KR20130098156A - ＧａＮ계 막의 제조 방법 - Google Patents

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유키 세키
고지 우에마츠
요시유키 야마모토
히데키 마츠바라
신스케 후지와라
마사시 요시무라
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

본 GaN계 막의 제조 방법은, 주면(11m)내의 열팽창계수가 GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은 지지 기판(11)과, 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되어 있는 단결정막(13)을 포함하고, 단결정막(13)이 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 복합 기판(10)을 준비하는 공정과, 복합 기판(10)에 있어서의 단결정막(13)의 주면(13m)상에 GaN계 막(20)을 성막하는 공정을 포함한다. 이로써, 주면의 면적이 크고 휘어짐이 작은 GaN계 막을 제조하는 것이 가능한 GaN계 막의 제조 방법이 제공된다.

Description

ＧａＮ계 막의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING GaN-BASED FILM}
본 발명은 주면의 면적이 크고 휘어짐이 작은 GaN계 막을 얻을 수 있는 GaN계 막의 제조 방법에 관한 것이다.
GaN계 막은 발광 디바이스, 전자 디바이스 등의 반도체 디바이스의 기판 및 반도체층으로서 적합하게 이용된다. 이러한 GaN계 막을 제조하기 위한 기판으로서는, 그 기판과 GaN계 막 사이에서 격자 상수 및 열팽창계수를 일치시키거나 또는 일치에 가깝게 하는 관점에서, GaN 기판이 가장 우수하다. 그러나, GaN 기판은 매우 고가이며, 또한 주면의 직경이 2인치를 넘는 대구경의 GaN 기판의 입수는 곤란하다.
이 때문에, GaN계 막을 성막하기 위한 기판으로서, 일반적으로 사파이어 기판이 이용되고 있다. 그러나, 사파이어 기판과 GaN 결정은 이들 격자 상수 및 열팽창계수가 크게 다르다.
이 때문에, 사파이어 기판과 GaN 결정 사이의 격자 상수의 부정합을 완화하여 결정성이 양호한 GaN 결정을 성장시키기 위해서, 예를 들면 일본국 특개평 04-297023호 공보는, 사파이어 기판에 GaN 결정을 성장시킬 때에, 사파이어 기판상에 GaN 버퍼층을 형성하고, 그 GaN 버퍼층상에 GaN 결정층을 성장시키는 것을 개시한다.
또한, GaN 결정의 열팽창계수에 가까운 열팽창계수의 기판을 이용하여 휘어짐이 작은 GaN막을 얻기 위해서, 예를 들면, 일본국 특표2007-523472호 공보는, 중앙층에 대하여 상호 거의 동일한 열팽창계수를 갖는 각 쌍의 층을 한 쌍 이상 가지고, 전체적 열팽창계수가 GaN 결정의 열팽창계수와 거의 동일한 복합 지지 기판을 개시한다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개평04-297023호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특표2007-523472호 공보
상기한 일본국 특개평04-297023호 공보에 있어서는, GaN 결정 성장중에 전위 등의 결정 결함이 회합 소멸하기 때문인지, 결정 성장 방향으로 오목하게 휘어지면서 GaN 결정이 성장한다.
그러나, 상기한 바와 같이 사파이어 기판의 열팽창계수는 GaN 결정의 열팽창계수에 비교해서 매우 크기 때문에, 성장한 GaN 결정은 결정 성장후의 냉각시에 결정 성장 방향으로 볼록하게 크게 휘어져, 결정 성장 방향으로 볼록하게 크게 휜 GaN막이 얻어진다. 여기서, 사파이어 기판의 주면의 직경을 크게 할수록, 그 GaN 결정의 상기 냉각시에 있어서의 휘어짐이 커진다(구체적으로는, 얻어지는 GaN막의 휘어짐은, 사파이어 기판에 있어서 주면의 직경의 2승에 거의 비례함). 이 때문에, 주면의 직경이 커질수록, 휘어짐이 작은 GaN막을 얻는 것은 곤란하다.
또한, 상기의 일본국 특표2007-523472호 공보에 개시된 복합 지지 기판은, 그 열팽창계수가 GaN 결정의 열팽창계수와 거의 동일하기 때문에, 그 위에 성장시키는 GaN 층의 휘어짐을 작게 할 수 있다. 그러나, 이러한 복합 지지 기판은, 그 구조가 복잡하기 때문에, 그 구조의 설계가 어렵고, 또한 그 구조의 형성이 어려우므로, 설계 및 제조를 위한 비용이 매우 비싸져서, GaN막을 제조하는 비용이 매우 비싸게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하여, 주면의 면적이 크고 휘어짐이 작은 GaN계 막을 제조하는 것이 가능한 GaN계 막의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 어떤 국면에 따르면, 주면내의 열팽창계수가, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은 지지 기판과, 지지 기판의 주면측에 배치되어 있는 단결정막을 포함하고, 단결정막이 단결정막의 주면에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 복합 기판을 준비하는 공정과, 복합 기판에 있어서의 단결정막의 주면상에 GaN계 막을 성막하는 공정을 포함하는 GaN계 막의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 GaN계 막의 제조 방법에 있어서, 복합 기판에 있어서의 단결정막의 주면의 면적을 45 cm2 이상으로 할 수 있다. 또한, 복합 기판에 있어서의 지지 기판을, 산화물을 포함하는 소결체로 할 수 있다. 또한, 복합 기판에 있어서의지지 기판은, 알루미나와 실리카로 형성되는 Al2O3-SiO2 복합 산화물과, 이트리아 안정화 지르코니아를 포함할 수 있다. 여기서, Al2O3-SiO2 복합 산화물 및 이트리아 안정화 지르코니아의 전체에 대한 이트리아 안정화 지르코니아의 함유율을 20 질량% 이상 40 질량% 이하로 할 수 있다. 또한, 이트리아 안정화 지르코니아에 대한 이트리아의 함유율을 5 몰% 이상으로 할 수 있다. 또한, GaN계 막을 성막하는 공정은, 단결정막의 주면상에 GaN계 버퍼층을 형성하는 서브 공정과, GaN계 버퍼층의 주면상에 GaN계 단결정층을 형성하는 서브 공정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주면의 면적이 크고 휘어짐이 작은 GaN계 막을 제조하는 것이 가능한 GaN계 막의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 GaN계 막의 제조 방법의 일례를 도시하는 개략 단면도이다. 여기서, (A)는 복합 기판을 준비하는 공정을 도시하고, (B)는 GaN계 막을 성막하는 공정을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 GaN계 막의 제조 방법에 이용되는 복합 기판을 준비하는 공정의 일례를 도시하는 개략 단면도이다. 여기서, (A)는 지지 기판을 준비하는 서브 공정을 도시하고, (B)는 하지(下地) 기판상에 단결정막을 성막하는 서브 공정을 도시하고, (C)는 지지 기판에 단결정막을 접합시키는 서브 공정을 도시하고, (D)는 단결정막으로부터 하지 기판을 분리하는 서브 공정을 도시한다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 GaN계 막의 제조 방법의 일 실시형태는, 주면(11m)내의 열팽창계수가, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은 지지 기판(11)과, 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되어 있는 단결정막(13)을 포함하고, 단결정막(13)은 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 복합 기판(10)을 준비하는 공정(도 1(A))과, 복합 기판(10)에 있어서의 단결정막(13)의 주면(13m)상에 GaN계 막(20)을 성막하는 공정(도 1(B))을 포함한다. 여기서, GaN계 막이란, III족 원소로서 Ga을 포함하는 III족 질화물로 형성되어 있는 막을 말하고, 예를 들면 GaxInyAl1-x-yN 막(x>0, y≥0, x+y≤1)을 들 수 있다.
