JP2016064928A - AlN TEMPLATE SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＡｌＮテンプレート基板およびその製造方法に関し、特に、従来よりも高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えるＡｌＮテンプレート基板およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an AlN template substrate and a method for manufacturing the same, and more particularly to an AlN template substrate having both higher crystallinity and surface flatness than conventional methods and a method for manufacturing the same.
従来、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等とＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、発光素子または電子デバイス用素子の材料として広く用いられている。III族窒化物半導体は、高融点で窒素の乖離圧が高く、バルク単結晶成長が困難であり、異種のサファイア基板上にエピタキシャル成長させることによりIII族窒化物半導体層として形成することが通常である。 Conventionally, a group III nitride semiconductor composed of a compound of N, Al, Ga, In or the like and N has been widely used as a material for a light emitting element or an electronic device element. Group III nitride semiconductors have a high melting point and a high nitrogen dissociation pressure, making bulk single crystal growth difficult, and are usually formed as group III nitride semiconductor layers by epitaxial growth on different sapphire substrates. .
しかし、一般に、このような構成を有するエピタキシャルウェーハにおいては、サファイア基板とIII族窒化物半導体層との間に格子不整合が存在するため、こうした格子不整合に起因する格子歪みを緩和するために、サファイア基板上にＡｌＮ層をエピタキシャル成長させたＡｌＮテンプレート基板が用いられるようになってきた。 However, in general, in an epitaxial wafer having such a configuration, since there is a lattice mismatch between the sapphire substrate and the group III nitride semiconductor layer, in order to alleviate the lattice distortion caused by such a lattice mismatch. An AlN template substrate obtained by epitaxially growing an AlN layer on a sapphire substrate has been used.
ＡｌＮテンプレート基板のＡｌＮ層の結晶性および表面平坦性が良好であればあるほど、ＡｌＮ層上に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性も良好となる。そこで、ＡｌＮテンプレート基板のＡｌＮ層の結晶性および表面平坦性を高めるために種々の提案が行われてきた。 The better the crystallinity and surface flatness of the AlN layer of the AlN template substrate, the better the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer formed on the AlN layer. Accordingly, various proposals have been made to improve the crystallinity and surface flatness of the AlN layer of the AlN template substrate.
例えば、特許文献１には、主面の結晶方位が＜０００１＞方向より０．０２〜０．３度傾斜するとともに、前記主面側の表層部分において表面窒化層を有するサファイア単結晶基材と、このサファイア単結晶基板の前記主面上に前記表面窒化層を介して形成された少なくともＡｌを含み、（１０−１２）面におけるＸ線ロッキングカーブ半値幅が２０００秒以下であり、５μｍ範囲における表面粗さ（Ｒａ）が３．５Å以下であるIII族窒化物下地膜とを具えるIII族窒化物エピタキシャル基板について記載されている。 For example, Patent Document 1 discloses a sapphire single crystal base material in which the crystal orientation of the main surface is inclined by 0.02 to 0.3 degrees from the <0001> direction, and the surface layer portion on the main surface side has a surface nitride layer. , Including at least Al formed on the main surface of the sapphire single crystal substrate via the surface nitrided layer, the half width of the X-ray rocking curve in the (10-12) plane is 2000 seconds or less, and in the range of 5 μm A Group III nitride epitaxial substrate comprising a Group III nitride underlayer having a surface roughness (Ra) of 3.5 mm or less is described.
特許文献１によると、III族窒化物エピタキシャル基板を構成するサファイア単結晶基材の主面の結晶方位がｃ軸方向より０．０２〜０．３度傾斜させたサファイア単結晶基材、すなわちオフ角が０．０２〜０．３度のＣ面サファイア単結晶基材を用いることにより、その主面側に形成されるＡｌ含有のIII族窒化物下地膜の結晶性および表面平坦性を向上することができる。一方、Ｃ面サファイア単結晶基材のオフ角が０．３度を超えると、Ａｌ含有のIII族窒化物下地膜の結晶性が劣化する、というものである。 According to Patent Document 1, the sapphire single crystal base material in which the crystal orientation of the main surface of the sapphire single crystal base material constituting the group III nitride epitaxial substrate is inclined by 0.02 to 0.3 degrees from the c-axis direction, that is, off By using a C-plane sapphire single crystal substrate having an angle of 0.02 to 0.3 degrees, the crystallinity and surface flatness of the Al-containing group III nitride underlayer formed on the main surface side are improved. be able to. On the other hand, if the off-angle of the C-plane sapphire single crystal substrate exceeds 0.3 degrees, the crystallinity of the Al-containing group III nitride underlayer deteriorates.
また、特許文献２には、主面に所定のオフ角が与えられてなる基材と、前記主面上にエピタキシャル形成された第１のIII族窒化物結晶からなる上部層と、を備え、前記上部層の形成温度よりも高い加熱温度で加熱処理されてなるエピタキシャル基板が記載されている。 Patent Document 2 includes a base material having a main surface provided with a predetermined off angle, and an upper layer made of a first group III nitride crystal epitaxially formed on the main surface. An epitaxial substrate is described that is heat-treated at a heating temperature higher than the formation temperature of the upper layer.
特許文献２によると、上部層の形成温度よりも高い加熱温度で加熱処理することにより、上部層の結晶品質および表面平坦性が向上され、このエピタキシャル基板を、III族窒化物結晶層の成長用下地基板として用いると、良好な表面平坦性を有し、かつ、表面近傍の大部分が低転位領域となるIII族窒化物結晶層が得られる、というものである。 According to Patent Document 2, the crystal quality and surface flatness of the upper layer are improved by performing heat treatment at a heating temperature higher than the formation temperature of the upper layer, and this epitaxial substrate is used for growing a group III nitride crystal layer. When used as a base substrate, a group III nitride crystal layer having good surface flatness and a large portion near the surface being a low dislocation region can be obtained.
特許文献１および特許文献２に記載された技術により、サファイア基板上のＡｌＮ層の転位密度を低減して結晶性をある程度向上させるとともに、その表面平坦性もある程度向上させることができる。しかしながら、ＡｌＮテンプレート基板におけるＡｌＮ層の結晶性および表面平坦性の更なる向上が望まれており、それを実現することのできる技術が希求されている。 With the techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2, the dislocation density of the AlN layer on the sapphire substrate can be reduced to improve the crystallinity to some extent and the surface flatness to some extent. However, further improvement in the crystallinity and surface flatness of the AlN layer in the AlN template substrate is desired, and a technology capable of realizing it is desired.
そこで、本発明の目的は、従来よりも高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えるＡｌＮテンプレート基板およその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an approximate method of manufacturing an AlN template substrate having both higher crystallinity and surface flatness than the conventional one.
