(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面を前処理する基板表面前処理手段と、
前処理された前記基板に有機薄膜を塗布する有機薄膜塗布手段と、
前記有機薄膜が塗布された前記基板に光を集光照射して、膜厚制御しながら成長抑制層を形成する集光照射手段と、
前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させる第１の薄膜成長手段と、
前記成長抑制層を除去して前記基板の表面を露出させた後、露出した前記基板の表面を改質する基板表面処理手段と、
改質後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させる第２の薄膜成長手段と、
を備えることを特徴とする半導体薄膜の製造装置。
【請求項２】
前記集光照射手段は、
前記基板を載置して水平または垂直方向に走査可能な支持部と、
前記支持部に載置された前記基板の表面に対して光を集光照射する集光部と、
前記基板の表面の光学像を観察して前記集光部から照射される光の集光点と前記基板の表面との距離を把握する観察部と、
前記観察部の観察結果に基づいて前記支持部を走査して、前記集光部に対する前記基板の位置決めを行う制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項３】
前記集光照射手段は、前記集光部から照射される光の集光点と前記基板の表面との距離、光強度、または走査速度を制御することにより、所望の厚さの前記成長抑制層を形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項４】
前記支持部は、前記集光部から照射される光の集光点と前記基板との距離を一定に保持可能な、ピエゾ制御型ステージからなることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項５】
前記集光照射手段は、前記支持部に載置された前記基板の裏面に対向する位置に、前記基板の表面に形成された基準点に対して前記基板の裏面から照明光を照射する照明用光源を備え、
前記観察部は、前記照明用光源により照明された前記基準点の光学像を撮像する撮像素子を備えており、
前記撮像素子は、前記基板を特定振動数で垂直方向に微小振動させたときの、前記基準点の光学像の大きさの変化を交流信号に変換し、
前記制御部は、前記特定振動数に対応する周波数の前記交流信号の振幅強度が最小となるように前記支持部を走査して、前記集光部に対する前記基板の位置決めを行うことを特徴とする請求項２に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項６】
前記基板表面処理手段は、
前記基板を保持する保持部と、
前記基板の表面温度を制御する温度調節部と、
ガス雰囲気を調節するガス導入部と、
前記ガス導入部と前記保持部とを格納する処理室と、
を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体薄膜の製造装置。
【請求項７】
基板に有機薄膜を塗布し、
前記有機薄膜を塗布した前記基板に光を集光照射し、集光照射されなかった領域の前記有機薄膜を除去することによって炭素を含む成長抑制層を形成し、
前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させ、
前記成長抑制層を、水素、或いはアンモニアを含むガス雰囲気中に前記基板を導入し加熱することにより除去することによって前記基板の表面を露出させ、
露出した前記基板の表面を改質させ、
改質後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させることを特徴とする半導体薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記半導体薄膜は、窒化物薄膜であることを特徴とする請求項７に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項９】
露出した前記基板の表面を、水素、およびアンモニアを含むガス雰囲気中に前記基板を導入し加熱することによって改質させることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１０】
前記光は、パルスレーザ光であることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１１】
前記基板は、水素を含むガス雰囲気中で加熱処理したサファイア基板であることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１２】
前記半導体薄膜を有機金属気相成長法によって成長させることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体薄膜の製造方法。
【請求項１３】
基板に有機薄膜を塗布し、
前記有機薄膜を塗布した前記基板に光を集光照射し、集光照射されなかった領域の前記有機薄膜を除去することによって炭素を含む成長抑制層を形成し、
前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させ、
前記成長抑制層を、水素、或いはアンモニアを含むガス雰囲気中に前記基板を導入し加熱することにより除去することを特徴とする半導体薄膜の選択成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜を基板上に選択成長させ、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を製造する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長変換デバイスを実現する方法として、非線形光学媒質を用いる方法が知られている。なかでも、対称中心の無い１軸性結晶を用いる場合、その非線形光学特性を向上させる目的から、成長方位（極性、或いは分極）を周期的に反転させて擬似位相整合を実現することが必須となっている。近年、半導体素子などで注目される窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体も１軸性結晶であり、非線形光学媒質としての利用が期待されている。このため、窒化物半導体の周期極性反転技術の開発が望まれている。【０００３】
これまでにも、ＧａＮ薄膜成長に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、極性反転および反転領域を制御するパターン形成法が提案されている。【０００４】
一方、より実用化に適している有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる場合にも、極性反転や反転領域を制御できるパターン形成法が求められている。【０００５】
例えば、特許文献１には、成長マスクを用いて硝酸処理を行ったサファイア基板上に半導体薄膜を成長させることによって、極性反転した半導体薄膜を形成する極性反転技術が開示されている。【０００６】
また、基板への電子線照射を利用する極性反転技術として、例えば、特許文献２には、高温水素処理を行ったサファイア基板に電子線を照射し、電子線処理した基板に有機金属気相成長によって半導体薄膜を堆積させる極性反転技術が開示されている。さらに、電子線照射法を改良した極性反転技術が非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】日本国公開特許公報２００５−０２６４０７号（２００５年１月２７日公開）
【特許文献２】日本国公開特許公報２００６−２６５６１３号（２００６年１０月５日公開）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】第６８回応用物理学会学術講演会7ａ-ZR-6
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の極性反転技術の場合、所望の領域で極性反転させた半導体薄膜を得るために、レジスト材料を用いて基板にマスクパターンを形成する必要がある。そのレジスト材料を扱う工程に不可欠な熱処理や溶媒処理が、半導体薄膜成長のための基板表面処理効果を損ねてしまうという問題を有している。【００１０】
また、特許文献２および非特許文献１の極性反転技術では、電子線を扱うために、試料を超高真空環境へ搬入する必要があり、また、描画に時間を要するという問題を有している。【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、パターン形成の際に従来必要であったエッチング工程や超高真空環境を要しないで、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を製造する方法および装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、半導体薄膜の選択成長方法、および所望の領域の成長状態が制御された半導体薄膜を備えた半導体素子を提供することある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の半導体薄膜の製造装置は、基板の表面を前処理する基板表面前処理手段と、前処理された前記基板に有機薄膜を塗布する有機薄膜塗布手段と、前記有機薄膜が塗布された前記基板に光を集光照射して、膜厚制御しながら成長抑制層を形成する集光照射手段と、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させる第１の薄膜成長手段と、前記成長抑制層を除去して前記基板の表面を露出させた後、露出した前記基板の表面を改質する基板表面処理手段と、改質後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させる第２の薄膜成長手段とを備えることを特徴としている。【００１３】
また、上記の課題を解決するために、本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板に有機薄膜を塗布し、前記有機薄膜を塗布した前記基板に光を集光照射して炭素を含む成長抑制層を形成し、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させ、前記成長抑制層を除去することによって前記基板の表面を露出させ、露出した前記基板の表面を改質させ、前記処理後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させることを特徴としている。【００１４】
上記発明によれば、基板表面前処理手段より基板の表面を前処理した後、有機薄膜塗布手段によって有機薄膜が塗布された基板に、集光照射手段によって光を所望の領域に集光照射する。これにより、半導体薄膜の成長抑制効果を有する炭素を含む成長抑制層が形成されるため、第１の薄膜成長手段によって半導体薄膜を選択成長させることができる。さらに、成長抑制層は除去が可能であるため、基板表面処理手段によって成長抑制層を除去し、露出した基板の表面を改質させた後、第２の薄膜成長手段によって半導体薄膜をさらに成長させることにより、改質させた基板表面に成長状態が変換された半導体薄膜を成長させることができる。【００１５】
ここで、基板の表面の改質とは、基板の表面に成長する半導体薄膜の成長状態を変換させるために、基板の表面の属性を変化させることをいう。つまり、改質された基板の表面には、成長状態が変換された半導体薄膜が成長する。なお、改質は、基板自体を化学変化させて属性を変化させてもよく、或いは、基板の表面に薄膜を形成して基板表面の属性を変化させてもよい。また、成長状態とは、例えば、成長抑制の有無、成長方位（極性など）、結晶構造などをいう。【００１６】
