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KR102741460B1 - 산화갈륨 기판, 및 산화갈륨 기판의 제조 방법 - Google Patents

산화갈륨 기판, 및 산화갈륨 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR102741460B1
KR102741460B1 KR1020217031454A KR20217031454A KR102741460B1 KR 102741460 B1 KR102741460 B1 KR 102741460B1 KR 1020217031454 A KR1020217031454 A KR 1020217031454A KR 20217031454 A KR20217031454 A KR 20217031454A KR 102741460 B1 KR102741460 B1 KR 102741460B1
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유스케 히라바야시
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에이지씨 가부시키가이샤
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Abstract

제1 주표면과, 상기 제1 주표면과는 반대 방향의 제2 주표면을 갖고, 상기 제1 주표면의 최소 제곱 평면을 기준면으로 하는 상기 제1 주표면의 고저차의 측정 데이터 z0(r,θ)를 명세서 중의 식 (1)의 z(r,θ)로 근사하면, 상기 제2 주표면을 수평한 평탄면에 마주보게 하여 적재한 때의, j가 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제1 최대 고저차(PV1)를 상기 제1 주표면의 직경(D)으로 나눈 값(PV1/D)이 0.39×10-4 이하며, 상기 제2 주표면을 평탄한 척면에 마주보게 하여 전체면 흡착한 때의, j가 4 이상 81 이하인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제2 최대 고저차(PV2)를 상기 제1 주표면의 직경(D)으로 나눈 값(PV2/D)이 0.59×10-4 이하인, 산화갈륨 기판.

Description

산화갈륨 기판, 및 산화갈륨 기판의 제조 방법
본 개시는, 산화갈륨 기판, 및 산화갈륨 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 실리콘 반도체 기판 대신에, 화합물 반도체 기판을 사용하는 것이 제안되어 있다. 화합물 반도체로서는, 탄화규소, 질화갈륨, 산화갈륨 등을 들 수 있다. 화합물 반도체는, 실리콘 반도체에 비하여, 큰 밴드 갭을 갖는 점에서 우수하다. 화합물 반도체 기판은 연마되고, 그 연마면에는 에피택셜막이 형성된다.
특허문헌 1에는, 산화갈륨 기판의 제조 방법이 기재되어 있다. 그 제조 방법은, 콜로이달 실리카를 포함하는 슬러리를 사용하여, 산화갈륨 기판의 한쪽 면만을 연마하는 것을 포함한다. 특허문헌 1의 과제는, 결정계가 대칭성이 좋지 않은 단사정계이며 또한 벽개성이 매우 강한 산화갈륨 기판의 형상성을 개량하는 것이다.
일본 특허 공개 2016-13932호 공보
편면 연마 장치는, 일반적으로, 하 정반과, 상 정반과, 노즐을 갖는다. 하 정반은 수평하게 배치되고, 하 정반의 상면에는 연마 패드가 첩부된다. 상 정반은 수평하게 배치되고, 상 정반의 하면에는 산화갈륨 기판이 고정된다. 산화갈륨 기판은, 제1 주표면과, 제1 주표면과는 반대 방향의 제2 주표면을 갖는다. 상 정반은, 산화갈륨 기판을 수평하게 보유 지지하고, 산화갈륨 기판의 제1 주표면을 연마 패드에 압박한다. 하 정반은, 그 연직인 회전 중심선을 중심으로 회전된다. 상 정반은, 하 정반의 회전에 따라 수동적으로 회전한다. 노즐은, 연마 패드에 대하여 상방으로부터 연마 슬러리를 공급한다. 연마 슬러리는, 산화갈륨 기판과 연마 패드 사이에 공급되어, 산화갈륨 기판의 제1 주표면을 평탄하게 연마한다. 산화갈륨 기판의 제2 주표면은 상 정반의 하면에 고정되므로, 상 정반의 하면 요철이 제2 주표면에 전사된다.
편면 연마 장치는 제1 주표면만을 연마하므로, 연마 후에 제1 주표면과 제2 주표면에서 잔류 응력에 차가 발생해 버린다. 그 결과, 트와이만 효과(Twyman Effect)에 의해, 휨이 발생해 버린다. 또한, 산화갈륨 기판의 제2 주표면을, 상 정반으로부터 떼어내고, 평탄한 척면에 마주보게 하여 전체면 흡착하면, 제1 주표면이 상 정반의 하면과 동일한 형상으로 변형되어 버려, 상 정반의 하면의 요철이 제1 주표면에 나타나 버린다.
종래, 산화갈륨 기판의 평탄도가 나빠서, 산화갈륨 기판에 대한 노광 패턴의 전사 정밀도가 나빴다.
본 개시의 일 양태는, 산화갈륨 기판의 평탄성을 향상시킬 수 있고, 산화갈륨 기판에 대하여 노광 패턴을 고정밀도로 전사할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 관계되는 산화갈륨 기판은,
제1 주표면과, 상기 제1 주표면과는 반대 방향의 제2 주표면을 갖고,
상기 제1 주표면의 최소 제곱 평면을 기준면으로 하는 상기 제1 주표면의 고저차의 측정 데이터 z0(r,θ)를 하기 식 (1)의 z(r,θ)로 근사하면,
상기 제2 주표면을 수평한 평탄면에 마주보게 하여 적재한 때의, j가 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제1 최대 고저차(PV1)를 상기 제1 주표면의 직경(D)으로 나눈 값(PV1/D)이 0.39×10-4 이하이고,
상기 제2 주표면을 평탄한 척면에 마주보게 하여 전체면 흡착한 때의, j가 4 이상 81 이하인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제2 최대 고저차(PV2)를 상기 제1 주표면의 직경(D)으로 나눈 값(PV2/D)이 0.59×10-4 이하이다.
