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氮化物半導(dǎo)體襯底和氮化物半導(dǎo)體襯底的加工方法

文檔序號(hào):7214133閱讀:252來源:國知局
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)
國際專利公開WO99/23693[專利文獻(xiàn)2]特開2000-22212(特愿平10-183446號(hào))[專利文獻(xiàn)3]特開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”,電子信息通信學(xué)會(huì)論文志vo1.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.Vo1.40(2001)ppL140-143。
特開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 K2 S208solution”,J.Appl.Phys.vo.89.No.7,p4142-4149(2001)[專利文獻(xiàn)7]特開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。并且,在GaN的外延生長膜上使n型p型的InGaN或GaN的薄層生長,形成器件。藍(lán)寶石襯底容易取得,也有作為藍(lán)色LED襯底的長期的使用歷史??墒?,因?yàn)樗{(lán)寶石是絕緣體,所以無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,沒有劈開性,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。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-外延生長界面的應(yīng)力過大,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)晶核生長的橫向生長法(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的薄膜生長法,無法生成厚膜。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,本申請人開始提出了GaN結(jié)晶的晶面生長法。這種方法不進(jìn)行鏡面生長而是在維持晶面的狀態(tài)下,使結(jié)晶生長,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,開始能制作厚的GaN膜。在專利文獻(xiàn)5中,將本申請人提出的點(diǎn)掩模形成在底層,通過掩模來決定晶面生長的部分,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。可是,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)??墒?,關(guān)于成為化學(xué)機(jī)械研磨的主體的藥品,只說是堿性溶液,卻未具體說明。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,但是對于高質(zhì)量結(jié)晶GaN,無法進(jìn)行CMP。
非專利文獻(xiàn)3是通過過硫酸鉀對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GaN晶片的周圍進(jìn)行磨邊。此前,無法實(shí)現(xiàn)GaN的自立圓形晶片,但是開始能制造了這種GaN的自立圓形晶片,所以對周圍進(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次對稱性。因?yàn)闆]有大的GaN結(jié)晶,所以把GaAs(111)單晶作為襯底,在其上同時(shí)使用橫向生長法和晶面法,使GaN的單晶生長。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,用固定盤的研磨布?jí)鹤【穆冻鲆粋?cè)的面,使固定盤和研磨板旋轉(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,象原來那樣翹曲。因此很難通過研磨釋放翹曲。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),存在很難對焦的問題。
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離開,則晶片的翹曲就恢復(fù)原樣。因此,很難從開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,就測定晶片另一方的面的高度,調(diào)查它的偏差。間隔d成為測定的條件??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,存在由于觀測點(diǎn)的間隔而值不同的可能性。本發(fā)明中,測定排列為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TTV。
還有一個(gè)是面粗糙度的問題。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詻]必要是平坦面。在Si和化合物半導(dǎo)體的洗凈中,通常通過對表面進(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),對于H=5μm,曲率半徑為R=50m。參照圖9說明所述這樣的關(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對曲率半徑R的限定依存于晶片的尺寸??墒?,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,問題就簡單了,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,所以對于相同翹曲高度H,曲率半徑R變?yōu)?/9。因此,對于Hm≤12μm,R≥2.3m,對于Hm≤5μm,R≥5.6m。
為了消除翹曲,在上固定盤上施加與固定盤自重相匹敵的反壓,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,把上固定盤舉起。不是按壓上固定盤,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先切削下來,且向下翹曲的部分由下固定盤先切削下來。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、幾乎沒有翹曲的晶片。無論是均勻翹曲,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RMS 0.1nm(0.1nm≤RMS≤5nm,優(yōu)選為0.1nm≤RMS≤0.5nm)。這是從來自研磨技術(shù)的界限。圖1表示RMS和外延生長后的組織(morphology)的關(guān)系。存在GaN晶片的RMS越大,外延生長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?,所以允許曲率半徑變?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。過去沒有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,首先使用過氧二硫酸鉀和紫外線,在CMP上獲得了成功。通過過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A1GaN、A1N、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。


下面簡要說明附圖。
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,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,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,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,用下固定盤和上固定盤夾著,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是表示通過包含過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是用于說明以曲率半徑R表現(xiàn)晶片翹曲時(shí)和作為直徑D通過中央部的隆起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;4-下固定盤;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和上固定盤之間,通過上固定盤按壓,切削晶片,但是在本發(fā)明中主動(dòng)地把上固定盤提升,在晶片上幾乎不作用壓力的無負(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3和下固定盤4之間。上固定盤3和下固定盤4都是金屬固定盤,向其間提供研磨液,通過上固定盤3和下固定盤4向順方向或反向旋轉(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3、4。因此,只有ハ、ト、ル的部分被切削。漸漸地將上固定盤的位置下降,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)。開始,如圖6(1)的イロハニホヘトチリヌルワイ所示,向上凸出。因?yàn)樵跓o負(fù)載的前提下進(jìn)行粗研磨,所以與上固定盤接觸的ハ、與下固定盤接觸的卜、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。并且將上固定盤一點(diǎn)一點(diǎn)下降,進(jìn)行無負(fù)載粗研磨。如果無負(fù)載粗研磨繼續(xù),則如圖6(3)所示,上表面的平坦部ノオク進(jìn)一步增加,下表面的環(huán)狀平坦部ナラ、ムウ也擴(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)槠教姑妤ぅ浈蕙饱?,下表面也變?yōu)楗廿榨偿ē铩?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3和下固定盤4上下平行相對。下固定盤4通過下旋轉(zhuǎn)軸27旋轉(zhuǎn)。上固定盤3通過上旋轉(zhuǎn)軸26旋轉(zhuǎn)。能把上固定盤3提升到任意高度。
在上下固定盤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)向固定盤間供給,一邊使恒星齒輪以Ωs、內(nèi)齒輪以Ωi、上固定盤以Ωu、下固定盤以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。能使上固定盤和下固定盤向相反方向旋轉(zhuǎn),也能使它們在同方向旋轉(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)0.5MK2S2O8(過氧二硫酸鉀)研磨材料膠態(tài)硅石粒徑50nm~450nm(對精密研磨最佳的粒徑φ200nm)紫外線光源波長254mm的水銀(Hg)燈
10mW/cm2過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,過去無法進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨,但是本發(fā)明通過對過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),油性漿上固定盤鑄鐵 380mm下固定盤鑄鐵 380mm研磨條件固定盤轉(zhuǎn)速20~60rpm恒星齒輪轉(zhuǎn)速10~30 rpm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,用上下固定盤夾著,進(jìn)行磨削。雖然研磨速度慢,但是它是無負(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)燈的光墊無紡布研磨條件固定盤轉(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,在無負(fù)載的狀態(tài)下研磨GaN襯底,使翹曲為R≥50m。在精密研磨中,通過過氧二硫酸鉀、氫氧化鉀和紫外線,對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)H01L21/304GK1994676SQ20061016054
公開日2007年7月11日 申請日期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, 玉村好司, 池田昌夫 申請人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 索尼公司
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