JP2013040058A - Self-organization method and epitaxial growth method - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To grow a single crystalline epitaxial layer on non-single crystalline substrates such as a glass and a ceramic.SOLUTION: A self-organization method for preparing an underlayer that is lattice-matched with a single crystalline thin film to be subjected to crystalline growth includes: a step of applying a solution comprising an organic-inorganic hybrid material on the non-single crystalline substrate; and a step of treating the organic-inorganic hybrid material applied on the substrate at predetermined temperature and under an atmosphere, so that regularly-arranged lattices are voluntarily produced.

Description

本発明は、結晶成長させようとする単結晶の薄膜と格子整合の取れた下地層を調整する自己組織化方法に関し、特にガラスやセラミック等の非単結晶基板上に単結晶エピタキシャル層の成長を可能にしようとする自己組織化方法及びそれを使用したエピタキシャル成長方法に係るものである。   The present invention relates to a self-assembly method for adjusting a single-crystal thin film to be crystal-grown and a base layer that is lattice-matched, and in particular, grows a single-crystal epitaxial layer on a non-single-crystal substrate such as glass or ceramic. The present invention relates to a self-organization method to be made possible and an epitaxial growth method using the same.

従来、単結晶の膜を形成する方法としては、単結晶基板上に結晶方位が揃った単結晶の薄膜を成長させる、いわゆるエピタキシャル成長方法が一般的である。   Conventionally, as a method for forming a single crystal film, a so-called epitaxial growth method in which a single crystal thin film having a uniform crystal orientation is grown on a single crystal substrate is generally used.

例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶膜は、単結晶サファイア基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等によりエピタキシャル成長させる方法が一般的である（例えば、特許文献１参照）。   For example, a gallium nitride (GaN) single crystal film is generally epitaxially grown on a single crystal sapphire substrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) or the like (see, for example, Patent Document 1).

この場合、サファイア基板は、ＧａＮと格子定数が異なるため、サファイア基板上に直接ＧａＮの単結晶を成長させることができず、サファイア基板上に低温形成したＡＩＮやＧａＮのバッファ層を成長させ、このバッファ層で格子の歪みを緩和させてからその上にＧａＮの単結晶を成長させるようになっている（特許文献２参照）。   In this case, since the sapphire substrate has a lattice constant different from that of GaN, a single crystal of GaN cannot be directly grown on the sapphire substrate, and a low-temperature AIN or GaN buffer layer is grown on the sapphire substrate. A lattice crystal is relaxed by a buffer layer, and then a GaN single crystal is grown thereon (see Patent Document 2).

特開２００８−１６２８８７号公報JP 2008-162887 A 特開昭６３−１８８９８３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-188983

しかし、このような従来のエピタキシャル成長方法では、サファイアやＧａＮ等の単結晶基板上に単結晶の膜を成長させるものであったため、基板のコストが高いこと、大型の基板を製造することが困難であること等により、単結晶膜の製造コストが高くなるという問題があった。   However, in such a conventional epitaxial growth method, since a single crystal film is grown on a single crystal substrate such as sapphire or GaN, the cost of the substrate is high, and it is difficult to manufacture a large substrate. For example, the manufacturing cost of the single crystal film is increased.

また、従来のエピタキシャル成長方法では、上述したように単結晶基板が必須であり、ガラスやセラミック等の非単結晶基板上に単結晶膜をエピタキシャル成長させることができなかった。したがって、この点も、単結晶膜の製造コストが高くなる要因であった。   Further, in the conventional epitaxial growth method, a single crystal substrate is essential as described above, and a single crystal film cannot be epitaxially grown on a non-single crystal substrate such as glass or ceramic. Therefore, this point is also a factor that increases the manufacturing cost of the single crystal film.

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、ガラスやセラミック等の非単結晶基板上に単結晶エピタキシャル層の成長を可能にしようとする自己組織化方法及びそれを使用したエピタキシャル成長方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention addresses such problems and provides a self-organization method and an epitaxial growth method using the self-organization method for enabling the growth of a single crystal epitaxial layer on a non-single crystal substrate such as glass or ceramic. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、本発明による自己組織化方法は、結晶成長させようとする単結晶の薄膜と格子整合の取れた下地層を調整する自己組織化方法であって、非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布するステップと、前記塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して、規則的に配列された格子を自発的に生成させるステップと、を行なうものである。   In order to achieve the above object, a self-organizing method according to the present invention is a self-organizing method for adjusting a single crystal thin film to be crystal-grown and a base layer that is lattice-matched, and includes a non-single-crystal substrate. A step of applying a solution of an organic-inorganic hybrid material on the surface and treating the applied organic-inorganic hybrid material under a predetermined temperature and atmosphere to spontaneously generate a regularly arranged lattice. And the step of making

