JP6319598B2 - Ｒａｍｏ４基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＲＡＭＯ_４基板及びその製造方法に関するものである。

一般式ＲＡＭＯ_４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（III）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（II）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）からなるＲＡＭＯ_４基板の１つとして、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板が知られている。ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板は、ＧａＮ等の窒化物半導体の成長基板として用いられている（例えば、特許文献１参照。）。図１は、特許文献１に記載された従来のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板製造方法を示す例である。従来のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４バルク材料を、劈開することにより製造されていた。

特開２０１５−１７８４４８号公報

しかしながら、劈開だけでは、所望の表面形状を有するＲＡＭＯ_４基板が得られ難かった。そこで、より高品質な基板が求められている。つまり、本開示は、より高品質な基板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示は、一般式ＲＡＭＯ_４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（III）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（II）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）からなるＲＡＭＯ_４基板であり、少なくとも一方の面にエピタキシャル成長面を有し、前記エピタキシャル成長面には、高さ５００ｎｍ以上の凹凸を有さない、ＲＡＭＯ_４基板を提供する。

本開示によれば、より高品質なＲＡＭＯ_４基板を提供できる。

従来のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の製造工程の図 図２Ａは、従来のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の側面図、図２Ｂは、当該ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の平面図 従来の劈開のみで形成したエピタキシャル成長面の平面度測定結果の図 本開示の実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の製造工程の図 ２μｍダイヤモンドスラリーを用い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４劈開面を研磨加工したときの平面度測定結果の図 ０．１２５μｍダイヤモンドスラリーを用い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４劈開面を研磨加工したときの平面度測定結果の図 コロイダルシリカを用い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４劈開面を研磨加工したときの平面度測定結果の図 ０．５μｍダイヤモンド固定砥粒を用い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４劈開面を研磨加工したときの平面度測定結果の図 本開示の実施の形態における粗凹凸形成工程後の平面度測定結果の図 本開示の実施の形態における微少凹凸形成工程後の平面度測定結果の図 本開示の実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のＡＦＭ測定結果の図 図１２Ａは、複数の劈開面を有するエピタキシャル成長面を備えるＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の平面図、図１２Ｂは、当該ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の側面図 エピタキシャル成長面形成時にかかる力の説明図 本開示の実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のＡＦＭ測定結果の図 ２つの隣接する劈開面のＸ方向断面拡大図 梨地形状を有するＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の図 梨地形状を有するＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の部分拡大断面図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
はじめに、本開示に至った知見を述べる。引用文献１に示されるように、従来は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４バルク材料を劈開することで、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板を作製していた。しかしながら、劈開だけでは、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のＧａＮ成長を行うためのエピタキシャル成長面に高さ５００ｎｍ以上の段差が生じやすかった。高さ５００ｎｍ以上の段差部分がエピタキシャル成長面に存在すると、基板上に結晶をエピタキシャル成長させる際に不具合が発生する。基板のエピタキシャル成長面に高さ５００ｎｍ以上の段差が存在する場合の弊害について説明する。高さ５００ｎｍ以上の段差が存在するエピタキシャル成長面にＧａＮ等の結晶を作製すると、高さ５００ｎｍ以上の段差部分で違う結晶方位となる。例えば、エピタキシャル成長面上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法でＬＥＤ発光層に用いられるＩｎＧａＮ層を形成すると、インジウムの組成が段差部分と平坦部とで変化してしまう。そしてインジウムの組成が変わると、ＬＥＤ素子としての発光波長と輝度が変わる。その結果、ＬＥＤ素子として発光ムラが発生し、輝度低下が起きてしまう。

次に、従来の高さ５００ｎｍ以上の段差を有するＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の詳細と、その問題について説明する。
図２Ａは、従来のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１の側面図であり、図２Ｂは、当該基板００１の平面図である。図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１のエピタキシャル成長面００２には段差部００３が形成されている。ここで、段差部００３の高さは５００ｎｍ以上である。図３に従来の製造方法、つまり劈開で形成したＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１のエピタキシャル成長面００２の平面度の測定データを示す。当該データはφ４０ｍｍのＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１の同一平面内で直交するＸＹ軸でレーザー反射式測長機（三鷹光器製ＮＨ−３ＭＡ）を用いて取得したデータである。図３において矢印で示される部分が５００ｎｍ以上の凹凸部である。ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板では、劈開時の劈開方向の剥がし力がばらつくことで、同一原子層での劈開が起こらず、結果的に、５００ｎｍ以上の段差からなる凹凸部が生じると考えられる。

そこで、本開示では、高さ５００ｎｍ以上の段差を除去する工程を含む製造方法を提供する。図４に本開示の一実施の形態に係る、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の製造方法の各工程を示す。本開示の一実施の形態に係る製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４バルク材料を準備する工程（バルク材料準備工程）と、それを劈開によって分断し基板を形成する工程（劈開工程）と、基板のエピタキシャル成長面に対応する面を加工する工程（粗凹凸形成工程および微少凹凸形成工程）とを含む。

