性ガスであるため、ターゲット２１の材料とは化合物を生成しないが、窒素はターゲット２１の材料と反応して窒化物を生成する。
なお、ターゲット２１に金属を用い、スパッタリングにより発生した金属と、プラズマにより発生した窒素のイオンやラジカル種との反応により、窒化物等の化合物を生成させる方法は、反応性スパッタリング（リアクティブスパッタリング）と呼ばれる。

そして、スパッタリング装置１は、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、オイル拡散ポンプなどの真空ポンプを有する排気部８０を備え、排気管１４を介してチャンバ１０の排気を行うことができるようになっている。
そして、スパッタリング装置１は、上述した第１マッチングボックス５１、第２マッチングボックス５２、基板加熱部６４、ガス供給部７０、排気部８０、第１電源９１、第２電源９２の動作を制御する制御部９５を備えている。

なお、排気部８０の排気速度の制御やガス供給部７０のガス供給量の制御などにより、チャンバ１０内は予め定められたガス圧に設定されるようになっている。

また、図示しないが、スパッタリング装置１は、ターゲット２１の表面を覆う位置と覆わない位置とに移動できるように設けられたシャッタを備えてもよい。シャッタがターゲット２１の表面を覆う位置にあるとき（シャッタ閉）は、ターゲット２１から飛び出した（スパッタされた）粒子が基板１１０表面に飛来するのを抑制する。一方、シャッタがターゲット２１の表面を覆わない位置にあるとき（シャッタ開）は、ターゲット２１から飛び出した（スパッタされた）粒子が基板１１０表面に飛来し、膜が成長する。すなわち、シャッタは膜の基板１１０上での成長の開始および終了を設定することができる。
さらにまた、スパッタリング装置１は、ターゲット２１を加熱または冷却する機構を備えていてもよい。

なお、本実施の形態が適用されるスパッタリング装置１として、ターゲット２１を１個設けたシングルターゲットとしたが、２個以上のターゲット２１を備えたマルチターゲットとしてもよい。さらに、膜形成時において、ターゲット２１と基板１１０とを、相対的に移動させてもよい。
また、スパッタリング装置１は、平行平板型としたが、多角形筒型の基板ホルダとそれに対向するターゲットを用い、多角形筒型の基板ホルダを筒の中心軸を回転軸として回転させながら膜形成を行うカルーセル型であってもよい。

（ヒータ６５）
ここで、ヒータ６５について詳細に説明する。
図２は、本実施の形態に適用されるヒータ６５の一例を示す図である。ヒータ６５は円盤状であって、２枚の円盤状のＰＢＮのディスクと、これらの２枚の円盤状のＰＢＮのディスクに挟まれ、一方のディスクの内側の表面上に印刷法などで形成された厚さ１０μｍ〜２０μｍの炭素（カーボン）の抵抗体６６とから構成されている。図２（ａ）は、抵抗体６６が渦巻き状に構成されたヒータ６５を示している。端子ＡとＢとがヒータ６５の中央部（端子Ａ）と端部（端子Ｂ）とから取り出されている。図２（ｂ）は、図の右側と左側とにおいて、抵抗体６６が中央部から折り返されながら周辺部に至るように構成されたヒータ６５を示している。端子ＡとＢとが共にヒータ６５の中央部から取り出されている。すなわち、いずれのヒータ６５も、抵抗体６６をＰＢＮが覆うように構成されている。
そして、端子Ａと端子Ｂとの間に電流を流す（通電する）ことにより抵抗体６６がジュール熱により発熱する。
なお、ヒータ６５の抵抗体６６の形状は、基板１１０を均一に加熱することができればよく、図２（ａ）および（ｂ）に示したものに限らない。
以下では、このヒータ６５をＰＢＮヒータと略することがある。

例えば、図２（ｂ）に示した、抵抗体６６が中央部から折り返されながら周辺部に至るように構成されたヒータ６５は、外径が６インチであって、端子Ａと端子Ｂとの間に５０Ｖで１２Ａの電流を流すと約６００℃に加熱されるものであってもよい。このときの端子Ａと端子Ｂとの間の抵抗値は約４．２Ωである。なお、ヒータ６５の外径および抵抗値は予め定められた仕様に合わせて選択しうる。