본 실시형태의 GaN계 막의 제조 방법에 따르면, 주면내의 열팽창계수가, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은지지 기판과, 지지 기판의 주면측에 배치되어 있는 단결정막을 포함하고, 단결정막이 결정막의 주면에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 복합 기판을 이용하는 것에 의해, 주면의 면적이 크고(즉 대구경으로) 휘어짐이 작은 GaN계 막을 얻을 수 있다.
(복합 기판의 준비 공정)
도 1(A)를 참조하여, 본 실시형태의 GaN계 막의 제조 방법은, 주면(11m)내의 열팽창계수가, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은 지지 기판(11)과, 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되어 있는 단결정막(13)을 포함하고, 단결정막(13)이 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 복합 기판(10)을 준비하는 공정을 포함한다.
상기한 복합 기판(10)은, 주면(11m)내의 열팽창계수가 GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수와 일치 또는 근사한(구체적으로는, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은) 지지 기판(11)과, 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되어 있는 단결정막(13)을 포함하고, 단결정막(13)이 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖고 있기 때문에, 복합 기판(10)의 단결정막(13)의 주면(13m)상에 휘어짐이 작고 전위 밀도가 낮은 대구경의 GaN계 막을 성장시킬 수 있다.
복합 기판(10)의 단결정막(13)상에, 휘어짐이 작고 전위 밀도가 낮은 대구경의 GaN계 막을 성장시키는 관점에서, 상기한 복합 기판(10)에 포함되는 지지 기판(11)은, 주면(11m)내의 열팽창계수가, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은 것이 필요하고, 0.9배보다 크고 1.15배보다 작은 것이 바람직하고, 0.95배보다 크고 1.1배보다 작은 것이 보다 바람직하다.
여기서, 지지 기판(11)은 주면(11m)내의 열팽창계수가, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서, 0.8보다 크고 1.2배보다 작은 기판이라면 특별히 제한은 없고, 단결정이더라도, 다결정이더라도, 비결정이더라도 좋다. 지지 기판(11)은, 그 원료의 종류와 비율을 변동함으로써 그 열팽창계수의 조정이 용이하고 상기한 범위내에 있는 열팽창계수를 용이하게 얻을 수 있는 것, GaN계 막 성장 분위기에 대하여 내성을 갖는 것, 및 GaN계 막 성장후에 불화수소산(불산) 등의 용제로 선택적으로 에칭하는 것이 가능한 관점에서, 산화물을 포함하는 소결체인 것이 바람직하다. 예를 들면, Al2O3-SiO2계 소결체, MgO-SiO2계 소결체, ZrO2-SiO2계 소결체, ZrO2 -Al2O3-SiO2계 소결체, Y2O3-Al2O3-SiO2계 소결체, Y2O3-ZrO2-Al2O3-SiO2계 소결체 등을 바람직하게 들 수 있다.
또한, 지지 기판(11)은 알루미나(Al2O3)와 실리카(SiO2)로 형성되는 Al2O3-SiO2 복합 산화물과, 이트리아 안정화 지르코니아(Y2O3 안정화 ZrO2, 이하 YSZ 라고도 함)를 포함하는 것이 특히 바람직하다. Al2O3-SiO2 복합 산화물과 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)를 포함하는 지지 기판(11)은, 불화수소산(불산)에 용해하는 동시에, 복합 기판(10)의 지지 기판(11)의 주면측에 배치되어 있는 단결정막(13)상에 결정성이 양호한 GaN계 막을 성장시킬 수 있다. 여기서, Al2O3-SiO2 복합 산화물에는, 특별히 제한은 없고, 멀라이트(3Al2O3·2SiO2∼2Al2O3·SiO2 또는 Al6O13Si2) 등이 적합하다.
Al2O3-SiO2 복합 산화물과 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)를 포함하는 지지 기판(11)에 있어서, 단결정막(13)상에 결정성이 양호한 GaN계 막을 성장시킬 때에 GaN계 막에 발생하는 크랙을 억제하는 관점에서, Al2O3-SiO2 복합 산화물 및 YSZ의 전체에 대한 YSZ의 함유율은, 20 질량% 이상 40 질량% 이하가 바람직하고, 25 질량% 이상 35 질량% 이하가 보다 바람직하다. 또한, 상기와 같은 관점에서, YSZ에 대한 이트리아(Y2O3)의 함유율은, 5 몰% 이상이 바람직하고, 6 몰% 이상 50 몰% 이하가 보다 바람직하다.
이때, 지지 기판(11) 및 GaN 결정의 열팽창계수는, 일반적으로 이들의 온도에 의해 크게 변동하기 때문에, 어떠한 온도 또는 온도 영역에서의 열팽창계수에 의해서 결정하는지가 중요하다. 본 발명에 있어서는, 복합 기판상에 휘어짐이 작은 GaN계 막을 제조하는 것을 목적으로 하는 것으로, 실온으로부터 승온시켜 GaN계 막의 성막 온도에서 복합 기판상에 GaN계 막을 성막한 후 실온까지 강온시켜 복합 기판상에 성막된 GaN계 막을 취출하기 때문에, 실온으로부터 GaN계 막의 성막 온도까지에 있어서의 지지 기판 및 GaN 결정의 평균 열팽창계수를, 각각 지지 기판 및 GaN 결정의 열팽창계수로서 취급하는 것이 적정하다고 생각된다. 그러나, GaN 결정은 불활성 가스 분위기중에 있어서도, 800℃를 넘으면 분해가 일어난다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는, 지지 기판 및 GaN 결정의 열팽창계수는, 실온(구체적으로는 25℃)에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수에 의해 결정하는 것으로 한다.
또한, 복합 기판(10)의 단결정막(13)상에, 휘어짐이 작고 전위 밀도가 낮은 대구경의 GaN계 막을 성장시키는 관점에서, 상기한 복합 기판(10)에 포함되는 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되는 단결정막(13)은, 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 것이 필요하고, 주면(13m)이 (0001)면인 사파이어막, 주면(13m)이 (0001)면인 SiC막, 주면(13m)이 (111)면인 Si막, 주면(13m)이 (111)면인 GaAs막 등을 바람직하게 들 수 있다. 여기서, 단결정막이 단결정막의 주면에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는다고 하는 것은, 결정 기하학적으로 엄밀한 3회 대칭성을 갖고 있는 것을 의미하는 것은 아니고, 실제의 그 단결정막에 있어서 실질적인 3회 대칭성을 갖고 있는 것을 의미하고, 구체적으로는, 그 단결정막의 결정 기하학적으로 엄밀한 3회 대칭축과 그 단결정막의 주면에 수직인 축이 이루는 각도의 절대치가 10°이하이면 족하다고 하는 의미이다.
