氮化铝衬底的制造方法、氮化铝衬底和抑制在氮化铝层中产生裂纹的方法与流程

1.本发明涉及氮化铝衬底的制造方法、氮化铝衬底以及抑制在氮化铝层中产生裂纹的方法。


背景技术：

2.紫外发光元件是被期待在其与杀菌光源或荧光体组合而成的高亮度白色光源、高密度信息记录光源、树脂硬化光源等范围广泛的用途中使用的新一代光源。氮化铝(aln)有望作为这种紫外发光元件的半导体材料。
3.以往，作为制造aln衬底的方法，采用在化学组成与aln晶体不同的不同组成的基底衬底上使aln晶体生长的方法。
4.在专利文献1中记载如下：从在升华法中的高温气氛下具有耐久性、与aln晶体的晶格常数失配小等的观点来看，优选使用碳化硅(sic)衬底作为aln晶体生长的基底衬底。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2008-13390号公报


技术实现要素：

8.发明要解决的问题
9.然而，在专利文献1中，存在的问题是，由于使aln晶体生长的sic衬底的热膨胀系数和aln晶体的热膨胀系数之间的差异，在sic衬底上进行生长的aln晶体中容易产生裂纹。
10.本发明要解决的问题在于提供一种能够抑制在aln层中裂纹产生的新颖技术。
11.解决问题的手段
12.解决上述问题的本发明是一种氮化铝衬底的制造方法，包括：降低碳化硅基底衬底的强度的脆加工步骤；和在所述碳化硅基底衬底上形成氮化铝层的晶体生长步骤。
13.这样，通过包括降低sic基底衬底的强度的脆加工步骤，可以将在aln层中产生的应力释放到sic基底衬底，并且抑制aln层中裂纹的产生。
14.在本发明的优选实施方式中，所述脆加工步骤具有：在所述碳化硅基底衬底上形成贯通孔的贯通孔形成步骤；和去除通过所述贯通孔形成步骤所引入的应变层的应变层去除步骤。
15.在本发明的优选实施方式中，所述贯通孔形成步骤通过对所述碳化硅基底衬底照射激光而形成贯通孔。
16.在本发明的优选实施方式中，所述应变层去除步骤通过进行热处理而蚀刻所述碳化硅基底衬底。
17.在本发明的优选实施方式中，所述应变层去除步骤在硅气氛下蚀刻所述碳化硅基底衬底。
18.在本发明的优选实施方式中，所述晶体生长步骤利用物理气相输送法进行生长。
19.此外，本发明还涉及一种抑制在aln层中裂纹产生的方法。即，解决上述问题的本发明是一种抑制在氮化铝层中裂纹产生的方法，包括：在碳化硅基底衬底上形成氮化铝层之前降低所述碳化硅基底衬底的强度的脆加工步骤。
20.在本发明的优选实施方式中，所述脆加工步骤具有：在所述碳化硅基底衬底上形成贯通孔的贯通孔形成步骤；和去除通过所述贯通孔形成步骤所引入的应变层的应变层去除步骤。
21.在本发明的优选实施方式中，所述应变层去除步骤通过进行热处理而去除所述碳化硅基底衬底的应变层。
22.在本发明的优选实施方式中，所述碳化硅基底衬底是碳化硅；所述应变层去除步骤在硅气氛下蚀刻所述碳化硅基底衬底。
23.发明的效果
24.根据所公开的技术，可以提供一种能够抑制aln层中的裂纹产生的新颖技术。
25.其他问题、特征和优点将通过阅读下面描述的实施本发明的实施方式并结合附图和权利要求而变得显而易见。
附图说明
26.图1是说明根据实施方式的aln衬底的制造方法的步骤的说明图。
27.图2是说明根据实施方式的aln衬底的制造方法的步骤的说明图。
28.图3是根据实施方式的贯通孔形成步骤的说明图。
29.图4是说明根据实施方式的晶体生长步骤的说明图。
30.图5是根据实施例1的贯通孔形成步骤的说明图。
31.图6是根据实施例1的应变层去除步骤的说明图。
32.图7是根据实施例1的晶体生长步骤的说明图。
33.图8是根据实施例1的降温步骤的说明图。
具体实施方式
