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WO2024181478A1 - 単結晶基板の製造方法 - Google Patents

単結晶基板の製造方法 Download PDF

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Publication number
WO2024181478A1
WO2024181478A1 PCT/JP2024/007211 JP2024007211W WO2024181478A1 WO 2024181478 A1 WO2024181478 A1 WO 2024181478A1 JP 2024007211 W JP2024007211 W JP 2024007211W WO 2024181478 A1 WO2024181478 A1 WO 2024181478A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
single crystal
plane
laser light
crystal substrate
gallium nitride
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/007211
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐李 小野
好実 岩沙
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 京セラ株式会社 filed Critical 京セラ株式会社
Publication of WO2024181478A1 publication Critical patent/WO2024181478A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Definitions

  • This disclosure relates to a method for manufacturing a single crystal substrate containing gallium nitride using a laser slicing method.
  • Gallium nitride (GaN) single crystals have excellent semiconductor properties, such as band gap and dielectric breakdown field, making them useful materials for light-emitting devices such as light-emitting diodes and laser diodes, as well as high-frequency and high-power electronic devices.
  • GaN Gallium nitride
  • sapphire substrates have often been used as substrates for gallium nitride devices, but in recent years, research and development of devices using gallium nitride single crystal substrates has been underway.
  • Gallium nitride single crystals have a hexagonal wurtzite crystal structure and are polar in the c-axis direction.
  • gallium nitride single crystals with polar surfaces have been used primarily in gallium nitride light-emitting devices (Patent Documents 1 to 5).
  • a single crystal substrate is manufactured by slicing a single crystal ingot, etc.
  • Known slicing methods include a wire saw method and a laser slicing method.
  • the wire saw method is a slicing method that uses a traveling metal wire and abrasive grains, but has issues with large kerf loss (cutting allowance) and disposal of the slurry that is a mixture of abrasive grains, processing fluid, and cutting chips.
  • the laser slicing method has little kerf loss and does not discharge slurry, so it is expected to be an alternative slicing method to the wire saw method.
  • the method for manufacturing a single crystal substrate disclosed herein includes the steps of: preparing a workpiece that is a single crystal containing gallium nitride, the surface of which is a nonpolar plane or a semipolar plane inclined from the nonpolar plane toward the c-plane at an angle of 50° or less; irradiating the inside of the workpiece with focused laser light and scanning the laser light to form a modified region parallel to the surface; and separating a plate-shaped substrate from the workpiece using the modified region as a separation surface, where the scanning direction of the laser light is 90° ⁇ 15° with respect to the c-axis projection direction.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing a modified region forming step in the present disclosure.
  • 1A to 1C are schematic explanatory views showing a substrate separation step in the present disclosure.
  • 1 is a schematic diagram for explaining a polar plane, a semi-polar plane, and a non-polar plane of a gallium nitride single crystal.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing the mechanism of modified region formation. 1 is a micrograph taken from the main surface (front surface) of a modified region formed in the bulk of a gallium nitride single crystal when laser light is scanned in a direction at an angle of 90° to the c-axis projection direction of the gallium nitride single crystal.
  • FIG. 4B is a micrograph of the modified region observed from the side in the same scanning direction as FIG. 4A.
  • 1 is a micrograph taken from the surface of a modified region formed in the bulk of a gallium nitride single crystal when laser light is scanned parallel to the c-axis projection direction of the gallium nitride single crystal.
  • 5B is a micrograph of the modified region observed from the side in the same scanning direction as FIG. 5A.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a bulk of a gallium nitride single crystal for explaining the scanning direction of a laser beam.
  • 13 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a surface of a bulk modified region of a gallium nitride single crystal formed by changing the polarization direction of linearly polarized laser light to various angles relative to the c-axis projection direction.
  • 7B is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the modified region formed in FIG. 7A observed from the traveling surface.
  • 10 is an explanatory diagram showing a process of attaching two holding members to the front and back surfaces of a workpiece, respectively.
  • FIG. 1A and 1B are explanatory diagrams showing a process of separating the gallium nitride single crystal substrate from the workpiece by moving the two holding members away from each other.
  • This embodiment provides a method for manufacturing a single crystal substrate by using a laser slicing method to manufacture a gallium nitride single crystal substrate whose surface is a nonpolar or semipolar surface. That is, in gallium nitride single crystals whose surface is a polar surface (c-plane), a phenomenon (droop phenomenon) has been noted in which electrons and holes are separated by an internal electric field caused by polarity, resulting in a decrease in light emission efficiency. For this reason, there is a demand for devices using gallium nitride single crystals whose surface is a semipolar or nonpolar surface.
  • Figures 1A and 1B show the manufacturing process for a single crystal substrate according to this embodiment.
  • FIG. 1A shows a schematic diagram of a process in which focused laser light 2 is irradiated onto the inside of a bulk 1 (workpiece) of a single crystal containing gallium nitride (hereinafter sometimes referred to as a "gallium nitride single crystal"), and the laser light 2 is scanned to form a modified region 3 parallel to a surface 11.
