TWI394874B - A nitride semiconductor-independent substrate manufacturing method, and a nitride semiconductor-independent substrate - Google Patents

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Description

氮化物半導體獨立基板的製造方法及氮化物半導體獨立基板
本發明是有關於一種GaN等的III族氮化物半導體獨立基板及其製造方法。
近年來，III族氮化物系化合物半導體(氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)及氮化鎵鋁(GaAlN)等，以下亦簡稱為氮化物半導體)，開始作為藍色、紫外發光二極體(LED)或雷射二極體(LD)的材料來達成重要的任務。又，除了光元件以外，因為氮化物半導體的耐熱性或耐環境性優良、或高頻特性優良，利用該特長之電子元件的開發亦積極地進行中。
但是，因為氮化物半導體之整體結晶成長困難，GaN獨立基板被限定只使用於成本不會成為問題之雷射二極體用途等。目前已廣泛實用化之GaN成長用基板是藍寶石(Al2 O3 )基板，通常是使用在單結晶藍寶石基板上藉由有機金屬氣相成長方法(MOVPE法)等，使GaN進行磊晶成長之方法。
此時，因為藍寶石基板之晶格常數與GaN不同，在藍寶石基板上直接使GaN進行磊晶成長時，無法使單結晶膜成長。因此，有提案(特開昭61-188983號公報)揭示一種方法，是在藍寶石基板上先暫時以低溫使AlN或GaN的緩衝層成長，藉由該低溫成長的緩衝層將晶格的應變緩和後，在該緩衝層上使GaN成長之方法。
但是，即使使用該低溫成長緩衝層之GaN成長，因為藍寶石基板與GaN的熱膨脹係數的差異，在磊晶成長後的基板，會有產生翹曲，甚至是裂縫或破裂之問題。
又，磊晶成長後的基板翹曲，在光微影時的微細圖案的曝光狀態變為不均勻，會成重大問題。
又，在今後有希望能夠實用化之照明用的藍色、紫外光LED，必須以高電流密度來使LED高亮度發光，從發光效率及耐用期限的觀點，渴望有GaN發光層的錯位密度低、對基板的熱傳導率良好之價廉的GaN獨立基板。
如此，雖然期待有結晶性、生產力優良的GaN獨立基板的成長法，但是目前尚未有能夠滿足的解決對策。
為了解決如此的問題，亦嘗試在藍寶石基板上較厚地成長而成為GaN磊晶成長基板後，藉由蝕刻或磨削等方法除去藍寶石基板來得到GaN獨立基板。若能得到GaN獨立基板，在形成發光層的磊晶成長時，則能夠解決起因於晶格常數差異或熱膨脹係數差異所導致的各種問題。
但是，若除去藍寶石基板，起因於藍寶石與GaN的熱膨脹係數差異所導致之GaN磊晶層的內部應變，局部地對外釋放，結果，會有GaN基板的翹曲增大而致使基板破裂掉之問題。亦有嘗試藉由HVPE法(Hydride Vapor Phase Epitaxy；氫化物氣相成長法)使GaN在藍寶石基板上較厚地成長，隨後，照射雷射脈衝而僅將GaN層剝離的方法之實用化(例如，日本應用物理期刊(Jpn. J. Appl. Phys.)第38卷(1999年).pt. 2, No. 3A, L127-219)，但是在剝離的 過程中，會有基板容易產生裂縫之問題，且為了再現性良好地得到大型的GaN基板，會有必須進行複雜的處理之問題。
又，亦有提案揭示一種方法，是將晶格常數與GaN較為接近的LiAlO2 或ZnO的單結晶使用於基板，而使GaN成長之方法。使用此等基板時，雖然基板比較容易剝離，但是因為是異質磊晶成長而必須有緩衝層，因為基板的成長溫度或熔點等的差異，要使結晶性優良的GaN基板實用化，尚有問題存在。
又，有進行一種方法(日本特開2000-12900號公報、日本特開2000-22212號公報)，是在GaAs基板上，先形成具有窗之Si3 N4 等的罩幕，並形成低溫緩衝層後，藉由HVPE法進行橫方向的磊晶成長，來形成低錯位密度的磊晶層，再使用蝕刻等除去GaAs基板來得到GaN獨立基板之方法。但是，使用該方法時，必須有形成具有窗之Si3N4罩幕之製程、形成低溫緩衝層之製程等。又，GaN獨立基板亦會有產生大的翹曲之問題。
又，因為HVPE法能夠以比較高速來進行GaN磊晶成長，最近亦有進行一種方法(參照日本特開2000-12900號公報、日本特開2000-22212號公報等)，是利用該特徵，嘗試將在布雷(BOULE)亦即GaN獨立基板上，進行1公分～10公分左右以上的超厚膜的磊晶成長，然後將所形成的單結晶錠切片而得到多數片基板(切片基板)，並研磨切片基板的切割面來得到多數片的GaN獨立基板(以下，稱為 布雷法)。但是使用該方法時，難以穩定地得到高結晶品質的GaN獨立基板。
本發明是鑒於如此的問題而開發出來，本發明的主要目的是提供一種方法，能夠生產力良好且低成本地製造出結晶品質優良、且翹曲少之大口徑的氮化物半導體獨立基板。
