JP2004319951A - エッジ研磨した窒化物半導体基板とエッジ研磨したＧａＮ自立基板及び窒化物半導体基板のエッジ加工方法 - Google Patents

エッジ研磨した窒化物半導体基板とエッジ研磨したＧａＮ自立基板及び窒化物半導体基板のエッジ加工方法 Download PDF

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Abstract


【課題】ウエハのカケ、割れ、クラックの発生を防止し、パーティクル付着、ごみ汚染が起こらないようにする。
【解決手段】円形自立ＧａＮウエハ２のエッジ部６の面粗度をＲａ１０ｎｍ〜Ｒａ５μｍとする。砥石テープ４を用いてウエハの側周を弱くて均一な押圧力で抑えながらウエハを回転させ砥石テープを変えて加工する。砥石テープは不断に変わるので粒子の細かいものを使っても目詰まりということはない。細かい粒子の砥石テープによってウエハエッジ部を優れた平滑度に仕上げることができる。また、ＧａＮだけでなく他の窒化物半導体基板にもこの手段は適用できる。
【選択図】図３

Description

本発明は円形単結晶窒化物半導体基板（ウエハ）、特にＧａＮ基板のエッジ部の改良に関する。エッジというのはウエハの周辺部分で尖っていてワレカケの原因になるから面取りする部分である。面取りのことをベベリングとも言う。窒化物半導体というのはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等を意味する。いずれも硬脆性材料であり加工するのが難しい。
良質で大型の単結晶ＧａＮ基板を製造するのは難しい。ＧａＮ自立基板は得られているが未だに小さい矩形状のものが多くて（辺長が１０ｍｍ〜２０ｍｍ）青色レーザの基板として量産レベルで使用するのは難しい。ＩｎＮ、ＡｌＮの円形基板は未だほとんど製造されていない。
円形のＧａＮ単結晶基板もようやく製造可能になってきつつある。ウエハの周面はベベリング加工し斜めに面取りし割れや欠けが発生しないようにする。それはＳｉウエハやＧａＡｓウエハではよく行われており回転砥石に周面を当ててウエハと回転砥石を同時に回転させて周面を削るようになっている。技術が成熟していないＧａＮの場合は円形ウエハというものがいまだ少ない。少ない円形ＧａＮウエハであるが、そのウエハの面取りは粗い回転砥石（＃１００〜＃４００）で回転研削されているのが現状である。
ウエハのベベリング加工についてはＳｉウエハ、ＧａＡｓウエハなどのウエハについて行われており、Ｓｉウエハについての改良は数多い。Ｓｉウエハについての公知文献を幾つか挙げて説明する。
特許文献１は粒径が３〜１８ｎｍの超微粒子ダイヤモンド粒子を５〜３０重量％含有し、粒径が５〜８μｍのダイヤモンド粒子を７０〜９５％含むダイヤモンド砥石を回転させてウエハの側周に当てて側周を研削する手法を提案している。ダイヤモンド粒子の粒径が２段階になっており複雑な構成のダイヤモンド砥石である。従来は２０μｍ粒径のダイヤモンド砥石を使っておりベベリングによって割れ、クラックが発生することがあったので、それを防ぐためにより細かい粒子のダイヤモンド砥石を用いることを提案すると言っている。細かい微粒子ダイヤモンドを使うので破砕層ができずクラックや割れなどが発生しない。それだけだと研削の速度が遅くなりすぎるので５〜８μｍの粒子のダイヤモンドをも使うようにしている。
特許文献２はＳｉウエハは硬くて機械的に削り難く機械的に削る場合はダイヤモンド砥石を使わなければならず高コストになるのでＳｉウエハの側周面に電解液を与え電圧を掛けて電解研磨するようにしたものである。
