JP7547920B2

JP7547920B2 - ＳｉＣ基板の研磨方法

Info

Publication number: JP7547920B2
Application number: JP2020175549A
Authority: JP
Inventors: 歩石島; 有三佐々木
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2024-09-10
Anticipated expiration: 2040-10-19
Also published as: JP2022066931A

Description

本発明は、ＳｉＣ基板の研磨方法に関する。

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きく、熱伝導率が３倍程度高い。そのため、炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等の基板としての応用が期待されている。このため、近年、半導体デバイスの基板にＳｉＣ基板が用いられるようになっている。このような目的に用いられるＳｉＣ基板は、一般に、一方の表面がＳｉ面で、他方の表面がＣ面とされた単結晶体である。通常は、ＳｉＣ基板のＳｉ面にデバイスが搭載される。

上述のＳｉＣ基板は、一般に、昇華法等で作製したＳｉＣ単結晶のインゴットから製造される。通常は、円柱状に形成されたＳｉＣ単結晶インゴットを、ワイヤーソー等を用いて円板状にスライス加工することによって製造されている。得られたＳｉＣ基板は、平坦化及び平滑化のために、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学的機械研磨）法等のメカノケミカル研磨を行なうのが一般的である。ＣＭＰ法とは、例えば、研磨パッドに砥粒スラリーを供給しながら、ＳｉＣ基板の表面と研磨パッドとを接触させることよって、ＳｉＣ基板の表面を研磨する方法である。通常は、研磨パッドを回転可能な定盤に固定し、ＳｉＣ基板を保持プレートにワックスで固定して、定盤と保持プレートとを互いに反対方向に回転させながら、ＳｉＣ基板の表面と研磨パッドとを接触させることよって、ＳｉＣ基板の表面を研磨する。

特許文献１には、ＳｉＣ基板の研磨用の砥粒スラリーとして、モース硬度が８以下の軟質研磨粒子と、コロイダルシリカ粒子、モース硬度が８以上の硬質研磨粒子を含むスラリーが記載されている。
特許文献２には、ＳｉＣ基板の研磨用の砥粒スラリーとして、バナジン酸塩と、酸素供与剤と、砥粒とを含むスラリーが記載されている。この特許文献２には、ＳｉＣ基板のＣ面の研磨する砥粒スラリーのｐＨを８以下とすることが記載されている。

特表２００９－５０９７８４号公報特開２００８－１７９６５５号公報

ＳｉＣ基板の生産時間の短縮化のため、研磨時間を短縮化できれば望ましい。しかしながら、ＳｉＣは、それ自体が研磨剤として利用されるほど極めて硬度が高く、化学的、熱的にも安定な物質である。このため、ＳｉＣ基板は加工が極めて難しい。例えば、ＣＭＰ法による研磨においては、砥粒として硬度の高い物質（例えば、ダイヤモンド粒子）を単独で使用することや定盤の回転速度を速くすることによって、研磨レートを速くすることは可能である。しかしながら、この場合には、研磨後のＳｉＣ基板の平坦性や平滑性が低下することがある。また、定盤に固定されている研磨パッドの温度が過度に上昇することによって、ＳｉＣ基板を保持プレートに固定する際に用いるワックスが溶解して、研磨中にＳｉＣ基板が保持プレートから外れるおそれがある。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、研磨レートを速くしても、研磨パッドの過度な温度の上昇と、研磨後のＳｉＣ基板の表面の平坦性や平滑性の低下とを抑制することができるＳｉＣ基板の研磨方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを含み、ダイヤモンド粒子とコロイダルシリカ粒子の平均粒子径が所定の範囲内にあって、ｐＨが所定の範囲内にある砥粒スラリーを用いて、ＳｉＣ基板を研磨することによって、研磨パッドの温度を過度に上昇させずに、研磨レートを速くすることが可能となることを見出した。そして、研磨後のＳｉＣ基板の平坦性や平滑性については、ＳｉＣ基板のＣ面として利用するのであれば実用上問題ない範囲であることを確認して、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを含み、前記ダイヤモンド粒子は、平均粒子径が０．２５μｍ以上１．００μｍ以下の範囲内にあり、前記コロイダルシリカ粒子は、平均粒子径が０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下の範囲内にあって、ｐＨが８より大きく９以下の範囲内にある砥粒スラリーを用意する工程と、研磨パッドに前記砥粒スラリーを供給しながら、ＳｉＣ基板のＣ面を、前記研磨パッドを用いて研磨する工程と、を含む、ＳｉＣ基板の研磨方法。

