(57)【要約】      （修正有）【課題】クラックやワレを低減し、また結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成するための基板の提供であり、およびコストを抑制しうる基板の提供。【解決手段】表面の面方位が（００１）であるサファイア基板表面１４１に（００１）面方位を持つＡｌＮ層１１が形成された複合基板１０であって、Ｘ線２θ／θスキャンによるサファイア基板１３の（００６）面の回折線強度に対するＡｌＮ層１１の（００２）面の回折線強度の比率が１０％以上であり、かつＸ線測定によるサファイア基板１３の（００６）面のチルト半値幅に対するＡｌＮ層１１の（００２）面のチルト半値幅の比率が５倍以内である複合基板１０。ＡｌＮ層１１の厚さが５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複合基板１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の面方位が（００１）であるサファイア基板表面に（００１）面方位を持つＡｌＮ層が形成された複合基板であって、Ｘ線２θ／θスキャンによる前記サファイア基板の（００６）面の回折線強度に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面の回折線強度の比率が１０％以上であり、かつＸ線測定による前記サファイア基板の（００６）面のチルト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面のチルト半値幅の比率が５倍以内であることを特徴とする複合基板。
【請求項２】
Ｘ線測定による前記サファイア基板の（１００）面のツイスト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（１００）面のツイスト半値幅の比率が５倍以内であることを特徴とする請求項１に記載の複合基板。
【請求項３】
表面の面方位が（１１０）であるサファイア基板表面に（００１）面方位を持つＡｌＮ層が形成された複合基板であって、Ｘ線２θ／θスキャンによる前記サファイア基板の（１１０）面の回折線強度に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面の回折線強度の比率が１０％以上であり、かつＸ線測定による前記サファイア基板の（１１０）面のチルト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面のチルト半値幅の比率が５倍以内であることを特徴とする複合基板。
【請求項４】
Ｘ線測定による前記サファイア基板の（００６）面のツイスト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（１００）面のツイスト半値幅の比率が５倍以内であることを特徴とする請求項３に記載の複合基板。
【請求項５】
前記ＡｌＮ層の厚さが５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板表面にＡｌＮ層を配置した複合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明においては、α−アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）単結晶（以下サファイアと呼ぶ）で作製された基板をサファイア基板と呼ぶこととする。
【０００３】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）等のIII族窒化物半導体よりなる結晶層は、青色帯〜紫外帯の短波長光を発する発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光デバイスおよびパワートランジスタを構成する機能層として注目されている。またＡｌＮは高熱伝導性を活かした放熱材としても期待される材料である。
【０００４】
これらの結晶層は、α−アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）単結晶（以下サファイアと呼ぶ）やＳｉＣ単結晶等の基板上に、分子線エピタキシャル法または有機金属気相成長法等の気相成長手段を用いて多層の半導体薄膜層を堆積させる方法が提案されている。特にサファイア基板はサイズ、供給能力およびコストの点から優れた基板材料であるが、サファイア基板上に半導体薄膜層を直接形成することは非常に困難であり、未だ達成されていない。そのためＭＯＣＶＤ法やＭＯＰＶＤ法よって一度ＡｌＮバッファー層を形成し、その上に半導体薄膜層を形成することが多く用いられている。しかしこのようにして形成されたＡｌＮバッファー層や半導体薄膜層は、結晶品質が十分ではなく、半導体素子の発光効率の低下、短寿命化、あるいはワレの発生による歩留低下等多くの課題をかかえている。
【０００５】
それを解決するために、特許文献１では、成膜方法を工夫して、ＡｌＮバッファー層の貫通転位を減らし結晶性の改善を図っている。また特許文献２では、カーボンと窒素の雰囲気で熱処理して、サファイア上に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）を作り、更にその上に窒化アルミニウム層を形成して、窒化アルミニウムバッファー層の結晶性の改善を図っている。しかしながらこれらの技術をもってしても上記課題解決は十分ではなく、窒化アルミニウム・ガリウム系半導体素子が必須とされる波長２００〜３００ｎｍ帯域の発光素子の普及の妨げとなっている。