上に述べたものはＳｉウエハのベベリングである。
特許文献３は本出願人になるＧａＮ基板のベベリングに関する発明である。
特開平９−１８１０２１号「ウエーハのベベリング加工方法」
特開平６−３１５８３０号「難削材のベベリング加工方法」
特開２００２−３５６３９８「窒化ガリウムウエハ」
本出願人は円形ＧａＮ基板のベベリングは粒度＃１００〜＃４００（主に＃２００）のダイヤモンド砥粒を植え付けたメタルボンド系の円形砥石にＧａＮウエハを外接させて、周速が８００ｍ／分〜２０００ｍ／分の速度で回転砥石とウエハを相対回転させてベベリングしている。図１にその工程を示す。ＧａＮ自立基板２の縁を回転砥石３に押し付けて尖った縁を除去する。回転砥石３には固定砥粒が植え付けられており研磨液を流しながらウエハの稜線を削る。回転砥石３とウエハ２は外接する。回転砥石の形状は様々である。その方法で面取り加工すると直径１ｍｍ分を減らすのに１０分〜２０分かかる。エッジ形状はＳＥＭＩの標準に基づいたものにしている。
図５に２インチ円形ＧａＮウエハを加工する場合の寸法の例を示す。半径で１ｍｍの研削代が必要なので２インチウエハの場合、５２ｍｍ直径で厚みが５２０μｍのＧａＮ基板を作製する。それの周面に方位を表すＯＦ、ＩＦをダイサーもしくは研削用砥石で加工する。ＯＦの長さは１６ｍｍ、ＩＦは７ｍｍである。ＯＦは周縁から２．３２ｍｍの直線にそって削る。表面が手前にくるときＯＦ、ＩＦと時計廻りに並ぶように付ける。そのような寸法が予め決まっている。
従来のエッジ研磨は、図１のように、５２ｍｍ直径のＯＦ、ＩＦ付きのＧａＮウエハをメタルボンドダイヤモンド回転砥石に外接させて砥石を回転させ外形を５０ｍｍになるまで研削する。直径を２ｍｍ減らすので、それによると約２０分〜４０分かかる。加工時間は比較的短くてすむ。そのようなエッジの加工によってエッジ部の面粗度Ｒａは１００００ｎｍ〜６０００ｎｍ（１０μｍ〜６μｍ）になる。加工が完了すれば良いが、加工中に周辺にカケ、チッピングが発生して、さらにはクラックが走ることもある。Ｒａ５μｍより小さくしたいが前記のようなメタルボンドダイヤモンド回転砥石によってはばらつきなくＲａ６μｍ以下にはできない。周辺のカケ、チッピングを抑制し、なおかつ、面粗度を改善する方策の一つとして、上記メタル系ボンド砥石を使い、加工速度を極小にして長時間かけてエッジ加工する方法が考えられる。実際には、２ｍｍ直径を減らすのに、１０時間以上かけるとＲａは３μｍ程度まで抑制できる。しかるに、砥石の消耗が大きく、かつ、目詰まりによりエッジ品質（面粗度、カケ、チッピング）が安定して得られない。
＃２００の砥粒というのは前記の特許文献１などでＳｉウエハをベベリングするものより粗い砥粒である。だからＲａ１０μｍ〜６μｍというように粗い面となる。
そのように本発明者はＧａＮの面取りのため、かなり粗い砥石を使っている。ＧａＮウエハは硬くて脆いので加工が難しく、回転砥石に外接させてエッジを削るとウエハ縁が加工中に破損する恐れがある。破損しなかったとしても上記の粗い面粗度（Ｒａ＝１０μｍ〜６μｍ）となる。面粗度が大きいので加工後にも問題がある。粗い面を周辺に有するウエハは端からクラックや割れが発生することもある。さらに面にスクラッチが発生しやすいという難点もある。エッジが粗い面となっているので研削屑、研磨屑が凹凸部に取り込まれやすいということもある。