（２）前記ダイヤモンド粒子の平均粒子径が、前記コロイダルシリカ粒子の平均粒子径よりも大きい、上記（１）に記載のＳｉＣ基板の研磨方法。
（３）前記ダイヤモンド粒子の含有量が１ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下の範囲内にある、上記（１）又は（２）に記載のＳｉＣ基板の研磨方法。
（４）前記コロイダルシリカ粒子の含有量が５０ｇ／Ｌ以上３００ｇ／Ｌ以下の範囲内にある、上記（１）～（３）のいずれか一つに記載のＳｉＣ基板の研磨方法。
（５）前記バナジン酸塩の含有量が１０ｇ／Ｌ以上２００ｇ／Ｌ以下の範囲内にある、上記（１）～（４）のいずれか一つに記載のＳｉＣ基板の研磨方法。

本発明のＳｉＣ基板の研磨方法によれば、研磨レートを速くしても、研磨パッドの過度な温度の上昇と、研磨後のＳｉＣ基板の表面の平坦性や平滑性の低下とを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るＳｉＣ基板の研磨方法に用いることができる研磨装置の一例の斜視図である。図１の研磨装置で用いられるＳｉＣ基板の保持プレートの一例の平面図である。

以下、本発明に係るＳｉＣ基板の研磨方法の実施形態について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜ＳｉＣ基板＞
本実施形態のＳｉＣ基板の研磨方法において被研磨物であるＳｉＣ基板は、各種の半導体デバイスに用いられる半導体基板である。ＳｉＣ基板は、一方の表面がＳｉ面で、他方の表面がＣ面とされた単結晶体である。通常は、ＳｉＣ基板のＳｉ面にデバイスが搭載される。このため、ＳｉＣ基板のＣ面は、Ｓｉ面と比較して、平坦性や平滑性がやや低くてもよい場合がある。なお、本実施形態のＳｉＣ基板の研磨方法を用いて研磨したＳｉＣ基板のＣ面は、表面粗さＲａが１０Å未満であることが好ましく、８Å以下であることが特に好ましい。また、ＳｉＣ基板のＣ面の表面粗さＲａは２Å以上であってもよい。

ＳｉＣ基板は、例えば、次のようにして製造することができる。先ず、円柱状のＳｉＣ単結晶インゴットを用意する。円柱状のＳｉＣ単結晶インゴットは、例えば、昇華法等により作製することができる。次いで、円柱状のＳｉＣ単結晶インゴットを、ワイヤーソー等を用いて円板状にスライス加工する。

＜砥粒スラリー＞
本実施形態のＳｉＣ基板の研磨方法において用いる砥粒スラリーは、ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを含む。砥粒スラリーの溶媒は、水であってもよい。砥粒スラリーは、ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを含み、残部が溶媒と不可避不純物であってもよい。不可避不純物は、砥粒スラリーの原料に含まれる不純物及び砥粒スラリーの製造時に混入する不純物を含む。

ダイヤモンド粒子は、平均粒子径が０．２５μｍ以上１．００μｍ以下の範囲内とされている。ダイヤモンド粒子は、ＳｉＣ基板を相対的に粗く研磨する作用がある。ダイヤモンド粒子の平均粒子径が上記の範囲内とされているので、研磨レートを速くすることによって、研磨パッドの温度が過度に上昇することを抑制することができる。ダイヤモンド粒子の平均粒子径は、０．５０μｍ以上１．００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。ダイヤモンド粒子の平均粒子径がこの範囲内にあると、研磨パッドの温度の上昇をより抑制することができると共に、後述の研磨装置において、研磨パッドが固定されている定盤を、回転させるのに必要な電流量を低減させることができる。

また、ダイヤモンド粒子の平均粒子径は、コロイダルシリカ粒子の平均粒子径よりも大きいことが好ましい。ダイヤモンド粒子の平均粒子径をコロイダルシリカ粒子の平均粒子径よりも大きくすることによって、さらに研磨パッドの温度上昇を抑制することが可能となる。ダイヤモンド粒子の平均粒子径は、コロイダルシリカ粒子の平均粒子径を１として、１．１以上１０以下の範囲内にあることが好ましく、１．２以上８．０以下の範囲内にあることが特に好ましい。

