CN1275296C - 缘经过研磨的氮化物半导体基片及其边缘加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及缘经过研磨的氮化物半导体基片及其边缘加工方法，通过把圆形氮化物半导体基片的外周部内接于在柔软的带面上附着砂粒的带状砂轮上，使带状砂轮跨接于氮化物半导体基片的外周面和边缘部，并且通过调节带子的张力而在氮化物半导体基片的外周部上施加一定的压力，提供切削水，一边旋转氮化物半导体基片，一边以一定的速度传送带状砂轮，更新接触带面，研磨边缘，由此使边缘部分的面粗糙度为Ra10nm～Ra5μm。因为不断地改变砂轮带所以即便使用粒子细的砂轮带也不会孔堵塞。通过用细粒子的砂轮带能够将晶片边缘部分加工到卓越的平滑度。又，本方法不仅适用于GaN而且也适用于其它的氮化物半导体基片。

Description

缘经过研磨的氮化物半导体基片及其边缘加工方法
技术领域
本发明涉及圆形单晶氮化物半导体基片(晶片)，特别是GaN基片的边缘部分的改良。所谓的边缘部分指的是在晶片的周边部分尖出成为裂缝破碎原因的要进行面去除的部分。所谓的面去除也指斜削而言。所谓的氮化物半导体指的是GaN、InN、AlN等。它们都是硬脆性材料很难进行加工。
制造品质优良的大型单晶氮化物半导体晶片是困难的。得到GaN独立基片，但是至今多数还是小的矩形的情形(边长为10mm～20mm)，作为蓝色激光的基片在大批量生产中使用是困难的。InN、AlN的圆形基片几乎还没有制造出来。
制造圆形的GaAs单晶基片终于正在变成可能。对晶片的周面进行斜削加工，倾斜地进行面去除，使不发生破裂和缺损。这对于Si晶片和GaAs晶片能够很好地进行，使周面与旋转砂轮接触同时旋转晶片和旋转砂轮切削周面。在技术不成熟的GaN的情形中到现在为止还很少有圆形晶片。圆形GaN晶片很少，但是用粗的旋转砂轮(#100～#400)对该晶片进行旋转研削实施面去除是现在的状况。
背景技术
关于晶片的斜削加工，正在对Si晶片、GaAs晶片等的晶片进行，对于Si晶片有很多改良。现在我们举出几个关于Si晶片的众所周知的文献作为例子加以说明。
专利文献1提出了使包含5～30％重量的粒径为3～18nm的超微粒子的金刚石粒子和包含70～95％重量的粒径为5～8μm的金刚石粒子的金刚石砂轮旋转，与晶片的侧周接触对侧周进行研削的方法。因为金刚石粒子的粒径分成2个等级所以金刚石砂轮的构成复杂。因为在已有技术中使用粒径20μm的金刚石砂轮进行斜削，发生破裂、裂缝，所以为了防止发生破裂、裂缝，提出了用更细粒子的金刚石砂轮的方案。因为使用细微粒子的金刚石，所以不会产生破碎层不发生裂缝和破裂等。因为仅仅是这样使研削的速度过慢所以也使用5～8μm的金刚石粒子。
专利文献2是因为Si晶片很硬机械切削很困难当进行机械切削时必须使用金刚石砂轮成本很高，所以在Si晶片的侧周面上加入电解液加上电压进行电解研磨。
上述的是关于Si晶片的斜削。
专利文献3是关于本专利申请人的GaN基片的斜削的发明。
[专利文献1]日本平成9年公布的9-181021号专利公报“晶片的斜削加工方法”
[专利文献2]日本平成6年公布的6-315830号专利公报“难切削材料的斜削加工方法”
[专利文献3]日本2002年公布的2002-356398号专利公报“氮化镓晶片”
发明内容
本专利申请人提出的圆形GaN基片的斜削是使GaN基片与加入粒度#100～#400(主要为#200)的金刚石砂粒的金属粘合系列的圆形砂轮外接，以周速为800m/分～2000m/分的速度相对地旋转晶片和旋转砂轮进行斜削。图1表示该工序。将GaN独立基片2的边缘按压在旋转砂轮3上除去尖出的边缘。在旋转砂轮3上加入固定砂粒一面流过研磨液一面切削晶片的棱线。旋转砂轮3与晶片2外接。旋转砂轮具有各种形状。当用该方法进行面去除加工时，为了削减直径1mm需要10分钟～20分钟。根据SEMI标准形成边缘形状。
