JP4595207B2 - 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や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および窒化物半導体基板の製造用母材基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体は、青色や緑色のＬＥＤや、青色半導体レーザ、高温動作可能な高速トランジスタなどに用いる材料として好適である。窒化物半導体を成長させるための基板としては、従来よりサファイア基板（例えば、特許第３０９１５９３に開示）などが知られているが、サファイアなど異種基板上へ窒化物半導体の成長では、窒化物半導体と異種材料基板との熱膨張係数の差によって、基板の反り、クラックの発生、それらに伴う結晶性の悪化が発生することが知られている。
【０００３】
そこで近年、窒化物半導体基板上にデバイスを作製することで、上記諸問題を解決させる試みがなされている。窒化物半導体基板の作製方法の一つとして、母材基板上に窒化物半導体層を厚く形成し、レーザ光によって窒化物半導体層を母材基板界面で局所的に加熱し、昇華させ、母材基板から窒化物半導体層を剥離させることが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、レーザ光によって剥離を行う場合、レーザ光の照射サイズは基板の面積より小さく、レーザ光を走査する必要がある。この際、下記の課題が存在した。
【０００５】
それは、レーザ光の走査の途中では、窒化物半導体層と母材基板の一部が剥離され、他の部分で接触したままであるという状態になり、その際、窒化物半導体層と母材基板の接触が残っている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課題が存在した。そのため、室温付近でレーザ光照射で歩留よく窒化物半導体基板を製造することが困難であった。それを回避するため基板温度を上昇させる技術が知られているが、それでは、基板の昇温、降温に時間がかかり、非常に量産性に課題があった。
【０００６】
さらには、レーザ光は小さく集光されているため、基板全体を剥離するためには効率よいレーザ照射を行う方法を提供する必要があった。具体的に、レーザ光は窒化物半導体の昇華を起こすために光密度を１平方センチメートルあたり約０．１Ｊ以上とする必要があり、それを達成するためレーザ光のビーム径が小さく集光されている。そのため、ビーム径は基板面積より小さく、レーザ光を走査する必要がある。窒化物半導体層全体を剥離するには、時間をかけて基板を細かく走査しながら窒化物半導体層全体にビームを照射する必要があり、しかも、一度に多数枚処理を行う、いわゆるバッチ処理ができない。したがって、クラックの発生を防ぎつつも、照射工程では従来より効率よくレーザ照射を行う方法を提供する必要があった。
【０００７】
上記に鑑み、本発明は、レーザ光照射による窒化物半導体基板の製造において、レーザ光照射に要する時間を著しく低減させ、かつ窒化物半導体層中にクラックなどを発生させることなく窒化物半導体基板を得る手段を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、以下に示す構成よりなるものである。
【０００９】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板主面に、水素又はシリコンのイオン注入によって前記母材基板を構成する材料の原子結合が切断された領域を設ける第１の工程と、前記母材基板上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、前記母材基板と前記窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射する第３の工程とを
有する、ことを特徴とする。
【００１０】
このようにすることで、レーザ照射途中で窒化物半導体層中に発生する応力は原子結合が切断された領域が剥離することで開放されるので、窒化物半導体層中にクラックや割れが発生することがない。さらには、前述の応力による窒化物半導体層の剥離によって、窒化物半導体層全面をレーザ走査することなく窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になるので窒化物半導体基板の量産性を向上させることができる。
【００１２】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、前記第１の工程は、母材基板主面にイオン注入された第１の領域と、前記第１の領域よりイオン注入量が少ないないしはイオン注入されない第２の領域とを設ける工程とし、前記第３の工程は、少なくとも前記第２の領域に前記レーザ光を照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、窒化物半導体層全面を照射することなくより確実に窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になるので窒化物半導体基板の量産性を向上させることができる。
【００１３】
かかる構成につき、前述のイオン注入量が少ない第２の領域は線状に連なっており、前記第３の工程は前記レーザ光を前記第２の領域に沿って走査する工程とすることが好ましい。このようにすることで効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００１４】
かかる構成につき、前述のイオン注入量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の光軸を前記第２の領域に同期して走査しつつ前記レーザ光をパルス照射する工程とすることが好ましい。このようにすることでパルスレーザを用いて効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００１５】
かかる構成につき、前述のイオン注入量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の一照射により複数の前記の第２の領域に照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、より短い照射時間で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、母材基板はサファイアとする。このようにすることで、窒化物半導体層の特性を劣化させるような汚染を生じずに、サファイアの原子結合を切断し、原子結合が弱い領域を形成することができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板主面に、水素、酸素又は希ガスのプラズマ照射によって前記母材基板を構成する材料の原子結合が切断された領域を設ける第１の工程と、前記母材基板上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、前記母材基板と前記窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射する第３の工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、前記第１の工程は、母材基板主面にプラズマ照射された第１の領域と、前記第１の領域よりプラズマ照射量が少ないないしはプラズマ照射されない第２の領域とを設ける工程とし、前記第３の工程は、少なくとも前記第２の領域に前記レーザ光を照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、窒化物半導体層全面をレーザ照射することなくより確実に窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になるので窒化物半導体基板の量産性を向上させることができる。
【００１９】
かかる構成につき、前述のプラズマ照射量が少ない第２の領域は線状に連なっており、前記第３の工程は前記レーザ光を前記第２の領域に沿って走査する工程とすることが好ましい。このようにすることで効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００２０】
かかる構成につき、前述のプラズマ照射量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の光軸を前記第２の領域に同期して走査しつつ前記レーザ光をパルス照射する工程とすることが好ましい。このようにすることでパルスレーザを用いて効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００２１】
かかる構成につき、前述のプラズマ照射量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の一照射により複数の前記の第２の領域に照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、より短い照射時間で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、前記母材基板をサファイアとする。このようにすることで、窒化物半導体層の特性を劣化させるような汚染を生じずに、サファイアの原子結合を切断し、原子結合が弱い領域を形成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１を参照しながら、本発明の第１の実施の形態におけるＧａＮ基板の製造方法を説明する。
【００２５】
図１（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンのサファイア（酸化アルミニウムの単結晶）であり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。表面の面方位は（０００１）面である。
【００２６】
基板１はサファイアより構成されており、サファイアのバンドギャップは８．７ｅＶであるため、バンドギャップに相当するエネルギーの１４２．５ｎｍより大きな波長の光は透過する。そのため、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光や波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光を透過することができる。
【００２７】
まず、第１の工程であるイオン注入工程を行う。
【００２８】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する（図１（ｂ））。イオン注入によって、原子結合が切断された領域１ａ（以下実施の形態５までは、イオン注入した領域１ａないしは単に領域１ａと呼ぶ）が形成された。注入量は１ｘ１０16ｉｏｎ／ｃｍ2とし、注入は基板を５°傾けて実施した。加速電圧は２００ｋｅＶとした。サファイア基板に水素をイオン注入することによって、サファイアの構成元素であるＡｌとＯの結合が切断される。切断された原子間に水素が導入されたりすることもある。それらの結果、イオンが注入されていない領域に比べ、イオン注入した領域の平均的な原子結合力を相対的に弱くすることができる。
【００２９】
なお、注入量が少ない場合は、基板表面付近で原子間の結合が切れて原子結合が弱くなる量が少なくなり、後述のレーザ照射時に窒化物半導体層２と母材基板１との剥離を効率的に行うことが困難となる。一方、注入量が多い場合は、基板表面が窒化物半導体層を成長させる前から母材基板の一部が剥がれ、剥がれた微細な粒子が表面に再付着して窒化物半導体層の成長に悪影響を及ぼすことがある。このような事情から、好ましい注入量の範囲を検討すると１ｘ１０14ｉｏｎ／ｃｍ2から１ｘ１０18ｉｏｎ／ｃｍ2である。
【００３０】
なお、イオン注入時の注入角度は、チャネリング効果により注入した水素が奥深く注入されることを防ぐため、サファイアの（０００１）面から２°以上傾けた面からイオンを入射することが好ましい。
【００３１】
なお、イオン注入時の加速電圧は特に限定するものではないが、加速電圧が低いとサファイア表面付近のダメージが大きくなるため、２０ｋｅＶ以上とすることが好ましい。
【００３２】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。アンモニアと、Ｇａ金属とＨＣｌを約９００℃程度の高温で反応させて生じるＧａＣｌとを原料とするハイドライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法と称する）によりＧａＮの成長を行った。圧力は大気圧下で成長を行った。
【００３３】
サファイア上へＧａＮの核形成密度を増加させるため、ＧａＮの成長に先立って基板温度を１０００℃に保ち、ＧａＣｌのみを１５分間供給する（以下、このプロセスをＧａＣｌ処理と呼ぶ）。なお、核形成密度を増加させる目的では、ＧａＣｌ処理に替えて低温バッファ層やアンモニアでサファイアを窒化する処理を行っても良いし、これらを組み合わせても良い。
【００３４】
ＧａＣｌ処理後、アンモニアを導入してＧａＮ層２の成長を開始する。ＧａＮ層２の厚さが２００μｍとなるまで成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図１（ｃ））。
【００３５】
サファイア基板１の上にＧａＮ層２を高温で成長し、室温まで降温した結果、サファイアとＧａＮの熱膨張係数差による反りが生じる。ＧａＮよりサファイアの方が熱膨張係数が大きいので、ＧａＮ層２側を凸として反りを生じる。本実施の形態では、曲率半径は６０ｃｍ程度であった。本実施の形態では母材基板１がＧａＮ層２に比べて厚いため、曲率半径が大きく、割れが生じるほどの反りではない。
【００３６】
なお、サファイア基板１はイオン注入されているため、ＡｌやＯの結合が切断され、成長時の１０００℃という高温で、これらの元素がＧａＮ層２へ拡散しやすい。ＧａＮ中のＡｌは等電子トラップを形成し、またＯはドナーとして働く。そのため、ＧａＮ基板上にデバイスを形成したとき、デバイスの能動領域にはこれらの元素が拡散しないようにすることが好ましい。好ましくは、ＧａＮ層２の厚さを３０μｍ以上とすることで、デバイス能動領域に拡散されるＡｌやＯを充分少なくすることができる。
【００３７】
