(57)【要約】【課題】レジストを用いることなく、微細化を図り、しかもプロセスの煩雑さを改善した、サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置を提供する。【解決手段】サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、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、この電子線処理基板に有機金属化学堆積法によって窒化物薄膜を堆積し、窒化物薄膜を描画する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該電子線処理基板に有機金属化学堆積法によって窒化物薄膜を堆積し、窒化物薄膜のパターンを形成することを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項２】
（ａ）高温水素処理を行ったサファイア基板に電子線を微細幅で照射し、
（ｂ）該電子線処理基板に有機金属化学堆積法によって窒化物薄膜を堆積し、
（ｃ）前記窒化物薄膜をアルカリ溶液によりエッチングすることにより、前記電子線の微細照射幅に対応する窒化物薄膜の微細パターンを形成することを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記窒化物薄膜がＧａＮ薄膜であることを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記電子線が反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）であることを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）による照射を室温で行うことを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記照射を１分以上行うことを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記電子線が電子線描画であることを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項８】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記高温水素処理が２０分間程度１０００℃以上の水素処理であることを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記窒化物薄膜の成長と同時に極性面の異なる窒化物薄膜を成長させることを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項１０】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記基板の上部に電極を形成して電界を、前記極性構造とその位置が制御された窒化物薄膜に印加することを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項１１】
請求項１、２又は３記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記窒化物薄膜の微細パターンが数１０μｍ間隔のストライプであることを特徴とするサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法。
【請求項１２】
請求項１から１１の何れか一記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法を用いて得られる窒化物薄膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物薄膜の極性構造を制御する方法として、下記特許文献１〜５が開示されているが、いずれにおいても、基板と窒化物薄膜との界面に存在する層（低温緩衝層や金属層）への工夫であり、基板そのものへの処理ではなく、さらに１つのサファイア基板上に同時に２つの極性構造をもつ窒化物薄膜を成長させる点については検討されていない。
【０００３】
既に、本発明者らは、硝酸溶液処理を部分的に行った高温水素処理サファイア基板上に有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ法）でＧａＮ薄膜を成長させると、基板の処理状態に応じて両極性のＧａＮ薄膜を同時に作製できる（ｓｔｅｒｅｏ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）ことを提案した（下記特許文献６参照）。
【０００４】
これによって、極性構造に起因する電子状態の違いやアルカリ溶液での選択エッチング性などを利用することによって、電界誘導型のフォトニック結晶、デバイス分離に向けたパターニングなどにオプトエレクトロニクスや電子デバイスへの応用が可能となる。
【特許文献１】特開２００２−２７０５２５号公報
【特許文献２】特開２００４−０２２５６３号公報
【特許文献３】特開２００１−１８５４８７号公報
【特許文献４】特開２００３−１４２４０６号公報
【特許文献５】特開平０６−０３２６４１６号公報
【特許文献６】特開２００５−０２６４０７号公報（ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００８３５１）
【非特許文献１】Ｍ．Ｔａｋａｂｅ  ｅｔ．ａｌ．，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．７９８，３０５（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の方法ではフォトレジストが基板表面に与える影響などｓｔｅｒｅｏ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ成長における微細パターン化を困難にしていた。
【０００６】
