JP6091969B2 - Manufacturing method of base substrate and manufacturing method of group III nitride semiconductor substrate - Google Patents

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Description

本発明は、下地基板の製造方法およびIII族窒化物半導体基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a base substrate and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate.

近年、GaN等のIII族窒化物半導体基板を窒化物系光デバイスや、電子デバイスの基板として用いることが検討されている。このIII族窒化物半導体基板を作製する方法としては、サファイア基板等の異種基板上にIII族窒化物半導体基板となる所定以上の厚さを有するIII族窒化物層を形成した後、異種基板を除去することが行なわれている(たとえば、特許文献1、2参照)。   In recent years, it has been studied to use a group III nitride semiconductor substrate such as GaN as a substrate for a nitride-based optical device or an electronic device. As a method of manufacturing this group III nitride semiconductor substrate, after forming a group III nitride layer having a predetermined thickness or more to be a group III nitride semiconductor substrate on a different type substrate such as a sapphire substrate, the different type substrate is formed. Removal is performed (for example, refer to Patent Documents 1 and 2).

特開2003−55097号公報JP 2003-55097 A 特開2008−120670号公報JP 2008-120670 A

異種基板上で、III族窒化物半導体基板となるような厚さを有するIII族窒化物層を成長させた場合、異種基板とIII族窒化物層との線膨張係数差に起因する応力がIII族窒化物層にかかることとなる。この応力を利用して異種基板とIII族窒化物層とを分離することができるが、異種基板とIII族窒化物層との分離位置あるいは分離形状にばらつきが生じやすい。そして、このばらつきに起因したIII族窒化物半導体基板の生産性の低下が懸念されている。   When a group III nitride layer having a thickness that becomes a group III nitride semiconductor substrate is grown on a different type substrate, the stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the different type substrate and the group III nitride layer is III. It will be applied to the group nitride layer. This stress can be used to separate the dissimilar substrate and the group III nitride layer, but the separation position or shape of the dissimilar substrate and the group III nitride layer is likely to vary. There is a concern that the productivity of the group III nitride semiconductor substrate is lowered due to this variation.

そこで、本発明者らは、III族窒化物半導体の下地基板を製造することを検討し、この下地層上にIII族窒化物半導体層を形成することで、III族窒化物半導体基板の生産性を向上させることができると考えた。
そして、III族窒化物半導体の下地基板の製造方法について種々の検討を行い、以下の製造方法を発案した。
すなわち、本発明によれば、
基材層上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層上に、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、前記III族窒化物半導体層から前記基材層を剥離して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体の下地基板を得る工程と、
を含み、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の前記積層体を前記エピタキシャル成長の成長温度よりも高い温度で熱処理する下地基板の製造方法が提供される。
Therefore, the present inventors examined the production of a group III nitride semiconductor base substrate, and formed a group III nitride semiconductor layer on the base layer, thereby improving the productivity of the group III nitride semiconductor substrate. We thought that we could improve.
Then, various studies were made on a method for manufacturing a base substrate of a group III nitride semiconductor, and the following manufacturing method was proposed.
That is, according to the present invention,
Forming a carbide layer selected from aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide and tantalum carbide on the base material layer;
Nitriding the carbide layer;
Epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer on the nitrided carbide layer;
A laminate comprising the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer is heat-treated in a state of being immersed in a liquid of a group III element, and the base material layer is removed from the group III nitride semiconductor layer. Peeling and obtaining a base substrate of a group III nitride semiconductor including the group III nitride semiconductor layer; and
Including
In the heat treatment, there is provided a method for manufacturing a base substrate in which the stacked body of the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer is heat-treated at a temperature higher than a growth temperature of the epitaxial growth .

このような方法では、基材層とIII族窒化物半導体層とを剥離する際に、基材層とIII族窒化物半導体層との線膨張係数差による応力に大きく依存せずに、基材層とIII族窒化物半導体層とを剥離することができることがわかった。これにより、下地基板を生産性良く得ることができる。
そして、このような下地基板上に同種のIII族窒化物半導体層を形成すれば、III族窒化物半導体基板を生産性よく得ることができる。
In such a method, when the base material layer and the group III nitride semiconductor layer are peeled off, the base material layer does not greatly depend on the stress due to the difference in linear expansion coefficient between the base material layer and the group III nitride semiconductor layer. It was found that the layer and the group III nitride semiconductor layer can be peeled off. Thereby, a base substrate can be obtained with high productivity.
If the same group III nitride semiconductor layer is formed on such a base substrate, the group III nitride semiconductor substrate can be obtained with high productivity.

すなわち、本発明によれば、上述した記載の下地基板の製造方法を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法であり、
前記下地基板の製造方法により、製造された前記下地基板上に、さらにIII族窒化物半導体層を成長させる工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
That is, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate including the above-described method for manufacturing a base substrate,
According to the method for manufacturing a base substrate, there is provided a method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate including a step of further growing a group III nitride semiconductor layer on the manufactured base substrate.

本発明によれば、III族窒化物半導体基板の生産性を向上できる下地基板の製造方法およびこの製造方法を使用したIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the base substrate which can improve the productivity of a group III nitride semiconductor substrate, and the manufacturing method of the group III nitride semiconductor substrate using this manufacturing method are provided.

(a)〜(c)は、本発明の一実施形態にかかる下地基板の製造工程を示す工程断面図であり、基材層の厚さ方向に沿った断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing which shows the manufacturing process of the base substrate concerning one Embodiment of this invention, and is sectional drawing along the thickness direction of the base material layer. HVPE装置の概略図である。It is the schematic of an HVPE apparatus. 熱処理時の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state at the time of heat processing. 熱処理に使用する容器を示す図である。It is a figure which shows the container used for heat processing. 熱処理に使用する容器を示す図である。It is a figure which shows the container used for heat processing. (a)〜(c)は、下地基板の製造工程を示す工程断面図であり、基材層の厚さ方向に沿った断面図である。(A)-(c) is process sectional drawing which shows the manufacturing process of a base substrate, and is sectional drawing along the thickness direction of the base material layer. (a)および(b)は、半導体基板の製造工程を示す工程断面図であり、下地基板の厚さ方向に沿った断面図である。(A) And (b) is process sectional drawing which shows the manufacturing process of a semiconductor substrate, and is sectional drawing along the thickness direction of a base substrate. 半導体基板の製造工程の変形例を示す図であり、下地基板の厚さ方向に沿った断面図である。It is a figure which shows the modification of the manufacturing process of a semiconductor substrate, and is sectional drawing along the thickness direction of a base substrate.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。
(下地基板の製造工程)
はじめに、図1及び図6を参照して、本実施形態の下地基板の製造工程の概要について説明する。
本実施形態の下地基板10の製造方法は、
基材層11上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層12を形成する工程と、
前記炭化物層12を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層12上に、III族窒化物半導体層15をエピタキシャル成長させる工程と、
基材層11、窒化された炭化物層12およびIII族窒化物半導体層15で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、III族窒化物半導体層15から前記基材層11を剥離して、前記III族窒化物半導体層15を含むIII族窒化物半導体の下地基板10を得る工程とを含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is appropriately omitted so as not to overlap.
(Manufacturing process of base substrate)
First, an outline of the manufacturing process of the base substrate according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
The manufacturing method of the base substrate 10 of this embodiment is as follows:
Forming a carbide layer 12 selected from aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide and tantalum carbide on the base material layer 11;
Nitriding the carbide layer 12;
Epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer 15 on the nitrided carbide layer 12;
A laminate composed of the base material layer 11, the nitrided carbide layer 12, and the group III nitride semiconductor layer 15 is heat-treated while being immersed in a liquid of a group III element, and the group III nitride semiconductor layer 15 forms the base Peeling the material layer 11 to obtain a group III nitride semiconductor base substrate 10 including the group III nitride semiconductor layer 15.

次に、図1〜6を参照して、本実施形態の下地基板10の製造工程について詳細に説明する。
はじめに、基材層11を用意する。基材層11としては、下地基板10とは異なる異種基板であることが好ましく、たとえば、サファイア基板、スピネル基板、SiC基板、ZnO基板、シリコン基板、GaAs基板、GaP基板等から選択される基板を使用することができる。なかでも、市販品の結晶品質およびコストの観点からサファイア基板が好ましい。
Next, with reference to FIGS. 1-6, the manufacturing process of the base substrate 10 of this embodiment is demonstrated in detail.
First, the base material layer 11 is prepared. The base material layer 11 is preferably a different substrate from the base substrate 10. For example, a substrate selected from a sapphire substrate, spinel substrate, SiC substrate, ZnO substrate, silicon substrate, GaAs substrate, GaP substrate and the like is used. Can be used. Among these, a sapphire substrate is preferable from the viewpoint of crystal quality and cost of commercially available products.

(炭化物層12の形成)
次に、図1(a)に示すように、この基材層11上に、炭化物層12を形成する。
炭化物層12としては、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれか1種以上からなる層とすることができる。たとえば、炭化物層12が炭化アルミニウム層、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化バナジウム層、炭化タンタル層のいずれかである場合、炭化アルミニウム層、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化バナジウム層、炭化タンタル層は、それぞれAl、TiC、ZrC、HfC、VC、TaCが主成分となる。
ただしIII族窒化物半導体層15を構成するIII族原子のうちの少なくとも1種と、炭化物層12を構成する金属原子とは異なるものであることが好ましい。III族窒化物半導体層15が、InAlGaN(x+y+z=1、0≦x≦1、0<y≦1、0≦z≦1)層である場合、すなわち、Alを含む場合には、炭化物層12は、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルのいずれかの層であることが好ましい。
(Formation of carbide layer 12)
Next, as shown in FIG. 1A, a carbide layer 12 is formed on the base material layer 11.
The carbide layer 12 can be a layer made of any one or more selected from aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, and tantalum carbide. For example, when the carbide layer 12 is any one of an aluminum carbide layer, a titanium carbide layer, a zirconium carbide layer, a hafnium carbide layer, a vanadium carbide layer, and a tantalum carbide layer, an aluminum carbide layer, a titanium carbide layer, a zirconium carbide layer, and a hafnium carbide layer. The layers, vanadium carbide layer, and tantalum carbide layer are mainly composed of Al 4 C 3 , TiC, ZrC, HfC, VC, and TaC, respectively.
However, it is preferable that at least one of group III atoms constituting group III nitride semiconductor layer 15 is different from a metal atom constituting carbide layer 12. In the case where the group III nitride semiconductor layer 15 is an In x Al y Ga z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) layer, that is, when Al is included. The carbide layer 12 is preferably a layer of any of titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, and tantalum carbide.

