JP2006216788A - 半導体レーザー用単結晶ウェハ - Google Patents

Abstract

【課題】 光学式のアライメント方式により劈開面を基準としてマスクパターン合わせをする際の精度の向上およびプロセス歩留りの向上を実現できる半導体レーザー用単結晶ウェハを提供することにある。
【解決手段】 劈開によりオリエンテーションフラットを形成したウェハ５の表面を、硬度の高い研磨布８で且つ最適なウェハ押し付け圧力及び研磨レートの下で、ウェハ表面の中心部と外周部の研磨レートが同一になるように研磨することで、劈開面４における稜線部のダレを小さく４０μｍ以下にしたオリエンテーションフラット部を備えた半導体レーザー用単結晶ウェハとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザー用単結晶ウェハ、特にそのオリエンテーションフラットを形成する劈開面の稜線部の断面形状に関するものである。

半導体ウェハは、ショットキーゲート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、その他、レーザーダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などのデバイス用基板として用いられている。これらの素子の能動層は、半導体ウェハから製造された鏡面ウェハの表面に、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）法およびイオン打ち込み法などにより形成される。

この鏡面ウェハを製造するに際しては、まず、結晶インゴットを所定の厚さでスライスし、ウェハを切り出す。そして、このスライスしたウェハを＃８００〜＃３０００のアルミナ砥粒でラップしてソーマークを除去し、平坦性を高める。その後、研磨液として次亜塩素酸系水溶液や、次亜塩素酸水溶液と砥粒（シリカ、アルミナ、ジルコニウム）の混合液を用い、また研磨布として表面に多孔質層を有するものを用い、メカノケミカル研磨により鏡面に仕上げる、いわゆるポリッシングを行う。次に、この鏡面を所定の方法により洗浄し、乾燥させる。乾燥された鏡面ウェハはウェハトレイまたはウェハボックスに収納する。

一方、化合物半導体ウェハは、半導体レーザなどに利用される場合、その共振面が良好な平坦度を有する必要があることや、結晶方位の判別や位置合わせ、焦点合わせ等の理由から、その基準面として劈開面を有する場合がある。特に、レーザ用途の製品はオリエンテーションフラット（ＯＦ部）またはインデックスフラット（ＩＦ部）が劈開仕様となる。これは、半導体レーザーダイオードを製作する場合、ウェハ上にエピタキシャル層を形成した後、正確に劈開面に沿ってチップに切り出す必要があり、劈開面で形成されたオリエンテーションフラット、またはインデックスフラットを基準とし、角度合わせを行うためである。

このＯＦ部の劈開面の形成は、単結晶インゴットを図４（Ａ）のようにスライスして、ＯＦ部１ａ、ＩＦ部１ｂを有するスライスウェハ１を得た後、ダイヤモンドペンを用いて図４（Ｂ）のようにウェハ表面または裏面に短い傷（切り込み）２をつけ、そこに応力を加え点線３の位置でスクライブ（図４（Ｃ））することにより形成している。その後、劈開面が残りかつスクライブ傷による劈開面の段差を除去するように面取り（図４（Ｄ））をすることにより良好な劈開面（ＯＦ劈開面）４を形成し、所定の半導体レーザー用単結晶ウェハ５を得る。

図５に上記半導体レーザー用単結晶ウェハ５を用いて半導体レーザダイオード（ＬＤ）チップ６を製造するプロセスの概略を示す。ここでは代表例としてＧａＡｓ単結晶ウェハの場合を示す。このＬＤチップ６は、図５（ｂ）〜（ｅ）に図示するように、（１）エピタキシャル成長、（２）ストライプ構造形成、（３）電極形成、（４）レーザーバー形成（劈開端面コート）、（５）チップ形成（ダイシング）、（６）チップ組立の各工程を経て製造される。

半導体レーザダイオードでは、共振器を構成する光導波路を半導体結晶の中に作り込む。この光導波路は横幅数μｍ、長さ数百μｍの細長い形状で、ＬＤチップの両端には反射鏡が形成される。（１００）面の表面を有するＧａＡｓ単結晶ウェハの場合、導波路の長手方向を、オリエンテーションフラット（ＯＦ：＜０ｌ１＞面）と垂直な方向に形成する。この反射鏡は、III−Ｖ族化合物半導体プロセス特有の「劈開」により自動的に形成される。

このように半導体レーザーチップを作製する場合、ＧａＡｓ単結晶ウェハでは［０１１］方向を示す劈開面を基準として、これに垂直にチップを劈開により切り出し、共振面として使用する。そのため、マスクパターンの形成時には、劈開面とマスクパターンの平行性を確保することが重要であり、通常は顕微鏡を用いてＯＦ劈開面とマスクパターンの位置合わせを行っている。

