JP5129740B2 - Single crystal sapphire substrate - Google Patents
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Description
本発明はLED（Light Emitting Diode）、LD（Laser Diode）、HEMT（High Electron Mobility Transistor）、FET（Field effect Transistor）、SOS（Silicon-ON-Sapphire）等の素子形成に適した結晶品質と表面状態をもつ単結晶サファイア基板の製造方法に関する。 The present invention provides crystal quality and surface suitable for device formation such as LED (Light Emitting Diode), LD (Laser Diode), HEMT (High Electron Mobility Transistor), FET (Field effect Transistor), SOS (Silicon-ON-Sapphire), etc. The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal sapphire substrate having a state.
現在、青色、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）は交通信号機、自動車の計器パネル、携帯電話の液晶パネル用バックライト等の光源などに使用されている。青色、白色ＬＥＤに用いられる窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの基板上にバッファ層を介してエピタキシャル成長させることにより製造される。特にサファイア基板は近年大量生産が可能になっており、かつ熱的および化学的に安定なことから広く用いられるようになっている。単結晶サファイア基板は、また、ＬＥＤだけでなく、様々な電子デバイス製造の基板として利用されている。Currently, blue and white light-emitting diodes (LEDs) are used for light sources such as traffic signals, automobile instrument panels, and backlights for liquid crystal panels of mobile phones. Gallium nitride (GaN) crystals used for blue and white LEDs are manufactured by epitaxial growth via a buffer layer on a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC). In particular, sapphire substrates have recently become widely used because they can be mass-produced in recent years and are thermally and chemically stable. Single crystal sapphire substrates are also used as substrates for manufacturing various electronic devices, not just LEDs.
単結晶サファイア基板上にＧａＮ結晶などを成長させる場合、サファイア結晶のＣ面に対して０．０１度から２．０度程度傾斜させることが一般的に行われている。傾斜させていないサファイア単結晶表面のＣ面上にＧａＮ結晶を成長させると、得られるＧａＮ結晶は結晶欠陥が多く、表面も凹凸が見られる結晶となってしまう。そこで、図１のように、サファイア単結晶の表面をＣ面に対して所定の角度に傾斜させた単結晶サファイア基板を用いることにより、結晶欠陥が少なく、表面も平坦なＧａＮ結晶が得られることが知られている（特許文献１）。このとき、サファイア基板表面は、図１のようにミクロ的なステップ状に形成される。そして、このステップ形状の規則性が高いほど、基板上には良好なＧａＮ結晶が成長することがわかっている。
しかし、特許文献１の単結晶サファイア基板上にＧａＮ結晶の薄膜を形成させるために、ウエハーとして加工すると、ステップは原子レベルでみると、直線性が無く、ステップの高さも均一ではなく複数のステップも平行になっておらず、テラス表面には凹凸が見られた。特に、表面の傾斜角度が大きくなると、ステップの不均一性が顕著に表れ、テラス表面の凹凸も激しくなった。つまり、特許文献１に記載の単結晶サファイア基板は、サファイア結晶を構成する酸素原子とアルミニウム原子が規則的に配列しておらず、良質の結晶が得られないという問題があった。
However, when processing as a wafer in order to form a thin film of GaN crystal on the single crystal sapphire substrate of
上記課題を解決するために、本件発明では、従来の単結晶サファイア基板よりもステップ形状が整いテラス面がより平坦な単結晶サファイア基板およびその製造方法を提供する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a single crystal sapphire substrate having a step shape and a flatter terrace surface than a conventional single crystal sapphire substrate, and a method for manufacturing the same.
すなわち第一の発明は、単結晶サファイア表面にテラス面を有する規則的なステップが形成された単結晶サファイア基板であって、基板のマクロ的表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｎｍ以下であり、テラス面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０３ｎｍ以下であり、ステップ高さが０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、テラス幅の最大値と最小値の差が５００ｎｍ以下である、単結晶サファイア基板を提供する。 That is, the first invention is a single crystal sapphire substrate in which a regular step having a terrace surface is formed on the single crystal sapphire surface, the macroscopic surface roughness (Ra) of the substrate is 0.1 nm or less, A single crystal having a terrace surface with a surface roughness (Ra) of 0.03 nm or less, a step height of 0.1 nm or more and 0.3 nm or less, and a difference between a maximum value and a minimum value of the terrace width of 500 nm or less. A sapphire substrate is provided.
第二の発明は、単結晶サファイア基板のマクロ的表面が、主面に対し０．１度から０．６度の角度で傾斜している、単結晶サファイア基板を提供する。 The second invention provides a single crystal sapphire substrate in which the macroscopic surface of the single crystal sapphire substrate is inclined at an angle of 0.1 to 0.6 degrees with respect to the main surface.
第三の発明は、テラス面において、酸素原子が終端をなし、酸素の単原子層を形成するように構成されている、単結晶サファイア基板を提供する。 A third invention provides a single crystal sapphire substrate configured such that oxygen atoms terminate on the terrace surface and form a monoatomic layer of oxygen.
第四の発明は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気で低温加熱する第一大気加熱ステップと、第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温してさらに加熱する第二大気加熱ステップと、からなる単結晶サファイア基板の製造方法を提供する。 The fourth invention includes a vacuum heating step for heating the single crystal sapphire substrate in a vacuum atmosphere, a first air heating step for heating the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step in an air atmosphere, and a step after the first air heating step. A method for producing a single crystal sapphire substrate, comprising: a second atmospheric heating step in which the furnace temperature is raised and further heated.
第五の発明は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する真空加熱ステップと、前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気に含まれる成分雰囲気下で低温加熱する第一大気加熱ステップと、前記第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温して大気に含まれる成分雰囲気下でさらに加熱する第二大気加熱ステップと、からなる単結晶差サファイア基板の製造方法を提供する。 The fifth invention includes a vacuum heating step for heating the single crystal sapphire substrate in a vacuum atmosphere, a first atmospheric heating step for heating the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step at a low temperature in a component atmosphere contained in the atmosphere, and There is provided a method for producing a single crystal difference sapphire substrate, comprising: a second atmospheric heating step in which, after the first atmospheric heating step, the furnace temperature is raised and further heated in a component atmosphere contained in the atmosphere.
第六の発明は、前記真空加熱ステップの加熱温度が１０００℃以上１３００℃以下、保持時間が２時間以上であり、前記第一大気加熱ステップの加熱温度が８００℃以上１０００℃以下、保持時間が２時間以上５時間以下であり、前記第二大気加熱ステップの加熱温度が１３００℃以上１６００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下である、単結晶サファイア基板の製造方法を提供する。 In a sixth aspect of the present invention, the heating temperature in the vacuum heating step is 1000 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower and the holding time is 2 hours or longer, and the heating temperature in the first atmospheric heating step is 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower and the holding time. Provided is a method for producing a single crystal sapphire substrate, which is 2 hours to 5 hours, the heating temperature of the second atmospheric heating step is 1300 ° C. to 1600 ° C., and the holding time is 1 hour to 5 hours.
第七の発明は、単結晶サファイア基板のテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで電子デバイスを製造する電子デバイスの製造方法を提供する。 7th invention provides the manufacturing method of the electronic device which manufactures an electronic device by epitaxially growing an electronic device raw material on the surface side containing the terrace surface of a single crystal sapphire substrate.
第八の発明は、前記電子デバイス素材は、窒化ガリウムである電子デバイスの製造方法を提供する。 The eighth invention provides a method for manufacturing an electronic device, wherein the electronic device material is gallium nitride.
第九の発明は、単結晶サファイア基板を用いて、そのテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させた電子デバイス中間構造体を提供する。 A ninth invention provides an electronic device intermediate structure in which an electronic device material is epitaxially grown on a surface side including a terrace surface using a single crystal sapphire substrate.
本件発明の単結晶サファイア基板を用いることにより、テラス面がより平坦で、結晶欠陥の少ない結晶膜を得ることができる。また、表面が平坦で結晶欠陥の少ないＧａＮ結晶膜を得ることが可能であり、このＧａＮ結晶膜は、発光素子として用いた場合には、より良好な発光特性を示す。また、本件発明の単結晶サファイア基板製造方法によれば、サファイア単結晶表面の傾斜角度を精密に制御することができ、目的に応じた単結晶サファイア基板を確実に得ることができる。 By using the single crystal sapphire substrate of the present invention, a crystal film with a flatter terrace surface and few crystal defects can be obtained. Further, it is possible to obtain a GaN crystal film having a flat surface and few crystal defects, and this GaN crystal film exhibits better light emission characteristics when used as a light emitting element. Moreover, according to the method for producing a single crystal sapphire substrate of the present invention, the tilt angle of the sapphire single crystal surface can be precisely controlled, and a single crystal sapphire substrate according to the purpose can be obtained reliably.
以下に、各発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施しうる。 The best mode for carrying out each invention will be described below. Note that the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the spirit of the present invention.
実施形態１は主に請求項１、２及び３について説明する。実施形態２は主に請求項４について説明する。実施形態３は主に請求項５、６、７、８及び９について説明する。実施形態４は主に請求項１０、１１及び１２について説明する。
<実施形態１>
<実施形態１：概念>The first embodiment will mainly describe
<
<Embodiment 1: Concept>
本実施形態の単結晶サファイア基板は、基板の表面粗さ、ステップの形状などを制御し、基板上に成長する結晶の品質を向上させた。
<実施形態１：構成>The single crystal sapphire substrate of this embodiment has improved the quality of crystals grown on the substrate by controlling the surface roughness of the substrate, the step shape, and the like.
