專利名稱：外延膜形成方法、真空處理設備、半導體發光元件制造方法、半導體發光元件和照明裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及外延膜形成方法、真空處理設備、半導體發光元件制造方法、半導體發光元件和照明裝置，特別地涉及能夠形成高品質外延膜的外延膜形成方法和真空處理設備，以及使用該外延膜的半導體發光元件制造方法、半導體發光裝置和照明裝置。
背景技術：
第III族氮化物半導體是以任何為第IIIB族元素(下文中，簡稱為第III族元素)的鋁(Al)原子、鎵(Ga)原子和銦(In)原子和為第VB族元素(下文中，簡稱為第V族元素)的氮(N)原子的化合物，即氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)和氮化銦(InN)，以及其混合晶體(AlGaN、InGaN、InAlN和InGaAlN)的形式獲得的化合物半導體材料。此類第III族氮 化物半導體是期望應用于以下方面的材料覆蓋遠紫外線范圍-可見光范圍-近紅外范圍的寬波長范圍的光學元件如發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、太陽能光伏電池(PVSC)和光電二極管(H))，以及高頻率、高輸出用途的電子元件如高電子遷移率晶體管(HEMT)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MO SFET)。通常，為了實現如上所述的應用，有必要在單晶基板上外延生長第III族氮化物半導體薄膜，從而獲得晶體缺陷少的高品質單晶膜(外延膜)。為獲得這樣的外延膜，最期望的是通過使用與外延膜相同的材料制成的基板來進行均勻外延生長。然而，由第III族氮化物半導體制成的單晶基板是極昂貴的，并且除了在一些應用中外迄今為止尚未利用過。反而，單晶膜通過在不同種類材料(主要是藍寶石(a-Al2O3)或碳化硅(SiC))的基板上異質外延生長而獲得。特別地，Ci-Al2O3基板是便宜的，并且大面積和高品質的那些是可得的。因而，Q-Al2O3基板用于在市場上可發現的幾乎所有使用第III族氮化物半導體薄膜的LED中。同時，如上所述的第III族氮化物半導體薄膜的外延生長使用能夠提供具有高品質和生產性的外延膜的有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)。然而，MOCVD具有諸如需要高生產成本并具有形成顆粒的趨勢的問題，導致難以得到高產率。相比之下，濺射具有能夠節省生產成本和具有形成顆粒的低可能性的特性。因此，如果形成第III族氮化物半導體薄膜的工藝的至少一部分可以用濺射取代，則可以解決至少部分以上問題。然而，通過濺射法制造的第III族氮化物半導體薄膜具有它們的晶體品質傾向于比通過MOCVD制造的那些差的問題。例如，NPLl公開了通過使用濺射法制造的第III族氮化物半導體薄膜的結晶性。根據NPLl的記載，C-軸取向的GaN膜通過使用射頻磁控濺射而外延生長在a-Al2O3(OOOl)基板上，并且對GaN(0002)面X-射線搖擺曲線(XRC)測量的半高寬(FWHM)為35. I弧分(2106角秒)。該值與目前在市場上發現的a -Al2O3基板上的GaN膜相比是顯著大的值，表明稍后將描述的傾斜鑲嵌分布(mosaic spread)大且結晶品質差。
換言之，為了采用濺射作為形成第III族氮化物半導體薄膜的工藝，必要的是減少由第III族氮化物半導體制成的外延膜的鑲嵌分布以致能夠得到高結晶品質。同時，存在將傾斜鑲嵌分布(結晶取向沿垂直于基板的方向的偏移)和扭曲鑲嵌分布(結晶取向沿面內方向的偏移)作為表明由第III族氮化物半導體制成的外延膜的結晶品質的指數。圖10A-10D為由第III族氮化物半導體制成并沿C-軸方向外延生長在a -Al2O3 (0001)基板上的晶體的示意圖。在圖IOA-1OD中，附圖標記901是a -Al2O3(OOOl)基板；902-911是由第III族氮化物半導體制成的晶體；cf是由第III族氮化物半導體制成的各晶體的c軸取向；cs是a -Al2O3(0001)基板的c軸取向；af是由第III族氮化物半導體制成的各晶體的a軸取向；和as是a -Al2O3(OOOl)基板的a軸取向。這里，圖IOA為示出由第III族氮化物半導體制成的晶體如何形成同時具有傾斜鑲嵌分布的鳥瞰圖，圖IOB示出部分晶體的截面結構。如從這些附圖中可見的，由第III族氮化物半導體制成的各晶體902、903和904的c軸取向Cf基本上與基板的c軸取向Cs相平行，并且是沿與基板垂直的方向的最主要結晶取向。另一方面，形成由第III族氮化物半 導體制成的各晶體905和906以致其c軸取向Cf稍微偏離沿與基板垂直的方向的主要結晶取向。此外，圖IOC為示出由第III族氮化物半導體制成的晶體如何形成同時具有扭曲鑲嵌分布的鳥瞰圖，和圖IOD示出其平面圖。如從這些附圖中可見的，由第III族氮化物半導體制成的各晶體907、908和909的a軸取向af是沿面內方向的最主要結晶取向，因為它們相對于α-Α1203(0001)基板的a軸取向\的角度都大約為30°。另一方面，形成由第III族氮化物半導體制成的各晶體910和911以致其a軸取向af稍微偏離沿面內方向的主要結晶取向。如上所述從最主要結晶取向的偏離稱為鑲嵌分布。具體地，偏離沿與基板垂直的方向的結晶取向是指傾斜鑲嵌分布，而偏離沿面內方向的結晶取向稱為扭曲鑲嵌分布。已知傾斜和扭曲鑲嵌分布與在第III族氮化物半導體薄膜內形成的缺陷如螺旋位錯(screwdislocation)和刃型位錯(edge dislocation)的密度相關聯。通過減少傾斜和扭曲鑲嵌分布，減少了上述缺陷密度，因而使得更容易獲得高品質第III族氮化物半導體薄膜。注意可以借助對平行于基板表面形成的特定具體晶面(對稱面)或垂直于基板表面形成的特定晶面的XRC測量來獲得衍射峰，通過檢測所述衍射峰的FWHM來評價傾斜和扭曲鑲嵌分布的水平。注意圖10A-10D和上述描述意欲通過簡單的概念化的方法來描述傾斜和扭曲鑲嵌分布，并且不保證任何嚴密性(specificity)。例如，并不總是上述沿垂直于基板的方向的最主要結晶取向和上述沿面內方向的最主要結晶取向與a-Al2O3(OOOl)基板的c軸和a軸取向完全一致的情況。此外，并不總是形成如在圖IOD中示出的兩個晶體之間的間隙的情況。重要的是鑲嵌分布表明偏離主要結晶取向的程度。同時，通常，第III族氮化物半導體薄膜包括如在圖11中示出的+c極性生長型和-C極性生長型。已知優質的外延膜通過+C極性生長比通過-C極性生長更易于獲得。因而，除了使用濺射作為形成第III族氮化物半導體薄膜的工藝之外，還期望獲得+C極性外延膜。在本說明書中要注意的是，〃+c極性〃是對于AIN、GaN和InN分別意指Al極性、Ga極性和In極性的術語。此外，〃-c極性〃是意指N極性的術語。
迄今為止，已經進行許多方法以獲得優質的第III族氮化物半導體薄膜(參見PTLl 和 2)。PTLl公開了其中在第III族氮化物半導體薄膜(PTL1中的AlN)通過使用濺射法形成于基板上之前，使Q-Al2O3基板進行等離子處理以致第III族氮化物半導體薄膜能夠實現高品質的方法，即特別地能夠獲得具有顯著小的傾斜鑲嵌分布的第III族氮化物半導體薄膜的方法。此外，PTL2公開了制造第III族氮化物半導體(PTL2中的第III族氮化物半導體)發光元件的方法，其中將由第III族氮化物半導體(PTL2中的第III族氮化物)制成的緩沖層(PTL2中的中間層)通過濺射法形成于基板上，然后將包括底層膜的η-型半導體層、發光層和P-型半導體層順序堆疊在由第III 族氮化物半導體制成的緩沖層上。在PTL2中，形成由第III族氮化物半導體制成的緩沖層的工藝描述為包括對基板進行等離子處理的預處理步驟；和在預處理步驟之后通過濺射形成由第III族氮化物半導體制成的緩沖層的步驟。此外，在PTL2中，a -Al2O3基板和AlN分別用作基板和由第III族氮化物半導體制成的緩沖層的優選形式，以及MOCVD優選用作形成包括底層膜的η-型半導體層、發光層和P-型半導體層的方法。引用列表專利文獻PTLl :國際專利申請特開W02009/096270PTL2 :日本專利申請特開非專利文獻NPLl:Y. Daigo, N. Mutsukura, "Synthesis of epitaxial GaNsingle-crystallinefilm by ultra high vacuum r. f. magnetron sputtering method",Thin SolidFilms483(2005)p38-43.