상기 식 (1)∼(5)에 있어서, (r,θ)는 기준면 상의 극좌표이며, n은 0 이상 k 이하의 자연수이며, k는 16이고, n이 짝수인 경우에는 m은 -n부터 +n까지의 범위의 짝수만이며, n이 홀수인 경우에는 m은 -n부터 +n까지의 범위의 홀수만이며, j는 n과 k의 조합을 나타내는 지수이며, anm은 계수이다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 산화갈륨 기판의 평탄성을 향상시킬 수 있고, 산화갈륨 기판에 대하여 노광 패턴을 고정밀도로 전사할 수 있다.
도 1은, 일 실시 형태에 관계되는 산화갈륨 기판의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는, 도 1의 1차 편면 연마를 실시하는 편면 연마 장치의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 3은, 도 1의 1차 편면 연마를 실시하는 편면 연마 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 4는, 도 1의 양면 연마를 실시하는 양면 연마 장치의 일례를 도시하는 사시도이다.
도 5는, 도 1의 양면 연마를 실시하는 양면 연마 장치의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 6은, 제1 최대 고저차(PV1)를 측정할 때의, 산화갈륨 기판의 상태의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 7은, j=1(n=0, m=0), j=2(n=1, m=1), j=4(n=2, m=0), j=9(n=4, m=0)의 각각의 znm(r,θ)를 도시하는 도면이다.
도 8은, 제2 최대 고저차(PV2)를 측정할 때의, 산화갈륨 기판의 상태의 일례를 도시하는 단면도이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 명세서의 결정학적 기재에 있어서는, 개별 방위를 [], 집합 방위를 <>, 개별면을 (), 집합면을 {}로 각각 나타낸다. 결정학상의 지수가 음인 것은, 통상적으로, 숫자 상에 바를 붙임으로써 표현되나, 본 명세서에서는 숫자 앞에 음의 부호를 붙이는 것에 의해 결정학상의 음의 지수를 표현한다.
도 1은, 일 실시 형태에 관계되는 산화갈륨 기판의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 산화갈륨 기판의 제조 방법은, 산화갈륨 기판을 1차 편면 연마하는 것(S1)을 포함한다. 산화갈륨 기판으로서, 예를 들어, 미리 β-Ga2O3 단결정을, 와이어 쏘 등으로 판 형상으로 슬라이스하고, 계속해서, 연삭 장치 등으로 소정의 두께로 연삭한 것이 사용된다. 산화갈륨 기판은, 도펀트를 포함해도 되고, 포함하지 않아도 된다. 도펀트로서, 예를 들어 Si, Sn, Al 또는 In 등이 사용된다.
도 2는, 도 1의 1차 편면 연마를 실시하는 편면 연마 장치의 일례를 도시하는 사시도이다. 도 3은, 도 1의 1차 편면 연마를 실시하는 편면 연마 장치의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 3에 있어서, 상 정반(120)의 하면(121)의 요철을 과장하여 도시한다. 또한, 도 1의 2차 편면 연마(S2)를 실시하는 편면 연마 장치는, 도 2 및 도 3에 도시하는 편면 연마 장치(100)와 마찬가지이므로, 도시를 생략한다.
편면 연마 장치(100)는 하 정반(110)과, 상 정반(120)과, 노즐(130)을 갖는다. 하 정반(110)은 수평하게 배치되고, 하 정반(110)의 상면(111)에는 하 연마 패드(112)가 첩부된다. 상 정반(120)은 수평하게 배치되고, 상 정반(120)의 하면(121)에는 산화갈륨 기판(10)이 고정된다. 상 정반(120)은 산화갈륨 기판(10)을 수평하게 보유 지지하고, 산화갈륨 기판(10)을 하 연마 패드(112)에 압박한다. 또한, 하 연마 패드(112)는 없어도 되고, 그 경우, 상 정반(120)은 산화갈륨 기판(10)을 하 정반(110)에 압박한다. 상 정반(120)의 직경은 하 정반(110)의 반경보다도 작고, 하 정반(110)의 회전 중심선(C1)보다도 직경 방향 외측에 상 정반(120)이 배치된다. 상 정반(120)의 회전 중심선(C2)은, 하 정반(110)의 회전 중심선(C1)과 평행에 어긋나게 하여 배치된다. 하 정반(110)은 그 연직인 회전 중심선(C1)을 중심으로 회전된다. 상 정반(120)은 하 정반(110)의 회전에 수반하여 수동적으로 회전한다. 또한, 상 정반(120)과 하 정반(110)은, 독립적으로 회전해도 되고, 제각각의 회전 모터에 의해 회전되어도 된다.
산화갈륨 기판(10)은 원 형상의 제1 주표면(11)과, 제1 주표면(11)과는 반대 방향의 원 형상의 제2 주표면(12)을 갖는다. 산화갈륨 기판(10)의 외주에는, 산화갈륨의 결정 방위를 나타내는 도시하지 않은 노치 등이 형성된다. 노치 대신에 오리엔테이션 플랫이 형성되어도 된다. 제1 주표면(11)은 예를 들어 {001}면이다. {001}면은, <001> 방향에 대하여 수직한 결정면이며, (001)면 및 (00-1)면의 어느 것이어도 된다.