このように、本発明によれば、従来のようにエッチング工程や超高真空環境を要することなく、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明の半導体薄膜の製造装置は、基板の表面を前処理する基板表面前処理手段と、前処理された前記基板に有機薄膜を塗布する有機薄膜塗布手段と、前記有機薄膜が塗布された前記基板に光を集光照射して、膜厚制御しながら成長抑制層を形成する集光照射手段と、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させる第１の薄膜成長手段と、前記成長抑制層を除去して前記基板の表面を露出させた後、露出した前記基板の表面を改質する基板表面処理手段と、改質後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させる第２の薄膜成長手段とを備える。【００１８】
また、本発明の半導体薄膜の製造方法は、基板に有機薄膜を塗布し、前記有機薄膜を塗布した前記基板に光を集光照射して炭素を含む成長抑制層を形成し、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させ、前記成長抑制層を除去することによって前記基板の表面を露出させ、露出した前記基板の表面を改質させ、改質後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させる。【００１９】
これにより、エッチング工程を要しないで半導体薄膜を基板に選択成長させることができる。また、従来の電子線照射法と比較して、描画が高速なうえ超高真空環境を要しないで、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を形成する半導体薄膜の製造装置および製造方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１の（ａ）〜（ｈ）は、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法の各工程を説明するための断面図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図３（ａ）】図３（ａ）は、有機薄膜が塗布されたサファイア基板に、パルス光の照射条件を変えて集光照射した後のサファイア基板の表面を示す写真である。
【図３（ｂ）】図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すサファイア基板を洗浄後、ＧａＮ薄膜を成長させた後のＧａＮ薄膜の表面を示す写真である。
【図４】図４は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程において、導電性有機薄膜などからなる有機薄膜が塗布されたサファイア基板の表面近傍へ集光照射する状態を示す側面図である。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程における集光点の位置（高さ）を示す側面図であり、有機薄膜内部への集光照射を示している。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程における集光点の位置（高さ）を示す側面図であり、有機薄膜とサファイア基板との間の界面（サファイア基板１の表面）への集光照射を示している。
【図５（ｃ）】図５（ｃ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程における集光点の位置（高さ）を示す側面図であり、サファイア基板内部への集光照射を示している。
【図６】図６は、図１（ｅ）に示す薄膜成長工程（Ｉ）において、サファイア基板上に選択成長させたＧａＮ薄膜を示す写真である。
【図７（ａ）】図７（ａ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程において、０．０９μＪ／パルスのパルス光を１０μｍ／ｓの走査速度でサファイア基板の表面に集光照射したサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜を示す写真である。
【図７（ｂ）】図７（ｂ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程において、０．０１μＪ／パルスのパルス光を１０μｍ／ｓの走査速度でサファイア基板の表面に集光照射したサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜を示す写真である。
【図８】実施の形態１に係るＧａＮ薄膜の周期極性反転構造を示す斜視図である。
【図９（ａ）】図９（ａ）は、実施の形態１に係るＧａＮ薄膜の結晶構造を示す図であり、Ｇａ面（＋ｃ）極性のＧａＮ薄膜の結晶構造を示している。
【図９（ｂ）】図９（ｂ）は、実施の形態１に係るＧａＮ薄膜の結晶構造を示す図であり、Ｎ面（−ｃ）極性のＧａＮ薄膜の結晶構造を示している。
【図１０（ａ）】図１０（ａ）は、図１の（ｆ）に示す基板表面処理工程における表面処理が不十分な場合のＧａＮ薄膜を示す平面写真である。
【図１０（ｂ）】図１０（ｂ）は、図１の（ｆ）に示す基板表面処理工程における表面処理が適切な場合のＧａＮ薄膜を示す平面写真である。
【図１０（ｃ）】図１０（ｃ）は、図１の（ｆ）に示す基板表面処理工程における表面処理が過剰な場合のＧａＮ薄膜を示す平面写真である。
【図１１】実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法によって製造された半導体薄膜を備えた、波長変換素子を有する光集積回路を示す平面図である。
【図１２】図１２の（ａ）〜（ｈ）は、実施の形態２に係る半導体薄膜の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】実施の形態３に係る半導体薄膜の製造装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す集光照射手段の構成を示すブロック図である。
【図１５（ａ）】図１５（ａ）は、サファイア基板の表面より上方に集光レンズの焦点があるときの断面図である
【図１５（ｂ）】図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示すときに、基板表面に形成した基準ドットを図１４に示す撮像素子によって撮像したときの光学像を示す図である。
【図１６（ａ）】図１６（ａ）は、サファイア基板の表面上に集光レンズの焦点があるときの断面図である。
【図１６（ｂ）】図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示すときに、基板表面に形成した基準ドットを図１４に示す撮像素子によって撮像したときの光学像を示す図である。
【図１７（ａ）】図１７（ａ）は、サファイア基板の表面より下方に集光レンズの焦点があるときの断面図である。
【図１７（ｂ）】図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示すときに、基板表面に形成した基準ドットを図１４に示す撮像素子によって撮像したときの光学像を示す図である。
【図１８】図１８は、集光レンズの焦点の基板表面に対する高さｈと基板表面に形成した基準ドットの光学像の直径Ｄとの関係を示すグラフである。
【図１９（ａ）】図１９（ａ）は、図１５（ａ）に示すサファイア基板を基板に垂直に微小振動させたとき、撮像素子上の結像状態を示す断面図である。
【図１９（ｂ）】図１９（ｂ）は、図１６（ａ）に示すサファイア基板を基板に垂直に微小振動させたとき、撮像素子上の結像状態を示す断面図である。
【図１９（ｃ）】図１９（ｃ）は、図１９（ｂ）に示す撮像素子の受光面を示す拡大断面図である。
【図２０（ａ）】図２０（ａ）は、図１９（ａ）に対応する垂直微小振動時に、撮像素子によって変換される出力信号を示すグラフである。
【図２０（ｂ）】図２０（ｂ）は、図１９（ｂ）に対応する垂直微小振動時に、撮像素子によって変換される出力信号を示すグラフである。
【図２１（ａ）】図２１（ａ）は、サファイア基板の表面上に集光レンズの焦点がある場合の集光照射を示す断面図である。
【図２１（ｂ）】図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す条件で集光照射した後のサファイア基板の表面に選択成長させたＧａＮ薄膜の表面を示す写真である。
【図２２（ａ）】図２２（ａ）は、サファイア基板の表面の上方約１５μｍに集光レンズの焦点がある場合の集光照射を示す断面図である。
【図２２（ｂ）】図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示す条件で集光照射した後のサファイア基板の表面に選択成長させたＧａＮ薄膜の表面を示す写真である。
【図２３（ａ）】図２３（ａ）は、サファイア基板の表面上方約２４μｍに集光レンズの焦点がある場合の集光照射を示す断面図である。
【図２３（ｂ）】図２３（ｂ）は、図２３（ａ）に示す条件で集光照射した後のサファイア基板の表面に選択成長させたＧａＮ薄膜の表面を示す写真である。
【図２４】図２４は、図１３に示す基板表面処理手段の構成を示す断面図である。
【図２５（ａ）】図２５（ａ）は、実施例に係る周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜を示す平面写真である。
【図２５（ｂ）】図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示す周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜の部分拡大写真である。
【図２５（ｃ）】図２５（ｃ）は、図２５（ｂ）に示す周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜の部分拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施の形態について図１ないし図１１に基づいて説明すると以下のとおりである。実施の形態１では、本発明に係る半導体薄膜の製造方法によって、基板上に周期極性反転構造を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜を形成する場合について説明する。
【００２２】
図１の（ａ）〜（ｈ）は、実施の形態１に係る半導体薄膜４の製造方法を説明するための断面図である。また、図２は、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造装置６の構成を示すブロック図である。半導体薄膜の製造装置６は、図２に示すように、基板表面前処理手段７と、集光照射手段８と、薄膜成長手段９と、基板表面処理手段１０とを備えている。
【００２３】
基板表面前処理手段７は、半導体薄膜が成長し易くするために、基板表面を前処理する手段であり、実施の形態１では、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１の表面を高温水素処理する。
【００２４】
集光照射手段８は、基板表面前処理手段７によって高温水素処理されたサファイア基板１にパルス光を集光照射するための手段である。なお、集光照射手段８によって集光照射される光は、連続光も可能であり、パルス光に限られない。
【００２５】
