JP5765037B2

JP5765037B2 - 複合基板の製造方法

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Publication number: JP5765037B2
Application number: JP2011093890A
Authority: JP
Inventors: 洋子前田; 史隆佐藤; 昭広八郷; 成二中畑
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2015-08-19
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Description

本発明は、窒化物系化合物半導体からなる第１の基板と、該第１の基板を構成する材料と同一又は異なる材料からなる第２の基板とを貼り合わせてなるエピタキシャル層成長用の複合基板の製造方法に関する。

窒化物系化合物半導体を用いた発光デバイスなどの半導体デバイス（以下単に「デバイス」とも記す）は、種々の方法で形成されている。一般的には、窒化物系化合物半導体との熱膨張係数が近い異種の材料（たとえばＳｉ、ＳｉＣ、サファイアなど）からなる基板上に窒化物系化合物半導体層を分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで形成したり、窒化物系化合物半導体バルク基板上に窒化物系化合物半導体層を形成したりすることにより作製される。いずれにせよ、これらのデバイスは、基板上にエピタキシャル層を成長させることにより作製されるのが一般的である。

窒化物系化合物半導体とは異なった素材の基板を用いてデバイスを作製した場合、両素材間における熱膨張係数の差や格子不整合が生じる。これにより該基板に応力が発生し、基板やデバイスの反りによるデバイス特性の劣化が生じたり、半導体層の剥離や転位密度の増加などが発生しデバイス特性に悪影響を及ぼしたりするという問題がある。

一方、窒化物系化合物半導体バルク基板を用いた場合は、バルク基板と半導体層との間で熱膨張係数や格子整合性が同程度であるため、良好なデバイス特性を示す。しかし、窒化物系化合物半導体バルク基板は非常に高価であることからそれがデバイス価格に反映されてしまうという問題がある。

そこで、窒化物系化合物半導体バルク基板を用いた場合には、良好なデバイス特性が得られるにもかかわらずその価格が高価になるという理由から、窒化物系化合物半導体層形成用（すなわちエピタキシャル層成長用）の安価な基板の開発が種々検討されている。

たとえば、窒化物系化合物半導体で構成されるバルク基板の厚みを薄くすれば該基板の価格を低減できるものの、割れやすいという不都合を伴う。このため、窒化物系化合物半導体とは別の物質からなる第２の基板に窒化物系化合物半導体を薄く接合することにより得られる複合基板が注目されている。たとえば特許文献１には、複合基板を作製する技術が開示されている。

特許文献１の複合基板の作製方法は、あらかじめ剥離しやすいように窒化物系化合物半導体中に脆弱領域を形成し、かかる脆弱領域を形成した窒化物系化合物半導体を第２の基板に貼り合わせる。そして、窒化物系化合物半導体と第２の基板とを一体化させた後、この脆弱領域を境として窒化物系化合物半導体を第２の基板から分離する。このようにして第２の基板上に、薄い窒化物系化合物半導体を形成することにより、複合基板を作製するというものである。以下においては、このようにして作製する複合基板の技術を、特に「貼り合わせ技術」と記す。

特開２００６−２１０６６０号公報

しかしながら、貼り合わせ技術によって複合基板を作製すると、窒化物系化合物半導体を第２の基板から分離するときに、窒化物系化合物半導体が脆弱領域を境として分離しないという問題があった。すなわち第２の基板上に薄い窒化物系化合物半導体が残ることなく、貼り合わせた窒化物系化合物半導体がそのまま第２の基板から剥離されてしまうという問題が頻発していた。

或いは、たとえ脆弱領域を境に剥離できても、作製された複合基板を用いてデバイスを作製するとき（たとえばアニール処理、ダンシング処理などの工程中）、複合基板の貼り合わせ面において剥離が生じる場合もあった。

このような問題は、窒化物系化合物半導体と第２の基板との接合強度が弱いことに起因するものとも考えられる。よって、接合強度を高めるために、窒化物系化合物半導体の表裏のうち第２の基板と貼り合わせる側の表面を滑らかにした上で、その表面上に第２の基板を貼り合わせるという試みもなされている。しかしながら、この方法による接合強度も十分とは言えず、さらなる接合強度の向上が求められている。

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、窒化物系化合物半導体からなる第１の基板と第２の基板との接合強度が高い複合基板の製造方法を提供することにある。

本発明の複合基板の製造方法は、窒化物系化合物半導体からなる第１の基板と該第１の基板を構成する材料と同一又は異なる材料からなる第２の基板とを貼り合わせてなるエピタキシャル層成長用の複合基板の製造方法であって、窒化物系化合物半導体からなるバルク基板の表面からイオン注入を行なうステップと、該バルク基板の表面が第２の基板に対向するようにしてバルク基板と第２の基板とを貼り合わせることにより貼り合わせ基板を得るステップと、貼り合わせ基板を第１温度まで昇温するステップと、第１温度を一定時間保持するステップと、バルク基板の一部である第１の基板が第２の基板上に残るように、バルク基板の他の部分を貼り合わせ基板から分離することにより複合基板を生成するステップと、バルク基板の表面からイオン注入を行なうステップの前又は後に、バルク基板の表面に対し金属膜を成膜するステップと、を含み、金属膜はＷまたはＭｏのうちのいずれか一方もしくは両方からなり、を含み、第１温度をＴ₁℃とし、第１の基板の熱膨張係数をＡ×１０^-6／℃とし、第２の基板の熱膨張係数をＢ×１０^-6／℃とすると、下記式（Ｉ）を満たすことを特徴とする。

