JP2012204569A

JP2012204569A - Ｉｉｉ族金属窒化物の加工された非極性面を有する基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2012204569A
Application number: JP2011067146A
Authority: JP
Inventors: Makoto Iwai; 真岩井; Takanao Shimodaira; 孝直下平
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】III族金属窒化物の非極性面を有する基板を研磨加工することで極めて平坦な表面を形成しつつ、かつその表面の加工歪みを取り除くことによって、III族金属窒化物の無歪研磨加工面を得ることである。
【解決手段】本方法は、III族金属窒化物の非極性面を有する基板を研磨加工し、前記非極性面の平均表面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下とする研磨加工工程、次いで基板を不活性雰囲気下で熱処理する熱処理工程、および基板の非極性面を、ハロゲン含有ガスを用いて反応性ドライエッチングするか、または化学機械研磨加工する加工工程を有する。
【選択図】なし

Description

本発明は、III族金属窒化物の加工された非極性面を有する基板およびその製造方法に関するものである。

窒化ガリウムバルクウエハは、青色レーザー用基板材料として実用化されており、高輝度高効率LED用基板やパワーデバイス用基板としての開発が活発化している。

これらデバイス用の基板として用いるためには、研磨加工は欠かすことができない。研磨加工の目的は、ウエハを所定の形状に精度よく成形することであるが、ただ単に成形しただけでは、意図した性能が発揮されない。すなわち、ウエハの表面に研磨加工によるダメージ層（加工変質層）が残存していると、ウエハ本来の物性値を劣化させたり、ウエハ上に作製される機能層に悪影響を及ぼしたりすることがある。従って、窒化ガリウムウエハに研磨加工を施す際には、最終研磨工程が終わった段階で、加工変質層が除去されていることが必要である。

特許文献１（特許第４４７９６５７）では、窒化ガリウムの加工変質層についての議論がなされている。窒化ガリウムには物理的化学的性質が異なるＧａ面とＮ面があること、両者の研磨されやすさ、エッチングされやすさが異なること、研磨により加工変質層が発生すること、加工変質層はドライエッチングにより除去可能であること、などが開示されている。また、ダイヤモンド砥粒を用いてｃ面窒化ガリウム基板を研磨加工した後に、研磨ダメージを、塩素プラズマを用いた反応性ドライエッチングで除去する方法が記載されている。

なお、本出願人は、ＧａＮ基板の表面を研磨加工したときに導入される加工変質層を、Ｘ線ロッキングカーブに含まれる情報をもとにして測定する手法を開発し、開示した（特許文献２）。

特許第４４７９６５７特願２００９−２６１６２６（２００９年１１月１７日出願）

しかし、特許文献１（特許第４４７９６５７）には、窒化物の非極性面（例えば、ｍ面ＧａＮ基板やＡｌＮ基板）の無歪研磨加工技術は開示されていない。また、以下の理由から、窒化物の非極性面の無歪研磨加工は困難と考えられる。すなわち、窒化ガリウムのｃ面の場合には、反応性イオンエッチング後にウエットエッチングすることで表面を洗浄している。しかし、ｍ面などの非極性面は、ｃ面に比べて化学的に弱く、例えばｃ面と同じ手法では、きわめて平坦な表面を形成しつつ、その表面を良好な状態に仕上げることは困難である。

本発明の課題は、III族金属窒化物の非極性面を有する基板を研磨加工することで平坦な表面を形成しつつ、かつその表面の加工歪みを取り除くことによって、III族金属窒化物の無歪研磨加工面を得ることである。

本発明は、III族金属窒化物の非極性面を有する基板を研磨加工し、前記非極性面の平均表面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下とする研磨加工工程、
次いで基板を不活性雰囲気下で熱処理する熱処理工程、および
次いで、基板の非極性面を、ハロゲン含有ガスを用いて反応性ドライエッチングするか、または化学機械研磨加工する加工工程
を有することを特徴とする。

本発明によれば、研磨加工工程で、III族金属窒化物の非極性面のＲａを１ｎｍ以下とする。この段階では、非極性面に加工変質層が形成される。すなわち、加工変質層の表面には、機械的応力の印加によって生じた結晶性の乱れに起因する、非晶質層、多結晶層、モザイク層が生ずる。これらはミクロに見た場合の結晶方位のずれを伴うため、Ｘ線の回折角度が本来の角度からずれることになり、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅に直接反映する傾向がある。一方、モザイク層と完全結晶層との間には、応力漸移層（歪み層）が生成し，残留する。

この後に、例えば塩素プラズマを利用した反応性イオンエッチングを実施してみたが、Ｒａはかえって１ｎｍを大きく超えて増大し、平坦な表面が得られなくなることが判明した。

