JP5585570B2

JP5585570B2 - ムライトを主成分とする焼結体

Info

Publication number: JP5585570B2
Application number: JP2011263583A
Authority: JP
Inventors: 慶一郎下司; 裕辻; 茂中山; 憲一郎柴田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: JP2013116826A

Description

本発明は、ムライトに他材料を混合し熱膨張率を調整した焼結体に関する。

III族窒化物半導体を用いた半導体デバイスは種々の方法で形成されている。例えば、ＧａＮ半導体の場合には、一つの方法として、ＧａＮ半導体と化学組成が異なるが熱膨張係数の差が小さいＳｉ、ＳｉＣ、サファイアなどの異種基板上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学堆積）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法などにより、ＧａＮ半導体エピタキシャル層を形成させる方法がある。また、他の方法としては、ＧａＮ半導体基板上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などにより、ＧａＮ半導体エピタキシャル層を形成させる方法がある。

上記のＧａＮ半導体の例のように、III族窒化物半導体エピタキシャル層の形成用基板として異種基板を用いると、異種基板とIII族窒化物半導体エピタキシャル層との間の熱膨張係数の差および格子不整合などにより基板に応力が発生してしまう。このため、基板および半導体デバイスの反りによるIII族窒化物半導体エピタキシャル層の転位密度の増加、剥離の発生、半導体デバイス特性の低下などの問題があった。
また、III族窒化物半導体エピタキシャル層の形成用基板として同種のIII族窒化物半導体基板を用いると、III族窒化物半導体基板と該基板上に成長したIII族窒化物半導体エピタキシャル層との間の熱膨張係数の差がないかまたは小さくまた格子整合性が高いため、特性の高い半導体デバイスが得られるが、III族窒化物半導体基板は非常に高価であり、半導体デバイスを作製するためのコストが非常に高くなるという問題があった。

そこで、III族窒化物半導体エピタキシャル層の形成用基板として、特性の高い半導体デバイスを製造できる安価な基板が求められている。例えば、ＧａＮ半導体の場合にはかかる基板として、ＧａＮベースの半導体の薄層を、該薄層に近似するか、またはそれより高い熱膨張係数を有する下地基板に貼り合わせた基板が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
しかしながら、熱膨張係数がＧａＮに充分に近く、かつＧａＮ基板との貼り合わせ性が良好で、かつ安価な下地基板は未だ得られていなかった。また、他のIII族窒化物半導体の作製においても同様に、貼り合わせ性が良好で、かつ安価な下地基板は未だ見出されていない。

特表２００４−５１２６８８号公報

本発明は上記問題点に鑑み、任意のIII族窒化物半導体との熱膨張係数の差が小さい、ムライトを主成分とする焼結体を提供することを課題とする。また、エピタキシャル層成長用III族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板として、熱膨張係数がIII族窒化物半導体に近く、かつ、III族窒化物半導体基板との貼り合わせ性に優れた下地基板を安価に提供することを課題とする。

本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意探求を重ねた結果、ムライトを主成分とする焼結体を用いることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は以下の構成よりなる。

（１）III族窒化物半導体と下地基板とを貼り合わせたIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板であって、
前記下地基板は、ムライト粉末と、アルミナ、ジルコニア、およびイットリア安定化ジルコニアからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末との焼結体であって、
前記アルミナ、ジルコニア、およびイットリア安定化ジルコニアからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末の含有割合が合計で１０〜５０質量％であり、
前記焼結体の主表面の面粗さＲａが０．１〜３．０ｎｍである
ことを特徴とするムライトを主成分とするIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板。
（２）前記焼結体は、室温から１０００℃までの平均熱膨張係数が５．５〜６．５ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とする上記（１）に記載のIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板。
（３）前記III族窒化物半導体が窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板。
（４）上記（１）から上記（３）のいずれか一項に記載の下地基板と、III族窒化物半導体とが貼り合わされたIII族窒化物半導体貼り合わせ基板。

本発明により、任意のIII族窒化物半導体との熱膨張係数の差が小さい、ムライトを主成分とする焼結体を提供することができる。更に、III族窒化物半導体基板との貼り合わせ性に優れたエピタキシャル層成長用III族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板を安価に提供することができる。

