JP7628677B2 - Anodizing-assisted polishing method - Google Patents
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Description
本発明は、陽極酸化を援用した研磨方法に係わり、更に詳しくは陽極酸化可能な難加工材料を酸化と研磨とを組み合わせて高能率且つ高精度で所望形状を創成することが可能な陽極酸化を援用した研磨方法に関するものである。 The present invention relates to a polishing method that utilizes anodizing, and more specifically, to a polishing method that utilizes anodizing that can create the desired shape of difficult-to-process materials that can be anodized with high efficiency and precision by combining oxidation and polishing.
パワーデバイス作製用の単結晶SiCの表面をダメージフリーに研磨仕上げする手法として、CMP(Chemical Mechanical Polishing)プロセスが開発されているが、研磨レートが1μm/h程度と非常に遅く、また使用するスラリーと呼ばれる研磨液の購入と廃液処理に要する費用が大きいため、ウエハの生産コストの増大を引き起こしており、高能率かつ低コストである研磨手法の開発が望まれている。CMPは、軟質研磨パッドの適用及び研磨体の不均一な分布のために、接触領域における圧力分布を制御することは不可能である。従って、この研磨方法では形状精度を補正することができない。 The CMP (Chemical Mechanical Polishing) process has been developed as a method for polishing the surface of single crystal SiC for use in the fabrication of power devices without damaging it. However, the polishing rate is very slow at about 1 μm/h, and the costs of purchasing the polishing liquid, known as slurry, and of disposing of the waste liquid are high, which increases the production costs of wafers. There is a demand for the development of a highly efficient, low-cost polishing method. With CMP, it is impossible to control the pressure distribution in the contact area due to the application of a soft polishing pad and the uneven distribution of the polishing body. Therefore, this polishing method cannot correct shape precision.
また、非特許文献1には、SiCを電気化学機械的に研磨するECMP(Electro-Chemical Mechanical Polishing)が開示されている。このECMPは、KNO3あるいはH2O2にシリカスラリーを分散させた溶液を用いて、ポリッシングパッドの背面に電極を配置し、SiCを陽極として所定の電流密度の電流を流しながらポリッシングするものである。ここで、SiCの表面酸化とポリッシングを同時に進行させると0.4-0.5μm/hの加工速度が得られるが、スクラッチを取り除くことができない。その理由は、陽極酸化による酸化レートが研磨レートに比べ高いために、酸化と研磨を同時に行うと加工が進行しないからである。そこで、酸化ステップとポリッシングステップを分離し、酸化ステップを30秒、ポリッシングステップを30分行い、これを繰り返すことにより表面のうねりや粗さを取り除くことができるというものである。また、電流密度を大きくすると加工速度は速くなるが、表面の粗さは悪化することが報告されている。 In addition, Non-Patent Document 1 discloses ECMP (Electro-Chemical Mechanical Polishing) for electrochemically and mechanically polishing SiC. In this ECMP, an electrode is placed on the back of a polishing pad using a solution in which silica slurry is dispersed in KNO 3 or H 2 O 2, and polishing is performed while passing a current of a predetermined current density with SiC as the anode. Here, if the surface oxidation and polishing of SiC are performed simultaneously, a processing speed of 0.4-0.5 μm/h can be obtained, but scratches cannot be removed. The reason is that the oxidation rate by anodization is higher than the polishing rate, so if oxidation and polishing are performed simultaneously, processing does not proceed. Therefore, the oxidation step and the polishing step are separated, and the oxidation step is performed for 30 seconds and the polishing step for 30 minutes, and by repeating this, it is possible to remove surface waviness and roughness. It has also been reported that increasing the current density increases the processing speed, but the surface roughness deteriorates.
そこで、本発明者の山村は、研磨パッドと陽極酸化を援用した研磨手法を提案した(特許文献1)。特許文献1には、電解液の存在下で被加工物を陽極として電圧を印加して所定電流密度の電流を流し、被加工物の表面に酸化膜を形成する陽極酸化プロセスと、モース硬度が前記被加工物と酸化膜の中間硬度を有する研磨材料からなるとともに、陰極となる電極を内蔵した研磨パッドで、酸化膜を選択的に研磨除去する研磨プロセスと、を含み、電解液中に前記被加工物と研磨パッドを配置し、該被加工物と研磨パッドの電極に電圧を印加して酸化膜を形成する前記陽極酸化プロセスと、電解液中で前記研磨パッドを用いて被加工物の酸化膜を研磨除去する研磨プロセスを同時に進行させて、前記被加工物の表面を前記研磨プロセスによる研磨レートが前記陽極酸化プロセスによる酸化レートより高い条件で平坦化加工する研磨方法が開示されている。 The inventor, Yamamura, has proposed a polishing method that uses a polishing pad and anodization (Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a polishing method that includes an anodization process in which an oxide film is formed on the surface of a workpiece by applying a voltage to the workpiece as an anode in the presence of an electrolyte and passing a current of a predetermined current density through the workpiece, and a polishing process in which the oxide film is selectively polished away with a polishing pad made of an abrasive material having an intermediate Mohs hardness between the workpiece and the oxide film and having a built-in cathode electrode, and in which the workpiece and the polishing pad are placed in an electrolyte, and the anodization process in which a voltage is applied between the workpiece and the electrodes of the polishing pad to form an oxide film, and the polishing process in which the polishing pad is used in the electrolyte to polish away the oxide film of the workpiece are simultaneously carried out, thereby planarizing the surface of the workpiece under conditions in which the polishing rate by the polishing process is higher than the oxidation rate by the anodization process.
特許文献1に記載の研磨方法において、SiCの表面が最初に陽極酸化によって改質され、次いで改質層が軟質研磨材料(砥粒)によって除去される。軟質研磨材料の硬度はSiCよりも低いため、SiC表面にスクラッチ及び表面下のダメージは誘発されず、改質層のみを除去することができる。この研磨方法は、単結晶SiCの他に、CVD-SiC、焼結SiC、単結晶GaN又は超硬合金にも適用できるとされている。 In the polishing method described in Patent Document 1, the surface of SiC is first modified by anodization, and then the modified layer is removed by a soft polishing material (abrasive grains). Because the hardness of the soft polishing material is lower than that of SiC, scratches and subsurface damage are not induced on the SiC surface, and only the modified layer can be removed. This polishing method is said to be applicable to CVD-SiC, sintered SiC, single crystal GaN, or cemented carbide, in addition to single crystal SiC.
しかしながら、特許文献1に記載の研磨方法は、スラリーを混合した電解液を用い、電解液中で陽極酸化プロセスと研磨プロセスを同時に進行させるが、全研磨工程で軟質研磨材料を用い、しかもCMPと同様に軟質研磨パッドを用いているため、研磨プロセスにおける研磨レートが遅く、そのため全体の除去レートが遅く、形状精度を補正する能力が低かった。 However, the polishing method described in Patent Document 1 uses an electrolyte mixed with a slurry, and the anodization process and polishing process proceed simultaneously in the electrolyte. However, soft polishing materials are used in all polishing steps, and soft polishing pads are used as in CMP, so the polishing rate in the polishing process is slow, which results in a slow overall removal rate and a low ability to correct shape accuracy.
一方、ECMPに固定砥粒研磨パッドを適用すると、研磨パッドの種類によって砥粒のパラメータを決定することができるため、陽極酸化パラメータと砥粒パラメータとを別々に制御することができ、ECMP性能の大幅な向上を図ること、つまりが高能率化、高精度化できると期待される。 On the other hand, when a fixed abrasive polishing pad is used for ECMP, the abrasive parameters can be determined depending on the type of polishing pad, so that the anodizing parameters and the abrasive parameters can be controlled separately, which is expected to significantly improve ECMP performance, i.e., to achieve higher efficiency and precision.
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、スラリーを使わず、固定砥粒研磨体と陽極酸化を援用した研磨方法において、陽極酸化レートと研磨レートを高めた高速研磨工程を導入することにより、材料除去率を大幅に改善し、深いダメージの除去と形状の高い補正能力を備えるとともに、仕上げ研磨工程によりダメージフリーで高精度に平坦化することが可能な陽極酸化を援用した研磨方法を提供する点にある。 In light of the above situation, the present invention aims to provide a polishing method that does not use a slurry, but instead uses a fixed abrasive polishing body and anodization, by introducing a high-speed polishing process that increases the anodization rate and polishing rate, which significantly improves the material removal rate, has the ability to remove deep damage and correct shapes with high precision, and can achieve high-precision planarization without damage through a finish polishing process.
本発明は、前述の課題解決のために、以下に構成する陽極酸化を援用した研磨方法及びその装置を提供する。 To solve the above problems, the present invention provides a polishing method and apparatus using anodization, as described below.
(1)
電解液の存在下で、
被加工物を陽極として電圧を印加し、該被加工物の表面を酸化させる陽極酸化プロセスと、
所定硬度及び粒度の砥粒を基材に固定した固定砥粒研磨体で、前記被加工物の表面に形成された酸化物を研磨して除去する研磨プロセスと、
を同時又は交互に進行させて、前記研磨プロセスによる研磨レートが前記陽極酸化プロセスによる酸化レートより高い条件で研磨する陽極酸化を援用した研磨方法であって、
前記被加工物の材料除去率が高く、製造時に導入されたスクラッチや表面下の深いダメージまで除去する高速研磨工程と、
前記被加工物の材料除去率が低く、浅いダメージに起因する酸化物を除去して平坦化する低速研磨工程と、
を順に行い、前記高速研磨工程には前記被加工物の表面下に均一に浅いダメージを導入するダメージ導入手段を備えた、ことを特徴とする陽極酸化を援用した研磨方法。
(1)
In the presence of an electrolyte,
an anodizing process in which a voltage is applied to a workpiece as an anode to oxidize the surface of the workpiece;
a polishing process in which oxides formed on the surface of the workpiece are polished and removed using a fixed abrasive polishing body having abrasive grains of a predetermined hardness and grain size fixed to a substrate;
and (c) simultaneously or alternately proceeding with a polishing rate in the polishing process higher than an oxidation rate in the anodizing process,
a high-speed polishing process that provides a high material removal rate for the workpiece, even removing scratches and deep subsurface damage introduced during manufacture;
a low-speed polishing step in which the material removal rate of the workpiece is low and oxides resulting from shallow damage are removed and planarized;
and the high-speed polishing step is provided with a damage introducing means for introducing uniformly shallow damage under the surface of the workpiece.
