(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を反応容器内で所定の温度に保持し、反応容器内にＩｎ，Ｇａ，Ｎ，Ａｌなどの前駆体を順次又は同時に供給し、基板表面にレーザビームを照射させて、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）またはＭＯＭＢＥ（有機金属分子ビームエピキタシー法）により、ＩｎＧａＮなどの化合物半導体を成長させる化合物半導体の成長装置において、
前記レーザビームをエネルギー分布が均一な線状ビームに成形するレーザビーム成形光学系と、該線状ビームを基板表面に均一に照射するビーム照射手段と、基板を所定の温度に加熱する加熱手段と、を備え、
前記加熱手段は、基板を加熱する高周波コイルと、基板表面に静磁場もしくは高周波磁場を発生させるコイルとからなる、ことを特徴とする化合物半導体の成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型の基板上に半導体結晶膜を成長させる化合物半導体の成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サファイア基板の表面にＩｎＧａＮの半導体被膜を成長させる手段として、特許文献１の「半導体結晶膜の成長方法」が開示されている。この方法は、図４に模式的に示す装置を用い、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）で基板５１の上面に半導体被膜を成長させるものである。すなわち、この方法は、サファイア基板５１をサセプター５４の上に載せ、反応容器５６内をＨ2で置換し、基板５１の温度を約５５０℃に保持し、副噴射管５３から水素と窒素を、反応ガス噴射管５２からアンモニアガスと水素とＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスを供給して、サファイア基板５１の表面にＩｎＧａＮの半導体被膜を成長させるものである。なお、この図において、５５はシャフト、５７はヒータ、５８は排気口、５９は放射温度計である。また、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）の代わりに、ＭＯＭＢＥ法（有機金属分子ビームエピタキシー法）を適用することもできる。
【０００３】
この方法により、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎの半導体被膜を２インチ基板全面にわたって、膜厚２μｍで均一に成長させることに成功している。しかし、この方法では、成長させたＩｎＧａＮ中のＩｎＮのモル分率ｙが低く（０．０６）、赤（Ｒ）を発光する赤色ＬＥＤを形成することができない欠点があった。すなわち、この例では窒素の前駆体としてアンモニアを用いているが、アンモニアはＮ−Ｈの結合エネルギーが大きいため、基板上で反応させるためには、基板温度をできるだけ上げる必要がある。ところが、赤を発光させるＩｎＧａＮは、Ｉｎの組成が高く、上述したように、ＩｎＮのモル分率ｙが高くなると、分解温度が約５００℃程度まで下がっているため、この方法では、基板温度が高すぎ、赤発光のＩｎＧａＮは成長させることができなかった。
【０００４】
また、基板表面にＩｎＮのモル分率が高いＩｎＧａＮを成長させる方法として、特許文献２の「半導体結晶膜の成長方法」が開示されている。この方法は、図５に示すように、サファイア基板６１を反応容器６６内で約５００℃以下に保持し、反応容器内にＩｎ，Ｇａ，Ｎの前駆体を順次又は同時に供給し、基板表面１に高出力パルスレーザを集光させてその集光部分にＩｎＧａＮを成長させ、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）またはＭＯＭＢＥ（有機金属分子ビームエピキタシー法）により、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を発光するＩｎＧａＮを成長させるものである。
【０００５】
また、サファイア基板の表面に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる手段として、特許文献３の「窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長方法」が開示されている。この方法は、サファイア基板を加熱し、反応ガスをサファイア基板に導いてそのサファイア基板に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるものである。
【０００６】
さらに、均一なビーム照射を行うことができる手段として、特許文献４の「レーザアニール方法及び装置」が開示されている。この手段は、図６に示すように、レーザ光源からのビーム７１を回転手段７２により所定の角度だけ回転させた後に、ビームの断面形状を光学系７７により線形断面形状に変形し、試料に照射してアニールするものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０４−１６４８９５号公報、「半導体結晶膜の成長方法」
【特許文献２】
特開２００３−０６０２３７号公報、「半導体結晶膜の成長方法」
【特許文献３】
特許第２６３１２８５号公報、「窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長方法」
【特許文献４】
特表２００２−０５６３５５号公報、「レーザアニール方法及び装置」
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術は、大面積基板に化合物半導体を成長させることを意識したものではないため、レーザの形状を成形するなどの技術が考慮されていなかった。そのため、レーザが照射されている部分のみしか化合物半導体は成長できず、大面積基板への成長はできなかった。
