JP2015120612A - 大型サファイアマルチ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質で、幅１５０ｍｍ以上のサファイアリボンを有するサファイアマルチ基板を提供する。【解決手段】ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ． Ｇｒｏｗｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ）法によって共通の種結晶２から複数のサファイアリボン３を育成したサファイアマルチ基板１であって、各サファイアリボン３間の間隙を１ｍｍ以上当該サファイアリボン３の厚さ寸法以下の範囲に設定することによって、サファイアマルチ基板１内に於ける温度バランスを炉内の温度と各サファイアリボン３同士の放射熱によって結晶育成に適した条件に保ち、同じ引き上げ速度による各サファイアリボン３の結晶品質維持と複数枚の大型基板同時育成とが可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ Ｆｉｌｍ−ｆｅｄ． Ｇｒｏｗｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ）法によって共通の種結晶から複数のサファイアリボンを育成したサファイアマルチ基板に関する。

現在、ＬＥＤ等の発光素子に代表される半導体基板材料として、サファイア単結晶基板が広く用いられている。サファイア単結晶基板の量産方法としては、基板素材となるサファイア単結晶をＣＺ法によって塊状に育成し、当該育成によって得られたサファイアインゴットからスライスする方法と、ＥＦＧ法によって板状に育成し、当該育成によって得られたサファイアリボンを任意の形状に切り抜く方法とに大別される。これら二つの育成方法のうち、ＥＦＧ法を用いたサファイアリボンの量産方法として、特許４４６５４８１号（以下特許文献１として記載）に記載の育成方法が公開されている。また、サファイアリボン単品について、幅１５０ｍｍ以上の大型サファイアリボン及びその育成方法が特開２０１０−２２９０３０（以下特許文献２として記載）として公開されている。

上述の特許文献１は単一の種結晶を用いたサファイアマルチ基板の育成をその技術的特徴としており、サファイアリボンの量産性向上を可能にしている。また、特許文献２は光学用途としての大型サファイアリボンの育成をその技術的特徴としており、大型サファイアリボンの育成に対応したプロセス制御及び設備の改良を可能にしている。

特許４４６５４８１号 特開２０１０−２２９０３０

上述した技術的特徴及びそれによる効果を有している一方で、特許文献２に記載の方法はその構造上、複数のサファイアリボンを同時に育成することができないという課題を有している。また、特許文献１に記載された育成方法ではサファイアマルチ基板内に於ける各サファイアリボン毎の放射熱及び育成炉内の温度が互いに影響を与える為、共通のダイから引き上げられる各サファイアリボンについて、線欠陥、結晶粒界等が発生し、半導体基板材料として使用可能な結晶品質の維持と、サファイアリボンの大型化とを両立することが難しい。

上記課題を解決するために本願記載の発明では、サファイアリボンの同時引き上げ方法であって、前記結晶品質を保ったままサファイアリボンの大型化が可能なサファイアマルチ基板の提供を目的としている。

上記目的のために本発明に於ける第１の態様では、１５０ｍｍ以上のサファイアマルチ基板育成に於いて、各サファイアリボン間の間隙を１ｍｍ以上、当該サファイアリボンの厚さ寸法以下の範囲に設定したことをその技術的特徴としている。より具体的には、育成炉内に於ける大型基板の育成条件を、サファイアマルチ基板の育成形状によって安定させたことを特徴としている。

また、本発明に於ける第２の態様では、前記第１の態様記載の発明に於ける間隙の下限を２ｍｍとしたことをその技術的特徴としている。

また、本発明に於ける第３の態様では、前記第２の態様記載の発明に於いて、サファイアリボン表面方向に対する結晶方位面の軸方向ズレを０．５°以内としたことをその技術的特徴としている。

上述した育成形状によって本発明記載のサファイアマルチ基板は、幅１５０ｍｍ以上の大型基板育成に際して、サファイアマルチ基板による複数枚の大型基板育成が可能になる。より具体的には、前記間隙を１ｍｍ以上、当該サファイアリボンの厚さ寸法以下の範囲に設定することによって、サファイアマルチ基板内に於ける温度バランスを炉内の温度と各サファイアリボン同士の放射熱によって結晶育成に適した条件に保ち、同じ引き上げ速度による各サファイアリボンの結晶品質維持と複数枚の大型基板同時育成とを可能にしている。

