(57)【要約】【課題】時間的なロスを抑制しつつ、製造ロット間における金属薄膜の膜厚のばらつきを小さくすることができる窒化物半導体自立基板の製造方法を提供する。【解決手段】下地基板１１上に第一窒化物半導体層１２を形成する工程と、第一窒化物半導体層１２上に金属薄膜１３を形成する工程と、第一窒化物半導体層１２に空隙１４を形成すると共に金属薄膜１３に微細孔１５を形成する工程と、微細孔１５を形成した金属薄膜１３上に窒化物半導体自立基板１０となる第二窒化物半導体層１６を形成する工程と、下地基板１１と第二窒化物半導体層１６とを剥離させて下地基板１１を除去する工程と、を備えた窒化物半導体自立基板の製造方法において、金属薄膜１３は、電気めっき又は無電解めっきを施して形成するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板上に第一窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第一窒化物半導体層上に金属薄膜を形成する工程と、
前記第一窒化物半導体層に空隙を形成すると共に前記金属薄膜に微細孔を形成する工程と、
前記微細孔を形成した前記金属薄膜上に窒化物半導体自立基板となる第二窒化物半導体層を形成する工程と、
前記下地基板と前記第二窒化物半導体層とを剥離させて前記下地基板を除去する工程と、
を備えた窒化物半導体自立基板の製造方法において、
前記金属薄膜は、電気めっき又は無電解めっきを施して形成することを特徴とする窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項２】
前記金属薄膜の膜厚は、電気めっきを施す際の印加電流及びめっき液への含浸時間を操作することにより調整する請求項１に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項３】
前記金属薄膜の膜厚は、無電解めっきを施す際のめっき液への含浸時間を操作することにより調整する請求項１に記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項４】
前記金属薄膜は、金、ニッケル、クロム、又は銅からなる請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項５】
前記空隙は、前記金属薄膜を形成した後にエッチングガス雰囲気中で熱処理を施して形成する請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体自立基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体自立基板の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）自立基板等に代表される窒化物半導体自立基板の製造方法としては、窒化物半導体自立基板となる窒化物半導体層と下地基板との界面付近に微細な空隙（ボイド）を発生させることにより、機械的強度の小さい剥離犠牲層を形成し、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ＨＶＰＥ）法で窒化物半導体層を成長させた後の冷却過程で生じる熱応力によって、下地基板と窒化物半導体層とを自然剥離させるボイド形成剥離（Void-Assisted Separation；ＶＡＳ）法が知られている。
【０００３】
このボイド形成剥離法で窒化ガリウム自立基板を製造する際には、サファイア基板からなる下地基板上に窒化ガリウム薄膜からなる第一窒化物半導体層を形成し、第一窒化物半導体層上にチタン（Ｔｉ）薄膜からなる金属薄膜を蒸着させる。
【０００４】
その後、エッチングガス雰囲気中で熱処理を施すと、第一窒化物半導体層の一部がエッチングされ、高密度の空隙が発生してボイド形成層に変化すると共に、金属薄膜が窒化されて表面にサブミクロンの微細孔が高密度に形成された窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜からなる微細孔形成層（即ち、多結晶の熱凝集による微細孔マスク）に変化する。
【０００５】
これにより、下地基板上に剥離犠牲層を備えたボイド形成基板を作製することができる。
【０００６】
そして、ハイドライド気相成長法でボイド形成基板上に窒化ガリウム厚膜からなる第二窒化物半導体層を成長させ、最終的に剥離犠牲層を境にして下地基板と第二窒化物半導体層とを剥離させて下地基板を除去することにより、第二窒化物半導体層からなる窒化ガリウム自立基板を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１７８９８４号公報
