(57)【要約】【課題】窒化物半導体の表面に、加工前の表面凹凸形状と無関係に、所望の表面形状を加工できる窒化物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】ＸＹステージ６にエッチング対象物Ａを載置して、アッテネータ４で強度を弱めたレーザー光で測定照射しつつＸＹステージ６を走査させ、パワーメータ１１で透過光量を検知して膜厚分布を計測する。続いて、エッチング対象物Ａの結晶構造を溶解させるほどに強度を高めたレーザー光を照射しつつＸＹステージ６を走査させてエッチング対象物Ａを加工照射する。アッテネータ４を用いて膜厚分布に応じた強度にレーザー光を強度変調して加工照射を行う。加工照射が完了したエッチング対象物Ａは薄膜加工装置１００から取り外して酸処理されて、表面のダメージ層を除去される。【選択図】図１
2007123638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を照射して窒化物半導体薄膜の表面形状を加工する窒化物半導体の製造方法において、
前記窒化物半導体薄膜の加工前の膜厚分布を計測する計測工程と、
収束させたレーザービームスポットで前記窒化物半導体薄膜の表面を走査して、計測された前記膜厚分布に応じて異なる照射量を前記表面の各走査点に及ぼす加工工程と、
前記加工工程を経た前記窒化物半導体薄膜の表面を酸処理する酸処理工程と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記レーザービームスポットを前記表面に導く光学系手段を用いて膜厚検出光を前記窒化物半導体薄膜に照射し、前記膜厚検出光による前記窒化物半導体薄膜の透過量を検知して前記膜厚分布を計測することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記膜厚検出光は、前記加工工程で用いる際よりも強度を低下させた前記レーザービームスポットであることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記レーザービームスポットを強度変調して前記各走査点の前記照射量を異ならせることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
波長の異なる複数のレーザー光を重ねて前記レーザービームスポットを形成することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
レーザー光を照射して窒化物半導体膜の表面を加工する窒化物半導体の製造方法において、
前記窒化物半導体膜の加工前の膜厚分布を計測する計測工程と、
前記膜厚分布に応じて、領域毎に異なるレーザー光照射量を前記窒化物半導体膜表面に及ぼす加工工程と、
前記加工工程後、前記窒化物半導体膜の表面にある前記窒化物半導体を構成する材料を除去する除去工程と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
透光性基板に形成された薄膜層の表面形状を加工する薄膜加工装置において、
レーザー光を発生する光源手段と、
発生したレーザー光を加工点に導いてレーザービームスポットを形成する光学系手段と、
前記透光性基板を移動させて前記薄膜層上の各走査点を前記加工点に位置決めする走査ステージ手段と、
前記薄膜層および前記透光性基板を透過した前記レーザービームスポットの透過光強度を検知する検知手段と、
前記レーザービームスポットの強度を変化させる強度変調手段と、
前記走査点で検知された前記透過光強度に基づいて前記強度変調手段を制御して、前記透過光強度に応じた強度の前記レーザービームスポットを前記走査点に加工照射させる制御手段と、を備えたことを特徴とする薄膜加工装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記強度変調手段を制御して強度を低下させた前記レーザービームスポットを用いて、前記透過光強度をすべての前記走査点で検知した後に、前記各走査点に対する前記透過光強度に応じた強度の加工照射を開始することを特徴とする請求項７記載の薄膜加工装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記強度変調手段を制御して強度を低下させた前記レーザービームスポットを用いて、前記透過光強度をすべての前記走査点で検知した後に、前記走査点に対する前記加工照射を開始することを特徴とする請求項７記載の薄膜加工装置。
【請求項１０】
前記光源手段は、波長の異なる複数のレーザー光を出力し、
前記光学系手段は、前記複数のレーザー光をそれぞれ前記加工点に導いて重ね合わせた前記レーザービームスポットを形成することを特徴とする請求項７乃至９記載の薄膜加工装置。
【請求項１１】
前記光源手段は、発生させた単一波長のレーザー光を複数通りに波長変換して、複数種類の波長のレーザー光を形成する波長変換手段を有することを特徴とする請求項１０記載の薄膜加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レーザー光を照射して、青色発光ダイオード等の窒化物半導体の表面形状を加工する窒化物半導体の製造方法、および、この方法の実施に採用されて好適な薄膜加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムＧａＮに代表される窒化物半導体が、青色や緑色と言った短波長の高輝度発光素子の材料として着目されており、窒化ガリウムＧａＮ等を用いたレーザーダイオードや光集積回路の実用化に向けた製造方法が種々研究されている。
【０００３】
レーザーダイオードや光集積回路の製作に際しては、平坦な結晶面を形成する必要があるが、窒化ガリウムＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、六方晶系の結晶構造を有して、各軸方向の成長速度が大きく異なるため、スパッタリング成長や気相成長と言った従来の手法では、平坦な結晶成長面を形成することが困難である。
【０００４】
また、レーザーダイオードや光集積回路の製作に際しては、半導体層の厚みを厳密に制御する必要があるが、窒化ガリウムＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、結晶構造の各軸方向のエッチング速度が大きく異なるため、ドライエッチングをかけると表面の平坦度や粗さが大きく劣化する。ドライエッチングでは、イオン衝撃によって結晶構造に損傷を生じる問題もある。
【０００５】
特許文献１には、ドライエッチングによらないで、窒化ガリウムＧａＮ等の窒化物半導体の表面を平坦化しつつ、半導体層の厚みを制御できる窒化物半導体のエッチング方法が示される。
【０００６】
ここでは、レーザー光を窒化ガリウムＧａＮ薄膜層の表面に一括照射して結晶構造を溶解させ、窒素を追い出してガリウムを液化させることにより、レーザー光の累積照射量（強度やパルス数）に応じた厚み分の窒化ガリウムＧａＮを除去している。また、レーザー光を照射した窒化ガリウムＧａＮ薄膜層を塩酸に浸漬して、レーザー光が損傷を与えた結晶層を選択的にエッチング除去することにより、平坦度の改善された結晶面を表面に出現させている。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２６０７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示される窒化物半導体のエッチング方法では、強度分布を均一化したレーザー光を、窒化物半導体のエッチング対象物の広い照射域に一括照射しているので、塩酸処理後の表面には、多少凹凸差が軽減されるにせよ、元の凹凸形状に倣った凹凸形状が残ってしまう（図７参照）。
【０００９】
本発明は、窒化物半導体の表面に、加工前の表面凹凸形状への依存性を低減した表面加工ができる、窒化物半導体の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の窒化物半導体の製造方法は、レーザー光を照射して窒化物半導体薄膜の表面形状を加工する窒化物半導体の製造方法において、前記窒化物半導体薄膜の加工前の膜厚分布を計測する計測工程と、収束させたレーザービームスポットで前記窒化物半導体薄膜の表面を走査して、計測された前記膜厚分布に応じて異なる照射量を前記表面の各走査点に及ぼす加工工程と、前記加工工程を経た前記窒化物半導体薄膜の表面を酸処理する酸処理工程とを備えた方法である。
【００１１】
