JP2011051861A - ＡｌＮ単結晶の製造方法および種基板 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えて効率的にＡｌＮ結晶を製造することができるＡｌＮ単結晶の製造方法および種基板を提供する。
【解決手段】加工変質層の少なくとも一部が残る種基板１を準備する工程と、種基板１を結晶成長容器５５内に設置する工程と、種基板１上に昇華法によりＡｌＮ単結晶５８を成長させる工程とを含むＡｌＮ単結晶５８の製造方法とその種基板１である。ここで、種基板１を準備する工程は、種基板１の表面を研削する工程および種基板１の表面を研磨する工程の少なくとも一方を含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、ＡｌＮ単結晶の製造方法および種基板に関する。

ＡｌＮ単結晶は、６．２ｅＶのエネルギバンドギャップ、約３．３ＷＫ^-1ｃｍ^-1の熱伝導率および高い電気抵抗を有しているため、光デバイスや電子デバイス等の半導体デバイスの基板にＡｌＮ単結晶を用いることが注目されている。

ＡｌＮ単結晶は、たとえば、昇華法やＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法等により、Ｓｉ（シリコン）結晶基板またはＳｉＣ（炭化ケイ素）結晶基板等の種基板の表面上に成長させることにより得ることができる（たとえば、特許文献１参照）。

このような結晶成長に用いられる種基板は、一般的には、結晶インゴットからスライス等の機械加工を経て得られる。しかしながら、当該機械加工により種基板の表面には傷などの損傷が形成されることから、この傷などの損傷を有する層（以下、「加工変質層」という。）を種基板からすべて除去することが従来から様々な手法で行なわれている。

たとえば、特許文献２には、ＳｉＣ結晶基板の表面をラッピングし、研磨した後に、エッチングプラズマに曝露することにより、加工変質層を除去する方法が記載されている。

また、特許文献３には、炭化タンタルで表面が覆われた収納容器の内部にＳｉ供給源としてのシリコンペレットを配置し、収納容器の内部をシリコン飽和蒸気圧下の真空に保った状態で種基板を１８００℃程度に加熱して種基板の表面を熱エッチングすることによって加工変質層を除去する方法が記載されている。

さらに、特許文献４には、ＳｉＣ結晶基板の表面を水素によりエッチングした後に、さらに水素にシランを加えたガスによるエッチングを行なうことによって加工変質層を除去する方法が記載されている。

特開２００７−２１４５４７号公報 特許第２７７１６９７号公報 特開２００８−０１６６９１号公報 特開２００５−２７７２２９号公報

しかしながら、特許文献２および特許文献３に記載されているように、プラズマエッチングや熱処理などによって種基板から加工変質層をすべて除去する処理を行なうと製造コストが高くなるという問題があった。また、特許文献２および特許文献３に記載されている方法に限らず、ＡｌＮ単結晶を成長させるための種基板の製造工程において、加工変質層をすべて除去する工程を行なうと多大なコストがかかるという問題もあった。

特に、ＡｌＮ単結晶の製造に用いられる種基板は、たとえばＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ単結晶（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、および０≦ｘ＋ｙ≦１）またはＳｉＣ単結晶などの加工が難しいとされる材料であることが多いため、このような加工の難しい種基板の処理には多大なコストがかかっていた。なぜなら、ＡｌＮ単結晶の製造に用いられる種基板に最適な加工変質層厚みや表面粗さの報告がなかったために、種基板を準備する工程において、可能な限り加工変質層の厚みを薄くし、表面粗さを小さくすることを目指していたためにコストがかかっていた。また、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ単結晶の加工およびＳｉＣ単結晶の加工は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ多結晶の加工およびＳｉＣ多結晶の加工と比べてそれぞれ難しく、多結晶での知見も容易には適用できないためにさらにコストがかかっていた。

また、特許文献４に記載されているように、水素にシランを加えたガスによるエッチングにおいては、たとえば種基板がＳｉＣ単結晶からなる場合には、シランは種基板の表面のうち炭素面（Ｃ面）のエッチングを行なうことしかできず、シリコン面（Ｓｉ面）のエッチングは不可能である。

したがって、特許文献４に記載の方法においては、半導体製造等のスループットの向上が阻害されるばかりでなく、ＳｉＣ単結晶からなる種基板の向きを管理しなければならないため、種基板の取り扱いが煩雑であるという問題があった。

また、特許文献４に記載の方法のようにシランを用いた場合には、近年高まっている環境負荷低減のニーズに応えることが困難であるという問題があった。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、製造コストを抑えて効率的にＡｌＮ単結晶を製造することができるＡｌＮ単結晶の製造方法および種基板を提供することにある。

本発明は、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程と、当該種基板を結晶成長容器内に設置する工程と、当該種基板上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程とを含むＡｌＮ単結晶の製造方法である。

また、本発明は、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程と、種基板を結晶成長容器内に設置する工程と、種基板の温度が結晶成長容器内のＡｌＮ原料の温度と同一またはそれ以上の温度となるように昇温する工程と、種基板上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程とを含むＡｌＮ単結晶の製造方法である。

ここで、本発明のＡｌＮ単結晶の製造方法において、種基板を準備する工程は、種基板の表面を研削する工程および種基板の表面を研磨する工程の少なくとも一方を含むことが好ましい。

また、本発明のＡｌＮ単結晶の製造方法においては、上記の種基板の表面を研削する工程および種基板の表面を研磨する工程の少なくとも一方が、砥粒の平均粒径を順次小さくしながら行なわれることが好ましい。