つぎに、第３の工程であるレーザ光照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、図２に示す光学系とステージを用いて行った。レーザ装置３より出射されたレーザ光１０を、ＧａＮ層２に照射するにあたって、回転機構４により回転させるとともに、スキャンレンズ５で光軸を走査することにより、基板全体に渡ってレーザ光を照射することを可能とする構成となっている。また、集光手段６によって、ＧａＮ層２でのレーザ光のスポット径を制御することができる。
【００３８】
なお、ステージには、母材基板１の反りを調整するための抵抗加熱ヒータなどの加熱手段を設けても良い。また、熱膨張係数差による剥離を促進させるためのペルチェ素子などの冷却手段を設けてもよい。
【００３９】
レーザ装置３は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の３次高調波レーザ光を発生する装置である。パルス周波数は１０Ｈｚ、１パルスのパルス幅は５ｎｓとした。集光手段６を用いて、レーザ光のビームは、ＧａＮ層２上で円形で直径は１ｍｍに集光されている。１パルスあたりのエネルギーをサファイア基板１において０．１Ｊとした。
【００４０】
なお、ＧａＮ層２に到達するレーザのエネルギーは、基板１の表面や、基板１とＧａＮ層２の界面における反射や、基板１中の欠陥による吸収を受けて、減衰する。そのため、基板厚さや、基板裏面の仕上げ、基板特性などによって、１パルスあたりのエネルギーないしはビーム径を、ＧａＮが分解するように調整する必要がある。ＧａＮ昇華に必要なビームエネルギー密度は、基板温度が高ければ少なくなる。また、パルス幅が小さくなればピークエネルギーが高くなるため、ＧａＮ昇華に必要な１パルスあたりのエネルギー密度により変化する。室温付近で数ｎｓから数十ｎｓ程度のパルスでは、おおよそ０．１Ｊ／ｃｍ2以上である。本実施の形態では散乱や減衰を考慮しても充分なパルスエネルギーを有していた。
【００４１】
なお、ＧａＮ層２は反っている為、集光手段６を制御するなどして、照射位置によって焦点位置を制御し、レーザ光１０のＧａＮ層２の位置におけるサイズを一定とすることが好ましい。
【００４２】
なお、照射位置によって焦点位置を制御しない場合は、集光手段６の焦点距離をＧａＮ層の曲率半径に近づけることが好ましい。このようにすることで、特殊なレンズを用いずに、レーザ光１０のＧａＮ層２の位置におけるサイズを一定とすることができる。
【００４３】
レーザ光１０は、サファイア基板１側からＧａＮ層２を照射するようにした。レーザ照射は、特に基板加熱や冷却を行わず室温の雰囲気（約２０℃）で行った。周辺部から中央部に向かってレーザ照射を行った。このとき、ＧａＮ層２全体を隙間なく照射するのではなく、図１（ｄ）の上面の概略図に示すように、照射位置８の回転方向の中心間隔および半径方向の中心間隔を２ｍｍ離して照射されるように、回転機構４の回転速度やスキャンレンズ５の走査速度を調整した。調整の方法であるが、基板の回転速度ないしはレーザ装置３のパルスの周波数を変化させることでスポットの回転方向の間隔を変更できる。また、回転速度に応じて、光軸の走査速度を変化させることで半径方向の間隔を変更できる。
【００４４】
レーザ光１０を照射されたＧａＮ層２はサファイア基板１との界面付近でレーザ光１０を吸収し加熱される。パルス幅が５ｎｓと短いため、加熱される部分はサファイア基板１とのごく界面付近に集中され、サファイア基板１との界面のＧａＮのみが昇華してＧａと窒素に分解される。
【００４５】
図１（ｅ）は照射工程途中における断面図である。図を明瞭に示すため、図１（ｅ）には、ハッチングを施していない。
【００４６】
ＧａＮ層２のうちレーザ光１０を照射された部分には金属のＧａ１１を生じている。金属Ｇａは、２５℃以上では液体であり、２５℃以下でも非常にやわらかいためサファイア基板１とＧａ１１とＧａＮ層２との結合は表面張力程度であって、極めて弱い。そのため、熱膨張係数差による応力は、レーザ照射されていない部分に集中する。
【００４７】
さらに、ＧａＮ層２の分解によって、金属Ｇａ１１とともに窒素ガスが発生する。発生した窒素による圧力は、サファイア基板１とＧａＮ層２を剥がす方向に加わる。レーザ照射されていない領域は、イオン注入によってサファイア中の原子同士の結合が弱まっているので、熱膨張係数差による応力の集中と窒素の圧力に耐えられず、イオン注入領域１ａ内でクラック１２を生じる。この際、ＧａＮ層２の分解で発生した窒素はクラック１２を通して発散する。
【００４８】
なお、前述の事情より、イオン注入量を１ｘ１０14ｉｏｎ／ｃｍ2から１ｘ１０18ｉｏｎ／ｃｍ2としているため、クラックは原子結合の弱いイオン注入領域１ａ中のみに発生し、サファイア基板１やＧａＮ層２にはクラックや割れは発生していない。
【００４９】
さらにレーザ光の照射工程を続けていくと、中央までレーザ照射しなくても、周囲から１ｃｍぐらい内側までレーザ照射した段階で、基板中央付近に応力が集中して、クラック１２がイオン注入領域１ａ全体に伸展した。その結果、サファイア基板１からＧａＮ層２が剥離された（図１（ｆ））。剥離によって、サファイア基板１、ＧａＮ層２ともに、反りが解消された。
【００５０】
このように、レーザ光照射などを行わなくとも、内部応力によっていわば自動的に剥離することを、自動剥離と呼ぶこととする。ＧａＮ層２の裏側の主面には、Ｇａ１１やサファイア片１３が付着している。
【００５１】
なお、どの時点でＧａＮ層２が剥離するかはイオン注入量や、照射スポット中心間隔やピッチなどにより変化する。イオン注入量が大きいほど、また、レーザを密に照射するほど、レーザ照射の早い段階で自動剥離が起こった。また、ペルチェ素子や液体窒素などで基板を室温より冷却すると自動剥離が早い段階で起こる。
【００５２】
従来のレーザ照射によるＧａＮ剥離のように、基板全体をくまなく照射する場合は、１ｍｍ径の円形ビームでは、ピッチやスポット間隔を０．８ｍｍ程度以下にする必要があり、１枚のウェハの照射で約５分必要である。しかも、この時間に基板温度を上昇、下降させる時間を加える必要があった。
【００５３】
これに対して、本実施の形態のように、スポット間隔やピッチを離した照射では、基板中央までレーザ照射しても、レーザ照射スポット数をおおよそ１／６とすることができ、１枚のウェハを照射する時間は約５０秒と著しく低減することができる。しかも、本実施の形態では、周囲から１ｃｍぐらい内側まで照射した段階でＧａＮ層２が自動剥離を開始し、スキャン時間はわずか２０秒程度であった。
【００５４】
最後に、ＧａＮ層２を３５％ＨＣｌ溶液に３０分浸すことにより、Ｇａ１１を溶解した。また、研磨によってサファイア片１３と、Ｇａ１１が存在してできた凹凸を除去して、完全に単体からなるＧａＮ基板２が得られた（図１（ｇ））。
【００５５】
なお、本実施の形態１において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光に替えて、ＧａＮに光を吸収され、サファイアを透過し、かつＧａＮを昇華するのに十分なパワーを有する光を用いても良いことはいうまでもない。このような光源の例として、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザ（３５１ｎｍ）、窒素レーザ（３３７ｎｍ）などがある。
【００５６】
なお、本実施の形態ではレーザ光を重ねずに照射したが、レーザ光を重ねて照射しても、同様に、クラックやわれの発生なくＧａＮ基板２が得られることはいうまでもない。
【００５７】
（実施の形態２）
以下、図３を用いて実施の形態２について説明する。実施の形態２は、注入イオンを水素に替えてシリコンとする以外は、実施の形態１と全く同様である。
【００５８】
図３（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイアであり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。
【００５９】
このサファイア基板１にシリコンイオンを注入する（図３（ｂ））。領域１ａがシリコンの注入領域である。注入量は１ｘ１０16ｉｏｎ／ｃｍ2とし、注入は基板を５°傾けて実施した。加速電圧は２００ｋｅＶとした。サファイア基板にシリコンをイオン注入することによって、水素と同様、サファイアの構成元素であるＡｌとＯの結合が切断されたり、原子間にシリコンが導入されたりする。その結果、イオンが注入されていない領域に比べ、イオン注入した領域の平均的な原子結合力を相対的に弱くした領域を形成することができる。
【００６０】
水素イオンと同様、好ましいシリコンイオンの注入量の範囲を検討すると、１ｘ１０14ｉｏｎ／ｃｍ2から１ｘ１０18ｉｏｎ／ｃｍ2である。
【００６１】
イオン注入時の注入角度は、チャネリング効果により注入したシリコンが奥深く注入されることを防ぐため、好ましくは、サファイアの（０００１）面から２°以上傾ける。
【００６２】
イオン注入時の加速電圧は特に限定するものではないが、加速電圧が低いとサファイア表面付近のダメージが大きくなる。ただし、シリコンは水素より原子量が大きいため、表面付近にダメージが集中しやすく好ましくは５０ｋｅＶ以上とする。
【００６３】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。アンモニアと、Ｇａ金属とＨＣｌとを原料とするＨＶＰＥ法によりＧａＮの成長を行った。１５分間のＧａＣｌ処理の後、アンモニアを導入してＧａＮ層２の成長を実施する。ＧａＮ層２の厚さが２００μｍとなるまで成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図３（ｃ））。
【００６４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態１と同じ装置、照射方法を用いた。その結果、サファイア基板１から、ＧａＮ層２が剥離された（図３（ｄ））。ＧａＮ層２の裏面には、Ｇａ１１およびサファイア片１３が付着していた。
【００６５】
最後に、ＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、サファイア片１３およびＧａＮ層２の凹凸を研磨で除去して、単体のＧａＮ基板２を得た（図３（ｅ））。
【００６６】
以上により、シリコンイオン注入でも水素イオン注入と同様の効果が得られることが確認された。なお、金や銀などの重金属等を注入すると、窒化物半導体デバイスを形成したとき、金や銀がデバイス中に侵入し深い準位を形成して特性の劣化を招くことが知られているが、シリコンや水素ではこのような問題は発生しないことはいうまでもない。
【００６７】
（実施の形態３）
以下、図４を参照しながら実施の形態３について説明する。実施の形態３は、イオン注入時に線状に連なったパタニングを行う例について示している。
【００６８】
図４（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイアであり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。
【００６９】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する工程を実施する（図４（ｂ、ｃ、ｄ））。
【００７０】
まず、図４（ｂ−１）に示すようにレジストによるマスク７を設ける。マスク７の形状は、図４（ｂ−２）の概略図に示すように渦巻き螺旋状である。渦巻き螺旋のピッチは２ｍｍ、幅は０．５ｍｍとした。
【００７１】
なお、イオン注入後、マスク７を除去後のイオン注入領域の判別を容易にするため、渦巻き螺旋の出発点はオリフラ位置などで確認できるようにマスクあわせを行うことが好ましい。
【００７２】
次に、図４（ｃ）に示すように水素イオンを注入した。水素イオンの注入量は１ｘ１０16ｉｏｎ／ｃｍ2とし、注入は基板を５°傾けて実施した。加速電圧は２００ｋｅＶとした。サファイア基板１の主面でマスク７が存在しない部分はイオンが注入された領域１ａが形成される。マスク７が存在する部分には、水素イオンが阻止されることで水素イオンの注入量が低減され、より好ましくは、ほとんど注入が行われず、原子結合がほぼ保存されている領域１ｂ（以下実施の形態５までは、イオン注入されていない領域１ｂないしは単に領域１ｂと呼ぶ）が形成される。
【００７３】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図４（ｄ））。
【００７４】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。実施の形態１と同じ方法で、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図４（ｅ））。
【００７５】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態１と同じ装置を用い、室温で行った。レーザ照射位置は、イオン注入なされていない領域１ｂが隙間なく照射されるよう、照射開始位置と回転速度、光軸の走査速度を調整しながら、周囲から中央に向かってレーザ照射を行った。具体的に、レーザスポットサイズが１ｍｍであるため、螺旋渦巻き状の領域１ｂを隙間なく照射するには、スポット間隔がおおよそ０．８ｍｍとなるよう回転速度を調整する。より好ましくは、線速度一定となるよう回転させる。また、基板一周で２ｍｍピッチとなるよう、光軸の走査速度も調整する。
【００７６】
なお、イオン注入を行った領域１ａには外観上大きな変化はないが、イオン注入位置は若干屈折率や吸収係数が異なるため、可視光でも光の当て方などを調整することで確認することは可能である。イオン注入位置の吸収係数は、２００ｎｍ程度の紫外域で顕著となるため、紫外線を検知するカメラなどで確認すればより判断が容易となる。
【００７７】
図４（ｆ）は、照射工程途中の断面図である。図を明瞭に示すため、ハッチングを施していない。レーザ光照射を行った領域には、ＧａＮ層２の分解により生じた、Ｇａ１１が形成される。また、ＧａＮ層２の分解により生じた窒素ガスの圧力と、熱膨張係数差による応力集中とによって、イオン注入された領域１ａにはクラック１２を生じる。
【００７８】
一方、イオン注入されていない領域１ｂは、サファイアが強固なためクラック１２が伸展しない。そのため、基板のレーザ光を照射して、クラック１２を生じても、クラック１２は領域１ｂで停止して、ＧａＮ層２全体に渡る自動剥離には至らない。
