KR20140076566A - 탄화규소 단결정 기판 및 연마액 - Google Patents

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이오리 요시다
사토시 다케미야
히로유키 도모나가
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝과 테라스로 이루어지는 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 주면을 구비하고, 상기 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 상기 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도가 상기 원자 스텝의 높이에 대하여 20 ％ 이하의 비율인 탄화규소 단결정 기판에 관한 것이다.

Description

탄화규소 단결정 기판 및 연마액{SINGLE-CRYSTAL SILICON-CARBIDE SUBSTRATE AND POLISHING SOLUTION}
본 발명은 탄화규소 단결정 기판 및 연마액에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 고품질의 반도체층을 에피택셜 성장시켜 형성하기에 적합한 탄화규소 단결정 기판, 및 그러한 기판을 얻기 위한 연마액에 관한 것이다.
탄화규소 (SiC) 반도체는 실리콘 반도체보다 절연 파괴 전계, 전자의 포화 드리프트 속도 및 열전도율이 크기 때문에, 탄화규소 반도체를 사용하여, 종래의 실리콘 디바이스보다 고온에서 고속 동작이 가능한 파워 디바이스를 실현하는 연구·개발이 이루어지고 있다. 그 중에서도 전동 이륜차, 전기 자동차나 하이브리드카 등의 모터를 구동시키기 위한 전원에 사용하는 고효율인 스위칭 소자의 개발이 주목받고 있다. 이와 같은 파워 디바이스를 실현하기 위해서는, 에피택셜 성장에 의해 고품질의 탄화규소 반도체층을 형성하기 위한 표면이 평활한 탄화규소 단결정 기판이 필요하다.
또 고밀도로 정보를 기록하기 위한 광원으로서 청색 레이저 다이오드가 주목받고 있으며, 또한 형광등이나 전구를 대체하는 광원으로서의 백색 다이오드에 대한 요구가 높아지고 있다. 이와 같은 발광 소자는 질화갈륨 (GaN) 반도체를 사용하여 제작되고 있으며, 고품질의 질화갈륨 반도체층을 형성하기 위한 기판으로서 탄화규소 단결정 기판이 사용되고 있다.
이러한 용도에 사용하는 탄화규소 단결정 기판에는, 기판의 평탄도, 기판 표면의 평활성 등에 있어서 높은 가공 정밀도가 요구되고, 또 연마제 유래의 지립 등의 잔류물에 대해서도 높은 세정성이 요구된다. 그러나, 탄화규소 단결정은 경도가 매우 높고, 또한 내부식성이 우수하기 때문에, 기판을 제작하는 경우의 가공성이 나쁘고, 높은 연마 속도를 유지하면서 평활성이 높은 탄화규소 단결정 기판을 얻기는 어렵다. 또, 탄화규소 단결정은 내부식성이 우수하기 때문에, 상기 지립 등의 제거에 있어서도, 실리콘 기판의 세정에서 사용되는 바와 같은 불화수소산 등의 약액을 사용하여 리프트 오프에 의해 지립의 잔류물을 제거하는 방법을 적용하기가 어렵다. 그 때문에, 높은 세정도의 기판 표면을 얻기가 어렵다.
일반적으로 반도체 단결정 기판의 평활한 면은 연마에 의해 형성된다. 탄화규소 단결정을 연마하는 경우, 탄화규소보다 단단한 다이아몬드 등의 지립을 연마재로 하여 표면을 기계적으로 연마하여 평탄한 면을 형성하지만, 다이아몬드 지립으로 연마한 탄화규소 단결정 기판의 표면에는 다이아몬드 지립의 입경에 따른 미소한 스크래치가 도입된다. 또, 기계적인 변형을 갖는 가공 변질층이 표면에 생기기 때문에, 그대로는 기판 표면의 평활성이 충분하지 않다.
반도체 단결정 기판의 제조에서는, 기계 연마 후의 반도체 기판의 표면을 평활하게 하는 방법으로서, 화학적 기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing : 이하, CMP 라고 하는 경우가 있다) 기술이 사용된다. CMP 는, 산화 등의 화학 반응을 이용하여 피가공물의 표면을 산화물 등으로 대체하고, 생성된 산화물을 피가공물보다 경도가 낮은 지립을 이용하여 제거함으로써 표면을 연마하는 방법이다. 이 방법은 피가공물의 표면에 변형을 발생시키지 않고, 결정 구조 유래의 원자 스텝과 테라스로 이루어지는 원자 스텝·테라스 구조를 생성하여, 원자 레벨로 매우 평활한 면을 형성할 수 있다는 이점을 갖는다.
탄화규소 단결정 기판에 대한 에피택셜 성장에 의한 탄화규소 반도체층의 형성은, 상기 CMP 에 의해 원자 스텝·테라스 구조가 생성된, 원자 레벨로 매우 평활한 면에 대하여 열 CVD 법에 의해 규소 원자 및 탄소 원자를 퇴적시켜 이루어진다. 그 때, 원자 스텝의 프론트 단선부가 에피택셜 성장의 기점이 되는 점에서, 결정 결함이 없는 고품질의 탄화규소 반도체층을 얻기 위해서는, 탄화규소 단결정 기판에 요구되는 표면 성상으로서 결정 구조 유래의 원자 스텝·테라스 구조가 생성되고 있을 뿐만 아니라, 생성된 원자 스텝의 형상에 대해서도 높은 가공 정밀도가 요구된다. 특히, 원자 스텝의 프론트 단선부에 있어서는, 연마에 의한 기계적 데미지에서 유래하는 결정 결함이 억제되는 것이 필요하다.
또한, 본 명세서에 있어서 「원자 스텝·테라스 구조」란, 단결정 기판의 주면 (主面) 을 따라 단차를 개재시켜 서로 병렬되도록 배치 형성된 평탄한 복수의 「테라스」와, 각 테라스 사이를 잇는 단차부인 「원자 스텝」으로 이루어지는 미크로한 계단상 구조를 말한다. 그리고, 원자 스텝의 상단부가 테라스와 접하는 선상의 부위를 「원자 스텝의 프론트 단선부」라고 한다. 「테라스」, 「원자 스텝」, 「원자 스텝의 프론트 단선부」에 대해서는 나중에 추가로 설명한다.
고품질의 탄화규소 반도체층을 형성시키기 위해서, 다이아몬드 연마 후에 콜로이달 실리카 슬러리 또는 산화제를 함유한 콜로이달 실리카 슬러리에 의해 CMP 를 실시하여, 결정 구조 유래의 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 평활성이 높은 표면을 생성하고, 다시 기상법에 의해 에칭을 실시하는 방법이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그리고, 특허문헌 1 에서는, 에칭 처리를 실시하지 않고 탄화규소 반도체층을 제막한 경우에는, CMP 후에 기판 표면의 극근방에 생성되는 산화물에 의해 스텝 번칭이 발생하지만, 에칭 처리함으로써, CMP 후의 기판 표면의 높은 평활성을 유지하면서 CMP 에 의해 발생되는 표면 산화물층만을 제거할 수 있어, 스텝 번칭 등의 결정 결함을 억제할 수 있다고 되어 있다.