２１５≦１０（Ａ−Ｂ）²−１０（Ａ−Ｂ）＋Ｔ₁≦４１０・・・（Ｉ）

複合基板を生成するステップにおいて、貼り合わせ基板を第２温度まで昇温して、第２温度を一定時間保持することにより、バルク基板の他の部分を貼り合わせ基板から分離することが好ましい。

複合基板を生成するステップの後に、複合基板を第３温度まで昇温するステップと、第３温度を一定時間保持するステップとをさらに含むことが好ましい。第３温度は、６００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。

上記のイオン注入を行なうステップの前又は後にバルク基板の表面に第１被膜を形成するステップと、第２の基板に第２被膜を形成するステップをさらに含み、貼り合わせ基板を得るステップにおいて、第１被膜と第２被膜とを対向させて貼り合わせることが好ましい。

本発明の複合基板の製造方法は、第１の基板と第２の基板との接合強度を高めることができるという優れた効果を有する。

本発明により製造される複合基板の一例を示す模式的な断面図である。バルク基板に脆弱領域を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。バルク基板に第２の基板を貼り合わせた後の貼り合わせ基板を示す模式的な断面図である。脆弱領域を境として分離した複合基板を含む模式的な断面図である。

以下、本発明について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。

＜複合基板＞
図１は、本発明により製造される複合基板の一例を示す模式的な断面図である。本発明により製造される複合基板１０は、図１に示されるように、窒化物系化合物半導体からなる第１の基板１と、該第１の基板を構成する材料と同一又は異なる材料からなる第２の基板２とを貼り合わせてなるものである。

複合基板１０の第１の基板１上には、特に限定されないが、従来公知の組成の各種半導体デバイスを構成するエピタキシャル層を成長させることができる。このようなエピタキシャル層の形成方法としては、活性層を安定して成長できるとともに、成長速度が速く良好な膜質が得られるという観点から、ＭＯＣＶＤ法を用いることが好ましい。以下、複合基板１０の各構成を説明する。

＜第１の基板＞
本発明で用いる第１の基板１を構成する窒化物系化合物半導体は、特に限定されず、従来公知の窒化物系化合物半導体を用いることができるが、六方晶の結晶構造を有するものが好ましい。六方晶の結晶構造を有する窒化物系化合物半導体を使用すると、その上に形成されるエピタキシャル層においても六方晶の結晶構造が安定して形成される。そのため、デバイス形成を目的にＭＯＣＶＤ法により形成する六方晶の結晶構造を備えるエピタキシャル層を良好な品質にできる。

本発明に用いられる窒化物系化合物半導体としては、たとえばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどを挙げることができ、これらを各単独で、あるいは２種以上を組み合わせて用いることができる。このような材料うち、結晶性が良好で、かつ既にバルク基板が製造販売され入手しやすいという観点から、その９０質量％以上を窒化ガリウムで構成することが好ましい。

なお、第１の基板１の厚みは、５０ｎｍ〜５０μｍとすることが好ましく、１００ｎｍ〜２μｍとすることがより好ましい。この理由は、５０ｎｍ未満の場合、エピタキシャル層を成長させるための第１の基板の表面の加工が難しくなるため、また５０μｍを超えるとイオン照射やプラズマ照射で脆弱領域を形成し剥離させることが難しくなるためである。

＜第２の基板＞
第２の基板２は、窒化物系化合物半導体からなる第１の基板１を貼り合わされる。第２の基板２は、第１の基板１を構成する材料と同一の材料（物質）から構成されてもよいし、或いは第１の基板を構成する材料以外の物質から構成されてもよく、特に限定されない。第２の基板２を構成する材料は、好ましくは、第１の基板１と貼り合わせるとき、および第１の基板上にエピタキシャル層を成長させるときの高温環境に耐え得るような耐熱性を備える。より好ましくは、第２の基板２の材料として、１０００℃以上の温度に耐えることができる耐熱性を有する材料を選択する。

第２の基板は、第１の基板を構成する窒化物系化合物半導体と異なる組成であってもよいし、第１の基板を構成する窒化物系化合物半導体と同一の組成であって、その結晶状態が異なっていてもよい。

また、第２の基板２は、第１の基板１上にエピタキシャル層を成長させる際に、アンモニアなどのガス雰囲気に晒されることから、このようなガス雰囲気に耐え得る耐腐食性を有することが好ましい。

さらに、第２の基板２には、第１の基板１の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料を用いることが好ましい。これにより第１の基板１と貼り合わせた後に、第１の基板１上に９００℃以上でエピタキシャル層を成長させる時に第１の基板１が割れることを防止することができる。また、第２の基板２は、第１の基板１に比し安価であることが好ましい。

窒化物系化合物半導体からなる第２の基板を用いる場合、好ましくは、第１の基板と第２の基板との間にＳｉＯ₂膜を形成する。これにより、第１の基板と第２の基板とを貼り合わせた複合基板上にエピタキシャル層を形成した後、ＳｉＯ₂膜に対し、フッ酸などの溶液でエッチング、または第２の基板の下面からレーザなどを照射することにより、第１の基板と第２の基板との界面で剥離することができる。このようにして剥離した第２の基板は、次の複合基板を作製する時に再利用されてもよい。