【０００６】
また、ＡｌＮ単結晶そのものを基板として用いることが試みられている。即ちサファイアやＳｉＣ等の単結晶を種基板として昇華法、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法、あるいはフラックス法等の液相法によってＡｌＮ単結晶を結晶育成した後、切断、研磨等の工程によりＡｌＮ単結晶基板を作製するというものである。しかしこの場合、ＡｌＮ単結晶の品質が十分ではない、あるいは価格が高いといった課題があり、普及には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／００５７８９Ａ１
【特許文献２】特開２００５−１０４８２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
青色帯〜紫外帯の短波長光を発する発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光デバイスおよびパワートランジスタを構成する機能層、あるいは機能層を形成するための基板材として、ＡｌＮ単結晶基板は注目されているが、従来技術に記載したように、いくつか課題が挙げられる。
【０００９】
すなわち、ＭＯＣＶＤ法やＭＯＰＶＤ法よってＡｌＮバッファー層を形成し、その上に半導体薄膜層を形成する場合は、結晶品質が十分ではなく、半導体素子の発光効率の低下、短寿命化、あるいはワレの発生による歩留低下等が課題として挙げられる。
【００１０】
また、カーボンと窒素の雰囲気で熱処理して、サファイア上に酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）を作り、更にその上に窒化アルミニウム層を形成する方法は、産業レベルまで技術が蓄積されておらず、産業レベルでの利用には至っていないという課題がある。
【００１１】
また、ＡｌＮ単結晶そのものを基板とする場合は、昇華法、ＨＶＰＥ法、あるいはフラックス法にてＡｌＮ単結晶が作製されているが、結晶の品質、あるいは価格の面に課題があり、普及には至っていない。
【００１２】
以上の課題を踏まえ、本発明の課題は、クラックやワレを低減し、また結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成するための基板の提供であり、およびコストを抑制しうる基板の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、表面の面方位が（００１）であるサファイア基板表面に（００１）面方位を持つＡｌＮ層が形成された複合基板であって、Ｘ線２θ／θスキャンによる前記サファイア基板の（００６）面の回折線強度に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面の回折線強度の比率が１０％以上であり、かつＸ線測定による前記サファイア基板の（００６）面のチルト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面のチルト半値幅の比率が５倍以内であることを特徴としている。これにより本発明の複合基板上に、クラックやワレを低減し、異相や方位の異なるＡｌＮの析出を抑え、結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を作製することができる。また本発明の複合基板上に直接ＡｌＮ膜や（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成すれば、ＡｌＮ単結晶育成とその加工が不要になるためコストを抑えることができる。
【００１４】
なおチルトとは形成面の面方位の局部的なバラツキを示す用語であり、Ｘ線測定によるωロッキングカーブにおいて、ロッキングカーブの最大強度に対し５０％の強度となる角度幅すなわちωロッキングカーブ半値幅が通常指標として用いられており、ここではチルト半値幅として用いることとする。
【００１５】
本発明の望ましい態様としては、Ｘ線測定による前記サファイア基板の（１００）面のツイスト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（１００）面のツイスト半値幅の比率が５倍以内であることが望ましい。これにより本発明の複合基板上に異相や方位の異なるＡｌＮの析出を抑え、かつ結晶品質を向上した良質のＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成することができる。
【００１６】
ツイストとは形成面に対し垂直な方向、即ち断面方向に対する結晶方位の局部的なバラツキを示す用語であり、形成面の面方位と直角な面方位をもつ特定面を一つ選び、その特定面をＸ線測定によってロッキングカーブ測定を行い、ロッキングカーブの最大強度に対し５０％の強度となる角度幅すなわちロッキングカーブ半値幅が通常指標として用いられており、ここではツイスト半値幅として用いることとする。なおサファイア表面の（００１）面方位に対する（１００）面およびＡｌＮ層形成面の（００１）面に対する（１００）面は、各々直交する面となっている。
【００１７】
