(57)【要約】      （修正有）【課題】結晶成長後の素子材料の製品品質を向上させることのできるサファイヤ基板を提供する。【解決手段】半導体５をエピタキシャル成長させる際に用いるサファイヤ基板１であって、基板１の厚さＨ１を、基板１に積層させる半導体５の積層厚さＨ２と同一の厚さに設定され、かつ、直径を５cm以上、１３cm以下、厚さを２０μm以下の円盤形状に加工した薄型サファイヤ基板１。半導体５は、III族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体である。【選択図】図３
2010006700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体をエピタキシャル成長させる際に用いるサファイヤ基板であって、当該基板の厚さが、当該基板上に積層させる半導体の積層厚さと同一の厚さに設定され、かつ、直径を5 cm以上、13 cm以下、厚さを20μm以下の円盤形状に加工したことを特徴とする薄型サファイヤ基板。
【請求項２】
前記半導体は、III族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の薄型サファイヤ基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶サファイヤ基板に関し、特に、半導体をエピタキシャル成長させる際に用いる基板材料としての薄板円盤状のサファイヤ基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体をエピタキシャル成長させる基板材料としては様々なものが案出されている。例えば、サファイヤ（Ａl２Ｏ３）、スピネル、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム、シリコン（Ｓi）、６Ｈ−ＳiＣ、ＺnＯ、ＧaＡs等が挙げられる。このうち、青色発光素材として近年特に注目されているＧaＮに代表されるIII族窒化物半導体や窒化ガリウム系化合物半導体等（以降においてＧaＮ等と称することとする）を結晶成長させる基板として、もっとも広く用いられている基板材料は、前記の単結晶サファイヤ基板である。
【０００３】
これは、ＧaＮ等の格子定数とサファイヤの格子定数が比較的近似しているため、ＧaＮ等をサファイヤ基板上でエピタキシャル成長させやすく、かつ、格子定数が近似している成長可能な各種基板の中ではもっとも価格が安いためである。
【０００４】
図９及び図１０は、従来の結晶成長工程でのサファイヤ基板形状の一例を示す図であり、同図９は平面図を、同図１０は図９におけるＢ−Ｂ断面の概略を示している。使用されるサファイヤ基板10は、通常、直径が２インチ（5.08［cm］）もしくは３インチ（7.62［cm］）の円盤形状であり、これは半導体を積層させた後の処理、例えばエッチング、ボンディングなどで使用する次工程の加工機器でのクランプ等において、常に高精度が要求されるためで、基板の大きさや形状に関する事実上の標準仕様が決まっているからである。
【０００５】
また、図１０の側断面模式図に示すように、サファイヤ基板10は少なからず中心凹球面状に湾曲している。このサファイヤ基板10は、厚さＨ１が300［μm］〜500［μm］であるのに対して、その湾曲の度合い、すなわち、中心部の図に示す凹み深さＤ１は平均5［μm］〜10［μm］程度である場合が多い。従来の一般的な成形加工の技術水準では、厚さＨ１は300［μm］が限界とされていた。
【０００６】
これは、サファイヤ基板10を平滑に研削研磨していく研磨工程において、極薄厚に成形する際には、平行度が得られないという加工精度的な問題があり、さらに結晶素材内部の歪み及び外部からの加工歪みなどにより、板状表面が自然に湾曲形状となってくるために生じる問題である。なお、サファイヤ基板10では、前記厚さＨ１程度の仕上げでは板状表面が上下面共に比較的精度よく研磨され、何れの部位においてもほぼ均一の厚さを有するので、図に示す周辺部の浮き上がり高さＤ２も前記凹み深さＤ１とほぼ同等の5［μm］〜10［μm］程度である場合が多い。
【０００７】
次に、従来のサファイヤ基板10を用いてＧａＮ等の半導体をエピタキシャル成長させた後の基板形状について説明する。図１１は、前記図９及び図１０で示した従来のサファイヤ基板10を用いて、ＧａＮを結晶成長させた場合の図１０と同一方向から見たサファイヤ基板10断面を示した模式図である。