また、本発明のＡｌＮ単結晶の製造方法においては、加工変質層の厚さが２μｍ以上であることが好ましい。

また、本発明のＡｌＮ単結晶の製造方法においては、種基板の表面の表面粗さＲａが１ｎｍ以上であることが好ましい。

また、本発明のＡｌＮ単結晶の製造方法においては、種基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、スピネル、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化ホウ素、またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のいずれかの基板であることが好ましい。

また、本発明のＡｌＮ単結晶の製造方法においては、種基板上にＡｌＮ単結晶を＋ｃ面方向、−ｃ面方向、ｍ面方向またはａ面方向のいずれかの方向に成長させることが好ましい。ここで、＋ｃ面は｛０００１｝面、−ｃ面は｛０００−１｝面、ｍ面は｛１０−１０｝面およびａ面は｛１１−２０｝面をそれぞれ表わす。

さらに、本発明は、昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させるための種基板であって、表面に加工変質層を備えており、加工変質層の厚さが２μｍ以上であって、表面の表面粗さＲａが１ｎｍ以上である種基板である。

本発明によれば、製造コストを抑えて効率的にＡｌＮ単結晶を製造することができるＡｌＮ単結晶の製造方法および種基板を提供することができる。

本発明における種基板の表面を研削する工程の一例を図解する模式図である。 本発明における種基板の表面を研削する工程に用いられる砥石台金の一例の模式的な断面図である。 本発明における種基板の表面を研磨する工程の一例を図解する模式図である。 本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程後の種基板の一例の模式的な拡大断面図である。 本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を結晶成長容器内に設置する工程の一例を図解する模式図である。 本発明における種基板上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程の一例を図解する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜種基板を準備する工程＞
本発明においては、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程が行なわれる。

ここで、加工変質層とは、種基板の原料となる結晶インゴットからスライス、研削または研磨等の機械加工を行なった際に生じる傷などの損傷を有する層のことをいう。加工変質層の存在は、たとえば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）によって確認することができる。

また、種基板としては、ＡｌＮ単結晶を成長させることができるものであれば特に限定されないが、たとえば、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ（シリコン）、スピネル、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）若しくはＳｉＯ₂（酸化ケイ素）、またはＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＧａＰ（リン化ガリウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）またはＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、および０≦ｘ＋ｙ≦１）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などからなる半導体結晶基板を用いることができる。なかでも、欠陥の少ない高品質のＡｌＮ単結晶を効率的に製造する観点からは、種基板としては、ＳｉＣまたはＡｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎからなる半導体結晶基板を用いることが好ましい。

また、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程は、たとえば、種基板の原料となる結晶インゴットからスライス等の機械加工によって種基板を切り出した後の種基板に対して、たとえば化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）、プラズマエッチング、化学的エッチング、熱処理などの実質的に加工変質層を除去する工程は何ら実施しないことにより行なうことができる。

また、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程は、種基板の表面に加工変質層の少なくとも一部が残るのであれば、種基板の表面を研削する工程および種基板の表面を研磨する工程の少なくとも一方を含んでいてもよい。

図１に、本発明における種基板の表面を研削する工程の一例を図解する模式図を示す。ここで、種基板の表面を研削する工程は、たとえば以下のようにして行なうことができる。

まず、加工変質層１ａを表面に有する種基板１を結晶ホルダ１１上に固定するとともに、図２の模式的断面図に示すように砥粒１４を備えた砥石１２が砥石台金１３に装着されたものを準備する。

次に、種基板１を固定した結晶ホルダ１１をその回転軸１１ｃを中心にして所定の方向に回転させるとともに、砥石１２を装着した砥石台金１３をその回転軸１３ｃを中心にして結晶ホルダ１１の回転方向とは逆方向に回転させる。

そして、結晶ホルダ１１に固定されている種基板１の表面に砥石台金１３を回転させながら送り出す。これにより、砥石１２の砥粒１４によって種基板１の表面の一部が削り取られながら平滑化されて、種基板１の表面が研削される。

図３に、本発明における種基板の表面を研磨する工程の一例を図解する模式図を示す。ここで、種基板の表面を研磨する工程は、たとえば以下のようにして行なうことができる。

まず、定盤３５を回転軸３５ｃを中心にして所定の方向に回転させながら、砥粒３６を分散したスラリーを定盤３５上に供給する。

次に、加工変質層１ａを有する種基板１が装着された結晶ホルダ３１上に重り３４を載せて、結晶ホルダ３１を回転軸３１ｃを中心にして定盤３５と同一の方向に回転させながら、種基板１を定盤３５に押し当てる。これにより、定盤３５上のスラリー中の砥粒３６によって種基板１の表面が削り取られながら平滑化されて、種基板１の表面が研磨される。

なお、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程が種基板の表面を研削する工程および種基板の表面を研磨する工程の少なくとも一方を含む場合には、たとえば上記に例示されるような種基板の表面を研削する工程のみを行なってもよく、たとえば上記に例示されるような種基板の表面を研磨する工程のみを行なってもよく、たとえば上記に例示されるような種基板の表面を研削する工程および種基板の表面を研磨する工程の双方を行なってもよい。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程が種基板の表面を研削する工程を含む場合には、種基板の表面を研削する工程を１回だけでなく、複数回行なうこともできる。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程において、種基板の表面を研削する工程が複数回行なわれる場合には、種基板の表面の研削に用いられる砥粒１４の番手を順次大きくしながら行なわれることが好ましい。これは、砥粒１４の平均粒径を順次小さくすることに対応する。一般に、加工レート、表面粗さおよび加工変質層の厚みは、砥粒１４の平均粒径を小さくするにつれて小さくなる傾向がある。砥粒１４の平均粒径を順次小さくすることによって、短時間で効率的に種基板１の厚みを薄くし、かつ所望の厚みの範囲に加工することができる。また、種基板１の表面を効率良く平滑化することができる傾向がある。また、加工変質層１ａの厚みを制御しやすくなる傾向がある。