(2)
前記高速研磨工程には、前記被加工物よりも硬度が高い硬質砥粒を基材に固定した硬質固定砥粒研磨体を用いる、(1)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(2)
The polishing method with the aid of anodization according to (1), wherein the high-speed polishing step uses a hard fixed abrasive polishing body having hard abrasive grains fixed to a substrate, the hard abrasive grains being harder than the workpiece.
(3)
前記高速研磨工程において、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位より高くなる高電位に設定した大電流密度条件で行う、(2)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(3)
The polishing method using anodic oxidation according to (2), wherein the high-speed polishing step is performed under high current density conditions in which the potential of the workpiece is set to a high potential higher than the passive potential of an oxide.
(4)
前記低速研磨工程には、前記被加工物よりも硬度が低く酸化物よりも硬度が高い軟質砥粒を基材に固定した軟質固定砥粒研磨体を用いる、(1)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(4)
The polishing method using anodization according to (1), wherein the low-speed polishing step uses a soft fixed abrasive polishing body having soft abrasive grains fixed to a substrate, the soft abrasive grains having a hardness lower than that of the workpiece and higher than that of oxides.
(5)
前記低速研磨工程には、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位以下の低電位に設定した小電流密度条件で行う仕上げ研磨工程を有する、(4)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(5)
The polishing method using anodic oxidation according to (4), wherein the low-speed polishing step includes a finish polishing step in which the potential of the workpiece is set to a low potential equal to or lower than the passive potential of an oxide under a low current density condition.
(6)
前記低速研磨工程には、前記仕上げ研磨工程の前に、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位より高くなる高電位に設定した大電流密度条件で行う、粗研磨工程を有する、(5)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(6)
The polishing method using anodic oxidation according to (5), wherein the low-speed polishing step includes a rough polishing step, which is performed before the finish polishing step, under a high current density condition in which the potential of the workpiece is set to a high potential higher than the passive potential of an oxide.
(7)
前記ダメージ導入手段は、前記被加工物よりも硬度が高い硬質砥粒を基材に固定した硬質固定砥粒研磨体と、前記被加工物の表面との摩擦による、(1)~(6)何れか1に記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(7)
The polishing method using anodization described in any one of (1) to (6), wherein the damage introduction means is friction between a hard fixed abrasive polishing body having hard abrasive grains that are harder than the workpiece fixed to a substrate and the surface of the workpiece.
(8)
前記被加工物側から若しくは前記固定砥粒研磨体側から研磨面に超音波振動を付与する、(1)~(7)何れか1に記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(8)
The polishing method using anodic oxidation according to any one of (1) to (7), wherein ultrasonic vibration is applied to the polishing surface from the workpiece side or from the fixed abrasive polishing body side.
(9)
前記ダメージ導入手段は、前記研磨面に付与した超音波振動による、(8)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(9)
9. The polishing method with the aid of anodic oxidation according to
(10)
前記電解液の温度を制御する、(1)~(9)何れか1に記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(10)
The polishing method using anodic oxidation according to any one of (1) to (9), further comprising controlling a temperature of the electrolytic solution.
(11)
前記被加工物が単結晶SiCである、(1)~(10)何れか1に記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(11)
The polishing method using anodization according to any one of (1) to (10), wherein the workpiece is single crystal SiC.
(12)
前記硬質固定砥粒研磨体が、平均粒径1μm(0.5~2μmの範囲、#8000)のダイヤモンド砥石である、(2)又は(7)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(12)
The method for polishing with the aid of anodization according to (2) or (7), wherein the hard fixed abrasive polishing body is a diamond grindstone having an average grain size of 1 μm (range of 0.5 to 2 μm, #8000).
(13)
軟質固定砥粒研磨体が、セリア砥石である、(4)記載の陽極酸化を援用した研磨方法。
(13)
The method for polishing with the aid of anodization according to (4), wherein the soft fixed abrasive polishing body is a ceria grinding wheel.
本発明は、従来の陽極酸化を援用した研磨方法における研磨条件及び陽極酸化条件を工夫することによって、インゴットからスライスしてウエハを作製する過程で使われていた研削工程やラッピング工程を置き換えることが可能な高速研磨工程を実現でき、また低速研磨工程ではあるが粗研磨工程や仕上げ研磨工程によって表面下のダメージを除去しながら表面を高精度に平坦化することができ、そして全工程において処理コストがかかるスラリーを用いないので、高能率化と低コスト化が同時に図れるのである。 By optimizing the polishing and anodizing conditions in the conventional anodizing-assisted polishing method, the present invention can realize a high-speed polishing process that can replace the grinding and lapping processes used in the process of slicing an ingot to produce wafers. Although it is a low-speed polishing process, the rough polishing and finish polishing processes can flatten the surface with high precision while removing subsurface damage, and because no slurry, which is costly to process, is used in any of the processes, it is possible to simultaneously achieve high efficiency and low costs.
硬質砥粒を用いたECMPでは、SiCの研磨において従来のCMP(1μm/h)よりも60倍以上大きい63μm/hを達成しており、SiCウエハ製造に要する加工時間を大幅に短縮できる。また、高電位の大電流密度条件を用いた粗研磨と不動態電位以下の低電位条件を用いた仕上げ研磨を組み合わせることにより、研磨の高能率性を担保しながらデバイスグレードの高品質ウエハの製造を可能にする。 ECMP using hard abrasive grains achieves a polishing speed of 63 μm/h for SiC, which is more than 60 times faster than conventional CMP (1 μm/h), and can significantly reduce the processing time required to manufacture SiC wafers. In addition, by combining rough polishing using high-potential, high-current density conditions with finish polishing using low-potential conditions below the passive potential, it is possible to manufacture high-quality device-grade wafers while ensuring high polishing efficiency.
ECMPでは、電流密度を増加させても酸化レートが飽和してしまうために、研磨レートを増加できないが、電解液の温度を上昇させることで、酸化レートの飽和値が増大し、研磨レートを大幅に増加できる。また、定電位モードの場合では、電解液温度を上昇させることで、SiCの酸化レートと研磨レートが指数関数的に増加する。従って、ECMPの全研磨段階において、電解液の温度を上昇させることで、ECMPの研磨レートを大幅に向上できる。 In ECMP, the oxidation rate saturates even if the current density is increased, so the polishing rate cannot be increased. However, by increasing the temperature of the electrolyte, the oxidation rate saturation value increases, and the polishing rate can be significantly increased. In addition, in the case of constant potential mode, the oxidation rate and polishing rate of SiC increase exponentially by increasing the electrolyte temperature. Therefore, the polishing rate of ECMP can be significantly improved by increasing the temperature of the electrolyte at all polishing stages of ECMP.
SiCの研磨において、同じ電解液の温度で、超音波振動を付与した場合の研磨レートは、超音波振動を付与しない場合の研磨レートの約4倍であることが分かった。超音波付与による材料除去率(MRR)の増大効果は明らかである。 When polishing SiC, it was found that the polishing rate when ultrasonic vibrations were applied was about four times that when ultrasonic vibrations were not applied at the same electrolyte temperature. The effect of increasing the material removal rate (MRR) by applying ultrasonic vibrations is clear.
本発明は、電解液の存在下で、被加工物を陽極として電圧を印加し、該被加工物の表面を酸化させる陽極酸化プロセスと、所定硬度及び粒度の砥粒を基材に固定した固定砥粒研磨体で、前記被加工物の表面に形成された酸化物を研磨して除去する研磨プロセスと、を同時又は交互に進行させて、前記研磨プロセスによる研磨レートが前記陽極酸化プロセスによる酸化レートより高い条件で研磨する陽極酸化を援用した研磨方法を基本とする。ここで、通常のCMPではスラリーを使用するが、本発明に係るECMP(Electro-Chemical Mechanical Polishing)ではスラリーを使用しないことが重要である。 The present invention is based on a polishing method that utilizes anodization, in which a voltage is applied to the workpiece as an anode in the presence of an electrolyte to oxidize the surface of the workpiece, and a polishing process is performed simultaneously or alternately to polish and remove oxides formed on the surface of the workpiece using a fixed abrasive polisher in which abrasive grains of a specified hardness and grain size are fixed to a substrate, under conditions in which the polishing rate of the polishing process is higher than the oxidation rate of the anodization process. Here, it is important that, while a slurry is used in normal CMP, a slurry is not used in the ECMP (Electro-Chemical Mechanical Polishing) of the present invention.
そして、本発明は、前記被加工物の材料除去率(material removal rate (MRR))が高く、製造時に導入されたスクラッチや表面下の深いダメージまで除去する高速研磨工程と、前記被加工物の材料除去率が低く、浅いダメージに起因する酸化物を除去して平坦化する低速研磨工程と、を順に行い、前記高速研磨工程には前記被加工物の表面下に均一に浅いダメージを導入するダメージ導入手段を備えた、ことを特徴とする。 The present invention is characterized in that it sequentially performs a high-speed polishing process in which the material removal rate (MRR) of the workpiece is high and scratches and deep subsurface damage introduced during manufacturing are removed, and a low-speed polishing process in which the material removal rate of the workpiece is low and oxides caused by shallow damage are removed and flattened, and the high-speed polishing process is equipped with a damage introduction means for introducing uniform shallow damage under the surface of the workpiece.
ここで、前記高速研磨工程には、前記被加工物よりも硬度が高い硬質砥粒を基材に固定した硬質固定砥粒研磨体を用いるのである。そして、前記高速研磨工程において、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位より高くなる高電位に設定した大電流密度条件で行うことが材料除去率を増加させるために好ましい。 Here, the high-speed polishing process uses a hard fixed abrasive polishing body in which hard abrasive grains having a harder hardness than the workpiece are fixed to a substrate. In order to increase the material removal rate, it is preferable to carry out the high-speed polishing process under high current density conditions in which the potential of the workpiece is set to a high potential higher than the passive potential of the oxide.
