CN101504913A - 制造ⅲ族氮化物衬底晶片的方法和ⅲ族氮化物衬底晶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造III族氮化物衬底晶片的方法和III族氮化物衬底晶片。单面平面处理的III族氮化物晶片的质量取决于晶片在抛光板上的粘贴方向。通过以下步骤获得低表面粗糙度和高成品率，用具有等于或小于10μm厚度的热塑性蜡将多个III族氮化物生长状态的晶片粘贴在具有面向前(f)、向后(b)或向内(u)的OF或凹口的抛光板上、研磨生长状态的晶片、精磨已被研磨了的晶片、将精磨的晶片抛光成具有等于或小于200μm的水平宽度和等于或小于100μm的垂直深度的斜面的镜面晶片。

Description

制造Ⅲ族氮化物衬底晶片的方法和Ⅲ族氮化物衬底晶片

本申请是于2007年6月20日由“住友电气工业株式会社”提交的申请号为200710111857.0，名称为“制造III族氮化物衬底晶片的方法和III族氮化物衬底晶片”的专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求2006年7月12日申请的日本专利申请No.2006-191000和2006年12月15日申请的日本专利申请No.2006-337678的优先权。

技术领域

本发明涉及将生长状态的GaN、AlN或AlGaN衬底晶片粘贴到抛光板并将生长状态的晶片研磨、精磨和抛光成镜面晶片。GaN、AlN和AlGaN晶片现在全称为“III族氮化物”晶片。所有III族氮化物晶体都不能由液相生长。通过在汽相中在下衬底上生长厚膜、除去下衬底并获得自支持晶片，来制造III族氮化物的生长状态的衬底晶体。

硅(Si)衬底晶片富有韧性。对于硅晶片容易研磨、精磨和抛光。GaN比硅更刚硬，但是比硅更脆。GaN能承受的外部震动远大于Si。GaN赋予了比Si更高的耐化学性。用碱或酸蚀刻GaN是困难的。用类似于硅晶片的方式无法进行III族氮化物衬底晶片的研磨(grinding)、精磨(lapping)和抛光(polishing)。III族氮化物衬底晶片的研磨、精磨和抛光需要特殊的磨石、研磨细粒(whetting granule)、抛光布、抛光液等。

对于半导体晶片的研磨、精磨和抛光有两种情况。一种是单面抛光(这里抛光代表研磨、精磨和抛光)，另一种是双面抛光。本发明将单面抛光(包括研磨和精磨)作为对象。通过在圆盘抛光板(或称为抛光架)的底面上甩胶目标晶片，在研磨转盘的抛光布上推动抛光板，在研磨转盘上提供抛光液，旋转抛光板并绕转研磨转盘，来单侧抛光晶片的底面。当应该通过单侧抛光来抛光两个表面时，通过反转表面将在晶片的两个表面上重复相同的处理。

背景技术

制造大尺寸的GaN仍很困难。具有大于50mm直径的宽GaN衬底晶片不能低成本、大规模生产制造。GaN晶片的表面平面处理(研磨、精磨和抛光)也是困难的。关于GaN晶片的表面平面处理没有现有技术。也无法引用关于GaN晶片的表面平面处理的现有参考。

(1)日本专利特开No.2004-165360提出了一种通过喷射将液体蜡喷洒到抛光板上、将GaAs晶片挤压到该板上并将GaAs晶片固定到该板上的晶片/板粘接方法。这是用来抛光GaAs晶片一个表面的初步晶片/板胶合方法的一个提议。在Si衬底晶片和GaAs衬底的抛光技术中有许多改进。然而，对于III族氮化物衬底晶片的抛光技术几乎没有建议。

(2)日本专利特开N.2002-222785提出了一种在OF面向内的方向上粘贴OF(晶向平面)-传送GaAs晶片的GaAs晶片/板胶合方法，它的OF是晶体的解理面。(2)的目的是：通过使解理面OF向内，保护不牢固的解理面OF不受额外的磨损。由于在晶片的最内点处旋转速度最小，所以晶片的最内部抛光力最弱。如果OF放置在最内点处，则弱的OF将保护不受抛光力。在前的参考文献(1)和(2)提到了在板上粘接GaAs晶片的改进。本发明不涉及GaAs，但是涉及III族氮化物衬底晶片。在本发明中，OF不一定是解理面。

圆形晶片分配有晶向平面(OF)或识别平面(IF)，用于指定结晶取向和正/反面差别。

(2)日本专利特开No.2002-222785提出了一种具有通过抛光倾斜水平宽度小于2.0μm且垂直深度小于10μm的晶向平面(OF)的GaAs晶片。当正表面的表面粗糙程度与背表面的粗糙程度不同时，可以根据表面粗糙程度差异用肉眼区分正/反表面。在这种情况下，单晶向平面(OF)足以指示结晶方向。当两个表面具有相同的表面粗糙程度并且不能通过视力区别正/反面时，除了用于区别顶/底和晶向的晶向平面(OF)之外，进一步需要其它的面。其它的面在这里称为识别平面(IF)。

发明内容

已进行了长期的不间断的努力来制造大的、优良的III族氮化物结晶衬底晶片。将要提到的作为面生长法的改进能够实现HVPE法在GaAs下衬底上制造宽的、高的GaN晶体。去除GaAs下衬底得到了50mm直径(50φ)的自支持GaN衬底晶片。HVPE(氢化物汽相外延)法从汽相生长III族氮化物晶体。已经通过汽相制造的生长状态的晶片在生长面具有粗糙表面。在厚的GaN锭的情况下，多个GaN晶片是通过在与生长方向垂直的方向上切片厚的GaN锭而获得的。具有粗糙表面的生长状态的晶片应当通过由研磨、精磨和抛光组成的表面平面处理用镜面晶片磨光。本发明针对提出一种研磨、精磨和抛光生长状态的III族氮化物衬底晶片的方法。

