(57)【要約】【課題】微細な加工が可能である半導体用基板の製造方法を提供すること。【解決手段】基板１００の上面にＳｉＯ２層１１０を形成する。ＳｉＯ２層１１０の上面にＣｒ層１２０を形成して基板１００をマスクする。基板１００における加工を施す部分のマスクを削除する。加工を施す部分に濃燐酸でエッチングする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上面にＳｉＯ２層を形成し、前記ＳｉＯ２層の上面にＣｒ層を形成して前記基板をマスクする工程と、
前記基板における加工を施す部分の前記マスクを削除する工程と、
前記加工を施す部分に濃燐酸でエッチングする工程と、
を有する半導体製造用基板の製造方法。
【請求項２】
基板の上面にＳｉＯ２層を形成し、前記ＳｉＯ２層の上面にＣｒ層を形成し、前記Ｃｒ層の上面にＡｕ層を形成して前記基板をマスクする工程と、
前記基板における加工を施す部分の前記マスクを削除する工程と、
前記加工を施す部分に濃燐酸でエッチングする工程と、
を有する半導体製造用基板の製造方法。
【請求項３】
前記濃燐酸でエッチングするときのエッチング温度は、摂氏２００度以上２３０度以下である請求項１又は２記載の半導体製造用基板の製造方法。
【請求項４】
前記基板における加工を所望する形状になるまで前記エッチングを施した後、前記基板にある前記マスクを削除する工程と、
前記基板の加工した面にＳｉＯ２層を形成する工程と、
前記基板を研磨剤に酸化セレムを用いて化学研磨を施す工程と、
を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体製造用基板の製造方法。
【請求項５】
前記基板の信号強度が前記ＳｉＯ２層の信号強度を超えた時点で、前記化学研磨を終了する工程と、
を有する請求項４記載の半導体製造用基板の製造方法。
【請求項６】
前記加工を施す部分における加工が溝である請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体製造用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
サファイヤを用いた光学部品、例えば回折格子やプリズム、に使用する半導体製造用基板の製造方法に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体製造用基板について説明する。図１７は、サファイヤ基板上に窒化ガリウム種結晶が成長する様子を示した模式図である。サファイヤ等の光半導体を製造する基板１７１０では、基板１７１０の上に窒化ガリウム等の単結晶膜１７２０を成長させた上に他の構造物を形成する方法が取られている。窒化ガリウムの単結晶発生位置が不均一であり、また単結晶膜の成長速度も不均一である為、平坦な単結晶膜を得られにくいことによる。
【０００３】
また、図２は、溝を切る事により窒化ガリウムの成長場所を制限した場合の窒化ガリウム種結晶の成長を示す模式図である。平坦な単結晶膜１８２０をサファイヤ等の基板１８１０上に生成させる為には、基板１８１０上に微細１８３０な溝を切り、その中に基板元素と異なる元素を埋め込む事で単結晶膜１８２０の発生場所を制限する方法が有効である。この場合、溝１８３０の大きさは数ミクロンから数十ミクロン程度が好ましい。鏡面に磨かれた単結晶基板上に微細な加工物を作成する方法として、ドライエッチング法やウエットエッチング法による加工やイオンミリング法やホーニング法による加工が一般的である。
【０００４】
また、従来の半導体用製造基板は、サファイヤ基板をホーニング装置に入れて、所定のカーボランダムを使用して、サファイヤ基板をブラストエッチングを施す。ブラストエッチングすることで、サファイヤ基板に凹部を形成する（特許文献１参照。）。
【０００５】