發明內容
發明要解決的問題如從以上清楚地看出，PTLl中記載的技術能夠減少傾斜鑲嵌分布并且似乎是有前途的技術。然而，該技術仍然存在要解決的問題以通過使用濺射法形成更高品質的外延膜。具體地，由于+c極性生長使得形成如前所述的優質外延膜，期望在整個基板表面上形成+C極性第III族氮化物半導體薄膜。然而，PTLl未提及具體手段用于獲得該期望的極性。本發明人進行實驗以驗證PTLl中公開的技術。結果顯示所得第III族氮化物半導體薄膜作為具有小鑲嵌分布但+c極性和-C極性以混合狀態存在的外延膜而獲得。因此，顯而易見PTLl中公開的技術本身不能提供+c極性第III族氮化物半導體薄膜。此外，PTL2中記載的技術由于以下點而不能說是令人滿意的。具體地，PTL2沒有包括關于控制緩沖層的極性的方法的描述，所述緩沖層由第III族氮化物半導體制成并通過使用濺射法而形成。本發明人進行實驗以驗證PTL2中公開的技術。結果顯示所得發光元件不能具有良好的發光特性。本發明人進一步檢測上述PTL2的驗證實驗中獲得的發光元件，并發現由第III族氮化物半導體制成并通過使用濺射法形成的緩沖層是其中+c極性和-C極性以混合狀態存在的外延膜。更具體地，即使當包括底層膜的η-型半導體層、發光層和P-型半導體層通過MOCVD順序堆疊時，在元件內形成大量缺陷如可歸因于由第III族氮化物半導體制成的緩沖層中的混合極性的存在所引起的反相疇界(inversion domain boundaries),并且降低發光特性。換言之，顯而易見PTL2中公開的技術本身不能提供+C-極性第III族氮化物半導體薄膜，因而本身不能提供具有良好發光特性的發光元件。如上所述，PTLl和2中公開的常規技術難以單獨控制第III族氮化物半導體薄膜的極性，即難以單獨獲得+c極性外延膜和由此的更有利的發光元件。此外，從上述PTLl和2的驗證實驗的結果中，本發明人推斷當通過使用濺射法制造的第III族氮化物半導體薄膜是其中存在混合極性的外延膜時，不可能避免由于缺陷如在元件內形成的反相疇界而引起的元件特性的劣化。鑒于上述問題，本發明的目的在于提供能夠通過濺射法制造+C極性外延膜的外延膜形成方法，和適合于該外延膜形成方法的真空處理設備，并且將進一步提供使用該外 延膜的半導體發光元件制造方法，以及通過該制造方法制造的半導體發光元件和照明裝置。本發明人通過他們廣泛研究，作為獲得外延膜的極性受到基板如何安裝在基板保持器上的影響的新發現的結果完成了本發明。為實現上述目的，本發明是在通過使用加熱器加熱至任意溫度的a -Al2O3基板上通過濺射法而外延生長第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成方法，所述方法包括以下步驟保持Q-Al2O3基板距加熱器的基板對向面預定距離；并在保持距基板對向面預定距離的狀態下，在a -Al2O3基板上形成第III族氮化物半導體薄膜的外延膜。此外，本發明是借助使用真空處理設備在Ci-Al2O3基板上通過濺射法來形成第III族氮化物半導體薄膜的外延膜的外延膜形成方法，所述真空處理設備包括能夠抽真空的真空室；用于支承所述a -Al2O3基板的基板保持部件；和能夠將通過基板保持部件保持的Ci-Al2O3基板加熱至任意溫度的加熱器，其中在將通過基板保持部件保持的Ci-Al2O3基板保持距所述加熱器的基板對向面預定距離的狀態下，將第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成于α -Al2O3基板上。此外，本發明是包括以下的真空處理設備能夠抽真空的真空室；用于支承基板的基板保持部件；能夠將通過基板保持部件保持的基板加熱至任意溫度的加熱器；和設置在真空室內并且可連接至靶材的靶材電極，其中將基板保持部件設置在真空室內靶材電極沿重力方向的下方，和將基板保持距加熱器的基板對向面預定距離。根據本發明，具有小的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有+C極性的第III族氮化物半導體外延膜能夠通過使用濺射法制造在Q-Al2O3基板上。此外，發光元件如LED和LD的發光特性能夠通過使用借助于濺射制造的該第III族氮化物半導體外延膜來改善。


圖I為根據本發明一個實施方案的射頻濺射設備的示意性截面圖。圖2為根據本發明一個實施方案的加熱器的示意性截面圖。圖3為根據本發明一個實施方案的加熱器的另一示意性截面圖。圖4Α為示出根據本發明一個實施方案的加熱器電極的構造實例的平面圖。
圖4B為示出根據本發明一個實施方案的加熱器電極的構造實例的平面圖。圖5為根據本發明一個實施方案的加熱器和基板保持裝置的截面圖。圖6為示出根據本發明一個實施方案的基板保持裝置的第二構造實例的截面圖。圖7為示出根據本發明一個實施方案的基板保持裝置的第三構造實例的截面圖。圖8為示出根據本發明一個實施方案的保持器支承部的構造實例的圖。圖9為示出通過使用由根據本發明一個實施方案的外延膜形成方法形成的外延膜而制造的LED結構的實例的截面圖。圖IOA為示出由第III族氮化物半導體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的示意圖。 圖IOB為示出由所述第III族氮化物半導體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的示意圖。圖IOC為示出由第III族氮化物半導體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的示意圖。圖IOD為示出由所述第III族氮化物半導體制成的晶體的傾斜和扭曲鑲嵌分布的
示意圖。圖11為示出第III族氮化物半導體薄膜中的+c極性和-c極性的示意圖。圖12為示出對根據本發明一個實施方案的第III族氮化物半導體薄膜的CAICISS測量的測量結果的圖。
具體實施例方式下文中，本發明的實施方案將參考附圖詳細地描述。注意在下述附圖中，具有相同功能的那些通過相同附圖標記表示，并省略其重復的說明。(實施方案)根據本發明的主要特征在于當第III族氮化物半導體薄膜通過諸如射頻濺射等的濺射要外延生長于a-Al2O3基板上時，在其中通過加熱器加熱的a-Al2O3基板保持距加熱器的基板對向面預定距離的狀態下形成第III族氮化物半導體膜。下文中，本發明將參考附圖來描述。注意下述構件和配置僅是具體表現本發明的實例，并不限定本發明。當然，它們可以基于本發明的主旨以各種方式來改造。圖1-9為根據本發明一個實施方案的真空處理設備(射頻濺射設備)和通過使用根據本發明一個實施方案形成的外延膜而制造的LED結構的圖。圖I為射頻濺射設備的示意性截面圖。圖2為加熱器的示意性截面圖。圖3為加熱器的另一示意性截面圖。圖4Α和4Β為示出加熱器電極的構造實例的平面圖。圖5為加熱器和基板保持裝置的截面圖。圖6為基板保持裝置的第二構造實例。圖7為基板保持裝置的第三構造實例。圖8為支承基板保持裝置的部分的放大圖。圖9為通過使用形成的外延膜所制造的LED的結構實例的截面圖。注意僅示出特定構件以避免附圖復雜化。圖I為用于形成根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的濺射設備的實例的示意性構造圖。