JP5443192B2 - サファイア基板の加工方法 - Google Patents
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Description
本発明は、表面に光デバイス層が積層される基板となるサファイア基板の加工方法に関する。
光デバイス製造工程においては、略円板形状であるサファイア基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層が積層され格子状に形成された複数のストリートによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイスウエーハをストリートに沿って切断することにより光デバイスが形成された領域を分割して個々の光デバイスを製造している。（例えば、特許文献１参照。）
サファイア基板は、サファイアインゴットから切り出された後、ラッピング、ポリッシング等の加工を施すことによって均一な厚みに形成され、その後表面をケミカルメカニカルポリッシング（CMP）加工することにより、表面粗さを０．０１μ以下の平滑面に形成される。このように平滑面に形成されたサファイア基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層が積層して形成される。（例えば、特許文献２参照。）
而して、サファイアインゴットから切り出されラッピング、ポリッシング等の加工を施すことによって均一な厚みに形成されたサファイア基板の表面をケミカルメカニカルポリッシング（CMP）加工によって表面粗さを０．０１μm以下に仕上げるには相当の加工時間を要するとともに遊離砥粒、化学的なエッチング液およびこれらの廃棄処理を要し生産性が悪いという問題がある。
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、表面粗さを０．０１μm以下に効率よく仕上げることができるサファイア基板の加工方法を提供することにある。
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、表面に光デバイス層が積層される基板となるサファイア基板の加工方法であって、
サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板の一方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の他方の面を研削し、サファイア基板の他方の面のうねりを除去する第１の研削工程と、
該第１の研削工程が実施されたサファイア基板の他方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の一方の面を研削し、サファイア基板の一方の面のうねりを除去する第２の研削工程と、
該第２の研削工程が実施されたサファイア基板の一方の面または他方の面を裏面として研磨装置のチャックテーブルに保持し、サファイア基板の表面をシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨し、面粗さを０．０１μm以下に仕上げる表面研磨工程と、
該表面研磨工程が実施されたサファイア基板の表面側を研磨装置のチャックテーブルに保持し、該研磨パッドによって乾式研磨し、研削歪を除去する裏面研磨工程と、を含む、
ことを特徴とするサファイア基板の加工方法が提供される。
サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板の一方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の他方の面を研削し、サファイア基板の他方の面のうねりを除去する第１の研削工程と、
該第１の研削工程が実施されたサファイア基板の他方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の一方の面を研削し、サファイア基板の一方の面のうねりを除去する第２の研削工程と、
該第２の研削工程が実施されたサファイア基板の一方の面または他方の面を裏面として研磨装置のチャックテーブルに保持し、サファイア基板の表面をシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨し、面粗さを０．０１μm以下に仕上げる表面研磨工程と、
該表面研磨工程が実施されたサファイア基板の表面側を研磨装置のチャックテーブルに保持し、該研磨パッドによって乾式研磨し、研削歪を除去する裏面研磨工程と、を含む、
ことを特徴とするサファイア基板の加工方法が提供される。
