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JP6334259B2 - Manufacturing method of free-standing substrate - Google Patents
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本発明は、III族窒化物半導体からなる自立基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a free-standing substrate made of a group III nitride semiconductor.

GaN基板等のIII族窒化物半導体基板を製造する第1の方法として、サファイア基板等の異種基板上に第1のIII族窒化物半導体層を形成した後、異種基板を除去することによって、第1のIII族窒化物半導体層からなる下地基板を得て、この下地基板上にさらに第2のIII族窒化物半導体層を形成することによって、下地基板とIII族窒化物半導体層(第2のIII族窒化物半導体層)とからなるIII族窒化物半導体基板を得る方法がある。なお、下地基板を得る方法は、例えば、特許文献1、2等に記載されている。   As a first method for manufacturing a group III nitride semiconductor substrate such as a GaN substrate, a first group III nitride semiconductor layer is formed on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate, and then the heterogeneous substrate is removed to form a first method. By obtaining a base substrate composed of one group III nitride semiconductor layer and further forming a second group III nitride semiconductor layer on the base substrate, the base substrate and the group III nitride semiconductor layer (second group) There is a method for obtaining a group III nitride semiconductor substrate comprising a group III nitride semiconductor layer). In addition, the method of obtaining a base substrate is described in patent document 1, 2, etc., for example.

また、GaN基板等のIII族窒化物半導体基板を製造する第2の方法として、サファイア基板等の異種基板を下地基板とし、この下地基板上にIII族窒化物半導体層を形成することによって、下地基板とIII族窒化物半導体層とからなるIII族窒化物半導体基板を得る方法もある。   Further, as a second method of manufacturing a group III nitride semiconductor substrate such as a GaN substrate, a different substrate such as a sapphire substrate is used as a base substrate, and a group III nitride semiconductor layer is formed on the base substrate, thereby forming a base layer. There is also a method for obtaining a group III nitride semiconductor substrate comprising a substrate and a group III nitride semiconductor layer.

特開2003−55097号公報JP 2003-55097 A 特開2008−120670号公報JP 2008-120670 A

本発明者の検討によれば、下地基板上に形成されたIII族窒化物半導体層は、凹状に反ってしまうことが多い。ここでいう凹状とは、下地基板上に形成されたIII族窒化物半導体層において、下地基板側とは反対側の面が凹状となる(下地基板側の面が凸状となる)ことを意味する。特に、上記第1の方法によりIII族窒化物半導体基板を製造した場合は、異種基板から剥離することにより得られた下地基板が凹状に反っていることが多いため、下地基板上に形成されたIII族窒化物半導体層(第2のIII族窒化物半導体層)が顕著に凹状に反ってしまう。   According to the study of the present inventor, the group III nitride semiconductor layer formed on the base substrate often warps in a concave shape. The concave shape here means that in the group III nitride semiconductor layer formed on the base substrate, the surface opposite to the base substrate side is concave (the surface on the base substrate side is convex). To do. In particular, when a group III nitride semiconductor substrate is manufactured by the first method, the base substrate obtained by peeling from the dissimilar substrate is often warped in a concave shape, and thus formed on the base substrate. The group III nitride semiconductor layer (second group III nitride semiconductor layer) warps significantly in a concave shape.

なお、本発明者は、このように凹状に反ったIII族窒化物半導体層は、単に形状が凹状であるだけでなく、物性的にc軸が内向きとなっていることを確認している。   In addition, the inventor has confirmed that the group III nitride semiconductor layer warped in a concave shape is not only concave in shape but also has a c-axis inward in terms of physical properties. .

更に、本発明者の検討によれば、フラットな下地基板、すなわち外観上に反りが生じていない下地基板上にIII族窒化物半導体層を形成した場合にも、当該III族窒化物半導体層の形状が凹状となったり、当該III族窒化物半導体層のc軸が内向きとなったりする場合がある。   Further, according to the study of the present inventors, even when a group III nitride semiconductor layer is formed on a flat base substrate, that is, a base substrate that does not warp in appearance, the group III nitride semiconductor layer The shape may be concave or the c-axis of the group III nitride semiconductor layer may be inward.

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、凹状の反りを抑制した自立基板の製造方法を提供する。   This invention is made | formed in view of said subject, and provides the manufacturing method of the self-supporting board | substrate which suppressed concave curvature.

本発明によれば、
窒化物半導体からなり、第1の面に凸部を有する下地基板を準備する準備工程と、
前記第1の面を薬液によりエッチングする前処理工程と、
前記前処理工程の後、前記第1の面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる成長工程と、
を有し、
前記準備工程は、
基材上に、第1の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)が分散した炭素層を形成する第1の工程と、
前記第1の層の上に、第2の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)の層を形成する第2の工程と、
前記第2の層を窒化する第3の工程と、
窒化された前記第2の層の上に、III族窒化物半導体層を形成する第4の工程と、
前記第4の工程の後、前記基材、前記第1の層、窒化された前記第2の層及び前記III族窒化物半導体層を含む積層体を、前記III族窒化物半導体層を形成する際の加熱よりも高い温度で加熱し、前記基材と前記III族窒化物半導体層とを分離する第5の工程と、
を有し、
前記第5の工程で分離された前記III族窒化物半導体層から前記下地基板を得る自立基板の製造方法が提供される。
According to the present invention,
A preparation step of preparing a base substrate made of a nitride semiconductor and having a convex portion on the first surface;
A pretreatment step of etching the first surface with a chemical;
A growth step of epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the first surface after the pretreatment step;
I have a,
The preparation step includes
Forming a carbon layer in which carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) is dispersed as a first layer on a substrate;
A second step of forming a layer of carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) as a second layer on the first layer;
A third step of nitriding the second layer;
A fourth step of forming a group III nitride semiconductor layer on the nitrided second layer;
After the fourth step, the group III nitride semiconductor layer is formed from a laminate including the base material, the first layer, the nitrided second layer, and the group III nitride semiconductor layer. Heating at a temperature higher than the heating at the time, a fifth step of separating the base material and the group III nitride semiconductor layer;
Have
A self-supporting substrate manufacturing method for obtaining the base substrate from the group III nitride semiconductor layer separated in the fifth step is provided.

本発明によれば、自立基板の凹状の反りを抑制できる。   According to the present invention, it is possible to suppress the concave warpage of the self-standing substrate.

下地基板の成長面の断面模式図の一例である。It is an example of the cross-sectional schematic diagram of the growth surface of a base substrate. 本実施形態の自立基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the flow of a process of the manufacturing method of the self-supporting substrate of this embodiment. HVPE装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of an HVPE apparatus. 本実施形態の反りの定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the curvature of this embodiment. 本実施形態の反りの定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the curvature of this embodiment. 本実施形態の反りの定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the curvature of this embodiment. 本実施形態の反りの定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the curvature of this embodiment. 本実施形態の反りの定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the curvature of this embodiment. 本実施形態の反りの定義を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the definition of the curvature of this embodiment. 本実施形態の自立基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the flow of a process of the manufacturing method of the self-supporting substrate of this embodiment. 下地基板の製造方法の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing method of a base substrate. 下地基板の製造方法の一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the manufacturing method of a base substrate. 下地基板の製造方法の一工程の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of 1 process of the manufacturing method of a base substrate. 下地基板の製造方法の一工程の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of 1 process of the manufacturing method of a base substrate. 下地基板の製造方法の一工程の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of 1 process of the manufacturing method of a base substrate. 下地基板の製造方法の一工程の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of 1 process of the manufacturing method of a base substrate. 下地基板の製造方法の一工程の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of 1 process of the manufacturing method of a base substrate. 比較例1の下地基板の成長面のSEM画像である。4 is a SEM image of a growth surface of a base substrate of Comparative Example 1. 実施例1の下地基板の成長面のSEM画像である。2 is an SEM image of a growth surface of a base substrate in Example 1. 実施例2の下地基板の成長面のSEM画像である。4 is a SEM image of a growth surface of a base substrate in Example 2. 角度差αを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the angle difference (alpha). 本実施形態の効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect of this embodiment. 基板ホルダに下地基板を保持させる状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the state which makes a substrate holder hold | maintain a base substrate.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.

<<第1の実施形態>>
まず、本実施形態の概要について説明する。本実施形態では、III族窒化物半導体からなる下地基板の成長面上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで、自立基板を得る。
<< First Embodiment >>
First, an outline of the present embodiment will be described. In this embodiment, a self-supporting substrate is obtained by epitaxially growing a group III nitride semiconductor on a growth surface of a base substrate made of a group III nitride semiconductor.

ところで、本発明者らは、下地基板の製造方法によっては、図1に示すように、下地基板10の成長面111に複数の凸部が形成されることを確認した。そして、以下の実施例で示すように、このような凸部が存在する状態で、当該成長面111上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、III族窒化物半導体の層が凹状に反り(下地基板10と接する面と反対側の面が凹状に反る)、自立基板に反りが発生しやすいことを確認した。   By the way, the present inventors have confirmed that a plurality of protrusions are formed on the growth surface 111 of the base substrate 10 as shown in FIG. Then, as shown in the following examples, when a group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the growth surface 111 in a state where such a convex portion exists, the layer of the group III nitride semiconductor warps in a concave shape ( It was confirmed that the surface on the side opposite to the surface in contact with the base substrate 10 warps in a concave shape), and that the freestanding substrate is likely to warp.

そこで、本実施形態では、凸部の高さを小さくする前処理(平坦化処理)を下地基板10の成長面111に対して実施した後に、下地基板10の成長面111上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。これにより、自立基板の反りの問題が軽減される。なお、第2の実施形態で、下地基板10の成長面111に複数の凸部が形成される場合がある下地基板10の製造方法の一例を説明する。また、図1は模式図であり、図示する下地基板10の厚さと山の高さの比率等は、本実施形態において特に意味を有さない。   Therefore, in the present embodiment, a pretreatment (flattening treatment) for reducing the height of the convex portion is performed on the growth surface 111 of the base substrate 10, and then the group III nitride is formed on the growth surface 111 of the base substrate 10. The semiconductor is epitaxially grown. Thereby, the problem of the curvature of the free-standing substrate is reduced. In the second embodiment, an example of a manufacturing method of the base substrate 10 in which a plurality of convex portions may be formed on the growth surface 111 of the base substrate 10 will be described. FIG. 1 is a schematic diagram, and the ratio of the thickness of the base substrate 10 and the height of the mountain shown in the figure has no particular meaning in the present embodiment.

最初に、図4乃至図10を参照して、本実施形態における基板(自立基板及び下地基板を含む)の「反り」の詳細な定義について説明する。図4乃至図9の各図は断面模式図であり、結晶軸の方向を破線の矢印で示している。結晶軸の傾きは、たとえばX線回折法により測定することができる。なお、基板の反りは、結晶成長段階での結晶軸の傾き、もしくは結晶軸が傾こうとする力等に起因する。   First, with reference to FIG. 4 to FIG. 10, a detailed definition of “warpage” of a substrate (including a self-supporting substrate and a base substrate) in the present embodiment will be described. Each of FIGS. 4 to 9 is a schematic cross-sectional view, and the direction of the crystal axis is indicated by a dashed arrow. The inclination of the crystal axis can be measured by, for example, an X-ray diffraction method. Note that the warpage of the substrate is caused by the inclination of the crystal axis at the stage of crystal growth or the force by which the crystal axis is inclined.

本実施形態において基板の「反り」とは、基板の外形に顕在化した反りのみならず、結晶構造上の反り(結晶軸が傾き、平行でなくなった状態)も含む。基板の外形に顕在化した反りは、例えば、基板の成長面の曲率半径により定量化できる。また、結晶構造上の反りは、例えば、結晶軸を法線とした所定の面の曲率半径により定量化できる。いずれの場合も、曲率半径が小さくなるほど、反りが大きいことを意味する。本実施形態の自立基板の製造方法によれば、自立基板の外形に顕在化する反りのみならず、自立基板の結晶構造上の反りをも改善する(上記曲率半径を大きくする)ことができる。   In the present embodiment, the “warp” of the substrate includes not only a warp manifested in the outer shape of the substrate but also a warp on the crystal structure (a state where the crystal axis is inclined and not parallel). The warp manifested in the outer shape of the substrate can be quantified by, for example, the radius of curvature of the growth surface of the substrate. Further, the warp on the crystal structure can be quantified by, for example, the curvature radius of a predetermined surface with the crystal axis as a normal line. In either case, the smaller the radius of curvature, the greater the warp. According to the method for manufacturing a self-supporting substrate of this embodiment, not only the warp manifested in the outer shape of the self-supporting substrate but also the warp on the crystal structure of the self-supporting substrate can be improved (the radius of curvature is increased).

以下、本実施形態の定義上、基板が反っている状態を具体的に例示する。図4は、下地基板710の上にIII族窒化物半導体の層711を結晶成長させることで得られた自立基板720を示す。   Hereinafter, a state in which the substrate is warped is specifically exemplified in the definition of the present embodiment. FIG. 4 shows a free-standing substrate 720 obtained by crystal growth of a group III nitride semiconductor layer 711 on a base substrate 710.

図示する例の場合、自立基板720の外形に反りは顕在化していない。しかし、III族窒化物半導体の層711の結晶軸(III族窒化物半導体の層711の厚さ方向に延びる結晶軸)が傾いている。具体的には、III族窒化物半導体の層711の露出面771の周縁部における結晶軸の方向が、III族窒化物半導体の層711の露出面771の中心部に向かって傾いている。結果、結晶軸の互いの間隔が、III族窒化物半導体の層711の一方の面772(下地基板710と接する面)から露出面771に向かうにつれて狭くなっている。本実施形態においては、このような状態も、自立基板720が凹状に反った状態と定義する。   In the case of the example shown in the figure, no warpage is apparent in the outer shape of the self-supporting substrate 720. However, the crystal axis of the group III nitride semiconductor layer 711 (the crystal axis extending in the thickness direction of the group III nitride semiconductor layer 711) is inclined. Specifically, the direction of the crystal axis at the peripheral portion of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711 is inclined toward the center of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711. As a result, the interval between the crystal axes becomes narrower from one surface 772 (surface in contact with the base substrate 710) of the group III nitride semiconductor layer 711 toward the exposed surface 771. In the present embodiment, such a state is also defined as a state in which the self-standing substrate 720 is warped in a concave shape.

なお、図4の状態において、さらに、自立基板720の外形に反りが顕在化し、III族窒化物半導体の層711及び下地基板710が凹状に反った状態(図中、露出面771が凹状に反り、面772が凸状に反った状態)も、自立基板720が凹状に反った状態と定義する。   In the state of FIG. 4, warpage is further manifested in the outer shape of the free-standing substrate 720, and the group III nitride semiconductor layer 711 and the base substrate 710 are warped in a concave shape (the exposed surface 771 is warped in a concave shape in the figure). The state in which the surface 772 is warped in a convex shape is also defined as the state in which the self-supporting substrate 720 is warped in a concave shape.

図5は、下地基板710の上にIII族窒化物半導体の層711を結晶成長させることで得られた積層体から、下地基板710を研磨等により除去することで得られたIII族窒化物半導体の層711からなる自立基板720を示している。   FIG. 5 shows a group III nitride semiconductor obtained by removing the base substrate 710 by polishing or the like from a laminate obtained by crystal growth of a group III nitride semiconductor layer 711 on the base substrate 710. A free-standing substrate 720 consisting of a plurality of layers 711 is shown.

図示する例の場合、自立基板720の外形に反りが顕在化している。すなわち、露出面771が凹状に反り、面772が凸状に反っている。また、III族窒化物半導体の層711の結晶軸(III族窒化物半導体の層11の厚さ方向に延びる結晶軸)が傾いている。具体的には、III族窒化物半導体の層711の露出面771の周縁部における結晶軸の方向が、III族窒化物半導体の層711の露出面771の中心部に向かって傾いている。結果、結晶軸の互いの間隔が、III族窒化物半導体の層711の一方の面772(下地基板710と接していた面)から露出面771に向かうにつれて狭くなっている。本実施形態においては、このような状態も、自立基板720が凹状に反った状態と定義する。   In the case of the example shown in the figure, warpage is obvious in the outer shape of the self-supporting substrate 720. That is, the exposed surface 771 warps in a concave shape, and the surface 772 warps in a convex shape. Further, the crystal axis of the group III nitride semiconductor layer 711 (the crystal axis extending in the thickness direction of the group III nitride semiconductor layer 11) is inclined. Specifically, the direction of the crystal axis at the peripheral portion of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711 is inclined toward the center of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711. As a result, the interval between the crystal axes becomes narrower from one surface 772 (the surface in contact with the base substrate 710) of the group III nitride semiconductor layer 711 toward the exposed surface 771. In the present embodiment, such a state is also defined as a state in which the self-standing substrate 720 is warped in a concave shape.

図6は、下地基板710の上に厚膜のIII族窒化物半導体の層711を結晶成長させることで得られた積層体から、下地基板710を研磨等により除去することで得られた厚膜のIII族窒化物半導体の層711を示している。   FIG. 6 shows a thick film obtained by removing the base substrate 710 by polishing or the like from a laminate obtained by crystal growth of a thick group III nitride semiconductor layer 711 on the base substrate 710. 3A shows a layer 711 of the group III nitride semiconductor.