本發明為了解決上述課題而開發出來，提供一種氮化物半導體獨立基板的製造方法，其特徵為：從1片晶種基板製造2片氮化物半導體獨立基板，至少包含以下製程：準備製程，其是準備成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板；磊晶成長製程，其是在上述晶種基板上，使與該晶種基板同種的氮化物半導體進行磊晶成長；及切片製程，其是將已進行上述磊晶成長後的磊晶成長基板，與磊晶成長面平行地切割來加以2分割。
包含如此的製程，若是具有由1片晶種基板製造2片氮化物半導體獨立基板的特徵之氮化物半導體獨立基板的製造方法時，因為是在晶種基板之氮化物半導體獨立基板上，使同種的結晶進行磊晶成長之同質磊晶成長，所以不會產生異質磊晶成長時的翹曲或變形、破裂之問題，且能夠抑制而降低磊晶層的錯位密度。結果，藉由2分割切片，從磊晶層側所得到的氮化物半導體獨立基板的結晶性亦能夠具有高品質。
又，因為沒有使用異種材料來形成複雜形狀的罩幕等麻煩的製程，所以能夠生產力良好且低成本地製造氮化物半導體獨立基板。
又，因為未進行如先前的布雷(BOULE)法之超厚膜的磊晶成長，而只有磊晶成長用以充分進行2分割切片的膜厚度，所以磊晶成長中的磊晶成長面的管理容易，能夠容易地維持磊晶層的結晶品質。
此時，以將藉由上述的氮化物半導體獨立基板的製造方法所製造的氮化物半導體獨立基板，再次使用作為上述晶種基板為佳。
如此，將藉由上述的氮化物半導體獨立基板的製造方法所製造的氮化物半導體獨立基板，再次使用作為前述晶種基板時，因為能夠將低成本所得到之結晶品質高的氮化物半導體獨立基板再次作為晶種基板，所以能夠降低製造成本而得到高品質的氮化物半導體獨立基板。
又，以同時準備複數片上述晶種基板之氮化物半導體獨立基板，並在同一處理室內，對上述複數片晶種基板同時進行上述磊晶成長為佳，上述複數片晶種基板之氮化物半導體獨立基板以8片以上為特佳。
如此，先準備複數片、特別是8片以上上述晶種基板之氮化物半導體獨立基板，並在同一處理室內，對上述複數片晶種基板同時進行前述磊晶成長時，能夠顯著地提高生產力。又，因為本發明未進行如先前的布雷法之超厚膜的磊晶成長，在成長面的氣體流動等的管理亦較為容易， 即便對此種複數片晶種基板進行磊晶成長，亦能夠容易地維持磊晶層的結晶性。
又，以研磨上述2分割切片而成的磊晶成長基板的該切割面為佳。
如此，研磨上述2分割切片而成的磊晶成長基板的該切割面時，能夠提升氮化物半導體獨立基板的平坦性。
以藉由HVPE法進行上述磊晶成長為佳。
如此，藉由HVPE法進行前述磊晶成長時，能夠高速地進行磊晶成長。因此，能夠生產力良好地製造氮化物半導體獨立基板。
又，上述磊晶成長製程所形成的磊晶層厚度以1毫米以下為佳。
如此，若使在磊晶成長製程所形成的磊晶層厚度為1毫米以下時，因為與先前的布雷法比較時，因為是非常薄的膜厚度，所以在磊晶成長中，磊晶成長面的管理變為容易，能夠將磊晶層維持在高結晶品質。
又，能夠將前述晶種基板之氮化物半導體獨立基板及前述所製造的氮化物半導體獨立基板作為GaN獨立基板。
如此，若將前述晶種基板之氮化物半導體獨立基板及前述所製造的氮化物半導體獨立基板作為GaN獨立基板時，能夠製造出高結晶品質的GaN獨立基板，能夠使用於各式各樣的用途。
又，較佳是使上述成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板的直徑為37.5毫米以上，厚度為250微米以上，且歪 斜值為35微米以下。
如此，若使前述晶種基板之氮化物半導體獨立基板的直徑為37.5毫米以上，厚度為250微米以上，且歪斜值為35微米以下時，磊晶層能夠得到同等程度的直徑與平坦度。結果，從磊晶層側所得到的製品氮化物半導體獨立基板亦能夠作為具有同等程度直徑及平坦度之大口徑高品質的氮化物半導體獨立基板。
又，上述成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板的貫穿錯位密度以5×107 /平方公分以下為佳。
如此，若使上述成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板的貫穿錯位密度為5×107 /平方公分以下時，能夠將磊晶層的錯位密度抑制在相同程度，從磊晶層側所得到的製品氮化物半導體獨立基板的錯位亦能夠抑制在相同程度。
又，較佳是：在上述磊晶成長製程後，而在上述切片製程前，對上述磊晶成長基板的周邊部進行去角取面加工，並形成用以引導切片工具的槽。
如此，若在上述磊晶成長製程後，而在上述切片製程前，對上述磊晶成長基板的周邊部進行去角取面加工，並形成用以引導切片工具(內周刃刀片、鋼絲)的槽時，能夠防止在切片製程時，基板周邊部的破裂或缺損，又，能夠高精確度地控制切片後的基板(切片基板)的厚度，並能夠提高平坦度。
又，能夠使用刀片的刃厚度為250微米以下的內周刃刀片、鋼絲直徑為200微米以下的單鋼鋸、或是刀片的刃 刃厚度為250微米以下單刀片鋸來進行上述切片製程。
如此，使用內周刃刀片或單刀片鋸來進行切片製程時，在切割面能夠確保高平行度。又，使用刀片的刃厚度為250微米以下的內周刃刀片或單刀片鋸來進行時，能夠減少切片之切損，能夠減少材料的損失。又，使用鋼絲直徑為200微米以下的單鋼絲鋸來進行時，能夠更減少切片之切損，能夠更減少材料的損失。
又，亦可以藉由先堆疊複數片上述磊晶成長基板，並使用鋼絲直徑為200微米以下的多鋼絲鋸、或是刀片的刃厚度為250微米以下的多刀片鋸，將上述堆疊而成的複數片磊晶成長基板同時切片，來進行上述切片製程。