또한, 제1 주표면(11)은 {001}면 이외의 결정면이어도 된다. 또한, 제1 주표면(11)은 미리 설정된 결정면에 대하여 소위 오프각을 가져도 된다. 오프각은, 연마 후의 제1 주표면(11)에 형성되는 에피택셜막의 결정성을 향상된다.
노즐(130)은 하 연마 패드(112)에 대하여 연마 슬러리(140)를 공급한다. 연마 슬러리(140)는 예를 들어, 입자와, 물을 포함한다. 입자가 분산질이며, 물이 분산매이다. 또한, 분산매는, 유기 용제여도 된다. 연마 슬러리(140)는 산화갈륨 기판(10)과 하 연마 패드(112) 사이에 공급되고, 산화갈륨 기판(10)의 하면을 평탄하게 연마한다.
1차 편면 연마(S1)에서는, 입자로서, 예를 들어 다이아몬드 입자가 사용된다. 다이아몬드 입자의 모스 경도는 10이다. 다이아몬드 입자의 D50은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 50㎛이다. 「D50」이란, 동적 광산란법으로 측정한 입자경 분포에 있어서의 체적 기준의 적산 분율의 50％ 직경이다. 동적 광산란법은, 연마 슬러리(140)에 레이저광을 조사하고, 그 산란광을 광 검출기로 관측함으로써, 입자경 분포를 측정하는 방법이다.
1차 편면 연마(S1)에서는, 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)이 하 연마 패드(112)에 압박되고, 하 연마 패드(112)와 연마 슬러리(140)로 평탄하게 연마된다. 한편, 산화갈륨 기판(10)의 제2 주표면(12)은 상 정반(120)의 하면(121)에 고정되므로, 그 하면(121)의 요철이 제2 주표면(12)에 전사된다.
또한, 하 정반(110)의 상면(111)도 상 정반(120)의 하면(121)과 마찬가지로 요철을 갖는데, 그 요철은 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)에 거의 전사되지 않는다. 하 정반(110)은 상 정반(120)과는 달리, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 상대적으로 변위하기 때문이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 산화갈륨 기판의 제조 방법은, 산화갈륨 기판을 2차 편면 연마하는 것(S2)을 포함한다. 2차 편면 연마(S2)에서는, 1차 편면 연마(S1)와 마찬가지로, 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)이 하 연마 패드(112)에 압박되고, 하 연마 패드(112)와 연마 슬러리(140)로 평탄하게 연마된다.
2차 편면 연마(S2)에서는, 1차 편면 연마(S1)보다도, D50이 작고, 또한 모스 경도가 작은(즉 유연한) 입자가 사용되어도 된다. 입자로서, 예를 들어 콜로이달 실리카가 사용된다. 한편, 산화갈륨 기판(10)의 제2 주표면(12)은 상 정반(120)의 하면(121)에 고정되므로, 그 하면(121)의 요철이 제2 주표면(12)에 전사된다.
또한, 상기한 바와 같이, 하 정반(110)의 상면(111)도 상 정반(120)의 하면(121)과 마찬가지로 요철을 갖지만, 그 요철은 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)에 거의 전사되지 않는다. 하 정반(110)은 상 정반(120)과는 달리, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 상대적으로 변위하기 때문이다.
그런데, 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)에서는 제1 주표면(11)만을 연마하므로, 연마 후에 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)에서 잔류 응력에 차가 발생해 버린다. 그 결과, 트와이만 효과에 의해, 휨이 발생해 버린다. 또한, 산화갈륨 기판(10)의 제2 주표면(12)을 상 정반(120)으로부터 떼어내고, 평탄한 척면에 마주보게 하여 전체면 흡착하면, 제1 주표면(11)이 상 정반(120)의 하면(121)과 동일한 형상으로 변형되어 버려, 그 하면(121)의 요철이 제1 주표면(11)에 나타나 버린다.
그래서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 산화갈륨 기판의 제조 방법은, 산화갈륨 기판을 양면 연마하는 것(S3)을 포함한다. 양면 연마(S3)는 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)와는 달리, 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)을 동시에 연마하는 것을 포함한다.
도 4는, 도 1의 양면 연마를 실시하는 양면 연마 장치의 일례를 도시하는 사시도이다. 도 5는, 도 1의 양면 연마를 실시하는 양면 연마 장치의 일례를 도시하는 단면도이다. 양면 연마 장치(200)는 하 정반(210)과, 상 정반(220)과, 캐리어(230)와, 선 기어(240)와, 인터널 기어(250)를 갖는다. 하 정반(210)은 수평하게 배치되고, 하 정반(210)의 상면(211)에는 하 연마 패드(212)가 첩부된다. 상 정반(220)은 수평하게 배치되고, 상 정반(220)의 하면(221)에는 상 연마 패드(222)가 첩부된다. 캐리어(230)는 하 정반(210)과 상 정반(220) 사이에, 산화갈륨 기판(10)을 수평하게 보유 지지한다. 캐리어(230)는 선 기어(240)의 직경 방향 외측에 배치되고, 또한, 인터널 기어(250)의 직경 방향 내측에 배치된다. 선 기어(240)와 인터널 기어(250)는, 동심원상으로 배치되어, 캐리어(230)의 외주 기어(231)와 맞물린다.
