JP2013131645A - サファイア基板の製造方法及びサファイア基板 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア基板の製造工程の短縮や削減を行い、４インチ以上の大口径の基板においても厚みむらが低減されたサファイア基板の製造方法及びサファイア基板を提供する。
【解決手段】サファイアインゴットからスライスして得られた基板に複数工程に亘る加工を施すことによりサファイア基板を製造するサファイア基板の製造方法であって、基板１０の少なくとも主面をウェットブラスト加工するウェットブラスト工程を含むことを特徴とするサファイア基板の製造方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、サファイア基板の製造方法及びサファイア基板に関する。

窒化物III−Ｖ族化合物半導体は、ＬＥＤ(Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ)等の発光デバイスや、耐熱性や耐環境性に優れた特徴を活かした電子デバイス用途として実用化されている。このIII−Ｖ族窒化物半導体は、単結晶サファイア基板上に成長させることが多く、サファイア基板は一般的に鏡面研磨されたものが用いられる。

サファイア基板の製造には、サファイアインゴットから基板を切り出す切断工程と、
基板の表面をワックスを用いてセラミックブロックに貼り付ける表面貼り付け工程と、セラミックブロックに支持された基板の裏面をラップ加工する裏面片面ラップ工程と、セラミックブロックと基板とを取り外した後に、ラップ加工により生じた加工歪みを緩和する熱処理工程と、基板の裏面をワックスを用いてセラミックブロックに貼り付ける裏面貼り付け工程と、基板の表面をＣＭＰ研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）する主面メカノケミカル研磨工程と、が含まれる（特許文献１参照）。

なお、表面貼り付け工程及び裏面片面ラップ工程の代わりに、サファイア基板の両面をラップ加工する両面ラップ工程を行うことや、主面メカノケミカル研磨工程の前にラップ工程を行って、事前に粗研磨する工程も従来技術として知られている（図９参照）。

ラップ加工で使用されるラップ装置は、例えば、粒径が数μｍの遊離砥粒が供給されるラップ定盤を有し、このラップ定盤に対して基板を押し当てつつラップ定盤を回転させ、供給された遊離砥粒によって基板が削られる装置である。遊離砥粒の粒径は、後述するＣＭＰ研磨の遊離砥粒より大きいため、基板の粗研磨に用いられる。

ＣＭＰ研磨で用いられるＣＭＰ装置は、回転可能な研磨テーブルと、その上に載置された研磨パッドと、研磨パッドの研磨面に基板の被研磨面を押し当てる研磨ヘッドと、研磨パッドを洗浄するために洗浄液を噴射する洗浄液供給ノズルと、遊離砥粒を供給する遊離砥粒供給ノズルと、研磨テーブルを回転させるためのモータと、を有する。

主面メカノケミカル研磨工程では、例えば、粒径が数ｎｍのアルカリ性のコロイダルシリカを遊離砥粒として用いる。これは、ラップ加工で用いられる遊離砥粒の粒径よりも小さい。

このようなＣＭＰ装置によって、遊離砥粒供給ノズルから研磨パッド上に遊離砥粒を滴下し、研磨ヘッドにより基板の被研磨面を研磨パッドの研磨面に押し当て、研磨テーブル及び研磨ヘッドを回転させることで、アルカリ性であるコロイダルシリカの遊離砥粒と基板とが化学反応して化学的及び機械的に研磨される。これより、ラップ加工よりも精密な研磨が行われる。

特許文献１に開示されたサファイア基板の製造方法では、ラップ工程を行うために基板とセラミックブロックとの貼付工程を必要とするが、特許文献２及び特許文献３には、ラップ工程の前の貼付工程を必要としないサファイア基板の製造方法が開示されている。

特許文献２には、基板の裏面側を研磨装置のチャックテーブルに吸着固定してラップ工程を行う製造方法、特許文献３には、基板を収容するための貫通穴を有する治具（テンプレート）に基板を収納し、基板の表面及び裏面をラップ加工する製造方法がそれぞれ開示されている。

