(57)【要約】【課題】単結晶基材の上にＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層を形成した積層体から単結晶基材を除去して、自立基板を得る方法を提供する。【解決手段】単結晶サファイア基材１ａの上にＡｌＮ系III族窒化物エピタキシャル膜からなる成長用下地層１ｂを設けた基板１の上に、ＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層２を形成した積層体３を、基材１ａのみが基材１ａを構成する単結晶サファイアに対する酸化能を有さない非酸化雰囲気に曝される状態で、１４００℃以上の温度に加熱することで、基材１ａの熱分解を生じさせ、掃拭や吸引などによって除去容易な物質を生成させる。単結晶層２側は加熱によって転位が低減するので、ＡｌＮ系III族窒化物単結晶からなる結晶品質の優れた自立基板を得ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の単結晶基材からなる基材層とＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層とを含む積層体から、前記基材層を除去する方法であって、
前記基材層のみに熱分解が生じる加熱条件の下で前記積層体を加熱することにより前記基材層を熱分解して前記単結晶層との間で密着性を有さない分解生成物を生成させる選択的熱分解工程、
を備えることを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項２】
請求項１に記載の基材層除去方法であって、
前記選択的熱分解工程においては、前記基材層を前記単結晶基材についての非酸化雰囲気である第１の雰囲気に曝した状態で前記積層体を１４００℃以上の加熱温度で加熱する、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項３】
請求項２に記載の基材層除去方法であって、
前記選択的熱分解工程においては、前記単結晶層を前記第１の雰囲気よりも窒素元素濃度が高い第２の雰囲気に曝した状態で前記積層体を加熱する、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項４】
所定の単結晶基材からなる基材層とＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層とを含む積層体から、前記基材層を除去する方法であって、
前記基材層を前記単結晶基材についての非酸化雰囲気である第１の雰囲気に曝すとともに前記単結晶層を前記第１の雰囲気よりも窒素元素濃度が高い第２の雰囲気に曝しつつ、前記積層体を１４００℃以上の加熱温度で加熱する２元雰囲気加熱工程、
を備え、
前記基材層のみを熱分解して前記単結晶層との間で密着性を有さない分解生成物を生成させる、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の基材層除去方法であって、
前記積層体自体によって前記第１の雰囲気と前記第２の雰囲気とを実質的に遮断することによって、前記基材層を前記第１の雰囲気に曝すとともに前記単結晶層を前記第２の雰囲気に曝す、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項６】
請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の基材層除去方法であって、
前記第２の雰囲気においては、前記第１の雰囲気よりも酸素元素濃度が高い、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の基材層除去方法であって、
前記加熱温度が１６００℃以上である、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の基材層除去方法であって、
前記単結晶層がＡｌＮからなる、
ことを特徴とする積層体からの基材層除去方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の基材層除去方法を用いて、所定の単結晶基材からなる基材層とＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層とを含む積層体から前記基材層を除去することにより、前記単結晶層からなるＡｌＮ系III族窒化物単結晶の自立基板を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＮ系III族窒化物単結晶の作製技術に関し、特に、ＡｌＮ系III族窒化物単結晶が下地基板上にエピタキシャル形成されている場合に、該下地基板を除去することによってＡｌＮ系III族窒化物単結晶を得る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物単結晶は、現状のところ、結晶品質や製造コストなどの問題から、所定の単結晶基材の上にエピタキシャル形成することにより作製される態様が一般的である。この場合、その後の使用態様によっては、基材上に形成したIII族窒化物単結晶を該基材から分離することが必要となることがある。係る分離の手法としては、研削による不要部分の除去という最も単純かつ簡便な手法のほか、種々の手法が公知である（例えば、非特許文献１および特許文献１参照）。また、加熱処理により、ＧａＮ単結晶を基材から分離する手法も公知である（特許文献２参照）。
【０００３】
非特許文献１には、レーザーリフトオフ法による分離の手法が開示されている。
【０００４】
特許文献１には、基材と単結晶層との間に、金属の中間層を介在させた積層体を形成し、係る中間層を除去することにより単結晶層を分離する手法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、基材とIII族窒化物エピタキシャル層の間に中間層を形成し、加熱処理により中間層を除去することにより単結晶層を分離する手法が開示されている。
【０００６】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol.38(1999) L217-L219
【特許文献１】特許３６３１７２４号公報
【特許文献２】特開２００２―９００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
研削によって積層体から単結晶を分離する処理は、機械的な応力を単結晶層に与えるという問題がある。
【０００８】
非特許文献１に開示されている手法は、単結晶膜を形成した積層体に対して基板側よりレーザー光を照射することにより、積層体から単結晶を分離する手法であるが、これを行うための装置が必要である。また、III族窒化物がＧａＮからなる場合、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶ程度であるので、例えばＨｅ−Ｃｄレーザーのような工業的に利用されているレーザーを用いることで、ＧａＮの光吸収による分離が可能である。しかしながら、ＡｌＮやＡｌリッチなＡｌＧａＮ等の場合、ＡｌＮのバンドギャップは６．２ｅＶ程度ときわめて大きいため、同様に光吸収を生じさせて分離を実現できるだけの高出力なレーザーが存在しない。よって、III族窒化物がＡｌＮやＡｌリッチなＡｌＧａＮ等からなる場合に、非特許文献１に開示の方法を適用することはできない。
