JP6130039B2

JP6130039B2 - Ｉｉｉ族窒化物基板の製造方法

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Publication number: JP6130039B2
Application number: JP2016182170A
Authority: JP
Inventors: 丈洋吉田
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: JP2017014106A

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体材料は、禁制帯幅が大きく、直接遷移型であるため、例えば、短波長の発光素子に適している。近年では、青紫色レーザダイオードや、緑色や青色や白色の発光ダイオード等に用いられている。

ＩＩＩ族窒化物半導体のデバイスを作製する際、格子不整合の小さい好都合な基板材料が無く、従来からサファイア基板が用いられている。しかし、その小さくない格子不整合のために、サファイア基板上に作りこんだＩＩＩ族窒化物半導体デバイスには、１ｃｍ^２あたり１０^８個〜１０^１０個程度の転位欠陥が導入されている。加えてサファイア基板は、電気伝導も熱伝導も非常に悪く、サファイア基板上のＩＩＩ族窒化物デバイスのパフォーマンスは低い。

しかし近年では、転位密度が１ｃｍ^２あたり１０^５個〜１０^６個程度という高品質な単結晶窒化ガリウム基板が実現し、流通するようになった。電気伝導も熱伝導も良い当該基板にホモ成長をすることで、高いパフォーマンスを示すデバイスを簡単に得られるようになってきた。

現在流通している単結晶窒化ガリウム基板は、そのほとんどがハロゲン化気相エピタキシー（Halide Vapor Phase Epitaxy：HVPE）法によって、異種基板の上に成長し、何らかの方法によってそこから自立させて作製されている（例えば特許文献１）。

そのような製法上の事情から、単結晶窒化ガリウム基板は、製造中に割れやすかったり、大口径化が困難であったりした。製造中に割れてしまった場合、割れたパーツを主面とは反対の面をあらわにして並べ、ＩＩＩ族窒化物多結晶の成長によって再びつなぎ合わせることで歩留りを向上させるという裏打ち技術が知られている（特許文献２）。

また、複数の種結晶を、主面をあらわにして並べて、その上に結晶成長を行うことで、隣り合うパーツを互いに結合させて大口径化させるという方法も知られている（特許文献３〜６）。

特許第４１１７１５６号公報特開２０１２−５６７９９号公報特許第４９１５１２８号公報特許第５３３２１６８号公報特開２０１１−６３５０４号公報特開２０１２−３１０２８号公報

しかしながら、本願発明者の検討によれば、特許文献３〜６に記載の方法では、以下のような困難が生じる。特許文献３〜５に記載の方法は、複数の種結晶片を単に並べるものであり、このために、複数の種結晶片がずれやすく、高品質な結晶の成長を行うことが難しい。特許文献６に記載の方法では、複数の種結晶片のずれを防止するために、酸化アルミニウム治具による固定を行っているが、このような固定方法を用いても、高品質な結晶の成長を行うことは難しい。

本発明の一目的は、複数の種結晶基板を並べて形成した種結晶基板上に結晶成長を行うＩＩＩ族窒化物基板の作製に関し、新規な技術を提供することである。

本発明の一観点によれば、
側面同士を対向させて並べられるような形状に成形された複数の種結晶基板を用意する工程と、
前記側面同士を対向させて並んだ配置となるように、前記複数の種結晶基板を、基材上に接着剤で接着する工程と、
前記複数の種結晶基板の主面上方に、各々の主面上方に成長した結晶同士が結合して一体化するように、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程と、
前記ＩＩＩ族窒化物結晶で形成されたＩＩＩ族窒化物基板を得る工程と
を有するＩＩＩ族窒化物基板の製造方法
が提供される。