特開２００６−３４７７７６号公報 特開２０１１−１６２３６４号公報 特開平９−４５６４３号公報

特許文献１に開示されたサファイア基板の製造方法では、ラップ工程を行うための基板の貼付工程を必要とするため、製造工程が長くなる問題が生じており、工程費用が非常に高くなる。今般、ＬＥＤ素子などの半導体素子へのコスト低減の要求が強まっている背景から、できるだけ工程の短縮や削減が必要となっている。

一方、特許文献２、特許文献３に開示されたサファイア基板の製造方法ではラップ工程を行うための基板の貼付工程を不要とするため、工程費用が高くなることは無い。

しかし、サファイア基板の大口径化によって基板コストを削減する場合、４インチ以上のサファイア基板が必要となる。この４インチ以上の基板の加工には、粒径の揃った遊離砥粒と、平坦性の良い定盤とが必要となる。

定盤の平坦性を保つためには定盤の表面のｆａｃｉｎｇといったメンテナンスが常に必要である。しかし、定盤のメンテナンスを常に行ったとしても、４インチ以上の基板を加工する際には、ラップ装置の定盤のそりが原因となって、精度良く基板を加工することができず、サファイア基板に厚みむらが生じてしまう。

また、４インチ以上の大きな基板となると一度のラップ工程で処理できる枚数が極端に減るため、処理時間の短縮化が必要である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、サファイア基板の製造工程の短縮や削減を行い、４インチ以上の大口径の基板においても厚みむらが低減されたサファイア基板の製造方法及びサファイア基板を提供することにある。

上記目的を達するために、本発明は次のとおりの構成としている。

本発明に係るサファイア基板の製造方法は、サファイアインゴットからスライスして得られた基板に複数工程に亘る加工を施すことによりサファイア基板を製造するサファイア基板の製造方法であって、前記基板の少なくとも主面をウェットブラスト加工するウェットブラスト工程を含むことを特徴とする
また、本発明に係るサファイア基板は、上記のサファイア基板の製造方法によって製造されたサファイア基板である。

このような特定事項により、従来技術に開示されたサファイア基板の貼付工程を必要としないため、サファイア基板の製造工程の短縮、削減を図ることができ、４インチ以上の大口径のサファイア基板を製造することができる。

上記のサファイア基板の製造方法であって、前記ウェットブラスト工程の前に、前記基板の厚みむらを低減する研削工程を行い、前記ウェットブラスト工程の後に、前記基板に生じた加工応力を緩和するアニール工程とを含むこととする。

このような特定事項により、４インチ以上の大口径の基板であっても、研削による厚みむらが低減され、また、研削による加工応力を緩和することができる。

上記のサファイア基板であって、前記サファイア基板の面粗度が、０．１μｍから１０μｍかつ、厚みむらが±２μｍであることとする。

このような特定事項により、裏面(半導体素子が形成される面と反対側の面)の状態が上記の面粗度の範囲内であれば、後工程の半導体素子形成時に行われる有機金属気相成長法の際に、赤外線吸収が効率的行われ、基板の温度調整が可能となり、基板のそり等を調整できるため、良質の結晶成長を行うことができる。

上記のサファイア基板に半導体素子が形成されたこととする。

このような特定事項により、製造工程の短縮、削減され、４インチ以上の大口径のサファイア基板を製造することができるため、製造コストが安いサファイア基板上に半導体素子が形成されたサファイア基板とすることができる。

本発明によれば、サファイア基板の製造工程の短縮や削減を行い、４インチ以上の大口径のサファイア基板においても厚みむらが低減されたサファイア基板の製造方法及びサファイア基板を提供することができる。