薄膜成長手段９は、集光照射と洗浄を済ませたサファイア基板１上に半導体薄膜４を選択成長させるための手段である。
【００２６】
基板表面処理手段１０は、選択成長させたサファイア基板１の表面を改質処理するための手段である。なお、基板表面前処理手段７と、薄膜成長手段９と、基板表面処理手段１０とは、反応原料を含めてガス雰囲気下で基板１の表面を扱う装置である。このため、基板表面前処理手段７と、薄膜成長手段９と、基板表面処理手段１０とは、同一の手段であっても構わない。
【００２７】
実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法は、図１の（ａ）〜図１の（ｈ）に示すように、（ａ）基板表面前処理工程と、（ｂ）有機薄膜塗布工程と、（ｃ）集光照射工程と、（ｄ）洗浄工程と、（ｅ）薄膜成長工程（Ｉ）と、（ｆ）基板表面処理工程と、（ｇ）基板表面改質処理工程と、（ｈ）薄膜成長工程（ＩＩ）とを含んでいる。
【００２８】
まず、基板表面前処理工程では、図１の（ａ）に示すように、図２に示す基板表面前処理手段７内において、１気圧程度の水素ガス中、１０６０℃程度で１０分間サファイア基板１を高温水素処理する。これにより、サファイア基板１上にＧａＮ薄膜４をエピタキシャル成長させることが可能になる。なお、基板表面前処理工程は必要に応じて省略することもできる。
【００２９】
次に、有機薄膜塗布工程では、このサファイア基板１を基板表面前処理手段７から大気中に取り出し、図１の（ｂ）に示すように、有機薄膜２をサファイア基板１の上に塗布する。有機薄膜２には、例えば、poly(isothianaphthenediyl-sulfonate)（左記有機高分子を主成分とする、昭和電工（株）製  エスペイサー３００Ｚ）などを用いることができる。
【００３０】
次に、集光照射工程では、図１の（ｃ）に示すように、図２に示す集光照射手段８を用いて、チタンサファイア再生増幅器から得られたフェムト秒パルス光（光）１２（例えば、中心波長：８００ｎｍ、パルス幅：約１００ｆｓ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）を、集光レンズ１１によって集光して、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１に照射する。このとき、パルス光１２が照射された領域に、有機薄膜２を構成する炭素（カーボン）を含む厚さ数ｎｍ程度のカーボン層（成長抑制層）３が形成される。カーボン層３は、半導体薄膜４の成長を抑制する効果を有し、成長抑制マスクと等価な効果を有する。
【００３１】
このとき、集光レンズ１１に対物レンズを用いると、収差の影響を抑えることができる。また、集光レンズ１１の開口数が高いほど集光点を空間的に限定することができる。この集光点（集光領域）をサファイア基板１の表面、或いは表面近傍で走査し、描画を行う。
【００３２】
パルス光１２の光源としてチタンサファイア再生増幅器の例を挙げたが、これに限定されない。チタンサファイア再生増幅器以外にも、光パラメトリック増幅器など多様な光源を使用できると考えられる。ここで、パルス光とは、数十ｎｓから数ｆｓのパルス幅を持つ光をいう。なお、実施の形態１では、パルス光を用いたが、これに限定されない。例えば、半導体レーザなどのレーザ光などを用いることができる。実施の形態１において、レーザ光とは、多光子過程もしくは直接過程により、基板或いは有機薄膜と相互作用することが可能な範囲の波長を有するレーザ光をいう。
【００３３】
次に、洗浄工程では、集光照射済みのサファイア基板１（集光照射基板）を純水などの溶媒で洗浄する。これにより、図１の（ｄ）に示すように、パルス光１２が照射されなかった領域の有機薄膜２が除去され、パルス光１２を照射された領域、すなわちカーボン層３のみがサファイア基板１上に残る。
【００３４】
次に、薄膜成長工程（Ｉ）では、図２に示す薄膜成長手段９内において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などにより、図１の（ｅ）に示すように、サファイア基板１上にＧａ面極性（＋ｃ極性）のＧａＮ薄膜４ａを成長させる。なお、ＧａＮ薄膜４ａを成長させる際には高温水素処理を行わずに、低温バッファ層と高温ＧａＮ層との成長を始めることが、カーボン層３の成長抑制効果を維持する観点から好ましい。これにより、集光照射により形成されたカーボン層３上がＧａＮ薄膜４ａの非成長領域となるため、集光照射されなかった領域（カーボン層３以外の領域）のみにＧａ面極性のＧａＮ薄膜４ａを成長させることができる。このように、基板表面前処理工程と、有機薄膜塗布工程と、集光照射工程と、洗浄工程と、薄膜成長工程（Ｉ）とを経ることによって、サファイア基板１の所望の領域にＧａ面極性のＧａＮ薄膜４ａを成長させることができる（選択成長法）。
【００３５】
また、ＧａＮ薄膜４ａの成長条件（反応槽圧力や温度、Ｖ／ＩＩＩ比）やパルス光１２の描画パターン（配向方向、ＦＦ値；開口部の幅／周期）を変えることで、ＧａＮ薄膜４ａの側面ファセットを制御できる（ＧａＮ薄膜４ａの側面を、垂直或いは傾斜した形状に制御できる）。
【００３６】
次に、基板表面処理工程では、図２に示す基板表面処理手段１０内において、１気圧程度の水素ガス中、１０４０℃程度で１分４５秒間程度サファイア基板１を高温水素処理する。これにより、図１の（ｆ）に示すように、カーボン層３をサファイア基板１から取り除くことができる。従来のような二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）またはタングステン（Ｗ）からなる成長マスク層の場合は、一度基板上に形成されると、その後に取り除くことが困難である。一方、実施の形態１では、半導体薄膜４に対し成長抑制効果を有するカーボン層３をサファイア基板１上に形成した後でも、取り除くことができる。これにより、成長抑制効果のオン・オフの切り替えが可能となり、サファイア基板１上の所望の領域毎に、薄膜成長の開始時間に差を設けることができる。
【００３７】
次に、基板表面改質処理工程では、図２に示す基板表面処理手段１０内において、例えば、水素とアンモニアとの混合ガス中（合わせて約１気圧）、１０４０℃程度で５分間サファイア基板１を表面処理する。これにより、図１の（ｇ）に示すように、基板表面処理工程により露出したサファイア基板１の表面が窒化され、改質表面５となる。なお、基板表面処理工程と基板表面改質処理工程とは、同一の基板表面処理手段１０内において実施することが可能である。これにより、工程数を減らすことができる。
【００３８】
最後に、薄膜成長工程（ＩＩ）では、図１の（ｈ）に示すように、再び図２に示す薄膜成長手段９内において、ＧａＮ薄膜４を成長させる。このとき、サファイア基板１上のＧａ面極性のＧａＮ薄膜４ａ上には引き続きＧａ面極性のＧａＮ薄膜４ａが成長する。一方、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａに挟まれた、窒化された改質表面５上には、Ｎ面極性（−ｃ極性）のＧａＮ薄膜４ｂが成長する。これにより、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａの間に、Ｎ面極性のＧａＮ薄膜４ｂが形成されるため、所望の領域で極性を交互に反転させたＧａＮ薄膜４（４ａ・４ｂ）を形成することができる。
【００３９】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施の形態１に係るサファイア基板１を用いたＧａＮ薄膜４のａ選択成長を説明するための写真である。図３（ａ）は、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１に、パルス光の照射条件を変えて集光照射した後のサファイア基板１の表面を示す写真である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すサファイア基板１を洗浄後、ＧａＮ薄膜４ａを成長させた後のＧａＮ薄膜４ａの表面を示す写真である。有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１に、集光照射工程においてパルスエネルギー０．０９μＪ／パルス、走査速度１０μｍ／ｓの条件でパルス幅約１００フェムト秒（フェムト秒パルス光）の光をサファイア基板１の表面に集光照射すると、図３（ａ）の左側に示すように、サファイア基板１にアブレーションが生じて傷が付く。このようなサファイア基板１を洗浄後、ＧａＮ薄膜４ａを成長させた場合、図３（ｂ）の左側に示すように、傷の周りにＧａＮ薄膜４を選択成長させることができるが、傷の周辺部のＧａＮ薄膜４ａには凹凸が生じる。一方、０．０１μＪ／パルス、１０μｍ／ｓの条件でサファイア基板表面にフェムト秒パルス光を集光照射すると、図３（ａ）の右側に示すように、サファイア基板１に傷は付かず、さらに、図３（ｂ）の右側に示すように、集光領域（カーボン層３）の周辺部に凹凸のないＧａＮ薄膜４ａを選択成長させることができる。
【００４０】
このように、集光照射工程において、パルス光１２の照射条件を調整することによって、サファイア基板１に傷や凹凸を形成することなくカーボン層３を形成することで、良好な状態のＧａＮ薄膜４ａを選択成長させることができる。
【００４１】
図４は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程において、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１の表面近傍へ集光照射する状態を示す側面図である。有機薄膜２は、帯電防止用の導電性有機物を含んでいてもよい。このように、集光照射工程では、集光レンズ（対物レンズ）１１で集光したパルス光１２をサファイア基板１に照射することにより、サファイア基板１の所望の領域にカーボン層３を形成することができる。
【００４２】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程における集光点の位置（高さ）を示す側面図であり、図５（ａ）は、有機薄膜２内部への集光照射を示しており、図５（ｂ）は、有機薄膜２とサファイア基板１との間の界面（サファイア基板１の表面）への集光照射を示しており、図５（ｃ）は、サファイア基板１内部への集光照射を示している。有機薄膜塗布工程において有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１に、集光照射工程においてパルス光１２を集光照射するときは、図５（ａ）に示すように、有機薄膜２内部に集光照射してもよく、図５（ｂ）に示すように、有機薄膜２とサファイア基板１との間の界面へ集光照射してもよい。また、図５（ｃ）に示すように、サファイア基板１の内部にパルス光１２を集光照射してもよい。このように、サファイア基板１に対するパルス光１２の集光点の位置は、パルス光１２のパルス光の照射条件などに応じて、適宜変更するものとする。
【００４３】
図６は、図１の（ｅ）に示す薄膜成長工程（Ｉ）において、サファイア基板１上に選択成長させたＧａＮ薄膜４ａを示す写真である。図６に示すように、薄膜成長工程（Ｉ）において、ＧａＮ薄膜４ａは、カーボン層３上では成長せず、カーボン層３の周りに選択成長する。このように、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１の所望の領域にパルス光１２を集光照射することでＧａＮ薄膜４ａの成長を抑制するカーボン層３を形成することができるため、サファイア基板１の所望の領域にＧａＮ薄膜４ａを選択成長させることができる。
【００４４】
