JP4419680B2 - 結晶の分割方法 - Google Patents

Description

本発明は、略板状の六方晶系の結晶のｃ面上における結晶分割形状が略長方形となる様にその結晶を複数に分割する方法に関する。
この方法発明は、例えば半導体デバイスの量産などに大いに有用なものである。

ｃ面を主面とする略板状の六方晶系の結晶を複数に分割する方法としては、例えば下記の特許文献１に開示されている方法などがある。この従来の方法に従えば、ｃ面を主面とする略板状の六方晶系の結晶は、そのｃ面上において、正三角形を基調とする三角形や菱形などに分割される。ここで、分割形状を三角形や菱形にする理由は、長方形に分割するとスクライブ線に沿って綺麗に割れないことが多いと考えられていたためである。
実際に、例えば下記の特許文献２などに例示されている要領で、ｃ面を主面とする略板状の六方晶系の結晶を複数の長方形に分割すると、スクライブ線に沿って綺麗に割れないことが多く、このような事態は、特に、半導体デバイスを製造する場合に、その歩留りなどの点で深刻となる。
特開２００１−１７７１４６ 特開平１１−３５４８４１

しかしながら、主面における結晶の分割形状を、正三角形を基調とする三角形や菱形などに形成すると、以下の点で不利である。
（１）それらの形状には必ず鋭角部分が存在するが、その鋭角部が欠け易い。
（２）分割などの形状加工を実施するための設備において、正三角形を基調とする構造や仕組みを取り入れざるを得ない。このことは、一般の加工設備が、基本的に直線や直角などを基調とした構造を備えていることが多いと言う点で不利である。
（３）半導体デバイスを製造する際に、電流の密度分布を理想的に実現し難い場合がある。また、電極などの設計に付いても必ずしも簡単ではなくなる。
（４）正三角形を基調とする三角形や菱形などは、その形を円に内接させる際に、その円に対する面積占有率を十分に高く確保することができない。このことは、例えばＬＥＤなどの半導体デバイスを製造する際に、素子の小型化や高発光効率化の点などで不利となる場合が多い。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ｃ面を主面とする略板状の六方晶系の結晶を、所望の長方形に綺麗に複数に分割する方法を提供することである。
また、本発明の更なる目的は、ｃ面を主面とする結晶成長基板を用いて製造される半導体デバイスの歩留りや生産性を改善することである。
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか１つによって、個々に達成されれば十分であって、本願の個々の発明（下記の個々の手段）は、上記の全ての課題を同時に解決する形態が存在することを必ずしも保証するものではない。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、板状の六方晶系の結晶のｃ面上における結晶分割形状が長方形となる様に結晶を複数に分割する工程において、結晶上に下記の所定の直交座標を固定した際に、ｃ面に対してｘ軸の正の向きにスクライブを施す第１のスクライブ工程と、ｃ面に対してｙ軸の正の向きにスクライブを施す第２のスクライブ工程と、この結晶に形成された各スクライブ線に沿ってこの結晶をブレーキングする長方形分割工程とを備えることである。ただし、ここで、上記の直交座標は、ｘｙ平面がｃ面と一致し、ｚ軸の正の向きがｃ面の法線ベクトルの向きと一致し、かつ、結晶の一つのｒ面の法線ベクトルの極距離θと経度φが「０°＜θ＜９０°、かつ、４０°≦φ≦５０°」を満たす右手系の直交座標とする。

また、上記の第１のスクライブ工程と第２のスクライブ工程の実行順序は順不同（即ち、前後任意）で良く、また、双方の各工程を同時に並列に実行しても良い。
また、ｚ軸の正の向きがｃ面の法線ベクトルの向きと略一致するとは、ｚ軸とｃ軸との成す角度が１０°以内のことを言うものとする。ただし、このずれ角は、極力小さい方が望ましく、完全に一致する時に最良の結果が得られる。

なお、ここで言う右手系の直交座標とは、図６に示すｘｙｚ直交座標のことを言う。また、上記の極距離θと経度φは、任意の単位ベクトルの向きを角度だけで一意に特定できる座標即ち極座標の角度成分のことであり、極距離θ（時に余緯度とも言う）は、ｚ軸の正の向きを基準（θ＝０°）として測る。また、経度φは、ｘ軸の正の向きを基準（φ＝０°）として、ｙ軸の正の向きへ向う回転の向きに測る。図６では、極距離θと経度φを用いて、原点Ｏを始点とする１つの単位ベクトル＜ｒ｜の向きを表現した例を示している。
以下、本明細書では六方晶系の結晶の任意に選んだ１つのｒ面の法線ベクトルを＜ｒ｜と書く。また、１つのｍ面の法線ベクトルを＜ｍ｜と書くことがある。

