JP5358996B2 - Method for manufacturing SiC single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＳｉＣ単結晶基板の製造方法に関し、特に、ＳｉＣ単結晶基板の（０００−１）Ｃ面（カーボン面）を研磨するＳｉＣ単結晶基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a SiC single crystal substrate, and more particularly to a method for manufacturing a SiC single crystal substrate for polishing a (000-1) C plane (carbon plane) of a SiC single crystal substrate.
近年、ＳｉＣ単結晶基板は、高い品質のＳｉＣ半導体層を形成するための基板として注目されている。さらに、ＳｉＣ半導体はＳｉを超えるパワーデバイスを実現できるものとして期待されており、また、高温動作が可能であるなどの利点を有していることから、ＳｉＣ単結晶基板上に高品質のＳｉＣ半導体層を形成し、高耐圧のパワー半導体素子や、高温で動作する半導体素子を実現する研究・開発がなされている。 In recent years, SiC single crystal substrates have attracted attention as substrates for forming high-quality SiC semiconductor layers. Furthermore, since a SiC semiconductor is expected to realize a power device exceeding Si and has advantages such as being capable of high-temperature operation, a high-quality SiC semiconductor on a SiC single crystal substrate. Research and development have been conducted to form a layer and realize a high-breakdown-voltage power semiconductor element and a semiconductor element that operates at high temperatures.
こうした用途のためのＳｉＣ基板には、基板表面の平滑性等において高い加工精度が要求される。しかし、ＳｉＣ単結晶は一般に硬度が高く、かつ、耐腐食性に優れるため、こうした基板を作製する場合の加工性は悪く、加工精度の高いＳｉＣ単結晶基板を得ることは難しい。 A SiC substrate for such applications requires high processing accuracy in terms of the smoothness of the substrate surface. However, since the SiC single crystal is generally high in hardness and excellent in corrosion resistance, the workability in producing such a substrate is poor, and it is difficult to obtain a SiC single crystal substrate with high processing accuracy.
ＳｉＣ結晶には様々な面方位があるが、ＳｉＣ単結晶基板は、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面という異なる面方位の結晶面によって両面が構成されている。以下、（０００１）Ｓｉ面を略してＳｉ面、（０００−１）Ｃ面を略してＣ面と呼ぶことがある。Ｓｉ面とＣ面は化学的性質及び機械的性質が大きく異なるため、それぞれの面に適した研磨方法を確立することが必要である。 The SiC crystal has various plane orientations, but the SiC single crystal substrate has both sides constituted by crystal planes having different plane orientations of (0001) Si plane and (000-1) C plane. Hereinafter, the (0001) Si plane is sometimes abbreviated as Si plane, and the (000-1) C plane is abbreviated as C plane. Since the chemical and mechanical properties of the Si surface and the C surface are greatly different, it is necessary to establish a polishing method suitable for each surface.
従来、ＳｉＣ半導体素子はＳｉ面上に形成されてきた。この理由の１つに、基板上にエピタキシャル膜を形成する為には加工ダメージのない平滑な基板表面を作る必要があるが、Ｃ面の研磨方法についてはほとんど開発がなされていない為、Ｃ面へのエピタキシャル膜の形成が困難であったという背景がある。 Conventionally, SiC semiconductor elements have been formed on Si surfaces. One reason for this is that in order to form an epitaxial film on the substrate, it is necessary to create a smooth substrate surface that is free from processing damage. There is a background that it was difficult to form an epitaxial film.
一方で、近年ＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスを実現するためには、酸化膜近傍の電子移動度が速い、基底面転位の変換率が高いなどの点から、ＳｉＣ基板のＣ面を用いることが有利であるという報告がなされており、具体的な例が特許文献１などで提案されている。
このような背景から、平滑なＣ面を得る研磨方法が早期に確立されることが望まれている。
On the other hand, in recent years, in order to realize a power device such as a SiC power MOSFET, it is necessary to use the C-plane of the SiC substrate from the viewpoint of high electron mobility near the oxide film and high conversion rate of basal plane dislocations. It has been reported that it is advantageous, and a specific example is proposed in Patent Document 1 and the like.
From such a background, it is desired that a polishing method for obtaining a smooth C-plane is established at an early stage.
ＳｉＣ単結晶基板表面の加工ダメージを除去する方法としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）やその他の気相エッチングによる方法、基板表面に酸化膜を作製してフッ酸にて酸化膜をエッチングする方法、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）による方法が考えられる。前者二つは基板表面に存在する加工ダメージの除去には有効であるが、表面を一様にエッチングしてしまう為、基板の平滑化には効果が低いと考えられる。
また、ＣＭＰについては、シリカスラリー（研磨液）を用いる方法がＳｉ面の平滑化に対して効果があることが知られている。ところが、発明者が、Ｃ面の研磨に対してコロイダルシリカなどの従来のシリカスラリーを用いたところ、エッチピット、スクラッチ等が発生し、むしろ基板の平滑性を損なうということがわかった。
As a method of removing processing damage on the surface of the SiC single crystal substrate, a method by RIE (Reactive Ion Etching) or other vapor phase etching, a method of forming an oxide film on the substrate surface and etching the oxide film with hydrofluoric acid, A method using CMP (Chemical Mechanical Polishing) is conceivable. The former two are effective in removing the processing damage existing on the substrate surface, but the surface is etched uniformly, so it is considered that the effect is low in smoothing the substrate.