在示出濺射設備S的圖I中，附圖標記101表示真空室；附圖標記102表示靶材電極；附圖標記99表示基板保持器；附圖標記103表示加熱器；附圖標記503表示基板保持裝置；附圖標記105表示祀材護罩；附圖標記106表示射頻電源；附圖標記107表示基板；附圖標記108表示靶材；附圖標記109表示氣體引入機構(mechanism);附圖標記110表示排氣機構；附圖標記112表示反射器；附圖標記113表示絕緣構件；附圖標記114表示室護罩(chamber shield);附圖標記115表示磁體單元；附圖標記116表示祀材護罩保持機構；和附圖標記203表示加熱器電極。此外，附圖標記550為用于支承基板保持裝置503的保持器支承部。真空室101通過使用金屬如不銹鋼或鋁合金的構件形成并且電接地。此外，在未示出的冷卻機構的情況下，真空室101防止或減少其壁面溫度的增加。此外，將真空室101用其間未示出的物質流量(mass flow)控制器連接至氣體引入機構109，并且用其間未示出的可變導管(variable conductance valve)連接至排氣機構110。將靶材護罩105與真空室101之間利用靶材護罩保持機構116連接。靶材護罩保持機構116和靶材護罩105可以為金屬如不銹鋼或鋁合金的構件，并且在與真空室101相同的DC電壓下。·
將靶材電極102與真空室101之間利用絕緣構件113連接。此外，將靶材108連接至靶材電極102，和將靶材電極102與射頻電源106之間利用未示出的匹配箱連接。可以將靶材108與靶材電極102直接連接或將靶材108與靶材電極102之間利用未示出的接合板(bonding plate)連接,所述接合板由金屬如銅(Cu)的構件形成。此外，靶材108可以為包含Al、Ga和In的至少一種的金屬靶材或包含上述第III族元素的至少一種的氮化物靶材。靶材電極102包括未示出的用于防止靶材108的溫度增加的冷卻機構。此外,磁體單元115位于靶材電極102中。作為射頻電源106，鑒于工業用途，容易利用在13. 56MHz下的射頻電源。然而，可以使用在不同頻率下的射頻電源或在射頻波上疊加DC電流或以脈沖的形式使用這些。將室護罩114連接至真空室101并防止在成膜期間膜粘合至真空室101。基板保持器99包括加熱器103、基板保持裝置503和反射器112作為其主要組件。加熱器103具有內置加熱器電極203。基板保持裝置503至少在與基板接觸的部分中由絕緣構件形成，并且通過反射器112或軸(未示出)等固定。通過基板保持裝置503保持，基板107可以在基板107和加熱器103的基板對向面P之間設置有預定間隙。注意基板保持裝置503的具體實例將稍后描述。在該實施方案中，如圖I中所示，在真空室101中，其上能夠設置靶材的靶材電極102設置在沿重力方向的上側，而基板保持器99設置在靶材電極102沿重力方向的下方。因而，基板保持裝置503在重力的幫助下能夠保持基板107。因此，通過將基板107簡單安裝在基板保持裝置503的基板支承部(稍后提及的附圖標記503a等)上，基板107的整個表面可以暴露于靶材108側，并且外延膜的形成可因此在基板107的整個表面上進行。該實施方案顯示其中靶材電極102設置在真空室101中沿重力方向的上側，和基板保持器99設置在靶材電極102沿重力方向下方的實例。然而，注意可以將基板保持器99配置在真空室101中沿重力方向的上側，和將靶材電極102設置在基板保持器99沿重力方向的下方。圖2和3示出加熱器103的結構實例。圖2中，附圖標記201是基材；附圖標記202是底涂層；附圖標記203是加熱器電極；附圖標記204是背面涂層；和附圖標記205是面涂層。注意附圖標記P是面向通過后述基板保持裝置503保持的基板的加熱器103上表面(基板對向面)。基材201是石墨。加熱器電極203和背面涂層204是熱解石墨(PG)。底涂層202和面涂層205是熱解氮化硼(PBN)。注意由PBN制成的底涂層202和面涂層205是高電阻材料。通過上述構造，加熱器103能夠發出在預定波長范圍的紅外線，并由此加熱基板至任意溫度。圖3為加熱器的另一構造實例。附圖標記301是基材；附圖標記302是加熱器電極；附圖標記303是背面涂層；和附圖標記304是面涂層。基材301是氮化硼(BN)。加熱器電極302和背面涂層303是PG。面涂層304是PBN。注意由BN制成的基材301和由PBN制成的面涂層304是高電阻材料。組成加熱器的上述材料優選使用它們比常規紅外燈更高的效率加熱a -Al2O3基 板的能力。然而，注意該材料不限于這些，只要它們能夠加熱Q-Al2O3基板至預定溫度即可。圖4Α和4Β示出加熱器電極203 (或302)的構造實例(平面圖)。引入加熱器103中的加熱器電極203 (或302)具有如圖4Α或4Β中示出的電極圖案。通過連接電源(未示出)至該電極圖案并對其施加DC或AC電壓，使電流流過加熱器電極203 (或302)，而由此產生的焦耳熱使加熱器103加熱。從加熱器103發出的紅外線加熱基板。注意電極圖案不限于圖4Α和4Β。然而，通過使用如圖4Α或4Β中示出的電極圖案，熱量可以均勻供給至基板107的整個表面。出于這個原因，期望使用能夠盡可能均勻地將熱量施加至基板的整個表面的電極圖案。但是，當本發明可以使用能夠將熱量均勻施加至基板的電極圖案時，重要的是能夠形成+c極性外延膜，而電極圖案形成為何種形狀并不是重要的事情。因而，在該實施方案中，不用說電極圖案不限于如圖4Α和4Β中示出的電極圖案，該實施方案能夠使用任何電極圖案。在圖2和3中示出的加熱器103的各結構實例中，通過附圖標記P表示的加熱器103的基板對向面是加熱器電極203或302在其上形成有如圖4Α或4Β中示出的圖案的一側的表面。然而，加熱器103可以具有其中圖2或3中示出的加熱器103顛倒翻轉的結構，即與在圖2和3中通過附圖標記P表示的表面相對的表面可以用作基板對向面。在該情況下，基板通過背面涂層204或303加熱。這會降低基板加熱的電源效率，但背面涂層204或303也用于使得均勻加熱，這提供了將熱量均勻施加至基板的有利效果。圖5為加熱器和基板保持裝置的截面圖(第一構造實例)。圖5中，附圖標記103是加熱器；附圖標記203是加熱器電極；附圖標記503是基板保持裝置；附圖標記504是基板(未示出保持器支承部550)。基板保持裝置503通常是具有同樣截面的環形構件，并且包括從下方(從沿重力方向的下側，即從加熱器103側)支承基板外邊緣部的由絕緣構件形成的基板支承部503a。基板支承部503a在其自身和加熱器103的基板對向面P之間配置有間隙dl。此外，在基板504和加熱器103的基板對向面P之間設置間隙d2。如上所述，設置基板支承部503a，以致在基板支承部503a上支承基板504的狀態下，基板504在其自身和加熱器103的基板對向面P之間設置有預定間隙(例如，d2)。期望將O. 4mm以上用于間隙dl，和期望將O. 5mm以上用于間隙d2。在間隙dl小于O. 4mm的情況下，很可能形成在外周部分具有混合極性的第III族氮化物半導體薄膜。在間隙d2小于O. 5mm的情況下，很可能形成在整個基板表面中具有混合極性的第III族氮化物半導體薄膜。因而，這些情況不是優選的。如上所述，在基板保持裝置503的下表面和加熱器103的基板對向面P之間設置