本発明の薄膜加工装置は、透光性基板に形成された薄膜層の表面形状を加工する薄膜加工装置において、レーザー光を発生する光源手段と、発生したレーザー光を加工点に導いてレーザービームスポットを形成する光学系手段と、前記透光性基板を移動させて前記薄膜層上の各走査点を前記加工点に位置決めする走査ステージ手段と、前記薄膜層および前記透光性基板を透過した前記レーザービームスポットの透過光強度を検知する検知手段と、前記レーザービームスポットの強度を変化させる強度変調手段と、前記走査点で検知された前記透過光強度に基づいて前記強度変調手段を制御して、前記透過光強度に応じた強度の前記レーザービームスポットを前記走査点に加工照射させる制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の窒化物半導体の製造方法では、加工範囲に面状のレーザー光を一括照射する代わりに、収束したレーザービームスポットで加工範囲の各走査点に対して、必要な加工量（深さ）に応じた光エネルギーを注入する。こうすることにより、表面加工前の基板表面の凹凸形状依存性の少ない、表面加工が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本実施形態の窒化ガリウム半導体薄膜の加工方法と、本実施形態の薄膜加工装置とを詳細に説明する。本実施形態では、サファイアの透明基板８上に形成された窒化ガリウムの薄膜層９の加工について説明する。しかし、本発明の薄膜加工装置は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮならびにＡｌＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体やその他の半導体薄膜、不透明基板に形成されたこれらの半導体薄膜の表面加工でも利用可能である。
【００１４】
本実施形態では、窒化物半導体のエッチング方法の一例として、レーザー光波長における透過率の測定とレーザ照射処理と塩酸処理との三段階の処理により窒化物半導体をエッチング加工する加工方法が説明されているが、本実施形態の薄膜加工装置は、エッチング用レーザーもしくはモニタ用レーザーの透過光量測定装置、およびレーザ照射処理、即ち、レーザー光を加工対象物としてのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に照射する処理を行う装置であるから、以下に説明する加工方法以外の加工でも利用可能である。
【００１５】
本発明の薄膜加工装置は、以下に説明する実施形態の構成部材には限定されず、構成部材の一部または全部を同等な機能の別の構成部材によって置き換えた種々の実施形態で実施可能である。本実施形態は、薄膜層にレーザー光を照射する工程に特徴を有しており、酸処理や半導体物性、レーザー光の性質、変調、光学設計、発生方法等に関しては、本発明と隔たりがあるので、特許文献１に記載されるこのような事項については、煩雑を回避すべく詳細な説明を省略する。
【００１６】
本実施形態では、加工範囲に面状のレーザー光を一括照射する代わりに、収束したレーザービームスポットで加工範囲の各走査点に対して、必要な加工量（深さ）に応じた光エネルギーを注入して表面層に集中した結晶構造の溶解と損傷とを引き起こす。従って、必要な加工量が多い走査点では、累積照射量（照射強度、照射時間、照射回数、またはこれらの組み合わせ等）を増して除去深さを増し、必要な加工量が少ない走査点では、累積照射量を減らして除去深さを減らすことにより、加工前の表面凹凸形状と無関係に、所望の表面形状を加工できる。
【００１７】
本実施形態では、同じ光学系手段を通じて走査点の厚み検知と加工照射とを行う。そして、検知手段は、膜厚検出光としてのレーザービームスポットによる薄膜層の透過光量を検出して加工前の薄膜層の厚みを検知する。制御手段は、検知手段によって求めた加工前の厚みと目的の厚みとから求めた必要な加工量に応じて強度変調手段により同じ加工点におけるレーザービームスポットの照射強度を設定する。従って、厚み検知位置と加工照射位置とを精密に一致させた正確な結晶層の加工除去を行える。
【００１８】
従って、窒化物半導体をエッチング加工する際には、高速加工を行うことができるとともに、加工面が高度に平坦化され、且つ残膜厚がナノオーダーで制御可能な薄膜加工装置の実現が可能となる。
【００１９】
従来のドライエッチング法ではアンダーエッチングやオーバーエッチングになる課題を解決（図１０参照）できる。つまり、薄膜層の一部がエッチストップ膜厚（ジャストエッチング部）まで達した場合に、他の部分がアンダーエッチングやオーバーエッチングとなるような膜厚分布が形成される（図１２参照）課題である。言い換えれば、半導体素子や光集積回路に必要なものは「エッチング除去された部分」ではなく「エッチングによって残された薄膜層」であるが、この残膜厚さの制御を特許文献１に示される装置よりも精密に行うことができる。
【００２０】
＜第１実施形態の薄膜加工装置＞
図１は第１実施形態の薄膜加工装置の構成の説明図、図２は薄膜加工装置の制御のフローチャートである。図１は、本発明によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法を実現するための装置構成の一例であって、透過率測定とエッチングのための光源として、同一レーザをアッテネータで強度変調する構成を示した基本構成図である。
【００２１】
図１に示すように、第１実施形態の薄膜加工装置１００は、レーザ発生装置１で発生させたレーザー光を光学系３で収束し、ミラー５で加工点Ｋに導いてエッチング対象物Ａの表面にレーザービームスポットを形成する。
【００２２】
レーザ発生装置１は、ＹＡＧ結晶を用いて発生させた波長約１μのレーザー光を波長変換して、波長２６６ｎｍのレーザー光を出力するＹＡＧ４倍波レーザ発生装置である。波長２６６ｎｍは、後述するように窒化ガリウムＧａＮの結晶に吸収されて電子を励起できる波長として選択されている。
【００２３】
レーザ発生装置１の下流に配置されたホモジナイザ２は、レーザ発生装置１から出射されたレーザー光を入射して、レーザービームのビームプロファイルを成形するとともに、ビームプロファイル内の空間強度分布を均一化して出射する。
【００２４】
光学系３は、ホモジナイザ２から出射されたレーザー光を集光させて１０μｍ□のレーザービームを形成する。全反射ミラー５は、光学系３によって縮径／整形されたレーザービームを屈曲してエッチング対象物Ａへ向かわせ、加工点Ｋにレーザービームスポットを形成する。光学系３と全反射ミラー５との間に配置されたアッテネータ４は、入射したレーザー光の強度を調節して出射する。
【００２５】
ＸＹステージ６は、エッチング対象物Ａを透明な試料台上に保持して二次元走査する。エッチング対象物Ａは、サファイアの透明基板８の表面に窒化ガリウムの薄膜層９を形成してある。ＸＹステージ６は、レーザービームスポットサイズに一致させたピッチ１０μｍでステップ送りされて、エッチング対象物Ａの各走査点Ｓを加工点Ｋに順次位置決める。
【００２６】
ＸＹステージ６のエッチング対象物Ａ下に配置されたパワーメータ１１には、エッチング対象物Ａを透過したレーザービームが入射する。パワーメータ１１は、エッチング対象物Ａを透過したレーザービームの強度をモニタして、モニタ結果を制御部１０に入力する。
【００２７】
制御部１０は、パワーメータ１１で測定されたレーザービームの強度からエッチング対象物Ａの透過率を計算し、吸光係数等から薄膜層９の膜厚を計算する。そして、各種の補正を加えてエッチング最適レーザ出力を計算し、走査点Ｓごとのアッテネータ４による変調量を計算する。この計算結果は、マップデータとして制御部１０に蓄えられ、膜厚測定に続いて実行される加工照射では、計算結果に基づいてアッテネータ４を制御して、強度変調されたレーザービームでエッチング対象物Ａを露光させる。このとき、制御部１０は、エッチング部位の全域にレーザービームが当たるよう、ＸＹステージ６を制御してエッチング対象物のエッチング対象物Ａを移動させる。
【００２８】
なお、エッチング対象物Ａ（窒化ガリウムＧａＮ）に対するレーザー光の照射は、窒素ガス雰囲気中で行われるため、ＸＹステージ６は、不図示の気密処理室（チャンバー）内に設置されている。レーザービームの光路は、不図示の透明窓で気密処理室の内外に分割されている。気密処理室には不図示の真空ポンプ系と窒素ガス供給系とが接続されている。
【００２９】
図１を参照して、図２に示すように、ＸＹステージ６へのエッチング対象物Ａのセットが完了し（Ｓ１１のＹＥＳ）、制御部１０に対する必要な設定操作が完了し（Ｓ１２のＹＥＳ）、制御部１０に対して加工開始の操作が行われる（Ｓ１３のＹＥＳ）。すると、制御部１０は、膜厚計測（Ｓ１５）を開始する。
【００３０】
すなわち、制御部１０は、レーザ発生装置１を起動させてアッテネータ４によってレーザービームスポットの強度を所定値に下げ得る状態で、ＸＹステージ６をレーザービームスポットサイズと等しい１０μｍピッチで移動停止させる。そして、エッチング対象物Ａの走査位置Ｓごとに停止した状態で、レーザ発生装置１からレーザービームパルスを１パルス出力させる。と同時に、制御部１０は、パワーメータ１１の出力からエッチング対象物Ａの透過光量を検知し、ＸＹステージ６の座標位置と組み合わせて、エッチング対象物Ａの透過光量マップデータを形成する（Ｓ１５）。この処理は、ＸＹステージ６を走査移動させて、エッチング対象物Ａのすべての走査点Ｓを網羅するまで（Ｓ１５のＹＥＳ）繰り返される。
【００３１】
そして、ＸＹステージ６を走査移動させて透過光量マップの作成が完了すると（Ｓ１５のＹＥＳ）、制御部１０は、透過光量マップに基づいて加工前の膜厚分布を計算して（Ｓ１６）、モニタ画面に表示する。また、各走査点Ｓにおける加工前の膜厚から、ステップ１２で予め入力されている加工目標値を差し引いて、走査点Ｓごとの必要な加工量と、この加工量を実現するための走査点Ｓごとのレーザービーム強度を演算して加工条件マップを形成する（Ｓ１７）。
【００３２】
