專利名稱：外延生長用內部改性襯底和使用其制造的晶體成膜體、器件、塊狀襯底以及它們的制造方法
技術領域：
本發明涉及的是外延生長用內部改性襯底和使用其制造的晶體成膜體、器件、塊狀襯底以及它們的制造方法。
背景技術：
以氮化鎵為代表的氮化物半導體，由于帶隙寬且能夠發出藍色系光，因此，被廣泛地使用于LED (發光二極管)或LD (半導體激光器)等中。近年來，對進一步提高發光效率或高亮度化的研究被廣泛地進行。一般的氮化物半導體發光元件結構，具有在藍寶石襯底上依次層壓有由GaN構成的緩沖層、由η型GaN構成的η型接觸層、由η型AWaN構成的η型包層、由η型InGaN構成的活性層、由P型AWaN構成的ρ型包層、由ρ型GaN構成的ρ型接觸層的雙異質結構。 活性層，構成為包含僅具有由^ixGiihN(0彡X彡1)構成的阱層的單量子阱(SQW =Single Quantum Well)結構、或者由Ιη^ει^ΜΟ彡X彡1)構成的阱層和由InyGai_yN(0彡y彡l、y < x)構成的阻擋層的多量子阱(MQW =Multi Quantum Well)結構中的In(專利文獻1)。在藍寶石襯底上使上述的氮化鎵層外延生長時，起因于氮化鎵與藍寶石的熱膨脹系數差和晶格常數差而在成膜后的藍寶石襯底上產生翹曲的情況，已被認知。在非專利文獻1中，對在藍寶石襯底上外延生長AlN緩沖層和GaN層并如何根據 GaN層的膜厚度來緩和通過成膜而產生的熱應力，進行了調查。在該非專利文獻1中，隨著膜厚度變厚而襯底的翹曲變大，通過伴隨于此產生界面缺陷(Interface Defects)、微觀裂紋(Microcracks)或位錯(Dislocation)、宏觀裂紋(Macrocracks)來緩和應力的情況，已被明確。另外，在非專利文獻2的圖4中，公開了對通過在藍寶石襯底上外延生長GaN系 LED結構的工序而產生的襯底的翹曲進行h-situ(原位)觀察的分析方法。通過這樣，發現在一系列的成膜工序中，由于成膜物質、成膜溫度、膜厚度的變化而使藍寶石襯底的曲率大幅變化。而且，通過形成在作為活性層的hGaN層的生長階段中藍寶石襯底的曲率幾乎為 0那樣的成膜工序，而使襯底面內的發光波長均勻化的情況，也被明確。如上所述，可知通過一系列的成膜工序藍寶石襯底的翹曲大幅變化，從而對氮化物半導體膜的質量或發光波長的均勻性帶來影響。實際上，利用與襯底的熱膨脹系數差，以^iGaN系活性層中襯底曲率幾乎為0那樣，而設定藍寶石襯底的翹曲形狀和翹曲量。在這樣的背景下，為了控制藍寶石襯底的形狀和翹曲量，而研究了各種研磨加工技術(例如專利文獻2)。另一方面，在將藍寶石襯底上層壓有氮化物半導體的發光元件進行分割時，在具有80 90 μ m左右的厚度的藍寶石襯底的內部，會聚脈沖激光而形成與發光元件的分割預定線對應的改性區域的技術已被認知(專利文獻幻。專利文獻3的發明，是即使對藍寶石襯底照射激光光線而分割成各個發光元件，也能夠抑制發光元件的亮度降低的藍寶石襯底的加工方法，以發光元件的分割為目的。專利文獻1 日本公開公報、特許第3250438號專利文獻2 日本公開公報、特開2006-347776號專利文獻3 日本公開公報、特開2008-6492號非專利文獻1 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 1528-1533非專利文獻2 :J. Cryst. Growth, Vol. 272、Issues 1-4、(2004), pp. 94-99
發明內容
如上所述，存在由于通過得到氮化鎵系發光二極管結構的一系列成膜工序而使藍寶石襯底的翹曲大幅變化，因而氮化物半導體層的質量或發光波長的均勻性變差，從而發光二極管的成品率變低這樣的問題。針對該問題，在現有的方法中，采用以使^iGaN系活性層的生長階段中的襯底的曲率幾乎為0那樣而設定藍寶石襯底的翹曲形狀和翹曲量的方法。也就是，預先對藍寶石襯底賦予在^GaN系活性層的生長階段中產生的翹曲量部分而進行抵消這樣的方法。通過這樣，雖然能夠某種程度地抑制發光波長的偏差，但是，存在在InGaN系活性層以外的成膜工程中產生的襯底的翹曲的問題無法解決這樣的問題。特別是，在n-GaN層生長階段、或成膜結束后冷卻襯底時，由于藍寶石襯底大幅翹曲，因此存在膜質量和膜質量均勻性降低、或者襯底的晶背研磨加工無法均勻地進行等的問題。由于這些問題大幅影響發光二極管等器件的成品率，因此，需要通過成膜工序整體來抑制襯底的翹曲及其變化量，從而減小襯底的翹曲行為本身，但是，這樣的藍寶石襯底目前并不存在。另外，在使藍寶石襯底大口徑化時，存在利用研磨加工進行的精密的翹曲形狀和翹曲量的控制本身變困難這樣的問題。在實施了研磨加工的藍寶石襯底中，通常由于加工變形的殘留或上下面的精加工的表面粗糙度的差異而在襯底上產生翹曲的情況，已被認知。例如，在單面被研磨的襯底中，主要是上下面的表面粗糙度不同成為翹曲的主要原因， 在雙面被研磨的襯底中，除了上下面的表面粗糙度稍微不同之外，襯底面內的表面粗糙度略微偏差也成為翹曲的主要原因。特別是，在大口徑襯底中，使襯底面內的表面粗糙度變均勻在技術上是困難的，從而存在僅通過研磨加工無法精密地控制成所希望的翹曲形狀和翹曲量這樣的技術限制的問題。