また課題解決の別の手段として、表面の面方位が（１１０）であるサファイア基板表面に（００１）面方位を持つＡｌＮ層が形成された複合基板であって、Ｘ線２θ／θスキャンによる前記サファイア基板の（１１０）面の回折線強度に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面の回折線強度の比率が１０％以上であり、かつＸ線測定による前記サファイア基板の（１１０）面のチルト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（００２）面のチルト半値幅の比率が５倍以内であることを特徴としている。これにより本発明の複合基板上に、クラックやワレを低減し、異相や方位の異なるＡｌＮの析出を抑え、結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を作製することができる。また本発明の複合基板上に直接（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成すれば、ＡｌＮ単結晶育成とその加工が不要になるためコストを抑えることができる。
【００１８】
本発明の望ましい態様としては、Ｘ線測定による前記サファイア基板の（００６）面のツイスト半値幅に対する前記ＡｌＮ層の（１００）面のツイスト半値幅の比率が５倍以内であることが望ましい。これにより本発明の複合基板上に、異相や方位の異なるＡｌＮの析出を抑え、かつ結晶品質を向上した良質のＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成することができる。  
【００１９】
本発明の望ましい態様としては、ＡｌＮ層の厚さが５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが望ましい。これにより本発明の複合基板上に、表面平滑性が良好な状態で良質のＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による複合基板を用いることにより、クラックやワレを低減し、また結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成することができ、またコストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本実施形態の複合基板の断面を模式的に示したものである。
【図２】図２は実施例１におけるサファイア（００６）面の回折強度を１００としたときのＸＲＤの２θ／θスキャンを示したものである。
【図３】図３はＡｌＮ（００２）面の回折線強度面積を示したものである。
【図４】図４は実施例４におけるサファイア（１１０）面の回折強度を１００としたときのＸＲＤの２θ／θスキャンを示したものである。
【図５】図５はＡｌＮ（００２）面のＸ線ωロッキングカーブおよびチルト半値幅を図示したものである。
【図６】図６は本実施形態の複合基板の作製フローの一例を示したものである。
【図７】図７は窒化処理時の加熱部を模式的に示したものである。
【図８】図８は実施例１における窒化処理基板とカーボンの関係を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本実施形態の目的はクラックやワレを低減し、また結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成するための基板の提供であり、およびコストを抑制しうる基板の提供である。コストに関しては、自立したＡｌＮ単結晶基板と比較すると大幅に削減することができる。すなわち、厚さ５００μｍ以上にも及ぶようなＡｌＮ単結晶育成および自立基板化するための加工といった工程を含まないためである。
【００２３】
また、サファイア基板表面にＡｌＮ層を形成した複合基板のＡｌＮ層を利用して結晶育成あるいは成膜形成することにより、ＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成することができる。しかし、それだけでは十分ではなく、ＡｌＮ層の状態に起因したワレやクラックの発生、面方位の異なるＡｌＮ結晶の析出、サブグレインバウンダリーの発生、あるいはチルトやツイストのブロード化等、結晶品質の低下したものとなってしまう。そこで発明者らは上記ＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層の品質を良好にするような複合基板の条件を解明し、発明を完成するに至った。
【００２４】
図１は本実施形態の複合基板１０の断面を模式的に示したものである。サファイア基板１３の表面１４１にＡｌＮ層１１が配置された構造をもつ。ここでサファイア基板表面１４１の面方位は（００１）面もしくは（１１０）面であり、ＡｌＮ層１１の形成面１２の面方位はいずれの場合でも（００１）面である。ＡｌＮ層１１はサファイア基板１３の表裏の２表面１４１、１４２に配置されていても構わないが、どちらか一方の１面に配置されることが望ましい。通常ＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層の形成は１面にのみに行われるため２表面に形成しても意味を持たない。
【００２５】
