專利名稱：氮化物半導(dǎo)體襯底和氮化物半導(dǎo)體襯底的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可作為藍(lán)色發(fā)光元件的襯底而利用的單晶氮化物半導(dǎo)體襯底的翹曲、面的平滑度。
背景技術(shù)：
國(guó)際專利公開(kāi)WO99/23693[專利文獻(xiàn)2]特開(kāi)2000-22212(特愿平10-183446號(hào))[專利文獻(xiàn)3]特開(kāi)2000-12900(特愿平10-171276號(hào))[非專利文獻(xiàn)1]碓井彰的“基于氫化物VPE的厚膜GaN結(jié)晶的生長(zhǎng)”，電子信息通信學(xué)會(huì)論文志vol.J81-C-II，No.1，P58-64(1998年1月)[非專利文獻(xiàn)2]Kensaku Motoki，Takuji Okahisa，Naoki Matsumoto，Masato Matsushima，Hiroya Kimura，Hitoshi Kasai，Kikurou Takemoto，Koji Uematsu，Tetsuya Hirano，Masahiro Nakayama，Seiji Nakahata，MasakiUeno，Daijirou Hara，YoshinaoKumagai，Akinori Koukitu and Hisashi Seki，“Preparation of LargeFreestanding GaN Subtrates by Hydride Vapor PhaseEpitaxy Using GaAs As a StartingSubstrate”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.40(2001)ppL140-143。
特開(kāi)2001-102307(特愿平11-273882號(hào))[專利文獻(xiàn)5]特愿2002-230925(2002年8月8日)[專利文獻(xiàn)6]特開(kāi)平10-166259(特愿平8-332120號(hào))[非專利文獻(xiàn)3]J.A.Bardwell，J.B.Webbb，H.Tang，J.Fraser and S.Moisa，“Ultraviolet photoenhanced wet etching of GaN in K2S208solution”，J.Appl.Phys.vo.89.No.7，p4142-4149(2001)[專利文獻(xiàn)7]特開(kāi)2002-356398(特愿2001-166904)[非專利文獻(xiàn)4]J.L.Weyher，S.Muller，I.Grzegoryand S.Porowski，“Chemical polishing of bulk and epitaxial GaN”，Journal of CrystalGrowth182(1997)17-22目前作為藍(lán)色LED、藍(lán)色LD的襯底，使用藍(lán)寶石單晶，并在其上使GaN、InGaN薄膜等外延生長(zhǎng)。并且，在GaN的外延生長(zhǎng)膜上使n型p型的InGaN或GaN的薄層生長(zhǎng)，形成器件。藍(lán)寶石襯底容易取得，也有作為藍(lán)色LED襯底的長(zhǎng)期實(shí)際成績(jī)?？墒牵?yàn)樗{(lán)寶石是絕緣體，所以無(wú)法在襯底的背面形成n電極。構(gòu)成在藍(lán)寶石襯底之上附加導(dǎo)電性的n-GaN以在上表面上設(shè)置n電極的構(gòu)造。
這是需要很大表面的構(gòu)造，很難縮小尺寸。此外，藍(lán)寶石在機(jī)械方面極硬，沒(méi)有劈開(kāi)性，所以需要利用機(jī)械的切割方法切出芯片，而這將使成本提高，成品率下降。此外，由于藍(lán)寶石襯底和GaN膜的晶格不匹配，發(fā)生很多錯(cuò)位，使元件的發(fā)光特性惡劣。因此，作為InGaN類的藍(lán)色發(fā)光元件的襯底，強(qiáng)烈希望與外延生長(zhǎng)膜同種材料的GaN單晶襯底。
