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JP5732684B2 - 単結晶基板、単結晶基板の製造方法、多層膜付き単結晶基板の製造方法および素子製造方法 - Google Patents

単結晶基板、単結晶基板の製造方法、多層膜付き単結晶基板の製造方法および素子製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、単結晶基板、単結晶基板の製造方法、多層膜付き単結晶基板の製造方法および素子製造方法に関するものである。
窒化ガリウムに代表される窒化物半導体は、バンドギャップが広く、青色系の発光が可能であることから、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（半導体レーザ）等に広く用いられている。近年は、更なる発光効率アップや高輝度化への取り組みが盛んに行われている。
一般的な窒化物半導体発光素子構造は、サファイア基板上に、ＧａＮより成るバッファ層、ｎ型ＧａＮより成るｎ型コンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮより成るｎ型クラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮより成る活性層、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＮより成るｐ型コンタクト層が順に積層されたダブルヘテロ構造を有している。活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる井戸層のみの単一量子井戸（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造もしくは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）よりなる井戸層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１、ｙ＜ｘ）よりなる障壁層との多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）のＩｎを含む構成となっている（特許文献１参照）。
サファイア基板上に上述した多層膜を形成すると、多層膜とサファイアとの熱膨張係数差及び格子定数差に起因して、成膜後のサファイア基板に反りが発生することが知られている。たとえば、非特許文献１には、サファイア基板上に、ＡｌＮバッファ層とＧａＮ層とをエピタキシャル成長させ、成膜により発生する熱応力がＧａＮ層膜厚に依存してどのように緩和されるかを調べた結果が開示されている。この非特許文献１では、膜厚が厚くなるに従って基板の反りが大きくなり、それに伴って界面欠陥（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｄｅｆｅｃｔｓ）、マイクロクラック（Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓ）や転位（Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、マクロクラック（Ｍａｃｒｏｃｒａｃｋｓ）が発生することで応力を緩和するということが明らかにされている。
また、非特許文献２のＦｉｇ．４には、サファイア基板上にＧａＮ系ＬＥＤ構造をエピタキシャル成長させる工程を通して発生する基板の反りを、Ｉｎ−ｓｉｔｕ観察する解析手法が開示されている。これによると、一連の成膜工程において、成膜物質、成膜温度、膜厚の変化によりサファイア基板の曲率が大きく変化することが示されている。さらに、活性層であるＩｎＧａＮ層の成長段階でサファイア基板の曲率がほぼ０となるような成膜工程とすることによって、基板面内における発光波長を均一化することが明らかにされている。
以上に説明したように、一連の成膜工程を通してサファイア基板の反りが大きく変化し、窒化物半導体膜の品質や発光波長の均一性に影響を与えることが知られている。なお、実際には、基板との熱膨張係数差を利用して、ＩｎＧａＮ系活性層において基板曲率がほぼ０となるように、サファイア基板の反り形状及び反り量が設定されることが多い。このような背景から、サファイア基板の形状及び反り量を制御するために、様々な研磨加工技術が検討されている（特許文献２等参照）。
一方で、サファイア基板上に窒化物半導体が積層された発光素子を分割する際に、８０〜９０μｍ程度の厚みを有するサファイア基板の内部に、パルスレーザを集光し、発光素子の分割予定ラインに対応する変質領域を形成する技術が知られている（特許文献３）。特許文献３に開示される技術は、サファイア基板にレーザ光線を照射して個々の発光素子に分割しても発光素子の輝度低下を抑制し得るサファイア基板の加工方法であり、発光素子の分割を目的としている。
特許第３２５０４３８号公報 特開２００６−３４７７７６号公報 特開２００８−６４９２号公報
Jpn.J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 1528-1533 J.Cryst. Growth, Vol.272, Issues 1-4, (2004), pp.94-99
以上に説明したように、発光素子などの各種素子を作製するために、サファイア基板などの単結晶基板上に、素子の構成に応じた多層膜を成膜すると、成膜後の基板（多層膜付き単結晶基板）は、通常は反ってしまう。一方、素子を製造する上では、多層膜付き単結晶基板に対して、通常は、さらに種々の後工程が実施される。しかしながら、多層膜付き基板が反った状態で、後工程を実施する場合、素子の品質ばらつきや歩留まり低下などを招いていた。
たとえば、後工程において多層膜をパターニング処理しようとした場合、以下に説明する問題が発生する。すなわち、多層膜をパターニング処理する場合、フォトマスクを用いて、多層膜上に形成されたレジストを露光することになる。この際、多層膜付き単結晶基板は反った状態である。それゆえ、単結晶基板の中央部に位置する多層膜の表面に対して露光のために照射される光の焦点を合わせると、単結晶基板の端部近傍に位置する多層膜の表面では、焦点がぼけることになる。この場合、多層膜の面内において露光ムラが生じるため、後工程を経て製造される素子の品質ばらつきや、歩留まりの低下を招くことになる。
また、後工程において、多層膜付き単結晶基板の多層膜が形成された面と反対側の面を研磨（バックラップ処理）しようとした場合、多層膜付き単結晶基板の多層膜が形成された面を平坦な研磨盤に貼り付けて固定する必要がある。しかし、この場合、多層膜付き単結晶基板が反っていると、バックラップ処理する面を平坦にするために、貼り付け時に、多層膜付き単結晶基板に対して大きな圧力を加えて貼り付け処理を行う必要がある。しかしながら、反りが大きいほど、大きな圧力を加えなければならなくなるため、結果として、多層膜付き単結晶基板にクラックが生じ易くなり、歩留まりの低下を招くことになる。なお、このような問題の発生を回避するために、より厚みのある単結晶基板を用いることも考えられる。しかしながら、この方法では、バックラップ処理に必要な研磨量が増大し、研磨時間がより長時間となるため、生産性が低下し実用性に欠ける。
一方、上述した多層膜付き単結晶基板を製造する場合、一般的には反りの殆ど無い略平坦な単結晶基板を用いて多層膜が成膜される。そして、多層膜が単結晶基板の片面に成膜されると、多層膜に起因する内部応力によって、単結晶基板をその厚み方向に対して２等分するラインで分割された両側の領域の応力バランスが崩れることになる。その結果、多層膜の成膜が完了すると単結晶基板が反ることになるといえる。上述した事情を考慮すれば、多層膜の成膜により生じる反りを、多層膜の成膜が終了した時点で矯正されるように、多層膜付き単結晶基板の製造に用いる単結晶基板として予め反った状態の基板を用いることが望ましいと考えられる。
また、前記反りは単結晶基板上に多層膜を成膜する成膜工程段階から発生するが、成膜工程中の単結晶基板の反り挙動の変動が激しいと、多層膜を構成する各層において、膜厚ムラおよび／または膜質ムラが発生してしまう。この膜厚ムラおよび／または膜質ムラにより、前記各種素子の品質ばらつきや歩留まり低下などを招いていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、多層膜の成膜に起因して生じる反りを矯正できる単結晶基板、その製造方法、当該単結晶基板を用いた多層膜付き単結晶基板の製造方法、および、当該製造方法を利用した素子製造方法を提供することを課題とする。
上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、
本発明の単結晶基板は、基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、どちらか一方の領域内にレーザ照射により形成された熱変性層が設けられ、熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反っていることを特徴とする。
さらに本発明の単結晶基板のー実施態様は、熱変性層が設けられている領域が、第１領域であることが好ましい。
また本発明の単結晶基板の他の実施態様は、熱変性層が設けられている領域が、第２領域であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、基板の厚み方向の相対位置を、第１領域側の面を０％と仮定し、第２領域側の面を１００％として仮定した際に、熱変性層が、基板の厚み方向の５％以上５０％未満の範囲内に設けられていることが好ましい。
また本発明の単結晶基板の他の実施態様は、基板の厚み方向の相対位置を、第１領域側の面を０％と仮定し、第２領域側の面を１００％として仮定した際に、熱変性層が、基板の厚み方向の５０％を超え９５％以下の範囲内に設けられていることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、熱変性層が基板の両面と平行に設けられていることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、熱変性層が基板の平面方向に対して、
ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状、
ｉｉ）複数個の同一形状および同一サイズの円または楕円を規則的に配置した形状、
ｉｉｉ）同心円状、
ｉｖ）基板の中心点に対して略点対称に形成された形状、
ｖ）基板の中心点を通じる直線に対して略線対称に形成された形状、
ｖｉ）ストライプ形状、ならびに、
ｖｉｉ）らせん形状
から選択される少なくともいずれか１つのパターン形状で設けられていることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状が、格子形状であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、格子形状を成すパターンを構成するラインのピッチが、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、基板の曲率が２００ｋｍ−１以下の範囲内であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、基板の材質がサファイアであることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、基板の直径が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の他の実施態様は、基板の厚みが０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
また本発明の単結晶基板の製造方法は、レーザ照射処理前の単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、
基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、どちらか一方の領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経て、
上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反った単結晶基板を製造することを特徴とする。
さらに本発明の単結晶基板の製造方法の一実施形態は、熱変性層を形成する領域が前記第１領域であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の製造方法の一実施形態は、前記単結晶基板への前記レーザの照射を、前記単結晶基板の前記第１領域側の面から行うことが好ましい。
また本発明の単結晶基板の製造方法の他の実施形態は、熱変性層を形成する領域が、前記第２領域であることが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の製造方法の一実施形態は、前記単結晶基板への前記レーザの照射を、前記単結晶基板の前記第２領域側の面から行うことが好ましい。
さらに本発明の単結晶基板の製造方法の一実施態様は、レーザの照射が、下記Ａ〜Ｂに示す少なくともいずれか１つに記載の照射条件を満たすように実施されることが好ましい。
＜照射条件Ａ＞
・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
・パルス幅：ナノ秒オーダー
＜照射条件Ｂ＞
・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー
また本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法は、基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、上記どちらか一方の領域内にレーザ照射により形成された熱変性層が設けられ、かつ、上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反っている単結晶基板の、上記第２領域側の面に、
多層膜として２つ以上の層を形成する多層膜形成工程を、少なくとも経ることにより、多層膜付き単結晶基板を製造することを特徴とする。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の一実施形態は、熱変性層を形成する領域が、第１領域であることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、基板の厚み方向の相対位置を、第１領域側の面を０％と仮定し、第２領域側の面を１００％とし仮定した際に、熱変性層が、基板の厚み方向の５％以上５０％未満の範囲内に位置するように形成されることが好ましい。
また本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施形態は、熱変性層を形成する領域が、第２領域であることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、基板の厚み方向の相対位置を、第１領域側の面を０％と仮定し、第２領域側の面を１００％とし仮定した際に、熱変性層が、基板の厚み方向の５０％を超え９５％以下の範囲内に位置するように形成されることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の一実施態様は、前記単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、第１領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経ることで、第１領域の面側が凸を成すように反った単結晶基板を作製し、その後に、当該単結晶基板に対して多層膜形成工程を実施することが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の一実施態様は、前記単結晶基板への前記レーザの照射を、前記単結晶基板の前記第１領域側の面から行うことが好ましい。
