(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、
前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気で加熱する大気加熱ステップと、からなる単結晶サファイア基板の製造方法。
【請求項２】
単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気で低温加熱する第一大気加熱ステップと、
前記第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温してさらに加熱する第二大気加熱ステップと、からなる単結晶サファイア基板の製造方法。
【請求項３】
単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、
前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気に含まれる成分雰囲気下で低温加熱する第一大気加熱ステップと、
前記第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温して大気に含まれる成分雰囲気下でさらに加熱する第二大気加熱ステップと、
からなる単結晶サファイア基板の製造方法。
【請求項４】
前記真空加熱ステップの加熱温度が１６００℃以上２０００℃以下、保持時間が２時間以上であり、
前記第一大気加熱ステップの加熱温度が８００℃以上１０００℃以下、保持時間が２時間以上５時間以下であり、
前記第二大気加熱ステップの加熱温度が１０００℃以上１３００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下である、請求項２又は３に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
【請求項５】
前記真空加熱ステップの加熱温度が１６００℃以上２０００℃以下、保持時間が２時間以上であり、
前記大気加熱ステップの加熱温度が１２００℃以上１４００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下である、請求項１に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一に記載の製造方法により製造された単結晶サファイア基板のテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで電子デバイスを製造する電子デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記電子デバイス素材は、窒化ガリウムである請求項６に記載の電子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はLED（Light Emitting Diode）、LD（Laser Diode）、HEMT（High Electron Mobility Transistor）、FET（Field effect Transistor）、SOS（Silicon-ON-Sapphire）等の素子形成に適した結晶品質と表面状態をもつ単結晶サファイア基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、青色、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）は交通信号機、自動車の計器パネル、携帯電話の液晶パネル用バックライト等の光源などに使用されている。青色、白色ＬＥＤに用いられる窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの基板上にバッファ層を介してエピタキシャル成長させることにより製造される。特にサファイア基板は近年大量生産が可能になっており、かつ熱的および化学的に安定なことから広く用いられるようになっている。単結晶サファイア基板は、また、ＬＥＤだけでなく、様々な電子デバイス製造の基板として利用されている。【０００３】
単結晶サファイア基板上にＧａＮ結晶などを成長させる場合、サファイア結晶のＣ面に対して０．０１度から２．０度程度傾斜させることが一般的に行われている。傾斜させていないサファイア単結晶表面のＣ面上にＧａＮ結晶を成長させると、得られるＧａＮ結晶は結晶欠陥が多く、表面も凹凸が見られる結晶となってしまう。そこで、図１のように、サファイア単結晶の表面をＣ面に対して所定の角度に傾斜させた単結晶サファイア基板を用いることにより、結晶欠陥が少なく、表面も平坦なＧａＮ結晶が得られることが知られている（特許文献１）。このとき、サファイア基板表面は、図１のようにミクロ的なステップ状に形成される。そして、このステップ形状の規則性が高いほど、基板上には良好なＧａＮ結晶が成長することがわかっている。
【特許文献１】特開２００２−２９３６９２号公報
【非特許文献１】SASAKI Atsushi, HARA Wakana, MATSUDA Akifumi, AKIBA Shusaku, TATEDA Norihiro, YOSHIMOTO Mamoru, Nucl Instrum Methods Phys Res Sect B,   VOL. 232 NO. 1−4; PAGE. 305-311; (2005/05).
【非特許文献２】http://foundry.sanken.osaka-u.ac.jp/report/H15-010.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の単結晶サファイア基板上にＧａＮ結晶の薄膜を形成させるために、ウエハーとして加工すると、ステップは原子レベルでみると、直線性が無く、ステップの高さも均一ではなく複数のステップも平行になっておらず、テラス表面には凹凸が見られた。特に、表面の傾斜角度が大きくなると、ステップの不均一性が顕著に表れ、テラス表面の凹凸も激しくなった。つまり、特許文献１に記載の単結晶サファイア基板は、サファイア結晶を構成する酸素原子とアルミニウム原子が規則的に配列しておらず、良質の結晶が得られないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本件発明では、従来の単結晶サファイア基板よりもステップ形状が整いテラス面がより平坦な単結晶サファイア基板およびその製造方法を提供する。【０００６】
