JP2018198265A - エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法を提供することを課題とする。【解決手段】エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法であって、多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の基板表面に粗い面を形成するステップ（Ａ）と、該粗い面上に平坦層を形成するステップ（Ｂ）と、該平坦層上にバッファ層を形成するステップ（Ｃ）とを含む。これを介して、平坦層を使用して基板の表面粗さを下げ、更にバッファ層を利用して、エピタキシー成長の基材とし、平坦及び結晶等方性成長の半導体素子の調製に直接使用することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱基板の製作方法に関し、特に、エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法に関する。

半導体プロセス工程技術の進化及び電子機器の多様化された応用ニーズに伴い、微細化と高効率の半導体素子に対し絶え間なく向上する傾向となり、これにより業界は、半導体素子の放熱問題に直面しなければならず、特に高出力及び高周波素子の応用分野において更に過酷となっている。

発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を例とする。ＬＥＤは、省エネや節電という高効率の特長を持つため、ＬＥＤの応用市場が益々幅広くなってきたが、高出力の応用分野において、例えば自動車照明等では、やはり廃熱問題により、参入を阻む高いハードルが存在する。ＬＥＤの発光効率は、温度の直接的な影響を受けるため、廃熱を素子外に排出できない場合、その発光効率が低下し続け、安定性と寿命が大幅に低下してしまう。その安定性が例えば自動車照明への応用といった人身や財産の安全に影響を及ぼす場合、該素子の該市場に対する浸透力を著しく阻まれている。

又、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料をベースとする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を例とする。窒化ガリウム化合物半導体は、高い電子飽和速度、優れた熱安定性、高いブレークダウン電圧等の利点を持ち、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴが高出力を有するため、マイクロ波パワーアンプ、変圧器等に幅広く応用することができる。しかしながら、高出力の操作時に発生する廃熱は、素子の効率に著しく影響を及ぼす。

廃熱で生じる高温の上記素子に対する影響と傷害を避けるため、熱エネルギーを素子外に放出する放熱設計と管理がよく見られ、且つ直感的方法である。既知の有効な技術の一つが、素子を熱伝導率の高い基板上に移転することである。しかしながら移転過程には、レーザリフトオフ技術（ｌａｓｅｒ ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）で素子を原エピタキシー基板から取り除き、またウエハ接合技術を組み合わせて、この素子を熱伝導率の高い基板上に接合する必要があり、この過程によれば、製作コストと複雑性が増すだけでなく、且つ歩留まり率に対し不確実的な要因が加わってしまう。これ以外に、一部技術者も熱伝導率の高い単結晶基板でエピタキシーして素子を製作し、例えば単結晶窒化アルミニウム基板でエピタキシーして窒化ガリウムＬＥＤ或いはＨＥＭＴ構造を製作し、窒化アルミニウムの高熱伝導特性を利用して熱エネルギーを移出し、同時に素子移転過程を避ける。しかしながら単結晶窒化アルミニウム基板は、取得が困難だけでなく、且つ高価で、量産にとっては不利になる。

多結晶窒化アルミニウム基板で窒化ガリウム材料を調製する研究において、多結晶窒化アルミニウム基板は、硬度の不均一により、単純なポリッシング技術を通じてナノスケールの表面粗さを得ることができないため、その表面は非常に粗く、これはその後高品質な窒化ガリウムのエピタキシー成長にとって極めて不利なものとなる。平坦化の課題解決が待たれる以外に、多結晶窒化アルミニウム基板にはランダムな格子の問題もあるため、酸化亜鉛或いは窒化アルミニウム等のｃ軸優先配向を有する材料をバッファ層として予備成長層となって正確なｃ軸が上向く格子を提供して窒化ガリウムの成長に供したとしても、水平方向（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）において、同じ格子方向を形成して薄膜形成時の重合成長に供することができない。

よって、現在業界では、エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法により業界の要求を満たす半導体素子を調製するため、平坦度が良好で、且つ高品質なエピタキシーを成長させることのできる放熱基板を提供する必要があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の欠点に鑑み、熱伝導率の高い多結晶或いはアモルファス材料でエピタキシー成長に直接供することができる放熱基板を製作するエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法を提供することを主な目的とする。

本発明は、半導体素子の基板を製作する過程において、熱伝導率の高い多結晶或いはアモルファス材料を基板サイズとして切断してから平坦層で該基板の粗い表面を平坦化し、その後バッファ層で平坦層上を覆うことで、直接エピタキシーが可能な放熱基板を提供し、素子のエピタキシー構造が完成した後に剥離、放熱基板への移転という課題を解決、或いは高単価の単結晶放熱基板を使用しなくてもよくなる。