  • FIG. 1B shows a schematic diagram of a process for separating a gallium nitride single crystal substrate 4 from a gallium nitride single crystal bulk 1 at a modified region 3 as an interface.
  • the gallium nitride single crystal has a hexagonal crystal structure and has polarity in the c-axis direction. As long as the gallium nitride single crystal maintains the hexagonal crystal structure, it may be a mixed crystal containing other elements, such as dopant elements for conductivity type control and homologous elements for band gap control.
  • the surface 11 of the gallium nitride single crystal bulk 1 is a nonpolar surface or a semipolar surface inclined from the nonpolar surface toward the c-plane at an angle of 50° or less.
  • Figure 2 shows the polar, nonpolar, and semipolar surfaces of a gallium nitride single crystal.
  • the c-plane ⁇ 0001 ⁇ plane is the polar surface
  • the m-plane ⁇ 1-100 ⁇ plane or the a-plane ⁇ 11-20 ⁇ plane perpendicular to the c-plane is the nonpolar surface.
  • Semi-polar planes are intermediate planes between polar and non-polar planes, and include the ⁇ 11-22 ⁇ plane, ⁇ 11-21 ⁇ plane, ⁇ 11-23 ⁇ plane, ⁇ 30-31 ⁇ plane, ⁇ 20-21 ⁇ plane, ⁇ 10-11 ⁇ plane, and ⁇ 10-12 ⁇ plane.
  • the semi-polar plane may be a plane inclined at an angle of 45° or less toward the c-plane from the non-polar plane.
  • Miller indices The notation of Miller indices is as follows: ( ) represents a specific plane, ⁇ ⁇ represents an equivalent plane, [ ] represents a specific direction, and ⁇ > represents an equivalent direction. Note that directions with negative numbers are generally represented by putting a bar above the number, but for convenience, they are represented by minus (-) in this specification.
  • the ⁇ 0001 ⁇ plane includes the (0001) plane and the (000-1) plane.
  • the gallium nitride single crystal substrate 4, whose surface 11 is a non-polar or semi-polar plane, is expected to be applied to high-efficiency, high-output light-emitting devices.
  • the surface 11 is a non-polar or semi-polar surface is that the internal electric field is smaller than that of a polar surface, and separation of electrons and holes is less likely to occur.
  • the surface 11 is preferably an m-plane or a semi-polar plane inclined from the m-plane toward the c-plane at an angle of 45° or less.
  • the bulk 1 of the gallium nitride single crystal having a surface 11 that is a non-polar or semi-polar plane can be produced by a known method such as the high pressure melting method, the high nitrogen pressure method, the flux method, the HVPE method, or the ammonothermal method.
  • a laser beam having a wavelength that is transparent to gallium nitride is irradiated from a focal point of the surface 11 to inside the bulk 1, and the laser beam 2 is scanned to form a modified region 3 parallel to the surface 11.
  • the laser device used to form the modified region 3 includes a chuck table 5 that holds the bulk 1 of the gallium nitride single crystal by suction means (not shown), and a laser light irradiation means 6 that irradiates the bulk 1 held on the chuck table 5 with laser light 2.
  • the chuck table 5 preferably has heating means such as a heater that can heat the bulk 1.
  • the chuck table 5 and the laser light 2 are capable of moving relative to each other.
  • the chuck table 5 has a processing feed means (not shown), which allows the bulk 1 to be moved in the X and Y directions shown in FIG. 1A.
  • the laser light irradiation means 6 includes a pulsed laser oscillation means 61 having a pulsed laser oscillator and a repetition frequency setting means, and a focusing section 62 for focusing the laser light 2 (pulsed laser light) oscillated from the pulsed laser oscillation means.
  • An example of the focusing section 62 is an objective lens.
  • the processing feed means is operated to move the bulk 1 to a laser beam irradiation region where the focusing part 62 of the laser beam irradiation means 6 is located, and one end of the bulk 1 is positioned directly under the focusing part 62 of the laser beam irradiation means 6. Then, the laser beam 2 is irradiated onto the bulk 1 from the focusing part 62.
  • the focusing point of the irradiated laser beam 2 is positioned at a depth of, for example, 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m from the surface 11.
  • the chuck table 5 is moved in the direction indicated by the arrow X at a predetermined processing feed rate, and when the other end of the bulk 1 reaches the irradiation position of the focusing unit 62, the movement of the chuck table 5 is stopped.
  • the irradiation of the laser beam 2 is stopped, and the chuck table 5 is sent out in the direction indicated by the arrow Y, and while irradiating the laser beam 2 from the other end side to the one end side in the opposite direction to the above, the chuck table 5 is moved in the direction indicated by the arrow X at a predetermined processing feed rate.
  • the sending distance in the direction indicated by the arrow Y i.e., the interval between the scanning lines 9, is preferably about 0.1 to 50 ⁇ m.