すなわち第一の発明は、単結晶サファイア表面にテラス面を有する規則的なステップが形成された単結晶サファイア基板であって、基板のマクロ的表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｎｍ以下であり、テラス面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０３ｎｍ以下であり、ステップ高さが０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、テラス幅の最大値と最小値の差が５００ｎｍ以下である、単結晶サファイア基板を提供する。【０００７】
第二の発明は、単結晶サファイア基板のマクロ的表面が、主面に対し０．１度から０．６度の角度で傾斜している、単結晶サファイア基板を提供する。【０００８】
第三の発明は、テラス面において、酸素原子が終端をなし、酸素の単原子層を形成するように構成されている、単結晶サファイア基板を提供する。【０００９】
第四の発明は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気で低温加熱する第一大気加熱ステップと、第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温してさらに加熱する第二大気加熱ステップと、からなる単結晶サファイア基板の製造方法を提供する。【００１０】
第五の発明は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気に含まれる成分雰囲気下で低温加熱する第一大気加熱ステップと、前記第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温して大気に含まれる成分雰囲気下でさらに加熱する第二大気加熱ステップと、からなる単結晶差サファイア基板の製造方法を提供する。【００１１】
第六の発明は、前記真空加熱ステップの加熱温度が１０００℃以上１３００℃以下、保持時間が２時間以上であり、前記第一大気加熱ステップの加熱温度が８００℃以上１０００℃以下、保持時間が２時間以上５時間以下であり、前記第二大気加熱ステップの加熱温度が１３００℃以上１６００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下である、単結晶サファイア基板の製造方法を提供する。【００１２】
第七の発明は、単結晶サファイア基板のテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで電子デバイスを製造する電子デバイスの製造方法を提供する。【００１３】
第八の発明は、前記電子デバイス素材は、窒化ガリウムである電子デバイスの製造方法を提供する。【００１４】
第九の発明は、単結晶サファイア基板を用いて、そのテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させた電子デバイス中間構造体を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本件発明の単結晶サファイア基板を用いることにより、テラス面がより平坦で、結晶欠陥の少ない結晶膜を得ることができる。また、表面が平坦で結晶欠陥の少ないＧａＮ結晶膜を得ることが可能であり、このＧａＮ結晶膜は、発光素子として用いた場合には、より良好な発光特性を示す。また、本件発明の単結晶サファイア基板製造方法によれば、サファイア単結晶表面の傾斜角度を精密に制御することができ、目的に応じた単結晶サファイア基板を確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、各発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施しうる。【００１７】
実施形態１は主に請求項１、２及び３について説明する。実施形態２は主に請求項４について説明する。実施形態３は主に請求項５、６、７、８及び９について説明する。実施形態４は主に請求項１０、１１及び１２について説明する。
<実施形態１>
<実施形態１：概念>【００１８】
本実施形態の単結晶サファイア基板は、基板の表面粗さ、ステップの形状などを制御し、基板上に成長する結晶の品質を向上させた。
<実施形態１：構成>【００１９】
図２は単結晶サファイア基板のマクロ的表面を模式的に表した図である。単結晶サファイア基板は、単結晶サファイア表面に平坦なテラス面（０２０１）を有する規則的なステップが形成されている。テラス面（０２０１）とは基板表面の平坦な部分のうち面積の広い方、ステップ面（０２０２）とは基板表面の平坦な部分のうち面積の狭い方、すなわち一のテラス面とそれに続くテラス面とを接続する面である。図２に示すように、一のテラス面とそれに続くテラス面の垂直方向の間隔をステップ高さ（ｈ）、テラス面とそれに続くテラス面の水平方向の間隔をテラス幅（ｗ）、テラス面と単結晶サファイア基板のマクロ的表面の端線（０２０３）とがなす角をオフセット角度（θ）という。また、テラス面とステップ面が接する角をエッジ（０２０４）という。【００２０】
単結晶サファイアとは、サファイア（αＡｌ２Ｏ３）を素材とし、理想的にはサファイアの任意の結晶軸に注目したとき、試料のどの部分においてもその向きが同一であるような物質である。ただし通常は転位を含んでいるため、部分的に結晶軸の向きが変わっても良い。【００２１】
図３はサファイア単結晶の単位格子を示したものである。サファイア単結晶は六方晶構造を有する。六方晶の底面をＣ面（ミラー指数表記：（０００１））、側面をＭ面（ミラー指数表記：１０−１０））（ミラー指数のマイナス記号の表記方法は、数字の上に記載するべきであるが、ここでは、簡略的に数字の前にマイナス記号を表記した）、斜線で示した面をA面（ミラー指数表記：１１−２０））およびR面（ミラー指数表記：１０−１２））という。【００２２】
本実施形態の単結晶サファイア基板の特徴は以下の点である。【００２３】