또, 복합 기판(10)에 있어서, 휘어짐을 작게 전위 밀도를 낮게 하는 관점에서, 지지 기판(11)의 주면(11m)과 단결정막(13)의 주면(13m)은 실질적으로 평행 인 것이 바람직하다. 여기서, 2개의 면이 실질적으로 평행하다라는 것은, 이들 2개의 면이 이루는 각도의 절대치가 10°이하인 것을 말한다.
또한, 복합 기판(10)의 지지 기판(11) 주면(11m)측에 단결정막(13)을 배치하는 방법에는, 특별히 제한은 없고, 지지 기판(11)의 주면(11m)에 직접 단결정막(13)을 성장시키는 방법(제1 방법), 지지 기판(11)의 주면(11m)에, 하지 기판의 주면상에 성막시킨 단결정막(13)을 접합시킨 뒤 하지 기판을 제거하는 방법(제2 방법), 지지 기판(11)의 주면(11m)에 단결정(도시하지 않음)을 접합시킨 뒤 그 단결정을 접합면으로부터 소정 깊이의 면에서 분리함으로써 지지 기판(11)의 주면(11m)상에 단결정막(13)을 형성하는 방법(제3 방법) 등을 들 수 있다. 지지 기판이 다결정의 소결체인 경우에는, 상기한 제1 방법이 곤란하기 때문에, 상기한 제2 및 제3 중 어느 방법이 바람직하게 이용된다. 상기한 제2 방법에 있어서, 지지 기판(11)에 단결정막(13)을 접합시키는 방법에는, 특별히 제한은 없고, 지지 기판(11)의 주면(11m)에 직접 단결정막(13)을 접합시키는 방법, 지지 기판(11)의 주면(11m)에 접착층(12)을 개재시켜서 단결정막(13)을 접합시키는 방법 등을 들 수 있다. 상기한 제3 방법에 있어서, 지지 기판(11)에 단결정을 접합시키는 방법에는, 특별히 제한은 없고, 지지 기판(11)의 주면(11m)에 직접 단결정을 접합시키는 방법, 지지 기판(11)의 주면(11m)에 접착층(12)을 개재시켜서 단결정을 접합시키는 방법 등을 들 수 있다.
상기한 복합 기판(10)을 준비하는 공정은, 특별히 제한은 없지만, 효율적으로 품질이 높은 복합 기판(10)을 준비하는 관점에서, 예를 들면 도 2를 참조하여, 상기한 제2 방법에 있어서는, 지지 기판(11)을 준비하는 서브 공정(도 2(A))과, 하지 기판(30)의 주면(30n)상에 단결정막(13)을 성막하는 서브 공정(도 2(B))과, 지지 기판(11)과 단결정막(13)을 접합시키는 서브 공정(도 2(C))과, 하지 기판(30)을 제거하는 서브 공정(도 2(D))을 포함할 수 있다.
도 2(C)에서는, 지지 기판(11)과 단결정막(13)을 접합시키는 서브 공정에서, 지지 기판(11)의 주면(11m)상에 접착층(12a)을 형성하고(도 2(C1)), 하지 기판(30)의 주면(30n)상에 성장시켜진 단결정막(13)의 주면(13n)상에 접착층(12b)을 형성한 (도 2(C2)) 뒤, 지지 기판(11)상에 형성된 접착층(12a)의 주면(12am)과 하지 기판(30)상에 성막된 단결정막(13)상에 형성된 접착층(12b)의 주면(12bn)을 접합시키는 것에 의해, 접착층(12a)과 접착층(12b)이 접합하여 형성된 접착층(12)을 개재시켜 지지 기판(11)과 단결정막(13)이 접합된다(도 2(C3)). 그러나, 지지 기판(11)과 단결정막(13)이 상호 접합 가능한 것이면, 지지 기판(11)과 단결정막(13)을, 접착층(12)을 개재시키지 않고 직접 접합시킬 수 있다.
지지 기판(11)과 단결정막(13)을 접합시키는 구체적인 수법으로서는, 특별히 제한은 없지만, 접합 후 고온에서도 접합 강도를 유지할 수 있는 관점에서, 접합면을 세정하여 그대로 접합시킨 뒤 600℃∼1200℃ 정도로 승온하여 접합하는 직접 접합법, 접합면을 세정하여 플라즈마나 이온 등으로 활성화시킨 뒤에 실온(예를 들면 25℃)∼400℃ 정도의 저온에서 접합하는 표면 활성화법 등이 바람직하게 이용된다.
(GaN계 막의 성막 공정)
도 1(B)를 참조하여, 본 실시형태의 GaN계 막의 제조 방법은, 복합 기판(10)에 있어서의 단결정막(13)의 주면(13m)상에 GaN계 막(20)을 성막하는 공정을 포함한다.
상기한 복합 기판의 준비 공정에서 준비된 복합 기판(10)은, 주면(11m)내의 열팽창계수가 GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수와 일치 또는 근사한(구체적으로는, 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은) 지지 기판(11)과, 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되어 있는 단결정막(13)을 포함하고, 단결정막(13)이 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖고 있기 때문에, 복합 기판(10)의 단결정막(13)의 주면(13m)상에 휘어짐이 작고 전위 밀도가 낮은 대구경의 GaN계 막(20)을 성막할 수 있다.
GaN계 막을 성막하는 방법에는, 특별히 제한은 없지만, 전위 밀도가 낮은 GaN계 막을 성막하는 관점에서, MOCVD(유기 금속 화학 기상 퇴적)법, HVPE(하이드라이드 기상 성장)법, MBE(분자선 에피택시)법, 승화법 등의 기상법, 플럭스법, 고질소압 용액법 등의 액상법 등을 바람직하게 들 수 있다.
GaN계 막을 성막하는 공정은, 특별히 제한은 없지만, 전위 밀도가 낮은 GaN계 막을 성막하는 관점에서, 복합 기판(10)의 단결정막(13)의 주면(13m)상에 GaN계 버퍼층(21)을 형성하는 서브 공정과, GaN계 버퍼층(21)의 주면(21m)상에 GaN계 단결정층(23)을 형성하는 서브 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, GaN계 버퍼층(21)이란, GaN계 막(20)의 일부분이며, GaN계 막(20)의 별도의 일부분인 GaN계 단결정층(23)의 성장 온도에 비교해서 낮은 온도에서 성장시켜지는 결정성이 낮은 또는 비결정의 층을 말한다.
GaN계 버퍼층(21)을 형성함으로써, GaN계 버퍼층(21)상에 형성되는 GaN계 단결정층(23)과 단결정막(13) 사이의 격자 상수의 부정합이 완화되기 때문에, GaN계 단결정층(23)의 결정성이 향상되고 그 전위 밀도가 낮아진다. 그 결과, GaN계 막(20)의 결정성이 향상되고 그 전위 밀도가 낮아진다.