如此，若藉由先堆疊複數片上述磊晶成長基板，並使用鋼絲直徑為200微米以下的多鋼絲鋸、或是刀片的刃厚度為250微米以下的多刀片鋸，將上述堆疊而成的複數片磊晶成長基板同時切片，來進行上述切片製程時，因為是將複數片磊晶成長基板同時切片，所以能夠提升生產力。
又，本發明是提供一種氮化物半導體獨立基板，其特徵為：藉由上述任一種氮化物半導體獨立基板的製造方法來製造。
如此，氮化物半導體獨立基板，其特徵若是藉由上述任一種氮化物半導體獨立基板的製造方法來製造時，則是高結晶品質的氮化物半導體獨立基板。
此時，能夠製成直徑為37.5毫米以上，厚度為250微米以上，且歪斜值為35微米以下的氮化物半導體獨立基 板。
如此，若是直徑為37.5毫米以上，厚度為250微米以上，且歪斜值為35微米以下的氮化物半導體獨立基板時，能夠作為大口徑且高平坦性的氮化物半導體獨立基板而使用於各式各樣的元件用途。
又，貫穿錯位密度以5×107 /平方公分以下為佳。
如此，若是貫穿錯位密度為5×107 /平方公分以下的氮化物半導體獨立基板時，是結晶品質非常高的氮化物半導體獨立基板。
若是依照本發明之氮化物半導體獨立基板的製造方法時，能夠生產力良好且低成本地製造結晶品質優良、且歪斜小的大口徑氮化物半導體獨立基板。
以下，詳細地說明本發明，但是本發明未限定於此等。
如前述，作為GaN獨立基板的製造方法，若是在GaAs基板等之上，先形成罩幕而在橫向進行磊晶成長之方法時，會有需要非常複雜的製程之問題，因為非常複雜的製程，致使成本昂貴。又，如為此種手段，在異種基板上藉由HVPE法等使GaN成長時，因為晶種基板與磊晶層的晶格常數不同、熱膨脹係數不同，所以在磊晶成長基板會產生大的翹曲，即便藉由光微影除去基板後，在製品GaN獨立基板上亦會存在有大的翹曲，且欲在隨後的加工製程修正該翹曲是非常困難的，而成為元件製程的問題。
另一方面，使用布雷(BOULE)法時，具有能夠將GaN單結晶使用於基板之優點。但是，進行厚的磊晶成長時，若在磊晶層表面有異物黏附則會成為大的突起，且在該部分產生結晶缺陷、多結晶的成長。為了避免異物的黏附，雖然使成長面朝下方是有利的，但是會產生難以安裝於基板保持器之新的問題。如此，必須經過長時間不產生結晶缺陷發生源之異物黏附；又，在經過長時間進行之超厚膜的磊晶成長中，必須使磊晶成長面經過長時間保持一定的情況，欲提高生產力且高產率地得到高品質氮化物半導體獨立基板是非常困難的。又，因為必須微妙地調整成長面之氣體流動等，所以無法在同一處理室(反應管)內增加製造布雷(BOULE)的個數，而無法提高生產力。
因此，本發明者對於能以低成本且良好生產力地製造氮化物半導體獨立基板的方法，專心地進行實驗及研討。結果想到使用氮化物半導體獨立基板來作為晶種基板，並使其同質磊晶成長至規定厚度，再將所得到的氮化物半導體獨立基板2分割切片時，則能夠生產力良好且低成本地得到種結晶數目的2倍片數之高結晶品質的氮化物半導體獨立基板。又，想到如此進行所製造的氮化物半導體獨立基板，能夠再次使用作為晶種基板，能夠使製造周期整體成為低成本，而完成了本發明。
本發明能夠應用於各種III族氮化物半導體(III族金屬之鋁、鎵、銦等的氮化物、或是該等的混晶)，以下主要是舉出製造GaN獨立基板的情況為例子來說明。
第1圖是表示本發明的氮化物半導體獨立基板的製造方法的一個例子之流程圖。
首先，準備氮化物半導體獨立基板來作為晶種基板101(製程a)
該晶種基板101是與最後所製造的氮化物半導體獨立基板同種者。成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板，是藉由任何製造方法所製造者均可，例如能夠使用日本特開2000-12900號公報、日本特開2000-22212號公報等所記載的製造方法製成者。其中以使用能夠滿足以下條件之氮化物半導體獨立基板為佳。
首先，貫穿錯位密度是儘可能越低越佳，特別是以5×107 /平方公分以下為佳，以1×107 /平方公分以下為更佳。本發明是在晶種基板上使同種的氮化物半導體成長之同質磊晶成長，因為磊晶層會受到晶種基板的結晶品質的影響，所以使用貫穿錯位密度低者來作為晶種基板為佳。
又，晶種基板的直徑以37.5毫米(1.5英吋)以上為佳，以50毫米(2英吋)以上為更佳。為了在工業上以低成本製造LED等元件，所以基板面積以較大者為佳。又，因為最後製得的氮化物半導體獨立基板的大小是受到晶種基板大小的影響。因此，使用此種大直徑的晶種基板。
又，換算50毫米(2英吋)直徑時的歪斜值以35微米以下為佳。因為本發明是同質磊晶，與異質磊晶的情況不同，2分割切片後的磊晶成長基板亦能夠作成同等程度的翹曲，最後所製得的氮化物半導體獨立基板之翹曲亦能夠 抑制在同等程度。只要能夠抑制基板的翹曲使其較小，則例如在元件製程中，能夠安定地進行而不會對光微影等造成阻礙。
又，厚度以250微米以上為佳。若為此種厚度，則其強度或對彎曲的耐性充分，又，在後述製程d的2分割切片時，能夠充分地保持晶種基板101側的強度而進行切片。
接著，在晶種基板101上，磊晶成長與晶種基板101同種的氮化物半導體，來形成磊晶層102，作成磊晶成長基板103(製程b)。