34.以下参照附图对根据本发明的aln衬底的制造方法的优选实施方式进行详细说明。本发明的技术范围不限于附图所示的实施方式，能够在权利要求书记载的范围内适当变更。此外，附图是概念图，各部件的相对尺寸等并不对本发明构成限制。此外，在本说明书中，以说明本发明为目的，存在基于附图的上下而指称上下的情况，但在与本发明的aln衬底的使用方式等关系方面不限定上下。另外，在以下实施方式的说明和附图中，对相同的结构赋予相同的附图标记，并且省略重复的说明。
35.《aln衬底的制造方法》
36.图1和图2示出了根据本发明的实施方式的aln衬底的制造方法的步骤。
37.根据实施方式的aln衬底的制造方法可以包括：降低sic基底衬底10的强度的脆加工步骤s10；在sic基底衬底10上形成aln层20的晶体生长步骤s20；以及在晶体生长步骤s20之后使sic基底衬底10和aln层20降温的降温步骤s30。
38.此外，本实施方式可以理解为一种通过包括在sic基底衬底10上形成aln层20之前
降低sic基底衬底10的强度的脆加工步骤s10而抑制生长层20中的裂纹产生的方法。
39.以下，对实施方式的各步骤进行详细说明。
40.《脆加工步骤》
41.脆加工步骤是降低sic基底衬底10的强度的步骤。换句话说，脆加工步骤s10是进行加工以使sic基底衬底10容易因外力而受到变形或破坏的步骤。再换句话说，脆加工步骤s10是提高sic基底衬底10的脆弱性的步骤。另外，本说明书中的“强度”是指对压缩、拉伸等物理外力具有的耐久力，并且包括机械强度的概念。
42.根据实施方式的脆加工步骤s10通过在sic基底衬底10上形成贯通孔11而降低sic基底衬底10的强度。即，通过减少sic基底衬底10的体积而施加加工成可容易因外力而受到变形或破坏。
43.更具体地，脆加工步骤s10具有：在sic基底衬底10上形成贯通孔11的贯通孔形成步骤s11；和去除通过该贯通孔形成步骤s11所引入的应变层12的应变层去除步骤s12。
44.sic基底衬底10既可以使用由块状晶体加工而成的晶片或衬底，也可以使用单独具有由上述半导体材料制成的缓冲层的衬底。
45.贯通孔形成步骤s11通过在sic基底衬底10上形成贯通孔11而降低sic基底衬底10的强度。该贯通孔形成步骤s11只要是能够在sic基底衬底10上形成贯通孔11的方法即可以采用。
46.贯通孔11的形成方法可以例如采用激光加工、聚焦离子束系统(focused ion beam system：fib)、反应性离子蚀刻(reactive ion etching：rie)等等离子体蚀刻。另外，在示出了本实施方式的图2中例示了通过对sic基底衬底10照射激光l而形成贯通孔11的手段。
47.贯通孔11只要采用降低sic基底衬底10的强度的形状即可，并且也可以形成单个或多个贯通孔11。此外，也可以采用使多个贯通孔11排列而成的贯通孔组(图案)。
48.以下，对使六方晶系的半导体材料生长时的图案的一例进行详细说明。
49.图3是说明根据实施方式的图案100的说明图。图案100表示的线段是sic基底衬底10。图案100优选地呈现三次对称的正六边形位移形。以下参照图3对本说明书中的说明中的“正六边形位移形”进行详细说明。正六边形位移形是十二边形。此外，正六边形位移形由呈现相等长度且直线状的12个线段构成。呈现正六边形位移形的图案100包含作为正三角形的具有面积101a且包括3个顶点104的基准图形101。该3个顶点104中的每一个均包括在图案100的顶点中。这里，该三个顶点104可以理解为存在位于构成图案100的线段上的情况。图案100包括：从顶点104延伸且包括顶点104的线段102(相当于第一线段)，和不从顶点104延伸且不包括顶点104的与线段102邻接的线段103(相当于第二线段)。这里，图案100中的两个相邻的线段102所成的角度θ是恒定的，并且等于图案100中的两个相邻的线段103所成的角度θ。另外，本说明书中的说明中的“正六边形位移形”可以理解为，由正六边形基于表示凹凸程度的角度θ在保持该正六边形的面积的同时进行位移(变形)而成的十二边形。