また本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の一実施態様は、前記単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、第２領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経ることで、第２領域の面側が凸を成すように反った単結晶基板を作製し、その後に、当該単結晶基板に対して多層膜形成工程を実施することが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の一実施態様は、前記単結晶基板への前記レーザの照射を、前記単結晶基板の前記第２領域側の面から行うことが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、レーザの照射が、下記Ａ〜Ｂに示す少なくともいずれか１つに記載の照射条件を満たすように実施されることが好ましい。
＜照射条件Ａ＞
・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
・パルス幅：ナノ秒オーダー
＜照射条件Ｂ＞
・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、熱変性層が、多層膜と平行となるように形成されることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、熱変性層が、基板の平面方向に対して、
ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状、
ｉｉ）複数個の同一形状および同一サイズの円または楕円を規則的に配置した形状、
ｉｉｉ）同心円状、
ｉｖ）基板の中心点に対して略点対称に形成された形状、
ｖ）基板の中心点を通じる直線に対して略線対称に形成された形状、
ｖｉ）ストライプ形状、ならびに、
ｖｉｉ）らせん形状
から選択される少なくともいずれか１つのパターン形状を描くように形成されることを特徴とすることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状が、格子形状であることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、格子形状を成すパターンを構成するラインのピッチが、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、前記熱変性層が設けられ、前記多層膜が形成される前の前記単結晶基板の曲率を、２００ｋｍ−１以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、基板の材質が、サファイアであることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、基板の直径が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、基板の厚みが０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに本発明の多層膜付き単結晶基板の製造方法の他の実施態様は、多層膜を構成する少なくともいずれか１層が、窒化物半導体結晶層であることが好ましい。
また本発明の素子製造方法は、単結晶基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、上記どちらか一方の領域内にレーザ照射により形成された熱変性層が設けられ、かつ、上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反っている単結晶基板の、上記第２領域側の面に、
多層膜として２つ以上の層を形成する多層膜形成工程を、少なくとも経ることにより、多層膜付き単結晶基板を製造し、
さらに、当該多層膜付き単結晶基板の上記多層膜に対して、少なくともパターニング処理を施すことにより、発光素子、光発電素子、半導体素子から選択されるいずれか１つの素子として機能する素子部分を作製する素子部分形成工程を少なくとも経て、上記素子部分と当該素子部分に略対応するサイズを有する単結晶基板とを含む素子を製造することを特徴とする。
以上に説明したように、本発明によれば、多層膜の成膜に起因して生じる反りを矯正できる単結晶基板、その製造方法、当該単結晶基板を用いた多層膜付き単結晶基板の製造方法、および、当該製造方法を利用した素子製造方法を提供することができる。
本実施形態の単結晶基板の製造方法の一例を示す模式説明図である。 図１に示すものと対応関係にある本実施形態の単結晶基板の製造方法の一例を示す模式説明図である。 従来の反りの無い略平坦な単結晶基板に対して多層膜を成膜した後に得られた多層膜付き単結晶基板の反りの状態の一例を示す模式断面図である。 本実施形態の単結晶基板に対して多層膜を成膜した後に得られた多層膜付き単結晶基板の反りの状態の一例を示す模式断面図である。 単結晶基板の平面方向に対する熱変性層の配置パターン形状の一例を示す平面図である。ここで、図５（ａ）は、複数本のラインを基板のオリフラ面に対して垂直に形成したストライプ形状を示す平面図であり、図５（ｂ）は、複数本のラインを基板のオリフラ面に対して水平に形成したストライプ形状を示す平面図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す配置パターン形状を組み合わせた格子形状を示す平面図であり、図５（ｄ）は、同一サイズの複数の正六角形を、正六角形の６つの頂点全てが当該正六角形に隣接する正六角形のいずれか一つの頂点と必ず重なり合うように規則的に配置した形状を示す平面図であり、図５（ｅ）は、同心円状を示す平面図である。 多層膜形成工程の一例を示す模式説明図である。ここで、図６（ａ）は成膜開始前の状態を示す図であり、図６（ｂ）は低温バッファ層を形成した後の状態を示す図であり、図６（ｃ）はｎ−ＧａＮ層を形成した後の状態を示す図であり、図６（ｄ）は多重量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ系活性層を形成した後の状態を示す図である。 多層膜形成工程における単結晶基板の反り挙動の一例を示すグラフである。 円形状基板の曲率から基板の反り量を計算する方法を説明する模式説明図である。 本実施形態の素子製造方法の一例を示す模式説明図である。ここで、図９（ａ）は素子部分形成工程を示す図であり、図９（ｂ）は研磨工程を示す図であり、図９（ｃ）は分割予定ライン形成工程を示す図であり、図９（ｄ）は分割工程を示す図である。 第１領域側の面からレーザ照射を行ったレーザ処理後単結晶基板における、熱変性層の深さと曲率変化量を示したグラフである。 本実施形態におけるＡｌＮ膜の形成及びＬＴ−ＧａＮ膜の形成工程での単結晶基板の反り挙動を示すグラフである。 第２領域に熱変性層を形成した単結晶基板に多層膜を形成する工程における単結晶基板の反り挙動の一例を示すグラフである。 本実施形態の別形態に係る単結晶基板の製造方法の一例を示す模式説明図である。 第２領域側の面からレーザ照射を行ったレーザ処理後単結晶基板における熱変性層の深さと曲率変化量を示したグラフである。
１０Ａ レーザ処理前単結晶基板
１０Ｂ レーザ処理後単結晶基板
１０Ｃ 研磨後基板
１０Ｄ 第１領域
１０Ｕ 第２領域
１０Ｒ レーザ照射装置３０が配置された側の領域（第１領域１０Ｄとなりうる領域）
１２ 非成膜面
１２Ａ 研磨後の非成膜面
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 熱変性層
２８、２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ 熱変性層
３０ レーザ照射装置
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 多層膜付き単結晶基板
４０ 多層膜
４２ 素子部分
５０ レーザ処理後サファイア基板
５２ 成膜面
５４ 非成膜面
６０ 低温バッファ層
６２ ｎ−ＧａＮ層
６４ ＧａＮ系層
６４Ａ ＩｎＧａＮ系活性層
６４Ｂ ＧａＮ系障壁層
６４Ｃ ＡｌＧａＮ系障壁層
７０ 多層膜
８０ 研磨盤
９０ 分割予定ライン
１００ 素子
（単結晶基板、その製造方法および多層膜付き単結晶基板の製造方法）
本実施形態の単結晶基板（以下、必要に応じて単に「基板」と云う）は、基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、上記どちらか一方の領域内に熱変性層が設けられ、かつ、上記熱変性層が設けられる領域の面側が凸を成すように反っていることを特徴とする。また、本実施形態の単結晶基板を用いた本実施形態の多層膜付き単結晶基板の製造方法は、本実施形態の単結晶基板の第２領域側の面に、２つ以上の層を有する多層膜を形成する多層膜形成工程を、少なくとも経ることにより、多層膜付き単結晶基板を製造することを特徴とする。前記熱変性層を設ける領域は、前記第１領域または第２領域のどちらかとする。
ここで、多層膜の成膜に起因して生じる反りは、本実施形態の単結晶基板を用いて多層膜を形成した場合には、矯正することができる。この場合、この反りが矯正されることで多層膜付き単結晶基板ができるだけ平坦な状態に近づくことが基本的に望ましいが、多層膜の成膜に起因して生じた反りの向きは同じままで、反りの程度が多少小さくなっているだけでもよく、あるいは、多層膜の成膜に起因して生じた反りの向きを反転させて逆向きに反らせるように、多層膜の成膜に起因して生じた反りを矯正してもよい。なお、多層膜の形成に起因する反りが矯正されることで多層膜付きの単結晶基板が略平坦な状態に近づいた場合、従来の単結晶基板に多層膜を成膜後に後工程を実施して素子を作製するときと比較して、本実施形態の単結晶基板に多層膜を成膜後に後工程を実施して素子を作製するときは、素子の品質ばらつきを抑制し、歩留まりを向上させることがより容易となる。
本実施形態の単結晶基板を用いて多層膜を成膜した場合において、多層膜に起因する反りを矯正できる理由は、本実施形態の単結晶基板には第１領域内に熱変性層が設けられており、多層膜の成膜に際しては第２領域側の面に多層膜が形成されるためである。
以上に説明したように、反りを有する本実施形態の単結晶基板に対して、この反りを打ち消すように多層膜を成膜することで、多層膜に起因して生じる多層膜付き単結晶基板の反りを矯正することができる。なお、このことからは、熱変性層を形成することで反らせた単結晶基板の代わりに、研磨処理によって反った場合と同様の湾曲形状を有する単結晶基板を用いても、上述と同様の効果が得られるとも予想される。しかしながら、通常の研磨は、平坦な基板に対してなされるものであるため、研磨処理によって反った場合と同様の湾曲形状の単結晶基板を作製するのは、非常に困難である。また、レンズ研磨を利用すれば、反った場合と同様の湾曲形状の単結晶基板を容易にえることができる。しかし、この場合は、研磨面に露出する結晶面が基板面内でばらつくことになる。一方、何がしかの素子の作製等を目的として単結晶基板に対して成膜する場合、一般的には、単結晶基板表面に露出した結晶面を利用して、結晶性の膜をエキタピシャル成長させることが多い。このような単結晶基板に対するニーズを考慮すれば、レンズ研磨処理によって湾曲させた単結晶基板を用いて多層膜を形成すること自体が殆ど想定され得ず、実用性や汎用性に欠ける。
また、研磨処理以外にも、イオン注入によって単結晶基板の表面に組成変性層を形成することによって基板を反らせることで、上述と同様の効果が得られるとも予想される。しかしながら、イオン注入は基板表面近傍の領域に限られるため、第１領域内の任意の位置に熱変性層を設ける場合と比べると、単結晶基板の反りの制御範囲が非常に狭くなるものと思われる。これに加えて、イオン注入は減圧環境下で実施する必要があることから生産性が非常に低い。以上の点を考慮すると、イオン注入を利用した方法は、実用性には極めて欠けると考えられる。
なお、本実施形態の単結晶基板内に形成される「熱変性層」は、単結晶基板の一部の領域を局所的に加熱することにより形成される層である。この熱変性層は、単結晶基板をその厚み方向において２等分するラインで分割される２つの領域のうちの一方の領域内に、この熱変性層を形成した場合に、当該一方の領域側に凸を成すように単結晶基板を反らす作用を有する。
この熱変性層の形成方法としては特に限定されるものではないが、通常は、単結晶基板に対してレーザ照射する方法が用いられる。この場合、レーザ照射された領域に存在する原子の多光子吸収により、当該領域が局所的に加熱され、周囲の領域に対して結晶構造や結晶性の変化などの何がしかの変性が生じることで、熱変性層が形成される。即ち、レーザ照射処理前の単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、第１領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経て、第１領域の面側に凸を成すように反った本実施形態の単結晶基板を製造することができる。そして、この熱変性層形成工程を経た後に多層膜形成工程が実施される。なお、レーザ光の吸収損失を抑制するという観点から、第１領域内に熱変性層を形成する場合は、通常、レーザ照射は第１領域側の面から実施されることが好ましいが、必要に応じて第２領域側の面から実施してもよい。
−レーザ照射条件−
なお、レーザの照射は、熱変性層が形成できるのであれば、如何様な照射条件で実施してもよいが、一般には、短い時間幅の中にエネルギーを集中させることが出来るため、高いピーク出力が得ることができるという点で、断続的にレーザ光を出すパルスレーザを用いて、下記１）および２）に示す範囲内で実施することが好ましい。
１）レーザ波長：２００ｎｍ〜５０００ｎｍ
２）パルス幅：フェムト秒オーダー〜ナノ秒オーダー（１ｆｓ〜１０００ｎｓ）
ここで、レーザ波長やパルス幅は、レーザ照射の対象となる単結晶基板の材質に起因する光透過性／光吸収性や、単結晶基板内に形成される熱変性層のサイズ・パターン精度、実用上利用可能なレーザ装置などを考慮して適宜選択される。しかしながら、レーザ照射に際しては、特に下記Ａに示す照射条件を選択することが好ましい。
＜照射条件Ａ＞
・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
・パルス幅：ナノ秒オーダー（１ｎｓ〜１０００ｎｓ）。なお、より好ましくは、１０ｎｓ〜１５ｎｓ。
＜照射条件Ｂ＞
・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー（１ｆｓ〜１０００ｐｓ）。なお、より好ましくは、２００ｆｓ〜８００ｆｓ。
なお、照射条件Ａは、照射条件Ｂよりも、レーザ波長がより短波長域のレーザを利用する。このため、レーザ波長およびパルス幅以外のその他の条件を同一として、レーザ照射を実施した場合、照射条件Ｂよりも、照射条件Ａの方が、同程度の反り矯正効果を得るために必要なレーザ加工時間を短縮できる。また、使用するレーザの波長は、レーザ照射の対象となる単結晶基板の吸収端波長よりも長波長域の波長を選択することが好適である。
ここで、単結晶基板がサファイア基板である場合は、上記照射条件Ａ、Ｂを利用できる。この場合、レーザ波長およびパルス幅以外のその他の条件としては、たとえば、実用性や量産性等の観点から、以下に示す範囲内で選択することが好ましい。
・繰り返し周波数：５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ
・レーザパワー：０．０５Ｗ〜０．８Ｗ
・レーザのスポットサイズ：０．５μｍ〜４．０μｍ（より好ましくは２μｍ前後）
・試料ステージの走査速度：１００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ
また、単結晶基板が、Ｓｉ基板の場合は、上記照射条件Ｂが利用できる。この場合、レーザ波長以外のその他の条件としては、たとえば、実用性や量産性等の観点から、以下に示す範囲内で選択することが好ましい。
・パルス幅：５０ｎｓ〜２００ｎｓ
・繰り返し周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ
・照射エネルギー：３μＪ〜１２μＪ
・レーザのスポットサイズ：０．５μｍ〜４．０μｍ
・試料ステージの走査速度：５０ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ（より好ましくは１００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ）
また、単結晶基板が、ＧａＡｓ基板の場合は、上記照射条件Ｂが利用できる。この場合、レーザ波長以外のその他の条件としては、たとえば、実用性や量産性等の観点から、以下に示す範囲内で選択することが好ましい。
・パルス幅：３０ｎｓ〜８０ｎｓ
・繰り返し周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ
・照射エネルギー：８μＪ〜２０μＪ
・レーザのスポットサイズ：０．５μｍ〜４．０μｍ
・試料ステージの走査速度：５０ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ（より好ましくは１００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ）
また、単結晶基板が、水晶基板の場合は、上記照射条件Ｂが利用できる。この場合、レーザ波長以外のその他の条件としては、たとえば、実用性や量産性等の観点から、以下に示す範囲内で選択することが好ましい。
・パルス幅：２００ｆｓ〜８００ｆｓ
・繰り返し周波数：１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ
・照射エネルギー：３μＪ〜６μＪ
・レーザのスポットサイズ：０．５μｍ〜４．０μｍ
・試料ステージの走査速度：５０ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ（より好ましくは１００ｍｍ／ｓ〜１０００ｍｍ／ｓ）
なお、表１に、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板および水晶基板に対して熱変性層を形成する場合のレーザ照射条件の一例を示す。また、レーザ照射する場合、単結晶基板のレーザ照射される側の面は鏡面状態（表面粗さＲａで１ｎｍ以下程度）であることが特に好ましい。レーザ照射される面を鏡面状態とするためには、たとえば、鏡面研磨を実施することができる。
また、本実施形態の単結晶基板の第２領域内に熱変性層を設けることにより、単結晶基板上に多層膜を成膜する成膜工程中に発生する単結晶基板の反り挙動の変動を抑えられ、成膜工程中の任意の成膜段階での単結晶基板の反りを０にすることが可能となる。従って、多層膜を構成する各層において、膜厚ムラおよび／または膜質ムラの発生が防止される。膜厚ムラおよび／または膜質ムラが防止されることにより、各種素子の品質ばらつきや歩留まり低下などが防止される。第２領域内に設けられる熱変性層の形成方法も特に限定されないが、通常は、単結晶基板に対してレーザ照射する方法が用いられる。第２領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経ることにより、第２領域の面側に凸を成すように反った他の実施形態の単結晶基板を製造することができる。この熱変性層形成工程を経た後に多層膜形成工程が実施される。なお、レーザ光の吸収損失を抑制するという観点から、第２領域内に熱変性層を形成する場合は、通常、レーザ照射は第２領域側の面から実施されることが好ましいが、必要に応じて第１領域側の面から実施してもよい。
−熱変性層形成工程の具体例−
次に、熱変性層形成工程の具体例を図面を用いて説明する。図１および図２は本実施形態の単結晶基板の製造方法の一例を示す模式説明図であり、具体的には、熱変性層形成工程の一例を説明する模式説明図である。ここで、図１の上段は、熱変性層形成工程の実施前での単結晶基板を示す模式断面図であり、図１の下段は、熱変性層形成工程を実施した後の単結晶基板を示す模式断面図である。また、図２は熱変性層形成工程を実施している最中の状態、すなわち、単結晶基板の一方の面（第１領域側の面）からレーザを照射している状態を示す模式断面図である。
図１の上段に示すように、熱変性層形成工程を実施する前の従来の単結晶基板（レーザ処理前単結晶基板１０Ａ）は、反りが無く、略平坦状である。これに対して、図１の下段に示す熱変性層形成工程を実施した後の本実施形態の単結晶基板（レーザ処理後単結晶基板１０Ｂ）は、第１領域１０Ｄの面側に凸を成すように反っている。また、図１下段に示すように、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂをその厚み方向において、一点鎖線Ｌにより２等分して得られる第１領域１０Ｄおよび第２領域１０Ｕのうち、第１領域１０Ｄ内に、一定の厚みを有する複数の熱変性層２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）が、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向に対して等間隔に形成されている。なお、以下の説明において、レーザ処理前単結晶基板１０Ａおよびレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの双方またはいずれかを意味してもよい場合は、単結晶基板１０と称す場合がある。
ここで、熱変性層形成工程は、図２に一例を示すように、レーザ処理前単結晶基板１０Ａを不図示の試料ステージに固定した状態で実施される。なお、固定は、たとえば、真空吸着などにより実施することが好ましい。そして、試料ステージに固定されたレーザ処理前単結晶基板１０Ａの試料ステージが配置された側と反対側の面から、レーザ照射装置３０によりレーザを照射する。この際、レーザ処理前単結晶基板１０Ａをその厚み方向に２等分して得られる２つの領域のうちレーザ照射装置３０が配置された側の領域１０Ｒ、すなわち第１領域１０Ｄとなりうる領域内にレーザを集光させると共に、レーザ照射装置３０とレーザ処理前単結晶基板１０Ａとを水平方向に相対的に移動させることで、熱変性層２０を形成する。ここで、レーザのスポットサイズ、レーザパワー、パルス幅などを適宜選択することで、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向や厚み方向に対する熱変性層２０のサイズや変性度合などを制御できる。また、レーザ処理前単結晶基板１０Ａに対するレーザ照射装置３０の相対的な移動速度（たとえば試料ステージが移動可能な場合は、試料ステージの走査速度）、レーザの繰り返し周波数を適宜選択することにより、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向に対する個々の熱変性層２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ間の間隔を制御することができる。
また、図１３の上段に示すように、第２領域１０Ｕに熱変性層を形成する工程を実施する前の従来の単結晶基板（レーザ処理前単結晶基板１０Ａ）も、反りが無く、略平坦状である。これに対して、図１３の中段に示す第２領域１０Ｕへの熱変性層形成工程を実施した後の他の実施形態の単結晶基板（レーザ処理後単結晶基板１０Ｂ）は、第２領域１０Ｕの面側に凸を成すように反っている。レーザ処理後単結晶基板１０Ｂをその厚み方向において、一点鎖線により２等分して得られる第１領域１０Ｄおよび第２領域１０Ｕのうち、第２領域１０Ｕ内に、一定の厚みを有する複数の熱変性層２８（２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ）が、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向に対して等間隔に形成されている。なお、前記と同様、以下の説明において、レーザ処理前単結晶基板１０Ａおよびレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの双方またはいずれかを意味してもよい場合は、単結晶基板１０と称す場合がある。また、熱変性層２０または２８が形成された単結晶基板は、どちらもレーザ処理が施された後の単結晶基板であり、かつ熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成すように反っているという点で共通なので、「レーザ処理後単結晶基板１０Ｂ」と表すことにする。
ここで、第２領域１０Ｕへの熱変性層形成工程も、レーザ処理前単結晶基板１０Ａを不図示の試料ステージに固定した状態で実施される。そして試料ステージに固定されたレーザ処理前単結晶基板１０Ａの試料ステージが配置された側と反対側の面から、レーザ照射装置３０によりレーザを照射する。この際、第２領域１０Ｕとなりうる領域内にレーザを集光させると共に、レーザ照射装置３０とレーザ処理前単結晶基板１０Ａとを水平方向に相対的に移動させることで、熱変性層２８を形成する。レーザ処理前単結晶基板１０Ａに対するレーザ照射装置３０の相対的な移動速度（たとえば試料ステージが移動可能な場合は、試料ステージの走査速度）、レーザの繰り返し周波数を適宜選択することにより、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向に対する個々の熱変性層２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ間の間隔を制御することができる。
−多層膜形成工程実施後の多層膜付き単結晶基板の反り−
次に、反りを有する本実施形態のレーザ処理後単結晶基板１０Ｂに対して、多層膜を成膜した後に得られる多層膜付き単結晶基板の反りの状態の一例を、従来の反りの無い略平坦なレーザ処理前単結晶基板１０Ａに対して、多層膜を成膜した後に得られる多層膜付き単結晶基板の反りの状態と対比しながら説明する。図３は、従来の反りの無い略平坦な単結晶基板に対して多層膜を成膜した後に得られた多層膜付き単結晶基板の反りの状態の一例を示す模式断面図であり、図４は、本実施形態の単結晶基板に対して多層膜を成膜した後に得られた多層膜付き単結晶基板の反りの状態の一例を示す模式断面図である。なお、図３および図４中、図１、図２中に示すものと同様の機能・構造を有するものについては、同一の符号を付してある。また、図３および図４中、多層膜を構成する各層については記載を省略してある。
図３に示す多層膜付き単結晶基板３０Ａは、図１の上段に示すように成膜前の状態においては反りが無く略平坦なレーザ処理前単結晶基板１０Ａと、このレーザ処理前単結晶基板１０Ａの片面に設けられた多層膜４０とから構成される。図３に示すように、多層膜付き単結晶基板３０Ａは、多層膜４０が設けられた側の面に凸を成すように大きく反っている。
これに対して、図４に示す多層膜付き単結晶基板３０Ｂは、図１の下段に示すように成膜前の状態においては第１領域１０Ｄの面側に凸を成すように大きく反っているレーザ処理後単結晶基板１０Ｂと、このレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの第２領域１０Ｕの面側に設けられた多層膜４０とから構成される。熱変性層２０が存在する多層膜付き単結晶基板３０Ｂは、反りが無く略平坦な状態となっている。
また図１３下段に示す多層膜付き単結晶基板３０Ｃは、図１３の上段に示すように成膜前の状態においては反りが無く略平坦なレーザ処理前単結晶基板１０Ａと、このレーザ処理前単結晶基板１０Ａの片面に設けられた多層膜４０とから構成される。図１３下段に示すように、多層膜付き単結晶基板３０Ｃは、多層膜４０が設けられた側の面に凸を成すように大きく反っている。
図１３下段に示す多層膜付き単結晶基板３０Ｃは、図１３の中段に示すように成膜前の状態においては第２領域１０Ｕの面側に凸を成すように大きく反っているレーザ処理後単結晶基板１０Ｂと、このレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの第２領域１０Ｕの面側に設けられた多層膜４０とから構成される。熱変性層２８が存在する多層膜付き単結晶基板３０Ｃ
は、第２領域１０Ｕの面側に凸状の反りを有している。
−熱変性層の配置パターン−
図３および図４に例示したように、第１領域１０Ｄ内に熱変性層２０を設けたレーザ処理後単結晶基板１０Ｂを用いて多層膜４０を成膜すれば、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反りを矯正できる。しかしながら、熱変性層２０が、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向や平面方向に対して、偏った位置に設けられたり、不規則に配置されたり、非対称的に配置されたりすると、多層膜４０に起因して発生する反りを矯正することが困難となったり、あるいは、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの形状が歪んでしまう場合がある。
上述した問題の発生を回避するためには、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向については、熱変性層２０は、多層膜４０と平行に設けられていることが好ましい。なお、この場合、図１０に示されているように、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向の相対位置を、第１領域１０Ｄ側の面を０％と仮定し、第２領域１０Ｕ側の面を１００％とし仮定した際に、熱変性層２０が、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向の５％以上５０％未満の範囲内に設けられていることが好ましく５％以上３０％以下の範囲内に設けられていることがより好ましい。レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対して熱変性層２０を上記数値範囲内に設けることにより、多層膜４０に起因するレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反りをより効果的に矯正して、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの変形も抑制できる。なお、図１０のおける曲率変化量の符号は、図１下段に示すような第１領域側の面が凸を成す反りでの曲率変化量を＋（プラス）、第１領域側の面が凹を成す反りでの曲率変化量を−（マイナス）としている。レーザ処理時における、レーザ処理前単結晶基板１０Ａへのレーザ照射は、図２に示すように第１領域１０Ｄ側の面から実施することが好ましい。図１０は第１領域１０Ｄ側の面からレーザ照射を行ったレーザ処理後単結晶基板１０Ｂにおける、熱変性層の深さと曲率変化量を示したグラフである。第１領域側の面からレーザ照射を行う利点としては、前記の通りレーザ光の吸収損失を抑制できる点に加え、次のような利点もある。図１０に示すように、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における５％以上５０％未満の範囲内に熱変性層２０を形成する場合は、第１領域側の面からレーザ照射を行うとレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの曲率変化量が大きくなることが判る。一方、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における５０％超かつ９５％以下の範囲内に熱変性層を形成する際は、第１領域側の面からレーザ照射を行うと、曲率変化量は得られるものの、その絶対値としての大きさは極めて小さいことが判る。従って、熱変性層２０の形成数を抑えつつ、多層膜成膜前のレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反り量を大きく設けたい場合には、第１領域側の面からレーザ照射を行うことが好ましい。
