JP2013136474A - 基板の再生方法及び該再生方法を用いた窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的安価で且つ品質を維持しやすい基板の再生方法を提供する。
【解決手段】本発明は、窒化物半導体とは異なる基板(10)の上面(11)に窒化物半導体(20)が成長されたウエハ(30)から前記窒化物半導体(20)を除去して前記基板(10)を再利用可能な状態に再生する方法であって、第１の方法で前記窒化物半導体(20)の一部を除去する第１の工程と、前記第１の工程の後、前記第１の方法とは異なる第２の方法で前記窒化物半導体(20)の少なくとも一部を除去する第２の工程と、を含み、前記第２の方法は、前記ウエハを加熱炉で加熱することであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の再生方法及びその再生方法を用いた窒化物半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、基板の上面に窒化物半導体が成長されたウエハから窒化物半導体を除去して基板を再利用可能な状態に再生する方法、及びその再生方法を用いた窒化物半導体素子の製造方法に関するものである。

例えば、青色〜緑色発光ダイオードなどの窒化物半導体素子において、その素子構造を構成する半導体結晶を成長させる基板として、サファイア基板が一般的に使用されており、近年その需要は世界的に拡大している。しかしながら、そのような半導体素子を製造する中で、製造装置の調整や試験用途、或いはウエハ面内の発光波長分布などの特性が規格外になるなど、半導体結晶が成長されても製品には採用されない基板が生み出されることも少なくない。基板は、半導体素子の原材料の中では高額なものであり、それらを廃棄してしまうのは非常に勿体無いことである。したがって、このような半導体結晶が上面に成長された基板を再生して、再利用することができれば、地球環境にやさしく、経済的である。

基板の上面に成長された窒化物半導体を除去する方法としては、以下のようなものが挙げられる。例えば特許文献１には、下地基板上に、それぞれIII族窒化物系化合物半導体から成る、分離層Ａ、保護層Ｂ、目的の半導体結晶層Ｃを積層して、分離層Ａを熱処理により消失させることで、下地基板と半導体結晶層Ｃを分離する方法が記載されている。また、例えば特許文献２には、母材基板と窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射することで、窒化物半導体層を局所的に加熱し分解させ、母材基板から窒化物半導体層を剥離させる方法が記載されている。このほか、研削など、窒化物半導体を機械的に削って除去する方法もある。

特開２００３−０７３１９７号公報 特開２００２−３３８３９８号公報

しかしながら、基板上に成長される一般的な窒化物半導体は、通常、特許文献１に記載されているような熱分解に適した分離層を備えておらず、そのような窒化物半導体の全てを熱処理だけで除去するには、多くの工数を必要とする。また、特許文献２に記載されているように、窒化物半導体層の全面にレーザ照射を行う場合には、多くの工数が必要なうえ、基板に与えるダメージが大きくなり、基板にクラックや割れが発生したり、そのダメージを除去するために研磨量が増大したり、する虞がある。また、窒化物半導体を機械的に削って除去する場合、一般的には研削、ラップ研磨、化学機械的研磨（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing）の３工程の各装置・設備が必要となり、コストが高くなりやすい。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、比較的安価で且つ品質を維持しやすい基板の再生方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、窒化物半導体とは異なる基板の上面に窒化物半導体が成長されたウエハから前記窒化物半導体を除去して前記基板を再利用可能な状態に再生する方法であって、第１の方法で前記窒化物半導体の一部を除去する第１の工程と、前記第１の工程の後、前記第１の方法とは異なる第２の方法で前記窒化物半導体の少なくとも一部を除去する第２の工程と、を含み、前記第２の方法は、前記ウエハを加熱炉で加熱することであることを特徴とする。

本発明によれば、処理によるダメージを抑えながら、比較的少ない工数で、基板を再生することができる。

本発明の一実施の形態に係る基板の再生方法の各工程（ａ）〜（ｅ）を説明する概略断面図である。 第１の工程における窒化物半導体の状態の一例を示す概略上面図（ａ）と、第２の工程における窒化物半導体の状態の一例を示す概略上面図（ｂ）である。 本発明の一実施の形態に係る基板の再生方法の各工程（ａ）〜（ｆ）を説明する概略断面図である。

以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。但し、以下に説明する基板の再生方法及び該再生方法を用いた窒化物半導体素子の製造方法は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る基板の再生方法の各工程（ａ）〜（ｅ）を説明する概略断面図である。図１に示すように、本実施の形態１では、窒化物半導体とは異なる基板１０の上面１１に窒化物半導体２０が成長されたウエハ３０から窒化物半導体２０を除去して基板１０を再利用可能な状態に再生する。