このような構成により、非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布し、上記塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して、規則的に配列された格子を自発的に生成させる。   With such a configuration, a solution of an organic-inorganic hybrid material is applied onto a non-single crystal substrate, and the applied organic-inorganic hybrid material is processed under a predetermined temperature and atmosphere to arrange regularly. The generated grid is generated spontaneously.

また、前記有機−無機ハイブリッド材料は、有機溶媒に可溶なＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーである。これにより、有機溶媒に溶解させたＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーを基板に塗布して焼成し、基板上にＳｉＯ２膜を形成する。 The organic-inorganic hybrid material is an inorganic polymer having a Si—O or Si—N bond that is soluble in an organic solvent. Thus, an inorganic polymer having Si—O or Si—N bonds dissolved in an organic solvent is applied to the substrate and baked to form a SiO 2 film on the substrate.

そして、前記無機ポリマーは、ポリシラザンである。これにより、ポリシラザンの溶液を基板に塗布して焼成し、基板上にＳｉＯ２膜を形成する。 The inorganic polymer is polysilazane. As a result, the polysilazane solution is applied to the substrate and baked to form a SiO 2 film on the substrate.

また、本発明によるエピタキシャル成長方法は、基板上に単結晶の薄膜を成長させるエピタキシャル成長方法であって、非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布するステップと、前記塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して、格子が規則的に配列された下地層を形成するステップと、前記下地層上に該下地層の格子と整合の取れた単結晶の薄膜を成長させるステップと、を行うものである。   The epitaxial growth method according to the present invention is an epitaxial growth method for growing a single crystal thin film on a substrate, the step of applying a solution of an organic-inorganic hybrid material on a non-single crystal substrate, and the applied organic- Processing an inorganic hybrid material under a predetermined temperature and atmosphere to form a base layer in which lattices are regularly arranged; and a single crystal that is aligned with the lattice of the base layer on the base layer The step of growing the thin film.

このような構成により、非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布し、上記塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して、格子が規則的に配列された下地層を形成した後、下地層上に該下地層の格子と整合の取れた単結晶の薄膜を成長させる。   With such a configuration, a solution of an organic-inorganic hybrid material is applied onto a non-single crystal substrate, and the applied organic-inorganic hybrid material is processed under a predetermined temperature and atmosphere so that the lattice is regular. After forming the base layer arranged in a single layer, a single crystal thin film having a matching with the lattice of the base layer is grown on the base layer.

さらに、前記有機−無機ハイブリッド材料は、有機溶媒に可溶なＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーであり、前記単結晶の薄膜は、水晶の膜である。これにより、有機溶媒に可溶なＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーを非単結晶基板上に塗布してシリカを母体とした規則性の高い下地層を形成し、該下地層上に水晶の膜を成長させる。   Furthermore, the organic-inorganic hybrid material is an inorganic polymer having a Si—O or Si—N bond that is soluble in an organic solvent, and the single crystal thin film is a quartz film. Thereby, an inorganic polymer having a Si—O or Si—N bond soluble in an organic solvent is coated on a non-single crystal substrate to form a highly regular underlayer based on silica, To grow a crystal film.

そして、前記無機ポリマーは、ポリシラザンである。これにより、ポリシラザンの溶液を基板に塗布して、基板上にＳｉＯ２膜から成る下地層を形成する。 The inorganic polymer is polysilazane. As a result, a polysilazane solution is applied to the substrate to form an underlayer composed of a SiO 2 film on the substrate.

請求項１に係る自己組織化方法の発明によれば、ガラスやセラミック等の非単結晶基板上に単結晶の薄膜を結晶成長させることが可能になる。したがって、例えばガラス基板上に例えば単結晶ＧａＮエピタキシャル層を成長させれば、ＬＥＤの製造コストを低減することが可能となる。また、ガラス基板上に単結晶ＳｉＣエピタキシャル層を成長させれば、インバータの製造コストを低減することも可能となる。   According to the self-organization method of the present invention, it is possible to grow a single-crystal thin film on a non-single-crystal substrate such as glass or ceramic. Therefore, for example, if a single crystal GaN epitaxial layer is grown on a glass substrate, for example, the manufacturing cost of the LED can be reduced. Further, if the single crystal SiC epitaxial layer is grown on the glass substrate, the manufacturing cost of the inverter can be reduced.