以上の諸点を考慮すると、第２の基板２としては、たとえばサファイア、Ｓｉなどの単結晶や、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｒＢ₂、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、スピネルなどの単結晶や多結晶、金属基板などを挙げることができる。第２の基板２としてＧａＮを用いる場合には、特にＧａＮの多結晶であることが好ましいが、第１の基板よりも結晶性に劣るものであってもよい。なお、このような第２の基板２は、第１の基板１を保持できる程度の硬さまたは厚みを有している限り、その形状や物性は限定されないが、その厚みとしては、５０μｍ程度以上の厚み（すなわち第１の基板１の厚みよりも大きい厚み）を有するものが好ましい。

たとえば熱膨張係数が５．４×１０^-6／℃のＧａＮ基板を第１の基板１として用いる場合、第２の基板２としては、熱膨張係数が７．５×１０^-6／℃のスピネル基板、熱膨張係数が７×１０^-6／℃のサファイア基板、熱膨張係数が２．６×１０^-6／℃のＳｉ基板、熱膨張係数が４．２×１０^-6／℃のＡｌＮなどを用いることが好ましい。なお、本発明における熱膨張係数は、熱機械分析装置（ＴＭＡ：Thermo Mechanical Analysis）により測定された値を採用するものとする。

＜複合基板の製造方法＞
以下、図２〜図４を参照しつつ、本発明の複合基板の製造方法を説明する。
図２は、バルク基板に脆弱領域を形成した後の状態を示す模式的な断面図であり、図３は、バルク基板に第２の基板を貼り合わせた後の貼り合わせ基板を示す模式的な断面図であり、図４は、脆弱領域を境として貼り合わせ基板を分離して製造した複合基板を示す図である。

（実施の形態１）
本発明者は、窒化物系化合物半導体からなる基板と第２の基板との貼り合わせ面での接合強度が弱いという問題を克服するために複合基板の製造工程を再検討した。特に、複合基板の製造プロセスにおける脆弱領域を境として貼り合わせた基板を分離する工程を見直したところ、貼り合わせた基板を分離する前に、基板をある一定温度まで昇温することにより、貼り合わせ面での接合強度を高めることができるという知見が得られた。

このような知見に基づき、接合強度を高めるための温度条件に関し、さらに検討を重ねたところ、極めて精密な温度調節が必要であることが明らかとなった。つまり、昇温したときの温度が低すぎると接合強度を十分に高めることができず、逆に高すぎると接合強度が十分に高められる前に脆弱領域での分離が進行してしまうことがわかった。

そこで、本発明者らは、脆弱領域での分離が進行することなく、貼り合わせ面の接合強度を高めるための温度条件を検討したところ、かかる温度条件は、貼り合わせる両基板の熱膨張係数差と密接に関係していることを見い出し、ついに本実施の形態１を完成するに至った。

すなわち、本実施の形態１は、窒化物系化合物半導体からなる第１の基板の熱膨張係数と第２の基板の熱膨張係数との差が大きいほど、貼り合わせ基板を昇温したときの温度を低くするというように、接合強度を高めるための温度条件を設定することにより、第１の基板と第２の基板との接合強度を高めることに成功したものである。

本実施の形態１の複合基板の製造方法は、窒化物系化合物半導体からなるバルク基板４の表面からイオン注入を行なうステップ（図２）と、バルク基板４の表面が第２の基板２に対向するようにしてバルク基板４と第２の基板２とを貼り合わせることにより貼り合わせ基板２０を得るステップ（図３）と、貼り合わせ基板を第１温度まで昇温するステップと、該第１温度を一定時間保持するステップと、バルク基板４の一部が第２の基板２上に残るように、バルク基板４の他の部分を貼り合わせ基板２０から分離することにより複合基板を生成するステップ（図４）とを含むことを特徴とする。各ステップの詳細を以下に説明する。

［イオンを注入するステップ］
第１の基板を構成することになる窒化物系化合物半導体のバルク基板４を準備する。かかるバルク基板４は、貼り合わせやハンドリングで破壊しない厚みを有する必要がある。

バルク基板４の一方の表面に対し、イオン照射やプラズマ照射などを行なうことにより、その表面から所定の深さにイオンを注入することができる。そして、このイオン注入された領域が脆弱領域３となる。後の工程では、この脆弱領域３においてバルク基板を分離する（図４）。なお、イオン照射などを行なうことによりバルク基板４から薄い厚みの基板を分離する上述の一連の操作はイオンカットプロセスと呼ばれることがある。

脆弱領域３は、イオン照射することにより形成されることが好ましい。この脆弱領域３は、熱を加えたり力を加えたりすることにより分離（剥離）される領域である。注入されるイオンは、いかなる元素のイオンも使用することができるが、水素、ヘリウム、窒素、Ａｒなどが好ましく、水素、ヘリウムなどの軽元素であることが特に好ましい。このような軽元素を用いることにより、バルク基板４の比較的深い位置にまでイオンを注入できるとともに、イオンの通過によるバルク基板４の結晶の劣化を抑制することができる。

