KR20080098076A - 단결정 사파이어 기판 - Google Patents

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Abstract

청색발광 LED에 이용되는 질화갈륨(GaN) 등을 에피택셜 성장시키기 위한 기판으로서, 단결정 사파이어 기판이 이용된다. 종래 방법에서는 양호한 질화갈륨 등의 에피택셜 막을 성장시키는, 규칙적인 스텝 형상을 갖는 단결정 사파이어 기판을 얻을 수 없었다. 본건 발명의 단결정 사파이어 기판을 이용함으로써 테라스 면이 보다 평탄하고, 결정 결함이 적은 결정막을 얻을 수 있었다. 또한, 표면이 평탄하고, 결정 결함이 적은 GaN 결정막을 얻을 수 있고, 이 GaN 결정막은 발광소자로서 이용하는 경우에 보다 양호한 발광특성을 나타낸다. 또한, 본건 발명의 단결정 사파이어 기판 제조방법에 따르면, 사파이어 단결정 표면의 경사 각도를 정밀하게 제어할 수 있어 목적에 대응한 단결정 사파이어 기판을 확실하게 얻을 수 있다.
단결정사파이어기판, 결정막, 발광소자, 스텝, 테라스면, 표면거칠기

Description

단결정 사파이어 기판{SINGLE CRYSTAL SAPPHIRE SUBSTRATE}
본 발명은 LED(Light Emitting Diode), LD(Laser Diode), HEMT(High Electron Mobility Transistor), FET(Field Effect Transistor), SOS(Silicon-ON-Sapphire) 등의 소자 형성에 적합한 결정 품질과 표면 상태를 갖는 단결정 사파이어 기판의 제조방법에 관한 것이다.
현재, 청색, 백색 발광다이오드(LED)는 교통신호기, 자동차의 계기 패널, 휴대전화의 액정패널용 백라이트 등의 광원 등에 사용되고 있다. 청색, 백색 LED에 이용되는 질화갈륨(GaN) 결정은 사파이어(AL2O3)나 탄화규소(SiC) 등의 기판상에 버퍼층을 통해 에피택셜 성장시킴으로써 제조된다. 특히 사파이어 기판은 최근 대량 생산이 가능하며, 또한 열적 및 화학적으로 안정한 것이기 때문에 광범위하게 이용되고 있다. 또한, 단결정 사파이어 기판은 LED뿐만 아니라, 다양한 전자 디바이스 제조의 기판으로서 이용되고 있다.
단결정 사파이어 기판상에서 GaN결정 등을 성장시킬 경우, 사파이어 결정의 C면에 대하여 0.01도에서 2.0도 정도 경사지게 하는 것이 일반적으로 행해지고 있다. 경사지지 않은 사파이어 단결정 표면의 C면 상에 GaN결정을 성장시키면, 얻어지는 GaN결정은 결정 결함이 많고, 표면도 요철을 보이는 결정으로 되어버린다. 여기에서, 도 1과 같이, 사파이어 단결정의 표면을 C면에 대해 소정 각도로 경사지게 한 단결정 사파이어 기판을 이용함으로써, 결정 결함이 적고 표면도 평탄한 GaN결정을 얻을 수 있음을 알 수 있다(특허문헌 1). 이때 사파이어 기판 표면은 도 1과 같이 미크로적 스텝 형상으로 형성된다. 그리고 이 스텝 형상의 규칙성이 높을수록, 기판상에는 양호한 GaN결정이 성장하는 것임을 알 수 있다.
특허문헌 1: 일본 특허공개 제2002-293692호 공보
비특허문헌 1: SASAKI Atsushi, HARA Wakana, MATSUDA Akifumi, AKIBA Shusaku, TATEDA Norihiro, YOSHIMOTO Mamoru, Nucl Instrum Methods Phys Res SectB, VOL.232 NO.1-4; PAGE.305-311;(2005/05).
비특허문헌 2: http://foundary.sanken.osaka-u.ac,jp/report/H15-010.pdf
그러나 특허문헌 1의 단결정 사파이어 기판상에 GaN결정의 박막(薄膜)을 형성시키기 위하여, 웨이퍼로 해서 가공할 경우, 스텝은 원자 레벨로 보면 직선성이 없고, 스텝의 높이도 균일하지 않아, 복수의 스텝도 평행하게 이루어지지 않으며, 스텝 표면에는 요철이 나타난다. 특히 표면의 경사 각도가 커질수록, 스텝의 불균일성이 현저히 나타내고, 테라스(terrace) 표면의 요철도 심하게 된다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 단결정 사파이어 기판은 사파이어 결정을 구성하는 산소원자와 알루미늄원자가 규칙적으로 배열되지 않아 양질의 결정을 얻을 수 없는 문제가 있었다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본건 발명에서는 종래의 단결정 사파이어 기판보다도 스텝 형상이 가지런하고 테라스 면이 보다 평탄한 단결정 사파이어 기판 및 그 제조 방법을 제공한다.
즉, 제1발명은 단결정 사파이어 표면에 테라스 면을 갖는 규칙적인 스텝이 형성된 단결정 사파이어 기판이며, 기판의 매크로적 표면거칠기(Ra)는 0.1㎚ 이하이고, 테라스 면의 표면거칠기(Ra)는 0.03nm 이하이며, 스텝 높이는 0.1nm 이상 0.3nm 이하이며, 테라스 폭의 최대값과 최소값의 차이는 500nm 이하인 단결정 사파이어 기판을 제공한다.
제2발명은 단결정 사파이어 기판의 매크로적 표면이 주면에 대하여 0.1도에서 0.6도의 각도로 경사지는 단결정 사파이어 기판을 제공한다.
제3발명은 테라스 면에 있어서 산소원자가 종단을 이루고, 산소의 단원자층을 형성하도록 구성되는 단결정 사파이어 기판을 제공한다.
제4발명은 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열하는 진공가열 스텝과, 상기 진공가열 스텝 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기분위기에서 저온 가열하는 제1대기가열 스텝과, 제1대기가열 스텝 후에 로 온도를 승온하여 더 가열하는 제2대기가열 스텝으로 이루어지는 단결정 사파이어 기판의 제조방법을 제공한다.
제5발명은 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열하는 진공가열 스텝과, 상기 진공가열 스텝 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기에 포함되는 성분분위기 하에서 저온 가열하는 제1가열 스텝과, 상기 제1가열 스텝 후에 로 온도를 승온하여 대기에 포함되는 성분분위기 하에서 더 가열하는 제2대기가열 스텝으로 이루어지는 단결정 사파이어 기판의 제조방법을 제공한다.
제6발명은 상기 진공가열 스텝의 가열 온도가 1000℃ 이상 1300℃ 이하, 유지 시간은 2시간 이상이며, 상기 제1대기가열 스텝의 가열 온도는 800℃ 이상 1000℃ 이하, 유지 시간은 2시간 이상 5시간 이하이며, 상기 제2대기가열 스텝의 가열 온도는 1300℃ 이상 1600℃ 이하, 유지 시간은 1시간 이상 5시간 이하인 단결정 사파이어 기판의 제조방법을 제공한다.
