CN104979184A - 碳化硅单晶基板及研磨液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳化硅单晶基板，其具备具有包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台阶-平台结构的主面，所述原子台阶-平台结构中，所述原子台阶的前端线部的平均线粗糙度相对于所述原子台阶的高度的比例为20％以下。

Description

碳化硅单晶基板及研磨液
本申请是申请日为2012年10月2日、申请号为201280049471.0的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及碳化硅单晶基板及研磨液，更详细而言，涉及适合用于通过外延生长而形成高品质的半导体层的碳化硅单晶基板以及用于得到这样的基板的研磨液。
背景技术
碳化硅(SiC)半导体与硅半导体相比，绝缘击穿电场、电子的饱和漂移速度及热导率大，因此正在进行使用碳化硅半导体来实现与现有的硅器件相比能够在高温下高速工作的功率器件的研究、开发。其中，在用于驱动电动自行车、电动汽车和混合动力汽车等的发动机的电源中使用的高效率的开关元件的开发备受瞩目。为了实现这样的功率器件，需要用于通过外延生长形成高品质的碳化硅半导体层的表面光滑的碳化硅单晶基板。
另外，作为用于以高密度记录信息的光源，蓝色激光二极管备受瞩目，此外，对作为代替荧光灯、灯泡的光源的白色二极管的需求增高。这样的发光元件使用氮化镓(GaN)半导体来制作，作为用于形成高品质的氮化镓半导体层的基板，使用碳化硅单晶基板。
对于用在这样的用途中的碳化硅单晶基板，在基板的平坦度、基板表面的光滑性等方面要求高加工精度，另外，对来源于研磨剂的磨粒等残渣，也要求高可洗性。但是，由于碳化硅单晶的硬度极高且耐腐蚀性优良，因此制作基板时的加工性差，难以在维持高研磨速度的同时得到光滑性高的碳化硅单晶基板。另外，由于碳化硅单晶的耐腐蚀性优良，对于上述磨粒等的除去，也难以应用使用在硅基板的清洗中使用的氢氟酸等药液通过剥离来除去磨粒的残渣的方法。因此，难以得到高洁净度的基板表面。
一般而言，半导体单晶基板的光滑的面通过研磨形成。在对碳化硅单晶进行研磨时，以比碳化硅硬的金刚石等磨粒作为研磨材料，对表面进行机械研磨而形成平坦的面，但在用金刚石磨粒研磨后的碳化硅单晶基板的表面会产生与金刚石磨粒的粒径对应的微小划痕。另外，在表面产生具有机械变形的加工变质层，因此，直接使用时基板表面的光滑性不充分。
在半导体单晶基板的制造中，作为使机械研磨后的半导体基板的表面光滑的方法，使用化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing：以下，也称为CMP)技术。CMP为通过利用氧化等化学反应使被加工物的表面变成氧化物等并使用硬度比被加工物低的磨粒将所生成的氧化物除去而对表面进行研磨的方法。该方法不会使被加工物的表面产生变形，生成包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台阶-平台结构，因此存在能够形成原子水平上极光滑的面的优点。
通过向碳化硅单晶基板的外延生长而形成碳化硅半导体层的方法如下进行：对于通过上述CMP生成有原子台阶-平台结构的原子水平上极光滑的面，利用热CVD法堆积硅原子及碳原子。此时，原子台阶的前端线部为外延生长的起点，因此得到无结晶缺陷的高品质的碳化硅半导体层，因此，作为碳化硅单晶基板所需要的表面性状，不仅要求生成来源于结晶结构的原子台阶-平台结构，而且对于生成的原子台阶的形状也要求高加工精度。特别是，对于原子台阶的前端线部，需要抑制来源于因研磨而引起的机械损伤的结晶缺陷。
需要说明的是，在本说明书中，“原子台阶-平台结构”是指包含沿单晶基板的主面经由高差而相互并列地配置的多个平坦的“平台”和作为连接各平台间的高差部的“原子台阶”的微观的阶梯状结构。而且，将原子台阶的上端部与平台接触的线状的部位称为“原子台阶的前端线部”。在后文中对“平台”、“原子台阶”、“原子台阶的前端线部”进一步进行说明。
为了形成高品质的碳化硅半导体层，提出了以下方法：在金刚石研磨后，利用胶态二氧化硅浆料或含有氧化剂的胶态二氧化硅浆料进行CMP，生成具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构的光滑性高的表面，进一步利用气相法进行蚀刻(例如，参照专利文献1)。而且，在专利文献1中，在不进行蚀刻处理的情况下形成碳化硅半导体层时，在CMP后，利用在基板表面的极近处生成的氧化物，产生阶梯束，但通过蚀刻处理，能够在维持CMP后的基板表面的高光滑性的同时仅除去通过CMP产生的表面氧化物层，能够抑制阶梯束等结晶缺陷。