図示する状態において、III族窒化物半導体の層711の外形に反りは顕在化していない。しかし、III族窒化物半導体の層711の結晶軸(III族窒化物半導体の層711の厚さ方向に延びる結晶軸)が傾いている。具体的には、III族窒化物半導体の層711の露出面771の周縁部における結晶軸の方向が、III族窒化物半導体の層711の露出面771の中心部に向かって傾いている。結果、結晶軸の互いの間隔が、III族窒化物半導体の層711の一方の面772(下地基板710と接していた面)から露出面771に向かうにつれて狭くなっている。   In the state shown in the figure, no warpage is apparent in the outer shape of the layer 711 of the group III nitride semiconductor. However, the crystal axis of the group III nitride semiconductor layer 711 (the crystal axis extending in the thickness direction of the group III nitride semiconductor layer 711) is inclined. Specifically, the direction of the crystal axis at the peripheral portion of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711 is inclined toward the center of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711. As a result, the interval between the crystal axes becomes narrower from one surface 772 (the surface in contact with the base substrate 710) of the group III nitride semiconductor layer 711 toward the exposed surface 771.

図7は、図6に示すIII族窒化物半導体の層711から、図6に示す図中横方向に延びる破線で切り出されたIII族窒化物半導体の層からなる自立基板720を示している。   FIG. 7 shows a free-standing substrate 720 made of a group III nitride semiconductor layer cut out from the group III nitride semiconductor layer 711 shown in FIG. 6 by a broken line extending in the horizontal direction in FIG.

図示する例の場合、自立基板720の外形に反りは顕在化していない。しかし、結晶軸(自立基板720の厚さ方向に延びる結晶軸)が傾いている。具体的には、自立基板720の露出面721の周縁部における結晶軸の方向が、自立基板720の露出面721の中心部に向かって傾いている。結果、結晶軸の互いの間隔が、自立基板720の一方の面722から露出面721に向かうにつれて狭くなっている。本実施形態においては、このような状態も、自立基板720が凹状に反った状態と定義する。   In the case of the example shown in the figure, no warpage is apparent in the outer shape of the self-supporting substrate 720. However, the crystal axis (the crystal axis extending in the thickness direction of the free-standing substrate 720) is inclined. Specifically, the direction of the crystal axis at the peripheral edge of the exposed surface 721 of the free-standing substrate 720 is inclined toward the center of the exposed surface 721 of the free-standing substrate 720. As a result, the interval between the crystal axes becomes narrower from the one surface 722 of the freestanding substrate 720 toward the exposed surface 721. In the present embodiment, such a state is also defined as a state in which the self-standing substrate 720 is warped in a concave shape.

図8は、図6に示すIII族窒化物半導体の層711から、図6に示す図中横方向に延びる破線で切り出されたIII族窒化物半導体の層からなる自立基板720の他の例を示している。   FIG. 8 shows another example of a free-standing substrate 720 made of a group III nitride semiconductor layer cut out from a group III nitride semiconductor layer 711 shown in FIG. 6 by a broken line extending in the horizontal direction in FIG. Show.

図示する例の場合、自立基板720の外形に反りが顕在化している。すなわち、露出面721が凹状に反り、面722が凸状に反っている。また、結晶軸(自立基板720の厚さ方向に延びる結晶軸)が傾いている。具体的には、自立基板720の露出面721の周縁部における結晶軸の方向が、自立基板720の露出面721の中心部に向かって傾いている。結果、結晶軸の互いの間隔が、自立基板720の一方の面722から露出面721に向かうにつれて狭くなっている。本実施形態においては、このような状態も、自立基板720が凹状に反った状態と定義する。   In the case of the example shown in the figure, warpage is obvious in the outer shape of the self-supporting substrate 720. That is, the exposed surface 721 is warped in a concave shape, and the surface 722 is warped in a convex shape. Further, the crystal axis (the crystal axis extending in the thickness direction of the freestanding substrate 720) is inclined. Specifically, the direction of the crystal axis at the peripheral edge of the exposed surface 721 of the free-standing substrate 720 is inclined toward the center of the exposed surface 721 of the free-standing substrate 720. As a result, the interval between the crystal axes becomes narrower from the one surface 722 of the freestanding substrate 720 toward the exposed surface 721. In the present embodiment, such a state is also defined as a state in which the self-standing substrate 720 is warped in a concave shape.

図9は、下地基板710の上にIII族窒化物半導体の層711を結晶成長させることで得られた自立基板720を示す。図示する例の場合、自立基板720のうち、III族窒化物半導体の層711の外形に反りが顕在化している。すなわち、露出面771が凹状に反っている。また、III族窒化物半導体の層711の結晶軸(III族窒化物半導体の層711の厚さ方向に延びる結晶軸)が傾いている。具体的には、III族窒化物半導体の層711の露出面771の周縁部における結晶軸の方向が、III族窒化物半導体の層711の露出面771の中心部に向かって傾いている。結果、結晶軸の互いの間隔が、III族窒化物半導体の層711の一方の面772(下地基板710と接する面)から露出面771に向かうにつれて狭くなっている。本実施形態においては、このような状態も、自立基板720が凹状に反った状態と定義する。   FIG. 9 shows a self-supporting substrate 720 obtained by crystal growth of a group III nitride semiconductor layer 711 on a base substrate 710. In the case of the example shown in the figure, a warp is evident in the outer shape of the group III nitride semiconductor layer 711 in the free-standing substrate 720. That is, the exposed surface 771 is warped in a concave shape. Further, the crystal axis of the group III nitride semiconductor layer 711 (the crystal axis extending in the thickness direction of the group III nitride semiconductor layer 711) is inclined. Specifically, the direction of the crystal axis at the peripheral portion of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711 is inclined toward the center of the exposed surface 771 of the group III nitride semiconductor layer 711. As a result, the interval between the crystal axes becomes narrower from one surface 772 (surface in contact with the base substrate 710) of the group III nitride semiconductor layer 711 toward the exposed surface 771. In the present embodiment, such a state is also defined as a state in which the self-standing substrate 720 is warped in a concave shape.

次に、本実施形態の構成について詳細に説明する。図2は、本実施形態の自立基板の製造方法の処理の流れを示すフローチャートである。図示するように、本実施形態の自立基板の製造方法は、前処理工程S10と、成長工程S20とを有する。   Next, the configuration of the present embodiment will be described in detail. FIG. 2 is a flowchart showing a process flow of the method for manufacturing a self-supporting substrate according to the present embodiment. As shown in the figure, the method for manufacturing a self-supporting substrate of this embodiment includes a pretreatment step S10 and a growth step S20.

前処理工程S10では、III族窒化物半導体からなる下地基板10の成長面(第1の面)111(図1参照)を薬液によりエッチングする。上述の通り、下地基板10の成長面111には、複数の凸部が存在する場合がある。当該工程のエッチングにより、この凸部の高さを小さくし、下地基板10の成長面111を平坦化する。   In the pretreatment step S10, the growth surface (first surface) 111 (see FIG. 1) of the base substrate 10 made of a group III nitride semiconductor is etched with a chemical solution. As described above, there may be a plurality of convex portions on the growth surface 111 of the base substrate 10. By etching in this step, the height of the convex portion is reduced and the growth surface 111 of the base substrate 10 is planarized.

なお、当該工程をどの程度行うかは設計的事項である。当該工程を十分に行い、成長面111を完全に平坦化すれば、自立基板の反りの問題を十分に軽減できる。しかし、当該工程をある程度でも行い、凸部の高さを少しでも小さくして平坦化すれば、上記反りの問題をある程度軽減することができる。例えば、当該処理工程の後になだらなか凸部が存在する程度に平坦化してもよい。   In addition, how much the said process is performed is a design matter. If the process is sufficiently performed and the growth surface 111 is completely planarized, the problem of warpage of the free-standing substrate can be sufficiently reduced. However, if the above process is performed to some extent and the height of the convex portion is reduced as much as possible to flatten it, the problem of warpage can be alleviated to some extent. For example, it may be flattened to such an extent that a convex portion is gently present after the processing step.

薬液は、例えば、100℃以上300℃以下、好ましくは150℃以上250℃以下に加熱されたリン酸、又は、100℃以上250℃以下、好ましくは130℃以上250℃以下、さらに好ましくは180℃以上250℃以下に加熱されたリン酸と硫酸の混合液などを選択することができる。そして、下地基板10の成長面111に当該薬液が接した状態を、45分以上2時間以下、好ましくは50分以上1時間30分以下継続することができる。継続時間は、薬液の温度に応じて調整する(上記範囲内で、薬液の温度が高いほど短い継続時間とする)ことができる。   The chemical solution is, for example, phosphoric acid heated to 100 ° C. to 300 ° C., preferably 150 ° C. to 250 ° C., or 100 ° C. to 250 ° C., preferably 130 ° C. to 250 ° C., more preferably 180 ° C. A mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid heated to 250 ° C. or lower can be selected. The state in which the chemical solution is in contact with the growth surface 111 of the base substrate 10 can be continued for 45 minutes or longer and 2 hours or shorter, preferably 50 minutes or longer and 1 hour 30 minutes or shorter. The duration time can be adjusted according to the temperature of the chemical solution (within the above range, the higher the temperature of the chemical solution, the shorter the duration time).

本発明者は、薬液の温度が高くなるほど、また、処理時間が長くなるほど、成長面111をより平坦化できることを確認している。しかし、薬液の温度が高くなりすぎると扱いが難しくなるほか、薬液をその温度まで加熱するために要する時間が多くなる。一方、処理時間を長くすると、作業効率が悪くなる。薬液の温度を上記範囲にし、かつ、処理時間を上記範囲とすることで、これらの問題を軽減して条件を最適化することができる。そして、基板の反りの問題を十分に改善できる程度に、凸部の高さを小さくする(成長面111を平坦化する)ことができる。なお、処理方法は特段制限されず、例えば、上記薬液の中に下地基板10を浸漬させてもよい。   The inventor has confirmed that the growth surface 111 can be flattened as the temperature of the chemical solution increases and the treatment time increases. However, when the temperature of the chemical solution becomes too high, handling becomes difficult, and the time required to heat the chemical solution to that temperature increases. On the other hand, if the processing time is lengthened, the work efficiency becomes worse. By setting the temperature of the chemical solution within the above range and the processing time within the above range, these problems can be reduced and the conditions can be optimized. The height of the convex portion can be reduced (the growth surface 111 can be flattened) to such an extent that the problem of substrate warpage can be sufficiently improved. The processing method is not particularly limited, and for example, the base substrate 10 may be immersed in the chemical solution.

成長工程S20では、前処理工程S10の後、下地基板10の成長面(第1の面)111上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで、III族窒化物半導体の層を形成する。エピタキシャル成長させる手段は特段制限されず、例えば、HVPE法(ハイドライド気相成長法)、MOVPE法(有機金属気相成長法)等、周知の技術を利用することができる。   In the growth step S20, a group III nitride semiconductor layer is formed by epitaxially growing a group III nitride semiconductor on the growth surface (first surface) 111 of the base substrate 10 after the pretreatment step S10. The means for epitaxial growth is not particularly limited, and known techniques such as HVPE (hydride vapor phase epitaxy) and MOVPE (organometallic vapor phase epitaxy) can be used.

ここで、HVPE法によりIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる場合を例にとり、当該工程の一例を説明する。例えば、図3に示すようなハイドライド気相成長(HVPE)装置100を用いて、基板41(下地基板10)上にIII族窒化物半導体の層をエピタキシャル成長させる。   Here, an example of the process will be described by taking as an example a case where the group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown by the HVPE method. For example, using a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) apparatus 100 as shown in FIG. 3, a group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown on the substrate 41 (underlying substrate 10).

図示するHVPE装置100は、反応管121と、反応管121内に設けられている基板ホルダ123とを備える。また、HVPE装置100は、III族原料ガスを反応管121内に供給するIII族原料ガス供給部139と、窒素原料ガスを反応管121内に供給する窒素原料ガス供給部137とを備える。さらに、HVPE装置100は、ガス排出管135と、ヒータ129、130とを備える。   The illustrated HVPE apparatus 100 includes a reaction tube 121 and a substrate holder 123 provided in the reaction tube 121. The HVPE apparatus 100 includes a group III source gas supply unit 139 that supplies a group III source gas into the reaction tube 121 and a nitrogen source gas supply unit 137 that supplies a nitrogen source gas into the reaction tube 121. Further, the HVPE apparatus 100 includes a gas exhaust pipe 135 and heaters 129 and 130.

基板ホルダ123は、反応管121の下流側に回転軸132により回転自在に設けられている。ガス排出管135は、反応管121のうち基板ホルダ123の下流側に設けられている。   The substrate holder 123 is rotatably provided on the downstream side of the reaction tube 121 by a rotation shaft 132. The gas discharge pipe 135 is provided on the downstream side of the substrate holder 123 in the reaction pipe 121.

III族原料ガス供給部139は、ガス供給管126とソースボート128とIII族(Ga)原料127と反応管121のうち遮蔽板136の下の層とを含む。窒素原料ガス供給部137は、ガス供給管124と反応管121のうち遮蔽板136の上の層とを含む。III族原料ガス供給部139は、III族原子のハロゲン化物(たとえば、GaCl)を生成し、これを基板ホルダ123に保持された基板41の表面に供給する。   The group III source gas supply unit 139 includes a gas supply pipe 126, a source boat 128, a group III (Ga) source 127, and a layer below the shielding plate 136 among the reaction tubes 121. The nitrogen source gas supply unit 137 includes a gas supply pipe 124 and a layer on the shielding plate 136 in the reaction pipe 121. The group III source gas supply unit 139 generates a halide of group III atoms (for example, GaCl) and supplies it to the surface of the substrate 41 held by the substrate holder 123.

ガス供給管126の供給口は、III族原料ガス供給部139内の上流側に配置されている。このため、供給されたハロゲン化水素ガス(たとえば、HClガス)は、III族原料ガス供給部139内でソースボート128中のIII族原料127と接触するようになっている。これにより、ガス供給管126から供給されるハロゲン含有ガスは、ソースボート128中のIII族原料127の表面または揮発したIII族分子と接触し、III族分子をハロゲン化してIII族のハロゲン化物を含むIII族原料ガスを生成する。なお、このIII族原料ガス供給部139の周囲にはヒータ129が配置され、III族原料ガス供給部139内は、たとえば800〜900℃程度の温度に維持される。   The supply port of the gas supply pipe 126 is arranged on the upstream side in the group III source gas supply unit 139. For this reason, the supplied hydrogen halide gas (for example, HCl gas) comes into contact with the group III source material 127 in the source boat 128 in the group III source gas supply unit 139. Thereby, the halogen-containing gas supplied from the gas supply pipe 126 comes into contact with the surface of the group III raw material 127 in the source boat 128 or the volatilized group III molecule, and the group III molecule is halogenated to form a group III halide. A Group III source gas is produced. A heater 129 is disposed around the group III source gas supply unit 139, and the inside of the group III source gas supply unit 139 is maintained at a temperature of about 800 to 900 ° C., for example.

反応管121の上流側は、遮蔽板136により2つの層に区画されている。図中の遮蔽板136の上側に位置する窒素原料ガス供給部137中を、ガス供給管124から供給されたアンモニアが通過し、熱により分解が促進される。なお、この窒素原料ガス供給部137の周囲にはヒータ129が配置され、窒素原料ガス供給部137内は、たとえば800〜900℃程度の温度に維持される。   The upstream side of the reaction tube 121 is divided into two layers by a shielding plate 136. Ammonia supplied from the gas supply pipe 124 passes through the nitrogen source gas supply unit 137 located on the upper side of the shielding plate 136 in the drawing, and decomposition is accelerated by heat. A heater 129 is disposed around the nitrogen source gas supply unit 137, and the nitrogen source gas supply unit 137 is maintained at a temperature of about 800 to 900 ° C., for example.

反応管121の下流側に位置する成長領域122には、基板ホルダ123が配置され、この成長領域122内でGaN等のIII族窒化物半導体の成長が行われる。この成長領域122の周囲にはヒータ130が配置され、成長領域122内は、たとえば1000℃〜1050℃程度の温度に維持される。   A substrate holder 123 is disposed in the growth region 122 located on the downstream side of the reaction tube 121, and a group III nitride semiconductor such as GaN is grown in the growth region 122. A heater 130 is disposed around the growth region 122, and the inside of the growth region 122 is maintained at a temperature of about 1000 ° C. to 1050 ° C., for example.

以上説明した前処理工程S10及び成長工程S20により、下地基板10の上にIII族窒化物半導体の層11を結晶成長させた積層体が得られる。III族窒化物半導体の層11の厚さは、例えば、1mm以上10mm以下とすることができる。本実施形態では、この積層体を自立基板としてもよい。また、この積層体から下地基板10を研磨等により除去することで得られるIII族窒化物半導体の層11を自立基板としてもよい。さらに、III族窒化物半導体の層11をスライス等して切り出されたIII族窒化物半導体の層を自立基板としてもよい。   By the pretreatment step S10 and the growth step S20 described above, a stacked body in which the group 11 nitride semiconductor layer 11 is crystal-grown on the base substrate 10 is obtained. The thickness of the group III nitride semiconductor layer 11 may be, for example, 1 mm or more and 10 mm or less. In the present embodiment, this laminate may be a self-supporting substrate. Further, the group 11 nitride semiconductor layer 11 obtained by removing the base substrate 10 from the laminated body by polishing or the like may be used as a self-supporting substrate. Furthermore, a group III nitride semiconductor layer cut out by slicing the group III nitride semiconductor layer 11 may be used as a free-standing substrate.

