衬底、 提供有外延层的衬底、 制造衬底的方法和制造提供有 外延层的衬底的方法 【技术领域】
本发明涉及衬底、 提供有外延层的衬底及其制造方法， 更具体来讲， 涉及的容许简 化处理步骤和成本降低的衬底、 提供有外延层的衬底及其制造方法。背景技术
通常地， 已知诸如 GaN 的化合物半导体。已知使用线状锯来制造这种化合物 半导体的衬底的方法 ( 例如， 参见日本专利 No.2842307( 专利文献 1) 和日本专利特开 No.2006-190909( 专利文献 2))。通过使用这种线状锯进行切割而获得的衬底的表面具有 受损层。由此， 衬底的主表面 ( 切割表面 ) 被蚀刻、 磨削、 抛光和机械 - 化学抛光。
另外， 为了改进衬底主表面上生长和形成的外延层的特性， 需要由诸如 GaN 的化 合物半导体形成的衬底， 以抑制翘曲并提高表面平坦度。为了改进诸如衬底表面平坦度 之类的形状特性， 例如， 日本专利特开 No.2004-356609( 专利文献 3) 提出不仅使用磨粒而 且使用针对 GaN 衬底的预定化学溶液， 以执行化学机械抛光 (CMP)。另外， 日本专利特开 No.2005-136167( 专利文献 4) 提出采用蚀刻的方式来部分去除由于磨削和抛光 GaN 衬底主 表面而形成的受损层， 以控制由于受损层导致的应力。因此， 衬底的翘曲得以抑制。
现有技术文献
专利文献
专利文献 1 ： 日本专利 No.2842307
专利文献 2 ： 日本专利特开 No.2006-190909
专利文献 3 ： 日本专利特开 No.2004-356609
专利文献 4 ： 日本专利特开 No.2005-136167 发明内容 本发明要解决的问题
如果如上所述， 在衬底中存在翘曲， 则在衬底主表面上生长外延层时， 反应气体可 能进入上面安装有衬底的基座表面与衬底的背侧表面 ( 所述背侧表面位于衬底主表面的 相反侧 ) 之间的空间。这样导致其背侧表面上异常生长外延层。即使不发生这种外延层 的异常生长， 衬底的翘曲也会导致在形成层时衬底主表面中的温度发生变化。这种温度变 化导致所得的外延层性质发生变化， 从而导致由这种衬底形成的器件的性质发生变化 ( 例 如， 在由其制造激光二极管等的情况下， 从激光二极管发射的光的波长发生变化 )。
据此， 在如专利文献 2 等中公开的使用线状锯来制造这种衬底的方法中， 考虑的 是， 在尽可能减少衬底中的翘曲的条件下， 使用线状锯执行加工 ( 切片工艺 )。 然而， 这种常 规方法不能充分抑制在切片工艺之后被抛光和磨削的衬底的形状所发生的变化。
另外， 在加工 ( 例如， 如专利文献 3、 4 所示步骤中一样地磨削和抛光 ) 衬底的前侧 表面和背侧表面的情况下， 通过采用蜡将衬底的前侧表面 ( 主表面 ) 和背侧表面中的一个
附着到加工夹具并且进行加工， 然后， 将另一个附着到其上并且加工。在这种情况下， 用于 将衬底附着到加工夹具的蜡的厚度变化和衬底中受损层的厚度分布变化造成被加工后衬 底中的翘曲形状发生变化。换言之， 加工的衬底的翘曲形状并非保持不变， 例如， 衬底可以 在其主表面翘曲成突出， 可以在其主表面翘曲成凹陷， 或者可以翘曲成波浪的形式， 并且其 翘曲程度也发生变化。
具体来讲， 通过在不同类型的衬底上异质外延生长诸如氮化镓的化合物半导体而 获得的衬底由于化合物半导体与不同类型的衬底之间的热膨胀系数差异和晶格不匹配而 可能发生大程度翘曲。 难以在不使用诸如蜡的粘合剂的情况下对这种大程度翘曲衬底的两 侧同时进行抛光， 或者难以在采用真空吸附来固定衬底的情况下加工衬底。因此， 如上所 述， 在使用蜡固定衬底的同时， 加工衬底。 结果， 衬底的形状并非保持不变， 从而导致翘曲程 度发生变化。
同时， 在专利文献 4 中提出的方法中， 需要根据由 GaN 等形成的各衬底的翘曲来调 节加工条件。这样进行加工费时费力， 从而难以将该方法应用于实际大规模制造衬底。
如此， 常规方法几乎不能以低成本制造由 GaN 构成的衬底， 并同时充分控制衬底 形状。
本发明致力于解决上述问题， 其目的在于提供一种以低成本具有受控衬底形状的 衬底、 通过在衬底上形成外延层而形成的提供有外延层的衬底及其制造方法。
解决问题的手段
本发明的发明者基于以下的想法来积极改进研究 ： 即， 通过观察用于获得衬底而 执行的切片步骤中的条件， 改进衬底的形状和性质， 以此替代常规进行的通过执行蚀刻衬 底的步骤或类似步骤来控制衬底形状。结果， 本发明的发明者完成了本发明。具体来讲， 本 发明的发明者已发现， 通过调节切片步骤中的条件以使各衬底的算术平均粗糙度 Ra 落入 下述预定值范围内， 能够使得通过切片步骤获得的衬底具有适于在其上生长外延层的形状 和表面性质。基于这个发现， 根据本发明的制造衬底的方法包括如下步骤 ： 制备由氮化镓 (GaN) 形成的晶锭 ； 以及通过对晶锭进行切片而获得由氮化镓形成的衬底。在获得衬底的 步骤中， 通过切片而获得的衬底具有在 10mm 的线上不小于 0.05μm 且不大于 1μm 的算术 平均粗糙度 Ra 的主表面。
以此方式， 所形成的受损层的厚度较薄。 由此， 可以在所获得的衬底表面上形成膜 质量优良的外延层， 而不用执行任何特定抛光步骤来去除受损层。由于如此可以省去用于 去除受损层的磨削 / 抛光步骤， 因此与常规情况相比， 可以低成本制造用于形成外延层的 衬底。另外， 如上所述， 没有执行磨削 / 抛光步骤， 所以不需要确保磨削步骤等的磨削余量。 因此， 与常规情况相比， 可以更有效地利用 GaN 晶锭 ( 例如， 可以由 GaN 晶锭获得均具有相 同厚度的更大量的衬底 )。应该注意， 作为形成外延层的步骤的预处理， 可以通过执行气相 蚀刻来去除衬底表面上形成的受损层。
衬底主表面的算术平均粗糙度 Ra 的下限由此被设置为 0.05μm， 因为如果对晶锭 进行切片， 以获得主表面粗糙度 Ra 小于 0.05μm 的衬底， 则切片步骤的加工效率降低， 这 样将不利地造成通过切片而获得的衬底翘曲明显变大。同时， 粗糙度 Ra 的上限被设置为 1μm， 因为如果粗糙度 Ra 超过该上限值， 则要形成在衬底主表面上的外延层的膜质量将显 著劣化。更优选地， 上述粗糙度 Ra 的范围为不小于 0.05μm 且不大于 0.6μm， 并且进一步优选地， 其范围为不小于 0.05μm 且不大于 0.3μm。
根据本发明的制造提供有外延层的衬底的方法包括如下步骤 ： 使用上述制造衬底 的方法制备衬底 ； 通过气相蚀刻， 从所述衬底的所述主表面去除所述受损层 ； 以及在已经 去除了所述受损层的所述衬底的所述主表面上形成由氮化镓基半导体形成的外延层。
在这种情况下， 仅通过执行气相蚀刻来作为形成外延层的步骤的预处理， 准备好 衬底以进行形成外延层的步骤。因此， 不需要执行额外的抛光步骤等来去除受损层。这样 导致提供有外延层的衬底的制造成本降低。
根据本发明的制造提供有外延层的衬底的方法包括如下步骤 ： 使用上述制造衬底 的方法制备衬底 ； 从所述衬底的所述主表面去除受损层 ； 以及在已经去除了所述受损层的 所述衬底的所述主表面上形成由氮化镓基半导体形成的外延层。
在这种情况下， 预先在去除受损层的步骤中通过蚀刻等可靠地去除受损层。( 由 此， 不需要执行气相蚀刻来作为形成外延层的步骤中的预处理。 ) 这样可以缩短在制造提供 有外延层的衬底的过程中膜形成步骤 ( 形成外延层的步骤 ) 所需的时间。
根据本发明的制造提供有外延层的衬底的方法包括如下步骤 ： 使用上述制造衬底 的方法制备衬底 ； 从所述衬底的所述主表面去除受损层 ； 抛光所述衬底 ； 以及在被如此抛 光的所述衬底的所述主表面上形成由氮化镓基半导体形成的外延层。除此之外， 在抛光步 骤之前， 可以执行从所述衬底的所述主表面去除受损层的步骤。 在这种情况下， 通过在形成外延层之前进行抛光， 可以改进衬底的平坦度。结果， 要形成的外延层的膜质量将不太可能由于衬底的平坦度差而降低。
通过预先在去除受损层的步骤中进行蚀刻等 ( 如果执行的话 )， 可以更可靠地去 除受损层。( 由此， 不需要执行非气相蚀刻等来作为形成外延层的步骤中的预处理 )。这样 可以缩短在制造提供有外延层的衬底的过程中膜形成步骤 ( 形成外延层的步骤 ) 所需的时 间。
使用制造提供有外延层的衬底的上述每种方法， 制造根据本发明的提供有外延层 的衬底。 在这种情况下， 因为使用上述每种制造方法制造提供有外延层的衬底， 所以可以低 成本制造提供有外延层的衬底。
使用上述制造衬底的方法制造根据本发明的衬底。在这种情况下， 因为使用上述 制造方法制造衬底， 所以可以低成本制造衬底。
根据本发明的衬底由氮化镓形成， 并且具有在 10mm 的线上不小于 0.05μm 且不大 于 1μm 的表面粗糙度 Ra 的主表面。主表面具有在其上形成的受损层。受损层的最大深度 不大于 10μm 且其平均深度不大于 5μm。
在这种情况下， 通过形成外延层的步骤中的预处理 ( 气相蚀刻 )， 可以很容易去除 受损层， 使衬底的表面粗糙度变得足够小， 从而使得将形成在衬底上的外延层具有优良的 膜质量。如此， 通过使用上述衬底， 可以低成本获得提供有外延层的衬底。
本发明的效果
根据本发明， 通过最优化对晶锭进行切片的条件， 可以以低成本获得可被用作用 于在其上形成外延层的衬底的衬底， 以及使用了该衬底的提供有外延层的衬底， 而不用通 过磨削等来控制其形状。
附图说明 图 1 是示出本发明中制造提供有外延层的衬底的方法的流程图。
图 2 是示出制造图 1 所示衬底的方法中的衬底制作步骤的流程图。
图 3 是示出制造图 1 所示衬底的方法中的膜形成步骤的流程图。
图 4 是示出多线状锯装置的示意性透视图。
图 5 是示出其中多个晶锭被安装在图 4 所示多线状锯装置中的工件支架上的状态 的示意性放大透视图。
图 6 示出在切片步骤中如何对晶锭进行切片的示意图。
图 7 是示出在衬底制作步骤 (S100) 中获得的衬底剖面结构的示意性局部剖视图。
图 8 是示出关于所获得表面的表面粗糙度的各向异性的示意图。
图 9 是示出衬底翘曲的正反方向定义的示意图。
图 10 是示出本发明中的提供有外延层的衬底的示意性透视图。
图 11 是示出本发明第二实施例中的制造提供有外延层的衬底的方法中的衬底制 作步骤的流程图。
图 12 是示出本发明第三实施例中的制造提供有外延层的衬底的方法中的衬底制 作步骤的流程图。
图 13 是示出制造 GaN 晶锭的示例性方法的示意图。
图 14 是示出制造 GaN 晶锭的示例性方法的示意图。