<Embodiment 1: Configuration>
図２は単結晶サファイア基板のマクロ的表面を模式的に表した図である。単結晶サファイア基板は、単結晶サファイア表面に平坦なテラス面（０２０１）を有する規則的なステップが形成されている。テラス面（０２０１）とは基板表面の平坦な部分のうち面積の広い方、ステップ面（０２０２）とは基板表面の平坦な部分のうち面積の狭い方、すなわち一のテラス面とそれに続くテラス面とを接続する面である。図２に示すように、一のテラス面とそれに続くテラス面の垂直方向の間隔をステップ高さ（ｈ）、テラス面とそれに続くテラス面の水平方向の間隔をテラス幅（ｗ）、テラス面と単結晶サファイア基板のマクロ的表面の端線（０２０３）とがなす角をオフセット角度（θ）という。また、テラス面とステップ面が接する角をエッジ（０２０４）という。 FIG. 2 is a diagram schematically showing a macroscopic surface of a single crystal sapphire substrate. In the single crystal sapphire substrate, regular steps having a flat terrace surface (0201) are formed on the single crystal sapphire surface. The terrace surface (0201) is the larger portion of the flat portion of the substrate surface, and the step surface (0202) is the smaller portion of the flat portion of the substrate surface, that is, one terrace surface and the subsequent terrace surface. It is the surface which connects and. As shown in FIG. 2, the vertical interval between one terrace surface and the subsequent terrace surface is the step height (h), the horizontal interval between the terrace surface and the subsequent terrace surface is the terrace width (w), and the terrace surface. The angle formed by the edge line (0203) of the macroscopic surface of the single crystal sapphire substrate is referred to as an offset angle (θ). An angle at which the terrace surface and the step surface contact each other is referred to as an edge (0204).
単結晶サファイアとは、サファイア（αＡｌ２Ｏ３）を素材とし、理想的にはサファイアの任意の結晶軸に注目したとき、試料のどの部分においてもその向きが同一であるような物質である。ただし通常は転位を含んでいるため、部分的に結晶軸の向きが変わっても良い。Single crystal sapphire is a material that uses sapphire (αAl 2 O 3 ) as a material and ideally has the same orientation in any part of the sample when attention is paid to an arbitrary crystal axis of sapphire. However, since it usually includes dislocations, the orientation of the crystal axes may partially change.
図３はサファイア単結晶の単位格子を示したものである。サファイア単結晶は六方晶構造を有する。六方晶の底面をＣ面（ミラー指数表記：（０００１））、側面をＭ面（ミラー指数表記：１０−１０））（ミラー指数のマイナス記号の表記方法は、数字の上に記載するべきであるが、ここでは、簡略的に数字の前にマイナス記号を表記した）、斜線で示した面をA面（ミラー指数表記：１１−２０））およびR面（ミラー指数表記：１０−１２））という。 FIG. 3 shows a unit cell of a sapphire single crystal. A sapphire single crystal has a hexagonal crystal structure. Hexagonal base is C-plane (Miller index notation: (0001)), side is M-plane (Miller index notation: 10-10)) (Miller index minus sign notation method should be described above the number. Here, a minus sign is simply written in front of the number), and the plane indicated by diagonal lines is the A plane (Miller index notation: 11-20)) and the R plane (Miller index notation: 10-12). ).
本実施形態の単結晶サファイア基板の特徴は以下の点である。 The features of the single crystal sapphire substrate of this embodiment are as follows.
第一に基板の表面粗さ（Ｒａ）が０．１ｎｍ以下である。表面粗さ（Ｒａ）とは、基板表面上の任意の線（長さＬ）のｘにおける平均線に対する高さをｆ（ｘ）としたときに、数１で表される。Ｒａの値が小さいほど、ステップ面が平滑であることを示す。基板の表面粗さは、基板表面全体の粗さであり、後述する特定のテラス面の表面粗さとは異なる。すなわち、基板の表面粗さを測定する際には、図２のｘ方向に表面高さを測定すると良い。
第二に、テラス面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０３ｎｍ以下である。テラス面の表面粗さとは、ある特定のテラス面の表面粗さである。したがって、テラス面の表面粗さを測定する際には、図２のｙ方向に表面高さを測定すると良い。 Second, the surface roughness (Ra) of the terrace surface is 0.03 nm or less. The surface roughness of the terrace surface is the surface roughness of a specific terrace surface. Therefore, when measuring the surface roughness of the terrace surface, the surface height may be measured in the y direction of FIG.
第三に、ステップ高さが０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である。テラス面がＣ面であるときは、ステップ高さは、酸素原子層と隣り合うアルミニウム原子層の間隔（約０．２２ｎｍ）であることが好ましい。この高さがステップ高さの最小単位となるものだからである。ステップ高さが酸素原子層と隣り合うアルミニウム原子層の間隔となっていることを単位ステップという。 Third, the step height is 0.1 nm or more and 0.3 nm or less. When the terrace surface is a C-plane, the step height is preferably an interval between aluminum atom layers adjacent to the oxygen atom layer (about 0.22 nm). This is because this height is the minimum unit of the step height. The step height is the distance between the aluminum atomic layer adjacent to the oxygen atomic layer is called a unit step.
第四に、１つのテラス面において、テラス幅の最大値と最小値の差が５００ｎｍ以下である。すなわち、テラス面のエッジが直線に近い形状になっていることが必要である。 Fourth, on one terrace surface, the difference between the maximum value and the minimum value of the terrace width is 500 nm or less. That is, it is necessary that the edge of the terrace surface has a shape close to a straight line.
単結晶サファイア基板表面の特性を以上のように規定することで、基板表面上に成長するＧａＮなどの結晶表面を平坦にし、かつ転位密度を減少させることができる。 By defining the characteristics of the surface of the single crystal sapphire substrate as described above, the crystal surface of GaN or the like grown on the substrate surface can be flattened and the dislocation density can be reduced.
また、テラス面が主面に対して平行であることが好ましい。主面とは、サファイア単結晶のＣ面、Ａ面、Ｍ面、Ｒ面のいずれかである。テラス面を主面と平行にするのがエネルギー的に最も安定であるからである。 The terrace surface is preferably parallel to the main surface. The main surface is any one of the C-plane, A-plane, M-plane, and R-plane of the sapphire single crystal. This is because the terrace surface is parallel to the main surface because it is the most stable in terms of energy.
また前記単結晶サファイア基板のマクロ的表面が、主面に対して０．１度から０．６度の角度で傾斜していることが好ましい。また主面に対し任意の方向に対して傾斜しているよりも、特定の方向に対して傾斜していることがより好ましい。例えば、主面がＣ面である場合には、Ｃ面からＡ面方向またはＭ面方向に向かって０．１度から０．６度の角度で傾斜しているのが好ましい。 Moreover, it is preferable that the macroscopic surface of the single crystal sapphire substrate is inclined at an angle of 0.1 to 0.6 degrees with respect to the main surface. Moreover, it is more preferable to incline with respect to a specific direction rather than inclining with respect to arbitrary directions with respect to a main surface. For example, when the main surface is the C surface, it is preferable that the main surface is inclined at an angle of 0.1 to 0.6 degrees from the C surface toward the A surface direction or the M surface direction.
図４は、マクロ的表面を説明した図である。マクロ的表面とは、図４の点線に示すように、単結晶サファイア基板をマクロ的に見たときの平均的な面を表す。傾斜角度が０．１度以下の場合は、ステップ面とテラス面が明確に形成できず、傾斜角度が０．６度以上の場合は、ステップ高さが０．３ｎｍ以上必要となり、ステップがうまく形成されない。
<実施形態１：実施例>FIG. 4 is a diagram illustrating a macroscopic surface. The macroscopic surface represents an average surface when the single crystal sapphire substrate is viewed macroscopically as shown by a dotted line in FIG. When the tilt angle is 0.1 degrees or less, the step surface and the terrace surface cannot be clearly formed. When the tilt angle is 0.6 degrees or more, the step height is required to be 0.3 nm or more, and the step is good. Not formed.
<Embodiment 1: Example>
図５に本実施形態のＣ面を主面とした単結晶サファイア基板のＡＦＭ測定結果の一例を示す。図５に示したように、本実施形態の単結晶サファイア基板は、形状の整ったステップが形成されていることがわかる。また、この単結晶サファイア基板の表面形状を測定した結果、テラス面の表面粗さは０．０１３ｎｍ、テラス幅は４００〜６００ｎｍ、ステップ高さは約０．２ｎｍであることがわかった。
<実施形態１：効果>FIG. 5 shows an example of an AFM measurement result of a single crystal sapphire substrate whose main surface is the C-plane of the present embodiment. As shown in FIG. 5, it can be seen that the single crystal sapphire substrate of the present embodiment is formed with steps having a uniform shape. Moreover, as a result of measuring the surface shape of this single crystal sapphire substrate, it was found that the surface roughness of the terrace surface was 0.013 nm, the terrace width was 400 to 600 nm, and the step height was about 0.2 nm.
<Embodiment 1: Effect>
本実施形態のサファイア基板を用いることにより、表面が平坦でかつ転位密度が少ないエピタキシャル膜を得ることができる。結晶性の良好なエピタキシャル膜は、発光素子などとして用いたときも良好な発光特性を示す。
<実施形態２>
<実施形態２：概要>By using the sapphire substrate of this embodiment, an epitaxial film having a flat surface and a low dislocation density can be obtained. An epitaxial film with good crystallinity exhibits good light emission characteristics even when used as a light emitting element or the like.
<Embodiment 2>
<Embodiment 2: Overview>
本実施形態のサファイア単結晶は、基板表面が酸素原子で構成され、酸素原子が規則正しく配列していることを特徴としている。これにより、サファイア基板上に結晶性の良好なエピタキシャル膜を形成する事が可能となる。
<実施形態２：構成>The sapphire single crystal of this embodiment is characterized in that the substrate surface is composed of oxygen atoms, and the oxygen atoms are regularly arranged. This makes it possible to form an epitaxial film with good crystallinity on the sapphire substrate.