なお、オリエンテーションフラット自体を形成する技術としては、従来、光学的な方法で角度合わせをする場合、例えば顕微鏡により角度合わせをする場合、オリエンテーションフラット部の断面形状が曲線になっているため、表面からみた状態においてオリエンテーションフラット部で顕微鏡観察像の焦点をあわせることが困難であり、角度合わせの精度を悪くしていたことから、パターン合わせ時の焦点合わせを容易にするため、オリエンテーションフラット部には面取りを施さず側面のみを機械加工した半導体ウエハ（特許文献１参照）や、単結晶インゴットの円筒研削工程によるオリエンテーションフラットの形成後、オリエンテーションフラットの結晶方位の誤差分を測定し、前記誤差分を機械加工により補正したオリエンテーションフラット部を備えた半導体ウエハ（特許文献２参照）が提案されている。
特開２０００−０６８１７１号公報 特開２００１−３５１８３６号公報

しかしながら、特許文献１、２は、上述したポリッシングと、これによりウェハ外周部のＯＦ劈開部にできる端面ダレの関係について言及したものではない。ここに「端面ダレ」とは、図６に示すように、ＯＦ劈開面４の稜線部（鏡面７とＯＦ劈開面４の稜角）の丸みをいい、鏡面７からＯＦ劈開面４に沿って計測したＯＦ劈開面４上の彎曲部と平坦面部の境界までの長さＤにて、その程度を表す。

本発明者の研究によれば、ポリッシングにより表面を鏡面仕上げする研磨条件にバラツキが発生する。例えば、研磨液の回り込み方が均一でないと、ウェハの貼り付けプレートである定盤面内の研磨レートにバラツキが発生する。また定盤へのウェハ貼り付け枚数が異なることで、ウェハへの加工圧力が変化する。このような研磨条件のバラツキによって、ＯＦ劈開部を含むウェハ外周部に端面ダレ（Ｄ＞４０μｍ、図６参照）を招き、これによりマスクパターンの合わせ時に顕微鏡によるＯＦ劈開面への焦点合わせが困難となり、アライメント精度が低下する、という問題のあることが分かった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光学式のアライメント方式により劈開面を基準としてマスクパターン合わせをする際の精度の向上およびプロセス歩留りの向上を実現できる半導体レーザー用単結晶ウェハを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る半導体レーザー用単結晶ウェハは、劈開によりオリエンテーションフラットを形成したウェハの表面を、硬度の高い研磨布で且つ最適なウェハ押し付け圧力及び研磨レートの下で、ウェハ表面の中心部と外周部の研磨レートが同一になるように研磨することで、劈開面における稜線部のダレを小さくしたオリエンテーションフラット部を備えていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体レーザー用単結晶ウェハにおいて、上記研磨布の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７５〜７９であり、ウェハ押し付け圧力が８０〜５０ｇ／ｃｍ²及び研磨レートが４〜２μｍ／ｍｉｎであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の半導体レーザー用単結晶ウェハにおいて、上記オリエンテーションフラットを形成する劈開面における稜線部のダレが４０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の半導体レーザー用単結晶ウェハにおいて、上記オリエンテーションフラットを形成する劈開面における稜線部のダレが２０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザー用単結晶ウェハにおいて、上記の半導体レーザー用単結晶ウェハの材質が、III−Ｖ族又はII−IV族化合物半導体であることを特徴とする。

＜発明の要点＞
ＤＶＤ、ＣＤ用ＬＤ向けデバイスに対する品質要求、低価格化が進む中、パターンのズレによる歩留低下が問題となってきている。原因を調査した結果、ウェハ表面から見たウェハ外周部における約２５０μｍ辺りの端面ダレが歩留まりに大きく影響することが判った。特許文献１、２では、微視的なレベルでの説明はされておらず、研磨条件を規定していないので、機械的研磨において外周部の２５０μｍ部のダレを小さく制御することは困難であり、現在のＬＤチップ製造プロセス工程においては、歩留まり低下を招くことが懸念される。

上述のアライメント精度低下問題を解決するために、本発明では、半導体ウェハの構造として、ＯＦ劈開部の稜線部のダレが４０μｍ以下である半導体レーザー用単結晶ウェハを提供することができる。なお、アライメントの精度を向上するためには、ＯＦ劈開部の稜線部のダレを更に小さくして、２０μｍ以下となるように制御することが望ましい。