양면 연마 장치(200)는 예를 들어 4Way 방식이며, 하 정반(210)과, 상 정반(220)과, 선 기어(240)와, 인터널 기어(250)는, 동일한 연직인 회전 중심선을 중심으로 회전한다. 하 정반(210)과 상 정반(220)은, 반대 방향으로 회전함과 함께, 하 연마 패드(212)를 산화갈륨 기판(10)의 하면에 압박하고, 또한 상 연마 패드(222)를 산화갈륨 기판(10)의 상면에 압박한다. 또한, 하 정반(210) 및 상 정반(220) 중 적어도 1개는, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 연마 슬러리를 공급한다. 연마 슬러리는, 산화갈륨 기판(10)과 하 연마 패드(212) 사이에 공급되어, 산화갈륨 기판(10)의 하면을 연마한다. 또한, 연마 슬러리는, 산화갈륨 기판(10)과 상 연마 패드(222) 사이에 공급되어, 산화갈륨 기판(10)의 상면을 연마한다.
예를 들어, 하 정반(210)과, 선 기어(240)와, 인터널 기어(250)는, 상방으로 보아 동일한 방향으로 회전한다. 이들 회전 방향은, 상 정반(220)의 회전 방향과는 역방향이다. 캐리어(230)는 공전하면서, 자전한다. 캐리어(230)의 공전 방향은, 선 기어(240)와 인터널 기어(250)의 회전 방향과 동일한 방향이다. 한편, 캐리어(230)의 자전 방향은, 선 기어(240)의 회전수와 피치원 직경의 곱과, 인터널 기어(250)의 회전수와 피치원 직경의 곱의 대소로 결정된다. 인터널 기어(250)의 회전수와 피치원 직경의 곱이 선 기어(240)의 회전수와 피치원 직경의 곱보다도 크면, 캐리어(230)의 자전 방향과 캐리어(230)의 공전 방향은 동일한 방향이 된다. 한편, 인터널 기어(250)의 회전수와 피치원 직경의 곱이 선 기어(240)의 회전수와 피치원 직경의 곱보다도 작으면, 캐리어(230)의 자전 방향과 캐리어(230)의 공전 방향은 역방향이 된다.
또한, 양면 연마 장치(200)는 3Way 방식 또는 2Way 방식이어도 된다. 3Way 방식은, 예를 들어, (1) 인터널 기어(250)가 고정되고, 하 정반(210)과 상 정반(220)과 선 기어(240)가 회전하는 것, (2) 상 정반(220)이 고정되고, 하 정반(210)과 선 기어(240)와 인터널 기어(250)가 회전하는 것의 어느 것이어도 된다. 또한, 2Way 방식은, 예를 들어, 하 정반(210)과 상 정반(220)이 고정되고, 선 기어(240)와 인터널 기어(250)가 회전하는 것이다.
캐리어(230)는 예를 들어, 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)을 아래로 향하게 하고, 산화갈륨 기판(10)을 수평하게 보유 지지한다. 또한, 캐리어(230)는 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)을 위로 향하게 하고, 산화갈륨 기판(10)을 수평하게 보유 지지해도 된다. 어쨌든, 산화갈륨 기판(10)의 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)이 동시에 연마된다.
양면 연마(S3)에서는, 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)와는 달리, 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)을 동시에 연마하므로, 연마 후에 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)의 잔류 응력차를 저감할 수 있다. 그 결과, 트와이만 효과에 의한 휨을 저감할 수 있다.
트와이만 효과에 의한 휨은, 후술하는 제1 최대 고저차(PV1)로 평가한다. 도 6은, 제1 최대 고저차(PV1)를 측정할 때의, 산화갈륨 기판의 상태를 도시하는 측면도이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 제1 최대 고저차(PV1)는 산화갈륨 기판(10)을 변형하지 않도록, 제2 주표면(12)을 수평한 평탄면(20)에 마주보게 하여 적재한 상태에서 측정한다. 도 6에 있어서, 서로 직교하는 x축과 y축을 포함하는 xy 평면은, 제1 주표면(11)의 최소 제곱 평면이다. 제1 주표면(11)의 최소 제곱 평면이란, 제1 주표면(11)을 최소 제곱법으로 근사한 평면이다. 또한, 도 6에 있어서, x축 및 y축에 대하여 수직한 z축은, 제1 주표면(11)의 중심을 통과하도록 설정된다.
제1 주표면(11)의 최소 제곱 평면을 기준면(13)으로 하는 제1 주표면(11)의 고저차의 측정 데이터 z0(r,θ)는 하기 식 (1)의 z(r,θ)로 근사된다.
Figure 112021112359772-pct00007
Figure 112021112359772-pct00009
상기 식 (1)∼(5)에 있어서, (r,θ)는 기준면(13) 상의 극좌표이며, n은 0 이상 k 이하의 자연수이며, k는 16이고, n이 짝수인 경우에는 m은 -n부터 +n까지의 범위의 짝수만이며, n이 홀수인 경우에는 m은 -n부터 +n까지의 범위의 홀수만이며, j는 n과 k의 조합을 나타내는 지수이며, anm은 계수이다. 상기 식 (4)로부터 명확한 바와 같이, 2개의 지수 n, m의 조합을 하나의 지수 j로 표현하는 방법으로서, 프린지(Fringe)에 의한 기법을 사용한다. 상기 식 (2)는 제르니케 다항식 (Zernike Polynomials)이며, 제르니케 다항식은 직교 다항식이므로, 계수 anm은 상기 식 (5)에 의해 구할 수 있다.
도 7은, j=1(n=0, m=0), j=2(n=1, m=1), j=4(n=2, m=0), j=9(n=4, m=0)의 각각의 znm(r,θ)를 도시하는 도면이다.