基材上に接着剤で位置を固定して種結晶基板を並べ、結晶成長を行うことにより、高品質なＩＩＩ族窒化物基板を得ることが容易になる。

図１（Ａ）は、本発明の一実施形態による合体種結晶基板中の種結晶基板のレイアウトを示す組図であり、図１（Ｂ）〜図１（Ｅ）は、実施形態による材料基板および種結晶基板の材料取りパターンを示す概略平面図であり、図１（Ｆ）は、実施形態による種結晶基板の切り取り工程を示す概略断面図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、実施形態による合体基板の作製工程を示す概略断面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、実施形態による合体基板の作製工程を示す概略断面図である。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、実施形態の第１の変形例および第２の変形例による合体基板の作製工程を示す概略断面図である。図５（Ａ）は、実施例による合体種結晶基板中の種結晶基板のレイアウトを示す組図であり、図５（Ｂ）〜図５（Ｇ）は、実施例による材料基板および種結晶基板の材料取りパターンを示す概略平面図である。

以下、本発明の一実施形態によるＩＩＩ族窒化物基板の作製方法について説明する。ＩＩＩ族窒化物としては、例えば、一般式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものが挙げられる。

ここでは、一例として、直径７５ｍｍのＩＩＩ族窒化物基板４枚から切り出した複数の種結晶基板を組み合わせて形成した種結晶基板上への結晶成長により、例えば直径１００ｍｍの大口径ＩＩＩ族窒化物基板を作製する方法について説明する。大口径とは、基板の直径が、例えば、１００ｍｍ以上、または、４インチ以上のことをいう。

以下、種結晶が切り出されるＩＩＩ族窒化物基板を、材料基板と呼ぶこともある。複数の種結晶基板を組み合わせて（合体させて）形成された種結晶基板を、合体種結晶基板と呼ぶこともある。合体種結晶基板上への結晶成長により作製されたＩＩＩ族窒化物基板を、合体基板と呼ぶこともある。

まず、材料基板となるＩＩＩ族窒化物単結晶基板として、市販の直径７５ｍｍの（０００１）基板もしくは（０００−１）基板を４枚用意する。これらの材料基板から、組み合わせたら直径１１０ｍｍの円板状となるような形状の種結晶基板を材料取りする。

図１（Ａ）は、円板状に組み合わされた７枚の種結晶基板１１〜１７のレイアウト例を示す組図であり、種結晶基板１１〜１７により、合体種結晶基板２０が形成される。図１（Ｂ）〜図１（Ｅ）は、４枚の材料基板３１〜３４のそれぞれを示す概略平面図であり、材料基板３１〜３４に、図１（Ａ）の組図に対応するような、種結晶基板１１〜１７の材料取りパターン（後述のレーザースクライブにおける描画パターン）が示されている。なお、種結晶基板１１〜１７の各々を区別せずに種結晶基板１０と呼ぶこともあり、材料基板３１〜３４の各々を区別せずに材料基板３０と呼ぶこともある。

図１（Ａ）は、合体種結晶基板２０を主面側（表側）から見た図であり、図１（Ｂ）〜図１（Ｅ）は、材料基板３１〜３４を主面と反対側（裏側）から見た図である。したがって、図１（Ａ）と図１（Ｂ）〜図１（Ｅ）とで、種結晶基板１１〜１７の各々の形状は反転して表示されている。

種結晶基板１１〜１７の各々は、合体種結晶基板２０の外周を画定する円弧部以外は、すべて＜１０−１０＞方向に直交する辺で囲まれた形状とする。つまり、種結晶基板１０の相互に対向させる側面は、すべて｛１０−１０｝面が露出した側面とする。

本例では、合体種結晶基板２０の中央部に、＜１０−１０＞方向に直交する６つの辺で画定される六角形状の種結晶基板１１を配置し、種結晶基板１１の周りに、種結晶基板１１の６つの辺それぞれで隣接する種結晶基板１２〜１７を配置したレイアウトとしている。このようなレイアウトに対応するように、材料基板３１に、中央の種結晶基板１１を画定している。また、種結晶基板１１の相互に対向する１対の辺それぞれに隣接する種結晶基板を１組として、種結晶基板１２，１３の組を材料基板３２に画定し、種結晶基板１４，１５の組を材料基板３３に画定し、種結晶基板１６，１７の組を材料基板３４に画定している。