本発明によれば、半導体レーザー向けウェハの形状として、ＯＦ劈開面の稜線部のダレが、例えば４０μｍ以下と小さい半導体レーザー用単結晶ウェハが提供されるので、これを用いることで光学式のアライメント方式によるマスクパターン合わせ時の精度が向上し、ＬＤチップ製造におけるプロセス歩留の向上を実現することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１に本発明によるアライメント不良のない半導体レーザー用単結晶ウェハの端面ダレの状態を、また図２にウェハ研磨プロセスにおける加工圧力と端面ダレの関係を示す。

従来技術では、ポリッシングにより表面を鏡面仕上げする研磨条件のバラツキによって、ＯＦ劈開部を含むウェハ外周部に端面ダレ（Ｄ＞４０μｍ、図６参照）を招き、マスクパターン合わせ時に、顕微鏡による劈開面への焦点合わせが困難となり、アライメント精度が低下する。このポリッシングにおける研磨条件と端面ダレの関係を調査した結果、端面ダレが発生するメカニズムとして、（１）研磨布の硬度、（２）研磨レート、（３）研磨押し付け圧力の三つが、ウェハ外周部の端面ダレの形状に大きく影響していることが分かった。

ここでポリッシングに用いられる研磨装置は、図２に示すように、上面に研磨布８を貼付した回転可能な定盤９と、該定盤９に相対向して設けられたウェハ保持盤１０を備えた研磨ヘッド１１とを有し、研磨に際しては研磨布８上に研磨液供給管から研磨液を供給するとともに、保持用ワックス（ウェハ接着剤）にてウェハ保持盤１０の保持面に複数の半導体レーザー用単結晶ウェハ５を保持し、この研磨ヘッド１１を加圧しウェハ表面を研磨布８に押圧して研磨するものである。なお、１２は研磨ヘッド１１の駆動軸である。

上記の研磨装置においては、一般的に、研磨液がウェハ外周部から周り込み研磨されるため、図２（ａ）に示すように、各半導体レーザー用単結晶ウェハ５の研磨は外周部の研磨レートが高くなる傾向になる。しかし、本発明者は、上記研磨条件の３つのファクターに関し、研磨布８として硬度の高い研磨布を採用し、半導体レーザー用単結晶ウェハ５に掛かる押し付け圧力が均一となるように、ウェハ押し付け圧力、研磨レートを最適化することで、各半導体レーザー用単結晶ウェハ５の中心部と外周部の研磨レートを制御できることを発見した。そして、図２（ｂ）に示すように、ウェハ外周のＯＦ劈開面における端面ダレＤをＤ≦４０μｍ以下に制御できる技術の開発に成功した。なお図２（ｃ）はウェハ押し付け圧力が大きいため、半導体レーザー用単結晶ウェハ５の中心がダレる状態となっている。

すなわち、劈開によりオリエンテーションフラットを形成した半導体レーザー用単結晶ウェハ５の表面を、硬度の高い研磨布８で且つ最適なウェハ押し付け圧力及び研磨レートの下で、ウェハ表面の中心部と外周部の研磨レートが同一になるように研磨することで、ＯＦ劈開面４における稜線部のダレ（端面ダレＤ）を小さくしたオリエンテーションフラット部を備えた半導体レーザー用単結晶ウェハを得ることができる。

具体的な研磨条件は、例えば上記研磨布８の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７５〜７９であり、ウェハ押し付け圧力が８０〜５０ｇ／ｃｍ²及び研磨レートが４〜２μｍ／ｍｉｎである。

半導体レーザー用単結晶ウェハのＯＦ劈開面の部分には、光学的なマスク位置合わせのため、顕微鏡による高い焦点合わせ精度が要求されるため、ポリッシングにおいては、従来を上回る更なるウェハ表面の平坦化、つまりＯＦ劈開面と鏡面７がきれいに直角となる精度が求められている。そこで、上述の３つのパラメータの最適化として、研磨布８の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７５〜７９であり、ウェハ押し付け圧力が８０〜５０ｇ／ｃｍ²及び研磨レートが４〜２μｍ／ｍｉｎであるとしたところ、ＯＦ劈開面４の端面ダレＤを４０μｍ以下に制御できた。このうち特に、研磨布８の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７９であり、ウェハ押し付け圧力が５０ｇ／ｃｍ²及び研磨レートが２μｍ／ｍｉｎであるとしたところ、ＯＦ劈開面４の端面ダレＤを２０μｍ以下に制御できるまでに至った。これにより、光学式のアライメント方式によるマスクパターン合わせ歩留を９８〜１００％にすることが可能となった。

