(57)【要約】【課題】半導体成膜用基板の製造方法において、基板上に良好な半導体膜を形成するために凹凸部を形成するが、この凹凸部を精度良く加工することが困難であった。【解決手段】基板主面上に断面が逆メサ形状のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとしてスパッタリング法により基板主面上に金属薄膜を形成する工程と、リフトオフ法により前記フォトレジストパターンを除去して前記金属薄膜をパターンとして基板主面上に形成する工程と、前記金属薄膜のパターンをマスクとしてドライエッチング法により該基板に凹部を形成する工程と、前記金属薄膜のパターンを酸性溶液により除去して凹凸形状を有した基板を形成する工程により半導体成膜用基板を製造する。【選択図】図１
2005285879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板主面上に断面が逆メサ形状のフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストパターンをマスクとしてスパッタリング法により基板主面上に金属薄膜を形成する工程と、
リフトオフ法により前記フォトレジストパターンを除去して前記金属薄膜をパターンとして基板主面上に形成する工程と、
前記金属薄膜のパターンをマスクとしてドライエッチング法により該基板に凹部を形成する工程と、
前記金属薄膜のパターンを酸性溶液により除去して凹凸形状を有した基板を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体成膜用基板の製造方法。
【請求項２】
前記フォトレジストパターン断面の逆メサ形状側辺と基板主面のなす角度が４５°以上９０°未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体成膜用基板の製造方法。
【請求項３】
前記金属薄膜パターン断面のエッジ部を０．５〜１０μｍの曲率半径を有する曲面としたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体成膜用基板の製造方法。
【請求項４】
前記金属薄膜パターンの断面厚みが０．３〜１０μｍとしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体成膜用基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法を用いて製造したことを特徴とする半導体成膜用基板。
【請求項６】
請求項５に記載の製造方法を用いて半導体基板を製造し、該基板上に発光層を含む半導体結晶層が積層された素子構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体成膜用基板の製造方法及びその製造方法を用いた半導体基板ならびに半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、サファイア、炭化珪素、スピネル等の基板上へ、半導体膜を成長させる研究、開発が種々検討されている。
【０００３】
前記のように様々な材質の基板上に半導体膜を成長させる場合には、基板と半導体膜の格子定数の違いや、熱膨張差が原因となって半導体膜の良好な成長が実施できず、例え実施できたとしても、その結晶性が著しく低いという問題があった。
【０００４】
このような問題に対し、半導体膜を形成する基板の主面上に凹凸部を設け、これによりラテラル方向の結晶成長を行い、膜の転位密度を低減した良好な結晶性を有した高品質な半導体膜を得ることが盛んに実施されている。
【０００５】
ここで、前記のように半導体膜を形成する基板に凹凸部を形成する方法としては、例えばダイヤモンドカッター等で基板表面に引っ掻き傷を入れてそれを凹凸部とする方法（スクライビング）や、ダイシングソーを用いて切り溝を加工してそれを凹凸部とする方法（ダイシング）が用いられている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、基板上に蒸着法などの成膜手段を用いて、Ｎｉなどからなる一様な層を形成した後、これにフォトリソグラフィを施すことにより、ストライプ状のエッチングマスクを作製する。次いでこのエッチングマスクを介してプラズマエッチングによって基板主面を部分的にエッチング除去することにより凹凸を有する基板を作製している（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−１７４３３５号公報