図１（Ｂ）〜図１（Ｅ）に示された矢印は、それら各々の方向が、主面方位が傾いている方向を示し、それら各々の長さが、主面方位の傾きの度合いを示しており、いわゆるオフ角分布のイメージを与えるものである。

合体種結晶基板２０において、各々の種結晶基板１１〜１７のオフ角の傾いている方向が一方向に揃うように、材料取りを行うことが好ましい。例えば、オフ角の傾いている方向同士のなす角が、合体種結晶基板２０の面内中で、最大でも１０°以下となるようにすることが好ましい。また、各々の種結晶基板１１〜１７の単体中におけるオフ角の最大値と最小値の差は、大きくとも０．５° 以下となるようにすることが好ましい。

例えばレーザースクライブ装置により、上述のような描画パターンに沿って、材料基板３１〜３４から種結晶基板１１〜１７を切り出す。この際、以下に説明するように、材料基板３１〜３４の裏面側（合体種結晶基板２０の主面と反対側）からのレーザー照射（描画）を行い、劈開での分離を行うことが最も好ましい。

レーザースクライブの際のレーザー照射により形成された切断面は、一般に、主面に対して鉛直にならずテーパー形状になりやすい。具体的には、レーザー入射側の開口が広がりやすい。したがって、裏から描画することにより、主面側の開口を無駄に広げないという効果がある。

また、レーザー照射により形成された切断面には、一度融けて再結晶化したアモルファス状の加工変質層が存在する。したがって、円弧部以外の縁部の切断に関しては、一部の厚さ（例えば材料基板厚さの５％〜５０％）を切り残してスクライブ溝を形成し、最終的に劈開で分離することが、自然な端面である劈開面（ここでは｛１０−１０｝面）を得るために最も好ましい。なお、円弧部以外の辺部も、レーザー照射で基板厚さ方向にフルカットするようにしてもよい。

図１（Ｆ）は、裏面側からのレーザー光４０の照射と劈開により、材料基板３０から種結晶基板１０を切り取る工程を示す概略断面図である。形成される側面１００において、主面側に劈開面（｛１０−１０｝面）１０１が配置されて、種結晶基板１０が切り取られる。

レーザースクライブを施すと、ＩＩＩ族窒化物の切粉が大量に発生して、種結晶基板１０に付着し、そのままでは後述の結晶成長に悪影響を及ぼす。そこで、当該切粉を除去する洗浄を行う。洗浄方法としては、例えば、塩酸と過酸化水素水を１対１で混合した薬液でのバブリング洗浄が好適である。

以上のようにして、側面同士を対向させて並べられるような形状に成形された種結晶基板１１〜１７が用意される。

次に、合体基板を作製する方法について説明する。図２（Ａ）〜図３（Ｂ）は、本実施形態による合体基板の作製工程を示す概略断面図である。

図２（Ａ）を参照する。基材５０上に、図１（Ａ）のレイアウトにしたがって、種結晶基板１１〜１７（複数の種結晶基板１０）を並べる。つまり、｛１０−１０｝面１０１の露出した側面１００同士が、なるべく隙間を空けないように近接して対向するように、種結晶基板１０を並べる。この際、種結晶基板１０の裏面に接着剤６０を塗布して、基材５０上における位置が固定されるように、種結晶基板１０を並べる（側面１００同士を対向させて並んだ配置となるように、複数の種結晶基板１０を、基材５０上に接着剤６０で接着する）。このようにして、基材５０上に、合体種結晶基板２０が形成される。複数の種結晶基板１０は、主面の面方位を揃えて配置する。つまり、合体種結晶基板２０の主面は、全体として、（０００１）面とするか、または、（０００−１）面とする。

