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JP2007103427A - Method of manufacturing zinc oxide single crystal substrate - Google Patents

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JP2007103427A JP2005287789A JP2005287789A JP2007103427A JP 2007103427 A JP2007103427 A JP 2007103427A JP 2005287789 A JP2005287789 A JP 2005287789A JP 2005287789 A JP2005287789 A JP 2005287789A JP 2007103427 A JP2007103427 A JP 2007103427A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a step terrace structure on the surface of a zinc oxide single crystal substrate (ZnO wafer). <P>SOLUTION: The method of manufacturing a zinc oxide single crystal substrate includes a cutting step to cut a vertical plane to the C axis of a zinc oxide single crystal at a specified thickness so as to form it into an element formation plane, a shaping step to shape the element formation plane to a specified shape, a rough polishing step to polish the element formation plane, a heating step to apply a heat at least to the element formation plane, and a fine polishing step to polish the element formation plane by the chemical mechanical polishing method thereafter. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化亜鉛半導体材料に関し、さらに詳しくは、電子素子形成のための酸化亜鉛単結晶基板(ウエファー)の製造法に関する。   The present invention relates to a zinc oxide semiconductor material, and more particularly to a method for manufacturing a zinc oxide single crystal substrate (wafer) for forming an electronic device.

近年、半導体素子を含む電子素子形成のため基板(ウエファー)として酸化亜鉛(ZnO)単結晶ウエファーが注目を浴びている。特に注目される分野としては、例えば、青色発光ダイオード(LED)、青色レーザダイオードの基板がある。すなわち、この基板上に形成される窒化ガリウム(GaN)とは同じ結晶構造で格子定数が近く(格子ミスマッチは約2%である)、品質の良いエピタキシャル層を形成できるとともに、従来用いられているサファイヤ基板とは異なり、酸化亜鉛単結晶基板から直接に電極が引き出せるので、電子素子の構造が簡単にできるものとして非常に大きな注目を集めている。さらに、容易に酸化亜鉛を溶解できることから成膜基板としての特性に優れている。このため、現在使用されているサファイヤや炭化珪素(SiC)に代わる、窒化ガリウム等の成膜基板としての期待が高まっている(非特許文献1を参照)。   In recent years, zinc oxide (ZnO) single crystal wafers are attracting attention as substrates for forming electronic elements including semiconductor elements. Fields of particular interest include, for example, blue light emitting diode (LED) and blue laser diode substrates. In other words, the gallium nitride (GaN) formed on this substrate has the same crystal structure and close lattice constant (lattice mismatch is about 2%), and can form a high quality epitaxial layer and has been conventionally used. Unlike a sapphire substrate, an electrode can be directly drawn out from a zinc oxide single crystal substrate. Furthermore, since zinc oxide can be easily dissolved, it has excellent characteristics as a film formation substrate. For this reason, the expectation as a film-forming board | substrate of gallium nitride etc. replacing the sapphire and silicon carbide (SiC) currently used is increasing (refer nonpatent literature 1).

このような酸化亜鉛単結晶基板に対する注目の中で、基板(ウエファー)としての特性を向上させるために、種々の研究開発がなされ、例えば、電気伝導性と基板の平坦性の両方を改善するために、二段階に熱処理をする技術(特許文献1を参照)、酸化亜鉛単結晶のC面を研磨した後に熱処理を行い、表面原子配列を整然とする技術(特許文献2を参照)が公開されている。
特開2005−39131号公報 特開2005−67988号公報 前田、佐藤、新倉、「水熱合成法によるZnO単結晶育成」 応用物理学会結晶工学分科会第120回研究会テキスト 2004年4月23日
In the interest of such a zinc oxide single crystal substrate, various researches and developments have been made in order to improve the properties as a substrate (wafer), for example, to improve both the electrical conductivity and the flatness of the substrate. In addition, a technique for performing a heat treatment in two stages (see Patent Document 1) and a technique for performing a heat treatment after polishing the C-plane of a zinc oxide single crystal to order the surface atomic arrangement (see Patent Document 2) are disclosed. Yes.
JP 2005-39131 A JP 2005-67988 A Maeda, Sato, Niikura, “Growing ZnO single crystals by hydrothermal synthesis” Text of the 120th meeting of the Japan Society of Applied Physics, Crystal Engineering, April 23, 2004

上述したような、種々の技術によって、酸化亜鉛単結晶基板の電子素子形成面の平坦化が試みられて来たが、この基板上に良質なエピタキシー層を形成する場合において、電子素子の性能向上、性能安定化、製造歩留まり向上等のためには、酸化亜鉛単結晶基板の単原子層の厚みレベルでの表面平坦性が要求される。すなわち、いわゆるステップ・テラス構造を有するものとし、広いテラスを有し、ステップは、原子層の厚みレベルで管理されていなければならない。しかるに、上述の引用文献等に開示された従来の酸化亜鉛単結晶基板の製造技術によっては、なお、十分な平坦度が得られなかった。   Although various attempts have been made to flatten the electronic element formation surface of the zinc oxide single crystal substrate as described above, the performance of the electronic element is improved when a high-quality epitaxy layer is formed on the substrate. In order to stabilize the performance and improve the production yield, surface flatness at the thickness level of the monoatomic layer of the zinc oxide single crystal substrate is required. That is, it must have a so-called step terrace structure, have a wide terrace, and the steps must be managed at the atomic layer thickness level. However, sufficient flatness has not been obtained by the conventional technology for manufacturing a zinc oxide single crystal substrate disclosed in the above cited references.