在第2圖中，表示縱形HVPE裝置，作為本發明所使用的磊晶成長裝置的一個例子。
HVPE裝置1，是在縱形反應管(處理室)2的內部，具備有用以生成III族金屬化合物之III族金屬化合物生成管8。III族金屬化合物生成管8的構成如下，具備：原料III族金屬用舟皿6，其是用以承載III族金屬；反應氣體導入管4，其是用以導入以氫氣作為載氣之例如氯化氫的反應氣體；整流板10，其是用以調節所生成的III族金屬化合物氣體的流動；稀釋用氣體導入管5，其是用以導入稀釋用氣體，來調整所生成的III族金屬化合物氣體的流速；及III族金屬化合物吹出管11，其是用以將III族金屬化合物氣體吹出。又，III族金屬化合物生成管8是藉由第一加熱器7加熱。製造含有複數種III族金屬元素之氮化物半導體獨立基板時，可調整該等金屬混合物比率而承載於原料III族金屬用舟皿6。
HVPE裝置1更具備：氨氣導入管3，其是用以導入氨氣；基座13，其是旋轉自如地載置晶種基板101；內部保護管14，其是用以防止反應物析出至縱形反應管2的內部；氣體排出管15，其是用以排出各種氣體；及第二加熱器9等，該第二加熱器9是將基板加熱。
使用具有此種結構的HVPE裝置1，如下述進行氮化物半導體的同質磊晶成長。
首先，藉由第一加熱器7將承載於原料III族金屬用舟皿6內的原料III族金屬加熱至例如800~850℃。從反應氣體導入管4對已熔融的原料III族金屬(例如鎵)噴吹氯化氫等反應氣體，使其反應而生成III族金屬化合物氣體(III金屬是鎵且反應氣體是氯化氫時為氯化鎵)。
所生成的III族金屬化合物氣體是通過整流板10，並從III族金屬化合物吹出管11噴吹載置在旋轉的基座13之晶種基板101。該III族金屬化合物氣體的流速能夠藉由控制稀釋用氣體(氫或氮等，是使用稀釋用氣體導入管5導入)的流速來調節。使用第二加熱器9加熱晶種基板101，上述III族金屬化合物氣體與從氨氣導入管3導入的氨氣進行反應，而使III族氮化物半導體的磊晶層102在晶種基板101上進行磊晶成長。
本發明之氮化物半導體獨立基板的製造方法，與布雷(BOULE)法比較，因為磊晶成長面的變動少，能夠將用以供給磊晶成長的氣體的氣體流動保持為大致一定的條件，所以不會使膜厚分布變差。在布雷(BOULE)形成時，進行 移動磊晶成長中的基板來使成長界面對氣體流動保持一定這樣的對應，在本發明的製造方法不需要，因此具有裝置不會複雜化的優點。
磊晶層102的厚度，以停止於必要最小限度為佳。該磊晶層102的厚度雖然亦取決於最後欲從磊晶層102側得到的氮化物半導體獨立基板的厚度，但是最大以1毫米以下為佳。
若為如此的厚度，因為是使磊晶層只成長至必要最小限度的厚度而已，所以使用通常的HVPE裝置，即使同時放入非常多片的晶種基板101，能夠在成長面受到氣體流動的影響不大(亦即，基板面內的厚度分布不會變差)的範圍內進行磊晶成長，能夠生產力良好地形成高品質的磊晶層。就此而言，本發明的氮化物半導體獨立基板的製造方法，是比先前的布雷法優良。
本發明之磊晶成長未限定於上述的HVPE法，但是因為本發明必須形成1毫米以下左右之稍厚的氮化物半導體磊晶層，若使用HVPE法，因為能夠以例如每小時100微米以上的高速來進行氮化物半導體的磊晶成長，乃是較佳。
又，在本發明中，並不需要如上述布雷法般地必須進行1公分～10公分左右以上之超厚膜的磊晶成長，所以成長面上的氣體流動等管理亦容易，即便對如上述之複數片晶種基板進行磊晶成長，亦能夠容易地維持磊晶層的結晶品質。因此，能夠在同一處理室2內準備複數片晶種基板101，而同時對前述複數片晶種基板101進行磊晶成長，如 此進行時，能夠提高生產力。特別是亦能夠同時處理8片以上基板，亦能夠同時處理20片以上基板。
在GaN的同質磊晶成長中，即便是使用錯位密度比較低的晶種基板101，當使用目前的HVPE法所進行的磊晶成長時，雖然在成長初期，錯位密度會增加至5×108 /平方公分左右，但是隨著磊晶成長的進行，錯位密度會下降，在成長至400~800微米左右的階段時，錯位密度成為5×107 /平方公分以下。在本發明的氮化物半導體獨立基板之製造方法中，錯位密度增大之磊晶成長厚度為0~300微米左右區域，若是位於相當於後述的2分割切片製程以切損的方式而被除去的區域時，具有能夠確保從磊晶成長層側102所得到的製品氮化物半導體獨立基板的結晶品質亦在5×107 /平方公分左右以下之優點。
又，依照本發明的方法所製造的氮化物半導體獨立基板，因為是以同質磊晶成長所製造的，所以磊晶成長基板103的內部應變顯著地比異質磊晶成長小。因此，沒有管理磊晶成長時的V-III比(氮原子與III族金屬原子的比)及藉由後述切片製程修正晶種基板101的彎曲(翹曲)之問題。
接著，對磊晶成長基板103的周邊部進行去角取面加工(chamfering)，並形成用以引導切片工具的槽(製程c)。亦即在製程d的2分割切片製程前，使用鑽石輪等進行去角取面加工及形成槽是有效的。