図３は、サファイアの電磁波に対する透過率（サファイアの透過率）、ＰＢＮヒータおよびハロゲンランプが発する電磁波の放射強度（ＰＢＮヒータの放射強度およびハロゲンランプの放射強度）の波長依存性を示す図である。ここで、サファイアは、後述するように、本実施の形態において、基板１１０として用いられる。そして、ＰＢＮヒータは、本実施の形態において、ヒータ６５として用いられている。そして、ハロゲンランプは、スパッタリング装置１等において、基板１１０の加熱ランプとして、広く用いられている。
図３の左側の縦軸は、サファイアの電磁波に対する透過率（サファイアの透過率）を％で示している。右側の縦軸は、ＰＢＮヒータおよびハロゲンランプが発する電磁波の放射強度（ＰＢＮヒータの放射強度およびハロゲンランプの放射強度）を任意単位（ａ．ｕ．）で示している。
なお、ここでは、波長０．７μｍ〜２．５μｍの電磁波を近赤外線、２．５μｍ〜４μｍの電磁波を中赤外線、４μｍ〜１０００μｍの電磁波を遠赤外線と呼ぶ。

サファイアは、可視光域から４μｍまで波長の電磁波を高い透過率で透過する。そして、４μｍ付近の波長から、電磁波はサファイアを透過しづらくなり、吸収されるようになる。よって、サファイアは、波長が４μｍ以上の遠赤外線領域の電磁波が照射されると、これらの電磁波を吸収して加熱されることになる。

図３に示すＰＢＮヒータの放射強度は、６００℃に加熱したときの電磁波の放射強度である。このＰＢＮヒータは、３μｍ付近をピークとした電磁波を放射する。そして、４μｍ以上の遠赤外線領域でも、高い放射強度を有している。なお、ＰＢＮヒータにおける遠赤外線領域での放射強度は、ＰＢＮヒータの温度が高いほど大きくなる。
一方、ハロゲンランプは、１μｍ付近をピークとした電磁波を放射する。そして、２μｍ以上では、急激に放射強度が低下する。

以上の説明したように、ＰＢＮヒータは、４μｍ以上の遠赤外線領域の電磁波を放射する割合が高い。そして、４μｍ以上の遠赤外線領域の電磁波をサファイアに吸収させることで、サファイアを効率よく加熱することができる。

一方、ハロゲンランプは、４μｍ以上の遠赤外線領域の電磁波の放射の割合が低い。すなわち、４μｍ以上の遠赤外線領域の電磁波を吸収させることによるサファイアの加熱には向かない。よって、サファイア製の基板１１０の裏面に別の部材を接触させて置き、この部材を加熱して、熱伝導によりサファイア製の基板１１０を加熱するという、間接加熱の方法を取らざるを得ない。しかし、サファイア製の基板１１０とその裏面に置かれた部材との接触は必ずしも良好でないため、熱伝導が不十分になって、加熱に長時間を要したり、基板１１０の面内において加熱に不均一性が生じたり、成膜のたびに基板１１０の温度が異なるなどの不具合を生じる。
これに対し、本実施の形態では、上述したように、４μｍ以上の遠赤外線領域の電磁波を効率よく放射するＰＢＮヒータをヒータ６５に用いている。よって、サファイア製の基板１１０を効率よく加熱でき、加熱時間を短縮できる。また、基板１１０とヒータ６５とは接触させることなく配置できるので、パーティクルの発生を抑制できる。

（半導体発光素子ＬＣ）
図４は、本実施の形態が適用されるスパッタリング装置１を用いて製造される半導体発光素子ＬＣの断面構造の一例を示す図である。図５は、図４に示す半導体発光素子ＬＣを平面視したときの図である。
この半導体発光素子ＬＣは化合物半導体にて構成されている。なお、半導体発光素子ＬＣを構成する化合物半導体としては、特に限定されるものではなく、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＶ−ＩＶ族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が好ましく、中でも、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体が好ましい。そして、以下では、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体を有する半導体発光素子ＬＣを例として説明する。なお、例として図４に示す半導体発光素子ＬＣは、青色光を出力する半導体発光素子ＬＣである。