そして、制御部１０は、アッテネータ４を制御して、レーザービームスポットの強度を測定レベルから加工レベルに上げ得る状態とし、加工条件マップに応じた強度調整を行いつつ、ＸＹステージ６を各走査位置に位置決めつつ走査移動させる（Ｓ１８）。そして、エッチング対象物Ａの各走査点Ｓに対して１パルスずつ、必要加工量に応じた強度のレーザービームを照射させる（Ｓ１８）。
【００３３】
そして、ＸＹステージ６を走査移動させて加工照射が完了すると（Ｓ１９のＹＥＳ）、制御部１０は、レーザ発生装置１を停止させて、各種データの保存を含むシステムの終了／初期化処理を行う（Ｓ２０）。
【００３４】
＜加工原理の説明＞
図３は窒化ガリウムの相転移図、図４はレーザ出力３５ｍＪ／ｃｍ２における膜厚方向の温度分布シミュレーション結果の線図、図５はレーザ出力１００ｍＪ／ｃｍ２における膜厚方向の温度分布シミュレーション結果の線図である。また、図６はレーザ出力５０ｍＪ／ｃｍ２における膜厚方向の温度分布シミュレーションの線図、図７は本実施形態の薄膜加工方法によるエッチング結果の説明図である。
【００３５】
本実施形態におけるエッチング対象物ＡであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ化合物で、主に紫外域波長で吸光係数が大きい。従って、ＹＡＧ４倍波２６６ｎｍ以外に、ＹＡＧ３倍波３５５ｎｍやＫｒＦ２４８ｎｍ、ＡｒＦ１９３ｎｍなどを用いることができる。
【００３６】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、成膜条件などによって膜質が異なり、吸光係数は一定でないが、１０の４乗から５乗の範囲にある。従って、上記の波長域のレーザー光をＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に照射すると、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の結晶構造における電子が励起されて照射エネルギーが吸収される。
【００３７】
しかし、励起した電子が基底状態に戻るときに、フォトルミネッセンス（以下ＰＬ）などの蛍光や燐光で失活する以外の大部分の吸収エネルギーが熱に変換されるので、結晶構造が急激な温度上昇を引き起こす。従って、バンドギャップより大きなエネルギー密度をもつ波長のレーザー光による表面層の発熱量は、吸光係数εおよびレーザーエネルギー密度Ｊに比例する。
【００３８】
結晶構造を溶解するエッチングは、レーザー光により発熱したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の温度が融点を超えることにより開始される。図３に示す窒化ガリウムの相転移図は、１気圧のもとで温度が融点を超えると、結晶構造がガリウム金属と窒素とに不可逆な分解反応を起こすことを示している。熱分解の深さは、発熱量とＩＩＩ−Ｖ族窒化物の熱物性とに依存し、主に熱容量が影響する。エッチング対象物の初期温度から融点までの昇温に要するモル比熱および融解潜熱（エンタルピ）から、融解可能な（熱分解可能な）体積を、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の密度およびレーザービームスポット径を考慮して計算できる。
【００３９】
結晶構造が熱分解された領域では、ガリウム金属のみが残渣として残り、これを酸処理により除去することでエッチングが完了する。これに対して、温度上昇しても、融点を超えるだけの熱量が供給されなければ、窒化ガリウムの結晶構造は安定である。このことは、気相成長（エピタキシャル）時の成膜温度が融点近くであることからも容易に想像できる。気相成長させたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、融点まで結晶構造が安定であることは、ＤＳＣ（示差熱走査熱量計）の測定結果からも裏付けられている。
【００４０】
本実施形態の製造方法における第１の工程（Ｓ１４：図２）では、図４に示すように、表面でも融点を超えないエネルギー密度のレーザー光を用いて、エッチング対象物Ａの加工領域の全域で走査位置Ｓごとの透過率測定を行う。透過率測定専用のレーザー光の発生装置を別途設けてもよい。しかし、エッチング用レーザー光の強度をアッテネータ４で調節して、エッチング用レーザー光を膜厚モニタ光としても使うことにすれば、薄膜加工装置１００をコンパクトに構成できる。その上、モニタ光とエッチング用レーザー光との光軸を一致させる調整が不要となる。
【００４１】
本実施形態の製造方法では、エッチング対象物Ａの加工前の膜厚は、エッチング対象物Ａの透過率から求める。エッチング対象物Ａの透過率は、モニタしたレーザー光の強度を、エッチング対象物Ａがないときのレーザー光の強度で除して求める。
【００４２】
膜厚分布を測定する第１の工程でモニタした膜厚から、加工後の膜厚にするための発熱量を計算し、それに基づき、アッテネータ４で強度調節した第２の条件のレーザー光強度で露光することを第２の工程（Ｓ１８：図２）としている。加工照射を行う第２の工程では、図５、図６に示すように、必要な加工深さの領域で温度が融点を越えるような高いエネルギー密度のレーザービームを用いる。そして、エッチング対象物Ａの加工領域の全域で、走査位置Ｓごとの加工照射を行う。図５に示すように、膜厚方向におけるレーザービームの強度分布は、吸収によって表面から指数関数的に減衰するため、表面温度が最も高くなり、膜厚方向に温度分布が生じ、融点に達した深さまでの部分がエッチングされる。
【００４３】
加工照射の第２の工程を終えたエッチング対象物Ａは、薄膜加工装置１００から取り出され、第３の工程で酸によって処理され、結晶構造を形成していたガリウムの残渣や、窒素が抜けて結晶構造に損傷を受けた部分が選択的に除去される。これにより、図７に示すように、第３の工程を経たエッチング対象物の表面には、加工前の凹凸には依存しない、薄膜加工装置１００の加工精度に依存した表面粗さの平坦な結晶面が露呈する。
【００４４】
＜加工方法の詳細＞
膜厚分布を測定する第１の工程（Ｓ１４：図２）では、まず、使用するレーザ波長におけるエッチング対象物Ａの表面反射率と透過率、およびエッチング対象物Ａを載置する試料台のレーザ波長における透過率をバックグランドとして測定しておく。エッチング精度に応じて、必要ならばＸＹステージ６を走査してバックグランドもマッピングデータとして計測しておく。
【００４５】
計測後、エッチング対象物ＡをＸＹステージ６の試料台にセットして、融点を超えない第１の条件でエッチング対象物Ａの透過率を、熱分解を伴わない非破壊状態で測定する。エッチング対象物Ａの吸光係数は、数ミクロンオーダーの初期膜厚時に計測した透過率から精度よく求めることができる。
【００４６】
続いて、バックグランドを考慮して実測したエッチング対象物Ａのレーザ透過率から膜厚を求める。膜厚は、透過率の対数を吸光係数で除した関数で表される。初回サイクルでは吸光係数の計算のために設定した初期膜厚と一致するが、２回目のサイクル以降では、エッチング対象物Ａのエッチング残膜厚を透過率から求めてモニタする。
【００４７】
次に、残膜厚を所定の値にするためのレーザ出力をエッチング対象物Ａの熱容量および膜厚方向の温度プロファイル（図５、図６等）から計算する。加工照射における第２の条件は、例えば、窒化ガリウムの２６６ｎｍにおける吸光係数ε＝１０００００Ｃ＝０．８７［Ｊ／ｇ・Ｋ］、ｄ＝６．１  ［ｇ／ｃｍ３］である。また、サファイアの透明基板８の透過率Ｔ％＝８０％、レーザーエネルギー密度が５０ｍＪ／ｃｍ２である。このような条件でシミュレーションした結果、図６に示すようなＤｅｐｔｈプロファイルが描ける。さらに、隣接領域の膜厚を考慮した誤差拡散係数補正および熱伝導率を考慮した補正を加え、ＸＹステージ６のＸＹ走査による時間と場所の積分を行う。シミュレーションをまとめると、以下のようになる。
【００４８】
面積１ｃｍ２、厚さ１ｎｍのセグメントを考えると、深さｄｎｍの位置の光強度密度Ｉは、
Ｉ＝  Ｉ０  ・１０  （−ε・ｄ）
Ｉ  ：深さｄｎｍの位置の光強度密度［Ｊ／ｃｍ２］、  Ｉ０  ：露光エネルギー密度［Ｊ／ｃｍ２］、
ε：吸光係数  ［ｃｍ−１］、ｄ：厚さ［ｃｍ］である。
【００４９】
また、深さｄｎｍの位置（厚さ１ｎｍ）の温度Ｔｄは、
Ｔｄ＝ΔＩ／Ｃ・ρ    
Ｔｄ：深さｄｎｍの位置（厚さ１ｎｍ）の温度［Ｋ］、ΔＩ：厚さ１ｎｍごとの強度減衰  ［Ｊ／ｃｍ２］、
Ｃ：比熱  ［Ｊ／ｇ・Ｋ］  、ρ：密度  ［ｇ／ｃｍ３］である。
【００５０】
また、熱流速ｑは、
ｑ＝λ・ΔＴ／ｔ
ｑ：熱流速  ［Ｗ／ｃｍ２］、λ：熱伝導率  ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、ΔＴ：各セグメントの温度差  ［Ｋ］  、ｔ：厚さ［ｍ］である。
【００５１】
そして、本実施形態では、吸光係数ε＝１０００００Ｃ＝０．８７［Ｊ／ｇ・Ｋ］、ｄ＝６．１  ［ｇ／ｃｍ３］、サファイアの透明基板８の透過率Ｔ％＝８０％である。
【００５２】
このようにして演算したシミュレーション結果によると、図６に示すように、レーザーエネルギー密度が５０ｍＪ／ｃｍ２の場合、窒化ガリウムの融点１２００度Ｃ以上となるのは表面から１５ｎｍの範囲である。また、図５に示すように、レーザーエネルギー密度が１００ｍＪ／ｃｍ２の場合、窒化ガリウムの融点１２００度Ｃ以上となるのは４５ｎｍの範囲である。そして、図４に示すように、レーザーエネルギー密度が３５ｍＪ／ｃｍ２以下ならば、表面でも１２００度Ｃ未満で融点に達しない。なお、本実施形態ではパルス繰り返し周期が十分短いので近似的に補正を加えていない。