まず、図１（ａ）に示すように、ウエハ３０を準備する。そして、図１（ｂ）に示すように、第１の工程では、第１の方法で窒化物半導体２０の一部を除去する。次に、図１（ｃ）に示すように、第２の工程では、第１の工程の後、第１の方法とは異なる第２の方法で窒化物半導体２０の少なくとも一部を除去する。ここで、第２の方法は、ウエハ３０を加熱炉５０で加熱することである。次に、図１（ｄ）に示すように、第３の工程では、基板の上面１１を化学機械的研磨する。これらの工程により、図１（ｅ）に示すように、基板１０を再利用可能な状態に再生することができる。

このように、本発明では、基板１０の上面１１に成長された窒化物半導体２０を除去する方法の１つとして、加熱炉５０による加熱を用いる。この方法は、加熱炉５０内にウエハ３０を放置しておけばよく、非常に簡便であり、また複数のウエハ３０を同時に処理することができる。さらに、基板１０に与えるダメージが比較的少なく、基板１０の品質を維持しやすい。ただ、多くのウエハ３０において、基板の上面１１に成長された窒化物半導体２０の上面は、未加工の状態では略平坦である。また、窒化物半導体２０の熱分解は、その露出面から内側に進行する傾向がある。窒化物半導体２０を未加工の状態のまま、ウエハ３０を加熱炉５０で加熱するのが最も簡単であり、それでもよいのであるが、それでは窒化物半導体２０の略全てを熱分解させるのに時間がかかりやすい。そこで、ウエハ３０を加熱炉５０で加熱する前に、窒化物半導体２０の一部を除去して窒化物半導体２０に凹部２５を形成しておく。これにより、窒化物半導体２０に露出面が多く設けられるので、窒化物半導体２０を熱分解により効率良く除去することができる。また、窒化物半導体２０の構成物質による加熱炉５０内の汚染を抑制することができ、加熱炉５０の保守点検作業の負担を軽減することができる。

以下、実施の形態１の基板の再生方法における、各工程について詳述する。

（ウエハ）
基板１０は、窒化物半導体より融点の高い材料で構成されていることが好ましい。基板１０の具体的な材料としては、サファイア、スピネル、炭化珪素などが挙げられ、特にサファイアが好ましい。基板１０の上面視形状は、矩形や三角形、扇形などでもよいが、円形が好ましい。オリエンテーションフラットやインデックスフラット、ノッチなどが形成されていてもよい。基板１０の大きさは、例えば１インチ以上８インチ以下、好ましくは２インチ以上６インチ以下、より好ましくは２インチ以上４インチ以下とする。基板１０の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下とする。基板の上面１１は、Ｃ面（０００１）を有することが好ましいが、Ｍ面｛１−１００｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝などを有してもよい。また、基板の上面１１が、これらの結晶面から、例えば０．５°以下、好ましくは０．１°以上０．２°以下の範囲で傾斜した（オフ角を有する）ものでもよい。なお、本実施の形態１では、基板の上面１１は、上記のような結晶面に略平行な平坦面である。

窒化物半導体２０は、主として、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表されるものであり、シリコン、酸素などのｎ型不純物、及び／又はマグネシウム、炭素などのｐ型不純物が添加されていてもよい。また、窒化物半導体２０は、薄膜、厚膜、単層膜、多層膜、素子構造のいずれであってもよい。さらに、窒化物半導体２０は、基板１０上に、バッファ層などを介して又は含んで、成長されてもよい。窒化物半導体２０の厚さは、例えば１００ｎｍ以上１ｍｍ以下であり、好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。窒化物半導体２０は、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）、ハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ法）などにより成長させることができる。また、窒化物半導体２０上に電極及び／又は絶縁膜が形成されていてもよい。

（第１の工程）
図２（ａ）及び（ｂ）は、各々、第１及び第２の工程における窒化物半導体の状態の一例を示す概略上面図である。図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、第１の工程では、第１の方法で、窒化物半導体２０の一部を除去して窒化物半導体２０に凹部２５を形成する。凹部２５の上面視形状は、点状、線状、枠状、格子状（四角格子のほか、三角格子、六角格子、ランダム格子なども含む）などが挙げられ、なかでも窒化物半導体２０の露出面が多く設けられやすい格子状であることが好ましい。また、凹部２５の底面は、窒化物半導体２０の表面であってもよいが、窒化物半導体２０の露出面がより大きく設けられるように、基板の上面１１が露出されていることが好ましい。特に、図２（ａ）に示すように、凹部２５によって、窒化物半導体２０を複数の島状領域に分断することが好ましい。これにより、図２（ｂ）に示すように、第２の工程において、各島状領域の窒化物半導体２０を熱分解により速やかに除去しやすく、基板１０の再生に要する工数を大幅に削減することができる。第１の工程と第２の工程で除去する窒化物半導体２０の割合は、工数や基板の品質の維持などを考慮して決めればよい。第１の工程で除去する窒化物半導体２０の割合は、例えば全体の１０％以上９０％以下、好ましくは２０％以上８０％以下とする。