제7발명은 단결정 사파이어 기판의 테라스 면을 포함하는 면 측에 전자 디바이스 소재를 에피택셜 성장시킴으로써 전자 디바이스를 제조하는 전자 디바이스의 제조방법을 제공한다.
제8발명은 상기 전자 디바이스 소재가 질화갈륨인 전자 디바이스의 제조방법을 제공한다.
제9발명은 단결정 사파이어 기판을 이용하여, 그 테라스 면을 포함하는 면 측에 전자 디바이스 소재를 에피택셜 성장시킨 전자 디바이스 중간구조체를 제공한다.
[발명의 효과]
본건 발명의 단결정 사파이어 기판을 사용함으로써 테라스 면이 더욱 평탄하고, 결정 결함이 적은 결정막을 얻을 수 있다. 또한, 표면이 평탄하고, 결정 결함이 적은 GaN 결정막을 얻을 수 있고, 이 GaN 결정막은 발광소자로서 이용할 경우, 더욱 양호한 발광 특성을 나타낸다. 또한, 본건 발명의 단결정 사파이어 기판제조 방법에 의하면, 사파이어 단결정 표면의 경사 각도를 정밀하게 제어할 수 있어 목적에 대응한 단결정 사파이어 기판을 확실하게 얻을 수 있다.
도 1은 단결정 사파이어 기판 표면의 개념도.
도 2는 실시 형태 1의 단결정 사파이어 기판 표면을 나타내는 도면.
도 3은 단결정 사파이어의 결정 형태를 나타내는 도면.
도 4는 매크로적 표면을 설명하는 도면.
도 5는 단결정 사파이어 기판의 AFM 측정 데이터.
도 6은 사파이어의 결정구조를 설명하는 개념도.
도 7은 사파이어 단결정을 C면 최표면을 나타내는 개념도.
도 8은 사파이어 단결정을 절단했을 때의 단면 투시도.
도 9는 스텝이 형성된 사파이어 단결정을 절단했을 때의 단면 투시도.
도 10은 C면을 주면으로 하는 단결정 사파이어 기판의 LEISS 측정데이터.
도 11은 실시 형태 3의 진공 가열로의 일례.
도 12는 실시 형태 3의 대기 가열로의 일례.
도 13은 실시 형태 3의 단결정 사파이어 기판의 제조방법을 나타내는 플로차트.
도 14는 실시 형태 3의 단결정 사파이어 기판의 제조방법을 나타내는 플로차 트.
도 15는 실시 형태 3의 단결정 사파이어 기판의 열처리 온도변화.
도 16은 실시 형태 3의 단결정 사파이어 기판의 열처리 온도변화.
도 17은 실시 형태 3의 단결정 사파이어 기판의 AFM 측정화상.
도 18은 실시 형태 4의 전자 디바이스의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 19는 실시 형태 4의 전자 디바이스의 제조방법의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 20은 실시 형태 4의 웨이퍼의 절단방법을 설명하기 위한 도면.
도 21은 실시 형태 4의 웨이퍼의 연마방법을 설명하기 위한 도면.
도 22는 실시 형태 4의 전자 디바이스의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 23은 실시 형태 4의 전자 디바이스의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
도 24는 실시 형태 4의 전자 디바이스의 최대 순방향전압 측정결과.
도 25는 A면을 주면으로 하는 단결정 사파이어 기판의 LEISS 측정데이터.
*부호의 설명*
0201: 테라스 면 0202: 스텝 면
0203: 매크로적 표면의 단선 0204: 에지
0205: 매크로적 표면
이하에서 각 발명의 실시를 위한 최선의 형태를 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 양태로 실시될 수 있다.
실시 형태 1은 주로 청구항 1, 2 및 3에 대해서 설명한다. 실시 형태 2는 주로 청구항 4에 대해서 설명한다. 실시 형태 3은 주로 청구항 5, 6, 7, 8 및 9에 대해서 설명한다. 실시 형태 4는 주로 청구항 10, 11 및 12에 대해서 설명한다.
<실시 형태 1>
<실시 형태 1: 개념>
본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판은 기판의 표면거칠기, 스텝의 형상 등을 제어하고, 기판상에서 성장하는 결정의 품질을 향상시켰다.
<실시 형태 1: 구성>
도 2는 단결정 사파이어 기판의 매크로적 표면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 단결정 사파이어 기판은 단결정 사파이어 표면에 평탄한 테라스(terrace) 면(0201)을 갖는 규칙적인 스텝이 형성되어 있다. 테라스 면(0201)으로는 기판 표면의 평탄한 부분 중 면적이 넓은 부분, 스텝 면(0202)으로는 기판 표면의 평탄한 부분 중 면적이 좁은 부분, 즉 하나의 테라스 면과 그에 이어지는 테라스 면을 접속하는 면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 하나의 테라스 면과 그에 이어지는 테라스 면의 수직 방향의 간격을 스텝 높이(h), 테라스 면과 그에 이어지는 테라스 면의 수평 방향의 간격을 테라스 폭(w), 테라스 면과 단결정 사파이어 기판의 매크로적 표면의 단선(端線)(0203)이 이루는 각을 오프셋 각도(θ)라고 칭한다. 또한, 테라스 면과 스텝 면이 접하는 각을 에지(0204)라고 칭한다.
단결정 사파이어로는 사파이어(αAl2O3)를 소재로 하고, 이상적으로는 사파이어의 임의의 결정 축에 주목할 때, 시료의 어느 부분에 있어서도 그 방향이 동일한 물질이다. 다만, 통상적으로는 전위(轉位)를 포함하고 있기 때문에, 부분적으로 결정 축의 방향이 바뀔 수도 있다.
도 3은 사파이어 단결정의 단위 격자를 나타낸 것이다. 사파이어 단결정은 육방정(六方晶) 구조를 갖는다. 육방정의 저면을 C면(미러 지수 표기: (0001)), 측면을 M면(미러 지수 표기:10-10))(미러 지수의 마이너스 기호의 표기방법은 숫자 위에 기재해야 하지만, 여기에서는 간략히 숫자 앞에 마이너스 기호를 표기하였다), 사선으로 나타낸 면을 A면(미러 지수 표기: 11-20)) 및 R면(미러 지수 표기:10-12))로 칭한다.
본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판의 특징은 이하와 같다.
첫째, 기판의 표면거칠기(Ra)는 0.1nm 이하이다. 표면거칠기(Ra)로는 기판 표면상의 임의의 선(길이 L)의 x에 있어서의 평균선에 대한 높이를 f(x)로 할 때, 식 1로 표시된다. Ra의 값이 작을수록, 스텝 면이 평활한 것을 나타낸다. 기판의 표면거칠기는 기판표면 전체의 거칠기이며, 후술하는 특정 테라스 면의 표면거칠기와는 다르다. 즉, 기판의 표면거칠기를 측정하는 때는 도 2의 x방향에서 표면 높이를 측정하면 된다.
[식 1]
Figure 112008067182398-PCT00001
둘째, 테라스 면의 표면거칠기(Ra)는 0.03nm 이하이다. 테라스 면의 표면거칠기로는 어떤 특정한 테라스 면의 표면거칠기이다. 따라서, 테라스 면의 표면거칠기를 측정할 때는 도 2의 y방향에서 표면 높이를 측정하면 된다.
