JP3805673B2 - 窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視発光ダイオード装置又は青紫色レーザ装置に用いる窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のIII-Ｖ族窒化物半導体は、青色又は緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）装置、青色半導体レーザ装置又は高温動作が可能な高速トランジスタ装置等に用いる化合物半導体材料として好適である。
【０００３】
ところで、従来から、窒化物半導体を成長させる基板には、サファイア（単結晶Ａｌ2Ｏ3、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）からなる絶縁性基板が良く知られている。
【０００４】
しかしながら、組成が窒化物半導体層とは異なるサファイア等からなる異種の基板上に窒化物半導体を成長させると、成長する窒化物半導体と該基板との間の熱膨張係数の差によって、基板が反ったり、クラックが発生したりして、窒化物半導体の結晶性が劣化することが知られている。
【０００５】
そこで、近年、基板を窒化物半導体により形成し、窒化物半導体からなる基板上に、同種の窒化物半導体からなる素子構造を形成することにより、異種の基板に起因する問題を解決する試みがなされている。
【０００６】
例えば、窒化物半導体基板の製造方法の一例として、母材となる基板（母材基板）の上に窒化物半導体層を比較的に厚く成長し、成長した窒化物半導体層と母材基板との界面にレーザ光を照射する。レーザ光を照射された窒化物半導体層が局所的に加熱されて昇華し、窒化物半導体層が母材基板から剥離することにより、窒化物半導体層から窒化物半導体基板を得るという方法が検討されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体基板の製造方法は、レーザ光によって母材基板から窒化物半導体層を剥離する場合に、レーザ光の走査の途中、すなわち、窒化物半導体層と母材基板とにおけるレーザ光を照射されている界面のみが剥離し、他の部分が接合したままの状態となる。その際、窒化物半導体層と母材基板との接合部分に応力が集中して、窒化物半導体層中にクラックが発生するという問題がある。その結果、室温程度のレーザ光を照射することによって、窒化物半導体基板を歩留まり良く製造することが困難となる。
【０００８】
また、母材基板上に窒化物半導体を成長する際に、窒化物半導体に対して格子不整合による貫通欠陥が導入されるため、得られる窒化物半導体基板における欠陥密度が大きいという問題もある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、クラック等を発生させることなく、さらに、欠陥密度が小さく且つ生産性に優れた窒化物半基板を確実に得られるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体層を成長させる母材基板の主面上に、窒化物からなる半導体層を選択的に成長させるマスク膜を形成する構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明に係る第１の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板の主面上に、窒化物半導体が実質的に成長しない材料からなり、複数の開口部を有するマスク膜を形成する第１の工程と、前記母材基板上に、マスク膜を介して窒化物からなる半導体層を選択的に成長する第２の工程と、半導体層における母材基板との界面にレーザ光を照射して、半導体層を母材基板から剥離することにより、半導体層から半導体基板を形成する第３の工程とを備えている。
【００１２】
第１の窒化物半導体基板の製造方法によると、母材基板上にマスク膜を介して窒化物からなる半導体層を選択的に成長するため、該半導体層が成長する際に、マスク膜に応力を集中させることができるので、半導体層に生じる応力を低減することができる。このため、窒化物からなる半導体層に生じる割れやクラックを低減することができる。その上、マスク膜には窒化物半導体が実質的に成長しない材料を用いているため、半導体層がマスク膜の上に回り込むように成長するので、半導体層に導入される貫通欠陥を低減することができる。これにより、結晶品質及び生産性に優れた窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１３】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面であるサファイアからなり、第１の工程が、各開口部を、母材基板における晶帯軸の＜１−１００＞方向とほぼ一致したストライプ状に形成することが好ましい。このようにすると、母材基板を構成する｛０００１｝面を主面に持つサファイアに対し、その上に成長する窒化物半導体の晶帯軸方向が３０°ずれる。このため、ストライプの長手方向が母材基板の晶帯軸の＜１−１００＞方向に沿うようにマスク膜の開口部を形成すると、マスク膜の上にせり出して成長する半導体層の成長面を良好な｛１−１０１｝面とすることができる。
【００１４】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面である炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなり、第１の工程が、各開口部を、母材基板における晶帯軸の＜１１−２０＞方向とほぼ一致したストライプ状に形成することが好ましい。このようにすると、母材基板を構成する｛０００１｝面を主面に持つ炭化ケイ素又は窒化アルミニウムの晶帯軸と、その上に成長する窒化物半導体の晶帯軸とが一致する。このため、ストライプの長手方向が母材基板の晶帯軸の＜１１−２０＞方向に沿うようにマスク膜の開口部を形成すると、マスク膜の上に張り出して成長する半導体層の成長面を良好な｛１−１０１｝面とすることができる。
【００１５】
第１の窒化物半導体基板の製造方法は、第１の工程よりも前に、母材基板の主面に凹凸状領域を形成する工程をさらに備え、第１の工程が、凹凸状領域の凸部の頂面が開口部から露出するように形成する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、母材基板上にマスク膜を介して半導体層を成長する際に、母材基板の主面に形成した凹凸状領域の凸部に応力が集中するため、成長する半導体層に生じる応力がより一層低減する。このため、成長時に半導体層に生じる割れやクラックがさらに減少する。
【００１７】
この場合に、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面であるサファイアからなり、凹凸状領域を形成する工程は、母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を、母材基板における晶帯軸の＜１−１００＞方向とほぼ一致するように形成する工程を含むこことが好ましい。
【００１８】
また、この場合に、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面である炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなり、凹凸状領域を形成する工程は、母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を、母材基板における晶帯軸の＜１１−２０＞方向とほぼ一致するように形成する工程を含むことが好ましい。
【００１９】
また、この場合に、第１の工程が、母材基板における凹凸状領域の上に全面にわたってマスク形成膜を形成する工程と、マスク形成膜を覆うようにレジスト膜を塗布する工程と、レジスト膜に対してエッチングを行なって、レジスト膜を凹凸状領域の凹部に残すことにより、マスク形成膜における凹凸状領域の凸部の上側部分を露出する工程と、凹部に残されたレジスト膜をマスクとして、マスク形成膜に対してエッチングを行なう工程とを含むことが好ましい。
【００２０】
さらに、この場合のレジスト膜をエッチングする工程が、酸素プラズマを用いることが好ましい。
【００２１】
この場合のマスク形成膜は酸化物からなることが好ましい。
【００２２】
母材基板の主面に凹凸状領域を形成する場合の第２の工程において、母材基板と半導体層との間には空隙が形成されることが好ましい。このようにすると、形成された空隙により、レーザ光を照射した際に発生する熱が半導体層と母材基板との界面に集中するため熱効率が向上する。その結果、レーザ光の光密度を低減しても、半導体層を十分に剥離できるようになるため、レーザ照射装置に高出力な光源が不要となり、結果的に製造コストを低減することができる。その上、レーザ照射時の熱分解により発生する半導体層からの高圧の窒素ガスを空隙に効率良く発散できるため、剥離時の半導体層にクラック等が導入される虞が一層低減する。
【００２３】
また、第１の窒化物半導体基板の製造方法において、第３の工程が、レーザ光を、少なくとも半導体層におけるマスク膜の開口部からの露出部分に照射することが好ましい。このようにすると、レーザ光の照射時間を短縮することができるため、レーザ照射工程のスループットが向上して、生産性に優れる。
【００２４】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、第１の工程が複数の開口部を島状に形成し、第３の工程が、レーザ光を、半導体層におけるマスク膜の各開口部からの露出部分と同期するように走査しながら照射することが好ましい。このようにすると、レーザ光の光源としてパルス状の光源を用いることができるため、レーザ光の出力値を高めることができるので、レーザ光の照射時間を短縮できる。その上、母材基板と半導体層との剥離を確実に行なえるようになる。
【００２５】
さらに、第１の窒化物半導体基板の製造方法において、第１の工程が複数の開口部を島状に形成し、第３の工程が、レーザ光を、半導体層におけるマスク膜の開口部からの露出部分を走査しながら、露出部分の複数を同時に照射することが好ましい。このように、半導体層におけるマスク膜の開口部からの露出部分の複数を同時に照射するため、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【００２６】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、マスク膜が酸化シリコン、窒化シリコン又はタングステンからなることが好ましい。
【００２７】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、マスク膜における互いに隣接する開口部の開口端同士の間隔が半導体層の厚さとほぼ等しいかそれ以下であることが好ましい。
【００２８】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、マスク膜の開口部の開口幅が、互いに隣接する開口部の開口端同士の間隔の約１０倍以下であることが好ましい。
【００２９】
本発明に係る第２の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板の主面に対して選択的にエッチングを行なって、母材基板の主面に凹凸状領域を形成する第１の工程と、母材基板における凹凸状領域の上に該凹凸状領域の凹部との間に空隙が形成され且つその上面が平坦となるように、窒化物からなる半導体層を成長する第２の工程と、半導体層における母材基板との界面にレーザ光を照射して、半導体層を母材基板から剥離することにより、半導体層から半導体基板を形成する第３の工程とを備えている。
【００３０】
第２の窒化物半導体基板の製造方法によると、窒化物からなる半導体層を、母材基板における凹凸状領域の上に該凹凸状領域の凹部との間に空隙が形成されるように選択的に成長するため、該半導体層が成長する際に、母材基板における凹凸状領域の凸部部分に応力を集中させることができるので、半導体層に生じる応力を低減することができる。このため、成長時に窒化物からなる半導体層に生じる割れやクラックを防止することができる。その上、半導体層が母材基板の凹部上に空隙を形成しながら張り出すように成長するため、半導体層に導入される貫通欠陥を低減することができる。このように、結晶品質及び生産性に優れた窒化物半導体基板を得ることができる上に、母材基板にマスク膜を設ける必要がないため、製造プロセスが簡略化される。
【００３１】
なお、本願明細書では、便宜上、ミラー指数の上にバーを付す代わりに、該指数の前に負符号「−」を付してその反転を表わしている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１（ａ）〜図１（ｄ）乃至図３（ａ）〜図３（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００３４】
まず、図１（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイア（酸化アルミニウムの単結晶）からなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【００３５】
サファイアは、そのバンドギャップが８．７ｅＶであるため、該バンドギャップに相当するエネルギーの波長である１４２．５ｎｍよりも長い波長の光を透過する。そのため、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光又は波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光はサファイアを透過する。
【００３６】
（マスク膜形成工程）
次に、図１（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【００３７】
次に、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びフッ酸を含む溶液によるエッチング法により、マスク形成膜１２Ａから複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂを形成する。
【００３８】
ここで、図２を用いてマスク膜１２Ｂの詳細な構成を説明する。
【００３９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａは、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向に沿ってストライプ状に延び、開口部１２ａの幅は約１０μｍで、互いに隣接する開口部１２ａの開口端同士の間隔は約３０μｍである。
【００４０】
なお、本願明細書においては、晶帯軸の＜１−１００＞方向とは、晶帯軸の［１−１００］方向と等価な方向のいずれか１つを指し、特定の一方向を表わさない。例えば、＜１−１００＞方向と等価な方向は、［１−１００］、［−１１００］、［０１−１０］、［０−１１０］、［１０−１０］及び［−１０１０］である。同様に、面方位の｛１−１００｝面とは、面方位の（１−１００）面と等価な方向のいずれか１つの面を指す。
【００４１】
（窒化物半導体成長工程）
III 族源である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とＶ族源であるアンモニア（ＮＨ3 ）とを原料とするハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により、母材基板１１のの上にマスク膜１２Ｂを介して、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体層１３を成長する。III 族源の塩化ガリウムは、金属ガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）とを、９００℃程度の大気圧下で反応させて生成する。
【００４２】
また、母材基板１１の主面上で窒化ガリウムの核形成密度を増大させるため、半導体層１３を成長するよりも前に、基板温度を約１０００℃に保ち、塩化ガリウムのみを１５分間程度供給する処理を行なう（以下、このプロセスをＧａＣｌ処理と呼ぶ）。なお、核形成密度を増大させるには、ＧａＣｌ処理に代えて、母材基板１１上に、窒化ガリウムからなり、４００℃〜８００℃程度の比較的に低温で成長させる、いわゆる低温バッファ層を設けても良く、また、母材基板１１の主面に対してアンモニアによる窒化処理を行なっても良い。さらには、低温バッファ層と窒化処理とを組み合わせても良い。
【００４３】
以下、半導体層１３の成長の詳細を説明する。
【００４４】
図１（ｄ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、母材基板１１の上に塩化ガリウム及びアンモニアを導入して、窒化ガリウムからなる半導体層１３の成長を始める。半導体層１３は、酸化ケイ素からなるマスク膜１２Ｂ上には成長しないため、母材基板１１の開口部１２ａからの露出部分から成長する。さらに成長を続けると、半導体層１３は、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａから該マスク膜１２Ｂの上へ張り出すように成長する。このとき、半導体層１３における開口部１２ａからの張り出し部分の側面は、窒化ガリウム結晶の面方位の｛１−１０１｝面となる。
【００４５】
これは、母材基板１１を構成するサファイアの面方位に対して窒化ガリウム結晶の面方位が３０°ずれて成長するという現象に加え、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａが延びる方向（ストライプ方向）をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向に合わせているためである。また、窒化ガリウム結晶の｛１−１０１｝面は成長速度が比較的に小さいため出現し易いことにもよる。
【００４６】
このように、第１の実施形態においては、半導体層１３の出現し易い面方位を考慮して、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａのストライプ方向を設定しているため、半導体層１３にピット等の欠陥を生じずに埋め込み成長を行なうことが、より容易となる。半導体層１３は厚さが約２００μｍとなるまで成長を行なう。これにより、マスク膜１２Ｂは埋め込まれて、平坦な表面を持つ半導体層１３を得ることができる。
【００４７】
次に、図３（ａ）に示すように、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、母材基板１１に反りが生じる。
【００４８】
第１の実施形態においては、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けているため、母材基板１１と半導体層１３とが界面の全面で接合している場合と比べて、母材基板１１に生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が８０ｃｍ程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が１ｍ程度となることを確認している。なお、比較のために、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けないで半導体層１３を成長し、その後の母材基板１１の曲率半径を調べると６０ｃｍ程度であった。
【００４９】
（レーザ照射工程）
半導体層１３に対するレーザ照射は、図４に示すようなレーザ照射装置を用いる。
【００５０】
図４に示すように、レーザ出射部１から出射されたレーザ光１０は、スキャンレンズ２によって２次元に走査されて、半導体層１３に照射される。ここでは、半導体層１３に対して、レーザ光１０を母材基板１１の主面と反対側の面から照射している。レーザ光１０は光路上に置かれた複数の集光レンズ３Ａ、３Ｂによって、半導体層１３上におけるレーザ光１０のビーム径を調節することができる。なお、集光レンズ３Ａ、３Ｂに代えて、適当な開口パターンを有するスリットを集光手段として用いても良い。
【００５１】
さらに、レーザ照射装置は、レーザ光１０の透過率が高く且つ可視光の反射率が高いミラー４と、該ミラー４を介して入力される可視光１０ａを受ける画像認識部５とを備えている。画像認識部５は、入力される可視光１０ａにより、半導体層１３におけるレーザ照射位置を認識して、スキャンレンズ２の回転位置を制御する。
【００５２】
ところで、レーザ照射時に、半導体層１３に対する冷却又は加熱は行なわないでもよい。しかしながら、半導体層１３の反りを修復するために、レーザ照射装置に半導体層１３を８００℃程度以下に加熱する加熱手段を設けてもよい。また、熱膨張係数差による剥離を促進するため、半導体層１３を冷却する冷却手段を設けてもよい。
【００５３】
レーザ光源には、波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧの３次高調波を用いている。パルス幅は約３０ｎｓで、パルス周期は約５０ｋＨｚとしている。レーザ光１０を集光して約２０μｍ径の円形状ビームとすることにより、１．０Ｊ／ｃｍ2 程度の光密度を得ている。サファイアはレーザ光１０に対して透明であるため、前述したように、母材基板１１の裏面側から該母材基板１１を通して半導体層１３にレーザ光１０を照射している。
【００５４】
レーザ光１０を照射する際には、前述したように、母材基板１１と共に半導体層１３が反っているため、集光レンズ３Ａ、３Ｂを調整してレーザ光１０のスポット径が一定となるように制御を行なうことが好ましい。
【００５５】
第１の実施形態においては、レーザ光１０を半導体層１３と母材基板１１との界面に沿って選択的に照射する。すなわち、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｂの開口部１２ａからの露出部分と半導体層１３とにおける界面に沿ってレーザ光１０が連続的に照射されるように、レーザ光１０の走査速度を５０ｃｍ／ｓとする。このとき、ストライプ状の開口部１２ａにおいて走査方向に隣り合う照射位置の中心間隔は約１０μｍとしている。従って、照射位置の中心間隔がレーザ光１０のビーム径の約２０μｍよりも小さいため、パルス状の照射であっても半導体層１３と母材基板１１との界面を連続的に照射することができる。その上、パルス照射時に走査を止めることなく、すなわち光軸を走査したままで照射を行なったとしても、レーザ光１０を半導体層１３に対して連続的に照射することができる。
【００５６】
図３（ｂ）はレーザ照射工程の途中段階における母材基板１１の断面構成を示している。
【００５７】
半導体層１３はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分において、パルス幅の時間内ではほとんど拡散せずに、母材基板１１との界面が局所的に加熱される。この局所的な加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【００５８】
ガリウム層１３ａは２５℃以上の温度では液体であり、それ以下の温度でも非常に軟らかい材料であるため、ガリウム層１３ａを介した母材基板１１と半導体層１３との結合力は極めて小さくなる。その結果、熱膨張係数差による応力が、母材基板１１と半導体層１３との接合部分に集中する。
【００５９】
また、半導体層１３の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層１３の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。
【００６０】
第１の実施形態においては、半導体層１３におけるレーザ照射部分の周囲にマスク膜１２Ｂが形成されている。マスク膜１２Ｂの上には窒化ガリウムからなる半導体層１３が直接には成長しない。このため、半導体層１３のマスク膜１２Ｂの上側部分は、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａから基板面に平行に張り出すように成長している。その結果、マスク膜１２Ｂと半導体層１３とは、原子同士の結合手ではなく、いわゆる分子間力のみで結合している。そのため、マスク膜１２Ｂと半導体層１３との接合力は小さい。
【００６１】
従って、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との直接の接合部分が分解されると、半導体層１３に生じている応力は、接合力が小さいマスク膜１２Ｂと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより解放される。また、このとき、高圧の窒素ガスは、マスク膜１２Ｂと半導体層１３との分離により発散される。
【００６２】
このような剥離のメカニズムにより、レーザ光の照射中の半導体層１３には、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じないことを確認している。
【００６３】
従って、図３（ｃ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【００６４】
次に、図３（ｄ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【００６５】
以上説明したように、第１の実施形態によると、半導体層１３における母材基板１１の主面上に設けたマスク膜１２Ｂの開口部１２ａにのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【００６６】
第１の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａの面積の和はマスク膜１２Ｂの面積の４分の１であるため、レーザ光の照射時間は少なくとも４分の１とすることができる。実際には、基板の全面を照射する場合は、レーザ照射位置が前回に照射した部分に対してもその一部が重なるように照射するため、結果的に、第１の実施形態に係るレーザ光の照射時間は４分の１以下となる。
【００６７】
具体的には、ビーム径が２０μｍのレーザ光で、照射位置が互いに１０μｍずつ重なるように照射した場合、第１の実施形態においては、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対して約４分でレーザ光の照射が終了する。一方、従来のように半導体層１３の全面に１０μｍずつ重なるように照射すると、レーザ光の照射工程に、およそ３０分もの時間が必要となる。