本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。特許文献１に提案されているように、従来、サファイア基板のオフ角としては、０．０２〜０．３度の微小なオフ角が好ましいと考えられていた。ところが、本発明者の詳細な検討により、むしろ中程度のオフ角のサファイア基板を用いて、厚みを適切に制御したＡｌＮ層をエピタキシャル成長させ、さらに熱処理を施すことにより、ＡｌＮ層の結晶性が極めて優れ、かつ、表面平坦性にも優れたＡｌＮテンプレート基板を実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventor has intensively studied how to solve the above problems. As proposed in Patent Document 1, it has been conventionally considered that a fine off angle of 0.02 to 0.3 degrees is preferable as the off angle of the sapphire substrate. However, according to the detailed examination of the present inventor, rather than using a sapphire substrate with a medium off-angle, an AlN layer with an appropriately controlled thickness is epitaxially grown and further subjected to heat treatment, so that the crystallinity of the AlN layer is extremely high. The present inventors have found that an AlN template substrate that is excellent and excellent in surface flatness can be realized, and has completed the present invention.
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）サファイア基板と、該サファイア基板の主面上に形成されたＡｌＮ層とを有するＡｌＮテンプレート基板であって、前記サファイア基板の主面は、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角で傾斜した面であり、前記ＡｌＮ層の厚みは、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、前記ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が７０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下であり、前記ＡｌＮ層表面の表面粗さＲａが１．１ｎｍ以下であることを特徴とするＡｌＮテンプレート基板。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
(1) An AlN template substrate having a sapphire substrate and an AlN layer formed on the main surface of the sapphire substrate, wherein the main surface of the sapphire substrate has a C-plane of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees The thickness of the AlN layer is 0.3 μm or more and 0.7 μm or less, and the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer is 70 seconds or less. And an AlN template substrate characterized in that the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane is 250 seconds or less and the surface roughness Ra of the AlN layer surface is 1.1 nm or less.
（２）前記主面は、ｍ軸方向に傾斜した面であり、前記ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が６０秒以下であり、前記ＡｌＮ層表面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下である、上記（１）に記載のＡｌＮテンプレート基板。 (2) The main surface is a surface inclined in the m-axis direction, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer is 60 seconds or less, and the surface roughness Ra of the AlN layer surface The AlN template substrate according to (1) above, having a thickness of 1.0 nm or less.
（３）前記傾斜した面のステップ高さは０．６０〜０．９６ｎｍである、上記（１）または（２）に記載のＡｌＮテンプレート基板。 (3) The AlN template substrate according to (1) or (2) above, wherein a step height of the inclined surface is 0.60 to 0.96 nm.
（４）サファイア基板の主面上に、ＡｌＮ層を所定の成長温度でエピタキシャル成長させる第１工程と、前記ＡｌＮ層を、前記第１工程における成長温度よりも高温で熱処理する第２工程と、を含み、前記サファイア基板の主面は、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角で傾斜した面であり、前記第１工程において、厚み０．３μｍ以上０．７μｍ以下の前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とするＡｌＮテンプレート基板の製造方法。 (4) A first step of epitaxially growing an AlN layer on the main surface of the sapphire substrate at a predetermined growth temperature, and a second step of heat-treating the AlN layer at a temperature higher than the growth temperature in the first step. And the main surface of the sapphire substrate is a surface in which the C-plane is inclined at an off angle of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less, and in the first step, the thickness is 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. A method of manufacturing an AlN template substrate, comprising epitaxially growing an AlN layer.
（５）前記主面は、ｍ軸方向に傾斜した面である、上記（４）に記載の製造方法。 (5) The manufacturing method according to (4), wherein the main surface is a surface inclined in the m-axis direction.
（６）前記第１工程における成長温度は、１２７０℃以上１３５０℃以下である、上記（４）または（５）に記載の製造方法。 (6) The manufacturing method according to (4) or (5), wherein the growth temperature in the first step is 1270 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower.
（７）前記第２工程における熱処理温度は、１５８０℃以上１７３０℃以下である、上記（４）〜（６）のいずれかに記載の製造方法。 (7) The manufacturing method according to any one of (4) to (6), wherein the heat treatment temperature in the second step is 1580 ° C. or higher and 1730 ° C. or lower.
（８）前記第２工程における熱処理時間は、３時間以上１２時間以下である、上記（４）〜（７）のいずれかに記載の製造方法。 (8) The manufacturing method according to any one of (4) to (7), wherein the heat treatment time in the second step is 3 hours or more and 12 hours or less.
本発明によれば、サファイア基板のオフ角およびＡｌＮ層の厚みを適切に制御したので、高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えたＡｌＮテンプレート基板およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, since the off-angle of the sapphire substrate and the thickness of the AlN layer are appropriately controlled, it is possible to provide an AlN template substrate having high crystallinity and surface flatness and a method for manufacturing the same.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図１，２において、説明の便宜上、サファイア基板１０およびＡｌＮ層２０の縦横の比率を実際の比率から誇張して図示している。また、図の簡略化のため、図１ではサファイア基板１０のオフ角θを図示せず、代わりに図２にオフ角θを説明するための拡大模式図を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2, for convenience of explanation, the vertical / horizontal ratio of the sapphire substrate 10 and the AlN layer 20 is exaggerated from the actual ratio. For simplification of the drawing, FIG. 1 does not show the off-angle θ of the sapphire substrate 10, and instead, FIG. 2 shows an enlarged schematic diagram for explaining the off-angle θ.
（ＡｌＮテンプレート基板の製造方法）
図１は本発明に従うＡｌＮテンプレート基板１の製造方法のフローチャートである。図１に示すように、本発明に従うＡｌＮテンプレート基板１の製造方法は、サファイア基板１０の主面１０Ａ上に、ＡｌＮ層２０を所定の成長温度でエピタキシャル成長させる第１工程（図１（Ａ），（Ｂ））と、ＡｌＮ層２０を、前記第１工程における成長温度よりも高温で熱処理する第２工程（図１（Ｃ））と、を含む。そして、サファイア基板１０の主面１０Ａは、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角θで傾斜した面（図２）であり、前記第１工程において、厚み０．３μｍ以上０．７μｍ以下のＡｌＮ層２０をエピタキシャル成長させることを特徴とする。以下、各工程の詳細を順に説明する。
(Method of manufacturing an AlN template substrate)
FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing an AlN template substrate 1 according to the present invention. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the AlN template substrate 1 according to the present invention includes a first step of epitaxially growing an AlN layer 20 on a main surface 10A of a sapphire substrate 10 at a predetermined growth temperature (FIG. 1A, (B)) and a second step (FIG. 1C) in which the AlN layer 20 is heat-treated at a temperature higher than the growth temperature in the first step. The main surface 10A of the sapphire substrate 10 is a surface (FIG. 2) in which the C surface is inclined at an off angle θ of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less. In the first step, the thickness is 0.3 μm or more. An AlN layer 20 of 0.7 μm or less is epitaxially grown. Hereinafter, details of each process will be described in order.