도 7에 실선으로 나타낸 바와 같이, j=1의 znm(r,θ)는 xy 평면에 대하여 평행한 오프셋면이다. j=1의 znm(r,θ)는 r에도 θ에도 의존하지 않는다.
도 7에 파선으로 나타낸 바와 같이, j=2의 znm(r,θ)는 xy 평면을 y축의 주위로 회전한 경사면이다. 또한, j=3(n=1, m=-1)의 znm(r,θ)는 xy 평면을 x축의 주위로 회전한 경사면이다.
도 7에 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, j=4의 znm(r,θ)는 xz 평면 상에서 z축에 대하여 선 대칭인 2차 곡선을, z축을 중심으로 180° 회전시킴으로써 얻어지는 곡면이다. j=4의 znm(r,θ)는 r에만 의존하고, θ에는 의존하지 않는다.
도 7에 이점쇄선으로 나타낸 바와 같이, j=9의 znm(r,θ)는 xz 평면 상에서 z축에 대하여 선 대칭인 4차 곡선을, z축을 중심으로 180° 회전시킴으로써 얻어지는 곡면이다. j=9의 znm(r,θ)는 r에만 의존하고, θ에는 의존하지 않는다.
j가 자연수의 2승(예를 들어 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81…)인 znm(r,θ)는 r에만 의존하고, θ에는 의존하지 않는다. 또한, j=1(n=0, m=0)의 znm(r,θ)는 상기한 바와 같이, r에도 θ에도 의존하지 않는다.
트와이만 효과에 의한 휨은, 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)의 잔류 응력차에 의해 발생한다. 그 잔류 응력차는, r에만 의존하고, θ에는 의존하지 않는다.
그래서, 트와이만 효과에 의한 휨은, j가 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제1 최대 고저차(PV1)로 평가한다. 제1 최대 고저차(PV1)란, 기준면(13)에 대하여 가장 높은 점과, 기준면(13)에 대하여 가장 낮은 점의 고저차이다. 트와이만 효과에 의한 휨이 작을수록, 제1 최대 고저차(PV1)가 작다.
또한, j가 81보다도 큰 anmznm(r,θ)는 제1 주표면(11)의 요철에 거의 영향을 주지 않으므로, 또한, 계산을 간단하게 하기 위해, 무시한다.
양면 연마(S3)에서는, 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)와는 달리, 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)을 동시에 연마하므로, 상기한 바와 같이, 트와이만 효과에 의한 휨을 저감할 수 있다. 그 결과, 제1 최대 고저차(PV1)를 제1 주표면(11)의 직경(D)으로 나눈 값(PV1/D)을 0.39×10-4 이하로 저감할 수 있다. 또한, 제1 최대 고저차(PV1)를 2㎛ 이하로 저감할 수 있다. 또한, PV1/D는 무차원량이며, PV1/D의 수치 중 「10-4」은 「㎛/㎝」와 등가이다.
PV1/D는, 상기한 바와 같이, 예를 들어 0.39×10-4 이하이다. PV1/D가 0.39×10-4 이하이면, 트와이만 효과에 의한 휨을 저감할 수 있으므로, 산화갈륨 기판(10)의 평탄도를 향상할 수 있고, 나아가서는, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 노광 패턴을 고정밀도로 전사할 수 있다. PV1/D는, 바람직하게는 0.2×10-4 이하이고, 보다 바람직하게는 0.1×10-4 이하이다. 또한, PV1/D는, 생산성의 관점에서, 바람직하게는 0.02×10-4 이상이다.
PV1은, 상기한 바와 같이, 예를 들어 2㎛ 이하이다. PV1이 2㎛ 이하이면, 트와이만 효과에 의한 휨을 저감할 수 있으므로, 산화갈륨 기판(10)의 평탄도를 향상할 수 있고, 나아가서는, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 노광 패턴을 고정밀도로 전사할 수 있다. PV1은, 바람직하게는 1㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. 또한, PV1은, 생산성의 관점에서, 바람직하게는 0.1㎛ 이상이다.
D는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 5㎝ 이상 31㎝ 이하이다. D는, 바람직하게는 10㎝ 이상 21㎝ 이하이고, 보다 바람직하게는 12㎝ 이상 15㎝ 이하이다.
그런데, 양면 연마(S3)에서는, 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)와는 달리, 하 정반(210)뿐만 아니라 상 정반(220)도 산화갈륨 기판(10)에 대하여 상대적으로 변위한다. 그 결과, 상 정반(220)의 하면(221)의 요철이 산화갈륨 기판(10)의 상면에 전사하는 것을 억제할 수 있고, 산화갈륨 기판(10)의 상면을 산화갈륨 기판(10)의 하면에 대하여 평행하게 연마할 수 있다. 따라서, 산화갈륨 기판(10)의 제2 주표면(12)을 평탄한 척면(30)에 마주보게 하여 전체면 흡착한 때에, 상 정반(220)의 하면(221)의 요철이 제1 주표면(11)에 나타나는 것을 억제할 수 있다.
산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사는, 후술하는 제2 최대 고저차(PV2)로 평가한다. 도 8은, 제2 최대 고저차(PV2)를 측정할 때의, 산화갈륨 기판의 상태를 도시하는 측면도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 제2 최대 고저차(PV2)는 제2 주표면(12)을 평탄한 척면(30)에 마주보게 하여 전체면 흡착한 상태에서 측정한다. 흡착은 예를 들어 진공 흡착이며, 척면(30)은 다공질체로 형성된다. 도 8에 있어서, 서로 직교하는 x축과 y축을 포함하는 xy 평면은, 제1 주표면(11)의 최소 제곱 평면이다. 또한, 도 8에 있어서, x축 및 y축에 대하여 수직한 z축은, 제1 주표면(11)의 중심을 통과하도록 설정된다.
