JP6854516B2 - 化合物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、化合物半導体基板をより口径の大きい支持基板に貼り合わせて形成される、結晶欠陥密度が低く且つ大口径の化合物半導体基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
1.化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層が支持基板上に接合された化合物半導体基板であって、前記第1薄膜層は表面が中心角90度の扇形である4つの第1部分薄膜層に分割されており、前記支持基板の中心の回りに前記第1部分薄膜層が相互に接するように配列されていることを特徴とする化合物半導体基板。
2.前記化合物半導体はSiC、酸化ガリウム及びGaNのうちの1つである前記1.記載の化合物半導体基板。
3.前記1.記載の化合物半導体基板の製造方法であって、化合物半導体の単結晶からなる円形の第1基板から少なくともその周縁部の一部を除去し、前記第1基板の中心を含む部分を第1部分基板として形成する部分基板形成工程と、前記第1基板よりも直径の大きい第1支持基板上に、2以上の前記第1部分基板を配列して接合した第1接合基板を形成する第1接合工程と、を含み、
前記部分基板形成工程において、前記第1基板を、その中心からの距離が半径以下である基準点において直交し且つ前記基準点を通る直径に対して等角となる2つの直線により切断し、前記中心を含む部分を第1部分基板として形成し、前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、前記第1支持基板の略中心に前記基準点を対応させ且つ前記直線で切断された部分が相互に接するように4つの前記第1部分基板を配列して接合する、化合物半導体基板の製造方法。
4.前記部分基板形成工程において、前記第1部分基板は、更に前記基準点を通る直径上で直交する2つの直線によって切断されて四辺形に形成され、
前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、前記第1支持基板の略中心に前記基準点を対応させて4つの前記第1部分基板を配列して接合する前記3.記載の化合物半導体基板の製造方法。
5.前記第1支持基板上に配列して接合された前記第1部分基板の表面に、第2支持基板を接合する第2接合工程と、前記第1支持基板を除去することにより第2接合基板を形成する第1除去工程と、を含む前記3.又は4.に記載の化合物半導体基板の製造方法。
6.前記第1接合基板又は前記第2接合基板の前記第1部分基板の表面から所定の深さに水素層を形成する水素層形成工程と、前記第1部分基板の前記表面に第3支持基板を接合する第3接合工程と、前記第1部分基板を前記水素層において分離することにより、前記第3支持基板上に前記化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層が形成された第3接合基板を得る分離工程と、を含む前記5.に記載の化合物半導体基板の製造方法。
7.前記化合物半導体はSiC、酸化ガリウム及びGaNのうちの1つである前記3.乃至6.のいずれかに記載の化合物半導体基板の製造方法。
前記部分基板形成工程において、前記第1基板を、その中心からの距離が半径以下である基準点において直交し且つ前記基準点を通る直径に対して等角となる2つの直線により切断し、前記中心を含む部分を第1部分基板として形成し、前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、前記第1支持基板の略中心に前記基準点を対応させ且つ前記直線で切断された部分が相互に接するように4つの前記第1部分基板を配列して接合する場合には、第1基板を少なくとも2辺が直交するように切除して形成した、扇形、四辺形等の任意の形状の第1部分基板を形成することができる。そして、2以上の第1部分基板を第1支持基板の平面上に組み合わせて第1接合基板を形成することができる。また、隣り合う第1部分基板が接する境界線部には結晶の不連続が存在することになるが、これを半導体素子形成時のスクライブラインに当てることにより、損失とはならないようすることができる。
前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、n2個(nは2以上の自然数)の前記第1部分基板を相互に辺が接するように配列して接合する場合には、第1支持基板の大きさに応じて、4、9、16個等の第1部分基板を整然と配列することができる。