图 15 是示出制造 GaN 晶锭的示例性方法的示意图。
图 16 是示出制造 GaN 晶锭的示例性方法的示意图。
图 17 是示出本发明中制造晶锭的另一个示例性方法的示意图。
图 18 是示出本发明中制造晶锭的示例性方法的示意图。
图 19 是示出本发明中制造晶锭的示例性方法的示意图。
图 20 是示出本发明中制造晶锭的示例性方法的示意图。
图 21 是示出本发明中制造晶锭的示例性方法的示意图。
图 22 是示出实例 1 中衬底翘曲量的测量结果的曲线图。
图 23 是示出实例 1 中衬底翘曲量的测量结果的曲线图。
图 24 是金刚石磨粒中 c 型磨粒的 SEM 照片。
图 25 是样品 Q 表面的光学显微照片， 该样品 Q 对应于使用 c 型的金刚石磨粒进行 切片而获得的衬底。
图 26 是金刚石磨粒中 h 型磨粒的 SEM 照片。
图 27 是样品 V 表面的光学显微照片， 该样品 V 对应于使用 h 型的金刚石磨粒进行 切片而获得的衬底。
具体实施方式
下文中， 将参照附图用实施例描述本发明。 在附图中， 相同或相应的组件用相同的 方式标注， 并且将不再重复描述。
( 第一实施例 )
图 1 是示出本发明中制造提供有外延层的衬底的方法的流程图。图 2 是示出制造如图 1 所示衬底的方法中的衬底制作步骤的流程图。图 3 是示出制造如图 1 所示衬底的方 法中的膜形成步骤的流程图。以下参照图 1 至图 3 描述了本发明中的制造提供有外延层的 衬底的方法。
如图 1 中所示， 在本发明中的制造提供有外延层的衬底的方法中， 首先执行衬底 制作步骤 (S100)。在该步骤 (S100) 中， 执行图 2 所示的步骤， 以制备由氮化镓 (GaN) 制成 的衬底。具体来讲， 如图 2 中所示地执行晶锭生长步骤 (S110)。在该步骤 (S110) 中， 使用 合适的方法制造由 GaN 制成的晶锭。制造这种晶锭的示例性方法是使用氢化物气相生长 法 (HVPE 法 ) 生长由 GaN 制成的晶锭。在这种情况下， 例如， 可以在砷化镓 (GaAs) 的衬底 (111) 上形成由 SiO2 制成的掩模图案， 并且可以使用 HVPE 法在衬底上生长 GaN 层。以下将 对其细节进行描述。另外， 可以采用不同于 HVPE 法的方法作为生长由 GaN 制成的晶锭的方 法。例如， 可以使用高压熔融法、 升华法、 熔剂法、 氨热法等来形成 GaN 晶锭。另外， 可以采 用以 (0001) 平面作为其主表面、 直径为 50mm 并且厚度为 ( 例如 )12mm 的衬底作为所制备 的晶锭。 应该注意， 所述晶锭不具体受限于其主表面的晶面取向以及其尺寸和形状， 例如其 厚度和直径。
然后， 如图 2 中所示， 执行切片步骤 (S120)。在该步骤 (S120) 中， 使用图 4 所示多 线状锯装置 1 对步骤 (S110) 中制备的晶锭进行切片。在此， 图 4 是示出多线状锯装置的示 意性透视图。图 5 是示出其中多个晶锭被安装在图 4 所示多线状锯装置中的工件支架上的 示意性放大透视图。现在， 将参照图 4 和图 5 描述切片步骤 (S120) 中使用的多线状锯装置 1。 如图 4 和图 5 中所示， 多线状锯装置 1 包括工件支架 11、 导辊 12a-12c、 浆体喷嘴 13 和线列 (wire line)21。多线状锯装置 1 的这些组件中的每个由附图中未示出的外壳支 撑。
工件支架 11 是用于支撑一个或多个晶锭 3 的构件， 各晶锭都是待加工的目标物 ( 工件 )。工件支架 11 可以由 ( 例如 ) 不锈钢形成。工件支架 11 设置在其它组件 ( 导辊 12a-12c、 浆体喷嘴 13 和线列 21) 的下面。具体来讲， 三个导辊 12a-12c 分别设置在与垂直 平面内的三角形顶点对应的位置。浆体喷嘴 13 被设置成环绕由此设置的导辊 12a-12c。线 22 缠绕在导辊 12a-12c 上， 以构成如下所示的线列 21。当从自导辊 21a 延伸到导辊 12b 的 线列 21 来看， 工件支架 11 位于与浆体喷嘴 13 相对的位置。
在工件支架 11 上， 多个晶锭 3 被固定到多个支撑构件 31， 这多个支撑构件 31 由碳 制成并且分别固定于晶锭 3。使用支撑构件 31 将多个晶锭 3 固定于工件支架 11 的上部。 工件支架 11 被安装在附图中未示出的移动工作台上。当移动工作台沿着垂直方向 ( 图 4 的箭头 A 所表示的方向 ) 上移时， 晶锭 3 在垂直方向上向上移动， 以被馈送到其中。
各导辊 12a-12c 是具有大体上为圆柱体外形的旋转体。导辊 12a-12c 的旋转轴的 相应方向与垂直方向 ( 箭头 A 所表示的方向 ) 垂直， 并且相互平行。导辊 12a 和导辊 12b 彼此分开， 以分别设置在相对于贯穿工件支架 11 的垂直线的左侧和右侧。导辊 12c 位于导 辊 12a 和导辊 12b 的上面， 并且设置在贯穿工件支架 11 的垂直线上。浆体喷嘴 13 被设置 在工件支架 11 和导辊 12c 之间。
每个导辊 12a-12c 的外围表面由 ( 例如 ) 诸如聚氨酯或超高分子量聚乙烯的树脂 形成。在每个导辊 12a-12c 的外围表面上， 以均匀间隔形成多个凹槽， 以沿着其外围方向
延伸。利用多个凹槽， 一个线 22 以螺旋方式缠绕导辊 12a-12c， 从而构成线列 21。当导辊 12a-12c 以交替方式正向和反向地重复旋转时， 线 22 沿着两个方向 ( 图 4 中的箭头 B 所表 示的方向 ) 往复行进。由此缠绕导辊 12a-12c 的线 22 的一部分在导辊 12a 和 12b 中的每 个的下端侧 ( 工件支架 11 侧 ) 行进。在线 22 的该部分行进的位置处， 其与当工件支架 11 移动时在箭头 A 所表示方向移动的晶锭 3 相交。
浆体喷嘴 13 适于向着线 22 和晶锭 3 喷射磨粒溶液 ( 浆体 )， 包括 ( 例如 ) 混合 有松散磨粒的研磨油。例如， 可以使用金刚石磨粒作为松散磨粒。除了金刚石之外， 可用的 松散磨粒的是氧化物、 碳化物和氮化物， 例如碳化硼 (B4C)、 碳化硅 (SiC)、 氧化铝 (Al2O3)、 氮化硅 (Si3N4)、 硅铝氧氮聚合材料 (sialon) 以及其复合氧化物， 这些材料均表现出比 GaN 硬度更大的硬度。另外， 例如， 镀黄铜钢丝可以用作线 22。
以上描述所针对的情况是将如上构造的多线状锯装置 1 用于对晶锭 3 进行切片的 步骤 (S120) 中， 但是可以使用具有单排的线状锯对晶锭 3 进行切片。 或者， 可以使用固定的 磨粒线执行切片步骤 (S 120)， 所述磨粒线是通过将金刚石磨粒附着到线 22 上获得的。另 外， 在线 22 往复运动的同时， 线 22 会发生摆动。另外， 上述装置被构造为通过将晶锭 3 抬 升至线 22 的三个部分来对晶锭 3 进行切片， 但是晶锭 3 也可以沿着不同方向移动。例如， 上述装置可以被构造为通过降低晶锭 3 来对其进行切片。
接着， 将具体描述切片步骤 (S120) 的细节。首先， 预先在作为待加工目标物的多 个晶锭 3 的每个外围表面上形成第一取向平面 (OF) 表面 3a 和第二 OF 表面 3b。第一取向 平面 (OF) 表面 3a 表示晶锭 3 的解理方向， 并且第二 OF 表面 3b 小于第一 OF 表面 3a。然 后， 使用支撑构件 31 将多个晶锭 31 安装在工件支架 11 上 ( 晶锭安装步骤 )。结果， 获得图 5 所示的结构。应该注意， 在使用下述的带芯 (stripe core) 衬底或点芯 (dot core) 衬底 的情况下， 可以不必形成这些 OF 表面， 因为其晶面取向可以根据其晶面的结构来确定。
在该晶锭安装步骤中， 多个晶锭 3 沿着其中心轴方向布置， 使得其主表面彼此面 对 ( 或其主表面彼此接触 )， 如图 5 中所示。然后， 将晶锭 3 安装在工件支架 11 上， 使得中 心轴方向垂直于图 4 的箭头 A 所表示的垂直方向以及箭头 B 所表示的线 22 的行进方向。 在 这种情形下， 可以将多个晶锭 3 放置在工件支架 11 上， 使得第一 OF 表面 3a 与箭头 A 所表 示的馈送方向相反 ( 即， 第一 OF 表面 3a 基本垂直于表示馈送方向的箭头 A)。另外， 优选 地， 将每个晶锭 3 固定到工件支架 11 上， 使得晶锭 3 的 (0001) 平面平行于箭头 A 所表示的 馈送方向以及箭头 B 所表示的线 22 的行进方向。
第一 OF 表面 3a 和第二 OF 表面 3b 可以在任何位置形成， 但是第一 OF 表面 3a 可以 垂直于每个晶锭 3 的 <11-20> 方向 ( 即， 沿着晶锭 3 的 (11-20) 平面 ) 来形成。另外， 第二 OF 表面 3b 可以 ( 例如 ) 垂直于晶锭 3 的 <1-100> 方向 ( 即， 沿着晶锭 3 的 (1-100) 平面 ) 来形成。具有由此形成的第一 OF 表面 3a 和第二 OF 表面 3b 的晶锭 3 可以固定到工件支架 11 上， 使得晶锭 3 的晶体取向平面和每个线 22 的行进方向 ( 即， 箭头 B 所表示的方向 ) 形 成预定角度。例如， 预定角度可以由每个线 22 的行进方向， 即， 箭头 B 所表示的方向和第一 OF 表面 3a((1-100) 平面 ) 形成。
应该注意， 在图 4 和图 5 所示的多线状锯装置 1 中， 每个晶锭 3 固定于工件支架 11， 使得箭头 B 所表示的线 22 的行进方向平行于第一 OF 表面 3a。以此方式， 晶锭 3 的馈送 方向 ( 箭头 A 所表示的方向 ) 垂直于其第一 OF 表面 3a。结果， 从晶锭 3 的第一 OF 表面 3a对晶锭 3 进行切割。
在以此方式将晶锭 3 固定到工件支架 11 上之后， 开始对晶锭 3 进行切割 ( 切片 )。 具体来讲， 每个导辊 12a-12c 交替地沿着正向和反向旋转， 并且摆动， 从而使线 22 开始往复 地行进。然后， 固定有晶锭 3 的工件支架 11 沿着图 4 的箭头 A 所表示的方向 ( 向上 ) 移动。 结果， 晶锭 3 向着线 22( 线列 21) 移动。同时， 开始从浆体喷嘴 13 喷射浆体。当晶锭 3 开 始接触线 22 时， 到达晶锭 3 和线 22 之间的浆体开始作用以对晶锭 3 进行切割。在由此从 浆体喷嘴 13 提供浆体的同时， 晶锭 3 沿着箭头 A 所表示的方向以大体恒定的速度移动。结 果， 晶锭 3 被切片成板形衬底， 每个衬底的厚度对应于线 22 的线列 21 之间的间隔。以此方 式， 执行切片步骤 (S120)。