O.4mm以上的間隙dl。同樣,在基板504和加熱器103的基板對向面P之間設置O. 5mm以上的間隙d2。注意不優選加寬間隙dl和d2太多，因為間隙dl和d2越寬，用加熱器103加熱基板504的效率越低。此外，當間隙dl和d2，尤其是間隙d2加寬太多時，可以在加熱器103和基板504之間的空間中產生等離子，這可能會導致損失本發明的有利效果。因此，間隙dl和d2期望設定為5mm以下，更期望為2mm以下。
基板保持裝置的其他構造實例將用圖6和7描述。圖6為基板保持裝置的第二構造實例。圖6中，附圖標記504是基板，和附圖標記603是基板保持裝置(未示出保持器支承部550)。基板保持裝置603通常是具有同樣截面的環形構件，并且包括從下方保持基板504的由絕緣構件形成的基板支承部603a ;和與基板支承部603a的外周一體化形成的安裝部603b。在將安裝部603b安裝在加熱器103的基板對向面P上的情況下，在基板支承部603a的背面(面向加熱器103的一面)和加熱器103的基板對向面P之間設置間隙dl，和在基板504和加熱器103的基板對向面P之間設置間隙d2。期望將O. 4mm以上用于間隙dl，和期望將O. 5mm以上用于間隙d2。圖7示出基板保持裝置的第三構造實例。圖7中，附圖標記504是基板，和附圖標記703是基板保持裝置。基板保持裝置703通常是具有同樣截面的環形構件，并且包括第一基板保持單元704和第二基板保持單元705。第二基板保持單元705由導電環形成，并且與未示出的射頻電源之間用未示出的匹配箱連接。因而，通過在包含氣體如N2或稀有氣體的氣氛中供給射頻電力至第二基板保持單元705，等離子能夠在基板附近產生并用于進行對基板的表面處理。此外，第一基板保持單元704包括從下方支承基板504的由絕緣構件形成的基板支承部704a。在基板支承部704a的背面和加熱器103的基板對向面P之間設置間隙dl，和在基板504和加熱器103的基板對向面P之間設置間隙d2。期望將O. 4mm以上用于間隙dl，和期望將O. 5mm以上用于間隙d2。這里，雖然在圖7中未示出保持器支承部750，但將其放大圖在圖8中示出。圖8是基板保持裝置703用支承部(保持器支承部750)的放大圖。保持器支承部750具有支承第二基板保持單元705并包括導電構件751、絕緣構件753和不銹鋼管755作為其主要組件的結構。將導電構件751電連接至設置在真空室101外的射頻電源757和第二基板保持單元705。因而，將射頻電力從射頻電源757通過導電構件751供給至第二基板保持單元705。導電構件751覆蓋有絕緣構件753和不銹鋼管755。此外，導電構件751和真空室101之間的電絕緣也通過絕緣構件753來確保。如上所述，構造保持器支承部750以支承第二基板保持單元705，并且還供給電源至第二基板保持單元705。示于圖8的保持器支承部750具有包括用于供給射頻電力至第二基板保持單元705的導電構件751的結構。然而，注意導電構件751對于支承基板保持裝置503或603的保持器支承部550 (參見圖I)是非必要的。在基板保持裝置的第一至第三構造實例(圖5-7)中，環形絕緣構件用作基板支承部503a、603a和704a。然而，注意它們可以不是環形的。例如，各基板支承部503a、603a和704a可以為其中不形成開口的板形絕緣構件。在該情況下，當然，基板支承部也在其自身和加熱器103之間設置有間隙(例如，dl)。但是，如 在該實施方案中形成環形的基板支承部能夠使得基板107暴露于加熱器103，而基板107和加熱器103的基板對向面P設置有其間預定的間隙。這使得基板107有效地加熱。因而，將基板支承部形成為環形是優選的模式。此外，例如，石英、藍寶石或礬土等可以用于用作基板支承部503a、603a和704a的絕緣構件。作為加熱器103的結構，可以使用圖2和3中示出的任何結構，或者可以使用通過任何這些結構顛倒翻轉而獲得的結構。一些其他結構可以代替使用，這是由于加熱器結構在該實施方案中不是重要的事情。甚至可以使用其中在加熱器的基板對向面P上設置加熱器電極而頂部什么都沒有的加熱器結構。作為各基板保持裝置503、603和703的結構，可以使用圖5、6和7中示出的任何結構，或者可以代替使用具有一些其他結構的基板保持裝置。在該實施方案中重要的是基板在第III族氮化物半導體薄膜形成期間應距加熱器的基板對向面P預定距離而設置。在該實施方案中，在加熱器的基板對向面P和基板之間的空間中存在間隙，但是即使當絕緣構件插入該間隙中時認為也是可以獲得類似的有利效果的。因此，可以使用具有除了圖5-7中的那些之外的任何其他結構的基板保持裝置，只要其為使得基板距加熱器的基板對向面P預定距離設置的結構即可。例如，在包括通過上下移動升降銷(lift pin)來操作基板所構造的機構的裝置的情況下，升降銷可以用于將基板保持在具有基板和加熱器103的基板對向面P之間的預定間隙的位置處。然而，在該情況下，膜進入基板的外周和加熱器103之間的間隙并且粘附至加熱器103的基板對向面P，由此從加熱器103的輻射經時改變。因而，該實施方案是期望的模式。此外，在形成第III族氮化物半導體薄膜之前，連接至圖7中示出的第二基板保持單元705 (第三構造實例)的射頻電源757可以用于產生在基板附近的等離子并且除去組分如粘附至基板表面的水分和烴類。此外，作為加熱器電極的結構，可以使用圖4A和4B*示出的任何圖案，或者可以如上所述使用一些其他結構。圖6中的結構因其容易準確控制基板和加熱器103的基板對向面P之間的間隙dl和d2而比圖5中的結構優選使用。此外，當使用圖7中的結構時，可以除去組分如粘附至基板表面的水分和烴類，因此改善第III族氮化物半導體薄膜在結晶性方面的再現性。因而，優選使用圖7中的結構。圖9為通過使用根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的制造方法，作為半導體發光元件而制造的發光二極管(LED)的截面結構的實例。圖9中，附圖標記801是α-Α1203基板；附圖標記802是緩沖層；附圖標記803是第III族氮化物半導體中間層；附圖標記804是η-型第III族氮化物半導體層；附圖標記805是第III族氮化物半導體活性層；附圖標記806是ρ-型第III族氮化物半導體層；附圖標記807是η-型電極；附圖標記808是P-型結合片(bonding pad)電極；附圖標記809是保護層；和附圖標記810是透光性電極。AIN、AlGaN或GaN優選用作組成緩沖層802的材料。AIN、AlGaN和GaN優選用作組成第III族氮化物半導體中間層803、n-型第III族氮化物半導體層804、第III族氮化物半導體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導體層806的材料。關于η-型第III族氮化物半導體層804，其上述材料優選摻雜有少量硅(Si)或鍺(Ge)。關于ρ-型第III族氮化物半導體層806，其上述材料優選摻雜有少量鎂(Mg)或鋅(Zn)。在該方式中，它們的導電性可以得到控制。此外，作為第III族氮化物半導體活性層805，期望形成具有一些上述材料的多量子阱(MQW)結構。另外，上述發光二極管(LED)可以用于形成照明裝置。下文中，第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成方法將通過使用根據本發明的濺射設備參考附圖來描述。在該實施方案中，外延膜通過包括以下第一至第四步驟的方法形成于a -Al2O3基板上。首先，在第一步驟中，將基板107引入通過排氣機構110維持至預定壓力的真空室101。在該步驟中，未示出的操作機器人運送基板(Q-Al2O3基板)107至加熱器103的上側并且將基板107安裝至從加熱器103突出的未示出的升降銷的頂部。然后，降低保持基板107的升降銷，以致基板107設置在基板保持裝置503上。