本発明に係る焼結体を作製する方法の一例を示すフローチャートである。

本発明に係るムライトを主成分とする焼結体は、ムライト粉末と、アルミナ、ジルコニア、およびイットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺとも記す）からなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末との焼結体であって、前記アルミナ、ジルコニア、およびイットリア安定化ジルコニアからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末の含有割合が合計で１０〜５０質量％であることを特徴とするムライトを主成分とする。
ムライトは酸化アルミニウム（アルミナ）と酸化ケイ素（シリカ）の化合物であるが、本発明においては、アルミナとシリカを３：２の割合で混合して焼結して得られたムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）を好ましく使用することができる。

これにより、任意のIII族窒化物半導体基板と熱膨張係数が近似した下地基板を安価に得ることができる。また、下地基板とIII族窒化物半導体基板との熱膨張係数が近似しているため、下地基板とIII族窒化物半導体基板とを貼り合わせて、III族窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長用の種基板として用いた場合にも、貼り合わせ面での剥離やクラックの発生を減少させることができる。更に、本発明のムライトを主成分とする焼結体は多結晶であるから表面の加工性が良好であり、III族窒化物半導体基板と下地基板とを貼り合わせる際の貼り合わせ性にも優れている。

例えば、III族窒化物半導体のなかでもＧａＮの熱膨張係数は６．０ｐｐｍ／Ｋである。これに対し、ムライトの熱膨張係数は５．２ｐｐｍ／Ｋであるから、ムライトに更に熱膨張係数の大きな物質を添加して焼結することにより、ＧａＮ基板との熱膨張係数の差が小さい焼結体を得ることができる。具体的には、例えば、ムライト粉末にＹＳＺ粉末を３０質量％混合して焼結することにより、室温から１０００℃までの平均熱膨張係数が６．０ｐｐｍ／Ｋの焼結体を得ることができる。

同様にして、ムライト粉末に、アルミナ、ジルコニア、およびＹＳＺからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末を混合して焼結することにより、任意のIII族窒化物半導体の熱膨張係数に近似した熱膨張係数の焼結体を得ることができる。すなわち、前記アルミナ、ジルコニア、およびＹＳＺからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末の含有割合が合計で１０〜５０質量％となる範囲でムライト粉末との混合比率を調整することにより、得られる焼結体の熱膨張係数を調整することができる。
焼結方法は特に限定されないが、例えば、ＨＰ（ホットプレス）やＨＩＰ（熱間静水圧成形）による方法が好ましい。焼結体の密度を高くできる方法が好ましい。

また、本発明の焼結体は、室温から１０００℃までの平均熱膨張係数が５．５〜６．５ｐｐｍ／Ｋの範囲にあることが好ましい。これにより本発明の焼結体と、任意のIII族窒化物半導体の熱膨張係数とが同じであるか、又はその差を小さくすることができる。上記の、室温から１０００℃までの平均熱膨張係数は、５．８ｐｐｍ／Ｋ〜６．２ｐｐｍ／Ｋであることがより好ましい。

また、本発明の焼結体は、主表面の面粗さＲａが０．１ｎｍ〜３．０ｎｍであることが好ましい。これにより、本発明の焼結体をIII族窒化物半導体との貼り合わせ基板用の下地基板として良好に用いることができる。貼り合わせ基板用の下地基板として用いる場合には、主表面は可能な限り平滑であることが好ましく、前記Ｒａは０．１ｎｍ〜２．０ｎｍであることがより好ましく、０．１ｎｍ〜１．０ｎｍであることが更に好ましい。なお、ここで主表面とは、表面のうち最も面積の大きい主要な面をいう。

本発明に係る下地基板は、III族窒化物半導体との貼り合わせ基板用の下地基板であって、上記本発明の焼結体からなることを特徴とする。前述のように、上記本発明の焼結体はＧａＮ半導体のようなIII族窒化物半導体との貼り合わせ基板用の下地基板として好ましく利用することができる。
下地基板の厚さは特に限定されないが、III族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させる際において充分な強度を持っていることが望ましい。この観点から下地基板の厚さは、４００μｍ〜７００μｍであることが好ましい。