また、従来の半導体用製造基板は、厚さ３００μｍのサファイヤ基板にドライエッチングにより幅１００μｍ、深さ１０μｍの第１の溝を形成する。エッチングにより形成された溝の中央に、ダイサーで幅５０μｍ、深さ１００μｍの第２の溝を形成する。その後、窒化物系化合物半導体層からなる素子構造とする（特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１０５０６号公報（第３−４頁、第７図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平８−２３６８６７号公報（第２−３頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体用製造基板は、サファイヤ基板上に１〜１０ミクロン程度の微細な加工物を作成する場合、高温に上げた濃燐酸をエッチング溶液として使用する。硬脆材単結晶はその特性からウエットエッチング法による加工は難しいとされている。中でもアルミナの単結晶であるサファイヤは、燐酸系の薬剤でしか浸食されない為に、細かいパターンを鏡面仕上げしたアルミナ単結晶上に切る事は難しかった。主たる理由としては、有機化合物で合成されたフォトレジストでは材質そのものが脱水を受けしまうことで変質してしまうため、マスクとしての役目を果たさないからである。反面、メディアを用いたドライエッチング法ではメディアの大きさにも因るが間隔が、数百ミクロン間隔のラインアンドスペースは出来てもそれ以下の微少形状を鏡面サファイヤ基板の上に形成する事は難しかった。
【０００９】
また、メディアを使ったドライエッチング法ではメディアのフラックスを一定に制御する事が難しく、従って均一な加工の深さを得る事が難しかった。また、イオンミリング法では加工に多大な時間が係り、量産用の加工手法に成り得なかった。加工当初から加工が完了するまでの間に、半導体用製造基板はエッチング溶液の影響を受けてしまい、それをマスクする形状を保つことがむずかしい。  また、溝加工をした基板に基板と異なる元素を埋め込む場合、その元素をスパッタまたは蒸着で溝に埋め込む方法が考えられるが、これらの方法では単結晶膜を発生させる部分もその元素で覆い被されてしまう為に、研磨して不要部分の元素を取り除く必要がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体製造用基板の製造方法は、基板の上面にＳｉＯ２層を形成し、前記ＳｉＯ２層の上面にＣｒ層を形成して前記基板をマスクする工程と、前記基板における加工を施す部分の前記マスクを削除する工程と、前記加工を施す部分に濃燐酸でエッチングする工程と、を有する。
【００１１】
本発明の半導体製造用基板の製造方法は、基板の上面にＳｉＯ２層を形成し、前記ＳｉＯ２層の上面にＣｒ層を形成し、前記Ｃｒ層の上面にＡｕ層を形成して前記基板をマスクする工程と、前記基板における加工を施す部分の前記マスクを削除する工程と、前記加工を施す部分に濃燐酸でエッチングする工程と、を有する。
【００１２】
本発明の半導体製造用基板の製造方法は、前記濃燐酸でエッチングするときのエッチング温度は、摂氏２００度以上２３０度以下である。
【００１３】
本発明の半導体製造用基板の製造方法は、前記基板における加工を所望する形状になるまで前記エッチングを施した後、前記基板にある前記マスクを削除する工程と、前記基板の加工した面にＳｉＯ２層を形成する工程と、前記基板を研磨剤に酸化セレムを用いて化学研磨を施す工程と、を有する。
【００１４】
本発明の半導体製造用基板の製造方法は、前記基板の信号強度が前記ＳｉＯ２層の信号強度を超えた時点で、前記化学研磨を終了する工程を有する。
【００１５】
本発明の半導体製造用基板の製造方法は、前記加工を施す部分における加工が溝である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体製造用基板を図面に基づいて説明する。図１は本発明の半導体製造用基板を製造する工程のうち、基板に溝を彫り込むまでの工程を示したフローチャートを示す。図２は、本発明の半導体製造用基板を製造する工程のうち、基板に溝を彫り込んだ後の工程を示したフローチャートを示す。はじめに、基板に溝加工をする工程に付いて説明する。溝は１次元または２次元方向に切る事が出来るが、本実施例ではライアンドスペース形状の溝とした。また、溝の仕様を図３に示す。溝は溝幅１０μｍ±２μｍ、表面幅１０μｍ±２μｍ、および溝深さ０．３５μｍ±０．１５μｍとする。なお、溝の仕様はこの寸法に限定されるものではない。