그러나, 특허문헌 1 에 있어서는, 결정 구조 유래의 원자 스텝·테라스 구조의 생성에 대해서는 고려되어 있기는 하지만, 결정의 에피택셜 성장에 대한 원자 스텝의 단부 형상이나 결정 결함의 영향에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 또, 에칭에 의해 탄화규소 반도체층의 결정 결함을 억제하는 것만으로는 고품질의 반도체층을 얻기에는 불충분하다. 또한, 비용적 관점에서 보다 높은 연마 속도를 실현하는 것이 요구된다.
또, 종래부터 탄화규소 단결정 기판의 표면을 높은 연마 속도로 또한 평활하게 연마하기 위한 연마제로서, 실리카 지립과 과산화수소와 같은 산화제 (산소 공여제) 와 바나딘산염을 함유하는 연마용 조성물이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조).
그러나, 특허문헌 2 의 연마용 조성물에서는, 탄화규소 단결정 기판에 대한 연마 속도가 낮아 연마에 필요로 하는 시간이 매우 길어진다는 문제가 있었다. 또, 연마 후의 표면에 원자 스텝·테라스 구조는 생성되지만, 연마시의 기계적 데미지에 의해, 원자 스텝의 프론트 단선부는 결손이나 패임이 있는 형상이 되어 결정 결함이 발생한다는 문제가 있었다. 또한, 세정에 의해 제거할 수 없었던 실리카 지립이 기판 상에 남아, 이 지립 잔류물이 연마 후의 기판 표면에 에피택셜 성장되는 반도체층의 결정 결함의 원인이 된다는 문제도 있었다.
국제 공개 2010-090024호 일본국 공개특허공보 2008-179655호
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 결정 결함이 없는 고품질의 반도체층을 에피택셜 성장시키기에 적합한 탄화규소 단결정 기판과, 그러한 탄화규소 단결정 기판을 CMP 에 의해 얻기 위한 연마액의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 탄화규소 단결정 기판은, 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝과 테라스로 이루어지는 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 주면을 구비하고, 상기 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 상기 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도가 상기 원자 스텝의 높이에 대하여 20 ％ 이하의 비율인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 탄화규소 단결정 기판에 있어서, 상기 주면은 결정을 에피택셜 성장시켜 탄화규소 반도체층 또는 질화갈륨 반도체층을 형성하는 면인 것이 바람직하다.
본 발명의 연마액은, 탄화규소 단결정 기판의 소정의 면 방향의 주면을, 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝과 테라스로 이루어지는 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 또한 그 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 상기 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도가 상기 원자 스텝의 높이에 대하여 20 ％ 이하의 비율이 되도록 화학적 기계적으로 연마하기 위한 연마액으로, 산화 환원 전위 0.5 V 이상의 천이 금속을 함유하는 산화제와 물을 함유하고, 지립을 함유하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연마액에 있어서, 상기 산화제는 과망간산 이온인 것이 바람직하다. 또, 상기 과망간산 이온의 함유량은 연마제 전체량에 대하여 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 연마액은 pH 가 11 이하인 것이 바람직하고, 5 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 탄화규소 단결정 기판은, 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 또한 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 의 원자 스텝의 높이 (h) 에 대한 비율이 20 ％ 이하이며, 스텝 플로우 방식에 의한 에피택셜한 결정 성장의 기점이 되는 프론트 단선부의 결정 결함 등이 억제되므로, 이 탄화규소 단결정 기판의 주면에 에피택셜 성장시킴으로써 고품질의 탄화규소 반도체층 또는 질화갈륨 반도체층을 얻을 수 있다.
본 발명의 연마액은, 산화 환원 전위 0.5 V 이상의 천이 금속을 함유하는 산화제와 물을 함유하고, 지립을 함유하지 않기 때문에, 이 연마액을 이용하여 탄화규소 단결정 기판의 소정의 면 방향의 주면을 화학적 기계적으로 연마함으로써, 결정 구조 유래의 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 또한 원자 스텝의 프론트 단선부에 연마시의 기계적 데미지에 의한 결정 결함이 없는 평활성이 높은 면이 얻어진다. 또, 이 연마액에 의하면, 세정 후의 탄화규소 단결정 기판에 지립의 잔류물을 발생시키지 않는다.
도 1(a) 및 (b) 는 본 발명의 실시형태의 탄화규소 단결정 기판에 있어서, 주면에 생성된 원자 스텝·테라스 구조를 모식적으로 나타내고, (a) 는 평면도이며, (b) 는 확대 사시도이다.
도 2 는 4H-SiC 단결정의 결정 구조를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태의 연마액을 사용하는 연마에 사용 가능한 연마 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4 는 종래의 연마제액을 사용하여 연마된 탄화규소 단결정 기판에 있어서, 주면에 생성된 원자 스텝·테라스 구조를 모식적으로 나타내고, (a) 는 평면도이며, (b) 는 확대 사시도이다.
도 5 는 탄화규소 단결정 기판 상에서의 스텝 플로우 방식에 의한 에피택셜 성장을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 6 은 예 1 ∼ 6 에 있어서, CMP 연마 후에 생성되는 원자 스텝·테라스 구조의 프론트 단선부의 선 조도의 측정 위치를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
＜탄화규소 단결정 기판＞
본 발명의 실시형태의 탄화규소 단결정 기판은, 도 1(a) 및 도 1(b) 에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 결정 구조에서 유래하는 평탄한 테라스 (1) 영역과 단차 영역인 원자 스텝 (2) 이 교대로 연속하는 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 평활성이 높은 주면을 갖는다. 이 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 원자 스텝 (2) 의 상단부가 테라스 (1) 와 접하는 프론트 단선부 (2a) 는 직선상을 나타내어, 만곡이나 결손, 패임이 없다. 또, 테라스 (1) 의 폭은 전체 테라스에서 대략 동일하고, 또한 각 테라스에서 각부 대략 균일하게 되어 있다. 또한, 도 1(b) 에 나타내는 C 축은 도 1(a) 에 있어서 지면에 수직인 방향이다.
또한, 이와 같은 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 원자 스텝 (2) 의 프론트 단선부 (2a) 의 평균 선 조도 (R) 의, 원자 스텝 (2) 의 높이 (h) 에 대한 비율은 20 ％ 이하로 되어 있다. 즉, (R/h) × 100 ≤ 20 으로 되어 있다. R/h 는, 원자 스텝·테라스 구조에 있어서의 프론트 단선부 (2a) 에 대한 기계적 데미지의 정도를 나타내는 지표라고 할 수 있다.
