JP2004356609A - 窒化物半導体基板の加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】直径が４５ｍｍ以上で、反りがなく、平坦性、平滑性にすぐれたＧａＡｓ自立基板を提供する。
【解決手段】 粗研磨では上定盤３を引き上げ、無荷重の状態で研磨することによりＧａＮ基板２を反りをＲ≧５０ｍとする。精密研磨ではペルオキソ２硫酸カリウム、水酸化カリウムと紫外線によって化学的にＧａＮを研磨する。遊離砥粒による機械的研磨と合わせることによりＧａＮの化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が可能となる。これらの方法により、表面および裏面の面粗度をそれぞれ０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦０．５ｎｍおよび０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦２ｎｍとすることができる。
【選択図】 図５
Description
本発明は、青色発光素子の基板として利用できる単結晶窒化物半導体基板の反り、面の平滑度に関する。
碓井彰「ハイドライドＶＰＥによる厚膜ＧａＮ結晶の成長」電子情報通信学会論文誌ｖｏｌ．Ｊ８１−Ｃ−ＩＩ，Ｎｏ．１、Ｐ５８−６４（１９９８年１月）
Kensaku Motoki, Takuji Okahisa, Naoki Matsumoto, Masato Matsushima,Hiroya Kimura, Hitoshi Kasai, Kikurou Takemoto, Koji Uematsu, Tetsuya Hirano,Masahiro Nakayama, Seiji Nakahata, Masaki Ueno, Daijirou Hara, YoshinaoKumagai, Akinori Koukitu and Hisashi Seki, "Preparation of LargeFreestanding GaN Subsrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a StartingSubstrate", Jpn. J. Appl. Phys. vol.40(2001) ppL140-143.
J. A.Bardwell, J.B.Webb, H. Tang,J.Fraser and S. Moisa, "Ultraviolet photoenhanced wet etching of GaN in K2S2O8solution", J. Appl. Phys. vo.89, No.7, p4142-4149(2001)
J.L.Weyher, S.Muller, I.Grzegoryand S.Porowski,"Chemical polishing ofbulk and epitaxial GaN", Journal of Crystal Growth182(1997)17-22
青色ＬＥＤ、青色ＬＤの基板としてはサファイヤ単結晶が用いられ、その上にＧａＮ薄膜、ＩｎＧａＮ薄膜などをエピタキシャル成長させるようになっている。ＧａＮのエピ膜の上にｎ型ｐ型のＩｎＧａＮやＧａＮの薄い層を成長させてデバイスとしている。サファイヤ基板は入手容易であるし青色ＬＥＤの基板としての長い実績もある。しかしサファイヤは絶縁体であるから基板の裏面にｎ電極を取るということはできない。サファイヤ基板の上に導電性のｎ−ＧａＮ層を付けて上面にｎ電極を設けるという構造になる。
それは多大の表面を必要とした構造でサイズを縮減するのが難しい。またサファイヤは機械的に極めて硬いし劈開がないのでチップへの切り出しが機械的なダイシングによっておりそれが加工コストを上げ、歩留まりを下げている。また、サファイヤ基板とＧａＮ膜との格子不整合により転位が多数発生し、素子の発光特性を劣化させる。そのような訳でＩｎＧａＮ系の青色発光素子の基板としてエピ膜と同種の材料であるＧａＮ単結晶基板が強く望まれている。