第一に基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｎｍ以下である。表面粗さ（Ｒａ）とは、基板表面上の任意の線（長さＬ）のｘにおける平均線に対する高さをｆ（ｘ）としたときに、数１で表される。Ｒａの値が小さいほど、ステップ面が平滑であることを示す。基板の表面粗さは、基板表面全体の粗さであり、後述する特定のテラス面の表面粗さとは異なる。すなわち、基板の表面粗さを測定する際には、図２のｘ方向に表面高さを測定すると良い。
【数１】
0005129740.tif 000002
【００２４】
第二に、テラス面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０３ｎｍ以下である。テラス面の表面粗さとは、ある特定のテラス面の表面粗さである。したがって、テラス面の表面粗さを測定する際には、図２のｙ方向に表面高さを測定すると良い。【００２５】
第三に、ステップ高さが０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である。テラス面がＣ面であるときは、ステップ高さは、酸素原子層と隣り合うアルミニウム原子層の間隔（約０．２２ｎｍ）であることが好ましい。この高さがステップ高さの最小単位となるものだからである。ステップ高さが酸素原子層と隣り合うアルミニウム原子層の間隔となっていることを単位ステップという。【００２６】
第四に、１つのテラス面において、テラス幅の最大値と最小値の差が５００ｎｍ以下である。すなわち、テラス面のエッジが直線に近い形状になっていることが必要である。【００２７】
単結晶サファイア基板表面の特性を以上のように規定することで、基板表面上に成長するＧａＮなどの結晶表面を平坦にし、かつ転位密度を減少させることができる。【００２８】
また、テラス面が主面に対して平行であることが好ましい。主面とは、サファイア単結晶のＣ面、Ａ面、Ｍ面、Ｒ面のいずれかである。テラス面を主面と平行にするのがエネルギー的に最も安定であるからである。【００２９】
また前記単結晶サファイア基板のマクロ的表面が、主面に対して０．１度から０．６度の角度で傾斜していることが好ましい。また主面に対し任意の方向に対して傾斜しているよりも、特定の方向に対して傾斜していることがより好ましい。例えば、主面がＣ面である場合には、Ｃ面からＡ面方向またはＭ面方向に向かって０．１度から０．６度の角度で傾斜しているのが好ましい。【００３０】
図４は、マクロ的表面を説明した図である。マクロ的表面とは、図４の点線に示すように、単結晶サファイア基板をマクロ的に見たときの平均的な面を表す。傾斜角度が０．１度以下の場合は、ステップ面とテラス面が明確に形成できず、傾斜角度が０．６度以上の場合は、ステップ高さが０．３ｎｍ以上必要となり、ステップがうまく形成されない。
<実施形態１：実施例>【００３１】
図５に本実施形態のＣ面を主面とした単結晶サファイア基板のＡＦＭ測定結果の一例を示す。図５に示したように、本実施形態の単結晶サファイア基板は、形状の整ったステップが形成されていることがわかる。また、この単結晶サファイア基板の表面形状を測定した結果、テラス面の表面粗さは０．０１３ｎｍ、テラス幅は４００〜６００ｎｍ、ステップ高さは約０．２ｎｍであることがわかった。
<実施形態１：効果>【００３２】
本実施形態のサファイア基板を用いることにより、表面が平坦でかつ転位密度が少ないエピタキシャル膜を得ることができる。結晶性の良好なエピタキシャル膜は、発光素子などとして用いたときも良好な発光特性を示す。
<実施形態２>
<実施形態２：概要>【００３３】
本実施形態のサファイア単結晶は、基板表面が酸素原子で構成され、酸素原子が規則正しく配列していることを特徴としている。これにより、サファイア基板上に結晶性の良好なエピタキシャル膜を形成する事が可能となる。
<実施形態２：構成>【００３４】
本実施形態の単結晶サファイア基板は、テラス面において、酸素原子が終端をなし、酸素の単原子層を形成するように構成されている。なお、ここでの酸素原子が終端をなし、酸素単原子層を形成するような構成は、結晶欠陥や製造プロセス上の製造誤差により表面にアルミニウム原子が露出する程度のものは酸素単原子層を形成しているとみなされる。なぜなら完全な結晶は理論上はともかく工業的には製造することが困難だからである。また、これらの結晶欠陥や製造プロセス上の誤差の程度は製品歩留まりを悪化させる原因になるが、不良品を廃棄するという考え方に立てば欠陥や不良は商業的合理性の範囲内である程度は許容される。【００３５】
本実施形態の単結晶サファイア基板は、テラス面がサファイア結晶のC面（ミラー指数表記：（０００１））から構成される。図６にサファイア結晶の概念図を示した。尚、図中では、アルミニウム原子は、黒い丸で示しているが、酸素原子については、図が煩雑になるため省略している。サファイアの結晶は図６の（ａ）または（ｂ）に示したような酸素原子を頂点に有する正八面体構造が連なった形状となっている。（ａ）は、酸素原子のみで構成された正八面体構造で、（ｂ）はアルミニウム原子を正八面体構造中に有する正八面体構造である。これらの正八面体構造が、（ｃ）に示すように多数構成されることでサファイア結晶を構成している。（ｃ）の斜線で示した面は、サファイア結晶のＣ面の一部を構成する面である。【００３６】
本実施形態はこのC面によってテラス面が構成されている。サファイア基板上に成長する結晶は、サファイア結晶の最表面に位置する原子によって大きく左右される。よってまず、単結晶サファイア基板の最表面の検討を行った。単結晶サファイア基板の最表面となるＣ面方向上部より、最表面のみの原子を表すと図７のようになる。図７の斜線で示した三角形は、図６に示したサファイア結晶の正八面体構造の斜線で示した一面に該当する。図７に示した六角形（０７０１）は、図３で示した六角柱のＣ面部分に該当する。【００３７】
図７に示した直線Ａ−Ｂ（０７０２）（つまりＡ面（ミラー指数表記：（１１−２０）））で切断し、矢印の方向からみた断面図を図８に示した。サファイア結晶のＣ面を主面として構成することにより、図７から最表面の原子層が酸素原子のみからなる単原子層からなることがわかる。図８と同じ方向からテラス面およびステップを形成した場合の断面図を図９に示した。ステップのエッジは切断を行う角度や研磨、熱処理時の条件に応じて、（ａ）、（ｂ）（ｃ）のように鈍角や鋭角または直角の角を持つ。また（ｄ）のように鋭角と鈍角、直角のいずれの角を持つこともある。（ａ）から（ｄ）のように、酸素原子のみを結ぶ直線で構成された面は、何れの場合も酸素原子が終端、または最表面として構成されているとした。よって本実施形態の単結晶サファイア基板は、テラス面はＣ面によって形成されており、表面は酸素原子のみで構成されている。またステップ面も酸素原子で構成されており、原則的には、アルミニウム原子が表面に配列されることは無い。