図７（ａ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程において０．０９μＪ／パルスのパルス光を１０μｍ／ｓの走査速度で集光照射したサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜４ａを示す写真である。また、図７（ｂ）は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程において０．０１μＪ／パルスのパルス光を１０μｍ／ｓの走査速度でパルス光１２を集光照射したサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜４ａを示す写真である。集光照射工程において、パルスエネルギーが高すぎると、サファイア基板１の表面でアブレーションを起こり傷が生じてしまう。このため、図７（ａ）に示すように、選択成長させたＧａＮ薄膜４ａの表面には凹凸が生じる。一方、パルスエネルギーが低すぎるとカーボン層３による十分な成長抑制効果が得られない。よって、パルスエネルギーを最適化することにより、図７（ｂ）に示すように、良好な状態のＧａＮ薄膜４ａの選択成長を実現することができる。
【００４５】
また、同一のパルスエネルギーでも、集光照射時に走査速度が速いと集光照射効果は減少し、走査速度が遅いと集光照射効果は増大する。さらに、同一のパルスエネルギーでも、集光点がサファイア基板１の表面から離れるほど集光照射効果は減少し、近づくほど集光照射効果は増大する。よって、集光レンズ１１の開口数やパルス光１２の照射条件に応じ、パルスエネルギーや走査速度、集光点の位置などを適宜最適化する必要がある。
【００４６】
図８は、実施の形態１に係るＧａＮ薄膜４の周期極性反転構造を示す斜視図である。図８に示すように、ＧａＮ薄膜４は、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａとＮ面極性のＧａＮ薄膜４ｂとが、サファイア基板１の長手方向に向かって交互に周期的に形成されている。なお、Ｎ面極性のＧａＮ薄膜４ｂは、集光照射工程において、パルス光１２を集光照射した領域に形成される。このため、パルス光１２を集光照射する領域を制御することによって、サファイア基板１の所望の領域に、Ｎ面極性のＧａＮ薄膜４ｂを成長させることができる。
【００４７】
図９（ａ）は、実施の形態１に係るＧａＮ薄膜４の結晶構造を示す図であり、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａの結晶構造を示している。また、図９（ｂ）はＮ面極性のＧａＮ薄膜４ｂの結晶構造を示している。また、図９（ｂ）は、実施の形態１に係るＧａＮ薄膜４の結晶構造を示す図であり、Ｎ面極性のＧａＮ薄膜４ｂの結晶構造を示している。ＧａＮ薄膜４の結晶は１軸性結晶構造であるため、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、互いが１８０度反転した結晶構造をとることができる。このため、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａとＮ面極性のＧａＮ薄膜４ｂとは、非線形光学定数の符号が正負逆になっている。
【００４８】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、図１の（ｆ）に示す基板表面処理工程の効果を示す平面図である。図１０（ａ）は、基板表面処理工程における表面処理が不十分な場合の半導体薄膜４を示しており、図１０（ｂ）は、基板表面処理工程における表面処理が適切な場合の半導体薄膜４を示しており、図１０（ｃ）は、基板表面処理工程における表面処理が過剰な場合の半導体薄膜４を示している。実施の形態１では、基板表面処理工程において、上述したように、１気圧程度の水素ガス中、１０４０℃程度で１分４５秒間サファイア基板１を高温水素処理している。これにより、サファイア基板１上のカーボン層３を適切に除去すると共に、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａの損傷を最小限に抑えることができる。このため、図１０（ｂ）に示すように、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａとＮ面極性のＧａＮ薄膜４ｂとを所望の領域に成長させることができる。これに対して、基板表面処理工程での表面処理が不十分であり、サファイア基板１上にカーボン層３が残存した場合は、図１０（ａ）に示すように、Ｎ面極性のＧａＮ薄膜４ｂの成長が起こらず、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａの横方向の成長が見られる。また、基板表面処理工程での表面処理が過剰な場合は、図１０（ｃ）に示すように、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａの表面が損傷する。
【００４９】
なお、実施の形態１では、半導体薄膜４の材料としてＧａＮを用いているが、これに限定されない。例えば、ＡｌＧａＮなどを半導体薄膜４の材料として用いることができる。また、実施の形態１では、半導体薄膜４を成長させる方法として、有機金属気相成長法を用いているが、これに限定されない。例えば、薄膜成長工程（ＩＩ）においてハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を併用すれば、成長速度を速めて厚膜成長を実現することができる。
【００５０】
図１１は、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法によって製造されたＧａＮ薄膜４を備えた光集積回路を示す斜視図である。図１１に示すように、光集積回路２０は、サファイア基板２１上に、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法によって形成された周期極性反転構造と回折格子構造とを有するＧａＮ層２４、ＧａＮからなるリッジ型光導波路２５、および非成長領域を備えている。
【００５１】
ＧａＮ層２４の一方の端面から入射された励起光は、ＧａＮ層２４に形成された周期極性反転領域を通過することによって波長変換される。
【００５２】
ここで、波長変換用の非線形光学媒質として一般的なニオブ酸リチウムを用いた場合、差周波発生により得られる波長範囲は約５μｍより短波長側である。これに対して、波長変換用の非線形光学媒質として、実施の形態１に係る周期極性反転構造を有するＧａＮ層を用いた場合、差周波発生により得られる波長範囲は、約１３μｍまで長波長側に拡げることが期待できる。このように、実施の形態１に係る周期極性反転構造を有するＧａＮ層を波長変換用の非線形光学媒質として用いることによって、従来の波長変換用の非線形光学媒質では得ることのできない長波長領域の赤外光を発生させることができる。
【００５３】
ＧａＮ層２４の内部の周期極性反転構造を通過することによって波長変換され発生した赤外光は、ＧａＮ層２４内に形成された回折格子構造やプリズム結合により、ＧａＮ層２４の外部へ効率的に出力させることができる。また、ＧａＮ層２４の他方の端面に当接して配置されたリッジ型光導波路２５に入射させることもできる。
【００５４】
リッジ型光導波路２５は、ＧａＮからなり、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法の基板表面前処理工程と、有機薄膜塗布工程と、集光照射工程と、洗浄工程と、薄膜成長工程（Ｉ）とからなる選択成長法によって、サファイア基板２１上にＧａＮ薄膜４を選択成長させることで形成することができる。リッジ型光導波路２５の内部に入射した光は、リッジ型光導波路２５の内部を全反射して伝播する。
【００５５】
このように、光集積回路２０によれば、従来では得ることのできなかった赤外光を発生させることができ、また、リッジ型光導波路２５を用いて赤外光を所望の方向に伝播することができる。
【００５６】
なお、実施の形態１に係る周期極性反転構造のＧａＮ薄膜４は、光パラメトリック発振器などにも好適に適用することができる。
【００５７】
また、上述した選択成長法によれば、ミクロンオーダーのチャネル構造を作製し、微少量の試料を層流により搬送する試料セルの作製も可能である。この試料セルに上述した導波路を結合させることで、赤外光源を含めた光集積回路構造を構成することができる。赤外分光測定を細胞レベルで実現できれば、生体分子種を同定できるバイオセンサーへの応用が期待される。
【００５８】
以上のように実施の形態１によれば、高温水素処理したサファイア基板１に有機薄膜２を塗布し、再生増幅器などから得られたパルス光１２を集光照射して、サファイア基板１の表面に数ｎｍ程度のカーボン層３を形成する。そして、サファイア基板１上にＧａＮ薄膜４ａを成長させたとき、カーボン層３にはＧａＮ薄膜４ａに対して成長抑制マスクと等価な成長抑制効果が得られるため、サファイア基板１上の所望の領域にＧａＮ薄膜４ａを選択成長させることができる。
【００５９】
さらに、薄膜成長工程（Ｉ）後の基板表面処理工程によりカーボン層３による成長抑制効果を除くことができることを本発明者らは見出した。このように、カーボン層３による成長抑制効果のオン・オフを利用することで、サファイア基板１上の所望の領域で薄膜成長の開始時間に差を設けることができる。
【００６０】
また、カーボン層３を除去した後、サファイア基板１の露出した表面を基板表面改質処理工程において改質し改質表面５を形成することによって、その後の薄膜成長工程（ＩＩ）において改質表面５上にＧａＮ薄膜４ａとは成長状態の異なるＧａＮ薄膜４ｂをモザイク状に作り込むことができる。これにより、所望の領域の成長状態を制御した半導体薄膜４を製造することができる。
【００６１】
このように、実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法および製造装置は、窒化物半導体の成長状態を局所的に制御する新しい概念の技術であり、素子構造を薄膜面内に製造する際にも適用できる。従来のような超高真空環境やエッチング工程を必要としないので、工程数低減と低価格化を実現することができる。例えば、極性が交互に周期反転した構造（周期極性反転構造）を有する非線形光学素子を、半導体薄膜を用いて作製することが可能になる。これにより、半導体薄膜の光学材料としての応用分野を拡げることができる。また、半導体薄膜は既に様々な光学素子に実用化されており、同一の基板上に作り込めば機能を集積化することができる。
【００６２】
なお、実施の形態１では、周期極性反転したＧａＮ薄膜４を成長させる例を示したが、これに限定されない。上述したＡｌＧａＮなど他の窒化物も適用することができると考えられる。
【００６３】
また、実施の形態１では、所望の領域の成長状態が異なる半導体薄膜の例として周期極性反転した半導体薄膜について説明したが、これに限定されない。成長状態には、極性のほか、成長方位や結晶構造という属性なども含まれる。
【００６４】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について図１２の（ａ）〜（ｈ）に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、実施の形態２において説明すること以外の構成は、実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６５】
図１２の（ａ）〜（ｈ）は、実施の形態２に係る半導体薄膜の製造方法を説明するための断面図である。実施の形態２に係る半導体薄膜の製造方法は、図１２の（ａ）〜（ｈ）に示すように、（ａ）基板表面前処理工程と、（ｂ）有機薄膜塗布工程と、（ｃ）集光照射工程と、（ｄ）洗浄工程と、（ｅ）薄膜成長工程（Ｉ）と、（ｆ）基板表面処理工程と、（ｇ）基板表面改質処理工程と、（ｈ）薄膜成長工程（ＩＩ）とを含んでいる。