然而，专利文献1中，虽然考虑了来源于结晶结构的原子台阶-平台结构的生成，但对于原子台阶的端部形状、结晶缺陷给结晶的外延生长带来的影响没有任何考虑。另外，仅仅利用蚀刻来抑制碳化硅半导体层的结晶缺陷，对于得到高品质的半导体层是不充分的。此外，从成本的观点考虑，要求实现更高的研磨速度。
另外，以往，作为用于以高研磨速度且光滑地对碳化硅单晶基板的表面进行研磨的研磨剂，提出了含有二氧化硅磨粒和过氧化氢这样的氧化剂(供氧剂)和钒酸盐的研磨用组合物(例如，参照专利文献2)。
然而，对于专利文献2的研磨用组合物而言，存在对碳化硅单晶基板研磨的速度低、研磨所需要的时间非常长的问题。另外，存在如下问题：虽然在研磨后的表面生成原子台阶-平台结构，但由于研磨时的机械损伤而使原子台阶的前端线部成为具有缺口、凹陷的形状，从而产生结晶缺陷。而且，还存在如下问题：不能通过清洗除去的二氧化硅磨粒残留在基板上，该磨粒残渣成为在研磨后的基板表面外延生长的半导体层的结晶缺陷的原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2010-090024号
专利文献2：日本特开2008-179655号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供适合用于通过外延生长而形成无结晶缺陷的高品质的半导体层的碳化硅单晶基板及用于通过CMP得到这样的碳化硅单晶基板的研磨液。
用于解决问题的手段
本发明的碳化硅单晶基板的特征在于具备具有包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台阶-平台结构的主面，所述原子台阶-平台结构中，所述原子台阶的前端线部的平均线粗糙度相对于所述原子台阶的高度的比例为20％以下。
本发明的碳化硅单晶基板中，优选所述主面为使结晶外延生长而形成碳化硅半导体层或氮化镓半导体层的面。
本发明的研磨液的特征在于，其为用于对碳化硅单晶基板的预定的面方向的主面进行化学机械研磨使得该主面具有包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台阶-平台结构并且该原子台阶-平台结构中所述原子台阶的前端线部的平均线粗糙度相对于所述原子台阶的高度的比例为20％以下的研磨液，所述研磨液含有氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂和水，且不含磨粒。
本发明的研磨液中，优选所述氧化剂为高锰酸根离子。另外，优选所述高锰酸根离子的含量相对于研磨剂总量为0.05质量％以上且5质量％以下。此外，优选本发明的研磨液的pH为11以下，进一步优选为5以下。
发明效果
本发明的碳化硅单晶基板具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构且原子台阶的前端线部的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶的高度(h)的比例为20％以下，可抑制作为利用台阶流动方式的外延结晶生长的起点的前端线部的结晶缺陷等，因此可在该碳化硅单晶基板的主面上外延生长，由此能够得到高品质的碳化硅半导体层或氮化镓半导体层。
本发明的研磨液含有氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂和水，且不含磨粒，因此，通过使用该研磨液对碳化硅单晶基板的预定的面方向的主面进行化学机械研磨，可得到具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构且在原子台阶的前端线部没有因研磨时的机械损伤而导致的结晶缺陷的光滑性高的面。另外，根据该研磨液，清洗后的碳化硅单晶基板不会产生磨粒的残渣。
附图说明
图1(a)及(b)示意性地示出本发明的实施方式的碳化硅单晶基板中生成在主面的原子台阶-平台结构，(a)是俯视图，(b)是放大立体图。
图2是示出4H-SiC单晶的结晶结构的图。
图3是示出可在使用本发明的实施方式的研磨液的研磨中使用的研磨装置的一例的图。
图4示意性地示出使用现有的研磨剂液进行研磨后的碳化硅单晶基板中生成在主面的原子台阶-平台结构，(a)是俯视图，(b)是放大立体图。
