WO2019044142A1

WO2019044142A1 - 基板製造方法

Info

Publication number: WO2019044142A1
Application number: PCT/JP2018/024353
Authority: WO
Inventors: 敦之田中; 大祐河口
Original assignee: 国立大学法人名古屋大学; 浜松ホトニクス株式会社
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2019-03-07
Also published as: JP2019043808A; CN111065765A; EP3674451A1; US20200180082A1

Abstract

基板製造方法に関する技術を提供する。基板製造方法は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のインゴットの表面に略垂直な方向からインゴットの内部にレーザ光を照射し、ガリウムが析出した改質層であってインゴット表面に略平行な改質層を形成する照射工程を備える。基板製造方法は、改質層を溶解することで、改質層が形成されていた位置を境界として、インゴットを互いに分離する分離工程を備える。

Description

基板製造方法

　本出願は、２０１７年９月１日に出願された日本国特許出願第２０１７－１６８５６９号に基づく優先権を主張する。その出願の全ての内容はこの明細書中に参照により援用されている。本明細書では、基板製造方法に関する技術を開示する。

　特開２０１７－５７１０３号公報は、窒化ガリウムインゴットから窒化ガリウム基板を生成する方法を開示している。具体的には、窒化ガリウムのインゴットに対してレーザ光線を照射することで、ガリウムと窒素とを析出させた界面を形成する。インゴットの第１の面に第１の保持部材を貼着し、第２の面に第２の保持部材を貼着する。インゴットをガリウムが溶融する温度に加熱するとともに、第１の保持部材と第２の保持部材を互いに離反する方向に移動させることで、インゴットを界面から分離して窒化ガリウム基板を生成する。

　特許文献１の技術では、インゴットの第１の面と第２の面とを互いに離反する方向に移動させている。すると、離反時に窒化ガリウム基板に外力がかかることで、窒化ガリウム基板が割れてしまう恐れがある。

　本明細書では、基板製造方法を開示する。この基板製造方法は、窒化ガリウム（ＧａＮ）のインゴットの表面に略垂直な方向からインゴットの内部にレーザ光を照射し、ガリウムが析出した改質層であってインゴット表面に略平行な改質層を形成する照射工程を備えることを特徴とする。また、改質層を溶解することで、改質層が形成されていた位置を境界として、インゴットを互いに分離する分離工程を備えることを特徴とする。

　本明細書の基板製造方法では、窒化ガリウムのインゴット内部に改質層を形成し、その改質層を溶解することでインゴットを互いに分離することができる。インゴットの第１の面と第２の面とを互いに離反する方向に移動させる場合に比して、インゴットに印加される力を抑制することが可能となる。分離した基板が割れてしまう事態を防止することができる。

　分離工程は、薬液によって改質層を溶解してもよい。

　分離工程は、薬液が満たされた槽にインゴットを浸漬させることで行われてもよい。

　照射工程は、インゴット表面からの深さが各々異なるＮ個（Ｎは２以上の自然数）の改質層を形成してもよい。分離工程は、Ｎ個の改質層の各々を溶解することで、インゴットをＮ＋１個に分離してもよい。

　分離工程は、加熱した状態の薬液を使用してもよい。

　薬液は王水であってもよい。

　分離工程は、改質層をガリウムの融点よりも高い温度に加熱することで改質層を溶解してもよい。

　分離工程は、インゴットの表面に表面と平行な第１方向への力を印加するとともに、インゴットの裏面に裏面と平行な方向であって第１方向と逆方向の第２方向への力を印加することで、インゴットを互いに分離してもよい。

実施例１に係る基板製造方法を説明するフロー図である。改質層が形成されたインゴットの一例を示す図である。レーザ照射装置の概略図である。薬液槽の概略図である。実施例２に係る基板製造方法を説明する図である。

　実施例１に係る基板製造方法を、図１のフローを用いて説明する。基板製造方法は、ステップＳ１００の照射工程、ステップＳ２００の分離工程、ステップＳ３００の研磨工程、を備えている。