第１の方法としては、レーザ照射、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング、研削、研磨、ダイシング、スクライビング、サンドブラスト又はこれらの方法の組み合わせ、が挙げられる。特に、レーザ照射は、保護膜の形成を必要とせず、レーザ光４０の焦点付近の窒化物半導体２０を選択的に除去可能であって、簡便で、基板１０に与えるダメージが比較的少なく、好ましい。レーザ光４０のスポットは、レンズ、フィルタ、スリットなどの光学部品を介することで、上記のような所望の凹部２５の上面視形状と同様の形状に調整することができる。レーザ照射は、基板１０に与えるダメージや窒化物半導体２０の除去精度の観点では、点状のスポットのレーザ光４０を走査して行うことが好ましいが、線状、枠状、格子状などのスポットのレーザ光４０を単発的に照射して行うこともできる。レーザ光４０は、ウエハ３０に、窒化物半導体２０側から照射してもよいが、基板１０側（基板の下面１９側）から照射することで、低い光出力で窒化物半導体２０を除去しやすく、基板１０に与えるダメージが少ないため、好ましい。レーザ照射は、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザなどのレーザ装置を用いて行うことができる。

（第２の工程）
図１（ｃ）及び図２（ｂ）に示すように、第２の工程では、ウエハ３０を加熱炉５０で加熱することにより、第１の工程で残された窒化物半導体２０の少なくとも一部、好ましくはその略全部、を除去する。加熱炉５０内は、窒素雰囲気、水素雰囲気、又はこれらの混合雰囲気であることが好ましい。加熱の温度は、高いほど窒化物半導体２０の熱分解を促進しやすいが、基板１０に与えるダメージを考慮して、例えば１０００℃以上２０００℃以下とし、好ましくは１２００℃以上１８００℃以下とし、より好ましくは１４００℃以上１６００℃以下とする。加熱の時間は、窒化物半導体２０の少なくとも一部、好ましくはその略全部が除去されるまでの時間であり、温度にも依存するため特に限定されないが、短いほど良い。なお、窒化物半導体２０が除去された後、基板１０にクラックや割れが発生するのを抑制するため、加熱炉内を徐冷することが好ましく、降温速度は、例えば０．５℃／分以上３℃／分以下、好ましくは１℃／分以上２℃／分以下とする。

（第３の工程）
図１（ｄ）に示すように、第３の工程では、基板の上面１１を化学機械的研磨する。具体的には、例えば、砥粒と薬液を含むスラリーを回転する定盤上に滴下しながら、基板の上面１１を研磨する。本再生方法では、第２の工程後、基板１０のダメージは比較的少ないため、基板の上面１１を少ない研磨量で鏡面に仕上げることが可能である。このため、研削又はラップ研磨など粗研磨を省略して、工数を削減することができる。したがって、基板１０は、第１〜３の工程により再利用可能な状態に再生されることが好ましい。無論、必要であれば、研削及び／又はラップ研磨を介してもよい。そして、この第３の工程により、図１（ｅ）に示すように、基板の上面１１を鏡面に仕上げ、結晶成長用の下地基板として利用可能な基板１０に再生することができる。

なお、図１に示すように、基板１０の下面（裏面）１９は、梨地状など、未研磨であってもよい。そして、基板１０は、この下面１９を未処理のまま再生されることで、片面の処理で済み、歩留まりを高めることができる。

＜実施の形態２＞
図３は、実施の形態２に係る基板の再生方法の各工程（ａ）〜（ｆ）を説明する概略断面図である。本実施の形態２では、基板１０の複数の凸部１５を有する上面１１に、窒化物半導体の素子構造２１が成長されたウエハ３１を使用する。素子構造２１の一例としては、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層がこの順に積層された発光素子構造がある。