As for CMP, it is known that a method using silica slurry (polishing liquid) is effective for smoothing the Si surface. However, when the inventor used a conventional silica slurry such as colloidal silica for polishing the C surface, it was found that etch pits, scratches, etc. were generated, and rather the smoothness of the substrate was impaired.
特許文献２、３には、コロイダルシリカなどの砥粒とヨウ素化合物を含有するスラリーを用いてＳｉＣ単結晶基板のＣ面を研磨する方法が提案されている。しかしながら、人体にきわめて有害であり、また、腐食性もあるヨウ素ガスの発生が懸念される為に、スラリーを使用するためにはドラフト等の大掛かりな装置が必要であるという問題がある。 Patent Documents 2 and 3 propose a method of polishing the C surface of a SiC single crystal substrate using a slurry containing abrasive grains such as colloidal silica and an iodine compound. However, since there is a concern about generation of iodine gas that is extremely harmful to the human body and corrosive, there is a problem that a large apparatus such as a draft is required to use the slurry.
特許文献４には、ＳｉＣ単結晶基板のＳｉ面を、酸化剤を混合したスラリーで研磨する例が記載されている。
そこで本発明は、特別な装置を必要とせず、また、環境に有害な物質を排出することなく、スクラッチ等の加工ダメージの少ないＣ面を有するＳｉＣ単結晶基板を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a SiC single crystal substrate having a C plane with little processing damage such as scratch without requiring a special apparatus and without discharging substances harmful to the environment.
本発明のＳｉＣ単結晶基板の製造方法は、ＳｉＯ２および過マンガン酸イオンを含むスラリーを用い、研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、前記基板のＣ面を研磨することを特徴とする。 The method for producing a SiC single crystal substrate of the present invention uses a slurry containing SiO 2 and permanganate ions, and at least a region of the polishing pad that is in contact with the SiC single crystal substrate during polishing is always immersed in the slurry. In this state, the C surface of the substrate is polished.
好ましい実施形態において、前記スラリーのｐＨは７以下である。 In a preferred embodiment, the slurry has a pH of 7 or less.
好ましい実施形態において、前記過マンガン酸イオンの濃度は０．０１ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下である。 In a preferred embodiment, the concentration of the permanganate ion is 0.01 mass% or more and 10 mass% or less.
好ましい実施形態において、前記スラリーのＳｉＯ２濃度は０．５ｍａｓｓ％以上４０ｍａｓｓ％以下である。 In a preferred embodiment, the SiO 2 concentration of the slurry is 0.5 mass% or more and 40 mass% or less.
好ましい実施形態において、前記スラリーを、前記研磨パッド上に１リットル／分以上の供給量で供給する。 In a preferred embodiment, the slurry is supplied onto the polishing pad at a supply rate of 1 liter / min or more.
好ましい実施形態において、前記研磨パッド面が前記スラリー中に浸漬されている。 In a preferred embodiment, the polishing pad surface is immersed in the slurry.
本発明によれば、特別な装置を必要とせず、また、環境に有害な物質を排出することなく、スクラッチ等の加工ダメージの少ないＣ面を有するＳｉＣ単結晶基板を得ることができる。本発明のＳｉＣ単結晶基板上にエピタキシャル膜を成長させると、膜中の基底面転位を低減でき、本発明のＳｉＣ単結晶基板を用いて作成したＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスは特性、歩留が向上する。 According to the present invention, it is possible to obtain a SiC single crystal substrate having a C plane with little processing damage such as scratch without requiring a special apparatus and without discharging substances harmful to the environment. When an epitaxial film is grown on the SiC single crystal substrate of the present invention, basal plane dislocations in the film can be reduced, and power devices such as SiC power MOSFETs produced using the SiC single crystal substrate of the present invention have characteristics and yields. Will improve.
本発明のＳｉＣ単結晶基板の製造方法は、ＳｉＯ２および過マンガン酸イオンを含むスラリーを用い、研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中すなわち研磨開始から研磨終了までの間に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、前記基板のＣ面を研磨することを特徴とする。 The method for producing a SiC single crystal substrate of the present invention uses a slurry containing SiO 2 and permanganate ions, and at least the SiC single crystal substrate on the polishing surface of the polishing pad and during polishing, that is, between the start of polishing and the end of polishing. The C surface of the substrate is polished in a state where the contact area is always immersed in the slurry.