여기서, 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 주면은 소정의 면 방향의 주면으로, C 축에 대하여 소정의 오프각을 이루는 주면이다. 또, 프론트 단선부 (2a) 의 평균 선 조도 (R) 는 프론트 단선부 (2a) 의 단면 (斷面) 조도 곡선의 중심선 산술 평균 조도 (Ra) 로, 예를 들어 이하에 나타내는 방법에 의해 측정할 수 있다. 즉, 탄화규소 단결정 기판의 주면의 소정의 범위 (예를 들어, 가로 2 ㎛ × 세로 1 ㎛ 의 범위) 를 AFM (원자간력 현미경) 에 의해 관찰하여, 얻어진 AFM 이미지로부터 상기 범위에 있는 복수의 프론트 단선부 (2a) 의 각각에 대하여 산술 평균 면 조도 (Ra) 를 측정하고, 그 평균치로서 R 를 구한다.
원자 스텝의 높이 (h) 는 탄화규소 단결정 기판에서는 약 0.25 ㎚ 이다.
예를 들어, 4H-SiC 기판은 도 2 에 나타내는 결정 구조를 가지며, C 축 방향의 결정 격자 간격 (격자 상수) 인 C0 (1.008 ㎚) 의 1/4 이 원자 스텝의 높이 (h) 가 된다. 즉, 4H-SiC 기판에서는 원자 스텝의 높이 (h) 는 1.008 ㎚/4 에 의해 산출되는 값 (약 0.25 ㎚) 이 된다.
6H-SiC 기판에 있어서의 원자 스텝의 높이 (h) 도 4H-SiC 기판과 동일하게 약 0.25 ㎚ 가 된다. 즉, 6H-SiC 기판에 있어서 C 축 방향의 격자 상수 (C0) 는 1.542 ㎚ 이며, 이 값의 1/6 이 원자 스텝의 높이 (h) 이므로, 원자 스텝의 높이 (h) 는 약 0.25 ㎚ 가 된다.
또한, 상기 4H-SiC 기판, 6H-SiC 기판에 대해서는 연마 대상물 항에서 설명한다.
실시형태의 탄화규소 단결정 기판에 있어서는, 소정의 면 방향의 주면이 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 평활성이 높은 데다 프론트 단선부 (2a) 의 평균 선 조도 (R) 의 원자 스텝 (2) 의 높이 (h) 에 대한 비율이 20 ％ 이하로 되어 있으므로, 스텝 플로우 방식에 의한 에피택셜한 결정 성장의 기점이 되는 프론트 단선부 (2a) 의 결정 결함 등이 억제된다. 따라서, 이 탄화규소 단결정 기판의 주면에 결정을 에피택셜 성장시킴으로써 고품질의 탄화규소 반도체층 또는 질화갈륨 반도체층을 얻을 수 있다. 또한, 스텝 플로우 방식에 대해서는 후술하는 에피택셜 성장 항에서 상세하게 설명한다.
프론트 단선부 (2a) 의 평균 선 조도 (R) 의 원자 스텝 (2) 의 높이 (h) 에 대한 비율이 20 ％ 를 초과하면, 원자 스텝·테라스 구조에 있어서의 프론트 단선부 (1a) 의 기계적 데미지에서 유래하는 결정 결함 등이 커져, 고품질의 탄화규소 반도체층 또는 질화갈륨 반도체층을 에피택셜 성장에 의해 형성할 수 없다.
이와 같은 프론트 단선부 (2a) 의 형상이 우수하고, 그 부의 결정 결함이 억제된 탄화규소 단결정 기판의 주면은, 산화 환원 전위가 0.5 V 이상인 천이 금속을 함유하는 산화력이 큰 산화제를 함유하고, 실질적으로 지립을 함유하지 않는 본 발명의 연마액을 이용하여 CMP 를 실시함으로써 얻을 수 있다.
＜연마액＞
본 발명의 실시형태의 연마액은, 탄화규소 단결정 기판의 소정의 면 방향의 주면을 화학적 기계적으로 연마하기 위한 연마액으로, 산화 환원 전위 0.5 V 이상의 천이 금속을 함유하는 산화제와 물을 함유하고, 지립을 함유하지 않는 것을 특징으로 한다.
이 연마액을 사용하여 탄화규소 단결정 기판의 상기 주면의 CMP 를 실시함으로써, 연마시의 기계적 데미지에 의한 표면에 대한 스크래치나 원자 스텝의 프론트 단선부의 결정 결함을 억제할 수 있다. 그리고, 상기한 바와 같이, 결정 구조 유래의 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 또한 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 의 원자 스텝의 높이 (h) 에 대한 비율이 20 ％ 이하 ((R/h) × 100 ≤ 20) 인 연마된 주면 (이하, 연마 완료된 주면으로 나타내는 경우가 있다) 을 얻을 수 있다.
또, 이와 같은 원자 레벨에서의 가공에 산화력이 강한 산화제를 사용함으로써, 탄화규소 단결정 기판과 같은 경도가 높고 화학적 안정성이 높은 기판을 충분히 높은 연마 속도로 연마할 수 있다. 또한, 이 연마액을 사용한 경우에는, 세정 후의 탄화규소 단결정 기판에 지립이 잔류하지 않기 때문에, 지립 잔류물에서 기인하는 결정 결함의 발생도 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태의 연마액에 함유되는 산화제로는 과망간산 이온이 바람직하고, 그 함유량은 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하가 바람직하다. 또한, 연마액의 pH 는 11 이하로 하는 것이 바람직하고, pH 5 이하가 더욱 바람직하다. pH 를 11 이하로 조정하기 위해서, 연마액에는 pH 조정제를 첨가할 수 있다. 연마액의 pH 를 11 이하로 한 경우에는, 상기 산화제가 효과적으로 작용하기 때문에, 연마 속도가 높고 연마 특성이 양호하다.
이하에, 본 발명의 연마액의 각 성분, 및 pH 에 대하여 기재한다.
(산화제)
본 발명의 실시형태의 연마액에 함유되는 산화 환원 전위가 0.5 V 이상인 천이 금속을 함유하는 산화제는, 연마 대상물인 탄화규소 단결정 기판의 피연마면에 산화층을 형성하는 것이다. 이 산화층을 기계적 힘으로 피연마면으로부터 제거함으로써 연마 대상물의 연마가 촉진된다. 즉, 비산화물인 탄화규소 단결정은 난연마 재료이지만, 연마액 중의 산화 환원 전위가 0.5 V 이상인 천이 금속을 함유하는 산화제에 의해 표면에 산화층을 형성할 수 있고, 형성된 산화층은 연마 대상물에 비하여 경도가 낮아 연마되기 쉽기 때문에, 지립을 내포하지 않는 연마 패드와의 접촉에 의해서도 제거할 수 있다. 따라서, 충분히 높은 연마 속도를 얻을 수 있다. 산화 환원 전위 측정법으로는, 일반적으로 시판되고 있는 산화 환원 전위계를 사용할 수 있다. 참조 전극으로는 포화 염화칼륨 수용액을 내부액에 사용한 은/염화은 전극을 들 수 있으며, 작용 전극으로는 백금 등의 금속 전극을 사용할 수 있다. 측정시의 수용액은 온도 및 pH 에 대해서는, 25 도 부근의 실온에서 실시하고, pH 는 적절히 조정한 시료를 준비하여 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 「피연마면」이란 연마 대상물의 연마되는 면으로, 예를 들어 표면을 의미한다.