このため、本発明者は、窒化物の非極性面の平面研磨加工工程と反応性イオンドライエッチング工程の間に、不活性雰囲気下での熱処理工程を挟むことによって、反応性ドライエッチング後にもＲａ１ｎｍ以下の平坦面が得られ、かつ非極性面の加工歪みが除去されることを見いだし、本発明に到達した。

本発明者は、更に、窒化物の非極性面を研磨加工し、かつ上記の熱処理を施した後に、反応性イオンエッチングの代わりに化学機械研磨加工することによって、やはりＲａが１ｎｍ以下の平坦面が得られ、かつ非極性面の加工歪みが除去されることを見いだした。

本発明では、まず、III族金属窒化物の非極性面を有する基板を研磨加工し、前記非極性面の平均表面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下とする。

（窒化物）
本発明が対象とするIII族金属窒化物は、例えば、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムおよびこれらよりなる混晶（ＡｌＩｎＧａＮ）を例示できる。III族金属窒化物は、意図しない不純物を含むことができる。また、導電性制御を目的として意図的に導入される、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄといったドーパントを含むことができる。

（窒化物の非極性面）
III族金属窒化物のウルツ鉱構造は、ｍ面、ｃ面、およびａ面を有する。これらの各結晶面は結晶学的に定義されるものである。また、非極性面III族金属窒化物とは、基板表面がｍ面またはａ面のIII族金属窒化物である膜または単結晶基板を意味している。つまり、非極性面とは、基板の表面であってよく、基板上に形成された膜の表面であってよい。フラックス法によって非極性面窒化物膜を育成する場合には、単結晶の育成方向は、a 面の法線方向であってよく、またｍ面の法線方向であってもよい。

（研磨加工）
研磨加工の段階では、以下の砥粒を好適に使用できる。
粗研磨：＃２７０のビドリファイドボンドダイヤモンド砥石（固定砥粒）
中間研磨：３ミクロンダイヤモンドスラリー
仕上げ研磨：１／８ミクロンダイヤモンドスラリー

また、研磨加工は、銅定盤、ケメット錫定盤、純錫定盤などを用いて実施可能である。平均表面粗さ（Ｒａ）を良好に維持するために、フェーシング機構付きの研磨機を用いることが好ましい。

更に、研磨加工後の非極性面のＲａは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定できる。
また、研磨加工後の非極性面、あるいは最終的に得られた非極性面のＲａの下限値は特にないが、実際上は、０．２ｎｍ以上であってよい。

（熱処理工程）
研磨加工後に、基板を不活性雰囲気下で熱処理する。反応性イオンエッチングや化学機械研磨の前に熱処理工程を行うことで、最終的に得られる非極性面のＲａを１ｎｍ以下に抑えることができるのと共に、非極性面の加工歪みを著しく低減させることができる。この熱処理工程を入れない場合には、反応性イオンエッチングや化学機械研磨後にＲａが１ｎｍを超えて大きくなってしまう。この作用効果が得られた理由は明らかではないが、研磨加工により非極性面に生成した加工変質層が熱処理時に変質して変質層を生成し、これが次の反応性イオンエッチングや化学機械研磨後に平坦で歪みのない表面を残すように除去されるものと思われる。これらは本発明者の発見である。

熱処理温度は、本発明の作用効果の観点からは、７００℃以上が好ましく、７５０℃以上が更に好ましい。また、１１５０℃以下が好ましく、１１００℃以下が更に好ましい。熱処理温度が高いほど、処理時間を短時間にすることが出来るが、７００℃未満では、熱処理時間を１００時間としてもその効果が少なく、現実的でなかった。また、１１５０℃を超えると、３００気圧以上の圧力が必要となるので、装置が大掛かりとなり、費用面から現実的でない。

熱処理時の雰囲気は不活性雰囲気である。不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ネオンやこれらの混合物が好ましい。また、最終的に得られる非極性面を平坦化し、歪みを低減するという観点から、不活性雰囲気の圧力は、０．１ＭＰａ以上とすることが好ましく、０．３ＭＰａ以上とすることが更に好ましく、また、０．９８ＭＰａ以下とすることが好ましく、０．７ＭＰａ以下とすることが更に好ましい。

（反応性ドライエッチング）
次いで、ハロゲン含有ガスを用いて基板の非極性面を反応性ドライエッチングする。
ハロゲン含有ガスとしては、塩素、フッ素、臭素などのハロゲンガス、あるいは、塩化水素、フッ化水素、三塩化ホウ素、三フッ化ホウ素等のハロゲン化合物ガスがある。ハロゲン含有ガスをＲＩＥチャンバに導入し、減圧し（１０^−３〜１０Ｐａ）、電極間に交流電力（好ましくは周波数〜１３．５６ＭＨｚ：出力１ｋＷ〜０．３ｋＷ）を印加してハロゲンプラズマを生成し、非極性面のドライエッチングを行う。