本発明は、上述の課題に鑑み、その電子素子形成面について、ステップ・テラス構造を有する、より平坦化を図った酸化亜鉛単結晶基板およびそのような酸化亜鉛単結晶基板の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention provides a zinc oxide single crystal substrate having a step-and-terrace structure on the electronic element formation surface and a method for producing such a zinc oxide single crystal substrate. For the purpose.

本発明の酸化亜鉛単結晶基板の製造方法は、酸化亜鉛単結晶を用いた、電子素子形成のための酸化亜鉛単結晶基板の製造方法であって、C軸に垂直な面を素子形成面とするように酸化亜鉛単結晶を所定の厚みで切断する切断工程と、素子形成面が所定形状となるように整形する整形工程と、素子形成面を研磨する粗研磨工程と、粗研磨工程の後に、素子形成面に熱を加える熱処理工程と、熱処理工程の後に、素子形成面をケミカル・メカニカル・ポリッシング法によって研磨する細研磨工程と、を有する。   The method for producing a zinc oxide single crystal substrate of the present invention is a method for producing a zinc oxide single crystal substrate for forming an electronic device using a zinc oxide single crystal, wherein a plane perpendicular to the C axis is defined as an element formation surface. After the cutting step of cutting the zinc oxide single crystal at a predetermined thickness, the shaping step of shaping the element forming surface to have a predetermined shape, the rough polishing step of polishing the element forming surface, and the rough polishing step And a heat treatment step for applying heat to the element formation surface, and a fine polishing step for polishing the element formation surface by a chemical mechanical polishing method after the heat treatment step.

すなわち、この酸化亜鉛単結晶基板の製造方法は、切断工程と、整形工程と、粗研磨工程を経て、熱処理工程を有する。熱処理工程では、素子形成面に熱を加える。これにより、素子形成面は、ステップ・テラス構造となる。そして、その後に、細研磨工程を有する。細研磨工程では、素子形成面をケミカル・メカニカル・ポリッシング法によって研磨する。これにより、ステップ段差が小さくなる。   That is, this method for producing a zinc oxide single crystal substrate has a heat treatment step through a cutting step, a shaping step, and a rough polishing step. In the heat treatment step, heat is applied to the element formation surface. Thereby, the element formation surface has a step-and-terrace structure. And it has a fine polishing process after that. In the fine polishing step, the element forming surface is polished by a chemical mechanical polishing method. Thereby, a step level difference becomes small.

本発明によれば、ステップ・テラス構造を有する、平坦化を図った酸化亜鉛単結晶基板およびそのような酸化亜鉛単結晶基板の製造方法を提供できる。   According to the present invention, a flattened zinc oxide single crystal substrate having a step-and-terrace structure and a method for manufacturing such a zinc oxide single crystal substrate can be provided.

本発明の実施形態の説明を行う。   An embodiment of the present invention will be described.

酸化亜鉛単結晶基板に用いる酸化亜鉛(ZnO)単結晶は、水熱合成法、化学気相輸送法、フラックス法などの複数の方法によって製作することができるが、本実施形態に用いた酸化亜鉛単結晶は、単結晶育成装置を用い水熱合成法により育成した。もちろん、本実施形態において用いる酸化亜鉛単結晶は、水熱合成法によって製造されたものに限定されるものではない。   A zinc oxide (ZnO) single crystal used for a zinc oxide single crystal substrate can be manufactured by a plurality of methods such as a hydrothermal synthesis method, a chemical vapor transport method, and a flux method, but the zinc oxide used in this embodiment is used. The single crystal was grown by a hydrothermal synthesis method using a single crystal growing apparatus. Of course, the zinc oxide single crystal used in the present embodiment is not limited to one manufactured by a hydrothermal synthesis method.

本実施形態の水熱合成法においては、原料を溶解する溶解液は、濃度が水酸化リチューム(LiOH)mol/lおよび水酸化カリウム(KOH)3mol/lの混合液を用い、育成は、高温高圧(300℃〜400℃、800〜1000atm)の超臨界状態で行われた。   In the hydrothermal synthesis method of this embodiment, the solution for dissolving the raw material is a mixed solution having a concentration of lithium hydroxide (LiOH) mol / l and potassium hydroxide (KOH) 3 mol / l. It was carried out in a supercritical state at high pressure (300 ° C. to 400 ° C., 800 to 1000 atm).

単結晶育成装置内は、バッフル板により上部の種結晶を配置した育成域と下部の原料を配置した溶解域に仕切られ、溶解域で溶けた原料が育成域に上昇して種結晶に析出し結晶が育成されるようになした。このようにして略2インチの大きさの酸化亜鉛単結晶を得た。   The inside of the single crystal growth device is divided by a baffle plate into a growth zone where the upper seed crystal is placed and a melting zone where the lower raw material is placed. Crystals began to grow. Thus, a zinc oxide single crystal having a size of about 2 inches was obtained.

このようにして得られた、酸化亜鉛単結晶を薄くスライスして、酸化亜鉛単結晶基板を形成するが、半導体を成長させる素子形成面は、酸化亜鉛単結晶のC軸に垂直な面である、いわゆる、亜鉛終端面(+C面)または、いわゆる、酸素終端面(−C面)が適当であることが知られている。そのために、酸化亜鉛単結晶をC軸に垂直な面で切断した後、研磨する。ここにおいて、酸素終端面が、亜鉛終端面よりも平坦性において勝るという知見が一般的であるが、敢えて、より平坦性が劣るといわれている亜鉛終端面の平坦化を試みた。従って、本実施形態の製造方法を採用すれば、酸素終端面においては亜鉛終端面におけると同等もしくはより良好なる表面特性が得られると考えられる。   The zinc oxide single crystal thus obtained is thinly sliced to form a zinc oxide single crystal substrate. The element formation surface on which the semiconductor is grown is a plane perpendicular to the C-axis of the zinc oxide single crystal. It is known that a so-called zinc termination surface (+ C surface) or a so-called oxygen termination surface (-C surface) is suitable. For this purpose, the zinc oxide single crystal is cut along a plane perpendicular to the C axis and then polished. Here, the general knowledge that the oxygen termination surface is superior to the zinc termination surface in terms of flatness, but the inventors attempted to planarize the zinc termination surface, which is said to be inferior in planarity. Therefore, if the manufacturing method of this embodiment is adopted, it is considered that surface characteristics equivalent to or better than those of the zinc termination surface can be obtained at the oxygen termination surface.