本発明に係るサファイア基板の製造方法の研削工程を示す断面図である。 本発明に係るサファイア基板の製造方法のウェットブラスト工程を示す模式図である。 本発明に係るサファイア基板の製造方法であって、ラップ加工後の光学顕微鏡画像である。 比較例に係るサファイア基板の光学顕微鏡画像である。 本発明に係るサファイア基板の製造方法の製造フローである。 比較例に係るサファイア基板の製造方法の貼り付け工程を示す断面図である。 比較例に係るサファイア基板の製造方法のラップ工程を示し、（ａ）は、ラップ装置を示す平面図、（ｂ）はラップ装置を示す断面図である。 本発明に係るサファイア基板の製造方法のＣＭＰ工程を示し、（ａ）は、ＣＭＰ装置を示す平面図、（ｂ）はＣＭＰ装置を示す断面図である。 従来のサファイア基板の製造フローである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図５は、本発明に係るサファイア基板の製造方法の製造フローである。

本実施形態に係るサファイア基板の製造方法は、サファイアインゴットからスライスされた基板１０の両面を研削加工する研削工程と、基板１０の表面１０Ａをウェットブラスト装置によって加工するウェットブラスト工程と、両面ラップ工程によって生じた加工応力及び加工歪みを緩和するアニール工程と、ウェットブラスト加工された基板１０の表面１０ＡをＣＭＰ研磨するＣＭＰ研磨工程と、基板１０を洗浄する洗浄工程と、を含むものである。

この工程に沿ってサファイア基板の製造方法を説明する。なお、以下に示す実施の形態はいずれも本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

［研削工程］
まず、研削工程について説明する。図１は、本発明に係るサファイア基板の製造方法の研削工程を示す断面図である。

研削工程では、サファイアインゴットからスライスされた基板１０（厚み８５０μｍ、厚みむら±２０μｍ）を片面ずづ研削することにより、基板１０の両面を研削する。

研削工程で用いられる研削装置６００は、基板１０が吸着載置されるセラミックプレート６２０と、セラミックプレート６２０と対峙し、基板１０を研削する砥石６１０と、基板１０とセラミックプレート６２０とを真空吸着させる真空ポンプ（不図示）と、を備えている。そして、セラミックプレート６２０の表面には複数の孔（不図示）が形成されており、この孔は真空ポンプに接続されている。

基板１０の表面１０Ａは、基板１０を保持する吸着盤６３０を介してセラミックプレート６２０に取り付けられる。吸着盤６３０の表面にも複数の孔（不図示）が形成されており、真空ポンプを稼働すると、セラミックプレート６２０と、基板１０が吸着される。

基板１０の表面１０Ａがセラミックプレート６２０に吸着された状態で、基板１０の裏面１０Ｂを、砥石６１０によって７５μｍ研削する。基板１０の裏面１０Ｂを研削した後、真空吸着ポンプを止め、基板１０をひっくり返し、基板１０の表面１０Ａを、前述した方法と同様に７５μｍ研削する。

これより、基板１０の厚みが合計で１５０μｍ研削されることとなり、研削工程終了時の基板１０の厚みは７００μｍ、厚みむらは、±２μｍとなる。

なお、基板１０を研削する砥石６１０は、ダイヤモンド砥石が好ましい。

［ウェットブラスト工程］
次にウェットブラスト工程について説明する。図２は、本発明に係るサファイア基板の製造方法のウェットブラスト工程を示す模式図である。

ウェットブラスト工程では、サファイア基板の表面（後述するＣＭＰ研磨する面）をウェットブラスト加工する。

ウェットブラスト加工に用いられるウエットブラスト装置５００には、基板１０を載置するステージ５１０と、ステージ５１０を一方向に移動させるステージ移動機構（不図示）と、ステージ５１０と対峙して配置され、ステージ５１０上に遊離砥粒と圧縮空気とが混合された遊離砥粒５３０を噴射するウェットブラストノズル５２０と、が備えられている。

ウェットブラストノズル５２０には、遊離砥粒が導入される遊離砥粒導入部５２１と、圧縮空気が導入される空気導入部５２２と、導入された遊離砥粒と圧縮空気とが混合される混合室５２３と、この混合室５２３から圧縮空気とともに送られてきた遊離砥粒５３０を、ステージ５１０の移動方向とステージ５１０と同一平面において直交する直線上に噴射するスリット状の噴射部５２４と、が備えられている。