バルク材料準備工程では、例えば、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用いて製造された単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ_４インゴットを準備する。インゴットの製造方法としては、例えば、出発原料として純度が４Ｎ（９９．９９％）であるＳｃ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯを、所定のモル比で配合する。そして、直径１００ｍｍのイリジウム製の坩堝に、当該出発原料３４００ｇを投入する。次に、原料を投入した坩堝を、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉の育成炉に投入し、この炉内を真空にする。その後、炉内に窒素を導入し、炉内が大気圧となった時点で坩堝の加熱を開始する。そして、ＳｃＡｌＭｇＯ_４の融点に達するまで１２時間かけて徐々に加熱して材料を溶融させる。次に、（０００１）方位に切り出したＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶を種結晶として用い、この種結晶を坩堝内の融液近くまで降下させる。そして種結晶を一定の回転速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引き上げ速度０．５ｍｍ／ｈの速度で種結晶を上昇させて（０００１軸方向に引き上げ）、結晶成長を行う。これにより、直径５０ｍｍ、直胴部の長さ５０ｍｍの単結晶インゴットが得られる。

ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶について説明する。ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶は、岩塩型構造（１１１）面的なＳｃＯ_２層と、六方晶（０００１）面的なＡｌＭｇＯ_２層とが交互に積層した構造となっている。六方晶（０００１）面的な２層は、ウルツ鉱型構造と比較して平面的になっており、面内の結合と比較して、上下層間の結合は、０．０３ｎｍほど長く、結合の力が弱い。このため、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶は、（０００１）面で劈開することができる。この特性を利用し、劈開によってバルク材料を分断し、ＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体を準備する工程（劈開工程）を行うことができる。

ただし、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶の劈開に関する性質は、劈開工程を容易に実施可能とする反面、従来の加工方法による劈開面の加工を困難にする。つまり従来の加工方法では、劈開面に形成される高さ５００ｎｍ以上の凹凸を除去できなかった。その理由を説明する。説明に際し、一般的にＧａＮ等の半導体基板に対しては、表面の凹凸を５００ｎｍ未満にできるとされる加工を、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板に対して実施した例を紹介する。加工エリアは、１０ｍｍ角とする。

まず、従来の粗研磨加工に用いられる直径２μｍサイズのダイヤモンドスラリー（砥粒）を用い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４の劈開面をラップ研磨加工した結果を図５に示す。図５は加工した面の平坦度を前述のレーザー反射式測長機によりＸ方向に測定した結果である。図５に示されるように、当該加工を行うと、表面に５００ｎｍ以上の凹凸が発生することがわかる。ラップ研磨加工ではダイヤモンドスラリーがＳｃＡｌＭｇＯ_４表面を転がることにより、転がった部分の材料を微小に除去する。しかし、単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ_４は、多数のＳｃＯ_２層とＡｌＭｇＯ_２層との積層体であるために、加工力のばらつきにより部分的に深い層で剥がれが発生すると考えられる。そのため、図５に示されるように、５００ｎｍ以上の凹凸が発生したと考察される。

通常、このような加工力のバラツキを低減するためには、砥粒サイズを、許容できる凹凸のサイズよりも小さくすることが有効とされる。そこで、砥粒として、直径０．１２５μｍサイズのダイヤモンドスラリーを用い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４の劈開面をラップ研磨加工した結果を図６に示す。このときのＸ方向の平坦度の測定方法は直径２μｍサイズのダイヤモンドスラリーを用いて研磨した場合と同様とした。図６に示されるように、砥粒サイズを許容できる凹凸サイズ（５００ｎｍ）よりも小さくしても、高さ５００ｎｍ以上の凹凸が生じた。

一方、砥粒種の硬さや形状も、被研磨面の表面形状に影響を与える。そこで、ダイヤモンドよりもやわらかく、かつ、形状がより球に近いコロイダルシリカ砥粒を用いて研磨加工を実施した結果を図７に示す。研磨加工は、一般的なＧａＮ単結晶加工時の加圧力１０００Ｐａで行った。このときのＸ方向の平坦度の測定方法は、直径２μｍサイズのダイヤモンドスラリーを用いて研磨した場合と同様とした。図７に示されるように、当該方法によれば、微小な凹凸の除去は出来たが、こちらも高さ５００ｎｍ以上の凹凸は除去出来なかった。

以上のように、いずれの遊離砥粒を用いた研磨加工によっても、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のエピタキシャル成長面の凹凸高さを５００ｎｍ未満にすることができなかった。

そこで、直径０．５μｍサイズのダイヤモンド固定砥粒を用い、研削加工を行った。その結果を図８に示す。Ｘ方向の平坦度の測定方法は、直径２μｍサイズのダイヤモンドスラリーを用いて研磨した場合と同様とした。図８に示されるように、固定砥粒を用いても５００ｎｍ以上の凹凸が発生した。