ＧａＮ単結晶基板というものは存在しないので異種基板の上にＧａＮを成長させる。異種基板としてこれまで使われているのはサファイヤ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、スピネル基板等が報告されている。そのままでは基板−エピ界面での応力が大きすぎて結晶層が剥離するので低温埋積層を用いたり、小さい窓を有するマスクを基板に付け窓から結晶核を成長させるラテラル成長法（ＥＬＯ法；Epitaxial Lateral Overgrowth）を用いて応力緩和を図っている。特許文献１〜３と非特許文献１、２はＥＬＯ法について述べている。ＥＬＯはＧａＮの薄膜成長法であって厚膜を作ることはできない。そのままの手法で厚く積んでも結晶内の転位が多すぎ応力も大きく剥離する。それで厚膜を作るにはＥＬＯだけでは不十分である。
特許文献４は本出願人になるＧａＮ結晶のファセット成長法を初めて提案している。鏡面成長するのではなくファセットを維持したまま成長させファセットに転位を集中させ残り部分を良質の単結晶とするものである。それによって初めて厚いＧａＮ膜を作ることができるようになった。特許文献５は本出願人が創案したドットマスクを下地に形成しマスクによってファセット成長する部分を決定し、それ以外は良質の単結晶とし厚い自立膜を形成できるようにした。
Ｓｉ半導体の場合はアルミナによる機械的研磨の他にコロイダルシリカと薬液を使った化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が行われる。ＧａＡｓでもＣＭＰは可能である。結晶を腐食する作用のある薬品が知られているからである。しかしサファイヤやＧａＮについてはＣＭＰは不可能だと思われてきた。
特許文献６はサファイヤの研磨について初めて化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を提案している。しかし化学的研磨の主体になる薬品についてはアルカリ性溶液とあるだけで秘匿されている。ＧａＮ（０００１）面のＣＭＰについての文献は、たとえば、非特許文献４でＮａＯＨまたはＫＯＨ溶液を使った例があるが、高品質結晶ＧａＮに対してはＣＭＰできないと記されている。
非特許文献３は過硫酸カリウムによってＧａＮをウエットエッチングしたという文献である。
特許文献７は本発明者の手になるものでＧａＮウエハの周囲を面取りするというものである。それまでＧａＮの自立円形ウエハというものは実在しなかったが初めて製造可能になったので周囲を面取りし、方位を表すＯＦを付けたというものである。後に述べる形状加工というものである。
ＧａＮ単結晶を製造する技術はいまだに成熟しているとは言い難い。いまだに小さい自立基板ができるだけである。製造者によって違うが、５０ｍｍ直径（２インチ径）の自立ＧａＮ単結晶基板は未だ商業ベースに到っていない。本出願人は５０ｍｍ直径（２インチ径）の円形ＧａＮ自立基板（ウエハ）を製造することができる。それは円形で大きいので発光素子デバイス製造の基板として適している。しかし表面の平坦性や反り、平滑性などでいまだに満足できるＧａＮウエハはない。ＧａＮは化学的に安定で硬くて脆いこと、六方晶ＧａＮは表裏（（０００１）面と（０００−１）面）に面方位依存性があることにより研削・研磨加工を困難にしている。
ＧａＮは透明であるから、ＳｉウエハやＧａＡｓウエハとは違う面もある。表・裏面の加工度を変えても一見して表面と裏面の区別が付きにくいということもある。
まだまだ問題が色々とあるが、ここでは反りと面粗度を取り上げる。
ＧａＮは六方晶系でありｃ軸の廻りに３回対称性を備えている。大きいＧａＮ結晶がないのでＧａＡｓ（１１１）単結晶を基板にして、その上にラテラルオーバーグロース法とファセット法を併用してＧａＮの単結晶を成長させるようになっている。そしてＧａＡｓの単結晶基板を除去してＧａＮの自立膜とする。それは表面と裏面の性質が異なり反りも大きいものである。ＧａＡｓとＧａＮでは格子不整合・熱膨張係数差があり、ＧａＡｓを除去するとＧａＮが反ってしまう。
ＧａＮは六方晶系でありｃ軸の廻りに３回対称性を備えている。大きいＧａＮ結晶がないのでＧａＡｓ（１１１）単結晶を基板にして、その上にラテラルオーバーグロース法とファセット法を併用してＧａＮの単結晶を成長させるようになっている。そしてＧａＡｓの単結晶基板を除去してＧａＮの自立膜とする。それは表面と裏面の性質が異なり反りも大きいものである。ＧａＡｓとＧａＮでは格子不整合・熱膨張係数差があり、ＧａＡｓを除去するとＧａＮが反ってしまう。
上に凸である反りを正の反り、下に凸である反りを負の反りと定義する。反りは通常の研削や研磨によってはなかなか取れない。片面研磨の場合は研磨プレートにウエハの一面を貼り付け露出側の面を定盤の研磨布に押し当て定盤と研磨プレートを回転させ研磨液を注ぎながら露出面を研磨する。貼り付ける際、反ったウエハに反りが解放するように力を加えるので、研磨したウエハを研磨プレートから外すと貼付時に加えた力の分だけ元のように反ってしまう。研磨によって反りを解放するのは難しい。反りが大きければ、それだけ、プロセス中での扱いが難しくなり、破損に至る確率も高くなる。また、マスク露光の際、焦点が合わせにくい、という問題がある。