本実施の形態では、ウェットブラストノズル５２０は、基板１０とのなす角度が９０°として配置されているが、ウェットブラストノズル５２０と基板１０とのなす角度はこの角度に限られない。

基板１０の表面１０Ａがウェットブラスト加工されるように、基板１０をステージ５１０に載置し、ステージ移動機構によって、ステージ５１０が速度が１ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動するとともに、ウェットブラストノズル５２０から０．４ＭＰａの圧力で遊離砥粒５３０が基板１０に向けて垂直に噴射される。基板１０が載置されたステージ５１０が移動することによって、基板１０の表面１０Ａ全体に遊離砥粒５３０が噴射された結果、基板１０の表面１０Ａ全体がウェットブラスト加工されることとなる。

ウェットブラスト加工では、加工レートを３．０μｍ／ｍｉｎの速度と設定し、基板１０の表面１０Ａを５μｍ加工する。つまり、基板１０の表面１０Ａのウェットブラスト処理時間は１分４０秒である。

ウェットブラスト加工の加工レートは、ステージ５１０の移動速度に依存している。つまり、ステージ５１０の移動速度が遅いほど、基板１０が遊離砥粒５３０に曝されている時間が長くなるため、加工量が多くなる。逆に、ステージ５１０の移動速度が速いほど、基板１０が遊離砥粒５３０に曝されている時間が短くなるため、加工量が少なくなる。

ここで、遊離砥粒５３０に使用される遊離砥粒は、基板１０の平坦性を向上させるため、粒径が揃った遊離砥粒を用いることが望ましく、平均粒径１００μｍのアルミナが使用される。

また、本実施の形態の基板１０のウエハサイズは、４インチを想定しているが、６インチ用のステージを使用して６インチの基板１０をウェットブラスト加工することもできる。６インチのサファイア基板を製造することにより、そのサファイア基板の表面には、４インチのサファイア基板よりも多くの半導体素子を形成することができるため、半導体素子の採取量が増える。よって、製造コストを低くすることが可能となる。

［アニール工程］
次に、本発明のサファイア基板の製造方法におけるウェットブラスト工程後に行われるアニール工程について説明する。

アニール工程では、前述した両面ラップ工程及びウェットブラスト工程によって基板１０に生じた加工応力及び加工歪みを緩和する。具体的には、基板１０を高温炉（不図示）に入れ、１６００℃の加熱温度で３時間保持している。

これにより、基板１０の加工応力及び加工歪みを緩和することができる。

ここで、アニールの温度、アニールの時間は、一例を示しただけであって、上記した温度、時間に限定するものではない。

また、本アニール工程は、前述した研削工程後で且つ、ウェットブラスト工程前に行われても構わない。

［ＣＭＰ工程及び精密洗浄工程］
次に前述したアニール工程を行った後の、ＣＭＰ工程について説明する。図８は、本発明に係るサファイア基板の製造方法のラップ工程を示し、（ａ）は、ＣＭＰ装置を示す平面図、（ｂ）はＣＭＰ装置を示す断面図である。

ＣＭＰ工程では、前述したウェットブラスト加工が行われた基板１０の表面１０ＡをＣＭＰ研磨する。

ＣＭＰ工程に用いられるＣＭＰ装置４５０と、比較例で説明したラップ装置４００とは、遊離砥粒等の化学薬品を精密洗浄するための洗浄液が吐出される洗浄液ノズル４６０が備えられている点と、遊離砥粒に数十ｎｍの粒径であるコロイダルシリカを用いる点と、が異なるだけであるから、以下、その相違点についてのみ説明し、同一の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