ここで、前記低速研磨工程には、前記被加工物よりも硬度が低く酸化物よりも硬度が高い軟質砥粒を基材に固定した軟質固定砥粒研磨体を用いるのである。そして、前記低速研磨工程には、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位以下の低電位に設定した小電流密度条件で行う仕上げ研磨工程を有し、表面を高精度に平坦化するのである。 Here, the low-speed polishing process uses a soft fixed abrasive polishing body in which soft abrasive grains, which are harder than the workpiece and harder than the oxide, are fixed to a substrate. The low-speed polishing process also includes a finish polishing process that is performed under low current density conditions in which the potential of the workpiece is set to a low potential below the passive potential of the oxide, and the surface is flattened with high precision.
更に、前記低速研磨工程には、前記仕上げ研磨工程の前に、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位より高くなる高電位に設定した大電流密度条件で行う、粗研磨工程を有することが好ましい。この粗研磨工程により、被加工物の表面下に残った浅いダメージを全て除去することができる。 Furthermore, it is preferable that the low-speed polishing process includes a rough polishing process before the finish polishing process, in which the potential of the workpiece is set to a high potential higher than the passive potential of the oxide under high current density conditions. This rough polishing process can remove all shallow damage remaining under the surface of the workpiece.
そして、前記ダメージ導入手段は、前記被加工物よりも硬度が高い硬質砥粒を基材に固定した硬質固定砥粒研磨体と、前記被加工物の表面との摩擦によるのである。つまり、高速研磨工程において使用される硬質固定砥粒研磨体は、被加工物の表面下に浅いダメージを導入する手段ともなる。 The damage introduction means is based on friction between the surface of the workpiece and a hard fixed abrasive polishing body, which has hard abrasive grains that are harder than the workpiece fixed to a substrate. In other words, the hard fixed abrasive polishing body used in the high-speed polishing process also serves as a means for introducing shallow damage below the surface of the workpiece.
更に、本発明は、前記被加工物側から若しくは前記固定砥粒研磨体側から研磨面に超音波振動を付与することがより好ましい。研磨面への超音波振動付与により、被加工物の表面近傍で発生したキャビテーションの破裂によって陽極酸化の化学反応が促進されるとともに、前記硬質固定砥粒研磨体の砥粒と接触した表面下に浅いダメージを効率良く発生させることにも寄与するので、陽極酸化レートを上昇させるばかりでなく、酸化物の除去にも寄与するので研磨レートも上昇させることができる。 Furthermore, in the present invention, it is more preferable to apply ultrasonic vibrations to the polishing surface from the workpiece side or the fixed abrasive polishing body side. By applying ultrasonic vibrations to the polishing surface, the chemical reaction of anodization is promoted by the bursting of cavitation generated near the surface of the workpiece, and it also contributes to efficiently generating shallow damage below the surface that comes into contact with the abrasive grains of the hard fixed abrasive polishing body, so not only does it increase the anodization rate, it also contributes to removing oxides, and therefore the polishing rate can be increased.
更に詳しくは、一般的に材料をどんなに注意深く加工しても、表面下にはある程度のダメージ、例えばクラックや残留応力、コンタミや空隙等が残り、これを表面下ダメージ(subsurface damage (SSD))という。本発明では、被加工物の表面下に生じるダメージを「SSD」と表わす。SSDは、製造工程で生じるか、あるいは使用する材料の種類や品質に起因する。本発明で「深い」とは数10μmのオーダーで、「浅い」とは数μmのオーダーである。 More specifically, no matter how carefully a material is processed, a certain amount of damage remains below the surface, such as cracks, residual stress, contamination, and voids, and this is called subsurface damage (SSD). In this invention, damage that occurs below the surface of a workpiece is referred to as "SSD." SSD can occur during the manufacturing process or can be caused by the type or quality of the material used. In this invention, "deep" means on the order of tens of microns, and "shallow" means on the order of a few microns.
本発明で「硬質」あるいは「硬い」とは被加工物よりも硬度が高い性質、「軟質」あるいは「柔らかい」とは被加工物よりも硬度が低い性質を言う。因みに、ビッカース硬度で、SiC:24~28GPa、アルミナ(Al2O3):12~23GPa、シリカ(SiO2):7.6GPa、セリア(CeO2):5~7.5GPaである。ダイヤモンドはSiCよりも硬い。 In the present invention, "hard" or "hard" refers to a property of being harder than the workpiece, and "soft" or "soft" refers to a property of being softer than the workpiece. In terms of Vickers hardness, the following are available: SiC: 24-28 GPa, alumina (Al 2 O 3 ): 12-23 GPa, silica (SiO 2 ): 7.6 GPa, ceria (CeO 2 ): 5-7.5 GPa. Diamond is harder than SiC.
4H-SiC(0001)では、陽極酸化の電位が1.9~3.5Vの範囲で不動態皮膜が安定に形成され、電位が3.5Vを超えると不動態皮膜が破れ出すので、本発明では3.5Vを不動態電位とし、不動態電位を超えると高電位、不動態電位以下を低電位としている。尚、被加工物の電位が1.9Vより低いと陽極酸化は生じないので、1.9Vが低電位の下限となる。 In 4H-SiC (0001), a passive film is stably formed when the anodization potential is in the range of 1.9 to 3.5 V, and the passive film begins to break down when the potential exceeds 3.5 V, so in this invention, 3.5 V is the passive potential, and anything above the passive potential is considered a high potential, and anything below the passive potential is considered a low potential. Note that if the potential of the workpiece is lower than 1.9 V, anodization does not occur, so 1.9 V is the lower limit of the low potential.
被加工物としては、導電性を備え、陽極酸化が可能な材料であれば、本発明を適用できるが、例えば単結晶SiC、CVD-SiC、焼結SiC、単結晶GaN、Si3N4、AlN又はWC等の超硬合金が挙げられる。以下の実施形態では、被加工物としてパワーデバイス作製用の4H-SiC(0001)ウエハの研磨を例に説明する。 The present invention can be applied to the workpiece as long as it is a material that is conductive and can be anodized, for example, single crystal SiC, CVD-SiC, sintered SiC, single crystal GaN, Si 3 N 4 , AlN, or cemented carbide such as WC. In the following embodiment, the polishing of a 4H-SiC (0001) wafer for manufacturing a power device will be described as an example of the workpiece.
被加工物の表面にダメージ(前工程における残留ひずみやマイクロクラック等)が存在すると反応活性が高いために陽極酸化レートが高く、結果的にECMPの研磨レートも高くなるが、残留ダメージが無くなると陽極酸化レートとそれに依存する研磨レートも低下する。本発明では図1に示すように、被加工物よりも硬度が高い砥粒を含む研磨体(砥石)を用いて表面に浅いダメージを形成しながら陽極酸化を行うことで高い研磨レートの維持を図り、深いダメージの除去が終了した時点で軟質砥粒が含まれる研磨体を適用して仕上げ研磨を行う。これにより、被加工物の深いダメージ層を高能率に除去できる。 When damage (residual strain or microcracks from the previous process, etc.) is present on the surface of the workpiece, the reaction activity is high, resulting in a high anodization rate, and as a result, the polishing rate of ECMP is also high; however, when the residual damage is removed, the anodization rate and the polishing rate that depends on it also decrease. In the present invention, as shown in Figure 1, a polishing body (grinding stone) containing abrasive grains harder than the workpiece is used to form shallow damage on the surface while anodization is performed, thereby maintaining a high polishing rate, and once the removal of deep damage has been completed, a polishing body containing soft abrasive grains is applied to perform finish polishing. This allows the deep damaged layer of the workpiece to be removed with high efficiency.
ECMPでは、電流密度を大きくすると酸化レートが増大して研磨レートが増加するが、突起状の酸化物が形成されることにより表面粗さが悪化する。SiCの場合、印加する電圧を、不動態皮膜を形成する条件である3.5V以下(例えば3V)に設定することで、酸化レートは大幅に減少するものの、均一な酸化保護膜が形成されることで表面粗さが大幅に向上することが分かっている。粗研磨の場合は高電流密度条件で高速研磨を行い、仕上げ研磨では低電圧条件で研磨することで、高能率研磨と低表面粗さ仕上げを両立できるのである。 In ECMP, increasing the current density increases the oxidation rate and therefore the polishing rate, but the surface roughness worsens due to the formation of protruding oxides. In the case of SiC, it has been found that by setting the applied voltage to 3.5 V or less (e.g. 3 V), which is the condition for forming a passivation film, the oxidation rate is greatly reduced, but the surface roughness is greatly improved due to the formation of a uniform oxide protective film. By performing high-speed polishing under high current density conditions for rough polishing and low voltage conditions for finish polishing, it is possible to achieve both highly efficient polishing and a low surface roughness finish.
その結果、硬質砥粒を用いた高速研磨条件のECMPでは、SiCの研磨において従来CMP(1μm/h)よりも60倍以上大きい63μm/hを達成しており、SiCウエハ製造に要する加工時間を大幅に短縮できる。軟質砥粒を用いた低速研磨条件でのECMPにおいて、仕上げ研磨をすること、更には粗研磨と仕上げ研磨をすることで、研磨の高能率性を担保しながらデバイスグレードの高品質ウエハの製造を可能にする。 As a result, ECMP using hard abrasive grains under high-speed polishing conditions has achieved a polishing speed of 63 μm/h for SiC, which is more than 60 times faster than conventional CMP (1 μm/h), and the processing time required for manufacturing SiC wafers can be significantly reduced. In ECMP using soft abrasive grains under low-speed polishing conditions, finishing polishing and even rough polishing and finishing polishing can be performed, making it possible to manufacture high-quality device-grade wafers while ensuring high polishing efficiency.
次に、図1に基づき、本発明の研磨方法を説明する。先ず、図1(a)に示すように、インゴットをスライシング後のSiCウエハの表面には、うねりやソーマーク及び深いSSDが存在している。 Next, the polishing method of the present invention will be described with reference to Figure 1. First, as shown in Figure 1(a), undulations, saw marks, and deep SSDs are present on the surface of the SiC wafer after slicing the ingot.