炭化物層12は、有機金属気相成長法(MOVPE法)や、スパッタリング法により形成することができる。
たとえば、トリメチルアルミニウムを使用して、MOVPE法により、炭化アルミニウム層を形成してもよい。また、たとえば、ターゲットをTiとし、スパッタガスとしてArガスを使用し、反応性ガスとしてメタンガスを使用した反応性スパッタリングにより、炭化チタン層を形成してもよい。
炭化物層12の厚みはたとえば、20〜500nmである。20nm以上とすることで、炭化物層12の結晶性を向上することができ、また、500nm以下とすることで炭化物層12と基材層11とを剥離しやすくすることができる。
The carbide layer 12 can be formed by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE method) or sputtering.
For example, trimethylaluminum may be used to form an aluminum carbide layer by the MOVPE method. Further, for example, the titanium carbide layer may be formed by reactive sputtering using Ti as the target, Ar gas as the sputtering gas, and methane gas as the reactive gas.
The thickness of the carbide layer 12 is, for example, 20 to 500 nm. When the thickness is 20 nm or more, the crystallinity of the carbide layer 12 can be improved, and when the thickness is 500 nm or less, the carbide layer 12 and the base material layer 11 can be easily separated.

(炭化物層12の窒化)
次に、図1(b)に示すように、炭化物層12を窒化して、窒化された炭化物層12(符号120で示す)を形成する。窒化された炭化物層12は、基材層11に接する炭化物層12Aと、この炭化物層12A上に形成され、炭化物層12Aの結晶情報を引き継いだ窒化物層13とを有することとなる。
ただし、窒化物層13は、完全に炭化物層12Aを被覆しておらず、炭化物層12Aの一部が露出していてもよい。また、詳しくは後述するが、窒化物層13および炭化物層12Aの結晶性によっては、窒化物層13が炭化物層12Aを完全に被覆していてもよい。
(Nitriding of carbide layer 12)
Next, as shown in FIG. 1B, the carbide layer 12 is nitrided to form a nitrided carbide layer 12 (indicated by reference numeral 120). The nitrided carbide layer 12 has a carbide layer 12A in contact with the base material layer 11 and a nitride layer 13 formed on the carbide layer 12A and taking over the crystal information of the carbide layer 12A.
However, the nitride layer 13 may not completely cover the carbide layer 12A, and a part of the carbide layer 12A may be exposed. Further, as will be described in detail later, depending on the crystallinity of nitride layer 13 and carbide layer 12A, nitride layer 13 may completely cover carbide layer 12A.

たとえば、炭化物層12を以下の条件で窒化することができる。
窒化ガス:アンモニア(NH)ガス、Hガス、Nガス
窒化温度:300℃〜900℃
窒化時間:5分〜60分
なお、窒化温度は500℃以上700℃以下であることがより好ましく、特に好ましくは550℃以下である。
この工程では、炭化物層12の表面において、以下の反応(1)あるいは(2)が起こる。
Al+4NH→4AlN+3CH4・・・(1)式
2MC+2NH+H→2MN+2CH・・・(2)式
(2)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Taのいずれかである。
For example, the carbide layer 12 can be nitrided under the following conditions.
Nitriding gas: ammonia (NH 3 ) gas, H 2 gas, N 2 gas Nitriding temperature: 300 ° C. to 900 ° C.
Nitriding time: 5 minutes to 60 minutes The nitriding temperature is more preferably 500 ° C. or more and 700 ° C. or less, and particularly preferably 550 ° C. or less.
In this step, the following reaction (1) or (2) occurs on the surface of the carbide layer 12.
Al 4 C 3 + 4NH 3 → 4AlN + 3CH 4 (1) Formula 2MC + 2NH 3 + H 2 → 2MN + 2CH 4 (2) In Formula (2), M is Ti, Zr, Hf, V, One of Ta.

このとき、窒化温度を550℃以下とすることで、CHが分解してCが析出し、Cが窒化物層に混入することを抑制できる。これにより、III族窒化物半導体層の結晶性の低下を防止できる。Cの析出を抑制するには、水素の導入やアンモニア分圧を高めるのが有効である。
なお、300℃から900℃に昇温しながら炭化物層12を窒化してもよい。このようにすることで、窒化工程において、後述するIII族窒化物半導体層15の成膜温度付近まで、温度を近づけることができ、製造時間の短縮を図ることができる。
また、この工程で形成する窒化物層13の厚みは50nm以下であることが好ましい。
このように、窒化物層13の厚みを薄くしておくことで、基材層11を容易に剥離することができる。
At this time, by setting the nitriding temperature to 550 ° C. or lower, it is possible to suppress CH 4 from being decomposed and C to be precipitated, and C from being mixed into the nitride layer. Thereby, it is possible to prevent the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer from being lowered. In order to suppress the precipitation of C, it is effective to increase the introduction of hydrogen and the partial pressure of ammonia.
Note that the carbide layer 12 may be nitrided while the temperature is raised from 300 ° C. to 900 ° C. By doing so, in the nitriding step, the temperature can be brought close to the film forming temperature of the group III nitride semiconductor layer 15 to be described later, and the manufacturing time can be shortened.
The thickness of the nitride layer 13 formed in this step is preferably 50 nm or less.
Thus, the base material layer 11 can be easily peeled by reducing the thickness of the nitride layer 13.

なお、炭化物層12を窒化する際の反応ガスとしては、アンモニアが好ましい。反応ガスとしてアンモニア以外に窒素を使用しても窒化物を形成できるが、Cが生成し、Cが窒化物層13に混入した場合にはIII族窒化物半導体層の結晶品質に影響を与える可能性がある。   As a reaction gas when nitriding the carbide layer 12, ammonia is preferable. Nitride can be formed even if nitrogen is used as a reaction gas in addition to ammonia. However, when C is formed and C is mixed into the nitride layer 13, the crystal quality of the group III nitride semiconductor layer may be affected. There is sex.

ここで、AlからAlN、TiCからTiN、ZrCからZrN、HfCからHfN、VCからVNまたはTaCからTaNへの結晶情報の引継ぎは、これら炭化物と窒化物の結晶構造が同一で、格子不整合が小さいため極めて良好である。かつこれらすべての化合物の結晶構造が、六方晶あるいは面心立方晶に属するため、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長するのに適している。 Here, taking over crystal information from Al 4 C 3 to AlN, TiC to TiN, ZrC to ZrN, HfC to HfN, VC to VN, or TaC to TaN, the crystal structures of these carbides and nitrides are the same, and the lattice structure is the same. Very good due to small mismatch. And since the crystal structure of all these compounds belongs to a hexagonal crystal or a face centered cubic crystal, it is suitable for epitaxial growth of a group III nitride semiconductor layer.

(III族窒化物半導体層15のエピタキシャル成長)
次に、窒化された炭化物層12上に、III族窒化物半導体層15をエピタキシャル成長させる。
本実施形態では、III族窒化物半導体層15が、GaN半導体層である場合、成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
(Epitaxial growth of group III nitride semiconductor layer 15)
Next, group III nitride semiconductor layer 15 is epitaxially grown on nitrided carbide layer 12.
In the present embodiment, when the group III nitride semiconductor layer 15 is a GaN semiconductor layer, the growth conditions can be set as follows, for example.

成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜270分
膜厚:100μm〜500μm
これにより、図1(c)に示すように、III族窒化物半導体層15が設けられることとなる。
なお、前記成膜温度よりも低温で、III族窒化物半導体の低温成長バッファ層を形成した後、上記成長条件で、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を実施してもよい。
また、III族窒化物半導体のファセットを形成した後、上記成長条件で、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を実施して、平坦膜であるIII族窒化物半導体層15を得てもよい。
Film forming method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film forming temperature: 1000 ° C. to 1050 ° C.
Deposition time: 30 minutes to 270 minutes Film thickness: 100 μm to 500 μm
Thereby, as shown in FIG.1 (c), the group III nitride semiconductor layer 15 will be provided.
In addition, after forming the low temperature growth buffer layer of the group III nitride semiconductor at a temperature lower than the film forming temperature, the group III nitride semiconductor may be epitaxially grown under the above growth conditions.
Further, after forming the group III nitride semiconductor facet, the group III nitride semiconductor may be epitaxially grown under the above growth conditions to obtain the group III nitride semiconductor layer 15 which is a flat film.

ここで、図2を参照して、ハイドライド気相成長(HVPE)装置3について簡単に説明しておく。図2は、HVPE装置3の模式図である。   Here, the hydride vapor phase epitaxy (HVPE) apparatus 3 will be briefly described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram of the HVPE apparatus 3.

HVPE装置3は、反応管31と、反応管31内に設けられている基板ホルダ32とを備える。また、HVPE装置3は、III族原料ガスを反応管31内に供給するIII族原料ガス供給部33と、窒素原料ガスを反応管31内に供給する窒素原料ガス供給部34とを備える。さらに、HVPE装置3は、ガス排出管35と、ヒータ36、37とを備える。   The HVPE apparatus 3 includes a reaction tube 31 and a substrate holder 32 provided in the reaction tube 31. The HVPE apparatus 3 includes a group III source gas supply unit 33 that supplies a group III source gas into the reaction tube 31 and a nitrogen source gas supply unit 34 that supplies a nitrogen source gas into the reaction tube 31. Further, the HVPE apparatus 3 includes a gas discharge pipe 35 and heaters 36 and 37.

基板ホルダ32は、反応管31の下流側に回転軸41により回転自在に設けられている。ガス排出管35は、反応管31のうち基板ホルダ32の下流側に設けられている。   The substrate holder 32 is rotatably provided on the downstream side of the reaction tube 31 by a rotation shaft 41. The gas discharge pipe 35 is provided on the downstream side of the substrate holder 32 in the reaction pipe 31.

III族原料ガス供給部33は、ガス供給管311とソースボート312とIII族(Ga)原料313と反応管31のうち遮蔽板38の下の層とを含む。   The group III source gas supply unit 33 includes a gas supply pipe 311, a source boat 312, a group III (Ga) source 313, and a layer below the shielding plate 38 among the reaction tubes 31.

窒素原料ガス供給部34は、ガス供給管341と反応管31のうち遮蔽板38の上の層とを含む。   The nitrogen source gas supply unit 34 includes a gas supply pipe 341 and a layer on the shielding plate 38 in the reaction pipe 31.