图5是示意性地示出碳化硅单晶基板上的利用台阶流动方式的外延生长的图。
图6是示出例1～6中在CMP研磨后生成的原子台阶-平台结构的前端线部的线粗糙度的测定位置的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
＜碳化硅单晶基板＞
如图1(a)及图1(b)的示意图所示，本发明的实施方式的碳化硅单晶基板具备具有来源于结晶结构的平坦的平台1区域和作为高差区域的原子台阶2交替连接的原子台阶-平台结构的光滑性高的主面。该原子台阶-平台结构中，原子台阶2的上端部与平台1接触的前端线部2a呈直线状，没有弯曲、缺口、凹陷。另外，平台1的宽度在全部平台大致相同，且在各平台各部大致均匀。需要说明的是，图1(b)所示的C轴为图1(a)中与纸面垂直的方向。
此外，这样的原子台阶-平台结构中，原子台阶2的前端线部2a的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶2的高度(h)的比例为20％以下。即，为(R/h)×100≤20。R/h可以说是表示对原子台阶-平台结构中的前端线部2a的机械损伤的程度的指标。
此处，具有原子台阶-平台结构的主面是预定的面方向的主面，是相对于C轴成预定偏角的主面。另外，前端线部2a的平均线粗糙度(R)是前端线部2a的截面粗糙度曲线的中心线算术平均粗糙度(Ra)，例如可以通过以下所示的方法测定。即，利用AFM(原子力显微镜)对碳化硅单晶基板的主面的预定范围(例如，横2μm×纵1μm的范围)进行观察，由得到的AFM图像，对处于上述范围内的多个前端线部2a各自测定算术平均面粗糙度(Ra)，求出R作为其平均值。
原子台阶的高度(h)在碳化硅单晶基板中为约0.25nm。
例如，4H-SiC基板具有图2所示的结晶结构，作为C轴方向的晶格间隔(晶格常数)的C0(1.008nm)的1/4为原子台阶的高度(h)。即，4H-SiC基板中，原子台阶的高度(h)为通过1.008nm/4算出的值(约0.25nm)。
6H-SiC基板中原子台阶的高度(h)也与4H-SiC基板同样地为约0.25nm。即，对于6H-SiC基板而言，C轴方向的晶格常数C0为1.542nm，该值的1/6为原子台阶的高度(h)，因此原子台阶的高度(h)为约0.25nm。
需要说明的是，对于上述4H-SiC基板、6H-SiC基板，在研磨对象物的项下进行说明。
对于实施方式的碳化硅单晶基板而言，预定的面方向的主面具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构，光滑性高，而且前端线部2a的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶2的高度(h)的比例为20％以下，可抑制作为利用台阶流动方式的外延结晶生长的起点的前端线部2a的结晶缺陷等。因此，通过使结晶在该碳化硅单晶基板的主面进行外延生长，能够得到高品质的碳化硅半导体层或氮化镓半导体层。需要说明的是，对于台阶流动方式，在后述的外延生长的项下进行详细说明。
如果前端线部2a的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶2的高度(h)的比例超过20％，则原子台阶-平台结构中前端线部1a的因机械损伤而引起的结晶缺陷等变大，不能通过外延生长形成高品质的碳化硅半导体层或氮化镓半导体层。
这样的前端线部2a的形状优良且该部的结晶缺陷得到抑制的碳化硅单晶基板的主面含有氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化能力强的氧化剂，能够通过使用实质上不含有磨粒的本发明的研磨液进行CMP而得到。
＜研磨液＞
本发明的实施方式的研磨液是用于对碳化硅单晶基板的预定的面方向的主面进行化学机械研磨的研磨液，其特征在于，含有氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂和水，且不含有磨粒。
通过使用该研磨液对碳化硅单晶基板的上述主面进行CMP，能够抑制因研磨时的机械损伤而在表面产生的划痕、原子台阶的前端线部的结晶缺陷。而且，如前所述，能够得到具有来源于结晶结构的原子台阶-平台结构且前端线部的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶的高度(h)的比例为20％以下((R/h)×100≤20)的研磨后的主面(以下，有时表示为研磨过的主面)。
