(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面配向からなる群から選択される結晶配向を有し且つ０．０１５μｍ／ｃｍ2〜０．０３７μｍ／ｃｍ2の範囲のｎＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板であって、
ｎＴＴＶが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された総厚みばらつきであり、該基板は７．５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲の直径を有し、
該基板が０．１１μｍ／ｃｍ2〜０．１９０μｍ／ｃｍ2の範囲のｎワープを有し、ｎワープは該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のワープであり、
該概ね平坦な表面が５Å〜１５０Åの範囲の粗さＲａを有し、並びに
該基板が  ０．０３０μｍ／ｃｍ2〜０．１００μｍ／ｃｍ2の範囲のｎボウを有し、ｎボウが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のボウである、
サファイア基板。
【請求項２】
該ｎＴＴＶが０．０１５μｍ／ｃｍ2〜０．０３５μｍ／ｃｍ2の範囲である、請求項１に記載のサファイア基板。
【請求項３】
該概ね平坦な表面が４４ｃｍ2〜８１ｃｍ2の範囲の表面積を有する、請求項１に記載のサファイア基板。
【請求項４】
ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面配向からなる群から選択される結晶配向を有し且つ０．９５μｍ〜３．００μｍの範囲のＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板であって、
ＴＴＶが該概ね平坦な表面の総厚みばらつきであり、
該基板が０．１１μｍ／ｃｍ2〜０．１９０μｍ／ｃｍ2の範囲のｎワープを有し、ｎワープは該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のワープであり、
概ね平坦な表面が５Å〜１５０Åの範囲の粗さＲａを有し、並びに
該基板が７．５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲の直径且つ４７０μｍ〜５２５μｍの範囲の厚みを有する、
サファイア基板。
【請求項５】
該表面積が４４ｃｍ2〜８１ｃｍ2の範囲である、請求項４に記載のサファイア基板。
【請求項６】
ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面からなる群から選択される結晶配向を有し且つ０．０１５μｍ／ｃｍ2〜０．０２５μｍ／ｃｍ2の範囲のｎＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板であって、
ｎＴＴＶが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された総厚みばらつきであり、該基板が７．５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲の直径を有し、並びに
該基板が０．１１μｍ／ｃｍ2〜０．１９０μｍ／ｃｍ2の範囲のｎワープを有し、ｎワープは該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のワープである、
サファイア基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してサファイア基板、及びそのような基板の仕上げ方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
第III族及び第Ｖ族元素の単結晶窒化物材料系の半導体部品は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、ディスプレイ、トランジスタ、及びディテクタのようなデバイスに適している。特に、第III族及び第Ｖ族の窒素化合物を利用する半導体素子は、ＵＶ及び青／緑の波長領域の発光デバイスに有益である。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）並びに例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びそれらの組み合わせのような関連材料は、需要が多い窒化物半導体材料の最も一般的な例である。
【０００３】
しかしながら、そのような窒化物半導体材料のブールや基板を製造することは、多くの理由のために難しいことが分かった。したがって、異質の基板材料上への窒化物半導体材料のエピタキシャル成長が実行可能な代替手段として考えられる。ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ａｌ2Ｏ3（サファイアまたはコランダム）、及びＭｇＡｌ2Ｏ4（スピネル）を含む基板は、一般的な異質の基板材料である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのような異質基板は、窒化物半導体材料、特にＧａＮとは異なる結晶格子構造を有し、したがって格子不整合を有する。そのような不整合及び例えば覆っている半導体材料層の応力や欠陥のような付随する問題にもかかわらず、産業界は広い表面積、高品質の基板、特にサファイア基板を必要とする。しかしながら、より大きいサイズの高品質基板を製造する上での課題が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施態様は、ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面配向からなる群から選択される結晶配向を有し且つ約０．０３７μｍ／ｃｍ2以下のｎＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板を対象とし、ｎＴＴＶは概ね平坦な表面の表面積で規格化された総厚みばらつきであり、基板は約９．０ｃｍ以上の直径を有する。
【０００６】
他の実施態様は、ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面配向からなる群から選択される結晶配向を有し且つ約３．００μｍ以下のＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板を対象とし、ＴＴＶは概ね平坦な表面の総厚みばらつきである。基板は約６．５ｃｍ以上の直径且つ約５２５μｍ以下の厚みを有する。
【０００７】
他の実施態様は、第１の固定研磨材を用いてサファイア基板の第１表面を研削加工すること、及び第２の固定研磨材を用いてサファイア基板の第１表面を研削加工することを含むサファイア基板の機械加工方法を対象とする。第２の固定研磨材は第１の固定研磨材よりも小さい平均粒径を有し、そして第２の固定研磨材は自生発刃性（ｓｅｌｆ−ｄｒｅｓｓｉｎｇ）である。
【０００８】
他の実施態様は、第１表面がｃ面配向を有するように研磨材を用いてそれぞれのサファイア基板の第１表面を研削加工することを含む複数のサファイア基板を含むサファイア基板ロットを提供する方法を対象とし、サファイア基板ロットは少なくとも２０個のサファイア基板を含む。それぞれのサファイア基板は（ｉ）ｃ面配向、（ｉｉ）結晶のｍ面ミスオリエンテーション角度（θm）、及び（ｉｉｉ）結晶のａ面ミスオリエンテーション角度（θa）を有する第１表面を有し、ここでは、（ａ）ミスオリエンテーション角度θmの標準偏差σmが約０．０１３０以下、及び（ｂ）ミスオリエンテーション角度θaの標準偏差σaが約０．０３２５以下のうち少なくとも１つが成り立つ。
【０００９】