III族原料ガス供給部33は、III族原子のハロゲン化物(たとえば、GaCl)を生成し、これを基板ホルダ32上の窒化された炭化物層12の表面に供給する。なお、図2においては、基材層11および窒化された炭化物層12で構成される積層体を符号Aで示している。   The group III source gas supply unit 33 generates a halide of group III atoms (for example, GaCl) and supplies it to the surface of the nitrided carbide layer 12 on the substrate holder 32. In FIG. 2, a laminate composed of the base material layer 11 and the nitrided carbide layer 12 is denoted by reference symbol A.

ガス供給管311の供給口は、III族原料ガス供給部33内の上流側に配置されている。このため、供給されたハロゲン化水素ガス(たとえば、HClガス)は、III族原料ガス供給部33内でソースボート312中のIII族原料313と接触するようになっている。   The supply port of the gas supply pipe 311 is arranged on the upstream side in the group III source gas supply unit 33. For this reason, the supplied hydrogen halide gas (for example, HCl gas) comes into contact with the group III source 313 in the source boat 312 in the group III source gas supply unit 33.

これにより、ガス供給管311から供給されるハロゲン含有ガスは、ソースボート312中のIII族原料313の表面または揮発したIII族分子と接触し、III族分子をハロゲン化してIII族のハロゲン化物を含むIII族原料ガスを生成する。なお、このIII族原料ガス供給部33の周囲にはヒータ36が配置され、III族原料ガス供給部33内は、たとえば800〜900℃程度の温度に維持される。   Thereby, the halogen-containing gas supplied from the gas supply pipe 311 comes into contact with the surface of the group III raw material 313 in the source boat 312 or the volatilized group III molecule, and the group III molecule is halogenated to form a group III halide. A group III source gas containing is generated. A heater 36 is disposed around the group III source gas supply unit 33, and the group III source gas supply unit 33 is maintained at a temperature of about 800 to 900 ° C., for example.

反応管31の上流側は、遮蔽板38により2つの層に区画されている。図中の遮蔽板38の上側に位置する窒素原料ガス供給部34中を、ガス供給管341から供給されたアンモニアが通過し、熱により分解が促進される。なお、この窒素原料ガス供給部34の周囲にはヒータ36が配置され、窒素原料ガス供給部34内は、たとえば800〜900℃程度の温度に維持される。   The upstream side of the reaction tube 31 is divided into two layers by a shielding plate 38. Ammonia supplied from the gas supply pipe 341 passes through the nitrogen source gas supply unit 34 located above the shielding plate 38 in the drawing, and decomposition is accelerated by heat. A heater 36 is disposed around the nitrogen source gas supply unit 34, and the nitrogen source gas supply unit 34 is maintained at a temperature of about 800 to 900 ° C., for example.

図中の右側に位置する成長領域39には、基板ホルダ32が配置され、この成長領域39内でGaN等のIII族窒化物半導体の成長が行われる。この成長領域39の周囲にはヒータ37が配置され、成長領域39内は、たとえば1000℃〜1050℃程度の温度に維持される。   In the growth region 39 located on the right side in the figure, a substrate holder 32 is disposed, and a group III nitride semiconductor such as GaN is grown in the growth region 39. A heater 37 is arranged around the growth region 39, and the inside of the growth region 39 is maintained at a temperature of about 1000 ° C. to 1050 ° C.

III族窒化物半導体層15を形成する工程の初期においては、窒素原料ガスにより、窒化された炭化物層12の表面がさらに窒化されてもよい。
そして、III族窒化物半導体層15を形成する工程の初期においては、窒化された炭化物層12の表面に露出した炭化物と、III族窒化物半導体とが以下のように反応すると考えられる。ここでは、III族窒化物半導体がGaNである場合を例にあげて説明する。
Al+4GaN→4AlN+4Ga+3C・・・(3)式
MC+GaN→MN+Ga+C・・・(4)式
(4)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Taのいずれかである。
また、窒化物層13および炭化物層12Aの結晶性によっては、以下のような反応が生じる場合もある。III族窒化物半導体が熱分解して、窒素原子と、III族原子とになる。この熱分解により生じた窒素原子が、窒化物層13中の隙間(たとえば、結晶粒界あるいは微小クラック)を通じて炭化物層12Aの表面、場合によっては、炭化物層12Aの表面層内の隙間(たとえば、結晶粒界あるいは微小クラック)に達し、炭化物層12A表面および表面層の炭化物が窒化物となる反応が生じることもある。
In the initial stage of the step of forming group III nitride semiconductor layer 15, the surface of nitrided carbide layer 12 may be further nitrided with a nitrogen source gas.
In the initial stage of forming the group III nitride semiconductor layer 15, it is considered that the carbide exposed on the surface of the nitrided carbide layer 12 reacts with the group III nitride semiconductor as follows. Here, a case where the group III nitride semiconductor is GaN will be described as an example.
Al 4 C 3 + 4GaN → 4AlN + 4Ga + 3C (3) Formula MC + GaN → MN + Ga + C (4) In Formula (4), M is Ti, Zr, Hf, V, Ta Either.
Depending on the crystallinity of nitride layer 13 and carbide layer 12A, the following reaction may occur. The group III nitride semiconductor is thermally decomposed into nitrogen atoms and group III atoms. Nitrogen atoms generated by this thermal decomposition are formed on the surface of the carbide layer 12A through gaps (for example, crystal grain boundaries or microcracks) in the nitride layer 13, and in some cases, gaps in the surface layer of the carbide layer 12A (for example, A crystal grain boundary or a microcrack), and a reaction may occur in which the carbide on the surface of the carbide layer 12A and the carbide on the surface layer become nitrides.

なお、上記記載から理解できるように、III族窒化物半導体層15を形成する工程の初期において、窒化物層13の厚みは厚くなって、窒化物層13Aとなる(図1(c)参照)。また、上記記載からも理解できるように、III族窒化物半導体層15を形成する工程の初期において、炭化物層12Aの厚みは薄くなり、炭化物層12Bとなる。
また、上記(3)、(4)の反応や、III族窒化物半導体の熱分解により、析出したIII族原子は、III族窒化物半導体層15と、窒化物層13Aとの間に位置することとなり、III族元素析出層14が形成される。
As can be understood from the above description, at the initial stage of forming the group III nitride semiconductor layer 15, the thickness of the nitride layer 13 is increased to form the nitride layer 13A (see FIG. 1C). . Further, as can be understood from the above description, the thickness of the carbide layer 12A is reduced to become the carbide layer 12B in the initial stage of the step of forming the group III nitride semiconductor layer 15.
Further, the group III atoms deposited by the reactions (3) and (4) above and the thermal decomposition of the group III nitride semiconductor are located between the group III nitride semiconductor layer 15 and the nitride layer 13A. As a result, the group III element precipitation layer 14 is formed.

III族窒化物半導体層15の厚みは、基材層11およびIII族窒化物半導体層15の線膨張係数差により発生してしまう応力を小さくするという観点から、たとえば、600μm以下であることが好ましく、特には450μm以下であることが好ましく、なかでも300μm以下であることが好ましい。さらに、III族窒化物半導体層15の厚みは、取り扱い性の観点から50μm以上であることが好ましい。   The thickness of group III nitride semiconductor layer 15 is preferably 600 μm or less, for example, from the viewpoint of reducing the stress generated by the difference in linear expansion coefficient between base material layer 11 and group III nitride semiconductor layer 15. In particular, it is preferably 450 μm or less, and more preferably 300 μm or less. Furthermore, the thickness of the group III nitride semiconductor layer 15 is preferably 50 μm or more from the viewpoint of handleability.

次に、III族原料ガス供給部33からの原料ガスの供給、窒素原料ガス供給部34からのガスの供給を停止し、III族窒化物半導体の成長を停止する。HVPE装置3のヒータ36,37による加熱を停止し、基材層11、炭化物層12B、窒化物層13A、III族元素析出層14およびIII族窒化物半導体層15からなる積層体Bを常温(たとえば、25℃)まで冷却した後、HVPE装置3から取り出す。なお、この冷却過程において、基材層11と、III族窒化物半導体層15とが剥離してしまうことはない。
そして、以上の工程を繰り返して、複数の積層体Bを用意する。
Next, the supply of the source gas from the group III source gas supply unit 33 and the supply of the gas from the nitrogen source gas supply unit 34 are stopped, and the growth of the group III nitride semiconductor is stopped. Heating by the heaters 36 and 37 of the HVPE apparatus 3 is stopped, and the laminate B composed of the base material layer 11, the carbide layer 12B, the nitride layer 13A, the group III element precipitation layer 14 and the group III nitride semiconductor layer 15 is heated to room temperature ( For example, after cooling to 25 ° C., it is taken out from the HVPE apparatus 3. In this cooling process, the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 are not peeled off.
And the above process is repeated and the some laminated body B is prepared.

(剥離工程)
次に、複数の積層体Bを加熱して熱処理する。この熱処理工程では、積層体BをIII族元素の液体中に浸漬させた状態で、積層体Bを熱処理する。III族元素の液体は、III族窒化物半導体層15に含まれるIII族元素と同じ元素の液体である。たとえば、III族窒化物半導体層15がGaNである場合には、III族元素の液体はGaの液体である。
III族元素の液体は、少なくとも、積層体Bの熱処理温度で液体となるものであればよい。たとえば、25℃で固体であっても、積層体Bの熱処理温度で液体となればよい。25℃で固体である場合には、たとえばIII族元素の粉末状を、後述する容器5、6に入れておけばよい。
たとえば、図3および4に示す容器5を用意する。図3は、容器5の底面と直交する断面図である。図4は容器5の斜視図であり、内部に配置される積層体Bを示した図である。なお、図3においては、見易さを考慮して、積層体Bのうち、炭化物層12B、窒化物層13A、III族元素析出層14およびIII族窒化物半導体層15を単層で示している。
(Peeling process)
Next, the plurality of stacked bodies B are heated and heat-treated. In this heat treatment step, the laminate B is heat-treated in a state where the laminate B is immersed in a liquid of a group III element. The group III element liquid is a liquid of the same element as the group III element contained in the group III nitride semiconductor layer 15. For example, when the group III nitride semiconductor layer 15 is GaN, the group III element liquid is a Ga liquid.
The group III element liquid may be any liquid that becomes liquid at the heat treatment temperature of the laminate B at least. For example, even if it is solid at 25 ° C., it may be liquid at the heat treatment temperature of the laminate B. When it is solid at 25 ° C., for example, a powder of a group III element may be put in containers 5 and 6 described later.
For example, a container 5 shown in FIGS. 3 and 4 is prepared. FIG. 3 is a cross-sectional view orthogonal to the bottom surface of the container 5. FIG. 4 is a perspective view of the container 5 and is a view showing the laminated body B arranged inside. In FIG. 3, for the sake of clarity, the carbide layer 12 </ b> B, the nitride layer 13 </ b> A, the group III element precipitation layer 14, and the group III nitride semiconductor layer 15 of the stacked body B are shown as a single layer. Yes.