これらの結果から、従来の加工方法では、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の表面を５００ｎｍ以上の凹凸を有さないような平滑面に加工できないことがわかる。これは劈開で生じた凹凸を除去しようとしても、全体に占める平坦面の割合が大きいと、平坦面を加工する際に、一部の領域（凹凸）に加工負荷が集中しやすくなる。そして、表面ではなく、より表面から深い内部で劈開による割れが発生する。そして、割れ部分が除去されることによって新しい凹凸が形成されると考えられる。また、平坦面の割合が高い場合に、内部で劈開しないような荷重を加えただけでは、劈開工程で生じた凹凸をほとんど除去出来ない。

そこで本開示では、ＳｃＡｌＭｇＯ_４材料の特徴に鑑み、以下に詳述する加工方法（粗凹凸形成工程および微少凹凸形成工程）を採用する。具体的には、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のエピタキシャル成長面とする領域全面に一定の高さの凹凸形状を形成する（粗凹凸形成工程）。次いで、段階的に加圧力を小さくしていくことで、加圧力のばらつきの絶対量を小さくして内部での劈開を防止しつつ、全面に形成した一定の高さの凹凸形状を徐々に小さくする（微少凹凸形成工程）。すなわち、本開示の製造方法では、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶体を（０００１）面で劈開して、ＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体を準備する劈開工程と、ＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体に高さ５００ｎｍ以上の凹凸を形成する粗凹凸形成工程と、高さ５００ｎｍ以上の凹凸を研磨して、高さ５００ｎｍ未満の凹凸を形成する微少凹凸形成工程と、を少なくとも行う。

粗凹凸形成工程では、連続して凹凸の高さが５００ｎｍ以下である領域（以下、「平坦部」とも称する）の面積がいずれも１ｍｍ^２以下となるように、エピタキシャル成長面とする領域の全面に凹凸形状を分布させる。粗凹凸形成工程で１ｍｍ^２より大きい平坦部を形成してしまうと、微少凹凸形成工程において、加工負荷の集中によって内部で劈開し、５００ｎｍよりも大きい凹凸が発生するからである。また、粗凹凸形成工程で形成する複数の凹凸の凸部の高さの差は、±０．５μｍ以下の範囲に収まることが好ましい。高さのばらつきがこの範囲内に入るような、均一な高さの凹凸を全面に形成することで、微少凹凸形成工程において、凹凸の高さを徐々に低くすることができ、面内に均一な平坦部を形成することができる。

本開示の製造方法では、具体的には、粗凹凸形成工程において、高さ５００ｎｍ以上の凹凸を、第１砥粒を用いて形成し、微少凹凸形成工程において、高さ５００ｎｍ未満の凹凸を、前記第１砥粒よりも硬度の低い第２砥粒を用いて形成する。

より詳細には、一定の高さの凹凸形状を加工する凹凸形成工程では、砥粒サイズの大きいダイヤモンド固定砥粒を用いた研削加工を行う。砥粒としては♯３００以上♯２００００以下（好ましくは＃６００）のダイヤモンド砥粒を使用する。この範囲のサイズのダイヤモンド砥粒を用いた加工によれば、加工面の凹凸の高さの差を±５μｍ以下の範囲に収められる。また、粗凹凸形成工程における加工条件は、砥石回転数５００ｍｉｎ^―１以上５００００ｍｉｎ^―１以下（好ましくは１８００ｍｉｎ^―１）、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板回転数１０ｍｉｎ^―１以上３００ｍｉｎ^―１以下（好ましくは１００ｍｉｎ^―１）、加工速度０．０１μｍ／秒以上１μｍ／秒以下（好ましくは０．３μｍ／秒）、加工除去量１μｍ以上３００μｍ以下（好ましくは２０μｍ）とすることが好ましい。図９に、♯６００のダイヤモンド砥粒を用い、砥石回転数１８００ｍｉｎ^―１、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板回転数１００ｍｉｎ^―１、加工速度０．３μｍ／秒、加工除去量２０μｍで加工した結果を示す。図９は、加工面のＸ方向の平坦度を、前述と同様の方法で測定した結果である。図９に示されるように、エピタキシャル成長面とする領域に１ｍｍ^２以上の平坦部（凹凸の高さが５００ｎｍ以下である領域が１ｍｍ^２以上連続した箇所）が生じず、規則正しい凹凸形状を形成することが出来ている。

次に粗凹凸形成工程で形成した凹凸を徐々に除去する微少凹凸形成工程を説明する。微少凹凸形成工程において、前記高さ５００ｎｍ以上の凹凸を除去しつつ、高さ５００ｎｍ未満の凹凸を、加圧力を段階的に弱めた研磨により形成する。微少凹凸形成工程では、砥粒としてコロイダルシリカを主成分とするスラリーを用い、回転数１０ｍｉｎ^−１以上１０００ｍｉｎ^−１以下（好ましくは６０ｍｉｎ^−１）、スラリー供給量０．０２ｍｌ／分以上２ｍｌ／分以下（好ましくは０．５ｍｌ／分）、研磨パッドは不織布パッドとすることが好ましい。凹凸が多い場合、凸部に加工力が選択的に集中しやすい。そこで、加圧量は、微少凹凸形成工程の初期には１００００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下の範囲とし、凸部が平坦になってくるにつれて５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ未満とし、最終的には１０００Ｐａ以上５０００Ｐａ未満の範囲とすることが好ましい。このように段階的に加圧力を低減することで、内部での劈開を生じさせることなくエピタキシャル成長面とする領域から高さ５００ｎｍ以上の凹凸を除去することが出来る。