＜第１工程＞
第１工程では、まず、図１（Ａ）に示すように、サファイア基板１０を用意する。ここで、本発明においては、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角θで傾斜した面を主面１０Ａとするサファイア基板１０を用いる。以下、本明細書においては、Ｃ面のかかる傾斜角度を単にサファイア基板１０の「オフ角θ」と称する。なお、オフ角θを設けるための傾斜方向の結晶軸方位は、ｍ軸方向またはａ軸方向のいずれでもよいが、後述するようにｍ軸方向とする方がより好ましい。ここで、図２は、主面１０Ａの拡大模式図である。主面１０Ａにおけるテラス幅Ｗおよびステップ高さＨは、オフ角θおよび軸方位に応じて適宜定まる。本発明においては、テラス幅Ｗを１００〜２００ｎｍ程度とすることが好ましく、テラス幅Ｗが１００ｎｍの場合、ステップ高さＨを０．６０〜０．９６ｎｍとすることがより好ましい。なお、図３は一般的なサファイア単結晶の六方晶系の結晶構造であり、サファイア単結晶のａ軸，ｍ軸およびＣ面を図示する。本発明において、オフ角θを上記範囲とする理由は後述する。なお、オフ角θ、テラス幅Ｗおよびステップ高さＨは、Ｘ線回折測定または原子間力顕微鏡（AFM; Atomic Force Microscope）等によって測定される。
<First step>
In the first step, first, a sapphire substrate 10 is prepared as shown in FIG. Here, in the present invention, the sapphire substrate 10 is used in which the C-plane is inclined at an off angle θ of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less as the main surface 10A. Hereinafter, in this specification, such an inclination angle of the C plane is simply referred to as an “off angle θ” of the sapphire substrate 10. The crystal axis orientation in the tilt direction for providing the off angle θ may be either the m-axis direction or the a-axis direction, but it is more preferable to use the m-axis direction as described later. Here, FIG. 2 is an enlarged schematic view of the main surface 10A. The terrace width W and the step height H in the main surface 10A are appropriately determined according to the off angle θ and the axial direction. In the present invention, the terrace width W is preferably about 100 to 200 nm, and when the terrace width W is 100 nm, the step height H is more preferably 0.60 to 0.96 nm. FIG. 3 shows a hexagonal crystal structure of a general sapphire single crystal, and illustrates the a-axis, m-axis, and C-plane of the sapphire single crystal. In the present invention, the reason why the off angle θ is within the above range will be described later. The off angle θ, the terrace width W, and the step height H are measured by X-ray diffraction measurement, an atomic force microscope (AFM), or the like.
なお、上記サファイア基板は常法に従い製造されたものを用いることができる。ただし、サファイア基板１０のオフ角θは、サファイア基板の製造工程上不可避な誤差を伴う。そのため、本発明においては、オフ角θの上限および下限から８％以内の誤差範囲内の角度は、本発明範囲に含まれるものとする。また、サファイア基板１０の厚さおよび幅等のその他の仕様は、ＡｌＮテンプレート基板１の用途に応じて、適宜設計すればよい。 In addition, the said sapphire substrate can use what was manufactured in accordance with the conventional method. However, the off angle θ of the sapphire substrate 10 involves an error that is unavoidable in the manufacturing process of the sapphire substrate. Therefore, in the present invention, an angle within an error range of 8% from the upper limit and the lower limit of the off angle θ is included in the scope of the present invention. Further, other specifications such as the thickness and width of the sapphire substrate 10 may be appropriately designed according to the application of the AlN template substrate 1.
次に、図１（Ｂ）に示すように、サファイア基板１０上にＡｌＮ層２０をエピタキシャル成長させる。ここで、本発明においては、ＡｌＮ層２０の厚みＴを０．３μｍ以上０．７μｍ以下とする。ＡｌＮ層２０は、例えば、有機金属気相成長（MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（MBE: Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。なお、後述の実施例におけるＡｌＮテンプレート基板のＡＦＭ像からも明らかなように、ＡｌＮ層２０の厚みＴは原子サイズレベルの微視的には不均一な厚みとなる。そこで、本明細書においては、ＡｌＮ層２０の厚みＴとは、ウエハ中心におけるＡｌＮ層２０の厚み（以降、中心膜厚と記載する）を指すこととする。ＡｌＮ層２０の厚みなどの膜厚は、常法に従い測定することができ、例えば光干渉式膜厚測定機を用いることができる。本明細書においては、光干渉式膜厚測定機として、ナノメトリックス社製ナノスペックＭ６１００Ａを用いており、ウエハ中心の膜厚を中心膜厚とし、ウエハ面内の等間隔に分散させた２５箇所の膜厚の平均値を平均膜厚としている。 Next, as shown in FIG. 1B, an AlN layer 20 is epitaxially grown on the sapphire substrate 10. Here, in the present invention, the thickness T of the AlN layer 20 is set to 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. The AlN layer 20 can be formed by a known thin film growth method such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or sputtering. . As is apparent from the AFM image of the AlN template substrate in the examples described later, the thickness T of the AlN layer 20 is microscopically uneven at the atomic size level. Therefore, in this specification, the thickness T of the AlN layer 20 refers to the thickness of the AlN layer 20 at the center of the wafer (hereinafter referred to as the center film thickness). The film thickness such as the thickness of the AlN layer 20 can be measured according to a conventional method, and for example, an optical interference type film thickness measuring machine can be used. In this specification, a nano spec M6100A manufactured by Nanometrics is used as an optical interference type film thickness measuring device, and the film thickness at the center of the wafer is set as the central film thickness and is distributed at equal intervals in the wafer surface. The average value of the film thickness is defined as the average film thickness.
ここで、本発明においては、オフ角θが０．３５度以上０．５５度以下のサファイア基板１０を用い、ＡｌＮ層２０の厚みＴを０．３μｍ以上０．７μｍ以下とすることが肝要である。従来は、０．０２度〜０．３度の微少なオフ角を備えるサファイア基板上にＡｌＮ層を形成することにより、ＡｌＮ層の結晶性および表面平坦性を向上することができる反面、オフ角が０．３度を超えると、ＡｌＮ層の結晶性を劣化させてしまうと考えられていた。ところが、本発明者の鋭意検討により、従来は好ましくないと考えられていた比較的大きな角度のオフ角を備えるサファイア基板の場合、適切な厚みのＡｌＮ層をエピタキシャル成長させ、次いで、熱処理を施すことにより、熱処理後には、ＡｌＮ層の結晶性が従来よりも顕著に向上することを見出した。さらに、かかるＡｌＮテンプレート基板は、表面平坦性にも優れることを見出した。 Here, in the present invention, it is important to use the sapphire substrate 10 having an off angle θ of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less and to set the thickness T of the AlN layer 20 to 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. is there. Conventionally, by forming an AlN layer on a sapphire substrate having a small off angle of 0.02 to 0.3 degrees, the crystallinity and surface flatness of the AlN layer can be improved, but the off angle. It has been considered that when the angle exceeds 0.3 degrees, the crystallinity of the AlN layer is deteriorated. However, in the case of a sapphire substrate having a relatively large off-angle, which has been considered to be unfavorable in the past, by intensive studies by the present inventors, an AlN layer having an appropriate thickness is epitaxially grown and then subjected to heat treatment. It has been found that the crystallinity of the AlN layer is remarkably improved after the heat treatment. Furthermore, it has been found that such an AlN template substrate is also excellent in surface flatness.