この容器5は上面が開口した容器本体50と、この容器本体50の開口を閉鎖する蓋53と、ピン52とを備え、容器本体50の内部に複数の積層体Bを収容できる構成となっている。
容器5は耐熱性材料で構成され、たとえば、容器本体50、蓋53、ピン52は黒鉛製である。
容器本体50の側壁51には複数のピン52が挿入されている。複数のピン52のうち一部のピン52は、容器5の側壁51に対する高さ方向の取り付け位置が異なっており、容器5の底面側からピン52A〜52Dの順に配置されている。
The container 5 includes a container main body 50 whose upper surface is open, a lid 53 that closes the opening of the container main body 50, and a pin 52, and is configured to accommodate a plurality of laminates B inside the container main body 50. Yes.
The container 5 is made of a heat-resistant material. For example, the container body 50, the lid 53, and the pins 52 are made of graphite.
A plurality of pins 52 are inserted into the side wall 51 of the container body 50. Among the plurality of pins 52, some of the pins 52 have different attachment positions in the height direction with respect to the side wall 51 of the container 5, and are arranged in the order of the pins 52 </ b> A to 52 </ b> D from the bottom surface side of the container 5.

まず、側壁51に挿入されているピン52A〜52Dを容器5の側壁51から一定程度引きだしておく。ただし、完全にピン52A〜52Dを引き抜くことはしない。次に、この容器5内にIII族元素の液体を所定量入れ、その後、積層体Bを容器5内に入れる。積層体Bは、基材層11が容器5の上側となるように容器5内に挿入する。積層体Bは浮力により液体中で浮くこととなる。そして、ピン52Aを容器5内側に押し込み、積層体Bの基材層11の外周縁をピン52で押さえる。
その後、再度、III族元素の液体を容器5内に充填し、2つ目の積層体Bを容器5内に挿入する。そして、前記ピン52Aよりも高い位置にあるピン52Bを容器5内側に押し込み、2つめの積層体Bの基材層11の外周縁をピン52Bで押さえる。
このような作業を繰り返して、各ピン52A〜52Dで各積層体Bの基材層11の外周縁を押さえる。
First, the pins 52 </ b> A to 52 </ b> D inserted into the side wall 51 are pulled out from the side wall 51 of the container 5 to a certain extent. However, the pins 52A to 52D are not completely pulled out. Next, a predetermined amount of Group III element liquid is placed in the container 5, and then the laminate B is placed in the container 5. The laminated body B is inserted into the container 5 so that the base material layer 11 is on the upper side of the container 5. The laminate B will float in the liquid due to buoyancy. Then, the pin 52 </ b> A is pushed into the container 5, and the outer peripheral edge of the base material layer 11 of the laminate B is pressed with the pin 52.
Thereafter, the liquid of the group III element is again filled in the container 5, and the second laminate B is inserted into the container 5. Then, the pin 52B at a position higher than the pin 52A is pushed into the inside of the container 5, and the outer peripheral edge of the base material layer 11 of the second laminate B is pressed with the pin 52B.
Such an operation is repeated, and the outer peripheral edge of the base material layer 11 of each laminate B is pressed by the pins 52A to 52D.

このような容器5を使用すれば、複数の積層体Bを容器5内でIII族元素の液体Lに浸漬させることができる。容器5内において、積層体B全体がIII族元素の液体Lに浸漬することとなる。
その後、容器5の開口部に蓋53をはめ込む。そして、III族元素の液体Lが充填されるとともに、III族元素の液体Lに複数の積層体Bが浸漬された容器5を、HVPE装置3内に配置する。たとえば、図3に示すように、ヒータ37で取り囲まれている領域内(たとえば、配管40の下流側であり、成長領域39内)に、容器5を配置する。そして、ヒータ36、37を駆動して、容器5の外側から、III族元素の液体に浸漬された複数の積層体Bを同時に加熱処理する。また、HVPE装置3とは別に熱処理装置を用意し、容器5中の積層体Bを加熱処理してもよい。
If such a container 5 is used, a plurality of laminated bodies B can be immersed in the liquid L of a group III element in the container 5. In the container 5, the whole laminated body B will be immersed in the liquid L of a III group element.
Thereafter, the lid 53 is fitted into the opening of the container 5. Then, the container 5 filled with the group L element liquid L and having the plurality of laminated bodies B immersed in the group III element liquid L is disposed in the HVPE apparatus 3. For example, as shown in FIG. 3, the container 5 is disposed in an area surrounded by the heater 37 (for example, downstream of the pipe 40 and in the growth area 39). Then, the heaters 36 and 37 are driven to simultaneously heat the plurality of laminated bodies B immersed in the liquid of the group III element from the outside of the container 5. Further, a heat treatment apparatus may be prepared separately from the HVPE apparatus 3 and the laminated body B in the container 5 may be heat-treated.

また、積層体BをIII族元素の液体中に浸漬させるための容器は、図3,4に示すものに限らず、図5に示す容器6を使用してもよい。
この容器6は、上面が開口した容器本体61と、この容器本体61の開口をふさぐ蓋62と、容器本体61内に積層体Bを配置するための治具63とを有する。
容器6は耐熱性材料で構成され、たとえば、容器本体61、蓋62、治具63は黒鉛製である。
治具63は、長手方向に沿って複数の溝が離間して形成された複数本の保持部631と、この保持部631の長手方向の端部を一体的に固定する固定部632とを備える。
たとえば、複数の保持部631の溝に、積層体Bの外周縁をはめ込むことで、積層体Bが治具63に保持されることとなる。
Moreover, the container for immersing the laminated body B in the liquid of a III group element is not restricted to what is shown in FIG.3, 4, You may use the container 6 shown in FIG.
The container 6 includes a container main body 61 whose upper surface is open, a lid 62 that closes the opening of the container main body 61, and a jig 63 for placing the laminate B in the container main body 61.
The container 6 is made of a heat resistant material. For example, the container body 61, the lid 62, and the jig 63 are made of graphite.
The jig 63 includes a plurality of holding portions 631 formed by separating a plurality of grooves along the longitudinal direction, and a fixing portion 632 that integrally fixes the end portions of the holding portions 631 in the longitudinal direction. .
For example, the laminated body B is held by the jig 63 by fitting the outer peripheral edge of the laminated body B into the grooves of the plurality of holding portions 631.

治具63により、複数の積層体Bが所定の間隔で離間して設置されることとなる。そして、複数の積層体Bを保持する治具63を、容器本体61内に挿入する。その後、容器本体61内にIII族元素の液体を充填し、複数の積層体BがIII族元素の液体中に完全に浸漬されることとなる。
その後、容器本体61の開口を蓋62でふさぐ。次に、容器6を、HVPE装置3内に配置する。たとえば、ヒータ37で取り囲まれている領域内(たとえば、配管40の下流側であり、成長領域39内)に、容器5を配置する。ヒータ36、37を駆動して、容器6の外側から、III族元素の液体に浸漬された複数の積層体Bを同時に加熱処理する。また、HVPE装置3とは別に熱処理装置を用意し、容器6中の積層体Bを加熱処理してもよい。
なお、熱処理工程において、容器5,6の腐食を抑制するために、容器5,6を窒素ガス等の非酸化性ガス雰囲気下に配置することが好ましい。
また、容器5,6にIII族元素の液体を充填するとしたが、積層体Bの熱処理温度で液体となるIII族元素の粉末を充填してもよい。
With the jig 63, the plurality of laminated bodies B are installed at a predetermined interval. And the jig | tool 63 holding the some laminated body B is inserted in the container main body 61. FIG. Thereafter, the container main body 61 is filled with the group III element liquid, and the plurality of laminated bodies B are completely immersed in the group III element liquid.
Thereafter, the opening of the container body 61 is closed with the lid 62. Next, the container 6 is placed in the HVPE apparatus 3. For example, the container 5 is arranged in an area surrounded by the heater 37 (for example, downstream of the pipe 40 and in the growth area 39). The heaters 36 and 37 are driven to simultaneously heat the plurality of laminated bodies B immersed in the liquid of the group III element from the outside of the container 6. Further, a heat treatment apparatus may be prepared separately from the HVPE apparatus 3 and the laminated body B in the container 6 may be heat-treated.
In the heat treatment step, it is preferable to arrange the containers 5 and 6 in a non-oxidizing gas atmosphere such as nitrogen gas in order to suppress corrosion of the containers 5 and 6.
Further, the containers 5 and 6 are filled with the liquid of the group III element, but the powder of the group III element that becomes liquid at the heat treatment temperature of the laminate B may be filled.

熱処理工程において、III族窒化物半導体層15から、基材層11が剥離することとなる。熱処理過程において、前記積層体Bに外力を物理的に加えることなく、III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じる。
本実施形態においては、複数の積層体Bを同時に加熱するので、一つの加熱処理工程において、複数の積層体BのIII族窒化物半導体層15と基材層11とを剥離することができる。
熱処理過程において、III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じていることは、以下の点から推測できる。
熱処理中にIII族窒化物半導体層15と基材層11との固着力が十分に低減されていない場合には、III族窒化物半導体層15と基材層11との固着力が強い部分と弱い部分とが混在することとなる。そして、冷却工程において、III族窒化物半導体層15と基材層11との線膨張係数差に起因して発生する応力分布が不均一となり、III族窒化物半導体層15の割れを誘発すると考えられる。これに対し、本実施形態では、後述する冷却工程後のIII族窒化物半導体層15に割れが生じないことから、冷却工程に入る前段の、熱処理工程において、III族窒化物半導体層15と、基材層11との間の固着力が低減されて固着力がほとんど失われ、熱処理工程中で、III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じていると考えられる。
In the heat treatment step, the base material layer 11 is peeled from the group III nitride semiconductor layer 15. In the heat treatment process, the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are peeled off without physically applying an external force to the laminate B.
In the present embodiment, since the plurality of stacked bodies B are simultaneously heated, the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 of the plurality of stacked bodies B can be peeled in one heat treatment step.
It can be estimated from the following points that the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are peeled off during the heat treatment process.
When the adhesion between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 is not sufficiently reduced during the heat treatment, a portion with a strong adhesion between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 A weak part will be mixed. In the cooling step, it is considered that the stress distribution generated due to the difference in linear expansion coefficient between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 becomes non-uniform and induces cracking of the group III nitride semiconductor layer 15. It is done. On the other hand, in the present embodiment, since the group III nitride semiconductor layer 15 after the cooling step described later does not crack, in the heat treatment step before entering the cooling step, the group III nitride semiconductor layer 15; It is considered that the adhesion force between the base material layer 11 is reduced and the adhesion force is almost lost, and the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are separated in the heat treatment step.