接着， 如图 2 中所示， 执行清洗步骤 (S130)。 在该步骤 (S130) 中， 清洗在切片步骤 (S120) 中形成的 GaN 衬底的表面， 以从表面去除浆体和其它外来物质。可以使用任何常规 已知的方法作为清洗方法。
以此方式， 可以获得根据本发明的 GaN 衬底。应该注意， 在上述切片步骤 (S120) 中， 如图 6 所示获得的每个衬底具有被翘曲使得每个晶锭 3 的 Ga 原子面 4 突出的形状。图 6 是示出在切片步骤中如何将晶锭切片的示意图。在使用多线状锯装置 1 对晶锭进行切片 的过程中， 在几乎所有切片条件下， 均获得在 Ga 原子面 4 突出的衬底。 考虑到这是由于 GaN 晶体的极性造成的。具体来讲， 在以 (0001) 平面作为其主表 面的 GaN 衬底中， 在前侧表面和背侧表面的相应最外侧中呈现不同的原子。即， 图 6 所示晶 锭 3 的 Ga 原子面 4( 呈现 Ga 原子的最外侧表面 ) 在化学性质上非常稳定并且具有高硬度。 另一方面， 对应于其背侧表面的 N 原子面 5( 呈现 N 原子的最外侧表面 ) 没有 Ga 原子面 4 稳定， 并且硬度相对较低。例如， 可以使用诸如 KOH 的强碱溶液对 N 原子面进行湿法蚀刻， 但是 Ga 原子面 4 几乎不能进行湿法蚀刻。
由此， 与使用诸如内径刀片的刀片锯的情况相比， 由于晶锭 3 的前侧表面和背侧 表面之间的硬度差， 导致在图 4 和图 5 所示的多线状锯装置 1 中使用的线 22 往往会根据加 工过程中的加工负载， 而偏向 Ga 原子面 4。这是因为线 22 的刚性低于刀片锯的刚性。结 果， 如图 6 中的轨迹所表示的， 在切片过程中， 线 22 发生移位。当切片速度较高时， 线 22 的 这种移位现象发生得更明显。具体来讲， 当平均加工速度不低于 0.7μm/ 小时时， 通过如图 6 所示的切片而获得的每个衬底具有被翘曲使得 Ga 原子面 4( 前侧表面 ) 突出的形状。
当平均加工速度低于 0.7μm/ 小时 (H) 时， 加工速度较低， 因此所获得的一些衬 底不一定被翘曲成在 Ga 原子面突出。另一方面， 当加工速度太快时， 通过切片获得的每 个衬底都具有大翘曲度， 并且在其表面上可以具有局部的深的锯标记。当翘曲超过 ( 例 如 )50μm 的值时， 在所获得衬底的前侧表面上生长外延膜之后制作器件的步骤中， 衬底会 发生破裂， 或者衬底在其主表面内会具有大的偏离角分布。 例如， 这会不利地造成由其制作 的发光器件中的波长分布发生变化。 由此， 优选地， 平均加工速度被设置为 ( 例如 )2.5μm/ 小时或更小。
同时， 金刚石磨粒用于浆体中包括的磨粒。将使用单晶金刚石的金刚石磨粒优选 地作为金刚石磨粒。优选地， 磨粒的平均粒径不小于 0.5μm 且不大于 40μm。此外， 优选 地， 各金刚石磨粒的最宽表面中较长边的长度相对于与其较长边相交的较短边的长度的比 率为 1.3 或更大。 更优选地， 该长度的比率不小于 1.4 且不大于 2.5。 具体来讲， 进一步优选
地， 其比率不小于 1.4 且不大于 2.0， 特别优选地， 不小于 1.5 且不大于 2.0。当比率是大于 2.0 的值并且金刚石磨粒在加工期间经受冲击时， 金刚石磨粒容易被碾碎成小粒径。 当金刚 石磨粒的粒径如此变小时， 粒径具有较小的切削刃。这样造成在执行了切片步骤 (S120) 时 的加工效率降低。因此， 认为形成的下述受损层 15 比所需深度深。
通过在上述条件下执行切片步骤 (S120)， 可以获得衬底 10， 衬底 10 被翘曲成在 Ga 原子面 4 突出， 并且翘曲值的变化小。
应该注意， 如图 7 中所示， 在通过上述步骤获得的每个衬底 10 的表面上， 形成受损 层 15。图 7 是示出通过衬底制作步骤 (S100) 获得的衬底剖面结构的示意性局部剖视图。 通过在切片步骤 (S120) 中调节如上所述的条件， 在根据本发明获得的衬底 10 中， 受损层 15 的深度 ( 受损层 15 的厚度 ) 足够小。具体来讲， 每个受损层 15 的最大深度为 10μm 或更 小， 并且平均深度为 5μm 或更小。
另外， 衬底 10 的每个主表面 ( 图 7 所示的 Ga 原子面 4 和 N 原子面 5) 的表面粗糙 度 Ra 在 10mm 线上不小于 0.05μm 且不大于 1μm。另外， 沿着在使用线状锯执行切片加工 时线状锯伸展的方向 ( 图 4 的箭头 B 所表示的方向 ) 以及沿着与线状锯伸展方向垂直的方 向 ( 图 4 的箭头 A 所表示的方向 )， 所获得的衬底 10 的每个表面的粗糙度具有各向异性。 现在， 将参照图 8 对其进行更详细的描述。图 8 是示出所获得衬底中各向异性的表面粗糙 度的示意图。 参照图 8， 在衬底 10 中， 存在着线状锯在切片过程中沿着如图 4 中所示线 22 的伸 展方向的方向上 ( 箭头 16 所表示的方向 ) 行进的轻微且可识别的痕迹。在这种情形下， 在 箭头 17 所表示的且沿着线 22 的伸展方向 ( 行进方向 ) 延伸的方向中的表面粗糙度指数值 与在箭头 18 所表示的且与箭头 17 所表示方向垂直的方向中的表面粗糙度指数值存在差 异。具体来讲， 在沿着箭头 18 所表示方向的方向上测量的算术平均粗糙度 Ra、 最大高度 Rz 和十点平均粗糙度 Rzjis 中的至少一个的值比沿着箭头 17 所表示方向所测量的相应的一 个指数的值更大。应该注意， 在图 8 中， 衬底 10 中箭头 18 所表示的方向对应于 GaN 晶体的 <11-20> 方向， 而箭头 17 所表示的方向对应于 GaN 晶体的 <1-100> 方向。
现在， 如图 9 中所示地定义衬底 10 的翘曲的正方向和反方向。图 9 是示出如何定 义衬底的翘曲的正方向和反方向的示意图。如图 9 中所示， 翘曲的正方向 (+) 被定义成对 应于在 Ga 原子面 4 突出的衬底 10 的翘曲形状。同样， 如图 9 的下部中所示， 翘曲的反方向 (-) 被定义成对应于在 Ga 原子面 4 侧凹陷 ( 即， 在 N 原子面 5 突出 ) 的衬底 10 的翘曲形 状。
就翘曲的正方向而言， 如图 9 的上部中所示地定义这种情形下翘曲的高度 H。具 体来讲， 衬底 10 设置在平台表面 19 上， 并且使 Ga 原子面 4 面向上， 并且翘曲的高度 H 被定 义成对应于平台表面 19 与衬底 10 的 N 原子面 5( 背侧表面 ) 距离平台表面 19 最远的位置 之间的距离。另一方面， 就翘曲的反方向而言， 如图 9 的下部所示地定义翘曲的高度 H。具 体来讲， 衬底 10 设置在平台表面 19 上， 并且使 Ga 原子面 4 被设置为其前侧表面， 并且翘曲 的高度 H 被定义成对应于平台表面 19 与衬底 10 的 N 原子面 5 的外围部分 ( 背侧表面端部 8) 距离平台表面 19 最远的位置之间的距离。根据这种定义， 在衬底制作步骤 (S100) 中获 得的衬底 10 的形状为在 Ga 原子面 4 突出， 并且衬底 10 的翘曲高度 H 大于 0μm 且不大于 50μm。
在以此方式执行了衬底制作步骤 (S100) 之后， 如图 1 中所示地执行膜形成步骤 (S200)。在该膜形成步骤 (S200) 中， 在衬底制作步骤 (S100) 中获得的衬底 10 上形成外延 膜。现在， 将参照图 3 进一步描述膜形成步骤 (S200) 的细节。
如图 3 中所示， 在膜形成步骤 (S200) 中， 首先执行预处理步骤 (S210)。在该步骤 (S210) 中， 将衬底设置在气相生长装置内， 并且提供氯化氢 (HCl) 气体、 氨 (NH3) 气等以对 衬底 10 表面进行气相蚀刻。在上述衬底制作步骤 (S100) 中获得的衬底 10 的受损层厚度 相对较薄， 所以气相蚀刻能够去除受损层。以此方式， 执行预处理步骤 (S210)。
接着， 如图 3 中所示， 执行外延生长步骤 (S220)。 在该步骤 (S220) 中， 使用常规的 已知方法， 在衬底 10 的主表面上形成外延层 9( 参见图 10)。结果， 可以获得提供有外延层 的衬底 20， 在该衬底 20 中， 外延层 9 形成在衬底 10 的主表面上， 如图 10 中所示。图 10 是 示出根据本发明的提供有外延层的衬底的示意性透视图。
如图 10 中所示， 在根据本发明的提供有外延层的衬底 20 中， 外延层 9 形成在衬底 10 的主表面上。如上所述， 在本发明的衬底 10 中， 在切片步骤 (S120) 之后， 其表面和翘曲 的情况是良好的。除此之外， 如上所述， 衬底 10 的每个受损层的厚度足够薄。由此， 通过只 执行上述预处理步骤 (S210)， 可以去除表面中的薄受损层。因此， 通过执行外延生长步骤 (S220) 而不进行任何额外的处理， 可以形成高质量的外延层 9。 第二实施例
图 11 是示出根据本发明第二实施例的制造提供有外延层的衬底的方法中的衬底 制作步骤的流程图。参照图 11， 以下描述了根据本发明第二实施例的制造提供有外延层的 衬底的方法。
图 11 所示的步骤对应于图 1 所示的衬底制作步骤 (S100)。通过在执行图 11 所示 的步骤之后执行图 1 和图 3 所示的膜形成步骤 (S200)， 可以获得根据本发明的提供有外延 层的衬底。
接着， 以下将描述图 11 所示的衬底制作步骤的细节。如图 11 中所示， 本实施例中 的衬底制作步骤采用与图 2 所示的衬底制作步骤基本相同的方式来执行， 但是不同之处在 于， 抛光步骤 (S140) 是在清洗步骤 (S130) 之后执行的。在该抛光步骤 (S140) 中， 对已经 过清洗步骤 (S130) 的衬底的相对表面 ( 背侧表面， 例如， N 原子面 ) 进行加工， 其中， 在该 表面上将形成外延层。 对于该抛光步骤 (S140)， 可以使用任何常规的已知方法。 例如， 在向 第一平台表面 ( 例如， 由薄合金制成的平台表面 ) 提供包括第一抛光材料 ( 例如， 金刚石磨 粒 ) 和第一润滑剂 ( 例如， 包括乙二醇和水作为其主要成分的液体 ) 的抛光液体的同时， 可 以执行第一抛光步骤， 以使用第一平台表面和抛光液体对衬底表面进行抛光。在该第一抛 光步骤之后， 在将第二润滑剂 ( 例如， 与第一润滑剂类似的液体 ) 提供到其中嵌入第二抛光 材料 ( 例如， 金刚石磨粒 ) 的第二平台表面 ( 例如， 由薄合金制成的平台表面 ) 上的同时， 可以执行第二抛光步骤， 以使用其中嵌入第二抛光材料的第二平台表面对衬底表面进行抛 光。据此， 在第二抛光步骤中， 第二抛光材料被嵌入第二平台表面， 所以第二抛光材料在抛 光步骤期间不会聚集。由此， 可以采用机械 - 化学方式对衬底表面进行抛光， 同时可以抑制 在衬底表面中出现由于抛光材料的聚集造成的刮痕。