【０００８】
図において記号12は、サファイヤ基板10の結晶成長面13表面上に結晶成長させた半導体層（ＧａＮ層）を示し、この半導体層12とサファイヤ基板10とを併せて成長後基板11と称することとする。
【０００９】
図から明らかなように、成長後基板11は、結晶成長させる前と逆向きの「反り返り」現象が発生する。結晶成長面13に付加された半導体層12の厚さＨ２は、ほぼ2［μm］〜5［μm］程度であるが、これにより基板形状は成膜後に大きく変化し、逆に中心部の浮き上がり高さＤ３は20［μm］〜30［μm］程度にもなる。
【００１０】
この逆反り返りの現象は、熱膨張率の違いによる歪みとサファイヤ基板の加工歪みに起因すると考えられる。Ａl２Ｏ３（サファイヤ）のｃ軸に平行な方向の熱膨張係数は、室温からエピタキシャル成長させる温度である1000℃程度の区間では、ほぼ一定の5.3×10-6［Ｋ-1］であり、一方、ＧａＮの熱膨張係数は、700℃程度を臨界点として大きさが変化し、臨界点より高い温度では7.75×10-6［Ｋ-1］、低い温度では3.17×10-6［Ｋ-1］である。また、サファイヤ基板10の結晶成長面13の反対の面（裏面）14は研削された素材面であり、結晶成長面13と裏面14とは表面応力が大きく異なる。
【００１１】
従って、ＧａＮの熱膨張係数の断続的な変化、ＧａＮとＡl２Ｏ３との熱膨張係数の差、及び結晶成長面13と裏面14との間の加工歪みにより、成長後基板11の温度が1000℃程度から室温に降下する過程において、基板に反り返りが発生することが知られていた。
【００１２】
このように従来では、前記湾曲形状のサファイヤ基板を用いて、ＧａＮ系のIII族窒化物半導体等をエピタキシャル成長させ、これにより青色発光素子等の有用な半導体を得ていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の技術では以下の問題点があった。一般的に成長後基板11は、その後、発光素子チップなどとして使用するため、サファイヤ基板10の裏面14を研削して、その厚さを100［μm］程度にまで二次加工研削する。この時、裏面14の研削方法にもよるが、反り返りが発生した成長後基板11の裏面を研削する際には、成長後基板11を一様に保持することが非常に困難であるため、つまり加工する際に保持部分で半導体層12を傷つけてしまい、製品品質が著しく低下してしまうという潜在的な問題点があった。
【００１４】
また、成長後基板11は、その後、ペレタイズなどの工程を経て製品となるが、成長後基板11に施す加工工程数は可能な限り少ない方が好ましいのは言うまでもない。特に、発光素子として使用する場合は、成長後基板11を0.3［mm］×0.3［mm］程度の微少チップに分離切断する必要があるが、この際、裏面14側に縦横0.3［mm］間隔の溝を付けるスクライブ処理が必要であった。
【００１５】
すなわち、従来ではサファイヤ基板10自体が非常に厚く、半導体成長後に中間工程として必ず裏面14側を研削除去する必要があり、さらに研削後に個々チップに分離切断するためのスクライブ処理が必要となる。従って、作業工程において裏面研削などの二次加工工数が多くなり、また保持部分で二次加工中に基板の半導体層12を傷つける恐れもあり、取り扱いを誤ると製品品質が著しく低下してしまう場合があるという大きな問題点があった。
【００１６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、基板の精度と製品品質を向上することは勿論のこと、二次研削加工を必要としないサファイヤ基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、半導体をエピタキシャル成長させる際に用いるサファイヤ基板であって、当該基板の厚さを、当該基板に積層させる半導体の積層厚さと同一の厚さに設定され、かつ、直径を5cm以上、13cm以下、厚さを20μm以下の円盤形状に加工したことを特徴とする。
【００１８】
この請求項１の発明によれば、エピタキシャル成長させる半導体の最終的な成長厚さ（設計上の厚さ）を見越して、素材のサファイヤ基板の厚さを設定するので、各種の歪みを相殺することができ、結晶成長後の反りを極力少なくできる。また、エピタキシャル成長させる半導体結晶の厚さが数［μm］〜10数［μm］程度である場合において、結晶成長後のサファイヤ基板の反りを極力少なくすることができる。