<実施形態２：実施例>【００３８】
本実施形態で示した単結晶サファイア基板の表面の原子配列を測定するために、低速イオン散乱分光法（low-energy ion scattering spectroscopy: LEISS）による測定を行った。LEISSは、非特許文献１に記載されているように、結晶の表面原子の組成および配列状態を測定することが可能であり、結晶の評価に用いられる分析手法である。LEISSは、低エネルギーのイオンビームを試料表面に照射し、散乱イオンを検出しエネルギースペクトルの変化を測定する。イオンビームの入射角度や入射方向を変化させることにより、イオンビームの照射方向から見た原子配列が異なることにより、検出される散乱イオンのエネルギースペクトルが変化することを利用して、対象試料の原子配列を測定する。散乱イオンの検出は、イオン源と同軸上に設置された飛行時間型測定装置によって行われる。また飛行時間型測定装置では、照射対象となる原子の定性が行われる。本実施形態の単結晶サファイア基板では、入射するイオンビームとしてヘリウムイオンをパルス照射して測定を行った。LEISSによって測定されたスペクトルは、結晶の理想形での原子配列を元に計算により得られたシミュレーション結果との比較や、ピークが出現する位置および強度により原子の配置位置を推定し評価される。【００３９】
図１０に本実施形態の主面をＣ面とした単結晶サファイア基板をLEISSによって測定を行ったスペクトル結果を示した。下段に示したスペクトルは、サファイア結晶のＣ面の理想形での原子配列を元に得られたシミュレーション結果である。本実施形態の単結晶サファイア基板から得られたスペクトルとシミュレーションにより得られたスペクトルを比較すると、入射方位角度が３０度から３６０度まで、スペクトルとピーク検出位置が、本実施形態の単結晶サファイア基板とシミュレーションにより得られたスペクトルでほぼ同角度で検出されている。また、図１０中の（ａ）から（ｆ）のピークでは、シミュレーションの結果で見られるピークの「肩」が、本実施形態の単結晶サファイア基板では、小さなピークもしくは「肩」として検出されており、極めて理想形に近い原子配列を持つ単結晶サファイア基板が得られていることが分かる。【００４０】
また、図２５には、主面をＡ面としたときの単結晶サファイア基板をLEISSによって測定を行ったスペクトル結果を示した。LEISS測定は、基板に対して角度１５度でHeイオンを照射し、測定対象となるサファイア基板を３６０度回転させ測定を行う。この場合、理想的なＡ面である場合には、測定結果が１８０度ごとに周期的なピークとなる。図２５では、ピーク（ａ）および（ｂ）に対して、１８０度移動した角度で（ｃ）および（ｄ）のピークが出現しており、１８０度ごとの周期的なピークとなっている。さらに、これらの結果は、基板のオリエンテーションフラットに対してLEISS測定を行った場合と、同様のスペクトルを表しており、図２５に示したサファイア基板が、Ａ面を主面とした基板であることを示している。
<実施形態２：効果>【００４１】
本実施形態のサファイア基板を用いることにより、表面が平坦でかつ転位密度が少ないエピタキシャル膜を得ることができる。結晶性の良好なエピタキシャル膜は、発光素子などとして用いたときも良好な発光特性を示す。
<実施形態３>
<実施形態３：概念>【００４２】
本実施形態は、実施形態１又は２の単結晶サファイア基板の熱処理方法に関する。熱処理方法は、真空加熱ステップと第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップの3段階からなる熱処理方法と、真空加熱ステップと大気加熱ステップの2段階からなる熱処理方法の2種類の熱処理方法がある。
<実施形態３：構成>【００４３】
本実施形態の単結晶サファイア基板の製造方法は、熱処理方法は、真空加熱ステップと第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップの3段階からなる熱処理方法と、真空加熱ステップと大気加熱ステップの2段階からなる熱処理方法の2種類の熱処理方法がある。【００４４】
図１１および図１２に本実施形態の熱処理を行う加熱炉の一例を示した。図１１は、3段階と2段階からなる熱処理方法の真空加熱ステップを行う真空加熱炉である。加熱炉（１１０１）は、発熱体（１１０２）によって加熱される。試料は試料搬入搬出口（１１０４）の下方より試料台（１１０３）が上下することによって、加熱炉内に搬入、搬出される。加熱試料は、試料台が下がった状態で、試料台にセットし、試料台を矢印の方向へ移動させ加熱炉内に搬入される。搬出時はこれとは逆に、試料台を矢印と逆へ移動し搬出を行う。加熱炉には、クライオポンプ（１１０５）と真空ポンプ（１１０６）が取り付けられており、真空ポンプにて加熱炉内を減圧する。また真空度を上げるために、冷却を行うクライオポンプが備え付けられている。また、これらの制御は制御装置（１１０７）にて行われる。【００４５】
図１２には、3段階からなる熱処理方法の第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップ、2段階からなる熱処理方法の大気加熱ステップを行う大気加熱炉である。加熱炉（１２０１）は、発熱体（１２０２）によって加熱される。試料は試料搬入搬出口（１２０３）より搬入および搬出が行われる。試料搬入搬出口の右には、温度コントロールなどを行うための制御装置（１２０４）が備え付けられている。また、3段階からなる熱処理方法の第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップ、2段階からなる熱処理方法の大気加熱ステップは大気雰囲気下または大気に含まれる成分雰囲気下で行われるため、内部流入させる大気の流量を確認する流量計（１２０５）が備え付けられている。【００４６】
3段階からなる熱処理方法、2段階からなる熱処理方法共に、まず図１１の真空加熱炉にて熱処理を行い、熱処理終了後、図１２の大気加熱炉にて大気雰囲気中にて熱処理を行う。【００４７】