또, 단결정막(13)상에 GaN계 막(20)으로서, GaN계 버퍼층(21)을 성장시키는 일 없이, GaN계 단결정층(23)을 성장시킬 수도 있다. 이러한 방법은, 단결정막(13)과 그 위에 성막하는 GaN계 막(20) 사이의 격자 상수의 부정합이 작은 경우에 적합하다.
실시예
(실시예 1)
1. GaN 결정의 열팽창계수의 측정
HVPE법에 의해 성장시킨, 전위 밀도가 1×106cm-2, Si 농도가 1×1018cm-2, 산소 농도가 1×1017cm-2, 탄소 농도가 1×1016cm-2의 GaN 단결정으로부터, 사이즈가 2×2×20 mm(길이 방향이 a축, 길이 방향에 평행한 면이 c면 및 m면 중 어느 하나로 구성되고, 면방위의 정밀도는 ±0.1°이내)의 평가용 샘플을 잘라냈다.
상기한 평가용 샘플에 관해서, 실온(25℃)에서 800℃까지 승온했을 때의 평균 열팽창계수를 TMA(열기계 분석)에 의해 측정했다. 구체적으로는, ㈜ 리가쿠 제조 TMA8310을 이용하여 시차 팽창 방식에 의해 질소 가스 유통 분위기하에서 평가 샘플의 열팽창계수를 측정했다. 이러한 측정에 의해 얻어진 GaN 결정의 a축 방향의 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수 αGaN -a는, 5.84×10-6/℃ 였다.
2. 복합 기판의 준비 공정
(1) 지지 기판을 준비하는 서브 공정
도 2(A)를 참조하여, 지지 기판(11)의 재료로서, Al2O3와 SiO2의 소정 몰비의 혼합물을 아르곤 가스 분위기하 일축 방향으로 50 MPa의 압력을 가하여 1700℃에서 1시간 소결시킨 시판되는 13종류의 Al2O3-SiO2계 소결체 A∼M을 준비했다. 이러한 13종류의 Al2O3-SiO2계 소결체 A∼M에는, X선 회절에 의해 확인한 바, 어느 것에 대해서도, Al6O13Si2(멀라이트), Al2O3 및 SiO2가 존재하고 있었다. 또한, 상기 13종류의 Al2O3-SiO2계 소결체의 각각으로부터 사이즈가 2×2×20 mm(길이 방향은 소결체로부터 잘라낸 지지 기판의 주면에 실질적으로 평행한 방향)의 측정용 샘플을 잘라냈다. 여기서, Al2O3-SiO2계 소결체는 방향 특이성이 없기 때문에, 잘라내는 방향은 임의로 했다. 이들 측정용 샘플에 관해서, 상기와 같이 하여 실온(25℃)에서 800℃까지 승온하시의 평균 열팽창계수 αS를 측정했다.
Al2O3-SiO2계 소결체 A는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 53:47이며, 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수 αS(이하, 단순히 평균 열팽창계수 αS라고 함)가 4.2×10-6/℃이며, GaN 결정의 a축 방향의 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수 αGaN -a(이하, 단순히 평균 열팽창계수 αGaN -a 라고 함)에 대한 소결체의 평균 열팽창계수 αS의 비(이하, αS/αGaN -a비라고 함)가 0.719였다. Al2O3-SiO2계 소결체 B는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 45:55이며, 평균 열팽창계수 αS가 4.7×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.805였다. Al2O3-SiO2계 소결체 C는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 40:60이며, 평균 열팽창계수 αS가 5.2×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.890이었다. Al2O3-SiO2계 소결체 D는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 36:64이며, 평균 열팽창계수 αS가 5.4×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.925였다. Al2O3-SiO2계 소결체 E는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 35:65이며, 평균 열팽창계수 αS가 5.5×10-6/℃이며, αS/αGaN-a비가 0.942였다. Al2O3-SiO2계 소결체 F는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 34:66이며, 평균 열팽창계수 αS가 5.6×10-6/℃이며, αS/αGaN-a가 0.959였다. Al2O3-SiO2계 소결체 G는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 32:68이며, 평균 열팽창계수 αS가 5.7×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.976이었다. Al2O3-SiO2계 소결체 H는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 26:74이며, 평균 열팽창계수 αS가 6.1×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 1.045였다. Al2O3-SiO2계 소결체 I는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 24:76이며, 평균 열팽창계수 αS가 6.4×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 1.096이었다. Al2O3-SiO2계 소결체 J는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 20:80이며, 평균 열팽창계수 αS가 6.6×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 1.130이었다. Al2O3-SiO2계 소결체 K는, Al2O3와 SiO2의 몰비가 16:84이며, 평균 열팽창계수 αS가 7.0×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 1.199였다. Al2O3-SiO2계 소결체 L은, Al2O3와 SiO2의 몰비가 14:86이며, 평균 열팽창계수 αS가 7.2×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 1.233이었다. Al2O3-SiO2계 소결체 M은, Al2O3와 SiO2의 몰비가 9:91이며, 평균 열팽창계수 αS가 7.5×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 1.284이었다.
상기 13종류의 Al2O3-SiO2계 소결체 A∼M으로부터, 직경 4인치(101.6 mm) 두께 1 mm의 지지 기판을 각각 잘라내어, 각각의 지지 기판의 양쪽 주면을 경면 연마하여, 지지 기판 A∼M으로 했다. 즉, 지지 기판 A∼M의 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수는, 각각 대응하는 Al2O3-SiO2계 소결체 A∼M의 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수와 같다. 결과를 표 1에 정리했다.
(2) 하지 기판상에 단결정막을 성막하는 서브 공정
도 2(B)를 참조하여, 하지 기판(30)으로서, 경면 연마된 (111)면의 주면(30n)을 갖는 직경 5인치(127 mm) 두께 0.5 mm의 Si 기판을 준비했다.
상기한 Si 기판(하지 기판(30))의 주면(30n)상에, 단결정막(13)으로서 두께0.4㎛의 SiC막을 CVD(화학 기상 퇴적)법에 의해 성막했다. 성막 조건은, 원료 가스로서 SiH4 가스 및 C3H8 가스를 사용하고, 캐리어 가스로서 H2 가스를 사용하고, 성막 온도 1300℃, 성막 압력은 대기압으로 했다. 또, 이렇게 해서 얻어진 SiC막(단결정막(13))의 주면(13m)은, (0001)면으로부터의 오프각이 ±1°이내의 면방위를 갖고 있고, Si 원자면((0001)면)과 C 원자면((000-1)면)이 모자이크형으로 혼재해 있었다.
