JP5988480B2 - 研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨方法に関し、より詳細には、窒化アルミニウムからなる基板に対する研磨方法に関する。

半導体デバイスを作製する際に、基板として使用される単結晶材料の表面を高度に平坦化する必要がある。
このような基板の平坦化のため、従来から化学的機械研磨(ＣＭＰ)と呼ばれる研磨方法が知られている。しかし、ＣＭＰによる研磨は研磨速度が小さく、研磨に時間がかかるという問題があった。

また、半導体デバイスをつくるための基板材料としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がよく知られている。しかしながら、ＡｌＮ基板表面を処理する際に、エピタキシャル成長（epitaxicial growth）に適した（０００１）面を加工しようとする場合、結晶が硬く研磨しにくいため、研磨に時間がかかるという問題がより顕著となっている。

従来、ＡｌＮ基板のＡｌ表面ｃ−軸（（０００１）面）に対するＣＭＰ加工の処理速度は０．１μｍ／ｈ程度であり、１０〜２０μｍの加工を行うには１００時間以上と非常に長時間かかってしまう。

特表２００５−５１００７２号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、窒化アルミニウムからなる基板を研磨するに際し、品質を維持しつつ研磨速度を向上させた研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の研磨方法は、窒化アルミニウムからなる基板に対する研磨方法であって、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、前記基板の被処理面に対して機械研磨を行う第一工程と、前記基板の前記被処理面に対し、化学的機械研磨(ＣＭＰ)を行う第二工程と、を少なくとも順に備え、前記第二工程では、粒径が３０〜３５ｎｍのコロイダルシリカを、４５〜５０重量％の割合で含有するアルカリ溶液を含むスラリー原液を希釈溶液で希釈したスラリーと、開孔径が３０〜６０μｍ、硬度がＡＳＫＥＲ Ｃ型で７５以上のスウェード地発泡ポリウレタンからなるパッドとを用いることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の研磨方法は、請求項１において、前記希釈溶液として過酸化水素水を用いることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の研磨方法は、請求項１又は２において、前記第一工程では、段階毎に前記研磨材として粗さの細かいものを用いることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の研磨方法は、請求項１乃至３のいずれか一項において、前記
第二工程では、前記基板の前記被処理面は、（０００１）面からの傾きを０°〜１０°の
範囲となるように、該基板を保持することを特徴とする。

本発明では、第一工程において、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、窒化アルミニウムからなる基板の被処理面に対して機械研磨を行うことにより、表面粗さ及び加工変質層深さをＣＭＰよりも少ない時間で減少させることができる。これにより、第二工程（ＣＭＰ）における必要加工量を小さく抑えることができる。その結果、本発明では、品質を維持しつつ研磨速度を向上させた研磨方法を提供することができる。

本発明において用いる研磨装置の一例を模式的に示す図。 本発明において用いるＣＭＰ研磨装置の一例を模式的に示す図。

以下では、本発明に係る研磨方法の一実施形態について説明する。

本発明は、窒化アルミニウムからなる基板に対する研磨方法であって、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、前記基板の被処理面に対して機械研磨を行う第一工程と、前記基板の前記被処理面に対し、化学的機械研磨(ＣＭＰ)を行う第二工程と、を少なくとも順に備える。

本発明では、第一工程において、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、窒化アルミニウムからなる基板の被処理面に対して機械研磨を行うことで、表面粗さ及び加工変質層深さをＣＭＰよりも少ない時間で減少させることができる。これにより、第二工程（ＣＭＰ）における必要加工量を小さく抑えることができる。その結果、本発明の研磨方法では、品質を維持しつつ研磨速度を向上することが可能である。
以下、工程順に詳述する。

（１）まず、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、前記基板の被処理面に対して機械研磨を行う（第一工程）。
例えば、図１に示すような砥石回転型の研磨装置を用いて、基板の被処理面に対して回転する砥石を接触させることにより、被処理面の機械研磨を行う。

研磨装置は、基板回転装置１０と、砥石回転装置２０とを少なくとも備えてなる。
基板回転装置１０は、縦置きに（重力方向と基板Ｗの被処理面Ｗａとが平行となるように）配置されており、被処理体である基板Ｗを保持して、軸心Ｒ１１を中心として回転させるためのものである。基板回転装置１０は、基板保持部１１および基板保持部１１を回転させるための基板回転用モータ１２等からなる。
基板保持部１１は、基板Ｗの被処理面Ｗａを側方にして基板Ｗを固定する。基板回転用モータ１２は、基板保持部１１をその軸心Ｒ１１を中心として回転させる。基板回転用モータ１２にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置（図示せず）により制御される。