【０００９】
特許文献１に開示されている手法は、金属中間層を介在させる必要があるので、積層体の作製プロセスが複雑である、という問題がある。
【００１０】
特許文献２に具体的に開示されているのは、III族窒化物エピタキシャル層がＧａＮ層であって、一般的なＧａＮの成膜温度よりも低い１０００℃以下で熱分解するＩｎＮやＩｎＧａＮ等を中間層として用いる態様のみである。従って、ＡｌＮ系III族窒化物の単結晶を自立した状態で場合の具体的な技術的要件については、何ら開示はなされていない。
【００１１】
また、特許文献２に開示された手法を用いる場合、中間層を形成した後、III族窒化物エピタキシャル層としてのＧａＮ層を１０００℃以上の形成温度で形成することになると判断されるが、該形成温度が中間層の分解温度よりも高いため、ＧａＮ層を形成している時点ですでに中間層が部分的に分解し始めてしまい、結果的にＧａＮ層の品質を劣化させてしまうおそれがある。
【００１２】
さらに、特許文献１および特許文献２に開示された手法の場合、III族窒化物結晶の結晶品質を維持する観点からは中間層は薄く形成する必要があるが、中間層が薄い場合、その膜厚ばらつきが大きいために、結晶層全体を良好に分離することができず、分離した結晶層に破損が生じたり、いったん分離した結晶層が再固着してしまうという問題が生じる。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、単結晶基材の上にＡｌＮを含めたＡｌＮ系III族窒化物からなる結晶層を形成した積層体から、簡便な方法によって単結晶基材を除去し、ＡｌＮ系III族窒化物の自立した状態の単結晶（いわゆる自立基板）を得る方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、所定の単結晶基材からなる基材層とＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層とを含む積層体から、前記基材層を除去する方法であって、前記基材層のみに熱分解が生じる加熱条件の下で前記積層体を加熱することにより前記基材層を熱分解して前記単結晶層との間で密着性を有さない分解生成物を生成させる選択的熱分解工程、を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の基材層除去方法であって、前記選択的熱分解工程においては、前記基材層を前記単結晶基材についての非酸化雰囲気である第１の雰囲気に曝した状態で前記積層体を１４００℃以上の加熱温度で加熱する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２に記載の基材層除去方法であって、前記選択的熱分解工程においては、前記単結晶層を前記第１の雰囲気よりも窒素元素濃度が高い第２の雰囲気に曝した状態で前記積層体を加熱する、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、所定の単結晶基材からなる基材層とＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層とを含む積層体から、前記基材層を除去する方法であって、前記基材層を前記単結晶基材についての非酸化雰囲気である第１の雰囲気に曝すとともに前記単結晶層を前記第１の雰囲気よりも窒素元素濃度が高い第２の雰囲気に曝しつつ、前記積層体を１４００℃以上の加熱温度で加熱する２元雰囲気加熱工程、を備え、前記基材層のみを熱分解して前記単結晶層との間で密着性を有さない分解生成物を生成させる、ことを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項３または請求項４に記載の基材層除去方法であって、前記積層体自体によって前記第１の雰囲気と前記第２の雰囲気とを実質的に遮断することによって、前記基材層を前記第１の雰囲気に曝すとともに前記単結晶層を前記第２の雰囲気に曝す、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の基材層除去方法であって、前記第２の雰囲気においては、前記第１の雰囲気よりも酸素元素濃度が高い、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の基材層除去方法であって、前記加熱温度が１６００℃以上である、ことを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の基材層除去方法であって、前記単結晶層がＡｌＮからなる、ことを特徴とする。
【００２２】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の基材層除去方法を用いて、所定の単結晶基材からなる基材層とＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層とを含む積層体から前記基材層を除去することにより、前記単結晶層からなるＡｌＮ系III族窒化物単結晶の自立基板を作製する。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１ないし請求項８の発明によれば、基材層を含む下地基板の上に、ＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層を形成した積層体を、単結晶基材のみが熱分解するような条件の下で加熱することによって、基材を好適に除去することができる。
【００２４】
特に、請求項３ないし請求項６の発明によれば、基材層を含む下地基板の上に、ＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層を形成した積層体について、基材の除去を良好に行いつつ、単結晶層の結晶品質の改善をも実現することができる。
【００２５】
特に、請求項５の発明によれば、基材層が第１の雰囲気に曝されるとともに単結晶層が第２の雰囲気に曝される状態を、簡便に実現することができる。
【００２６】
特に、請求項６の発明によれば、加熱に伴う単結晶層の表面劣化を抑制することができる。
【００２７】
特に、請求項７の発明によれば、単結晶層の転位をより低減することができる。
【００２８】
また、請求項９の発明によれば、単結晶層に機械的な応力を与えることなく、該単結晶層からなるＡｌＮ単結晶の自立基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１は、本実施の形態に係るＡｌＮ系III族窒化物の単結晶からなる自立基板の作製方法について説明するための図である。より具体的には、図１は、係る単結晶自立基板の作製の過程で形成される積層体３の積層構造を概略的に示す断面模式図である。なお、図示の都合上、図１の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。
【００３０】
積層体３は、基材１ａの上に成長下地層１ｂをエピタキシャル形成してなる、いわゆるエピタキシャル基板（テンプレート基板）である基板１の上に、単結晶層２の厚膜を形成してなるものである。ここで、単結晶層２は、本実施の形態における自立基板の作製対象であるＡｌＮ系III族窒化物の単結晶からなる層である。また、本実施の形態において、III族窒化物とは、ＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（ｘ，ｙ，ｚ≧０）の組成で表され、ウルツ鉱構造あるいは閃亜鉛鉱構造を有する物質をいう。特に、ＡｌＮ系III族窒化物とは、III族窒化物において、含有される全てのIII族元素に対するＡｌのモル分率が８０％以上（ｙ≧０．８）のものを指し示すものとする。