以上説明した本実施形態の自立基板の製造方法によれば、準備した下地基板10の成長面111に複数の凸部が存在する場合であっても、前処理工程S10により凸部の高さを小さくし、成長面111を平坦化した後に、当該成長面111上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる。このため、下地基板10の成長面111上の凸部の存在により、当該成長面111上にエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体の層が凹状に反る(下地基板10と接する面と反対側の面が凹状に反る)不都合を軽減することができる。   According to the method for manufacturing a self-supporting substrate of the present embodiment described above, the height of the protrusions is increased by the pretreatment step S10 even when there are a plurality of protrusions on the growth surface 111 of the prepared base substrate 10. After reducing the size and flattening the growth surface 111, a group III nitride semiconductor can be epitaxially grown on the growth surface 111. For this reason, the presence of the convex portion on the growth surface 111 of the base substrate 10 causes the group III nitride semiconductor layer epitaxially grown on the growth surface 111 to warp in a concave shape (on the side opposite to the surface in contact with the base substrate 10). The inconvenience can be reduced.

<<第2の実施形態>>
本実施形態では、下地基板10の成長面111に複数の凸部が形成される場合がある下地基板10の製造方法の一例を説明する。なお、下地基板10の製造方法は、本実施形態と完全に一致するものに限定されず、本実施形態の製造方法の一部工程を変化させたものや、その他の製造方法であってもよい。
<< Second Embodiment >>
In the present embodiment, an example of a method for manufacturing the base substrate 10 in which a plurality of convex portions may be formed on the growth surface 111 of the base substrate 10 will be described. In addition, the manufacturing method of the base substrate 10 is not limited to a thing completely corresponding to this embodiment, What changed the one part process of the manufacturing method of this embodiment, and another manufacturing method may be sufficient. .

図10は、本実施形態の自立基板の製造方法の処理の流れを示すフローチャートである。図示するように、本実施形態の自立基板の製造方法は、準備工程S1と、前処理工程S10と、成長工程S20とを有する。前処理工程S10及び成長工程S20は、第1の実施形態と同様である。   FIG. 10 is a flowchart showing a process flow of the method for manufacturing a self-supporting substrate according to the present embodiment. As shown in the figure, the method for manufacturing a self-supporting substrate of the present embodiment includes a preparation step S1, a pretreatment step S10, and a growth step S20. The pretreatment step S10 and the growth step S20 are the same as those in the first embodiment.

準備工程S1では、前処理工程S10の前に、成長面111(第1の面)に凸部を有する下地基板10を準備する。なお、凸部は、所定の方法で下地基板10を製造した結果、意図せず成長面111(第1の面)に現れる結果物であってもよい。   In the preparation step S1, the base substrate 10 having a convex portion on the growth surface 111 (first surface) is prepared before the pretreatment step S10. Note that the convex portion may be a resultant product that unintentionally appears on the growth surface 111 (first surface) as a result of manufacturing the base substrate 10 by a predetermined method.

準備工程S1は、
(1)基材上に、第1の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)が分散した炭素層を形成する第1の工程と、
(2)第1の層の上に、第2の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)の層を形成する第2の工程と、
(3)第2の層を窒化する第3の工程と、
(4)窒化された第2の層の上に、III族窒化物半導体層を形成する第4の工程と、
(5)第4の工程の後、基材、第1の層、窒化された第2の層及びIII族窒化物半導体層を含む積層体を、III族窒化物半導体層を形成する際の加熱よりも高い温度で加熱する第5の工程と、
を有する。
The preparation step S1
(1) A first step of forming a carbon layer in which carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) is dispersed on the substrate as a first layer;
(2) a second step of forming a layer of carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) as a second layer on the first layer;
(3) a third step of nitriding the second layer;
(4) a fourth step of forming a group III nitride semiconductor layer on the nitrided second layer;
(5) After the fourth step, heating in forming the group III nitride semiconductor layer is performed on the stacked body including the base material, the first layer, the nitrided second layer, and the group III nitride semiconductor layer. A fifth step of heating at a higher temperature,
Have

以下、炭化物MCが炭化チタンである場合を例にとり、各工程について説明する。なお、炭化物MCが炭化チタン以外である場合も、同様の工程で自立基板を製造することができる。   Hereinafter, each process will be described by taking as an example the case where the carbide MC is titanium carbide. Even when the carbide MC is other than titanium carbide, a self-supporting substrate can be manufactured in the same process.

<第1の工程>
第1の工程では、基材上に、第1の層として、炭化チタンが分散した炭素層を形成する。まず、基材を用意する。基材は、その上に形成されるIII族窒化物半導体と異なる異種基板とすることができる。基材の厚さは、250um以上1500um以下であり、400um以上600um以下が好ましい。基材が厚すぎると、以下で説明する第4の工程後に、基材とIII族窒化物半導体層36との熱膨張係数の差に起因した応力により、割れやクラックが入ってしまう場合がある。基材の厚さを、400um以上600um以下とすることで、このような不都合を軽減できる。本実施形態では、例えば、厚さ550μmの3インチφのサファイア(Al)基板30を基材として用意する。そして、次に、このサファイア基板30上に、第1の層31を形成する(図11(A))。
<First step>
In the first step, a carbon layer in which titanium carbide is dispersed is formed on the substrate as the first layer. First, a base material is prepared. The substrate can be a different substrate from the group III nitride semiconductor formed thereon. The thickness of the substrate is 250 μm or more and 1500 μm or less, and preferably 400 μm or more and 600 μm or less. If the substrate is too thick, after the fourth step described below, cracks and cracks may occur due to the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the group III nitride semiconductor layer 36. . Such inconvenience can be reduced by setting the thickness of the base material to 400 μm or more and 600 μm or less. In this embodiment, for example, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate 30 having a thickness of 550 μm and a diameter of 3 inches is prepared as a base material. Next, a first layer 31 is formed on the sapphire substrate 30 (FIG. 11A).

第1の層31は、炭化チタンが分散した炭素層である。例えば、第1の層31は、第1の層31中におけるTiとCの原子数比C/Tiが1.5以上、好ましくは3.0以上、さらに好ましくは3.5以上を満たすようにTiCが分散した炭素層とすることができる。このような第1の層31は、炭化チタンの層(第2の層)中の金属(チタン)と、サファイア基板30とが結合してしまうことを抑制する結合抑制膜として機能する。   The first layer 31 is a carbon layer in which titanium carbide is dispersed. For example, the first layer 31 satisfies the atomic ratio C / Ti of Ti and C in the first layer 31 of 1.5 or more, preferably 3.0 or more, more preferably 3.5 or more. A carbon layer in which TiC is dispersed can be obtained. Such a first layer 31 functions as a bonding suppression film that suppresses bonding of the metal (titanium) in the titanium carbide layer (second layer) and the sapphire substrate 30.

このような第1の層31は、例えばスパッタリングで形成することができる。第1の層31の成膜条件は、例えば以下のようにすることができる。   Such a first layer 31 can be formed by sputtering, for example. The film forming conditions of the first layer 31 can be as follows, for example.

成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:25〜1000℃
成膜時間:3〜60秒
圧力:0.2〜0.5Pa
印加電力:100〜300W
スパッタガス:Arガス
スパッタガス流量:5〜30sccm
反応性ガス:炭化水素(CH
反応性ガス流量:10.0sccm
ターゲット:Ti
膜厚:0.1nm〜0.4nm
Deposition method: Reactive sputtering Deposition temperature: 25-1000 ° C
Deposition time: 3-60 seconds Pressure: 0.2-0.5 Pa
Applied power: 100-300W
Sputtering gas: Ar gas Sputtering gas flow rate: 5-30 sccm
Reactive gas: Hydrocarbon (CH 4 )
Reactive gas flow rate: 10.0sccm
Target: Ti
Film thickness: 0.1 nm to 0.4 nm

炭化水素の導入量がより多い条件で反応性スパッタリングを行うと、第1の層31中にTiCをより多く分散させることができる。上記成膜条件の場合、メタンガスの供給量を適当に調整することで、第1の層31中に分散する炭化チタンの量を調整できる。すなわち、メタンガスの供給量を適当に調整することで、第1の層31中におけるTiとCの原子数比C/Tiを所望の値に調整できる。   When reactive sputtering is performed under a condition where the amount of introduced hydrocarbon is larger, more TiC can be dispersed in the first layer 31. In the case of the above film forming conditions, the amount of titanium carbide dispersed in the first layer 31 can be adjusted by appropriately adjusting the supply amount of methane gas. That is, by appropriately adjusting the supply amount of methane gas, the atomic ratio C / Ti of Ti and C in the first layer 31 can be adjusted to a desired value.

また、印加電力をより大きくした条件で反応性スパッタリングを行うと、第1の層31中にTiCをより多く分散させることができる。すなわち、印加電力を適当に調整することで、第1の層31中に分散する炭化チタンの量を調整し、第1の層31中におけるTiとCの原子数比C/Tiを所望の値に調整できる。   Further, when reactive sputtering is performed under a condition in which the applied power is increased, more TiC can be dispersed in the first layer 31. That is, the amount of titanium carbide dispersed in the first layer 31 is adjusted by appropriately adjusting the applied power, and the atomic ratio C / Ti of Ti and C in the first layer 31 is set to a desired value. Can be adjusted.

第1の層31は、Cを主成分とした膜であり、炭素膜を母材とし、この母材中にTiCを含む膜である。たとえば、炭素が海状(マトリクス)であり、TiCがこのマトリクス中に分散した形態である。   The first layer 31 is a film containing C as a main component, a carbon film as a base material, and a film containing TiC in the base material. For example, carbon is in a sea state (matrix), and TiC is dispersed in this matrix.

第1の層31の成膜温度は、25℃以上であればよい。なかでも、第1の層31の成膜温度は第2の層32の成膜温度以上であることが好ましい。具体的には、600℃以上、特には、800℃以上で成膜することが好ましい。   The film formation temperature of the first layer 31 may be 25 ° C. or higher. In particular, the film formation temperature of the first layer 31 is preferably equal to or higher than the film formation temperature of the second layer 32. Specifically, it is preferable to form a film at 600 ° C. or higher, particularly 800 ° C. or higher.

このようにすることで、第1の層31は緻密な膜となり、均一で結晶配向性の高い層が形成され、第4の工程で形成されるIII族窒化物半導体層の高品質化が実現する。   By doing so, the first layer 31 becomes a dense film, a uniform and highly crystalline layer is formed, and the high quality of the group III nitride semiconductor layer formed in the fourth step is realized. To do.

また、第1の層31の成膜温度を高くすると、第1の層31中に分散したTiCの一部も結晶配向が起こり、これにより、第2の層32の結晶配向性も向上することとなる。   In addition, when the film formation temperature of the first layer 31 is increased, a part of TiC dispersed in the first layer 31 also undergoes crystal orientation, thereby improving the crystal orientation of the second layer 32. It becomes.

第1の層31の厚みは、0.1nm以上、0.4nm以下であることが好ましい。なかでも、0.2nm以上、0.3nmであることが好ましい。この第1の層31の厚みは、スパッタリング装置による成膜条件(成膜時間等)から計算した値である。   The thickness of the first layer 31 is preferably 0.1 nm or more and 0.4 nm or less. Especially, it is preferable that they are 0.2 nm or more and 0.3 nm. The thickness of the first layer 31 is a value calculated from film forming conditions (film forming time, etc.) by a sputtering apparatus.

また、第1の層31は、サファイア基板30のうち、後述する第2の層32が形成される領域(本実施形態では、サファイア基板30の全面)を完全に被覆する必要はない。第1の層31は、基材であるサファイア基板30を完全に被覆していてもよいし、または、島状あるいはドット状の膜がサファイア基板30上に均一又はまだらに分布し、局所的にサファイア基板30が露出する態様であってもよい。   Further, the first layer 31 does not need to completely cover a region (in this embodiment, the entire surface of the sapphire substrate 30) in which the second layer 32 described later is formed in the sapphire substrate 30. The first layer 31 may completely cover the sapphire substrate 30 as a base material, or the island-like or dot-like film is distributed uniformly or mottled on the sapphire substrate 30 and locally. The aspect which the sapphire substrate 30 exposes may be sufficient.

第1の層31を、サファイア基板30を完全被覆するものとした場合には、III族窒化物半導体層を容易にサファイア基板30から剥離させることができる。一方で、第1の層31を、島状あるいはドット状の膜とした場合には、サファイア基板30の結晶情報がIII族窒化物半導体層に伝達されやすくなり、結晶性の高いIII族窒化物半導体層を得ることができる。   When the first layer 31 completely covers the sapphire substrate 30, the group III nitride semiconductor layer can be easily separated from the sapphire substrate 30. On the other hand, when the first layer 31 is an island-like or dot-like film, the crystal information of the sapphire substrate 30 is easily transmitted to the group III nitride semiconductor layer, and the group III nitride having high crystallinity. A semiconductor layer can be obtained.

<第2の工程>
第2の工程では、第1の層31の上に、第2の層32として炭化チタンの層を形成する(図11(B))。第2の層32の成膜条件は、例えば以下のようにする。
<Second step>
In the second step, a titanium carbide layer is formed as the second layer 32 on the first layer 31 (FIG. 11B). The film forming conditions for the second layer 32 are, for example, as follows.

成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:500〜1000℃
成膜時間:4.5〜114分
圧力:0.2〜0.5Pa
印加電力:100〜300W
スパッタガス:Arガス
スパッタガス流量:5〜50sccm
反応性ガス:CH
反応性ガス流量:10.0sccm
ターゲット:Ti
膜厚:20nm〜500nm
Film forming method: reactive sputtering film forming temperature: 500 to 1000 ° C.
Deposition time: 4.5 to 114 minutes Pressure: 0.2 to 0.5 Pa
Applied power: 100-300W
Sputtering gas: Ar gas Sputtering gas flow rate: 5-50 sccm
Reactive gas: CH 4
Reactive gas flow rate: 10.0sccm
Target: Ti
Film thickness: 20 nm to 500 nm

第2の層32である炭化チタン層は、TiCが主成分の層であり、C原子は、Ti原子と結合し、TiCを構成している。   The titanium carbide layer which is the second layer 32 is a layer mainly composed of TiC, and C atoms are combined with Ti atoms to constitute TiC.

成膜温度は、500℃以上、1000℃以下であることが好ましいが、600℃以上であることが好ましく、900℃以下であることが好ましい。600℃以上であれば結晶性の高いTiC層が形成可能で、900℃より高い温度では基材面内の温度分布斑が発生しやすくなるためTiC層の結晶性に分布が発生しやすくなる。   The film formation temperature is preferably 500 ° C. or more and 1000 ° C. or less, preferably 600 ° C. or more, and preferably 900 ° C. or less. If the temperature is 600 ° C. or higher, a TiC layer having high crystallinity can be formed. If the temperature is higher than 900 ° C., uneven temperature distribution in the substrate surface is likely to occur, and thus the crystallinity of the TiC layer is likely to be distributed.

また、炭化チタン層の厚みは、結晶性向上の観点から、20nm以上、製造効率の観点から500nm以下であることが好ましいが、なかでも、結晶性を高めるという観点から、70nm以上、さらには120nm以上とすることが好ましい。また、炭化物層の形成に多くの時間を費やすことなく結晶性の高い炭化物層を得るという観点から、150nm以下とすることが好ましい。   In addition, the thickness of the titanium carbide layer is preferably 20 nm or more from the viewpoint of improving crystallinity and 500 nm or less from the viewpoint of production efficiency. In particular, from the viewpoint of improving crystallinity, 70 nm or more, and further 120 nm. The above is preferable. Moreover, it is preferable to set it as 150 nm or less from a viewpoint of obtaining a highly crystalline carbide layer, without spending much time for formation of a carbide layer.

<キャップ層形成工程>
第2の工程の後、かつ、第3の工程の前に、第2の層32の上にキャップ層33を形成してもよい(図11(C))。キャップ層33は、炭化チタンが分散した炭素層とすることができる。炭化チタンが分散した炭素層の成膜条件は、例えば以下のようになる。
<Cap layer forming step>
A cap layer 33 may be formed on the second layer 32 after the second step and before the third step (FIG. 11C). The cap layer 33 can be a carbon layer in which titanium carbide is dispersed. The film formation conditions of the carbon layer in which titanium carbide is dispersed are as follows, for example.

成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:25〜1000℃
成膜時間:2.5〜25分
圧力:0.3〜0.5Pa
印加電力:100〜300W
反応性ガス:CH
反応性ガス流量:10.0sccm
ターゲット:Ti
膜厚:5nm〜50nm
Deposition method: Reactive sputtering Deposition temperature: 25-1000 ° C
Deposition time: 2.5-25 minutes Pressure: 0.3-0.5 Pa
Applied power: 100-300W
Reactive gas: CH 4
Reactive gas flow rate: 10.0sccm
Target: Ti
Film thickness: 5 nm to 50 nm

炭化水素の導入量がより多い条件で反応性スパッタリングを行うと、キャップ層33中にTiCをより多く分散させることができる。上記条件の場合、メタンガスの供給量を適当に調整することで、キャップ層33中に分散する炭化チタンの量を調整できる。すなわち、メタンガスの供給量を適当に調整することで、キャップ層33中におけるTiとCの原子数比C/Tiを所望の値に調整できる。   When reactive sputtering is performed under a condition where the amount of introduced hydrocarbon is larger, more TiC can be dispersed in the cap layer 33. In the case of the above conditions, the amount of titanium carbide dispersed in the cap layer 33 can be adjusted by appropriately adjusting the supply amount of methane gas. That is, by appropriately adjusting the supply amount of methane gas, the atomic ratio C / Ti of Ti and C in the cap layer 33 can be adjusted to a desired value.