なお、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対する熱変性層２０の存在位置は、個々の熱変性層２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが、全て同じ位置に存在することが好ましいが、異なる位置に存在していてもよい。この場合は、基板の平面方向に対する個々の熱変性層２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの配置位置も考慮の上、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの形状が歪んだり、熱変性層２０を設けたことに起因する反りの矯正効果を著しく損失しないように、個々の熱変性層２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対して異なる位置に配置してもよい。また、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対する熱変性層２０の長さは、レーザのスポットサイズ、照射エネルギー（レーザパワー／繰り返し周波数）、パルス幅に依存して決定され、通常は、数μｍ〜数十μｍの範囲内である。
また、上述した問題の発生を回避するためには、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向については、熱変性層２０は、以下に示されるパターン形状で設けられることが好ましい。すなわち、熱変性層２０は、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向に対して、下記ｉ）〜ｖｉｉ）から選択される少なくともいずれか１つのパターン形状で設けられていることが好ましい。この場合、多層膜４０に起因する多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反りをより効果的に矯正して、その変形も抑制できる。
ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状
ｉｉ）複数個の同一形状および同一サイズの円または楕円を規則的に配置した形状
ｉｉｉ）同心円状
ｉｖ）基板の中心点に対して略点対称に形成された形状
ｖ）基板の中心点を通じる直線に対して略線対称に形成された形状
ｖｉ）ストライプ形状
ｖｉｉ）らせん形状
なお、上記ｉ）〜ｖｉｉ）に示されるパターン形状のうち、多層膜４０に起因する多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反りをより均一に矯正でき、形状の歪みもより小さくできる観点からは、ｉ）〜ｉｖ）に示されるパターン形状がより好ましい。
また、熱変性層２０の形成に際して、レーザ走査、すなわち、レーザ処理前単結晶基板１０Ａに対するレーザ照射装置３０の相対的な移動が、他のパターン形状と比べて比較的単純でレーザ加工が容易となる観点からは、パターン形状は、ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状であることが好ましい。さらに、ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状としては、複数個の同一形状および同一サイズの四角形を個々の四角形を構成する４辺が隣接する四角形のいずれか１辺と互いに重なり合うように規則的に配置した形状、すなわち、格子形状であることが特に好ましい。この場合、レーザ走査が縦方向および横方向の２方向のみでよく、レーザ加工がより容易となる上に、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反り量制御や形状制御の設計もより容易となる。
ここで、格子形状を成すパターンを構成するラインのピッチは、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることが好ましく、１００μｍ〜１０００μｍの範囲内であることがより好ましい。ピッチを５０μｍ以上とすることにより、レーザ加工に要する時間が必要以上に増大するのを抑制でき、また、ピッチを２０００μｍ以下とすることにより、多層膜４０に起因する多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反りをより確実に矯正できる。
図５は、基板の平面方向に対する熱変性層の配置パターン形状の一例を示す平面図であり、具体的には、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面形状がオリフラ面を有する円形状である場合における熱変性層２０の配置パターン形状の一例を示したものである。熱変性層２０の配置パターン形状は、図５に示すように、たとえば、複数本のラインを基板のオリフラ面に対して垂直又は平行に形成したストライプ形状（図５（ａ）、図５（ｂ））、それら両方を組み合わせた格子形状（図５（ｃ））などが挙げられる。また、この他の配置パターン形状として、同一サイズの複数の正六角形を、正六角形の６つの頂点全てが当該正六角形に隣接する正六角形のいずれか一つの頂点と必ず重なり合うように規則的に配置した形状（図５（ｄ））、同心円状（図５（ｅ））なども挙げられる。なお、図５（ａ）に示す幅Ｗは、ライン間のピッチを意味する。
なお、図４に示す例において、多層膜付き単結晶基板３０Ｂのいずれか一方の面側に凸を成すように反りが生じる場合もありえる。しかしながら、いずれにせよ、図３に示すような反りは、反りの向きが同じかつ反り量が抑制された状態に矯正されるか、あるいは、反りの向きが逆側となるように矯正されることになる。すなわち、多層膜４０に起因して発生する反りの程度は、多層膜４０の層構成や膜厚、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚みや材質など、様々である。しかしながら、この反りの程度に応じて、以上に説明した、ｉ）熱変性層２０のレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における長さ、ｉｉ）レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における熱変性層２０の配置位置、および、ｉｉｉ）レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向における熱変性層２０の配置パターン形状を適宜選択して組み合わせることで、多層膜付き単結晶基板３０Ａに対して、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの多層膜４０に起因する反りを矯正できるのみならず、多層膜付き単結晶基板３０Ｂを略平坦状とすることもできる。なお、多層膜付き単結晶基板３０Ｂの曲率としては、反りに起因する後工程での悪影響をより小さくできる観点から±３０ｋｍ−１の範囲内が好ましく、±２０ｋｍ−１の範囲内がより好ましい。
また、第２領域１０Ｕに熱変性層２８を設ける場合も、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向において熱変性層２８が多層膜４０と平行に設けられていることが好ましい。なお、この場合、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向の相対位置を、第１領域１０Ｄ側の面を０％と仮定し、第２領域１０Ｕ側の面を１００％とし仮定した際に、熱変性層２８が、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向の５０％を超えて９５％以下の範囲内に設けられていることが好ましい。さらに、８０％以上９５％以下の範囲内に設けられていることがより好ましい。熱変性層２８を上記数値範囲内に設けることにより、多層膜４０成膜中の任意の成膜段階でのレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反りを０にすることが可能となり、多層膜付き単結晶基板３０Ａの変形も抑制できる。なお、図１４のおける曲率変化量の符号は、図１３中段に示すような第２領域１０Ｕ側の面が凸を成す反りでの曲率変化量を＋（プラス）、第２領域１０Ｕ側の面が凹を成す反りでの曲率変化量を−（マイナス）としている。レーザ処理時における、レーザ処理前単結晶基板１０Ａへのレーザ照射は、図１３上段に示すように第２領域１０Ｕ側の面から実施することが好ましい。図１４は第２領域側の面からレーザ照射を行ったレーザ処理後単結晶基板１０Ｂにおける、熱変性層の深さと曲率変化量を示したグラフである。第２領域側の面からレーザ照射を行う利点としては、前記の通りレーザ光の吸収損失を抑制できる点に加え、次のような利点もある。図１４に示すように、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における５０％超かつ９５％以下の範囲内に熱変性層２８を形成する場合は、第２領域側の面からレーザ照射を行うとレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの曲率変化量が大きくなることが判る。一方、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における０％以上５０％未満の範囲内に熱変性層を形成する際は、第２領域側の面からレーザ照射を行うと、曲率変化量は得られるものの、その絶対値としての大きさは極めて小さいことが判る。従って、熱変性層２８の形成数を抑えつつ、多層膜成膜前のレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反り量を大きく設けたい場合には、第２領域側の面からレーザ照射を行うことが好ましい。
なお、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対する熱変性層２８の存在位置も、個々の熱変性層２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄが、全て同じ位置に存在することが好ましいが、異なる位置に存在していてもよい。この場合は、個々の熱変性層２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄの配置位置も考慮の上、多層膜付き単結晶基板３０Ｃの形状が歪んだり、熱変性層２８を設けたことによる効果を著しく損失しないように、前記熱変性層２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄを、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対して異なる位置に配置してもよい。また、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向に対する熱変性層２８の長さは、レーザのスポットサイズ、照射エネルギー（レーザパワー／繰り返し周波数）、パルス幅に依存して決定され、通常は、数μｍ〜数十μｍの範囲内である。
またレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向については、熱変性層２８は前記熱変性層２０と同様、下記ｉ）〜ｖｉｉ）から選択される少なくともいずれか１つのパターン形状で設けられていることが好ましい。
ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状
ｉｉ）複数個の同一形状および同一サイズの円または楕円を規則的に配置した形状
ｉｉｉ）同心円状
ｉｖ）基板の中心点に対して略点対称に形成された形状
ｖ）基板の中心点を通じる直線に対して略線対称に形成された形状
ｖｉ）ストライプ形状
ｖｉｉ）らせん形状
なお、上記ｉ）〜ｖｉｉ）に示されるパターン形状のうち、多層膜４０に起因する多層膜付き単結晶基板３０Ｃの反りをより均一に矯正でき、形状の歪みもより小さくできる観点からは、ｉ）〜ｉｖ）に示されるパターン形状がより好ましい。
また、熱変性層２８の形成に際して、レーザ走査、すなわち、レーザ処理前単結晶基板１０Ａに対するレーザ照射装置３０の相対的な移動が、他のパターン形状と比べて比較的単純でレーザ加工が容易となる観点から、パターン形状は、ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状であることが好ましい。さらに、ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状としては、複数個の同一形状および同一サイズの四角形を個々の四角形を構成する４辺が隣接する四角形のいずれか１辺と互いに重なり合うように規則的に配置した形状、すなわち、格子形状であることが特に好ましい。この場合、レーザ走査が縦方向および横方向の２方向のみでよく、レーザ加工がより容易となる上に、多層膜付き単結晶基板３０Ｃの反り量制御や形状制御の設計もより容易となる。
ここで、格子形状を成すパターンを構成するラインのピッチは、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることが好ましく、１００μｍ〜１０００μｍの範囲内であることがより好ましい。ピッチを５０μｍ以上とすることにより、レーザ加工に要する時間が必要以上に増大するのを抑制でき、また、ピッチを２０００μｍ以下とすることにより、多層膜４０成膜中の任意の成膜段階でのレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反りを０に設定することをより効果的に実現することができる。
熱変性層２８の配置パターン形状は、図５に示す各種形状などが挙げられる。なお、図５（ａ）に示す幅Ｗは、ライン間のピッチを意味する。
なお、多層膜４０に起因して発生する反りの程度に応じて、ｉ）熱変性層２８のレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における長さ、ｉｉ）レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの厚み方向における熱変性層２８の配置位置、および、ｉｉｉ）レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの平面方向における熱変性層２８の配置パターン形状を適宜選択して組み合わせることで、多層膜付き単結晶基板３０Ｃの多層膜４０に起因する反りを矯正できるのみならず、多層膜成膜中の任意の成膜段階でのレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反りも０にすることができる。
−レーザ処理後単結晶基板の曲率−
一方、図１の下段に示すようにレーザ処理後単結晶基板１０Ｂは、第１領域１０Ｄ側の面に凸を成すように反っているのであればその曲率は特に限定されるものではないが、曲率の上限値は２００ｋｍ−１以下であることが好ましく、１５０ｋｍ−１以下であることがより好ましく、６０ｋｍ−１以下であることがさらに好ましい。この場合、多層膜４０を成膜して得られる多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反りを抑制して、より平坦な状態とすることが容易となる。
表２に、レーザ処理後単結晶基板の反りの曲率例と、前記反りの曲率が２００ｋｍ−１以下となる実施形態例を示す。表２より、レーザ処理前（加工前）単結晶基板の曲率は１０又は１１ｋｍ−１で凹を成す形状であった。つまり、第１領域内に熱変性層が設けられ、第１領域の基板面側が凸、他方の領域の基板面側が凹を成している。このレーザ処理前（加工前）単結晶基板に、１００μｍ以上の加工ピッチで熱変性層２０を設けることにより、レーザ処理後（加工後）単結晶基板の曲率を２００ｋｍ−１以下に納めることが可能であると判明した。さらに、同じ加工ピッチでも、単結晶基板の厚み方向において第２領域側に対し第１領域側に近い位置に熱変性層を形成することにより、単結晶基板の曲率がより大きくなることが判った。さらに、単結晶基板の厚み方向において同じ位置に熱変性層を形成しても、加工ピッチが小さい方が単結晶基板の曲率がより大きくなることが判った。
