JP2006147891A

JP2006147891A - エピタキシャル成長用サファイア基板、およびその製造方法

Info

Publication number: JP2006147891A
Application number: JP2004336813A
Authority: JP
Inventors: Saneyuki Kakimoto; 実行柿本
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】エッジに面取り加工を施したサファイア基板を用いた場合、成長層の表面平坦性は向上するが、エピタキシャル成長時に異常成長や基板の割れが増加するという問題を発生させないサファイア基板の提供を課題とする。
【解決手段】少なくとも片面が鏡面加工され、表面と端面とで成す両エッジ部にそれぞれエッジ加工が施されたサファイア基板であって、該エッジ加工がテーパー加工であり、該テーパー加工により形成されたテーパー面がサファイア基板表面と成す角度が２０〜７０°の傾斜面であり、かつテーパー面と端面の平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下であるエピタキシャル成長用サファイア基板。あるいは、前記エッジ加工が、サファイア基板の厚さをｔとしたときに、Ｒが０．５ｔ〜ｔであるＲ加工であり、Ｒ加工部表面の平均面粗さＲａが０．０５μｍ以下であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板である。
【選択図】なし

Description

本発明は、窒化物系III−V族化合物半導体層成長用サファイア基板およびその製造方法に関する。

窒化物系III−V族化合物半導体は、短波長半導体レーザや紫外から緑色で発光可能な発光ダイオードなどの半導体発光素子として利用され、高密度光ディスク装置の光源やフルカラー表示素子、電球，蛍光灯にかわる白色発光体として広い応用が期待されている。

窒化物系III−V族化合物半導体はサファイア基板などの基板上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などにより窒化物系III−V族化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより製造される。
ここで、窒化物系III−V族化合物半導体の一つであるＧａＮ系半導体を用いた半導体装置の製造方法について、サファイア基板を用いたＧａＮ系半導体レーザを製造する場合を例に具体的に説明する。

まず、サファイア基板表面上にＭＯＣＶＤ法によりレーザ構造を形成するＧａＮ系半導体層を成長させる。次に、全面にレジスト層を設けた後、リソグラフィ法によりこのレジスト層を所定形状にパターニングしてエッチングマスクを作成する。次に、このエッチングマスクを用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＧａＮ系半導体層をエッチングしてレーザ構造を形成する。次に、このＧａＮ系半導体層に電極（ｐ側電極およびｎ側電極）を形成する。次に、サファイア基板を裏面側からラッピングしてサファイア基板を薄くする。その後、劈開またはダイシングにより、サファイア基板をチップ化して目的とするＧａＮ系半導体レーザを完成させる。

さて、上述した工程等で用いられるサファイア基板としては、図1に示すようにエピタキシャル成長を行う主表面１が鏡面で、端面２が主表面１に対してほぼ直角なものが多用されている。なお、３は裏面であり、４は主表面１と端面２、裏面３と端面２で構成されるエッジ部である。

これは、サファイア基板の場合、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板と比較して硬度が高く、基板切削時やその後の製造工程において主表面１と端面２とで構成されるエッジ部４の近傍にチッピングが発生しにくいこと、およびエピタキシャル成長用基板としての要求品質としてあげられていないことが多いことなどから、当該エッジ部４を加工する必要がないからである。

近年、上記サファイア基板でエピタキシャル成長を行った場合、エッジ近傍で原料ガスの流れに乱れが生じ、この部分で異常成長か起こり、その結果エッジ近傍における窒化物系III−V族化合物層に、中央の平坦部よりも高い凸状部が形成されるという現象が発生している。

このような凸状部が形成されると、前記した工程のリソグラフィ工程で、使用するフォトマスクと被処理基板の密着性が悪化して焦点がずれ、パターンニング不良が発生するという問題や、フォトマスクが損傷するという問題を発生する。
こうした問題を解決するため、サファイア基板の結晶成長面のエッジ部にアール加工やテーパー加工などの面取り加工が施されたサファイア基板が提案されている（特許文献１請求項参照）。

この提案は、予め、異常成長によって成長層に凸部が形成されやすいエッジ近傍の表面を低くしておくことにより、結晶成長後、最終的に表面がほぼ平坦になるように（突出した部分のないように）しようとするものである（特許文献１段落００１６参照）。