因?yàn)椴淮嬖贕aN單晶襯底，所以在異種襯底之上使GaN生長(zhǎng)。作為異種襯底，此前使用的有藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、GaAs襯底、尖晶石襯底等。這樣，襯底-外延生長(zhǎng)界面的應(yīng)力過(guò)大，結(jié)晶層剝離，所以使用低溫埋積層，或使用把具有小窗口的掩模安在襯底上，從窗口使結(jié)晶核生長(zhǎng)的橫向生長(zhǎng)法(ELO法Epitaxial Lateral Overgrowth)，謀求應(yīng)力緩和。在專利文獻(xiàn)1～3和非專利文獻(xiàn)1、2中，描述了ELO法。ELO是GaN的薄膜生長(zhǎng)法，無(wú)法生成厚膜。即使用這樣的手法使層疊變厚，結(jié)晶內(nèi)的錯(cuò)位會(huì)過(guò)多，應(yīng)力也大，會(huì)剝離。因此，只用ELO不足以制作厚膜。
專利文獻(xiàn)4中，本申請(qǐng)人開(kāi)始提出了GaN結(jié)晶的晶面生長(zhǎng)法。這種方法不進(jìn)行鏡面生長(zhǎng)而是在維持晶面的狀態(tài)下，使結(jié)晶生長(zhǎng)，使錯(cuò)位集中在晶面上，而將殘余部分成為優(yōu)質(zhì)的單晶。由此，開(kāi)始能制作厚的GaN膜。在專利文獻(xiàn)5中，將本申請(qǐng)人提出的點(diǎn)掩模形成在底層，通過(guò)掩模來(lái)決定晶面生長(zhǎng)的部分，而將之外的部分作為優(yōu)質(zhì)的單晶，可形成厚的自立膜。
當(dāng)為Si半導(dǎo)體時(shí)，除了基于氧化鋁的機(jī)械研磨，還進(jìn)行了使用膠態(tài)硅石和藥液的化學(xué)機(jī)械研磨(CMPChemical Mechanical Polishing)。即使是GaAs，也能進(jìn)行CMP。這是因?yàn)橐阎哂懈g結(jié)晶的作用的藥品?？墒?，藍(lán)寶石和GaN被認(rèn)為是不能進(jìn)行CMP的。
專利文獻(xiàn)6關(guān)于藍(lán)寶石的研磨，首次提出了化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)。可是，關(guān)于成為化學(xué)機(jī)械研磨的主體的藥品，只說(shuō)是堿性溶液，卻未具體說(shuō)明。關(guān)于GaN(0001)面的CMP的文獻(xiàn)，例如在非專利文獻(xiàn)4中，有使用NaOH或KOH溶液的例子，但是對(duì)于高質(zhì)量結(jié)晶GaN，無(wú)法進(jìn)行CMP。
非專利文獻(xiàn)3是通過(guò)過(guò)硫酸鉀對(duì)GaN進(jìn)行濕蝕刻的文獻(xiàn)。
專利文獻(xiàn)7是本發(fā)明者提出的，是對(duì)GaN晶片的周?chē)M(jìn)行磨邊。此前，無(wú)法實(shí)現(xiàn)GaN的自立圓形晶片，但是開(kāi)始能制造了這種GaN的自立圓形晶片，所以對(duì)周?chē)M(jìn)行磨邊，帶上表示方位的OF。是以后描述的形狀加工。
很難說(shuō)制造GaN單晶的技術(shù)已經(jīng)成熟。只是能形成小的自立襯底。雖然根據(jù)制造者而不同，但是50mm直徑(2英寸直徑)的自立GaN單晶襯底還未達(dá)到商業(yè)水平。本申請(qǐng)人能制造50mm直徑(2英寸直徑)的圓形GaN自立襯底(晶片)。因?yàn)樗菆A形、較大，所以適合作為制造發(fā)光器件的襯底?？墒?，還不是能滿足平面的平坦性、翹曲、平滑性等的GaN晶片。由于GaN在化學(xué)上穩(wěn)定、硬、脆，在六方晶GaN表面背面((0001)面(000-1))上存在面方位依存性，所以很難進(jìn)行磨削和研磨加工。
GaN是透明的，所以存在與Si晶片或GaAs晶片不同的面。即使改變表面背面的加工度，一眼看去，也很難區(qū)別表面和背面。
雖然還存在各種問(wèn)題，但在這里列舉翹曲和表面粗糙度。
GaN是六方晶類，圍繞c軸，具有3次對(duì)稱性。因?yàn)闆](méi)有大的GaN結(jié)晶，所以把GaAs(111)單晶作為襯底，在其上同時(shí)使用橫向生長(zhǎng)法和晶面法，使GaN的單晶生長(zhǎng)。然后，除去GaAs的單晶襯底，成為GaN的自立膜。它在表面和背面的性質(zhì)不同，翹曲也大。GaAs和GaN晶格不匹配，存在熱膨脹系數(shù)差，如果除去GaAs，則GaN翹曲。
