JP2009231816A - 単結晶薄膜を有する基板の製造方法 - Google Patents

単結晶薄膜を有する基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】特別な基板を用いなくても結晶欠陥がほとんど無い単結晶薄膜を有する基板を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも、ドナー基板とハンドル基板を準備する工程Ａと、前記ドナー基板上に単結晶層を積層成長させる工程Ｂと、前記単結晶層が形成されたドナー基板の単結晶層中にイオン注入してイオン注入層を形成する工程Ｃと、前記イオン注入されたドナー基板の単結晶層の表面と前記ハンドル基板の表面を貼り合わせる工程Ｄと、前記貼り合わせられたドナー基板の前記単結晶層中のイオン注入層で剥離する工程Ｅとにより前記ハンドル基板上に単結晶薄膜を形成し、少なくとも、前記単結晶薄膜が形成されたハンドル基板をドナー基板として前記Ａ〜Ｅの工程を繰り返すことを特徴とする単結晶薄膜を有する基板の製造方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶欠陥が少ない単結晶薄膜を有する基板の製造方法に関する。
パワートランジスター、レーザー、ＬＥＤ、高周波素子などの半導体デバイスに用いられるシリコン、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、酸化亜鉛、ダイヤモンドなどの単結晶薄膜や基板は、近年のデバイスの高集積化、高輝度化、高周波化などで、ますます重要度を増している。
通常では単結晶薄膜は、格子定数の近い、例えばシリコン、サファイヤ、ＳｉＣ等から選ばれる単結晶基板上に気相、液相エピタキシャルやスパッター、ＥＢ、ＭＢＥ、昇華等のＰＶＤ法などで積層成長して製造されている。
一方、これらに用いられる基板は、一般的には種子結晶を用いてＦＺ法、ＣＺ法、昇華法などでバルク結晶成長を行いスライス、研磨等の工程を経て作製される。
しかしながら、このような従来技術で得られた単結晶薄膜や基板は、種子基板として用いられる単結晶基板にある転位欠陥を引き継いだり、格子定数や熱膨張係数のミスマッチによる結晶歪や積層欠陥、マイクロパイプ等の結晶欠陥を発生しやすい欠点を有する。なお、転位欠陥とは結晶中の原子の周期性の乱れのことを指すものである。
これらの結晶欠陥が多いと、デバイスの初期特性や長期信頼性に悪影響を与えるので、高性能、高信頼の半導体デバイスを作製するには、用いられる単結晶薄膜や基板の結晶欠陥をできるだけ少なくする必要がある。
そこで従来は、結晶欠陥を少しでも減らすために、単結晶基板としてほぼ結晶欠陥ゼロの極めて高価なシリコン単結晶（Ｎｅａｒ Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｃｒｙｓｔａｌ）を使用したり、単結晶基板と積層成長させる単結晶薄膜の間に、格子定数や熱膨張係数が双方の中間的な値を持つ、例えばＳｉＯ２、シリコン、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｓなどのバッファ層を何層も単結晶基板上に積んでから、目的の単結晶薄膜を積層していた（特許文献１参照）。
しかし、これらの改善技術では、原料コストやプロセスコストが高くなり経済的に不利であったり、安全衛生や結晶欠陥の低減が不十分であり、実用的ではなかった。
特開２００４−０４８０７６号公報
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、特別な基板を用いなくても結晶欠陥が少ない単結晶薄膜を有する基板を容易に製造することができ、また、その基板を種子基板として用いてエピタキシャル成長又はバルク結晶成長させることで、結晶欠陥が少ない単結晶層、単結晶膜及び単結晶を製造する方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、単結晶薄膜を有する基板の製造方法であって、少なくとも、ドナー基板とハンドル基板を準備する工程Ａと、前記ドナー基板上に単結晶層を積層成長させる工程Ｂと、前記単結晶層が形成されたドナー基板の単結晶層中にイオン注入してイオン注入層を形成する工程Ｃと、前記イオン注入されたドナー基板の単結晶層の表面と前記ハンドル基板の表面を貼り合わせる工程Ｄと、前記貼り合わせられたドナー基板の前記単結晶層中のイオン注入層で剥離する工程Ｅとにより前記ハンドル基板上に単結晶薄膜を形成し、少なくとも、前記単結晶薄膜が形成されたハンドル基板をドナー基板として前記Ａ〜Ｅの工程を繰り返すことを特徴とする単結晶薄膜を有する基板の製造方法を提供する。