本発明によるサファイア基板の加工方法は、サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板の一方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の他方の面を研削し、サファイア基板の他方の面のうねりを除去する第１の研削工程と、第１の研削工程が実施されたサファイア基板の他方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の一方の面を研削し、サファイア基板の一方の面のうねりを除去する第２の研削工程と、第２の研削工程が実施されたサファイア基板の一方の面または他方の面を裏面として研磨装置のチャックテーブルに保持し、サファイア基板の表面をシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨し、面粗さを０．０１μm以下に仕上げる表面研磨工程とを含んでいるので、従来の加工方法におけるラッピング、ポリッシングおよびCMPのように遊離砥粒、化学的なエッチング液およびこれらの廃棄処理が不要となり、生産性を向上することができる。特に、表面研磨工程においてはシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨するので、研磨パッドのシリカ(SiO2)とサファイア(AlO3)が反応して粉末状のムライト（SiO2AlO3）が生成されことにより、サファイア基板の表面の面粗さを０．０１μm以下の平滑面に短時間で形成することができる。
また、本発明によるサファイア基板の加工方法は、該表面研磨工程が実施されたサファイア基板の表面側を研磨装置のチャックテーブルに保持し、該研磨パッドによって乾式研磨し、研削歪を除去する裏面研磨工程を実施するので、サファイア基板に反り返りが発生ことを防止できる。
また、本発明によるサファイア基板の加工方法は、該表面研磨工程が実施されたサファイア基板の表面側を研磨装置のチャックテーブルに保持し、該研磨パッドによって乾式研磨し、研削歪を除去する裏面研磨工程を実施するので、サファイア基板に反り返りが発生ことを防止できる。
以下、本発明によるサファイア基板の加工方法の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１には、サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板２が示されている。図1に示すサファイア基板２は、例えば厚みが６００μmに形成されている。このようにサファイアインゴットから切り出されたサファイア基板２の表面２aおよび裏面２bには、うねり２０が形成されている。このように形成されたサファイア基板２は、図２に示すように一方の面（図示の実施形態においては裏面２b）を厚みが均一なサブストレート３の表面に塗布されたワックス等の凹凸吸収粘着層３０によって貼着する（保護部材貼着工程）。
図１には、サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板２が示されている。図1に示すサファイア基板２は、例えば厚みが６００μmに形成されている。このようにサファイアインゴットから切り出されたサファイア基板２の表面２aおよび裏面２bには、うねり２０が形成されている。このように形成されたサファイア基板２は、図２に示すように一方の面（図示の実施形態においては裏面２b）を厚みが均一なサブストレート３の表面に塗布されたワックス等の凹凸吸収粘着層３０によって貼着する（保護部材貼着工程）。
保護部材貼着工程を実施したならば、サファイア基板の一方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の他方の面を研削し、サファイア基板の他方面のうねりを除去する第１の研削工程を実施する。この第１の研削工程は、図３の(a)に示す研削装置４を用いて実施する。図３の(a)に示す研削装置４は、被加工物を保持するチャックテーブル４１と、該チャックテーブル４１に保持された被加工物を研削する研削手段４２を具備している。チャックテーブル４１は、上面に被加工物を吸引保持し図３の(a)において矢印４１aで示す方向に回転せしめられる。研削手段４２は、スピンドルハウジング４２１と、該スピンドルハウジング４２１に回転自在に支持され図示しない回転駆動機構によって回転せしめられる回転スピンドル４２２と、該回転スピンドル４２２の下端に装着されたマウンター４２３と、該マウンター４２３の下面に取り付けられた研削ホイール４２４とを具備している。この研削ホイール４２４は、円環状の基台４２５と、該基台４２５の下面に環状に装着された研削砥石４２６とからなっており、基台４２５がマウンター４２３の下面に締結ボルト４２７によって取り付けられている。