另外，通过在这样的原子水平的加工中使用氧化能力强的氧化剂，能够以充分高的研磨速度对碳化硅单晶基板这样的硬度高、化学稳定性高的基板进行研磨。此外，在使用该研磨液的情况下，清洗后的碳化硅单晶基板中不会残留磨粒，因此也能够防止因磨粒残渣而引起的结晶缺陷的产生。
需要说明的是，作为本发明的实施方式的研磨液中含有的氧化剂，优选高锰酸根离子，其含量优选为0.05质量％以上且5质量％以下。此外，研磨液的pH优选为11以下，进一步优选为pH5以下。为了将pH调节到11以下，可以向研磨液中添加pH调节剂。在使研磨液的pH为11以下时，上述氧化剂有效地发挥作用，因此研磨速度高，研磨特性良好。
以下，对本发明的研磨液的各成分及pH进行记载。
(氧化剂)
本发明的实施方式的研磨液中含有的氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂在作为研磨对象物的碳化硅单晶基板的被研磨面形成氧化层。通过用机械力将该氧化层从被研磨面除去，可促进研磨对象物的研磨。即，作为非氧化物的碳化硅单晶为难研磨材料，但利用研磨液中的氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂，能够在表面形成氧化层，形成的氧化层与研磨对象物相比，硬度低、容易研磨，因此，通过与没有内包磨粒的研磨垫接触也能够除去。因此，能够得到充分高的研磨速度。作为氧化还原电位测定法，可以使用一般市售的氧化还原电位计。作为参比电极，可以列举在内部液中使用饱和氯化钾水溶液的银/氯化银电极，作为工作电极，可以使用铂等金属电极。对于测定时的水溶液，关于温度及pH，可以在25度附近的室温下进行，准备适当调节后的试样来测定pH。
需要说明的是，在本发明中，“被研磨面”是指研磨对象物的被研磨的面，例如是指表面。
作为研磨液中含有的氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂，可以列举例如：高锰酸根离子、钒酸根离子、二铬酸根离子、硝酸铈铵、硝酸铁(III)九水合物、硝酸银、磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸、磷钨钼酸、磷钒钼酸等，特别优选高锰酸根离子。作为高锰酸根离子的供给源，优选高锰酸钾、高锰酸钠等高锰酸盐。
作为碳化硅单晶基板的研磨中的氧化剂，特别优选高锰酸根离子的理由如下。
(1)高锰酸根离子氧化碳化硅单晶的氧化能力强。
如果氧化剂的氧化能力过弱，则与碳化硅单晶基板的被研磨面的反应不充分，其结果，不能得到充分光滑的表面。使用氧化还原电位作为氧化剂将物质氧化的氧化能力的指标。高锰酸根离子的氧化还原电位为1.70V，与普遍作为氧化剂使用的高氯酸钾(KClO4)(氧化还原电位1.20V)、次氯酸钠(NaClO)(氧化还原电位1.63V)相比，氧化还原电位高。
(2)高锰酸根离子的反应速度快。
高锰酸根离子与作为氧化能力强的氧化剂而已知的过氧化氢(氧化还原电位1.76V)相比，氧化反应的反应速度快，因此能够迅速地发挥氧化能力的强度。
(3)高锰酸根离子对人体毒性低，安全。
(4)高锰酸盐只要在后述作为分散介质的水中为由溶解度曲线得到的依赖于水温的溶解浓度以下则可完全溶解。因此，溶解残渣不会对基板的光滑性产生不良影响。
为了得到高研磨速度，研磨液中的高锰酸根离子的含有比例(浓度)优选为0.05质量％以上且5质量％以下。如果低于0.05质量％，则无法期待作为氧化剂的效果，通过研磨形成光滑的面需要非常长的时间，或者可能会在被研磨面产生划痕。如果高锰酸根离子的含有比例超过5质量％，则根据研磨液的温度，高锰酸盐可能不完全溶解而析出，固体高锰酸盐与被研磨面接触，由此产生划痕。研磨液中含有的高锰酸根离子的含有比例进一步优选为0.1质量％以上且4质量％以下，特别优选为0.2质量％以上且3.5质量％以下。
(磨粒)
本发明的实施方式的研磨液的特征在于，实质上不含有二氧化硅粒子、二氧化铈粒子、氧化铝粒子、氧化锆粒子、二氧化钛粒子等磨粒。研磨液不含有磨粒，如前所述，在清洗后不会产生磨粒的残渣，因此，能够防止产生由磨粒残渣而引起的结晶缺陷。另外，具有如下优点：能够在不留意磨粒的分散性的条件下使用研磨液，实质上不发生磨粒的凝聚，因此可抑制对被研磨面的机械损伤。
(pH及pH调节剂)
从研磨特性的观点考虑，本发明的实施方式的研磨液的pH优选为11以下，更优选为5以下，特别优选为3以下。如果pH超过11，则不仅不能得到充分的研磨速度，而且被研磨面的光滑性可能会变差。
