JP2007036131A

JP2007036131A - 膜転写方法

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Publication number: JP2007036131A
Application number: JP2005221119A
Authority: JP
Inventors: Shidan O; 詩男王; Masatake Akaike; 正剛赤池
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP4902150B2

Abstract

【課題】膜同士または膜と基板の接合を行って膜を転写する膜転写方法において、基板剥離による接合界面へのダメージを低減する技術を提供することである。
【解決手段】膜転写方法において、２つの基板１３０、１３１の少なくとも一方の基板上にGaN膜などの膜１５０、１５１を成膜し、膜同士または膜と基板を相対向して密着し、固定する。この固定状態で、一方の基板１３０と一方の基板１３０上の膜１５０との間にレーザ照射などで分離層１７０を予め形成し、分離層形成後、固定状態で膜同士または膜と基板を加熱加圧法などで接合し、接合後、分離層１７０で一方の基板１３０を剥離する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体等の基板上に形成した膜を、他の基板或いは他の基板上の膜に転写する膜転写方法に関するものである。

近年、材質が異なる基板または膜のそれぞれの特性を集積化することや、同種あるいは異種基板または膜同士を貼り合わせることで、従来の成膜・加工等の半導体プロセスで取得できない機能や構造を実現することが望まれている。このことを目的として、基板または膜の接合技術が盛んに開発されている。こうした技術において、接合後の各種加工プロセスに十分耐え得る強度を得るために、加熱加圧接合法がよく用いられている。

この中で、GaNは良好な発光特性をもつため、ＬＥＤやレーザ及びアクティブフォトニック結晶の材料として注目を浴びている。一方、GaN膜はエピタキシャル成長用のネイティブな基板がないため、サファイアなど異種の基板上に形成されることが多い。また、一旦パターンを形成したGaN上に更にGaNを成膜する際、良質なGaN膜を得にくいため、サブミクロンサイズの微細構造を有するGaNの３次元構造の作製が困難である。そこで、２次元の微細パターンを形成したGaN膜同士を接合してから一方の基板を除去する、という手法を繰り返すことによって、GaNの３次元ナノ構造（例えば、３次元フォトニック結晶）が作製できると期待されている。

こうした作製技術として、微細パターンを形成した試料を接合し、一方の基板をエッチングして除去する工程を繰り返すことによって、３次元フォトニック結晶を形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。

また、サファイア基板の剥離技術として、GaNのバンドギャップ相当のエネルギーより高いエネルギーを持つレーザ光をサファイア基板側から照射し、基板側から厚さ１００nm程度のGaN層を分解する。これによって、GaN薄膜（厚さ：３mm以下）または厚膜（厚さ：２５０mm以上）をサファイア基板から除去する。いわゆるレーザリフトオフ法が提案されている（非特許文献１、２参照）。

しかし、上記剥離技術では、レーザリフトオフする際に瞬間的に起きるGaNの分解によって発生するN₂ガスの激流により、GaN膜とサファイア基板の界面の近傍において、GaN膜がマイクロサイズの損傷を受けることがある。これに対して、N₂のガス圧による窒化膜の損傷を低減するために、エッチングと成膜過程によって窒化膜とサファイア基板の間にストライプ状の空隙を形成してから、レーザリフトオフを行う技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術では、窒化膜の厚さが１００mm以上であることが必要である。
特開２００４−２１９６８８号公報特開２００１−１７６８１３号公報 Appl. Phys. Lett., Vol. 72, No. 5, February 2, 1998, pp. 599-601 Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 38, Part 2, No. 3A, 1 March 1999, pp. L217-219

接合と基板剥離を繰り返す手法でGaNの３次元ナノ構造（例えば、３次元フォトニック結晶）を作製する際、厚さ数mm以下のGaN薄膜を接合することが必要である。しかし、加工や製造コストの面で厚さ１００mm以上のGaN厚膜を用いることは好ましくない。

上記課題に鑑み、本発明の膜転写方法は、２つの基板の少なくとも一方の基板上にGaN膜などの膜を成膜し、該膜同士または膜と基板を相対向して密着し、固定する。この固定状態で一方の基板と該一方の基板上の膜との間にレーザ照射などで分離層を予め形成し、分離層形成後、固定状態で膜同士または膜と基板を加熱加圧法などで接合する。接合後、分離層で一方の基板を剥離することを特徴とする。この膜転写方法において、例えば、少なくとも一方の基板はサファイアであり、該一方の基板上にGaN膜が形成されていたり、一方の基板はサファイア基板であり、該一方の基板上にGaN膜が形成され、もう一方の基板はGaN単体であったりする。