微少凹凸形成工程において、最初に加圧力を１５０００Ｐａで３分間研磨加工を行い、次に加圧力を８０００Ｐａに下げて５分間研磨加工を行い、最後に加圧力を１０００Ｐａに下げて１０分間研磨加工を行った結果を図１０に示す。図１０は加工後のエピタキシャル成長面のＸ方向の平坦度を前述と同様の方法で測定した表面形状測定結果である。また、図１１にエピタキシャル成長面の１０μｍ角の範囲についてＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定した表面形状測定結果を示す。図１１に示されるように、１０μｍ角の範囲において高さ５００ｎｍ以上の凹凸は無く、最大高さを示すＲｍａｘが６．４２ｎｍであるように高さ５０ｎｍ以上の凹凸も観察されない。なおＲｑは０．１７９ｎｍである。さらに詳細に形状分析を行った図１１より１００μｍ^２の微小な領域において表面粗さＲａが０．１３９ｎｍであり、５０ｎｍ以上の凹凸のない極平滑面を形成できていることがわかる。上記方法で形成されるＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の１００μｍ^２の範囲における表面粗さＲａは０．０８ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である。なお上記表面粗さＲａは、ＢＲＵＫＥＲ社のＤｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｉｃｏｎで、ＩＳＯ１３５６５−１に準拠して測定した値である。

このように劈開で生じた凹凸を無くし平滑面を得るためには、劈開で形成された平滑面をあえて規則性のある凹凸形状に加工（粗凹凸形成工程）し、その後劈開が生じない加工で少しずつ除去していく（微少凹凸形成工程）ことで実現できる。つまり、本開示によれば、従来の工法では実現できなかった凹凸の高さが５００ｎｍ未満、さらには凹凸の高さが５０ｎｍ以下であるエピタキシャル成長面を有するＳｃＡｌＭｇＯ_４基板が得られる。また、得られる基板の表面では、例えば１０μｍ角（１００μｍ^２）の範囲内の表面粗さを観察したときに、表面粗さＲａは０．０８ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である。これらのことにより、例えば本基板のエピタキシャル成長面にＬＥＤ発光層を形成した場合に、前述したような組成の変化やそれによるＬＥＤ素子の発光ムラや輝度低下といった問題が生じない。さらに、凹凸の高さが５０ｎｍ以下であることにより、例えばエピタキシャル成長面にＬＥＤ発光層を形成した後の電極形成時に、凹凸に起因した形成不良（段差部でのエッチング残りなど）が抑制されるため、本基板を用いて製造するＬＥＤなどのデバイスの製造歩留りが向上する。

ここで、本方法の詳細を総括する。粗凹凸形成工程では、前記５００ｎｍ以上の凹凸を、♯３００以上♯２０００以下のダイヤモンド砥粒の付着した砥石を用いて、次の加工条件で形成する。砥石回転数は５００ｍｉｎ^―１以上５００００ｍｉｎ^―１以下、ＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体回転数は１０ｍｉｎ^―１以上３００ｍｉｎ^―１以下、加工速度は０．０１μｍ／秒以上１μｍ／秒以下、加工除去量は１μｍ以上３００μｍ以下とする。また、微少凹凸形成工程では、高さ５００ｎｍ未満の凹凸を、コロイダルシリカを主成分とするスラリーと不織布からなる研磨パッドを用い、次の加工条件で形成する。研磨パッドの回転数は１０ｍｉｎ^―１以上１０００ｍｉｎ^―１以下、スラリー供給量は０．０２ｍｌ／分以上２ｍｌ／分以下、加圧力は１０００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下とする。更に、前記５００ｎｍ未満の凹凸は、加圧力を、１００００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下、５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ未満、１０００Ｐａ以上５０００Ｐａ未満、の順に加工が進むにつれ弱めることで、５００ｎｍ以上、特に５０ｎｍ以上の凹凸を有さない面をより正確に形成できる。

なお、エピタキシャル成長面は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の一方の面（表側）のみに形成すればよい。表面のみを研磨することで、工程の簡略化を実現できる。この場合、他方の面（裏面）側には、５００ｎｍ以上の凹凸が形成されたまま残置される。ただし、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の両面にエピタキシャル成長面を形成してもよい。この場合、両面にＧａＮ等の窒化物半導体のエピタキシャル成長を行うことができる。