藉由如此地進行去角取面加工及形成槽，在製程d的 2分割切片製程中，能夠更容易地使基板外周面相對於切片方向成垂直，能夠防止在刀片或鋼絲從規定的切斷面脫離。結果，能夠使在2分割切片後的基板(切片基板)的厚度偏差或局部彎曲(歪斜)變為更小。又，能夠以成為規定形狀、直徑的方式來得到基板，又，切片完成後的氮化物半導體獨立基板，是作成能夠防止在處理中於外周部產生破裂或缺損。具體上，是例如在如第3圖(a)所示形狀之剛磊晶成長後的磊晶成長基板103的周邊部，形成如第3圖(b)所示的去角取面部103a及槽103b，並使整體為W型的形狀為佳。若是此種去角取面形狀時，是如第3圖(c)所示，在製程d進行2分割切片後，能夠使2片氮化物半導體獨立基板104雙方成為去角取面加工後的形狀，能夠使切片完成後的氮化物半導體獨立基板101，防止在處理中於外周部產生破裂或缺損。又，亦可在切片製程後，更進行去角取面加工。
接著，將進行上述磊晶成長後的磊晶成長基板103，與磊晶成長面平行地2分割切片，而作成2片氮化物半導體獨立基板(切片基板)104(製程d)。
該2分割切片是如第4圖所示，能夠使用例如電極沈積鑽石而成的內周刃刀片34來進行。首先，將磊晶成長基板103透過(經由)晶圓平台32而吸附(黏著)於晶錠保持器31。將該磊晶成長基板103吸附(黏著)於晶圓平台的方法能夠使用真空吸盤等各種方法並適當地選擇，若在磊晶成長基板103有少許翹曲時，例如第6圖所示，藉由蠟38 黏著於晶圓平台32時能夠防止由於少許翹曲造成基板破損。又，切割面不必特別地配合晶圓形狀，水平地切割即可。
又，為了防止基板在切割的後半產生破裂，以使用擋板35黏著基板為佳。該擋板35以安裝在定位平面側且切割是由其相反側開始為佳。此時的內周刃刀片34，在能夠確保平行度的刀片張力範圍，若使用非常薄的刀片(例如刀刃厚度為250微米以下)時，能夠減少切割的切損(kerf loss)，因而，能使磊晶成長厚度薄化，同時能夠減少材料的損失，乃是較佳。又，在切片中，從切削冷卻劑供給構件36對內周刃刀片34的切割部位供給切削冷卻劑。
又，上述的2分割切片是如第5圖所示，亦能夠使用已電極沈積有鑽石的鋼絲鋸51並如下進行。首先，使用蠟等黏著(吸附)於晶圓平台32，並將擋板35安裝在定位平面側。隨後，邊從切削冷卻劑供給構件36對內周刃刀片34的切割部位供給切削冷卻劑，邊對磊晶成長基板103進行2分割切片。
使用該方法時，因為通常鋼絲的厚度比內周刃刀片更細，能夠減少切割的切割損，能夠減少材料的損失。又，與上述的內周刃刀片同樣地，在能夠確保平行度的鋼絲張力範圍，以使用細的鋼絲為佳，例如鋼絲直徑以200微米以下為佳。
又，亦能夠將複數片磊晶成長基板103疊堆，並使用具有複數根鋼絲的多鋼絲鋸，或使用具有複數片刀片的多 刀片鋸來同時對堆疊而成的複數片磊晶成長基板103進行切割。藉由此方法時，因為能夠同時切割複數片磊晶成長基板103，能夠提高生產力。
在2分割切片製程中，磊晶成長基板103之中，要被切割除去的區域，以在磊晶層102之晶種基板101的正上方區域為佳。該區域是錯位密度比其上下區域高的區域，如上述，在GaN的同質磊晶成長中，即便使用錯位密度比較低的晶種基板101，使用現狀的HVPE法之磊晶成長時，雖然在成長初期，錯位密度會增加至5×108 /平方公分左右，但是隨著磊晶成長的進行，錯位密度會下降，在成長至400~800微米左右的階段時，錯位密度成為5×107 /平方公分以下。因此，錯位密度增大的區域，是位於相當於在2分割切片製程被除去的區域，藉由將該區域作為除去區域，能夠降低從磊晶成長層側102所得到的製品氮化物半導體獨立基板的錯位密度。而且，藉由如此進行，能夠使2分割切片後的晶種基板的厚度與原來相同。
又，藉由管理2分割切片製程時的刀片或鋼絲變位，來減少切割面的局部彎曲(歪斜)，能夠使隨後的元件製程安定地進行。因為本發明是在同種的基板上，藉由同質磊晶成長來使磊晶成長層成長，與在異種基板上藉由異質磊晶成長來使氮化物半導體的磊晶成長層成長比較時，能夠將翹曲降低至非常小。切割時的切片、鋼絲的變位所引起的歪斜，其大小即使是在2英吋基板(直徑50毫米)的情況，也能夠控制在35微米以下，尤其是能夠控制在20微 米以下。
因為在切片製程(製程d)後，在切片基板104的切割面上會有損傷層，所以磨光該面來提高平坦性，同時使該切片基板104的厚度成為規定厚度。在該製程，以採用將漿體的研磨粒階段地降低，來使損傷層變淺之手法為佳。隨後，亦可使用熱KOH等蝕刻該切片基板104，來除去該損傷層(製程e)。
磨光製程是藉由第7圖所示的研磨裝置來進行研磨。是使旋轉自如的研磨頭41吸附切片基板104之與切割面相反的面，並且對貼合在旋轉自如研磨轉盤44上的研磨布42邊供給漿體45、邊壓住切片基板104的切割面，且使研磨頭41與研磨轉盤44同時旋轉來進行。
隨後，將進行磊晶成長側的面、亦即III族面((0001)面)側作為研磨面，並與磨光製程同樣、例如第7圖所示的研磨裝置來進行研磨。該製程是調整漿體的pH等並藉由化學機械性研磨來除去表面的損傷層(製程f)。
又，晶種基板101的翹曲大的情況，磊晶成長後的磊晶成長基板103的翹曲會變大。此時，如第6圖所示，是未矯正翹曲而使用蠟貼合於晶圓平台32並進行切割，隨後，將切割面壓黏於研磨頭41，且如第8圖(a)、第8圖(b)進行研磨，能夠修正翹曲。
藉由進行以上的研磨，能夠除去切割面的損傷層，並能夠得到高平坦度的氮化物半導體獨立基板。