셋째, 스텝 높이는 0.1nm 이상 0.3nm 이하이다. 테라스 면이 C면일 때, 스텝 높이는 산소 원자층과 이웃하는 알루미늄 원자층의 간격(약 0.22nm)인 것이 바람직하다. 이 높이는 스텝 높이의 최소단위로 되기 때문이다. 스텝 높이가 산소 원자층과 이웃하는 알루미늄 원자층의 간격으로 되는 것을 단위 스텝으로 칭한다.
넷째, 하나의 테라스 면에 있어서, 테라스 폭의 최대값과 최소값의 차이는 500nm 이하이다. 즉, 테라스 면의 에지는 직선에 가까운 형상으로 되어 있는 것이 필요하다.
단결정 사파이어 기판 표면의 특성을 상기와 같이 규정함으로써 기판 표면상에서 성장하는 GaN 등의 결정 표면을 평탄하게 하고, 또한 전위(轉位) 밀도를 감소시킬 수 있다.
또한, 테라스 면은 주면(主面)에 대하여 평행한 것이 바람직하다. 주면으로는 사파이어 단결정의 C면, A면, M면, R면 중 어느 하나이다. 테라스 면을 주면과 평행하게 하는 것이 에너지적으로 가장 안정하기 때문이다.
또한, 상기 단결정 사파이어 기판의 매크로적 표면은 주면에 대하여 0.1도에 서 0.6도의 각도로 경사져 있는 것이 바람직하다. 또한, 주면에 대해 임의의 방향에 대하여 경사져 있는 것보다도, 특정 방향에 대하여 경사져 있는 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 주면이 C면일 경우에는, C면으로부터 A면 방향 또는 M면 방향을 향해서 0.1도에서 0.6도의 각도로 경사져 있는 것이 바람직하다.
도 4는 매크로적 표면을 설명한 도면이다. 매크로적 표면으로는 도 4의 점선으로 나타낸 바와 같이, 단결정 사파이어 기판을 매크로적으로 보았을 때의 평균적인 면을 나타낸다. 경사 각도가 0.1도 이하인 경우는, 스텝 면과 테라스 면이 명확하게 형성될 수 없고, 경사 각도가 0.6도 이상인 경우는, 스텝 높이가 0.3nm 이상 필요로 되어 스텝이 잘 형성되지 않는다.
<실시 형태 1: 실시예>
도 5는 본 실시 형태의 C면을 주면으로 하는 단결정 사파이어 기판의 AFM 측정결과의 일 예를 나타낸 것이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판은 형상이 가지런한 스텝이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이 단결정 사파이어 기판의 표면형상을 측정한 결과, 테라스 면의 표면거칠기는 0.013nm, 테라스 폭은 400∼600nm, 스텝 높이는 약 0.2nm인 것을 알았다.
<실시 형태 1: 효과>
본 실시 형태의 사파이어 기판을 이용함으로써 표면이 평탄하고, 전위 밀도가 작은 에피택셜 막을 얻을 수 있다. 결정성이 양호한 에피택셜 막은 발광소자로서 이용할 때도 양호한 발광 특성을 나타낸다.
<실시 형태 2>
<실시 형태 2: 개요>
본 실시 형태의 사파이어 단결정은 기판 표면이 산소원자로 구성되고, 산소원자가 규칙적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이에 따라 사파이어 기판상에 결정성이 양호한 에피택셜 막을 형성하는 것이 가능해진다.
<실시 형태 2: 구성>
본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판은 테라스 면에 있어서, 산소원자가 종단(終端)을 이루고, 산소의 단원자층을 형성하도록 구성되어 있다. 또한, 여기에서의 산소원자가 종단을 이루고, 산소 단원자층을 형성하는 구성은 결정 결함이나 제조 프로세스상의 제조 오차에 의해 표면에 알루미늄 원자가 노출하는 정도의 것은 산소 단원자층을 형성하고 있는 것으로 간주한다. 왜냐하면, 완전한 결정은 이론상으로는 어떻든 간에 공업적으로는 제조하는 것이 곤란하기 때문이다. 또한, 이들 결정 결함이나 제조 프로세스상의 오차의 정도는 제품 수율을 악화시키는 원인으로 되지만, 불량품을 폐기한다 라는 사고방식에서 보면, 결함이나 불량은 상업적 합리성의 범위 내인 정도는 허용된다.
본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판은 테라스 면이 사파이어 결정의 C면(미러 지수 표기: (0001))으로 구성된다. 도 6은 사파이어 결정의 개념도를 나타낸 것이다. 한편, 도면 중에서, 알루미늄 원자는 검은 원으로 나타내고 있지만, 산소원자에 대해서는 도면이 번잡해지기 때문에 생략하였다. 사파이어의 결정은 도 6의 (a) 또는 (b)에 나타낸 바와 같은 산소원자를 정점에 갖는 정팔면체 구조가 연속하는 형상으로 이루어져 있다. (a)는 산소원자만으로 구성된 정팔면체 구조이고, (b) 는 알루미늄원자를 정팔면체 구조 안에 갖는 정팔면체 구조이다. 이들 정팔면체 구조가 (c)에 나타낸 바와 같이 다수 구성됨으로써 사파이어 결정을 구성하고 있다. (c)의 사선으로 나타낸 면은 사파이어 결정의 C면의 일부를 구성하는 면이다.
본 실시 형태는 이 C면에 의해 테라스 면이 구성되어 있다. 사파이어 기판상에서 성장하는 결정은 사파이어 결정의 최표면에 위치하는 원자에 의해 크게 좌우된다. 따라서 우선 단결정 사파이어 기판의 최표면의 검사를 행했다. 단결정 사파이어 기판의 최표면으로 되는 C면 방향 상부보다, 최표면만의 원자를 나타내면 도 7과 같아진다. 도 7의 사선으로 나타낸 삼각형은 도 6에 나타낸 사파이어 결정의 정팔면체 구조의 사선으로 나타낸 일면에 해당한다. 도 7에 나타낸 육각형(0701)은 도 3에서 나타낸 6각 기둥의 C면 부분에 해당한다.
도 7에 나타낸 직선 A-B(0702)(즉, A면(미러 지수 표기:(11-20))에서 절단하고, 화살표 방향으로부터 바라본 단면도를 도 8에 나타내었다. 사파이어 결정의 C면을 주면으로 하여 구성됨으로써, 도 7로부터 최표면의 원자층이 산소원자만으로 이루어지는 단원자층으로 되는 것을 알 수 있다. 도 8과 같은 방향으로부터 테라스 면 및 스텝을 형성했을 경우의 단면도를 도 9에 나타내었다. 스텝의 에지는 절단을 행하는 각도나 연마, 열처리 시의 조건에 따라, (a), (b), (c)와 같이 둔각이나 예각 또는 직각의 각을 갖는다. 또한, (d)와 같이 예각과 둔각, 직각의 어느 쪽의 각을 갖는 것도 있다. (a) 내지 (d)와 같이, 산소원자만을 잇는 직선으로 구성된 면은 어떠한 경우도 산소원자가 종단 또는 최표면으로서 구성되어 있는 것으로 했다. 따라서, 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판은 테라스 면이 C면에 의해 형성되어 있고, 표면은 산소원자만으로 구성되어 있다. 또한, 스텝 면도 산소원자로 구성되어 있고, 원칙적으로 알루미늄 원자가 표면에 배열되는 것은 없다.