优选地， 在抛光步骤 (S140) 中， 只对 N 原子面 ( 背侧表面 ) 进行抛光。 这是由于以 下原因。即， 为了对衬底 10 进行抛光， 采用蜡等将衬底的前侧表面 (Ga 原子面 ) 附着并固
定到平台上， 然后对衬底的背侧表面进行抛光。在这种情形下， 由于蜡等的厚度不同， 导致 由此抛光的衬底的形状会不同。如果对衬底的前侧表面和背侧表面都执行这种抛光处理， 则经抛光衬底的形状 ( 例如， 翘曲方向 ) 会不同。为了抑制其形状的这种变化， 优选地， 仅 对衬底的背侧表面进行抛光。 至于抛光方法， 考虑利用双侧同时抛光的方法， 该方法使得能 够执行抛光处理， 而不用将衬底附着到平台等上， 还可以考虑利用采用真空吸附固定衬底 然后对其进行抛光的方法。然而， 利用这些方法并不理想， 因为当衬底的翘曲量大时， 有可 能在衬底中产生裂缝。
此后， 使用常规的已知方法清洗由此加工获得的衬底， 然后， 执行图 1 和图 3 所示 的膜形成步骤 (S200)， 以获得图 10 所示的提供有外延层的衬底 20。应该注意， 在抛光步 骤 (S140) 中， 可以对其上将形成外延层的表面， 即， 在 Ga 原子面上执行抛光处理 ( 例如， 机 械 - 化学抛光 )。在这种情况下， 可以不执行图 3 所示的预处理步骤 (S210)， 或者可以执行 该步骤以可靠地去除受损层。
第三实施例
图 12 是示出根据本发明第三实施例的制造提供有外延层的衬底的方法中的衬底 制作步骤的流程图。参照图 12， 以下描述了根据本发明第三实施例的制造提供有外延层的 衬底的方法。
本发明第三实施例中的制造提供有外延层的衬底的方法包括与第二实施例中的 制造提供有外延层的衬底的方法的步骤基本相同的步骤， 不同之处在于其衬底制作步骤。 具体来讲， 在图 12 所示的衬底制作步骤中， 在切片步骤 (S120) 和清洗步骤 (S130) 之间执 行蚀刻步骤 (S150)。 其它步骤与本发明第二实施例中的制造提供有外延层的衬底的上述方 法中的其它步骤基本相同。
在蚀刻步骤 (S150) 中， 去除衬底表面上形成的受损层。例如， 可以采用诸如 KOH 或 NaOH 的强碱， 或磷酸来蚀刻 N 原子面上的受损层。另外， 当受损层的深度深时， 优选地， 提高化学溶液 ( 蚀刻溶液 ) 的温度或浓度， 以实现高蚀刻速率。另一方面， 因为 Ga 原子面 几乎没有被湿法蚀刻， 所以对 Ga 原子面一侧的受损层进行干法蚀刻。可以在 ( 例如 ) 将反 应离子蚀刻装置用作其设备并且采用氯气作为反应气体的条件下， 执行干法蚀刻。
应该注意， 在蚀刻步骤 (S150) 中， 可以对衬底 10 的前侧表面和背侧表面 ( 例如， Ga 原子面 4 和 N 原子面 5) 都进行蚀刻。另外， 在蚀刻步骤 (S150) 中， 可以只蚀刻背侧表面 ( 所述背侧表面与其上将形成外延层的前侧表面相对 )， 或者可以只蚀刻前侧表面。另外， 在图 12 所示的步骤中， 可以不执行抛光步骤 (S140)。
另外， 在执行图 12 所示的步骤之后， 执行图 1 和图 3 所示的膜形成步骤 (S200)， 以 获得图 10 所示的提供有外延层的衬底 20。通过以此方式通过蚀刻步骤 (S150) 去除受损 层， 可以省略膜形成步骤 (S200) 中的预处理步骤 (S210)( 参见图 3)。
在此， 在第一实施例至第三实施例中的上述晶锭生长步骤 (S110) 中， 可以采用各 种方法。示例性的可用方法是在不同类型的衬底上形成提供有多个开口的掩模， 并且在掩 模上横向生长 GaN 层。将参照图 13 至图 16 具体描述这种方法。图 13 至图 16 中的每个是 示出制造 GaN 晶锭的一个示例性方法的示意图。
首先， 如图 13 中所示， 将 GaAs 衬底 25 制备为不同类型的衬底。 在 GaAs 衬底 25 的 表面上， 形成由 SiO2 制成的掩模层 26。在掩模层 26 中， 形成以分散方式设置的多个窗口部27。每个窗口部 27 可以具有任何平面形状， 并且可以具有 ( 例如 ) 四边形形状。另外， 当 从平面图中查看时， 窗口部 27 可以布置成矩阵形式， 但是窗口部 27 可以布置成 ( 例如 ) 沿 着 GaAs 衬底的 [11-2] 方向对齐的多行。应该注意， 沿着垂直于 [11-2] 方向的 [-110] 方 向的相邻行的窗口部 27 被优选地布置成使得窗口部 27 以半个节距而相互偏离。现在， 假 设每个行的窗口部 27 之间的间隔为 L， 并且相邻行的窗口部 27 之间的距离为 d。优选地， 0.5 距离 d 和间隔 L 被确定为满足 d ＝ 3 L/2 的关系。换言之， 优选地形成掩模层 26， 使得在 平面图中， 窗口部 27 位于等边三角形的顶点。可以使用常规已知的 CVD 法或光刻法形成其 内形成有这种窗口部 27 的掩模层 26。
接着， 在相对低温的条件 ( 例如， 不低于 450℃且不高于 500℃ ) 下， 如图 14 中所 示， 使用 HVPE 法在窗口部 27 内形成 GaN 缓冲层 28。每个 GaN 缓冲层 28 的厚度在 ( 例如 ) 不小于 10nm 且小于 100nm 的范围内。应该注意， 掩模层 26 的厚度不小于 100nm 且不大于 数百 nm。由此， GaN 缓冲层 28 的厚度比掩模层 26 的厚度薄。因此， 如图 14 中所示， 以隔离 方式在窗口部 27 内分别形成 GaN 缓冲层 28。
接着， 在相对高温的条件 ( 例如， 不低于 800℃且不高于 1050℃ ) 下， 使用 HVPE 法 形成 GaN 外延层 29( 参见图 15)。在这种情形下， GaN 缓冲层 28 结晶。以隔离方式在窗口 部 27 内由此形成的每个 GaN 晶体通常为六棱锥的形式。六棱锥形的 GaN 晶体沿着高度方 向逐渐生长， 并且向着其底部的各边逐渐生长。 六棱锥形的底表面扩展成六边形， 从而填充 每个窗口部 27。随着生长进一步进行， GaN 外延层 29 扩展到掩模层 26 的上表面上。另外， 在这种情形下， 认为六棱锥的形式得以保持。然后， GaN 外延层开始接触从其它相邻的窗口 部 27 生长的其它 GaN 外延层 ( 均为六棱锥的形式 )。然后， GaN 外延层 29 继续生长， 以向 上扩展。因此， GaN 外延层 29 具有预定厚度， 如图 15 中所示。
接着， 去除 GaAs 衬底 25( 参见图 15)。此后， 通过抛光去除掩模层 26。结果， 可以 获得由 GaN 制成并且具有预定厚度的衬底 30， 如图 16 中所示。由此获得的衬底 30 被用作 种晶， 并且在衬底 30 上生长 GaN 外延层。以此方式， 可以形成晶锭 3( 参见图 4)。
获得这种晶锭的另一种可用方法是 ( 例如 ) 如图 17 至图 21 所示的小面掩模生长 法 (facet mask growth method)。 图 17 至图 21 是示出本发明中的制造晶锭的另一个示例 性方法的示意图。参照图 17 至图 21， 以下描述了根据本发明的制造晶锭的该示例性方法。
首先， 制备作为基体衬底的 GaAs 衬底 25( 参见图 17)。在 GaAs 衬底 25 上形成掩 模层 26。例如， 可以使用由 SiO2、 SiN、 AlN 等制成的电介质膜作为每个掩模层 26。掩模层 26 可以为 ( 例如 ) 相互隔离并且直径均不小于 20μm 且不大于 100μm 的点 ( 圆 ) 形式， 或 者可以是相互分隔、 其间具有间隔并且相互平行延伸的直带形式。结果， 获得图 17 所示的 结构。可以使用诸如 CVD 法或光刻法的常规已知方法作为制造掩模层 26 的方法。
接着， 采用 HVPE 法、 MOC 法、 MOCVD 法和升华法中的任一种， 在上面形成有掩模层 26 的 GaAs 衬底 25 表面上气相生长 GaN 的晶体 39。GaN 的晶核选择性地在 GaAs 衬底 25 暴 露的部分 ( 图 17 中的基体暴露部分 38) 中生成， 并且不在掩模层 26 上生成。由此， 随着晶 体 39 生长， 晶体从基体暴露部 38 突出， 以扩展到掩模层 26 的上表面上。然而， 晶体将不太 可能在掩模层 26 上生长， 所以 GaN 晶体的生长缓慢。因此， 晶体 39 在掩模层 26 上和上方 具有倾斜表面。以此方式， 获得图 18 所示的结构。每个倾斜表面用作所谓的小面 F。小面 F 对应于 {-1-122} 面、 {1-101} 面等， 这些面均具有相对低的面指数。随着 GaN 生长的进行， GaN 晶体的厚度变厚， 如图 19 中所示。这些晶体在基体暴 露部 38 上相对快速地生长， 而这些晶体在掩模层 26 上相对缓慢地生长。结果， 小面 F 形成 在掩模层 26 上， 并且使得晶体中的位错被牵至其内部。这样造成掩模层 26 上和上方的其 区域中的位错会聚。 由此具有会聚位错并且位于掩模层 26 上和上方的这些区域被称作 “缺 陷簇区 H” 。 应该注意， 当掩模层 26 太小时， 缺陷簇区 H 在晶体生长的过程中消失， 所以优选 地， 每个掩模层 26 的宽度不小于 20μm 且不大于 200μm， 或者具有类似宽度。这样防止了 缺陷簇区 H 在晶体生长过程中消失， 并且使得缺陷簇区 H 能够向上扩展并且形成在掩模层 26 上和上方。应该注意， 各掩模层 26 的宽度更优选地为 ( 例如 )50μm。
在缺陷簇区 H 中， 存在高密度的位错。由此， 除了缺陷簇区 H 外的区域的位错相对 少， 并且其是密度相对低的单晶。 然而， 通过详细分析， 这些单晶可以分为以下两类 ： 单晶区 Z( 单晶低位错相关区域 ) 和单晶区 Y( 单晶低位错区 )。单晶区 Z 对应于小面 F 正下面的 单晶部分， 并且其导电率高且位错少。单晶区 Y 对应于将相邻的小面彼此连接的平坦部分 ( 对应于 C 平面的部分 ) 正下面的单晶部分， 并且其导电率低且位错少。