図１３は本実施形態の3段階からなる熱処理の流れを説明した図である。本実施形態の単結晶サファイア基板の熱処理方法は、真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）と、第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）と、第二大気加熱ステップ（Ｓ１３０３）と、からなる。これらの熱処理は、単結晶サファイアのインゴットを製造後、スライシングおよび研磨が行われた後に行われる工程で、単結晶サファイア基板表面の完全結晶層を確保するために行われる。【００４８】
真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する。真空加熱ステップの目的は、アルミナ昇華温度の手前で過剰酸素除去を行うとともに、研磨作業中に混入した硫化物、塩化物、水酸化物などの不純物を融点以上で蒸発させる目的である。真空加熱ステップの加熱温度は１６００℃以上２０００℃以下、保持時間は２時間以上とするのが好ましい。加熱温度が１６００℃以下または保持時間が２時間以下では、不純物の除去が十分でなく、加熱温度が２０００℃以上では、単結晶サファイア基板の変形が大きくなるためである。真空雰囲気の気圧は、１０−５Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。これ以上の気圧となると不純物の除去効果が低くなるためである。【００４９】
第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）は、真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気または大気に含まれる成分中で低温加熱する。第一大気加熱ステップの目的は、炭素を酸化し二酸化炭素として取り除くためである。大気雰囲気および大気に含まれる成分中での低温加熱は、炭素を酸化し二酸化炭素にさせるために十分な酸素を含んだ雰囲気であれば良い。第一大気加熱ステップの加熱温度は８００℃以上１０００℃以下、保持時間が２時間以上５時間以下であることが好ましい。加熱温度が８００℃以下または保持時間が２時間以下では、炭素を十分に二酸化炭素に酸化させることができず、加熱温度が１０００℃以上または保持時間が５時間以上では単結晶サファイア基板が変形するためである。真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）と第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）に用いる炉は、別の炉であることが好ましいが、同一の炉であっても構わない。【００５０】
第二大気加熱ステップ（Ｓ１３０３）は、第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）後に、炉温度を昇温してさらに加熱する。第二大気加熱ステップは、大気雰囲気下または大気に含まれる成分中で行われる。このステップにおいて、単結晶サファイア基板表面のステップを規則的に整えることができる。第二大気加熱ステップの加熱温度は、１０００℃以上１３００℃以下とし、保持時間は１時間以上５時間以下とするのが好ましい。加熱温度が１０００℃以下または保持時間が１時間以下では、ステップが整列せず、加熱温度が１３００℃以上または保持時間が５時間以上では単結晶サファイア基板が変形するためである。【００５１】
第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）及び第二大気加熱ステップ（Ｓ１３０３）においては、基板が気流の影響を受けると装填位置による温度分布が生ずるため、基板はホルダー内に固定した上、サファイアのブロックで密閉すると良い。温度と保持時間は上記範囲内で、基板の傾斜角度に応じて変化させる。温度と保持時間が上記範囲外だと、ステップ高さの均一性や真直性、テラス面の平坦性が損なわれたり、アルミニウム原子の会合が生じて、アルミニウム原子と酸素原子の規則的な配列が損なわれることがある。【００５２】
図１４は本実施形態の２段階からなる熱処理の流れを説明した図である。本実施形態の単結晶サファイア基板の熱処理方法は、真空加熱ステップ（Ｓ１４０１）と、大気加熱ステップ（Ｓ１４０２）とからなる。これらの熱処理は、単結晶サファイアのインゴットを製造後、スライシングおよび研磨が行われた後に行われる。【００５３】
真空加熱ステップ（Ｓ１４０１）は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する。真空加熱ステップの加熱温度は１６００℃以上２０００℃以下、保持時間は２時間以上とするのが好ましい。真空雰囲気の気圧は、3段階からなる熱処理方法と同様に、１０−５Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。【００５４】
大気加熱ステップ（Ｓ１４０２）は、真空加熱ステップ（Ｓ１４０１）後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気または大気に含まれる成分中で加熱する。大気加熱ステップの加熱温度は１２００℃以上１４００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下であることが好ましい。大気雰囲気および大気に含まれる成分中での熱処理は、炭素を酸化し二酸化炭素にさせるために十分な酸素を含んだ雰囲気であれば良い。また、大気加熱ステップは、大気雰囲気下または大気に含まれる成分中で行われ、単結晶サファイア基板表面のステップを規則的に整える。【００５５】
尚、２段階からなる熱処理方法の目的や、熱処理による単結晶サファイア基板への影響などについては、3段階からなる熱処理方法とほぼ同様であるため詳細な説明は省略する。
<実施形態３：具体例>【００５６】