また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の結晶をサファイアとし、その時の上記の極距離θを１ラジアンにすることである。

また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、上記の結晶を、複数の半導体デバイスの集合体を構成する半導体ウェハの結晶成長基板にすることである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、スクライブとブレーキングが良好に実施でき、分割対象となる上記の結晶を所望の長方形に分割することができる。これは、スクライブする方向だけではなく、スクライブする向きに対しても上記の様に六方晶系の性質に則して厳格な制約を課したためである。これにより、結晶は所望の長方形に分割できるため、分割後の各結晶はそのｃ面上において鋭角を持たない。したがって、これにより、鋭角部が欠けるなどの事態を払拭することもできる。

更に、任意に選んだ１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度φを約４５°近傍に置くことができるので、最も良好にスクライブ及びブレーキングを実施することができる。
図１は、一般の六方晶系の結晶の模式的な斜視図であり、図２はこの図１の結晶を上から見下ろした平面図である。図１の単位ベクトル＜ｒ｜は、任意に選んだ１つのｒ面の法線ベクトルを示しており、例えばサファイア結晶の場合にはこの法線ベクトル＜ｒ｜の極距離θは約１ラジアンとなる。

一般に、六方晶系の結晶の場合、ｃ軸に垂直な平面上においてｍ軸の正の向きとａ軸の正の向きとは３０°ずれて交互に現れる等の特徴があり、ｃ軸をｚ軸とする直交座標系を採用する時には、例えば図１、図２に示す様に、１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度φは、１つのｍ面の法線ベクトル＜ｍ｜の経度と一致する。
なお、図１及び図２におけるｘｙｚ直交座標の配向は、図示される六方晶系の結晶の１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度φと、図示される１つのｍ面の法線ベクトル＜ｍ｜の経度とが、何れも４５°となる様に設定されている。

そして、図１に例示する様に、六方晶系の結晶の１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の極距離θが９０°以内で、かつ、その法線ベクトル＜ｒ｜の経度φが約４５°の時に、その結晶のｃ面上でｘ軸の正の向きにスクライブを実施し、同時にｙ軸の正の向きにスクライブを実施すれば、その結晶を所望の長方形に分割することができると言うのが我々の主張である。

図３は、図１、図２の配向に従ってｘｙｚ直交座標を結晶上に固定した時の、六方晶系の結晶の割れ易さの角度依存性を表したグラフである。ただし、ここで、横軸の経度Φは、ｃ面上におけるスクライブの向きを表している。また、以下でも上記と同様にある１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度をφで示す。
図３のグラフは、例えば図２の法線ベクトル＜ｍ｜の向き（Φ＝４５°の向き）に、ｃ面上でスクライブを施した場合には、そのスクライブ線に沿って結晶が割れることはないか、若しくは結晶が非常に割れ難いことを示している。また、このグラフは同時に、これとは逆向きのΦ＝２２５°の向きにｃ面上にスクライブを施した場合には、そのスクライブ線に沿って結晶が綺麗に割れることを示している。

本図３の縦軸は既に確立されている定量的指標（物理量）によって表現されたものではないが、割れ易さに係わるこれらの諸傾向が、何れの六方晶系の結晶においても、図示する様に正確に１２０°周期で発現し、かつ、その性質（割れ易さ）がｃ軸回り（即ち、ｚ軸回り）の回転角に伴って概ね連続的若しくは多段階的に変動することを我々は発見した。

