JP2005101120A - 化合物半導体ウェハ及びその劈開方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オリエンテーションフラットまたはインデクスフラットが劈開面で形成されるウェハにおいて、その劈開面を高歩留りに形成することのできる化合物半導体ウェハ及びその劈開方法を提供すること。
【解決手段】劈開形成する加工工程の前の工程で、ウェハ１の片面３に、オモテ面とウラ面との表面粗さを異ならせる粗面化処理７を施した構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、劈開加工が容易な化合物半導体ウェハ及びその劈開方法に関するものである。

ＧａＡｓウェハは、受光、発光素子、高周波素子等の基板として幅広く使われている。これらＧａＡｓウェハには直接イオンをイオンインプラ装置で打ち込んだり、ウェハ表面にエピタキシャル層（膜）を形成して半導体素子を製作する。

半導体レーザやＬＥＤなど発光素子の基板として使用されるＧａＡｓウェハのサイズは、直径がφ２インチ（５０mm）、φ３インチ（７６mm）のものが多い。

こうしたＧａＡｓウェハは、ＧａＡｓ単結晶を所定の径で円筒研削し、所定の厚さでスライスし、周辺部を面取り機で面取りした後、ラッピング加工でウェハ厚さを揃え、エッチング液でエッチングされ、セラミクス板にウェハ裏面を貼り、表面を下にし、ポリッシャーの研磨布を貼ったプレート盤にあて、研磨液を上から滴下しながら鏡面に研磨して製造される。

こうした製造工程の中で、ウェハの周辺部の形状を加工する工程は面取り工程である。面取り工程では、スライスされたウェハの周辺部を回転する砥石で面取り加工して所望の径に加工するとともに、周辺部にウェハの方位又は表裏を識別するための、オリエンテーションフラット又はインデクスフラットとそれぞれ呼ばれる直線状の部分を加工する。こうした外周部を面取りすることの目的の一つは、面取り以降の加工工程や、素子を製作する工程でのウェハの搬送におけるウェハの割れ、一部破損を防止することにある。

具体的に本発明の実施形態に係る図１及び図３を併用して説明するに、一般的なウェハ端面研削機（面取り機）では、スライスされた面取り前ウェハ１（図１の点線参照）を加工用台に真空吸着し、図３に示すように高速で回転する砥石３０に、ウェハ１０自体を回転させながら当てることによって、ウェハ外周部２０の面取り加工を行う。砥石３０はテーパー部３２とＲ（アール）部３５とで構成される研削溝３１を有している。ウェハ外周部２０の上側の面は研削溝３１の上側のテーパー部（上側研削面３３）に、また下側の面は研削溝３１の下側のテーパー部（下側研削面３４）に当てることにより、面取り部分２１として面取りされ、図３に示すように研削面に倣ったテーパー部２２が形成される。

一方、図１（ａ）において、９はウェハの方位又は表裏を識別するためのオリエンテーションまたはインデクスフラットの直線部分であり、半導体レーザ用の基板として使用される化合物半導体ウェハでは、かかるオリエンテーションまたはインデクスフラット１９を面取り加工せずに劈開面で形成している場合がある。

単結晶は、ある一定の結晶方向となるように成長され、これをスライスして研磨して製造されるウェハの面もある一定の方向を有している。ＧａＡｓウェハを始めとする半導体ウェハのウェハ面は、（１００）方向あるいはこれと等価の方向、またはこの方向からある角度傾いている場合（こうしたウェハをオフウェハ、オフ基板等と呼ぶ）がほとんどである。

（１００）ウェハを例にとると、加工されるオリエンテーションフラットの位置は、（０−１−１）、（０１−１）、（０１１）、（０−１１）の４方向のいずれかで、インデクスフラットはこれと９０°、あるいは２７０°の方向のいずれかに加工される場合が多い。こうしたオリエンテーションフラット、インデックスフラットもその他の外周部と同様に面取り加工されている場合が多いが、半導体レーザダイオード用の基板として使用される＜１００＞ウェハや、オフウェハでは、オリエンテーション部分を面取り加工せずに劈開面で形成する場合がほとんどである。

