(57)【要約】【課題】本発明は窒化ガリウム（ＧａＮ）系の単結晶基板の製造方法に関する。【解決手段】窒化ガリウム系の単結晶成長用基板の上面に窒化ガリウム単結晶バルクを形成する段階（同図（Ａ））と、前記成長用基板が複数個に分割されるよう前記成長用基板に所定の幅を有する溝を形成する段階（同図（Ｂ））と、前記成長用基板の下面にレーザーを照射して前記成長用基板から前記窒化ガリウム単結晶バルクを分離する段階（同図（Ｃ））とを含む窒化ガリウム単結晶基板の製造方法を提供する。本発明の窒化ガリウム単結晶基板の製造方法によると、成長用基板の分離のためのレーザー照射段階前に前記成長用基板が分割されるよう溝を形成してパターニングすることにより、２インチ以上の大きい窒化ガリウム単結晶基板を製造する場合にも格子不整合と熱膨張係数によるクラックを最少化し良質のＧａＮ系の単結晶基板を製造することができる。【選択図】図１
2005001974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系の単結晶成長用基板の上面にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）単結晶バルクを形成する段階と、
前記成長用基板が複数個に分割されるよう前記成長用基板に所定の幅を有する溝を形成する段階と、
前記成長用基板の下面にレーザーを照射して前記成長用基板から前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを分離する段階と、
を有することを特徴とする窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項２】
前記ＧａＮ系の単結晶バルクは、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項３】
前記ＧａＮ系の単結晶成長用基板はサファイア基板またはＳｉＣ基板であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項４】
前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを形成する段階後、前記成長用基板が所定の厚さに減少するよう研磨する段階をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項５】
前記成長用基板に形成された幅は少なくとも約１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項６】
前記成長用基板に所定の幅を有する溝を形成する段階は、高出力レーザーを用いて実施することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項７】
前記高出力レーザーの波長は約３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項８】
前記成長用基板の下面にレーザーを照射する段階は、前記成長用基板の下面をスキャニングしながら照射することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項９】
前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを分離するために用いるレーザーの波長は約３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項１０】
前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを分離するために用いるレーザーは、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ及びＮｄ：ＹＡＧレーザーのうち、いずれかであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを分離する段階は、前記成長用基板の下面にレーザーを照射する段階と、前記成長用基板と前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを少なくとも４０℃に加熱する段階とを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【請求項１２】