연마액에 함유되는 산화 환원 전위가 0.5 V 이상인 천이 금속을 함유하는 산화제로는, 예를 들어 과망간산 이온, 바나딘산 이온, 이크롬산 이온, 질산세륨암모늄, 질산철 (III) 9수화물, 질산은, 인텅스텐산, 규텅스텐산, 인몰리브덴산, 인텅스텐몰리브덴산, 인바나드몰리브덴산 등을 들 수 있고, 특히 과망간산 이온이 바람직하다. 과망간산 이온의 공급원으로는 과망간산칼륨이나 과망간산나트륨 등의 과망간산염이 바람직하다.
탄화규소 단결정 기판의 연마에 있어서의 산화제로서 과망간산 이온이 특히 바람직한 이유를 이하에 나타낸다.
(1) 과망간산 이온은 탄화규소 단결정을 산화하는 산화력이 강하다.
산화제의 산화력이 지나치게 약하면, 탄화규소 단결정 기판의 피연마면과의 반응이 불충분해지고, 그 결과 충분히 평활한 표면을 얻을 수 없다. 산화제가 물질을 산화하는 산화력의 지표로서 산화 환원 전위가 사용된다. 과망간산 이온의 산화 환원 전위는 1.70 V 이고, 산화제로서 일반적으로 사용되는 과염소산칼륨 (KClO4) (산화 환원 전위 1.20 V) 이나 차아염소산나트륨 (NaClO) (산화 환원 전위 1.63 V) 에 비하여 산화 환원 전위가 높다.
(2) 과망간산 이온은 반응 속도가 크다.
과망간산 이온은, 산화력이 강한 산화제로서 알려져 있는 과산화수소 (산화 환원 전위 1.76 V) 에 비하여 산화 반응의 반응 속도가 크기 때문에, 산화력의 강도를 신속하게 발휘할 수 있다.
(3) 과망간산 이온은 인체에 대하여 독성이 낮아 안전하다.
(4) 과망간산염은, 후술하는 분산매인 물에 용해도 곡선으로부터 얻어지는 수온에 의존한 용해 농도 이하이면 완전히 용해된다. 따라서, 용해 잔류물이 기판의 평활성에 악영향을 미치지 않는다.
높은 연마 속도를 얻기 위해서, 연마액 중의 과망간산 이온의 함유 비율 (농도) 은 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하가 바람직하다. 0.05 질량％ 미만에서는, 산화제로서의 효과를 기대할 수 없고, 연마에 의해 평활한 면을 형성하는 데에 매우 장시간을 필요로 하거나, 혹은 피연마면에 스크래치가 발생할 우려가 있다. 과망간산 이온의 함유 비율이 5 질량％ 를 초과하면, 연마액의 온도에 따라서는 과망간산염이 완전히 다 용해되지 않고 석출되고, 고체의 과망간산염이 피연마면과 접촉함으로써 스크래치가 발생할 우려가 있다. 연마액에 함유되는 과망간산 이온의 함유 비율은 0.1 질량％ 이상 4 질량％ 이하가 더욱 바람직하고, 0.2 질량％ 이상 3.5 질량％ 이하가 특히 바람직하다.
(지립)
본 발명의 실시형태의 연마액은, 산화규소 (실리카) 입자, 산화세륨 (세리아) 입자, 산화알루미늄 (알루미나) 입자, 산화지르코늄 (지르코니아) 입자, 산화티탄 (티타니아) 입자 등의 연마 지립을 실질적으로 함유하고 있지 않는 것을 특징으로 한다. 연마액이 지립을 함유하지 않아, 상기한 바와 같이 세정 후에 지립의 잔류물이 생기지 않기 때문에, 지립 잔류물에서 기인하는 결정 결함의 발생을 방지할 수 있다. 또, 지립의 분산성에 유의하지 않고 연마액을 사용할 수 있고, 실질적으로 지립의 응집이 발생하지 않기 때문에, 피연마면에 대한 기계적 데미지가 억제된다는 이점이 있다.
(pH 및 pH 조정제)
본 발명의 실시형태의 연마액의 pH 는, 연마 특성면에서 11 이하가 바람직하고, 5 이하가 보다 바람직하고, 3 이하가 특히 바람직하다. pH 가 11 초과에서는 충분한 연마 속도가 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 피연마면의 평활성이 악화될 우려가 있다.
연마액의 pH 는, pH 조정제인 산 또는 염기성 화합물의 첨가·배합에 의해 조정할 수 있다. 산으로는, 질산, 황산, 인산, 염산과 같은 무기산, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등의 포화 카르복실산, 락트산, 말산, 시트르산 등의 하이드록시산, 프탈산, 살리실산 등의 방향족 카르복실산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 푸마르산, 말레산 등의 디카르복실산, 아미노산, 복소고리계의 카르복실산과 같은 유기산을 사용할 수 있다. 질산 및 인산의 사용이 바람직하고, 그 중에서도 질산의 사용이 특히 바람직하다. 염기성 화합물로는, 암모니아, 수산화리튬, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 테트라메틸암모늄 등의 4 급 암모늄 화합물, 모노에탄올아민, 에틸에탄올아민, 디에탄올아민, 프로필렌디아민 등의 유기 아민을 사용할 수 있다. 수산화칼륨, 수산화나트륨의 사용이 바람직하고, 그 중에서도 수산화칼륨이 특히 바람직하다.
이들의 산 또는 염기성 화합물의 함유 비율 (농도) 은, 연마액의 pH 를 소정의 범위 (pH 11 이하, 보다 바람직하게는 5 이하, 특히 바람직하게는 3 이하) 로 조정하는 양으로 한다.
(물)
본 발명의 실시형태의 연마액에 있어서는, 분산매로서 물이 함유된다. 물은, 상기 산화제 및 필요에 따라 첨가되는 후술하는 임의 성분을 분산·용해시키기 위한 매체이다. 물에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 배합 성분에 대한 영향, 불순물의 혼입, pH 등에 대한 영향의 관점에서, 순수, 초순수, 및 이온 교환수 (탈이온수) 가 바람직하다.