後述の結晶成長において、種結晶基板１０の各々の主面上方に成長した結晶同士が、面内方向で結合して一体化するように、側面１００同士を近接させて、種結晶基板１０を並べることが好ましい。例えば、並べられた種結晶基板１０の対向する辺間のギャップは、最も広い場所でも、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下とする。ギャップが広すぎると、後述の結晶成長において、結合不良や貫通孔が生じやすいためである。

基材５０の材料としては、その線膨張係数が、種結晶基板１０およびその主面上に成長される結晶を構成するＩＩＩ族窒化物の線膨張係数と比べて同等か小さいものが好適である。基材５０の線膨張係数をこのように選択することにより、後述の結晶成長における昇温に伴って種結晶基板１０間のギャップが広がってしまうことを抑制できる。ここで、主面が（０００１）面もしくは（０００−１）面であるので、考慮すべき線膨張係数は、主面に平行な面内方向すなわち＜１１−２０＞方向（ａ軸方向）の線膨張係数である。
＜１１−２０＞方向の線膨張係数は、例えばＧａＮの場合、５．５９×１０^−６／Ｋであり、また例えばＡｌＮの場合、４．１５×１０^−６／Ｋである。線膨張係数がこれらに比べて同等もしくは小さく、安価で入手が容易であり、ある程度の剛性を示す基材材料としては、例えば、等方性黒鉛、パイロリティックグラファイト、シリコン、石英等が挙げられる。

接着剤６０としては、後述の結晶成長における成長温度、成長雰囲気に耐え、線膨張係数がＩＩＩ族窒化物と近いものが好ましい。具体的には、ジルコニアやシリカなどを主成分とした接着剤が好適であり、例えば、市販のアロンセラミックＣ剤やＥ剤（東亜合成株式会社製）が挙げられる。

図２（Ｂ）を参照する。接着剤６０が固化したら、合体種結晶基板２０の形成された基材５０を、結晶成長装置、具体的にはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置に投入する。

種結晶基板１０の分解を防ぐ目的でＮＨ_３ガスを供給しながら、９５０℃〜１１００℃の範囲内の温度、より好ましくは１０５０℃〜１１００℃の範囲内の温度となるように、基板温度を昇温する。基板温度が目標温度に達したら、ＩＩＩ族原料ガスの供給を開始して、ＩＩＩ族窒化物結晶を厚さ方向に例えば１ｍｍ成長する。すると、各々の種結晶基板１０の主面から成長してきた結晶同士が、面内方向で完全に結合して、大口径なＩＩＩ族窒化物単結晶層７０が得られる。

図３（Ａ）を参照する。次に、基材５０から、ＩＩＩ族窒化物結晶部８０（種結晶基板１０と成長した単結晶層７０との積層部）を自立させる（分離させる）。例えば基材５０としてパイロリティックグラファイトを用いた場合、当該基材の最表面層が犠牲層になって、基材５０からの自立が容易に行われる。それ以外の材料の基材５０を用いた場合は、適当なスライサーを用いてＩＩＩ族窒化物結晶部８０を基材５０から自立させる。なお、自立した結晶部８０の裏面に固着している接着剤６０は、ＨＦ水溶液等での洗浄により除去する。

図３（Ｂ）を参照する。次に、自立したＩＩＩ族窒化物結晶部８０に、外径加工および表裏面の研磨加工を施す。特に種結晶部である種結晶基板１０は完全に除去されることが好ましい。このようにして、直径１００ｍｍの大口径を有するＩＩＩ族窒化物合体基板９０が得られる。

上述の実施形態のＩＩＩ族窒化物基板の作製方法により、例えば以下のような効果が得られる。

ここで、第１の比較形態として、基材上に接着剤を用いず種結晶基板を並べて載置しただけの合体種結晶基板上に、結晶成長を行う場合について考える。第１の比較形態では、細心の注意を払って基材上に種結晶基板を並べ合体種結晶基板を形成しても、合体種結晶基板を結晶成長装置に投入する際に生じる衝撃や、結晶成長装置において成長の均一性を上げるために合体種結晶基板を面内方向に回転させる際に生じる振動や、原料ガス等のガスの流れで生じる力等により、各々の種結晶基板が動いてしまい、種結晶基板同士が適切に近接対向した状態での結晶成長が極めて困難である。