隨后，在第二步驟中，基板107通過控制要施加至包含于加熱器103中的加熱器電極203的電壓而維持在預定溫度下。在該步驟中，將包含于加熱器103中的熱電偶(未示出)用于監控加熱器103的溫度，或者將配置在真空室101中的未示出的高溫計用于監控加熱器103的溫度，并且將該溫度控制在預定溫度。隨后，在第三步驟中，將任何N2氣體、稀有氣體以及N2氣和稀有氣體的混合氣體通過氣體引入機構109引入真空室101，并且真空室101中的壓力借助于質量流量控制器(未示出)和可變導管(未示出)設定為預定壓力。最后，在第四步驟中，從射頻電源106供給射頻電力以在靶材108前產生射頻等離子，和使等離子中的離子濺射組成靶材108的元件，由此形成第III族氮化物半導體薄膜。注意在使用金屬靶材作為靶材108的情況下，N2氣體或N2氣體和稀有氣體的混合氣體優選用作處理氣體。然后，將組成金屬靶材的第III族元素在包括靶材108表面、基板107表面以及靶材108和基板107之間的空間的區域的至少之一中氮化。結果，第III族氮化物半導體薄膜形成于基板上。另一方面，在使用氮化物靶材作為靶材108的情況下，優選使用N2氣體、稀有氣體以及N2氣體和稀有氣體的混合氣體中的任一種。然后，從靶材表面以原子或氮化物分子的形式發出濺射的顆粒。將從靶材表面以原子形式發出的第III族元素在包括靶材108表面、基板107表面以及靶材108和基板107之間的空間的區域的至少之一中氮化。結果，第III族氮化物半導體薄膜形成于基板上。另一方面，從靶材表面發出的大部分氮化物分子到達基板并形成第III族氮化物半導體薄膜。從靶材表面發出的部分氮化物分子有可能會在基板107表面或在靶材108和基板107之間的空間中解離。然而，通過解離產生的第III族元素在基板107表面或在靶材108和基板107之間的空間中再次氮化，并形成第III族氮化物半導體薄膜。在第一步驟中的預定壓力期望低于5Χ 10_4Pa。當預定壓力為5X 10_4Pa或超過5X IO-4Pa時，雜質如氧進入第III族氮化物半導體薄膜，使得難以獲得優質外延膜。此外，在第一步驟中加熱器103的溫度不特別限定，但鑒于生產性期望設定為幫助獲得用于成膜時基板溫度的溫度。在第二步驟中的預定溫度鑒于生產性期望設定為第四步驟中的成膜溫度。此外，在第三步驟中的預定溫度鑒于生產性期望設定為第四步驟中的成膜溫度。可以變換進行第二步驟和第三步驟的時機，或者可以同時進行所述步驟。此外，鑒于生產性期望將在第二步驟中設定的溫度和在第三步驟中設定的壓力至少維持直到第四步驟開始。在第四步驟期間的基板溫度期望設定在100-1200°C的范圍內，更期望在400-100(TC的范圍內。在低于100°C的情況下，很可能形成的是其中無定形結構以混合狀態存在的膜。在高于1200°c溫度的情況下，完全不形成膜，或者即使形成膜，很可能獲得的是具有許多歸因于熱應力的缺陷的外延膜。此外，成膜壓力期望設定在0.1-100毫托(I. 33 X IO-2Pa 至 I. 33 X IO1Pa)的范圍內，更期望在 I. 0-10 毫托(I. 33 X KT1Pa 至 I. 33Pa)的范圍內。在低于O. I毫托(I. 33 X 10 )的情況下，高能粒子很可能降落在基板表面上，使得難以獲得優質第III族氮化物半導體薄膜。在高于100毫托(I. 33X IO1Pa)壓力的情況下，成膜速度極低。因而，這些情況下是不優選的。在開始第四步驟時，可以暫時增加真空 室101中的壓力至成膜壓力以上，從而利于等離子的產生。在該情況下，成膜壓力可以通過暫時增加在處理氣體中的至少一種氣體的流量來增加。可選擇地,成膜壓力可以通過暫時減少可變導通閥門(conductance valve)(未示出)的開口度來增加。此外，在第一步驟之前，當然，可以有運送基板107至預處理室(未示出)和在等于或高于成膜溫度的溫度下對基板107進行加熱處理或等離子處理的步驟。通過根據該實施方案的方法形成的第III族氮化物半導體薄膜的外延膜實例包括圖9中示出的緩沖層802、第III族氮化物半導體中間層803、n-型第III族氮化物半導體層804、第III族氮化物半導體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導體層806。所有這些層可以通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)來制造，還有，特定的一層或多層可以通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)來制造。例如，作為圖9中LED元件用工藝的第一實例，方法包括通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)制造緩沖層802，然后通過使用MOCVD順序堆疊第III族氮化物半導體中間層803、η-型第III族氮化物半導體層804、第III族氮化物半導體活性層805和P-型第III族氮化物半導體層806,由此制造外延晶片。此外，作為第二實例，方法包括通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)制造緩沖層802和第III族氮化物半導體中間層803，然后通過使用MOCVD順序堆疊η-型第III族氮化物半導體層804、第III族氮化物半導體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導體層806，由此制造外延晶片。作為第三實例，方法包括通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)制造緩沖層802、第III族氮化物半導體中間層803和η-型第III族氮化物半導體層804，然后通過使用MOCVD順序堆疊第III族氮化物半導體活性層805和ρ-型第III族氮化物半導體層806,由此制造外延晶片。作為第四實例，方法包括通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)制造緩沖層802、第III族氮化物半導體中間層803、η-型第III族氮化物半導體層804和第III族氮化物半導體活性層805，然后通過使用MOCVD制造ρ-型第III族氮化物半導體層806，由此制造外延晶片。作為第五實例，方法包括通過使用根據本發明的濺射設備(外延膜形成方法)制造緩沖層802、第III族氮化物半導體中間層803、η-型第III族氮化物半導體層804、第III族氮化物半導體活性層805和P-型第III族氮化物半導體層806，由此制造外延晶片。將光刻技術和RIE (反應性離子蝕刻)技術應用于由此獲得的外延晶片，從而形成如圖9中所示的透光性電極810、P-型結合片電極808、η-型電極807和保護膜809。