另外，若為了得到氮化物半導體塊狀襯底，而欲在藍寶石襯底上使氮化物半導體的厚膜外延生長至能夠自支撐(Free-standing)的厚度的話，則存在由于藍寶石與氮化物半導體的熱膨脹系數差而藍寶石襯底大幅翹曲，進而由于膜厚度增加而翹曲量增大這樣的問題。因此，結果在成膜中或成膜后產生裂紋，得到能夠自支撐的氮化物半導體塊狀襯底實質上是不可能的。作為這些的解決方法，提出了ELOG(Epitaxial Lateral Over Growth、側向夕卜延)法、DEEP (Dislocation Elimination of Inverted-Pyramidal Pits)法、或 VAS (Void-Assisted S印aration、間隙形成剝離)法等，但是，任意一種方法中都存在工序復雜這樣的缺點。鑒于這樣的問題，本發明的目的在于，提供一種藍寶石襯底和使用其制造的氮化物半導體層成膜體、氮化物半導體器件、氮化物半導體塊狀襯底以及它們的制造方法，其中，藍寶石襯底是主要使用于氮化物半導體層的外延生長中的藍寶石襯底，能夠有效地精密地控制襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，且能夠抑制成膜中產生的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為。本發明者們發現，通過在使氮化物半導體層外延生長前的藍寶石襯底的內部，使用脈沖激光形成改性區域圖形，而能夠控制藍寶石襯底的應力，從而能夠有效地控制襯底的翹曲形狀和/或翹曲量。另外，發現使用通過本發明得到的藍寶石襯底形成氮化物半導體層的話，能夠利用形成有改性區域圖形的藍寶石襯底的應力，將通過成膜而產生的應力抵消，從而能夠抑制成膜工序中的襯底的翹曲而減小襯底的翹曲行為，從而完成了本發明。也就是說，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底，是通過外延生長而形成的氮化物半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底，其特征在于，在上述藍寶石襯底的內部，形成有利用了多光子吸收的改性區域圖形，其中，多光子吸收是基于脈沖激光而產生的。另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 在上述藍寶石襯底的內部，透過上述藍寶石襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形而制造，其中，多光子吸收是基于脈沖激光而產生的。另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 在上述發明的基礎上，至少一種上述改性區域圖形的平面形狀，是帶狀、網格狀、配置有多個多角形的形狀、同心圓狀、螺旋狀、相對于通過藍寶石襯底的中心點的直線呈略線對稱或略點對稱的形狀中的任意一種。另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 在上述發明的基礎上，至少一種上述改性區域圖形的形成位置，是從上述藍寶石襯底的成膜面起，為襯底厚度的3%以上95%以下的位置，構成上述改性區域圖形的各線間的間距為50μ 以上2000 μ m以下。另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 在上述發明的基礎上，至少一種上述改性區域圖形的平面形狀，是相對于通過藍寶石襯底的中心點的直線呈略線對稱、略點對稱的形狀、網格狀中的任意一種，上述改性區域圖形的形成位置，是從藍寶石襯底的成膜面起，為襯底厚度的3 %以上50%以下的位置，構成上述改性區域圖形的各線間的間距為50 μ m以上2000 μ m以下。另外，本發明的氮化物半導體層成膜體的特征在于，在上述氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的成膜面上，成膜至少一層氮化物半導體層而制造。另外，本發明的氮化物半導體器件的特征在于，使用本發明的氮化物半導體層成膜體而制造。另外，本發明的氮化物半導體塊狀襯底的特征在于，使用本發明的氮化物半導體層的厚膜而制造。
另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 使用如下那樣的改性區域圖形形成用藍寶石襯底而制造，即，上述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，上述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率大于Okm 1小于等于 160km—1的改性區域圖形形成用藍寶石襯底。另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 使用如下那樣的改性區域圖形形成用藍寶石襯底而制造，即，上述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，上述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率為40km—1以上 150km—1以下的改性區域圖形形成用藍寶石襯底。