JP2013143475A - 発光デバイスの製造方法及び真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＯＣＶＤ法を用いずに、バッファ層の膜質または半導体層の膜質を低下させることなくバッファ層を形成することができる発光デバイスの製造方法及び真空処理装置を提供すること。
【解決手段】本実施形態に係る発光デバイスの製造方法によれば、斜入射スパッタリング法により、基板５を回転させながらＡｌＮ膜が形成されるため、基板５の面内で均質な膜を形成することができる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法を用いずに、膜質を低下させることなく、高品質なＡｌＮ膜を形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光デバイスの製造方法及び真空処理装置に関する。

半導体デバイスとしてＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）等の発光デバイスがある。これらの発光デバイスのうち、主に、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の発光デバイスでは、一般に、基板からの貫通転位等による発光特性及び寿命の劣化を最小限に抑えるためのバッファ層が基板上に形成される。貫通転位とは、元々基板に転位と呼ばれる結晶欠陥があった場合、その上にＧａＮの、活性層を含む各種半導体層を形成すると、それら半導体層がその基板の欠陥を引き継いでしまう状態をいう。

特許文献１に記載のＧａＮ（窒化ガリウム）系の発光デバイスは、成長用のサファイア基板上に、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）バッファ層、アンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層、活性層、ｐ型ＧａＮ層が順に形成されて構成されている。これら各層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成される（例えば、特許文献１の明細書段落[００２１]参照）。

バッファ層としてはＡｌＮ膜のほかに、ＧａＮ膜が用いられることも一般的である。このＧａＮ膜は、ＭＯＣＶＤ法によって、上層の発光層（各半導体層）よりも低温で形成される。

特開２００９−２８９９６５号公報

ＭＯＣＶＤ法は低温で良質な膜を形成することができるが、形成すべき膜の原料である液体原料が高価であるため、装置のランニングコストが高くなる、という問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高価なＭＯＣＶＤ法を用いずに、膜質を低下させることなくバッファ層を形成することができる発光デバイスの製造方法及び真空処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る発光デバイスの製造方法は、斜入射スパッタリング法により、基板を回転させながら、前記基板上にバッファ層を形成することを含む。
そして、前記形成されたバッファ層上に、電界発光に用いられる半導体層が形成される。

本発明の一形態に係る真空処理装置は、スパッタ装置と、ＭＯＣＶＤ装置と、搬送装置とを具備する。
前記スパッタ装置は、基板上にバッファ層を形成する。
前記ＭＯＣＶＤ装置は、前記スパッタ装置で形成されたバッファ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、電界発光に用いられる半導体層を形成する。
前記搬送装置は、前記スパッタ装置及び前記ＭＯＣＶＤ装置に接続され、それらの間で前記基板を搬送可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法を用いて製造される発光デバイスとして、ＧａＮ系の発光層を有するＬＥＤの層構造を示す断面図である。 図２は、斜入射型のスパッタ装置の概略的な構造を示す断面図である。 図３は、従来方法のように、ＭＯＣＶＤ法により形成されたＧａＮのバッファ層上に、ＭＯＣＶＤ法により形成されたＧａＮ(0004)のＸＲＤ（X-Ray Diffraction）ロッキングカーブを示す。 図４は、スパッタ装置を用いて上記の条件で形成されたＡｌＮバッファ層上に形成されたＧａＮ(0004)のＸＲＤロッキングカーブを示す。 図５は、本発明の一実施形態に係る真空処理装置の概略を示す平面図である。

一形態に係る発光デバイスの製造方法は、斜入射スパッタリング法により、基板を回転させながら、前記基板上にバッファ層を形成することを含む。
そして、前記形成されたバッファ層上に、電界発光に用いられる半導体層が形成される。

斜入射スパッタリング法により、基板を回転させながらバッファ層（例えば窒化アルミニウム膜または酸化亜鉛膜）が形成されるため、基板の面内で均質な膜を形成することができる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法を用いずに、そのバッファ層の膜質またはその上層である半導体層の膜質を低下させることなく、バッファ層を形成することができる。

前記バッファ層は、窒化アルミニウム膜であってもよい。
発光デバイスの歩留まりを向上させる観点から、バッファ層の膜質分布及び膜厚分布は可能な限り良い方が望ましい。斜入射スパッタリング法と、一般的な平行平板型のスパッタリング法に比べ、本質的に膜厚についての絶対精度及び膜厚分布が優れているため、バッファ層の成膜手法として有利である。
さらには、発光デバイスの構造によっては、光の取り出し効率を向上させるためにバッファ層を反射防止膜として機能させる場合がある。この場合、膜厚及び膜質分布の他、膜厚精度も要求される。斜入射スパッタリング法は一般的な平行平板型のスパッタリング法よりも膜厚制御性に優れるため、バッファ層の成膜手法として有利である。