これは下記の理由による。

半導体レーザダイオード（以下ＬＤ）では、共振器を構成する光導波路を半導体結晶の中に作り込む。この光導波路は横幅数μｍ、長さ数百μｍの細長い形状で、ＬＤチップの両端には反射鏡が形成される。導波路の長手方向をオリエンテーションフラット（ＯＦ：＜０ｌ１＞面）と垂直な方向に形成する場合が多い。この反射鏡は、III−Ｖ族化合物半導体プロセス特有の、「劈開」により自動的に形成される。劈開を歩留り良く、且つ反射鏡の光反射率を所定の値に設定するには、光導波路と反射鏡を完全に垂直（９０度）にする必要があり、このために誤差の少ない劈開面によるオリエンテーションフラット（ＯＦ）の設定が通常用いられる。

このようにレーザダイオードを製作する場合、ウェハ上にエピタキシャル層等を形成し、オリエンテーションフラット、インデクスフラットを基準として、これに垂直にチップを劈開により切り出す。フラットを劈開面で形成すれば、理論上＜０１１＞方向とのずれはなく上記の様にチップをうまく切り出せなくなることはない。

従来、オリエンテーションフラットあるいはインデクスフラットが劈開面であるウェハの場合、劈開面の形成は、ウェハ外周部の劈開しようとする箇所にダイヤモンドペンでけがき線を数mm引き、この部分を手で持ちこの部分に力を集中させてウェハを切断するか、専用の切断機を使用することにより形成する。

こうした劈開面を形成する際に、ウェハをうまく割ることができないと、劈開面に微小な段差ができたり、割いた面が曲面状になったりして、理想的な＜１１０＞面でなくなってしまう。

従来技術として、上記のようにウェハを割る技術ではないが、半導体ウェハにキズを付けた後、周期的熱サイクルや急冷等の熱処理を加えることによって劈開を発生させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、単結晶半導体基板上に赤外線検出素子形成用化合物半導体層をエピタキシャル成長させた半導体ウェハにおいて、赤外線検出素子形成用化合物半導体層にキズを付け、単結晶半導体基板とその上の赤外線検出素子形成用化合物半導体層との熱膨張係数の差に基づく歪により、赤外線検出素子形成用化合物半導体層にのみ劈開を生じさせる技術である。
特開平８−１３０２９７号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、単結晶半導体基板とその上の赤外線検出素子形成用化合物半導体層との熱膨張係数の差に基づく歪により、赤外線検出素子形成用化合物半導体層にのみ劈開を生じさせるものであり、ウェハをエピタキシャル成長層の積層方向に全体を劈開し、つまりウェハをうまく割り、その劈開面によりオリエンテーションフラットあるいはインデクスフラットを形成するのには適用することができない。

既に述べたように、オリエンテーションフラットあるいはインデクスフラットを劈開面で形成するウェハの場合、劈開面の形成は、ウェハ外周部の劈開しようとする箇所にダイヤモンドペンでけがき線を数mm引き（スクライブ条痕の形成）、この部分を手で持ちこの部分に力を集中させてウェハを切断するか、専用の切断機を使用することにより形成する。つまり、ウェハの面にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハに対して力を加えることにより半導体ウェハを劈開する。

こうした劈開面を形成する際に、ウェハをうまく割ることができないと、劈開面に微小な段差ができたり、割いた面が曲面状になったりして、理想的な＜１１０＞面でなくなり、こうしたウェハでは下記の理由より製品として使用することができなくなってしまう。すなわち、レーザダイオードを製作するためには、背景技術で記載したように、オリエンテーションフラットを基準としてこれに垂直になるように劈開を行うが、劈開面に段差があったり、曲面状であったりすると、垂直に劈開することが困難となるためである。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、オリエンテーションフラットまたはインデクスフラットが劈開面で形成されるウェハにおいて、その劈開面を高歩留りに形成することのできる化合物半導体ウェハ及びその劈開方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る化合物半導体ウェハは、化合物半導体結晶を切断して得られる化合物半導体ウェハであって、ウェハの方位を識別するためのオリエンテーションフラットあるいはインデクスフラットが、結晶の劈開面で形成される化合物半導体ウェハにおいて、劈開形成する加工工程の前の工程で、ウェハの片面に、オモテ面とウラ面との表面粗さを異ならせる粗面化処理を施したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１項記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記粗面化処理が、エッチング液によるエッチング加工により施されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１項記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記粗面化処理が、ラッピング加工により施されていることを特徴とする化合物半導体ウェハ。