在这里“抛光”常简要地用作表示包括研磨、精磨和抛光的平面处理的集合词。有两种抛光模式。一种是单表面抛光。另一种是双面抛光，其同时抛光两个表面。本发明针对单表面抛光，其将晶片粘贴在抛光板上，将抛光板推向转盘上的抛光布，旋转该抛光板，绕转该转盘并抛光晶片的底表面。抛光的适合方法仍是未知的，因为GaN自支持衬底晶片本身是新的。

GaN比Si更刚硬。较硬的GaN晶片的研磨、精磨和抛光比平面处理Si晶片更难。GaN晶片比Si晶片更脆，这使得用平面处理GaN晶片更难。小GaN晶体对制备器件没用。宽的GaN晶片对于制备器件是有用的。本发明针对40mm以上直径的宽的III族氮化物衬底晶片。50mm直径的GaN晶片在本发明中尤其重要。

[1.晶向平面(OF)和识别平面(IF)的形状和尺寸]

晶向平面是平坦边缘，其是通过从圆形晶片的边缘去除翘曲段制造的，以表示晶片的结晶晶向。当晶片具有与其它特征可区别的顶或底表面时，单晶向平面足以指示该晶向。例如，当单面镜面晶片具有粗糙的底表面时，表面粗糙度的差教导顶/底区别。单表面镜面晶片单独分配OF。当晶片具有与其它特征难以区别的顶/底表面，例如双表面镜面晶片时，晶片需要用于指定晶向和正面/反面区别的两个不同平面。较长的平面命名为晶向平面(OF)。较短的平面命名为识别平面(IF)。否则，OF称为主面以及IF称为副面。去除的部分是翘曲形段。OF和IF可选地可以由长度y、圆心角T或去除的宽度h定义，因为预先确定了圆形晶片的直径。本发明分配具有以下长度的OF和IF的50mm直径晶片。

·OF一边的长度(y)

容许范围：2mm至30mm

优选范围：5mm至25mm

·IF一边的长度(y)

容许范围：2mm至20mm

优选范围：3mm至15mm

在(0001)GaN晶片上，在本发明中应当确定OF为(11-20)面以及应当确定IF为(1-100)面。在GaN中解理面是(1-100)，其与IF平行。对于OF和IF的长度，应当保持不等式OF>IF。这是区别OF与IF的条件。如果OF长于或等于30mm以及IF长于或等于20mm，则产品(晶片)的有效区将太窄。相反如果OF和IF短于或等于2mm，则OF和IF将是难识别的。

50mm直径的圆形晶片在去除弧的边长y和弧的圆心角T之间具有这样的关系，50sin(T/2)＝y。上述限制可以重写为圆心角T的等效限制。

·OF的圆心角(T)

容许范围：4.6度至74度

优选范围：11度至60度

·IF的圆心角(T)

容许范围：4.6度至47度

优选范围：6.9度至35度

在50mm直径圆形晶片中去除弧的宽度h与弧的圆心角T具有这样的关系，h＝50(1-cos{T/2})。上述限制可以进一步重写为施加在去除弧宽度(h)上的限制。

·OF的去除宽度(h)

容许范围：0.04mm至10mm

优选范围：0.25mm至6.7mm

·IF的去除宽度(h)

容许范围：0.04mm至4.15mm

优选范围：0.09mm至2.31mm

[2.凹口和凹口尺寸]

代替OF和IF，常在圆形晶片的边缘上切割凹口。当可以用肉眼区别顶/底时，标记了单凹口。当不能区别顶/底时，需要两个不同的凹口。图2示出了具有凹口N1和N2的晶片的实例。

·凹口的深度

容许范围：2mm至10mm

优选范围：3mm至8mm

·凹口的角度

容许范围：30度至120度

优选范围：40度至90度

在晶片正/反面标记的情况下，需要两个凹口来区别顶和底表面。应当辨明主凹口N1和副凹口N2。主凹口N1应当比副凹口N2深。也就是深度N1>N2。如果凹口N1和N2的深度大于或等于10mm以及凹口N1和N2的角度大于或等于120度，则产品(晶片)的有效区将太窄。当凹口N1和N2的深度和角度分别小于或等于2mm和30度时，凹口应当是难识别的。

[3.斜面]

斜面(bevel)表示由研磨、精磨和抛光引起的晶片边缘的钝面倾斜。抛光布的弹性变形会将尖的外围边缘磨损成钝面的倾斜并降低外围边缘。如图4所示，斜面的尺寸由两个分量(e)和(g)表示。一个是水平(宽度)分量(e)。另一个是垂直(深度)分量(g)。斜面对于由光刻在晶片上制备的器件是障碍物，因为该表面在外围不平。在表面处理(研磨、精磨和抛光)期间会由多个原因引起斜面。思考了招致斜面的许多原因，例如是研磨转盘的轴的歪斜，抛光布的磨损，抛光液的非均匀流动，研磨、精磨和抛光器的不适合处理条件等。

现在阐明容许的和优选的斜面。

容许的斜面：小于或等于200μm的水平宽度(e)

            小于或等于100μm的垂直宽度(g)

优选的斜面：小于或等于100μm的水平宽度(e)

            小于或等于50μm的垂直宽度(g)

当斜面宽度(e)在水平方向上超过200μm以及斜面宽度(g)在垂直方向上超过100μm时，晶片的有效区的损耗太大。应避免这种大的损耗。需要用于减少在e≤200μm和g≤100μm的允许范围内的斜面宽度(e)和深度(g)的抛光(包括研磨和精磨)。

[4.将晶片粘贴到抛光(包括研磨和精磨)板上]

有两种类型的抛光机。在这里抛光是包括研磨和精磨的集合概念。一种是单面的抛光机，其仅抛光晶片的一个表面。另一种是双面抛光机，其每次抛光两个表面。本发明涉及单面抛光的改进。单面抛光需要操作员将目标晶片粘贴到抛光板上。

