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特開2024-123607サファイア基板を処理する方法、サファイア基板の上にエピタキシャル薄膜を形成する方法、サファイア基板、エピタキシャル薄膜、及びそれらを備えるデバイス及び装置。
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024123607
(43)【公開日】2024-09-12
(54)【発明の名称】サファイア基板を処理する方法、サファイア基板の上にエピタキシャル薄膜を形成する方法、サファイア基板、エピタキシャル薄膜、及びそれらを備えるデバイス及び装置。
(51)【国際特許分類】
C30B 33/00 20060101AFI20240905BHJP
C30B 29/10 20060101ALI20240905BHJP
C30B 25/18 20060101ALI20240905BHJP
【ＦＩ】
C30B33/00
C30B29/10
C30B25/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023031174
(22)【出願日】2023-03-01
(71)【出願人】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】100174252
【弁理士】
【氏名又は名称】赤津 豪
(72)【発明者】
【氏名】フー レーハン
(72)【発明者】
【氏名】ヴィンセント タン
【テーマコード（参考）】
4G077
【Ｆターム（参考）】
4G077AA02
4G077AA03
4G077AB02
4G077AB09
4G077BB01
4G077BE15
4G077BE32
4G077BE34
4G077DB02
4G077EA02
4G077EA05
4G077ED05
4G077ED06
4G077EE03
4G077GA05
4G077GA06
4G077HA12
4G077TA04
4G077TA07
4G077TC06
4G077TK01
(57)【要約】 （修正有）
【課題】サファイア基板の表面を処理する方法を提供する。
【解決手段】方法は、サファイア基板を提供すること；及び前記サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うこと；を備える。
【選択図】なし
【解決手段】方法は、サファイア基板を提供すること；及び前記サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うこと；を備える。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
サファイア基板の表面を処理する方法であって、
サファイア基板を提供すること；及び
前記サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うこと；
を備える方法。
サファイア基板を提供すること；及び
前記サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うこと；
を備える方法。
【請求項2】
請求項１に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、１０８０℃以上、１０００℃以上、９００℃以上、又は８５０℃以上である、
方法。
前記熱処理の温度は、１０８０℃以上、１０００℃以上、９００℃以上、又は８５０℃以上である、
方法。
【請求項3】
請求項１に記載の方法であって、
前記雰囲気は、室温及び大気圧での飽和水蒸気量以上の量の水蒸気を含む、
方法。
前記雰囲気は、室温及び大気圧での飽和水蒸気量以上の量の水蒸気を含む、
方法。
【請求項4】
請求項１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、Ｃ面｛０００１｝を有する、
方法。
前記サファイア基板の前記表面は、Ｃ面｛０００１｝を有する、
方法。
【請求項5】
請求項４に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、a軸方向又はｍ軸方向にオフカット角を有する、
方法。
前記サファイア基板の前記表面は、a軸方向又はｍ軸方向にオフカット角を有する、
方法。
【請求項6】
請求項４又は５に記載の方法であって
前記表面は、実質的に１°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０５０℃以上である、
方法。
前記表面は、実質的に１°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０５０℃以上である、
方法。
【請求項7】
請求項４又は５に記載の方法であって
前記表面は、実質的に２°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０００℃以上である、
方法。
前記表面は、実質的に２°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０００℃以上である、
方法。
【請求項8】
請求項４又は５に記載の方法であって
前記表面は、実質的に４°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、９００℃以上である、
方法。
前記表面は、実質的に４°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、９００℃以上である、
方法。
【請求項9】
請求項４又は５に記載の方法であって
前記表面は、実質的に６°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、８５０℃以上である、
方法。
前記表面は、実質的に６°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、８５０℃以上である、
方法。
【請求項10】
請求項１に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、２インチ、３インチ、４インチ以上、５インチ以上、６インチ以上、２インチ、３インチ、４インチ、５インチ、６インチ、７インチ、８インチ、９インチ、１０インチ、又は１５インチ若しくはそれより大きいサイズを有する、
方法。
前記サファイア基板は、２インチ、３インチ、４インチ以上、５インチ以上、６インチ以上、２インチ、３インチ、４インチ、５インチ、６インチ、７インチ、８インチ、９インチ、１０インチ、又は１５インチ若しくはそれより大きいサイズを有する、
方法。
【請求項11】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面にエピタキシャル成長を行うこと
を更に備える方法。
前記サファイア基板の前記表面にエピタキシャル成長を行うこと
を更に備える方法。
【請求項12】
請求項１１に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、遷移金属ジカルコゲナイド（ＭＸ２）又はＧａＮを成長させることを含む、
方法。
前記エピタキシャル成長は、遷移金属ジカルコゲナイド（ＭＸ２）又はＧａＮを成長させることを含む、
方法。
【請求項13】
５０％より高い、９０％又はそれより高い、９５％又はそれより高い、又は９６％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
【請求項14】
請求項１３に記載のサファイア基板であって、
Ｃ面を表面として有する、
サファイア基板。
Ｃ面を表面として有する、
サファイア基板。
【請求項15】
５０％より高い、９０％又はそれより高い、９５％又はそれより高い、又は９６％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
【請求項16】
請求項１５に記載のエピタキシャル薄膜であって、
遷移金属ジカルコゲナイド（ＭＸ２）又はＧａＮである、エピタキシャル薄膜。
遷移金属ジカルコゲナイド（ＭＸ２）又はＧａＮである、エピタキシャル薄膜。
【請求項17】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法により製造されたサファイア基板；
請求項１１又は１２に記載の方法により製造されたエピタキシャル薄膜；
請求項１３又は１４に記載のサファイア基板；及び
請求項１５又は１６に記載のエピタキシャル薄膜、
の一つ、少なくとも一つ、又は複数を備えるデバイス、装置又はその中間製品。
請求項１１又は１２に記載の方法により製造されたエピタキシャル薄膜；
請求項１３又は１４に記載のサファイア基板；及び
請求項１５又は１６に記載のエピタキシャル薄膜、
の一つ、少なくとも一つ、又は複数を備えるデバイス、装置又はその中間製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、サファイア基板を処理する方法、サファイア基板の上にエピタキシャル薄膜を形成する方法、サファイア基板、エピタキシャル薄膜、及びそれらを備えるデバイス及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
