KR20160054403A - 연마액 및 SiC 기판의 연마 방법 - Google Patents

연마액 및 SiC 기판의 연마 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있는 연마액 및 이 연마액을 이용하는 SiC 기판의 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
SiC 기판(11)의 연마에 사용되는 연마액으로서, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 구성으로 하였다. 또한, 연마액을 공급하고, 연마 패드(18)를 SiC 기판에 접촉시켜 SiC 기판을 연마하는 SiC 기판의 연마 방법으로서, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 제1 연마액을 사용하여 SiC 기판을 연마하는 제1 연마 공정과, 상기 제1 연마 공정 후에, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 제2 연마액을 사용하여 SiC 기판을 마무리 연마하는 제2 연마 공정을 포함하는 구성으로 하였다.

Description

연마액 및 SiC 기판의 연마 방법{GRINDING SOLUTION AND METHOD FOR GRINDING SiC SUBSTRATE}
본 발명은, SiC 기판의 연마에 사용되는 연마액 및 상기 연마액을 이용하는 SiC 기판의 연마 방법에 관한 것이다.
인버터 등의 파워 일렉트로닉스 기기에는, 전력 제어에 알맞은 파워 디바이스라고 불리는 반도체 소자가 내장되어 있다. 지금까지의 파워 디바이스는, 주로 단결정 Si(실리콘)을 이용하여 제조되며, 성능의 향상은, 디바이스 구조를 개량함으로써 실현되게 되었다.
그런데, 최근에는, 디바이스 구조의 개량에 따른 성능의 향상이 한계점에 도달하였다. 그 때문에, 단결정 Si에 비해 파워 디바이스의 고내압화, 저손실화에 유리한 단결정 SiC(실리콘 카바이드)가 주목되고 있다.
단결정 SiC로 이루어진 기판에 파워 디바이스를 만들어 넣기 전에는, CMP(화학적 기계적 연마)로 기판의 표면을 평탄화하고 있다. 이 CMP의 연마 효율을 높이기 위해서, 지립(砥粒)을 내포하는 연마 패드와 산화력이 있는 연마액을 이용하는 연마 기술이 개발되고 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2008-68390호 공보
그러나, 전술한 바와 같이 산화력이 있는 연마액을 이용하여 단결정 SiC 기판을 연마하면, 단결정 SiC의 결정 격자에 혼란이 생겨, 파워 디바이스의 성능이 대폭 저하되어 버린다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있는 연마액 및 상기 연마액을 이용하는 SiC 기판의 연마 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, SiC 기판의 연마에 사용되는 연마액으로서, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 연마액이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 지립을 함유하는 연마 패드, 또는 지립을 함유하지 않는 연마 패드에 연마액을 공급하고, 상기 연마 패드를 SiC 기판에 접촉시켜 SiC 기판을 연마하는 SiC 기판의 연마 방법으로서, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 제1 연마액을 사용하여 SiC 기판을 연마하는 제1 연마 공정과, 상기 제1 연마 공정 후에, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 제2 연마액을 사용하여 SiC 기판을 마무리 연마하는 제2 연마 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 기판의 연마 방법이 제공된다.
상기 SiC 기판의 연마 방법에 있어서, SiC 기판을 유지하는 척 테이블과, 상기 연마 패드와, 상기 제1 연마액 및 상기 제2 연마액을 각각 저류하는 탱크와, 상기 탱크에 저류된 상기 제1 연마액 및 상기 제2 연마액 중 한쪽을 선택적으로 공급하는 공급 수단을 구비하는 연마 장치를 이용하여, 상기 제1 연마 공정에서는, 상기 제1 연마액을 공급하고, 상기 제2 연마 공정에서는, 제1 연마액 대신에 제2 연마액을 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연마액은, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하기 때문에, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액과 비교하여, SiC 기판을 연마할 때의 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 SiC 기판의 연마 방법에서는, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 SiC 기판을 연마한 후에, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 SiC 기판을 마무리 연마하기 때문에, 연마의 효율을 높게 유지하면서 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 SiC 기판의 연마 방법에서 이용되는 연마 장치의 구성예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 산화력을 갖는 무기염류와 연마 레이트의 관계를 나타낸 그래프이다.