【００５３】
そして、露光エネルギー密度Ｉ０は、
Ｉ０  ：露光エネルギー密度［Ｊ／ｃｍ２］  ≦レーザ最大エネルギー密度［Ｊ／ｃｍ２］×パルス数［１／ｓｅｃ］  ×ｖ［ｓｅｃ］
ｖ：１ｃｍ２の領域を走査するに要する時間［ｓｅｃ］である。
【００５４】
従って、走査位置Ｓごとの露光エネルギー密度Ｉ０［Ｊ／ｃｍ２］は、このように計算して作成したルックアップテーブルを参照して、表面からｄの厚さ位置が窒化ガリウムの融点１２００度Ｃとなるように求める。ｄ＝０のときには、レーザ出力をスレッショールド以下あるいはゼロとする。
【００５５】
このようにしてエッチング対象物Ａの走査位置Ｓごとの露光エネルギー密度Ｉ０［Ｊ／ｃｍ２］と、そのためのアッテネータ４の制御量とをシミュレーション演算する。その後に、本実施形態の第２の工程として、上記シミュレーション結果を元に、アッテネータ４でエネルギー密度を変調しながらエッチング対象物Ａを実際にレーザ露光する。
【００５６】
そして、パルス露光する場合には、パルスレーザー１パルスの露光で所定の残膜厚以下になると予測される場合には、低エネルギーを数パルスにわけてエッチングする条件にする。パルス露光する場合には、そのタイムラグをＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体内における光−熱変換時間および化学反応時間以内に収めることが望ましい。また、ＣＷレーザーでは数サイクルに分割して露光することができる。
【００５７】
第２の工程が終了すると、薄膜加工装置１００からエッチング対象物Ａを取り出して、本実施形態の第３工程として、塩酸や硫酸などによる酸処理および純水やアルコールなどによるリンス処理を行う。
【００５８】
上記した本実施形態のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法であるレーザ透過率測定とレーザ加工照射と塩酸処理とを１回ずつ行う処理を１サイクル（Ｃｙｃｌｅ）としている。そして、薄膜層９の加工領域の全域（すべての走査点Ｓ）が所定残膜厚となるまで、上記処理を複数サイクル繰り返し行う。
【００５９】
このように、本実施形態のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法によれば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を高速でエッチングすることができるとともに、加工面を高度に平坦化することができる。
【００６０】
そして、エッチング対象物ＡであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体にレーザー光を強力なエネルギーで照射しても、加工対象物であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に深刻な損傷を与えることはない。
【００６１】
さらに、エッチング対象物ＡであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体における残膜厚の調整は、レーザによる膜厚モニタおよびレーザーエネルギー密度および照射パルス数を変化させて行うことができる。
【００６２】
使用するレーザー光としては、加工対象の材料の有する吸収端の波長より短い複数の波長のレーザー光を用いている。そして、ホモジナイザ２を用いてレーザー光の空間強度分布を均一化させ、光学系３を用いて数十乃ミクロンメートル乃至数ミクロンメートル程度まで集光している。
【００６３】
上記したことから明らかなように、本実施形態によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法によれば、従来の技術のナノオーダーの残膜厚で制御された平滑膜を得るという課題を解決することができる。
【００６４】
さらに、本発明によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法によれば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いた光集積回路のフォトニック結晶加工を行う際に、本発明によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法を利用することができる。
【００６５】
なお、レーザービームスポットによる被加工面の走査は、エッチング対象物ＡのほうをＸＹステージ６によって二次元的に移動させるのが一般的である。しかし、エッチング対象物Ａを固定して、レーザービームスポットおよび透過率測定装置のパワーメータ１１を走査してもよい。
【００６６】
また、アッテネータ４は、レーザー光発生装置１とホモジナイザ２との間等、レーザー光路上の別の位置に配置してもよく、アッテネータ４以外の強度変調装置、例えば、分配率を変更可能なビームスプリッタやＮＤフィルタ等で置き換えてもよい。また、光学系３をミラー５とエッチング対象物Ａとの間に配置した縮小投影光学系に置き換えて、半導体ステッパ方式に加工照射を行わせてもよい。
【００６７】
また、レーザービームスポットの形状は正方形には限定されず、細長いスリット形状としてもよい。また、ステップ送りごとの１パルス照射は、連続送りパルス照射、連続送り連続照射等に置き換えてもよい。走査点ごとの累積照射量は、上述したように、変調手段を用いてパルス強度を制御する以外にも、同一出力パルスの累積照射回数、パルス露光時間、これらの組み合わせによっても設定可能である。
【００６８】
＜エッチング加工例＞
研磨加工した４３０μｍのサファイアの透明基板８に２μｍの窒化ガリウムの薄膜層９をエピタキシャル成長させたエッチング対象物Ａを入手した。エッチング対象物Ａの表面平滑性を測定したところ、１００μｍ２のエリアで平坦部は８０ｎｍ程度のラフネスであるが、部分的に１００ｎｍ〜４００ｎｍの突起が数点存在していた。分光器を用いた透過率測定により２６６ｎｍにおける吸光係数は８×１０４であった。研磨加工した４３０ミクロンメートルのサファイア基板の透過率は８５％であり、この吸光係数は、これを補正した窒化ガリウム単独の換算した値である。
【００６９】
以上求めたエッチング対象物Ａの基礎物性を参照して用いる。図１に示す薄膜加工装置１００の定数としては、ＸＹステージ６におけるエッチング対象物Ａの試料台の石英による透過率ロスが平均で８％あり、ＸＹ走査によって各ポイントでの透過率マップを得た。
【００７０】
続いて、図１に示す光学系３を経由して１０μｍ□にビーム成型した２６６ｎｍのＹＡＧ４倍波のエネルギー密度をパワーメータ１１で測定した。そして、載置台での透過率ロスを考慮して窒化ガリウムへの最大照射エネルギー密度を５０ｍＪ／ｃｍ２となるようにアッテネータ４を設定した。
【００７１】
これらのデータをもとに、複数の照射エネルギー密度に関して、単一パルスでの窒化ガリウム膜厚方向の温度プロファイルを見積もり、ルックアップテーブルを作成した。
【００７２】
ＸＹステージ６の試料台に１ｃｍ２□にダイシングしたエッチング対象物Ａを置き、第１の工程として透過率を測定した。サファイア基板および載置台の透過率ロスを補正した値と吸光係数から窒化ガリウム薄膜層９の厚さを２ミクロンと推定した。初期の膜厚を前提に透過率から吸光係数を求めているため、その吸光係数と透過率を使えば初期膜厚となることは当然である。
【００７３】
膜厚が厚いときには透過率が低いので、透過光による膜厚測定精度が低いが、ルックアップテーブルを参照したところ、最大照射エネルギー密度となるため影響は少ない。
【００７４】
次に、第２の工程として最大照射エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ２でエッチング対象物Ａを照射した。Ｘ方向に１０μｍステップ走査し、同様の第１のステップ（透過率測定・膜厚計算・照射エネルギー密度計算）を実施した。原点の走査位置Ｓ以外では、隣接する走査位置Ｓにおける膜厚を誤差拡散で補正して目標とする残膜厚を計算し、照射エネルギー密度に反映させた。
【００７５】
このようにして第２の工程（照射・ステップ走査）を順次繰り返し、窒化ガリウムをライン状に走査した。次に、Ｙ方向に１０μｍステップ走査して、同様にＸのマイナス方向へライン状に走査することを繰り返した。露光を終了した窒化ガリウム全体を観察したところ金属光沢が見られ、第３の工程として３５％塩酸に１分間浸漬後、蒸留水で流水洗浄した。
【００７６】
同様にして、第１工程から第３工程までの１サイクルの処理を数サイクル乃至数十サイクル繰り返す。終点を例えば４００ｎｍの残膜厚にする場合について説明する。膜厚が４００ｎｍ程度までくると透過率が５０％近となるため膜厚測定精度が高くなる。
【００７７】
この膜厚についてルックアップテーブルを参照したところ、最大照射エネルギー密度では４００ｎｍをオーバーエッチングすることが判明したため、計算により求めた最適照射エネルギー密度で露光した。本加工例の条件においては、１サイクル平均でおよそ２０ｎｍまでのエッチングが可能であった。
【００７８】
