JP4227315B2 - 窒化ガリウム単結晶基板の製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム単結晶基板の製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム単結晶基板の製造方法に係り、より詳細には、サファイア基板から窒化ガリウム(GaN)単結晶分離時にクラックの発生を抑制できる窒化ガリウム単結晶基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウムはエネルギーバンドギャップが３.３９eV で、直接遷移型の半導体物質であって短波長領域の発光素子製作に有用な物質である。窒化ガリウム単結晶は融点で高い窒素蒸気圧のために液状結晶成長には１５００℃以上の高温と２００００気圧の窒素雰囲気が必要なので、大量生産が難しいだけでなく現在使用可能な結晶サイズも約１００mm2程度の板型でこれを素子製作に使用し難い。
【０００３】
いままで窒化ガリウム膜は、異種基板上に MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法または HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 法などの気相成長法で得られている。窒化ガリウム膜製造用の異種基板ではサファイア基板が一番多く使われているが、これはサファイアが窒化ガリウムと同じ六方晶系構造であり、低コストで高温で安定しているからである。しかし、サファイアは窒化ガリウムと比較して格子定数差(約１６%)及び熱膨張係数差(約３５%)があり、界面でストレイン(strain)が誘発され、このストレインが結晶内に格子欠陥及びクラックを生じさせて高品質の窒化ガリウム膜の成長を難しくし、窒化ガリウム膜上に製造された素子の寿命を短くさせてしまう。
【０００４】
サファイア基板と窒化ガリウム膜においてストレスが等方的で窒化ガリウム膜によりサファイア基板に生じるストレインが降伏点より小さな場合、クラックが生ずることなく単にサファイア基板側への撓みが生じる。窒化ガリウム膜が厚くなるほど前記撓みの曲率半径が小さくなる。このような撓みと共に窒化ガリウム膜の表面粗度のために窒化ガリウム膜表面の加工が難しく、サファイア基板と窒化ガリウム膜の壁界面が３０゜回転しているために素子切断及び共振器の製作が難しい。
【０００５】
このような問題点を解決するために、フリースタンディング窒化ガリウム基板が必要である。
【０００６】
従来のサファイア基板を除去する方法には、ダイアモンドパウダーを用いた機械的加工方法と化学的蝕刻方法などがある。前者の場合、窒化ガリウム膜が既に成長した状態では、サファイア基板に加わるストレスが弾性限界内であり力が平衡状態にある。したがって、クラックが生ぜずに撓むばかりである。しかし、サファイア基板を研磨する間にサファイア基板は薄くなる。したがって、前記力の平衡はくずれ、サファイア基板にクラックが生じる。前記クラックは窒化ガリウム膜にも伝播される。後者の場合には、高い蝕刻率を有し、サファイアだけを選択的に蝕刻できる蝕刻液がないという問題点がある。
【０００７】
また、このような問題点を解決するために、HVPEによりサファイア基板上に窒化ガリウム膜を成長させた後、紫外線(UV)レーザーを使用してサファイア基板と窒化ガリウム膜とを分離して窒化ガリウム基板を製造する方法がある。原理は、サファイア基板と窒化ガリウム膜が紫外線を各々透過し、吸収する性質を利用する。
【０００８】
窒化ガリウム膜/サファイア基板構造でサファイア側に紫外線を照射させれば、サファイア基板と窒化ガリウム膜の境界面に存在する窒化ガリウム領域がガリウム(Ga)と窒素(N2)とに分解して、サファイア基板と窒化ガリウム膜の分離が可能となる。
【０００９】
前記紫外線レーザーによるサファイア基板から窒化ガリウム膜の分離については、 M.K.Kelly(Appl.Phys.letter.69,1749(1996)) 及び W.S.Wong (Appl.Phys.letter. 72,599(1998)) により発表されたが、多くの問題点を含んでいる。
【００１０】
これらの中で M.K.Kelly 方法によれば、図１Ａからわかるように、サファイア基板８上にHVPEにより窒化ガリウム膜６を成長させた後、金属結合剤４を使用して窒化ガリウム膜６をヒータ２に装着し、レーザー９をサファイア基板８に照射して、サファイア基板８から窒化ガリウム膜６を分離する。
【００１１】
引続き、工程が完了すれば、窒化ガリウム膜６上についている金属結合剤４を除去して窒化ガリウム基板を完成する。
【００１２】
図１Ｂに示すように、W.S.Wong の方法によれば、サファイア基板１８/窒化ガリウム膜１６/エポキシ１４/シリコン基板１１構造を形成した後、紫外線レーザー１９を前記サファイア基板１８に照射して、サファイア基板１８から窒化ガリウム膜１６を分離する。以後、エポキシ１４を除去して窒化ガリウム基板を完成する。
【００１３】