請求項４の発明に係る化合物半導体ウェハの劈開方法は、請求項１、２又は３項記載のウェハの粗面化処理を施した面にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハに対して力を加えることにより半導体ウェハを劈開することを特徴とする。

上記請求項１、２又は３の発明においては、ウェハの材料がＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ又はＧａＰのいずれであっても適用することができる。

＜発明の要点＞
オリエンテーションフラットが劈開面で形成されるウェハ、あるいはインデクスフラットが劈開面で形成されるウェハの製造工程において、劈開面を形成する工程の前に、劈開するためのけがき線を入れる面の反対側の面を、エッチングまたはラッピングすることで、けがき線を入れる面の方が、けがき線を入れない面よりも粗い状態にすることを目的とした工程を追加することで、劈開作業がし易いようにしたことにあり、これによってオリエンテーションフラットまたはインデクスフラットが劈開面で形成されるウェハを高歩留りで製造する方法及びこれによって得られるウェハを提供することが要点である。

けがき線を入れる面の方がけがき線を入れない面よりも粗い状態にすることが、劈開作業を容易にする要因としては、下記のように考えられる。

ウェハの表面には、インゴットからウェハにスライスされるとき、加工ダメージが生じる。このダメージによりウェハには、反りが生じる。スライス後のウェハ表面の粗さは、両面で等しいので、その反りの程度も同等である。ところが、一方の面の粗さを粗くすると、２つの面で反りの程度に差が生じることが推定される。劈開作業では、針を入れる面側から劈開を行うので、よりこちらの面の粗さの程度を大きくしておいた方が、反りも大きくなると考えられるので、劈開が容易に進むと思われる。

本発明によれば、オリエンテーションまたはインデクスフラットが劈開面で形成される化合物半導体ウェハにおいて、ウェハの片面に粗面化処理を施しオモテ面とウラ面との表面粗さを異ならせたので、両面の反りの程度の均衡がくずれ、ウェハには粗面化処理を施した面が凸側となろうとする力（反りを生じる方向の力）が生まれる。そこで、このウェハの粗面化処理を施した面にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハに対して力を加えることにより半導体ウェハを劈開すると、劈開面を高歩留りに形成することが可能となる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、又はＧａＰ等の化合物半導体結晶を切断して得られる化合物半導体ウェハ（面取り前ウェハ１）にウェハの方位を識別するためのオリエンテーションフラット８を結晶の劈開面９により付け、さらに面取り加工により周縁を図１（ｂ）の如く円形（面取り部分２１）に研削加工してウェハ外周部２０を形成した半導体ウェハ１０を示す。この半導体ウェハ１０の特徴的なところは、劈開形成する加工工程の前の工程で、ウェハの片面３に、オモテ面３とウラ面５との表面粗さを異ならせる粗面化処理７が施されている点である。このウェハの粗面化処理７を施す面３（説明の便宜上「オモテ面」と称する）は、後にスクライブ条痕を形成する側となる面（スクライブ条痕形成面）であり、このスクライブ条痕形成面（オモテ面３）の側から半導体ウェハに対して力を加えることにより半導体ウェハが劈開される。

上記半導体ウェハ１０は、次のような一連の製造プロセスを経て製造される。すなわち、単結晶引き上げ法によって製造された単結晶インゴットの外周研削を行った後、内周刃ソーあるいはワイヤソーにてスライシングを行いスライスウェハ１を得る（スライス工程Ａ）。

次に、このスライスウェハ１の片面（オモテ面）３に、ウラ面５との表面粗さを異ならせる粗面化処理７を施す。このウェハの粗面化処理７は、エッチング液によるエッチング加工により又はラッピング加工により施す（粗面化工程Ｂ）。