例如，采用热熔融型结合剂(蜡)用于将晶片粘贴到抛光板。热熔融型结合剂指的是通过加热软化并通过冷却凝固的结合剂。通过加热抛光板，用热熔融型结合剂摩擦该板，将晶片粘贴在涂有结合剂的板上并冷却该板，而将晶片粘贴到抛光板上。热熔融型结合剂常称为热塑性蜡。热塑性蜡包括石蜡作为主要成分。

加热该蜡并在Tm+20℃至Tm+50℃的温度熔融，其中Tm是该蜡的软化温度，Tm+20℃是Tm加上20℃的温度。实际上，通过将该板加热到Tm+20℃和Tm+50℃之间的温度并通过人工用固态蜡摩擦热板或用刷子涂覆液化蜡，来在抛光板的底表面涂覆蜡。熔融蜡并在板上延伸。当在Tm+20℃以下的温度加热蜡时，蜡的粘接性不够。当在Tm+50℃以上的温度加热蜡时，蜡的过高流动性使粘接厚度均匀退化并使抛光晶片的形状精度退化。由此粘贴温度的优选范围从Tm+20℃到Tm+50℃范围。

夹在抛光板和晶片之间的蜡的厚度应当是0.5μm至10μm。蜡厚度的更适合的范围为1μm至5μm。操作员通过刷子用加热的、软化的蜡涂覆抛光板或在抛光板上喷射液化蜡。操作员通过在涂布蜡的板上推动晶片将晶片粘贴到抛光板。推动常由于气泡剩余而导致晶片变形。优选制备真空并从蜡去除气泡用于抑制晶片变形。用蜡将晶片胶合到抛光板的原因是涂蜡对于操作切实可行并且蜡在粘接强度方面优良。

[5.蜡厚度的波动]

在粘贴到同一抛光板的不同晶片当中蜡厚度的晶片间波动应小于或等于7μm。蜡厚度的晶片间波动的优选范围为1μm至5μm。当在同一抛光板上胶合的晶片当中存在蜡厚度差时，去除的厚度在晶片当中也不同。抛光的晶片具有厚度差。应当禁止大于或等于7μm的蜡厚度波动，因为大于7μm的蜡波动会导致晶片厚度的严重波动。蜡厚度的分布可以由针盘量规(dial guage)测量。针盘量规是测量物体厚度的装置。当已测量了晶片厚度的初始分布时，可以通过用针盘量规测量来获得蜡厚度分布。

晶片间的蜡厚度的晶片中波动应为5μm以下。优选晶片中蜡厚度波动应为3μm以下。在研磨、精磨和抛光之后，将蜡厚度波动转录到晶片的厚度波动。在研磨、精磨和抛光之后，大于5μm的蜡厚度波动会引起大的晶片厚度波动和大的TTV(总厚度变化)。简而言之，研磨之后的晶片称为“后研磨”晶片。在下文精磨之后的晶片称为“后精磨”晶片。在抛光之后的晶片称为“后抛光”晶片。后抛光晶片称为“镜面晶片”，因为抛光了的表面像镜子一样平且光滑。大于5μm的蜡厚度波动抑制了光刻在后抛光晶片上描绘正确的图案。

通过加热抛光板，熔融该蜡并从抛光板分离晶片，来从抛光板移除后抛光晶片。或者，通过锐利的刀片从抛光板分离后抛光晶片。用于分离的另一方法是用异丙醇或其它有机溶剂溶解蜡并将晶片剥离抛光板。

[6.在板上粘贴晶片的方向]

在抛光板上胶合的晶片的OF或凹口的方向是重要的。OF(或凹口)方向是本发明的表面平面处理的主要问题。当分配两个平面或两个凹口时，在下文考虑较大的平面或较大的凹口。对于在表面平面处理(研磨、精磨和抛光)的结果，OF(或凹口)方向具有大的影响。如果晶片具有OF和IF，则应考虑较大的OF用于在板上确定晶片方向。

图5表示抛光板6和在抛光板6上胶合的晶片W1、W2、W3和W4的底视图。用抛光板6的旋转方向(箭头)定义方向。当板6旋转时，板6行进的角方向命名为向前(f)。板6分离的另一方向命名为向后(b)。远离晶片朝着板中心的向心径向方向命名为向内(u)。沿着晶片远离板中心的向心径向方向命名为向外(s)。表面平面处理的结果取决于板上的OF方向。在图5中，所有的四个晶片都具有OF面向外(s)。这是OF最差的方向。向外的OF面(s)招致差的结果。本发明排斥向外的面OF。本发明支持的是向内(u)、向后(b)和向前(f)。当晶片具有两个平面(OF，IF)或两个凹口(N1，N2)时，两个标记都不应面向外(s)。晶片表面平面处理包括研磨、精磨和抛光。应区别三个处理。

研磨、精磨和抛光是用于晶片表面平面处理的三种不同处理。迄今常把词“抛光”用作用于表示三个不同处理的集合概念。研磨是用粗糙固定研磨细粒(gross fixed whetting graules)粗略地摩擦晶片表面的步骤。研磨去除了大的粗糙度，产生了较平坦的晶片表面并将晶片厚度减少到厚度的预定范围。研磨在减小晶片厚度的速度方面最快。

精磨采用自由研磨细粒(free whetting granules)或固定研磨细粒。在固定研磨细粒的情况下，精磨的细粒比研磨的研磨细粒小。精磨进一步减小了表面粗糙度并除去了研磨引起的退化的表面层。

抛光是平面处理步骤的最后步骤，其使用自由研磨细粒。抛光旨在降低表面粗糙度并移除研磨/精磨引起的退化表面层。抛光机通过将抛光液供给晶片、用研磨布摩擦晶片的表面并用细的自由细粒抛光表面，来处理胶合在抛光板上的晶片。在若干步骤后，自由细粒从较大尺寸的细粒经由中间尺寸细粒变为精细尺寸的细粒。逐步地增加了晶片表面的均匀性。

