JPS5972730A - 半導体単結晶の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は水平式ブリッジマン法（ＨＢ）で結晶成長さ
せた化合物半導体から、簡略化された工程によって、歩
留シ良く、円形ウェーハを加工する化合物半導体単結晶
の加工方法に関する。

に）従来技術 ＧａＡｓ　、　ＧａＰ　、　ＩｎＰ　、　ＩｎＳｂ　、
　ＧａＳｂ、　ＩｎＡｓなどの化合物半導体単結晶の製
造方法には、大別して、水平式プ°リッジマン法（ＨＢ
）と、チョコラルスキー法（ＣＺ）とがある。

例えばＧａＡｓについて説明する。ＣＺ法では、ＧａＡ
ｓ融液から、＜１００＞方向に結晶を引上げてゆくので
、（１００）面のウェーハを加工するには、インゴット
を成長方向忙対し垂直方向にスライスすればよい。

水平式ブリッジマン法（ＨＢ）は、石英ポート内に原料
を真空封入し、Ａｓの蒸気圧を制御しながら水平方向に
結晶成長させるものである。ＨＢ法は、結晶成長時の諸
条件の制御が容易でめるため、転位密度の少い高品質の
結晶製造に適している。

このため急激な需要増が見込まれている。

ところが、ＨＢ法では、面断面が半円形である石英ポー
トで製造されるから、結晶の面断面は円形ではなく、半
円形に近いＤ形となる。

一方、ＧａＡＳウェーハから、各種のデバイヌを作る迄
の諸加工設備は、シリコンウェーハ用として市販されて
いる設備を転用している事が多い。これら設備の大半は
、ハンドリング性の良い円形ウェーハを処理する機構と
なっている。

このような理由で、ＨＢ法で製造された高品質のＤ型Ｇ
ａＡｓ単結晶ウェーハをそのまま使うのではなく、円形
ウェーハの加工、供給のニーズは高く、ウェーハの１円
形化率は益々高くなる傾向にある。

現在、ＨＢ法で製造された化合物半導体インゴットから
、円形ウェーハを作製するには、次のような手順で行わ
れている。

まず、インゴットを、所望の面指数のウェーハを得るこ
とのできる角度でスライスし、Ｄ［のウェーハを得る。

次にこれらＤ型ウェーハを重ね合せて接着剤で接着し、
一括して円形加工を行う。

円形化した後、接着剤を除去し、ウェーハごとに剥離し
、洗浄する。

たとえば、＜１１１＞方向にＨＢ法で結晶成長させたＧ
ａＡｓインゴットから、（１００）面方位を持つ円形ウ
ェーハを得たいとする。第１図に示すよう、に、インゴ
ット１の成長方向に対し、法線が５４．７°をなす面で
スライスすると、第２図に示すＤ形の（１００）面ウェ
ーハ２を得る。ウェーハ２の深さは、インゴット１の深
さに比べて’／（ｌｌｌｓ５４．７　’倍だけ深く彦る
。このようにスライスされたＤ形つェーハを多数枚接着
してＤ形つェーハの集合体を作る。次に、Ｄ形の余分な
側部を研削して円形に加工する。

このような円形ウェーハの加工は次の難点があった。

（１）作業性が悪い。

インゴットをスライスした後、円形化までの工程数が多
いからである。

（１１）　　ウェーハの回収率が悪い。

ウェーバにしてから、さらに円形加工するので、機械的
に弱く、ワレやウェーハ周辺のカケ等が発生しやすい。

０１Ｄ　　加工精度が悪い。

ウェーハ接着（集合）の精度が悪い。

このためオリエンテーションフラット（ＯＦ）の長さな
どにバラツキが多い。

１１１／ＩＨＢ法で製造した単結晶をスライスする場合
ＣＺ法の単結晶をスライスする場合に比べてより大型の
設備（ヌラインングマシン）を必要とする。第３図、第
４図はそれぞれＨＢ法、ＣＺ法で製造したウェーハの断
面を示す。ＨＢ法によるウェーハはＤ形、Ｃ２法による
ウェーハは円形である。同一寸法の円形ウェーハを切シ
取る場合で比較すると、ＨＢ法によるＤ形つェーハの場
合、ロスになる部分Ｗをもスライスしなければならない
。設備が大型化し、かつ加工時間も長くなる。