【００７９】
本実施の形態では、中央までレーザ照射を完了した段階ではじめて完全に剥離が起こり、サファイア基板１からＧａＮ層２が分離された（図４（ｇ））。
【００８０】
最後にＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、サファイア片１３とＧａＮ層２の裏面の凹凸を研磨によって除去して、ＧａＮ基板２を得た（図４（ｈ））。
【００８１】
なお、実施の形態１のように、レーザ照射の途中でＧａＮ層２が自動的に剥離される場合、剥離が起こる段階が一定でないため、ＧａＮ層２の裏面に付着するサファイア片１３の形状が毎回異なってしまう。ＧａＮ層２の裏面のサファイア片１３を除去するための裏面の研磨工程において、自動剥離したＧａＮ層２では、個々のＧａＮ層２とサファイア片１３に合わせた条件で、一枚ずつ裏面の研磨仕上げを行う必要がある。一方、本実施の形態では、裏面の形状がほぼ一定のものが得られるため、同一バッチ処理で複数枚のＧａＮ基板２の裏面の研磨仕上げを行うことが可能であった。したがって、量産においては本実施の形態の工法が適する。
【００８２】
なお、イオン注入が行われていない領域１ｂは、連なった形状とすることで、レーザ光の走査が容易となり、好ましい。例えば、放射状、ストライプ状、等のパターンとするのが好ましい。さらには、本実施の形態の渦巻き螺旋のような一筆書きが可能なパターンとするのが最も好ましい。
【００８３】
なお、イオン注入が行われている領域１ａとイオン注入が行われていない領域１ｂには、好ましい面積の関係がある。具体的には領域１ａに比して領域１ｂが狭すぎる場合には、剥離が起こりにくくなり、窒化物半導体ウェハを得ることが困難となる。逆に、領域１ａに比して領域１ｂが広すぎる場合には、自動剥離可能な部分、すなわち領域１ａの面積が小さいため、応力が自動剥離によって開放されず、照射の途中でＧａＮ層２にクラックや割れを生じてしまうことがある。このような事情から、室温照射において、好ましい面積の関係は、領域１ａの面積が領域１ｂの面積の１／５倍から５０倍の間である。
【００８４】
（実施の形態４）
以下、図５を参照しながら実施の形態４について説明する。実施の形態４は、イオン注入時に複数に分散した形状のパタニングを行う例について示している。
【００８５】
図５（ａ）の基板１は実施の形態１と同様のサファイアである。
【００８６】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する工程を実施する（図５（ｂ、ｃ、ｄ））。
【００８７】
まず、図５（ｂ−１）に示すようにマスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、図５（ｂ−２）の概略図に示すように円形のドット状である。平面を敷き詰める一辺２ｍｍの正三角形の各頂点にマスク７によるドットが位置するようになっている。隣り合うマスク７の中心間隔は２ｍｍ、一つのマスク７の径は０．５ｍｍである。
【００８８】
なお、イオン注入後、マスク７を除去するとイオン注入領域の判別を容易にするため、マスク７の位置や方向がオリフラ位置などで確認できるようにマスクあわせを行うことが好ましい。
【００８９】
なお、個々のマスク７の形状は、後のレーザのスポットサイズに収まる形状であれば、多角形や不定形などでも良い。
【００９０】
なお、マスク７を基板端に設けると、基板端においては後述のレーザ光照射工程でレーザ光が均一に照射されないので、マスク７は基板端に設けないことが好ましい。好ましくは５０μｍ以上基板端より内側にマスク７を設けるのが良い。
【００９１】
次に、図５（ｃ）に示すように水素イオンを注入した。水素イオンの注入量や注入条件は実施の形態１と同じである。
【００９２】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図５（ｄ））。
【００９３】
次に実施の形態１と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図５（ｅ））。
【００９４】
つぎに、第３の工程であるレーザ光照射による基板分離の工程を行う。レーザ光の照射は、２次元の光軸走査が可能な装置を用いて、室温で行った。レーザ照射位置は、イオン注入なされていない領域が照射されるよう光軸走査を行った。
【００９５】
例えば、以下のような方法で照射を行うことが可能である。
【００９６】
イオンが注入されていない領域１ｂは、図５（ｂ−２）のマスク７と同じ並び方をしている。そこで、１０Ｈｚのレーザを用いた場合、初回照射位置を基板端のイオンが注入されていない領域１ｂにあわせ、基板回転は行わずに、最近接の領域１ｂが並んでいる方向に線速度毎秒２ｃｍで光軸を走査すれば、レーザ照射が領域１ｂに同期して行われる。以下、同様の照射を繰り返せば基板全面を照射することができる。
【００９７】
本実施の形態では、照射は、基板の外から内にかけて行った。領域１ｂは６回対称に並んでいるため、最も外の領域１ｂを含む正六角形を考え、この正六角形に沿って光軸走査とレーザ光照射を行い、次第に内側の六角形へと照射を行えばよい。
【００９８】
なお、マスク７の大きさや間隔によっては、外周の領域１ｂが必ずしも六角形に並んでいないことがあるが、マスク７のパターンを仮に外挿し、六角形を想定して走査すればよい。
【００９９】
なお、領域１ｂは３回対称とも見なせるので、正三角形に光軸を走査してもよい。
【０１００】
なお、領域１ｂは２回対称とも見なせるので、前述の六角形の一対の対辺を、互い違いに外側から内側に向けて走査しても良い。
【０１０１】
図５（ｆ）は、レーザ照射工程途中の断面図である。図を明瞭に示すため、ハッチングは施していない。実施の形態３と同様、ＧａＮ層２の分解により生じたＧａ１１が形成されるとともに、窒素ガスの発生と、熱膨張係数差による応力集中とによって、イオン注入された領域１ａにはクラック１２を生じる。
【０１０２】
一方、イオン注入されていない領域１ｂではクラック１２が伸展せず、領域１ｂで停止して、ＧａＮ層２全体に渡る自動剥離には至らない。
【０１０３】
本実施の形態では、中央までレーザ照射を完了した段階ではじめて完全に剥離が起こり、サファイア基板１からＧａＮ層２が分離された（図５（ｇ））。
【０１０４】
最後にＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、研磨を行ってサファイア片１３を除去することで、単体のＧａＮ基板２を得た（図５（ｈ））。
【０１０５】
なお、本実施の形態のイオン注入領域の形状とレーザ照射方法に限らず、イオン注入領域を複数に分散配置して、レーザ照射を複数配置したイオン注入領域に同期して照射することで、効率よくレーザ照射を行えることはいうまでもない。より好ましくは本実施の形態のように、イオン注入されていない領域１ｂを周期的に配置することによって、より効率的に光軸を走査して、領域１ｂへのレーザ光の照射を行うことができる。
【０１０６】
本実施の形態においても、裏面の形状がほぼ一定のものが得られるため、同一バッチ処理で複数枚のＧａＮ基板２の裏面の研磨仕上げを行うことが可能である。
【０１０７】
（実施の形態５）
以下、図６を参照しながら実施の形態５について説明する。実施の形態５は、レーザ照射方法を変更した実施の形態４の変形について示している。
【０１０８】
図６（ａ）の基板１は実施の形態４と同様のサファイアである。
【０１０９】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する工程を実施する（図６（ｂ、ｃ、ｄ））。
【０１１０】
まず、図６（ｂ）に示すようにマスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、実施の形態４と同様で、隣り合うマスク７の中心間隔は２ｍｍ、各マスク７の径は０．５ｍｍとした。
【０１１１】
次に、図６（ｃ）に示すように水素イオンを注入した。水素イオンの注入量や注入条件は実施の形態４と同じである。イオン注入された領域１ａと、イオン注入されない領域１ｂが形成された。
【０１１２】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図６（ｄ））。
【０１１３】
次に実施の形態４と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図６（ｅ））。
【０１１４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。光学系、回転機構は、図２の装置を用いた。ただし、レーザパワーの大きなＫｒＦエキシマレーザ装置を用い、ビーム径は５ｍｍ、ビームパワーは３Ｊとした。パルス幅は３０ｎｓである。ＫｒＦエキシマレーザ装置においても、ＧａＮを昇華させるのに必要なパワーはＮｄ：ＹＡＧレーザとほぼ同じ傾向である。本実施の形態では、ビーム径が５倍となっているが、ビームパワーも３０倍となっており、５の２乗である２５倍以上大きくなっている。そのため光密度としては実施の形態１より低下しておらず、ＧａＮを昇華させるのに充分である。
【０１１５】
本実施の形態では、照射スポットが互いに重なるように、回転方向の照射スポット間隔、半径方向の照射スポットのピッチを４ｍｍとした。この方法によれば、一度の照射で複数の注入されていない領域１ｂを照射することとなる。照射は外側から内側に向けて行った。
【０１１６】
図６（ｆ）は、レーザ照射工程途中の断面図である。レーザ光の照射によりＧａＮ層２は、サファイア基板１との界面付近でＧａ１１と窒素ガスに分解される。そのため、レーザスポット周辺のイオン注入された領域には、応力が集中しクラック１２を生じる。Ｇａ１１とサファイア基板１およびＧａＮ１１とＧａＮ層２とは結合が弱く、特にサファイア基板１との結合が弱いため、ＧａＮ層２は、サファイア基板１から分離される。その際、窒素は外へと開放される。しかし、イオン注入されていないサファイアは強固なため、基板全体に渡る自動剥離には至らない。
【０１１７】
そのため、本実施の形態では、イオン注入されていない領域１ｂの全てを照射した段階ではじめてサファイア基板１から完全にＧａＮ層２が剥離された（図６（ｇ））。
【０１１８】
最後にＧａ１１をＨＣｌによって除去して単体のＧａＮ基板２を得た（図６（ｈ））。
【０１１９】
本実施の形態では、基板全体が照射されているが、レーザのビーム径が４倍と大きく、ビーム面積は１６倍も大きい。したがって、一度に複数の領域１ｂを照射している。一照射で複数の領域１ｂを照射することによって、実施の形態５では、実施の形態４に比べて照射数を約１／４とすることができた。本実施の形態では基板全体を照射しているため、特別な位置合わせなどの必要がなく、レーザ以外は比較的安価な設備で実施することが可能である。なお、一照射で複数のドットを照射させる場合でも、ドットに同期させてレーザを照射することで、より少ない照射数で剥離が可能であることはいうまでもない。
【０１２０】
（実施の形態６）
図７を参照しながら、本発明の第６の実施の形態におけるＧａＮ基板の製造方法を説明する。本実施の形態は、イオン注入に変えてプラズマ照射を用いる以外は実施の形態１と全く同じである。
【０１２１】
図７（ａ）の基板１は実施の形態１と同じサファイア基板１である。
【０１２２】
まず、第１の工程であるプラズマ照射工程を行う。
【０１２３】
このサファイア基板１に酸素プラズマを１０分間照射し、プラズマ照射によって原子結合が切断された領域１ａ（以下、プラズマ照射領域１ａないしは単に領域１ａと呼ぶ）を得る（図７（ｂ））。プラズマの密度や圧力等の条件により、プラズマ照射に必要な照射時間が異なる。プラズマ照射の場合は、プラズマの状態がプラズマの発生方法や装置に大きく依存し、イオン注入と違って一義的な定義はできない。
【０１２４】
例えば、本実施の形態では、電極面積１０００ｃｍ2の円形電極による平行平板ＲＦプラズマで、ＲＦパワーを２００Ｗ、酸素流量を１０ｓｃｃｍ、圧力を５Ｐａとして検討を行っている。このとき、プラズマ照射に必要な時間は３０秒から２時間であった。３０秒未満では、プラズマ照射した領域の原子結合力を弱くする量が不十分であり、２時間より長い時間では表面にダメージが発生して、上に単結晶のＧａＮ層を成長させることが困難となる。
【０１２５】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。実施の形態１と同じＨＶＰＥ法により２００μｍの厚さＧａＮ層２の成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図７（ｃ））。
【０１２６】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射に関して、その方法、装置、条件は実施の形態１と全く同じであり、図７（ｄ）の概略図に示すように照射スポットの回転方向の中心間隔および半径方向の中心間隔を２ｍｍ放して照射されるように回転速度や光軸の走査速度を調整した。
【０１２７】
実施の形態１と同様、レーザ光の照射を続けていくと、中央までレーザ照射しなくても、周囲から１ｃｍぐらい内側までレーザ照射した段階で、基板中央付近に応力が集中して、サファイア基板１からＧａＮ層２が剥離され、Ｇａ１１とサファイア片１３が付着したＧａＮ基板２が得られた（図７（ｅ））。
【０１２８】
最後にＨＣｌによってＧａ１１を溶解し、サファイア片１３とＧａＮ層２の凹凸を研磨によって除去して、単体のＧａＮ基板２を得た（図７（ｆ））。
【０１２９】
以上により、プラズマ照射によりサファイアの結合を弱めても、イオン注入と全く同じ効果が得られることが示された。
【０１３０】
（実施の形態７）
図８を用いて本実施の形態７について説明する。実施の形態７は、照射プラズマを水素ないしはヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンとする以外は、実施の形態６と全く同様である。
【０１３１】
図８（ａ）の基板１は実施の形態６と全く同様の、直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイア基板である。
【０１３２】
このサファイア基板１を５枚準備し、それぞれ、水素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンのプラズマを１０分間照射し、プラズマ照射領域１ａを得た（図８（ｂ））。