両面同時研磨の場合は、複数の穴をもつテンプレートの穴にウエハを入れ、上下の定盤で挟み、研磨液を注ぎながらテンプレートを遊星運動させウエハの上面と下面を同時に削るようにする。反りがあるウエハを上下で押さえるので平坦な状態になり、それを研削するからテンプレートや定盤から外すとウエハの反りが元に戻る。だから初めに反りのあるウエハから反りをなくすのは難しい。
もう一つは厚みのバラツキである。厚みバラツキがあるとデバイスの性能にバラツキが現れる。厚みは全ウエハの中で一様でなければならない。厚みのバラツキを表現する方法は幾つもある。ここではＴＴＶ（Total Thickness Variation）という値を使う。ＴＴＶはウエハの片面をチャックした状態で、ウエハのもう一方の面の高さを一定間隔ごとに測定して、そのバラツキを調べるものである。間隔ｄが測定の条件になる。ｄ＝５ｍｍごととしてもよいし、ｄ＝１ｍｍごとにしてもよい。そして高さの最大値から最小値を引いたものがＴＴＶである。だからそれは測定点のピッチによって値が違う可能性がある。ここではｄ＝０．１ｍｍの格子状に並ぶ点での高さを測定することにする。そして最大値と最小値の差をＴＴＶとする。
さらにもう一つは面粗度の問題である。片面をミラー面（鏡面）とし、現在は裏面を粗面としている。裏面はデバイスを作らないから平坦面にする必要がないからである。Ｓｉや化合物半導体の洗浄では、通常、表面を酸化還元処理することで表面のパーティクル等をリフトオフして除去しているが、ＧａＮ自立ウエハは化学的に極めて不活性であるため、最終洗浄処理工程でエッチングによるリフトオフをすることが困難である。従って、パーティクルを十分に除去することが難しい。特に、裏面の粗さが粗い場合、裏面のミクロな凹凸部に研磨材やワックス等の微小な異物が取り込まれ、最終洗浄工程で表面に回り込み再付着することが懸念される。図１１に示すように裏面粗さＲＭＳが大きくなるほどウエハに付着するパーティクル数も増えていくことがわかる。また、ＧａＮ自立ウエハは硬脆性であり、裏面の凹凸を起点にしてクラックが入りやすい、という懸念もある。図３は、ＧａＮウエハの曲率半径Ｒが大きくなり平坦度が増すにつれ、ウエハのクラック発生率が減っていくことを示している。
本発明の自立単結晶窒化物半導体ウエハは、反りの数が一つ（極大点が一つ）の場合でも極大点、極小点が複数であってもいずれにしても高さのずれの最大値Ｈｍが１２μｍ以下だということにする。Ｈｍ≦１２μｍということである。反りの数というのは不正確なのでここでは極大点、極小点によって述べる。たとえば２つの極大点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…、極小点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、…があると鞍点型の変形となる。その場合、極小点を平面に接触させて、極大点の高さを計り、その最大値Ｈｍが１２μｍより小さいものとする。より好ましくは、最大値Ｈｍは５μｍ以下とする。つまりＨｍ≦５μｍということである。
極大点が一つのＴ１だけのときは一様反り（図６（１）のような反り）である。４５ｍｍφウエハの場合は、Ｈ＝１２μｍの場合に曲率半径はＲ＝２１ｍとなる。４５ｍｍφウエハの場合、Ｈ＝５μｍに対して、曲率半径はＲ＝５０ｍということである。この関係はのちに図９を使って説明する。
だから一様反りでは本発明で
（１）Ｈｍ≦１２μｍ、（４５ｍｍφの場合） Ｒ≧２１ｍ
（２）Ｈｍ≦５μｍ、 （４５ｍｍφの場合） Ｒ≧５０ｍ
ということである。曲率半径Ｒに関する限定はウエハの寸法に依存する。しかしＨｍ≦１２μｍ及びＨｍ≦５μｍという限定は反りの数によらない限定である。
（１）Ｈｍ≦１２μｍ、（４５ｍｍφの場合） Ｒ≧２１ｍ
（２）Ｈｍ≦５μｍ、 （４５ｍｍφの場合） Ｒ≧５０ｍ
ということである。曲率半径Ｒに関する限定はウエハの寸法に依存する。しかしＨｍ≦１２μｍ及びＨｍ≦５μｍという限定は反りの数によらない限定である。
一様反りでなく、２つの極値のある反りもある。その場合は直径上に極大点二つと極小点二つが交互に並ぶような二重反りとなる。