このように本発明の製造方法によれば、ドナーウェーハ上に形成された単結晶層の中でもドナーウェーハの表面の欠陥に影響されにくい上層部の、結晶欠陥の少ない部分がハンドルウェーハ上に単結晶薄膜として形成される。そしてさらに、そのハンドルウェーハを今度はドナーウェーハとして用いて、結晶欠陥の少ない単結晶薄膜上に単結晶層を積層成長させることで、形成された単結晶層は前の工程によって形成されたものよりもさらに結晶欠陥の少ない単結晶層となる。このような工程（Ａ〜Ｅ）を繰り返すことで、ドナーウェーハ上に形成される単結晶薄膜は、結晶欠陥が減少していき最終的には均質で結晶欠陥数が著しく少ない単結晶薄膜を有する基板を得ることができる。
また、本発明の製造方法によれば、結晶欠陥が少ない単結晶薄膜を有する基板を製造する際、特別高価な基板を用意する必要が無く、さらに特別な工程を行う必要が無いため、安価かつ容易に結晶欠陥が少ない単結晶薄膜を有する基板を製造することができる。
また本発明は、単結晶層を有する基板の製造方法であって、少なくとも、本発明の単結晶薄膜を有する基板の製造方法により製造された基板の単結晶薄膜上に、単結晶層を積層成長させることを特徴とする単結晶層を有する基板の製造方法を提供する。
このように、本発明の製造方法によって製造された基板の単結晶薄膜は、結晶欠陥が極めて少ないため、その単結晶薄膜上に単結晶層を積層成長させれば、積層成長させる基板表面の影響で生じる欠陥等を防止することができ、結晶欠陥が少ない所望厚さを有する単結晶層とすることができる。
また本発明は、自立する単結晶膜の製造方法であって、少なくとも、本発明の単結晶層を有する基板の製造方法によって製造された単結晶層を有する基板に、イオン注入して前記単結晶層にイオン注入層を形成し、該イオン注入層で剥離することによって自立する単結晶膜を得ることを特徴とする自立する単結晶膜の製造方法を提供する（請求項１４）。
このように、本発明の製造方法によって製造された厚い単結晶層を有する基板の単結晶層の一部を、イオン注入法によって所定の厚さに剥離すれば、結晶欠陥がほとんどなく平坦度の高い自立する単結晶膜を製造することができる。
また本発明は、単結晶の製造方法であって、少なくとも、本発明の製造方法によって製造された、単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板、自立する単結晶膜のいずれかを、エピタキシャル用又はバルク結晶成長用の種子基板として用いることを特徴とする単結晶の製造方法を提供する。
本発明の製造方法により得られた単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板及び自立する単結晶膜は、結晶欠陥が少なくほとんど無いものも得られるため、このような単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板及び自立する単結晶膜を種子基板として用いれば、エピタキシャル成長又はバルク結晶成長の際に、種子基板表面の欠陥由来の結晶欠陥の発生がほとんどない。このため、結晶欠陥がほとんどないとともに、所望厚さを有する単結晶を成長させることができる。
以上のように、本発明の単結晶薄膜の製造方法によれば、結晶欠陥が比較的少ない単結晶層の上層部のみを、単結晶薄膜として基板上に形成することができ、その基板の単結晶薄膜上にさらに単結晶層を積層成長させることで、より結晶欠陥の少ない単結晶層とすることができる。このように、本発明の工程を繰り返すことで積層成長させる単結晶層の結晶欠陥を少なくしていき、最後には、極めて低欠陥とすることができ、特には結晶欠陥がほとんど無い単結晶薄膜を有する基板を製造することも可能である。また、このように得られた基板を種子基板として用いれば、エピタキシャル成長又はバルク結晶成長の際の結晶欠陥の発生をほとんど無くすことができる。
本発明の単結晶薄膜を有する基板の製造の工程の一例を示すフロー図であり、工程（Ａ）：基板準備、工程（Ｂ）：積層成長、工程（Ｃ）：イオン注入（aaはイオン注入を示す）、工程（Ｄ）：張り合わせ、工程（Ｅ）：剥離を示す。 本発明の単結晶層を有する基板及び自立する単結晶膜の製造の工程の一例を示すフロー図であり、aaはイオン注入を示す。
単結晶薄膜や単結晶基板を作製する際に、種子基板として用いられた基板の転位欠陥を引き継いでしまい、作製された単結晶薄膜等に結晶欠陥が発生してしまうという問題があった。