III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じるメカニズムは明らかではないが、以下のようであると推測される。
前述したIII族元素析出層14には、III族原子が存在している。さらには、熱処理により、III族窒化物半導体層15を構成するIII族窒化物が分解して、III族原子が形成されることとなる。
III族原子は、融点が低いため、熱処理過程では液状となる。そして、III族原子は、図6(a)に示すように、窒化物層13Aを通り、炭化物層12Bに達することとなる。図6(a)の矢印は、III族原子が窒化物層13Aを通過する様子を示している。
そして、炭化物層12Bでは、以下の反応が生じると考えられる。ここでは、III族窒化物半導体がGaである例をあげて説明する。
Al+4Ga(l)→4Al−Ga(l)+3C・・・(5)式
MC+Ga(l)→M−Ga(l)+C・・・(6)式
(6)式において、Mは、Ti、Zr、Hf、V、Taのいずれかである。
なお、式(5)や(6)の反応を進行させる観点から、III族窒化物半導体層15を構成するIII族原子と、炭化物層12Bを構成する金属原子とは異なるものであることが好ましい。
Although the mechanism by which the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are peeled off is not clear, it is presumed as follows.
Group III atoms are present in the group III element precipitation layer 14 described above. Furthermore, the group III nitride constituting the group III nitride semiconductor layer 15 is decomposed by the heat treatment, and group III atoms are formed.
Since Group III atoms have a low melting point, they become liquid during the heat treatment process. Then, as shown in FIG. 6A, the group III atoms pass through the nitride layer 13A and reach the carbide layer 12B. The arrows in FIG. 6A indicate how the group III atoms pass through the nitride layer 13A.
And it is thought that the following reactions occur in carbide layer 12B. Here, an example in which the group III nitride semiconductor is Ga will be described.
Al 4 C 3 + 4Ga (l) → 4Al-Ga (l) + 3C (5) Formula MC + Ga (l) → M-Ga (l) + C (6) In Formula (6) , M is any one of Ti, Zr, Hf, V, and Ta.
From the viewpoint of advancing the reaction of the formulas (5) and (6), the group III atoms constituting the group III nitride semiconductor layer 15 and the metal atoms constituting the carbide layer 12B are preferably different. .

これにより、炭化物層12Bの炭化物の結晶構造が破壊され、炭化物層12Bと基材層11との密着性が悪化する。そして、III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じる(図6(b)参照)。III族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じる箇所は、特に限定されないが、炭化物層12Bと基材層11との界面で剥離が起り、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離が生じる場合や、炭化物層12B中に亀裂が生じて炭化物層12Bが2つに分離され、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離が生じる場合が多い。   Thereby, the crystal structure of the carbide of the carbide layer 12B is destroyed, and the adhesion between the carbide layer 12B and the base material layer 11 is deteriorated. Then, the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are separated (see FIG. 6B). The location where peeling between group III nitride semiconductor layer 15 and base material layer 11 is not particularly limited, but peeling occurs at the interface between carbide layer 12B and base material layer 11, and group III nitride semiconductor layer 15 and base layer 11 are separated from each other. In many cases, separation from the material layer 11 occurs, or cracks are generated in the carbide layer 12B, so that the carbide layer 12B is separated into two, and the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are separated. .

熱処理温度は、III族窒化物半導体層15のエピタキシャル成長温度よりも高いことが好ましい。III族窒化物半導体層15の成長温度よりも高い温度で熱処理することで、式(5)や(6)の反応が進行しやすくなり、III族窒化物半導体層15と基材層11とを剥離できる。なかでも、1100℃以上、1300℃以下であることが好ましい。さらには、1150℃以上1250℃以下であることが好ましい。1100℃以上で熱処理することでGaの浸透速度が適度に高まり、外力を加えることなく、熱処理中にスムーズに基材層11をIII族窒化物半導体層15から剥離することができる。1300℃以下とすることで、III族窒化物半導体層15の過剰な分解を抑制することができる。
なお、III族元素の液体は、熱伝導性が良好であることから、積層体Bの温度が1100℃以上、1300℃以下となっていると考えられる。
また、上述した熱処理温度で加熱する時間(熱処理時間)は、たとえば、5時間〜15時間であることが好ましく、なかでも、6〜10時間であることが好ましい。
The heat treatment temperature is preferably higher than the epitaxial growth temperature of the group III nitride semiconductor layer 15. By performing the heat treatment at a temperature higher than the growth temperature of the group III nitride semiconductor layer 15, the reactions of the formulas (5) and (6) can easily proceed, and the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 can be combined. Can peel. Especially, it is preferable that it is 1100 degreeC or more and 1300 degrees C or less. Furthermore, it is preferable that it is 1150 degreeC or more and 1250 degrees C or less. By performing the heat treatment at 1100 ° C. or higher, the Ga permeation rate is moderately increased, and the base material layer 11 can be smoothly peeled off from the group III nitride semiconductor layer 15 during the heat treatment without applying external force. By setting the temperature to 1300 ° C. or lower, excessive decomposition of the group III nitride semiconductor layer 15 can be suppressed.
In addition, since the liquid of a group III element has favorable heat conductivity, it is thought that the temperature of the laminated body B is 1100 degreeC or more and 1300 degrees C or less.
Moreover, it is preferable that the time (heat processing time) heated at the heat processing temperature mentioned above is 5 to 15 hours, for example, and it is preferable that it is 6 to 10 hours especially.

このように、本実施形態においては、熱処理中に上述したようなメカニズムでIII族窒化物半導体層15と基材層11との剥離が生じると考えられる。そして、基材層11とIII族窒化物半導体層15との線膨張係数差による応力にほとんど依存せずに、基材層11とIII族窒化物半導体層15とを剥離することができる。そのため、基材層11とIII族窒化物半導体層15との剥離形状に大きなばらつきが生じにくく、所望の下地基板10を生産性良く得ることができる。
また、上述したメカニズムでIII族窒化物半導体層15と基材層11とを分離するので、基材層11およびこの基材層11上に形成されるIII族窒化物半導体層15の径が大きい場合でも、基材層11とIII族窒化物半導体層15との剥離形状に大きなばらつきが生じにくく、所望の下地基板10を生産性良く得ることができる。
たとえば、基材層11およびIII族窒化物半導体層15の径(下地基板10の径に該当)は、10mm以上200mm以下とすることができる。
Thus, in the present embodiment, it is considered that the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are peeled off by the mechanism described above during the heat treatment. The base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 can be peeled off almost independently of the stress due to the difference in linear expansion coefficient between the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15. Therefore, a large variation in the peeled shape between the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 hardly occurs, and the desired base substrate 10 can be obtained with high productivity.
Moreover, since the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 are separated by the mechanism described above, the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 formed on the base material layer 11 have a large diameter. Even in this case, a large variation is hardly generated in the peeled shape between the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15, and the desired base substrate 10 can be obtained with high productivity.
For example, the diameter of the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 (corresponding to the diameter of the base substrate 10) can be 10 mm or more and 200 mm or less.

ここで、熱処理工程において、積層体BをIII族元素の液体中に浸漬していない場合、III族窒化物半導体層15の表面が分解されることがある。このとき、熱分解により生じたIII族元素の液滴がIII族窒化物半導体層15表面に付着する。熱処理の際に、積層体BをIII族元素の液体中に浸漬していない場合、III族窒化物半導体層15表面のうち、III族元素の液滴で被覆された部分は、III族窒化物半導体層15の分解が抑制されることとなるが、III族元素の液滴で被覆されていない部分は、III族窒化物半導体層15の分解が進み、III族窒化物半導体層15の膜厚が減ってしまう。これに対し、本実施形態のように、積層体Bを、III族元素の液体中に浸漬しておくことで、III族窒化物半導体層15の分解を抑制することができ、膜厚減損の不均一が生じ難くなり、面内の膜厚バラツキを抑制することができる。また、III族窒化物半導体層15の膜厚の減少を抑制できるので、比較的厚みのある下地基板10を得ることができる。   Here, in the heat treatment step, when the stacked body B is not immersed in the liquid of the group III element, the surface of the group III nitride semiconductor layer 15 may be decomposed. At this time, Group III element droplets generated by thermal decomposition adhere to the surface of the Group III nitride semiconductor layer 15. When the layered product B is not immersed in the group III element liquid during the heat treatment, the portion of the surface of the group III nitride semiconductor layer 15 covered with the group III element droplets is the group III nitride. Although the decomposition of the semiconductor layer 15 is suppressed, the decomposition of the group III nitride semiconductor layer 15 proceeds in the portion not covered with the group III element droplets, and the thickness of the group III nitride semiconductor layer 15 is increased. Will decrease. On the other hand, as in this embodiment, by immersing the stacked body B in the liquid of the group III element, the decomposition of the group III nitride semiconductor layer 15 can be suppressed, and the film thickness is reduced. Nonuniformity is less likely to occur, and in-plane film thickness variation can be suppressed. In addition, since the decrease in the thickness of the group III nitride semiconductor layer 15 can be suppressed, the base substrate 10 having a relatively large thickness can be obtained.

さらに、III族元素の液体は熱伝導が良好であり、このような液体中に積層体Bを浸漬することで、積層体Bの面内温度分布の均一化を図ることができる。これにより、前述した式(5)、(6)の剥離に寄与する反応を積層体Bの面内において均一に発生させることができ、比較的大きな径の積層体Bにおいても、III族窒化物半導体層15に割れを発生させずに、III族窒化物半導体層15と基材層11とを剥離することができる。   Furthermore, the liquid of the group III element has good heat conduction, and the in-plane temperature distribution of the laminate B can be made uniform by immersing the laminate B in such a liquid. Thereby, the reaction that contributes to the peeling of the above-described formulas (5) and (6) can be uniformly generated in the plane of the laminate B, and even in the laminate B having a relatively large diameter, the group III nitride The group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 can be peeled without causing cracks in the semiconductor layer 15.

