JP2011046548A - テンプレートと、このテンプレートの製造方法と、このテンプレートを用いて育成した結晶と、この結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、反りの改善したテンプレートを得ることと共に、テンプレート上に成長させた結晶のクラックを抑制し、結晶の品質を向上することを目的とするものである。
【解決手段】テンプレート１の基板の上面にマスク材を設ける第1の工程と、前記基板の上面に結晶薄膜を成長させる第２の工程と、によりテンプレートを製造する。結晶薄膜は、マスク材の上には成長しないため、基板に溝を形成せずに結晶薄膜を分割することができ、反りの改善したテンプレートを得ることができる。さらに、このテンプレート上に、厚膜のＧａＮ結晶を育成させた場合、テンプレートの基板に溝を有していないため、基板にＧａＮ結晶が嵌合されるように形成されないため、テンプレート上に成長させたＧａＮ結晶のクラックを抑制することができ、ＧａＮ結晶の品質を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、結晶の製造に関するものである。

ＧａＮ（窒化ガリウム）結晶を製造する方法として、テンプレート上にＮａ（ナトリウム）フラックスＬＰＥ法などの液相成長法により、テンプレート上に厚膜のＧａＮ結晶を育成した後、テンプレートから分離したり、ワイヤーソーなどでスライスしたりすることで、ＧａＮ結晶を得る方法がある。ここで、テンプレートとは、基板の表面に、その後の工程で育成する結晶の結晶薄膜（種結晶薄膜）を形成させた種結晶薄膜付き基板を指す。

液層成長により製造されたＧａＮ結晶は、ＨＶＰＥ法などの気相成長法により得られたＧａＮ結晶に比べて、転位密度が少なく、またＸＲＤの半値幅が小さいなど、結晶性に優れていることが特徴である。

ＧａＮ結晶の製造に使用するテンプレートは、以下の様に製造されていた。

すなわち、サファイアやＳｉＣなどのベースとなる基板の上面に、気相成長により数〜数十μｍのＧａＮ結晶薄膜を結晶成長させることでテンプレートを製造していた。

このテンプレートは、基板と、その上面に結晶成長させたＧａＮ結晶薄膜との熱膨張係数や格子定数の違いにより、大きな反りが発生していた。さらに、このテンプレート上に液相成長法によって厚膜のＧａＮ結晶を育成させた場合においても、テンプレート自体の反りの影響を受けて、テンプレート上に育成させた厚膜のＧａＮ結晶にも反りが発生する。

テンプレート及びテンプレート上に育成させたＧａＮ結晶の反りを抑える手段として、ダイシング装置やレーザー加工機などにより、図７に示すように、基板に予め溝を形成して複数の領域に分割し、この基板の表面にＧａＮ結晶薄膜を成長させることでＧａＮ結晶薄膜の連続性を断ち切ることにより応力の発生範囲を狭めて反りを低減させたテンプレートを製造する方法がある。また、反りの低減以外に、ＧａＮ結晶薄膜の亀裂や剥離を防止する効果もある（例えば、これに類似する技術は下記特許文献１に記載されている）。

特開平１１−２７４５５９号公報

上記従来例における課題は、結晶の品質が劣化してしまうことであった。

すなわち、従来例においては、テンプレートの反りを低減するために、上述のごとくテンプレートの基板に予め溝を形成しているが、このようにすると、結晶の反りは低減できるが、時として、テンプレート上に育成させた結晶にクラックが発生してしまう。

本発明者は、このようなクラックの発生原因を鋭意検討する中で、次のことを見出した。図８は、従来のテンプレート上に結晶を育成させた状態を示した断面図である。図８（ａ）は結晶の育成初期、図８（ｂ）は結晶の育成後の状態、図８（ｃ）は冷却時の状態を示している。これらの図を見てわかるように、前記テンプレート上に、厚膜の結晶を育成した場合、基板に形成した溝の内側にも結晶が結晶成長していくため、基板に結晶が嵌合されるように形成されることとなる。図８（ｃ）に示すように、育成後の冷却時においては、基板と結晶の収縮量が異なるため、嵌合部に応力が集中してしまい、結果的に、結晶にクラックが発生させてしまうことがわかった。