コロイダルシリカ粒子は、平均粒子径が０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下の範囲内とされている。コロイダルシリカ粒子は、ＳｉＣ基板を相対的に微細に研磨する作用がある。コロイダルシリカ粒子の平均粒子径が上記の範囲内とされているので、研磨レートを速くすることによって、研磨後のＳｉＣ基板の表面の平坦性や平滑性が低下することを抑制することができる。コロイダルシリカ粒子の平均粒子径は、０．１０μｍ以上０．４０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

バナジン酸塩は、ＳｉＣ基板の表面におけるＳｉ－Ｃ結合の酸化開裂を促進する作用を有する。バナジン酸塩としては、例えば、バナジン酸アンモニウム、バナジン酸ナトリウム、バナジン酸カリウムを用いることができる。これらのバナジン酸塩は一種を単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。

砥粒スラリーは、ｐＨが８より大きく９以下の範囲内とされている。砥粒スラリーのｐＨがこの範囲内とされているので、コロイダルシリカ粒子が安定に分散し、コロイダルシリカ粒子の凝集体の生成を抑制することができる。コロイダルシリカ粒子の凝集体の生成が抑制されるので、研磨後のＳｉＣ基板は、その凝集体によるスクラッチが発生しにくくなる。

砥粒スラリーのダイヤモンド粒子の含有量は、１ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下の範囲内にあってもよい。また、コロイダルシリカ粒子の含有量は５０ｇ／Ｌ以上３００ｇ／Ｌ以下の範囲内にあってもよい。コロイダルシリカ粒子の含有量をダイヤモンド粒子の含有量よりも多くすることによって、研磨後のＳｉＣ基板の表面の平坦性や平滑性が低下することをより抑制することができる。コロイダルシリカ粒子の含有量は、ダイヤモンド粒子の含有量を１として、１０以上２００以下の範囲内にあることが好ましく、２０以上１００以下の範囲内にあることが特に好ましい。また、バナジン酸塩の含有量は１０ｇ／Ｌ以上２００ｇ／Ｌ以下の範囲内にあってもよい。

砥粒スラリーの調製方法としては、例えば、溶媒と、ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを混合し、ダイヤモンド粒子とコロイダルシリカ粒子とを分散処理する方法を用いてもよい。分散処理としては、例えば、超音波処理を用いてもよい。各材料の混合順序には、特に制限はない。例えば、コロイダルシリカ粒子とバナジン酸塩とを含むスラリーに、ダイヤモンド粒子を加えてもよいし、ダイヤモンド粒子とバナジン酸塩とを含むスラリーに、コロイダルシリカ粒子を加えてもよい。また、バナジン酸塩を含む溶液に、コロイダルシリカ粒子とダイヤモンド粒子を加えてもよいし、溶媒に、ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩を同時に加えてもよい。

＜研磨装置＞
次に、本実施形態のＳｉＣ基板の研磨方法に用いることができる研磨装置について、図１と図２を参照しながら説明する。
研磨装置１０は、図１に示すように、砥粒スラリー供給装置２０と、研磨パッド３０と、保持プレート４０と、プレート回転駆動装置５０とを備える。
砥粒スラリー供給装置２０は、上述の砥粒スラリー１を研磨パッド３０に供給するための装置である。砥粒スラリー供給装置２０は撹拌機２１を備えていて、ダイヤモンド粒子及びコロイダルシリカ粒子が沈殿しないように砥粒スラリー１を撹拌できるようにされている。

研磨パッド３０は、円板状の定盤（不図示）に固定されている。定盤は、定盤駆動装置（不図示）によって、周方向に回転可能とされている。研磨パッド３０は、定盤と共に回転するように固定されている。
研磨パッド３０は、不織布、スエード材など研磨パッドとして用いられているものを用いることができる。研磨パッド３０の材料は、例えば、ウレタン樹脂であってもよい。研磨パッド３０の厚みは、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内にあってもよい。研磨パッド３０の硬さは、例えば、アスカーＡ型で５以上９９以下の範囲内であってもよく、ショアＤで５以上９９以下の範囲内であってもよい。研磨パッド３０の圧縮率は０．１％以上１０％以下の範囲内にあってもよい。なお、圧縮率は、ＪＩＳＬ１０２１－６（繊維製床敷物試験方法－第６部：静的荷重による厚さ減少試験方法）に記載されている方法に準拠した方法により測定した値である。

保持プレート４０は、図２に示すように、円板状であって、３つのＳｉＣ基板２を保持できるようにされている。保持プレート４０の材料としては、セラミックスやガラスを用いてもよい。保持プレート４０は、プレート回転駆動装置５０によって周方向に回転可能とされている。