付言すれば、酸化亜鉛単結晶基板の特性が、この基板の上に形成される電子素子、例えば、化合物半導体材料または真性半導体材料をエピタキシー層として形成した半導体素子の性能および製造歩留まりに大きく関係する。   In other words, the characteristics of a zinc oxide single crystal substrate are greatly related to the performance and manufacturing yield of an electronic device formed on the substrate, for example, a semiconductor device in which a compound semiconductor material or an intrinsic semiconductor material is formed as an epitaxy layer. .

例えば、基板を形成する材料物質の格子定数とエピタキシー層の格子定数に違いが大きいほど、すなわち、格子不整合が大きい程、転位欠陥が多くなり、半導体素子としての性能が劣化する。レーザダイオードの場合であれば、転位欠陥が多くなるほど発光の光強度が低くなる。従って、格子定数は基板の性能を評価する重要項目のひとつである。この点、酸化亜鉛単結晶基板と窒化ガリウムの格子定数との格子ミスマッチは約2%であり、酸化亜鉛単結晶基板は、青色レーザダイオード、青色LED、さらには、白色LEDの基板として用いるのに非常に適している。   For example, the greater the difference between the lattice constant of the material substance forming the substrate and the lattice constant of the epitaxy layer, that is, the greater the lattice mismatch, the more dislocation defects, and the performance as a semiconductor device deteriorates. In the case of a laser diode, the light intensity of emitted light decreases as the number of dislocation defects increases. Therefore, the lattice constant is one of the important items for evaluating the performance of the substrate. In this respect, the lattice mismatch between the zinc oxide single crystal substrate and the lattice constant of gallium nitride is about 2%. The zinc oxide single crystal substrate is used as a substrate for blue laser diodes, blue LEDs, and white LEDs. Very suitable.

また、エピタキシー層を形成するに当たり、酸化亜鉛単結晶基板の素子形成面の表面の状態が問題となる。良好なるエピタキシー層を形成するためには、素子形成面は、いわゆる、ステップ部とテラス部(平坦部)とを有する、ステップ・テラス構造となっていることが望ましい。すなわち、このステップ・テラス構造の上に半導体素子が形成されるので、良質なエピタキシー層を形成するには、平坦でありながら、原子層が表面に整列したテラス部を有するテラス部とステップが必要となる。従って、ステップ・テラス構造の内容が基板の性能を評価する他の重要項目のひとつとなる。なお、全くステップ段差が零の場合には、エピタキシー層を形成するには適さない。   Further, when forming the epitaxy layer, the surface state of the element formation surface of the zinc oxide single crystal substrate becomes a problem. In order to form a good epitaxy layer, it is desirable that the element formation surface has a so-called step terrace structure having a step portion and a terrace portion (flat portion). That is, since a semiconductor element is formed on this step-and-terrace structure, in order to form a high-quality epitaxy layer, it is necessary to have a terrace portion and a step having a terrace portion that is flat but has atomic layers aligned on the surface. It becomes. Therefore, the content of the step / terrace structure is one of the other important items for evaluating the performance of the substrate. If the step difference is zero, it is not suitable for forming an epitaxy layer.

ステップ部の段差は、5原子層以下であり、テラス部の表面粗さは、2原子層以下であることが素子形成面の表面の状態として望ましく、この範囲であれば、良好なるエピタキシー層を形成できることが他の基板における過去の経験より明らかである。さらに、理論的な側面からは、ステップ部の段差は、2原子層以下であり、テラス部の表面粗さは、1原子層以下であることが最も望ましいとされている。ここで、酸化亜鉛の場合には、1原子層の厚みは略0.5nm(ナノ・メータ)であるので、望ましいステップ部の段差は、2.5nm以下であり、テラス部の表面粗さは、1nm以下である。さらに、最も望ましいステップ部の段差は、1nm以下であり、テラス部の表面粗さは、0.5nm以下である。   The step portion has a step of 5 atomic layers or less, and the surface roughness of the terrace portion is preferably 2 atomic layers or less as the surface state of the element formation surface. In this range, a good epitaxy layer is formed. It is clear from past experience with other substrates that it can be formed. Further, from a theoretical aspect, it is most desirable that the step difference of the step portion is 2 atomic layers or less, and the surface roughness of the terrace portion is 1 atomic layer or less. Here, in the case of zinc oxide, since the thickness of one atomic layer is approximately 0.5 nm (nanometer), the desired step difference is 2.5 nm or less, and the surface roughness of the terrace portion is 1 nm or less. Further, the most desirable step portion step is 1 nm or less, and the surface roughness of the terrace portion is 0.5 nm or less.

本実施形態の説明においては、従来は、困難であるとされていた、亜鉛終端面における1nm以下のステップ部の段差と0.5nm以下のテラス部の表面粗さを実現する製造方法を明らかにするものである。   In the description of the present embodiment, a manufacturing method that realizes a step difference of 1 nm or less on a zinc termination surface and a surface roughness of a terrace part of 0.5 nm or less on a zinc termination surface, which has been conventionally difficult, is clarified. To do.