サファイア基板は、様々な種類のエピタキシャル薄膜の成長に幅広く用いられている。そのようなエピタキシャル薄膜の例は、非限定的に、ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＧａＮなどの半導体、光デバイス材料から遷移金属ジカルコゲナイドなどの２次元材料まで含む。
【0003】
多くの研究開発は、サファイア基板上の原子ステップの量、エピタキシャル成長の条件などに注目されてきた。一方、サファイア基板の表面の結晶方位のエピタキシャル成長への影響についてはほとんど知られていない。研究レベルでは、サファイアのＣ面の酸素層には２種類あり、１単原子層のステップテラス構造が、ＡｌＮの小傾角粒界の原因であるとし、奇数ステップを有するサファイア表面を用いてＡＬＮの小傾角粒界を取り除くこことができるとしている（非特許文献１）。しかし、工業的に、サファイア表面の結晶構造を制御する方法は知られていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Ｙｕｋｉ Ｈａｙａｓｈｉ， Ｒｙａｎ Ｇ． Ｂａｎａｌ， Ｍｉｔｓｕｒｕ Ｆｕｎａｔｏ， ａｎｄ Ｙｏｉｃｈｉ Ｋａｗａｋａｍｉ, Ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｕｒｔｚｉｔｅ ａｎｄ ｃｏｒｕｎｄｕｍ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １１3， １８３５２３ （２０１３）； ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０６３／１．４８０４３２８
【本発明の概要】
【0005】
本開示の一態様によれば、サファイア基板の表面を処理する方法が提供される。一実施形態によれば、当該方法は、サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うことを備える。
【0006】
これによれば、例えば、サファイア表面のステップを制御することができる。更には、その表面に高品質の結晶薄膜をエピタキシャル成長させることができる。
【0007】
本開示の別の一態様によれば、処理されたサファイア基板の表面にエピタキシャル成長を行う方法が適用される。
【0008】
本開示の一態様によれば、本開示のある実施形態によって処理されたサファイア基板が提供される。本開示の一態様によれば、サファイア基板に支持されたエピタキシャル薄膜（エピタキシャル薄膜を有するサファイア基板）が提供される。本開示の別の一態様によれば、本開示のある実施形態によってサファイア基板上に形成され、当該サファイア基板が取り外されたエピタキシャル薄膜が提供される。本開示の更なる一態様によれば、本開示のある実施形態によって処理されたサファイア基板及び／又はエピタキシャル薄膜を備えるデバイス、装置又は中間製品が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】サファイア結晶表面の結晶構造を表す模式図である。
【図5】一実施例による処理方法によって製造された、単層ＭｏＳ２薄膜を表面に有する２インチサファイア基板の写真である（カットオフ角Ｃ／Ａ＝１°～４°）。
【0010】
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。
【0011】
別途記載のない限り、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる、温度、時間、角度、流量、比率（パーセント）等を表す全ての数値は、全ての事例において、用語「約」に修飾されているか否かに関わらず、「約」によって修飾されるものと理解されたい。別途指示のない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲において述べる数値パラメータは、近似値であり、本開示が達成しようとしている所望の特性に応じて変化し得る。少なくとも、そして特許請求の範囲への均等論の適用を制限しようとする意図ではなく、各数値パラメータは、開示する有効数字の数を考慮して、且つ通常の丸め方法を適用することによって、少なくとも解釈されるべきである。
【0012】
本明細書で使用されるとき、用語「含む」及び「備える」は、構成および方法が列挙された要素を含むが他を除外しないことを意味することを意図している。これらの移行用語のそれぞれによって定義される実施形態は、本発明の範囲内にある。したがって、方法および組成物、構成は、追加の工程および構成要素を「含む」ことができる。
【0013】
＜サファイアの結晶構造＞
α－Ａｌ２Ｏ３の結晶構造は、一般に六方晶とされる。同結晶は、空間群Ｒ－３ｃに分類され、ｃ軸［０００１］は３回回転対称を有し、同結晶は、Ｓｃｈｏｅｎｆｌｉｅｓ記法ではＣ３に分類され、すなわち三方晶である。
α－Ａｌ２Ｏ３の結晶構造は、一般に六方晶とされる。同結晶は、空間群Ｒ－３ｃに分類され、ｃ軸［０００１］は３回回転対称を有し、同結晶は、Ｓｃｈｏｅｎｆｌｉｅｓ記法ではＣ３に分類され、すなわち三方晶である。
【0014】
単位格子は、ｃ軸方向に６つの酸素層を有する。その酸素層は、上記の結晶構造分類から分かるように、（１１－２０）面に対して互いに鏡面対象である２種類の層（スラブＡとスラブＢ）に分類される（図１Ａ及びＢを参照。）。６つの酸素層の間隔は、ｃ０を単位格子のｃ軸方向の大きさとして、ｃ０／６＝１．２９９ｎｍ／６～０．２１７ｎｍである（以降、単に「０．２ｎｍ」と記載する場合がある。）。各スラブ（スラブＡ又はスラブＢ）の間隔は、この倍であり、約０．４ｎｍである。
【0015】
したがって、サファイア結晶がＣ面を表面として有する場合、その最表面はスラブＡ及びスラブＢで構成される。［１１―２０］方向に傾斜している場合の表面構造を、表面がスラブＡとスラブＢで構成された場合（以降「ダブルスラブ」と呼ぶ場合がある。）と、表面がスラブＡ及びＢの一方のみで構成された場合（以降「シングルスラブ」と呼ぶ場合がある。）とで、模式的にそれぞれ図１Ｃ及び図１Ｄに示す。図１Ｄは、一例として最表面をスラブＡと記載しているが、スラブＢであってもよい。ダブルスラブの典型的なステップ高さは、０．２ｎｍ又は（２ｎ＋１）×０．２ｎｍ（以降「奇数スラブステップ」と呼ぶ場合がある。）で表すことができる。他方、シングルスラブの典型的なステップ高さは、０．４ｎｍ又は２ｎ×０．２ｎｍ（以降「偶数スラブステップ」と呼ぶ場合がある。）で表すことができる。
【0016】
シングルスラブで構成された表面（「シングルスラブ表面」）は、主に偶数スラブステップを有し、１つの結晶方位のエピタキシャル成長を可能にする。これに対し、ダブルスラブで構成された表面（「ダブルスラブ表面」）は、奇数スラブステップを多く有し、２つの結晶方位のエピタキシャル成長を許容する。本明細書で用いる「ダブルスラブ表面」は、奇数スラブステップの存在を排除するものではない。
【0017】
本開示の一つの目的は、サファイア基板上に、シングルスラブ表面をより広く提供することである。また本開示の一つの目的は、より多いシングルスラブ表面を有するサファイア基板を提供することである。本開示の更なる一つの目的は、そのようなサファイア基板上に成長した薄膜、及びその薄膜を有するサファイア基板、及びそれらの製造方法を提供することである。
【0018】
本開示の一実施形態によれば、サファイア基板の表面を処理する方法が提供される。当該方法は、サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うことを備える。
【0019】
このサファイア基板の表面は、多くの偶数スラブステップ及び／又は多くの又は大きなシングルスラブ表面を有し、例えば、高品質のエピタキシャル薄膜を効率的に成長させることができる。
【0020】
＜サファイア基板＞
本明細書で使用される用語「サファイア」は、一般に、主にＡｌ２Ｏ３からなる単結晶コランダムをさす。いくつかの実施形態では、「サファイア」は、鉄、チタン、ヴァナディウム、クロムなどの不純物を含んでいてもよい。「サファイア」は、ルビーを除外するものではない。いくつかの実施形態では、「サファイア」は、不純物を含んでいなくてもよい。いくつかの実施形態では、「サファイア」は、単結晶α（アルファ）－Ａｌ２Ｏ３をさす。いくつかの実施形態では、「サファイア」は人工サファイアであってもよい。
本明細書で使用される用語「サファイア」は、一般に、主にＡｌ２Ｏ３からなる単結晶コランダムをさす。いくつかの実施形態では、「サファイア」は、鉄、チタン、ヴァナディウム、クロムなどの不純物を含んでいてもよい。「サファイア」は、ルビーを除外するものではない。いくつかの実施形態では、「サファイア」は、不純物を含んでいなくてもよい。いくつかの実施形態では、「サファイア」は、単結晶α（アルファ）－Ａｌ２Ｏ３をさす。いくつかの実施形態では、「サファイア」は人工サファイアであってもよい。
【0021】
本明細書で使用される「サファイア基板」は、一般に、実質的にサファイアからなり、平面（表面）を有する部材を意味する。「サファイア基板」は、平板の形状を有していてもよい。「サファイア基板」は、ウェーハに形成されていてもよい。「サファイア基板」は「サファイアウェーハ」であってもよい。「サファイア基板」は、基本的に円形のウェーハであってもよく、正方形又は長方形の四角形のウェーハであってもよく、その他の平面形状を有していてもよい。
【0022】
「サファイア基板」は、いわゆる「プライムクオリティ」「エピタキシャルクオリティ」と呼ばれるグレードの基板であってもよい。一般に、これらは極めてよい平坦度を有する。