研磨液的pH可以通过添加、配合作为pH调节剂的酸或碱性化合物来进行调节。作为酸，可以使用：硝酸、硫酸、磷酸、盐酸这样的无机酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等饱和羧酸、乳酸、苹果酸、柠檬酸等羟基酸、邻苯二甲酸、水杨酸等芳香族羧酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、富马酸、马来酸等二元羧酸、氨基酸、杂环类羧酸这样的有机酸。优选使用硝酸及磷酸，其中，特别优选使用硝酸。作为碱性化合物，可以使用：氨、氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化钠、四甲基铵等季铵化合物、单乙醇胺、乙基乙醇胺、二乙醇胺、丙二胺等有机胺。优选使用氢氧化钾、氢氧化钠，其中，特别优选使用氢氧化钾。
这些酸或碱性化合物的含有比例(浓度)设定为将研磨液的pH调节到预定范围(pH11以下，更优选为5以下，进一步优选为3以下)的量。
(水)
在本发明的实施方式的研磨液中，含有水作为分散介质。水是用于分散、溶解上述氧化剂以及根据需要添加的后述任选成分的介质。对于水没有特别限制，但从对配合成分的影响、杂质的混入、对pH等的影响的观点考虑，优选纯水、超纯水以及离子交换水(去离子水)。
(研磨液的制备及任选成分)
本发明的实施方式的研磨液以上述预定的比例含有上述各成分，并制备成均匀溶解后的混合状态来使用。在混合中，可以采用在研磨液的制造中通常使用的利用搅拌翼的搅拌混合方法。研磨液不一定需要以预先将构成的研磨成分全部混合而得到的混合物的形式供给到研磨的部位。可以在供给到研磨的部位时将研磨成分混合而成为研磨液的组成。
在本发明的实施方式的研磨液中，只要不违反本发明的主旨，则可以根据需要适当含有润滑剂、螯合剂、还原剂、增稠剂、粘度调节剂、防锈剂等。其中，在这些添加剂具有氧化剂、酸或碱性化合物的功能时，作为氧化剂、酸或碱性化合物对待。
作为润滑剂，可以使用：阴离子性表面活性剂、阳离子性表面活性剂、非离子性表面活性剂、两性表面活性剂、多糖类、水溶性高分子等。作为表面活性剂，可以使用：具有脂肪族烃基、芳香族烃基作为疏水基且在这些疏水基内导入有1个以上酯、醚、酰胺等结合基团、酰基、烷氧基等连结基团的表面活性剂，包含羧酸、磺酸、硫酸酯、磷酸、磷酸酯、氨基酸作为亲水基的表面活性剂。作为多糖类，可以使用：海藻酸、果胶、羧甲基纤维素、凝胶多糖、普鲁兰多糖、黄原胶、角叉菜胶、结冷胶、刺槐豆胶、阿拉伯胶、罗望子胶、车前子胶等。作为水溶性高分子，可以使用：聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚天冬氨酸、聚谷氨酸、聚乙烯亚胺、聚烯丙胺、聚苯乙烯磺酸等。
＜研磨方法＞
在使用本发明的实施方式的研磨液进行研磨时，使用不内包磨粒的公知的研磨垫，在向该研磨垫供给上述研磨液的同时使作为研磨对象物的碳化硅单晶基板的被研磨面与研磨垫接触，并通过两者间的相对运动进行研磨。研磨对象物如后所述。
该研磨方法中，可以使用现有公知的研磨装置作为研磨装置。图3中示出可使用的研磨装置的一例。
在图3所示的研磨装置10中，以可在其垂直的轴心C1周围旋转地被支撑的状态设置有研磨平台11，该研磨平台11利用平台驱动电动机12沿图中箭头所示的方向旋转驱动。在该研磨平台11的上表面粘贴有不内包磨粒的公知的研磨垫13。
另一方面，在从研磨平台11上的轴心C1偏离的位置，在下表面利用吸附或保持框等保持研磨对象物14的基板保持构件(载体)15以可在其轴心C2的周围旋转且可沿轴心C2方向移动的方式支撑。该基板保持构件15以利用未图示的载体驱动电动机或利用来自上述研磨平台11的旋转力矩而沿箭头所示的方向旋转的方式构成。在基板保持构件15的下表面即与上述研磨垫13相对的面上保持有作为研磨对象物14的碳化硅单晶基板。研磨对象物14以预定的负荷按压在研磨垫13上。
另外，在基板保持构件15的附近设置有滴流喷嘴16或喷雾喷嘴(省略图示)，从未图示的罐送出的前述研磨液17供给到研磨平台11上。
在用这样的研磨装置10进行研磨时，在利用平台驱动电动机12及载体驱动电动机使研磨平台11及粘贴在其上的研磨垫13以及基板保持构件15及保持在其下表面的研磨对象物14在各自的轴心周围旋转的状态下，将研磨液17从滴流喷嘴16等供给到研磨垫13的表面上，同时将保持于基板保持构件15的研磨对象物14按压到该研磨垫13上。由此，将研磨对象物14的被研磨面、即与研磨垫13相对的面进行化学机械研磨。