在研磨、精磨和抛光的每个步骤，晶片W1、W2、W3和W4的向外的OF面(s)不好。向外的OF面(s)在研磨步骤会引起晶片的裂缝、深痕和损伤。向外的OF面(s)在精磨步骤会导致对晶片的损害和增加粗糙度。向外的OF面(s)在抛光步骤会引起晶片表面粗糙度的增加和深的斜面(钝面边缘倾斜)。

如图6所示，应当在晶向平面OF不应面向外的方向上将晶片粘贴在抛光板上。在图6中，W5的OF面向前(f)。向前(f)的面OF不导致大的斜面。W6的OF面向内(u)。W7的OF面向内(u)。向内(u)的面也是优良的。W8的OF面向后(b)。向后(b)的面不会引起大的斜面。不必使一个批次里的所有晶片的OF面都非常均衡。重要的是在面向OF向后(h)、向前(f)或向内(u)的方向上粘贴晶片。在本发明禁止向外的面(s)。

晶片方向的OF的向外的面(s)在抛光步骤引起大的斜面。OF向外的面引起大斜面的原因本发明人仍未清楚地得知。假定OF向外的面由于晶向平面OF的宽度而减小了粘贴晶片的有效直径。减小有效接触直径将在抛光板中引起摆动运动。OF向外的面(s)在晶向平面(OF)处增加了抛光布的压力。过度的压力或许将促使研磨引起疤痕和损伤、促使精磨增加表面粗糙度以及促使抛光导致斜面。或者，OF向外的面(s)会导致在抛光液中不利的流动或在抛光布中不利的变形。

在研磨、精磨和抛光处理中OF方向引起的质量差别的程度取决于OF的尺寸。大于或等于11mm(y≥11mm)的OF长度会由于OF方向的差而引起显著差别。

[7.在抛光板上粘贴晶片的位置]

另一重要的事情是在抛光板上粘贴晶片的位置。在三个或者三个以上晶片的情况下，应确定晶片的中心设置在抛光板半径的一半外的点处。这将通过参考图7说明，其示出了确定晶片粘贴位置的实例。(G)是抛光板6的中心。抛光板6的边缘圆由(q)表示。抛光板6的半径由

(r)表示。半圆(v)(虚线)定义为具有中心G和是板半径(r)一半的半径(r/2)的圆。该半圆(v)与抛光板6的板边缘圆同心。晶片W9、W10和W11的中心由C9、C10和C11表示。晶片中心应在半圆(v)之外。也就是说晶片应该在GC9>r/2、GC10>VR/2和GC11>r/2的条件下被分布在板6上。

晶片圆(c)定义为穿过晶片W9、W10和W11的中心C9、C10和C11的圆。晶片圆(c)在(G)处具有中心。晶片圆(c)与板边缘圆(q)同心。可以重写上述条件，晶片圆(c)应比半圆(v)大。外晶片固定条件使抛光板的旋转在处理期间稳定并提高了表面平面处理的性能。

除了上述的外晶片固定条件，还存在对晶片位置的另一限制。内接触圆(j)(双虚线)定义为与晶片W9、W10和W11的内边接触的圆。晶片的半径由“w”表示。内接触圆(j)的直径由J表示。其它限制是内接触圆(j)的直径J应大于或等于晶片直径2w的0.35倍那么长的长度。也就是说应保持J≥0.7w。更优选地，内接触圆(j)的直径J应长于或等于是晶片直径2w一样长的0.4倍的另一长度。更优选的条件是J≥0.8w。如果内接触圆(j)太窄，则在内接触圆(j)内抛光液的流动将迟滞。抛光液的非均匀流动将导致晶片的非均匀研磨、精磨和抛光。由此以上的内限制J≥0.7w(更有利的J≥0.8w)对抛光板上的晶片的内边位置施加了影响。

晶片粘贴位置的外部限制是由以下考虑提供的。如图7所示，晶片的最外边和板边缘(q)之间的外余量(p)应大于或等于1mm(p≥1mm)。外接触圆(k)描述为图7中的双点圆，其与晶片W9、W10和W11的外边接触。K表示外接触圆(k)的直径(p＝r-K/2)。以上指的是K/2+1mm≤r。如果晶片的外边太接近板边缘(q)，则提供给晶片外边的抛光液将不充足并且外边将被不完全抛光。尤其是，当抛光板限定在护环内时，外边的不足够的抛光将是严重的。应在距离板边缘(q)至少1mm的内点粘贴晶片。相反，如果晶片粘贴在太内的点处，则将不满足在前的内接触圆(j)条件。余量(p)应具有优选范围3mm≤p≤8mm。

[8.一个以上的晶片的圆分配]

当晶片尺寸足够小或板的尺寸大时，可以沿着抛光板的一个以上的同心圆粘贴晶片。图8示出了在抛光板上两个同心圆分配的晶片的实例。假设具有半径M的内晶片圆和具有半径N的外晶片圆在抛光板上同心。沿着内晶片圆以到中心相等的距离M将晶片W12、W13、W14、W15和W16(内圆组)粘贴到抛光板。沿着外晶片圆以到中心相等的距离N将W17、W18、W19、W15、W20和W21(外圆组)粘贴到抛光板。M<N<r。重要的是在径向方向上内圆组晶片应与外圆组晶片不对准。优选，内圆组晶片W13应位于通过将相邻的外圆晶片W21和W17的中心连接到板中心G所形成的等腰三角形的顶角的平分线上。将W13粘贴在图8中的∠W21GW17的平分线上。在其它组的内/外组晶片当中应保持同一关系。这种分配会使相邻晶片之间的间隙均衡。间隙的均匀分布在抛光布上形成抛光液的均匀流动。晶片的均匀分布使作用在晶片上的压力相对于抛光布均衡。均匀的压力和均匀的液体流动引起抛光板和抛光转盘稳定的旋转和低的振动。