そこで本発明は、テンプレート上に成長させた結晶のクラックを抑制し、結晶の品質を向上することを目的とするものである。

この目的を達成するために本発明は、上面が平坦な基板と、この基板の上面に成長させた結晶薄膜と、を備え、前記結晶薄膜の上面に溝を設けたので、所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、上面が平坦な基板と、この基板の上面に成長させた結晶薄膜と、を備え、前記結晶薄膜の上面に溝を設けたので、基板に溝を形成せずに結晶薄膜を分割することができ、反りの改善したテンプレートを得ることができる。さらに、このテンプレート上に、厚膜の結晶を育成させた場合、テンプレートのベースである基板に溝加工を施していないため、テンプレートのベースである基板と結晶とが嵌合しないため、冷却時において応力の集中を避けることができ、結晶にクラックが発生しない。結果として、結晶の品質を向上することが可能となる。

本発明の一実施形態の装置の構成図 本発明の実施の形態１におけるテンプレートの断面図および上面図 本発明の実施の形態１におけるテンプレートの製造工程を示した断面図 本発明の実施の形態１におけるテンプレート上への結晶の育成工程を示した断面図 本発明の実施の形態２におけるテンプレートの断面図および上面図 本発明の実施の形態２におけるテンプレート上への結晶の育成工程を示した断面図 従来のテンプレートの断面図 従来のテンプレート上への結晶の育成工程を示した断面図

以下、本発明の一実施形態を、テンプレートを用いた結晶製造装置の一例としてIII族窒化物結晶成長装置に適用したものを添付図面に用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施形態におけるIII族窒化物結晶成長装置の構成図である。この装置は、ＮａフラックスＬＰＥ法により、テンプレート上に厚膜のＧａＮ結晶を成長させるための装置である。

まず、結晶を成長させるテンプレート１と、このテンプレート１と、ガリウムとナトリウムとを所定の量に計って坩堝２に入れる。なお、ガリウムとナトリウムとは、加熱によって液化し、この図１に示す結晶化材料３となる。

つぎに、この坩堝２を、密閉性の結晶成長容器４に入れ、その後、この結晶成長容器４を育成炉５に入れる。育成炉５は、内面を断熱材６で覆っていて、その内部に、結晶成長容器４を加熱するためのヒーター（加熱手段の一例）７を備えた電気炉となっていて、内部の温度を、熱電対８で測定しながら管理している。また、育成炉５は、その全体を揺動可能にする駆動部９を備えた構成となっている。

この育成炉５の外部より、原料ガスである窒素を、原料ガス供給部１１を介して育成炉５に収納された結晶成長容器４内に供給するようになっている。

原料ガス供給部１１は、原料ガスボンベ１０と、この原料ガスボンベ１０と結晶成長容器４を接続する接続配管１２と、この接続配管１２内の圧力を調整する圧力調整器１３と、接続配管１２内のバルブ調整としてのストップバルブ１４と、接続配管１２内のガス抜きを行うリーク弁１５と、接続配管１２の切り離し部分１６と、を備えた構成となっている。

上述のように構成された装置で、結晶を育成するのであるが、その工程としては、まず、上述のごとく、坩堝２内にガリウムとナトリウム原料を入れ、この坩堝２に、原料ガスとしての窒素を原料ガスボンベ１０から、窒素雰囲気圧力５０気圧で供給する。その状態で育成炉５によって、育成温度８５０℃に坩堝２を加熱し、テンプレート１上にＧａＮ結晶の育成を行う。

さて、ここで本発明の実施の形態における特徴点を説明する。

本発明の実施形態においては、結晶を育成する際の基になるテンプレート１および、このテンプレート１の製造方法に大きな特徴がある。

図２は、実施の形態１におけるテンプレート１の構造を示したものである。図２（ａ）にはこのテンプレート１の断面図を、図２（ｂ）にはこのテンプレート１の上面図を示す。

図２に示すように、テンプレートの構成は、底面側より基板としてサファイア基板１７と、このサファイア基板１７上に形成した六方晶の結晶構造を有するＧａＮ結晶薄膜１８からなる。このＧａＮ結晶薄膜１８は、溝１９により複数の領域に分割されている。溝１９は、ＧａＮ結晶薄膜１８の｛1-100｝面方位に沿って加工されている。