【特許文献２】特開２００２−９３７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、結晶成長面に加工歪が入ってしまうという問題があった。前記のように結晶成長面に歪が入ってしまうと、結晶を成長しても歪がある部分から転位が発生してしまい、転位を低減することはできない。また、基板表面上に一本ずつスクライビングを入れていくとすると非常に生産性が悪い手法である。
【０００８】
また、特許文献２の方法では、フォトリソグラフィ技術を用いているために、従来と比較して基板上の凹凸溝の加工精度は向上するものの、基板上に形成した金属薄膜からなるマスクのエッジ部の精度や密着性が安定しておらず、マスキングの効果が十分発揮されないままそのエッジ部が溝加工の際のプラズマエッチング処理に耐えきれず、基板とともに加工されてしまい、凹凸溝の一部の加工精度、特に凸部の加工精度が著しく低下するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記課題に鑑み、半導体成膜用基板の製造方法として、基板主面上に断面が逆メサ形状のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンをマスクとしてスパッタリング法により基板主面上に金属薄膜を形成する工程と、リフトオフ法により前記フォトレジストパターンを除去して前記金属薄膜をパターンとして基板主面上に形成する工程と、前記金属薄膜のパターンをマスクとしてドライエッチング法により該基板に凹部を形成する工程と、前記金属薄膜のパターンを酸性溶液により除去して凹凸形状を有した基板を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記フォトレジストパターン断面の逆メサ形状側辺と基板主面のなす角度が４５°以上９０°未満である事を特徴とする。
【００１１】
さらに、前記金属薄膜パターン断面のエッジ部を０．５〜１０μｍの曲率半径を有する曲面としたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記金属薄膜パターンの断面厚みが０．３〜１０μｍとしたことを特徴とする。
【００１３】
また、半導体基板において、上述に記載の製造方法を用いたことを特徴とする。
【００１４】
また、半導体発光素子において、上述の製造方法を用いて製造した半導体基板上に発光層を含む半導体結晶層を積層した素子構造とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成によれば、断面が逆メサ形状のフォトレジスト膜に沿って金属薄膜からなるマスクが形成され、直線性が良く精度の良いマスクが形成できるため、該金属薄膜をマスクとしてドライエッチングを行った際に、基板凸部のエッジ部にダメージが入らないようにすることができる。
【００１６】
また、金属薄膜をマスクとして用いることにより、より高速度な加工を実施することが可能であり、更にはより深い溝加工を基板表面に施すことができる。
【００１７】
また、前記金属薄膜をスパッタリング法により成膜することで、金属薄膜と基板の密着性を良好なものとできるため、ドライエッチングの際にマスクの剥離を防止することが可能となる。更には、従来のマスク形成プロセスと比較して工数が短く、また多数枚処理を実施することが可能なために、量産性に優れている。
【００１８】
また、基板表面により平坦な金属薄膜を成膜することが可能なため、歩留まりよくプロセスを実施できる。
【００１９】
前述の工程により得られる従来よりも高精度な凹凸基板上に半導体結晶層を積層することにより低転位の半導体結晶層が得られるため、通常基板上に作製した発光素子よりも長寿命、高発光強度の半導体発光素子が作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２１】