(연마액의 조제 및 임의 성분)
본 발명의 실시형태의 연마액은, 상기한 각 성분이 상기 소정의 비율로 함유되고, 균일하게 용해된 혼합 상태가 되도록 조제되어 사용된다. 혼합에는, 연마액의 제조에 통상 사용되는 교반 날개에 의한 교반 혼합 방법을 채용할 수 있다. 연마액은 반드시 구성하는 연마 성분을 미리 모두 혼합한 것으로서 연마 자리에 공급할 필요는 없다. 연마 자리에 공급될 때에, 연마 성분이 혼합되어 연마액의 조성이 되어도 된다.
본 발명의 실시형태의 연마액에는, 본 발명의 취지에 반하지 않는 한 윤활제, 킬레이트화제, 환원제, 점성 부여제, 점도 조절제, 방청제 등을 필요에 따라 적절히 함유시킬 수 있다. 단, 이들 첨가제가 산화제, 산 또는 염기성 화합물의 기능을 갖는 경우에는, 산화제, 산 또는 염기성 화합물로서 취급하는 것으로 한다.
윤활제로는, 아니온성, 카티온성, 논이온성, 양성의 계면활성제, 다당류, 수용성 고분자 등을 사용할 수 있다. 계면활성제로는, 소수기로서 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기를 가지며, 또 그들 소수기 내에 에스테르, 에테르, 아미드 등의 결합기, 아실기, 알콕시기 등의 연결기를 1 개 이상 도입한 것, 친수기로서 카르복실산, 술폰산, 황산에스테르, 인산, 인산에스테르, 아미노산으로 이루어지는 것을 사용할 수 있다. 다당류로는, 알긴산, 펙틴, 카르복시메틸셀룰로오스, 커드란, 풀루란, 잔탄 검, 카라기난, 젤란검, 로커스트빈검, 아라비아검, 타마린드, 실리움 등을 사용할 수 있다. 수용성 고분자로는, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리메타크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리아스파르트산, 폴리글루타민산, 폴리에틸렌이민, 폴리알릴아민, 폴리스티렌술폰산 등을 사용할 수 있다.
＜연마 방법＞
본 발명의 실시형태의 연마액을 사용하여 연마를 실시하려면, 지립을 내포하지 않는 공지된 연마 패드를 사용하고, 이 연마 패드에 상기한 연마액을 공급하면서, 연마 대상물인 탄화규소 단결정 기판의 피연마면과 연마 패드를 접촉시켜 양자간의 상대 운동에 의해 연마를 실시한다. 연마 대상물에 대해서는 후술한다.
이 연마 방법에 있어서, 연마 장치로는 종래 공지된 연마 장치를 사용할 수 있다. 도 3 에 사용 가능한 연마 장치의 일례를 나타낸다.
도 3 에 나타내는 연마 장치 (10) 에 있어서는, 연마 정반 (11) 이 그 수직인 축심 (C1) 의 주위로 회전 가능하게 지지된 상태로 형성되어 있고, 이 연마 정반 (11) 은, 정반 구동 모터 (12) 에 의해, 도면에 화살표로 나타내는 방향으로 회전 구동되도록 되어 있다. 이 연마 정반 (11) 의 상면에는, 지립을 내포하지 않는 공지된 연마 패드 (13) 가 첩착 (貼着) 되어 있다.
한편, 연마 정반 (11) 상의 축심 (C1) 으로부터 편심된 위치에는, 하면에 있어서 연마 대상물 (14) 을 흡착 또는 유지 프레임 등을 이용하여 유지하는 기판 유지 부재 (캐리어) (15) 가, 그 축심 (C2) 의 주위로 회전 가능하고 또한 축심 (C2) 방향으로 이동 가능하게 지지되어 있다. 이 기판 유지 부재 (15) 는, 도시되지 않은 캐리어 구동 모터에 의해, 혹은 상기 연마 정반 (11) 으로부터 받는 회전 모멘트에 의해, 화살표로 나타내는 방향으로 회전되도록 구성되어 있다. 기판 유지 부재 (15) 의 하면, 즉 상기 연마 패드 (13) 와 대향하는 면에는, 연마 대상물 (14) 인 탄화규소 단결정 기판이 유지되어 있다. 연마 대상물 (14) 은, 소정의 하중으로 연마 패드 (13) 에 압압되어 있다.
또, 기판 유지 부재 (15) 의 근방에는, 적하 노즐 (16) 또는 스프레이 노즐 (도시를 생략) 이 형성되어 있고, 도시되지 않은 탱크로부터 송출된 상기한 연마액 (17) 이 연마 정반 (11) 상에 공급되도록 되어 있다.
이와 같은 연마 장치 (10) 에 의한 연마시에는, 연마 정반 (11) 및 그것에 첩착된 연마 패드 (13) 와, 기판 유지 부재 (15) 및 그 하면에 유지된 연마 대상물 (14) 이, 정반 구동 모터 (12) 및 캐리어 구동 모터에 의해 각각의 축심 주위로 회전 구동된 상태에서, 적하 노즐 (16) 등으로부터 연마액 (17) 이 연마 패드 (13) 의 표면에 공급되면서, 기판 유지 부재 (15) 에 유지된 연마 대상물 (14) 이 그 연마 패드 (13) 에 가압된다. 그에 따라, 연마 대상물 (14) 의 피연마면, 즉 연마 패드 (13) 에 대향하는 면이 화학적 기계적으로 연마된다.
기판 유지 부재 (15) 는, 회전 운동뿐만 아니라 직선 운동을 해도 된다. 또, 연마 정반 (11) 및 연마 패드 (13) 도 회전 운동을 실시하는 것이 아니어도 되고, 예를 들어 벨트식으로 일 방향으로 이동하는 것이어도 된다.
연마 패드 (13) 로는, 부직포, 발포 폴리우레탄과 같은 다공질 수지 등으로 이루어지고, 지립을 함유하지 않는 공지된 것을 사용할 수 있다. 또, 연마 패드 (13) 에 대한 연마액 (17) 의 공급을 촉진시키거나, 혹은 연마 패드 (13) 에 연마액 (17) 이 일정량 모이게 하기 위해서, 연마 패드 (13) 의 표면에 격자상, 동심원상, 나선상 등의 홈 가공이 실시되어 있어도 된다. 또한 필요에 따라, 패드 컨디셔너를 연마 패드 (13) 의 표면에 접촉시켜, 연마 패드 (13) 표면의 컨디셔닝을 실시하면서 연마해도 된다.