上述した研削装置４を用いて上記第１の研削工程を実施するには、図３の(a)に示すようにチャックテーブル４１の上面（保持面）に上記サファイア基板２の裏面２bが貼着されたサブストレート３側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル４１上にサファイア基板２を吸着保持する（サファイア基板保持工程）。従って、チャックテーブル４１上に保持されたサファイア基板２は、表面２aが上側となる。このようにチャックテーブル４１上にサファイア基板２を吸引保持したならば、チャックテーブル４１を図３の(a)において矢印４１aで示す方向に例えば５００ｒｐｍで回転しつつ、研削手段４２の研削ホイール４２４を図３の(a)において矢印４２４aで示す方向に例えば１０００ｒｐｍで回転せしめて、図３の(ｂ)に示すように研削砥石４２６を被加工面であるサファイア基板２の表面２aに接触せしめ、研削ホイール４２４を図３の(a)および (ｂ)において矢印４２４bで示すように所定の研削送り速度（例えば、０．１μm）で下方（チャックテーブル４１の保持面に対し垂直な方向）に例えば１００μm研削送りする。この第１の研削工程においては、研削ホイール４２４とサファイア基板２は、研削ホイール４２４の基台４２５の下面に環状に装着された研削砥石４２６がサファイア基板２の中心を通過するように位置付けられる。この結果、サファイア基板２の表面２aがサブストレート３の表面と平行に研削され、サファイア基板２の表面２aに形成されたうねり２０が除去される。
上述した第１の研削工程を実施したならば、図４に示すように上記第１の研削工程が実施されたサファイア基板２をサブストレート３から剥離する（保護部材剥離工程）。
次に、上述した第１の研削工程が実施されサブストレート３から剥離されたサファイア基板の他方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の一方の面を研削し、サファイア基板の一方の面のうねりを除去する第２の研削工程を実施する。この第２の研削工程は、上記図３の(a)に示す研削装置４を用いて実施する。即ち、図５の(a)に示すようにチャックテーブル４１の上面（保持面）に上述した第１の研削工程が実施されサブストレート３から剥離されたサファイア基板２の表面２a側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル４１上にサファイア基板２を吸着保持する（サファイア基板保持工程）。従って、チャックテーブル４１上に保持されたサファイア基板２は、裏面２bが上側となる。このようにチャックテーブル４１上にサファイア基板２を吸引保持したならば、上記第１の研削工程と同様にチャックテーブル４１を図５の(a)において矢印４１aで示す方向に例えば５００ｒｐｍで回転しつつ、研削手段４２の研削ホイール４２４を図５の(a)において矢印４２４aで示す方向に例えば１０００ｒｐｍで回転せしめて、図５の(ｂ)に示すように研削砥石４２６を被加工面であるサファイア基板２の裏面２bに接触せしめ、研削ホイール４２４を図５の(a)および(ｂ)において矢印４２４bで示すように所定の研削送り速度（例えば、０．１μm）で下方（チャックテーブル４１の保持面に対し垂直な方向）に例えば１００μm研削送りする。なお、この第２の研削工程も上記第１の研削工程と同様に、研削ホイール４２４とサファイア基板２は、研削ホイール４２４の基台４２５の下面に環状に装着された研削砥石４２６がサファイア基板２の中心を通過するように位置付けられる。この結果、サファイア基板２の裏面２bが表面２aと平行に研削され厚みが例えば４００μmに均一に形成されるとともに、サファイア基板２の裏面２bに形成されたうねり２０が除去される。
上述した第２の研削工程を実施したならば、サファイア基板の裏面側を研磨装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の表面を研磨し、面粗さを０．０１μm以下に仕上げる表面研磨工程を実施する。この表面研磨工程は、図６の(a)に示す研磨装置５を用いて実施する。図６の(a)に示す研磨装置５は、被加工物を保持するチャックテーブル５１と、該チャックテーブル５１に保持された被加工物を研磨する研磨手段５２を具備している。チャックテーブル５１は、上面に被加工物を吸引保持し図６の(a)において矢印５１aで示す方向に回転せしめられる。研磨手段５２は、スピンドルハウジング５２１と、該スピンドルハウジング５２１に回転自在に支持され図示しない回転駆動機構によって回転せしめられる回転スピンドル５２２と、該回転スピンドル５２２の下端に装着されたマウンター５２３と、該マウンター５２３の下面に取り付けられた研磨工具５２４とを具備している。