次に、このスライスウェハ１に、結晶方向の位置決めの為の例えばオリエンテーションフラット（ＯＦ）８を、結晶の劈開面を利用して作成する。すなわち、ダイヤモンドペンを用い、ウェハにキズをつけスクライブすることにより、ウェハの粗面化処理を施したオモテ面３にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハ１に対して力を加えることにより、スクライブ条痕より半導体ウェハ１の結晶を劈開し、その劈開面をＯＦ部とする（スクライブ工程Ｃ）。

このとき、ウェハ１のオモテ面３には粗面化処理が施してあり、オモテ面とウラ面との表面粗さを異ならせてあるので、ウェハ１には粗面化処理を施した面が凸側となろうとする力（反りを生じる方向の力）が生まれる。この力は、半導体ウェハを劈開する作業において、劈開を助ける方向に作用する。そこで、このウェハの粗面化処理７を施したオモテ面３にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハ１に対して力を加えると、半導体ウェハ１が容易に、且つ正確に劈開される。

次に、面取り工程Ｄに入り、このウェハの劈開面９を残してウェハ外周部２０を円形に研削加工し、更にこの劈開部（オリエンテーションフラット８の部分）を除いたウェハ外周部２０に対し、正確にはウェハ外周部２０とウェハの表裏面との稜線に対し、研削砥石によるベベリングにより面取りを行う（面取り工程Ｄ）。

このようにウェハの劈開面９を除いたウェハ外周部２０を円形に研削加工し、このウェハ外周部２０に対しベベリングによる面取りを行った後（面取り工程Ｄ）、両面ラッピング加工により均一な厚みと平行度、平面度及びある程度の面粗さを持つまでに仕上げる（両面ラップ工程Ｅ）。

上記により得られたラップドウェハを、加工歪除去及び清浄化のために、酸またはアルカリにてエッチング加工を行い加工ダメージ層を除去し（エッチング工程）、その後、メカノケミカル研磨により鏡面仕上げを行う（片面１次鏡面研磨工程、片面仕上げ鏡面研磨工程）。

本発明の効果を確認するため、次のように実施例１及び比較例２の化合物半導体ウェハを試作し、両者を比較した。

＜実施例１＞
（１００）ＧａＡｓウェハで、厚さ６００μｍ、直径７８mmのスライスしたＧａＡｓウェハ１００枚について、片側の面を吸着パッドに吸着し、その反対側面をアンモニア水、過酸化水素水、純水を１．５：１：５．５の体積比で混合し作成したエッチング液の中に浸し、揺動しながら５μｍエッチングした。

エッチング後、これらウェハの中から無作為に１０枚を選び、吸着した面と吸着せずエッチングした面との粗さを測定した。吸着した方の面の粗さは、１０枚の平均値で、Ｒａ＝０．５μｍ、吸着せずエッチングした面の粗さは１０枚の平均値で、Ｒａ＝０．２μｍであった。

これら１０００枚のウェハを、エッチングしなかった方の面に針を入れ、手で、針を入れた箇所に力を集中させ、この箇所から劈開した。この劈開面がオリエンテーションフラットになるように面取り加工し、直径７６mm、オリエンテーションフラットの長さが２２mmのウェハを製作した。

全てのウェハについて、Ｘ線回折法を用いて、オリエンテーションフラットの＜０１１＞方向からのずれ角度を測定した。ずれ角度の測定結果のヒストグラムを図４に示す。

＜比較例１＞
（１００）ＧａＡｓウェハで、厚さ６００μｍ、直径７８mmのスライスしたＧａＡｓウェハ１０００枚について、これらウェハの中から無作為に１０枚を選び、両面の粗さを測定した。一方の面の粗さは、１０枚の平均値で、Ｒａ＝０．５μｍ、他方の面の粗さは１０枚の平均値で、Ｒａ＝０．５μｍであった。

これら１０００枚のウェハを、実施例１と同じ方向になる面に針を入れ、手で、針を入れた箇所に力を集中させ、この箇所から劈開した。この劈開面がオリエンテーションフラットになるように面取り加工し、直径７６mm、オリエンテーションフラットの長さが２２mmのウェハを製作した。

