JP2014203990A - ワイドギャップ半導体の研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】難加工材料であるワイドギャップ半導体基板の研磨に於いてスクラッチ傷や微小凹凸の低減化と研磨速度の高速化による高生産性を可能とする研磨方法および研磨装置を提供する【解決手段】ワイドギャップ半導体基板の研磨時に表層領域を酸化あるいは多孔質化、または研磨時に酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させた水溶液など用いる事により研磨速度を向上させる研磨装置および研磨方法である。【選択図】図１

Description

本発明は難加工材料であるワイドギャップ半導体基板の研磨方法および装置に関する。

地球温暖化対策が急務となっており電力削減や環境負荷の低減が求められる中、低炭素社会の実現に向けて省エネの切り札としてパワーデバイスが注目を集めている。特に、ワイドギャップ半導体基板であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＧａＮ（窒化ガリウム）に大きな期待が寄せられており既にＳｉＣ半導体デバイスやＧａＮ半導体デバイスは、サーバー電源やエアコンおよびモータなどの産業機器向けインバータなどに次々と採用され始めている。将来的には、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミニューム）、ＭｇＯ（酸化マグネシューム）やダイヤモンド基板などの開発も進んでいる。

しかしながら、ワイドギャップ半導体であるＳｉＣやＧａＮなどは修正モース硬度の比較ではダイヤモンドの１５を最高としてＳｉＣは１４、ＧａＮでは１３である事から非常に加工し難い材料である事が理解できる

一般的に製品化されているワイドギャップ半導体基板は、先ず基板厚さのバラツキを抑えながらダメージが最小になるように鏡面に仕上げる。しかし、前記基板の研磨面の表層領域にはサブミクロンからミクロン単位で加工ダメージや潜傷が生じている。このダメージや潜傷が存在した基板をデバイス作製するとリーク電流を増大させるなどの電気特性の低下を招く事になるため、前記機械研磨された基板は最終的にＣＭＰ（化学的機械研磨）を行っている。

ＣＭＰは、研磨パッドとワイドギャップ半導体基板との間に遊離砥粒による研磨液を供給しながら研磨パッドと該基板表面を研磨する方法でありダメージや潜傷を低減する目的で遊離方式のコロイダルシリカ砥粒などが一般的に使用されている。

しかし、前述の研磨方式では研磨速度が非常に遅いためにシリコン基板表面にレーザー照射やイオン注入を行い表層領域をアモルファスに変質させ材料硬度を低下させた後に表層領域を研磨する方法が考案されている。

また、特開２０１０−２５１６９９号にはダイヤモンド微粒子などの遊離砥粒を含んだ電解質溶液中でＧａＮ基板表面に光を照射しながら該基板にバイアス電位を印加してＧａ酸化物を形成し前記基板と研磨具を相対的に運動させて該基板酸化物を研磨除去する方法が記載されている。

特開２０１０−２５１６９９

前記研磨パッドとワイドギャップ半導体基板との間に遊離コロイダルシリカ砥粒による研磨液を供給しながらのＣＭＰ方式では最終製品に行きつくまでに数十時間を要している。

レーザー照射法に関しては、数ミクロンから数十ミクロンのレーザースポット径を基板表面もしくは表面から特定深さ位置にナノレベルもしくは数十ナノレベルの深さ方向で基板全面を照射するには現実的でない。すなわち、レーザースポット照射の深さ方向のバラツキはアモルファス層厚みのバラツキになるために、その後の研磨工程に於いて基板面内に大きなうねりを誘発する事になる。

イオン注入法に於いては、アモルファス層直下の単結晶領域でも多数のイオンが注入されておりダメージを形成しているためアモルファス層領域を研磨しても残留ダメージによるデバイス特性の低下を招く事になる。更に、イオン注入装置は非常に高価であるばかりでなく生産性の低下も招くため量産には向かない。

光照射による陽極酸化法に関しては、対象基板表面と電解質溶液を通じて酸化物を形成しながらダイヤモンド微粒子や金属酸化物微粒子などの遊離砥粒にて同時に研磨を施すために該基板に砥粒が付着すると局所的に酸化が進まなくなるため最終の研磨面には微小な凹凸が残存する事になる。

本発明は、前述の状況に鑑み、難加工材料であるワイドギャップ半導体基板の表面を実用的な加工時間内で研磨し、かつ高精度な平坦性を有する研磨方法および研磨装置を提供する事を目的とする。

請求項１に記載の発明は、ワイドギャップ半導体基板の研磨する面と定盤を対抗配置し前記定盤と前記基板との間に電圧を印可する方法に関して、該基板表層領域を酸化あるいは多孔質化させ該基板表層部の硬度を低下させた後に少なくとも前記変質層を研磨する方法および研磨装置である。

