特許 7373763 ＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶基板およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-26

(45)【発行日】2023-11-06

(54)【発明の名称】ＳｃＡｌＭｇＯ４単結晶基板およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/26 20060101AFI20231027BHJP

   C30B 15/20 20060101ALI20231027BHJP

【ＦＩ】

C30B29/26

C30B15/20

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019024639

(22)【出願日】2019-02-14

(65)【公開番号】P2020132449

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2021-08-23

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮野 謙太郎

(72)【発明者】

【氏名】領木 直矢

(72)【発明者】

【氏名】石橋 明彦

(72)【発明者】

【氏名】信岡 政樹

【審査官】今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１１９５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１７８４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１６１４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７８７６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／２６

Ｃ３０Ｂ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導結合プラズマ発光分光分析法を用いた分析により得られる結晶中の酸素濃度が、５６ａｔｏｍ％以上５７ａｔｏｍ％以下である、
ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板。

【請求項2】

結晶成長用の基板であり、
下記式におけるσが５．０Ｎ／ｍｍ^２以上を満たす曲率半径Ｒ［ｍ］および厚さｔ_ｓ［ｍ］を有し、
前記σが５．０Ｎ／ｍｍ^２以上を満たすときに前記基板がへき開する、
請求項１記載のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板。
σ＝（Ｅ_ｆ×ｔ_ｆ ^２）×１０^３／（６×（１－ｖ_ｆ）×Ｒ×ｔ_ｓ）
（上記式において、Ｅ_ｆ［ＧＰａ］は結晶成長させる膜のヤング率を表し、ｖ_ｆは結晶成長させる膜のポアソン比を表し、ｔ_ｆ［ｍ］は結晶成長させる膜の厚さを表す）

【請求項3】

前記結晶成長させる膜は、ＧａＮである、
請求項２記載のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板。

【請求項4】

請求項１または２記載のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法であって、
ＳｃＡｌＭｇＯ_４で表される単結晶基板の原料の融液に種結晶を接触させて結晶を生じさせる種付け工程と、
前記種付け工程によって生じた前記結晶を引き上げることで単結晶体を育成する結晶育成工程と、
を有し、
前記結晶育成工程では、酸素濃度が０．１体積％以下の雰囲気下で前記結晶を前記融液から引き上げ、
前記融液の液面直下の温度勾配を４．４℃／ｍｍ以上とする、
ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）を形成するための基板としてＳｃＡｌＭｇＯ_４が注目されている。ＳｃＡｌＭｇＯ_４は、ＧａＮとの格子不整合が従来のサファイアに比べて１／１０であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）の高輝度化が見込まれる材料である。

【0003】

ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。ＣＺ法では、チャンバ内に設置したルツボに材料を入れ、その材料を溶融させた後、種結晶を融液に接触させる。そして、引き上げ機構を使って種結晶をゆっくりと回転させながら引き上げることにより、種結晶と同じ方位配列を持った単結晶を成長させ、円柱状のインゴットを得る。

【0004】

特許文献１および特許文献２には、ＳｃＡｌＭｇＯ_４の製造方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１５－４８２９６号公報

【文献】特開２０１５－１７８４４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にＧａＮ膜を成長させると、ＧａＮ膜およびＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板が反るため、互いに応力がかかり、ＧａＮ膜が割れてしまうという課題を有していた。

【0007】

本開示は、上記課題を解決するもので、成長させたＧａＮ膜の割れが生じ難い、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板およびその製造方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記従来の課題を解決するために、本開示のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板は、誘導結合プラズマ発光分光分析法を用いた分析により得られる結晶中の酸素濃度を５７ａｔｏｍ％以下とする。

【0009】

また、本開示のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法は、前記ＳｃＡｌＭｇＯ_４で表される単結晶基板の原料の融液に種結晶を接触させて結晶を生じさせる種付け工程と、前記種付け工程によって生じた前記結晶を引き上げることで単結晶体を育成する結晶育成工程と、を有し、前記結晶育成工程では、酸素濃度が０．１体積％以下の雰囲気下で前記結晶を前記融液から引き上げる。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、へき開性が高く、基板上に成長させたＧａＮ膜が割れ難いＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板、およびその製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の一実施の形態に係るＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法に使用する、高周波加熱方式炉の構成を示す模式図

【図2】本開示の一実施の形態に係るＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法により、単結晶を製造する場合のフローチャート