<실시 형태 2: 실시예>
본 실시 형태에서 나타낸 단결정 사파이어 기판 표면의 원자 배열을 측정하기 위하여 저속이온산란분광법(low-energy ion scattering spectroscopy: LEISS)에 의한 측정을 행했다. LEISS는 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 결정의 표면원자의 조성 및 배열 상태를 측정할 수 있고, 결정의 평가에 이용되는 분석방법이다. LEISS는 저에너지의 이온빔을 시료 표면에 조사하고, 산란 이온을 검출하여 에너지 스펙트럼의 변화를 측정한다. 이온빔의 입사각도나 입사방향을 변화시킴으로써, 이온빔의 조사방향으로부터 바라본 원자배열이 다른 것에 의해 검출되는 산란 이온의 에너지 스펙트럼이 변화되는 것을 이용하고, 대상 시료의 원자 배열을 측정한다. 산란 이온의 검출은 이온원과 동축 상에 설치된 비행시간형 측정장치에 의해 행해진다. 또한, 비행시간형 측정장치에서는 조사 대상이 되는 원자의 정성(定性)이 행해진다. 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판에서는 입사하는 이온빔으로서 헬륨 이온을 펄스 조사해서 측정을 행했다. LEISS에 의해 측정된 스펙트럼은 결정의 이상형에서의 원자배열을 바탕으로 계산에 의해 얻어진 시뮬레이션 결과와 비교하거나, 피크가 출현하는 위치 및 강도에 의해 원자의 배치위치를 추정해 평가된다.
도 10은 본 실시 형태의 주면을 C면으로 하는 단결정 사파이어 기판을 LEISS에 의해 측정을 행한 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다. 하단에 나타낸 스펙트럼은 사파이어 결정의 C면의 이상형에서의 원자배열을 바탕으로 얻어진 시뮬레이션 결과이다. 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판으로부터 얻어진 스펙트럼과 시뮬레이션에 의해 얻어진 스펙트럼을 비교하면, 입사 방위각도가 30도에서 360도까지, 스펙트럼과 피크 검출위치가 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판과 시뮬레이션에 의해 얻어진 스펙트럼에서 거의 동일한 각도로 검출되고 있다. 또한, 도 10 중의 (a) 내지 (f)의 피크에서는, 시뮬레이션의 결과에서 보이는 피크의 「어깨(肩)」가, 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판에서는 작은 피크 또는 「어깨」로서 검출되고 있어, 이상형에 매우 가까운 원자배열을 갖는 단결정 사파이어 기판을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 25는 주면을 A면으로 했을 때의 단결정 사파이어 기판을 LEISS에 의해 측정을 행한 스펙트럼 결과를 나타낸 것이다. LEISS 측정은 기판에 대하여 15도 각도로 He이온을 조사하고, 측정 대상이 되는 사파이어 기판을 360도 회전시켜 측정을 행한다. 이 경우, 이상적인 A면인 경우에는, 측정 결과가 180도마다 주기적인 피크로 된다. 도 25에서, 피크 (a) 및 (b)에 대하여, 180도 이동한 각도에서 (c) 및 (d)의 피크가 출현하고 있고, 180도마다 주기적인 피크로 되어 있다. 또한, 이들 결과는 기판의 오리엔테이션 플랫에 대하여 LEISS 측정을 행한 경우와 동일한 스펙트럼을 나타내고 있고, 도 25에 나타낸 사파이어 기판이 A면을 주면으로 하는 기판인 것임을 나타내고 있다.
<실시 형태 2: 효과>
본 실시 형태의 사파이어 기판을 사용함으로써 표면이 평탄하고, 전위 밀도 가 작은 에피택셜 막을 얻을 수 있다. 결정성이 양호한 에피택셜 막은 발광소자 등으로서 이용했을 때도 양호한 발광특성을 나타낸다.
<실시 형태 3>
<실시 형태 3: 개념>
본 실시 형태는 실시 형태 1 또는 2의 단결정 사파이어 기판의 열처리 방법에 관한 것이다. 열처리 방법은 진공가열 스텝, 제1대기가열 스텝 및 제2대기가열 스텝의 3단계로 이루어지는 열처리 방법과, 진공가열 스텝 및 대기가열 스텝의 2단계로 이루어지는 열처리 방법인 2종류의 열처리 방법이다.
<실시 형태 3: 구성>
본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판의 제조방법에서, 열처리 방법은 진공가열 스텝, 제1대기가열 스텝 및 제2대기가열 스텝의 3단계로 이루어지는 열처리 방법과, 진공가열 스텝 및 대기가열 스텝의 2단계로 이루어지는 열처리 방법인 2종류의 열처리 방법이 있다.
도 11 및 도 12에는 본 실시 형태의 열처리를 실행하는 가열로의 일례를 나타낸 것이다. 도 11은 3단계와 2단계로 이루어지는 열처리 방법의 진공가열 스텝을 행하는 진공가열로이다. 가열로(1101)는 발열체(1102)에 의해 가열된다. 시료는 시료 반입반출구(1104)의 하방에서 시료대(1103)가 상하 이동함으로써 가열로 내로 반입, 반출된다. 가열 시료는 시료대가 내려온 상태에서, 시료대에 세팅되고, 시료대를 화살표 방향으로 이동시켜 가열로 내로 반입된다. 반출시는 이와 반대로 시료대를 화살표와 반대방향으로 이동시켜 반출을 행한다. 가열로에는 크라이오펌 프(1105)와 진공펌프(1106)가 장착되고, 진공펌프에 의해 가열로 내를 감압한다. 또한, 진공도를 증대시키기 위하여 냉각을 행하는 크라이오펌프가 설치된다. 또한, 이들 제어는 제어장치(1107)에서 행해진다.
도 12에는 3단계로부터 이루어지는 열처리 방법의 제1대기가열 스텝과 제2대기가열 스텝, 2단계로부터 이루어지는 열처리 방법의 대기가열 스텝을 행하는 대기가열로이다. 가열로(1201)는 발열체(1202)에 의해 가열된다. 시료는 시료 반입반출 구(1203)에서 반입 및 반출이 행해진다. 시료 반입반출구의 우측에는 온도 컨트롤 등을 행하기 위한 제어장치(1204)가 구비된다. 또한, 3단계로부터 이루어지는 열처리 방법의 제1대기가열 스텝과 제2대기가열 스텝, 2단계로부터 이루어지는 열처리 방법의 대기가열 스텝은 대기분위기 하에서 또는 대기에 포함되는 성분분위기 하에서 이루어지기 때문에, 내부 유입되는 대기의 유량을 확인하는 유량계(1205)가 구비된다.
3단계로 이루어지는 열처리 방법, 2단계로 이루어지는 열처리 방법 모두에서, 도 11의 진공가열로에서 먼저 열처리를 행하고, 열처리 종료 후, 도 12의 대기가열로의 대기분위기 중에서 열처리를 행한다.