本発明の製造方法は、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板や６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板などの六方晶ＳｉＣ単結晶基板に好適に適用される。図１に４Ｈ−ＳｉＣの原子積層図を示す。図１中の丸で囲んだ部分がＳｉＣ原子層の一単位となっており、この原子層が堆積することによりＳｉＣ結晶が構成されている。 The production method of the present invention is suitably applied to a hexagonal SiC single crystal substrate such as a 4H—SiC single crystal substrate or a 6H—SiC single crystal substrate. FIG. 1 shows an atomic stacking diagram of 4H—SiC. A circled portion in FIG. 1 is a unit of the SiC atomic layer, and an SiC crystal is formed by depositing this atomic layer.
ＳｉＣ単結晶の層間の結合は完全な共有結合ではなく、結合の方向に異方性（極性）をもつ。このために、基板の一方の表面ともう一方の表面は異なった極性を持っており、うち一方が（０００１）Ｓｉ面、もう一方が（０００−１）Ｃ面である。 The bond between the layers of the SiC single crystal is not a complete covalent bond but has anisotropy (polarity) in the bond direction. For this reason, one surface and the other surface of the substrate have different polarities, one of which is a (0001) Si surface and the other is a (000-1) C surface.
本発明に用いられるスラリーは、砥粒としてＳｉＯ２、酸化剤として過マンガン酸イオンを含む。ＳｉＯ２としては、市販のコロイダルシリカやヒュームドシリカなどが挙げられる。過マンガン酸イオンの供給源としては、過マンガン酸カリウムや過マンガン酸ナトリウムなどの過マンガン酸塩が好ましい。また、ｐＨ調整のために水酸化ナトリウム等の水酸化物、塩酸や硫酸などの無機酸類を含むこともある。 The slurry used in the present invention contains SiO 2 as abrasive grains and permanganate ions as oxidants. Examples of SiO 2 include commercially available colloidal silica and fumed silica. As a source of permanganate ions, permanganate such as potassium permanganate and sodium permanganate is preferable. Moreover, hydroxides, such as sodium hydroxide, and inorganic acids, such as hydrochloric acid and a sulfuric acid, may be included for pH adjustment.
スラリーに含まれるＳｉＯ２の濃度は０．５ｍａｓｓ％以上、４０ｍａｓｓ％以下が好ましい。０．５ｍａｓｓ％未満では研磨能力が非常に低く、平滑な面を作成するのに非常に長時間を要する。４０ｍａｓｓ％を超えると、スラリーの分散が不十分となり、スクラッチの原因となる恐れがある。スラリーに含まれるＳｉＯ２の濃度は０．５ｍａｓｓ％以上、２０ｍａｓｓ％以下がさらに好ましい。
また、スラリーに含まれるＳｉＯ２の粒径は、良好な分散性と被研磨面の平滑性の観点から１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
The concentration of SiO 2 contained in the slurry is preferably 0.5 mass% or more and 40 mass% or less. If it is less than 0.5 mass%, the polishing ability is very low, and it takes a very long time to produce a smooth surface. If it exceeds 40 mass%, the dispersion of the slurry becomes insufficient, which may cause scratches. The concentration of SiO 2 contained in the slurry is more preferably 0.5 mass% or more and 20 mass% or less.
The particle size of SiO 2 contained in the slurry is preferably 10 nm or more and 100 nm or less from the viewpoint of good dispersibility and smoothness of the surface to be polished.
特許文献４には、ＳｉＣ単結晶基板のＳｉ面を、酸化剤を混合したスラリーで研磨する例が記載されている。従来、特許文献４だけでなくこの他にも、ＳｉＣ単結晶基板研磨用スラリーに使用できる酸化剤として、過酸化水素や酸化クロム、三酸化二マンガン、次亜塩素酸ナトリウムなど様々な化合物が提案されている。しかし、発明者がＳｉＣ単結晶基板Ｃ面の研磨に対して検討を行った結果、以下１〜４の理由で、過マンガン酸イオンが酸化剤として最適であることを確認した。 Patent Document 4 describes an example in which the Si surface of a SiC single crystal substrate is polished with a slurry mixed with an oxidizing agent. Conventionally, various compounds such as hydrogen peroxide, chromium oxide, dimanganese trioxide, and sodium hypochlorite have been proposed as oxidizing agents that can be used in a slurry for polishing a SiC single crystal substrate as well as Patent Document 4. Has been. However, as a result of studying the polishing of the SiC single crystal substrate C surface by the inventor, it was confirmed that permanganate ions are optimum as an oxidizing agent for the following reasons 1 to 4.
