(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上面の一部を覆う閉環状の保護膜を形成する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、上記基板の上面及び側面のうち上記保護膜によって覆われていない領域の上に、窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）の後に、上記保護膜の内側に形成された上記化合物半導体膜を上記基板から分離する工程（ｃ）とを含み、
上記工程（ａ）で形成される保護膜は、上記工程（ｂ）で形成される化合物半導体膜のエピタキシャル成長を阻害する機能を有するものであることを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項２】
基板の上面及び側面のうちの一部を覆う閉環状の保護膜を形成する工程（ａ）と、
上記工程（ａ）の後に、上記基板の上面及び側面のうち上記保護膜によって覆われていない領域の上に、窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）の後に、上記基板を除去する工程（ｃ）とを含み、
上記工程（ａ）で形成される保護膜は、上記工程（ｂ）で形成される化合物半導体膜のエピタキシャル成長を阻害する機能を有するものであり、
上記工程（ａ）では、少なくとも上記基板の側面全体を覆うように上記保護膜を形成することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記保護膜の環幅の最小値が上記化合物半導体膜の膜厚よりも大きくなるように上記保護膜を形成することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記保護膜は、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜及びリフラクトリ金属膜のうちから選ばれるいずれか１つの膜によって構成されていることを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記基板を研磨によって除去することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｂ）では、上記基板の吸収端波長よりも長い吸収端波長を有する化合物半導体により上記化合物半導体膜を形成し、
上記工程（ｃ）では、上記基板側から上記基板の吸収端波長と上記化合物半導体膜の吸収端波長との中間の波長を有する光を照射することにより、上記化合物半導体膜の一部を分解して上記基板と上記化合物半導体膜とを分離させることを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記基板をエッチングによって除去することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｃ）の後に、上記化合物半導体膜の裏面を研磨することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｂ）では、上記化合物半導体膜として、Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つの元素とＮとを組成に含む化合物半導体膜を形成することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１０】
基板上に窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ａ）と、
上記化合物半導体膜のうち少なくとも上記基板の側面上に位置する部分を除去する工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）の後で、上記基板を除去する工程（ｃ）と
を含む化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｂ）では、上記化合物半導体膜のうち少なくとも上記基板の側面上に位置する部分を研磨により除去することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｂ）では、上記基板及び化合物半導体膜のうち側面からある距離だけ内側に位置する部位を閉環状に切断していくことを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｂ）では、上記化合物半導体膜のうち側面からある距離だけ内側に位置する部位までの部分を除去することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１４】
請求項１０〜１３のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記基板を研磨によって除去することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１５】
請求項１０〜１３のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｂ）では、上記基板の吸収端波長よりも大きい吸収端波長を有する化合物半導体により上記化合物半導体膜を形成し、
上記工程（ｃ）では、上記基板側から上記基板の吸収端波長と上記化合物半導体膜の吸収端波長との中間の波長を有する光を照射することにより、上記化合物半導体膜の一部を分解して上記基板と上記化合物半導体膜とを分離させることを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１６】
請求項１０〜１３のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｃ）では、上記基板をエッチングによって除去することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１７】
請求項１０〜１６のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ｃ）の後に、上記化合物半導体膜の裏面を研磨することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１８】
請求項１０〜１７のうちいずれか１つに記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ａ）では、上記化合物半導体膜として、Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つの元素とＮとを組成に含む化合物半導体膜を形成することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項１９】
基板の上面及び側面を覆う膜を堆積する工程（ａ）と、
上記膜を少なくとも上記基板の上面が露出するまで除去することにより、上記基板及び上記膜の上面を平坦化して、上記基板の少なくとも側面を覆う閉環状の保護膜を形成する工程（ｂ）と、
上記工程（ｂ）の後に、上記基板の上面のうち上記保護膜によって覆われていない領域の上に、窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ｃ）と、
上記工程（ｃ）の後に、上記基板を除去する工程（ｄ）とを含み、
上記工程（ｂ）で形成される保護膜は、上記工程（ｃ）で形成される化合物半導体膜のエピタキシャル成長を阻害する機能を有するものであることを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の化合物半導体ウエハの製造方法において、
上記工程（ａ）の前に、上記基板の外周部をある深さまで除去して切り欠き部を形成する工程をさらに含み、
上記工程（ｂ）では、上記保護膜が上記基板の側面及び切り欠き部を覆うように上記保護膜を形成することを特徴とする化合物半導体ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短波長レーザや高温動作トランジスタ等に用いられる窒素を組成に含む化合物半導体からなる化合物半導体ウエハの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つの元素とＮとを組成に含む化合物半導体（以下、「窒化物半導体」という）は、紫外から可視域におよぶ広範なバンドギャップエネルギーを有し、発光・受光デバイス用半導体材料として有望であることが知られている。この窒化物半導体の代表例としては、一般式がＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される化合物半導体がある。そして、この窒化物半導体を用いたデバイスを作製する際の下地基板として、良質で大面積の窒化物半導体ウエハ、とりわけフリースタンディングウエハ（自立ウエハ）の実現が強く求められている。
【０００３】