<Embodiment 2: Configuration>
本実施形態の単結晶サファイア基板は、テラス面において、酸素原子が終端をなし、酸素の単原子層を形成するように構成されている。なお、ここでの酸素原子が終端をなし、酸素単原子層を形成するような構成は、結晶欠陥や製造プロセス上の製造誤差により表面にアルミニウム原子が露出する程度のものは酸素単原子層を形成しているとみなされる。なぜなら完全な結晶は理論上はともかく工業的には製造することが困難だからである。また、これらの結晶欠陥や製造プロセス上の誤差の程度は製品歩留まりを悪化させる原因になるが、不良品を廃棄するという考え方に立てば欠陥や不良は商業的合理性の範囲内である程度は許容される。 The single crystal sapphire substrate of the present embodiment is configured such that oxygen atoms terminate on the terrace surface to form an oxygen monoatomic layer. Note that the structure in which the oxygen atoms are terminated and an oxygen monoatomic layer is formed here is an oxygen monoatomic layer in which aluminum atoms are exposed on the surface due to crystal defects or manufacturing errors in the manufacturing process. It is considered to be forming. This is because perfect crystals are theoretically difficult to manufacture industrially. In addition, these crystal defects and the degree of error in the manufacturing process cause the product yield to deteriorate, but if the concept of discarding defective products is used, the defects and defects are acceptable to some extent within the scope of commercial rationality. Is done.
本実施形態の単結晶サファイア基板は、テラス面がサファイア結晶のC面（ミラー指数表記：（０００１））から構成される。図６にサファイア結晶の概念図を示した。尚、図中では、アルミニウム原子は、黒い丸で示しているが、酸素原子については、図が煩雑になるため省略している。サファイアの結晶は図６の（ａ）または（ｂ）に示したような酸素原子を頂点に有する正八面体構造が連なった形状となっている。（ａ）は、酸素原子のみで構成された正八面体構造で、（ｂ）はアルミニウム原子を正八面体構造中に有する正八面体構造である。これらの正八面体構造が、（ｃ）に示すように多数構成されることでサファイア結晶を構成している。（ｃ）の斜線で示した面は、サファイア結晶のＣ面の一部を構成する面である。 In the single crystal sapphire substrate of the present embodiment, the terrace surface is composed of a sapphire crystal C plane (Miller index notation: (0001)). FIG. 6 shows a conceptual diagram of a sapphire crystal. In the figure, aluminum atoms are indicated by black circles, but oxygen atoms are omitted because the figure becomes complicated. The sapphire crystal has a shape in which a regular octahedron structure having an oxygen atom at the apex as shown in FIG. (A) is the regular octahedral structure comprised only by the oxygen atom, (b) is the regular octahedral structure which has an aluminum atom in a regular octahedral structure. A large number of these regular octahedron structures are formed as shown in (c) to form a sapphire crystal. The surface shown by oblique lines in (c) is a surface constituting a part of the C surface of the sapphire crystal.
本実施形態はこのC面によってテラス面が構成されている。サファイア基板上に成長する結晶は、サファイア結晶の最表面に位置する原子によって大きく左右される。よってまず、単結晶サファイア基板の最表面の検討を行った。単結晶サファイア基板の最表面となるＣ面方向上部より、最表面のみの原子を表すと図７のようになる。図７の斜線で示した三角形は、図６に示したサファイア結晶の正八面体構造の斜線で示した一面に該当する。図７に示した六角形（０７０１）は、図３で示した六角柱のＣ面部分に該当する。 In the present embodiment, a terrace surface is constituted by the C surface. The crystal grown on the sapphire substrate is greatly influenced by atoms located on the outermost surface of the sapphire crystal. Therefore, first, the outermost surface of the single crystal sapphire substrate was examined. FIG. 7 shows atoms only on the outermost surface from the upper part in the C-plane direction, which is the outermost surface of the single crystal sapphire substrate. The triangle shown by the oblique line in FIG. 7 corresponds to one face shown by the oblique line of the regular octahedral structure of the sapphire crystal shown in FIG. The hexagon (0701) illustrated in FIG. 7 corresponds to the C-plane portion of the hexagonal column illustrated in FIG.
図７に示した直線Ａ−Ｂ（０７０２）（つまりＡ面（ミラー指数表記：（１１−２０）））で切断し、矢印の方向からみた断面図を図８に示した。サファイア結晶のＣ面を主面として構成することにより、図７から最表面の原子層が酸素原子のみからなる単原子層からなることがわかる。図８と同じ方向からテラス面およびステップを形成した場合の断面図を図９に示した。ステップのエッジは切断を行う角度や研磨、熱処理時の条件に応じて、（ａ）、（ｂ）（ｃ）のように鈍角や鋭角または直角の角を持つ。また（ｄ）のように鋭角と鈍角、直角のいずれの角を持つこともある。（ａ）から（ｄ）のように、酸素原子のみを結ぶ直線で構成された面は、何れの場合も酸素原子が終端、または最表面として構成されているとした。よって本実施形態の単結晶サファイア基板は、テラス面はＣ面によって形成されており、表面は酸素原子のみで構成されている。またステップ面も酸素原子で構成されており、原則的には、アルミニウム原子が表面に配列されることは無い。
<実施形態２：実施例>FIG. 8 shows a cross-sectional view taken along the line AB (0702) shown in FIG. 7 (that is, the A plane (Miller index notation: (11-20))) and viewed from the direction of the arrow. By configuring the C plane of the sapphire crystal as the main surface, it can be seen from FIG. FIG. 9 shows a cross-sectional view when the terrace surface and the step are formed from the same direction as FIG. The edge of the step has an obtuse angle, an acute angle, or a right angle, as shown in (a), (b), and (c), depending on the angle at which cutting is performed and the conditions during polishing and heat treatment. Moreover, as shown in (d), it may have an acute angle, an obtuse angle, or a right angle. As in (a) to (d), the surface constituted by a straight line connecting only oxygen atoms is assumed to have the oxygen atom terminated or the outermost surface in any case. Therefore, in the single crystal sapphire substrate of the present embodiment, the terrace surface is formed by the C plane, and the surface is composed only of oxygen atoms. The step surface is also composed of oxygen atoms. In principle, aluminum atoms are not arranged on the surface.
<Embodiment 2: Example>
本実施形態で示した単結晶サファイア基板の表面の原子配列を測定するために、低速イオン散乱分光法（low-energy ion scattering spectroscopy: LEISS）による測定を行った。LEISSは、非特許文献１に記載されているように、結晶の表面原子の組成および配列状態を測定することが可能であり、結晶の評価に用いられる分析手法である。LEISSは、低エネルギーのイオンビームを試料表面に照射し、散乱イオンを検出しエネルギースペクトルの変化を測定する。イオンビームの入射角度や入射方向を変化させることにより、イオンビームの照射方向から見た原子配列が異なることにより、検出される散乱イオンのエネルギースペクトルが変化することを利用して、対象試料の原子配列を測定する。散乱イオンの検出は、イオン源と同軸上に設置された飛行時間型測定装置によって行われる。また飛行時間型測定装置では、照射対象となる原子の定性が行われる。本実施形態の単結晶サファイア基板では、入射するイオンビームとしてヘリウムイオンをパルス照射して測定を行った。LEISSによって測定されたスペクトルは、結晶の理想形での原子配列を元に計算により得られたシミュレーション結果との比較や、ピークが出現する位置および強度により原子の配置位置を推定し評価される。
In order to measure the atomic arrangement on the surface of the single crystal sapphire substrate shown in the present embodiment, measurement by low-energy ion scattering spectroscopy (LEISS) was performed. As described in
図１０に本実施形態の主面をＣ面とした単結晶サファイア基板をLEISSによって測定を行ったスペクトル結果を示した。下段に示したスペクトルは、サファイア結晶のＣ面の理想形での原子配列を元に得られたシミュレーション結果である。本実施形態の単結晶サファイア基板から得られたスペクトルとシミュレーションにより得られたスペクトルを比較すると、入射方位角度が３０度から３６０度まで、スペクトルとピーク検出位置が、本実施形態の単結晶サファイア基板とシミュレーションにより得られたスペクトルでほぼ同角度で検出されている。また、図１０中の（ａ）から（ｆ）のピークでは、シミュレーションの結果で見られるピークの「肩」が、本実施形態の単結晶サファイア基板では、小さなピークもしくは「肩」として検出されており、極めて理想形に近い原子配列を持つ単結晶サファイア基板が得られていることが分かる。 FIG. 10 shows a spectrum result obtained by measuring the single crystal sapphire substrate with the main surface of the present embodiment as the C plane by LEISS. The spectrum shown in the lower part is a simulation result obtained based on the ideal atomic arrangement of the C-plane of the sapphire crystal. Comparing the spectrum obtained from the single crystal sapphire substrate of this embodiment with the spectrum obtained by simulation, the incident azimuth angle is 30 degrees to 360 degrees, and the spectrum and peak detection position are the single crystal sapphire substrate of this embodiment. And the spectrum obtained by the simulation are detected at almost the same angle. Further, in the peaks (a) to (f) in FIG. 10, the “shoulder” of the peak seen in the simulation result is detected as a small peak or “shoulder” in the single crystal sapphire substrate of this embodiment. It can be seen that a single crystal sapphire substrate having an atomic arrangement very close to the ideal shape is obtained.
また、図２５には、主面をＡ面としたときの単結晶サファイア基板をLEISSによって測定を行ったスペクトル結果を示した。LEISS測定は、基板に対して角度１５度でHeイオンを照射し、測定対象となるサファイア基板を３６０度回転させ測定を行う。この場合、理想的なＡ面である場合には、測定結果が１８０度ごとに周期的なピークとなる。図２５では、ピーク（ａ）および（ｂ）に対して、１８０度移動した角度で（ｃ）および（ｄ）のピークが出現しており、１８０度ごとの周期的なピークとなっている。さらに、これらの結果は、基板のオリエンテーションフラットに対してLEISS測定を行った場合と、同様のスペクトルを表しており、図２５に示したサファイア基板が、Ａ面を主面とした基板であることを示している。
<実施形態２：効果>FIG. 25 shows a spectrum result of measuring the single crystal sapphire substrate by LEISS when the main surface is the A plane. In the LEISS measurement, He ions are irradiated to the substrate at an angle of 15 degrees, and the sapphire substrate to be measured is rotated 360 degrees to perform the measurement. In this case, in the case of an ideal A plane, the measurement result has a periodic peak every 180 degrees. In FIG. 25, peaks (c) and (d) appear at an angle shifted by 180 degrees with respect to peaks (a) and (b), and are periodic peaks every 180 degrees. Furthermore, these results show the same spectrum as when the LEISS measurement was performed on the orientation flat of the substrate, and the sapphire substrate shown in FIG. Is shown.