图5表示当加工2英寸圆形GaN晶片时的尺寸例。在需要研削半径1mm的2英寸晶片的情形中，制作直径52mm厚度520μm的GaN基片。用切割机或研削用砂轮在它的周面加工表示方位的OF、IF。OF的长度为16mm，，IF的长度为7mm。OF是从周边缘沿2.32mm的直线切削的。当表面向前时OF、IF按时钟转动顺序排列。这种尺寸是预先决定的。
已有的边缘研磨，如图1所示，使直径52mm的附有OF、IF的GaN基片与金属粘合金刚石旋转砂轮外接使砂轮旋转进行研削直到使外形成为50mm为止。因为使直径减少2mm，所以需要约20分钟～40分钟。加工时间比较短。通过这种边缘加工，边缘部分的面粗糙度Ra为10000nm～6000nm(10μm～6μm)。最好能够完成加工，但是加工中，在周边发生破碎、剥落，进一步也发生裂缝。希望比Ra比5μm小但是用上述那样的金属粘合金刚石旋转砂轮不能没有零散地得到Ra6μm以下的面粗糙度。作为抑制破碎、剥落，并且改善面粗糙度的一个对策，可以考虑使用上述金属系列粘合砂轮，加工速度极小长时间地对边缘进行的方法。实际上，为了减小直径2mm，当花费10小时以上的时间时能够将Ra抑制到3μm左右。然而，砂轮的消耗很大，并且由于孔堵塞不能够稳定地得到高的边缘品质(面粗糙度、破碎、剥落)。
所谓的#200砂粒指的是在上述专利文献1等中用于对Si晶片进行斜削的粗砂粒。所以形成Ra10μm～6μm那样的粗糙面。
这样，本发明者为了对GaN进行面去除，使用相当粗的砂轮。GaN晶片又硬又脆很难加工，与旋转砂轮外接切削边缘时，恐怕在加工中会使晶片边缘破损。即便不破损也形成上述的粗的面粗糙度(Ra＝10μm～6μm)。因为面粗糙度大在以后的加工中也会出现问题。在周边具有粗糙面的晶片也会发生从端部开始的裂缝和破裂。进一步也存在着容易在面上发生刻痕的难点。因为边缘成为粗糙面所以研削屑、研磨屑也容易进入凹凸部分。
我们认为最好使用更细砂粒的旋转砂轮。但是，当用比上述更细的金刚石砂粒的砂轮时，用于周面研削的时间变得过长，增加了成本。又，由于砂轮发生孔堵塞，缩短了砂轮的寿命。不仅是这些，而且使晶片自身由于破裂、缺损等而破损的可能性也增高了。当考虑到研磨时间和孔堵塞，破损的可能性等时，用更细砂粒的旋转砂轮对GaN进行斜削是困难的。
本发明的第1个目的是提供不用担心发生从边缘部分开始的裂缝的GaN独立基片。
本发明的第2个目的是提供不用担心发生从边缘部分开始的破裂、剥落的GaN独立基片。
本发明的第3个目的是提供不会由于边缘部分附着粒子，发生尘埃污染的GaN独立基片。又，本发明不仅能够适用于GaN基片，也能够适用于AlN，InN等的氮化物半导体基片。
根据本发明的一个方面，提供一种边缘经过研磨的氮化物半导体基片，通过把圆形氮化物半导体基片的外周部内接于在柔软的带面上附着砂粒的带状砂轮上，使带状砂轮跨接于氮化物半导体基片的外周面和边缘部，并且通过调节带子的张力而在氮化物半导体基片的外周部上施加一定的压力，提供切削水，一边旋转氮化物半导体基片，一边以一定的速度传送带状砂轮，更新接触带面，研磨边缘，由此使边缘部分的面粗糙度为Ra10nm～Ra5μm。
根据本发明的另一方面，提供一种氮化物半导体基片的边缘加工方法，通过把作为脆性材料的圆形氮化物半导体基片的外周部内接于在柔软的带面上附着砂粒的带状砂轮上，使带状砂轮跨接于氮化物半导体基片的外周面和边缘部，并且通过调节带子的张力而在氮化物半导体基片的外周部上施加一定的压力，提供切削水，一边旋转氮化物半导体基片，一边以一定的速度传送带状砂轮，更新接触带面，研磨边缘。
本发明通过研磨圆形GaN独立晶片的边缘部分使面粗糙度在Ra5μm以下。当在Ra5μm以下时，能够将裂缝发生率抑制在50％以下。或者使圆形GaN独立晶片的边缘部分的面粗糙度在1μm以下。
进一步使边缘部分的面粗糙度在Ra0.1μm以下。在无论哪种情形中面粗糙度的下限约为Ra10nm左右。这是表面的精密研磨的面粗糙度，不需要使边缘部分比表面的面粗糙度更细。所以本发明的GaN晶片的边缘面粗糙度是在下列范围内：
(1)Ra5μm～Ra10nm
(2)Ra1μm～Ra10nm