又，除了上述研磨以外，亦能夠藉由各種蝕刻等來除 去損傷層。
而且，藉由以上的製造所製造的氮化物半導體獨立基板104，其直徑是與晶種基板101同等。又，因為是從藉由同質磊晶成長所形成的磊晶層102來製造新的氮化物半導體獨立基板，所以磊晶層102的晶格常數是與晶種基板101相同，晶種基板101的結晶性良好，且只要進行適當的磊晶成長前處理，便能夠成長應變或錯位密度較少的磊晶層，來作為製品之氮化物半導體獨立基板。晶種基板101是使用貫穿錯位密度為5×107 /平方公分以下者時，能夠得到貫穿錯位密度在5×107 /平方公分以下的氮化物半導體獨立基板104，能夠得到作為發光二極體、雷射二極體及電子元件等的元件材料用基板之優良的氮化物半導體獨立基板。又，晶種基板101是使用貫穿錯位密度為1×107 /平方公分以下者時，亦能夠得到貫穿錯位密度在1×107 /平方公分以下的氮化物半導體獨立基板104。
又，晶種基板101是使用直徑為37.5毫米(1.5英吋)以上者時，能夠得到直徑為37.5毫米以上的氮化物半導體獨立基板104。
又，考慮強度或是對彎曲的耐性時，成為製品之氮化物半導體獨立基板104，以厚度為250微米以上的氮化物半導體獨立基板為佳，為了得到此種厚度，只要考慮在製程d的2分割切片製程所產生的切損，來調節在製程b的磊晶成長製程中的磊晶層102的厚度即可。例如，在製程d的2分割切片製程中，是使用多鋼絲鋸(採用直徑200微 米的鋼絲)來進行分割時，估計切割時的切割損及在製程e的研磨損合計300微米左右，則只要將磊晶層102的厚度設定為550微米以上即可。但是，如上述，磊晶層102的厚度以設成1毫米以下為佳。
該氮化物半導體獨立基板104能夠移送至元件製程(例如，用以製造LED或LD之MOCVD製程)，亦可再次使用作為製程a的晶種基板。如上述，因為本發明之氮化物半導體獨立基板的製造，能夠以低成本進行，藉由將氮化物半導體獨立基板104再次使用作為晶種基板，亦能夠使製造周期(cycle)整體成為低成本，乃是較佳。
雖然先前之在藍寶石基板等異種基板上製造氮化物半導體的厚膜磊晶基板之方法，藉由雷射剝除法或化學蝕刻來除去初期基板，亦能夠製造氮化物半導體獨立基板，但是初期基板被消耗掉。另一方面，本發明之藉由同質磊晶成長來製造氮化物半導體獨立基板之方法，因為在2分割切片後，初期的晶種基板101側亦能夠利用，即便考慮切割所產生的切割損時，浪費亦是較少。
以下，顯示本發明的實施例來更具體地說明本發明，但是本發明未限定於此等。
(實施例1)
如下述般地進行，藉由第1圖所示的方法來製造GaN獨立基板。
作為晶種基板101，是準備8片直徑為50.8毫米(2英吋)、厚度為400微米，且其(0001)鎵面是被研磨成為磊晶成長用品質之錯位密度為1×107 /平方公分以下的GaN獨立基板(製程a)。
接著，使用如第2圖所示的磊晶成長裝置1，如下述進行GaN的磊晶成長(製程b)。
在內徑為200毫米的縱形處理室(石英反應管)2的內部，將8片晶種基板以(0001)鎵面為上面而載置在基座13上(製程a)。又，在設置有間隔為1公分的間壁之鎵源舟血6設置裝有400克金屬鎵之氯化鎵生成管8。藉由第一加熱器7將氯化鎵生成管8加熱至800℃，並藉由第二加熱器9將在基座13上所載置的晶種基板101的周圍加熱至1030℃。在氯化鎵生成管8，是將來自氯化氫導入管4的氯化氫以氮氣作為載氣，並以氯化氫150毫升/分鐘、氫500毫升/分鐘的流速導入。而且，從稀釋用氣體導入管5導入氮氣，並從內徑8毫米的4根氯化鎵吹出管11以線速度約30公分/秒往基座13的晶種基板101噴吹。
從氨氣導入管3，氨氣是以與上述對晶種基板101供給氯化鎵氣體的方向同一方向，與氮氣一同導入。成長時之反應管內的總壓力為100kPa(1.0大氣壓)、氨氣的分壓為25kPa(0.25大氣壓)、氯化鎵的分壓為0.5kPa。
又，在晶種基板101上，初期是只有氮氣，隨後供給氨氣，在表面安定化之後供給氯化鎵並開始磊晶成長。
又，基座13是使用在碳製的基材上被覆厚度100微米 的碳化矽而成者。以旋轉速度10rpm旋轉該基座13而在晶種基板101上進行GaN的磊晶成長10小時。所得到的磊晶成長基板103之中，磊晶層102的成長膜厚度為850微米，在基座13的周邊部或背面未產生多晶析出，又，亦未產生基板破裂。磊晶成長基板103的厚度均勻性為±5%以內，表面的錯位密度為1×107 /平方公分。
接著，以晶種基板101的背面為基準，來決定斜邊的中心位置，並使用#1200的鑽石研磨粒來進行如第3圖(b)所示的W型的去角取面加工(製程c)。
因為是使用內周刃刀片進行2分割切片，所以去角取面部的平面部分的長度是以刀片的厚度250微米為基準，並加上250微米而成為500微米。
接著，如第4圖所示，透過晶圓平台32使磊晶成長基板103貼在貼在晶錠保持器31上，並藉由已電極沈積有鑽石的內周刃刀片34進行2分割切片(製程d)。又，因為在磊晶成長基板103有40~50微米左右的翹曲，所以將磊晶成長基板103貼在晶圓平台32是使用蠟38以未施加負荷的方式黏著。又，為了防止基板在切割的後半產生破裂，對每片磊晶成長基板黏著擋板35。邊供給切削冷卻劑，邊以0.2毫米/分鐘的切斷速度進行切割。