【００３１】
成長下地層１ｂは、ＡｌＮ系III族窒化物からなる結晶層である。成長下地層１ｂは、基板１にとっては表面層であるが、基板１を用いた単結晶成長の際に下地層としての役割を果たすものである。後述する単結晶層の成長時には、成長下地層１ｂの直上に単結晶層２が形成される。本実施の形態に係る基板１は、この成長下地層１ｂが好適に形成されることで、ＡｌＮ系III族窒化物からなる高結晶品質の単結晶層を得るのに適した基板として供されるものである。
【００３２】
本実施の形態に係る方法は、このような構成を有する積層体３から基材１ａを良好に除去することによって、ＡｌＮ系III族窒化物の単結晶を得る方法である。
【００３３】
基材１ａとしては、後述する除去処理にて良好に除去できるという点から、サファイア単結晶基材を用いるのが好適である。基材１ａの厚みには特段の材質上の制限はないが、後述する除去処理の容易さや取り扱いの便宜上、少なくとも数十μｍ以上の厚みを有することが好ましく、百μｍ〜数ｍｍの厚みのものが好適である。なお、サファイアは、紫外領域の波長の光に対し透明な材料であることから、紫外域での光デバイスを作製する場合には、サファイア基材を用いるのが好適である。
【００３４】
成長下地層１ｂは、各種薄膜成膜方法によって形成されたＡｌＮ系III族窒化物からなるエピタキシャル膜であるのが、その好適な一態様である。成膜方法としては、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、スパッタ法、ＨＶＰＥ法等が想定される。ＭＯＣＶＤ法を適用する場合には、ＰＡＬＥ法（パルス原子層エピタキシ法；Pulsed Atomic Layer Epitaxy）、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。ＭＯＣＶＤ法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適している。結晶品質の優れた単結晶層２を成長下地層１ｂの上に形成するという観点からは、少なくとも、成長下地層１ｂの形成速度が単結晶層２の形成速度よりも小さくなるように、成長下地層１ｂおよび単結晶層２の形成手法を選択することが好ましい。単結晶層２の形成手法については後述する。
【００３５】
なお、成長下地層１ｂとしては、エピタキシャル膜の他に、アモルファス膜なども想定される。成膜手法を同じくする場合であっても、成長形成条件（形成温度など）の設定を違えることで、両者を作り分けることは可能である。例えば、ＭＯＣＶＤ法の場合であれば、形成温度が低ければ、アモルファス状の膜が形成され、高ければエピタキシャル膜が形成される。アモルファス膜よりもエピタキシャル膜として成長下地層１ｂを形成した場合の方が、後述する加熱処理を施した後においてより転位密度の低いものが容易に得られる点で、好適である。エピタキシャル膜として形成した場合、成長下地層１ｂは一般的には１×１０9／ｃｍ2程度ないしはそれ以上の転位を含んでいる。また、成長下地層１ｂにおいては刃状転位が主に存在する。
【００３６】
成長下地層１ｂの厚みは、特に限定されるものではなく、最終的に利用されるデバイス構造あるいは使用形態に最適な膜厚を選択する。例えば、数ｎｍ〜数ｍｍ程度の膜厚が想定される。ただし、後述するように、成長下地層１ｂの上に結晶層として１０μｍ以上の単結晶層２を形成するような場合には、単結晶層２におけるクラック発生を抑制するという観点から、成長下地層１ｂの厚みの方が単結晶層２の厚みよりも小さいことが好ましい。また、成長下地層１ｂの組成は、平均組成を示しており、必ずしも組成が全て均一である必要はなく、例えば、傾斜組成にしたり、異なる組成の応力緩和層を挿入したりすることも可能である。
【００３７】
また、成長下地層１ｂ内には、成長下地層１ｂを形成する際に不可避的に含まれてしまうＨ、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、遷移金属等の不純物が存在する場合もあるし、導電率制御のために意図的に導入される、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄといった不純物を含むこともできる。
【００３８】
特に、（０００１）面を主面とするＡｌＮエピタキシャル膜を成長下地層１ｂとして用いる場合、熱処理前の成長下地層１ｂについては、Ｘ線ロッキングカーブ測定（ωスキャン）による（０００２）面の半値幅が２００秒以下、より好ましくは１００秒以下であることが好ましい。また、Ｘ線ロッキングカーブ測定（ωスキャン）による（０００２）面の半値幅の下限値は、特に定めるものではないが、材料及び結晶構造から計算される理論値（〜１０秒）を下回るものではない。係る半値幅が実現されるということは、成長下地層１ｂの表面において、成長方位に揺らぎが少なく、Ｃ面が揃い、らせん成分の転位が少ない状態が実現されているということになり、このことは成長下地層１ｂ上に結晶品質の良い単結晶層２を形成する上でより好適だからである。上述のようなＸ線ロッキングカーブの半値幅を実現するためには、基材１ａ上に、いわゆる低温緩衝層を挿入することは望ましくないが、結晶品質を悪化させない程度の薄い低温緩衝層を挿入することは可能である。
【００３９】
また、（０００１）面を主面とするＡｌＮエピタキシャル膜を成長下地層１ｂとして用いる場合、刃状転位密度は、ＡｌＮエピタキシャル膜としては低い数値である、５×１０10／ｃｍ2以下であることが望ましい。なお、本実施の形態において、転位密度は、平面ＴＥＭを用いて評価している。窒化処理によって基材１ａの表面に窒化層を形成した場合には、ＡｌＮの転位密度を上記のように低く抑えることができる。なお、条件設定によっては、成長下地層１ｂの転位密度を１×１０9／ｃｍ2の程度にまで低減することも可能である。ただし、本実施の形態においては、後述する加熱処理により転位低減の効果を得ることも可能であるので、必ずしも、窒化処理を加えない場合や、転位密度が５×１０10／ｃｍ2よりも大きい場合を除外するものではない。
【００４０】
なお、このような結晶品質を持つ（０００１）面を主面とするＡｌＮエピタキシャル膜をＭＯＣＶＤ法によって成長下地層１ｂとして形成する場合には、形成速度をせいぜい数μｍ／ｈｒ程度とし、また、基板自体の温度を１１００℃以上１３００℃以下とすることが望ましい。例えば、形成速度を１．５μｍ／ｈｒとし、基板温度を１２００℃とするのが好適な一例である。形成速度を低く抑える一方で基板自体の温度を上げることにより、より平衡状態に近くすることができる。係る場合、形成時間等の効率から考えて、膜厚は１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下とするのが好適である。なお、ＡｌリッチなIII族窒化物であるＡｌＮ系III族窒化物の場合、なかでもＡｌＮの場合には、ＭＯＣＶＤ法による形成温度を１２５０℃以上で１５００℃程度まで高くすることが想定される。なお、ＨＶＰＥ法でも同じような条件設定とすることにより同等の結晶品質のＡｌＮエピタキシャル膜を得ることができる。ただし、ＭＯＣＶＤ法と比べると原料供給量を微細に調整することが難しいことから、膜厚を安定して制御するには、ＭＯＣＶＤ法が好適である。