図２は表面の面方位が（００１）面であるサファイア基板表面１４１に本発明のＡｌＮ層１１を配置した場合のＸ線の２θ／θスキャン図である。なおＸ線ターゲットはＣｕである。形成面１２の面方位が（００１）面であるＡｌＮ層１１が形成され、サファイア（００６）面の回折線１３１の回折線強度に対するＡｌＮ（００２）面の回折線１１１の強度が１０％以上であることが特徴である。このような性状のＡｌＮ層１１をサファイア基板表面１４１に配置された複合基板１０とすることにより、複合基板１０の上にＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成してもワレやクラック、あるいは面方位の異なるＡｌＮ結晶析出は起こらないことが判明した。
【００２６】
また、サファイア基板表面１４１の面方位が完全に（００１）面に一致している必要はなく、２０ｄｅｇ以下程度のオフアングルがついていても構わない。この場合軸立て施した後２θ／θスキャンすることにより、サファイア（００６）面およびＡｌＮ（００２）面による回折線１３１、１１１を得ることができる。また、サファイア（００１）面の面方位とＡｌＮ（００１）面の面方位が完全に一致している必要はなく、ズレが生じていても構わない。
【００２７】
別法として回折線の面積比によって強度比を求めることもできる。図３は２θ／θスキャンにて出現したＡｌＮ（００２）面の回折線を拡大したものである。斜線を施した部分の強度面積１１３をＡｌＮ（００２）面の強度とするものである。サファイア（００６）面の回折線および他の回折線も同様に拡大し面積を求め、その比率にて強度比を算出することができる。
【００２８】
図４は表面の面方位が（１１０）面であるサファイア基板表面１４１に本発明のＡｌＮ層１１を配置した場合のＸ線の２θ／θスキャン図である。なおＸ線ターゲットはＣｕである。形成面１２の面方位が（００１）面であるＡｌＮ層１１が形成され、サファイア（１１０）面の回折線１３２の回折線強度に対しＡｌＮ（００２）面の回折線１１１の回折線強度が１０％以上であることが特徴である。このような性状のＡｌＮ層１１であれば、その上にＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成してもワレやクラック、あるいは面方位の異なるＡｌＮ結晶析出は起こらないことが判明した。
【００２９】
また、サファイア基板の表面１４１の面方位が完全に（１１０）面に一致している必要はなく、２０ｄｅｇ以下程度のオフアングルがついていても構わない。この場合軸立て施した後２θ／θスキャンすることにより、サファイア（１１０）面およびＡｌＮ（００２）面による回折線１３２、１１１を得ることができる。また、サファイア（１１０）面の面方位とＡｌＮ（００１）面の面方位が完全に一致している必要はなく、ズレが生じていても構わない。
【００３０】
更に図３に例示したような回折線強度面積の比率からサファイア（１１０）面とＡｌＮ（００２）面の強度比を求めても構わない。
【００３１】
本発明複合基板１０中、表面１４１の面方位が（００１）面であるサファイア基板１３に配置されたＡｌＮ層１１のＡｌＮ（００２）面のチルト半値幅はサファイア（００６）面のチルト半値幅と比較して５倍以内であるということが望ましい。また、本発明複合基板１０中、表面の面方位が（１１０）面であるサファイア基板１３に配置されたＡｌＮ層１１はＡｌＮ（００２）面のチルト半値幅はサファイア（１１０）面のチルト半値幅と比較して５倍以内であるということが望ましい。これによりいずれの複合基板１０を利用し、その上にＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成した場合でも、形成されたＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層のチルトを良好にすることができる。
【００３２】
Ｘ線ωロッキングカーブの一例として、図５にＡｌＮ層１１のＡｌＮ（００２）面のＸ線ωロッキングカーブ１１４を示す。ロッキングカーブ最大強度に対し５０％の強度を示す角度範囲が半値幅であり、形成面１２の面方位である（００２）面のωロッキングカーブであるので、この場合ＡｌＮ（００２）面のチルト半値幅１１５となる。この半値幅が小さいほど形成面の結晶方位のバラツキが小さい、すなわち欠陥が少なく結晶として良質であることがわかる。
【００３３】
しかしながらチルト半値幅はＸ線装置性能、特にＸ線の単色性、平行度の影響を受けやすく、絶対値で評価するのは困難である。そこで発明者らはベースとなっているサファイア基板１３のチルト半値幅を基準とし、その表面１４１に配置されたＡｌＮ層１１のチルト半値幅を相対的に比較し、その比較値と、複合基板１０を利用して形成したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層の品質と関係づけることでＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層の品質を良好にすることができることを見出した。
【００３４】
すなわち、ＡｌＮ層のＡｌＮ（００２）面のチルト半値幅がサファイア（００６）面あるいは（１１０）面の半値幅と比較して５倍以内であれば、本実施形態の複合基板１０上にＡｌＮ単結晶育成して得られたＡｌＮ単結晶のチルト半値幅はＡｌＮ層１１のそれより狭くなり、サファイア基板に近い結晶品質が得られる。また本実施形態の複合基板１０上にスパッタ法にてＡｌＮ膜を形成した場合では、サファイア基板上に直接ＡｌＮ膜を形成した場合と比べて形成されたＡｌＮ膜のチルト半値幅は極めて小さな値を示し、ＡｌＮ膜の結晶性に優れた効果があることがわかった。
【００３５】