すなわち、後述の実施例に示されるように、第１工程後のＡｌＮ層２０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は、１００秒〜１４０秒程度であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１１００秒〜１５００秒程度であり、従来技術により得られるＡｌＮ層の結晶性に比べて、第１工程後のＡｌＮ層２０の結晶性が従来例に比べて顕著に優れるということはない。ところが、かかるＡｌＮ層２０に対して、第２工程による熱処理を施すことにより、従来技術では実現することのできなかった、ＡｌＮ層２０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が７０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下のＡｌＮテンプレート基板１を実現することができたのである。このように、従来技術に比べて極めて優れた結晶性が実現できる理由が理論的に明らかになったわけではないが、本発明条件に従う角度のオフ角がサファイア基板に設けられている場合、サファイア基板と、適切な厚みのＡｌＮ層との界面から発生する転位が、熱処理によって動きやすい状態になるため、熱処理後に結晶性が向上するのだと推測される。なお、実施例において後述するが、ＡｌＮ層の厚みを０．７μｍ超、例えば０．９６μｍとした場合、第２工程による熱処理後にＡｌＮ層にクラックが生じてしまうことが本発明者により実験的に明らかとなった。 That is, as shown in the examples described later, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer 20 after the first step is about 100 seconds to 140 seconds, and (10-12) ) The half width of the X-ray rocking curve of the surface is about 1100 seconds to 1500 seconds, and the crystallinity of the AlN layer 20 after the first step is higher than that of the conventional example compared to the crystallinity of the AlN layer obtained by the conventional technique. There is no significant improvement. However, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer 20 that could not be realized by the prior art by applying the heat treatment in the second step to the AlN layer 20 is 70 seconds. In addition, the AlN template substrate 1 with the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane being 250 seconds or less could be realized. As described above, the reason why extremely excellent crystallinity can be realized as compared with the prior art is not theoretically clarified. However, when the off-angle of the angle according to the present invention is provided in the sapphire substrate, the sapphire substrate Then, since dislocations generated from the interface with the appropriate thickness of the AlN layer are easily moved by the heat treatment, it is presumed that the crystallinity is improved after the heat treatment. As will be described later in the examples, the present inventors have experimentally confirmed that when the thickness of the AlN layer exceeds 0.7 μm, for example, 0.96 μm, cracks occur in the AlN layer after the heat treatment in the second step. It became clear.
なお、ＡｌＮ層２０の成長温度としては、１２７０℃以上１３５０℃以下が好ましく、１２９０℃以上１３３０℃以下がより好ましい。この温度範囲であれば、続く第２工程における熱処理後のＡｌＮ層２０の結晶性を確実に向上することができる。また、チャンバ内の成長圧力については、限定を意図しないが、例えば５Ｔｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒとすることができ、より好ましくは、８Ｔｏｒｒ〜１５Ｔｏｒｒとすることができる。 In addition, as a growth temperature of the AlN layer 20, 1270 degreeC or more and 1350 degrees C or less are preferable, and 1290 degreeC or more and 1330 degrees C or less are more preferable. Within this temperature range, the crystallinity of the AlN layer 20 after the heat treatment in the subsequent second step can be reliably improved. The growth pressure in the chamber is not intended to be limited, but can be, for example, 5 Torr to 20 Torr, and more preferably 8 Torr to 15 Torr.
また、アンモニア（ＮＨ3）ガスなどのＶ族元素ガスと、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）については、限定を意図しないが、V/III比を例えば１３０〜１９０の範囲とすることができ、より好ましくはV/III比を１４０〜１８０の範囲とすることができる。なお、成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましい。 In addition, the molar ratio of the group V element to the group III element calculated based on the growth gas flow rate of the group V element gas such as ammonia (NH 3 ) gas and the group III element gas such as trimethylaluminum (TMA) gas (hereinafter referred to as “molar ratio”) V / III ratio) is not intended to be limited, but the V / III ratio can be in the range of 130 to 190, for example, and more preferably the V / III ratio is in the range of 140 to 180. be able to. In addition, since there exists an optimal V / III ratio according to the growth temperature and growth pressure, it is preferable to set the growth gas flow rate appropriately.
＜第２工程＞
続く第２工程では、上述のようにして得られた、サファイア基板１０上のＡｌＮ層２０に対して、第１工程における成長温度よりも高温で熱処理を施す。この熱処理は、公知の熱処理炉を用いて行うことができる。
<Second step>
In the subsequent second step, the AlN layer 20 on the sapphire substrate 10 obtained as described above is subjected to heat treatment at a temperature higher than the growth temperature in the first step. This heat treatment can be performed using a known heat treatment furnace.
第２工程においては、ＡｌＮ層２０の結晶性を向上させために、第１工程における成長温度よりも高温で熱処理を施せばよいが、熱処理の際の加熱温度を１５８０℃以上１７３０℃以下とすることが好ましい。これは、１５８０℃以上であれば、転位密度を十分に減らすことができ、１７３０℃以下であれば、表面のＡｌＮの一部の分解による表面が粗れる現象を抑制することができるためである。また、熱処理温度を１６００℃以上１７００℃以下とすることにより、ＡｌＮ層２０の結晶性をより確実に向上することができる。 In the second step, heat treatment may be performed at a temperature higher than the growth temperature in the first step in order to improve the crystallinity of the AlN layer 20, but the heating temperature during the heat treatment is set to 1580 ° C. or higher and 1730 ° C. or lower. It is preferable. This is because the dislocation density can be sufficiently reduced when the temperature is 1580 ° C. or higher, and the surface roughness due to partial decomposition of AlN on the surface can be suppressed when the temperature is 1730 ° C. or lower. . Moreover, the crystallinity of the AlN layer 20 can be more reliably improved by setting the heat treatment temperature to 1600 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower.
また、本工程における加熱時間は、３時間以上１２時間以下とすることが好ましい。３時間以上の加熱処理により、転位密度を十分に減らすことができる。また、１２時間以下の熱処理時間であれば、表面のＡｌＮの一部の分解による表面が粗れる現象を抑制することができる。ＡｌＮ層２０の結晶性を確実に向上させるためには、熱処理時間を４時間以上１０時間以下とすることがより好ましい。 The heating time in this step is preferably 3 hours or longer and 12 hours or shorter. The dislocation density can be sufficiently reduced by heat treatment for 3 hours or more. Moreover, if the heat treatment time is 12 hours or less, the phenomenon of roughening the surface due to partial decomposition of AlN on the surface can be suppressed. In order to reliably improve the crystallinity of the AlN layer 20, it is more preferable that the heat treatment time be 4 hours or longer and 10 hours or shorter.