【０１３３】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。それぞれのサファイア基板１に、実施の形態６と同じくＧａＮ層２の厚さが２００μｍとなるまで成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図８（ｃ））。
【０１３４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態６と同じ装置、照射方法を用いた。その結果、いずれのプラズマを照射した場合も、サファイア基板１から、ＧａＮ層２が剥離され、Ｇａ１１とサファイア片１３が付着したＧａＮ基板２が得られた（図８（ｄ））。
【０１３５】
最後にＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、研磨によりサファイア片１３とＧａＮ層２の凹凸を除去して、ＧａＮ基板２が得られた（図８（ｅ））。
【０１３６】
以上により、水素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンのプラズマでも酸素プラズマと同様の効果が得られることが確認された。また、得られたＧａＮ基板２にデバイスを形成しても、窒化物半導体デバイスに重金属等が導入されたときのような、特性の劣化などの問題は発生しない。また、水素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンのプラズマでも好ましい照射時間は実施の形態６と同じ事情で３０秒から２時間である。
【０１３７】
（実施の形態８）
以下、図９を参照しながら実施の形態８について説明する。実施の形態８は、実施の形態３でイオン注入に変えてプラズマ照射を行うことと、マスクとしてＳｉＯ2を用いる以外は、実施の形態３と同じである。
【０１３８】
図９（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイアであり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。
【０１３９】
このサファイア基板１に酸素プラズマを照射する工程を実施する（図９（ｂ、ｃ、ｄ））。
【０１４０】
まず、図９（ｂ）に示すように１００ｎｍのＳｉＯ2マスク７を設ける。ＳｉＯ2マスク７の形状は、実施の形態３におけるレジストマスク７と同じ渦巻き螺旋である。また、ＳｉＯ2層のパタニングは、フォトリソグラフィーとフッ酸などによるエッチングにより行った。ＳｉＯ2層の形成はＲＦスパッタで行っている。なお、ＳｉＯ2層の形成は、熱ＣＶＤ法や蒸着など他の方法でも良いし、後述のプラズマ照射に耐えうる材料や製法であれば、例えばＳｉＮ等でも良い。
【０１４１】
次に、図９（ｃ）に示すように酸素プラズマを１０分間照射した。プラズマの条件は実施の形態６と同じである。サファイア基板１の主面でマスク７が存在しない部分はプラズマ照射領域１ａが形成される。マスク７が存在する部分には、酸素プラズマが阻止されることでほとんど酸素プラズマが照射されず、原子結合がほぼ保存された領域１ｂ（以下プラズマ非照射領域１ｂないしは単に領域１ｂと呼ぶ）が形成される。なお、酸素プラズマはレジストをエッチングするのでＳｉＯ2をマスクとしたが、水素や希ガスのプラズマであれば、レジストをマスクとしても良いことは言うまでもない。
【０１４２】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図９（ｄ））。
【０１４３】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。実施の形態３と同じ方法で、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図９（ｅ））。
【０１４４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態３と同じ装置、方法を用い、プラズマ非照射領域１ｂへの照射を行った。中央までレーザ照射を完了した段階ではじめて完全に自動剥離が起こり、サファイア基板１から完全にＧａ１１およびサファイア片１３が付着したＧａＮ層２が剥離された（図９（ｆ））。
【０１４５】
最後に、Ｇａ１１をＨＣｌで溶解し、サファイア片１３と凹凸を研磨で除去して単体のＧａＮ基板２を得た（図９（ｇ））。
【０１４６】
以上のように、イオン注入に替えてプラズマ照射でも、同様の効果が得られることが確認できた。なお、プラズマ非照射領域１ｂの最も好ましい形状は、本実施の形態の渦巻き螺旋のような一筆書きが可能なパターンであるが、放射状、ストライプ状、他のパターンでもよいことは言うまでもない。
【０１４７】
なお、プラズマ照射領域１ａとプラズマ非照射領域１ｂには、イオン注入と同様の好ましい面積の関係がある。室温でレーザ光照射をする場合は、好ましい面積の関係として、領域１ａの面積を領域１ｂの面積の１／５倍から５０倍の間とするのがよい。
【０１４８】
（実施の形態９）
以下、図１０を参照しながら実施の形態９について説明する。実施の形態９は、実施の形態４のイオン注入に替えてプラズマ照射を行った場合について示している。
【０１４９】
図１０（ａ）の基板１は実施の形態４と同様のサファイアである。
【０１５０】
このサファイア基板１に酸素プラズマを照射する。
【０１５１】
まず、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2層マスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、実施の形態４と同じである。
【０１５２】
次に、図１０（ｃ）に示すように酸素プラズマを照射した。酸素プラズマの照射量や注入条件は実施の形態６と同じである。
【０１５３】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図１０（ｄ））。
【０１５４】
次に実施の形態４と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図１０（ｅ））。
【０１５５】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射方法などは、実施の形態４と全く同様である。
【０１５６】
本実施の形態では、全てのドットの照射を完了した段階ではじめてサファイア基板１から、Ｇａ１１とサファイア片１３が付着したＧａＮ層２が剥離された（図１０（ｆ））。
【０１５７】
最後に、ＨＣｌを用いてＧａ１１を溶解し、研磨でサファイア片１３と凹凸を除去して、単体のＧａＮ基板２を得た（図１０（ｇ））。
【０１５８】
以上のように、周期的なプラズマ非照射領域を用いても、イオン注入と同様の効果が得られた。
【０１５９】
（実施の形態１０）
以下、図１１を参照しながら実施の形態１０について説明する。実施の形態１０は、実施の形態５のイオン注入に替えてプラズマ照射を行った場合について示している。
【０１６０】
図１１（ａ）の基板１は実施の形態５と同様のサファイアである。
【０１６１】
このサファイア基板１に酸素プラズマを照射する工程を実施する（図１１（ｂ、ｃ、ｄ））。
【０１６２】
まず、図１１（ｂ）に示すようにＳｉＯ2マスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、実施の形態５と同様で、隣り合うドットの中心間隔は２ｍｍ、ドットの径は０．５ｍｍとした。
【０１６３】
次に、図１１（ｃ）に示すように酸素プラズマを１０分照射した。酸素プラズマの照射条件は実施の形態６と同じである。プラズマ照射領域１ａと、プラズマ非照射領域１ｂとが形成された。
【０１６４】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図１１（ｄ））。
【０１６５】
次に実施の形態５と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図１１（ｅ））。
【０１６６】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。実施の形態５と全く同様、ＫｒＦエキシマレーザを用い、サファイア基板１からＧａ１１が付着したＧａＮ層２が剥離できた（図１１（ｆ））。
【０１６７】
最後に裏面のＧａ１１をＨＣｌによって溶解して単体のＧａＮ基板２を得た（図１１（ｇ））。
【０１６８】
以上実施の形態６から実施の形態１０で示したように、プラズマ照射でも、イオン注入とほとんど同様の効果が得られる。プラズマ照射の場合、プラズマ発生源の装置依存性などがあり、装置により好ましい照射時間などの条件が若干変化するという課題があるものの、イオン注入より比較的簡易な装置で、サファイアの原子結合を弱めることができるというメリットがある。
【０１６９】
なお、以上の実施の形態において、ＧａＮ層２に替えて、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層やＡｌＩｎＧａＮ層を成長させることによって、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮ基板を得ることができることは言うまでもない。
【０１７０】
なお、以上の実施の形態においてはサファイアなどの母材基板にイオンを注入しているが、予めサファイアなどの上にＧａＮ層などを設けた基板を母材基板として、イオン注入を行っても良いことは言うまでもない。すなわち、サファイア上にＧａＮ層を成長し、ＧａＮ／サファイア基板にイオン注入を行い、その上にＧａＮ層を厚く成長させた後、レーザ照射を行っても同様の効果が得られることは、言うまでもない。
【０１７１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、レーザ照射による母材基板から窒化物半導体層の剥離を用いて、クラックや割れのない窒化物半導体基板を量産性よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）〜（ｇ）本発明の実施の形態１における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｄ）本発明の実施の形態１における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射機構を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態２における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図４】（ａ）、（ｂ−１）、（ｃ）〜（ｈ）本発明の実施の形態３における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｂ−２）本発明の実施の形態３における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図５】（ａ）、（ｂ−１）、（ｃ）〜（ｈ）本発明の実施の形態４における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｂ−２）本発明の実施の形態４における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図６】本発明の実施の形態５における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図７】（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）本発明の実施の形態６における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｄ）本発明の実施の形態６における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図８】本発明の実施の形態７における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態８における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態９における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図１１】本発明の実施の形態１０における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【符号の説明】
１ 母材基板
１ａ 原子結合が切断された領域
１ｂ 原子結合が保存された領域
２ 窒化物半導体層
３ レーザ装置
４ 回転機構
５ スキャンレンズ
６ 集光手段
７ マスク
８ レーザ照射位置
１０ レーザ光
１１ Ｇａ
１２ クラック
１３ サファイア片
【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や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および窒化物半導体基板の製造用母材基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体は、青色や緑色のＬＥＤや、青色半導体レーザ、高温動作可能な高速トランジスタなどに用いる材料として好適である。窒化物半導体を成長させるための基板としては、従来よりサファイア基板（例えば、特許第３０９１５９３に開示）などが知られているが、サファイアなど異種基板上へ窒化物半導体の成長では、窒化物半導体と異種材料基板との熱膨張係数の差によって、基板の反り、クラックの発生、それらに伴う結晶性の悪化が発生することが知られている。
【０００３】
そこで近年、窒化物半導体基板上にデバイスを作製することで、上記諸問題を解決させる試みがなされている。窒化物半導体基板の作製方法の一つとして、母材基板上に窒化物半導体層を厚く形成し、レーザ光によって窒化物半導体層を母材基板界面で局所的に加熱し、昇華させ、母材基板から窒化物半導体層を剥離させることが検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、レーザ光によって剥離を行う場合、レーザ光の照射サイズは基板の面積より小さく、レーザ光を走査する必要がある。この際、下記の課題が存在した。
【０００５】