本実施形態で説明した加工方法は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）あるいはＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの単結晶やこれらの混晶（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど）を高速エッチング加工する際に、加工面を高度に平坦化できる。ＧａＮ、ＩｎＮやＡｌＮなどの結晶は同一構造なので混晶（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど）も作成可能であり、これらの混晶もまたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に含まれる。
【００７９】
本実施形態で説明した加工方法は、残膜厚をナノオーダーで制御したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を得られる。特に、透過率が高くなる残膜厚の薄い時ほど膜厚測定精度が向上するため、ナノオーダーの残膜厚を精度よくエッチング加工できる。そして、隣接する領域の膜厚を誤差拡散により考慮するため段差の無い平滑性に優れたエッチング加工ができる。
【００８０】
＜第２実施形態の薄膜加工装置＞
図８は第２実施形態の薄膜加工装置の構成の説明図、図９はレーザー光の波長と発熱量との関係の説明図、図１０は波長の異なる２種類のレーザー光による加工結果の説明図である。第２実施形態の薄膜加工装置２００は、図１に示す第１実施形態の薄膜加工装置１００に、ＹＡＧ４倍波レーザの照射光学系と並列に、ＹＡＧ３倍波レーザの照射光学系を付加したものである。従って、図１と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８１】
図８に示すように、第２実施形態の薄膜加工装置２００は、ＹＡＧ結晶を用いてレーザー発生装置１Ａで発生させた波長約１μｍのレーザー光をハーフミラー１７で２つの光路に分岐させる。そして、一方の光路を進むレーザー光をミラー１９によりＦＨＧ変換素子１Ｃに入射させる。ＦＨＧ変換素子１Ｃは、入射されたＹＡＧレーザー光の波長を１／４に変換して波長２６６ｎｍのレーザー光を発生する。ＦＨＧ変換素子１Ｃによって変換されたＹＡＧ４倍波レーザは、光学系３で収束し、ビームコンバイナ１６で加工点Ｋに導いてエッチング対象物Ａの表面にレーザービームスポットを形成する。
【００８２】
また、ハーフミラー１７で分岐させた他方の光路を進むレーザー光は、ミラー１８によりＴＨＧ変換素子１Ｂに入射する。ＴＨＧ変換素子１Ｂは、入射されたＹＡＧレーザー光の波長を１／３に変換して波長３５５ｎｍのレーザー光を発生する。ＴＨＧ変換素子１Ｂによって変換された３倍波レーザーは、光学系１３で収束し、ミラー１５、ビームコンバイナ１６で４倍波レーザー光と同じ加工点Ｋに導かれて、エッチング対象物Ａの表面にレーザービームスポットを形成する。波長２６６ｎｍ、３５５ｎｍは、上述したように、窒化ガリウムＧａＮの結晶構造に吸収されて電子を励起できる波長として選択されている。
【００８３】
ＴＨＧ変換素子１Ｂの下流に配置されたホモジナイザ１２は、レーザービームのビームプロファイルを成形するとともに、ビームプロファイル内の空間強度分布を均一化して出射する。光学系１３は、ホモジナイザ１２から出射されたレーザー光を集光させて１０μｍ□のレーザービームを形成する。ミラー１５は、光学系１３によって縮径／整形されたレーザービームを屈曲してエッチング対象物Ａへ向かわせる。光学系１３とミラー１５との間に配置されたアッテネータ１４は、入射したレーザー光の強度を調節して出射させる。
【００８４】
制御部１０は、パワーメータ１１で測定された波長２６６ｎｍ、３５５ｎｍの２種類のレーザービームの強度からエッチング対象物Ａの透過率を計算し、吸光係数等から薄膜層９の膜厚を計算する。そして、各種の補正を加えてエッチング最適レーザ出力を計算し、２つの波長のレーザー光の組み合わせを選択し、走査点Ｓごとのアッテネータ４、１４による変調量を計算する。
【００８５】
この計算結果はマップデータとして制御部１０に蓄えられ、膜厚測定に続いて実行される加工照射では、計算結果に基づいてアッテネータ４、１４を制御して、強度変調されたレーザービームでエッチング対象物Ａを露光させる。このとき、制御部１０は、エッチング部位の全域にレーザービームが当たるよう、ＸＹステージ６を制御してエッチング対象物Ａを走査移動させる。
【００８６】
従って、エッチング対象物ＡであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体における残膜厚の調整は、レーザービームによる膜厚モニタ結果に応じてレーザーエネルギー密度と照射パルス数との少なくとも一方を変化させて行われる。
【００８７】
使用するレーザー光としては、加工対象の材料の有する吸収端の波長より短い波長のレーザー光を用いる。そして、ホモジナイザ２、１２を用いてレーザー光の空間強度分布を均一化させ、光学系３、１３によって数十乃ミクロンメートル乃至数ミクロンメートル程度まで集光させる。
【００８８】
薄膜加工装置２００は、エッチング対象物Ａを載置するためのＸＹステージ６を内部に設置してエッチング雰囲気を制御するためのチャンバー室、または、加工点Ｋに対する窒素ガスの噴き付け装置を配置しても良い。
【００８９】
エッチング対象物ＡであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物は、ＹＡＧ４倍波２６６ｎｍに対しては、ＹＡＧ３倍波３５５ｎｍに対してよりも大きな吸光係数を示す。従って、ＹＡＧ４倍波２６６ｎｍでは透過光が弱過ぎて膜厚を精度良く計測できない膜厚でも、ＹＡＧ３倍波３５５ｎｍを用いれば膜厚をより正確に計測できる。
【００９０】
図９の（ａ）、（ｂ）に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物のバンドギャップ以上のかかる波長のレーザー光を照射すると、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物が励起される。そして、励起状態から基底状態に戻るときに、バンドギャップエネルギーが熱に変換されるか蛍光・燐光などのフォトルミネッセンス（以下ＰＬ）として発光するかの２つの経路を通る。
【００９１】
このとき、図９の（ａ）に示すように、レーザー光の波長λ１がバンドギャップλＰＬ近くの場合には、ＰＬが強く観測されるが、バンドギャップλＰＬより大きなエネルギーをもつ波長λ２の光では、短波長ほど熱への変換効率が高くなる。この現象は短波長ほど振動準位を含めた上位の準位に励起され、バンドギャップλＰＬの最低準位やバンドギャップλＰＬ内の不純物準位あるいはＰＬ準位への遷移に伴い熱輻射するためであると説明される。
【００９２】
よって、バンドギャップλＰＬより大きなエネルギーをもつ短い波長におけるレーザー光の熱変換効率は吸光係数εに比例し、発熱量は吸光係数εとレーザーエネルギー密度Ｊに比例し、波長λに依存する。ここでは、波長エネルギーとレーザ強度エネルギーとを混同しないため、後者をエネルギー密度もしくはレーザ出力と記載する。
【００９３】
従って、複数のレーザ波長における透過率と吸光係数から膜厚を計算することで、単一波長より膜厚を精度よく求めることができる。透過率は、実測したレーザー光の強度をエッチング対象物Ａがないときのレーザー光強度で除して求めることができる。
【００９４】
第２実施形態の薄膜加工装置２００では、膜厚分布を測定する第１の工程で二種類のレーザー光を用いてモニタした膜厚から、所定の膜厚にするための発熱量を計算し、それに基づきアッテネータで各々調節した第２の条件において複数のレーザ波長光で加工照射することを第２の工程としている。
【００９５】
上述したように、露光時の膜厚方向におけるレーザー光の強度分布は、表面から指数関数的に減衰するため、表面温度が最も高くなり、膜厚方向に温度分布が生じ、融点に達した部分がエッチングされる。従って、複数のレーザ波長光による加工照射は、複数のレーザ波長光で同時に露光することが好ましい。また、複数のレーザ波長光を別々に交代で露光する場合でも、そのタイムラグをＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体内における光−熱変換時間および化学反応時間以内に収めることが望ましい。
【００９６】
第２実施形態の薄膜加工装置２００では、ＹＡＧ４倍波とＹＡＧ３倍波は、ともにレーザー光発生装置１ＡによるＹＡＧ基本波を、ＴＨＧ変換素子１ＢおよびＦＨＧ変換素子１Ｃの非線形光学結晶により波長変換を行う。そして、ＹＡＧ基本波をビームスプリッタのハーフミラー１７で分岐し、ＴＨＧ変換素子１ＢおよびＦＨＧ変換素子１Ｃで波長変換した後にビームコンバイナ１６で集光するので、パルス発光の同期が容易である。
【００９７】
ただし、別々のレーザー光発生装置を用いた場合でも、制御部から送信するトリガー信号に同期させてパルス発光を行うことにより、上記化学反応時間以内に収めることは容易である。
【００９８】
＜加工方法の詳細＞
まず、エッチング対象物Ａの表面反射率および透過率、また、エッチング対象物Ａを載置するＸＹステージ６の試料台の透過率をＹＡＧ３倍波３５５ｎｍとＹＡＧ４倍波２６６ｎｍとについてそれぞれバックグランドとして測定しておく。このとき、融点を超えない第１の条件で、エッチング対象物Ａの透過率を、熱分解を伴わない非破壊状態で測定することは上述したとおりである。エッチング対象物Ａの吸光係数は数ミクロンオーダーの初期膜厚時に測定した透過率から精度よく求めることができる。