さらに、熱処理を行う雰囲気としては、窒素ガス雰囲気中が好ましい。これは、ピンホールを含めたIII族窒化物の分解を抑制するために、雰囲気中に窒素元素が存在する必要があるためである。なお、窒素ガス雰囲気は、窒素ガス以外にはアルゴンなど希ガスを含んでいてもよい。ＡｌＮの蒸気圧は比較的低いため常圧でもよく、圧力は特に限定されない。 Further, the atmosphere for the heat treatment is preferably a nitrogen gas atmosphere. This is because a nitrogen element needs to be present in the atmosphere in order to suppress decomposition of the group III nitride including pinholes. Note that the nitrogen gas atmosphere may contain a rare gas such as argon in addition to the nitrogen gas. Since the vapor pressure of AlN is relatively low, it may be normal pressure, and the pressure is not particularly limited.
こうして、図１（Ｃ）に示すように、高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えたＡｌＮテンプレート基板１を得ることができる。すなわち、従来は実現することのできなかった、ＡｌＮ層２０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が７０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下であり、さらにＡｌＮ層２０表面の表面粗さＲａを１．１ｎｍ以下のＡｌＮテンプレート基板１を実現することができる。なお、ＡｌＮ層２０表面の表面粗さＲａの値は、基板の主面１０Ａにおけるテラス幅Ｗおよびステップ高さＨの関係から工業的な生産を考慮すると、０．４ｎｍ未満とすることは難しいものの、本発明に従う製造方法により表面粗さＲａとして０．４〜１．１ｎｍとすることができ、０．４〜１．０ｎｍとすることもできる。 Thus, as shown in FIG. 1C, an AlN template substrate 1 having both high crystallinity and surface flatness can be obtained. That is, the half-value width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer 20 that is not conventionally achieved is 70 seconds or less, and the half of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane. The AlN template substrate 1 having a value width of 250 seconds or less and a surface roughness Ra of the surface of the AlN layer 20 of 1.1 nm or less can be realized. The value of the surface roughness Ra on the surface of the AlN layer 20 is difficult to be less than 0.4 nm in consideration of industrial production from the relationship between the terrace width W and the step height H in the main surface 10A of the substrate. The surface roughness Ra can be set to 0.4 to 1.1 nm or 0.4 to 1.0 nm by the manufacturing method according to the present invention.
また、サファイア基板１０の主面は、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角でｍ軸方向に傾斜した面であることがより好ましい。このようなサファイア基板１０を用いることにより、より高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えたＡｌＮテンプレート基板１を得ることができる。 The main surface of the sapphire substrate 10 is more preferably a surface in which the C-plane is inclined in the m-axis direction at an off angle of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less. By using such a sapphire substrate 10, an AlN template substrate 1 having higher crystallinity and surface flatness can be obtained.
（ＡｌＮテンプレート基板）
次に、本発明により得られるＡｌＮテンプレート基板について説明する。図１（Ｃ）に示すように、本発明に従うＡｌＮテンプレート基板１は、サファイア基板１０と、該サファイア基板１０の主面上に形成されたＡｌＮ層２０とを有し、サファイア基板１０の主面１０Ａは、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角で傾斜した面であり、ＡｌＮ層２０の厚みは、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、ＡｌＮ層２０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が７０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下であり、ＡｌＮ層２０表面の表面粗さＲａが１．１ｎｍ以下であることを特徴とする。このように、本発明に従うＡｌＮテンプレート基板１は、高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えることができる。
(AlN template substrate)
Next, the AlN template substrate obtained by the present invention will be described. As shown in FIG. 1C, an AlN template substrate 1 according to the present invention has a sapphire substrate 10 and an AlN layer 20 formed on the main surface of the sapphire substrate 10, and the main surface of the sapphire substrate 10. 10A is a surface in which the C-plane is inclined at an off angle of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less, and the thickness of the AlN layer 20 is 0.3 μm or more and 0.7 μm or less. ) The X-ray rocking curve half-width of the surface is 70 seconds or less, and the X-ray rocking curve half-width of the (10-12) surface is 250 seconds or less, and the surface roughness Ra of the AlN layer 20 surface is It is 1.1 nm or less. Thus, the AlN template substrate 1 according to the present invention can have both high crystallinity and surface flatness.
また、サファイア基板１０の主面を、ｍ軸方向に傾斜した面とすることで、ＡｌＮ層２０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が６０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下であり、ＡｌＮ層２０表面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下のＡｌＮテンプレート基板１とすることができる。さらに、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅については、ＡｌＮ層２０の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が４０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２００秒以下であるＡｌＮテンプレート基板１とすることもできる。なお、Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が小さいほど結晶性に優れるため好ましく、理想的には０秒であるが、限定を意図しないものの、工業的な生産を考慮すると、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅の下限を１０秒とすることができ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅の下限を１０秒とすることができる。 Moreover, by making the main surface of the sapphire substrate 10 a surface inclined in the m-axis direction, the half-value width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer 20 is 60 seconds or less, and (10− 12) The AlN template substrate 1 in which the half width of the X-ray rocking curve of the surface is 250 seconds or less and the surface roughness Ra of the surface of the AlN layer 20 is 1.0 nm or less can be obtained. Further, regarding the half width of the X-ray rocking curve, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer 20 is 40 seconds or less and the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane. An AlN template substrate 1 having a value width of 200 seconds or less can also be used. The smaller the half-value width of the X-ray rocking curve is, the better the crystallinity is, and the ideal is 0 second, but although it is not intended to be limited, considering the industrial production, the X-ray on the (0002) plane The lower limit of the full width at half maximum of the rocking curve can be 10 seconds, and the lower limit of the full width at half maximum of the (10-12) plane X-ray rocking curve can be 10 seconds.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited to a following example at all.
