JP3015261B2 - 表面特性を改善するサファイア単結晶基板の熱処理方法 - Google Patents
表面特性を改善するサファイア単結晶基板の熱処理方法Info
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イス等の搭載に適した表面状態をもつサファイア単結晶
基板を製造する方法に関する。
は、単結晶基板に搭載され、基板内部又は表面に作り込
んだ回路に結線されている。たとえば、青色発光素子や
三次元高速ICとして期待されているSOS(sili
cn−on−sapphire)型デバイスは、サファ
イア単結晶からなる絶縁基板に搭載される。絶縁基板と
して使用される単結晶基板は、搭載する素子に対する良
好な接合状態を得るため、表面に所定の結晶面を露出さ
せた後、鏡面状態に研磨される。特定結晶面は、単結晶
基板をダイヤモンドカッター等で切断するときに切断角
度を調整することにより、基板表面に露出する。切断後
の基板は、ダイヤモンド研磨粉を使用して研磨した後、
コロイダルシリカ等を含む溶液中で化学エッチングされ
る。機械研磨及び化学研磨された単結晶基板は、表面粗
さが1nm程度の極めて平滑な状態に鏡面仕上げされて
いる。この表面は、その上に搭載される各種素子に対し
て所定の接続を得る上で重要な機能を果たす。
載する場合、前述した方法で鏡面仕上げされたサファイ
ア単結晶基板でも、十分に必要とする接続が得られる。
しかし、従来の鏡面仕上げでは、急速に進展している素
子の高機能化,高密度化に対応できないことがある。G
aN青色発光素子を搭載したサファイア基板では、素子
と基板との間の接続が発光出力に大きく影響し、接続界
面に乱れがあると高効率で青色を出力させることができ
ない。また、三次元高速ICとして期待されているSO
S型デバイスでは、Si薄膜とサファイア界面との乱れ
によって、満足できる特性が得られない。高機能化,高
密度化に伴って欠陥が発生する原因に、単結晶基板の表
面にある不規則な凹凸や異種結晶面の露出等が掲げられ
る。すなわち、機械研磨及び化学研磨されたサファイア
単結晶基板は、表面粗さ1nm程度に平滑化されている
ものの、凹凸分布に規則性がない。また、結晶面を原子
レベルで観察すると、所定の結晶面以外の結晶方位をも
つ異種結晶面が凹凸の斜面等に露出している。
を成長させると、多数の凹凸部で結晶成長が生じ、成長
初期段階で数多くの島状結晶の成長が促進される。これ
は、凹凸部の階段部分が結晶核生成の元になる最も有力
なサイトとして働くことに起因する。島状結晶は、成膜
が進に従って相互に連結しながら成長する。その結果、
島状結晶の間に粒界や刃状転位,ラセン転位等の成長欠
陥が生成し易くなる(J.C.Bean,Appl.P
hys.Lett.,36(1980)p.741−7
43参照)。これらの欠陥は、基板表面に形成される薄
膜の特性、特に電気的特性に悪影響を及ぼす。
上に成長する薄膜に、設計したエピタキシャル成長以外
の成長方位を与える。異種結晶面は凹凸部の斜面に現れ
易く、島状結晶の成長と相俟つて異種結晶粒を界面等に
生成させる原因となる。その結果、完全な単結晶薄膜が
得られず、界面の乱れに起因して半導体素子の特性が劣
化する。本発明は、このような問題を解消すべく案出さ
れたものであり、サファイア単結晶表面にある原子の再
配列が熱処理条件に応じて結晶面ごとに異なることを利
用し、結晶面に応じて加熱温度及び加熱時間を選択する
ことにより、特定の結晶面を優先的に再配列させ、超平
坦で同一結晶方位をもつテラス面及び直線状の規則的な
ステップサイトをもつ基板表面を得ることを目的とす
る。
その目的を達成するため、常圧雰囲気で900℃以上の
温度に加熱してサファイア単結晶基板を熱処理する際、
面方位に対応して加熱時間及び加熱温度を選択すること
によりサファイア基板表面の原子ステップ高さ及びテラ
ス幅を制御することを特徴とする。ステップ高やステッ
プ幅は、結晶面に応じて定まっている。そこで、基板上
に成長させようとする薄膜の結晶単位長さに応じた結晶
面の選択が可能になり、マッチング性に優れた薄膜が形
成される。なお、本発明に従って熱処理されるサファイ
ア単結晶基板には、転位密度ができるだけ少なく良質の
基板が使用される。表面結晶方位がジャスト或いは故意
に微少角度で傾斜させたものについて、±0.5度以内
の精度を保持しつつ機械研磨及び化学研磨によって表面
を調製した後、有機洗剤等で表面洗浄される。このよう
な表面調製は、熱処理の過程で表面原子の面内拡散を均
一化し、均一な高さをもつステップを形成する上で有効
な前処理である。
子の拡散係数及び拡散のための活性化エネルギーが異な
る。そのため、面方位に応じた熱処理を施すとき、熱的
に安定な同一の結晶方位指数をもつ原子面のみが優先的
に形成される。したがって、サファイア単結晶基板を、
それぞれの面方位に適した温度及び時間で熱処理すると
き、面方位に特有な原子層ステップ及び超平坦な原子面
からなるナノステップ最表面構造が得られる。最表面構
造は、実際の基板面の微傾斜に対応したテラス幅をもつ
ナノステップ構造となる。各テラス面のステップ高さ
は、熱的に安定な原子面の結晶格子中での繰返し周期に
よって決定される。
鏡面仕上げしたサファイア単結晶基板のC面(000
1)をAFM(電子間力顕微鏡)観察すると、図1に示
すように多数の凹凸が不規則に存在する表面となる。こ