另外，本發明的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的特征在于， 使用如下那樣的改性區域圖形形成用藍寶石襯底而制造，即，上述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，上述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率為85km—1以上 150km—1以下的改性區域圖形形成用藍寶石襯底。另外，本發明的改性區域圖形形成用藍寶石襯底的特征在于，直徑為50mm以上 300mm以下，厚度為0. 05mm以上5. Omm以下。本發明的內部改性藍寶石襯底，能夠適用于包括氮化物半導體在內的各種半導體層的外延生長。另外，能夠適用于能夠利用脈沖激光在內部形成改性區域圖形的藍寶石以外的所有單晶襯底。特別是，在使用于外延生長的單晶襯底中，由于不限于異質外延生長， 在包含相同組成或混合晶的同質外延生長中也能夠解決所產生的襯底的翹曲的問題，因此是有用的。因此，能夠提高各種器件或各種塊狀襯底的質量或成品率。本發明具有以下所記載的那樣的效果。采用權利要求1或2所記載的發明的話，在主要使用于通過外延生長而得到的結晶性膜的成膜中的單晶襯底中，能夠有效地提供精密地控制了襯底的翹曲形狀和/或翹曲量的單晶襯底。本發明，在僅進行研磨加工的話則控制在技術上變困難的大口徑襯底中特別有效。另外，具有能夠提供如下那樣的單晶襯底的效果，即，能夠抑制外延生長工序中產生的襯底的翹曲從而能夠減小襯底的翹曲行為的單晶襯底。采用權利要求3所記載的發明的話，在能夠使用脈沖激光而在襯底內部形成改性區域圖形的藍寶石、氮化物半導體、Si、GaAs、水晶、SiC等的單晶襯底中，具有與權利要求1 或2相同的效果。采用權利要求4所記載的發明的話，由于能夠利用形成有改性區域圖形的單晶襯底的應力將通過成膜而產生的應力抵消，因此，能夠抑制成膜中的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為。其結果是，能夠抑制結晶性膜中的位錯的發生或膜厚度不均勻化，從而能夠得到膜的質量和均勻性提高了的晶體成膜體。能夠使用本發明的晶體成膜體構成各種器件。另外，本發明的晶體成膜體，在通過外延生長而形成具有能夠自支撐的膜厚度的厚膜時，能夠作為基底襯底而使用。采用權利要求5所記載的發明的話，由于能夠使用膜的質量和均勻性提高了的晶體成膜體構成各種器件，因此，能夠提供質量和成品率提高了的各種器件。采用權利要求6所記載的發明的話，由于能夠抑制在成膜中或成膜后產生的襯底的翹曲，因此，能夠不使用復雜的工序、另外不產生裂紋地使結晶性膜的厚膜生長。因此，能夠提供由具有能夠自支撐的膜厚度的結晶性膜的厚膜構成的各種塊狀襯底。采用權利要求7或8所記載的發明的話，在使用于半導體層的外延生長的藍寶石襯底中，能夠有效地提供精密地控制了襯底的翹曲形狀和/或翹曲量的藍寶石襯底。另外， 采用本發明的藍寶石襯底的話，由于在內部形成有改性區域圖形，因此不需要進行襯底的再清洗。本發明，在僅進行研磨加工的話則控制在技術上變困難的大口徑襯底中特別有效。另外，具有如下那樣的效果，S卩，通過使用本發明的藍寶石襯底，能夠抑制半導體層的外延生長工序中產生的襯底的翹曲，從而能夠減小襯底的翹曲行為這樣的效果。進而， 由于在藍寶石襯底表面上沒有圖形，因此，不需要大幅度的成膜條件的變更，從而能夠以與現有的藍寶石襯底相同的條件進行成膜。采用權利要求9所記載的發明的話，由于能夠利用形成有改性區域圖形的藍寶石襯底的應力將通過半導體層的成膜而產生的應力抵消，因此，能夠抑制成膜中的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為。其結果是，能夠抑制半導體層中的位錯的發生或膜厚度不均勻化，從而能夠得到膜的質量和均勻性提高了的半導體層成膜體。能夠使用本發明的半導體層成膜體構成各種半導體器件。另外，本發明的半導體層成膜體，在通過外延生長而形成具有能夠自支撐的膜厚度的厚膜時，能夠作為基底襯底而使用。采用權利要求10所記載的發明的話，由于能夠使用膜的質量和均勻性提高了的半導體層成膜體而構成各種半導體器件，因此，能夠提供質量和成品率提高了的各種半導體器件。采用權利要求11所記載的發明的話，由于能夠抑制在半導體層的成膜中或成膜后產生的襯底的翹曲，因此，能夠不使用復雜的工序、另外不產生裂紋地使半導體層的厚膜生長。因此，能夠提供由具有能夠自支撐的膜厚度的半導體層成膜體的厚膜構成的各種半導體塊狀襯底。采用權利要求12或13所記載的發明的話，在使用于氮化物半導體層的外延生長的藍寶石襯底中，能夠有效地提供精密地控制了襯底的翹曲形狀和/或翹曲量的藍寶石襯底。另外，采用本發明的藍寶石襯底的話，由于在內部形成有改性區域圖形，因此不需要進行襯底的再清洗。