なお、エピタキシャル成長面は上述したような単一の（０００１）面（劈開面）で構成されてもよい。ただし、エピタキシャル成長面に欠陥や異物などの偶発的な結晶成長の種となる部分が存在すると、エピタキシャル成長面に例えばＭＯＣＶＤ法でＧａＮの気相成長を行う際に、偶発的な結晶成長の種にＧａ原子が集まり、局所的な不均一成長が発生することがある。これを防止するため、エピタキシャル成長面は互いに段差によって分離して規則的に分布する複数の劈開面を有していてもよい。ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板上に例えばＭＯＣＶＤ法でＧａＮの気相成長を行う際、Ｇａ原料はメチル基と一部結合した状態でエピタキシャル成長面の劈開面である（０００１）面を移動（マイグレーション）する。そして、安定な位置があればその位置に止まってメチル基との結合を切り、Ｎと結合してエピタキシャル成長していく。そのためエピタキシャル成長面に複数の劈開面を形成し、互いに隣りあう劈開面の段差部分を上記安定な位置として活用することで、エピタキシャル成長の安定化を行える。また複数の劈開面を規則的に作ることにより、エピタキシャル成長面にＭＯＣＶＤ法でエピタキシャル成長を行う際、一様にきれいな成長を行えるという利点がある。

図１２に複数の劈開面０６０を有するエピタキシャル成長面００２を具備するＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１の図を示す。図１２ＡはＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の平面図であり、図１２ＢはＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の側面図である。図１２Ａに示されるように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板において、劈開面０６０は長尺状の形状をしており、複数の劈開面０６０が平行に規則正しく形成することが好ましい。劈開面０６０のＸ方向の幅が劈開面幅０６１、隣接する劈開面間の段差高さが劈開面間高さ０６２である。

ここで、劈開面幅０６１は、ＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長させる際にＧａ原料が安定な位置である劈開面の段差部までマイグレーションできるように設定することが好ましい。具体的には、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ結晶エピタキシャル成長を行う場合、劈開面幅は１．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲とすると、エピタキシャル成長面全面に一様なエピタキシャル膜を得ることができる。なぜならば、劈開面幅が１．５ｎｍ未満であるとエピタキシャル成長させる際のＧａ原料の安定な位置が原料分子サイズに非常に近接する。そのため、一様なエピタキシャル膜が得られるステップフロー成長（各段差部から横方向にエピタキシャル成長が進展する、一様なエピタキシャル膜が得られる成長モード）が実現できないことがある。また、劈開面幅が５００ｎｍ以上であると、当該幅がＭＯＣＶＤ法でのＧａ原料のＧａＮ表面でのマイグレーション距離（Ｇａ原料分子がエピタキシャル成長面の表面に付着してから、Ｎ原料であるＮＨ_３分子と反応してＧａＮとなるまでの間に、エピタキシャル成長面の表面上でＧａ原料分子が移動する距離）よりはるかに大きくなるため、同様にステップフロー成長が実現できないためである。さらに、劈開面幅を５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲とすると、エピタキシャル成長面全面一様に、結晶方位バラツキが小さく、不純物濃度が一様な良好なエピタキシャル膜を形成することができる。なぜならば、劈開面幅を５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲とした場合、ＭＯＣＶＤ法でのＧａ原料のＧａＮ表面でのマイグレーション距離と合致しているため、表面に付着したＧａ原料分子の大部分が劈開面の段差部までマイグレーションする。そして、ステップフロー成長がＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のエピタキシャル成長面全面で良好に進行し、下地の結晶方位を維持して一様なエピタキシャル膜が成長するためである。

ここで、劈開面幅０６１が１．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下となるように加工する方法を説明する。複数の劈開面からなる表面を加工する場合の加工状態の図を図１３に示す。図１３はエピタキシャル成長面００２のＸ方向断面図であり、砥粒０７０へ加工時にかかる力の向きは、砥粒０７０がＸ方向に動く力とＺ方向に動く力の合成ベクトルからなる合力となる。この場合、砥粒移動方向と劈開面に角度が出来る。エピタキシャル成長面全面００２で見た場合、砥粒０７０にかかる力のベクトルに対して、ある方向では加工しやすく、ある方向では加工しにくいというように傾斜角の大きさによって加工状態が異なる。そのため、各劈開面０６０に凹凸を作らないためには、劈開方向と砥粒にかかる力のベクトル方向の開き角θが大きい状態を勘案して加圧力を設定する必要がある。そのため、劈開面を複数に分離しない場合と比べてより低圧の状態で最終加工する必要があり、上記の微少凹凸形成工程において最終的な加圧力の範囲は２０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下の範囲とする。

すなわち、前記複数の劈開面は、前述の微少凹凸形成工程において、コロイダルシリカを主成分とするスラリーと不織布からなる研磨パッドを用い、前記研磨パッドの回転数１０ｍｉｎ^―１以上１０００ｍｉｎ^―１以下、スラリー供給量０．０２ｍｌ／分以上２ｍｌ／分以下、加圧力２００００Ｐａ以下とすることで形成できる。より詳細には、前記複数の劈開面は、微少凹凸形成工程における加圧力を、１００００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下、５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ未満、２０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下、の順に加工が進むにつれ弱めることで形成される。

図１４に、上記の微少凹凸形成工程において、最後の加圧力を２００Ｐａに下げ１０分間研磨加工を行った結果を示す。最後の加圧条件以外は、図１１に示されるＳｃＡｌＭｇＯ_４基板を得たときの条件と同じである。図１４は１００μｍ^２の範囲について、ＡＦＭによって測定した表面形状測定結果である。図１４に示されるように、エピタキシャル成長面００２は長尺状の複数の劈開面で形成されていることがわかる。