極大点、極小点が同一直線上にあれば話は簡単であるが、必ずしもそうでないこともある。ウエハ上に想定された正方形の頂点に極大、極小点がある鞍点型の場合もある。その場合、一つの直径上には二つの極小点と、三つの極大点が並ぶことになり三重の反りとなる。図１０に三つの極小点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３と二つの極大点Ｔ１、Ｔ２をもつような複雑な反りのあるウエハを示す。これはたまたま直径上に５つの極値が並ぶ場合である。前記の４点鞍点型の場合を直径にそって切るとこのような三重反りとなる。この場合は、Ｔ１、Ｋ２、Ｔ２を反りの凸部とする反りが三つ存在するのであるから、一重反りの場合に比較して、同じ高さＨであっても、許容曲率半径Ｒはぐっと小さくなる。直径が３分の１に減るので同じ反り高さＨに対して曲率半径は９分の１となる。だからＨ≦１２μｍに対して、Ｒ≧２．３ｍであるし、Ｈ≦５μｍに対して、Ｒ≧５．６ｍとなる。
極大点、極小点が同一直線上にあれば話は簡単であるが、必ずしもそうでないこともある。ウエハ上に想定された正方形の頂点に極大、極小点がある鞍点型の場合もある。その場合、一つの直径上には二つの極小点と、三つの極大点が並ぶことになり三重の反りとなる。図１０に三つの極小点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３と二つの極大点Ｔ１、Ｔ２をもつような複雑な反りのあるウエハを示す。これはたまたま直径上に５つの極値が並ぶ場合である。前記の４点鞍点型の場合を直径にそって切るとこのような三重反りとなる。この場合は、Ｔ１、Ｋ２、Ｔ２を反りの凸部とする反りが三つ存在するのであるから、一重反りの場合に比較して、同じ高さＨであっても、許容曲率半径Ｒはぐっと小さくなる。直径が３分の１に減るので同じ反り高さＨに対して曲率半径は９分の１となる。だからＨ≦１２μｍに対して、Ｒ≧２．３ｍであるし、Ｈ≦５μｍに対して、Ｒ≧５．６ｍとなる。
反りを取るために上定盤に定盤自重に匹敵する逆圧を加え、ウエハに殆ど荷重が掛からない状態（６０ｇ／ｃｍ２以下、Ｐ≦６０ｇ／ｃｍ２；以下無荷重と呼ぶ）をで粗研磨（研削）する。ウエハに圧力をほとんど掛けないで自由状態で粗研磨する。そのため上定盤を持ち上げる。上定盤を押さえるのではなく引上げるような力を与えて研削する。そのようにするとウエハが自由状態で反ったまま研削されるので上に反っている部分は上定盤により先に削られ下に反っている部分は下定盤によって先に削られる。反っている部分が減ってくるので次第に平坦に近付いてくる。やがて反りの部分が全部消失してほぼ一様な厚みで殆ど反りのないウエハとなってゆく。一様反りであろうが、二重、三重反りであろうが、どのような反りをも除去することができる。時間はかかるが反りを取り去るには有効である。
本発明の自立単結晶窒化物半導体ウエハは、表面粗さがＲＭＳ５ｎｍ以下、好ましくはＲＭＳ０．５ｎｍ以下とする。表面粗さの下限はＲＭＳ０．１ｎｍとする（０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５ｎｍ、好ましくは０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦０．５ｎｍ）。これは研磨技術のレベルからくる限界である。図１にＲＭＳとエピタキシャル成長後のモフォロジーとの関係を示す。ＧａＮウエハのＲＭＳが大きくなるほどエピ後のモフォロジーは悪化する傾向がある。また、硬くて脆いのでＧａＮ単結晶は機械的研磨だけではなかなか平滑面が得られないが本発明は精密研磨において、砥粒の他に、ペルオキソ２硫酸カリウムと、水酸化カリウムを含む研磨液に紫外線照射による光励起手法を用いてＣＭＰを行った。ＧａＮウエハで化学的機械的研磨が可能である事を見出したのは本発明者が最初である。
本発明の自立単結晶窒化物半導体ウエハは、裏面粗さがＲＭＳ５０００ｎｍ以下とする。裏面粗さの下限は０．１ｎｍである。これは技術的な限界である。０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５０００ｎｍである。図１１に示すように、裏面粗さＲＭＳが大きいほど、ＧａＮウエハ表面にパーティクルが回り込むのでパーティクル数が増えていくことが分かる。これもＣＭＰを使う事ができる。
本発明の自立単結晶窒化物半導体ウエハは、４５ｍｍφウエハで、表面の厚みバラツキ（ＴＴＶ）が１０μｍ以下であるようにする。
