(57)【要約】 【課題】  異種下地基板の上に気相成長法によってＧａＮ膜を生成し下地基板を除去して作ったＧａＮ単独膜は、熱伝導率や格子定数の違いのために反りが大きくて±４０μｍ〜±１００μｍにもなる。それではフォトリソグラフィでデバイスを製造するのが難しいので反りを＋３０μｍ〜−２０μｍに減少させるのが目的である。【解決手段】  凹型に反った方の面を研削して加工変質層を与える。加工変質層はその面を広げる作用を持ち、その面が凸型になる。凸型になった面の加工変質層をエッチングで除去して反りを減らす。あるいは凸型になった面とは反対側の凹面を研削して加工変質層を発生させる。加工変質層によって凹面が凸面になればエッチングによって加工変質層を適当に除去して反りを減らす。【選択図】  図５
2005136167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし平坦に近づけ反りを低減することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし凸に変形させ、凸に変形した面をエッチングして加工変質層の一部又は全部を除去し凸面を縮めることによって、基板を平坦に近づけ基板の反りを低減することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし凸に変形させ、凸に変形した面をエッチングして加工変質層の一部又は全部を除去し凸面を縮め、凹面に変化した反対側の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹面を延ばして凸面とし、凸に変形した同じ面をエッチングして、凸面を縮めることによって、基板を平坦に近づけ基板の反りを低減することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項４】
反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし凸に変形させ、凹面に変化した反対側の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹面を延ばして凸面とし、凸に変形した同じ面をエッチングして、凸面を縮めることによって、基板を平坦に近づけ基板の反りを低減することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
Ｇａ面側に凸の反りを正、Ｇａ面側に凹の反りを負とし、周辺部を含む平面と基板中心点の距離の値に前記の符号を付けたものを反りＨと定義したときに＋３０μｍ≧Ｈ≧−２０μｍとしてあり、表面に１０μｍ以下の厚みの加工変質層が存在するか、あるいは裏面に機械加工による５０μｍ以下の厚みの加工変質層が存在する事を特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項６】
＋２０μｍ≧Ｈ≧−１０μｍとした事を特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板。
【請求項７】
＋１０μｍ≧Ｈ≧−５μｍとした事を特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、反りを低減した窒化物半導体基板の製造方法と、それによって製造された窒化物半導体基板に関する。半導体基板は円形の板であるが、フォトリソグラフィ、ドーピング、拡散、蒸着、ＣＶＤなどによってデバイスを表面に作製するので表面は平坦であって反りが少ないということが必要である。Ｓｉ、ＧａＡｓウエハの場合でも反りの少ないミラーウエハがデバイス作製の基板として利用されている。
【０００２】
ＩｎＧａＮ層を発光層とする青色発光素子の基板はサファイヤ基板が使われている。サファイヤ基板に形成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ系の発光素子は使用実績もあって信頼性もある。サファイヤ基板も充分に安価であるからＩｎＧａＮ系青色発光素子も低コストでできるようになっている。
【０００３】
しかしサファイヤは絶縁体で底部にｎ電極を付けられずＧａＮ層を付け上面にｎ電極を付けるから余分な面積が必要である。劈開がないので自然劈開でチップに切断できない。異種基板の上に成長したＧａＮ、ＩｎＧａＮだからミスフィットがあって欠陥が多いとかいうように欠点はある。
【０００４】
そこでＧａＮ自体を基板とすることが望まれる。異種の下地基板の上に気相成長法によってＧａＮ膜を厚く成長させ基板を除いてＧａＮの自立膜を作るということによってＧａＮ基板ができるようになってきた。サイズもやっとのことで５０ｍｍ直径のものができるようになってきた。
【０００５】
しかし気相成長したＧａＮ結晶基板はそのまま（アズグロウン）エピタキシャル成長の基板として使われている。気相成長しただけのＧａＮ基板は表面に凹凸が多くて反りも大きくて、その上にＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを成長させてもサファイヤ基板よりも低欠陥になるとは必ずしも言えない。アズグロウンのＧａＮ基板の上に試験的に作った発光素子は、サファイヤ基板上に作った発光素子よりも性能が良いとも言えない。
【０００６】
フォトリソグラフィによってデバイスを作るのだからＧａＮ基板のウエハは平坦で反りの少ないミラーウエハであることが望まれる。鏡面にするには研磨、エッチング技術が必要である。ＳｉやＧａＡｓのように成熟した半導体基板の場合は研磨方法、エッチング方法などがすでに確立している。Ｓｉ、ＧａＡｓはチョクラルスキー法やブリッジマン法のように融液を徐々に固化して結晶成長させることができる。液相からの成長で長い柱状の転位の少ないインゴットができるから、それを内周刃スライサーで切断してウエハとする。だから反りは初めから少ないわけである。
【０００７】