【0023】
「サファイア基板」のサイズは、１インチ、２インチ、３インチ、４インチ、５インチ、６インチ、７インチ、８インチ、９インチ、１０インチ、１５インチ、２５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、１７５ｍｍ、２００ｍｍ、２２５ｍｍ、２５０ｍｍのいずれか、又はそれ以上であってもよい。このサイズは、工業的に一般的に使用されており、円形基板の直径であってもよい。四角形のサファイア基板のサイズの例は、非限定的に、５ｍｍ×５ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍ、１０ｍｍ×１５ｍｍ,１５ｍｍ×２０ｍｍなどを含む。
【0024】
「サファイア基板」の表面の結晶方位の例は、非限定的に、C面（０００１）、Ａ面（１１－２０）、Ｍ面（１０－１０）、Ｒ面（１－１０２）、Ｎ面（１１―２３）、及びＶ面（２２－４３）を含む。
【0025】
「サファイア基板」の表面は、上記の結晶面からカットオフ角を有していてもよい。カットオフ角の方向は、限定されない。カットオフ角の例は、非限定的に、０°（カットオフ角なし）、０．１°、０．２°、０．３°、０．４°、０．５°、０．６°、０．７°、０．８°、０．９°、１°、２°、３°、４°、５°、６°、７°、８°、９°、１０°などを含む。
【0026】
上記記載したサファイア基板に関連するサイズ及び角度の数値は、工業的に、製造誤差、測定誤差を有していてもよく、正確に上記の値として解釈されるべきでない。一般にウェーハの平坦度は、種々の不規則性（反り、歪み、表面粗さ）を含んでいる。本開示では、種々の数値は、工業的な意味で解釈することができる。
【0027】
四角形のサファイア基板のサイズの例は、非限定的に、５ｍｍ×５ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍ、１０ｍｍ×１５ｍｍ、１５ｍｍ×２０ｍｍなどを含む。
【0028】
＜熱処理＞
「サファイア基板」を熱処理（アニール又はアニーリングともいう。）することは、一般に、サファイア基板を、常温より高い温度で維持することを備える。一般の又は特別に製造された熱処理炉を用いることができる。
「サファイア基板」を熱処理（アニール又はアニーリングともいう。）することは、一般に、サファイア基板を、常温より高い温度で維持することを備える。一般の又は特別に製造された熱処理炉を用いることができる。
【0029】
熱処理の温度は、８００℃（摂氏）、８５０℃、８６０℃、８７０℃、８８０℃、８９０℃、９００℃、９１０℃、９２０℃、９３０℃、９４０℃、９５０℃、９６０℃、９７０℃、９８０℃、９９０℃、１０００℃、１０１０℃、１０２０℃、１０３０℃、１０４０℃、１０５０℃、１０６０℃、１０７０℃、１０８０℃、１０９０℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃などのいずれか、又はそれより高くてもよい。
【0030】
熱処理の温度は、１８００℃（摂氏）、１７５０℃、１７００℃、１６５０℃、１６００℃、１５５０℃、１５００℃、１４５０℃、１４００℃、１３５０℃、１３００℃、１２５０℃、１２００℃、１１５０℃、１１００℃、１０９０℃、１０８０℃、１０７０℃、１０６０℃、１０５０℃、１０４０℃、１０３０℃、１０２０℃、１０１０℃、１０００℃、９９０℃、９８０℃、９７０℃、９６０℃、９５０℃、９４０℃、９３０℃、９２０℃、９１０℃、９００℃、などのいずれか、又はそれより低くてもよい。
【0031】
いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面がＣ面である場合、以下のような条件を設定してもよい：
オフカット角 熱処理温度
１° １０５０℃以上 （例えば１０５０℃）
２° １０００℃以上 （例えば１０００℃）
４° ９００℃以上 （例えば９００℃）
６° ８５０℃以上 （例えば８５０℃）
オフカット角 熱処理温度
１° １０５０℃以上 （例えば１０５０℃）
２° １０００℃以上 （例えば１０００℃）
４° ９００℃以上 （例えば９００℃）
６° ８５０℃以上 （例えば８５０℃）
【0032】
いくつかの実施形態では、温度は、サファイア基板のそのものの温度を測定してもよい。例えば、温度は、サファイア基板の一部に、サーモカップルなど温度計を接触させて計測してもよい。温度は、サファイア基板に対して非接触に測定してもよい。いくつかの実施形態では、温度は、サファイア基板以外の部材の温度を測定してもよい。例えば、ファーナスの一部の温度を測定してもよい。例えば、サファイア基板の雰囲気、キャリアガス及び水蒸気のいずれか一つ又は複数の温度を測定してもよい。サファイア基板以外の部材の温度に基づいて、サファイア基板の温度を計算し又は推測してもよい。
【0033】
例えば、熱処理の時間は、１０分、１５分、２０分、３０分、４０分、４５分、５０分、６０分（１時間）、９０分、２時間、３時間、４時間、５時間のいずれか、又はそれより長くてもよい。例えば、熱処理の時間は、５時間、４時間、３時間、２時間、１時間（６０分）、５０分、４５分、４０分、３０分のいずれか、又はそれより短くてもよい。
【0034】
＜水蒸気処理＞
いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、水蒸気を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、室温及び大気圧での飽和水蒸気量又はそれより多い水蒸気を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、３０℃及び大気圧での飽和水蒸気量又はそれより多い水蒸気を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、熱処理温度での飽和水蒸気量を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、熱処理温度での飽和水蒸気量より少ない水蒸気を含んでいてもよい。
いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、水蒸気を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、室温及び大気圧での飽和水蒸気量又はそれより多い水蒸気を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、３０℃及び大気圧での飽和水蒸気量又はそれより多い水蒸気を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、熱処理温度での飽和水蒸気量を含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気は、熱処理温度での飽和水蒸気量より少ない水蒸気を含んでいてもよい。
【0035】
いくつかの実施形態では、熱処理中の雰囲気が含有する水蒸気の量、又は熱処理空間に導入する水蒸気の量は、サファイア基板の表面積に応じて設定されてもよい。
【0036】
水蒸気は、種々の方法で、発生させ、又は雰囲気に混合させることができる。例えば、水蒸気は、サファイア基板が配置されている空間（例えば、ファーナスのサファイア基板の熱処理空間）内で、液体の水を熱することで発生させてもよい。例えば、水蒸気は、液体の水に雰囲気ガスを通すことで発生させてもよい。水蒸気は、過熱蒸気発生装置を用いて発生させてもよい。
【0037】
＜＜本開示によるサファイア基板＞＞
本開示では、サファイア基板が提供される。本開示のいくつかの実施形態に係るサファイア基板は、従来のサファイア基板又は従来の方法で製造されたサファイア基板に比べて、より多くの２ｎ×０．２ｎｍのステップ（偶数スラブステップ）又はより広いシングルスラブ面を備えている。
本開示では、サファイア基板が提供される。本開示のいくつかの実施形態に係るサファイア基板は、従来のサファイア基板又は従来の方法で製造されたサファイア基板に比べて、より多くの２ｎ×０．２ｎｍのステップ（偶数スラブステップ）又はより広いシングルスラブ面を備えている。
【0038】
いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面の少なくとも１つのＡＦＭ領域で、所定の割合以上のステップが偶数スラブステップであってもよい。いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面の少なくとも３つ、少なくとも４つ、少なくとも５つ、少なくとも９つ、又は少なくとも１７個のＡＦＭ領域で、所定の割合以上のステップが偶数スラブステップであってもよい。所定の割合は、６０％、７０％、８０％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％などのいずれか、又はそれより大きくてもよい。
【0039】
１つのＡＦＭの観察領域は、３００ｎｍ×３００ｎｍ、４００ｎｍ×４００ｎｍ、５００ｎｍ×５００ｎｍ、６００ｎｍ×６００ｎｍ、７００ｎｍ×７００ｎｍ、８００ｎｍ×８００ｎｍ、９００ｎｍ×９００ｎｍ、１μｍ×１μｍ、２μｍ×２μｍ、３μｍ×３μｍ、４μｍ×４μｍ、５μｍ×５μｍ、６μｍ×６μｍ、７μｍ×７μｍ、８μｍ×８μｍ、９μｍ×９μｍ、１０μｍ×１０μｍなどの値、又はそれより大きくてもよい。上記の観察領域の縦横のサイズの数字は、面積を変えずに変更してもよい。