図９によって一様反りのウエハの反りを曲率半径Ｒで表現したものと、ウエハの直径Ｄが決まっているときの中央部高さＨによって表現したものの関係を説明する。ウエハ直径をＦＧ＝Ｄとする。それが曲率半径Ｒで彎曲している面の一部であるから、ＯＦ＝ＯＭ＝ＯＧ＝Ｒである。Ｄ＝ＦＧ＝２ＲｓｉｎΘである。ウエハの中央部の撓みＨはＭＮであるが、それは
図９によって一様反りのウエハの反りを曲率半径Ｒで表現したものと、ウエハの直径Ｄが決まっているときの中央部高さＨによって表現したものの関係を説明する。ウエハ直径をＦＧ＝Ｄとする。それが曲率半径Ｒで彎曲している面の一部であるから、ＯＦ＝ＯＭ＝ＯＧ＝Ｒである。Ｄ＝ＦＧ＝２ＲｓｉｎΘである。ウエハの中央部の撓みＨはＭＮであるが、それは
Ｈ＝Ｒ−ＲｃｏｓΘ＝Ｄ２／８Ｒ
となる。それは近似式であるが、Ｄ／Ｒは極めて小さいので誤差の少ない近似である。２インチウエハであればＤ＝５０ｍｍであるから、Ｒ＝２６ｍのときに、Ｈ＝１２μｍとなる。曲率半径Ｒ＝６２ｍのときに、Ｈ＝５μｍとなる。
となる。それは近似式であるが、Ｄ／Ｒは極めて小さいので誤差の少ない近似である。２インチウエハであればＤ＝５０ｍｍであるから、Ｒ＝２６ｍのときに、Ｈ＝１２μｍとなる。曲率半径Ｒ＝６２ｍのときに、Ｈ＝５μｍとなる。
本発明では高さＨが１２μｍ以下あるいは５μｍ以下とするのであって、反りの曲率半径Ｒは規定しない。それはウエハのサイズと反りのモードによるからである。同じサイズのウエハでも、反りが二重（極大、極小が直径上に並ぶ）の場合は彎曲部の寸法が半分になるので許容曲率半径は約１／３程度になる。反りが三重（図１０）になると、彎曲部の寸法が１／３になるから許容曲率半径は約１／９程度になる。
また、一様反り（図６の（１）のような反り）の場合、図２に示すように曲率半径Ｒが大きいほど、レジストでマスクをつける際の歩留まりが良くなる事が分かる。
異種基板（例えばＧａＡｓ）の上に気相成長させて作ったＧａＮ単結晶自立膜は反りがあるが本発明は低荷重で時間をかけて粗研磨するので反りはなくなる。反りを曲率半径Ｒ≧２６ｍ（２インチで中央隆起Ｈ≦１２μｍ）にすることができる。また条件を選べばＲ≧６０ｍ（中央隆起Ｈ≦５μｍ）にもできる。
ＧａＮは硬くて脆いのでシリコンカーバイド、アルミナ、ダイヤモンド砥粒を用いた機械的研磨だけではなかなか面平滑度が上がらない。ＧａＮの化学機械研磨法（ＣＭＰ）はできないとされてきた。本発明者はコロイダルシリカに加えて初めてペルオキソ２硫酸カリウムと紫外線を使ってＣＭＰに成功した。ペルオキソ２硫酸カリウムと紫外線によって化学反応を起こさせＧａＮウエハを化学的、機械的に研磨するので優れた平滑度が得られる。程度の差こそあるが、類似の窒化物半導体である、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ等にも適用可能である。
裏面が粗面であると裏面にパーティクルが付くという事があったが裏面も平滑にするので、そのようなこともない。厚さバラツキＴＴＶは１０μｍ以下とするのでウエハの上に作製したデバイス特性のバラツキが少なくなる。例えば、マスク露光時の歩留まりが向上する。
これまで円形の自立ＧａＮ単結晶ウエハというものの存在が希少であったので、その加工法というものも確立していなかったのであるが、図４のような工程によってＧａＮウエハの加工を行った。ＧａＮ単結晶ウエハの加工は、粗加工と、面取りのための形状加工と、２段階の研磨、洗浄、検査などの段階よりなる。
研磨は多段階に分けて行うようにする。大別すると、粗研磨（一次研磨）と精密研磨（二次研磨）である。粗研磨は数段階あり、一般に研磨速度が速く、精密研磨はＣＭＰによって行い、研磨速度は遅い。
反りを取るためには通常の研磨では役に立たない。本発明では反りを取るために粗研磨は６０ｇ／ｃｍ２以下の低荷重で行う。つまり反りあるウエハを上下の定盤の間に入れ、押さえ付けずウエハが自由に反ったまま粗研磨をする。通常の研磨は下定盤と上定盤の間にウエハを挟み、上定盤によって押さえ付けてウエハを削るが本発明では上定盤を積極的に引き上げてウエハに殆ど圧力がかからないような無荷重の状態で粗研磨する。
図５はその有り様を示す概略図である。反りのあるウエハ２が上定盤３と下定盤４の間に挟まれている。上定盤３・下定盤４はともに金属定盤で、その間には研磨液が供給され上定盤３と下定盤４が順方向もしくは反対方向に回転することによってウエハが粗研磨される。研磨液はシリコンカーバイド、アルミナ、ダイヤモンドなど遊離砥粒が含まれる。上定盤３は圧力を掛けるのではなく反対に引き上げ力を加えている。だからウエハ２は反ったまま挟まれて中央凸部ハ、下方の縁ト、ルのみが定盤３、４と接触する。だからハ、ト、ルの部分だけが削られて行く。次第に上定盤の位置を下げて行き反りを徐々に減らして行く。一般の荷重方式の粗研磨より速度は遅くなる。