<Embodiment 2: Effect>
本実施形態のサファイア基板を用いることにより、表面が平坦でかつ転位密度が少ないエピタキシャル膜を得ることができる。結晶性の良好なエピタキシャル膜は、発光素子などとして用いたときも良好な発光特性を示す。
<実施形態３>
<実施形態３：概念>By using the sapphire substrate of this embodiment, an epitaxial film having a flat surface and a low dislocation density can be obtained. An epitaxial film with good crystallinity exhibits good light emission characteristics even when used as a light emitting element or the like.
<Embodiment 3>
<Embodiment 3: Concept>
本実施形態は、実施形態１又は２の単結晶サファイア基板の熱処理方法に関する。熱処理方法は、真空加熱ステップと第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップの3段階からなる熱処理方法と、真空加熱ステップと大気加熱ステップの2段階からなる熱処理方法の2種類の熱処理方法がある。
<実施形態３：構成>The present embodiment relates to a heat treatment method for the single crystal sapphire substrate of the first or second embodiment. There are two types of heat treatment methods: a heat treatment method comprising three stages of a vacuum heating step, a first atmospheric heating step and a second atmospheric heating step, and a heat treatment method comprising two stages of a vacuum heating step and an atmospheric heating step. .
<Embodiment 3: Configuration>
本実施形態の単結晶サファイア基板の製造方法は、熱処理方法は、真空加熱ステップと第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップの3段階からなる熱処理方法と、真空加熱ステップと大気加熱ステップの2段階からなる熱処理方法の2種類の熱処理方法がある。 In the manufacturing method of the single crystal sapphire substrate of this embodiment, the heat treatment method is a heat treatment method including three stages of a vacuum heating step, a first atmospheric heating step, and a second atmospheric heating step, and a vacuum heating step and an atmospheric heating step. There are two types of heat treatment methods, consisting of stages.
図１１および図１２に本実施形態の熱処理を行う加熱炉の一例を示した。図１１は、3段階と2段階からなる熱処理方法の真空加熱ステップを行う真空加熱炉である。加熱炉（１１０１）は、発熱体（１１０２）によって加熱される。試料は試料搬入搬出口（１１０４）の下方より試料台（１１０３）が上下することによって、加熱炉内に搬入、搬出される。加熱試料は、試料台が下がった状態で、試料台にセットし、試料台を矢印の方向へ移動させ加熱炉内に搬入される。搬出時はこれとは逆に、試料台を矢印と逆へ移動し搬出を行う。加熱炉には、クライオポンプ（１１０５）と真空ポンプ（１１０６）が取り付けられており、真空ポンプにて加熱炉内を減圧する。また真空度を上げるために、冷却を行うクライオポンプが備え付けられている。また、これらの制御は制御装置（１１０７）にて行われる。 FIG. 11 and FIG. 12 show an example of a heating furnace that performs the heat treatment of this embodiment. FIG. 11 shows a vacuum heating furnace that performs a vacuum heating step of a heat treatment method including three stages and two stages. The heating furnace (1101) is heated by the heating element (1102). The sample is carried into and out of the heating furnace by moving the sample stage (1103) up and down from below the sample carry-in / out port (1104). The heated sample is set on the sample table in a state where the sample table is lowered, and the sample table is moved in the direction of the arrow to be carried into the heating furnace. On the contrary, when carrying out, the sample stage is moved in the direction opposite to the arrow and carried out. A cryopump (1105) and a vacuum pump (1106) are attached to the heating furnace, and the inside of the heating furnace is depressurized by the vacuum pump. In order to increase the degree of vacuum, a cryopump for cooling is provided. These controls are performed by the control device (1107).
図１２には、3段階からなる熱処理方法の第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップ、2段階からなる熱処理方法の大気加熱ステップを行う大気加熱炉である。加熱炉（１２０１）は、発熱体（１２０２）によって加熱される。試料は試料搬入搬出口（１２０３）より搬入および搬出が行われる。試料搬入搬出口の右には、温度コントロールなどを行うための制御装置（１２０４）が備え付けられている。また、3段階からなる熱処理方法の第一大気加熱ステップと第二大気加熱ステップ、2段階からなる熱処理方法の大気加熱ステップは大気雰囲気下または大気に含まれる成分雰囲気下で行われるため、内部流入させる大気の流量を確認する流量計（１２０５）が備え付けられている。 FIG. 12 shows an atmospheric heating furnace that performs a first atmospheric heating step and a second atmospheric heating step in a three-stage heat treatment method, and an atmospheric heating step in a two-stage heat treatment method. The heating furnace (1201) is heated by the heating element (1202). The sample is loaded and unloaded from the sample loading / unloading port (1203). A control device (1204) for performing temperature control and the like is provided to the right of the sample loading / unloading port. In addition, the first atmospheric heating step and the second atmospheric heating step of the three-stage heat treatment method, and the atmospheric heating step of the two-stage heat treatment method are performed in an air atmosphere or a component atmosphere contained in the air, so that the internal inflow A flow meter (1205) for confirming the flow rate of the atmosphere to be used is provided.
3段階からなる熱処理方法、2段階からなる熱処理方法共に、まず図１１の真空加熱炉にて熱処理を行い、熱処理終了後、図１２の大気加熱炉にて大気雰囲気中にて熱処理を行う。 In both the three-stage heat treatment method and the two-stage heat treatment method, first, heat treatment is performed in the vacuum heating furnace shown in FIG. 11, and after the heat treatment is completed, heat treatment is performed in the air atmosphere in the air heating furnace shown in FIG.
図１３は本実施形態の3段階からなる熱処理の流れを説明した図である。本実施形態の単結晶サファイア基板の熱処理方法は、真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）と、第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）と、第二大気加熱ステップ（Ｓ１３０３）と、からなる。これらの熱処理は、単結晶サファイアのインゴットを製造後、スライシングおよび研磨が行われた後に行われる工程で、単結晶サファイア基板表面の完全結晶層を確保するために行われる。 FIG. 13 is a diagram for explaining the flow of the heat treatment consisting of three stages of the present embodiment. The heat treatment method for a single crystal sapphire substrate of this embodiment includes a vacuum heating step (S1301), a first atmospheric heating step (S1302), and a second atmospheric heating step (S1303). These heat treatments are performed in order to secure a complete crystal layer on the surface of the single crystal sapphire substrate in a process performed after slicing and polishing after manufacturing the single crystal sapphire ingot.
真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する。真空加熱ステップの目的は、アルミナ昇華温度の手前で過剰酸素除去を行うとともに、研磨作業中に混入した硫化物、塩化物、水酸化物などの不純物を融点以上で蒸発させる目的である。真空加熱ステップの加熱温度は１６００℃以上２０００℃以下、保持時間は２時間以上とするのが好ましい。加熱温度が１６００℃以下または保持時間が２時間以下では、不純物の除去が十分でなく、加熱温度が２０００℃以上では、単結晶サファイア基板の変形が大きくなるためである。真空雰囲気の気圧は、１０−５Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。これ以上の気圧となると不純物の除去効果が低くなるためである。In the vacuum heating step (S1301), the single crystal sapphire substrate is heated in a vacuum atmosphere. The purpose of the vacuum heating step is to remove excess oxygen before the alumina sublimation temperature, and to evaporate impurities such as sulfides, chlorides and hydroxides mixed during the polishing operation above the melting point. The heating temperature in the vacuum heating step is preferably 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and the holding time is preferably 2 hours or more. This is because impurities are not sufficiently removed when the heating temperature is 1600 ° C. or lower or the holding time is 2 hours or shorter, and when the heating temperature is 2000 ° C. or higher, the single crystal sapphire substrate is greatly deformed. The atmospheric pressure in the vacuum atmosphere is preferably 10 −5 Torr or less. This is because the effect of removing impurities is reduced when the pressure is higher than this.
第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）は、真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気または大気に含まれる成分中で低温加熱する。第一大気加熱ステップの目的は、炭素を酸化し二酸化炭素として取り除くためである。大気雰囲気および大気に含まれる成分中での低温加熱は、炭素を酸化し二酸化炭素にさせるために十分な酸素を含んだ雰囲気であれば良い。第一大気加熱ステップの加熱温度は８００℃以上１０００℃以下、保持時間が２時間以上５時間以下であることが好ましい。加熱温度が８００℃以下または保持時間が２時間以下では、炭素を十分に二酸化炭素に酸化させることができず、加熱温度が１０００℃以上または保持時間が５時間以上では単結晶サファイア基板が変形するためである。真空加熱ステップ（Ｓ１３０１）と第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）に用いる炉は、別の炉であることが好ましいが、同一の炉であっても構わない。 In the first air heating step (S1302), the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step (S1301) is heated at a low temperature in an air atmosphere or a component contained in the air. The purpose of the first atmospheric heating step is to oxidize the carbon and remove it as carbon dioxide. The low-temperature heating in the air atmosphere and the components contained in the air may be an atmosphere containing sufficient oxygen to oxidize carbon to carbon dioxide. The heating temperature in the first atmospheric heating step is preferably 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower and the holding time is 2 hours or longer and 5 hours or shorter. When the heating temperature is 800 ° C. or less or the holding time is 2 hours or less, the carbon cannot be sufficiently oxidized to carbon dioxide, and when the heating temperature is 1000 ° C. or more or the holding time is 5 hours or more, the single crystal sapphire substrate is deformed. Because. The furnaces used for the vacuum heating step (S1301) and the first atmospheric heating step (S1302) are preferably different furnaces, but may be the same furnace.