フリースタンディングの窒化物半導体ウエハとは、窒化物半導体以外の材料は含まれない，窒化物半導体のみから構成されるウエハである。一般に、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハを得るためには、窒化物半導体とは異なる材料からなる基板上に窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させ、その後、基板を除去するという方法が用いられている。基板を除去する方法の一つとして、例えば、ＵＳＰ６，０７１，７９５号に開示されているように、基板の裏面からエキシマＫｒＦレーザ、Ｎｄ／ＹＡＧレーザを照射する手法（レーザリフトオフ）が知られている。
【０００４】
図１３（ａ），（ｂ）は、従来のフリースタンディングの窒化物半導体膜を形成する工程を示す断面図である。
【０００５】
まず、エキシマＫｒＦレーザやＮｄ／ＹＡＧレーザのレーザ光に対して透明であるサファイア基板１０１（例えば２インチ径のサファイアウエハ）を準備する。そして、サファイア基板１０１をハイドライド気相成長（以下ＨＶＰＥという）装置内に導入する。
【０００６】
そして、図１３（ａ）に示す工程で、ＨＶＰＥにより、サファイア基板１０１の上に、例えば厚みが約３００μｍのＧａＮからなる窒化物半導体膜１０２を形成する。このとき、窒化物半導体膜１０２は、サファイア基板１０１の上面上に位置する平面部１０２ａと、サファイア基板１０１の側面上に位置する側面部１０２ｂとを有している。
【０００７】
次に、サファイア基板１０１の裏面から例えば波長３５５ｎｍの強いレーザ光を照射する。サファイア基板１０１は光を透過し、また照射するレーザ光のパルス幅は非常に短いので、レーザ光は窒化物半導体膜１０２のうち平面部１０２ａのサファイア基板１０１に接する領域つまり裏面部のみに吸収される。その結果、窒化物半導体膜１０２の平面部１０２ａの裏面部は加熱され、熱解離によりガリウムと窒素とに分解し、窒素ガスが発散する。そして、レーザ光をサファイア基板１０１の全面に亘って走査することにより、窒化物半導体膜１０２とサファイア基板１０１とが分離する。そして、サファイア基板１０１を取り外すことにより、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハとなる窒化物半導体膜１０２が得られる。その後、窒化物半導体膜１０２の上に、Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つの元素とＮとを組成に含む化合物半導体（一般式がＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される化合物半導体）の１又は２以上の結晶層をエピタキシャル成長させることにより、各種の化合物半導体デバイスが得られる。
【０００８】
また、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハを得るための他の方法として、サファイア基板１０１を機械的に研磨することにより、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハとなる窒化物半導体膜を得る方法も知られている。
【０００９】
また、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハを得るための別の方法としては、サファイア基板の代わりにＧａＡｓ基板やＳｉ基板等のエッチングにより容易に除去できる材料を用い、ＨＶＰＥによる窒化物半導体膜のエピタキシャル成長後に、研磨ではなくウェットエッチングによってＧａＡｓ基板やＳｉ基板を除去する方法も試みられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では以下のような不具合があった。
【００１１】
図１３（ａ），（ｂ）に示す方法では、窒化物半導体膜１０２のうち平面部１０２ａの裏面部はレーザ光の照射によって分解され、窒化物半導体膜１０２の平面部１０２ａとサファイア基板１０１とは比較的容易に分離する。ところが、窒化物半導体膜１０２の側面部１０２ｂにはレーザ光が照射されにくいので、側面部１０２ｂのサファイア基板１０１との界面付近の領域を分解することは一般には困難である。したがって、例えばサファイア基板１０１と窒化物半導体膜１０２とを加熱して、窒化物半導体膜１０２とサファイア基板１０１とを互いに分離しようとすると、窒化物半導体膜１０２の側面部１０２ｂに窒化物半導体膜１０２の側面部１０２ｂとサファイア基板１０１との熱膨張係数差による応力が集中し、側面部１０２ｂにクラックが発生し、ついには窒化物半導体膜１０２の平面部１０２ａが割れてしまうというおそれがあった。
【００１２】
また、サファイア基板１０１の側面部は、上面部とは結晶方位が異なり、しかも、基板製造時の加工処理などによって結晶性が乱れているので、窒化物半導体膜１０２の側面部１０２ｂは、結晶性が悪くほとんど多結晶構造に近い部分もある。そのために、窒化物半導体膜１０２の側面部１０２ｂは、一般に割れや欠けが容易に生じやすいことも、不具合を生じる原因の１つになっている。
【００１３】
また、サファイア基板１０１を研磨により除去する方法においては、研磨中にサファイア基板１０１とともに窒化物半導体膜１０２の側面部１０２ｂも同時に研磨されるので、機械的ストレスによってこの側面部１０２ｂを起点として窒化物半導体膜１０２の平面部１０２ａに達するクラックや割れが生じやすい。そのために、この方法を利用しても、独立した大面積の窒化物半導体膜１０２を再現性よく得ることが困難であった。
【００１４】
また、ＧａＡｓ基板やＳｉ基板を用い、研磨ではなくエッチングによってＧａＡｓ基板やＳｉ基板を除去する方法においては、基板除去後のウエハのハンドリング中に窒化物半導体膜１０２が割れやすく、そこを起点として窒化物半導体膜１０２に大きくクラックや割れが生じやすい。そのために、この方法を利用しても、独立した大面積の窒化物半導体膜１０２を再現性よく得ることが困難であった。
【００１５】
さらに、このようにして得られた独立した窒化物半導体ウエハ（窒化物半導体膜１０２）は、その上に半導体デバイスなどを形成する前に表面研磨処理を行うのが一般的であるが、その表面研磨工程の際にも、機械的ストレスによって側面部１０２ｂが割れやすく、そこを起点としてウエハ全体が割れてしまうというおそれがあった。
【００１６】
また、ウエハ全体に割れが生じない場合でも、分離あるいは研磨の過程での過剰な機械的ストレスによってウエハ内にクラックが残留しているおそれがあった。そして、クラックが残留している窒化物半導体ウエハの上に、電界効果トランジスタ、ＬＥＤ、レーザダイオードなどの半導体素子を形成した場合、残留しているクラックが電流リークの原因となり信頼性が低下したり、クラックが光の散乱中心となり発光効率が低下するおそれもあった。
【００１７】
本発明の目的は、フリースタンディングの大面積の窒化物半導体ウエハを歩留まりよく、かつ、再現性よく得るための化合物半導体ウエハの製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の化合物半導体ウエハの製造方法は、基板の上面及び側面のうちの一部を覆う閉環状の保護膜を形成する工程（ａ）と、上記工程（ａ）の後に、上記基板の上面及び側面のうち上記保護膜によって覆われていない領域の上に、窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ｂ）と、上記工程（ｂ）の後に、上記基板を除去する工程（ｃ）とを含み、上記工程（ａ）で形成される保護膜は、上記工程（ｂ）で形成される化合物半導体膜のエピタキシャル成長を阻害する機能を有するものである。
【００１９】
この方法により、化合物半導体膜のうち基板の上面からエピタキシャル成長した部分だけをフリースタンディングウエハとして利用することが可能になる。そして、この部分には、基板の側面から成長した部分がないので、後工程におけるクラックや欠けの発生を抑制することができる。また、基板の側面付近におけるエピタキシャル成長条件の変動の影響が少ない良質のウエハが得られる。
【００２０】
上記工程（ａ）では、少なくとも上記基板の側面全体を覆うように上記保護膜を形成することにより、化合物半導体膜が基板の上面からエピタキシャル成長した部分のみによって構成されるので、上述の作用効果を確実に発揮することができる。
【００２１】
上記工程（ａ）では、上記基板の上面の一部のみを覆うように上記保護膜を形成することにより、基板の上面からエピタキシャル成長した化合物半導体膜と、基板の側面からエピタキシャル成長した化合物半導体膜とが得られるので、前者のみをフリースタンディングのウエハとして用いることができる。
【００２２】
上記工程（ａ）では、上記保護膜の環幅の最小値が上記化合物半導体膜の膜厚よりも大きくなるように上記保護膜を形成することにより、基板の上面からエピタキシャル成長した化合物半導体膜と、基板の側面からエピタキシャル成長した化合物半導体膜とを確実に分離することができる。
【００２３】
上記保護膜は、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜及びリフラクトリ金属膜のうちから選ばれるいずれか１つの膜によって構成されていることが好ましい。
【００２４】