さらに、請求項２及び３に係る発明によれば、非単結晶基板上にＳｉＯ２膜を形成することができる。したがって、該ＳｉＯ２膜を下地層としてその上にＳｉＯ２の膜を例えば気相成長させると水晶の膜を結晶成長させることができる。 Further, according to the inventions according to claims 2 and 3, the SiO 2 film can be formed on the non-single crystal substrate. Therefore, when its SiO 2 film for example to vapor phase growth on the SiO 2 film as an underlying layer crystal film can be grown.

また、請求項４に係るエピタキシャル成長方法の発明によれば、ガラスやセラミック等の非単結晶基板上に単結晶の薄膜を結晶成長させることができる。したがって、例えばガラス基板上に例えば単結晶ＧａＮエピタキシャル層を成長させれば、ＬＥＤの製造コストを低減することが可能となる。また、ガラス基板上に単結晶ＳｉＣエピタキシャル層を成長させれば、インバータの製造コストを低減することも可能となる。   According to the epitaxial growth method of the present invention, a single crystal thin film can be grown on a non-single crystal substrate such as glass or ceramic. Therefore, for example, if a single crystal GaN epitaxial layer is grown on a glass substrate, for example, the manufacturing cost of the LED can be reduced. Further, if the single crystal SiC epitaxial layer is grown on the glass substrate, the manufacturing cost of the inverter can be reduced.

そして、請求項５及び６に係る発明によれば、非単結晶基板上にＳｉＯ２膜を形成することができる。したがって、該ＳｉＯ２膜を下地層としてその上にＳｉＯ２の膜を例えば気相成長させると水晶の膜が成長する。 According to the fifth and sixth aspects of the invention, the SiO 2 film can be formed on the non-single crystal substrate. Therefore, when the SiO 2 film is used as a base layer and a SiO 2 film is grown thereon, for example, by vapor phase growth, a crystal film is grown.

本発明による自己組織化方法の実施形態を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an embodiment of a self-organizing method according to the present invention. 本発明による自己組織化方法の工程を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the process of the self-organization method by this invention. 本発明による自己組織化方法において使用する有機−無機ハイブリッド材料の例を示すポリシラザンのＳｉ−Ｎ結合を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the Si-N bond of the polysilazane which shows the example of the organic-inorganic hybrid material used in the self-organization method by this invention. 上記ポリシラザンを焼成して得られるＳｉＯ２膜のＳｉ−Ｏ結合を示す説明図である。It is an explanatory diagram showing an SiO bond SiO 2 film obtained by firing the polysilazane.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による自己組織化方法の実施形態を示すフローチャートであり、図２はその工程を示す説明図である。この自己組織化方法は、結晶成長させようとする単結晶の薄膜と格子整合の取れた下地層を調整するもので、非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布する第１ステップＳ１と、塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して溶媒を蒸発させ、規則的に配列された格子を自発的に生成させる第２ステップＳ２と、を行うものである。以下、各ステップを詳細に説明する。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a flowchart showing an embodiment of the self-organization method according to the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the process. This self-organization method adjusts a single crystal thin film to be crystal-grown and a base layer that is lattice-matched. First step of applying a solution of an organic-inorganic hybrid material on a non-single crystal substrate S1 and a second step S2 in which the applied organic-inorganic hybrid material is treated under a predetermined temperature and atmosphere to evaporate the solvent and spontaneously generate regularly arranged lattices. Is. Hereinafter, each step will be described in detail.

先ず、第１ステップＳ１においては、例えば、ガラス基板１上に、有機溶媒に溶解させたＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーを一定厚みにスピンコート又はスプレーコートする（図２（ａ）参照）。   First, in the first step S1, for example, an inorganic polymer having a Si—O or Si—N bond dissolved in an organic solvent is spin-coated or spray-coated on the glass substrate 1 to a predetermined thickness (FIG. 2A). )reference).