前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、前記第1支持基板の略中心に前記基準点を対応させて4つの前記第1部分基板を配列して接合する場合には、各第1支持基板の境界線部を半導体素子形成時のスクライブラインとすることができる。
前記第1接合基板又は前記第2接合基板の前記第1部分基板の表面から所定の深さに水素層を形成する水素層形成工程と、前記第1部分基板の前記表面に第3支持基板を接合する第3接合工程と、前記第1部分基板を前記水素層において分離することにより、前記第3支持基板上に前記化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層が形成された第3接合基板を得る分離工程と、を含む場合には、第3支持基板を支持基板とし、その上に第1部分基板から分離された化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層が接合された第3接合基板を形成することができる。この第1薄膜層の厚さは薄くてよいため、前記第1接合基板上又は前記第2支持基板上に第1部分基板が組み合わされた第1接合基板又は第2接合基板を種基板として、第3支持基板上に第1薄膜層が接合された第3接合基板を多数製造することができる。第1接合基板又は第2接合基板は、小口径の第1基板と比べて大きな口径の種基板となる。
前記化合物半導体はSiC、酸化ガリウム及びGaNのうちの1つである場合には、前記接合基板上にそれぞれ高品質な半導体素子を形成することが可能になる。
また、前記第1薄膜層は表面が中心角90度の扇形である4つの第1部分薄膜層に分割されており、前記支持基板の中心の回りに前記第1部分薄膜層が相互に接するように配列されている場合には、隣り合う第1部分薄膜層が接するため結晶の不連続が存在する境界線部を半導体素子のスクライブラインに当てることにより、損失とはならないように利用することができる。
前記化合物半導体はSiC、酸化ガリウム及びGaNのうちの1つである場合には、前記支持基板上にそれぞれ高品質な半導体素子を形成するために好適な化合物半導体基板となる。
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
前記部分基板形成工程において、第1基板(1)を、前記円形の中心(C1)からの距離が半径以下である基準点(P1)において直交し且つ基準点(P1)を通る直径(D)に対して等角となる2つの直線(101、102)により切断し、前記円形の中心(C1)を含む部分を第1部分基板(11、12)として形成し、前記第1接合工程において、第1支持基板(2)上に、第1支持基板(2)の略中心(C2)に前記基準点(P1)を対応させ且つ前記直線部分(101、102)が相互に接するように4つの第1部分基板(11、12)を配列して接合した第1接合基板(71)を形成することができる。(図1〜9参照)。
前記部分基板形成工程において、別の第1部分基板(12)は、更に前記基準点(P1)を通る直径(D)上で直交する2つの直線(103、104)によって切断された四辺形に形成することができる(図3〜5参照)。
また、化合物半導体基板の製造方法は、第1支持基板(2)上に配列して接合された第1部分基板(11)の表面に、第2支持基板(3)を接合する第2接合工程と、第1支持基板(2)を除去することにより第2接合基板(72)を形成する第1除去工程と、を含んでもよい(図10、11参照)。
更に、化合物半導体基板の製造方法は、第2接合基板(72)の第1部分基板(11)の表面から所定の深さに水素層(15)を形成する水素層形成工程と、第1部分基板(11)の前記表面に第3支持基板(4)を接合する第3接合工程と、第1部分基板(11)を水素層(15)において分離することにより、第3支持基板(4)上に前記化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層(110)が形成された第3接合基板(73)を得る分離工程と、を含んでもよい(図12参照)。
(部分基板形成工程)
前記部分基板形成工程では、化合物半導体の単結晶からなる円形の第1基板1から第1部分基板11が切り出される。第1部分基板11の形状やサイズは任意であり、後に接合される支持基板の大きさに応じて、無駄を少なくするように切出せばよい。
図1(a)は、化合物半導体の単結晶からなる円形の第1基板1を中心C1からの距離が半径以下である基準点P1において直交し、且つ基準点P1を通る直径Dに対して等角となる2つの直線101、102により切断し、中心C1を含む部分を第1部分基板11として形成する例を示している。本例では、同図(b)に示すように、第1部分基板11は2つの直線部分(以下、「辺」という。)101、102と弧115とによって囲まれた形状となる。単結晶の第1基板1は、一般に周縁部では結晶欠陥が多くなる。このため、後に第1部分基板11の組み合わせの中心となる基準点P1は、第1基板の外周よりも内側の位置とすることが好ましい。