１、酸化力
本発明においては、酸化剤の酸化力がある一定以上であることが必要である。酸化剤の酸化力が弱すぎると、ＳｉＣ単結晶基板の表面とスラリーの反応が不十分となり、この結果充分に平滑な基板面を得ることができない。
酸化剤が物質を酸化する酸化力の指標として一般的に、酸化還元電位が用いられる。本発明において用いられる過マンガン酸イオンの酸化還元電位は１．７０ｅＶである。一方、一般的に酸化剤としてよく用いられる過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ４）の酸化還元電位は１．２０ｅＶ、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）の酸化還元電位は１．６３ｅＶである。発明者は過塩素酸カリウムや次亜塩素酸ナトリウムを用いて検討を行ったが、酸化力不足により良好な被研磨面を得ることができず、スクラッチが発生することが判明した。
1. Oxidizing power In the present invention, it is necessary that the oxidizing power of the oxidizing agent is a certain level or more. If the oxidizing power of the oxidizing agent is too weak, the reaction between the surface of the SiC single crystal substrate and the slurry becomes insufficient, and as a result, a sufficiently smooth substrate surface cannot be obtained.
In general, an oxidation-reduction potential is used as an index of the oxidizing power with which an oxidizing agent oxidizes a substance. The redox potential of permanganate ions used in the present invention is 1.70 eV. On the other hand, the redox potential of potassium perchlorate (KClO 4 ), which is generally used as an oxidizing agent, is 1.20 eV, and the redox potential of sodium hypochlorite (NaClO) is 1.63 eV. The inventor studied using potassium perchlorate or sodium hypochlorite, but it was found that a good surface to be polished could not be obtained due to insufficient oxidizing power, and scratches occurred.
２、スラリーの反応速度
過マンガン酸イオンに匹敵する酸化力を持つ酸化剤としては、過酸化水素が知られている（Ｈ２Ｏ２、酸化還元電位：１．７６ｅＶ）。しかし、過酸化水素水溶液は反応速度が遅く、十分にその酸化力を活用することができない。発明者は過酸化水素水溶液を用いて検討を行ったが、良好な被研磨面を得ることができず、過酸化水素は本発明の方法に適していないことがわかった。
2. Reaction rate of slurry Hydrogen peroxide is known as an oxidizing agent having an oxidizing power comparable to that of permanganate ions (H 2 O 2 , oxidation-reduction potential: 1.76 eV). However, the aqueous hydrogen peroxide solution has a slow reaction rate and cannot fully utilize its oxidizing power. The inventor has studied using an aqueous hydrogen peroxide solution, but has not been able to obtain a good surface to be polished, and it has been found that hydrogen peroxide is not suitable for the method of the present invention.
３、安全性
過マンガン酸イオンに匹敵する酸化力を持つ酸化剤としては、ほかにも二酸化鉛（ＰｂＯ２、酸化還元電位：１．６９ｅＶ）やニクロム酸カリウム（Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７、酸化還元電位：１．３６ｅＶ）が知られている。しかしながら二酸化鉛に含まれる鉛原子や、ニクロム酸カリウムに含まれる六価クロムは人体に対して著しく有害であることが知られており、こういった物質を工業的に用いるのは非常に困難である。
また、これ以外にも塩素ガス（Ｃｌ２、酸化還元電位：１．３６ｅＶ）、フッ素ガス（Ｆ２、酸化還元電位：２．８７ｅＶ）も強い酸化力を持つが、両者とも人体に対して毒性が強く、ガスの拡散を防ぎながら研磨を行うことは工業的には非常に難しい。
3. Safety Oxidizing agents with oxidizing power comparable to permanganate ions include lead dioxide (PbO 2 , redox potential: 1.69 eV), potassium dichromate (K 2 Cr 2 O 7 , oxidation) Reduction potential: 1.36 eV) is known. However, lead atoms contained in lead dioxide and hexavalent chromium contained in potassium dichromate are known to be extremely harmful to the human body, and it is very difficult to use these substances industrially. is there.
In addition, chlorine gas (Cl 2 , oxidation-reduction potential: 1.36 eV) and fluorine gas (F 2 , oxidation-reduction potential: 2.87 eV) also have strong oxidizing power, but both are toxic to the human body. However, it is industrially difficult to polish while preventing gas diffusion.
４、溶解度
本発明においては、過マンガン酸塩はスラリーに完全に溶解しており、スラリー中に存在する固体はＳｉＯ２のみである。酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、三酸化二マンガン（Ｍｎ２Ｏ３）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、などが固体の酸化剤として知られるが、これらはほとんど水に溶解しない。発明者の検討によると、これらがスラリー中に存在すると、酸化剤として働くよりもむしろスクラッチ発生の原因として働き、基板の平滑性に対して悪影響を与えることが判明した。
4, in the solubility present invention, the permanganate is completely dissolved in the slurry, solids present in the slurry is only SiO 2. Chromium oxide (Cr 2 O 3 ), manganese dioxide (MnO 2 ), dimanganese trioxide (Mn 2 O 3 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), etc. are known as solid oxidizers, but these are mostly Does not dissolve in water. According to the inventor's investigation, it has been found that the presence of these in the slurry acts as a cause of generation of scratches rather than acting as an oxidant, and adversely affects the smoothness of the substrate.