(3)Ra0.1μm～Ra10nm。
图6表示根据本发明对边缘部分进行斜削后的GaN的截面图。边缘部分6成为圆的但是倾斜部分也可以是直线的。能够使用支持母体柔软的并且能够连续地供给切削刀刃的砂轮进行边缘部分的研磨。例如可以使用带状砂轮。因为用带状砂轮进行研磨所以中央部分自然地带有圆形。
这样，当使边缘面平滑时能够减少裂缝发生率提高成品率。也减少了晶片处理、搬运时的破裂、破碎的可能性。
因此本研磨法不用图1所示的旋转砂轮而使用砂轮带。
所谓的带状砂轮是在布纸等的带子上加入砂粒。图2、图3表示使砂轮带4与晶片2的周边部分6接触使晶片旋转，研磨周边部分(边缘部分)的样子。虽然加入了砂粒5但是因为支持母体是是带子所以可以自由地弯曲。由于弯曲厚实地覆盖晶片6的旋转。因为基材不是金属圆板等而是带状的，所以由于柔软而不会在晶片上加上强的力量。如果使用细的砂粒则不用担心晶片周面在研削中发生破裂。因为是附着细砂粒的砂轮，所以研削花费很多时间，但是因为是高价值的晶片，所以这不是什么障碍。
而且，接触面积不同。当旋转砂轮与晶片接触时(图1)通过所谓的外接形成点接触。接触面积极其狭窄，这样一来因为每单位面积的接触压力增大所以容易发生破裂。但是，因为是带状砂轮(图3)带子能够自由地弯曲所以接触部分成为EFG接触面积增大。晶片与带子内接。容易实现中心角EOG为40°～90°那样的接触角。接触面积既在圆周方向很宽也在厚度方向(图2)很宽。因为接触面积很宽所以每单位面积的压力也变小使加工中破裂的可能性变得更小。
当使用旋转砂轮时因为不断地交换不同的砂粒(传送速度为U)所以不用担心孔堵塞等。
本发明提供使边缘部分的面粗糙度小的GaN独立基片。这样，当使边缘面平滑时能够减少裂缝发生率提高成品率。如图4所示，根据已有方法的边缘部分的面粗糙度为Ra10μm～6μm时裂缝发生率超过60％，不良率过高。本发明因为边缘部分的面粗糙度在Ra5μm以下，所以裂缝发生率能够在50％以下。又，本发明也能够使边缘部分在Ra1μm以下，这时裂缝发生率能够在10％以下。进一步，当在Ra0.1μm以下时能够使裂缝发生率在6％以下。不仅使裂缝减少，而且也减少了晶片处理、搬运时的破裂、破碎的可能性。也减少了由于研削屑、研磨屑、异物进入引起污染的可能性。因此，能够提供更高品质的GaN独立基片、AlN，InN等的氮化物半导体基片。
附图说明
图1是表示与使具有倾斜面的旋转砂轮接触晶片的边缘对晶片的边缘进行面去除的已有例有关的晶片面去除方法的截面图。
图2是用于表示通过使砂轮带与GaN独立基片的边缘接触使砂轮带沿边缘的角度方向运动进行对晶片周边部分面去除加工的本发明的砂轮带法的晶片的纵向截面图。
图3是用于表示通过使砂轮带与GaN独立基片的边缘接触使砂轮带沿边缘的角度方向运动进行对晶片周边部分面去除加工的本发明的砂轮带法的晶片的横向截面图。
图4是表示GaN基片的边缘的面粗糙度Ra(μm)与裂缝发生率(％)的关系的曲线。横轴是周边部分(边缘部分)的面粗糙度Ra，纵轴是裂缝发生率。
图5是表示在2英寸GaN晶片的例子，将外形52mmφ、520μmt的圆形GaN独立基片上加工出取向平面(OF)和识别平面(IF)后，按照本发明的方法用砂轮带对晶片的周边部分(边缘部分)进行加工削除直径2mm(半径1mm)使周面部分达到所定的面粗糙度工序中，晶片的各部分的尺寸的图。
图6是为了用砂轮带将周边部分加工到所定的面粗糙度而进过加工的GaN晶片的放大截面图。
其中：
2——GaN晶片
3——旋转砂轮
4——砂轮带
5——固定砂粒
6——周边部分(边缘部分)
具体实施方式
使砂轮带与GaN晶片的周面接触，一面旋转GaN晶片一面斜削侧周面使晶片的面粗糙度为：
(1)Ra＝5000nm～10nm
作为本发明的GaN基片。又更好为
(2)Ra＝1000nm～10nm。而最好是边缘部分的面粗糙度为
(3)Ra＝100nm～10nm。
使在带面上附着砂粒的带状砂轮与GaN晶片的侧周接触，通过旋转GaN基片对GaN基片的周边部分进行研削。与旋转砂轮的情形不同，通过使晶片旋转对周面进行研削。