把向上凸出的翹曲定義為正的翹曲，把向下凸出的翹曲定義為負(fù)的翹曲。通過(guò)通常的磨削和研磨，很難去掉翹曲。單面研磨時(shí)，把晶片的一面安裝在研磨板上，用固定盤(pán)的研磨布?jí)鹤【穆冻鲆粋?cè)的面，使固定盤(pán)和研磨板旋轉(zhuǎn)，一邊注入研磨液，一邊研磨露出面。在安裝時(shí)，因?yàn)槭┘邮孤N曲的晶片釋放翹曲的力，所以，如果把研磨了的晶片從研磨板取下，則按安裝時(shí)施加的力，象原來(lái)那樣翹曲。因此很難通過(guò)研磨釋放翹曲。如果翹曲大，則僅此就很難在工藝中處理，導(dǎo)致破損的概率也升高。此外，當(dāng)掩模曝光時(shí)，存在很難對(duì)焦的問(wèn)題。
當(dāng)兩面同時(shí)研磨時(shí)，把晶片放入具有多個(gè)孔的樣板的孔中，用上下的固定盤(pán)夾住，一邊注入研磨液，一邊使樣板做行星運(yùn)動(dòng)，同時(shí)研磨晶片的上表面和下表面。因?yàn)閺纳舷掳粗哂新N曲的晶片，所以變?yōu)槠教沟臓顟B(tài)，把它磨削后，如果從樣板或固定盤(pán)離開(kāi)，則晶片的翹曲就恢復(fù)原樣。因此，很難從開(kāi)始就具有翹曲的晶片消除翹曲。
還有就是厚度的偏差。如果存在厚度偏差，則在器件的性能中表現(xiàn)出偏差。在整個(gè)晶片中，厚度必須一樣。表現(xiàn)厚度的偏差的方法存在幾種。本發(fā)明中，使用TTV(Total Thickness Variation)的值。TTV是夾著晶片的單面的狀態(tài)下，每一定間隔，就測(cè)定晶片另一方的面的高度，調(diào)查它的偏差。間隔d成為測(cè)定的條件?？梢允莇＝5mm，也可以是d＝1mm。而且，從高度的最大值減去最小值而取得的值是TTV。因此，存在由于觀測(cè)點(diǎn)的間隔而值不同的可能性。本發(fā)明中，測(cè)定排列為d＝0.1mm的格子狀的點(diǎn)的高度。而且，把最大值和最小值的差作為T(mén)TV。
還有一個(gè)是面粗糙度的問(wèn)題。使單面為鏡面，現(xiàn)在使背面為粗糙面。因?yàn)楸趁娌恢谱髌骷?，所以沒(méi)必要是平坦面。在Si和化合物半導(dǎo)體的洗凈中，通常通過(guò)對(duì)表面進(jìn)行氧化還原處理，除去表面的粒子，但是GaN自立晶片在化學(xué)上極惰性，所以在最終洗凈處理步驟中，基于蝕刻的除去是很難的。因此，很難充分除去粒子，特別是當(dāng)背面的粗糙度粗時(shí)，研磨材料或蠟等微小異物很容易進(jìn)入背面的微小凹凸部中，在最終洗凈步驟中，有可能蔓延到表面上，再附著。如圖11所示，背面粗糙度RMS越大，附著在晶片上的粒子數(shù)也增加。此外，GaN自立襯底是硬脆性，容易以背面的凹凸為起點(diǎn)產(chǎn)生裂紋。圖3表示伴隨著GaN襯底的曲率半徑增大，平坦度增加，晶片的裂紋發(fā)生率減少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的自立單晶氮化物半導(dǎo)體晶片中，無(wú)論翹曲數(shù)為一個(gè)(極大點(diǎn)一個(gè))，還是極大點(diǎn)、極小點(diǎn)為多個(gè)，高度的偏移最大值Hm為12μm以下。Hm≤12μm。因?yàn)槁N曲數(shù)是不正確的，所以這里通過(guò)極大點(diǎn)、極小點(diǎn)進(jìn)行描述。例如，如果具有兩個(gè)極大點(diǎn)T1、T2、T3…、極小點(diǎn)K1、K2、K3、…，則成為鞍點(diǎn)型的變形。這時(shí)，使極小點(diǎn)與平面接觸，測(cè)量極大點(diǎn)的高度，該最大值Hm比12μm小。更優(yōu)選最大值Hm為5μm以下。即Hm≤5μm。
當(dāng)極大點(diǎn)只有T1一個(gè)時(shí)，是均勻翹曲(圖6(1)那樣的翹曲)。φ45mm的晶片時(shí)，H＝12μm時(shí)，曲率半徑為R＝21m。φ45mm的晶片時(shí)，對(duì)于H＝5μm，曲率半徑為R＝50m。參照?qǐng)D9說(shuō)明所述這樣的關(guān)系。
因此，在均勻翹曲中，本發(fā)明為(1)Hm≤12μm(φ45mm時(shí))，R≥21m(2)Hm≤5μm(φ45mm時(shí))，R≥50m對(duì)曲率半徑R的限定依存于晶片的尺寸。可是，Hm≤12μm和Hm≤5μm的限定是不依存于翹曲數(shù)的限定。
也有不是均勻翹曲，而具有2個(gè)極值的翹曲。這時(shí)成為在直徑上兩個(gè)極大點(diǎn)和兩個(gè)極小點(diǎn)交替進(jìn)行排列的二重翹曲。