図1(b)~(d)は高速研磨工程を示している。高速研磨工程は、前記被加工物の材料除去率が高く、うねりや製造時に導入されたスクラッチや表面下の深いダメージまで除去して平坦化する工程であり、前記被加工物よりも硬度が高い硬質砥粒を基材に固定した硬質固定砥粒研磨体を用いるとともに、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位より高くなる高電位に設定した大電流密度条件で行う。そして、本発明の特徴である、高速研磨工程に被加工物の表面下に浅いダメージを導入するダメージ導入手段を備えている。実際には、前記硬質固定砥粒研磨体と、前記被加工物の表面との摩擦によって、被加工物に浅いダメージが均一に導入される。陽極酸化はこのダメージから優先的に生じるので、導入する浅いダメージの均一性は重要であるが、硬質固定砥粒研磨体における硬質砥粒の分布が均一であれば担保される。 Figures 1(b) to (d) show the high-speed polishing process. The high-speed polishing process is a process in which the material removal rate of the workpiece is high, and waviness, scratches introduced during manufacturing, and deep damage below the surface are removed and flattened. A hard fixed abrasive polishing body is used, in which hard abrasive grains harder than the workpiece are fixed to a substrate, and the potential of the workpiece is set to a high potential higher than the passive potential of the oxide, under high current density conditions. The high-speed polishing process is characterized by the present invention, and is equipped with a damage introduction means for introducing shallow damage below the surface of the workpiece. In reality, shallow damage is uniformly introduced to the workpiece by friction between the hard fixed abrasive polishing body and the surface of the workpiece. Since anodic oxidation occurs preferentially from this damage, uniformity of the introduced shallow damage is important, but this can be guaranteed if the distribution of hard abrasive grains in the hard fixed abrasive polishing body is uniform.
図1(e)~(h)は低速研磨工程を示している。低速研磨工程は、前記被加工物の材料除去率が低く、浅いダメージに起因する酸化物を除去してサブナノメータオーダの表面粗さまで平坦化する工程であり、前記被加工物よりも硬度が低く酸化物よりも硬度が高い軟質砥粒を基材に固定した軟質固定砥粒研磨体を用いるとともに、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位以下の低電位に設定した小電流密度条件で行う仕上げ研磨工程(図1(g)、(h)を参照)を有する。更に、前記低速研磨工程には、前記仕上げ研磨工程の前に、前記被加工物の電位を、酸化物の不動態電位より高くなる高電位に設定した大電流密度条件で行う、粗研磨工程(図1(e)、(f)を参照)を有する。粗研磨工程により、SiC表面の浅いダメージ層の除去を行い、仕上げ研磨工程により、サブナノメータオーダの表面粗さまで仕上げる。尚、前記粗研磨工程は省略して、高速研磨工程から仕上げ研磨工程に移ることもある。 Figures 1(e) to (h) show the low-speed polishing process. The low-speed polishing process is a process in which the material removal rate of the workpiece is low, and oxides caused by shallow damage are removed to flatten the surface to a sub-nanometer order. A soft fixed abrasive polishing body is used, in which soft abrasive grains having a lower hardness than the workpiece and a higher hardness than the oxide are fixed to a substrate, and the workpiece potential is set to a low potential below the passivation potential of the oxide under a small current density condition (see Figures 1(g) and (h)). Furthermore, the low-speed polishing process includes a rough polishing process (see Figures 1(e) and (f)) before the finish polishing process, in which the workpiece potential is set to a high potential higher than the passivation potential of the oxide under a large current density condition. The rough polishing process removes the shallow damage layer on the SiC surface, and the finish polishing process finishes the surface to a sub-nanometer order surface roughness. The rough polishing process may be omitted, and the high-speed polishing process may be followed by the finish polishing process.
スライスされたSiC表面上には、表面上に多くのソーマークがあり、表面の下に深いSSDがある。ECMPでは、SiC表面全体が酸化され、SSDの部位が優先的に酸化される。初期研磨段階では、表面上の凸状酸化物領域のみが除去され、凹状領域は依然として酸化物層で覆われている(図1(b)参照)。従って、酸化物層によって引き起こされる障壁のために、凸面領域の酸化レートは凹面領域の酸化レートよりも大きくなければならないが、凸面領域には、硬質砥粒との摩擦によって浅いSSDが導入されるので、酸化レートは大きくなる。陽極酸化と酸化物層の除去とを繰り返すことにより、ソーマークは徐々に除去され、SiC表面は徐々に平坦になる(図1(c)参照)。ソーマークを除去した後、SiC表面の下には依然として多くの深いSSDと新たに導入される浅いSSDがあり、高い酸化レートになる。こうして、深いSSDや残留酸化物が除去され、全て浅いSSDのみになる(図1(d)参照)。この段階になると、高速研磨は不要であり、低速研磨に切り替える。粗研磨工程で殆ど全ての浅いSSDを除去し(図1(e)、(f)参照)、それから仕上げ研磨工程で、表面粗さを更に改善する(図1(g)、(h)参照)。 On the sliced SiC surface, there are many saw marks on the surface and deep SSDs below the surface. In ECMP, the entire SiC surface is oxidized, and the sites of SSDs are preferentially oxidized. In the initial polishing stage, only the convex oxide regions on the surface are removed, and the concave regions are still covered with an oxide layer (see FIG. 1(b)). Therefore, because of the barrier caused by the oxide layer, the oxidation rate of the convex regions must be greater than that of the concave regions, but the oxidation rate is greater in the convex regions because shallow SSDs are introduced in them due to friction with the hard abrasive grains. By repeating the anodization and removal of the oxide layer, the saw marks are gradually removed and the SiC surface is gradually flattened (see FIG. 1(c)). After the saw marks are removed, there are still many deep SSDs and newly introduced shallow SSDs below the SiC surface, resulting in a high oxidation rate. In this way, the deep SSDs and residual oxides are removed, and all are shallow SSDs only (see FIG. 1(d)). At this stage, high-speed polishing is no longer necessary, and low-speed polishing is switched to. The rough polishing process removes almost all shallow SSDs (see Figures 1(e) and (f)), and then the finish polishing process further improves the surface roughness (see Figures 1(g) and (h)).
これら全ての工程に、砥粒を基材に固定した固定砥粒研磨体(砥石)を用い、高価で、廃液処理のコストも高いスラリーを用いないので、コスト低減化が図れる。また、固定砥粒研磨体は、被加工物のうねりを除去するのにも適しており、低空間波長領域での平坦化にも有利である。 All of these processes use fixed abrasive polishing bodies (grindstones) with abrasive grains fixed to a substrate, and do not use slurry, which is expensive and has high waste disposal costs, resulting in cost reduction. Fixed abrasive polishing bodies are also suitable for removing waviness from the workpiece, and are also advantageous for flattening in the low spatial wavelength range.
図2は、本発明の第1実施形態の平坦化研磨装置を示し、SiCウエハを均一に研磨し、デバイスグレードの高品質ウエハを製造する。図2に示すように、被加工物としてSiCウエハ1は、スピンドル2の先端に取り付けられた絶縁層3を備えたウエハホルダー4上に固定され、砥石5と接触する。砥石5は、扇形の開口部6が多数ある金属板7に貼り付けられる。金属板7は、絶縁層8を有する回転テーブル9上に設置されている。SiCウエハ1、砥石5、金属板7を電解液10に浸す。スラリーレスECMPでは、SiCウエハ1を作用極(WE)とし、ウエハホルダー4を通して正電位を印加し、金属板7を対極(CE)として使用し、負電位を印加する。参照電極(RE)は、SiCウエハ1に印加される電位を正確に制御するために使用され、このプロセスはポテンショスタット11によって制御される。回転テーブル9の周囲には隔壁を設けて電解液10を保持する容器12とし、該容器内に前記砥石5、金属板7、ウエハホルダー4に保持されたSiCウエハ1が位置し、前記電解液10に浸される。従って、前記ポテンショスタット11、ウエハホルダー4、SiC表面、電解液10、金属板7が電気回路を形成する。印加した正電位によりSiC表面を陽極酸化することができ、ポテンショスタット11を用いて電位を制御することにより酸化レートを制御することができる。また、前記砥石5の種類やSiCウエハ1を砥石5に押し付ける圧力によって研磨レートを制御することができる。
Figure 2 shows a planarization polishing apparatus according to a first embodiment of the present invention, which uniformly polishes a SiC wafer and produces a high-quality device-grade wafer. As shown in Figure 2, a SiC wafer 1 as a workpiece is fixed on a
本発明の研磨メカニズムを図3に示す。先ず、SiCウエハ1の表面を陽極酸化により改質し、改質層をSiC表面に生成する(図3(a))。その後、改質層を砥石5で除去する(図3(b))。ECMPの初期段階では、表面の凸状酸化物領域のみが除去され、一方凹状領域は依然として酸化物層13で覆われている(図3(c))。従って、凸部領域の酸化レートは、酸化物層13によって引き起こされる障壁のために凹部領域よりも大きくなければならない。図3(a)にはSSD14を示している。陽極酸化はSSD14から優先的に起きることが確認されている。また、砥石5の砥粒がSiCよりも硬い場合、研磨に伴って表面下に浅いSSDが導入されることも確認されている。この砥石5を交換することによって、高速研磨工程に使ったり、低速研磨工程に使ったりできる。陽極酸化と酸化物の除去を繰り返すことで表面は徐々に平坦になり、ダメージのない表面が得られる。機械研磨やCMPなどの従来の研磨技術と比較して、本発明のスラリーレスECMPの次のような利点が期待される。
The polishing mechanism of the present invention is shown in FIG. 3. First, the surface of the SiC wafer 1 is modified by anodization, and a modified layer is generated on the SiC surface (FIG. 3(a)). The modified layer is then removed by the grindstone 5 (FIG. 3(b)). In the initial stage of ECMP, only the convex oxide regions on the surface are removed, while the concave regions are still covered with the oxide layer 13 (FIG. 3(c)). Therefore, the oxidation rate of the convex regions must be greater than that of the concave regions due to the barrier caused by the
先ず、高効率研磨が期待される。スラリーレスECMPの材料除去率(MRR)は主にSiC表面の陽極酸化レートによって制御される。n型SiCの陽極酸化レートは53nm/min、p型SiCの場合は1.3μm/minに達することが分かっている。スラリーレスECMPでは、MRRは、イオン交換速度の向上及び研磨運動及び圧力による力の増大によって更に改善する。その上、陽極酸化レートは電流に比例し、MRRは電流によって定量的に制御することができ、この性質はまたスラリーレスECMPの性能を改善する。 First, highly efficient polishing is expected. The material removal rate (MRR) of slurry-less ECMP is mainly controlled by the anodization rate of the SiC surface. It has been found that the anodization rate of n-type SiC can reach 53 nm/min and that of p-type SiC can reach 1.3 μm/min. In slurry-less ECMP, the MRR is further improved by increasing the ion exchange rate and the force due to the polishing motion and pressure. Moreover, the anodization rate is proportional to the current, and the MRR can be quantitatively controlled by the current, which also improves the performance of slurry-less ECMP.