上記工程（ｃ）では、上記基板を研磨によって除去することができる。
【００２５】
上記工程（ｂ）では、上記基板の吸収端波長よりも長い吸収端波長を有する化合物半導体により上記化合物半導体膜を形成し、上記工程（ｃ）では、上記基板側から上記基板の吸収端波長と上記化合物半導体膜の吸収端波長との中間の波長を有する光を照射することにより、上記化合物半導体膜の一部を分解して上記基板と上記化合物半導体膜とを分離させることができる。
【００２６】
上記工程（ｃ）では、上記基板をエッチングによって除去することもできる。
【００２７】
また、上記工程（ｃ）の後に、上記化合物半導体膜の裏面を研磨することが好ましい。
【００２８】
本発明の第２の化合物半導体ウエハの製造方法は、基板上に窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ａ）と、上記化合物半導体膜のうち少なくとも上記基板の側面上に位置する部分を除去する工程（ｂ）と、上記工程（ｂ）の後で、上記基板を除去する工程（ｃ）とを含んでいる。
【００２９】
この方法により、化合物半導体膜のうち基板の上面からエピタキシャル成長した部分だけをフリースタンディングウエハとして利用することが可能になる。そして、この部分には、基板の側面から成長した部分がないので、後工程におけるクラックや欠けの発生を抑制することができる。特に、基板の側面付近におけるエピタキシャル成長条件の変動の影響を受けた部分をより確実に除去できるので、良質のウエハが得られる。
【００３０】
上記工程（ｂ）では、上記化合物半導体膜のうち少なくとも上記基板の側面上に位置する部分を研磨により除去することができる。
【００３１】
上記工程（ｂ）では、上記基板及び化合物半導体膜のうち側面からある距離だけ内側に位置する部位を閉環状に切断していくことができる。
【００３２】
上記工程（ｂ）では、上記化合物半導体膜のうち側面からある距離だけ内側に位置する部位までの部分を除去することができる。
【００３３】
この第２の化合物半導体ウエハの製造方法においても、上述の第１の化合物半導体ウエハの製造方法と同様の好ましい形態を採用することができる。
【００３４】
本発明の第３の化合物半導体ウエハの製造方法は、基板の上面及び側面を覆う膜を堆積する工程（ａ）と、上記膜を少なくとも上記基板の上面が露出するまで除去することにより、上記基板及び上記膜の上面を平坦化して、上記基板の少なくとも側面を覆う閉環状の保護膜を形成する工程（ｂ）と、上記工程（ｂ）の後に、上記基板の上面のうち上記保護膜によって覆われていない領域の上に、窒素を組成に含む化合物半導体膜をエピタキシャル成長させる工程（ｃ）と、上記工程（ｃ）の後に、上記基板を除去する工程（ｄ）とを含み、上記工程（ｂ）で形成される保護膜は、上記工程（ｃ）で形成される化合物半導体膜のエピタキシャル成長を阻害する機能を有するものである。
【００３５】
この方法により、化合物半導体膜のうち基板の上面からエピタキシャル成長した部分だけをフリースタンディングウエハとして利用することが可能になる。そして、この部分には、基板の側面から成長した部分がないので、後工程におけるクラックや欠けの発生を抑制することができる。また、基板の側面付近におけるエピタキシャル成長条件の変動の影響が少ない良質のウエハが得られる。
【００３６】
上記工程（ａ）の前に、上記基板の外周部をある深さまで除去して切り欠き部を形成する工程をさらに含み、上記工程（ｂ）では、上記保護膜が上記基板の側面及び切り欠き部を覆うように上記保護膜を形成することにより、上述の効果に加えて、基板の側面付近におけるエピタキシャル成長条件の変動の影響がさらに少ない良質のウエハが得られる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図及び平面図である。なお、図１（ａ）〜（ｅ）において、サファイア基板及びＧａＮ膜は円形で図示されているが、一部に、ウエハの結晶方位を示すいわゆるオリフラ（オリエンテーションフラット）が設けられているのが一般的である。その場合にも、本実施形態及び各変形例や、後述する各実施形態における作用効果には変わりがないので、以下の説明においては、「円形」とは、オリフラがある場合をも含むものとする。
【００３８】
まず、図１（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）の表面上に、ＣＶＤにより、厚さ約１００ｎｍのＳｉＯ2 膜２ｘを形成する。このとき、ＳｉＯ2 膜２ｘは、サファイア基板１の上面及び側面を覆っている。
【００３９】
次に、図１（ｂ）に示す工程で、フォトリソグラフィー及びウエットエッチングによりＳｉＯ2 膜２ｘをパターニングして、ＳｉＯ2 膜２ｘのうちサファイア基板１の上面を覆う環幅ｄ１（例えば２ｍｍ）の閉環状部２ａと、サファイア基板１の側面を覆う側面部２ｂとからなる保護膜２を形成する。
【００４０】
次に、図１（ｃ）に示す工程で、保護膜２が付設されたサファイア基板１を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、サファイア基板１を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約７．５時間で、サファイア基板１の上面のうち露出している部分の上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３がエピタキシャル成長する。その際、ＧａＮ結晶はＳｉＯ2 膜である保護膜２の上にはエピタキシャル成長しないので、ＧａＮ膜３の下部の直径は、保護膜２の閉環状部２ａの内径（本実施形態では、約４６ｍｍ）にほぼ等しくなる。しかし、ＧａＮ結晶は、上方にエピタキシャル成長して保護膜２の上面に達すると、保護膜２の上面上に沿って側方にもラテラル成長する。したがって、最終的には、ＧａＮ膜３の上部の直径は４６ｍｍよりもやや大きくなる。例えば本実施形態では、ＧａＮ膜３の上部の直径は、約４６．６ｍｍであり、図１（ｃ）に示す寸法ｄ２＝０．３ｍｍであった。
【００４１】
次に、図１（ｄ）に示す工程で、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、波長３５５ｎｍのＮｄ／ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いたレーザ光のビームをサファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３に照射する。ＧａＮの吸収端波長は約３６０〜３７０ｎｍであり、レーザ光の波長よりも長いため、ＧａＮはレーザ光を吸収し発熱する。レーザ光のエネルギー密度が十分大きくすれば、この発熱によってＧａＮ膜３のうちサファイア基板１に接する部分，つまり裏面部が界面近傍で分解される。本実施形態においては、レーザ光のエネルギー密度が概ね０．４Ｊ／ｃｍ2 以上のときにこのような現象を確認することができた。
【００４２】
そして、このような条件でレーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、図１（ｅ）に示すように、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）が得られる。
【００４３】
本実施形態では、サファイア基板１の上面の一部及び側面を覆う閉環状の保護膜２を形成しておいて、保護膜２を残した状態で、サファイア基板１のうち保護膜２によって覆われていない領域の上に窒化物半導体膜であるＧａＮ膜３をエピタキシャル成長させている。したがって、サファイア基板１の側面の上には、ＧａＮ結晶は成長しないので、ＧａＮ膜３のうちサファイア基板１に接している裏面部全体を確実に分解することができる。よって、ＧａＮ膜３とサファイア基板１とを円滑に互いに分離させることができ、フリースタンディングのＧａＮウエハ（窒化物半導体ウエハ）を再現性よく得ることができる。
【００４４】
また、以上のようにして得られたフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）の上に、Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つの元素とＮとを組成に含む化合物半導体（例えば一般式がＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される化合物半導体）からなるＬＥＤを形成した場合、電流リークがほとんどなく信頼性の高い素子を得ることができた。これは、サファイア基板１を分離する過程で、ＧａＮ膜３に過剰な機械的ストレスがかからないためにＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）内にクラックが残留しなかったためと考えられる。
【００４５】