その結果、このサファイア基板上に窒化物系III−V族化合物半導体層を成長させる際に、基板中央の成長層の表面に対してエッジ近傍の成長層の表面が突出するのを防止することができ、成長層の表面平坦性を向上させることができる（特許文献１段落００１７参照）としている。
特開２０００−３３１９４０号公報

前記したエッジに面取り加工したサファイア基板を用いた場合、成長層の表面平坦性は向上する。しかしながら、エピタキシャル成長時に異常成長や基板の割れが増加するという問題が発生する。

本発明は、こうしたエピタキシャル成長時の異常成長や基板の割れを防止しうるサファイア基板の提供を目的とする。

本発明者は前記課題を解決すべく鋭意研究した結果、エッジアール加工やテーパー加工を行ったサファイア基板の中にエピタキシャル成長時の異常成長や基板の割れの確率の高いものと低いものとの２グループに大別できるものの、いずれも用いたサファイア基板の主表面に微小なキズやゴミの付着、基板の割れがあり、これが起因となってエピタキシャル成長時に異常成長を起すこと、またサファイア基板が割れてしまうということを見出した。

本発明者は、さらに主表面に鏡面加工を施したサファイア基板の主表面の微細なキズ，ゴミ、基板の割れについて鋭意検討を重ねた結果、主表面の鏡面研磨加工後にエッジ加工を施したものと、エッジ加工を施した後に主表面の鏡面研磨をおこなったものとでは前記異常成長や基板の割れの確率に違いがあることを見出し、本発明に至った。

即ち、前記課題を解決する請求項１にかかる本発明は、少なくとも片面が主表面として鏡面加工され、主表面と端面、主表面の裏面と端面とでそれぞれ構成されるエッジ部にそれぞれエッジ加工が施されたサファイア基板であって、エッジ加工された表面、あるいはエッジ加工された表面と端面とが、その平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板である。

そして、請求項２にかかる発明は、前記請求項１の発明において、エッジ加工がテーパー加工とアール加工のうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板である。

そして、請求項３にかかる発明は、前記請求２の発明において、テーパー加工により形成されたテーパー面がサファイア基板表面と成す角度が２０〜７０°の傾斜面であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板である。

そして、請求項４にかかる発明は、前記請求項２の発明において、アール加工が、サファイア基板の厚さをｔとしたときに、Ｒが０．５ｔ〜１．１ｔであるＲ加工であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板である。

そして、請求項５にかかる発明は、前記請求項１〜４記載のいずれかのエピタキシャル成長用サファイア基板の製造方法であって、その主要工程として、結晶より切り出したサファイア基板用ウエハーの両エッジ部にエッジ加工を施した後、エッジ加工面、またはエッジ加工面と端面とを平均面粗さＲａが０．０５μｍ以下になるまで研磨加工し、その後表面の少なくとも一方を鏡面研磨して主表面を構成する工程を含むものである。

本発明によれば、サファイア基板は、そのエッジ部が所定の条件でエッジ加工され、該エッジ加工部またはエッジ加工部と端面とが、その平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下に研磨され、その後、少なくとも一方の表面が鏡面研磨されてなる。この結果、エッジ加工時に、エッジ加工面や端面に損傷が発生しても、エッジ加工面またはエッジ加工面と端面を平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下となるまで研磨するため、エッジ加工に起因するエピタキシャル成長時の基板割れは防止できる。

そして、エッジ加工時やその後の研磨時に発生するゴミや研磨屑により基板表面が汚染されたり、損傷を受けたりしても、その後に表面を鏡面研磨するために結晶育成面に発生するゴミや微細な傷を大幅に減少させることができる。したがって、本発明のエピタキシャル成長用サファイア基板を用いてエピタキシャル成長をおこなうと、成長中の基板の割れや異常成長を大幅に防止できる。

本発明において、エッジ加工面、又はエッジ加工面と端面とを、その平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下となるようにするのは、エッジ部や端部に発生する微細な凹凸の一部が横持ち等の取扱時に脱落して基板表面に微細な傷を与えたり、微細なキズや微細な凹凸に捕捉され、これが起因となってエピタキシャル成長時の異常成長が誘引されることを防止するためである。平均表面粗さＲａが０．０５μｍを越えると主表面の微細なキズ、ゴミは増加する。