제1 주표면(11)의 최소 제곱 평면을 기준면(13)으로 하는 제1 주표면(11)의 고저차의 측정 데이터 z0(r,θ)는 상기 (1)의 z(r,θ)로 근사된다. j=1, 2, 3의 znm(r,θ)는 상기한 바와 같이, 모두 평탄면이므로, 제2 최대 고저차(PV2)를 측정할 때에는 의미가 없는 성분이다.
그래서, 산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사는, j가 4 이상 81 이하인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제2 최대 고저차(PV2)로 평가한다. 제2 최대 고저차(PV2)란, 기준면(13)에 대하여 가장 높은 점과, 기준면(13)에 대하여 가장 낮은 점의 고저차이다. 산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사가 작을수록, 제2 최대 고저차(PV2)가 작다.
또한, j가 81보다도 큰 anmznm(r,θ)는 제1 주표면(11)의 요철에 거의 영향을 주지 않으므로, 또한, 계산을 간단하게 하기 위해, 무시한다.
양면 연마(S3)에서는, 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)와는 달리, 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)을 동시에 연마하므로, 상기한 바와 같이, 산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사를 억제할 수 있다. 그 결과, 제2 최대 고저차(PV2)를 제1 주표면(11)의 직경(D)으로 나눈 값(PV2/D)을 0.59×10-4 이하로 저감할 수 있다. 또한, 제2 최대 고저차(PV2)를 3㎛ 이하로 저감할 수 있다. 또한, PV2/D는 무차원량이며, PV2/D의 수치 중 「10-4」은 「㎛/㎝」와 등가이다.
PV2/D는, 상기한 바와 같이, 예를 들어 0.59×10-4 이하이다. PV2/D가 0.59×10-4 이하이면, 산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사를 억제할 수 있으므로, 산화갈륨 기판(10)의 평탄도를 향상할 수 있고, 나아가서는, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 노광 패턴을 고정밀도로 전사할 수 있다. PV2/D는, 바람직하게는 0.2×10-4 이하이고, 보다 바람직하게는 0.1×10-4 이하이다. 또한, PV2/D는, 생산성의 관점에서, 바람직하게는 0.02×10-4 이상이다.
PV2는, 상기한 바와 같이, 예를 들어 3㎛ 이하이다. PV2가 3㎛ 이하이면, 산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사를 억제할 수 있으므로, 산화갈륨 기판(10)의 평탄도를 향상할 수 있고, 나아가서는, 산화갈륨 기판(10)에 대하여 노광 패턴을 고정밀도로 전사할 수 있다. PV2는, 바람직하게는 1㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. 또한, PV2는, 생산성의 관점에서, 바람직하게는 0.1㎛ 이상이다.
양면 연마(S3)는 모스 경도가 7 이하인 입자를 포함하는 연마 슬러리에 의해, 산화갈륨 기판(10)의 서로 반대 방향의 제1 주표면(11)과 제2 주표면(12)을 동시에 연마하는 것을 포함한다. 모스 경도가 7 이하이면, 입자가 유연하므로, 산화갈륨 기판(10)의 흠집 발생을 억제할 수 있고, 산화갈륨 기판(10)의 균열을 억제할 수 있다. 모스 경도는, 바람직하게는 6 이하이고, 보다 바람직하게는 5 이하이다. 모스 경도는, 연마 속도의 관점에서, 바람직하게는 2 이상이다.
모스 경도가 7 이하인 입자로서, 예를 들어 콜로이달 실리카가 사용된다. 콜로이달 실리카의 모스 경도는 7이다. 또한, 모스 경도가 7 이하인 입자의 재료는, SiO2에는 한정되지 않고, TiO2, ZrO2, Fe2O3, ZnO, 또는 MnO2 등이어도 된다. TiO2의 모스 경도는 6이며, ZrO2의 모스 경도는 6.5이며, Fe2O3의 모스 경도는 6이며, ZnO의 모스 경도는 4.5이며, MnO2의 모스 경도는 3이다. 양면 연마(S3)에서 사용하는 연마 슬러리는, 모스 경도가 7을 초과하는 입자를 포함하지 않으면 되고, 모스 경도가 7 이하의 입자를 2종류 이상 포함해도 된다.
양면 연마(S3)에서는, 연마 슬러리에 포함되는 입자의 D50이 예를 들어 1㎛ 이하이다. D50이 1㎛ 이하이면, 입자가 작으므로, 국소적으로 과대한 응력이 산화갈륨 기판(10)에 작용하는 것을 억제할 수 있어, 산화갈륨 기판(10)의 균열을 억제할 수 있다. D50은, 바람직하게는 0.7㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. D50은, 연마 속도의 관점에서, 바람직하게는 0.01㎛ 이상이다.
양면 연마(S3)의 전반기의 50％ 이상에서, 연마압이 예를 들어 9.8kPa 이하이다. 양면 연마(S3)의 전반기에는, 제1 주표면(11) 및 제2 주표면(12)이 충분히 평탄화되어 있지 않으므로, 요철이 커서, 응력 집중이 발생하기 쉽다. 양면 연마(S3)의 전반기의 50％ 이상에서, 연마압이 9.8kPa 이하이면, 국소적으로 과대한 응력이 산화갈륨 기판(10)에 작용하는 것을 억제할 수 있어, 산화갈륨 기판(10)의 균열을 억제할 수 있다. 양면 연마(S3)의 전반기의 50％ 이상에서, 연마압은 바람직하게는 8.8kPa 이하이고, 보다 바람직하게는 7.8kPa 이하이다. 또한, 연마 속도의 관점에서, 양면 연마(S3)의 전반기의 50％ 이상에서, 연마압은 바람직하게는 3kPa 이상이다.