　ステップＳ１００の照射工程を説明する。照射工程は、インゴット内にＮ個（Ｎは２以上の自然数）の改質層を形成する工程である。図２に、照射工程によって改質層が形成されたインゴット１００の一例を示す。図２は、インゴット１００の上面図および側面図を示している。本実施例では、インゴット１００は、直径が１００ｍｍ、厚さＴ１が０．５ｍｍである場合を説明する。また改質層の数が４個である場合を説明する。インゴット１００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶で形成されている。ＧａＮ単結晶は無色である。インゴット１００は、表面１０１からの深さが各々異なる４個の改質層Ｌ１～Ｌ４が形成されている。改質層は、ガリウムが析出している層である。改質層は黒色である。４個の改質層Ｌ１～Ｌ４によって、インゴット１００は、５個の基板層１００ａ～１００ｅに分断されている。改質層Ｌ１～Ｌ４の各々の厚さは、例えば、１０マイクロメートルである。基板層１００ａ～１００ｅの各々の厚さは、例えば、１００マイクロメートル以下である。

　図３に、照射工程で用いるレーザ照射装置５０の概略図を示す。レーザ照射装置５０は、レーザ光発生部５１、ステージ５２、ステージ駆動部５３、集光レンズ５４を備えている。レーザ光発生部５１は、レーザ光６０を出力する部位である。レーザ光６０は、インゴット１００の表面１０１に略垂直な方向から、インゴット１００の内部に照射される。ステージ５２は、インゴット１００を載置する部位である。ステージ駆動部５３は、ステージ５２をＸ、Ｙ方向（レーザ光６０に対して垂直な平面内の方向）へ移動させる部位である。集光レンズ５４は、レーザ光６０がインゴット１００内部の集光点Ｐで焦点を結ぶように集光するための、対物レンズである。また集光レンズ５４は、集光点ＰのＺ方向（レーザ光６０と平行な方向）の位置を調整するための不図示の機構を備えている。

　ステップＳ１００の照射工程は、ステップＳ１１０～Ｓ１４０を備えている。ステップＳ１１０において、最下層の改質層Ｌ１を形成する深さに集光点Ｐが位置するように、集光レンズ５４を調整する。図３に示すように、最下層の改質層Ｌ１は、表面１０１から深さＤ１の位置に形成される改質層である。

　ステップＳ１２０において、最下層の改質層Ｌ１を形成する。具体的に説明する。レーザ光発生部５１からレーザ光６０を出力する。レーザ光６０は、表面１０１から深さＤ１の位置に集光点Ｐが位置している。集光点Ｐの近傍は局所的に加熱されるため、ＧａＮの窒素がガスとなり蒸発することで、ガリウムが析出する。このガリウムが析出した層によって、改質層Ｌ１が形成される。そして、集光点Ｐの位置を深さＤ１に維持したままステージ５２をＸおよびＹ方向へ移動させることによって、レーザ光６０をインゴット１００に対して相対的に走査させる。これにより、平面形状を有する改質層Ｌ１を形成することができる。改質層Ｌ１を形成する平面は、インゴットの表面１０１に対して平行である。

　ステップＳ１３０において、最上層の改質層である改質層Ｌ４が形成されたか否かを判断する。否定判断される場合（Ｓ１３０：ＮＯ）には、Ｓ１４０へ進み、一つ上層の改質層を形成する深さに集光点Ｐが移動するように、集光レンズ５４を調整する。そしてＳ１２０へ戻り、改質層を形成する。これにより、改質層Ｌ１～Ｌ４が下から順番に１層ずつ形成されていく。すなわち、表面１０１から最も深い位置にある改質層Ｌ１から、最も浅い位置にある改質層Ｌ４までを順番に１つずつ形成する。これにより、先に形成した改質層の存在によって、その後の改質層の形成が妨げられないようにすることができる。