次に、HVPE装置3のヒータ36,37による加熱を停止し、基材層11とIII族窒化物半導体層15とが剥離した状態となった積層体Bを冷却する。そして、容器5あるいは容器6のIII族元素の液体が液状である状態で、基材層11とIII族窒化物半導体層15とが剥離した状態となった前記積層体BをHVPE装置3から取り出す。
たとえば、容器5あるいは容器6をホットプレート等の加熱手段で加熱しておき、III族元素の液体が固化しないようにしてもよい。
なお、III族元素析出層14からのIII族原子が、炭化物層12B中に達して、剥離を起こすため、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面、たとえば、III族窒化物半導体層15を含む側の構造体の表面には、III族元素析出層14からのIII族原子の液滴が付着する。また、積層体BがIII族元素の液体中に浸漬されているので、III族元素の液体も付着することとなる。そのため、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面には、液状あるいは固体状のIII族元素の層が形成される。
なお、容器5あるいは容器6中のIII族元素の液体が固化した状態で、剥離したIII族窒化物半導体層15と基材層11とを容器5あるいは容器6から取り出してもよい。III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面には、固化したIII族元素の層が付着することとなる。
Next, heating by the heaters 36 and 37 of the HVPE apparatus 3 is stopped, and the stacked body B in which the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 are separated is cooled. Then, the stacked body B in which the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 are separated in a state where the liquid of the group III element in the container 5 or the container 6 is in a liquid state is taken out from the HVPE apparatus 3. .
For example, the container 5 or the container 6 may be heated by a heating means such as a hot plate so that the liquid of the group III element does not solidify.
Note that group III atoms from the group III element precipitation layer 14 reach the carbide layer 12B and cause separation, so that the separation interface between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11, for example, group III nitride A group III atom droplet from the group III element deposition layer 14 adheres to the surface of the structure on the side including the physical semiconductor layer 15. Moreover, since the laminated body B is immersed in the liquid of a group III element, the liquid of a group III element will also adhere. Therefore, a liquid or solid group III group element is formed at the separation interface between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11.
Note that the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 that have been peeled off may be taken out of the container 5 or the container 6 in a state where the liquid of the group III element in the container 5 or the container 6 is solidified. A solidified layer of the group III element adheres to the separation interface between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11.

その後、常温(たとえば25℃)まで冷却されたIII族窒化物半導体層15を含む側の構造体を酸(たとえば、塩酸水溶液あるいは、リン酸と硫酸の混合液)で洗浄して、前述したIII族元素の層を除去する。また、この工程において、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面に存在するIII族元素の層だけでなく、炭化物層12B、窒化物層13A、さらには、III族元素析出層14もエッチングしてもよい。
さらに、必要に応じて、前記構造体を研磨して、炭化物層12B、窒化物層13A、さらには、III族元素析出層14を除去してもよい。そして、図6(c)に示すように、III族窒化物半導体層15からなる単結晶の下地基板10を得る。この下地基板10は自立基板である。
Thereafter, the structure on the side including the group III nitride semiconductor layer 15 cooled to room temperature (for example, 25 ° C.) is washed with an acid (for example, an aqueous hydrochloric acid solution or a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid). Remove layer of group element. In this step, not only the group III element layer existing at the separation interface between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11 but also the carbide layer 12B, the nitride layer 13A, and the group III element precipitation. Layer 14 may also be etched.
Furthermore, if necessary, the structure may be polished to remove the carbide layer 12B, the nitride layer 13A, and the group III element precipitation layer 14. Then, as shown in FIG. 6C, a single crystal base substrate 10 made of a group III nitride semiconductor layer 15 is obtained. This base substrate 10 is a self-supporting substrate.

ここで、本実施形態では、基材層11とIII族窒化物半導体層15との線膨張係数差による応力にほとんど依存せずに、基材層11とIII族窒化物半導体層15とを剥離することができる。基材層11には、基材層11とIII族窒化物半導体層15との線膨張係数差による応力がほとんどかからない。そのため、基材層11をリサイクルして、再度、上述した工程を実施することができる。すなわち、基材層11上に再度、炭化物層12を形成し、窒化し、III族窒化物半導体層15を形成し、基材層11とIII族窒化物半導体層15とを分離する工程を実施することができる。これにより、下地基板10の生産コストを低減できる。   Here, in the present embodiment, the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 are peeled off almost independently of the stress due to the difference in linear expansion coefficient between the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15. can do. The base material layer 11 is hardly subjected to stress due to a difference in linear expansion coefficient between the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15. Therefore, the process mentioned above can be implemented again by recycling the base material layer 11. That is, the steps of forming the carbide layer 12 again on the base material layer 11 and nitriding to form the group III nitride semiconductor layer 15 and separating the base material layer 11 and the group III nitride semiconductor layer 15 are performed. can do. Thereby, the production cost of the base substrate 10 can be reduced.

(半導体基板の製造工程)
次に、図7(a)および(b)に示すように、下地基板10を用いて、III族窒化物半導体層21の厚膜成長を行い、半導体基板2を製造する。
このとき、あらかじめ下地基板10の選別を行ってもよい。たとえば、複数の下地基板10を製造した後、下地基板10の結晶欠陥密度を基準に、複数の下地基板10を選別して、基準値以上の下地基板10上にIII族窒化物半導体層21を形成してもよい。
本実施形態では、厚みの薄い下地基板10を形成した後、この下地基板上にIII族窒化物半導体層21の厚膜成長を行なうので、下地基板10に欠陥がある場合には、III族窒化物半導体層21の厚膜成長前に下地基板10を予め選別し、除去しておくことができる。これにより、半導体基板の製造コストの低減を図ることができる。
(Semiconductor substrate manufacturing process)
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, a thick film growth of the group III nitride semiconductor layer 21 is performed using the base substrate 10 to manufacture the semiconductor substrate 2.
At this time, the base substrate 10 may be selected in advance. For example, after manufacturing the plurality of base substrates 10, the plurality of base substrates 10 are selected based on the crystal defect density of the base substrate 10, and the group III nitride semiconductor layer 21 is formed on the base substrate 10 having a reference value or more. It may be formed.
In the present embodiment, after the base substrate 10 having a small thickness is formed, the group III nitride semiconductor layer 21 is grown on the base substrate 10 in a thick film. Before the thick film growth of the physical semiconductor layer 21, the base substrate 10 can be sorted and removed in advance. Thereby, the manufacturing cost of the semiconductor substrate can be reduced.

ここで、III族窒化物半導体層21は、下地基板10の2倍以上の厚さであることが好ましい。
III族窒化物半導体層21の成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。III族窒化物半導体層21は、下地基板10と同じ組成のIII族窒化物で構成されていることが好ましい。
Here, the group III nitride semiconductor layer 21 is preferably at least twice as thick as the underlying substrate 10.
The growth conditions of group III nitride semiconductor layer 21 can be, for example, as follows. The group III nitride semiconductor layer 21 is preferably composed of a group III nitride having the same composition as the base substrate 10.

成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜270分
膜厚:500μm〜900μm
前述したHVPE装置3を使用してIII族窒化物半導体層21を製造することができる。
これにより、下地基板10と、III族窒化物半導体層21とを有する基板2を得ることができる。
ここで、III族窒化物半導体層21は、下地基板10の表面のうち、基材層11側に位置していた面と反対側の表面から成長させることが好ましい。
なお、図8に示すように下地基板10の表裏面それぞれから、III族窒化物半導体層21,22を成長させて基板2を得てもよい。なお、III族窒化物半導体層22も下地基板10と同じ組成のIII族窒化物で構成されていることが好ましい。
Film forming method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film forming temperature: 1000 ° C. to 1050 ° C.
Deposition time: 30 minutes to 270 minutes Film thickness: 500 μm to 900 μm
The group III nitride semiconductor layer 21 can be manufactured using the HVPE apparatus 3 described above.
Thereby, the substrate 2 having the base substrate 10 and the group III nitride semiconductor layer 21 can be obtained.
Here, the group III nitride semiconductor layer 21 is preferably grown from the surface of the base substrate 10 on the side opposite to the surface located on the base material layer 11 side.
As shown in FIG. 8, the substrate 2 may be obtained by growing group III nitride semiconductor layers 21 and 22 from the front and back surfaces of the base substrate 10. Note that the group III nitride semiconductor layer 22 is also preferably made of a group III nitride having the same composition as the underlying substrate 10.