その結果、各々の種結晶基板上に成長した結晶同士の結合が不充分となって、合体基板としての強度が不充分となったり、主面側から裏面側への貫通孔が形成されたり、そもそも結合が起こらなかったりする。また、対向する辺同士の平行度が悪くなった場合、合体結合領域に極めて高密度な欠陥が発生し、クラックや貫通孔の原因となるばかりか、それによって発生する応力を緩和するために、すべての種結晶基板の主面が同一平面上には存在しえなくなったりする。

すなわち、第１の比較形態では、各々の種結晶基板のずれによって、出来上がる結晶の特性や形が毎回異なりやすく、また、大口径基板が得られない場合もしばしばある。運よく大口径基板になったとしても、貢通孔や極めて高密度な欠陥集中領域が形成されたりする。研磨加工が困難であったり、研磨加工後のオフ角ばらつきが必ずしも小さくならなかったりするといった問題もある。

また、第２の比較形態として、基材上に接着剤を用いず種結晶基板を並べ、外周から治具で固定した合体種結晶基板上に、結晶成長を行う場合について考える。複数の種結晶基板を全くずれないよう固定させるには、少なくとも室温において、並べられた種結晶基板の配列方向に、全体的に圧力をかけることとなる。すると、結晶成長温度では、熱膨張の影響によりその圧力が増大し、種結晶基板の配列の崩れを引き起こしたり、主面が同一平面上に存在しえなくなったり、いくつかの種結晶基板にチッピングやクラックが発生したりし、さらに、その際に発生したパーティクルが主面上に乗ったりして、種結晶上への結合成長、並びに結果として得られる基板の品質に著しい悪影響を及ぼすという問題が生じる。

一方、実施形態では、基材上に接着剤で種結晶基板を貼り付けることにより、種結晶基板の位置を固定するようにして、合体種結晶基板を形成している。これにより、合体種結晶基板を成長装置内に導入する工程や、室温から成長温度まで昇温する工程や、合体種結晶基板を成長装置内で回転させる工程等を行っても、種結晶基板の配置がずれないようになり、また、種結晶基板間に過度の圧力がかかることも抑制されて、種結晶基板同士が適切に近接対向した状態での結晶成長が容易になる。その結果、主面からその反対面まで貫通するような孔が無く、主面全面に亘ってオフ角の最大値と最小値の差が０．５°以内であり、例えば直径１００ｍｍ以上の大口径の、高品質なＩＩＩ族窒化物基板を、歩留りよく作製することが容易になる。

第３の比較形態として、種結晶基板同士の対向する側面が、｛１０−１０｝面以外の面も含んで構成されている場合について考える。第３の比較形態では、種結晶基板の角部同士が近接する場所（実施形態について図１（Ａ）に例示する位置２１と同様な位置）で、種結晶基板上に成長した結晶同士の結合が不完全になりやすく、表裏に貫通する孔が残留しやすい。

一方、実施形態では、種結晶基板同士が｛１０−１０｝面の露出した側面のみで対向するように、種結晶基板形状が画定されている。これにより、種結晶基板の角部同士が近接する場所（図１（Ａ）に例示する位置２１）における貫通孔形成等の不具合を抑制することができる。

次に、上述の実施形態の第１の変形例によるＩＩＩ族窒化物基板の作製方法について説明する。図４（Ａ）は、本変形例による合体基板の作製工程を示す概略断面図である。以下、主として上述の実施形態との違いについて説明する。