【特許文献２】特許第４１１７１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、第一窒化物半導体層上に蒸着させる金属薄膜の膜厚は、ボイド形成剥離法による第二窒化物半導体層の結晶性等に大きな影響を及ぼす。つまり、金属薄膜の膜厚が厚いと第二窒化物半導体層の反り量が大きくなり、反対に薄いとクラックが入りやすいという傾向があることが分かっている。
【０００９】
そのため、第一窒化物半導体層上に蒸着される金属薄膜の膜厚は、所定の範囲内で安定的な膜厚が確保できることが望ましい。
【００１０】
ところが、現状では、蒸着における金属薄膜の膜厚の製造ロット間の目標値に対するばらつきは実績値としておよそ±１．０ｎｍである。このばらつきについて、蒸着の作業条件の中で最も支配的と考えられるパラメータは蒸着原料供給源に置かれた蒸着原料の高さであり、金属薄膜の膜厚を安定させるためには、蒸着原料の高さが製造ロット間で出来る限り一定になるように管理する必要がある。
【００１１】
しかしながら、蒸着の際に電子線が蒸着原料の全体に均等に照射されるとは限らず、蒸着原料の表面には蒸着を施す度に深さが数ミリメートルの窪みが生じてしまう。
【００１２】
そのため、蒸着原料の表面に生じた窪みを平坦にすべく、蒸着原料の追加と原料ならしという作業が必要になり、連続的に蒸着の作業を実施する中で時間的なロスも生じている状態となっている。
【００１３】
また、真空蒸着による金属薄膜の形成の際には、蒸着装置の真空引きが必要であり、その待機時間に数十分間から最長で２時間程度を要するため、これも時間的なロスの原因となっている。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、時間的なロスを抑制しつつ、製造ロット間における金属薄膜の膜厚のばらつきを小さくすることができる窒化物半導体自立基板の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的を達成するために創案された本発明は、下地基板上に第一窒化物半導体層を形成する工程と、前記第一窒化物半導体層上に金属薄膜を形成する工程と、前記第一窒化物半導体層に空隙を形成すると共に前記金属薄膜に微細孔を形成する工程と、前記微細孔を形成した前記金属薄膜上に窒化物半導体自立基板となる第二窒化物半導体層を形成する工程と、前記下地基板と前記第二窒化物半導体層とを剥離させて前記下地基板を除去する工程と、を備えた窒化物半導体自立基板の製造方法において、前記金属薄膜は、電気めっき又は無電解めっきを施して形成する窒化物半導体自立基板の製造方法である。
【００１６】
前記金属薄膜の膜厚は、電気めっきを施す際の印加電流及びめっき液への含浸時間を操作することにより調整すると良い。
【００１７】
前記金属薄膜の膜厚は、無電解めっきを施す際のめっき液への含浸時間を操作することにより調整すると良い。
【００１８】
前記金属薄膜は、金、ニッケル、クロム、又は銅からなると良い。
【００１９】
前記空隙は、前記金属薄膜を形成した後にエッチングガス雰囲気中で熱処理を施して形成すると良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、時間的なロスを抑制しつつ、製造ロット間における金属薄膜の膜厚のばらつきを小さくすることができる窒化物半導体自立基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施の形態に係る窒化物半導体自立基板の製造方法を説明する図である。
【図２】めっきにより作製した金属薄膜と蒸着により作製した金属薄膜の製造ロット間のばらつきを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。ここでは、窒化物半導体自立基板として窒化ガリウム自立基板を製造する場合の一例を説明する。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態に係る窒化物半導体自立基板の製造方法は、下地基板１１上に第一窒化物半導体層１２を形成する工程と（図１（ａ））、第一窒化物半導体層１２上に金属薄膜１３を形成する工程と（図１（ｂ））、第一窒化物半導体層１２に空隙１４を形成すると共に金属薄膜１３に微細孔１５を形成する工程と（図１（ｃ））、微細孔１５を形成した金属薄膜１３上に窒化物半導体自立基板１０となる第二窒化物半導体層１６を形成する工程と（図１（ｄ））、下地基板１１と第二窒化物半導体層１６とを剥離させて下地基板１１を除去する工程と（図１（ｅ））、を備えており、金属薄膜１３は、電気めっき又は無電解めっきを施して形成することを特徴とする。
【００２４】
各工程を具体的に説明すると、下地基板１１上に第一窒化物半導体層１２を形成する工程では、例えば、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法でサファイア基板からなる下地基板１１上にトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）とアンモニア（ＮＨ3）とを原料として窒化ガリウム薄膜からなる第一窒化物半導体層１２を成長させる。