  • the laser light 2 may be scanned in a spiral pattern from the center to the edge or from the edge to the center.
  • a modified region 3 is formed inside the gallium nitride (GaN) bulk 1, in which gallium nitride (GaN) is decomposed and metal gallium 7 (Ga) and nitrogen gas 8 (N 2 ) are precipitated, as shown in Fig. 3.
  • This modified region 3 is preferably formed with a thickness of, for example, about 0.1 ⁇ m to 300 ⁇ m. The thinner the modified region 3, the smaller the kerf loss. The kerf loss in the wire saw method is about 200 ⁇ m, and it is preferable to have a thickness thinner than that (for example, 100 ⁇ m or less).
  • the modified region 3 is formed by scanning the laser light 2, it is preferable to scan the laser light 2 in a heated state on the bulk 1 of the gallium nitride single crystal.
  • This can promote the decomposition of gallium nitride (GaN) into metal gallium 7 and nitrogen gas 8 and the melting of the metal gallium 7.
  • a heating means such as a heater housed inside the chuck table 5 may be used.
  • the heating temperature of the bulk 1 is preferably from the melting point of the metal gallium 7 to 90°C, and more preferably from about 50°C to 70°C.
  • the scanning direction of the laser light 2 is preferably 90° ⁇ 15°, preferably 90° ⁇ 5°, relative to the c-axis projection direction.
  • Figures 4A, 4B, and 4C are micrographs of the modified region 3 of the bulk 1 of the gallium nitride single crystal observed from the surface 1a (surface 11), the traveling surface 1b, and the side surface 1c, respectively, when the laser light 2 is scanned at 90° (a-axis) relative to the c-axis projection direction (the scanning direction is shown by the arrow).
  • the surface 1a (surface 11), the traveling surface 1b, and the side surface 1c of the bulk 1 are as shown in Figure 6.
  • the scanning direction of the laser light 2 is shown by the arrow.
  • the easy cleavage plane of a gallium nitride single crystal is the m-plane, followed by the a-plane, and cracks are likely to occur in the c-axis direction. Therefore, when the laser light 2 is scanned in a direction almost perpendicular to the c-axis projection direction (90° ⁇ 15°, preferably 90° ⁇ 5°), cracks are likely to occur between adjacent parallel scanning lines 9 (modified regions 3). As a result, the gallium nitride single crystal substrate 4 is easily separated, and the gallium nitride single crystal substrate 4 can be separated without performing a process such as separation under heating. In addition, as described above, cracks are formed between adjacent parallel scanning lines 9, so that the kerf loss can also be reduced.
  • the c-axis projection direction refers to the direction in which the c-axis direction is projected onto the non-polar or semi-polar surface 11. Note that in Figures 4A to 4C and Figures 5A to 5C, circularly polarized laser light 2 is used.
  • the polarization direction of the laser light 2 is preferably 0° or more and 45° or less with respect to the c-axis projection direction, and the larger the polarization angle with respect to the c-axis projection direction, the larger the cracks in the thickness direction of the bulk 1 will be, and the larger the loss (kerf loss) during slicing will be.
  • FIG. 7A and 7B show the state of the surface and traveling surface of the bulk 1 when the polarization direction (polarization angle) is changed in the range of 0° to 90° with respect to the c-axis projection direction when the linearly polarized laser light 2 is irradiated to the bulk 1.
  • the surface and traveling surface of the bulk 1 are the surface 1a and traveling surface 1b shown in FIG. 6.
  • FIG. 7B it can be seen that when the polarization direction is 60° and 90°, the crack in the thickness direction of the bulk 1 is larger than when it is 0° and 30°.
  • the length of the crack when the polarization direction is 0° is indicated by L1
  • the length of the crack when it is 90° is indicated by L2.
  • the length of the crack in the thickness direction was about three times that of the polarization direction of 45° (not shown) when the polarization direction is 60°.
  • infrared laser light having a wavelength of 1030 nm, 1064 nm, etc. is preferably used as the laser light 2 in order to process gallium nitride single crystals with a wide range of characteristics, but is not limited to infrared laser light.
  • the light absorption rate of gallium nitride single crystals varies depending on the manufacturing method and growth conditions, and laser light in the visible light region has a large difference in processability due to differences in crystals (crystals are likely to separate due to absorption of laser light even at positions shallower than the focal length of the laser).
  • Laser light in the infrared light region has a small difference in processability (optimum laser irradiation conditions) due to differences in crystals.
  • the pulse width of the laser light 2 is preferably a short laser light, i.e., an ultrashort pulse laser, and in particular a picosecond laser (pulse width in the picosecond region: 10-9 seconds to 10-12 seconds) or a femtosecond laser (pulse width in the femtosecond region: 10-12 to 10-15 seconds) is preferably used, for example, 500 fs or less, which enables precise laser slicing with little thermal damage.
  • the process proceeds to a step of separating the plate-shaped gallium nitride single crystal substrate 4 from the bulk 1, as shown in Fig. 1B.
