JP2010168280A - 単結晶サファイア基板 - Google Patents

Abstract

【課題】化学研磨で、単結晶サファイア基板を研磨しても表面粗さは平坦化されているものの、凹凸分布に規則性が見られないため、エピタキシャル・膜を成長させるのに適していない。
【解決手段】単結晶サファイアのＣ面からＡ面方向に角度θで傾斜させた面を主面とする単結晶サファイア基板において、下記式の加熱温度Ｔ（℃）及び加熱時間ｔ（ｈ）で熱処理することにより、単結晶サファイア基板の主面にサファイアの酸素原子１層とそれに続くアルミニウム原子１層の高さで、滑らかで直線的なリッジ１を有する単位ステップ２を規則的に形成する。
Ｔ（℃）＝５００θ^２−９７０θ＋１１００±１００
ｔ（ｈ）＝７θ^２−１１θ＋６±１
【選択図】 図２

Description

本発明はワイドギャップ半導体や、ＳＯＳ(Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ)デバイス等の成膜に適した単位ステップを表面に持つ単結晶サファイア基板に関する。

元来、単結晶サファイア基板は、特定の結晶面を表面に露出させた後、機械研磨及び、化学研磨によって鏡面状態に研磨され、この上に発光デバイス等に使用される各種化合物半導体素子が成膜される。その基板として用いられる単結晶サファイア基板は、その上に成膜させるためにも表面状態が不均一であってはならないが、化学研磨を行っただけでは単結晶サファイア基板上はｎｍ単位で表面状態に凹凸がみられ、成膜に適さないことが明らかになった。

そこで、結晶性の良い半導体を成長させる技術として、単結晶サファイア基板の主面を所定の面方位から若干ずらせ（オフアングル）た後熱処理を行い、主面に微小なステップを形成させることにより素子の寿命、出力を向上させることが提案されている。このとき、ステップは規則正しく形成されていることが望ましい（例えば、特開平１１−７４５６２号、特開２０００−１５９６００号各公報参照）。

従来、ステップを有する単結晶サファイア基板の作製は様々な方法で行われてきた（例えば、特開平９−１２９６５１号、特開平８−８３８０２号各公報参照）が、そのステップの高さが高すぎるものあるいは不揃いなものしか得られなかったため、エピタキシャル膜を成長させたとき表面の起伏のない高性能なデバイスを作製させることが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は結晶配列の均一な単位ステップのテラスのみを含む単結晶サファイア基板を得ることを目的とする。

本発明の単結晶サファイア基板は、サファイアの酸素原子１層とそれに続くアルミニウム原子１層の高さを有する単位ステップを主面に規則的に形成したことを特徴とする。

また、本発明は単結晶サファイアのＣ面から、Ａ面あるいはＭ面方向に角度θで傾斜させた面を主面とする単結晶サファイア基板において、特定の数式により上記角度θから求めた加熱温度Ｔ（℃）及び加熱時間t（h）で熱処理することを特徴とする。

以上のように本発明によれば、単結晶サファイア基板の主面にサファイアの酸素原子1
層とそれに続くアルミニウム原子１層の高さを有する単位ステップを規則的に形成させたことによって、サファイア上にエピタキシャル膜を成長させると表面の起伏のない高性能なデバイスを作製することができる。また、上記のような特徴を持った単結晶サファイア基板はＯＦＦ角度θの関数で表される最適条件で熱処理を施すことにより容易に製造することができる。

単位ステップのみで形成された本発明の単結晶サファイア基板の表面状態を示す図である。 （ａ）（ｂ）は単結晶サファイア基板の傾斜方向を説明するための図である。 化学研磨後の単結晶サファイア基板表面のＡＦＭ画像の模式図である。 最適なステップが形成された、本発明の単結晶サファイア基板の表面のＡＦＭ画像の模式図である。 最適なステップが形成された本発明の単結晶サファイアの表面状態を示すグラフである。 完全に熱処理されていない状態の単結晶サファイアのＡＦＭ画像の模式図である。 完全に熱処理されていない状態の単結晶サファイアの表面状態を示すグラフである。 過度な熱処理を行った状態の単結晶サファイアの表面状態を示すグラフである。 単位ステップのみを持つ単結晶サファイア基板を得るための最適熱処理温度を示すグラフである。 単位ステップのみを持つ単結晶サファイア基板を得るための最適熱処理時間を示すグラフである。 単位ステップのみを持つ単結晶サファイア基板を得るための最適熱処理温度を示すグラフである。 単位ステップのみを持つ単結晶サファイア基板を得るための最適熱処理時間を示すグラフである。 各条件で熱処理を施したときの単結晶サファイア基板主面の表面粗さ(Ｒａ)を示すグラフである。 各基板表面状態の平均の表面粗さ(Ｒａ)を示すグラフである。