当充分执行上述晶体生长步骤从而获得足够厚度的晶体时， 停止晶体生长。 此后， 从生长装置中取出衬底， 磨削其上表面中呈现小面的那些部分， 以获得晶体的平坦上表面， 如图 20 中所示。 此后， 去除 GaAs 衬底 25。同时， 还去除掩模层 26。然后， GaN 晶体的背侧表面， 即， 已接触 GaAs 衬底 25 的侧面被加工， 例如， 被抛光成平坦的。结果， 如图 21 中所示， 可以获 得由 GaN 制成的晶锭 3。在由此获得的晶锭 3 中， 单晶区 Y、 Z 是 (0001) 单晶， 而缺陷簇区 H 是极性与 (0001) 相反的 (000-1) 单晶。换言之， 每个晶锭 3 的上表面中的单晶区 Y、 Z对 应于 Ga 原子面， 而缺陷簇区 H 对应于 N 原子面。由此， 当沿着与每个缺陷簇区 H 延伸的方 向交叉的方向将晶锭 3 切片时， 根据本发明中的衬底制作步骤 (S100) 使用晶锭 3 而获得的 衬底 10 主表面 ( 即， 主要由 Ga 原子面构成的主表面 ) 中， 同时存在用作 Ga 原子面的区域 ( 单晶区 ) 和用作 N 原子面的区域 ( 缺陷簇区 )。
实例 1
进行以下实验以确认本发明的效果。
( 样品 )
晶锭
制备以 (0001) 平面为其主表面、 直径为 50mm 且厚度为 20mm 的 GaN 晶锭来作为由 GaN 制成的每个晶锭。应该注意， 采用参照图 13 至图 16 描述的方法制造晶锭。
GaN 衬底
用所述晶锭制备以下三种类型的衬底 ： 样品 A， 对应于都只经过切片步骤和清洗 步骤的 “切片” 衬底 ； 样品 B， 对应于都在切片步骤之后采用蚀刻方式去除了受损层的衬底 ； 和样品 C， 对应于都在切片之后采用蚀刻方式去除了受损层并且其表面 (Ga 原子面 ) 经历机 械 - 化学抛光的衬底。
除此之外， 根据具有上述参数的晶锭， 制备样品 D 作为对比例。样品 D 对应于在切 片步骤之后其前侧表面和背侧表面被磨削并且随后被抛光的衬底。
( 加工条件 )
样品 A-C 的切片步骤
使用多线状锯装置作为加工装置。 对于用于浆体的磨粒， 使用的是单晶金刚石。 磨 粒的平均粒径为 9μm。 使用矿物油作为用于浆体的润滑剂。 矿物油与由单晶金刚石制成的 磨粒混合， 以获得浆体。应该注意， 本文的术语 “平均粒径” 是指这样一个值， 即， 当使用激 光衍射 - 散射法根据粒径分布测定来进行测量时， 体积为从具有最小粒径的粒子开始顺序 积聚的各粒子的体积的 50％的粒子的粒径 (D50) 的值 ( 参见 JIS R1629-1997 ： 通过激光衍 射 - 散射法测定细微陶瓷原料粉末的粒径分布 )。
然后， 将切割速度 ( 晶锭的馈送速度 ) 设置为 2mm/ 小时 (H)。将线的行进速度设 置为 700m/ 分钟， 并且将线的张力设置为 40N。线的直径为 0.18mm。通过切片获得的每个 衬底的厚度为 400μm。
样品 D 的切片步骤
如同样品 A-C 一样， 使用多线状锯装置作为加工装置。对于用于浆体的磨粒， 使用 的是单晶金刚石并且磨粒的平均粒径为 9μm。 使用矿物油来作为浆体的润滑剂。 将矿物油 与由单晶金刚石制成的磨粒混合， 以获得浆体。
然后， 将切割速度 ( 晶锭的馈送速度 ) 设置为 2mm/ 小时。将线的行进速度设置为 700m/ 分钟， 并且将线的张力设置为 40N。线的直径为 0.18mm。通过切片获得的每个衬底的 厚度为 400μm。 样品 B 和样品 C 的蚀刻步骤
每个衬底的前侧表面 (Ga 原子面一侧 ) 经受反应离子蚀刻 (RIE)。使用氯 (Cl) 气 作为所用的蚀刻气体。通过该蚀刻步骤， 衬底的 Ga 原子面被去除 5μm 的深度。
同样， 衬底的背侧表面 (N 原子面一侧 ) 也经受反应离子蚀刻 (RIE)。使用氯 (Cl) 气作为所用的蚀刻气体。通过该蚀刻步骤， 衬底的 N 原子面被去除 5μm 的深度。
样品 C 的机械 - 化学抛光步骤
使用如下构造的抛光装置对衬底的前侧表面 (Ga 原子面 ) 进行机械 - 化学抛光。 也就是说， 所用的抛光装置包括设置在台面上的平台表面以及安装在平台表面上的抛光夹 具。在该抛光装置中， GaN 衬底被放置在平台表面和抛光夹具之间， 并且通过旋转平台表面 和抛光夹具进行抛光。平台表面是具有中心点和半径 r 的盘形板。平台表面以圆周速度 v 逆时针地旋转。冷却器连接到平台表面， 用于冷却平台表面。通过使用冷却器， 平台表面的 温度可以被控制成与室温 ( 例如， 20℃ ) 一样高。在这种情况下， 可以防止平台表面在抛光 期间的发热和变形。
电机连接到抛光夹具， 用于旋转和摆动抛光夹具。电机设置在台面上。抛光夹具 沿着与平台表面的旋转方向相同的方向旋转， 例如， 逆时针旋转。滴落装置 ( 分配器 ) 设置 在台面上， 以将抛光液体滴落在平台表面上。滴落装置具有滴落喷嘴。从滴落喷嘴中滴落 抛光液体或润滑剂。抛光液体是浆体的形式。
抛光夹具包括附着有衬底的盘形板和环绕盘形板的环形驱动环。在该板上， 砝码 和支撑杆按照从平台表面侧开始的次序进行设置。该板由陶瓷制成。衬底采用诸如蜡的粘 合剂附着于该板上。用砝码从板侧将衬底压到平台表面上。驱动环的下表面 ( 面对平台表 面的表面 ) 具有以径向方式形成的凹槽。抛光夹具被设置成使得衬底表面接触平台表面。
通过使用抛光装置执行第一抛光步骤、 清洁步骤和第二抛光步骤， 衬底表面被机 械 - 化学抛光。
在第一抛光步骤中采用的抛光条件如下 ： 抛光液体的滴落量为 5cc/ 分钟 ； 抛光材 料的最大粒径为 1μm 或更小 ； 平台表面的直径 (φ) 为 450mm ； 平台表面的材料为锡 ； 驱动 环的旋转速度为 30rpm ； 驱动环的摆动速率为 10 次 / 分钟 ； 驱动环的摆动冲程为 30mm ； 砝 4 2 码的荷重为 1.96×10 Pa(200g/cm ) 并且抛光时间为 60 分钟。应该注意， 作为抛光液体， 使 用的是通过多晶金刚石的抛光材料与润滑剂 ( 乙二醇 ) 混合获得的浆体。在浆体中， 磨粒 的浓度为 10 克拉 / 升。
在清洁步骤中， 使用擦拭器和超纯水去除平台表面上的外来物质。然后， 在第二 抛光步骤中， 使用其中嵌入抛光材料的平台表面对衬底表面进行抛光。具体来讲， 预先向 抛光材料施压， 使之嵌入由锡制成的平台表面的表面中 ( 装料 )。在该装料过程中， 将没有 附着有衬底的抛光夹具压向平台表面， 同时向平台表面的表面提供 ( 例如 ) 包括单晶金刚 石磨粒 ( 最大粒径位 1μm 或更小 ) 和润滑剂的抛光液体。然后， 旋转平台表面和抛光夹 具。用于该装料步骤的具体条件如下 ： 抛光液体的滴落量为 5cc/ 分钟 ； 驱动环的旋转速 度为 60rpm ； 驱动环的摆动速率为 10 次 / 分钟 ； 驱动环的摆动冲程为 30mm ； 砝码的荷重为 4 2 1.96×10 Pa(200g/cm ) 并且装料时间为 60 分钟。作为填料步骤的结果， 抛光材料被嵌入 平台表面。
通过抛光衬底， 同时向这种平台表面馈送润滑剂， 执行第二抛光步骤 ( 机械 - 化学 抛光步骤 )。具体采用的抛光条件如下 ： 润滑剂的滴落量为 5cc/ 分钟 ； 平台表面的圆周速 4 2 度 v 为 28m/ 分钟 ； 砝码的荷重为 1.96×10 Pa(200g/cm ) 并且抛光时间为 60 分钟。
样品 D 的磨削步骤
在该磨削步骤中， 使用切入型 (in-feed type) 磨削器。使用 #600 的金刚石玻璃 化磨轮来作为磨轮。磨削器的操作条件如下 ： 磨轮的旋转速度为 1000rpm， 并且在向磨轮提 供可溶于水的切割液体的同时磨削样品 D。在这种情形下， 样品 D 以 400rpm 的旋转速度旋 转， 并且在样品 D 的馈送速度为 0.5μm/sec 的条件下执行磨削。
样品 D 的抛光步骤
在抛光步骤中， 通过使用在制作样品 A-C 的衬底的过程中所用的抛光装置来执行 第一抛光步骤、 清洁步骤和第二抛光步骤， 从而对衬底表面进行机械 - 化学抛光。
第一抛光步骤中采用的抛光条件如下 ： 抛光液体的滴落量为 5cc/ 分钟 ； 抛光材料 的最大粒径为 1μm 或更小 ； 平台表面的直径 (φ) 为 450mm ； 平台表面的材料为锡 ； 驱动环 的旋转速度为 30rpm ； 驱动环的摆动速率为 10 次 / 分钟 ； 驱动环的摆动冲程为 30mm ； 砝码 4 2 的荷重为 1.96×10 Pa(200g/cm ) 并且抛光时间为 60 分钟。作为抛光液体， 使用的是通过 多晶金刚石的抛光材料与润滑剂 ( 乙二醇 ) 混合而获得的浆体。在浆体中， 磨粒的浓度为 10 克拉 / 升。
在清洁步骤中， 使用擦拭器和超纯水去除平台表面上的外来物质。然后， 在第二 抛光步骤中， 使用其中嵌入抛光材料的平台表面对衬底表面进行抛光。具体来讲， 预先向 抛光材料施压， 使之嵌入由锡制成的平台表面的表面中 ( 装料 )。在该装料过程中， 将没有 附着有衬底的抛光夹具压向平台表面， 同时向平台表面的表面提供 ( 例如 ) 包括单晶金刚 石磨粒 ( 最大粒径位 1μm 或更小 ) 和润滑剂的抛光液体。然后， 旋转平台表面和抛光夹 具。用于该装料步骤的具体条件如下 ： 抛光液体的滴落量为 5cc/ 分钟 ； 驱动环的旋转速 度为 60rpm ； 驱动环的摆动速率为 10 次 / 分钟 ； 驱动环的摆动冲程为 30mm ； 砝码的荷重为1.96×104Pa(200g/cm2) 并且装料时间为 60 分钟。作为填料步骤的结果， 抛光材料被嵌入 平台表面。
通过抛光衬底同时向这种平台表面提供润滑剂， 执行第二抛光步骤 ( 机械 - 化学 抛光步骤 )。具体采用的抛光条件如下 ： 润滑剂的滴落量为 5cc/ 分钟 ； 平台表面的圆周速 4 2 度 v 为 28m/ 分钟 ； 砝码的荷重为 1.96×10 Pa(200g/cm ) 并且抛光时间为 60 分钟。
通过执行上述步骤， 针对样品 A-D 中的每个， 制备 150 个衬底。
( 测量方法 )
测量样品的每个衬底的翘曲方向和翘曲量。如参照本专利申请的图 9 所描述的， 定义当衬底翘曲成在 Ga 原子面突出时翘曲方向为正方向， 并且当衬底在 Ga 原子面侧凹陷 时翘曲方向为反方向。同样， 如参照图 9 所描述地定义翘曲量。具体来讲， 将每个衬底放置 在平台表面上， 使 Ga 原子面面向上， 测量翘曲方向和翘曲量。
( 测量结果 )
测量结果在图 22 和图 23 中示出。图 22 和图 23 是示出实例 1 中的衬底翘曲量的 测量结果的曲线图。图 22 示出样品 A-C 的测量结果。图 23 示出样品 D， 即， 比较例的测量 结果。