【図3】本開示の一実施の形態に係るＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法に使用する、抵抗加熱方式炉の構成を示す模式図

【図4】本開示の一実施の形態に係るＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の結晶構造を透過電子顕微鏡で観察した図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【0013】

（実施の形態）
図１は、本開示の一実施の形態に係るＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法に使用する、高周波加熱方式炉の構成を示す模式図である。以下、主に高周波加熱方式によりＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を製造する場合について説明する。ただし、高周波加熱方式の代わりに、抵抗加熱方式を用いてもよい。本実施の形態の方法によれば、結晶中の酸素濃度が低い（具体的には誘導結合プラズマ発光分光分析法を用いた分析により得られる結晶中の酸素濃度が５７ａｔｍ％以下である）ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を得ることができる。このようなＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板は、へき開性が高い。したがって、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にＧａＮ膜を成長させる際、ＧａＮ膜の割れを防止することが可能になる。

【0014】

図１に示す高周波加熱方式炉１００は、ＣＺ法による結晶引き上げ装置であり、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の原料１１０と、ルツボ１２０と、ルツボ支持軸１２１と、耐火材１２２と、断熱材１３０と、加熱コイル１４０と、結晶引き上げ軸１５０と、シードホルダ１５１と、種結晶１５２とを有している。なお、図１には示していないが、高周波加熱方式炉１００は、ＣＺ法による結晶引き上げに必要なチャンバ、真空ポンプ、ガス導入口、ガス排気口、電源、温度などの制御装置などを通常有している。

【0015】

ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の原料（以下、単に「ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料」とも称する）１１０は、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）と、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）とを所定の比率で混合し、一度溶融させたものである。

【0016】

本実施の形態において、ルツボ１２０は、イリジウム製であり、ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０を保持するための容器である。また本実施の形態において、ルツボ支持軸１２１は、タングステン製であり、ルツボ１２０を支持するための軸である。ルツボ支持軸１２１により、設定した速度でルツボ１２０を回転させたり、昇降させたりすることが可能である。

【0017】

耐火材１２２は、ルツボ１２０とルツボ支持軸１２１との間に配置される部材である。本実施の形態では、ジルコニア製であるが、これに限定されない。当該耐火材１２２は、ルツボ１２０およびルツボ支持軸１２１のどちらの材質にも耐反応性を有する。

【0018】

また、断熱材１３０は、本実施の形態ではジルコニア製である。当該断熱材１３０は、ルツボ１２０の周囲を囲んでおり、ルツボ１２０の上部および下部に、それぞれ結晶引き上げ軸１５０を挿入するための貫通孔と、ルツボ支持軸１２１を挿入するための貫通孔を有する。また、加熱コイル１４０は、断熱材１３０の外側に配置されている。当該加熱コイル１４０に高周波電流を流すと高周波磁束が発生する。そして、高周波磁束によりルツボ１２０に渦電流が発生し、ルツボ１２０の表面が発熱することで、ルツボ１２０内のＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０が加熱される。

【0019】

本実施の形態の結晶引き上げ軸１５０は、アルミナ製であり、設定した速度で回転、昇降する機能を持つ。シードホルダ１５１は、結晶引き上げ軸１５０の先端に配置される。本実施の形態では、シートホルダ１５１はイリジウム製であり、先端に種結晶１５２をセットすることが可能である。また、当該シードホルダ１５１にセットする種結晶１５２は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４であり、形状は、正四角柱であるが、当該形状に制限されない。

【0020】

高周波加熱方式炉１００によりＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶を製造する場合について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。

【0021】

まず、ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０を溶融させる、溶融工程（Ｓ２０１）を実施する。溶融工程では、上述の高周波加熱方式炉１００内の雰囲気を不活性ガス雰囲気にするために、真空引きする。その後、不活性ガス雰囲気を導入し、常圧にする。電源投入後、ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０が溶融する温度になるまで、ルツボ１２０に大きな負荷をかけない程度に時間をかけて加熱コイル１４０に与える電力を徐々に増やして加熱する。加熱時間は、ルツボ１２０の大きさに依存するが、ルツボ１２０の外径が８０ｍｍ～１５０ｍｍである場合は、１５時間～６０時間が好ましい。