（化学機械研磨）
あるいは、基板の非極性面を化学機械研磨する。化学機械研磨 (Chemical Mechanical
Polishing：ＣＭＰ)とは、砥粒自体が有する表面化学作用によって、機械的研磨効果を増大させ、高速かつ平滑な研磨面を得る技術である。

研磨装置としては、ロータリータイプ、ベルトタイプのものを利用できる。砥粒としては、コロイダルシリカ（粒径０．０５ミクロン）、コロイダルアルミナ（粒径０．０５ミクロン）が好ましい。

研磨液中の化学成分としては、酸・アルカリなど被研磨膜を改質する成分、砥粒の分散剤、界面活性剤、キレート剤、防食剤などが含まれていてよい。また、研磨パッドとしては、発泡性の樹脂を使用したタイプ、無発泡の樹脂を使用したタイプ、不織布でできたタイプ、ウレタンフォームでできたタイプ、不織布とウレタンフォームとを使った積層タイプの研磨パッドを例示できる。
研磨条件の一例としては、ｐＨ１２の強アルカリ性のコロイダルシリカのスラリーを用い、ウレタンパッドにて0.5Kgf/cm²の圧力、定盤回転数30rpmの条件にて約12hrかけることによって、約0.1ミクロン研磨することができる。

（加工歪みの有無）
本発明では、加工歪みの除去されたIII族金属窒化物の非極性面を作製できる。この加工歪みは、Ｘ線回折ピーク、ＰＬによって検出する。

すなわち、Ｘ線回折装置を用い、Ｘ線を４個（２組）の結晶から成るモノクロメーターによって高度に単色化して試料に照射し、この試料から回折するＸ線のピークを得る。Ｘ線を基板の非極性面に照射しながら基板を回折中心軸周りに回転させた際に得られる回折強度をプロットし、Ｘ線ロッキングカーブを得る。このＸ線ロッキングカーブの裾の強度が主ピーク強度の１／５０００以下となればよい。

また、研磨加工前の非極性面からのＰＬ発光強度を測定し、また最終的に得られた非極性面からのＰＬ発光強度を測定し、両者を対比する。研磨加工前の非極性面からのＰＬ発光強度／得られた非極性面からのＰＬ発光強度の比率に有意差がなければ、加工歪みは残留していないとしてよい。

研磨加工後の非極性面のＲａ、最終的な非極性面のＲａは、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定する。

（実施例１）
ｍ面ＧａＮ基板の表面をダイヤモンドスラリー（日本エンギス株式会社製、平均粒径1/8ミクロン）を用いて、研磨加工した。AFM（日本電子株式会社製）による表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。その後、窒素雰囲気炉の内部で、アルミナ製の匣鉢に基板を配置した。99.999％の窒素ガスを用い、真空引きと置換を数回行って窒素雰囲気にしたのち、ゲージ圧で0.1MPa（約2気圧）に加圧し、1150℃で30分間熱処理を行った。

その後、Ｃl₂＋ＢＣl₃混合ガスにてRIEを行い、約１ミクロンエッチングした。反応性イオンエッチング用のチャンバは、エッチングガス導入口、ガス排出口を有し、真空排気装置で真空に引くことができ、上部電極と下部電極が対向して設けられアンテナから高周波電力をチャンバ内へ導入できる。予め圧力１０^−４Ｐａ以下に減圧したエッチングチャンバ内に基板をロードした。エッチングチャンバ内にエッチングガスとしてＣl₂＋ＢＣl₃混合ガスを導入し、チャンバ内の圧力を０．２Ｐａに制御した。上部電極、下部電極に高周波電力を印加し、プラズマを発生させた。

得られた非極性面の表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。また、Ｘ線回折測定およびPLにて、表面の残留歪みの有無を調べた。Ｘ線回折測定では、Ｘ線源は、Ｃｕｋα₁であり、（0002反射)を用いた。裾の強度がピークの1/10000程度であり、十分な強度比があることがわかった。裾の強度とは、ピーク位置から＋５０００秒離れた位置の強度と、−５０００秒離れた位置の強度との平均値である。また、PL発光強度は未加工のものと有意差がなかったことから、残留歪がほとんどないと判断した。