【0040】
いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面は、微小角入射広角Ｘ線散乱法（ＧＩＷＡＸＳ）を用いて評価してもよい。
【0041】
いくつかの実施形態では、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた材料の性質を評価することで、サファイア基板のクオリティ又は特性を評価してもよい。
【0042】
例えば、本開示のいずれかの実施形態で準備されたサファイア基板の上に、所定の材料をフレーク成長させ、そのフレークの結晶方位を分析してもよい。例えば、サファイアＣ面にＭｏＳ２などの遷移金属ジカルコゲナイドのフレークを成長させ、そのフレークを評価してもよい。フレークの評価は、ＡＦＭ、電子顕微鏡法、光学顕微鏡法、ＬＥＥＤ、などを用いて行うことができる。成長されたフレークを、結晶方位で分類してもよい。分類された結晶方位の分布から、サファイア基板を評価してもよい。例えば、フレークの向きが、サファイアＣ面のスラブに対応して、２種類存在する。いくつかの実施形態では、観測されたすべてのフレークの内、１種類の方位のフレークは、６０％、７０％、８０％、９０％、９１％、９２％、９３％、９４％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％などのいずれか、又はそれより大きくてもよい。
【0043】
＜＜サファイア基板上のエピタキシャル成長＞＞
本開示はまた、サファイア基板上へのエピタキシャル成長の方法、及びエピタキシャル薄膜を有するサファイア基板を提供する。
本開示はまた、サファイア基板上へのエピタキシャル成長の方法、及びエピタキシャル薄膜を有するサファイア基板を提供する。
【0044】
いくつかの実施形態では、サファイア基板上に、半導体材料がエピタキシャルに成長される。本開示で使用される用語「半導体材料」は、半導体そのものに限らず、半導体業界又は製造過程で使用されている材料の総称である。いくつかの実施形態では、サファイア基板上に、いわゆる２次元材料が成長される。用語「２次元材料」は、一般に、２次元的な結晶構造を有する薄膜物質をさし、単層材料と交換可能に用いられる。「２次元材料」の例は、非限定的に、グラフェン、グラフィン、シリセン、ゲルマネンなどの単元素材料；窒化ホウ素、遷移金属ジカルコゲナイドなどの化合物材料を含む。
【0045】
エピタキシャル薄膜の材料の例は、非限定的に、
遷移金属ジカルコゲナイド；
グラフェン；
ＩＶ族半導体（炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ））；
ダイヤモンド；
ＩＩＩ－Ｖ族半導体（ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｌＰなど）；
ペロブスカイト；
ＬｉＮｂＯ３などのＳＡＷデバイス材料；
Ｇａ２Ｏ３などのワイドバンドギャップ材料；
ＩｎＯ、ＺｎＯ２、ＡｌＮ、
などを含む。
遷移金属ジカルコゲナイド；
グラフェン；
ＩＶ族半導体（炭素（Ｃ）、珪素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ））；
ダイヤモンド；
ＩＩＩ－Ｖ族半導体（ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｌＰなど）；
ペロブスカイト；
ＬｉＮｂＯ３などのＳＡＷデバイス材料；
Ｇａ２Ｏ３などのワイドバンドギャップ材料；
ＩｎＯ、ＺｎＯ２、ＡｌＮ、
などを含む。
【0046】
遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭＸ２で表現され、ここで、Ｍ及びＸは以下の通りである：
Ｍ＝モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などを含む遷移金属元素；及び
Ｘ＝硫黄（Ｓ），セレニウム（Ｓｅ），テルリウム（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）、及びリヴェルモリウム（Ｌｖ）からなるカルコゲン（第１６族）元素。
いくつかの実施形態では、遷移金属ジカルコゲナイドの例は、非限定的に、ＭｏＳ２，ＷＳ２，及びＷＳｅ２を含む。
Ｍ＝モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などを含む遷移金属元素；及び
Ｘ＝硫黄（Ｓ），セレニウム（Ｓｅ），テルリウム（Ｔｅ）、ポロニウム（Ｐｏ）、及びリヴェルモリウム（Ｌｖ）からなるカルコゲン（第１６族）元素。
いくつかの実施形態では、遷移金属ジカルコゲナイドの例は、非限定的に、ＭｏＳ２，ＷＳ２，及びＷＳｅ２を含む。
【0047】
エピタキシャル成長の手法の例は、
分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、などの蒸発堆積；
イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）、パルスレーザ堆積（PLD）、ＥＣＲスパッタリングなどのスパッタ堆積；
などを含む物理蒸着法（ＰＶＤ）、
熱ＣＶＤ、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（ＡＶＤ）、などを含む化学蒸着法（ＣＶＤ）
などを含む。
分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、などの蒸発堆積；
イオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）、パルスレーザ堆積（PLD）、ＥＣＲスパッタリングなどのスパッタ堆積；
などを含む物理蒸着法（ＰＶＤ）、
熱ＣＶＤ、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（ＡＶＤ）、などを含む化学蒸着法（ＣＶＤ）
などを含む。
【0048】
＜＜実施例＞＞
以下いくつかの実施例について説明する。
以下いくつかの実施例について説明する。
【0049】
＜サファイア基板＞
いくつかのカットオフ角の２インチＣ面のサファイア基板（Ｃｒｙｓｔａｌｗｉｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社）を用いた。これを、ダイヤモンドワイヤを用いて約２ｃｍ角に切断した。本実施例では、特にウェット洗浄はしなかった。いくつかの実施形態では、水蒸気処理の前又は後にウェット及び／又はウェット洗浄をしてもよい。
いくつかのカットオフ角の２インチＣ面のサファイア基板（Ｃｒｙｓｔａｌｗｉｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社）を用いた。これを、ダイヤモンドワイヤを用いて約２ｃｍ角に切断した。本実施例では、特にウェット洗浄はしなかった。いくつかの実施形態では、水蒸気処理の前又は後にウェット及び／又はウェット洗浄をしてもよい。
【0050】
＜水蒸気熱処理＞
そのサンプルを、熱処理した。熱処理には、１インチ、３インチ及びそれ以上のサイズの水平円環型ホットウォール装置（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ社）を用いた。熱処理領域内のチューブの内部に、同サンプルを配置した。同じチューブ内で、熱処理外の領域で、液体の水を約３０℃に温めた。２５％Ｏ２／Ａｒのキャリアガスを、１０ｓｃｃｍの流量、約１０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒの気圧で導入し、水蒸気を混合させた。水蒸気を含むキャリアガスは、チューブ内を移動し、所定温度に熱せられたサンプルの表面に到達した。熱処理の時間は、典型的に２時間から６時間であった。
そのサンプルを、熱処理した。熱処理には、１インチ、３インチ及びそれ以上のサイズの水平円環型ホットウォール装置（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ社）を用いた。熱処理領域内のチューブの内部に、同サンプルを配置した。同じチューブ内で、熱処理外の領域で、液体の水を約３０℃に温めた。２５％Ｏ２／Ａｒのキャリアガスを、１０ｓｃｃｍの流量、約１０Ｔｏｒｒから約７６０Ｔｏｒｒの気圧で導入し、水蒸気を混合させた。水蒸気を含むキャリアガスは、チューブ内を移動し、所定温度に熱せられたサンプルの表面に到達した。熱処理の時間は、典型的に２時間から６時間であった。
【0051】
比較例又は従来例として、水蒸気を使わない熱処理を行った。この「従来熱処理」では、水蒸気を意図的に発生させず、他の条件は同じであった。
【0052】
＜エピタキシャル成長＞
