JP2013173652A

JP2013173652A - 自立基板の製造方法

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Publication number: JP2013173652A
Application number: JP2012039485A
Authority: JP
Inventors: Taishi Furuya; 大士古家; Masanobu Azuma; 正信東; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Narihito Okada; 成仁岡田; Keisuke Yamane; 啓輔山根
Original assignee: Tokuyama Corp; Yamaguchi University NUC
Current assignee: Tokuyama Corp; Yamaguchi University NUC
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-09-05
Also published as: WO2013128892A1

Abstract

【課題】厚さの厚い自立基板が得られ、しかも、ベース基板に残留するIII-Ｖ族化合物半導体の無駄を抑制することができる自立基板の製造方法を提供する。
【解決手段】自立基板の製造方法は、ベース基板１０上に、ベース基板１０とは熱膨張係数が相異するIII-Ｖ族化合物半導体を層状に結晶成長させ、その後、冷却によりそれらの熱膨張係数の相異に基づいてIII-Ｖ族化合物半導体の層２０内に横方向に断裂を生じさせ、そして、それによってベース基板１０から分離したIII-Ｖ族化合物半導体の層２０の部分２１を自立基板として回収するものである。ベース基板１０上に結晶成長させるIII-Ｖ族化合物半導体の層２０の厚さを、ベース基板１０の厚さの１．５倍以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は自立基板の製造方法に関する。

サファイア基板からＧａＮを分離してＧａＮの自立基板（単結晶基板）を製造する方法として、レーザリフトオフ法、ボイド形成剥離法、中間層を挿入する方法等が提案されているが、最も簡便な方法は、サファイア基板とＧａＮとの熱膨張係数の差から、ＧａＮの結晶成長後の冷却時に、ＧａＮの層内に断裂を生じさせてサファイア基板から分離する方法である。

特許文献１には、サファイア基板上に総膜厚５０μｍ以上までＧａＮをエピタキシャル成長させ、その後、室温まで冷却する際に、サファイア基板とＧａＮとの熱膨張係数の差に基づく応力により、ＧａＮの層のサファイア基板との界面近傍に断裂を生じさせてサファイア基板から分離することが開示されている。

特開２００９−１８４８４２号公報

ところで、サファイア基板とＧａＮとの熱膨張係数の相異に基づいてＧａＮの層内に断裂を生じさせる場合、断裂がＧａＮの層の上方位置に生じたのでは、厚さの薄い自立基板しか得ることができず、しかも、サファイア基板に残留したＧａＮが無駄になってしまうという問題がある。

本発明の課題は、厚さの厚い自立基板が得られ、しかも、ベース基板に残留するIII-Ｖ族化合物半導体の無駄を抑制することができる自立基板の製造方法を提供することである。

本発明は、ベース基板上に、該ベース基板とは熱膨張係数が相異するIII-Ｖ族化合物半導体を層状に結晶成長させ、その後、冷却によりそれらの熱膨張係数の相異に基づいて該III-Ｖ族化合物半導体の層内に横方向に断裂を生じさせ、そして、それによって該ベース基板から分離した該III-Ｖ族化合物半導体の層の部分を自立基板として回収する自立基板の製造方法であって、上記ベース基板上に結晶成長させる上記III-Ｖ族化合物半導体の層の厚さを、該ベース基板の厚さの１．５倍以上とするものである。

本発明によれば、ベース基板上に結晶成長させるIII-Ｖ族化合物半導体の層の厚さをベース基板の厚さの１．５倍以上とするので、III-Ｖ族化合物半導体の層内におけるベース基板に近い位置に断裂を生じさせることができ、それによって厚さの厚い自立基板が得られ、しかも、ベース基板に残留するIII-Ｖ族化合物半導体の無駄を抑制することができる。

（ａ）及び（ｂ）は実施形態に係る自立基板の製造方法の説明図である。（ａ）及び（ｂ）は冷却の際におけるIII-Ｖ族化合物半導体の層の断裂についての説明図である。サファイア基板に対するＧａＮ層の厚さの比とＧａＮ層の利用率及び残存率との関係を示すグラフである。サファイア基板の厚さとＧａＮ層の利用率及び残存率との関係を示すグラフである。バイメタルモデルから求めた厚さ４４０μｍ、３３９μｍ、２３０μｍ、及び１７７μｍのそれぞれのサファイア基板を用いた場合についてのＧａＮ層の厚さと曲率半径との関係を示すグラフである。