脆弱領域３に含まれるイオンのドーズ量は、後の工程でバルク基板４を分離できる程度であれば特に制限はないが、バルク基板４の分離しやすさの観点から、１×１０¹⁷ｃｍ^-2以上１×１０¹⁸ｃｍ^-2以下であることが好ましい。１×１０¹⁷ｃｍ^-2未満であると、後の工程でバルク基板４を分離しにくくなる傾向がある。一方、１×１０¹⁸ｃｍ^-2を超えると、バルク基板４を分離した後に第２の基板２上に残る第１の基板の結晶性が悪くなる場合や、注入したイオンが常温で第１の基板の表面に現れて表面が荒れることにより、接合できなくなる場合がある。

イオン注入を行なうときのイオンの加速電圧は、５０ｋｅＶ以上１５０ｋｅＶ以下であることが好ましい。加速電圧が５０ｋｅＶ未満であると、バルク基板４にイオンが十分な深さで注入されないことにより、バルク基板４の分離時に支障をきたす。１５０ｋｅＶを超えると、バルク基板４の深さ方向にイオンを注入される幅が広くなり、脆弱領域３の厚みが厚くなる。イオン注入を行なうときの温度は、室温以上１５０℃未満であることが好ましい。

ここで、バルク基板４にイオンを注入する前に、そのイオン注入を行なう面を研磨することが好ましい。このようにバルク基板４を研磨することにより、第２の基板２と良好に貼り合わせることができる。

また、バルク基板４の表面は、一方の面がウエハ面であり、もう一方の面がＮ面となるが、イオン注入は、バルク基板４のＮ面に対して行なうことが好ましい。これにより第２の基板と貼り合わせる側とは反対側の第１の基板の面をウエハ面、すなわち（０００１）面とすることができる。よって、第１の基板上にエピタキシャル層を結晶成長させやすいという効果を有する。なお、本実施の形態では、バルク基板４の表面の法線方向からイオン注入を行なってもよいし、バルク基板４の表面の法線に対し、一定の角度θの方向からイオン注入を行なってもよい。角度θは、例えば０°＜θ≦７°である。

［貼り合わせるステップ］
次いで、上記のように脆弱領域３を形成したバルク基板４（第１の基板）を第２の基板２と貼り合わせることにより貼り合わせ基板２０を生成する（図３）。ここで、バルク基板４と第２の基板２とを貼り合わせる前に、その貼り合わせ面が鏡面となるように処理することが好ましい。このように両基板の表面を鏡面にした後に、その鏡面部分を対向させて荷重を加えながら加熱することにより、バルク基板４と第２の基板２とを良好に貼り合わせることができる。

上記の方法以外にも、たとえばプラズマ中にバルク基板４と第２の基板２とを曝すことにより貼り合わせる方法や、真空中でプラズマ、イオン、中性粒子などを作用させることによりバルク基板４と第２の基板２の表面の反応を促進させて貼り合わせる方法などがある。

或いは、貼り合わせ方法は、貼り合わせの界面付近以外において、基板自身の特性を保持できるような方法であれば特に限定されないが、たとえば有機化合物または無機化合物からなる接着剤を用いる接合が挙げられる。或いは、陽極接合、熱圧着、拡散接合などの固相接合、はんだ接合、共晶接合などの固液反応接合、局所溶融接合などの液相接合などを用いてもよい。

これらの接合方法の中でも、共晶接合法を用いることが好ましい。共晶接合法を用いて貼り合わせる場合、バルク基板４の表面に対し、金属膜を成膜した後、バルク基板４と第２の基板２とを重ね合わせて加熱することにより貼り合わせを行なう。このような金属膜は、ＷまたはＭｏのいずれか一方もしくは両方からなることが好ましい。これにより接合強度を高めることができる。尚、この金属膜は、イオン注入するステップの前に形成してもよいし、後に形成してもよい。

このような金属膜の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。５０ｎｍ未満であると、十分な接合強度が得られず、１０００ｎｍを超えると、金属膜が高温時に溶融してそれが複合基板の側面に回り込むため好ましくない。

共晶接合法以外の接合方法として、バルク基板の表面に第１被膜を形成し、第２の基板に第２被膜を形成し、第１被膜と第２被膜とを対向させて貼り合わせる方法を用いてもよい。被膜は、好ましくはイオンが移動しやすい材料で形成される。これにより、界面においてイオンが移動しやすくなりバルク基板４と第２の基板２を貼り合わせることができる。

なお、バルク基板の表面に第１被膜を形成する工程は、貼り合わせ基板を得るステップより前であればいつでもよく、イオンを注入するステップの前又は後に行われる。また、第２の基板に第２被膜を形成する工程も、貼り合わせ基板を得るステップより前であればいつでもよい。

このような第１被膜および第２被膜の好適な材料としては、ＳｉＯ₂のような酸化物、Ｓｉ₃Ｎ₄のような窒化物を挙げることができる。このような第１被膜および第２被膜の材料を構成するＳｉおよびＯは、第１の基板に不純物として取り込まれても、ドナーとして機能するというメリットがある。