この半導体発光素子ＬＣは、サファイア製の基板１１０と、基板１１０上に積層される中間層１２０と、中間層１２０上に積層される下地層１３０と、下地層１３０上に積層されるｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０上に積層される発光層１５０と、発光層１５０上に積層されるｐ型半導体層１６０とを備えている。
ここで、ｎ型半導体層１４０は、下地層１３０側に設けられるｎ型コンタクト層１４０ａと発光層１５０側に設けられるｎ型クラッド層１４０ｂとを有している。また、発光層１５０は、障壁層１５０ａと井戸層１５０ｂとが交互に積層され、２つの障壁層１５０ａによって１つの井戸層１５０ｂを挟み込んだ構造を有している。さらに、ｐ型半導体層１６０は、発光層１５０側に設けられるｐ型クラッド層１６０ａと最上層に設けられるｐ型コンタクト層１６０ｂとを有する。なお、以下の説明においては、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０を、まとめて積層半導体層１００と称する。

半導体発光素子ＬＣにおいては、ｐ型半導体層１６０のｐ型コンタクト層１６０ｂ上に透明正極１７０が積層され、さらにその上に正極ボンディングパッド１８０が形成されている。さらに、ｎ型半導体層１４０のｎ型コンタクト層１４０ａに形成された露出領域１４０ｃに負極ボンディングパッド１９０が積層されている。
さらにまた、半導体発光素子ＬＣは、正極ボンディングパッド１８０および負極ボンディングパッド１９０のそれぞれの表面の一部を除いて、透明正極１７０の表面、積層半導体層１００の表面および側面、下地層１３０および中間層１２０の側面を覆う保護層２００を備える。

この半導体発光素子ＬＣにおいては、正極ボンディングパッド１８０と、負極ボンディングパッド１９０とを介して積層半導体層１００（より具体的にはｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０）に電流を流すことで、発光層１５０が青色光を出力するようになっている。

（半導体発光素子ＬＣの製造方法）
まず、予め定められた直径と厚さとを有するサファイア製の基板１１０を、図１に示すスパッタリング装置１にセットする。そして、スパッタリング装置１にて、基板１１０上に、中間層１２０および下地層１３０を形成する。
続いて、下地層１３０が形成された基板１１０上に、図示しないＭＯＣＶＤ装置により、ｎ型コンタクト層１４０ａを形成し、ｎ型コンタクト層１４０ａの上にｎ型クラッド層１４０ｂを形成する。さらに、ｎ型クラッド層１４０ｂの上に発光層１５０すなわち障壁層１５０ａと井戸層１５０ｂとを交互に形成し、発光層１５０の上にｐ型クラッド層１６０ａを形成し、ｐ型クラッド層１６０ａの上にｐ型コンタクト層１６０ｂを形成する。
さらに、ｐ型コンタクト層１６０ｂ上に透明正極１７０を積層する。また、エッチング等を用いてｎ型コンタクト層１４０ａに露出領域１４０ｃを形成する。そして、透明正極１７０上に正極ボンディングパッド１８０を、露出領域１４０ｃ上に負極ボンディングパッド１９０を設ける。
その後、基板１１０の下地層１３０の形成面とは反対の面を、予め定められた厚さになるまで研削及び研磨する。
そして、基板１１０の厚さが調整されたウェハを、例えば３５０μｍ角の正方形に切断することにより、半導体発光素子ＬＣを得る。
なお、基板１１０上に結晶性に優れた下地層１３０が直接形成できる場合には、中間層１２０を設けなくともよい。

以下、各工程について、順番に説明する。
＜中間層形成工程＞
先ず、サファイア製の基板１１０を用意し、前処理を施す。前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ１０内に基板１１０を配置し、中間層１２０を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ１０内において、基板１１０をＡｒやＮ_２のプラズマ放電２０中に曝す事によって上面を洗浄する前処理を行なってもよい。ＡｒガスやＮ_２ガスなどのプラズマ放電２０を基板１１０に作用させることで、基板１１０の上面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。