도 13은 본 실시 형태의 3단계로 이루어지는 열처리의 흐름을 설명한 도면이다. 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판의 열처리 방법은 진공가열 스텝(1301)과, 제1대기가열 스텝(S1302)과, 제2대기가열 스텝(S1303)으로 이루어진다. 이들 열처리는 단결정 사파이어의 잉곳을 제조한 후, 슬라이싱 및 연마가 행해진 후에 행해지는 공정에서, 단결정 사파이어 기판 표면의 완전 결정층을 확보하기 위하여 행해진다.
진공가열 스텝(S1301)은 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열한다. 진공가열 스텝의 목적은 알루미나 승화 온도의 가까이에서 과잉 산소제거를 행함과 동시에, 연마 작업중에 혼입된 황화물, 염화물, 수산화물 등의 불순물을 융점 이상에서 증발시키는 목적이다. 진공가열 스텝의 가열온도는 1600℃ 이상 2000℃ 이하, 유지시간은 2시간 이상으로 하는 것이 바람직하다. 가열온도가 1600℃ 이하 또는 유지시간이 2시간 이하에서는, 불순물의 제거가 충분하지 않고, 가열온도가 2000℃ 이상에서는, 단결정 사파이어 기판의 변형이 커지기 때문이다. 진공분위기의 기압은 10-5Torr 이하인 것이 바람직하다. 이 이상의 기압으로 되면 불순물의 제거 효과가 낮아지기 때문이다.
제1대기가열 스텝(S1302)은 진공가열 스텝(S1301) 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기분위기 또는 대기에 포함되는 성분 중에서 저온가열한다. 제1대기가열 스텝의 목적은 탄소를 산화해서 이산화탄소로서 제거하기 위해서이다. 대기분위기 및 대기에 포함되는 성분 중에서의 저온가열은 탄소를 산화해서 이산화탄소로 되도록 하기 위하여 충분한 산소를 포함하는 분위기이면 좋다. 제1대기가열 스텝의 가열온도는 800℃ 이상 1000℃ 이하, 유지시간은 2시간 이상 5시간 이하인 것이 바람직하다. 가열온도가 800℃ 이하 또는 유지시간이 2시간 이하에서는, 탄소를 이산화탄소로 충분히 산화시킬 수 없고, 가열온도가 1000℃ 이상 또는 유지시간이 5시간 이상에서는 단결정 사파이어 기판이 변형하기 때문이다. 진공가열 스텝(S1301)과 제1대 기가열 스텝(S1302)에서 이용되는 로는 별개의 로인 것이 바람직하지만, 동일한 로이더라도 무방하다.
제2대기가열 스텝(S1303)은 제1대기가열 스텝(S1302) 후에 로 온도를 승온하여 더 가열한다. 제2대기가열 스텝은 대기분위기 하에서 또는 대기에 포함되는 성분 중에서 행해진다. 이 스텝에서 단결정 사파이어 기판 표면의 스텝을 규칙적으로 조절할 수 있다. 제2대기가열 스텝의 가열온도는 1000℃ 이상 1300℃ 이하로 하고, 유지시간은 1시간 이상 5시간 이하로 하는 것이 바람직하다. 가열온도가 1000℃ 이하 또는 유지시간이 1시간 이하에서는, 스텝이 정렬되지 않고, 가열온도가 1300℃ 이상 또는 유지시간이 5시간 이상에서는 단결정 사파이어 기판이 변형하기 때문이다.
제1대기가열 스텝(S1302) 및 제2대기가열 스텝(S1303)에 있어서, 기판이 기류의 영향을 받으면 장전(裝塡) 위치에 의한 온도분포가 발생하기 때문에, 기판을 홀더 내에 고정한 뒤, 사파이어의 블록으로 밀폐하면 좋다. 온도와 유지시간은 상기 범위 내에서, 기판의 경사각도에 따라 변화시킨다. 온도와 유지시간이 상기 범위 외이면, 스텝 높이의 균일성이나 진직성(眞直性), 테라스 면의 평탄성이 손상되거나, 알루미늄 원자의 회합(會合)이 발생하여 알루미늄 원자와 산소원자의 규칙적인 배열이 손상되게 된다.
도 14는 본 실시 형태의 2단계로 이루어지는 열처리의 흐름을 설명한 도면이다. 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판의 열처리 방법은 진공가열 스텝(S1401)과, 대기가열 스텝(S1402)으로 이루어진다. 이들의 열처리는 단결정 사파이어의 잉 곳을 제조한 후, 슬라이싱 및 연마가 행해진 후에 행해진다.
진공가열 스텝(S1401)은 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열한다. 진공가열 스텝의 가열온도는 1600℃ 이상 2000℃ 이하, 유지시간은 2시간 이상으로 하는 것이 바람직하다. 진공분위기의 기압은 3단계로 이루어지는 열처리 방법과 동일하게 10-5Torr 이하인 것이 바람직하다.
대기가열 스텝(S1402)은 진공가열 스텝(S1401) 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기분위기 또는 대기에 포함되는 성분 중에서 가열한다. 대기가열 스텝의 가열온도는 1200℃ 이상 1400℃ 이하, 유지시간은 1시간 이상 5시간 이하인 것이 바람직하다. 대기분위기 및 대기에 포함되는 성분 중에서의 열처리는 탄소를 산화하여 이산화탄소로 되도록 하기 위하여 충분한 산소를 포함한 분위기인 것이 바람직하다. 또한, 대기가열 스텝은 대기분위기 하에서 또는 대기에 포함되는 성분 중에서 행해지고, 단결정 사파이어 기판 표면의 스텝을 규칙적으로 조절한다.
한편, 2단계로 이루어지는 열처리 방법의 목적이나, 열처리에 의한 단결정 사파이어 기판으로의 영향 등에 관해서는 3단계로 이루어지는 열처리 방법과 거의 같기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
<실시 형태 3: 구체 예>
도 15는 본 실시 형태의 3단계로 이루어지는 열처리 방법의 구체예의 일예를 나타낸 것이다. (a)를 이용하여 3단계로 이루어지는 열처리 방법을 설명한다. 우선, 진공가열 스텝에서, 실온(RT)에서 1700℃까지 7시간에 걸쳐 승온한다. 온도 상 승 후 1700℃에서 2시간 유지하고, 유지 후 12시간에 걸쳐 실온까지 감온한다. 진공가열 스텝 종료 후, 과열 로를 진공가열로에서 대기가열로로 바꾼다. 제1대기가열 스텝은 실온에서 900℃까지 4시간에 걸쳐 승온하고, 900℃에서 3시간 유지한다. 유지 후 6시간에 걸쳐 실온까지 감온한다. 제1대기가열 스텝 종료 후, 가열로는 별개의 대기 가열로로 바꾸어도 좋고, 그대로 동일한 가열로를 사용해도 좋다. 제2가열스텝은 먼저 실온에서 1200℃까지 5시간에 걸쳐 승온하고, 2시간 1200℃로 유지한다. 유지 후, 10시간에 걸쳐 실온까지 감온하여 열처리를 완료한다. 한편, 3단계로 이루어지는 열처리 방법은 제1대기가열 스텝 종료 후, (a)와 같이 상온(RT)까지 한번 온도를 내린 후에, 제2대기가열 스텝의 온도상승을 시작해도 좋고, (b)와 같이, 제1대기가열 스텝 종료 후, 온도를 내리지 않고, 제2대기가열 스텝의 온도상승을 시작해도 좋다.