他の実施態様は、少なくとも２０個のサファイア基板を含むサファイア基板ロットを対象とする。それぞれのサファイア基板は（ｉ）ｃ面配向、（ｉｉ）結晶のｍ面ミスオリエンテーション角度（θm）、及び（ｉｉｉ）結晶のａ面ミスオリエンテーション角度（θa）を有する第１表面を有し、ここでは、（ａ）ミスオリエンテーション角度θmの標準偏差σmが約０．０１３０以下、及び（ｂ）ミスオリエンテーション角度θaの標準偏差σaが約０．０３２５以下のうち少なくとも１つが成り立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施態様による基板を形成する方法を図示したフローチャートである。
【図２】一実施態様による研削加工装置の模式図である。
【図３Ａ】従来の研削加工ツールと比較して一実施態様による研削加工ツールの使用を比較したプロットである。
【図３Ｂ】従来の研削加工ツールと比較して一実施態様による研削加工ツールの使用を比較したプロットである。
【図４】一実施態様による研磨機の模式図である。
【図５】ｃ面配向サファイア基板のミスオリエンテーション角度の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面を参照することで、当業者に本開示がより良く理解されることができ、そしてその多くの特徴及び利点が明らかにされ得る。異なる図面で同じ参照符号を使用することは、類似のまたは同一の項目であることを示す。
【００１２】
一態様によれば、第１の固定研磨材を用いてサファイア基板の第１表面を研削加工する工程、及び第２の固定研磨材を用いてサファイア基板の第１表面を研削加工する工程を含む方法が提供される。本方法はさらに、第２の固定研磨材が第１の固定研磨材よりも小さい平均粒径を有するように、第２の固定研磨材が第１の固定研磨材よりも細かく、そして第２の固定研磨材が自生発刃性の研磨材表面であることを規定する。
【００１３】
明確化のために言えば、研磨材は概して遊離研磨材及び固定研磨材として分類分けすることができる。遊離研磨材は概して懸濁液を形成する液体媒体中の粉末形態または微粒形態の砥粒からなる。固定研磨材は概して、固定研磨材が、互いに相対的な砥粒の位置を固定する材料のマトリックス中の砥粒を利用する点で、遊離研磨材と異なる。固定研磨材としては、概して結合研磨材及び研磨布紙が挙げられる。研磨布紙の例は、サンドペーパーであり、そして研磨布紙は、概して砥粒と様々な上引き接着剤層及び基礎接着剤層とが堆積される可撓性基板に依存する、平面状シート（またはベルト（ｂｅｌｔ）、フラップ（ｆｌａｐ）等を形成する平面状シートの幾何学的加工品）である。対照的に、結合研磨材は概してそのような基板に依存せず、砥粒が分散するマトリックスの結合材料を使用することで、砥粒は互いに相対的な位置に固定される。そのような結合研磨材の部材は一般に、付形または成形され、そして結合マトリックスが柔らかくなり、流動し、そして砥粒を濡らす結合マトリックスの硬化温度（概して７５０℃より高い）で熱処理され、そして冷やされる。例えば環状、円錐状、筒状、円錐台状、様々な多角形のような様々な３次元の形状を利用することができ、そして研削砥石、研削ブロック、研削ビットなどとして形成してもよい。本明細書に記載される特定の実施態様は、結合研磨材の形態の固定研磨材部材を利用する。
【００１４】
図１を参照すると、一実施態様による基板の形成加工方法がフローチャートで図示される。そのプロセスは工程１０１で単結晶サファイアのブールを形成することから始まる。明らかなように、サファイアは半導体デバイス、特にＬＥＤ／ＬＤの用途のための基板用に好適な任意のサイズまたは形状を有するブランクまたはブールに形成することができる。そのようなものとして、一般的な形状はほぼ筒状の外形を有するブールである。単結晶サファイアの形成は、ブールの所望の大きさ及び形状、並びに結晶の方位によって、例えばチョクラルスキー法、エッジディファインドフィルムフェド成長法（Ｅｄｇｅ−Ｄｅｆｉｎｅｄ  Ｆｉｌｍ  Ｆｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ）（ＥＦＧ）、若しくはキロプロス法のような技術、または他の技術を用いて達成することができる。
【００１５】
工程１０１で単結晶サファイアを形成した後、工程１０３でブールまたはブランクの切断加工を行ってサファイアを薄片化してウエハを形成することができる。特定の実施態様によれば、サファイアの切断加工は、ほぼ筒形状を有するサファイアのブールのワイヤソー加工を含む。サファイアのブールのワイヤソー加工は複数の未仕上げのサファイアウエハを提供する。概して、ワイヤソー加工プロセスの継続時間は数時間、例えば約２．０時間から約３０時間まで、様々であり得る。未仕上げのサファイアウエハの所望の厚みは約１０ｍｍ未満であることができ、例えば約８．０ｍｍ厚未満、あるいは約５．０ｍｍ厚未満である。一実施態様によれば、工程１０３のワイヤソー加工の後のサファイアウエハの厚みは、約３．０ｍｍ厚未満であり、例えば約１．０ｍｍ厚未満である。
【００１６】
一実施態様によれば、ワイヤソー加工は固定研磨材ワイヤエレメント、または、例えばめっきされた若しくは砥粒でコーティングされた一群のワイヤ（ａｒｒａｙ  ｏｆ  ｗｉｒｅｓ）のようなエレメントを用いて行われる。一実施例では、例えば立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）またはダイアモンドのような超研磨材が複数のワイヤ上にコーティングされ、そしてサファイアのブールが高速（例えば最大５０００ｒｐｍ）で回転され、そしてワイヤグリッドに対して押され、それによって単一工程でブール全体をスライス加工する。この技術の一例は、例えばＦＡＳＴ（固定研磨材スライス加工技術）のような非スプール式（ｎｏｎ−ｓｐｏｏｌｉｎｇ）のワイヤソー加工であり、マサチューセッツ州セーレムのクリスタルシステム社から提供される。他の例はスプール式（ｓｐｏｏｌ−ｔｏ−ｓｐｏｏｌ）ワイヤソー加工システムである。
【００１７】
ＥＦＧプロセスで作製された単結晶の未加工品の場合、概してリボンまたはシート形状でワイヤソープロセスが不要であることがあり、芯を取られた（付形された）ウエハが直接、研削加工工程に進むことができる。
【００１８】
明確化のために、「ウエハ」及び「基板」なる語は、本明細書では同意語として用いられて形成または加工されている薄片化されたサファイア材料のことを言い、その上に半導体層のエピタキシャル成長を行うための基板として用いられて、例えば光電子デバイスを形成する。多くの場合、未仕上げのサファイア片をウエハ、そして仕上げたサファイア片を基板と呼ぶのが一般的であるが、しかしながら本明細書で用いるこれらの用語は必ずしもこの区別を示すものではない。
【００１９】
図１に示す実施態様によれば、工程１０３で切断加工によって複数のサファイアウエハを形成した後、未仕上げのサファイアウエハの表面が加工されることができる。概して、未仕上げのサファイアウエハの１つまたは両方の主対向面が研削加工にかけられて表面の仕上がりを改良することができる。一実施態様によれば、未仕上げのサファイアウエハは工程１０５で粗研削加工プロセスにかけられる。粗研削加工工程は未仕上げのサファイア基板の両主面を研削加工することを含んでもよい。概して、粗研削加工プロセスは、適度に高い材料除去速度で十分な量の材料を除去して、ワイヤソー加工プロセスによって生じた主面の凹凸を除去する。そのようなものとして、粗研削加工プロセスは未仕上げのサファイア基板の主面から約３０μｍ以上の材料を除去してもよく、例えば未仕上げのサファイアウエハの主面から約４０μｍ以上、あるいは約５０μｍ以上の材料を除去してもよい。
【００２０】