本發明，在僅進行研磨加工的話則控制在技術上變困難的大口徑襯底中特別有效。另外，具有如下那樣的效果，S卩，通過使用本發明的藍寶石襯底，能夠抑制在氮化物半導體層的外延生長工序中產生的襯底的翹曲，從而能夠減小襯底的翹曲行為這樣的效果。進而，由于在藍寶石襯底的表面上沒有圖形，因此，不需要大幅度的成膜條件的變更，從而能夠以與現有的藍寶石襯底相同的條件進行成膜。采用權利要求14所記載的發明的話，除了權利要求12或13中記載的效果之外， 主要還具有能夠提供將襯底的翹曲形狀控制成均勻的藍寶石襯底這樣的效果。采用權利要求15所記載的發明的話，除了權利要求12 14中記載的效果之外， 主要還具有能夠提供精密地控制了襯底的翹曲量的藍寶石襯底這樣的效果。采用權利要求16所記載的發明的話，除了權利要求12 14中記載的效果之外， 進而還具有能夠提供如下那樣的藍寶石襯底的效果，即，能夠良好地抑制在氮化物半導體層的外延生長工序中產生的襯底的翹曲，從而能夠減小襯底的翹曲行為的藍寶石襯底。
采用權利要求17所記載的發明的話，由于能夠利用形成有改性區域圖形的藍寶石襯底的應力將通過氮化物半導體層的成膜而產生的應力抵消，因此，能夠抑制成膜中的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為。其結果是，能夠抑制氮化物半導體層中的位錯的發生或膜厚度不均勻化，從而能夠得到膜的質量和均勻性提高了的氮化物半導體層成膜體。能夠使用本發明的氮化物半導體層成膜體而構成各種氮化物半導體器件。另外，本發明的氮化物半導體層成膜體，在通過外延生長而形成具有能夠自支撐的膜厚度的厚膜時，能夠作為基底襯底而使用。采用權利要求18所記載的發明的話，由于能夠使用膜的質量和均勻性提高了的氮化物半導體層成膜體而構成各種氮化物半導體器件，因此，能夠提供質量和成品率提高了的各種氮化物半導體器件。采用權利要求19所記載的發明的話，作為氮化物半導體器件，尤其能夠提供發光元件、電子器件、受光元件中的任意一種。采用權利要求20所記載的發明的話，由于能夠抑制在氮化物半導體層的成膜中或成膜后產生的襯底的翹曲，因此，能夠不使用復雜的工序、另外不產生裂紋地使氮化物半導體層的厚膜生長。因此，能夠提供由具有能夠自支撐的膜厚度的氮化物半導體層成膜體的厚膜構成的各種氮化物半導體塊狀襯底。采用權利要求21所記載的發明的話，作為氮化物半導體塊狀襯底，尤其能夠提供由AlJnyGEizN (x+y+z = Ux^ 0,y ^ 0,z ^ 0)構成的氮化物半導體塊狀襯底。采用權利要求22所記載的發明的話，能夠制造精密地控制了襯底的翹曲形狀和/ 或翹曲量的內部改性藍寶石襯底。采用權利要求23或M所記載的發明的話，除了權利要求22中記載的效果之外， 還能夠制造如下那樣的內部改性藍寶石襯底，即，在襯底氮化物半導體層的成膜工序中，能夠抑制襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為的內部改性藍寶石襯底。采用權利要求25所記載的發明的話，能夠有效地制造如下那樣的內部改性藍寶石襯底，即，能夠精密地控制襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，且在襯底氮化物半導體層的成膜工序中，能夠抑制襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為的內部改性藍寶石襯底。采用權利要求沈所記載的發明的話，能夠有效且精密地控制單晶襯底的翹曲形狀和/或翹曲量。本發明，在僅進行研磨加工的話則控制在技術上變困難的大口徑襯底中特別有效。采用權利要求27所記載的發明的話，在能夠使用脈沖激光而在襯底內部形成改性區域圖形的藍寶石、氮化物半導體、Si、GaAs、水晶、SiC等的單晶襯底中，具有與權利要求 26相同的效果。采用權利要求觀所記載的發明的話，由于能夠抑制成膜中的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為，因此，能夠抑制結晶性膜中的位錯的發生或膜厚度不均勻化，從而能夠提高膜的質量和均勻性。采用權利要求四所記載的發明的話，由于能夠使用膜的質量和均勻性提高了的晶體成膜體而構成各種器件，因此，能夠制造質量和成品率提高了的各種器件。采用權利要求30所記載的發明的話，由于能夠抑制在成膜中或成膜后產生的襯底的翹曲，因此，能夠不使用復雜的工序、另外不產生裂紋地使結晶性膜的厚膜生長。因此，能夠制造由具有能夠自支撐的膜厚度的結晶性膜的厚膜構成的各種塊狀襯底。采用權利要求31所記載的發明的話，能夠有效且精密地控制半導體層的外延生長中所使用的藍寶石襯底的翹曲形狀和/或翹曲量。本發明，在僅進行研磨加工的話則控制在技術上變困難的大口徑襯底中特別有效。另外，在本發明中，由于在內部形成有改性區域圖形，因此，具有不需要進行襯底的再清洗這樣的效果。采用權利要求32所記載的發明的話，由于能夠抑制成膜中的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為，因此，能夠抑制半導體層成膜中的位錯的發生或膜厚度不均勻化，從而能夠提高膜的質量和均勻性。