図６は反りのあるＧａＮウエハの粗研磨されてゆく様子を示す。初めは図６（１）のイロハニホヘトチリヌルワイというように上に凸であったとする。無荷重で粗研磨されるので、上定盤と接触しているハ、下定盤を接触しているト、ルが削られる。それで図６（２）のように上面中央に部分平坦面ニロができ、下面の周辺部にはリング状の平坦部ヨタ、レソが発生する。さらに上定盤を少しずつ下げて無荷重粗研磨する。無荷重研磨が進行すると図６（３）のように上面の平坦部ノオクがさらに増えて下面のリング状の平坦部ナラ、ムウも広がってゆく。さらに加工が進むと図６（４）のように上面が平坦面イヤマケホとなり、下面も平坦面ヘフコエワというようになる。
図５はウエハ１枚の場合だけを示す原理図である。実際には複数枚のウエハを遊星運動させて同時に上下面を粗研磨する。図７はそのような遊星運動させてウエハの表裏面を粗研磨（研削）する粗研磨装置の概略図である。そのような装置は新規でないがウエハに圧力を加えないで研磨している状態を説明するためにここに図示した。上定盤３と下定盤４が上下に並び互いに対向している。下定盤４は下回転軸２７によって回転する。上定盤３は上回転軸２６によって回転する。上定盤３は任意の高さに持ち上げることができる。
上下の定盤３、４の間には太陽歯車２０、太陽歯車に噛み合う遊星歯車を周辺にもつ複数枚のテンプレート２２、テンプレート２２の遊星歯車に噛み合うインターナルギヤ２３を有する。テンプレート２２は樹脂の薄い円板であるが複数の通し穴２５があり、通し穴２５にウエハ２を入れる。テンプレートがｍ枚あって一つのテンプレートにｎ個の通し穴があれば、同時にｍｎ枚のウエハを研磨することができる。
研磨液は砥粒と潤滑液からなる。シリコンカーバイド、アルミナ、ダイヤモンドなどの砥粒を使った機械的研磨である。研磨液（図７では省略）を定盤の間に供給しながら、太陽歯車をΩｓ、インターナルギヤをΩｉで、上定盤をΩｕで、下定盤をΩｄの角速度で回転させる（Ωは反時計廻りを正とする）。図示していないが太陽歯車軸は上または下へ延びモータとつながっている。上定盤と下定盤は反対方向に回転させることもでき、同方向にも回転させることができる。インターナルギヤ２３も別のモータで回転させることができる。太陽歯車の歯数をＳ、テンプレート（遊星歯車）の歯数をＰ、インターナルギヤの歯数をＩとすると、無転位であればＳ＋２Ｐ＝Ｉである。テンプレートの公転角速度Ωｃは、ＳΩｓ＋ＩΩｉ＝（Ｓ＋Ｉ）Ωｃによって与えられ、テンプレートの自転速度ΩｔはＰΩｔ＝ＩΩｉによって決まる。だからΩｕ、Ωｄ、Ωｓ、Ωｉを調節することによってテンプレートに任意の公転角速度、自転角速度を実現させることができる。
重要なことは上定盤３の軸２６に引上力Ｆがかかっておりウエハが反ったまま通し穴２５に入っており反って突出している部分から削られるということである。上定盤を少しずつ下げながら研磨をするので反りが次第に削られてなくなってしまう。
精密研磨（仕上げ研磨）については、面の平滑度、平坦度を上げるために化学的機械的研磨を行う。その状態を図８に示す。ＧａＮで化学的研磨を行うためには、水酸化カリウムとペルオキソ２硫酸カリウム（ＫＯＨ＋Ｋ２Ｓ２Ｏ８）混合液９を用い、それに紫外線を当てるようにする。たとえば次のように研磨液を調整する。
研磨液 ２Ｍ ＫＯＨ（水酸化カリウム）
０．５Ｍ Ｋ２Ｓ２Ｏ８（ペルオキソ２硫酸カリウム）
研磨材 コロイダルシリカ 粒径５０ｎｍ〜４５０ｎｍ
（精密研磨に最適の粒径２００ｎｍφ）
紫外線光源 波長２５４ｍｍの水銀（Ｈｇ）ランプ
１０ｍＷ／ｃｍ２
０．５Ｍ Ｋ２Ｓ２Ｏ８（ペルオキソ２硫酸カリウム）
研磨材 コロイダルシリカ 粒径５０ｎｍ〜４５０ｎｍ
（精密研磨に最適の粒径２００ｎｍφ）
紫外線光源 波長２５４ｍｍの水銀（Ｈｇ）ランプ
１０ｍＷ／ｃｍ２
ペルオキソ２硫酸カリウムは酸化剤として知られた材料である。先述のようにＧａＮは硬くて脆く化学的機械的研磨ができないとされてきたが、本発明は、ペルオキソ２硫酸カリウムに紫外線照射することによってＧａＮを化学的に研磨し、同時に存在するコロイダルシリカの物理作用とあいまって硬く脆いＧａＮの表面を滑らかな面に仕上げることができる。それによって割れ、スクラッチを発生させる危険をおかすことなく、表面面粗度をＲＭＳ≦０．５ｎｍとすることができる。