【００１９】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体が、III族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする。
【００２０】
この請求項２の発明によれば、サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）と格子定数の近似するIII族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができ、基板上に良好な半導体結晶を得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明のサファイヤ基板（請求項１）は、当該基板の厚さを、当該基板に積層させる半導体の積層厚さと同一の厚さに設定してあるので、結晶成長後の反りを極端に少なくすることができ、これにより、製品品質を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明のサファイヤ基板（請求項１）は、直径を5cm以上、13cm以下、厚さを20μm以下の円盤形状に加工してあるので、エピタキシャル成長させる結晶の厚さが数μm〜10数μm程度である場合に、結晶成長後の基板の反りを少なくすることができ、これにより、製品品質を向上させることが可能となる。
【００２３】
また、本発明のサファイヤ基板（請求項２）は、請求項１に記載の発明において、結晶成長させる半導体をIII族窒化物半導体もしくは窒化ガリウム系化合物半導体としたので、サファイヤと格子定数が近似し、結晶成長後基板においても良好な結晶を得ることができ、これにより、高い製品品質を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１に係るサファイヤ基板の一例を示す平面概略図である。
【図２】実施の形態１に係るサファイヤ基板の一例を示す側断面概略図である。
【図３】実施の形態１に係るサファイヤ基板を用いてＧａＮを結晶成長させた後の基板の状態を示す模式図である。
【図４】実施の形態１に係るサファイヤ基板を用いてＧａＮを結晶成長させた後の基板の状態を示す別の模式図である。
【図５】実施の形態１に係るサファイヤ基板を用いてＧａＮを結晶成長させた後の基板の状態を示す別の模式図である。
【図６】実施の形態１に係るサファイヤ基板を用いてＧａＮを結晶成長させた後の基板の状態を示す別の模式図である。
【図７】実施の形態２に係るサファイヤ基板の一例を示す平面概略図である。
【図８】実施の形態２に係るサファイヤ基板の一例を示す側断面概略図である。
【図９】従来のサファイヤ基板の一例を示す平面概略図である。
【図１０】従来のサファイヤ基板の一例を示す側断面概略図である。
【図１１】従来のサファイヤ基板を用いてＧａＮを結晶成長させた場合の基板側断面を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００２６】
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の本実施の形態に係る薄型サファイヤ基板の一例を示す図であり、図１は平面図を、同図２は図１のＡ−Ａ断面の概略を示している。サファイヤ基板1は直径２インチ（5.08［cm］）の円盤形状であり、その厚さＨ１は、ＧａＮ等の半導体膜を、例えば７［μm］程度に積層（結晶成長）させる際、その積層（結晶成長）厚みと同一の板厚に設定したものを用いるものである。
【００２７】
ここでは厚さＨ１＝20［μm］のサファイヤ基板1を用い、半導体膜を約20［μm］とした。また、サファイヤ基板1の外周部にはオリフラ2が設けられており、結晶軸方向の目印となる基準線的な役割を担うのと、各種加工機器の位置調整に使用される。
【００２８】
また図２に示すように、サファイヤ基板1は、研磨加工工程等により、従来のサファイヤ基板10（図１０参照）とほぼ同様に、薄板基板自体が均等厚な中心凹球面状に湾曲面を形成している。すなわち、サファイヤ基板1は、結晶成長面3が中心凹球曲面となっており、反対の凸球曲面側の裏面4の浮き上がり高さＤ２と同程度の凹み深さＤ１が形成された湾曲面形状となっている。