請求項２に記載の発明は、前記研磨定盤に固定砥粒のパッドが装着されている事を特徴とする請求項１記載の研磨方法および研磨装置である。

請求項３に記載の発明は、少なくとも陽極酸化前に該基板の研磨面が電解質溶液に浸漬された状態で超音波を当てるかマイクロ・ナノバブルが存在する電解質溶液を用いるか、あるいは両方を用いる事を特徴とする請求項１記載の研磨方法である。

請求項４に記載の発明は、ワイドギャップ半導体基板の研磨時に酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させた水溶液あるいはマイクロ・ナノバブル水溶液に酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させた該水溶液を研磨パッド上に流す事を特徴とする研磨方法である。

このように、本発明による研磨方法および研磨装置によれば、難加工材料であるワイドギャップ半導体基板の表面を実用的な加工時間内で研磨でき、かつ高精度な平坦性を有する基板を提供できる。

本発明では、難加工材料であるワイドギャップ半導体基板の裏面もしくは外周部に電圧を印加させ電解質溶液を介在して該基板の研磨する面に適切な電流密度を加える事により表層領域を酸化あるいは多孔質化させる事が出来る。これら表層領域を変質させる事で該ワイドギャップ半導体基板の硬度を低下させる事が出来るために研磨速度を向上する事ができる。すなわち、ワイドギャップ半導体は酸化する事で硬度の低下が可能となるばかりか電解質溶液のＰＨを酸性やアルカリ性にする事により簡単に酸化物を溶解する事が可能となる。多孔質化に関しては、該基板の密度を粗密化できるため同様に研磨速度を向上させる事が出来る。これら該基板の酸化または多孔質化と研磨を繰り返す事で最終製品を作製する事ができる。以下、本発明の実施形態は図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態の研磨装置を備えた主要構成部を示す図である。例えば、４Ｈ-ＳｉＣ基板００１は、基板ホルダ１０２のパッド１０４に保持される。パッド１０４に保持された基板は電線２０２を通して電流計２０１と直流電源２００を通り定盤１０１に接続されている。該定盤１０１の表面には研磨パッド１０３が張り付けられている。電解質溶液３００は、容器１０５に少なくとも該基板の研磨する面が浸漬するまで導入する。

定盤１０１と基板ホルダ１０２は、図示していないが各モータに接続されており回転運動を行う事が出来る構成である。電解質溶液やスラリーなどは図示していないが容器１０１内に供給されるようなノズルを具備しておりスラリー供給ノズルに関しては研磨パッド１０３上に供給される。また、電解質溶液は、バルブ１０７を備えた排出口１０６を通して廃棄される廃液タンクに貯蔵される構成である。

該基板の酸化速度や多孔質化の速度は、電流密度に強く依存するため直流電源２００は、該基板の電流密度が１ｍＡ／ｃｍ^２から１Ａ／ｃｍ^２の範囲で制御出来るようになっている。
電解質溶液３００には、単結晶シリコン基板の陽極酸化法にて一般的に使用されている水、アルコールおよびフッ酸を用いても良く、過酸化水素水や硝酸などを電解溶液として用いる事もできる。また、酸化促進剤としてＭｎＯ_２やＴｉＯ_２などを電解質溶液に混合させても良い。

研磨パッド１０３は、固定砥粒パッドを使用する方が好ましい。固定砥粒パッドの使用は、遊離砥粒と比較して電解質溶液中の砥石濃度を極端に低減できるため陽極酸化中の該基板表面に付着した砥石領域の局所的な酸化抑制による最終加工品での微小な凹凸を低減出来るからである。

該基板表面に付着した砥石領域の局所的な酸化抑制による微小な凹凸を更に低減するためにマイクロ・ナノバブル発生装置５００にて生成したマイクロ・ナノバブル水を電解質溶液の溶媒とするか、図示していないが該基板の研磨面が電解質溶液に浸漬された状態で超音波発生装置にて超音波を当てる事も可能であり、あるいは両方を用いても良い。超音波発生装置は、容器１０５の下に設置あるいは基板ホルダ１０２に接続しても良い。特に基板ホルダからの超音波発生は、研磨工程時に砥石自体が付着し難くなるので低ダメージ研磨が可能となる。

マイクロ・ナノバブルとは、直径５０μｍ以下の微細な気泡であり加圧減圧法や気体せん断法により発生させる事が可能である。このマイクロ・ナノバブルが自己圧壊する時に衝撃波を出すために基板表面に付着した砥石を除去するためマイクロ・ナノバブル密度は高濃度ほど良く界面活性剤の入った水溶液など用いれば高濃度化が容易に出来る。