【００４１】
また、係る場合においては、形成時圧力を１Ｔｏｒｒ以上の減圧雰囲気、好ましくは１００Ｔｏｒｒ以下、さらに好ましくは２０Ｔｏｒｒ以下とし、トリメチルアルミニウム等のＡｌ原料供給ガスとアンモニアの供給比を１：５００以下、より好ましくは１：２００以下とするのが望ましい。気相中での、原料の反応を効率的に抑制できるからである。また、窒素原料が不足することによる結晶品質の劣化を抑制するため、１：１以上とすることが望ましい。
【００４２】
＜加熱処理＞
本実施の形態においては、単結晶層２の形成に先立ち、基板１を、所定の処理装置によって加熱する熱処理（加熱処理）を行うことが望ましい。
【００４３】
係る熱処理は、成長下地層１ｂを構成するIII族窒化物の結晶品質の改善を目的とするものである。特に、成長下地層１ｂの転位の低減やその表面におけるピットの解消に対して有効である。例えば、転位密度は、おおよそ１／１０以下にまで減少する。特に、刃状転位を効果的に合体消失させることができる。なお、加熱処理前の転位密度が小さいほど、加熱処理による結晶品質の改善をより短時間でかつより効果的に実現することができる。
【００４４】
加熱処理に際しては、加熱温度が少なくとも成長下地層１ｂの形成時の加熱温度よりも高く、さらに１５００℃以上に達するように加熱を行う。
【００４５】
なお、少なくとも成長下地層１ｂの形成時の加熱温度よりも高い温度に達するように加熱するのは、そのような加熱を行うことで、少なくとも転位の低減という効果が得られるからである。成長下地層１ｂを形成するのに最も好適なＭＯＣＶＤ法を用いる場合を例とすると、ＭＯＣＶＤ法は、一般に非平衡反応によって成膜を行う手法であるので、基材１ａ上のエピタキシャル膜には、熱平衡状態において存在する数よりも多くの結晶欠陥（転位など）が、いわば凍結されたような状態で存在していると考えられるが、そのような加熱を行うことで、熱平衡状態に近づき、転位が低減されるものと推察される。また、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を行う場合の一般的な基板の加熱温度は１２５０℃以下、ＡｌＮの場合であってもせいぜい１５００℃以下であるので、成長下地層１ｂの形成が係る温度範囲で行われているのであれば、１５００℃以上に達するように加熱処理を行うことで、転位の低減という効果を得ることができる。もちろん、１５００℃以上の基板温度で成長下地層１ｂを形成した場合においても、係る基板温度以上の温度で加熱処理を行うことにより、転位低減の効果を得ることはできる。また、他の成膜手法にて成長下地層１ｂを形成した場合も、１５００℃以上に加熱することで、同様の転位低減効果を得ることができる。
【００４６】
加えて、成長下地層１ｂの膜厚がある程度大きい場合、例えば０．５μｍ程度ないしはそれ以上の場合には、表面に存在するピットの解消も加熱によって実現できる。加えて、後述する単結晶層２の面内方向に発生する引張応力を効果的に低減することもできる。引張応力の低減効果は１５００℃以下での熱処理によっても確認できるが、単結晶層２として１０μｍ以上の厚みの結晶層を成長させようとする場合には、係る温度範囲での加熱では応力低減の効果は不十分であり、単結晶層２の成長過程における単結晶層２でのクラックの発生を抑制することが困難となるという問題がある。なお、１５００℃以上の加熱を行った場合には、表面平坦性の改善という効果が得られることも確認されている。
【００４７】
一方、成長下地層１ｂの膜厚が０．００５μｍ程度ないしそれ以上で、０．５μｍ以下の場合、例えば０．２μｍ程度の場合には、ピットの解消と表面粗さの改善のいずれについても実現するためには、１６００℃以上における熱処理が必要である。このように、膜厚が薄い場合、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜を成長下地層１ｂとして形成する際に、成長下地層１ｂと基材１ａの格子ミスマッチによる三次元核の形成に伴う表面平坦性の大幅な悪化が引き起こされているため、熱処理の温度を１６００℃以上と高くすることにより、物質移動の効果をより促進する必要があると考えられる。もちろん、０．５μｍ以上の膜厚を持つ成長下地層１ｂにおいてもこの効果は存在し、より効果的にピットの解消が可能となるため、０．５μｍ以上の膜厚を持つ成長下地層１ｂの場合において１６００℃以上における熱処理を行うことを排除するものではない。
【００４８】
このような加熱処理による転位低減その他の成長下地層１ｂの結晶品質の改善は、成長下地層１ｂを構成するＡｌＮ系III族窒化物の全III族元素におけるＡｌの割合が８０モル％以上である場合に特に有効であり、なかでもＡｌＮの場合に有効である。ＡｌＮの場合、組成揺らぎ等のばらつきの問題が無いので、品質管理上はこの場合が最も望ましいが、全III族元素におけるＡｌの割合が８０モル％以上であれば、ＡｌＮで形成する場合とほぼ同程度の結晶品質を有する成長下地層１ｂをＭＯＣＶＤ法で得ることができ、さらにＡｌＮの場合と同じ温度の加熱処理を行うことで、ＡｌＮの場合と同様の結晶品質の改善効果が確認される。全III族元素におけるＡｌの割合が８０％未満の場合、ＡｌＮの場合と同じ温度で加熱処理を行うと、他のIII族元素、例えばＧａ成分の蒸発によるピットや点欠陥の発生が問題となり、表面平坦性が損なわれる場合がある。
【００４９】
また、ＡｌリッチなIII族窒化物ほど、効果的に結晶品質を改善することができ、ＡｌＮの場合にその効果が最も顕著である。Ａｌを多く含むIII族窒化物は、同じくIII族窒化物であるＧａＮ、ＩｎＮなどと比較して融点が高く、熱分解による結晶品質劣化が起こりにくいため、高温での結晶品質の改善の効果を最も有効に活用できることがその理由である。なお、ＢＮも融点が高いため、Ｂを多く含む場合にも本手法を適用することができるが、ＢＮ自体がウルツ鉱構造が安定状態の結晶構造でないため、Ｂを多量に含む場合は、顕著な効果を得ることは難しく、単相としてウルツ鉱構造が実現出来る程度のＢ濃度以下とする必要がある。
【００５０】
ところで、III族窒化物結晶のエピタキシャル膜による成長下地層１ｂの形成そのものを、本実施の形態に係る加熱処理と同程度の高温下で行うことで結晶欠陥の抑制を図ろうとする場合、エピタキシャル成長の条件を好適に維持しつつ係る結晶欠陥の抑制を行うことになるため、その条件設定や成膜制御は一般に難しくなる。これに対して、いったんIII族窒化物結晶のエピタキシャル膜を何らかの方法で作製した上で、これを作製温度（成膜温度）よりも高温に加熱する場合には、成膜自体の条件設定や制御に対して、特段の制限が要求されることがなく、品質の良いIII族窒化物結晶を得ることができる、というメリットがある。
【００５１】
加熱処理中の雰囲気に関しては、III族窒化物の分解を防ぐためにも窒素元素を含有する雰囲気であるのが望ましい。例えば、窒素ガス、アンモニアガスを含む雰囲気を用いることができ、還元性を有しないということから、窒素ガス雰囲気が最も好ましい。還元性を有するガスを用いる場合、III族窒化物結晶がエッチングされてしまい、極度な膜減り、表面荒れを生じるからである。これらを鑑みると、加熱処理に用いる処理装置（熱処理炉）については、基板１を目的とする加熱温度にまで加熱することができ、さらに、こうした窒素元素含有雰囲気を形成することができるものであれば、特に限定はされない。従って、公知の処理装置を用いることが可能である。なお、加熱処理時の圧力条件に関しては、減圧から加圧までどの圧力で行っても結晶品質が改善されることが、確認されている。