【００６８】
また、第１の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａがストライプ状に延びているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的に照射を行なうことができる。
【００６９】
また、第１の実施形態においては、ストライプ状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂを介して、母材基板１１の主面上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥の密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。これに対し、従来のサファイアからなる基板上に成長した窒化ガリウムからなる半導体層における欠陥密度は、１×１０9 ｃｍ-2程度である。
【００７０】
このように、第１の実施形態によると、レーザ光の照射時間を４分の１以下と著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板１３Ａを確実に得ることができる。
【００７１】
また、マスク膜１２Ｂの厚さを０．１μｍ程度としたが、マスク膜１２Ｂの厚さはこれに限定されず、母材基板１１の主面を覆うことが可能な連続的な膜であればよい。このような連続的な膜を得るには、マスク膜１２Ｂの厚さは、好ましくは、およそ０．００１μｍ以上とするのが良い。
【００７２】
なお、第１の実施形態においては、母材基板１１上において、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａのストライプ方向をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向としたが、母材基板１１に用いる材料によっては、窒化ガリウムからなる半導体層１３の結晶面の面方位が異なる場合がある。そのような場合は、半導体層１３における晶帯軸の＜１１−２０＞方向にストライプ方向を一致させることが好ましい。
【００７３】
例えば、母材基板１１として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合には、母材基板１１を構成するサファイアと半導体層１３を構成する窒化ガリウムとの各面方位が一致するため、ストライプ方向を＜１１−２０＞とすることが好ましい。
【００７４】
なお、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａの開口幅を約１０μｍとし、互いに隣接する開口部１２ａの開口端同士の間隔、すなわち１本のストライプの幅を約３０μｍとしたが、これらの寸法には好ましい範囲がある。
【００７５】
まず、ストライプの幅の上限は、半導体層１３によるマスク膜１２Ｂの埋込み成長により規制される。すなわち、ストライプの幅が小さい方がマスク膜１２Ｂを埋め込むのに必要な面積が小さくなるため、半導体層１３の厚さが比較的に小さい場合でも埋め込むことができる。そこで、マスク膜１２Ｂのストライプの幅は半導体層１３の厚さとほぼ同程度かそれ以下とすることが好ましく、第１の実施形態では、２００μｍ程度かそれ以下とするのが良い。
【００７６】
これに対し、ストライプの幅の下限は、レーザ照射時に半導体層１３に導入されるクラックと関係する。すなわち、ストライプの幅を極端に小さくすると、クラックが、マスク膜１２Ｂの近傍、又は半導体層１３と母材基板１１との界面近傍に留まらず、半導体層１３の内部にまで伸展する虞がある。従って、マスク膜１２Ｂのストライプの幅は約１μｍ以上とすることが好ましい。
【００７７】
また、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａの開口幅の上限も、クラックの発生と関係する。すなわち、ストライプの幅の１０倍程度以下とすることが好ましい。一方、開口幅の下限については、特に限定されないが、前述したように第１の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いているため、視認性を確保する必要から１μｍ程度以上とすることが好ましい。
【００７８】
なお、第１の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの開口パターン１２ａをストライプパターンとしたが、他のパターンでも、直線状に連続するパターンであれば、レーザ光の光軸の走査が単純化されて好ましい。さらに、渦巻状のような一筆書きパターンとすると、１回の走査で半導体層１３の全体をレーザ照射できるため好ましい。なお、この場合においても、開口部１２ａのパターンの開口端面の面方位は、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面と一致するように形成することが、より好ましい。
【００７９】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８０】
図５（ａ）〜図５（ｃ）乃至図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００８１】
第２の実施形態は、マスク膜における開口部の形状をストライプパターンに代えてドット（島状）パターンとしている。ここでは、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００８２】
まず、図５（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【００８３】
（マスク膜形成工程）
次に、図５（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【００８４】
次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びフッ酸を含む溶液によるエッチング法により、マスク形成膜１２Ａから複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。
【００８５】
ここで、図６を用いてマスク膜１２Ｃの詳細な構成を説明する。
【００８６】
図６に示すように、マスク膜１２Ｃの各開口部１２ａは、径がそれぞれ約１０μｍの円形状であって、一辺が３０μｍの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の｛１−１００｝面と一致するようにパターニングされている。なお、母材基板１１の周縁部において、ドットパターンが欠けていると、欠けた部分において半導体層１３は良好に成長しない虞があるため、母材基板１１の周縁部には開口部１２ａを設けないようにする。
【００８７】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図７（ａ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の主面上に、マスク膜１２Ｃを介して窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。このとき、マスク膜１２Ｃの上には窒化ガリウムからなる結晶核が付着せず、従って半導体層１３が成長しない。その結果、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｃの開口部１２ａの露出部分から半導体層１３が成長し始め、さらに成長し続けると、半導体層１３は開口部１２ａから該開口部１２ａ同士の間の領域上に張り出すように成長する。
【００８８】
マスク膜１２Ｃの各開口部１２ａの平面形状は円形（ドット）状ではあるが、各開口部１２ａを図６のように配置していることから、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面の成長速度は比較的に小さい。このため、厚さが１μｍ程度の半導体層１３を成長した段階のマスク膜１２Ｃ上には、半導体層１３における互いに隣接する３つの開口部１２ａからの張り出し部分によって６つの｛１−１０１｝面に囲まれた空隙が生じる。さらに、成長し続けると、各開口部１２ａから周囲に張り出す窒化ガリウムが｛１−１０１｝面で合体して、その結果、マスク膜１２Ｃは埋め込まれる。マスク膜１２Ｃが半導体層１３により埋め込まれた後も、該半導体層１３の厚さが約２００μｍとなるまで成長させると、半導体層１３の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図７（ａ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【００８９】
（レーザ照射工程）
第２の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。このとき、マスク膜１２Ｃの開口部１２ａの径は約１０μｍであり、ビーム径の約２０μｍよりも小さいため、１回のパルス照射で、半導体層１３におけるマスク膜１２Ｃの１つの開口部１２ａ上に位置する部分を照射することができる。
【００９０】
第２の実施形態の特徴として、レーザ光の出射周期を開口部１２ａの形成位置に同期して照射している。具体的には、前述したように隣接する開口部１２ａ同士の中心位置の距離は約３０μｍであり、パルス周波数が５０ｋＨｚであることから、走査速度を１５０ｃｍ／ｓとすることにより、ドット状で且つ列状に配置された開口部１２ａの位置に同期してパルス照射を行なうことができる。このとき、図４に示した画像認識部５からの位置情報をスキャンレンズ２にフィードバックして、照射位置を微調整しながらレーザ光の照射を行なうことが好ましい。
【００９１】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３はレーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【００９２】
第２の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である開口部１２ａの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との開口部１２ａにおける接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、互いの結合力が小さいマスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、マスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより発散される。
【００９３】
このような剥離のメカニズムにより、第２の実施形態においては、レーザ照射中に半導体層１３に対して、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じない。
【００９４】
従って、図７（ｂ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１とのマスク膜１２Ｃの複数の開口部１２ａにおける接合界面のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【００９５】
次に、図７（ｃ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【００９６】
以上説明したように、第２の実施形態によると、半導体層１３と母材基板１１との界面にのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【００９７】
その上、ドット状の複数の開口部１２ａが分散して配置されているため、１つの開口部１２ａに対して１つのレーザパルスを照射することにより、半導体層１３における開口部１２ａから露出する母材基板１１との界面を局所的に加熱して剥離している。その結果、レーザの照射位置が互いに重なるように照射する必要がなくなるため、第１の実施形態と比べても、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【００９８】
具体的には、第２の実施形態においては、ビーム径が約２０μｍのレーザ光を用い、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか約１分３０秒でレーザ光の照射を終了することができる。一方、従来の照射方法では、前述したように、レーザ光の照射工程に３０分程度の時間を要しており、第２の実施形態に係る製造方法は、レーザ照射工程の著しい短縮を可能とする。
【００９９】
また、第２の実施形態においては、マスク膜１２Ｃに設ける複数の開口部１２ａを周期的なドットパターンとしているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的にレーザ照射を行なうことができる。
【０１００】
また、第２の実施形態においては、窒化ガリウムからなる半導体層１３を、母材基板１１の主面上に形成された複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを介して埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１０１】
以上示したように、第２の実施形態によると、半導体層１３に対するレーザ照射時間を約１分３０秒と著しく低減できる上に、欠陥密度が著しく低減した領域を有する窒化物半導体基板１３Ａを得ることができる。
【０１０２】
なお、第２の実施形態においては、マスク膜１２Ｃに形成する各開口部１２ａの平面形状を円形状としたが、レーザ光のビーム径に納まる形状であれば、その平面形状は問われない。
【０１０３】
また、開口部１２ａの配置パターンは、より好ましくは、図６に示したように、各開口部１２ａが配置される辺の方向が、窒化ガリウムの面方位の｛１−１０１｝面と一致するように構成するのが良い。
【０１０４】
また、第２の実施形態においては、各開口部１２ａの配置パターンを、正三角形が最密に並んだ場合の各正三角形の頂点の位置としたが、他の配置パターンであっても、レーザ照射される面積を少なくして、レーザ照射工程を短縮することができる。
【０１０５】
さらに、この場合において、前述したように、成長する窒化ガリウムの｛１−１０１｝面同士が合体するように開口部１２ａを配置することが好ましい。また、この場合においても、マスク膜１２Ｃに開口部１２ａを周期的に配置することにより、レーザ光の光軸の走査を単純化することが、より好ましい。
【０１０６】
また、第２の実施形態においては、マスク膜１２Ｃの開口部１２ａの開口径を約１０μｍ、開口部１２ａ同士の中心位置の距離を約３０μｍとしたが、開口部１２ａの配置及び寸法には、好ましい範囲がある。
【０１０７】
まず、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、半導体層１３の厚さ程度以下とすることが好ましく、第２の実施形態においては、約２００μｍ以下とするのが良い。なお、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、互いに隣接する開口部１２ａの開口端同士の間隔とみなしても、実質的に問題はない。
【０１０８】
さらに、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、半導体層１３にクラックが導入されない程度に大きくすることが好ましく、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１０９】
一方、開口部１２ａの開口径においても、クラックが伸展しない程度以下とすることが好ましく、開口部１２ａ同士の中心位置の距離の１０倍以下とすることが好ましい。なお、開口径の下限は、特に限定されないが、第２の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いているため、視認性を確保する必要から、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１１０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１１１】
図８（ａ）〜図８（ｃ）及び図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１１２】
第３の実施形態は、マスク膜における開口部に対するレーザの照射方法を変えている。ここでは、第２の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０１１３】
まず、図８（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０１１４】
（マスク膜形成工程）
次に、図８（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【０１１５】
次に、図８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びフッ酸を含む溶液によるエッチング法により、マスク形成膜１２Ａから複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。この場合の開口部１２ａのパターンも図６に示したパターンと同様の、正三角形の最密配置である。
【０１１６】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図９（ａ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の主面上に、マスク膜１２Ｃを介して窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。このとき、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｃの開口部１２ａの露出部分から半導体層１３が成長し始める。続いて、半導体層１３は開口部１２ａから該開口部１２ａ同士の間の領域上に張り出し、さらにその表面が平坦化するまで成長させる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図９（ａ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【０１１７】
（レーザ照射工程）
第３の実施形態においては、図４に示したレーザ照射装置におけるレーザ出射部１の出力値を大きくしている。レーザ光には、波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波を用いる。レーザ光が高出力であるため、レーザ光のビーム径を５ｍｍ程度にまで大きくしても、約１．０Ｊ／ｃｍ2 の光密度を得ることができる。但し、パルス周期は高出力であるために小さく、約１０Ｈｚである。パルス幅は約１０ｎｓとしており、母材基板１１と半導体層１３との界面を局所的に加熱するのに十分なパルス幅である。
【０１１８】
ここでも、サファイアはレーザ光に対して透明であるため、母材基板１１の裏面側から該母材基板１１を通して半導体層１３にレーザ光を照射する。
【０１１９】
レーザ光の半導体層１３に対する照射は、少なくとも半導体層１３と母材基板１１との界面をすべて照射する必要があるため、ここでは、半導体層１３の全面にわたって照射する。具体的には、照射部分が２ｍｍずつ重なるように、母材基板１１の周縁部から内側に向かって順次照射する。なお、レーザ光の走査時の線速度を約３０ｃｍ／ｓとすることにより、２ｍｍずつ照射位置を重ねることができる。すなわち、母材基板１１の外縁部に沿ってレーザ照射を行ない、１周分のレーザ照射を終えると照射位置を３ｍｍだけ母材基板１１の内側にずらすことにより、半径方向の照射位置を２ｍｍずつ重ねることができる。
【０１２０】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約１０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０１２１】
第３の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である開口部１２ａの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との開口部１２ａにおける接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、互いの結合力が小さいマスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、マスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより発散される。
【０１２２】
従って、図９（ｂ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてに対してレーザ光を照射することにより、半導体層１３を母材基板１１から剥離することができる。
【０１２３】
次に、図９（ｃ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０１２４】
以上説明したように、第３の実施形態によると、母材基板１１の主面上に設けたマスク膜１２Ｃの開口部１２ａは約３０μｍの間隔で分散して形成されているが、照射するレーザ光のビーム径が５ｍｍと大きいため、一度に約１万個以上の開口部１２ａに対して照射できるので、照射時間を著しく低減することができる。具体的には、第３の実施形態においては、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか１分程度でレーザ照射を終えることができる。
【０１２５】
また、レーザ光の照射径を大きくしても、レーザ光による熱応力によって、半導体層１３にクラックが導入されたり、割れたりすることはない。その上、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｃを介して、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１２６】
このように、第３の実施形態によると、レーザ光の照射径を大きくすることにより、レーザ光の照射時間を著しく低減できる上に、成長する半導体層１３にクラックや割れが導入されず、欠陥密度が著しく減少した窒化物半導体基板を得ることができる。
【０１２７】
なお、第３の実施形態においては、半導体層１３の全面に対してレーザ光の照射を行なっているが、半導体層１３におけるマスク膜１２Ｃの開口部１２ａからの露出部分のみを照射すれば良い。その場合には、半導体層１３の全面を照射する場合と比べて、レーザ光の照射時間を短くすることができる。
【０１２８】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１２９】
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）乃至図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１３０】
第４の実施形態は、母材基板の主面に凹凸状領域を形成し、形成した凹凸状領域のうち凸部領域の頂面を開口する開口部を持つようにマスク膜を形成する構成とする。ここでは、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０１３１】
まず、図１０（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０１３２】
（母材基板加工工程）
次に、図１０（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約２μｍ、幅が約１０μｍ及び間隔が約３０μｍのストライプ状の第１のレジストパターン３１を形成する。このときのストライプの方向は、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向である。
【０１３３】
次に、図１０（ｃ）に示すように、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、第１のレジストパターン３１をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なう。エッチングガスには塩素（Ｃｌ2 ）ガスを用い、約５Ｐａの圧力で出力値が約２００Ｗのプラズマを発生し、１時間程度のエッチングを行なって、母材基板１１の主面に、深さが約１μｍのストライプ状の凹状溝１１ａを形成する。
【０１３４】
なお、本工程においては、２００Ｗ程度の出力のプラズマを用いているため、第１のレジストパターン３１の両側部はエッチングされて、それぞれ丸みが生じている。
【０１３５】
次に、図１０（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン３１を除去すると、主面が凹凸状の凹凸状領域２０を有する母材基板１１を得ることができる。
【０１３６】
ここで、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を用いて凹凸状領域２０の詳細を説明する。図１１（ａ）は凹凸状領域２０の平面構成を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面構成を示している。
【０１３７】
図１１（ｂ）に示すように、凹状溝１１ａの幅は底部において約３０μｍであり、該凹状溝１１ａ同士に挟まれてなる凸部領域１１ｂの幅は下部において約１０μｍである。ここで、凸部領域１１ｂにおける両側面はその上部が下部に対して約０．５μｍずつ小さくなるようにサイドエッチングされている。
【０１３８】
また、図１１（ａ）に示すように、凹状溝１１ａ、すなわち凸部領域１１ｂが延びる方向は、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向である。以下、凸部領域１１ｂが延びる方向をストライプ方向と呼ぶ。
【０１３９】
（マスク膜形成工程）
次に、図１２（ａ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。ここで、前述したように、第１のレジストパターン３１をＲＩＥ用のマスクとしたため、母材基板１１の凸部領域１１ｂの両側面はサイドエッチングされて傾斜している。このため、マスク形成膜１２Ａは凸部領域１１ｂの頂部の各角部において段切れを起こさずに堆積することができる。
