TWI732812B - 氮化鋁單結晶 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種比先前容易切斷的氮化鋁單結晶。本發明的氮化鋁單結晶1的特徵在於：包括構成該氮化鋁單結晶的母體的基質區域M、以及該基質區域M內所含有的至少1個結構域區域D。

Description

氮化鋁單結晶

本發明是有關於一種氮化鋁單結晶，尤其是有關於一種比先前容易切斷的氮化鋁單結晶。

近年來，氮化鋁（以下，亦稱為「AlN」）單結晶因具有寬廣的能帶隙（energy band gap）、高導熱率及高電阻，故作為各種光學元件或電子元件等半導體元件用的基板材料而受到矚目。

作為先前的AlN單結晶的製造方法，可列舉：將AlN結晶材料放入至坩堝內，並使經昇華的AlN作為單結晶而成長的昇華法（例如，參照專利文獻1）。該昇華法是如下的方法：將單結晶的材料物質的粉末、及在加熱下與該材料物質進行反應而使AlN分解氣化的氧化物的粉末混合，於氮氣環境中、或者含有氫或碳的氮氣環境中，以比所述材料物質的昇華溫度或熔融溫度低的溫度對所獲得的混合粉末進行加熱，藉此使混合粉末分解氣化成AlN，並使該分解氣化成分於基板上進行結晶成長。

但是，於先前的利用昇華法的AlN單結晶的製造方法中，在作為目標的單結晶的培育過程中，容易於結晶中產生裂紋。若於結晶中產生裂紋，則將自該結晶所製造的晶圓用作用於製造元件的可靠性高的基板極其困難，有時變得不可能。即，於用於磊晶成長、光微影及其他元件製程的市售的裝置中，需要具有均勻的厚度且形狀完美的圓形晶圓。即便是不會引起晶圓的分離者，任何裂紋均會損害晶圓的有用性。因此，於進一步開發以氮化物為基礎的電子機器時，AlN結晶成長中的裂紋的問題極其重要。

於昇華法中，有將異種單結晶用於基板的異質磊晶成長、將同種單結晶用於基板的同質磊晶成長等。另外，作為其基板的固定方法，已知有使用接著劑來固定於台座（坩堝上部）上的方法（參照專利文獻2）。於此種情況下，有時因基板與台座之間的熱膨脹係數的差而產生熱應力。當要緩和此種熱應力時，有將同種基板用作基板的同質磊晶成長，但此時亦存在容易於所製造的單結晶中形成裂紋的問題。

因此，作為防止由熱膨脹係數差所引起的裂紋的產生的手段，如以下的非專利文獻1中所記載般，已知有藉由使結晶的厚度變厚，而減小由熱應力所形成的曲率半徑的技術。

但是，於使所述結晶變厚來減小曲率半徑的技術中，將結晶與基板的熱膨脹係數差作為前提來考慮，而未考慮基板與台座的熱膨脹係數差。如此，於利用昇華法製造單結晶的情況下，若考慮基板與台座的熱膨脹係數差，則存在僅將單結晶形成得厚並不足夠的問題。

因此，作為於取出經成長的AlN等的單結晶時可不產生破裂或碎片等而取出的手段，如以下的專利文獻3中所記載般，提出有一種單結晶製造裝置。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平10-53495號公報 [專利文獻2]日本專利特開2002-60297號公報 [專利文獻3]日本專利特開2013-159511號公報 [非專利文獻]

[非專利文獻1]SEI技術評論（SEI technical review）・第168號-（103）-2006年3月發行

[發明所欲解決之課題] 藉由所述專利文獻或非專利文獻中所記載的技術等，可獲得裂紋少且高品質的AlN單結晶。其後對藉由所述技術所獲得的AlN單結晶實施晶圓加工處理，而製作多片AlN單結晶晶圓。但是，AlN單結晶因比矽等基板材料硬，故晶圓加工處理需要許多時間已成為問題。因此，本發明的目的在於提供一種比先前容易切斷的氮化鋁單結晶。 [解決課題之手段]

本發明者等人對解決所述課題的方法進行了努力研究。其結果，發現氮化鋁單結晶以具有構成結晶的母體的基質區域、及該基質區域內所含有的至少1個結構域（domain）區域的方式構成極其有效，從而完成了本發明。