図3は、化合物半導体の単結晶からなる円形の第1基板1を中心C1からの距離が半径以下である基準点P1において直交し、且つ基準点P1を通る直径Dに対して等角となる2つの直線101、102により切断し、更に、基準点P1を通る直径D上で直交する2つの直線103、104によって切断することにより、第1部分基板12を形成する例を示している。本例では、同図(b)に示すように、第1部分基板12は4つの直線部分(辺)101、102、103、104によって囲まれた正方形になる。単結晶の第1基板1は、一般に周縁部では結晶欠陥が多くなるため、後に第1部分基板12の組み合わせの中心となる基準点P1は、第1基板の外周よりも内側の位置とすることが好ましい。
図5は、9個の第1部分基板12(12a〜12i)を3×3に配列する例を示している。更に、16個の第1部分基板12が4×4に配列されてもよい。図5において、9個の第1部分基板12a〜12iは正方形であり、それぞれの四辺を101a〜i、102a〜i、103a〜i、104a〜i、前記基準点をP1a〜iと表している。これにより1辺が第1部分基板12の最大3倍の大きさの化合物半導体基板を構成することが可能となる。
前記第1接合工程において、第1基板1よりも直径の大きい第1支持基板2上に、第1支持基板2の略中心に前記基準点P1を対応させ且つ前記直線部分101、102が相互に接するように4つの第1部分基板(11a〜11d、又は12a〜12d)を配列して接合した第1接合基板71を形成する。
図6は、4つの直径6インチの第1基板1から切り出された4つの第1部分基板11a〜11dを図2に示したように組み合わせ、直径8インチの第1支持基板21上に搭載することによって形成された第1接合基板71を表している。図6(b)はそのAA’断面を表している。前記のとおり、4つの第1部分基板11a〜11dからなる単結晶部の寸法は約8.4インチであるから、直径8インチの第1支持基板21よりも大きくなる。
このような8インチサイズに対応した第1接合基板71は、第1支持基板21上に、接着材を介して第1部分基板11a〜11dを順に貼り合せることによって形成することができる。接着材を用いることにより、第1部分基板を精度よく第1支持基板上に貼り合せることができる。
このような8インチサイズに対応した第1接合基板71は、第1支持基板21上に、接着材を介して第1部分基板12a〜12dを順に貼り合せることによって形成することができる。接着材を用いることにより、第1部分基板を精度よく第1支持基板上に貼り合せることができる。
以上のように形成された第1接合基板71は、第1支持基板2(21、22)の大きさに合わせて切断(サークルカット)することができる。これにより、第1接合基板71の外周は、第1支持基板2(21、22)の大きさに整えられる。サークルカットの位置は、必ずしも第1支持基板2(21、22)の大きさに合わせる必要はなく、やや小さめにサークルカットされてもよい。これにより、直径8インチ又は10インチの第1接合基板71が形成される。
図10は、第1接合基板71の表面、すなわち第1支持基板2(21、22)上に配列して接合された第1部分基板(11、12)の表面に、第2支持基板3を接合する第2接合工程と、その後、第1支持基板2を除去することにより第2接合基板72を形成する第1除去工程を示している。本図では、第1接合基板71はサークルカットにより外周が整えられたものとして描いているが、外周が整えられていない状態(図6〜9参照)であってもよい。第2接合基板72は、後に形成される接合基板の種基板とすることができる。第1接合基板71を形成する際には、接着剤等を用いて第1支持基板2上に第1支持基板2(21、22)を精度よく貼り合わせたが、接合基板の種基板とするためには1000℃近い高温に耐える必要がある。第1接合基板71の接合部が高温度に耐えられない場合には、第1部分基板(11、12)を第2支持基板3に貼り替えることができる。
同図(b)は、第2接合工程により、上記第1接合基板71の第1部分基板(11、12)側の表面に、第2支持基板3が接合された状態を表している。第2支持基板3のサイズは、第1接合基板71のサイズに応じて、8インチ、10インチ等とすることができる。また、単結晶からなる第1部分基板(11、12)すなわち第1基板1の材料がSiCである場合には、第2支持基板3は線膨張係数が同じ多結晶SiC基板とすることが好ましい。接合の方法は特に問わず、例えば、第1部分基板(11、12)の表面及び第2支持基板3の表面を平坦化した上で、アルゴンビーム等により両表面を活性化し、常温にて接合することができる。このように接合すれば、高温度に耐えられる接合基板の種基板を得ることができる。