【０１４０】
次に、図１２（ｂ）に示すように、母材基板１１のマスク形成膜１２Ａの上の全面にレジスト膜３２Ａをスピンコートする。具体的には、レジスト膜３２Ａには、粘性が約２０ｃｐ以下のレジスト材を用いると共に、凹凸状領域２０が埋まる程度の回転数でスピンコートを行なう。このように、レジスト膜３２Ａの粘性が比較的に小さいため、レジスト膜３２Ａの表面はほぼ平坦となる。その後、該レジスト膜３２Ａを１００℃程度の温度でベーキングして乾燥させる。
【０１４１】
次に、図１２（ｃ）に示すように、出力値が約５０Ｗの酸素プラズマを用いたＲＩＥにより、レジスト膜３２Ａに対して、マスク形成膜１２Ａにおける凸部領域１１ｂの頂面上に位置する部分が露出するまでエッチングを行なう。これにより、エッチングされたレジスト膜３２Ａから、凹状溝１１ａを埋めると共にマスク形成膜１２Ａを覆う第２のレジストパターン３２Ｂが形成される。マスク形成膜１２Ａは酸化ケイ素からなるため、レジスト膜３２Ａのマスク形成膜１２Ａに対するエッチング選択比の値は大きい。従って、酸素プラズマによってマスク形成膜１２Ａはほとんどエッチングされることがない。
【０１４２】
次に、図１２（ｄ）に示すように、第２のレジストパターン３２Ｂをマスクとして、フッ酸を含む溶液によりマスク形成膜１２Ａに対してエッチングを行なうことにより、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１における凸部領域１１ｂの頂面を開口するストライプ状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂが形成される。その後、第２のレジストパターン３２Ｂを有機溶剤等により除去する。
【０１４３】
このように、第４の実施形態に係るマスク膜形成工程によると、フォトリソグラフィ法を用いることなく、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａを自己整合的に形成するため、開口部１２ａにマスクずれ等が生じることがない。従って、母材基板１１の主面に形成した凹凸状領域２０の各凸部領域１１ｂの頂面のみを露出するマスク膜１２Ｂを確実に形成することができる。
【０１４４】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図１３（ａ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の主面上に、マスク膜１２Ｂを介して窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。このとき、半導体層１３は、酸化ケイ素からなるマスク膜１２Ｂ上には成長しないため、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｂの開口部１２ａからの露出部分、すなわち凸部領域１１ｂの頂面から成長する。さらに成長を続けると、半導体層１３は、凸部領域１１ｂの頂面から基板面に平行な方向（横方向）に、マスク膜１２Ｂと接することなく成長する。このとき、半導体層１３の凸部領域１１ｂの頂面から横方向に成長した部分の側面は、窒化ガリウム結晶の面方位の｛１−１０１｝面となる。
【０１４５】
次に、図１３（ｂ）に示すように、半導体層１３をさらに、厚さが２００μｍ程度になるまで成長させる。これにより、表面が平坦な半導体層１３を得ると共に、成長した半導体層１３とマスク膜１２Ｂとの間には空隙２１が形成される。
【０１４６】
このように、第４の実施形態においては、半導体層１３の出現し易い面方位を考慮して、母材基板１１における凸部領域１１ｂのストライプ方向を設定しているため、半導体層１３にピット等の欠陥を生じずに選択成長を行なうことが、一層容易となる。
【０１４７】
次に、図１３（ｃ）に示すように、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、母材基板１１に反りが生じる。
【０１４８】
第４の実施形態においては、母材基板１１と半導体層１３とが界面の全面で接合している場合と比べて、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けているため、生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が８０ｃｍ程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が１ｍ程度となる。なお、前述したように、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けないで半導体層１３を成長し、その後の母材基板１１の曲率半径を調べると６０ｃｍ程度であった。
【０１４９】
（レーザ照射工程）
第４の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も第１の実施形態と同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。
【０１５０】
図１４（ｂ）はレーザ照射工程の途中段階における母材基板１１の断面構成を示している。
【０１５１】
半導体層１３はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分において、パルス幅の時間内ではほとんど拡散せずに、母材基板１１との界面が局所的に加熱される。この局所的な加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０１５２】
前述したように、ガリウム層１３ａは２５℃以上の温度では液体であり、それ以下の温度でも非常に軟らかい材料であるため、ガリウム層１３ａを介した母材基板１１と半導体層１３との結合力は極めて小さくなる。その結果、熱膨張係数差による応力が、母材基板１１の各凸部領域１１ｂと半導体層１３との接合部分に集中する。
【０１５３】
また、半導体層１３の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層１３の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。しかしながら、第４の実施形態においては、レーザ光の照射位置である凸部領域１１ｂの周囲に空隙２１が形成されているため、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との接合部分が分解されると、半導体層１３に生じた応力は空隙２１が広がることにより解放される。その上、発生した高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０１５４】
さらに、第４の実施形態においては、成長した半導体層１３とマスク膜１２Ｂとの間に空隙２１を設けることにより、レーザ光を照射した際に発生する熱を、半導体層１３と母材基板１１との界面に集中させることができる。これにより、半導体層１３を熱分解させる際に必要なレーザ光の光密度を低減できるため、より低コストな低出力のレーザ光源を用いたとしても、半導体層１３を母材基板から確実に剥離することができるようになる。このとき、レーザ照射中の半導体層１３には、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じることがない。
【０１５５】
従って、図１４（ｂ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【０１５６】
次に、図１４（ｃ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０１５７】
以上説明したように、第４の実施形態によると、半導体層１３における母材基板１１の主面上に設けたマスク膜１２Ｂの開口部１２ａから露出する凸部領域１１ｂにのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【０１５８】
第４の実施形態においては、母材基板１１の凸部領域１１ｂの面積の和は母材基板１１の面積の４分の１であるため、レーザ光の照射時間は少なくとも４分の１とすることができる。
【０１５９】
実際に、母材基板１１の主面の全面に対してレーザ光を照射する場合には、母材基板１１の主面をｘｙ平面とすると、ｘ方向とｙ方向との双方でレーザ光の照射位置が重なるように照射する。具体的には、ビーム径が２０μｍのレーザ光を用いて、照射位置が互いに１０μｍ程度重なるようにした場合に、主面の全面を１０μｍ程度重なるように照射すると、レーザ光の照射工程に、３０分程度もの時間が必要となる。
【０１６０】
これに対し、第４の実施形態においては、ｘ方向にのみレーザ光の照射位置が重なるように照射すれば良い。従って、レーザ光を１０μｍ程度重なるように照射した場合には、径が約５．１ｃｍの母材基板１１に対して４分程度で照射し終える。このように、従来と比べて、レーザ光の照射時間は４分の１以下にまで短縮することができる。
【０１６１】
また、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａから露出する、母材基板１１の凸部領域１１ｂがストライプ状に延びているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的に照射を行なうことができる。
【０１６２】
また、ストライプ状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂを介して、母材基板１１の主面上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥の密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１６３】
このように、第４の実施形態によると、レーザ光の照射時間を４分の１以下と著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板１３Ａを確実に得ることができる。
【０１６４】
なお、第４の実施形態においては、母材基板１１の凹凸状領域２０をＲＩＥ法により形成したが、該凹凸状領域２０の形成条件及び形成方法は、これに限定されない。例えば、イオンミリング法又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチング法等の用いることができる。
【０１６５】
また、第１のレジストパターン３１をレジスト材により形成する代わりに、金若しくはニッケル等の金属、又は酸化ケイ素若しくは窒化ケイ素等の誘電体等からなり、エッチング雰囲気で著しく腐食しない材料を用いることができる。
【０１６６】
また、母材基板１１上に設けた凹凸状領域２０の凹状溝１１ａの深さを約１μｍとしたが、浅くし過ぎると、成長する半導体層１３とマスク膜１２Ｂとが接触する場合がある。但し、半導体層１３とマスク膜１２Ｂとが接触する部分が生じたとしても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。一方、凹状溝１１ａの深さを大きくすると、マスク形成膜１２Ａの上にレジスト膜３２Ａを塗布しても、マスク形成膜１２Ａ上の凹凸状領域２０がレジスト膜３２Ａによって平坦に埋め込まれない虞がある。但し、このような場合には、レジスト膜３２Ａの塗布及びベーキングを、該レジスト膜３２Ａの表面が平坦となるまで繰り返せば良い。従って、半導体層１３とマスク膜１２Ｂとが接触しないためには、凹状溝１１ａの深さは大きい方が好ましく、約０．０５μｍ以上とするのが好ましい。
【０１６７】
また、第４の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの厚さを約０．１μｍとしたが、マスク膜１２Ｂの厚さはこれに限定されず、母材基板１１の主面を覆うことが可能な連続的な膜であればよい。但し、母材基板１１の凹凸状領域２０の凸状領域１１ｂの側面がサイドエッチングされたような、好ましい斜面形状であれば、マスク膜１２Ｂの厚さは、０．００１μｍ以上でよい。従って、凸部領域１１ｂの側面が基板面に対してほぼ垂直である場合には、マスク形成膜１２Ｂが段切れを起こさない程度に厚くする必要があることはいうまでもない。但し、マスク膜１２Ｂの厚さを凹状溝１１ａの深さよりも大きくすると、空隙２１が形成されなくなる。
【０１６８】
なお、第４の実施形態においては、母材基板１１上において、凸部領域１１ｂのストライプ方向をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向としたが、母材基板１１の材料によっては、窒化ガリウムからなる半導体層１３の結晶面の面方位が異なる場合がある。そのような場合は、半導体層１３における晶帯軸の＜１１−２０＞方向にストライプ方向を一致させることが好ましい。
【０１６９】
例えば、母材基板１１として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合には、母材基板１１を構成するサファイアと半導体層１３を構成する窒化ガリウムとの各面方位が一致するため、ストライプ方向を＜１１−２０＞とすることが好ましい。
【０１７０】
なお、第４の実施形態においては、凹状溝１１ａの幅を約３０μｍとし、凸部領域１１ｂの幅を約１０μｍとしたが、これらの寸法には好ましい範囲がある。
【０１７１】
まず、凹状溝１１ａの幅の上限は、半導体層１３による凹状溝１１ａの被覆成長により規制される。すなわち、凹状溝１１ａの幅が小さい方が被覆成長するのに必要な面積が小さくなるため、半導体層１３の厚さが比較的に小さい場合でもマスク膜１２Ｂを覆うことができる。従って、凹状溝１１ａの幅は半導体層１３厚さとほぼ同程度かそれ以下とすることが好ましく、第４の実施形態では、２００μｍ程度かそれ以下とするのが良い。
【０１７２】
これに対し、凹状溝１１ａの幅の下限は、レーザ照射時に半導体層１３に導入されるクラックと関係する。すなわち、凹状溝１１ａの幅を極端に小さくすると、空隙２１が変形することによる応力の緩和が生じにくくなる虞がある。従って、凹状溝１１ａの幅は約１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１７３】
また、凸部領域１１ｂの幅の上限も、クラックの発生と関係する。すなわち、凸部領域１１ｂの幅の１０倍以下とすることが好ましい。一方、凸部領域１１ｂの幅の下限については、特に限定されないが、第４の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いることから、視認性を確保するため約１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１７４】
なお、第４の実施形態においては、母材基板１１の主面に設けた凸部領域１１ｂをストライプパターンとしたが、他のパターンでも、直線状に連続するパターンであれば、レーザ光の光軸の走査が単純化されて好ましい。さらに、渦巻状のような一筆書きパターンとすると、１回の走査で半導体層１３の全体をレーザ照射できるため好ましい。なお、この場合においても、凸部領域１１ｂの側面の面方位は、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面と一致するように形成することが、より好ましい。
【０１７５】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１７６】
図１５（ａ）〜図１５（ｅ）乃至図１７（ａ）〜図１７（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１７７】
第５の実施形態は、母材基板の主面に設ける凹凸状領域の凸部の形状をストライプパターンに代えてドットパターンとしている。ここでは、第４の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０１７８】
まず、図１５（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０１７９】
（母材基板加工工程）
次に、図１５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、１つの径が約１０μｍで、隣接同士の中心位置の距離が約３０μｍのドットパターンを有するレジストパターン３３を形成する。
【０１８０】
レジストパターン３３は、図１６の平面図に示すように、一辺が３０μｍの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の｛１−１００｝面と一致するようにパターニングされている。なお、母材基板１１の周縁部において、ドットパターンが欠けていると、欠けた部分において半導体層１３は良好に成長しない虞があるため、母材基板１１の周縁部にはドットパターンを配置しないようにしている。
【０１８１】
次に、図１５（ｃ）に示すように、第４の実施形態と同等の条件のＲＩＥ法により、レジストパターン３３をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なって、母材基板１１の主面が１μｍ程度の深さに掘り下げられてなる低部１１ｄを形成する。
【０１８２】
次に、図１５（ｄ）に示すように、レジストパターン３３を除去することにより、該レジストパターン３３が転写されてなり、それぞれがドット状を有する複数の凸部１１ｅを形成する。凸部１１ｅの断面形状は図１１（ｂ）とほぼ同等であり、凸部１１ｅの幅は約１０μｍである。凸部１１ｅの側面は上部の径が下部の径よりも約０．５μｍ小さくなるサイドエッチングがなされている。また、隣接する凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は約３０μｍである。これにより、母材基板１１の主面には、凹部に相当する低部１１ｄと凸部１１ｅとからなる凹凸状領域２０を形成する
（マスク膜形成工程）
次に、図１５（ｅ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【０１８３】
次に、図１７（ａ）に示すように、マスク形成膜１２Ａに対して選択的にエッチングを行なって、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面を露出する複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。開口部１２ａの形成方法は、図示はしないが第４の実施形態と同様である。すなわち、レジスト膜をマスク形成膜１２Ａ上に平坦化されるようにスピンコートし、その後、酸素プラズマによるＲＩＥによるエッチバックを行なって、レジスト膜を低部１１ｄ上にのみ残す。その後、残されたレジスト膜をマスクとして、フッ酸を含む溶液によりマスク形成膜１２Ａに対してエッチングを行なうことにより、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面を開口するドット状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃが形成される。残されたレジスト膜を除去すると、図１７（ａ）に示す状態を得る。
【０１８４】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図１７（ｂ）に示すように、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。
【０１８５】
マスク膜１２Ｃの各開口部１２ａから露出する凸部１１ｅの頂面の平面形状は円形（ドット）状であるが、各開口部１２ａを図１６のように配置しており、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面の成長速度は比較的に小さい。このため、厚さが１μｍ程度の半導体層１３を成長した段階のマスク膜１２Ｃ上には、半導体層１３における互いに隣接する３つの開口部１２ａからの張り出し部分によって６つの｛１−１０１｝面に囲まれた空隙が生じる。さらに、成長し続けると、各開口部１２ａから周囲に張り出す窒化ガリウムが｛１−１０１｝面で合体して、その結果、マスク膜１２Ｃは空隙２１が形成されるように覆われる。マスク膜１２Ｃが半導体層１３により覆われた後も、該半導体層１３の厚さが約２００μｍとなるまで成長させると、半導体層１３の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図１７（ｂ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【０１８６】
（レーザ照射工程）
第５の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。このとき、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面の径は約１０μｍであり、ビーム径の約２０μｍよりも小さいため、１回のパルス照射で、半導体層１３における１つの凸部１１ｅとの界面を照射することができる。
【０１８７】
第５の実施形態の特徴として、レーザ光の出射周期を凸部１１ｅの形成位置に同期して照射している。具体的には、前述したように隣接する凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は約３０μｍであり、パルス周波数が５０ｋＨｚであることから、走査速度を１５０ｃｍ／ｓとすることにより、列状に配置された凸部１１ｅの位置に同期してパルス照射を行なうことができる。このとき、図４に示した画像認識部５からの位置情報をスキャンレンズ２にフィードバックして、照射位置を微調整しながらレーザ光の照射を行なうことが好ましい。
【０１８８】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３はレーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０１８９】
第５の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である母材基板１１の凸部１１ｅの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、空隙２１が適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０１９０】
このような剥離のメカニズムにより、第５の実施形態においては、レーザ照射中に半導体層１３に対して、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じない。
【０１９１】
従って、図１７（ｃ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合界面のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【０１９２】
次に、図１７（ｄ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０１９３】
以上説明したように、第５の実施形態によると、半導体層１３と母材基板１１との界面にのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【０１９４】
その上、母材基板１１の主面にドット状の複数の凸部１１ｅが分散して配置されているため、１つの凸部１１ｅに対して１つのレーザパルスを照射することにより、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの界面を局所的に加熱して剥離している。その結果、レーザの照射位置が互いに重なるように照射する必要がなくなるため、第４の実施形態と比べても、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【０１９５】
具体的には、第５の実施形態においては、ビーム径が約２０μｍのレーザ光を用い、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか約１分３０秒でレーザ光の照射を終了することができる。一方、従来の照射方法では、前述したように、レーザ光の照射工程に３０分程度の時間を要しており、第５の実施形態に係る製造方法は、レーザ照射工程の著しい短縮を可能とする。
【０１９６】
また、母材基板１１の複数の凸部１１ｅを周期的なドットパターンとしているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的にレーザ照射を行なうことができる。
【０１９７】
また、第５の実施形態においては、窒化ガリウムからなる半導体層１３を、母材基板１１の主面上に形成された開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを介して埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１９８】
以上示したように、第５の実施形態によると、半導体層１３に対するレーザ照射時間を約１分３０秒と著しく低減できる上に、欠陥密度が著しく低減した領域を有する窒化物半導体基板１３Ａを得ることができる。
【０１９９】
なお、母材基板１１の凸部１１ｅの凸部の頂面の形状を円形状としたが、レーザ光のビーム径に納まる形状であれば、その平面形状は問われない。
【０２００】
また、凸部１１ｅの配置パターンは、より好ましくは、図１６に示したように、各凸部１１ｅが配置される辺の方向が、窒化ガリウムの面方位の｛１−１０１｝面と一致するように構成するのが良い。
【０２０１】
また、第５の実施形態においては、各凸部１１ｅの配置パターンを、正三角形が最密に並んだ場合の各正三角形の頂点の位置としたが、他の配置パターンであっても、レーザ照射される面積を少なくして、レーザ照射工程を短縮することができる。
【０２０２】
さらに、この場合において、前述したように、成長する窒化ガリウムの｛１−１０１｝面同士が合体するように凸部１１ｅを配置することが好ましい。また、この場合においても、母材基板１１の主面に凸部１１ｅを周期的に配置することにより、レーザ光の光軸の走査を単純化することが、より好ましい。
【０２０３】