なお、本実施形態で得られたＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）の裏面には、保護膜２の上面上に沿ってラテラル成長した部分（上部）と、保護膜２の開口部内で上方にエピタキシャル成長した部分（下部）との間に、ある程度の段差が生じるが、ＧａＮ膜３をサファイア基板１と分離させた後に、ＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）の裏面を研磨することにより、段差を容易に除去することができる。そして、このような裏面研磨工程においても、ＧａＮ膜３の周辺部分には、サファイア基板１の側面からエピタキシャル成長した部分が存在しないので、機械的ストレスによるＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）の割れはほとんど生じることがなく、大面積のＧａＮウエハを再現性よく得ることができる。
【００４６】
一方、閉環状のＳｉＯ2 からなる保護膜２の閉環状部２ａの環幅ｄ１は、ＧａＮ膜３のうち保護膜２の上面に沿ってラテラル成長する部分がウエハの外周端に達しない程度の環幅であることが好ましい。ＧａＮ膜３のうちラテラル成長した部分がウエハの側面にまでまわり込むと、ＧａＮ膜３とサファイア基板１との分離や、ＧａＮ膜３の裏面の研磨に手間を要するおそれがあるからである。
【００４７】
ただし、図１（ｂ）に示す閉環状の保護膜２の平面部２ａの環幅ｄ１がほとんど０であってもよい。その場合、窒化物半導体膜のうちラテラル成長した部分がウエハの側面に沿って成長することになるが、その場合にも、ＧａＮ膜３とサファイア基板１との分離や、ＧａＮ膜３の裏面の研磨は可能だからである。
【００４８】
−変形例１−
上記第１の実施形態では、サファイア基板１に対して同心円状にＳｉＯ2 からなる保護膜２を残したが、必ずしも同心円である必要はない。
【００４９】
図２は、第１の実施形態の変形例１におけるサファイア基板１及び保護膜２の平面図及びII−II線における縦断面図である。図２は、変形例１の製造工程中の図１（ｂ）に示す工程に相当する工程のみを示している。図２に示すように、この変形例１では、保護膜２の閉環状部２ａがサファイア基板１の同心位置からオフセットしている。この場合にも、閉環状部２ａの環幅の最小値ｄmin が、ＧａＮ膜３のうち保護膜２の上面に沿ってラテラル成長する部分がウエハの外周端に達しない程度の環幅であることが好ましい。第１の実施形態と同じ理由による。
【００５０】
−変形例２−
上記第１の実施形態では、ほぼ円形のサファイア基板１の上にほぼ円形のＧａＮ膜３を形成する場合について説明したが、サファイア基板１ならびにＧａＮ膜３の形状は任意に選ぶことができる。
【００５１】
図３は、第１の実施形態の変形例２におけるサファイア基板１及び保護膜２の平面図及びIII−III線における縦断面図である。図３は、変形例２の製造工程中の図１（ｂ）に示す工程に相当する工程のみを示している。図３に示すように、この変形例２では、サファイア基板１がほぼ円形であるのに対し、保護膜２の閉環状部２ａの内周部が矩形である。したがって、ほぼ円形のサファイア基板１の上に矩形のＧａＮ膜がエピタキシャル成長することになる。この場合にも、閉環状部２ａの環幅の最小値ｄmin が、ＧａＮ膜３のうち保護膜２の上面に沿ってラテラル成長する部分がウエハの外周端に達しない程度の環幅であることが好ましい。第１の実施形態と同じ理由による。
【００５２】
−変形例３−
図４は、第１の実施形態の変形例３におけるサファイア基板１及び保護膜２の平面図及びIV−IV線における縦断面図である。図４は、変形例３の製造工程中の図１（ｂ）に示す工程に相当する工程のみを示している。図４に示すように、この変形例３では、サファイア基板１が矩形で、保護膜２の閉環状部２ａの内周部も矩形である。したがって、矩形のサファイア基板１の上に矩形のＧａＮ膜がエピタキシャル成長することになる。この場合にも、閉環状部２ａの環幅ｄ１が、ＧａＮ膜３のうち保護膜２の上面に沿ってラテラル成長する部分がウエハの外周端に達しない程度の環幅であることが好ましい。第１の実施形態と同じ理由による。
【００５３】
−変形例４−
図１５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態の変形例４における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図である。
【００５４】
まず、図１５（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）のコーナー部を例えばダイヤモンド砥石を用いて研削して、例えば幅２ｍｍ，深さ１μｍの切り欠き部１ｘを形成する。
【００５５】
次に、図１５（ｂ）に示す工程で、サファイア基板１の表面上に、ＣＶＤにより、厚さ約１．１μｍのＳｉＯ2 膜２ｘを形成する。このとき、ＳｉＯ2 膜２ｘは、サファイア基板１（切り欠き部１ｘを含む）の上面及び側面を覆っている。
【００５６】
次に、図１５（ｃ）に示す工程で、サファイア基板１の上面が露出するまでＣＭＰ（化学機械的研磨）を行なって、ＳｉＯ2 膜２ｘ及びサファイア基板１の上面を平坦化する。これにより、ＳｉＯ2 膜２ｘのうちサファイア基板１の切り欠き部１ｘを覆う環幅２ｍｍの閉環状部２ａと、サファイア基板１の側面を覆う側面部２ｂとからなる保護膜２を形成する。
【００５７】
次に、図１５（ｄ）に示す工程で、第１の実施形態と同様の手順及び条件で、サファイア基板１の上面のうち露出している部分の上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３をエピタキシャル成長させる。その際、ＧａＮ結晶は、保護膜２の上面上に沿って側方にもラテラル成長する。したがって、ＧａＮ膜３の直径は、保護膜２の閉環状部２ａの内径（本実施形態では、約４６ｍｍ）よりも大きくなる。
【００５８】
次に、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、第１の実施形態と同じ手順及び条件で、レーザ光のビームをサファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３に照射する。そして、レーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、第１の実施形態と同様に、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）が得られる。
【００５９】
本変形例では、サファイア基板１の外周部に予め切り欠き部１ｘを形成しておいて、その後、ＳｉＯ2 膜の堆積及びＣＭＰによってサファイア基板１の切り欠き部１ｘ及び側面を覆う閉環状の保護膜２を形成しておいて、保護膜２を残した状態で、サファイア基板１のうち保護膜２によって覆われていない領域の上に窒化物半導体膜であるＧａＮ膜３をエピタキシャル成長させている。したがって、サファイア基板１の側面の上には、ＧａＮ結晶は成長しないので、ＧａＮ膜３のうちサファイア基板１および保護膜２に接している裏面部全体を確実に分解することができる。よって、第１の実施形態と同様に、ＧａＮ膜３とサファイア基板１とを円滑に互いに分離させることができ、フリースタンディングのＧａＮウエハ（窒化物半導体ウエハ）を再現性よく得ることができる。
【００６０】
この変形例においては、特に、ＧａＮ膜３の裏面を研磨しなくても、裏面がほぼ平坦なフリースタンディングのＧａＮウエハを得ることができるという利点がある。
【００６１】
また、ＧａＮ膜３とサファイア基板１とを分離した後、ごく短時間のＣＭＰを行なうだけで、保護膜２付きのサファイア基板１を再利用することができるという利点がある。
【００６２】
−変形例５−
図１６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態の変形例５における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図である。
【００６３】
まず、図１６（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）の表面上に、ＣＶＤにより、厚さ約１μｍのＳｉＯ2 膜２ｘを形成する。このとき、ＳｉＯ2 膜２ｘは、サファイア基板１の上面及び側面を覆っている。
【００６４】
次に、図１６（ｂ）に示す工程で、サファイア基板１の上面が露出するまでＣＭＰ（化学機械的研磨）を行なって、ＳｉＯ2 膜２ｘ及びサファイア基板１の上面を平坦化する。これにより、サファイア基板１の側面を覆う環幅約１μｍの保護膜２を形成する。
【００６５】
次に、図１６（ｃ）に示す工程で、第１の実施形態と同様の手順及び条件で、サファイア基板１の上面のうち露出している部分の上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３をエピタキシャル成長させる。その際、ＧａＮ結晶は、保護膜２の上面上に沿って側方にもラテラル成長する。したがって、ＧａＮ膜３の直径は、サファイア基板１の外径（本実施形態では、約５０．８ｍｍ）よりも大きくなる。
【００６６】
次に、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、第１の実施形態と同じ手順及び条件で、レーザ光のビームをサファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３に照射する。そして、レーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、第１の実施形態と同様に、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）が得られる。