第１被膜および第２被膜を形成する方法としては、蒸着、スパッタ、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）などを挙げることができる。一方、第２の基板がＳｉからなる場合、上記で挙げた方法に加え、その表面を熱酸化することにより、第２の基板の表面に第２被膜を形成してもよい。このようにして形成される第１被膜および第２被膜の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。５０ｎｍ未満であると、十分な接合強度が得られず、１０００ｎｍを超えると、バルク基板または第２の基板との熱膨張係数差で剥離する傾向がある。

上記のバルク基板４と第２の基板２との貼り合わせは、バルク基板４のＮ面側に第２の基板２を貼り合わせることが好ましい。これにより、後の工程でバルク基板４を分離したときに、第１の基板のエピタキシャル層を結晶成長させる側の面をＧａ面とすることができ、したがって第１の基板上にエピタキシャル層を結晶成長しやすくなる。

［第１温度に昇温するステップ及び第１温度を一定時間保持するステップ］
得られた貼り合わせ基板２０は、第１温度まで昇温し、かかる第１温度を一定時間保持される。この第１温度は、第１の基板１の熱膨張係数と第２の基板２の熱膨張係数とに基づいて定められる。すなわち、第１温度をＴ₁℃とし、第１の基板の熱膨張係数をＡ×１０^-6／℃とし、第２の基板の熱膨張係数をＢ×１０^-6／℃とすると、下記式（Ｉ）を満たすように定める。

２１５≦１０（Ａ−Ｂ）²−１０（Ａ−Ｂ）＋Ｔ₁≦４１０・・・（Ｉ）
式（Ｉ）を満たすように第１温度を調整することにより、脆弱領域３での剥離が進行することなく、バルク基板４（第１の基板）と第２の基板２との接合強度を顕著に高めることができる。このため、後の工程でバルク基板４を分離するときに、バルク基板４と第２の基板２との界面にかかる強い応力にも耐え得る。

式（Ｉ）中の１０（Ａ−Ｂ）²−１０（Ａ−Ｂ）＋Ｔ₁の上記下限値よりも低くなるように第１温度を定めると、接合強度を十分に高めることができず、逆に、上記の上限値よりも高くなるように第１温度を定めると、バルク基板４（第１の基板）および第２の基板２の接合強度を高める前に、脆弱領域３での分離が進行してしまうことになり好ましくない。

上記の式（Ｉ）中の１０（Ａ−Ｂ）²−１０（Ａ−Ｂ）＋Ｔ₁の下限値は、３２５であることがより好ましく、さらに好ましくは３５５である。一方、上限値は、３９５であることがより好ましく、さらに好ましくは３８５である。第１温度が１００℃以上５００℃以下としたときに、式（Ｉ）を満たすように、第１の基板１および第２の基板２の熱膨張係数を定めることが好ましい。

第１温度を保持するときの雰囲気は、第１の基板１および第２の基板２の材料によっても異なるが、窒素、酸素、水素、アルゴン、およびアンモニアからなる群より選択される１種以上のガスを含む雰囲気であることが好ましい。

また、第１温度を保持する時間ｔ₁は、第１温度Ｔ₁によって定めることが好ましいことが実験によりわかっている。すなわち、第１温度Ｔ₁とその保持時間ｔ₁とは、保持時間の逆数１／ｔ₁がｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴ₁）に比例するという関係がある。ここで、Ｅは、材料固有の活性化エネルギーの値であり、ｋはボルツマン定数である。上述の比例関係から導き出される保持時間ｔ₁は、第１温度が高温であるほど短時間となり、第１温度が低温であるほど長時間となる。かかる第１温度の保持時間Ｔ₁は、１０分以上３００分以下であることが好ましい。

［バルク基板を分離するステップ］
上記のようにして貼り合わせたバルク基板の一部である第１の基板１が第２の基板２上に残るように、バルク基板の他の部分６を貼り合わせ基板２０から分離することにより、第２の基板２上に第１の基板１を貼り合わせた複合基板を作製することができる（図４）。

脆弱領域３におけるバルク基板の分離は、脆弱領域３になんらかのエネルギーを加えることにより行なわれる。その方法は特に限定されず、応力を加えたり、熱を加えたり、超音波を印加したり、光を照射したり、工具により切断したりなどのいずれの方法でもよい。

具体的には、たとえばバルク基板を研磨などする方法、バルク基板をスライスする方法、バルク基板自体を昇温させる方法などを挙げることができる。バルク基板をスライスする方法としては、たとえば、放電加工機、ワイヤーソー、外周刃、内周刃、レーザ照射などを用いることが好ましい。

一方、バルク基板自体を昇温させる方法を用いる場合、貼り合わせ基板２０を第２温度まで昇温し、かかる第２温度を一定時間保持することが好ましい。第２温度まで昇温することによりバルク基板に注入されたイオンが膨張して、バルク基板が脆弱領域３を境に分離することができる。

かかる第２温度は、脆弱領域３のイオンのドーズ量によって異なり、ドーズ量が大きい（すなわちイオン注入量が多い）ほど第２温度は低くなる傾向がある。また、第２温度は接合強度を高めるための第１温度よりも高温である必要があるため、第２温度を第１温度よりも高く設定し、必要な第２温度に対して前述の範囲内でドーズ量を決定する。このような第２温度は、１５０℃以上５５０℃以下であることが好ましい。