【0022】

ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の溶融確認後、炉内に酸素を導入する。なお、酸素の濃度は、導入する不活性ガスおよび酸素の比率で調整することができる。例えば、不活性ガスが窒素であり、そのガス導入量が１［ｌ／ｍｉｎ］である場合、混合する酸素のガス流量を１［ｍｌ／ｍｉｎ］にすると、炉内の雰囲気中酸素濃度が０．１体積％となる。同様に、不活性ガスが窒素で、そのガス導入流量が２［ｌ／ｍｉｎ］である場合、混合する酸素ガス流量を１０［ｍｌ／ｍｉｎ］にすると、炉内の雰囲気中酸素濃度が０．５体積％となる。本実施の形態では、酸素濃度が０．１体積％以下の雰囲気下とし、後述の種付け工程（Ｓ２０２）および結晶育成工程（Ｓ２０３）を行うことが好ましい。また特に、０体積％＜酸素濃度であることがより好ましい。

【0023】

続いて、種付け工程（Ｓ２０２）を実施する。具体的には、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０に種結晶１５２が接するまで、結晶引き上げ軸１５０を一定速度で回転させながら徐々に下降させる。種結晶１５２が、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０に接した後、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の融液温度が、結晶の引き上げに適当な温度で安定するまで待機する。

【0024】

続いて、種付け工程（２０２）によって生じた結晶を引き上げることで、単結晶を育成する結晶育成工程（Ｓ２０３）を実施する。結晶引き上げ軸１５０を一定速度で回転させながら一定速度で上昇させる。ここで、結晶引き上げ軸１５０の回転速度は１ｒｐｍ～１０ｒｐｍ、引き上げ速度は０．１ｍｍ／時間～１．５ｍｍ／時間が好ましい。引き上げ開始後は、自動直径制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＤＣ））により所望の結晶形状に制御する。所望の長さまで結晶を引き上げた後は、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の融液から結晶を切り離し、炉内への酸素導入を停止させる。

【0025】

続いて、冷却工程（Ｓ２０４）を実施する。ルツボ１２０および引き上げた結晶に大きな負荷をかけない程度に時間をかけて加熱コイル１４０に与える電力を徐々に減らして冷却する。冷却の時間は、ルツボ１２０の大きさに依存するが、ルツボ１２０の外径が８０ｍｍ～１５０ｍｍである場合は、２０時間～７０時間が好ましい。

【0026】

一方、本実施の形態のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の製造方法に使用可能な抵抗加熱方式炉３００は、図３に示すように、断熱材１３０および加熱コイル１４０の代わりに、断熱材３３０およびヒータ３４０を有している点が、高周波加熱方式炉１００と相違し、他の点については、高周波加熱方式炉１００と同様とすることができる。

【0027】

当該抵抗加熱方式炉３００において、断熱材３３０は、カーボン製であり、ルツボ１２０を囲うように配置される。また、ヒータ３４０は、筒状のカーボン製であり、ヒータ３４０に電流を流すと、ヒータ３４０が発熱し、ルツボ１２０内のＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０が加熱される。

【0028】

抵抗加熱方式炉３００によりＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶を製造する場合も、高周波加熱方式と同様に、図２に示す製造工程とすることができる。まず、ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の溶融工程（Ｓ２０１）を実施する。当該溶融工程は、上述の高周波加熱式炉１００を用いる場合と同様とすることができる。例えば、溶融工程では、雰囲気を不活性ガス雰囲気にするために、真空引き後、不活性ガス雰囲気で常圧にする。そして、電源投入後、ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０が溶融する温度になるまで、ルツボ１２０に大きな負荷をかけない程度に時間をかけてヒータ３４０に与える電力を徐々に増やして加熱する。加熱時間は、高周波加熱式炉１００を用いる場合と同様であり、またこの場合も炉内の酸素濃度を、導入する不活性ガスおよび酸素の比率で調整する。

【0029】

続いて、種付け工程（Ｓ２０２）、結晶育成工程（Ｓ２０３）、および冷却工程（Ｓ２０４）を実施する。これらは、上述の高周波加熱式炉１００を用いる場合と同様とすることができる。

【0030】

高周波加熱方式炉１００および抵抗加熱方式炉３００のいずれの方式でＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を製造する場合においても、上述の結晶育成工程（Ｓ２０３）を行う雰囲気における酸素濃度を０．１体積％以下に調整することで、誘導結合プラズマ発光分光分析法を用いた分析により得られる結晶中の酸素濃度が５７ａｔｍ％以下である、へき開性の高いＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板が得られやすくなる。また特に、上述の結晶育成工程（Ｓ２０３）におけるＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の融液の液面直下における温度勾配を調整することで、さらにへき開性の高いＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板が得られやすくなる。