基板保持构件15不仅可以进行旋转运动，也可以进行直线运动。另外，研磨平台11及研磨垫13也可以不进行旋转运动，例如可以以带式在一个方向上移动。
作为研磨垫13，可以使用包含无纺布、发泡聚氨酯等多孔树脂等、不含有磨粒的公知的研磨垫。另外，为了促进向研磨垫13供给研磨液17或者在研磨垫13积存一定量的研磨液17，可以对研磨垫13的表面实施格子状、同心圆状、螺旋状等槽加工。此外，根据需要，也可以使垫调节器接触研磨垫13的表面，在进行研磨垫13表面的调节的同时进行研磨。
对于利用这样的研磨装置10的研磨条件，没有特别限定，通过对基板保持构件15施加负荷而按压到研磨垫13上，能够进一步提高研磨压力，能够提高研磨速度。研磨压力优选为约5kPa～约80kPa，从被研磨面内的研磨速度的均匀性、平坦性、防止划痕等研磨缺陷的观点考虑，更优选为约10kPa～约50kPa。研磨平台11及基板保持构件15的转数优选为约50rpm～约500rpm，但不限于此。另外，关于研磨液17的供给量，根据研磨液的组成、上述研磨条件等适当调节来选择。
＜研磨对象物＞
使用本发明的实施方式的研磨液进行研磨的研磨对象物是作为非氧化物单晶的碳化硅单晶基板、氮化镓单晶基板，更优选为碳化硅单晶基板。更具体而言，可以列举具有3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC的结晶结构的碳化硅单晶基板。需要说明的是，上述3C-、4H-及6H-表示由Si-C对的层叠顺序决定的碳化硅的结晶多形。通过使用实施方式的研磨液，能够得到高研磨速度。另外，能够得到以下所示的表面性状的主面(研磨过的主面)。
接下来，参照附图，对于使用本发明的实施方式的研磨液的情况和使用含有作为氧化剂的过氧化氢及胶态二氧化硅磨粒的现有研磨浆料的情况各情况下利用CMP得到的碳化硅单晶基板的主面的表面性状以及利用向研磨过的主面的外延生长的半导体层的形成进行说明。
＜研磨过的主面的表面性状＞
在作为CMP工序的前一工序的金刚石研磨后的碳化硅单晶基板的主面上，产生由金刚石研磨而导致的机械损伤，不仅在表面形成有划痕，而且在内部生成产生了结晶变形等缺陷的加工变质层。在利用上述现有的研磨浆料的CMP中，通过进行相当长时间的研磨，也能够除去因金刚石研磨而产生的加工变质层，如图4(a)及图4(b)示意性地所示，能够得到具有来源于结晶结构的、平坦的平台1区域与作为高差区域的原子台阶2交替连接的原子台阶-平台结构的研磨过的主面。需要说明的是，图4(b)所示的C轴在图4(a)中是与纸面垂直的方向。
但是，利用上述现有的研磨浆料的CMP中，原子台阶2的前端线部2a因研磨时的机械损伤而成为有缺口、凹陷的性状，产生结晶缺陷。作为其原因，认为是由于机械作用强的磨粒而导致前端线部2a的过量研磨。
另一方面，本发明的实施方式的研磨液实质上不含有磨粒，因此，对于在研磨过的主面生成的原子台阶-平台结构而言，可显著降低对原子台阶的前端线部2a的机械损伤。因此，如图1(a)及图1(b)所示，能够形成无缺口、凹陷、结晶缺陷的前端线部2a，能够实现光滑性高且前端线部2a维持了优良形状的原子水平的加工精度。此外，在使用实施方式的研磨液时，通过所含有的氧化能力强的氧化剂的作用，尽管没有由磨粒产生的机械作用，仅通过由硬度比磨粒低的研磨垫产生的机械作用，也能够以高研磨速度迅速地除去因金刚石研磨而产生的加工变质层。因此，能够实现抑制了对碳化硅单晶基板的被研磨面的损伤的、原子水平的高加工精度。
＜外延生长＞
基于图5对通过台阶流动方式使半导体层在碳化硅单晶基板上外延生长的机制和原子台阶的前端线部的作用进行说明。
为了使例如使碳化硅半导体层在碳化硅单晶基板上外延生长，在上述碳化硅单晶基板的形成有原子台阶-平台结构的研磨过的主面上，通过热CVD法堆积硅原子和碳原子，并使其结晶生长。附着到原子台阶-平台结构的平台1的各原子到达前端线部2a，与前端线部2a的具有悬空键的原子键合，对平台1的表面在横向(与前端线部2a正交的方向，图5中用箭头表示)进行结晶生长，由此进行成膜。即，原子台阶2的前端线部2a在外延生长中作为结晶生长的起点发挥作用。
而且，已知成膜在碳化硅单晶基板上的半导体层的结晶品质受基板的结晶缺陷、表面状态的强烈影响。作为碳化硅单晶基板的结晶缺陷，可以列举：微管缺陷、螺旋位错缺陷、刃型位错缺陷等。关于表面状态，可以列举：因研磨产生的划痕、来源于研磨剂的磨粒等异物在平台1表面上的附着、平台1的表面氧化物等。关于作为外延生长的起点的原子台阶2的前端线部2a，考虑到该部分中存在的缺陷的传播，因此，为了形成品质更高的半导体层，需要考虑原子台阶2的前端线部2a的形状、结晶缺陷的原子水平的加工精度而不是仅考虑原子台阶-平台结构的生成的研磨加工。
