JP2014009155A - 窒化ガリウムの品質測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、窒化ガリウムの品質測定装置に係り、より詳しくは、大気圧、室温の一般条件で窒化ガリウムの品質を容易に測定することができる窒化ガリウムの品質測定装置に関する。
【解決手段】このために、本発明は、窒化ガリウム基板の上部の一方側に配置され、前記窒化ガリウム基板の表面に光を照射する光源部、及び前記窒化ガリウム基板の上部の他方側に配置され、前記窒化ガリウム基板から放射される光の発光スペクトルから前記窒化ガリウム基板の品質を測定する測定部を含むことを特徴とする窒化ガリウムの品質測定装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化ガリウムの品質測定装置に係り、より詳しくは、大気圧、室温の一般条件で窒化ガリウムの品質を容易に測定することができる窒化ガリウムの品質測定装置に関する。

窒化ガリウムは、エネルギーバンドギャップが３．３９ｅＶの直接遷移型の半導体物質であって、短波長領域の発光素子の製作などに有用な物質である。ここで、窒化ガリウム単結晶は、融点における高い窒素蒸気圧のため、液相結晶成長のためには１５００℃以上の高温と２０，０００気圧の窒素雰囲気が要され、その結果、大量生産が困難であり、且つ、現状使用可能な結晶の大きさもまた、約１００ｍｍ^２程度の薄板状であるため、液相結晶成長法にて窒化ガリウムを製造するには困難があった。

そのため、今までは異種基板上にＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法にて窒化ガリウム膜または基板を成長させていた。このとき、ＭＯＣＶＤ法では高品質の膜が得られるものの、成長速度が遅すぎるため、数十または数百μｍの窒化ガリウム基板を得るために用いるには不向きな方法である。このような理由から、窒化ガリウム厚膜を得るためには高速成長が可能なＨＶＰＥが主に用いられている。

一方、前記気相成長法にて成長させた窒化ガリウム基板は、品質の検査後に発光素子の製作に供される。従来は、このような窒化ガリウム基板に対する品質検査のために、例えば、ＳＥＭ−ＣＬ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−ｃａｔｈｏｄｅ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）装備を利用していた。しかし、当該装備は高価の真空装備であるため、維持管理に多くの費用が費やさせるという問題があり、また、測定のためには、窒化ガリウム基板を真空チャンバにローディング／アンローディングする過程が必要であり、このとき、真空チャンバの内部を約１０ｔｏｒｒ以下に下げるためには、相当な時間がかかるという問題があった。さらには、真空チャンバの使用に伴い、測定可能な窒化ガリウム基板の大きさが必ず真空チャンバの大きさよりも小さくなければならないなど、多様な大きさに成長した窒化ガリウム基板の品質を測定するには多くの制約があった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、大気圧、室温の一般条件で窒化ガリウムの品質を容易に測定することができる窒化ガリウムの品質測定装置を提供することである。

このために、本発明は、窒化ガリウム基板の上部の一方側に配置され、前記窒化ガリウム基板の表面に光を照射する光源部、及び前記窒化ガリウム基板の上部の他方側に配置され、前記窒化ガリウム基板から放射される光の発光スペクトルから前記窒化ガリウム基板の品質を測定する測定部を含むことを特徴とする窒化ガリウムの品質測定装置を提供する。

ここで、前記光はＵＶであってよい。

このとき、前記光は３６５ｎｍ以下の波長を持っていてよい。

また、前記光源部は、光源生成ユニットと、前記光源生成ユニットに接続され前記光源生成ユニットから生成された光を前記窒化ガリウム基板に供給する光源供給ユニット、及び前記窒化ガリウム基板と対向する前記光源供給ユニットの端部に設置され前記光を前記窒化ガリウム基板の表面に集中させるレンズユニットと、を含んでいてよい。

このとき、前記レンズユニットは、前記窒化ガリウム基板との距離が焦点距離（ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）を基準に±３０ｍｍ以内になるように配置されていてよい。

また、前記測定部は、前記窒化ガリウム基板を撮像する撮像ユニットと、前記撮像ユニットに接続され、前記撮像ユニットから送られるイメージを表示する表示ユニット、及び前記撮像ユニットと前記表示ユニットの作動を制御する制御ユニットと、を含んでいてよい。

