利用報告書 / User's Reports


【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.03.25】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23KT1095

利用課題名 / Title

ScAlMgO4基板のダイシング

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

半導体ウェハ,ScAlMgO4(SAM)基板,GaN,バッファ層,分子線エピタキシー(RF-MBE),テラス幅,ダイシング/ Dicing


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

荒木 努

所属名 / Affiliation

立命館大学　理工学部電気電子工学科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

赤松孝義

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-219：ダイシングソー
KT-220：真空マウンター
KT-221：紫外線照射装置
KT-222：エキスパンド装置


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ScAlMgO4(SAM)基板は、GaNをバッファ層なしでSAM上に直接成長させることができるため、近年GaN成長のプラットフォームとして大きな注目を集めている。本研究では、分子線エピタキシー(RF-MBE)を用いたGaNの直接成長におけるSAM基板のテラス幅の影響を調べた。大きなテラス幅を持つSAM基板上に平坦な単一ウルツ鉱相GaN膜を成長させた。一方、テラス幅の小さいSAM上では、六方晶（WZ）相と立方晶（ZB）相が混在したGaN膜が得られた。SAMのステップ高さ0.8nmは、3層のGaN分子層に相当する。したがって、初期成長段階ではWZ-GaNアイランドのみが成長するが、隣接するテラスに位置するアイランドが合体する際にZB積層欠陥が生成する可能性がある。このことは、平坦なWZ-GaN膜を得るためには、テラスの幅が大きい、すなわちオフカットの角度が小さいSAM基板が望ましいことを示している。

実験 / Experimental

我々は、10x10 mm2 にダイシングしたc面SAM基板を使用した。GaN成長前に、原子間力顕微鏡（AFM、日立ハイテク、AFM5300E）を用いてSAM基板のテラス幅と表面平坦性を評価した。GaNの成長には、III族金属クヌーセンセルと窒素プラズマ源（SVT Associates、6.03）を備えたRF-MBEシステム（EpiQuest Inc.、RC2100NR）を使用した。基板は、RF-MBEチャンバーに導入する直前に、アセトン、エタノール、脱イオン水でそれぞれ5分間洗浄した。基板を750℃で5分間熱洗浄し、GaNを700℃で60分間成長させ、その後Ga金属を5秒間予備供給した。Gaフラックス、N2ガス流量、プラズマパワーはそれぞれ6.33×10-7Torr、2.0sccm、110Wであった。GaN成長後、AFMおよび走査型電子顕微鏡（SEM; 日立ハイテク, SU6600）で表面形状を観察した。結晶相と表面方位はX線回折（XRD; Malvern Panalytical, X'Pert MRD）で評価した。結晶相の面内分布は、SEM(Oxford Instruments)を備えた電子後方散乱回折(EBSD)によって評価した。GaN膜の微細構造は、断面透過型電子顕微鏡（TEM; JEOL, JEM-2100Plus）を用いて評価した。TEM試料は、集束イオンビーム（FIB；日立ハイテク、FB-2100）エッチング技術を用いて作製した。

結果と考察 / Results and Discussion

GaNの直接成長におけるSAM基板のテラス幅の影響を調べた。Wavg=160-440nm、すなわちθoff=0.1-0.3°のSAM基板上にRF-MBEでGaNを成長させた。すべてのSAM基板は原子レベルで平坦であり、約0.8nmのステップ高さを持つ明確なステップ・アンド・テラス構造を示した。テラス幅が最も大きいSAM基板上では、平坦な連続WZ-GaN膜が得られたが、テラス幅が小さいSAM基板上では、WZ-GaN島と準安定ZB-GaN島が共存していた。SAM基板のテラス幅にかかわらず、WZ-GaNは初期厚さ5-15 nmまで成長し、その後、表面の一部に積層欠陥やZB相が混入した。これは、(1)SAM基板上のGaNの成長様式が核生成から島の合体までであること、(2)隣接するSAMテラスの間で3つのWZ-GaN分子層の高さが異なることに起因する。WZ-GaNアイランドの合体界面密度を低下させることにより、ZB混在を抑制するためには、テラスの幅を大きくし、その結果、ステップ密度を小さくすることが効果的であった。さらに、基板に垂直な方向のWZ-GaNの成長速度がZB-GaNの成長速度よりも高い場合、WZ-GaNはZB混在領域をオーバーグロウし、表面全体を覆うことができた。実際、ZB混在は約50nmの厚さまでWZ-GaNによって除去され、Wavg＝440nmのSAM基板上に平坦な連続WZ-GaN膜が実現した。したがって、高品質のWZ-GaNを成長させるためには、SAM基板のオフカット角度を全面に均一に約0.1°に制御することが重要である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


Figure1.　２×2um2 -area AFM images of surfaces of SAM substrates without any pretreatment a)Wave=440nm, b) 230nm, and c) 160nm. RMS values are also indicated in the images



Figure2　Plan-view SEM images of CaN surfaces on SAM substrates with a) Wave=440nm, b) 230nm, C) 160nm. The crystal orientation of SAM is also indicated.


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

著者らは、SAM基板を提供していただいた株式会社福田結晶技術研究所、オキサイド株式会社に感謝する。


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Tsutomu Araki, Direct growth of GaN film on ScAlMgO4 substrate by radio-frequency plasma-excited molecular beam epitaxy, Applied Physics Express, 16, 025504(2023).
    DOI: https://doi.org/10.35848/1882-0786/acb894
  2. Yuichi Wada, Substrate Terrace Width Dependence of Direct Growth of GaN on ScAlMgO4 by Radio‐Frequency Molecular Beam Epitaxy, physica status solidi (b), 260, (2023).
    DOI: https://doi.org/10.1002/pssb.202300029
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. RF-MBE Growth of GaN on ScAlMgO4 Substrate, T. Araki, Y. Wada, Y. Kuroda, S. Kayamoto, N. Goto, M. Deura, T. Fuji, Y. Shiraishi, T. Fukuda, 23rd American Confbrence on Crystal Growth(ACCGE-23), Tucson, USA, 2023.8 5.
  2. Suppression of Metastable Cubic Phase Inclusion in GaN Growth on ScAlMgO4, Substrates by RF-MBE, T. Araki, Y. Wada, Y. Kuroda, N. Goto, Y. Kubo, M. Deura, S. Mouri, T. Fujii, 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14), Fukuoka, Japan, 2023.11
  3. Control of In Content of InGaN on ScAIMgO4 Substrates using RF-MBE, Y. Kubo, Y. Yamada, M. Deura, T. Fujii, T. Araki, 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14), Fukuoka, Japan, 2023.11
  4. ScAlMgO4基板上InGaNのRF-MBE成長におけるIn組成の成長温度依存性, 久保 祐太, 山田 泰弘, 後藤 直樹, 出浦 桃子, 藤井 高志, 荒木 努, 第15回ナノ構造エピタキシャル成長講演会, 山形, 2023.6
  5. ScAlMgO4基板上RF-MBE成長InGaN薄膜の極微構造評価, 山田泰弘, 久保祐太, 和田邑一, 出浦桃子, 藤井高志, 荒木努, 2023年秋季第84回応用物理学会学術講演会, 熊本, 2023.9
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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