本実施形態の複合基板１０において、表面の面方位が（００１）面であるサファイア基板表面１４１に形成面１２の面方位が（００１）面であるＡｌＮ層１１を配置した場合、ＡｌＮ（１００）面のツイスト半値幅はサファイア（１００）面のツイスト半値幅と比較して５倍以内であるということが望ましい。また、本実施形態の複合基板１０において、表面の面方位が（１１０）面であるサファイア基板１４１に形成面１２の面方位が（００１）面であるＡｌＮ層１１を配置した場合、ＡｌＮ（１００）面のツイスト半値幅はサファイア（００６）面のツイスト半値幅と比較して５倍以内であるということが望ましい。これによりいずれの複合基板１０の上にＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成してもその結晶品質を良好にすることができる。
【００３６】
なおツイスト半値幅は通常、Ｘ線のインプレーン測定で求めることができる。すなわち、試料表面に対するＸ線入射角を１ｄｅｇ以下の微小角にしてＸ線を入射させ、一方検出器を試料を中心として試料表面と同一面内で試料表面の面方位に対し垂直な面方位をもつ特定反射面に対し回折を起こす角度まで回転させる。例えば形成面方位が（００１）面であるＡｌＮ層の場合、ＡｌＮ（１００）面は（００１）面と垂直な面方位であるので、特定反射面とすることができ、本実施形態ではＡｌＮ（１００）面を用いてツイスト評価を行ったが、ＡｌＮ（１１０）面等（００１）面に対し垂直な面方位をもつものであれば用いることができる。ターゲットがＣｕである場合、ＡｌＮ（１００）面の回折角は３３．２ｄｅｇである。この状態で試料をφ回転、すなわち面内に自転するように回転させるとＡｌＮ（１００）面のＸ線入射角と反射角が一致した自転角度になった時に回折を起こし回折線が出現する。形成面であるＡｌＮ（００１）面は六回軸を持っているためφを１回転即ち３６０ｄｅｇ回転させた場合、回折線は６０ｄｅｇ間隔で６本出現する。その中から回折が良好な、すなわち回折線強度が大きい１本を選び、φロッキングカーブを描き、その半値幅、すなわちツイスト半値幅を求める。なおφロッキングカーブも図５に示したωロッキングカーブと同様の曲線となっている。
【００３７】
サファイアに対しても同様な測定でツイスト半値幅を求めることができるが、複合基板１０の場合、サファイアが表面に露出している裏面１４２、もしくは同一条件にて製造された別のサファイア基板を用いて測定する。インプレーン測定の場合Ｘ線の侵入深さが浅いためＡｌＮ層１１が形成されている面側１４１からの入射では良好なサファイア基板の回折が得られにくいためである。
【００３８】
ツイスト半値幅もチルト半値幅と同様、Ｘ線の単色性、平行度といった装置性能および測定条件の影響を受けやすく、絶対値で評価するのは困難である。そこで発明者らはベースとなっているサファイア基板のツイスト半値幅を基準とし、その表面１４１に配置されたＡｌＮ層１１のツイスト半値幅を相対比率で評価し、複合基板１０を利用して形成したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層の品質と関係づけることでＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層の品質を良好にすることができることを見出した。
【００３９】
すなわち、表面の面方位が（００１）面であるサファイア基板１３に配置されたＡｌＮ層１１はＡｌＮ（１００）面のツイスト半値幅がサファイア（１００）面のそれと比較して５倍以内、また、表面の面方位が（１１０）面であるサファイア基板１３に配置されたＡｌＮ層１１はＡｌＮ（１００）面のツイスト半値幅がサファイア（００６）面のそれと比較して５倍以内であれば、本発明の複合基板１０上にＡｌＮ単結晶育成して得られたＡｌＮ単結晶のツイスト半値幅はＡｌＮ層１１のそれより狭くなり、サファイア基板１３に近い結晶品質が得られる。また本発明の複合基板１０上にスパッタ法にてＡｌＮ膜を形成した場合では、サファイア基板上に直接形成した場合と比べて形成されたＡｌＮ膜のＸ線ツイスト半値幅は極めて小さな値を示し、スパッタにより形成したＡｌＮ膜の結晶性に優れた効果があることがわかった。
【００４０】
本発明の複合基板１０におけるＡｌＮ層１１の厚さは、ＳＩＭＳあるいはＥＳＣＡといった分析機器にて求めることができる。また光の干渉を利用した光学的な方法にて測定しても良い。
【００４１】
以下、本実施形態の複合基板を作製するための一例を示すが、別法で本実施形態の構造をもつ複合基板を作製しても構わない。
【００４２】
図６に、作製フローを例示する。主な工程として、ａ）希土類含有原料を基になるアルミナ基板に塗布する工程、ｂ）乾燥する工程、ｃ）塗布した基板を空気中で熱処理する工程、ｄ）窒化処理する工程である。この工程の一部または全てを繰り返し行っても良い。この製法の特徴は窒化処理工程において、サファイア基板の酸素と雰囲気中の窒素を置換することによりＡｌＮを形成することである。そのためサファイア基板の結晶性を維持しやすく、本実施形態の特徴を持つ複合基板を容易に作製することができる。サファイアとＡｌＮは結晶構造が異なるため、局所的な再配列は起きるが面欠陥や線欠陥の原因となるような大きな再配列は発生しにくいという特徴を持つ。また希土類含有原料は工程ｃ）の空気中熱処理にて酸化され希土類酸化物となる。希土類酸化物は本実施形態の複合基板を得るうえで必須というわけではなく、その場合ｄ）窒化処理する工程のみを行えばよい。ただし、希土類酸化物は窒化処理の際に助剤として機能し、所望のＡｌＮ層形成反応を促進するため利用することが望ましい。