ここで劈開面幅０６１を１．５ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする際の、微少凹凸形成工程における最終加圧力は２０Ｐａ以上３０００Ｐａ以下の範囲としたが、劈開面幅０６１を５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とする場合は、砥粒にかかる加圧力の合成ベクトルと劈開方向との開き角θが小さくなることから、最終加圧力を１００Ｐａ以上２８００Ｐａ以下の範囲に設定するとよい。つまり、劈開面幅０６１を５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とする場合には、微少凹凸形成工程において、加圧力を、１００００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下、５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ未満、１００Ｐａ以上２８００Ｐａ以下、の順に弱めるようにして劈開面を形成する。

ここで、劈開面間高さ０６２について説明する。図１５に２つの隣接する劈開面のＸ方向断面拡大図を示す。図１５においてＭｇＡｌＯ_２原子層０８１とＳｃＯ_２原子層０８２からなるＳｃＡｌＭｇＯ_４基板では、ＳｃＯ_２原子層０８２が１層であるのに対してＭｇＡｌＯ_２層０８１が２層重なっており、ＭｇＡｌＯ_２層０８１の層の間が劈開面となる。そのため、最表面はＭｇＡｌＯ_２層０８１の１層で形成される。劈開面間高さ０６２はＳｃＡｌＭｇＯ_４原子配列から考えられる劈開部の特徴より、ＭｇＡｌＯ_２原子層０８１が２層分とＳｃＯ_２原子層０８２が１層分の厚みが最小単位である。つまり、これが図１２の劈開面間高さ０６２の最小単位となり、具体的には、約０．８ｎｍである。

これに加え、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮ結晶エピタキシャル成長を行う場合、段差部の壁面からのエピタキシャル成長を抑制するため、劈開面間高さは、一定の高さ以下であることが望ましい。段差部の壁面が劈開面とは結晶方位が異なる。そのため、壁面にエピタキシャル成長した結晶は、劈開面にエピタキシャル成長した結晶に対して、その不純物濃度が異なったり、当該結晶が多結晶発生の起因となってエピタキシャル成長の歩留りが低減したりする、という問題が起こるためである。具体的には、劈開面間高さを前記最小単位の１倍から１０倍の範囲とすると、多結晶発生が抑制され、エピタキシャル成長の歩留りが向上する。すなわち、劈開面間高さ０６２は、０．８ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。劈開面間高さ０６２を０．８ｎｍ以上８ｎｍ以下に形成するためには、最終加圧力で加工した結果のエピタキシャル成長面に対して１００μｍ^２の範囲をＡＦＭで測定し、表面粗さＲａが０．０８ｎｍ以上１．５ｎｍ以下になるように加工する。

さらに、劈開面間高さを前記最小単位の１倍から４倍の範囲とすると、多結晶抑制に加えて、エピタキシャル成長面全面で不純物濃度が一様な良好なエピタキシャル膜が得られる。すなわち、劈開面間高さ０６２は、０．８ｎｍ以上３．２ｎｍ以下とすることが好ましい。劈開面間高さ０６２を０．８ｎｍ以上３．２ｎｍ以下に形成するためには、最終加圧力で加工した結果のエピタキシャル成長面に対して１００μｍ^２の範囲をＡＦＭで測定し、表面粗さＲａが０．０８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下になるように加工する。

本開示のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板において、図１６に示されるように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の一方の面、すなわち、エピタキシャル成長面００２の裏面は梨地形状０９０であってもよい。図１６は梨地形状０９０を有するＳｃＡｌＭｇＯ_４００１基板を示す。ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板の裏面に梨地形状０９０があることによって、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１の表裏の識別が容易となる。また、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１を搬送する際に、梨地形状０９０が滑り止めとして働き、搬送時にＳｃＡｌＭｇＯ_４基板００１が滑ってぶつかり、傷や欠けが生じることを抑制出来る。ここで、本開示のＳｃＡｌＭｇＯ_４基板では、梨地形状０９０は、エピタキシャル成長面００２よりも表面粗さＲａが大きく、エピタキシャル成長面００２に、複数の劈開面０６０が形成される場合でも梨地形状０９０の表面粗さが最も大きい。具体的には、単一の劈開面からなるエピタキシャル成長面００２の表面粗さＲａは通常、０．０８ｎｍ以上０．５ｎｍ以下であり、複数の劈開面を有する場合は通常０．０８ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である。これに対して、梨地形状の０９０の表面粗さは、５００ｎｍ以上８０００ｎｍ以下である。なお、これらの表面粗さは１００μｍ^２の領域内での測定値である。図１７に梨地形状０９０の拡大図を示す。

更に、エピタキシャル成長面００１は凹凸形状の高さが５００ｎｍ以下であるのに対して、梨地形状０９０は凹凸形状の高さとしては５００ｎｍ以上であることが好ましい。凹凸高さは、前述のレーザー反射式測長機で測定される値である。ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板のエピタキシャル成長面の裏面が、高さ５００ｎｍ以上の凹凸を有する梨地形状でない場合、エピタキシャル成長面側にデバイス構造や配線構造のパターンを形成するための露光を行う際、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板が透明であることに起因して、裏面からの光が反射し、露光に影響を与えることがある。また、ハンドリング時に表裏の判別が困難で間違える可能性があったり、製造装置のステージなど平坦面に基板を設置した際にスリップしやすい、といった問題が発生することがある。