【０００９】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、大面積を有する基板の全面にＩｎＧａＮなどの化合物半導体を均一に成長させることができ、これにより、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色のみならず、赤外から紫外までを発光する大面積のＬＥＤを形成することができる化合物半導体の成長装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板を反応容器内で所定の温度に保持し、反応容器内にＩｎ，Ｇａ，Ｎ，Ａｌなどの前駆体を順次又は同時に供給し、基板表面にレーザビームを照射させて、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）またはＭＯＭＢＥ（有機金属分子ビームエピキタシー法）により、ＩｎＧａＮなどの化合物半導体を成長させる化合物半導体の成長装置において、前記レーザビームをエネルギー分布が均一な線状ビームに成形するレーザビーム成形光学系と、該線状ビームを基板表面に均一に照射するビーム照射手段と、基板を所定の温度に加熱する加熱手段と、を備え、前記加熱手段は、基板を加熱する高周波コイルと、基板表面に静磁場もしくは高周波磁場を発生させるコイルとからなる、ことを特徴とする化合物半導体の成長装置が提供される。
【００２１】
上記本発明の構成によれば、レーザビーム成形光学系でレーザビームをエネルギー分布が均一なビームに成形し、ビーム照射手段でビームを基板表面に均一に照射するので、大面積を有する基板の全面にＩｎＧａＮなどの化合物半導体を均一に成長させることができる。
また、加熱手段で基板を所定の温度に加熱するので、ＩｎＧａＮなどの化合物半導体の成長に適した所定の温度に基板を加熱し、レーザ照射による反応ガスの分解を促進し、化合物半導体の成長速度を高めることができる。
また上記の構成により、基板表面に磁場を印加させることにより、レーザを照射したときに光電磁効果で反応ガスの分解を促進させるため、化合物半導体の成長速度を高める効果がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明の成長装置の第１実施形態を示す図である。この装置は、サファイア基板１を反応容器２内で所定の温度に保持し、反応容器２内にＩｎ，Ｇａ，Ｎの前駆体を順次又は同時に供給し、基板１の表面にレーザビーム３を集光させてその集光部分にＩｎＧａＮを成長させ、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）またはＭＯＭＢＥ（有機金属分子ビームエピキタシー法）により、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を発光するＩｎＧａＮを成長させる化合物半導体の成長装置である。
【００２４】
図１において、本発明の成長装置は、レーザ発振器１１から照射されたレーザビーム３ａを長軸方向が均一な線状ビーム３ｃに成形するレーザビーム成形光学系１２と、線状ビーム３ｂを基板表面に均一に照射するビーム照射手段と、基板１を所定の温度に加熱する加熱手段１６とを備える。
【００２５】
レーザ発振器１１で照射するレーザビーム３ａは、パルスでも連続でもよい。レーザビーム３ａの波長は前駆体の結合エネルギーに応じて紫外から可視まで選択することができる。例えば窒素の前駆体としてアンモニアを用いた場合、アンモニアの結合エネルギーは約４．５ｅＶであり、この結合を切るために必要とされるレーザの波長は２７７ｎｍ以下である。この波長のレーザは、エキシマレーザやＹＡＧレーザの４倍波があるが、ここでは例えばパルスレーザであるエキシマレーザを使用する。なお、波長２７７ｎｍ以上のエキシマレーザやＹＡＧレーザ等であってもよい。
【００２６】
レーザビーム成形光学系１２は、レーザビーム３ａに直交して位置しレーザビームを線状に分割する直交シリンドリカルアレイ１２ａと、線状に分割したレーザビーム３ｂを焦点面に集光する集光レンズ１２ｂと、集光したレーザビームを線状ビーム３ｃに成形する第１シリンドリカルレンズ１２ｃとを有する。線状ビーム３ｃは、図１において、紙面に直交する方向に延びた矩形または線状のレーザビームとなる。
なお直交シリンドリカルアレイ１２ａは、互いに直交する１対のシリンドリカルアレイでもよい。またその他の周知のホモジナイザーを用いることもできる。
【００２７】
この構成により、不均一な強度分布（例えばガウシアン形状）のレーザビーム３ａであっても、直交シリンドリカルアレイ１２ａ（または互いに直交する１対のシリンドリカルアレイ）により、矩形のビームプロファイルを持つビーム群に分割され、集光レンズ１２ｂにより、すべてのビーム群が重なり合って焦点面に集光され、第１シリンドリカルレンズ１２ｃにより、線状ビーム３ｃに成形されるので、焦点面及び線状ビームでは、平均化された強度分布を得ることができる。なお、１３は反射ミラーであり、線状ビーム３ｃは、ミラー１３で下向きに反射され、反応容器２に設けられた開口（図示せず）を通して、サファイア基板１の上面に照射される。
【００２８】
図１の第１実施形態において、ビーム照射手段は、線状ビーム３ｃの幅方向（図で左右方向）に基板１を往復動させる基板往復動装置１４である。この基板往復動装置１４は、例えば、基板１を載せる往復動可能な基板台１４ａと、この基板台１４ａを往復動させる駆動装置１４ｂとからなる。往復動の機構は、例えばラックとピニオン、または直動シリンダを用いる。また、往復動の速度は、図示しない制御装置により、所定の一定速度に制御し、大面積を有する基板１の全面に線状ビーム３ｃを均一に照射する。