上記したように、窒化物薄膜を得るために、サファイア基板の部分的な硝酸溶液処理によって実現しているが、耐アルカリ溶液のレジスト材料の選択がなく、ミクロオーダーのパターニングが困難であった。
【０００７】
また、マスクパターンを用いて低温緩衝層のパターニングを行うことによって、その上に成長する極性構造を基板内で制御するという方法が、ドイツの研究グループにより報告されている。
【０００８】
しかしなが、この方法では、低温緩衝層の堆積、マスク合わせとエッチング、さらに窒化物薄膜の作製とそのプロセスが何段階も必要となるといった問題があった。すなわち、この方法では、パターンの微細化とプロセスが煩雑であるといった問題があった。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、レジストを用いることなく、微細化を図り、しかもプロセスの煩雑さを改善した、サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、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、この電子線処理基板に有機金属化学堆積法によって窒化物薄膜を堆積し、窒化物薄膜のパターンを形成することを特徴とする。
【００１１】
〔２〕サファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、高温水素処理を行ったサファイア基板に電子線を微細幅で照射し、この電子線処理基板に有機金属化学堆積法によって窒化物薄膜を堆積し、前記窒化物薄膜をアルカリ溶液によりエッチングすることにより、前記電子線の微細照射幅に対応する窒化物薄膜の微細パターンを形成することを特徴とする。
【００１２】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記窒化物薄膜がＧａＮ薄膜であることを特徴とする。
【００１３】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記電子線が反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）であることを特徴とする。
【００１４】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記反射型高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）による照射を室温で行うことを特徴とする。
【００１５】
〔６〕上記〔５〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記照射を１分以上行うことを特徴とする。
【００１６】
〔７〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記電子線が電子線描画であることを特徴とする。
【００１７】
〔８〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記高温水素処理が２０分間程度１０００℃以上の水素処理であることを特徴とする。
【００１８】
〔９〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記窒化物薄膜の成長と同時に極性面の異なる窒化物薄膜を成長させることを特徴とする。
【００１９】
〔１０〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記基板の上部に電極を形成して電界を、前記極性構造とその位置が制御された窒化物薄膜に印加することを特徴とする。
【００２０】
〔１１〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法において、前記窒化物薄膜の微細パターンが数１０μｍ間隔のストライプであることを特徴とする。
【００２１】
〔１２〕窒化物薄膜装置であって、上記〔１〕から〔１１〕の何れか一記載のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法を用いて得られる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、サファイア基板上への窒化物薄膜の製造を、レジストを用いることなく、微細化を図り、しかもプロセスの煩雑さを改善することができる。
【００２３】
また、室温での電子線処理により、窒化物薄膜の極性構造を制御できることを初めて示した。特に、ＲＨＥＥＤからの電子線により、サファイア基板の面内方位を正確に知ることができるとともに、その上に成長する窒化物薄膜の方位も決定されるという利点がある。さらに電子線描画装置による電子線をよりフォーカスさせることによってさらなるパターンの微細化と窒化物薄膜の特性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置は、高温水素処理を行ったサファイア基板上にＲＨＥＥＤパターンを観察しながらＲＨＥＥＤからの電子線を室温で１分間以上照射した。この電子線処理基板を有機金属化学堆積法によってＧａＮ薄膜を１μｍ堆積したところ、電子線処理を行った幅約２００μｍの直線部分のみＫＯＨ溶液の中で選択的にエッチングされた。
【００２５】
このように、レジストを用いることなくサファイア基板を微細に処理できるように、サファイア基板の電子ビーム処理を行った。さらに、ＲＨＥＥＤからの電子ビームを用いて基板に照射した後にＧａＮ薄膜を成長させたところ、極性面の選択性が出現した。
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施例を示すＲＨＥＥＤ処理によるサファイア基板上へのＧａＮ薄膜のｓｔｅｒｅｏ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ成長の様子を示す図である。
【００２８】
まず、２０分間高温で水素処理したサファイア基板に室温から５００℃の範囲で３秒から２時間と条件を変えて、２０ｋＶで加速されたＲＨＥＥＤからの電子線を照射した（ＲＨＥＥＤ観察）。そして、再度の高温水素処理を行うことなしに、これら部分的に電子線処理したサファイア基板上に２段階有機金属化学堆積法でＧａＮ薄膜を成長させた。