【００５２】
より好ましくは、酸化性の酸素元素含有ガスが添加されてなる窒素元素含有ガス雰囲気の下で加熱処理を行うようにする。これは、ＡｌＮ系III族窒化物の生成速度を適度に抑制して、表面平坦性が良好な成長下地層１ｂを形成させるためである。
【００５３】
酸素元素含有ガスの添加は、窒素元素含有ガスへの水分（水蒸気ガス）添加、ＮＯxガス添加、あるいはＯ2ガス添加などによって行うことができる。例えば、窒素元素含有ガスに対してそれらの添加成分を混合した混合ガスを処理装置に供給することで係る添加は実現される。ただし、熱処理炉にカーボン部材を用いている場合には、Ｏ2ガスの混合はその添加量によっては該部材の劣化を引き起こす可能性が相当に高いので留意が必要である。
【００５４】
あるいは、酸素含有ガスを添加する場合には、熱処理炉内の、例えば、基板１の近接する部分や直下や直上に酸化物結晶を載置しておくか、あるいは熱処理炉の炉体や炉材を酸化物結晶で形成しておき、基板１を加熱した際に、酸化物結晶の熱分解を生じさせることで、熱処理炉内に酸素元素含有ガスを放出させるようにしてもよい。例えば、基板１を内部で保持するさややるつぼなどを、酸化物結晶で形成するようにしておくのが好適な一態様である。この場合も、結果的に、熱処理炉内に酸素元素含有ガスが添加された雰囲気を実現させることができる。また、係る場合、Ｏ2ガスを直接に混合する場合に比して微量の添加を実現することができるほか、添加量を熱処理炉内の蒸気圧で規定することができるという利点もある。該酸化物結晶は、Ａｌの酸化物であることが望ましい。加熱に際して不純物の発生が抑制できるからである。
【００５５】
なお、安全性の面からは、毒性がなく、簡便に行える水分添加が最も好適である。ただし、水分ガス添加の場合でも、カーボン部材との反応の可能性があるので、必要に応じて、バリアガスを供給する、あるいは、基板にガスを吹き付ける等の態様によってガス流を最適化することがより望ましい。
【００５６】
また、係る加熱処理においては、単結晶である基材１ａの結晶配列の規則性を利用して、その上に形成された成長下地層１ｂの結晶品質の改善が実現されるものでもある。そのため、基材１ａとして用いる材料は、成長下地層１ｂを形成するIII族窒化物結晶と強く反応しないものが望ましい。加熱処理中に基材１ａの結晶配列に乱れが生じるのを回避する必要があるからである。従って、加熱処理の際、基材１ａと成長下地層１ｂとの界面において両者の反応生成物が顕著に形成されないことが望ましい。反応生成物が顕著に形成されないとは、具体的には、加熱処理後の両者の界面に反応生成物が全く存在しないか、あるいは存在したとしてもその厚みがせいぜい成長下地層１ｂの膜厚の１／１０以下であることを意味する。この膜厚を超えると、反応生成物の存在により、成長下地層１ｂの表面平坦性が損なわれる可能性があるからである。よって、加熱処理により基材１ａと成長下地層１ｂとの界面において全体的にあるいは局所的に極薄の反応生成物が生成されることは、本発明からは除外されない。転位の低減等のためのバッファ層的な役割を果たすなど、こうした極薄の反応生成物が存在した方がむしろ好ましい場合もある。
【００５７】
従って、加熱処理は、基材１ａの融点を超えない温度範囲で、あるいは、基材１ａと成長下地層１ｂとの反応生成物の生成が顕著に起こらない温度範囲つまりは過度な反応による成長下地層１ｂの結晶品質の劣化が生じない温度範囲で行うことが望ましい。特に、基材１ａとしてサファイアを用い、成長下地層１ｂをＡｌＮ系III族窒化物にて形成する場合には、両者の界面にγ−ＡＬＯＮが顕著に形成されない温度範囲で加熱処理を行うことが好ましい。γ−ＡＬＯＮが顕著に形成されてしまうと、成長下地層１ｂの表面粗さが大きくなってしまうからである。
【００５８】
なお、加熱処理による転位の低減は、熱平衡状態を目標とすることにより実現されるものであるので、熱処理時間は長い方が望ましい。しかし、過度な熱処理による表面平坦性の劣化が引き起こされることを避けるため、熱処理時間は、成長下地層１ｂの厚みに応じて適宜に設定する必要がある。
【００５９】
加熱処理は、成膜処理を行うための装置であるＭＯＣＶＤ装置やＨＶＰＥ装置を用いて行う必要はなく、別の処理装置、例えばいわゆる熱処理炉などを用いて行うことが可能である。もちろん、成長下地層１ｂの形成と連続して、同じＭＯＣＶＤ装置で加熱処理を行うことや、また、単結晶層２の形成に用いる装置で、該単結晶層２の形成に先立って加熱処理を行うことによっても、同様の効果を得ることができる。ただし、成膜処理と加熱処理とを別の装置で行う場合、それぞれの処理に好適な装置を用いて処理を行うことが出来るので、装置構成上の制約や、あるいは処理条件設定上のの制約が少ない、というメリットがある。
【００６０】
また、成長下地層１ｂが、（０００１）面を主面とするIII族窒化物のエピタキシャル膜として形成されてなる場合、転位低減の効果が顕著に得られると共に、熱処理後の基板１の表面において、原子ステップが観察出来る程度の平坦性を実現することも可能である。このような主面を有するエピタキシャル膜として成長下地層１ｂを形成するためには、（０００１）面サファイア、（１１−２０）面サファイアを基材１ａとして用いることが好適である。この場合、上記設定面から微傾斜させた基板を用いることもできる。
【００６１】
なお、成長下地層１ｂをウルツ鉱型構造をとるＡｌＮにて構成する場合、結晶構造が対象中心を有さず、Ａｌ原子と窒素原子とが入れ換わると、結晶の向きが反転することになる。すなわち、結晶が原子配列に応じた極性を有しているといえる。このことを鑑みると、仮に、成長下地層１ｂの表面において互いに極性の異なる領域である反位区が併存する場合には、反位区の境界（反位境界）は一種の面欠陥となってしまう。この場合、熱処理後においても、この面欠陥に起因した欠陥が生じてしまうおそれがあり、好ましくない。よって、成長下地層１ｂは、その表面の極性が全体に揃っていることが好ましい。
【００６２】
また、特にＡｌＮを成長下地層１ｂのエピタキシャル膜として用いる場合、上記の加熱処理による転位低減効果は表面部分のみで見出されるものではなく、基材１ａとIII族窒化物エピタキシャル膜界面の近傍０．０１μｍ程度の範囲においても、表面部分と同程度に見出されることが特徴的である。これは、熱処理することにより、基板との界面近傍においても複数の刃状転位が合体消失が起こっていることによる。これは、加熱処理を行わない場合に、成長下地層１ｂであるＡｌＮエピタキシャル膜の転位が、膜厚が厚くなるのに従い漸次に減少していくのと対照的である。
【００６３】
このような転位の低減状態を鑑みるに、ＡｌＮ系III族窒化物のエピタキシャル膜を成長下地層１ｂとする基板１について、表面平坦性の向上のみならず、転位密度の低減の効果を引き出すには、成長下地層１ｂの厚みは、この刃状転位の合体消失がほぼ終わる膜厚である５ｎｍ以上であることが必要である。好ましくは、０．０５μｍ以上である。これは、熱処理時に該エピタキシャル膜がエッチングされることによる膜厚減少を考慮したものである。
【００６４】
また、加熱処理の際、成長下地層１ｂの表面でのエッチングの抑制、不純物付着、あるいは過度な熱処理による表面荒れの抑制を目的として、成長下地層１ｂの表面上に、例えば窒化珪素からなる保護層を設けることもできる。ただし、特に、ＡｌＮ系III族窒化物からなるエピタキシャル膜を成長下地層１ｂとして用いる場合は、その化学的安定性から、このような保護層を用いなくとも安定して熱処理の効果を得ることができる。