本発明は基板主面上に断面が逆メサ形状のフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストパターンをマスクとしてスパッタリング法により基板主面上に金属薄膜を形成する工程と、リフトオフ法により前記フォトレジストパターンを除去して前記金属薄膜をパターンとして基板主面上に形成する工程と、前記金属薄膜のパターンをマスクとしてドライエッチング法により該基板に凹部を形成する工程と、前記金属薄膜のパターンを酸性溶液により除去して凹凸形状を有した基板を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００２２】
前記、基板の材質としては、主にサファイア、炭化珪素、スピネル等のセラミックスを用いるのが一般的であり、特に最近ではサファイアが多用されている。これら基板の選択は、基板上に形成する半導体膜の熱膨張係数や結晶形態により左右される。また基板の形状としては平板形状が主流であるが、サファイアであればその製法により製造可能な大きさに限界があり、２〜３インチの大きさの基板が用いられる。
【００２３】
ここで、前記基板主面上に形成するフォトレジストパターンとしては、その断面が、図１（ａ）に示すように逆メサ形状のフォトレジストパターン２とするのが良い。前記のように逆メサ形状が良いとしたのは、その後のスパッタリング法を用いての金属薄膜形成工程（図１（ｂ））において、金属薄膜のエッジ部を基板表面に、より精度よく密着させるためである。
【００２４】
前記のようにフォトレジストパターン２を逆メサ形状にする方法としては、例えば画像反転型レジスト使用した場合には、基板１にレジストを塗布した後、プリベーク（加熱処理）を行い、紫外光等によりフォトマスクを使用して露光し、画像反転ベークしてからフォトマスクなしで全面露光してレジストの未硬化部分を取り除くことにより得られる。
【００２５】
また、前記フォトレジストパターン２の厚さとしては、どのような厚さとしても構わないが、露光することを考慮すると、１００μｍ以下の範囲内とするのが良い。
【００２６】
また、前記フォトレジストとしては水溶性、溶剤性どちらでも適用可能であり、露光された部分が現像でなくなるポジレジストと露光部分が残るネガレジストのどちらでも断面が逆メサ形状のフォトレジストパターンを形成可能である。
【００２７】
そして前記のようにフォトレジストパターンを形成した後、続いてこれをマスクとしてスパッタリング法にて図１（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜上に形成された３ａと基板上に形成された３ｂと、フォトレジスト断面の側面部に形成された３ｃとからなる金属薄膜３を基板１上へ形成する。
【００２８】
ここで、前記金属薄膜３の材質としては、クロム、ニッケル、アルミニウム、チタン、白金等を用いるのが良い。
【００２９】
ここで金属薄膜３を形成するためにスパッタリング法を用いるのは、次の理由からである。即ち、図２（ａ）に示すように従来から用いられている真空蒸着法では、溶解した金属薄膜材料の気体分子が図の矢印Ａのように基板に対して垂直な面に対しては良好に付着するため金属薄膜３のうち３ａ、３ｂの形成は可能であるものの、３ｃで表される逆メサ形状断面の側面には金属薄膜成分が蒸着されない。しかも３ｂで表される基板上の金属薄膜のエッジ部は厚さが薄くなるためである。これにより、その後の工程でフォトレジスト膜２を除去し、金属薄膜３をマスクとしてドライエッチングを行った際に、基板上に凸部を形成するための金属薄膜３ｂのエッジ部が他の部分より厚さが薄く、ドライエッチングにより基板とともに加工されてしまい、加工後の基板凸部のエッジ部の加工精度が著しく悪い状態となる。
【００３０】
これと比較してスパッタリング法は、図２（ｂ）に示すように、スパッタリング現象で発生するイオンによってはじきとばされた金属薄膜材料粒子が、矢印Ｂのように基板に対して垂直方向以外の方向に動き、付着するために、図の３ｃにも良好に金属薄膜３を形成できる。その後、フォトレジスト膜を除去すれば、図１（ｃ）に示すような形状の金属薄膜３が基板上に形成され、このような形状であればその後のプラズマエッチング工程においても、金属薄膜３の厚さのバラツキ等なく、基板上に形成した凸部のエッジ部が金属薄膜３とともにドライエッチング加工されることなく良好な凹凸部を形成することが可能となる。