（実施例１）
図１に示したフローチャートに従って、実施例１に係るＡｌＮテンプレート基板を製造した。すなわち、まず、サファイア基板（直径２インチ、厚さ：４３０μｍ、面方位：（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．３５度、テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．６１ｎｍ）を用意した（図１（Ａ））。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上に中心膜厚０．６０μｍ（平均膜厚０．６１μｍ）のＡｌＮ層を成長させた。その際、ＡｌＮ層の成長温度は１３００℃、チャンバ内の成長圧力は１０Ｔｏｒｒであり、V/III比が１６３となるようにアンモニアガスとＴＭＡガスの成長ガス流量を設定した。V族元素ガス（ＮＨ3）の流量は２００ｓｃｃｍ、III族元素ガス（ＴＭＡ）の流量は５３ｓｃｃｍである。なお、ＡｌＮ層の膜厚については、既述のとおり、光干渉式膜厚測定機（ナノスペックM6100A；ナノメトリックス社製）を用いて、ウエハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。
Example 1
The AlN template substrate according to Example 1 was manufactured according to the flowchart shown in FIG. Specifically, first, a sapphire substrate (diameter 2 inches, thickness: 430 μm, plane orientation: (0001), m-axis direction off angle θ: 0.35 degrees, terrace width: 100 nm, step height: 0.61 nm) is prepared. (FIG. 1A). Next, an AlN layer having a center film thickness of 0.60 μm (average film thickness of 0.61 μm) was grown on the sapphire substrate by MOCVD. At that time, the growth temperature of the AlN layer was 1300 ° C., the growth pressure in the chamber was 10 Torr, and the growth gas flow rates of ammonia gas and TMA gas were set so that the V / III ratio was 163. The flow rate of the group V element gas (NH 3 ) is 200 sccm, and the flow rate of the group III element gas (TMA) is 53 sccm. As described above, the film thickness of the AlN layer was dispersed at equal intervals including the center in the wafer surface using an optical interference film thickness measuring device (Nanospec M6100A; manufactured by Nanometrics). A total of 25 film thicknesses were measured.
次いで、上記ＡｌＮ層形成後のＡｌＮテンプレート基板を熱処理炉に導入し、１０Ｐａまで減圧後に窒素ガスを常圧までパージすることにより炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してＡｌＮテンプレート基板に対して熱処理を施した。その際、加熱温度は１６２０℃、加熱時間は４時間とした。こうして、実施例１に係るＡｌＮテンプレート基板を作製した。 Next, the AlN template substrate after the formation of the AlN layer is introduced into a heat treatment furnace, and after reducing the pressure to 10 Pa and purging nitrogen gas to normal pressure, the furnace is made a nitrogen gas atmosphere, and then the temperature in the furnace is raised. The AlN template substrate was then heat treated. At that time, the heating temperature was 1620 ° C., and the heating time was 4 hours. Thus, an AlN template substrate according to Example 1 was produced.
（実施例２）
サファイア基板のオフ角θを０．５０度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．８７ｎｍ）に変えた以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Example 2)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 0.50 degrees (terrace width: 100 nm, step height: 0.87 nm). All other conditions are the same as in Example 1.
（実施例３）
サファイア基板のオフ角をｍ軸方向からa軸方向に替え、ＡｌＮ層の中心膜厚を０．６１μｍ（平均膜厚０．６２μｍ）とした以外は、実施例２と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Example 3)
An AlN template substrate is produced in the same manner as in Example 2 except that the off-angle of the sapphire substrate is changed from the m-axis direction to the a-axis direction, and the center film thickness of the AlN layer is 0.61 μm (average film thickness 0.62 μm). did. All other conditions are the same as in Example 1.
（実施例４）
ＡｌＮ層の中心膜厚を０．３９μｍ（平均膜厚０．４０μｍ）とした以外は、実施例２と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例２と同じである。
Example 4
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Example 2 except that the center film thickness of the AlN layer was 0.39 μm (average film thickness 0.40 μm). All other conditions are the same as in Example 2.
（実施例５）
ＡｌＮ層の中心膜厚を０．３９μｍ（平均膜厚０．３９μｍ）とした以外は、実施例３と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例２と同じである。
(Example 5)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Example 3 except that the center film thickness of the AlN layer was 0.39 μm (average film thickness 0.39 μm). All other conditions are the same as in Example 2.
（比較例１）
サファイア基板のオフ角θを０．１１度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．２０ｎｍ）に変えた以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Comparative Example 1)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 0.11 degrees (terrace width: 100 nm, step height: 0.20 nm). All other conditions are the same as in Example 1.
（比較例２）
サファイア基板のオフ角θを０．２５度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．４３ｎｍ）に変え、ＡｌＮ層の中心膜厚を０．５９μｍ（平均膜厚０．６０μｍ）とした以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Comparative Example 2)
The off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 0.25 degrees (terrace width: 100 nm, step height: 0.43 nm), and the center film thickness of the AlN layer was changed to 0.59 μm (average film thickness 0.60 μm). As in Example 1, an AlN template substrate was produced. All other conditions are the same as in Example 1.
（比較例３）
サファイア基板のオフ角θを１．０度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：１．７５ｎｍ）に変えた以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Comparative Example 3)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 1.0 degree (terrace width: 100 nm, step height: 1.75 nm). All other conditions are the same as in Example 1.
（比較例４）
サファイア基板のオフ角θを２．０度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：３．５０ｎｍ）に変えた以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Comparative Example 4)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Example 1 except that the off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 2.0 degrees (terrace width: 100 nm, step height: 3.50 nm). All other conditions are the same as in Example 1.
（比較例５）
サファイア基板のオフ角θを０．５０度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．８７ｎｍ）に変え、ＡｌＮ層の中心膜厚を０．２２μｍ（平均膜厚０．２２μｍ）とした以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Comparative Example 5)
The off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 0.50 degrees (terrace width: 100 nm, step height: 0.87 nm), and the center film thickness of the AlN layer was changed to 0.22 μm (average film thickness 0.22 μm). As in Example 1, an AlN template substrate was produced. All other conditions are the same as in Example 1.
（比較例６）
ＡｌＮ層の中心膜厚を０．９８μｍ（平均膜厚０．９９μｍ）とした以外は、比較例５と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て比較例５と同じである。
(Comparative Example 6)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 5, except that the center film thickness of the AlN layer was 0.98 μm (average film thickness 0.99 μm). All other conditions are the same as in Comparative Example 5.
（比較例７）
サファイア基板のオフ角θを０．１１度（テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．２０ｎｍ）に変え、ＡｌＮ層の中心膜厚を０．２２μｍ（中心膜厚０．２２μｍ）とした以外は、実施例１と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て実施例１と同じである。
(Comparative Example 7)
The off-angle θ of the sapphire substrate was changed to 0.11 degrees (terrace width: 100 nm, step height: 0.20 nm), and the center film thickness of the AlN layer was changed to 0.22 μm (center film thickness 0.22 μm). As in Example 1, an AlN template substrate was produced. All other conditions are the same as in Example 1.
（比較例８）
ＡｌＮ層の中心膜厚を０．４０μｍ（平均膜厚０．４１μｍ）とした以外は、比較例７と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て比較例７と同じである。
(Comparative Example 8)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 7, except that the center film thickness of the AlN layer was 0.40 μm (average film thickness 0.41 μm). All other conditions are the same as in Comparative Example 7.
（比較例９）
ＡｌＮ層の中心膜厚を０．８０μｍ（平均膜厚０．７８μｍ）とした以外は、比較例７と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て比較例７と同じである。
(Comparative Example 9)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 7, except that the center film thickness of the AlN layer was 0.80 μm (average film thickness 0.78 μm). All other conditions are the same as in Comparative Example 7.