また、第５の実施形態においては、凹凸状領域２０における凸部１１ｅの径を約１０μｍ、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離を約３０μｍとしたが、凸部１１ｅの配置及び寸法には、それぞれ好ましい範囲がある。
【０２０４】
まず、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、半導体層１３の厚さ程度以下とすることが好ましく、第５の実施形態においては、約２００μｍ以下とするのが良い。なお、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は、互いに隣接する凸部１１ｅ同士の側面同士の間隔とみなしても、実質的に問題はない。
【０２０５】
さらに、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は、半導体層１３にクラックが導入されない程度に大きくすることが好ましく、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０２０６】
一方、凸部１１ｅの径の上限は、クラックが半導体層１３に伸展しない程度以下とすることが好ましく、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離の１０倍以下とすることが好ましい。なお、凸部１１ｅの径の下限は、特に限定されないが、第５の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いているため、視認性を確保する必要から、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０２０７】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０２０８】
図１８（ａ）〜図１８（ｅ）及び図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０２０９】
第６の実施形態は、母材基板の主面に形成した凹凸状領域の凸部に対するレーザの照射方法を変えている。ここでは、第５の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０２１０】
まず、図１８（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０２１１】
（母材基板加工工程）
次に、図１８（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、１つの径が約１０μｍで隣接間の中心位置の距離が約３０μｍのドットパターンを有するレジストパターン３３を形成する。
【０２１２】
レジストパターン３３は、図１６の平面図に示すように、一辺が３０μｍの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の｛１−１０１｝面と一致するようにパターニングされている。
【０２１３】
次に、図１８（ｃ）に示すように、第４の実施形態と同等の条件のＲＩＥ法により、レジストパターン３３をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なって、母材基板１１の主面が１μｍ程度の深さに掘り下げられてなる低部１１ｄを形成する。
【０２１４】
次に、図１８（ｄ）に示すように、レジストパターン３３を除去することにより、該レジストパターン３３が転写されてなり、それぞれがドット状を有する複数の凸部１１ｅを形成する。凸部１１ｅの断面形状は図１１（ｂ）とほぼ同等であり、凸部１１ｅの幅は約１０μｍである。凸部１１ｅの側面は上部の径が下部の径よりも約０．５μｍ小さくなるサイドエッチングがなされている。また、隣接する凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は約３０μｍである。これにより、母材基板１１の主面には、凹部に相当する低部１１ｄと凸部１１ｅとからなる凹凸状領域２０を形成する。
【０２１５】
（マスク膜形成工程）
次に、図１８（ｅ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【０２１６】
次に、図１９（ａ）に示すように、第４の実施形態と同様の方法により、マスク形成膜１２Ａに対して選択的にエッチングを行なって、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面を露出する複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。
【０２１７】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図１９（ｂ）に示すように、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。第５の実施形態と同様に、半導体層１３の厚さが約２００μｍとなるまで成長させると、半導体層１３の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図１９（ｂ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【０２１８】
（レーザ照射工程）
第６の実施形態においては、図４に示したレーザ照射装置におけるレーザ出射部１の出力値を大きくしている。レーザ光には、波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波を用いる。レーザ光が高出力であるため、レーザ光のビーム径を５ｍｍ程度にまで大きくしても、約１．０Ｊ／ｃｍ2 の光密度を得ることができる。但し、パルス周期は高出力であるために小さく、約１０Ｈｚである。パルス幅は約１０ｎｓとしており、母材基板１１と半導体層１３との界面を局所的に加熱するのに十分なパルス幅である。
【０２１９】
ここでも、サファイアはレーザ光に対して透明であるため、母材基板１１の裏面側から該母材基板１１を通して半導体層１３にレーザ光を照射する。
【０２２０】
レーザ光の半導体層１３に対する照射は、少なくとも半導体層１３と母材基板１１との界面をすべて照射する必要があるため、ここでは、半導体層１３の全面にわたって照射する。具体的には、照射部分が２ｍｍずつ重なるように、母材基板１１の周縁部から内側に向かって順次照射する。なお、レーザ光の走査時の線速度を約３０ｃｍ／ｓとすることにより、２ｍｍずつ照射位置を重ねることができる。すなわち、母材基板１１の外縁部に沿ってレーザ照射を行ない、１周分のレーザ照射を終えると照射位置を３ｍｍだけ母材基板１１の内側にずらすことにより、半径方向の照射位置を２ｍｍずつ重ねることができる。
【０２２１】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約１０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。このように、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、空隙２１が適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。第６の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である母材基板１１の凸部１１ｅの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、空隙２１が適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０２２２】
従って、図１９（ｃ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてに対してレーザ光を照射することにより、半導体層１３を母材基板１１から剥離することができる。
【０２２３】
次に、図１９（ｄ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０２２４】
以上説明したように、第６の実施形態によると、母材基板１１の主面上に設けた各凸部１１ｅは約３０μｍの間隔で分散して形成されているが、照射するレーザ光のビーム径が５ｍｍと大きいため、一度に約１万個以上の凸部１１ｅに対して照射できるので、照射時間を著しく低減することができる。具体的には、第６の実施形態においては、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか１分程度でレーザ照射を終えることができる。
【０２２５】
また、レーザ光の照射径を大きくしても、レーザ光による熱応力によって、半導体層１３にクラックが導入されたり、割れたりすることはない。その上、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｃを介して、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０２２６】
このように、第６の実施形態によると、レーザ光の照射径を大きくすることにより、レーザ光の照射時間を著しく低減できる上に、成長する半導体層１３にクラックや割れが導入されず、欠陥密度が著しく減少した窒化物半導体基板を得ることができる。
【０２２７】
なお、第６の実施形態においては、半導体層１３の全面に対してレーザ光の照射を行なっているが、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの界面のみを照射すれば良い。その場合には、半導体層１３の全面を照射する場合と比べて、レーザ光の照射時間を短くすることができる。
【０２２８】
（第７の実施形態）
図２０（ａ）〜図２０（ｅ）及び図２１（ａ）〜図２１（ｅ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０２２９】
第７の実施形態は、母材基板の凹凸状領域にマスク膜を形成することなく、凸部に頂面に半導体層を選択成長する構成とする。ここでは、第４の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０２３０】
まず、図２０（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０２３１】
（母材基板加工工程）
次に、図２０（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約２μｍ、幅が約１０μｍ及び間隔が約３０μｍのストライプ状の第１のレジストパターン３１を形成する。このときのストライプの方向は、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向である。
【０２３２】
次に、図２０（ｃ）に示すように、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、第１のレジストパターン３１をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なう。エッチングガスには塩素（Ｃｌ2 ）ガスを用い、約５Ｐａの圧力で出力値が約２００Ｗのプラズマを発生し、１時間程度のエッチングを行なって、母材基板１１の主面に、深さが約１μｍのストライプ状の凹状溝１１ａを形成する。
【０２３３】
次に、図２０（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン３１を除去すると、主面が凹凸状の凹凸状領域２０を有する母材基板１１を得ることができる。
【０２３４】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図２０（ｅ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第４の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を直接に成長する。ここで、半導体層１３は、母材基板１１の主面の面方位が（０００１）面であるため、半導体層１３においてもその（０００１）面を主面として成長する。１０００℃程度の成長温度とすると、（０００１）面上における成長速度と比べて、他の面、すなわち凸部領域１１ｂの側面方向（横方向）における成長速度の方が大きい。従って、母材基板１１の凸部領域１１ｂのほぼ頂面から横方向に成長する。さらに成長を続けると、半導体層１３は、凹状溝１１ａの底面と接することなく、該凹状溝１２ａの上方を横方向に成長する。このとき、半導体層１３における凸部領域１１ｂの頂面から横方向に成長した部分の側面は、窒化ガリウム結晶の面方位の｛１−１０１｝面となる。
【０２３５】
次に、図２１（ａ）に示すように、半導体層１３をさらに、厚さが２００μｍ程度になるまで成長させる。これにより、表面が平坦な半導体層１３を得ると共に、成長した半導体層１３と母材基板１１の凹状溝１１ａとの間には空隙２１が形成される。
【０２３６】
このように、第７の実施形態においては、半導体層１３の出現し易い面方位を考慮して、母材基板１１における凸部領域１１ｂのストライプ方向を設定しているため、半導体層１３にピット等の欠陥を生じずに選択成長を行なうことが、一層容易となる。
【０２３７】
次に、図２１（ｂ）に示すように、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、母材基板１１に反りが生じる。
【０２３８】
第７の実施形態においては、母材基板１１と半導体層１３とが界面の全面で接合している場合と比べて、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けているため、生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が８０ｃｍ程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が１ｍ程度となる。
【０２３９】
（レーザ照射工程）
第７の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も第１の実施形態と同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。
【０２４０】
図２１（ｃ）はレーザ照射工程の途中段階における母材基板１１の断面構成を示している。
【０２４１】
半導体層１３はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分において、パルス幅の時間内ではほとんど拡散せずに、母材基板１１との界面が局所的に加熱される。この局所的な加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０２４２】
前述したように、熱膨張係数差による応力が、母材基板１１の各凸部領域１１ｂと半導体層１３との接合部分に集中する。
【０２４３】
また、半導体層１３の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層１３の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。しかしながら、第７の実施形態においては、レーザ光の照射位置である凸部領域１１ｂの周囲に空隙２１が形成されているため、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との接合部分が分解されると、半導体層１３に生じた応力は空隙２１が広がることにより解放される。その上、発生した高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０２４４】
さらに、第７の実施形態においては、成長した半導体層１３と母材基板１１との間に空隙２１を設けることにより、レーザ光を照射した際に発生する熱を、半導体層１３と母材基板１１との界面に集中させることができる。これにより、半導体層１３を熱分解させる際に必要なレーザ光の光密度を低減できるため、より低コストな低出力のレーザ光源を用いたとしても、半導体層１３を母材基板から剥離することができるようになる。このとき、レーザ照射中の半導体層１３には、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じることがない。
【０２４５】
従って、図２１（ｄ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【０２４６】
次に、図２１（ｃ）に示すように、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０２４７】
以上説明したように、第７の実施形態によると、半導体層１３における母材基板１１の主面上に設けた凹凸状領域２０の凸部領域１１ｂにのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【０２４８】
また、ストライプ状の凸部領域１１ｂにマスク膜を形成することなく、窒化ガリウムからなる半導体層１３を母材基板１１上に直接に選択成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥の密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０２４９】
このように、第７の実施形態においては、凹状領域２０の凹状溝１１ａを覆うマスク膜を設けていないため、製造工程が簡単化される。
【０２５０】
従って、第７の実施形態によると、レーザ光の照射時間を著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板１３Ａを比較的容易に且つ確実に得ることができる。
【０２５１】
なお、半導体層１３と母材基板１１とが接触しないためには、凹状溝１１ａの深さは大きい方が好ましく、約０．０５μｍ以上とするのが好ましい。
【０２５２】
また、母材基板１１上において、凸部領域１１ｂのストライプ方向をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向としたが、母材基板１１の材料によっては、窒化ガリウムからなる半導体層１３の結晶面の面方位が異なる場合がある。そのような場合は、半導体層１３における晶帯軸の＜１１−２０＞方向にストライプ方向を一致させることが好ましい。
【０２５３】
例えば、母材基板１１として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合には、母材基板１１を構成するサファイアと半導体層１３を構成する窒化ガリウムとの各面方位が一致するため、ストライプ方向を＜１１−２０＞とすることが好ましい。
【０２５４】
また、母材基板１１の主面に設けた凸部領域１１ｂをストライプパターンとしたが、第２の実施形態又は第５の実施形態のように、ドット状の凸部としてもよい。
【０２５５】
ところで、以上に説明した第１〜第７の各実施形態においては、半導体層１３を窒化ガリウムとしたが、窒化ガリウムに代えて、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、又は窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を用いても、同様の効果を得ることができ、それぞれの組成を有する窒化物半導体基板１３Ａを得られることはいうまでもない。
【０２５６】
また、各実施形態においては、母材基板１１にサファイアを用いたが、これに限られず、サファイアに代えてスピネル基板等のレーザ光に対して透明な材料からなる母材基板を用いても同様の効果を得ることができる。
【０２５７】
また、各実施形態で用いたＮｄ：ＹＡＧの３次高調波レーザに代えて、母材基板１１に対して透明で且つ半導体層１３に吸収される波長で発振し、パルス幅が数ｍｓ以下の短いパルス状のレーザ光を用いても同様の効果を得ることができる。このようなレーザ光には、例えば、ＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ、ＸｅＣｌレーザ又は窒素レーザ等がある。
【０２５８】
また、各実施形態においては、レーザ光の光密度を約１．０Ｊ／ｃｍ2 としたが、レーザ光の光密度には下限があり、半導体層１３を分解できる以上の光密度が必要である。窒化ガリウムを分解するために必要な光密度は、半導体層１３に直射した場合では、約０．１ｍＪ／ｃｍ2 以上である。レーザ光が半導体層１３に到達した時点では、母材基板１１の表面における反射及び散乱、及び母材基板１１と半導体層１３との界面における反射及び散乱等により、入射されるレーザ光のうちの十数％は低減されていると考えられる。
【０２５９】
また、第１〜第６の実施形態において、酸化ケイ素からなるマスク形成膜１２Ａの堆積にＲＦスパッタ法を用いたが、酸化ケイ素の堆積条件及び堆積方法は、特に限定されず、ＣＶＤ法又は蒸着法でもよい。堆積したケイ素（Ｓｉ）を熱酸化する方法等を用いてもよい。
【０２６０】
また、マスク形成膜１２Ａは酸化ケイ素に限られず、窒化物からなる半導体層１３が直接に成長しにくい材料であればよい。そのような材料として、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）又はタングステン（Ｗ）が挙げられる。
【０２６１】
また、各実施形態において、窒化物半導体成長工程におけるＧａＣｌ処理を１５分間程度としたが、ＧａＣｌ処理には好ましい処理時間がある。ＧａＣｌ処理を極端に短くすると、サファイアからなる母材基板１１上の主面上に窒化ガリウムが成長しにくくなる。このため、母材基板１１上には、サファイアの面方位に規制されずに、多結晶の窒化ガリウムが成長してしまうことがある。
【０２６２】
これに対し、ＧａＣｌ処理を極端に長くすると、マスク膜１２Ｂの上にも窒化ガリウムの結晶核が形成されてしまい、マスク膜１２Ｂを構成する酸化ケイ素はアモルファスであるため、ここでも、窒化ガリウムが単結晶でなくなることがある。従って、ＧａＣｌ処理は、母材基板１１に窒化ガリウムのエピタキシャル成長が実現され、且つ、窒化ガリウムのマスク膜１２Ｂ上への成長が抑制される時間内で行なうことが好ましい。例えば、第１の実施形態における条件下では、約３０秒から３時間である。
【０２６３】
また、各実施形態において、半導体層１３の成長温度を約１０００℃としたが、半導体層１３がマスク膜１２Ｂを平坦に埋め込むことができる温度範囲があり、例えば９００℃以上とすることが好ましい。ここで、成長温度を高くする程、マスク膜１２Ｂが埋め込まれ易くなる。これに対し、成長温度を極端に高くすると、半導体層１３の成長よりも昇華が支配的となり、半導体層１３が成長しなくなるため、各実施形態の条件下では、成長温度の上限を約１５００℃とすることが好ましい。
【０２６４】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法によると、半導体層が成長する際に、マスク膜に応力が集中するため、半導体層に生じる応力を低減することができる。その結果、窒化物からなる半導体層に生じる割れやクラックを低減することができる。その上、マスク膜に窒化物半導体が実質的に成長しない材料を用いているため、半導体層がマスク膜の上に回り込むように成長するので、半導体層に導入される貫通欠陥を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示し、（ａ）はマスク膜の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法に用いるレーザ出射装置の模式的な構成図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法におけるマスク膜を示す平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示し、（ａ）は母材基板の凹凸状領域の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法におけるドットパターン形成用のレジストパターンを示す平面図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１８】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
１ レーザ出射部
２ スキャンレンズ
３Ａ 集光レンズ
３Ｂ 集光レンズ
４ ミラー
５ 画像認識部
１０ レーザ光
１０ａ 可視光
１１ 母材基板
１１ａ 凹状溝
１１ｂ 凸部領域
１１ｄ 低部
１１ｅ 凸部
１２Ａ マスク形成膜
１２Ｂ マスク膜
１２Ｃ マスク膜
１２ａ 開口部
１３ 半導体層
１３ａ ガリウム層
１３Ａ 窒化物半導体基板
２０ 凹凸状領域
２１ 空隙
３１ 第１のレジストパターン
３２Ａ レジスト膜
３２Ｂ 第２のレジストパターン
３３ レジストパターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視発光ダイオード装置又は青紫色レーザ装置に用いる窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のIII-Ｖ族窒化物半導体は、青色又は緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）装置、青色半導体レーザ装置又は高温動作が可能な高速トランジスタ装置等に用いる化合物半導体材料として好適である。
【０００３】
ところで、従来から、窒化物半導体を成長させる基板には、サファイア（単結晶Ａｌ2Ｏ3、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）又はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）からなる絶縁性基板が良く知られている。
【０００４】
しかしながら、組成が窒化物半導体層とは異なるサファイア等からなる異種の基板上に窒化物半導体を成長させると、成長する窒化物半導体と該基板との間の熱膨張係数の差によって、基板が反ったり、クラックが発生したりして、窒化物半導体の結晶性が劣化することが知られている。
【０００５】
そこで、近年、基板を窒化物半導体により形成し、窒化物半導体からなる基板上に、同種の窒化物半導体からなる素子構造を形成することにより、異種の基板に起因する問題を解決する試みがなされている。
【０００６】