以下、図面を参照しながら本発明に係る焼結体の製造方法について説明する。図１のフローチャートに示すように、まず粉末準備工程（Ｓ１０）を実施する。これは具体的には、上述したムライトを主成分とする基板を形成する材料としての粉末を準備する工程である。

次に図１に示す成形工程（Ｓ２０）を実施する。これは具体的には、プレス成形またはＣＩＰ（Ｃold Ｉsostatic Ｐressing；冷間等方圧加工法）により成形する。たとえば工程（Ｓ１０）で準備した混合粉末を、まずプレス成形により予備成形した後、ＣＩＰを行ない、成形体を得ることが好ましい。ただしここではプレス成形とＣＩＰとのいずれか一方のみを行なってもよいし、たとえばプレス成形を行なった後にＣＩＰを行なうなど、両方を行なってもよい。

ここでプレス成形においてはたとえば１０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下、特に２０ＭＰａの圧力を用いることが好ましく、ＣＩＰにおいてはたとえば１６０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下、特に１８０ＭＰａ以上２３０ＭＰａ以下の圧力を用いることが好ましい。

次に図１に示す焼結工程（Ｓ３０）を実施する。焼結工程として具体的には、大気雰囲気下に成形体を載置して焼結する大気焼結法や、たとえばアルゴン雰囲気下に成形体を載置して加圧焼結するＨＩＰ（Ｈot Ｉsostatic Ｐressing；熱間等方加圧）を用いることが好ましい。あるいは上記方法の代わりにホットプレス法を用いてもよい。大気焼結法とＨＩＰなどとのいずれかのみを行なってもよいし、たとえば大気焼結法を行なった後にＨＩＰを行なうなど、複数を行なってもよい。さらにＨＩＰ後に再度熱処理を行なってもよい。

大気焼結法においては具体的には、成形体を大気雰囲気中に載置し、１４００℃以上１７００℃以下に加熱し、１時間以上３時間以下保持することが好ましい。このようにすれば、密度が９５％以上の焼結体を形成することができる。またＨＩＰにおいては、上記焼結体を（あるいはホットプレスによる焼結を行なっていない成形体を）アルゴン雰囲気中に載置し、１５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の圧力を加えながら１５００℃以上１８００℃以下に加熱し、１時間以上３時間以下保持することにより焼結する。上述した圧力および温度により焼結を行なえば、形成される焼結体の密度を、最終的に形成される基板に要求される条件を満たすに足りる密度とすることができる。これは加圧によりムライトを主成分とする焼結体の組成変形が起こるとともに、拡散機構により当該焼結体内部の空孔が外部へ除去されるためである。

以上により焼結がなされた焼結体に対して、図１に示すように加工工程（Ｓ４０）を行なう。これは具体的には、まず上記焼結体を所望の（基板１の）厚みとなるようにスライス加工により切断（切削加工）する。これにより、所望の厚みを有する基板１の下地が完成する。なおここで所望の厚みとは、最終的に形成したい基板１の厚みと、後工程における基板１の主表面１ａの研磨しろ等を考慮した上で決定することが好ましい。

次に、上記基板１の下地の主表面を研磨する。具体的には、上述したように最終的に形成される基板１の主表面１ａを、平均粗さＲａが所望の値となるように研磨する工程である。

基板１の主表面１ａを、優れた平坦度を達成するために研磨する場合は、粗研磨と通常研磨と、ダイヤ砥粒を用いた研磨との３段階の研磨を順に行なうことが好ましい。具体的には、第１段階である粗研磨および第２段階である通常研磨において、研磨機を用いて主表面１ａを鏡面加工する。ここで粗研磨と通常研磨とでは、研磨に用いる砥粒の番手が異なる。具体的には、粗研磨においては砥粒の番手が＃８００〜＃２０００であるＧＣ砥石を、通常研磨においては砥粒の粒径が３〜５μｍであるダイヤモンド砥石を用いることが好ましい。