（（イ）　本発明の単結晶の加工方法 本発明は、このような従来技術の難点を解決するもので
、例えば、インゴットを面方位（１００）のＤ型ウェー
ハにスライスしてから円形に加工するのではなく、イン
ゴットを楕円柱状に外周加工し、これを斜めにスライス
して円形のウェーハを得ようとするものである。

本発明の加工方法は、次のようである。

（１）　ＨＢ法による結晶成長の方向と、要求されるウ
ェーハの面方位のなす角をθとする時、インゴットを外
周加工して、長辺（長径）と短辺（短径）の比が１八〇
であるような楕円柱を製作する。

（１１）楕円柱を要求された面方位に一致するようスラ
イスする。こうすると、楕円の短軸と角θをなス方向に
インゴットをスライスすることになシ、円形のウェーハ
が得られる。

０１０　　実際には、短軸方向に、ウェーハの厚み分だ
け余分に大きくした楕円柱とし、円形ウェー！Ｘにした
後、この部分を面取りして除去すると、ウェーハ端のナ
イフ状エッヂの部分がなくなり、更に効果的である。

ＨＢ法で成長させた結晶方位を（ｌ　ｍ　ｎ　）とする
。所望の円形ウェーハの面方位を（αβγ）とする。例
えば、インゴットの自由面、すなわち」二水平面に平行
な方向にＸ軸をとる。又自由面に対し直角にＹ軸をとり
、成長方向にＺ軸をとったとする。

Ｚ軸は（１ｍ　ｎ　）方向である。くαβγ〉方向は７
２面内に含まれるように結晶成長している。

これは従来方法でも同様である。

ウェーハの法線方向くαβγ〉と、結晶成長の方向（１
ｍ　ｎ　）のなす角をθとするので、である。

次に、インゴットを外周加工して、Ｘ軸を長軸、Ｙ軸を
短軸とする楕円柱とする。短軸と長軸の比は、大略部θ
に等しい。このような楕円で、インゴット直断面内で、
最大になるように楕円の寸法を決定してから外周加工す
る。

後に削シ取らねばならないから、長軸がＲ１短軸がＲｃ
ｏｓθ十（ｄｓｉｎθ）／２となる楕円柱をインゴット
から外周加工して製作する。

よシ一般的に表現すると、ＨＢ法で結晶成長させた化合
物半導体インゴットの中に、所望の面方位の円形ウェー
ハを考え、この円形ウェーハのいずれかに接し、結晶成
長方向（Ｚ軸）に平行な直線群を母線とする楕円柱を外
周加工して製作する、という事である。

第５図はＨＢ法で成長させたＤ字断面のインゴットと、
その中に想定された所望方位の円形ウェーハと、ウェー
ハに接する母線群ｍを示す斜視図である。

具体的に説明する。

ＨＢ法で、＜１１１＞方向に結晶成長したＧａＡｓイン
ゴットを考える。自由面にほぼ垂直なく　２１１　＞方
位を求めこれをＹ軸とする。結晶成長の方向をＺ軸とし
、Ｙ、ｚ軸に直角になるようＸ軸を取る。

Ｘ軸は自由面にほぼ平行である。例えば面方位（１００
）の円形ウェーハを得るには、（１）式で（１ｍｎ）＝
＜１１１＞、〈αβ７”＞＝＜１００＞とじて、θ＝　
５４．７°を得る。そこで第６図に示すように、インゴ
ット断面（Ｘ７面）中に、長軸がＲ１短軸がＲｃｏｓ５
４，７°＋（ｄ／　）ｓｉｎ５４．７°となるような楕
円を考える。楕円は無数に考えられるが、この内、最大
に近いものを採用する。