すなわち、従来は最終工程として熱処理工程を有することが、平坦なる酸化亜鉛単結晶基板を得る必須条件と考えられていた。しかしながら、本出願の発明者は、種々の実験を積みかさね、熱処理工程に次いで、ケミカル・メカニカル・ポリッシング(CMP)による研磨工程を導入することによって、良好なる表面特性を得られるとの結論を得るに至った。   That is, conventionally, it has been considered that having a heat treatment step as a final step is an essential condition for obtaining a flat zinc oxide single crystal substrate. However, the inventor of the present application accumulates various experiments and concludes that good surface properties can be obtained by introducing a polishing process by chemical mechanical polishing (CMP) after the heat treatment process. It came to.

従来は、基板表面の平坦化のために最終工程において熱処理を行うべきとされていたところ、本出願の発明者の行った実験結果によれば、熱処理を行った後の亜鉛終端面(+C面)を観察したところ、10原子層程度に相当する数nmのステップ段差が生じていた。   Conventionally, heat treatment should have been performed in the final step for planarization of the substrate surface. According to the results of experiments conducted by the inventors of the present application, the zinc termination surface (+ C surface after the heat treatment was performed) ) Was observed, a step difference of several nm corresponding to about 10 atomic layers was generated.

本出願の発明者は、この現象を注意深く解析した。そして、数nmのステップ段差が生じる原因についての以下の知見を得た。すなわち、発明者は、熱処理を行うことによって、酸化亜鉛単結晶基板の表面拡散を誘起し、結晶本来が有する熱力学的性質である表面エネルギーを低減させるための表面原子配列の再配列を誘起して、テラス構造が形成されるものの、ステップ上部(表面空間側)における移動速度がより速いためにステップ上部ほどフロント面が前進してしまい、ステップ・バンチング(束化)が生じて却って段差を生じるものであると推測している。   The inventors of the present application have carefully analyzed this phenomenon. Then, the following knowledge about the cause of the step difference of several nm was obtained. That is, the inventor induces surface diffusion of the zinc oxide single crystal substrate by performing heat treatment, and induces rearrangement of the surface atomic arrangement to reduce the surface energy, which is the thermodynamic property inherent to the crystal. Although the terrace structure is formed, the moving speed at the upper part of the step (on the surface space side) is faster, so the front surface advances toward the upper part of the step, causing step bunching (bundling) and creating a step. I guess it is.

そこで、本出願の発明者は、熱処理工程において、テラス部を形成した後に、さらに、その後の工程として、ステップ・バンチングが生じた部分の原子層をはく離して、ステップの段差を低くすることを考え付いた。そして、原子層をはく離する方法の一つとして、細研磨工程を導入することを考え付いた。この考えを実証するために、熱処理工程の後に行う細研磨を、ケミカル・メカニカル・ポリッシングによって行い、研磨の条件を種々に変化させた実験を繰り返し、適切なる研磨条件を見出すに至り、極めて良好な結果を得ることができた。   Therefore, the inventor of the present application, after the formation of the terrace portion in the heat treatment step, further peels off the atomic layer where the step bunching has occurred to lower the step difference in the step. I thought. Then, as one of the methods for peeling off the atomic layer, it has been considered to introduce a fine polishing step. In order to prove this idea, the fine polishing performed after the heat treatment step was performed by chemical mechanical polishing, and repeated experiments with various polishing conditions were repeated to find appropriate polishing conditions. The result was obtained.

酸化亜鉛単結晶からステップ・テラス構造を有する酸化亜鉛単結晶基板を製造するまでの具体的な方法を、従来の方法と比較しながら以下に説明する。   A specific method for manufacturing a zinc oxide single crystal substrate having a step-and-terrace structure from a zinc oxide single crystal will be described below in comparison with a conventional method.

酸化亜鉛単結晶は、上述した水熱合成法で製造した2インチサイズのものである。これを約1mmの厚さに切断して(切断工程)、基板として用いるために素子形成面を円形に整形した(整形工程)。次に粗研磨工程として、亜鉛終端面である+C面を砂仕上げにより研磨をした(粗研磨工程)。研磨は2回行い、1回目の研磨の研磨剤の粒子粗さは1500番程度、2回目の研磨の研磨剤の粒子粗さは2500番程度である。ここまでの工程は従来と大きく変わるものではない。なお、研磨工程を複数段階(本実施形態では2回)に分けるのは研磨速度と研磨精度の両立を図るためであり、必ずしも複数段階に分ける必要はない。   The zinc oxide single crystal is a 2 inch size produced by the hydrothermal synthesis method described above. This was cut to a thickness of about 1 mm (cutting step), and the element formation surface was shaped into a circle for use as a substrate (shaping step). Next, as a rough polishing step, the + C surface, which is a zinc terminal surface, was polished by sand finishing (rough polishing step). Polishing is performed twice, and the grain roughness of the abrasive for the first polishing is about 1500, and the grain roughness of the abrasive for the second polishing is about 2500. The process so far is not significantly different from the conventional process. The reason why the polishing process is divided into a plurality of stages (twice in the present embodiment) is to achieve both the polishing speed and the polishing accuracy, and does not necessarily need to be divided into a plurality of stages.