上記目的を達成するため、本発明で提供する解決策により、多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の基板表面に粗い面を形成するステップ（Ａ）と、該粗い面上に平坦層を形成するステップ（Ｂ）と、該平坦層上にバッファ層を形成するステップ（Ｃ）とを含むエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法を提供する。

上記において、ステップ（Ａ）の基板は、窒化アルミニウム、べリリア、ダイヤモンド或いはシリコンカーバイトとすることができ；該粗い面は、ポリッシング工程を経て形成された粗い面とすることができ、その表面における二乗平均平方根粗さが１０ｎｍ〜１００ｎｍとする。多結晶或いはアモルファス材料で基板を製作する時、ポリッシング工程を利用し、粗研磨とポリッシングを行い、鏡面形態の表面を製作することで、後工程に使用することを目的とする。ただし従来のポリッシング研磨技術は、エピタキシーの所要の表面平坦度を実現できないため、本発明では更に平坦層の使用を提供する。一般的なポリッシング工程の技術制限により、該粗い面の表面における二乗平均平方根粗さが最低１０ｎｍ程度で、且つ表面粗さが低すぎる場合、その後に形成する平坦層の付着性が悪くなり、表面粗さが高すぎる場合、基板表面の高低差を埋めるため、熱伝導性が比較的低い平坦層の厚さを増やさなければならないことで、構造全体の熱伝導性が悪くなり、熱伝導率の高い基板材料を用いる意図が喪失する。よって、本発明は、平坦層と基板表面の接触面積を上げて平坦層の付着性を増すため、一定の表面粗さ範囲を維持する粗い面の使用を提供する。

上記において、ステップ（Ｂ）は、回転塗布法で該平坦層を形成でき；該回転塗布法の回転塗布材料がシリカ、酸化亜鉛或いは酸化ニッケルとし；ステップ（Ｂ）の平坦層の表面における二乗平均平方根粗さを０．１ｎｍ〜３ｎｍとすることができ、厚さがステップ（Ａ）の粗い面に対応する表面粗さの範囲は、２０ｎｍ〜１５０ｎｍとすることができ、粗い面の高低差を確実に埋めることで、回転塗布式平坦層の不連続成膜状況の発生を避け、また平坦層の付着性及び構造全体の熱伝導性の維持を確保する。本発明は、シリカ、酸化亜鉛或いは酸化ニッケルの回転塗布方法で多結晶窒化アルミニウムの表面粗さを改善でき、また回転塗布式酸化物材料及びプロセスの使用が取得しやすく且つ簡単な操作方法である。回転塗布法により形成したシリカ膜（ＳＯＧ、ｓｐｉｎ−ｏｎ ｇｌａｓｓ）を例にすると、スピンオンガラス（ＳＯＧ）が液体状態下で薄膜を形成することは、溶剤内に溶かす誘電体を平坦化が必要なチップ上に回転塗布し、誘電体が溶剤に伴い溝内を埋め込んでから高温硬化を経てシリカ類似物質をチップに形成し、表面輪郭を比較的平滑させて局部平坦化の目的を達成する。

上記において、ステップ（Ｃ）は、２次元材料をステップ（Ｂ）の平坦層上に貼り付けてバッファ層を形成でき、該２次元材料がグラフェン、硫化モリブデン又は硫化タングステンとすることができ、該２次元材料の厚さを１〜５原子層とする。平坦化の課題は回転塗布材料を通じて解決できる以外に、多結晶或いはアモルファス材料の基板にランダムな格子面の問題があるため、本発明では２次元材料をバッファ層として使用することで、エピタキシー成長の格子方向のニーズを解決する手段を提供した。該２次元材料は、移転ステップを通じてファンデルワールス力によって平坦層の表面に貼付できる。例えば、２次元材料グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）の使用は、窒化ガリウムがｃ軸方向と水平方向にエピタキシーする格子成長の要求を同時に解決できる。２次元材料グラフェンは、蜂の巣のような六角形格子の平面薄膜で、ウルツ鉱構造（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）の窒化ガリウムにとって、非常に良好なバッファ成長層であり、ｃ軸方向及び水平方向の窒化ガリウムの成長を同時にアシストできる。

上記において、更に該バッファ層にエピタキシーを成長させることができ、該エピタキシーは窒化ガリウムとすることができる。ステップ（ｃ）で製作した基板をエピタキシーマシン内に入れ、成長温度、厚さ、圧力及びキャリヤーガスを調整することで、高温エピタキシー材料を直接成長させることができる。