それは、レーザ光の走査の途中では、窒化物半導体層と母材基板の一部が剥離され、他の部分で接触したままであるという状態になり、その際、窒化物半導体層と母材基板の接触が残っている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課題が存在した。そのため、室温付近でレーザ光照射で歩留よく窒化物半導体基板を製造することが困難であった。それを回避するため基板温度を上昇させる技術が知られているが、それでは、基板の昇温、降温に時間がかかり、非常に量産性に課題があった。
【０００６】
さらには、レーザ光は小さく集光されているため、基板全体を剥離するためには効率よいレーザ照射を行う方法を提供する必要があった。具体的に、レーザ光は窒化物半導体の昇華を起こすために光密度を１平方センチメートルあたり約０．１Ｊ以上とする必要があり、それを達成するためレーザ光のビーム径が小さく集光されている。そのため、ビーム径は基板面積より小さく、レーザ光を走査する必要がある。窒化物半導体層全体を剥離するには、時間をかけて基板を細かく走査しながら窒化物半導体層全体にビームを照射する必要があり、しかも、一度に多数枚処理を行う、いわゆるバッチ処理ができない。したがって、クラックの発生を防ぎつつも、照射工程では従来より効率よくレーザ照射を行う方法を提供する必要があった。
【０００７】
上記に鑑み、本発明は、レーザ光照射による窒化物半導体基板の製造において、レーザ光照射に要する時間を著しく低減させ、かつ窒化物半導体層中にクラックなどを発生させることなく窒化物半導体基板を得る手段を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、以下に示す構成よりなるものである。
【０００９】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板主面に、水素又はシリコンのイオン注入によって前記母材基板を構成する材料の原子結合が切断された領域を設ける第１の工程と、前記母材基板上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、前記母材基板と前記窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射する第３の工程とを
有する、ことを特徴とする。
【００１０】
このようにすることで、レーザ照射途中で窒化物半導体層中に発生する応力は原子結合が切断された領域が剥離することで開放されるので、窒化物半導体層中にクラックや割れが発生することがない。さらには、前述の応力による窒化物半導体層の剥離によって、窒化物半導体層全面をレーザ走査することなく窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になるので窒化物半導体基板の量産性を向上させることができる。
【００１２】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、前記第１の工程は、母材基板主面にイオン注入された第１の領域と、前記第１の領域よりイオン注入量が少ないないしはイオン注入されない第２の領域とを設ける工程とし、前記第３の工程は、少なくとも前記第２の領域に前記レーザ光を照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、窒化物半導体層全面を照射することなくより確実に窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になるので窒化物半導体基板の量産性を向上させることができる。
【００１３】
かかる構成につき、前述のイオン注入量が少ない第２の領域は線状に連なっており、前記第３の工程は前記レーザ光を前記第２の領域に沿って走査する工程とすることが好ましい。このようにすることで効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００１４】
かかる構成につき、前述のイオン注入量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の光軸を前記第２の領域に同期して走査しつつ前記レーザ光をパルス照射する工程とすることが好ましい。このようにすることでパルスレーザを用いて効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００１５】
かかる構成につき、前述のイオン注入量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の一照射により複数の前記の第２の領域に照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、より短い照射時間で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、母材基板はサファイアとする。このようにすることで、窒化物半導体層の特性を劣化させるような汚染を生じずに、サファイアの原子結合を切断し、原子結合が弱い領域を形成することができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、母材基板主面に、水素、酸素又は希ガスのプラズマ照射によって前記母材基板を構成する材料の原子結合が切断された領域を設ける第１の工程と、前記母材基板上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、前記母材基板と前記窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射する第３の工程とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、前記第１の工程は、母材基板主面にプラズマ照射された第１の領域と、前記第１の領域よりプラズマ照射量が少ないないしはプラズマ照射されない第２の領域とを設ける工程とし、前記第３の工程は、少なくとも前記第２の領域に前記レーザ光を照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、窒化物半導体層全面をレーザ照射することなくより確実に窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になるので窒化物半導体基板の量産性を向上させることができる。
【００１９】
かかる構成につき、前述のプラズマ照射量が少ない第２の領域は線状に連なっており、前記第３の工程は前記レーザ光を前記第２の領域に沿って走査する工程とすることが好ましい。このようにすることで効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００２０】
かかる構成につき、前述のプラズマ照射量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の光軸を前記第２の領域に同期して走査しつつ前記レーザ光をパルス照射する工程とすることが好ましい。このようにすることでパルスレーザを用いて効率的な光軸の走査で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００２１】
かかる構成につき、前述のプラズマ照射量が少ない第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の一照射により複数の前記の第２の領域に照射する工程とすることが好ましい。このようにすることで、より短い照射時間で窒化物半導体層の剥離を行うことが可能になる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、前記母材基板をサファイアとする。このようにすることで、窒化物半導体層の特性を劣化させるような汚染を生じずに、サファイアの原子結合を切断し、原子結合が弱い領域を形成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１を参照しながら、本発明の第１の実施の形態におけるＧａＮ基板の製造方法を説明する。
【００２５】
図１（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンのサファイア（酸化アルミニウムの単結晶）であり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。表面の面方位は（０００１）面である。
【００２６】
基板１はサファイアより構成されており、サファイアのバンドギャップは８．７ｅＶであるため、バンドギャップに相当するエネルギーの１４２．５ｎｍより大きな波長の光は透過する。そのため、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光や波長３５５ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの３次高調波光を透過することができる。
【００２７】
まず、第１の工程であるイオン注入工程を行う。
【００２８】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する（図１（ｂ））。イオン注入によって、原子結合が切断された領域１ａ（以下実施の形態５までは、イオン注入した領域１ａないしは単に領域１ａと呼ぶ）が形成された。注入量は１ｘ１０16ｉｏｎ／ｃｍ2とし、注入は基板を５°傾けて実施した。加速電圧は２００ｋｅＶとした。サファイア基板に水素をイオン注入することによって、サファイアの構成元素であるＡｌとＯの結合が切断される。切断された原子間に水素が導入されたりすることもある。それらの結果、イオンが注入されていない領域に比べ、イオン注入した領域の平均的な原子結合力を相対的に弱くすることができる。
【００２９】
なお、注入量が少ない場合は、基板表面付近で原子間の結合が切れて原子結合が弱くなる量が少なくなり、後述のレーザ照射時に窒化物半導体層２と母材基板１との剥離を効率的に行うことが困難となる。一方、注入量が多い場合は、基板表面が窒化物半導体層を成長させる前から母材基板の一部が剥がれ、剥がれた微細な粒子が表面に再付着して窒化物半導体層の成長に悪影響を及ぼすことがある。このような事情から、好ましい注入量の範囲を検討すると１ｘ１０14ｉｏｎ／ｃｍ2から１ｘ１０18ｉｏｎ／ｃｍ2である。
【００３０】
なお、イオン注入時の注入角度は、チャネリング効果により注入した水素が奥深く注入されることを防ぐため、サファイアの（０００１）面から２°以上傾けた面からイオンを入射することが好ましい。
【００３１】
なお、イオン注入時の加速電圧は特に限定するものではないが、加速電圧が低いとサファイア表面付近のダメージが大きくなるため、２０ｋｅＶ以上とすることが好ましい。
【００３２】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。アンモニアと、Ｇａ金属とＨＣｌを約９００℃程度の高温で反応させて生じるＧａＣｌとを原料とするハイドライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法と称する）によりＧａＮの成長を行った。圧力は大気圧下で成長を行った。
【００３３】
サファイア上へＧａＮの核形成密度を増加させるため、ＧａＮの成長に先立って基板温度を１０００℃に保ち、ＧａＣｌのみを１５分間供給する（以下、このプロセスをＧａＣｌ処理と呼ぶ）。なお、核形成密度を増加させる目的では、ＧａＣｌ処理に替えて低温バッファ層やアンモニアでサファイアを窒化する処理を行っても良いし、これらを組み合わせても良い。
【００３４】
ＧａＣｌ処理後、アンモニアを導入してＧａＮ層２の成長を開始する。ＧａＮ層２の厚さが２００μｍとなるまで成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図１（ｃ））。
【００３５】
サファイア基板１の上にＧａＮ層２を高温で成長し、室温まで降温した結果、サファイアとＧａＮの熱膨張係数差による反りが生じる。ＧａＮよりサファイアの方が熱膨張係数が大きいので、ＧａＮ層２側を凸として反りを生じる。本実施の形態では、曲率半径は６０ｃｍ程度であった。本実施の形態では母材基板１がＧａＮ層２に比べて厚いため、曲率半径が大きく、割れが生じるほどの反りではない。
【００３６】
なお、サファイア基板１はイオン注入されているため、ＡｌやＯの結合が切断され、成長時の１０００℃という高温で、これらの元素がＧａＮ層２へ拡散しやすい。ＧａＮ中のＡｌは等電子トラップを形成し、またＯはドナーとして働く。そのため、ＧａＮ基板上にデバイスを形成したとき、デバイスの能動領域にはこれらの元素が拡散しないようにすることが好ましい。好ましくは、ＧａＮ層２の厚さを３０μｍ以上とすることで、デバイス能動領域に拡散されるＡｌやＯを充分少なくすることができる。
【００３７】
つぎに、第３の工程であるレーザ光照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、図２に示す光学系とステージを用いて行った。レーザ装置３より出射されたレーザ光１０を、ＧａＮ層２に照射するにあたって、回転機構４により回転させるとともに、スキャンレンズ５で光軸を走査することにより、基板全体に渡ってレーザ光を照射することを可能とする構成となっている。また、集光手段６によって、ＧａＮ層２でのレーザ光のスポット径を制御することができる。
【００３８】
なお、ステージには、母材基板１の反りを調整するための抵抗加熱ヒータなどの加熱手段を設けても良い。また、熱膨張係数差による剥離を促進させるためのペルチェ素子などの冷却手段を設けてもよい。
【００３９】
レーザ装置３は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の３次高調波レーザ光を発生する装置である。パルス周波数は１０Ｈｚ、１パルスのパルス幅は５ｎｓとした。集光手段６を用いて、レーザ光のビームは、ＧａＮ層２上で円形で直径は１ｍｍに集光されている。１パルスあたりのエネルギーをサファイア基板１において０．１Ｊとした。
【００４０】