【００６７】
本変形例では、ＳｉＯ2 膜の堆積及びＣＭＰによってサファイア基板１の側面のみを覆う閉環状の保護膜２を形成しておいて、保護膜２を残した状態で、サファイア基板１のうち保護膜２によって覆われていない領域の上に窒化物半導体膜であるＧａＮ膜３をエピタキシャル成長させている。したがって、サファイア基板１の側面の上には、ＧａＮ結晶は成長しないので、ＧａＮ膜３のうちサファイア基板１および保護膜２に接している裏面部全体を確実に分解することができる。よって、第１の実施形態と同様に、ＧａＮ膜３とサファイア基板１とを円滑に互いに分離させることができ、フリースタンディングのＧａＮウエハ（窒化物半導体ウエハ）を再現性よく得ることができる。
【００６８】
また、この変形例においては、変形例４と同様に、特に、ＧａＮ膜３の裏面を研磨しなくても、裏面がほぼ平坦なフリースタンディングのＧａＮウエハを得ることができるという利点がある。
【００６９】
また、ＧａＮ膜３とサファイア基板１とを分離した後、ごく短時間のＣＭＰを行なうだけで、保護膜２付きのサファイア基板１を再利用することができるという利点がある。
【００７０】
ただし、変形例４の場合には、保護膜２の厚みを厚くしなくても、保護膜の幅を厚く（上記変形例４では、約２ｍｍ）確保することができるので、変形例５に比べて、サファイア基板１の側面付近におけるエピタキシャル成長条件の変動の影響がさらに少ない良質の化合物半導体ウエハを得らることができる。
【００７１】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態及び各変形例においては、図１（ｂ）に示す工程で、保護膜２の閉環状部２ａの内側はすべて開口されており、サファイア基板１のうち閉環状部２ａの内側に位置する部分はすべて露出されている。しかし、本発明の製造方法は、必ずしもかかる第１の実施形態及び各変形例の方法に限定されるものではない。
【００７２】
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態における化合物半導体ウエハの製造工程を示す断面図である。本実施形態の説明においては、平面図の図示を省略する。
【００７３】
まず、図５（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）の表面上に、ＣＶＤにより、厚さ約１００ｎｍのＳｉＯ2 膜１１ｘを形成する。このとき、ＳｉＯ2 膜１１ｘは、サファイア基板１の上面及び側面を覆っている。
【００７４】
次に、図５（ｂ）に示す工程で、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによりＳｉＯ2 膜１１ｘをパターニングして、ＳｉＯ2 膜１１ｘのうちサファイア基板１の上面の一部を覆う上面部１１ａと、サファイア基板１の側面を覆う側面部１１ｂとからなる保護膜１１を形成する。このとき、上面部１１ａは、第１の実施形態と同じ閉環状部を有するとともに、閉環状部の内側においてもサファイア基板１の上面をほぼ覆っている。そして、保護膜１１の上面部１１ａには、約１０μｍの間隔で直径約２μｍの孔１２が２次元的に設けられている。
【００７５】
次に、図５（ｃ）に示す工程で、保護膜１１が付設されたサファイア基板１を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、サファイア基板１を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約７．５時間で、サファイア基板１の上面のうち露出している部分の上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３がエピタキシャル成長する。このとき、ＧａＮ結晶は、各孔１２内を上方にエピタキシャル成長して保護膜１１の上面に達すると、保護膜１１の上面上に沿って側方にもラテラル成長する。そして、各孔１２の上方においてラテラル成長したＧａＮ結晶同士がやがて合体して、連続的なＧａＮ膜３が形成される。
【００７６】
このとき、ＧａＮ膜３には、サファイア基板１との格子不整合などによってある程度の転位などの欠陥が生じる。そして、ＧａＮ膜３のうち孔１２の上方に縦方向にエピタキシャル成長する部分には、転位などの欠陥が伝搬するが、ＧａＮ膜３のうち保護膜１１の上方に位置する部分はラテラル成長によって形成されているので、転位などの欠陥はほとんど伝搬しておらず、高い結晶性を有している。
【００７７】
その後の工程の図示は省略するが、第１の実施形態と同様に、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、波長３５５ｎｍのＮｄ／ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いたレーザ光のビームをサファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３に照射し、レーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）を得る。このときの条件は、第１の実施形態で説明したとおりである。
【００７８】
本実施形態によれば、基本的には第１の実施形態と同じ作用効果を発揮することができる。加えて、保護膜１１によってサファイア基板１の上面の大部分を覆った状態で、保護膜１１の開口部からＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させた後、保護膜１１の上面上に沿ってＧａＮ結晶をラテラル成長させることで、ＧａＮ膜３を形成しているので、保護膜１１上には転位などの欠陥の伝搬のほとんどない良質の結晶層を形成することができる。よって、ＧａＮ膜３全体の欠陥密度を低減することができる。
【００７９】
（第３の実施形態）
上記第１の実施形態では、ＳｉＯ2 からなる保護膜２によってサファイア基板１の外周部を覆っているが、保護膜２がサファイア基板１の外周部や側面を覆っている必要はない。
【００８０】
図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態における化合物半導体ウエハの製造工程を示す断面図である。本実施形態の説明においては、平面図の図示を省略する。
【００８１】
まず、図６（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）の表面上に、ＣＶＤにより、厚さ約１００ｎｍのＳｉＯ2 膜１５ｘを形成する。このとき、ＳｉＯ2 膜１５ｘは、サファイア基板１の上面及び側面を覆っている。
【００８２】
次に、図６（ｂ）に示す工程で、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによりＳｉＯ2 膜１５ｘをパターニングして、ＳｉＯ2 膜１５ｘのうちサファイア基板１の上面の一部を覆う環幅ｄ３の閉環状の保護膜１５を形成する。このとき、ＳｉＯ2 膜１５ｘのうちサファイア基板１の側面及び側面に隣接する外周部は除去される。
【００８３】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、保護膜１５が付設されたサファイア基板１を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、サファイア基板１を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約７．５時間で、サファイア基板１の上面のうち露出している部分の上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３がエピタキシャル成長する。このとき、サファイア基板１の上面のうち保護膜１５の内側に位置する部分からは下地基板として利用するＧａＮ膜３が成長し、サファイア基板１の上面のうち保護膜１５の外側に位置する部分及び側面からは、利用しない部分であるＧａＮ膜３’が成長する。そして、各ＧａＮ膜３，３’の厚みが保護膜１５の厚みを越えると、保護膜１５の上面に沿ってラテラル成長する。そして、保護膜１５の外周部と内周部とから個別にラテラル成長するＧａＮ膜３，３’が互いに接しないうちにエピタキシャル成長を停止する。
【００８４】
その後の工程の図示は省略するが、第１の実施形態と同様に、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、波長３５５ｎｍのＮｄ／ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いたレーザ光のビームをサファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３に照射し、レーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）を得る。このときの条件は、第１の実施形態で説明したとおりである。