図３は、実施の形態１におけるテンプレートの製造方法を断面図で示したものである。図３（ａ）は基板準備工程、図３（ｂ）はマスク材パターニング工程、図３（ｃ）はＧａＮ結晶薄膜成長工程、図３（ｄ）はマスク材エッチング工程をします。これらの図を用いて、テンプレート１の製造方法について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、例えば直径３インチで基板厚さが１ｍｍ、ｃ面の面方位を有するサファイア基板１７を用意する。また、図３（ａ）中には図示されていないが、サファイア基板１７の上面に、予め1um程度のＧａＮバッファ層を形成しておいても良い。なお、サファイア基板１７の基板厚さを１ｍｍとしたのは、基板厚さを厚くすることで、後の工程で成膜するＧａＮ結晶薄膜とのサファイア基板１７との熱膨張係数の違いによって発生するテンプレート１の反りを低減できるためである。より好ましくは、基板厚さを１ｍｍ以上とし、且つ基板厚さをＧａＮ結晶薄膜の５０倍以上に設定することで、テンプレート１の反りは曲率半径換算で１０ｍ以上とすることが可能である。

次に、図３（ｂ）に示すように、サファイア基板１７の上面に、マスク材２０として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を約0.5um成膜し、エッチングやリフトオフなどによって溝１９を形成することで、マスク材２０を複数の領域に分割されるようにパターニングを行なう。また、マスク材２０としては、ＳｉＯ２以外に、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔなどの高融点金属材料を用いても良い。しかしながら、ＳｉＯ２はエッチング性に優れるため、プロセスが容易である。また、マスク材２０の幅は50μｍとした。

次に、図３（ｃ）に示すように、ＨＶＰＥ法あるいはＭＯＣＶＤ法などの気相成長により、サファイア基板１７上にＧａＮ結晶薄膜１８を成膜する。具体的な成膜条件として、成膜温度1100℃で20μｍのアンドープＧａＮ結晶薄膜１８を成長させる。結果として、ＧａＮ結晶薄膜１８はマスク材２０の上には成長しないため、複数の領域に分割されたＧａＮ結晶薄膜１８を形成することができる。

次に、図３（ｄ）に示すように、マスク材２０であるＳｉＯ２膜をフッ酸でエッチング除去する。このエッチング工程は、このテンプレート１を用いて、ＮａフラックスＬＰＥ法により厚膜のＧａＮ結晶の育成を行なうために必要な工程である。なぜなら、ＮａフラックスＬＰＥ法の場合、Ｎａフラックス中にＳｉ（シリコン）や酸素が溶け込んでしまうと、安定して結晶品質の良いＧａＮ結晶を製造することができなくなるためである。なお、マスク材２０にＳｉや酸素を含まない材料を選んだ場合には、マスク材２０を除去せずとも結晶品質の良い厚膜のＧａＮ結晶の育成を行なうことができる。例えば、マスク材をＭｏ、Ｔａ、Ｐｔなどを用いた場合には、除去しなくても良い。

以上のように製造したテンプレート１は、応力を低減することができるため、テンプレート１自体の反りを抑制し、またＧａＮ単結晶薄膜１８の亀裂やクラックを防止することができる。

続いて、この実施の形態１のテンプレート１上に、厚膜のＧａＮ結晶を育成する工程について説明する。育成方法としては、図１に示す装置を用いて、液相成長により厚膜のＧａＮ結晶を育成する。

図４は、実施の形態１におけるテンプレート１上への厚膜のＧａＮ結晶の育成の様子を示した断面図である。この図を用いて、テンプレート１上へのＧａＮ結晶の育成について説明する。

まず、図４（ａ）は、ＧａＮ結晶２１の育成初期の状態を示している。ＧａＮ結晶２１は、ＧａＮ結晶薄膜１８に対して育成されていく。主に、縦方向に育成していくが、横方向にも少しずつ育成されるため、分離されたＧａＮ結晶薄膜１８の間の溝１９が埋まっていく。

図４（ｂ）は、ＧａＮ結晶２１の育成後の状態を示している。例えば、１ｍｍ厚のＧａＮ結晶２１を育成した場合、横方向成長によって溝１９は完全に埋まる。前述したように、溝１９はＧａＮ結晶の｛1-100｝方位で加工されている。この方位で加工された溝１９はＧａＮ結晶２１の横方向成長速度が速いために溝１９が埋まりやすい。なお、図４（ｂ）に示すように、溝１９の上部、つまり隣り合うＧａＮ結晶２１同士が横方向成長によって接合された境界部においては結晶格子のずれが生じるため結晶転位２２が増加する。よって、溝１９の上にレーザーダイオード等のデバイスを製造するとデバイス特性を劣化する要因となりうるが、デバイスプロセスにおいて溝１９の上にデバイスチップを配置しないようにフォトマスク設計を行なえば良い。