【００６６】
ここで、実施の形態２に係る半導体薄膜の製造方法では、薄膜成長工程（ＩＩ）でＧａＮとは異種材料を用いることが実施の形態１に係る半導体薄膜の製造方法と異なっている。
【００６７】
なお、図１２の（ａ）に示す基板表面前処理工程から図１２の（ｆ）に示す基板表面処理工程までの工程は、実施の形態１と同一の内容であるため、ここでは説明を省略する。
【００６８】
実施の形態２に係る半導体薄膜の製造方法では、図１２の（ｆ）に示す基板表面処理工程後、図１２の（ｇ）に示す基板表面改質処理工程において、ＧａＮとは異なる異種材料の薄膜を成長させるために必要な基板表面改質処理を、材料の種類に応じて適宜行う。これにより、図１２の（ｈ）に示す薄膜成長工程（ＩＩ）において、サファイア基板１およびＧａ面極性のＧａＮ薄膜４ａ上に、異種薄膜４ｃを成長させることができる。なお、異種薄膜４ｃの材料としては、例えば、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどを用いることができる。
【００６９】
このように、実施の形態２に係る半導体薄膜の製造方法によれば、半導体薄膜の面内に異種薄膜構造を作ることができる。
【００７０】
〔実施の形態３〕
本発明の第３の実施の形態について図１３〜図２４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。実施の形態３では、図２に示す半導体薄膜の製造装置６の他の実施の形態について説明する。なお、実施の形態３において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１および２と同じである。
【００７１】
図１３は、実施の形態３に係る半導体薄膜の製造装置１００の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、半導体薄膜の製造装置１００は、基板表面前処理手段１０１と、有機薄膜塗布手段１０２と、集光照射手段１０３と、第１の薄膜成長手段１０４と、基板表面処理手段１０５と、第２の薄膜成長手段１０６とを備える。
【００７２】
基板表面前処理手段１０１は、図１の（ａ）に示す基板表面前処理工程を実行する手段であり、サファイア基板１を高温水素処理する。具体的には、基板表面前処理手段１０１は、１気圧程度の水素ガス中、１０６０℃程度で１０分間サファイア基板１を高温水素処理する。これにより、サファイア基板１の表面にＧａＮ薄膜４を容易にエピタキシャル成長させることができる。
【００７３】
有機薄膜塗布手段１０２は、図１の（ｂ）に示す有機薄膜塗布工程を実行する手段であり、大気中において有機薄膜２をサファイア基板１の表面に塗布する。
【００７４】
集光照射手段１０３は、図１の（ｃ）に示す集光照射工程を実行する手段であり、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１の表面にパルスレーザ光１２ａ（例えば、チタンサファイアレーザで励起された、中心波長が８００ｎｍ、パルス幅が約１００ｆｓ、繰り返し周波数が１ｋＨｚのチタンサファイア再生増幅器から得られたフェムト秒パルスレーザ光）を集光照射する。集光照射手段１０３は、例えば、チタンサファイア再生増幅器から得られたフェムト秒パルスレーザ光を、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１に集光照射することにより、サファイア基板１上にカーボン層３を形成する。なお、集光照射手段１０３が集光照射する光は、パルスレーザ光１２ａに限られず、例えば、連続発振レーザ光であってもよい。
【００７５】
ここで、集光照射手段１０３は、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１の表面にパルスレーザ光１２ａを集光照射する際、照射強度の過剰によるアブレーションが発生しないように、或いは、照射強度の不足により成長抑制効果を消失しないように、パルスレーザ光１２ａの照射条件に応じて、サファイア基板１の表面に対する集光レンズ３４の焦点の最適な高さを特定する。なお、集光照射手段１０３の詳細については後述する。
【００７６】
第１の薄膜成長手段１０４は、図１の（ｅ）に示す薄膜成長工程（Ｉ）を実行する手段であり、図１の（ｄ）に示す洗浄工程において有機薄膜２が除去されたサファイア基板１上に、Ｇａ面極性（＋ｃ極性）のＧａＮ薄膜４ａを成長させる。第１の薄膜成長手段１０４には、例えば、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）などを用いることができる。
【００７７】
基板表面処理手段１０５は、図１の（ｆ）に示す基板表面処理工程、および図１の（ｇ）に示す基板表面改質処理工程を実行する手段であり、サファイア基板１上に形成されたカーボン層３を取り除き、露出したサファイア基板１の表面を改質する。基板表面処理手段１０５は、例えば、１気圧程度の水素ガス中、１０４０℃程度で１分４５秒間サファイア基板１を高温水素処理することにより、カーボン層３を取り除く。また、基板表面処理手段１０５は、例えば、水素とアンモニアとの混合ガス中（合わせて約１気圧）、１０４０℃程度で５分間サファイア基板１を表面処理することにより、露出したサファイア基板１の表面を窒化して改質表面５を形成する。なお、基板表面処理手段１０５の詳細については後述する。
【００７８】
第２の薄膜成長手段１０６は、図１の（ｈ）に示す薄膜成長工程（ＩＩ）を実行する手段であり、Ｇａ面極性（＋ｃ極性）のＧａＮ薄膜４ａ上に継続してＧａＮ薄膜４ａを、また、改質表面５上にＮ面極性（−ｃ極性）のＧａＮ薄膜４ｂを、それぞれ成長させる。第２の薄膜成長手段１０６には、第１の薄膜成長手段１０４と同様に、例えば、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）などを用いることができる。
【００７９】
以上のような構成の半導体薄膜の製造装置１００によれば、図１に示す半導体薄膜の製造方法を好適に実行することができるため、エッチング工程や超高真空環境を要しないで、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を製造することができる。
【００８０】
次に、図１３に示す集光照射手段１０３について、詳細に説明する。まず、集光照射手段１０３の構成について説明する。
【００８１】
図１４は、図１３に示す集光照射手段１０３の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、集光照射手段１０３は、集光部３０と、支持部４０と、（薄膜）観察部５０と、光源（照明用光源）５５と、制御部６０と、入力部７０とを備える。
【００８２】
集光部３０は、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１にパルスレーザ光１２ａを照射する。集光部３０は、光源３１と、シャッター３２と、ダイクロイックミラー３３と、集光レンズ３４とを備えている。
【００８３】
光源３１は、サファイア基板１の表面に集光照射するための光を照射する。光源３１には、例えば、チタンサファイア再生増幅器などを用いることができる。
【００８４】
シャッター３２は、パルスレーザ光１２ａの照射タイミングを制御および調整するものである。
【００８５】
ダイクロイックミラー３３は、光を反射する光学素子であり、光源３１から照射された光を集光レンズ３４に偏向させる。
【００８６】
集光レンズ３４は、パルスレーザ光１２ａを集光させるものであり、光学顕微鏡用の対物レンズなどを用いることができる。
【００８７】
以上のような構成の集光部３０によれば、光源３１から照射されたパルスレーザ光１２ａは、シャッター３２とダイクロイックミラー３３とを介して集光レンズ３４に達し、集光レンズ３４で集光されて、支持部４０のステージ４１上に載置されたサファイア基板１へ照射される。
【００８８】
支持部４０は、サファイア基板１を載置するステージ４１を備える。ステージ４１は、垂直方向および水平方向に走査可能であり、サファイア基板１を垂直移動させることにより、サファイア基板１の表面に対する集光レンズ３４の焦点の高さを調整する。また、ステージ４１には、後述する照明光を通過させるための貫通孔が設けられている。ステージ４１には、例えば、ピエゾ制御型ステージなどを用いることができる。
【００８９】
光源５５は、ステージ４１に載置されたサファイア基板１の裏面に対向する位置に配置されており、サファイア基板１の裏面から表面に向かう方向に照明光を照射する。
【００９０】
観察部５０は、サファイア基板１の表面の光学像を観察することにより、サファイア基板１の表面へのパルスレーザ光１２ａによる集光照射時の光学系を把握するとともに、集光照射の効果を観察する。観察部５０は、ミラー５１と、レンズ５２と、撮像素子５３と、増幅器５４とを備える。
【００９１】
ミラー５１は、集光レンズ３４から出た光を偏向させて、レンズ５２に入射させるためのものである。
【００９２】
レンズ５２は、ミラー５１によって反射された光を、撮像素子５３に結像するものである。
【００９３】
撮像素子５３は、レンズ５２が形成した光学像を電気信号に変換するものである。つまり、レンズ５２から入射された光を光電変換するセンサーデバイスである。撮像素子５３の受光面には、複数の画素がマトリクス状に配置された受光面が形成されており、受光面に結像された光学像を信号に変換して、増幅器５４に出力する。撮像素子５３には、例えば、ＣＣＤ（charge-coupled device）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサ、ＶＭＩＳイメージセンサ（Threshold Voltage Modulation Image Sensor）などを用いることができる。
【００９４】
増幅器５４は、撮像素子５３から送られてきた信号を増幅、或いは変換して制御部６０へ送る。
【００９５】
以上のような構成の観察部５０によれば、光源５５により照明されたサファイア基板１の表面上の物体から出た光は、集光レンズ３４およびダイクロイックミラー３３を順次透過する。そして、ミラー５１により偏向された光は、レンズ５２により集光されて撮像素子５３に結像し、撮像素子５３により電気信号に変換され、増幅器５４により増幅・変換された後、制御部６０へ送られる。
【００９６】
制御部６０は、集光照射手段１０３の各部の動作を制御する。制御部６０は、ロックイン増幅器６１と、制御ＰＣ６２と、支持部（ピエゾ）ドライバ６３と、発振器６４とを備える。
【００９７】
発振器６４は、参照信号を支持部ドライバ６３に送ってステージ４１を垂直微小振動させる一方、同じ周波数の参照信号をロックイン増幅器６１に送る。その結果、増幅器５４からロックイン増幅器６１に送られる電気信号も同期した交流信号となる。
【００９８】
ロックイン増幅器６１は、増幅器５４から送られた電気信号のうち、発振器６４からの参照信号と同期のとれた交流信号のみを検出する。そして、ロックイン増幅器６１は、当該交流信号を増幅した後、制御ＰＣ６２に送る。これにより、制御ＰＣ６２において、Ｓ／Ｎ比の良好な交流信号を検出することができる。
【００９９】
制御ＰＣ６２は、ロックイン増幅器６１から送られてきた交流信号を解析し、解析結果に基づいて支持部ドライバ６３を制御する。また、制御ＰＣ６２は、集光照射の開始と終了を規定する、シャッター３２の開閉を制御する。
【０１００】