【００９９】
続いて、本発明の第１の工程として、バックグランドを考慮して実測したエッチング対象物Ａのレーザ透過率から膜厚を求める。膜厚は、透過率の対数を吸光係数で除した関数で表される。膜厚は、初回サイクルのみ、吸光係数の計算のために設定した初期膜厚と一致するが、２回目のサイクル以降は残膜厚を透過率から求めてモニタする。
【０１００】
次に、残膜厚を所定の値にするためのレーザ出力を熱容量および膜厚方向の温度プロファイルから計算する。ＹＡＧ４倍波２６６ｎｍについては上述したとおりである。ＹＡＧ３倍波３５５ｎｍについても、同様の熱変換効率補正を複数の波長について実施することで、同様な深さ方向の温度上昇のシミュレーションを行う。これにより、各波長における膜厚方向の温度プロファイルのシミュレーション結果が得られる。
【０１０１】
加工照射を行う第２の工程では、上記シミュレーション結果を元に最適なエッチング膜厚となる複数の波長エネルギー密度の組み合わせを選択し、アッテネータ４、１４で各波長光を強度変調してレーザ露光する。このとき、パルスレーザーにおいて、１パルスの露光で所定の残膜厚以下になると予測される場合には低エネルギーを数パルスにわけてエッチングする条件にする。
【０１０２】
なお、パルス露光する場合でも、そのタイムラグをＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体内における光−熱変換時間および化学反応時間以内に収めることが望ましい。ＣＷレーザーでは数サイクルに分割して露光することができる。
【０１０３】
つづいて、第１実施形態で説明したように、レーザー光を加工照射されたエッチング対象物Ａは、薄膜加工装置２００から取り外される。そして、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を酸によって処理する第３の工程に供され、酸処理によって表面のガリウム残滓やダメージ層を除去される。第３の工程では、塩酸や硫酸などによる酸処理および純水やアルコールなどによるリンス処理を行う。
【０１０４】
本実施形態のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法であるレーザ透過率測定とレーザ照射処理と塩酸処理とを１回ずつ行う処理を１サイクル（Ｃｙｃｌｅ）として、薄膜層９の加工領域の全体が所定残膜厚となるまで上記処理を複数サイクル繰り返し行う。
【０１０５】
このように、本発明によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング方法によれば、図１０に示すように、ＹＡＧ４倍波２６６ｎｍだけの場合よりも深い位置までレーザー光を到達させて正確に膜厚測定を行うことができる。何故なら、２種類の波長λ１とλ２、すなわちＹＡＧ４倍波２６６ｎｍとＹＡＧ３倍波３５５ｎｍとを併用したからである。
【０１０６】
また、加工照射では、深い位置まで高温領域を広げて、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を所定の加工目標の膜厚まで高速でエッチングすることができるとともに、加工面を高度に平坦化することができる。
【０１０７】
また、ＹＡＧ４倍波２６６ｎｍだけの場合と同様に、エッチング対象物ＡであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体にレーザー光を強力なエネルギーで照射しても、エッチング対象物ＡであるであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に深刻な損傷を与えることはない。
【０１０８】
＜エッチング加工例＞
研磨加工した４３０ミクロンメートルのサファイア基板に２ミクロンメートルの窒化ガリウムをエピタキシャル成長させた試料を入手した。試料の表面平滑性を測定したところ、１００μｍ２のエリアで平坦部は８０ｎｍ程度のラフネスであるが、部分的に１００ｎｍ〜４００ｎｍの突起が数点存在していた。分光器を用いた透過率測定により、２６６ｎｍにおける吸光係数は８×１０４、３５５ｎｍにおける吸光係数は７．５×１０４であった。研磨加工した４３０ミクロンメートルのサファイア基板の透過率は２６６ｎｍで８５％、３５５ｎｍで８７％であり、これを補正した窒化ガリウム単独の吸光係数に換算した値である。
【０１０９】
また、吸光係数は励起される割合を示すものであり、励起状態からの発熱効率は、サンプリングした同一試料の小片を、各波長での規定エネルギー密度におけるエッチング深さを予め実測して求めた。以上求めたエッチング対象物の基礎物性を参照して用いる。
【０１１０】
図８に示す薄膜加工装置２００の装置定数として、エッチング対象物Ａを載置する試料台の石英による両波長における透過率ロスが平均で８％あり、ＸＹ走査によって各ポイントでの透過率マップを得た。
【０１１１】
続いて、図８の光学系３を経由して１０μｍ□にビーム成型した２６６ｎｍのＹＡＧ４倍波のエネルギー密度をパワーメータ１１で測定し、試料台での透過率ロスを考慮して窒化ガリウムへの最大照射エネルギー密度を５０ｍＪ／ｃｍ２となるように設定した。
【０１１２】
同様に、図８の光学系１３を経由して１０μｍ□にビーム成型した３５５ｎｍのＹＡＧ３倍波のエネルギー密度をパワーメータ１１で測定した。そして、試料台での透過率ロスを考慮して、窒化ガリウムへの最大照射エネルギー密度を同じく５０ｍＪ／ｃｍ２となるように設定した。
【０１１３】
上記窒化ガリウムの小片２個をサンプリングして、波長２６６ｎｍ最大照射エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ２、および波長３５５ｎｍ最大照射エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ２で露光しエッチングしたものを塩酸処理してエッチング深さを測定した。各々２０ｎｍおよび１５ｎｍであり、その差は発熱効率の差によるものと思われる。
【０１１４】
これらのデータをもとに、複数の照射エネルギー密度に関して、単一パルスでの窒化ガリウム膜厚方向の温度プロファイルを見積もり、ルックアップテーブルを作成した。
【０１１５】
第２実施形態の薄膜加工装置２００のＸＹステージ６の試料台に１ｃｍ２□にダイシングしたエッチング対象物Ａを載置した。そして、第１の工程として、透過率を測定してサファイア基板および試料台の透過率ロスを補正した値と吸光係数とから膜厚を２ミクロンと推定した。初期の膜厚を前提に透過率から吸光係数を求めているため、その吸光係数と透過率を使えば初期膜厚となることは当然である。
【０１１６】
膜厚が厚いときには透過率が低いので、膜厚測定精度が悪いが、ルックアップテーブルを参照したところ、最大照射エネルギー密度となるため影響は少ない。エッチング深さが２０ｎｍと深い２６６ｎｍレーザを１００％使うことにした。
【０１１７】
次に、第２の工程として波長２６６ｎｍレーザービームを最大照射エネルギー密度５０ｍＪ／ｃｍ２でサンプルを加工照射した。Ｘ方向に１０μｍステップ走査し、同様の第１の工程（透過率測定・膜厚計算・照射エネルギー密度計算）を実施した。原点以外では、隣接走査位置における膜厚を誤差拡散で補正して目標とする残膜厚を計算し、照射エネルギー密度に反映させた。
【０１１８】
そして、第２の工程（加工照射・ステップ走査）を順次繰り返し、エッチング対象物Ａの窒化ガリウム薄膜層の表面をライン状に走査した。次に、Ｙ方向に１０μｍステップ走査して、同様にＸのマイナス方向へライン状に走査することを繰り返した。走査露光が終了したエッチング対象物Ａを観察したところ、金属光沢が見られ、第３の工程として３５％塩酸に１分間浸漬後、蒸留水で流水洗浄した。同様にして第１の工程から第３の工程までの処理を数乃至数十サイクル繰り返す。
【０１１９】
終点を例えば４００ｎｍの残膜厚にする場合について説明する。膜厚が４００ｎｍ程度までくると透過率が５０％近となるため膜厚測定精度が高くなる。この膜厚についてルックアップテーブルを参照したところ、最大照射エネルギー密度では４００ｎｍをオーバーエッチングすることが判明したため、計算により２６６ｎｍ２０ｍＪ／ｃｍ２と３５５ｎｍ３０ｍＪ／ｃｍ２の最適照射エネルギー密度で露光した。
【０１２０】
合計で５０ｍＪ／ｃｍ２であるが、発熱効率および温度プロファイルが異なるため、２６６ｎｍ５０ｍＪ／ｃｍ２単独時とはエッチング深さが異なる。長波長ほど減衰が小さい（吸光係数も小さい）ので、温度プロファイルが異なるためであると考えられる。そして、終点近くでは３５５ｎｍレーザのみで露光することで、浅いエッチングによる高精度の膜厚制御が可能となる。
【０１２１】
なお、本実施例の条件においては、１サイクル平均でおよそ３０ｎｍまでのエッチングが可能であった。
【０１２２】
また、波長３５５ｎｍのＹＡＧ３倍波のエネルギー密度は、アッテネータ１４で強度変調をかけなければ最大で２００ｍＪ／ｃｍ２の出力があり、１サイクルで約１００ｎｍのエッチングが可能であるため、さらなる大幅な時間短縮を図ることができる。初期膜厚のときに波長３５５ｎｍエネルギー密度２００ｍＪ／ｃｍ２でエッチングを進め、残膜厚が設定値に近づいたところで２６６ｎｍ５０ｍＪ／ｃｍ２と３５５ｎｍ５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲でエッチングを進める。これにより、高速かつ高精度なエッチングを１つの薄膜加工装置２００によって、連続したエッチング方法で達成可能である。