図２は、前記方式より更に微小な凹凸を低減するために容器１０５内で研磨された基板００１を図示していないが基板ホルダ１０２と接続したアームにて容器１１０内へ移動させる搬送装置を備えており容器１０５内にてマイクロ・ナノバブル発生装置５００にて生成したマイクロ・ナノバブル水にて洗浄するか超音波発生装置５５０にて超音波を当てる、あるいは両方を用いると該基板の研磨面に付着した砥粒はより効率良く除去できる。

図３は、容器１０５での代替装置としてマイクロ・ナノバブル発生装置５００にて生成したマイクロ・ナノバブル水を加圧ポンプ５０２に通して吐出ノズル５０１にてバブル水を該基板の研磨面に散布させる事により砥石を除去する。用いた加圧ポンプ５０２は、マイクロ・ナノバブル水の水圧が高ければ無くとも良い。

図４は、容器１０５の代替装置として前記マイクロ・ナノバブル水を加圧ポンプ５０２に通して吐出ノズルヘッド５０１にブラシを具備させたヘッド５０５にてバブル水を該基板の研磨面に散布させる事により砥石を除去する。または、マイクロ・ナノバブル水の代わりに純水を用いた散布でも良い。いずれの方式に於いても該基板の砥粒除去工程では電圧印加は行わず、基板ホルダ１０２は回転を維持させる方が好ましい。

図５は、上述した工程毎の装置を組み合わせた一例である。ワイドギャップ半導体基板００１の研磨する面と電極１０５を電解質溶液内で対抗配置し前記電極と前記基板との間に電圧を印可する装置であり該基板の研磨する面の表層領域を酸化あるいは多孔質化させる。その後マイクロ・ナノバブル発生装置から生成したバブル水を吐出ヘッドにてバブル水を研磨面に散布する。更にＣＭＰ装置内に該基板を移動させて少なくとも変質層を含む領域を研磨する。研磨された基板は逆方向の順に装置内に移動され各工程を終わらせる。このプロセスを製品仕様になるまで繰り返す。

前記装置構成に於いては、固定砥粒パッドを使用しなくとも遊離砥粒を用いても砥粒や研磨残渣の除去効果が高いために最終研磨面での微小な凹凸を低減出来る。また、酸素原子を含む気体を高圧下にて純水中に溶存させる装置５７０を備える事により研磨工程中の研磨パッド上に流す事により、一例として酸素ガスを高圧下にて純水に溶存させると溶存酸素濃度が高くなり、研磨速度が格段に向上する。

尚、一般的なＣＭＰ装置によるワイドギャップ半導体の研磨時に酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させた水溶液あるいはマイクロ・ナノバブル水溶液に酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させた該水溶液を研磨パッド上に流す事でも研磨速度は格段に向上するため陽極酸化法を使用しなくとも高効率の研磨は可能である事も記載しておく。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更が可能である。

図１は、本発明の研磨装置の断面図である。 図2は、陽極酸化と研磨を兼ねた装置から砥粒除去装置を分離した断面図である。 図３は、ノズル吐出ヘッドを備えた砥粒除去装置の断面図である。 図４は、ノズル吐出ヘッドにブラシを備えた砥粒除去装置の断面図である。 図５は、陽極酸化、砥粒除去および研磨を分離装置方式にした断面図である。

００１ ワイドギャップ半導体基板
１０１ 定盤
１０２ 基板ホルダ
１０３ 研磨パッド
１０４ パッド
１０５ 容器
１０６ 排出口
１０７ バルブ
１１０ 容器
１５０ 電極
２００ 直流電源
２０１ 電流計
２０２ 配線
３００ 電解質溶液
５００ マイクロ・ナノバブル発生装置
５０１ 吐出ノズルヘッド
５０５ ブラシ付吐出ノズルヘッド
５５０ 超音波発振器
５７０ 高圧ガス溶存化装置

Claims (4)

1. ワイドギャップ半導体基板の研磨する面と定盤を対抗配置し前記定盤と前記基板との間に電圧を印加する方法に関して、該基板表層領域を酸化あるいは多孔質化させ該基板表層部の硬度を低下させた後に少なくとも前記変質層を研磨する方法および研磨装置である。
2. 前記研磨定盤には固定砥粒のパッドが設置されている事を特徴とする請求項１記載の研磨方法および研磨装置である。
3. 少なくとも陽極酸化前に該基板の研磨面が電解質溶液に浸漬された状態で超音波を当てるかマイクロ・ナノバブルが存在する電解質溶液を用いるか、あるいは両方を用いる事を特徴とする請求項１記載の研磨方法である。
4. ワイドギャップ半導体基板の研磨時に酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させた水溶液あるいは酸素原子を含む気体を高圧下にて溶存させたマイクロ・ナノバブル水溶液を研磨パッド上に流す事を特徴とする研磨方法である。