進而具有如下那樣的效果，即，由于在藍寶石襯底的表面上沒有圖形，因此，不需要大幅度的成膜條件的變更，從而能夠以與現有的藍寶石襯底相同的條件進行成膜這樣的效果。采用權利要求33所記載的發明的話，由于能夠使用膜的質量和均勻性提高了的半導體層成膜體而構成各種半導體器件，因此，能夠制造質量和成品率提高了的各種半導體器件。采用權利要求34所記載的發明的話，由于能夠抑制在成膜中或成膜后產生的襯底的翹曲，因此，能夠不使用復雜的工序、另外不產生裂紋地使半導體層的厚膜生長。因此， 能夠制造由具有能夠自支撐的膜厚度的半導體層的厚膜構成的各種半導體塊狀襯底。采用權利要求35所記載的發明的話，能夠有效且精密地控制氮化物半導體層的外延生長中所使用的藍寶石襯底的翹曲形狀和/或翹曲量。本發明，在僅進行研磨加工的話則控制在技術上變困難的大口徑襯底中特別有效。另外，在本發明中，具有由于在內部形成改性區域圖形，因而不需要進行襯底的再清洗這樣的效果。采用權利要求36所記載的發明的話，除了權利要求35中記載的效果之外，主要還具有能夠將藍寶石襯底的翹曲形狀控制成均勻這樣的效果。采用權利要求37所記載的發明的話，除了權利要求36中記載的效果之外，主要還具有能夠精密地控制藍寶石襯底的翹曲量這樣的效果。采用權利要求38所記載的發明的話，除了權利要求35 37中記載的效果之外， 還具有能夠更加良好地抑制氮化物半導體層的外延生長工序中產生的襯底的翹曲，從而減小藍寶石襯底的翹曲行為這樣的效果。采用權利要求39所記載的發明的話，由于能夠抑制成膜中的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為，因此，能夠抑制氮化物半導體層成膜中的位錯的發生或膜厚度不均勻化，從而能夠提高膜的質量和均勻性。進而具有如下那樣的效果，即，由于在藍寶石襯底的表面上沒有圖形，因此不需要大幅度的成膜條件的變更，從而能夠以與現有的藍寶石襯底相同的條件進行成膜這樣的效果。采用權利要求40所記載的發明的話，由于能夠使用膜的質量和均勻性提高了的氮化物半導體層成膜體而構成氮化物半導體器件，因此，能夠制造質量和成品率提高了的氮化物半導體器件。采用權利要求41所記載的發明的話，作為氮化物半導體器件，尤其能夠提高發光元件、電子器件、受光元件中的任意一種的質量和成品率。采用權利要求42所記載的發明的話，由于能夠抑制在成膜中或成膜后產生的襯底的翹曲，因此，能夠不使用復雜的工序、另外不產生裂紋地使氮化物半導體層的厚膜生長。因此，能夠制造由具有能夠自支撐的膜厚度的氮化物半導體層的厚膜構成的氮化物半導體塊狀襯底。采用權利要求43所記載的發明的話，尤其是能夠不產生裂紋地制造由 AlxInyGazN(x+y+z = 1、χ彡0、y彡0、ζ彡0)構成的氮化物半導體層的厚膜。采用權利要求44所記載的發明的話，能夠有效地制造精密地控制了襯底的翹曲形狀和/或翹曲量的內部改性藍寶石襯底。采用權利要求45或46所記載的發明的話，除了權利要求44中記載的效果之外， 還能夠有效地制造如下那樣的內部改性藍寶石襯底，即，在襯底氮化物半導體層的成膜工序中，能夠抑制襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為的內部改性藍寶石襯底。采用權利要求47所記載的發明的話，能夠有效地制造如下那樣的內部改性藍寶石襯底，即，能夠精密地控制襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，且在襯底氮化物半導體層的成膜工序中，能夠抑制襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為的內部改性藍寶石襯底。
圖1是本實施方式涉及的對單晶襯底內部形成改性區域的示意圖。圖2是本實施方式涉及的改性區域圖形的圖形形狀、間距、形成位置的示意圖。圖3是本實施方式涉及的氮化物半導體層的外延生長工序的示意圖。圖4是本實施方式涉及的氮化物半導體生長工序中的h-situ(原位)觀察例的示意圖。波譜A是使用現有的藍寶石襯底的例子，波譜B、C是使用本發明的藍寶石襯底的例子。圖5是本實施方式涉及的襯底的翹曲量與曲率的關系的示意圖。圖6是本實施方式涉及的使用了本發明的藍寶石襯底的h-situ(原位)觀察例的示意圖。圖7是本實施例2涉及的形成位置和間距相對于改性區域圖形形成后的襯底曲率的變化量的依賴關系的示意圖。圖是本實施例3涉及的樣品10的h-situ (原位)觀察結果的示意圖。圖8b是本實施例3涉及的樣品12的h-situ(原位)觀察結果的示意圖。圖8c是本實施例3涉及的樣品14的h_situ(原位)觀察結果的示意圖。圖8d是本實施例3涉及的樣品16的h-situ(原位)觀察結果的示意圖。圖8e是本實施例3涉及的樣品18的h_situ(原位)觀察結果的示意圖。圖8f是本實施例3涉及的樣品20的h-situ(原位)觀察結果的示意圖。