このとき、前記撮像ユニットは、ＣＣＤカメラを含み、前記ＣＣＤカメラの前面には光学レンズが設置されていてよい。

また、窒化ガリウムの品質測定装置は、前記窒化ガリウム基板が載置されるステージをさらに含んでいてよい。

また、窒化ガリウムの品質測定装置は、複数の前記ステージを一方向に移動させるコンベヤーベルトをさらに含んでいてよい。

本発明によれば、大気圧、室温の一般条件で窒化ガリウム基板にＵＶ光源を照射した後、窒化ガリウム基板から放射される発光スペクトルに対するコントラスト比を比較することで、窒化ガリウムの品質を容易に測定することができ、且つ、真空装置などが不要となるため、製品コストを削減することができる。

また、本発明によれば、コンベヤーベルトを利用することで、製品全数に対する連続検査工程を容易に構築することができ、且つ、測定可能基板の大きさに関する制限なしに多様な大きさの窒化ガリウム基板に対する品質を測定することができる。

本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置を概略的に示す構成図。 本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置の光源部波長分布を示すグラフ。 本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置にて窒化ガリウムの品質を測定したイメージであって、（ａ）はスペックイン（Ｓｐｅｃ．Ｉｎ）の場合のイメージであり、（ｂ）はスペックアウト（Ｓｐｅｃ．Ｏｕｔ）の場合のイメージ。 従来技術に係る窒化ガリウムの品質測定装置にて窒化ガリウムの品質を測定したイメージ。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置について詳しく説明する。

なお、本発明を説明するにあたって、関連公知機能あるいは構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にし得ると判断される場合、その詳細な説明は省略することとする。

図１に示すように、本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置１００は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法にて成長された窒化ガリウム基板１０の品質及び均一度（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を測定する装置である。ここで、窒化ガリウム基板１０は、高品質の窒化ガリウム単一膜構造であっても、図３に示すように、高品質の窒化ガリウム膜（ｍｉｒｒｏｒ ｌａｙｅｒ）の上側または高品質の窒化ガリウム膜の上下側にピットが形成されている低品質の窒化ガリウム膜（ｐｉｔ ｌａｙｅｒ）が積層された構造であってもよい。このとき、高品質の窒化ガリウム膜の下側に積層されている低品質の窒化ガリウム膜は、高品質の窒化ガリウム膜よりも窒素の含量比が相対的に高い膜であって、窒化ガリウム基板１０を成長させる場合、ベース基板として用いられる、例えばサファイア基板との分離境界層としての役割をする膜であり、高品質の窒化ガリウム膜の上側に積層されている低品質の窒化ガリウム膜は、窒化ガリウム基板１０の全体の厚みを増大するための支持層としての役割をする膜である。すなわち、本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置１００は、窒化ガリウム基板１０の構造に制限されることなく、多様な構造の窒化ガリウム基板１０に対する品質を測定することができる。

このために、本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置１００は、光源部１１０及び測定部１２０を含んでなる。

光源部１１０は、測定部１２０で窒化ガリウム基板１０から放射される発光スペクトルに対するコントラスト比を比較して、窒化ガリウム基板１０の品質及び均一度を測定できるようにすべく、窒化ガリウム基板１０に光を照射する装置である。このために、光源部１１０は、窒化ガリウム基板１０の上部の一方側に配置される。このとき、光源部１１０から窒化ガリウム基板１０に照射される光はＵＶであってよく、図２に示すように、３６５ｎｍの波長またはそれ以下の波長で相対的強度が最も強い光であることが好ましい。これは、窒化ガリウムのバンドギャップが３．４ｅＶであり、これを光の波長で換算すると３６４．４ｎｍになり、窒化ガリウムの価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）の電子を伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）に励起させるためには、３６４．４ｎｍ波長帯で最も高い強度を持つ光源が必要であるためである。

このような光源部１１０は、光源生成ユニット１１１と、光源供給ユニット１１２、及びレンズユニット１１３と、を含んでいてよい。ここで、光源生成ユニット１１１は、電源の供給を受けて３６５ｎｍ波長帯の光を生成させる装置であり、例えば、ランプ形態からなるものであってよい。また、光源供給ユニット１１２は、光源生成ユニット１１１に接続され光源生成ユニット１１１から生成された光を窒化ガリウム基板１０に供給あるいは受け渡す装置である。このような光源供給ユニット１１２は、例えば、光ファイバからなるものであってよい。そして、レンズユニット１１３は、窒化ガリウム基板１０と対向する光源供給ユニット１１２の端部に設置される。このようなレンズユニット１１３は、光源供給ユニット１１２を通る光を窒化ガリウム基板１０の表面に集中させ、光源部１１０の効率を高める役割をする。このために、レンズユニット１１３は、凸レンズ形態で備えられていてよい。そして、レンズユニット１１３は、光集中効果を極大化するために、窒化ガリウム基板１０との距離が焦点距離（ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）を基準に±３０、ｍｍ以内となるように配置されていることが好ましい。