ＧａＮの場合、液相からの成長は不可能で気相成長によっている。また最適の研磨方法、エッチング方法がどういうものであるのかいまだわからない。異種の３回対称性をもつような結晶の上にＧａＮをヘテロ成長させる場合は必ずｃ軸成長になる。表面は（０００１）面と（０００−１）面である。反転対称性がないのでＧａＮの（０００１）と（０００−１）は等価でない。（０００１）面は最表面の全面にＧａ原子の並ぶ面である。（０００−１）面は最表面の全面にＮ原子の並ぶ面である。
【０００８】
そこで前者を（０００１）Ｇａ面あるいは簡単にＧａ面と呼ぶことがある。後者を（０００１）Ｎ面あるいは単にＮ面ということもある。Ｇａ面は化学的物理的に極めて堅牢剛健であり薬剤によっては溶解しない。Ｎ面も化学的物理的に堅固なのであるが、ある種の強酸、強アルカリには少し腐食される。そのような非対称性がある。
【０００９】
下地基板の上にＧａＮを成長させると、表面、裏面がＧａ面あるいはＮ面となる。下地基板の選び方によって表面をＧａ面にもＮ面にもできる。裏面はその反対の極性の面となる。
簡単のため、ここでは表面が（０００１）Ｇａ面で、裏面が（０００１）Ｎ面である場合を考える。その反対の場合でも同様の事が言えるし同様の工夫をすることができる。
【００１０】
本発明は反りを問題にするので反りの定義を最初に与えておく。反りは曲率半径あるいは曲率で表現することができる。それは局所的に与えることができ厳密な表現である。反りが複雑で多くの凹凸を持つ場合でも局所曲率表現によって厳密な反りを表現できる。たとえば鞍点のある反りとかシリンドリカルレンズのような反りとかも表現できる。
【００１１】
が、円形ウエハで一様反りの場合はもっと簡単な表現によって反りを表すことが多い。凹凸が一様な場合、ウエハを平坦面に凸型において中心部分の面からの高さＨを測り、それをもって反りの値とする。それは直観的でもあり測定も容易である。絶対値はそれで決まる。
符号は反りの向きによって与えることにする。図１にその定義を示す。表面側に凸である反りを正（Ｈ＞０）、表面側に凹である反りを負（Ｈ＜０）とすることにする。
【００１２】
ＳｉやＧａＡｓのように長い、転位の少ない単結晶インゴットができる場合は内周刃スライサーやワイヤソーで切るので反りは初めからあまりできない。しかしＧａＮの場合は液相からの成長が不可能で気相成長を行う。熱膨張率の差がある異種基板の上にヘテロ成長させて異種基板を取り除いてＧａＮ結晶とするのだからＧａＮ結晶には大きい反りが現れる。熱膨張率の差だけでなくて、下地基板と上部の膜が異なる材料だから転位もたくさんできる。転位は不規則な応力を発生させる。だから転位の多さによっても反りができる。
【００１３】
異種基板の種類や面方位、気相成長の条件によっても異なるが、異種基板を除いた状態の直径２０ｍｍ〜５０ｍｍのアズグロウン板状ＧａＮ結晶は±４０μｍ〜±１００μｍもの反りをもっている。
【００１４】
そのような大きい反りがあるとフォトリソグラフィによってレジストを露光する場合に寸法の狂いが大きくなる。もっと反りを減らす必要がある。ＳｉやＧａＡｓウエハでも反りが小さくなくてはならない。しかしＧａＮには反りを減らさなくてはならない特別な理由がある。ＧａＮは透明なのでヒータ内蔵のサセプタの上にウエハを置いて加熱したとき、ヒータからの輻射熱がＧａＮ結晶を加熱するというようなことはあまり起こらない。サセプタからの熱伝導が主な熱の伝達手段であってみれば、ＧａＮ結晶裏面が平坦でサセプタと全面で隙間なく接触していることが望まれる。
【００１５】
上に凸（正の反り；Ｈ＞０）の場合は中心部がサセプタと離れることになる。その場合は熱伝導が周辺部から中心に向かうのでまだましである。反対に上に凹（負の反り；Ｈ＜０）の場合は中心だけがサセプタに接触してウエハが回ってしまい位置が不安定になる。それだけでなく原料ガスが廻りの浮き上がり部分から裏面に回り込んで基板の裏面にも薄膜成長したりエッチングされたりする。だから負の反りは正の反りよりさらに不都合である。
【００１６】
アズグロウンの結晶が±４０μｍ〜±１００μｍの反りＨをもつのだから、第１の目標は反りを＋３０μｍ〜−２０μｍの範囲に減少させることである。
さらに望ましくは＋２０μｍ〜−１０μｍに反りを減少させるのが良い。
さらにできれば、反りを＋１０μｍ〜−５μｍとすればより好都合である。
【００１７】
結晶成長方法を工夫して、できたものの反りを少なくするというようなものはいくつかある。それは横方向成長をさせて縦方向の応力を緩和して内部応力を減らし反りを減らすというものと、二つの拮抗する作用を持つ層を成長させ、そのバランスによって反りをなくすというものの二つに大別できる。それらはいずれも成長の条件によってできる結晶の反りを減らそうとするものであり、できてしまった結晶の反りを減らそうとするものではない。
【背景技術】
【００１８】
特許文献１はＳｉ基板の上にＧａＮ膜を成長させＧａＮ／Ｓｉ複合基板を作るとＳｉとＧａＮの熱膨張率の差によってＧａＮ結晶に反りやクラックが発生するということを問題にする。
【００１９】
ＧａＮ結晶の反りやクラックの発生を防止するために、Ｓｉ基板の上にストライプ状にＳｉＯ２膜を形成し、その上にＧａＮ膜を成長させるとＳｉＯ２の上では初めＧａＮの成長は起こらないので応力が緩和されてＧａＮ／Ｓｉ複合基板の反りが減るということを述べている。これはＧａＮの単独膜でなくＳｉ下地基板の上に１０μｍ程度の薄い層を設けた複合基板である。それはＳｉＯ２を介在させて内部応力を減少させたものである。
【００２０】
特許文献２は横方向成長を利用して欠陥の集中する接合部を基板全体に分散させ、基板の反りを抑制することにより結晶性が良い窒化物半導体基板を製造するというものである。
【００２１】
特許文献３は横方向成長によって転位を減らし応力を減少させることによって反りをも減らす成長方法を提案している。
【００２２】
特許文献４は横方向成長によって転位を減らし応力を減らして反りの発生を防ぐような成長方法を提案している。