また、第２温度の保持時間は、上述の第１温度のときと同様に、第２温度Ｔ₂とその保持時間ｔ₂とは、保持時間の逆数１／ｔ₂がｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴ₂）に比例するという関係がある。かかる保持時間は１０分程度であることが好ましい。第２温度を保持する雰囲気は、第１温度を保持するときの雰囲気と同様であることが好ましい。

［第３温度に昇温するステップ及び第３温度を一定時間保持するステップ］
上記のようにして作製された複合基板に対し、複合基板を第３温度まで昇温し、かかる第３温度を一定時間保持することが好ましい。第３温度を保持することにより、第１の基板１と第２の基板２との接合強度を高めることができ、これによりデバイス作製時の歩留まりを向上させることができる。

また、複合基板を第３温度に保持することにより、脆弱領域を形成したときに注入したイオンを第１の基板から脱ガスすることができ、第１の基板の窒化物系化合物半導体の結晶性を回復すること（すなわち優れた結晶性を得ること）ができる。なお、かかるイオンの脱ガスは、機械的または化学的にダメージを除去することにより行ってもよい。

第１の基板１は、第２の基板２に対して著しく薄い厚みであるため、上記の第３温度は、上述の第１温度および第２温度よりも高温にしても各基板の熱膨張係数差に起因する剥離が生じにくい。このことから、第３温度は、６００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。また、上述のように貼り合わせ面に金属膜、第１被膜、および第２被膜を形成する場合、第３温度まで昇温することにより、これらの構成材料が固溶体となり、さらに接合強度を高めることができる。

また、第３温度の保持時間は、上述の第１温度の保持時間と同様に、第３温度Ｔ₃とその保持時間ｔ₃とは、保持時間の逆数１／ｔ₃がｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴ₃）に比例するという関係があり、その保持時間は１５秒以上６０分以下であることが好ましい。なお、第３温度を保持するときの雰囲気は、第１温度を保持するときの雰囲気と同様のものを用いることが好ましい。

（実施の形態２）
本実施の形態２の複合基板の製造方法は、窒化物系化合物半導体からなるバルク基板の表面の法線に対し、０°＜θ≦７°となる角度θでイオン注入を行なうステップ（図２）と、バルク基板の表面が第２の基板に対向するようにしてバルク基板と第２の基板とを貼り合わせるステップ（図３）と、バルク基板の一部である第１の基板が第２の基板上に残るように、バルク基板の他の部分を第２の基板から分離することにより複合基板を生成するステップ（図４）とを含むことを特徴とする。

本実施の形態２では、バルク基板にイオンを注入するステップにおいて、バルク基板の法線に対し０°＜θ≦７°の角度θでイオン注入を行なうことを特徴とする。これにより、実施の形態１と同等の接合強度を高める効果を得ることができる。以下においては、本実施の形態２の製造方法を説明するが、実施の形態１と重複する部分の説明は繰り返さない。

［特定の角度θからイオンを注入するステップ］
本実施の形態２では、バルク基板４の表面の法線に対し、０°＜θ≦７°の角度θでイオン注入を行なう。このようにバルク基板４の表面の法線に対し、垂直でなく、かつ７°以下の傾きをもってイオンを照射することにより、バルク基板４（第１の基板）と第２の基板との接合強度を高めることができる。このようにバルク基板に対し特定の角度を以ってイオンを注入する場合には、必ずしも実施の形態１のように第１温度に昇温・保持しなくてもよい。なお、第１温度に昇温してもよいことは言うまでもない。

上記のような角度でイオンを照射したときに第１の基板と第２の基板との接合強度が高められる詳細なメカニズムは明らかでないが、おそらくイオンを斜めから照射することにより、注入したイオンがバルク基板を構成する結晶のｃ軸方向のみならずａ軸方向に配置されることになり、バルク基板を構成する結晶のａ軸方向に圧縮または引張応力が加わったときに、その応力を補完するように上記のａ軸方向に配置されたイオンが転移する。これにより、第１の基板のクッション性が向上し、バルク基板（第１の基板）と第２の基板との接合強度を高められるものと推察される。

一方、イオンをバルク基板の表面に対し垂直方向に注入したときには、イオンがそれを構成する結晶のｃ軸方向に配置されやすくなるため、上記のクッション性が得られず、接合強度の向上効果が得られないものと考えられる。

ところで、バルク基板の結晶におけるイオンの配置（ａ軸方向またはｃ軸方向）は、イオンを注入した後のバルク基板を構成する結晶の軸長比に基づいて推定する。この軸長比は、イオン注入した後のバルク基板をＸ線回析することにより、結晶のｃ軸の長さとａ軸の長さとの測定値を得、かかる測定値に基づいて算出される。そして、軸長比ｃ／ａが大きいほどｃ軸方向にイオンが配置されることを示し、軸長比ｃ／ａが小さいほどａ軸方向にイオンが配置されることを示すものと考えられる。よって、軸長比ｃ／ａの値が小さいほど、バルク基板のクッション性が高められて、接合強度が高まることになる。

上記のように、本発明の実施形態２は、バルク基板の表面の法線に対し０°＜θ≦７°の角度θでイオン注入を行なうことを除いては、実施の形態１と同様の方法により本実施の形態の複合基板を作製することができる。