【００２９】
次に、この薄型のサファイヤ基板1を用いて半導体層（ＧａＮ層）をエピタキシャル成長させた場合での、従来例で示した「反り返り」現象の影響について説明する。図３〜図６は、本実施の形態のサファイヤ基板1を用いて、半導体層のＧａＮ層5を結晶成長させた後の基板形状の状態を示す模式図である。
【００３０】
図に示すＧａＮ層5は、サファイヤ基板1の厚さＨ１と同一の厚さＨ２を有することにより、結晶成長後、ほぼ平坦なものとなる。サファイヤ基板1の加工条件により多少のバラツキはあるが、もっとも良好な結果としては、図３に示すように、成長後基板6は基板全体として反りの全くない平坦なものとなる。
【００３１】
また、ＧａＮ層5の厚さＨ２やサファイヤ基板1の厚さＨ１、およびサファイヤ基板1を薄く加工する加工工程において生じる歪み応力などのバラツキにより、図４に示す、反り返りまでには至らなかったほぼ平坦な成長後基板6、もしくは図５に示すように、反り返りが若干発生した、ほぼ平坦な成長後基板6のもが得られた。
【００３２】
さらにまた、図６に示すように、鞍型に反った変形型の成長後基板6も一部で見受けられた。ここで付け加えて説明するが、図６の模式図は、説明のために形状が強調して描画されており、実際の反りは図４並びに図５のように非常に小さいものであり、ほぼ平坦なものが得られた。
【００３３】
成長後基板6は、図４、図５および図６の何れの場合においても、反りの大きさ、すなわち、中心部の凹み深さＥ１、周辺部の浮き上がり高さＥ２および中心部の浮き上がり高さＥ３は、対応する結晶成長前の凹み深さＤ１、周辺部の浮き上がり高さＤ２および中心部の浮き上がり高さＤ３より確実に小さいものであった。
【００３４】
成長後基板6は、反りの大きさが従来品より極端に小さく、その後のペレタイズ工程などにおいて、結晶成長させたＧａＮ層を傷つけてしまう場合が従来より少なくなった。また、本実施の形態において使用したサファイヤ基板1は、もともと薄い基板なので、結晶成長後に裏面4（図１参照）を更に二次研削する必要がなく、加工工程を少なくすることができた。
【００３５】
すなわち、本発明では高精度な加工技術により得られた薄型のサファイヤ基板1を結晶成長基板に用いることにより、加工工程を簡素化でき、製品品質を安定させ、かつ、最終的に歩留りを向上させることが可能となった。
【００３６】
（実施の形態２）
次に、予めスクライブ溝を備えた薄型サファイヤ基板について説明する。図７は、本実施の形態に係るサファイヤ基板の一例を示す図であり、同図７は基板の裏面側平面図を、同図８は同図７のＡ−Ａ断面をそれぞれ示すものである。なお、実施の形態２においては、実施の形態１と同様の部分についてはその説明を省略し、また、同一の構成を有する部位に対しては同一の符号を付するものとする。
【００３７】
サファイヤ基板7は、直径３インチ（7.62［cm］）の円盤形状であり、その厚さＨ１を100［μm］程度にまで薄厚に加工したものを用いる。さらに、このサファイヤ基板7には、結晶成長を行う前に、裏面4側全域に間隔0.3［mm］、深さ5［μm］のスクライブ溝8を縦横に格子状にダイサーで加工した。
【００３８】
次に、このサファイヤ基板7を用いて厚さ10［μm］のＧａＮをエピタキシャル成長させ、その後、最終的に青色発光素子を製造するための各種ウエハ処理・ペレタイズを行った。
【００３９】
このとき、すでにサファイヤ基板７の裏面4側にはスクライブ溝8をあらかじめ設けてあるので、薄厚なサファイヤ基板7の片面に結晶成長させた前記基板の円盤平面を、ローラー治具で加圧しながら押すだけで、基板全体が細かに分割され、各チップを分離する作業工程を容易におこなうことができた。
【００４０】
このように、スクライブ溝8を施した薄型サファイヤ基板7を用いることにより、研削工程を無くして加工工程を少なくし、さらにチップ製品の品質を向上させ、かつ、量産性と歩留りの向上を図ることが可能となった。
【符号の説明】
【００４１】
1、7、10  サファイヤ基板
2  オリフラ
3  結晶成長面
4、14  裏面
5  ＧａＮ層
6、11  成長後基板
8  スクライブ溝
12  半導体層
13  結晶成長面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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