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態に係る自立基板の製造方法では、まず、図１（ａ）に示すように、ベース基板１０上に、ベース基板１０とは熱膨張係数が相異するIII-Ｖ族化合物半導体を層状に結晶成長させる。その後、図１（ｂ）に示すように、冷却によりそれらの熱膨張係数の相異に基づいてIII-Ｖ族化合物半導体の層２０（以下「半導体層」という。）内に横方向に断裂を生じさせ、そして、それによってベース基板１０から分離した半導体層２０の部分２１を自立基板として回収する。

ここで、ベース基板１０としては、特に限定されるものではなく、例えば、サファイア基板（Ａｌ₂Ｏ₃のコランダム構造の単結晶の基板）、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等が挙げられる。これらのうちサファイア基板が好ましい。また、ベース基板１０は、基板表面にエッチング等により微細凹凸を形成した加工基板であってもよく、また、基板表面に酸化窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を部分的に設けて微細凹凸を形成した加工基板であってもよい。

ベース基板１０の熱膨張係数は、結晶面方位等に依存するためある程度の幅を有するが、例えば、サファイア基板では４．３〜９．２ｘ１０^-6Ｋ^-1、ＺｎＯ基板では２．９〜４．８ｘ１０^-6Ｋ^-1、ＳｉＣ基板では２．５〜５．５ｘ１０^-6Ｋ^-1である。

ベース基板１０の主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよい。ベース基板１０の主面は、極性面であってもよく、また、非極性面であってもよく、さらに、半極性面であってもよい。

ベース基板１０の結晶成長面は、主面であってもよく、また、加工基板の凹凸の側面であってもよい。ベース基板１０の結晶成長面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよい。ベース基板１０の結晶成長面は、極性面であってもよく、また、非極性面であってもよく、さらに、半極性面であってもよい。

ベース基板１０上に結晶成長させるIII-Ｖ族化合物半導体におけるIII族元素としてはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）が挙げられ、Ｖ族元素としては窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）が挙げられる。III-Ｖ族化合物半導体としては、典型的にはIII族窒化物半導体が挙げられ、具体的には、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＮ等が挙げられる。これらのうちＧａＮが好ましい。

半導体層２０の熱膨張係数は、ベース基板１０の熱膨張係数とは相異し、また、一般的にはベース基板１０の熱膨張係数よりも小さい。半導体層２０の熱膨張係数は、結晶面方位等に依存するためある程度の幅を有するが、例えば、ＧａＮでは２．８〜５．６x１０^-6Ｋ^-1、ＡｌＧａＮでは４．１５〜５．６ｘ１０^-6Ｋ^-1、ＩｎＧａＮでは２．７〜５．７x１０^-6Ｋ^-1、ＩｎＡｌＧａＮでは２．７〜５．７x１０^-6Ｋ^-1、ＩｎＡｌＮでは２．７〜５．７x１０^-6Ｋ^-1、ＩｎＮでは２．７〜５．７x１０^-6Ｋ^-1である。冷却時に均一に寸法変化させて層内に平滑な断裂面を生じさせる観点からは、半導体層２０に平行な方向の熱膨張係数は等方的であることが好ましい。

半導体層２０の主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよい。ベース基板１０の主面は、極性面であってもよく、また、非極性面であってもよく、さらに、半極性面であってもよい。ベース基板１０上へのIII-Ｖ族化合物半導体の結晶成長はエピタキシャル成長であることが好ましい。

結晶成長手段としては、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）等の気相成長手段が挙げられる。高速で厚膜の高品質な半導体層２０が形成可能であるという観点からはハイドライド気相成長法が好ましい。結晶成長は、単一手段で行ってもよく、また、複数の手段を組み合わせて行ってもよい。

結晶成長条件としては、例えば、ハイドライド気相成長法によりベース基板１０としてのサファイア基板上にIII-Ｖ族化合物半導体のＧａＮを結晶成長させる場合、反応容器内の圧力は８０〜１０１.３ｋＰａ、及びサファイア基板の温度は９００〜１１５０℃であり、また、キャリアガスには水素ガスや窒素ガス或いはそれらの混合ガスを用い、その流量は１〜４０ｓｌｍ（Ｌ／ｍｉｎ）であり、さらに、ＧａＣｌを形成するための塩化水素ガスの流量は０．１〜１．５ｓｌｍ、及びアンモニアガスの流量は０．１〜７５ｓｌｍ、並びにそれらの流量比（ＮＨ₃／ＨＣｌ）は１〜５０である。なお、何等の層も介在させることなく、ベース基板１０の表面から直接III-Ｖ族化合物半導体を結晶成長させて半導体層２０を形成することが好ましいが、半導体層２０を形成する前に、有機金属熱分解気相成長法等によりベース基板１０の表面に厚さ２０〜３０ｎｍ程度のIII-Ｖ族化合物半導体からなる低温バッファ層を設けてもよい。