（実施例２）
実施例１において、熱処理温度を７５０℃とした以外は実施例１と同様にし、基板を加工した。得られた非極性面の表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。また、Ｘ線回折測定およびPLにて、表面の残留歪みの有無を調べた。Ｘ線回折測定では、裾の強度がピークの1/10000程度であり、十分な強度比があることがわかった。また、PL発光強度は未加工のものと有意差がなかったことから、残留歪がほとんどないと判断した。

（実施例３）
実施例１において、熱処理温度を１１００℃とした以外は実施例１と同様にし、基板を加工した。得られた非極性面の表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。また、Ｘ線回折測定およびPLにて、表面の残留歪みの有無を調べた。Ｘ線回折測定では、裾の強度がピークの1/10000程度であり、十分な強度比があることがわかった。また、PL発光強度は未加工のものと有意差がなかったことから、残留歪がほとんどないと判断した。

(比較例1)
窒素雰囲気での熱処理をしなかったこと以外は、実施例１と同様にして、基板の加工を行った。加工後の表面粗さを測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は1.1〜1.4nmの範囲であり、大きかった。

(比較例2)
実施例１において、ａ面ＧａＮ基板を用い、かつ窒素雰囲気での熱処理をしなかった。それ以外は、実施例１と同様にして、基板の加工を行った。加工後の表面粗さを測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は2.1〜3.5nmの範囲であり、ｍ面を加工した場合よりも更に大きかった。

（実施例４）
ｍ面ＧａＮ基板の表面をダイヤモンドスラリー（日本エンギス製、平均粒径1/8ミクロン）を用いて、研磨した。AFMによる表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。その後、窒素雰囲気炉の内部にアルミナ製の匣鉢に基板を配置した。99.999％の窒素ガスを用い、真空引きと置換を数回行って窒素雰囲気にしたのち、ゲージ圧で0.1MPa（約2気圧）に加圧し、1150℃で30分間熱処理を行った。その後、アルカリ性（ｐH12）のコロイダルシリカ砥粒と硬質ウレタンパッドを用い、12時間CMPした。ワークにかかる圧力は、5Kgf/cm²とし、パッドの回転数は30rpm、ワークの回転数は、10rpmとした。表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。

得られた非極性面の表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。また、Ｘ線回折測定およびPLにて、表面の残留歪みの有無を調べた。Ｘ線回折測定では、裾の強度がピークの1/10000程度であり、十分な強度比があることがわかった。また、PL発光強度は未加工のものと有意差がなかったことから、残留歪がほとんどないと判断した。

（実施例５）
実施例４において、熱処理温度を７５０℃とした以外は実施例１と同様にし、基板を加工した。得られた非極性面の表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。また、Ｘ線回折測定およびPLにて、表面の残留歪みの有無を調べた。Ｘ線回折測定では、裾の強度がピークの1/10000程度であり、十分な強度比があることがわかった。また、PL発光強度は未加工のものと有意差がなかったことから、残留歪がほとんどないと判断した。

（実施例６）
実施例６において、熱処理温度を１１００℃とした以外は実施例１と同様にし、基板を加工した。得られた非極性面の表面粗さをAFMで測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は0.2〜0.4nmの範囲であった。また、Ｘ線回折測定およびPLにて、表面の残留歪みの有無を調べた。Ｘ線回折測定では、裾の強度がピークの1/10000程度であり、十分な強度比があることがわかった。また、PL発光強度は未加工のものと有意差がなかったことから、残留歪がほとんどないと判断した。

（比較例３）
窒素雰囲気での熱処理をしなかったこと以外は実施例４と同様にして、基板の加工を行った。加工後の表面粗さを測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は1.5〜2.2nmの範囲であり、大きかった。

（比較例４）
実施例4において、基板をａ面ＧａＮ基板に変更し、熱処理を行わなかった。それ以外は実施例4と同様にして基板を加工した。加工後の表面粗さを測定したところ、表面平均粗さ（Ｒａ）は2.3〜3.8nmの範囲であり、ｍ面の場合よりもさらに大きかった。

Claims

III族金属窒化物の非極性面を有する基板を研磨加工し、前記非極性面の平均表面粗さ（Ｒａ）を１ｎｍ以下とする研磨加工工程、
次いで、前記基板を不活性雰囲気下で熱処理する熱処理工程、および
次いで、前記基板の前記非極性面を、ハロゲン含有ガスを用いて反応性ドライエッチングするか、または化学機械研磨加工する加工工程
を有することを特徴とする、III族金属窒化物の加工された非極性面を有する基板の製造方法。
前記熱処理を７００℃以上、１１５０℃以下の温度で行うことを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記不活性雰囲気の圧力が、０．１ＭＰａ以上、０．９８ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
前記III族金属窒化物が窒化ガリウムであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の方法。
請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法によって得られたことを特徴とする、III族金属窒化物の加工された非極性面を有する基板。