[9.III族氮化物晶片的内结构]

本发明适用于具有均匀性质而没有内结构的III族氮化物晶片。除了均匀晶片外，本发明还可应用到具有非均匀性质的、具有内结构的III族氮化物晶片上。本发明允许目标氮化物晶片具有带状结构。这种带状结构对于氮化物晶片来说是固有的。有带状结构Si晶片或带状结构GaAs晶片。带状结构是专用结构，其通过特定的方法出现在III族氮化物晶体衬底上。带状晶片指的是具有在一方向上延伸的重复平行部分的各向异性晶片。具有许多位错的线状位错聚集区域和具有许多位错的线状低缺陷单晶区域的平行组在垂直于延伸的方向上对准。

小面生长法(facet-growth)能够使发明人制造出50mm直径的自由式低位错密度的GaN衬底晶片。小面生长法是制备粗糙的凸面表面(facetted surface)的生长膜、用凸面表面汽相生长该膜并保持该凸面表面直到最后的新方法。例如，在下衬底上形成条状掩模或点掩模。在承载掩模的下衬底上汽相生长氮化物膜。利用掩模在生长表面上制造许多由小面组成的凹陷(pit)或凹部(valley)。当保持面凹陷或面凹部没有被掩埋时，水平和垂直生长速度之间的差会将小面上的位错带到小面凹陷或凹部的底部中。在小面凹陷的底部聚集高浓度的位错。从其它区域移除位错，因为在凹陷的底部牵拉、聚集并抑制位错。除底部或凹部之外的其它区域变得几乎免受位错。其它区域具有低的位错密度。小面生长在除了凹陷或凹部之外的其它区域中降低位错密度时有效。由于上晶片(on-wafer)位置的器件分布的简单对应，带状掩摸面生长也有利于制备器件。

在III族氮化物圆形晶片的圆边缘上的点处制备晶向平面(OF)或凹口，其用于表示晶向。在OF或凹口切割的那个方向上会对平面处理(研磨、精磨和抛光)的结构有影响。本发明利用厚度小于或等于10

μm的热塑性蜡将III族氮化物晶片粘贴在关于旋转方向具有OF(或凹口)面向前(f)、向内(u)或向后(b)的抛光板上。本发明可以制备具有低表面粗糙度和小斜面的镜面晶片。

本发明能够实现表面平面晶片以使外延层赋予优良的结晶和形态以及使器件在质量和成品率方面优良。

附图说明

图1是具有用于表明晶向和正面/反面差别的晶向平面(OF)和识别平面的GaN晶片的平面图。

图2是具有用于表明晶向和正面/反面差别的晶向平面(OF)和识别平面的第一凹口(N1)和第二凹口(N2)的GaN晶片的平面图。

图3是GaN晶片的平面图，该GaN晶片是通过带状小面法生长的、并具有低缺陷单晶区域(Z)和缺陷聚集区域(H)的多组平行交替带，其具有与Hs和Zs平行切割的晶向平面(OF)和与Hs和Zs垂直剪切的识别平面(IF)。

图4是用于示出通过抛光引起的斜面的GaN晶片后抛光截面图。

图5是抛光板和粘贴在抛光板上的具有向外的面OF的晶片W1、W2、W3和W4的平面图，其中粘贴晶片的晶向平面(OF)的面被分成在板的旋转方向上限定的向前(f)、向内(u)、向后(b)和向外(b)面。

图6是抛光板和多种OF面的晶片的平面图。OF面指的是板的角旋转方向。W5是前向(f)晶片。W6是内向(u)晶片。W7是内向(b)晶片。W8是后向晶片。

图7是抛光板和以单圆粘贴到抛光板上的晶片，用于示范粘贴晶片的优选位置。

图8是抛光板和粘贴到双轮上的抛光板的晶片，用于示范粘贴晶片的优选位置。

具体实施方式

[实施例1]

准备了135mm直径和30mm厚的氧化铝(Al₂O₃)圆盘的抛光板。研磨的、精磨的和抛光的样品晶片是HVPE生长状态的50mm直径和0.5mm厚的GaN圆形晶片。生长状态的GaN锭是通过在GaAs下衬底上生长GaN晶体并去除GaAs下衬底获得的。多个生长状态的GaN衬底晶片是通过线状锯切片GaN锭制造的。每个生长状态的晶片都具有16mm长的晶向平面(OF)。OF的圆心角(T)是18度。OF的去除宽度h是1.6mm。每个样品都是一组具有OF的三个生长状态的晶片。

通过加热抛光板直至Tm+30℃的温度，用热塑性固态蜡摩擦抛光板的底部，软化该蜡，在离板边缘5mm余量p(p＝5mm)的地方放置生长状态的晶片并将生长状态的晶片压到抛光板，以在抛光板的底部上粘贴三个生长状态的GaN晶片。

[表1]

 

	样品1	样品2	样品3	样品4
					OF面	向内u	向前f	向后b	向外s
晶片内(in-wafer)蜡的厚度波动	3μm	3μm	2μm	2μm
					晶片间(inter-wafer)蜡的厚度波动	5μm	5μm	4μm	3μm
衬底厚度波动	7μm	8μm	6μm	6μm
					后精磨表面粗糙度(Rms)	2.4～3.2nm	2.2～3.6nm	2.5～3.4nm	2.3～4.8nm
后抛光表面粗糙度(Rms)	1.2～1.5nm	1.2～1.8nm	1.3～1.7nm	1.4～2.6nm
					后精磨斜面宽度(A)	<10μm	<10μm	<10μm	<10μm
后精磨斜面宽度(B)	<10μm	<10μm	<10μm	<10μm
					后抛光斜面宽度(A)	140μm	170μm	90μm	360μm
后抛光斜面宽度(B)	43μm	72μm	30μm	120μm
					LED成品率	60％	52％	68％	38％