研磨装置１０を用いたＳｉＣ基板の研磨方法は、例えば、次のように実施される。
先ず、砥粒スラリー供給装置２０に、砥粒スラリー１を投入する。
次に、保持プレート４０を、以下のようにしてＳｉＣ基板２に固定する。先ず、保持プレート４０を９０℃に加温する。次いで、加温した保持プレート４０にワックスを塗布し、ワックスを塗布した部分にＳｉＣ基板２を配置する。その後、冷却によりワックスを固化させて、保持プレート４０をＳｉＣ基板２に固定する。
ＳｉＣ基板２を固定した保持プレート４０を、ＳｉＣのＣ面が、研磨パッド３０と接するように、研磨パッド３０の上に配置する。保持プレート４０の上面にプレート回転駆動装置を設置する。ＳｉＣ基板２と研磨パッド３０の面圧は１ｐｓｉ以上１０ｐｓｉ以下の範囲内としてもよい。

次いで、砥粒スラリー供給装置２０の撹拌機２１を作動させて、砥粒スラリー１を撹拌しながら、研磨パッド３０に砥粒スラリー１を供給する。砥粒スラリー１の供給速度は研磨パッド３０の面積１０００ｃｍ^２あたりの速度として５ｍＬ／分以上３０ｍＬ／分以下の範囲内としてもよい。

次いで、定盤駆動装置（不図示）を作動させて、定盤(不図示)と共に、研磨パッド３０を周方向に回転させる。これに合わせて、プレート回転駆動装置５０を作動させて、保持プレート４０を、研磨パッド３０とは反対側の周方向に回転させる。研磨パッド３０の回転速度は、５ｒｐｍ以上５００ｒｐｍの範囲内としてもよく、保持プレート４０の回転速度は、５ｒｐｍ以上５００ｒｐｍの範囲内としてもよい。

研磨パッド３０と保持プレート４０とを周方向に回転させることによって、ＳｉＣ基板２のＣ面が研磨される。研磨時間は、ＳｉＣ基板２のサイズやＣ面の粗さによっても変わるが、１０分以上１時間以内としてもよい。

本実施形態のＳｉＣ基板の研磨方法によれば、砥粒スラリーが、ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを含み、前記ダイヤモンド粒子は、平均粒子径が０．２５μｍ以上１．００μｍ以下の範囲内にあり、前記コロイダルシリカ粒子は、平均粒子径が０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下の範囲内にあって、ｐＨが８より大きく９以下の範囲内にあるので、研磨レートを速くしても、研磨パッドの温度が過度に上昇しにくく、また研磨後のＳｉＣ基板の表面の平坦性や平滑性が低下しにくい。よって、ＳｉＣ基板の製造時間を短縮化することが可能となる。

［実施例１］
１Ｌの水に、コロイダルシリカ粒子（平均粒子径：０．２０μｍ）を８０．０ｇ、ダイヤモンド粒子（平均粒子径：０．２５μｍ）を１．５ｇ、バナジン酸ナトリウムを２２．０ｇ投入し、撹拌して混合した。次いで得られた混合物に対して超音波処理を行なって、砥粒スラリーを調製した。調製した砥粒スラリーの組成を、下記の表１に示す。

図１に示す研磨装置１０の砥粒スラリー供給装置２０に、上記の砥粒スラリー１を投入した。また、保持プレート４０に、予め質量を計測したＳｉＣ基板２（直径：１５０ｍｍ、厚さ：３５０μｍ）を３枚固定し、その保持プレート４０をＳｉＣ基板のＣ面が研磨パッドと接するように研磨パッド３０の上に配置した。なお、研磨装置１０の研磨パッド３０は、厚さ：１．３ｍｍのウレタン樹脂製繊維の不織布（硬度：４２（ショアＤ）、圧縮率：７％）を用いた。次いで、保持プレート４０の上面にプレート回転駆動装置５０を設置した。ＳｉＣ基板のＣ面と研磨パッドの面圧は６ｐｓｉとした。

砥粒スラリー供給装置２０の撹拌機２１を用いて、砥粒スラリー１を撹拌しながら、研磨パッド３０に砥粒スラリー１を供給した。砥粒スラリー１の供給速度は、研磨パッド３０の面積１０００ｃｍ^２あたりの速度として５ｍＬ／分以上３０ｍＬ／分以下となるように調整した。研磨パッド３０に砥粒スラリー１を供給しながら、研磨パッド３０を時計方向に１００ｒｐｍの速度で回転させ、保持プレート４０を反時計方向に５０ｒｐｍの速度で回転させて、ＳｉＣ基板のＣ面を０．５時間研磨した。