発明者らは、この問題について鋭意調査を行った結果、単結晶薄膜の作製時に結晶欠陥が単結晶基板に近い成長前半に積層された成長部に多く発生し、成長後半に積層される成長部には比較的少ないことを、実験事実より見出した。
この事実から、ドナー基板上に単結晶層を積層成長させ、その単結晶層中にイオン注入層を形成することで、ハンドル基板と貼り合わせた後に単結晶層中の比較的結晶欠陥の少ない上層部（後半成長部）と下層部（前半成長部）を分けて剥離することができる。これにより、ハンドル基板上に結晶欠陥の少ない単結晶薄膜が形成され、その基板をさらにドナー基板として、上記工程を繰り返すことで単結晶薄膜の結晶欠陥が低減されていき、最後には結晶欠陥が極めて少ない単結晶薄膜を得ることもできることを見出し本発明を完成させた。
以下、本発明の単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板及び自立する単結晶膜の製造方法について、実施態様の一例として、図１、２を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
ここで、図１は本発明の単結晶薄膜を有する基板の製造の工程の一例を示すフロー図であり、工程（Ａ）：基板準備、工程（Ｂ）：積層成長、工程（Ｃ）：イオン注入（aaはイオン注入を示す）、工程（Ｄ）：張り合わせ、工程（Ｅ）：剥離を示す。図２は、本発明の製造方法により得られた単結晶薄膜を有する基板を用いて、単結晶層を有する基板及び自立する単結晶膜を製造する工程の一例を示すフロー図であり、aaはイオン注入を示す。
まず、図１の工程（Ａ）では、ドナー基板１１とハンドル基板１２を準備する。
このドナー基板１１又はハンドル基板１２の材質としては、シリコン、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、酸化亜鉛のいずれかとすることができる。本発明では、作製する半導体デバイスの目的に応じてこれらの中から適宜選択することができる。
また、積層成長させる単結晶の種類によっては、ドナー基板１１およびハンドル基板１２の少なくとも一方を、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮのいずれか又はそれらを組み合わせたバッファ層を有している基板とすることが好ましい。積層成長させる単結晶層とドナー基板との中間に近い格子定数や熱膨張係数を有するものを上記から適宜選択してバッファ層とすれば、より良質な単結晶層を積層成長させることができる。このようなバッファ層を有する基板であれば、基板と単結晶層の材質が異なる場合でも、良質な単結晶層を得ることができるし、貼り合わせ、剥離の繰り返し回数を減少できる。バッファ層の厚さは、好ましくは０．０１〜１０μｍである。
また、このとき準備されるハンドル基板１２を、表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下の非晶質基板、多結晶基板、単結晶基板のいずれかとすることが好ましい。このように、表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下の基板であれば、貼り合わせの際に貼り合わせ界面のボイド等を抑制し、より強固に貼り合わせることができる。また、準備されるハンドル基板は、単結晶層を気相成長させる訳ではないので、必ずしも単結晶である必要はなく、より安価な多結晶基板や非晶質のものを用いることもできる。所望の表面粗さ（Ｒａ）は、例えば、エッチングやＣＭＰ研磨などをすることにより得られる。
次に工程（Ｂ）では、ドナー基板１１上に単結晶層１３を積層成長させる。
このとき、積層成長をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｔｉｏｎ）法、液相エピタキシャル成長法のいずれかによって行うことができる。積層成長させる単結晶層の種類によってこれらの中から適宜選択することができる。本発明の製造方法の好ましい形態において、単結晶層を積層成長させる方法はこれらの中から適宜選択することができ、いずれの方法であっても積層成長させる単結晶層の結晶欠陥の低減を図ることができる。
また、このとき積層成長させる単結晶層１３を、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、酸化亜鉛、ダイヤモンドのいずれかとすることができる。単結晶層の種類としては、作製する半導体デバイスの目的に応じて、これらの中から適宜選択でき、従来では結晶欠陥の発生しやすかった種類の単結晶層の場合でも、本発明によれば結晶欠陥を低減することができる。単結晶層の厚さは、成長界面での欠陥を低減する点から好ましくは、０．２〜２００μｍである。