スラリーに含まれる過マンガン酸イオンの濃度は０．０１ｍａｓｓ％以上、１０ｍａｓｓ％以下が好ましい。０．０１ｍａｓｓ％未満では酸化剤としての効果が期待できず、平滑な面を作製するのに非常に長時間を要したり、被研磨面にスクラッチが発生する可能性がある。過マンガン酸イオンの濃度が１０ｍａｓｓ％を超えると、スラリーの温度によっては、過マンガン酸塩が溶解しきれず析出し、固体の過マンガン酸塩が被研磨面と接触することによりスクラッチが発生する可能性がある。スラリーに含まれる過マンガン酸イオンの濃度は０．１ｍａｓｓ％以上がさらに好ましい。 The concentration of permanganate ions contained in the slurry is preferably 0.01 mass% or more and 10 mass% or less. If it is less than 0.01 mass%, the effect as an oxidizing agent cannot be expected, and it may take a very long time to produce a smooth surface, or scratches may occur on the surface to be polished. If the concentration of permanganate ions exceeds 10 mass%, depending on the temperature of the slurry, the permanganate may not be completely dissolved and deposited, and scratches may occur due to the contact of the solid permanganate with the surface to be polished. There is sex. The concentration of permanganate ions contained in the slurry is more preferably 0.1 mass% or more.
スラリーのｐＨは７以下が好ましい。ｐＨ７を超えるアルカリ性スラリーを使用すると、かえって被研磨面の平滑性が悪化する可能性がある。
ＳｉＣは化学的に非常に安定であり、常温常圧下では酸、アルカリなどに侵されることはほとんどない。しかし、高温で溶融したアルカリ（例えば水酸化カリウム、水酸化ナトリウム）と反応して溶解する。このとき、特に転位部分、結晶欠陥が激しく侵され、ピットとして発現する。発明者らがｐＨ７を超えるアルカリ性スラリーで研磨を試みたところ、多数のピット、スクラッチなどが観察された。これは、アルカリ性のスラリーを使用したため、ＣＭＰ中に局所的に高圧にさらされて高温となったＳｉＣに対してアルカリが作用して、研磨面の転位やスクラッチ部分がエッチングされたと考えられる。
The pH of the slurry is preferably 7 or less. If an alkaline slurry exceeding pH 7 is used, the smoothness of the surface to be polished may be deteriorated.
SiC is chemically very stable and is hardly attacked by acids, alkalis and the like under normal temperature and pressure. However, it reacts with an alkali (eg, potassium hydroxide, sodium hydroxide) melted at a high temperature to dissolve. At this time, dislocations and crystal defects are particularly severely affected and appear as pits. When the inventors tried polishing with an alkaline slurry having a pH of more than 7, a large number of pits and scratches were observed. This is presumably because an alkaline slurry was used, so that alkali acted on SiC that was exposed to high pressure locally during CMP and became high temperature, and dislocations and scratches on the polished surface were etched.
本発明では、上記のスラリーを用い、かつ、前記研磨パッドの研磨面のうち少なくともＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域が常にスラリーに浸されている状態で、ＣＭＰにより研磨する。 In the present invention, the above-described slurry is used, and polishing is performed by CMP in a state where at least a region of the polishing surface of the polishing pad that is in contact with the SiC single crystal substrate is always immersed in the slurry.
図２（ａ）は、通常ＣＭＰで行われている、ラップ盤にスラリーを少量滴下して供給しながら研磨する方法を示す図である。通常ＣＭＰにおいては、図２（ａ）に示されるように金属製などの研磨定盤に研磨パッド２を固定したものをラップ盤とし、研磨パッド２上にスラリー３を滴下しながらＳｉＣ単結晶基板１を研磨する。特許文献４にも、ＳｉＣ単結晶基板を図２（ａ）のような滴下方式によってスラリーを供給しながら研磨する方法が開示されている。 FIG. 2A is a diagram showing a method of polishing while supplying a small amount of slurry dropped onto a lapping machine, which is usually performed by CMP. In normal CMP, as shown in FIG. 2A, a SiC single crystal substrate with a polishing pad 2 fixed on a polishing plate made of metal or the like is used as a lapping machine, and slurry 3 is dropped onto the polishing pad 2. 1 is polished. Patent Document 4 also discloses a method of polishing a SiC single crystal substrate while supplying slurry by a dropping method as shown in FIG.