前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを分離する段階後、前記成長用基板の除去された前記窒化ガリウム系の単結晶バルク面に対してラッピング／ポリッシングする段階をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化ガリウム単結晶基板の製造方法に関するもので、とりわけサファイア基板を用いてＧａＮ系の単結晶基板を製造するための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、光ディスク分野においては、記録／再生の高密度化または高解像度化のニーズが高まるにつれて短波長帯域で発光する半導体素子に対する研究が活発に進められている。こうした短波長帯域で発光可能な半導体素子を構成するための材料としては窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶基板が広く使用されている。窒化ガリウム単結晶は３．３９ｅＶのエネルギーバンドギャップを有するので、青色系の短波長帯域光を発光するのに適している。
【０００３】
今のところ、窒化ガリウム単結晶は異種基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法またはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により成長させることができる。この際、異種基板には、主にサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）基板またはＳｉＣ基板が使われている。とりわけ、サファイア基板は窒化ガリウムと同じ六方晶系構造であり、ＳｉＣ基板に比べて安価且つ高温で安定しているためよく用いられる。
【０００４】
しかし、サファイアは窒化ガリウムと約１３％の格子定数の差が存在し、熱膨張係数の差（−３４％）も大きい為、サファイア基板と窒化ガリウム単結晶との界面にストレイン（ひずみ）が発生し、これによって結晶内に格子欠陥及びクラックが発生する恐れがあるという問題がある。こうした欠陥及びクラックは高品質の窒化ガリウム膜成長を妨げ、窒化ガリウム膜上に製造された素子の寿命を短縮させたりもする。
【０００５】
したがって、ＧａＮ単結晶層上にホモエピタキシ（ｈｏｍｏ−ｅｐｉｔａｘｙ）により窒化ガリウム膜を形成する方案が要求されている。但し、こうしたＧａＮ単結晶層は窒素の蒸気圧が高い為、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板の製造時に用いられる通常の方法によっては製造することができない。
【０００６】
このため、先に説明したようにＧａＮ単結晶層の成長方法として、サファイアまたはＳｉＣから成る成長用基板上にＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはハイドライド気相蒸着法により最終基板とされるＧａＮバルクを成長させる方法が用いられる。例えば、ハイドライド気相成長法によると、１時間当たり数μｍ〜数百μｍまで成長させられる為、短時間内に所望の厚さのバルクを成長させることができる。
【０００７】
しかし、サファイア基板上に窒化ガリウム層を成長させる場合にも、熱膨張係数の差により両物質にストレスが未だ存在し格子欠陥やクラックが生じ、窒化ガリウム膜によりサファイア基板に発生するストレインが降伏点より小さければクラックは発生せずサファイア基板方向への反りが起こる。こうした反りは窒化ガリウム膜の厚さに依存するが、厚さが厚くなるほど曲率半径が減少し、窒化ガリウム層の表面が粗くなるので、窒化ガリウム膜表面の加工を困難にする問題がある。
【０００８】
こうした問題点を改善すべく、フリースタンディング（ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ）窒化ガリウム基板が要求される。こうしたフリースタンディング窒化ガリウム基板は、１次的にサファイア基板上にＧａＮ単結晶バルクを成長させ、次いでサファイア基板をＧａＮ単結晶バルクから除去する工程により得られる。この際、サファイア基板を除去する方法として、ダイアモンドパウダーを使った機械的加工と化学的食刻方法などを用いることができる。
【０００９】
機械的加工方法の場合は、ＧａＮ単結晶が成長した状態でサファイア基板に印加されるストレスがその弾性限界範囲内で発生するので、クラックは発生せず反ることになるが、機械的加工が進行する間、サファイア基板の厚さが薄くなるので力の均衡が崩れてサファイア基板にクラックが生じ、ひいては窒化ガリウム膜に伝播して窒化ガリウム膜にもクラックが発生しかねない。また、化学的食刻方法の場合は、高い食刻率を有しながらサファイアのみ選択的に食刻できるエーチャントが容易に得られない問題がある。
【００１０】