より細かい砥粒の回転砥石を使えばよいように思える。しかし、それ以上細かいダイヤモンド砥粒の砥石を用いると周面研削にかかる時間が長くなりすぎてコスト高になる。また砥石が目詰まりしやくなり砥石の寿命が短くなる。それだけでなくウエハ自体が割れたり欠けたり破損する可能性も高くなる。研削時間や目詰まり、破損の可能性などを考えるとより細かい砥粒の回転砥石でＧａＮのベベリングをするのは難しい。
エッジ部からクラックが発生する恐れがないようにしたＧａＮ自立基板を提供することが本発明の第１の目的である。
エッジ部から割れ、スクラッチが発生しないようにしたＧａＮ自立基板を提供することが本発明の第２の目的である。
エッジ部のためにパーティクル付着、ごみ汚染が起こらないようにしたＧａＮ自立基板を提供することが本発明の第３の目的である。また、本発明はＧａＮだけではなく、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の窒化物半導体基板にも適用することができる。
本発明は円形ＧａＮ自立ウエハのエッジ部を研磨して面粗度をＲａ５μｍ以下とする。Ｒａ５μｍ以下だとクラック発生率を５０％以下に抑えることができる。あるいは円形ＧａＮ自立ウエハのエッジ部の面粗度を１μｍ以下とする。
さらにはエッジ部の面粗度をＲａ０．１μｍ以下とする。いずれの場合も面粗度の下限はＲａ１０ｎｍ程度である。それは表面の精密研磨の面粗度でありエッジ部は表面の面粗度以上に細かくする必要はない。だから本発明のＧａＮウエハのエッジ面粗度は
（１）Ｒａ５μｍ〜Ｒａ１０ｎｍ
（２）Ｒａ１μｍ〜Ｒａ１０ｎｍ
（３）Ｒａ０．１μｍ〜Ｒａ１０ｎｍ
という範囲に入る。図６はエッジ部を本発明に従ってベベリングしたＧａＮの断面図を示す。エッジ部６は丸くなっているが傾斜部分はより直線的であってもよい。エッジ部の研磨は支持母体が柔軟で連続的に切刃を供給できるような砥石を使って行う。たとえばテープ砥石を使うとよい。テープで研磨するので中央部分は自然に丸味を帯びる。
そのようにエッジ面を平滑にするとクラック発生率は減少して歩留まりは向上する。ウエハプロセス、搬送時のワレ、カケの可能性も少なくなる。
そのための研磨法は図１のような回転砥石によらず砥石テープを使う。
テープ砥石というのは布紙等のテープに砥粒を植え付けたものである。図２、図３に砥石テープ４をウエハ２の周辺部６に当ててウエハを回転させ周辺部（エッジ部）を研磨している様子を示す。砥粒５を植え付けているが支持母体がテープなので自在に曲がる。曲がり撓んでエッジ６の廻りを厚く覆う。基材が金属円板などでなくてテープ状であるので柔軟でありウエハに強い力が掛からない。砥粒の細かいものを使えばウエハ周面が研削中に割れるという恐れはない。細かい砥粒を付着させた砥石なので研削に時間がかかるが高価なウエハであるから、それは差し支えないことである。
それに接触面積が異なる。回転砥石とウエハの接触の場合（図１）は外接ということになるから点接触である。接触面積が極めて狭く、それだけ単位面積あたりの接触圧も大きいので割れ易いのである。しかしテープ砥石（図３）だとテープが自在に曲がるから接触部分がＥＦＧとなり接触の面積が大きくなる。テープにウエハが内接する。中心角ＥＯＧにして４０゜〜９０゜というような接触角を実現することは容易である。接触面積は円周方向にも広いが厚み方向（図２）にも広い。接触面積が広いから単位面積当たりの圧力も少なくなり加工中の割れの可能性はより少なくなる。
回転砥石の場合と違い砥粒が不断に交換される（送り速度Ｕで）ので目詰まりなどの心配はない。