(3) 지지 기판과 단결정막을 접합시키는 서브 공정
도 2(C) 중의 (C1)을 참조하여, 도 2(A)의 지지 기판 A∼M(지지 기판(11))의 각각의 주면(11m)상에 두께 2㎛의 SiO2막을 CVD법에 의해 성막했다. 계속해서, 지지 기판 A∼M(지지 기판(11))의 각각의 주면(11m)상의 두께 2㎛의 SiO2막을, CeO2 슬러리를 이용하여 연마함으로써, 두께 0.2㎛의 SiO2층만 잔존시켜, 접착층(12a)으로 했다. 이에 따라, 지지 기판 A∼M(지지 기판(11))의 각각의 주면(11m)의 공극이 매워지고, 평탄한 주면(12am)을 갖는 두께 0.2㎛의 SiO2층(접착층(12a))을 얻을 수 있었다.
또한, 도 2(C) 중의 (C2)을 참조하여, 도 2(B)의 Si 기판(하지 기판(30))상에 성막된 SiC막(단결정막(13))의 주면(13n)을 산소 분위기하 1000℃에서 산화시켜 SiC막(단결정막(13))의 주면(13n)상에 두께 0.2㎛의 SiO2층(접착층(12b))을 형성했다.
계속해서, 도 2(C) 중의 (C3)을 참조하여, 지지 기판 A∼M(지지 기판(11))의 각각에 형성된 SiO2층(접착층(12a))의 주면(12am) 및 Si 기판(하지 기판(30))상에 성막된 SiC막(단결정막(13))상에 형성된 SiO2층(접착층(12b))의 주면(12bn)을 아르곤 플라즈마에 의해 청정화 및 활성화시킨 뒤, SiO2층(접착층(12a))의 주면(12am)과 SiO2층(접착층(12b))의 주면(12bn)을 접합시켜, 질소 분위기하 300℃에서 2시간 열처리했다.
(4) 하지 기판을 제거하는 서브 공정
도 2(D)를 참조하여, 지지 기판 A∼M(지지 기판(11))의 이면측(단결정막(13)이 접합되어 있지 않은 측)의 주면 및 측면을 왁스(40)로 덮어서 보호한 뒤, 불화수소산(불산) 및 질산의 혼합산 수용액을 이용하여, 에칭에 의해 Si 기판(하지 기판(30))을 제거했다. 이렇게 해서, 지지 기판 A∼M(지지 기판(11))의 각각의 주면(11m)측에 SiC막(단결정막(13))이 배치된 복합 기판 A∼M을 얻을 수 있었다.
3. GaN계 막의 성막 공정
도 1(B)를 참조하여, 복합 기판 A∼M(복합 기판(10))의 SiC막(단결정막(13))의 주면(13m)(이러한 주면은 (0001)면, (000-1)면 또는 이들 면이 혼재한 것임)상 및 직경 4인치(101.6 mm) 두께 1 mm의 사파이어 기판의 주면(이러한 주면은 (0001)면임)상에, 각각 MOCVD법에 의해 GaN막(GaN계 막(20))을 성막했다. GaN막(GaN계 막(20))의 성막에 있어서는, 원료 가스로서 TMG(트리메틸갈륨) 가스 및 NH3 가스를 사용하고, 캐리어 가스로서 H2 가스를 사용하고, 500℃에서 두께 0.1 ㎛의 GaN 버퍼층(GaN계 버퍼층(21))을 성장시키고, 이어서 1050℃에서 두께 5 ㎛의 GaN 단결정층(GaN계 단결정층(23))을 성장시켰다. 여기서, GaN 단결정층의 성장 속도는 1㎛/hr였다. 그 후, 복합 기판 A∼M 및 사파이어 기판의 각각에 GaN막이 성막된 웨이퍼 A∼M 및 R을 10℃/min의 속도로 실온(25℃)까지 냉각했다.
실온까지 냉각후에 성막 장치로부터 꺼낸 웨이퍼 A∼M 및 R에 대해서, 웨이퍼의 휘어짐, GaN막의 크랙 갯수 밀도 및 전위 밀도를 측정했다. 여기서, 웨이퍼의 휘어짐의 형상 및 휘어짐량은, GaN막의 주면을 Corning Tropel사의 FM200EWafer에 의해 관찰되는 광간섭무늬에 의해 측정했다. GaN막의 크랙 갯수 밀도는, 노마스키형 현미경을 이용하여 단위 길이당의 크랙 갯수를 측정하고, 1개/mm 미만을「매우 적음」, 1개/mm 이상 5개/mm 미만을「적음」, 5개/mm 이상 10개/mm 미만을「많음」, 10개/mm 이상을「매우 많음」이라고 평가했다. GaN막의 전위 밀도는, CL(캐소드 루미네센스)에 의한 암점의 단위 면적당의 갯수를 측정했다. 또, 본 실시예에 있어서 GaN막에 발생한 크랙은, 막을 관통하지 않는 미소한 것이었다.
웨이퍼 A는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 700㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음이었다. 웨이퍼 B는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 650㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 4×108cm-2였다. 웨이퍼 C는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 400㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이며, GaN막의 전위 밀도가 3×108cm-2였다. 웨이퍼 D는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 350㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이며, GaN막의 전위 밀도가 2.5×108cm-2였다. 웨이퍼 E는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 320㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이며, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 F는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 230㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 G는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 200㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 H는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 10㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 I는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 20㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 J는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 110㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 K는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 230㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 3×108cm-2였다. 웨이퍼 L은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 740㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이고, GaN막의 전위 밀도가 4×108cm-2였다. 웨이퍼 M은, 지지 기판 M에 균열이 발생하여, 충분한 GaN막을 얻을 수 없었다. 웨이퍼 R은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 750㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음이며, GaN막의 전위 밀도는 4×108cm-2였다. 이들 결과를 표 1에 정리했다. 표 1에 있어서, 「-」는, 그 물성치가 미측정인 것을 나타낸다.
Figure pct00001
표 1을 참조하여, 주면내의 열팽창계수 αS가 GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수 αGaN-a의 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은(즉, 0.8<(αS/αGaN-a비)<1.2) 지지 기판을 갖는 복합 기판을 이용함으로써(웨이퍼 B∼K), 사파이어 기판을 이용하는 경우(웨이퍼 R)에 비교해서, 휘어짐이 매우 작은 GaN막을 성막할 수 있었다. 또한, 웨이퍼에 있어서의 GaN막의 휘어짐 및 전위 밀도를 더욱 저감하는 관점에서, 복합 기판의 지지 기판의 주면내의 열팽창계수 αS는, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수 αGaN -a의 0.9배보다 크고 1.15배보다 작은 것(즉, 0.9<(αS/αGaN -a비)<1.15)(웨이퍼 D∼J)이 바람직하고, GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수 αGaN -a의 0.95배보다 크고 1.10배보다 작은 것(즉, 0.95<(αS/αGaN -a비)<1.10)(웨이퍼 F∼I)이 보다 바람직하다.
(실시예 2)
1. GaN 결정의 열팽창계수의 측정
실시예 1과 같이 하여 측정한 바, GaN 결정의 a축 방향의 25℃에서 800℃ 까지에서의 평균 열팽창계수 αGaN -a는 5.84×10-6/℃ 였다.