同図(c)は、第1除去工程により、第1支持基板2(21、22)を剥離除去して第2接合基板72を形成した状態を示す。剥離の方法は特に問わず、例えば、第1支持基板2として透明な無アルカリガラス等を使用し、光硬化接着材を用いて第1部分基板(11、12)と接合した場合には、高温とすることにより容易に剥離することができる。
図11(a)〜(c)は、第1接合基板71において単結晶部の欠損部(221、223等)が存在している場合を示している。この場合にも構造上の問題はなく、前図(a)〜(c)と同様にして第2接合基板72を形成することができる。
以上により、8インチ又は10インチサイズの第2接合基板72を得ることができ、この第2接合基板72は接合基板の種基板として好適である。
本実施形態には、前記第1接合基板71又は前記第2接合基板72の第1部分基板(11、12)の表面から所定の深さに水素層15を形成する水素層形成工程と、第1部分基板(11、12)の前記表面に第3支持基板4を接合する第3接合工程と、第1部分基板(11、12)を水素層15において分離することにより、第3支持基板4上に前記化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層110が形成された第3接合基板73を得る分離工程と、を含むことができる。これにより、第2接合基板72を種基板として、多数の接合基板(第3接合基板73)を得ることができる。
図12は、上記水素層形成工程、第3接合工程及び分離工程を表している。
同図(a)に示されるように、第2接合基板72は、第2支持基板3の全面に第1部分基板(11、12)が接合されて構成されている。水素層形成工程においては、その第1部分基板(11、12)の表面(図における下面)から一定の深さ(例えば、約0.5μmの深さ)に水素イオンを注入することにより、水素層15を形成する。この水素層15から第1部分基板(11、12)の表面までの単結晶表層部を第1薄膜層110とする。
同図(b)は、第1部分基板(11、12)の上記表面に第3支持基板4を接合した状態を示している。接合方法は特に問わず、例えば、第1部分基板(11、12)すなわち第1薄膜層110の表面と第3支持基板4の表面を平坦に加工し、両表面をアルゴンビーム等により活性化した状態で常温接合が可能である。
その後、約1000℃の高温度にすることにより、第1部分基板(11、12)は水素層15において分離される。これによって、同図(c)に示すように、水素層15において分離された第1薄膜層110が、第3支持基板4上に接合された第3接合基板73を得ることができる。第1部分基板(11、12)の厚さ、即ち第1基板1の厚さが100μmであったとすると、第1薄膜層110が1回分離されることにより厚さが1μm程度減少するのみであるから、剥離後に研磨等することにより、1つの第2接合基板72を種基板として数百回の再利用が可能である。
なお、第2支持基板3上に単結晶層が形成された第2接合基板72を種基板とすることに限らず、第1支持基板2上に単結晶層が形成された第1接合基板71を種基板とすることも可能である。この場合には、第1支持基板2と第1部分基板(11、12)とを接合する接合層を、耐熱性の高いものとすればよい。
更に、図12(d)に示すように、第3接合基板73の第1薄膜層110表面を研摩等して、その上にエピタキシャル層5を形成した接合基板74を得ることができる。エピタキシャル層5の厚さは10μm程度とすることができ、このエピタキシャル層5が半導体素子における能動層となる。
エピタキシャル層5は、4つの第1部分基板(11、12)から形成された第1薄膜層110の上に成膜されるため、エピタキシャル層5においても、各第1部分基板(11、12)の境界線部に当たる部分に結晶性が不連続となる接合線部51が存在することとなる。この接合線部51は、半導体素子の形成時にスクライブラインに当てることができる。このため、接合線部51の視認性が不十分であれば、同図(d)に示す段階で、印刷等によりマスクアライメント用のマーキングを施すことができる。