산화력이 있는 연마액을 이용하여 SiC 기판을 연마하면, 연마 효율을 높일 수는 있지만, 결정 격자에 혼란이 생겨 파워 디바이스의 성능은 대폭 저하되어 버린다. 본 발명자는, 이 현상을 예의 연구한 결과, 결정 격자의 혼란의 원인이 산화력을 부여하기 위해서 연마액에 함유시킨 무기염류에 있는 것을 밝혀내었다. 그리고, 이 지견에 기초하여, 본 발명을 완성시켰다. 이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
지금까지의 연마액은, 예컨대, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류(산화성 무기염류) 및 물을 함유하고 있었다. 여기서, 과망간산염이란, 과망간산칼륨, 과망간산나트륨으로 대표되는 망간의 옥소산염이며, 산화력을 갖는 무기염류란, 염소산염, 황산염, 질산염, 크롬산염 등의 산화성 고체(위험물의 제1류에 해당)이다.
이것에 대하여, 본 실시형태에 따른 연마액에서는, 종래 사용되고 있던 산화력을 갖는 무기염류 대신에 pH 조정제를 함유시키고 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 연마액은, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유한다. 여기서, pH 조정제란, 염산(염화수소), 황산, 질산, 인산 등의 pH를 산성측으로 조정하는 시약이다. 이러한 연마액을 이용함으로써, SiC 기판의 연마에 따른 결정 격자의 혼란을 적절하게 억제할 수 있다.
다음에, 본 실시형태의 연마액을 이용하는 SiC 기판의 연마 방법에 대해서 설명한다. 본 실시형태에 따른 SiC 기판의 연마 방법은, 적어도, 제1 연마 공정 및 제2 연마 공정을 포함한다.
제1 연마 공정에서는, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액(제1 연마액)을 사용하여 SiC 기판을 연마한다. 제2 연마 공정에서는, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액(제2 연마액)을 사용하여 SiC 기판을 마무리 연마한다.
우선, 본 실시형태에 따른 SiC 기판의 연마 방법에서 이용되는 연마 장치에 대해서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 SiC 기판의 연마 방법에서 이용되는 연마 장치의 구성예를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 연마 장치(2)는, SiC 기판(11)을 흡인 유지하는 척 테이블(4)을 구비하고 있다. 이 척 테이블(4)은, 모터 등의 회전 구동원(도시되지 않음)과 연결되어 있고, 수직 방향으로 평행한 회전축 주위로 회전한다.
척 테이블(4)의 상면에는, 오목부가 형성되어 있고, 이 오목부에는, 다공질 재료로 이루어진 유지판(6)이 갑합되어 있다. 유지판(6)의 상면은, 단결정 SiC로 이루어진 원반 형상의 SiC 기판(11)을 흡인 유지하는 유지면(6a)으로 되어 있다. 이 유지면(6a)에는, 척 테이블(4)의 내부에 형성된 유로(4a)를 통해 흡인원(도시되지 않음)의 부압이 작용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, SiC 기판(11)의 하면에는, 유지면(6a)보다 대직경의 필름(13)이 붙여져 있다. 이 필름(13)을 유지면(6a)에 접촉시킨 상태에서 흡인원의 부압을 작용시키면, SiC 기판(11)은 필름(13)을 통해 척 테이블(4)에 흡인 유지된다.
척 테이블(4)의 위쪽에는, SiC 기판(11)을 연마하는 연마 유닛(8)이 배치되어 있다. 연마 유닛(8)은, 회전축을 구성하는 스핀들(10)을 구비하고 있다. 스핀들(10)의 하단부(선단부)에는, 원반 형상의 휠마운트(12)가 설치되어 있다.
휠마운트(12)의 하면에는, 휠마운트(12)와 대략 동일 직경의 연마 휠(14)이 장착되어 있다. 연마 휠(14)은, 스테인레스, 알루미늄 등의 금속 재료로 형성된 휠베이스(16)를 구비하고 있다.
휠베이스(16)의 하면에는, 원반 형상의 연마 패드(18)가 고정되어 있다. 이 연마 패드(18)는, 예컨대, 폴리우레탄 등의 재료에 지립을 혼합하여 형성된다. 단, 연마 패드(18)는 지립을 함유하고 있지 않아도 좋다.