楕円Ｑが決定されると、インゴットの外周を削シ落すこ
とによシ、楕円柱Ｑを製作する。外周加工された楕円柱
Ｑを、短軸に対して、５４．７°の傾斜角をなす斜面に
沿って、゛厚みｄでスライスする。

すると第８図に示すような、はぼ円柱のウェーハ３を得
る。これは短軸方向にエツジ部分Ｅが残っているので、
これを面取りする。すると真円のウェーハを得ることが
できる。第９図はこれを示す。

（つ）　　ＧａＡｓについての実施例 不純物として、元素Ｓｉを１×１０１８ｃＩＩＩ　　程
度ドープし、方位＜１１１＞で成長させたＨＢ法ＧａＡ
ｓ単結晶について本発明を実施した例について述べる。

第１０図にインゴットの斜視図を示す。

インゴットの形状は、幅約６６ｍ、高さが約３２鮒、長
さが３００朋であった。インゴットの両端は、結晶の成
長方向（Ｚ軸とする）に対してほぼ垂直な方向に切断し
である。Ｚ軸に直角な面に於て、ＸＹ軸を次のように決
める。すなわち、インゴットの自由面に平行にＸ軸、こ
れと直角にＹ軸をとる。

第１０図ニ於テ、Ｚ軸Ｕ＜Ｔｔ＋＞方向、Ｘｗａは＜０
１１＞方向、Ｙ軸は＜２１１＞方向に近接しているが、
必ずしも一致しない。

Ｘ線回折等で実測したところ、インゴットの＜１１１＞
方向はｚ軸と一致しておらず、約２．２゜ずれているの
が分った。＜１１１＞方向は、Ｚ軸から、Ｘ軸方向にΔ
θ　＝１’、Ｙ軸方向にΔθｙ＝２°傾いていた。

もしもＺ軸と＜１１１＞方向が一致しているとすれば、
＜１００＞方向はＺ軸＜１１１＞と５４．７８の角を成
しＹＺ平面内にあるはずであるから、＜１００＞方向は
、Ｘ軸＜１１１＞と１２５．８°の角を成す。

ところが＜１１１＞方向は、Ｘ軸から、ずれており、Ｘ
軸方向へ１０、Ｙ軸方向へ２°傾いている。

したがって＜１００＞方向は、Ｘ軸からＹ軸方向軸方向
へ傾いていることになる。

ＺＹ平面よりのズレの影響は小さくて無視できるので、
＜１００＞方向と結晶成長方向ＺＺ軸との挟角の余弦は
ほぼＣｍ　１２７．８°に等しい。

インゴットの断面寸法（幅６６闘、高さが３２請の略Ｄ
ｆｆｉｌ）内に４ｂ、Ｘ軸方向に長径Ｒ，Ｙ軸方向に短
径−Ｒ［ＸＩＳ　１２７．８°を持つ楕円を考える。

そのような楕円で、最大に近いもののひとつとして、長
径ａ（＝Ｒ）７）Ｅ２５．Ｑ闘短径ｂ　７＞Ｅ　１５．
８　ｒａｍとなるものが想到される。

そこで、第１１図に示すように、インゴットの両端面（
Ｘ７面）に、長径ａ、短径すの楕円を描く。

次に楕円の外側の部分を外周加工によって除去する。

第１２図はこのようにして、外周加工した後の楕円柱の
斜視図である。

既に述べたように、＜１００＞方向は、ＺＹ平而面、Ｘ
軸から１２７．３°、つまシＺ軸から５２．７°の角を
なし、さらにＺＹ平面からＸ軸方向へ１°傾いているこ
とがわかっている。

そこで＜１００＞方向に垂直な面で、インゴットを、厚
さｄになるようにスライスしてゆく。

すると、第１３図に示すような円形ウェーハを得る。こ
のウェーハは直径５０酊の上面、下面を有するほぼ円形
のウェーハであるが、両端に、約０．７６闘のナイフ状
のエツジ部分Ｅが残った。