好ましい表面面粗度がＲＭＳ≦５ｎｍだということもあり、その場合はＲＭＳを５ｎｍ以下とするようにすればよい。ＲＭＳを制御するにはコロイダルシリカの粒径（φ＝５０ｎｍ〜４５０ｎｍ）を変える。コロイダルシリカの粒径が粗いと研磨速度は速いが面粗度ＲＭＳは大きくなる。粒径が細かいと研磨速度は小さいが最終的な面粗度ＲＭＳは小さくできる。それによってＲＭＳ≦０．５ｎｍとすることができる。コロイダルシリカだけだとほとんど研磨されないため、そのような平滑面にはできなかった。
２インチφのＧａＮ単結晶ミラーウエハを製造するために、円形ＧａＮ単結晶ウエハ（一様反りの甲、三重反りの乙）を次のように粗研磨、精密研磨した。
粗研磨の条件は次のようである。シリコンカーバイドを遊離砥粒として用いた。
研磨材：シリコンカーバイド（ＧＣ）、
平均粒径 第一段階１５μｍ（＃８００）、
第二段階６μｍ（＃２５００）、
第三段階２μｍ（＃６０００）、
油性スラリー
上定盤： 鋳鉄 ３８０ｍｍφ
下定盤： 鋳鉄 ３８０ｍｍφ
研磨条件： 定盤回転数 ２０〜６０ｒｐｍ
太陽ギヤ回転数 １０〜３０ｒｐｍ
研磨材供給量： ５００ｃｃ／分 （循環）
荷重： ３０〜６０ｇ／ｃｍ２
研磨速度： 第一段階０．３μｍ／分、
第二段階０．０５μｍ／分、
第三段階０．０２μｍ／分
研磨代： Total ６０〜８０μｍ
研磨材：シリコンカーバイド（ＧＣ）、
平均粒径 第一段階１５μｍ（＃８００）、
第二段階６μｍ（＃２５００）、
第三段階２μｍ（＃６０００）、
油性スラリー
上定盤： 鋳鉄 ３８０ｍｍφ
下定盤： 鋳鉄 ３８０ｍｍφ
研磨条件： 定盤回転数 ２０〜６０ｒｐｍ
太陽ギヤ回転数 １０〜３０ｒｐｍ
研磨材供給量： ５００ｃｃ／分 （循環）
荷重： ３０〜６０ｇ／ｃｍ２
研磨速度： 第一段階０．３μｍ／分、
第二段階０．０５μｍ／分、
第三段階０．０２μｍ／分
研磨代： Total ６０〜８０μｍ
ウエハを反ったままで上下の定盤で挟んでゆっくりと削り、反りを取るのは図５、図６に示す通りである。実際には図７のように遊星運動するキャリヤをテンプレートとして、その穴にＧａＮウエハを入れて上下の定盤で挟んで研削する。研磨速度は遅いが、それは無荷重であるためである。
精密研磨の条件は、
研磨材： コロイダルシリカ平均粒径 ０．２μｍ
ＫＯＨ＋Ｋ２Ｓ２Ｏ８＋２５４ｎｍ水銀（Ｈｇ）ランプの光
パッド： 不織布
研磨条件： 定盤回転数 ２０〜６０ｒｐｍ
太陽ギヤ回転数 １０〜３０ｒｐｍ
研磨材供給量： １０００ｃｃ／分
研磨材： コロイダルシリカ平均粒径 ０．２μｍ
ＫＯＨ＋Ｋ２Ｓ２Ｏ８＋２５４ｎｍ水銀（Ｈｇ）ランプの光
パッド： 不織布
研磨条件： 定盤回転数 ２０〜６０ｒｐｍ
太陽ギヤ回転数 １０〜３０ｒｐｍ
研磨材供給量： １０００ｃｃ／分
そうしてできた２インチＧａＮウエハ（甲）は一様反りで、反りの曲率半径がＲ＝１００ｍ、表（Ｇａ）面、裏（Ｎ）面ともにＡＦＭによる測定で１０μｍ×１０μｍ□領域で面粗度ＲＭＳが０．３ｎｍ〜０．５ｎｍであった。表面の高さバラツキは（０．１ｍｍ毎測定）ＴＴＶ＝３．５μｍであった。優れて平坦、平滑で良好なウエハである。
また、同様にこうしてできた２インチＧａＮウエハ（乙）は、一様な反りでなく図１０のような複雑な反りをもつが、反りＨ（Ｗａｒｐ）は２μｍであった。表（Ｇａ）面、裏（Ｎ）面ともにＡＦＭ測定で１０μｍ×１０μｍ□領域で面粗度ＲＭＳが０．２ｎｍ〜０．４ｎｍであった。ＴＴＶは３．１μｍであった。
２ ＧａＮウエハ
３ 上定盤
４ 下定盤
７ 研磨布
８ 研磨布
９ 研磨液
２０ 太陽歯車
２２ テンプレート
２３ インターナルギヤ
２５ ウエハ通し穴
２６ 上回転軸
２７ 下回転軸
３ 上定盤
４ 下定盤
７ 研磨布
８ 研磨布
９ 研磨液
２０ 太陽歯車
２２ テンプレート
２３ インターナルギヤ
２５ ウエハ通し穴
２６ 上回転軸
２７ 下回転軸
非特許文献３はペルオキソ２硫酸カリウムによってＧａＮをウエットエッチングしたという文献である。
反りを取るために上定盤に定盤自重に匹敵する逆圧を加え、ウエハに殆ど荷重が掛からない状態（６０ｇ／ｃｍ２以下、Ｐ≦６０ｇ／ｃｍ２；以下無荷重と呼ぶ）で粗研磨（研削）する。ウエハに圧力をほとんど掛けないで自由状態で粗研磨する。そのため上定盤を持ち上げる。上定盤を押さえるのではなく引上げるような力を与えて研削する。そのようにするとウエハが自由状態で反ったまま研削されるので上に反っている部分は上定盤により先に削られ下に反っている部分は下定盤によって先に削られる。反っている部分が減ってくるので次第に平坦に近付いてくる。やがて反りの部分が全部消失してほぼ一様な厚みで殆ど反りのないウエハとなってゆく。一様反りであろうが、二重、三重反りであろうが、どのような反りをも除去することができる。時間はかかるが反りを取り去るには有効である。