また、印加電力をより大きくした条件で反応性スパッタリングを行うと、キャップ層33中にTiCをより多く分散させることができる。すなわち、印加電力を適当に調整することで、キャップ層33中に分散する炭化チタンの量を調整し、キャップ層33中におけるTiとCの原子数比C/Tiを所望の値に調整できる。   Further, when reactive sputtering is performed under a condition where the applied power is increased, more TiC can be dispersed in the cap layer 33. That is, by appropriately adjusting the applied power, the amount of titanium carbide dispersed in the cap layer 33 can be adjusted, and the atomic ratio C / Ti of Ti and C in the cap layer 33 can be adjusted to a desired value.

キャップ層33は、Cを主成分とした膜であり、炭素膜を母材とし、この母材中にTiCを含む膜である。たとえば、炭素が海状(マトリクス)であり、TiCがこのマトリクス中に分散した形態である。   The cap layer 33 is a film containing C as a main component, a carbon film as a base material, and TiC in the base material. For example, carbon is in a sea state (matrix), and TiC is dispersed in this matrix.

キャップ層33中のTiC濃度は、C単体(TiCとして存在するCを除くC)の濃度よりも低い。またキャップ層33のTiC濃度は、第2の層32中のTiC濃度よりも低い。たとえば、キャップ層33中のTiC濃度は、33〜49%である。   The TiC concentration in the cap layer 33 is lower than the concentration of C alone (C excluding C existing as TiC). The TiC concentration of the cap layer 33 is lower than the TiC concentration in the second layer 32. For example, the TiC concentration in the cap layer 33 is 33 to 49%.

キャップ層33の成膜温度は、25℃以上であればよい。なかでも、キャップ層33の成膜温度は第2の層32の成膜温度以上であることが好ましい。具体的には、600℃以上、特には、800℃以上で成膜することが好ましい。このようにすることで、キャップ層33が緻密な膜となり、効果的に第2の層32の酸化を防止することができる。   The film formation temperature of the cap layer 33 may be 25 ° C. or higher. In particular, the film formation temperature of the cap layer 33 is preferably equal to or higher than the film formation temperature of the second layer 32. Specifically, it is preferable to form a film at 600 ° C. or higher, particularly 800 ° C. or higher. By doing so, the cap layer 33 becomes a dense film, and the oxidation of the second layer 32 can be effectively prevented.

また、キャップ層33の膜厚は、5nm以上、50nm以下であることが好ましいが、なかでも、10nm以上であることが好ましい。キャップ層33を10nm以上とすることで、効果的に第2の層32の酸化を防止することができる。さらに、キャップ層33は、第2の層32の全面を完全に被覆している。   Further, the film thickness of the cap layer 33 is preferably 5 nm or more and 50 nm or less, and more preferably 10 nm or more. By setting the cap layer 33 to 10 nm or more, it is possible to effectively prevent the second layer 32 from being oxidized. Further, the cap layer 33 completely covers the entire surface of the second layer 32.

<第3の工程>
第3の工程では、第2の層(炭化チタン層)32を窒化する。例えば、図2(A)に示すように、第2の層32を300℃以上、1000℃以下の雰囲気下で部分的に窒化し、窒化された炭化チタン層34を形成する。窒化された炭化チタン層34は、主に炭化チタンが存在する炭化チタン層342と、主に窒化チタンが存在する窒化チタン層341との積層構造となる。第2の層32の窒化条件は、例えば以下のようである。
<Third step>
In the third step, the second layer (titanium carbide layer) 32 is nitrided. For example, as shown in FIG. 2A, the second layer 32 is partially nitrided in an atmosphere of 300 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower to form a nitrided titanium carbide layer 34. The nitrided titanium carbide layer 34 has a laminated structure of a titanium carbide layer 342 mainly containing titanium carbide and a titanium nitride layer 341 mainly containing titanium nitride. The nitriding conditions for the second layer 32 are, for example, as follows.

窒化温度:300℃〜950℃
窒化時間:5〜30分
窒化ガス:NHガス、Hガス、Nガス
Nitriding temperature: 300 ° C to 950 ° C
Nitriding time: 5 to 30 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, H 2 gas, N 2 gas

なお、第2の層32の上にキャップ層33を形成した場合、第2の層32はキャップ層33で覆われている。しかし、第2の層32の窒化処理において、キャップ層33中の炭素は窒化ガスによりCHとして気化することとなる。このため、キャップ層33中には、第2の層32まで到達する空隙が生じる。そして、この空隙を通じて窒化ガスが第2の層32に到達し、第2の層32が部分的に窒化され、窒化された炭化チタン層34が形成されることとなる。 When the cap layer 33 is formed on the second layer 32, the second layer 32 is covered with the cap layer 33. However, in the nitriding treatment of the second layer 32, the carbon in the cap layer 33 is vaporized as CH 4 by the nitriding gas. For this reason, a gap reaching the second layer 32 is generated in the cap layer 33. Then, the nitriding gas reaches the second layer 32 through this gap, and the second layer 32 is partially nitrided to form a nitrided titanium carbide layer 34.

なお、窒化温度は500℃以上700℃以下であることがより好ましく、特に好ましくは550℃以下である。窒化温度を500℃以上とすることで第2の層32の窒化速度を速くするという効果がある。一方で、窒化温度を700℃以下とすることで、窒化速度を抑制し、第1の層31まで窒化される不都合を抑制することができる。第1の層31が窒化されると、窒化される前に比べて、第1の層31とサファイア基板30(基材)との結合が強固になるという不都合が生じる。   The nitriding temperature is more preferably 500 ° C. or more and 700 ° C. or less, and particularly preferably 550 ° C. or less. By setting the nitriding temperature to 500 ° C. or higher, there is an effect of increasing the nitriding rate of the second layer 32. On the other hand, by setting the nitriding temperature to 700 ° C. or lower, the nitriding rate can be suppressed, and the inconvenience of nitriding to the first layer 31 can be suppressed. When the first layer 31 is nitrided, there is a disadvantage that the bond between the first layer 31 and the sapphire substrate 30 (base material) becomes stronger than before the nitridation.

なお、窒化温度を550℃より高温にすると、(1)式に示すとおりCHが分解してCが析出し、CがTiNに混入することでIII族窒化物半導体層の結晶性が低下する場合がある。Cの析出を抑制するには、水素の導入やアンモニア分圧を高めるのが有効である。 When the nitriding temperature is higher than 550 ° C., CH 4 is decomposed and C is precipitated as shown in the formula (1), and C is mixed with TiN, so that the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer is lowered. There is a case. In order to suppress the precipitation of C, it is effective to increase the introduction of hydrogen and the partial pressure of ammonia.

CH→C+2H・・・・・・・・・・・・・・・・(1)式 CH 4 → C + 2H 2 ... (1) Formula

また、窒化時間は、30分以下であることが好ましい。窒化時間を30分程度とすることで、第2の層32を適度に窒化することができる。   The nitriding time is preferably 30 minutes or less. By setting the nitriding time to about 30 minutes, the second layer 32 can be appropriately nitrided.

なお、第2の層32を窒化する際の反応ガスとしては、アンモニアが好ましい。反応ガスとしてアンモニア以外に窒素を使用してもTiNを形成できるが、(2)式で示すようにTiNとCが生成し、TiNにCが混入した場合にはIII族窒化物半導体層の結晶品質に影響を与える可能性がある。   Note that ammonia is preferable as a reaction gas when nitriding the second layer 32. TiN can be formed even if nitrogen is used as a reaction gas in addition to ammonia, but as shown in the formula (2), TiN and C are formed, and when C is mixed in TiN, the crystal of the group III nitride semiconductor layer is formed. May affect quality.

2TiC+N→2TiN+2C・・・・・・・・・・・(2)式 2TiC + N 2 → 2TiN + 2C (2) formula

なお、第2の層32の上にキャップ層33を形成した場合、当該第3の工程により、キャップ層33中に含まれる炭化チタンが部分的に窒化され、窒化されたキャップ層343が形成される。また、第1の層31中に含まれる炭化チタンが部分的に窒化され、TiNとなる場合もある。これらのTiNは後段のIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長する間にサファイア基板30(基材)の結晶情報を引き継ぐ役目をし、結晶性の良好なIII族窒化物半導体を形成することとなる。   In the case where the cap layer 33 is formed on the second layer 32, titanium carbide contained in the cap layer 33 is partially nitrided and the nitrided cap layer 343 is formed by the third step. The In addition, titanium carbide contained in the first layer 31 may be partially nitrided to become TiN. These TiNs serve to take over the crystal information of the sapphire substrate 30 (base material) during the epitaxial growth of the subsequent group III nitride semiconductor, and form a group III nitride semiconductor with good crystallinity.

<第4の工程>
第4の工程では、窒化された炭化チタン層34(第2の層32を窒化した層)の直上に、III族窒化物半導体層36を形成する。なお、第2の層32の直上にキャップ層を形成した場合は、窒化されたキャップ層343の直上に、III族窒化物半導体層36を形成する(図12(B))。ここでは、III族窒化物半導体層36として、GaN半導体層をエピタキシャル成長させるものとする。なお、III族窒化物半導体層36は、GaNに限られるものではなく、たとえば、AlGaN等であってもよい。GaN半導体層(III族窒化物半導体層36)の成長条件は、例えば以下のようにすることができる。
<4th process>
In the fourth step, the group III nitride semiconductor layer 36 is formed immediately above the nitrided titanium carbide layer 34 (the layer obtained by nitriding the second layer 32). When a cap layer is formed immediately above the second layer 32, a group III nitride semiconductor layer 36 is formed immediately above the nitrided cap layer 343 (FIG. 12B). Here, it is assumed that a GaN semiconductor layer is epitaxially grown as the group III nitride semiconductor layer 36. The group III nitride semiconductor layer 36 is not limited to GaN, and may be, for example, AlGaN. The growth conditions of the GaN semiconductor layer (group III nitride semiconductor layer 36) can be as follows, for example.

成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1000℃〜1050℃
成膜時間:30分〜500分
膜厚:100μm〜1500μm
Film forming method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film forming temperature: 1000 ° C. to 1050 ° C.
Deposition time: 30 minutes to 500 minutes Film thickness: 100 μm to 1500 μm

なお、当該成膜温度よりも低温で、III族窒化物半導体の低温成長バッファ層を形成した後、上記成長条件で、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を実施してもよい。   In addition, after forming the low-temperature growth buffer layer of the group III nitride semiconductor at a temperature lower than the film formation temperature, the group III nitride semiconductor may be epitaxially grown under the above growth conditions.

また、III族窒化物半導体のファセットを形成した後、上記成長条件で、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長を実施して、平坦膜であるIII族窒化物半導体層36を得てもよい。III族窒化物半導体のエピタキシャル成長は、例えば、図3に示すハイドライド気相成長(HVPE)装置を用いて実現してもよい。   Further, after forming the group III nitride semiconductor facet, the group III nitride semiconductor may be epitaxially grown under the above growth conditions to obtain the group III nitride semiconductor layer 36 which is a flat film. The epitaxial growth of the group III nitride semiconductor may be realized by using, for example, a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) apparatus shown in FIG.

なお、III族窒化物半導体層36を形成する工程の初期においては、窒素原料ガスにより、窒化されたキャップ層343又は窒化された炭化チタン層34の露出面がさらに窒化されてもよい。   In the initial stage of the step of forming group III nitride semiconductor layer 36, the exposed surface of nitrided cap layer 343 or nitrided titanium carbide layer 34 may be further nitrided with a nitrogen source gas.

そして、III族窒化物半導体層36を形成する工程の初期においては、窒化されたキャップ層343又は窒化された炭化チタン層34の露出面における炭化チタンと、III族窒化物半導体とが以下のように反応すると考えられる。ここでは、III族窒化物半導体がGaNである場合を例にあげて説明する。   In the initial stage of forming the group III nitride semiconductor layer 36, the titanium carbide and the group III nitride semiconductor on the exposed surface of the nitrided cap layer 343 or the nitrided titanium carbide layer 34 are as follows. It is thought that it reacts to. Here, a case where the group III nitride semiconductor is GaN will be described as an example.

Al+4GaN→4AlN+4Ga+3C・・・(3)式 Al 4 C 3 + 4GaN → 4AlN + 4Ga + 3C (3) formula

TiC+GaN→TiN+Ga+C・・・(4)式 TiC + GaN → TiN + Ga + C (4) formula

また、窒化されたキャップ層343及び窒化された炭化チタン層34の結晶性によっては、以下のような反応が生じる場合もある。III族窒化物半導体が熱分解して、窒素原子と、III族原子とになる。この熱分解により生じた窒素原子が、窒化されたキャップ層343及び窒化チタン層341中の隙間(たとえば、結晶粒界あるいは微小クラック)を通じて炭化チタン層342の表面、場合によっては、炭化チタン層342の表面層内の隙間(たとえば、結晶粒界あるいは微小クラック)に達し、炭化チタン層342の表面および表面層の炭化物が窒化物となる反応が生じることもある。   Further, depending on the crystallinity of the nitrided cap layer 343 and the nitrided titanium carbide layer 34, the following reaction may occur. The group III nitride semiconductor is thermally decomposed into nitrogen atoms and group III atoms. Nitrogen atoms generated by the thermal decomposition are formed on the surface of the titanium carbide layer 342 through gaps (for example, crystal grain boundaries or microcracks) in the nitrided cap layer 343 and the titanium nitride layer 341, and in some cases, the titanium carbide layer 342. May reach a gap (for example, a crystal grain boundary or a microcrack) in the surface layer, and a reaction may occur in which the surface of the titanium carbide layer 342 and the carbide of the surface layer become nitrides.

なお、上記記載から理解できるように、III族窒化物半導体層36を形成する工程の初期において、窒化された炭化チタン層34の中の窒化チタン層341の厚みは厚くなり、炭化チタン層342の厚みは薄くなる。   As can be understood from the above description, in the initial stage of forming the group III nitride semiconductor layer 36, the thickness of the titanium nitride layer 341 in the nitrided titanium carbide layer 34 is increased, and the titanium carbide layer 342 The thickness is reduced.

また、上記(3)、(4)の反応や、III族窒化物半導体の熱分解により、析出したIII族原子は、III族窒化物半導体層36と、窒化されたキャップ層343との間に位置することとなり、III族元素析出層が形成される。なお、窒化されたキャップ層343が存在しない場合は、III族窒化物半導体層36と、窒化された炭化チタン層34との間にIII族元素析出層が形成される。   In addition, the group III atoms precipitated by the reactions (3) and (4) above and the thermal decomposition of the group III nitride semiconductor are disposed between the group III nitride semiconductor layer 36 and the nitrided cap layer 343. Therefore, a group III element precipitation layer is formed. When the nitrided cap layer 343 does not exist, a group III element precipitation layer is formed between the group III nitride semiconductor layer 36 and the nitrided titanium carbide layer 34.

III族窒化物半導体層36の厚みは、サファイア基板30(基材)およびIII族窒化物半導体層36の線膨張係数差により発生してしまう応力を小さくするという観点から、たとえば、600μm以下であることが好ましく、特には450μm以下であることが好ましく、なかでも300μm以下であることが好ましい。さらに、III族窒化物半導体層36の厚みは、取り扱い性の観点から50μm以上であることが好ましい。   The thickness of group III nitride semiconductor layer 36 is, for example, 600 μm or less from the viewpoint of reducing the stress generated by the difference in linear expansion coefficient between sapphire substrate 30 (base material) and group III nitride semiconductor layer 36. In particular, it is preferably 450 μm or less, and more preferably 300 μm or less. Furthermore, the thickness of the group III nitride semiconductor layer 36 is preferably 50 μm or more from the viewpoint of handleability.

<第5の工程>
第5の工程では、第4の工程の後、サファイア基板30(基材)、第1の層31、窒化された炭化チタン層34(第2の層32を窒化した層)、及び、III族窒化物半導体層36を含む積層体(さらに、窒化されたキャップ層343を含む場合がある)を、III族窒化物半導体層36を形成する際の加熱よりも高い温度で加熱する。
<Fifth step>
In the fifth step, after the fourth step, the sapphire substrate 30 (base material), the first layer 31, the nitrided titanium carbide layer 34 (the layer obtained by nitriding the second layer 32), and the group III The stacked body including the nitride semiconductor layer 36 (which may further include the nitrided cap layer 343) is heated at a temperature higher than the heating for forming the group III nitride semiconductor layer 36.

第5の工程の加熱の後、常温まで戻った積層体を観察すると、サファイア基板30(基材)と、III族窒化物半導体層36とは分離している。III族窒化物半導体層36とサファイア基板30(基材)との分離位置は、III族窒化物半導体層36とサファイア基板30(基材)の間に位置する第1の層31及び窒化された炭化チタン層34の内部で起こる。すなわち、第5の工程を行うことで、III族窒化物半導体層36とサファイア基板30(基材)との分離位置を制御できる。また、分離位置の制御により、分離形状のばらつきを軽減できる。   When the laminated body returned to room temperature is observed after the heating in the fifth step, the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36 are separated. The separation position between the group III nitride semiconductor layer 36 and the sapphire substrate 30 (base material) is the first layer 31 located between the group III nitride semiconductor layer 36 and the sapphire substrate 30 (base material) and nitrided. It occurs inside the titanium carbide layer 34. That is, by performing the fifth step, the separation position between the group III nitride semiconductor layer 36 and the sapphire substrate 30 (base material) can be controlled. Further, the variation in separation shape can be reduced by controlling the separation position.