次に第３段階である仕上げ加工としての研磨は、上述したようにダイヤ砥粒を用いて行なうことが好ましい。ダイヤ砥粒は硬度が非常に高く、かつ砥粒の平均粒径が０．５μｍ〜１．０μｍ程度と非常に小さいことから、高精度な鏡面加工用の砥粒として用いることに適している。当該砥粒を用いて例えば１０分間研磨加工を行なう。このようにすれば、上述した主表面１ａの平均粗さＲａが０．１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である平坦性の高い主表面１ａを実現することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
ムライト粉末にＹＳＺ（Ｙ_２Ｏ_３１０ｍｏｌ％）粉末を３０質量％混合した。
この混合粉末をプレス成形により予備成形し、続いてＣＩＰを行なって成形体を得た。プレス成形においては１０ＭＰａの圧力をかけ、ＣＩＰにおいては２００ＭＰａの圧力をかけた。
続いて、上記成形体を大気雰囲気下に載置し、１５００℃で、９時間、保持することにより焼結を行った。更に、得られた焼結体をアルゴン雰囲気中に載置し、２００ＭＰａの圧力を加えながら１６００℃に加熱し、２時間、保持することによりＨＩＰを行った。

上記ＨＩＰ後の焼結体を、７００μｍの厚みとなるようにダイシング加工をして下地基板を得た。続いて該下地基板の主表面の研磨を行った。研磨は、粗研磨、通常研磨、仕上げ加工の研磨の順で行った。粗研磨では♯８００のＧＣ砥石を、通常研磨では粒径が３μｍのダイヤモンド砥粒を、仕上げ加工の研磨では粒径が１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて研磨を行った。
得られた下地基板の室温から１０００℃までの平均熱膨張係数は６．０ｐｐｍ／Ｋであり、表面粗さは０．６ｎｍであった。

［実施例２］
原料ムライト粉末にジルコニア粉末を３０質量％混合した以外は、実施例１と同様にして下地基板を作製した。
得られた下地基板の室温から１０００℃までの平均熱膨張係数は５．７ｐｐｍ／Ｋであり、表面粗さは０．８ｎｍであった。

［実施例３］
原料ムライト粉末にアルミナ粉末を１２質量％混合した以外は、実施例１と同様にして下地基板を作製した。
得られた下地基板の室温から１０００℃までの平均熱膨張係数は５．４ｐｐｍ／Ｋであり、表面粗さは０．８ｎｍであった。

［実施例４］
原料ムライト粉末にアルミナ粉末を１２質量％とＹＳＺ（Ｙ_２Ｏ_３１０ｍｏｌ％）３０質量％を混合した以外は、実施例１と同様にして下地基板を作製した。得られた下地基板の室温から１０００℃までの平均熱膨張係数は６．３ｐｐｍ／Ｋであり、表面粗さは０．９ｎｍであった。

以上のように、本発明に係るムライトを主成分とする焼結体は、ムライト粉末に添加する他の材料粉末の量を調製することにより、任意の熱膨張係数の焼結体とすることができた。また、表面加工性にも優れており、III族窒化物半導体基板との貼り合わせ性にも優れていることが示された。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。

本発明のエピタキシャル層成長用III族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板にIII族窒化物半導体基板を貼り合わせ、該エピタキシャル層成長用III族窒化物半導体貼り合わせ基板を用いてIII族窒化物単結晶をエピタキシャル成長させることができる。これにより得られるIII族窒化物単結晶は結晶性が高く、高品質な半導体デバイスとして利用することができる。

Claims

III族窒化物半導体と下地基板とを貼り合わせたIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板であって、
前記下地基板は、ムライト粉末と、アルミナ、ジルコニア、およびイットリア安定化ジルコニアからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末との焼結体であって、
前記アルミナ、ジルコニア、およびイットリア安定化ジルコニアからなる群より選ばれる少なくとも一種類以上の粉末の含有割合が合計で１０〜５０質量％であり、
前記焼結体の主表面の面粗さＲａが０．１〜３．０ｎｍである
ことを特徴とするムライトを主成分とするIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板。
前記焼結体は、室温から１０００℃までの平均熱膨張係数が５．５〜６．５ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板。
前記III族窒化物半導体が窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物半導体貼り合わせ基板用の下地基板。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の下地基板と、III族窒化物半導体とが貼り合わされたIII族窒化物半導体貼り合わせ基板。