  • This separation step includes a step of adhering two holding members 12, 13 to the front and back surfaces of the bulk 1, respectively, as shown in Fig. 8A, and a step of separating the two holding members 12, 13 from each other to separate the gallium nitride single crystal substrate 4 from the bulk 1 at the modified region 3, as shown in Fig. 8B.
  • the holding members 12, 13 can be attached to the workpiece 1 using an adhesive such as double-sided tape or wax.
  • the laser light 2 is scanned in a direction approximately perpendicular (90° ⁇ 15°) to the c-axis projection direction, so that cracks are likely to occur between adjacent parallel scanning lines 9. Therefore, the workpiece 1 is easily separated at the modified regions 3 formed by the scanning lines 9, so that the gallium nitride single crystal substrate 4 can be separated easily and quickly without heating in the separation process, and further, there are few restrictions on the melting temperature of the adhesive used.
  • a grinding process is carried out to grind and remove the gallium (Ga) surface remaining on the separation surface of the separated gallium nitride single crystal substrate 4 and the separation surface of the gallium nitride bulk 1.
  • the laser light 2 is scanned approximately perpendicular (90° ⁇ 15°) to the c-axis projection direction, which makes it easier to form cracks between adjacent parallel scanning lines, making it easier to separate the gallium nitride single crystal substrate 4 and improving productivity. Furthermore, because the cracks are formed between adjacent parallel scanning lines, it is also possible to reduce kerf loss.
  • the method for manufacturing a single crystal substrate of the present disclosure includes the steps of: preparing a workpiece that is a single crystal containing gallium nitride, the workpiece having a surface that is a nonpolar plane or a semipolar plane that is inclined from the nonpolar plane toward the c-plane at an angle of 50° or less; irradiating the inside of the workpiece with focused laser light and scanning the laser light to form a modified region parallel to the surface; and polarizing the modified region as a separation plane to separate a plate-shaped substrate from the workpiece, wherein the scanning direction of the laser light is 90° ⁇ 15° with respect to the c-axis projection direction.
  • the following embodiments (2) to (9) are further disclosed.
  • the semipolar plane is a plane inclined at an angle of 45° or less toward the c-plane from the nonpolar plane.
  • the nonpolar plane is an m-plane