しかし、前記の方法では、サファイア基板の背面及び角に形成される多結晶窒化ガリウム膜を除去しない状態で基板の分離がなされる。これにより、クラックのない直径２インチの窒化ガリウム基板を得難く、クラックが生じない最大サイズも約３×４mm2であるという問題点がある。また、金属結合剤及びエポキシを使用するなど工程全体が複雑で、クラックが生じない領域も狭くて、素子製造に適用できないという問題点がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、サファイア基板から窒化ガリウム膜を分離する時に、前記窒化ガリウム膜にクラックが生じることを抑制する窒化ガリウム単結晶基板の製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法は、サファイア基板上に窒化ガリウム膜を形成する段階と、前記サファイア基板の前面に窒化ガリウム膜を形成した後、前記サファイア基板の背面及び角部分に形成された多結晶窒化ガリウム膜を除去する段階と、前記多結晶窒化ガリウム膜を除去した後、前記サファイア基板を６００℃ないし１０００℃の範囲で加熱する段階と、前記加熱されたサファイア基板の背面にレーザーを照射して前記サファイア基板から前記窒化ガリウム膜を分離する段階とを含んでいる。
【００１６】
前記レーザーの波長は３８０nm以下であることが望ましく、パワーは０.１ないし０.３５J/cm2であることが望ましい。
【００１７】
前記多結晶窒化ガリウム膜はグラインディングで除去できる。
【００１８】
また、本発明の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法は、記サファイア基板の前面に窒化ガリウム(GaN)膜を形成する段階の前段階に各々サファイア基板の背面にシリコン酸化膜(SiO2)を形成する段階及び、前記サファイア基板の背面の前記シリコン酸化膜を除去する段階をさらに追加することが望ましい。
【００１９】
前記シリコン酸化膜の厚さは１００ないし１０００nmであり、フッ化水素(HF)溶液を用いる湿式方法で除去することが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な一実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法の順序を示す工程順序図であり、図３Ａないし図３Ｄは、本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法の工程断面図を示す。
【００２２】
まず図３Ａを参照すれば、サファイア基板２０を洗浄して表面の不純物を除去する。サファイア基板２０の背面上にシリコン酸化膜２２を形成する(図２のS１段階)。このシリコン酸化膜２２はEビームまたはスパッタリング方法を使用して形成し、その厚さは１００ないし１０００nmになるように形成する。
【００２３】
次の図３Ｂを参照すれば、背面にシリコン酸化膜２２が形成された前記サファイア基板２０の前面(ミラー面)に窒化ガリウム膜２４を形成する(図２のS２段階)。前記窒化ガリウム膜２４はHVPE法で形成し、その厚さは５０μｍ以上に形成する。
【００２４】
この時、サファイア基板２０の角部及びシリコン酸化膜２２上に多結晶窒化ガリウム膜２３が形成される。この多結晶窒化ガリウム膜２３は、工程副産物として、後工程のサファイア基板２０から窒化ガリウム膜２４の分離工程時に工程不良を引き起こす。これは、レーザーがサファイア基板２０に均一に照射されることを妨害するからである。
【００２５】
次の図３Ｃに示されるように、シリコン酸化膜２２を除去すると同時に、多結晶窒化ガリウム膜２３を除去する(図２のS３段階)。
【００２６】
具体的には、サファイア基板２０をフッ化水素(HF)溶液で満たされた蝕刻槽に入れて、シリコン酸化膜２２を除去する。この時、サファイア基板２０と窒化ガリウム膜２４は、フッ化水素溶液に対する蝕刻抵抗性に優れているので、シリコン酸化膜２２を除去する過程では影響を受けない。このように、多結晶窒化ガリウム膜２３が除去されることにより、後続工程で紫外線レーザーがサファイア基板２０に均一に照射されうる。
【００２７】
本発明では、前述したように、シリコン酸化膜２２をバッファ膜として用いて多結晶窒化ガリウム膜２３を除去したが、他の方法で前記バッファ膜を用いる代わりに多結晶窒化ガリウム膜２３を直接グラインディングして除去できる。
【００２８】
次の図３Ｄを参照すれば、サファイア基板２０にレーザー２８を照射して窒化ガリウム膜２４を分離する(図２のS４段階)。
【００２９】
具体的には、窒化ガリウム膜２４をヒータ２６表面と接触するように装着した後６００℃ないし１０００℃に加熱し、サファイア基板２０に紫外線レーザー２８を一定時間照射して、冷却する。この時、サファイア基板２０の加熱及び冷却速度は、分当り５℃ないし２０℃を維持する。ここで、紫外線レーザー２８はサファイア基板２０と窒化ガリウム膜２４のインターフェースにおいて、窒化ガリウム膜２４をガリウム(Ga)と窒素(N2)に分解する役割をする。
【００３０】
また、この時に窒化ガリウム膜２４とサファイア基板２０に存在するストレインを減らし、窒化ガリウムの分解を促進させるために加熱する。この加熱温度は６００℃〜１,０００℃の範囲に調節される。
【００３１】
レーザー２８はサファイア基板２０全面をスキャニングしながら照射したり、レーザーを固定させ、ヒータ２６自体を回転または往復運動させながらサファイア基板２０の全面に照射する。
【００３２】