従来は、この次に、ケミカル・メカニカル・ポリッシングを行い、最終工程に熱処理を行ったが、本実施形態では、これに加えて、熱処理の後にさらに、ケミカル・メカニカル・ポリッシングを行うものである。また、別の処理の流れとしては、粗研磨工程において、10nm程度まで基板の平坦化が図られている場合には、ケミカル・メカニカル・ポリッシングを行うことなく、熱処理を行い、最終工程として、ケミカル・メカニカル・ポリッシングを行うものである。   Conventionally, chemical mechanical polishing is performed next, followed by heat treatment in the final process. In this embodiment, in addition to this, chemical mechanical polishing is further performed after heat treatment. As another processing flow, if the substrate is flattened to about 10 nm in the rough polishing step, heat treatment is performed without performing chemical mechanical polishing, and the final step is chemical. -Mechanical polishing is performed.

ここで、熱工程は、白金の上に酸化亜鉛単結晶基板を置いて、大気中でテラス構造が得られるに十分な温度と時間の条件下で行った。例えば、温度は1000℃ないし1200℃の範囲とし、時間は、0.5Hないし3Hの範囲とした。図1に、この段階における亜鉛終端面の断面の原子間力顕微鏡(AFM)による像を示す。図1に示すように、亜鉛終端面には、200nm弱幅のテラス構造が形成されているが、ステップ段差が3nm以上に及んでいることが分かる。なお、図1については、より詳細に後述する。   Here, the thermal process was performed under conditions of temperature and time sufficient to obtain a terrace structure in the atmosphere by placing a zinc oxide single crystal substrate on platinum. For example, the temperature was in the range of 1000 ° C. to 1200 ° C., and the time was in the range of 0.5H to 3H. FIG. 1 shows an image obtained by an atomic force microscope (AFM) of the cross section of the zinc termination surface at this stage. As shown in FIG. 1, a terrace structure having a width of a little less than 200 nm is formed on the zinc termination surface, but it can be seen that the step difference is 3 nm or more. FIG. 1 will be described later in more detail.

熱処理工程後における細研磨工程であるケミカル・メカニカル・ポリッシングは、従来から知られている装置を用いて行った。ここで、ケミカル・メカニカル・ポリッシングによって、原子層を一層ずつはく離させステップの段差を1原子層ないし2原子層に最終的にするためには、研磨液(スラリー)の種類と研磨レートとが重要であり、例えば、研磨液は水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カリウム(KOH)等のアルカリ溶液に平均粒径が16nmから60nm程度のコロイダルシリカを混合したものを用い、研磨レートは、0.04μm/min(マイクロ・メータ/分)ないし0.17μm/minの範囲が好適であった。また、細研磨工程を研磨液の条件、研磨レート異ならせて、複数の段階に分けて行うことも効果的であった。図2に、最終段階を経た、亜鉛終端面の断面の原子間力顕微鏡(AFM)による像を示す。図2に示すように、亜鉛終端面のステップ段差は、目標とする1nmよりも小さく、0.5nm程度の値が得られた。なお、図2については、より詳細に後述する。   Chemical mechanical polishing, which is a fine polishing step after the heat treatment step, was performed using a conventionally known apparatus. Here, the type of polishing liquid (slurry) and the polishing rate are important in order to separate the atomic layer one layer at a time by chemical / mechanical polishing and finally make the step difference to one atomic layer or two atomic layers. For example, the polishing liquid used is a mixture of an alkali solution such as sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) mixed with colloidal silica having an average particle diameter of about 16 nm to 60 nm, and the polishing rate is set to 0.00. A range of 04 μm / min (micrometer / min) to 0.17 μm / min was suitable. It was also effective to perform the fine polishing step in a plurality of stages by changing the conditions of the polishing liquid and the polishing rate. FIG. 2 shows an image obtained by the atomic force microscope (AFM) of the cross section of the zinc termination surface after the final stage. As shown in FIG. 2, the step difference of the zinc termination surface was smaller than the target 1 nm, and a value of about 0.5 nm was obtained. Note that FIG. 2 will be described later in more detail.

ケミカル・メカニカル・ポリッシングの研磨レートおよび研磨時間は、原子間力顕微鏡で、ステップ・テラス構造を監視して、酸化亜鉛単結晶基板のロットごとに、予め、所定の時間を求めておくことができる。   The polishing rate and polishing time of chemical mechanical polishing can be determined in advance for each lot of zinc oxide single crystal substrates by monitoring the step terrace structure with an atomic force microscope. .

上述した実施形態の酸化亜鉛単結晶基板の製造方法によって、従来得られない、高精度のステップ・テラス構造を得ることができる。具体的には、ステップ段差が0.5nm程度(ZnOのC面における単原子層に相当)のテラス構造の酸化亜鉛単結晶基板を亜鉛終端面に得ることができた。この0.5nmのステップ段差は、酸化亜鉛単結晶基板としては、最も望ましいステップ段差の数値である1nmよりも良好なる値であって、理論限界値である。   By the method for manufacturing a zinc oxide single crystal substrate of the above-described embodiment, a highly accurate step-and-terrace structure that cannot be obtained conventionally can be obtained. Specifically, a zinc oxide single crystal substrate having a terrace structure with a step difference of about 0.5 nm (corresponding to a monoatomic layer on the C plane of ZnO) could be obtained on the zinc termination surface. The step difference of 0.5 nm is a value that is better than 1 nm, which is the most desirable value of the step difference, for the zinc oxide single crystal substrate, and is a theoretical limit value.