この研磨工具５２４は、円板状の基台５２５と、該基台５２５の下面に装着された研磨パッド５２６とからなっており、基台５２５がマウンター５２３の下面に締結ボルト５２７によって取り付けられている。なお、研磨パッド５２６は、シリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドを用いることが重要である。この研磨パッド５２６は、例えば粒径が５０μm以下のシリカ(SiO2)粒子と粒径が５００μm以下のニトリルゴム(NBR)粒子を重量比で９５〜７０：５〜３０の割合で混合し、このシリカ(SiO2)粒子とニトリルゴム(NBR)粒子との混合物を２００〜１２００N／cm2の成型圧力で圧縮成型した状態で、１５０〜１９０℃の焼結温度で４〜１０時間焼結することによって形成すことができる。また、研磨パッド５２６は、直径が被加工物としてのサファイア基板２の直径より大きい値に形成されている。
上述した研磨装置５を用いて上記表面研磨工程を実施するには、図６の(a)に示すようにチャックテーブル５１の上面（保持面）に上記第２の研削工程が実施されたサファイア基板２の裏面２b側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル５１上にサファイア基板２を吸着保持する（サファイア基板保持工程）。従って、チャックテーブル５１上に保持されたサファイア基板２は、表面２aが上側となる。このようにチャックテーブル５１上にサファイア基板２を吸引保持したならば、チャックテーブル５１を図６の(a)において矢印５１aで示す方向に例えば６０ｒｐｍで回転しつつ、研磨手段５２の研磨工具５２４を図６の(a)において矢印５２４aで示す方向に例えば１２００ｒｐｍで回転せしめて図６の(ｂ)に示すように研磨パッド５２６を被加工面であるサファイア基板２の表面２aに接触せしめ、所定の圧力（例えば、１００N）で押圧して乾式研磨する。この表面研磨工程においては、研磨パッド５２６とサファイア基板２は、互いの回転中心が偏芯した状態で研磨パッド５２６の研磨面（下面）がサファイア基板２の被加工面である表面２aの全面に接触するように位置付けられる。このように、シリカ(SiO2)粒子をゴム粒子で固めた研磨パッド５２６によってサファイア(AlO3)基板２を研磨すると、シリカ(SiO2)とサファイア(AlO3)が反応して粉末状のムライト（SiO2AlO3）が生成されことにより、サファイア基板２の表面２aが研磨され、表面２aに生成された加工歪が除去されるとともに、表面２aは面粗さが０．０００２μm以下の平滑面に形成することができる。本発明者等の実験によると、上述した表面研磨工程を実施することにより１分間に０．６μm（０．６μm／分）研磨することができ、サファイア基板の表面から３μm研磨すると面粗さを０．０００２μmの平滑面に形成することができた。従って、上述した表面研磨工程を５分間実施することによりサファイア基板の表面を面粗さが０．０００２μmの平滑面に仕上げることができる。一方、CMPは加工速度が０．０６μm／分であるため、サファイア基板の表面を３μmCMP加工するために５０分の加工時間を要する。このように本発明による研磨加工を実施することにより、加工時間をCMPの１０分の１に短縮することができる。
なお、上述した第２の研削工程が実施されたサファイア基板２は、上述したように表面２aを研磨すると表面２a側が凹状に反り返る傾向があるため、裏面２bも研磨することが望ましい。このサファイア基板２の裏面２bを研磨する裏面研磨工程は、上記図６の(a)に示す研磨装置５を用いて実施する。なお、裏面研磨工程を実施するに際しては、上述した表面研磨工程が実施されたサファイア基板２の表面２aを保護するために、図７に示すようにサファイア基板２の表面２aに保護テープ６を貼着する（保護テープ貼着工程）。
上述した保護テープ貼着工程を実施したならば、上記裏面研磨工程を実施する。裏面研磨工程は、図８の(a)に示すようにチャックテーブル５１の上面（保持面）にサファイア基板２の表面２aに貼着された保護テープ６側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル５１上に保護テープ６を介してサファイア基板２を吸着保持する（サファイア基板保持工程）。従って、チャックテーブル５１上に保持されたサファイア基板２は、裏面２bが上側となる。このようにチャックテーブル５１上に保護テープ６を介してサファイア基板２を吸引保持したならば、上記表面研磨工程と同様にチャックテーブル５１を図８の(a)において矢印５１aで示す方向に例えば６０ｒｐｍで回転しつつ、研磨手段５２の研磨工具５２４を図８の(a)において矢印５２４aで示す方向に例えば１２００ｒｐｍで回転せしめて図８の(ｂ)に示すように研磨パッド５２６を被加工面であるサファイア基板２の裏面２bに接触せしめ、所定の圧力（例えば、１００N）で押圧して乾式研磨する。