【００６５】
＜単結晶層の形成＞
単結晶層２は、ＨＶＰＥ法・ＭＯＣＶＤ法等のＣＶＤ法や昇華法・フラックス法によってＡｌＮ系III族窒化物を基板１上にエピタキシャル成長させることにより形成される。原料コスト及び形成速度の観点では、ＨＶＰＥ法が好適である。ＨＶＰＥ法の場合、ＡｌなどのIII族金属とＨＣｌガスなどのハイドライドガスとを５００℃〜７００℃程度の温度下で直接に反応させてIII族原料ガス（例えばＡｌＣｌxガス）を生じさせ、これとＮＨ3ガスとを反応させることによって、ＡｌＮ系III族窒化物を生じさせ、これを例えば１１００℃〜１７００℃程度に加熱されてなる基板１上にエピタキシャル成長させる。高濃度のＡｌ原料を供給することができることから、ＨＶＰＥ法によれば、他の成膜手法による形成速度（ＭＯＣＶＤ法であればせいぜい数μｍ／ｈｒ）よりも大きな、例えば数十〜数百μｍ／ｈｒという形成速度で単結晶膜を成長させることが、原理的には可能である。
【００６６】
単結晶層２は、１０μｍ以上の厚みに、例えば数十〜数百μｍ程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。ただし、係る場合よりも薄く、あるいはさらに厚く形成することを除外するものではない。なお、単結晶層２には、意図的であるなしにかかわらず、不純物として、III族窒化物を構成する元素以外の元素が含まれても構わない。
【００６７】
ＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層２を、同じくＡｌＮ系III族窒化物からなる成長下地層１ｂの上に形成することは、基材１ａの上に直接的に形成する場合に生じる、異相界面接合に伴う格子不整合あるいは結晶構造の違いによる結晶品質の劣化を防ぐことができる点で好適である。特に、ＨＶＰＥ法では界面部分での正確な条件制御が困難であるので、成長下地層１ｂを介さず直接に単結晶層２をＨＶＰＥ法にて基材１ａ上に成長させた場合、その結晶品質は大幅に劣化してしまうことになるが、成長下地層１ｂの上に形成することで、このような状況は回避される。
【００６８】
さらに、本実施の形態においては、上述のように加熱処理を施すことによって転位の低減その他の結晶品質の改善がされてなる基板１を、具体的には加熱処理により処理前に比して転位密度が１／１０程度にまで低減されてなる基板１を用いて単結晶層２を形成する。これにより、加熱処理を行わない場合に比して低転位の単結晶層２の形成が実現される。
【００６９】
特に、成長下地層１ｂから単結晶層２へと貫通する貫通転位については、基板１の主面（成長面）に対して略垂直な方向に貫通しそのままの方向を保って成長するよりもむしろ、該方向に対して斜め方向に貫通し成長するものが支配的であること、さらには、係る成長に伴って貫通転位は単結晶層２の内部でほとんど合体消失することが確認される。すなわち、単結晶層２の形成に先立って上述の加熱処理を行うことは、単結晶層２の厚み方向（高さ方向）への転位の成長を抑制するうえで効果があるといえる。貫通転位が残存する厚み範囲（つまりはほぼ全ての貫通転位が合体消失に至るまでの厚み範囲）は、成長下地層１ｂとの界面から概ね５０μｍ程度の範囲であることから、これよりも十分に厚い単結晶層２を形成することで、加熱処理しない場合よりも低転位な領域を十分に有する単結晶層２を実現することができる。なお、少なくとも１０μｍ以上の厚みに形成すれば、貫通転位が実質的に低減された領域を有する単結晶層２を得ることはできる。一方、単結晶層２の厚みが１０μｍ以下である場合には、貫通転位の低減が必ずしも十分に実現されない場合がある。すなわち、本実施の形態に係る加熱処理は、１０μｍ以上の単結晶層２を得ようとする場合により好適な手法であるといえる。
【００７０】
基材１ａと成長下地層１ｂとの間に熱応力が存在することに起因して、単結晶層２の、成長下地層１ｂとの界面近傍における面内方向に、引張応力が生じる場合には、単結晶層２内にクラックが発生することがある。これを回避するためには、単結晶層２の成長温度での主面内格子定数が成長下地層１ｂの主面内格子定数以上であるという関係をみたすように、結晶成長を行うことが好ましい。これは、例えば、成長下地層１ｂ内に圧縮応力が印加されるように成長下地層１ｂの成長条件あるいは熱処理条件を調整したり、あるいは、組成を調整して結晶成長を行うことによって、実現される。
【００７１】
なお、本実施の形態においては、あらかじめ加熱処理によって成長下地層１ｂの転位を低減させた上で、ＨＶＰＥ法等によって単結晶層２の形成を行うようにしているので、ＨＶＰＥ法等による単結晶層２の結晶成長の際に、転位の低減を目的として基板１を過度に加熱する必要はない。従って、転位の低減が実現されることを意図として基板１の加熱温度を設定する必要はなく、単結晶層２の成長について好適な温度条件を設定しさえすればよいので、ＨＶＰＥ成長中に高温加熱することによって転位の低減を図ろうとする技術に比して、処理条件を設定する上での制約が少ないといえる。例えば、単結晶層２を形成する際の基板１の加熱温度が、加熱処理における加熱温度よりも低い温度であってもよい。特に、係る温度関係をみたす単結晶層２の形成を、成長下地層１ｂの形成材料の熱膨張係数よりも基材１ａの熱膨張係数が大きい基板１を用いて行う場合には、両者の間に生じる熱応力により、単結晶層２の面内方向により大きな圧縮応力を生じることになるので、単結晶層２におけるクラックの発生をより低減させることができる。
【００７２】
さらには、基板温度と形成速度との関係を適宜に保つことによって、表面平坦性の良好な単結晶層２を形成することも可能である。その場合において、形成温度が１４００℃以上であれば、形成速度の自由度が比較的高いことが確認されている。形成速度の制御は、Ａｌ原料ガスの供給量を制御することにより可能である。なぜならば、該供給量と単結晶層２の形成速度との間には、正の相関があるからである。ただし、具体的な供給量の範囲は、個々の製造装置の構成等によって適宜に定めることになる。なお、Ａｌ原料ガスの供給量に代えて、あるいはこれと共に、該製造装置の反応管内における形成時圧力や、ＮＨ3ガスの流量や、Ａｌ原料ガス等のガス流速のいずれか、あるいはこれらの一部若しくは全部を組み合わせた制御を行うことにより、形成速度を制御する態様であってもよい。
【００７３】
なお、ＨＶＰＥ法による単結晶層２の形成に際しては、窒素ガスを主成分とすることで、単結晶層２の表面の平坦性をより向上させることができる。
【００７４】
また、ＨＶＰＥ法にてＡｌＣｌxガスとＮＨ3ガスとを反応させる際には、形成時圧力を５Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下とするのが望ましい。こうした条件を選定した場合、気相中での反応が抑制されて、原料ガスの単結晶層２への取り込み率が大きくなるので、原料ガスの利用効率が高まるという利点がある。
【００７５】
＜基材の除去＞
次に、上述のようにして形成された積層体３から基材１ａを除去する方法について説明する。
【００７６】
本実施の形態においては、基材１ａのみに熱分解が生じる条件の下で積層体３を加熱することによって基材１ａのみを選択的に熱分解し、単結晶層２との間で密着性を有さない分解生成物を生成させることによって、積層体３から基材１ａを容易に除去できるようにする。
【００７７】
