LEDコラム第4回：LEDの製造工程（1）～基板工程～ - LEDのポータルサイト - LEDLED

単結晶成長工程

LEDの製造工程は、大きく分けて基板工程、LED成膜工程、LEDチップ工程の3つがあります。今回は基板工程を紹介します。基板工程のうち、単結晶成長工程ではインゴットという基板材料の塊を作ります。LEDの基板材料にはサファイアが使われることが多いです。サファイアは、酸化アルミニウム（アルミナ：Al₂O₃）の結晶体で、宝石として多くの方々がご存知のはずです。ちなみに、アルミナにチタン（Ti）や鉄（Fe）の不純物が含まれるとブルーサファイア、クローム（Cr）が含まれるとルビーになります。単結晶サファイアは、機械的、熱的特性、科学的安定性、光透過性に優れており、電子デバイスなどの工業製品の材料として普及しています。しかし、以前は安定的に大量生産できないため高価でした。

塊のインゴットを製造には、いくつかの製造方法があります。1876年にベルヌーイ（Vemeuil）法が登場しましたが、材料が大きく成長せず、結晶品質が悪いことなどが欠点でした。その後、チョクラルスキー（Czochralski）法が出てきました。この製法は、現在も単結晶材料の製造として最もポピュラーな製法であり、半導体用Si基板の製造に使われています。しかし、サファイア基板の場合、バルク状に材料を成長させるため、この後の加工工程でコストがかかってしまうため不向きとされています。

そのような中、1971年に登場したのがEFG（Edge-defined Film-fed Growth Method）法です。安価かつ結晶品質の良い材料が製造できるため、エポックメーキングな製法として採用されています。EFG法では、るつぼにアルミナ（Al₂O₃）を溶融させておきます（図1）。これを溶融供給スリットにより、毛細管現象で上側に導き、板状（リボン）にして引き上げます。上部ではサファイアが単結晶となり、引き上げられて成長していきます。結晶の形状は上部にあるダイの形状で決定するので、これを工夫するとサイズだけでなく、円柱状や角状、板、チューブなど、様々な形状に結晶を成長できます。また、複数のダイを設けると、複数を同時に引き上げることも可能です。

加工工程

加工工程では、インゴットのサファイアをウェーハという基板の状態にするため、薄くスライスし、平坦に加工していきます。まず、品質要求に応じて選定や欠陥検査、極性、方位測定などを行います。その後、厚さや結晶方位に最適な条件に合わせ、マルチワイヤーソー装置で厚さ1mm程度にスライスします。

マルチワイヤーソーはダイヤモンド粒が付着した細いワイヤーを動かすことで切断します。一回の加工で複数の基板を切断でき、材料のロスが少なく、大量かつ高精度に処理できるため、主流の製造法です。切断時間は2インチのウェーハで3時間かかると言われています。

スライス処理の前後において、インゴットもしくは基板の状態で熱処理を行います。結晶特性の維持と回復のためであり、基板の反りをなくし平坦性が維持できる他、電子分光レベルの清浄度が向上します。

スライスされた基板は表面の凹凸をなくすため、研磨加工が施されます。サファイアは材料が硬く、半導体用のシリコン基板の加工法とは異なる方法が求められています。現在は、銅やすずのブレードとダイヤモンドを利用します。ラッピング装置では基板の表と裏を研磨材で磨き、スライス痕や表面の損傷を取り除きます。また、加工時のストレス集中による欠けやチッピングを防止するため、ウェーハを円形に加工し、機械強度や弾性強度を向上させます。

次はCMP（Chemical Mechanical Polishing）工程です。この工程も研磨ですが、より厳密に平坦化する工程です。スラリーという研磨液を基板上に流しパッドで磨き、ウェーハ表面を鏡面状態に仕上げていきます。CMP後は表面の有機物や金属などのゴミを除去するため、酸・アルカリ・有機溶媒を調合した薬液を使い、基板を洗浄します。最後に厚み、平坦度、傷、抵抗値、純度などの項目を目視検査や装置検査で品質を判断し、出荷されていきます。

【関連コラム】

• LEDの製造工程（2）～エピタキシャル結晶成長工程～
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