以下本発明の実施の形態を図によって説明する。

図１に本発明によって得られた単結晶サファイア基板の主面の表面状態を示すようにステップ2とテラス3およびその境界のリッジ1が規則正しく形成されている。詳細を後述す
るように適度な熱処理を行うことにより、本発明の単結晶サファイア基板は以下のような特徴を有している。

本発明の単結晶サファイア基板では、ステップ2の高さｈがサファイアの酸素原子１層
とそれに続くアルミニウム原子１層の原子層からなる単位ステップのみで形成され、そのときの高さｈは約2Åとなっている。また、テラス5の幅ｗが一定の長さで形成され、このｗの大きさは単結晶サファイア基板の主面のC面からの傾斜角度に依存する。さらにリッ
ジ1が滑らかで直線的に形成され、かつテラス3が平坦に形成されている。

結晶性の良い半導体を成長させるためには主面にステップ2が規則正しく形成されてい
ることが望ましい。そして本発明のサファイア基板ではステップ2の高さｈが酸素原子１
層とアルミニウム原子１層の単位ステップのみで形成されることから高さｈが均一となり、またリッジ1が直線的に形成されていることから、その主面上にエピタキシャル膜を成
長させたとき表面の起伏のない高性能なデバイスを作製させることが可能になる。

なお、ステップ2の高さｈが、酸素原子１層とアルミニウム原子１層の単位ステップか
らなることは、ＡＦＭ(原子間力顕微鏡)観察して高さを測定することにより確認できる。

さらに、上記単結晶サファイア基板の主面の表面粗さ(Ｒａ)は０．０７ｎｍ以下に制御
することができる。これは、単結晶サファイア表面上に最適な熱処理を施すことにより規則的に単位ステップが形成され、基板表面が原子レベルで平坦になったためであると思われる。なお、表面粗さ(Ｒａ)は、ＡＦＭ測定により確認できる。

上記のような特徴を持った単結晶サファイア基板を得るためには、以下に示す条件で熱処理を施せばよい。図２（ａ）に示すように単結晶サファイアのC面基板をA面方向に角度θで傾斜させた面を主面とする基板１（以下Ｃ→Ａ面ＯＦＦ基板）の場合、上記のような単一ステップのみから形成される単結晶サファイア基板を作製するためには、角度θから以下の式（１）（２）により求めた熱処理温度Ｔ(℃)と熱処理時間ｔ(ｈ)で熱処理すればよい。

Ｔ（℃）＝５００θ^２−９７０θ＋１１００±１００ …式(１)
ｔ(ｈ)＝７θ^２−１１θ＋６±１…式(２)

また、図２(ｂ)に示すように単結晶サファイアＣ面基板をM面方向に角度θで傾斜させ
た面を主面とする基板２（以下Ｃ→Ｍ面ＯＦＦ基板）の場合、上記のような単一ステップのみから作製される単結晶基板を作製するためには、角度θから以下の式(3)(4)により求めた熱処理温度Ｔ(℃)、熱処理時間ｔ(ｈ)で熱処理すればよい。

Ｔ(℃)＝５００θ^２−８４０θ＋１１００±１００ …式(３)
ｔ(ｈ)＝９θ^２−１３θ＋７±１…式(４)

すなわち、本発明は、熱処理条件である熱処理温度Ｔ、熱処理時間ｔが、傾斜方向の角度θに依存し、その関数で表されることを見いだしたものである。そして熱処理温度Tあ
るいは、熱処理時間ｔが不十分な時は単位ステップが形成されず、逆に熱処理温度Tが高
すぎたり、熱処理時間ｔが長すぎると表面の原子のマイグレーション(移動)が不規則になり、単結晶サファイア基板表面に単位ステップ以外の層が混在してしまうバンチングを起こす。