【００４３】
まず表面が（００１）面方位、あるいは（１１０）面方位をもつサファイア基板上に、希土類元素を含む原料を塗布する。簡便に塗布できるスピンコート法により行ったが、それに限定されるものではなく、噴霧法、蒸着法、スパッタ法等により行っても構わない。また塗布を行わず、後述する窒化処理する工程にて希土類を含む雰囲気で行っても良い。またサファイア基板は表面と上記面方位が完全に一致している必要はなく、２０ｄｅｇ以下程度のオフアングルを持っていても良い。
【００４４】
スピンコート法では溶液を用いる必要がある。原料としては希土類硝酸塩のエタノール溶液および高純度化学研究所製の希土類ＭＯＤ溶液が例示できる。ＭＯＤ溶液は当該希土類元素の有機塩を、キシレンを主体とした溶液に溶かしたものである。揮発性が高いため塗布後の原料の再凝集を防止することができる。希土類硝酸塩のエタノール溶液または希土類ＭＯＤ溶液を１０００〜３０００ｒｐｍで回転させたサファイア基板上で２０〜１２０秒間スピンコートさせて塗布層を形成した。再凝集に注意を払えば、水溶液を用いることもできる。蒸着法やスパッタ法であれば、酸化物、金属といった形態の希土類原料を用いることができる。
【００４５】
原料として塩類を用いる場合、希土類を酸化物化するために空気中で熱処理することが好ましい。この熱処理により、別種のアニオンの混入を抑制できる。熱処理温度は塩類の種類にもよるが、５００℃〜１４００℃が好ましく、更に好ましくは６００℃〜１０００℃である。この温度範囲では基板表面の平滑性が維持され、かつ塗布溶液を完全に熱分解し、無機塩、有機塩であっても希土類酸化物にすることができる。
【００４６】
窒化処理は希土類元素を表面に塗布したサファイア基板を窒素中で加熱し行う。図７を使って説明する。図７は加熱部を模式的に示したものである。加熱炉はカーボンヒーター２５、試料設置台２３および全体を覆うチャンバー２８で構成されている。チャンバー２８にはガス排気口２６およびガス導入口２７が設置されており、ガス排気口２６は回転ポンプ（図示せず）および拡散ポンプ（図示せず）に連結されており、脱気できる構造となっている。また、ガス導入口２７を通して窒素ガスを導入できる構造となっている。
【００４７】
試料設置台２３の上にアルミナ板２４を載置し、その上に窒化処理基板２０、カーボン２１を載せる。また同時に窒化処理基板２０およびカーボン２１全体を覆うように略密閉状のアルミナ匣鉢２２をアルミナ板２４の上に載せて配置した。なお略密閉状とは、ガス流通を完全に遮断するほどの密閉性はないが、ガス流通をある程度抑制できる程度の密閉性という意味である。また希土類含有原料を窒化処理する際に配置する場合はカーボン２１と同様に略密閉状の匣鉢で覆うように配置する。更に希土類含有原料やカーボンを付着配置する場合はアルミナ板２４および／またはアルミナ匣鉢２２の内側に付着させて行う。
【００４８】
本実施形態では密閉型の加熱炉および略密閉型の匣鉢にて雰囲気維持を行ったが、それに限るものではない。カーボン量と希土類元素量を制御できるのであれば、ガスフロー、あるいは開放された加熱部としても良い。
【００４９】
加熱温度は希土類元素の種類にもよるが、１４００〜１８００℃、より好ましくは１５００〜１７００℃である。この温度より低いとＡｌＮ層の形成が十分ではなく、本実施形態の特徴をもつ複合基板１０は得られない。一方温度が高すぎるとサファイア基板そのものの変質、あるいは酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）が発生し、やはり本実施形態の特徴をもつ複合基板１０は得にくくなってしまう。
【００５０】
また窒化処理基板２０近傍にカーボン２１を配置する。上述したようにアルミナ板２４および／またはアルミナ匣鉢２２に付着配置しても良い。カーボン量は処理サイズと処理条件によって異なるため一概には言えない。少なすぎると窒化処理が十分に行えず本実施形態の特徴をもつ複合基板１０は得られない。また多すぎる場合はＡｌＮ形成反応が急激に起こり、チルトやツイスト半値幅の劣化、表面平坦性の劣化、あるいは面方位の異なるＡｌＮの析出を引き起こし、やはり本実施形態の特徴をもつ複合基板１０は得にくくなる。窒化処理温度、時間、窒素濃度あるいは窒化処理基板面積といった条件を勘案した上でカーボン量を調整する必要がある。
【００５１】
カーボンの配置法およびカーボンの形態に特に制限はないが、ＡｌＮ層１１の面内均一性に影響を及ぼすので、できるだけ一様になるように工夫する必要がある。図８では配置の一例を示す。２インチφサイズの窒化処理基板２０の周囲にリング状に粉末カーボン２１を均等に配置した。そのとき窒化処理基板２０とカーボン２１が直接接触しないように若干の隙間をあけてカーボン２１を配置した。所望の複合基板が得られるなら、１か所にまとめて配置しても良く、匣鉢等の保持体に塗布しても良い。また、ブロックあるいは棒状のカーボンを配置しても良い。また本実施形態では１例として原料にカーボンを用いたが、有機物のような炭素原子を含む原料を用いても良く、更には炭素原子を含むガスを用いても良い。
【００５２】
この処理により、サファイア基板１３表面にＡｌＮ層１１が形成される。サファイア基板表面に塗布した希土類の大部分は窒化処理により消失する。窒化物あるいは炭化物を形成し、ガス化して消失するものと思われる。一部は複合基板１０中サファイア表面１４１近傍に取り込まれ残留するが、極めて微量であり、本実施形態の特徴をもつ複合基板１０を得ることができる。