また、図１３中段に示すように第２領域１０Ｕに熱変性層２８をレーザ処理で形成した後のレーザ処理後単結晶基板１０Ｂは、第２領域１０Ｕ側の面に凸を成すように反っているのであればその曲率は特に限定されるものではないが、曲率の上限値は２００ｋｍ−１以下であることが好ましく、１５０ｋｍ−１以下であることがより好ましく、６０ｋｍ−１以下であることがさらに好ましい。この場合、多層膜４０を成膜して得られる多層膜付き単結晶基板３０Ｃの反りを抑制すると共に、多層膜４０成膜中の任意の成膜段階でのレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反りを０にすることがより容易となる。
−単結晶基板−
レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの作製に用いられるレーザ処理前単結晶基板１０Ａを構成する材質としては、レーザ照射により熱変性層２０、２８の形成が可能な公知の単結晶材料であればいずれも利用できるが、たとえば、サファイア、窒化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、水晶、ＳｉＣなどが挙げられる。なお、本実施形態の多層膜付き単結晶基板は、単結晶材料からなる単結晶基板を利用するものである。しかしながら、このような基板の代わりに、多結晶材料からなる基板（たとえば石英基板）や、非晶質材料からなる基板（たとえばガラス基板）を用いても、多層膜に起因する反りが矯正された平坦な多層膜付き基板を得ることもできる。
また、レーザ処理前単結晶基板１０Ａは、通常、少なくとも片面が鏡面研磨されたものが用いられ、両面が鏡面研磨されたものを用いてもよい。片面のみが鏡面研磨されている場合は、通常は、この面側からレーザ照射を行いレーザ処理後単結晶基板１０Ｂを作製し、次に、第２領域１０Ｕ側の面を鏡面研磨した後に多層膜４０を形成する。また、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの作製に用いられるレーザ処理前単結晶基板１０Ａとしては、基板の製造および入手容易性の観点から、レーザ加工などによる何らの熱変性層やイオン打ち込みなどによる何らの組成変性層も形成されておらず、かつ、何らの膜も成膜されていない状態では、通常、その反り量はほぼゼロ、すなわち略平坦なものが用いられる。
単結晶基板１０の平面方向の形状は特に限定されるものではなく、たとえば、方形などでもよいが、公知の各種素子の製造ラインでの適用が容易であるという観点からは、円形状であることが好ましく、特にオリフラ面が設けられた円形状であることが好ましい。
単結晶基板１０の形状が円形状またはオリフラ面が設けられた円形状である場合、単結晶基板１０の直径は５０ｍｍ以上であることが好ましく、７５ｍｍ以上であることがより好ましく、１００ｍｍ以上であることが更に好ましい。直径を５０ｍｍ以上とした場合、レーザ処理前単結晶基板１０Ａを用いて多層膜４０を形成して多層膜付き単結晶基板３０Ａを作製した際に、直径の増大と共に多層膜付き単結晶基板３０Ａを平坦な面に静置したと仮定した際の鉛直方向に対する多層膜付き単結晶基板３０Ａの中央部付近と端部付近との高低差（反り量）が大きくなる。しかしながら、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂを用いて多層膜４０を形成して多層膜付き単結晶基板３０Ｂ、３０Ｃを作製すれば、このような大きな反りを矯正して、反り量を容易に小さくすることができるので、後工程への悪影響を小さくすることができる。なお、直径の上限値は特に限定されるものではないが、実用上の観点からは３００ｍｍ以下が好ましい。
また、単結晶基板１０の厚みは、５．０ｍｍ以下であることが好ましく、３．０ｍｍ以下であることが好ましく、２．０ ｍｍ以下であることがより好ましい。厚みを５．０ｍｍ以下とした場合、厚みが薄いためレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの剛性が低下し、変形しやすくなる。この場合、レーザ処理前単結晶基板１０Ａを用いて多層膜４０を形成して得られた多層膜付き単結晶基板３０Ａでは、反り量が増大しやすくなる。しかしながら、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂを用いて多層膜４０を形成する場合、上記のレーザ処理前単結晶基板１０Ａを用いた場合の反りの増大を考慮して、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反り量を調整しておくことで、作製される多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反り量を容易に０近傍に制御できる。または、多層膜成膜中の任意の成膜段階での多層膜付き単結晶基板３０Ｃの反りを０に設定することが可能となる。それゆえ、単結晶基板１０の直径が増大しても後工程への悪影響を小さくすることができる。また、以上に説明した事情から、後工程において多層膜付き単結晶基板３０Ｂ、３０Ｃの第１領域１０Ｄの面側の研磨により、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂを所定の厚みとなるまで研磨する必要がある場合には、後工程への悪影響が増大しない範囲で、研磨代がより小さくなるように厚みのより薄いレーザ処理後単結晶基板１０Ｂを用いて多層膜４０を形成することができる。この場合、後工程での研磨に要する時間を短縮でき、後工程における生産性を向上させることができる。
厚みの下限値は特に限定されるものではないが、熱変性層２０、または２８を形成できる領域を確保する観点から０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、単結晶基板１０の形状が、円形状またはオリフラ面が設けられた円形状である場合、直径が５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下のときは、厚みは０．３ｍｍ以上であることが好ましく、直径が１００ｍｍを超えるときは、厚みは０．５ｍｍ以上が好ましい。
−多層膜−
本願明細書において「多層膜」とは、２つ以上の層を有するものである。これに加えて、この多層膜を構成する各層が基板の平面方向に対して同一の膜厚を有する連続した層から構成された最表層の膜を貫通する段差を持たない膜を意味する。多層膜４０の層構成、ならびに、多層膜４０を構成する各層の膜厚、材料および結晶性／非結晶性は、本実施形態の単結晶基板１０Ｂを用いて作製された多層膜付き単結晶基板３０Ｂ、３０Ｃを更に後加工することにより作製される素子の種類や、素子を製造する際に適用する製造プロセスに応じて適宜選択される。
しかしながら、多層膜４０を構成する少なくともいずれか１層が、結晶性の層であることが好ましい。また、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの成膜面に露出する結晶面を利用してエキタピシャル成長させることができるという観点からは、多層膜４０を構成する各層のうち、少なくともレーザ処理後単結晶基板１０Ｂの成膜面に直接接触する層が結晶性の層であることが好ましく、多層膜４０を構成する全ての層が結晶性の層であってもよい。なお、エキタピシャル成長とは、同一組成または混晶を含むホモエキタピシャル成長、ヘテロエキタピシャル成長を含む。また、多層膜４０を構成する各層の材料も、作製する素子に応じて適宜選択されるが、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの作製に用いる基板がサファイアなどの無機材料で構成されることを考慮すると、各層を構成する材料も、金属材料、金属酸化物材料、無機半導体材料などの無機材料とすることが好ましく、全ての層がこれらの無機材料から構成されることが望ましい。ただし、ＭＯＣＶＤ法を成膜法として用いた場合、層の無機材料中に有機金属由来の有機物を含有することがある。
多層膜４０を構成する各層の具体例としては、たとえば、面発光レーザなどに用いる発光素子、光センサや太陽電池などに用いる受光素子、電子回路などに用いる半導体素子などの各種の窒化物半導体を利用した素子の製造に適したものとして、ＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系などの窒化物半導体結晶層を挙げることができる。なお、この場合、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの作製に用いる基板として、サファイア基板を用いることが好適である。また、多層膜４０の層構成の具体例としては、たとえば、素子として窒化物半導体を利用した発光素子を作製するのであれば、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂとして熱変性層２０、２８が形成されたサファイア基板を用い、このサファイア基板側から、ＧａＮより成るバッファ層、ｎ型ＧａＮより成るｎ型コンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮより成るｎ型クラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮより成る活性層、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層、ｐ型ＧａＮより成るｐ型コンタクト層をこの順に積層した層構成、を採用することができる。
多層膜４０の膜厚としては、作製する素子に応じて適宜選択され、一般的に、多層膜４０の膜厚が大きくなるほど、レーザ処理前単結晶基板１０Ａに対して多層膜４０を成膜した多層膜付き単結晶基板３０Ａの反り量も増大することになる。従来であれば、素子の品質ばらつきや歩留まりへの影響が顕著となってくる。また、この場合、多層膜４０には、成膜後において反りに起因する脆性破壊によりクラックが発生しやすくなる。しかしながら、多層膜４０を形成した後の多層膜付き単結晶基板３０Ｂの反り量が０近傍に制御できるように、所定の反り量を有するようにレーザ照射して作製したレーザ処理後単結晶基板１０Ｂを用いて多層膜４０を成膜すれば、上述した問題の発生をより確実に抑制できる。なお、多層膜４０の膜厚の上限は特に限定されるものではない。また、多層膜の層数は２層以上であればよく、作製する素子の種類に応じて層数が適宜選択できる。
多層膜４０の成膜方法としては特に限定されず、公知の成膜方法が利用でき、多層膜４０を構成する各層毎に異なる成膜方法および／または成膜条件を採用して成膜することもできる。成膜法としてはメッキ法などの液相成膜法も挙げられるが、スパッタリング法やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）などの気相成膜法を用いることが好ましい。なお、発光素子などの作製を目的として窒化物半導体結晶層などの半導体結晶層を成膜する場合、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ＨＶＰＥ法（Hydride vapor phase epitaxy）、ＭＢＥ法（Molecular
Beam Epitaxy）などの気相成膜法を利用することがより好ましい。なお、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの多層膜４０が成膜される側の面は、鏡面状態（表面粗さＲａで１ｎｍ以下程度）であることが特に好ましい。多層膜４０が形成される面を鏡面状態とするためには、たとえば、鏡面研磨を実施することができる。
−多層膜形成工程の具体例−
次に、多層膜４０を成膜する場合の具体例として、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂとしてレーザ照射により熱変性層２０、２８を形成したサファイア基板（レーザ処理後サファイア基板）を用い、このレーザ処理後サファイア基板の片面に、エピタキシャル成長により窒化物半導体層を複数層積層して多層膜４０を形成する場合を図面を用いて説明する。図６は、多層膜形成工程の一例を示す模式説明図であり、具体的には、サファイア基板上に窒化物半導体層等を積層することで多層膜を形成するプロセスを示した図である。ここで、図６（ａ）は成膜開始前の状態を示す図であり、図６（ｂ）は低温バッファ層を形成した後の状態を示す図であり、図６（ｃ）はｎ−ＧａＮ層を形成した後の状態を示す図であり、図６（ｄ）は多重量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ系活性層を形成した後の状態を示す図である。なお、図中、多層膜成膜中および多層膜成膜後のレーザ処理後サファイア基板の反りの有無や反りの程度、熱変性層２０、第１領域１０Ｄおよび第２領域１０Ｕについては記載を省略してある。
まず、レーザ処理後サファイア基板５０（レーザ処理後単結晶基板１０Ｂ）の第２領域１０Ｕ側の面（以下、「成膜面５２」と称す）を成膜開始前にサーマルクリーニングする（図６（ａ））。次に、成膜面５２上に、低温バッファ層６０（図６（ｂ））、ｎ−ＧａＮ層６２（図６（ｃ））、多重量子井戸構造を有するＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（ＧａＮ系層６４）（図６（ｄ））をこの順に成長させる。これによりレーザ処理後サファイア基板５０の片面に３層からなる多層膜７０（多層膜４０）が形成される。なお、この後、所定の後加工を行うことでＬＥＤチップなどの発光素子を得ることができる。なお、多層膜７０を構成する各層は、たとえばＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等を利用して形成できる。
次に、多層膜形成工程における単結晶基板１０の反り挙動について説明する。図７は、多層膜形成工程における単結晶基板の反り挙動の一例を示すグラフであり、具体的には図６に示す多層膜７０を成膜中のレーザ処理後サファイア基板５０またはレーザ処理前サファイア基板の反り挙動を示したグラフである。なお、図７の説明において、レーザ処理後サファイア基板５０およびレーザ処理前サファイア基板の双方を指し示す場合は、単に「サファイア基板」と称す。ここで、図７中、横軸は時間を表し、縦軸は成膜面におけるサファイア基板の曲率を表す。なお、縦軸の正の方向が成膜面側が凸を成すようにサファイア基板が反っている状態を意味し、縦軸の負の方向が成膜面側が凹を成すようにサファイア基板が反っている状態を意味する。また、図７に示すスペクトルＡ〜Ｃの測定対象となったサファイア基板の仕様およびこのサファイア基板に対する成膜条件の詳細については、後述する実施例にて詳述する。
なお、図７に例示したような多層膜形成工程の実施中におけるサファイア基板の反り挙動は、非特許文献２に開示されるＩｎ−ｓｉｔｕ観察方法を利用することで把握することができる。また、図７の縦軸として例示する基板の曲率からは、基板の反り量を計算することができる。図８は円形状基板の曲率から基板の反り量を計算する方法を説明する模式説明図である。図８
においては、基板の曲率半径をＲ、曲率１／Ｒを有する基板の反り量Ｘ、基板の直径を近似的にＤとして示した。これらの値の関係性として、三平方の定理を用いることで,（1/R）2＝（（1/R）−Ｘ）2＋（D/2）2と示すことができる。この式から、基板の直径が５０ｍｍの場合は、０．３２２×曲率（ｋｍ−１）、基板の直径が１００ｍｍの場合は、１．２５０×曲率（ｋｍ−１）として反り量（um）を求めることができる。