【００２５】
第一窒化物半導体層１２上に金属薄膜１３を形成する工程では、第一窒化物半導体層１２上に電気めっき又は無電解めっきを施して、融点が約１０６０℃の金（Ａｕ）、融点が約１４５０℃のニッケル（Ｎｉ）、融点が約１８４０℃のクロム（Ｃｒ）、又は融点が約１０８０℃の銅（Ｃｕ）からなる金属薄膜１３をめっきする。
【００２６】
その他のめっき可能な金属としては、融点が約９６０℃の銀（Ａｇ）、融点が約２３０℃の錫（Ｓｎ）、融点が約９３０℃の黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ系の合金）、融点が約１０３０℃の青銅（Ｃｕ−Ｓｎ系の合金）、又は融点が約２２０℃のはんだ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の合金）等が挙げられる。
【００２７】
しかし、ハイドライド気相成長法で第二窒化物半導体層１６を成長させる後工程において、温度が１０５０℃前後にまで及ぶため、この温度に耐え得る金属として、金、ニッケル、クロム、又は銅等が選定される。特に、製造コストを考慮すると、ニッケル、クロム、又は銅が実用性が高いと考えられる。
【００２８】
前述の通り、めっきには大きく分けて、電気めっきと無電解めっきとがあり、両者にはそれぞれ長所と短所があるので、これらを使い分けることで様々な種類の金属のめっきを実現することが可能である。
【００２９】
電気めっきは、外部電源から直流電流を流すことで電子を供給し、陰極側に配置された被めっき物に金属イオンを析出させる方法であり、被めっき物が導体に限られる他、被めっき物上の電流密度分布が部位により異なることからめっき膜厚に多少の差が生じることがあるが、容易にめっき膜厚を厚くすることができる。
【００３０】
一方、無電解めっきは、めっき液中の還元剤の酸化反応により電子を供給し、被めっき物に金属イオンを還元析出させる方法であり、めっき膜厚を厚くするのには不向きであるが、被めっき物が不導体であっても良く、被めっき物の形状や種類に拘わらず均一なめっき膜厚が得られる。
【００３１】
なお、無電解めっきを施す際には、第一窒化物半導体層１２の表面以外に金属薄膜１３が形成されないように、マスキングテープ等を利用して第一窒化物半導体層１２の表面以外の部分をマスキングする必要がある。
【００３２】
金属薄膜１３の膜厚は、電気めっきを施す際の印加電流及びめっき液への含浸時間や、無電解めっきを施す際のめっき液への含浸時間に略直線的に比例するため、電気めっきを施す際の印加電流及びめっき液への含浸時間を操作することにより調整するか、又は無電解めっきを施す際のめっき液への含浸時間を操作することにより調整することができる。
【００３３】
このように、電気めっき又は無電解めっきにより金属薄膜１３を形成することで、所望の膜厚を得るための作業条件を容易にコントロールすることができる。
【００３４】
第一窒化物半導体層１２に空隙１４を形成すると共に金属薄膜１３に微細孔１５を形成する工程では、例えば、窒素（Ｎ2）ガス、酸素（Ｏ2）ガス、水素（Ｈ2）ガス、アンモニアガス、又はこれらの混合ガスからなるエッチングガス雰囲気中において、９００℃以上１４００℃以下の温度で熱処理を施す。
【００３５】
これにより、第一窒化物半導体層１２の一部がエッチングされ、高密度の空隙１４が発生してボイド形成層１７に変化すると共に、金属薄膜１３の表面にサブミクロンの微細孔１５が高密度に形成された微細孔形成層１８に変化する。
【００３６】
つまり、空隙１４は、金属薄膜１３を形成した後にエッチングガス雰囲気中で熱処理を施して形成する。
【００３７】
なお、熱処理の温度を９００℃以上１４００℃以下とすることで、格子ひずみを十分に緩和でき、且つ下地基板１１と第二窒化物半導体層１６との剥離が容易となる構造の空隙１４を安定的に制御性良く形成することができる。
【００３８】
また、窒素ガスやアンモニアガスを含有するエッチングガスを用いることで空隙１４を好適に形成することが可能である。
【００３９】
この熱処理は、別途、電気炉を用いる等の独立した別工程としなくとも、第二窒化物半導体層１６を成長させる際に実施することが可能である。前述の通り、第二窒化物半導体層１６の成長は温度を１０５０℃前後にして実施するため、金属薄膜１３の近傍に空隙１４を安定的に形成することができる。
【００４０】
これらの工程により、下地基板１１上に、空隙１４が形成されたボイド形成層１７と微細孔１５が形成された微細孔形成層１８とからなる剥離犠牲層１９を備えたボイド形成基板２０を作製することができる。
【００４１】
