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JP-2026077210-A - 窒化ガリウム単結晶基板およびその製造方法

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Abstract

【課題】縁部における応力の低減が図られた窒化ガリウム単結晶基板の製造技術を提供する。 【解決手段】窒化ガリウム単結晶基板は、単結晶の窒化ガリウムで構成され、主面を蛍光顕微鏡で観察することにより明暗の縞状に観察される同心円状のストリエーションを有する、円形の基板であって、基板の円形の中心である基板中心が、ストリエーションの同心円の中心であるストリエーション中心からずらされた位置に配置されている。 【選択図】図１

Inventors

  • 藤本 哲爾
  • 吉田 展之
  • 鈴木 貴征
  • 柴田 真佐知

Assignees

  • 住友化学株式会社

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20241025

Claims (6)

  1. 単結晶の窒化ガリウムで構成され、主面を蛍光顕微鏡で観察することにより明暗の縞状に観察される同心円状のストリエーションを有する、円形の基板であって、 前記基板の円形の中心である基板中心が、前記ストリエーションの同心円の中心であるストリエーション中心からずらされた位置に配置されている、窒化ガリウム単結晶基板。
  2. 前記基板中心の前記ストリエーション中心からの距離が、前記基板の直径に対し、０．５％以上である、請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板。
  3. 前記基板中心の前記ストリエーション中心からの距離が、前記基板の直径に対し、２５．７％未満である、請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板。
  4. 前記窒化ガリウムの結晶方位を示す切欠部を有する、請求項１に記載の窒化ガリウム単結晶基板。
  5. 前記ストリエーション中心から前記基板中心に向かう方向を方位角０°としたとき、前記ストリエーション中心を中心とする方位角が、－９０°以上９０°以下の範囲の、前記主面の縁上に、前記切欠部を有する、請求項４に記載の窒化ガリウム単結晶基板。
  6. 取得される円形の窒化ガリウム単結晶基板よりも大きい直径を有する円形の種基板上に、前記種基板を少なくとも自転させながら、窒化ガリウム単結晶を成長させることで、母材を形成する工程と、 前記窒化ガリウム単結晶基板の円形の中心である基板中心が、前記窒化ガリウム単結晶の成長時の前記自転の中心とは異なる位置に配置されるように、前記母材を加工することで、前記窒化ガリウム単結晶基板を取得する工程と、 を有する、窒化ガリウム単結晶基板の製造方法。