概して、粗研削加工プロセスは、結合材料マトリックス中の粗砥粒を含む固定粗研磨材を利用することができる。粗砥粒はアルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア−アルミナ等を含む例えば結晶性材料またはセラミック材料のような常用の砥粒を含むことができる。加えて、または代わりに、粗砥粒はダイアモンド、及び立方晶窒化ホウ素、またはそれらの混合物を含む超砥粒を含むことができる。特定の実施態様は超砥粒を活用する。超砥粒を利用するそれらの実施態様は、フィラー材料として例えば上記の材料のような非超砥材セラミック材料を利用することができる。
【００２１】
粗研磨材に関連してさらに言えば、粗砥粒は約３００μｍ以下の平均粒子径、例えば約２００μｍ以下、あるいはさらに約１００μｍ以下の平均粒子径を有することができる。特定の実施態様によれば、粗砥粒の平均粒子径は約２．０μｍと約３００μｍの間の範囲内であり、例えば約１０μｍと２００μｍの間の範囲内、さらに好ましくは約１０μｍと１００μｍの間の範囲内である。代表的な粗粒は約２５μｍ〜７５μｍの範囲内の平均粒子径を有する。
【００２２】
上述のように、粗研磨材は結合材料マトリックスを含む。概して結合材料マトリックスは金属または金属合金を含むことができる。好適な金属としては、鉄、アルミニウム、チタン、青銅、ニッケル、銀、ジルコニウム、それらの合金等が挙げられる。一実施態様では、粗研磨材は約９０体積％以下の結合材料を含み、例えば約８５体積％以下の結合材料を含む。概して、粗研磨材は約３０体積％以上の結合材料を含み、あるいはさらに約４０体積％以上の結合材料を含む。特定の実施態様では、粗研磨材は約４０体積％と９０体積％の間の範囲内の量の結合材料を含む。特定の研削砥石の例としては、米国特許第６，１０２，７８９号；同第６，０９３，０９２号；及び同第６，０１９，６６８号各明細書に記載された研削砥石が挙げられ、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００２３】
概して、粗研削加工プロセスは未仕上げのサファイアウエハをホルダーに装着すること、及び粗研磨材表面に相対的にサファイアウエハを回転させることを含む。簡単に図２を参照すると、部分的な模式破断図で示される、代表的な研削装置２００が図示される。研削装置２００はホルダー２０１に装着される未仕上げのウエハ２０３を含むことができ、ウエハ２０３は少なくとも部分的にホルダー２０１に凹設される。ホルダー２０１は回転されることができ、したがって未仕上げのウエハ２０３を回転する。研磨リム２０７を有する研削砥石２０５（破断した形で示す）は未仕上げのウエハ２０３に相対的に回転されることができ、それによって未仕上げのウエハの表面を研削加工する。また、ウエハ２０３及び研削砥石２０５は同じ方向（例えば両方とも時計回りまたは反時計回り）に回転されてもよく、一方で研削加工はオフセット回転軸によって達成される。示されるように、研削砥石２０５を回転させるのに加えて、下向きの力２０９を研削砥石２０３に加えることができる。
【００２４】
示されるように、粗研磨材は内側の砥石の周囲にほぼ円形の研磨リム２０７を有する研削砥石であることができる。一実施態様によれば、精研削加工プロセスは、研削砥石を１分あたり約２０００回転（ｒｐｍ）より速く、例えば約３０００ｒｐｍより速く、例えば３０００〜６０００ｒｐｍの範囲内の速度で回転させることを含む。概して、例えば水性及び有機の冷却剤のような液体冷却剤が用いられる。
【００２５】
特定の実施態様では、自生発刃性の粗研磨材表面が利用される。多くの従来の固定研磨材とは異なり、自生発刃性の研磨材は概して使用の際にドレッシングまたは追加の調整を必要とせず、そして正確で均一な研削加工に特に好適である。自生発刃性に関連して言えば、結合材料マトリックスは特定の組成、気孔率、及び粒子に対する相対的な濃度を有して、砥粒が磨耗平坦部を生じるときに、結合材料マトリックスの所望の破砕（ｆｒａｃｔｕｒｅ）を達成する。ここで、結合材料マトリックスは、マトリックスの目づまり（ｌｏａｄｉｎｇ）の増加に起因して磨耗平坦部が生じるにつれて破砕する。破砕は望ましくは磨耗した粒子の喪失をもたらし、そして新たな粒子及びそれらに関連した新たな切削エッジを露出する。特に自生発刃性の粗研磨材の結合材料マトリックスは約６．０ＭＰａ-ｍ1/2未満、例えば約５．０ＭＰａ-ｍ1/2未満、あるいは特に約１．０ＭＰａ-ｍ1/2と３．０ＭＰａ-ｍ1/2の間の範囲内の破壊靱性を有することができる。
【００２６】
概して、自生発刃性の粗研磨材は、部分的に結合材料を気孔、概して連通気孔と置き換える。したがって結合材料の実際の含有量は上記の値よりも減少される。１つの特定の実施態様では、粗研磨材は約２０体積％以上、例えば約３０体積％以上、代表的な範囲では約３０体積％と約８０体積％の間、例えば約３０体積％〜約８０体積％、及び約３０体積％〜約７０体積％の気孔率を有する。一実施態様によれば、粗研磨材は約５０体積％〜約７０体積％の気孔率を含む。当然のことながら、気孔は開放気孔または独立気孔であることができ、そしてより大きい割合の気孔率を有する粗研磨材では、概して気孔は開放した連通気孔である。気孔の大きさは、概して約２５μｍ〜約５００μｍ、例えば約１５０μｍ〜約５００μｍの大きさの範囲内であることができる。前述の気孔に関連した値及び本明細書に記載される値は、様々な部材での事前機械加工または事前研削加工に関連してもたらされる。
【００２７】
一実施態様によれば、粗砥粒の含有量は自生発刃性能をさらに改良するために限定される。例えば、粗研磨材は約５０体積％以下、４０体積％以下、３０体積％以下、例えば約２０体積％以下、あるいはさらに約１０体積％以下の粗砥粒を含む。１つの特定の実施態様では、粗研磨材は約０．５体積％以上且つ約２５体積％以下の粗砥粒、例えば約１．０体積％と約１５体積％の間の範囲内の粗砥粒、あるいは特に約２．０体積％と約１０体積％の間の範囲内の粗砥粒を含む。
【００２８】
簡単に図３を参照すると、自生発刃性の研磨材表面及び従来の研磨材表面について、研削加工時間の関数として研削砥石に適用される垂直力を比較した２つのプロットが示される。示されるように、それぞれ３つの図示された研削加工操作３０１、３０２、及び３０３（３０１〜３０３）の際に、自生発刃性の研磨材はほぼ一定のピーク垂直力を受ける。加えて、ピーク垂直力は、それぞれの研削加工操作３０１〜３０３の間で実質的に異ならない。対照的に、従来の研磨材表面は、個々の研削加工操作３０４、３０５、３０６、及び３０７（３０４〜３０７）の間で、並びに個々の研削加工操作３０４〜３０７のそれぞれの際に、表面を効果的に研削するために必要な力の増加を示す。そのような研削加工の際に増加する垂直力は、たびたびドレッシング操作を行っても、著しい表面及び表面下の欠陥（高い欠陥密度）と、不均一な研削加工とをもたらしがちである。
【００２９】
一実施態様によれば、自生発刃性の粗研磨材を用いた研削加工の際のピーク垂直力は、研削加工操作中に、約２００Ｎ／ｍｍ幅（基板及び研削砥石間の接触エリアに沿って測定）以下の垂直力を基板表面に適用することを含む。他の実施態様では、研削加工操作中に適用されるピーク垂直力は約１５０Ｎ／ｍｍ幅以下、例えば約１００Ｎ／ｍｍ幅以下、あるいはさらに約５０Ｎ／ｍｍ幅以下である。
【００３０】
粗研削加工後に、ウエハは概して約１μｍ未満の平均表面粗さＲaを有する。概して、次いで精研削加工が行われ、平坦度、ボウ（ｂｏｗ）、ワープ（ｗａｒｐ）、総厚みばらつき、及び表面粗さを含む基板の巨視的形態を改良するだけでなく、特に結晶転位の低減または除去を含む例えば損傷した結晶性のような例えば表面下の損傷の低減といった微小欠陥を改良する。
【００３１】
いくつかの環境では、第１の粗研削加工工程を省くことができ、または概してスラリー形態で遊離研磨材を利用するラッピングで置き換えることができる。そのような場合、第２の研削加工操作が上記の自生発刃性の固定研磨材を利用する。
【００３２】