【0031】

具体的には、炉内の雰囲気中の酸素濃度を下げ、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の融液の液面直下の温度勾配（融液の液面からの距離が１ｍｍ深くなる毎に下がる温度）を大きくすると、融液に溶け込む酸素量が抑制され、引き上げた結晶中の酸素濃度が下がる。融液の液面直下の温度勾配を大きくするためには、ルツボ１２０の側面の最高温度と最低温度との差を大きくする必要がある。ルツボ１２０の側面の最高温度が上がると、融液の温度が高くなる領域が発生し、融液が酸化物の場合に融液から酸素が抜ける。そしてこのとき、炉内の雰囲気中の酸素濃度が低いと、引き上げた結晶中の酸素濃度が下がる。

【0032】

ただし、ルツボ１２０の側面の最高温度が上がると、ルツボ１２０内の融液の対流が激しくなる。その結果、種付け工程（Ｓ２０２）で、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の融液温度が安定しにくくなる。そのため、融液の温度を０．５［℃］以下の精度で制御することで、結晶の引き上げに適当な温度での安定化を実現することが好ましい。

【0033】

図４は、上述の方法で作製されたＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を透過電子顕微鏡で観察したものである。当該ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶は、岩塩型構造面的なＳｃＯ_２層（図４にはＳｃ層と記載）と六方晶面的はＡｌＭｇＯ_２層（図４にはＡｌ／Ｍｇ層と記載）とが交互に積層した構造となっている。ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶は、結合の力が弱いＡｌＭｇＯ_２層間でへき開する。そして、結晶中の酸素濃度が減ると、結合の力が弱いＡｌＭｇＯ_２層間で酸素結合が少なくなり、へき開性がさらに高まる。

【0034】

ここで、溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０の融液の液面直下の温度勾配は、高周波加熱方式炉１００および抵抗加熱方式炉３００のいずれにおいても、断熱材１３０もしくは３３０の上部の結晶引き上げ軸１５０を挿入するための貫通孔の開口面積を変えると変化する。貫通孔の開口面積を広くすると温度勾配が小さくなり、開口面積を狭くすると温度勾配が大きくなる。すなわち、詳細は後述するが、融液の液面直下の温度勾配が４．４℃／ｍｍ以上となるように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を製造することで、より酸素濃度の低いＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶を製造できる。

【0035】

引き上げたＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶からは、所望の厚さの基板が、へき開、レーザスライス、ワイヤースライス等の加工方法で切り出され、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板が製造される。ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の表裏面が、主面となり、当該主面はＧａＮ膜などを成長させるための面として使用される。当該主面は、研磨、研削等により、鏡面加工が施されてもよい。

【0036】

なお、本実施の形態では、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を各種膜（例えばＧａＮ膜）の成長基板として使用する場合、下記式におけるσが５．０以上を満たすように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ［ｍ］およびＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の厚さｔ_ｓ［ｍ］を設定することが好ましい。
σ［Ｎ／ｍｍ^２］≦（Ｅ_ｆ×ｔ_ｆ ^２）×１０^３／（６×（１－ｖ_ｆ）×Ｒ×ｔ_ｓ）
（上記式において、Ｅ_ｆ［ＧＰａ］は、当該結晶ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上に結晶成長させる膜（ここではＧａＮ膜）のヤング率を表し、ｖ_ｆは結晶成長させる膜（ここではＧａＮ膜）のポアソン比を表し、ｔ_ｆ［ｍ］は結晶成長させる膜（ここではＧａＮ膜）の厚さを表す）

【0037】

実施例で詳しく説明するが、上記式を満たすように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ［ｍ］および厚さｔ_ｓ［ｍ］を調整すると、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上に各種膜（ここではＧａＮ膜）を成長させた際に発生する応力（反り応力）が、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板のへき開強度を上回る。したがって、当該反り応力によって結晶成長させた膜（ＧａＮ膜）に割れが生じる前に、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板がへき開し、結晶成長させた膜（ＧａＮ膜）から剥離する。

【0038】

なお、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板では、切り出したウエハに対して、Ｘ線回折法による分析で得られるロッキングカーブの半値全幅［秒］が好ましくは２０［秒］以下であることが好ましい。