【００１７】
先ず、基板を用意する（工程１０１）。本実施例では、アルミナの単結晶で作られたサファイヤ製基板を用いた。サファイヤ製基板の製造方法は特許第３３２９５９３号による方法か、たとえば特開平２００１−１９８８０８に記載されているような両面同時研磨法を用いた方法で作成するのが好ましい。両面同時研磨法は、サファイヤの平坦度を向上させることができるからである。次に基板を洗浄する（工程１０２）。洗浄された用基板に対して、次の順番でサファイヤエッチングに必要なマスクを付着させる。
【００１８】
次に、洗浄された基板に蒸着法でＳｉＯ２膜を付着させる（工程１０３）。ＳｉＯ２膜の厚みは約１５００Åとする。続いてＳｉＯ２が蒸着された基板にＣｒをスパッタ法で付着させる（工程１０４）。Ｃｒ膜はマスクとして使用するにあたり、基板との密着性を高めることができる。Ｃｒ膜の厚みは約６００Åとする。更にＣｒを付着させた基板にＡｕをスパッタ法で付着させる（工程１０５）。Ａｕは導電性が良くすることができし、また、Ｃｒ膜を保護する役目もある。Ａｕ膜の厚みは約２２００Åとする。なお、Ａｕ膜を付着せずに、Ｃｒ膜上にフォトレジストを塗布することも可能である。ここで、図４はＳｉＯ２膜、Ｃｒ膜およびＡｕ膜の各膜厚みを示す。
【００１９】
図５は、ＳｉＯ２膜、Ｃｒ膜およびＡｕ膜のマスク用３層を、基板に付着させた状態（工程１０３〜工程１０５）を示す模式図である。基板１００の上面にＳｉＯ２膜１１０をスパッタ法で形成する。ＳｉＯ２膜１１０の上面に、Ｃｒ膜１２０をスパッタ法で形成する。そして、Ｃｒ膜１２０の上面に、Ａｕ膜１３０をスパッタ法で形成する。
【００２０】
次に、スピンコーターを用いてフォトレジストを塗布し（工程１０６）、高温炉にてフォトレジストを焼き固める（工程１０７）。本実施例で使用するフォトレジストはネガ型を使用し、品種は半導体製造で用いられる一般的な品種を用いた。なお、ポジ型であっても構わない。
【００２１】
次にラインアンドスペースを刻んだフォトマスクを用いてフォトレジストを露光する（工程１０８）。図６（ａ）は半導体用基板１００を露光する状態を示す模式図である。Ａｕ膜１３０の上面に塗布されたレジスト６１０は、フォトマスク６２０をフォトレジスト６１０の上部に配置して、光を照射してフォトレジスト６１０を露光する。
【００２２】
更に、露光した基板の感光したフォトレジスト部分を現像液を用いて洗い流す（工程１０９）。図６（ｂ）は露光する状態を示す断面図である。
【００２３】
次に３層に重ねたマスク部分をエッチングする。先ずＡｕ層に付いてはヨードを含有したヨウ化カリウム溶液を用いてエッチングを行う（工程１１０）。次に、Ｃｒ層に於いては硫酸第二アンモニウムを含有した過塩素酸溶液を用いてエッチングを行う（工程１１１）。更に、ＳｉＯ２層に付いては弗化水素液を用いてエッチングを行う（工程１１２）。図６（ｃ）は露光後に現像をし、感光した部分のフォトレジストを現像液で洗い流した状態を示す。
【００２４】
次にサファイヤ表面のエッチング加工を行う（工程１１３）。この工程は温度管理が非常に重要である。エッチング温度を高くすると、サファイヤのエッチング速度はその速度が増すが、マスクが浸食される速度も速くなるため、マスクの浸食によって不要な部分もエッチングされる場合もある。一方、エッチング温度を低くすると、マスクが浸食される速度が遅くなりマスクが浸食されにくくなるが、エッチング速度も遅くなるのでエッチングに時間を要することになる。従って、本実施例ではエッチング液の温度を摂氏２１８度±２度に設定して、サファイヤ表面のエッチングを行った。加工時間は０．３５ミクロンの深さに到達するのに概ね６時間程度を要した。この値は加工する場所に依って異なり、±１時間程度の誤差を持つ。図６（ｄ）はサファイヤのエッチング加工が終わった状態を示す模式図である。また、図７にエッチング条件を示す。
【００２５】
最後にサファイ表面を覆っている４層のマスクを剥離する（工程１１４）。それぞれのマスクの剥離は１層毎に剥離する。フォトレジスト６１０はフォトレジスト剥離剤、Ａｕ膜１３０はヨードを含有したヨウ化カリウム溶液、Ｃｒ膜１２０は硫酸第二アンモニウムを含有した過塩素酸溶液、ＳｉＯ２膜１１０は弗化水素液でそれぞれの順で基板１００を浸して、全てのマスク用薄膜を除去する。図８は溝加工が完成した状態を示す。図８（ａ）が断面図で、図８（ｂ）が平面図である。溝８１０は所定の寸法で加工されている。