从上述观点考察时，使用上述现有的研磨浆料得到的碳化硅单晶基板的研磨过的主面生成原子台阶-平台结构而光滑化，因此，能够抑制由平台1表面的划痕等引起的半导体层的结晶缺陷，但作为结晶生长的起点的前端线部2a成为有缺口、凹陷等而无法避免结晶缺陷的形状，因此，不能通过外延生长在其上形成高品质的碳化硅半导体层、氮化镓半导体层。
与此相对，使用本发明的实施方式的研磨液的CMP加工中，能够得到具有原子台阶-平台结构且该原子台阶-平台结构中对原子台阶2的前端线部2a的机械损伤得到抑制的高光滑的主面，因此能够进行品质更高的半导体层的结晶生长。另外，本发明的实施方式的研磨液不含磨粒，因此，在清洗后不会在碳化硅单晶基板的表面残留磨粒，能够防止由来源于研磨剂的磨粒残渣而导致的半导体层的结晶缺陷。
实施例
以下，利用实施例及比较例对本发明更详细地进行说明，但本发明不限于这些实施例。例1～4是本发明的实施例，例5、6是比较例。
(1)研磨液及研磨剂液的制备
(1-1)
以如下所示的方式制备例1～4的各研磨液。首先，在表1所示的作为氧化剂的高锰酸钾中加入纯水，使用搅拌翼搅拌10分钟。接着，在该液体中，边搅拌边缓慢添加pH调节剂调节到表1所示的预定pH，作为pH调节剂，例1～3中为硝酸，例4中为氢氧化钾，从而得到研磨液。将各例中使用的作为氧化剂的高锰酸钾相对于研磨液整体的含有比例(浓度：质量％)示于表1。需要说明的是，表1中的氧化剂浓度不是高锰酸根离子的浓度，而是高锰酸钾的浓度。
(1-2)
以如下所示的方式制备例5及例6的研磨剂液。在例5中，在一次粒径为40nm、二次粒径约为70nm的二氧化硅固体成分为约40质量％的胶态二氧化硅分散液中加入纯水，使用搅拌翼，搅拌10分钟。接着，边搅拌边向该液体中加入作为金属盐的钒酸铵，最后添加过氧化氢水溶液，搅拌30分钟，得到调节为表1所示的各成分浓度的研磨剂液。
在例6中，向一次粒径为80nm、二次粒径约为110nm的二氧化硅固体成分为约40质量％的胶态二氧化硅分散液中加入纯水，搅拌10分钟。接着，边搅拌边向该液体中加入作为氧化剂的高锰酸钾后，缓慢添加硝酸，调节为表1所示的pH，得到研磨剂液。将例5及例6中使用的各成分相对于研磨剂整体的含有比例(浓度：质量％)示于表1。
需要说明的是，表1中氧化剂浓度不是高锰酸根离子的浓度，而是高锰酸钾的浓度。另外，关于例5、6中配合的二氧化硅粒子的一次粒径，由通过BET法得到的比表面积进行换算而求出，关于二次粒径，使用作为动态光散射式粒度分布测定装置的マイクロトラックUPA(日机装公司制)进行测定。
(2)pH的测定
使用横河电机公司制的pH81-11在25℃下对例1～4中得到的各研磨液及例5、6中得到的各研磨剂液的pH进行测定。测定结果示于表1。
(3)研磨特性的评价
通过以下方法对例1～4中得到的各研磨液及例5、6中得到的研磨剂液评价研磨特性。
(3-1)研磨条件
作为研磨机，使用MAT公司制小型单面研磨装置。作为研磨垫，使用SUBA800-XY-groove(霓塔哈斯公司制)，研磨前使用金刚石磨盘及刷子进行研磨垫的调节。
将研磨液或研磨剂液的供给速度设定为25cm3/分钟，将研磨平台的转数设定为68rpm，将基板保持部的转数设定为68rpm，将研磨压力设定为5psi(34.5kPa)，进行30分钟研磨。
(3-2)被研磨物
作为被研磨物，准备使用金刚石磨粒进行预研磨处理后的直径3英寸的4H-SiC基板。然后，使用主面(0001)相对于C轴的偏角为0°+0.25°以内的SiC单晶基板(On-axis基板)，对Si面侧进行研磨并进行评价。
(3-3)研磨速度的测定
研磨速度用上述SiC单晶基板的每单位时间的厚度变化量(nm/小时)进行评价。具体而言，测定厚度已知的未研磨基板的质量和研磨各时间后的基板质量，由其差求出质量变化。然后，使用下式算出由该质量变化求出的基板的厚度的每单位时间的变化。将研磨速度的计算结果示于表1。
(研磨速度(V)的计算式)
Δm＝m0-m1
V＝Δm/m0×T0×60/t
(式中，Δm(g)表示研磨前后的质量变化，m0(g)表示未研磨基板的初期质量，m1(g)表示研磨后基板的质量，V表示研磨速度(nm/小时)，T0表示未研磨基板的厚度(nm)，t表示研磨时间(分钟))
(3-4)原子台阶的前端线部的平均线粗糙度(R)的测定