이와 같은 연마 장치 (10) 에 의한 연마 조건에는 특별히 제한은 없지만, 기판 유지 부재 (15) 에 하중을 가하여 연마 패드 (13) 에 가압함으로써 보다 연마 압력을 높이고, 연마 속도를 향상시킬 수 있다. 연마 압력은 5 ∼ 80 ㎪ 정도가 바람직하고, 피연마면 내에 있어서의 연마 속도의 균일성, 평탄성, 스크래치 등의 연마 결함 방지의 관점에서 10 ∼ 50 ㎪ 정도가 보다 바람직하다. 연마 정반 (11) 및 기판 유지 부재 (15) 의 회전수는, 50 ∼ 500 rpm 정도가 바람직하지만 이에 한정되지 않는다. 또 연마액 (17) 의 공급량에 대해서는, 연마액의 조성이나 상기한 연마 조건 등에 따라 적절히 조정되어 선택된다.
＜연마 대상물＞
본 발명의 실시형태의 연마액을 이용하여 연마하는 연마 대상물은, 비산화물 단결정인 탄화규소 단결정 기판이나 질화갈륨 단결정 기판이며, 보다 바람직하게는 탄화규소 단결정 기판이다. 보다 구체적으로는 3C-SiC, 4H-SiC, 혹은 6H-SiC 의 결정 구조를 갖는 탄화규소 단결정 기판을 들 수 있다. 또한, 상기 3C-, 4H-, 및 6H- 는, Si-C 쌍의 적층 순서에 의해 정해지는 탄화규소의 결정 다형을 나타낸다. 실시형태의 연마액을 사용함으로써 높은 연마 속도를 얻을 수 있다. 또, 이하에 나타내는 표면 성상의 주면 (연마 완료된 주면) 을 얻을 수 있다.
다음으로, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태의 연마액을 사용한 경우와, 산화제인 과산화수소와 콜로이달 실리카 지립을 함유하는 종래의 연마 슬러리를 사용한 경우의 각각에 있어서, CMP 에 의해 얻어지는 탄화규소 단결정 기판의 주면의 표면 성상, 및 연마 완료된 주면에 대한 에피택셜 성장에 의한 반도체층의 형성에 대하여 설명한다.
＜연마 완료된 주면의 표면 성상＞
CMP 공정의 전 (前) 공정인 다이아몬드 연마 후의 탄화규소 단결정 기판의 주면에는 다이아몬드 연마에 의한 기계적 데미지가 생겨, 표면에 스크래치가 형성되어 있을 뿐만 아니라, 내부까지 결정 변형 등의 결함이 생긴 가공 변질층이 생성되어 있다. 상기한 종래의 연마 슬러리에 의한 CMP 에서도, 상당히 장시간의 연마를 실시함으로써 다이아몬드 연마에 의해 생긴 가공 변질층을 제거할 수 있으며, 도 4(a) 및 도 4(b) 에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 결정 구조에서 유래하는 평탄한 테라스 (1) 영역과 단차 영역인 원자 스텝 (2) 이 교대로 연속하는 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 연마 완료된 주면을 얻을 수 있다. 또한, 도 4(b) 에 나타내는 C 축은, 도 4(a) 에 있어서 지면에 수직인 방향이다.
그러나, 상기한 종래의 연마 슬러리에 의한 CMP 에서는, 원자 스텝 (2) 의 프론트 단선부 (2a) 는 연마시의 기계적 데미지에 의해, 결손이나 패임이 있는 형상이 되어 결정 결함이 발생한다. 이 원인으로는, 기계적 작용이 강한 지립에 의한 프론트 단선부 (2a) 의 과잉 연마를 생각할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시형태의 연마액은 실질적으로 지립을 함유하지 않기 때문에, 연마 완료된 주면에 생성된 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 원자 스텝의 프론트 단선부 (2a) 에 가해지는 기계적 데미지가 현저하게 저감되고 있다. 따라서, 도 1(a) 및 도 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 결손이나 패임, 결정 결함이 없는 프론트 단선부 (2a) 를 형성할 수 있어, 평활성이 높고 또한 프론트 단선부 (2a) 가 우수한 형상을 유지한 원자 레벨의 가공 정밀도를 실현할 수 있다. 또한, 실시형태의 연마액을 사용한 경우에는, 함유되는 산화력이 강한 산화제의 작용에 의해, 지립에 의한 기계적 작용이 없음에도 불구하고, 지립보다 경도가 낮은 연마 패드에 의한 기계적 작용만으로 다이아몬드 연마에 의한 가공 변질층을 높은 연마 속도로 신속하게 제거할 수 있다. 그리고, 탄화규소 단결정 기판의 피연마면에 대한 데미지를 억제한 원자 레벨의 높은 가공 정밀도가 가능하다.
＜에피택셜 성장＞
스텝 플로우 방식에 의한 탄화규소 단결정 기판 상으로의 반도체층의 에피택셜 성장의 메커니즘과, 원자 스텝의 프론트 단선부의 역할에 대하여 도 5 에 기초하여 설명한다.
탄화규소 단결정 기판에, 예를 들어 탄화규소 반도체층을 에피택셜 성장시키려면, 상기 탄화규소 단결정 기판의 원자 스텝·테라스 구조가 형성된 연마 완료된 주면에, 열 CVD 법에 의해 규소 원자와 탄소 원자를 퇴적시켜 결정 성장시킨다. 원자 스텝·테라스 구조의 테라스 (1) 에 부착된 각 원자는 프론트 단선부 (2a) 에 도달하고, 프론트 단선부 (2a) 의 미결합수를 가진 원자와 결합하여, 테라스 (1) 의 표면을 횡 방향 (프론트 단선부 (2a) 에 직교하는 방향, 도 5 중에 화살표로 나타낸다) 으로 결정이 성장됨으로써 제막된다. 즉, 원자 스텝 (2) 의 프론트 단선부 (2a) 는 에피택셜 성장에 있어서 결정 성장의 기점으로서 기능한다.
그리고, 탄화규소 단결정 기판 상에 제막된 반도체층의 결정 품질은, 기판의 결정 결함이나 표면 상태에 따라 강하게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 탄화규소 단결정 기판의 결정 결함으로는, 마이크로 파이프 결함, 나선 전위 결함, 칼날 형상 전위 결함 등을 들 수 있다. 표면 상태에 대해서는, 연마에 의한 스크래치나 연마제 유래의 지립 등의 이물질의 테라스 (1) 표면에 대한 부착, 테라스 (1) 의 표면 산화물 등을 들 수 있다. 에피택셜 성장의 기점인 원자 스텝 (2) 의 프론트 단선부 (2a) 에 대해서도, 이 부분에 존재하는 결함의 전파가 생각되는 점에서, 보다 고품질의 반도체층을 제막하기 위해서는, 원자 스텝·테라스 구조의 생성만을 고려한 연마 가공이 아니라, 원자 스텝 (2) 의 프론트 단선부 (2a) 의 형상이나 결정 결함도 고려한 원자 레벨의 가공 정밀도가 필요하다.