なお、本発明において、砥粒の粒径の大きさは、ＪＩＳ Ｒ ６１１１：２００５、ＪＩＳ Ｒ ６００１：１９９８、ＪＩＳ Ｂ ４１３０：１９９８などに規定される粒度により判断することができる。たとえば、研削工程における砥粒の粒径の大きさは砥粒の番手で判断することができ、研磨工程における砥粒の粒径の大きさは粒度で判断することができる。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程が種基板の表面を研磨する工程を含む場合には、種基板の表面を研磨する工程を１回だけでなく、複数回行なうこともできる。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程において、種基板の表面を研磨する工程が複数回行なわれる場合には、種基板の表面の研磨に用いられる砥粒３６の平均粒径を順次小さくしながら行なわれることが好ましい。一般に、加工レート、表面粗さおよび加工変質層の厚みは、砥粒３６の平均粒径を小さくするにつれて小さくなる傾向がある。砥粒３６の平均粒径を順次小さくすることによって、短時間で効率的に種基板１の厚みを薄くし、かつ所望の範囲に加工することができる。また、種基板１の表面を効率良く平滑化することができる傾向がある。また、加工変質層１ａの厚みを制御しやすくなる傾向がある。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程の最終の工程に種基板の表面を研磨する工程が適用される場合には、種基板の表面を研磨する工程で用いられる砥粒３６の平均粒径は２μｍ以上であることが好ましく、３μｍ以上であることがより好ましく、５μｍ以上であることがさらに好ましい。最終の工程として種基板の表面を研磨する工程が適用される場合に、その工程で用いられる砥粒３６の平均粒径を２μｍ以上、３μｍ以上、特に５μｍ以上とするにつれて、ＡｌＮ単結晶を成長する種基板１に必要な粗さと加工変質層１ａの厚みをより効率良く得ることができる。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程の最終の工程に種基板の表面を研磨する工程が適用される場合には、種基板の表面を研磨する工程で用いられる砥粒の平均粒径は１０μｍ以下であることが好ましく、８μｍ以下であることがより好ましい。最終の工程として種基板の表面を研磨する工程が適用される場合に、その工程で用いられる砥粒の平均粒径を１０μｍ以下、８μｍ以下とするにつれて、種基板１の表面に加工変質層１ａを加工変質層１ａの厚みのばらつきを制御した上で残しながら、種基板１の表面をより平滑にすることができる傾向が大きくなる。

なお、上記において、砥粒１４および砥粒３６としてはそれぞれ、たとえば、ダイヤモンド、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ₃Ｎ₄（窒化ケイ素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、Ｃｒ₂Ｏ₃（酸化クロム）およびＺｒＯ₂（酸化ジルコニウム）からなる群から選ばれる少なくとも一種を含むものを用いることができる。

図４に、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程後の種基板の一例の模式的な拡大断面図を示す。ここで、上記工程後の種基板１の表面には加工変質層１ａが残されており、加工変質層１ａの厚さＴは２μｍ以上であることが好ましい。ここで、加工変質層１ａの厚さＴが２μｍ以上である場合には、加工変質層１ａを完全に除去した種基板と比べて、種基板を得るための加工コストを大きく低減することができ、さらに昇華法でＡｌＮ単結晶を成長した場合には良好な品質となる傾向にある。

また、上記工程後の種基板１の表面の加工変質層１ａの厚さＴは１０μｍ以下であることが好ましい。ここで、加工変質層１ａの厚さＴが１０μｍ以下である場合には、加工変質層１ａの厚みが１０μｍよりも厚い種基板１と比べて昇華法でＡｌＮ単結晶を成長した場合の面内分布が改善する傾向にある。

本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程後の種基板の表面の表面粗さＲａは１ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることがより好ましく、１０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程後の種基板の表面の表面粗さＲａを１ｎｍ以上、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上とするにつれて、より平滑な表面を有する種基板を得る場合と比べて、種基板を得るための加工コストを大きく低減することができる傾向が大きくなる。

また、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程後の種基板の表面の表面粗さＲａは６００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程後の種基板の表面の表面粗さＲａを６００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、１０ｎｍ以下とするにつれて、表面粗さＲａが６００ｎｍよりも大きい種基板１と比べて、昇華法でＡｌＮ単結晶を成長した場合の面内分布が改善する傾向が大きくなる。

なお、本発明における表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９９４に規定されるＲａを意味する。

＜種基板を結晶成長容器内に設置する工程＞
本発明においては、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程の後には、当該種基板を準備する工程で得られた加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を結晶成長容器内に設置する工程が行なわれる。

図５に、本発明における加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を結晶成長容器内に設置する工程の一例を図解する模式図を示す。

ここで、図５に示される結晶成長装置は、グラファイト製の坩堝５１と、坩堝５１を取り囲むようにして設置された加熱体５７と、加熱体５７を取り囲むようにして設置された結晶成長容器５５と、結晶成長容器５５を取り巻くようにして設置された高周波加熱コイル５６とを備えている。