次に、基板１１０の上面に、スパッタリング法によって、中間層１２０を積層する。
スパッタリング法によって、単結晶構造を有する中間層１２０を形成する場合、窒素等のＶ族原料（窒素原料）をチャンバ１０内に流通させるリアクティブスパッタリング法によって成膜する方法とすることが好ましい。
一般に、スパッタリング法においては、平坦な薄膜を成膜することが可能である。このことで、基板１１０の表面を完全に覆う中間層１２０を形成することができ、その上に積層する半導体層の結晶性を向上させることが可能である。中間層１２０をスパッタリング法によって成膜する場合、原料となるターゲット材料としてＩＩＩ族窒化物化合物半導体を用い、Ａｒガス等の不活性ガスのプラズマ放電２０によるスパッタリングを行なうことも可能である。しかし、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体は一般に硬いために成膜速度を大きくできないなどの不具合を生じる。これに対し、リアクティブスパッタリング法を用いると、中間層１２０の結晶性を低下させずに、成膜速度を向上させることが可能である。

チャンバ１０内の不活性ガスに対する窒素原料の流量比を、窒素原料が５０％〜１００％、望ましくは７５％となるようにすることが望ましい。
また、スパッタリング法によって、柱状結晶（多結晶）構造を有する中間層１２０を形成する場合、チャンバ１０内の不活性ガスの流量に対する窒素原料の流量比を、窒素原料が１％〜５０％、望ましくは２５％となるようにすることが望ましい。
中間層１２０を成膜する際の基板１１０の温度、つまり、中間層１２０の成長温度は、３００℃以上とすることが好ましく、より好ましくは５００℃以上の温度であり、７００℃以上の温度とすることが最も好ましい。これは、中間層１２０を成膜する際の基板１１０の温度を高くすることによって粒子（原子または分子）のマイグレーションが生じやすくなり、単結晶または多結晶の中間層１２０を形成しやすいからである。なお、中間層１２０を成膜する際の基板１１０の温度は、スパッタリング装置１への負荷などを考えると、１０００℃未満とすることが好ましい。可能であるならば１５００℃以下の温度であれば中間層１２０の結晶性の向上が見られる。しかし、基板１１０の融点に近い２０００℃以上の温度とすることはできない。中間層１２０を成膜する際の基板１１０の温度が上記温度範囲内であれば、結晶性の良い中間層１２０が得られる。

＜下地層形成工程＞
次に、中間層１２０を形成した後、中間層１２０が形成された基板１１０の上面に、単結晶の下地層１３０を形成する。下地層１３０は、スパッタリング法を用いて成膜することが望ましい。下地層１３０をスパッタリング法で成膜する際、中間層１２０と同様に、窒素等のＶ族原料をチャンバ１０内に流通させるリアクティブスパッタリング法によって成膜する方法とすることが好ましい。

下地層１３０を成膜する際の基板１１０の温度、つまり、下地層１３０の成長温度も、中間層１２０の場合と同じく、８００℃以上とすることが好ましく、より好ましくは９００℃以上の温度であり、１０００℃以上の温度とすることが最も好ましい。これは、下地層１３０を成膜する際の基板１１０の温度を高くすることによって粒子（原子または分子）のマイグレーションが生じやすくなり、転位のループ化が容易に進行するからである。下地層１３０を成膜する際の基板１１０の温度が上記温度範囲内であれば、結晶性の良い下地層１３０が得られる。

＜ｎ型半導体層形成工程＞
下地層１３０の形成後、ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂを積層してｎ型半導体層１４０を形成する。ｎ型コンタクト層１４０ａ及びｎ型クラッド層１４０ｂは、スパッタリング法で形成してもよく、ＭＯＣＶＤ法で形成してもよい。ＭＯＣＶＤ法を用いる方が、より結晶性が向上するので好ましい。

＜発光層形成工程＞
発光層１５０の形成は、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法のいずれの方法でもよいが、特にＭＯＣＶＤ法が好ましい。具体的には、障壁層１５０ａと井戸層１５０ｂとを交互に繰り返して積層し、且つ、ｎ型半導体層１４０側及びｐ型半導体層１６０側に障壁層１５０ａが配される順で積層すればよい。