此時在切割時的切損約為300微米。相對於目標中心厚度，切割後的製品GaN獨立基板的厚度為約±40微米以內。在切割完成後將擋板35除去。
切割後的切片基板104的去角取面部的形狀，是如第 3圖(d)所示的形狀，雖然未對稱，但是確認在隨後的製造能夠充分地防止破裂、缺損。
接著，如以下進行研磨切片基板104的切片面來除去損傷層(製程e)、且使鎵面為鏡面狀態(製程f)。
將切片基板104的切割面的相反側黏著於研磨頭41，對切割面首先使用粒徑15微米的鑽石漿體以1.0公斤/平方公分的負荷進行磨光(粗磨光)來提高切片基板104的平坦度。接著，使用粒徑為6微米的鑽石漿體，以2.0公斤/平方公分的負荷進行磨光(精細磨光)。隨後，藉由KOH從磊晶層側對所得到的切片基板104進行蝕刻。洗淨進行精細磨光後的切片基板104，並使用0.1微米粒徑的鑽石漿體及絨面型的研磨布，以2.0公斤/平方公分的負荷對鎵面側進行鏡面研磨。而且，為了除去在切割面的潜傷、結晶應變，洗淨後藉由反應性離子蝕刻(RIE)來蝕刻表層。將切片基板設置在市售的裝置之形成有較厚氧化膜的矽晶圓上，使用以氦作為基體的氯氣並以250W的條件進行蝕刻。
藉由以上的方法能夠得到所準備8片的2倍亦即16片GaN獨立基板。全部的GaN獨立基板是直徑50.8毫米的大略圓形，且厚度為約400微米、歪斜為25微米以下。又，表面的錯位密度為5×107 /平方公分以下，又，在X射線的擺動曲線(rocking curve)的測定，總半值幅度(FWHM)為170~260arc sec的範圍，品質非常高。
(實施例2)
將實施例1所得到的16片中的8片GaN獨立基板再次用作為晶種基板101，如下述進行製造GaN獨立基板。
如前述，8片晶種基板101是直徑50.8毫米、厚度為約400微米、歪斜值為25微米以下且貫穿錯位密度為5×107 /平方公分以下的GaN獨立基板(製程a)。
接著，與實施例1同樣地使用HVPE裝置1，但是使成長時間為7小時30分鐘來進行成長(製程b)。磊晶層102層的厚度成為610微米。
接著，與實施例1同樣地對磊晶成長基板103進行去角取面加工製程(製程c)。
接著，對進行去角取面加工後的磊晶成長基板103，將擋板35貼在定位平面部，並設置在如第5圖所示鋼絲鋸的晶圓平台32。晶圓平台32的位置設定是在切割磊晶成長基板103之前，進行切割矽晶圓來確認晶圓平台32側的晶圓能夠平行地切割成規定厚度。
在切割磊晶成長基板103時，是將晶種基板101側壓接於晶圓平台32。鋼絲是使用已電極沈積有20微米的鑽石而成之直徑130微米的鋼絲，並以2毫米/小時的工件移動速度來進行切割(製程d)。在2分割切片磊晶成長基板103後，除去擋板35。晶圓平台32側的切片基板(從磊晶層102側所得到的切片基板)的厚度為420±10微米，此時的切損為約160微米。切割後對切割面進行去角取面加工。
接著，與實施例1同樣地對切片基板104進粗磨光及 精細磨光後，藉由KOH進行蝕刻。但是，在本實施例，因為切片基板的厚度不均度小，所以使負荷為2.0公斤/平方公分來進行粗磨光，來縮短研磨時間。隨後，充分地洗淨切片基板104，並藉由0.1微米的鑽石研磨粒進行鏡面研磨，且以與實施例1同樣條件藉由RIE來進行除去研磨變形。隨後，再次洗淨而得到16片新的GaN獨立基板。該GaN獨立基板的尺寸、結晶品質是與實施例1同等。
(實施例3)
與實施例1同樣地，在3片貫穿錯位密度為1×107 /平方公分的晶種基板101，同時使磊晶層成長1毫米(=1000微米)，並進行至製造磊晶成長基板103的製程為止。傾斜研磨3片磊晶成長基板103，並使用高溫的氫氧化鉀溶液進行蝕刻，來調查蝕刻坑(錯位坑)的密度在深度方向的分布。在第9圖是顯示磊晶層厚度與磊晶密度之關係圖，磊晶層厚度為0微米是與晶種基板101側的界面。錯位密度在磊晶成長初期是比基板的錯位密度增大1個位數以上，但是往磊晶成長表面慢慢地減少，在磊晶成長進行至400~800微米左右的階段，結果大致接近晶種基板101的錯位密度。因為錯位密度比晶種基板101大很多的磊晶層厚度0~300微米左右的部位，是藉由2分割切片製程加以除去，所以得知從磊晶層102側所得到的製品GaN獨立基板104的結晶品質也會成為與晶種基板101同等程度。但是，若磊晶成長至大於1毫米的厚度時，表面的均勻性會 慢慢地變差並產生突起。
又，本發明未限定於上述實施形態。上述實施形態是例示性，凡是具有與本發明之申請專利範圍所記載之技術思想實質上相同構成、且達成相同作用效果之技術，無論如何都包含在本發明的技術範圍內。
例如，在上述實施例中，是主要敘述氮化物半導體是鎵的氮化物之GaN的情況，但是，只要是III族氮化物半導體，便能夠應用本發明。
1‧‧‧磊晶成長裝置
2‧‧‧石英反應管
3‧‧‧氨氣導入管
4‧‧‧反應氣體導入管
5‧‧‧稀釋用氣體導入管
6‧‧‧原料III族金屬用舟皿
7‧‧‧第一加熱器
8‧‧‧III族金屬化合物生成管
9‧‧‧第二加熱器
10‧‧‧整流板
11‧‧‧III族金屬化合物吹出管
13‧‧‧基座
14‧‧‧內部保護管
15‧‧‧氣體排出管
31‧‧‧晶錠保持器
32‧‧‧晶圓平台
34‧‧‧內周刃刀片
35‧‧‧擋板
36‧‧‧切削冷卻劑
41‧‧‧磊晶成長基板