本図３に示す通り、最も割れ易いスクライブ線を供するスクライブの向きは、Φ＝２２５°、３４５°、１０５°の３通りである。ここで、ｃ面上における任意の向きの単位ベクトルを｜ｑ＞とする。また、図１及び図２に示す様に、互いに隣り合う２つのｎ面が形成する稜線上のθ＞９０°を満たす側の向きの単位ベクトルを＜ｅ₀ ｜，＜ｅ₁ ｜，＜ｅ₂ ｜とする。この時、上記の角度Φ＝２２５°、３４５°、１０５°は、何れか１つの単位ベクトル＜ｅ_j ｜（ｊ＝０，１，２）に関する内積＜ｅ_j ｜ｑ＞に対して最大値を与える角度である。
したがって、言い換えれば、スクライブを実施すべき所望の方向においては、この内積＜ｅ_j ｜ｑ＞が大きくなる側の向きを選択することが、最も重要なことであると言うことができる。実際に、この内積＜ｅ_j ｜ｑ＞が大きい場合ほど、図３にも示す様に、分離溝を弱い力でも深くシャープに形成することができる。これは、上記の内積＜ｅ_j ｜ｑ＞が大きい場合ほど、スクライブの圧力が所定の分子構造に対して有効に作用するためだと考えられる。

そして、ｘ軸の正の向きとｙ軸の正の向きとが成す角（：直角）の二等分線（：ｚ軸を始点とする半直線）の経度と、１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度φとを図２に例示する様に略一致させることができるので、この配向により、ｃ面上におけるスクライブの向きΦ（ｘ軸の正の向きとｙ軸の正の向き）を、結晶の最も割れ難い向き（φ＝４５°）から極力離して、配置することができる。即ちｘ軸の正の向きとｙ軸の正の向きの何れをも、結晶の最も割れ難い向きから約４５°離して、配置することができる。このため、本発明の第１の手段に従えば、略最適な配向でスクライブを実施することができる。

また、直角（ｘ軸の正の向き及びｙ軸の正の向き）に引くスクライブによって形成される分離溝は、ｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度φが４５°に近い場合ほど、弱い力でも深くシャープに形成することができる。
実際に、直角（ｘ軸の正の向き及びｙ軸の正の向き）に引くスクライブ線の幅、即ち分割に必要となるｃ面上での切りしろは、＜ｒ｜の経度φが４５°に近い場合ほど、事実上細く形成することができるので、この点でも本発明の第１の手段は有効である。

更に、本発明の第２の手段によれば、極めて幅広く大きな産業的効果を得ることができる。その理由は、サファイアは半導体デバイスの結晶成長基板として、現在、一般に幅広く採用されている非常に有用な材料であり、かつ、本発明がこれらサファイアなどの極めて硬質な結晶材料に対しても非常に有効な手段を提供するものであるからである。

また、本発明の第３の手段によれば、主面を六方晶系の結晶のｃ面を用いて構成した結晶成長基板を使った結晶成長によって製造される半導体デバイスの半導体ウェハの素子分離工程に上記の本発明の作用・効果をそのまま導入することができる。このため、本発明の第４の手段によれば、これらの半導体デバイスの設計を容易にしたり、或いは、歩留りを効果的に改善したりすることができる。したがって、本発明はその様な半導体デバイスを量産する際に、その生産性を非常に効果的に向上させる。

特にサファイアは、非常に硬いので、本発明を適用した際の効果は非常に大きいが、上記の六方晶系の結晶は、これらサファイアの他にも、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、或いはＡｌ_x Ｉｎ_y Ｇａ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）などでも良く、それらの一般の六方晶系の結晶に対しても、本発明は十分に有効なものである。

また、これらの結晶は、ｎ型またはｐ型の周知の適当な不純物が添加されたものであっても良い。また、上記の組成式中の III族元素（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）の内の一部をボロン（Ｂ）やタリウム（Ｔｌ）等で置換したり、或いは、上記の組成式中の窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換したりした半導体等を上記の結晶としても良い。本発明の作用・効果は、これらの若干の変形や置換などに対しても一定の普遍性を示すものである。

また、上記のｐ型の不純物としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）や、或いはカルシウム（Ｃａ）等を添加することができる。また、上記のｎ型の不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、或いはゲルマニウム（Ｇｅ）などを添加することができる。また、これらの不純物は、同時に２元素以上を添加しても良いし、同時に両型（ｐ型とｎ型）を添加しても良い。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

本実施例１では、上記に習って、任意に選んだ１つのｒ面の法線ベクトル＜ｒ｜の経度をφで表し、また、ｃ面上でのスクライブの向きを経度Φ１，Φ２で表す。
図４にサファイア基板の割れ易さの角度依存性を示す。本図のｘｙｚ直交座標は、図示するサファイア結晶に固定されているものであり、ｃ軸はｚ軸と一致し、１つのｒ面の法線ベクトルの経度φは４５°であり、かつ、その極距離θは５７．６°（≒１ラジアン）になっている。