冷却は、例えば、低温ガス等を供給して強制的に行ってもよく、また、自然放冷によって行ってもよい。冷却によりベース基板１０及び半導体層２０の温度を例えば室温〜２００℃まで低下させる。冷却速度は例えば１〜６０℃／ｍｉｎである。

この冷却の際には、図２（ａ）に示すように、熱膨張係数が相対的に大きいベース基板１０は上に凸に反ろうとする応力が生じる一方、図２（ｂ）に示すように、半導体層２０は、表面から放熱されて厚さ方向に温度勾配が生じることにより下に凸に反ろうとする応力が生じ、その結果、半導体層２０内に横方向に断裂が生じることとなる。

そして、本実施形態に係る自立基板の製造方法では、ベース基板１０上に結晶成長させる半導体層２０の厚さをベース基板１０の厚さの１．５倍以上とする。このようにすれば、レーザリフトオフ装置のような高価な装置を用いることなく、簡便な方法により、半導体層２０内におけるベース基板１０に近い位置に断裂を生じさせることができ、それによって厚さの厚い自立基板が得られ、しかも、ベース基板１０に残留するIII-Ｖ族化合物半導体の無駄を抑制することができる。しかも、ベース基板１０の厚さと半導体層２０の厚さとを適宜設定することにより、半導体層２０に意図した位置で断裂を生じさせ、それによって所望の厚さの自立基板を得ることができる。

上記作用効果の観点からは、半導体層２０の厚さは、ベース基板１０の厚さの好ましくは１．５倍以上、より好ましくは２倍以上、さらに好ましくは２．８倍以上である。一方、半導体層２０に意図しない位置で断裂が生じるのを防止する観点からは、半導体層２０の厚さは、ベース基板１０の厚さの好ましくは５倍以下、より好ましくは３．８倍以下、さらに好ましくは２．９倍以下である。

上記作用効果の観点からは、ベース基板１０の厚さは薄いことが好ましく、具体的には、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは４５０μｍ以下、さらに好ましくは２５０μｍ以下である。一方、ハンドリング性の観点からは、ベース基板１０の厚さは、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは１５０μｍ以上である。ベース基板１０を薄くすることで、半導体層２０のうち自立基板としての利用率を高めることができ、また、ベース基板１０の材料費削減を図ることができる。

上記作用効果の観点からは、半導体層２０の厚さは厚いことが好ましく、具体的には、好ましくは３６０μｍ以上、より好ましくは４６０μｍ以上、さらに好ましくは６４０μｍ以上である。一方、半導体層２０に意図しない位置で断裂が生じるのを防止する観点からは、半導体層２０の厚さは、好ましくは１１５０μｍ以下、より好ましくは８７０μｍ以下、さらに好ましくは６７０μｍ以下である。

半導体層２０内に横方向に断裂が生じることにより、結晶成長後の半導体層２０は、ベース基板１０から分離した部分２１とベース基板１０に残存した部分２２とに分かれる。これらのうちベース基板１０から分離した半導体層２０の部分２１を自立基板として回収する。自立基板として回収される半導体層２０の部分２１の厚さは厚いことが好ましく、
具体的には、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは４００μｍ以上、さらに好ましくは５００μｍ以上であり、結晶成長後の半導体層２０の厚さに対する利用率は好ましくは６０％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以上である。ベース基板１０に残存した半導体層２０の部分２２の厚さは薄いことが好ましく、具体的には、好ましくは２５０μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは１５０μｍ以下であり、結晶成長後の半導体層２０の厚さに対する残存率は好ましくは４０％以下、より好ましくは３０％以下、さらに好ましくは２０％以下である。

回収した自立基板は、必要に応じて表面研磨等を行い、発光ダイオードやレーザーダイオードなどの発光デバイス材料、電子デバイス材料として用いることができる。

一方、半導体層２０の部分２２が残存したベース基板１０は、その上にIII-Ｖ族化合物半導体を結晶成長させて自立基板を製造するのに再利用することができる。従来、ベース基板に残存した半導体層を再利用するということはなかったが、上記のように断裂位置を制御することによりベース基板１０に残存した半導体層２０の部分２２を有効活用することができる。

（ＧａＮ自立基板の作製）
厚さ４４０μｍ及びサイズ２インチの主面がｃ面であるベース基板としてのサファイア基板の表面に厚さ２．９μｍのＧａＮ層が積層されたエピウエハーを準備した。そして、それを用いて、サファイア基板の厚さが４４０μｍの実施例１、並びにグラインダーによる研削によりサファイア基板の厚さを３３９μｍにした実施例２、サファイア基板の厚さを２３０μｍにした実施例３、及びサファイア基板の厚さを１７７μｍにした実施例４を作製した。