以下、各工程について詳述するが、図３（ａ）〜（ｅ）に示す工程は、上述の実施の形態１と実質的に同様であるため、説明を省略する。

（第４の工程）
本実施の形態の基板の再生方法は、図３（ｆ）に示すように、第３の工程の後、基板の上面１１に凹凸加工を施す第４の工程を含んでもよい。この凹凸は、例えば、基板の上面１１に、保護膜をパターン形成した後、ウエットエッチング又はドライエッチングを施すことにより形成できる。特に、ウエットエッチングが、簡便且つ安価であり、好ましい。第４の工程は、第３の工程を省略して、第２の工程の後に行うこともできるが、第２の工程の後、基板の上面１１に残存する金属ガリウムなどの残渣を第３の工程で予め除去し、第３の工程の後に行うことが好ましい。

（再利用）
以上、実施の形態１，２に記述するような再生方法を用いて再生された基板１０は、窒化物半導体の結晶成長用基板として利用することができる。すなわち、この再生された基板の上面１１に窒化物半導体の素子構造を形成して、窒化物半導体素子を製造することができる。本再生方法では、高い品質を維持しながら基板１０を再生することができる。ひいては、新品の基板（初めてその上に窒化物半導体が成長される基板）を使用する場合とほぼ同等の特性を有する窒化物半導体素子を製造することができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

＜実施例１＞
直径３インチ、厚さ０．５５ｍｍのサファイア基板のＣ面（０００１）を有する上面に、窒化物半導体の多層膜（厚さ５μｍ程度）が成長されたウエハを準備する。なお、この多層膜は、発光ダイオードの製造用ＭＯＣＶＤ装置を調整するため、試験的に成長されたものである。また、このサファイア基板は、片面研磨品、より詳細には上面が鏡面に研磨され、下面が梨地状に加工されているものである。

まず、サファイア基板の下面側からウエハにレーザ光を照射して、窒化物半導体の多層膜の一部を除去する。本実施例では、発振波長２４８ｎｍ、光出力３２０ｍＪ、パルス数２５ｐｐｓのエキシマレーザを用いる。レーザ光のスポットは、直径１〜２ｍｍの点状であって、そのレーザ光を６０°ずつ回転した３方向に５ｍｍ程度の間隔で走査する。

次に、ウエハを窒素雰囲気、大気圧の加熱炉内で加熱する。より詳細には、ウエハを加熱炉に入れ、１４００℃まで６時間かけて昇温させ、１４００℃で８時間保持し、その後１２時間かけて室温まで降温させる。なお、本例では、上記のようにレーザ照射の処理を施した２５枚のウエハを、加熱炉内に並べて配置し、同時に加熱する。これにより、窒化物半導体の多層膜は、そのほぼ全てが除去される。

次に、ほぼ基板のみとなったウエハを、ステンレス製のプレートにワックスで固定し、コロイダルシリカ（平均粒径７５μｍ、４１％（ｗｔ））を純水で８０％に希釈したものをスラリーとして用い、シリンダ加圧０．２ＭＰａ、定盤回転数５０ｒｐｍ、２時間、化学機械的研磨する。

以上のようにして、サファイア基板を再利用可能な状態に再生することができる。本実施例１の再生方法によれば、加熱炉による加熱処理のみで窒化物半導体２０の全てを除去する場合に比べ、加熱炉内での高温保持時間を１時間以上短縮することができる。

本発明に係る基板の再生方法は、発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子、フォトダイオードや太陽電池等の受光素子、トランジスタ等の電子デバイスなどの窒化物半導体素子の製造に利用することができる。

１０…基板（１１…上面、１５…凸部、１９…下面）、２０…窒化物半導体（２１…素子構造、２５…凹部）、３０，３１…ウエハ、４０…レーザ光、５０…加熱炉

Claims (6)

1. 窒化物半導体とは異なる基板の上面に窒化物半導体が成長されたウエハから前記窒化物半導体を除去して前記基板を再利用可能な状態に再生する方法であって、
   第１の方法で前記窒化物半導体の一部を除去する第１の工程と、
   前記第１の工程の後、前記第１の方法とは異なる第２の方法で前記窒化物半導体の少なくとも一部を除去する第２の工程と、を含み、
   前記第２の方法は、前記ウエハを加熱炉で加熱することである基板の再生方法。
2. 前記第１の工程において、前記窒化物半導体の一部を除去することにより形成される凹部の底面に前記基板の上面を露出させる請求項１に記載の基板の再生方法。
3. 前記第１の工程において、前記窒化物半導体を複数の島状領域に分断する請求項２に記載の基板の再生方法。
4. 前記第１の方法は、レーザ照射である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板の再生方法。
5. 前記第２の工程の後、前記基板の上面を化学機械的研磨する第３の工程を含み、
   前記基板は、前記第１〜３の工程により再利用可能な状態に再生される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板の再生方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法を用いて再生された基板の上面に窒化物半導体の素子構造を形成する窒化物半導体素子の製造方法。

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