図４（ｃ）は、ＧａＮ結晶２１の育成後の冷却時の状態を示している。育成温度である８５０℃から室温に冷却していくと、サファイア基板１７と、ＧａＮ結晶薄膜１８（ＧａＮ結晶２１含む）との熱膨張係数とが異なることから、サファイア基板１７とＧａＮ結晶薄膜１８（ＧａＮ結晶２１含む）の界面に応力が加わる。結果として、ＧａＮ結晶薄膜１８（ＧａＮ結晶２１含む）がサファイア基板１７からリフトオフされ、クラックフリーのＧａＮ結晶２１を得ることができる。なお、ＧａＮ結晶薄膜１８とサファイア基板１７との密着性の度合いによっては完全にはリフトオフされない場合もあるが、その場合はワイヤーソーなどによりスライスを行うことで、同様にクラックフリーのＧａＮ結晶２１を得ることができる。
（実施の形態２）
この実施の形態２の特徴としては、実施の形態１と比較し、テンプレート１の構造が異なることである。なお、実施の形態１と共通な部分については説明を省くものとする。

図５は、実施の形態２におけるテンプレート１の構造を示したものである。図５（ａ）にはこのテンプレート１の断面図を、図５（ｂ）にはこのテンプレート１の上面図を示す。

図５に示すように、実施の形態２におけるテンプレート１の特徴としては、実施の形態１におけるテンプレート１と比較して、複数の領域に分割されたＧａＮ結晶薄膜１８上と、サファイア基板１７上に、第２のＧａＮ結晶薄膜２３を形成してあり、溝１９の上にもＧａＮ結晶薄膜１８が形成してあることが特徴である。

このテンプレート１の製造方法としては、図３（ｄ）のマスク材２０のエッチング工程の後に、再びＨＶＰＥ法あるいはＭＯＣＶＤ法などの気相成長によって第２のＧａＮ結晶薄膜２３を成長すれば良い。

続いて、この実施の形態２のテンプレート１上に、厚膜のＧａＮ結晶を育成する工程について説明する。育成方法としては、図１に示す装置を用いて、液相成長により厚膜のＧａＮ結晶を育成する。

図６は、実施の形態２におけるテンプレート１上への厚膜のＧａＮ結晶２１の育成の様子を示した断面図である。

まず、図６（ａ）は、ＧａＮ結晶２１の育成初期の状態を示している。実施の形態２のテンプレート１の場合、溝１９上にもＧａＮ結晶薄膜２３が形成されていることから、溝１９上においても縦方向にＧａＮ結晶２１が育成する。

図６（ｂ）は、ＧａＮ結晶２１の育成後の状態を示している。前述のように、溝１９上のＧａＮ結晶２１は横方向成長成分だけではなく縦方向成長成分もあるため、溝１９上のＧａＮ結晶２１の境界部における結晶格子のずれを抑制し結晶転位の増加を抑制することが可能となる。よって、デバイスプロセスではデバイスチップの配置を考慮しなくても良く、デバイスチップの取れ数を向上することができる。

図６（ｃ）に示すように、ＧａＮ結晶２１の育成後の冷却時には、実施の形態１と同様に、ＧａＮ結晶２１がサファイア基板１７からリフトオフされ、結晶品質の良いクラックフリーのＧａＮ結晶２１を得ることができる。

以上のように、本発明のテンプレートと、このテンプレートの製造方法と、このテンプレートを用いて育成した結晶と、この結晶の製造方法および製造装置によれば、基板の上面にマスク材を設ける第1の工程と、前記基板の上面に結晶薄膜を成長させる第２の工程と、によりテンプレートを製造する。結晶薄膜は、マスク材の上には成長しないため、基板に溝を形成せずに結晶薄膜を分割することができ、反りの改善したテンプレートを得ることができる。さらに、このテンプレート上に、厚膜のＧａＮ結晶を育成させた場合、テンプレートの基板に溝を有していないため、基板にＧａＮ結晶が嵌合されるように形成されないため、テンプレート上に成長させたＧａＮ結晶のクラックを抑制することができ、ＧａＮ結晶の品質を向上することができる。

本発明のテンプレートと、このテンプレートの製造方法と、このテンプレートを用いて育成した結晶と、この結晶の製造方法および製造装置は、基板に溝を形成せずに結晶薄膜を分割することができ、反りの改善したテンプレートを得ることができる。さらに、テンプレート上に育成させた結晶のクラックを抑制することができ、結晶の品質を向上することができる。したがって、たとえば、窒化物結晶の製造方法として広く活用が期待されるものである。