또한, 양면 연마(S3)의 전체 기간에, 연마압은 일정해도 된다. 또한, 양면 연마(S3)에서는, 시간의 경과와 함께, 제1 주표면(11) 및 제2 주표면(12)이 서서히 평탄화되어, 요철이 작아지므로, 연마 속도를 향상하기 위해, 연마압이 단계적으로 커져도 된다.
또한, 산화갈륨 기판의 제조 방법은, 도 1에 도시하는 것에 한정되지 않고, 양면 연마(S3)를 포함하는 것이면 된다. 또한, 산화갈륨 기판의 제조 방법은, 도 1에 도시하는 처리 이외의 처리를 포함해도 되고, 예를 들어, 산화갈륨 기판(10)의 부착물(예를 들어 입자)을 씻어 버리는 세정을 포함해도 된다. 세정은, 예를 들어, 1차 편면 연마(S1)와 2차 편면 연마(S2) 사이, 및 2차 편면 연마(S2)와 양면 연마(S3) 사이에 실시된다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예에 대하여 설명한다. 하기의 예 1∼예 7 중, 예 1∼예 3이 실시예이며, 예 4∼예 7이 비교예이다.
[예 1∼예 3]
예 1∼예 3에서는, 직경 50.8㎜, 두께 0.7㎜의 β-Ga2O3 단결정 기판에 대하여 도 1에 도시하는 바와 같이 1차 편면 연마(S1), 2차 편면 연마(S2), 및 양면 연마(S3)를 동일한 조건에서 실시하였다.
1차 편면 연마(S1)에서는, β-Ga2O3 단결정 기판의 (001)면을, 도 2에 도시하는 편면 연마 장치(100)로 연마하였다. 주석제의 하 정반(110)과, 입경 0.5㎛의 다이아몬드 입자를 사용하여 연마하였다. 1차 편면 연마(S1)에서는, 하 연마 패드(112)를 사용하지 않고, 기판을 하 정반(110)에 압박하고, 연마하였다.
2차 편면 연마(S2)에서는, β-Ga2O3 단결정 기판의 (001)면을, 도 2에 도시하는 편면 연마 장치(100)로 연마하였다. 2차 편면 연마(S2)에서는, 1차 편면 연마(S1)와는 달리, 하 연마 패드(112)를 사용하였다. 2차 편면 연마(S2)에서는, 폴리우레탄제의 하 연마 패드(112)와, 입경 0.05㎛의 콜로이달 실리카 입자를 사용하여 연마하였다.
양면 연마(S3)에서는, β-Ga2O3 단결정 기판의 (001)면과 (00-1)면을, 도 4에 도시하는 양면 연마 장치(200)로 동시에 연마하였다. 양면 연마 장치(200)는 스피드팜제의 상품명 DSM9B이며, 하 연마 패드(212) 및 상 연마 패드(222)는 FILWEL제의 상품명 N7512였다. 연마 슬러리는 콜로이달 실리카를 20질량％ 포함하고, 물을 80질량％ 포함하는 것이며, 콜로이달 실리카의 D50은 0.05㎛였다. 양면 연마(S3)의 전체 기간에, 연마압은 9.8kPa이며, 하 정반(210)의 회전수는 40rpm이고, 상 정반(220)의 회전수는 14rpm이고, 선 기어(240)의 회전수는 9rpm이고, 인터널 기어(250)의 회전수는 15rpm이었다. 선 기어(240)의 피치원 직경은 207.4㎜이며, 인터널 기어(250)의 피치원 직경은 664.6㎜였다.
[예 4∼예 6]
예 4∼예 6에서는, 직경 50.8㎜, 두께 0.7㎜의 β-Ga2O3 단결정 기판에 대하여 1차 편면 연마(S1) 및 2차 편면 연마(S2)만을, 예 1∼예 3과 동일한 조건에서 실시하였다. 예 4∼예 6에서는, 양면 연마(S3)는 실시하지 않았다.
[예 7]
예 7에서는, 양면 연마(S3)의 입자로서 입경 0.5㎛의 다이아몬드 입자를 사용하고, 다이아몬드 입자용의 연마 패드로서 에폭시 수지제의 것을 사용한 이외에는, 예 1∼예 3과 동일한 조건에서 1차 편면 연마(S1), 2차 편면 연마(S2) 및 양면 연마(S3)를 실시하였다. 그 결과, 양면 연마(S3) 중에 산화갈륨 기판(10)이 깨져버렸다.
[연마 결과]
제1 주표면(11)인 (001)면의 제1 최대 고저차(PV1)는 도 6에 도시하는 바와 같이 산화갈륨 기판(10)을 변형하지 않도록, 제2 주표면(12)인 (00-1)면을 수평한 평탄면(20)에 마주보게 하여 적재한 상태에서 측정하였다. 측정 장치로서, 미타카 고키제의 상품명 PF-60을 사용하였다.