前記基板を400℃以上800℃以下で加熱しながら、前記バッファ層が形成されてもよい。加熱温度400℃以上という条件は、バッファ層（特に窒化アルミニウム膜）が良好に結晶成長せず、バッファ層として機能しないからである。加熱温度800℃以下という条件は、加熱に対する装置（ハードウェア）の制約のためである。

ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、前記半導体層が形成されてもよい。
ＭＯＣＶＤに用いられる液体原料は高価であり、スパッタリング法及びＭＯＣＶＤ法のランニングコストを比較すると、圧倒的にスパッタリング法の方が有利である。したがって、両者同等の膜質が得られるのであれば、スパッタリング法を選択するメリットは非常に大きい。
バッファ層に関しては、バッファ層がスパッタリング法で形成されたとしても、このバッファ層上に形成される半導体層は、ＭＯＣＶＤによりバッファ層が形成された場合と、同等以上の膜質が得られることが確認されている。

一形態に係る真空処理装置は、スパッタ装置と、ＭＯＣＶＤ装置と、搬送装置とを具備する。
前記スパッタ装置は、基板上にバッファ層を形成する。
前記ＭＯＣＶＤ装置は、前記スパッタ装置で形成されたバッファ層上に、ＭＯＣＶＤ法により、電界発光に用いられる半導体層を形成する。
前記搬送装置は、前記スパッタ装置及び前記ＭＯＣＶＤ装置に接続され、それらの間で前記基板を搬送可能である。

これにより、ＭＯＣＶＤ法を用いずに、バッファ層を形成することができる。また、１つの真空処理装置で、スパッタ装置及びＭＯＣＶＤ装置が設けられているので、この真空処理装置によりバッファ層を用いた、高品質な発光デバイスを製造することができる。

前記スパッタ装置は、斜入射スパッタリング法により、前記基板を回転させながら、前記基板上に前記バッファ層を形成してもよい。これにより、膜質を低下させることなく、前記バッファ層を形成することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法を用いて製造される発光デバイスとして、ＧａＮ系の発光層を有するＬＥＤの層構造を示す断面図である。

このＬＥＤ１０では、下層から順に、結晶成長用の基板５、バッファ層６、ｎ型低抵抗層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型クラッド層１１、ｐ型低抵抗層１２が形成されている。また、ｎ型低抵抗層７及びｐ型低抵抗層１２には、それぞれ電極１３及び１４が形成されている。例えば、バッファ層より上層の各半導体層が電界発光に用いられる層となる。

基板５として、サファイア基板、またはＳｉＣ（炭化シリコン）基板、ＧａＮ基板、あるいはＳｉ基板等が用いられる。

バッファ層６にはＡｌＮが用いられる。ＡｌＮに代えて、ＺｎＯ（酸化亜鉛）が用いられてもよい。

ｎ型低抵抗層７及びｐ型低抵抗層１２には、例えばＧａＮが用いられる。ｎ型クラッド層８及びｐ型クラッド層１１には、例えばＡｌＧａＮが用いられる。活性層９には、例えばＧａＩｎＮが用いられる。

本実施形態に係る製造方法では、バッファ層６であるＡｌＮ膜が、斜入射型のスパッタ装置により形成される。

以下、このスパッタ装置について説明する。図２は、斜入射型のスパッタ装置の概略的な構造を示す断面図である。

このスパッタ装置５０は、内部を真空に維持することが可能な処理チャンバ１５を有する。処理チャンバ１５のチャンバ本体１７には、真空排気系２１が接続されている。真空排気系２１は、真空ポンプ２３及びバルブ２２等を有する。また、チャンバ本体１７には、基板５を搬入及び搬出するための搬送ゲート１７ａが設けられており、この搬送ゲート１７ａを開閉するゲートバルブ１６が接続されている。

チャンバ本体１７の下部には、基板５を保持するサセプタ等のホルダ２５が配置されている。ホルダ２５は、図示しない静電チャックまたはメカニカルチャックを有する。ホルダ２５には回転モータ２７が接続され、ホルダ２５は、鉛直方向であるＺ軸の周りで回転可能となっている。したがって、このスパッタ装置５０は、基板５を回転させながらスパッタリングを行うことができる。これにより、基板５の面内で均質な膜を形成することができる。

ホルダ２５内にはヒータ２８が設けられ、ヒータ２８は、ホルダ２５に保持された基板５を所望の温度で加熱する。また、ホルダ２５には基板５を昇降させる昇降ピン２６が設けられている。昇降ピン２６により、基板５がホルダ２５に載置され、またホルダ２５に載置された基板５をホルダ２５から離間させる。