工程（Ｃ）では、ドナー基板１１上に形成された単結晶層１３中にイオン注入してイオン注入層１４を形成する。
水素イオン又は希ガスイオンあるいはこれらの両方を単結晶層中１３に注入し、イオンの平均進入深さにおいて表面に平行なイオン注入層（微小気泡層）１４を形成させるもので、この注入温度は２５℃〜４５０℃が好ましい。このとき、本発明では、イオン注入層１４を形成する際に、単結晶層１３の中に形成するようにするので、剥離後に結晶欠陥が比較的少ない上層部（後半成長部）が剥離後にハンドル基板に転写される単結晶薄膜となる。剥離後の薄膜の厚さが所望厚さ（例えば０．１〜１００μｍ）となるようにイオン注入深さを調整する。本発明の製造方法の好ましい形態において、注入するイオンはこれらの中から適宜選択することができる。
工程（Ｄ）では、イオン注入層が形成されたドナー基板１１とハンドル基板１２を貼り合わせる。
この貼り合わせ工程（Ｄ）の前に、予めドナー基板１１の単結晶層１３の表面とハンドル基板表面の少なくとも一方をプラズマ処理することが好ましい。プラズマ処理を行った基板の表面は、ＯＨ基が増加するなどして活性化し、貼り合わせの際にその基板を他方の基板と密着させれば、水素結合等によって、より強固に貼り合わせることができる。プラズマで処理をする場合、真空チャンバ中にＲＣＡ洗浄等の洗浄をした例えばハンドル基板１２を載置し、プラズマ用ガスを導入した後、１００Ｗ程度の高周波プラズマに５〜１０秒程度さらし、表面をプラズマ処理する。プラズマ用ガスとしては、水素ガス、アルゴンガス、窒素ガス又はこれらの混合ガス等を用いることができる。
また、貼り合わせた後に貼り合わせた基板を加熱（例えば２００〜４５０℃）することもでき、加熱によってより強固に貼り合わせることができる。プラズマ処理を行った場合には、比較的低温（例えば５０〜２００℃）の加熱であっても強固に貼り合わせることができる。
さらに工程（Ｄ）の前に、ドナー基板１１の単結晶層１３の表面を平滑化することが好ましい。平滑な表面であれば、貼り合わせ界面のボイドの発生を低減し、強固に貼り合わせることができる。平滑化の方法としては、例えば研磨やアニール処理（例えばシリコンの場合は１１００〜１３００℃で１〜１０時間）を施すことにより単結晶層表面を平滑にすることができる。
次に、工程（Ｅ）では、イオン注入層１４を境界として剥離することによって、単結晶薄膜１５が形成されたハンドル基板１２を得ることができる。剥離の方法としては、例えば不活性ガス雰囲気下約５００℃以上の温度で熱処理を加えれば、結晶の再配列と気泡の凝集とによってイオン注入層で分離される。また、剥離の方法としては例えば、機械的な外力を加えることによって剥離することもできる。剥離のための機械的手段としては、特に限定されないが、例えば、ガスや液体等の流体をイオン注入層の側面から吹き付けるブロアーや、物理的な衝撃を与える衝撃装置が挙げられる。
このように、イオン注入法を用いて熱処理又は機械的手段によって剥離工程を行えば、剥離面が平坦な基板を得ることができる。
このような工程（Ａ）〜（Ｅ）で得られた基板１２の単結晶薄膜１５は、ドナー基板１１上に形成された単結晶層１３の上層部（後半成長部）がハンドル基板１２上に転写されて形成されたものであるため、比較的結晶欠陥が少ない。本発明では、このように製造された結晶欠陥の少ない単結晶薄膜１５を有するハンドル基板１２を、次はドナー基板として用いて上記（Ａ）〜（Ｅ）の工程を繰り返す。このように、結晶欠陥が低減された単結晶薄膜上に単結晶層を積層成長させることで、さらに結晶欠陥が低減された単結晶層を積層成長させることができ、このような工程を繰り返すことで、単結晶薄膜の結晶欠陥が極めて少なくなり、最後には実質的に結晶欠陥のほとんどない単結晶薄膜を有する基板を製造することも可能である。
このとき、剥離させる工程（Ｅ）の後にハンドル基板１２の単結晶薄膜１５表面を平滑化することが好ましい。これにより、その後にドナー基板として用いる際に積層成長させる単結晶層の結晶欠陥をより効果的に低減することができる。ハンドル基板の単結晶薄膜表面を平滑化することで、その後にドナーウェーハとしてその単結晶薄膜表面に単結晶層を積層成長させる際に、平坦で、より結晶欠陥の少ない単結晶層を形成することができる。
また、図２（ｆ）〜（ｇ）に示すように、本発明では図１（Ａ）〜（Ｅ）の工程を繰り返すことによって得られた、所望の結晶欠陥密度の単結晶薄膜１５を有する基板１２上に単結晶層１６を積層成長させることができる。本発明の製造方法により製造された結晶欠陥のほとんど無い単結晶薄膜上に単結晶層を積層成長させることで、転位欠陥のほとんどない良質な単結晶層を形成することができる。このとき、製造された単結晶層１６を有する基板１２をアニール処理（例えばシリコンの場合は１１００〜１３００℃で１〜１０時間）することが好ましく、これにより単結晶層１６表面を平滑にすることができ、更に単結晶層１６を一層均質にして結晶欠陥を少なくすることができる。