本発明はエッジ部の面粗度を小さくしたＧａＮ自立基板を提供する。そのようにエッジ面を平滑にするとクラック発生率は減少して歩留まりは向上する。図４に示すように、従来法によるエッジ部の面粗度がＲａ１０μｍ〜６μｍの場合だとクラック発生率は６０％を越え不良率が高すぎる。本発明はエッジ部の面粗度をＲａ５μｍ以下にするのでクラック発生率を５０％以下にできる。また本発明はエッジ部をＲａ１μｍ以下にもでき、その場合はクラックの発生を１０％以下とできる。さらにＲａ０．１μｍ以下とすると６％以下とすることができる。クラックだけでなく、ウエハプロセス、搬送時のワレ、カケの可能性も少なくなる。研削屑、研磨屑、異物噛み込みによる汚染の可能性も減る。それによって、より高品質のＧａＮ自立基板、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の窒化物半導体基板を提供する事ができる。
砥石テープをＧａＮウエハの周面にあててＧａＮウエハを回転させながら側周面をベベリングするようにしエッジの面粗度を
（１） Ｒａ＝５０００ｎｍ〜１０ｎｍ
としたのが本発明のＧａＮ基板である。また好ましくは
（２） Ｒａ＝１０００ｎｍ〜１０ｎｍ
とする。最も良いのはエッジ部の面粗度が
（３） Ｒａ＝１００ｎｍ〜１０ｎｍ
とすることである。
テープ面に砥石を付着させたテープ砥石をＧａＮ基板の側周にあてＧａＮ基板を回転させることによってＧａＮ基板の周辺部を研削する。回転砥石の場合と違って、ウエハを回転させることによって周面を研削する。
制御可能な変数は、テープ砥石の砥粒の大きさ（＃）、テープとウエハ周辺部の押圧力Ｆと、ウエハの周速Ｖ（回転数×半径）、研磨時間Ｈ、テープ送り速度Ｕ、研磨液などである。１段階研磨、２段階研磨、３段階研磨などが可能である。複数段の研磨の場合は砥粒の大きい砥石テープから順に砥粒の細かい砥石テープへ変えてゆく。
砥石テープの砥粒のサイズは＃５００〜＃３０００である。テープの送り速度Ｕは砥粒メッシュにもよるが１０ｍｍ〜３０ｍｍ／分程度である。細かい粒子の砥石テープほど減耗が早いから、送り速度は速くなる。砥石面が常に更新されるので目詰まりの恐れがなく、細かい砥粒を使うことができる。
実質的に機械研磨なので研磨液は水でよい。それは接触部分を冷却し接触抵抗を下げる作用がある。加工時間は砥粒によるが粗研削の場合は短く、細かい研磨では長くなる。加工時間Ｈも加工の段階によって相違する。各段階で１時間〜１０時間の程度である。砥粒が細かくなるほど加工時間Ｈも長くする。図１の場合の回転砥石の場合（２０〜４０分）に比べて加工時間が長くなるのが欠点であるがその分エッジ面粗度Ｒａが向上するのでそれはやむをえない。
約７時間で研削代が直径で２ｍｍぐらいになる。１枚の研削に１３ｍ程度のテープ砥石が必要であるが、１０ｍ程度まで削減できる可能性がある。また、本発明はＧａＮだけではなく、ＡｌＮ、ＩｎＮ等の窒化物半導体基板にも適用することができる。
外形５２ｍｍφ、５２０μｍｔのＧａＮ基板を予め、ダイサー等でＯＦ（１６ｍｍ）、ＩＦ（７ｍｍ）加工した。図５に示すとおりである。
それをアライメント（芯出し）して周辺部に＃８００のエンドレス砥石テープを当て一定の押圧力（７ｋｇ／ｃｍ２）でベベリング加工した。砥石テープの送り速度はＵ＝１０ｍｍ／分である。切削水（クーラント）をワークに掛けながら２時間加工した。縁部（エッジ部）の面粗度はＡＦＭ測定でＲａ＝０．９μｍであった。