この際に、レーザー２８のパワーは温度に依存するが、前記温度範囲で０.１ないし０.３５J/cm2が望ましい。
【００３３】
また、レーザーは波長が３８０nm以下、好ましくは１５０〜３８０nmの範囲であり、ArFエキサイマレーザー、KrFエキサイマレーザー、XeClエキサイマレーザーまたは第３高調波Nd:YAGレーザーである。
【００３４】
直径２インチの窒化ガリウム膜２４を基準として、レーザー２８のスキャニング速度は３０ないし１５０mm/min、照射時間は１５分内外にする。
【００３５】
本発明の特徴は、前述したようにサファイア基板２０上に窒化ガリウム膜２４を形成する時、基板角に示される多結晶窒化ガリウム膜２３を除去した後に前記サファイア基板を６００℃ないし１０００℃範囲に加熱し、前記サファイア基板２０の背面にレーザーを照射して、クラックの発生なしに前記サファイア基板２０から前記窒化ガリウム膜２４を分離することにある。
【００３６】
【発明の効果】
したがって、本発明は紫外線レーザーによりサファイア基板から窒化ガリウム膜を分離する際に、従来のように窒化ガリウム膜が分離される間にクラックの形成を防止するための金属結合剤やエポキシが使われないので、工程が簡単でクラックがない高品質のフリースタンディング窒化ガリウム基板を得ることができ、信頼性と再現性を有するので製造コストを低められる効果がある。
【００３７】
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、本発明の技術思想範囲内で多様な変形及び修正が可能であることは当業者にとって明らかなことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、各々従来の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法を示す図面である。
【図２】本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法の順序を示す工程順序図である。
【図３】図３Ａないし図３Ｄは、本発明に係る窒化ガリウム単結晶基板の製造方法の工程断面図である。
【符号の説明】
２０…サファイア基板
２２…シリコン酸化膜
２３…多結晶窒化ガリウム膜
２４…窒化ガリウム膜
２６…ヒータ
２８…紫外線レーザー

Claims (11)

  1. サファイア基板上に窒化ガリウム膜を形成する段階と、
    前記サファイア基板の前面に窒化ガリウム膜を形成した後、前記サファイア基板の背面及び角部分に形成された多結晶窒化ガリウム膜を除去する段階と、
    前記多結晶窒化ガリウム膜を除去した後、前記サファイア基板を６００℃ないし１０００℃の範囲で加熱する段階と、
    前記加熱されたサファイア基板の背面にレーザーを照射して前記サファイア基板から前記窒化ガリウム膜を分離する段階とを含むことを特徴とする窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  2. 前記窒化ガリウム膜分離段階で、前記サファイア基板の背面をスキャニングすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  3. 前記レーザーのスキャニング速度は３０ないし１５０ｍｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  4. 前記レーザーの波長は３８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  5. 前記レーザーのパワーは０．１ないし０．３５Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  6. 前記レーザーはＡｒＦエキサイマレーザー、ＫｒＦエキサイマレーザー、ＸｅＣｌエキサイマレーザー及び第３高調波Ｎｄ：ＹＡＧレーザー中の一つであることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  7. 前記窒化ガリウム膜はＨＶＰＥ法で成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  8. 前記多結晶窒化ガリウム膜はグラインディングで除去することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  9. 前記サファイア基板の前面に窒化ガリウム膜を形成する段階の前段階にサファイア基板の背面にシリコン酸化膜を形成する段階及び、前記サファイア基板背面の前記シリコン酸化膜を除去する段階をさらに追加することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  10. 前記シリコン酸化膜の厚さは１００ないし１０００ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
  11. 前記シリコン酸化膜の除去はフッ化水素溶液を用いる湿式方法で除去することを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。
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