第二大気加熱ステップ（Ｓ１３０３）は、第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）後に、炉温度を昇温してさらに加熱する。第二大気加熱ステップは、大気雰囲気下または大気に含まれる成分中で行われる。このステップにおいて、単結晶サファイア基板表面のステップを規則的に整えることができる。第二大気加熱ステップの加熱温度は、１０００℃以上１３００℃以下とし、保持時間は１時間以上５時間以下とするのが好ましい。加熱温度が１０００℃以下または保持時間が１時間以下では、ステップが整列せず、加熱温度が１３００℃以上または保持時間が５時間以上では単結晶サファイア基板が変形するためである。 In the second atmospheric heating step (S1303), after the first atmospheric heating step (S1302), the furnace temperature is raised and further heating is performed. The second air heating step is performed in an air atmosphere or in a component contained in the air. In this step, the steps on the surface of the single crystal sapphire substrate can be regularly arranged. The heating temperature in the second atmospheric heating step is preferably 1000 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower, and the holding time is preferably 1 hour or longer and 5 hours or shorter. This is because the steps are not aligned when the heating temperature is 1000 ° C. or less or the holding time is 1 hour or less, and the single crystal sapphire substrate is deformed when the heating temperature is 1300 ° C. or more or the holding time is 5 hours or more.
第一大気加熱ステップ（Ｓ１３０２）及び第二大気加熱ステップ（Ｓ１３０３）においては、基板が気流の影響を受けると装填位置による温度分布が生ずるため、基板はホルダー内に固定した上、サファイアのブロックで密閉すると良い。温度と保持時間は上記範囲内で、基板の傾斜角度に応じて変化させる。温度と保持時間が上記範囲外だと、ステップ高さの均一性や真直性、テラス面の平坦性が損なわれたり、アルミニウム原子の会合が生じて、アルミニウム原子と酸素原子の規則的な配列が損なわれることがある。 In the first atmospheric heating step (S1302) and the second atmospheric heating step (S1303), when the substrate is affected by the air flow, a temperature distribution is generated depending on the loading position. It should be sealed. The temperature and the holding time are changed within the above range according to the tilt angle of the substrate. If the temperature and holding time are out of the above ranges, the step height uniformity and straightness, the flatness of the terrace surface will be impaired, and aluminum atoms will be associated, resulting in a regular arrangement of aluminum and oxygen atoms. It may be damaged.
図１４は本実施形態の２段階からなる熱処理の流れを説明した図である。本実施形態の単結晶サファイア基板の熱処理方法は、真空加熱ステップ（Ｓ１４０１）と、大気加熱ステップ（Ｓ１４０２）とからなる。これらの熱処理は、単結晶サファイアのインゴットを製造後、スライシングおよび研磨が行われた後に行われる。 FIG. 14 is a diagram for explaining a flow of heat treatment including two stages according to the present embodiment. The heat treatment method for a single crystal sapphire substrate of this embodiment includes a vacuum heating step (S1401) and an atmospheric heating step (S1402). These heat treatments are performed after slicing and polishing are performed after the ingot of single crystal sapphire is manufactured.
真空加熱ステップ（Ｓ１４０１）は、単結晶サファイア基板を真空雰囲気で加熱する。真空加熱ステップの加熱温度は１６００℃以上２０００℃以下、保持時間は２時間以上とするのが好ましい。真空雰囲気の気圧は、3段階からなる熱処理方法と同様に、１０−５Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。In the vacuum heating step (S1401), the single crystal sapphire substrate is heated in a vacuum atmosphere. The heating temperature in the vacuum heating step is preferably 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, and the holding time is preferably 2 hours or more. The atmospheric pressure in the vacuum atmosphere is preferably 10 −5 Torr or less, as in the heat treatment method consisting of three stages.
大気加熱ステップ（Ｓ１４０２）は、真空加熱ステップ（Ｓ１４０１）後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気または大気に含まれる成分中で加熱する。大気加熱ステップの加熱温度は１２００℃以上１４００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下であることが好ましい。大気雰囲気および大気に含まれる成分中での熱処理は、炭素を酸化し二酸化炭素にさせるために十分な酸素を含んだ雰囲気であれば良い。また、大気加熱ステップは、大気雰囲気下または大気に含まれる成分中で行われ、単結晶サファイア基板表面のステップを規則的に整える。 In the air heating step (S1402), the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step (S1401) is heated in an air atmosphere or a component contained in the air. The heating temperature of the atmospheric heating step is preferably 1200 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, and the holding time is 1 hour or longer and 5 hours or shorter. The heat treatment in the air atmosphere and the components contained in the air may be an atmosphere containing oxygen sufficient to oxidize carbon to carbon dioxide. Further, the air heating step is performed in an air atmosphere or in a component contained in the air, and regularly arranges steps on the surface of the single crystal sapphire substrate.
尚、２段階からなる熱処理方法の目的や、熱処理による単結晶サファイア基板への影響などについては、3段階からなる熱処理方法とほぼ同様であるため詳細な説明は省略する。
<実施形態３：具体例>The purpose of the two-stage heat treatment method and the influence of the heat treatment on the single crystal sapphire substrate are substantially the same as those of the three-stage heat treatment method, and thus detailed description thereof is omitted.
<Embodiment 3: Specific example>
図１５に本実施形態の3段階からなる熱処理方法の具体例の一例を示した。（ａ）を用いて、3段階からなる熱処理方法を説明する。まず、真空加熱ステップにおいて、室温（ＲＴ）から、１７００℃まで7時間かけて昇温する。昇温後１７００℃にて2時間保持し、保持後12時間かけて室温まで降温させる。真空加熱ステップ終了後、過熱炉を真空加熱炉から大気加熱炉へ変える。第一大気加熱ステップは、室温から９００℃まで4時間かけて昇温し、９００℃にて3時間保持する。保持後6時間かけて室温まで降温させる。第一大気加熱ステップ終了後、加熱炉は別の大気加熱炉に変えてもよいし、そのまま同じ加熱炉を使用してもよい。第二加熱ステップは、まず、室温から１２００℃まで5時間かけて昇温し、2時間１２００℃にて保持する。保持後、10時間かけて室温まで降温し、熱処理が完了する。尚、3段階からなる熱処理方法は、第一大気加熱ステップ終了後（ａ）のように一度常温（ＲＴ）まで温度を下げた後に、第二大気加熱ステップの昇温を開始してもよいし、（ｂ）のように、第一大気加熱ステップ終了後、温度を下げずに、第二大気加熱ステップの昇温を開始してもよい。 FIG. 15 shows an example of a specific example of the three-stage heat treatment method of the present embodiment. Using (a), a three-stage heat treatment method will be described. First, in the vacuum heating step, the temperature is raised from room temperature (RT) to 1700 ° C. over 7 hours. After the temperature increase, the temperature is maintained at 1700 ° C. for 2 hours, and then the temperature is decreased to room temperature over 12 hours. After completion of the vacuum heating step, the superheating furnace is changed from the vacuum heating furnace to the atmospheric heating furnace. In the first atmospheric heating step, the temperature is raised from room temperature to 900 ° C. over 4 hours and held at 900 ° C. for 3 hours. Allow to cool to room temperature over 6 hours after holding. After completion of the first atmospheric heating step, the heating furnace may be changed to another atmospheric heating furnace, or the same heating furnace may be used as it is. In the second heating step, first, the temperature is raised from room temperature to 1200 ° C. over 5 hours and held at 1200 ° C. for 2 hours. After holding, the temperature is lowered to room temperature over 10 hours to complete the heat treatment. Note that the three-stage heat treatment method may start the temperature increase in the second atmospheric heating step after the temperature is once lowered to room temperature (RT) as in (a) after the completion of the first atmospheric heating step. As in (b), after the first atmospheric heating step, the temperature increase in the second atmospheric heating step may be started without lowering the temperature.
図１６に本実施形態の2段階からなる熱処理方法の具体例の一例を示した。まず、真空加熱ステップにおいて、室温（ＲＴ）から、１７００℃まで7時間かけて昇温する。昇温後１７００℃にて2時間保持し、保持後12時間かけて室温まで降温させる。真空加熱ステップ終了後、過熱炉を真空加熱炉から大気加熱炉へ変える。大気加熱ステップは、室温から１３００℃まで5時間かけて昇温し、１３００℃にて4時間保持する。保持後、10時間かけて室温まで降温し、熱処理が完了する。 FIG. 16 shows an example of a specific example of the two-stage heat treatment method of this embodiment. First, in the vacuum heating step, the temperature is raised from room temperature (RT) to 1700 ° C. over 7 hours. After the temperature increase, the temperature is maintained at 1700 ° C. for 2 hours, and then the temperature is decreased to room temperature over 12 hours. After completion of the vacuum heating step, the superheating furnace is changed from the vacuum heating furnace to the atmospheric heating furnace. In the atmospheric heating step, the temperature is raised from room temperature to 1300 ° C. over 5 hours and held at 1300 ° C. for 4 hours. After holding, the temperature is lowered to room temperature over 10 hours to complete the heat treatment.
尚、3段階からなる熱処理方法、2段階からなる熱処理方法共に、昇温速度並びに降温速度は、使用する加熱炉の性能に応じて変化されるものである。
<実施形態３：効果>In both the three-stage heat treatment method and the two-stage heat treatment method, the temperature increase rate and the temperature decrease rate are changed according to the performance of the heating furnace to be used.