即，本發明的主旨構成如下所述。 （1） 一種氮化鋁單結晶，其特徵在於：包括構成該氮化鋁單結晶的母體的基質區域、以及該基質區域內所含有的至少1個結構域區域。

（2） 如所述（1）中記載的氮化鋁單結晶，其中所述結構域區域的至少1個存在於外周部。

（3） 如所述（2）中記載的氮化鋁單結晶，其中所述結構域區域僅存在於所述外周部。

（4） 如所述（2）中記載的氮化鋁單結晶，其中所述結構域區域亦存在於比所述外周部更靠近內側。

（5） 如所述（1）至（4）中任一項記載的氮化鋁單結晶，其中所述結構域區域的至少1個於結晶的成長方向上，遍及整個結晶而延伸存在。

（6） 如所述（1）至（5）中任一項記載的氮化鋁單結晶，其結晶結構為纖鋅礦結構（wurtzite structure）。 [發明的效果]

根據本發明，氮化鋁單結晶因以於成為結晶的母體的基質區域內具有至少1個結構域區域的方式構成，故可比先前容易切斷。

以下，參照圖式對本發明的實施形態進行說明。圖1表示本發明的氮化鋁單結晶的一例。該圖中所示的氮化鋁單結晶1的特徵在於：包括構成氮化鋁單結晶1的母體的基質區域M、及該基質區域M內所含有的至少1個結構域區域D。

如上所述，藉由專利文獻或非專利文獻中所記載的技術等，可獲得裂紋減少且結晶性高的AlN單結晶，但AlN單結晶因比矽等基板材料硬，故晶圓加工處理需要許多時間已成為問題。

本發明者等人於對在各種成長條件下製造的AlN單結晶實施晶圓加工處理來製成多片AlN晶圓時，注意到有比在其他條件下製造的AlN單結晶容易切斷且切斷時間短者。因此，本發明者等人為了確定所述AlN單結晶容易切斷的理由，對該AlN單結晶進行了詳細調查。

具體而言，首先，對所述容易切斷的AlN單結晶實施晶圓加工處理而獲得AlN單結晶晶圓。其次，針對所獲得的AlN單結晶晶圓，使用聚焦離子束(Focused Ion Beam，FIB)來提取薄片狀的樣品。繼而，使用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)詳細地觀察所述樣品。穿透式電子顯微鏡使用日立高新技術(Hitachi High-Technologies)製造的H-9000NAR，將加速電壓設為300kV、綜合倍率設為15000倍，於弱束(weak beam)法中將測定條件設為g/3g，g=1-100。其結果，判明於成為結晶的母體的基質區域M內，存在作為其他區域而可與該基質區域M明確地區分的「結構域區域」D。

本發明者等人最初認為所述「結構域區域」D是藉由製造所獲得的結晶未變成所期望的單結晶而多結晶化，並觀察到單結晶中的多結晶區域，即所謂的結構域者。但是，利用X射線繞射對自與提取所述樣品的晶圓相同的結晶所獲得的AlN晶圓進行調査的結果，可知存在顯示出單結晶的特定的尖銳的峰值，可獲得與無結構域區域D的AlN單結晶相同的光譜。

即，於X射線繞射裝置中利用布魯克（Bruker）製造的D8 DISCOVER進行搖擺曲線（rocking curve）測定，並求出半高全寬（FWHM：Full Width at Half Maximum），結果為與無結構域區域D的AlN單結晶相同的值。另外，此時所測定的繞射面為（0001）面。

本發明者等人進而對所述AlN晶圓評價熱特性、及電特性的結果，亦可知任一種特性均與不含所述結構域區域D、而僅包含基質區域M的AlN單結晶同等。

雖然藉由所述結構域區域D的存在，結晶的切斷變得容易的理由未必明確，但推測因結構域區域D與基質區域M之間的原子間的結合比基質區域M或結構域區域D內的單結晶中的原子間的結合弱，故於切斷時若對結晶施加應力，則在基質區域M與結構域區域D的邊界產生剝離等，切斷變得容易。

如此，本發明者等人發現AlN單結晶1藉由以具有構成結晶的母體的基質區域M、及該基質區域M中所含有的至少1個結構域區域D的方式構成，而具有與不存在結構域區域D的AlN單結晶同等的特性，並可比不存在結構域區域D的AlN單結晶容易切斷，從而完成了本發明。以下，對各構成進行更詳細的說明。