そうして最近は、ＨＶＰＥによりサファイア基板上に窒化ガリウム単結晶バルクを成長させた後、紫外線帯域のレーザーを用いてサファイア基板と窒化ガリウム単結晶バルクとを分離する方案が提案されている。紫外線波長のレーザーは、エネルギーバンドギャップの大きいサファイア基板では透過され、窒化ガリウム単結晶では吸収される性質があるので、サファイア基板の下面で窒化ガリウムを窒素ガスとガリウムとに分解させて分離可能な状態にさせられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、紫外線レーザービームの照射によるサファイア基板分離方法は小サイズの基板にはクラックを発生させず適用可能であるが、半導体製造工程に要求される直径２インチ（２″）以上のサイズに適用する場合にはクラック発生の問題が未だ残る。
【００１２】
より詳しく説明すれば、図３に表すように、成長用サファイア基板またはＳｉＣ基板であり得る成長用基板（１１１）にレーザービームを照射する場合、レーザービームの照射面積（今のところ最大１０ｍｍ×１０ｍｍ程度である）が狭小で、成長用基板（１１１）に局部的に照射されながら数回繰り返す方式で実行される為、格子不整合と熱膨張係数による応力発生の問題はより深刻になる。したがって、成長させたＧａＮ単結晶バルク（１１５）にクラックが生じて劈開面に沿って伝播され、結局ＧａＮ単結晶バルク（１１５）が割れかねない。このように、従来の成長用基板分離方法により得られるＧａＮ単結晶バルク（１１５）は基板を不適にする。したがって、当技術分野においては、成長用基板上にＧａＮ単結晶バルクを形成した後、ＧａＮ単結晶バルクが損傷されないよう前記成長用基板を除去することのできるＧａＮ単結晶基板の製造方法が要求されている。
【００１３】
本発明は前記従来の技術が抱えていた問題を解決するためのもので、その目的は、窒化ガリウム成長用基板上に窒化ガリウム単結晶バルクを形成した後、前記成長用基板に窒化ガリウム単結晶バルク表面が露出するよう溝を形成することにより格子不整合と熱膨張係数の差による窒化ガリウム単結晶バルクのクラックを防止できる窒化ガリウム単結晶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】
【００１４】
前記技術的課題を成し遂げるために、本発明は、ＧａＮ系の（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１））単結晶成長用基板の上面に窒化ガリウム単結晶バルクを形成する段階と、前記成長用基板が複数個に分離されるよう前記成長用基板に所定の幅を有する溝を形成する段階と、前記成長用基板の下面にレーザーを照射して前記成長用基板から前記窒化ガリウム単結晶バルクを分離する段階とを含む窒化ガリウム単結晶基板の製造方法を提供する。
【００１５】
本発明の一実施の形態においては、前記ＧａＮ系の単結晶バルクはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法により成長させることができ、前記ＧａＮ系の単結晶成長用基板にはサファイア基板またはＳｉＣ基板を用いることができる。好ましくは、前記窒化ガリウム単結晶バルクを形成する段階後に、前記成長用基板が所定の厚さに減少するよう研磨する段階をさらに施し、溝形成段階の作業効率を向上させることができる。さらに、前記成長用基板の分割した部分が熱膨張により相互接触しないよう、少なくとも約１０μｍにすることが好ましい。前記成長用基板に所定の幅を有する溝を形成する段階は高出力レーザーを用いて行うことができる。前記高出力レーザーをサファイア基板の食刻に用いる場合、前記高出力レーザーの波長は約３５０ｎｍ以下が好ましい。さらに、前記成長用基板の下面にレーザーを照射する段階は、前記成長用基板の下面をスキャニングしながら照射するよう構成することができ、前記窒化ガリウム単結晶バルクを分離するために用いるレーザーの波長も３５０ｎｍ以下であることが好ましい。前記成長用基板と窒化ガリウム単結晶バルクとを分離させるためのレーザーにはＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ及びＮｄ：ＹＡＧレーザー中いずれかを選択して用いることができる。本発明の好ましき実施の形態において、前記窒化ガリウム単結晶バルクを分離する段階は、前記成長用基板の下面にレーザーを照射する段階と、前記成長用基板と前記窒化ガリウム単結晶バルクとを少なくとも４０℃に加熱する段階とで成ることができる。さらに、前記窒化ガリウム単結晶バルクを分離する段階後に、前記成長用基板の除去された前記窒化ガリウム単結晶バルク面に対してラッピング／ポリッシング工程をさらに施すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように、本発明によれば、窒化ガリウム成長用基板上に窒化ガリウム単結晶バルクを形成した後、前記成長用基板に窒化ガリウム単結晶バルク表面が露出するよう溝を形成して、成長用基板と窒化ガリウム単結晶バルクとの接触面積を減少させることにより格子不整合と熱膨張係数の差による応力発生を減らすことができる。したがって、本発明の方法ではクラックの生じない２インチ以上の大きい窒化ガリウム単結晶基板も製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１（Ａ）ないし１（Ｂ）は本発明の一実施の形態における窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法を説明するための工程断面図である。