【００２９】
その結果、図１（ａ）室温と、図１（ｂ）５００℃とでさまざまな時間電子線処理を行ったサファイア基板上のＧａＮ薄膜の表面写真を示す。
【００３０】
図１（ａ）に見られるように室温で６０秒以上の電子線処理によって、極性構造は不明であるが、ＧａＮと考えられる薄膜が成長していた（数１００μｍ幅の白く見える領域）。それ以外の領域ではＧａ面（＋ｃ）極性である平坦なＧａＮ薄膜が成長していた。一方、電子線処理温度を上げると２時間までのさまざまな時間での処理にも関わらず、＋ｃＧａＮの薄膜しか成長しなかった〔図１（ｂ）参照〕。
【００３１】
次に、図１（ａ）の試料を１０ｗｔ％のＫＯＨ溶液に２時間浸したところ、白線の領域のみがきれいにエッチングされた。これらの結果から室温でのサファイア基板の電子線処理によって＋ｃＧａＮ薄膜の微細パターン化が実現していることがわかった。
【００３２】
なお、サファイア基板の処理方法は、１０００℃以上の温度における水素処理が必要であるが、例えば、１０００℃での水素処理を行い、ＲＨＥＥＤからの電子線（照射は４５μＡ，０．２ｍｍφ）による部分的な処理を、例えば、１ステップで２．５分間電子線を基板に照射した後、基板を１００μｍ動かす。この操作を基板が４．５ｍｍ動くまで継続する。
【００３３】
図２はサファイア基板の（０００１）の高温Ｈ2 クリーニング処理状態を示す図、図３は高温Ｈ2 処理のみの場合とＲＨＥＥＤ処理の場合の水滴の状態を示す図である。
【００３４】
また、図４は本発明のＲＨＥＥＤ処理によるＧａＮ薄膜処理の説明図であり、図４（ａ）はＧａＮ薄膜が形成されたサファイア基板、図４（ｂ）はその部分を取り出して拡大した図、図４（ｃ）はそのストライプ状のＧａＮ薄膜の拡大図である。図４（ｃ）において、ストライプ状のＧａＮ薄膜１とＧａ面（＋ｃ）極性である平坦なＧａＮ薄膜２とが形成されている。
【００３５】
次に、本発明の第２実施例による電子線描画によるサファイア基板の処理方法について説明する。
【００３６】
まず、高温Ｈ2 処理のみの場合と電子線照射した場合のサファイア表面の評価について、図５はその側面から見た図、図６はその上面からから見た図であり、サファイア表面上の１０μｌ水滴による接触角を見ると、高温Ｈ2 処理のみの場合と電子線照射した場合とでは接触角は変化していることが明らかである。
【００３７】
図７は本発明の他の実施例を示す電子線描画によるＧａＮ薄膜の成長を示す図が示されており、電子線描画の電流２ｎＡ、ドーズ量は６０００，３０００，１０００，３００，１００μＣ／ｃｍ2 である。
【００３８】
図８は本発明の他の実施例を示す電子線描画によるＧａＮ薄膜の形成工程を示す図である。
【００３９】
その電子線描画されたサファイア基板上に２段階有機金属化学堆積法でＧａＮ薄膜を成長させると、図８（ａ）〜（ｃ）が形成され、ＫＯＨ４０℃に２時間浸漬すると、図８（ｄ）に示すように、６．５０μｍの微細パターン１１とＧａ面（＋ｃ）極性である平坦なＧａＮ薄膜１２とが形成される。
【００４０】
図９は本発明の他の実施例を示す電子線描画によって処理したサファイア基板上ＧａＮ薄膜の光学顕微鏡像であり、線幅５μｍ〜１０μｍの微細パターン２１とＧａ面（＋ｃ）極性である平坦なＧａＮ薄膜２２とが形成されていることが分かる。
【００４１】
なお、上記した電子線以外にも、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に用いられる電子線が挙げられる。
【００４２】
上記したように、本発明では、室温での電子線処理により、窒化物薄膜の極性構造を制御できることを初めて示した。特に、ＲＨＥＥＤからの電子線により、サファイア基板の面内方位を正確に知ることができるとともに、その上に成長する窒化物薄膜の方位も決定されるという利点がある。さらに電子線描画装置による電子線をよりフォーカスさせることによってさらなるパターンの微細化と窒化物薄膜の特性の向上を図ることができる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のサファイア基板上への窒化物薄膜の製造方法及び窒化物薄膜装置は、窒化物による短波長発光デバイスやバルク作製産業の分野に広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のＲＨＥＥＤ処理によるサファイア基板上へのＧａＮ薄膜のｓｔｅｒｅｏ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ成長の様子を示す図である。
【図２】サファイア基板の（０００１）の高温Ｈ2 クリーニング処理状態を示す図である。
【図３】高温Ｈ2 処理のみの場合とＲＨＥＥＤ処理の場合の水滴の状態を示す図である。
【図４】本発明のＲＨＥＥＤ処理によるＧａＮ薄膜処理の説明図である。
【図５】高温Ｈ2 処理のみの場合と電子線照射した場合のサファイア表面の評価測定の側面から見た図である。
【図６】高温Ｈ2 処理のみの場合と電子線照射した場合のサファイア表面の評価測定の上面からから見た図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す電子線描画によるＧａＮ薄膜の成長を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す電子線描画によるＧａＮ薄膜の形成工程を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す電子線描画によって処理したサファイア基板上ＧａＮ薄膜の光学顕微鏡像である。
【符号の説明】
【００４６】
１，１１，２１    ストライプ状のＧａＮ薄膜
２，１２，２２    Ｇａ面（＋ｃ）極性である平坦なＧａＮ薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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