例えば、窒化物半導体基板の製造方法の一例として、母材となる基板（母材基板）の上に窒化物半導体層を比較的に厚く成長し、成長した窒化物半導体層と母材基板との界面にレーザ光を照射する。レーザ光を照射された窒化物半導体層が局所的に加熱されて昇華し、窒化物半導体層が母材基板から剥離することにより、窒化物半導体層から窒化物半導体基板を得るという方法が検討されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体基板の製造方法は、レーザ光によって母材基板から窒化物半導体層を剥離する場合に、レーザ光の走査の途中、すなわち、窒化物半導体層と母材基板とにおけるレーザ光を照射されている界面のみが剥離し、他の部分が接合したままの状態となる。その際、窒化物半導体層と母材基板との接合部分に応力が集中して、窒化物半導体層中にクラックが発生するという問題がある。その結果、室温程度のレーザ光を照射することによって、窒化物半導体基板を歩留まり良く製造することが困難となる。
【０００８】
また、母材基板上に窒化物半導体を成長する際に、窒化物半導体に対して格子不整合による貫通欠陥が導入されるため、得られる窒化物半導体基板における欠陥密度が大きいという問題もある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、クラック等を発生させることなく、さらに、欠陥密度が小さく且つ生産性に優れた窒化物半基板を確実に得られるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体層を成長させる母材基板の主面上に、窒化物からなる半導体層を選択的に成長させるマスク膜を形成する構成とする。
【００１１】
具体的に、本発明に係る第１の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板の主面上に、窒化物半導体が実質的に成長しない材料からなり、複数の開口部を有するマスク膜を形成する第１の工程と、前記母材基板上に、マスク膜を介して窒化物からなる半導体層を選択的に成長する第２の工程と、半導体層における母材基板との界面にレーザ光を照射して、半導体層を母材基板から剥離することにより、半導体層から半導体基板を形成する第３の工程とを備えている。
【００１２】
第１の窒化物半導体基板の製造方法によると、母材基板上にマスク膜を介して窒化物からなる半導体層を選択的に成長するため、該半導体層が成長する際に、マスク膜に応力を集中させることができるので、半導体層に生じる応力を低減することができる。このため、窒化物からなる半導体層に生じる割れやクラックを低減することができる。その上、マスク膜には窒化物半導体が実質的に成長しない材料を用いているため、半導体層がマスク膜の上に回り込むように成長するので、半導体層に導入される貫通欠陥を低減することができる。これにより、結晶品質及び生産性に優れた窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１３】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面であるサファイアからなり、第１の工程が、各開口部を、母材基板における晶帯軸の＜１−１００＞方向とほぼ一致したストライプ状に形成することが好ましい。このようにすると、母材基板を構成する｛０００１｝面を主面に持つサファイアに対し、その上に成長する窒化物半導体の晶帯軸方向が３０°ずれる。このため、ストライプの長手方向が母材基板の晶帯軸の＜１−１００＞方向に沿うようにマスク膜の開口部を形成すると、マスク膜の上にせり出して成長する半導体層の成長面を良好な｛１−１０１｝面とすることができる。
【００１４】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面である炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなり、第１の工程が、各開口部を、母材基板における晶帯軸の＜１１−２０＞方向とほぼ一致したストライプ状に形成することが好ましい。このようにすると、母材基板を構成する｛０００１｝面を主面に持つ炭化ケイ素又は窒化アルミニウムの晶帯軸と、その上に成長する窒化物半導体の晶帯軸とが一致する。このため、ストライプの長手方向が母材基板の晶帯軸の＜１１−２０＞方向に沿うようにマスク膜の開口部を形成すると、マスク膜の上に張り出して成長する半導体層の成長面を良好な｛１−１０１｝面とすることができる。
【００１５】
第１の窒化物半導体基板の製造方法は、第１の工程よりも前に、母材基板の主面に凹凸状領域を形成する工程をさらに備え、第１の工程が、凹凸状領域の凸部の頂面が開口部から露出するように形成する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、母材基板上にマスク膜を介して半導体層を成長する際に、母材基板の主面に形成した凹凸状領域の凸部に応力が集中するため、成長する半導体層に生じる応力がより一層低減する。このため、成長時に半導体層に生じる割れやクラックがさらに減少する。
【００１７】
この場合に、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面であるサファイアからなり、凹凸状領域を形成する工程は、母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を、母材基板における晶帯軸の＜１−１００＞方向とほぼ一致するように形成する工程を含むこことが好ましい。
【００１８】
また、この場合に、母材基板は主面の面方位が｛０００１｝面である炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなり、凹凸状領域を形成する工程は、母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を、母材基板における晶帯軸の＜１１−２０＞方向とほぼ一致するように形成する工程を含むことが好ましい。
【００１９】
また、この場合に、第１の工程が、母材基板における凹凸状領域の上に全面にわたってマスク形成膜を形成する工程と、マスク形成膜を覆うようにレジスト膜を塗布する工程と、レジスト膜に対してエッチングを行なって、レジスト膜を凹凸状領域の凹部に残すことにより、マスク形成膜における凹凸状領域の凸部の上側部分を露出する工程と、凹部に残されたレジスト膜をマスクとして、マスク形成膜に対してエッチングを行なう工程とを含むことが好ましい。
【００２０】
さらに、この場合のレジスト膜をエッチングする工程が、酸素プラズマを用いることが好ましい。
【００２１】
この場合のマスク形成膜は酸化物からなることが好ましい。
【００２２】
母材基板の主面に凹凸状領域を形成する場合の第２の工程において、母材基板と半導体層との間には空隙が形成されることが好ましい。このようにすると、形成された空隙により、レーザ光を照射した際に発生する熱が半導体層と母材基板との界面に集中するため熱効率が向上する。その結果、レーザ光の光密度を低減しても、半導体層を十分に剥離できるようになるため、レーザ照射装置に高出力な光源が不要となり、結果的に製造コストを低減することができる。その上、レーザ照射時の熱分解により発生する半導体層からの高圧の窒素ガスを空隙に効率良く発散できるため、剥離時の半導体層にクラック等が導入される虞が一層低減する。
【００２３】
また、第１の窒化物半導体基板の製造方法において、第３の工程が、レーザ光を、少なくとも半導体層におけるマスク膜の開口部からの露出部分に照射することが好ましい。このようにすると、レーザ光の照射時間を短縮することができるため、レーザ照射工程のスループットが向上して、生産性に優れる。
【００２４】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、第１の工程が複数の開口部を島状に形成し、第３の工程が、レーザ光を、半導体層におけるマスク膜の各開口部からの露出部分と同期するように走査しながら照射することが好ましい。このようにすると、レーザ光の光源としてパルス状の光源を用いることができるため、レーザ光の出力値を高めることができるので、レーザ光の照射時間を短縮できる。その上、母材基板と半導体層との剥離を確実に行なえるようになる。
【００２５】
さらに、第１の窒化物半導体基板の製造方法において、第１の工程が複数の開口部を島状に形成し、第３の工程が、レーザ光を、半導体層におけるマスク膜の開口部からの露出部分を走査しながら、露出部分の複数を同時に照射することが好ましい。このように、半導体層におけるマスク膜の開口部からの露出部分の複数を同時に照射するため、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【００２６】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、マスク膜が酸化シリコン、窒化シリコン又はタングステンからなることが好ましい。
【００２７】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、マスク膜における互いに隣接する開口部の開口端同士の間隔が半導体層の厚さとほぼ等しいかそれ以下であることが好ましい。
【００２８】
第１の窒化物半導体基板の製造方法において、マスク膜の開口部の開口幅が、互いに隣接する開口部の開口端同士の間隔の約１０倍以下であることが好ましい。
【００２９】
本発明に係る第２の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板の主面に対して選択的にエッチングを行なって、母材基板の主面に凹凸状領域を形成する第１の工程と、母材基板における凹凸状領域の上に該凹凸状領域の凹部との間に空隙が形成され且つその上面が平坦となるように、窒化物からなる半導体層を成長する第２の工程と、半導体層における母材基板との界面にレーザ光を照射して、半導体層を母材基板から剥離することにより、半導体層から半導体基板を形成する第３の工程とを備えている。
【００３０】
第２の窒化物半導体基板の製造方法によると、窒化物からなる半導体層を、母材基板における凹凸状領域の上に該凹凸状領域の凹部との間に空隙が形成されるように選択的に成長するため、該半導体層が成長する際に、母材基板における凹凸状領域の凸部部分に応力を集中させることができるので、半導体層に生じる応力を低減することができる。このため、成長時に窒化物からなる半導体層に生じる割れやクラックを防止することができる。その上、半導体層が母材基板の凹部上に空隙を形成しながら張り出すように成長するため、半導体層に導入される貫通欠陥を低減することができる。このように、結晶品質及び生産性に優れた窒化物半導体基板を得ることができる上に、母材基板にマスク膜を設ける必要がないため、製造プロセスが簡略化される。
【００３１】
なお、本願明細書では、便宜上、ミラー指数の上にバーを付す代わりに、該指数の前に負符号「−」を付してその反転を表わしている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１（ａ）〜図１（ｄ）乃至図３（ａ）〜図３（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００３４】
まず、図１（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイア（酸化アルミニウムの単結晶）からなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【００３５】
サファイアは、そのバンドギャップが８．７ｅＶであるため、該バンドギャップに相当するエネルギーの波長である１４２．５ｎｍよりも長い波長の光を透過する。そのため、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光又は波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光はサファイアを透過する。
【００３６】
（マスク膜形成工程）
次に、図１（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【００３７】
次に、図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びフッ酸を含む溶液によるエッチング法により、マスク形成膜１２Ａから複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂを形成する。
【００３８】
ここで、図２を用いてマスク膜１２Ｂの詳細な構成を説明する。
【００３９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａは、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向に沿ってストライプ状に延び、開口部１２ａの幅は約１０μｍで、互いに隣接する開口部１２ａの開口端同士の間隔は約３０μｍである。
【００４０】
なお、本願明細書においては、晶帯軸の＜１−１００＞方向とは、晶帯軸の［１−１００］方向と等価な方向のいずれか１つを指し、特定の一方向を表わさない。例えば、＜１−１００＞方向と等価な方向は、［１−１００］、［−１１００］、［０１−１０］、［０−１１０］、［１０−１０］及び［−１０１０］である。同様に、面方位の｛１−１００｝面とは、面方位の（１−１００）面と等価な方向のいずれか１つの面を指す。
【００４１】
（窒化物半導体成長工程）
III 族源である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とＶ族源であるアンモニア（ＮＨ3 ）とを原料とするハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により、母材基板１１のの上にマスク膜１２Ｂを介して、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体層１３を成長する。III 族源の塩化ガリウムは、金属ガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）とを、９００℃程度の大気圧下で反応させて生成する。
【００４２】
また、母材基板１１の主面上で窒化ガリウムの核形成密度を増大させるため、半導体層１３を成長するよりも前に、基板温度を約１０００℃に保ち、塩化ガリウムのみを１５分間程度供給する処理を行なう（以下、このプロセスをＧａＣｌ処理と呼ぶ）。なお、核形成密度を増大させるには、ＧａＣｌ処理に代えて、母材基板１１上に、窒化ガリウムからなり、４００℃〜８００℃程度の比較的に低温で成長させる、いわゆる低温バッファ層を設けても良く、また、母材基板１１の主面に対してアンモニアによる窒化処理を行なっても良い。さらには、低温バッファ層と窒化処理とを組み合わせても良い。
【００４３】
以下、半導体層１３の成長の詳細を説明する。
【００４４】
図１（ｄ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、母材基板１１の上に塩化ガリウム及びアンモニアを導入して、窒化ガリウムからなる半導体層１３の成長を始める。半導体層１３は、酸化ケイ素からなるマスク膜１２Ｂ上には成長しないため、母材基板１１の開口部１２ａからの露出部分から成長する。さらに成長を続けると、半導体層１３は、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａから該マスク膜１２Ｂの上へ張り出すように成長する。このとき、半導体層１３における開口部１２ａからの張り出し部分の側面は、窒化ガリウム結晶の面方位の｛１−１０１｝面となる。
【００４５】
これは、母材基板１１を構成するサファイアの面方位に対して窒化ガリウム結晶の面方位が３０°ずれて成長するという現象に加え、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａが延びる方向（ストライプ方向）をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向に合わせているためである。また、窒化ガリウム結晶の｛１−１０１｝面は成長速度が比較的に小さいため出現し易いことにもよる。
【００４６】
このように、第１の実施形態においては、半導体層１３の出現し易い面方位を考慮して、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａのストライプ方向を設定しているため、半導体層１３にピット等の欠陥を生じずに埋め込み成長を行なうことが、より容易となる。半導体層１３は厚さが約２００μｍとなるまで成長を行なう。これにより、マスク膜１２Ｂは埋め込まれて、平坦な表面を持つ半導体層１３を得ることができる。
【００４７】
次に、図３（ａ）に示すように、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、母材基板１１に反りが生じる。
【００４８】
第１の実施形態においては、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けているため、母材基板１１と半導体層１３とが界面の全面で接合している場合と比べて、母材基板１１に生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が８０ｃｍ程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が１ｍ程度となることを確認している。なお、比較のために、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けないで半導体層１３を成長し、その後の母材基板１１の曲率半径を調べると６０ｃｍ程度であった。
【００４９】
（レーザ照射工程）
半導体層１３に対するレーザ照射は、図４に示すようなレーザ照射装置を用いる。
【００５０】
図４に示すように、レーザ出射部１から出射されたレーザ光１０は、スキャンレンズ２によって２次元に走査されて、半導体層１３に照射される。ここでは、半導体層１３に対して、レーザ光１０を母材基板１１の主面と反対側の面から照射している。レーザ光１０は光路上に置かれた複数の集光レンズ３Ａ、３Ｂによって、半導体層１３上におけるレーザ光１０のビーム径を調節することができる。なお、集光レンズ３Ａ、３Ｂに代えて、適当な開口パターンを有するスリットを集光手段として用いても良い。
【００５１】
さらに、レーザ照射装置は、レーザ光１０の透過率が高く且つ可視光の反射率が高いミラー４と、該ミラー４を介して入力される可視光１０ａを受ける画像認識部５とを備えている。画像認識部５は、入力される可視光１０ａにより、半導体層１３におけるレーザ照射位置を認識して、スキャンレンズ２の回転位置を制御する。
【００５２】
ところで、レーザ照射時に、半導体層１３に対する冷却又は加熱は行なわないでもよい。しかしながら、半導体層１３の反りを修復するために、レーザ照射装置に半導体層１３を８００℃程度以下に加熱する加熱手段を設けてもよい。また、熱膨張係数差による剥離を促進するため、半導体層１３を冷却する冷却手段を設けてもよい。
【００５３】
レーザ光源には、波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧの３次高調波を用いている。パルス幅は約３０ｎｓで、パルス周期は約５０ｋＨｚとしている。レーザ光１０を集光して約２０μｍ径の円形状ビームとすることにより、１．０Ｊ／ｃｍ2 程度の光密度を得ている。サファイアはレーザ光１０に対して透明であるため、前述したように、母材基板１１の裏面側から該母材基板１１を通して半導体層１３にレーザ光１０を照射している。
【００５４】
レーザ光１０を照射する際には、前述したように、母材基板１１と共に半導体層１３が反っているため、集光レンズ３Ａ、３Ｂを調整してレーザ光１０のスポット径が一定となるように制御を行なうことが好ましい。
【００５５】
第１の実施形態においては、レーザ光１０を半導体層１３と母材基板１１との界面に沿って選択的に照射する。すなわち、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｂの開口部１２ａからの露出部分と半導体層１３とにおける界面に沿ってレーザ光１０が連続的に照射されるように、レーザ光１０の走査速度を５０ｃｍ／ｓとする。このとき、ストライプ状の開口部１２ａにおいて走査方向に隣り合う照射位置の中心間隔は約１０μｍとしている。従って、照射位置の中心間隔がレーザ光１０のビーム径の約２０μｍよりも小さいため、パルス状の照射であっても半導体層１３と母材基板１１との界面を連続的に照射することができる。その上、パルス照射時に走査を止めることなく、すなわち光軸を走査したままで照射を行なったとしても、レーザ光１０を半導体層１３に対して連続的に照射することができる。
【００５６】
図３（ｂ）はレーザ照射工程の途中段階における母材基板１１の断面構成を示している。
【００５７】
半導体層１３はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分において、パルス幅の時間内ではほとんど拡散せずに、母材基板１１との界面が局所的に加熱される。この局所的な加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【００５８】
ガリウム層１３ａは２５℃以上の温度では液体であり、それ以下の温度でも非常に軟らかい材料であるため、ガリウム層１３ａを介した母材基板１１と半導体層１３との結合力は極めて小さくなる。その結果、熱膨張係数差による応力が、母材基板１１と半導体層１３との接合部分に集中する。
【００５９】
また、半導体層１３の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層１３の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。
【００６０】
第１の実施形態においては、半導体層１３におけるレーザ照射部分の周囲にマスク膜１２Ｂが形成されている。マスク膜１２Ｂの上には窒化ガリウムからなる半導体層１３が直接には成長しない。このため、半導体層１３のマスク膜１２Ｂの上側部分は、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａから基板面に平行に張り出すように成長している。その結果、マスク膜１２Ｂと半導体層１３とは、原子同士の結合手ではなく、いわゆる分子間力のみで結合している。そのため、マスク膜１２Ｂと半導体層１３との接合力は小さい。
【００６１】
従って、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との直接の接合部分が分解されると、半導体層１３に生じている応力は、接合力が小さいマスク膜１２Ｂと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより解放される。また、このとき、高圧の窒素ガスは、マスク膜１２Ｂと半導体層１３との分離により発散される。
【００６２】
このような剥離のメカニズムにより、レーザ光の照射中の半導体層１３には、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じないことを確認している。
【００６３】
従って、図３（ｃ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【００６４】
次に、図３（ｄ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【００６５】
以上説明したように、第１の実施形態によると、半導体層１３における母材基板１１の主面上に設けたマスク膜１２Ｂの開口部１２ａにのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【００６６】
第１の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａの面積の和はマスク膜１２Ｂの面積の４分の１であるため、レーザ光の照射時間は少なくとも４分の１とすることができる。実際には、基板の全面を照射する場合は、レーザ照射位置が前回に照射した部分に対してもその一部が重なるように照射するため、結果的に、第１の実施形態に係るレーザ光の照射時間は４分の１以下となる。
【００６７】
具体的には、ビーム径が２０μｍのレーザ光で、照射位置が互いに１０μｍずつ重なるように照射した場合、第１の実施形態においては、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対して約４分でレーザ光の照射が終了する。一方、従来のように半導体層１３の全面に１０μｍずつ重なるように照射すると、レーザ光の照射工程に、およそ３０分もの時間が必要となる。
【００６８】
また、第１の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａがストライプ状に延びているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的に照射を行なうことができる。
【００６９】
また、第１の実施形態においては、ストライプ状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂを介して、母材基板１１の主面上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥の密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。これに対し、従来のサファイアからなる基板上に成長した窒化ガリウムからなる半導体層における欠陥密度は、１×１０9 ｃｍ-2程度である。
【００７０】
このように、第１の実施形態によると、レーザ光の照射時間を４分の１以下と著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板１３Ａを確実に得ることができる。
【００７１】
また、マスク膜１２Ｂの厚さを０．１μｍ程度としたが、マスク膜１２Ｂの厚さはこれに限定されず、母材基板１１の主面を覆うことが可能な連続的な膜であればよい。このような連続的な膜を得るには、マスク膜１２Ｂの厚さは、好ましくは、およそ０．００１μｍ以上とするのが良い。
【００７２】