＜ｐ型半導体層形成工程＞
また、ｐ型半導体層１６０の形成は、スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法のいずれの方法でもよい。具体的には、ｐ型クラッド層１６０ａとｐ型コンタクト層１６０ｂとを順次積層すればよい。

＜透明正極形成工程＞
ｐ型半導体層１６０上に、スパッタリング法などの公知の方法を用いて、透明正極１７０を構成する材料の膜を形成し、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングし、透明正極１７０を形成する。

＜露出領域形成工程＞
公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、予め定められた領域の積層半導体層１００の一部をエッチングしてｎ型コンタクト層１４０ａの一部を露出させ、露出領域１４０ｃを形成する。
なお、上述の透明正極形成工程と露出領域形成工程との順序を入れ替えもかまわない。入れ替える場合には、積層半導体層１００の一部をエッチングして、露出領域１４０ｃを形成した後、フォトレジスト等のマスクで露出領域１４０ｃをカバーして、ｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃ上に、スパッタリング法などの公知の方法を用いて透明正極１７０を形成する。

＜電極形成工程＞
透明正極１７０上に正極ボンディングパッド１８０と、露出領域１４０ｃ上に負極ボンディングパッド１９０を形成する。
＜保護層形成工程＞
正極ボンディングパッド１８０および負極ボンディングパッド１９０のそれぞれの表面の一部を除いて、透明正極１７０の表面、積層半導体層１００の表面および側面、下地層１３０および中間層１２０の側面を覆うように、ＳｉＯ_２からなる保護層２００を形成する。

＜アニール工程＞
そして、例えば窒素などの還元雰囲気下において、１５０℃以上６００℃以下、より好ましくは２００℃以上５００℃以下でアニール処理する。このアニール工程は、透明正極１７０と正極ボンディングパッド１８０との密着性、および、露出領域１４０ｃと負極ボンディングパッド１９０との密着性を高めるために行われる。
このようにして、図４に示した半導体発光素子ＬＣが得られる。

このようにして得られた半導体発光素子ＬＣをランプ等に使用する場合には、基板１１０を半導体発光素子ＬＣ（チップ）毎に分割し、それぞれの半導体発光素子ＬＣの基板１１０側をランプの基台にダイボンドした後、正極ボンディングパッド１８０の露出した表面に、金ボールを介して金線からなるボンディングワイヤを接続するとともに、負極ボンディングパッド１９０の露出した表面に、同じく金ボールを介して金線からなるボンディングワイヤを接続する。ここで、使用される金線の直径は１０μｍ〜３０μｍ程度である。

そして、両方の金線を介して半導体発光素子ＬＣに電流を流すことにより、発光層１５０が発光することになる。

では、上述した半導体発光素子ＬＣの製造方法におけるスパッタリング装置１の動作について説明する。
（スパッタリング装置１の動作）
図６は、基板１１０上にＩＩＩ族窒化物化合物半導体層を形成する方法を説明するためのフローチャートである。以下では、図１を参照しつつ、図４に示す基板１１０上にＩＩＩ族窒化物層の一例としてのＩＩＩ族窒化物化合物半導体層を形成するためのフローチャートを説明する。ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層は中間層１２０または下地層１３０であってよい。
図６に示すフローチャートでは、既にターゲット２１および基板１１０がチャンバ１０内に設定されているとしている。そして、基板加熱工程（ステップ１０１）、基板表面逆スパッタリング工程（ステップ１０２）、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層形成工程（ステップ１０３）が引き続いて行われる。
以下に詳細に説明する。なお、以下の説明では、ターゲット２１および基板１１０をチャンバ１０内に取り付ける工程を含んで説明する。

＜ターゲット取付工程＞
まず、基板１１０上に形成するＩＩＩ族窒化物層がＡｌＮである場合には、ＩＩＩ族元素の一例としての金属アルミニウム（Ａｌ）からなる板状のターゲット２１がカソード２２に取り付けられる。
一方、基板１１０上に形成するＩＩＩ族窒化物層がＡｌＧａＮである場合には、ＩＩＩ族元素を含む化合物の一例としてのＡｌＧａ化合物からなる板状のターゲット２１がカソード２２に取り付けられる。なお、ターゲット２１は、ＩＩＩ族元素を含む混合物の一例として、金属アルミニウム（Ａｌ）と金属ガリウム（Ｇａ）とを混合して焼結したものであってもよい。
さらに、基板１１０上に形成するＩＩＩ族窒化物層がＡｌＧａＩｎＮである場合には、ＩＩＩ族元素を含む化合物の一例としてのＡｌＧａＩｎ化合物からなる板状のターゲット２１がカソード２２に取り付けられる。なお、ターゲット２１は、ＩＩＩ族元素を含む混合物の一例として、金属アルミニウム（Ａｌ）と金属ガリウム（Ｇａ）と金属インジウム（Ｉｎ）とを混合して焼結したものであってもよい。