이러한 점에서 고찰하면, 상기한 종래의 연마 슬러리를 이용하여 얻어진 탄화규소 단결정 기판의 연마 완료된 주면은, 원자 스텝·테라스 구조가 생성되어 평활화되고 있으므로, 테라스 (1) 표면의 스크래치 등에서 기인하는 반도체층의 결정 결함은 억제할 수 있지만, 결정 성장의 기점인 프론트 단선부 (2a) 는, 결손이나 패임 등이 있어 결정 결함을 피할 수 없는 형상으로 되어 있으므로, 그 위에 고품질의 탄화규소 반도체층이나 질화갈륨 반도체층을 에피택셜 성장에 의해 형성할 수 없다.
이에 반하여, 본 발명의 실시형태의 연마액을 사용한 CMP 가공에서는, 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 또한 이 원자 스텝·테라스 구조에 있어서 원자 스텝 (2) 의 프론트 단선부 (2a) 에 대한 기계적 데미지가 억제된 고평활한 주면을 얻을 수 있으므로, 보다 고품질의 반도체층의 결정 성장이 가능해진다. 또, 본 발명의 실시형태의 연마액은 지립을 함유하지 않기 때문에, 세정 후에도 탄화규소 단결정 기판의 표면에 지립이 잔류하지 않고, 연마제 유래의 지립 잔류물에서 기인하는 반도체층의 결정 결함을 방지할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예 1 ∼ 4 는 본 발명의 실시예이며, 예 5, 6 은 비교예이다.
(1) 연마액 및 연마제액의 조제
(1-1)
예 1 ∼ 4 의 각 연마액을 이하에 나타내는 바와 같이 하여 조제하였다. 우선, 표 1 에 나타내는 산화제인 과망간산칼륨에 순수를 첨가하고, 교반 날개를 이용하여 10 분간 교반하였다. 이어서, 이 액에 pH 조정제로서 예 1 ∼ 3 에서는 질산을, 예 4 에서는 수산화칼륨을 교반하면서 서서히 첨가하고, 표 1 에 나타내는 소정의 pH 로 조정하여 연마액을 얻었다. 각 예에 있어서 사용한 산화제인 과망간산칼륨의 연마액 전체에 대한 함유 비율 (농도 ; 질량％) 을 표 1 에 나타낸다. 또한, 표 1 에 있어서의 산화제 농도는 과망간산 이온의 농도가 아니라, 과망간산칼륨의 농도이다.
(1-2)
예 5 및 예 6 의 연마제액을 이하에 나타내는 바와 같이 하여 조제하였다. 예 5 에 있어서는, 1 차 입자경이 40 ㎚, 2 차 입자경이 약 70 ㎚ 인 실리카 고형분이 약 40 질량％ 인 콜로이달 실리카 분산액에 순수를 첨가하고, 교반 날개를 이용하여 10 분간 교반하였다. 이어서, 이 액에 금속염으로서 바나딘산암모늄을 교반하면서 첨가하고, 마지막에 과산화수소수를 첨가하여 30 분간 교반하여, 표 1 에 나타내는 각 성분 농도로 조정된 연마제액을 얻었다.
예 6 에 있어서는, 1 차 입자경이 80 ㎚, 2 차 입자경이 약 110 ㎚ 인 실리카 고형분이 약 40 질량％ 인 콜로이달 실리카 분산액에 순수를 첨가하여 10 분간 교반하였다. 이어서, 이 액에 산화제로서 과망간산칼륨을 교반하면서 첨가한 후, 질산을 서서히 첨가하여 표 1 에 나타내는 pH 로 조정하여, 연마제액을 얻었다. 예 5 및 예 6 에서 사용한 각 성분의 연마제 전체에 대한 함유 비율 (농도 ; 질량％) 을 표 1 에 나타낸다.
또한, 표 1 에 있어서의 산화제 농도는 과망간산 이온의 농도가 아니라, 과망간산칼륨의 농도이다. 또, 예 5, 6 에서 배합된 실리카 입자의 1 차 입자경에 대해서는 BET 법으로 얻어진 비표면적으로부터 환산하여 구하고, 2 차 입자경에 대해서는 동적 광산란식 입도 분포 측정 장치인 마이크로 트랙 UPA (닛키소사 제조) 를 이용하여 측정하였다.
(2) pH 의 측정
예 1 ∼ 4 에서 얻어진 각 연마액 및 예 5, 6 에서 얻어진 각 연마제액의 pH 를, 요코가와 전기사 제조의 pH 81-11 을 사용하여 25 ℃ 에서 측정하였다. 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.
(3) 연마 특성의 평가
예 1 ∼ 4 에서 얻어진 각 연마액 및 예 5, 6 에서 얻어진 각 연마제액에 대하여, 이하의 방법으로 연마 특성의 평가를 실시하였다.
(3-1) 연마 조건
연마기로는 MAT 사 제조 소형 편면 연마 장치를 사용하였다. 연마 패드로는 SUBA800-XY-groove (닛타 하스사 제조) 를 사용하고, 연마 전에 다이아 디스크 및 브러쉬를 이용하여 연마 패드의 컨디셔닝을 실시하였다.
연마액 또는 연마제액의 공급 속도를 25 ㎤/분, 연마 정반의 회전수를 68 rpm, 기판 유지부의 회전수를 68 rpm, 연마압을 5 psi (34.5 ㎪) 로 하여 30 분간 연마를 실시하였다.
(3-2) 피연마물
피연마물로서 다이아몬드 지립을 이용하여 예비 연마 처리를 실시한 3 인치 직경의 4H-SiC 기판을 준비하였다. 그리고, 주면 (0001) 의 C 축에 대한 오프각이 0°＋ 0.25°이내인 SiC 단결정 기판 (On-axis 기판) 을 사용하고, Si 면측을 연마하여 평가하였다.
(3-3) 연마 속도의 측정
연마 속도는, 상기 SiC 단결정 기판의 단위시간당 두께의 변화량 (㎚/hr) 으로 평가하였다. 구체적으로는, 두께가 이미 알려진 미연마 기판의 질량과 각 시간 연마한 후의 기판 질량을 측정하여, 그 차이로부터 질량 변화를 구하였다. 그리고, 이 질량 변화로부터 구한 기판 두께의 시간당 변화를, 하기의 식을 이용하여 산출하였다. 연마 속도의 산출 결과를 표 1 에 나타낸다.