<Embodiment 3: Effect>
図１７に本実施形態の3段階からなる熱処理方法によって得られた単結晶サファイア基板表面のＡＦＭ測定画像を示した。ａ）は熱処理前の単結晶サファイア基板である。ａ）の画像では、テラス面の間隔が一定ではなく、テラス面のエッジが曲線となっていることが分かる。これを実施形態３に示した3段階からなる熱処理方法により熱処理を行うと、ｂ）となる。ｂ）では、テラス面がほぼ一定の間隔からなり、テラス面のエッジも直線から構成されていることがわかる。また、参考にｃ）には、非特許文献２に記載された従来技術によって得られた単結晶サファイア基板表面の画像を示した。ｃ）の表面は、テラス面のエッジが曲線であり、テラス面の間隔も一定となっておらず、本件発明の熱処理方法前の単結晶サファイア基板と同様な表面となっている。よって、本実施形態の熱処理方法を行うことにより、ステップが直線でステップ面が一定の間隔からなる単結晶サファイア基板を量産に適する方法で得ることができた。
<実施形態４>
<実施形態４：概要>FIG. 17 shows an AFM measurement image of the surface of the single crystal sapphire substrate obtained by the three-stage heat treatment method of this embodiment. a) is a single crystal sapphire substrate before heat treatment. In the image of a), it can be seen that the intervals between the terrace surfaces are not constant, and the edges of the terrace surfaces are curved. When this is heat-treated by the three-stage heat treatment method shown in Embodiment 3, b) is obtained. In b), it can be seen that the terrace surfaces are substantially constant, and the edges of the terrace surfaces are also composed of straight lines. For reference, an image of the surface of the single crystal sapphire substrate obtained by the conventional technique described in Non-Patent Document 2 is shown in c). In the surface of c), the edge of the terrace surface is a curve, the interval between the terrace surfaces is not constant, and is the same surface as the single crystal sapphire substrate before the heat treatment method of the present invention. Therefore, by performing the heat treatment method of the present embodiment, it was possible to obtain a single crystal sapphire substrate having a straight line and a step surface having a constant interval by a method suitable for mass production.
<Embodiment 4>
<Embodiment 4: Overview>
本実施形態は、前記単結晶サファイア基板に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで、電子デバイス又は電子デバイスの中間構造体を製造する。
<実施形態４：構成>In the present embodiment, an electronic device material or an intermediate structure of the electronic device is manufactured by epitaxially growing an electronic device material on the single crystal sapphire substrate.
<Embodiment 4: Configuration>
本実施形態の電子デバイスの製造方法は、単結晶サファイア基板のテラス面を含む面側に電子デバイス素材をエピタキシャル成長させることで電子デバイスを製造する。 The electronic device manufacturing method of this embodiment manufactures an electronic device by epitaxially growing an electronic device material on the surface side including the terrace surface of the single crystal sapphire substrate.
エピタキシャル成長は、薄膜の成長技術の中で、あらかじめ作られている単結晶基板の表面に、その結晶と結晶方向をそろえて新たな結晶層を形成する方法である。エピタキシーによる結晶成長は、結晶の融点よりも低い温度で行うことができるため、不純物の混入も少なく純度の高い結晶を作製する手段として利用されている。本実施形態では、元となる基板の結晶を単結晶サファイア基板として、目的の結晶膜をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長方法には、気相エピタキシー（VPE：Vapor Phase Epitaxy）、分子線エピタキシー（MBE：Molecular Beam Epitaxy）、液相エピタキシー（LPE：Liquid Phase Epitaxy）、固相エピタキシー（SPE：Solid Phase Epitaxy）などの方法がある。 Epitaxial growth is a method in which a new crystal layer is formed on the surface of a single crystal substrate that has been prepared in advance by aligning the crystal and the crystal direction in the thin film growth technique. Since crystal growth by epitaxy can be performed at a temperature lower than the melting point of the crystal, it is used as a means for producing a crystal having high purity with few impurities. In this embodiment, the target crystal film is epitaxially grown using the crystal of the original substrate as a single crystal sapphire substrate. Epitaxial growth methods include vapor phase epitaxy (VPE), molecular beam epitaxy (MBE), liquid phase epitaxy (LPE), and solid phase epitaxy (SPE). There is a way.
単結晶サファイア基板にエピタキシャル成長させる電子デバイス素材としては、図１８に示したような材料がある。単位元素としては、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）などの材料や、化合物としては、亜鉛化合物（ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｂ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、カドミウム化合物（ＣｄＳ、ＣｄＳｅ）、ガリウム化合物（ＧａＮ、ＧａＡｓ）、インジウム化合物（ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ）、ゲルマニウム化合物（ＧｅＴｅ）、鉛化合物（ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ）、バナジウム化合物（ＶＯ２）、アンチモン化合物（Ｓｂ２Ｔｅ３）、ビスマス化合物（ＢｉＳｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３）、セシウム化合物（Ｃｓ３Ｓｂ）、酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）、ケイ素化合物（ＳｉＣ）、銀化合物（ＡｇＳｂＴｅ２、ＡｇＢｉＳ２）などがある。As an electronic device material to be epitaxially grown on a single crystal sapphire substrate, there is a material as shown in FIG. As unit elements, materials such as silicon (Si), germanium (Ge), and selenium (Se), and as compounds, zinc compounds (ZnO, ZnS, ZnSb), barium oxide (BaO), cadmium compounds (CdS, CdSe) are used. ), Gallium compounds (GaN, GaAs), indium compounds (InP, InAs, InSb), germanium compounds (GeTe), lead compounds (PbS, PbSe, PbTe), vanadium compounds (VO 2 ), antimony compounds (Sb 2 Te 3) ), Bismuth compounds (BiSe 3 , Bi 2 Te 3 ), cesium compounds (Cs 3 Sb), copper oxide (Cu 2 O), silicon compounds (SiC), silver compounds (AgSbTe 2 , AgBiS 2 ) and the like.
これらの電子デバイス素材を単結晶サファイア基板にエピタキシャル成長させ、図１８に示したようなダイオード（ＬＥＤやＬＤ）やトランジスタ（ＨＥＭＤＴやＦＥＴなど）、IC、LSI、光電素子、整流素子、熱陰極、圧電素子、レーザ、ホール素子、熱電素子、バリスタ、サーミスタなどに加工される。またＳＯＳ（silicon-ON-Sapphire）などの製造を行うことも可能である。 These electronic device materials are epitaxially grown on a single crystal sapphire substrate, and diodes (LEDs and LDs), transistors (such as HEMDTs and FETs), ICs, LSIs, photoelectric elements, rectifying elements, hot cathodes, piezoelectrics as shown in FIG. Processed into elements, lasers, Hall elements, thermoelectric elements, varistors, thermistors and the like. It is also possible to manufacture SOS (silicon-ON-Sapphire).
特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、青紫色ダイオードや白色ダイオードなどに利用され注目されている。窒化ガリウム半導体は、青紫色ダイオードを実用化させ、発光ダイオードによるフルカラーのディスプレイを誕生させた。また紫外光を発光させ白色蛍光体と組み合わせ蛍光灯に代わる消費電力の低い光源としても利用が期待されている。この窒化ガリウムは、超高周波トランジスタとして実用化されているガリウムヒ素（ＧａＡｓ）と元素周期律表上同じ、３族と５族の元素からなる半導体である。そのため、ガリウムヒ素の高キャリア移動という特長を生かした超高周波トランジスタに加えて、窒化ガリウムは、高出力動作可能な素子への利用の検討がなされている。 In particular, gallium nitride (GaN) is attracting attention as it is used for blue-violet diodes and white diodes. For gallium nitride semiconductors, blue-violet diodes have been put into practical use, and full-color displays using light-emitting diodes have been born. Also, it is expected to be used as a light source that emits ultraviolet light and has low power consumption instead of a fluorescent lamp in combination with a white phosphor. This gallium nitride is a semiconductor composed of Group 3 and Group 5 elements, which is the same as that of gallium arsenide (GaAs), which has been put to practical use as an ultrahigh frequency transistor, in the periodic table. Therefore, in addition to ultrahigh frequency transistors that take advantage of the high carrier movement of gallium arsenide, gallium nitride is being studied for use in devices capable of high power operation.
電子デバイスは、一般的に図１９に示したようなプロセスで製造される。電子デバイスの製造は、基板製造プロセス（１９０１）と、マスク製造プロセス（１９０２）、ウエハープロセス（１９０３）、組立プロセス（１９０４）の４つのプロセスから成り立つ。 An electronic device is generally manufactured by a process as shown in FIG. The manufacture of an electronic device includes four processes: a substrate manufacturing process (1901), a mask manufacturing process (1902), a wafer process (1903), and an assembly process (1904).
基板製造プロセスは、基板製造工程（１９１６）、スライシング工程（１９１７）、研磨工程（１９１８）、熱処理工程（１９１９）の４つの工程からなる。基板製造プロセスでは、まず電子デバイスの基板の元となる単結晶サファイアなどのインゴットを製造する基板製造工程（１９１６）を行う。単結晶サファイアからなるインゴットは、チョクラルスキー法（CZ法）やキロプロス法（kyropoulusu法）などの結晶成長方法により製造される。インゴットは基板となる結晶の円柱状の塊であり、長さが約2メートル、太さは８インチから12インチであり、これらの大きさは、電子デバイスの目的や1枚のウエハー上に作成される電子デバイスの数に応じて変化させる。 The substrate manufacturing process includes four steps: a substrate manufacturing process (1916), a slicing process (1917), a polishing process (1918), and a heat treatment process (1919). In the substrate manufacturing process, first, a substrate manufacturing process (1916) for manufacturing an ingot such as single crystal sapphire, which is a base of a substrate of an electronic device, is performed. An ingot made of single crystal sapphire is produced by a crystal growth method such as the Czochralski method (CZ method) or the Kilopros method (kyropoulusu method). An ingot is a cylindrical block of crystals that serve as a substrate, approximately 2 meters in length and 8 to 12 inches in thickness. These sizes are created for the purpose of electronic devices and on a single wafer. Vary depending on the number of electronic devices to be used.