図１に示す実施態様に戻ると、工程１０５の粗研削加工を完了すると、サファイアウエハは工程１０７の精研削加工プロセスに送られることができる。精研削加工プロセスは概して材料を除去して粗研削加工プロセス１０５によって生じた欠陥を実質的に除去する。そのようなものとして、一実施態様によれば、精研削加工プロセスでサファイア基板の主面から約５．０μｍ以上の材料を除去し、例えば約８．０μｍ以上、あるいは約１０μｍ以上の材料をサファイアウエハの主面から除去する。他の実施態様では、より多くの材料が除去されて、例えば約１２μｍ以上、あるいはさらに約１５μｍ以上の材料がサファイア基板の表面から除去される。概して、工程１０７での精研削加工は一表面で行われ、未仕上げのサファイアウエハの両主面を研削加工することを含むことができる工程１０５での粗研削加工プロセスとは対照的である。
【００３３】
微細研磨材は、結合材料マトリックス中の微細砥粒を含む固定微細研磨材を利用することができる。微細砥粒としては、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア−アルミナ、または例えばダイアモンド及び立方晶窒化ホウ素のような超砥粒、またはそれらの混合物を含む例えば結晶性材料若しくはセラミック材料のような常用の砥粒を挙げることができる。特定の実施態様は超砥粒を活用する。超砥粒を利用するそれらの実施態様は、フィラー材料として例えば上記の材料のような非超砥材セラミック材料を利用することができる。
【００３４】
一実施態様によれば、微細研磨材は約５０体積％以下、４０体積％以下、３０体積％以下、例えば約２０体積％以下、あるいはさらに約１０体積％以下の微細砥粒を含む。１つの特定の実施態様では、微細研磨材は約０．５体積％以上且つ約２５体積％以下の微細砥粒を含み、例えば約１．０体積％と約１５体積％の間の範囲内の微細砥粒、あるいは特に約２．０体積％と約１０体積％の間の範囲内の微細砥粒を含む。
【００３５】
微細研磨材をさらに参照すると、微細砥粒は約１００μｍ以下、例えば約７５μｍ以下、あるいはさらに約５０μｍ以下の平均粒子径を有することができる。特定の実施態様によれば、微細砥粒の平均粒子径は約２．０μｍと約５０μｍの間の範囲内、例えば約５μｍと約３５μｍの間の範囲内である。概して、粗及び微細固定研磨材間の平均粒子径の差は少なくとも１０μｍ、概して少なくとも２０μｍである。
【００３６】
粗研磨材と同様に、微細研磨材は、例えば金属または金属合金のような材料を含むことができる結合材料マトリックスを含む。好適な金属としては、鉄、アルミニウム、チタン、青銅、ニッケル、銀、ジルコニウム、及びそれらの合金を挙げることができる。一実施態様では、微細研磨材は約７０体積％以下の結合材料、例えば約６０体積％以下の結合材料、あるいはさらに約５０体積％以下の結合材料を含む。他の実施態様によれば、微細研磨材は約４０体積％以下の結合材料を含む。概して、微細研磨材は約１０体積％以上、概して１５体積％以上、あるいは２０体積％以上の量の結合材料を含む。
【００３７】
さらに、固定微細研磨材は一定の気孔率を含むことができる。１つの特定の実施態様では、微細研磨材は約２０体積％以上、例えば約３０体積％以上、代表的な範囲では約３０体積％と約８０体積％の間、例えば約５０体積％〜約８０体積％、あるいは約３０体積％〜約７０体積％の気孔率を有する。一実施態様によれば、微細研磨材は約５０体積％〜７０体積％の気孔率を含む。当然のことながら、気孔は開放気孔または独立気孔であることができ、そしてより大きい割合の気孔率を有する微細研磨材では、概して気孔は開放した連通気孔である。気孔の大きさは、概して約２５μｍ〜約５００μｍの大きさの範囲内、例えば約１５０μｍ〜約５００μｍの大きさの範囲内であることができる。
【００３８】
工程１０７での精研削加工プロセスを参照すると、既に述べたように、微細研磨材は自生発刃性である。自生発刃性の粗研磨材と同様に、自生発刃性の微細研磨材は、概して特定の破壊靱性を有する金属を含む結合材料マトリックスを含む。一実施態様によれば、結合材料マトリックスは約６．０ＭＰａ-ｍ1/2未満、例えば約５．０ＭＰａ-ｍ1/2未満、あるいは特に約１．０ＭＰａ-ｍ1/2と約３．０ＭＰａ-ｍ1/2の間の範囲内の破壊靱性を有することができる。自生発刃性の精研削部材は、米国特許第６，７５５，７２９号及び同第６，６８５，７５５号に記載され、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。
【００３９】
概して、精研削加工プロセス１０７は、粗研削加工プロセス１０５と併用する上述のプロセスと同様の装置および方法を含む。すなわち、概してホルダーに未仕上げのサファイアウエハを装着すること、そして微細研磨材表面、概して内側の砥石の周囲にほぼ円形の研磨リムを有する研削砥石に相対的にサファイアウエハを回転させることである。一実施態様によれば、精研削加工プロセスは、研削砥石を１分あたり約２０００回転（ｒｐｍ）より速く、例えば約３０００ｒｐｍより速く、例えば３０００〜６０００ｒｐｍの範囲内の速度で回転させることを含む。概して、例えば水性及び有機の冷却剤のような液体冷却剤が用いられる。
【００４０】
上述のように、微細研磨材は自生発刃性であることができ、よって、概して自生発刃性の粗研磨材に一致する上述の特性を有する。しかしながら、一実施態様によれば、精研削加工の際のピーク垂直力は、研削加工操作中に約１００Ｎ／ｍｍ幅以下の力を適用することを含む。他の実施態様では、研削加工操作中のピーク垂直力は、約７５Ｎ／ｍｍ幅以下、例えば約５０Ｎ／ｍｍ幅以下、あるいはさらに約４０Ｎ／ｍｍ幅以下である。
【００４１】
上述の粗及び微細研磨材についての記述は、実際の研削加工ツールの固定研磨材部材についてのものである。明確であるように、その部材は、ツールの全体を形成するのではなく、加工対象物（基板）に接触することになるツールの一部だけを形成してもよく、そして固定研磨材部材はセグメントの形態であってもよい。
【００４２】
未仕上げのサファイアウエハの精研削加工の後に、ウエハは概して、約０．１０μｍ未満、例えば０．０５μｍ未満の平均表面粗さＲaを有する。
【００４３】
サファイアウエハの精研削加工１０７の後に、ウエハは例えば欧州特許第０２２１４５４Ｂ１号に開示されるような応力緩和プロセスに送られることができる。記載されるように、応力緩和はエッチングまたはアニール方法によって行われてもよい。アニールは数時間、１０００℃より高い温度で行われることができる。
【００４４】
図１の実施態様を再度参照すると、工程１０７での精研削加工の後に、研削したサファイアウエハが工程１１１の研磨加工に送られることができる。概して、研磨加工はウエハの表面及び機械ツールの間に提供されるスラリーを利用し、そしてウエハ及び機械ツールは互いに相対的に動かされて研磨加工操作を行うことができる。スラリーを用いる研磨加工は概して化学機械研磨（ＣＭＰ）に分類され、スラリーは液体媒体に懸濁した遊離砥粒を含みウエハから正確な量の材料を除去することを促進することができる。そのようなものとして、一実施態様によれば、研磨加工プロセス１１１は研磨材と材料の除去を増進または抑制するように機能し得る添加化合物とを含むスラリーを用いるＣＭＰを含むことができる。化学成分は例えばリン化合物でもよい。事実上、研磨材は機械的成分を提供し、そして添加剤は化学的に活性な成分を提供する。
【００４５】
遊離砥粒は概してナノサイズであり、１μｍ未満、概して２００ｎｍ未満の平均粒子径を有する。概して、メジアン粒子径は例えば約１０〜約１５０ｎｍの範囲内のような若干より狭い範囲内にある。技術用語を明確にするために言うと、約１μｍ未満のメジアン粒子径は、一般に、低い材料除去速度で機械加工操作を行うことによって微細な表面仕上げが提供される後述の事項に対応する研磨加工プロセスを表す。約１．０μｍよりも大きい、例えば約２．０〜約５．０μｍ程度のようなメジアン粒子径では、概して機械加工操作はラッピング操作として特徴付けられる。特に有益な遊離砥粒は、例えば多結晶または単結晶のγ−アルミナの形態のようなアルミナである。
【００４６】