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
本実施形態では、HVPE装置3内には、基板ホルダ32が一つであったが、これに限らず、複数あってもよい。
また、下地基板10(III族窒化物半導体層15)のIII族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体層21,22は、InAlGaN(x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)であればよい。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 基材層上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層上に、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、前記III族窒化物半導体層から前記基材層を剥離して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体の下地基板を得る工程とを含む下地基板の製造方法。
2. 1に記載の下地基板の製造方法において、
前記III族元素の液体は、前記III族窒化物半導体層を構成するIII族元素の液体である下地基板の製造方法。
3. 1に記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の前記積層体を前記エピタキシャル成長の成長温度よりも高い温度で熱処理する下地基板の製造方法。
4. 1乃至3のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理をする際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の積層体を1100℃以上、1300℃以下で加熱する下地基板の製造方法。
5. 1乃至4のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記積層体を、前記III族元素の液体に浸漬させた状態で、5時間以上、熱処理し、前記熱処理中に前記III族窒化物半導体層および前記基材層間の固着力を低減する下地基板の製造方法。
6. 1に記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、熱処理中に前記III族窒化物半導体層から前記基材層が剥離する下地基板の製造方法。
7. 1乃至6のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる前記工程では、厚さ600μm以下であるIII族窒化物半導体層を形成する下地基板の製造方法。
8. 1乃至7のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理をする際には、
複数の前記積層体を用意し、前記複数の積層体を容器に収容し、複数の積層体を前記容器内のIII族元素の液体に浸漬させる下地基板の製造方法。
9. 1乃至8のいずれかに記載の下地基板の製造方法を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法であり、
前記下地基板の製造方法により、製造された前記下地基板上に、さらにIII族窒化物半導体層を成長させる工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法。
10. 9に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
さらにIII族窒化物半導体層を成長させる前記工程では、前記下地基板の表裏面それぞれにIII族窒化物半導体層を成長させるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the present embodiment, there is one substrate holder 32 in the HVPE apparatus 3, but the present invention is not limited to this, and there may be a plurality of substrate holders 32.
Further, the group III nitride semiconductor and the group III nitride semiconductor layers 21 and 22 of the base substrate 10 (group III nitride semiconductor layer 15) are In x Al y Ga z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
Hereinafter, examples of the reference form will be added.
1. Forming a carbide layer selected from aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide and tantalum carbide on the base material layer;
Nitriding the carbide layer;
Epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer on the nitrided carbide layer;
A laminate comprising the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer is heat-treated in a state of being immersed in a liquid of a group III element, and the base material layer is removed from the group III nitride semiconductor layer. Peeling the substrate to obtain a group III nitride semiconductor substrate including the group III nitride semiconductor layer.
2. In the manufacturing method of the base substrate of 1,
The method for producing a base substrate, wherein the group III element liquid is a group III element liquid constituting the group III nitride semiconductor layer.
3. In the manufacturing method of the base substrate of 1,
A method of manufacturing a base substrate in which the heat treatment is performed on the stacked body of the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer at a temperature higher than a growth temperature of the epitaxial growth.
4). In the manufacturing method of the base substrate in any one of 1 thru | or 3,
A method of manufacturing a base substrate, wherein the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer stack are heated at 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower when the heat treatment is performed.
5. In the method for manufacturing a base substrate according to any one of 1 to 4,
When the heat treatment is performed, the laminated body is heat-treated for 5 hours or more in a state of being immersed in the liquid of the group III element, and during the heat treatment, solidification between the group III nitride semiconductor layer and the substrate layer is performed. A method of manufacturing a base substrate that reduces adhesion.
6). In the manufacturing method of the base substrate of 1,
When the heat treatment is performed, the laminate of the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer is immersed in a liquid of a group III element, and the group III nitride semiconductor is subjected to the heat treatment. A method for producing a base substrate in which the base material layer peels from the layer.
7). In the manufacturing method of the base substrate in any one of 1 thru | or 6,
In the step of epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer, a method for manufacturing a base substrate, wherein a group III nitride semiconductor layer having a thickness of 600 μm or less is formed.
8). In the manufacturing method of the base substrate in any one of 1 thru | or 7,
When performing the heat treatment,
A method for manufacturing a base substrate, comprising preparing a plurality of the laminates, housing the plurality of laminates in a container, and immersing the plurality of laminates in a Group III element liquid in the container.
9. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate including the method for manufacturing a base substrate according to any one of 1 to 8,
A method of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate, further comprising a step of growing a group III nitride semiconductor layer on the base substrate manufactured by the method of manufacturing the base substrate.
10. In the method for producing a group III nitride semiconductor substrate according to 9,
Further, in the step of growing a group III nitride semiconductor layer, a group III nitride semiconductor substrate manufacturing method in which a group III nitride semiconductor layer is grown on each of the front and back surfaces of the base substrate.

次に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
前記実施形態と同様の方法で、下地基板10を作製し、その後、下地基板10上に、III族窒化物半導体層21を形成して、基板2を得た。
Next, examples of the present invention will be described.
Example 1
The base substrate 10 was produced by the same method as in the above embodiment, and then the group III nitride semiconductor layer 21 was formed on the base substrate 10 to obtain the substrate 2.

炭化物層12として炭化チタン層を形成した。基材層11としては60mmφサファイア基板を使用した。   A titanium carbide layer was formed as the carbide layer 12. A 60 mmφ sapphire substrate was used as the base material layer 11.

(炭化チタン層の形成工程)
成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
圧力:0.4Pa
スパッタガス:Arガス
反応性ガス:CH
ターゲット:Ti
反応性ガス流量:5sccm
膜厚:120nm
(Titanium carbide layer forming process)
Deposition method: Reactive sputtering Deposition temperature: 800 ° C
Pressure: 0.4Pa
Sputtering gas: Ar gas Reactive gas: CH 4
Target: Ti
Reactive gas flow rate: 5 sccm
Film thickness: 120nm

(炭化チタン層を窒化する工程)
窒化温度:300℃から900℃への昇温過程(昇温速度20℃/分)
窒化時間:30分
窒化ガス:NHガス
(Step of nitriding the titanium carbide layer)
Nitriding temperature: Temperature rising process from 300 ° C. to 900 ° C. (temperature rising rate 20 ° C./min)
Nitriding time: 30 minutes Nitriding gas: NH 3 gas

その後、III族窒化物半導体層15として窒化ガリウム(GaN)半導体層を成長させた。はじめに、バッファ層を形成し、その後、続けてGaNの主成長を行なった。条件は以下の通りである。
(GaN半導体層をエピタキシャル成長させる工程)
(GaNバッファ層)
成膜方法:HVPE
成膜温度:970℃
成膜ガス:GaClガス 180cc/min、NHガス 3300cc/min
厚さ:5μm
Thereafter, a gallium nitride (GaN) semiconductor layer was grown as the group III nitride semiconductor layer 15. First, a buffer layer was formed, and then the main growth of GaN was performed. The conditions are as follows.
(Process for epitaxial growth of GaN semiconductor layer)
(GaN buffer layer)
Deposition method: HVPE
Deposition temperature: 970 ° C
Deposition gas: GaCl gas 180cc / min, NH 3 gas 3300cc / min
Thickness: 5μm

(主成長層)
成膜方法:HVPE
成膜温度:1040℃
成膜ガス:GaClガス 180cc/min、NHガス 1800cc/min
厚さ:450μm
(Main growth layer)
Deposition method: HVPE
Deposition temperature: 1040 ° C
Deposition gas: GaCl gas 180cc / min, NH 3 gas 1800cc / min
Thickness: 450μm

主成長層の成長が終わった後、HVPE装置を冷却し、基材層、窒化された炭化物層、GaN半導体層が積層された積層体Bを取り出した。
以上の工程を実施して、基材層、窒化された炭化物層、GaN半導体層が積層された積層体Bを20枚用意した。
After the growth of the main growth layer was finished, the HVPE apparatus was cooled, and the laminate B in which the base material layer, the nitrided carbide layer, and the GaN semiconductor layer were laminated was taken out.
By carrying out the above steps, 20 laminates B in which a base material layer, a nitrided carbide layer, and a GaN semiconductor layer were laminated were prepared.

(剥離工程)
次に、前記実施形態と同様、熱処理を行なった。ここでは、容器6を使用して熱処理を行なった。はじめに、治具63の保持部631の溝に、積層体Bの外周縁をはめ込み、20枚の積層体Bを治具63に保持させた。
その後、積層体Bを保持する治具63を、容器本体61内に挿入した。次に、Gaの液体を容器本体61内に充填し、全ての積層体BをGaの液体中に浸した。積層体Bは、完全にGaの液体に浸漬しており、Gaの液体から露出していなかった。
次に、容器本体61の開口を蓋62でふさいだ。
その後、HVPE装置内に容器6を配置して、容器6を窒素ガス雰囲気下で加熱した。熱処理条件は以下のようである。
(熱処理)
温度:1200℃
雰囲気:Nガス
処理時間:8時間
1200℃で8時間熱処理した後、冷却した。GaN半導体層は非常に薄いため、冷却過程で、GaN半導体層と基材層11との線膨張係数差による力でGaN半導体層と基材層11とが剥離した場合には、GaN半導体層には亀裂が生じる。これに対し、本実施例では、GaN半導体層には亀裂が生じていないことから、GaN半導体層と基材層11との固着力は熱処理中に失われ、熱処理中に、GaN半導体層と基材層11との剥離が生じていると考えられる。
HVPE装置が一定温度まで冷却されたら、HVPE装置から容器6を取り出し、容器6中のGaの液体が固化しないように、ホットプレートで加熱しながら、容器6から、GaN半導体層と基材層11とが剥離した積層体Bを取り出した。
(Peeling process)
Next, heat treatment was performed as in the above embodiment. Here, heat treatment was performed using the container 6. First, the outer peripheral edge of the laminated body B was fitted into the groove of the holding portion 631 of the jig 63, and 20 laminated bodies B were held by the jig 63.
Thereafter, a jig 63 for holding the laminate B was inserted into the container main body 61. Next, the container body 61 was filled with Ga liquid, and all the laminates B were immersed in the Ga liquid. The layered product B was completely immersed in the Ga liquid, and was not exposed from the Ga liquid.
Next, the opening of the container main body 61 was closed with a lid 62.
Then, the container 6 was arrange | positioned in an HVPE apparatus and the container 6 was heated in nitrogen gas atmosphere. The heat treatment conditions are as follows.
(Heat treatment)
Temperature: 1200 ° C
Atmosphere: N 2 gas treatment time: 8 hours Heat treatment was performed at 1200 ° C. for 8 hours and then cooled. Since the GaN semiconductor layer is very thin, when the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 are peeled off by a force due to a difference in linear expansion coefficient between the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 during the cooling process, Cracks. On the other hand, in this example, since the GaN semiconductor layer is not cracked, the adhesion between the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 is lost during the heat treatment, and the GaN semiconductor layer and the base layer are treated during the heat treatment. It is considered that peeling from the material layer 11 has occurred.
When the HVPE apparatus is cooled to a certain temperature, the container 6 is taken out from the HVPE apparatus, and the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 are removed from the container 6 while heating with a hot plate so that the Ga liquid in the container 6 does not solidify. The laminate B from which was peeled off was taken out.