実施例１〜４の試料を、縦型ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置（ＦＨ７０２−Ｆ型）の反応炉に、ＧａＮ層がガスの上流を向くように炭素製試料固定台にセットした。

次いで、回転数１９ｒｐｍで試料固定台を回転させると共に、窒素ガスを３７．７ｓｌｍの流量で反応炉に供給しながら、炉内圧力を９８．５ｋＰａとし、また、原料領域及び基板領域を昇温した。

その後、基板温度が５００℃を超えた時点で窒素ガスの供給を止め、水素ガスを１７．１ｓｌｍ及びアンモニアガスを１０ｓｌｍのそれぞれの流量で供給し、原料領域及び基板温度がそれぞれ８５０℃及び１０４０℃に達した後、その状態を２５分間保持して基板温度を安定させた。

続いて、水素ガスをキャリアガスとして継続して供給しながら、塩化水素ガスを０．８ｓｌｍ及びアンモニアガスを８ｓｌｍのそれぞれの流量（流量比＝１０）で供給してＧａＮの結晶成長を６時間行った。

その後、塩化水素ガスの供給を止め、アンモニアガスを５ｓｌｍの流量に変更して２０〜３０℃／ｍｉｎの冷却速度で自然冷却した。また、基板温度が６００℃以下になった後に水素ガス及びアンモニアガスの供給を止め、窒素ガスを３７．７ｓｌｍの流量で供給し、試料固定台の回転を止めた。

そして、基板温度が１５０℃に達した後、炉内圧力を１０１．３ｋＰａにして実施例１〜４の試料を取り出した。

実施例１〜４のいずれの試料でも、サファイア基板上に結晶成長したＧａＮ層内に横方向に断裂が生じ、ＧａＮ自立基板とＧａＮ層が残存したサファイア基板とに分離していた。実施例１〜４の各試料について、ノマルスキー型微分干渉顕微鏡を用いて分離位置を見積もった。表１はその結果を示す。

実施例１の試料は、サファイア基板上に厚さが６５９μｍのＧａＮ層が結晶成長し、従って、ＧａＮ層の厚さがサファイア基板の厚さの１．５倍であった。また、厚さ４４６μｍのＧａＮ自立基板が得られ、厚さが２１３μｍのＧａＮ層がサファイア基板に残存した。サファイア基板から分離したＧａＮ層の部分の厚さは、結晶成長後のＧａＮ層の厚さに対して利用率が６７．７％であり、サファイア基板に残存したＧａＮ層の部分の厚さは残存率が３２．３％である。

実施例２の試料は、サファイア基板上に厚さが６７０μｍのＧａＮ層が結晶成長し、従って、ＧａＮ層の厚さがサファイア基板の厚さの２．０倍であった。また、厚さ５０２μｍのＧａＮ自立基板が得られ、１６８μｍのＧａＮ層がサファイア基板に残存した。サファイア基板から分離したＧａＮ層の部分の厚さは、結晶成長後のＧａＮ層の厚さに対して利用率が７４．９％であり、サファイア基板に残存したＧａＮ層の部分の厚さは残存率が２５．１％である。

実施例３の試料は、サファイア基板上に厚さが６６９μｍのＧａＮ層が結晶成長し、従って、ＧａＮ層の厚さがサファイア基板の厚さの２．９倍であった。また、厚さ５５７μｍのＧａＮ自立基板が得られ、１１２μｍのＧａＮ層がサファイア基板に残存した。サファイア基板から分離したＧａＮ層の部分の厚さは、結晶成長後のＧａＮ層の厚さに対して利用率が８３．３％であり、サファイア基板に残存したＧａＮ層の部分の厚さは残存率が１６．７％である。

実施例４の試料は、サファイア基板上に厚さが６７２μｍのＧａＮ層が結晶成長し、従って、ＧａＮ層の厚さがサファイア基板の厚さの３．８倍であった。また、厚さ５５０μｍのＧａＮ自立基板が得られ、１２２μｍのＧａＮ層がサファイア基板に残存した。サファイア基板から分離したＧａＮ層の部分の厚さは、結晶成長後のＧａＮ層の厚さに対して利用率が８１．８％であり、サファイア基板に残存したＧａＮ層の部分の厚さは残存率が１８．２％である。

（ＧａＮ層の利用率及び残存率）
図３は、実施例１〜４の結果に基づいたサファイア基板に対するＧａＮ層の厚さの比とＧａＮ層の利用率及び残存率との関係を示す。図４は、サファイア基板の厚さとＧａＮ層の利用率及び残存率との関係を示す。