(연마 속도 (V) 의 계산식)
Δm = m0 - m1
V = Δm/m0 × T0 × 60/t
(식 중, Δm (g) 은 연마 전후의 질량 변화, m0 (g) 은 미연마 기판의 초기 질량, m1 (g) 은 연마 후 기판의 질량, V 는 연마 속도 (nm/hr), T0 은 미연마 기판의 두께 (㎚), t 는 연마 시간 (min) 을 나타낸다)
(3-4) 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 의 측정
예 1 ∼ 4 의 각 연마액 및 예 5, 6 의 각 연마제액으로 연마한 On-axis 기판의 연마 후의 주면을, 가로 2 ㎛ × 세로 1 ㎛ 의 범위에서 AFM 에 의해 관찰한 결과, 모두 원자 스텝·테라스 구조의 생성이 확인되었다. 이어서, 얻어진 AFM 이미지로부터 상기 범위에 있는 복수의 프론트 단선부의 각각에 대하여 평균 선 조도 (Ra) 를 측정하고, 그 평균치로서 R 을 구하였다. 또한, AFM 으로는 D3100 (Veeco 사 제조) 을 사용하였다.
도 6 에, 프론트 단선부 (2a) 의 평균 선 조도 (Ra) 의 측정 위치를 파선으로 나타낸다. 이 도면에 있어서, 부호 1 은 원자 스텝·테라스 구조에 있어서의 테라스를 나타낸다.
이어서, 상기 (3-4) 에서 구해진 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 로부터, 하기 식을 이용하여 원자 스텝의 높이 (h) 에 대한 평균 선 조도 (R) 의 비율 (A) 을 산출하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
A (％) = (R(㎚)/h(㎚)) × 100
또한, 규소와 탄소쌍으로 이루어지는 바이레이어 원자 스텝의 높이 (h) 는, 상기한 바와 같이 1.008 ㎚/4 에 의해 계산되어 약 0.25 ㎚ 가 된다.
Figure pct00001
표 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 예 1 ∼ 4 의 연마액을 사용한 경우에는, SiC 단결정의 On-axis 기판에 대하여 높은 연마 속도가 얻어져 고속 연마가 가능하였다. 또, 연마 후의 주면의 AFM 이미지로부터 원자 스텝·테라스 구조의 생성이 확인되어, 고평활한 연마 완료된 주면이 얻어졌다. 또, 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 의 원자 스텝의 높이 (h) 의 이론치에 대한 비율 (A) 은 20 ％ 이하로, 연마에 의한 기계적 데미지를 억제한 원자 레벨의 높은 가공 정밀도가 얻어졌다. 또한, 연마액이 지립을 함유하지 않기 때문에, 지립 잔류물이 없는 청정도가 높은 연마 완료된 주면이 얻어졌다.
이에 반하여, 지립인 콜로이달 실리카와 산화제인 과산화수소, 및 바나딘산암모늄을 함유하는 예 5 의 연마제액을 사용한 경우에는, 예 1 ∼ 4 의 연마액을 사용한 경우에 비하여 연마 속도가 현저하게 낮은 값이 되었다. 또, 연마 후의 주면의 AFM 이미지로부터 원자 스텝·테라스 구조의 생성이 확인되기는 하지만, 원자 스텝의 높이 (h) 의 이론치에 대한 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 의 비율은, 24 ％ 로 예 1 ∼ 4 에 비하여 커져 표면 조도가 악화되고, 연마에 의한 기계적 데미지에 의해 원자 스텝의 프론트 단선부에 결손이나 패임이 발생하고 있는 것을 알 수 있었다. 또, 연마 완료된 주면에 콜로이달 실리카로 생각되는 지립 잔류물이 관찰되었다.
또, 산화제로서 과망간산칼륨을 함유하고, 또한 지립으로서 콜로이달 실리카를 함유하는 예 6 의 연마제액을 사용한 경우에도, 예 1 ∼ 4 의 연마액을 사용한 경우에 비하여 연마 속도가 대폭 저하되었다. 또한, 연마 후의 주면의 AFM 이미지로부터 원자 스텝·테라스 구조의 생성이 확인되었지만, 원자 스텝의 높이 (h) 의 이론치에 대한 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도 (R) 의 비율은, 28 ％ 로 예 1 ∼ 4 에 비하여 커져 표면 조도가 악화되고, 연마에 의한 기계적 데미지에 의해 원자 스텝의 프론트 단선부에 결손이나 패임이 발생하고 있는 것을 알 수 있었다. 또, 연마 완료된 주면에 콜로이달 실리카로 생각되는 지립 잔류물이 관찰되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 연마액에 의하면, 경도가 높고 화학적 안정성이 높은 탄화규소 단결정 기판을 높은 연마 속도로 연마할 수 있고, 스크래치가 없어 평탄성 및 평활성이 우수하며, 원자 스텝·테라스 구조가 생성되고, 또한 스텝 플로우 방식에 의한 에피택셜 성장에 있어서 결정 성장의 기점이 되는 원자 스텝 프론트 단선부의 기계적 데미지가 억제된 원자 레벨로 가공 정밀도가 높은 주면을 얻을 수 있다. 따라서, 탄화규소 단결정 기판 상에 대한 고품질의 반도체층의 제막이 가능해지고, 그와 같이 제막된 반도체층을 갖는 탄화규소 단결정 기판을 사용한 전자 디바이스 등의 생산성 향상에 기여할 수 있다.
본 발명을 상세하게, 또 특정 실시양태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이나 수정을 추가할 수 있음은 당업자에게 있어 분명하다.
본 출원은 2011년 10월 7일에 출원된 일본 특허출원 2011-222782 에 기초하는 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 받아들여진다.
1…테라스
2…원자 스텝
2a…프론트 단선부
10…연마 장치
11…연마 정반
12…정반 구동 모터
13…연마 패드
14…연마 대상물
15…기판 유지 부재
16…적하 노즐
17…연마액

Claims (7)

  1. 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝과 테라스로 이루어지는 원자 스텝·테라스 구조를 갖는 주면을 구비하고, 상기 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 상기 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도가 상기 원자 스텝의 높이에 대하여 20 ％ 이하의 비율인 탄화규소 단결정 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주면은 결정을 에피택셜 성장시켜 탄화규소 반도체층 또는 질화갈륨 반도체층을 형성하는 면인 탄화규소 단결정 기판.
  3. 탄화규소 단결정 기판의 소정의 면 방향의 주면을, 결정 구조에서 유래하는 원자 스텝과 테라스로 이루어지는 원자 스텝·테라스 구조를 가지며, 또한 그 원자 스텝·테라스 구조에 있어서, 상기 원자 스텝의 프론트 단선부의 평균 선 조도가 상기 원자 스텝의 높이에 대하여 20 ％ 이하의 비율이 되도록 화학적 기계적으로 연마하기 위한 연마액이며,
    산화 환원 전위 0.5 V 이상의 천이 금속을 함유하는 산화제와 물을 함유하고, 지립을 함유하지 않는 연마액.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화제는 과망간산 이온인 연마액.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 과망간산 이온의 함유량은 연마제 전체량에 대하여 0.05 질량％ 이상 5 질량％ 이하인 연마액.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    pH 가 11 이하인 연마액.
  7. 제 6 항에 있어서,
    pH 가 5 이하인 연마액.
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