제1 주표면(11)인 (001)면의 제2 최대 고저차(PV2)는 도 8에 도시하는 바와 같이 제2 주표면(12)인 (00-1)면을 평탄한 척면(30)에 마주보게 하여 전체면 흡착한 상태에서 측정하였다. 측정 장치로서, 미타카 고키제의 상품명 PF-60을 사용하였다.
예 1∼예 6의 연마 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 예 7에서는 상기한 바와 같이, 양면 연마(S3) 중에 산화갈륨 기판(10)이 깨져 버렸다.
표 1로부터 명확한 바와 같이, 예 1∼예 3은, 예 4∼예 6과는 달리, 양면 연마(S3)를 실시했으므로, PV1/D가 0.39×10-4 이하이고, PV1이 2㎛ 이하였다. 양면 연마(S3)에 의해, 트와이만 효과에 의한 휨을 저감할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 표 1로부터 명확한 바와 같이, 예 1∼예 3은, 예 4∼예 6과는 달리, 양면 연마(S3)를 실시했으므로, PV2/D가 0.59×10-4 이하이고, PV2가 3㎛ 이하였다. 양면 연마(S3)에 의해, 산화갈륨 기판(10)에 대한 동시 정반(220)의 형상 전사를 억제할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 예 1∼예 3은, 양면 연마(S3)에서 사용되는 입자의 모스 경도가 7 이하이고, 그 입자의 D50이 1㎛ 이하이고, 또한, 전반기의 50％ 이상에서 연마압이 9.8kPa 이하였으므로, 양면 연마 중에 산화갈륨 기판(10)이 깨지는 경우는 없었다. 한편, 예 7에서는, 양면 연마(S3)에서 사용되는 입자의 모스 경도가 7을 초과했으므로, 양면 연마 중에 산화갈륨 기판(10)이 깨져 버렸다.
또한, 1차 편면 연마(S1)에서는 모스 경도가 10인 다이아몬드 입자를 사용하여 연마했지만, 산화갈륨 기판(10)이 깨지는 경우는 없었다. 편면 연마에서는 양면 연마에 비하여 산화갈륨 기판(10)이 깨지기 어렵고, 그것이 특허문헌 1에서 편면 연마를 채용하는 이유라고 추정된다.
이상, 본 개시에 관계되는 산화갈륨 기판, 및 산화갈륨 기판의 제조 방법의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 개시는 상기 실시 형태 등에 한정되지 않는다. 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경, 수정, 치환, 부가, 삭제, 및 조합이 가능하다. 그것들에 대해서도 당연히 본 개시의 기술적 범위에 속한다.
본 출원은, 2019년 4월 8일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2019-073548호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 일본 특허 출원 제2019-073548호의 전체 내용을 본 출원에 원용한다.
10: 산화갈륨 기판
11: 제1 주표면
12: 제2 주표면

Claims (5)

  1. 제1 주표면과, 상기 제1 주표면과는 반대 방향의 제2 주표면을 갖는, 산화갈륨 기판으로서,
    상기 제1 주표면은, {001}면이거나 {001}면에 대하여 원하는 오프각을 갖는 면이고,
    상기 제1 주표면의 최소 제곱 평면을 기준면으로 하는 상기 제1 주표면의 고저차의 측정 데이터 z0(r,θ)를 하기 식 (1)의 z(r,θ)로 근사하면,
    상기 제2 주표면을 수평한 평탄면에 마주보게 하여 적재한 때의, j가 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제1 최대 고저차(PV1)를 상기 제1 주표면의 직경(D)으로 나눈 값(PV1/D)이 0.39×10-4 이하이고,
    상기 제2 주표면을 평탄한 척면에 마주보게 하여 전체면 흡착한 때의, j가 4 이상 81 이하인 모든 anmznm(r,θ)를 더한 성분의 제2 최대 고저차(PV2)를 상기 제1 주표면의 직경(D)으로 나눈 값(PV2/D)이 0.59×10-4 이하인, 산화갈륨 기판.
    Figure 112024067496529-pct00012


    Figure 112024067496529-pct00014


    Figure 112024067496529-pct00016

    상기 식 (1)∼(5)에 있어서, (r,θ)는 기준면 상의 극좌표이며, n은 0 이상 k 이하의 자연수이며, k는 16이고, n이 짝수인 경우에는 m은 -n부터 +n까지의 범위의 짝수만이며, n이 홀수인 경우에는 m은 -n부터 +n까지의 범위의 홀수만이며, j는 n과 k의 조합을 나타내는 지수이며, anm은 계수이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 최대 고저차(PV1)가 2㎛ 이하이고,
    상기 제2 최대 고저차(PV2)가 3㎛ 이하인, 산화갈륨 기판.
  3. 제1 주표면과, 상기 제1 주표면과는 반대 방향의 제2 주표면을 갖는, 산화갈륨 기판의 제조 방법으로서,
    상기 제1 주표면은, {001}면이거나 {001}면에 대하여 원하는 오프각을 갖는 면이고,
    상기 제조 방법은, 모스 경도가 7 이하인 입자를 포함하는 연마 슬러리에 의해, 상기 제1 주표면과 상기 제2 주표면을 동시에 연마하는 것을 포함하는, 산화갈륨 기판의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연마 슬러리에 포함되는 상기 입자의 동적 광산란법으로 측정한 입자경 분포에 있어서의 체적 기준의 적산 분율의 50％ 직경이 1㎛ 이하인, 산화갈륨 기판의 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 주표면과 상기 제2 주표면을 동시에 연마하는 시간의 전반기의 50％ 이상에서, 연마압이 9.8kPa 이하인, 산화갈륨 기판의 제조 방법.
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