50.角度θ优选为大于60
°
，更优选为66
°
以上，更优选为80
°
以上，更优选为83
°
以上，更优选为120
°
以上，更优选为150
°
以上，更优选为155
°
以上。此外，角度θ优选为180
°
以下，更优选为155
°
以下，更优选为150
°
以下，更优选为120
°
以下，更优选为83
°
以下，更优选为80
°
以下，更优选为66
°
以下。
51.根据实施方式的图案100也可以是六次对称的正十二边形位移形的结构，而取代三次对称的正六边形位移形。正十二边形位移形是二十四边形。此外，正十二边形位移形由呈现相等长度且直线状的24个线段构成。呈现正十二边形位移形的图案100包含作为正六边形的具有面积101a且包括6个顶点104的基准图形101。该6个顶点104中的每一个均包括在图案100的顶点中。另外，与正六边形位移形一样，图案100中的两个相邻的线段102所成的角度θ是恒定的，并且等于图案100中的两个相邻的线段103所成的角度θ。也就是说，本说明书中的说明中的“正十二边形位移形”可以理解为，正十二边形是基于表示凹凸程度的角度θ在保持该正十二边形的面积的同时进行位移(变形)而成的二十四边形。另外，图案100也可以是正2n边形呈现基于表示凹凸程度的角度θ在保持该正2n边形的面积的同时进行位移(变形)而成的4n边形即2n边形位移形的结构。此时，2n边形位移形可以理解为包含正n边形(相当于基准图形101)。这里，基准图形101可以理解为包括n个顶点。
52.根据实施方式的图案100也可以是包括正2n边形位移形(包括正六边形位移形和正12边形位移形)的结构。此外，图案100也可以是除了构成正2n边形位移形的线段之外还包括至少一个将正2n边形位移形中的相邻的两个线段103的交点和基准图形101的重心连接的线段(相当于第三线段)的结构。此外，图案100也可以是除了构成正2n边形位移形的线段之外还包括至少一个将正2n边形位移形中的相邻的两个线段103的交点和构成基准图形101的顶点104连接的线段的结构。此外，图案100也可以是除了构成正2n边形位移形的线段之外还包括至少一个构成正2n边形位移形中包括的构成基准图形101的线段的结构。
53.此外，贯通孔形成步骤s11优选地是去除sic基底衬底10有效面积的50％以上的步骤。此外，更优选地是去除有效面积的60％以上的步骤，进一步优选地是去除有效面积的70％以上的步骤，进一步优选地是去除有效面积的80％以上的步骤。
54.另外，本说明书中的有效面积是指在晶体生长步骤s20中原料附着的sic基底衬底10的表面。换句话说，是指在sic基底衬底10的生长表面中除了由贯通孔11去除的区域以外的残留区域。
55.应变层去除步骤s12是去除通过贯通孔形成步骤s11形成在sic基底衬底10上的应变层12的步骤。该应变层去除步骤s12只要是能够去除引入到sic基底衬底10中的应变层12的手段即可以采用。
56.去除应变层12的方法可以例如采用：使用氢气作为蚀刻气体的氢蚀刻法，在si气氛下进行加热的si蒸气蚀刻(si-vapor etching：sive)法，和后述的实施例1记载的蚀刻方法。
57.《晶体生长步骤》
58.晶体生长步骤s20是在脆加工步骤s10之后的sic基底衬底10上形成aln层20的步骤。