図13は、化合物半導体基板75の模式的な上面図及び断面図である。本例においては、第1薄膜層110は表面が中心角90度の扇形である4つの第1部分薄膜層110a〜110dに分割されており、支持基板4の中心の回りに第1部分薄膜層110a〜110dが相互に接するように配列されて構成されている。上記化合物半導体は、SiC、酸化ガリウム及びGaNのうちから選択可能である。また、化合物半導体基板75は、第1部分薄膜層110a〜110dの表面上にエピタキシャル層5が形成された基板とすることができる。
化合物半導体基板75のサイズは特に問わないが、例えば、直径10インチ、12インチ等とすることができる。
また、化合物半導体基板75には、第1部分薄膜層110a〜110dの境界線部を視認させるためのマーキングを備えることができる。このマーキングにより、第1部分薄膜層110a〜110dの境界線部(エピタキシャル層5の接合線部51)を、半導体素子の形成に際してスクライブラインに当てることができ、無駄のない半導体基板として利用することができる。
以上においては、6インチの化合物半導体基板を用いて、8インチ又は10インチの種基板を構成する例を示したが、4インチの化合物半導体基板を用いて、6インチの種基板を構成することも、全く同様に可能である。また、化合物半導体基板として、主としてSiC基板の例を述べたが、GaN、酸化ガリウムなどのワイドバンドギャップ材料にも同様に適用することができる。
最終的な支持基板(第3支持基板4)は、多結晶SiC基板に限らず、水素層での剥離に必要な温度以上の高い耐熱性があればよく、例えば、サファイア基板でも、Si基板でもよい。
仮設の支持基板(第1支持基板2)は、無アルカリガラスのみならず透明基板であれば、第1部分基板との接合に光硬化型接着剤を使うことができる。その他、接着剤を使う場合には、材料を問わない。Si基板を使い捨ての仮設支持基板として用いることも可能である。
Claims (7)
- 化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層が支持基板上に接合された化合物半導体基板であって、
前記第1薄膜層は表面が中心角90度の扇形である4つの第1部分薄膜層に分割されており、前記支持基板の中心の回りに前記第1部分薄膜層が相互に接するように配列されていることを特徴とする化合物半導体基板。 - 前記化合物半導体はSiC、酸化ガリウム及びGaNのうちの1つである請求項1記載の化合物半導体基板。
- 請求項1記載の化合物半導体基板の製造方法であって、
化合物半導体の単結晶からなる円形の第1基板から少なくともその周縁部の一部を除去し、前記第1基板の中心を含む部分を第1部分基板として形成する部分基板形成工程と、
前記第1基板よりも直径の大きい第1支持基板上に、2以上の前記第1部分基板を配列して接合した第1接合基板を形成する第1接合工程と、
を含み、
前記部分基板形成工程において、前記第1基板を、その中心からの距離が半径以下である基準点において直交し且つ前記基準点を通る直径に対して等角となる2つの直線により切断し、前記中心を含む部分を第1部分基板として形成し、
前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、前記第1支持基板の略中心に前記基準点を対応させ且つ前記直線で切断された部分が相互に接するように4つの前記第1部分基板を配列して接合することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。 - 前記部分基板形成工程において、前記第1部分基板は、更に前記基準点を通る直径上で直交する2つの直線によって切断されて四辺形に形成され、
前記第1接合工程において、前記第1支持基板上に、前記第1支持基板の略中心に前記基準点を対応させて4つの前記第1部分基板を配列して接合する請求項3記載の化合物半導体基板の製造方法。 - 前記第1支持基板上に配列して接合された前記第1部分基板の表面に、第2支持基板を接合する第2接合工程と、
前記第1支持基板を除去することにより第2接合基板を形成する第1除去工程と、
を含む請求項3又は4に記載の化合物半導体基板の製造方法。 - 前記第1接合基板又は前記第2接合基板の前記第1部分基板の表面から所定の深さに水素層を形成する水素層形成工程と、
前記第1部分基板の前記表面に第3支持基板を接合する第3接合工程と、
前記第1部分基板を前記水素層において分離することにより、前記第3支持基板上に前記化合物半導体の単結晶からなる第1薄膜層が形成された第3接合基板を得る分離工程と、
を含む請求項5記載の化合物半導体基板の製造方法。 - 前記化合物半導体はSiC、酸化ガリウム及びGaNのうちの1つである請求項3乃至6のいずれかに記載の化合物半導体基板の製造方法。
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