【００２６】
次に溝加工した基板１００の溝８１０の部分に、基板１００を構成する元素とは異なる元素を含む物質を埋め込む方法に付いて説明する。図２がその工程を表すフローチャートである。埋め込む目的は、溝８１０を掘った部分から単結晶膜の成長を阻止する事である。従って、溝８１０の中が単結晶膜成長を抑制する機能を持つ事のみが要求される。本実施例では基板１００をサファイヤ基板とし、基板１００を構成する元素と異なる元素にＳｉＯ２を用い、単結晶成長をする膜を窒化ガリウムとした。
【００２７】
まず、図１に示した手順により作成された基板１００を用意する（工程２０１）。用意された基板１００を洗浄して、表面９１０及び溝８１０の中に付着した汚れを落とす（工程２０２）。図９は洗浄を終えた溝入基板の断面図を示す。
【００２８】
次にＳｉＯ２をターゲットに用いたスパッタ装置で、基板１００の表面９１０にＳｉＯ２膜１０１０を付着させる（工程２０３）。スパッタ膜１０１０は、溝８１０の内部にも進入して溝８１０を埋める効果もあるが、単結晶膜が成長する場所、所謂表面９１０にも堆積する。図１０はＳｉＯ２膜１０１０がスパッタ法で付着した状態を示す模式図である。つまり、ＳｉＯ２膜１０１０を充分付着させた後、表面９１０の上に付着したＳｉＯ２膜１０１０除去する必要がある。除去する方法としては、不要部分を除去する際に、表面の鏡面度が落ちると単結晶膜が成長しにくくなる。故に、選択的に不要な部分は除去出来る方法が好ましい。本実施例では化学研磨法を用いてＳｉＯ２膜１０１０の除去を行った。導体製造用基板１００の素材はサファイヤであるので、サファイヤに影響を与えずにＳｉＯ２のみ研磨する為に研磨剤として酸化セリウムの水溶液を用いた。研磨パッドにはコルク状の素材を用いた。先ず、ＳｉＯ２膜１０１０をスパッタした基板１００のスパッタ膜を上にして、金属の定盤に接着する。付着しているＳｉＯ２膜はスパッタ膜であり、強度が弱いこともあり、接着剤は高温を必要としない。例えば、接着剤には、木蝋またはコールタールと松脂の混合液等が好ましい。
【００２９】
次に研磨液を流しながら化学研磨を行う（工程２０４）。図１１は化学研磨の状態を示した状態図である。ＳｉＯ２膜１０１０を上面に形成した基板１００は、研磨上定盤１１４０と研磨下定盤１１１０で挟み込む。研磨上定盤１１４０は、その下面に研磨をするための研磨パッド１１３０が固定されている。また、研磨上定盤１１４０は、研磨剤を注入するための研磨注入ダクト１１５０が研磨上定盤１１４０と研磨パッド１１３０を貫通して埋め込まれている。研磨下定盤１１１０は、その上面に金属定盤１１２０が固定されている。基板１００は、ＳｉＯ２膜１０１０と研磨パッド１１３０とが向かい合うように配置する。
【００３０】
本実施例では終点検出にＥＳＣＡ分析法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ、Ｘ線光電子分析法）を用いて終点検出を行った（工程２０５）。本実施例の様に化学研磨の時間を長く取ると、溝８１０の中のＳｉＯ２を全て研磨で除去してしまう結果となるので、終点検出が必要である。この方法を用いて終点検出を行う場合に、ＥＳＣＡ分析機のＸ線の焦点を絞ってピンポイント的な終点検出を行う方法と、Ｘ線の焦点を絞らず大きなエリアから得られた情報で終点検出を行う方法の２種類がある。本実施例では化学研磨法は柔らかな研磨パッド１１３０を使用する為、研磨にムラが出易い事を考慮して後者の方式で終点検出を行った。
【００３１】