도 16은 본 실시 형태의 2단계로 이루어지는 열처리 방법의 구체적인 예의 일예를 나타낸 것이다. 우선, 진공가열 스텝에서, 실온(RT)에서 1700℃까지 7시간에 걸쳐 승온한다. 승온 후 1700℃에서 2시간 유지하고, 유지 후 12시간에 걸쳐 실온까지 감온한다. 진공가열 스텝 종료 후, 과열 로를 진공가열로에서 대기가열로로 바꾼다. 대기가열 스텝은 실온에서 1300℃까지 5시간에 걸쳐 승온하고, 1300℃에서 4시간 유지한다. 유지 후, 1O시간에 걸쳐 실온까지 감온하고, 열처리는 완료된다.
한편, 3단계로 이루어지는 열처리 방법, 2단계로 이루어지는 열처리방법 모두에서, 승온 속도 및 감온 속도는 사용하는 가열로의 성능에 따라 변화되는 것이다.
<실시 형태 3: 효과>
도 17은 본 실시 형태의 3단계로 이루어지는 열처리 방법에 의해 얻어진 단결정 사파이어 기판 표면의 AFM 측정화상을 나타낸 것이다. a)는 열처리 전의 단결정 사파이어 기판이다. a)의 화상에서 테라스 면의 간격은 일정하지 않고, 테라스 면의 에지가 곡선으로 되어 있음을 알 수 있다. 이를 실시 형태 3에 나타낸 3단계로 이루어지는 열처리 방법에 의해 열처리를 행하면, b)로 된다. b)에서 테라스 면은 거의 일정한 간격으로 이루어지고, 테라스 면의 에지도 직선으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 참고로 c)에서는, 비특허문헌 2에 기재된 종래 기술에 의해 얻어진 단결정 사파이어 기판 표면의 화상을 나타내고 있다. c)의 표면은 테라스 면의 에지가 곡선이며, 테라스 면의 간격도 일정하게 되어 있지 않으며, 본건 발명의 열처리 방법 전의 단결정 사파이어 기판과 같은 표면으로 되어 있다. 따라서, 본 실시 형태의 열처리 방법을 행함으로써, 스텝이 직선이고 스텝 면이 일정한 간격으로 이루어지는 단결정 사파이어 기판이 양산에 알맞은 방법으로 얻을 수 있었다.
<실시 형태 4>
<실시 형태 4: 개요>
본 실시 형태는 상기 단결정 사파이어 기판에 전자 디바이스 소재를 에피택셜 성장시킴으로써 전자 디바이스 또는 전자 디바이스의 중간구조체를 제조한다.
<실시 형태 4: 구성>
본 실시 형태의 전자 디바이스 제조방법은 단결정 사파이어 기판의 테라스 면을 포함하는 면 측에 전자 디바이스 소재를 에피택셜 성장시킴으로써 전자 디바이스를 제조한다.
에피택셜 성장은 박막의 성장 기술 중에서, 미리 만들어져 있는 단결정 기판의 표면에 그 결정과 결정 방향을 가지런히 정돈해서 새로운 결정층을 형성하는 방법이다. 에피택시에 의한 결정 성장은 결정의 융점보다 낮은 온도에서 행할 수 있기 때문에, 불순물의 혼입도 적고 순도가 높은 결정을 제작하는 수단으로서 이용되어 있다. 본 실시 형태에서는 기본으로 되는 기판의 결정을 단결정 사파이어 기판으로 해서, 원하는 결정 막을 에피택셜 성장시킨다. 에피택셜 성장 방법으로는, 기상 에피택시(VPE: Vapor Phase Epitaxy), 분자선 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 액상 에피택시(LPE: Liquid Phase Epitaxy), 고상 에피택시(SPE: Solid Phase Epitaxy) 등의 방법이 있다.
단결정 사파이어 기판에 에피택셜 성장시키는 전자 디바이스 소재로서는, 도 18에 나타낸 바와 같은 재료이다. 단위원소로서는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 등의 재료나, 화합물로서는 아연화합물(ZnO, ZnS, ZnSb), 산화바륨(BaO), 카드뮴화합물(CdS, CdSe), 갈륨화합물(GaN, GaAs), 인듐화합물(InP, InAs, InSb), 게르마늄화합물(GeTe), 납화합물(PbS, PbSe, PbTe), 바나듐화합물(VO2), 안티몬화합물(Sb2Te3), 비스머스화합물(BiSe3 Bi2Te3), 세슘화합물(Cs3Sb), 산화동(Cu2O), 규소화합물(SiC), 은화합물(AgSbTe2, AgBiS2) 등이다.
이들 전자 디바이스 소재를 단결정 사파이어 기판에 에피택셜 성장시켜 도 18에 나타낸 바와 같은 다이오드(LED나 LD)나 트랜지스터(HEMDT나 FET 등), IC, LSI, 광전소자, 정류소자, 열음극, 압전소자, 레이저, 홀 소자, 열전소자, 바리스터, 서미스터 등으로 가공된다. 또한, SOS(Silicon-ON-Sapphire) 등의 제조를 행할 수도 있다.
특히, 질화갈륨(GaN)은 청자색 다이오드나 백색 다이오드 등에 이용되어 주목되고 있다. 질화갈륨 반도체는 청자색 다이오드를 실용화시켜 발광다이오드에 의한 풀 칼라의 디스플레이를 탄생시켰다. 또한, 자외광을 발광시키는 백색형광체와 조합시켜 형광등을 대신하는 소비전력이 낮은 광원으로서도 이용이 기대되고 있다. 이 질화갈륨은 초고주파 트랜지스터로서 실용화되고 있는 갈륨비소(GaAs)와 원소주기율표상에서 동일하고, 3족과 5족의 원소로부터 이루어지는 반도체이다. 그 때문에 갈륨비소의 높은 캐리어 이동이라고 하는 특징을 살린 초고주파 트랜지스터에 부가되고, 질화갈륨은 높은 출력동작가능한 소자로의 이용에 검토가 이루어지고 있다.
전자 디바이스는 일반적으로 도 19에 나타낸 바와 같은 프로세스에서 제조된다. 전자 디바이스의 제조는 기판제조 프로세스(1901)와, 마스크제조 프로세스(1902), 웨이퍼 프로세스(1903), 조립 프로세스(1904)의 4개의 프로세스로부터 달성된다.
기판제조 프로세스는 기판제조공정(1916), 슬라이싱 공정(1917), 연마 공정(1918), 열처리공정(1919)의 4개의 공정으로부터 이루어진다. 기판제조 프로세스에서는, 우선 전자 디바이스의 기판의 기본으로 되는 단결정 사파이어 등의 잉곳을 제조하는 기판제조공정(1916)을 행한다. 단결정 사파이어로부터 이루어지는 잉곳은 쵸크랄스키법(CZ법)이나 키로플러스법(kyropoulusu법) 등의 결정 성장방법에 의해 제조된다. 잉곳은 기판으로 되는 결정의 원주형의 괴(塊)이며, 길이는 약 2미터, 굵기는 8인치에서 12인치로서, 이들 크기는 전자 디바이스의 목적이나 1장의 웨이퍼 상에서 작성되는 전자 디바이스의 개수에 따라 변화된다.