上述のように過マンガン酸イオンは、ＳｉＣ単結晶基板のＣ面を研磨するスラリーに添加するのに最適な酸化剤であるが、過マンガン酸イオンを用いる場合、下記に示すような過マンガン酸イオン特有の問題が発生し、図２（ａ）のような研磨方法ではＳｉＣ単結晶基板のＣ面の研磨には使用することができないということがわかった。 As described above, permanganate ion is an optimum oxidizing agent to be added to the slurry for polishing the C surface of the SiC single crystal substrate, but when using permanganate ion, permanganate as shown below is used. A problem peculiar to ions occurred, and it was found that the polishing method as shown in FIG. 2A cannot be used for polishing the C surface of the SiC single crystal substrate.
過マンガン酸イオンを含有する溶液は、空気中の酸素と反応してＭｎＯ２（二酸化マンガン）を発生する。発生したＭｎＯ２は一般的に酸、アルカリ両方に不溶、もしくは難溶であるので、スラリー中に粉塵として蓄積され続け、ＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面（Ｃ面）と接触することによりスクラッチの原因となる。図２（ａ）のような滴下方式では、研磨パッド２上にスラリー３が濡れ広がる。このとき、研磨パッド２の微細な凹凸面がそのまま濡れ広がったスラリー３の表面となり、スラリー３の表面積が非常に大きくなる。このため、スラリー３が研磨パッド２上で広く空気と接触して多量のＭｎＯ２を発生し、スクラッチのない良好な研磨面を得ることができない。 A solution containing permanganate ions reacts with oxygen in the air to generate MnO 2 (manganese dioxide). Since the generated MnO 2 is generally insoluble or hardly soluble in both acid and alkali, it continues to accumulate as dust in the slurry and is scratched by coming into contact with the surface to be polished (C surface) of the SiC single crystal substrate 1. Cause. In the dripping method as shown in FIG. 2A, the slurry 3 spreads wet on the polishing pad 2. At this time, the fine uneven surface of the polishing pad 2 becomes the surface of the slurry 3 wet and spread as it is, and the surface area of the slurry 3 becomes very large. For this reason, the slurry 3 is widely contacted with air on the polishing pad 2 to generate a large amount of MnO 2 , and a good polishing surface without scratches cannot be obtained.
また、過マンガン酸イオンを含有するスラリーは、通常のスラリーに比べて粘度が高い。このため、図２（ａ）のような滴下方式では研磨パッド２の研磨面全体に均一にスラリー３を行き渡らせるのは非常に困難である。このため、ＳｉＣ単結晶基板１の研磨状態が不均一になり、スクラッチや凹凸の原因になることもある。 In addition, a slurry containing permanganate ions has a higher viscosity than a normal slurry. For this reason, it is very difficult to spread the slurry 3 uniformly over the entire polishing surface of the polishing pad 2 by the dropping method as shown in FIG. For this reason, the polished state of the SiC single crystal substrate 1 becomes non-uniform, which may cause scratches and unevenness.
さらに、図２（ａ）のような滴下方式では、スラリー３の供給量が少なく、ＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面が常にスラリー３に触れている状態にならない為、スラリー中の成分とＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面との反応が充分に進まない。 Further, in the dropping method as shown in FIG. 2A, the supply amount of the slurry 3 is small, and the surface to be polished of the SiC single crystal substrate 1 is not always in contact with the slurry 3, so the components in the slurry and the SiC The reaction with the polished surface of the single crystal substrate 1 does not proceed sufficiently.
発明者らの研究の結果、過マンガン酸イオンを酸化剤として使用した場合にも、研磨パッド２に濡れ広がったスラリー３が空気と触れ合うのを防ぐために、研磨パッド２の研磨面が空気と触れ合わない研磨方式を用いることにより、ＭｎＯ２の発生量を最小限にとどめて研磨することが可能であることがわかった。 As a result of the inventors' research, even when permanganate ions are used as an oxidizing agent, the polishing surface of the polishing pad 2 comes into contact with air in order to prevent the slurry 3 that has spread out on the polishing pad 2 from coming into contact with air. It has been found that it is possible to perform polishing with a minimum amount of MnO 2 generated by using a non-polishing method.
図２（ｂ）は、本発明に好適に適用される研磨方法の一例である。図２（ｂ）の研磨方法においては、研磨パッド２の研磨面のうち、少なくともＳｉＣ単結晶基板１と研磨中に接触する領域が常にスラリー３に浸されている状態とし、研磨パッド２の研磨面が大気と全く接触しない状態を実現するために、スラリー３を大量に供給している。なお、スラリー３は不図示の循環器により、循環させながら再利用することが可能であり、さらには、スラリー３の状態を管理しながら循環させることにより、常にスラリー３を研磨に適した状態に保つことが可能である。 FIG. 2B is an example of a polishing method suitably applied to the present invention. In the polishing method of FIG. 2B, at least a region of the polishing surface of the polishing pad 2 that is in contact with the SiC single crystal substrate 1 during polishing is always immersed in the slurry 3, and the polishing pad 2 is polished. In order to realize a state where the surface is not in contact with the atmosphere at all, a large amount of the slurry 3 is supplied. The slurry 3 can be reused while being circulated by a circulator (not shown). Furthermore, by circulating the slurry 3 while managing the state of the slurry 3, the slurry 3 is always in a state suitable for polishing. It is possible to keep.