※斜面A：水平方向

B：垂直方向

研磨、精磨、抛光并检查三个生长状态的晶片的四个样品组。每个样品都由三个晶片组成。以相同的面向u、f、b或s上在板上胶合属于同一样品的全部的三个晶片。

当在抛光板上胶合晶片时，通过测量晶片的蜡厚度ξ计算蜡厚度分布。晶片内蜡分布是从板上胶合的每个晶片内的最大蜡厚度(ξ_max)减去最小蜡厚度(ξ_min)的差(ξ_max-ξ_min)的最大值。样品1、2、3和4分别具有3μm、3μm、2μm和2μm的晶片内蜡分布。

晶片间蜡分布是从胶合到同一板上的所有晶片内的最大蜡厚度(ξ_max)减去最小蜡厚度(ξ_min)的差(ξ_max-ξ_min)。样品1、2、3和4分别具有5μm、5μm、4μm和3μm的晶片间蜡分布。

研磨、精磨并抛光样品1、2、3和4，其每个都由胶合在抛光板上的三个晶片组成。具有固定金刚石研磨细粒的金刚石研磨转盘来研磨样品。具有平坦金属表面的金属研磨转盘通过提供包括有金刚石自由研磨细粒的抛光液来精磨样品。承载转盘的树脂抛光垫抛光通过提供包括有自由硅胶细粒的另一抛光液来抛光样品。

光干涉粗糙度测试器检查后精磨GaN晶片的表面粗糙度Rms。在这里，“后精磨”的晶片指的是经受了精磨步骤的晶片。采用五个点来检查Rms。五个检查点对应于具有中心与晶片中心重合的虚拟四方形的中心和四个角。在表1上列出了在五个检查点处测量的Rms的范围。表1，线6表示在后精磨样品1-4上的五个点处测量的Rms的范围。

后精磨样品1表示Rms 2.4nm至Rms 3.2nm的表面粗糙度。

后精磨样品2显示出Rms 2.2nm至Rms 3.6nm的表面粗糙度。

后精磨样品3示出了Rms 2.5nm至Rms 3.4nm的表面粗糙度。

后精磨样品4表示Rms 2.3nm至Rms 4.8nm的表面粗糙度。

样品4示出了精磨之后的最大Rms。

测量了GaN晶片后精磨斜面。斜面指的是由抛光引起的倾斜圆边缘。由于光刻通过光在晶片上描绘了图案，所以理想的是晶片应当是平坦的直至外围边缘。边缘斜面将导致图案在晶片外围变形。斜面由水平宽度A和垂直深度B评估，水平宽度A是斜面在水平面上的垂直投影，垂直深度B是在垂直面上的水平投影。斜面的尺寸由斜面宽度A和斜面深度B表示。

通过参考图4阐明斜面的概念。在图4中，边缘倾斜是斜面。水平宽度A是e。垂直深度B是g。样品1、2、3和4后精磨斜面宽度A都小于10μm，如表1所示。后精磨斜面宽度B也小于10μm。

上文涉及被精磨的但仍未被抛光的后精磨晶片。然后将精磨的GaN晶片抛光成镜面晶片。在下文描述了后抛光(镜面)晶片。在五个点、一个中心点和四个边缘点处测量了后抛光晶片的表面粗糙度Rms。五个检查点对应于晶片上假想的四方形的中心和四角。后抛光样品1的测量粗糙度是在五个点处的Rms 1.2nm至Rms 1.5nm，如表1所列出的。

后抛光样品2的测量粗糙度是Rms 1.2nm至Rms 1.8nm。

后抛光样品3的测量粗糙度是Rms 1.3nm至Rms 1.7nm。

后抛光样品4的测量粗糙度是Rms 1.4nm至Rms 2.6nm。

关于后抛光粗糙度，样品4在四个样品1-4中也是最大的。

抛光扩大了斜面，因为弹性树脂衬垫挤压了晶片的表面并且变形的衬垫磨损了晶片的边缘。测量抛光之后的样品1-4的晶片的后抛光斜面。样品1示出了140μm的后抛光斜面宽度A和43μm的后抛光斜面深度B。样品2示出了170μm的后抛光斜面宽度A和72μm的后抛光斜面深度B。样品3示出了90μm的后抛光斜面宽度A和30μm的后抛光斜面深度B。样品4示出了360μm的后抛光斜面宽度A和120μm的后抛光斜面深度B。

垂直斜面B的增加导致水平斜面A的增加。样品4具有大的垂直斜面B和水平斜面A。样品4具有向外面OF的晶片。在抛光板上向外的面OF，大的表面粗糙度和大的斜面伴生于晶片。

将晶片厚度波动定义为胶合在抛光板上的晶片厚度的差。实际上，晶片厚度波动是通过从最大晶片厚度减去最小晶片厚度的差。后抛光晶片的大晶片厚度波动表示不良的抛光。样品1、2、3和4分别示出了7μm、8μm、6μm和6μm的晶片厚度波动。晶片的标准厚度是500μm。

发光二极管(LED)是通过在样品1-4的镜面晶片上外延生长n-GaN层、InGaN层和p-GaN层制备的。检查LED并将LED分成了合格产品和不合格品。在样品1-4的表1上示出了是合格产品/总产品的比率的成品率。50mm直径晶片可以制作大约2000个具有400平方μm的LED。

样品1-4的LED成品率为60％、52％、68％和38％。样品4具有低LED成品率的缺陷，其受扰于大的斜面和大的后抛光表面粗糙度Rms。

[实施例2]