具体的には、基材１ａのみが基材１ａを構成する単結晶サファイアに対する酸化能を有さないガス雰囲気（非酸化雰囲気）に曝される状態で、積層体３を１４００℃以上の温度に加熱することによって、係る熱分解を生じさせる。係る非酸化雰囲気を実現するガスとしては、例えば、Ａｒガスなどの不活性ガス、Ｈ2ガスなどの還元性ガスや、これらの混合ガスなどを用いることができる。加熱温度を１４００℃以上とするのは、基材１ａを構成する単結晶サファイアの分解を確実に生じさせるためである。
【００７８】
一方、単結晶層２の側には、少なくとも加熱した場合に単結晶層２の劣化（分解など）を生じさせないガス雰囲気が実現されていればよいが、好ましくは、基材１ａ側に形成されるガス雰囲気（非酸化雰囲気）よりも窒素元素濃度が高いガス雰囲気が形成されるようにする。例えば、Ｎ2ガスを用いるのがその好適な一態様である。係るガス雰囲気のもとでは、積層体３が１４００℃以上の温度に加熱されたとしても、単結晶層２の分解は抑制される。それだけでなく、係る加熱を行うことによって、単結晶層２の内部における転位の低減が実現される。
【００７９】
さらには、係る単結晶層２側の雰囲気中には、酸素元素含有ガスが添加されてなるのがより好ましい。係る雰囲気が実現されている状態で積層体３が加熱される場合、転位の低減に加えて、単結晶層２の表面の劣化の抑制という効果をも得ることができる。その抑制効果は、１６００℃以上の加熱温度の場合に特に顕著である。酸素元素含有ガスとしては、Ｈ2Ｏガス（水蒸気ガス）、Ｏ2ガスなどを用いることができる。あるいは、該雰囲気中に、加熱によって係る酸素元素含有ガスを生じさせる部材を設けておく態様であってもよい。
【００８０】
図２は、係る除去方法を実現する装置の一態様としての、基材１ａの除去に用いる除去装置１００の構造を模式的に示す図である。除去装置１００は、カーボン製の炉体１０１を有する。炉体１０１の内部には、炉体１０１の内部空間を図面視下部の第１空間１０１ａと同上部の第２空間１０１ｂと二分するように、仕切部材１０２が設けられてなる。仕切部材１０２も炉体１０１と同じくカーボン製の部材である。また、仕切部材１０２には、少なくとも１つの貫通孔１０２ｈが設けられてなるとともに、仕切部材１０２の貫通孔１０２ｈの端縁部分は、積層体３を保持可能とされてなり、その端縁部分で積層体３を保持した状態ではそれぞれの貫通孔１０２ｈが塞がれるように設けられてなる。図２においては、２つの貫通孔１０２ｈが設けられてなる場合を例示している。これは、例えば、積層体３を仕切部材１０２の貫通孔１０２ｈの上に載置した場合に積層体３の載置面全面で貫通孔１０２ｈが塞がれるような大きさに、貫通孔１０２ｈを設けておくことで実現可能である。さらに言えば、積層体３が円板状である場合には、貫通孔１０２ｈの径が積層体３の主面の径よりも小さくなるように、貫通孔１０２ｈが設けられればよい。また、貫通孔１０２ｈの端縁部分に窪みが設けられてなり、該窪み部分に積層体３を嵌合させることで、積層体３を保持するようになっていてもよい。あるいは、さらに、積層体３の載置面のサイズに応じて貫通孔１０２ｈの大きさを可変できるように、仕切部材１０２が構成されていてもよい。なお、仕切部材１０２は炉体１０１に固設されている必要はなく、着脱自在とされてなる態様であってもよい。
【００８１】
第１空間１０１ａと第２空間１０１ｂとには、それぞれ、相異なる種類のガスを供給可能とされてなる。図２においては、第１空間１０１ａに対してＡｒガス供給源１０３からＡｒガスを供給するとともに、第２空間１０１ｂに対しては、Ｎ2ガス供給源１０４から供給されるＮ2ガスとＨ2Ｏガス供給源１０５から供給されるＨ2Ｏガス（水蒸気ガス）との混合ガスを供給する場合を例示している。
【００８２】
また、炉体１０１の周囲には、炉体１０１の内部を加熱するための加熱手段１０６が設けられてなる。加熱手段１０６としては、例えば、抵抗加熱法、ＲＦ加熱法、ランプ加熱法などを用いることができる。
【００８３】
係る構成を有する除去装置１００においては、貫通孔１０２ｈを塞ぐように積層体３を保持した状態で、第１空間１０１ａと第２空間１０１ｂとに相異なるガスを供給し、かつ、加熱手段１０６による加熱を行うことで、第１空間１０１ａに形成されるガス雰囲気と第２空間１０１ｂに形成されるガス雰囲気とを実質的に遮断しつつ、積層体３の基材１ａの主面側を第１空間１０１ａに向けるとともに単結晶層２の主面側を第２空間１０１ｂに向けた状態で、積層体３を加熱することができるようになっている。
【００８４】
そして、除去装置１００を用いて基材１ａを除去する場合には、積層体３を保持した状態で、基材１ａの主面側の空間に上述したような種類のガスによって非酸化雰囲気を形成する。図２においては、基材１ａの側の主面３ａが第１空間１０１ａに向けられるとともに単結晶層２の側の主面３ｂが第２空間１０１ｂに向けられた状態で積層体３が保持されており、第１空間１０１ａにＡｒガスからなる非酸化雰囲気が形成されてなるとともに、第２空間１０１ｂにおいてはＮ2ガスとＨ2Ｏガス（水蒸気ガス）との混合ガス雰囲気が形成されてなる場合を例示している。後者の雰囲気における窒素元素濃度および酸素元素濃度が、前者の雰囲気よりも高いことは言うまでもない。
【００８５】
積層体３の保持態様とガス雰囲気の形成態様とが上述のような関係をみたす状態で、加熱手段１０６によって積層体３を１４００℃以上の加熱温度で加熱すると、非酸化雰囲気に曝されている基材１ａの熱分解が生じる。係る熱分解によって得られる分解生成物は、例えばサファイアから酸素が抜けた物質などからなる粉末状の多結晶体であり、成長下地層１ｂとの間に加熱前のような密着性を有しておらず、掃拭や吸引などによって容易に除去可能なものである。
【００８６】
一方、単結晶層２は（より厳密には成長下地層１ｂも含めて）、雰囲気と反応することはなく維持され、上述したように、加熱によってその内部における転位の低減も実現される。しかも、Ｈ2Ｏガスが添加されてなるので、加熱温度が１６００℃以上である場合であっても、表面劣化の抑制が実現される。
【００８７】
加熱処理後、生成された分解生成物を所定の方法によって除去し、適宜に洗浄等を行うことによって、（厳密には成長下地層１ｂが付随した）単結晶層２の板状体、つまりはＡｌＮ系III族窒化物単結晶からなる自立基板を得ることができる。なお、図２の場合であれば、分解生成物は第１空間１０１ａの下方つまりは炉体１０１の底部に向けて落下するので、その除去は比較的容易である。また、係る方法による基材１ａの除去に際しては、機械的な応力を単結晶層２に与えることはない。
【００８８】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、単結晶サファイアからなる基材の上にＡｌＮ系III族窒化物エピタキシャル膜からなる成長用下地層を設けたエピタキシャル基板の上に、ＡｌＮ系III族窒化物からなる単結晶層を形成した積層体を、単結晶基材のみが熱分解するような条件の下で加熱することによって、基材を好適に除去することができ、ＡｌＮ系III族窒化物単結晶からなる自立基板を得ることができる。加えて、単結晶層においては、加熱に伴って転位が低減されるので、結晶品質の優れた自立基板を得ることができる。すなわち、本実施の形態に係る基材層の除去方法によれば、基材の除去を良好に行いつつ、結晶品質の改善が実現されたＡｌＮ系III族窒化物からなる自立基板を得ることができる。
【００８９】