如果極大點(diǎn)、極小點(diǎn)位于同一直線上，問(wèn)題就簡(jiǎn)單了，但是也并不一定如此。有時(shí)也有在晶片上在假定的正方形的頂點(diǎn)上存在極大、極小點(diǎn)的鞍點(diǎn)型情況。這時(shí)在一個(gè)直徑上排列有2個(gè)極小點(diǎn)、3個(gè)極大點(diǎn)，成為三重翹曲。在圖10中表示了形成有具有3個(gè)極小點(diǎn)K1、K2、K3和兩個(gè)極大點(diǎn)T1、T2的復(fù)雜翹曲的晶片。這是有時(shí)會(huì)碰到的、在直徑上排列有5個(gè)極值的情形。如果沿著直徑切所述4點(diǎn)鞍點(diǎn)型，就成為這樣的三重翹曲。這時(shí)，以T1、K2、T2作為翹曲凸部的翹曲存在三個(gè)，所以與一重翹曲相比，即使高度H相同，允許曲率半徑R也大大地減少。直徑變?yōu)?/3，所以對(duì)于相同翹曲高度H，曲率半徑R變?yōu)?/9。因此，對(duì)于Hm≤12μm，R≥2.3m，對(duì)于Hm≤5μm，R≥5.6m。
為了消除翹曲，在上固定盤(pán)上施加與固定盤(pán)自重相匹敵的反壓，在晶片上幾乎不作用負(fù)載的狀態(tài)下(60g/cm2以下，P≤60g/cm2，以下稱作無(wú)負(fù)載)，進(jìn)行粗研磨(磨削)。在晶片上幾乎不作用壓力，在自由狀態(tài)下進(jìn)行粗研磨。因此，把上固定盤(pán)舉起。不是按壓上固定盤(pán)，而是施加提高上抬的力，進(jìn)行磨削。如果這樣，晶片是在自由狀態(tài)、保持翹曲的狀態(tài)下被磨削，所以其向上翹曲的部分由上固定盤(pán)先切削下來(lái)，且向下翹曲的部分由下固定盤(pán)先切削下來(lái)。翹曲的部分減少，漸漸接近平坦。終于翹曲的部分全部消失，成為厚度幾乎一樣、幾乎沒(méi)有翹曲的晶片。無(wú)論是均勻翹曲，還是二重、三重翹曲，都能除去。雖然費(fèi)時(shí)，但是對(duì)去除翹曲是有效的。
本發(fā)明的自立單晶氮化物半導(dǎo)體襯底中，表面粗糙度是RMS5nm以下，優(yōu)選為RMS0.5nm以下。表面粗糙度的下限為RMS0.1nm(0.1nm≤RMS≤5nm，優(yōu)選為0.1nm≤RMS≤0.5nm)。這是從來(lái)自研磨技術(shù)的界限。圖1表示RMS和外延生長(zhǎng)后的組織(morphology)的關(guān)系。存在GaN晶片的RMS越大，外延生長(zhǎng)后的組織越惡化的傾向。此外，因?yàn)橛泊?，所以只用機(jī)械研磨，GaN單晶很難取得平滑面，但是本發(fā)明在精密研磨中，除了磨粒還使用向包含過(guò)氧二硫酸鉀、氫氧化鉀的研磨液照射紫外線的光激勵(lì)方法進(jìn)行CMP。由本發(fā)明者最先發(fā)現(xiàn)了能對(duì)GaN晶片使用化學(xué)機(jī)械研磨。
本發(fā)明的自立單晶氮化物半導(dǎo)體晶片中，背面粗糙度為RMS5000nm以下。背面粗糙度的下限是0.1nm。這是技術(shù)的界限。0.1nm≤RMS≤5000nm。如圖11所示，背面粗糙度RMS越大，粒子就越蔓延到GaN晶片表面，所以粒子數(shù)增加。這也能使用CMP。
本發(fā)明的自立單晶氮化物半導(dǎo)體晶片中，在φ45mm晶片，表面厚度偏差(TTV)為10μm以下。
下面，根據(jù)圖9說(shuō)明將均勻翹曲晶片的翹曲以曲率半徑R表現(xiàn)時(shí)和以晶片的直徑D已被決定時(shí)的中央部高度H表現(xiàn)時(shí)的關(guān)系。晶片直徑為FG＝D。它是以曲率半徑R彎曲的面的一部分，所以O(shè)F＝OM＝OG＝R。D＝FG＝2RsinΘ。晶片的中央部的變形H為MN，但是它變?yōu)镠＝R-RcosΘ＝D2/8R。
它是一個(gè)近似公式，但是D/R極小，所以是誤差小的近似。如果是2英寸晶片，則D＝50mm，所以當(dāng)R＝26m時(shí)，H＝12μm。當(dāng)曲率半徑R＝62m時(shí)，H＝5μm。
在本發(fā)明中，高度H為12μm以下或5μm以下，未規(guī)定翹曲的曲率半徑R。因?yàn)樗蕾囉诰某叽绾吐N曲的模式。即使相同尺寸的晶片，當(dāng)翹曲為二重(極大、極小排列在直徑上)時(shí)，彎曲部的尺寸變?yōu)橐话耄栽试S曲率半徑變?yōu)?/3左右。如果翹曲變?yōu)槿?圖10)，則彎曲部的尺寸變?yōu)?/3，所以允許曲率半徑變?yōu)?/9左右。