以上に説明した本発明の膜転写方法によれば、レーザ照射過程などで分離層を形成した後に膜同士または膜と基板の接合を行う。このため、接合後の基板剥離が比較的容易であり、かつ接合界面も基板剥離工程の影響を受けないので、損傷の殆どない或いは減少した比較的高品質な転写膜が得られる。

以下に、本発明の膜転写方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態によるGaN/GaN薄膜の接合方法及びサファイア基板の剥離方法を示している。本実施形態の方法において、まず、第１の基板であるサファイア基板１３０上に形成された第１のGaN薄膜１５０と第２の基板であるサファイア基板１３１上に形成された第２のGaN薄膜１５１を用意する。第１のGaN薄膜１５０と第２のGaN薄膜１５１とを室温で密着した状態で、固定部材１０１、押え部材１１０及びスペーサ１２０で固定する（図１（a））。次に、この固定状態で、走査レーザビーム１００をサファイア基板１３０側から照射することによって（レーザリフトオフ）、サファイア基板１３０とGaN薄膜１５０の界面付近に遊離Ｇａを含む分離層１７０を形成する（図１（ｂ））。この状態で、すなわち、遊離Ｇａを生成した状態で、GaN/GaN薄膜を加熱加圧法で接合する（図１（ｃ））。次に、上記試料（図１（ｄ）参照）をビーカー１８０に収容されたエッチング液１９０に浸漬し、上記遊離Ga層１７０を含む層（つまり、分離層）を溶出して、第１の基板であるサファイア基板１３０を第２のサファイア基板１３１側から剥離する（図１（e））。こうして、上記方法によって、サファイア基板１３１上にGaN薄膜１５１とGaN薄膜１５０の膜同士の接合体が得られる（図１（ｆ）参照）。

上記方法ではレーザビーム１００を走査したが、ビームのスポット径が十分大きければ一括照射で分離層１７０を形成することもできる。また、図１では、スペーサ１２０は１枚の板で示しているが、厚みの異なる複数の板を用いた方が便利である。この場合、各スペーサの材質（例えば、厚さが容易に調整できるグラファイト、調整できないサファイアなど）が異なっていてもよい。

上記基板剥離を用いた転写方法では、GaN/GaN同士の接合はレーザリフトオフで分離層を形成した後に行うので、接合界面がレーザリフトオフの影響を受けない。また、接合後の基板剥離は、分離層があるため、化学エッチングや室温付近の低温での軽い剪断力の印加で実現可能であり、接合界面に影響を与えない。従って、損傷のない高品質なGaN/GaN接合界面を有するGaN膜の転写を実現できる。この技術は、３次元GaNフォトニック結晶のような構造を形成する際に必要とするGaN薄膜の接合において、特に顕著な効果を発揮するものである。

従来の技術では、GaN薄膜同士を接合した状態でレーザリフトオフ法を用いて一方のサファイア基板を剥離すると、接合界面が損傷され劣化してしまう恐れがある。一方、サファイア基板が極く硬くてしかも化学的に安定なため、研磨やエッチングによって除去することも困難である。本実施形態によれば、これらの点が解決される。また、本実施形態によれば、膜の厚さを１００mm以上とする必要もない。

以下に、基板上に形成した膜を、他の基板或いは他の基板上の膜に転写する本発明の膜転写方法の具体的な実施例を図面に基づいて説明する。ただし、本発明における材料、構造、数値などはここに挙げられたものに限定されるものではない。

（実施例１）
図１は実施例１を説明する断面図である。図１において、１００は走査レーザビームであり、１０１は石英から成る固定部材である。１１０はサファイアから成る押え部材であり、１２０はグラファイトから成るスペーサである。１３０及び１３１は基板として用いたサファイア基板であり、１５０及び１５１はそれぞれサファイア基板１３０、１３１上に成膜したGaN膜である。１７０はGaN１５０から遊離したGaを含む分離層であり、１８０はビーカーであり、１９０は遊離Gaを含む分離層１７０をエッチングするためのエッチング液である。