例として、複数の遷移金属ジカルコゲナイドを、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた。具体的には、ＭｏＳ２，ＷＳ２，及びＷＳｅ２のフィルム、又は単層フレーク（サファイア基板の表面を１００％未満で覆い、離散的な島が成長した状態）を、サファイア基板の上に、通常のＣＶＤ法により、１インチ、３インチ及びそれ以上のサイズの水平円環型ホットウォール装置（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ社）内で成長させた。前駆体として、ＭｏＯ３（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）、ＷＯ３（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）、Ｓ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）、Ｓｅ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）を用いた。これらのカルコゲンパウダ、金属酸化物パウダ及びサファイア基板を、炉内の、異なる加熱領域、すなわち上流、中心、及び下流の位置にそれぞれ分けて配置した。中心加熱領域は、ＭｏＯ３には８００℃で、及びＷＯ３には９００℃で、それぞれ加熱した。上流加熱領域は、Ｓには１４０℃で、及びＳｅには２７０℃で、それぞれ加熱した。下流加熱領域は、サファイア基板のために所定の温度で加熱した。キャリアガスとして、１０～２０％Ｈ２／Ａｒを用いた。気圧は、下流加熱領域で３０Ｔｏｒｒとなるように設定した。蒸発した各種の前駆体が、キャリアガスによってサファイア基板に運ばれ、その上で反応することで遷移金属ジカルコゲナイドがエピタキシャル成長した。エピタキシャル成長の時間は、全面成長の場合は１５分、フレーク成長の場合は５分であった。その後、基板は常温まで自然冷却した。
例として、複数の遷移金属ジカルコゲナイドを、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させた。具体的には、ＭｏＳ２，ＷＳ２，及びＷＳｅ２のフィルム、又は単層フレーク（サファイア基板の表面を１００％未満で覆い、離散的な島が成長した状態）を、サファイア基板の上に、通常のＣＶＤ法により、１インチ、３インチ及びそれ以上のサイズの水平円環型ホットウォール装置（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ社）内で成長させた。前駆体として、ＭｏＯ３（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）、ＷＯ３（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）、Ｓ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）、Ｓｅ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社、９９．９％）を用いた。これらのカルコゲンパウダ、金属酸化物パウダ及びサファイア基板を、炉内の、異なる加熱領域、すなわち上流、中心、及び下流の位置にそれぞれ分けて配置した。中心加熱領域は、ＭｏＯ３には８００℃で、及びＷＯ３には９００℃で、それぞれ加熱した。上流加熱領域は、Ｓには１４０℃で、及びＳｅには２７０℃で、それぞれ加熱した。下流加熱領域は、サファイア基板のために所定の温度で加熱した。キャリアガスとして、１０～２０％Ｈ２／Ａｒを用いた。気圧は、下流加熱領域で３０Ｔｏｒｒとなるように設定した。蒸発した各種の前駆体が、キャリアガスによってサファイア基板に運ばれ、その上で反応することで遷移金属ジカルコゲナイドがエピタキシャル成長した。エピタキシャル成長の時間は、全面成長の場合は１５分、フレーク成長の場合は５分であった。その後、基板は常温まで自然冷却した。
【0053】
＜ＡＦＭ＞
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像は、ＡＦＭ装置（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｉｃｏｎ，Ｂｒｕｋｅｒ社）を用いてタッピングモードで取得した。ばね定数５Ｎｍ－１を有するプローブ（ＴＡＰ１５０Ａ、Ｖｅｅｃｏ社）を用いた。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像は、ＡＦＭ装置（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｉｃｏｎ，Ｂｒｕｋｅｒ社）を用いてタッピングモードで取得した。ばね定数５Ｎｍ－１を有するプローブ（ＴＡＰ１５０Ａ、Ｖｅｅｃｏ社）を用いた。
【0054】
＜実施例１：ＭｏＳ２＞
本実施例では、複数のカットオフ角を有するＣ面のサファイア基板を用いた。カットオフ角は、Ａ方向に１°、２°、及び４°であった。従来熱処理と水蒸気熱処理とを行い、それぞれにＭｏＳ２のフレークを成長させた。図２に、それらのＡＦＭ像を表す。図２Ａ～Ｃは、従来熱処理の場合のＡＦＭ像を、図２Ｄ～Ｆは、水蒸気熱処理の場合のＡＦＭ像を、それぞれ表す。図２Ａ及びＤはカットオフ角Ｃ／Ａ～１°の場合のＡＦＭ像を、図２Ｂ及びＥはカットオフ角Ｃ／Ａ～２°の場合のＡＦＭ像を、図２Ｃ及びＦはカットオフ角Ｃ／Ａ～４°の場合のＡＦＭ像を、それぞれ表す。いずれでも、カットオフ角に対応するサファイアの周期的なテラス又はステップ（ＡＦＭ像中の縦線）と、その上にエピタキシャル成長したＭｏＳ２の三角形のフレークとが確認された。
本実施例では、複数のカットオフ角を有するＣ面のサファイア基板を用いた。カットオフ角は、Ａ方向に１°、２°、及び４°であった。従来熱処理と水蒸気熱処理とを行い、それぞれにＭｏＳ２のフレークを成長させた。図２に、それらのＡＦＭ像を表す。図２Ａ～Ｃは、従来熱処理の場合のＡＦＭ像を、図２Ｄ～Ｆは、水蒸気熱処理の場合のＡＦＭ像を、それぞれ表す。図２Ａ及びＤはカットオフ角Ｃ／Ａ～１°の場合のＡＦＭ像を、図２Ｂ及びＥはカットオフ角Ｃ／Ａ～２°の場合のＡＦＭ像を、図２Ｃ及びＦはカットオフ角Ｃ／Ａ～４°の場合のＡＦＭ像を、それぞれ表す。いずれでも、カットオフ角に対応するサファイアの周期的なテラス又はステップ（ＡＦＭ像中の縦線）と、その上にエピタキシャル成長したＭｏＳ２の三角形のフレークとが確認された。
【0055】
＜従来加熱処理の場合のＡＦＭ＞
図２Ａ～Ｃで見られるサファイアＣ面のステップの高さは、約０．４ｎｍ～約２．２ｎｍまで０．２ｎｍを最小単位として、多岐に富んでいた。言い換えれば、０．２ｎｍの偶数倍（２ｎｘ０．２ｎｍ）のステップ高さも、０．２ｎｍの奇数倍（２ｎ＋１）ｘ０．２ｎｍ）のステップ高さも観察された。他のＡＦＭでは、（２×３＋１）×１．２ｎｍなども観察された（未図示）。このように、発明者が観察した限り、従来熱処理後のサファイア基板の表面は、シングルスラブステップとダブルスラブステップとを多く含み、多くのダブルスラブ表面を有していた。
図２Ａ～Ｃで見られるサファイアＣ面のステップの高さは、約０．４ｎｍ～約２．２ｎｍまで０．２ｎｍを最小単位として、多岐に富んでいた。言い換えれば、０．２ｎｍの偶数倍（２ｎｘ０．２ｎｍ）のステップ高さも、０．２ｎｍの奇数倍（２ｎ＋１）ｘ０．２ｎｍ）のステップ高さも観察された。他のＡＦＭでは、（２×３＋１）×１．２ｎｍなども観察された（未図示）。このように、発明者が観察した限り、従来熱処理後のサファイア基板の表面は、シングルスラブステップとダブルスラブステップとを多く含み、多くのダブルスラブ表面を有していた。
【0056】
さらに、テラスのエッジは、真っすぐではなく、多くの場合不規則的又はジグザグな形状および周期を有していた。このようなテラスエッジの特徴は、エピタキシャル成長の質に影響すると言われている。
【0057】
サファイア基板上に成長したＭｏＳ２フレークは、２つの方向で存在していた。カットオフ方向（図の左右方向）の両方の方向にフレークが成長していたことが観察された。これは、エピタキシャル成長前のサファイア基板の表面が多くのダブルスラブ表面を有していたことに起因している。
【0058】
すなわち、従来熱処理後のサファイア基板の表面は、スラブＡとＢとが交互に又はそれらの両方の結晶表面を有している。これにより、ＭｏＳ２のエピタキシャルフレークが２つの方向で成長した。
【0059】
＜水蒸気熱処理の場合のＡＦＭ＞
図２Ｄ～Ｆで見られるサファイアＣ面のステップの高さは、主に約２ｎ×０．２ｎｍであった。図２Ｄ及び図２Ｅでのステップの高さは、約０．４ｎｍであった。他方、カットオフ角の大きい図２Ｆでのステップの高さは、約０．８ｎｍ（＝（２×２）×０．２ｎｍ）であった。発明者が観察した限り、水蒸気熱処理後のサファイア基板の表面は、ほとんどの場合、約２ｎ×０．２ｎｍ、すなわちダブルスラブステップ（偶数スラブステップ）とシングルスラブ表面で構成されていた。
図２Ｄ～Ｆで見られるサファイアＣ面のステップの高さは、主に約２ｎ×０．２ｎｍであった。図２Ｄ及び図２Ｅでのステップの高さは、約０．４ｎｍであった。他方、カットオフ角の大きい図２Ｆでのステップの高さは、約０．８ｎｍ（＝（２×２）×０．２ｎｍ）であった。発明者が観察した限り、水蒸気熱処理後のサファイア基板の表面は、ほとんどの場合、約２ｎ×０．２ｎｍ、すなわちダブルスラブステップ（偶数スラブステップ）とシングルスラブ表面で構成されていた。
【0060】
さらに、テラスのエッジの形状は、ほぼ真っすぐであり、多くの場合規則的な形状又は周期を有していた。
【0061】
サファイア基板上に成長したＭｏＳ２フレークは、１つの方向のみを有していた。カットオフ方向（図の左右方向）の一方の方向のみでフレークが成長したことが観察された。
【0062】
＜光学顕微鏡観察＞
同様のフレークの形状は、光学顕微鏡でも観察された（図３ａ及びｂ）。従来熱処理の場合、ＭｏＳ２フレークは、２つの方向で存在していた（図３ａ）。水蒸気熱処理の場合、ＭｏＳ２フレークは、一つの方向のみで存在していた（図３ｂ）。