<実施例>
水熱合成法により得られた約2インチのサイズの酸化亜鉛単結晶体から、一般的な切断機によって、1mm厚の酸化亜鉛基板(ウエファー)を切り出す。そして、この切り出した酸化亜鉛ウエファーを円形に成型する。
そして、粗研磨工程である第1回目砂仕上工程において、研磨する。研磨面は酸化亜鉛結晶のC軸に垂直な面であって、亜鉛終端面である+C面とした。また、ここで用いる砥粒の平均粒径は、3.6μm(マイクロ・メータ)ないし10.1μm、研磨レートは、0.85μm/minないし2.55μm/minの範囲において実験したが、良好な結果が得られた。
そして、粗研磨工程である第2回目砂仕上工程において、さらに研磨する。ここで用いる砥粒の平均粒径は、2.3μm(マイクロ・メータ)ないし7.1μm、研磨レートは、0.41μm/minないし1.25μm/minの範囲において実験したが、良好な結果が得られた。
そして、熱処理を施す。熱処理は酸化亜鉛ウエファーを白金の台の上に配置し、大気中で行った。温度は、1000℃ないし1200℃の範囲に管理し、熱処理の時間は1H(時間)ないし3Hの範囲において実験を行ったが、良好な結果が得られた。
そして、最終処理として、細研磨工程であるケミカル・メカニカル・ポリッシング(CMP)を行った。ケミカル・メカニカル・ポリッシングは、2工程に分けて行い、第1回目CMP工程における研磨条件は、平均粒径20nm(ナノ・メータ)ないし60nmのコロイダルシリカと、水酸化ナトリウム(NaOH)または水酸化カリウム(KOH)のアルカリ溶液を用い、0.05μm/minないし0.17μm/minの研磨レートで研磨した。
第2回目CMP工程における研磨条件は、平均粒径16nm(ナノ・メータ)ないし48nmのコロイダルシリカと、水酸化ナトリウム(NaOH)または水酸化カリウム(KOH)のアルカリ溶液を用い、0.04μm/minないし0.13μm/minの研磨レートで研磨した。
上述したように2回のCMP工程によって細研磨を行い、研磨速度と研磨精度の両立を図ることができる。
<Example>
A zinc oxide substrate (wafer) having a thickness of 1 mm is cut out from a zinc oxide single crystal having a size of about 2 inches obtained by the hydrothermal synthesis method by a general cutting machine. And this cut-out zinc oxide wafer is shape | molded circularly.
And it grind | polishes in the 1st sand finishing process which is a rough grinding | polishing process. The polished surface was a surface perpendicular to the C-axis of the zinc oxide crystal and was a + C surface that was a zinc termination surface. The average grain size of the abrasive grains used here was 3.6 μm (micrometer) to 10.1 μm and the polishing rate was 0.85 μm / min to 2.55 μm / min. Results were obtained.
And it grind | polishes further in the 2nd sand finishing process which is a rough grinding | polishing process. The average grain size of the abrasive grains used here was 2.3 μm (micrometer) to 7.1 μm, and the polishing rate was tested in the range of 0.41 μm / min to 1.25 μm / min. Obtained.
Then, heat treatment is performed. The heat treatment was performed in the atmosphere with a zinc oxide wafer placed on a platinum platform. The temperature was controlled in the range of 1000 ° C. to 1200 ° C. and the heat treatment time was in the range of 1H (hour) to 3H, and good results were obtained.
As a final treatment, chemical mechanical polishing (CMP), which is a fine polishing process, was performed. Chemical mechanical polishing is performed in two steps. The polishing conditions in the first CMP step are colloidal silica having an average particle size of 20 nm (nanometer) to 60 nm, and sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide. Polishing was performed using an alkaline solution of (KOH) at a polishing rate of 0.05 μm / min to 0.17 μm / min.
The polishing conditions in the second CMP step were 0.04 μm / min using colloidal silica having an average particle diameter of 16 nm (nanometer) to 48 nm and an alkali solution of sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH). Polishing was performed at a polishing rate of 0.13 μm / min.
As described above, fine polishing can be performed by two CMP processes to achieve both polishing speed and polishing accuracy.

上述した図2は、この実施例に示す処理によって、最終的に得られた酸化亜鉛ウエファーの+C面の断面を原子間力顕微鏡によって観察した表示画面像を示すものである。ここで、図2の上方に示した断面図の横軸方向は+C面の一方向を示し、縦軸方向は+C面と垂直となる方向を示すものであり、上方の色の濃い部分と下方の色の薄い部分との境界が酸化亜鉛ウエファーの表面を示すものである。また、図2の下方に示す数値は、断面図中の4本のカーソルの各々を異なるテラス部に配置し、左側から1本目と2本目とを一組とし、左側から3本目と4本目とを一組として、各々の組における横軸方向の離間距離および縦軸方向の酸化亜鉛ウエファーの表面のステップ・段差を示すものである。   FIG. 2 described above shows a display screen image obtained by observing a cross section of the + C plane of the zinc oxide wafer finally obtained by the process shown in this example with an atomic force microscope. Here, the horizontal axis direction of the cross-sectional view shown in the upper part of FIG. 2 indicates one direction of the + C plane, and the vertical axis direction indicates a direction perpendicular to the + C plane. The boundary with the light-colored portion indicates the surface of the zinc oxide wafer. The numerical values shown in the lower part of FIG. 2 indicate that each of the four cursors in the cross-sectional view is placed on a different terrace, and the first and second from the left are a set, and the third and fourth from the left Are set as a set, and the separation distance in the horizontal axis direction and the step / step difference on the surface of the zinc oxide wafer in the vertical axis direction in each set are shown.