支持部ドライバ６３は、制御ＰＣ６２からの制御信号に基づいて、支持部４０のステージ４１を垂直に駆動させ、サファイア基板１の表面と集光レンズの焦点との距離を調節する。支持部ドライバ６３には、例えば、ピエゾ制御型ステージ用のドライバなどを用いることができる。
【０１０１】
入力部７０は、集光照射手段１０３に各種の動作条件を入力するためのインターフェースであり、例えば、支持部４０の支持部初期データや、集光部３０の集光照射初期条件などを入力する。
【０１０２】
次に、集光照射手段１０３の動作について説明する。上述したように、集光照射手段１０３は、有機薄膜２が塗布されたサファイア基板１の表面にパルスレーザ光１２ａを集光照射する際、照射強度の過剰によるアブレーションが発生しないように、或いは照射強度の不足により成長抑制効果を消失しないように、パルスレーザ光１２ａの照射条件などに応じて、サファイア基板１の表面に対する集光レンズ３４の焦点の最適な高さを特定する。
【０１０３】
このために、集光照射手段１０３では、サファイア基板１の表面に対し適切な高さでパルスレーザ光１２ａを集光できるように、サファイア基板１の位置合わせを自動的に行う。なお、以下では、説明の便宜上、有機薄膜２を省略している。
【０１０４】
図１５（ａ）は、サファイア基板１の表面より上方に集光レンズ３４の焦点があるときの断面図であり、図１６（ａ）は、サファイア基板１の表面上に集光レンズ３４の焦点があるときの断面図であり、図１７（ａ）は、サファイア基板１の表面より下方に集光レンズ３４の焦点があるときの断面図である。なお、図１５（ａ）〜図１７（ａ）において、実線はパルスレーザ光１２ａを照射したときの光束を示している。図１５（ａ）〜図１７（ａ）に示すように、パルスレーザ光１２ａの光軸と直交するサファイア基板１の表面部に、基準ドット（基準点）１３を予め形成する。基準ドット（基準点）１３は、回折限界程度のサイズを有していることが望ましく、例えば、パルスレーザ光１２ａを用いて、サファイア基板１の表面上にアブレーションを起こすことで形成することができる。
【０１０５】
図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示すときに、撮像素子５３によって撮像される基準ドット１３の光学像を示す図である。図１６（ａ）に示すように、サファイア基板１の表面上に集光レンズ３４の焦点がある配置で、サファイア基板１の表面に設けられた基準ドット１３の光学像のサイズＤが最小となるように、観察部のレンズ５２の位置を予め調節しておく。これにより、基準ドット１３を撮像すると図１６（ｂ）に示すような光学像が得られる。
【０１０６】
図１５（ｂ）は、観察部のレンズ５２の位置を上述した位置に調節した後、図１５（ａ）に示すときに、撮像素子５３によって撮像される基準ドット１３の光学像を示す図である。サファイア基板１の表面より高さｈだけ上方に集光レンズ３４の焦点がある場合、図１５（ｂ）に示すように、基準ドット１３の光学像のサイズＤはボケを伴い拡がって観察される。
【０１０７】
また同様に、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示すときに、撮像素子５３によって撮像される基準ドット１３の光学像を示す図である。サファイア基板１の表面より高さｈだけ下方に集光レンズ３４の焦点がある場合、図１７（ｂ）に示すように、基準ドット１３の光学像のサイズＤはボケを伴い拡がって観察される。
【０１０８】
図１８は、集光レンズ３４の焦点の高さｈと、基準ドット１３の光学像のサイズＤとの関係を示すグラフである。図１８に示すように、集光点の高さｈが零のとき、すなわち、サファイア基板１の表面上に集光レンズ３４の焦点があるとき、サイズＤは最小となる。一方、集光レンズ３４の焦点がサファイア基板１の表面から上方或いは下方に離れるに従って、サイズＤは増加する。
【０１０９】
図１９（ａ）は、図１５（ａ）に示すサファイア基板１を矢印の方向に微小振動（ウォブリング）させた状態を示す図であり、図１９（ｂ）は、図１６（ａ）に示すサファイア基板１を矢印の方向に微小振動させた状態を示す図である。また、図１９（ｃ）は、図１９（ｂ）に示す撮像素子５３の受光面を示す拡大断面図である。なお、以下では説明の便宜上、ダイクロイックミラー３３とミラー５１を省略している。
【０１１０】
制御ＰＣ６２は、支持部ドライバ６３を制御して、サファイア基板１を載置したステージ４１を、発振器６４の参照信号で規定される周波数で振幅Ｗで垂直微小振動させる。このとき、一定の振幅Ｗでサファイア基板１を垂直微小振動させた場合であっても、集光レンズ３４の焦点がサファイア基板１の表面から離れている場合と、集光レンズ３４の焦点がサファイア基板１の表面上にある場合とでは、基準ドット１３の光学像のサイズＤの変化率が異なる。
【０１１１】
すなわち、図１８に示すように、集光レンズ３４の焦点がサファイア基板１の表面上にある場合のサイズＤの変化率は零に近づく一方、集光レンズ３４の焦点がサファイア基板１の表面から離れるにつれサイズＤの変化率は相対的に大きくなる。微小振動は、発振器６４の参照信号の周波数と同期しており、サイズＤの振動は撮像素子５３により参照信号と同期した交流信号として検出される。光学像Ｄの径を計る方法として、例えば、撮像素子５３により、光学像に対応する暗い画素の数を明るい背景から抽出することが挙げられるが、これに限定されない。
【０１１２】
図２０（ａ）は、図１９（ａ）に示すように集光レンズ３４の焦点が基板表面から離れているとき、サファイア基板１の垂直微小振動時に撮像素子５３によって変換される出力信号を示すグラフである。図２０（ｂ）は、図１９（ｂ）に示すように集光点が基板表面の近傍にあるとき、サファイア基板１の垂直微小振動時に撮像素子５３によって変換される出力信号を示すグラフである。このとき出力信号の交流振幅は零に近づく。これは、集光レンズ３４の焦点がサファイア基板１の表面に近づくにつれ、撮像素子５３の表面における基準ドット１３の光学像のサイズＤに回折が影響するからである。そのため、基準ドット１３の光学像のサイズＤが一定値に留まると同時に、Ｄの変化率が零となり、出力信号の交流振幅は零に近づく。
【０１１３】
従って、撮像素子５３によって変換される信号の交流振幅がほぼ零、或いは極小値を示すとき、集光レンズ３４の焦点とサファイア基板１の表面とが一致したことを示す。
【０１１４】
そこで、実施の形態３に係る集光照射手段１０３では、制御ＰＣ６２は、撮像素子５３によって得られる交流信号の振幅がほぼ零、或いは極小値を示すように、ステージ４１を垂直移動させる。具体的には、制御ＰＣ６２は、図２０（ａ）に示すような振幅が相対的に大きな交流信号が入力されたとき、支持部ドライバ６３を制御して、ステージ４１を垂直移動させる。そして、交流信号の振幅が、ほぼ零、或いは極小値を示すようになったとき、制御ＰＣ６２は、支持部ドライバ６３を制御して、ステージ４１を停止させる。
【０１１５】
このように、集光照射手段１０３によれば、集光レンズ３４の焦点とサファイア基板１の表面とが一致する基準位置を特定することができる。この基準を参考にして、サファイア基板１に対する集光レンズ３４の焦点の高さを調節することが可能になる。
【０１１６】
図２１（ａ）は、サファイア基板１の表面上に集光レンズ３４の焦点がある場合のパルスレーザ光１２ａの集光照射を示す断面図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す条件でパルスレーザ光１２ａを集光照射したサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜４ａを示す写真である。
【０１１７】
図２１（ａ）に示すように、サファイア基板１の表面上に集光レンズ３４の焦点があるときに、０．０９μＪ／パルスのパルスレーザ光１２ａを１０μｍ／ｓの走査速度でパルスレーザ光１２ａを集光照射した場合、図２１（ｂ）に示すように、集光照射領域の周りにアブレーションを生じている。これは、サファイア基板１の表面と集光レンズ３４の焦点との距離が小さいため、パルスレーザ光１２ａの集光照射が過剰であることを示す。
【０１１８】
図２２（ａ）は、サファイア基板１の表面の上方約１５μｍに集光レンズ３４の焦点がある場合のパルスレーザ光１２ａの集光照射を示す断面図である。また、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示す条件でパルスレーザ光１２ａを集光照射したサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜４ａを示す写真である。
【０１１９】
図２２（ａ）に示すように、サファイア基板１の表面の上方約１５μｍに集光レンズ３４の焦点があるときに、０．０９μＪ／パルスのパルスレーザ光１２ａを１０μｍ／ｓの走査速度でパルスレーザ光１２ａを集光照射した場合、図２２（ｂ）に示すように、集光照射領域の周りにアブレーションは発生していない。これは、サファイア基板１の表面と集光レンズ３４の焦点との距離が適切であり、パルスレーザ光１２ａの集光照射条件が適当であることを示す。
【０１２０】
図２３（ａ）は、サファイア基板１の表面上方約２４μｍに集光レンズ３４の焦点がある場合のパルスレーザ光１２ａの集光照射を示す断面図である。また、図２３（ｂ）は、図２３（ａ）に示す条件でパルスレーザ光１２ａを集光照射した後のサファイア基板１に選択成長させたＧａＮ薄膜４ａを示す写真である。
【０１２１】
図２３（ａ）に示すように、サファイア基板１の表面の上方約２４μｍに集光レンズ３４の焦点があるときに、０．０９μＪ／パルスのパルスレーザ光１２ａを１０μｍ／ｓの走査速度でパルスレーザ光１２ａを集光照射した場合、図２３（ｂ）に示すように、選択成長が不完全になる。これは、サファイア基板１の表面と集光レンズ３４の焦点との距離が大きいため、パルスレーザ光１２ａの集光照射が不十分であることを示す。
【０１２２】
以上のことから、０．０９μＪ／パルスのパルスレーザ光１２ａを１０μｍ／ｓの走査速度で集光照射した場合、サファイア基板１の表面に対する集光レンズ３４の焦点の最適な高さは約１５μｍであることが分かる。このように、サファイア基板１の表面を基準として、集光レンズ３４の焦点の最適な高さを特定することにより、集光照射工程において、安定して成長抑制層（カーボン層３）を形成することができる。
【０１２３】
次に、基板表面処理手段１０５の構成について説明する。
【０１２４】
図２４は、図１３に示す基板表面処理手段１０５の構成を示す断面図である。図２４に示すように、基板表面処理手段１０５は、保持部７８と、温度調節部７１と、ガス導入部７６と、処理室７７とを備えている。
【０１２５】
保持部７８は、サファイア基板１を載置するものであり、処理室７７に配置される。
【０１２６】
温度調節部７１は、サファイア基板１の表面温度を制御するものであり、（放射）温度計７２と、温度制御ＰＣ７３と、基板加熱機構駆動部７４と、基板加熱機構７５とを備える。
【０１２７】
温度計７２は、サファイア基板１の温度を計測するものである。
【０１２８】
温度制御ＰＣ７３は、温度調節部７１全体の動作を制御するものである。温度制御ＰＣ７３は、サファイア基板１の表面温度を適正化するために、温度計７２から計測温度を取得し、当該計測温度に基づいて生成した制御信号を基板加熱機構駆動部７４に送る。
【０１２９】
基板加熱機構駆動部７４は、温度制御ＰＣ７３から送られた制御信号に基づいて、基板加熱機構７５の駆動を管理するものである。基板加熱機構駆動部７４は、温度制御ＰＣ７３から基板加熱機構７５の駆動を要求する制御信号を受け付けたとき、基板加熱機構７５に駆動信号を送り、基板加熱機構７５を駆動させる。
【０１３０】