また、本発明において、エッジ加工をテーパー加工でおこなう場合、テーパー面の傾斜、即ち、テーパー面とサファイア基板表面と成す角度を２０〜７０゜とするのは、この範囲をはずれるとエッジ部での欠け発生率が増加するからである。また、エッジ加工をアール加工でおこなう場合、サファイア基板の厚さをｔとしたときに、Ｒを０．５ｔ〜１．１ｔとするのも同様の理由からである。

本発明のようにエッジ加工が施されていないサファイア基板では鋭いエッジ部やエッジ加工後の基板外周側面の一部がその後の表面鏡面研磨加工時に欠けを生じ、発生した微小な破片が鏡面研磨中の表面と接触してキズを発生させる。

また、エッジ加工後の基板を樹脂製ケースに入れて横持ちする際に、従来のエッジ加工では、エッジ加工後の加工面に生成する凹凸部に捕捉されていたゴミが、基板が樹脂ケース壁面と摩擦した際に基板表面に移動したり、基板と樹脂ケース壁面との擦過によって新たなゴミを発生させ、これが表面鏡面研磨化加工時、同加工後の洗浄時、保管・輸送時に移動し基板表面に付着する。

こうして発生した、基板外周部の欠けや端面の微細な凹凸部が基点となり、エピタキシャル成長時に基板の割れが発生し、表面の微細なキズやゴミが起因となりエピタキシャル成長時に異常成長が起きる。

本発明の条件に従えば、こうした問題は解消できる。本発明は、サファイア基板エッジ部にテーパー加工やアール加工を施し片面鏡面加工時の欠けを予防すると共に、予めエッジ加工部またはエッジ加工部と端部とを、その平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下に研磨し、その後表面を鏡面研磨して主表面を形成することにより、エッジ加工時に発生するゴミや研磨屑により基板主表面に汚染や傷が発生しても問題ないようにするものである。請求項５にかかる発明は、これを具現化するための方法であり、主要工程として、結晶より切り出したサファイア基板用ウエハーの両エッジ部にエッジ加工を施した後、エッジ加工面、要すればエッジ加工面と端面とを平均面粗さＲａが０．０５μｍ以下になるまで研磨加工し、その後表面の少なくとも一方を鏡面研磨する工程を含むエピタキシャル成長用サファイア基板の製造方法である。

（実施例１〜４比較例１〜４）
ワィヤーソーを用いて切断して得た直径７７．０ｍｍ、厚さ７５０μｍのサファイアウエハーをGC＃３２０の砥粒を用いて両面ラップ加工し厚みを５９０μｍとし、次いで熱処理を施して歪みを除去して粗基板を得た。
その後、市販の東精エンジニアリング社製W-GM-4200のエッジ加工装置を用いて＃６００メタルボンド砥石にて直径が７６．２ｍｍ、テーパー面と粗基板表面との成す角度が４５°となるようにテーパー加工を行った。
更にユーティーケー・システム製ブラシ研磨装置を用いてテーパー部表面平均粗さＲａが０．０３μｍ（実施例１）、０．０５μｍ（実施例２）、０．０８μｍ（比較例１）、０．１０μｍ（比較例２）となるように研磨した。
また、市販の東精エンジニアリング社製W-GM-4200のエッジ加工装置を用いて＃６００メタルボンド砥石にて直径が７６．２ｍｍ、面取り部半径（Ｒ）２９５μｍ（０．５ｔ）となるようにアール加工を行った。
更にユーティーケー・システム製ブラシ研磨装置を用いてＲ加工部表面平均粗さＲａが０．０３μｍ（実施例３）、０．０５μｍ（実施例４）、０．０８μｍ（比較例３）、０．１０μｍ（比較例４）となるように研磨した。
その後、各５０枚をセラミックブロックにワックスを用いて貼付け、まず直径６μｍのダイヤモンドスラリーを用い、次に直径１μｍのダイヤモンドスラリーを用いて銅定盤上で片面研磨加工を行った。その後、コロイダルシリカにて片面メカノケミカル加工を行い、厚さ５５０μｍの片面鏡面基板を得た。
次に、得られた片面鏡面基板をセラミックブロックから剥離し、洗浄し、次いで目視にて基板外周部の欠け、主表面のキズ，ゴミを評価した。外周部各形状での欠け，キズ，ゴミの評価結果は下記表１、表２の通りであった。