上述のように、スラリーにリン添加剤が存在してもよい。概してリン添加剤は約０．０５〜約５．０質量％の範囲、例えば約０．１０質量％〜約３．０質量％の範囲内の濃度で存在する。特定の実施態様は例えば約０．１０質量％〜約２．０質量％程度のような若干より狭い範囲内の濃度を利用する。一実施態様によれば、リン化合物はリン元素に結合される酸素を含む。この材料種はオキソリン材料として知られている。特に、オキソリン化合物は１、３、または５の原子価状態のリンを含み、そして特定の実施態様では、効果的な機械加工が、リンの原子価が５であるオキソリン化合物を利用することで行われた。
【００４７】
他の実施態様では、リンは酸素に加えて炭素に結合されることができ、それは概してホスホネートとして知られる有機リン化合物を表す。他のリン化合物としては、ホスフェート、ピロホスフェート、ヒポホスフェート、サブホスフェート、ホスファイト、ピロホスファイト、ヒポホスファイト、及びホスホニウム化合物が挙げられる。特定種のリン化合物としては、リン酸カリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、ヒドロキシホスホノ酢酸（Ｂｅｌｃｏｒ５７５）、及びアミノトリ−（メチレンホスホン酸）（Ｍａｙｏｑｕｅｓｔ１３２０）が挙げられる。
【００４８】
概して、研磨材成分及びリン化合物を含む添加剤を含むスラリーは水性であり、すなわち、水系である。実は、スラリーは概して塩基性のｐＨを有し、例えばｐＨは約８．０より大きく、例えば約８．５よりも大きい。ｐＨ値は最大約１２まで広がってもよい。
【００４９】
研削されたサファイアウエハの研磨加工用装置を簡単に参照すると、図４は一実施態様による研磨加工装置の基本構造の模式図を示す。装置４０１は、この場合では研磨パッド４１０及び研磨パッドを支持する定盤によって形成される機械ツールを含む。定盤と研磨パッド４１０は本質的に同じ直径である。定盤は、矢印で示すように回転方向にそって、中心軸の周りを回転可能である。テンプレート４１２は複数の円形凹みを有しており、それぞれの凹みが、研磨パッド４１０及びテンプレート４１２の間に挟まれている基板４１４を受け入れる。テンプレート４１２は基板４１４を支えてその中心軸の周りを回転し、ｒpは研磨パッドの回転の中心からテンプレート４１２の中心までの半径を表し、一方、ｒtは個々の基板からテンプレートの回転の中心までの半径を表す。装置４０１の構成は、研磨加工操作のために一般に使用される構成であるが、異なる構成が利用されてもよい。
【００５０】
スラリーへのリン化合物の添加は概して、リン系添加剤を含まないスラリーよりも材料除去速度（ＭＲＲ）を改良する。この観点では、その改良はＭＲＲadd／ＭＲＲconの比で示されることができ、一実施態様によればその比は約１．２以上である。記号ＭＲＲaddは、研磨材及びリン化合物を含む添加剤を含んでなるスラリーの材料除去速度であり、一方、ＭＲＲconは対照スラリーを用いた同一プロセス条件下での材料除去速度であり、対照スラリーは基本的に上述のスラリーと同一であるが、リン化合物を含む添加剤を含まない。他の実施態様によれば、その比はより大きく、例えば約１．５以上、あるいはさらに約１．８以上であり、いくつかの所定の試料では、リン化合物の添加剤を含まずアルミナ研磨材のみを含むスラリーの２倍の除去速度であった。
【００５１】
前述の内容はアルミナ系研磨スラリーをベースとする実施態様を含む様々な実施態様に焦点を当てたものであるが、他の研磨材料も同様に用いられて優れた結果を得ることができ、他の研磨材料としては例えばシリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイアモンド、及び他の物質が挙げられる。実際に、リン系化合物を含むジルコニア系スラリーは特に良好な研磨加工特性、すなわちアルミナ基板へのシリカ単独の場合よりも３０〜５０％の改良した材料除去速度を立証した。
【００５２】
特定の態様によれば、ａ面配向、ｒ面配向、ｍ面配向、またはｃ面配向を有する概ね平坦な表面を含み、そして制御された寸法精度を含む高表面積のサファイア基板が提供される。本明細書で用いる「ｘ−面配向」とは、概して結晶のｘ−面に沿って広がる主面を有する基板を示し、ｘ−面は概して、例えば最終消費者によって決定される仕様のような特定の基板の仕様にしたがってｘ−面からわずかにずれた配向を有する。特定の配向はｒ面及びｃ面配向を含み、そしていくつかの実施態様はｃ面配向を利用する。
【００５３】
上記のように、基板は望ましくは制御された寸法精度を有することができる。制御された寸法精度の１つの尺度は総厚みばらつきであり、ＴＴＶ（総厚みばらつき）及びｎＴＴＶ（規格化された総厚みばらつき）のうち、少なくとも１つを含む。
【００５４】
例えば、一実施態様によれば、ＴＴＶは概して約３．００μｍ以下であり、例えば約２．８５μｍ以下、あるいはさらに約２．７５μｍ以下である。前述のＴＴＶパラメータは、大きいサイズのウエハ、特に制御された厚みを有する大きいサイズのウエハに関連する。例えば、実施態様は約６．５ｃｍ以上の直径且つ約４９０μｍ以下の厚みを有してもよい。いくつかの実施態様によれば、前述のＴＴＶパラメータは特により大きいサイズのウエハに関連し、７．５ｃｍ以上、９．０ｃｍ以上、９．５ｃｍ以上、あるいは１０．０ｃｍ以上の直径を有するウエハを含む。ウエハの大きさは表面積に関連して特定されてもよく、前述のＴＴＶ値が、約４０ｃｍ2以上、約７０ｃｍ2以上、約８０ｃｍ2以上、あるいはさらに約１１５ｃｍ2以上の表面積を有する基板と関連してもよい。加えて、ウエハの厚みは約５００μｍ以下、例えば約４９０μｍ以下の値にさらに制御されてもよい。
【００５５】
ウエハ、基板、またはブールの大きさに関連して用いられる「直径」なる用語は、ウエハ、基板、またはブールがその中に入る最小の円を表すことが知られている。したがって、そのような構成部材がフラットまたは複数のフラットを有する範囲内において、そのようなフラットは構成部材の直径に影響しない。
【００５６】
様々な実施態様が、例えば約０．０３７μｍ／ｃｍ2以下のような良好に制御されたｎＴＴＶを有する。特定の実施態様はさらに優れたｎＴＴＶを有し、例えば０．０３５μｍ／ｃｍ2以下、あるいはさらに０．０３２μｍ／ｃｍ2以下である。そのような制御されたｎＴＴＶは特に大きな基板で達成され、例えば基板は約９．０ｃｍ以上、あるいはさらに約１０．０ｃｍ以上の直径を有する。ウエハの大きさはまた、表面積に関連して特定されてもよく、そして前述のｎＴＴＶ値は、約９０ｃｍ2以上、約１００ｃｍ2以上、約１１５ｃｍ2以上の表面積を有する基板と関連してもよい。
【００５７】
サファイア基板の総厚みばらつき値について言うと、ＴＴＶはサファイア基板の最大厚み及び最小厚みの間の絶対差であり（概してウエハの外周のウエハ端部から３．０ｍｍ幅の環状部分を含む端部除外領域を除く）、そしてｎＴＴＶはその値（ＴＴＶ）をサファイア基板の表面積で規格化したものである。総厚みばらつきの測定方法はＡＳＴＭ標準規格Ｆ１５３０−０２に掲載されている。
【００５８】
概して、ｎＴＴＶ値並びに本明細書に開示される全ての他の規格化された特性は、基板の方位を特定するためのフラットを含むことができる概ね平坦な表面及びほぼ円形の外周を有するサファイア基板で規格化される。一実施態様によれば、サファイア基板は約２５ｃｍ2以上、例えば約３０ｃｍ2以上、３５ｃｍ2以上、あるいはさらに約４０ｃｍ2以上の表面積を有する。さらに基板はより大きい表面積を有することができ、概ね平坦な表面が約５０ｃｍ2以上、あるいはさらに約６０ｃｍ2以上、あるいは約７０ｃｍ2以上の表面積を有する。サファイア基板は約５．０ｃｍ（２．０インチ）より大きい直径を有してもよく、例えば約６．０ｃｍ（２．５インチ）以上である。しかしながら、概してサファイア基板は７．５ｃｍ（３．０インチ）以上の直径を有し、特に１０ｃｍ（４．０インチ）のウエハを含む。
【００５９】