第二に、ダメージのない研磨が期待できる。スラリーレスECMPでは、仕上げ研磨工程で、SiC表面を先ず陽極酸化によって改質し、次いで改質層を軟質固定砥粒研磨体によって除去する。従来の固定砥粒研磨とは異なり、砥粒の硬度はSiCよりもはるかに低いため、改質層のみが除去され、SiC表面にスクラッチやSSDは発生しない。従って、従来の硬質固定砥粒研磨の欠点は克服され、その平坦化能力は十分に利用されている。 Secondly, damage-free polishing can be expected. In slurry-less ECMP, in the finish polishing process, the SiC surface is first modified by anodization, and then the modified layer is removed by a soft fixed abrasive polishing body. Unlike conventional fixed abrasive polishing, the hardness of the abrasive is much lower than that of SiC, so only the modified layer is removed and no scratches or SSDs are generated on the SiC surface. Therefore, the disadvantages of conventional hard fixed abrasive polishing are overcome, and its planarization ability is fully utilized.
第三に、製造コストの削減が期待できる。スラリーレスECMPでは、スラリーではなく電解液が使用される。強酸化剤を適用する従来の改質技術とは異なり、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)、及び硝酸ナトリウム(NaNO3)などの中性電解液をSiCの陽極酸化に適用することができる。更に、固定砥粒構造の研磨体(砥石あるいは研磨パッド)の適用により、電解液の浪費を大幅に減らすことができる。更に、スラリーレスECMP装置に余分な高価な部品はないので、コスト低減化が図れる。 Third, a reduction in manufacturing costs can be expected. In the slurry-less ECMP, an electrolyte is used instead of a slurry. Unlike the conventional modification techniques that apply strong oxidizing agents, a neutral electrolyte such as sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), and sodium nitrate (NaNO 3 ) can be applied to the anodization of SiC. Furthermore, the use of a fixed abrasive structure polishing body (grinding wheel or polishing pad) can significantly reduce the waste of electrolyte. Furthermore, there are no extra expensive parts in the slurry-less ECMP apparatus, which can reduce costs.
最後に、SiCウエハの製造工程の簡略化が期待されている。SiCウエハの最終仕上げのためだけでなく、スラリーレスECMPは、その高いMRR及び平坦化能力のために、スライス又は粗研削/ラップ仕上げSiCウエハの加工への応用においても非常に有望である。SiCウエハの製造工程を簡略化できれば、SiCウエハの製造コストを更に低減することができ、生産効率を大幅に向上させることができる。 Finally, simplification of the manufacturing process of SiC wafers is expected. In addition to the final finishing of SiC wafers, slurry-less ECMP is also very promising for the application to processing sliced or roughly ground/lapped SiC wafers due to its high MRR and planarization ability. If the manufacturing process of SiC wafers can be simplified, the manufacturing cost of SiC wafers can be further reduced and production efficiency can be significantly improved.
図4に本発明の第2実施形態の局所研磨装置を示す。SiCウエハ21は、絶縁状態でXYテーブル22上に設置された銅板23上に固定され、作用電極(WE)として機能した。スピンドル24の先端を対極(CE)として使用した。砥石25をスピンドル24の先端に取り付けてSiC表面と接触させた。 SiC表面、砥石、及びスピンドル24の先端を容器26の電解液27に浸した。ポテンショスタット28を適用してSiC表面を陽極酸化するための陽極酸化パラメータを制御し、スピンドル24に負荷をかけ、陽極酸化しながら砥石25を特定の速度で回転させて酸化物層を除去した。このようにして、局所スラリーレスECMPが実現される。
Figure 4 shows a local polishing apparatus according to a second embodiment of the present invention. The
前記スピンドル24の先端の領域は4分割され、1/4形状の砥石25が対向位置に弾性体を介して固定され、その他の領域は電極29となる。つまり、砥石25と電極29が回転方向に交互に配置されている。そして、スピンドル24にはスリップリング30を介してポテンショスタット28の対極(CE)端子に接続されている。更に、スピンドル24の中心部には電解液の供給パイプ31が配置され、上端部でロータリージョイント32を介して循環ポンプ33に接続されている。容器26から回収された電解液を循環ポンプ33で供給パイプ31の先端に供給し、研磨面に常に新鮮な電解液を供給する。また、スピンドル24の上端部には研磨圧力を加える加圧手段も設けている。前記XYテーブル22を駆動することにより、前記SiCウエハ21は容器26と一体となってスピンドル24に対して相対変位する。
The tip area of the
<4H-SiCの陽極酸化と電位の関係>
酸化物突起と酸化電位の関係を調べるために線形走査ボルタンメトリー(LSV)を行った。LSV条件は電解液:1wt%NaCl水溶液、走査速度:5mV/s、走査範囲:0~9.8Vである。酸化電位はAg|AgCl電極を参照して正確に制御した。図5に4H-SiC(0001)基板についてのLSVの結果を示す。挿入図は0から5Vへのグラフの拡大を示す。結果は、5つの酸化期間を有する一般的な金属陽極酸化の場合と同様のIV曲線を示した。a~b(0~1.9V)は非酸化状態、b~c(1.9~2.4V)は活性状態(active state)、c~d(2.4~3.5V)は不動態(passive state)、d~e(3.5~6V)は過渡状態(transient state)、e~f(6~9.8V)は過不動態(transpassive state)である。これは、電位が1.9Vを超えると陽極酸化が起こり、不動態皮膜が1.9~3.5Vの間の酸化を抑制し、電位が3.5Vを超えると不動態皮膜の破壊が起こり、酸化が急激に増加することを示している。本発明では、仕上げ研磨工程は、不動態皮膜を破壊しない電位、高速研磨工程及び粗研磨工程は、不動態皮膜を破壊する電位で行う。
<Relationship between anodization of 4H-SiC and potential>
Linear scan voltammetry (LSV) was performed to investigate the relationship between the oxide protrusions and the oxidation potential. The LSV conditions were electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, scan rate: 5 mV/s, and scan range: 0-9.8 V. The oxidation potential was precisely controlled with reference to an Ag|AgCl electrode. Figure 5 shows the LSV results for a 4H-SiC(0001) substrate. The inset shows an enlargement of the graph from 0 to 5 V. The results showed IV curves similar to those for general metal anodization with five oxidation periods. a-b (0-1.9 V) are the non-oxidized state, b-c (1.9-2.4 V) are the active state, c-d (2.4-3.5 V) are the passive state, d-e (3.5-6 V) are the transient state, and e-f (6-9.8 V) are the transpassive state. This indicates that anodization occurs when the potential exceeds 1.9 V, the passive film suppresses oxidation between 1.9 and 3.5 V, and the passive film is destroyed and oxidation increases rapidly when the potential exceeds 3.5 V. In the present invention, the finish polishing step is performed at a potential that does not destroy the passive film, and the high-speed polishing step and the rough polishing step are performed at a potential that destroys the passive film.
LSVの結果を検証するために陽極酸化実験を行った。SiC基板を1V(未酸化状態)、3V(不動態)、5V(過渡状態)、7V及び9V(過不動態)の電位で2分間陽極酸化した。酸化表面をAFMで観察した結果を図6に示す。市販のSiC表面にはステップテラス構造が観察された。テラスは3V及び5Vでより滑らかになったことが見出され、これは表面の不動態化に起因する。7Vで酸化された表面上に酸化物突起が生成された。これらの現象をLSVの結果と組み合わせると、酸化物突起は不動態皮膜の破壊によって生成されることが分かった。 Anodization experiments were performed to verify the LSV results. SiC substrates were anodized for 2 min at potentials of 1 V (unoxidized), 3 V (passive), 5 V (transient), 7 V, and 9 V (transpassive). The oxidized surfaces were observed by AFM and shown in Figure 6. A step-terrace structure was observed on the commercial SiC surface. The terraces were found to be smoother at 3 V and 5 V, which is attributed to the surface passivation. Oxide protrusions were generated on the oxidized surface at 7 V. Combining these phenomena with the LSV results, it was found that the oxide protrusions were generated by the destruction of the passive film.
<SSDからの優先陽極酸化>
先ず、ナノインデンター(ENT-2100, Elionix Inc)を使用して、SiC基板表面に、100mNの力で、5μmの間隔で分離された400個のインデント(20×20)を形成した。図7に、陽極酸化処理におけるインデントの変化を示す。図7(a)は未処理のインデントを示す。図7(b)に示すように、酸化の最初の0.5分でインデントが酸化され、酸化がインデントの表面全体から開始したことが分かった。図7(c)に示すように、インデントの酸化レートは非常に大きく、インデントの端に位置する酸化物突起の高さは1分以内に100nm以上に達した。一方、インデントを形成していない領域の酸化レートが非常に遅く、この領域の酸化物突起の高さは1.5分間酸化しても約30nmにしか達しないことが分かっている。これは、インデントが陽極酸化プロセスにおいて優先的に酸化されたことを示している。これらのインデントはナノインデンターによって機械的に形成されたので、ダメージ層がインデントの表面上及びその直下に疑いなく導入されている。この現象は、ダメージ層が原子ピットよりも低い破壊電位及び高い酸化レートを有することを明らかにしている。
<Preferential anodization from SSD>
First, 400 indents (20 × 20) separated by 5 μm intervals were formed on the SiC substrate surface using a nanoindenter (ENT-2100, Elionix Inc) with a force of 100 mN. Figure 7 shows the change in the indents during the anodization process. Figure 7(a) shows an untreated indent. As shown in Figure 7(b), the indents were oxidized in the first 0.5 min of oxidation, and it was found that oxidation started from the entire surface of the indents. As shown in Figure 7(c), the oxidation rate of the indents was very large, and the height of the oxide protrusions located at the edge of the indents reached more than 100 nm within 1 min. On the other hand, it was found that the oxidation rate of the non-indented regions was very slow, and the height of the oxide protrusions in these regions only reached about 30 nm even after 1.5 min of oxidation. This indicates that the indents were preferentially oxidized in the anodization process. Since these indents were mechanically formed by the nanoindenter, a damage layer was undoubtedly introduced on and just below the surface of the indents. This phenomenon reveals that the damage layer has a lower breakdown potential and a higher oxidation rate than the atomic pits.