図３及び４によれば、サファイア基板に対するＧａＮ層の厚さの比が高くなるに従って、また、サファイア基板の厚さが薄くなるに従って、ＧａＮ層の利用率が高くなると共に残存率が低くなる傾向が伺われる。

（断裂位置の制御）
サファイア基板とその上に成長したＧａＮ層とのバイメタルモデルに基づいて、サファイア基板を内側にして曲げたときの外側面の曲率半径とＧａＮ層の厚さとの関係を、サファイア基板の厚さが４４０μｍ、３３９μｍ、２３０μｍ、及び１７７μｍのそれぞれの場合について下記式に基づいて求めた（参考文献：Z. Feng, H. Liu, J. Appl. Phys. 54 (1983) 83.）。

ここで、Ｅｉ:ヤング率、ｄｉ：厚さ、αｉ:熱膨張係数、ΔＴ：結晶成長温度と室温の差であり、添え字ｉ＝Ｓ及びＧはそれぞれサファイア及びＧａＮを意味する。計算では、結晶成長温度と室温の差ΔＴ＝１０００℃とした。また、結晶成長時にはサファイア基板及びＧａＮ層は無歪状態でフラットであること、及び冷却中にサファイア基板とＧａＮ層との間に熱膨張係数差に基づく弾性変形が生じることを仮定した。さらに、基板表面に平行な方向に歪みが生じる一次元歪モデルとした。

図５は、上記バイメタルモデルから求めた厚さ４４０μｍ、３３９μｍ、２３０μｍ、及び１７７μｍのそれぞれのサファイア基板を用いた場合についてのＧａＮ層の厚さと曲率半径との関係を示す。また、図５には、実施例１〜４について、ＧａＮ層における断裂が生じたときのサファイア基板に残存したＧａＮ層の部分の厚さを矢印で示した。

図５によれば、上記バイメタルモデルにおける概ね曲率半径の最小値付近における厚さのＧａＮ層をサファイア基板に残存して断裂が生じることが分かる。従って、サファイア基板及び結晶成長させるＧａＮ層の厚さの組合せの設定により、得られるＧａＮ自立基板の厚さを制御することができ、それによって所望の厚さのＧａＮ自立基板が得られることとなる。

（分離したサファイア側試料の再利用）
実施例１において、自立基板を採取した後の厚さ２１３μｍのＧａＮ層が残存した厚さ４４０μｍのサファイア基板を、実施例1と同様に再びＨＶＰＥ装置にセットし、同様の結晶成長条件において４４０μｍのＧａＮ層を結晶成長させた。

結晶成長後の結晶性をＸ線回折装置によって評価した結果、ＧａＮのｃ面にて反射されたＸ線回折ピークの半値全幅が２８０ａｒｃｓｅｃであるc面ＧａＮが得られていることが確認された。この結果は、分離したＧａＮ層が残存したサファイア基板を下地基板として再利用できることを示すものである。

本発明は自立基板の製造方法について有用である。

１０ベース基板
２０ III-Ｖ族化合物半導体の層（半導体層）
２１ベース基板から分離した部分
２２ベース基板に残存した部分

Claims

ベース基板上に、該ベース基板とは熱膨張係数が相異するIII-Ｖ族化合物半導体を層状に結晶成長させ、その後、冷却によりそれらの熱膨張係数の相異に基づいて該III-Ｖ族化合物半導体の層内に横方向に断裂を生じさせ、そして、それによって該ベース基板から分離した該III-Ｖ族化合物半導体の層の部分を自立基板として回収する自立基板の製造方法であって、
上記ベース基板上に結晶成長させる上記III-Ｖ族化合物半導体の層の厚さを、該ベース基板の厚さの１．５倍以上とする自立基板の製造方法。
請求項１に記載された自立基板の製造方法において、
上記ベース基板がサファイア基板である自立基板の製造方法。
請求項１又は２に記載された自立基板の製造方法において、
上記III-Ｖ族化合物半導体がＧａＮである自立基板の製造方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載された自立基板の製造方法において、
上記ベース基板の厚さが２ｍｍ以下である自立基板の製造方法。
請求項１乃至４のいずれかに記載された自立基板の製造方法において、
上記ベース基板の表面から直接上記III-Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる自立基板の製造方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載された自立基板の製造方法において、
上記ベース基板から分離したIII-Ｖ族化合物半導体の層の部分の厚さが、結晶成長後のIII-Ｖ族化合物半導体の層の厚さの６０％以上である自立基板の製造方法。