本発明は、エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法であり、この方法の特色は回転塗布工程を通じて回転塗布材料を多結晶又はアモルファスの熱伝導率の高い基板の粗い面に均一に塗布させることで、基板の平坦性を改善し、またその後のエピタキシープロセスのため、更に格子が周期的に配列する２次元材料をバッファ層として利用してエピタキシー成長の基材とすることである。本発明で製作されるエピタキシーが可能な放熱基板の表面における二乗平均平方根粗さは、３ｎｍ以下までに下げることができ、電子顕微鏡により該基板の断面形状を分析してその平坦層、バッファ層及びエピタキシー層の各層構造を示し；またその表面形状分析図により、そのエピタキシー層の粒子サイズが均一で、密に配列していることを示し、本発明のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法の流れが簡単で、品質が良好なエピタキシー素子の調製に直接使用でき、産業利用にとっても非常に経済的な改良を有する。

以上の概述と後記の詳細な説明及び添付図面は、いずれも本発明が予定目的を達成するために採った形態、手段及び効果を更に説明するためのものでる。本発明その他の目的及び利点に関しては、後記の説明及び図面内に記述する。

本発明に係るエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法のフローチャートである。 本発明に係るエピタキシーが可能な放熱基板の製作フローを示す模式図である。 本発明の実施例に係る基板と平坦層の原子間力顕微鏡の表面形状図である。 本発明の実施例に係る基板の透過型電子顕微鏡の分析図である。 本発明の実施例に係るエピタキシーの走査型電子顕微鏡の分析図である。

以下、特定の具体的実例を通じて本発明の実施形態を説明し、当業者は本明細書に開示されている内容から本発明の利点及び効果を容易に理解できる。

本発明に係るエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法であって、この方法の特色は、まず回転塗布法で多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の基板に平坦層を製作し、平坦層を通じて基板の表面粗さを改善することで、その後のエピタキシー成長の平坦度を向上させ、そして更に平坦層表面にバッファ層を形成することである。原子層の厚さをもつグラフェン２次元材料をバッファ層として利用すると、バッファ層と平坦層の間の格子整合及び熱膨張の差異を減らすことができる。グラフェンバッファ層と平坦層の間は、ファンデルワールス力を介して物理吸着を行い、化学結合を形成しないため、格子整合と熱膨張の差異による変形問題を自然に解決できる。２次元材料グラフェンの格子周期配列及び蜂の巣のような六角形格子の平面構造は、同様に六方晶系のウルツ鉱構造（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）を有する窒化ガリウムのエピタキシー層のｃ軸方向及び水平方向における格子成長をアシストし、更にｃ軸方向と水平方向のエピタキシー品質を改善し、その後品質が良好なエピタキシー層の材料を調製できる。

図１及び図２を参照すると、本発明に係るエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法のフローチャート及び製作フローを示す模式図である。図に示すように、エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法は、（Ａ）多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の基板表面に粗い面を形成するステップＳ１０１と、（Ｂ）該粗い面上に平坦層を形成するステップＳ１０２と、（Ｃ）該平坦層上にバッファ層を形成するステップＳ１０３とを含む。

上記において、更に該バッファ層にエピタキシーを成長させ、該エピタキシーは窒化ガリウムとすることができる。

まずポリッシング工程を通じて多結晶窒化アルミニウム基板上に粗い面を形成し、その表面粗さが１０ｎｍ〜１００ｎｍとし、そして回転塗布工程を利用してシリカ（ＳＯＧ）平坦層の一次回転塗布と二次回転塗布を行い、塗布パラメーターとして回転塗布の回転数が３０００ＲＰＭで、回転塗布時間が１０秒とし、塗布完了した都度にシリカ層は、ベークステップを経て余った有機溶剤を除去し、また薄膜の架橋反応（Ｃｒｏｓｓｌｉｎｋ）を促進させる。上記ベークステップは、計３回のベークを行い、ベーク温度が順番に８０℃、１５０℃、２５０℃とし、ベーク時間がいずれも６０秒とする。

次に従来の移転技術を通じて、その後の移転ステップのため、まずポリメタクリル酸メチル（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）を商用グラフェンの上に覆い、グラフェンを固定するために用い、そして塩化鉄（ＦｅＣｌ_３）でグラフェン下方の載置用ニッケル基板を溶解し、次に脱イオン水（ＤＩ Ｗａｔｅｒ）に浸漬して余った溶液を洗い流し、最後にＰＭＭＡ／グラフェンを平坦層の表面に移転させてからアセトンでＰＭＭＡを除去すると、次の窒化ガリウムの有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）のエピタキシープロセスを行うことができる。本実施例の窒化ガリウムの最適エピタキシーパラメータは、低温窒化ガリウム核生成層の成長温度が５４０℃、成長圧力が３００ｍｔｏｒｒ、高温窒化ガリウムエピタキシー層の成長温度が１１５０℃、Ｖ／ＩＩＩ比（Ｖ／ＩＩＩ ｒａｔｉｏ）が２００とする。