砥石回転装置２０も、縦置きに（重力方向と砥石（研磨材）２１の摺動面２１ａとが平行となるように）配置されており、砥石（研磨材）２１の摺動面２１ａを側方にして保持し、軸心Ｒ１２を中心として回転させるためのものである。砥石回転装置２０は、砥石２１および砥石保持部２２と、これらを回転させるための砥石回転用モータ（図示せず）等からなる。砥石回転用モータにはサーボモータが使用され、その回転は制御装置（図示せず）により制御される。
砥石（研磨材）２１はドーナツ型（リング型）の平板形状をなしており、その摺動面２１ａの一部領域（二点鎖線により囲まれた領域Ｓ）が、上述した基板Ｗの被処理面Ｗａの一部と対向するように、軸心Ｒ１１と軸心Ｒ１２とは互いに並行する位置にあって、かつ、特定の距離だけズレた位置となるように配される。ここで、軸心Ｒ１１と軸心Ｒ１２の回転方向は逆方向とされている。

バルクから切り出したＡｌＮ単結晶からなる基板（以下、ＡｌＮ基板とも呼ぶ）Ｗの被処理面Ｗａ（例えば（０００１）面）を側方（かつ外向き）にして基板回転装置１０の基板保持部１２に固定する。基板Ｗの固定には、例えば真空チャック法などが用いられる。
被処理面Ｗａの機械研磨は、基板Ｗと砥石（研磨材）２１をそれぞれ、所望の回転速度で逆方向に回転した状態とし、砥石（研磨材）２１の摺動面２１ａを、基板Ｗの被処理面Ｗａの方向Ｌ１２へ移動して、所望の力で押圧することにより行われる。
すなわち、基板回転装置１０によって基板Ｗを回転させるとともに、砥石回転装置２０によって砥石２１を回転させながら、基板Ｗの被処理面Ｗａに対して砥石２１の摺動面２１ａを押圧させた状態で、基板Ｗと砥石２１とを相対的に移動させることにより、基板Ｗの被研磨面Ｗａに対して研磨を行う。
その際、砥石（研磨材）２１は、その摺動面２１ａがドーナツ型（リング型）の平板形状とされているので、基板Ｗの被処理面Ｗａから機械研磨された断片は、ドーナツ型（リング型）の摺動面２１ａの両側（内側と外側）へ常時排出されため、摺動面２１ａに対する断片の影響を低減することが可能となる。

研磨材としては、特に限定されるものではないが、例えば、ビトリファイドボンドダイヤモンド砥石、レジンボンドダイヤモンド砥石等を用いることができる。

本工程において、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、前記基板の被処理面に対して機械研磨を行う。具体的には、段階毎に前記研磨材として粗さの細かいもの（番手の大きなもの）を用いる。

具体的には、例えば、まず第一段階として、＃２３０ビトリファイドボンドダイヤモンド砥石を用いて、前記基板を規定厚さにまで研磨する。ここで「規定厚さ」とは最終的な寸法（厚さ）に対し、後工程における削り代を考慮した厚さを意味する。次に第二段階として、＃１０００ビトリファイドダイヤモンド砥石を用いて、面平均で１５μｍの厚さ分を研磨する。最後に、＃２０００レジンボンドダイヤモンド砥石を用いて面平均で５μｍの厚さ分を研磨し、被処理面を平坦化する。２０００番手を最小番手としたのは、これ以下では削れなくなるためである。

なお、本実施形態では、三段階で研磨材（砥石）の粗さを順次小さくしながら研磨を行う場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、二段階でもよいし、あるいは四段階以上で研磨を行ってもよい。また、研磨材の種類や番手の組みあわせも、この例に限定されるものではない。

このように、研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、被処理面に対し予め研磨速度の速い機械研磨を行うことで、ある程度の平坦化と加工変質層の除去を行うことができる。これにより、第二工程（ＣＭＰ）における必要加工量（研磨量）を減らすことができるため、研磨時間を短縮できる。

（２）次に、前記基板の前記被処理面に対し、化学的機械研磨(ＣＭＰ)を行う（第二工程）。
例えば、図２に示すようなＣＭＰ装置を用いて、基板の被処理面に対して化学的機械研磨(ＣＭＰ)を行う。

ＣＭＰ装置は、パッド回転装置３０と、基板回転装置４０と、スラリー供給部５０とを少なくとも備えてなる。
パッド回転装置３０は、パッド３１を保持して、軸心Ｒ２１を中心として回転させるためのものである。パッド回転装置３０は、パッド３１を保持するパッド保持部３２およびパッド保持部３２を回転させるためのパッド回転用モータ３３等からなる。
パッド保持部３２は、パッド３１の研磨面を上側にしてパッド３１を水平に固定する。パッド回転用モータ３３は、パッド保持部３２をその軸心Ｒ２１を中心として回転させる。パッド回転用モータ３３にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置（図示せず）により制御される。