【００２３】
特許文献５は半導体としてでなくミラーとしてＳｉ結晶を利用する。凹面鏡または凸面鏡をＳｉ結晶によって作りたい。Ｓｉ結晶を所望の曲率をもつように変形させる必要がある。これはＳｉ基板にダイヤモンド薄膜を堆積させ、ダイヤモンド薄膜／Ｓｉ基板間の応力によってＳｉ基板を変形させる。つまり、もともと平坦なものを無理に反らせて凹面鏡、凸面鏡とするものである。ダイヤモンドの生成の条件によってＳｉを任意の曲率で反らせることができるという。
【００２４】
特許文献６は大口径のＳｉウエハにデバイスを形成したあと所望の厚さに減らすため裏面研削をして機械的に裏面を削るが、そうすると加工歪み層ができ反りが８００μｍにもなるがエッチングでそれを除去するのは時間がかかりすぎるという事を問題にする。Ｓｉウエハ裏面の加工歪み層はアモルファスであることわかった。そこでハロゲンランプの光をＳｉ裏面に５秒間当てて６００℃〜７００℃に瞬時加熱して加工歪み層をアモルファスから結晶質に変えて反りをなくすと言っている。これは加工歪み層を除去するのではなく変質させて反りをなくすというものである。
【００２５】
【特許文献１】特開平１１−１８６１７８号「窒化ガリウム系化合物半導体及びその製造方法」
【００２６】
【特許文献２】特開２００２−２０８７５７「窒化物半導体基板及びその製造方法」
【００２７】
【特許文献３】特開２００２−３３５０４９「窒化ガリウム系素子用半導体基板」
【００２８】
【特許文献４】特開２００２−２７０５２８「低欠陥窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体基板」
【００２９】
【特許文献５】特開２００２−２２８７９８「シリコン基板の反り変形方法」
【００３０】
【特許文献６】特開２００３−１７９０２２「半導体ウエハ反り量の低減方法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
窒化物半導体は主に気相成長によって異種基板の上に薄膜を堆積し下地基板を除去して作るので熱膨張率の違い、格子定数不整合によって転位が高密度に発生し反りも大きい。成長方法を工夫することによって内部応力を減らし反りを減らす方法が様々に提案されているが、それでもなお不十分である。
【００３２】
そのような方法でも膜厚が大きくて直径が大きい窒化物半導体結晶を製造すると転位、反りが大きくなり、下地基板を除去すると割れてしまうことが多い。割れない場合でも反りは大きくて±１００μｍ〜±４０μｍにも達する。そのように反りが大きい結晶基板を成長後の加工によって反りを減らすようにすることが本発明の目的である。
【００３３】
２インチウエハで窒化物半導体基板の反りの値を＋３０μｍ〜−２０μｍの範囲にするような加工方法を提供することが第１の目的である。ＧａＮ基板の反りの値を＋２０μｍ〜−１０μｍにする加工方法を提供することが第２の目的である。成長後の加工によって窒化物半導体基板の反りの値を＋１０μｍ〜−５μｍに減少する加工方法を与えることが本発明の第３の目的である。反りが＋３０μｍ〜−２０μｍの窒化物半導体基板を提供する事が本発明の第４の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし平坦に近付け反りを低減する。
【００３５】
あるいは、反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし凸に変形させ、凸に変形した面をエッチングして加工変質層の一部又は全部を除去し凸面を縮めることによって、基板を平坦に近付け基板の反りを低減する。
【００３６】
或いは、 反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし凸に変形させ、凸に変形した面をエッチングして加工変質層の一部又は全部を除去し凸面を縮め、凹面に変化した反対側の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹面を延ばして凸面とし、凸に変形した同じ面をエッチングして、凸面を縮めることによって、基板を平坦に近付け基板の反りを低減する。
【００３７】
また或いは、反りのある窒化物半導体基板の凹の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹の面を延ばし凸に変形させ、凹面に変化した反対側の面を機械研削し加工変質層を導入することによって凹面を延ばして凸面とし、凸に変形した同じ面をエッチングして、凸面を縮めることによって、基板を平坦に近付け基板の反りを低減する。
【００３８】
ＧａＮ基板の製造の段階から本発明の研磨、エッチングまでをより詳しく述べる。
［１．ＧａＮインゴットの成長］
特開２０００−１２９００、特開２０００−２２２１２に記載の方法によってＧａＮ自立膜を作る。（１１１）ＧａＡｓのウエハにＥＬＯマスクを付けてＨＶＰＥ法、ＭＯＣ法などでＧａＮを成長させる。
【００３９】
ＥＬＯマスクに成長させて応力を減少させる。さらにファセット成長させて転位を減少させる。１００μｍ〜数ｍｍの厚みのＧａＮを得る。ＧａＡｓ基板を除去してＧａＮ単独基板とする。
【００４０】
ＧａＡｓ下地基板の除去には王水によって溶解するとか研磨によって削り取るとか剥離によって分離するとかの手法がある。薄い場合はそのまま１枚のＧａＮ自立ウエハとし、厚い場合はスライサーで切って複数枚のウエハを得るようにする。
【００４１】
ＧａＡｓを除去したあとのアズグロウンのＧａＮ結晶は裏面側に凸であることが多く、反りＨは±４０μｍ〜±１００μｍもある事が多い。表面側の凹凸（Ｒｍａｘ）も１０μｍ以上ある。下地基板とＧａＮの熱膨張率の大きいこと、格子不整合によって大量の転位が発生することによって、そのような大きい反りが生ずる。先に述べたようなマスクを使った横方向成長などを行っても、そのような反りの発生は不可避である。
【００４２】