基質區域M是構成AlN單結晶1的母體的單結晶區域，包含1個結晶。於本發明中，整個結晶的至少50%包含基質區域M。

另外，結構域區域D是基質區域M中所含有的單結晶區域。於本發明中，結構域區域D作為滿足以下的必要條件的區域來定義。即，首先，對AlN單結晶1實施晶圓加工處理來製作AlN單結晶晶圓。其次，使用聚焦離子束（Focused Ion Beam，FIB）來準備厚度為0.1 μm～0.5 μm的薄片狀的樣品。繼而，當於加速電壓為300 kV、綜合倍率為15000倍的條件下對該樣品進行TEM觀察時，在構成AlN單結晶1的母體的基質區域M內存在可與該基質區域M明確地區分的區域的情況下，將該區域設為本發明中的「結構域區域」D。

如此，將由基質區域M與結構域區域D所特定的本發明的AlN單結晶1設為X射線繞射圖案滿足下述的必要條件者。即，設為如下者：對AlN單結晶1實施晶圓加工，於使用X射線繞射裝置，獲得所獲得的AlN單結晶晶圓的X射線繞射圖案時，相對於（0001）面的峰值的半高全寬為100 arcsec以下。藉此，將本發明的AlN單結晶1與AlN多結晶明確地區分。即，於針對AlN多結晶的X射線繞射圖案中，在特定的方向上觀察不到峰值。

所述結構域區域D的與結晶成長方向垂直的剖面中的形狀並無特別限定，雖然亦取決於結晶結構，但當結晶結構為纖鋅礦結構時，於結晶成長方向剖面中，可變成如圖1所示的六邊形。但是，六邊形純屬例示而非限定，可變成不規則的形狀等不定形。結晶軸方向與基質區域M的結晶軸方向大致相同。

於本發明中，較佳為結構域區域D的至少1個存在於AlN單結晶1的外周部。藉由結構域區域D存在於結晶的外周部，切斷開始時的負荷減少而使切斷變得容易。再者，所謂「AlN單結晶1的外周部」，是指在AlN單結晶1的與結晶成長方向垂直的剖面中，自外周起直徑的3 mm以內的區域。

另外，例如就朝晶圓上製作的半導體晶片的均勻性的觀點而言，結構域區域D較佳為僅存在於結晶1的外周部。當朝圓形的晶圓上製作四邊形的晶片時，不需要外周部，可僅使用不存在結構域區域D的部分。

另一方面，就縮短晶圓加工處理的時間的觀點而言，所述結構域區域D較佳為不僅存在於AlN單結晶1的外周部，而且關於AlN單結晶1的成長軸方向，亦存在於比外周部更靠近直徑方向內側的內部。藉此，不僅可於切斷的開始時縮短切斷時間，而且可於切斷步驟的中間階段縮短切斷時間，而可進一步提高晶圓加工處理的生產性。

進而，較佳為所述結構域區域D的至少1個於結晶的成長方向上，在整個結晶上延伸存在。藉此，當對AlN單結晶1實施晶圓加工時，於切斷AlN單結晶1的任意的位置上切斷變得容易，可進一步縮短切斷時間而進一步提昇晶圓加工處理的生產性。

進而，例如於六邊形等定形結構域的情況下，結構域區域D各自的大小較佳為1 μm以上、1000 μm以下。此處，藉由設為1 μm以上，可充分地發揮AlN單結晶1的切斷時間的縮短效果。另一方面，即便超過1000 μm，AlN單結晶1的切斷時間的縮短效果亦飽和。因此，結構域區域D的大小較佳為1 μm以上、1000 μm以下。更佳為100 μm以上、500 μm以下。

進而，相對於成長方向的任意的剖面中的結構域區域D的比例較佳為0.01%以上、1%以下。此處，藉由設為0.01%以上，可充分地發揮AlN單結晶1的切斷時間的縮短效果。另一方面，即便超過1%，AlN單結晶1的切斷時間的縮短效果亦飽和。因此，結構域區域D的比例較佳為設為0.01%以上、1%以下。更佳為0.1%以上、1%以下。

如此，本發明的AlN單結晶1是具有與僅包含基質區域M的AlN單結晶同等的特性、且容易切斷者。 [實施例]