全てのウェハについて、Ｘ線回折法を用いて、オリエンテーションフラットの＜０１１＞方向からのずれの角度を測定した。ずれ角度の測定結果のヒストグラムを図５に示す。

上記した実施例１と比較例１との結果から、オリエンテーションフラットが劈開面で形成されるウェハを加工する際に、その加工を実施する前に、劈開するための針を入れる面の反対側の面の粗さを、針を入れる面の粗さよりも小さくする加工を加えることにより、劈開面を高歩留りに加工できることが判る。

＜他の実施例＞
実施例１においては粗面化処理をエッチングにより行ったが、エッチングする代わりに、ラッピング加工により、劈開作業のための針を入れる面の反対側の面を、針を入れる面よりもより粗さを小さくしてから、劈開作業を実施した場合も、実施例１と同様な効果が得られた。

上記実施例の場合、オリエンテーションフラットあるいはインデクスフラットの劈開面の形成は、ウェハ外周部の劈開しようとする箇所にダイヤモンドペンでけがき線を数mm引き（スクライブ条痕の形成）、この部分を手で持ちこの部分に力を集中させてウェハを切断したが、専用の切断機等を使用することもできる。

図２に三点曲げ法といわれる劈開方法を示す。これは、半導体ウェハ１の表面の片端縁にスクライブ条痕２を複数配列形成し（このスクライブ条痕２は、半導体ウェハ１の素子形成領域の境界位置に設けられる）、このスクライブ条痕形成面３側にスクライブ条痕２を挟んで一対の支点部材４ａ、４ｂをスクライブ条痕２に対し平行になるように配置し、スクライブ条痕形成面３と反対側の背面５には、上記スクライブ条痕２の対向位置に同じくスクライブ条痕２に対し平行になるように支点部材６を配置し、これら支点部材から支点力Ｐ２、Ｐ１、Ｆ１を作用させることによりスクライブ条痕２に劈開応力を集中し、半導体ウェハ１をスクライブ条痕２の位置からＺＯＹ面で劈開するものである。

いずれにしても、ウェハの面にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハに対して力を加えることにより半導体ウェハを劈開する操作であれば、本発明の劈開方法を適用することができる。

本発明の化合物半導体ウェハの劈開によるオリエンテーションフラットを形成した後の状態を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 三点曲げ法によるウェハ劈開方法を示す図である。 ウェハ外周部を面取りするときの様子を示した図である。 本発明の実施例１により作製したウェハ１００枚のオリエンテーションフラットの面方位の＜０１１＞方向からのずれ角度の度数分布を示した図である。 比較例１により作製したウェハ１００枚のオリエンテーションフラットの面方位の＜０１１＞方向からのずれ角度の度数分布を示した図である。

符号の説明

１ 半導体ウェハ
２ スクライブ条痕
３ オモテ面（粗面化処理を施す面：スクライブ条痕形成面）
５ ウラ面（スクライブ条痕形成面と反対側の背面）
７ 粗面化処理
８ オリエンテーションフラット
９ 劈開面
１０ ウェハ
２０ ウェハ外周部
２１ 面取り部分
２２ テーパー部

Claims (4)

1. 化合物半導体結晶を切断して得られる化合物半導体ウェハであって、ウェハの方位を識別するためのオリエンテーションフラットあるいはインデクスフラットが、結晶の劈開面で形成される化合物半導体ウェハにおいて、
   劈開形成する加工工程の前の工程で、ウェハの片面に、オモテ面とウラ面との表面粗さを異ならせる粗面化処理を施したことを特徴とする化合物半導体ウェハ。
2. 請求項１記載の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記粗面化処理が、エッチング液によるエッチング加工により施されていることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
3. 請求項１記載の化合物半導体ウェハにおいて、
   上記粗面化処理が、ラッピング加工により施されていることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
4. 請求項１、２又は３記載のウェハの粗面化処理を施した面にスクライブ条痕を形成し、このスクライブ条痕形成面の側から半導体ウェハに対して力を加えることにより半導体ウェハを劈開することを特徴とする化合物半導体ウェハの劈開方法。

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