利用AFM在横2μm×纵1μm的范围内对用例1～4的各研磨液及例5、6的各研磨剂液研磨后的On-axis基板的研磨后的主面进行了观察，结果确认到均生成了原子台阶-平台结构。接着，由得到的AFM图像，对上述范围内的多个前端线部分别测定平均线粗糙度(Ra)，求出R作为其平均值。需要说明的是，作为AFM，使用D3100(Veeco公司制)。
图6中用虚线表示前端线部2a的平均线粗糙度(Ra)的测定位置。在该图中，标号1表示原子台阶-平台结构中的平台。
接着，使用下式，由上述(3-4)中求出的前端线部的平均线粗糙度(R)算出平均线粗糙度(R)相对于原子台阶的高度(h)的比例(A)。结果示于表1。
A(％)＝(R(nm)/h(nm))×100
需要说明的是，包含硅和碳对的双层原子台阶的高度(h)如上所述利用1.008nm/4进行计算，约为0.25nm。
由表1可知，在使用例1～4的研磨液的情况下，对于SiC单晶的On-axis基板，可以得到高的研磨速度，可以进行高速研磨。另外，由研磨后的主面的AFM图像确认到原子台阶-平台结构的生成，得到高光滑的研磨过的主面。另外，原子台阶-平台结构中，原子台阶的前端线部的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶的高度(h)的理论值的比例(A)为20％以下，得到抑制了因研磨而引起的机械损伤的原子水平的高加工精度。而且，由于研磨液不含磨粒，因此得到无磨粒残渣的洁净度高的研磨过的主面。
与此相对，在使用含有作为磨粒的胶态二氧化硅和作为氧化剂的过氧化氢以及钒酸铵的例5的研磨剂液的情况下，与使用例1～4的研磨液的情况相比，研磨速度为明显低的值。另外可知，虽然由研磨后的主面的AFM图像确认到原子台阶-平台结构的生成，但原子台阶的前端线部的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶的高度(h)的理论值的比例为24％，比例1～4大，表面粗糙度恶化，由于因研磨产生的机械损伤而使原子台阶的前端线部产生缺口、凹陷。另外，在研磨过的主面观察到被认为是胶态二氧化硅的磨粒残渣。
另外，在使用含有高锰酸钾作为氧化剂并且含有胶态二氧化硅作为磨粒的例6的研磨剂液的情况下，与使用例1～4的研磨液的情况相比，研磨速度也大幅下降。而且可知，虽然由研磨后的主面的AFM图像确认到原子台阶-平台结构的生成，但原子台阶的前端线部的平均线粗糙度(R)相对于原子台阶的高度(h)的理论值的比例为28％，比例1～4大，表面粗糙度恶化，由于因研磨产生的机械损伤而使原子台阶的前端线部产生缺口、凹陷。另外，在研磨过的主面观察到被认为是胶态二氧化硅的磨粒残渣。
产业实用性
根据本发明的研磨液，能够以高研磨速度对硬度高且化学稳定性高的碳化硅单晶基板进行研磨，能够得到无伤痕、平坦性及光滑性优良、生成有原子台阶-平台结构且在利用台阶流动方式的外延生长中作为结晶生长的起点的原子台阶的前端线部的机械损伤得到抑制的、在原子水平上加工精度高的主面。因此，能够在碳化硅单晶基板上形成高品质的半导体层，有助于提高使用具有这样形成的半导体层的碳化硅单晶基板的电子设备等的生产率。
参照特定的实施方式对本发明进行了详细说明，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变更和修正。
本申请基于2011年10月7日提出的日本专利申请2011-222782，将其内容作为参考并入本说明书中。
标号说明
1…平台、2…原子台阶、2a…前端线部、10…研磨装置、11…研磨平台、12…平台驱动电动机、13…研磨垫、14…研磨对象物、15…基板保持构件、16…滴流喷嘴、17…研磨液。

Claims (5)

1.一种研磨液，其为用于对碳化硅单晶基板的预定的面方向的主面进行化学机械研磨使得该主面具有包含来源于结晶结构的原子台阶和平台的原子台阶-平台结构并且该原子台阶-平台结构中所述原子台阶的前端线部的平均线粗糙度相对于所述原子台阶的高度的比例为20％以下的研磨液，
所述研磨液含有氧化还原电位为0.5V以上的含过渡金属的氧化剂和水，且不含磨粒。
2.根据权利要求1所述的研磨液，其中，所述氧化剂为高锰酸根离子。
3.根据权利要求2所述的研磨液，其中，所述高锰酸根离子的含量相对于研磨剂总量为0.05质量％以上且5质量％以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的研磨液，其pH为11以下。
5.根据权利要求4所述的研磨液，其pH为5以下。
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