なお、ＧａＮ層２に到達するレーザのエネルギーは、基板１の表面や、基板１とＧａＮ層２の界面における反射や、基板１中の欠陥による吸収を受けて、減衰する。そのため、基板厚さや、基板裏面の仕上げ、基板特性などによって、１パルスあたりのエネルギーないしはビーム径を、ＧａＮが分解するように調整する必要がある。ＧａＮ昇華に必要なビームエネルギー密度は、基板温度が高ければ少なくなる。また、パルス幅が小さくなればピークエネルギーが高くなるため、ＧａＮ昇華に必要な１パルスあたりのエネルギー密度により変化する。室温付近で数ｎｓから数十ｎｓ程度のパルスでは、おおよそ０．１Ｊ／ｃｍ2以上である。本実施の形態では散乱や減衰を考慮しても充分なパルスエネルギーを有していた。
【００４１】
なお、ＧａＮ層２は反っている為、集光手段６を制御するなどして、照射位置によって焦点位置を制御し、レーザ光１０のＧａＮ層２の位置におけるサイズを一定とすることが好ましい。
【００４２】
なお、照射位置によって焦点位置を制御しない場合は、集光手段６の焦点距離をＧａＮ層の曲率半径に近づけることが好ましい。このようにすることで、特殊なレンズを用いずに、レーザ光１０のＧａＮ層２の位置におけるサイズを一定とすることができる。
【００４３】
レーザ光１０は、サファイア基板１側からＧａＮ層２を照射するようにした。レーザ照射は、特に基板加熱や冷却を行わず室温の雰囲気（約２０℃）で行った。周辺部から中央部に向かってレーザ照射を行った。このとき、ＧａＮ層２全体を隙間なく照射するのではなく、図１（ｄ）の上面の概略図に示すように、照射位置８の回転方向の中心間隔および半径方向の中心間隔を２ｍｍ離して照射されるように、回転機構４の回転速度やスキャンレンズ５の走査速度を調整した。調整の方法であるが、基板の回転速度ないしはレーザ装置３のパルスの周波数を変化させることでスポットの回転方向の間隔を変更できる。また、回転速度に応じて、光軸の走査速度を変化させることで半径方向の間隔を変更できる。
【００４４】
レーザ光１０を照射されたＧａＮ層２はサファイア基板１との界面付近でレーザ光１０を吸収し加熱される。パルス幅が５ｎｓと短いため、加熱される部分はサファイア基板１とのごく界面付近に集中され、サファイア基板１との界面のＧａＮのみが昇華してＧａと窒素に分解される。
【００４５】
図１（ｅ）は照射工程途中における断面図である。図を明瞭に示すため、図１（ｅ）には、ハッチングを施していない。
【００４６】
ＧａＮ層２のうちレーザ光１０を照射された部分には金属のＧａ１１を生じている。金属Ｇａは、２５℃以上では液体であり、２５℃以下でも非常にやわらかいためサファイア基板１とＧａ１１とＧａＮ層２との結合は表面張力程度であって、極めて弱い。そのため、熱膨張係数差による応力は、レーザ照射されていない部分に集中する。
【００４７】
さらに、ＧａＮ層２の分解によって、金属Ｇａ１１とともに窒素ガスが発生する。発生した窒素による圧力は、サファイア基板１とＧａＮ層２を剥がす方向に加わる。レーザ照射されていない領域は、イオン注入によってサファイア中の原子同士の結合が弱まっているので、熱膨張係数差による応力の集中と窒素の圧力に耐えられず、イオン注入領域１ａ内でクラック１２を生じる。この際、ＧａＮ層２の分解で発生した窒素はクラック１２を通して発散する。
【００４８】
なお、前述の事情より、イオン注入量を１ｘ１０14ｉｏｎ／ｃｍ2から１ｘ１０18ｉｏｎ／ｃｍ2としているため、クラックは原子結合の弱いイオン注入領域１ａ中のみに発生し、サファイア基板１やＧａＮ層２にはクラックや割れは発生していない。
【００４９】
さらにレーザ光の照射工程を続けていくと、中央までレーザ照射しなくても、周囲から１ｃｍぐらい内側までレーザ照射した段階で、基板中央付近に応力が集中して、クラック１２がイオン注入領域１ａ全体に伸展した。その結果、サファイア基板１からＧａＮ層２が剥離された（図１（ｆ））。剥離によって、サファイア基板１、ＧａＮ層２ともに、反りが解消された。
【００５０】
このように、レーザ光照射などを行わなくとも、内部応力によっていわば自動的に剥離することを、自動剥離と呼ぶこととする。ＧａＮ層２の裏側の主面には、Ｇａ１１やサファイア片１３が付着している。
【００５１】
なお、どの時点でＧａＮ層２が剥離するかはイオン注入量や、照射スポット中心間隔やピッチなどにより変化する。イオン注入量が大きいほど、また、レーザを密に照射するほど、レーザ照射の早い段階で自動剥離が起こった。また、ペルチェ素子や液体窒素などで基板を室温より冷却すると自動剥離が早い段階で起こる。
【００５２】
従来のレーザ照射によるＧａＮ剥離のように、基板全体をくまなく照射する場合は、１ｍｍ径の円形ビームでは、ピッチやスポット間隔を０．８ｍｍ程度以下にする必要があり、１枚のウェハの照射で約５分必要である。しかも、この時間に基板温度を上昇、下降させる時間を加える必要があった。
【００５３】
これに対して、本実施の形態のように、スポット間隔やピッチを離した照射では、基板中央までレーザ照射しても、レーザ照射スポット数をおおよそ１／６とすることができ、１枚のウェハを照射する時間は約５０秒と著しく低減することができる。しかも、本実施の形態では、周囲から１ｃｍぐらい内側まで照射した段階でＧａＮ層２が自動剥離を開始し、スキャン時間はわずか２０秒程度であった。
【００５４】
最後に、ＧａＮ層２を３５％ＨＣｌ溶液に３０分浸すことにより、Ｇａ１１を溶解した。また、研磨によってサファイア片１３と、Ｇａ１１が存在してできた凹凸を除去して、完全に単体からなるＧａＮ基板２が得られた（図１（ｇ））。
【００５５】
なお、本実施の形態１において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光に替えて、ＧａＮに光を吸収され、サファイアを透過し、かつＧａＮを昇華するのに十分なパワーを有する光を用いても良いことはいうまでもない。このような光源の例として、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、ＸｅＣｌエキシマレーザ（３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザ（３５１ｎｍ）、窒素レーザ（３３７ｎｍ）などがある。
【００５６】
なお、本実施の形態ではレーザ光を重ねずに照射したが、レーザ光を重ねて照射しても、同様に、クラックやわれの発生なくＧａＮ基板２が得られることはいうまでもない。
【００５７】
（実施の形態２）
以下、図３を用いて実施の形態２について説明する。実施の形態２は、注入イオンを水素に替えてシリコンとする以外は、実施の形態１と全く同様である。
【００５８】
図３（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイアであり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。
【００５９】
このサファイア基板１にシリコンイオンを注入する（図３（ｂ））。領域１ａがシリコンの注入領域である。注入量は１ｘ１０16ｉｏｎ／ｃｍ2とし、注入は基板を５°傾けて実施した。加速電圧は２００ｋｅＶとした。サファイア基板にシリコンをイオン注入することによって、水素と同様、サファイアの構成元素であるＡｌとＯの結合が切断されたり、原子間にシリコンが導入されたりする。その結果、イオンが注入されていない領域に比べ、イオン注入した領域の平均的な原子結合力を相対的に弱くした領域を形成することができる。
【００６０】
水素イオンと同様、好ましいシリコンイオンの注入量の範囲を検討すると、１ｘ１０14ｉｏｎ／ｃｍ2から１ｘ１０18ｉｏｎ／ｃｍ2である。
【００６１】
イオン注入時の注入角度は、チャネリング効果により注入したシリコンが奥深く注入されることを防ぐため、好ましくは、サファイアの（０００１）面から２°以上傾ける。
【００６２】
イオン注入時の加速電圧は特に限定するものではないが、加速電圧が低いとサファイア表面付近のダメージが大きくなる。ただし、シリコンは水素より原子量が大きいため、表面付近にダメージが集中しやすく好ましくは５０ｋｅＶ以上とする。
【００６３】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。アンモニアと、Ｇａ金属とＨＣｌとを原料とするＨＶＰＥ法によりＧａＮの成長を行った。１５分間のＧａＣｌ処理の後、アンモニアを導入してＧａＮ層２の成長を実施する。ＧａＮ層２の厚さが２００μｍとなるまで成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図３（ｃ））。
【００６４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態１と同じ装置、照射方法を用いた。その結果、サファイア基板１から、ＧａＮ層２が剥離された（図３（ｄ））。ＧａＮ層２の裏面には、Ｇａ１１およびサファイア片１３が付着していた。
【００６５】
最後に、ＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、サファイア片１３およびＧａＮ層２の凹凸を研磨で除去して、単体のＧａＮ基板２を得た（図３（ｅ））。
【００６６】
以上により、シリコンイオン注入でも水素イオン注入と同様の効果が得られることが確認された。なお、金や銀などの重金属等を注入すると、窒化物半導体デバイスを形成したとき、金や銀がデバイス中に侵入し深い準位を形成して特性の劣化を招くことが知られているが、シリコンや水素ではこのような問題は発生しないことはいうまでもない。
【００６７】
（実施の形態３）
以下、図４を参照しながら実施の形態３について説明する。実施の形態３は、イオン注入時に線状に連なったパタニングを行う例について示している。
【００６８】
図４（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイアであり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。
【００６９】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する工程を実施する（図４（ｂ、ｃ、ｄ））。
【００７０】
まず、図４（ｂ−１）に示すようにレジストによるマスク７を設ける。マスク７の形状は、図４（ｂ−２）の概略図に示すように渦巻き螺旋状である。渦巻き螺旋のピッチは２ｍｍ、幅は０．５ｍｍとした。
【００７１】
なお、イオン注入後、マスク７を除去後のイオン注入領域の判別を容易にするため、渦巻き螺旋の出発点はオリフラ位置などで確認できるようにマスクあわせを行うことが好ましい。
【００７２】
次に、図４（ｃ）に示すように水素イオンを注入した。水素イオンの注入量は１ｘ１０16ｉｏｎ／ｃｍ2とし、注入は基板を５°傾けて実施した。加速電圧は２００ｋｅＶとした。サファイア基板１の主面でマスク７が存在しない部分はイオンが注入された領域１ａが形成される。マスク７が存在する部分には、水素イオンが阻止されることで水素イオンの注入量が低減され、より好ましくは、ほとんど注入が行われず、原子結合がほぼ保存されている領域１ｂ（以下実施の形態５までは、イオン注入されていない領域１ｂないしは単に領域１ｂと呼ぶ）が形成される。
【００７３】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図４（ｄ））。
【００７４】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。実施の形態１と同じ方法で、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図４（ｅ））。
【００７５】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態１と同じ装置を用い、室温で行った。レーザ照射位置は、イオン注入なされていない領域１ｂが隙間なく照射されるよう、照射開始位置と回転速度、光軸の走査速度を調整しながら、周囲から中央に向かってレーザ照射を行った。具体的に、レーザスポットサイズが１ｍｍであるため、螺旋渦巻き状の領域１ｂを隙間なく照射するには、スポット間隔がおおよそ０．８ｍｍとなるよう回転速度を調整する。より好ましくは、線速度一定となるよう回転させる。また、基板一周で２ｍｍピッチとなるよう、光軸の走査速度も調整する。
【００７６】
なお、イオン注入を行った領域１ａには外観上大きな変化はないが、イオン注入位置は若干屈折率や吸収係数が異なるため、可視光でも光の当て方などを調整することで確認することは可能である。イオン注入位置の吸収係数は、２００ｎｍ程度の紫外域で顕著となるため、紫外線を検知するカメラなどで確認すればより判断が容易となる。
【００７７】
図４（ｆ）は、照射工程途中の断面図である。図を明瞭に示すため、ハッチングを施していない。レーザ光照射を行った領域には、ＧａＮ層２の分解により生じた、Ｇａ１１が形成される。また、ＧａＮ層２の分解により生じた窒素ガスの圧力と、熱膨張係数差による応力集中とによって、イオン注入された領域１ａにはクラック１２を生じる。
【００７８】
一方、イオン注入されていない領域１ｂは、サファイアが強固なためクラック１２が伸展しない。そのため、基板のレーザ光を照射して、クラック１２を生じても、クラック１２は領域１ｂで停止して、ＧａＮ層２全体に渡る自動剥離には至らない。
【００７９】
本実施の形態では、中央までレーザ照射を完了した段階ではじめて完全に剥離が起こり、サファイア基板１からＧａＮ層２が分離された（図４（ｇ））。
【００８０】
最後にＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、サファイア片１３とＧａＮ層２の裏面の凹凸を研磨によって除去して、ＧａＮ基板２を得た（図４（ｈ））。
【００８１】
なお、実施の形態１のように、レーザ照射の途中でＧａＮ層２が自動的に剥離される場合、剥離が起こる段階が一定でないため、ＧａＮ層２の裏面に付着するサファイア片１３の形状が毎回異なってしまう。ＧａＮ層２の裏面のサファイア片１３を除去するための裏面の研磨工程において、自動剥離したＧａＮ層２では、個々のＧａＮ層２とサファイア片１３に合わせた条件で、一枚ずつ裏面の研磨仕上げを行う必要がある。一方、本実施の形態では、裏面の形状がほぼ一定のものが得られるため、同一バッチ処理で複数枚のＧａＮ基板２の裏面の研磨仕上げを行うことが可能であった。したがって、量産においては本実施の形態の工法が適する。
【００８２】
なお、イオン注入が行われていない領域１ｂは、連なった形状とすることで、レーザ光の走査が容易となり、好ましい。例えば、放射状、ストライプ状、等のパターンとするのが好ましい。さらには、本実施の形態の渦巻き螺旋のような一筆書きが可能なパターンとするのが最も好ましい。