本実施例の膜転写過程を説明する。上記構成において、まず、石英からなる固定部材１０１内で、押え部材１１０及びスペーサ１２０を介して、図１（ａ）に見るようにサファイア基板１３０上のGaN１５０とサファイア基板１３１上のGaN１５１同士を相対向して突き合せ、密着させる。このとき、GaN１５０とGaN１５１との密着界面に約１ＭＰａの圧縮応力が作用するように、サンドペーパーなどを用いた研磨によってスペ―サ１２０の厚さを加減し、この後、固定部材１０１内に挿入する。そして、石英から成る固定部材１０１及びサファイアから成る押え部材１１０越しに、走査レーザビーム１００をサファイア基板１３０側から照射する。用いた走査レーザビーム光は、波長が２６６nmで、ビーム径が９mmΦで、パワー密度が６４ｍＪ／ｃｍ^２である。また、走査レーザビームの走査スピードが１００mm/secで、図１の紙面に垂直な方向の走査ピッチが１mmである。

この際、レーザビーム光のエネルギーがGaN膜１５０のバンドギャップ相当のエネルギーより大きいため、GaN膜１５０のサファイア基板１３０側の一部が、該レーザ光を吸収することによって、遊離するＧａとＮ_２ガスに分解される。GaN膜は、波長２６６nmのレーザ光に対する光吸収係数が１０^５ｃｍ^−１以上である。このため上記の分解は、主にサファイア基板１３０とGaN膜１５０の界面から該GaN膜１５０内へ１００nm程度入った領域で止まる。この領域に遊離Ｇａを含む層（つまり、分離層）１７０を生成する。用いたGaN膜１５０の厚さは３mmであるため、この局部で起きた分解はGaN膜１５０の表面（もう一方のGaN膜１５１と密着している面）に影響を与えない。

上記走査レーザビーム１００による照射を、サファイア基板１３０とGaN膜１５０の界面全面に渡って行うことにより、図１（ｃ）に示すように、該界面の全面に遊離Ｇａを含む層（つまり、分離層）が形成される。上記工程によって遊離Ga層１７０を形成した後、この状態で、下記の加熱加圧法によって、第１のGaN膜１５０と第２のGaN膜１５１同士を接合する。

この加熱加圧接合法では、上記工程を経た状態で（図１（ｃ）に示す）、不活性ガスとしてのヘリウムガスの還流中において８００℃で２時間の熱処理を行う。この熱処理によって、固定部材１０１と押え部材１１０及びスペーサ１２０との間の線膨張係数の違いから、GaN膜１５０とGaN膜１５１との間に熱応力、すなわち圧縮応力が生ずる。この圧縮応力を受けながら、熱処理中に、GaN膜１５０及びGaN膜１５１は、互いに界面での拡散により、接合を生ずる。この熱処理後、室温まで降温する。この加熱加圧接合工程によって、GaN膜１５０及びGaN膜１５１は強固に接合できる（図１（ｄ）参照）。

次に、上記GaN膜１５０、１５１同士を接合した接合体を、ビーカー１８０に収容した塩酸と過酸化水素からなるエッチング液１９０に浸漬する。数分後、図１（e）に示すように、上記遊離Ga層１７０（つまり、分離層）が完全に溶出する。この溶出によって、サファイア基板１３０が、GaN膜１５０と分離する。こうして、サファイア基板１３０の剥離をすることができる。

尚、エッチング液は、Ｇａを溶解し、かつGaNとサファイアを腐蝕しないものであればよく（これには、例えば、硫酸や硫酸と過酸化水素の混合液がある）、塩酸と過酸化水素からなるエッチング液に限らない。また、必要に応じて、エッチング液を１００℃以下の温度まで加熱すると、エッチング効果が上がることもある。

最後に、上記接合体をエッチング液から取り出して、純水で洗浄する。こうして、図１（ｆ）に示したサファイア基板１３１をベースにしたGaN膜１５１とGaN膜１５０からなるGaN/GaN直接接合が得られる。

本実施例を利用して、それぞれ次の様な工程を有する複数のプロセスを用いてサファイア基板上に１００μm□のGaNのウッドパイル型フォトニック結晶（図示なし）を作製することが可能になった。各プロセスとしては、上記実施例を用いたGaN/GaN直接接合の工程とGaNを他方のサファイア基板から剥離する工程とがある。そして接合したGaN面の中央部の１００μm□領域のGaN膜にエッチングで２００nmピッチ/１００nm幅のスリットを設ける工程がある。

以上の実施例１によれば、レーザ照射過程で分離層を形成した後に膜同士の接合を行うため、接合後の基板剥離が比較的容易であり、かつ接合界面も基板剥離工程の影響を受けないので、損傷の殆どない或いは減少した比較的高品質な転写膜が得られる。