【0039】

ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にＧａＮ膜を形成する場合、ＧａＮ膜は、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）といった、所謂、気相成長法により形成される。一方、ＧａＮ膜は、ナトリウムフラックス法に代表されるアルカリ金属融液（フラックス）を用いるフラックス法等の液相成長法で形成されてもよい。

【0040】

なお、上述の説明では、断熱材１３０、３３０はジルコニア製としたが、これに限るものではない。ルツボ１２０、シードホルダ１５１はイリジウム製としたが、これに限るものではない。ルツボ支持軸１２１はタングステン製としたが、耐火材１２２と反応しないものであれば、特に問わない。耐火材１２２はジルコニア製としたが、ルツボ１２０、ルツボ支持軸１２１と反応しないものであれば、特に問わない。結晶引き上げ軸１５０はアルミナ製としたが、シードホルダ１５１と反応しないものであれば、特に問わない。

【実施例】

【0041】

［実施例１、２、および比較例１］
図１に示す高周波加熱方式炉１００を用いて結晶育成を行い、その後、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にＧａＮ膜を成長させた結果を表１に示す。比較例１、および実施例１～２では、炉内の雰囲気（結晶育成工程）の酸素濃度、および融液の液面直下の温度勾配をそれぞれ表１に示すように変化させた。また、表１には、得られたＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板中の酸素濃度と、引き上げた結晶のへき開強度と、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にＧａＮ膜を成長させたときのＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の剥離の有無、およびＧａＮ膜の割れの発生の有無も示す。

【0042】

なお、高周波加熱方式炉１００（特に結晶育成工程）における雰囲気中の酸素濃度は、炉内に不活性ガス（窒素）の流量と、酸素の流量とで調整した。実施例１および２では、
不活性ガス（窒素）の流量１［ｌ／ｍｉｎ］に対し、混合する酸素の流量を１［ｍｌ／ｍｉｎ］とした。比較例１では、不活性ガス（窒素）の流量１［ｌ／ｍｉｎ］に対し、混合する酸素の流量を５［ｍｌ／ｍｉｎ］とした。なお、表１には示していないが、酸素量を０とした場合、結晶表面が白く着色し、クラックが発生した。これは結晶内の酸素濃度が少なくなり過ぎたためである。

【0043】

また、融液の液面直下の温度勾配については、結晶引き上げ軸１５０を挿入するための貫通孔の開口面積で調整した。具体的には、比較例１における当該貫通孔の開口面積を１．００としたときに、実施例１では０．４１とした。これにより、融液の液面直下の温度勾配が、４．７℃／ｍｍとなった。また、実施例２では開口面積を０．５６とした。これにより、融液の液面直下の温度勾配が、４．４℃／ｍｍとなった。

【0044】

［物性の測定および評価］
各数値の測定および評価は、以下の方法で行った。

【0045】

・結晶中の酸素濃度
結晶中の酸素濃度は、誘導結合プラズマ発光分光分析法を用いて測定した。具体的には、誘導結合プラズマ発光分光分析装置として、ｉＣＡＰ ７４００ Ｄｕｏ（サーモフィッシャーサイエンティフィック社製）を用いて、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶の主成分であるＳｃ、Ａｌ、Ｍｇの分析を行い、ＯはＳｃ、Ａｌ、Ｍｇの分析値を差し引いた残分を全てＯとして算出した。

【0046】

・融液の液面直下温度勾配
融液の液面直下の温度勾配は、タングステン（Ｗ）－レニウム（Ｒｅ）熱電対（Ｗ・５％Ｒｅ－Ｗ・２６％Ｒｅ）をイリジウム製の保護管に挿入し、図１の断熱材１３０の結晶引き上げ軸１５０用の貫通孔から、結晶引き上げ軸１５０の代わりに、イリジウム製の保護管を下降させ、ルツボ１２０内の溶融したＳｃＡｌＭｇＯ_４原料１１０に着液させて測定した。

【0047】

・へき開強度
へき開強度は、 小型卓上試験機ＥＸ－Ｓ５００Ｎ（島津製作所製）を用いて、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板にアルミ製のリベットを接着し、接着したアルミ製のリベットを引っ張り、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板がへき開して剥離したときの力を測定した。