同様のフレークの形状は、光学顕微鏡でも観察された（図３ａ及びｂ）。従来熱処理の場合、ＭｏＳ２フレークは、２つの方向で存在していた（図３ａ）。水蒸気熱処理の場合、ＭｏＳ２フレークは、一つの方向のみで存在していた（図３ｂ）。
【0063】
すなわち、水蒸気熱処理後のサファイア基板の表面は、スラブＡとＢとの一方のみの結晶表面を有している。これにより、ＭｏＳ２のエピタキシャルフレークが１つの方向のみで成長した。
【0064】
いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面のスラブの特徴（２種類か主に１種類か、その比率など）は、断面ＴＥＭを用いて評価することができる。いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面のスラブの特徴は、ＡＦＭを用いて評価することができる。いくつかの実施形態では、サファイア基板の表面のスラブの特徴は、ＧＩＷＡＸＳを用いて評価することができる。
【0065】
＜連続膜のＡＦＭ＞
従来熱処理の場合と水蒸気熱処理の場合とで、ＭｏＳ２の堆積量を増やし、連続的なＭｏＳ２単層膜を形成した。そのＡＦＭ像を図４に示す。
従来熱処理の場合と水蒸気熱処理の場合とで、ＭｏＳ２の堆積量を増やし、連続的なＭｏＳ２単層膜を形成した。そのＡＦＭ像を図４に示す。
【0066】
従来熱処理の場合、ＭｏＳ２単層膜には、多数の結晶粒界が存在した（図４Ａ）。これは、２つの結晶方位が存在していることを示唆している。すなわち、エピタキシャル成長前のサファイア基板は、多くのシングルスラブ表面を有していた。水蒸気熱処理の場合、ＭｏＳ２単層膜には、１００μｍ×１００μｍの観察領域で結晶粒界は全く観察されなかった（図４Ｂ）。更に１ｍｍ×１ｍｍの観察領域でも結晶粒界は全く観察されなかった（図４Ｃ）
【0067】
＜実施例２：ウェーハスケールでのＭｏＳ２単層膜の形成＞
一方向の結晶方位を有する単層ＭｏＳ２薄膜は、大きい面積のサファイア基板表面に形成することができる。本実施例では、２インチのカットオフ角Ｃ／Ａ＝１°～４°のサファイア基板の表面全面に、単層ＭｏＳ２薄膜を形成した。サファイア基板の前処理及び単層ＭｏＳ２薄膜の成長の条件は、実施例１と同じであった。図５に、それらの単層ＭｏＳ２薄膜を有するサファイア基板の写真を示す。
一方向の結晶方位を有する単層ＭｏＳ２薄膜は、大きい面積のサファイア基板表面に形成することができる。本実施例では、２インチのカットオフ角Ｃ／Ａ＝１°～４°のサファイア基板の表面全面に、単層ＭｏＳ２薄膜を形成した。サファイア基板の前処理及び単層ＭｏＳ２薄膜の成長の条件は、実施例１と同じであった。図５に、それらの単層ＭｏＳ２薄膜を有するサファイア基板の写真を示す。
【0068】
いずれも、上下左右の５か所で１ｍｍ×１ｍｍのＡＦＭ観察を行い、結晶粒界は全く確認されなかった。更には、上下左右の５か所で１ｍｍ×１ｍｍに対して、第二次高調波発生（ＳＨＧ）を用いて評価を行い、結晶粒界は全く確認されなかった。
【0069】
＜実施例３：複数種類のＸＭ２単層膜の形成＞
ＭｏＳ２に加え、ＷＳ２，ＷＳｅ２の単層膜を、２ｎ×０．２ｎｍのステップ高さを有するサファイア基板上に成長させた。
ＭｏＳ２に加え、ＷＳ２，ＷＳｅ２の単層膜を、２ｎ×０．２ｎｍのステップ高さを有するサファイア基板上に成長させた。
【0070】
【0071】
図７に、図６に表した光学顕微鏡写真内に存在するフレークにおける、２つの結晶方向の割合を示す。微量の第二方向のフレークは見られたものの、観察されたフレークの９７．８％（ＭｏＳ２）、９８．８％（ＷＳ２）及び９６．６％（ＷＳｅ２）が同一方向の結晶方位を有していた。１５０μｍ×１００μｍの視野の光学顕微鏡観察において、少なくとも９６％のフレークは、同一方向の結晶方位を有していた。いくつかの実施形態では、サファイア基板は、その表面に成長させたＭＸ２フレークの少なくとも９６％又は９６％以上が同一方向の結晶方位を有するような表面特性又は特徴を有していてもよい。いくつかの実施形態では、処理後のサファイア基板上にエピタキシャル成長させたＭＸ２単層膜は、その面積の少なくとも９６％又は９６％以上が同一方向の結晶方位を有する。
【0072】
これらの結果は、シングルスラブ表面を、ダブルスラブ表面に比してより多く又はより効率的に形成できることを示している。例えば、本開示の方法で形成されたサファイア基板上のシングルスラブ表面又はダブルスラブステップの割合、及び／又はその上に成長されたエピタキシャル薄膜の１つの結晶方位の割合が、５０％より大きい。いくつかの実施形態では、その割合は、５０％より大きくてもよい。その割合は、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％など又はそれより高くなり得る。例えば、上記実験結果は、少なくとも、ＭＸ２エピタキシャル薄膜の同割合は、９６％、９７％、９８％、９９％など又はそれより高くなり得ることを示している。ただ、他のプロセス、アプリケーションの要求によっては、より低い割合であってもよい。
【0073】
本開示のサファイア基板の処理方法によれば、サファイア基板のサイズにかかわらず、又は小面積だけでなく大面積のサファイア基板に、より多くのシングルスラブ表面を形成することができる。さらには、同方法は、大面積の高品質エピタキシャル成長を可能にする。
【0074】
成長された薄膜は、サファイア基板から取り外しても、別の基板又はサポートに転移してもよい。本開示によれば、上記のような結晶特性を有するフリースタンディング薄膜が提供される。
【0075】
本開示の処理後サファイア基板、エピタキシャル薄膜を有するサファイア基板、及び／又はエピタキシャル薄膜は、様々なアプリケーションに用いることができる。アプリケーションの非限定的な例は、電子デバイス、光デバイス、熱デバイス、バイオデバイスなどを含む。ここでいう「デバイス」は、一つのコンポーネントであってもよく、最終製品であってもよく、それらの製造過程で発生する中間製品であってもよい。
【0076】
本開示は以下の実施形態も提供する：
Ａ００１
サファイア基板の表面を処理する方法であって、
サファイア基板を提供すること；及び
前記サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うこと；
を備える方法。
Ａ０１１
Ａ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、１０８０℃以上である、
方法。
Ａ０１２
Ａ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、１０００℃以上である、
方法。
Ａ０１３
Ａ０１１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、９００℃以上である、
方法。
Ａ０１４
Ａ０１１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、８５０℃以上である、
方法。
Ａ０２１
Ａ００１からＡ０１４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気は、室温及び大気圧での飽和水蒸気量以上の量の水蒸気を含む、
方法。
Ａ０２２
Ａ００１からＡ０１４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気は、３０℃及び大気圧での飽和水蒸気量以上の量の水蒸気を含む、
方法。
Ａ０３１
Ａ００１からＡ０２２いずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の前記雰囲気は、キャリアガスを含む、
方法。
Ａ０３２
Ａ０３１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気ガスは、希ガス含む；
前記雰囲気ガスは、Ａｒを含む；
前記雰囲気ガスは、ＡｒとＯ２を含む；又は
前記雰囲気ガスは、実質的にＡｒとＯ２とからなる混合ガスである、
方法。
Ａ０３３
Ａ０３１又はＡ０３２、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気ガスは、Ｏ２を含む、
方法。
Ａ０４１
Ａ００１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、Ｃ面｛０００１｝を有する、
方法。
Ａ０４２
Ａ０４１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、a軸方向にオフカット角を有する、
方法。
Ａ０４３
Ａ０４１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、ｍ軸方向にオフカット角を有する、
方法。
Ａ０４５
Ａ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、ｍ面｛１０－１０｝を有する、
方法。
Ａ０５１
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に１°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０５０℃以上である、
方法。
Ａ０５２
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に２°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０００℃以上である、