サファイア基板の特性についてさらに言うと、一実施態様によれば、サファイア基板の概ね平坦な表面は約１００．０Å以下の表面粗さＲaを有し、例えば約７５．０Å以下若しくは約５０．０Å以下、あるいはさらに約３０．０Å以下である。さらに優れた表面粗さが達成されることができ、例えば約２０．０Å以下、例えば約１０．０Å以下、あるいは約５．０Å以下である。
【００６０】
上述の方法にしたがって加工されるサファイア基板の概ね平坦な表面は同様に優れた平坦度を有することができる。表面の平坦度は概して最も良く適合する参照面からの表面の最大のずれとして理解される（ＡＳＴＭ  Ｆ  １５３０−０２を参照）。この観点では、規格化された平坦度は、概ね平坦な表面の表面積で規格化された表面の平坦度の１つの尺度である。一実施態様によれば、概ね平坦な表面の規格化された平坦度（ｎ平坦度）は約０．１００μｍ／ｃｍ2以下であり、例えば約０．０８０μｍ／ｃｍ2以下、あるいはさらに約０．０７０μｍ／ｃｍ2以下である。さらに概ね平坦な表面の規格化された平坦度はより小さくてもよく、例えば約０．０６０μｍ／ｃｍ2以下、あるいは約０．０５０μｍ／ｃｍ2以下であることができる。
【００６１】
本明細書に提示される方法にしたがって加工されたサファイア基板は、規格化されたワープ（以下ではｎワープとする）により特徴付けられる減少したワープを示すことができる。基板のワープは概して最も良く適合する参照面からの基板の中位面のずれとして理解される（ＡＳＴＭ  Ｆ  ６９７−９２（９９）を参照）。ｎワープの測定に関しては、サファイア基板の表面積を説明するためにワープが規格化される。一実施態様によれば、ｎワープは約０．１９０μｍ／ｃｍ2以下、例えば約０．１７０μｍ／ｃｍ2以下、あるいはさらに約０．１５０μｍ／ｃｍ2以下である。
【００６２】
概ね平坦な表面はまた減少したボウも示すことができる。一般的に理解されるように、表面のボウは表面または表面の一部の凹みまたは変形の絶対値の尺度であり、存在するいずれの厚みばらつきからも独立して基板の中心線から測定される。本明細書に提示される方法にしたがって加工された基板の概ね平坦な表面は減少した規格化されたボウ（ｎボウ）を示し、ｎボウは、概ね平坦な表面の表面積を説明するために規格化されたボウの測定値である。そのようなものとして、一実施態様では、概ね平坦な表面のｎボウは約０．１００μｍ／ｃｍ2以下、例えば約０．０８０μｍ／ｃｍ2以下、あるいはさらに約０．０７０μｍ／ｃｍ2以下である。他の実施態様によれば、基板のｎボウは約０．０３０μｍ／ｃｍ2と約０．１００μｍ／ｃｍ2の間の範囲内であり、特に約０．０４０μｍ／ｃｍ2と約０．０９０μｍ／ｃｍ2の間の範囲内である。
【００６３】
サファイア基板の配向を参照すると、上述のように、概ね平坦な表面はｃ面配向を有する。ｃ面配向は、概ね平坦な表面の、様々な方向へのｃ面からの加工された傾斜角または意図的な傾斜角を含むことができる。この観点では、一実施態様によれば、サファイア基板の概ね平坦な表面は約２．０°以下、例えば約１．０°以下の傾斜角を有することができる。概して、傾斜角は約０．１０°以上、あるいは約０．１５°以上である。傾斜角は基板の表面及びｃ面の垂直軸間に形成された角度である。
【００６４】
本明細書の実施態様によれば、サファイアウエハの加工は望ましくは良好に制御されたウエハ間の精度を生じる。さらに具体的に言うと、ｃ面配向のウエハに関しては、ウエハ表面の正確な方位がサファイア結晶のｃ面に対して正確に固定され、特にウエハ間の結晶の相違によって定量化される。図５を参照すると、Ｚはサファイアの研磨面に対する単位法線であり、そしてθA、θM、及びθCはそれぞれａ面、ｍ面、及びｃ面に垂直な正規直交ベクトルである。Ａ及びＭはそれぞれ、サファイア表面によって画定される面上へのθA、θMの投影である（Ａ＝θA−Ｚ（θA.Ｚ）、Ｍ＝θM−Ｚ（θM.Ｚ））。ａ−方向のミスオリエンテーション角度はθA及びＡとＭとを含む面上へのその投影間の角度であり、そしてｍ−方向のミスオリエンテーション角度はθM及びＡとＭとを含む面上へのその投影間の角度である。ミスオリエンテーション角度の標準偏差σは、１つのウエハロット、概して少なくとも２０個のウエハにわたってのミスオリエンテーション角度の標準偏差である。
【００６５】
実施態様によれば、特に上記に詳述した研削加工プロセスを組み入れて本明細書の記載のように加工が行われ、そして正確な結晶配向を有するサファイアウエハのロットが提供される。基板ロットは概して２０個以上のウエハを有し、３０個以上のウエハであることもあり、そしてそれぞれのロットは異なるサファイアのコアまたはブールからのウエハを有してもよい。１ロットは別々の容器に詰められたいくつかのサブロットであってもよいことが注目される。ウエハロットは１つのウエハロットにわたって約０．０１３０度以下の、例えば０．０１１０度以下、あるいは０．００８０度以下の、θMの標準偏差σMを有してもよい。ウエハロットは約０．０３２５度以下の、例えば０．０３１０度以下、あるいは０．０２８０度以下の、θAの標準偏差σAを有してもよい。
【００６６】
ＬＥＤ／ＬＤ基板用のウエハ／基板を製造する従来の方法と比較すると、本発明の実施態様は顕著な利点を提供する。例えば、いくつかの実施態様によれば、粗研削砥材（セルフドレッシングの粗固定研磨材であることが多い）を自生発刃性の微細研削砥材、並びに特定のＣＭＰ研磨技術及び化学物質と併用して利用することが、優れた幾何学的特性（すなわちｎＴＴＶ、ｎワープ、ｎボウ、及びｎ平坦度）を有する精密に仕上げたサファイアウエハの製造を促進する。幾何学的特性の制御に加えて、精密なワイヤソー加工を併用する先に提示した加工が、複数の基板にわたって傾斜角ばらつきの優れた制御を有する精密に配向した結晶ウエハを促進する。これらの観点では、改良された幾何学的品質及び基板間の面方位の正確な制御が、より均質な発光品質を有する均一なＬＥＤ／ＬＤデバイスの製造を促進する。
【００６７】
本明細書に記載する様々な加工工程にしたがうならば、処理を施されるサファイア基板の表面は概して、ＬＥＤ／ＬＤデバイス用に好適な結晶構造を有する。例えば、実施態様は、Ｘ線トポグラフ解析による測定で１×１０6／ｃｍ2未満の転位密度を有する。
【００６８】
寸法及び／または結晶配向の制御が、大きなサイズの基板及び制御された厚みを有する基板と関連する本発明の実施態様によって達成されることが特に意義が大きい。これらの観点では、最先端技術によれば、寸法及び結晶の制御は、一定厚みでウエハサイズ（表面積）を増加させると急速に悪化する。したがって、最先端技術の加工は、寸法及び結晶の制御を少なくとも部分的に維持するために、概して厚みを増加させることに依存している。対照的に、本明細書の実施態様は厚みにほぼ関係なく、そしてウエハまたは基板の大きさにそれほど依存することなく、上記の制御を提供することができる。
【実施例】
【００６９】
以下の例はいくつかの実施態様にしたがったウエハの加工方法を提供し、そして特に改良された寸法品質及び配向を有する高表面積のウエハを製造するための加工パラメータについて説明する。以下の例では、２インチ、３インチ、及び４インチの直径を有するｃ面サファイアウエハを本明細書に提示される実施態様にしたがって加工して作製した。
【００７０】
上述のように、加工は、薄片化されまたはスライスされたブールから開始される。ブールはワイヤソー加工技術を用いて薄片化され、その際、ブールは、例えばダイアモンド粒子のような切断エレメントでコーティングされたワイヤ上に置かれてそして回転される。ブールは、約２０００ｒｐｍと５０００ｒｐｍの間の範囲内の速いスピードで回転される。ブールは、回転している間に、概してブールの表面の接線方向に高速で往復運動するワイヤソーに接触し、スライス加工を促進する。ワイヤソーの全長が約１００サイクル／分の速度で往復運動する。例えばスライス加工を促進するためのスラリーのような他の液体が導入されることができる。この例では、ワイヤソー加工プロセスは、約４〜８時間の範囲内で数時間継続する。当然のことながら、ワイヤソー加工プロセスの継続時間は、薄片化されるブールの直径に少なくとも部分的に依存し、したがって８時間より長く継続してもよい。