図8(a),(b)は、市販の表面(CMP処理面)を7Vで1分間酸化することにより得られた酸化表面のSEM像とエネルギー分散型X線分析(EDX)測定結果を示す。図8(d)、(e)は、市販の表面(CMP処理面)を7Vで10分間酸化し、フッ酸で酸化膜を除去し、再度7Vで1分酸化することにより得られた酸化表面のSEM像とEDX測定結果を示す。図8(a),(b)に示すように、大きな酸化物突起の発生により、CMP面の酸化は一様ではなく、また酸化表面上の酸素の分布は一様ではなく、SSDに対応する酸化物突起と線の領域に集中した。これに対し、図8(d)、(e)に示すように、表面の酸化は比較的均一で、表面の酸素は均一に分布しており、スクラッチ領域でも優先的な酸化は起こらなかった。この結果は、表面損傷を除去した後に表面が均一に酸化されたことを示している。これらの結果、SiCの陽極酸化は欠陥から優先的に起こることがわかった。 8(a) and (b) show SEM images and energy dispersive X-ray (EDX) measurements of the oxidized surface obtained by oxidizing a commercial surface (CMP-treated surface) at 7 V for 1 minute. 8(d) and (e) show SEM images and EDX measurements of the oxidized surface obtained by oxidizing a commercial surface (CMP-treated surface) at 7 V for 10 minutes, removing the oxide film with hydrofluoric acid, and oxidizing again at 7 V for 1 minute. As shown in Figs. 8(a) and (b), the oxidation of the CMP surface was not uniform due to the occurrence of large oxide protrusions, and the distribution of oxygen on the oxidized surface was not uniform, concentrating in the oxide protrusions and line regions corresponding to SSDs. In contrast, as shown in Figs. 8(d) and (e), the oxidation of the surface was relatively uniform, the oxygen on the surface was uniformly distributed, and no preferential oxidation occurred even in scratch regions. This result indicates that the surface was uniformly oxidized after removing the surface damage. These results show that the anodic oxidation of SiC occurs preferentially from defects.
<各種処理表面の内部応力比較>
図9は、SiCのスライス面(Slicing)、ダイヤモンド研磨面(Lapping)、ECMP処理面(ECMP)をそれぞれラマン分光法により測定した。ラマン分光法で使用されたレーザーの波長は532nmであった。観察中のレーザーの公称焦点位置(NFP)の変化は8μmであった。しかし、SiCの屈折率を考慮すると、SiC表面の実際の観察深さを表す実焦点位置の変化(AFP)は、NFPの場合の約2.7倍と概算された。SiC表面上の残留応力は、SiCのFTO(2/4)E2(776cm-1)ピークのシフトから導き出され、引張応力及び圧縮応力は、776cm-1からのラマンシフトに基づき-510MPa/cm-1の比を用いて計算された。
<Comparison of internal stresses of various treated surfaces>
FIG. 9 shows the Raman spectroscopy measurements of the sliced surface (Slicing), diamond polished surface (Lapping), and ECMP treated surface (ECMP). The wavelength of the laser used in the Raman spectroscopy was 532 nm. The change in the nominal focal position (NFP) of the laser during the observation was 8 μm. However, considering the refractive index of SiC, the change in the actual focal position (AFP), which represents the actual observation depth of the SiC surface, was estimated to be about 2.7 times that of the NFP. The residual stress on the SiC surface was derived from the shift of the FTO(2/4)E2 (776 cm −1 ) peak of SiC, and the tensile and compressive stresses were calculated using a ratio of −510 MPa/cm −1 based on the Raman shift from 776 cm −1 .
図9に、各種処理面の共焦点ラマン顕微鏡で観察した深さ方向の残留応力を示す。図9(a)に示すように、スライス面に多くの不規則な亀裂と粒状のSiCが観察された。残留応力の二次元分布画像は、引張応力及び圧縮応力がスライス表面上に存在し、その最大値が200MPaを超え、試験線上の引張応力が表面から最大深さ約16.2μmに達したことを示している。図9(b)に示すように、#4000ダイヤモンドラッピングプレート(2~4μmの平均粒度範囲)を使用して19.6kPaの研磨圧力で従来のラッピングによって加工された表面上には、SiCの機械的除去のために多くの引っかき傷及びピットが観察された。ダイヤモンドラップ加工面の残留応力はスクラッチやピットの位置に集中しており、残留応力とそれが存在する最大深さ(約3.8μm)はスライス面のそれより明らかに小さかった。対照的に、図9(c)に示すように、10mA/cm2の電流密度で2時間のECMP後には、陽極酸化層のみが軟質セリア砥石によって除去されたため、引っかき傷のない表面が得られた。挿入残留応力画像は、表面上及びその下にSSDが存在しないことを示し、ダメージのない表面が得られたことを示している。従って、表面の最終仕上げ工程としては、ECMPで処理された表面がより好ましい。 FIG. 9 shows the residual stress in the depth direction observed by confocal Raman microscopy of various treated surfaces. As shown in FIG. 9(a), many irregular cracks and granular SiC were observed on the sliced surface. The two-dimensional distribution image of residual stress shows that tensile and compressive stresses exist on the sliced surface, with the maximum value exceeding 200 MPa, and the tensile stress on the test line reached a maximum depth of about 16.2 μm from the surface. As shown in FIG. 9(b), many scratches and pits were observed on the surface processed by conventional lapping with a polishing pressure of 19.6 kPa using a #4000 diamond lapping plate (average grain size range of 2-4 μm) due to mechanical removal of SiC. The residual stress of the diamond lapped surface was concentrated at the position of scratches and pits, and the residual stress and the maximum depth at which it exists (about 3.8 μm) were obviously smaller than those of the sliced surface. In contrast, as shown in Fig. 9(c), after 2 hours of ECMP at a current density of 10 mA/ cm2 , only the anodized layer was removed by the soft ceria grindstone, resulting in a scratch-free surface. The inset residual stress image shows the absence of SSD on and below the surface, indicating that a damage-free surface was obtained. Therefore, the ECMP treated surface is more preferable as a final surface finishing step.
<硬質固定砥粒によるSSD導入>
SiC表面のスクラッチや表面下のダメージ(SSD)が優先的に酸化され、陽極酸化プロセスにおける無ダメージ領域よりも高い陽極酸化レートを持つことが確認された。従って、スラリーレスECMPの材料除去速度(MRR)は、ECMPの間にSiC表面に浅いSSDを導入することによって更に改善することができると予想される。図9に示すように、スライスされたSiCウエハ表面とダイヤモンドラッピングした表に、それぞれ約20μmと4μmの厚さの残留応力層が観察されている。
<Introduction of SSD using hard fixed abrasive grains>
It was confirmed that scratches and subsurface damages (SSDs) on the SiC surface are preferentially oxidized and have a higher anodization rate than undamaged areas in the anodization process. Therefore, it is expected that the material removal rate (MRR) of slurry-less ECMP can be further improved by introducing shallow SSDs on the SiC surface during ECMP. As shown in Figure 9, residual stress layers with thicknesses of about 20 μm and 4 μm are observed on the sliced SiC wafer surface and diamond lapped surface, respectively.
スラリーレスECMPのMRRは、ECMP中にSiC表面に浅いSSDを誘導することによって更に改善できる。ECMPプロセスは2つの段階に分けられる。硬質砥粒を使用したECMPと軟質砥粒を使用したECMPである。スライス面上のSSD層は非常に厚いので、MRRを改善する必要があり、そのため硬質砥粒を用いる。ECMP中に硬質砥粒により誘発された浅いSSDは、陽極酸化を促進して酸化レートを高めるので、MRRを大幅に高めることができる。深いSSDが除去された後、SiC表面上には浅いSSD層のみが存在し、それは短時間の間の軟質砥粒を用いてECMPによって除去することができる。 The MRR of slurry-less ECMP can be further improved by inducing shallow SSDs on the SiC surface during ECMP. The ECMP process is divided into two stages: ECMP with hard abrasives and ECMP with soft abrasives. The SSD layer on the slice surface is very thick, so the MRR needs to be improved, and so hard abrasives are used. The shallow SSDs induced by hard abrasives during ECMP can promote anodization and increase the oxidation rate, thus greatly increasing the MRR. After the deep SSDs are removed, only a shallow SSD layer remains on the SiC surface, which can be removed by ECMP with soft abrasives for a short time.