基板回転装置４０は、被処理体である基板Ｗを保持して、軸心Ｒ２２を中心として回転させるためのものである。基板回転装置４０は、基板保持部４１および基板保持部４１を回転させるための基板回転用モータ４２等からなる。
基板保持部４１は、基板Ｗの被処理面Ｗａを下側にして（パッド３１の研磨面と対向すように）基板Ｗを固定する。基板回転用モータ４２は、基板保持部４１をその軸心Ｒ２２を中心として回転させる。基板回転用モータ４２にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置（図示せず）により制御される。
パッド回転装置３０の軸心Ｒ２１と基板保持部４１の軸心Ｒ２２とは互いに並行する位置にあって、かつ、基板保持部４１の軸心Ｒ２２はパッド回転装置３０の回転半径の上において、特定の距離だけズレた位置となるように配される。ここで、軸心Ｒ２１と軸心Ｒ２２の回転方向は同方向とされている。また、基板回転装置４０の軸心Ｒ２２は、パッド回転装置３０の回転半径の方向Ｌ２２に移動可能とされている。

スラリー供給部５０は、パッド３１の研磨面上にスラリー５１を供給するように構成されている。スラリー５１の種類、供給量、供給方法などは特段制限されず、従来技術に準じて設計することができる。例えばシリカ粒子などの砥粒と、アルカリ溶液、酸化剤水溶液などの化学成分と、からなるスラリーを利用することができる。

ＡｌＮ基板の被処理面Ｗａ（例えば（０００１）面）を下側にして基板回転装置４０の基板保持部４１に固定する。基板Ｗの固定には、例えば真空チャックが用いられる。
そして、基板回転装置４０によって基板を回転させるとともに、パッド回転装置３０によってパッド３１を回転させる。そして、パッド３１上にスラリー５１を供給しつつ、基板Ｗをパッド３１に押圧させた状態で、前記基板Ｗと前記パッド３１とを相対的に移動させることにより、基板表面を平坦化する。

そして本実施形態では、第二工程において、粒径が３０〜３５ｎｍのコロイダルシリカ（ＳｉＯ_２）を、４５〜５０重量％の割合で含有するアルカリ溶液からなるスラリーと、開孔径が３０〜６０μｍ、硬度（アスカ―ゴム硬度計Ｃ型）が７５以上のスウェード地発泡ポリウレタンからなるパッドとを用いて、ＣＭＰを行う。ＣＭＰ研磨の研磨条件を最適化することで従来よりも研磨速度を速めることが可能となる。

コロイダルシリカの粒径が３０ｎｍより小さいと、研磨量が少なくなり、研磨に要する時間が延びる。また、粒径が３５ｎｍより大きいと、研磨面の平坦性が損なわれる。ゆえに、コロイダルシリカの粒径は３０〜３５ｎｍの範囲が好ましい。
コロイダルシリカの含有量が４５重量％より少ないと、研磨量が少なくなり、研磨に要する時間が延びる。また、含有量が５０重量％より多いと、コロイダルシリカが凝集しやすくなり、やはり研磨面の平坦性が損なわれる。ゆえに、コロイダルシリカの含有量は４５〜５０重量％の範囲が好ましい。

発泡ポリウレタンの開孔径が３０μｍより小さいと、パッドの抵抗が大きくなり研磨面の平坦性が損なわれる。また、開孔径が６０μｍより大きいと、パッドと研磨面の接触面積が小さくなる。ゆえに、発泡ポリウレタンの開孔径は３０〜６０μｍの範囲が好ましい。
発泡ポリウレタンの硬度（アスカ―ゴム硬度計Ｃ型）が７５より低いと、研磨量が少なくなり、研磨に要する時間が延びる。ゆえに、発泡ポリウレタンの硬度（アスカ―ゴム硬度計Ｃ型）は７５以上が好ましい。

スラリーの流量としては、特に限定されるものではないが、例えば、その流量は１０ｍｌ／ｍｉｎとする。上記の好ましい条件下として、５〜７μｍ程度の研磨を行う。

第二工程（ＣＭＰ）において、ＣＭＰ研磨の研磨条件を最適化することで、すなわち、上述したように凝集せず均一に分散できる範囲で、適度な粒径と高い濃度のＳｉＯ２スラリーと、硬めで基板との接触面積が大きいパッドを用いることで、研磨品質を維持しつつ加工速度を大きくできる。例えば、研磨レートを７μｍ／ｈ以上とすることができる。

このとき、前記基板の前記被処理面は、（０００１）面からの傾きを０°〜１０°の範囲となるように、該基板を保持する。
ＡｌＮ基板表面を処理する際に、エピタキシャル成長に適した基板表面を導くことが重要である。ＡｌＮ基板では、エピタキシャル成長に適した (０００１)面を加工しようとする場合、結晶が硬く研磨しにくい。本発明の方法を用いることにより、硬い(０００１)面においても、品質を維持しつつ研磨速度を向上することができるので、エピタキシャル成長に適した基板表面を導くことが可能である。