また、傾斜の角度θは０．０５〜０．７°の範囲とすることが好ましい。これは角度θが０．７°を越えると、熱処理条件に関わらず、単結晶サファイア基板表面上に単位ステップがうまく形成されず、一方角度θが０．０５°未満の時は、傾斜角度が小さすぎてステップとテラスとリッジが明確に形成できなくなるためである。

本発明の単結晶サファイア基板は、発光デバイス等に使用される各種化合物半導体素子の成膜に好適に使用できる。

本発明の単結晶サファイア基板を以下のようにして作製した。

［実施例１］図２(ａ)に示すように単結晶サファイアのＣ面を、Ａ面方向に角度θが０．０５°となるように傾斜させた単結晶サファイア基板(Ｃ→Ａ面０．０５°ＯＦＦサフ
ァイア基板)を作製した。

この基板に化学研磨を行った後の表面は図3のようにステップは表れなかった。これに
対し上述した式（１）（２）の範囲中の条件である８５０℃で３時間熱処理を施した後の表面をＡＦＭ(電子間力顕微鏡)観察したところ、図4のようにテラス幅１５０ｎｍの滑ら
かで直線的なリッジを持つステップが形成されていることがわかった。また、ステップの高さをＡＦＭのZ軸方向の高さ測定によって得た結果を図5に示すとおり、各テラスのステップ高さは単位ステップ高さに相当する約2Åであり、単位ステップのみが表面に均一に
形成されていることが確認された。

一方、比較例として上記と同様のＣ→Ａ面０．０５°ＯＦＦサファイア基板を式(１)の範囲よりも低い温度である７００°で３時間熱処理を施して、基板表面をＡＦＭ観察したところ図6のように表面にリッジは存在しなかった。また、図7にＡＦＭのｚ軸方向の高さ測定によって得た結果を示すとおり、単結晶サファイア基板表面に単位ステップを形成する部分も見られたが、ステップが全く形成されていない部分も多いことが分かる。

同じく比較例として上記と同様のＣ→Ａ面０．５°ＯＦＦサファイア基板を式(１)の範囲よりも高い温度である１０００℃で３時間熱処理した基板表面をＡＦＭ観察したところ、図8のように表面がバンチングを起こし、単位ステップ高さの整数倍の高さのステップ
が基板表面に形成された。

以上の例のように熱処理後のサファイア基板は次の３種類の状態になっていることが明らかになった。
１）熱処理が不完全で図７のように単位ステップがまばらに見られる状態
２）適度な熱処理で図5のように全て単位ステップが形成されている状態
３）過度な熱処理で図8のようにバンチングを起こし単位ステップ高さの整数倍の高さの
ステップが形成されている状態。

［実施例２］表１に示すように角度θの異なるＣ→Ａ面ＯＦＦ基板に対し、異なる温度で３時間熱処理を行ったときの単結晶サファイア基板表面状態を観察した。結果を表1お
よび図9に示す。図9の２つの曲線より下方が熱処理不十分状態で、上記実施例1に記載の
状態1）に相当する。２つの曲線に囲まれた部分が最適熱処理温度で、上記実施例１に記
載の状態２)に相当する。２つの曲線より上方は熱処理が過度で、上記実施例１に記載の
状態３)に相当する。また、傾斜角度θが０．７°より大きいと熱処理条件に関わらず、
単結晶サファイア基板表面は無秩序な状態になり、単位ステップが形成されにくかった。

以上の結果より最適熱処理温度は、角度θに応じて変化することが分かり、両者の関係は実験的に式(１)で表される。また、図中の点線は上述した式(１)の中心値である Ｔ(℃)＝５００θ^２−９７０θ＋１１００を示しており、式(１)はこの中心値に対して±１０
０℃の範囲を規定しているため、この式(１)を満たす温度で熱処理すれば、単位ステップのみで形成される単結晶サファイア基板を作製することができる。