のような表面は、その上に成長させるSi薄膜に結晶欠
陥を持ち込む原因となり、またSi薄膜との界面に乱れ
を発生させる。これに対し、従来のサファイア単結晶基
板を有機洗剤等で表面洗浄したC面(0001)を12
00℃に10時間加熱したものでは、図2に示すように
不規則な凹凸が見られず、原子が1層つづ積み重なった
極めて平坦な表面状態をもっていた。また、同じサファ
イア単結晶基板のR面を1200℃に1時間加熱したと
ころ、図3に示すように同様に原子が1層つづ積み重な
った極めて平坦な表面状態になった。本発明者等の実験
によるとき、各結晶面に対し次の条件下で熱処理するこ
とが有効であることが判った。
条件を選択し、特定の結晶面で優先的に原子を再配列す
るとき、極めて平坦化された基板表面が得られる。この
ように原子レベルで平坦化された基板表面は、その上に
成膜される薄膜の結晶格子定数にマッチしたナノステッ
プ表面として使用することができる。その結果、界面の
乱れに起因した結晶歪みや結晶欠陥の少ない薄膜が得ら
れ、高性能のデバイスを作り込むことが可能になる。た
とえば、結晶面に応じて種々の原子ステップが得られる
ため、成長させたい薄膜の結晶単位の長さに応じて適当
なサファイア基板面を選び、エピタキシャル成長を促進
させることができる。このようにして、サファイア基板
上にZnO等の薄膜を高精度で形成することが可能にな
る。
原子ステップでの部分的な成長が可能となるため、量子
細線を絶縁性基板の上に作製できる。すなわち、サファ
イア単結晶基板の最表面は、超平坦な原子面(テラス
面)となっているので、温度及び雰囲気等の条件を適正
に制御した成膜条件下では、テラス面に付着した薄膜構
成原子がテラス面上で核形成することなく、テラス上を
拡散してステップサイトにトラップされ、結晶化され
る。その結果、ステップに沿って薄膜構成原子が配列さ
れる。このとき、テラス上での薄膜の被覆率を1以下に
すると、線幅が数nm〜数十nmの量子細線がサファイ
ア単結晶基板上に作製される。これにより、絶縁性,放
熱性,耐放射線性,耐熱性,耐化学性等に優れたサファ
イア基板の上に量子構造を組み込んだデバイスの作成が
可能となる。サファイア自体も表面硬度が向上し耐久性
や表面輝度が改善されることから、たとえば高級腕時計
のカバーガラス等の種々の用途への展開が可能になる。
で1200℃に10時間加熱した後、空冷した。処理さ
れたC面を、大気中でAFM観察したところ、図1に示
した不規則な凹凸が検出されず、比較的広い面積をもつ
テラス面が観察された。また、各テラスのステップ高さ
は、図4に示すように、原子1層分にほぼ等しい約2.
13Åであった。 実施例2:(A面の平坦化) 表面を清浄化したサファイア単結晶基板のA面を空気中
で1200℃に3時間加熱した後、空冷した。処理され
たA面のAFM像は、不規則な凹凸がなく、比較的広い
面積のテラス面をもつ表面構造であった。また、各テラ
スのステップ高さは、図5に示すように、原子1層分に
ほぼ等しい約5Åであった。 実施例3:(X面の平坦化) 表面を清浄化したサファイア単結晶基板のX面を空気中
で1200℃に10時間加熱した後、空冷した。処理さ
れたX面のAFM像は、不規則な凹凸がなく、比較的広
い面積のテラス面をもつ表面構造であった。また、各テ
ラスのステップ高さは、図6に示すように、原子10層
分にほぼ等しい約30Åであった。
は、サファイア単結晶基板の表面に露出している結晶面
に応じて熱処理条件を選択することにより、特定された
結晶面で優先的に原子を再配列させ、平坦度が極めて高
く、実質的に同一結晶方位をもつテラス面のみからなる
基板表面を得ている。したがって、この上に形成される
薄膜は、基板に対して結晶格子定数のマッチング性に優
れ、界面の乱れに起因する結晶欠陥や結晶歪みのない高
性能のデバイスを作成することが可能となる。
た多数の凹凸が不規則に分散しているサファイア単結晶
基板の表面を観察したAFM像
晶基板のC面を観察したAFM像
晶基板のR面を観察したAFM像
示すグラフ
示すグラフ
示すグラフ
Claims (1)
- 【請求項1】 サファイア単結晶基板上に成長させる異
種物質の結晶格子にマッチングする原子ステップ高さに
対応して該基板の面方位を選択し、該異種物質を成長さ
せるに先立ち該基板を常圧雰囲気で900℃以上の温度
に加熱する際、該基板の面方位に対応して加熱時間及び
加熱温度を選択することによりサファイア基板表面の原
子ステップ高さ及びテラス幅を制御することを特徴とす
るサファイア単結晶基板の熱処理方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP24336394A JP3015261B2 (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 表面特性を改善するサファイア単結晶基板の熱処理方法 |
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JP24336394A Expired - Lifetime JP3015261B2 (ja) | 1994-09-12 | 1994-09-12 | 表面特性を改善するサファイア単結晶基板の熱処理方法 |
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