【００１８】
先ず、図１（Ａ）のように、窒化ガリウム単結晶成長用基板（２１）上にＧａＮ系の（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１））単結晶バルク（２５）を成長させる。前記ＧａＮ系の単結晶成長用基板（２１）にはサファイア基板またはＳｉＣ基板を用いることができる。前記窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）はＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの気相成長法またはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により基板に使用可能な厚さ（少なくとも約５０μｍ）を有するよう成長させる。
【００１９】
この際、窒化ガリウム系の単結晶成長用基板（２１）と窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）には、格子不整合と熱膨張係数の差が存在する。例えば、成長用基板（２１）がＳｉＣ基板の場合に３．４％の格子不整合と２５％の熱膨張係数の差があり、サファイア基板の場合、格子不整合と熱膨張係数の差が各々１３％、−３４％あり、図１（Ａ）の矢印で表すように引張応力と圧縮応力が発生しかねない。後続分離工程において窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）へのこうした応力によるクラック発生を防止すべく、本発明においては図１（Ｂ）のように成長用基板（２１）のパターニング工程をさらに行う。
【００２０】
図１（Ｂ）によると、成長用基板（２１’）は、窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）の表面が露出するよう溝（２６）が形成されて複数個に分割されている。好ましくは、本工程において、溝（２６）の形成による成長用基板（２１’）のパターニング工程は高出力レーザーを用いて実施されることができる。成長用基板（２１’）を一定の幅を有する溝を用いて複数個に分割することにより、格子不整合と熱膨張係数の差による応力発生を最少化することができる。
【００２１】
したがって、後続工程において、とりわけ成長用基板（２１’）を分離する工程において窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）に生じたかもしれないクラックを防止することができる。この場合、成長用基板を一定の間隔で分離する溝（２６）の幅（ｄ）は使用するレーザービームのサイズ及び基板の大きさによって異なるが、少なくとも１０μｍの幅を有することが好ましい。前記溝（２６）が約１０μｍより小さいと成長用基板の分割された部分（２５’）が熱膨張により互いに接触し合って、クラック防止効果を低減させかねない。
【００２２】
この際、用いる高出力レーザーのエネルギー密度はＮｄ：ＹＡＧレーザーなどを使うことができ、とりわけサファイア基板をパターニングする場合は約１０Ｊ／ｃｍ２〜約２０Ｊ／ｃｍ２の範囲が好ましい。約１０Ｊ／ｃｍ２より小さいとサファイア基板に溝を形成して難しく、約２０Ｊ／ｃｍ２より大きいとレーザー食刻速度が速すぎて窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）まで及ぶ損傷を最少化するための工程が制御し難いという問題が起こりかねない。
【００２３】
次いで、図１（Ｃ）のように、溝により分割された成長用基板（２１’）の下面にレーザーを照射して成長用基板（２１’）から窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）を分離する工程を行う。この際、用いるレーザーは成長用基板（２１’）に使われるサファイア基板を透過できるよう約３５０ｎｍ以下の波長を有することが好ましく、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ及びＮｄ：ＹＡＧレーザーのうち、いずれかを選択して使用できる。前記レーザー照射工程は前記成長用基板の下面をスキャニングしながら照射する方式に具現することができる。これについては図２（Ａ）及び２（Ｂ）に詳しく説明する。
【００２４】