ウェーハの加工プロミスでは、エツジ部分Ｅが、製品歩
留シに悪影響を及ぼす。

そこで、エツジ部分Ｅを面取シを行う必要がある。しか
し、面取シをすると、削られた分だけ直径が減少するの
で、ウェーハは真円ではなく、楕円形になる。

とれる避けるためには、エツジになる部分を、（１１） 面取部分だけ大きくして楕円形状を決めれば良い。

ウェーハ厚みをｄとして、短軸方向を−ｓｉｎ　Ｏだけ
余分に長くしておけば良い。ここでθは、ＺＺ軸と、＜
１００＞の方向の挟角で、この例では５６．７゜である
。

（勾（ｌｏｅ）而よシずれたウェーハ の場合 インゴットの成長方向は＜１１１＞であるが、面方位は
（１００）ではなく、これからθ〜１０’程度ずれたも
のを考える。そのような円形ウェーハを得るにも、本発
明の方法は有効である。第１４図にその斜視図を示す。

所望の円形ウェーハの面方位を（αβγ）とする。

インゴットに対し、これまでと同じようにＸ１Ｙ１２軸
をとったとする。インゴットの断面（ＸＹ而）に於て、
ウェーハ（αβγ）を取るために、楕円柱を想定すれば
良いという点は変らない。しかし、この楕円は、もはや
Ｘ軸に長軸、Ｙ軸に短軸が対応するのではない、傾いて
くる。

（Ｉピノ 傾き角φと、長軸、短軸の比を求める。

インゴットに対して取ったｘ、ｙ、ｚ軸はＸ軸が＜０１
１＞、Ｙ軸かく２〒丁〉、Ｘ軸が＜　１１１　＞である
。

ウェーハの法線くαβγ〉が、ｘ、ｙ、ｚ軸となす角を
θ工、θ７．０２とすると、 となる。ただし、 Δ＝α２＋β２　＋γ２（５） インゴットの断面はＸ７面であるから、円形ウェーハ（
αβγ）の長軸、短軸比はθだけで決まシ、部θに等し
い。

２ さらに、長軸、短軸がＸ軸、Ｙ軸からφだけ傾いている
とすると、との正接は で与えられる。

最も単純な例（αβγ）＝（１００）についてはたびた
び説明したが、この場合、（４）よシ長短軸比ｉｄ　’
／　−、傾き角φはＯである。

３ 例えば、（αβγ）＝（８１１）の円形ウェーハを得る
には、傾き角φが０°で、長短軸比が０．８７０となる
ような、楕円柱をインゴットから外周加工し、ｚ軸と６
０．４°をなす面でスライスすれば良い。

例えば、（αβγ）＝（２ｔｔ）の円形ウェーハを得る
には、傾き角φが０°で、長短軸比が０．９４２となる
ような楕円柱をインゴットから外周加工し、ｚ軸と７０
．５°をなす面でスライスすれば良いこと（１５） 例えば、（αβγ）＝（４２１）の円形ウェーハを本発
明によって得るには、傾き角φが１１．８゜で、長短軸
比が０．８８２の楕円柱をインゴットから外周加工して
製作する。ここで傾き角φは、ＸＹ平而面於て反時計廻
りに測ったものである。こうして製作された楕円柱を、
ｚ軸とＣＩ）Ｓ　Ｏ，８８２＝銘、１゜をなし、かつ長
軸と平行な而でスライスすれば良い。

以上のように、インゴットの成長方向が＜１１１＞であ
るとき、任意の面方位（αβγ）を有するウェーハを切
シだすには、本発明に於て、（４）〜（６）式によシ決
まる、傾き角φ、長短軸比部θに従って加工すれば良い
。

（４）角形ウェーハを取シたい場合 以上は、円形ウェーハを製作する場合であったが、角形
ウェーハを製作する場合も本発明を適用できる。

この場合も全く同様で、インゴットにＸ軸、Ｙ（１６） 軸をとる時、長短軸比、傾き角φを（４）〜（６）式で
求めて、インゴット断面に楕円を描く。避らに長軸を半
径とする円を描く。円に内接する所望形状の角形ウェー
ハを作る。接点から長軸に垂線を下し、この垂線が楕円
と交わる点を求める。交点を結ぶ。