［実施例３］表２に示すように角度θの異なるＣ→Ａ面ＯＦＦ基板に対し、１０００℃で異なる時間熱処理を行ったときの単結晶サファイア基板表面状態を観察した。結果を表1および図１０に示す。図１０の２つの曲線より下方が熱処理不十分状態で、上記実施例1に記載の状態1）に相当する。２つの曲線に囲まれた部分が最適熱処理温度で、上記実施
例１に記載の状態２)に相当する。２つの曲線より上方は熱処理が過度で、上記実施例１
に記載の状態３)に相当する。また、傾斜角度θが０．７°より大きいと熱処理条件に関
わらず、単結晶サファイア基板表面は無秩序な状態になり、単位ステップが形成されにくかった。

以上の結果より最適熱処理時間は、角度θに応じて変化することが分かり、両者の関係は実験的に式(２)で表される。また、図中の点線は上述した式(２)の中心値である ｔ(ｈ)＝７θ^２−１１θ＋６を示しており、式(２)はこの中心値に対して±１ｈの範囲を規定
しているため、この式(２)を満たす時間で熱処理すれば、単位ステップのみで形成される単結晶サファイア基板を作製することができる。

［実施例４］各Ｃ→Ｍ面ＯＦＦ基板を用いて特定温度、特定時間熱処理を行った。表３は熱処理時間を３時間に固定させて異なる温度で熱処理を行ったときの単結晶サファイア基板表面状態を示し、図１１に各ＯＦＦ基板に対応する、単位ステップのみを持つ単結晶サファイア基板形成のための最適熱処理温度を示す。一方表４は熱処理温度を１０００℃に固定して、異なる時間熱処理を行ったときの単結晶サファイア基板表面状態を示し、図１２に各ＯＦＦ基板に対応する、単位ステップのみを持つ単結晶サファイア基板形成のための最適熱処理温度を示す。

図１１、図１２の２つの曲線より下方が熱処理不十分状態で、上記実施例1に記載の状
態1）に相当する。２つの曲線に囲まれた部分が最適熱処理温度で、上記実施例１に記載
の状態２)に相当する。２つの曲線より上方は熱処理が過度で、上記実施例１に記載の状
態３)に相当する。また、傾斜角度θが０．７°より大きいと熱処理条件に関わらず、単
結晶サファイア基板表面は無秩序な状態になり、単位ステップが形成されにくかった。

以上の結果より最適熱処理温度及び最適熱処理時間は、角度θに応じて変化することが分かり、両者の関係は実験的に式(３)、(４)で表される。また、図中の点線は上述した式(３)及び(４)の中心値であるＴ(℃)＝５００θ^２−８４０θ＋１１５０及びｔ(ｈ)＝９θ^２−１３θ＋７を示しており、式(３)、(４)はこの中心値に対して±１００℃あるいは±１ｈの範囲を規定しているため、この式(３)あるいは(４)を満たす時間で熱処理すれば、単位ステップのみで形成される単結晶サファイア基板を作製することができる。

［実施例5］図１３、１４に各条件で熱処理を施した単結晶サファイアＣ→Ａ面基板表面
の表面粗さ（Ｒａ)の結果及び、各基板表面状態における平均のＲａ値を示す。図中、白
抜きで示した点が本発明実施例であり、単位ステップが形成される熱処理条件で熱処理を施した本発明の単結晶サファイア基板のＲａ値は全て０．０７ｎｍ以下であることが分かる。すなわち、式（１）（２）（３）（４）の条件下で熱処理を施すことにより表面が原子レベルで平坦な単結晶サファイア基板を作製することができ、逆に熱処理が不充分あるいは熱処理が過度な場合は、安定してＲａ値を０．０７ｎｍ以下に制御できないことがわかる。

1：リッジ
2：ステップ
3：テラス
w：テラス幅
h：ステップ高さ

Claims (3)

1. 単結晶サファイアの主面に、サファイアの酸素原子１層とそれに続くアルミニウム原子１層の高さを有する単位ステップを規則的に形成したことを特徴とする単結晶サファイア基板。
2. 上記主面が、単結晶サファイアのＣ面からＡ面又はＭ面方向に傾斜させた面であることを特徴とする請求項１記載の単結晶サファイア基板。
3. 上記主面の表面粗さ(Ｒａ)が０．０７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項1記載の単
   結晶サファイア基板。