図１５に本実施形態の3段階からなる熱処理方法の具体例の一例を示した。（ａ）を用いて、3段階からなる熱処理方法を説明する。まず、真空加熱ステップにおいて、室温（ＲＴ）から、１７００℃まで7時間かけて昇温する。昇温後１７００℃にて2時間保持し、保持後12時間かけて室温まで降温させる。真空加熱ステップ終了後、過熱炉を真空加熱炉から大気加熱炉へ変える。第一大気加熱ステップは、室温から９００℃まで4時間かけて昇温し、９００℃にて3時間保持する。保持後6時間かけて室温まで降温させる。第一大気加熱ステップ終了後、加熱炉は別の大気加熱炉に変えてもよいし、そのまま同じ加熱炉を使用してもよい。第二加熱ステップは、まず、室温から１２００℃まで5時間かけて昇温し、2時間１２００℃にて保持する。保持後、10時間かけて室温まで降温し、熱処理が完了する。尚、3段階からなる熱処理方法は、第一大気加熱ステップ終了後（ａ）のように一度常温（ＲＴ）まで温度を下げた後に、第二大気加熱ステップの昇温を開始してもよいし、（ｂ）のように、第一大気加熱ステップ終了後、温度を下げずに、第二大気加熱ステップの昇温を開始してもよい。【００５７】
図１６に本実施形態の2段階からなる熱処理方法の具体例の一例を示した。まず、真空加熱ステップにおいて、室温（ＲＴ）から、１７００℃まで7時間かけて昇温する。昇温後１７００℃にて2時間保持し、保持後12時間かけて室温まで降温させる。真空加熱ステップ終了後、過熱炉を真空加熱炉から大気加熱炉へ変える。大気加熱ステップは、室温から１３００℃まで5時間かけて昇温し、１３００℃にて4時間保持する。保持後、10時間かけて室温まで降温し、熱処理が完了する。【００５８】
尚、3段階からなる熱処理方法、2段階からなる熱処理方法共に、昇温速度並びに降温速度は、使用する加熱炉の性能に応じて変化されるものである。
<実施形態３：効果>【００５９】
図１７に本実施形態の3段階からなる熱処理方法によって得られた単結晶サファイア基板表面のＡＦＭ測定画像を示した。ａ）は熱処理前の単結晶サファイア基板である。ａ）の画像では、テラス面の間隔が一定ではなく、テラス面のエッジが曲線となっていることが分かる。これを実施形態３に示した3段階からなる熱処理方法により熱処理を行うと、ｂ）となる。ｂ）では、テラス面がほぼ一定の間隔からなり、テラス面のエッジも直線から構成されていることがわかる。また、参考にｃ）には、非特許文献２に記載された従来技術によって得られた単結晶サファイア基板表面の画像を示した。ｃ）の表面は、テラス面のエッジが曲線であり、テラス面の間隔も一定となっておらず、本件発明の熱処理方法前の単結晶サファイア基板と同様な表面となっている。よって、本実施形態の熱処理方法を行うことにより、ステップが直線でステップ面が一定の間隔からなる単結晶サファイア基板を量産に適する方法で得ることができた。
<実施形態４>
<実施形態４：概要>【００６０】
本実施形態は、前記単結晶サファイア基板に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで、電子デバイス又は電子デバイスの中間構造体を製造する。
<実施形態４：構成>【００６１】
本実施形態の電子デバイスの製造方法は、単結晶サファイア基板のテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで電子デバイスを製造する。【００６２】
エピタキシャル成長は、薄膜の成長技術の中で、あらかじめ作られている単結晶基板の表面に、その結晶と結晶方向をそろえて新たな結晶層を形成する方法である。エピタキシーによる結晶成長は、結晶の融点よりも低い温度で行うことができるため、不純物の混入も少なく純度の高い結晶を作製する手段として利用されている。本実施形態では、元となる基板の結晶を単結晶サファイア基板として、目的の結晶膜をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長方法には、気相エピタキシー（VPE：Vapor Phase Epitaxy）、分子線エピタキシー（MBE：Molecular Beam Epitaxy）、液相エピタキシー（LPE：Liquid Phase Epitaxy）、固相エピタキシー（SPE：Solid Phase Epitaxy）などの方法がある。【００６３】
単結晶サファイア基板にエピタキシャル成長させる電子デバイス素材としては、図１８に示したような材料がある。単位元素としては、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）などの材料や、化合物としては、亜鉛化合物（ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｂ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、カドミウム化合物（ＣｄＳ、ＣｄＳｅ）、ガリウム化合物（ＧａＮ、ＧａＡｓ）、インジウム化合物（ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ）、ゲルマニウム化合物（ＧｅＴｅ）、鉛化合物（ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ）、バナジウム化合物（ＶＯ２）、アンチモン化合物（Ｓｂ２Ｔｅ３）、ビスマス化合物（ＢｉＳｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３）、セシウム化合物（Ｃｓ３Ｓｂ）、酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）、ケイ素化合物（ＳｉＣ）、銀化合物（ＡｇＳｂＴｅ２、ＡｇＢｉＳ２）などがある。【００６４】
これらの電子デバイス素材を単結晶サファイア基板にエピタキシャル成長させ、図１８に示したようなダイオード（ＬＥＤやＬＤ）やトランジスタ（ＨＥＭＤＴやＦＥＴなど）、IC、LSI、光電素子、整流素子、熱陰極、圧電素子、レーザ、ホール素子、熱電素子、バリスタ、サーミスタなどに加工される。またＳＯＳ（silicon-ON-Sapphire）などの製造を行うことも可能である。【００６５】
特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青紫色ダイオードや白色ダイオードなどに利用され注目されている。窒化ガリウム半導体は、青紫色ダイオードを実用化させ、発光ダイオードによるフルカラーのディスプレイを誕生させた。また紫外光を発光させ白色蛍光体と組み合わせ蛍光灯に代わる消費電力の低い光源としても利用が期待されている。この窒化ガリウムは、超高周波トランジスタとして実用化されているガリウムヒ素（ＧａＡｓ）と元素周期律表上同じ、３族と５族の元素からなる半導体である。そのため、ガリウムヒ素の高キャリア移動という特長を生かした超高周波トランジスタに加えて、窒化ガリウムは、高出力動作可能な素子への利用の検討がなされている。【００６６】