＜基板取付工程＞
そして、スパッタリング装置１の蓋部１２を開放して手作業により、又は蓋部１２を開放することなくロボットアームにより予め定められた直径と厚さとを有するサファイア製の基板１１０が、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層を形成する表面を基板ホルダ６０の開口から露出するようにして、基板ホルダ６０に設定される。
そして、排気部８０により、スパッタリング装置１のチャンバ１０が予め定められた真空度になるまで排気される。

＜基板加熱工程＞
基板加熱部６４により、ヒータ６５に電流が供給され、基板１１０の温度が予め定められた温度に設定される（ステップ１０１）。基板１１０の温度としては、例えば、５００℃〜８００℃が用いうる。
なお、基板１１０の温度は、ヒータ６５の近くに設置した熱電対などの温度計測手段によって計測された温度に基づいて制御される。基板１１０の温度を直接測定することは難しいが、予め熱電対を取り付けた基板１１０による予備実験により校正することができる。

＜基板表面逆スパッタリング工程＞
次に、ガス供給部７０により、予め定められた流量の窒素がチャンバ１０に供給される。そして、排気部８０により排気速度が調整されて、チャンバ１０内が予め定められたガス圧に設定される。
そして、基板１１０表面の吸着ガスや汚れ等を除去するため、第２電源９２により基板ホルダ６０に高周波電力が供給され、予め定められた時間、基板ホルダ６０上の基板１１０の表面がスパッタリング（逆スパッタリング）される（ステップ１０２）。
なお、逆スパッタリングにおいては、基板１１０表面が荒れるのを抑制するため、質量の大きなアルゴンを混合せず、窒素のみで行うのが好ましい。
この基板表面逆スパッタリング工程においても、基板１１０は基板加熱部６４により、予め定められた温度範囲に制御されている。

＜ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層形成工程＞
次いで、ガス供給部７０により、予め定められた流量のアルゴンと窒素とがチャンバ１０に供給される。そして、排気部８０により排気速度が調整されて、チャンバ１０内が予め定められたガス圧に設定される。例えば、アルゴンの流量を２ｓｃｃｍ、窒素の流量を５０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍとすることができる。窒素の流量は上記の逆スパッタリングの時と同じでなくともよい。なお、窒素は、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層を形成するための反応ガスなので、０％とすることはできないが、１００％としてもよい。
そして、シャッタ閉の状態で、ターゲット２１に第１電源９１から予め定められた高周波電力を供給して、ターゲット２１の表面近傍にプラズマ放電２０を発生させる。
プラズマ放電２０が安定したところで、シャッタを開にして、基板１１０表面にＩＩＩ族窒化物化合物半導体層を形成する（ステップ１０３）。
なお、このＩＩＩ族窒化物化合物半導体層形成工程においても、基板１１０は基板加熱部６４により、予め定められた温度範囲に制御されている。

そして、予め定められた膜厚のＩＩＩ族窒化物化合物半導体層が形成されたら、シャッタを閉にして、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層の形成を終了する。ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層の厚さは、予め行なった膜形成における厚さと形成時間との関係から、膜形成時間（シャッタ開からシャッタ閉までの時間）により制御すればよい。
この後、プラズマ放電２０を停止するとともに、チャンバ１０からガスを排気する。次に、基板１１０の温度が、基板１１０をチャンバ１０から取り出してよい状態になるまで待つ。そして、ガス供給部７０により窒素をチャンバ１０内に供給する等により大気圧に戻し蓋部１２を開放するか、またはチャンバ１０内を大気圧に戻すことなくロボットアームにて、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層が形成された基板１１０を取り出す。
以上のようにして、スパッタリング装置１により、基板１１０上にＩＩＩ族窒化物化合物半導体層が形成される。
上記のＩＩＩ族窒化物化合物半導体層が中間層１２０であって、さらにスパッタリング装置１にて、中間層１２０上に積層して下地層１３０を形成する場合には、下地層１３０に適合したターゲット２１を用いて、上記の製造方法を繰り返せばよい。
そして、前述した半導体発光素子ＬＣの製造方法を経て、図４に示した半導体発光素子ＬＣが製造される。