また、図２（ｇ）〜（ｉ）に示すように、本発明の製造方法により製造された単結晶薄膜１５を有する基板１２上に形成された単結晶層１６は、十分な厚さを有するようにできるので、この単結晶層１６中にイオン注入層１４を形成し剥離することで、自立する単結晶膜１７を製造することができる。得られる自立する単結晶膜１７の厚さは、特に限定されないが、例えば１〜１０００μｍである。このように製造された自立する単結晶膜１７は、ほとんど結晶欠陥が無く、平坦度が高いものとすることができる。また、この製造された自立する単結晶膜１７をアニール処理（例えばシリコンの場合は１１００〜１３００℃）することで、単結晶膜表面を平滑にすることができ、更に一層均質にして結晶欠陥を少なくすることができる。
さらに、本発明の製造方法によって製造された単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板、自立する単結晶膜のいずれかをエピタキシャル用又はバルク結晶成長用の種子基板として用いることができる。
本発明の製造方法により得られた単結晶薄膜、単結晶層、自立する単結晶膜は、結晶欠陥がほとんど無いため、このような単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板、自立する単結晶膜を種子基板として用いれば、エピタキシャル成長又はバルク結晶成長の際に、種子基板表面の欠陥由来の結晶欠陥がほとんど生じない。このため、結晶欠陥がほとんどない単結晶を成長させることができる。
以上のように、本発明の単結晶薄膜の製造方法によれば、結晶欠陥が比較的少ない積層成長させた単結晶層の上層部のみを、単結晶薄膜として基板上に形成することができ、その基板にさらに単結晶層を積層成長させることで、より結晶欠陥の少ない単結晶層とすることができる。このような本発明の工程を繰り返すことで単結晶層の結晶欠陥を低減していき、最後には、極めて結晶欠陥が少ない単結晶薄膜を有する基板を製造することも可能である。また、このように得られた基板を種子基板として用いれば、結晶欠陥のほとんど無い単結晶層、単結晶膜、単結晶を得ることができる。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（実施例１）
図１のような工程により、ダイヤモンド薄膜を有する基板を製造した。
図１の工程（Ａ）において、ドナー基板１１及びハンドル基板１２として、直径６インチ（１５０ｍｍ）厚さ６２５μｍのシリコン単結晶基板を準備した。このとき、ハンドル基板１２はＡＦＭを用いて測定した表面粗さ（Ｒａ）が０．３ｎｍであるものを準備した。
図１の工程（Ｂ）において、ドナー基板１１を２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマ装置中に設置し、２ｖｏｌ．％メタン濃度の水素ガスを流しながら、３０Ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）、８５０℃の条件下でプラズマＣＶＤを行い、ダイヤモンド層１３を１５μｍの厚さに積層成長させた。
図１の工程（Ｃ）において、ドナー基板１１上の積層成長させたダイヤモンド層１３にイオン注入機で水素をドース量５×１０１７／ｃｍ２で５００ｎｍの深さにイオン注入し、イオン注入層１４を形成した。
図１の工程（Ｄ）において、ドナー基板１１とハンドル基板１２を密着させ、赤外線ランプで２５０℃に加熱して強固に貼り合わせた。
図１の工程（Ｅ）において、貼り合わせた基板を６００℃で熱処理をして水素イオン注入層から剥離し、５００ｎｍの厚さのダイヤモンド薄膜１５を有するシリコン単結晶基板１２を製造した。
このようにして製造されたダイヤモンド薄膜１５を有するシリコン単結晶基板１２を、次はドナー基板として用いて、上記工程（Ａ）〜（Ｅ）を３回繰り返すことで、断面ＴＥＭ観察（１００，０００倍）で結晶欠陥が見出せなかったダイヤモンド薄膜を有する基板が得られた。
その後、図２の工程（ｆ）〜（ｇ）において、実施例１の工程（Ｂ）と同様な方法で、基板１２のダイヤモンド薄膜１５上にダイヤモンド層を１６μｍの厚さに積層成長させて、アニール処理（１２００℃、３時間）を施した。このようにして得られたダイヤモンド層を有するシリコン基板は高耐圧パワートランジスタに好適な基板であった。