電子デバイスは、一般的に図１９に示したようなプロセスで製造される。電子デバイスの製造は、基板製造プロセス（１９０１）と、マスク製造プロセス（１９０２）、ウエハープロセス（１９０３）、組立プロセス（１９０４）の４つのプロセスから成り立つ。【００６７】
基板製造プロセスは、基板製造工程（１９１６）、スライシング工程（１９１７）、研磨工程（１９１８）、熱処理工程（１９１９）の４つの工程からなる。基板製造プロセスでは、まず電子デバイスの基板の元となる単結晶サファイアなどのインゴットを製造する基板製造工程（１９１６）を行う。単結晶サファイアからなるインゴットは、チョクラルスキー法（CZ法）やキロプロス法（kyropoulusu法）などの結晶成長方法により製造される。インゴットは基板となる結晶の円柱状の塊であり、長さが約2メートル、太さは８インチから12インチであり、これらの大きさは、電子デバイスの目的や1枚のウエハー上に作成される電子デバイスの数に応じて変化させる。【００６８】
次に、この単結晶サファイアのインゴットを薄い板状のウエハーにカットするスライシング工程（１９１７）となる。スライシング工程は、インゴットを厚さ約1ミリメートル程度の円盤状にカットする。スライシング工程で行われるカッティング方法には主にブレードソー方式とワイヤーソー方式の二つがある。ブレードソー方式は、図２０のａ）に示すようにステンレス製高硬度鋼の内周刃（２００１）を回転させてインゴット（２００２）をカットする。切断面の平坦度が良好な点が特徴である。またワイヤーソー方式は、ｂ）に示したように引張した複数のピアノ線（２００３）にスラリー上のダイヤモンド砥粒を流し、ピアノ線を往復運動させながら、インゴット（２００４）をカットする。ブレードソー方式に比べワイヤーソー方式は、切断面の平坦度は、ブレードソー方式におよばないが、スライス速度が速く、コスト的に有利であり、大口径のウエハーの製造に有利である。尚、単結晶サファイアからなるインゴットをカットする場合には、インゴットをガラスや炭素をホールド材として固定すると、切断方向に対してインゴットがずれるおそれがある。そこでホールド材の材質に硬質炭酸カルシウムを用いることによって、切断角度のずれを０．０１度以内に納めることが可能である。【００６９】
スライシング工程が終了すると次は、研磨工程（１９１８）となる。研磨工程ではまず、ウエハーの側面を機械研磨により研磨する。機械研磨には、細かい粒径の研磨剤の研磨液を使って研磨を行う。側面を研磨した後、次にスライシング工程でカットした断面の研磨である鏡面研磨を行う。鏡面研磨は、図２１に示した装置によって行われる。回転する定盤（２１０１）の上に貼り付けられた研磨パッド（２１０２）に、ウエハー（２１０３）を取り付けた研磨ヘッド（２１０４）を一定圧力で接触させてウエハーを研磨する。研磨剤はスラリー状の研磨液である。【００７０】
研磨工程を経たウエハーは、洗浄後、熱処理工程となる。熱処理工程は、単結晶サファイアからなるウエハーの表面近傍での完全結晶層を確保するために行われる。熱処理工程での詳細な熱処理方法については、実施形態３にて述べたので、省略する。【００７１】
一方、マスク製造プロセスでは、まず回路の設計を行い（１９０５）、次に設計された回路をウエハー上に作り込む回路のパターンを設計する（１９０６）。そして、設計されたパターンをウエハー上に転写するためのマスクが製造される（１９０７）。マスクは、回路を薄膜上に転写するためのリソグラフィー工程で用いられる。マスクは、石英製の板表面にクロムなどにより、薄膜上に作り込む回路が形成されている。【００７２】
ウエハーとマスクが完成すると、次にウエハー上に回路を作り込む工程であるウエハープロセスとなる。ウエハープロセスは、基板工程（１９０８）、リソグラフィー工程（１９０９）、配線工程（１９１０）の大きく3つのプロセスからなる。基板工程とリソグラフィー工程、配線工程は、図２０に示したように、目的の電子デバイスの複雑さに応じて複数回繰り返し行われる。【００７３】
基板工程は、洗浄工程（２２０１）、熱処理工程（２２０２）、不純物導入工程（２２０３）、膜形成工程（２２０４）、平坦化工程（２２０５）などの工程からなる。【００７４】
洗浄工程は、リソグラフィー工程や配線工程をはじめとする各工程間で必ず行われる、表面清浄化のための工程である。この工程では、硫酸や塩酸、アンモニア、フッ化水素、過酸化水素などの薬液を組み合わせて洗浄することが多い。洗浄による除去の対象は、有機物残渣、酸化物残渣、金属汚染などである。また、場合によっては、結晶の欠陥などのダメージの除去も洗浄工程とする場合もある。【００７５】
熱処理工程は、シリコン基板などの場合は必須で行われる工程であるが、必ずしも行わなければならない工程ではない。熱処理工程には、極めて清浄な雰囲気の炉が用いられ、注意深く洗浄が行われたウエハーが用いられる。熱処理によりウエハー表面に数百nmの酸化膜が形成される。この膜は絶縁膜となりシリコンを用いた半導体デバイス製造の出発点となる。【００７６】
不純物導入工程は、シリコン基板などにホウ素やヒ素、リンなどの３価および５価族元素を不純物として導入しｐｎ結合の形成や不純物濃度制御を行う技術である。不純物導入の方法としては、イオン打ち込み法や、熱拡散法、イオンドーピング法などがあるが、現在はイオン打ち込み法が主流である。イオン打ち込み法では、真空中で分離されたホウ素、ヒ素リンなどのイオンに、高電圧をかけて加速し、基板中に打ち込む。【００７７】
膜形成工程は、ウエハー上に気相エピタキシー（VPE：Vapor Phase Epitaxy）、分子線エピタキシー（MBE：Molecular Beam Epitaxy）、液相エピタキシー（LPE：Liquid Phase Epitaxy）、固相エピタキシー（SPE：Solid Phase Epitaxy）などの方法によって様々な物質をエピタキシャル成長させ、薄膜を形成させる工程である。【００７８】