図７に示される反り挙動の変化を示す３つのスペクトルのうち、スペクトルＡは、熱変性層２０が形成されていないレーザ処理前の従来のサファイア基板を用いて多層膜７０を形成した場合の反り挙動の変化を示したものある。また、スペクトルＢおよびスペクトルＣは、レーザ処理前の従来のサファイア基板の代わりにレーザ処理後サファイア基板５０を用いたことを除いては、スペクトルＡの測定と同じ条件で多層膜７０を形成した場合の反り挙動の変化を示したものである。なお、スペクトルＢおよびスペクトルＣの違いは、レーザ処理後サファイア基板５０の平面方向おいて格子状パターンで形成された熱変性層２０のライン間のピッチのみが異なる点にある。ここで、スペクトルＢの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０のライン間のピッチは２５０μｍとし、スペクトルＣの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０のライン間のピッチは１００μｍとした。すなわち、スペクトルＣの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０の方が、スペクトルＢの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０よりも、基板の平面方向に対してより密に格子状パターンの熱変性層２０が形成されている。そして、その結果、図７にも示されるように成膜開始前の基板の曲率の絶対値もスペクトルＣの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０の方が、スペクトルＢの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０よりも大きくなっている。
また、図７の横軸に沿って（ａ）〜（ｅ）として示される区間は、多層膜形成工程において順次実施される各プロセスに対応している。ここで、プロセス（ａ）は、サファイア基板の成膜面をサーマルクリーニングするプロセスに対応し、プロセス（ｂ）は、低温バッファ層６０を形成するプロセスに対応し、プロセス（ｃ）は、ｎ−ＧａＮ層６２を形成するプロセスに対応し、プロセス（ｄ）は、ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）を形成するプロセスに対応し、プロセス（ｅ）はクールダウンするプロセスに対応している。
次に、図７に示されるスペクトルＡの反り挙動の変化を説明する。まず、（ａ）成膜面のサーマルクリーニングプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の成膜面と非成膜面との温度差により、成膜面が凹面を成そうとする方向（図７中の縦軸におけるマイナス側）に反り、曲率が大きく変化する。次に、（ｂ）低温バッファ層６０を形成するプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の温度が、（ａ）成膜面５２のサーマルクリーニングプロセスを実施中の温度よりも降下し、通常は、５００〜６００℃程度の温度に維持される。このため、成膜面が凸面を成そうとする方向（図７中の縦軸におけるプラス側）に反り、曲率の絶対値は小さくなる。
次に、（ｃ）ｎ−ＧａＮ層６２を形成するプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の温度を再び１０００℃程度まで上昇させて、ｎ−ＧａＮ層６２を形成する。このプロセスでは、窒化ガリウムとサファイアの格子定数差に起因して、成膜面が凹面を成そうとする方向に反り、曲率の絶対値が若干増大する。
次に、（ｄ）ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）を形成するプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の温度を７００〜８００℃程度に下降させて、ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）を形成する。そして最後に、多層膜７０が形成されたレーザ処理前サファイア基板を、（ｅ）クールダウンするプロセスでは、多層膜７０とレーザ処理前サファイア基板との熱膨張係数差により、レーザ処理前サファイア基板が成膜面側に凸を成す方向に反り、曲率の絶対値も増大する。また、常温近傍に冷却されてクールダウン終了後もレーザ処理前サファイア基板が成膜面側に凸を成すように反った状態が維持される。しかしながら、このような反りは、多層膜７０の成膜に際してレーザ処理後サファイア基板５０を用いることで矯正することができ、さらに、熱変性層２０の配置パターンを最適化することで、スペクトルＣに示すように曲率を０近傍とすることもできる。この場合、ＬＥＤチップ等の発光素子を得るために、パターニング処理やバックラップ処理などの各種の後工程を実施しても、反りに起因する発光素子の品質ばらつきや歩留まり低下を確実に抑制することができる。
ここで、図６（ｄ）に示す多層膜７０付きのレーザ処理後サファイア基板５０を用いて、所定の後加工を行うことにより、ＬＥＤチップなどの発光素子を製造する場合、ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）の膜厚およびＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）中のＩｎ組成の均一性が、発光波長の面内均一性に影響し、ひいては、発光素子の製造歩留まりにも影響する。ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）の膜厚およびＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）中のＩｎ組成の均一性は成膜温度に影響を受ける。このため、図７の（ｄ）ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）を形成するプロセスでは、基板面内の温度均一性を向上させるために、成膜中のサファイア基板の曲率はできるだけ０に近づけることが望ましいといえる。このような事情から、スペクトルＡとして示されるように従来のレーザ処理がなされていないサファイア基板を用いて多層膜７０を成膜する場合、プロセス（ｄ）における曲率はほぼ０近傍に維持されることが多い。
しかしながら、多層膜７０の成膜に用いる基板を、従来のレーザ処理がなされていないサファイア基板から、レーザ処理後サファイア基板５０に変更するとスペクトルＢ、Ｃに示されるように、プロセス（ｄ）における曲率は０よりも小さくなる。それゆえ、レーザ処理後サファイア基板５０を用いて多層膜７０を成膜した場合、成膜後の多層膜７０が設けられたレーザ処理後サファイア基板５０の反りを抑制することで、（１）後工程への悪影響をより小さくできるというメリットを有する一方で、（２）プロセス（ｄ）における曲率の絶対値の増大により、基板面内の温度均一性が低下し、結果的に発光素子の歩留まりを低下させるというデメリットも有することになる。しかしながら、このデメリットを解消する一つの方法として、プロセス（ｄ）において、レーザ処理後サファイア基板５０の反りの向きや曲率に対応させた湾曲した形状のヒータを利用してレーザ処理後サファイア基板５０を加熱することもできる（たとえば、E.Armour et.al.,semiconductor TODAY Compounds & Advanced Silicon,Vol.4,Issue 3,April/May 2009,"LED growth compatibility between 2",4" and 6" sapphire"参照）。この場合、レーザ処理後サファイア基板５０を用いて多層膜７０の成膜を行っても、上記のデメリットを回避しつつ、上記のメリットのみを享受できる。
また、プロセス（ｃ）においては、スペクトルＡ〜Ｃのいずれにおいても４０００ｓ以降において、時間の経過と共に曲率の絶対値が増大している。このような変化は、ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）の下地層であるｎ−ＧａＮ層６２の膜厚方向における膜質や膜厚ばらつきなどを招くことになるため、望ましくない。この場合は、プロセス（a）を実施した後にプロセス（ｂ）の代わりにＡｌＮ層を形成することが好ましい。これにより、プロセス（ｃ）において、時間の経過と共に曲率の絶対値が増大すると共に、曲率をほぼ一定に保つことができる。
また、第２領域１０Ｕに熱変性層２８を形成して多層膜４０を成膜する場合の具体例も、図６に示される通りである。この場合の、多層膜形成工程における単結晶基板１０の反り挙動について説明する。図１２は、第２領域に熱変性層２８を形成した単結晶基板に多層膜を形成する工程における単結晶基板の反り挙動の一例を示すグラフである。なお、図１２の説明において、レーザ処理後サファイア基板およびレーザ処理前サファイア基板の双方を指し示す場合は、単に「サファイア基板」と称す。ここで、図１２中、横軸は時間を表し、縦軸は成膜面におけるサファイア基板の反り量を表す。なお、縦軸の正の方向が成膜面側が凸を成すようにサファイア基板が反っている状態を意味し、縦軸の負の方向が成膜面側が凹を成すようにサファイア基板が反っている状態を意味する。また、図１２に示すスペクトルＡ〜Ｃの測定対象となったサファイア基板の仕様およびこのサファイア基板に対する成膜条件の詳細については、後述する実施例にて詳述する。
なお、図１２に例示したような多層膜形成工程の実施中におけるサファイア基板の反り挙動は、非特許文献２に開示されるＩｎ−ｓｉｔｕ観察方法を利用することで把握することができる。
図１２に示される反り挙動の変化を示す３つのスペクトルのうち、スペクトルＡは、熱変性層２８が形成されていないレーザ処理前の従来のサファイア基板を用いて多層膜７０を形成した場合の反り挙動の変化を示したものある。また、スペクトルＢおよびスペクトルＣは、レーザ処理前の従来のサファイア基板の代わりにレーザ処理後サファイア基板５０を用いたことを除いては、スペクトルＡの測定と同じ条件で多層膜７０を形成した場合の反り挙動の変化を示したものである。なお、スペクトルＢおよびスペクトルＣの違いは、レーザ処理後サファイア基板５０の平面方向おいて格子状パターンで形成された熱変性層２８のライン間のピッチのみが異なる点にある。ここで、スペクトルＢの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０のライン間のピッチは５００μｍとし、スペクトルＣの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０のライン間のピッチは３００μｍとした。すなわち、スペクトルＣの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０の方が、スペクトルＢの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０よりも、基板の平面方向に対してより密に格子状パターンの熱変性層２８が形成されている。そして、その結果、図１２にも示されるように成膜開始前の基板の反り量の絶対値もスペクトルＣの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０の方が、スペクトルＢの測定に用いたレーザ処理後サファイア基板５０よりも大きくなっている。
また、図１２の横軸に沿って（ａ）〜（ｅ）として示される区間は、多層膜形成工程において順次実施される各プロセスに対応している。ここで、プロセス（ａ）は、サファイア基板の成膜面をサーマルクリーニングするプロセスに対応し、プロセス（ｂ）は、低温バッファ層６０を形成するプロセスに対応し、プロセス（ｃ）は、ｎ−ＧａＮ層６２を形成するプロセスに対応し、プロセス（ｄ）は、任意のＧａＮ系障壁層６４Ｂ（ＧａＮ系層６４）を形成するプロセスに対応し、プロセス（ｅ）はクールダウンするプロセスに対応している。
次に、図１２に示されるスペクトルＡの反り挙動の変化を説明する。まず、（ａ）成膜面のサーマルクリーニングプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の成膜面と非成膜面との温度差により、成膜面が凹面を成そうとする方向（図１２中の縦軸におけるマイナス側）に反り、反り量が大きく変化する。次に、（ｂ）低温バッファ層６０を形成するプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の温度が、（ａ）成膜面５２のサーマルクリーニングプロセスを実施中の温度よりも降下し、通常は、５００〜６００℃程度の温度に維持される。このため、成膜面が凸面を成そうとする方向（図１２中の縦軸におけるプラス側）に反り、反り量の絶対値は小さくなる。
次に、（ｃ）ｎ−ＧａＮ層６２を形成するプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の温度を再び１０００℃程度まで上昇させて、ｎ−ＧａＮ層６２を形成する。このプロセスでは、窒化ガリウムとサファイアの格子定数差に起因して、成膜面が凹面を成そうとする方向に反り、反り量の絶対値が若干増大する。
次に、（ｄ）任意のＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）を形成するプロセスでは、レーザ処理前サファイア基板の温度を１１００〜１２００℃程度に上昇させて、ＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）を形成する。そして最後に、多層膜７０が形成されたレーザ処理前サファイア基板を、（ｅ）クールダウンするプロセスでは、多層膜７０とレーザ処理前サファイア基板との熱膨張係数差により、レーザ処理前サファイア基板が成膜面側に凸を成す方向に反り、曲率の絶対値も増大する。また、常温近傍に冷却されてクールダウン終了後もレーザ処理前サファイア基板が成膜面側に凸を成すように反った状態が維持される。
ここで、多層膜７０付きのレーザ処理後サファイア基板５０を用いて、所定の後加工を行うことにより、HEMT（High Electron Mobility Transistor ：高電子移動度トランジスタ）などの半導体素子を製造する場合、ＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）の膜厚およびＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）中の組成の均一性（膜質）が、デバイス性能に影響し、ひいては、半導体素子の製造歩留まりにも影響する。ＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）の膜厚およびＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）中の組成の均一性は、成膜工程中の単結晶基板の反り挙動の変動に影響を受ける。このため、図１２
の（ｄ）ＧａＮ系障壁層６４Ｂ（６４）を形成するプロセスでは、基板の反り挙動を抑えるために、成膜中のサファイア基板の曲率はできるだけ０に近づけることが望ましいといえる。
多層膜７０の成膜に用いる基板を、従来のレーザ処理がなされていないサファイア基板から、第２の領域にレーザ処理を施した後のサファイア基板５０に変更するとスペクトルＢ、Ｃに示されるように、プロセス（ｄ）における反り量は０または０に近づく。それゆえ、レーザ処理後サファイア基板５０を用いて多層膜７０を成膜した場合、多層膜７０の膜厚ムラおよび／または膜質ムラを抑えることができるという効果を有する
なお、プロセス（ａ）を実施した後にプロセス（ｂ）の代わりにＡｌＮ層を形成しても良く、ＡｌＮ層の形成により、プロセス（ｃ）において反り量をほぼ一定に保つことができる。
（素子製造方法）
図６（ｄ）に一例を示したような多層膜付き単結晶基板３０Ｂ、３０Ｃに対しては、さらに各種の後工程を実施することにより素子を作製することができる。この場合、後工程において、多層膜４０に対して、少なくともパターニング処理を施すことにより、発光素子、光発電素子、半導体素子から選択されるいずれか１つの素子として機能する素子部分を作製する素子部分形成工程を少なくとも経て、素子部分と当該素子部分に略対応するサイズを有する単結晶基板とを含む素子を製造することができる。ここで、多層膜４０の層構成は、最終的に作製する素子の種類に応じて適宜選択される。また、素子の製造に際して、後工程として、素子部分形成工程以外に、研磨工程、分割予定ライン形成工程および分割工程をこの順に実施してもよい。
この場合、本実施形態の多層膜付き単結晶基板製造方法により作製された多層膜付き単結晶基板３０Ｂ、３０Ｃを用いた素子製造方法は、具体的には以下の（１）〜（４）に示す工程を少なくとも順次実施することで、素子部分と当該素子部分に略対応するサイズを有する単結晶基板とを含む素子を作製することができる。
（１）多層膜付き単結晶基板の多層膜をパターニングして個々の素子部分を形成する素子部分形成工程