在图 22 和图 23 的每个中， 水平轴表示翘曲量 ( 单位 ： μm)， 并且垂直轴表示频率 ( 衬底的数量 )。应该注意， 水平轴中的 “0” 对应于翘曲量为零的情况， 例如， 水平轴中的 “5” 对应于翘曲量大于 0 且不大于 5μm 的情况 ； 水平轴中的 “10” 对应于翘曲量大于 5μm 且不大于 10μm 的情况。
在图 22 和图 23 的每个中， 注释 “Ave.” 表示每个样品中翘曲量的平均值。注释 “σ” 表示每个样品中的翘曲量的测量结果的标准偏差。
根据图 22 和图 23， 显而易见， 证实了在对比例， 即， 样品 D 中翘曲量的平均值相对 小， 但是存在沿着翘曲的正方向和反方向翘曲的衬底。 同时， 在本专利申请的发明实例， 即， 样品 A-C 中， 没有衬底是沿着翘曲的反方向翘曲的， 所有衬底都是沿着翘曲的正方向翘曲 的。另外， 可以理解的是， 按照样品 C、 样品 B 和样品 A 的次序， 翘曲量的平均值和标准偏差 逐渐减小。样品 A 只经受切片， 样品 B 在切片之后还经受蚀刻， 并且样品 C 除上述步骤之外 还经受抛光。
实例 2
进行以下实验， 以证实已经过切片步骤的每个衬底的表面粗糙度与每个磨粒的粒 径之间的关系。
( 样品 )
晶锭
制备与实例 1 中制备的 GaN 晶锭相同的晶锭。
GaN 衬底
从晶锭中， 通过使用如下所述的各种粒径的磨粒来执行切片步骤， 从而获得由 GaN 制成的衬底。
( 加工条件 )
晶锭的切片步骤
如同实例 1 一样， 使用多线状锯装置作为加工装置。用于浆体的磨粒是具有如表1 中所示的各种粒径的单晶金刚石磨粒。
在切片步骤中， 使用矿物油作为用于浆体的润滑剂。在矿物油中， 分散单晶金刚 石， 以获得浆体。
将切割速度 ( 晶锭的馈送速度 ) 设置为 2mm/ 小时。将线的行进速度设置为 700m/ 分钟， 并且将线的张力设置为 40N。将线的直径设置为 0.18mm。将通过切片获得的每个衬 底的厚度设置为 400μm。
然后， 如表 1 中所示， 使用十种粒径的磨粒执行切片步骤， 从而制备出十种样品 E-N。
( 测量方法 )
表面粗糙度 Ra
测量通过切片而获得的每个衬底的表面粗糙度 Ra。具体来讲， 使用针型表面粗糙 度计， 沿着垂直于线状锯行进方向 ( 锯痕延伸方向 ) 的方向测量表面粗糙度。其测量长度 为 10mm。
平均抛光速度
另外， 测量用于形成样品 E-N 的每种磨粒的平均抛光速度。具体来讲， 使用直径为 380mm 且由铸铁制成的平台表面作为抛光板。在向抛光板提供用于在每个样品 E-N 中进行 切片的浆体的同时， 抛光 GaN 衬底。根据抛光时间和抛光量， 确定所利用的每种浆体的平均 抛光速度。用于抛光的条件如下 ： 将 GaN 衬底压向抛光板的荷重为 9.8×103Pa(100g/cm2) ； 抛光板的旋转速度为 60rpm ； 抛光时间为 1 小时 ； 并且测量已抛光的衬底表面中 9 个点处的 抛光量。然后， 相应测量到的衬底抛光量的平均值被当作平均抛光量。如上所述， 抛光时间 为 1 小时， 所以平均抛光量对应于平均抛光速度。
最大翘曲量
为已经过切片步骤的每个衬底测量最大翘曲量。用于测量翘曲量的方法与实例 1 中相同。
( 测量结果 )
测量结果在表 1 中示出。
[ 表 1]
如表 1 中所示， 理解的是， 随着每种磨粒的粒径减小， 通过切片步骤获得的衬底的 表面粗糙度 Ra 变小。优选地， 使衬底的表面粗糙度较小， 但是表面粗糙度较小导致加工效 率差， 这可以根据平均抛光速度看出。在样品 E 中， 这种加工效率的降低导致加工衬底的翘 曲方面比较差。 由此， 为了一定程度上确保加工效率， 使得通过切片而获得的衬底的翘曲量 在允许范围内， 优选地， 磨粒的平均粒径被设置为 0.5μm 或更大。
另一方面， 随着磨粒的平均粒径变大， 加工效率变高 ( 平均抛光速度变快 )， 但是 通过切片而获得的表面的表面粗糙度 Ra 也更大。为了使表面粗糙度 (1μm 或更小的 Ra) 在诸如外延生长的后续处理中不引发任何问题， 优选地， 磨粒的平均粒径为 40μm 或更小。
实例 3
在本发明中的每个衬底中， 形成用于 LED 结构的外延层， 并且评价从其发射的光 的波长变化和发射的光强。
( 样品 )
在实例 2 中通过切片步而获得的每个衬底表面上形成用于 LED 结构的外延层， 并 且将衬底切割成 LED 芯片。具体来讲， 形成如下的结构来作为 LED 结构， 在所述结构中以如 下顺序在 GaN 衬底表面上形成由 n 型 Al0.12Ga0.88N 制成的 Si 掺杂中间层、 由 n 型 GaN 制成
的 Si 掺杂包覆层、 由 In0.11Ga0.89N 制成的非掺杂阱层、 由 In0.01Ga0.99N 制成的非掺杂势垒层、 由 p 型 Al0.12Ga0.88N 制成的 Mg 掺杂包覆层和 Mg 掺杂 p 型 GaN 接触层。
( 加工条件 )
作为形成每个外延层的步骤， 采用与本发明第一实施例中描述的膜形成步骤中利 用的方法相同的方法。具体来讲， 通过预处理， 即， 通过利用 HCl 气体进行蚀刻， 来去除受损 层， 然后形成外延层。采用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 法制作用于 LED 结构的每个外 氨 (NH3)、 硅 延层。所使用的原材料为 ： 三甲基镓 (TMG)、 三甲基铝 (TMA)、 三甲基铟 (TMI)、 烷 (SiH4) 和二茂镁 (Cp2Mg)。
形成外延层的特定方法如下。首先， 将 GaN 衬底放置在 MOCVD 炉的反应室中设置的基座上。然后， 将衬底加热至 1050 ℃并且将反应室的内部压力 ( 炉内压力 ) 设置为 101kPa。此后， 将源气体 (TMG、 TMA、 NH3、 SiH4) 提供到反应室， 以在 GaN 衬底表面上形成厚 度为 50nm 的 n 型 Al0.12Ga0.88N 中间层。然后， 在保持炉内压力为 101kPa 的同时， 将衬底温度 变成 1100℃。此后， 将源气体 (TMG、 NH3、 SiH4) 提供到反应室， 从而在中间层上形成 2μm 的 n 型 GaN 包覆层。然后， 交替生长势垒层和阱层。在生长势垒层的过程中， 保持炉内压力为 101kPa 并且将衬底温度变成 900℃。此后， 将源气体 (TMG、 TMI、 NH3) 提供到反应室， 以形成 厚度为 15nm 的非掺杂 In0.01Ga0.99N 层。在生长阱层的过程中， 保持炉内压力为 101kPa 并且 将衬底温度变成 800℃。此后， 将源气体 (TMG、 TMI、 NH3) 提供到反应室， 以形成厚度为 50nm 的非掺杂 In0.11Ga0.89N 层。 根据需要， 重复生长阱层和势垒层。 在本实例中， 使其重复生长六 次。此后， 保持炉内压力为 101kPa 并且将衬底温度变成 1050℃。然后， 使用源气体 (TMG、 TMA、 NH3、 Cp2Mg) 形成厚度为 20nm 的 p 型 Al0.12Ga0.88N 包覆层。然后， 使用源气体 (TMG、 NH3、 Cp2Mg) 形成厚度为 150nm 的 p 型 GaN 接触层。
( 测量方法 )
测量所发射光的波长
每个 LED 在电流密度为 100A/cm2 的条件下运行以发光， 并且测量从其发射的光的 波长。
测量所发射光的强度
在与测量所发射光的波长相同的条件下， 测量 LED 所发射光的强度。
( 测量结果 )
测量结果在表 2 中示出。
[ 表 2]
表 2 中表示波长变化的列示出由相同衬底获得的 LED 的最大波长与最小波长之间 的差。表示所发射光的强度的列示出由相同衬底获得的 LED 所发射光的强度的平均值， 该
平均值用相对于样品 H 所发射光的强度， 即， 被当作 100 的所发射光的最高强度的相对值表 示。
根据表 2， 显而易见， 本发明的实例使得每个衬底的波长变化为 10nm 或更小， 并且 能确保所发射光的足够强度。
实例 4
针对根据本发明制造衬底的方法， 评价切片步骤中磨粒的特性与每个衬底表面上 形成的每个受损层的厚度之间的关系。
( 样品 )
晶锭
制备与实例 1 中制备的 GaN 晶锭相同的晶锭。另外， 制备 8 种浆体作为在使用多 线状锯装置将晶锭切片的过程中使用的浆体。在这些浆体的每种中， 将平均粒径为 9μm 的 金刚石磨粒与相同类型的矿物油混合。 这些浆体在金刚石磨粒的粒形和晶体质量方面互不 相同 (a-h 型 )， 如以下表 3 中所示。
衬底
在如上所述条件下， 使用具有不同金刚石磨粒 (a-h 型 ) 的 8 种浆体对晶锭进行切 片， 从而获得衬底样品 O-V。
( 加工条件 ) 使用每种浆体对晶锭进行切片。切片条件与实例 1 中用于样品 A-C 的切片条件相同。 ( 测量方法 )
对于金刚石磨粒的形状
使用扫描电子显微镜 (SEM) 观察每个金刚石磨粒， 以测量金刚石磨粒的较长边和 较短边相应的长度。然后， 测量 50 个晶粒的具有最宽面积的表面上测量的较长边长度和较 短边长度之比 ( 较长边 (L)/ 较短边 (S))。其平均值被当作每个金刚石磨粒形状的 L/S 比。
对于金刚石磨粒的晶体质量
对金刚石磨粒执行 X 射线衍射， 以测量其第一峰 (44° ) 处的整体强度。通常认 为， 整体强度越大， 结晶越好。
对于受损层的深度
为形成在衬底表面上的受损层拍摄通过切片而获得的每个衬底剖面的阴极发光 (CL) 图像。在 CL 图像中， 被检测为黑色的每个区域被当作受损层， 测量该区域的厚度作为 受损层的厚度。应该注意， 通过切片的方式， 在从一个晶锭获得的一个衬底中的 5 个点处测 量受损层的厚度， 并且测量值的平均值被当作样品 O-V 中的每个的平均受损层深度。 5 个点 处的测量值之中最大的测量值被当作受损层最大深度。
( 测量结果 )
测量结果在表 3 中示出。
[ 表 3]
在表 3 中， 表示 L/S 比的列显示均是通过将测量到的金刚石磨粒的较长边长度除 以其较短边长度获得的值。表示 X 线衍射的列显示上述整体强度， 该整体强度用相对于最 大整体强度， 即， 被当作 1 的样品 Q 的整体强度的相对值 ( 基准值 ) 表示。应该注意， 如上 所述获得的每个衬底样品 O-V 的翘曲量为 50μm 或更小。
根据表 3， 显而易见， 在本发明实例的样品 O-U 中， 受损层的平均深度和最大深度 与比较例的样品 V 相比低得多。具体来讲， 假设受损层的平均深度值的标准为 5μm， 并且 其最大深度值的标准为 10μm， 本发明实例的每个样品 O-U 满足这些标准。换言之， 理解的 是， 当金刚石磨粒的 L/S 比为 1.3 或更大， 受损层的厚度可以足够小。造成这样可能的原因 如下。即， 如图 24 中所示， 当金刚石磨粒的 L/S 比为 1.3 或更大时， 作为磨粒中切削刃的端 部 ( 较长边 ) 的长度足够长， 这使得能够很好地切割金刚石磨粒， 从而减小在进行切片时对 衬底的损伤。