具體實施例方式以下，對用于實施本發明的適宜的方式進行說明。本發明的外延生長用內部改性襯底的特征在于，在通過外延生長而形成的結晶性膜的成膜中所使用的單晶襯底的內部，透過上述單晶襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形而制造，其中，多光子吸收是基于上述脈沖激光而產生的。單晶襯底，只要是能夠利用基于脈沖激光的多光子吸收而在內部形成改性區域的材質即可，可以舉出藍寶石、氮化物半導體、Si、GaAs、水晶、SiC等。另外，也可以是石英或玻璃等，而不是單晶襯底。所使用的脈沖激光的波長，比適用的單晶襯底的吸收端波長長的、透明的波段中的波長是合適的。脈沖寬度、照射能量需要根據材料的物理特性而適當地進行選擇。在單晶襯底為藍寶石襯底的情況下，脈沖激光的波長以200nm以上5000nm以下為佳，脈沖寬度以皮秒 飛秒為佳，以200fs 800fs為更佳，重復頻率以50kHz 500kHz為佳。激光功率為0. 05 0. 8W，激光的光斑尺寸為0. 5 4 μ m，光斑尺寸以2 μ m左右為佳。 試樣臺的掃描速度，考慮到批量生產率的話以100 1000mm/S為佳。另外，將能夠形成Si、GaAs、水晶中的改性區域的典型的加工條件表示于表1中。[表1]
權利要求
1.一種外延生長用內部改性襯底，是通過外延生長而形成的結晶性膜的成膜中所使用的單晶襯底，其特征在于，在所述單晶襯底的內部，形成有利用了多光子吸收的改性區域圖形，其中，多光子吸收是基于脈沖激光而產生的。
2.—種外延生長用內部改性襯底，是通過外延生長而形成的結晶性膜的成膜中所使用的單晶襯底，其特征在于，在所述單晶襯底的內部，透過所述單晶襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形而被制造，其中，多光子吸收是基于所述脈沖激光而產生的。
3.如權利要求1或2所述的外延生長用內部改性襯底，其特征在于，所述單晶襯底的材質是藍寶石、氮化物半導體、Si、GaAs、水晶、SiC中的任意一種。
4.一種晶體成膜體，其特征在于，在權利要求1 3的任意一項所記載的外延生長用內部改性襯底的成膜面上，成膜有至少一層結晶性膜。
5.一種器件，其特征在于，設有權利要求4所記載的晶體成膜體。
6.一種塊狀襯底，其特征在于，由權利要求4所記載的結晶性膜的厚膜構成。
7.一種半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底，是通過外延生長而形成的半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底，其特征在于，在所述藍寶石襯底的內部，形成有利用了多光子吸收的改性區域圖形，其中，多光子吸收是基于脈沖激光而產生的。
8.—種外延生長用內部改性藍寶石襯底，是通過外延生長而形成的半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底，其特征在于，在所述藍寶石襯底的內部，透過所述藍寶石襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形而被制造，其中，多光子吸收是基于所述脈沖激光而產生的。
9.一種半導體層成膜體，其特征在于，在權利要求7或8所記載的半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底的成膜面上，成膜有至少一層半導體層。
10.一種半導體器件，其特征在于，設有權利要求9所記載的半導體層成膜體。
11.一種半導體塊狀襯底，其特征在于，由權利要求9所記載的半導體層的厚膜構成。
12.—種氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底，是通過外延生長而形成的氮化物半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底，其特征在于，在所述藍寶石襯底的內部，形成有利用了多光子吸收的改性區域圖形，其中，多光子吸收是基于脈沖激光而產生的。
13.一種氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底，是通過外延生長而形成的氮化物半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底，其特征在于，在所述藍寶石襯底的內部，透過所述藍寶石襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形而被制造，其中，多光子吸收是基于所述脈沖激光而產生的。
14.如權利要求12或13所述的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底，其特征在于，至少一種所述改性區域圖形的平面形狀，為帶狀、網格狀、配置有多個多角形的形狀、 同心圓狀、螺旋狀、相對于通過藍寶石襯底的中心點的直線呈略線對稱或略點對稱的形狀中的任意一種。
15.如權利要求14的任意一項所述的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底，其特征在于，至少一種所述改性區域圖形的形成位置，是從所述藍寶石襯底的成膜面起，為襯底厚度的3%以上95%以下的位置，構成所述改性區域圖形的各線間的間距為50 μ m以上2000 μ m以下。