梨地形状０９０は表面に均一に凹凸を形成する加工工法で形成できる。具体的には、砥粒サイズの大きいダイヤモンド固定砥粒を用いた研削加工で形成できる。砥粒として、♯１００以上♯２０００以下のダイヤモンド砥粒を使用する。より好ましくは＃６００のダイヤモンド砥粒を用いる。すなわち、梨地形状０９０を有する基板は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶体を（０００１）面で劈開して得られたＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体を準備する工程と、ＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体の一方の面（表面）を研磨してエピタキシャル成長面を形成する工程と、前記エピタキシャル成長面と反対側の面（裏面）を加工して前記エピタキシャル成長面よりも表面粗さの大きい梨地面を形成する工程と、を行うことで得られる。梨地面は、♯１００以上♯２０００以下のダイヤモンド砥粒の付着した砥石を用いて、砥石回転数５００ｍｉｎ^―１以上５００００ｍｉｎ^―１以下、ＳｃＡｌＭｇＯ_４板状体回転数１０ｍｉｎ^―１以上３００ｍｉｎ^―１以下、加工速度０．０１μｍ／秒以上１μｍ／秒以下、加工除去量１μｍ以上３００μｍ以下、の加工条件で形成される。好ましくは、♯６００のダイヤモンド砥粒により凹凸の差をより小さく出来る。好ましい加工条件として、砥石回転数１８００ｍｉｎ^―１、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板回転数１００ｍｉｎ^―１、加工速度０．３μｍ／秒で加工除去量が２０μｍになるように加工を実施する。

なお、加工による加工変質層の影響を取り除くために、加工変質層を形成する研削加工やブラスト加工を実施しても良い。

ここで、エピタキシャル成長面とは、基板となる結晶の上に別の結晶をエピタキシャル成長させる面であり、例えば、基板の外周から５ｍｍ以上内側の領域とすることができる。エピタキシャル成長とは、下地の基板の結晶面にそろえて新たに結晶を配列させる結晶の成長様式である。このエピタキシャル成長面には、ＭＯＣＶＤ法やＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法等の気相成長法や、フラックス法等の液相成長法でIII族窒素化合物などの化合物半導体の結晶を成長させることができる。

なお、ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板にエピタキシャル成長させる方法として、ＧａＮのＭＯＣＶＤ成長を説明したが、ＧａＮにＡｌやＩｎを添加したＡｌＧａＩｎＮ系結晶成長でも同様の効果がある。

また、成長方法もＭＯＣＶＤに限らず他のＨＶＰＥ成長や、ＭＯＣＶＤ成長後にＨＶＰＥ成長を行うなど、成長手法の併用でも良い。成長温度も５００〜６００℃程度の低温でＡｌＧａＩｎＮ系バッファ層を成長させた後に、１０００℃以上の高温でＧａＮ結晶成長を行ってもよい。また、上記ＡｌＧａＩｎＮ系結晶層上に同ＡｌＧａＩｎＮ系のヘテロ接合などを作成し発光デバイス、パワーデバイス等を形成しても良い。

（その他の実施の形態）
なお、上述の実施形態では、一般式ＲＡＭＯ_４で表される単結晶体からなる基板のうち、ＳｃＡｌＭｇＯ_４の単結晶体から得られる基板について説明したが、本開示は、これに限定されない。

なお、本開示の基板は、一般式ＲＡＭＯ_４で表されるほぼ単一結晶材料から構成される。上記一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素（原子番号６７−７１）から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（III）、Ｇａ、およびＡｌから選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、ＭはＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（II），Ｃｏ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃｄから選択される一つまたは複数の二価の元素を表す。なお、ほぼ単一結晶材料とは、エピタキシャル成長面を構成するＲＡＭＯ_４が９０ａｔ％以上含まれ、かつ、任意の結晶軸に注目したとき、エピタキシャル成長面のどの部分においてもその向きが同一であるような結晶質固体をいう。ただし、局所的に結晶軸の向きが変わっているものや、局所的な格子欠陥が含まれるものも、単結晶として扱う。なお、Ｏは酸素である。ただし、上記の通り、ＲはＳｃ、ＡはＡｌ、ＭはＭｇとするのが望ましい。

基板上へＭＯＣＶＣ気相成長時でＬＥＤ発光層を成長されＬＥＤ素子を製造するにあたり、本開示に係る基板を利用することで、ＬＥＤ素子として発光ムラが発生し、輝度の低下を防ぐことが出来る。

００１ ＳｃＡｌＭｇＯ_４基板
００２ エピタキシャル成長面
００３ 段差部
０６０ 劈開面
０６１ 劈開面幅
０６２ 劈開面間高さ
０７０ 砥粒
０８１ ＭｇＡｌＯ_２原子層
０８２ ＳｃＯ_２原子層
０９０ 梨地形状