次に、この単結晶サファイアのインゴットを薄い板状のウエハーにカットするスライシング工程（１９１７）となる。スライシング工程は、インゴットを厚さ約1ミリメートル程度の円盤状にカットする。スライシング工程で行われるカッティング方法には主にブレードソー方式とワイヤーソー方式の二つがある。ブレードソー方式は、図２０のａ）に示すようにステンレス製高硬度鋼の内周刃（２００１）を回転させてインゴット（２００２）をカットする。切断面の平坦度が良好な点が特徴である。またワイヤーソー方式は、ｂ）に示したように引張した複数のピアノ線（２００３）にスラリー上のダイヤモンド砥粒を流し、ピアノ線を往復運動させながら、インゴット（２００４）をカットする。ブレードソー方式に比べワイヤーソー方式は、切断面の平坦度は、ブレードソー方式におよばないが、スライス速度が速く、コスト的に有利であり、大口径のウエハーの製造に有利である。尚、単結晶サファイアからなるインゴットをカットする場合には、インゴットをガラスや炭素をホールド材として固定すると、切断方向に対してインゴットがずれるおそれがある。そこでホールド材の材質に硬質炭酸カルシウムを用いることによって、切断角度のずれを０．０１度以内に納めることが可能である。 Next, a slicing step (1917) for cutting the single crystal sapphire ingot into a thin plate-like wafer is performed. In the slicing process, the ingot is cut into a disk shape having a thickness of about 1 mm. There are two main cutting methods used in the slicing process: blade saw method and wire saw method. In the blade saw method, the ingot (2002) is cut by rotating the inner peripheral blade (2001) of high hardness steel made of stainless steel as shown in FIG. The feature is that the flatness of the cut surface is good. In the wire saw method, as shown in b), diamond abrasive grains on the slurry are passed through a plurality of piano wires (2003) that are pulled, and the piano wire is reciprocated to cut the ingot (2004). Compared to the blade saw method, the wire saw method has a flatness of the cut surface that is not as high as that of the blade saw method, but is faster in terms of slice speed and advantageous in terms of cost, and is advantageous in manufacturing a large-diameter wafer. When cutting an ingot made of single crystal sapphire, if the ingot is fixed with glass or carbon as a holding material, the ingot may be displaced with respect to the cutting direction. Therefore, by using hard calcium carbonate as the material of the holding material, it is possible to keep the deviation of the cutting angle within 0.01 degrees.
スライシング工程が終了すると次は、研磨工程（１９１８）となる。研磨工程ではまず、ウエハーの側面を機械研磨により研磨する。機械研磨には、細かい粒径の研磨剤の研磨液を使って研磨を行う。側面を研磨した後、次にスライシング工程でカットした断面の研磨である鏡面研磨を行う。鏡面研磨は、図２１に示した装置によって行われる。回転する定盤（２１０１）の上に貼り付けられた研磨パッド（２１０２）に、ウエハー（２１０３）を取り付けた研磨ヘッド（２１０４）を一定圧力で接触させてウエハーを研磨する。研磨剤はスラリー状の研磨液である。 When the slicing process is completed, the polishing process (1918) is performed next. In the polishing step, first, the side surface of the wafer is polished by mechanical polishing. For mechanical polishing, polishing is performed using a polishing liquid of a fine particle size abrasive. After polishing the side surfaces, mirror polishing, which is polishing of the cross section cut in the slicing process, is performed next. The mirror polishing is performed by the apparatus shown in FIG. The polishing head (2104) attached with the wafer (2103) is brought into contact with the polishing pad (2102) attached on the rotating surface plate (2101) with a constant pressure to polish the wafer. The abrasive is a slurry-like polishing liquid.
研磨工程を経たウエハーは、洗浄後、熱処理工程となる。熱処理工程は、単結晶サファイアからなるウエハーの表面近傍での完全結晶層を確保するために行われる。熱処理工程での詳細な熱処理方法については、実施形態３にて述べたので、省略する。 The wafer that has undergone the polishing process becomes a heat treatment process after cleaning. The heat treatment step is performed to secure a complete crystal layer in the vicinity of the surface of the wafer made of single crystal sapphire. Since the detailed heat treatment method in the heat treatment step has been described in the third embodiment, it will be omitted.
一方、マスク製造プロセスでは、まず回路の設計を行い（１９０５）、次に設計された回路をウエハー上に作り込む回路のパターンを設計する（１９０６）。そして、設計されたパターンをウエハー上に転写するためのマスクが製造される（１９０７）。マスクは、回路を薄膜上に転写するためのリソグラフィー工程で用いられる。マスクは、石英製の板表面にクロムなどにより、薄膜上に作り込む回路が形成されている。 On the other hand, in the mask manufacturing process, a circuit is first designed (1905), and then a circuit pattern for designing the designed circuit on the wafer is designed (1906). Then, a mask for transferring the designed pattern onto the wafer is manufactured (1907). The mask is used in a lithography process for transferring a circuit onto a thin film. The mask has a circuit formed on a thin film of chromium or the like on the surface of a quartz plate.
ウエハーとマスクが完成すると、次にウエハー上に回路を作り込む工程であるウエハープロセスとなる。ウエハープロセスは、基板工程（１９０８）、リソグラフィー工程（１９０９）、配線工程（１９１０）の大きく3つのプロセスからなる。基板工程とリソグラフィー工程、配線工程は、図２０に示したように、目的の電子デバイスの複雑さに応じて複数回繰り返し行われる。 When the wafer and the mask are completed, the wafer process is the next step in which a circuit is formed on the wafer. The wafer process is mainly composed of three processes: a substrate process (1908), a lithography process (1909), and a wiring process (1910). As shown in FIG. 20, the substrate process, the lithography process, and the wiring process are repeated a plurality of times depending on the complexity of the target electronic device.
基板工程は、洗浄工程（２２０１）、熱処理工程（２２０２）、不純物導入工程（２２０３）、膜形成工程（２２０４）、平坦化工程（２２０５）などの工程からなる。 The substrate process includes a cleaning process (2201), a heat treatment process (2202), an impurity introduction process (2203), a film formation process (2204), a planarization process (2205), and the like.
洗浄工程は、リソグラフィー工程や配線工程をはじめとする各工程間で必ず行われる、表面清浄化のための工程である。この工程では、硫酸や塩酸、アンモニア、フッ化水素、過酸化水素などの薬液を組み合わせて洗浄することが多い。洗浄による除去の対象は、有機物残渣、酸化物残渣、金属汚染などである。また、場合によっては、結晶の欠陥などのダメージの除去も洗浄工程とする場合もある。 The cleaning process is a process for surface cleaning that is always performed between each process including the lithography process and the wiring process. In this step, cleaning is often performed by combining chemical solutions such as sulfuric acid, hydrochloric acid, ammonia, hydrogen fluoride, and hydrogen peroxide. Objects to be removed by washing are organic residue, oxide residue, metal contamination and the like. In some cases, removal of damage such as crystal defects may also be a cleaning step.
熱処理工程は、シリコン基板などの場合は必須で行われる工程であるが、必ずしも行わなければならない工程ではない。熱処理工程には、極めて清浄な雰囲気の炉が用いられ、注意深く洗浄が行われたウエハーが用いられる。熱処理によりウエハー表面に数百nmの酸化膜が形成される。この膜は絶縁膜となりシリコンを用いた半導体デバイス製造の出発点となる。 The heat treatment process is an essential process in the case of a silicon substrate or the like, but is not necessarily a process that must be performed. In the heat treatment process, a very clean atmosphere furnace is used, and a carefully cleaned wafer is used. An oxide film with a thickness of several hundred nm is formed on the wafer surface by the heat treatment. This film becomes an insulating film and is a starting point for manufacturing semiconductor devices using silicon.
不純物導入工程は、シリコン基板などにホウ素やヒ素、リンなどの３価および５価族元素を不純物として導入しｐｎ結合の形成や不純物濃度制御を行う技術である。不純物導入の方法としては、イオン打ち込み法や、熱拡散法、イオンドーピング法などがあるが、現在はイオン打ち込み法が主流である。イオン打ち込み法では、真空中で分離されたホウ素、ヒ素リンなどのイオンに、高電圧をかけて加速し、基板中に打ち込む。 The impurity introduction step is a technique for introducing a trivalent or pentavalent element such as boron, arsenic, or phosphorus as an impurity into a silicon substrate or the like to form a pn bond and control impurity concentration. As methods for introducing impurities, there are an ion implantation method, a thermal diffusion method, an ion doping method, and the like. At present, the ion implantation method is mainly used. In the ion implantation method, ions such as boron and arsenic phosphorus separated in a vacuum are accelerated by applying a high voltage and implanted into a substrate.
膜形成工程は、ウエハー上に気相エピタキシー（VPE：Vapor Phase Epitaxy）、分子線エピタキシー（MBE：Molecular Beam Epitaxy）、液相エピタキシー（LPE：Liquid Phase Epitaxy）、固相エピタキシー（SPE：Solid Phase Epitaxy）などの方法によって様々な物質をエピタキシャル成長させ、薄膜を形成させる工程である。 The film formation process is performed on a wafer by vapor phase epitaxy (VPE), molecular beam epitaxy (MBE), liquid phase epitaxy (LPE), solid phase epitaxy (SPE). ) And the like to epitaxially grow various substances to form a thin film.