16.如權利要求14的任意一項所述的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底，其特征在于，至少一種所述改性區域圖形的平面形狀，為相對于通過藍寶石襯底的中心點的直線呈略線對稱、略點對稱的形狀、網格狀中的任意一種，所述改性區域圖形的形成位置，是從藍寶石襯底的成膜面起，為襯底厚度的3%以上 50%以下的位置，構成所述改性區域圖形的各線間的間距為50 μ m以上2000 μ m以下。
17.一種氮化物半導體層成膜體，其特征在于，在權利要求12 16所記載的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的成膜面上，成膜有至少一層氮化物半導體層。
18.一種氮化物半導體器件，其特征在于，設有權利要求17所記載的氮化物半導體層成膜體。
19.如權利要求18所述的氮化物半導體器件，其特征在于，所述氮化物半導體器件是發光元件、電子器件、受光元件中的任意一種。
20.一種氮化物半導體塊狀襯底，其特征在于，由權利要求17所記載的氮化物半導體層的厚膜構成。
21.如權利要求20所述的氮化物半導體塊狀襯底，其特征在于，所述氮化物半導體塊狀襯底由 AlxInyGazN (x+y+z = l、x>0、y>0、z>0)構成。
22.一種改性區域圖形形成用藍寶石襯底，其特征在于，在權利要求7 21中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，所述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率大于OknT1小于等于leoknr1。
23.一種改性區域圖形形成用藍寶石襯底，其特征在于，在權利要求7 21中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，所述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率為^knT1以上ISOknT1以下。
24.一種改性區域圖形形成用藍寶石襯底，其特征在于，在權利要求7 21中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，所述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率為SSknr1以上ISOknT1以下。
25.如權利要求22 M的任意一項所述的改性區域圖形形成用藍寶石襯底，其特征在于，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的直徑為50mm以上300mm以下，厚度為0. 05mm 以上5. Omm以下。
26.一種外延生長用內部改性襯底的制造方法，其特征在于，在通過外延生長而形成的結晶性膜的成膜中所使用的單晶襯底的內部，透過所述單晶襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形， 而控制所述單晶襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，其中，多光子吸收是基于所述脈沖激光而產生的。
27.如權利要求沈所述的外延生長用內部改性襯底的制造方法，其特征在于，所述單晶襯底的材質是藍寶石、氮化物半導體、Si、GaAs、水晶、SiC中的任意一種。
28.一種晶體成膜體的制造方法，其特征在于，在權利要求沈或27所記載的外延生長用內部改性襯底的成膜面上，成膜至少一層結晶性膜。
29.一種器件的制造方法，其特征在于，使用權利要求觀所記載的晶體成膜體而制造。
30.一種塊狀襯底的制造方法，其特征在于，使用權利要求觀所記載的晶體成膜體的厚膜而制造。
31.一種半導體層外延生長用內部改性襯底的制造方法，其特征在于，在通過外延生長而形成的半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底的內部，透過所述藍寶石襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形，而控制所述單晶襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，其中，多光子吸收是基于所述脈沖激光而產生的。
32.—種半導體層成膜體的制造方法，其特征在于，在權利要求31所記載的半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底的成膜面上，形成至少一層半導體層。
33.一種半導體器件的制造方法，其特征在于，使用權利要求32中所記載的半導體層成膜體而制造。
34.一種半導體塊狀襯底的制造方法，其特征在于，使用權利要求32中所記載的半導體層成膜體的厚膜而制造。