そして、坩堝５１の下部にはＡｌＮ粉末等のＡｌＮ原料５２が収容され、加工変質層１ａが残る種基板１はＡｌＮ原料５２の方に一方の表面が向けられるようにして坩堝５１の上部に設置される。

さらに、種基板１の表面のうちＡｌＮ原料５２側とは反対側の表面（裏面）には、種基板１の裏面からの昇華を防止する目的で、グラファイト製の種基板保護材５４が密着されるようにして設置される。

種基板１は、種基板１のＡｌＮ原料５２側に向けられた表面が、＋ｃ面、−ｃ面、ｍ面またはａ面のいずれかであることが好ましい。この場合には、欠陥の少ない高品質のＡｌＮ単結晶を効率的に製造することができる傾向にある。

ここで、＋ｃ面は種基板１を構成する六方晶の｛０００１｝面であり、−ｃ面は種基板１を構成する六方晶の｛０００−１｝面であり、ｍ面は種基板１を構成する六方晶の｛１０−１０｝面であり、ａ面は種基板１を構成する六方晶の｛１１−２０｝面である。

なお、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。

＜昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程＞
本発明においては、加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を結晶成長容器内に設置する工程の後には、種基板の加工変質層上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程が行なわれる。

図６に、本発明における種基板の加工変質層上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程の一例を図解する模式図を示す。ここで、ＡｌＮ単結晶の成長はたとえば以下のようにして行なうことができる。

まず、上記のように結晶成長容器内に種基板１およびＡｌＮ原料５２を設置した後に、結晶成長容器５５内に窒素ガスを流しながら、高周波加熱コイル５６を用いて加熱体５７を加熱することにより、坩堝５１内の温度を上昇させる。

ここで、坩堝５１内の種基板１側の温度は、たとえば、ＡｌＮ原料５２側の温度よりも低くなるように保持される。坩堝５１内の種基板１側の温度は、たとえば１６５０℃〜２０５０℃とすることができ、ＡｌＮ原料５２側の温度は、たとえば１８５０℃〜２３５０℃とすることができる。なお、坩堝５１内の温度を高くすることによってＡｌＮ原料５２の昇華が促進される傾向にあるが、坩堝５１内の温度が高すぎると、ＡｌＮ原料５２や種基板１の過度の昇華が起こり、ＡｌＮ原料５２や種基板１が消失するおそれがある。また、坩堝５１内の温度分布については次のように考えられる。通常の昇華法による種基板上への成長の場合には、坩堝内の原料側の温度は種基板側の温度よりも高くされる。逆に、坩堝内の種基板側の温度を原料側の温度と同一またはそれ以上に高くすることは、種基板の表面からの昇華を促進する場合に有効であると考えられる。

これにより、ＡｌＮ原料５２からＡｌＮが昇華し、坩堝５１の上部に設置された種基板１上にＡｌＮ単結晶５８が堆積して、ＡｌＮ単結晶５８を成長させることができる。種基板１を結晶成長容器５５内に設置した際に種基板１の表面に存在した加工変質層１ａは、ＡｌＮ単結晶５８の成長が開始されるまでの昇温段階で実質的に除去されていると推測される。したがって、坩堝５１内の種基板１側の温度をＡｌＮ原料５２側の温度と同一またはそれ以上にして種基板１の表面からの加工変質層１ａの昇華を促進した後に、坩堝５１内のＡｌＮ原料５２側の温度を種基板１側の温度よりも高くしてＡｌＮ単結晶５８の成長を行なうことが好ましい。

ここで、種基板１のＡｌＮ原料５２側に向けられた表面が、＋ｃ面、−ｃ面、ｍ面またはａ面のいずれかである場合には、欠陥の少ない高品質のＡｌＮ単結晶５８が＋ｃ面方向（＜０００１＞方向）、−ｃ面方向（＜０００−１＞方向）、ｍ面方向（＜１−１００＞方向）またはａ面方向（＜１１−２０＞方向）のいずれか方向に成長するため、ＡｌＮ単結晶５８を効率的に製造することができる。

＜作用＞
従来から、昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる場合には、昇温と種基板上への原料供給とを独立に制御することができないため、結晶成長容器内にセットしたＡｌＮ原料の温度をある程度上げるとＡｌＮ原料が勝手に昇華し始め、種基板上へと自然に成長が始まってしまうという問題があった。これは、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法およびプラズマＣＶＤ法などの多くの結晶成長法では昇温と種基板上への原料供給とを独立に制御することができるのとは対照的である。

したがって、昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる場合には、種基板上にＡｌＮ単結晶の成長が始まる直前に種基板の表面がどのような状態になっていたのかを知ることが難しかった。そのため、どのような表面処理をした種基板を結晶成長容器にセットすることが好ましいのかがわからなかった。

仮に、結晶成長が起こらないように結晶成長容器にＡｌＮ原料を設置しないで昇温を行なったとしても、実際にＡｌＮ原料を設置してＡｌＮ単結晶を成長させる場合とは結晶成長容器の内部の雰囲気が異なってくる。また、ＡｌＮ原料からの輻射熱の効果があるため、結晶成長容器内や種基板の温度も実際にＡｌＮ単結晶を成長させる場合とは異なってくる。

そのため、ＡｌＮ単結晶の成長時の種基板の表面状態を知るために、ＡｌＮ原料を入れない状態で、結晶成長時と同一の温度、圧力およびその他の条件を設定した場合でも、実際に成長する直前の種基板の表面の状態を知ることはできない。