（比較例１０）
ＡｌＮ層の中心膜厚を０．９６μｍ（平均膜厚０．９８μｍ）とした以外は、比較例７と同様にＡｌＮテンプレート基板を作製した。その他の条件は全て比較例７と同じである。
(Comparative Example 10)
An AlN template substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 7, except that the center film thickness of the AlN layer was 0.96 μm (average film thickness 0.98 μm). All other conditions are the same as in Comparative Example 7.
＜評価＞
以上のとおり得られた実施例１〜５および比較例１〜１０にかかるＡｌＮテンプレート基板について、以下のとおり評価を行った。
<Evaluation>
The AlN template substrates according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 10 obtained as described above were evaluated as follows.
（参考評価１：熱処理前のＡｌＮ層の結晶性評価）
ＡｌＮ層形成後であり、熱処理前の実施例１に係るＡｌＮテンプレート基板の中央部分について、Ｘ線回折装置（D8 DISCOVER AUTOWAFS；Bruker AXS社製）を用いてωスキャンによって結晶性を評価したところ、実施例１にかかるＡｌＮテンプレート基板のＸ線ロッキングカーブの（０００２）面の半値幅は１１３秒、（１０−１２）面の半値幅は１１８５秒であった。
同様の評価を実施例２〜５および比較例１〜１０に対して行った。結果を表１に示す。
(Reference evaluation 1: Evaluation of crystallinity of AlN layer before heat treatment)
After the AlN layer was formed and the central part of the AlN template substrate according to Example 1 before heat treatment was evaluated for crystallinity by ω scan using an X-ray diffractometer (D8 DISCOVER AUTOWAFS; Bruker AXS), The half width of the (0002) plane of the X-ray rocking curve of the AlN template substrate according to Example 1 was 113 seconds, and the half width of the (10-12) plane was 1185 seconds.
The same evaluation was performed on Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 10. The results are shown in Table 1.
（参考評価２：熱処理前のＡｌＮ層の表面平坦性評価）
また、原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscope）により、ＡｌＮ層形成後であり、熱処理前の実施例１に係るＡｌＮテンプレート基板の中央部の５μｍ×５μｍの範囲の表面粗さＲａを測定したところ、０．５０ｎｍであった。同様の評価を実施例２〜５および比較例１〜１０に対して行った。結果を表１に示す。
(Reference evaluation 2: Evaluation of surface flatness of AlN layer before heat treatment)
Further, the surface roughness Ra in the range of 5 μm × 5 μm in the central portion of the AlN template substrate according to Example 1 after the AlN layer formation and before the heat treatment was measured by an atomic force microscope (AFM). However, it was 0.50 nm. The same evaluation was performed on Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 10. The results are shown in Table 1.
（評価１：熱処理後のＡｌＮ層の結晶性評価）
熱処理後の実施例１に係るＡｌＮテンプレートの中央部分におけるＡｌＮ層の結晶品質を評価したところ、Ｘ線のロッキングカーブの（０００２）面の半値幅は３８秒、（１０−１２）面の半値幅は１９４秒であった。
同様の評価を実施例２〜５および比較例１〜１０に対して行った。結果を表１に示す。なお、表１中、（０００２）面の半値幅について、下記のとおり評価した。
◎：半値幅が６０秒以下である。
○：半値幅が６０秒超７０秒以下である。
△：半地幅が７０秒超９０秒以下である。
×：半値幅が９０秒超である。
また、（１０−１２）面の半値幅について、下記のとおり評価した。
◎：半値幅が２００秒以下である。
○：半値幅が２００秒超２５０秒以下である。
△：半地幅が２５０秒超３００秒以下である。
×：半値幅が３００秒超である。
(Evaluation 1: Crystallinity evaluation of AlN layer after heat treatment)
When the crystal quality of the AlN layer in the central portion of the AlN template according to Example 1 after heat treatment was evaluated, the half-value width of the (0002) plane of the X-ray rocking curve was 38 seconds and the half-value width of the (10-12) plane. Was 194 seconds.
The same evaluation was performed on Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 10. The results are shown in Table 1. In Table 1, the full width at half maximum of the (0002) plane was evaluated as follows.
A: The half width is 60 seconds or less.
○: The half-value width is more than 60 seconds and 70 seconds or less.
(Triangle | delta): A half-width is 70 seconds or more and 90 seconds or less.
X: The half width is more than 90 seconds.
Moreover, the half width of the (10-12) plane was evaluated as follows.
A: The half width is 200 seconds or less.
○: The half-value width is more than 200 seconds and not more than 250 seconds.
Δ: Half width is more than 250 seconds and less than 300 seconds.
X: The half value width is more than 300 seconds.
（評価２：熱処理後のＡｌＮ層の表面平坦性評価）
さらに、原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscope）により、熱処理後の実施例１に係るＡｌＮテンプレート基板の表面粗さＲａを測定したところ、０．９２ｎｍであった。同様の評価を実施例２〜５および比較例１〜１０に対して行った。結果を表１に示す。なお、表１中、表面粗さＲａについて、下記のとおり評価した。
◎：Ｒａが１．０ｎｍ以下である。
○：Ｒａが１．０ｎｍ超１．１ｎｍ以下である。
△：Ｒａが１．１ｎｍ超２．０ｎｍ以下である。
×：Ｒａが２．０ｎｍ超である。
さらに、実施例１〜３および比較例１〜４に係るＡｌＮテンプレート基板のＡＦＭによる表面観察結果を、図４〜図１０にそれぞれ示す。
(Evaluation 2: Evaluation of surface flatness of AlN layer after heat treatment)
Furthermore, when the surface roughness Ra of the AlN template substrate according to Example 1 after the heat treatment was measured by an atomic force microscope (AFM), it was 0.92 nm. The same evaluation was performed on Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 to 10. The results are shown in Table 1. In Table 1, the surface roughness Ra was evaluated as follows.
A: Ra is 1.0 nm or less.
○: Ra is more than 1.0 nm and 1.1 nm or less.
Δ: Ra is more than 1.1 nm and not more than 2.0 nm.
X: Ra is more than 2.0 nm.
Furthermore, the surface observation result by AFM of the AlN template substrate which concerns on Examples 1-3 and Comparative Examples 1-4 is shown in FIGS. 4-10, respectively.
（評価３：クラック評価）
金属顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ社製）を用い、実施例１〜５および比較例１〜１０に係るＡｌＮテンプレート基板の表面写真を微分干渉法により倍率１００〜１０００で取得し、クラック発生の有無を判定した。結果を表１に示す。なお、表１中、クラックの発生について、下記のとおり評価した。
○：クラックの発生が表面写真では確認できない。
△：クラックの発生が中心部においては確認できない。
×：クラックが中心部において発生している。
(Evaluation 3: Crack evaluation)
Using a metal microscope (manufactured by Nikon), surface photographs of the AlN template substrates according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 10 were obtained at a magnification of 100 to 1000 by differential interference method, and the presence or absence of cracks was determined. The results are shown in Table 1. In Table 1, the occurrence of cracks was evaluated as follows.