다음으로, 이 단결정 사파이어의 잉곳을 얇은 판자 형태의 웨이퍼로 자르는 슬라이싱 공정(1917)으로 된다. 슬라이싱 공정은 잉곳을 두께 약 1밀리미터 정도의 원반 모양으로 자른다. 슬라이싱 공정에서 행해지는 컷팅 방법으로는 주로 블레이드 소(blade saw) 방식과 와이어 소(wire saw) 방식의 두 방식이 있다. 블레이드 소 방식은 도 20의 a)에 나타낸 바와 같이, 스테인레스제 고경도 철의 내주날(2001)을 회전시켜 잉곳(2002)을 컷팅한다. 절단면의 평탄도가 양호한 점이 특징이다. 또한, 와이어 소 방식은 b)에 나타낸 바와 같이, 인장된 복수의 피아노선(2003)에 슬러리 상의 다이아몬드 연마용 입자를 흘리고, 피아노 선을 왕복운동시키면서 잉곳(2004)을 컷팅한다. 블레이드 소 방식에 비하여 와이어 소 방식은 절단면의 평탄도에서 블레이드 소 방식에 미치지 못하지만, 슬라이스 속도가 빠르고, 비용면에서 유리하여 대구경의 웨이퍼의 제조에 유리하다. 한편, 단결정 사파이어로부터 이루어지는 잉곳을 컷팅하는 경우에, 잉곳을 글래스나 탄소를 홀드재로 해서 고정하면, 절단 방향에 대하여 잉곳이 벗어날 우려가 있다. 따라서, 홀드재의 재질에 경질탄산칼슘을 이용함으로써, 절단각도의 어긋남을 0.01도 이내에 할 수 있다.
슬라이싱 공정이 완료되면, 다음으로 연마 공정(1918)으로 된다. 연마 공정에서는 먼저 웨이퍼의 측면을 기계 연마에 의해 연마한다. 기계 연마에서는 가는 입경의 연마제의 연마액을 사용해서 연마를 행한다. 측면을 연마한 후, 다음으로 슬라이싱 공정에서 자른 단면의 연마인 경면 연마를 행한다. 경면 연마는 도 21에 나타낸 장치에 의해 행해진다. 회전하는 정반(定盤)(2101) 상에 점착된 연마 패드(2102)에 웨이퍼(2103)를 장착한 연마 헤드(2104)를 일정 압력으로 접촉시켜 웨이퍼를 연마한다. 연마제는 슬러리 형태의 연마액이다.
연마 공정을 거친 웨이퍼는 세정 후, 열처리 공정으로 된다. 열처리 공정은 단결정 사파이어로부터 이루어지는 웨이퍼의 표면 근방에 완전 결정층을 확보하기 위해서 행해진다. 열처리 공정에서의 상세한 열처리 방법에 대해서는 실시 형태 3에서 설명하였으므로 생략한다.
한편, 마스크 제조 프로세스에서는, 우선 회로를 설계하고(1905), 그런 다음 설계된 회로를 웨이퍼 상에 만들어 넣는 회로의 패턴을 설계한다(1906). 그리고 설계된 패턴을 웨이퍼 상으로 전사하기 위한 마스크가 제조된다(1907). 마스크는 회로를 박막 상으로 전사하기 위한 리소그래피에서 이용된다. 마스크는 석영제의 판 표면에 크롬 등에 의해 박막 상에 만들어 넣어지는 회로가 형성되어 있다.
웨이퍼와 마스크가 완성되면, 다음으로 웨이퍼 상에 회로를 만들어 넣는 공정인 웨이퍼 프로세스로 된다. 웨이퍼 프로세스는 크게 기판공정(1908), 리소그래피 공정(1909), 배선 공정(1910)의 3개의 프로세스로 이루어진다. 기판공정과 리소그래피 공정, 배선 공정은 도 20에 나타낸 바와 같이, 원하는 전자 디바이스의 복 잡성에 따라 여러 번 반복으로 행해진다.
기판공정은 세정 공정(2201), 열처리 공정(2202), 불순물유입 공정(2203), 막형성 공정(2204), 평탄화 공정(2205) 등의 공정으로 이루어진다.
세정 공정은 리소그래피 공정이나 배선 공정을 비롯한 각 공정 사이에서 반드시 행해지는 표면 청정화를 위한 공정이다. 이 공정에서, 황산이나 염산, 암모니아, 불화수소, 과산화수소 등의 약액을 조합시켜 세정하는 것이 대부분이다. 세정에 의한 제거의 대상은 유기물 잔여물, 산화물 잔여물, 금속 오염 등이다. 또한, 경우에 따라서는 결정의 결함 등의 데미지 제거도 세정 공정으로 하는 경우도 있다.
열처리 공정은 실리콘 기판 등의 경우에 필수로 행해지는 공정이지만, 반드시 행해야만 하는 공정은 아니다. 열처리 공정에서는, 매우 청정한 분위기의 로가 이용되고, 주의 깊게 세정이 행해진 웨이퍼를 이용할 수 있다. 열처리에 의해 웨이퍼 표면에 몇백 nm의 산화막이 형성된다. 이 막은 절연막으로 되어 실리콘을 이용한 반도체 디바이스 제조의 출발점으로 된다.
불순물유입 공정은 실리콘 기판 등에 붕소나 비소, 인 등의 3가 및 5가족 원소를 불순물로 하여 도입시켜 pn결합의 형성이나 불순물 농도제어를 행하는 기술이다. 불순물유입 방법으로서는, 이온주입법이나, 열확산법, 이온도핑법 등이 있지만, 현재는 이온주입법이 주류이다. 이온주입법에서는, 진공 중에서 분리된 붕소, 비소, 인 등의 이온에 고전압을 걸어 가속하고, 기판에 주입한다.
막형성 공정은 웨이퍼 상에 기상 에피택시(VPE: Vapor Phase Epitaxy), 분자 선 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 액상 에피택시(LPE: Liquid Phase Epitaxy), 고상 에피택시(SPE: Solid Phase Epitaxy) 등의 방법에 의해 다양한 물질을 에피택셜 성장시켜 박막을 형성시키는 공정이다.
기상성장법의 하나인 할로겐 기상성장법(Hydride Vapor Phase Epitacy: HVPE)에 의한 단결정 사파이어 기판상으로의 GaN결정의 에피택셜 성장방법의 일례의 개략도를 도 23의 (a)에, 유기금속화합물 기상성장법(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE)에 의한 단결정 사파이어 기판상으로의 GaN결정의 에피택셜 성장방법의 일례의 개략도를 도 23의 (b)에 나타내었다. HVPE법에서는, 일반적으로 900℃ 정도의 고온으로 유지된 금속 갈륨과 염화수소가스를 내부 반응관에서 반응시켜서 주로 염화갈륨을 생성하고, 1000℃ 정도로 유지된 단결정 사파이어 기판 부근에서 암모니아와 반응시켜서 GaN결정을 성장시킨다. 암모니아 및 염화수소는 캐리어 가스와 함께 공급된다. 이 방법에서는, 염화갈륨 생성부 및 단결정 사파이어 기판의 2개소의 온도제어와 염화수소가스 및 암모니아의 유량제어가 필수적이다. MOVPE법에서는 일반적으로는 단결정 사파이어 기판만이 1000℃ 정도로 기판가열용 히터에 의해 가열되고, 거기에서 갈륨의 원료로 되는 갈륨과 유기물의 화합물인 유기금속화합물과, 질소 원료로 되는 암모니아가 캐리어 가스와 함께 수송되어, GaN결정이 성장한다. 이 경우, 가열 및 온도 제어가 필요한 것은 단결정 사파이어 기판만이다.