实施例2采用155mm直径和30mm厚的氧化铝(Al₂O₃)圆盘的抛光板。研磨、精磨和抛光处理的目标GaN晶片是具有50mm直径和0.5mm厚的多组带状结构HVPE生长状态的GaN晶片。带状结构指的是非均匀GaN晶体，其具有由平行低密度单晶区域和平行缺陷聚集区域组成的相互交替的组。已通过准备GaAs下衬底、在GaAs下衬底上制造带状掩模、通过HVPE法在带状掩摸的下衬底上生长GaN膜晶体、制造磨光面并保持该磨光面直至最后，制备了带状结构GaN晶片。制备HVPE生长状态的GaN/GaAs合成晶片。生长状态的GaN自支持晶片是通过去除GaAs下衬底并斜切边缘获得的。另外如果通过HVPE法在GaAs下衬底上生长高的GaN晶体达很长时间，则通过用线状锯将GaN锭垂直切片成多个生长状态的GaN晶片来制备多个自支持GaN晶片。选择五个生长状态的GaN晶片以一个批次来作为研磨、精磨和抛光很多的一组样品晶片。对每个GaN晶片的边缘分布凹口，用于表示晶向。凹口具有5mm深和60度角。在抛光板上用热塑性固态蜡胶合五个生长状态的GaN晶片。将抛光板加热直到Tm+30℃，其中Tm是软化温度。操作员通过人工用热塑性蜡摩擦热抛光板，使蜡熔融并在板上延伸，将GaN晶片放置在具有离板边缘6mm(p＝6mm)余量的点处的熔融蜡上并将GaN晶片压向板，来粘接五个GaN晶片。

对四个样品5、6、7和8进行表面处理步骤(研磨、精磨和抛光)。表2示出了结果。在表2中示出了凹口在抛光板上的方向。属于同一样品的五个晶片都具有公共的凹口向。

样品5的五个GaN晶片的凹口面向内(u)。

样品6的五个GaN晶片的凹口面向内(u)。

样品7的五个GaN晶片的凹口面向后(b)。

样品8的五个GaN晶片的凹口面向后(b)。

[表2]

 

	样品5	样品6	样品7	样品8
					凹口向	向内u	向内u	向后b	向后b
晶片内蜡的厚度波动	3μm	3μm	7μm	8μm
					晶片间蜡的厚度波动	5μm	5μm	9μm	11μm
衬底厚度波动	7μm	8μm	13μm	18μm
					后精磨表面粗糙度(Rms)	2.4～3.2nm	2.1～3.5nm	2.8～4.2nm	3.5～5.8nm
后抛光表面粗糙度(Rms)	1.3～1.6nm	1.2～1.7nm	1.8～3.2nm	2.4～3.9nm
					LED成品率	60％	52％	32％	17％

通过将晶片胶合到抛光板上，在晶片上以二维方式对准的多个点处测量蜡层的厚度(ξ)以及计算蜡厚度的波动，来检查蜡厚度分布。将晶片内蜡厚度分布定义为晶片内的蜡厚度最大值(ξ_max)和同一晶片内的蜡厚度最小值(ξ_min)之间的差。样品5、6、7和8分别显示出3μm、3μm、7μm和8μm的晶片内蜡厚度波动。

晶片间蜡厚度分布指的是胶合在同一抛光板上的一个批次的晶片的蜡厚度的波动。将晶片间(inter-wafer)定义为粘贴在共用抛光板上的晶片的最大蜡厚度和最小蜡厚度之间的差。测量的蜡间厚度波动对于样品5、6、7和8是5μm、5μm、9μm和11μm。

晶片厚度波动表示晶片厚度的波动。将晶片厚度波动定义为晶片厚度最大值(d_max)和晶片厚度最小值(d_min)之间的差(d_max-d_min)。测量的晶片厚度波动对于样品5、6、7和8分别是7μm、8μm、13μm和18μm。

每个样品都由粘贴到抛光板的五个晶片组成。研磨、精磨并抛光样品5、6、7和8，它们是胶合在抛光板上的五个晶片组。通过金刚石固定细粒研磨转盘来研磨样品5-8。通过利用了提供包含有液体的自由金刚石细粒的金属性研磨转盘来精磨已被研磨了的样品5-8。通过利用了提供包括有自由硅胶细粒的液体的树脂衬垫覆盖转盘来抛光已被精磨了的样品5-8。

通过光干涉粗糙度测试器测量后精磨GaN晶片的表面粗糙度。在下述四方形的中心和四角的五个点处测量粗糙度，所述四方形的中心与后精磨晶片的中心重合。在样品5、6、7和8的表2上列出了在五个点处测量的后精磨粗糙度的范围。

样品5的后精磨表面粗糙度是Rms 2.4至Rms 3.2nm。

样品6的后精磨表面粗糙度是Rms 2.1至Rms 3.5nm。

样品7的后精磨表面粗糙度是Rms 2.8至Rms 4.2nm。

样品8的后精磨表面粗糙度是Rms 3.5至Rms 5.8nm。

样品8显示出后精磨晶片的最高表面粗糙度。大的蜡厚度波动会引起大的后精磨表面粗糙度。然后将样品5-8的精磨了的晶片抛光成晶面晶片。

由同一光干涉粗糙度测试器测量后抛光GaN晶片的表面粗糙度。在下述四方形的中心和四角的五个点处测量粗糙度，所述四方形的中心与后抛光晶片的中心重合。在样品5、6、7和8的表2上列出了在五个点处测量的后抛光粗糙度的范围。

样品5的后抛光表面粗糙度是Rms 1.3至Rms 1.6nm。

样品6的后抛光表面粗糙度是Rms 1.2至Rms 1.7nm。

样品7的后抛光表面粗糙度是Rms 1.8至Rms 3.2nm。

样品8的后抛光表面粗糙度是Rms 2.4至Rms 3.9nm。

样品8显示出后抛光晶片的最高表面粗糙度。大的蜡厚度波动会引起大的后抛光表面粗糙度。

通过在抛光了的GaN晶片上外延生长n型GaN膜、InGaN膜和p型GaN膜制造了外延晶片。在外延晶片上形成P电极和n电极。通过将处理了的晶片划分成芯片并封装该芯片来制造LED。通过供应电流、使LED发光并测试发射功率和发射频谱来检查LED的光功率和频谱。判断LED是合格产品还是不合格产品。示出了每个样品的成品率，该成品率定义为合格产品数与总数的比。50mm直径晶片可以制造大约2000个400平方μm的LED芯片。