【００３１】
また、前記のようにスパッタリング法によって、金属薄膜３ｃを良好に成膜しようとすると、図１（ａ）の前記フォトレジストパターン２断面の側面と、基板主面との角度、すなわち逆テーパー角度θを４５°〜９０°の範囲内とするのが良好である。４５°より低い角度ではスパッタリング法によっても金属薄膜３ｃを形成するのが困難であるからであり、９０°より大きければ、逆に形成した金属薄膜３ｃがドライエッチングの際に基板を精度良く加工するための障害となり、凹凸部の加工精度を悪化させる原因となるからである。
【００３２】
さらに、前記金属薄膜３のエッジ部分は拡大図を図３に示すように、金属薄膜３ｂと３ｃの境界部分が０．５〜１０μｍの曲率半径Ｒを有する曲面からなる。０．５μｍより小さなＲ面とすると、ドライエッチングによる基板加工の際に基板凸部の精度を損ない、１０μｍ以上であると、金属薄膜３との密着性が損なわれる。このように金属薄膜３のエッジ部分を曲面とするためには、前記逆メサ形状のフォトレジストパターンとし、スパッタリング法に金属薄膜３を形成して、図１（ｂ）の金属薄膜３ｃを形成しなければならない。
【００３３】
また、前記金属薄膜３のパターン断面厚さとしては０．３〜１０μｍとするのがより好適である。０．３μｍより薄いと、その後のプラズマエッチングの際に、基板とともに加工され、マスクとしての役割を果たせないからであり、１０μｍ以上とすると、フォトレジスト膜を除去する際に、フォトレジスト膜３上に形成した金属薄膜３ａと、金属薄膜３ｃの結合部分の強度が増し、フォトレジスト膜除去の際に、不要な金属薄膜とともに、基板上の金属薄膜３も除去されてしまうからである。
【００３４】
次に、前記金属薄膜３形成後、図１（ｄ）に示すようにこれをマスクとしてドライエッチング法により基板主面上に凹凸部を形成する。ドライエッチング法としては、既に前述したようにプラズマエッチング法を用いるのがより好適である。このプラズマエッチング法は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により実施する。図１（ｄ）の矢印の方向にプラズマを照射して加工を行えば基板１上に溝４を形成できる。
【００３５】
ここで、前記ＲＩＥ装置としては市販の装置であればいずれも適用可能であるが、基板の材質によっては多大な出力を要する。この場合、凹凸部形成のために基板上に成膜した前記金属薄膜３をも同時に加工してしまう場合があり、加工条件の十分な検討が必要となる。
【００３６】
そして、前記のＲＩＥ装置による基板表面への凹凸加工を終えた後、基板表面の金属薄膜３を除去して図１（ｅ）に示すように、表面に凹凸部を有した基板とする。この金属薄膜３の除去には、酸性溶液を用いれば良く、前記酸性溶液としては、硝酸、塩酸、フッ酸、硫酸、リン酸等が仕様可能であるが、用いる金属薄膜３の材質によって除去溶液を選定する必要がある。
【００３７】
上述の製法を用いることによって、半導体成膜用基板上に凹凸部を形成する。凹凸部を形成した基板は、その後、基板上にＧａＮ等からなる結晶を成長させ半導体膜を形成し、発光素子用の基板等として好適に用いられる。本発明の方法により凹凸部を形成された半導体成膜用基板は、凹凸部の加工精度が良好であり、前記結晶成長の際に良好な結晶成長面とできるために、より高密度な半導体膜を基板表面に形成することが可能となる。前記結晶成長を行う方法としては、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ法等を用いる。特に厚膜を形成する場合は、ＨＶＰＥ法を用いるのが好ましく、薄膜を形成する場合にはＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法を用いる。
【００３８】
なお、前記半導体成膜用基板の凹凸部の幅、深さ、ピッチのより好ましい範囲としては、凹凸部幅が０．５〜１０μｍ、深さ０．５〜３μｍ、ピッチ１〜２０μｍである。凹凸部幅が０．５μｍより小さいと凹凸形成が困難となり、１０μｍより大きいと、良好な結晶成長が実施出来なくなる。また深さ、ピッチが前記範囲外である場合にも、良好な結晶成長が実施できなくなる。
【００３９】