此外，當(dāng)均勻翹曲(圖6(1)那樣的翹曲)時(shí)，如圖2所示，曲率半徑R越大，形成抗蝕劑掩模時(shí)的成品率越高。
在異種襯底(例如GaAs)上進(jìn)行氣相生長(zhǎng)而生成的GaN單晶自立膜有翹曲，但是本發(fā)明在低負(fù)載下，用一定的時(shí)間進(jìn)行粗研磨，所以翹曲消失。能使翹曲為曲率半徑R≥26m(在2英寸時(shí)，中央隆起H≤12μm)。此外，如果選擇條件，也能使R≥60m(中央隆起H≤5μm)。
GaN硬脆，所以只由使用了金剛砂、氧化鋁、鉆石磨粒的機(jī)械研磨，很難提高表面平滑度。過(guò)去沒(méi)有GaN的化學(xué)機(jī)械研磨法(CMP)。本發(fā)明者在膠態(tài)硅石的基礎(chǔ)上，首先使用過(guò)氧二硫酸鉀和紫外線，在CMP上獲得了成功。通過(guò)過(guò)氧二硫酸鉀和紫外線，引起化學(xué)反應(yīng)，在化學(xué)、機(jī)械上研磨GaN晶片，所以取得良好的平滑度。雖然在程度上有差異，但是也能應(yīng)用于類似的氮化物半導(dǎo)體的AlGaN、AlN、InN等。
如果背面是粗糙面，則在背面會(huì)附著粒子，但是因背面也平滑，所以不會(huì)發(fā)生這樣的事。因?yàn)楹穸绕頣TV為10μm以下，所以在晶片上制作的器件特性的偏差減小。例如，掩模曝光時(shí)的成品率提高。


下面簡(jiǎn)要說(shuō)明附圖。
圖1是表示在氮化鎵(GaN)單晶片中，如果表面粗糙度(RMS)或TTV增大，則在其晶片上外延生長(zhǎng)的GaN、InGaN等薄膜的組織下降的曲線圖。
圖2是表示在氮化鎵(GaN)單晶片中，如果翹曲減小，則在GaN晶片上形成抗蝕劑掩模時(shí)的成品率變好的曲線圖。橫軸是以曲率半徑(R)表現(xiàn)晶片的翹曲，縱軸表示在該晶片上形成掩模時(shí)的成品率。向上為好，向下為差。
圖3是表示在氮化鎵(GaN)單晶片中，如果翹曲減小，則GaN晶片的裂縫發(fā)生率也減小的曲線圖。橫軸是以曲率半徑(R)表現(xiàn)晶片的翹曲，縱軸表示晶片的裂縫發(fā)生率。
圖4是表示使氮化鎵單晶生長(zhǎng)，并從錠料切出GaN晶片后做成鏡面晶片的步驟的圖。是經(jīng)過(guò)粗加工-形狀加工-粗研磨-精密研磨-洗凈-檢查的流程。
圖5是表示在本發(fā)明的粗研磨中，在GaN晶片上不加按壓力，而是提升上固定盤(pán)，成為低負(fù)載，進(jìn)行粗研磨的狀態(tài)的概略圖。
圖6是在本發(fā)明的粗研磨中，在GaN晶片上不加按壓力，而是提升上固定盤(pán)，成為低負(fù)載，進(jìn)行粗研磨的狀態(tài)的概略圖。(1)是具有向上翹曲的晶片的剖視圖，(2)是表示上凸部ハ和下緣トル被切削，一部分變?yōu)槠教沟那樾蔚钠室晥D，(3)是表示進(jìn)而上凸部ニロ被切削，下緣也再被切削，變?yōu)槠教沟那樾蔚钠室晥D，(4)是表示上凸部消失，下緣也消失，從而變得不存在翹曲的晶片的剖視圖。
圖7是把GaN晶片放入進(jìn)行行星運(yùn)動(dòng)的樣板的孔中，用下固定盤(pán)和上固定盤(pán)夾著，不作用負(fù)載的狀態(tài)下，粗研磨具有翹曲的GaN晶片的情形的剖視圖。
圖8是表示通過(guò)包含過(guò)硫酸鉀和氫氧化鉀和膠態(tài)硅石的研磨液，精密研磨GaN晶片，且在不發(fā)生裂痕或劃痕的前提下，進(jìn)行鏡面加工的狀態(tài)的剖視圖。
圖9是用于說(shuō)明以曲率半徑R表現(xiàn)晶片翹曲時(shí)和作為直徑D通過(guò)中央部的隆起H表現(xiàn)時(shí)的關(guān)系的線圖。
圖10是在某一直徑上具有極大點(diǎn)T1、T2，極小點(diǎn)K1、K2、K3，翹曲變?yōu)槿氐娜貜澢钠室晥D。
圖11是表示在氮化鎵(GaN)單晶片中，如果背面的粗糙度增大，則晶片表面的粒子數(shù)也增加的情形的曲線圖。橫軸以RMS(μm)表現(xiàn)了背面粗糙度，縱軸表示GaN晶片的粒子數(shù)。
圖中2-GaN晶片；3-上固定盤(pán)；4-下固定盤(pán)；7-研磨布；8-研磨布；9-研磨液；20-恒星齒輪；22-樣板；23-內(nèi)齒輪；25-晶片通孔；26-上旋轉(zhuǎn)軸；27-下旋轉(zhuǎn)軸。