結果，能夠獲得LED結構。注意透光性電極810、ρ-型結合片電極808、η-型電極807和保護膜809的材料不特別限定，可以使用該技術領域中公知的材料而沒有任何限定。(第一實施例)作為本發明的第一實施例，將給出其中AlN膜通過使用根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的形成方法形成于Ci-AI2O3(OOOI)基板上的實例的描述。更具體地，將給出其中通過在基板保持裝置的幫助下具有在基板和加熱器的基板對向面之間的間隙地安裝的α-Α1203(0001)基板上使用濺射而形成AlN膜的實例的描述。注意在該實施例中，AlN膜通過使用與圖I中類似的濺射設備來形成。使用與圖2中類似的加熱器結構、與圖4Α中類似的加熱器電極圖案和與圖5中類似的基板保持裝置。此外，圖5中基板支承部503a和 加熱器103的基板對向面P之間的間隙dl設定為1mm，以及圖5中基板504和加熱器103的基板對向面P之間的間隙d2設定為2mm。在該實施例中，首先，在第一步驟中，將α-Α1203(0001)基板運送至維持在lX10_4Pa以下的真空室101，并且設置在基板保持裝置503上。在第二步驟中，基板維持在為第四步驟中成膜溫度的550°C下。在該步驟中，控制加熱器103以使其中包含的熱電偶的監控值為750°C。隨后，在第三步驟中，引入N2和Ar的混合氣體以使N2/(N2+Ar)為25%，并且真空室101中的壓力設定為在第四步驟中的成膜壓力3. 75毫托(O. 5Pa)。在該條件下，在第四步驟中，通過從射頻電源106施加2000W的射頻電力至由金屬Al制成的靶材108來進行濺射。結果，厚度為50nm的AlN膜形成于基板上。注意在該實施例中成膜溫度通過對其中埋入熱電偶的a -Al2O3(OOOl)基板預先進行基板溫度測量，并研究在該時刻Ci-AI2O3(OOOI)基板的溫度和包含于加熱器中的熱電偶監控值即加熱器的溫度之間的關系來設定。在該實施例中，由此制造的AlN膜通過以下來評價在對稱反射部位的2 θ /ω掃描模式的X-射線衍射(XRD)測量；對于對稱平面的ω掃描模式的XRC測量；面內配置的φ掃描模式的XRC測量；和同軸沖擊碰撞離子散射光譜(CAICISS)測量。這里，在對稱反射部位的2θ/ω掃描模式的XRD測量用于檢測結晶取向，對于對稱平面的ω掃描模式的XRC測量和關于面內配置的φ掃描模式的XRC測量分別用于評價傾斜和扭曲鑲嵌分布。此外，CAICISS測量用作確定極性的手段。首先，將在該實施例中制造的AlN膜在2 Θ =20-60°的測量范圍中進行在對稱反射部位的2θ/ω掃描模式的XRD測量。結果，僅觀察到Α1Ν(0002)面和a-Al2O3(0006)面的衍射峰，未觀察到表明AlN的其他晶面的衍射峰。從該事實中，發現所得AlN膜沿C-軸方向取向。接著，將在該實施例中制造的AlN膜進行關于對稱平面的ω掃描模式的XRC測量。注意將Α1Ν(0002)面用于測量。在檢測器為處于開放檢測器狀態的情況下所得XRC輪廓的FWHM為450角秒以下，在分析儀晶體插入檢測器中的情況下其為100角秒以下。因而，觀察到所制造的AlN膜的傾斜鑲嵌分布顯著小。此外，在其他制造條件下，在分析儀晶體插入檢測器中的情況下，在XRC測量中發現FWHM等于或小于20角秒的膜。
一般來說，XRC測量應在檢測器處于開放檢測器狀態的情況下進行。然而，在樣品具有如在該實施例中的小的膜厚的情況下，其厚度效應和晶格弛豫加寬了 XRC輪廓的FWHM，由此使得難以進行精確的鑲嵌分布評價。出于該原因，目前，如上所述將分析儀晶體插入檢測器中認為是廣義上的XRC測量。除非另有說明，以下將假設XRC測量通過使用開放檢測器狀態來進行。接著，將在該實施例中制造的AlN膜進行面內配置的φ掃描模式的XRC測量。注意將Α1Ν{10-10}面用于測量。在所得XRC輪廓中，以60°間隔出現六個衍射峰。因而，觀察至IJAlN膜具有六角對稱，換言之，AlN膜是外延生長的。此外，從最大強度的衍射峰求得FWHM為2.0°以下。因而，發現所制造的AlN膜的扭曲鑲嵌分布相對小。注意從Ci-AI2O3(OOOI)基板和AlN膜之間的面內結晶取向的比較中，觀察到AlN膜的a軸相對于a -Al2O3 (0001)基板的a軸沿面內方向扭轉30°。這表明AlN膜以AlN膜外延生長在α-Α1203(0001)基板上時所觀察到的常見外延關系形成。圖12為對在該實施例中制造的AlN膜進行的CAICISS測量的結果。在該測量中，·在入射角從Α1Ν[11-20]方向變化的情況下檢測到Al信號。可見在70°入射角周圍的峰以單一形式出現。該事實表明所得AlN膜具有+c極性(Al極性)。從上述事實中，觀察到在該實施例中制造的AlN膜為具有+c極性(Al極性)以及還具有顯著小的傾斜鑲嵌分布的C-軸取向的外延膜。換言之，證實本發明能夠提供具有減少的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有+c極性的第III族氮化物半導體薄膜。此外，在該實施例中，因為如圖I中所示用于保持靶材的靶材電極102設置在沿重力方向的上側而基板保持器99設置在沿重力方向的下側，因而不需要用于保持基板107的用支承構件(例如，支撐爪)等覆蓋一部分基板107的成膜表面。因而，基板107的整個成膜表面可暴露于靶材108。因此，根據該實施例，具有減少的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有均勻+c極性的第III族氮化物半導體薄膜能夠形成于基板107的整個成膜表面上。(第二實施例)接著，作為本發明的第二實施例，給出其中通過使用根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的形成方法制造作為緩沖層的AlN膜，然后通過使用MOCVD在緩沖層上形成未摻雜GaN膜的實例的描述。在與第一實施例相同的條件下在α-Α1203(0001)基板上通過使用濺射法形成AlN膜。然后，將晶片引入MOCVD設備中以形成膜厚為5μπι的未摻雜GaN膜。由此獲得的未摻雜GaN膜的表面為鏡面。在對稱反射部位的2θ / ω掃描模式的XRD測量顯示出未摻雜GaN膜沿C-軸方向取向。接著，進行使用GaN(0002)面作為對稱平面的ω掃描模式的XRC測量和關于在面內配置中GaN{10-10}面的φ掃描模式的XRC測量。結果，觀察到測量中FWHM分別為250角秒以下和500角秒以下。從這些事實中，發現所得未摻雜GaN膜作為具有小的傾斜和扭曲鑲嵌分布的高品質晶體而獲得。此外，從CAICISS測量中，觀察到所得未摻雜GaN膜的極性為+c極性(Ga極性)。可以認為這是因為如在第一實施例中描述的用作緩沖層的AlN膜的極性可以控制為+c極性，因此其上形成的未摻雜GaN膜也傳承該極性。從上述事實中，當通過使用根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的形成方法制造作為緩沖層的控制為具有+c極性的AlN膜時，能夠獲得其上通過使用MOCVD生長的未摻雜GaN膜作為具有小的鑲嵌分布和控制為具有+c極性的高品質外延膜。換言之，+c極性的第III族氮化物半導體薄膜能夠外延生長在a -Al2O3基板上。注意，在該實施例中通過MOCVD形成未摻雜GaN膜，但確認即使通過使用濺射法也能夠獲得類似的結果。(第三實施例)作為本發明的第三實施例，給出以下實例的描述其中通過使用根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的形成方法制造作為緩沖層的AlN膜；然后，由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導體層、具有InGaN和GaN的MQW結構的第III族氮化物半導體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的P-型第III族氮化物半導體層通過使用MOCVD順序地外延生長在緩沖層上；進一步地，形成η-型電極層、透光性電極、P-型電極層和保護膜；其后，晶片通過劃線(scribing)分割以制造LED元件。