ＣＭＰ研磨は、定盤４１０の自転軸及び取付具４２０の自転軸によって、定盤４１０と取付具４２０とを自転させると共に、ノズル４３０から遊離砥粒を吐出してＣＭＰ研磨を行う。その後に、研磨屑（被研磨物や研磨パッド等の削れ屑）や遊離砥粒の凝集物などの異物の除去や、アルカリ性の化学薬品であるコロイダルシリカの洗浄を行うための洗浄液を浄液ノズル４６０から吐出しながら、基板１０の表面１０Ａの精密洗浄を行う。

これにより、面粗度の優れたサファイア基板を作成することができ、さらに、この基板１０上にＬＥＤやパワーデバイスといった半導体素子を形成することができる。

なお、ＣＭＰ研磨工程を行う前に、ラップ工程によってＣＭＰ研磨工程を行うサファイア基板の面を事前にラップ加工を行い、粗研磨しても構わない。

［比較例］
本発明の実施形態のウェットブラスト工程までの製造工程について、ウェットブラスト工程に代えて、ラップ工程を行った場合を比較例として説明する。

なお、比較例においてラップ工程を行うまでのサファイア基板の製造方法は、本発明における前述したウェットブラスト工程を行うまでのサファイア基板の製造方法と同様の工程を行っている。

これより、ラップ工程を行う前の基板１０の厚み（つまり、研削工程終了時の基板１０の厚み）は、７００μｍ、厚みむらは、±２μｍとなっている。

この基板１０に対してラップ工程を行うが、ラップ工程を行うためには、基板１０を基板保持部材３００に貼り付ける貼り付け工程が必要であるため、先に貼付工程を図６を参照しながら説明する。図６は、比較例に係るサファイア基板の製造方法の貼り付け工程を示す断面図である。

貼り付け工程では、後述するラップ工程によってラップ加工する基板１０の面と逆側の面（本実施形態では、基板１０の裏面１０Ｂとする。）に基板保持部材３００を貼り付ける。

基板保持部材３００は、プレート３１０と、プレート３１０上に固定され、開口を有する保持部材３２０と、保持部材３２０の開口に収容され、プレート３１０に貼り付けられた吸着パッド３３０と、が含まれる。

基板１０の裏面１０Ｂに、吸着パッド３３０を貼り付けると共に、基板１０の裏面１０Ｂに接着剤であるワックスを用いて、保持部材３２０と基板１０の裏面１０Ｂの貼り付けを行う。貼り付け時には基板１０の表面１０Ａから圧力をかけて貼り付けを行う。

よって、基板１０とプレート３１０とが貼り付けられ、基板１０と基板保持部材３００とが貼り付けられることとなる。なお、接着剤には、アクリル樹脂又はガラスエポキシ樹脂を用いても構わない。また、プレート３１０は、セラミックプレートを用いている。

これにより、後述するラップ工程で基板１０をラップ加工する際に、基板１０の裏面１０Ｂには基板保持部材３００が貼り付けられているので、基板１０が加重されても、基板１０を保護することができる。

次にラップ工程について図７を参照しながら説明する。図７は、比較例に係るサファイア基板の製造方法のラップ工程を示し、（ａ）は、ラップ装置を示す平面図、（ｂ）はラップ装置を示す断面図である。

ラップ工程では、前述した基板保持部材３００が貼り付けられた基板１０側（基板１０の表面１０Ａ）をラップ加工する。

ラップ工程に用いられるラップ装置４００には、基板１０をラップ加工する定盤４１０と、定盤４１０と対峙するように基板１０が取り付けられる取付具４２０と、ラップ加工時に使用する遊離砥粒が吐出されるノズル４３０と、取付具４２０の中心を自転軸、定盤４１０の中心を自転軸として、それぞれ独立して自転させるモータ（不図示）と、が備えられている。

本実施形態の定盤４１０には、銅または錫を含む比較的軟質な金属系の定盤が用いられる。

取付具４２０に前述した基板保持部材３００が貼り付けられた基板１０を取り付けた後、取付具４２０が定盤４１０方向に加重されることによって、基板１０の表面１０Ａが定盤４１０に押し当てられる。