加えて、本発明では前記間隙の設定によって種結晶の厚み増加による軸方向ズレの抑制と、通常の結晶育成に際して、当該間隙に於けるサファイア融液の入り込みの防止という効果をも付与している。これは、サファイアマルチ基板での大型基板同時育成に伴うものとなっている。即ち、サファイアマルチ基板による大型基板の結晶育成ではその構造上、結晶が大きくなるにつれて種結晶が変形し、結晶方位面に軸方向ズレを生じてしまう。また、種結晶の厚み増加によって当該変形を抑制した場合、サファイア融液の表面張力によって各サファイアリボン間の隙間に当該融液が入り込んでしまう。本発明では前記間隙の設定によってこれらの課題をも解決しており、大型基板に特化したサファイアマルチ基板の提供を可能にしている。

また、本発明第２の態様を用いることで前記種結晶の厚み増加について、より適した条件でのサファイアマルチ基板による複数枚の大型基板育成が可能になる。これは、前記第１の態様に記載した間隙の設定が最低条件であり、本態様に記載した間隙の設定をより実用的な条件としたことによる効果となっている。即ち、前記温度条件の維持及び軸ズレの抑制、融液の入り込み防止といった効果について、実際に使用される種結晶の厚みは２ｍｍ以上となる。当該種結晶に対して前記間隙を１ｍｍ付近に設定すると、育成条件の設定ミス等によって材料融液を溶かしすぎた際、間隙に融液が入り込んでしまう。これに対して、前記間隙の下限を２ｍｍとすることによって前記融液の入り込みを防ぎ、安定して均一な温度バランスを保ちつつ、半導体用途に適した結晶品質を維持することができる。

また、本発明第３の態様を用いることでサファイアマルチ基板内に於けるサファイアリボンの密度を高め、半導体用結晶としての加工を容易にすることができる。これは、本願記載の育成方法がＥＦＧ法であり、育成する結晶方位のコントロールが可能であることに加えて、結晶軸のズレを加工性に反映させたことによる効果となっている。即ち、半導体用結晶としてサファイアリボンを研磨する場合、軸方向０．５°の補正は１５０ｍｍあたり１．３５ｍｍ必要となる。これに対し、前記第２の態様記載のサファイアリボンはその必要とされる間隙から２ｍｍ以上の厚みが必要となる。この為、結晶軸のズレを当該範囲内に収めることで、第２の態様によって付与される育成及び結晶品質に於ける効果に加えて、半導体用結晶としての加工性を加味したサファイアリボンを得ることができる。

以上述べたように、本願請求項記載の構造を用いることによって、結晶品質を保ったままサファイアリボンの大型化が可能なサファイアマルチ基板を提供することができる。

本発明の最良の実施形態に於いて用いるサファイアマルチ基板の全体斜視図 図１にて示したサファイアマルチ基板のシード基板拡大図 本発明の最良の実施形態に於ける種結晶引き上げ時の前後を示す模式図 図１に於いて示すサファイアマルチ基板の上面図

以下に、図１、図２、図３及び図４を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。

図１に本実施形態に於いて用いるサファイアマルチ基板の全体斜視図を、図２に図１のシード基板拡大図を、図３に種結晶引き上げ時に於ける引き上げ前Ａ及び引き上げ後Ｂの状態を示す模式図を、そして図４に図１に於けるサファイアマルチ基板の上面図をそれぞれ示す。尚、種結晶上部及びダイ下部の機構については、図中での記載を省略している。

図１、図２、図３及び図４から解るように、本実施形態記載のサファイアマルチ基板は、育成用の結晶方位面Ｓ１をｃ面とする単結晶サファイアからなる種結晶２を育成用のダイ４に対して垂直に配置した構成を用いている。この為、一枚のダイから複数のサファイアリボン３を有するサファイアマルチ基板１を育成することが可能となった。ここで本実施形態の育成方法となるＥＦＧ法に於いて、サファイアマルチ基板１は種結晶２の結晶方位Ｓ１に沿った結晶方位で成長していく。この為、本実施形態に於けるサファイアマルチ基板１中の各サファイアリボン２は、全て基板平面をｃ面とした単結晶基板となる。尚、同様の技術的見地から種結晶の結晶方位面Ｓ１をｒ面等、任意の結晶面とすることで当該サファイアリボン３の基板平面を変更することが可能となっている。