上述した半導体発光素子ＬＣの製造方法では、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体層は、中間層１２０または下地層１３０として説明した。これに引き続く、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、ｐ型半導体層１６０についても、スパッタリング装置１を用いて、上述したと同様の手順により形成することができる。
なお、ここで基板１１０とは、サファイア製の基板１１０の他、中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０、ｐ型半導体層１６０等のいずれかの層までが順に積層された状態の基板１１０をも含むものとする。

１…スパッタリング装置、１０…チャンバ、１１…収納部、１２…蓋部、１３…供給管、１４…排気管、２０…プラズマ放電、２１…ターゲット、２２…カソード、６０…基板ホルダ、６４…基板加熱部、６５…ヒータ、６６…抵抗体、７０…ガス供給部、７１…Ａｒ源、７２…Ｎ_２源、８０…排気部、９１…第１電源、９２…第２電源、９５…制御部、１００…積層半導体層、１１０…基板、１２０…中間層、１３０…下地層、１４０…ｎ型半導体層、１５０…発光層、１６０…ｐ型半導体層、１７０…透明正極、１８０…正極ボンディングパッド、１９０…負極ボンディングパッド、２００…保護層、ＬＣ…半導体発光素子

Claims (5)

1. チャンバ内の下部に設置されたターゲットと、
   前記チャンバ内の上部に設置され、一方の表面が前記ターゲットと対向するように配置されたサファイア基板と、
   前記チャンバ内において、前記サファイア基板の上方に設置され、４μｍ以上の波長を含む電磁波を放射し、当該サファイア基板を他方の表面側から加熱する加熱部材と、を備え、
   前記サファイア基板は、当該サファイア基板を前記一方の表面の端部で保持するように当該サファイア基板の形状に対応して切り抜かれた開口を有する基板ホルダにおいて、当該開口に嵌め込まれて保持され、前記電磁波が当該サファイア基板の前記他方の表面の全面にわたって照射されるとともに、
   前記加熱部材は、前記基板ホルダを保持する基板ホルダ保持部内に収納されていることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記ターゲットは、ＩＩＩ族元素、ＩＩＩ族元素を含む混合物またはＩＩＩ族元素を含む化合物であって、当該ターゲットと前記サファイア基板との間に窒素を含む雰囲気中に形成されたプラズマ放電により、前記サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物層を形成す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. 前記加熱部材は、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）で覆われた炭素であることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
4. チャンバ内の下部に設置されたＩＩＩ族元素、ＩＩＩ族元素を含む混合物またはＩＩＩ族元素を含む化合物のターゲットと、当該チャンバの上部に設置され、一方の表面が当該ターゲットと対向するように配置されたサファイア基板と、当該サファイア基板の上方に設置された加熱部材と、を備え、
   前記サファイア基板が、当該サファイア基板を前記一方の表面の端部で保持するように当該サファイア基板の形状に対応して切り抜かれた開口を有する基板ホルダにおいて、当該開口に嵌め込まれて保持されるとともに、前記加熱部材は、当該基板ホルダを保持する基板ホルダ保持部内に収納されているスパッタリング装置において、
   前記加熱部材から放射される４μｍ以上の波長を含む電磁波を前記サファイア基板の他方の表面の全面に照射して、前記サファイア基板を加熱する基板加熱工程と、
   前記ターゲットと前記サファイア基板との間に窒素を含む雰囲気において形成されたプラズマにより、前記サファイア基板上にＩＩＩ族窒化物層を形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
5. 前記加熱部材は、熱分解窒化ホウ素（ＰＢＮ）で覆われた炭素であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。

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