このように得られたＡｌＮ基板は、(０００１)面からなる被処理面に平坦化加工が施され、エピタキシャル成長に適したものとなる。

本発明の効果を確認するために、スラリーは、「株式会社BBS金明、Cabot Microelectronics
、アイエムティー株式会社、ケメット・ジャパン株式会社、住石マテリアルズ株式会社、株式会社ナノファクター、ニッタ・ハース株式会社、日本エンギス株式会社、日本ミクロコーティング株式会社、株式会社ハイテクノス、株式会社ビーエヌテクノロジー、株式会社フジミ・インコーポレーテッド、山口精研工業株式会社、ユシロ化学工業株式会社、ユニヴァーサルフォトニクスファーイースト」の各社から入手したスラリーを適宜選択して用いた。また、パッドは、「株式会社BBS金明、Cabot Microelectronics、株式会社FILWEL、アイエムティー株式会社、ケメット・ジャパン株式会社、住石マテリアルズ株式会社、株式会社ナノファクター、ニッタ・ハース株式会社、日本エンギス株式会社、日本ミクロコーティング株式会社、株式会社ハイテクノス、株式会社ビーエヌテクノロジー、株式会社フジミ・インコーポレーテッド、ユニヴァーサルフォトニクスファーイースト」の各社から入手したパッドを適宜選択して用いた。

以下に述べる実験を行い、研磨時間について評価した。
まず、表１に示すようなスラリー原液と、希釈溶液として過酸化水素水（濃度３５％）とを、容積比１０：３で混合し、スラリーを調製した。

表１に示す各種スラリーと、次の表２に示す各種パッドとを用いて、それぞれの組み合わせを変えてＡｌＮ基板を加工（研磨）した。表３は、その際の研磨条件である。

以上のような条件でそれぞれ研磨実験を行い、基板を１０μｍ加工（研磨）するのに必要とした時間で評価した。
表４は、ＣＭＰにおけるスラリーとパッドとの組み合わせと、作業時間に関する評価結果である。ただし、表４において、評価結果を表す記号（◎、○、△、×、−）は、次に説明する内容を意味する。
◎、○：前後作業含め、作業に半日かからない場合（〜２時間）
△：作業を開始してから日をまたがない場合（２〜１５時間）
×：作業が２日以上にわたる場合（１５時間〜）
−：未評価

表４から、以下の点が明らかとなった。
（Ａ）いずれの組み合わせにおいても、１００時間（従来の、０．１μｍ／ｈで１０μｍ加工するとした場合の時間）以下であり、作業時間を著しく短縮できる。
（Ｂ）特に、スラリー（１）とパッド（１）を組み合わせた場合、評価した組み合わせの中では、作業時間が最も短く、最適の組み合わせである。従来と比較して約百分の一の作業時間（２桁も短い時間）で、所望の表面が得られることが分かった。

以上、本発明の研磨方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

本発明は、研磨方法に関し、特に、窒化アルミニウムからなる基板に対する研磨方法に広く適用可能である。

３０ パッド回転装置、３１ パッド、３２ パッド保持部、３３ パッド回転用モータ、４０ 基板回転装置、４１ 基板保持部 ４２ 基板回転用モータ、５０ スラリー供給部、６０ ドレッサー部、６１ ドレッサー支持部、６２ ドレッサー用モータ、６３ ドレッサー、７０ ドレッサー用水溶液の供給手段、Ｗ 基板、Ｗａ 被処理面。

Claims (4)

1. 窒化アルミニウムからなる基板に対する研磨方法であって、
   研磨材の粗さを複数段階に変化させながら、前記基板の被処理面に対して機械研磨を行
   う第一工程と、
   前記基板の前記被処理面に対し、化学的機械研磨(ＣＭＰ)を行う第二工程と、を少なく
   とも順に備え、
   前記第二工程において、粒径が３０〜３５ｎｍのコロイダルシリカを４５〜５０重量％の割合で含有するアルカリ溶液からなるスラリー原液を希釈溶液で希釈したスラリーと、開孔径が３０〜６０μｍ、硬度がＡＳＫＥＲ Ｃ型で７５以上のスウェード地発泡ポリウレタンからなるパッドと、を用いることを特徴とする研磨方法。
2. 前記希釈溶液として過酸化水素水を用いること、を特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記第一工程において、段階毎に前記研磨材として粗さの細かいものを用いること、を特徴とする請求項１又は２に記載の研磨方法。
4. 前記第二工程において、前記基板の前記被処理面は、（０００１）面からの傾きを０°
   〜１０°の範囲となるように、該基板を保持することを特徴とする請求項１乃至３のいず
   れか一項に記載の研磨方法。

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