気相成長法の一つであるハロゲン気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：HVPE）による単結晶サファイア基板上へのGaN結晶のエピタキシャル成長方法の一例の概略図を図２３の（ａ）に、有機金属化合物気相成長法（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：MOVPE）による単結晶サファイア基板上へのGaN結晶のエピタキシャル成長方法の一例の概略図を図２３の（ｂ）に示した。HVPE法では、一般に９００℃程度の高温に保持された金属ガリウムと塩化水素ガスを内部反応管にて反応させて主に塩化ガリウムを生成し、１０００℃程度に保たれた単結晶サファイア基板付近でアンモニアと反応させてＧａＮ結晶を成長させる。アンモニアおよび塩化水素はキャリアガスと共に供給される。この方法では、塩化ガリウム生成部および単結晶サファイア基板の2カ所の温度制御と塩化水素ガスおよびアンモニアの流量制御が必須である。ＭＯＶＰＥ法では、一般的には単結晶サファイア基板のみが１０００℃程度に基板加熱用ヒータにより加熱され、そこにガリウムの原料となるガリウムと有機物の化合物である有機金属化合物と窒素原料となるアンモニアがキャリアガスと共に輸送され、ＧａＮ結晶が成長する。この場合、加熱および温度制御が必要なのは、単結晶サファイア基板のみである。 A schematic diagram of an example of an epitaxial growth method of a GaN crystal on a single crystal sapphire substrate by a halogen vapor phase epitaxy (HVPE) which is one of vapor phase growth methods is shown in FIG. FIG. 23B shows a schematic diagram of an example of an epitaxial growth method of a GaN crystal on a single crystal sapphire substrate by a metal compound vapor phase growth method (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE). In the HVPE method, metal gallium held at a high temperature of about 900 ° C. and hydrogen chloride gas are reacted in an internal reaction tube to mainly generate gallium chloride, and in the vicinity of a single crystal sapphire substrate maintained at about 1000 ° C. React with ammonia to grow GaN crystals. Ammonia and hydrogen chloride are supplied with the carrier gas. In this method, temperature control at two locations on the gallium chloride generating part and the single crystal sapphire substrate and flow control of hydrogen chloride gas and ammonia are essential. In the MOVPE method, generally, only a single crystal sapphire substrate is heated to about 1000 ° C. by a substrate heater, and gallium as a raw material of gallium and an organic metal compound as a compound of organic matter and ammonia as a nitrogen raw material are contained therein. Transported with the carrier gas, GaN crystals grow. In this case, only a single crystal sapphire substrate requires heating and temperature control.
平坦化工程は、ウエハー表面の凹凸を無くし、均一な表面形状とする工程である。平坦化工程で用いられる方法としては、エッチバック法などがあるが、代表的な方法としては、化学的機械的研磨である。平坦化工程は、リソグラフィー工程における露光で、深い焦点深度（ピントが合う領域）を確保し、微細なパターンを露光したり、膜形成工程において生じる段差を改善するための重要な工程である。 The flattening step is a step of eliminating irregularities on the wafer surface and making it a uniform surface shape. As a method used in the planarization step, there is an etch back method or the like, and a typical method is chemical mechanical polishing. The flattening process is an important process for securing a deep focal depth (a focused area) by exposure in the lithography process, exposing a fine pattern, and improving a step generated in the film forming process.
リソグラフィー工程は、フォトレジスト塗布（２２０６）、露光（２２０７）、現像（２２０８）、エッチング（２２０９）、レジスト除去（２２１０）からなる。リソグラフィー工程には、そのほか様々な工程が入ることもある。リソグラフィー工程は、まず、ＧａＮ結晶などの薄膜上に、感光性樹脂であるフォトレジストを塗布し、ICなどの回路パターンが形成されたマスクを通し、紫外線やエキシマレーザ光線、電子ビーム、X線などを照射して露光しマスクパターンを薄膜上に転写する。その後現像を行い薄膜上に回路を形成させエッチング、レジスト除去を行う。 The lithography process includes photoresist application (2206), exposure (2207), development (2208), etching (2209), and resist removal (2210). Various other processes may be included in the lithography process. In the lithography process, first, a photoresist, which is a photosensitive resin, is applied onto a thin film such as a GaN crystal, and then passed through a mask on which a circuit pattern such as an IC is formed, and then UV, excimer laser beam, electron beam, X-ray, etc. The mask pattern is transferred onto the thin film. Thereafter, development is performed to form a circuit on the thin film, and etching and resist removal are performed.
回路が薄膜上に形成されると、次に配線が行われる。配線工程は、膜形成工程（２２１１）、平坦化工程（２２１２）、洗浄工程（２２１３）などからなるが、詳細については上記の基板工程とほぼ共通であるため、説明は省略する。配線工程は、電子デバイスの層数に応じて何度も繰り返し行われる。 Once the circuit is formed on the thin film, wiring is performed next. The wiring process includes a film formation process (2211), a planarization process (2212), a cleaning process (2213), and the like, and details thereof are substantially the same as the above-described substrate process, and thus description thereof is omitted. The wiring process is repeated many times depending on the number of layers of the electronic device.
配線が終了し、ウエハープロセスが終了すると、組立プロセスとなる。組立プロセスは、多数の電子デバイスが形成されたウエハーを切断し、一つ一つの電子デバイスとする、ダイシング工程（１９１１）、電子デバイスをフレーム上に乗せるマウント工程（１９１２）、電子デバイスの電極とフレームを金の細線で接続するボンディング工程（１９１３）、樹脂により電子デバイスを封入する封入工程（１９１４）、電子デバイスの良否を検査する検査工程（１９１５）からなる。検査が終了すると電子デバイスとして出荷される。
<実施形態４：効果>When the wiring is finished and the wafer process is finished, an assembly process is started. In the assembly process, a wafer on which a large number of electronic devices are formed is cut into individual electronic devices, a dicing step (1911), a mounting step (1912) for placing the electronic devices on a frame, the electrodes of the electronic devices, It consists of a bonding step (1913) for connecting the frames with gold thin wires, an encapsulation step (1914) for encapsulating the electronic device with a resin, and an inspection step (1915) for inspecting the quality of the electronic device. When the inspection is completed, it is shipped as an electronic device.
<Embodiment 4: Effect>
図２４に本実施形態の単結晶サファイア基板で作成した青色ＬＥＤの順方向電圧に対する出力の関係を示した。順方向電圧（Ｖｆ）はＰ→Ｎ接合へ一定電流を流したときの電圧、であり、出力は、積分球を用いてフォトディテクターで計測した。本実施形態の単結晶サファイア基板に窒化ガリウム薄膜をエピタキシャル成長させ、青色ＬＥＤを製造した。本実施形態の単結晶サファイア基板で作成した青色ＬＥＤは、従来技術によって製造された青色ＬＥＤに比べ、出力が高いことが明らかとなった。これは、結晶方位が厳密に制御され、一定方向と均一高さを持つ真直ステップ、平坦なテラス、酸素原子を終端とする単原子層サファイア基板の上に電子デバイス素材がエピタキシャル成長により形成され、より理想に近い結晶方位と平坦層を有し、欠陥の無い単結晶サファイア基板が製造されているためである。 FIG. 24 shows the relationship of the output with respect to the forward voltage of the blue LED formed with the single crystal sapphire substrate of the present embodiment. The forward voltage (Vf) is a voltage when a constant current flows from the P → N junction, and the output was measured with a photodetector using an integrating sphere. A blue LED was manufactured by epitaxially growing a gallium nitride thin film on the single crystal sapphire substrate of this embodiment. It became clear that the blue LED produced with the single crystal sapphire substrate of this embodiment has a higher output than the blue LED manufactured by the conventional technique. This is because the crystal orientation is strictly controlled, a straight step with a constant direction and uniform height, a flat terrace, and an electronic device material is formed by epitaxial growth on a monoatomic sapphire substrate terminated with oxygen atoms. This is because a single crystal sapphire substrate having a crystal orientation and a flat layer close to ideal and having no defects is manufactured.
０２０１ テラス面
０２０２ ステップ面
０２０３ マクロ的表面の端線
０２０４ エッジ
０２０５ マクロ的表面0201 Terrace surface 0202
Claims (7)
前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気雰囲気で加熱する大気加熱ステップと、からなる単結晶サファイア基板の製造方法。A vacuum heating step of heating the single crystal sapphire substrate in a vacuum atmosphere;
An air heating step of heating the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step in an air atmosphere, and producing a single crystal sapphire substrate.
前記第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温してさらに加熱する第二大気加熱ステップと、からなる単結晶サファイア基板の製造方法。A vacuum heating step for heating the single crystal sapphire substrate in a vacuum atmosphere, and a first atmospheric heating step for heating the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step at a low temperature in an atmospheric atmosphere;
A method for producing a single crystal sapphire substrate, comprising: a second atmospheric heating step in which the furnace temperature is raised and further heated after the first atmospheric heating step.
前記真空加熱ステップ後に取り出したサファイア基板を大気に含まれる成分雰囲気下で低温加熱する第一大気加熱ステップと、
前記第一大気加熱ステップ後に、炉温度を昇温して大気に含まれる成分雰囲気下でさらに加熱する第二大気加熱ステップと、
からなる単結晶サファイア基板の製造方法。A vacuum heating step of heating the single crystal sapphire substrate in a vacuum atmosphere;
A first air heating step of heating the sapphire substrate taken out after the vacuum heating step at a low temperature under a component atmosphere contained in the air;
After the first atmospheric heating step, a second atmospheric heating step of heating the furnace temperature to further heat in a component atmosphere contained in the atmosphere;
A method for producing a single crystal sapphire substrate.
前記第一大気加熱ステップの加熱温度が８００℃以上１０００℃以下、保持時間が２時間以上５時間以下であり、
前記第二大気加熱ステップの加熱温度が１０００℃以上１３００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下である、請求項２又は３に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。The heating temperature of the vacuum heating step is 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, the holding time is 2 hours or more,
The heating temperature of the first atmospheric heating step is 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, the holding time is 2 hours or longer and 5 hours or shorter,
The manufacturing method of the single-crystal sapphire substrate of Claim 2 or 3 whose heating temperature of said 2nd atmospheric heating step is 1000 to 1300 degreeC, and holding time is 1 hour or more and 5 hours or less.
前記大気加熱ステップの加熱温度が１２００℃以上１４００℃以下、保持時間が１時間以上５時間以下である、請求項１に記載の単結晶サファイア基板の製造方法。The heating temperature of the vacuum heating step is 1600 ° C. or more and 2000 ° C. or less, the holding time is 2 hours or more,
The manufacturing method of the single-crystal sapphire substrate of Claim 1 whose heating temperature of the said atmospheric heating step is 1200 to 1400 degreeC, and holding time is 1 hour or more and 5 hours or less.
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