　そして最上層の改質層Ｌ４が形成された場合には、ステップＳ１３０において肯定判断（Ｓ１３０：ＹＥＳ）され、ステップＳ１００の照射工程が終了する。

　ステップＳ２００の分離工程を説明する。分離工程は、改質層Ｌ１～Ｌ４の各々を溶解することで、改質層Ｌ１～Ｌ４が形成されていた位置を境界として、インゴットの基板層１００ａ～１００ｅを互いに分離する工程である。図４に、分離工程で用いる薬液槽３００の概略図を示す。薬液槽３００には、ガリウムを溶解するための薬液３０１が満たされている。薬液３０１の一例としては、強酸や、アルカリ金属の水酸化物溶液（例：水酸化ナトリウム）が挙げられる。本実施例では、薬液３０１として王水を用いる場合を説明する。王水は、濃塩酸と濃硝酸とを３：１の体積比で混合した薬液である。

　薬液槽３００内に、改質層Ｌ１～Ｌ４が形成されているインゴット１００を浸漬させる。これにより、４個の改質層Ｌ１～Ｌ４の各々を溶解することで、インゴット１００を、５個の基板層１００ａ～１００ｅに分離することができる。

　効果を説明する。本実施例の分離工程では、基板層１００ａ～１００ｅを分離させるための力（例：表面１０１と裏面１０２とを互いに離反する方向に移動させるための力）を、インゴット１００に加える必要がない。よって、分離する際に基板層１００ａ～１００ｅが割れてしまう事態を防止することができる。また、４個の改質層Ｌ１～Ｌ４を薬液槽３００内で溶解することで、５個の基板層１００ａ～１００ｅを同時に分離することができる。基板層を１つずつ分離する場合に比して、分離工程の効率化を図ることが可能となる。

　薬液槽３００内の薬液３０１を加熱した状態で、改質層Ｌ１～Ｌ４を溶解してもよい。例えば、８０℃程度に加熱した状態を保持してもよい。第１の効果として、化学反応を促進することで改質層の溶解速度を高めることができる。また第２の効果として、薬液槽３００を温浴槽としても機能させることができる。ガリウムの融点は２９．７６℃と低いため、改質層Ｌ１～Ｌ４をガリウムの融点よりも高い温度に加熱することで、改質層Ｌ１～Ｌ４を融解することができる。以上により、分離工程の処理時間を短縮することが可能となる。

　また改質層の溶解中に、薬液槽３００内の薬液３０１を攪拌したり、Ｎ２等の不活性ガスを用いてバブリングしてもよい。これにより、改質層の近傍に常に新鮮な薬液を供給することで、改質層の溶解速度を高めることができる。

　ステップＳ２００の分離工程が完了すると、ステップＳ３００の研磨工程へ進む。研磨工程は、分離工程で分離された基板層１００ａ～１００ｅの各々について、表面および裏面を研磨する工程である。これにより、ダメージ層を除去するとともに、平坦化することができる。研磨工程は、例えばＣＭＰ（化学的機械的研磨法）を用いて行われてもよい。通常のワイヤーソーを用いてインゴットをスライスする方法では、１００マイクロメートル程度の厚いダメージ層が基板の両面に形成されてしまうため、研磨量が非常に多い。一方、本実施例のレーザを用いてインゴットをスライスする方法では、基板の両面に形成されるダメージ層の厚さを１０マイクロメートル以下に抑制できるため、研磨量を抑制できる。これにより、ワイヤーソーを用いる場合に比して、研磨時間を大幅に短縮することができるとともに、１つのインゴットから作成できる基板の数を増加させることができる。その結果、ＧａＮ基板を低コストで作成することが可能となる。

　実施例２は、ステップＳ２００の分離工程の内容が、実施例１とは異なっている。ステップＳ１００やＳ３００の内容は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。

　図５に、実施例２の分離工程の実施対象となるインゴット２００を示す。インゴット２００は、１個の改質層Ｌ１によって、基板層２００ａおよび２００ｂに分断されている。基板層２００ａの厚さは、例えば、１００マイクロメートル以下である。基板層２００ｂの厚さは、基板層２００ａよりも厚くてもよい。