2. 복합 기판의 준비 공정
(1) 지지 기판을 준비하는 서브 공정
도 2(A)를 참조하여, 지지 기판(11)의 재료로서, 1기압, 1700℃에서 10시간 소결하는 상압 소결 및 2000기압, 1700℃에서 1시간 소결하는 HIP(열간 등방위압 프레스)에 의해 제조된 57종류의 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)-멀라이트계 소결체 A0, B1∼B8, C1∼C8, D1∼D8, E1∼E8, F1∼F8, G1∼G8 및 H1∼H8 각각의 X선 회절에 의해 Y2O3, ZrO2 및 멀라이트(3Al2O3·2SiO2∼2Al2O3·SiO2, 구체적으로는 Al6O13Si2)의 존재 유무 및 비율을 확인했다. 또한, 상기 57종류의 YSZ-멀라이트계 소결체의 각각으로부터, 사이즈가 2×2×20 mm(길이 방향은 소결체로부터 잘라내어지는 지지 기판의 주면에 실질적으로 평행한 방향)의 측정용 샘플을 잘라냈다. 여기서, YSZ-멀라이트계 소결체는 방향 특이성이 없기 때문에, 잘라내는 방향은 임의로 했다. 이들 측정용 샘플에 대해서, 상기와 같이 하여, 실온(25℃)에서 800℃까지 승온하시의 평균 열팽창계수 αS를 측정했다.
YSZ-멀라이트계 소결체 A0는, YSZ 및 멀라이트의 전체에 대한 YSZ의 함유율(이하, YSZ 함유율이라고 함)이 0 질량%, 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수 αS(이하, 단순히 평균 열팽창계수 αS라고 함)가 미측정이며, GaN 결정의 a축 방향의 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수 αGaN-a(이하, 단순히 평균 열팽창계수 αGaN -a라고 함)에 대한 소결체의 열팽창계수 αS의 비(이하, αS/αGaN-a비라고 함)가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 B1은, YSZ 함유율이 20 질량%, YSZ에 대한 Y2O3(이트리아)의 함유율(이하, Y2O3 함유율이라고 함)이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.40×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.753였다. YSZ-멀라이트계 소결체 B2는, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.58×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.784였다. YSZ-멀라이트계 소결체 B3는, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.68×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.801이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 B4는, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.69×10-6/℃, αS/αGaN -a 비가 0.803이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 B5는, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.72×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.808이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 B6은, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.81×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.823이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 B7은, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.06×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.866이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 B8은, YSZ 함유율이 20 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 C1은, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.48×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.767이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 C2는, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.62×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.791이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 C3은, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.26×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.901이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 C4는, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.27×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.903이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 C5는, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.31×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.909였다. YSZ-멀라이트계 소결체 C6은, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.40×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.925였다. YSZ-멀라이트계 소결체 C7은, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.69×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.974였다. YSZ-멀라이트계 소결체 C8은, YSZ 함유율이 25 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN-a비가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 D1은, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.56×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.781이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 D2는, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.65×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.796이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 D3은, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.55×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.950이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 D4는, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.56×10-6/℃, αS/αGaN-a비가 0.952였다. YSZ-멀라이트계 소결체 D5는, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.60×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.959였다. YSZ-멀라이트계 소결체 D6은, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.70×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.976이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 D7은, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.00×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.027이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 D8은, YSZ 함유율이 30 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 E1은, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.77×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.816이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 E2는, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.86×10-6/℃이며, αS/αGaN -a비가 0.832였다. YSZ-멀라이트계 소결체 E3은, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.80×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.993이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 E4는, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.81×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.995였다. YSZ-멀라이트계 소결체 E5는, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.85×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.002였다. YSZ-멀라이트계 소결체 E6은, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.96×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.020이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 E7은, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.27×10-6/℃, αS/αGaN-a비가 1.074였다. YSZ-멀라이트계 소결체 E8은, YSZ 함유율이 35 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 F1은, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.97×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.851이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 F2는, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.07×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.868이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 F3은, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.05×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.036이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 F4는, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.06×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.038이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 F5는, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.10×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.045였다. YSZ-멀라이트계 소결체 F6은, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.21×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.064였다. YSZ-멀라이트계 소결체 F7은, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.54×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.120이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 F8은, YSZ 함유율이 40 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 G1은, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 4.99×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.854였다. YSZ-멀라이트계 소결체 G2는, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 5.09×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 0.872였다. YSZ-멀라이트계 소결체 G3은, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.07×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.039였다. YSZ-멀라이트계 소결체 G4는, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.08×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.041이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 G5는, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.12×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.048이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 G6은, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.23×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.067이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 G7은, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 6.56×10-6/℃, αS/αGaN -a비가 1.123이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 G8은, YSZ 함유율이 70 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다.
YSZ-멀라이트계 소결체 H1은, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 0 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H2는, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 3 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H3은, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 5 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H4는, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 6 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H5는, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 10 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H6은, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 20 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H7은, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 50 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다. YSZ-멀라이트계 소결체 H8은, YSZ 함유율이 100 질량%, Y2O3 함유율이 100 몰%, 평균 열팽창계수 αS가 미측정이며, αS/αGaN -a비가 비산출이었다.
상기 57종류의 YSZ-멀라이트계 소결체로부터, 직경 4인치(101.6 mm)로 두께 1 mm의 지지 기판을 각각 잘라내고, 각각의 지지 기판의 양주면을 경면 연마하여, 57종류의 지지 기판 A0, B1∼B8, C1∼C8, D1∼D8, E1∼E8, F1∼F8, G1∼G8 및 H1∼H8로 했다. 즉, 상기 57종류의 지지 기판에 관해서의 YSZ 및 멀라이트의 전체에 대한 YSZ의 함유율(YSZ 함유율), YSZ에 대한 Y2O3(이트리아)의 함유율(Y2O3 함유율) 및 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수는, 각각 상기 57종류의 YSZ-멀라이트계 소결체에 관해서의 YSZ 함유율, Y2O3 함유율 및 25℃에서 800℃까지에서의 평균 열팽창계수와 각각 같다. 결과를 표 2∼8에 정리했다. 표 2∼8에 있어서, 「-」는 그 물성치가 미측정 또는 비산출인 것을 나타낸다.
(2) 하지 기판상에 단결정막을 성막하는 서브 공정
도 2(B)를 참조하여, 하지 기판(30)으로서, 경면 연마된 (111)면의 주면(30n)을 갖는 직경 5인치(127 mm) 두께 0.5 mm의 Si 기판을 준비했다.
상기한 Si 기판(하지 기판(30))의 주면(30n)상에, 단결정막(13)으로서 두께0.4㎛의 GaN막을 MOCVD법에 의해 성막했다. 성막 조건은, 원료 가스로서 TMG 가스 및 NH3 가스를 사용하고, 캐리어 가스로서 H2 가스를 사용하고, 성막 온도 1000℃, 성막 압력은 1 기압으로 했다. 또, 이렇게 해서 얻어진 GaN막(단결정막(13))의 주면(13m)은, (0001)면으로부터의 오프각이 ±1°이내의 면방위를 갖고 있고, Ga 원자면이었다.