59.作为aln层20的生长方法，晶体生长步骤s20可以采用物理气相输送法(physical vapor transport：pvt)、升华再结晶法、改良瑞利法、化学气相输送法(chemical vapor transport：cvt)、有机金属气相生长法(molecular-organic vapor phase epitaxy：movpe)、氢化物气相生长法(hydride vapor phase epitaxy：hvpe)等已知的气相生长法(相当于气相外延法)。另外，晶体生长步骤s20可以采用物理气相生长法(physical vapor deposition：pvd，物理气相沉积)而取代pvt。另外，晶体生长步骤s20可以采用化学气相生
长法(chemical vapor deposition：cvd，化学气相沉积)而代替cvt。
60.图4是说明根据实施方式的晶体生长步骤s20的说明图。
61.根据实施方式的晶体生长步骤s20是将sic基底衬底10和成为aln层20的原料的半导体材料40相对(彼此面对)配置在具有准封闭空间的坩埚30内并进行加热的步骤。另外，本说明书中的“准封闭空间”是指虽然能够进行空间内的抽真空、但能够将在容器内产生的蒸气的至少一部分封入的空间。
62.此外，晶体生长步骤s20是加热成沿sic基底衬底10的垂直方向形成温度梯度的步骤。通过在该温度梯度中加热坩埚30(sic基底衬底10和半导体材料40)，将原料通过原料输送空间31从半导体材料40输送到基底衬底10上。
63.作为用于输送原料的驱动力，可以采用上述的温度梯度。
64.具体地，在准封闭空间内，由从半导体材料40升华的元素构成的蒸气通过在原料输送空间31中扩散而被输送，并且在温度被设定成低于半导体材料40的sic基底衬底10上达到过饱和并凝结。结果，在sic基底衬底10上形成aln层20。
65.另外，在该晶体生长步骤s20中，也可以将惰性气体或掺杂气体引入到原料输送空间31中并控制aln层20的掺杂浓度或生长环境。此外，在晶体生长步骤s20中，期望的是，通过引入氮气，使原料输送空间31的内部为氮气氛来进行生长。
66.本实施方式示出了通过pvt法形成aln层20的实施方式，然而只要是能够形成aln层20的方法，就当然可以采用。
67.《降温步骤》
68.降温步骤s30是使在晶体生长步骤s20中所加热的sic基底衬底10和aln层20降温的步骤。
69.在降温步骤s30中，sic基底衬底10和aln层20由于温度降低而根据各自的热膨胀系数收缩。此时，sic基底衬底10和aln层20产生收缩率差。
70.根据本实施方式，由于在脆加工步骤s10中降低sic基底衬底10的强度，因而即使在sic基底衬底10和aln层20产生收缩率差的情况下，sic基底衬底10也变形或形成裂纹13(参照图2和图8)。
71.根据本发明，通过包括降低sic基底衬底10的强度的脆加工步骤s10，可以将在sic基底衬底10和aln层20之间产生的应力释放到sic基底衬底10，并且抑制aln层20中裂纹的产生。
72.实施例
73.列举实施例1和比较例1更具体地说明本发明。
74.aln与sic的晶格失配约为1％，并且与sic的热膨胀系数差约为23％。在实施例1中，通过将由这种晶格失配和热膨胀系数差引起的应力释放到sic基底衬底10，可以抑制在aln层20中的裂纹产生。
75.《实施例1》
76.《贯通孔形成步骤s11》
77.在以下条件下，对sic基底衬底10照射激光并形成贯通孔11。
78.(sic基底衬底10)
79.半导体材料：4h-sic
80.衬底尺寸：横宽11mm
×
纵长11mm
×
厚度524μm
81.生长表面：si表面
82.偏移角：同轴
83.(激光加工条件)
84.种类：绿激光
85.波长：532nm
86.光斑直径：40μm
87.平均输出：4w(30khz时)
88.(图案的细节)
89.图5是说明在根据实施例1的贯通孔形成步骤s11中所形成的贯通孔11的图案的说明图。图5的(a)是示出多个贯通孔11的排列状态的说明图。在该图5的(a)中，黑色显示的区域表示贯通孔11的部分，白色显示的区域保留作为sic基底衬底10。