さらに、前述のようにして半導体膜を成膜された基板は、例えばＬＥＤ等の半導体発光素子用基板として好適に利用可能であり、発光に要するｐ型、ｎ型等種々の層、電極が形成された後、チップとして液晶プジェクターや発光ダイオード等に適用することができる。
【実施例１】
【００４０】
以下本発明の実施例について具体的に説明する。
【００４１】
単結晶サファイアの主面がC面である基板を用意し、主面上にフォトレジスト膜を塗布する。この際、サファイアとフォトレジストの密着性を良くするため、HMDS処理を行ってもよい。
【００４２】
次に、所望のパターン形状の開口部を有するマスクを用いて露光し、その後、現像液に浸漬して現像することでその断面が逆メサ形状であり、フォトレジスト膜厚２μｍ、凹凸部幅が２μｍ、逆テーパー角度が８０°のフォトレジストパターンを形成する。なお、前記フォトレジストパターンが、断面が逆メサ形状であり、その逆テーパー角度が８０°にするには、前記露光の際の露光条件を予め設定する必要がある。具体的には露光に用いる紫外光をフォトレジスト膜の厚さ方向の減衰深度を計算に入れて照射条件を設定すれば良い。
【００４３】
次に、スパッタリング装置にサファイア基板をセットし、ここでは、例えばＮｉを１ｕｍ成膜する。
【００４４】
ここで、Ｎｉを成膜する前に逆スパッタリングを１分間行うことにより、基板をクリーニングすると、Ｎｉ膜の密着性をより良好なもとできる。逆スパッタリング時間は、３０秒〜２分間が好ましい。
【００４５】
また、レジストの変形を防ぐために、スパッタリングによる成膜は基板を加熱することなく実施する。なお、基板温度は０℃から１５０℃が好ましい。そして、スパッタリング法により、サファイア基板主面上に金属薄膜を形成することで、金属薄膜をフォトレジスト膜断面の側面部にまで堆積させることができる。このとき、金属薄膜の厚さは後のフォトレジスト膜およびフォトレジスト膜上に形成された金属薄膜除去のことを考慮すると、フォトレジスト膜の厚さより薄い方がよくここでは５μｍとする。
【００４６】
次に、金属薄膜の形成が終了したサファイア基板を、スパッタリング装置から取り出し、アセトンに浸漬して超音波を印可し、フォトレジストパターンとその周りに堆積している不要な金属薄膜を除去し、金属薄膜パターンを形成する。得られた金属薄膜パターンは、エッジ部の曲面Ｒが５μｍであり、所望の断面形状が得られた。
【００４７】
そして、この金属薄膜パターンをマスクとしてサファイア基板をＲＩＥ装置にセットして、サファイア基板表面を０．５μｍ加工して、基板表面に深さ０．５μｍの凹部を形成した。
【００４８】
その後、前記金属薄膜パターンを硝酸や塩酸等からなる酸性溶液によって除去し、洗浄を行う。
【００４９】
以上より、凹凸形状の幅が２μｍ、深さ０．５μｍの単結晶サファイア基板が作製できた。
【実施例２】
【００５０】
実施例１により作製した単結晶サファイア基板を半導体成膜装置にセットした。
【００５１】
次に、前記基板を水素雰囲気下で１１５０℃まで昇温し水素アニールをい、その後基板の温度を５００℃まで降下させ、ＭＯＶＰＥ法により、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とアンモニア（ＮＨ３）を用いて、低温ＧａＮバッファ層を堆積させた。さらに、１１００℃まで昇温してＧａＮ層を成長させた。このＧａＮ層は、貫通転位が少なく高品質なＧａＮ膜であった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の基板表面の凹凸部の形成方法を示す概略図である。
【図２】基板表面に金属薄膜を形成する際の製造方法を示す概略図であり、（ａ）が真空蒸着法、（ｂ）がスパッタリング法により金属薄膜を形成した場合の断面概略図である。
【図３】本発明の製造方法により形成した基板表面の金属薄膜のエッジ部を示す拡大概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１：基板
２：フォトレジストパターン
３：金属薄膜
３ａ：フォトレジストパターン上の金属薄膜
３ｂ：基板上の金属薄膜
３ｃ：逆メサ形状のフォトレジストパターン断面の側面部に形成された金属薄膜
【図１】
2005285879.tif 000003
【図２】
2005285879.tif 000004
【図３】
2005285879.tif 000005