【００８３】
なお、イオン注入が行われている領域１ａとイオン注入が行われていない領域１ｂには、好ましい面積の関係がある。具体的には領域１ａに比して領域１ｂが狭すぎる場合には、剥離が起こりにくくなり、窒化物半導体ウェハを得ることが困難となる。逆に、領域１ａに比して領域１ｂが広すぎる場合には、自動剥離可能な部分、すなわち領域１ａの面積が小さいため、応力が自動剥離によって開放されず、照射の途中でＧａＮ層２にクラックや割れを生じてしまうことがある。このような事情から、室温照射において、好ましい面積の関係は、領域１ａの面積が領域１ｂの面積の１／５倍から５０倍の間である。
【００８４】
（実施の形態４）
以下、図５を参照しながら実施の形態４について説明する。実施の形態４は、イオン注入時に複数に分散した形状のパタニングを行う例について示している。
【００８５】
図５（ａ）の基板１は実施の形態１と同様のサファイアである。
【００８６】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する工程を実施する（図５（ｂ、ｃ、ｄ））。
【００８７】
まず、図５（ｂ−１）に示すようにマスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、図５（ｂ−２）の概略図に示すように円形のドット状である。平面を敷き詰める一辺２ｍｍの正三角形の各頂点にマスク７によるドットが位置するようになっている。隣り合うマスク７の中心間隔は２ｍｍ、一つのマスク７の径は０．５ｍｍである。
【００８８】
なお、イオン注入後、マスク７を除去するとイオン注入領域の判別を容易にするため、マスク７の位置や方向がオリフラ位置などで確認できるようにマスクあわせを行うことが好ましい。
【００８９】
なお、個々のマスク７の形状は、後のレーザのスポットサイズに収まる形状であれば、多角形や不定形などでも良い。
【００９０】
なお、マスク７を基板端に設けると、基板端においては後述のレーザ光照射工程でレーザ光が均一に照射されないので、マスク７は基板端に設けないことが好ましい。好ましくは５０μｍ以上基板端より内側にマスク７を設けるのが良い。
【００９１】
次に、図５（ｃ）に示すように水素イオンを注入した。水素イオンの注入量や注入条件は実施の形態１と同じである。
【００９２】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図５（ｄ））。
【００９３】
次に実施の形態１と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図５（ｅ））。
【００９４】
つぎに、第３の工程であるレーザ光照射による基板分離の工程を行う。レーザ光の照射は、２次元の光軸走査が可能な装置を用いて、室温で行った。レーザ照射位置は、イオン注入なされていない領域が照射されるよう光軸走査を行った。
【００９５】
例えば、以下のような方法で照射を行うことが可能である。
【００９６】
イオンが注入されていない領域１ｂは、図５（ｂ−２）のマスク７と同じ並び方をしている。そこで、１０Ｈｚのレーザを用いた場合、初回照射位置を基板端のイオンが注入されていない領域１ｂにあわせ、基板回転は行わずに、最近接の領域１ｂが並んでいる方向に線速度毎秒２ｃｍで光軸を走査すれば、レーザ照射が領域１ｂに同期して行われる。以下、同様の照射を繰り返せば基板全面を照射することができる。
【００９７】
本実施の形態では、照射は、基板の外から内にかけて行った。領域１ｂは６回対称に並んでいるため、最も外の領域１ｂを含む正六角形を考え、この正六角形に沿って光軸走査とレーザ光照射を行い、次第に内側の六角形へと照射を行えばよい。
【００９８】
なお、マスク７の大きさや間隔によっては、外周の領域１ｂが必ずしも六角形に並んでいないことがあるが、マスク７のパターンを仮に外挿し、六角形を想定して走査すればよい。
【００９９】
なお、領域１ｂは３回対称とも見なせるので、正三角形に光軸を走査してもよい。
【０１００】
なお、領域１ｂは２回対称とも見なせるので、前述の六角形の一対の対辺を、互い違いに外側から内側に向けて走査しても良い。
【０１０１】
図５（ｆ）は、レーザ照射工程途中の断面図である。図を明瞭に示すため、ハッチングは施していない。実施の形態３と同様、ＧａＮ層２の分解により生じたＧａ１１が形成されるとともに、窒素ガスの発生と、熱膨張係数差による応力集中とによって、イオン注入された領域１ａにはクラック１２を生じる。
【０１０２】
一方、イオン注入されていない領域１ｂではクラック１２が伸展せず、領域１ｂで停止して、ＧａＮ層２全体に渡る自動剥離には至らない。
【０１０３】
本実施の形態では、中央までレーザ照射を完了した段階ではじめて完全に剥離が起こり、サファイア基板１からＧａＮ層２が分離された（図５（ｇ））。
【０１０４】
最後にＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、研磨を行ってサファイア片１３を除去することで、単体のＧａＮ基板２を得た（図５（ｈ））。
【０１０５】
なお、本実施の形態のイオン注入領域の形状とレーザ照射方法に限らず、イオン注入領域を複数に分散配置して、レーザ照射を複数配置したイオン注入領域に同期して照射することで、効率よくレーザ照射を行えることはいうまでもない。より好ましくは本実施の形態のように、イオン注入されていない領域１ｂを周期的に配置することによって、より効率的に光軸を走査して、領域１ｂへのレーザ光の照射を行うことができる。
【０１０６】
本実施の形態においても、裏面の形状がほぼ一定のものが得られるため、同一バッチ処理で複数枚のＧａＮ基板２の裏面の研磨仕上げを行うことが可能である。
【０１０７】
（実施の形態５）
以下、図６を参照しながら実施の形態５について説明する。実施の形態５は、レーザ照射方法を変更した実施の形態４の変形について示している。
【０１０８】
図６（ａ）の基板１は実施の形態４と同様のサファイアである。
【０１０９】
このサファイア基板１に水素イオンを注入する工程を実施する（図６（ｂ、ｃ、ｄ））。
【０１１０】
まず、図６（ｂ）に示すようにマスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、実施の形態４と同様で、隣り合うマスク７の中心間隔は２ｍｍ、各マスク７の径は０．５ｍｍとした。
【０１１１】
次に、図６（ｃ）に示すように水素イオンを注入した。水素イオンの注入量や注入条件は実施の形態４と同じである。イオン注入された領域１ａと、イオン注入されない領域１ｂが形成された。
【０１１２】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図６（ｄ））。
【０１１３】
次に実施の形態４と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図６（ｅ））。
【０１１４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。光学系、回転機構は、図２の装置を用いた。ただし、レーザパワーの大きなＫｒＦエキシマレーザ装置を用い、ビーム径は５ｍｍ、ビームパワーは３Ｊとした。パルス幅は３０ｎｓである。ＫｒＦエキシマレーザ装置においても、ＧａＮを昇華させるのに必要なパワーはＮｄ：ＹＡＧレーザとほぼ同じ傾向である。本実施の形態では、ビーム径が５倍となっているが、ビームパワーも３０倍となっており、５の２乗である２５倍以上大きくなっている。そのため光密度としては実施の形態１より低下しておらず、ＧａＮを昇華させるのに充分である。
【０１１５】
本実施の形態では、照射スポットが互いに重なるように、回転方向の照射スポット間隔、半径方向の照射スポットのピッチを４ｍｍとした。この方法によれば、一度の照射で複数の注入されていない領域１ｂを照射することとなる。照射は外側から内側に向けて行った。
【０１１６】
図６（ｆ）は、レーザ照射工程途中の断面図である。レーザ光の照射によりＧａＮ層２は、サファイア基板１との界面付近でＧａ１１と窒素ガスに分解される。そのため、レーザスポット周辺のイオン注入された領域には、応力が集中しクラック１２を生じる。Ｇａ１１とサファイア基板１およびＧａＮ１１とＧａＮ層２とは結合が弱く、特にサファイア基板１との結合が弱いため、ＧａＮ層２は、サファイア基板１から分離される。その際、窒素は外へと開放される。しかし、イオン注入されていないサファイアは強固なため、基板全体に渡る自動剥離には至らない。
【０１１７】
そのため、本実施の形態では、イオン注入されていない領域１ｂの全てを照射した段階ではじめてサファイア基板１から完全にＧａＮ層２が剥離された（図６（ｇ））。
【０１１８】
最後にＧａ１１をＨＣｌによって除去して単体のＧａＮ基板２を得た（図６（ｈ））。
【０１１９】
本実施の形態では、基板全体が照射されているが、レーザのビーム径が４倍と大きく、ビーム面積は１６倍も大きい。したがって、一度に複数の領域１ｂを照射している。一照射で複数の領域１ｂを照射することによって、実施の形態５では、実施の形態４に比べて照射数を約１／４とすることができた。本実施の形態では基板全体を照射しているため、特別な位置合わせなどの必要がなく、レーザ以外は比較的安価な設備で実施することが可能である。なお、一照射で複数のドットを照射させる場合でも、ドットに同期させてレーザを照射することで、より少ない照射数で剥離が可能であることはいうまでもない。
【０１２０】
（実施の形態６）
図７を参照しながら、本発明の第６の実施の形態におけるＧａＮ基板の製造方法を説明する。本実施の形態は、イオン注入に変えてプラズマ照射を用いる以外は実施の形態１と全く同じである。
【０１２１】
図７（ａ）の基板１は実施の形態１と同じサファイア基板１である。
【０１２２】
まず、第１の工程であるプラズマ照射工程を行う。
【０１２３】
このサファイア基板１に酸素プラズマを１０分間照射し、プラズマ照射によって原子結合が切断された領域１ａ（以下、プラズマ照射領域１ａないしは単に領域１ａと呼ぶ）を得る（図７（ｂ））。プラズマの密度や圧力等の条件により、プラズマ照射に必要な照射時間が異なる。プラズマ照射の場合は、プラズマの状態がプラズマの発生方法や装置に大きく依存し、イオン注入と違って一義的な定義はできない。
【０１２４】
例えば、本実施の形態では、電極面積１０００ｃｍ2の円形電極による平行平板ＲＦプラズマで、ＲＦパワーを２００Ｗ、酸素流量を１０ｓｃｃｍ、圧力を５Ｐａとして検討を行っている。このとき、プラズマ照射に必要な時間は３０秒から２時間であった。３０秒未満では、プラズマ照射した領域の原子結合力を弱くする量が不十分であり、２時間より長い時間では表面にダメージが発生して、上に単結晶のＧａＮ層を成長させることが困難となる。
【０１２５】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。実施の形態１と同じＨＶＰＥ法により２００μｍの厚さＧａＮ層２の成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図７（ｃ））。
【０１２６】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射に関して、その方法、装置、条件は実施の形態１と全く同じであり、図７（ｄ）の概略図に示すように照射スポットの回転方向の中心間隔および半径方向の中心間隔を２ｍｍ放して照射されるように回転速度や光軸の走査速度を調整した。
【０１２７】
実施の形態１と同様、レーザ光の照射を続けていくと、中央までレーザ照射しなくても、周囲から１ｃｍぐらい内側までレーザ照射した段階で、基板中央付近に応力が集中して、サファイア基板１からＧａＮ層２が剥離され、Ｇａ１１とサファイア片１３が付着したＧａＮ基板２が得られた（図７（ｅ））。
【０１２８】
最後にＨＣｌによってＧａ１１を溶解し、サファイア片１３とＧａＮ層２の凹凸を研磨によって除去して、単体のＧａＮ基板２を得た（図７（ｆ））。
【０１２９】
以上により、プラズマ照射によりサファイアの結合を弱めても、イオン注入と全く同じ効果が得られることが示された。
【０１３０】
（実施の形態７）
図８を用いて本実施の形態７について説明する。実施の形態７は、照射プラズマを水素ないしはヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンとする以外は、実施の形態６と全く同様である。
【０１３１】
図８（ａ）の基板１は実施の形態６と全く同様の、直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイア基板である。
【０１３２】
このサファイア基板１を５枚準備し、それぞれ、水素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンのプラズマを１０分間照射し、プラズマ照射領域１ａを得た（図８（ｂ））。
【０１３３】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。それぞれのサファイア基板１に、実施の形態６と同じくＧａＮ層２の厚さが２００μｍとなるまで成長を行い、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図８（ｃ））。
【０１３４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態６と同じ装置、照射方法を用いた。その結果、いずれのプラズマを照射した場合も、サファイア基板１から、ＧａＮ層２が剥離され、Ｇａ１１とサファイア片１３が付着したＧａＮ基板２が得られた（図８（ｄ））。
【０１３５】
最後にＨＣｌによりＧａ１１を溶解し、研磨によりサファイア片１３とＧａＮ層２の凹凸を除去して、ＧａＮ基板２が得られた（図８（ｅ））。
【０１３６】
以上により、水素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンのプラズマでも酸素プラズマと同様の効果が得られることが確認された。また、得られたＧａＮ基板２にデバイスを形成しても、窒化物半導体デバイスに重金属等が導入されたときのような、特性の劣化などの問題は発生しない。また、水素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンのプラズマでも好ましい照射時間は実施の形態６と同じ事情で３０秒から２時間である。