42‧‧‧研磨布
44‧‧‧研磨轉盤
45‧‧‧漿體
51‧‧‧鋼絲鋸
101‧‧‧晶種基板
102‧‧‧磊晶層
103‧‧‧磊晶成長基板
104‧‧‧氮化物半導體獨立基板
第1圖是表示本發明的氮化物半導體獨立基板的製程之流程圖。
第2圖是表示本發明能夠使用的縱形HVPE磊晶成長裝置的一個例子之概略構成圖。
第3圖是表示在本發明的氮化物半導體獨立基板的製造方法中，磊晶成長後的2分割切片前後的基板之概略剖面圖；(a)是表示2分割切片製程前的磊晶成長基板的周邊部之概略剖面圖；(b)是表示在2分割切片製程前，對磊晶成長基板的周邊部施行去角取面後的形狀之概略剖面圖；(c)是表示2分割切片後的切片基板的周邊部之概略剖面圖。
第4圖是表示使用內周刃刀片將磊晶成長基板進行2分割切片時的情況之概要說明圖。
第5圖是表示使用鋼絲鋸將磊晶成長基板進行2分割切片時的情況之概要說明圖。
第6圖是表示在磊晶成長基板有翹曲時，將磊晶成長基板黏著於晶圓夾盤的情況之概略剖面圖。
第7圖是表示在2分割切片製程後能夠進行的機械研磨(化學機械研磨)的情況之概略圖。
第8圖是表示在2分割切片製程後能夠進行的機械研磨情況之概略圖；(a)是在2分割切片時切割面是下凹的情況；(b)是在2分割切片時切割面是凸出的情況。
第9圖是表示在實施例3的磊晶成長基板的磊晶層厚 度與蝕刻坑密度之關係圖。
101‧‧‧晶種基板
102‧‧‧磊晶層
103‧‧‧磊晶成長基板
104‧‧‧氮化物半導體獨立基板

Claims (13)

  1. 一種氮化物半導體獨立基板的製造方法，其特徵為：從1片晶種基板僅製造2片氮化物半導體獨立基板，至少包含以下製程：準備製程，其是準備8片以上的成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板；磊晶成長製程，其是藉由使用縱形HVPE裝置的HVPE法，在8片以上的上述晶種基板上，使與該晶種基板同種的氮化物半導體，在同一處理室內，對8片以上的上述晶種基板同時進行磊晶成長；及切片製程，其是將已進行上述磊晶成長後的磊晶成長基板，與磊晶成長面平行地切割來加以2分割。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中將藉由如申請專利範圍第1項之氮化物半導體獨立基板的製造方法所製造的氮化物半導體獨立基板，再次使用作為上述晶種基板。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中研磨上述已2分割切片而成的磊晶成長基板的切割面。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中在上述磊晶成長製程中所形成的磊晶層厚度為1毫米以下。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中將上述成為晶種基板之氮化物半 導體獨立基板、及上述所製造的氮化物半導體獨立基板，作為GaN獨立基板。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中使上述成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板的直徑為37.5毫米以上，厚度為250微米以上，且歪斜值為35微米以下。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中使上述成為晶種基板之氮化物半導體獨立基板的貫穿錯位密度為5×107 /平方公分以下。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中在上述磊晶成長製程後，而在上述切片製程前，對上述磊晶成長基板的周邊部進行去角取面加工，並形成用以引導切片工具的槽。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中使用刀片的刃厚度為250微米以下的內周刃刀片、鋼絲直徑為200微米以下的單鋼絲鋸、或是刀片的刃厚度為250微米以下的單刀片鋸，來進行上述切片製程。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法，其中先堆疊複數片上述磊晶成長基板，並使用鋼絲直徑為200微米以下的多鋼絲鋸、或是刀片的刃厚度為250微米以下的多刀片鋸，將上述堆疊而成的複數片磊晶成長基板同時切片，來進行上述切片製程。
  11. 一種氮化物半導體獨立基板，其特徵為：藉由如申請 專利範圍第1項或第2項所述之氮化物半導體獨立基板的製造方法來製造。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體獨立基板，其直徑為37.5毫米以上，厚度為250微米以上，且歪斜值為35微米以下。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之氮化物半導體獨立基板，其貫穿錯位密度為5×107 /平方公分以下。
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