ところで、このような分離位置の違いから、本発明者らは、本実施形態の場合、加熱後の冷却中に応力を利用した分離が起こっているのでなく、第5の工程での加熱処理の最中に分離が起こっていると推測している。このような加熱処理の最中の分離のメカニズムは明らかではないが、以下のようであると推測される。   By the way, from such a difference in separation position, in the case of the present embodiment, the present inventors do not perform separation using stress during cooling after heating, but perform heat treatment in the fifth step. I guess that separation occurred in the middle. The mechanism of separation during such heat treatment is not clear, but is assumed to be as follows.

前述した、III族窒化物半導体層36と、窒化されたキャップ層343(又は、窒化された炭化チタン層34)との間に形成されるIII族元素析出層には、III族原子が存在している。さらには、熱処理により、III族窒化物半導体層36を構成するIII族窒化物が分解して、III族原子が形成されることとなる。   In the group III element precipitation layer formed between the group III nitride semiconductor layer 36 and the nitrided cap layer 343 (or the nitrided titanium carbide layer 34), group III atoms are present. ing. Furthermore, the group III nitride constituting the group III nitride semiconductor layer 36 is decomposed by the heat treatment, and group III atoms are formed.

III族原子は、融点が低いため、熱処理過程では液状となる。そして、III族原子は、窒化されたキャップ層343、及び、窒化チタン層341を通過し、炭化チタン層342、炭化チタンを含む第1の層31に達する。   Since Group III atoms have a low melting point, they become liquid during the heat treatment process. The group III atoms pass through the nitrided cap layer 343 and the titanium nitride layer 341, and reach the titanium carbide layer 342 and the first layer 31 containing titanium carbide.

そして、炭化チタン層342及び第1の層31では、以下の反応が生じると考えられる。ここでは、III族窒化物半導体がGaである例をあげて説明する。   Then, it is considered that the following reaction occurs in the titanium carbide layer 342 and the first layer 31. Here, an example in which the group III nitride semiconductor is Ga will be described.

Al+4Ga(l)→4Al−Ga(l)+3C・・・(5)式 Al 4 C 3 + 4Ga (l) → 4Al—Ga (l) + 3C (5) formula

TiC+Ga(l)→Ti−Ga(l)+C・・・(6)式 TiC + Ga (l) → Ti-Ga (l) + C (6)

なお、式(5)や(6)の反応を進行させる観点から、III族窒化物半導体層のIII族原子と、第1の層31及び第2の層32を構成する金属原子とは異なるものであることが好ましい。   From the viewpoint of advancing the reaction of the formulas (5) and (6), the group III atoms of the group III nitride semiconductor layer are different from the metal atoms constituting the first layer 31 and the second layer 32. It is preferable that

この反応により、炭化チタン層342及び第1の層31の結晶構造が破壊され、炭化チタン層342及び第1の層31と、サファイア基板30(基材)との密着性が悪化する。そして、炭化チタン層342及び第1の層31の中で分離が生じる(図12(D))。   By this reaction, the crystal structures of the titanium carbide layer 342 and the first layer 31 are destroyed, and the adhesion between the titanium carbide layer 342 and the first layer 31 and the sapphire substrate 30 (base material) is deteriorated. Then, separation occurs in the titanium carbide layer 342 and the first layer 31 (FIG. 12D).

このようなメカニズムでIII族窒化物半導体層36とサファイア基板30(基材)とを分離するので、III族窒化物半導体層36及びサファイア基板30(基材)の径が大きい場合でも、剥離形状に大きなばらつきが生じにくく、所望の基材を生産性良く得ることができる。例えば、III族窒化物半導体層36及びサファイア基板30(基材)の径は、10mm以上200mm以下とすることができる。   Since the group III nitride semiconductor layer 36 and the sapphire substrate 30 (base material) are separated by such a mechanism, even if the diameters of the group III nitride semiconductor layer 36 and the sapphire substrate 30 (base material) are large, the peeled shape Therefore, a desired substrate can be obtained with good productivity. For example, the diameters of the group III nitride semiconductor layer 36 and the sapphire substrate 30 (base material) can be 10 mm or more and 200 mm or less.

なお、第5の工程では、例えば、1050℃より大1150℃以下の温度、さらに好ましくは1050℃より大1100℃以下、さらに好ましくは1050℃より大1080℃以下の温度で、上記積層体を加熱する。加熱温度が高くなると、式(5)及び(6)の反応を進めることができる反面、III族窒化物半導体層36に転位が発生しやすくなる。本実施形態の場合、サファイア基板30(基材)の直上に第1の層31を設けているので、第1の層31を設けていない場合に比べて低温の加熱で、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36とを十分に分離することができる。   In the fifth step, for example, the laminate is heated at a temperature higher than 1050 ° C. and lower than or equal to 1150 ° C., more preferably higher than 1050 ° C. and lower than or equal to 1100 ° C., more preferably higher than 1050 ° C. and lower than or equal to 1080 ° C. To do. When the heating temperature is increased, the reactions of formulas (5) and (6) can be advanced, but dislocations are likely to occur in the group III nitride semiconductor layer 36. In the case of the present embodiment, since the first layer 31 is provided immediately above the sapphire substrate 30 (base material), the sapphire substrate 30 (base) is heated at a lower temperature than in the case where the first layer 31 is not provided. Material) and the group III nitride semiconductor layer 36 can be sufficiently separated.

また、第5の工程では、上記温度で、上記積層体を5時間以上30時間以下加熱する。加熱時間が長くなると、III族窒化物半導体層36に転位が発生しやすくなるほか、製造時間が長くなり、生産効率が悪くなる。本実施形態の場合、サファイア基板30(基材)の直上に第1の層31を設けているので、第1の層31を設けていない場合に比べて短い時間の加熱で、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36とを分離することができる。   In the fifth step, the laminate is heated at the above temperature for 5 hours to 30 hours. If the heating time is long, dislocations are likely to occur in the group III nitride semiconductor layer 36, and the manufacturing time is long, resulting in poor production efficiency. In the case of the present embodiment, since the first layer 31 is provided immediately above the sapphire substrate 30 (base material), the sapphire substrate 30 (by heating for a shorter time compared to the case where the first layer 31 is not provided). The base material) and the group III nitride semiconductor layer 36 can be separated.

ここで、加熱処理の例を説明する。   Here, an example of heat treatment will be described.

<第1の例>
第5の工程は、III族窒化物半導体層36を形成された後の加熱状態の積層体を常温(室温)まで冷却することなく、エピタキシャル成長した温度よりも高い温度で当該積層体を連続的に加熱してもよい。当該加熱は、例えば、III族窒化物半導体層36を形成したHVPE装置を使用して行うことができる。
<First example>
In the fifth step, the laminated body in a heated state after the group III nitride semiconductor layer 36 is formed is continuously cooled at a temperature higher than the epitaxially grown temperature without cooling to a normal temperature (room temperature). You may heat. The heating can be performed using, for example, an HVPE apparatus in which the group III nitride semiconductor layer 36 is formed.

例えば、HVPE装置でIII族窒化物半導体層36を形成後、積層体をHVPE装置内に収容した状態のまま、原料ガス及び反応ガスの供給を停止し、ヒータの温度を所望の値まで上げて、積層体を加熱してもよい。   For example, after forming the group III nitride semiconductor layer 36 with the HVPE apparatus, the supply of the source gas and the reaction gas is stopped while the stacked body is housed in the HVPE apparatus, and the heater temperature is raised to a desired value. The laminate may be heated.

<第2の例>
例えば第3の工程の条件の制御や、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36の厚みの関係の制御等により、III族窒化物半導体層36を形成後(第4の工程の後)、サファイア基板30(基材)、第1の層31、窒化された炭化チタン層34(第2の層32を窒化した層)、及び、III族窒化物半導体層36を含む積層体(さらに、窒化されたキャップ層343を含む場合がある)を常温まで冷却しても、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36との線膨張係数差に起因する応力に基づいてサファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36とが分離しないようにできる。このような場合、第4の工程でIII族窒化物半導体層36を形成後、上記積層体を一度常温まで冷却し、その後、第5の工程を行うことができる。第3の工程の条件の制御は、例えば、NHガス(窒化ガス)の流量(分圧)の制御である。NHガスの流量が少ないと、第4の工程後の冷却で、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36とが分離しやすい。一方、NHガスの流量が多いと、第4の工程後の冷却で、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36とが分離しにくい。
<Second example>
For example, after forming the group III nitride semiconductor layer 36 by controlling the conditions of the third step or controlling the relationship between the thickness of the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36 (fourth step). And a laminated body including a sapphire substrate 30 (base material), a first layer 31, a nitrided titanium carbide layer 34 (a layer obtained by nitriding the second layer 32), and a group III nitride semiconductor layer 36. Even if the nitrided cap layer 343 is further cooled to room temperature, it is based on the stress caused by the difference in linear expansion coefficient between the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36. Thus, the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36 can be prevented from being separated. In such a case, after the group III nitride semiconductor layer 36 is formed in the fourth step, the stacked body is once cooled to room temperature, and then the fifth step can be performed. Control of the conditions of the third step is, for example, control of the flow rate (partial pressure) of NH 3 gas (nitriding gas). When the flow rate of the NH 3 gas is small, the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36 are easily separated by cooling after the fourth step. On the other hand, when the flow rate of NH 3 gas is large, the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36 are difficult to separate by cooling after the fourth step.

当該例でも、積層体の加熱には、HVPE装置3を使用することができる。例えば、積層体を、図3に示すヒータ129及び130で取り囲まれている領域内に配置して、加熱してもよい。   Also in this example, the HVPE apparatus 3 can be used for heating the laminate. For example, the laminated body may be arranged and heated in a region surrounded by the heaters 129 and 130 shown in FIG.

たとえば、図13に示すような表面に凹部511が形成された治具55を用意し、凹部511に、積層体Dを挿入する。そして、このような治具55ごと積層体DをHVPE装置内に収容する。そして、ヒータ129、130を駆動して、複数の積層体Dを同時に加熱処理する。なお、この熱処理工程においては、III族窒化物半導体層36の成長は停止した状態である。また、HVPE装置100とは別に熱処理装置を用意し、積層体Dを加熱処理してもよい。   For example, a jig 55 having a recess 511 formed on the surface as shown in FIG. 13 is prepared, and the laminate D is inserted into the recess 511. And the laminated body D with such a jig | tool 55 is accommodated in an HVPE apparatus. Then, the heaters 129 and 130 are driven to heat the plurality of stacked bodies D at the same time. In this heat treatment step, the growth of the group III nitride semiconductor layer 36 is stopped. Further, a heat treatment apparatus may be prepared separately from the HVPE apparatus 100 and the laminate D may be heat-treated.

<第3の例>
当該例でも、積層体を常温まで冷却後、第5の工程を実行する。例えば、積層体DをIII族元素の液体中に浸漬させた状態で、加熱する。III族元素の液体は、III族窒化物半導体層36に含まれるIII族元素と同じ元素の液体である。たとえば、III族窒化物半導体層36がGaNである場合には、III族元素の液体はGaの液体である。
<Third example>
Also in this example, the fifth step is performed after the laminate is cooled to room temperature. For example, the laminate D is heated in a state of being immersed in a liquid of a group III element. The group III element liquid is a liquid of the same element as the group III element contained in the group III nitride semiconductor layer 36. For example, when the group III nitride semiconductor layer 36 is GaN, the group III element liquid is a Ga liquid.

III族元素の液体は、少なくとも、積層体Dの熱処理温度で液体となるものであればよい。たとえば、25℃で固体であっても、積層体Dの熱処理温度で液体となればよい。25℃で固体である場合には、たとえばIII族元素の粉末状を、後述する容器5、6に入れておけばよい。   The group III element liquid may be any liquid that is liquid at the heat treatment temperature of the laminate D. For example, even if it is solid at 25 ° C., it may be liquid at the heat treatment temperature of the laminate D. When it is solid at 25 ° C., for example, a powder of a group III element may be put in containers 5 and 6 described later.

例えば、図14および図15に示すような容器5を用意する。図14は、容器5の底面と直交する断面図である。図15は容器5の斜視図であり、内部に配置される積層体Dを示した図である。   For example, a container 5 as shown in FIGS. 14 and 15 is prepared. FIG. 14 is a cross-sectional view orthogonal to the bottom surface of the container 5. FIG. 15 is a perspective view of the container 5 and is a view showing a laminate D disposed inside.

この容器5は上面が開口した容器本体50と、この容器本体50の開口を閉鎖する蓋53と、ピン52とを備え、容器本体50の内部に複数の積層体Dを収容できる構成となっている。   The container 5 includes a container main body 50 whose upper surface is open, a lid 53 for closing the opening of the container main body 50, and a pin 52. The container main body 50 can accommodate a plurality of stacked bodies D therein. Yes.

容器5は耐熱性材料で構成され、たとえば、容器本体50、蓋53、ピン52は黒鉛製である。   The container 5 is made of a heat-resistant material. For example, the container body 50, the lid 53, and the pins 52 are made of graphite.

容器本体50の側壁51には複数のピン52が挿入されている。複数のピン52のうち一部のピン52は、容器5の側壁51に対する高さ方向の取り付け位置が異なっており、容器5の底面側からピン52A〜52Dの順に配置されている。   A plurality of pins 52 are inserted into the side wall 51 of the container body 50. Among the plurality of pins 52, some of the pins 52 have different attachment positions in the height direction with respect to the side wall 51 of the container 5, and are arranged in the order of the pins 52 </ b> A to 52 </ b> D from the bottom surface side of the container 5.

まず、側壁51に挿入されているピン52A〜52Dを容器5の側壁51から一定程度引きだしておく。ただし、完全にピン52A〜52Dを引き抜くことはしない。次に、この容器5内にIII族元素の液体を所定量入れ、その後、積層体Dを容器5内に入れる。積層体Dは、サファイア基板30(基材)が容器5の上側となるように容器5内に挿入する。積層体Dは浮力により液体中で浮くこととなる。そして、ピン52Aを容器5内側に押し込み、積層体Dのサファイア基板30(基材)の外周縁をピン52で押さえる。   First, the pins 52 </ b> A to 52 </ b> D inserted into the side wall 51 are pulled out from the side wall 51 of the container 5 to a certain extent. However, the pins 52A to 52D are not completely pulled out. Next, a predetermined amount of Group III element liquid is placed in the container 5, and then the laminate D is placed in the container 5. The laminate D is inserted into the container 5 so that the sapphire substrate 30 (base material) is on the upper side of the container 5. The laminate D is floated in the liquid by buoyancy. Then, the pin 52A is pushed into the inside of the container 5, and the outer peripheral edge of the sapphire substrate 30 (base material) of the laminate D is pressed with the pin 52.

その後、再度、III族元素の液体を容器5内に充填し、2つ目の積層体Dを容器5内に挿入する。そして、前記ピン52Aよりも高い位置にあるピン52Bを容器5内側に押し込み、2つめの積層体Dのサファイア基板30(基材)の外周縁をピン52Bで押さえる。このような作業を繰り返して、各ピン52A〜52Dで各積層体Dのサファイア基板30(基材)の外周縁を押さえる。   Thereafter, the liquid of the group III element is again filled in the container 5, and the second laminate D is inserted into the container 5. Then, the pin 52B located higher than the pin 52A is pushed into the container 5 and the outer peripheral edge of the sapphire substrate 30 (base material) of the second laminate D is pressed by the pin 52B. Such an operation is repeated, and the outer peripheral edge of the sapphire substrate 30 (base material) of each stacked body D is pressed by the pins 52A to 52D.

このような容器5を使用すれば、複数の積層体Dを容器5内でIII族元素の液体Lに浸漬させることができる。容器5内において、積層体D全体がIII族元素の液体Lに浸漬することとなる。   If such a container 5 is used, the several laminated body D can be immersed in the liquid L of a III group element within the container 5. FIG. In the container 5, the whole laminated body D will be immersed in the liquid L of a III group element.

その後、容器5の開口部に蓋53をはめ込む。そして、III族元素の液体Lが充填されるとともに、III族元素の液体Lに複数の積層体Dが浸漬された容器5を、HVPE装置100内に配置する。そして、ヒータ129、130を駆動して、容器5の外側から、III族元素の液体に浸漬された複数の積層体Dを同時に加熱処理する。また、HVPE装置100とは別に熱処理装置を用意し、容器5中の積層体Dを加熱処理してもよい。   Thereafter, the lid 53 is fitted into the opening of the container 5. Then, the container 5 filled with the group L element liquid L and having the plurality of laminated bodies D immersed in the group III element liquid L is disposed in the HVPE apparatus 100. Then, the heaters 129 and 130 are driven to simultaneously heat-treat the plurality of stacked bodies D immersed in the liquid of the group III element from the outside of the container 5. Moreover, a heat treatment apparatus may be prepared separately from the HVPE apparatus 100, and the laminated body D in the container 5 may be heat-treated.