図１２は、研磨時間をＸ軸にＥＳＣＡの信号強度をＹ軸に取った場合の強度−時間プロファイルを示す。研磨開始時点ではＳｉＯ２に起因する信号強度１２１０がサファイヤを構成する化合物であるＡｌ２Ｏ３の強度１２２０を大幅に上回る状態を示す。同様の状態が暫く続いた後にＳｉＯ２の信号強度１２１０が下がり始め、同時にＡｌ２Ｏ３の信号強度１２２０が上がり始める。両者の信号強度は近づき、やがて逆転する。暫くして両化合物の強度１２１０、１２２０の変化が止まり定常状態となる。化学研磨加工の終点は、本来両化合物の強度が交差した点１２４０であるが、表面に付着しているＳｉＯ２を全て取り除く目的であるので、信号強度が交差した点１２４０から若干遅れた場所１２３０を加工終点として選ぶ事が好ましい。この様な状態で終点検出を行った場合に基板１００の断面は、図１３に示す様にＳｉＯ２面１３１０が若干窪んだ状態となる。しかし、この状態でも溝の側面や底面のサファイヤが露出していない為、単結晶膜の成長を阻害する機能を有する。最後に研磨剤を除去する目的で基板の洗浄を行い（工程２０６）。更に表面の傷等の検査を行って（工程２０７）、基板１００は完成する。
【００３２】
次に、溝に基板の材質と異なる成分を埋め込んだ基板１００に単結晶膜を付着させる方法に付いて説明する。図１４は、基板１００における結晶成長を示す模式図を示す。
【００３３】
本実施例では基板１００をサファイヤ基板、埋め込む成分をＳｉＯ２１４２０、基板上９１０に成長させる薄膜成分を窒化ガリウム１４１０とする。窒化ガリウム１４１０は非常に高温で単結晶成長する為、摂氏１１００度〜１４００度の高温の環境で結晶の育成を行う。先ず、窒化ガリウム１４１０の種結晶は鏡面状態のサファイヤ１００の上に成長する。その成長場所はランダムである。また、その形状は断面方向から見ると三角形をしており、真上から見ると円形をしている。その種結晶の構造はＸ線解析の結果、単結晶で有ることが知られている。
【００３４】
図１４（ａ）は、サファイヤ１００の上に窒化ガリウム１４１０の種結晶が生成する様子を示している。しかし、成長を始めた窒化ガリウム１４１０の単結晶は横方向の成長が大きく、近傍の種結晶と結合して大きな結晶へと変化して行く。結晶が大きく成長するに従って頂上が平坦性の高い結晶へと成長する。図１４（ｂ）は、頂上が平坦に成長した窒化ガリウム１４１０の結晶を示す。同様の環境で窒化ガリウムの結晶成長をさせた場合、基板全体でも表面が平坦な窒化ガリウムの薄膜を得る事が出来る。
【００３５】
図１５は、基板全体の薄膜状態を示す模式図である。通常、窒化ガリウム１４１０の薄膜の上に半導体薄膜、例えばガリウム・インジウム・燐（ＧａＩｎＰ）薄膜や導体の薄膜、例えばアルミ薄膜を形成する。
【００３６】
図１６は窒化ガリウムの薄膜の上に２層の薄膜を積んだ状態を示す模式図である。窒化ガリウム薄膜１４１０の上部が平坦に出来る事で第２の薄膜１６１０や第３の薄膜１６２０を平坦に積むことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板に溝を彫り込む工程を示すフローチャート
【図２】基板に基板材質と異なる成分を埋め込むフローチャート
【図３】溝加工の仕様
【図４】マスクの条件
【図５】蒸着及びスパッタ膜の形成の模式図
【図６】フォトレジスト塗布及び露光の模式図
【図７】サファイヤ表面のエッチング条件
【図８】全ての保護膜とシリコンマスクを取り払った模式図で、図８（ａ）が断面図、図８（ｂ）が斜面図
【図９】洗浄し終わった溝入の基板断面図
【図１０】シリコンをスパッタした状態を示す模式図
【図１１】化学研磨を用いてシリコン膜の除去を示す模式図
【図１２】ＥＳＣＡ分析に於けるＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の信号強度−時間プロファイル
【図１３】サファイヤの表面が露出した状態を示す模式図
【図１４】溝埋め基板上の結晶成長を示す模式図で、図１４（ａ）が種結晶の成長を示す模式図、図１４（ｂ）が単結晶の横成長を示す模式図
【図１５】基板全体での結晶成長を示す模式図
【図１６】単結晶成長した薄膜上に他の結晶成長をさせた場合の模式図
【図１７】窒化ガリウムの種結晶成長の模式図
【図１８】基板に溝を切った場合の種結晶成長を示す模式図
【符号の説明】
１００  基板
１１０  ＳｉＯ２膜
１２０  Ｃｒ膜
１３０  Ａｕ膜
６１０  フォトレジスト
６２０  フォトマスク
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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