測定部１２０は、窒化ガリウム基板１０から放射される光の発光スペクトルから窒化ガリウム基板１０の品質及び均一度を測定する装置であって、窒化ガリウム基板１０の上部の他方側、すなわち、光源部１１０の一方側に配置される。

発光部１１０から照射された３６５ｎｍ波長帯の光により伝導帯に励起された電子は、再び価電子帯に再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）されながら、光子（ｐｈｏｔｏｎ）を生成するようになり、このとき、図３に示す積層構造からなる窒化ガリウム基板１０の場合、特性が異なる各層のバンド構造の差により生成される光子にも差が生じるようになる。測定部１２０では、このような差を比較して、窒化ガリウム基板１０の品質及び均一度を測定するようになる。このとき、窒化ガリウム基板１０が単一層からなる場合は、全体領域を対象に均一な発光スペクトルが示されるかに関する確認を行うことで、窒化ガリウム基板１０の品質及び均一度を測定するようになる。

このために、測定部１２０は、撮像ユニット１２１と、表示ユニット１２２、及び制御ユニット１２３と、を含んでなる。ここで、撮像ユニット１２１は、光源部１１０からの照射が行われた後、光の放射がなされる窒化ガリウム基板１０を撮像する装置である。このような撮像ユニット１２１は、例えば、ＣＣＤカメラで形成されていてよい。このとき、ＣＣＤカメラの前面には光学レンズ１２１ａが設置されていてよい。また、表示ユニット１２２は、撮像ユニット１２１に接続され、撮像ユニット１２１から送られるイメージを表示する装置であって、例えば、モニター形態で備えられていてよい。作業者は、この表示ユニット１２２を介して表示される窒化ガリウム基板１０のイメージを目視した後、スペックイン（Ｓｐｅｃ．Ｉｎ）及びスペックアウト（Ｓｐｅｃ．Ｏｕｔ）の有無を判別するようになる。そして、制御ユニット１２３は、撮像ユニット１２１と表示ユニット１２２の動作を制御する装置であって、例えば、コンピューター形態で備えられていてよい。すなわち、作業者は、この制御ユニット１２３を制御して窒化ガリウム基板１０を撮像し、撮像されたイメージを表示ユニット１２２に表示して、リアルタイムで窒化ガリウム基板１０の品質及び均一度を判別することができ、撮像された窒化ガリウム基板１０のイメージを記憶しておき、他の窒化ガリウム基板１０の品質測定時の比較データとして用いて、窒化ガリウム基板１０に対する品質測定の信頼性を向上させることができる。

一方、本発明の実施例において、窒化ガリウム基板１０は、ステージ１３０に載置されていてよい。従来は、真空チャンバに窒化ガリウム基板を装入する方式にて品質を測定していたため、測定可能な窒化ガリウム基板の大きさが真空チャンバの大きさによって制約を受けざるを得なかったが、本発明の実施例では、単にステージ１３０上に窒化ガリウム基板１０を載置する方式にて品質測定を行なうため、測定可能な大きさに特に制限されることなく、多様な大きさの窒化ガリウム基板１０に対する品質を測定することができる。さらには、本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置１００は、ステージ１３０を一方向に移動させるコンベヤーベルト（図示せず）を備えていてよい。窒化ガリウム基板１０がそれぞれ載置されている複数のステージ１３０をコンベヤーベルト（図示せず）に搭載した後、コンベヤーベルト（図示せず）を動作させると、コンベヤーベルト（図示せず）の移動によって先行のステージ１３０が、光源部１１０と測定部１２０が設置された測定区間に位置するようになる。このとき、測定区間で窒化ガリウム基板１０に対する品質測定が行なわれる間はコンベヤーベルト（図示せず）を止め、品質測定が完了した後は、再びコンベヤーベルト（図示せず）を動作させると、次のステージ１３０が測定区間に位置する。このように、コンベヤーベルト（図示せず）は、製品全数に対する連続検査ができるようにし、結局、これにより、品質検査時間を大幅に縮めることができるようになる。