チャンバ本体１７の上部には、例えば複数のカソード３１が取り付けられている。カソード３１は、例えば２つあるいは３つ設けられ、それらがＺ軸の周りに等間隔で配置されている。もちろんカソード３１は４つ以上あってもよい。

カソード３１は、筒状のボックス３４、このボックス３４内に配置された、ターゲットＴ、ターゲットＴを保持するバッキングプレート３５を有する。バッキングプレート３５の背面には磁場発生部３３が設けられている。磁場発生部３３は、例えば永久磁石を用いて磁場を発生する。この永久磁石は、回転式である。

カソード３１及びターゲットＴは、ターゲットＴの中心軸線ｍが、ホルダ２５に保持された基板５の膜形成面（ｃ面）に斜めに交わるような角度で配置されている。つまり、ターゲットＴから飛び出すターゲット材料が基板５の膜形成面に斜入射するように、ターゲットＴが配置されている。ターゲット材料の斜入射の角度は、適宜調整可能である。膜厚分布が最も良好となる角度は、ターゲットＴの法線方向（ターゲットＴの主面に垂直な方向）に沿った、ターゲットの中心を通る中心線が、基板５の中心と周縁部との中間を通るような、角度である。
カソード３１には、マッチングボックス３２を介して図示しないＲＦ電源に接続されている。また、ホルダ２５及びチャンバ本体１７等は接地されている。電源は、ＲＦに限られず、ＤＣ、パルスＤＣであってもよい。

チャンバ本体１７内には、防着板を兼ねた、半球状あるいは傘状のシャッタ１８が設けられている。シャッタ１８には、シャッタ１８をＺ軸の周りで回転させるシャッタモータ１９が接続されている。カソード３１に対応する位置に開口１８ａがそれぞれ形成されており、シャッタモータ１９がシャッタ１８を駆動することにより、その開口１８ａが移動する。これにより、ターゲットＴが基板５に露出したり遮断されたりする。

このような複数のカソード３１が設けられることにより、複数のターゲットＴの材料を同時にスパッタリングすることができる。

なお、シャッタ１８はＺ軸方向に沿って複数設けられていてもよい。例えば複数のターゲットＴに対してスパッタすることで形成される膜（同じまたは異なる材料）を基板５に積層させる場合には、その複数のターゲットＴに対応する開口をそれぞれ有する複数のシャッタ１８が設けられ、各層ごとにターゲットＴが使用される。

また、チャンバ本体１７には、チャンバ本体１７内にガスを導入する機構（図示を省略）が接続されている。ガスとしては、Ａｒ等のスパッタガス、窒素及び酸素等の反応性ガス、その他、各種のクリーニングガス等が用いられる。

以上のように構成されたスパッタ装置５０により基板５上にＡｌＮ膜が形成された後、ＭＯＣＶＤ法により、この処理チャンバ１５とは別の処理チャンバにおいて、ＡｌＮ膜上にＧａＮ系の半導体膜が形成される。

本発明者らは、上記スパッタ装置５０を用いて、以下の条件でＡｌＮ膜を形成する実験を行った。

ガス圧力：0.4Pa
スパッタリング時のガス種：Ar(x)+N₂(1-x)(0≦x≦1)
結晶成長用基板：サファイア基板（結晶成長面はｃ面）
ターゲットＴ：直径100mm、純アルミニウム(5N)
電源／電力：連続DC／330W
基板の温度（加熱温度）：500℃
基板及びターゲットＴ間の距離TS：180mm
オフセット距離（ターゲットの中心を通る鉛直軸から基板中心を通る鉛直軸までの距離）：160mm
ＡｌＮ膜厚：25nm

図３は、従来技術であるＭＯＣＶＤ法により形成されたＧａＮのバッファ層上に、ＭＯＣＶＤ法により形成されたＧａＮ(0004)のＸＲＤ（X-Ray Diffraction）ロッキングカーブを示す。図４は、スパッタ装置５０を用いて上記の条件で形成されたＡｌＮバッファ層６上に形成されたＧａＮ(0004)のＸＲＤロッキングカーブを示す。両者とも、発光層として機能するＧａＮ膜は、同じＭＯＣＶＤ装置により、同じ成膜条件により形成された。

図３及び４のＧａＮ(0004)の結晶ピークの半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）を比較すると、図３では0.046°、図４では0.038°を示す。ＦＷＨＭは、狭いほど膜質が良いと判断される。つまり、本実施形態に係る図４の方が、図３のものに比べ膜質が同等あるいは良好であることが分かる。

以上のように、本実施形態に係る発光デバイスの製造方法によれば、斜入射スパッタリング法により、基板５を回転させながらＡｌＮ膜が形成されるため、基板５の面内で均質な膜を形成することができる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法を用いずに、膜質を低下させることなく、実験では従来のＧａＮ膜より高品質なＧａＮ膜を成長させることが可能なＡｌＮ膜のバッファ層を形成することができた。