具體實(shí)施例方式
此前，圓形的自立GaN晶片的存在是稀少的，所以它的加工法也未確立，但是通過(guò)圖4那樣的步驟，進(jìn)行了GaN晶片的加工。GaN單晶片的加工由粗加工、用于磨邊的形狀加工、2階段的研磨、洗凈、檢查等階段構(gòu)成。
研磨分多個(gè)階段進(jìn)行。大致分為粗研磨(一次研磨)和精密研磨(二次研磨)。粗研磨有數(shù)個(gè)階段，一般研磨速度快，精密研磨由CMP進(jìn)行，研磨速度慢。
為了消除翹曲，通常的研磨是不行的。在本發(fā)明中，為了消除翹曲，粗研磨在60g/cm2以下的低負(fù)載下進(jìn)行。即把具有翹曲的晶片放入上下固定盤(pán)間，不進(jìn)行按壓，使晶片保持自由翹曲的狀態(tài)下進(jìn)行粗研磨。通常的研磨是把晶片夾在下固定盤(pán)和上固定盤(pán)之間，通過(guò)上固定盤(pán)按壓，切削晶片，但是在本發(fā)明中主動(dòng)地把上固定盤(pán)提升，在晶片上幾乎不作用壓力的無(wú)負(fù)載的狀態(tài)下進(jìn)行粗研磨。
圖5是表示該狀態(tài)的概略圖。具有翹曲的晶片2被夾在上固定盤(pán)3和下固定盤(pán)4之間。上固定盤(pán)3和下固定盤(pán)4都是金屬固定盤(pán)，向其間提供研磨液，通過(guò)上固定盤(pán)3和下固定盤(pán)4向順?lè)较蚧蚍聪蛐D(zhuǎn)，粗研磨晶片。研磨液包含金剛砂、氧化鋁、鉆石等游離磨粒。上固定盤(pán)3不作用壓力，相反作用提升力。因此，晶片2保持翹曲而被夾著，只有中央凸部ハ、下方的緣ト、ル接觸固定盤(pán)3、4。因此，只有ハ、ト、ル的部分被切削。漸漸地將上固定盤(pán)的位置下降，使翹曲漸漸減小。速度比一般負(fù)載方式的粗研磨變慢。
圖6表示具有翹曲的GaN晶片被粗研磨的狀態(tài)。開(kāi)始，如圖6(1)的ィロハニホヘトチリヌルヮィ所示，向上凸出。因?yàn)樵跓o(wú)負(fù)載的前提下進(jìn)行粗研磨，所以與上固定盤(pán)接觸的ハ、與下固定盤(pán)接觸的ト、ル被切削。因此，如圖6(2)所示，在上表面中央，形成部分平坦面ニロ，在下表面的周邊部產(chǎn)生環(huán)狀的平坦部ヨタ、レソ。并且將上固定盤(pán)一點(diǎn)一點(diǎn)下降，進(jìn)行無(wú)負(fù)載粗研磨。如果無(wú)負(fù)載粗研磨繼續(xù)，則如圖6(3)所示，上表面的平坦部ノォク進(jìn)一步增加，下表面的環(huán)狀平坦部ナラ、ムゥ也擴(kuò)展。如果加工再進(jìn)一步進(jìn)行，則如圖6(4)所示，上表面變?yōu)槠教姑妤％浈蕙饱?，下表面也變?yōu)楗廿榨偿Д睢?br> 圖5是表示只有1塊晶片時(shí)的原理圖。實(shí)際上，使多塊晶片做行星運(yùn)動(dòng)，同時(shí)粗研磨上下面。圖7是進(jìn)行這樣的行星運(yùn)動(dòng)，粗研磨(磨削)晶片的表面背面的粗研磨裝置的概略圖。這樣的裝置不是新型的，但是為了說(shuō)明不在晶片上作用壓力而進(jìn)行研磨的狀態(tài)，這里進(jìn)行了圖示。上固定盤(pán)3和下固定盤(pán)4上下平行相對(duì)。下固定盤(pán)4通過(guò)下旋轉(zhuǎn)軸27旋轉(zhuǎn)。上固定盤(pán)3通過(guò)上旋轉(zhuǎn)軸26旋轉(zhuǎn)。能把上固定盤(pán)3提升到任意高度。
在上下固定盤(pán)3、4間具有恒星齒輪20、在周邊具有與恒星齒輪嚙合的行星齒輪的多塊樣板22、與樣板22的行星齒輪嚙合的內(nèi)齒輪23。樣板22是樹(shù)脂的薄圓板，但是具有多個(gè)通孔25，把晶片2放入通孔25中。樣板是m塊，如果在一塊樣板上有n個(gè)通孔，就能同時(shí)研磨mn塊晶片。