（２）素子部分が片面に形成された素子部分付き単結晶基板の素子部分が形成されていない面を、少なくとも、熱変性層形成工程において形成された熱変性層が除去されるまで研磨する研磨工程
（３）研磨工程において研磨された面側から、個々の素子部分の境界ラインに沿って、レーザを照射することで分割予定ラインを形成する分割予定ライン形成工程
（４）分割予定ライン形成工程において形成された分割予定ラインに沿って外力を加えることで、素子部分付きの単結晶基板を素子部分単位で分割する分割工程
ここで、（３）分割予定ライン形成工程、および、（４）分割工程を実施する場合、特許文献３に記載の技術を利用することができる。
なお、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂ内の熱変性層２０、２８が格子状パターンに形成されている場合、研磨工程において熱変性層２０、２８が完全に除去されない程度に研磨した上で、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂ内に残留している熱変性層２０、２８を分割予定ラインとして利用することで分割工程を実施することも原理的には可能である。しかしながら、多層膜４０が個々の素子部分に個別化された後でないと、素子部分の存在位置を確認した上でレーザ照射のための位置合わせを行うことができない。このため、個々の素子部分を作製する前に、分割予定ラインの機能も兼ねる熱変性層２０、２８を形成する上記の方法では、個々の素子部分に対応させて正確に分割予定ラインを形成することが困難である。すなわち、上記の方法では、分割予定ラインは隣接する２つの素子部分間の境界線からずれてしまう可能性が大きくなるため、実用性に欠けやすい。このため、レーザ照射により形成された熱変性層を利用して分割工程を実施する場合、上記（１）〜（４）に示す工程をこの順に実施することが特に好ましいといえる。
また、分割予定ライン形成工程を実施する場合、レーザの照射条件としては、既述した照射条件Ｂを選択することが特に望ましい。レーザ波長が紫外域の照射条件Ａでは、レーザ波長に起因するレーザのエネルギーが大きいために、形成される分割予定ラインの幅が太く、その太さもラインの長さ方向に対してばらつきやすくなる。このため、分割工程において、直線的かつ正確な分割が困難となる場合があるためである。
図９は、本実施形態の素子製造方法の一例を示す模式説明図であり、具体的には図１の下段に示すレーザ処理後単結晶基板１０Ｂを用いて、（１）素子部分形成工程（図９（ａ））、（２）研磨工程（図９（ｂ））、（３）分割予定ライン形成工程（図９（ｃ））、および（４）分割工程（図９（ｄ））をこの順に実施した場合の一例を示したものである。なお、図中、図１または図１３に示すものと同様の機能・構成を有するものには同じ符号が付してあり、また、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂの反りの有無やその程度については記載を省略してある。
まず、図１の下段または図１３の中段に示すレーザ処理後単結晶基板１０Ｂに形成される多層膜４０に対してパターニング処理を行うことで、多層膜４０を個別化して複数の素子部分４２を形成する。ここで、パターニング処理は、たとえば以下のように実施できる。まず、多層膜４０上にレジスト膜を形成後、フォトマスクを用いてこのレジスト膜を露光後に現像することでパターニングしてレジスト膜を部分的に除去する。その後、レジスト膜が除去された部分の多層膜４０をエッチングにより除去することで素子部分４２を形成する（図９（ａ））。次に、素子部分４２が形成された面と平坦な研磨盤８０とを貼り合わせることで、研磨盤８０上に素子部分４２が形成されたレーザ処理後単結晶基板１０Ｂを固定し、素子部分４２が形成された面と反対側の面（非成膜面１２）側を研磨する。この研磨は、熱変性層２０を形成している場合は少なくとも熱変性層２０が完全に除去されるまで実施する（図９（ｂ））。なお、第２領域に熱変性層２８を形成する場合の研磨代は任意とする。その後、研磨後の非成膜面１２Ａ側からレーザ照射することにより、分割予定ライン９０を形成する。この分割予定ライン９０は、レーザ処理後単結晶基板１０Ｂを研磨して得られた研磨後基板１０Ｃの平面方向に対して、隣接する２つの素子部分４２間に形成される（図９（ｃ））。最後に、この分割予定ライン９０に沿って外力を加えることで、個々の素子部分４２毎に研磨後基板１０Ｃを分割し、複数の素子１００を得る（図９（ｄ））。
以下に、本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
＜実施例１＞
（評価用サンプルの作製）
何らの前処理もなされていない従来のサファイア基板（レーザ処理前サファイア基板）に対してレーザ照射処理することによりレーザ処理後サファイア基板５０を作製した。次に、レーザ処理前サファイア基板およびレーザ処理後サファイア基板５０に対して、図６に示すように多層膜７０を成膜した。この際、多層膜成膜前におけるレーザ照射前後での反り量および成膜予定面側から見た反りの方向、および、多層膜成膜後における反り量および成膜面側から見た反りの方向を評価した。以下に、テスト条件および評価結果の詳細を説明する。
−サファイア基板−
レーザ処理前サファイア基板としては、オリフラ面付きの円形状のサファイア基板（直径：４インチ（１００ｍｍ）、厚み：６５０μｍ）を用いた。なお、このサファイア基板は、両面が鏡面研磨されたものである。
−熱変性層形成条件−
まず、平坦な試料ステージ上に、真空吸着によりレーザ処理前サファイア基板を固定した。この状態で、レーザ処理前サファイア基板の試料ステージが配置された面側と反対の面（非成膜面５４）側から、以下の照射条件にてレーザ照射を行うことで熱変性層２０を形成し、レーザ処理後サファイア基板５０を得た。なお、レーザ照射に際しては、試料ステージの縦方向の走査方向がレーザ処理前サファイア基板のオリフラと一致するように、試料ステージ上にレーザ処理前サファイア基板を固定した。そして、レーザ照射装置に対して、試料ステージを縦方向および横方向に走査し、レーザ処理前サファイア基板の平面方向に対して格子状パターンとなるように熱変性層２０を形成した。ここで、試料ステージの走査速度を変えることにより格子状パターンのライン間ピッチを変化させたサンプルを作製した。
・レーザ波長：１０４５ｎｍ
・パルス幅：５００×１０−１５ｓｅｃ
・繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
・スポットサイズ：１．６〜３．５μｍ
・レーザパワー： ０．３Ｗ
・試料ステージ走査速度： ４００ｍｍ／ｓ（ライン間のピッチに応じて左記範囲内で適宜選択）
−多層膜の層構成および成膜条件−
レーザ処理前およびレーザ処理後の２種類のサファイア基板に、図６に示すように３層構成の多層膜７０を形成した。なお、具体的な成膜条件は以下の通りであり、以下に示す（１）〜（５）の順にプロセスを実施した。
（１）サーマルクリーニング
サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置した後、成膜面のサーマルクリーニングを、基板温度 １１００℃にて約 １２０秒間実施した。
（２）低温バッファ層６０の形成
成膜時の基板温度を ５３０℃とし、成膜レート ０．１６ｎｍ／ｓにて膜厚が ３０ｎｍとなるまで低温バッファ層６０（Ｇａ（ガリウム）、Ｎ（窒素））を形成した。
（３）ｎ−ＧａＮ層６２の形成
成膜時の基板温度を １０５０℃とし、成膜レート ２０００ｎｍ／ｓにて膜厚が ３５００ｎｍとなるまでｎ−ＧａＮ層６２を形成した。
（４）ＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）の形成
成膜時の基板温度を７５０℃とし、成膜レート １０ｎｍ／ｓにて、膜厚が４０８ｎｍとなるまでＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）を形成した。
（５）クールダウン
片面に低温バッファ層６０、ｎ−ＧａＮ層６２およびＩｎＧａＮ系活性層６４Ａ（６４）をこの順に形成したサファイア基板を常温近傍まで冷却した。
（評価結果）
−反り量および反りの方向の評価−
表３に、多層膜成膜前におけるレーザ照射前後での反り量および成膜予定面側から見た反りの方向、および、多層膜成膜後における反り量および成膜面側から見た反りの方向について評価した結果を示す。なお、サンプル１、サンプル２および比較例は、各々、図７に示すスペクトルＣ、ＢおよびＡに対応する。
表３に示すように、レーザ処理前サファイア基板を用いて多層膜７０を成膜した比較例では、成膜面側に凸を成すように反り、反り量は７５μｍであった。しかしながら、レーザ処理後サファイア基板を用いて多層膜７０を成膜したサンプル２では、反り量は２５μｍまで減少した。さらに、サンプル２よりもライン間のピッチを狭くして熱変性層２０を形成したサンプル１では反り量は０μｍとなった。この結果から、レーザ処理後サファイア基板５０を用いて多層膜７０を成膜すれば、多層膜７０に起因する反りを矯正して、反り量を小さくでき、さらには平坦な状態とすることも可能であることが判った。
＜実施例２＞
（評価用サンプルの作製）
評価用サンプルとして図６（ｄ）に示すものと同様のサファイア基板５０の片面に３層構成の多層膜７０が形成されたものを以下の手順で作製した。まず、サファイア基板５０の成膜面５２側からのレーザ照射により格子状パターンで熱変性層２８を形成し、次に、成膜面５２に多層膜７０を形成した。その後、非成膜面５４側からのレーザ照射により格子状パターンで熱変性層２０を形成して得られた多層膜付きサファイア基板を作製した。この際、多層膜成膜前におけるレーザ照射前後での反り量および成膜面側から見た反りの方向と、多層膜成膜後におけるレーザ照射前後での反り量および成膜面側から見た反りの方向と、多層膜成膜後におけるレーザ照射時のライン間のピッチに対するレーザ照射前後での反り量変化の関係と、多層膜成膜中におけるサファイア基板の曲率の最大値と最小値との差とについて評価した。以下に、テスト条件および評価結果の詳細を説明する。
−サファイア基板−
サファイア基板５０としては、オリフラ面付きの円形状のサファイア基板（直径：２インチ（５０．８ｍｍ）、厚み：４３０μｍ）を用いた。なお、このサファイア基板５０は、片面が鏡面研磨されたものであり、多層膜７０はこの鏡面研磨された面を成膜面５２として形成される。また、何らの成膜処理やレーザ照射処理を行わない状態でのこのサファイア基板５０の反り量は、±１０μｍの範囲内である。
−熱変性層形成条件−
熱変性層２８の形成は、平坦な試料ステージ上に、成膜面５２が上面となるようにサファイア基板５０を配置し、真空吸着によりサファイア基板５０を固定した状態で、成膜面５２側から、以下の照射条件にてレーザ照射を行うことで実施した。なお、レーザ照射に際しては、試料ステージの縦方向の走査方向がサファイア基板５０のオリフラと一致するように、試料ステージ上にサファイア基板５０を固定した。そして、レーザ照射装置に対して、試料ステージを縦方向および横方向に走査し、サファイア基板５０の平面方向に対して格子状パターンとなるように熱変性層２８を形成した。ここで、ライン間ピッチは、試料ステージの走査速度を変えることで変化させた。
・レーザ波長：１０４５ｎｍ
・パルス幅：５００ｆｓ
・繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
・スポットサイズ：１．６〜３．５μｍ
・レーザパワー：０．３Ｗ
・試料ステージ走査速度：４００ｍｍ／ｓ（ライン間のピッチに応じて左記範囲内で適宜選択）
−多層膜の層構成および成膜条件−
熱変性層２８が形成されたサファイア基板５０の成膜面５２には、３層構成の多層膜７０を形成した。なお、具体的な成膜条件は以下の通りであり、以下に示す（１）〜（５）の順にプロセスを実施した。
（１）サーマルクリーニング
サファイア基板５０をＭＯＣＶＤ装置内に配置した後、成膜面５２のサーマルクリーニングを、基板温度１１００℃にて約１２０秒間実施した。
（２）低温バッファ層６０の形成
成膜時の基板温度を５３０℃とし、成膜レート０．１６ｎｍ／ｓにて膜厚が３０ｎｍとなるまで低温バッファ層６０を形成した。
（３）ｎ−ＧａＮ層６２の形成
成膜時の基板温度を１０５０℃とし、成膜レート２０００ｎｍ／ｓにて膜厚が３５００ｎｍとなるまでｎ−ＧａＮ層６２を形成した。
（４）ＡｌＧａＮ系障壁層６４Ｃ（ＧａＮ系層６４）の形成
成膜時の基板温度を１１５０℃とし、成膜レート０．２ｎｍ／ｓにて、膜厚が３０ｎｍとなるまでＡｌＧａＮ系障壁層６４Ｃ（６４）を形成した。
（５）クールダウン
片面に低温バッファ層６０、ｎ−ＧａＮ層６２およびＡｌＧａＮ系障壁層６４Ｃ（６４）をこの順に形成したサファイア基板５０を常温近傍まで冷却した。
（評価結果）
−反り量および反りの方向の評価−
表４に、多層膜成膜前におけるレーザ照射前後での反り量および成膜面５２側から見た反りの方向と、多層膜成膜中における反り量及び成膜面側から見た反り方向、多層膜成膜後の反り量および成膜面側から見た反りの方向について評価した結果を示す。また、図１２に、多層膜成膜中における単結晶基板の反り挙動の変化を示す。ここで、図１２中、符号（ａ）〜（ｅ）で示される区間は、各々、上記（１）〜（５）に示す多層膜の成膜プロセスに対応する。
熱変性層２８が形成された単結晶基板５０の成膜面５２側に、上記（１）〜（５）に示すプロセスを順次実施した。この際、図１２中、符号（ｄ）で示されるＡｌＧａＮ系障壁層６４Ｃ（６４）の成膜工程の実施中において、表４および図１２に示すようにサンプル１の単結晶基板５０の反りを０にできることが確認できた。なお、図１２中のスペクトルＡが比較例、スペクトルＢがサンプル２、スペクトルＣがサンプル１に相当する。
また、図１２中、符号（ｃ）で示されるｎ−ＧａＮ層の成膜工程の実施中において、表４および図１２に示すようにサンプル２の単結晶基板５０の反りを、この成膜工程の全期間における平均値として０にできることが確認できた。
＜実施例３＞
表５に示されているように、何らの前処理もなされていない従来のサファイア基板（レーザ処理前サファイア基板）３つ（サンプル１〜３）に対し、１枚のサファイア基板のみに多層膜成膜前に第１領域内にレーザ照射処理を施して熱変性層２０を設けることにより、サンプル３のレーザ処理後サファイア基板を作製した。次に、サンプル１または２のレーザ処理前サファイア基板およびサンプル３のレーザ処理後サファイア基板に対して、多層膜を成膜した。
サンプル１，２のレーザ処理前サファイア基板には、それぞれＬＴ−ＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を成膜した。一方、サンプル３のレーザ処理後サファイア基板にはＡｌＮ膜を成膜した。ＬＴ−ＧａＮ膜およびＡｌＮ膜のそれぞれの成膜中のサファイア基板の反りの挙動を図１１に示す。この際、ＡｌＮ膜成膜前におけるレーザ照射前後でのサファイア基板の反り量および成膜予定面側から見た反りの方向、および、多層膜成膜後における反り量および成膜面側から見た反りの方向を評価した。以下に、テスト条件および評価結果の詳細を説明する。なお、使用するサファイア基板、熱変性層の形成条件に関しては、前記実施例１と同一とする。さらに、ＬＴ−ＧａＮ膜またはＡｌＮ膜の成膜条件は、実施例１と同様のサーマルクリーニング及び低温バッファ層を形成した後に、それぞれＬＴ−ＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を成膜した。
（評価結果）
−反り量および反りの方向の評価−
表５に、ＡｌＮ膜の成膜前におけるレーザ照射前後での反り量および成膜予定面側から見た反りの方向、および、ＡｌＮ膜成膜後における反り量および成膜面側から見た反りの方向について評価した結果を、サンプル３（エピ前加工基板+ＡｌＮと）して示す。さらに比較例として、従来のサファイア基板（レーザ処理前サファイア基板）にＬＴ−ＧａＮ膜を形成したサンプル１（ＳＴＤ+ＬＴ−ＧａＮ）と、ＡｌＮ膜を形成したサンプル２（ＳＴＤ+ＡｌＮ）もそれぞれ示す。