35.一種氮化物半導體層的外延生長用內部改性襯底的制造方法，其特征在于，在通過外延生長而形成的氮化物半導體層的成膜中所使用的藍寶石襯底的內部，透過所述藍寶石襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用多光子吸收形成改性區域圖形，而控制所述單晶襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，其中，多光子吸收是基于所述脈沖激光而產生的。
36.如權利要求35所述的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，至少一種所述改性區域圖形的平面形狀，為帶狀、網格狀、配置有多個多角形的形狀、 同心圓狀、螺旋狀、相對于通過藍寶石襯底的中心點的直線呈略線對稱或略點對稱的形狀中的任意一種。
37.如權利要求36所述的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，至少一種所述改性區域圖形的形成位置，是從所述藍寶石襯底的成膜面起，為襯底厚度的3%以上95%以下的位置，構成所述改性區域圖形的各線間的間距為50 μ m以上2000 μ m以下。
38.如權利要求36所述的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，至少一種所述改性區域圖形的平面形狀，是相對于通過藍寶石襯底的中心點的直線呈略線對稱、略點對稱的形狀、或網格狀，所述改性區域圖形的形成位置，是從藍寶石襯底的成膜面起，為襯底厚度的3%以上 50%以下的位置，構成所述改性區域圖形的各線間的間距為50 μ m以上2000 μ m以下。
39.一種氮化物半導體層成膜體的制造方法，其特征在于，在權利要求35 38所記載的氮化物半導體層的外延生長用內部改性藍寶石襯底的成膜面上，形成至少一層氮化物半導體層。
40.一種氮化物半導體器件的制造方法，其特征在于，使用權利要求39中所記載的氮化物半導體層成膜體而制造。
41.如權利要求40所述的氮化物半導體器件的制造方法，其特征在于，所述氮化物半導體器件是發光元件、電子器件、受光元件中的任意一種。
42.一種氮化物半導體塊狀襯底的制造方法，其特征在于，使用權利要求39中所記載的氮化物半導體層成膜體的厚膜而制造。
43.如權利要求42所述的氮化物半導體塊狀襯底，其特征在于，所述氮化物半導體塊狀襯底，由 AlxIny^izN (x+y+z = l、x>0、y>0、z>0)構成。
44.一種半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，在權利要求31 43中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，所述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率的倒數大于Okm1小于等于leOknT1。
45.一種半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，在權利要求31 43中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，所述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率的倒數為^knT1以上ISOknT1以下。
46.一種半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，在權利要求31 43中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的形狀是，所述半導體層的成膜面為凹面，且該凹面的曲率的倒數為SSknT1以上ISOknT1以下。
47.一種半導體層外延生長用內部改性藍寶石襯底的制造方法，其特征在于，在權利要求44 46中，所述改性區域圖形形成前的藍寶石襯底的直徑為50mm以上 300mm以下，厚度為0. 05mm以上5. Omm以下。
全文摘要
本發明提供藍寶石襯底和使用其制造的氮化物半導體層成膜體、氮化物半導體器件、氮化物半導體塊狀襯底以及它們的制造方法，藍寶石襯底主要是氮化物半導體層的外延生長用藍寶石襯底，能夠有效地精密地控制襯底的翹曲形狀和/或翹曲量，且能夠抑制成膜中產生的襯底的翹曲從而減小襯底的翹曲行為；在藍寶石襯底的內部，透過上述藍寶石襯底的磨光面側而將脈沖激光會聚并進行掃描，從而利用基于上述脈沖激光的多光子吸收形成改性區域圖形，而控制藍寶石襯底的翹曲形狀和/或翹曲量；使用通過本發明得到的藍寶石襯底形成氮化物半導體層的話，由于能夠抑制成膜中的襯底的翹曲而減小襯底的翹曲行為，因此膜的質量和均勻性提高，從而能夠提高氮化物半導體器件的質量和成品率。
文檔編號H01L21/205GK102272891SQ200980154399
公開日2011年12月7日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年1月15日
發明者會田英雄, 星野仁志, 青田奈津子 申請人:并木精密寶石株式會社, 株式會社迪思科