1本目のカーソルが示す縦軸方向の位置は、2.963802nm、2本目のカーソルが示す縦軸方向の位置は、3.480270nm、3本目のカーソルが示す縦軸方向の位置は、3.951635nm、4本目のカーソルが示す縦軸方向の位置は、4.467289nmであった。すなわち、1本目のカーソルに対応するテラスと2本目のカーソルに対応するテラスとのステップ段差は、0.516468nmであり、3本目のカーソルに対応するテラスと4本目のカーソルに対応するテラスとのステップ段差は、0.515654nmであり、各々、単原子層の厚さに相当している。また、1本目のカーソルと2本目のカーソルとが示す横軸方向の離間距離は119.7042nmであり、3本目のカーソルと4本目のカーソルとが示す横軸方向の離間距離は123.1572nmである。   The vertical position indicated by the first cursor is 2.963802 nm, the vertical position indicated by the second cursor is 3.480270 nm, and the vertical position indicated by the third cursor is 3.951635 nm. The position in the vertical axis direction indicated by the fourth cursor was 4.467289 nm. That is, the step difference between the terrace corresponding to the first cursor and the terrace corresponding to the second cursor is 0.516468 nm, and the terrace corresponding to the third cursor and the terrace corresponding to the fourth cursor are The step difference is 0.515654 nm, which corresponds to the thickness of the monoatomic layer. The separation distance in the horizontal axis direction indicated by the first cursor and the second cursor is 119.7042 nm, and the separation distance in the horizontal axis direction indicated by the third cursor and the fourth cursor is 123.1572 nm. is there.

以下に比較例を示す。比較例は、熱処理工程を最終処理として処理を終了するものであり、実施例に示したように、熱処理工程の後に、ケミカル・メカニカル・ポリッシングを行うことがない点が実施例と異なる。なお、以下の比較例においては、実施例との差異を明確にするために、酸化亜鉛単結晶体の生成工程、酸化亜鉛基板(ウエファー)の切り出し、成形工程、粗研磨工程、細研磨工程、熱処理工程のいずれの工程も、単独工程としては、上述した実施例と同じ内容とした。また、   A comparative example is shown below. The comparative example ends the processing with the heat treatment step as the final treatment, and as shown in the embodiment, the chemical mechanical polishing is not performed after the heat treatment step. In the following comparative examples, in order to clarify the difference from the examples, a zinc oxide single crystal production step, a zinc oxide substrate (wafer) cut out, a molding step, a rough polishing step, a fine polishing step, Each step of the heat treatment step has the same contents as the above-described embodiment as a single step. Also,

<比較例>
水熱合成法により得られた約2インチのサイズの酸化亜鉛単結晶体から、一般的な切断機によって、1mm厚の酸化亜鉛基板(ウエファー)を切り出す。そして、この切り出した酸化亜鉛ウエファーを円形に成型する。
そして、粗研磨工程である第1回目砂仕上工程において、研磨する。研磨面は酸化亜鉛結晶のC軸に垂直な面であって、亜鉛終端面である+C面とした。また、ここで用いる砥粒の平均粒径は、3.6μm(マイクロ・メータ)ないし10.1μm、研磨レートは、0.85μm/minないし2.55μm/minの範囲とした。
そして、粗研磨工程である第2回目砂仕上工程において、さらに研磨する。ここで用いる砥粒の平均粒径は、2.3μm(マイクロ・メータ)ないし7.1μm、研磨レートは、0.41μm/minないし1.25μm/minの範囲とした。
そして、細研磨工程であるケミカル・メカニカル・ポリッシング(CMP)を行った。ケミカル・メカニカル・ポリッシングは、2工程に分けて行い、第1回目CMP工程における研磨条件は、平均粒径20nm(ナノ・メータ)ないし60nmのコロイダルシリカと、水酸化ナトリウム(NaOH)または水酸化カリウム(KOH)のアルカリ溶液を用い、0.05μm/minないし0.17μm/minの研磨レートで研磨した。
第2回目CMP工程における研磨条件は、平均粒径16nm(ナノ・メータ)ないし48nmのコロイダルシリカと、水酸化ナトリウム(NaOH)または水酸化カリウム(KOH)のアルカリ溶液を用い、0.04μm/minないし0.13μm/minの研磨レートで研磨した。
ここまでの段階の処理を経た後の酸化亜鉛ウエファーの+C面の断面を原子間力顕微鏡によって観察したが、上述した範囲で、粗研磨工程、細研磨工程における研磨条件を変化させても、良質なるステップ・テラス構造の形成は確認されなかった。
そして、最終工程として、熱処理を施した。熱処理は、酸化亜鉛ウエファーを白金の台の上に配置し、大気中で行った。温度は、1000℃ないし1200℃の範囲に管理し、熱処理の時間は1H(時間)ないし3Hの範囲において実験を行ったが、いずれも良質なるステップ・テラス構造の形成が確認された。
<Comparative example>
A zinc oxide substrate (wafer) having a thickness of 1 mm is cut out from a zinc oxide single crystal having a size of about 2 inches obtained by the hydrothermal synthesis method by a general cutting machine. And this cut-out zinc oxide wafer is shape | molded circularly.
And it grind | polishes in the 1st sand finishing process which is a rough grinding | polishing process. The polished surface was a surface perpendicular to the C-axis of the zinc oxide crystal and was a + C surface that was a zinc termination surface. The average grain size of the abrasive grains used here was 3.6 μm (micrometer) to 10.1 μm, and the polishing rate was 0.85 μm / min to 2.55 μm / min.
And it grind | polishes further in the 2nd sand finishing process which is a rough grinding | polishing process. The average grain size of the abrasive grains used here was in the range of 2.3 μm (micrometer) to 7.1 μm, and the polishing rate was in the range of 0.41 μm / min to 1.25 μm / min.
Then, chemical mechanical polishing (CMP), which is a fine polishing process, was performed. Chemical mechanical polishing is performed in two steps. The polishing conditions in the first CMP step are colloidal silica having an average particle size of 20 nm (nanometer) to 60 nm, and sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide. Polishing was performed using an alkaline solution of (KOH) at a polishing rate of 0.05 μm / min to 0.17 μm / min.
The polishing conditions in the second CMP step were 0.04 μm / min using colloidal silica having an average particle diameter of 16 nm (nanometer) to 48 nm and an alkali solution of sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH). Polishing was performed at a polishing rate of 0.13 μm / min.
Although the cross section of the + C plane of the zinc oxide wafer after the processing up to this stage was observed with an atomic force microscope, the quality is good even if the polishing conditions in the rough polishing process and the fine polishing process are changed within the above-mentioned range. The formation of a step terrace structure was not confirmed.
And as a final process, heat processing was performed. The heat treatment was performed in the atmosphere with a zinc oxide wafer placed on a platinum platform. The temperature was controlled in the range of 1000 ° C. to 1200 ° C., and the heat treatment time was tested in the range of 1H (hour) to 3H.