こうしてできた図形を、インゴット両端面に描き、余分
なものを除いて、角柱状とする。これを長軸に平行で、
ｚ軸に対しく９０°−〇　）をなす傾斜角をなす面でス
ライスする。所望の面方位（αβγ）の角形ウェーハが
できる。

第１５図はこのような手順を示す略断面図である。

（９）成長方向（１ｍ　ｎ　）が任意の場合これまで説
明したものは、化合物半導体のＨＢ法による結晶成長の
方向が＜１１１＞方向のものであった。実施例について
挙げたものは、これから、僅にずれたものであったにす
ぎない。

本発明は、インゴットの成長方向（１ｍ　ｎ　）が、＜
１１１＞に限らず、任意のものにも等しく適用できるも
のである。

Ｚ′軸を（１ｍ　ｎ　）、Ｘ軸を＜ｐ　ｑ　ｒ＞、Ｙ軸
を（ｓ　ｔ　ｕ　）とする。これらの値は、インゴット
によシ、一意的に決まっている。但し、これらの数値に
は直交条件と、ｘ、ｙ、ｚが右手系をなす、という条件
が課されている。

製作したい円形ウェーハの面方位（αβγ）に対し、ウ
ェーハの法線はくαβγ〉である。法線とｘ、ｙ、ｚ軸
となす角をθ　、θ、θ　とすると、ｙｚ （２）〜（４）式を一般化して、 という式が成立する。Δは（５）式の値である。

長軸、短軸比は四〇に等しい。

２ 長軸、短軸がＸ軸、Ｙ軸より反時計廻シにφだけ傾いて
いるとする。傾き角φは によって求められる。

頷き角φと、長短軸比部θを知って、インボット中に対
応する楕円を想定することができる。

より一般的に、エツジも含めて、 （り傾き角φをなすよう、Ｘ７面で長軸、短軸の方向を
決定し、 （Ｉｔ）　　長軸をＲ１短軸をＲｃｏｓθ−４−−Ｔ−
ｄ　ｓｍθ２となるような楕円をインゴット断面に描き
、（曲　この楕円を通シ、結晶成長方向に平行線群を引
き、この平行線群を母線とするような楕円柱を切シ抜く
ように、外周加工し、 （Ｉｉｉｌｌ　　長軸に平行で、結晶成長方向（Ｚ軸）
と（９００−θ）をなす方向に、インゴットをスライス
する、 （ｖ）　　ウェーハのエッヂを面取フ加工によって除去
する。

ことによシ、所望の面方位の円形ウェーハを製作するこ
とができる。

に）本発明の効果 本発明は次のような効果を挙げることができる。

（１）　　インゴットからウェーハを得る時の回収率が
高い。ウェーハ単位で行う工程が短縮されるので、ハン
ドリング不良による損失が減るためである。

（１１）　　従来法のようにＤ５断面のインゴットをス
ライスするのではなく、ムダな部分を予め除いた楕円柱
を、傾斜面に沿ってスライスするから、効率が良い。

設備がよシ小型のものでよい。

加工能率が向上する。

ブレード等の寿命が延びる。

（１１Ｄ　　製造工程が簡略化される。チョコラルスキ
ー法の場合と同一工程で仕掛品を流せる。チョコ（Ｌプ
ノ ツルヌキ−法で製造したインゴットは、はぼ円柱形であ
るが、外周に凹凸があるので、外周研削して円柱にし、
成長方向と直角な而でスライスして円形ウェーハを製作
する。本発明によると、ＨＢ法で製造されたインゴット
からほぼ同じ手法によって、円形ウェーハを作製できる
ようになる。