この状態で、定盤４１０及び取付具４２０を互いに逆向きとなるように自転させると共に、ノズル４３０から遊離砥粒を吐出する。定盤４１０は、３０ｒｐｍから８０ｒｐｍまでの回転数で自転させることが好ましい。

遊離砥粒は、数μｍの粒径であり、例えばダイヤモンドスラリーを用いる。

その後、数十ｎｍの粒径のシリカ粒子を用いて、軟質の発泡ウレタンまたはスエード状のパッドなどの研磨布で基板１０の表面１０Ａを研磨する。

基板１０の加工量は、ウェットブラスト工程と比較するため、ウェットブラスト加工の加工量と同じ５μｍとし、加工レートは０．５μｍ／ｍｉｎとした。つまり、サファイア基板のラップ加工時間は１０分必要とする。

［本発明と比較例との比較について］
本発明のサファイア基板の製造方法であるウェットブラスト工程によって加工された基板１０と、比較例で説明したラップ工程によって加工された基板１０との面粗度について図３、図４を参照しながら説明する。

図３は、本発明に係るサファイア基板の製造方法であって、ラップ加工後の光学顕微鏡画像、図４は、比較例に係るサファイア基板の光学顕微鏡画像である。

前述したとおり、基板１０の研削工程後（つまりウェットブラスト工程前又はラップ工程前）の基板の厚みは７００μｍ、厚みむらは±２μｍである。

比較例であるラップ工程後の基板１０の面粗度は、０．９３μｍであり、基板１０の厚みむらは±２μｍである結果が得られた（図４参照）。

一方、本発明の基板１０の製造方法であるウェットブラスト工程後の面粗度は、０．９１３μｍであり、厚みむらは±２μｍであった（図３参照）。

さらに、前述したように、本発明の基板１０の製造方法であるウェットブラスト工程の処理時間は１分４０秒であるのに対し、比較例であるラップ工程の処理時間は１０分である。

これより、ウェットブラスト工程の方が処理時間を短縮することができ、基板１０の面粗度も優れている。この結果は、４インチサファイア基板での処理結果であるが、６インチサファイア基板を用いても同様の面粗度が得られる。

ところで、比較例で説明したラップ装置のメンテナンスとして、定盤４１０の平坦性を保つためには、定盤４１０の表面のｆａｃｉｎｇが常に必要である。一方、ウェットブラスト工程では、サファイア基板はウェットブラストノズルから噴射される噴射剤によって加工されるため、ラップ装置で行われるようなメンテナンスは不要である。

よって、ウェットブラスト工程では、工程の簡素化が見込まれる。

以上により、本発明のウェットブラスト工程を行うことにより、従来技術のサファイア基板の製造方法よりも工程の短縮、削減を図ることができ、４インチ以上の大口径のサファイア基板でも製造することができる。

１０ 基板
１０Ａ 主面
５００ ウェットブラスト装置
５２０ ウェットブラストノズル

Claims (5)

1. サファイアインゴットからスライスして得られた基板に複数工程に亘る加工を施すことによりサファイア基板を製造するサファイア基板の製造方法であって、
   前記基板の少なくとも主面をウェットブラスト加工するウェットブラスト工程を含むことを特徴とするサファイア基板の製造方法。
2. 請求項１に記載のサファイア基板の製造方法であって、
   前記ウェットブラスト工程の前に、
   前記基板の厚みむらを低減する研削工程を行い、
   前記ウェットブラスト工程の後に、前記基板に生じた加工応力を緩和するアニール工程
   とを含むことを特徴とするサファイア基板の製造方法。
3. 請求項１または２に記載のサファイア基板の製造方法により製造されたサファイア基板。
4. 請求項３に記載のサファイア基板であって、
   前記サファイア基板の面粗度が０．１μｍ以上１０μｍ以下、且つ、厚みむらが±２μｍであることを特徴とするサファイア基板。
5. 請求項３または４に記載のサファイア基板であって、
   前記サファイア基板に半導体素子が形成されたことを特徴とするサファイア基板。