研磨液由磨粒和潤(rùn)滑液構(gòu)成。是使用金剛砂、氧化鋁、鉆石等磨粒的機(jī)械研磨。一邊把研磨液(在圖7中省略)向固定盤(pán)間供給，一邊使恒星齒輪以Ωs、內(nèi)齒輪以Ωi、上固定盤(pán)以Ωu、下固定盤(pán)以Ωd的角速度旋轉(zhuǎn)(Ω以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正)。雖然未圖示，但是恒星齒輪軸向上或向下延伸，與電機(jī)連接。能使上固定盤(pán)和下固定盤(pán)向相反方向旋轉(zhuǎn)，也能使它們?cè)谕较蛐D(zhuǎn)。內(nèi)齒輪23也能由其他電機(jī)旋轉(zhuǎn)。如果恒星齒輪的齒數(shù)為S，樣板(行星齒輪)的齒數(shù)為P，內(nèi)齒輪的齒數(shù)為I，則如果無(wú)錯(cuò)位，則S+2P＝I。樣板的公轉(zhuǎn)角速度Ωc由SΩs+IΩi＝(S+I)Ωc提供，樣板的自轉(zhuǎn)速度Ωt由PΩt＝IΩi決定。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)Ωu、Ωd、Ωs、Ωi，就能使樣板實(shí)現(xiàn)任意的公轉(zhuǎn)角速度、自轉(zhuǎn)角速度。
重要的是，在上固定盤(pán)3的軸26上作用提升力F，把晶片保持翹曲放入通孔25中，從翹曲凸出的部分切削。一邊使上固定盤(pán)緩慢下降，一邊進(jìn)行研磨，所以漸漸切削了翹曲。
關(guān)于精密研磨(精加工研磨)，為了提高面的平滑度、平坦度，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨。圖8表示該狀態(tài)。為了用GaN進(jìn)行化學(xué)研磨，使用氫氧化鉀和過(guò)氧二硫酸鉀(KOH+K2S2O8)混合液9，把它暴露在紫外線中。例如，按如下調(diào)整研磨液。
研磨液 2M KOH(氫氧化鉀)
0.5M K2S2O8(過(guò)氧二硫酸鉀)研磨材料 膠態(tài)硅石 粒徑50nm～450nm(對(duì)精密研磨最佳的粒徑φ200nm)紫外線光源 波長(zhǎng)254mm的水銀(Hg)燈10mW/cm2過(guò)氧二硫酸鉀是作為氧化劑而為人所知的材料。如上所述，GaN硬脆，過(guò)去無(wú)法進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，但是本發(fā)明通過(guò)對(duì)過(guò)氧二硫酸鉀照射紫外線，用化學(xué)方法研磨GaN，與同時(shí)存在的膠態(tài)硅石的物理作用相輔相成，能把硬脆的GaN的表面精加工為平滑的面。因此，不會(huì)發(fā)生裂痕、劃痕的危險(xiǎn)，能使表面粗糙度為RMS≤0.5nm。
優(yōu)選的表面粗糙度為RMS≤5nm，這時(shí)，如果使RMS為5nm以下就可以了。為了控制RMS，改變膠態(tài)硅石的粒徑(φ＝50nm～450nm)。若膠態(tài)硅石的粒徑粗，則研磨速度快，但是表面粗糙度RMS增大。如果粒徑細(xì)，雖然研磨速度慢但能使最終的表面粗糙度RMS減小。由此，能使RMS≤0.5nm。如果只是膠態(tài)硅石，則幾乎不能研磨，無(wú)法取得這樣的平滑面。
實(shí)施例1為了制造直徑為2英寸的GaN鏡面狀單晶片，按如下粗研磨、精研磨圓形GaN單晶片(均勻翹曲的甲、三重翹曲的乙)。
粗研磨的條件如下所示。把膠態(tài)硅石作為游離磨粒使用。
研磨材料金剛砂(GC)平均粒徑 第一階段15μm(#800)，第二階段6μm(#2500)，第三階段2μm(#6000)，油性漿上固定盤(pán)鑄鐵φ380mm下固定盤(pán)鑄鐵φ380mm研磨條件固定盤(pán)轉(zhuǎn)速20～60rpm恒星齒輪轉(zhuǎn)速10～30rpm研磨材料供給量500cc/分鐘(循環(huán))
負(fù)載30～60g/cm2研磨速度第一階段0.3μm/分鐘第二階段0.05μm/分鐘第三階段0.02μm/分鐘研磨量總共60～80μm圖5、圖6表示把晶片保持翹曲，用上下固定盤(pán)夾著，慢慢研磨，消除翹曲。實(shí)際上，如圖7所示把進(jìn)行行星運(yùn)動(dòng)的齒輪作為樣板，在它的孔中放入GaN晶片，用上下固定盤(pán)夾著，進(jìn)行磨削。雖然研磨速度慢，但是它是無(wú)負(fù)載的。
精密研磨的條件研磨材料膠態(tài)硅石平均粒徑0.2μmKOH+K2S2O8+254nm水銀(Hg)燈的光墊無(wú)紡布研磨條件固定盤(pán)轉(zhuǎn)速20～60rpm恒星齒輪轉(zhuǎn)速10～30rpm研磨材料供給量1000cc/分鐘這樣取得的2英寸GaN晶片(甲)是均勻翹曲，翹曲的曲率半徑R＝100m，表(Ga)面、背(N)面都經(jīng)基于AFM的測(cè)定，在10μm×10μm的區(qū)域中，表面粗糙度RMS為0.3nm～0.5nm。表面高度偏移(每0.1mm，進(jìn)行測(cè)定)TTV＝3.5μm。是優(yōu)異、平坦、平滑的晶片。