その上にデバイスを製造すべきＧａＮ基板とするには、反りを低減し、表面及び裏面の平坦化（面粗度を下げること）が必要である。ここからが本発明の話になってくる。
【００４３】
［２．研削基板の加工変質層評価］ 
研削後の基板の加工変質層はＳＥＭおよびＣＬ（カソードルミネセンスセンス）：Cathode Luminescence）によって断面観察をして評価した。
観察の結果＃３２５のダイヤモンド砥石を利用してＧａＮ結晶表面を研削した場合の加工変質層の深さは約４．８μｍであることが分かった。
【００４４】
砥石のメッシュと表面粗さには相関がある。砥石が粗ければ粗いほど、それで研削したものの表面は粗くなる。砥石の目が細かければ、それで研削したものの表面は平坦になる。また加工変質層は研削によって生じるものだから加工変質層は砥石の粗さと関係があるはずである。ということは砥石の目の粗さを通じて加工変質層の厚みと表面粗さは相関がある筈である。
【００４５】
そこで加工変質層の深さと表面粗さの関係を調べた。その結果を図２のグラフに示す。横軸は砥石のメッシュ（＃）である。番号が大きいほど細かい砥石である。ここでは＃８０、＃３２５、＃１０００の砥石で削ったＧａＮ結晶の加工変質層と表面粗さを示す。左縦軸が加工変質層深さ（厚み；μｍ）を示す。右縦軸が表面粗さＲａ（μｍ）を示している。
【００４６】
表面粗さが小さいほど加工変質層は薄くなっていることがわかる。加工変質層の深さは使用した砥石のダイヤモンドの粒径に依存している。ということは加工変質層の深さを制御する事ができるということである。目の細かい砥石を使えば加工変質層を小さくして、かつ平滑（Ｒａ、Ｒｍａｘが小さくなる）にできる。また目の粗い砥石を使えば厚い加工変質層を積極的に生成できる。
【００４７】
適当な目の砥石で研削すると表面は平滑になり加工変質層が発生する。加工変質層はその面を広げる作用がある。それが過剰であると結晶が反対側に反ってしまう。それを矯正するには加工変質層を一部除去すればよい。そのためにエッチングを行った。エッチングは薬剤を用いるウエットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングの両方を試みた。
【００４８】
［３．表面ウエットエッチングの検討］ 
表面を加工した後に、ウエットエッチングを行った。ＫＯＨ（水溶液濃度８Ｎ）を８０℃に加熱し、ＧａＮ基板をこの溶液中に浸漬してウエットエッチングを行った。反りはしかし変化しなかった。これは研磨によって加工変質層が発生した表面はＫＯＨによってウエットエッチングされないということである。
【００４９】
（０００１）面ＧａＮは極性がある。Ｇａ原子が終端している面（Ｇａ面）と、Ｎ原子が終端している面（Ｎ面）がある。Ｇａ面は硬く堅牢であり化学的にも安定である。Ｇａ面を効果的にエッチングできるような薬剤は存在しない。表面はＧａ面であり裏面はＮ面であるから、ＫＯＨ液中に入れると裏面のＮ面は僅かにエッチングされるが表面のＧａ面は全く腐食されない。表面を研磨して表面に加工変質層があるのだからＫＯＨでは表面の加工変質層は除去されない。
【００５０】
加熱したＫＯＨのような強アルカリや、Ｈ３ＰＯ４などの強酸でウエットエッチングをしたという文献がある。しかしそれはＮ面を腐食するだけである。本発明者が製造しているＧａＮはＮ面とＧａ面が交代して現れるような複合的な表面をもつ。それをＫＯＨやＨ３ＰＯ４などでウエットエッチングするとＮ面だけ腐食されて穴が開くので凹凸ができてしまう。せっかく研磨したのに表面が荒れてしまってなんにもならない。だから結局、表面（Ｇａ面）はウエットエッチング不可能ということである。
【００５１】
［４．裏面のウエットエッチング］ 
ＧａＮの裏面（Ｎ面）を研削する。裏面に研磨による加工変質層が生成され基板は裏面側に凸に反る（反りは負）。マイナスの反りをもつ基板を８０℃の８ＮのＫＯＨ溶液あるいは燐酸Ｈ３ＰＯ４でウエットエッチングすると、エッチング時間の経過とともに反り絶対値が減少することが分かった。つまりＮ面である裏面は強アルカリ、強酸で腐食され減少する加工変質層がそれだけ減少することによって反りが減るのである。つまり裏面の研磨とウエットエッチングは反りを減らすためには使える方法である。
【００５２】
その結果を図３に示す。上記の表面ウエットエッチングと同じ条件で、裏面のウエットエッチングを行った。横軸は裏面のウエットエッチング量（μｍ）、縦軸は反り（μｍ）を表す。初め−３２μｍの反りを持つ表面が凹のＧａＮ基板をウエットエッチングすると、反りが減っていくことがわかる。５μｍ程度エッチングを行うと、反りは−１０μｍ程度になり、それ以上エッチングを行っても、−１０μｍの反りは減らなかった。
また、厚みばらつきは数μｍ以下であり問題のないレベルであった。
裏面をウエットエッチングすると、表面はミラーで全体として透明であったＧａＮ結晶がすりガラス状に曇った。裏面が粗面化したためである。裏面がガラス状でも良い場合は反りが減ったのだから、これで使える。
【００５３】
しかし裏面がガラス状では困る、裏面もミラー面でなければならないという場合もある。その場合は裏面をドライエッチングによって加工変質層を除去するようにしなければならない。ドライエッチによって裏面を除去するとすりガラスのようにはならない。
【００５４】
Ｇａ面はウエットエッチングが不可で、Ｎ面はウエットエッチングが可能ということを述べた。Ｎ面（裏面）の加工変質層はウエットエッチングでもドライエッチングでも除くことができる。表面はドライエッチングによるしかない。
【００５５】
［５．表面のドライエッチングの検討］ 
表面（Ｇａ面）はウエットエッチングが効かないので、ドライエッチングによる他はない。ドライエッチングが可能であれば、それによって表面側の加工変質層を除くことができるはずである。
【００５６】
ＧａＮのドライエッチングを以下の条件で行えば表面をエッチングすることができる。
【００５７】
設備：  反応性イオンエッチング装置 