（実施例２）
図１の工程（Ａ）において、ドナー基板１１として直径４インチ（１００ｍｍ）厚さ４００μｍの合成石英基板を準備し、その基板上に反応スパッタ―で１μｍの厚さのＡｌＮバッファ層を積層した。ハンドル基板１２として、直径４インチ（１００ｍｍ）のサファイヤ基板を準備した。このとき、ハンドル基板１２はＡＦＭを用いて測定した表面粗さ（Ｒａ）が０．３８ｎｍであるものを準備した。
図１の工程（Ｂ）において、ドナー基板１１のバッファ層表面にアンモニアと塩化ガリウムを水素をキャリアガスとして、１０５０℃、常圧下でＨＶＰＥ（ハイドライド気相エピタキシャル）法により、ＧａＮ単結晶層１３を８μｍの厚さに積層成長させた。
図１の工程（Ｃ）において、ドナー基板１１上の積層成長させたＧａＮ単結晶層１３にイオン注入機で水素をドース量９×１０１６／ｃｍ２で８００ｎｍの深さにイオン注入し、イオン注入層１４を形成した。
図１の工程（Ｄ）において、予めドナー基板１１のＧａＮ単結晶層１３表面とハンドル基板１２表面をプラズマ用ガス（Ａｒ／Ｎ２）を用いてプラズマ処理して、その後密着させ、電熱ヒーターで１８０℃に加熱して強固に貼り合わせた。
図１の工程（Ｅ）において、貼り合わせた基板をスパチュラと真空チャックを用いて水素イオン注入層で剥離し、８００ｎｍの厚さのＧａＮ単結晶薄膜１５を有するサファイヤ基板１２を製造した。
このとき、剥離されたサファイヤ基板１２（ハンドル基板）上のＧａＮ単結晶薄膜１５の転位密度は２×１０４／ｃｍ２であり、合成石英基板１１（ドナー基板）上のＧａＮ単結晶薄膜の転位密度は８×１０８／ｃｍ２であった。剥離前の単結晶層１３の上層部であった単結晶薄膜１５の転位密度は下層部であったものよりもはるかに少なかった。なお、転位密度は、結晶薄膜の面積１ｃｍ２を貫く転位の数であり、ＴＥＭ写真に基づき算出した。
このようにして製造されたＧａＮ単結晶薄膜１５を有するサファイヤ基板１２を次はドナー基板として用いて、上記の工程（Ａ）〜（Ｅ）を４回繰り返すことで、実質的に転位密度がゼロのＧａＮ単結晶薄膜を有する基板が得られた。
その後、図２の工程（ｆ）〜（ｇ）において、実施例２の工程（Ｂ）と同様な方法で、基板１２のＧａＮ単結晶薄膜１５上にＧａＮ単結晶層１６を７μｍの厚さに積層成長させて、転位密度がほぼゼロのＧａＮ単結晶層１６を有するサファイヤ基板１２を得た。
さらに、図２の工程（ｇ）〜（ｉ）において、製造したサファイヤ基板１２のＧａＮ単結晶層１６に実施例２の工程（Ｃ）と同様に、ただし２０００ｎｍの深さにイオン注入しイオン注入層１４を形成した。その後工程（Ｅ）と同様に、イオン注入層１４で剥離してＧａＮ単結晶のみの２０００ｎｍの厚さの自立する単結晶膜１７を製造した。このようにして得られた自立する単結晶膜１７は、結晶欠陥や反りが観察されず、青色レーザー用基板として最適なものであった。
このようにして得られたＧａＮの２０００ｎｍの厚さの自立する単結晶膜１７を種子基板として、６Ｎの金属ガリウム０．３ｇと５Ｎのナトリウムアジド１０ｇ及び５Ｎのアンモニア４０ｇと一緒に高圧オートクレーブに仕込み、５００℃で１０日間結晶成長させた。その結果、結晶欠陥がほとんど無い約１ｍｍのＧａＮバルク単結晶が成長した。このＧａＮバルク単結晶から切り出した基板でＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）を作製したところ高周波特性が極めて優れたものであった。
以上のように、本発明の製造方法により、単結晶薄膜の結晶欠陥を確実に低減していき最後にはほとんど結晶欠陥がゼロの単結晶薄膜を得ることも可能である。また、このように得られた単結晶薄膜を有する基板は、エピタキシャル成長用又はバルク結晶成長用の種子基板として最適な基板であった。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１１ ドナー基板
１２ ハンドル基板
１３、１６…単結晶層
１４ イオン注入層
１５ 単結晶薄膜
１７ 単結晶膜
aa イオン注入

Claims (16)

  1. 単結晶薄膜を有する基板の製造方法であって、少なくとも、
    ドナー基板とハンドル基板を準備する工程Ａと、
    前記ドナー基板上に単結晶層を積層成長させる工程Ｂと、
    前記単結晶層が形成されたドナー基板の単結晶層中にイオン注入してイオン注入層を形成する工程Ｃと、
    前記イオン注入されたドナー基板の単結晶層の表面と前記ハンドル基板の表面を貼り合わせる工程Ｄと、
    前記貼り合わせられたドナー基板の前記単結晶層中のイオン注入層で剥離する工程Ｅとにより前記ハンドル基板上に単結晶薄膜を形成し、