  • the semipolar plane is a plane inclined at an angle of 45° or less from the m-plane toward the c-plane.
  • the laser light is circularly polarized or linearly polarized.
  • the laser light is linearly polarized, and the polarization direction of the laser light is at an angle of 0° or more and 45° or less with respect to the c-axis projection direction.
  • the laser light is an infrared laser light.
  • the laser light is a picosecond or femtosecond laser.
  • the workpiece is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of gallium nitride, and a laser beam is scanned over the workpiece to form a modified region.
  • the step of separating the substrate from the workpiece includes the steps of adhering two holding members to the front and back surfaces of the workpiece, respectively, and separating the two holding members from each other to separate the substrate from the separation surface.

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Abstract

本開示の単結晶基板の製造方法は、表面が非極性面、または該非極性面からｃ面方向に５０°以下の角度で傾斜した半極性面である、窒化ガリウムを含む単結晶である被加工材を準備する工程と；被加工材の内部に集光したレーザ光を照射し、レーザ光を走査して表面に平行な改質領域を形成する工程と；改質領域を分離面として被加工材から板状の基板を分離する工程と、を含み、レーザ光の走査方向がｃ軸投影方向に対して９０°±１５°である。

Description

単結晶基板の製造方法
　本開示は、レーザスライス法を用いた、窒化ガリウムを含む単結晶基板の製造方法に関する。
　窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶は、バンドギャップや絶縁破壊電界といった半導体特性に優れていることから、発光ダイオード、レーザーダイオード等の発光デバイスや高周波および高出力の電子デバイス等に有用な物質である。従来、窒化ガリウムデバイス用基板としてはサファイア基板が用いられることが多かったが、近年、窒化ガリウム単結晶基板を用いたデバイスの研究開発が行われている。
　窒化ガリウム単結晶は、六方晶系ウルツ鉱型の結晶構造を有し、ｃ軸方向に極性がある。従来、窒化ガリウム系発光デバイスには、主に、表面が極性面（ｃ面）の窒化ガリウム単結晶が使用されてきた（特許文献１～５）。
　また、単結晶基板は、単結晶のインゴット等をスライスして製造される。スライス方法としては、ワイヤソー法と、レーザスライス法とが知られている。
　ワイヤソー法は、走行する金属ワイヤと砥粒を用いたスライス方法であり、カーフロス（切断代）が大きいことと、砥粒と加工液と切屑が混じったスラリーの処理が課題である。これに対して、レーザスライス法はカーフロスが少なくスラリーの排出がないため、ワイヤソー法に代わるスライス方法として期待されている。
特表2020-520087号公報 特開2020-131259号公報 特開2016-111143号公報 特開2016-146447号公報 特開2016-197698号公報
　本開示の単結晶基板の製造方法は、表面が非極性面、または該非極性面からｃ面方向に５０°以下の角度で傾斜した半極性面である、窒化ガリウムを含む単結晶である被加工材を準備する工程と；被加工材の内部に集光したレーザ光を照射し、レーザ光を走査して表面に平行な改質領域を形成する工程と;改質領域を分離面として被加工材から板状の基板を分離する工程と、を含み、レーザ光の走査方向がｃ軸投影方向に対して９０°±１５°である。
本開示における改質領域形成工程を示す概略説明図である。 本開示における基板分離工程を示す概略説明図である。 窒化ガリウム単結晶の極性面、半極性面および非極性面を説明するための概略図である。 改質領域形成の機構を示す模式図である。 レーザ光を窒化ガリウム単結晶のｃ軸投影方向に対して９０°の方向に走査したとき、窒化ガリウム単結晶のバルクに形成された改質領域を主面（表面）から観察した顕微鏡写真である。 図４Ａと同じ走査方向において、改質領域を進行面から観察した顕微鏡写真である。 図４Ａと同じ走査方向において、改質領域を側面から観察した顕微鏡写真である。 レーザ光を窒化ガリウム単結晶のｃ軸投影方向に平行に走査したとき、窒化ガリウム単結晶のバルクに形成された改質領域を表面から観察した顕微鏡写真である。 図５Ａと同じ走査方向において、改質領域を進行面から観察した顕微鏡写真である。 図５Ａと同じ走査方向において、改質領域を側面から観察した顕微鏡写真である。 レーザ光の走査方向を説明するための窒化ガリウム単結晶のバルクを示す模式図である。 直線偏光におけるレーザ光の偏光方向をｃ軸投影方向に対する様々な角度に変更して形成された、窒化ガリウム単結晶のバルクの改質領域を表面から観察した走査電子顕微鏡（SEM）写真である。 図７Ａで形成された改質領域を進行面から観察した走査電子顕微鏡（SEM）写真である。 ２つの保持部材を被加工材の表面と裏面とにそれぞれ貼着する工程を示す説明図である。 ２つの保持部材を互いに離間させて被加工材から窒化ガリウム単結晶基板を分離する工程を示す説明図である。