ガス：  ハロゲンガス（塩素ガス） 
塩素流量：  ５ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍ 
エッチング時圧力：  ０．１Ｐａ〜１０Ｐａ 
プラズマパワー：アンテナ１００Ｗ〜５００Ｗ， 
バイアス  ５Ｗ〜２０Ｗ 
【００５８】
図４に塩素流量＝１０ｓｃｃｍ、圧力Ｐ＝１Ｐａ、アンテナ３００Ｗ、バイアス１０Ｗで表面（Ｇａ面）をドライエッチングしたときの表面エッチング量と反りの関係を示す。横軸はエッチング量（μｍ）である。縦軸は反り（μｍ）である。はじめ反りは４０μｍであったものが、エッチングをすることによって反りが減って行く。エッチング量が０．８μｍの時に反りが＋３０μｍに減った。エッチング量が１．３μｍで反りが＋２２μｍに減った。エッチング量が２．５μｍでは反りが＋１６μｍに減少した。エッチング量が３．６μｍでは反りが＋１３μｍに減った。エッチング量が５．５μｍだと反りは＋１０μｍに減少した。エッチング量が６μｍ以上になると反りが減らないようになり＋１０μｍの程度でとどまる。
【００５９】
表面はＧａ面でありウエットエッチングでは腐食できなかったのであるがドライエッチング（ＲＩＥ）ではＧａ面をもエッチングできることがわかった。そしてエッチングすることによって正の反り（表面に凸）が減少するということもわかった。それは重要な発見である。表面には加工変質層があり、それが正の反り（表面側に凸）をもたらしていたのである。その表面がエッチングで減少したために正の反りを起こさせるものが減ったのであるから、反りが減少してゆくのである。そのように解釈することができる。
【００６０】
［６．裏面のドライエッチングの検討］ 
裏面（Ｎ面）も、表面と同じような条件でドライエッチングすることができた。塩素プラズマを使ったドライエッチングによって、裏面も加工変質層を除去することができた。加工変質層を裏面から除去することによって反りが表面に対して凹型から表面に対して凸型の方へ変わった（反りが負側から正側へ向けて変化した）。裏面の面粗度を悪化させることなく裏面の加工変質層を除去することができた。
【００６１】
［７．反りの制御］ 
ここにおいて研削等の機械的加工とドライエッチングを組み合わせることによって反りを制御することができるということが明らかになる。表面（Ｇａ面）でも裏面（Ｎ面）でも研削をすると加工変質層ができる。加工変質層は研削面に押圧力を生じて広がろうとする。だから表面に加工変質層を作ると表面が凸に反る。両面に加工変質層を作ると裏面が凸に反る。加工変質層の厚みｄによって反り量を加減できる。ドライエッチングによって加工変質層を除去できる。加工変質層の厚みを減らすと凸から凹の方へと変化する。だから加工変質層を形成することによって反りを制御することができるわけである。
その様子を図５に示した。ウエハ中に描かれている複数の縦線は転位を示している。また、ウエハの表裏面に細かい点々が描かれているが、これは研削によってできた加工変質層である。図５（ａ）は表面が凸（Ｈ＞０）のウエハの場合に、凹の裏面を研削し、裏面に加工変質層を作り反りを減らす方法を示す。図５（ｂ）は表面が凹（Ｈ＜０）のウエハの場合に、凹の表面を研削し、表面に加工変質層を形成し、反りを減らす方法を示している。図５（ｃ）は表面が凹（Ｈ＜０）のウエハの裏面を研削して裏面に加工変質層を生成したものの裏面にドライエッチングを行い、裏面の加工変質層を減らし薄くする方法を示す。
【００６２】
気相成長法で異種基板の上に成長させて下地基板を除いたＧａＮ基板の反りは±４０〜±１００μｍもある。そのように反りが大きいとフォトリソグラフィによってデバイスを作製するときの露光パターンの誤差が大きくなりすぎる。コンタクト露光する場合は基板を押さえるので反りがあると割れることもある。だからＧａＮ基板の反りは＋３０μｍ〜−２０μｍでなければならない。さらに望ましくは＋２０μｍ〜−１０μｍであり、最も良いのは＋１０〜−５μｍである。
【００６３】
ＧａＮ基板は透明である。ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって薄膜形成したり電極蒸着する場合、ヒータ内蔵サセプタの上にウエハを置いてウエハを加熱する訳であるが、透明だからヒータからの輻射熱を充分に吸収できない。輻射熱よりもサセプタからの熱伝導によって熱を吸収する。熱伝導だからウエハとサセプタの接触状態に関して敏感である。加熱を均一にするにはウエハとサンプルの接触状態を均一にする必要がある。ウエハに反りがあると熱伝導が中心部（凹型反り）あるいは周辺部（凸型反り）に限定される。そのため均一加熱できず、直径方向に強い温度分布が発生する。そのためにデバイス特性がばらついてしまう。その点でＳｉやＧａＡｓと大きく異なる。
【００６４】
だからＧａＮ基板にはＳｉ基板やＧａＡｓ基板よりも反りに関してより厳しい条件が課される。熱伝導を均一にするためサセプタとの接触を一様にしたいのであるから、反りが０であるのがベストである。許容される幅は上下に同じなのではなくて、上に凸の反りの場合は３０μｍまで、上に凹の反りの場合は２０μｍまでが許容範囲である。
【００６５】
だから許容できる反りの範囲は 
（ａ）＋３０μｍ〜−２０μｍ 
（ｂ）＋２０μｍ〜−１０μｍ 
（ｃ）＋１０μｍ〜−５μｍ 
の範囲である。
【発明の効果】
【００６６】
気相成長法によって異種基板の上に成長させ異種基板を取り除いて得たＧａＮ結晶ウエハの反りは大きくてフォトリソグラフィによってデバイスを作ると転写パターンの誤差が大きくなる。真空チャックするときに割れるということもある。
【００６７】
本発明は反りを＋３０μｍ〜−２０μｍとするので真空吸着してもウエハが割れるということはない。密着露光のためマスクとウエハを接触させてもウエハが割れない。反りがないからマスクパターンが正確にレジストへ転写される。露光パターンに誤差が出ない。デバイス作製の歩留まりが向上する。