また、ＡｌＮ単結晶の成長温度は非常に高温であるため、種基板の表面の状態を知るために用いられる部材の融点および耐熱性などの制約が大きい。そのため、結晶成長容器内の実際の成長の様子を知るための手段がかなり制約されてしまう。

以上のような状況において、本発明者は、加工変質層をすべて取り除いた種基板を用いるという従来の発想を覆し、加工変質層の少なくとも一部が残っている種基板を用いた場合でも欠陥の少ない高品質のＡｌＮ単結晶を成長させることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

すなわち、結晶成長容器の温度を室温から昇温していくときに結晶成長容器内の種基板で起こると予想される現象は、種基板の温度が高温になったことで生じる、種基板の表面にある原子のマイグレーションおよび種基板の表面からの昇華が考えられる。加工によって損傷した加工変質層においては、特に昇華が起こりやすいと予想され、またマイグレーションが起こることで種基板の表面の表面粗さも改善することが期待される。以上により、実際に種基板上に結晶成長が始まる際には結晶成長容器内に種基板を設置した際と比べて種基板の表面は結晶成長にとって好ましい状態になっていると予想される。

その一方で、結晶成長容器内に設置されたＡｌＮ原料から昇華した原料は種基板の表面に堆積してＡｌＮ単結晶が成長する。実際の挙動には、結晶成長容器内の温度分布（ＡｌＮ原料温度、種基板温度および温度勾配）および結晶成長容器内部の圧力（分圧）などが複雑に関係していると考えられる。

本発明者は、上述したように、ＡｌＮ単結晶の成長時の種基板の表面状態を知ることが当業者には困難であるという状況において、結晶成長容器の温度を室温から昇温していくときに起こる種基板の表面にある原子のマイグレーションおよび種基板の表面からの昇華を積極的に利用することで、加工変質層の少なくとも一部が残っている種基板を用いた場合でも昇華法によるＡｌＮ単結晶の成長が可能ではないかと考えた。そして、実際に、加工変質層の少なくとも一部が残っている種基板を用いた場合でも欠陥の少ない高品質のＡｌＮ単結晶を成長させることができることを見いだし、本発明を完成するに至ったものである。

その結果、本発明においては、種基板の表面の加工変質層をすべて除去する必要がなくなるため、従来の方法に比べて、製造コストを抑えて効率的にＡｌＮ単結晶を製造することができるのである。

なお、上記において、上記の各工程の間には、たとえば種基板の外周を加工する工程や種基板のオフ角度を測定および／または修正する工程などの上記の各工程以外の他の工程が含まれていてもよいことは言うまでもない。

以下においては、好ましい種基板の例であるＳｉＣ基板およびＡｌＮ基板をそれぞれ用いてＡｌＮ単結晶を成長させる場合を例に挙げて実施例を説明するが本発明は本実施例に限定されるものではない。本発明はＳｉＣおよびＡｌＮ以外の他の材料を種基板として用いる場合にも適用することができる。

＜実施例１＞
改良レーリー法によって得られた４Ｈ型ＳｉＣ単結晶インゴットを用意し、この４Ｈ型ＳｉＣ単結晶インゴットをワイヤソーでスライスすることによって、（０００１）Ｓｉ面が＜１１−２０＞方向に３．５°傾いたオフ角を有する直径２インチの種基板を得た（表１参照）。ここで、上記のオフ角の大きさと方向はＸ線回折測定によって調べた。

上記のようにして種基板を２枚作製し、これらの２枚の種基板をそれぞれワックスを用いてセラミック製の結晶ホルダに貼り付けた。そして、それぞれの種基板の（０００１）Ｓｉ面をダイヤモンド砥粒を備えた２４０番手の砥石で研削し（１次機械研削）、その後、それぞれの種基板の（０００１）Ｓｉ面をダイヤモンド砥粒を備えた１５００番手の砥石で研削した（２次機械研削）。

次に、上記の２次機械研削後のそれぞれの種基板の（０００１）Ｓｉ面を平均粒径６μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨し（１次機械研磨）、続いて、種基板の（０００１）Ｓｉ面を平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨し（２次機械研磨）、最後に、種基板の（０００１）Ｓｉ面を平均粒径２μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨した（３次機械研磨）。以上により、実施例１の種基板を作製した。

上記の実施例１の種基板２枚のうちの１枚を使って、ＴＥＭによる加工変質層の厚み、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）による１０μｍ角の領域での表面粗さＲａおよびダイヤルゲージによる種基板の厚みを評価した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１の種基板の加工変質層の厚みは２μｍであって、表面粗さＲａは２．５ｎｍであって、種基板の厚みは４１０μｍであった。

次に、上記の実施例１の種基板の残りの１枚を種基板として使い、昇華法によって、実施例１のＡｌＮ単結晶を成長させた。

ここで、実施例１のＡｌＮ単結晶は、図５に示す構成の結晶成長装置を用い、種基板の温度を２１００℃、ＡｌＮ原料の温度を２０５０℃として、実施例１の種基板の表面の加工変質層の昇華を促進した後に、種基板の温度を２０００℃、ＡｌＮ原料の温度を２２００℃にしてＡｌＮ原料を昇華させることにより成長させた。

その結果、実施例１のＡｌＮ単結晶は、直径２インチ、厚み約１０ｍｍであって、実施例１のＡｌＮ単結晶は完全な平坦面成長ではないが、ほぼ＜０００１＞の方向に成長していることがＸ線回折測定から確認された（表１参照）。