在此， 图 24 示出金刚石磨粒的 c 型磨粒的 SEM 照片。图 25 示出样品 Q 的衬底， 即， 通过利用 c 型金刚石磨粒进行切片而获得的衬底的光学显微照片。图 26 示出金刚石磨 粒中 h 型磨粒的 SEM 照片。图 27 示出样品 V 表面， 即， 通过利用 h 型金刚石磨粒进行切片 而获得的衬底的光学显微照片。应该注意， 图 24 和图 26 所示的 SEM 照片的放大率为 6000 倍， 而图 25 和图 27 所示的光学显微照片的放大率为 50 倍。
与图 24 所示的 c 型金刚石磨粒的 L/S 比相比， 图 26 所示的 h 型金刚石磨粒的 L/S 比较小。由此， 在 h 型中， 每个磨粒的切削刃长度比图 24 所示的 c 型磨粒的切削刃长度短。 另外， 根据图 25， 显而易见， 样品 Q 表面的质量相对均匀， 并且在其上没有明显的锯痕。 另一 方面， 可以看出， 在图 27 所示的样品 V 表面上形成有锯痕 42， 并且在其内局部产生裂缝 41。
可以由上述结果推导出以下结论 ： 适于对晶锭进行切片的金刚石磨粒在磨粒较长 边具有相对于大的切削刃， 并且晶体质量良好。本文中的短语 “金刚石磨粒的晶体质量良 好” 表示金刚石磨粒在粉碎或加热处理时在其内产生的微小缺陷减少， 或者金刚石磨粒在 合成金刚石时引入的杂质少或者晶格缺陷少。这种金刚石磨粒的外观几乎是无色透明的。
另一方面， 在重复所述工艺并且向金刚石施加冲击时， 如上所述晶体质量差的金刚石磨粒 容易被粉碎成小块。由此被粉碎成小块的金刚石磨粒的切削刃小， 这样导致切片工艺中的 加工效率降低。 因此， 在通过切片而获得的衬底表面上有可能产生锯痕， 从而往往会在衬底 表面中的深处形成受损层。
实例 5
在实例 4 中获得的每个衬底和利用除了采用线状锯的方法之外的方法进行切片 而获得的衬底上， 形成用于 LED 结构的外延层。评价从其发射的光的波长变化和所发射光 的强度。
( 样品 )
制备通过实例 4 中的切片而获得的衬底 ( 样品 O-V)、 通过使用内径刀片对 GaN 晶 锭进行切片而获得的衬底 ( 样品 W) 和通过使用放电工艺对 GaN 晶锭进行切片而获得的衬 底 ( 样品 X)。应该注意， GaN 晶锭与实例 1 中制备的 GaN 晶锭相同。
然后， 在每个衬底的表面上形成用于 LED 结构的外延层， 并且将衬底切割成 LED 芯 片。应该注意， 由此制备的 LED 结构与实例 3 中制备的 LED 结构相同。
( 加工条件 )
对于使用内径刀片的切片 ( 样品 W)
使用内径刀片对 GaN 晶锭进行切片， 在该内径刀片上电解沉积 30/40μm 的磨粒。 在进行切片时， 使用矿物油作为润滑剂。刀片的规格如下 ： 刀片的外径为 450mm， 其内径为 150mm， 其厚度为 250μm， 并且金刚石粒径为 #200-230。
切片条件如下 ： 刀片的旋转速度为 1400rpm， 并且晶锭的馈送速度为 1.4mm/ 分钟。
对于使用放电工艺的切片 ( 样品 X)
向由黄铜制成且直径为 0.2mm 的线施加 7N 的应力。将此工艺的平均加工电压设 置为 45W， 并且执行放电工艺来对 GaN 晶锭进行切片。晶锭的馈送速度为 5mm/ 分钟。
( 测量方法 )
对于受损层的平均深度和最大深度
样品 U 和样品 V 的每个衬底表面上形成的每个受损层的平均深度和最大深度被测 量。测量受损层深度的方法与实例 4 中使用的方法相同。
测量所发射光的波长和所发射光的强度
使用与实例 3 相同的测量方法。
( 测量结果 )
对于受损层的平均深度和最大深度
在样品 W 的衬底中， 受损层的平均深度为 6.5μm 且其最大深度为 14.2μm。 同时， 在样品 X 的衬底中， 受损层的平均深度为 4.5μm 且其最大深度为 35μm。
对于所发射光的波长和所发射光的强度
测量结果在表 4 中示出
[ 表 4]
在表 4 中， 样品 Q( 所发射光的强度最高的样品 ) 所发射光的强度被当作 100， 并且 其它样品所发射光的强度以相对于样品 Q 所发射光的强度的相对值表示。
根据表 4， 显而易见， 在使用本发明实例的样品 O-U 的衬底获得的每个 LED 中， 所发 射光的波长变化小， 具体来讲， 为 10nm 或更小， 并且所发射光的强度足够高。另一方面， 在 使用样品 V， 即， 比较例的衬底获得的 LED 中， 所发射光的波长变化程度小， 而所发射光的强 度不够高。
对于样品 W 和 X 的衬底， 即， 使用与线状锯方法不同的方法进行切片获得的衬底， 没有能够证实从由其形成的 LED 发射了光。
以下描述了本发明的特征构造， 尽管其中一部分已经在上述实施例和实例中有 所描述。根据本发明的制造衬底的方法包括 ： 晶锭生长步骤 (S110)， 其用作制备由氮化镓 (GaN) 形成的晶锭的步骤， 如图 2 中所示 ； 以及切片步骤 (S120)， 其用作通过对晶锭 3 进行
切片而获得由氮化镓形成的衬底 10 的步骤。在切片步骤 (S120) 中， 通过切片而由此获得 的衬底 10 的主表面的算术平均粗糙度 Ra 在 10mm 的线上不小于 0.05μm 且不大于 1μm。
采用该构造， 可以在由此获得的衬底 10 表面上形成膜质量优良的外延层 9( 参见 图 10)， 而不用执行如图 1 至图 3 所示的用于去除受损层 15( 参见图 7) 的特定抛光步骤。 由于可以如此省略去除受损层 15 的磨削 / 抛光步骤， 因此与常规情况相比， 可以更低的成 本制造用于上面形成外延层 9 的衬底 10。另外， 如上所述， 不用执行磨削 / 抛光步骤， 所以 不需要确保磨削步骤等的磨削余量。因此， 与常规情况 ( 例如， 可以由 GaN 晶锭 3 获得厚度 都相同的更大量的衬底 10) 相比， 可以更有效地利用 GaN 晶锭 3。应该注意， 通过执行气相蚀刻作为形成外延层 9 的步骤 ( 外延生长步骤 (S220)) 的预处理步骤 (S210)， 可以去除衬 底 10 表面上形成的受损层 15。此外， 上述算术平均粗糙度 Ra 更优选地不小于 0.05μm 且 不大于 0.6μm， 并且进一步优选地不小于 0.05μm 且不大于 0.3μm。
在制造衬底的方法中， 在衬底制作步骤 (S100) 中获得的衬底 10 的主表面中， 在图 21 所示使用晶锭 3 的情况下， 构成 Ga 原子面的区域和构成 N 原子面的区域位于相同平面 上。如图 17 至图 21 中所示， 可以利用采用不同类型衬底的方法 ( 例如， 在不同类型的衬底 上形成掩模并且在该掩模上生长 GaN 层的方法， 其中， 该掩模的上面形成有多个带形或点 形的开口 ) 作为制造 GaN 晶锭 3 的方法。在使用这种方法而由此获得的晶锭 3 中， 形成位 错以高密度存在的缺陷簇区 H( 参见图 19 至图 21) 和位错以相对低密度存在的单晶区 Y、 Z( 参见图 19 至图 21)， 以沿着晶锭 3 生长的方向延伸。 通过使用本发明中制造衬底的方法， 由这种晶锭 3( 例如， 通过垂直于晶锭 3 生长方向的方向对晶锭 3 进行切片 ) 制造衬底 10， 可以获得的衬底 10( 称作 “带芯衬底” 或 “点芯衬底” ) 的主表面呈现出单晶区 Y、 Z， 和带形 或点形缺陷簇区 H。在单晶区 Y、 Z 对应于这种衬底 10 主表面中的 Ga 原子面的情况下， 所 暴露的缺陷簇区 H 对应于 N 原子面。在使用上述工序获得的 GaN 晶锭 3 中， 每个单晶区 Y、 Z 的缺陷密度可以减小。 由此， 当通过应用本发明中的制造衬底的方法由上述晶锭 3 制造衬 底 10 时， 可以获得适于制造发光器件等的衬底 10。
在制造衬底的方法中， 在切片步骤 (S120) 中， 通过切片而获得的衬底 10 具有翘曲 成衬底主表面 (Ga 原子面 4) 突出的形状， 如图 9 的上部中所示 ( 即， 图 9 中的翘曲方向为 正方向 )， 所述衬底主表面主要由 Ga 原子面的区域构成。此外， 通过切片而获得的衬底 10 具有大于 0μm 且不大于 50μm 的高度 H 的翘曲 ( 参见图 9)。
在这种情况下， 在衬底 10 的主表面 ( 例如， Ga 原子面 4) 上形成外延层的步骤 ( 膜 形成步骤 (S200)) 中， 可以抑制由于衬底 10 形状发生变化而导致温度分布发生变化， 从而 保持所形成的外延层 9 具有优良的膜质量。如参照图 6 等所描述的， 通过对相同晶锭 3 进 行切片而获得的每个衬底 10 可以翘曲成在主要由 Ga 原子面构成的主表面 (Ga 原子面 4) 突出。在这种情况下， 所获得的所有衬底 10 都具有翘曲成在 Ga 原子面 4 突出的形状， 从而 在每个衬底 10 的 Ga 原子面 4 上形成质量稳定的外延层 9。
在此， 衬底 10 的翘曲的高度 H 的上限值为 50μm， 因为如果衬底 10 的翘曲超过该 上限值， 则会导致此衬底 10 的主表面上形成的外延层 9 中的膜质量显著劣化。除此之外， 翘曲高度 H 优选地为 40μm 或更小。
在制造衬底的方法中， 在切片步骤 (S120) 中， 可以使用线状锯对晶锭 3 进行切片。 在这种情况下， 与使用内径刀片的情况相比， 可以用更小的切片余量对晶锭 3 进行切片。另 外， 通过使用图 4 和图 5 所示的多线状锯装置 1 作为线状锯， 可以由一个晶锭 3 同时制造多 个衬底 10， 从而提高制造衬底 10 的效率。以此方式， 衬底 10 的制造成本可以降低。另外， 如参照图 6 等所描述的， 在 GaN 晶体中， Ga 原子面 4 和 N 原子面 5 的硬度不同 (Ga 原子面 4 的硬度高于 N 原子面 5 的硬度 )。因此， 当使用线状锯将晶锭 3 切片时， 线 22 的轨迹 7 向 着 Ga 原子面 4 弯曲。由此， 通过适当调节线 22 的张力等， 可以使通过切片而获得的各衬底 10 具有翘曲成 Ga 原子面 4 突出的形状。
在制造衬底的方法中， 在切片步骤 (S120) 中， 可以使用线状锯和平均粒径不小于 0.5μm 且不大于 40μm 的磨粒对晶锭 3 进行切片。采用该构造， 所获得的每个衬底 10 的表面粗糙度足够小， 并且切片步骤中的加工速度 ( 切片速度 ) 可以在一定的实际范围内。 当可 以磨削 GaN 时， 可以使用任何材料作为磨粒的材料， 但是具体来讲， 优选地使用硬度比 GaN 的硬度高的材料。考虑到加工效率， 优选地使用单晶金刚石磨粒作为磨粒。