【００６８】
加工変質層を利用して反りをなくすようにするので、本発明のウエハには加工変質層が幾分残留する。裏面側で最大５０μｍ、表面側で最大１０μｍの加工変質層が存在することもある。表面側での加工変質層は薄いのでデバイスを作製する際の障害にならない。裏面側でも加工変質層は５０μｍ以下なのでウエハプロセスによる加工によってクラックが伸びるとか割れが発生するとかいうような不都合が起こらない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
本発明者が発見したことはメッシュの粗い砥石で研削すると加工変質層ができ加工変質層はその面を広げるような作用を持つという事、エッチングによって加工変質層を減らすとその面を広げる作用は減少するということである。だから表面、裏面に加工変質層（研削）を導入し、その一部を除去することによって反りの少ない平坦な基板を得るというのが本発明の新規な手法である。
【００７０】
反りＨを符号も含めて考えると表面加工変質層導入Ｓ、裏面エッチングＴは反りＨを増やす。表面エッチングＵ、裏面加工変質層導入Ｗは反りＨを減らす。
【００７１】
（Ｈ逓増加工）  表面加工変質層導入Ｓ、裏面エッチングＴ
（Ｈ逓減加工）  表面エッチングＵ、裏面加工変質層導入Ｗ
【００７２】
ということである。表面加工変質層導入Ｓと表面エッチングＵは独立の加工であって必ずしも対にならなくてもよい。裏面エッチングＴと裏面加工変質層導入Ｗは独立であって必ずしも対にならなくてもよい。しかしエッチングは加工変質層を除去するものでなければならないので、表面エッチングＵには表面加工変質層導入Ｓが先行しなければならない。裏面エッチングＴには裏面加工変質層導入Ｗが先行していなければならない。
【００７３】
一歩進めて、これらの符号によって反りの増減量をも表すものとする。そうするとＳ、Ｔは正の値を、Ｕ、Ｗは負の値を取る。加工変質層による反り変化よりもエッチングによる反り変化の絶対値は小さいので、Ｓ＋Ｕは正、Ｗ＋Ｔは負である。つまり
【００７４】
Ｓ＞０、Ｔ＞０        （１） 
Ｕ＜０、Ｗ＜０        （２） 
Ｓ＋Ｕ＞０            （３） 
Ｗ＋Ｔ＜０            （４） 
【００７５】
初期反りをＨｉとして、最終反りをＨｏとする。基本的には
【００７６】
Ｈｉ＋Ｓ＋Ｕ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ    （５） 
【００７７】
となる。
最終反りＨｏは０μｍであるのが最も良いのだが、０の周りに好適な範囲があって
【００７８】
＋３０μｍ≧Ｈｏ≧−２０μｍ  （６）
【００７９】
とすれば良いのである。式（５）の意味するところは、表面研削によって反りを増やし（Ｓは正だから）、表面エッチングで反りを減らし（Ｕは負だから）、裏面研削で反りを減らし（Ｗは負だから）、裏面エッチングで反りを増やし（Ｔは正だから）て（−２０μｍ〜＋３０μｍの）適正な最終反りＨｏにするということである。簡単のため最終反りＨｏは０として考える事ができる。式（１）〜（４）の条件だけだと初期反りＨｉが如何なるものであっても最終反りを０に、あるいは適正範囲（６）に納めることができるはずである。
【００８０】
しかし最終的に表面側の加工変質層の厚みは１０μｍ以下であるということから、Ｓ＋Ｕ（正の値）に制限が課される。裏面側の加工変質層の厚みは５０μｍ以下であるということからＷ＋Ｔ（負の値）にも制限が課されることになる。
【００８１】
Ｗ＋Ｔがかなり絶対値の大きい負になりうるので初期反りＨｉが正の場合に本発明は特に自由度が大きく実施しやすいということである。
【００８２】
初期反りＨｉが正の場合つまり表面（Ｇａ面）側に凸である場合は、Ｓ、Ｕのステップを除いて
【００８３】
（Ｈｉ＞０）          Ｈｉ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ      （７）
【００８４】
だけによって反りを減らすことができる。つまり裏面研削Ｗと裏面エッチングＴだけで良いということである。また裏面研削による反り変化を正確に制御できるのであれば、裏面エッチングＴをも省略できる。つまり
【００８５】
（Ｈｉ＞０）          Ｈｉ＋Ｗ＝Ｈｏ      （８）
【００８６】
というようにする。それは裏面研削Ｗだけで反りをなくすことができると主張しているのである（実施例３）。
【００８７】
初期反りＨｉが負の場合つまり表面（Ｇａ面）側に凹である場合は、Ｈを増やさなくてならないので、Ｓ、Ｔ（ＳもＴも正）が必要になる。ところがＴはＷを必要とするから、省く事ができるのは、表面エッチングＵだけである。
【００８８】
（Ｈｉ＜０）          Ｈｉ＋Ｓ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ      （９）
【００８９】
ということが可能である。それは表面研削Ｓ、裏面研削Ｗ、裏面エッチングＴだけによって反りを減らすことができると言っているのである（実施例２）。
【００９０】
しかし初期反りＨｉが負の場合は４つのステップを全部使った方が良いこともある。
【００９１】
（Ｈｉ＜０）          Ｈｉ＋Ｓ＋Ｕ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ      （１０）
【００９２】
それは表面研削Ｓ、表面エッチングＵ、裏面研削Ｗ、裏面エッチングＴによって反りを減らすことができると言っているのである（実施例１）。初期反りＨｉが正であっても（９）、（１０）の手法を使える。だから本発明の可能な手法を全部書くと次のようになる。
（Ｈｉ＞０）          Ｈｉ＋Ｗ＝Ｈｏ      （８） 
（Ｈｉ＞０）          Ｈｉ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ      （７） 