ボイド形成基板２０上に窒化物半導体自立基板１０となる第二窒化物半導体層１６を形成する工程では、ハイドライド気相成長法で、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスをキャリアガスとして塩化水素（ＨＣｌ）ガスを加熱したガリウム（Ｇａ）メタルのボートに供給し、これらを反応させて原料ガスとしての塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを生成し、同時にアンモニアガスを供給し、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）を調整しつつ、窒化ガリウムを堆積させる。
【００４２】
そうすると、微細孔形成層１８上に窒化ガリウムの核が三次元の島状に成長すると共に、その島状の結晶同士が横方向に成長して互いに結合し、表面の平坦化が進行していき、窒化ガリウム厚膜からなる第二窒化物半導体層１６となる。
【００４３】
下地基板１１と第二窒化物半導体層１６とを剥離させて下地基板１１を除去する工程では、第二窒化物半導体層１６を成長させた後の冷却過程で、第二窒化物半導体層１６が剥離犠牲層１９を境に下地基板１１から自然に剥離し、窒化物半導体自立基板１０である窒化ガリウム自立基板となる。
【００４４】
これまで説明してきた窒化物半導体自立基板の製造方法によれば、所望の膜厚を得るための作業条件を容易にコントロールすることが可能な電気めっき又は無電解めっきを施して金属薄膜１３を形成するため、製造ロット間における金属薄膜１３の膜厚のばらつきを小さくすることができる。
【００４５】
また、本実施の形態に係る窒化物半導体自立基板の製造方法によれば、蒸着の際に必要であった蒸着原料の追加や原料ならしという作業が不要であり、蒸着装置の真空引きのための待機時間も不要であるため、時間的なロスを抑制することができる。
【００４６】
よって、本発明によれば、時間的なロスを抑制しつつ、製造ロット間における金属薄膜の膜厚のばらつきを小さくすることができる窒化物半導体自立基板の製造方法を提供することができる。
【実施例】
【００４７】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００４８】
直径が６２ｍｍのサファイア基板からなる下地基板上におよそ３４０ｎｍの窒化ガリウム薄膜からなる第一窒化物半導体層を形成し、電気めっきで第一窒化物半導体層上にニッケル薄膜からなる金属薄膜を形成した。このとき、金属薄膜の膜厚は、２１ｎｍを狙い値とした。
【００４９】
電気めっきによる金属の析出厚さは、その金属の種類により単位電流密度や単位時間当たりで決まっており、電流密度を１Ａ／ｄｍ2として通電したときのニッケルの析出厚さは０．２０６μｍ／分＝３．４３ｎｍ／秒である。また、直径Ｄが６２ｍｍの面積Ｓは、Ｓ＝πＤ2／４＝３．１４×０．６２2＝０．３０ｄｍ2である。
【００５０】
使用したニッケルめっき液の推奨作業条件は、２Ａ／ｍ2であったので、０．６Ａの電流を印加した。電流密度が２Ａ／ｄｍ2の作業条件下では、前述の析出厚さから６．８６ｎｍ／秒と計算できるため、所望の膜厚である２１ｎｍを狙うために、めっき時間を３秒としてニッケル薄膜の形成を行った。
【００５１】
このようなめっき条件により作製したニッケル薄膜の膜厚と従来技術に係る蒸着により作製したチタン薄膜の膜厚とを比較した測定結果を図２に示す。
【００５２】
この結果から分かるように、チタン薄膜の場合には、膜厚の平均値が２０．９７ｎｍ、製造ロット間の膜厚のばらつきが２１±１．０ｎｍであったのに対し、ニッケル薄膜の場合には、膜厚の平均値が２０．９０ｎｍ、製造ロット間の膜厚のばらつきが２１±０．６ｎｍであった。
【００５３】
以上の結果から、電気めっき又は無電解めっきを施して金属薄膜を形成することで、製造ロット間における金属薄膜の膜厚のばらつきを小さくすることができることが実証された。
【００５４】
また、蒸着による金属薄膜の形成では、蒸着装置の真空引きに要する待機時間が数十分から最長で２時間程度掛かるが、電気めっき又は無電解めっきによる金属薄膜の形成では、めっき時間は数秒であり、めっき前の前処理とめっき後の洗浄及び乾燥を含めても数分間で一連の処理を完了することができる。
【００５５】
そのため、電気めっき又は無電解めっきを施して金属薄膜を形成することで、作業時間の大幅な短縮を図ることが可能となり、時間的なロスを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０  窒化物半導体自立基板
１１  下地基板
１２  第一窒化物半導体層
１３  金属薄膜
１４  空隙
１５  微細孔
１６  第二窒化物半導体層
１７  ボイド形成層
１８  微細孔形成層
１９  剥離犠牲層
２０  ボイド形成基板
【図１】
2014043374.tif 000003
【図２】
2014043374.tif 000004