方法。
Ａ０５３
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に４°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、９００℃以上である、
方法。
Ａ０５４
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に６°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、８５０℃以上である、
方法。
Ａ０６１
Ａ００１からＡ０５３のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、２インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６２
Ａ０６１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、３インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６３
Ａ０６２、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、４インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６４
Ａ０６３、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、６インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６５
Ａ０６４、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、８インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６６
Ａ０６５、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、１０インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６７
Ａ０６６、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、１２インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ｂ００１
エピタキシャル基板を製造する方法であって、
Ａ００１からＡ０６６のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法で製造された前記サファイア基板を提供すること；及び
前記サファイア基板の前記表面にエピタキシャル成長を行うこと
を備える方法。
Ｂ００２
Ｂ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、化学気相体積（ＣＶＤ）法、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）法、及びパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）のいずれかである、
方法。
Ｂ０１１
Ｂ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、遷移金属ジカルコゲナイドを成長させることを含む、
方法。
Ｂ０１２
Ｂ０１１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭＸ２、
Ｍ＝遷移金属であり、
Ｘ＝Ｓ，Ｓｅ，及びＴｅからなる群から選択される
からなる群から選択される、
方法。
Ｂ０１３
Ｂ０１１又はＢ０１２、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭｏＳ２、ＷＳ２及びＷＳｅ２からなる群から選択される、
方法。
Ｂ０２１
Ｂ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、ＧａＮを成長させることを含む、
方法。
Ｃ００１
５０％より高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ００２
９０％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ００３
９５％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ００４
９６％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ０１１
Ｃ００１からＣ００４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の、
Ｃ面を表面として有する、
サファイア基板。
Ｄ００１
５０％より高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ００２
９０％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ００３
９５％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ００４
９６％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ０１１
Ｃ００１からＤ００４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載のサファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜であって、
遷移金属カルコゲナイド（ＭＸ２）である、エピタキシャル薄膜。
Ｄ０１２
Ｄ０１１に記載の、又はいずれかの実施形態に記載のエピタキシャル薄膜であって、
前記遷移金属カルコゲナイド（ＭＸ２）は、ＭｏＳ２、ＷＳ２及びＷＳｅ２からなる群から選択される、
エピタキシャル薄膜。
Ｅ００１
Ａ００１からＡ０６７のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法により製造されたサファイア基板；
Ｂ００１からＢ０２１のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法により製造されたエピタキシャル薄膜；
Ｃ００１からＣ０１１のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載のサファイア基板；及び
Ｄ００１からＤ０１１のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載のエピタキシャル薄膜；
の一方、少なくとも一つ、又は複数を備えるデバイス、装置又はその中間製品。
Ｅ００２
Ｅ００１、又はいずれかの実施形態に記載のデバイス、装置又はその中間製品であって、
前記デバイスは、電子デバイス、光デバイス、熱デバイス、及び／又はバイオデバイスである、
デバイス、装置又はその中間製品。
Ａ００１
サファイア基板の表面を処理する方法であって、
サファイア基板を提供すること；及び
前記サファイア基板に対して、水蒸気を含む雰囲気で、熱処理を行うこと；
を備える方法。
Ａ０１１
Ａ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、１０８０℃以上である、
方法。
Ａ０１２
Ａ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、１０００℃以上である、
方法。
Ａ０１３
Ａ０１１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、９００℃以上である、
方法。
Ａ０１４
Ａ０１１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の温度は、８５０℃以上である、
方法。
Ａ０２１
Ａ００１からＡ０１４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気は、室温及び大気圧での飽和水蒸気量以上の量の水蒸気を含む、
方法。
Ａ０２２
Ａ００１からＡ０１４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気は、３０℃及び大気圧での飽和水蒸気量以上の量の水蒸気を含む、
方法。
Ａ０３１
Ａ００１からＡ０２２いずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記熱処理の前記雰囲気は、キャリアガスを含む、
方法。
Ａ０３２
Ａ０３１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気ガスは、希ガス含む；
前記雰囲気ガスは、Ａｒを含む；
前記雰囲気ガスは、ＡｒとＯ２を含む；又は
前記雰囲気ガスは、実質的にＡｒとＯ２とからなる混合ガスである、
方法。
Ａ０３３
Ａ０３１又はＡ０３２、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記雰囲気ガスは、Ｏ２を含む、
方法。
Ａ０４１