また、本分離工程はレーザー照射段階と加熱段階とで成ることができる。その一例によれば、先ず成長用基板（２１’）の下面に３５０ｎｍ以下の波長を有する紫外線レーザーを照射することにより成長用基板（２１’）と接する窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）の表面部分を下記反応式のようにガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ２）とに分解させる。  
２ＧａＮ→２Ｇａ（ｓ）＋Ｎ２（ｇ）↑
次に、前記成長用基板と前記窒化ガリウム系の単結晶バルクを少なくとも４０℃に加熱して固体のガリウムを溶融させ、成長用基板部分を前記窒化ガリウム系の単結晶バルクから分離し、基板とされる窒化ガリウム系の単結晶バルクを得ることができる。
【００２５】
従来は前記分離工程において発生する応力の為、窒化ガリウム系の単結晶バルクにクラックが発生する問題があったが、図１（Ｂ）で説明したサファイア基板パターニング工程により実質的に成長用基板と窒化ガリウム系の単結晶バルクとの接触面積が小単位で分割され、各接触部において発生する応力をかなりの位に低減させられるので、窒化ガリウム系の単結晶バルクに生じるクラックの問題を最少化することができる。
【００２６】
さらに、本実施の形態においては前記成長用基板から分離した窒化ガリウム系の単結晶バルク（２５）の下面に対してラッピングしポリッシングする工程を選択的に行うことができる。図１（Ｄ）には、ラッピング工程とポリッシング工程によりその下面が鏡面処理された窒化ガリウム系の単結晶基板（２５’）を表す。図１（Ｂ）の成長用基板パターニング工程中溝形成過程で窒化ガリウム系の単結晶バルクの下面が損傷されかねない。したがって、本工程においてはこうして損傷した部分を除去して成長用基板の除去されたバルク表面が平坦な面となるようラッピングし、鏡面が形成されるようポリッシングする工程をさらに行うことが好ましい。
【００２７】
本発明による窒化ガリウム系の単結晶基板の製造方法は、成長用基板に窒化ガリウム系の単結晶バルクを成長させる工程と成長用基板に対するパターニング工程の間に成長用基板の厚さを減少させるための研磨工程をさらに追加することができる。成長用基板は主にサファイア基板とＳｉＣ基板のように硬度の高い物質から成るので、こうした研磨工程により予め厚さを減少させてパターニング工程の効率を高めることができる。
【００２８】
図２（Ａ）及び２（Ｂ）は本発明のＧａＮ系の単結晶基板の分離のためのレーザー照射工程を例示する平面図である。先に説明したように、成長用基板（３１）から窒化ガリウム系の単結晶バルク（３５）を分離させるためにレーザー照射工程はスキャンする方式で行うことができる。こうしたレーザースキャン方式は図２（Ａ）と図２（Ｂ）のように様々に具現することができる。
【００２９】
図２（Ａ）と図２（Ｂ）の成長用基板（３１）と窒化ガリウム系の単結晶バルク（３５）は図１（Ｂ）の成長用基板パターニング工程を済ませた状態であり、成長用基板を分離する溝（ｄ）は碁盤状に具現され、各基板の分割された部分（３１）は正方形状で例示されている。点線はレーザー照射過程において進行するスキャニング経路を表す。
【００３０】
図２（Ａ）のように、各分割された成長用基板（３１）を除去するためのレーザー照射工程は往復しながら左右にスキャニングする方式に具現でき、これと異なり図２（Ｂ）のように外部から内部へ螺旋を描きながらスキャニングする方式に具現することもできる。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）にあらわすスキャン方式は例示に過ぎず、当業者であれば、分割される成長用基板部分の全体に対してレーザーが照射される限度内で他のスキャニング方式を充分に具現できる。
【００３１】
上述した実施の形態及び添付の図面は好ましき実施の形態の例示に過ぎず、本発明は添付の請求の範囲により限定する。また、本発明は請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとって自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（Ａ）ないし（Ｄ）は本発明の一実施の形態におけるＧａＮ系の単結晶基板の製造方法の各工程を表す断面図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明におけるＧａＮ系の単結晶基板の分離のためのレーザー照射工程を例示する平面図である。
【図３】従来のレーザービームを用いてサファイア基板とＧａＮ系の単結晶バルクとを分離する工程を表す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
２１  サファイア基板
２５  ＧａＮ系の単結晶バルク（またはＧａＮ系の単結晶基板）
【図１】
2005001974.tif 000003
【図２】
2005001974.tif 000004
【図３】
2005001974.tif 000005