　以下、本開示の一実施形態に係る単結晶基板の製造方法を説明する。本実施形態は、表面が非極性面または半極性面である窒化ガリウム単結晶基板をレーザスライス法で製造する単結晶基板の製造方法を提供する。すなわち、表面が極性面（ｃ面）である窒化ガリウム単結晶では、極性に起因した内部電界によって電子と正孔が分離し、発光効率が低下する現象（ドループ現象）が指摘されている。そのため、表面が半極性面または非極性面の窒化ガリウム単結晶を用いたデバイスが要望されている。図１Ａおよび図１Ｂは、本実施形態に係る単結晶基板の製造工程を示している。
　図１Ａは、窒化ガリウムを含む単結晶（以下、「窒化ガリウム単結晶」ということがある）のバルク１（被加工材）の内部に集光したレーザ光２を照射し、レーザ光２を走査して表面１１に平行な改質領域３を形成する工程を模式的に示している。
　図１Ｂは、改質領域３を界面として窒化ガリウム単結晶のバルク１から窒化ガリウム単結晶基板４を分離する工程を模式的に示している。
　窒化ガリウム単結晶は、六方晶系の結晶構造を有し、ｃ軸方向に極性がある。窒化ガリウム単結晶は、六方晶系の結晶構造を保持する限りは、他の元素、例えば導電型制御のためのドーパント元素や、バンドギャップ制御のための同族元素等を含む混晶であってもよい。
　窒化ガリウム単結晶のバルク１は、表面１１が非極性面、または該非極性面からｃ面方向に５０°以下の角度で傾斜した半極性面である。図２は窒化ガリウム単結晶の極性面、非極性面、および半極性面を示している。図２において、ｃ面｛０００１｝面が極性面であり、ｃ面に垂直なｍ面｛１－１００｝面またはａ面｛１１－２０｝面が非極性面となる。
　半極性面は、極性面と非極性面の中間の面であり、｛１１－２２｝面、｛１１－２１｝面、｛１１－２３｝面、｛３０－３１｝面、｛２０－２１｝面、｛１０－１１｝ 面、｛１０－１２｝面が含まれる。
　発光強度を高くするという観点からは、半極性面は非極性面からｃ面方向に４５°以下の角度で傾斜した面であってもよい。
　ミラー指数の表記は、（ 　） は特定の面、｛ 　｝ は等価な面、［ 　］ は特定の方向、＜　＞ は等価な方向を表すものとする。なお、負の数字を持つ方位は数字の上にバーをつけてと表すのが一般的であるが、本明細書では便宜上マイナス（－）で表している。例えば、｛０００１｝面は、（０００１）面と（０００－１）面とを含む。
　表面１１が非極性面または半極性面である窒化ガリウム単結晶基板４は、高効率・高出力の発光素子への応用が期待されている。
　表面１１を非極性面または半極性面とするのは、極性面と比べて内部電界が小さく、電子と正孔の分離が発生しにくいためである。本開示では、表面１１が、ｍ面、または該ｍ面からｃ面方向に４５°以下の角度で傾斜した半極性面であるのが好ましい。
　表面１１が非極性面または半極性面である窒化ガリウム単結晶のバルク１は高圧溶融法、高窒素圧法、フラックス法、ＨＶＰＥ法、アモノサーマル法等の公知の方法で作製することができる。
　窒化ガリウム単結晶のバルク１から窒化ガリウム単結晶基板４を得るには、窒化ガリウムに対して透過性を有する波長のレーザ光線の集光点を表面１１から上記バルク１の内部に位置付けて照射し、レーザ光２を走査して表面１１に平行な改質領域３を形成する。
　この改質領域３の形成に使用するレーザ装置は、窒化ガリウム単結晶のバルク１を吸引手段（図示せず）によって吸着保持するチャックテーブル５と、該チャックテーブル５上に保持されたバルク１にレーザ光２を照射するレーザ光照射手段６とを備える。チャックテーブル５はバルク１を加熱可能なヒータ等の加熱手段を有するのが好ましい。チャックテーブル５とレーザ光２とが相対移動可能となっている。例えば、チャックテーブル５は図示しない加工送り手段を有しており、これによりバルク１を図１Ａに示すＸ方向およびＹ方向に移動可能にしている。
　レーザ光照射手段６は、パルスレーザ発振器や繰り返し周波数設定手段を備えたパルスレーザ発振手段６１と、該パルスレーザ発振手段から発振されたレーザ光２（パルスレーザ光）を集光するための集光部６２を備えている。集光部６２としては、例えば対物レンズが挙げられる。
　チャックテーブル５上に窒化ガリウム単結晶のバルク１を吸引保持したのち、加工送り手段を作動してバルク１をレーザ光照射手段６の集光部６２が位置するレーザ光線照射領域に移動し、一端をレーザ光照射手段６の集光部６２の直下に位置付ける。そして、集光部６２からレーザ光２をバルク１上に照射する。照射されるレーザ光２の集光点は、表面１１から、例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下の深さに位置付ける。
　次に、集光部６２からレーザ光２を照射しつつ、チャックテーブル５を矢印Ｘで示す方向に所定の加工送り速度で移動させ、集光部６２の照射位置にバルク１の他端が達したとき、チャックテーブル５の移動を停止する。次に、レーザ光２の照射を停止し、チャックテーブル５を矢印Ｙで示す方向に送り出し、上記と反対に他端側から一端側に向かってレーザ光２を照射しつつ、チャックテーブル５を矢印Ｘで示す方向に所定の加工送り速度で移動させる。矢印Ｙで示す方向への送り出し距離、すなわち走査線９の間隔は、０．１～５０μｍ程度であるのがよい。
　なお、レーザ光２は、例えば、図示しない円形バルクの場合、中心から端部に向かって、または端部から中心に向かって渦巻き状に走査してもよい。
　このようにしてレーザ光２をバルク１の表面１１に平行な内部領域を走査することにより、図３に示すように、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバルク１の内部に、窒化ガリウム（ＧａＮ）が分解して金属ガリウム７（Ｇａ）と窒素ガス８（Ｎ２）とが析出した改質領域３が形成される。この改質領域３は、例えば０．１μｍ以上３００μｍ以下程度の厚みで形成されるのがよい。改質領域３が薄いほどカーフロスが小さくなる。ワイヤソー法のカーフロスは２００μｍ程度であり、それよりも薄い（例えば１００μ以下）のがよい。