Claims (13)

1. 一般式ＲＡＭＯ_４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（III）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（II）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）からなるＲＡＭＯ_４基板であり、
   前記単結晶体は、ＭｇＡｌＯ _２ 層とＳｃＯ _２ 層とを含み、
   少なくとも一方の面にエピタキシャル成長面を有し、
   前記エピタキシャル成長面には、高さ５００ｎｍ以上の凹凸を有さず、
   前記エピタキシャル成長面が、規則性を持って分布する、互いに分離した複数の劈開面を有し、
   前記ＭｇＡｌＯ _２ 層２層分と前記ＳｃＯ _２ 層１層分の厚さの合計を最小単位としたとき、前記複数の劈開面のうち隣接する劈開面間の高さは、前記最小単位の１倍から１０倍の範囲内である、ＲＡＭＯ_４基板。
2. 前記エピタキシャル成長面が、前記ＲＡＭＯ_４基板の外周から５ｍｍ以上内側の領域である、
   請求項１に記載のＲＡＭＯ_４基板。
3. 前記エピタキシャル成長面は、高さ５０ｎｍ以上の凹凸を有さない、
   請求項１または２に記載のＲＡＭＯ_４基板。
4. 前記エピタキシャル成長面内の１００μｍ^２の領域における表面粗さＲａが、０．０８ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のＲＡＭＯ_４基板。
5. 一方の面に前記エピタキシャル成長面を有し、
   他方の面に、高さ５００ｎｍ以上の凹凸を有する、
   請求項１〜４いずれか一項に記載のＲＡＭＯ_４基板。
6. 両方の面に前記エピタキシャル成長面を有する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のＲＡＭＯ_４基板。
7. 前記隣接する劈開面間の高さは、０．８ｎｍ以上８ｎｍ以下である、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のＲＡＭＯ_４基板。
8. 一般式ＲＡＭＯ_４で表される単結晶体（一般式において、Ｒは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｙ、およびランタノイド系元素からなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ａは、Ｆｅ（III）、Ｇａ、およびＡｌからなる群から選択される一つまたは複数の三価の元素を表し、Ｍは、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ（II）、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＣｄからなる群から選択される一つまたは複数の二価の元素を表す）を（０００１）面で劈開し、ＲＡＭＯ_４板状体を準備する劈開工程と、
   前記ＲＡＭＯ_４板状体に高さ５００ｎｍ以上の凹凸を形成する粗凹凸形成工程と、
   前記高さ５００ｎｍ以上の凹凸を研磨して、高さ５００ｎｍ未満の凹凸を形成する微少凹凸形成工程と、
   を含む、ＲＡＭＯ_４基板の製造方法。
9. 前記粗凹凸形成工程は、第１砥粒を用いて前記高さ５００ｎｍ未満の凹凸を形成する工程であり、
   前記微少凹凸形成工程は、前記第１砥粒より硬度が低い第２砥粒を用いて、前記高さ５００ｎｍ以上の凹凸を研磨し、前記高さ５００ｎｍ未満の凹凸を形成する工程である、
   請求項８に記載のＲＡＭＯ_４基板の製造方法。
10. 前記微少凹凸形成工程において、研磨時の加圧力を段階的に弱めることにより、前記高さ５００ｎｍ以上の凹凸を研磨し、前記高さ５００ｎｍ未満の凹凸を形成する、
    請求項８または９に記載のＲＡＭＯ_４基板の製造方法。
11. 前記粗凹凸形成工程において、
    ♯３００以上♯２０００以下のダイヤモンド砥粒の付着した砥石を用いて、
    砥石回転数５００ｍｉｎ^―１以上５００００ｍｉｎ^―１以下、
    ＲＡＭＯ_４板状体回転数１０ｍｉｎ^―１以上３００ｍｉｎ^―１以下、
    加工速度０．０１μｍ／秒以上１μｍ／秒以下、
    加工除去量１μｍ以上３００μｍ以下、
    の条件で研削を行い、
    前記微少凹凸形成工程において、
    コロイダルシリカを主成分とするスラリーと不織布からなる研磨パッドを用い、
    前記研磨パッドの回転数１０ｍｉｎ^―１以上１０００ｍｉｎ^―１以下、
    スラリー供給量０．０２ｍｌ／分以上２ｍｌ／分以下、
    加圧力１０００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下、
    の条件で研磨を行う、
    請求項８に記載のＲＡＭＯ_４基板の製造方法。
12. 前記微少凹凸形成工程において、加圧力を、１００００Ｐａ以上２００００Ｐａ以下、５０００Ｐａ以上１００００Ｐａ未満、１０００Ｐａ以上５０００Ｐａ未満、の順に段階的に弱める、
    請求項１０または１１に記載のＲＡＭＯ_４基板の製造方法。
13. 前記一般式におけるＲがＳｃであり、ＡがＡｌであり、ＭがＭｇである、
    請求項８〜１２のいずれ一項に記載のＲＡＭＯ_４基板の製造方法。