【００８５】
以上の説明では、レーザ光の照射によりサファイア基板１を分離したが、本発明におけるサファイア基板１を除去する方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、研磨による除去方法を用いることができる。また、サファイア基板の代わりにＳｉ基板やＧａＡｓ基板を用いた場合には、エッチングによる除去方法を用いることができる。
【００８６】
本実施形態においても、保護膜１５の環幅ｄ３はＧａＮ膜３の膜厚よりも大きいことが必要である。
【００８７】
本実施形態においては、サファイア基板１の径よりも小さい外径を有する保護膜１５を形成し、２つのＧａＮ膜３，３’を個別に設けて、保護膜１５の内方のＧａＮ膜３のみをフリースタンディングのＧａＮウエハとして用いるようにしている。したがって、本実施形態においても、保護膜１５を用いることにより、第１の実施形態の効果が得られる。
【００８８】
それに加えて、本実施形態においては、特に、サファイア基板１を研磨によって除去する手法を採用するときに、以下のような格別の効果が得られる。すなわち、サファイア基板１の研磨の際に、保護膜１５の外側に形成されたＧａＮ膜３’の存在により、保護膜１５の内方に形成されたＧａＮ膜３に印加される機械的ストレスが相対的に弱くなる。したがって、フリースタンディングのＧａＮウエハであるＧａＮ膜３における割れの発生が抑制される。
【００８９】
上記第１〜第３の実施形態（変形例を含む）においては、ＧａＮ膜３のエピタキシャル成長を妨げるための保護膜として、ＳｉＯ2 膜を用いたが、本発明の保護膜を構成する材料は上記各実施形態に限定されるものではない。ＳｉＯ2 膜（シリコン酸化膜）以外に、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜），シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜），リフラクトリ金属膜（Ｗ膜，Ｍｏ膜，Ｔａ膜，Ｃｏ膜，Ｔｉ膜など）などを用いることができる。
【００９０】
また、本発明によって製造されるフリースタンディングウエハの大きさについては、上記第１〜第３の実施形態（変形例を含む）おける大きさに限定されるものではないが、ウエハの大きさが大きくなるにつれて従来技術と比較してより顕著な効果が得られる。とりわけ、従来の方法では約５ｍｍ角以上の大きさのフリースタンディングウエハを再現性よく得ることが困難であったが、本発明による技術を用いることにより、再現性よくフリースタンディングウエハを得ることができる。
【００９１】
（第４の実施形態）
図７（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図及び平面図である。なお、図７（ａ）〜（ｅ）において、サファイア基板及びＧａＮ膜は円形で図示されているが、一部に、ウエハの結晶方位を示すいわゆるオリフラ（オリエンテーションフラット）が設けられているのが一般的である。その場合にも、本実施形態における作用効果には変わりがないので、以下の説明においては、「円形」とは、オリフラがある場合をも含むものとする。
【００９２】
まず、図７（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）を準備する。そして、図７（ｂ）に示す工程で、サファイア基板１を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、サファイア基板１を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約７．５時間で、サファイア基板１の表面上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３ｘがエピタキシャル成長する。このとき、ＧａＮ膜３ｘは、サファイア基板１の上面を覆う部分３ａとサファイア基板１の側面を覆う部分３ｂとを有している。
【００９３】
次に、図７（ｃ）に示す工程で、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、ウエハの外周部を研磨して、ＧａＮ膜３ｘの外周部を除去するとともに、サファイア基板１の外周部のある深さまで掘り下げる。これにより、サファイア基板１の外周部が段付き形状になり、ＧａＮ膜３ｘは、サファイア基板１の上面の上にもに位置するＧａＮ膜３と、サファイア基板１の側面上のみに位置するＧａＮ膜３’とに分離される。
【００９４】
次に、図７（ｄ）に示す工程で、波長３５５ｎｍのＮｄ／ＹＡＧレーザの３倍高調波を用いたレーザ光のビームをサファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３に照射する。ＧａＮの吸収端波長は約３６０〜３７０ｎｍであり、レーザ光の波長よりも長いため、ＧａＮはレーザ光を吸収し発熱する。レーザ光のエネルギー密度が十分大きくすれば、この発熱によってＧａＮ膜３のうちサファイア基板１に接する部分，つまり裏面部が界面近傍で分解される。本実施形態においては、レーザ光のエネルギー密度が概ね０．４Ｊ／ｃｍ2 以上のときにこのような現象を確認することができた。
【００９５】
そして、このような条件でレーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、図７（ｅ）に示すように、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）が得られる。
【００９６】
図８は、図７（ｃ）に示す研磨工程を概略的に示す斜視図である。同図に示すように、研磨装置は、ほぼ垂直方向の回転軸を有する回転ステージ５１と、回転ステージ５１の回転軸とほぼ９０度の角度をなす回転軸を有する研磨板５２とを備えている。そして、ウエハを回転ステージ５１に固定し、高速回転する研磨板５２をウエハの外周部に押し当てる。この状態で、回転ステージ５１をゆっくりと回転させることにより、ＧａＮ膜３ｘの外周部を除去して、個別のＧａＮ膜３，３’に分離させる。
【００９７】
以上の説明では、レーザ光の照射によりサファイア基板１を分離したが、本発明におけるサファイア基板１を除去する方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、研磨による除去方法を用いることができる。また、サファイア基板の代わりにＳｉ基板やＧａＡｓ基板を用いた場合には、エッチングによる除去方法を用いることができる。
【００９８】
本実施形態においても、上記第３の実施形態と同じ効果を発揮することができる。すなわち、第１の実施形態の効果に加えて、サファイア基板１を研磨によって基板を分離する場合には、サファイア基板１の側面上に形成されたＧａＮ膜３’の存在により、サファイア基板１の上面上に形成されたＧａＮ膜３に印加される機械的ストレスが相対的に弱くなる。したがって、フリースタンディングのＧａＮウエハであるＧａＮ膜３における割れの発生が抑制される。
【００９９】
（第５の実施形態）
図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す断面図である。本実施形態においては、ウエハの平面図の図示は省略する。
【０１００】
まず、図９（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）を準備する。そして、サファイア基板１を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、サファイア基板１を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約７．５時間でサファイア基板１の表面上に、厚さ約３００μｍのＧａＮ膜３ｘがエピタキシャル成長する。このとき、ＧａＮ膜３ｘは、サファイア基板１の上面を覆う部分３ａとサファイア基板１の側面を覆う部分３ｂとを有している。
【０１０１】
次に、図９（ｂ）に示す工程で、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、ウエハの外周部を研磨して、ＧａＮ膜３ｘの外周部及び側面部を除去するとともに、サファイア基板１の外周部も除去する。これにより、サファイア基板１の上面上に位置するＧａＮ膜３のみが残存することになる。
【０１０２】
次に、図９（ｃ）に示す工程で、サファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３にＮｄ／ＹＡＧレーザの３次高調波（波長３５５ｎｍ）を照射する。Ｎｄ／ＹＡＧレーザのパルス幅は５ｎｓ、光強度３００ｍＪ／ｃｍ2 、ビーム径は７ｍｍである。また、Ｎｄ／ＹＡＧレーザのパルス幅は５ｎｓと非常に短いので、レーザ光はＧａＮ膜３のサファイア基板１との界面のごく近傍の領域に局所的に吸収される。レーザ光のエネルギー密度が十分大きくすれば、この発熱によってＧａＮ膜３のうちサファイア基板１に接する部分，つまり裏面部が界面近傍で分解される。本実施形態においては、レーザ光のエネルギー密度が概ね０．４Ｊ／ｃｍ2 以上のときにこのような現象を確認することができた。