６１１０　　円形ウェーハだけでなく、矩形ウェーハや
不特定の形状のものにも応用することができる。

（ｖ）　　円形に近い形でスライスされるため、チョコ
ラルヌキー法によって製造されたウェーハと同じように
、スライス工程以降の工程が、自動化できる。

汐）　　用　　　　　途 この発明は、ＨＢ法で結晶成長させられる全ての化合物
半導体に適用することができる。

ＧａＡｓ　、　ＧａＰ　、　ＩｎＰ　１１ｎＳｂ　１Ｇ
ａＳｂ　、　ＩｎＡｓなどの化合物半導体に本発明を応
用できる。

（２））

【図面の簡単な説明】

第１図は水平式ブリッジマン法で結晶成長させた結晶の
側面図。 第２図は＜１１１＞方向へ成長させたインゴットから、
＜１１１＞方向に対し５４．７°の角度をなす直線を法
線とする０字型（１００）ウェーハを切出した場合のウ
ェーハ平面図。 第３図はＤ字型ウェーハから、円形ウェーハを取る場合
、円形ウェーハと、Ｄ字型ウェーハの包含関係を示すウ
ェーハ平面図。 第４図はＣＺ法による円形ウェーハ平面図。 第５図はＨＢ法で成長させたＤ字断面のインゴットと、
その中に想定された所望方位の円形ウェーハと、ウェー
ハに接する母線群ｍを示す斜視図。 第６図はＤ字型インゴットの直断面に於て、長軸をＲ１
短軸をＲｃｏｓθとする楕円を描いたものの端面図。 第７図は楕円柱Ｑから、これを斜めにスライスして円形
ウェーハを作製する状態を示す斜視図。 第８図はスライスされてできたエツジ部分を有するウェ
ーハ斜視図。 第９図はエツジを面取シしたウェーハ斜視図。 第１０図は＜１１１＞方位に成長させたＧａＡｓインゴ
ットの端面を切断したものの斜視図。Ｚ軸は成長方向、
Ｘ軸は自由面に平行、Ｙ軸は自由面に直角になるように
座標系をとっている。 第１１図はＤ字形インゴットの端面に長軸ａ、短軸すの
楕円を描出したものの端面図。 第１２図は外周加工されて製造された楕円柱に於て、＜
１００＞方向などを示す斜視図。 第１３図は直径５０門にヌライヌされた円形ウェーハの
平面図。両端にエツジが残っている。 第１４図はインゴットの成長方向が＜１１１）であって
、円形ウェーハの面方位（αβγ）が任意である場合の
、ウェーハ面を決定するだめの説明斜視図。 第１５図は角形ウェーハを、ＨＢ法で成長させたインゴ
ットから製作する場合の外周加工の範囲を示すための説
明図。 １〜・・・・・・・・　インゴット ２　　・・・・・・・・・　　（１（１０）面で切った
ウェーハ３　・・・・・・・・・　円形ウェーハ発　　
明　　者　　　　　　吉　　武　　奉　　文人　　山　
　佳　　伸 山　　　口　　　　　　　順 今　　岡　　　　　　茂 特許出願人　　住友電気工業株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）水平式ブリッジマン法で（１ｍ　ｎ　）方向へ結
   晶成長させた化合物半導体のインゴットの中に、所望の
   面方位（αβγ）の所望の形状のウェーハを想定し、こ
   のウェーハの辺ニ接し、結晶成長方向（１ｍ　ｎ　）に
   平行な直線群を母線とする柱状体を、インゴットから外
   周加工した後、所望の面方位（αβγ）にスライスする
   事を特徴とする半導体単結晶の加工方法。
2. （２）成長方向が＜１１１＞であシ、所望の面方位が（
   １００）である円形のウェーハを想定し、インゴットか
   ら、長軸がＲ１短軸がＲＱ）Ｓ　５４．７°とした楕円
   柱を外周加工することとした特許請求の範囲第（１）項
   記載の半導体単結晶の加工方法。
3. （３）　　ウェーハが矩形ウェーハであシ、角形柱をイ
   ンゴットから外周加工する事とした特許請求の範囲第（
   １）項記載の半導体単結晶の加工方法。