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、基材１ａとしてサファイアを用いているが、本発明に係る作製方法の適用対象となり、その作用効果を奏する限りにおいて、つまりは、III族窒化物結晶を劣化させない加熱条件（温度、圧力、雰囲気など）下で加熱分解するものであれば、基材１ａの材質は必ずしもサファイアには限定されない。その上に形成する成長下地層１ｂの組成や構造、あるいはさらにその上に形成される単結晶層２の形成手法等に応じて適宜に選択されてよい。例えば、ＭｇＯのような各種酸化物材料、ＳｉＣ（炭化ケイ素）のような各種IV−IV族化合物、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮといった各種III−Ｖ族化合物の単結晶の中から、要件を満たすものを選択して用いてもよい。
【００９０】
上述の実施の形態においては、単結晶層２をＮ2ガスとＨ2Ｏガスとの混合ガス雰囲気に曝すようにしていたが、これに代わり、単結晶層２の上に、熱分解を防止するための保護膜を設けるようにしてもよい。
【００９１】
上述の実施の形態においては、基材１ａの側の主面３ａが図２の図面視下部の第１空間１０１ａ側を向くように、かつ、単結晶側の主面３ｂが同じく上部の第２空間１０１ｂ側を向くように積層体３を保持するようにしていたが、除去装置１００における積層体３の保持態様はこれに限られない。すなわち、図２の場合と上下を反転させて積層体３を保持する態様であってもよい。図３は、係る場合の除去装置１００の構成態様を示す図である。この場合、単結晶層２の主面が向いた第１空間１０１ａにＮ2ガスとＨ2Ｏガスとの混合ガス雰囲気を形成し、基材１ａの主面が向いた第２空間１０１ｂにＡｒガスの雰囲気を形成することで、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。あるいは、第１空間１０１ａと第２空間１０１ｂとが水平方向に並列するように設けられてなる態様であってもよい。係る場合、積層体３は、主面が鉛直方向と略平行となるように保持されることになる。
【００９２】
第２空間１０１ｂ内部の雰囲気圧力を第１空間１０１ａ内部の雰囲気圧力よりも大きくするようにしてもよい。係る場合、両者の圧力差によって、積層体３をより安定して保持することができる。
【実施例】
【００９３】
基材１ａとして２インチ径の厚さ２００μｍの（０００１）面サファイア単結晶を用いることとし、これを公知のＭＯＣＶＤ装置の反応容器内のサセプタに載置した。反応容器内の圧力を２０Ｔｏｒｒ以下に設定した後、全ガスの平均流速を１ｍ／ｓｅｃ以上となるように流量を設定し、基材１ａ自体の温度を１１５０℃まで昇温した。
【００９４】
その後、ＮＨ3ガスを供給して基材１ａの表面に窒化処理を施した後、ＴＭＡとＮＨ3とを供給して、成長下地層１ｂとして厚さ１μｍのＡｌＮ層をエピタキシャル形成した。これにより、基板１を得た。この際、形成速度を１．５μｍ／ｈｒとなるように、ＴＭＡ及びＮＨ3の供給量を設定した。ＡｌＮの（０００２）面のＸ線ロッキングカーブを測定したところ、その半値幅は２００秒以下であり、転位密度は８×１０9／ｃｍ2であり、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により原子ステップが明瞭に観察された。この際、III族原子面の成長を実現するために、ＡｌＮ層成長中のIII族原料とＶ族原料の供給モル比が１：１００となるように設定している。ＡｌＮ層の成長終了後、基板１を反応容器から取り出した。
【００９５】
次に、基板１を公知の熱処理炉の炉室内の所定位置に配置して、炉室内の圧力を１気圧に保持しつつＮ2ガスを供給し、１７５０℃で２時間の加熱処理を行った。
【００９６】
上記の加熱処理の後、ＡｌＮ層の結晶品質を評価したところ、Ｘ線ロッキングカ−ブの（０００２）面の半値幅が１００秒、（１０−１２）面の半値幅が３５０秒であった。転位密度は、いずれも９×１０8／ｃｍ2であった。加熱処理の終了後、基板１を炉室内から取り出した。
【００９７】
次に、この基板１を公知のＨＶＰＥ装置の反応管のサセプタに設置した。また、反応管内のボートには、金属Ａｌ原料を保持した、すなわち、III族元素としては、Ａｌのみを用いるものとした。
【００９８】
そして、反応管内の圧力を３０Ｔｏｒｒに設定するとともに、反応管内の気体反応領域の温度が５５０℃となるように、かつ、基板温度が１４５０℃となるように昇温を行った。昇温中は、ＮＨ3とＮ2ガスのみを供給している。
【００９９】
反応管内の圧力および温度が安定すると、それぞれのガス供給源から、ＮＨ3ガスと、Ｈ2ガスとＨＣｌガス（Ｈ2希釈、２０％ＨＣｌガス含有）とを所定のガス導入管を介してボートの近傍へと供給し、ＮＨ3ガスと、Ｈ2ガスとを、異なるガス導入管を介してサセプタで保持された基板１の近傍へ供給した。これにより、基板１の上にＡｌＮからなる単結晶層２としてのＡｌＮ単結晶層を３００μｍの厚みにエピタキシャル形成させた。すなわち、積層体３が得られた。なお、係るＡｌＮ単結晶層の形成に際しては、ＨＣｌの供給量を調整することによってＡｌＮの成長速度が３０μｍ／ｈｒとなるように制御し、反応管内圧力は３０Ｔｏｒｒに設定している。
【０１００】
得られたＡｌＮ単結晶層の表面での転位密度は１×１０8／ｃｍ2であった。ＡｌＮ単結晶層の内部の転位の状態をＴＥＭにて確認したところ、転位の進行方向が、成長方向に対して大きく傾いており、転位同士の合体消失が顕著に生じていることが観察され、クラックも存在しなかった。
【０１０１】
係る積層体３を、図２に示す除去装置１００の炉体１０１の内部に保持した。その際には、基材１ａ側の主面３ａが第１空間１０１ａを向き、単結晶層２側の主面３ｂが第２空間１０１ｂを向くようにした。
【０１０２】
第１空間１０１ａにＡｒガスを供給し、第２空間１０１ｂにＮ2ガスとＨ2Ｏガスとの混合ガスを供給した状態で、加熱手段１０６によって、積層体３を１７５０℃の加熱温度で、４０時間加熱した。
【０１０３】
係る加熱処理の後、基材１ａは白色の物質（分解生成物）に変化しており、一部は炉体１０１の底部に落下していた。単結晶層２に付着した分解生成物は掃拭等によって容易に除去され、単結晶層２からなる自立基板を得ることができた。得られたＡｌＮ単結晶層の表面での転位密度は１×１０7／ｃｍ2であった。ＡｌＮ単結晶層の内部の転位の状態をＴＥＭにて確認したところ、転位密度は膜厚方向で一様であることが観察され、クラックも存在しなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】単結晶自立基板の作製の過程で形成される積層体３の積層構造を概略的に示す断面模式図である。
【図２】基材１ａの除去に用いる除去装置１００の構造を模式的に示す図である。
【図３】変形例について説明する図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  基板
１ａ  基材
１ｂ  成長下地層
２  単結晶層
３  積層体
１００  除去装置
１０１  炉体
１０１ａ  （炉体１０１内の）第１空間
１０１ｂ  （炉体１０１内の）第２空間
１０２  仕切部材
１０２ｈ  貫通孔
１０３  Ａｒガス供給源
１０４  Ｎ2ガス供給源
１０５  Ｈ2Ｏガス供給源
１０６  加熱手段
【図１】
2008047611.tif 000003
【図２】
2008047611.tif 000004
【図３】
2008047611.tif 000005