【実施例】
【００５３】
＜実施例１＞
２インチφのサイズの表面の面方位が（００１）面であるサファイア基板１３に濃度２ｗｔ％のＥｕを含有するＭＯＤ溶液を、２０００ｒｐｍで２０秒間スピンコートにより塗布した。塗布後、１５０℃のホットプレート上で１０分間乾燥させた後、空気中にて６００℃、２時間熱処理した。熱処理後、１００ｍｍ角のアルミナ板２４に載せ、更に図８に示すように基板２０の周囲に５０ｍｇの粉末状カーボン２１をリング状に配置した。これを図７に示すように、７５ｍｍ角、高さ３０ｍｍのアルミナ匣鉢２２で全体を覆ったうえで、試料設置台２３に設置した。窒化処理炉はカーボンをヒーターとする抵抗加熱型の電気炉である。加熱前に回転ポンプと拡散ポンプを用いて０．０３Ｐａまで脱気し、次いで１００ｋＰａ（大気圧）になるまで窒素ガスを流した後、窒素ガスのフローを停止した。窒化処理は処理温度１６５０℃、処理時間２４時間、昇降温速度６００℃／時間にて行った。処理後の基板は透明であった。
【００５４】
処理後に取り出した窒化処理基板２０は透明であった。中心部付近から１５ｍｍ角の試料を４つ切り出し、そのうちの１枚を用いてＸ線測定を行った。まず、ＣｕをターゲットとするＸ線にて１５〜８０ｄｅｇの範囲で２θ／θスキャンを行ったところ、図２に示すようにサファイア（００６）面、ＡｌＮ（００２）面およびＡｌＮ（００４）面の回折線が観察され、異相および面方位の異なるＡｌＮ回折線は出現しなかった。また、サファイア（００６）回折線強度に対するＡｌＮ（００２）回折線強度は５６％であった。Ｘ線ωロッキングカーブで測定したチルト半値幅はサファイア（００６）面では０．０４１ｄｅｇであったのに対し、ＡｌＮ（００２）面では０．１３９ｄｅｇとサファイア（００６）面の半値幅に対して３．３倍となっていた。また、サファイア（１００）面およびＡｌＮ（１００）面を用い、試料を面内に３６０ｄｅｇ回転させインプレーン測定を行ったところ、サファイア裏面１４１およびＡｌＮ層１１いずれも６０ｄｅｇ間隔で６本の回折線が見られた。２θ／θスキャンと併せて考えるとＡｌＮ層１１は単結晶になっていることがわかる。またサファイア（１００）面のツイスト半値幅は０．１２０ｄｅｇであったのに対しＡｌＮ（１００）面のツイスト半値幅は０．１７３ｄｅｇと１．４倍となっていた。
【００５５】
中心部付近から切り出した１５ｍｍ角の別の試料を用いてＥＳＣＡによりＡｌＮ層の厚さを調べた。その結果約５００ｎｍの膜厚であることが判明した。
【００５６】
＜実施例２＞
実施例１で切り出した１５ｍｍ角試料の１枚を用い、それを本実施形態の複合基板１０として、複合基板１０上にＡｌＮ単結晶形成を行ったＡｌＮ単結晶形成は以下の条件によるフラックス法で行った。イットリア安定化ジルコニア製ルツボに材料（組成：Ｓｉ３５．７ｗｔ％、Ｃ２．３ｗｔ％、Ａｌ６２．０ｗｔ％    重量：３００ｇ）を入れて、高周波加熱炉の加熱領域に置いた。実施例１にて作製し１５ｍｍ角に切り出した複合基板１０をＡｌＮ層のＡｌＮ形成面１２を下に向け固定したイットリア安定化ジルコニア製の撹拌治具を材料直上に配置した。窒素雰囲気中で材料温度を１６００℃まで上げて溶融させた後、撹拌羽根で溶液を撹拌しながら５時間保持して溶液を窒素で飽和させた。その後複合基板を溶液表面に接触させ、１００ｒｐｍで回転させながら、複合基板上にＡｌＮ単結晶を２時間成長させた。結晶成長が終了した後、複合基板を溶液から離し、室温まで冷却した。冷却後の複合基板上には厚さ８μｍのＡｌＮ単結晶が形成されていた。
【００５７】
この試料のＡｌＮ単結晶成長面を実施例１と同様の測定系にてＸ線測定を行ったところ、２θ／θスキャンではＡｌＮ（００２）およびＡｌＮ（００４）の回折線のみが出現し、チルト半値幅は０．０６３ｄｅｇ、ツイスト半値幅は０．１３２ｄｅｇと複合基板１０のＡｌＮ層１１より良好な結果を得、サファイア基板のチルトおよびツイスト半値幅に近い値を示していた。これにより複合基板１０を基板として用いることにより、ＡｌＮ単結晶を良質な状態で形成できることが判明した。
【００５８】
＜実施例３＞
実施例１で切り出した１５ｍｍ角試料の１枚を用い、それを本実施形態の複合基板１０として、複合基板１０上に反応性スパッタにてＡｌＮ膜形成を行った。続いてＡｌをターゲットに用い、窒素ガスおよびＡｒガスを流した状態で真空度を０．２３Ｐａに維持し、基板加熱温度を３００℃にて８時間スパッタを行い、１μｍの厚さにＡｌＮ膜を形成した。
【００５９】
偏光顕微鏡観察ではスパッタを行う前の複合基板１０のＡｌＮ層１１は若干の濃淡はあるもののほぼ一様な膜性状を示していた。クラックや転位等の欠陥は認められなかったが、局所的に１０μｍサイズ程度の六角形状の模様が膜内に観察された。周囲よりＡｌＮ形成が進行している領域と思われる。
【００６０】
スパッタ後のＡｌＮ膜表面を偏光顕微鏡にて観察を行ったところ、複合基板１０のＡｌＮ層１１にて認められた若干の濃淡は完全に消失し、一様な表面となっていた。またクラックや欠陥は認められず、局所的な六角形状の模様は視認が困難な程度にまで消失していた。これにより複合基板１０を基板として用いることにより、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を良質な状態で形成できることが判明した。
【００６１】