上記無機ポリマーの具体例は、図３に示すような、例えばＳｉ−Ｎ，Ｎ−Ｈ，Ｓｉ−Ｎ結合のみから構成される完全無機なポリマーであるポリシラザン２であり、キシレン、ミネラルターペン、高沸点芳香族系溶媒等に溶解させて使用される。   Specific examples of the inorganic polymer are polysilazane 2, which is a completely inorganic polymer composed of, for example, Si—N, N—H, and Si—N bonds, as shown in FIG. It is used by dissolving in a boiling point aromatic solvent.

次に、第２ステップＳ２においては、ポリシラザン２を塗布したガラス基板１を、例えば内部に発熱抵抗体の熱源３を埋め込んだステージ４上に載置して、大気中（酸素及び水分が存在する雰囲気中）で、例えば室温（２５℃）から４５０℃程度の温度で焼成する（図２（ｂ）参照）。これにより、ポリシラザン２の塗膜が大気中の水分と反応して自己組織化が起こり、水晶と同じ格子定数を有する図４に示すようなＳｉＯ２膜６へ転化する。 Next, in the second step S2, the glass substrate 1 coated with the polysilazane 2 is placed on, for example, a stage 4 in which a heat source 3 of a heating resistor is embedded, and the atmosphere (oxygen and moisture are present). In an atmosphere, for example, baking is performed at room temperature (25 ° C.) to about 450 ° C. (see FIG. 2B). As a result, the polysilazane 2 coating film reacts with moisture in the atmosphere to cause self-organization, and is converted into a SiO 2 film 6 having the same lattice constant as that of quartz as shown in FIG.

この場合、焼成温度が高いほど緻密なＳｉＯ２膜６を形成することができる。しかし、焼成温度は、使用するガラス基板１の軟化温度（ガラス転移点）によって適宜設定される。例えば、軟化温度の高い石英ガラスを使用した場合には、焼成温度を４５０℃程度とすることができ、緻密で高純度なシリカを母体とした規則性の高い膜を得ることができる。 In this case, the denser SiO 2 film 6 can be formed as the firing temperature is higher. However, the firing temperature is appropriately set depending on the softening temperature (glass transition point) of the glass substrate 1 to be used. For example, when quartz glass having a high softening temperature is used, the firing temperature can be set to about 450 ° C., and a highly regular film based on dense and high-purity silica can be obtained.

上述のような自己組織化方法によって形成された下地層としてのＳｉＯ２膜６上に、例えばＣＶＤ装置を使用し、基板温度が１００℃〜４００℃の条件下でシランガス（ＳｉＨ４）又はテトラエトキシシランガス（ＴＥＯＳ）、及び酸素ガスを反応室内に導入してＳｉＯ２膜を堆積させた場合には、下地層であるＳｉＯ２膜６の格子と整合した水晶の膜がエピタキシャル成長する。 On the SiO 2 film 6 as the underlayer formed by the self-assembly method as described above, for example, a CVD apparatus is used, and silane gas (SiH 4 ) or tetraethoxy is used under a substrate temperature of 100 ° C. to 400 ° C. When a SiO 2 film is deposited by introducing silane gas (TEOS) and oxygen gas into the reaction chamber, a quartz film aligned with the lattice of the SiO 2 film 6 as the underlayer is epitaxially grown.

なお、上記実施形態においては、第２ステップＳ２の焼成を大気中で行う場合について説明したが、本発明はこれに限られず、形成しようとする下地層に応じて反応性気体中又は不活性ガス中で焼成してもよい。   In the above embodiment, the case where the firing in the second step S2 is performed in the atmosphere has been described. However, the present invention is not limited to this, and the reactive gas or the inert gas is used depending on the underlying layer to be formed. You may bake in.

このように、本発明の自己組織化方法を使用すれば、ガラス、セラミック、金属又は他の非単結晶基板上にも単結晶の膜をエピタキシャル成長させることができる。したがって、例えば単結晶ＧａＮと格子整合のとれた下地層を自己組織化可能な有機―無機ハイブリッド材料を使用すれば、ガラス等の非単結晶基板上に単結晶ＧａＮエピタキシャル層を成長させることも可能となる。それ故、大面積のガラス基板上に単結晶ＧａＮエピタキシャル層を成長させて、例えばＬＥＤの作製も可能となり、ＬＥＤの製造コストを大幅に低減することが可能となる。   Thus, by using the self-assembly method of the present invention, a single crystal film can be epitaxially grown on glass, ceramic, metal or other non-single crystal substrate. Therefore, it is possible to grow a single crystal GaN epitaxial layer on a non-single crystal substrate such as glass by using an organic-inorganic hybrid material that can self-assemble an underlayer that is lattice-matched with single crystal GaN, for example. It becomes. Therefore, a single-crystal GaN epitaxial layer can be grown on a large-area glass substrate, for example, so that an LED can be manufactured, and the manufacturing cost of the LED can be greatly reduced.