なお、図１において反応容器２（チャンバー）内はポンプ系１８及びガス導入部１７により所定のガス雰囲気にコントロールされる。
【００２９】
加熱手段１６は、基板１を加熱する高周波コイルと、基板表面に静磁場もしくは高周波磁場を発生させるコイルからなり、基板表面に磁場を印加し、レーザを照射したときに光電磁効果で反応ガスの分解を促進させ、化合物半導体の成長速度を高めるようになっている。
【００３０】
サファイア基板１は反応容器２内で加熱手段１６によりＩｎＧａＮが熱分解しない温度（例えば約５００℃以下）に保持される。また、反応容器２内にＩｎ，Ｇａ，Ｎの前駆体がガス導入部１７より順次又は同時に供給される。
【００３１】
Ｉｎ，Ｇａ，Ｎの前駆体として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｎ2Ｈ2（ヒドラジン）及びＴＭＮＨ2等を用いる。ＴＭＧ（トリメチルガリウム）はＧａの前駆体、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）はＩｎの前駆体、アンモニア、Ｎ2Ｈ2（ヒドラジン）及びＴＭＮＨ2（トリメチルアミン）は、Ｎの前駆体である。
【００３２】
ＩｎＧａＮの成長に必要なＩｎ，Ｇａ，Ｎの前駆体の分解エネルギーは、最も高いアンモニアの場合で約４．５ｅＶであり、この分解エネルギーは波長２７７ｎｍに相当する。従って、例えば波長２７７ｎｍ以下のエキシマレーザを用いることにより、アンモニアを含む各種の前駆体を同一のパルスレーザで励起・分解してＩｎＧａＮを成長させることができることがわかる。なお、波長２７７ｎｍ以上のエキシマレーザやＹＡＧレーザ等であってもよい。
【００３３】
上述した本発明の構成によれば、レーザビーム成形光学系１２でレーザビーム３ａを長軸方向が均一な線状ビーム３ｃに成形し、ビーム照射手段１４で線状ビーム３ｃを基板表面に均一に照射するので、大面積を有する基板１の全面にＩｎＧａＮを均一に成長させることができる。
また、加熱手段１６で基板１を所定の温度に加熱するので、ＩｎＧａＮの成長に適した所定の温度に基板１を加熱し、レーザ照射による反応ガスの分解を促進し、化合物半導体の成長速度を高めることができる。
【００３４】
図２は、本発明の成長装置の第２実施形態を示す図である。この例では、レーザビーム成形光学系１２は、集光した線状ビーム３ｃを平行線状ビーム３ｄに成形する第２シリンドリカルレンズ１２ｄを有する。またこの例で、ビーム照射手段は、平行線状ビーム３ｄを反射し、線状ビーム３ｄの幅方向に基板上を走査する揺動ミラー装置１５である。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００３５】
この構成により、第２シリンドリカルレンズ１２ｄにより、焦点面に集光した線状ビーム３ｃを平行線状ビーム３ｄに成形するので、揺動ミラー装置１５で平行線状ビーム３ｄを反射し線状ビームの幅方向に基板上を走査することにより、基板を固定したままで、基板全面に線状ビームを均一に照射でき、大面積を有する基板の全面にＩｎＧａＮを均一に成長させることができる。
【００３６】
図３は、本発明の成長装置の第３実施形態を示す図である。この図は、基板１を上方から見た状態を示している。また、図３（Ａ）は複数（この図で４枚）の基板１を同時に処理する場合、図３（Ｂ）は大型の１枚の基板を処理する場合である。
この例において、レーザビーム成形光学系１２は、第１実施形態と同一であり、ビーム照射手段は、線状ビーム３ｃの幅方向に基板１を回転させる基板回転装置１９である。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００３７】
この構成により、平均化された強度分布の線状ビーム３ｃの幅方向に基板１を回転させるので、基板全面に同一強度の線状ビームを照射でき、大面積を有する基板の全面にＩｎＧａＮを成長させることができる。従って、例えば、直径２００ｍｍのシリコン基板上に化合物半導体を成長させる場合、ビーム長１００ｍｍのビームを用いれば、基板を回転させることにより、全領域にレーザを照射させることが可能である。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の化合物半導体の成長装置は、大面積を有する基板の全面にＩｎＧａＮを均一に成長させることができ、これにより、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色を発光する大面積のＬＥＤを形成することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成長装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明の成長装置の第２実施形態を示す図である。
【図３】本発明の成長装置の第３実施形態を示す図である。
【図４】特許文献１の「半導体結晶膜の成長方法」の模式図である。
【図５】特許文献２の「半導体結晶膜の成長方法」の模式図である。
【図６】特許文献４の「レーザアニール方法及び装置」の模式図である。
【符号の説明】
１  基板、２  反応容器、
３，３ａ  レーザビーム、３ｃ  線状ビーム、３ｄ  平行線状ビーム、
１１  レーザ発振器、１２  レーザビーム成形光学系、
１２ａ  直交シリンドリカルアレイ、１２ｂ  集光レンズ、
１２ｃ  第１シリンドリカルレンズ、１２ｄ  第２シリンドリカルレンズ、
１３  反射ミラー、１４  基板往復動装置、
１４ａ  基板台、１４ｂ  駆動装置、
１５  揺動ミラー装置、１６  加熱手段、
１７  ガス導入部、１８  ポンプ系
【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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