図４（Ａ）は、基材５１上に複数の種結晶基板１０を並べる工程を示し、上述の実施形態において図２（Ａ）を参照して説明した工程に対応する。種結晶基板１０を、裏面に接着剤６０を塗布して並べる際に、接着剤６０の量が多ければ、種結晶基板１０同士の隙間から、余分な接着剤６０が主面側にはみ出してくる可能性がある。

本変形例の基材５１には、種結晶基板１０同士が隣接する縁部に沿って、余分な接着剤６０を流し込ませるための溝５２が形成されている。本変形例では、このような溝５２を有する基材５１を用いることにより、隣接する種結晶基板１０同士の間から接着材６０がはみ出すことを抑制できる。なお、連続した溝形状でなくとも、少なくとも、隣接する種結晶基板１０同士の間に、余分な接着剤６０を流し込められるような凹部が形成されていれば、同様な効果を生じさせることができる。本変形例におけるその他の工程は、上述の実施形態と同様であり、本変形例においても、高品質な合体基板の形成が容易になるという効果は同様である。

次に、上述の実施形態の第２の変形例によるＩＩＩ族窒化物基板の作製方法について説明する。図４（Ｂ）は、本変形例による合体基板の作製工程を示す概略断面図である。以下、主として上述の実施形態との違いについて説明する。

上述の実施形態では、成長させたＩＩＩ族窒化物単結晶層７０から１枚の合体基板９０を得る例（図３（Ｂ）参照）について説明したが、図４（Ｂ）に示す本変形例のように、厚く（例えば１０ｍｍ程度に）成長させたＩＩＩ族窒化物単結晶層７０を（厚さ方向と交差するように）スライスして、複数枚の合体基板９０１、９０２等を得るようにすることもできる。

さらに、以下のような他の実施形態を挙げることもできる。上述の実施形態では、角部の形状を、｛１０−１０｝面で囲まれた六角形の角部状とする種結晶基板形状の例について説明した。しかし、種結晶基板形状は、このようなものに限らず、角部の形状を、｛１０−１０｝面で囲まれた正三角形の角部状とするような形状でもよい。このような種結晶基板形状としても、種結晶基板の角部同士が近接する場所における貫通孔形成抑制等の効果を得ることができる。

また、上述の実施形態では、例えば直径１００ｍｍ以上（あるいは直径４インチ以上）の大口径の合体基板を作製する場合について例示したが、これより小さい直径の合体基板を作製することも可能である。また、合体種結晶基板を形成する際の、種結晶基板の材料取りの仕方は、上述の実施形態で例示したレイアウトに限定されない。種結晶基板の各々を、例えば、直径２インチ以下の基板から作製するようにしてもよい。なお、必要に応じて、円板状以外の外形の合体基板を作製することも可能である。

［実施例］
材料基板として、市販の直径２インチ、厚さ４００μｍのＧａＮ（０００１）基板を８枚用意した。図５（Ａ）は、直径１１０ｍｍの円板状に組み合わされた１２枚の種結晶基板１１１〜１２２のレイアウトを示す組図であり、図５（Ｂ）〜図５（Ｇ）は、８枚の材料基板１３１〜１３８に画定された種結晶基板１１１〜１２２の材料取りパターン（描画パターン）を示す概略平面図である。種結晶基板１１１〜１２２の各々は、円板状の合体種結晶基板１２５の外周を画定する円弧部以外は、すべて＜１０−１０＞方向に直交する辺で囲まれた形状とした。

なお、上述の実施形態での説明と同様に、合体種結晶基板１２５を示す図５（Ａ）は主面側を示し、材料基板１３１〜１３８を示す図５（Ｂ）〜図５（Ｇ）は主面と反対側を示しており、図５（Ａ）と、図５（Ｂ）〜図５（Ｇ）とで、種結晶基板１１１〜１２２の形状は反転している。また、図５（Ｂ）〜図５（Ｇ）における矢印は、図１（Ｂ）〜図１（Ｅ）について説明したのと同様に、オフ角分布のイメージを与えるものである。