在表2上列出了成品率。样品5、6、7和8的成品率是60％、52％、32％和17％。蜡厚度的大波动会引起样品7和8中大的晶片厚度波动。大的蜡/晶片厚度波动会导致样品7和8中的大的后精磨和后抛光表面粗糙度Rms。样品7和8受扰于大的后抛光粗糙度Rms和大的晶片厚度波动引起的低成品率。样品5、6、7和8的比较教导我们可容许的晶片内蜡厚度波动小于7μm并且优选的蜡厚度波动小于或等于5μm。

Claims (17)

1.一种制造III族氮化物衬底晶片的方法，包括如下步骤：

准备三个或更多个III族氮化物衬底晶片，所述晶片具有等于或大于40mm的直径和长度为2mm至30mm的晶向平面OF；

在与抛光板的旋转相关的OF面向前(f)、向后(b)或向内(u)的方向上，将所述三个或更多个III族氮化物衬底晶片胶合在圆形抛光板的底部上；以及

将所述三个或更多个III族氮化物衬底晶片的表面进行平面处理，使之成为具有小于或等于200μm的水平宽度(e)和小于或等于100μm的垂直深度(g)的斜面的镜面表面。

2.如权利要求1所述的方法，其中，

沿着具有与抛光板的中心相重合的中心的圆在抛光板上粘贴所述III族氮化物衬底晶片；

与晶片的内边接触的内接触圆(j)具有大于或等于晶片直径0.35倍长的直径(J)；并且，

晶片的外边和抛光板的边缘之间的余量(p)大于或等于1mm。

3.如权利要求1所述的方法，其中，

沿着具有与抛光板的中心相重合的中心的圆在抛光板上粘贴所述III族氮化物衬底晶片；

晶片的中心在具有抛光板的直径(r)一半的直径(r/2)的半圆(v)以外；并且，

晶片的外边和抛光板的边缘之间的余量(p)大于或等于1mm。

4.如权利要求1所述的方法，其中，

沿着两个同心的内圆和外圆在抛光板上粘贴所述III族氮化物衬底晶片；并且，

内圆上的晶片不与外圆上的晶片径向对准。

5.如权利要求1所述的方法，其中，

所述III族氮化物衬底晶片具有内带状结构，在该结构中多组平行的低缺陷密度单晶区域(Z)和平行的缺陷聚集区域(H)依次相互对准。

6.一种制造III族氮化物衬底晶片的方法，包括如下步骤：

准备三个或更多个III族氮化物衬底晶片，所述晶片具有大于或等于40mm的直径和深度为2mm至10mm且角度为30度至120度的凹口；

在与抛光板的旋转相关的在凹口面向前(f)、向后(b)或向内(u)的方向上，将所述三个或更多个III族氮化物衬底晶片胶合在圆形抛光板的底部上；以及

将所述三个或更多个III族氮化物衬底晶片的表面进行平面处理，使之成为具有小于或等于200μm的水平宽度(e)和小于或等于100μm的垂直深度的斜面的镜面表面。

7.如权利要求6所述的方法，其中，

沿着具有与抛光板的中心相重合的中心的圆在抛光板上粘贴所述三个或更多个III族氮化物衬底晶片；

与晶片的内边接触的内接触圆(j)具有大于或等于晶片直径0.35倍长的直径(J)；并且，

晶片的外边和抛光板的边缘之间的余量(p)大于或等于1mm。

8.如权利要求6所述的方法，其中，

沿着具有与抛光板的中心相重合的中心的圆在抛光板上粘贴所述III族氮化物衬底晶片；

晶片的中心在具有抛光板的直径(r)一半的直径(r/2)的半圆(v)以外；并且，

晶片的外边和抛光板的边缘之间的余量(p)大于或等于1mm。

9.如权利要求6所述的方法，其中，

沿着两个同心内圆和外圆在抛光板上粘贴所述III族氮化物衬底晶片；并且，

内圆上的晶片不与外圆上的晶片径向对准。

10.如权利要求6所述的方法，其中，

所述III族氮化物衬底晶片具有内带状结构，在该结构中多组平行的低缺陷密度单晶区域(Z)和平行的缺陷聚集区域(H)依次相互对准。

11.一种III族氮化物衬底晶片，其是通过根据权利要求1-10中的任意一项所述的方法制造的。

12.一种半导体器件，其具有根据权利要求11所述的III族氮化物衬底和在该III族氮化物衬底上外延生长的各层。

13.一种在根据权利要求11所述的III族氮化物衬底晶片上外延生长各层的半导体器件制造方法。

14.一种III族氮化物衬底晶片，其具有等于或大于40mm的直径、长度为2mm至30mm的晶向平面OF、底表面以及顶表面，所述顶表面为抛光表面并且具有水平宽度(e)在10μm和200μm之间的以及垂直深度在10μm和100μm之间的斜面。

15.一种III族氮化物衬底晶片，其具有等于或大于40mm的直径、深度为2mm至10mm且角度为30度至120度的凹口、底表面以及顶表面，所述顶表面为抛光表面并且具有水平宽度(e)在10μm和200μm之间的以及垂直深度在10μm和100μm之间的斜面。

16.一种半导体器件，其具有根据权利要求14或权利要求15所述的III族氮化物衬底和在该III族氮化物衬底上外延生长的各层。

17.一种在根据权利要求14或15所述的III族氮化物衬底晶片上外延生长各层的半导体器件制造方法。

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