また、実施例１におけるＡｌＮ単結晶の成長のコストダウンの程度を以下の基準により評価した（表１参照）。なお、表１および表２においては、Ｃ、ＢおよびＡの順にコストダウンの度合いが大きくなることを示している。なお、以下のＡ〜Ｃの基準は、実施例１〜９については比較例１に対して削減できた工程数に基づいており、実施例１０〜１８については比較例２に対して省略できた工程数に基づいている。
Ａ…加工変質層を除去する工程と、合計４〜５の研削工程および研磨工程とを削減。
Ｂ…加工変質層を除去する工程と、合計２〜３の研削工程および研磨工程とを削減。
Ｃ…加工変質層を除去する工程と、合計０〜１の研削工程および研磨工程とを削減。

表１に示すように、実施例１においては、従来のようなＳｉＣ基板の加工および表面処理によって行なわれていた加工変質層をすべて除去する工程を行なうことなく製造された種基板を用いて、昇華法によってＡｌＮ単結晶を成長することができるため、ＡｌＮ単結晶を低コストで製造することができた。ただし、コストダウンの度合いとしてはＣ評価であった。

また、実施例１のＡｌＮ単結晶の結晶品質を以下の基準により評価した（表１参照）。なお、表１および表２においては、Ｃ、ＢおよびＡの順に結晶品質が優れていることを示している。
Ａ…ＡｌＮ単結晶の面内の任意の異なる５箇所で測定したＸ線半値幅が、５箇所全てにおいて１００arcsec以下である。
Ｂ…ＡｌＮ単結晶の面内の任意の異なる５箇所で測定したＸ線半値幅が、３〜４箇所において１００arcsec以下である。
Ｃ…ＡｌＮ単結晶の面内の任意の異なる５箇所で測定したＸ線半値幅が、２箇所以下において１００arcsec以下である。

なお、実施例１のＡｌＮ単結晶の結晶品質評価のため、１次機械研削、２次機械研削をそれぞれダイヤモンド砥粒を備えた２４０番手、１５００番手の砥石で行なった後、１次機械研磨、２次機械研磨、３次機械研磨をそれぞれ平均粒径６μｍ、３μｍ、２μｍのダイヤモンド砥粒で行なった。得られた基板表面内で十字状に５点を選定して、Ｘ線回折法により（０００２）ロッキングカーブ測定を行ない、Ｘ線半値幅を算出することにより評価した。その結果、表１に示すように、実施例１のＡｌＮ単結晶の結晶品質はＡ評価であった。

＜実施例２〜９＞
表１および表２に示す種基板を用い、表１および表２に示す種基板準備工程を行なったこと以外は実施例１と同様にして昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させた。ここで、実施例２〜９においても、実施例１と同様にして種基板準備工程後の種基板の加工変質層の厚み、表面粗さＲａおよび種基板の厚みを評価するとともに（表１および表２参照）、ＡｌＮ単結晶の成長方向、コストダウンおよび結晶品質についても評価した（表１および表２参照）。なお、表１および表２における「−」は、その工程については実施していない若しくは測定していないことを示している。

実施例２および３においては、種基板準備工程の工程数を実施例１よりも減らして種基板を作製することができるため、ＡｌＮ単結晶をより低コストで成長させることができるとともに、成長したＡｌＮ単結晶の結晶品質もＡ評価であった。

実施例４〜６においては、種基板準備工程の機械研削および機械研磨工程の少なくとも一方をすべて省いて種基板を作製することができるため、ＡｌＮ単結晶をさらに低コストで成長させることができた。また、実施例４〜６のＡｌＮ単結晶の結晶品質はそれぞれＢ評価、Ａ評価およびＣ評価であった。実施例４〜６のＡｌＮ単結晶の結晶品質の相違は、使用した種基板に対して行なわれた種基板準備工程の相違が原因と考えられる。

実施例７〜９においては、（０００１）Ｓｉ面以外の結晶面の種基板を用いた場合でも加工変質層をすべて除去する工程を行なう必要がないことから、ＡｌＮ単結晶を低コストで成長させることができるとともに、成長したＡｌＮ単結晶の結晶品質もＡ評価という優れたものとすることができた。

＜比較例１＞
表２に示すように、種基板準備工程後にＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を行なって、種基板の表面の加工変質層をすべて除去したこと以外は実施例１と同様にして昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させた。ここで、比較例１においても、実施例１と同様にして種基板準備工程後の種基板の加工変質層の厚み、表面粗さＲａおよび種基板の厚みを評価するとともに（表２参照）、ＡｌＮ単結晶の成長方向、コストダウンおよび結晶品質についても評価した（表２参照）。

比較例１においては、種基板準備工程後にＲＩＥを行なって、種基板の表面の加工変質層をすべて除去する工程が行なわれているため、実施例１〜９と比べてＡｌＮ単結晶の製造コストのコストダウンを図ることができなかった。また、表２に示すように、比較例１のＡｌＮ単結晶の結晶品質はＣ評価であった。

以上の結果により、実施例１〜９においては、比較例１と比べて、ＡｌＮ単結晶の製造工程を削減して製造コストを抑えることができ、かつ結晶品質にも優れたＡｌＮ単結晶が得られる傾向にあった。