○: The occurrence of cracks cannot be confirmed in the surface photograph.
(Triangle | delta): Generation | occurrence | production of a crack cannot be confirmed in center part.
X: The crack has generate | occur | produced in center part.
（総合評価）
実施例１〜５および比較例１〜１０に係るＡｌＮテンプレート基板のそれぞれについて、上記評価１〜３の評価に△または×が含まれないものを総合評価：○と判定し、△または×が一つでも含まれるものを総合評価：×と判定した。結果を表１に示す。
(Comprehensive evaluation)
For each of the AlN template substrates according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 10, the evaluation in which the evaluations 1 to 3 do not include Δ or x is determined as comprehensive evaluation: ○, and Δ or x is equal to one. What was included at any one time was determined as comprehensive evaluation: x. The results are shown in Table 1.
表１に示すように、オフ角θおよびＡｌＮ層の厚さがともに本発明条件を満足する実施例１〜５では、熱処理前のＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は、１１３秒〜１７５秒程度であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が１１２３秒〜１４７９秒程度であった。次いで、熱処理を施すことにより、従来技術では実現することのできなかった、ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が７０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下であり、さらに表面粗さＲａが１．１ｎｍ以下である、高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えたＡｌＮテンプレート基板を実現することができた。
一方、オフ角θが本発明条件を満足しない比較例１〜５，７〜１０では、ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅，（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅および表面粗さの少なくとも一つが不十分であり、高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えたＡｌＮテンプレート基板を実現することはできなかった。さらに、ＡｌＮ層の厚さが０．７μｍ超（具体的には０．８０μｍ以上）と、本発明条件を満足しない比較例６，９，１０では、ＡｌＮテンプレート基板にクラックが発生してしまうことがわかった。また、オフ角については本発明条件を満足するものの、ＡｌＮ層の厚さが本発明条件を満足しない比較例５では、ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅，（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅および表面粗さのいずれも不十分な評価であった。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 in which both the off angle θ and the thickness of the AlN layer satisfy the conditions of the present invention, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer before the heat treatment is 113 seconds to 175 seconds, and the full width at half maximum of the (10-12) plane X-ray rocking curve was about 1123 seconds to 1479 seconds. Next, by performing heat treatment, the half-value width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer, which could not be realized by the prior art, is 70 seconds or less, and the (10-12) plane An AlN template substrate having both high crystallinity and surface flatness with a half-value width of the X-ray rocking curve of 250 seconds or less and a surface roughness Ra of 1.1 nm or less could be realized.
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 5 and 7 to 10 in which the off angle θ does not satisfy the conditions of the present invention, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer and the X-ray rocking curve of the (10-12) plane At least one of the half width and the surface roughness was insufficient, and an AlN template substrate having high crystallinity and surface flatness could not be realized. Furthermore, when the thickness of the AlN layer exceeds 0.7 μm (specifically, 0.80 μm or more), in Comparative Examples 6, 9, and 10 that do not satisfy the conditions of the present invention, cracks occur in the AlN template substrate. I understood. Further, in Comparative Example 5 in which the thickness of the AlN layer does not satisfy the conditions of the present invention with respect to the off angle, the half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer, (10− 12) Both the full width at half maximum and the surface roughness of the X-ray rocking curve of the surface were insufficient evaluations.
また、オフ角の方向がｍ軸である実施例１，２，４，５と、オフ角の方向がａ軸である実施例３とを比べると、オフ角の方向をｍ軸とした方が、結晶性および表面平坦性により優れたＡｌＮテンプレート基板を実現できることがわかった。 Further, when Examples 1, 2, 4, and 5 in which the off-angle direction is the m-axis are compared with Examples 3 in which the off-angle direction is the a-axis, the off-angle direction is the m-axis. It was found that an AlN template substrate superior in crystallinity and surface flatness can be realized.
本発明によれば、高い結晶性および表面平坦性を兼ね備えたＡｌＮテンプレート基板およびその製造方法を提供することができるため、半導体産業において有用である。 According to the present invention, an AlN template substrate having both high crystallinity and surface flatness and a method for manufacturing the same can be provided, which is useful in the semiconductor industry.
１ ＡｌＮテンプレート基板
１０ サファイア基板
１０Ａ サファイア基板の主面
２０ ＡｌＮ層
1 AlN template substrate 10 Sapphire substrate 10A Main surface 20 of sapphire substrate AlN layer
Claims (8)
前記サファイア基板の主面は、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角で傾斜した面であり、
前記ＡｌＮ層の厚みは、０．３μｍ以上０．７μｍ以下であり、
前記ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が７０秒以下であり、かつ、（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が２５０秒以下であり、
前記ＡｌＮ層表面の表面粗さＲａが１．１ｎｍ以下であることを特徴とするＡｌＮテンプレート基板。 An AlN template substrate having a sapphire substrate and an AlN layer formed on the main surface of the sapphire substrate,
The main surface of the sapphire substrate is a surface in which the C plane is inclined at an off angle of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less,
The thickness of the AlN layer is 0.3 μm or more and 0.7 μm or less,
The half width of the X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer is 70 seconds or less, and the half width of the X-ray rocking curve of the (10-12) plane is 250 seconds or less,
An AlN template substrate having a surface roughness Ra of 1.1 nm or less on the surface of the AlN layer.
前記ＡｌＮ層の（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅が６０秒以下であり、前記ＡｌＮ層表面の表面粗さＲａが１．０ｎｍ以下である、請求項１に記載のＡｌＮテンプレート基板。 The main surface is a surface inclined in the m-axis direction,
The AlN template substrate according to claim 1, wherein a half width of an X-ray rocking curve of the (0002) plane of the AlN layer is 60 seconds or less, and a surface roughness Ra of the surface of the AlN layer is 1.0 nm or less.
前記ＡｌＮ層を、前記第１工程における成長温度よりも高温で熱処理する第２工程と、
を含み、
前記サファイア基板の主面は、Ｃ面が０．３５度以上０．５５度以下のオフ角で傾斜した面であり、
前記第１工程において、厚み０．３μｍ以上０．７μｍ以下の前記ＡｌＮ層をエピタキシャル成長させることを特徴とするＡｌＮテンプレート基板の製造方法。 A first step of epitaxially growing an AlN layer on the main surface of the sapphire substrate at a predetermined growth temperature;
A second step of heat treating the AlN layer at a temperature higher than the growth temperature in the first step;
Including
The main surface of the sapphire substrate is a surface in which the C plane is inclined at an off angle of 0.35 degrees or more and 0.55 degrees or less,
In the first step, the AlN layer having a thickness of not less than 0.3 μm and not more than 0.7 μm is epitaxially grown.
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