스핀들(10)의 상단측(기단측)에는, 모터 등의 회전 구동원(도시하지 않음)이 연결되어 있다. 연마 휠(14)은, 이 회전 구동원으로부터 전달되는 회전력에 의해 수직 방향과 평행한 회전축 주위로 회전한다.
스핀들(10), 휠마운트(12), 휠베이스(16) 및 연마 패드(18)의 내부에는, 각각 수직 방향으로 관통하는 세로 구멍(10a, 12a, 16a, 18a)이 형성되어 있다. 세로 구멍(10a)의 하단과 세로 구멍(12a)의 상단은 연결되어 있고, 세로 구멍(12a)의 하단과 세로 구멍(16a)의 상단은 연결되어 있으며, 세로 구멍(16a)의 하단과 세로 구멍(18a)의 상단은 연결되어 있다.
세로 구멍(10a)의 상단에는, 배관 등을 통해 공급 제어 장치(공급 수단)(20)가 접속되어 있다. 이 공급 제어 장치(20)에는, 배관 등을 통해 제1 탱크(22) 및 제2 탱크(24)가 더 접속되어 있다.
제1 탱크(22)에는, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액이 저류되어 있다. 한편, 제2 탱크(24)에는, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액이 저류되어 있다. 공급 제어 장치(20)는, 제1 탱크(22) 및 제2 탱크(24)에 저류되어 있는 연마액 중 한쪽을 선택적으로 공급한다.
공급 제어 장치(20)로부터 세로 구멍(10a)으로 보내진 연마액(15)은, 연마 패드(18)의 하면 중앙에 형성된 세로 구멍(18a)의 개구로부터, SiC 기판(11)과 연마 패드(18)의 접촉부에 공급된다. 척 테이블(4) 및 스핀들(10)을 회전시키면서, 연마 휠(14)을 하강시키고, 연마액(15)을 공급하면서 SiC 기판(11)의 상면에 연마 패드(18)의 하면을 접촉시킴으로써, SiC 기판(11)을 연마할 수 있다.
본 실시형태에 따른 SiC 기판의 연마 방법에서는, 우선, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액을 사용하여 SiC 기판(11)을 연마하는 제1 연마 공정을 실시한다.
구체적으로는, 제1 탱크(22)에 저류되어 있는 연마액(과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액)이 SiC 기판(11)과 연마 패드(18)의 접촉부에 공급되도록 공급 제어 장치(20)로 제어하면서, SiC 기판(11)을 연마한다. 미리 설정된 임의의 연마량까지 SiC 기판(11)이 연마되면, 제1 연마 공정은 종료된다. 또한, 이 제1 연마 공정에서 사용되는 연마액에는, 지립을 혼합하여도 좋다.
제1 연마 공정 후에는, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액을 사용하여 SiC 기판(11)을 마무리 연마하는 제2 연마 공정을 실시한다. 구체적으로는, 제2 탱크(24)에 저류되어 있는 연마액(과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액)이 SiC 기판(11)과 연마 패드(18)의 접촉부에 공급되도록 공급 제어 장치(20)로 제어하면서, SiC 기판(11)을 연마한다.
즉, SiC 기판(11)과 연마 패드(18)의 접촉부에 공급하는 연마액을, 제1 연마 공정과 제2 연마 공정으로 전환하여, 미리 설정된 임의의 연마량까지 SiC 기판(11)이 연마되면, 제2 연마 공정은 종료된다. 또한, 이 제2 연마 공정에서 사용되는 연마액에는, 지립을 혼합하여도 좋다.
전술한 제1 연마 공정에서는, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액을 사용하기 때문에, 연마 효율을 높게 유지할 수 있다. 한편, 제2 연마 공정에서는, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액을 사용하기 때문에, 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있다. 또한, 제1 연마 공정의 연마량과 제2 연마 공정의 연마량은, 연마의 효율이나 품질을 함께 높은 수준으로 유지할 수 있도록 조정하면 좋다.
이상과 같이, 본 실시형태에 따른 연마액은, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하기 때문에, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액과 비교하여, SiC 기판(11)을 연마할 때의 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 따른 SiC 기판의 연마 방법에서는, 과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 SiC 기판을 연마한 후에, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 연마액을 이용하여 SiC 기판(11)을 마무리 연마하기 때문에, 연마의 효율을 높게 유지하면서 결정 격자의 혼란을 억제할 수 있다.