以下、実施例および参考例を挙げ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。

＜参考例１＞
まず、窒化物系化合物半導体のバルク基板として、酸素をドーピングした直径５０．８ｍｍのＧａＮウェハを用い、このＧａＮウェハの両面を研磨することにより両面が鏡面化されたバルク基板（厚み５００μｍ）を準備した。このバルク基板を構成する窒化物系化合物半導体（ＧａＮ）は、六方晶の結晶構造を有し、（０００１）面がウエハ面であり、比抵抗は１オーム・ｃｍ以下、キャリア濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であった。

次いで、このバルク基板のＮ面に、その面の法線方向から水素イオンを照射（注入）することにより、バルク基板のＮ面からの深さが約３００〜５００ｎｍの領域に脆弱領域を形成した（図２）。照射条件は、加速電圧を６０ｋｅＶとし、ドーズ量は５×１０¹⁷／ｃｍ²で行なった。

その後、この照射面を洗浄し、続いてこのバルク基板をＣＶＤ装置に入れた。そして、バルク基板のＮ面上に、ＳｉＯ₂からなる第１被膜を２５０ｎｍの厚みで成長させた。次に、バルク基板をドライエッチング装置に入れ、Ａｒガス中でバルク基板の第１被膜に対して放電させることにより、プラズマでその表面を清浄化した。

一方、直径５０．８ｍｍであって厚みが３００μｍのスピネルからなる第２の基板に対して、その表面に２５０ｎｍ厚みのＳｉＯ₂からなる第２被膜を形成した。この第２の基板の第２被膜をＡｒガス中で放電させて、その表面をプラズマ処理した。

そして、大気中で上記のバルク基板の第１被膜形成面と第２の基板の第２被膜形成面とを対向させて貼り合わせ、これをドライエッチングチャンバーに入れ、Ａｒガスを導入した。ＲＦパワーを１００Ｗとし、Ａｒガスの導入流量を５０ｓｃｃｍとし、チャンバ内の圧力を６．７Ｐａとした。

以上の操作で、バルク基板４と第２の基板とを貼り合わせるが、その界面での接合強度が十分ではないため、引き続き窒素中でこれを第１温度である３００℃に昇温し、１２０分間保持することにより両者の接着強度を高めた（図３）。

次に、これを第２温度である４００℃に昇温し、１０分間保持した。これにより上記で注入された水素イオンを膨張させて、第２の基板上に第１の基板が残るようにバルク基板を分離し（図４）、本実施例の複合基板を得た。このようにして得られた複合基板における第１の基板の厚みは約４００ｎｍであった。

参考例２〜３５、実施例３６〜３７、参考例３８〜４７及び比較例１〜３は、表１及び表２に従い以下の通り作成した。なお、表１で示される材料の熱膨張係数について、それぞれＧａＮは５．４×１０^-6／℃、スピネルは７．５×１０^-6／℃、サファイアは７×１０^-6／℃、Ｓｉは２．６×１０^-6／℃、ＡｌＮは４．２×１０^-6／℃であった。

＜参考例２〜９＞
参考例１の複合基板に対し、第１温度およびそれを保持する時間が以下の表２のように異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。なお、表２中の「−」の欄は、その温度まで昇温を行なわなかったことを示す。

＜参考例１０〜１１＞
参考例１の複合基板に対し、バルク基板にイオン注入したときのドーズ量が表２のように異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜参考例１２〜１４＞
参考例１の複合基板に対し、バルク基板のサイズが表１のように異なり、第１温度が表２のように異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜参考例１５〜２６＞
参考例１２の複合基板に対し、第２の基板の組成が表１のように異なり、第１温度が表２のように異なることを除き、参考例１２と同様の方法により作製した。たとえば、参考例１６は、ＧａＮからなる第２の基板を用い、第１温度を３６０℃としてバルク基板と第２の基板とを貼り合わせたことを示す。なお、参考例１５〜１７においては、第２の基板としてＧａＮからなる多結晶を用いたが、第１の基板を構成するＧａＮよりも結晶性が劣るものを用いてもよい。また、参考例２１〜２３において、第２の基板の第２被膜は、熱酸化することにより形成してもよい。

＜参考例２７〜２８＞
参考例１の複合基板に対し、複合基板を作製した後に、さらに第３温度まで昇温・保持するステップを含むことが異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。たとえば、表２中の参考例２７は、複合基板を作製した後に、その温度を８００℃で５分間保持したことを示す。

＜参考例２９〜３５＞
参考例１の複合基板に対し、複合基板を作製した後に第３温度まで昇温するステップを含むことが表２のように異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜実施例３６＞
参考例１の複合基板に対し、シリコンからなる第２の基板を用いたこと、バルク基板の表面に第１被膜を形成する代わりに２５０ｎｍの厚みのＷからなる金属膜を形成したこと、および第２の基板の表面に第２被膜を形成しなかったことを除き、参考例１と同様の方法により作製した。なお、表１中の「−」の欄は第２被膜を形成しなかったことを示す。

＜実施例３７＞
実施例３６の複合基板に対し、複合基板を作製した後に第３温度まで昇温するステップを含むことが表２のように異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜参考例３８〜４３＞
参考例１の複合基板に対し、イオン注入するときの角度、および第１温度に昇温・保持するステップを含まないことが異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。たとえば、表２中の参考例３９は、バルク基板のＮ面の法線に対し、０．３°をなす角度でイオン注入を行なったが、第１温度への昇温および保持は行なわなかった。