（Ｈｉ正負）          Ｈｉ＋Ｓ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ      （９） 
（Ｈｉ正負）          Ｈｉ＋Ｓ＋Ｕ＋Ｗ＋Ｔ＝Ｈｏ      （１０） 
【実施例】
【００９３】
先述のように、ＧａＡｓ下地基板の上にＨＶＰＥ法によってＧａＮを成長させた。ＧａＡｓ下地基板を除去しＧａＮの自立単独結晶とした。得られたアズグロウンＧａＮ結晶基板は直径５０．８ｍｍ（２インチ）、厚み５００μｍであった。
【００９４】
表面側（Ｇａ面）に凹であって、反りの絶対値は４０μｍ以上であった（Ｈ＜−４０μｍ）。表面の面粗度はＲｍａｘ１０μｍ以上であった。表面粗さと反りは触針式表面粗さ測定機（東京精密社製Ｓｕｒｆｃｏｍ）を使用して測定した。
【００９５】
ＧａＮ結晶は、アルミナセラミック製のプレートにワックスによって貼り付けた。それを下記の条件で研削した。
【００９６】
【表１】
2005136167.tif 000003
【００９７】
研削直後の研磨プレートに貼り付けたままのＧａＮ結晶基板は平坦度（反り）は±２μｍ以下であり、表面粗さＲｍａｘ０．５μｍ以下であった。研磨プレートが平坦なのだから研磨プレートに貼り付けた拘束状態での反りが小さいのは当然のことである。
【００９８】
研磨プレートを１００℃に加熱してＧａＮ基板結晶をプレートから剥離した。
プレートから離脱したＧａＮ結晶基板をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）で超音波洗浄した。そして、それぞれの段階においてＧａＮ基板の反りを測定した。
【００９９】
そのような研削は表面（Ｇａ面）と裏面（Ｎ面）の両方について行う。研削すると加工変質層ができる。研削の後すぐにエッチングをして加工変質層を除去するようにした。Ｎ面（裏面）はＫＯＨによりウエットエッチングで腐食できるが、Ｇａ面（表面）はウエットエッチングでは効果がないので塩素プラズマによるドライエッチングによってエッチングする。もちろん裏面もドライエッチング可能である。エッチングの条件は
【０１００】
【表２】
2005136167.tif 000004
【０１０１】
表面と裏面のどちらを先に研削してもよい。Ａ工程、Ｂ工程として、その順序を示す。研削とエッチングを常にセットにして続けて行う必要もなくて、両面研削をしてから両面のエッチングを続けて行っても良い（Ｃ工程、Ｄ工程）。洗浄・乾燥は研磨プレートから離脱したときとかエッチングの後とかステップごとに行うので、ここには省略した。
【０１０２】
（Ａ工程） 
表面研削 
表面ドライエッチング（塩素プラズマ） 
裏面研削 
裏面ウエットエッチング（ＫＯＨ）又はドライエッチング（塩素プラズマ）
【０１０３】
もう少し詳しく書くと以下のような工程順になる。
基板成長→プレート貼付→表面研削→プレート離脱（剥離）→表面ドライエッチング→プレート貼付→裏面研削→プレート離脱（剥離）→裏面ウエットエッチングまたはドライエッチング
【０１０４】
（Ｂ工程） 
裏面研削 
裏面ウエットエッチング（ＫＯＨ）又はドライエッチング（塩素プラズマ）
表面研削 
表面ドライエッチング（塩素プラズマ）   
【０１０５】
もう少し詳しく書くと以下のような工程順になる。
基板成長→プレート貼付→裏面研削→プレート離脱（剥離）→裏面ウエットエッチング又はドライエッチング→プレート貼付→表面研削→プレート離脱（剥離）→表面ドライエッチング
【０１０６】
（Ｃ工程） 
表面研削 
裏面研削 
表面ドライエッチング（塩素プラズマ） 
裏面ウエットエッチング（ＫＯＨ）又はドライエッチング（塩素プラズマ）
【０１０７】
（Ｄ工程） 
裏面研削 
表面研削 
裏面ウエットエッチング（ＫＯＨ）又はドライエッチング（塩素プラズマ）
表面ドライエッチング（塩素プラズマ） 
【０１０８】
以下に示す実施例１では、Ａ工程を採用しており、基板成長後の自由状態、研削後のプレートに付着した拘束状態、プレート離脱後の自由状態、表面ドライエッチング後の自由状態、裏面形成後プレートに付着した拘束状態、裏面エッチング後の自由状態での反りを測定している。実施例２はＡ工程の表面エッチングを省略したものである。
【０１０９】
［実施例１（凹反りＨ＜０：表面研削→表面ＤＥ→裏面研削→裏面ＤＥ）］
ＧａＡｓ下地基板を除去したＧａＮ結晶（２インチφ、５００μｍ厚み）は自由状態で反りがＨ＝−５０μｍであった（表面側に凹）。裏面を研磨プレートに貼り付け表面を研削した。研削条件は先述の通りである。表面研削後貼り付けた拘束状態での反りの絶対値は１μｍ以下であった。ＧａＮ結晶をプレートから剥離した自由状態でのＧａＮ結晶の反りはＨ＝＋３０μｍであった。
【０１１０】
つまり表面側に凸に変わったのである。これは表面に厚い加工変質層が研削によって導入され加工変質層が表面を広げるような応力を発生するからである。表面に加工変質層があるといけないので、表面を塩素プラズマでドライエッチング（ＤＥ）した。そのあとの反りはＨ＝＋１０μｍとなった。表面側に凸という条件は変わらないが反り量が減ったのである。さらに表面をプレートに貼り付けて裏面を研削した。研削の条件は先述のとおりである。裏面研削後のプレートに付着した拘束状態での反りは１μｍ以下であった。
【０１１１】
ＧａＮ結晶をプレートから外した自由状態での反りは−２０μｍであった。これは裏面側に研削によって加工変質層が発生し加工変質層がその面を広げる作用があるからである。裏面を次にドライエッチングしたあとの自由状態での反りはＨ＝−５μｍになった。反りが殆ど消失したということである。これは本発明の条件＋３０μｍ≧Ｈ≧−２０μｍを充分に満足する。より好ましい条件＋２０μｍ≧Ｈ≧−１０μｍをも満たすし、最適の条件である＋１０μｍ≧Ｈ≧−５μｍをも満足する。
【０１１２】