Description

本発明は、窒化ガリウム単結晶基板およびその製造方法に関する。 窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶基板を製造する技術として、当該基板よりも大きい、母材となる窒化ガリウム単結晶部材を成長させ、母材の外周部を除去することで、当該基板を取得する方法が行われている（例えば特許文献１参照）。 窒化ガリウム単結晶基板の面内において、応力が分布を有する。窒化ガリウム単結晶基板を取り扱う際、例えば、オリエンテーションフラット等の切欠部を形成する加工を行う際に、当該基板の縁部における応力が大きいことは、縁部での割れ等の不具合を発生しやすくする。 特開２０１３－６０３４９号公報 図１は、本発明の第１実施形態による基板１０を示す概略平面図である。図２は、第１実施形態における、母材１００および基板１０の相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図３は、第１比較形態の基板１０の相当応力、および、第１実施形態の基板１０の相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図４は、ずらし量ｄに依存して、基板１０の縁部での相当応力がどのように変化するかを示すグラフである。図５は、第２実施形態による基板１０の第１の例を示す概略平面図である。図６は、第１実施形態による、切欠部２０が形成されていない基板１０、および、第２実施形態の第１の例による、基板中心Ｃ１側に切欠部２０が形成された基板１０の、相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図７は、第２比較形態による、切欠部２０が形成された基板１０の相当応力、および、第２実施形態の第１の例による、基板中心Ｃ１側に切欠部２０が形成された基板１０の相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図８（ａ）は、第２実施形態の第１の例による、基板中心Ｃ１側に切欠部２０が形成された基板１０の、相当応力の面内分布を示す概略平面図である。図８（ｂ）は、第２比較形態による、切欠部２０が形成された基板１０の、相当応力の面内分布を示す概略平面図である。図９は、第２実施形態による基板１０の第２の例を示す概略平面図である。図１０は、第１実施形態による、切欠部２０が形成されていない基板１０、および、第２実施形態の第２の例による、ストリエーション中心Ｃ０側に切欠部２０が形成された基板１０の、相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図１１は、偏心の態様の基板１０における、たわみ量の分布を示す概略平面図である。図１２は、第１比較形態による基板１０を示す概略平面図である。図１３は、第１比較形態における、母材１００および基板１０の相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図１４は、第２比較形態による基板１０を示す概略平面図である。図１５は、第１比較形態による、切欠部２０が形成されていない基板１０、および、第２比較形態による、切欠部２０が形成された基板１０の、相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。図１６（ａ）～図１６（ｃ）は、母材１００および基板１０の製造方法を模式的に示す概略断面図である。図１７は、ストリエーション３０の一例を示す、蛍光顕微鏡写真である。図１８（ａ）は、ずらし量ｄを変化させたＧａＮ基板にオリエンテーションフラットを形成しクラックの発生しやすさを調べた実験の、ＧａＮ基板を示す概略平面図であり、図１８（ｂ）は、本実験の結果をまとめた表である。 ＜第１実施形態＞ 本発明の第１実施形態による窒化ガリウム単結晶基板１０（以下単に、基板１０とも称する）について説明する。図１は、第１実施形態による基板１０を示す概略平面図である。基板１０は、母材１００から切り出すことで取得された部材である。母材１００の輪郭を二点鎖線で示し、基板１０の輪郭を実線で示す。なお、図示を容易にするために、基板１０の輪郭は太線の実線で示している。 基板１０は、単結晶の窒化ガリウムで構成され、主面１１を蛍光顕微鏡で観察することにより明暗の縞状に観察される同心円状のストリエーション３０を有する、円形の基板である。基板１０の主面１１は、ｃ面である。 母材１００は、単結晶の窒化ガリウムで構成され、円形である。母材１００および基板１０の製造方法について後述するように、ストリエーション３０の同心円の中心Ｃ０（以下、ストリエーション中心Ｃ０とも称する）は、母材１００の円形の中心に配置されている。 基板１０は、半径ｒを有する。基板１０の半径ｒは、例えば２５ｍｍ以上（直径２ｒは、例えば５０ｍｍ以上）である。本実施形態による基板１０は、基板１０の円形の中心Ｃ１（以下、基板中心Ｃ１とも称する）が、ストリエーション中心Ｃ０からずらされた位置に配置されている、という特徴を有する。基板中心Ｃ１のストリエーション中心Ｃ０からの距離を、ずらし量ｄと称する。ストリエーション中心Ｃ０から基板中心Ｃ１に向かう方向を、ずらし方向と称する。実施形態による、基板中心Ｃ１がストリエーション中心Ｃ０からずらされた態様を、偏心の態様とも称する。 図１２は、従来の技術に対応する、第１比較形態による基板１０を示す概略平面図である。第１比較形態では、基板１０が、ストリエーション中心Ｃ０と基板中心Ｃ１とが一致するように母材１００から切り出されることで、取得されている。比較形態による、基板中心Ｃ１がストリエーション中心Ｃ０と一致する態様を、同心の態様とも称する。 本願発明者は、同心の態様による基板１０における応力分布と、偏心の態様による基板１０における応力分布と、がどのように相違するかを、シミュレーションにより調べた。シミュレーションの手法および条件は、以下のようなものである。数値計算手法としては、有限要素法による定常熱伝導構造連成解析を用いた。解析ソフトウェアとしては、Ａｎｓｙｓを用いた。