なお、第１の実施形態においては、母材基板１１上において、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａのストライプ方向をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向としたが、母材基板１１に用いる材料によっては、窒化ガリウムからなる半導体層１３の結晶面の面方位が異なる場合がある。そのような場合は、半導体層１３における晶帯軸の＜１１−２０＞方向にストライプ方向を一致させることが好ましい。
【００７３】
例えば、母材基板１１として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合には、母材基板１１を構成するサファイアと半導体層１３を構成する窒化ガリウムとの各面方位が一致するため、ストライプ方向を＜１１−２０＞とすることが好ましい。
【００７４】
なお、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａの開口幅を約１０μｍとし、互いに隣接する開口部１２ａの開口端同士の間隔、すなわち１本のストライプの幅を約３０μｍとしたが、これらの寸法には好ましい範囲がある。
【００７５】
まず、ストライプの幅の上限は、半導体層１３によるマスク膜１２Ｂの埋込み成長により規制される。すなわち、ストライプの幅が小さい方がマスク膜１２Ｂを埋め込むのに必要な面積が小さくなるため、半導体層１３の厚さが比較的に小さい場合でも埋め込むことができる。そこで、マスク膜１２Ｂのストライプの幅は半導体層１３の厚さとほぼ同程度かそれ以下とすることが好ましく、第１の実施形態では、２００μｍ程度かそれ以下とするのが良い。
【００７６】
これに対し、ストライプの幅の下限は、レーザ照射時に半導体層１３に導入されるクラックと関係する。すなわち、ストライプの幅を極端に小さくすると、クラックが、マスク膜１２Ｂの近傍、又は半導体層１３と母材基板１１との界面近傍に留まらず、半導体層１３の内部にまで伸展する虞がある。従って、マスク膜１２Ｂのストライプの幅は約１μｍ以上とすることが好ましい。
【００７７】
また、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａの開口幅の上限も、クラックの発生と関係する。すなわち、ストライプの幅の１０倍程度以下とすることが好ましい。一方、開口幅の下限については、特に限定されないが、前述したように第１の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いているため、視認性を確保する必要から１μｍ程度以上とすることが好ましい。
【００７８】
なお、第１の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの開口パターン１２ａをストライプパターンとしたが、他のパターンでも、直線状に連続するパターンであれば、レーザ光の光軸の走査が単純化されて好ましい。さらに、渦巻状のような一筆書きパターンとすると、１回の走査で半導体層１３の全体をレーザ照射できるため好ましい。なお、この場合においても、開口部１２ａのパターンの開口端面の面方位は、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面と一致するように形成することが、より好ましい。
【００７９】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８０】
図５（ａ）〜図５（ｃ）乃至図７（ａ）〜図７（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００８１】
第２の実施形態は、マスク膜における開口部の形状をストライプパターンに代えてドット（島状）パターンとしている。ここでは、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００８２】
まず、図５（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【００８３】
（マスク膜形成工程）
次に、図５（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【００８４】
次に、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びフッ酸を含む溶液によるエッチング法により、マスク形成膜１２Ａから複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。
【００８５】
ここで、図６を用いてマスク膜１２Ｃの詳細な構成を説明する。
【００８６】
図６に示すように、マスク膜１２Ｃの各開口部１２ａは、径がそれぞれ約１０μｍの円形状であって、一辺が３０μｍの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の｛１−１００｝面と一致するようにパターニングされている。なお、母材基板１１の周縁部において、ドットパターンが欠けていると、欠けた部分において半導体層１３は良好に成長しない虞があるため、母材基板１１の周縁部には開口部１２ａを設けないようにする。
【００８７】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図７（ａ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の主面上に、マスク膜１２Ｃを介して窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。このとき、マスク膜１２Ｃの上には窒化ガリウムからなる結晶核が付着せず、従って半導体層１３が成長しない。その結果、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｃの開口部１２ａの露出部分から半導体層１３が成長し始め、さらに成長し続けると、半導体層１３は開口部１２ａから該開口部１２ａ同士の間の領域上に張り出すように成長する。
【００８８】
マスク膜１２Ｃの各開口部１２ａの平面形状は円形（ドット）状ではあるが、各開口部１２ａを図６のように配置していることから、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面の成長速度は比較的に小さい。このため、厚さが１μｍ程度の半導体層１３を成長した段階のマスク膜１２Ｃ上には、半導体層１３における互いに隣接する３つの開口部１２ａからの張り出し部分によって６つの｛１−１０１｝面に囲まれた空隙が生じる。さらに、成長し続けると、各開口部１２ａから周囲に張り出す窒化ガリウムが｛１−１０１｝面で合体して、その結果、マスク膜１２Ｃは埋め込まれる。マスク膜１２Ｃが半導体層１３により埋め込まれた後も、該半導体層１３の厚さが約２００μｍとなるまで成長させると、半導体層１３の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図７（ａ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【００８９】
（レーザ照射工程）
第２の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。このとき、マスク膜１２Ｃの開口部１２ａの径は約１０μｍであり、ビーム径の約２０μｍよりも小さいため、１回のパルス照射で、半導体層１３におけるマスク膜１２Ｃの１つの開口部１２ａ上に位置する部分を照射することができる。
【００９０】
第２の実施形態の特徴として、レーザ光の出射周期を開口部１２ａの形成位置に同期して照射している。具体的には、前述したように隣接する開口部１２ａ同士の中心位置の距離は約３０μｍであり、パルス周波数が５０ｋＨｚであることから、走査速度を１５０ｃｍ／ｓとすることにより、ドット状で且つ列状に配置された開口部１２ａの位置に同期してパルス照射を行なうことができる。このとき、図４に示した画像認識部５からの位置情報をスキャンレンズ２にフィードバックして、照射位置を微調整しながらレーザ光の照射を行なうことが好ましい。
【００９１】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３はレーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【００９２】
第２の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である開口部１２ａの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との開口部１２ａにおける接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、互いの結合力が小さいマスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、マスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより発散される。
【００９３】
このような剥離のメカニズムにより、第２の実施形態においては、レーザ照射中に半導体層１３に対して、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じない。
【００９４】
従って、図７（ｂ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１とのマスク膜１２Ｃの複数の開口部１２ａにおける接合界面のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【００９５】
次に、図７（ｃ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【００９６】
以上説明したように、第２の実施形態によると、半導体層１３と母材基板１１との界面にのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【００９７】
その上、ドット状の複数の開口部１２ａが分散して配置されているため、１つの開口部１２ａに対して１つのレーザパルスを照射することにより、半導体層１３における開口部１２ａから露出する母材基板１１との界面を局所的に加熱して剥離している。その結果、レーザの照射位置が互いに重なるように照射する必要がなくなるため、第１の実施形態と比べても、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【００９８】
具体的には、第２の実施形態においては、ビーム径が約２０μｍのレーザ光を用い、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか約１分３０秒でレーザ光の照射を終了することができる。一方、従来の照射方法では、前述したように、レーザ光の照射工程に３０分程度の時間を要しており、第２の実施形態に係る製造方法は、レーザ照射工程の著しい短縮を可能とする。
【００９９】
また、第２の実施形態においては、マスク膜１２Ｃに設ける複数の開口部１２ａを周期的なドットパターンとしているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的にレーザ照射を行なうことができる。
【０１００】
また、第２の実施形態においては、窒化ガリウムからなる半導体層１３を、母材基板１１の主面上に形成された複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを介して埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１０１】
以上示したように、第２の実施形態によると、半導体層１３に対するレーザ照射時間を約１分３０秒と著しく低減できる上に、欠陥密度が著しく低減した領域を有する窒化物半導体基板１３Ａを得ることができる。
【０１０２】
なお、第２の実施形態においては、マスク膜１２Ｃに形成する各開口部１２ａの平面形状を円形状としたが、レーザ光のビーム径に納まる形状であれば、その平面形状は問われない。
【０１０３】
また、開口部１２ａの配置パターンは、より好ましくは、図６に示したように、各開口部１２ａが配置される辺の方向が、窒化ガリウムの面方位の｛１−１０１｝面と一致するように構成するのが良い。
【０１０４】
また、第２の実施形態においては、各開口部１２ａの配置パターンを、正三角形が最密に並んだ場合の各正三角形の頂点の位置としたが、他の配置パターンであっても、レーザ照射される面積を少なくして、レーザ照射工程を短縮することができる。
【０１０５】
さらに、この場合において、前述したように、成長する窒化ガリウムの｛１−１０１｝面同士が合体するように開口部１２ａを配置することが好ましい。また、この場合においても、マスク膜１２Ｃに開口部１２ａを周期的に配置することにより、レーザ光の光軸の走査を単純化することが、より好ましい。
【０１０６】
また、第２の実施形態においては、マスク膜１２Ｃの開口部１２ａの開口径を約１０μｍ、開口部１２ａ同士の中心位置の距離を約３０μｍとしたが、開口部１２ａの配置及び寸法には、好ましい範囲がある。
【０１０７】
まず、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、半導体層１３の厚さ程度以下とすることが好ましく、第２の実施形態においては、約２００μｍ以下とするのが良い。なお、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、互いに隣接する開口部１２ａの開口端同士の間隔とみなしても、実質的に問題はない。
【０１０８】
さらに、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、半導体層１３にクラックが導入されない程度に大きくすることが好ましく、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１０９】
一方、開口部１２ａの開口径においても、クラックが伸展しない程度以下とすることが好ましく、開口部１２ａ同士の中心位置の距離の１０倍以下とすることが好ましい。なお、開口径の下限は、特に限定されないが、第２の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いているため、視認性を確保する必要から、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１１０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１１１】
図８（ａ）〜図８（ｃ）及び図９（ａ）〜図９（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１１２】
第３の実施形態は、マスク膜における開口部に対するレーザの照射方法を変えている。ここでは、第２の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０１１３】
まず、図８（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０１１４】
（マスク膜形成工程）
次に、図８（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【０１１５】
次に、図８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法及びフッ酸を含む溶液によるエッチング法により、マスク形成膜１２Ａから複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。この場合の開口部１２ａのパターンも図６に示したパターンと同様の、正三角形の最密配置である。
【０１１６】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図９（ａ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の主面上に、マスク膜１２Ｃを介して窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。このとき、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｃの開口部１２ａの露出部分から半導体層１３が成長し始める。続いて、半導体層１３は開口部１２ａから該開口部１２ａ同士の間の領域上に張り出し、さらにその表面が平坦化するまで成長させる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図９（ａ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【０１１７】
（レーザ照射工程）
第３の実施形態においては、図４に示したレーザ照射装置におけるレーザ出射部１の出力値を大きくしている。レーザ光には、波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波を用いる。レーザ光が高出力であるため、レーザ光のビーム径を５ｍｍ程度にまで大きくしても、約１．０Ｊ／ｃｍ2 の光密度を得ることができる。但し、パルス周期は高出力であるために小さく、約１０Ｈｚである。パルス幅は約１０ｎｓとしており、母材基板１１と半導体層１３との界面を局所的に加熱するのに十分なパルス幅である。
【０１１８】
ここでも、サファイアはレーザ光に対して透明であるため、母材基板１１の裏面側から該母材基板１１を通して半導体層１３にレーザ光を照射する。
【０１１９】
レーザ光の半導体層１３に対する照射は、少なくとも半導体層１３と母材基板１１との界面をすべて照射する必要があるため、ここでは、半導体層１３の全面にわたって照射する。具体的には、照射部分が２ｍｍずつ重なるように、母材基板１１の周縁部から内側に向かって順次照射する。なお、レーザ光の走査時の線速度を約３０ｃｍ／ｓとすることにより、２ｍｍずつ照射位置を重ねることができる。すなわち、母材基板１１の外縁部に沿ってレーザ照射を行ない、１周分のレーザ照射を終えると照射位置を３ｍｍだけ母材基板１１の内側にずらすことにより、半径方向の照射位置を２ｍｍずつ重ねることができる。
【０１２０】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約１０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０１２１】
第３の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である開口部１２ａの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との開口部１２ａにおける接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、互いの結合力が小さいマスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、マスク膜１２Ｃと半導体層１３とが適当な形状で分離することにより発散される。
【０１２２】
従って、図９（ｂ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてに対してレーザ光を照射することにより、半導体層１３を母材基板１１から剥離することができる。
【０１２３】
次に、図９（ｃ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０１２４】
以上説明したように、第３の実施形態によると、母材基板１１の主面上に設けたマスク膜１２Ｃの開口部１２ａは約３０μｍの間隔で分散して形成されているが、照射するレーザ光のビーム径が５ｍｍと大きいため、一度に約１万個以上の開口部１２ａに対して照射できるので、照射時間を著しく低減することができる。具体的には、第３の実施形態においては、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか１分程度でレーザ照射を終えることができる。
【０１２５】
また、レーザ光の照射径を大きくしても、レーザ光による熱応力によって、半導体層１３にクラックが導入されたり、割れたりすることはない。その上、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｃを介して、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１２６】
このように、第３の実施形態によると、レーザ光の照射径を大きくすることにより、レーザ光の照射時間を著しく低減できる上に、成長する半導体層１３にクラックや割れが導入されず、欠陥密度が著しく減少した窒化物半導体基板を得ることができる。
【０１２７】
なお、第３の実施形態においては、半導体層１３の全面に対してレーザ光の照射を行なっているが、半導体層１３におけるマスク膜１２Ｃの開口部１２ａからの露出部分のみを照射すれば良い。その場合には、半導体層１３の全面を照射する場合と比べて、レーザ光の照射時間を短くすることができる。
【０１２８】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１２９】
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）乃至図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１３０】
第４の実施形態は、母材基板の主面に凹凸状領域を形成し、形成した凹凸状領域のうち凸部領域の頂面を開口する開口部を持つようにマスク膜を形成する構成とする。ここでは、第１の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０１３１】
まず、図１０（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０１３２】
（母材基板加工工程）
次に、図１０（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約２μｍ、幅が約１０μｍ及び間隔が約３０μｍのストライプ状の第１のレジストパターン３１を形成する。このときのストライプの方向は、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向である。
【０１３３】
次に、図１０（ｃ）に示すように、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、第１のレジストパターン３１をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なう。エッチングガスには塩素（Ｃｌ2 ）ガスを用い、約５Ｐａの圧力で出力値が約２００Ｗのプラズマを発生し、１時間程度のエッチングを行なって、母材基板１１の主面に、深さが約１μｍのストライプ状の凹状溝１１ａを形成する。
【０１３４】
なお、本工程においては、２００Ｗ程度の出力のプラズマを用いているため、第１のレジストパターン３１の両側部はエッチングされて、それぞれ丸みが生じている。
【０１３５】
次に、図１０（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン３１を除去すると、主面が凹凸状の凹凸状領域２０を有する母材基板１１を得ることができる。
【０１３６】
ここで、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を用いて凹凸状領域２０の詳細を説明する。図１１（ａ）は凹凸状領域２０の平面構成を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面構成を示している。
【０１３７】
図１１（ｂ）に示すように、凹状溝１１ａの幅は底部において約３０μｍであり、該凹状溝１１ａ同士に挟まれてなる凸部領域１１ｂの幅は下部において約１０μｍである。ここで、凸部領域１１ｂにおける両側面はその上部が下部に対して約０．５μｍずつ小さくなるようにサイドエッチングされている。
【０１３８】
また、図１１（ａ）に示すように、凹状溝１１ａ、すなわち凸部領域１１ｂが延びる方向は、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向である。以下、凸部領域１１ｂが延びる方向をストライプ方向と呼ぶ。
【０１３９】
（マスク膜形成工程）
次に、図１２（ａ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。ここで、前述したように、第１のレジストパターン３１をＲＩＥ用のマスクとしたため、母材基板１１の凸部領域１１ｂの両側面はサイドエッチングされて傾斜している。このため、マスク形成膜１２Ａは凸部領域１１ｂの頂部の各角部において段切れを起こさずに堆積することができる。
【０１４０】
次に、図１２（ｂ）に示すように、母材基板１１のマスク形成膜１２Ａの上の全面にレジスト膜３２Ａをスピンコートする。具体的には、レジスト膜３２Ａには、粘性が約２０ｃｐ以下のレジスト材を用いると共に、凹凸状領域２０が埋まる程度の回転数でスピンコートを行なう。このように、レジスト膜３２Ａの粘性が比較的に小さいため、レジスト膜３２Ａの表面はほぼ平坦となる。その後、該レジスト膜３２Ａを１００℃程度の温度でベーキングして乾燥させる。
【０１４１】
次に、図１２（ｃ）に示すように、出力値が約５０Ｗの酸素プラズマを用いたＲＩＥにより、レジスト膜３２Ａに対して、マスク形成膜１２Ａにおける凸部領域１１ｂの頂面上に位置する部分が露出するまでエッチングを行なう。これにより、エッチングされたレジスト膜３２Ａから、凹状溝１１ａを埋めると共にマスク形成膜１２Ａを覆う第２のレジストパターン３２Ｂが形成される。マスク形成膜１２Ａは酸化ケイ素からなるため、レジスト膜３２Ａのマスク形成膜１２Ａに対するエッチング選択比の値は大きい。従って、酸素プラズマによってマスク形成膜１２Ａはほとんどエッチングされることがない。
【０１４２】
次に、図１２（ｄ）に示すように、第２のレジストパターン３２Ｂをマスクとして、フッ酸を含む溶液によりマスク形成膜１２Ａに対してエッチングを行なうことにより、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１における凸部領域１１ｂの頂面を開口するストライプ状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂが形成される。その後、第２のレジストパターン３２Ｂを有機溶剤等により除去する。