다음에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서 행한 실험에 대해서 설명한다. 본 실험에서는, 제2 연마 공정에서 사용되는 연마액(제2 연마액)인 과망간산염 및 pH 조정제의 함유량과, 연마 후의 SiC 기판의 품질과의 관계를 확인하였다.
구체적으로는, 제1 연마 공정 후의 SiC 기판에 대하여, 과망간산염 및 pH 조정제의 함유량이 상이한 연마액을 이용하여 제2 연마 공정을 실시하였다. 또한, 제1 연마 공정에서는, 과망간산칼륨을 0.5 질량%, 산화력을 갖는 무기염류를 0.2 질량% 포함하는 연마액을 사용하고 있다. 도 2는, 제1 연마 공정에서 이용되는 연마액이 함유하는 산화력을 갖는 무기염류와 연마 레이트의 관계를 나타내는 그래프이다. 어느 쪽의 경우에도, 충분한 연마 레이트를 얻을 수 있다.
제2 연마 공정에서는, 과망간산칼륨(과망간산염), 인산(Ph 조정제) 및 물을 혼합한 연마액 A, 또는, 과망간산나트륨(과망간산염), 인산(Ph 조정제) 및 물을 혼합한 연마액 B를 이용하고 있다.
연마액 A에서는, 물에 대하여 0.1 질량%∼5.0 질량%의 과망간산칼륨과 0.01 질량%∼2.0 질량%의 인산을 혼합하고, 또한, 인산에 대한 과망간산칼륨의 몰비를 0.1∼2.5로 하는 경우에, 양호한 연마 품질을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
마찬가지로, 연마액 B라도, 물에 대하여 0.1 질량%∼5.0 질량%의 과망간산나트륨과 0.01 질량%∼2.0 질량%의 인산을 혼합하고, 또한, 인산에 대한 과망간산나트륨의 몰비를 0.1∼2.5로 하는 경우에, 양호한 연마 품질을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 상기 실시형태에 따른 구성, 방법 등은, 본 발명의 목적 범위를 벗어나지 않는 한 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.
2 : 연마 장치 4 : 척 테이블
4a : 유로 6 : 유지판
6a : 유지면 8 : 연마 유닛
10 : 스핀들 10a : 세로 구멍
12 : 휠마운트 12a : 세로 구멍
14 : 연마 휠 16 : 휠베이스
16a : 세로 구멍 18 : 연마 패드
18a : 세로 구멍 20 : 공급 제어 장치(공급 수단)
22 : 제1 탱크 24 : 제2 탱크
11 : SiC 기판 13 : 필름
15 : 연마액

Claims (3)

  1. SiC 기판의 연마에 사용되는 연마액으로서,
    과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 연마액.
  2. 지립(砥粒)을 함유하는 연마 패드, 또는 지립을 함유하지 않는 연마 패드에 연마액을 공급하고, 상기 연마 패드를 SiC 기판에 접촉시켜 SiC 기판을 연마하는 SiC 기판의 연마 방법으로서,
    과망간산염, 산화력을 갖는 무기염류 및 물을 함유하는 제1 연마액을 사용하여 SiC 기판을 연마하는 제1 연마 공정과,
    상기 제1 연마 공정 후에, 과망간산염, pH 조정제 및 물을 함유하는 제2 연마액을 사용하여 SiC 기판을 마무리 연마하는 제2 연마 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 기판의 연마 방법.
  3. 제2항에 있어서, SiC 기판을 유지하는 척 테이블과,
    상기 연마 패드와,
    상기 제1 연마액 및 상기 제2 연마액을 각각 저류하는 탱크와,
    상기 탱크에 저류된 상기 제1 연마액 및 상기 제2 연마액 중 한쪽을 선택적으로 공급하는 공급 수단을 구비하는 연마 장치를 이용하여,
    상기 제1 연마 공정에서는, 상기 제1 연마액을 공급하고,
    상기 제2 연마 공정에서는, 제1 연마액 대신에 제2 연마액을 공급하는 것을 특징으로 하는 SiC 기판의 연마 방법.
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