在與第一實施例相同的條件下通過在α-Α1203(0001)基板上使用濺射而形成AlN膜。然后，將晶片引入MOCVD設備中以形成膜厚為5μπι的由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導體中間層；膜厚為2 μ m的由Si-摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導體層；為具有以GaN開始并以GaN結束的層狀結構和其中各自膜厚為3nm的五層InGaN層和各自膜厚為16nm的六層GaN層交替堆疊的MQW結構的第III族氮化物半導體活性層；和膜厚為200nm的由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導體層。將光刻技術和RIE技術應用于由此獲得的外延晶片從而形成如圖9中所示的透光性電極810、P-型結合片電極808、η-型電極807和保護膜809。注意在該實施例中，ITO(銦-錫氧化物)用作透光性電極；其中鈦(Ti)、Al和金(Au)堆疊的結構用作P-型結合片電極；其中鎳(Ni)、Al、Ti和Au堆疊的結構用作η-型電極；和SiO2用作保護膜。其中如上所述形成所得LED結構的晶片通過劃線分割為尺寸為350 μ m2的LED芯片。然后，將各LED芯片安裝在引線框上并用金屬導線接線至引線框。結果，形成LED元件。使正向電流在由此獲得的LED元件的ρ-型結合片電極和η-型電極之間流動。結果，LED元件展示良好的發光特性，即，當電流為20mA時，正向電壓3. 0V，發光波長470nm和發光輸出15mW。由所制造的晶片幾乎整個表面制造的LED元件中沒有變化地發現此類特征。從以上事實中，具有良好發光特性的LED元件能夠通過借助使用根據本發明第III族氮化物半導體薄膜的形成方法制造控制為具有+C極性的AlN膜作為緩沖層而獲得。在該實施例中，由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導體中間層、由Si-摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導體層、具有InGaN和GaN的MQW結構的第III族氮化物半導體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導體層通過MOCVD來形成。然而，注意，確認即使通過使用濺射法制造這些層也能夠獲得類似的結果。(第一比較例)作為本發明的第一比較例，給出其中通過在與加熱器接觸安裝的α-Α1203(0001)基板上使用濺射，即在不使用為本發明特征的基板保持裝置的情況下形成AlN膜的實例的描述。注意在該比較例中，除了基板安裝方式(在基板和加熱器之間具有間隙的情況下設置Ci-AI2O3(OOOI)基板)以外，AlN膜通過使用與第一實施例中那些相同的濺射設備、加熱器和加熱器電極來形成。此外，關于AlN膜的成膜條件，也使用與第一實施例中那些相同的條件。將在該比較例中制造的AlN膜進行在對稱反射部位的2 θ /ω掃描模式的XRD測量、關于Α1Ν(0002)面的ω掃描模式的XRC測量(在其中分析儀晶體插入檢測器的狀態下和在開放檢測器的狀態下)和關于Α1Ν{10-10}面的φ掃描模式的XRC測量。像在第一實施例中獲得的AlN膜一樣，發現獲得沿C-軸取向的外延膜，并且傾斜和扭曲鑲嵌分布幾乎相同。另一方面，對在該比較例中制造的AlN膜進行的CAICISS測量顯示出AlN膜為其中+c極性(Al極性)和-C極性(N極性)以混合狀態存在的膜。上述事實表明當a -Al2O3(OOOl)基板與加熱器 接觸安裝時不能獲得+c_極性的第III族氮化物半導體薄膜。(第二比較例)接著，作為本發明的第二比較例，給出其中由通過在與加熱器上側接觸安裝的a -Al2O3 (0001)基板上使用濺射而形成AlN制成的緩沖層,然后通過使用MOCVD在其上形成未摻雜GaN膜的實例的描述。注意在該比較例中，由AlN制成的緩沖層通過使用與第一比較例中那些相同的濺射設備、加熱器、加熱器電極和成膜條件來形成。未摻雜GaN膜在與第二實施例中那些類似的條件下形成。由AlN制成的緩沖層在使用與第一比較例中那些相同的濺射設備、加熱器、加熱器電極和成膜條件的情況下通過使用濺射法形成于Ci-AI2O3(OOOI)基板上。然后，將晶片引入MOCVD設備以形成膜厚為5 μ m的未摻雜GaN膜。由此獲得的未摻雜GaN膜的表面是白色的，并且在對稱反射部位的2 θ /ω掃描模式的XRD測量顯示出未摻雜GaN膜沿C-軸方向取向。接著，進行關于為對稱平面的GaN(0002)面的ω掃描模式的XRC測量和關于GaN{10-10}面的Φ掃描模式的XRC測量XRC。結果，觀察到測量中FWHM分別為約360角秒和約1000角秒。從這些事實中，發現獲得了作為具有比第二實施例中獲得的未摻雜GaN膜更大的傾斜和扭曲鑲嵌分布的低品質晶體的在該比較例中獲得的未摻雜GaN膜。此外，從CAICISS測量中，觀察到所得未摻雜GaN膜為其中+c極性(Ga極性)和_c極性(N極性)以混合狀態存在的膜。如在第一比較例中已經描述的，可以認為這是因為由AlN制成的緩沖層為其中+c極性和-C極性以混合狀態存在的膜，因此其上形成的未摻雜GaN膜也傳承了混合極性。從以上事實中，當由AlN制成的緩沖層通過其中a-Al2O3(OOOl)基板與加熱器接觸安裝的濺射形成時，其上通過使用MOCVD生長的未摻雜GaN膜作為低品質外延膜獲得。注意，在該比較例中通過MOCVD形成未摻雜GaN膜，但確認即使通過使用濺射法也能夠獲得類似結果。(第三比較例)作為本發明的第三比較例，給出以下實例的描述其中由AlN制成的緩沖層通過其中a -Al2O3(OOOl)基板與加熱器接觸安裝的濺射來形成；然后，由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導體層、具有InGaN和GaN的MQW結構的第III族氮化物半導體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的P-型第III族氮化物半導體層通過使用MOCVD順序地外延生長在緩沖層上；進一步地，形成η-型電極層、透光性電極、P-型電極層和保護膜；其后，晶片通過劃線分割以制造LED元件。注意由AlN制成的緩沖層的形成方法類似于第一比較例中的形成方法。通過使用MOCVD形成的由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第III族氮化物半導體層、具有InGaN和GaN的MQW結構的第III族氮化物半導體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導體層全部類似于第三實施例中的那些。此外，其后形成的那些，即η-型電極層、透光性電極、ρ-型電極層和保護膜，各自的材料和成膜方法，以及形成元件的以下步驟全部類似于第三實施例中的那些。