その後、GaN半導体層と基材層11との剥離により得られたGaN半導体層側の構造体を洗浄した。GaN半導体層側の構造体を、洗浄液に浸漬した。具体的な洗浄条件は以下のようである。なお、この工程において、III族窒化物半導体層15と基材層11との分離界面に存在するGaだけではなく、炭化物層12B、窒化物層13A、さらには、III族元素析出層14が除去された。
(洗浄工程)
洗浄液:リン酸+硫酸混合液
温度:150℃
時間:1時間
以上の工程により、厚さ400μmのGaN半導体層からなる自立した下地基板10を20枚得た。
その後、得られた下地基板10を用いて、GaN層の厚膜成長を行った。成長条件は以下の通りである。
(厚膜成長工程)
成膜方法:HVPE
成膜温度:1040℃
成膜ガス:GaClガス 180cc/min、NH3ガス 1800cc/min
ドーピング:Siドープ
含有量3000ppmのジクロロシラン(Si2H2Cl2)3cc/minにHCl 3cc/minを混合し、HVPE装置に導入した。
厚さ:1100μm
Thereafter, the structure on the GaN semiconductor layer side obtained by peeling the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 was washed. The structure on the GaN semiconductor layer side was immersed in a cleaning solution. Specific cleaning conditions are as follows. In this step, not only the Ga existing at the separation interface between the group III nitride semiconductor layer 15 and the base material layer 11, but also the carbide layer 12B, the nitride layer 13A, and the group III element precipitation layer 14 are removed. It was done.
(Washing process)
Cleaning solution: phosphoric acid + sulfuric acid mixture temperature: 150 ° C
Time: 1 hour The above process yielded 20 self-supporting base substrates 10 made of a GaN semiconductor layer having a thickness of 400 μm.
Thereafter, a thick GaN layer was grown using the obtained base substrate 10. The growth conditions are as follows.
(Thick film growth process)
Deposition method: HVPE
Deposition temperature: 1040 ° C
Deposition gas: GaCl gas 180cc / min, NH3 gas 1800cc / min
Doping: HCl 3 cc / min was mixed with 3 cc / min of dichlorosilane (Si 2 H 2 Cl 2 ) having a Si doping content of 3000 ppm and introduced into the HVPE apparatus.
Thickness: 1100μm

(比較例1)
実施例1の剥離工程を実施せずに、基材層付きのGaN半導体層を形成した後、実施例1と同様に、HVPE装置を冷却してHVPE装置から取り出した。その後、再度、基材層付きのGaN半導体層をHVPE装置に入れて、実施例1と同様の厚膜成長を行なった。厚膜成長後の冷却過程で熱応力を利用してGaN層と基材層とを分離した。他の点は、実施例1と同様である。厚さ1000μmのGaN自立基板を得た。
(Comparative Example 1)
After forming the GaN semiconductor layer with the base material layer without carrying out the peeling step of Example 1, the HVPE device was cooled and taken out from the HVPE device in the same manner as in Example 1. Thereafter, the GaN semiconductor layer with the base material layer was again put into the HVPE apparatus, and the same thick film growth as in Example 1 was performed. The GaN layer and the base material layer were separated using thermal stress in the cooling process after the thick film growth. Other points are the same as in the first embodiment. A GaN free-standing substrate having a thickness of 1000 μm was obtained.

(実施例1および比較例1の結果)
比較例1では、20枚中5枚のGaN自立基板にクラックが発生してしまったのに対し、実施例1では、熱処理工程で20枚中20枚とも、クラックを発生させずに、GaN半導体層と基材層とを剥離することができた。そのため、20枚のクラックのないGaN自立基板を得ることができた。
(Results of Example 1 and Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, cracks occurred in 5 out of 20 GaN free-standing substrates, whereas in Example 1, 20 out of 20 GaN semiconductors did not generate cracks in the heat treatment process. The layer and the base material layer could be peeled off. Therefore, it was possible to obtain 20 GaN free-standing substrates without cracks.

また、実施例1で得られた下地基板10は、表面が非常に平滑であり、面内の厚みばらつきが少ないものであった。GaN半導体層と基材層11との剥離により得られたGaN半導体層側の構造体を洗浄した後の、GaN半導体層の厚みを任意8点で測定した。
結果を表1に示す。
なお、表1の参考例は、熱処理中にGaの液体中に浸漬させずに、窒素ガス雰囲気下で熱処理したものである。熱処理温度等、他の点は実施例1と同じである。参考例においても、GaN半導体層と基材層11との剥離により得られたGaN半導体層側の構造体を洗浄した後の、GaN半導体層の厚みを任意8点で測定している。なお、実施例1のGaN半導体層の平均厚さは400μmであったが、参考例では、350μmであった。
Moreover, the base substrate 10 obtained in Example 1 had a very smooth surface and little in-plane thickness variation. The thickness of the GaN semiconductor layer after measuring the structure on the GaN semiconductor layer side obtained by peeling the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 was measured at 8 arbitrary points.
The results are shown in Table 1.
In addition, the reference example of Table 1 heat-processes in nitrogen gas atmosphere, without being immersed in the liquid of Ga during heat processing. Other points such as the heat treatment temperature are the same as those in the first embodiment. Also in the reference example, the thickness of the GaN semiconductor layer after measuring the structure on the GaN semiconductor layer side obtained by peeling the GaN semiconductor layer and the base material layer 11 is measured at eight arbitrary points. In addition, although the average thickness of the GaN semiconductor layer of Example 1 was 400 micrometers, it was 350 micrometers in the reference example.

Figure 0006091969
Figure 0006091969

2 半導体基板
3 HVPE装置
5 容器
6 容器
10 下地基板
11 基材層
12 炭化物層
12A 炭化物層
12B 炭化物層
13 窒化物層
13A 窒化物層
14 III族元素析出層
15 III族窒化物半導体層
21,22 III族窒化物半導体層
31 反応管
32 基板ホルダ
33 III族原料ガス供給部
34 窒素原料ガス供給部
35 ガス排出管
36,37 ヒータ
38 遮蔽板
39 成長領域
40 配管
41 回転軸
50 容器本体
51 側壁
52 ピン
52A−52D ピン
53 蓋
61 容器本体
62 蓋
63 治具
120 窒化された炭化物層
311 ガス供給管
312 ソースボート
313 III族原料
341 ガス供給管
631 保持部
632 固定部
A 積層体
B 積層体
L 液体
2 Semiconductor substrate 3 HVPE apparatus 5 Container 6 Container 10 Base substrate 11 Base layer 12 Carbide layer 12A Carbide layer 12B Carbide layer 13 Nitride layer 13A Nitride layer 14 Group III element precipitation layer 15 Group III nitride semiconductor layers 21 and 22 Group III nitride semiconductor layer 31 Reaction tube 32 Substrate holder 33 Group III source gas supply unit 34 Nitrogen source gas supply unit 35 Gas exhaust tube 36, 37 Heater 38 Shielding plate 39 Growth region 40 Pipe 41 Rotating shaft 50 Container body 51 Side wall 52 Pin 52A-52D Pin 53 Lid 61 Container body 62 Lid 63 Jig 120 Nitrided carbide layer 311 Gas supply pipe 312 Source boat 313 Group III raw material 341 Gas supply pipe 631 Holding part 632 Fixed part A Laminated body B Laminated body L Liquid

Claims (9)

基材層上に、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムおよび炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
前記窒化された炭化物層上に、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層で構成された積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、前記III族窒化物半導体層から前記基材層を剥離して、前記III族窒化物半導体層を含むIII族窒化物半導体の下地基板を得る工程と
を含み、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の前記積層体を前記エピタキシャル成長の成長温度よりも高い温度で熱処理する下地基板の製造方法。
Forming a carbide layer selected from aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide and tantalum carbide on the base material layer;
Nitriding the carbide layer;
Epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer on the nitrided carbide layer;
A laminate comprising the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer is heat-treated in a state of being immersed in a liquid of a group III element, and the base material layer is removed from the group III nitride semiconductor layer. Peeling and obtaining a base substrate of a group III nitride semiconductor including the group III nitride semiconductor layer ; and
Including
A method of manufacturing a base substrate in which the heat treatment is performed on the stacked body of the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer at a temperature higher than a growth temperature of the epitaxial growth .
請求項1に記載の下地基板の製造方法において、
前記III族元素の液体は、前記III族窒化物半導体層を構成するIII族元素の液体である下地基板の製造方法。
In the manufacturing method of the base substrate of Claim 1,
The method for producing a base substrate, wherein the group III element liquid is a group III element liquid constituting the group III nitride semiconductor layer.
請求項1又は2に記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理をする際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の積層体を1100℃以上、1300℃以下で加熱する下地基板の製造方法。
In the manufacturing method of the base substrate of Claim 1 or 2 ,
A method of manufacturing a base substrate, wherein the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer stack are heated at 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower when the heat treatment is performed.
請求項1乃至3のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記積層体を、前記III族元素の液体に浸漬させた状態で、5時間以上、熱処理し、前記熱処理中に前記III族窒化物半導体層および前記基材層間の固着力を低減する下地基板の製造方法。
In the manufacturing method of the base substrate in any one of Claims 1 thru | or 3 ,
When the heat treatment is performed, the laminated body is heat-treated for 5 hours or more in a state of being immersed in the liquid of the group III element, and during the heat treatment, solidification between the group III nitride semiconductor layer and the base material layer is performed. A method of manufacturing a base substrate that reduces adhesion.
請求項1に記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理する際には、前記基材層、前記炭化物層および前記III族窒化物半導体層の積層体をIII族元素の液体に浸漬させた状態で熱処理し、熱処理中に前記III族窒化物半導体層から前記基材層が剥離する下地基板の製造方法。
In the manufacturing method of the base substrate of Claim 1,
When the heat treatment is performed, the laminate of the base material layer, the carbide layer, and the group III nitride semiconductor layer is immersed in a liquid of a group III element, and the group III nitride semiconductor is subjected to the heat treatment. A method for producing a base substrate in which the base material layer peels from the layer.
請求項1乃至5のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる前記工程では、厚さ600μm以下であるIII族窒化物半導体層を形成する下地基板の製造方法。
In the manufacturing method of the base substrate in any one of Claims 1 thru | or 5 ,
In the step of epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer, a method for manufacturing a base substrate, wherein a group III nitride semiconductor layer having a thickness of 600 μm or less is formed.
請求項1乃至6のいずれかに記載の下地基板の製造方法において、
前記熱処理をする際には、
複数の前記積層体を用意し、前記複数の積層体を容器に収容し、複数の積層体を前記容器内のIII族元素の液体に浸漬させる下地基板の製造方法。
In the manufacturing method of the base substrate in any one of Claims 1 thru | or 6 ,
When performing the heat treatment,
A method for manufacturing a base substrate, comprising preparing a plurality of the laminates, housing the plurality of laminates in a container, and immersing the plurality of laminates in a Group III element liquid in the container.
請求項1乃至7のいずれかに記載の下地基板の製造方法を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法であり、
前記下地基板の製造方法により、製造された前記下地基板上に、さらにIII族窒化物半導体層を成長させる工程を含むIII族窒化物半導体基板の製造方法。
A method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate including the method for manufacturing a base substrate according to claim 1 ,
A method of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate, further comprising a step of growing a group III nitride semiconductor layer on the base substrate manufactured by the method of manufacturing the base substrate.
請求項8に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
さらにIII族窒化物半導体層を成長させる前記工程では、前記下地基板の表裏面それぞれにIII族窒化物半導体層を成長させるIII族窒化物半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the group III nitride semiconductor substrate according to claim 8 ,
Further, in the step of growing a group III nitride semiconductor layer, a group III nitride semiconductor substrate manufacturing method in which a group III nitride semiconductor layer is grown on each of the front and back surfaces of the base substrate.
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