図３を参照すると、本発明の実施例に係る基板と平坦層の原子間力顕微鏡の表面形状図である。図３（ａ）に示すように、多結晶窒化アルミニウム基板がポリッシング研磨を経た後、やはりナノスケールの表面粗さ、二乗平均平方根粗さが２６．６８ｎｍを得ることができず；シリカの一次回転塗布を経た後の表面の様子が図３（ｂ）に示され、二乗平均平方根粗さが９．５４ｎｍとなり；シリカの二次回転塗布を経た後の表面の様子が図３（ｃ）に示され、二乗平均平方根粗さが２．８７ｎｍとなり、表面が粗い基板は、平坦化の表面回転塗布を経た後、その表面平坦度を効果的に向上できることを示している。

図４を参照すると、本発明の実施例に係る基板の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の分析図である。図に示すように、本発明の実施例の断面各層構造を観察でき、下から上に順番に平坦層（シリカ、ＳｉＯ_２）、バッファ層（グラフェン、Ｇｒａｐｈｅｎｅ）及びエピタキシー層（窒化ガリウム、ＧａＮ）となり、またＴＥＭ回折分析を経て、エピタキシー層において窒化ガリウムを有する回折結晶面を示し、本発明の実施例は、すでにエピタキシーが可能な放熱基板を製作し、またエピタキシーが良好な結晶成長結果を提供できることを実証した。

図５を参照すると、本発明の実施例に係るエピタキシーの走査型電子顕微鏡の分析図である。図に示すように、窒化ガリウムエピタキシーの表面分析図であり、図５内において窒化ガリウム結晶の粒子サイズが均一で、密に配列していることが観察でき、本発明で製作される基板は、エピタキシー成長の基材として、その後のエピタキシーの均一な成長をアシストできることを示している。

本発明は、エピタキシーが可能な放熱基板の製作方法を提供し、回転塗布工程を通じて回転塗布材料を多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の粗い基板表面に均一に塗布させ、表面における二乗平均平方根粗さを３ｎｍ以下にまで下げることで、エピタキシーが可能な薄膜の条件を満たすことできる。また２次元材料の格子周期配列をバッファ層として利用して為エピタキシー成長の基材とし、その後のエピタキシー等方性成長をアシストでき、過程中に平坦層の付着力に優れた２次元材料を使用することで、エピタキシーの高温と気流過程中に脱離することがない。本発明の製作方法で製作されたエピタキシーが可能な放熱基板は、平坦及び結晶等方性成長のエピタキシー素子の調製に直接使用することで、将来における応用分野をより一層幅広くさせることができる。

以上に述べた実施例は、あくまでも本発明の特徴及び効果を明らかにするものであって、本発明の実質的な技術内容を限定することはなく、当業者が本発明の精神から逸脱することなく上記実施例を改良と変形できる。よって、本発明の保護範囲は、後記の特許請求の範囲に記載されている通りとする。

１ 多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の基板
２ 基板の粗い表面
３ 平坦層
４ バッファ層
５ エピタキシー
Ｓ１０１〜Ｓ１０３ ステップ

Claims (12)

1. 多結晶或いはアモルファスの熱伝導率の高い材料の基板表面に粗い面を形成するステップ（Ａ）と、
   前記粗い面上に平坦層を形成するステップ（Ｂ）と、
   前記平坦層上にバッファ層を形成するステップ（Ｃ）と、
   を含むことを特徴とするエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
2. 前記ステップ（Ａ）の基板は、窒化アルミニウム、べリリア、ダイヤモンド或いはシリコンカーバイトとすることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
3. 前記ステップ（Ａ）の粗い面は、ポリッシング工程を経て形成された粗い面であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
4. 前記ステップ（Ａ）の粗い面の表面における二乗平均平方根粗さが１０ｎｍ〜１００ｎｍとすることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
5. 前記ステップ（Ｂ）は、回転塗布法で前記平坦層を形成することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
6. 前記回転塗布法の回転塗布材料は、シリカ、酸化亜鉛或いは酸化ニッケルであることを特徴とする請求項５に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
7. 前記ステップ（Ｂ）の平坦層の表面における二乗平均平方根粗さは、０．１ｎｍ〜３ｎｍとし、厚さが２０ｎｍ〜１５０ｎｍとすることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
8. 前記ステップ（Ｃ）は、２次元材料を前記ステップ（Ｂ）の平坦層上に貼り付けてバッファ層を形成することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
9. 前記２次元材料は、グラフェン、硫化モリブデン或いは硫化タングステンであることを特徴とする請求項８に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
10. 前記２次元材料の厚さは、１〜５原子層とすることを特徴とする請求項９に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
11. 更に前記バッファ層にエピタキシーを成長させることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。
12. 前記エピタキシーは、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１１に記載のエピタキシーが可能な放熱基板の製作方法。