【０１４３】
このように、第４の実施形態に係るマスク膜形成工程によると、フォトリソグラフィ法を用いることなく、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａを自己整合的に形成するため、開口部１２ａにマスクずれ等が生じることがない。従って、母材基板１１の主面に形成した凹凸状領域２０の各凸部領域１１ｂの頂面のみを露出するマスク膜１２Ｂを確実に形成することができる。
【０１４４】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図１３（ａ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の主面上に、マスク膜１２Ｂを介して窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。このとき、半導体層１３は、酸化ケイ素からなるマスク膜１２Ｂ上には成長しないため、母材基板１１におけるマスク膜１２Ｂの開口部１２ａからの露出部分、すなわち凸部領域１１ｂの頂面から成長する。さらに成長を続けると、半導体層１３は、凸部領域１１ｂの頂面から基板面に平行な方向（横方向）に、マスク膜１２Ｂと接することなく成長する。このとき、半導体層１３の凸部領域１１ｂの頂面から横方向に成長した部分の側面は、窒化ガリウム結晶の面方位の｛１−１０１｝面となる。
【０１４５】
次に、図１３（ｂ）に示すように、半導体層１３をさらに、厚さが２００μｍ程度になるまで成長させる。これにより、表面が平坦な半導体層１３を得ると共に、成長した半導体層１３とマスク膜１２Ｂとの間には空隙２１が形成される。
【０１４６】
このように、第４の実施形態においては、半導体層１３の出現し易い面方位を考慮して、母材基板１１における凸部領域１１ｂのストライプ方向を設定しているため、半導体層１３にピット等の欠陥を生じずに選択成長を行なうことが、一層容易となる。
【０１４７】
次に、図１３（ｃ）に示すように、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、母材基板１１に反りが生じる。
【０１４８】
第４の実施形態においては、母材基板１１と半導体層１３とが界面の全面で接合している場合と比べて、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けているため、生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が８０ｃｍ程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が１ｍ程度となる。なお、前述したように、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けないで半導体層１３を成長し、その後の母材基板１１の曲率半径を調べると６０ｃｍ程度であった。
【０１４９】
（レーザ照射工程）
第４の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も第１の実施形態と同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。
【０１５０】
図１４（ｂ）はレーザ照射工程の途中段階における母材基板１１の断面構成を示している。
【０１５１】
半導体層１３はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分において、パルス幅の時間内ではほとんど拡散せずに、母材基板１１との界面が局所的に加熱される。この局所的な加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０１５２】
前述したように、ガリウム層１３ａは２５℃以上の温度では液体であり、それ以下の温度でも非常に軟らかい材料であるため、ガリウム層１３ａを介した母材基板１１と半導体層１３との結合力は極めて小さくなる。その結果、熱膨張係数差による応力が、母材基板１１の各凸部領域１１ｂと半導体層１３との接合部分に集中する。
【０１５３】
また、半導体層１３の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層１３の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。しかしながら、第４の実施形態においては、レーザ光の照射位置である凸部領域１１ｂの周囲に空隙２１が形成されているため、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との接合部分が分解されると、半導体層１３に生じた応力は空隙２１が広がることにより解放される。その上、発生した高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０１５４】
さらに、第４の実施形態においては、成長した半導体層１３とマスク膜１２Ｂとの間に空隙２１を設けることにより、レーザ光を照射した際に発生する熱を、半導体層１３と母材基板１１との界面に集中させることができる。これにより、半導体層１３を熱分解させる際に必要なレーザ光の光密度を低減できるため、より低コストな低出力のレーザ光源を用いたとしても、半導体層１３を母材基板から確実に剥離することができるようになる。このとき、レーザ照射中の半導体層１３には、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じることがない。
【０１５５】
従って、図１４（ｂ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【０１５６】
次に、図１４（ｃ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０１５７】
以上説明したように、第４の実施形態によると、半導体層１３における母材基板１１の主面上に設けたマスク膜１２Ｂの開口部１２ａから露出する凸部領域１１ｂにのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【０１５８】
第４の実施形態においては、母材基板１１の凸部領域１１ｂの面積の和は母材基板１１の面積の４分の１であるため、レーザ光の照射時間は少なくとも４分の１とすることができる。
【０１５９】
実際に、母材基板１１の主面の全面に対してレーザ光を照射する場合には、母材基板１１の主面をｘｙ平面とすると、ｘ方向とｙ方向との双方でレーザ光の照射位置が重なるように照射する。具体的には、ビーム径が２０μｍのレーザ光を用いて、照射位置が互いに１０μｍ程度重なるようにした場合に、主面の全面を１０μｍ程度重なるように照射すると、レーザ光の照射工程に、３０分程度もの時間が必要となる。
【０１６０】
これに対し、第４の実施形態においては、ｘ方向にのみレーザ光の照射位置が重なるように照射すれば良い。従って、レーザ光を１０μｍ程度重なるように照射した場合には、径が約５．１ｃｍの母材基板１１に対して４分程度で照射し終える。このように、従来と比べて、レーザ光の照射時間は４分の１以下にまで短縮することができる。
【０１６１】
また、マスク膜１２Ｂの開口部１２ａから露出する、母材基板１１の凸部領域１１ｂがストライプ状に延びているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的に照射を行なうことができる。
【０１６２】
また、ストライプ状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｂを介して、母材基板１１の主面上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥の密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１６３】
このように、第４の実施形態によると、レーザ光の照射時間を４分の１以下と著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板１３Ａを確実に得ることができる。
【０１６４】
なお、第４の実施形態においては、母材基板１１の凹凸状領域２０をＲＩＥ法により形成したが、該凹凸状領域２０の形成条件及び形成方法は、これに限定されない。例えば、イオンミリング法又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチング法等の用いることができる。
【０１６５】
また、第１のレジストパターン３１をレジスト材により形成する代わりに、金若しくはニッケル等の金属、又は酸化ケイ素若しくは窒化ケイ素等の誘電体等からなり、エッチング雰囲気で著しく腐食しない材料を用いることができる。
【０１６６】
また、母材基板１１上に設けた凹凸状領域２０の凹状溝１１ａの深さを約１μｍとしたが、浅くし過ぎると、成長する半導体層１３とマスク膜１２Ｂとが接触する場合がある。但し、半導体層１３とマスク膜１２Ｂとが接触する部分が生じたとしても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。一方、凹状溝１１ａの深さを大きくすると、マスク形成膜１２Ａの上にレジスト膜３２Ａを塗布しても、マスク形成膜１２Ａ上の凹凸状領域２０がレジスト膜３２Ａによって平坦に埋め込まれない虞がある。但し、このような場合には、レジスト膜３２Ａの塗布及びベーキングを、該レジスト膜３２Ａの表面が平坦となるまで繰り返せば良い。従って、半導体層１３とマスク膜１２Ｂとが接触しないためには、凹状溝１１ａの深さは大きい方が好ましく、約０．０５μｍ以上とするのが好ましい。
【０１６７】
また、第４の実施形態においては、マスク膜１２Ｂの厚さを約０．１μｍとしたが、マスク膜１２Ｂの厚さはこれに限定されず、母材基板１１の主面を覆うことが可能な連続的な膜であればよい。但し、母材基板１１の凹凸状領域２０の凸状領域１１ｂの側面がサイドエッチングされたような、好ましい斜面形状であれば、マスク膜１２Ｂの厚さは、０．００１μｍ以上でよい。従って、凸部領域１１ｂの側面が基板面に対してほぼ垂直である場合には、マスク形成膜１２Ｂが段切れを起こさない程度に厚くする必要があることはいうまでもない。但し、マスク膜１２Ｂの厚さを凹状溝１１ａの深さよりも大きくすると、空隙２１が形成されなくなる。
【０１６８】
なお、第４の実施形態においては、母材基板１１上において、凸部領域１１ｂのストライプ方向をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向としたが、母材基板１１の材料によっては、窒化ガリウムからなる半導体層１３の結晶面の面方位が異なる場合がある。そのような場合は、半導体層１３における晶帯軸の＜１１−２０＞方向にストライプ方向を一致させることが好ましい。
【０１６９】
例えば、母材基板１１として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合には、母材基板１１を構成するサファイアと半導体層１３を構成する窒化ガリウムとの各面方位が一致するため、ストライプ方向を＜１１−２０＞とすることが好ましい。
【０１７０】
なお、第４の実施形態においては、凹状溝１１ａの幅を約３０μｍとし、凸部領域１１ｂの幅を約１０μｍとしたが、これらの寸法には好ましい範囲がある。
【０１７１】
まず、凹状溝１１ａの幅の上限は、半導体層１３による凹状溝１１ａの被覆成長により規制される。すなわち、凹状溝１１ａの幅が小さい方が被覆成長するのに必要な面積が小さくなるため、半導体層１３の厚さが比較的に小さい場合でもマスク膜１２Ｂを覆うことができる。従って、凹状溝１１ａの幅は半導体層１３厚さとほぼ同程度かそれ以下とすることが好ましく、第４の実施形態では、２００μｍ程度かそれ以下とするのが良い。
【０１７２】
これに対し、凹状溝１１ａの幅の下限は、レーザ照射時に半導体層１３に導入されるクラックと関係する。すなわち、凹状溝１１ａの幅を極端に小さくすると、空隙２１が変形することによる応力の緩和が生じにくくなる虞がある。従って、凹状溝１１ａの幅は約１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１７３】
また、凸部領域１１ｂの幅の上限も、クラックの発生と関係する。すなわち、凸部領域１１ｂの幅の１０倍以下とすることが好ましい。一方、凸部領域１１ｂの幅の下限については、特に限定されないが、第４の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いることから、視認性を確保するため約１μｍ以上とすることが好ましい。
【０１７４】
なお、第４の実施形態においては、母材基板１１の主面に設けた凸部領域１１ｂをストライプパターンとしたが、他のパターンでも、直線状に連続するパターンであれば、レーザ光の光軸の走査が単純化されて好ましい。さらに、渦巻状のような一筆書きパターンとすると、１回の走査で半導体層１３の全体をレーザ照射できるため好ましい。なお、この場合においても、凸部領域１１ｂの側面の面方位は、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面と一致するように形成することが、より好ましい。
【０１７５】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１７６】
図１５（ａ）〜図１５（ｅ）乃至図１７（ａ）〜図１７（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０１７７】
第５の実施形態は、母材基板の主面に設ける凹凸状領域の凸部の形状をストライプパターンに代えてドットパターンとしている。ここでは、第４の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０１７８】
まず、図１５（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０１７９】
（母材基板加工工程）
次に、図１５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、１つの径が約１０μｍで、隣接同士の中心位置の距離が約３０μｍのドットパターンを有するレジストパターン３３を形成する。
【０１８０】
レジストパターン３３は、図１６の平面図に示すように、一辺が３０μｍの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の｛１−１００｝面と一致するようにパターニングされている。なお、母材基板１１の周縁部において、ドットパターンが欠けていると、欠けた部分において半導体層１３は良好に成長しない虞があるため、母材基板１１の周縁部にはドットパターンを配置しないようにしている。
【０１８１】
次に、図１５（ｃ）に示すように、第４の実施形態と同等の条件のＲＩＥ法により、レジストパターン３３をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なって、母材基板１１の主面が１μｍ程度の深さに掘り下げられてなる低部１１ｄを形成する。
【０１８２】
次に、図１５（ｄ）に示すように、レジストパターン３３を除去することにより、該レジストパターン３３が転写されてなり、それぞれがドット状を有する複数の凸部１１ｅを形成する。凸部１１ｅの断面形状は図１１（ｂ）とほぼ同等であり、凸部１１ｅの幅は約１０μｍである。凸部１１ｅの側面は上部の径が下部の径よりも約０．５μｍ小さくなるサイドエッチングがなされている。また、隣接する凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は約３０μｍである。これにより、母材基板１１の主面には、凹部に相当する低部１１ｄと凸部１１ｅとからなる凹凸状領域２０を形成する
（マスク膜形成工程）
次に、図１５（ｅ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【０１８３】
次に、図１７（ａ）に示すように、マスク形成膜１２Ａに対して選択的にエッチングを行なって、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面を露出する複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。開口部１２ａの形成方法は、図示はしないが第４の実施形態と同様である。すなわち、レジスト膜をマスク形成膜１２Ａ上に平坦化されるようにスピンコートし、その後、酸素プラズマによるＲＩＥによるエッチバックを行なって、レジスト膜を低部１１ｄ上にのみ残す。その後、残されたレジスト膜をマスクとして、フッ酸を含む溶液によりマスク形成膜１２Ａに対してエッチングを行なうことにより、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面を開口するドット状の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃが形成される。残されたレジスト膜を除去すると、図１７（ａ）に示す状態を得る。
【０１８４】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図１７（ｂ）に示すように、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。
【０１８５】
マスク膜１２Ｃの各開口部１２ａから露出する凸部１１ｅの頂面の平面形状は円形（ドット）状であるが、各開口部１２ａを図１６のように配置しており、窒化ガリウムの｛１−１０１｝面の成長速度は比較的に小さい。このため、厚さが１μｍ程度の半導体層１３を成長した段階のマスク膜１２Ｃ上には、半導体層１３における互いに隣接する３つの開口部１２ａからの張り出し部分によって６つの｛１−１０１｝面に囲まれた空隙が生じる。さらに、成長し続けると、各開口部１２ａから周囲に張り出す窒化ガリウムが｛１−１０１｝面で合体して、その結果、マスク膜１２Ｃは空隙２１が形成されるように覆われる。マスク膜１２Ｃが半導体層１３により覆われた後も、該半導体層１３の厚さが約２００μｍとなるまで成長させると、半導体層１３の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図１７（ｂ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【０１８６】
（レーザ照射工程）
第５の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。このとき、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面の径は約１０μｍであり、ビーム径の約２０μｍよりも小さいため、１回のパルス照射で、半導体層１３における１つの凸部１１ｅとの界面を照射することができる。
【０１８７】
第５の実施形態の特徴として、レーザ光の出射周期を凸部１１ｅの形成位置に同期して照射している。具体的には、前述したように隣接する凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は約３０μｍであり、パルス周波数が５０ｋＨｚであることから、走査速度を１５０ｃｍ／ｓとすることにより、列状に配置された凸部１１ｅの位置に同期してパルス照射を行なうことができる。このとき、図４に示した画像認識部５からの位置情報をスキャンレンズ２にフィードバックして、照射位置を微調整しながらレーザ光の照射を行なうことが好ましい。
【０１８８】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３はレーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０１８９】
第５の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である母材基板１１の凸部１１ｅの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、空隙２１が適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０１９０】
このような剥離のメカニズムにより、第５の実施形態においては、レーザ照射中に半導体層１３に対して、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じない。
【０１９１】
従って、図１７（ｃ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合界面のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【０１９２】
次に、図１７（ｄ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０１９３】
以上説明したように、第５の実施形態によると、半導体層１３と母材基板１１との界面にのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【０１９４】
その上、母材基板１１の主面にドット状の複数の凸部１１ｅが分散して配置されているため、１つの凸部１１ｅに対して１つのレーザパルスを照射することにより、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの界面を局所的に加熱して剥離している。その結果、レーザの照射位置が互いに重なるように照射する必要がなくなるため、第４の実施形態と比べても、レーザ光の照射時間をさらに短縮することができる。
【０１９５】
具体的には、第５の実施形態においては、ビーム径が約２０μｍのレーザ光を用い、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか約１分３０秒でレーザ光の照射を終了することができる。一方、従来の照射方法では、前述したように、レーザ光の照射工程に３０分程度の時間を要しており、第５の実施形態に係る製造方法は、レーザ照射工程の著しい短縮を可能とする。
【０１９６】
また、母材基板１１の複数の凸部１１ｅを周期的なドットパターンとしているため、レーザ光の光軸の走査が単純化されるので、効率的にレーザ照射を行なうことができる。
【０１９７】
また、第５の実施形態においては、窒化ガリウムからなる半導体層１３を、母材基板１１の主面上に形成された開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを介して埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０１９８】
以上示したように、第５の実施形態によると、半導体層１３に対するレーザ照射時間を約１分３０秒と著しく低減できる上に、欠陥密度が著しく低減した領域を有する窒化物半導体基板１３Ａを得ることができる。
【０１９９】
なお、母材基板１１の凸部１１ｅの凸部の頂面の形状を円形状としたが、レーザ光のビーム径に納まる形状であれば、その平面形状は問われない。
【０２００】
また、凸部１１ｅの配置パターンは、より好ましくは、図１６に示したように、各凸部１１ｅが配置される辺の方向が、窒化ガリウムの面方位の｛１−１０１｝面と一致するように構成するのが良い。
【０２０１】
また、第５の実施形態においては、各凸部１１ｅの配置パターンを、正三角形が最密に並んだ場合の各正三角形の頂点の位置としたが、他の配置パターンであっても、レーザ照射される面積を少なくして、レーザ照射工程を短縮することができる。
【０２０２】
さらに、この場合において、前述したように、成長する窒化ガリウムの｛１−１０１｝面同士が合体するように凸部１１ｅを配置することが好ましい。また、この場合においても、母材基板１１の主面に凸部１１ｅを周期的に配置することにより、レーザ光の光軸の走査を単純化することが、より好ましい。
【０２０３】
また、第５の実施形態においては、凹凸状領域２０における凸部１１ｅの径を約１０μｍ、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離を約３０μｍとしたが、凸部１１ｅの配置及び寸法には、それぞれ好ましい範囲がある。
【０２０４】
まず、開口部１２ａ同士の中心位置の距離は、半導体層１３の厚さ程度以下とすることが好ましく、第５の実施形態においては、約２００μｍ以下とするのが良い。なお、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は、互いに隣接する凸部１１ｅ同士の側面同士の間隔とみなしても、実質的に問題はない。
【０２０５】
さらに、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は、半導体層１３にクラックが導入されない程度に大きくすることが好ましく、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０２０６】
一方、凸部１１ｅの径の上限は、クラックが半導体層１３に伸展しない程度以下とすることが好ましく、凸部１１ｅ同士の中心位置の距離の１０倍以下とすることが好ましい。なお、凸部１１ｅの径の下限は、特に限定されないが、第５の実施形態においては、レーザ照射の位置合わせに可視光を用いているため、視認性を確保する必要から、１μｍ以上とすることが好ましい。
【０２０７】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０２０８】
図１８（ａ）〜図１８（ｅ）及び図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０２０９】
第６の実施形態は、母材基板の主面に形成した凹凸状領域の凸部に対するレーザの照射方法を変えている。ここでは、第５の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０２１０】
まず、図１８（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０２１１】
（母材基板加工工程）
次に、図１８（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、１つの径が約１０μｍで隣接間の中心位置の距離が約３０μｍのドットパターンを有するレジストパターン３３を形成する。
【０２１２】