さらに、本発明の自己組織化方法を使用すれば、例えばガラス基板１上に単結晶シリコンカーバイト（ＳｉＣ）をエピタキシャル成長させて、例えば太陽電池の電力変換器であるインバータの製造コストを低減することも可能となる。   Furthermore, if the self-organization method of the present invention is used, for example, single crystal silicon carbide (SiC) is epitaxially grown on the glass substrate 1, for example, to reduce the manufacturing cost of an inverter that is a power converter of a solar cell. Is also possible.

なお、上記実施形態においては、ＣＶＤ装置を使用した化学気相成長によるエピタキシャル成長方法について説明したが、本発明はこれに限られず、エピタキシャル成長させようとする単結晶の膜の種類に応じて種々の公知技術が適用できる。   In the above embodiment, an epitaxial growth method by chemical vapor deposition using a CVD apparatus has been described. However, the present invention is not limited to this, and various known methods can be used depending on the type of single crystal film to be epitaxially grown. Technology can be applied.

１…ガラス基板（非単結晶基板）
２…ポリシラザン（有機−無機ハイブリッド材料）
６…ＳｉＯ２膜（下地層） 1 ... Glass substrate (non-single crystal substrate)
2. Polysilazane (organic-inorganic hybrid material)
6 ... SiO 2 film (underlayer)

Claims (6)

結晶成長させようとする単結晶の薄膜と格子整合の取れた下地層を調整する自己組織化方法であって、
非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布するステップと、
前記塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して、規則的に配列された格子を自発的に生成させるステップと、
を行なうことを特徴とする自己組織化方法。 A self-organization method for adjusting a single crystal thin film to be crystal-grown and an underlying layer having lattice matching,
Applying a solution of an organic-inorganic hybrid material on a non-single crystal substrate;
Treating the applied organic-inorganic hybrid material under a predetermined temperature and atmosphere to spontaneously generate regularly arranged lattices;
A self-organization method characterized by: 前記有機−無機ハイブリッド材料は、有機溶媒に可溶なＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーであることを特徴とする請求項１記載の自己組織化方法。   The self-organization method according to claim 1, wherein the organic-inorganic hybrid material is an inorganic polymer having a Si-O or Si-N bond that is soluble in an organic solvent. 前記無機ポリマーは、ポリシラザンであることを特徴とする請求項２記載の自己組織化方法。   The self-organizing method according to claim 2, wherein the inorganic polymer is polysilazane. 基板上に単結晶の薄膜を成長させるエピタキシャル成長方法であって、
非単結晶基板上に有機−無機ハイブリッド材料の溶液を塗布するステップと、
前記塗布された有機−無機ハイブリッド材料を予め定められた温度及び雰囲気下で処理して、格子が規則的に配列された下地層を形成するステップと、
前記下地層上に該下地層の格子と整合の取れた単結晶の薄膜を成長させるステップと、
を行うことを特徴とするエピタキシャル成長方法。 An epitaxial growth method for growing a single crystal thin film on a substrate,
Applying a solution of an organic-inorganic hybrid material on a non-single crystal substrate;
Treating the applied organic-inorganic hybrid material under a predetermined temperature and atmosphere to form a base layer in which lattices are regularly arranged;
Growing on the underlayer a single crystal thin film aligned with the lattice of the underlayer;
Performing an epitaxial growth method. 前記有機−無機ハイブリッド材料は、有機溶媒に可溶なＳｉ−Ｏ又はＳｉ−Ｎ結合を持つ無機ポリマーであり、
前記単結晶の薄膜は、水晶の膜である、
ことを特徴とする請求項４記載のエピタキシャル成長方法。 The organic-inorganic hybrid material is an inorganic polymer having a Si—O or Si—N bond that is soluble in an organic solvent,
The single crystal thin film is a crystal film,
The epitaxial growth method according to claim 4. 前記無機ポリマーは、ポリシラザンであることを特徴とする請求項５記載のエピタキシャル成長方法。   The epitaxial growth method according to claim 5, wherein the inorganic polymer is polysilazane.
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