(3) 지지 기판과 단결정막을 접합시키는 서브 공정
도 2(C) 중의 (C1)을 참조하여, 도 2(A)의 57종류의 지지 기판 A0, B1∼B8, C1∼C8, D1∼D8, E1∼E8, F1∼F8, G1∼G8, H1∼H8(지지 기판(11)) 각각의 주면(11m)상에 두께 300nm의 SiO2막을 CVD(화학 기상 퇴적)법에 의해 성막했다. 계속해서, 상기 57종류의 지지 기판(지지 기판(11)) 각각의 주면(11m)상의 두께 300nm의 SiO2막을, CeO2 슬러리를 이용하여 연마함으로써, 두께 270nm의 SiO2층을 잔존시켜, 접착층(12a)으로 했다. 이로써, 상기 57종류의 지지 기판(지지 기판(11))의 각각의 주면(11m)의 공극이 매워지고, 평탄한 주면(12am)을 갖는 두께 270nm의 SiO2층(접착층(12a))을 얻을 수 있었다.
또한, 도 2(C) 중의 (C2)를 참조하여, 도 2(B)의 Si 기판(하지 기판(30))상에 성막된 GaN막(단결정막(13))의 주면(13n)상에 두께 300nm의 SiO2막을 CVD법에 의해 성막했다. 계속해서, 이 두께 300nm의 SiO2막을, CeO2 슬러리를 이용하여 연마함으로써, 두께 270nm의 SiO2층만 잔존시켜, 접착층(12b)으로 했다.
계속해서, 도 2(C) 중의 (C3)을 참조하여, 상기 57종류의 지지 기판(지지 기판(11))의 각각에 형성된 SiO2층(접착층(12a))의 주면(12am) 및 Si 기판(하지 기판(30))상에 성막된 GaN막(단결정막(13))상에 형성된 SiO2층(접착층(12b))의 주면(12bn)을 아르곤 플라즈마에 의해 청정화 및 활성화시킨 뒤, SiO2층(접착층(12a))의 주면(12am)과 SiO2층(접착층(12b))의 주면(12bn)을 접합시켜서, 질소 분위기하 300℃에서 2시간 열처리했다.
(4) 하지 기판을 제거하는 서브 공정
도 2(D)를 참조하여, 상기 57종류의 지지 기판(지지 기판(11))의 이면측(단결정막(13)이 접합되어 있지 않은 측)의 주면 및 측면을 왁스(40)로 덮어 보호한 뒤, 10 질량%의 불화수소산(불산) 및 5 질량%의 질산을 포함하는 혼합산 수용액을 이용하여, 에칭에 의해 Si 기판(하지 기판(30))을 제거했다. 이렇게 해서, 상기 57종류의 지지 기판(지지 기판(11))의 각각의 주면(11m)측에 GaN막(단결정막(13))이 배치된 57종류의 복합 기판 AO, B1∼B8, C1∼C8, D1∼D8, E1∼E8, F1∼F8, G1∼G8, H1∼H8(복합 기판(10))을 얻을 수 있었다.
3. GaN계 막의 성막 공정
도 1(B)를 참조하여, 상기 57종류의 복합 기판(복합 기판(10))의 GaN막(단결정막(13))의 주면(13m)(이러한 주면은 (0001)면임)상 및 직경 4인치(101.6mm) 두께 1 mm의 사파이어 기판의 주면(이러한 주면은 (0001)면임)상에, 각각 MOCVD법에 의해 GaN막(GaN계 막(20))을 성막했다. GaN막(GaN계 막(20))의 성막에 있어서는, 원료 가스로서 TMG(트리메틸갈륨) 가스 및 NH3 가스를 사용하고, 캐리어 가스로서 H2 가스를 사용하고, 500℃에서 두께 50 nm의 GaN 버퍼층(GaN계 버퍼층(21))을 성장시키고, 계속해서 1050℃에서 두께 50nm의 GaN 단결정층(GaN계 단결정층(23))을 성장시켰다. 여기서, GaN 단결정층의 성장 속도는 1㎛/hr였다. 그 후, 상기 57종류의 복합 기판의 각각에 GaN막이 성막된 57종류의 웨이퍼 A0, B1∼B8, C1∼C8, D1∼D8, E1∼E8, F1∼F8, G1∼G8 및 H1∼H8을 10℃/min의 속도로 실온(25℃)까지 냉각했다.
실온까지 냉각후에 성막 장치로부터 꺼낸 상기 57종류의 웨이퍼에 관해서, 웨이퍼의 휘어짐, GaN막의 크랙 갯수 밀도 및 전위 밀도를 측정했다. 여기서, 웨이퍼의 휘어짐의 형상 및 휘어짐량은, GaN막의 주면을 Corning Tropel사의 FM200EWafer를 이용하여 관찰되는 광간섭무늬에 의해 측정했다. GaN막의 크랙 갯수 밀도는, 노마스키형 현미경을 이용하여 단위 길이당의 크랙 갯수를 측정하여, 1개/mm 미만을 「매우 적음」, 1개/mm 이상 5개/mm 미만을「적음」, 5개/mm 이상 10개/mm 미만을「많음」, 10개/mm 이상을 「매우 많음」이라고 평가했다. GaN막의 전위 밀도는 CL(캐소드 루미네센스)에 의한 암점의 단위 면적당의 갯수를 측정했다. 또, 본 실시예에 있어서 GaN막에 발생한 크랙은, 막을 관통하지 않는 미소한 것이었다.
웨이퍼 A0는, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음이고, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 2에 정리했다.
웨이퍼 B1은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 670㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 B2는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 660㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 B3은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 655㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 B4는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 650㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 B5는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 645㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 B6은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 610㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 B7은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 480㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 B8은, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 2에 정리했다.
웨이퍼 C1은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 665㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 C2는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 657㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 C3은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 390㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 C4는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 385㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 C5는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 380㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 C6은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 350㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 C7은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 180㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 C8은, GaN막의 크랙수 밀도가 적음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 3에 정리했다.
웨이퍼 D1은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 660㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 D2는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 650㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 D3은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 250㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 D4는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 240㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 D5는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 230㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 D6은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 180㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 D7은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 10㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 D8은, GaN막의 크랙수 밀도가 적음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 4에 정리했다.
웨이퍼 E1은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 630㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 E2는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 520㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 E3은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 150㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 E4는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 120㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 E5는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 1㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 적음, GaN막의 전위 밀도가 1×108cm-2였다. 웨이퍼 E6은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 7㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 E7은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 12㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 E8은, GaN막의 크랙수 밀도가 적음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 5에 정리했다.
웨이퍼 F1은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 500㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 F2는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 480㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 F3은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 10㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 F4는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 10㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 F5는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 11㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 F6은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 12㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 F7은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 110㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 적음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 F8은, GaN막의 크랙수 밀도가 적음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 6에 정리했다.
웨이퍼 G1은, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 510㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 G2는, GaN막측이 오목형으로 휘어지고, 휘어짐량이 490㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 5×108cm-2였다. 웨이퍼 G3은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 10㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 G4는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 11㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 G5는, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 11㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 G6은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 12㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 G7은, GaN막측이 볼록형으로 휘어지고, 휘어짐량이 110㎛이며, GaN막의 크랙 갯수 밀도가 매우 많음, GaN막의 전위 밀도가 2×108cm-2였다. 웨이퍼 G8은, GaN막의 크랙수 밀도가 매우 많음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 7에 정리했다.