上述した基本構成による効果に加えて、本実施形態ではダイ４によって育成する結晶の幅を１５０ｍｍ、厚みを３ｍｍ、ダイ間の間隙ｇを２ｍｍとしており、種結晶２の厚さを２ｍｍとしている。この為、当該サファイアマルチ基板中の結晶品質について、サファイアマルチ基板内に於ける温度バランスを炉内の温度と各サファイアリボン同士の放射熱とにより均一に保ち、同じ引き上げ速度による各サファイアリボン３の結晶品質維持と複数枚の大型基板同時育成とが可能になった。より具体的には、ダイ端部のサファイア融液と、成長していく種結晶側結晶端面と、の間で起きる結晶の配列に於いて、各サファイアリボン端面の温度をダイ上の融液と各サファイアリボン同士の放射熱とによって均一に保ち、成長する各サファイアリボン間の温度バランスを結晶育成に適した状態で保持する事ができた。加えて、本実施形態では当該温度バランスの保持によって各サファイアリボン３の育成条件が均一になっている。この為、線欠陥及び結晶粒界といった箇所のない半導体用大型基板を、共通の速度で引き上げることが可能となった。

また、本実施形態では厚み３ｍｍ、幅１５０ｍｍのサファイアリボンを有するサファイアマルチ基板育成に対して、厚みｔを２ｍｍとした平板形状の種結晶を用いている。この為、結晶引き上げ時に於ける種結晶の変形を防ぎ、育成されるサファイアリボンの結晶方位面Ｓ２と種結晶の結晶方位面Ｓ１間に於ける軸方向ズレを抑制することが可能となった。これは、サファイアマルチ基板を用いた結晶育成に伴う効果となっており、結晶成長の種結晶となる種結晶２について、育成炉中の高温条件下でも強度を保ち、育成するサファイアリボンだけではなく、自重によっても変形しない構造とすることで上記効果を得ている。加えて、上記種結晶２の厚みに対応して、本実施形態では前記ダイ間の間隙ｇによって各サファイアリボン間の間隙を２ｍｍとしている。この為、種結晶２とダイ先端との接触時、隣接するダイの各サファイア融液５が互いの表面張力によって繋がる事を防いだ、高い量産性での結晶育成が可能となった。

上記効果に加えて、本実施形態では前記種結晶の形状及びその剛性によって各サファイアリボンに於ける結晶方位面の軸方向ズレを０．５°以内に収めている。より具体的には、結晶育成時に増加していくサファイアリボンの荷重に対して種結晶の変形を抑制し、種結晶の結晶方位面Ｓ１と当該サファイアリボン３の結晶方位面Ｓ２との結晶方位面で生じる軸方向ズレが当該数値内に収まる種結晶形状としている。これにより、サファイアリボン３毎の軸ズレの補正に必要な厚み方向の研磨量は１．５ｍｍ程度に収めることが可能となった。この為、本実施形態記載のサファイアマルチ基板からは上述した育成及び結晶品質に於ける効果に加えて、半導体用結晶としての加工性向上という効果をも付与することができた。

以上述べたように、本実施形態記載の基板を用いることによって、結晶品質を保ったままサファイアリボンの大型化が可能なサファイアマルチ基板を提供することができた。

１ サファイアマルチ基板
２ 種結晶
３ サファイアリボン
４ ダイ
５ サファイア融液
Ｓ１、Ｓ２ 結晶方位面
ｇ ダイ間の間隙
ｔ 種結晶の厚み

Claims (3)

1. ＥＦＧ法によって共通の種結晶から複数のサファイアリボンを育成したサファイアマルチ基板であって、
   各サファイアリボン間の間隙を１ｍｍ以上当該サファイアリボンの厚さ寸法以下の範囲に設定した幅１５０ｍｍ以上のサファイアマルチ基板。
   
2. 前記間隙を２ｍｍ以上、前記厚さ寸法以下の範囲に設定した請求項１記載のサファイアマルチ基板。
   
3. 前記サファイアリボンについて、結晶方位面の軸方向ズレが０．５°以内である請求項２記載のサファイアマルチ基板。

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