　レーザ光２を走査して改質領域３を形成するにあたっては、窒化ガリウム単結晶のバルク１を加熱した状態でレーザ光２を走査するのがよい。これにより、窒化ガリウム（ＧａＮ）の金属ガリウム７と窒素ガス８への分解および金属ガリウム７の溶融を促進することができる。加熱は、例えば、チャックテーブル５の内部に収容したヒータ等の加熱手段を利用すればよい。バルク１の加熱温度は、金属ガリウム７の融点以上９０℃以下であるのがよく、約５０℃以上７０℃以下であるのがよい。
　レーザ光２の走査方向は、ｃ軸投影方向に対して９０°±１５°、好ましくは９０°±５°であるのが好ましい。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、レーザ光２をｃ軸投影方向に対して９０°（ａ軸）に走査したとき（走査方向を矢印で示している）、窒化ガリウム単結晶のバルク１の改質領域３を表面１ａ（表面１１）、進行面１ｂおよび側面１ｃからそれぞれ観察した顕微鏡写真である。ここで、バルク１の表面１ａ（表面１１）、進行面１ｂおよび側面１ｃは、図６に示すとおりである。図６において、レーザ光２の走査方向は矢印で示している。
　通常、窒化ガリウム単結晶の劈開容易面はｍ面、次いでa面であり、c軸方向にクラックが生じやすい。従って、c軸投影方向に対してほぼ垂直方向(９０°±１５°、好ましくは９０°±５°)にレーザ光２を走査すると、隣接する平行な走査線９（改質領域３）間にクラックが生じやすくなる。その結果、窒化ガリウム単結晶基板４の分離が容易になり、例えば加熱下で分離する等の処理を行うことなく窒化ガリウム単結晶基板４を分離することができる。また、上記のように、クラックは隣接する平行な走査線９間に形成されるので、カーフロスの削減も図ることができる。
　これに対して、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃに示すように、矢印で示すｃ軸投影方向に平行に走査すると（図５Ａに走査線を符号９´で示す）、劈開がつながりやすい方向に熱応力がかかり、特定の面にクラック１０（観察方向によって円弧状に見える）が発生し、改質領域３の形成を阻害しやすい。このため、窒化ガリウム単結晶基板４の分離が困難になり、結果的にカーフロスが大きくなる。
　ここで、ｃ軸投影方向とは、非極性面または半極性面である表面１１に対してｃ軸方向を投影した方向をいう。なお、図４Ａ～４Ｃ、図５Ａ～５Ｃでは、円偏光であるレーザ光２を使用している。
　上記の例では、レーザ光２が円偏光である場合について説明したが、直線偏光であってもよい。直線偏光の場合、レーザ光２の偏光方向が、前記ｃ軸投影方向に対して０°以上４５°以下であるのがよく、偏光角度がｃ軸投影方向に対して大きくなるほど、バルク１の厚さ方向のクラックが大きくなり、スライス時のロス（カーフロス）が大きくなる。
　図７Ａ、７Ｂは、直線偏光のレーザ光２をバルク１に照射するにあたり、ｃ軸投影方向に対して０°～９０°の範囲で偏光方向（偏光角度）を変えたときの、バルク１の表面および進行面の状態をそれぞれ示している。バルク１の表面および進行面は、図６に示す表面１ａおよび進行面１ｂである。図７Ｂに示すように、偏光方向が６０°および９０°では、バルク１の厚さ方向のクラックが０°および３０°のときよりも大きくなっていることがわかる。ここで、偏光方向が０°のときのクラックの長さをＬ１で示し、９０°のときのクラックの長さをＬ２で示している。また、偏光方向４５°（不図示）に対し、偏光方向６０°では、厚み方向のクラックの長さは約３倍となっていた。
　レーザ光２としては、例えば、波長が１０３０ｎｍ、１０６４ｎｍ等の赤外レーザ光を使用するのが、幅広い特性の窒化ガリウム単結晶を加工するうえで好ましいが、特に赤外レーザ光に限定するものではない。窒化ガリウム単結晶の光の吸収率は、製法や育成条件によって違いがあり、可視光領域のレーザ光は、結晶の違いによる加工性の違いが大きい（レーザの焦点距離よりも浅い位置でもレーザ光の吸収による結晶の分離が起こりやすい）。赤外光領域のレーザ光は、結晶の違いによる加工性（最適なレーザ照射条件）の違いが小さい。
　また、レーザ光２のパルス幅は、短いレーザ光、すなわち超短波パルスレーザであるのがよく、特にピコ秒レーザ(パルス幅がピコ秒領域：１０-９秒～１０-１２秒)、フェムト秒レーザ(パルス幅がフェムト秒領域：１０-１２～１０-１５秒)を使用するのがよく、例えば５００ｆｓ以下であるのがよく、これにより熱的ダメージが少ない精密なレーザスライスが可能になる。
　バルク１の内部に集光したレーザ光２を走査して表面１１に平行な改質領域３を形成した後、図１Ｂに示すように、バルク１から板状の窒化ガリウム単結晶基板４を分離する工程に移る。この分離工程は、図８Ａに示すように、２つの保持部材１２、１３をバルク１の表面と裏面とにそれぞれ貼着する工程と、図８Ｂに示すように、２つの保持部材１２、１３を互いに離間させて改質領域３でバルク１から窒化ガリウム単結晶基板４を分離する工程とを含む。保持部材１２、１３は、例えば両面テープ、ワックス等の接着剤を用いて被加工材１に貼着することができる。
　本開示では、前記したように、c軸投影方向に対してほぼ垂直方向(９０°±１５°)にレーザ光２を走査しているので、隣接する平行な走査線９間にクラックが生じやすくなっている。そのため、被加工材１は、走査線９によって形成される改質領域３で容易に分離しやすくなっているので、分離工程で加熱しなくても簡単にかつ迅速に窒化ガリウム単結晶基板４を分離することができ、さらに、使用する接着剤の溶融温度についての制約も少ない。
　分離した窒化ガリウム単結晶基板４の分離面および窒化ガリウムのバルク１の分離面に残るガリウム（Ｇａ）面を研削して除去する研削工程を実施する。