90.图5的(b)是示出图5的(a)的贯通孔11的放大状态的说明图。在该图5的(b)中，白色显示的区域表示贯通孔11的部分，黑色显示的区域保留作为sic基底衬底10。
91.另外，在图5的图案中，去除sic基底衬底10的有效面积的80％以上，从而降低了sic基底衬底10的强度。
92.(应变层去除步骤s12)
93.图6是说明根据实施例1的应变层去除步骤s12的说明图。
94.将通过贯通孔形成步骤s11形成了贯通孔11的sic基底衬底10收纳在sic容器50内，进一步将sic容器50收纳在tac容器60内，并且在以下条件下进行加热。
95.(加热条件)
96.加热温度：1800℃
97.加热时间：2小时
98.蚀刻量：8μm
99.(sic容器50)
100.材料：多晶sic
101.容器尺寸：直径60mm
×
高度4mm
102.sic基底衬底10和sic容器50的底表面之间的距离：2mm
103.(sic容器50的细节)
104.如图6所示，sic容器50是包括能够相互嵌合的上容器51和下容器52的嵌合容器。在上容器51和下容器52的嵌合部处形成有微小的间隙53，构成为能够从该间隙53进行sic容器50内的排气(抽真空)。
105.sic容器50具有通过在sic基底衬底10配置在温度梯度的低温侧的状态下使配置在温度梯度的低温侧的sic容器50的一部分和sic基底衬底10相对而形成的蚀刻空间54。该蚀刻空间54是以设置在sic基底衬底10和sic容器50的底表面之间的温度差作为驱动力将si原子和c原子从sic基底衬底10输送到sic容器50并进行蚀刻的空间。
106.此外，sic容器50具有将sic基底衬底10保持在半空中并形成蚀刻空间54的衬底保持件55。另外，也可以根据加热炉的温度梯度的方向不设置该衬底保持件55。例如，在加热炉形成温度梯度以使温度从下容器52向上容器51下降的情况下，也可以在下容器52的底表
面上配置sic基底衬底10，而不设置衬底保持件55。
107.(tac容器60)
108.材料：tac
109.容器尺寸：直径160mm
×
高度60mm
110.si蒸气供给源64(si化合物)：tasi2111.(tac容器60的细节)
112.与sic容器50一样，tac容器60是包括能够相互嵌合的上容器61和下容器62的嵌合容器，并且构成为能够收纳sic容器50。在上容器61和下容器62的嵌合部处形成有微小的间隙63，构成为能够从该间隙63进行tac容器60内的排气(抽真空)。
113.tac容器60具有能够在tac容器60内供给包含si元素的气相物种的蒸气压的si蒸气供给源64。si蒸气供应源64只要是在加热处理时在tac容器60内产生包含si元素的气相物种的蒸气压的结构即可。
114.《晶体生长步骤s20》
115.图7是说明根据实施例1的晶体生长步骤s20的说明图。
116.将通过应变层去除步骤s12去除了应变层12的sic基底衬底10以与半导体材料40相对的方式收纳在坩埚30内，并且在以下条件下进行加热。
117.(加热条件)
118.加热温度：2040℃
119.加热时间：70小时
120.生长厚度：500μm
121.n2气体压力：10kpa
122.(坩埚30)
123.材料：碳化钽(tac)和/或钨(w)
124.容器尺寸：10mm
×
10mm
×
1.5mm
125.sic基底衬底10和半导体材料40之间的距离：1mm
126.(坩埚30的细节)
127.坩埚30在sic基底衬底10和半导体材料40之间具有原料输送空间31。将原料通过该原料输送空间31从半导体材料40输送到sic基底衬底10上。
128.图7的(a)是在晶体生长步骤s20中使用的坩埚30的一例。与sic容器50和tac容器60一样，该坩埚30是包括能够相互嵌合的上容器32和下容器33的嵌合容器。在上容器32和下容器33的嵌合部处形成有微小的间隙34，构成为能够从该间隙34进行坩埚30内的排气(抽真空)。