Ａ００１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、Ｃ面｛０００１｝を有する、
方法。
Ａ０４２
Ａ０４１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、a軸方向にオフカット角を有する、
方法。
Ａ０４３
Ａ０４１に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、ｍ軸方向にオフカット角を有する、
方法。
Ａ０４５
Ａ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板の前記表面は、ｍ面｛１０－１０｝を有する、
方法。
Ａ０５１
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に１°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０５０℃以上である、
方法。
Ａ０５２
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に２°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、１０００℃以上である、
方法。
Ａ０５３
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に４°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、９００℃以上である、
方法。
Ａ０５４
Ａ０４１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって
前記表面は、実質的に６°以上のオフカット角を有し、
前記熱処理の温度は、８５０℃以上である、
方法。
Ａ０６１
Ａ００１からＡ０５３のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、２インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６２
Ａ０６１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、３インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６３
Ａ０６２、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、４インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６４
Ａ０６３、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、６インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６５
Ａ０６４、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、８インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６６
Ａ０６５、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、１０インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ａ０６７
Ａ０６６、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記サファイア基板は、１２インチ以上のサイズを有する、
方法。
Ｂ００１
エピタキシャル基板を製造する方法であって、
Ａ００１からＡ０６６のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法で製造された前記サファイア基板を提供すること；及び
前記サファイア基板の前記表面にエピタキシャル成長を行うこと
を備える方法。
Ｂ００２
Ｂ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、化学気相体積（ＣＶＤ）法、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）法、及びパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）のいずれかである、
方法。
Ｂ０１１
Ｂ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、遷移金属ジカルコゲナイドを成長させることを含む、
方法。
Ｂ０１２
Ｂ０１１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭＸ２、
Ｍ＝遷移金属であり、
Ｘ＝Ｓ，Ｓｅ，及びＴｅからなる群から選択される
からなる群から選択される、
方法。
Ｂ０１３
Ｂ０１１又はＢ０１２、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記遷移金属ジカルコゲナイドは、ＭｏＳ２、ＷＳ２及びＷＳｅ２からなる群から選択される、
方法。
Ｂ０２１
Ｂ００１、又はいずれかの実施形態に記載の方法であって、
前記エピタキシャル成長は、ＧａＮを成長させることを含む、
方法。
Ｃ００１
５０％より高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ００２
９０％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ００３
９５％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ００４
９６％又はそれより高い、シングルスラブ表面の比率を有するサファイア基板。
Ｃ０１１
Ｃ００１からＣ００４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の、
Ｃ面を表面として有する、
サファイア基板。
Ｄ００１
５０％より高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ００２
９０％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ００３
９５％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ００４
９６％又はそれより高い、一つの結晶方位の割合を有する、サファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜。
Ｄ０１１
Ｃ００１からＤ００４のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載のサファイア基板上に成長されたエピタキシャル薄膜であって、
遷移金属カルコゲナイド（ＭＸ２）である、エピタキシャル薄膜。
Ｄ０１２
Ｄ０１１に記載の、又はいずれかの実施形態に記載のエピタキシャル薄膜であって、
前記遷移金属カルコゲナイド（ＭＸ２）は、ＭｏＳ２、ＷＳ２及びＷＳｅ２からなる群から選択される、
エピタキシャル薄膜。
Ｅ００１
Ａ００１からＡ０６７のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法により製造されたサファイア基板；
Ｂ００１からＢ０２１のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載の方法により製造されたエピタキシャル薄膜；
Ｃ００１からＣ０１１のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載のサファイア基板；及び
Ｄ００１からＤ０１１のいずれか一項、又はいずれかの実施形態に記載のエピタキシャル薄膜；
の一方、少なくとも一つ、又は複数を備えるデバイス、装置又はその中間製品。
Ｅ００２
Ｅ００１、又はいずれかの実施形態に記載のデバイス、装置又はその中間製品であって、
前記デバイスは、電子デバイス、光デバイス、熱デバイス、及び／又はバイオデバイスである、
デバイス、装置又はその中間製品。
【0077】
本発明の好ましい実施形態を本明細書に示し、説明してきたが、そのような実施形態が例としてのみ提供されていることは当業者には明らかであろう。本発明が、明細書内で提供される特定の例によって限定されることは意図されていない。本発明は、前述の明細書を参照して説明されてきたが、本明細書の実施形態の説明および図解は、限定的な意味で解釈されることを意味するものではない。当業者は、本発明から逸脱することなく、多数の変形、変更、および置換を思いつくであろう。さらに、本発明のすべての態様は、様々な条件および変数に依存する、本明細書に記載された特定の描写、構成または相対的比率に限定されないことを理解されたい。本明細書に記載されている本発明の実施形態の様々な代替形態が、本発明を実施する際に使用され得ることを理解されたい。したがって、本発明は、そのような代替、変更、変形、または同等物もカバーするものとすることが企図されている。本願の特許請求の範囲が本発明の範囲を定義し、これらの特許請求の範囲内の方法および構造ならびにそれらの均等物がそれによってカバーされることが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