また、図中の各記号（○、△、×）は以下のことを意味するものである。
（記号の意味）
○ ： スクライブ線に沿って容易かつ綺麗にブレーキングできる
△ ： スクライブ線に沿って容易にブレーキングできることが多い
× ： スクライブ線に沿ってはブレーキングできない

本図４に示す調査結果から、斜線で示すｒ面の法線ベクトルと経度が近い向き（Φ１＝３０°、６０°）にスクライブを行っても綺麗には割れ難く、一方、本発明に従ってｘ軸及びｙ軸の各正の向きにスクライブすれば、分割対象となる上記の結晶を所望の長方形に綺麗に分割できることが判る。

図５の表は、上記の傾向を更に詳しく調査して記録したものである。ここで、本図５の表の１次側とは、最初にスクライブを施した側のことであり、本表の最左列の角度はその１次側の向きを経度Φ１で表している。また、２次側とは、１次側のスクライブを施した後に、その１次側のスクライブ線に対して直角にスクライブを施した側のことを言い、そのスクライブの向きは、Φ２＝Φ１＋９０°で与えられる。

このサファイア基板の割れ易さに関する調査では、略板状の厚さ約９０μｍのサファイア基板のｃ面に対して、約４０ｇのスクライブ荷重を与えてスクライブを実施した。その時のスクライブ線の幅（即ち、切りしろの幅）、及び深さは何れも約２０μｍ程度になった。また、図５の表からも判る様に、スクライブの向きに依る割れ易さ（○、△、×）の周期は、１２０°になっている。
これらの調査結果から、本発明によれば、スクライブとブレーキングが良好に実施でき、分割対象となる上記の結晶を所望の長方形に綺麗に分割できることが判る。

本発明は、六方晶系の結晶をｃ面上で長方形に分割する方法を与えるものであるので、チップ状の半導体デバイスの集合体を成す半導体ウェハなどを素子単位に長方形に分割する場合にも、或いはまた、結晶成長基板などの結晶材料そのものを加工する場合にも、勿論有効である。
特に、平面形状が略長方形の半導体デバイスを量産する際に、その半導体ウェハの結晶成長基板を本発明に基づいて、長方形に分割すれば、歩留りが大いに向上する。

六方晶系の結晶の模式的な斜視図 図１の結晶を上から見下ろした平面図 六方晶系の結晶の割れ易さの角度依存性を表現したグラフ サファイア基板の割れ易さの角度依存性を示す平面図 サファイア基板の割れ易さの角度依存性を示す表 右手系のｘｙｚ直交座標と極座標の角度成分（θ，φ）との関係を表す図

符号の説明

ａ ： ａ面
ｃ ： ｃ面
ｒ ： ｒ面
ｎ ： ｎ面
＜ｒ｜： １つのｒ面の法線ベクトル
＜ｍ｜： １つのｍ面の法線ベクトル
θ ： 法線ベクトル＜ｒ｜の極距離
φ ： 法線ベクトル＜ｒ｜の経度
Φ ： スクライブの向きを表す経度

Claims (3)

1. 板状の六方晶系の結晶のｃ面上における結晶分割形状が長方形となる様に前記結晶を複数に分割する方法であって、
   ｘｙ平面が前記ｃ面と一致し、ｚ軸の正の向きが前記ｃ面の法線ベクトルの向きと一致し、かつ、前記結晶の一つのｒ面の法線ベクトルの極距離θと経度φが「０°＜θ＜９０°、かつ、４０°≦φ≦５０°」を満たす様に、前記結晶上に右手系の直交座標を固定した時に、
   前記ｃ面に対してｘ軸の正の向きにスクライブを施す第１のスクライブ工程と、
   前記ｃ面に対してｙ軸の正の向きにスクライブを施す第２のスクライブ工程と、
   前記結晶に形成された各スクライブ線に沿って前記結晶をブレーキングする長方形分割工程と
   を有することを特徴とする結晶の分割方法。
2. 前記結晶はサファイアであり、
   前記極距離θは１ラジアンであることを特徴とする請求項１に記載の結晶の分割方法。
3. 前記結晶は、複数の半導体デバイスの集合体を構成する半導体ウェハの結晶成長基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結晶の分割方法。

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