此外，同樣地取得的2英寸GaN晶片(乙)，不是均勻翹曲，具有圖10的復(fù)雜翹曲，但是翹曲H(Warp)是2μm。表(Ga)面、背(N)面都經(jīng)基于AFM的測(cè)定，在10μm×10μm的區(qū)域中，表面粗糙度RMS為0.2nm～0.4nm。TTV為3.1μm。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體襯底，其特征在于直徑為45mm以上，形成有具有一個(gè)極大點(diǎn)或極小點(diǎn)的均勻翹曲，中央部的高度H為12μm以下或翹曲的曲率半徑R為21m以上，表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤5nm，背面粗糙度為0.1nm≤RMS≤5000nm。
2.一種氮化物半導(dǎo)體襯底，其特征在于直徑為45mm以上，形成有具有一個(gè)極大點(diǎn)或極小點(diǎn)的均勻翹曲，中央部的高度H為5μm以下或翹曲的曲率半徑R為50m以上，表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤0.5nm，背面粗糙度為0.1nm≤RMS≤2nm。
3.一種氮化物半導(dǎo)體襯底，其特征在于形成有具有2個(gè)以上的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)的鞍點(diǎn)型翹曲，使極小點(diǎn)與平面接觸時(shí)的極大點(diǎn)的高度H的最大值Hm為12μm以下(Hm≤15000nm)，表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤5nm，背面粗糙度為0.1nm≤RMS≤5000nm。
4.一種氮化物半導(dǎo)體襯底，其特征在于形成有具有2個(gè)以上的極大點(diǎn)和極小點(diǎn)的鞍點(diǎn)型翹曲，使極小點(diǎn)與平面接觸時(shí)的極大點(diǎn)的高度H的最大值Hm為5μm以下(Hm≤15000nm)，表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤0.5nm，背面粗糙度為0.1nm≤RMS≤2nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中的任意一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體襯底，其中，對(duì)每0.1mm取測(cè)定點(diǎn)測(cè)定的面內(nèi)厚度偏移即TTV為10μm以下。
6.一種氮化物半導(dǎo)體襯底的加工方法，其特征在于，為了提高表面光潔度，進(jìn)行利用了光激勵(lì)反應(yīng)的CMP研磨。
全文摘要
一種氮化物半導(dǎo)體襯底和氮化物半導(dǎo)體襯底的加工方法，粗研磨中，提升上固定盤(pán)，在無(wú)負(fù)載的狀態(tài)下研磨GaN襯底，使翹曲為R≥50m。在精密研磨中，通過(guò)過(guò)氧二硫酸鉀、氫氧化鉀和紫外線，對(duì)GaN進(jìn)行化學(xué)研磨。與基于游離磨粒的機(jī)械研磨進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)了GaN的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)。能使表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤0.5nm。背面也用CMP進(jìn)行精密研磨，使表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤2nm。也可以使表面粗糙度為0.1nm≤RMS≤5nm，背面為0.1nm≤RMS≤5000nm。
文檔編號(hào)B24B37/00GK1549357SQ0315805
公開(kāi)日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月6日
發(fā)明者中山雅博, 松本直樹(shù), 樹(shù), 司, 玉村好司, 夫, 池田昌夫 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 索尼公司