【０１０３】
そして、このような条件でレーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）が得られる。
【０１０４】
図１０は、図９（ｂ）に示す研磨工程を概略的に示す斜視図である。同図に示すように、研磨装置は、ほぼ垂直方向の回転軸を有する回転ステージ５５と、研磨板５６とを備えている。研磨板５６としては、例えばダイヤモンド砥石が用いられる。そして、ウエハを回転ステージ５５に固定し、研磨板５６をウエハの外周部に押し当てる。この状態で、回転ステージ５５をゆっくりと回転させることにより、ＧａＮ膜３ｘ及びサファイア基板１の外周部を除去する。次工程で行なわれるレーザリフトオフ工程で、ＧａＮ膜のクラックや割れを防ぐには、ＧａＮ膜３ｘのうちサファイア基板１の側面上に位置する部分３ｂのみを除去すれば十分であるが、本実施形態のようにサファイア基板１の側面をもある程度研磨してもよい。ただし、サファイア基板１を除去することなく、ＧａＮ膜３ｘ中の部分３ｂのみを除去することがより好ましい。
【０１０５】
本実施形態においても、上記第１の実施形態と同じ効果を発揮することができる。さらに、第１の実施形態の効果に加えて、フリースタンディングウエハであるＧａＮ膜３の裏面がほぼ平坦であるので、第１の実施形態のごとく裏面を研磨する必要がないという利点がある。
【０１０６】
加えて、最終的にＧａＮウエハであるＧａＮ膜３の平面寸法は、サファイア基板１の平面寸法とほとんど変わらないという効果が得られる。すなわち、サファイア基板１の大きさを選択することで、任意の大きさのＧａＮウエハを得ることが可能となる。
【０１０７】
（第６の実施形態）
図１１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第６の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す断面図である。本実施形態においては、ウエハの平面図の図示は省略する。
【０１０８】
まず、図１１（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのＧａＡｓ基板５（ＧａＡｓウエハ）を準備する。そして、ＧａＡｓ基板５を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、ＧａＡｓ基板５を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約５時間でＧａＡｓ基板５の表面上に、厚さ約２００μｍのＧａＮ膜３ｘを形成する。このとき、ＧａＮ膜３ｘは、ＧａＡｓ基板５の上面を覆う部分３ａとＧａＡｓ基板５の側面を覆う部分３ｂとを有している。そして、ＧａＮ膜３ｘのうちＧａＡｓ基板５の側面上に位置する部分３ｂの膜厚も、ＧａＮ膜３ｘのうちＧａＡｓ基板５の上面上に位置する部分３ａの膜厚と同程度である。
【０１０９】
次に、図１１（ｂ）に示す工程で、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、ウエハの外周部を研磨して、ＧａＮ膜３ｘの外周部及び側面部を除去するとともに、ＧａＡｓ基板５の外周部も除去する。これにより、ＧａＡｓ基板５の上面上に位置するＧａＮ膜３のみが残存することになる。このとき、本実施形態のようにＧａＡｓ基板５の側面をもある程度研磨してもよいが、ＧａＡｓ基板５を除去することなく、ＧａＮ膜３ｘ中の部分３ｂのみを除去することがより好ましい。
【０１１０】
次に、図１１（ｃ）に示す工程で、ＧａＡｓ基板５を研磨によって除去する。これにより、図１１（ｄ）に示すように、フリースタンディングのＧａＮウエハであるＧａＮ膜３が得られる。このとき、研磨剤として、ダイヤモンド、ＳｉＣ等の微粉末を用いることが好ましい。最終仕上げの研磨剤の粒径を細かくすれば、フリースタンディングウエハであるＧａＮ膜３の裏面を平坦かつ鏡面にすることもできる。
【０１１１】
なお、ＧａＡｓ基板５に代えて、サファイア基板，ＳｉＣ基板，ダイヤモンド基板などを用いることができる。ただし、ＧａＡｓ基板やＳｉ基板の場合には、研磨ではなく、エッチングを用いて除去することも可能である。
【０１１２】
本実施形態においても、上記第１の実施形態と同じ効果を発揮することができる。さらに、第１の実施形態の効果に加えて、最終的にＧａＮウエハであるＧａＮ膜３の平面寸法は、ＧａＡｓ基板５の平面寸法とほとんど変わらないという効果が得られる。すなわち、ＧａＡｓ基板５の大きさを選択することで、任意の大きさのＧａＮウエハを得ることが可能となる。
【０１１３】
（第７の実施形態）
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第７の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す断面図である。本実施形態においては、ウエハの平面図の図示は省略する。
【０１１４】
まず、図１２（ａ）に示す工程で、直径約５０．８ｍｍ，厚さ約３００μｍのサファイア基板１（サファイアウエハ）を準備する。そして、サファイア基板１を、ＨＶＰＥ装置の反応炉にセットし、サファイア基板１を約１０００℃に加熱した状態で、反応炉の上流側から、Ｇａ金属とＨＣｌガスとによって生成されたＧａＣｌガスと、アンモニアガス（ＮＨ3 ）とを原料ガスとして供給し、窒素ガス（Ｎ2 ）をキャリアガスとして供給する。これにより、約５時間でサファイア基板１の表面上に、厚さ約２００μｍのＧａＮ膜３ｘがエピタキシャル成長する。このとき、ＧａＮ膜３ｘは、サファイア基板１の上面を覆う部分３ａとサファイア基板１の側面を覆う部分３ｂとを有している。
【０１１５】
次に、図１２（ｂ）に示す工程で、ウエハをＨＶＰＥ装置の反応炉から取り出し、ウエハの外周部を閉環状に切断して、ＧａＮ膜３ｘの外周部及び側面部を除去するとともに、サファイア基板１の外周部も除去する。これにより、サファイア基板１の上面上に位置するＧａＮ膜３のみが残存することになる。
【０１１６】
このとき、ウエハを切断する方法としては、へき開やダイヤモンドカッターを用いる方法が好ましい。ダイヤモンドカッターで切断を行なう場合には、多角形に切断する方法や円形に切断する方法がある。切断により除去する量は、大きすぎると、ＧａＮウエハの面積が小さくなってしまうので、結晶性のよくない除去されるべき外周部の幅ｄ４を、原料ガスの流速、圧力等を変化させて検討すると、最大で７．５ｍｍ程度であった。この幅ｄ４は、反応管内における原料ガスの拡散過程から決まると考えられる。そこで、本実施形態の条件においては、切断により除去する外周部の幅ｄ４は、７．５ｍｍ以下とするのが好ましい。ただし、ウエハの外径やガスの種類，流量などの条件によって、適正な幅ｄ４が変わる可能性がある。
【０１１７】
次に、図１２（ｃ）に示す工程で、サファイア基板１の裏面からＧａＮ膜３にＮｄ／ＹＡＧレーザの３次高調波（波長３５５ｎｍ）を照射する。Ｎｄ／ＹＡＧレーザのパルス幅は５ｎｓ、光強度３００ｍＪ／ｃｍ2 、ビーム径は７ｍｍである。また、Ｎｄ／ＹＡＧレーザのパルス幅は５ｎｓと非常に短いので、レーザ光はＧａＮ膜３のサファイア基板１との界面のごく近傍の領域に局所的に吸収される。レーザ光のエネルギー密度が十分大きくすれば、この発熱によってＧａＮ膜３のうちサファイア基板１に接する部分，つまり裏面部が界面近傍で分解される。本実施形態においては、レーザ光のエネルギー密度が概ね０．４Ｊ／ｃｍ2 以上のときにこのような現象を確認することができた。
【０１１８】
そして、このような条件でレーザ光のビームをウエハ全面に亘って走査することにより、サファイア基板１と分離したフリースタンディングのＧａＮ膜３（ＧａＮウエハ）が得られる。
【０１１９】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を発揮することができる。本実施形態においては、ＧａＮウエハの面積が加工前のサファイア基板１の面積よりも小さくなるので、面積の減少を見込んでサファイア基板１をあらかじめ大きくしておくことにより、所望の大きさのフリースタンディングのＧａＮウエハを得ることができる。
【０１２０】
−実施例−
本実施例においては、上記第７の実施形態において製造されたＧａＮウエハ（ＧａＮ膜３）を用いて作成した発光ダイオードについて説明する。
【０１２１】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、第７の実施形態の実施例における発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【０１２２】