レジストパターン３３は、図１６の平面図に示すように、一辺が３０μｍの正三角形を最密に並べたときの各正三角形の頂点の位置に配置されている。このときの正三角形の一辺がサファイアの面方位の｛１−１０１｝面と一致するようにパターニングされている。
【０２１３】
次に、図１８（ｃ）に示すように、第４の実施形態と同等の条件のＲＩＥ法により、レジストパターン３３をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なって、母材基板１１の主面が１μｍ程度の深さに掘り下げられてなる低部１１ｄを形成する。
【０２１４】
次に、図１８（ｄ）に示すように、レジストパターン３３を除去することにより、該レジストパターン３３が転写されてなり、それぞれがドット状を有する複数の凸部１１ｅを形成する。凸部１１ｅの断面形状は図１１（ｂ）とほぼ同等であり、凸部１１ｅの幅は約１０μｍである。凸部１１ｅの側面は上部の径が下部の径よりも約０．５μｍ小さくなるサイドエッチングがなされている。また、隣接する凸部１１ｅ同士の中心位置の距離は約３０μｍである。これにより、母材基板１１の主面には、凹部に相当する低部１１ｄと凸部１１ｅとからなる凹凸状領域２０を形成する。
【０２１５】
（マスク膜形成工程）
次に、図１８（ｅ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）をスパッタガスとするＲＦスパッタ法により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、厚さが約０．１μｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）からなるマスク形成膜１２Ａを堆積する。
【０２１６】
次に、図１９（ａ）に示すように、第４の実施形態と同様の方法により、マスク形成膜１２Ａに対して選択的にエッチングを行なって、マスク形成膜１２Ａから、母材基板１１の凸部１１ｅの頂面を露出する複数の開口部１２ａを有するマスク膜１２Ｃを形成する。
【０２１７】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図１９（ｂ）に示すように、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第１の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を成長する。第５の実施形態と同様に、半導体層１３の厚さが約２００μｍとなるまで成長させると、半導体層１３の表面は平坦となる。その後、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、図１９（ｂ）に示すように母材基板１１に反りが生じる。このときに生じた反りは、基板面上の方向にはほとんど依存せず、その曲率半径は１ｍ程度となる。
【０２１８】
（レーザ照射工程）
第６の実施形態においては、図４に示したレーザ照射装置におけるレーザ出射部１の出力値を大きくしている。レーザ光には、波長が３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波を用いる。レーザ光が高出力であるため、レーザ光のビーム径を５ｍｍ程度にまで大きくしても、約１．０Ｊ／ｃｍ2 の光密度を得ることができる。但し、パルス周期は高出力であるために小さく、約１０Ｈｚである。パルス幅は約１０ｎｓとしており、母材基板１１と半導体層１３との界面を局所的に加熱するのに十分なパルス幅である。
【０２１９】
ここでも、サファイアはレーザ光に対して透明であるため、母材基板１１の裏面側から該母材基板１１を通して半導体層１３にレーザ光を照射する。
【０２２０】
レーザ光の半導体層１３に対する照射は、少なくとも半導体層１３と母材基板１１との界面をすべて照射する必要があるため、ここでは、半導体層１３の全面にわたって照射する。具体的には、照射部分が２ｍｍずつ重なるように、母材基板１１の周縁部から内側に向かって順次照射する。なお、レーザ光の走査時の線速度を約３０ｃｍ／ｓとすることにより、２ｍｍずつ照射位置を重ねることができる。すなわち、母材基板１１の外縁部に沿ってレーザ照射を行ない、１周分のレーザ照射を終えると照射位置を３ｍｍだけ母材基板１１の内側にずらすことにより、半径方向の照射位置を２ｍｍずつ重ねることができる。
【０２２１】
前述したように、半導体層１３は、照射されたレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が約１０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分が局所的に加熱される。この加熱により、半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。このように、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、空隙２１が適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。第６の実施形態においては、母材基板１１のレーザ照射位置である母材基板１１の凸部１１ｅの周囲には、マスク膜１２Ｃが形成されているため、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの接合部分が熱分解されると、半導体層１３に生じている応力は、空隙２１が適当な形状で分離することにより解放される。また、熱分解により生じた高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０２２２】
従って、図１９（ｃ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてに対してレーザ光を照射することにより、半導体層１３を母材基板１１から剥離することができる。
【０２２３】
次に、図１９（ｄ）に示すように、塩化水素によってガリウム層１３ａを除去し、その後、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０２２４】
以上説明したように、第６の実施形態によると、母材基板１１の主面上に設けた各凸部１１ｅは約３０μｍの間隔で分散して形成されているが、照射するレーザ光のビーム径が５ｍｍと大きいため、一度に約１万個以上の凸部１１ｅに対して照射できるので、照射時間を著しく低減することができる。具体的には、第６の実施形態においては、径が約５．１ｃｍの半導体層１３に対してわずか１分程度でレーザ照射を終えることができる。
【０２２５】
また、レーザ光の照射径を大きくしても、レーザ光による熱応力によって、半導体層１３にクラックが導入されたり、割れたりすることはない。その上、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｃを介して、窒化ガリウムからなる半導体層１３を埋め込み成長しているため、半導体層１３の表面における欠陥密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０２２６】
このように、第６の実施形態によると、レーザ光の照射径を大きくすることにより、レーザ光の照射時間を著しく低減できる上に、成長する半導体層１３にクラックや割れが導入されず、欠陥密度が著しく減少した窒化物半導体基板を得ることができる。
【０２２７】
なお、第６の実施形態においては、半導体層１３の全面に対してレーザ光の照射を行なっているが、半導体層１３と母材基板１１の凸部１１ｅとの界面のみを照射すれば良い。その場合には、半導体層１３の全面を照射する場合と比べて、レーザ光の照射時間を短くすることができる。
【０２２８】
（第７の実施形態）
図２０（ａ）〜図２０（ｅ）及び図２１（ａ）〜図２１（ｅ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０２２９】
第７の実施形態は、母材基板の凹凸状領域にマスク膜を形成することなく、凸部に頂面に半導体層を選択成長する構成とする。ここでは、第４の実施形態と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０２３０】
まず、図２０（ａ）に示すように、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で厚さが約７００μｍのサファイアからなる母材基板１１を用意する。母材基板１１の主面の面方位は（０００１）面であり、主面とその反対側の面（裏面）とは共に鏡面仕上げがされている。
【０２３１】
（母材基板加工工程）
次に、図２０（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、母材基板１１の主面上に、厚さが約２μｍ、幅が約１０μｍ及び間隔が約３０μｍのストライプ状の第１のレジストパターン３１を形成する。このときのストライプの方向は、サファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向である。
【０２３２】
次に、図２０（ｃ）に示すように、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、第１のレジストパターン３１をマスクとして母材基板１１に対してエッチングを行なう。エッチングガスには塩素（Ｃｌ2 ）ガスを用い、約５Ｐａの圧力で出力値が約２００Ｗのプラズマを発生し、１時間程度のエッチングを行なって、母材基板１１の主面に、深さが約１μｍのストライプ状の凹状溝１１ａを形成する。
【０２３３】
次に、図２０（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン３１を除去すると、主面が凹凸状の凹凸状領域２０を有する母材基板１１を得ることができる。
【０２３４】
（窒化物半導体成長工程）
次に、図２０（ｅ）に示すように、ＧａＣｌ処理を行なった後、アンモニアと塩化ガリウムとを原料とするＨＶＰＥ法により、第４の実施形態と同等の条件により、母材基板１１の凹凸状領域２０の上に、窒化ガリウムからなる半導体層１３を直接に成長する。ここで、半導体層１３は、母材基板１１の主面の面方位が（０００１）面であるため、半導体層１３においてもその（０００１）面を主面として成長する。１０００℃程度の成長温度とすると、（０００１）面上における成長速度と比べて、他の面、すなわち凸部領域１１ｂの側面方向（横方向）における成長速度の方が大きい。従って、母材基板１１の凸部領域１１ｂのほぼ頂面から横方向に成長する。さらに成長を続けると、半導体層１３は、凹状溝１１ａの底面と接することなく、該凹状溝１２ａの上方を横方向に成長する。このとき、半導体層１３における凸部領域１１ｂの頂面から横方向に成長した部分の側面は、窒化ガリウム結晶の面方位の｛１−１０１｝面となる。
【０２３５】
次に、図２１（ａ）に示すように、半導体層１３をさらに、厚さが２００μｍ程度になるまで成長させる。これにより、表面が平坦な半導体層１３を得ると共に、成長した半導体層１３と母材基板１１の凹状溝１１ａとの間には空隙２１が形成される。
【０２３６】
このように、第７の実施形態においては、半導体層１３の出現し易い面方位を考慮して、母材基板１１における凸部領域１１ｂのストライプ方向を設定しているため、半導体層１３にピット等の欠陥を生じずに選択成長を行なうことが、一層容易となる。
【０２３７】
次に、図２１（ｂ）に示すように、室温付近にまで基板温度を降下させると、半導体層１３と母材基板１１との熱膨張係数の差によって、母材基板１１に反りが生じる。
【０２３８】
第７の実施形態においては、母材基板１１と半導体層１３とが界面の全面で接合している場合と比べて、母材基板１１の主面上にマスク膜１２Ｂを設けているため、生じる反りが小さくなる。例えば、ストライプ方向の曲率半径が８０ｃｍ程度となり、該ストライプ方向と基板面内で垂直な方向の曲率半径が１ｍ程度となる。
【０２３９】
（レーザ照射工程）
第７の実施形態においても、図４に示したレーザ照射装置を用いる。照射条件も第１の実施形態と同等としている。例えば、レーザ光のビーム径は約２０μｍであり、レーザ光の出射のパルス周期は約５０ｋＨｚである。
【０２４０】
図２１（ｃ）はレーザ照射工程の途中段階における母材基板１１の断面構成を示している。
【０２４１】
半導体層１３はレーザ光を吸収して加熱される。レーザ光のパルス幅が３０ｎｓと短く且つ光密度が大きいため、半導体層１３は、レーザ光が照射された部分において、パルス幅の時間内ではほとんど拡散せずに、母材基板１１との界面が局所的に加熱される。この局所的な加熱により、窒化ガリウムからなる半導体層１３におけるレーザ光の照射部分が熱分解されて、ガリウム層１３ａと窒素ガスとを生じる。
【０２４２】
前述したように、熱膨張係数差による応力が、母材基板１１の各凸部領域１１ｂと半導体層１３との接合部分に集中する。
【０２４３】
また、半導体層１３の熱分解によって窒素ガスが発生するため、半導体層１３の熱分解した領域及びその近傍は、窒素ガスにより極めて圧力が高い状態となる。しかしながら、第７の実施形態においては、レーザ光の照射位置である凸部領域１１ｂの周囲に空隙２１が形成されているため、レーザ光の照射によって、半導体層１３と母材基板１１との接合部分が分解されると、半導体層１３に生じた応力は空隙２１が広がることにより解放される。その上、発生した高圧の窒素ガスは、空隙２１に発散される。
【０２４４】
さらに、第７の実施形態においては、成長した半導体層１３と母材基板１１との間に空隙２１を設けることにより、レーザ光を照射した際に発生する熱を、半導体層１３と母材基板１１との界面に集中させることができる。これにより、半導体層１３を熱分解させる際に必要なレーザ光の光密度を低減できるため、より低コストな低出力のレーザ光源を用いたとしても、半導体層１３を母材基板から剥離することができるようになる。このとき、レーザ照射中の半導体層１３には、母材基板１１の主面に垂直な方向に伸展するクラックが生じることがない。
【０２４５】
従って、図２１（ｄ）に示すように、半導体層１３と母材基板１１との接合部分のすべてにレーザ光を照射することにより、半導体層１３は母材基板１１から剥離する。
【０２４６】
次に、図２１（ｃ）に示すように、半導体層１３における母材基板１１からの剥離面の凹凸部分を研磨して除去することにより、窒化ガリウムからなる半導体層１３から窒化物半導体基板１３Ａを得る。このときの窒化物半導体基板１３Ａは、径が約５．１ｃｍ（２インチ）で、その厚さは約１８０μｍであり、クラックや周縁部に欠けた部分がなく、バルクの状態で存在する。
【０２４７】
以上説明したように、第７の実施形態によると、半導体層１３における母材基板１１の主面上に設けた凹凸状領域２０の凸部領域１１ｂにのみ選択的にレーザ照射を行なうため、従来のように半導体層１３の全面に対して照射する場合と比べて、レーザの照射時間を削減できるので、レーザ照射工程のスループットを向上することができる。
【０２４８】
また、ストライプ状の凸部領域１１ｂにマスク膜を形成することなく、窒化ガリウムからなる半導体層１３を母材基板１１上に直接に選択成長しているため、半導体層１３の表面における貫通欠陥の密度は約１×１０6 ｃｍ-2である。
【０２４９】
このように、第７の実施形態においては、凹状領域２０の凹状溝１１ａを覆うマスク膜を設けていないため、製造工程が簡単化される。
【０２５０】
従って、第７の実施形態によると、レーザ光の照射時間を著しく低減できる上に、欠陥密度をも低減された窒化物半導体基板１３Ａを比較的容易に且つ確実に得ることができる。
【０２５１】
なお、半導体層１３と母材基板１１とが接触しないためには、凹状溝１１ａの深さは大きい方が好ましく、約０．０５μｍ以上とするのが好ましい。
【０２５２】
また、母材基板１１上において、凸部領域１１ｂのストライプ方向をサファイアの晶帯軸の＜１−１００＞方向としたが、母材基板１１の材料によっては、窒化ガリウムからなる半導体層１３の結晶面の面方位が異なる場合がある。そのような場合は、半導体層１３における晶帯軸の＜１１−２０＞方向にストライプ方向を一致させることが好ましい。
【０２５３】
例えば、母材基板１１として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた場合には、母材基板１１を構成するサファイアと半導体層１３を構成する窒化ガリウムとの各面方位が一致するため、ストライプ方向を＜１１−２０＞とすることが好ましい。
【０２５４】
また、母材基板１１の主面に設けた凸部領域１１ｂをストライプパターンとしたが、第２の実施形態又は第５の実施形態のように、ドット状の凸部としてもよい。
【０２５５】
ところで、以上に説明した第１〜第７の各実施形態においては、半導体層１３を窒化ガリウムとしたが、窒化ガリウムに代えて、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、又は窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を用いても、同様の効果を得ることができ、それぞれの組成を有する窒化物半導体基板１３Ａを得られることはいうまでもない。
【０２５６】
また、各実施形態においては、母材基板１１にサファイアを用いたが、これに限られず、サファイアに代えてスピネル基板等のレーザ光に対して透明な材料からなる母材基板を用いても同様の効果を得ることができる。
【０２５７】
また、各実施形態で用いたＮｄ：ＹＡＧの３次高調波レーザに代えて、母材基板１１に対して透明で且つ半導体層１３に吸収される波長で発振し、パルス幅が数ｍｓ以下の短いパルス状のレーザ光を用いても同様の効果を得ることができる。このようなレーザ光には、例えば、ＡｒＦレーザ、ＫｒＦレーザ、ＸｅＣｌレーザ又は窒素レーザ等がある。
【０２５８】
また、各実施形態においては、レーザ光の光密度を約１．０Ｊ／ｃｍ2 としたが、レーザ光の光密度には下限があり、半導体層１３を分解できる以上の光密度が必要である。窒化ガリウムを分解するために必要な光密度は、半導体層１３に直射した場合では、約０．１ｍＪ／ｃｍ2 以上である。レーザ光が半導体層１３に到達した時点では、母材基板１１の表面における反射及び散乱、及び母材基板１１と半導体層１３との界面における反射及び散乱等により、入射されるレーザ光のうちの十数％は低減されていると考えられる。
【０２５９】
また、第１〜第６の実施形態において、酸化ケイ素からなるマスク形成膜１２Ａの堆積にＲＦスパッタ法を用いたが、酸化ケイ素の堆積条件及び堆積方法は、特に限定されず、ＣＶＤ法又は蒸着法でもよい。堆積したケイ素（Ｓｉ）を熱酸化する方法等を用いてもよい。
【０２６０】
また、マスク形成膜１２Ａは酸化ケイ素に限られず、窒化物からなる半導体層１３が直接に成長しにくい材料であればよい。そのような材料として、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）又はタングステン（Ｗ）が挙げられる。
【０２６１】
また、各実施形態において、窒化物半導体成長工程におけるＧａＣｌ処理を１５分間程度としたが、ＧａＣｌ処理には好ましい処理時間がある。ＧａＣｌ処理を極端に短くすると、サファイアからなる母材基板１１上の主面上に窒化ガリウムが成長しにくくなる。このため、母材基板１１上には、サファイアの面方位に規制されずに、多結晶の窒化ガリウムが成長してしまうことがある。
【０２６２】
これに対し、ＧａＣｌ処理を極端に長くすると、マスク膜１２Ｂの上にも窒化ガリウムの結晶核が形成されてしまい、マスク膜１２Ｂを構成する酸化ケイ素はアモルファスであるため、ここでも、窒化ガリウムが単結晶でなくなることがある。従って、ＧａＣｌ処理は、母材基板１１に窒化ガリウムのエピタキシャル成長が実現され、且つ、窒化ガリウムのマスク膜１２Ｂ上への成長が抑制される時間内で行なうことが好ましい。例えば、第１の実施形態における条件下では、約３０秒から３時間である。
【０２６３】
また、各実施形態において、半導体層１３の成長温度を約１０００℃としたが、半導体層１３がマスク膜１２Ｂを平坦に埋め込むことができる温度範囲があり、例えば９００℃以上とすることが好ましい。ここで、成長温度を高くする程、マスク膜１２Ｂが埋め込まれ易くなる。これに対し、成長温度を極端に高くすると、半導体層１３の成長よりも昇華が支配的となり、半導体層１３が成長しなくなるため、各実施形態の条件下では、成長温度の上限を約１５００℃とすることが好ましい。
【０２６４】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体基板の製造方法によると、半導体層が成長する際に、マスク膜に応力が集中するため、半導体層に生じる応力を低減することができる。その結果、窒化物からなる半導体層に生じる割れやクラックを低減することができる。その上、マスク膜に窒化物半導体が実質的に成長しない材料を用いているため、半導体層がマスク膜の上に回り込むように成長するので、半導体層に導入される貫通欠陥を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示し、（ａ）はマスク膜の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法に用いるレーザ出射装置の模式的な構成図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法におけるマスク膜を示す平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示し、（ａ）は母材基板の凹凸状領域の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法におけるドットパターン形成用のレジストパターンを示す平面図である。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１８】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１９】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２０】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
１ レーザ出射部
２ スキャンレンズ
３Ａ 集光レンズ
３Ｂ 集光レンズ
４ ミラー
５ 画像認識部
１０ レーザ光
１０ａ 可視光
１１ 母材基板
１１ａ 凹状溝
１１ｂ 凸部領域
１１ｄ 低部
１１ｅ 凸部
１２Ａ マスク形成膜
１２Ｂ マスク膜
１２Ｃ マスク膜
１２ａ 開口部
１３ 半導体層
１３ａ ガリウム層
１３Ａ 窒化物半導体基板
２０ 凹凸状領域
２１ 空隙
３１ 第１のレジストパターン
３２Ａ レジスト膜
３２Ｂ 第２のレジストパターン
３３ レジストパターン
Claims (10)
- 母材基板の主面上に、窒化物半導体が実質的に成長しない材料からなり、複数の開口部を有するマスク膜を形成する第１の工程と、
前記母材基板上に、前記マスク膜を介して窒化物からなる半導体層を選択的に成長する第２の工程と、
前記半導体層における前記母材基板との界面にレーザ光を照射して、前記半導体層を前記母材基板から剥離することにより、前記半導体層から半導体基板を形成する第３の工程とを備え、
前記第１の工程よりも前に、前記母材基板の主面に凹凸状領域を形成する工程をさらに備え、
前記第１の工程は、前記マスク膜を、前記凹凸状領域の凸部の頂面が前記開口部から露出するように形成する工程を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記母材基板は、主面の面方位が｛０００１｝面であるサファイアからなり、
前記凹凸状領域を形成する工程は、前記母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を、前記母材基板における晶帯軸の＜１−１００＞方向とほぼ一致するように形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記母材基板は、主面の面方位が｛０００１｝面である炭化ケイ素又は窒化アルミニウムからなり、
前記凹凸状領域を形成する工程は、前記母材基板の主面に互いに並行に延びる複数の凹状溝を、前記母材基板における晶帯軸の＜１１−２０＞方向とほぼ一致するように形成する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第１の工程は、
前記母材基板における前記凹凸状領域の上に全面にわたってマスク形成膜を形成する工程と、
前記マスク形成膜を覆うようにレジスト膜を塗布する工程と、
前記レジスト膜に対してエッチングを行なって、前記レジスト膜を前記凹凸状領域の凹部に残すことにより、前記マスク形成膜における前記凹凸状領域の凸部の上側部分を露出する工程と、
前記凹部に残されたレジスト膜をマスクとして、前記マスク形成膜に対してエッチングを行なう工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記レジスト膜をエッチングする工程は、酸素プラズマを用いることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記マスク形成膜は酸化物からなることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第２の工程において、前記母材基板と前記半導体層との間には空隙が形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第３の工程は、レーザ光を、少なくとも前記半導体層における前記マスク膜の開口部からの露出部分に照射することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第１の工程は、前記複数の開口部を島状に形成し、
前記第３の工程は、レーザ光を、前記半導体層における前記マスク膜の各開口部からの露出部分と同期するように走査しながら照射することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第１の工程は、前記複数の開口部を島状に形成し、
前記第３の工程は、レーザ光を、前記半導体層における前記マスク膜の開口部からの露出部分を走査しながら、前記露出部分の複数を同時に照射することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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