　分離工程の具体的な内容を説明する。インゴット２００の表面２０１をチャック６１によって保持するとともに、裏面２０２をチャック６２によって保持する。チャックによる保持は、真空による吸引によって行われてもよいし、接着剤による固着によって行われてもよい。次に、改質層Ｌ１をガリウムの融点よりも高い温度に加熱した状態を維持する。改質層Ｌ１の加熱は、チャック６１および６２を加熱することで行ってもよい。これにより、改質層Ｌ１を融解することができる。

　そして改質層Ｌ１を加熱しながら、チャック６２を固定した状態で、チャック６１を水平方向Ａ１へ移動させる。インゴット２００の表面２０１に、表面と平行なＸ方向への力Ｆ１を印加できる。また、インゴット２００の裏面２０２に、裏面と平行な方向であってＸ方向と逆方向の力Ｆ２を印加することができる。これにより、せん断力によってインゴット２００を分離することが可能となる。

　効果を説明する。図５に示すように、表面２０１と裏面２０２とを互いに離反する方向に移動させるための力Ｆ１１およびＦ１２を印加する場合には、基板層２００ａの厚さ方向に折れ曲がる力が加わる。基板層２００ａの厚さは１００マイクロメートル以下であるため、基板層２００ａが割れてしまう場合がある。一方、実施例２のように表面２０１と裏面２０２とにせん断力を印加する場合には、基板層２００ａの直径方向に折れ曲がる力が加わる。基板層２００ａの直径は１００ｍｍであり、厚さに比して十分に大きいため、基板層２００ａが割れてしまう事態を防止することが可能になる。

＜変形例＞
　以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

　本明細書に記載の技術は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、様々な化合物半導体の基板形成に適用することが可能である。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化インジウム（ＩｎＮ）など、他の種類の窒化物半導体の基板の形成に適用することができる。

　本明細書に記載した数値は一例である。例えば、実施例１において改質層は４個、基板層は５個とした。またインゴット１００は、直径が１００ｍｍ、厚さＴ１が０．５ｍｍとした。しかし、これらの数値は例示であり、この値に限定されない。また、改質層や基板層の厚さも一例である。

　本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims

　窒化ガリウム（ＧａＮ）のインゴットの表面に略垂直な方向から前記インゴットの内部にレーザ光を照射し、ガリウムが析出した改質層であって前記インゴット表面に略平行な前記改質層を形成する照射工程と、
　前記改質層を溶解することで、前記改質層が形成されていた位置を境界として、前記インゴットを互いに分離する分離工程と、
　を備えることを特徴とする基板製造方法。
　前記分離工程は、薬液によって前記改質層を溶解することを特徴とする請求項１に記載の基板製造方法。
　前記分離工程は、前記薬液が満たされた槽に前記インゴットを浸漬させることで行われることを特徴とする請求項２に記載の基板製造方法。
　前記照射工程は、前記インゴット表面からの深さが各々異なるＮ個（Ｎは２以上の自然数）の前記改質層を形成し、
　前記分離工程は、前記Ｎ個の改質層の各々を溶解することで、前記インゴットをＮ＋１個に分離することを特徴とする請求項３に記載の基板製造方法。
　前記分離工程は、加熱した状態の前記薬液を使用することを特徴とする請求項２～４の何れか１項に記載の基板製造方法。
　前記薬液は王水であることを特徴とする請求項２～５の何れか１項に記載の基板製造方法。
　前記分離工程は、前記改質層をガリウムの融点よりも高い温度に加熱することで前記改質層を溶解することを特徴とする請求項１に記載の基板製造方法。
　前記分離工程は、前記インゴットの表面に前記表面と平行な第１方向への力を印加するとともに、前記インゴットの裏面に前記裏面と平行な方向であって前記第１方向と逆方向の第２方向への力を印加することで、前記インゴットを互いに分離することを特徴とする請求項７に記載の基板製造方法。