まず、図１４（ａ）に示す工程で、有機金属気相成長装置を用いて、ＧａＮウエハ２０の上に厚み約４μｍのｎ型ＧａＮ結晶膜２１をエピタキシャル成長させる。成長温度は１０３０℃で、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム、Ｎ原料としてはＮＨ3 を用いる。また、ドナー不純物であるＳｉの原料にはＳｉＨ4 を、キャリアガスにはＨ2 を用いる。次に、キャリアガスをＮ2 に切り替え、成長温度を８００℃に降温して、ｎ型ＧａＮ結晶膜２１の上に厚み約２０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ結晶膜２２をエピタキシャル成長させる。Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウムを用いる。その後、再び１０２０℃まで昇温し、厚み約８００ｎｍのｐ型ＧａＮ結晶膜２３をエピタキシャル成長させる。アクセプタ不純物であるＭｇの原料には、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。
【０１２３】
次に、図１４（ｂ）に示す工程で、ｐ型ＧａＮ結晶膜２３のエピタキシャル成長後、ＧａＮウエハを、アニーリング装置で窒素雰囲気中、７００℃で２０分間アニーリングして、最上層のｐ型ＧａＮ結晶膜２３をさらに低抵抗化する。
【０１２４】
次に、アニール後、オーミック電極として、ＧａＮウエハ２０の裏面上には、Ｔｉ／Ａｌの多層構造の裏面電極２４を、ｐ型ＧａＮ結晶膜２３の上には、Ｎｉ／Ａｕ電極２５をそれぞれ形成する。
【０１２５】
その後、図１４（ｃ）に示す工程で、ウエハをカットして、ウエハを５００μｍ角のチップ３０に分割し、各チップ３０を発光ダイオードとする。
【０１２６】
この発光ダイオードの特性を評価したところ、基板全面に対して、非常に良好な特性が得られた。
【０１２７】
従来の製造方法によって製造された化合物半導体ウエハ（ＧａＮウエハ）では、基板（サファイア基板やＧａＡｓ基板など）の側面からの成長部分を含んでいることから、ウエハの外周部に形成された発光ダイオードにおいて良好な特性が得られなかった。また、従来の製造方法によって製造されたＧａＮ膜（化合物半導体ウエハ）を用いると、プロセス中にＧａＮ膜の外周部や側面部が欠けて、それがＧａＮ膜の表面に付着するため、基板の外周部や側面上に形成されたＧａＮ膜以外でもダイオードの特性が劣化した部分が見られた。
【０１２８】
これらの結果より、ＧａＮ膜のうち外周部を除去することにより、発光ダイオードや半導体レーザの歩留まりを向上させることができることがわかった。
【０１２９】
（その他の実施形態）
上記各実施形態において、サファイア基板１上に、低温緩衝層（図示せず）を形成した後、ＧａＮ膜３を形成してもよい。
【０１３０】
また、ＧａＮ膜を形成する際のキャリアガスとして、Ｈ2 や、Ｎ2 ／Ｈ2 の混合ガスなどを用いてもよい。
【０１３１】
また、以上の各実施形態では、フリースタンディングのＧａＮウエハ（ＧａＮ膜３）を作製する場合について述べたが、本発明の化合物半導体ウエハの製造方法は、ＧａＮウエハに限らず他の窒素を含む化合物半導体ウエハの製造にも適用することができ、それらの場合にも同様の効果を得ることができる。つまり、本発明は、Ｇａ，Ａｌ，Ｂ，Ａｓ，Ｉｎ，Ｐ及びＳｂのうちの少なくとも１つの元素とＮとを組成に含む化合物半導体のウエハに適用することができる。その代表的なものとしては、一般式がＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表される化合物半導体のウエハ、具体的には、ＡｌＮウエハ、ＡｌＧａＮウエハ、ＩｎＧａＮウエハ、ＡｌＧａＩｎＮウエハ，ＢＮウエハ、ＢＡｌＮウエハ、ＢＧａＮウエハ等がある。
【０１３２】
また、化合物半導体ウエハを形成する下地となる基板として、上記各実施形態においては、サファイア基板又はＧａＡｓ基板を用いたが、サファイア基板，ＧａＡｓ基板以外の基板であっても、窒素を含む化合物半導体膜のエピタキシャル成長が可能である限り、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。サファイア基板，ＧａＡｓ基板以外の例としては、スピネル基板，Ｓｉ基板，ＳｉＣ基板等が挙げられる。また、これら基板の表面に予めＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＡｌＮ膜等の窒素を含む化合物半導体の薄膜を形成したものを用いてもよい。
【０１３３】
なお、レーザとしては、エネルギーがＧａＮのバンドギャップよりも大きいものを用い、Ｎｄ／ＹＡＧレーザの３次高調波の他にはエキシマＫｒＦレーザ（波長２４８ｎｍ）等を用いることが好ましい。また、サファイア基板１以外に、スピネル基板を用いた場合にも、レーザ光を通過させることができるので、レーザ光がＧａＮ膜３のみに吸収されることを利用した基板の分離が可能になる。
【０１３４】
なお、上記各実施形態及びその変形例においては、保護膜２としてＳｉＯ2 膜を用いたが、本発明の保護膜はこれに限定されるものではない。本発明の保護膜としては、ＳｉＯ2 膜だけでなく、窒素を組成に含む化合物半導体膜のエピタキシャル成長を阻害する機能を有するものであれば、例えばＡｌ2 Ｏ3 膜，ＺｒＯ2 膜，ＭｇＯ膜等の各種の酸化膜はじめ他の材料を用いることができる。特に、保護膜としては、レーザ光を透過させる透明性のあるものが好ましい。
【０１３５】
【発明の効果】
本発明の化合物半導体ウエハの製造方法によると、基板の上面からエピタキシャル成長させた化合物半導体膜のみをフリースタンディングウエハとして利用することができるので、クラック，欠けの少ない良質の化合物半導体ウエハを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図及び平面図である。
【図２】第１の実施形態の変形例１におけるサファイア基板及び保護膜の平面図及びII−II線における縦断面図である。
【図３】第１の実施形態の変形例２におけるサファイア基板及び保護膜の平面図及びIII−III線における縦断面図である。
【図４】第１の実施形態の変形例３におけるサファイア基板及び保護膜の平面図及びIV−IV線における縦断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態における化合物半導体ウエハの製造工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態における化合物半導体ウエハの製造工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図及び平面図である。
【図８】図７（ｃ）に示す研磨工程を概略的に示す斜視図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第５の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す断面図である。
【図１０】図９（ｃ）に示す研磨工程を概略的に示す斜視図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第６の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第７の実施形態における化合物半導体ウエハの製造方法を示す断面図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、従来のフリースタンディングの窒化物半導体膜を形成する工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、第７の実施形態の実施例における発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態の変形例４における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態の変形例５における化合物半導体ウエハの製造方法を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１    サファイア基板
２    保護膜
２ｘ  ＳｉＯ2 膜
２ａ  閉環状部
２ｂ  側面部
３    ＧａＮ膜
５    ＧａＡｓ基板
１１  保護膜
１１ｘ  ＳｉＯ2 膜
１１ａ  上面部
１１ｂ  側面部
１２  孔
１５  保護膜
１５ｘ  ＳｉＯ2 膜
１５ａ  上面部
１５ｂ  側面部
５１  回転ステ−ジ
５２  研磨板
５５  回転ステージ
５６  研磨板
【図１】
0004031648.tif 000002
【図２】
0004031648.tif 000003
【図３】
0004031648.tif 000004
【図４】
0004031648.tif 000005
【図５】
0004031648.tif 000006
【図６】
0004031648.tif 000007
【図７】
0004031648.tif 000008
【図８】
0004031648.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004031648.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0004031648.tif 000013
【図１３】
0004031648.tif 000014
【図１４】
0004031648.tif 000015
【図１５】
0004031648.tif 000016
【図１６】
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