磨粒的平均粒径的下限值由此被设置为 0.5μm， 因为如果磨粒的平均粒径小于下 限值， 则将晶锭 3 切片的加工效率降低， 这会不利地导致所获得的衬底 10 中的翘曲非常大。 同时， 磨粒的平均粒径的上限值被设置为 40μm， 因为如果平均粒径超过上限值， 则虽然对 晶锭 3 进行切片的加工效率较高， 但是导致所获得的衬底 10 的表面粗糙度较高， 从而使衬 底 10 表面上将形成的外延层 9 的膜质量显著劣化。除此之外， 磨粒的平均粒径的下限优选 地为 1μm， 更优选地为 3μm， 并且进一步优选地为 5μm。 另一方面， 磨粒的平均粒径的上限 优选地为 30μm， 更优选地为 20μm， 并且进一步优选地为 10μm。
在制造衬底的方法中， 每个磨粒最宽表面的较长边的长度 (L) 与和其较长边交叉 的较短边的长度 (S) 的比率 (L/S) 不小于 1.3。在这种情况下， 每个磨粒的较长边用作所 谓的 “切削刃” 。由此， 上述比率不小于 1.3 的磨粒的切削刃长度较长， 从而确保足够高的加 工效率。这也抑制了由于加工效率降低而造成的衬底 10 表面上的受损层厚度的增加。除 此之外， 比率 (L/S) 更优选地不小于 1.4 且不大于 2.5。具体来讲， 该比率更优选地不小于 1.4 且不大于 2.0， 并且进一步优选地不小于 1.5 且不大于 2.0。 在制造衬底的方法中， 在切片步骤 (S120) 中， 在通过切片而获得的衬底 10 的主表 面上， 所形成的受损层 15 的最大深度不大于 10μm 且其平均深度不大于 5μm。
在这种情况下， 作为衬底 10 表面上形成外延层 9 的预处理步骤 (S210)， 通过使用 诸如 HCl 气体或 NH3 气体之类的反应气体执行气相蚀刻， 可以很容易地去除受损层。由此， 可以形成外延层 9， 而不用执行用于去除受损层的诸如抛光工艺之类的额外工艺。 这样使得 能够以减低的成本通过在衬底 10 上形成外延层 9 来制造提供有外延层的衬底 20， 或者以减 低的成本来制造采用提供有外延层的衬底 20 的半导体器件。应该注意， 当受损层的最大深 度大于 10μm 或者受损层的平均深度大于 5μm 时， 几乎不采用气相蚀刻的方式来去除受损 层。另外， 为了去除衬底 10 的 Ga 原子面 4 上的受损层， 可以采用上述气相蚀刻， 而为了去 除 N 原子面 5 上的受损层， 可以采用使用 ( 例如 )KOH 或磷酸的湿法蚀刻。
如图 1 至图 3 中所示， 根据本发明制造提供有外延层的衬底的方法包括 ： 衬底制作 步骤 (S100)， 其用作使用制造衬底的上述方法制备衬底的步骤 ； 预处理步骤 (S210)， 其用 于通过气相蚀刻从衬底 10 的主表面去除受损层 ； 和外延生长步骤 (S220)， 其用于在已去除 受损层的衬底 10 的主表面上形成由氮化镓基半导体形成的外延层。
在这种情况下， 仅仅通过执行气相蚀刻作为外延生长步骤 (S220) 的预处理步骤 (S210)， 可以去除受损层， 使衬底 10 的表面状态变得适于形成外延层。由此， 不需要执行诸 如抛光步骤之类的额外步骤来去除受损层。因此， 可以降低制造提供有外延层的衬底 20 的 成本。
如图 12 和图 1 至图 3 中所示， 根据本发明的制造提供有外延层的方法包括 ： 用于 使用制造衬底的上述方法制备衬底的步骤 ( 晶锭生长步骤 (S110) 和切片步骤 (S120)) 蚀 刻步骤 (S150)， 其用作从衬底 10 的主表面去除受损层的步骤 ； 和外延生长步骤 (S220)， 其 用作在已去除受损层的衬底 10 的主表面上形成由氮化镓基半导体形成的外延层的步骤。
在这种情况下， 可以在预先执行的蚀刻步骤 (S150) 中采用蚀刻方式来更可靠地
去除受损层。( 因此， 不需要执行气相蚀刻等作为膜形成步骤 (S200) 的预处理。) 在制造 提供有外延层的衬底的过程中， 膜形成步骤 (S200) 所需的时间可以减少。
如图 11、 图 12 和图 1 至图 3 中所示， 根据本发明的制造提供有外延层的衬底的 方法包括 ： 使用制造衬底的上述方法制备衬底的步骤 ( 晶锭生长步骤 (S110) 和切片步骤 (S120)) 抛光步骤 (S140)， 其用于抛光衬底 ； 和外延生长步骤 (S220)， 其用于在由此抛光的 衬底主表面上形成由氮化镓基半导体形成的外延层。除此之外， 在抛光步骤 (S140) 之前， 可以执行蚀刻步骤 (S150) 用作从的衬底 10 的主表面去除受损层的步骤， 如图 12 中所示。 另外， 在抛光工艺 (S 140) 中， 可以只对其上形成外延层 9 的衬底 10 的主表面 ( 例如， Ga 原 子面 4) 或衬底 10 的与主表面相对的背侧表面 ( 例如， N 原子面 5) 中的一个进行抛光。另 外， 在抛光步骤 (S140) 中， 更优选地只抛光其背侧表面。
在这种情况下， 通过在形成外延层 9 之前执行抛光步骤 (S140)， 可以提高衬底 10 的平坦度。结果， 在外延生长步骤 (S220) 中将形成的外延层 9 的膜质量将不太可能由于衬 底 10 的平坦度差而降低。
如果预先执行蚀刻步骤 (S150)， 则蚀刻步骤 (S150) 中的蚀刻能够更可靠地去除 受损层。( 由此， 不需要执行非气相蚀刻等作为膜形成步骤 (S200) 的预处理 )。这样可以 缩短在制造提供有外延层的衬底的过程中膜形成步骤 (S200) 所需的时间。
使用如图 1 至图 3、 图 11、 图 12 等中所示的制造提供有外延层的衬底的上述每种 方法， 制造根据本发明的提供有外延层的衬底 20。 在这种情况下， 因为使用上述每种制造方 法制造提供有外延层的衬底 20， 所以可以低成本制造提供有外延层的衬底。
使用制造衬底的上述方法来制造根据本发明的衬底 10。在这种情况下， 因为使用 上述制造方法制造衬底， 所以可以低成本制造衬底 10。
根据本发明的衬底 10 由氮化镓形成， 并且其主表面 (Ga 原子面 4) 的表面粗糙度 Ra 在 10mm 的线上不小于 0.05μm 且不大于 1μm。主表面上面形成有受损层 15， 如图 7 中 所示。受损层 15 的最大深度不大于 10μm 并且其平均深度不大于 5μm。
在这种情况下， 通过形成外延层的步骤 ( 膜形成步骤 (S200)) 中的预处理步骤 (S210)( 气相蚀刻 )， 可以很容易地去除受损层 15， 使衬底 10 的表面粗糙度变得足够小， 从 而允许在衬底 10 的主表面上形成具有优良膜质量的外延层 9。 如此， 通过使用上述衬底 10， 可以低成本获得具有优良特性的提供有外延层的衬底 20。
衬底 10 可以具有翘曲成在主要由 Ga 原子面构成的主表面 ( 例如， Ga 原子面 4) 突 出的形状 ( 沿着图 9 中的翘曲的正方向翘曲的形状 )， 并且衬底 10 具有大于 0μm 且不大 于 50μm 的高度 H 的翘曲， 如图 9 中所示。采用该构造， 衬底 10 具有相对简单的形状， 该形 状翘曲成在 Ga 原子面突出， 并且其翘曲高度 H 足够小。因此， 当在衬底 10 上形成外延层 9 时， 可以抑制衬底 10 的表面中温度分布发生变化。这样可以防止所形成的外延层 9 的质量 局部发生变化。
在衬底 10 的主表面中， 构成 Ga 原子面的区域 ( 例如， 单晶区 Y、 Z) 和构造 N 原子 面的区域 ( 例如， 缺陷簇区 H) 可以设置在相同平面上。缺陷簇区 H 可以被设置为在其主表 面上形成带或点的形式。 其主表面提供有单晶区和缺陷簇区的这种衬底是所谓的带芯衬底 或点芯衬底。在衬底 10 中， 单晶区中的缺陷密度可以降低， 从而实现允许在其主表面上形 成具有更高质量的外延层 9 的衬底 10。衬底 10 可以用作构成发光器件或电子电路器件的衬底。在这种情况下， 可以使用 形成在衬底 10 上的高质量外延层 9 形成所述器件， 由此获得具有优良特性的发光器件或电 子电路器件。
在此， 术语 “发光器件” 是指包括其中在衬底 10 上形成外延生长层的结构， 并且能 够发光的器件。其实例包括发光二极管和激光二极管。同时， 术语 “电子电路器件” 是指用 于电子电路的器件， 例如， 场效应晶体管或肖特基势垒二极管。
如参照图 8 所描述的， 在衬底 10 的主表面中， 在与使用线状锯进行切片时线状锯 伸展的方向 ( 图 8 中的箭头 16 所表示的方向 ) 垂直的方向 ( 图 8 中的箭头 18 所表示的方 向 ) 上测量的算术平均粗糙度 Ra、 最大高度 Rz 和十点平均粗糙度 Rzjis 中的至少一项在数 值上大于在沿着线状锯伸展的方向上测量的相应项。
在这种情况下， 明显地， 通过使用线状锯对晶锭 3 进行切片来获得衬底 10， 而不用 经受在切片之后常规执行的磨削步骤。由于如此衬底 10 不经受磨削步骤等， 因此与常规情 况相比， 加工成本降低。 在此， 算术平均粗糙度 Ra、 最大高度 Rz 和十点平均粗糙度 Rzjis 都 在 JIS B0601 ： 2001 中有所定义。
本文公开的这些实施例和实例就任何方面而言都是示例性且非限制性的。 本发明 的范围由权利要求书的范围而非以上描述限定， 并且旨在包括等价于权利要求书的条目的 范围和含义内的任何更改形式。
工业应用性
本发明中尤其有利地应用于表面提供有用于形成发光器件或电路器件的外延层 的氮化镓衬底， 以及采用该衬底的提供有外延层的衬底。
附图标记的说明
1： 多线状锯装置 ； 3： 晶锭 ； 3a ： 第一 OF 表面 ； 3b ： 第二 OF 表面 ； 4： Ga 原子面 ； 5： N 原子面 ； 7： 轨迹 ； 8： 背侧表面端部 ； 9： 外延层 ； 10、 30 ： 衬底 ； 11 ： 工件支架 ； 12a-12c ： 导辊 ； 13 ： 浆体喷嘴 ； 15 ： 受损层 ； 16-18 ： 箭头 ； 19 ： 平台表面 ； 20 ： 提供有外延层的衬底 ； 21 ： 线列 (wire string) ； 22 线 ； 25 ： GaAs 衬底 ； 26 ： 掩模层 ； 27 ： 窗口部 ； 28 ： GaN 缓冲层 ； 29 ： GaN 外 延层 ； 31 ： 支撑构件 ； 38 ： 基体暴露部 ； 39 ： 晶体 ； 41 ： 裂缝 ； 42 ： 锯痕。