スパッタリング法では、一般的な平行平板型と斜入射型とを比べると、基板に到達するイオンのエネルギーが異なる。このエネルギーの違いにより、形成される膜の緻密性、応力、または表面モフォロジーなどが変わってくる。この観点から発光デバイスのバッファ層に用いるＡｌＮ膜として、平行平板型よりも斜入射型の方が望ましい。

上記実験例は一例であり、以下のようにその設定を適宜変更することができる。

ガス圧力は、0.1〜1Paの範囲で設定可能である。
TSは150〜200mmの範囲で設定可能である。オフセット距離も適宜変更可能である。
ＡｌＮ膜厚は、10〜1000nmの範囲で形成することができる。
基板の加熱温度は、400℃以上800℃以下とすることができる。
ターゲットサイズは、直径100mmまたは125mmを選択可能である。
電源/電力は、RF、パルスDC、連続DCを選択でき、100〜700Wまで設定可能である。

その他、スパッタリング時のガス種、基板５、ターゲットＴのサイズ、電源／電力、ヒータ２８の温度等も適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態に係る発光デバイス（図１参照）はＬＥＤであったが、ＡｌＮやＺｎＯのバッファ層６を有するＬＤであってもよい。この場合の基板５としても、サファイア基板やＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、あるいはＳｉ基板等が用いられる。

図５は、このスパッタ装置５０が適用される真空処理装置の概略を示す平面図である。

この真空処理装置１００は、複数のスパッタ装置５０Ａ、５０Ｂ及び５０Ｃ、複数のＭＯＣＶＤ装置５５Ａ、５５Ｂ及び５５Ｃ、ロード／アンロード装置４１、予備チャンバ４２及びこれらに接続された搬送装置４０を備える。

搬送装置４０のチャンバ内は所定の真空度に減圧され、内部には基板５を搬送する搬送ロボット（図示を省略）が設置されている。この搬送ロボットは、これらスパッタ装置５０Ａ〜５０Ｃ、ＭＯＣＶＤ装置５５Ａ〜５５Ｃ、ロード／アンロード装置４１及び予備チャンバ４２の間で、基板５を搬送することが可能に構成されている。予備チャンバ４２は、成膜前の前処理（加熱、クリーニング等）を行う。

スパッタ装置５０Ａ〜５０Ｃとしては、図２で示したスパッタ装置５０が用いられてもよいし、平行平板型のスパッタ装置を用いられてもよい。特に、図２で示したように、斜入射型スパッタ装置が適用されることにより、膜質を低下させることなく、ＡｌＮ膜を形成することができる。したがって、高品質な発光デバイスを製造することができる。

スパッタ装置５０Ａ〜５０Ｃ及びＭＯＣＶＤ装置５５Ａ〜５５Ｃの数や配置等は、適宜変更可能であり、それぞれ１つずつでもよい。これらの数や配置等は、製造される発光デバイスや成膜材料に応じて適宜変更され得る。

上記真空処理装置１００は、クラスターツールのマルチチャンバ型の装置であったが、ライン型の装置でもよい。

５…基板
６…バッファ層
７…ｎ型低抵抗層
８…ｎ型クラッド層
９…活性層
１０…ＬＥＤ（発光デバイス）
１１…ｐ型クラッド層
１２…ｐ型低抵抗層
４０…搬送装置
５０（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）…スパッタ装置
５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ…ＭＯＣＶＤ装置

Claims (6)

1. 斜入射スパッタリング法により、基板を回転させながら、前記基板上にバッファ層を形成し、
   前記形成されたバッファ層上に、電界発光に用いられる半導体層を形成する
   発光デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載の発光デバイスの製造方法であって、
   前記バッファ層は、窒化アルミニウム膜である
   発光デバイスの製造方法。
3. 請求項１または２に記載の発光デバイスの製造方法であって、
   前記基板を400℃以上800℃以下で加熱しながら、前記バッファ層を形成する
   発光デバイスの製造方法。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の発光デバイスの製造方法であって、
   ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、前記半導体層を形成する
   発光デバイスの製造方法。
5. 基板上にバッファ層を形成するスパッタ装置と、
   前記スパッタ装置で形成されたバッファ層上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、電界発光に用いられる半導体層を形成するＭＯＣＶＤ装置と、
   前記スパッタ装置及び前記ＭＯＣＶＤ装置に接続され、それらの間で前記基板を搬送可能な搬送装置と
   具備する真空処理装置。
6. 請求項５に記載の真空処理装置であって、
   前記スパッタ装置は、斜入射スパッタリング法により、前記基板を回転させながら、前記基板上に前記バッファ層を形成する
   真空処理装置。

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