＜実施例＞
次に、本発明の実施例について説明する。

図３に示すように、上述の３つのパラメータ（研磨布の硬度、研磨レート、研磨押し付け圧力）に関して、比較例１、実施例１、実施例２とそれぞれ研磨条件を変えて、直径７．６２ｃｍ（３インチ）のｎ型ＧａＡｓ基板から成る半導体レーザー用単結晶ウェハを作製し、各ウェハのＯＦ劈開面における端面ダレＤとの関係を調べた。また、得られた半導体レーザー用単結晶ウェハの鏡面上に、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＧａＡｓ系エピタキシャル層を成長し、ＬＤチップとしたときのアライメント不良率を調べた。この結果を図３に示す。

比較例の研磨条件は、研磨布８の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７１（研磨布硬度として柔らかい）であり、ウェハ押し付け圧力（加圧圧力）が１００ｇ／ｃｍ²（加圧圧力が高い）及び研磨レートが５μｍ／ｍｉｎ（研磨レートが速い）である。この場合、ＯＦ劈開面４の端面ダレＤは４５μｍを越える形状であり、アライメント不良率は４０〜６０％と大きかった。

これに対し、実施例１の研磨条件は、研磨布８の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７５（研磨布硬度は中程度）であり、ウェハ押し付け圧力が８０ｇ／ｃｍ²（加圧圧力は中程度）及び研磨レートが４μｍ／ｍｉｎ（研磨レートは中程度）である。この場合、ＯＦ劈開面４の端面ダレＤは３０〜３５μｍと小さな形状であり、アライメント不良率も５〜１０％と小さくなった。

次に、実施例２の研磨条件は、研磨布８の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７９（研磨布硬度は硬い）であり、ウェハ押し付け圧力が５０ｇ／ｃｍ²（加圧圧力は中程度）及び研磨レートが２μｍ／ｍｉｎ（研磨レートは遅い）である。この場合、ＯＦ劈開面４の端面ダレＤは１５〜２０μｍと小さな形状であり、アライメント不良率も１％より小さくなった。

上記の結果から、端面ダレＤが４５〜５０μｍを越えると、アライメント不良率が増大し、端面ダレＤを２０μｍ以下に制御した場合、アライメント不良率が１％未満にまで低減する傾向にあることが判る。

なお、上記実施形態では、半導体レーザー用単結晶ウェハとしてIII−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓウェハを例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩｎＰ、ＧａＮ等のその他のIII−Ｖ族、II−IV族化合物半導体ウェハにも適用することができる。

本発明に係るアライメント不良のない半導体レーザー用単結晶ウェハの端面ダレの状態を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は劈開面の稜線部の部分拡大図である。 半導体レーザー用単結晶ウェハの研磨プロセスの概略を示す図である。 本発明の実施例１、２及び比較例を示したもので、研磨の３条件を変え、研磨したウェハの劈開面の端面ダレと、エピタキシャル成長後のアライメント不良発生確率を示した図である。 半導体レーザー用単結晶ウェハの劈開面を形成するプロセスを示した図である。 一般的な半導体レーザー用単結晶ウェハの形状と、このウェハからＬＤチップを製造するプロセスを示した図である。 従来技術に係るアライメント不良が発生する半導体レーザー用単結晶ウェハの端面ダレの状態を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は劈開面の稜線部の部分拡大図である。

符号の説明

１ スライスウェハ
１ａ ＯＦ部
１ｂ ＩＦ部
２ 短い傷（切り込み）
３ 点線
４ 劈開面
５ 半導体レーザー用単結晶ウェハ
６ ＬＤチップ
７ 鏡面
８ 研磨布
９ 定盤
１０ ウェハ保持盤
１１ 研磨ヘッド
１２ 駆動軸

Claims (5)

1. 劈開によりオリエンテーションフラットを形成したウェハの表面を、硬度の高い研磨布で且つ最適なウェハ押し付け圧力及び研磨レートの下で、ウェハ表面の中心部と外周部の研磨レートが同一になるように研磨することで、劈開面における稜線部のダレを小さくしたオリエンテーションフラット部を備えていることを特徴とする半導体レーザー用単結晶ウェハ。
2. 上記研磨布の硬度がＡｓｋｅｒ−Ｃ基準で７５〜７９であり、ウェハ押し付け圧力が８０〜５０ｇ／ｃｍ²及び研磨レートが４〜２μｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザー用単結晶ウェハ。
3. 上記オリエンテーションフラットを形成する劈開面における稜線部のダレが４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザー用単結晶ウェハ。
4. 上記オリエンテーションフラットを形成する劈開面における稜線部のダレが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザー用単結晶ウェハ。
5. 上記の半導体レーザー用単結晶ウェハの材質が、III−Ｖ族又はII−IV族化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザー用単結晶ウェハ。

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