【0048】

・基板の剥離および成長膜の割れ
基板の剥離および成長膜の割れは、目視で確認した。

【0049】

【表1】

【0050】

表１より、結晶育成工程における雰囲気中の酸素濃度を０．１体積％以下とし、かつ、融液の液面直下の温度勾配を４．４℃／ｍｍ以上とすると、得られる結晶中の酸素濃度が低減し、へき開強度が下がることが理解できる。また、結晶中酸素濃度が５７ａｔｍ％以下であると、へき開強度が５．０Ｎ／ｍｍ^２以下となった。そしてこの場合、当該ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にＧａＮを結晶成長させた際、応力がかかったとしても、ＧａＮ膜が割れる前にＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板が剥離し、基板上に成長したＧａＮ膜に割れが発生しなかった。

【0051】

［ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上にかかる応力について］
ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の主面上にＧａＮを結晶成長させる場合に、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板にかかる応力について説明する。ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上に成長させる膜からＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板にかかる応力σ［Ｎ／ｍｍ^２］は、Ｓｔｏｎｅｙの式（式１）で表される。ここで、Ｅ_ｆ［ＧＰａ］は成長膜のヤング率、ｖ_ｆは成長膜のポアソン比、ｔ_ｆ［ｍ］は成長膜の厚さ、ｔ_ｓ［ｍ］はＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の厚さ、Ｒ［ｍ］は成長膜の曲率半径である。
σ＝（Ｅ_ｆ×ｔ_ｆ ^２）×１０^３／（６×（１－ｖ_ｆ）×Ｒ×ｔ_ｓ）・・・（式１）

【0052】

成長膜がＧａＮ膜の場合、ヤング率Ｅ_ｆは３２１ＧＰａであり、ポアソン比ｖ_ｆは０．２１である。例えば、ＧａＮ膜の厚さが１ｍｍの場合、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の厚さを変化させたときに、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板にかかる応力が５．０Ｎ／ｍｍ^２以上となる曲率半径Ｒの範囲［ｍ］を表２に示す。式１のＲは本来、成長膜の曲率半径であるが、成長膜は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上に成長させるので、これらの曲率半径は同一である。なお、信頼性の観点からσが８．２［Ｎ／ｍｍ^２］未満となるように、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ［ｍ］およびＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の厚さｔ_ｓ［ｍ］を設定するのが好ましい。

【0053】

【表2】

【0054】

上記では、成長させるＧａＮ膜の厚さを１ｍｍもしくは１．５ｍｍとしたが、ＧａＮ膜は所望の値とすることができる。この場合、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の酸素濃度を５７ａｔｏｍ％以下に制御しつつ、所望のＧａＮ膜の厚さｔ_ｆに対して５．０≦σを満たすような曲率半径ＲおよびＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の厚さｔ_ｓを選択してＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を製造すればよい。当該ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を用いて所望の厚さｔ_ｆのＧａＮ膜を製造すると、反りが発生した際にＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板に加わる応力が、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板のへき開強度を上回る。これにより、ＧａＮ膜に割れが生じる前に、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板を剥離させることができ、内部応力を開放することができる。

【0055】

なお、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ_ｓ［ｍ］は、結晶引き上げ軸１５０の回転数ａ［ｒｐｍ］および引き上げ速度ｂ［ｍｍ／ｈ］によって変化する。表１の実施例１と、回転数ａ［ｒｐｍ］および引き上げ速度ｂ［ｍｍ／ｈ］以外は同一の条件とした場合のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ_ｓ［ｍ］を表３に示す。

【0056】

【表3】

【0057】

表３より、回転数ａ［ｒｐｍ］を下げるとＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ_ｓ［ｍ］が大きくなり、引き上げ速度ｂ［ｍｍ／ｈ］を下げるとＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板の曲率半径Ｒ_ｓ［ｍ］が小さくなることがわかる。

【0058】

本開示のＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板によれば、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板のへき開性が高めることができる。これにより、基板上に成長させたＧａＮ膜の割れを抑制することが可能となる。なお、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板上に成長させる膜はＧａＮが好ましいが、式１でσが５．０以上を満たす材料も成長膜として適用可能である。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明は、ＳｃＡｌＭｇＯ_４単結晶基板およびその製造方法は、ＧａＮ膜の成膜等に有用である。

【符号の説明】

【0060】

１００ 高周波加熱方式炉
１１０ ＳｃＡｌＭｇＯ_４原料
１２０ ルツボ
１２１ ルツボ支持軸
１２２ 耐火材
１３０ 断熱材
１４０ 加熱コイル
１５０ 結晶引き上げ軸
１５１ シードホルダ
１５２ 種結晶
３００ 抵抗加熱方式炉
３３０ 断熱材
３４０ ヒータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】