（実施例５〜９、比較例５〜８）
ワィヤーソーを用いて切断して得た直径７７．０ｍｍ、厚さ７５０μｍのサファイアウエハーをGC＃３２０の砥粒を用いて両面ラップ加工し厚みを５９０μｍとし、次いで熱処理を施して歪みを除去して粗基板を得た。
その後、市販の東精エンジニアリング社製W-GM-4200のエッジ加工装置を用いて＃６００メタルボンド砥石にて直径が７６．２ｍｍ、テーパー面と粗基板表面との成す角度が１０゜（比較例５）、２０°（実施例５）、４５°（実施例６）、７０°（実施例７）、８０°（比較例６）、９０°（比較例７）となるようにテーパー加工を行った。
更にユーティーケー・システム製ブラシ研磨装置を用いて各基板のテーパー部表面の平均粗さＲａが０．０４μｍとなるように研磨した。
次に、市販の東精エンジニアリング社製W-GM-4200のエッジ加工装置を用いて＃６００メタルボンド砥石にて直径が７６．２ｍｍ、面取り部半径（Ｒ）２９５μｍ（０．５ｔ）（実施例８）、５９０μｍ（ｔ）（実施例９），８８５μｍ（１．５ｔ）（比較例８）となるようにアール加工を行った。
各形状に外周加工したサファイア基板各５０枚をセラミックブロックにワックスを用いて貼付け、まず直径６μｍのダイヤモンドスラリーを用い、次に直径１μｍのダイヤモンドスラリーを用いて銅定盤上で片面研磨加工を行った。その後、コロイダルシリカにて片面メカノケミカル加工を行い、厚さ５５０μｍの片面鏡面基板を得た。
次に、得られた片面鏡面基板をセラミックブロックから剥離し、洗浄し、次いで目視にて基板外周部の欠け、主表面のキズ，ゴミを評価した。外周部各形状での欠け，キズ，ゴミの評価結果は下記表３、４の通りであった。

（比較例９〜１７）
エッジ加工部の表面平均粗さを調整しない以外は実施例５〜９、比較例５〜８と同様にして厚さ５５０μｍの片面鏡面基板を得た。
得られた片面鏡面基板をセラミックブロックから剥離し、洗浄し、次いで目視にて基板外周部の欠け、主表面のキズ，ゴミを評価した。外周部各形状での欠け，キズ，ゴミの評価結果は下記表５、６の通りであった。

本発明によれば、サファイア基板加工時の欠けの発生を防止出来ると共に、エッジ部の微細な凹凸が無いため基板主表面の微細なキズ，ゴミの発生を防止出来る。

なお、本発明実施例にはユーティーケー・システム製ブラシ研磨装置を用いて面取り部を鏡面化した場合について記したが、たとえば東精エンジニアリング製ヘリカル研磨装置やエムテック製コンタリング加工装置を用いても良い。又、更に目に見えない微細なキズを防止するために、本発明の外周部鏡面化後にアニール，エッチング等の手段を追加して鏡面加工後の残留歪みを除去しても良い。

従来使用されているサファイア基板の断面を示した図である。

符号の説明

１―――主表面
２―――端面
３―――裏面

Claims

少なくとも片面が主表面として鏡面加工され、主表面と端面、主表面の裏面と端面とでそれぞれ構成されるエッジ部にそれぞれエッジ加工が施されたサファイア基板であって、エッジ加工された表面、あるいはエッジ加工された表面と端面とが、その平均表面粗さＲａが０．０５μｍ以下であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板。
前記請求項１の発明において、エッジ加工がテーパー加工とアール加工のうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板。
請求項２の発明において、テーパー加工により形成されたテーパー面がサファイア基板表面と成す角度が２０〜７０°の傾斜面であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板。
請求項２の発明において、アール加工が、サファイア基板の厚さをｔとしたときに、Ｒが０．５ｔ〜１．１ｔであるＲ加工であることを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板。
請求項１〜４記載のいずれかのエピタキシャル成長用サファイア基板の製造方法であって、その主要工程として、結晶より切り出したサファイア基板用ウエハーの両エッジ部にエッジ加工を施した後、エッジ加工面、またはエッジ加工面と端面とを平均面粗さＲａが０．０５μｍ以下になるまで研磨加工し、その後表面の少なくとも一方を鏡面研磨して主表面を構成する工程を含むことを特徴とするエピタキシャル成長用サファイア基板の製造方法。