【０１３７】
（実施の形態８）
以下、図９を参照しながら実施の形態８について説明する。実施の形態８は、実施の形態３でイオン注入に変えてプラズマ照射を行うことと、マスクとしてＳｉＯ2を用いる以外は、実施の形態３と同じである。
【０１３８】
図９（ａ）の基板１は直径２インチ、厚さ７００ミクロンの（０００１）面サファイアであり、表面、裏面ともに鏡面仕上げとなっている。
【０１３９】
このサファイア基板１に酸素プラズマを照射する工程を実施する（図９（ｂ、ｃ、ｄ））。
【０１４０】
まず、図９（ｂ）に示すように１００ｎｍのＳｉＯ2マスク７を設ける。ＳｉＯ2マスク７の形状は、実施の形態３におけるレジストマスク７と同じ渦巻き螺旋である。また、ＳｉＯ2層のパタニングは、フォトリソグラフィーとフッ酸などによるエッチングにより行った。ＳｉＯ2層の形成はＲＦスパッタで行っている。なお、ＳｉＯ2層の形成は、熱ＣＶＤ法や蒸着など他の方法でも良いし、後述のプラズマ照射に耐えうる材料や製法であれば、例えばＳｉＮ等でも良い。
【０１４１】
次に、図９（ｃ）に示すように酸素プラズマを１０分間照射した。プラズマの条件は実施の形態６と同じである。サファイア基板１の主面でマスク７が存在しない部分はプラズマ照射領域１ａが形成される。マスク７が存在する部分には、酸素プラズマが阻止されることでほとんど酸素プラズマが照射されず、原子結合がほぼ保存された領域１ｂ（以下プラズマ非照射領域１ｂないしは単に領域１ｂと呼ぶ）が形成される。なお、酸素プラズマはレジストをエッチングするのでＳｉＯ2をマスクとしたが、水素や希ガスのプラズマであれば、レジストをマスクとしても良いことは言うまでもない。
【０１４２】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図９（ｄ））。
【０１４３】
次に第２の工程である、窒化物半導体層の成長工程を行う。実施の形態３と同じ方法で、ＨＶＰＥ法によりＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図９（ｅ））。
【０１４４】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射は、実施の形態３と同じ装置、方法を用い、プラズマ非照射領域１ｂへの照射を行った。中央までレーザ照射を完了した段階ではじめて完全に自動剥離が起こり、サファイア基板１から完全にＧａ１１およびサファイア片１３が付着したＧａＮ層２が剥離された（図９（ｆ））。
【０１４５】
最後に、Ｇａ１１をＨＣｌで溶解し、サファイア片１３と凹凸を研磨で除去して単体のＧａＮ基板２を得た（図９（ｇ））。
【０１４６】
以上のように、イオン注入に替えてプラズマ照射でも、同様の効果が得られることが確認できた。なお、プラズマ非照射領域１ｂの最も好ましい形状は、本実施の形態の渦巻き螺旋のような一筆書きが可能なパターンであるが、放射状、ストライプ状、他のパターンでもよいことは言うまでもない。
【０１４７】
なお、プラズマ照射領域１ａとプラズマ非照射領域１ｂには、イオン注入と同様の好ましい面積の関係がある。室温でレーザ光照射をする場合は、好ましい面積の関係として、領域１ａの面積を領域１ｂの面積の１／５倍から５０倍の間とするのがよい。
【０１４８】
（実施の形態９）
以下、図１０を参照しながら実施の形態９について説明する。実施の形態９は、実施の形態４のイオン注入に替えてプラズマ照射を行った場合について示している。
【０１４９】
図１０（ａ）の基板１は実施の形態４と同様のサファイアである。
【０１５０】
このサファイア基板１に酸素プラズマを照射する。
【０１５１】
まず、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2層マスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、実施の形態４と同じである。
【０１５２】
次に、図１０（ｃ）に示すように酸素プラズマを照射した。酸素プラズマの照射量や注入条件は実施の形態６と同じである。
【０１５３】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図１０（ｄ））。
【０１５４】
次に実施の形態４と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図１０（ｅ））。
【０１５５】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。レーザの照射方法などは、実施の形態４と全く同様である。
【０１５６】
本実施の形態では、全てのドットの照射を完了した段階ではじめてサファイア基板１から、Ｇａ１１とサファイア片１３が付着したＧａＮ層２が剥離された（図１０（ｆ））。
【０１５７】
最後に、ＨＣｌを用いてＧａ１１を溶解し、研磨でサファイア片１３と凹凸を除去して、単体のＧａＮ基板２を得た（図１０（ｇ））。
【０１５８】
以上のように、周期的なプラズマ非照射領域を用いても、イオン注入と同様の効果が得られた。
【０１５９】
（実施の形態１０）
以下、図１１を参照しながら実施の形態１０について説明する。実施の形態１０は、実施の形態５のイオン注入に替えてプラズマ照射を行った場合について示している。
【０１６０】
図１１（ａ）の基板１は実施の形態５と同様のサファイアである。
【０１６１】
このサファイア基板１に酸素プラズマを照射する工程を実施する（図１１（ｂ、ｃ、ｄ））。
【０１６２】
まず、図１１（ｂ）に示すようにＳｉＯ2マスク７によるパターンを設ける。マスク７の形状は、実施の形態５と同様で、隣り合うドットの中心間隔は２ｍｍ、ドットの径は０．５ｍｍとした。
【０１６３】
次に、図１１（ｃ）に示すように酸素プラズマを１０分照射した。酸素プラズマの照射条件は実施の形態６と同じである。プラズマ照射領域１ａと、プラズマ非照射領域１ｂとが形成された。
【０１６４】
マスク７を除去することで、母材基板が完成する（図１１（ｄ））。
【０１６５】
次に実施の形態５と同様、ＧａＮ層２を２００μｍ成長し、室温まで基板温度を降下させ、基板を取り出した（図１１（ｅ））。
【０１６６】
つぎに、第３の工程であるレーザ照射による基板分離の工程を行う。実施の形態５と全く同様、ＫｒＦエキシマレーザを用い、サファイア基板１からＧａ１１が付着したＧａＮ層２が剥離できた（図１１（ｆ））。
【０１６７】
最後に裏面のＧａ１１をＨＣｌによって溶解して単体のＧａＮ基板２を得た（図１１（ｇ））。
【０１６８】
以上実施の形態６から実施の形態１０で示したように、プラズマ照射でも、イオン注入とほとんど同様の効果が得られる。プラズマ照射の場合、プラズマ発生源の装置依存性などがあり、装置により好ましい照射時間などの条件が若干変化するという課題があるものの、イオン注入より比較的簡易な装置で、サファイアの原子結合を弱めることができるというメリットがある。
【０１６９】
なお、以上の実施の形態において、ＧａＮ層２に替えて、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層やＡｌＩｎＧａＮ層を成長させることによって、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮ基板を得ることができることは言うまでもない。
【０１７０】
なお、以上の実施の形態においてはサファイアなどの母材基板にイオンを注入しているが、予めサファイアなどの上にＧａＮ層などを設けた基板を母材基板として、イオン注入を行っても良いことは言うまでもない。すなわち、サファイア上にＧａＮ層を成長し、ＧａＮ／サファイア基板にイオン注入を行い、その上にＧａＮ層を厚く成長させた後、レーザ照射を行っても同様の効果が得られることは、言うまでもない。
【０１７１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、レーザ照射による母材基板から窒化物半導体層の剥離を用いて、クラックや割れのない窒化物半導体基板を量産性よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）〜（ｇ）本発明の実施の形態１における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｄ）本発明の実施の形態１における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザ照射機構を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態２における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図４】（ａ）、（ｂ−１）、（ｃ）〜（ｈ）本発明の実施の形態３における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｂ−２）本発明の実施の形態３における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図５】（ａ）、（ｂ−１）、（ｃ）〜（ｈ）本発明の実施の形態４における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｂ−２）本発明の実施の形態４における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図６】本発明の実施の形態５における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図７】（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）本発明の実施の形態６における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
（ｄ）本発明の実施の形態６における窒化物半導体基板の製造方法を示す上面図
【図８】本発明の実施の形態７における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図９】本発明の実施の形態８における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態９における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【図１１】本発明の実施の形態１０における窒化物半導体基板の製造方法を示す断面図
【符号の説明】
１ 母材基板
１ａ 原子結合が切断された領域
１ｂ 原子結合が保存された領域
２ 窒化物半導体層
３ レーザ装置
４ 回転機構
５ スキャンレンズ
６ 集光手段
７ マスク
８ レーザ照射位置
１０ レーザ光
１１ Ｇａ
１２ クラック
１３ サファイア片
Claims (12)
- 母材基板主面に、
水素又はシリコンのイオン注入によって前記母材基板を構成する材料の原子結合が切断された領域を設ける第１の工程と、
前記母材基板上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、
前記母材基板と前記窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射する第３の工程とを
有する、窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第１の工程は、母材基板主面にイオン注入された第１の領域と、前記第１の領域よりイオン注入量が少ないないしはイオン注入されない第２の領域とを設ける工程であり、前記第３の工程は、少なくとも前記第２の領域に前記レーザ光を照射する工程であ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２の領域は線状に連なっており、前記第３の工程は前記レーザ光を前記第２の領域に沿って走査する工程であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の光軸を前記第２の領域に同期して走査しつつ前記レーザ光をパルス照射する工程であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の一照射により複数の前記第２の領域に照射する工程であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記母材基板はサファイアであ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。
- 母材基板主面に、
水素、酸素又は希ガスのプラズマ照射によって前記母材基板を構成する材料の原子結合が切断された領域を設ける第１の工程と、
前記母材基板上に窒化物半導体層を形成する第２の工程と、
前記母材基板と前記窒化物半導体層との界面にレーザ光を照射する第３の工程とを有する、窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記第１の工程は、母材基板主面にプラズマ照射された第１の領域と、前記第１の領域よりプラズマ照射量が少ないないしはプラズマ照射されない第２の領域とを設ける工程であり、前記第３の工程は、少なくとも前記第２の領域に前記レーザ光を照射する工程であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第２の領域は線状に連なっており、前記第３の工程は前記レーザ光を前記第２の領域に沿って走査する工程であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の光軸を前記第２の領域に同期して走査しつつ前記レーザ光をパルス照射する工程であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記第２の領域は複数に分散して設置されており、前記第３の工程は前記レーザ光の一照射により複数の前記第２の領域に照射する工程であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記母材基板はサファイアであることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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