材料基板１３１〜１３８に主面と反対側の面からレーザー照射（描画）を行うレーザースクライブにより、種結晶基板１１１〜１２２を得た。より具体的には、以下のような処理を行った。レーザー光として、波長５３２ｎｍ、出力５Ｗのものを用いた。２ｍｍ／ｓの送り速度で当該描画パターンを５回重ね書きしたところ、３５０μｍの深さの溝が掘られた。このパターニングで形が定義された種結晶基板１１１〜１２２を劈開で切り出し、材料基板１３１〜１３８から独立させた。そして、切断に伴って発生した切粉などを除去する目的で、塩酸と過酸化水素水の１対１の混合液で洗浄し、水洗後にＮ_２ブローで乾燥させた。

次に、種結晶基板１１１〜１２２を、（０００１）面を上向きにして、直径１１０ｍｍの円板状のパイロリティックグラファイトからなる基材上に、アロンセラミックＣ剤を用いてなるべく隙間が空かないように緊密に、図５（Ａ）のようなレイアウトで貼り付けて、合体種結晶基板１２５を形成した。この時、オフ角の傾いている方向が一方向に揃うようにした。図５（Ｂ）〜図５（Ｇ）のようなパターンで切り出した種結晶基板１１１〜１２２を図５（Ａ）のようなレイアウトで並べることにより、オフ方向を一様にすることができた。接着剤は、２４時間の自然乾燥後、９０℃で１時間乾燥させ、さらに１５０℃で１時間乾燥させて、固化させた。ここで、光学顕微鏡により、各パーツ間のギャップを観察したところ、最も広いところでも４２μｍであることを確認した。

その後、合体種結晶基板１２５の形成された基材を、ＨＶＰＥ装置に投入した。種結晶の分解を防ぐ目的でＮＨ_３ガスを供給しながら、１０７０℃に昇温した。その後、ＧａＣｌガスの供給分圧を３．２ｋＰａ、ＮＨ_３ガスの供給分圧を１３ｋＰａとして、Ｈ_２／Ｎ_２混合雰囲気で結晶成長を行った。この時、Ｈ_２組成は２０％とした。５時間成長したところ、厚さ１．２ｍｍのホモエピタキシャル層が形成され、さらに、隣り合う種結晶から成長してきたホモエピタキシャル層同士が完全に結合して、直径１１０ｍｍのＧａＮ結晶が得られた。

基材のパイロリティックグラファイトから、その最表面層が犠牲層になって、成長後の結晶の自立が容易に行われた。自立した結晶の裏面には、接着剤成分が固着していたが、ＨＦ２０％の水溶液に２時間浸漬したところ、当該成分をすっかり除去することができた。

その後、自立した結晶の外径加工および表裏面の研磨加工を施した。以上のようにして、直径１００ｍｍの大口径ＩＩＩ族窒化物基板が得られた。全面に貫通孔は無いことを、目視および光学顕微鏡で確認した。主面の面方位分布を＜１０−１０＞方向、及び＜１１−２０＞方向に５ｍｍピッチでＸ線回折法により評価した。その結果、オフ角の最大値と最小値の差が０．２°であった。

［比較例１］
比較例１は、実施例と異なり、種結晶基板を、接着剤を用いずに基材上に配置し、外周からアルミナ製治具で固定した。そして、ホモエピタキシャル成長による合体成長を行った。その結果、各々の種結晶基板上に成長した結晶がモザイク状に合体し、同一平面では合体しなかった。また、結合が不十分な箇所が散見され、貫通孔が複数形成された。さらに、アルミナ製治具上に発生した多結晶ＧａＮと、種結晶基板から成長開始した結晶ＧａＮとの固着が生じ、外周部に高密度なクラックが発生した。このようにして得られた比較例１の結晶に対しては、その後の加工を施すことができなかった。