웨이퍼 H1∼H8은, 어느 것이나, GaN막의 크랙수 밀도가 매우 많음, 휘어짐 형상, 휘어짐량 및 GaN막의 전위 밀도가 미측정이었다. 결과를 표 8에 정리했다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
표 2∼8을 참조하여 주면내의 열팽창계수 αS가 GaN 결정의 열팽창계수 αGaN-a의 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은(즉, 0.8<(αS/αGaN-a비)<1.2) 지지 기판을 갖는 복합 기판을 이용함으로써(웨이퍼 B3∼B7, C3∼C7, D3∼D7, E1∼E7, F1∼F7 및 G1∼G7), 휘어짐이 작고 전위 밀도가 낮고 결정성이 양호한 GaN막을 성막할 수 있었다. 또한, GaN막의 휘어짐 및 전위 밀도를 더욱 저감하는 관점에서, 복합 기판의 지지 기판의 주면내의 열팽창계수 αS는, GaN 결정의 열팽창계수 αGaN -a의 0.9배보다 크고 1.15배 보다 작은 것(즉, 0.9<(αS/αGaN -a비)<1.15)(웨이퍼 C3∼C7, D3∼D7, E3∼E7, F3∼F7 및 G3∼G7)이 바람직하고, GaN 결정의 열팽창계수 αGaN-a의 0.95배보다 크고 1.1배보다 작은 것(즉, 0.95<(αS/αGaN-a비)<1.1)(웨이퍼 C7, D3∼D7, E3∼E7, F3∼F6 및 G3∼G6)이 보다 바람직하다.
또한, 표 2∼표 8로부터, 상기 57종류의 복합 기판(10)의 상기 57종류의 지지 기판(11)의 YSZ 함유율 및 Y2O3 함유율과 상기 57종류의 복합 기판의 GaN 단결정층(GaN계 단결정층(23))상에 성장시키는 GaN막(GaN계 막(20))의 크랙 갯수 밀도와의 관계를 표 9에 정리했다.
Figure pct00009
표 9를 참조하여, 복합 기판의 지지 기판에 포함되는 멀라이트(Al2O3-SiO2 복합 산화물) 및 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)의 전체에 대한 YSZ의 함유율이 20 질량% 이상 40 질량% 이하일 때, 보다 바람직하게는 25 질량% 이상 35 질량% 이하일 때, 복합 기판의 GaN막(단결정막)상에 성막한 GaN막(GaN계 막)의 크랙 갯수 밀도가 현저히 감소했다. 또한, YSZ에 대한 Y2O3(이트리아)의 함유율이 5 몰% 이상일 때, 보다 바람직하게는 6 몰% 이상 50 몰% 이하일 때, 복합 기판의 GaN막(단결정막)상에 성막한 GaN막(GaN계 막)의 크랙 갯수 밀도가 매우 현저히 감소했다.
또, 상기 실시예에 있어서는, 복합 기판상에 비도핑의 GaN막을 성막한 예를 나타냈지만, 도핑에 의해 n형 또는 p형의 도전성이 부여된 GaN막을 성막한 경우, 도핑에 의해 비저항이 높여진 GaN막을 성막한 경우에도, 상기 실시예와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, GaN막 대신 GaxInyAl1 -x- yN막(x>0, y≥0, x+y≤1) 등의 GaN계 막을 성막한 경우에도 상기 실시예와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 특히, GaN막 대신 GaxInyAl1 -x- yN막(x>0.5, y≥0, x+y≤1) 을 성막하는 경우에는, 상기 실시예와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, GaN계 막(구체적으로는 GaxInyAl1 -x- yN막(x>0, y≥0, x+y≤1) 등)은, Ga, In, Al 등의 III족 원소의 조성비를 바꾸어 복수 성막할 수도 있다. 즉, GaN막 대신 GaxInyAl1 -x- yN막(x>0, y≥0, x+y≤1) 등의 GaN계 막을, Ga, In, Al 등의 III족 원소의 조성비를 바꾸어서 복수 성막할 수 있다.
본 발명의 실시에 있어서는, GaN계 막의 성막시에 ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth ; 측면 성장) 기술 등의 공지의 전위 저감 기술을 적용할 수 있다.
또한, 복합 기판에 GaN계 막을 성막한 뒤에, 복합 기판의 지지 기판만 또는 복합 기판 전체(지지 기판 및 단결정막)를 에칭에 의해 제거하더라도 좋다. 이때, GaN계 막을 별도의 지지 기판에 전사하더라도 좋다.
이번 개시된 실시의 형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이지 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해서 나타내어지며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10 : 복합 기판
11 : 지지 기판
11m, 12m, 12am, 12bn, 13m, 13n, 21m, 23m, 30n : 주면
12, 12a, 12b : 접착층
13 : 단결정막
20 : GaN계 막
21 : GaN계 버퍼층
23 : GaN계 단결정층
30 : 하지 기판
40 : 왁스

Claims (7)

  1. 주면(11m)내의 열팽창계수가 GaN 결정의 a축 방향의 열팽창계수에 비교해서 0.8배보다 크고 1.2배보다 작은 지지 기판(11)과, 상기 지지 기판(11)의 주면(11m)측에 배치되어 있는 단결정막(13)을 포함하고, 상기 단결정막(13)이 상기 단결정막(13)의 주면(13m)에 수직인 축에 대하여 3회 대칭성을 갖는 복합 기판(10)을 준비하는 공정과,
    상기 복합 기판(10)에 있어서의 상기 단결정막(13)의 주면(13m)상에 GaN계 막(20)을 성막하는 공정을 포함하는 GaN계 막의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합 기판(10)에 있어서의 상기 단결정막(13)의 주면(13m)의 면적이 45cm2 이상인 GaN계 막의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복합 기판(10)에 있어서의 상기 지지 기판(11)은, 산화물을 포함하는 소결체인 GaN계 막의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복합 기판(10)에 있어서의 상기 지지 기판(11)은, 알루미나와 실리카로 형성되는 Al2O3-SiO2 복합 산화물과, 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는 GaN계 막의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 Al2O3-SiO2 복합 산화물 및 상기 이트리아 안정화 지르코니아의 전체에 대한 상기 이트리아 안정화 지르코니아의 함유율은, 20 질량% 이상 40 질량% 이하인 GaN계 막의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이트리아 안정화 지르코니아에 대한 이트리아의 함유율은, 5 몰% 이상인 GaN계 막의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 GaN계 막(20)을 성막하는 공정은, 상기 단결정막(13)의 주면(13m)상에 GaN계 버퍼층(21)을 형성하는 서브 공정과, 상기 GaN계 버퍼층(21)의 주면(21m)상에 GaN계 단결정층(23)을 형성하는 서브 공정을 포함하는 GaN계 막의 제조 방법.
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