使正向電流在由此獲得的LED元件的ρ-型結合片電極和η-型電極之間流動。結果，從LED元件中未獲得良好的二極管特性。此外，所得元件特性差，以致例如，在可見區域中不能獲得充分的發光強度。在由幾乎所制造的晶片的全部表面制造的LED元件中發現類似特性。上述事實表明當由AlN制成的緩沖層通過其中a -Al2O3 (0001)基板與加熱器接觸安裝的濺射來形成時，不能獲得具有良好發光特性的LED元件。在該實施例中，通過MOCVD形成由未摻雜GaN制成的第III族氮化物半導體中間層、由Si摻雜的GaN制成的η-型第
III族氮化物半導體層、具有InGaN和GaN的MQW結構的第III族氮化物半導體活性層和由Mg-摻雜的GaN制成的ρ-型第III族氮化物半導體層。然而，注意，確認即使通過使用濺射法能夠獲得類似結果。如上所述，本發明的主要特征在于關注基板應如何安裝以便在a -Al2O3基板上形成+c極性的第III族氮化物半導體外延膜。為獲得該具有均勻+c極性的外延膜，添加對基板保持器的改進，具體地，將通過基板保持器保持的基板部位和基板保持器中包括的加熱器部位之間的關系設定為特定關系。這是在常規技術中未發現的技術思想。本發明中，根據上述本發明獨特的技術思想，基板保持器設置有基板保持裝置(基板支承部)用于設置基板距加熱器的基板對向面預定距離，并且在第III族氮化物半導體薄膜的形成期間設定基板距加熱器的基板對向面。如在上述第一至第三實施例和第一至第三比較例中所示的，在以該方式構造的基板保持器的情況下，具有減少的傾斜和扭曲鑲嵌分布以及還具有均勻+C極性的第III族氮化物半導體薄膜能夠通過濺射形成。注意，雖然上述實施方案和實施例已經示出僅將基板引入真空室的情況，但是基板也可以通過使用托盤來引入。根據本發明的思想，當具有安裝于其上的基板的托盤設置在基板保持裝置上時，基板和具有安裝于其上的基板的托盤應距加熱器預定距離來設置。可選擇地，基板可以通過將基板保持裝置503或603或基板支承部704作為托盤使用來引入。
權利要求
1.一種外延膜形成方法，所述方法在借助使用加熱器加熱至任意溫度的CI-Al2O3基板上通過濺射法而外延生長第III族氮化物半導體薄膜，所述方法包括以下步驟 保持所述Q-Al2O3基板距所述加熱器的基板對向面預定距離；和 在保持距所述基板對向面預定距離的狀態下，將第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成于所述Ci-Al2O3基板上。
2.—種外延膜形成方法，所述方法借助使用真空處理設備在Ci-Al2O3基板上通過濺射法來形成第III族氮化物半導體薄膜的外延膜，所述真空處理設備包括能夠抽真空的真空室；用于支承所述a -Al2O3基板的基板保持部件；和能夠將通過所述基板保持部件保持的a -Al2O3基板加熱至任意溫度的加熱器，其中 在將通過所述基板保持部件保持的a -Al2O3基板保持距所述加熱器的基板對向面預定距離的狀態下，將第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成于所述a -Al2O3基板上。
3.根據權利要求2所述的外延膜形成方法，其包括 基板輸送步驟，所述基板輸送步驟輸送所述a -Al2O3基板并使所述基板保持部件以所述Ci-Al2O3基板保持距所述加熱器的基板對向面預定距離的方式保持所述Ci-Al2O3基板； 基板加熱步驟，所述基板加熱步驟將在所述基板輸送步驟中通過所述基板保持部件保持的所述Q-Al2O3基板借助于所述加熱器加熱至期望的溫度；和 成膜步驟，所述成膜步驟將第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成于所述基板加熱步驟中加熱的a -Al2O3基板上。
4.根據權利要求2所述的外延膜形成方法，其中在所述基板保持部件與所述Ci-Al2O3基板沿重力方向的下側表面相接觸的狀態下，所述基板保持部件保持所述a -Al2O3基板。
5.一種真空處理設備，其包括 能夠抽真空的真空室； 用于支承基板的基板保持部件； 能夠將通過所述基板保持部件保持的基板加熱至任意溫度的加熱器；和 設置在所述真空室內并且可連接至靶材的靶材電極，其中 將所述基板保持部件設置在所述真空室內所述靶材電極沿重力方向的下方，并保持所述基板距所述加熱器的基板對向面預定距離。
6.根據權利要求5所述的真空處理設備，其中 所述基板保持部件包括基板支承部和安裝部，在成膜期間將所述基板支承部構造為沿重力方向從下方支承所述基板的外緣部分，在成膜期間所述安裝部與所述基板支承部一體化形成并與所述加熱器相接觸地配置，和 在所述安裝部與所述加熱器相接觸地配置的狀態下，配置所述基板支承部距所述加熱器的基板對向面第二預定距離。
7.根據權利要求6所述的真空處理設備，其中所述基板支承部是環形絕緣構件，構造所述環形絕緣構件以支承所述基板的外緣部分。
8.根據權利要求7所述的真空處理設備，其進一步包括用于支承所述環形絕緣構件的外周部分的環形導電構件，其中 將射頻電力施加至所述環形導電構件。
9.一種半導體發光元件的制造方法，其包括根據權利要求I所述的外延膜形成方法。
10.一種半導體發光元件，其包括通過根據權利要求I所述的外延膜形成方法制造的第III族氮化物半導體薄膜的外延膜。
11.一種照明裝置，其包括根據權利要求10所述的半導體發光元件。
12.—種半導體發光元件的制造方法，其包括根據權利要求2所述的外延膜形成方法。
13.一種半導體發光元件，其包括通過根據權利要求2所述的外延膜形成方法制造的第III族氮化物半導體薄膜的外延膜。
14.一種照明裝置，其包括根據權利要求13所述的 半導體發光元件。
全文摘要
提供一種外延膜形成方法，使用該方法可以借助于濺射法生產由第III族氮化物半導體形成的+c-極性外延膜，還提供一種適用于該外延膜形成方法的真空處理設備。例如，濺射法用于在使用加熱器(103)加熱至任意溫度的α-Al2O3基板(107)上外延生長第III族氮化物半導體薄膜。首先，α-Al2O3基板(107)以該α-Al2O3基板(107)離加熱器(103)預定距離(d2)設置這樣的方式設置在包括加熱器(103)的基板保持器(99)上。接著，在α-Al2O3基板(107)距加熱器(103)預定距離(d2)設置的情況下，第III族氮化物半導體薄膜的外延膜形成于α-Al2O3基板(107)上。
文檔編號H01L21/683GK102959140SQ201180032579
公開日2013年3月6日 申請日期2011年4月12日 優先權日2010年4月30日
發明者醍醐佳明, 石橋啟次 申請人:佳能安內華股份有限公司