［比較例２］
比較例２は、実施例と異なり、種結晶基板を、接着剤を用いずに、結晶成長装置のサセプタ上に単純に並べて、ホモエピタキシャル成長による合体成長を行った。運よく結合した種もあったが、面内で回転して結合が不完全なもの（貫通孔も形成）、ギャップが広がり過ぎて結合のなされなかったものが大多数であった。したがって、円形の大口径結晶としては、取得できなかった。

以上、実施形態および実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０〜１７，１１１〜１２２種結晶基板
２０，１２５合体種結晶基板
３０〜３４，１３１〜１３８材料基板
４０レーザー光
５０，５１基材
５２（基材上の）溝，凹部
６０接着剤
７０ＩＩＩ族窒化物単結晶層
８０ＩＩＩ族窒化物結晶部
９０ＩＩＩ族窒化物合体基板
１００（種結晶基板の）側面
１０１劈開面（｛１０−１０｝面）

Claims

側面同士を対向させて並べられるような形状に成形された複数の種結晶基板を用意する工程と、
隣り合う前記種結晶基板の前記側面同士が対向して並んだ配置となるように、前記複数の種結晶基板を、基材上に配置する工程と、
前記複数の種結晶基板の主面上方に、各々の主面上方に成長した結晶同士が結合して一体化するように、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程と、
を有し、
前記複数の種結晶基板を前記基材上に配置する工程において、前記複数の種結晶基板は、円板状に組み合わされて配置され、前記円板状の円弧部よりも内側に配置される六角形状の種結晶基板と、前記円板状の円弧部を画定する種結晶基板とを含み、前記複数の種結晶基板の相互に対向させる前記側面は、すべて、｛１０−１０｝面が露出した側面であり、
前記円板状の円弧部を画定する種結晶基板は、前記六角形状の種結晶基板よりも小さく、
前記複数の種結晶基板を用意する工程では、前記複数の種結晶基板が、円形で直径が同等な複数の材料基板から材料取りされ、前記六角形状の種結晶基板はすべて、前記材料基板１枚当たり１枚ずつ材料取りされ、前記円板状の円弧部を画定する種結晶基板のうち少なくとも２枚の種結晶基板は、同一の前記材料基板から材料取りされる、ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
側面同士を対向させて並べられるような形状に成形された複数の種結晶基板を用意する工程と、
隣り合う前記種結晶基板の前記側面同士が対向して並んだ配置となるように、前記複数の種結晶基板を、基材上に配置する工程と、
前記複数の種結晶基板の主面上方に、各々の主面上方に成長した結晶同士が結合して一体化するように、ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程と、
を有し、
前記複数の種結晶基板を前記基材上に配置する工程において、前記複数の種結晶基板は、円板状に組み合わされて配置され、前記円板状の円弧部よりも内側に配置される六角形状の種結晶基板と、前記円板状の円弧部を画定する種結晶基板とを含み、前記複数の種結晶基板の相互に対向させる前記側面は、すべて、｛１０−１０｝面が露出した側面であり、
前記複数の種結晶基板を用意する工程では、前記種結晶基板が材料取りされる材料基板に対し、前記種結晶基板の前記主面側と反対の裏面側からレーザー光を照射することで、前記材料基板の前記裏面側にスクライブ溝を形成する工程と、前記主面側に劈開面が配置されるように、前記材料基板から劈開により前記種結晶基板を分離する工程と、を行い、
前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程では、前記主面側に前記劈開面が配置された状態で、前記種結晶基板の前記主面上方に、前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる、ＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる工程では、前記基材上に配置された前記複数の種結晶基板を回転させながら、気相成長により前記ＩＩＩ族窒化物結晶を成長させる請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
前記気相成長は、ハイドライド気相成長である請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
前記複数の種結晶基板を前記基材上に配置する工程では、前記複数の種結晶基板が、直径１００ｍｍ以上の円板状に組み合わされて配置される請求項１〜４のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。
前記複数の種結晶基板の前記主面は、全体として、（０００１）面または（０００−１）面である請求項１〜５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物基板の製造方法。