また、積層体DをIII族元素の液体中に浸漬させるための容器は、図13及び図14に示すものに限らず、図15に示す容器6を使用してもよい。   Moreover, the container for immersing the laminated body D in the liquid of a group III element is not restricted to what is shown in FIG.13 and FIG.14, You may use the container 6 shown in FIG.

この容器6は、上面が開口した容器本体61と、この容器本体61の開口をふさぐ蓋62と、容器本体61内に積層体Dを配置するための治具63とを有する。   The container 6 includes a container main body 61 whose upper surface is open, a lid 62 that closes the opening of the container main body 61, and a jig 63 for placing the laminate D in the container main body 61.

容器6は耐熱性材料で構成され、たとえば、容器本体61、蓋62、治具63は黒鉛製である。   The container 6 is made of a heat resistant material. For example, the container body 61, the lid 62, and the jig 63 are made of graphite.

治具63は、長手方向に沿って複数の溝が離間して形成された複数本の保持部631と、この保持部631の長手方向の端部を一体的に固定する固定部632とを備える。   The jig 63 includes a plurality of holding portions 631 formed by separating a plurality of grooves along the longitudinal direction, and a fixing portion 632 that integrally fixes the end portions of the holding portions 631 in the longitudinal direction. .

例えば、複数の保持部631の溝に、積層体Dの外周縁をはめ込むことで、積層体Dが治具63に保持されることとなる。   For example, the laminated body D is held by the jig 63 by fitting the outer peripheral edge of the laminated body D into the grooves of the plurality of holding portions 631.

治具63により、複数の積層体Dが所定の間隔で離間して設置されることとなる。そして、複数の積層体Dを保持する治具63を、容器本体61内に挿入する。その後、容器本体61内にIII族元素の液体を充填し、複数の積層体DがIII族元素の液体中に完全に浸漬されることとなる。   With the jig 63, the plurality of stacked bodies D are installed at a predetermined interval. And the jig | tool 63 holding the some laminated body D is inserted in the container main body 61. FIG. Thereafter, the container main body 61 is filled with the group III element liquid, and the plurality of stacked bodies D are completely immersed in the group III element liquid.

その後、容器本体61の開口を蓋62でふさぐ。次に、容器6を、HVPE装置100内に配置する。たとえば、ヒータ129、130で取り囲まれている領域内に、容器6を配置する。そして、ヒータ129、130を駆動して、容器6の外側から、III族元素の液体に浸漬された複数の積層体Dを同時に加熱処理する。また、HVPE装置3とは別に熱処理装置を用意し、容器6中の積層体Dを加熱処理してもよい。   Thereafter, the opening of the container body 61 is closed with the lid 62. Next, the container 6 is placed in the HVPE apparatus 100. For example, the container 6 is disposed in an area surrounded by the heaters 129 and 130. Then, the heaters 129 and 130 are driven to simultaneously heat-treat the plurality of stacked bodies D immersed in the liquid of the group III element from the outside of the container 6. Further, a heat treatment apparatus may be prepared separately from the HVPE apparatus 3 and the laminate D in the container 6 may be heat-treated.

なお、熱処理工程において、容器5、6の腐食を抑制するために、容器5、6を窒素ガス等の非酸化性ガス雰囲気下に配置することが好ましい。また、容器5、6にIII族元素の液体を充填するとしたが、積層体Dの熱処理温度で液体となるIII族元素の粉末を充填してもよい。   In the heat treatment step, it is preferable to arrange the containers 5 and 6 in a non-oxidizing gas atmosphere such as nitrogen gas in order to suppress corrosion of the containers 5 and 6. Further, the containers 5 and 6 are filled with the liquid of the group III element, but the powder of the group III element that becomes liquid at the heat treatment temperature of the laminate D may be filled.

第5の工程の加熱処理は、上記例示したものに限定されず、その他の形態を採用することもできる。   The heat treatment in the fifth step is not limited to those exemplified above, and other forms can also be adopted.

なお、積層体の加熱は、非酸化性ガス中で熱処理することが好ましい。たとえば、窒素原料ガス供給部から窒素ガスを供給してもよく、また、配管40から非酸化性ガスを供給して、成長領域39を非酸化性ガス雰囲気としてもよい。   In addition, it is preferable to heat-process a laminated body in non-oxidizing gas. For example, nitrogen gas may be supplied from the nitrogen source gas supply unit, or non-oxidizing gas may be supplied from the pipe 40 to make the growth region 39 a non-oxidizing gas atmosphere.

非酸化性ガスとしては、Arガス等の希ガスおよびNガスのいずれかから1種以上を選択することができる。非酸化性ガス雰囲気下で熱処理を行なうことで、III族窒化物半導体層36の酸化を抑制することができる。 As the non-oxidizing gas, at least one kind can be selected from any of rare gases such as Ar gas and N 2 gas. By performing the heat treatment in a non-oxidizing gas atmosphere, oxidation of the group III nitride semiconductor layer 36 can be suppressed.

なかでも、非酸化性ガスとして、Nガスを使用することが好ましい。窒素は、アンモニアに比べて窒化力が低いため、Nガスを使用することで、III族窒化物半導体層15表面のN原子の脱離を一定程度抑制できる一方で、適度にIII族窒化物の分解が起こり、III族原子を生成することができる。そして、生成したIII族原子により、上述した反応(5)あるいは(6)を生じさせて、サファイア基板30(基材)とIII族窒化物半導体層36との分離を促進させることができる。 Among them, the non-oxidizing gas, it is preferable to use N 2 gas. Since nitrogen has a lower nitriding power than ammonia, the use of N 2 gas can suppress the desorption of N atoms on the surface of the group III nitride semiconductor layer 15 to a certain extent, while the group III nitride is moderately moderated. Can occur, and group III atoms can be generated. The generated group III atoms can cause the above-described reaction (5) or (6) to promote separation of the sapphire substrate 30 (base material) and the group III nitride semiconductor layer 36.

なお、サファイア基板30(基材)から分離した後、III族窒化物半導体層36を含む側の構造体を酸(たとえば、塩酸水溶液あるいは、リン酸と硫酸の混合液)で洗浄して、III族元素の液滴あるいは液滴が固化したものを除去する。また、第1の層31、窒化された炭化チタン層34が残っている場合、これらを除去(エッチング、研磨等)してもよい。これにより、III族窒化物半導体層36からなる下地基板10が得られる。   After separation from the sapphire substrate 30 (base material), the structure on the side including the group III nitride semiconductor layer 36 is washed with an acid (for example, an aqueous hydrochloric acid solution or a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid) to form III A group element droplet or a solidified droplet is removed. Further, when the first layer 31 and the nitrided titanium carbide layer 34 remain, these may be removed (etching, polishing, etc.). As a result, the base substrate 10 made of the group III nitride semiconductor layer 36 is obtained.

以上、図面を参照して本実施形態について述べたが、これらは本実施形態の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although this embodiment was described with reference to drawings, these are the illustration of this embodiment and various structures other than the above are also employable.

例えば、上記各実施形態では、基材としてサファイア基板30を使用したが、スピネル基板、SiC基板、ZnO基板、シリコン基板、GaAs基板、GaP基板等を用いてもよい。   For example, in each of the above embodiments, the sapphire substrate 30 is used as the base material, but a spinel substrate, a SiC substrate, a ZnO substrate, a silicon substrate, a GaAs substrate, a GaP substrate, or the like may be used.

さらに、上記実施形態では、第1の層31、第2の層32、キャップ層33、GaN半導体層36等を特定の製造条件で製造したが、特に限定する趣旨ではない。すなわち、上記の膜厚、製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体層の組成、構造に応じて適宜変更可能である。   Furthermore, in the said embodiment, although the 1st layer 31, the 2nd layer 32, the cap layer 33, the GaN semiconductor layer 36, etc. were manufactured on specific manufacturing conditions, it is not the meaning to specifically limit. That is, the above-described film thickness and manufacturing conditions are merely examples, and can be appropriately changed according to the composition and structure of the semiconductor layer to be formed.

上記実施形態では、第2の層32として炭化チタンを使用していたが、これに限られるものではない。第2の層32としては、炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウム及び炭化タンタルから選択されるいずれかの炭化物層を形成すればよい。炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、非化学量論的化合物であり、炭素原子に比べ金属原子が過剰に存在する。そのため、過剰な金属原子が基材に対し、比較的結合しやすいため、上記実施形態のように、第1の層31を形成することが特に有用である。   In the said embodiment, although titanium carbide was used as the 2nd layer 32, it is not restricted to this. As the second layer 32, any carbide layer selected from aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide, and tantalum carbide may be formed. Zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide is a non-stoichiometric compound and contains an excess of metal atoms compared to carbon atoms. Therefore, since excess metal atoms are relatively easily bonded to the substrate, it is particularly useful to form the first layer 31 as in the above embodiment.

さらに、上記実施形態では、第1の層31に含まれる金属炭化物と、第2の層32を構成する金属炭化物とを同種のものとしたが、これに限らず、第1の層31に含まれる金属炭化物と、第2の層32を構成する金属炭化物とが異なっていてもよい。たとえば、第1の層31中に含まれる金属炭化物を炭化ジルコニウムとし、第2の層32を構成する炭化物を炭化チタンとしてもよい。   Furthermore, in the said embodiment, although the metal carbide contained in the 1st layer 31 and the metal carbide which comprises the 2nd layer 32 were made into the same kind, it is contained in the 1st layer 31 not only this but The metal carbide to be formed may be different from the metal carbide constituting the second layer 32. For example, the metal carbide contained in the first layer 31 may be zirconium carbide, and the carbide constituting the second layer 32 may be titanium carbide.

また、上記実施形態では、キャップ層33を生成していたが、キャップ層33はなくてもよい。たとえば、炭化物層の酸化を防止する役目を有するグローブボックス中の酸素または水蒸気を低減した雰囲気で取り扱うことが可能な場合には、炭化物層の酸化は抑制できるため、キャップ層33は不要である。   Moreover, in the said embodiment, although the cap layer 33 was produced | generated, the cap layer 33 does not need to be. For example, when it can be handled in an atmosphere in which oxygen or water vapor in the glove box that serves to prevent the oxidation of the carbide layer is reduced, the oxidation of the carbide layer can be suppressed, and thus the cap layer 33 is unnecessary.

さらに、上記実施形態では、第1の層31、第2の層32、キャップ層33をスパッタリングにより成膜したがこれに限らず、他の方法にて成膜してもよい。たとえば、真空蒸着により第1の層31等を生成してもよい。さらには、たとえば、基材を加熱しながら、金属膜と、カーボン膜とを重ねて成膜することで炭化物層を形成してもよい。   Furthermore, in the said embodiment, although the 1st layer 31, the 2nd layer 32, and the cap layer 33 were formed into a film by sputtering, you may form into a film by not only this but another method. For example, the first layer 31 or the like may be generated by vacuum deposition. Furthermore, for example, the carbide layer may be formed by stacking a metal film and a carbon film while heating the substrate.

以上説明した下地基板10の製造方法によれば、サファイア基板30(基材)と、III族窒化物半導体層36と分離位置を制御できる反面、下地基板10の成長面111に複数の凸部が形成される場合がある。また、成長面111が凹状になる状態で、下地基板10に反りが発生する場合がある。第1の実施形態で説明した自立基板の製造方法によれば、このような下地基板10を用いて、反りの問題を軽減された自立基板を製造することができる。   According to the manufacturing method of the base substrate 10 described above, the sapphire substrate 30 (base material), the group III nitride semiconductor layer 36 and the separation position can be controlled, but a plurality of convex portions are formed on the growth surface 111 of the base substrate 10. May be formed. Further, the base substrate 10 may be warped when the growth surface 111 is concave. According to the method for manufacturing a self-supporting substrate described in the first embodiment, it is possible to manufacture a self-supporting substrate in which the problem of warpage is reduced by using such a base substrate 10.

<<第3の実施形態>>
本実施形態では、下地基板10の成長面111が凹状に反っている場合(外形に反りが発生している場合)、成長工程S20において、前処理工程S10の後の下地基板10を成長面111が凸状になるように反らせ、この状態でIII族窒化物半導体を成長させる。その他の工程は、第1及び第2の実施形態と同様である。以下、成長工程S20について説明する。
<< Third Embodiment >>
In the present embodiment, when the growth surface 111 of the base substrate 10 is warped in a concave shape (when the outer shape is warped), the growth surface 111 is formed on the base substrate 10 after the pretreatment step S10 in the growth step S20. Is warped so as to be convex, and a group III nitride semiconductor is grown in this state. Other steps are the same as those in the first and second embodiments. Hereinafter, the growth step S20 will be described.

まず、成長装置内で下地基板10を保持する基板ホルダ450の構造の例を詳述する。図17に示すように、基板ホルダ450は、下地基板10の成長面111と反対側の面112を支持する支持面451aと、支持面451aにおいて下地基板10の中央部と対向する部位に形成された突起部452と、下地基板10の成長面111の周縁部を支持面451a側に押さえ付ける押さえ部455と、を有している。押さえ部455によって下地基板10の周縁部が支持面451a側に押さえ付けられることにより、基板ホルダ450によって下地基板10が保持されるとともに、突起部452が下地基板10の中央部を支持面451aから遠ざかる方向に押圧する。このため、図17に示すように、下地基板10は、その成長面111が凸になるように反った状態となる。   First, an example of the structure of the substrate holder 450 that holds the base substrate 10 in the growth apparatus will be described in detail. As shown in FIG. 17, the substrate holder 450 is formed on a support surface 451a that supports a surface 112 on the opposite side of the growth surface 111 of the base substrate 10, and on a portion of the support surface 451a that faces the central portion of the base substrate 10. And a pressing portion 455 that presses the peripheral edge of the growth surface 111 of the base substrate 10 toward the support surface 451a. When the peripheral portion of the base substrate 10 is pressed against the support surface 451a by the pressing portion 455, the base substrate 10 is held by the substrate holder 450, and the protrusion 452 moves the central portion of the base substrate 10 from the support surface 451a. Press away. For this reason, as shown in FIG. 17, the base substrate 10 is warped so that the growth surface 111 thereof is convex.

基板ホルダ450は、盤状の本体部451を有しており、上記の支持面451aは、本体部451の一方の面の少なくとも中央部を含む部分である。突起部452は、支持面451aより突出している。基板ホルダ450は、更に、本体部451の一方の面の周縁部より起立した壁部453を有している。すなわち、壁部453は、支持面451aからの突起部452の突出方向と同じ方向へ、本体部451の一方の面から起立している。壁部453は、例えば、環状に形成されており、壁部453によって囲まれた領域に下地基板10が保持されるようになっている。   The substrate holder 450 has a disk-shaped main body 451, and the support surface 451 a is a portion including at least the central portion of one surface of the main body 451. The protrusion 452 protrudes from the support surface 451a. The substrate holder 450 further has a wall portion 453 that stands up from the peripheral edge portion of one surface of the main body portion 451. That is, the wall portion 453 is erected from one surface of the main body portion 451 in the same direction as the protruding direction of the protruding portion 452 from the support surface 451a. The wall portion 453 is formed in an annular shape, for example, and the base substrate 10 is held in a region surrounded by the wall portion 453.

押さえ部455は、例えば、壁部453に対して着脱可能に取り付けられる着脱部材456と、着脱部材456と下地基板10との間に介装されるスペーサ457、458と、を有している。   The pressing portion 455 includes, for example, an attaching / detaching member 456 that is detachably attached to the wall portion 453, and spacers 457, 458 interposed between the attaching / detaching member 456 and the base substrate 10.

着脱部材456は、例えば、着脱部材456を本体部451に対して位置決めするための位置決め部456aと、スペーサ457、458を介して下地基板10を押さえ付ける板状の押さえ板部456bと、を有している。位置決め部456aを壁部453の側面にあてがった状態で、ビスなどの止着部材460を用いて、押さえ板部456bを壁部453の起立方向における端面(頂面)に対して取り付けることにより、着脱部材456を本体部451に対して位置決めして固定することができるようになっている。壁部453には、その頂面側に開口する止着穴453aが形成されている。押さえ板部456bを通して止着部材460を止着穴453aに止着することによって、押さえ板部456b、ひいては着脱部材456の全体が、壁部453に対して(つまり本体部451に対して)固定される。   The detachable member 456 includes, for example, a positioning portion 456a for positioning the detachable member 456 with respect to the main body portion 451, and a plate-shaped pressing plate portion 456b that presses the base substrate 10 through the spacers 457 and 458. doing. With the positioning portion 456a applied to the side surface of the wall portion 453, by using a fastening member 460 such as a screw, the pressing plate portion 456b is attached to the end surface (top surface) in the standing direction of the wall portion 453, The detachable member 456 can be positioned and fixed with respect to the main body 451. The wall portion 453 is formed with a fastening hole 453a that opens on the top surface side. By fixing the fixing member 460 to the fixing hole 453a through the pressing plate portion 456b, the pressing plate portion 456b and eventually the entire detachable member 456 are fixed to the wall portion 453 (that is, to the main body portion 451). Is done.

押さえ板部456bは、環状に形成されている。着脱部材456が壁部453に取り付けられた状態で、押さえ板部456bの内周縁は、壁部453よりも内側に庇(ひさし)状に張り出すようになっている。   The pressing plate portion 456b is formed in an annular shape. In a state where the detachable member 456 is attached to the wall portion 453, the inner peripheral edge of the pressing plate portion 456 b is projected in an eaves-like shape inside the wall portion 453.