＜参考例４４〜４５＞
参考例１の複合基板に対し、表１及び表２に示すようにイオン注入するときの角度、およびバルク基板のサイズが異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜参考例４６＞
参考例４４の複合基板に対し、第３温度に昇温・保持するステップを含むことを除き、参考例４４と同様の方法により作製した。第３温度に昇温・保持する温度条件は、表２に示すとおりである。

＜参考例４７＞
参考例４５の複合基板に対し、第３温度に昇温・保持するステップを含むことを除き、参考例４５と同様の方法により作製した。第３温度に昇温・保持する温度条件は、表２に示すとおりである。

＜比較例１＞
参考例１の複合基板に対し、第１温度に昇温・保持するステップを含まないことが異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜比較例２〜３＞
参考例１の複合基板に対し、第１温度に昇温・保持するステップが表２のように異なることを除き、参考例１と同様の方法により作製した。

＜デバイスの作製＞
次に、各実施例、各参考例および各比較例の複合基板のそれぞれの第１の基板上に、ＭＯＣＶＤ法によりＩＩＩ族窒化物半導体からなるエピタキシャル層を形成した。このエピタキシャル層は、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層、厚さ０．５μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層、６対のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層とＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ層とで構成される多重量子井戸構造を有する厚さ１００ｎｍの発光層、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層および厚さ０．１５μｍのｐ型ＧａＮ層からなるものである。

そして、ドライエッチングによりｎ型ＧａＮ層の一部を残すように他のエピタキシャル層を除去した後、真空蒸着法または電子ビーム蒸着法により、ｐ型ＧａＮ層上にｐ側電極を形成した。次いで、ｎ型ＧａＮ層（他のエピタキシャル層が除去された部分）上にｎ側電極を形成することにより、半導体デバイスであるＬＥＤを得た。

＜接合強度の評価＞
各実施例、各参考例および各比較例の複合基板において、デバイスを作製する前後の第１の基板と第２の基板とが接合している部分の面積は、それぞれにつき複合基板及びデバイスを写真撮影し、画像処理装置を用いて測定した。これにより第１の基板の表面の面積に対し、第２の基板が接合している面積（以下、「接合面積率」と記す）を算出した。デバイス作製前の接合面積率（％）を表３の「形成前」の欄に示し、デバイス作製後の接合面積率（％）を表３の「形成後」の欄に示す。

表３に示される接合面積率の結果から、各実施例および各比較例の複合基板は、各比較例の複合基板と比較すると、第１の基板と第２の基板との界面において剥離が生じにくいことが明らかである。これは、実施例１〜３７では、本発明による第１温度に昇温して保持したことにより、第１の基板と第２の基板との接合強度が高められたものと考えられる。また、実施例３８〜４７では、バルク基板の法線に対してイオンを斜めから照射したことにより、第１の基板の結晶の軸長比ｃ／ａが小さくなり（表２参照）、これにより第１の基板と第２の基板との接合強度が高められたものと考えられる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１第１の基板、２第２の基板、３脆化領域、４バルク基板、１０複合基板、２０貼り合わせ基板。

Claims

窒化物系化合物半導体からなる第１の基板と、該第１の基板を構成する材料と同一又は異なる材料からなる第２の基板とを貼り合わせてなるエピタキシャル層成長用の複合基板の製造方法であって、
前記窒化物系化合物半導体からなるバルク基板の表面からイオン注入を行なうステップと、
前記バルク基板の前記表面が前記第２の基板に対向するようにして前記バルク基板と、前記第２の基板とを貼り合わせることにより貼り合わせ基板を得るステップと、
前期貼り合わせ基板を第１温度まで昇温するステップと、
前記第１温度を一定時間保持するステップと、
前記バルク基板の一部である前記第１の基板が前記第２の基板上に残るように、前記バルク基板の他の部分を前記貼り合わせ基板から分離することにより複合基板を生成するステップと、
前記バルク基板の前記表面からイオン注入を行なうステップの前又は後に、前記バルク基板の前記表面に対し、金属膜を成膜するステップと、を含み、
前記金属膜は、ＷまたはＭｏのうちのいずれか一方もしくは両方からなり、
前記第１温度をＴ₁℃とし、前記第１の基板の熱膨張係数をＡ×１０^-6／℃とし、前記第２の基板の熱膨張係数をＢ×１０^-6／℃とすると、下記式（Ｉ）を満たす、複合基板の製造方法。
２１５≦１０（Ａ−Ｂ）²−１０（Ａ−Ｂ）＋Ｔ₁≦４１０・・・（Ｉ）
前記複合基板を生成するステップにおいて、貼り合わせ基板を第２温度まで昇温して、前記第２温度を一定時間保持することにより、前記バルク基板の他の部分を前記貼り合わせ基板から分離する、請求項１に記載の複合基板の製造方法。
前記複合基板を生成するステップの後に、
前記複合基板を第３温度まで昇温するステップと、
前記第３温度を一定時間保持するステップとをさらに含む、請求項１または２に記載の複合基板の製造方法。
前記第３温度は、６００℃以上１０００℃以下である、請求項３に記載の複合基板の製造方法。