なお、この裏面研磨工程も上記仕上げ工程と同様に、研磨パッド５２６とサファイア基板２は、互いの回転中心が偏芯した状態で研磨パッド５２６の研磨面（下面）がサファイア基板２の被加工面である裏面２bの全面に接触するように位置付けられる。この結果、サファイア基板２の裏面２bが研磨され裏面２bに生成された研削歪が除去されるとともに、上記仕上げ工程と同様に裏面２bは面粗さが０．０００２μm以下の平滑面に形成される。このように、裏面研磨工程を実施してサファイア基板２の裏面２bに生成された研削歪を除去することにより、サファイア基板２に反り返りが発生することを防止できる。
以上のようにして表面および裏面が研磨されたサファイア基板２は、表面に光デバイス層を積層して形成する光デバイス層形成工程に搬送される。
上述したサファイア基板の加工方法においては、サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板の表面または裏面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の表面および裏面を研削してサファイア基板の表面および裏面のうねりを除去して均一な厚みに形成し、その後、サファイア基板の裏面側を研磨装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の表面をシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨し（表面研磨工程）、面粗さを０．０１μm以下に仕上げるので、ラッピング、ポリッシングおよびCMPのように遊離砥粒、化学的なエッチング液およびこれらの廃棄処理が不要となり、生産性を向上することができる。特に、表面研磨工程においてはシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨するので、研磨パッドのシリカ(SiO2)とサファイア(AlO3)が反応して粉末状のムライト（SiO2AlO3）が生成されことにより、サファイア基板の表面の面粗さを０．０１μm以下の平滑面に短時間（ＣＭＰの１０分の１）で形成することができる。本発明者等の実験によると、面粗さが０．０００２μmに仕上がったサファイア基板の被加工面をシリカ粒子を研磨剤としてＣＭＰ加工すると、１０秒程度の短時間でサファイア基板の被加工面の面粗さを０．０００１μmに仕上げることが確認された。従って、本発明による加工方法とＣＭＰを併用しても５分１０秒の加工時間でサファイア基板の被加工面を０．０００１μmの面粗さに仕上げることができる。
２：サファイア基板
３：サブストレート
４：研削装置
４１：研削装置のチャックテーブル
４２：研削手段
４２４：研削ホイール
４２６：研削砥石
５：研磨装置
５１：研磨装置のチャックテーブル
５２：研磨手段
５２４：研磨工具
５２６：研磨パッド
６：保護テープ
３：サブストレート
４：研削装置
４１：研削装置のチャックテーブル
４２：研削手段
４２４：研削ホイール
４２６：研削砥石
５：研磨装置
５１：研磨装置のチャックテーブル
５２：研磨手段
５２４：研磨工具
５２６：研磨パッド
６：保護テープ
Claims (1)
- 表面に光デバイス層が積層される基板となるサファイア基板の加工方法であって、
サファイアインゴットから切り出されたサファイア基板の一方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の他方の面を研削し、サファイア基板の他方の面のうねりを除去する第１の研削工程と、
該第１の研削工程が実施されたサファイア基板の他方の面側を研削装置のチャックテーブルに保持してサファイア基板の一方の面を研削し、サファイア基板の一方の面のうねりを除去する第２の研削工程と、
該第２の研削工程が実施されたサファイア基板の一方の面または他方の面を裏面として研磨装置のチャックテーブルに保持し、サファイア基板の表面をシリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドによって乾式研磨し、面粗さを０．０１μm以下に仕上げる表面研磨工程と、
該表面研磨工程が実施されたサファイア基板の表面側を研磨装置のチャックテーブルに保持し、該研磨パッドによって乾式研磨し、研削歪を除去する裏面研磨工程と、を含む、
ことを特徴とするサファイア基板の加工方法。
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