本発明の自立単結晶窒化物半導体ウエハは、裏面粗さがＲＭＳ５０００ｎｍ以下、好ましくはＲＭＳ２ｎｍ以下とする。裏面粗さの下限は０．１ｎｍである。これは技術的な限界である。０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５０００ｎｍ、好ましくは０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦２ｎｍである。図１１に示すように、裏面粗さＲＭＳが大きいほど、ＧａＮウエハ表面にパーティクルが回り込むのでパーティクル数が増えていくことが分かる。これもＣＭＰを使う事ができる。
研磨液 ２Ｍ ＫＯＨ（水酸化カリウム）
０．５Ｍ Ｋ２Ｓ２Ｏ８（ペルオキソ２硫酸カリウム）
研磨材 コロイダルシリカ 粒径５０ｎｍ〜４５０ｎｍ
（精密研磨に最適の粒径２００ｎｍφ）
紫外線光源 波長２５４ｎｍの水銀（Ｈｇ）ランプ
１０ｍＷ／ｃｍ２
０．５Ｍ Ｋ２Ｓ２Ｏ８（ペルオキソ２硫酸カリウム）
研磨材 コロイダルシリカ 粒径５０ｎｍ〜４５０ｎｍ
（精密研磨に最適の粒径２００ｎｍφ）
紫外線光源 波長２５４ｎｍの水銀（Ｈｇ）ランプ
１０ｍＷ／ｃｍ２
そうしてできた２インチＧａＮウエハ（甲）は一様反りで、反りの曲率半径がＲ＝１００ｍ、表（Ｇａ）面、裏（Ｎ）面ともにＡＦＭによる測定で１０μｍ×１０μｍ領域で面粗度ＲＭＳが０．３ｎｍ〜０．５ｎｍであった。表面の高さバラツキは（０．１ｍｍ毎測定）ＴＴＶ＝３．５μｍであった。優れて平坦、平滑で良好なウエハである。
また、同様にこうしてできた２インチＧａＮウエハ（乙）は、一様な反りでなく図１０のような複雑な反りをもつが、反りＨ（Ｗａｒｐ）は２μｍであった。表（Ｇａ）面、裏（Ｎ）面ともにＡＦＭ測定で１０μｍ×１０μｍ領域で面粗度ＲＭＳが０．２ｎｍ〜０．４ｎｍであった。ＴＴＶは３．１μｍであった。
Claims (6)
- 直径が４５ｍｍ以上で、一つの極大点または極小点をもつ一様反りがあり中央部での高さＨが１２μｍ以下もしくは反りの曲率半径Ｒが２１ｍ以上であって、表面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５ｎｍで、裏面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５０００ｎｍであることを特徴とする窒化物半導体基板。
- 直径が４５ｍｍ以上で、一つの極大点または極小点をもつ一様反りがあり中央部での高さＨが５μｍ以下もしくは反りの曲率半径Ｒが５０ｍ以上であって、表面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦０．５ｎｍで、裏面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦２ｎｍであることを特徴とする窒化物半導体基板。
- ２以上の極大点および極小点をもつ鞍点型の反りをもち極小点を平面に接触させたときの極大点の高さＨの最大値Ｈｍが１２μｍ以下（Ｈｍ≦１５０００ｎｍ）で、表面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５ｎｍで、裏面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦５０００ｎｍであることを特徴とする窒化物半導体基板。
- ２以上の極大点および極小点をもつ鞍点型の反りをもち極小点を平面に接触させたときの極大点の高さＨの最大値Ｈｍが５μｍ以下（Ｈｍ≦１５０００ｎｍ）で、表面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦０．５ｎｍで、裏面粗さが０．１ｎｍ≦ＲＭＳ≦２ｎｍであることを特徴とする窒化物半導体基板。
- ０．１ｍｍ毎に測定点を取って測定した面内厚さばらつき（ＴＴＶ）が１０μｍ以下である請求項１〜４の何れかに記載の窒化物半導体基板。
- 面粗度を向上させるために、光励起反応を利用したＣＭＰ研磨を行うことを特徴とする窒化物半導体基板の加工方法。
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