    少なくとも、前記単結晶薄膜が形成されたハンドル基板をドナー基板として前記Ａ〜Ｅの工程を繰り返すことを特徴とする単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  2. 前記剥離する工程Ｅを、熱処理又は機械的手段によって前記イオン注入層で剥離することを特徴とする請求項１に記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  3. 前記イオン注入する工程Ｃを、水素イオン又は希ガスイオンあるいはこれらの両方を注入することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  4. 前記貼り合わせる工程Ｄの前に、前記ドナー基板の単結晶層表面を平滑化することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  5. 前記剥離する工程Ｅの後に、前記ハンドル基板の単結晶薄膜表面を平滑化することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  6. 前記単結晶層を積層成長させる工程Ｂを、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、液相エピタキシャル成長法のいずれかによって行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  7. 前記ドナー基板又はハンドル基板の材質を、シリコン、サファイヤ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、酸化亜鉛のいずれかとすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  8. 前記準備する工程Ａのハンドル基板を、工程Ｄで貼り合せる表面の表面粗さ（Ｒａ）が０．５ｎｍ以下であり、非晶質基板、多結晶基板、単結晶基板のいずれかとすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  9. 前記準備するドナー基板およびハンドル基板の少なくとも一方を、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮのいずれか又はそれらを組み合わせた１以上のバッファ層を有している基板とすることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  10. 前記積層成長させる単結晶層を、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、酸化亜鉛、ダイヤモンドのいずれかとすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  11. 前記貼り合わせる工程Ｄの前に、前記ドナー基板の単結晶層表面及び前記ハンドル基板表面の少なくとも一方をプラズマ処理することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法。
  12. 単結晶層を有する基板の製造方法であって、少なくとも、
    請求項１〜１１のいずれかに記載の単結晶薄膜を有する基板の製造方法により製造された基板の単結晶薄膜上に、単結晶層を積層成長させることを特徴とする単結晶層を有する基板の製造方法。
  13. 前記単結晶層を積層成長された基板を、アニール処理することを特徴とする請求項１２に記載の単結晶層を有する基板の製造方法。
  14. 自立する単結晶膜の製造方法であって、少なくとも、
    請求項１２又は請求項１３に記載の単結晶層を有する基板の製造方法によって製造された単結晶層を有する基板に、イオン注入して前記単結晶層にイオン注入層を形成し、該イオン注入層で剥離することによって自立する単結晶膜を得ることを特徴とする自立する単結晶膜の製造方法。
  15. 前記剥離された単結晶膜を、アニール処理することを特徴とする請求項１４に記載の自立する単結晶膜の製造方法。
  16. 単結晶の製造方法であって、少なくとも、
    請求項１〜１５のいずれかに記載の製造方法によって製造された、単結晶薄膜を有する基板、単結晶層を有する基板、自立する単結晶膜のいずれかを、エピタキシャル用又はバルク結晶成長用の種子基板として用いることを特徴とする単結晶の製造方法。
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