基板加熱機構７５は、基板加熱機構駆動部７４の駆動信号に基づいてサファイア基板１を加熱するものである。基板加熱機構７５には、例えば、高周波加熱などを用いることができる。
【０１３１】
ガス導入部７６は、サファイア基板１に対してガスを導入し、ガス雰囲気を調節するものである。
【０１３２】
以上のような構成の基板表面処理手段１０５を用いて、図１の（ｆ）に示す基板表面処理工程、および図１の（ｇ）に示す基板表面改質処理工程を実行することができる。基板表面処理手段１０５によれば、基板表面処理工程において、１気圧程度の水素ガス中、１０４０℃程度で１分４５秒間サファイア基板１を高温水素処理することにより、カーボン層３を取り除くことができる。また、基板表面処理手段１０５によれば、基板表面改質処理工程において、例えば、水素とアンモニアとの混合ガス中（合わせて約１気圧）、１０４０℃程度で５分間サファイア基板１を表面処理することにより、露出したサファイア基板１の表面を窒化して改質表面５を形成することができる。
【０１３３】
以上のように、実施の形態３によれば、パターン形成の際に従来必要であったエッチング工程や超高真空環境を要しないで、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を製造する半導体薄膜の製造装置１００を実現することができる。
【０１３４】
なお、実施の形態３では、集光点とサファイア基板１との距離を、基板表面に形成した基準ドットの光学像を解析することで検出できることを提案した。特に、基板表面を垂直に微小振動（ウォッブリング）させることで、光学像の輪郭の変化率を交流信号として抽出し、システムを自動化できたが、本発明はこれに限定されない。光学像の輪郭の変化率を画像差分により抽出するなど、画像処理に類する各種方法も本発明に含まれる。
【実施例】
【０１３５】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法に関する一実施例について図２５（ａ）〜図２５（ｃ）に基づいて説明すれば以下のとおりである。【０１３６】
実施例１では、実施の形態１で説明した半導体薄膜の製造方法を用いて、サファイア基板１に周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜４を形成した。【０１３７】
まず、基板表面前処理工程において、１気圧程度の水素ガス中、１０６０℃程度で１０分間サファイア基板１を高温水素処理した。【０１３８】
次に、有機薄膜塗布工程において、有機薄膜２を２０ｎｍ程度の膜厚で塗布した。本実施例では、有機薄膜２にpoly(isothianaphthenediyl-sulfonate)（左記有機高分子を主成分とする、昭和電工（株）製  エスペイサー３００Ｚ）を用いた。【０１３９】
次に、集光照射工程において、チタンサファイア再生増幅器から得られたフェムト秒パルス光（中心波長：８００ｎｍ、パルス幅：約１００ｆｓ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）を、開口数０．４６（有効開口数０．３２）の集光レンズ１１で有機薄膜２中に集光照射した（入射エネルギー：０．０５μＪ／パルス、集光点：サファイア基板上約１５μｍに集光、走査速度：１０μｍ／ｓ、集光照射領域の縦方向の幅：２０μｍ、集光領域の横方向の幅：１００μｍ、集光照射領域の周期：４０μｍ）。これにより、サファイア基板１上に炭素を含むカーボン層３を形成した。【０１４０】
次に、洗浄工程において、集光照射を施したサファイア基板１を純水で洗浄し、サファイア基板１上の不要な有機薄膜２を除去した。【０１４１】
次に、薄膜成長工程（Ｉ）において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりＧａＮ薄膜４ａを約０．８５μｍの膜厚でサファイア基板１上に成長させた。このとき、カーボン層３が形成された領域では、ＧａＮ薄膜４ａの成長は抑えられる。【０１４２】
次に、基板表面処理工程において、約１気圧の水素ガス中、約１０４０℃で１分４５秒間、サファイア基板１を高温水素処理した。これにより、集光照射工程において形成したカーボン層３を除去した。【０１４３】
次に、基板表面改質処理工程において、水素とアンモニアの混合ガス中（混合比４：３、合わせて約１気圧）、約１０４０℃で５分間、サファイア基板１を表面処理した。これにより、基板表面処理工程で露出させたサファイア基板１の表面領域を窒化し、改質表面５を形成した。【０１４４】
最後に、薄膜成長工程（ＩＩ）において、ＧａＮ薄膜４ｂを成長させ、全体として約７μｍの膜厚まで成長させた。【０１４５】
以上の工程を経ることによって、図２５（ａ）〜図２５（ｃ）に示す周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜４を形成した。図２５（ａ）は、実施例に係る周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜４を示す平面写真であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示す周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜４の部分拡大写真であり、図２５（ｃ）は、図２５（ｂ）に示す周期極性反転構造を有するＧａＮ薄膜４の部分拡大写真である。【０１４６】
図２５（ａ）に示すように、Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜４ａ中に、Ｎ面極性のＧａＮ薄膜４ｂが一列、等間隔に形成された。また、図２５（ｂ）および図２５（ｃ）に示すＮ面極性領域の寸法は、集光照射領域と略一致している。【０１４７】
このように、半導体薄膜の製造方法によれば、サファイア基板１上の所望の領域を極性反転させたＧａＮ薄膜４を成長させることができることが実証された。【０１４８】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。【０１４９】
以上のように、実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置は、基板の表面を前処理する基板表面前処理手段と、前処理された前記基板に有機薄膜を塗布する有機薄膜塗布手段と、前記有機薄膜が塗布された前記基板に光を集光照射して、膜厚制御しながら成長抑制層を形成する集光照射手段と、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させる第１の薄膜成長手段と、前記成長抑制層を除去して前記基板の表面を露出させた後、露出した前記基板の表面を改質する基板表面処理手段と、改質後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させる第２の薄膜成長手段とを備えることを特徴としている。【０１５０】
また、実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法は、基板に有機薄膜を塗布し、前記有機薄膜を塗布した前記基板に光を集光照射して炭素を含む成長抑制層を形成し、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させ、前記成長抑制層を除去することによって前記基板の表面を露出させ、露出した前記基板の表面を改質させ、前記処理後の前記基板の表面および前記半導体薄膜上に、半導体薄膜をさらに成長させることを特徴としている。【０１５１】
上記構成によれば、有機薄膜塗布手段によって有機薄膜が塗布された基板に、集光照射手段によって光を所望の領域に集光照射する。これにより、半導体薄膜の成長抑制効果を有する炭素を含む成長抑制層が形成されるため、第１の薄膜成長手段によって半導体薄膜を選択成長させることができる。さらに、成長抑制層は除去が可能であるため、基板表面処理手段によって成長抑制層を除去し、露出した基板の表面を改質させた後、第２の薄膜成長手段によって半導体薄膜をさらに成長させることにより、改質させた基板表面に成長状態が変換された半導体薄膜を成長させることができる。【０１５２】
ここで、基板の表面の改質とは、基板の表面に成長する半導体薄膜の成長状態を変換させるために、基板の表面の属性を変化させることをいう。つまり、改質された基板の表面には、成長状態が変換された半導体薄膜が成長する。なお、改質は、基板自体を化学変化させて属性を変化させてもよく、或いは、基板の表面に薄膜を形成して基板表面の属性を変化させてもよい。また、成長状態とは、例えば、成長抑制の有無、成長方位（極性など）、結晶構造などをいう。【０１５３】
このように、実施の形態によれば、従来のようにエッチング工程や超高真空環境を要することなく、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を形成することができる。【０１５４】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置では、前記集光照射手段は、前記基板を載置して水平または垂直方向に走査可能な支持部と、前記支持部に載置された前記基板の表面に対して光を集光照射する集光部と、前記基板の表面の光学像を観察して前記集光部から照射される光の集光点と前記基板の表面との距離を把握する観察部と、前記観察部の観察結果に基づいて、前記集光部に対する前記基板の位置決めを行う制御部とを備えることが好ましい。【０１５５】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置では、前記集光照射手段は、前記集光部から照射される光の集光点と前記基板の表面との距離、光強度、または走査速度を制御することにより、所望の厚さの前記成長抑制層を形成することが好ましい。【０１５６】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置では、前記集光照射手段は、前記支持部に載置された前記基板の裏面に対向する位置に、前記基板の表面に形成された基準点に対して前記基板の裏面から照明光を照射する照明用光源を備え、前記観察部は、前記照明用光源により照明された前記基準点の光学像を撮像する撮像素子を備えており、前記撮像素子は、前記基板を特定振動数で垂直方向に微小振動させたときの、前記基準点の光学像の大きさの変化を交流信号に変換し、前記制御部は、前記特定振動数に対応する周波数の前記交流信号の振幅強度が最小となるように前記支持部を走査して、前記集光部に対する前記基板の位置決めを行うことが好ましい。【０１５７】
上記構成によれば、集光部から照射される光が基板の表面で集光するように、基板の位置合わせを自動的に行うことができる。【０１５８】
これにより、基板の表面を基準として、集光部から照射される光の集光点の最適な高さを特定することが可能になる。【０１５９】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置では、前記支持部は、前記集光部から照射される光の集光点と前記基板との距離を一定に保持可能な、ピエゾ制御型ステージからなることが好ましい。【０１６０】
上記構成によれば、好適に支持部を実現することができ、基板を安定的、且つ、正確に移動させることができる。【０１６１】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置では、前記基板表面処理手段は、前記基板を保持する保持部と、前記基板の表面温度を制御する温度調節部と、ガス雰囲気を調節するガス導入部と、前記ガス導入部と前記保持部とを格納する処理室とを備えることが好ましい。【０１６２】