　以上のように、本開示によれば、表面１１が非極性面または半極性面であるバルク１にレーザ光２を走査して表面１１に平行な改質領域を形成するにあたり、レーザ光２をc軸投影方向に対してほぼ垂直（９０°±１５°）に走査することにより、隣接する平行な走査線間にクラックが生じやすく、窒化ガリウム単結晶基板４の分離が容易になり、生産性が向上する。さらに、クラックは隣接する平行な走査線間に形成されるので、カーフロスの削減も図ることができる。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示に係る発明は上記実施形態に限定されるものではなく、下記の（１）に示す本開示の範囲内で種々の変更や改善が可能である。
　（１）本開示の単結晶基板の製造方法は、表面が非極性面、または該非極性面からｃ面方向に５０°以下の角度で傾斜した半極性面である、窒化ガリウムを含む単結晶である被加工材を準備する工程と；被加工材の内部に集光したレーザ光を照射し、レーザ光を走査して表面に平行な改質領域を形成する工程と；改質領域を分離面と極性して被加工材から板状の基板を分離する工程と、を含み、レーザ光の走査方向がｃ軸投影方向に対して９０°±１５°である。
　本開示の実施形態に関し、以下の（２）～（９）に示す実施形態をさらに開示する。
　（２）上記（１）に記載の単結晶基板の製造方法において、半極性面が非極性面からｃ面方向に４５°以下の角度で傾斜した面である。
　（３）上記（２）に記載の単結晶基板の製造方法において、非極性面がｍ面であり、半極性面がｍ面からｃ面方向に４５°以下の角度で傾斜した面である。
　（４）上記（１）～（３）のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法において、レーザ光が円偏光または直線偏光である。
　（５）上記（４）に記載の単結晶基板の製造方法において、レーザ光が直線偏光であって、レーザ光の偏光方向が、ｃ軸投影方向に対して、０°以上４５°以下である。
　（６）上記（１）～（５）のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法において、レーザ光が赤外レーザ光である。
　（７）上記（１）～（６）のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法において、レーザ光は、ピコ秒またはフェムト秒レーザである。
　（８）上記（１）～（７）のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法において、被加工材を窒化ガリウムの融点以上の温度に加熱した状態でレーザ光を走査して改質領域を形成する。
　（９）上記（１）～（８）のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法において、被加工材から基板を分離する工程が、２つの保持部材を被加工材の表面と裏面とにそれぞれ接着する工程と、２つの保持部材を互いに離間させて分離面から基板を分離する工程とを含む。
　１　　バルク（被加工材）
　　１１　表面
　　１ａ　表面
　　１ｂ　進行面
　　１ｃ　側面
　２　　レーザ光
　３　　改質領域
　４　　窒化ガリウム単結晶基板
　５　　チャックテーブル
　６　　レーザ照射手段
　　６１　パルスレーザ発振手段
　　６２　集光部
　７　　金属ガリウム
　８　　窒素ガス
　９、９´　　走査線
１０　　クラック
１２、１３　保持部材
 
 

Claims (9)

  1. 　表面が非極性面、または該非極性面からｃ面方向に５０°以下の角度で傾斜した半極性面である、窒化ガリウムを含む単結晶である被加工材を準備する工程と、
    　前記被加工材の内部に集光したレーザ光を照射し、前記レーザ光を走査して前記表面に平行な改質領域を形成する工程と、
    　前記改質領域を分離面として前記被加工材から板状の基板を分離する工程と、を含み、
    　前記レーザ光の走査方向がｃ軸投影方向に対して９０°±１５°である、単結晶基板の製造方法。
  2. 　前記半極性面が前記非極性面からｃ面方向に４５°以下の角度で傾斜した面である請求項１に記載の単結晶基板の製造方法。
  3. 　前記非極性面がｍ面であり、前記半極性面が前記ｍ面からｃ面方向に４５°以下の角度で傾斜した面である請求項２に記載の単結晶基板の製造方法。
  4.  前記レーザ光が円偏光または直線偏光である請求項１乃至３のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法。
  5. 　前記レーザ光が直線偏光であって、前記レーザ光の偏光方向が、前記ｃ軸投影方向に対して、０°以上４５°以下である請求項４に記載の単結晶基板の製造方法。
  6. 　前記レーザ光が赤外レーザ光である請求項１乃至３のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法。
  7. 　前記レーザ光は、ピコ秒またはフェムト秒レーザである請求項１乃至３のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法。
  8. 　前記被加工材を窒化ガリウムの融点以上の温度に加熱した状態で前記レーザ光を走査して前記改質領域を形成する請求項１乃至３のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法。
  9. 　前記被加工材から前記基板を分離する工程が、２つの保持部材を前記被加工材の表面と裏面とにそれぞれ接着する工程と、前記２つの保持部材を互いに離間させて前記分離面から前記基板を分離する工程とを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の単結晶基板の製造方法。
     
     
     
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