평탄화 공정은 웨이퍼 표면의 요철을 없애고, 균일한 표면 형상으로 하는 공정이다. 평탄화 공정에서 이용되는 방법으로는 에치백법 등이 있지만, 대표적인 방 법으로서는 화학적 기계적 연마이다. 평탄화 공정은 리소그래피 공정에 있어서의 노광에서, 깊은 초점 심도(포커스가 맞는 영역)를 확보하고, 미세한 패턴을 노광시키거나, 막 형성 공정에서 생기는 단차를 개선하기 위한 중요한 공정이다.
리소그래피 공정은 포토레지스트 도포(2206), 노광(2207), 현상(2208), 에칭 (2209), 레지스트 제거(2210)로 이루어진다. 리소그래피 공정에서는, 그 밖에 여러 공정이 들어갈 수도 있다. 리소그래피 공정은 먼저 GaN결정 등의 박막 상에 감광성 수지인 포토레지스트를 도포하고, IC 등의 회로 패턴이 형성된 마스크를 통해 자외선이나 엑시머레이저 광선, 전자빔, X선 등을 조사해서 노광하여 마스크 패턴을 박막 상에 전사한다. 이후 현상을 행하여 박막 상에 회로를 형성시키고 에칭, 레지스트 제거를 행한다.
회로가 박막 상에 형성되면, 다음으로 배선이 행해진다. 배선 공정은 막 형성 공정(2211), 평탄화 공정(2212), 세정 공정(2213) 등으로 이루어지지만, 상세하게는 상기의 기판공정과 거의 공통이기 때문에 설명은 생략한다. 배선 공정은 전자 디바이스의 층 수에 따라 여러 번 반복하여 행해진다.
배선이 종료되어 웨이퍼 프로세스가 종료되면, 조립 프로세스로 된다. 조립 프로세스는 다수의 전자 디바이스가 형성된 웨이퍼를 절단하고, 하나하나의 전자 디바이스로 하는 다이싱 공정(1911), 전자 디바이스를 프레임 상에 올리는 마운트 공정(1912), 전자 디바이스의 전극과 프레임을 철의 가는 선에서 접속하는 본딩 공정(1913), 수지에 의해 전자 디바이스를 봉입하는 봉입 공정(1914), 전자 디바이스의 불량 유무를 검사하는 검사 공정(1915)으로 이루어진다. 검사가 완료되면, 전자 디바이스로서 출시된다.
<실시 형태 4: 효과>
도 24는 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판에서 작성한 청색 LED의 순방향 전압에 대한 출력의 관계를 나타낸 것이다. 순방향 전압(Vf)은 P→N접합에 일정 전류가 흘렸을 때의 전압이며, 출력은 적분구(積分球)를 이용하여 포토디텍터로 계측했다. 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판에 질화갈륨 박막을 에피택셜 성장시켜, 청색 LED를 제조했다. 본 실시 형태의 단결정 사파이어 기판으로 작성한 청색 LED는 종래 기술에 의해 제조된 청색 LED에 비하여 출력이 높은 것임을 명확히 알았다. 이는 결정방위가 엄밀하게 제어되고, 일정 방향과 균일 높이를 갖는 진직 스텝, 평탄한 테라스 산소원자를 종단으로 하는 단원자층 사파이어 기판상에 전자 디바이스 소재가 에피택셜 성장에 의해 형성되어, 보다 이상에 가까운 결정방위와 평탄층을 가지며, 결함이 없는 단결정 사파이어 기판이 제조되어 있기 때문이다.

Claims (12)

  1. 단결정 사파이어 표면에 테라스 면을 갖는 규칙적인 스텝이 형성된 단결정 사파이어 기판으로서,
    테라스 면의 표면거칠기(Ra)는 0.03nm 이하이고,
    스텝 높이는 0.1nm 이상 0.3nm 이하이며,
    테라스 폭은 500nm±50nm인
    단결정 사파이어 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    단결정 사파이어 기판의 매크로적 표면은 주면에 대하여 0.1도에서 0.6도의 각도로 경사지는
    단결정 사파이어 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    단결정 사파이어 기판의 주면은 C면, A면, R면, M면 중 어느 하나인
    단결정 사파이어 기판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    테라스 면에 있어서, 산소원자가 종단을 이루고, 산소의 단원자층을 형성하도록 구성되는
    단결정 사파이어 기판.
  5. 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열하는 진공가열 스텝; 및
    상기 진공가열 스텝 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기분위기에서 가열하는 대기가열 스텝으로 이루어지는
    단결정 사파이어 기판의 제조방법.
  6. 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열하는 진공가열 스텝;
    상기 진공가열 스텝 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기분위기에서 저온가열하는 제1대기가열 스텝; 및
    상기 제1대기가열 스텝 후에 로 온도를 승온해서 더 가열하는 제2대기가열 스텝으로 이루어지는
    단결정 사파이어 기판의 제조방법.
  7. 단결정 사파이어 기판을 진공분위기에서 가열하는 진공가열 스텝;
    상기 진공가열 스텝 후에 꺼낸 사파이어 기판을 대기에 포함되는 성분분위기하에서 저온가열하는 제1대기가열 스텝; 및
    상기 제1대기가열 스텝 후에 로 온도를 승온해서 대기에 포함되는 성분분위기 하에서 더 가열하는 제2대기가열 스텝으로 이루어지는
    단결정 사파이어 기판의 제조방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 진공가열 스텝의 가열온도는 1600℃ 이상 2000℃ 이하, 유지시간은 2시간 이상이고,
    상기 제1대가가열 스텝의 가열온도는 800℃ 이상 1000℃ 이하, 유지시간은 2시간 이상 5시간 이하이며,
    상기 제2대기가열 스텝의 가열온도는 1000℃ 이상 1300℃ 이하, 유지시간은 1시간 이상 5시간 이하인
    단결정 사파이어 기판의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 진공가열 스텝의 가열온도는 1600℃ 이상 2000℃ 이하, 유지시간은 2시간 이상이며,
    상기 대기가열 스텝의 가열 온도는 1200℃ 이상 1400℃ 이하, 유지시간은 1시간 이상 5시간 이하인
    단결정 사파이어 기판의 제조방법.
  10. 청구항 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 사파이어 기판의 테라스 면을 포함하는 면 측에 전자 디바이스 소재를 에피택셜 성장시킴으로써 전자 디바이스를 제조하는
    전자 디바이스의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전자 디바이스 소재는 질화갈륨인
    전자 디바이스의 제조방법.
  12. 청구항 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 사파이어 기판을 이용하여 그 테라스 면을 포함하는 면 측에 전자 디바이스 소재를 에피택셜 성장시킨
    전자 디바이스 중간구조체.
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