本発明の実施例に係る窒化ガリウム基板品質測定装置１００は、大気圧、室温の一般条件で窒化ガリウム基板１０の品質を測定するため、従来よりも容易に品質を測定することができ、且つ、真空装置などが不要となるため、製品コストを削減することができる。

一方、図３は、本発明の実施例に係る窒化ガリウムの品質測定装置にて窒化ガリウムの品質を測定したイメージであって、（ａ）はスペックイン（Ｓｐｅｃ．Ｉｎ）の場合のイメージであり、（ｂ）はスペックアウト（Ｓｐｅｃ．Ｏｕｔ）の場合のイメージである。このとき、（ａ）の上側イメージは高品質の窒化ガリウム膜（ｍｉｒｒｏｒ ｌａｙｅｒ）の上下側にピットが形成されている低品質の窒化ガリウム膜（ｐｉｔ ｌａｙｅｒ）が積層された構造の窒化ガリウム基板であり、（ａ）の中間イメージは、高品質の窒化ガリウム膜の上側に低品質の窒化ガリウム膜が積層された構造の窒化ガリウム基板であり、（ａ）の下側イメージは、窒化ガリウム基板のＮ面の表面を撮像したイメージである。これらのイメージを見てみると、層間コントラスト比及び層間境界が明らかに示されていることを確認することができ、このことから、製造された窒化ガリウム基板がスペックイン状態であるものと判別することができる。これに対して、（ｂ）のイメージを見てみると、表面、層間コントラスト比、及び境界が不明であることを確認することができ、このことから、製造された窒化ガリウム基板がスペックアウトの状態であるものと判別することができる。

一方、図４は、従来技術に係る窒化ガリウムの品質測定装置にて窒化ガリウムの品質を測定したイメージであって、図３と同じ構造を持つ窒化ガリウム基板を対象に顕微鏡にて撮像したイメージである。図４に示すように、一般の顕微鏡にて品質を測定した場合は、形成厚み程度しか確認できず、各層が正常に蒸着されているか否かの判別は困難である。

以上のように本発明を限定された実施例や図面に基づいて説明したが、本発明が前記実施例に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から種々の修正及び変形が可能である。

よって、本発明の範囲は、説明した実施例に局限されて決められてはならず、特許請求の範囲だけでなく特許請求の範囲と均等なものなどによって決められるべきである。

１００ 窒化ガリウムの品質測定装置
１１０ 光源部
１１１ 光源生成ユニット
１１２ 光源供給ユニット
１１３ レンズユニット
１２０ 測定部
１２１ 撮像ユニット
１２１ａ 光学レンズ
１２２ 表示ユニット
１２３ 制御ユニット
１３０ ステージ
１０ 窒化ガリウム基板

Claims (9)

1. 窒化ガリウム基板の上部の一方側に配置され、前記窒化ガリウム基板の表面に光を照射する光源部、及び
   前記窒化ガリウム基板の上部の他方側に配置され、前記窒化ガリウム基板から放射される光の発光スペクトルから前記窒化ガリウム基板の品質を測定する測定部、
   を含むことを特徴とする窒化ガリウムの品質測定装置。
2. 前記光はＵＶであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
3. 前記光は３６５ｎｍ以下の波長を持つことを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
4. 前記光源部は、
   光源生成ユニットと、
   前記光源生成ユニットに接続され前記光源生成ユニットから生成された光を前記窒化ガリウム基板に供給する光源供給ユニット、及び
   前記窒化ガリウム基板と対向する前記光源供給ユニットの端部に設置され前記光を前記窒化ガリウム基板の表面に集中させるレンズユニットと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
5. 前記レンズユニットは、前記窒化ガリウム基板との距離が焦点距離（ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ）を基準に±３０ｍｍ以内となるように配置されることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
6. 前記測定部は、
   前記窒化ガリウム基板を撮像する撮像ユニットと、
   前記撮像ユニットに接続され、前記撮像ユニットから送られるイメージを表示する表示ユニット、及び
   前記撮像ユニットと前記表示ユニットの動作を制御する制御ユニットと、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
7. 前記撮像ユニットはＣＣＤカメラを含み、
   前記ＣＣＤカメラの前面には光学レンズが設置されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
8. 前記窒化ガリウム基板が載置されるステージをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。
9. 複数の前記ステージを一方向に移動させるコンベヤーベルトをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の窒化ガリウムの品質測定装置。