１ テンプレート
２ 坩堝
３ 結晶化材料
４ 結晶成長容器
５ 育成炉
６ 断熱材
７ ヒーター
８ 熱電対
９ 駆動部
１０ 原料ガスボンベ
１１ 原料ガス供給部
１２ 接続配管
１３ 圧力調整器
１４ ストップバルブ
１５ リーク弁
１６ 切り離し部分
１７ サファイア基板（基板）
１８ ＧａＮ結晶薄膜（結晶薄膜）
１９ 溝
２０ マスク材
２１ ＧａＮ結晶（結晶）
２２ 結晶転位
２３ 第２のＧａＮ結晶薄膜（第２の結晶薄膜）
２４ クラック
２５ 嵌合部（応力集中部）

Claims (22)

1. 上面が平坦な基板と、この基板の上面に成長させた結晶薄膜と、を備え、
   前記結晶薄膜の上面に溝を設けたテンプレート。
2. 前記結晶薄膜の上面に設けた溝の底面は、平坦な基板で構成された請求項１に記載のテンプレート。
3. 前記結晶薄膜の上面に設けた溝の底面は、結晶薄膜で構成された請求項１に記載のテンプレート。
4. 前記結晶薄膜の上面に設けた溝には、マスク材が設けられた請求項１または２に記載のテンプレート。
5. 前記マスク材は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である請求項４に記載のテンプレート。
6. 前記テンプレートは、円板状である請求項１から５のいずれか一つに記載のテンプレート。
7. 前記結晶薄膜は六方晶の結晶構造を有する窒化物結晶である請求項１から６のいずれか一つに記載のテンプレート。
8. 前記マスク材は、前記窒化物結晶の｛１−１００｝面方位に沿うように設けた請求項７に記載のテンプレート。
9. 前記基板はサファイア基板である請求項１から８のいずれか一つに記載のテンプレート。
10. 前記基板の厚みは１ｍｍ以上である請求項１から９のいずれか一つに記載のテンプレート。
11. 結晶の育成に用いるテンプレートの製造方法であって、
    基板の上面にマスク材を設ける第1の工程と、
    前記基板の上面に結晶薄膜を成長させる第２の工程と、
    を備えたテンプレートの製造方法。
12. 前記第２の工程の後に、
    前記結晶薄膜が成長した基板を冷却する第３の工程と、
    冷却された基板の上面のマスク材を除去する第４の工程と、
    を備えた請求項１１に記載のテンプレートの製造方法。
13. 前記第４の工程の後に、前記成長した結晶薄膜の上面と、マスク材が除去された基板の上面と、に更に結晶薄膜を成長させる第５の工程と、を備えた請求項１２に記載のテンプレートの製造方法。
14. 前記マスク材は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である請求項１１から１３のいずれか一つに記載のテンプレートの製造方法。
15. 前記テンプレートは、円板状である請求項１１から１４のいずれか一つに記載のテンプレートの製造方法。
16. 前記結晶薄膜は六方晶の結晶構造を有する窒化物結晶である請求項１１から１５のいずれか一つに記載のテンプレートの製造方法。
17. 前記第1の工程で、前記マスク材は、前記窒化物結晶の｛１−１００｝面方位に沿うように設けた請求項１６に記載のテンプレートの製造方法。
18. 前記基板はサファイア基板である請求項１１から１７のいずれか一つに記載のテンプレートの製造方法。
19. 前記基板の厚みは１ｍｍ以上である請求項１１から１８のいずれか一つに記載のテンプレートの製造方法。
20. 請求項１から１０のいずれか一つに記載のテンプレート上に育成された結晶。
21. 請求項１から１０のいずれか一つに記載のテンプレートを用いて、液相成長法によりこのテンプレート上に結晶を成長させる結晶製造方法であって、
    坩堝に、前記テンプレートと、結晶原料である金属ガリウムとナトリウムと、を収納し、この坩堝を、加熱手段により所定の温度で加熱し、原料ガス供給手段により所定の気圧の窒素雰囲気下にした状態で、前記テンプレート上に結晶を育成する結晶製造方法。
22. 育成炉と、
    この育成炉内に配置された結晶成長容器と、
    この結晶成長容器を加熱する加熱手段と、
    前記結晶成長容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
    前記結晶成長容器内に設けた坩堝と、を備え、
    前記坩堝内には、請求項１から１０のいずれか一つに記載のテンプレートを設けた結晶製造装置。

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