実施例１〜９において、ＡｌＮ単結晶の結晶品質を優れたものとすることができる理由としては、以下の理由が考えられる。まず、実施例１〜９においては、加工変質層がすべて除去されていないため、加工変質層をすべて除去する際に起因して発生する種基板の表面の改質および汚染が抑えられることである。次に、実施例１〜９においては、加工変質層が残されていることによって、結晶成長容器内での種基板の表面での昇華が起こりやすく、加工変質層の昇華と同時に種基板の最表面の汚染物質、粒子および酸化層なども除去されて、結晶成長に適した種基板の表面が得られることである。

＜実施例１０＞
実施例１において成長させたＡｌＮ単結晶からなるＡｌＮ単結晶インゴットを用意し、このＡｌＮ単結晶インゴットをワイヤソーでスライスすることによって、（０００１）Ａｌ面が＜１１−２０＞方向に３．５°傾いたオフ角を有する直径２インチの種基板を得た（表３参照）。ここで、上記のオフ角の大きさと方向はＸ線回折測定によって調べた。

上記のようにして種基板を２枚作製し、これらの２枚の種基板をそれぞれワックスを用いてセラミック製の結晶ホルダに貼り付けた。そして、それぞれの種基板の（０００１）Ａｌ面をダイヤモンド砥粒を備えた２４０番手の砥石で研削し（１次機械研削）、その後、それぞれの種基板の（０００１）Ａｌ面をダイヤモンド砥粒を備えた１５００番手の砥石で研削した（２次機械研削）。

次に、上記の第２次機械研削後のそれぞれの種基板の（０００１）Ａｌ面を平均粒径６μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨し（１次機械研磨）、続いて、種基板の（０００１）Ａｌ面を平均粒径３μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨し（２次機械研磨）、最後に、種基板の（０００１）Ａｌ面を平均粒径２μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨した（３次機械研磨）。以上により、実施例１０の種基板を作製した。

上記の実施例１０の種基板２枚のうちの１枚を使って、ＴＥＭによる加工変質層の厚み、ＡＦＭによる１０μｍ角の領域での表面粗さＲａおよびダイヤルゲージによる種基板の厚みを評価した。その結果を表３に示す。

表３に示すように、実施例１０の種基板の加工変質層の厚みは３μｍであって、表面粗さＲａは２．１ｎｍであって、種基板の厚みは４００μｍであった。

次に、上記の実施例１０の種基板の残りの１枚を種基板として使い、昇華法によって、実施例１０のＡｌＮ単結晶を成長させた。

ここで、実施例１０のＡｌＮ単結晶は、図５に示す構成の結晶成長装置を用い、種基板の温度を２１５０℃、ＡｌＮ原料の温度を２１００℃として、実施例１０の種基板の表面の加工変質層の昇華を促進した後に、種基板の温度を２０５０℃、ＡｌＮ原料の温度を２２５０℃にしてＡｌＮ原料を昇華させることにより成長させた。

その結果、実施例１０のＡｌＮ単結晶は、直径２インチ、厚み約１０ｍｍであって、実施例１０のＡｌＮ単結晶は完全な平坦面成長ではないが、ほぼ＜０００１＞の方向に成長していることがＸ線回折測定から確認された（表３参照）。

また、実施例１０におけるＡｌＮ単結晶の成長のコストダウンの程度を上記と同様の基準により評価した（表３参照）。なお、表３においても、Ｃ、ＢおよびＡの順にコストダウンの度合いが大きくなることを示している。

表３に示すように、実施例１０においては、従来のようなＡｌＮ基板の加工および表面処理によって行なわれていた加工変質層をすべて除去する工程を行なうことなく製造された種基板を用いて、昇華法によってＡｌＮ単結晶を成長することができるため、ＡｌＮ単結晶を低コストで製造することができた。ただし、コストダウンの度合いとしてはＣ評価であった。

また、実施例１０のＡｌＮ単結晶の結晶品質を上記と同様の基準により評価した（表３参照）。なお、表３においても、Ｃ、ＢおよびＡの順に結晶品質が優れていることを示している。

なお、実施例１０のＡｌＮ単結晶の結晶品質評価のため、１次機械研削、２次機械研削をそれぞれダイヤモンド砥粒を備えた２４０番手、１５００番手の砥石で行なった後、１次機械研磨、２次機械研磨、３次機械研磨をそれぞれ平均粒径６μｍ、３μｍ、２μｍのダイヤモンド砥粒で行なった。得られた基板表面内で十字状に５点を選定して、Ｘ線回折法により（０００２）ロッキングカーブ測定を行ない、Ｘ線半値幅を算出することにより評価した。その結果、表３に示すように、実施例１０のＡｌＮ単結晶の結晶品質はＡ評価であった。

＜実施例１１〜１８＞
表３および表４に示す種基板を用い、表３および表４に示す種基板準備工程を行なったこと以外は実施例１０と同様にして昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させた。ここで、実施例１１〜１８においても、実施例１０と同様にして種基板準備工程後の種基板の加工変質層の厚み、表面粗さＲａおよび種基板の厚みを評価するとともに（表３および表４参照）、ＡｌＮ単結晶の成長方向、コストダウンおよび結晶品質についても評価した（表３および表４参照）。なお、表３および表４における「−」は、その工程については実施していないことを示している。

実施例１１および１２においては、種基板準備工程の工程数を実施例１０よりも減らして種基板を作製することができるため、ＡｌＮ単結晶をより低コストで成長させることができるとともに、成長したＡｌＮ単結晶の結晶品質もＡ評価であった。