可以控制的变数为带状砂轮的砂粒大小(#)、砂轮带与晶片周边部分的按压力F、晶片的周速V(旋转数×半径)、研磨时间H、砂轮带传送速度U、研磨液等。可以进行1阶段研磨、2阶段研磨、3阶段研磨等。在多阶段研磨的情形中，从砂粒大的砂轮带顺次地变到砂粒细的砂轮带。
砂轮带的砂粒大小为#500～#3000。砂轮带传送速度U也与砂粒的筛号有关，约为10mm～30mm/分。因为砂轮带的砂粒越细，消耗得越快，所以传送速度变得越快。因为经常更新砂轮面不用担心孔堵塞，所以能够使用细的砂粒。
因为实质上是机械研磨所以可以用水作研磨液。它的作用是冷却接触部分降低接触阻抗。加工时间与砂粒有关当粗研削时加工时间变短，当细研磨时加工时间变长。加工时间H也与加工阶段有关而不同。在各阶段中约为1小时～10小时。砂粒越细加工时间H也越长。与在图1的旋转砂轮的情形(20～40分)比较加工时间变长是缺点，但是因为与此相当地边缘面粗糙度Ra改善了，所以这也是不得已而为之的事。
经过约7小时的研削直径减小到约2mm。为了研削1块需要13m左右的带状砂轮，但是存在着削减到约10m的可能性。又，本发明不仅能够适用于GaN，也能够适用于AlN，InN等的氮化物半导体基片。
用切割机等预先对外形52mmφ、520μmt的GaN基片进行OF(16mm)、IF(7mm)加工。如图5所示。
对它进行调整(芯出)使#800的环状砂轮带与周边部分接触加上一定的按压力(7kg/cm2)进行斜削加工。砂轮带的传送速度U＝10mm/分。一面在工作中加入切削水(冷却水)一面进行2小时加工。用AFM测定，边缘部分的面粗糙度为Ra＝0.9μm。
其次，使用#2000的砂轮带同样地加上一定的压力对晶片的周边部分进行斜削加工。砂轮带传送速度U＝20mm/分。加工时间约为5小时。用AFM测定，周边部分(边缘部分)的面粗糙度为Ra＝0.3μm。
进一步使用#3000的砂轮带用U＝30mm/分进行传送，在6.5小时中对周边部分进行斜削加工。用AFM测定，周边部分(边缘部分)的面粗糙度为Ra＝0.1μm。
本发明的第1目的是使GaN晶片的边缘部分的面粗糙度在Ra5μm以下。这通过用第1阶段的砂轮带(#800)的研磨已经达到了(Ra0.9μm)。因为在Ra1μm以下裂缝发生率下降到10％左右，所以使边缘面粗糙度在Ra1μm以下是有用的。
进一步，用第2阶段的砂轮带(#2000)对边缘进行研磨达到Ra300nm，用第3阶段的砂轮带(#3000)对边缘进行研磨达到Ra100nm。这是卓越的边缘平滑度，裂缝发生率约为5～8％。因为发生裂缝的主要原因是在边缘面粗糙度之外，所以这是非常好的效果。

Claims (5)

1、一种边缘经过研磨的氮化物半导体基片，通过把圆形氮化物半导体基片的外周部内接于在柔软的带面上附着砂粒的带状砂轮上，使带状砂轮跨接于氮化物半导体基片的外周面和边缘部，并且通过调节带子的张力而在氮化物半导体基片的外周部上施加一定的压力，提供切削水，一边旋转氮化物半导体基片，一边以一定的速度传送带状砂轮，更新接触带面，研磨边缘，由此使边缘部分的面粗糙度为Ra10nm～Ra5μm。
2、如权利要求1所述的边缘经过研磨的氮化物半导体基片，其中所述氮化物半导体基片是GaN独立基片。
3、如权利要求2所述的边缘经过研磨的氮化物半导体基片，其中边缘部分的面粗糙度为Ra10nm～Ra1μm。
4、如权利要求3所述的边缘经过研磨的氮化物半导体基片，其中边缘部分的面粗糙度为Ra10nm～Ra0.1μm。
5、一种氮化物半导体基片的边缘加工方法，通过把作为脆性材料的圆形氮化物半导体基片的外周部内接于在柔软的带面上附着砂粒的带状砂轮上，使带状砂轮跨接于氮化物半导体基片的外周面和边缘部，并且通过调节带子的张力而在氮化物半导体基片的外周部上施加一定的压力，提供切削水，一边旋转氮化物半导体基片，一边以一定的速度传送带状砂轮，更新接触带面，研磨边缘。
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