【００７１】
ワイヤソー加工の後、ウエハは約１．０ｍｍ以下の平均厚みを有する。概して、ウエハは約１．０μｍ未満の平均表面粗さ（Ｒａ）、約３０μｍの平均総厚みばらつき、及び約３０μｍの平均ボウを有する。
【００７２】
ブールをワイヤソー加工してウエハを作製した後、ウエハは研削加工プロセスに送られる。研削加工プロセスは少なくとも第１の粗研削加工プロセス及び第２の微細研削加工プロセスを含む。粗研削加工プロセスに関しては、例えば、約６０〜８０μｍの範囲内の平均砥粒サイズを有するダイアモンド砥粒を包含する、サンゴバンアブレイシブ社製のＰＩＣＯ型の砥石、Ｃｏａｒｓｅ＃３−１７−ＸＬ０４０のような、自生発刃性の粗研削砥石が用いられる。この例では、ウエハの粗研削加工はＳｔｒａｓｂａｕｇｈ  ７ＡＦ超精密グラインダーを用いて完了される。粗研削加工プロセスのサイクルとパラメータは、以下の第１表に提供される。
【００７３】
以下の第１表及び第２表では、一連の反復研削加工工程を経て材料が連続的に除去される。工程１〜３は、示した砥石速度とチャック速度と送り速度とにおけるアクティブな研削加工工程を表す。ドウェルはバイアス無し、すなわち送り速度がゼロで行われる。さらに、リフトが反対方向の送りで行われ、砥石が示される送り速度で基板の表面からリフトされた。
【００７４】
【表１】
0005596090.tif 000002
【００７５】
粗研削加工プロセスの後、ウエハは微細研削加工プロセスに送られる。微細研削加工プロセスもまた、例えば約１０〜２５μｍの範囲内の平均砥粒サイズを有するダイアモンド砥粒を利用する、サンゴバンアブレイシブ社製のＩＲＩＳ型の砥石Ｆｉｎｅ＃４−２４−ＸＬ０７３のようなセルフドレッシング砥石を利用する。この場合も、この例の目的のために、ウエハの微細研削加工はＳｔｒａｓｂａｕｇｈ  ７ＡＦ超精密グラインダーを用いて完了される。粗研削加工プロセスと同様に、微細研削加工プロセスはウエハに対し、以下の第２表に提供される特定の加工サイクル及びパラメータを適用する。
【００７６】
【表２】
0005596090.tif 000003
【００７７】
粗及び微細研削加工プロセスの後、サファイアウエハは上述の応力緩和プロセスに送られる。
【００７８】
応力緩和の後、サファイアウエハは最後の研磨加工に送られる。いくつかの研磨スラリーを準備してｐＨ及びリンの役割並びにアルカリ及びカルシウムの役割を調査した。以下に報告されるように、第３表は基準スラリーであるスラリー１に対する機能強化を示す。研磨加工は、直径が２インチのＣ面サファイアのパックを利用して行われ、ビューラー社のＥＣＯＭＥＴ４研磨剤で研磨された。研磨加工は、４００ｒｐｍの定盤速度において４０ｍｌ／ｍｉｎのスラリー流量、３．８ｐｓｉの下向きの力において２００ｒｐｍのキャリア速度で、Ｈ２パッド（ペンシルバニア州フィラデルフィアのローム・アンド・ハース社から入手可能）を用いて行われた。
【００７９】
【表３】
0005596090.tif 000004
【００８０】
【表４】
0005596090.tif 000005
【００８１】
研磨加工データに関して、上記の第３表及び第４表に示すように、研磨加工の顕著な改良が、スラリー３及び４で示されるようにｐＨが９から１１に変化するにつれてみられた。加えて、より良好な表面仕上げがより良い生産性を示しながらみられた。有機リン酸（スラリー６及び７）及び無機ホスフェート（スラリー５）は表面仕上げ及び材料除去速度がさらに向上することを示す。
【００８２】
より高アルカリ性のｐＨは除去速度及び仕上げを増進し、そして水酸化ナトリウムは、水酸化カリウム（スラリー９）及び水酸化アンモニウム（スラリー１０）と比較してｐＨの増加に好適な手段を示す（スラリー８）。スラリー１１は、研磨剤の遊離砥粒成分としてのアルミナの使用を組み合わせて、材料除去の抑制に顕著な効果を示す。
【００８３】
上記の提示された加工手順でサファイアウエハを処理した後、ウエハの寸法形状の特性化が行われた。比較データが、本明細書に提供された手順にしたがって加工されたサファイアウエハの寸法形状と、研削加工よりもむしろ遊離研磨材スラリーを用いるラッピングに依存する従来の方法を使用して加工されたウエハとを比較することによって作成された。比較データは以下の第５表に提示される。ＴＴＶ及びワープの単位はμｍであり、一方、ｎＴＴＶ及びｎワープの単位はμｍ／ｃｍ2であり、そして直径（ｄ）及び厚み（ｔ）がインチ及びμｍでそれぞれ提示される。
【００８４】
【表５】
0005596090.tif 000006
【００８５】
全ウエハの直径について、研削された表面に対する垂直線はウエハのｃ−軸から１度未満であった。
【００８６】
さらに、ウエハロット間のウエハのミスオリエンテーション角度θM及びθAが測定されてウエハ間の相違の度合いを検出し、標準偏差σM及びσAについて定量した。結果を以下の第６表に示す。
【００８７】
【表６】
0005596090.tif 000007
【００８８】
上記の例に従って加工されたウエハは改良された寸法形状、特に改良されたＴＴＶ、ｎＴＴＶ、ワープ、及びｎワープ、並びにミスオリエンテーション角度の標準偏差に関しての結晶精度を示す。第５表のそれぞれの値は少なくとも８つのデータの平均である。上記の第６表に示される標準偏差値σは、前述のプロセスフローにしたがって作製されたウエハロットと、全研削加工プロセスにラッピングを利用する従来の加工方法によって作製されたウエハロットとからの、様々なウエハロットにわたって測定された。特に上記の例は、ＴＴＶ及びワープの値で定量化される寸法形状を改良し、それらは概して従来の加工で使用される厚みよりも薄いウエハ厚みで達成された。いくつかの実施態様はまた、それぞれのウエハについて寸法形状の制御及び精度を向上させ、そして複数のウエハロットについて結晶の制御を向上させる。さらに、上記の例は、ウエハの直径が増加するにつれての改良された寸法形状から明らかな、改良された拡張性を提供する。
【００８９】
固定研磨材研削加工は、一般に仕上げ加工用途に関連して利用されるが、発明者らは、厳しい寸法制御を伴うサファイアウエハの加工が特定のプロセス特性によって支えられていることを発見した。従来の加工方法は、寸法形状を改良するのに遅い送り速度及び速いチャック速度に頼る。しかしながら、そのような遅い送り速度（例えば０．５μｍ／秒）及び速いチャック速度（例えば５９０ｒｐｍ）は、過度のｎボウ、ｎワープ、及び／またはｎＴＴＶを有するウエハを作り出す。寸法制御を向上する本発明に利用される非従来型の加工条件の成功の理由は完全には理解されていないが、特にサファイア基板の機械加工及び特により大きい基板、例えば３インチ及び４インチのサファイア基板に関連されるように思われる。
【００９０】
本明細書の実施態様によれば、特に高い歩留り及び生産性を伴う能動デバイスの加工を支える高表面積、高品質な基板が生産される。本明細書に提供される加工手順は、繰り返すことができる非常に寸法的に正確な形状の結晶パラメータを有するウエハを提示する。さらに本明細書に提供される実施態様は加工技術、パラメータ、化学物質、及び装置の特有の組み合わせを提供し、最新技術及び従来方法から逸脱して劇的に改良された寸法形状及び結晶精度を有するウエハを提供する。
【００９１】
上述の開示した事項は説明に役立つものと考えられるが、制限するものではなく、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲内に該当する全てのそのような改変、改良、及び他の実施態様を対象とするものと意図される。したがって、法律が許す最大範囲まで、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらに均等の最も広い許容される解釈によって決められるべきであり、そして前述の詳細な説明によって制限または限定されるべきではない。