実施例１３〜１５においては、種基板準備工程の機械研削および機械研磨工程の少なくとも一方をすべて省いて種基板を作製することができるため、ＡｌＮ単結晶をさらに低コストで成長させることができた。また、実施例１３〜１５のＡｌＮ単結晶の結晶品質はそれぞれＢ評価、Ａ評価およびＣ評価であった。

実施例１６〜１８においては、（０００１）Ａｌ面以外の結晶面の種基板を用いた場合でも加工変質層をすべて除去する工程を行なう必要がないことから、ＡｌＮ単結晶を低コストで成長させることができるとともに、成長したＡｌＮ単結晶の結晶品質もＡ評価という優れたものとすることができた。

＜比較例２＞
表４に示すように、種基板準備工程後にＣＭＰを行なって、種基板の表面の加工変質層をすべて除去したこと以外は実施例１０と同様にして昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させた。ここで、比較例２においても、実施例１０と同様にして種基板準備工程後の種基板の加工変質層の厚み、表面粗さＲａおよび種基板の厚みを評価するとともに（表４参照）、ＡｌＮ単結晶の成長方向、コストダウンおよび結晶品質についても評価した（表４参照）。

比較例２においては、種基板準備工程後にＣＭＰを行なって、種基板の表面の加工変質層をすべて除去する工程が行なわれているため、実施例１０〜１８と比べてＡｌＮ単結晶の製造コストのコストダウンを図ることができなかった。また、表４に示すように、比較例２のＡｌＮ単結晶の結晶品質はＣ評価であった。

以上の結果により、実施例１０〜１８においては、比較例２と比べて、ＡｌＮ単結晶の製造工程を削減して製造コストを抑えることができ、かつ結晶品質にも優れたものが得られる傾向にあった。

実施例１０〜１８において、ＡｌＮ単結晶の結晶品質を優れたものとすることができる理由としては、以下のものが考えられる。まず、実施例１０〜１８においては、加工変質層がすべて除去されていないため、加工変質層をすべて除去する工程に起因して発生する種基板の表面の改質および汚染が抑えられることである。次に、実施例１０〜１８においては、加工変質層が残されていることによって、結晶成長容器内での種基板の表面での昇華が起こりやすく、加工変質層の昇華と同時に種基板の最表面の汚染物質、粒子および酸化層なども除去されて、結晶成長に適した種基板の表面が得られることである。

本発明は、種基板の面方位、オフ角（オフ方位）、サイズおよび厚みによらず実施することが可能である。種基板の面方位、サイズおよびオフ角（オフ方位）については入手できる種基板による制約があり、厚みについてはハンドリングの制約があり、その他に設備部材の寸法制約があるが、原理的には実施可能である。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明により得られたＡｌＮ単結晶は、たとえば、発光素子（発光ダイオード、レーザダイオードなど）、電子デバイス（整流器、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたはＨＥＭＴなど）、半導体センサ（温度センサ、圧力センサ、放射センサまたは可視−紫外光検出器など）、ＳＡＷデバイス（Surface Acoustic Wave Device）、加速度センサ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）部品、圧電振動子、共振器または圧電アクチュエータなどの半導体デバイスに利用することが可能である。

１ 種基板、１ａ 加工変質層、１１，３１ 結晶ホルダ、１１ｃ，１３ｃ，３１ｃ，３５ｃ 回転軸、１２ 砥石、１３ 砥石台金、１４ 砥粒、３４ 重り、３５ 定盤、３６ 砥粒、５１ 坩堝、５２ ＡｌＮ原料、５４ 種基板保護材、５５ 結晶成長容器、５６ 高周波加熱コイル、５７ 加熱体、５８ ＡｌＮ単結晶。

Claims (9)

1. 加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程と、
   前記種基板を結晶成長容器内に設置する工程と、
   前記種基板上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程とを含む、ＡｌＮ単結晶の製造方法。
2. 加工変質層の少なくとも一部が残る種基板を準備する工程と、
   前記種基板を結晶成長容器内に設置する工程と、
   前記種基板の温度が結晶成長容器内のＡｌＮ原料の温度と同一またはそれ以上の温度となるように昇温する工程と、
   前記種基板上に昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させる工程とを含む、ＡｌＮ単結晶の製造方法。
3. 前記種基板を準備する工程は、前記種基板の表面を研削する工程および前記種基板の表面を研磨する工程の少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のＡｌＮ単結晶の製造方法。
4. 前記種基板を準備する工程においては、前記種基板の表面を研削する工程および前記種基板の表面を研磨する工程の少なくとも一方が、砥粒の平均粒径を順次小さくしながら行なわれることを特徴とする、請求項３に記載のＡｌＮ単結晶の製造方法。
5. 前記加工変質層の厚さが２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のＡｌＮ単結晶の製造方法。
6. 前記種基板の表面の表面粗さＲａが１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のＡｌＮ単結晶の製造方法。
7. 前記種基板は、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、スピネル、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化ホウ素、またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のいずれかの基板であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のＡｌＮ単結晶の製造方法。
8. 前記種基板上に、前記ＡｌＮ単結晶を＋ｃ面方向、−ｃ面方向、ｍ面方向またはａ面方向のいずれかの方向に成長させることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のＡｌＮ単結晶の製造方法。
9. 昇華法によりＡｌＮ単結晶を成長させるための種基板であって、
   表面に加工変質層を備えており、
   前記加工変質層の厚さが２μｍ以上であって、
   表面の表面粗さＲａが１ｎｍ以上である、種基板。

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