<本発明の研磨実験>
異なる研磨体(砥石)によって引き起こされたSSDを確認するために、CMP処理した4H-SiC(0001)表面の機械的研磨(MP)を行い、セリア研磨体によって引き起こされたSSD50他の研磨体によって引き起こされたSSDを比較評価した。従って、使用した研磨体は、平均粒径1μm(0.5~2μmの範囲、#8000)のビトリファイドボンドセリアと、平均粒径1μmのアルミナ砥石(0.5~2μm、#8000)、平均粒径0.2μmのダイヤモンド砥石(0~0.5μm、#20000)であり、SiC表面を研磨した。MPパラメータは、スピンドル回転数:1500rpm、研磨圧力:140kPa、送り速度X:10mm/s、送り速度Y:10mm/s、往復距離X:8mm、往復距離Y:8mm、研磨時間:30分、流量:380mL/min、電解液:1wt%NaCl水溶液である。
<Polishing Experiment of the Present Invention>
In order to confirm the SSD caused by different abrasives (grindstones), mechanical polishing (MP) of CMP-treated 4H-SiC (0001) surface was performed to compare the SSD caused by the ceria abrasive 50 and the SSD caused by other abrasives. The abrasives used were vitrified-bonded ceria with an average grain size of 1 μm (range 0.5-2 μm, #8000), an alumina grindstone with an average grain size of 1 μm (0.5-2 μm, #8000), and a diamond grindstone with an average grain size of 0.2 μm (0-0.5 μm, #20000), and the SiC surface was polished. The MP parameters were: spindle rotation speed: 1500 rpm, polishing pressure: 140 kPa, feed rate X: 10 mm/s, feed rate Y: 10 mm/s, reciprocating distance X: 8 mm, reciprocating distance Y: 8 mm, polishing time: 30 minutes, flow rate: 380 mL/min, and electrolyte: 1 wt % NaCl aqueous solution.
MP実験では交差研磨運動を使用し、SiC表面を30分間研磨した。図10は、異なる砥粒で機械研磨したSiC表面の走査型白色光干渉計(SWLI)画像である。セリア砥石で研磨した表面には大きな傷が多数見られたが、その傷は非常に浅く、図10(a)に示すように表面に微小な亀裂のない比較的小さな表面粗さを有していた。アルミナ砥石で研磨した表面には、図10(b)に示すように、セリア砥石と同様にMP後に大きな傷が多数発生したが、マイクロクラックが多数観察されたことから、SiC表面の脆性破壊が発生した。砥粒の粒径は非常に小さい(2μm未満)ので、セリア及びアルミナの砥石で研磨した表面の大きな引っかき傷は砥粒の凝集に起因すると考えられる。これらの結果は、単一の小さなセリアとアルミナの砥粒はSiC表面をほとんど除去することができず、セリアとアルミナの砥石を適用することによって均一なSSD層を形成することは困難であることを示している。 In the MP experiment, a cross-polishing motion was used to polish the SiC surface for 30 min. Figure 10 shows the scanning white light interferometer (SWLI) images of the SiC surface mechanically polished with different abrasive grains. The surface polished with the ceria grindstone had many large scratches, but the scratches were very shallow and had a relatively small surface roughness without microcracks on the surface, as shown in Figure 10(a). The surface polished with the alumina grindstone had many large scratches after MP, similar to the ceria grindstone, but many microcracks were observed, indicating brittle fracture of the SiC surface, as shown in Figure 10(b). Since the grain size of the abrasive grains is very small (less than 2 μm), the large scratches on the surface polished with the ceria and alumina grindstones are likely due to the agglomeration of the abrasive grains. These results indicate that a single small ceria and alumina abrasive grain can hardly remove the SiC surface, and it is difficult to form a uniform SSD layer by applying the ceria and alumina grindstones.
図10(c)は、#20000ダイヤモンド砥石で研磨した面を示している。明らかな引っかき傷は観察されず、その表面粗さはセリア砥石によって得られたものよりはるかに小さかった。これらの結果は、SiC表面にはほとんどSSDが誘起されていないことを示唆している。#8000のダイヤモンド砥石を用いてMPにより得られた表面には、ピットが多い表面が観察されたが、引っかき傷は観察されなかった。表面は他の表面と比較して粗いが、それはスライスされたSiC表面のそれよりはるかに小さい。その上、欠陥は#8000ダイヤモンド砥石で研磨された表面上で非常に均一であり、それは滑らかな表面を得るためにECMPにとって好ましい。図11にMPを用いて異なる砥石で研磨した研磨面の断面図を示す。SiC表面は、セリア、アルミナ、及び#20000ダイヤモンド砥石によってほとんど除去されなかった。#8000ダイヤモンド砥石を用いたMPでは、約10.4μmの研磨深さが観察されたが、研磨時間が30分であったため、MRRは20.8μm/hと計算することができる。従って、#8000ダイヤモンド砥石は、SiC表面の深いSSDを除去し、ECMPのMRRを向上させる上で非常に有望であることが確認できた。 Figure 10(c) shows the surface polished with a #20000 diamond wheel. No obvious scratches were observed, and the surface roughness was much smaller than that obtained by the ceria wheel. These results suggest that almost no SSDs were induced on the SiC surface. A pitted surface was observed on the surface obtained by MP with a #8000 diamond wheel, but no scratches were observed. Although the surface is rough compared with other surfaces, it is much smaller than that of the sliced SiC surface. Moreover, the defects are very uniform on the surface polished with a #8000 diamond wheel, which is favorable for ECMP to obtain a smooth surface. Figure 11 shows the cross-sectional views of the polished surfaces polished with different wheels using MP. The SiC surface was almost not removed by the ceria, alumina, and #20000 diamond wheels. In MP using a #8000 diamond grinding wheel, a polishing depth of approximately 10.4 μm was observed, but since the polishing time was 30 minutes, the MRR can be calculated to be 20.8 μm/h. Therefore, it was confirmed that the #8000 diamond grinding wheel is very promising for removing deep SSD on the SiC surface and improving the MRR of ECMP.
次に、異なる研磨体(砥石)を用いて4H-SiC表面をスラリーレスECMP研磨した。スラリーレスECMPのMRRでの促進性能を調べるために、SiCのCMP処理面をセリア、アルミナ、#20000ダイヤモンド、及び#8000ダイヤモンド砥石を使用してECMPを実施した。研磨条件は、電流密度:10mA/cm2、スピンドル回転数:1500rpm、研磨圧力:140kPa、送り速度X:10mm/s、送り速度Y:10mm/s、往復距離X:8mm、往復距離Y:8mm、研磨時間:30分、電解液:1wt%NaCl水溶液、流量:380mL/minである。CMP処理表面を30分間研磨するためにECMPにおいて交差研磨動作が使用された。 Next, the 4H-SiC surface was polished by slurry-less ECMP using different polishing bodies (grinding wheels). To investigate the acceleration performance of slurry-less ECMP in MRR, the CMP-treated surface of SiC was ECMPed using ceria, alumina, #20000 diamond, and #8000 diamond grinding wheels. The polishing conditions were: current density: 10 mA/cm 2 , spindle speed: 1500 rpm, polishing pressure: 140 kPa, feed rate X: 10 mm/s, feed rate Y: 10 mm/s, reciprocating distance X: 8 mm, reciprocating distance Y: 8 mm, polishing time: 30 min, electrolyte: 1 wt % NaCl aqueous solution, flow rate: 380 mL/min. A cross-polishing motion was used in ECMP to polish the CMP-treated surface for 30 min.
図12は、異なる研磨体(砥石)を使用してECMPで処理したSiC表面のSWLI画像である。図12に示すように、MP中のセリア、アルミナ、及び#20000ダイヤモンド砥石によってSiC表面がほとんど除去されなかったことから、これらの結果は、MRMPの増加がECMP中に誘導されるSSDによって増強されたSiC表面の陽極酸化によって引き起こされたことを示唆する。#8000ダイヤモンド砥石によって誘導されたSSD層はアルミナによって誘導されたものよりはるかに厚いので、それ故、#8000ダイヤモンド砥石によってはるかに高いMRRが得られた。そのうえ、#8000ダイヤモンド砥石の場合、ECMPにおけるMRRはMPのそれの2倍以上増加した、それは陽極酸化によるSiC表面の軟化もダイヤモンド砥石によるECMPのMRRの改善に非常に有効であることを示唆した。 Figure 12 shows SWLI images of SiC surfaces treated by ECMP using different abrasive bodies (grinding wheels). As shown in Figure 12, little SiC surface was removed by ceria, alumina, and #20000 diamond wheels in MP, so these results suggest that the increase in MRMP was caused by the anodization of the SiC surface enhanced by SSD induced during ECMP. The SSD layer induced by the #8000 diamond wheel was much thicker than that induced by alumina, therefore, a much higher MRR was obtained by the #8000 diamond wheel. Moreover, in the case of the #8000 diamond wheel, the MRR in ECMP increased by more than twice that of MP, which suggested that the softening of the SiC surface by anodization was also very effective in improving the MRR of ECMP with diamond wheels.
図13に、異なる研磨体(砥石)を使用して加工した研磨面の研磨深さを示す。陽極酸化を施した後、4つ全ての砥石によってSiC表面を除去した。#20000ダイヤモンド砥石、セリア砥石、及びアルミナ砥石の適用によって得られた研磨深さは、それぞれ1.8μm、2μm、及び4.2μmであった。しかしながら、それらは#8000ダイヤモンド砥石によって得られた研磨深さ約22.3μm、MRR約44.6μm/hよりはるかに小さかった。 Figure 13 shows the polishing depth of the polished surface processed using different polishing bodies (grinding wheels). After anodization, the SiC surface was removed by all four grinding wheels. The polishing depth obtained by applying the #20000 diamond grinding wheel, the ceria grinding wheel, and the alumina grinding wheel was 1.8 μm, 2 μm, and 4.2 μm, respectively. However, they were much smaller than the polishing depth of about 22.3 μm and MRR of about 44.6 μm/h obtained by the #8000 diamond grinding wheel.