以下，使用實施例來進一步說明本發明，但本發明並不受以下的實施例任何限定。

（實施例1） 準備所述本發明的實施例的AlN單結晶（實施例1）。具體而言，準備直徑為1吋、長度為10 mm的AlN單結晶。對以與該AlN單結晶相同的條件製造的AlN單結晶實施晶圓加工處理，並對3片所獲得的AlN晶圓進行TEM觀察的結果，於晶圓的外周部不存在結構域區域，於比外周部更靠近晶圓直徑方向內側的區域中存在結構域區域。因此，強烈推斷於所述本發明的實施例1的AlN單結晶中，亦僅在比結晶的外周部更靠近內部中存在結構域區域。

（比較例） 與實施例1同樣地準備本發明的比較例的AlN單結晶。但是，對以與該比較例的AlN單結晶相同的條件製造的AlN單結晶實施晶圓加工處理，並對3片所獲得的AlN晶圓進行TEM觀察的結果，於全部AlN晶圓中，在基質區域內未觀察到結構域區域。因此，強烈推斷於所述本發明的比較例的AlN單結晶中，在基質區域內亦不存在結構域區域。

（實施例2） 與實施例1同樣地準備實施例2的AlN單結晶。但是，於本實施例2的AlN單結晶中，關於對以與該實施例2的AlN單結晶相同的條件製造的AlN單結晶，僅在外周部存在結構域區域。因此，強烈推斷於本發明的實施例2的AlN單結晶中，亦僅在結晶的外周部存在結構域區域。其他與實施例1完全相同。

（實施例3） 與實施例1同樣地準備實施例3的AlN單結晶。但是，於本實施例3的AlN單結晶中，關於對以與該實施例3的AlN單結晶相同的條件製造的AlN單結晶，在外周部及比外周部更靠近直徑方向內側的區域兩者中存在結構域區域。因此，強烈推斷於本發明的實施例3的AlN單結晶中，亦在結晶的外周部及比外周部更靠近內部的區域兩者中存在結構域區域。其他與實施例1完全相同。

＜結晶性的評價＞ 對所述實施例1～實施例3及比較例的AlN單結晶的結晶性進行評價。具體而言，進行搖擺曲線測定，並求出半高全寬（FWHM：Full Width at Half Maximum）。其結果為87 arcsec（實施例1）、76 arcsec（實施例2）、82 arcsec（實施例3），相對於此，比較例為85 arcsec，可知於實施例1～實施例3與比較例中，其結晶性無大的差異，結晶品質為相同程度。

＜晶圓加工處理時間的評價＞ 對如所述般準備的發明例及比較例的AlN單結晶實施晶圓加工處理，並測定處理所需的時間。具體而言，使用多線鋸（高鳥（Takatori）：MWS-34S），對發明例及比較例的AlN單結晶實施晶圓加工處理，製作10片厚度為600 μm的AlN晶圓，並測定該10片晶圓的切斷所需的時間。

其結果，切斷所需的時間為480分鐘（實施例1）、450分鐘（實施例2）、420分鐘（實施例3），相對於此，比較例為540分鐘。如此，可知本發明的AlN單結晶比不含結構域區域的比較例的AlN單結晶容易切斷，可縮短切斷時間。

另外，若對實施例1～實施例3進行比較，則可知與結構域區域存在於比外周部更靠近直徑方向內側的實施例1相比，結構域區域存在於外周部的實施例2的切斷時間短。進而，可知與結構域區域僅存在於結晶的外周部的實施例2相比，在比外周部更靠近直徑方向內側的區域中亦存在結構域區域的實施例3的切斷時間短。 [產業上之可利用性]

根據本發明，可縮短晶圓加工處理的時間，因此於半導體產業中有用。

1‧‧‧氮化鋁單結晶M‧‧‧基質區域D‧‧‧結構域區域

圖1是本發明的氮化鋁單結晶的一例的示意圖。

1‧‧‧氮化鋁單結晶

M‧‧‧基質區域

D‧‧‧結構域區域

Claims (3)

1. 一種氮化鋁單結晶，其特徵在於：包括構成所述氮化鋁單結晶的母體的基質區域、以及所述基質區域內所含有的至少1個結構域區域，所述氮化鋁單結晶具有氮化鋁單結晶的與結晶成長方向垂直的剖面中，自外周起直徑的3mm以內的外周部，與比外周部更靠近直徑方向內側的內部區域，所述結構域區域僅存在於所述外周部。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氮化鋁單結晶，其中所述結構域區域的至少1個於結晶的成長方向上，遍及整個結晶而延伸存在。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的氮化鋁單結晶，其結晶結構為纖鋅礦結構。

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