スペーサ457、458は、例えば、それぞれ環状の板状部材であり、その外径は下地基板10の外径と同等の寸法に設定されている。スペーサ457、458は、下地基板10の凸反り量を調節するためのものであり、スペーサ457、458の数は、下地基板10の必要な凸反り量に応じて適宜選択するものとする。   Each of the spacers 457 and 458 is, for example, an annular plate member, and the outer diameter thereof is set to the same size as the outer diameter of the base substrate 10. The spacers 457 and 458 are for adjusting the amount of convex warp of the base substrate 10, and the number of the spacers 457 and 458 is appropriately selected according to the required amount of convex warp of the base substrate 10.

なお、スペーサ457、458、押さえ板部456b、支持面451a等の形状は、下地基板10の平面形状に合わせて適宜変更すればよい。一例として、下地基板10の平面形状が円形の場合、スペーサ457、458は円環状とし、押さえ板部456bの少なくとも内周形状は円形とし、支持面451aは円形とすることが好ましい。   The shapes of the spacers 457 and 458, the pressing plate portion 456b, the support surface 451a, and the like may be changed as appropriate according to the planar shape of the base substrate 10. As an example, when the planar shape of the base substrate 10 is circular, the spacers 457 and 458 are preferably annular, at least the inner peripheral shape of the pressing plate portion 456b is circular, and the support surface 451a is preferably circular.

次に、基板ホルダ450によって下地基板10を保持させる手順の例を説明する。   Next, an example of a procedure for holding the base substrate 10 by the substrate holder 450 will be described.

先ず、押さえ部455(着脱部材456およびスペーサ457、458)を本体部451から取り外した状態で、下地基板10を、支持面451aと対向する姿勢で、壁部453によって囲まれた領域に配置する。このとき、下地基板10の成長面111が、支持面451aとは反対側を向くように、下地基板10を配置する。   First, the base substrate 10 is disposed in a region surrounded by the wall portion 453 in a posture facing the support surface 451a in a state where the pressing portion 455 (detachable member 456 and spacers 457 and 458) is removed from the main body portion 451. . At this time, the base substrate 10 is disposed so that the growth surface 111 of the base substrate 10 faces away from the support surface 451a.

次に、所要数のスペーサ457、458を、壁部453によって囲まれた領域に挿入し、スペーサ457、458を下地基板10の周縁部と対向させた状態とする。なお、スペーサ457、458は、互いに重なり合った状態とする。   Next, a required number of spacers 457 and 458 are inserted into a region surrounded by the wall portion 453 so that the spacers 457 and 458 are opposed to the peripheral edge portion of the base substrate 10. Note that the spacers 457 and 458 overlap each other.

次に、着脱部材456を壁部453に対して位置決めし、押さえ板部456bを壁部453に対して取り付ける。このとき、押さえ板部456bの庇状の内周縁が、スペーサ457、458を介して、下地基板10の成長面111の周縁部を支持面451a側に押さえ付ける。これにより、下地基板10は、本体部451とスペーサ158との間に挟み込まれた状態で、基板ホルダ450によって保持される。このとき、下地基板10の中央部は、突起部452によって、支持面451aから遠ざかる方向に押圧される。このため、下地基板10は、成長面111側が凸になるように反り返った状態となる(図17)。   Next, the detachable member 456 is positioned with respect to the wall portion 453, and the pressing plate portion 456b is attached to the wall portion 453. At this time, the bowl-shaped inner peripheral edge of the pressing plate portion 456b presses the peripheral edge portion of the growth surface 111 of the base substrate 10 toward the support surface 451a via the spacers 457 and 458. Thereby, the base substrate 10 is held by the substrate holder 450 in a state of being sandwiched between the main body 451 and the spacer 158. At this time, the central portion of the base substrate 10 is pressed in a direction away from the support surface 451a by the protrusion 452. For this reason, the base substrate 10 is warped so that the growth surface 111 side is convex (FIG. 17).

そして、このように基板ホルダ450に保持された下地基板10を、例えば、図3に示すようなHVPE装置100内に配置し、成長面111上にIII族窒化物をエピタキシャル成長させる。なお、MOVPE法、Naフラックス法、アモノサーマル法等の結晶成長法によりエピタキシャル成長させても良い。   Then, the base substrate 10 thus held by the substrate holder 450 is placed in, for example, an HVPE apparatus 100 as shown in FIG. 3, and a group III nitride is epitaxially grown on the growth surface 111. In addition, you may make it epitaxially grow by crystal growth methods, such as a MOVPE method, Na flux method, and an ammonothermal method.

以上説明した本実施形態によれば、第1の実施形態で説明した前処理工程と、本実施形態で説明した下地基板10の機械的拘束により、下地基板10上に形成されるIII族窒化物半導体の層における反りの問題をより効果的に軽減することができる。結果、得られる自立基板の反りの問題をより軽減することができる。また、第1の実施形態で説明した前処理工程により改善すべき程度を小さくすることができるので、薬液の温度を低くして扱いやすくしたり、処理時間を短くして効率を向上させたりすることができる。   According to the embodiment described above, the group III nitride formed on the base substrate 10 by the pretreatment process described in the first embodiment and the mechanical restraint of the base substrate 10 described in the present embodiment. The problem of warpage in the semiconductor layer can be reduced more effectively. As a result, the problem of warping of the obtained free-standing substrate can be further reduced. In addition, since the degree to be improved by the pretreatment process described in the first embodiment can be reduced, the temperature of the chemical solution is lowered to facilitate handling, and the treatment time is shortened to improve efficiency. be able to.

<比較例1>
第2の実施形態で説明した製造方法で得られた下地基板であって、第1の実施形態で説明した前処理工程S10を実施しないものを、比較例1の下地基板とした。第2の実施形態で説明した製造方法で下地基板を得る具体的な方法は、以下の通りである。
<Comparative Example 1>
The base substrate obtained by the manufacturing method described in the second embodiment and not subjected to the pretreatment step S10 described in the first embodiment was used as the base substrate of Comparative Example 1. A specific method for obtaining the base substrate by the manufacturing method described in the second embodiment is as follows.

まず、厚さ550μmの2インチφのサファイア(Al)基板を基材として用意した。そして、このサファイア基板上に、以下の条件で炭化チタンが分散した炭素層(第1の層)を形成した。第1の層中におけるTiとCの原子数比C/TiをXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)で測定したところ、4であった。 First, a 2-inch φ sapphire (Al 2 O 3 ) substrate having a thickness of 550 μm was prepared as a base material. A carbon layer (first layer) in which titanium carbide was dispersed was formed on the sapphire substrate under the following conditions. When the atomic ratio C / Ti of Ti and C in the first layer was measured by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), it was 4.

成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:24秒
圧力:0.4Pa
印加電力:150W
スパッタガス:Arガス
スパッタガス流量:14.3scc
反応性ガス:炭化水素(CH
反応性ガス流量:10.0sccm
ターゲット:Ti
膜厚:0.3nm
Deposition method: Reactive sputtering Deposition temperature: 800 ° C
Deposition time: 24 seconds Pressure: 0.4 Pa
Applied power: 150W
Sputtering gas: Ar gas Sputtering gas flow rate: 14.3 scc
Reactive gas: Hydrocarbon (CH 4 )
Reactive gas flow rate: 10.0sccm
Target: Ti
Film thickness: 0.3nm

その後、第1の層の上に、以下の条件で炭化チタンの層(第2の層)を形成した。   Thereafter, a titanium carbide layer (second layer) was formed on the first layer under the following conditions.

成膜方法:反応性スパッタリング
成膜温度:800℃
成膜時間:30分
圧力:0.4Pa
印加電力:300W
スパッタガス:Arガス
スパッタガス流量:27.0sccm
反応性ガス:CH
反応性ガス流量:10.0sccm
ターゲット:Ti
膜厚:100nm
Deposition method: Reactive sputtering Deposition temperature: 800 ° C
Deposition time: 30 minutes Pressure: 0.4 Pa
Applied power: 300W
Sputtering gas: Ar gas Sputtering gas flow rate: 27.0 sccm
Reactive gas: CH 4
Reactive gas flow rate: 10.0sccm
Target: Ti
Film thickness: 100nm

その後、第2の層を、以下の条件で窒化した。   Thereafter, the second layer was nitrided under the following conditions.

窒化温度:925℃
窒化時間:30分
窒化ガス:NHガス、Hガス
Nitriding temperature: 925 ° C
Nitriding time: 30 minutes Nitriding gas: NH 3 gas, H 2 gas

その後、窒化した第2の層の上に、以下の条件でGaN層を形成した。   Thereafter, a GaN layer was formed on the nitrided second layer under the following conditions.

成膜方法:HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法
成膜温度:1040℃
成膜時間:150分
膜厚:400μm
Film formation method: HVPE (hydride vapor phase epitaxy) film formation temperature: 1040 ° C.
Deposition time: 150 minutes Film thickness: 400 μm

その後、GaN層を形成した後の積層体を常温まで冷却することなく、以下の条件で加熱(第5の工程)した。   Thereafter, the stacked body after the GaN layer was formed was heated (fifth step) under the following conditions without being cooled to room temperature.

加熱温度:1100℃
加熱時間:12時間
加熱方法:HVPE装置内
Heating temperature: 1100 ° C
Heating time: 12 hours Heating method: HVPE equipment

第5の工程の後、積層体を常温まで冷却し、観察した。GaN層とサファイア基板は分離していた。分離箇所は、GaN層とサファイア基板との間に位置する第1の層及び第2の層部分に生じていた。このようにして得られたGaN層を、比較例1の下地基板とした。   After the fifth step, the laminate was cooled to room temperature and observed. The GaN layer and the sapphire substrate were separated. The isolation | separation location had arisen in the 1st layer and 2nd layer part located between a GaN layer and a sapphire substrate. The GaN layer thus obtained was used as a base substrate of Comparative Example 1.

<実施例1>
第2の実施形態で説明した製造方法(比較例1と同じ製造条件)で得られた下地基板であって、第1の実施形態で説明した前処理工程S10を実施したものを、実施例1の下地基板とした。以下、前処理工程S10の詳細を説明する。
<Example 1>
Example 1 is a base substrate obtained by the manufacturing method described in the second embodiment (the same manufacturing conditions as in Comparative Example 1) and in which the pretreatment step S10 described in the first embodiment is performed. Was used as the base substrate. Hereinafter, details of the pretreatment step S10 will be described.

リン酸(85%)200ml、硫酸(96%)200mlをビーカー内で混合し、マントルヒーターで250℃まで加熱した。温度到達後60分間保持し、マントルヒーターを150℃に設定し、設定温度になるまで放置した。設定温度になっていることを確認し、冶具にセットした下地基板(GaN層)を加熱したリン酸、硫酸混合液の中に浸し、60分間保持した。60分後ウエハーを取り出し、急冷による割れ防止のため10分程度自然冷却し、超純水で満たしたビーカーに浸け、超純水をオーバーフローさせながら20分間保持した。超純水から取り出し窒素ブローでウエハーを乾燥させた。このようにして得られた下地基板を、実施例1の下地基板とした。   200 ml of phosphoric acid (85%) and 200 ml of sulfuric acid (96%) were mixed in a beaker and heated to 250 ° C. with a mantle heater. The temperature was maintained for 60 minutes, and the mantle heater was set to 150 ° C. and left to reach the set temperature. After confirming that the set temperature was reached, the base substrate (GaN layer) set on the jig was immersed in a heated phosphoric acid / sulfuric acid mixture and held for 60 minutes. After 60 minutes, the wafer was taken out, naturally cooled for about 10 minutes to prevent cracking due to rapid cooling, immersed in a beaker filled with ultrapure water, and held for 20 minutes while overflowing ultrapure water. The wafer was removed from the ultrapure water and dried with nitrogen blow. The base substrate thus obtained was used as the base substrate of Example 1.

<実施例2>
第2の実施形態で説明した製造方法(比較例1と同じ製造条件)で得られた下地基板であって、第1の実施形態で説明した前処理工程S10を実施したものを、実施例2の下地基板とした。なお、実施例2は、実施例1と比べて、前処理工程S10における温度条件が一部異なる。以下、前処理工程S10の詳細を説明する。
<Example 2>
Example 2 is a base substrate obtained by the manufacturing method described in the second embodiment (the same manufacturing conditions as in Comparative Example 1) and in which the pretreatment step S10 described in the first embodiment is performed. Was used as the base substrate. Note that Example 2 is partially different from Example 1 in temperature conditions in the pretreatment step S10. Hereinafter, details of the pretreatment step S10 will be described.

リン酸(85%)200ml、硫酸(96%)200mlをビーカー内で混合し、マントルヒーターで250℃まで加熱した。温度到達後60分間保持し、マントルヒーターを200℃に設定し、設定温度になるまで放置した。設定温度になっていることを確認し、冶具にセットした下地基板(GaN層)を加熱したリン酸、硫酸混合液の中に浸し、60分間保持した。60分後ウエハーを取り出し、急冷による割れ防止のため10分程度自然冷却し、超純水で満たしたビーカーに浸け、超純水をオーバーフローさせながら20分間保持した。超純水から取り出し窒素ブローでウエハーを乾燥させた。このようにして得られた下地基板を、実施例2の下地基板とした。   200 ml of phosphoric acid (85%) and 200 ml of sulfuric acid (96%) were mixed in a beaker and heated to 250 ° C. with a mantle heater. The temperature was maintained for 60 minutes, and the mantle heater was set to 200 ° C. and left to reach the set temperature. After confirming that the set temperature was reached, the base substrate (GaN layer) set on the jig was immersed in a heated phosphoric acid / sulfuric acid mixture and held for 60 minutes. After 60 minutes, the wafer was taken out, naturally cooled for about 10 minutes to prevent cracking due to rapid cooling, immersed in a beaker filled with ultrapure water, and held for 20 minutes while overflowing ultrapure water. The wafer was removed from the ultrapure water and dried with nitrogen blow. The base substrate thus obtained was used as the base substrate of Example 2.

<実施例3>
第2の実施形態で説明した製造方法(比較例1と同じ製造条件)で得られた下地基板であって、第1の実施形態で説明した前処理工程S10を実施したものを、実施例3の下地基板とした。なお、実施例3は、実施例1及び実施例2と比べて、前処理工程S10における温度条件が一部異なる。以下、前処理工程S10の詳細を説明する。
<Example 3>
Example 3 is a base substrate obtained by the manufacturing method described in the second embodiment (the same manufacturing conditions as in Comparative Example 1) and in which the pretreatment step S10 described in the first embodiment is performed. Was used as the base substrate. Note that Example 3 is partially different from Example 1 and Example 2 in temperature conditions in the pretreatment step S10. Hereinafter, details of the pretreatment step S10 will be described.

リン酸(85%)200ml、硫酸(96%)200mlをビーカー内で混合し、マントルヒーターで250℃まで加熱した。温度到達後60分間保持し、マントルヒーターを230℃に設定し、設定温度になるまで放置した。設定温度になっていることを確認し、冶具にセットした下地基板(GaN層)を加熱したリン酸、硫酸混合液の中に浸し、60分間保持した。60分後ウエハーを取り出し、急冷による割れ防止のため10分程度自然冷却し、超純水で満たしたビーカーに浸け、超純水をオーバーフローさせながら20分間保持した。超純水から取り出し窒素ブローでウエハーを乾燥させた。このようにして得られた下地基板を、実施例3の下地基板とした。   200 ml of phosphoric acid (85%) and 200 ml of sulfuric acid (96%) were mixed in a beaker and heated to 250 ° C. with a mantle heater. The temperature was maintained for 60 minutes, and the mantle heater was set to 230 ° C. and left to reach the set temperature. After confirming that the set temperature was reached, the base substrate (GaN layer) set on the jig was immersed in a heated phosphoric acid / sulfuric acid mixture and held for 60 minutes. After 60 minutes, the wafer was taken out, naturally cooled for about 10 minutes to prevent cracking due to rapid cooling, immersed in a beaker filled with ultrapure water, and held for 20 minutes while overflowing ultrapure water. The wafer was removed from the ultrapure water and dried with nitrogen blow. The base substrate thus obtained was used as the base substrate of Example 3.

<下地基板の成長面の観察>
比較例1、実施例1及び実施例2の下地基板の成長面をSEM(走査電子顕微鏡)で観察した様子を、各々、図18、図19及び図20に示す。上側は成長面を斜め上から観察した画像であり、下側は成長面の断面を観察した画像である。
<Observation of the growth surface of the underlying substrate>
FIGS. 18, 19, and 20 show the growth surfaces of the base substrates of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2 observed with a scanning electron microscope (SEM), respectively. The upper side is an image obtained by observing the growth surface obliquely from above, and the lower side is an image obtained by observing a cross section of the growth surface.

これらの図から分かるように、第2の実施形態で説明した製造方法で得られた下地基板は、成長面に凸部が形成される場合があることが分かる。また、前処理工程S10を実施することで、凸部の高さが低くなり平坦化されることが分かる。さらに、処理時間が同じである場合、薬液の温度が高い方がより平坦化されることが分かる。   As can be seen from these figures, it can be seen that the base substrate obtained by the manufacturing method described in the second embodiment may have convex portions formed on the growth surface. Moreover, it turns out that the height of a convex part becomes low and is planarized by implementing pre-processing process S10. Furthermore, when the processing time is the same, it can be seen that the higher the temperature of the chemical solution is, the more flattened.