気相成長法の一つであるハロゲン気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE）による単結晶サファイア基板上へのGaN結晶のエピタキシャル成長方法の一例の概略図を図２３の（ａ）に、有機金属化合物気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：MOVPE）による単結晶サファイア基板上へのGaN結晶のエピタキシャル成長方法の一例の概略図を図２３の（ｂ）に示した。HVPE法では、一般に９００℃程度の高温に保持された金属ガリウムと塩化水素ガスを内部反応管にて反応させて主に塩化ガリウムを生成し、１０００℃程度に保たれた単結晶サファイア基板付近でアンモニアと反応させてＧａＮ結晶を成長させる。アンモニアおよび塩化水素はキャリアガスと共に供給される。この方法では、塩化ガリウム生成部および単結晶サファイア基板の2カ所の温度制御と塩化水素ガスおよびアンモニアの流量制御が必須である。ＭＯＶＰＥ法では、一般的には単結晶サファイア基板のみが１０００℃程度に基板加熱用ヒータにより加熱され、そこにガリウムの原料となるガリウムと有機物の化合物である有機金属化合物と窒素原料となるアンモニアがキャリアガスと共に輸送され、ＧａＮ結晶が成長する。この場合、加熱および温度制御が必要なのは、単結晶サファイア基板のみである。【００７９】
平坦化工程は、ウエハー表面の凹凸を無くし、均一な表面形状とする工程である。平坦化工程で用いられる方法としては、エッチバック法などがあるが、代表的な方法としては、化学的機械的研磨である。平坦化工程は、リソグラフィー工程における露光で、深い焦点深度（ピントが合う領域）を確保し、微細なパターンを露光したり、膜形成工程において生じる段差を改善するための重要な工程である。【００８０】
リソグラフィー工程は、フォトレジスト塗布（２２０６）、露光（２２０７）、現像（２２０８）、エッチング（２２０９）、レジスト除去（２２１０）からなる。リソグラフィー工程には、そのほか様々な工程が入ることもある。リソグラフィー工程は、まず、ＧａＮ結晶などの薄膜上に、感光性樹脂であるフォトレジストを塗布し、ICなどの回路パターンが形成されたマスクを通し、紫外線やエキシマレーザ光線、電子ビーム、X線などを照射して露光しマスクパターンを薄膜上に転写する。その後現像を行い薄膜上に回路を形成させエッチング、レジスト除去を行う。【００８１】
回路が薄膜上に形成されると、次に配線が行われる。配線工程は、膜形成工程（２２１１）、平坦化工程（２２１２）、洗浄工程（２２１３）などからなるが、詳細については上記の基板工程とほぼ共通であるため、説明は省略する。配線工程は、電子デバイスの層数に応じて何度も繰り返し行われる。【００８２】
配線が終了し、ウエハープロセスが終了すると、組立プロセスとなる。組立プロセスは、多数の電子デバイスが形成されたウエハーを切断し、一つ一つの電子デバイスとする、ダイシング工程（１９１１）、電子デバイスをフレーム上に乗せるマウント工程（１９１２）、電子デバイスの電極とフレームを金の細線で接続するボンディング工程（１９１３）、樹脂により電子デバイスを封入する封入工程（１９１４）、電子デバイスの良否を検査する検査工程（１９１５）からなる。検査が終了すると電子デバイスとして出荷される。
<実施形態４：効果>【００８３】
図２４に本実施形態の単結晶サファイア基板で作成した青色ＬＥＤの順方向電圧に対する出力の関係を示した。順方向電圧（Ｖｆ）はＰ→Ｎ接合へ一定電流を流したときの電圧、であり、出力は、積分球を用いてフォトディテクターで計測した。本実施形態の単結晶サファイア基板に窒化ガリウム薄膜をエピタキシャル成長させ、青色ＬＥＤを製造した。本実施形態の単結晶サファイア基板で作成した青色ＬＥＤは、従来技術によって製造された青色ＬＥＤに比べ、出力が高いことが明らかとなった。これは、結晶方位が厳密に制御され、一定方向と均一高さを持つ真直ステップ、平坦なテラス、酸素原子を終端とする単原子層サファイア基板の上に電子デバイス素材がエピタキシャル成長により形成され、より理想に近い結晶方位と平坦層を有し、欠陥の無い単結晶サファイア基板が製造されているためである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】単結晶サファイア基板表面の概念図
【図２】実施形態１の単結晶サファイア基板表面を示した図
【図３】単結晶サファイアの結晶形態を示した図
【図４】マクロ的表面を説明する図
【図５】単結晶サファイア基板のＡＦＭ測定データ
【図６】サファイアの結晶構造を説明する概念図
【図７】サファイア単結晶をC面最表面を表した概念図
【図８】サファイア単結晶を切断した時の断面図透視
【図９】ステップの形成されたサファイア単結晶を切断した時の断面図透視図
【図１０】C面を主面とする単結晶サファイア基板のLEISS測定データ
【図１１】実施形態３の真空加熱炉の一例
【図１２】実施形態３の大気加熱炉の一例
【図１３】実施形態３の単結晶サファイア基板の製造方法を示すフローチャート
【図１４】実施形態３の単結晶サファイア基板の製造方法を示すフローチャート
【図１５】実施形態３の単結晶サファイア基板の熱処理温度変化
【図１６】実施形態３の単結晶サファイア基板の熱処理温度変化
【図１７】実施形態３の単結晶サファイア基板のＡＦＭ測定画像
【図１８】実施形態４の電子デバイスの製造方法を説明するための図
【図１９】実施形態４の電子デバイス製造方法の流れを説明するための図
【図２０】実施形態４のウエハーの切断方法を説明するための図
【図２１】実施形態４のウエハーの研磨方法を説明するための図
【図２２】実施形態４の電子デバイス製造方法を説明するための図
【図２３】実施形態４の電子デバイス製造方法を説明するための図
【図２４】実施形態４の電子デバイスの最大順方向電圧測定結果
【図２５】A面を主面とする単結晶サファイア基板のLEISS測定データ
【符号の説明】
【００８５】
０２０１  テラス面
０２０２  ステップ面
０２０３  マクロ的表面の端線
０２０４  エッジ
０２０５  マクロ的表面
【図１】
0005129740.tif 000003
【図２】
0005129740.tif 000004
【図３】
0005129740.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005129740.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
0005129740.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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