スラリー３の供給量は、研磨パッドの研磨面のうちＳｉＣ単結晶基板と研磨中に接触する領域の大きさによって最適量を選ぶのが好ましいが、通常の工業ベースで使用されている大きさの研磨パッドにおいては、１リットル／分以上が好ましい。供給量が１リットル／分より少ない場合、図２（ａ）のような状態となり、研磨パッド２に濡れ広がったスラリー３が広く空気と触れ合うことにより、多量のＭｎＯ２を発生するために、良好な研磨面が得られない可能性がある。図２（ｂ）のような方法をとることにより、スラリー３が研磨パッド２の研磨面を覆うためにスラリー３と空気との接触面積を減らすことができ、ＭｎＯ２の発生量を最小限に抑えてスクラッチが発生するのを防ぐことができる。また、研磨パッド２とＳｉＣ単結晶基板１の間にスラリー３を充分に分布させることもでき、その結果、スラリー中の成分とＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面との反応が充分に進んで良好な研磨面を得ることができる。なお、スラリー供給量の上限は、生産コストと、スラリーの円滑な循環を行うということを考慮すべきであるが、通常の規模の生産においては、５リットル/分以下であることが好ましい。 The supply amount of the slurry 3 is preferably selected in accordance with the size of the region of the polishing surface of the polishing pad that is in contact with the SiC single crystal substrate during polishing. In the polishing pad, 1 liter / min or more is preferable. When the supply amount is less than 1 liter / minute, the state shown in FIG. 2A is obtained, and a large amount of MnO 2 is generated when the slurry 3 wetted and spreads on the polishing pad 2 is widely contacted with air. A smooth polished surface may not be obtained. By adopting the method as shown in FIG. 2B, the contact area between the slurry 3 and air can be reduced because the slurry 3 covers the polishing surface of the polishing pad 2, and the generation amount of MnO 2 is minimized. It is possible to suppress the occurrence of scratches. Further, the slurry 3 can be sufficiently distributed between the polishing pad 2 and the SiC single crystal substrate 1, and as a result, the reaction between the components in the slurry and the surface to be polished of the SiC single crystal substrate 1 is sufficiently advanced. A good polished surface can be obtained. It should be noted that the upper limit of the slurry supply amount should be considered in terms of production cost and smooth circulation of the slurry, but it is preferably 5 liters / minute or less in normal scale production.
なお、スラリー３は、研磨パッド２の研磨面のうち、少なくともＳｉＣ単結晶基板１と研磨中に接触する領域を覆っていればよいが、ＭｎＯ２の発生量を最小限にとどめるためには研磨パッド２の研磨面の全面がスラリー３に浸されていることが望ましい。 The slurry 3 only needs to cover at least a region of the polishing surface of the polishing pad 2 that is in contact with the SiC single crystal substrate 1 during polishing. In order to minimize the amount of MnO 2 generated, polishing is performed. It is desirable that the entire polishing surface of the pad 2 is immersed in the slurry 3.
また、図２（ｂ）と同等の状態を実現するには、スラリー３を大量に供給する以外にも、図２（ｃ）に示すように研磨機の周囲にカバー４を設けてスラリー３がラップ盤上より失われないようにする等、研磨パッド２およびＳｉＣ単結晶基板１の被研磨面をスラリー３中に浸漬する方法が挙げられる。この方法によれば、常に研磨パッド２の研磨面の全面がスラリー３に浸されている状態を実現できる。 Further, in order to realize a state equivalent to FIG. 2B, in addition to supplying a large amount of the slurry 3, a cover 4 is provided around the polishing machine as shown in FIG. For example, the polishing pad 2 and the surface to be polished of the SiC single crystal substrate 1 may be immersed in the slurry 3 so as not to be lost from the lapping machine. According to this method, it is possible to realize a state in which the entire polishing surface of the polishing pad 2 is always immersed in the slurry 3.