<下地基板の外形上の反りの観察>
触針式表面段差計で、比較例1、実施例1乃至3の下地基板の裏面(サファイア基板との剥離面)形状を測定した。比較例1、実施例1乃至3の下地基板いずれも、裏面側が凸状に反っていた。この結果より、比較例1、実施例1乃至3の下地基板の成長面側が凹状に反っていることを確認した。
<Observation of warpage on the base substrate>
The back surface (peeling surface from the sapphire substrate) shape of the base substrate of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 was measured with a stylus type surface level meter. In each of the base substrates of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3, the back side was warped in a convex shape. From this result, it was confirmed that the growth surface side of the base substrate of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 was warped in a concave shape.

<下地基板の結晶構造上の反りの観察>
図21(a)および(b)は、実施例及び比較例の下地基板の模式図であり、このうち図21(a)は正面断面図、図21(b)は平面図である。なお、図21(a)においては、下地基板の外形上の反りを図示していないが、実際には反りが存在していた。
<Observation of warpage on crystal structure of base substrate>
FIGS. 21A and 21B are schematic views of base substrates of examples and comparative examples, in which FIG. 21A is a front sectional view and FIG. 21B is a plan view. In FIG. 21A, the warpage on the outer shape of the base substrate is not shown, but there is actually a warp.

ここで、c軸の角度差αの定義を説明する。実施例および比較例の下地基板(2インチφ、+c面が成長面)各々について、図21(b)に示す点P1、点P2、点P3および点P4の合計4箇所において、c軸の向きをX線回折装置により測定した。   Here, the definition of the c-axis angle difference α will be described. For each of the base substrates of Examples and Comparative Examples (2-inch φ, + c plane is the growth plane), the orientation of the c-axis at a total of four points P1, P2, P3, and P4 shown in FIG. Was measured with an X-ray diffractometer.

ここで、平面視における下地基板の中心を原点(0,0)とすると、点P1の平面座標は(−20,0)、点P2の平面座標は(+20,0)、点P3の平面座標は(0,−20)、点P4の平面座標は(0,+20)である。点P1は原点から−X方向に20mmシフトした位置、点P2は原点から+X方向に20mmシフトした位置、点P3は原点から−Y方向に20mmシフトした位置、点P4は原点から+Y方向に20mmシフトした位置である。   Here, assuming that the center of the base substrate in plan view is the origin (0, 0), the plane coordinates of the point P1 are (−20, 0), the plane coordinates of the point P2 are (+20, 0), and the plane coordinates of the point P3. Is (0, -20), and the plane coordinates of the point P4 are (0, +20). Point P1 is a position shifted 20 mm in the −X direction from the origin, point P2 is a position shifted 20 mm in the + X direction from the origin, point P3 is a position shifted 20 mm in the −Y direction from the origin, and point P4 is 20 mm in the + Y direction from the origin. This is the shifted position.

また、c軸の角度差αは、図21(a)に示す点Aにおけるc軸の向き(向きA1)と、図21(a)に示す点Bにおけるc軸の向き(向きB1=向きB2)と、の角度差である。   Also, the c-axis angle difference α is determined by the c-axis direction (direction A1) at the point A shown in FIG. 21A and the c-axis direction (direction B1 = direction B2) at the point B shown in FIG. ) And the angle difference.

図21(a)に示す点Aおよび点Bは、図21(b)に示す点P1〜P4のうち、原点を間に挟んで対称に配置された2つの点である。すなわち、点Aおよび点Bの組み合わせには、点P1および点P2からなる第1の組み合わせと、点P3および点P4からなる第2の組み合わせと、が存在する。   Point A and point B shown in FIG. 21A are two points arranged symmetrically with the origin in between, among points P1 to P4 shown in FIG. That is, the combination of the points A and B includes a first combination including the points P1 and P2 and a second combination including the points P3 and P4.

そして、この2つの組み合わせ各々で得られた角度差αの平均値を、各下地基板の角度差と定義する。   The average value of the angle difference α obtained by each of the two combinations is defined as the angle difference of each base substrate.

比較例1、実施例1乃至3いずれにおいても、角度差は0.8°以上1.2°以下の範囲に含まれていた。   In any of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3, the angle difference was included in the range of 0.8 ° to 1.2 °.

<下地基板上へのIII族窒化物半導体の成長>
比較例1、実施例1乃至3各々の下地基板を、第3の実施形態で説明した基板ホルダ450に、成長面(+c面)が200μm凸形状となるように保持させた。具体的には、図23に示すように、成長面が凹状に反った下地基板を、成長面が凸状に反り、かつ、下地基板の中心部と外周部の高低差が200μmとなるように、基板ホルダ450に保持させた。その後、当該基板ホルダ450を図3に示すHVPE装置内にセットし、III族窒化物半導体を成長させた。このようにして得られた下地基板と、III族窒化物半導体の層との積層体を、自立基板とした。なお、III族窒化物半導体の成長条件は、以下の通りである。
<Growth of III-nitride semiconductors on underlying substrate>
The base substrates of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 were held on the substrate holder 450 described in the third embodiment so that the growth surface (+ c surface) had a convex shape of 200 μm. Specifically, as shown in FIG. 23, the growth surface of the base substrate warped in a concave shape is warped in a convex shape, and the height difference between the central portion and the outer peripheral portion of the base substrate is 200 μm. And held by the substrate holder 450. Thereafter, the substrate holder 450 was set in the HVPE apparatus shown in FIG. 3, and a group III nitride semiconductor was grown. The laminated body of the base substrate thus obtained and the group III nitride semiconductor layer was used as a self-supporting substrate. The growth conditions for the group III nitride semiconductor are as follows.

成膜温度:1050℃
成膜時間:4時間
GaCl流量:500sccm
NH流量:5000sccm
成膜する厚さ:2mm
Deposition temperature: 1050 ° C
Deposition time: 4 hours GaCl flow rate: 500 sccm
NH 3 flow rate: 5000 sccm
Deposition thickness: 2mm

<III族窒化物半導体成長後の自立基板の結晶構造上の反りの観察>
下地基板上にIII族窒化物半導体を成長後、基板ホルダ450から解放した自立基板のIII族窒化物半導体の層の露出面(成長面)において、<下地基板の結晶構造上の反りの観察>と同様の手法(図21参照)により観察点を定義し、同様の手法で角度差を測定した。
<Observation of crystal structure of free-standing substrate after group III nitride semiconductor growth>
On the exposed surface (growth surface) of the group III nitride semiconductor layer of the free-standing substrate released from the substrate holder 450 after the group III nitride semiconductor is grown on the base substrate, <observation of warpage on the crystal structure of the base substrate> Observation points were defined by the same method (see FIG. 21), and the angle difference was measured by the same method.

ここで、<下地基板の結晶構造上の反りの観察>で観察された角度差から、<自立基板の結晶構造上の反りの観察>で観察された角度差を引いた値を、「改善角度」と定義する。   Here, a value obtained by subtracting the angle difference observed in <Observation of warpage on the crystal structure of the self-supporting substrate> from the angle difference observed in <Observation of warpage on the crystal structure of the underlying substrate> Is defined.

図22に、比較例1、実施例1乃至3各々の改善角度をプロットしたグラフを示す。処理温度150℃のデータが実施例1のデータ、処理温度200℃のデータが実施例2のデータ、処理温度230℃のデータが実施例3のデータである。比較例1のデータは、便宜上、処理温度0℃の位置にプロットした。   FIG. 22 shows a graph in which the improvement angles of Comparative Example 1 and Examples 1 to 3 are plotted. Data at a processing temperature of 150 ° C. is data of Example 1, data at a processing temperature of 200 ° C. is data of Example 2, and data at a processing temperature of 230 ° C. is data of Example 3. The data of Comparative Example 1 was plotted at a processing temperature of 0 ° C. for convenience.

図22より、実施例1乃至3は、比較例1よりも改善角度が大きく、結晶構造上の反りが改善されていることが分かる。また、処理温度が大きいほど、すなわち、成長面をより平坦化にするほど、結晶構造上の反りが改善されていることが分かる。   From FIG. 22, it can be seen that Examples 1 to 3 have a larger improvement angle than Comparative Example 1 and improved warpage on the crystal structure. It can also be seen that the higher the processing temperature, that is, the flatter the growth surface, the more the warp on the crystal structure is improved.

以下、参考形態の例を付記する。
1. 窒化物半導体からなる下地基板の第1の面を薬液によりエッチングする前処理工程と、
前記前処理工程の後、前記第1の面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる成長工程と、
を有する自立基板の製造方法。
2. 1に記載の自立基板の製造方法において、
前記薬液は、100℃以上300℃以下に加熱されたリン酸、又は、100℃以上250℃以下に加熱されたリン酸と硫酸の混合液である自立基板の製造方法。
3. 1又は2に記載の自立基板の製造方法において、
前記前処理工程では、前記第1の面に前記薬液が接した状態を45分以上2時間以下継続する自立基板の製造方法。
4. 1から3のいずれかに記載の自立基板の製造方法において、
前記前処理工程の前に、前記第1の面に凸部を有する前記下地基板を準備する準備工程をさらに有し、
前記前処理工程により、前記凸部の高さを小さくする自立基板の製造方法。
5. 4に記載の自立基板の製造方法において、
前記準備工程は、
基材上に、第1の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)が分散した炭素層を形成する第1の工程と、
前記第1の層の上に、第2の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)の層を形成する第2の工程と、
前記第2の層を窒化する第3の工程と、
窒化された前記第2の層の上に、III族窒化物半導体層を形成する第4の工程と、
前記第4の工程の後、前記下地基板、前記第1の層、窒化された前記第2の層及び前記III族窒化物半導体層を含む積層体を、前記III族窒化物半導体層を形成する際の加熱よりも高い温度で加熱する第5の工程と、
を有する自立基板の製造方法。
Hereinafter, examples of the reference form will be added.
1. A pretreatment step of etching the first surface of the base substrate made of a nitride semiconductor with a chemical solution;
A growth step of epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the first surface after the pretreatment step;
A method for manufacturing a self-supporting substrate.
2. In the manufacturing method of the self-supporting substrate according to 1,
The said chemical | medical solution is a manufacturing method of the self-supporting board | substrate which is the liquid mixture of the phosphoric acid heated to 100 degreeC or more and 300 degrees C or less, or the phosphoric acid and sulfuric acid heated to 100 degreeC or more and 250 degrees C or less.
3. In the method for manufacturing a self-supporting substrate according to 1 or 2,
In the pretreatment step, a method of manufacturing a self-supporting substrate in which the state in which the chemical solution is in contact with the first surface is continued for 45 minutes or more and 2 hours or less.
4). In the method for manufacturing a self-supporting substrate according to any one of 1 to 3,
Before the pretreatment step, further comprising a preparation step of preparing the base substrate having a convex portion on the first surface,
A method for manufacturing a self-supporting substrate, wherein the height of the convex portion is reduced by the pretreatment step.
5. In the manufacturing method of the self-supporting substrate according to 4,
The preparation step includes
Forming a carbon layer in which carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) is dispersed as a first layer on a substrate;
A second step of forming a layer of carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) as a second layer on the first layer;
A third step of nitriding the second layer;
A fourth step of forming a group III nitride semiconductor layer on the nitrided second layer;
After the fourth step, the group III nitride semiconductor layer is formed from a stack including the base substrate, the first layer, the nitrided second layer, and the group III nitride semiconductor layer. A fifth step of heating at a temperature higher than the heating at the time,
A method for manufacturing a self-supporting substrate.

D 積層体
5 容器
6 容器
10 下地基板
30 サファイア基板(基材)
31 第1の層
32 第2の層
33 キャップ層
34 窒化された炭化チタン層(第2の層)
36 III族窒化物半導体層
41 基板
50 容器本体
51 側壁
52 ピン
52A−52D ピン
53 蓋
55 治具
61 容器本体
62 蓋
63 治具
100 HVPE装置
111 成長面
112 面
121 反応管
122 成長領域
123 基板ホルダ
124 ガス供給管
125 ガス供給管
126 ガス供給管
127 Ga原料
128 ソースボート
129 ヒータ
130 ヒータ
132 回転軸
135 ガス排出管
136 仕切板
137 窒素原料ガス供給部
139 III族原料ガス供給部
341 窒化チタン層
342 炭化チタン層
343 窒化されたキャップ層
450 基板ホルダ
451 本体部
451a 支持面
452 突起部
453 壁部
453a 止着穴
455 押さえ部
456 着脱部材
456a 位置決め部
456b 押さえ板部
457 スペーサ
458 スペーサ
460 止着部材
511 凹部
631 保持部
632 固定部
710 下地基板
711 III族窒化物半導体の層
720 自立基板
721 露出面
722 面
771 露出面
772 面
D Laminate 5 Container 6 Container 10 Base substrate 30 Sapphire substrate (base material)
31 First layer 32 Second layer 33 Cap layer 34 Nitride titanium carbide layer (second layer)
36 Group III nitride semiconductor layer 41 Substrate 50 Container body 51 Side wall 52 Pin 52A-52D Pin 53 Lid 55 Jig 61 Container main body 62 Lid 63 Jig 100 HVPE apparatus 111 Growth surface 112 Surface 121 Reaction tube 122 Growth region 123 Substrate holder 124 Gas supply pipe 125 Gas supply pipe 126 Gas supply pipe 127 Ga raw material 128 Source boat 129 Heater 130 Heater 132 Rotating shaft 135 Gas discharge pipe 136 Partition plate 137 Nitrogen raw material gas supply part 139 Group III raw material gas supply part 341 Titanium nitride layer 342 Titanium carbide layer 343 Nitrated cap layer 450 Substrate holder 451 Main body portion 451a Support surface 452 Protruding portion 453 Wall portion 453a Fastening hole 455 Holding portion 456 Removable member 456a Positioning portion 456b Holding plate portion 457 Spacer 458 Spacer 460 Fastening member 5 1 recess 631 holding part 632 fixed portion 710 underlying substrate 711 III group layers 720 self-supporting substrate 721 exposed surface 722 side of the nitride semiconductor 771 exposed surface 772 side

Claims (4)

窒化物半導体からなり、第1の面に凸部を有する下地基板を準備する準備工程と、
前記第1の面を薬液によりエッチングする前処理工程と、
前記前処理工程の後、前記第1の面上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる成長工程と、
を有し、
前記準備工程は、
基材上に、第1の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)が分散した炭素層を形成する第1の工程と、
前記第1の層の上に、第2の層として、炭化物MC(炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化バナジウムまたは炭化タンタル)の層を形成する第2の工程と、
前記第2の層を窒化する第3の工程と、
窒化された前記第2の層の上に、III族窒化物半導体層を形成する第4の工程と、
前記第4の工程の後、前記基材、前記第1の層、窒化された前記第2の層及び前記III族窒化物半導体層を含む積層体を、前記III族窒化物半導体層を形成する際の加熱よりも高い温度で加熱し、前記基材と前記III族窒化物半導体層とを分離する第5の工程と、
を有し、
前記第5の工程で分離された前記III族窒化物半導体層から前記下地基板を得る自立基板の製造方法。
A preparation step of preparing a base substrate made of a nitride semiconductor and having a convex portion on the first surface;
A pretreatment step of etching the first surface with a chemical;
A growth step of epitaxially growing a nitride semiconductor layer on the first surface after the pretreatment step;
I have a,
The preparation step includes
Forming a carbon layer in which carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) is dispersed as a first layer on a substrate;
A second step of forming a layer of carbide MC (aluminum carbide, titanium carbide, zirconium carbide, hafnium carbide, vanadium carbide or tantalum carbide) as a second layer on the first layer;
A third step of nitriding the second layer;
A fourth step of forming a group III nitride semiconductor layer on the nitrided second layer;
After the fourth step, the group III nitride semiconductor layer is formed from a laminate including the base material, the first layer, the nitrided second layer, and the group III nitride semiconductor layer. Heating at a temperature higher than the heating at the time, a fifth step of separating the base material and the group III nitride semiconductor layer;
Have
A self-supporting substrate manufacturing method for obtaining the base substrate from the group III nitride semiconductor layer separated in the fifth step .
請求項1に記載の自立基板の製造方法において、
前記薬液は、100℃以上300℃以下に加熱されたリン酸、又は、100℃以上250℃以下に加熱されたリン酸と硫酸の混合液である自立基板の製造方法。
In the manufacturing method of the self-supporting substrate according to claim 1,
The said chemical | medical solution is a manufacturing method of the self-supporting board | substrate which is the liquid mixture of the phosphoric acid heated to 100 degreeC or more and 300 degrees C or less, or the phosphoric acid and sulfuric acid heated to 100 degreeC or more and 250 degrees C or less.
請求項1又は2に記載の自立基板の製造方法において、
前記前処理工程では、前記第1の面に前記薬液が接した状態を45分以上2時間以下継続する自立基板の製造方法。
In the manufacturing method of the self-supporting substrate according to claim 1 or 2,
In the pretreatment step, a method of manufacturing a self-supporting substrate in which the state in which the chemical solution is in contact with the first surface is continued for 45 minutes or more and 2 hours or less.
請求項1から3のいずれか1項に記載の自立基板の製造方法において、
前記前処理工程では、前記凸部の高さを小さくする自立基板の製造方法。
In the manufacturing method of the self-supporting substrate according to any one of claims 1 to 3,
In the pretreatment step , a method for manufacturing a self-supporting substrate in which the height of the convex portion is reduced.
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