【０１２３】
第２実施形態の薄膜加工装置２００では、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を高速エッチング加工する際に、加工面を高度に平坦化することができるとともに、残膜厚をナノオーダーで制御したＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を得られる。特に、透過率が高くなる残膜厚の薄い時ほど膜厚測定精度が向上するため、ナノオーダーの残膜厚を精度よくエッチング加工できる。
【０１２４】
また、複数の波長のレーザービームを使い分けることで、単一波長のレーザービームの強度変調では不可能な膜厚方向への温度プロファイルの組み合わせで、精密なエッチングが可能となった。
【０１２５】
＜比較例の加工方法＞
図１１は比較例の加工方法による加工結果の説明図、図１２はエンドマーカーを用いたエッチング加工の説明図である。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、青色発光ダイオード、高輝度緑色発光ダイオードあるいは青色レーザーダイオード等の青色発光固体素子や紫外発光固体素子などの短波長の高輝度発光素子の実現に不可欠である。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）あるいはＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの単結晶やこれらの混晶（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなど）を含む。そして、近年における研究の進展により、これらのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いて、こうした素子の材料として利用可能な良質な薄膜結晶（エピタキシャル層）を得ることも不可能ではなくなった。
【０１２６】
しかし、こうした青色発光固体素子や紫外発光固体素子の実用化を妨げている主な要因として、素子の材料となるＧａＮ、ＩｎＧａＮならびにＡｌＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に関して、以下に説明するような製造上の問題点があった。
【０１２７】
（１）エピタキシャル成長膜の平滑化の困難性
研磨平滑化したサファイアやシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を基板として、エピタキシャル成長させるとき、ＧａＮ、ＩｎＧａＮならびにＡｌＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、六方晶の結晶であるために軸方向の成長速度が大きく異なる。よって、得られる成長膜は表面の平滑性が悪いという問題があった。
【０１２８】
よって、ドライエッチング前にまず平滑化処理を実施する必要があったが、研磨によって傷がつきやすいという問題がある。また、ＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）やＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）などの従来手段では局所的な凹凸は平滑化できるが、基板全体での膜厚むらは補正できないという問題があった。
【０１２９】
（２）エッチング加工の困難性
結晶成長法や素子化技術などのプロセス技術が確立されていく中で、ＧａＮ系結晶などのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のエッチング加工は、ＧａＮ系結晶などのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の高い化学的安定性と高硬度により極めて困難なものとなっている。
【０１３０】
例えば、一般に使用されているプラズマエッチングや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体をエッチング加工する場合、その加工速度が著しく遅いものとなる。しかも、結晶構造に対するプラズマや活性イオンなどの衝突により結晶へのダメージが導入される。
【０１３１】
従って、現状ではＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体のドライエッチング技術は確立されていないものであり、平坦な平面が得られる低ダメージな高速エッチング技術の開発が強く求められている。
【０１３２】
（３）レーザーダイオード作製における平行平面共振器作製の困難性
半導体レーザを発振させるためには、積層した構造を劈開させて完全に平行な鏡面の端面を出す必要がある。例えば、赤色レーザーダイオードなどの素子構造には立方晶の半導体結晶が用いられ、この結晶系では劈開による共振器作製は容易である。ところが、短波長レーザの実用化に向けて最も近い素子材料であるＧａＮ、ＩｎＧａＮならびにＡｌＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、六方晶の結晶である。このため、劈開面の平坦度が低く、劈開面における平坦度の低下がレーザの発振性能に重大な影響を及ぼしてしまう。
【０１３３】
すなわち、六方晶の劈開技術には限界があるため、これがレーザの発振性能の悪化や低い歩留まりの原因となっているものであって、劈開して得られた面の平坦化技術の開発が強く求められている。
【０１３４】
また、レーザーダイオードやフォト二クス結晶の加工においては、ナノオーダーの膜厚を制御する技術が求められている。しかし、図１２に示すように、従来のエンドマーカーを用いた膜厚モニタは、ドライエッチングと並行してピンポイントでの残膜厚をモニタできるものの、膜厚分布をモニタできない。か、もしくは膜厚分布を測定するためには別途走査手段が必要であり、エッチングしながらのリアルタイムな膜厚分布のモニタが困難であり、複雑な装置構成になるという問題があった。
【０１３５】
そして、エンドマーカーを用いるピンポイントの残膜厚モニタでは、ピンポイントを外れた位置の膜厚は不検知であるため、局所的なオーバーエッチングやアンダーエッチングとなることが多く、ナノオーダーの残膜厚でジャストエッチングすることは難しかった。
【０１３６】
これに対して、特許文献１には、レーザー光の照射と塩酸エッチングとを組み合わせた窒化物半導体の平坦化方法が示される。ここでは、表面からのエッチング深さ制御および面内の平滑化を目的として、パルスレーザー光のエネルギー密度をアッテネータによって０．３〜３．５Ｊ／ｃｍ２の間で変化させながら、１パルスだけエッチング対象物の薄膜層を形成した基板に照射する。
【０１３７】
しかし、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体における、
（１）表面の凹凸が反映されてエッチングが進行する
（２）結晶方位によってエッチング速度に異方性がある
（３）エッチング中に膜厚分布をモニタする手段がない
という課題について、十分な解決を図ったものとは言えない。また、特許文献１の平坦化方法は、表面からのエッチング深さおよび面内の平滑性を基準としていたため、基板を基準とした膜厚を一定に保って平滑に残すことも困難であった。
【０１３８】
特許文献１には、エッチング対象物であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体における「エッチング深さの調整は、レーザーエネルギーおよび照射パルス数を変化させて行う」ことができると記載されている。そして、レーザ照射処理において照射されるパルスレーザー光のエネルギー密度を増大すると、レーザ照射直後における基板の表面におけるエッチング深さと、塩酸処理後における基板の表面におけるエッチング深さとが増大していくことが記載されている。
【０１３９】
しかし、レーザーエネルギーやパルス数に応じてエッチング深さを単純に変化させる平坦化方法では、図１１に示すように、加工前の表面の平滑性が悪ければ、それが反映されてしまうのはＧＣＩＢなどの従来エッチング法と同じである。
【０１４０】
また、特許文献１には、レーザ照射処理において照射されるパルスレーザー光のエネルギー密度が０．７Ｊ／ｃｍ２と低い場合よりも、レーザ照射処理において照射されるパルスレーザー光のエネルギー密度が３．５Ｊ／ｃｍ２と高い場合の方が、基板の表面の状態がより平坦化されると記載されている。しかし、加工面全体の一括露光であるため、上述したように「レーザーエネルギーに応じてエッチング深さが変化するため」平坦化には限界があった。従って、図１１に示すように、透明基板の全体に渡って大きな膜厚分布がある場合にこれを平坦化することは困難であった。
【０１４１】
また、ナノオーダーの残膜厚を残すために、図１２に示すように、一部でもジャストエッチング膜厚までエッチングした場合には、膜面内で局所的なアンダーエッチング部やオーバーエッチング部が生ずるという問題があった。
【０１４２】