研磨終了後、砥粒スラリーの供給を止めて、研磨装置１０から保持プレート４０を取り出し、３枚のＳｉＣ基板２を回収した。回収したＳｉＣ基板２を水で洗浄して、砥粒スラリー１を十分に洗い流した後、乾燥した。

［評価］
研磨レート、定盤電流、研磨パッド温度、表面粗さＲａを、下記のようにして測定した。その結果を、表２に示す。

（研磨レート）
乾燥後のＳｉＣ基板の質量を測定して、下記の式（１）より研磨レートを算出する。研磨レートは、３枚のＳｉＣ基板についてそれぞれ測定した。表２に記載した研磨レートは、３枚のＳｉＣ基板の研磨レートの平均値である。
研磨レート（μｍ／時間）＝［｛（Ｗ０－Ｗ１）／Ｄ｝／Ｓ］／Ｔ・・・（１）
Ｗ０は、研磨前に予め測定したＳｉＣ基板の質量を表し、Ｗ１は、研磨後のＳｉＣ基板の質量を表し、Ｄは、ＳｉＣの密度を表し、Ｓは、ＳｉＣ基板のＣ面の面積を表し、Ｔは、研磨時間（０．５時間）を表す。

（定盤電流）
研磨中に定盤に供給された電流量を計測し、研磨中に供給された電流量の総量を、定盤電流として算出する。

（研磨パッド温度）
研磨終了後、砥粒スラリーの供給を止めてから、研磨装置１０から保持プレート４０を取り出す前に、研磨パッド３０の温度を、非接触式温度計を用いて測定する。

（表面粗さＲａ）
乾燥後のＳｉＣ基板のＣ面の表面粗さＲａを、表面粗さ測定装置（Ｃａｎｄｅｌａ、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ社製）を用いて測定する。なお、表面粗さＲａは、１枚のＳｉＣ基板について３箇所測定し、その平均表面粗さを求めた。表２に記載した表面粗さＲａは、３枚のＳｉＣ基板の研磨レートの平均表面粗さの平均値である。

本発明に従う砥粒スラリーを用いた実施例１～３は、砥粒としてコロイダルシリカ粒子のみを含む砥粒スラリーを用いた比較例１と比較して、研磨レートが速く、研磨パッド温度が低くなった。特に、平均粒子径が１．００μｍのダイヤモンド粒子を用いた実施例３は、比較例１と比較して、研磨レートが速く、定盤電流が低く、研磨パッド温度が低くなった。一方、砥粒としてダイヤモンド粒子のみを含む砥粒スラリーを用いた比較例２は研磨後のＳｉＣ基板の表面粗さＲａが測定不可（１０Å以上）となった。

１砥粒スラリー
２ＳｉＣ基板
１０研磨装置
２０砥粒スラリー供給装置
２１撹拌機
３０研磨パッド
４０保持プレート
５０プレート回転駆動装置

Claims

ダイヤモンド粒子と、コロイダルシリカ粒子と、バナジン酸塩とを含み、前記ダイヤモンド粒子は、平均粒子径が０．２５μｍ以上１．００μｍ以下の範囲内にあり、前記コロイダルシリカ粒子は、平均粒子径が０．１０μｍ以上０．５０μｍ以下の範囲内にあって、ｐＨが８より大きく９以下の範囲内にある砥粒スラリーを用意する工程と、
研磨パッドに前記砥粒スラリーを供給しながら、ＳｉＣ基板のＣ面を、前記研磨パッドを用いて研磨する工程と、を含み、
前記砥粒スラリーは過酸化水素を含まない、ＳｉＣ基板の研磨方法。
前記ダイヤモンド粒子の平均粒子径が、前記コロイダルシリカ粒子の平均粒子径よりも大きい、請求項１に記載のＳｉＣ基板の研磨方法。
前記ダイヤモンド粒子の含有量が１ｇ／Ｌ以上１０ｇ／Ｌ以下の範囲内にある、請求項１又は２に記載のＳｉＣ基板の研磨方法。
前記コロイダルシリカ粒子の含有量が５０ｇ／Ｌ以上３００ｇ／Ｌ以下の範囲内にある、請求項１～３のいずれか一項に記載のＳｉＣ基板の研磨方法。
前記バナジン酸塩の含有量が１０ｇ／Ｌ以上２００ｇ／Ｌ以下の範囲内にある、請求項１～４のいずれか一項に記載のＳｉＣ基板の研磨方法。