上記構成によれば、好適に基板表面処理手段を実現することができる。【０１６３】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造装置では、基板を表面処理する基板表面前処理手段と、前記基板表面前処理手段によって表面処理された基板に光を集光照射することを特徴とする集光照射手段と、前記集光照射手段によって光を集光照射された領域の周りに半導体薄膜を選択成長させる薄膜成長手段と、前記薄膜成長手段によって半導体薄膜を選択成長させた前記基板を改質処理する基板表面処理手段とを備えたことを特徴としている。【０１６４】
上記構成によれば、前記基板表面前処理手段によって表面処理された基板に光を集光照射する集光照射手段と、前記集光照射手段によって光を集光照射された領域の周りに半導体薄膜を選択成長させる薄膜成長手段と、前記薄膜成長手段によって半導体薄膜を選択成長させた前記基板の表面を改質処理する基板表面処理手段とを備えているので、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を成長させることができる。【０１６５】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記半導体薄膜は、窒化物薄膜であることが好ましい。【０１６６】
上記方法によれば、極性などの成長条件を所望の領域で制御しながら窒化物薄膜を形成することができる。また、例えば、周期極性反転構造を有する非線形光学素子などを窒化物薄膜を用いて作製することができる。【０１６７】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記窒化物薄膜は、ＧａＮ薄膜であることが好ましい。【０１６８】
上記方法によれば、極性などの成長条件を所望の領域で制御しながらＧａＮ薄膜を形成することができる。また、例えば、周期極性反転構造を有する非線形光学素子などをＧａＮ薄膜を用いて作製することができ、中間赤外光領域の波長変換デバイスを作製できる。【０１６９】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記成長抑制層を、高温環境で水素、或いはアンモニアを含むガス雰囲気中に前記基板を導入することによって除去することが好ましい。【０１７０】
上記方法によれば、成長抑制層を好適に除去することが可能であり、薄膜成長プロセスの中で成長抑制効果をオン・オフすることができる。【０１７１】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、露出した前記基板の表面を、高温環境で水素およびアンモニアを含むガス雰囲気中に前記基板を導入することによって改質させることが好ましい。【０１７２】
上記方法によれば、高温環境で水素およびアンモニアを含むガス雰囲気中に基板を導入することによって表面処理することにより、処理を施した基板領域上に成長条件の異なる半導体薄膜が成長できるように、基板表面を改質することができる。【０１７３】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記光は、パルス光であることが好ましい。【０１７４】
上記構成によれば、単位時間あたりの入射エネルギー密度を高めることができ、効率良く成長抑制層を形成することができる。【０１７５】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記光は、パルスレーザ光であることが好ましい。【０１７６】
上記構成によれば、効率良く成長抑制層を形成することができる。また、レーザ光の干渉を利用して、成長抑制層の領域を周期パターン形成することができる。【０１７７】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、基板は、高温水素処理したサファイア基板であることが好ましい。【０１７８】
上記方法によれば、窒化物薄膜などの半導体薄膜をエピタキシャル成長させることができ、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を実現させることができる。【０１７９】
また、本実施形態の半導体薄膜の製造方法では、前記成長抑制層を表面処理によって除去することが好ましい。【０１８０】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、有機金属気相成長法によって前記半導体薄膜を成長させることが好ましい。【０１８１】
上記方法によれば、半導体薄膜の成長抑制効果を有する炭素を含む成長抑制層を用いて半導体薄膜の選択成長を実現できるとともに、所望の領域の成長状態を制御しつつ半導体薄膜を成長させることができる。【０１８２】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記半導体薄膜は、一軸性結晶構造を有する材料からなる薄膜であることが好ましい。【０１８３】
上記構成によれば、半導体薄膜は、一軸性結晶構造を有する材料からなるため、改質された基板上には、極性（分極）を反転させた構造を有する半導体薄膜を形成することができる。【０１８４】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記成長抑制層は、炭素からなることが好ましい。【０１８５】
上記構成によれば、成長抑制層を好適に除去することが可能であり、薄膜成長プロセスの中で成長抑制効果をオン・オフすることができる。【０１８６】
実施の形態に係る半導体薄膜の製造方法では、前記有機薄膜は、導電性有機薄膜であることが好ましい。【０１８７】
上記構成によれば、基板表面の所望の領域に炭素を含む成長抑制層を好適に形成することができる。【０１８８】
実施の形態に係る半導体薄膜の選択成長法は、基板に有機薄膜を塗布し、前記有機薄膜を塗布した前記基板に光を集光照射して炭素を含む成長抑制層を形成し、前記成長抑制層の周りに半導体薄膜を選択成長させ、前記成長抑制層を除去することを特徴としている。【０１８９】
上記方法によれば、成長マスクと等価な成長抑制効果を有する成長抑制層を、その後の表面処理などによって除去することができる。【０１９０】
これにより、成長抑制効果のオン・オフが可能となり、基板上の所望の領域における半導体薄膜成長の開始時間に差を設けることができる。【０１９１】
実施の形態に係る半導体薄膜の半導体素子は、上記半導体薄膜の製造方法によって製造された半導体薄膜を備えることを特徴としている。【０１９２】
上記構成によれば、所望の領域の成長状態を制御した半導体薄膜を備えることにより、非線形光学素子などの多様な半導体素子を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１９３】
本発明は、例えば、波長変換用の非線形光学媒質を作製することができ、光パラメトリック発振器などに適用することができる。また、前記非線形光学素子と光導波路構造を有する光集積回路、またはチャネル構造を有するバイオセンサに適用できる。さらに、半導体レーザ素子および半導体発光素子などの各種半導体デバイス構造におけるパターン形成に適用できる。また極性の反転した領域を形成し、隣接した領域とは２次元電子ガスを生じるヘテロ接合界面を分離することで、デバイスの分離を行う高電子移動度トランジスタに適用できる。
【符号の説明】
【０１９４】
１    サファイア基板（基板）
２    有機薄膜
３    カーボン層（成長抑制層）
４    ＧａＮ薄膜（半導体薄膜）
４ａ  Ｇａ面極性のＧａＮ薄膜（半導体薄膜）
４ｂ  Ｎ面極性のＧａＮ薄膜（半導体薄膜）
４ｃ  異種薄膜（半導体薄膜）
５    改質表面
６    半導体薄膜の製造装置
７    基板表面前処理手段
８    集光照射手段
９    薄膜成長手段
１０    基板表面処理手段
１１    集光レンズ
１２    パルス光（光）
１２ａ  パルスレーザ光（光）
１３    基準ドット（基準点）
２０    光集積回路
２１    サファイア基板（基板）
２４    ＧａＮ層
２５    リッジ型光導波路
３０    集光部
３１    光源
３２    シャッター
３３    ダイクロイックミラー
３４    集光レンズ
４０    支持部
４１    ステージ（ピエゾ制御型ステージ）
５０    観察部
５１    ミラー
５２    レンズ
５３    撮像素子
５４    増幅器
５５    光源（照明用光源）
６０    制御部
６１    ロックイン増幅器
６２    制御ＰＣ
６３    支持部（ピエゾ）ドライバ
６４    発振器
７０    入力部
７１    温度調節部
７２    温度計
７３    温度制御ＰＣ
７４    基板加熱機構駆動部
７５    基板加熱機構
７６    ガス導入部
７７    処理室
７８    保持部
１００    半導体薄膜の製造装置
１０１    基板表面前処理手段
１０２    有機薄膜塗布手段
１０３    集光照射手段
１０４    第１の薄膜成長手段
１０５    基板表面処理手段
１０６    第２の薄膜成長手段
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１７（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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【図１８】
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【図１９（ａ）】
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【図１９（ｂ）】
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【図１９（ｃ）】
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【図２０（ａ）】
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【図２０（ｂ）】
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【図２１（ａ）】
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【図２２（ａ）】
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【図２３（ａ）】
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【図２４】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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【図２１（ｂ）】
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【図２２（ｂ）】
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【図２３（ｂ）】
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【図２５（ａ）】
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【図２５（ｂ）】
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【図２５（ｃ）】
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