以上において説明したように、ＧａＮ、ＩｎＧａＮならびにＡｌＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を材料として用いて青色発光ダイオード、高輝度緑色発光ダイオードあるいは青色レーザーダイオードなどを実用化するために、
（ａ）平坦な平面が得られる低ダメージな高速エッチング装置の提供
（ｂ）ナノオーダーの精度で制御して残膜厚を残すエッチング装置の提供
（ｃ）エッチング面の平坦化技術の開発
が強く求められている。従来の技術ではＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の加工が困難であるので、高速加工を行うことができるとともに加工面が高度に平坦化され且つ残膜厚がナノオーダーで制御可能な加工装置および加工技術の提案が要望されている。
【０１４３】
＜発明との対応＞
本実施形態で説明した窒化物半導体の製造方法は、レーザー光を照射して窒化物半導体薄膜の表面形状を加工する。そして、窒化物半導体薄膜の加工前の膜厚分布を計測する第１の工程と、収束させたレーザービームスポットで窒化物半導体薄膜の表面を走査して、計測された膜厚分布に応じて異ならせた累積照射量を前記表面の各走査点に及ぼす第２の工程と、第２の工程を経た窒化物半導体薄膜の表面を酸処理する第３の工程とを備える。
【０１４４】
つまり、加工範囲に面状のレーザー光を一括照射する代わりに、収束したレーザービームスポットで加工範囲の各走査点に対して、必要な加工量（深さ）に応じた光エネルギーを注入して表面層に集中した結晶構造の溶解と損傷とを引き起こす。従って、必要な加工量が多い走査点では、累積照射量（照射強度、照射時間、照射回数、またはこれらの組み合わせ等）を増して除去深さを増し、必要な加工量が少ない走査点では、累積照射量を減らして除去深さを減らすことにより、加工前の表面凹凸形状と無関係に、所望の表面形状を加工できる。
【０１４５】
本実施形態で説明した窒化物半導体の製造方法は、レーザービームスポットを前記表面に導く光学系３、ミラー５を用いて膜厚検出光を窒化物半導体薄膜に照射し、膜厚検出光による窒化物半導体薄膜の透過量を検知して膜厚分布を計測する。従って、レーザービームスポットによる加工照射位置と膜厚検出光による膜厚計測位置とが精密に一致して、両者の位置ずれに起因する加工誤差が発生しない。
【０１４６】
本実施形態で説明した窒化物半導体の製造方法における膜厚検出光は、第２の工程で用いる際よりも強度を低下させたレーザービームスポットである。従って、膜厚検出光専用の光源が不要である。
【０１４７】
本実施形態で説明した窒化物半導体の製造方法は、レーザービームスポットを強度変調して前記各走査点の前記累積照射量を異ならせる。従って、各走査位置Ｓでの加工照射が１回のパルス発光時間で済み、小さな一定出力のパルスを加算する場合に比較して、加工領域全体の加工所要時間が短縮される。
【０１４８】
本実施形態で説明した窒化物半導体の製造方法は、波長の異なる複数のレーザー光を重ねて前記レーザービームスポットを形成する。従って、１種類の波長のレーザー光を使用する場合に比較して、それぞれの波長の特性を生かして、膜厚分布の測定や加工照射にきめ細かな対応が可能である。
【０１４９】
本実施形態で説明した窒化物半導体の製造方法は、レーザー光を照射して窒化物半導体膜の表面を加工する。そして、窒化物半導体膜の加工前の膜厚分布を計測する第１の工程と、計測された膜厚分布に応じて、領域毎に異なるレーザー光照射量を前記窒化物半導体膜表面に及ぼす第２の工程と、第２の工程後、窒化物半導体膜の表面にある窒化物半導体を構成する材料を除去する第３の工程とを備える。
【０１５０】
ただし、第３の工程は、窒化物半導体膜の表面にある窒化物半導体を構成する材料を除去する除去工程である限りにおいて、他の方法に置き換え可能である。すなわち、上記「除去工程」が、（１）酸で処理したり、（２）熱をかけて溶かして除去させたり、揮発させたり、（３）物理的にスイープして除去したり、あるいは（１）から（３）を組み合わせて除去したりしてもよい。ちなみに、Ｇａの融点はほぼ３０℃であるので、加熱溶解は困難ではない。
【０１５１】
第１実施形態の薄膜加工装置１００は、透明基板８に形成された薄膜層９の表面形状を加工する。そして、レーザー光を発生するレーザー光発生装置１と、発生したレーザー光を加工点に導いてレーザービームスポットを形成する光学系３、ミラー５と、透明基板８を移動させて薄膜層９上の各走査点Ｓを加工点Ｋに位置決めするＸＹステージ６と、薄膜層９および透明基板８を透過したレーザービームスポットの透過光強度を検知するパワーメータ１１と、レーザービームスポットの強度を変化させるアッテネータ４と、走査点Ｓで検知された透過光強度に基づいてアッテネータ７を制御して、透過光強度に応じた強度のレーザービームスポットを走査点Ｓに加工照射させる制御部１０とを備える。
【０１５２】
つまり、同じ光学系３、ミラー５を通じて走査点Ｓの厚み検知と加工照射とを行う。そして、パワーメータ１１は、膜厚検出光としてのレーザービームスポットによる薄膜層９の透過光量を検出して加工前の薄膜層９の厚みを検知する。制御部１０は、パワーメータ１１によって求めた加工前の厚みと目的の厚みとから求めた必要な加工量に応じてアッテネータ１１により同じ加工点Ｋにおけるレーザービームスポットの照射強度を設定する。従って、厚み検知位置と加工照射位置とを精密に一致させた正確な結晶層の加工除去を行える。
【０１５３】
第１実施形態の薄膜加工装置１００の制御部１０は、アッテネータ１１を制御して強度を低下させたレーザービームスポットを用いて、透過光強度をすべての走査点Ｓで検知した後に、各走査点Ｓに対する透過光強度に応じた強度の加工照射を開始する。従って、加工照射に先立たせて膜厚分布のマップデータを形成して、誤差拡散等の総合手法を用いて測定結果の誤差圧縮を行える。また、出来上がったマップデータに従って一気加勢に加工照射を実行できる。
【０１５４】
第１実施形態の薄膜加工装置１００の制御部１０は、アッテネータ１１を制御して強度を低下させたレーザービームスポットを用いて、透過光強度をすべての走査点Ｓで検知した後に、走査点Ｓに対する加工照射を開始する。従って、膜厚検知用の専用光源が不要である。
【０１５５】
第２実施形態の薄膜加工装置２００のレーザー光発生装置１Ａ、ＴＨＣ変換素子１Ｂ、ＦＨＧ変換素子１Ｃは、波長の異なる複数のレーザー光を出力し、光学系３、ミラー１５、ビームコンバイナ１６によって複数のレーザー光をそれぞれ加工点Ｋに導いて重ね合わせたレーザービームスポットを形成する。従って、個々の走査点Ｓに対して波長の異なる複数のレーザー光を組み合わせ、それぞれの特徴を発揮させたきめ細かな対応が可能である。
【０１５６】
第２実施形態の薄膜加工装置２００では、レーザー光発生装置１Ａで発生させた単一波長のレーザー光を、ＴＨＣ変換素子１Ｂ、ＦＨＧ変換素子１Ｃによって複数通りに波長変換して、複数種類の波長のレーザー光を形成する。従って、レーザー光発生装置１Ａが１台で済み、装置の部品コスト、電力消費を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】第１実施形態の薄膜加工装置の構成の説明図である。
【図２】薄膜加工装置の制御のフローチャートである。
【図３】窒化ガリウムの相転移図である。
【図４】レーザ出力３５ｍＪ／ｃｍ２における膜厚方向の温度分布シミュレーション結果の線図である。
【図５】レーザ出力１００ｍＪ／ｃｍ２における膜厚方向の温度分布シミュレーション結果の線図である。
【図６】レーザ出力５０ｍＪ／ｃｍ２における膜厚方向の温度分布シミュレーション結果の線図である。
【図７】本実施形態の薄膜加工方法によるエッチング結果の説明図である。
【図８】第２実施形態の薄膜加工装置の構成の説明図である。
【図９】レーザー光の波長と発熱量との関係の説明図である。
【図１０】波長の異なる２種類のレーザー光による加工結果の説明図である。
【図１１】比較例の加工方法による加工結果の説明図である。
【図１２】エンドマーカーを用いたエッチング加工の説明図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１、１Ａ  光源手段（レーザー光発生装置）
２、１２  ホモジナイザ
３、１３、５、１５  光学系手段（光学系、ミラー）
４、１４  強度変調手段（アッテネータ）
５、１５、１８、１９  ミラー
６  走査ステージ手段（ＸＹステージ）
８  透光性基板（透明基板）
９  薄膜層
１０  制御手段（制御部）
１１  検知手段（パワーメータ）
１６  ビームコンバイナ
１７  ハーフミラー
１Ｂ、１Ｃ  波長変換手段（ＴＨＣ変換素子、ＦＨＧ変換素子）
Ａ  エッチング対象物
Ｋ  加工点
Ｓ  走査点
１００、２００  薄膜加工装置
【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】
2007123638.tif 000009
【図８】
2007123638.tif 000010
【図９】
2007123638.tif 000011
【図１０】
2007123638.tif 000012
【図１１】
2007123638.tif 000013
【図１２】
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