（実施例１）
濃度４ｍａｓｓ％のヒュームドシリカ水分散液に対して、０．５ｍａｓｓ％の過マンガン酸カリウムを添加、溶解させスラリーを作製した。これを用いて基板表面の方位がＣ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハのＣＭＰを実施した。なお、ＣＭＰ前には粒径１μｍ以下のダイヤモンド砥粒にて研磨を施した。このウェハを１５０ｇ／ｃｍ2の研磨面圧力でポリウレタン製不織布タイプの研磨パッドを固定した研磨定盤に押し付け、スラリー供給量１．５リットル／分にて滴下し、研磨定盤を３０ｒｐｍで回転させることにより研磨した。このとき、図２（ｂ）に示すような研磨面が大気に全く触れない状態となった。この条件で４時間研磨した後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、スクラッチは全く存在しなかった。
Example 1
0.5 mass% potassium permanganate was added to and dissolved in an aqueous fumed silica dispersion having a concentration of 4 mass% to prepare a slurry. Using this, CMP of a 2 inch diameter 4H-SiC single crystal wafer having a substrate surface orientation of 8 degrees with respect to the C plane was performed. Before CMP, polishing was performed with diamond abrasive grains having a particle size of 1 μm or less. This wafer is pressed against a polishing surface plate fixed with a polyurethane non-woven polishing pad at a polishing surface pressure of 150 g / cm 2 , dropped at a slurry supply rate of 1.5 liters / minute, and the polishing surface plate is rotated at 30 rpm. It polished by. At this time, the polished surface as shown in FIG. 2B was not in contact with the atmosphere. When the polished surface (C surface) of the SiC single crystal wafer was observed with an optical microscope after polishing for 4 hours under these conditions, no scratch was present.
（実施例２）
図２（ｃ）に示すように研磨パッド上面がスラリーに浸るようにして研磨を行った以外はすべて実施例１と同様の条件で、Ｃ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハを研磨した。研磨後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、スクラッチは全く存在しなかった。
(Example 2)
As shown in FIG. 2 (c), all the polishing was performed so that the upper surface of the polishing pad was immersed in the slurry under the same conditions as in Example 1, and the diameter was 2 inches 4H-SiC with an inclination of 8 degrees from the C plane. The crystal wafer was polished. When the polished surface (C surface) of the SiC single crystal wafer was observed with an optical microscope after polishing, no scratch was present.
（比較例１）
スラリー供給量を０．１リットル／時とした以外はすべて実施例１と同様の条件で、Ｃ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハを研磨した。このとき、図２（ａ）に示すように、研磨パッドの研磨面が大気に触れる状態となった。研磨後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、多数のスクラッチが観察された。また研磨後の研磨パッドを観察したところ、二酸化マンガンの粉末の析出が観察された。
(Comparative Example 1)
A 2 inch diameter 4H—SiC single crystal wafer having a diameter of 8 degrees from the C plane was polished under the same conditions as in Example 1 except that the slurry supply rate was 0.1 liter / hour. At this time, as shown in FIG. 2A, the polishing surface of the polishing pad was in contact with the atmosphere. When the polished surface (C surface) of the SiC single crystal wafer was observed with an optical microscope after polishing, many scratches were observed. Further, when the polishing pad after polishing was observed, precipitation of manganese dioxide powder was observed.
（比較例２）
スラリーとして、過マンガン酸カリウムを添加していない濃度４ｍａｓｓ％のヒュームドシリカ水分散液を用いたこと以外は、すべて実施例１と同じ条件で、基板表面の方位がＣ面からの傾き８度の直径２インチ４Ｈ−ＳｉＣ単結晶ウェハのＣＭＰを実施した。研磨後にＳｉＣ単結晶ウェハの被研磨面（Ｃ面）を光学顕微鏡で観察したところ、多数のピット、スクラッチが観察された。
(Comparative Example 2)
Except for using a 4 mass% fumed silica aqueous dispersion with no potassium permanganate added as the slurry, the substrate surface orientation was 8 degrees with respect to the C-plane under the same conditions as in Example 1. CMP of a 2 inch diameter 4H-SiC single crystal wafer was performed. When the polished surface (C surface) of the SiC single crystal wafer was observed with an optical microscope after polishing, a large number of pits and scratches were observed.
本発明によれば、特別な装置を必要とせず、また、環境に有害な物質を排出することなく、スクラッチ等の加工ダメージの少ないＣ面を有するＳｉＣ単結晶基板を得ることができる、本発明のＳｉＣ単結晶基板上にエピタキシャル膜を成長させると、膜中の基底面転位が低減し、本発明のＳｉＣ単結晶基板を用いて作成したＳｉＣパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワーデバイスは特性、歩留が向上する、等の点で産業上の利用可能性を有する。 According to the present invention, it is possible to obtain an SiC single crystal substrate having a C plane with little processing damage such as scratch without requiring a special apparatus and without discharging substances harmful to the environment. When an epitaxial film is grown on a SiC single crystal substrate, basal plane dislocations in the film are reduced, and power devices such as SiC power MOSFETs produced using the SiC single crystal substrate of the present invention have improved characteristics and yield. It has industrial applicability in terms of, etc.
１ ＳｉＣ単結晶基板
２ 研磨パッド
３ スラリー
４ カバー
1 SiC single crystal substrate 2 Polishing pad 3 Slurry 4 Cover
Claims (7)
The polishing pad surface is immersed in the slurry, method of manufacturing a SiC single crystal substrate according to any of claims 1 to 5.
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