本発明はまた、以下の内容を包含する。
（１）ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面配向からなる群から選択される結晶配向を有し且つ約０．０３７μｍ／ｃｍ2以下のｎＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板であって、
ｎＴＴＶが該概ね０平坦な表面の表面積で規格化された総厚みばらつきであり、該基板は約９．０ｃｍ以上の直径を有する、
サファイア基板。
（２）該ｎＴＴＶが約０．０３５μｍ／ｃｍ2以下である、項目（１）に記載のサファイア基板。
（３）該ｎＴＴＶが約０．０３２μｍ／ｃｍ2以下である、項目（２）に記載のサファイア基板。
（４）該概ね平坦な表面が約１０．０Å以下の粗さＲａを有する、項目（１）に記載のサファイア基板。
（５）該表面粗さＲａが約５．０Å以下である、項目（４）に記載のサファイア基板。
（６）該基板が０．１００μｍ／ｃｍ2以下のｎ平坦度を有し、
ｎ平坦度が該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該概ね平坦な表面の平坦度である、
項目（１）に記載のサファイア基板。
（７）該ｎ平坦度が０．０７０μｍ／ｃｍ2以下である、項目（６）に記載のサファイア基板。
（８）該基板が０．１００μｍ／ｃｍ2以下のｎボウを有し、
ｎボウが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のボウである、
項目（１）に記載のサファイア基板。
（９）該ｎボウが０．０７０μｍ／ｃｍ2以下である、項目（８）に記載のサファイア基板。
（１０）該基板が０．１９０μｍ／ｃｍ2以下のｎワープを有し、
ｎワープが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のワープである、
項目（１）に記載のサファイア基板。
（１１）該ｎワープが０．１７０μｍ／ｃｍ2以下である、項目（１０）に記載のサファイア基板。
（１２）該結晶配向がｃ面及びｒ面配向からなる群から選択される、項目（１）に記載のサファイア基板。
（１３）該結晶配向が該ｃ面配向である、項目（１２）に記載のサファイア基板。
（１４）該サファイア基板の該概ね平坦な表面が約２．０°以下の傾斜角で該ｃ面から傾斜された、項目（１３）に記載のサファイア基板。
（１５）該傾斜角が約１．０°以下である、項目（１４）に記載のサファイア基板。
（１６）該サファイア基板の該概ね平坦な表面が１×１０8／ｃｍ2以下の転位密度を有する、項目（１）に記載のサファイア基板。
（１７）該概ね平坦な表面が約７０ｃｍ2以上の表面積を有する、項目（１）に記載のサファイア基板。
（１８）該表面積が約９０ｃｍ2以上である、項目（１７）に記載のサファイア基板。
（１９）該表面積が約１００ｃｍ2以上である、項目（１８）に記載のサファイア基板。
（２０）該表面積が約１１５ｃｍ2以上である、項目（１９）に記載のサファイア基板。
（２１）該基板が約１０．０ｃｍ以上の直径を有する、項目（１）に記載のサファイア基板。
（２２）ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面配向からなる群から選択される結晶配向を有し且つ約３．００μｍ以下のＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板であって、
ＴＴＶが該概ね平坦な表面の総厚みばらつきであり、及び該基板が約６．５ｃｍ以上の直径且つ約５２５μｍ以下の厚みを有する、
サファイア基板。
（２３）該ＴＴＶが約２．８５μｍ以下である、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（２４）該ＴＴＶが約２．７５μｍ以下である、項目（２３）に記載のサファイア基板。
（２５）該厚みが約５００μｍ以下である、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（２６）該厚みが約４９０μｍ以下である、項目（２５）に記載のサファイア基板。
（２７）該概ね平坦な表面が約５．０Å以下の粗さＲａを有する、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（２８）該表面粗さＲａが約４．０Å以下である、項目（２７）に記載のサファイア基板。
（２９）該基板が０．１００μｍ／ｃｍ2以下のｎ平坦度を有し、
ｎ平坦度が該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該概ね平坦な表面の平坦度である、
項目（２２）に記載のサファイア基板。
（３０）該ｎ平坦度が０．０７０μｍ／ｃｍ2以下である、項目（２９）に記載のサファイア基板。
（３１）該基板が０．１００μｍ／ｃｍ2以下のｎボウを有し、
ｎボウが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のボウである、
項目（２２）に記載のサファイア基板。
（３２）該ｎボウが０．０７０μｍ／ｃｍ2以下である、項目（３１）に記載のサファイア基板。
（３３）該基板が０．１９０μｍ／ｃｍ2以下のｎワープを有し、
ｎワープが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された該基板のワープである、
項目（２２）に記載のサファイア基板。
（３４）該ｎワープが０．１７０μｍ／ｃｍ2以下である、項目（３３）に記載のサファイア基板。
（３５）該結晶配向がｃ面及びｒ面配向からなる群から選択される、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（３６）該結晶配向がｃ面配向である、項目（３５）に記載のサファイア基板。
（３７）該サファイア基板の該概ね平坦な表面が約２．０°以下の傾斜角で該ｃ面から傾斜された、項目（３６）に記載のサファイア基板。
（３８）該傾斜角が約１．０°以下である、項目（３７）に記載のサファイア基板。
（３９）該サファイア基板の該概ね平坦な表面が、Ｘ線トポグラフィーによる測定で１×１０8／ｃｍ2以下の転位密度を有する、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（４０）該概ね平坦な表面が約４０ｃｍ2以上の表面積を有する、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（４１）該表面積が約７０ｃｍ2以上である、項目（４０）に記載のサファイア基板。
（４２）該表面積が約８０ｃｍ2以上である、項目（４１）に記載のサファイア基板。
（４３）該表面積が約１１５ｃｍ2以上である、項目（４２）に記載のサファイア基板。
（４４）該基板が約７．５ｃｍ以上の直径を有する、項目（２２）に記載のサファイア基板。
（４５）該基板が約９．５ｃｍ以上の直径を有する、項目（４４）に記載のサファイア基板。
（４６）ａ面、ｒ面、ｍ面、及びｃ面からなる群から選択される結晶配向を有し且つ約０．０２５μｍ／ｃｍ2以下のｎＴＴＶを有する概ね平坦な表面を含むサファイア基板であって、
ｎＴＴＶが該概ね平坦な表面の表面積で規格化された総厚みばらつきである、
サファイア基板。
（４７）該ｎＴＴＶが約０．０２０以下である、項目（４６）に記載のサファイア基板。
（４８）該ｎＴＴＶが約０．０１８以下である、項目（４６）に記載のサファイア基板。
（４９）該基板が約９．０ｃｍ以上の直径を有する、項目（４６）に記載のサファイア基板。
【図１】
0005596090.tif 000008
【図２】
0005596090.tif 000009
【図３Ａ】
0005596090.tif 000010
【図３Ｂ】
0005596090.tif 000011
【図４】
0005596090.tif 000012
【図５】
0005596090.tif 000013