この試料を実施例１と同様の測定系にてＸ線測定を行ったところ、２θ／θスキャンではＡｌＮ（００２）、ＡｌＮ（００４）およびサファイア（００６）面の回折線のみが出現し、またＡｌＮ（００２）面の回折線強度はサファイア（００６）面の回折線強度と比較して２１０．８％であった。チルト半値幅は０．４７４ｄｅｇ、ツイスト半値幅は０．５８３ｄｅｇと複合基板１０のＡｌＮ層１１よりブロードとなっていたが、現在良質なＡｌＮ膜が得られていないスパッタ法で形成されたＡｌＮ膜であることを考慮すれば、良好な結果と判断できる。
【００６２】
＜比較例１＞
基板として表面が（００１）面方位をもつ１５ｍｍ角のサファイア基板を用い、実施例３と同一条件にて反応性スパッタにより厚さ１μｍのＡｌＮ膜形成を行った。スパッタ後のＡｌＮ膜表面を顕微鏡観察したところ、６０ｄｅｇまたは１２０ｄｅｇの角度をもって交差する直線状のクラックが無数に入っており、基板として使用できないことが判明した。
【００６３】
この試料を実施例１と同様の測定系にてＸ線測定を行ったところ、２θ／θスキャンではＡｌＮ（００２）、ＡｌＮ（００４）およびサファイア（００６）面の回折線のみが出現していたが、またＡｌＮ（００２）面の回折線強度はサファイア（００６）面の回折線強度と比較して９８．８％と実施例３と比べても強度が弱くなっていた。またωロッキングカーブ半値幅は１．９６ｄｅｇ、ツイスト半値幅は２．４１ｄｅｇとこれらも実施例３と比べて極めてブロードな結果となっていた。
【００６４】
＜実施例４＞
２インチφのサイズの表面の面方位が（１１０）面であるサファイア基板を用いた以外は実施例１と同様な方法で複合基板を作製した。ただしカーボンは事前処理にてアルミナ板２４およびアルミナ匣鉢２２に付着させて供給した。すなわち８０ｍｇの粉末状カーボンをアルミナ板上に載置した２インチφサイズのアルミナ円板全面に均等になるように分散させて載置した後、アルミナ匣鉢２２をアルミナ板２４に載せ、窒素雰囲気中、１６００℃、１２時間の条件で熱処理した。これによりアルミナ円板上に載置された粉末カーボンは蒸発後、アルミナ匣鉢内側およびアルミナ板に付着した。これらのアルミナ板２４およびアルミナ匣鉢２２を用い、それらに付着したカーボンをカーボンの供給減として、窒化処理を行った。窒化処理は１６００℃にて４８時間行った。処理後の基板は透明であった。
【００６５】
中心部付近から切り出した１５ｍｍ角の試料を切り出し、Ｘ線測定を行った。まず、ＣｕをターゲットとするＸ線にて１５〜８０ｄｅｇの範囲で２θ／θスキャンを行ったところ、図４に示すようにサファイア（１１０）面およびＡｌＮ（００２）面の回折線が出現し、一方、異相および面方位の異なるＡｌＮ回折線やサファイア回折線は出現しなかった。また、サファイア（１１０）回折線強度に対するＡｌＮ（００２）回折線強度は２０％であった。またＸ線ωロッキングカーブ測定によると、チルト半値幅はサファイア（１１０）面で０．０３５ｄｅｇであったのに対し、ＡｌＮ（００２）面では０．１５５ｄｅｇと、ＡｌＮ（００２）面のチルト半値幅はサファイア（１１０）面のチルト半値幅に対し４．４倍となっていた。また、サファイア（００６）面およびＡｌＮ（１００）面を用い、試料を面内に３６０ｄｅｇ回転させインプレーン測定を行ったところ、サファイア裏面１４２では１８０ｄｅｇ間隔で２本の、またＡｌＮ層１１では６０ｄｅｇ間隔で６本の回折線が見られた。２θ／θスキャンと併せて考えるとＡｌＮ層１１は単結晶になっていることがわかる。またサファイア（００６）面のツイスト半値幅は０．１０４ｄｅｇであったのに対しＡｌＮ（１００）面のツイスト半値幅は０．２５０ｄｅｇと２．４倍となっていた。またESCAによってＡｌＮ層１１の厚さを求めたところ、約３００ｎｍであった。
【００６６】
この複合基板１０を用いてフラックス法によるＡｌＮ単結晶育成およびスパッタ法によるもＡｌＮ膜形成を試みたところ、実施例２および実施例３とほぼ同様の結果が得られたことから、この複合基板１０でもクラックやワレのない、更には結晶品質を向上したＡｌＮ結晶、ＡｌＮ膜あるいは（ＡｌＧａ）Ｎ等の半導体層を形成することがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本実施形態の複合基板は、発光素子および半導体素子用基板、あるいはＡｌＮ等の単結晶育成用の基板としても利用可能できる。また、高熱伝導性基板、表面弾性波用基板あるいは圧電基板としても利用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０  複合基板
１１  ＡｌＮ層
１１１  ＡｌＮ（００２）面の回折線
１１２  ＡｌＮ（００４）面の回折線
１１３  ＡｌＮ（００２）面の回折線強度面積
１１４  ＡｌＮ（００２）面のＸ線ωロッキングカーブ
１１５  ＡｌＮ（００２）面のチルト半値幅
１２  ＡｌＮ形成面
１３  サファイア基板
１３１  サファイア（００６）面の回折線
１３２  サファイア（１１０）面の回折線
１４１  サファイア表面
１４２  サファイア裏面
２０  窒化処理基板
２１  カーボン
２２  アルミナ匣鉢
２３  試料設置台
２４  アルミナ板
２５  カーボンヒーター
２６  ガス排気口
２７  ガス導入口
２８  チャンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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