129.另外，坩埚30具有用于形成原料输送空间31的衬底保持件35。该衬底保持件35设置在sic基底衬底10和半导体材料40之间，并且将半导体材料40配置在高温侧并将sic基底衬底10配置在低温侧而形成原料输送空间31。
130.图7的(a)和图7的(c)是在晶体生长步骤s20中使用的坩埚30的另外的示例。该图7的(b)和图7的(c)的温度梯度设定为与图7的(a)的温度梯度相反，并且sic基底衬底10配置在上侧。即，与图7的(a)一样，将半导体材料40配置在高温侧并将sic基底衬底10配置在低温侧而形成原料输送空间31。
131.图7的(b)示出了通过将sic基底衬底10固定在上容器32侧而在与半导体材料40之间形成原料输送空间31的示例。
132.图7的(c)示出了通过在上容器32处形成贯通窗并配置sic基底衬底10而在与半导体材料40之间形成原料输送空间31的示例。此外，如该图7的(c)所示，也可以通过在上容器32和下容器33之间设置中间部件36而形成原料输送空间31。
133.(半导体材料40)
134.材料：aln烧结体
135.尺寸：横宽20mm
×
纵长20mm
×
厚度5mm
136.(半导体材料40的细节)
137.半导体材料40的aln烧结体通过以下顺序进行烧结。
138.将aln粉末放入tac块的框内，并且用适度的力进行压固。之后，将所压固的aln粉末和tac块收纳在热分解碳坩埚中，并且在以下条件下进行加热。
139.加热温度：1850℃
140.n2气体压力：10kpa
141.加热时间：3小时
142.《降温步骤》
143.最后，使晶体生长步骤s20之后的sic基底衬底10和aln层20在以下条件下降温。
144.(降温条件)
145.降温前的衬底温度：2040℃
146.降温后的衬底温度：室温
147.降温速度：128℃/min
148.图7是从sic基底衬底10侧观察在上述条件下降温后的sic基底衬底10和aln层20而得到的sem像。可知，在sic基底衬底10处形成了裂纹13。
149.在通过实施例1所制造的aln衬底的sic基底衬底10中观察到多个裂纹13。另一方面，在aln层20中未观察到裂纹。即，确认为在aln晶体生长表面(0001)的10mm
×
10mm的整个区域中没有裂纹。
150.《比较例1》
151.针对与实施例1相同的sic基底衬底10，在与实施例1相同的条件下实施晶体生长步骤s20和降温步骤s30。即，比较例1执行晶体生长步骤s20，而不执行脆加工步骤s10。
152.在通过比较例1所制造的aln衬底的sic基底衬底10中，未观察到裂纹13。另一方面，在aln层20中，观察到1.0mm-1
的裂纹线密度的裂纹。另外，本说明书中的裂纹线密度是指将在测量面积中观察到的所有裂纹相加后的长度除以测量面积而得到的值(裂纹的总长度(mm)/测量面积(mm-2
)＝裂纹线密度(mm-1
))。
153.从实施例1和比较例1的结果可以理解为，通过利用脆加工步骤s10降低sic基底衬底10的强度，可以将在aln层20中产生的应力释放到sic基底衬底10，并且抑制在aln层20中产生裂纹。
154.附图标记说明
155.10
ꢀꢀ
sic基底衬底
156.11
ꢀꢀ
贯通孔
157.12
ꢀꢀ
应变层
158.13
ꢀꢀ
裂纹
159.20
ꢀꢀ
aln层
160.30
ꢀꢀ
坩埚
161.31
ꢀꢀ
原料输送空间
162.40
ꢀꢀ
半导体材料
163.50
ꢀꢀ
sic容器
164.60
ꢀꢀ
tac容器
165.s10 脆加工步骤
166.s11 贯通孔形成步骤
167.s12 应变层去除步骤
168.s20 晶体生长步骤
169.s30 降温步骤