研削すると加工変質層が生じ、それがその面を押し広げるので反対側へ反りが変化する。エッチングによって加工変質層を除去すると除去量に応じて反りが減ってくるということである。つまり研削とエッチングを組み合わせることによって反りを減らす、あるいはなくすようにできるということである。
【０１１３】
【表３】
2005136167.tif 000005
【０１１４】
［実施例２（凹反りＨ＜０：表面研削→裏面研削→裏面ＤＥ）］
実施例１の表面ドライエッチング（ＤＥ）を省略したものが実施例２である。
ＧａＡｓ下地基板を除去したＧａＮ結晶（２インチφ、５００μｍ厚み）は自由状態で反りがＨ＝−５０μｍであった（表面側に凹）。裏面を研磨プレートに貼り付け表面を研削した。研削条件は先述の通りである。表面研削後貼り付けた拘束状態での反りの絶対値は１μｍ以下であった。ＧａＮ結晶をプレートから剥離した自由状態でのＧａＮ結晶の反りはＨ＝＋３０μｍであった。
【０１１５】
つまり表面側に凸に変わったのである。これは表面に厚い加工変質層が研削によって導入され加工変質層が表面を広げるような応力を発生するからである。表面ドライエッチングを行わず、表面をプレートに貼り付けて裏面を研削した。研削の条件は先述のとおりである。裏面研削でクラックが部分的に生ずる場合があった。裏面研削後のプレートに付着した拘束状態での反りは１μｍ以下であった。
【０１１６】
ＧａＮ結晶をプレートから外した自由状態での反りは−３０μｍであった。これは裏面側に研削によって加工変質層が発生し加工変質層がその面を広げる作用があるからである。裏面を次にドライエッチングした。そのあとの自由状態での反りはＨ＝−２０μｍになった。これは本発明の条件＋３０μｍ≧Ｈ≧−２０μｍを満足する。フォトリソグラフィが可能な反りの範囲である。これは表面のエッチングを行っていないからＨをプラスにする因子が弱くなるのである。
【０１１７】
【表４】
2005136167.tif 000006
【０１１８】
［実施例３（凸反りＨ＞０：裏面研削）］
ＧａＡｓ下地基板を除去したＧａＮ結晶（２インチφ、５００μｍ厚み）は自由状態で反りがＨ＝＋３０μｍであった（表面側に凸）。セラミックプレートに貼り付けて加工変質層が小さくなるように両面を研削した。つまりメッシュの細かい砥石を使う。Ｒａは５ｎｍ以下であった。
【０１１９】
この場合は表面研削加工変質層生成、表面エッチングなしで反りを除去できより簡単である。表面をプレートに貼り付けて裏面を研削した。研削の条件は先述の通りである。裏面研削後のプレートに付着した拘束状態での反りは１μｍ以下であった。ＧａＮ結晶をプレートから外した自由状態での反りは＋１０μｍであった。反りが＋であるから裏面エッチングは行わない。この実施例は凸反りの場合は裏面に加工変質層を導入するだけで反りを減らすことができるということを意味している。
【０１２０】
【表５】
2005136167.tif 000007
【０１２１】
ここにおいて、もしも裏面研削のあとの反りが負（裏面側に凸）であれば、裏面をエッチングして加工変質層の一部を除けば、より平坦（Ｈ→０）に近付く。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】表面側に凸の反りを正とし、裏面側に凸の反りを負とする反りの符号の定義を示す基板の概略断面図。
【図２】２インチＧａＮの表面（Ｇａ面）を＃８０、＃３２５、＃１０００のダイヤモンド砥石で研削加工したときの、表面粗さ（Ｒａ：μｍ）と加工変質層深さ（μｍ）の測定結果を示すグラフ。横軸は砥石メッシュ＃、右縦軸は面粗度Ｒａ（μｍ）、左縦軸は加工変質層深さ（μｍ）である。メッシュを仲介として加工変質層が深くなればなるほど面粗度が大きくなることが分かる。
【図３】裏面研削後のＧａＮウエハの裏面（Ｎ面）の加工変質層を、ＫＯＨ溶液を用いてウエットエッチングしたときのエッチング量と、反りＨの測定値のグラフ。横軸はエッチング量（μｍ）であり、縦軸はウエハの反りＨ（μｍ）である。初め−３３μｍの凹反り（表面側に凹）だったものがエッチングをすると反りが減って行くことがわかる。５μｍ程度エッチングすると反りは一定値−１０μｍ程度になって、それ以上減らない。
【図４】塩素プラズマを用いて研削後のＧａＮウエハの表面（Ｇａ面）の加工変質層をドライエッチングしたときのエッチング量と、反りＨの測定値のグラフ。横軸は表面エッチング量（μｍ）であり、縦軸はウエハの反りＨ（μｍ）である。初め＋４１μｍの凸反り（表面側に凸）だったものがエッチングをすると反りが減って行くことがわかる。６μｍ程度エッチングすると反りは一定値＋１０μｍ程度になって、それ以上減らない。
【図５】研削による加工変質層生成とエッチングによる加工変質層減少を組み合わせてウエハの反りを減少させる本発明の根本的な手法を説明するための結晶断面図。縦の線は転位を示す。打点は加工変質層を示す。図５（ａ）は成長後の基板結晶が表面側に凸反りの場合（Ｈ＞０）には裏面を研削して裏面に加工変質層を生成し裏面をのばして反りを減らすという手法を示す。図５（ｂ）は成長後の基板結晶が表面側に凹反りの場合（Ｈ＜０）には表面を研削して表面に加工変質層を導入し表面をのばして反りを減らすという手法を示す。図５（ｃ）は裏面を研削して加工変質層が過度に生成されて表面側に凹反りになっている場合、裏面の加工変質層をエッチングによって除去して加工変質層を薄くして反りを減らすという手法を示している。
【図１】
2005136167.tif 000008
【図２】
2005136167.tif 000009
【図３】
2005136167.tif 000010
【図４】
2005136167.tif 000011
【図５】
2005136167.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月23日(2004.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005136167.tif 000013