上述した図1は、この比較例に示す処理によって、最終的に得られた酸化亜鉛ウエファーの+C面の断面を原子間力顕微鏡によって観察した場合の表示画面像を示すものである。ここで、図1の上方に示した断面図の横軸方向は+C面の一方向を示し、縦軸方向は+C面と垂直となる方向を示すものであり、上方の色の濃い部分と下方の色の薄い部分との境界が酸化亜鉛ウエファーの表面を示すものである。また、図1の下方に示す数値は、断面図中の2本のカーソルの各々を異なるテラス部に配置し、左側から1本目と2本目の各々のカーソルに対応する横軸方向の離間距離および縦軸方向の酸化亜鉛ウエファーの表面のステップ・段差を示すものである。   FIG. 1 described above shows a display screen image when the cross section of the + C plane of the zinc oxide wafer finally obtained by the process shown in this comparative example is observed with an atomic force microscope. Here, the horizontal axis direction of the cross-sectional view shown in the upper part of FIG. 1 indicates one direction of the + C plane, and the vertical axis direction indicates a direction perpendicular to the + C plane. The boundary with the light-colored portion indicates the surface of the zinc oxide wafer. In addition, the numerical values shown in the lower part of FIG. 1 indicate that the two cursors in the cross-sectional view are arranged on different terraces, and the separation distance in the horizontal axis direction corresponding to the first and second cursors from the left side and It shows the steps and steps on the surface of the zinc oxide wafer in the vertical axis direction.

1本目のカーソルが示す縦軸方向の位置は、4.763111nm、2本目のカーソルが示す縦軸方向の位置は、7.631392nmであった。すなわち、1本目のカーソルに対応するテラスと2本目のカーソルに対応するテラスとのステップ段差は、2.868281nmであり、単原子層の5つ分の厚さに相当している。また、1本目のカーソルと2本目のカーソルとが示す横軸方向の離間距離は165.7800nmである。   The position in the vertical axis direction indicated by the first cursor was 4.763111 nm, and the position in the vertical axis direction indicated by the second cursor was 7.63392 nm. That is, the step difference between the terrace corresponding to the first cursor and the terrace corresponding to the second cursor is 2.868281 nm, which corresponds to the thickness of five monoatomic layers. The separation distance in the horizontal axis direction indicated by the first cursor and the second cursor is 165.7800 nm.

比較例に示す製造方法によって得られた最終的な酸化亜鉛基板の亜鉛終端面の表面の原子間力顕微鏡(AFM)の表示画面像を示すものである。The display screen image of the atomic force microscope (AFM) of the surface of the zinc termination | terminus surface of the final zinc oxide board | substrate obtained by the manufacturing method shown to a comparative example is shown. 実施例に示す製造方法によって得られた最終的な酸化亜鉛基板の亜鉛終端面の表面の原子間力顕微鏡(AFM)の表示画面像を示すものである。The display screen image of the atomic force microscope (AFM) of the surface of the zinc termination | terminus surface of the final zinc oxide board | substrate obtained by the manufacturing method shown in an Example is shown.

Claims (2)

酸化亜鉛単結晶を用いた、電子素子形成のための酸化亜鉛単結晶基板の製造方法であって、
C軸に垂直な面を素子形成面とするように前記酸化亜鉛単結晶を所定の厚みで切断する切断工程と、前記素子形成面が所定形状となるように整形する整形工程と、前記素子形成面を研磨する粗研磨工程と、前記粗研磨工程の後に、前記素子形成面に熱を加える熱処理工程と、前記熱処理工程の後に、前記素子形成面をケミカル・メカニカル・ポリッシング法によって研磨する細研磨工程と、を有する酸化亜鉛単結晶基板の製造方法。
A method for producing a zinc oxide single crystal substrate for forming an electronic device using a zinc oxide single crystal,
A cutting step of cutting the zinc oxide single crystal with a predetermined thickness so that a plane perpendicular to the C-axis is an element forming surface; a shaping step of shaping the element forming surface into a predetermined shape; and the element formation A rough polishing step for polishing a surface, a heat treatment step for applying heat to the element formation surface after the rough polishing step, and a fine polishing for polishing the element formation surface by a chemical mechanical polishing method after the heat treatment step. And a method for producing a zinc oxide single crystal substrate.
前記素子形成面を亜鉛終端面とした請求項1に記載の酸化亜鉛単結晶基板の製造方法。

The method for producing a zinc oxide single crystal substrate according to claim 1, wherein the element formation surface is a zinc termination surface.

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