（実施例２）
図２は実施例２を説明する断面図である。図２において、２００は走査レーザビームであり、２０１は石英から成る固定部材である。２１０はサファイアから成る押え部材であり、２２０はグラファイトから成るスペーサである。２３０及び２３１は基板として用いたサファイア基板であり、２５０及び２５１はそれぞれサファイア基板２３０、２３１上に成膜したGaN膜である。２７０はGaN２５０から遊離したGaを含む分離層であり、２８０はヒーターであり、２９０は剪断力Ｆである。

本実施例は、以下の点で、上記実施例１と異なる。
図２（ｄ）までの過程は実施例１と同様である。すなわち、遊離Ｇａの生成後、GaN膜２５０及びGaN膜２５１を加熱加圧接合によって接合するところまでは実施例１と同様である。上記接合後、図２（ｅ）に見るようにサファイア基板２３０、２３１に剪断荷重Ｆ２９０を印加することで、サファイア基板２３０をGaN膜２５０から剥離する（図２（ｆ））。この際、ヒーター２８０によりサファイア基板２３１を介して分離層２７０を１００℃以下の温度に加熱して、遊離Gaを溶融すると、剥離作業が効果的に促進される。こうして、上記剥離手法を用いて、一方のサファイア基板２３１上のGaN膜２５１に、他方のサファイア基板２３０上のGaN膜２５０を転写することができる。

本実施例を用いても、上記実施例１のところで説明した様な工程を有する複数のプロセスを用いてサファイア基板上に１００μm□のGaNのウッドパイル型フォトニック結晶（図示なし）を作製することが可能になった。

上記各実施例で示した接合及び基板剥離プロセスによって、GaN膜/GaN膜の界面において強固で良好な接合ができた。特に、電子顕微鏡による断面観察では、GaN/GaNの接合界面が殆ど損傷なく高品質なものであった。尚、以上の説明では、接合する対象は、単に同種、同一形状のGaN膜とサファイア基板からなる試料としたが、２つの試料のサイズが異なっても支障がない。また、基板剥離を必要としないGaN膜１５１または２５１は、単にGaN基板であってもよい。更に、少なくとも一方の試料の表面に溝などのパターンが形成されていてもよい。また、レーザリフトオフに適用するレーザは、その光子エネルギーがGaNのバンドギャップより大きければよく、波長２６６nmのものに限定されない。

本発明の膜転写方法の実施形態及び実施例１を説明する断面図である。本発明の膜転写方法の実施例２を説明する断面図である。

符号の説明

１００、２００レーザビーム（走査レーザビーム）
１３０、１３１、２３０、２３１基板（サファイア基板）
１５０、１５１、２５０、２５１膜（GaN膜）
１７０、２７０分離層（遊離Ｇａを含む層）
１９０エッチング液
２９０剪断力（剪断荷重）

Claims

２つの基板の少なくとも一方の基板上に膜を成膜し、該膜同士または膜と基板を相対向して密着し、固定し、この固定状態で一方の基板と該一方の基板上の膜との間に分離層を予め形成し、分離層形成後、固定状態で膜同士または膜と基板を接合し、接合後、分離層で一方の基板を剥離することを特徴とする膜転写方法。
請求項１に記載の膜転写方法において、少なくとも一方の基板はサファイアであり、該一方の基板上にGaN膜を形成する膜転写方法。
請求項２に記載の膜転写方法において、一方の基板はサファイア基板であり、該一方の基板上にGaN膜を形成し、もう一方の基板はGaN単体である膜転写方法。
請求項１から３の何れかに記載の膜転写方法において、少なくとも一方の基板上の膜に溝のパターンを形成する膜転写方法。
請求項１から４の何れかに記載の膜転写方法において、前記分離層の形成をレーザ照射で行う膜転写方法。
請求項１から５の何れかに記載の膜転写方法において、前記分離層はGaN膜から分解した遊離Gaを含む膜転写方法。
請求項１から６の何れかに記載の膜転写方法において、前記分離層における一方の基板の剥離除去を酸によるエッチングで行う膜転写方法。
請求項１から６の何れかに記載の膜転写方法において、前記分離層における一方の基板の剥離除去を１００℃以下の加熱と基板への剪断力の印加によって行う膜転写方法。
請求項１から８の何れかに記載の膜転写方法において、前記接合は加熱加圧法で行う膜転写方法。