表５に示すように、成膜前のレーザ処理を行わなかったサンプル１（ＳＴＤ+ＬＴ−ＧａＮ）、サンプル２（ＳＴＤ+ＡｌＮ）では、成膜後は成膜面側に凸を成すように反り、反り量は６０または８０μｍであった。しかしながら、レーザ処理後サファイア基板を用いてＡｌＮ膜を成膜したサンプル３（エピ前加工基板+ＡｌＮ）では、反り量は１０μｍまで減少した。特に、同じＡｌＮ膜を成膜したにも関わらず、成膜後のサファイア基板の反り量を８分の１にまで減少可能であることが判明した。

Claims (39)

  1. 基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、どちらか一方の領域内にレーザ照射により形成された熱変性層が設けられ、上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、上記基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反っていることを特徴とする単結晶基板。
  2. 前記熱変性層が設けられている領域が、前記第１領域であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶基板。
  3. 前記熱変性層が設けられている領域が、前記第２領域であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶基板。
  4. 請求項１または２のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記基板の厚み方向の相対位置を、前記第１領域側の面を０％と仮定し、前記第２領域側の面を１００％として仮定した際に、
    前記熱変性層が、基板の厚み方向の５％以上５０％未満の範囲内に設けられていることを特徴とする単結晶基板。
  5. 請求項１または３のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記基板の厚み方向の相対位置を、前記第１領域側の面を０％と仮定し、前記第２領域側の面を１００％として仮定した際に、
    前記熱変性層が、基板の厚み方向の５０％を超え９５％以下の範囲内に設けられていることを特徴とする単結晶基板。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記熱変性層が、基板の両面と平行に設けられていることを特徴とする単結晶基板。
  7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記熱変性層が、基板の平面方向に対して、
    ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状、
    ｉｉ）複数個の同一形状および同一サイズの円または楕円を規則的に配置した形状、
    ｉｉｉ）同心円状、
    ｉｖ）前記基板の中心点に対して略点対称に形成された形状、
    ｖ）前記基板の中心点を通じる直線に対して略線対称に形成された形状、
    ｖｉ）ストライプ形状、ならびに、
    ｖｉｉ）らせん形状
    から選択される少なくともいずれか１つのパターン形状で設けられていることを特徴とすることを特徴とする単結晶基板。
  8. 請求項７に記載の単結晶基板において、
    前記複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状が、格子形状であることを特徴とする単結晶基板。
  9. 請求項８に記載の単結晶基板において、
    前記格子形状を成すパターンを構成するラインのピッチが、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることを特徴とする単結晶基板。
  10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記基板の曲率が２００ｋｍ−１以下の範囲内であることを特徴とする単結晶基板。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記基板の材質がサファイアであることを特徴とする単結晶基板。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記基板の直径が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることを特徴とする単結晶基板。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の単結晶基板において、
    前記基板の厚みが０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする単結晶基板。
  14. レーザ照射処理前の単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、
    基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、どちらか一方の領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経て、
    上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、上記基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反った単結晶基板を製造することを特徴とする単結晶基板の製造方法。
  15. 前記熱変性層が設けられている領域が、前記第１領域であることを特徴とする請求項１４に記載の単結晶基板の製造方法。
  16. 前記単結晶基板への前記レーザの照射が、前記単結晶基板の前記第１領域側の面から行われることを特徴とする請求項１５に記載の単結晶基板の製造方法。
  17. 前記熱変性層が設けられている領域が、前記第２領域であることを特徴とする請求項１４に記載の単結晶基板の製造方法。
  18. 前記単結晶基板への前記レーザの照射が、前記単結晶基板の前記第２領域側の面から行われることを特徴とする請求項１７に記載の単結晶基板の製造方法。
  19. 請求項１４〜１８のいずれか１つに記載の単結晶基板の製造方法において、
    前記レーザの照射が、下記Ａ〜Ｂに示す少なくともいずれか１つに記載の照射条件を満たすように実施されることを特徴とする単結晶基板の製造方法。
    ＜照射条件Ａ＞
    ・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
    ・パルス幅：ナノ秒オーダー
    ＜照射条件Ｂ＞
    ・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
    ・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー
  20. 基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、どちらか一方の領域内にレーザ照射により形成された熱変性層が設けられ、かつ、上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、上記基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反っている単結晶基板の、上記第２領域側の面に、
    上記多層膜として２つ以上の層を形成する多層膜形成工程を、少なくとも経ることにより、多層膜付き単結晶基板を製造することを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  21. 前記熱変性層が設けられている領域が、前記第１領域であることを特徴とする請求項２０に記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  22. 請求項２０または２１のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記基板の厚み方向の相対位置を、前記第１領域側の面を０％と仮定し、前記第２領域側の面を１００％とし仮定した際に、
    前記熱変性層が、前記基板の厚み方向の５％以上５０％未満の範囲内に位置するように形成されることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  23. 前記熱変性層が設けられている領域が、前記第２領域であることを特徴とする請求項２０に記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  24. 請求項２０または２３のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記基板の厚み方向の相対位置を、前記第１領域側の面を０％と仮定し、前記第２領域側の面を１００％とし仮定した際に、
    前記熱変性層が、前記基板の厚み方向の５０％を超え９５％以下の範囲内に位置するように形成されることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  25. 請求項２０〜２２のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、
    前記基板の厚み方向において２等分して得られる前記第１領域および前記第２領域からなる２つの領域のうち、前記第１領域内に前記熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経ることで、前記第１領域の面側が凸を成すように反った前記単結晶基板を作製し、
    その後に、当該単結晶基板に対して前記多層膜形成工程を実施することを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  26. 前記単結晶基板への前記レーザの照射が、前記単結晶基板の前記第１領域側の面から行われることを特徴とする請求項２５に記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  27. 請求項２０、２３、２４のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記単結晶基板の一方の面側から、レーザを照射することにより、
    基板の厚み方向において２等分して得られる前記第１領域および前記第２領域からなる２つの領域のうち、前記第２領域内に熱変性層を形成する熱変性層形成工程を少なくとも経ることで、上記第２領域の面側が凸を成すように反った前記単結晶基板を作製し、
    その後に、当該単結晶基板に対して前記多層膜形成工程を実施することを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  28. 前記単結晶基板への前記レーザの照射が、前記単結晶基板の前記第２領域側の面から行われることを特徴とする請求項２７に記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  29. 請求項２５〜２８のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記レーザの照射が、下記Ａ〜Ｂに示す少なくともいずれか１つに記載の照射条件を満たすように実施されることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
    ＜照射条件Ａ＞
    ・レーザ波長：２００ｎｍ〜３５０ｎｍ
    ・パルス幅：ナノ秒オーダー
    ＜照射条件Ｂ＞
    ・レーザ波長：３５０ｎｍ〜２０００ｎｍ
    ・パルス幅：フェムト秒オーダー〜ピコ秒オーダー
  30. 請求項２０〜２９のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記熱変性層が、前記多層膜と平行となるように形成されることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  31. 請求項２０〜３０のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記熱変性層が、基板の平面方向に対して、
    ｉ）複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状、
    ｉｉ）複数個の同一形状および同一サイズの円または楕円を規則的に配置した形状、
    ｉｉｉ）同心円状、
    ｉｖ）前記基板の中心点に対して略点対称に形成された形状、
    ｖ）前記基板の中心点を通じる直線に対して略線対称に形成された形状、
    ｖｉ）ストライプ形状、ならびに、
    ｖｉｉ）らせん形状
    から選択される少なくともいずれか１つのパターン形状を描くように形成されることを特徴とすることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  32. 請求項３１に記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記複数個の同一形状および同一サイズの多角形を規則的に配置した形状が、格子形状であることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  33. 請求項３２に記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記格子形状を成すパターンを構成するラインのピッチが、５０μｍ〜２０００μｍの範囲内であることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  34. 請求項２０〜３３のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記熱変性層が設けられ、前記多層膜が形成される前の前記単結晶基板の曲率が２００ｋｍ−１以下の範囲内であることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  35. 請求項２０〜３４のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記基板の材質が、サファイアであることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  36. 請求項２０〜３５のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記基板の直径が５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  37. 請求項２０〜３６のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記基板の厚みが０．０５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  38. 請求項２０〜３７のいずれか１つに記載の多層膜付き単結晶基板の製造方法において、
    前記多層膜を構成する少なくともいずれか１層が、窒化物半導体結晶層であることを特徴とする多層膜付き単結晶基板の製造方法。
  39. 単結晶基板の厚み方向において２等分して得られる第１領域および第２領域からなる２つの領域のうち、どちらか一方の領域内にレーザ照射により形成された熱変性層が設けられ、かつ、上記熱変性層が設けられている領域の面側が凸を成し、上記基板のいずれか一方の面への多層膜の成膜に起因して生じる反りが矯正されるように反っている単結晶基板の、上記第２領域側の面に、
    上記多層膜として２つ以上の層を形成する多層膜形成工程を、少なくとも経ることにより、多層膜付き単結晶基板を製造し、
    さらに、当該多層膜付き単結晶基板の上記多層膜に対して、少なくともパターニング処理を施すことにより、発光素子、光発電素子、半導体素子から選択されるいずれか１つの素子として機能する素子部分を作製する素子部分形成工程を少なくとも経て、上記素子部分と当該素子部分に略対応するサイズを有する単結晶基板とを含む素子を製造することを特徴とする素子製造方法。
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