解析モデルとしては、基板のフルモデルを用いた。材料物性としては、窒化ガリウムの弾性率、熱伝導率、および、線膨張係数を設定した。解析条件としては、解析モデルを（９０度ごとに）４分割し、切断面に対して面外変形を拘束し、中心を固定する条件を用いた。基板の表面に同心円状の温度分布を設定し、裏面に均一な温度を設定した。温度条件は、実際の基板で生じている反り量でフィッティングした。 基板１０の半径ｒは２５ｍｍ（直径２ｒは５０ｍｍ）とした。母材１００の半径は３５ｍｍ（直径は７０ｍｍ）とした。なお、母材１００の半径は、母材１００から基板１０を取得できるような大きさであれば、特に制限されない。 ここで、同心の態様をずらし量ｄが０の場合と考え、偏心の態様をずらし量ｄが０でない場合と考えて、両者の態様をまとめて説明する。母材１００の中心Ｃ０からずらし量ｄだけ離れた位置に、基板１０の中心Ｃ１を設定した。ずらし量ｄを、０ｍｍ、２．５ｍｍ、５ｍｍ、および、９ｍｍと変化させて、各ずらし量ｄにおける、基板１０の面内における応力分布を計算した。たわみ量分布についても計算した。 なお、同心の態様では、ストリエーション中心Ｃ０と基板中心Ｃ１とが一致しており、偏心の態様のようには、ずらし方向が規定されない。本シミュレーションでは、偏心の態様で設定されるずらし方向を、同心の態様についても、便宜的にずらし方向と称する。 図２は、偏心の態様（第１実施形態）における、母材１００および基板１０の相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。ずらし量ｄが５ｍｍの場合の結果を示す。母材１００の応力分布を、破線で示し、基板１０の応力分布を、実線で示す。 半径位置０ｍｍが、母材１００の中心Ｃ０を示す。母材１００の中心Ｃ０に対して、基板１０の中心Ｃ１が配置されている側が、ずらし方向の＋側である。半径位置＋５ｍｍが、基板１０の中心Ｃ１を示す。母材１００は、半径位置が－３５ｍｍから＋３５ｍｍの範囲に対応し、基板１０は、半径位置が－２０ｍｍから＋３０ｍｍの範囲に対応する。 母材１００の応力分布と基板１０の応力分布とは、概ね同様な形状を有する。両者の共通の特徴は、以下のようなものである。なお、母材１００の応力分布と基板１０の応力分布との共通の特徴を説明する際に、母材１００と基板１０とをともに、基板と称することがある。基板の中心部に、相当応力の極大が存在する。相当応力は、縁側に向けて減少し中間の半径位置において極小に達した後、縁側に向けて増加し、基板の縁部において最も大きくなる。 母材１００の応力分布と基板１０の応力分布との相違は、以下のようなものである。母材１００と比べて、母材１００から切り出された基板１０の方が、応力の大きさ（応力の絶対値）が小さくなっている。 なお、母材１００を半径が大きい基板、基板１０を半径が小さい基板、と考えることもできる。母材１００の応力分布と基板１０の応力分布との比較から、基板の半径が大きいほど、基板の縁部における応力が大きくなる傾向があることがわかる。 図１３は、同心の態様（第１比較形態）における、母材１００および基板１０の相当応力の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。母材１００の応力分布を、破線で示し、基板１０の応力分布を、実線で示す。 母材１００の応力分布は、偏心の態様と同一である。同心の態様では、半径位置０ｍｍが、基板１０の中心Ｃ１を示し、基板１０は、半径位置が－２５ｍｍから＋２５ｍｍの範囲に対応する。同心の態様においても、母材１００の応力分布と基板１０の応力分布との共通点および相違点は、偏心の態様において説明したものと同様である。 図３は、同心の態様（第１比較形態）の基板１０の相当応力（図１３）、および、偏心の態様（第１実施形態）の基板１０の相当応力（図２）の、ずらし方向に関する分布を示すグラフである。ここでは、同心および偏心の態様ともに、基板１０の中心Ｃ１を半径位置０ｍｍとして、両態様のグラフ同士を重ねて示す。同心の態様の応力分布を、破線で示し、偏心の態様の応力分布を、実線で示す。 同心の態様における応力分布と比べ、偏心の態様における応力分布では、ずらし方向に関する両側の縁部（具体的には端から幅２～３ｍｍ程度）のそれぞれにおいて、応力の減少が見られる。応力の減少が特に見られない、縁部より中心側の部分では、偏心の態様の応力分布は、同心の態様の応力分布とほぼ一致している。 同心の態様における応力分布は、基板１０の中心Ｃ１に対して対称である。つまり、基板１０の、ずらし方向に関する両側の縁部同士での応力の値は、同等となる。これに対し、偏心の態様における応力分布では、両側の縁部同士で（ストリエーション中心Ｃ０側の縁部と基板中心Ｃ１側の縁部とで、）応力の値がやや異なるという非対称性が生じている。 なお、偏心の態様における縁部での応力の減少は、ずらし方向の両側の縁部に限って生じるものではない。偏心の態様において、縁部で応力が減少する傾向は、基板１０の周方向全体にわたって見られた。 このように、本実施形態による偏心の態様では、つまり、ストリエーション中心Ｃ０から基板中心Ｃ１をずらすように母材１００から基板１０を取得することで、基板１０の縁部における応力を、比較形態による同心の態様と比べて、低減できる。これにより、基板１０を取り扱う際、例えば、後述の第２実施形態のようにオリエンテーションフラット等の切欠部２０の形成加工を行う際に、基板１０の縁部の割れを抑制することができる。 上述のように、基板１０の半径ｒが大きいほど、基板１０の縁部における応力が大きくなる傾向がある。このため、本実施形態で得られる縁部における応力低減効果は、基板１０の半径ｒが大きい場合ほど好ましく得られる。 図４は、ずらし量ｄに依存して、基板１０の縁部での相当応力がどのように変化するかを示すグラフである。横軸は、ずらし量ｄを示し、縦軸は、相当応力を示す。横軸および縦軸の値は、以下に説明するように、相対値で示している。以下の説明で、当該相対値を括弧内に示すことがある。 ずらし方向に関し、ストリエーション中心Ｃ０側（図１の左方側）