次に＃２０００の砥石テープを使って同じように一定の圧力を掛けてウエハの周辺部をベベリング加工した。送り速度はＵ＝２０ｍｍ／分である。加工時間は約５時間であった。周辺部（エッジ部）の面粗度はＡＦＭ測定でＲａ＝０．３μｍであった。
さらに＃３０００の砥石テープを使ってＵ＝３０ｍｍ／分で送り、６．５時間周辺部をベベリングした。周辺部（エッジ部）の面粗度はＡＦＭ測定でＲａ＝０．１μｍとなった。
本発明の第１の目的はＧａＮウエハのエッジ部の面粗度をＲａ５μｍ以下にすることである。それは第１段階の砥石テープ（＃８００）による研磨ですでに達成（Ｒａ０．９μｍ）されている。Ｒａ１μｍ以下でクラック発生率が１０％程度に落ちるのでエッジ面粗度をＲａ１μｍ以下にするのは有用である。
さらに第２段階の砥石テープ（＃２０００）によるエッジ研磨でＲａ３００ｎｍとなり、第３段階の砥石テープ（＃３０００）による研磨でＲａ１００ｎｍになる。それは優れたエッジ平滑度であってクラック発生率は５〜８％の程度である。クラック発生する要因はエッジ面粗度以外にもあるので、それは優れた効果である。
傾斜面をもった回転砥石をウエハの縁に接触させウエハの縁を面取りしている従来例にかかるウエハ面取り方法を示す断面図。 砥石テープを自立ＧａＮウエハの縁に接触させて砥石テープを縁の角度方向にそって動かすことによってウエハ周辺部を面取り加工するようにした本発明の砥石テープ法を示すためのウエハの縦断面図。 砥石テープを自立ＧａＮウエハの縁に接触させて砥石テープを縁の角度方向にそって動かすことによってウエハ周辺部を面取り加工するようにした本発明の砥石テープ法を示すためのウエハの横断面図。 ＧａＮウエハの縁の面粗度Ｒａ（μｍ）とクラック発生率（％）との関係を示すグラフ。横軸は周辺部（エッジ部）の面粗度Ｒａで縦軸はクラック発生率である。 ２インチＧａＮウエハの例で、外形５２ｍｍφ、５２０μｍｔの円形ＧａＮ自立基板にオリエンテーションフラット（ＯＦ）と、アイデンティフィケーションフラット（ＩＦ）を加工したのち、本発明の手法に従って砥石テープによってウエハの周辺部（エッジ）を加工し直径で２ｍｍ分（半径１ｍｍ分）を削り周面部を所定の面粗度にする工程においてウエハの各部分の寸法を示す図。 砥石テープによって周辺部を所定の面粗度になるように加工したＧａＮウエハの拡大断面図。
符号の説明
２ ＧａＮウエハ
３ 回転砥石
４ 砥石テープ
５ 固定砥粒
６ 周辺部（エッジ部）

Claims (5)

  1. エッジ部の面粗度がＲａ１０ｎｍ〜Ｒａ５μｍであることを特徴とするエッジ研磨した窒化物半導体基板。
  2. エッジ部の面粗度がＲａ１０ｎｍ〜Ｒａ５μｍであることを特徴とするエッジ研磨したＧａＮ自立基板。
  3. エッジ部の面粗度がＲａ１０ｎｍ〜Ｒａ１μｍであることを特徴とするエッジ研磨したＧａＮ自立基板。
  4. エッジ部の面粗度がＲａ１０ｎｍ〜Ｒａ０．１μｍであることを特徴とするエッジ研磨したＧａＮ自立基板。
  5. 硬脆性材料である窒化物半導体基板のエッジ部を支持母体が柔軟でかつ連続的に切刃が供給できる砥石を使って加工することを特徴とする窒化物半導体基板のエッジ加工方法。
JP2003275935A 2003-04-02 2003-07-17 エッジ研磨した窒化物半導体基板とエッジ研磨したＧａＮ自立基板及び窒化物半導体基板のエッジ加工方法 Expired - Fee Related JP3534115B1 (ja)

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