図12(a)に示すように、セリア砥石の場合には、0.624nmのSq表面粗さ及び5.457nmのSz表面粗さを有する滑らかな表面が得られた。一方、図12(b)のアルミナ砥石の場合、図10(b)のアルミナ砥石を用いたCMP加工面のMPで得られた表面と同様に、大きなピットと広い引っかき傷のある表面がECMPによって得られた。アルミナ砥石によるSiC表面へのSSDの導入は均一ではなかったので、SSDの部位は優先的に酸化され、それは粗い表面を引き起こし、Sq表面粗さは24.757nmに達し、Sz表面粗さは191.360nmに達した。これらの粗さ値は、その後のSiC表面の最終研磨には好ましくない。図12(c)及び(d)に示すように、#20000ダイヤモンド砥石を用いてECMPで処理した表面のトポグラフィーは、#8000ダイヤモンド砥石で得られたものと同様ですが、表面粗さは低かった。#20000ダイヤモンド砥石では、研磨深さが最も浅いため、酸化物層が完全に除去されなかったと考えられる。図12(d)に示すように、#8000ダイヤモンド砥石を用いたECMPで処理された表面は、図10(d)に示すMPで得られた表面とほぼ同じであり、ECMPではSiC表面の機械的除去が行われていた。 As shown in Fig. 12(a), in the case of the ceria grinding wheel, a smooth surface with an Sq surface roughness of 0.624 nm and an Sz surface roughness of 5.457 nm was obtained. On the other hand, in the case of the alumina grinding wheel in Fig. 12(b), a surface with large pits and wide scratches was obtained by ECMP, similar to the surface obtained by MP of the CMP-processed surface using the alumina grinding wheel in Fig. 10(b). Since the introduction of SSD into the SiC surface by the alumina grinding wheel was not uniform, the sites of SSD were preferentially oxidized, which caused a rough surface, with the Sq surface roughness reaching 24.757 nm and the Sz surface roughness reaching 191.360 nm. These roughness values are not favorable for the subsequent final polishing of the SiC surface. As shown in Fig. 12(c) and (d), the topography of the surface treated by ECMP using the #20000 diamond grinding wheel was similar to that obtained with the #8000 diamond grinding wheel, but the surface roughness was lower. It is believed that the oxide layer was not completely removed with the #20000 diamond grinding wheel because the polishing depth was the shallowest. As shown in Figure 12(d), the surface treated with ECMP using the #8000 diamond grinding wheel is almost the same as the surface obtained by MP shown in Figure 10(d), and ECMP performed mechanical removal of the SiC surface.
次に、異なる研磨体(砥石)によるMPとECMPの研磨結果を図14~図17に示す。図14は#8000セリア砥石の結果、図15は#8000アルミナ砥石の結果、図16は#20000ダイヤモンド砥石の結果、図17は#8000ダイヤモンド砥石の結果をそれぞれ示し、各図で左側の(a)はMPの研磨面、中央の(b)はECMPの研磨面、右側の図は研磨深さをそれぞれ示している。それらの結果、#8000セリア砥石を用いた場合、MPでSa=1.098nm,Sq=1.385nm,Sz=9.226nm、ECMPでSa=0.480nm,Sq=0.624nm,Sz=5.457nmの結果が得られた(図14)。#8000アルミナ砥石を用いた場合、MPでSa=2.487nm,Sq=3.154nm,Sz=24.908nm、ECMPでSa=18.832nm,Sq=24.757nm,Sz=191.360nmの結果が得られた(図15)。#20000ダイヤモンド砥石を用いた場合、MPでSa=0.611nm,Sq=0.747nm,Sz=4.802nm、ECMPでSa=3.708nm,Sq=4.643nm,Sz=31.842nmの結果が得られた(図16)。#8000ダイヤモンド砥石を用いた場合、MPでSa=7.515nm,Sq=9.471nm,Sz=70.816nm、ECMPでSa=6.912nm,Sq=8.691nm,Sz=68.262nmの結果が得られた(図17)。 Next, the polishing results of MP and ECMP using different polishing bodies (grinding wheels) are shown in Figures 14 to 17. Figure 14 shows the results for the #8000 ceria grinding wheel, Figure 15 shows the results for the #8000 alumina grinding wheel, Figure 16 shows the results for the #20000 diamond grinding wheel, and Figure 17 shows the results for the #8000 diamond grinding wheel. In each figure, (a) on the left shows the polished surface of MP, (b) in the center shows the polished surface of ECMP, and the figure on the right shows the polishing depth. As a result, when the #8000 ceria grinding wheel was used, the results obtained were Sa = 1.098 nm, Sq = 1.385 nm, Sz = 9.226 nm for MP, and Sa = 0.480 nm, Sq = 0.624 nm, Sz = 5.457 nm for ECMP (Figure 14). When using the #8000 alumina grindstone, the results were Sa = 2.487 nm, Sq = 3.154 nm, Sz = 24.908 nm for MP, and Sa = 18.832 nm, Sq = 24.757 nm, Sz = 191.360 nm for ECMP (Figure 15). When using the #20000 diamond grindstone, the results were Sa = 0.611 nm, Sq = 0.747 nm, Sz = 4.802 nm for MP, and Sa = 3.708 nm, Sq = 4.643 nm, Sz = 31.842 nm for ECMP (Figure 16). When using a #8000 diamond grinding wheel, the results were Sa = 7.515 nm, Sq = 9.471 nm, Sz = 70.816 nm for MP, and Sa = 6.912 nm, Sq = 8.691 nm, Sz = 68.262 nm for ECMP (Figure 17).
これらの結果より、#8000セリア砥石を用いた場合には表面粗さは優れているが、MRRは約4μm/hと小さい。それに対して、#8000ダイヤモンド砥石を用いた場合には表面粗さはあまり良くないが、MRRは約44.5μm/hと非常に高くなる。尚、#20000ダイヤモンド砥粒を用いた場合は、MRRはセリア砥石を用いた場合と変わらなく低いことが分かる。従って、高速研磨プロセスには、#8000ダイヤモンド砥石を用いることが適していることが分かった。また、仕上げ研磨には#8000セリア砥石を用いることが適していることも確認できた。 From these results, it can be seen that when a #8000 ceria grinding wheel is used, the surface roughness is excellent, but the MRR is small at approximately 4 μm/h. In contrast, when a #8000 diamond grinding wheel is used, the surface roughness is not so good, but the MRR is very high at approximately 44.5 μm/h. It can also be seen that when a #20000 diamond abrasive is used, the MRR is as low as when a ceria grinding wheel is used. Therefore, it was found that the #8000 diamond grinding wheel is suitable for high-speed polishing processes. It was also confirmed that the #8000 ceria grinding wheel is suitable for finish polishing.
硬質固定砥粒研磨体の使用によってスラリーレスECMPのMRRは大幅に改善されることが予測されるため、#8000ダイヤモンド砥石を選択して、スライスされたSiC表面(TankeBlue Semiconductor Co. Ltd.製)の初期研磨段階に、高速研磨プロセスを実施してECMPのMRRを改善した。研磨条件は、電流密度:10mA/cm2、スピンドル回転数:1500rpm、研磨圧力:140kPa、送り速度X:10mm/s、送り速度Y:10mm/s、往復距離X:8mm、往復距離Y:8mm、研磨時間:20分、電解液:1wt%NaCl水溶液、流量:380mL/minである。砥石は、#8000ダイヤモンド砥石と#8000セリア砥石である。 Since it is expected that the use of a hard fixed abrasive polishing body will significantly improve the MRR of slurry-less ECMP, a #8000 diamond grinding wheel was selected to carry out a high-speed polishing process in the initial polishing stage of a sliced SiC surface (manufactured by TankeBlue Semiconductor Co. Ltd.) to improve the MRR of ECMP. The polishing conditions are: current density: 10 mA/ cm2 , spindle rotation speed: 1500 rpm, polishing pressure: 140 kPa, feed rate X: 10 mm/s, feed rate Y: 10 mm/s, reciprocating distance X: 8 mm, reciprocating distance Y: 8 mm, polishing time: 20 minutes, electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, flow rate: 380 mL/min. The grinding wheels are a #8000 diamond grinding wheel and a #8000 ceria grinding wheel.
スライスしたSiC表面を最初に#8000ダイヤモンド砥石を用いて、20分間ECMPで研磨して深いSSDを迅速に除去し、次いで得られた表面をセリア砥石用いて、30分間ECMPで研磨して浅いSSDを除去した。図18の左側はスライスされたSiC表面のSWLI画像を示し、その表面は0.110μmのSq表面粗さ及び1.081μmのSz表面粗さで非常に粗かった。図18の中央に示すように、#8000ダイヤモンド砥石を使用したECMPはわずか20分で、Sq表面粗さは9.768nmに減少し、Sz表面粗さは79.910nmに減少した。この結果は、スライス面の深いSSDが除去されたことを示している。図18の右側に示すように、セリア砥石によるわずか30分間の追加のECMPの後、Sq表面粗さは0.429nmに減少し、Sz表面粗さは3.299nmに減少し、これは2時間セリア砥石による直接ECMP後の表面に匹敵する。これらの結果は、スライス面の平坦化と平滑化が本発明のECMPプロセスによって実現されたことを示している。得られたSiC表面は、仕上げ研磨を実施することによって更に平滑化することができる。図19は、異なるECMP段階における研磨領域の断面図を示す。#8000ダイヤモンド砥石を用いた20分間のECMPの後、約21μmの研磨深さが得られ、セリア砥石を用いた30分間の追加のECMPの後、研磨深さは約25.6μmに増加した。ダイヤモンド及びセリア砥石を用いたECMPにおいて、それぞれ63μm/h及び9.2μm/hのMRRが得られた。これらの結果は、スライスされたウエハの粗さが50分以内に0.11μmSqから0.5nmSq未満に減少することを示した。 The sliced SiC surface was first polished by ECMP with a #8000 diamond wheel for 20 minutes to quickly remove the deep SSDs, and then the resulting surface was polished by ECMP with a ceria wheel for 30 minutes to remove the shallow SSDs. The left side of Figure 18 shows a SWLI image of the sliced SiC surface, which was very rough with a Sq surface roughness of 0.110 μm and a Sz surface roughness of 1.081 μm. As shown in the center of Figure 18, after only 20 minutes of ECMP using a #8000 diamond wheel, the Sq surface roughness was reduced to 9.768 nm and the Sz surface roughness was reduced to 79.910 nm. This result indicates that the deep SSDs on the sliced surface were removed. As shown on the right side of FIG. 18, after only 30 minutes of additional ECMP with the ceria wheel, the Sq surface roughness was reduced to 0.429 nm, and the Sz surface roughness was reduced to 3.299 nm, which is comparable to the surface after direct ECMP with the ceria wheel for 2 hours. These results indicate that the planarization and smoothing of the sliced surface was achieved by the ECMP process of the present invention. The resulting SiC surface can be further smoothed by performing a finish polish. FIG. 19 shows the cross-sectional view of the polished area at different ECMP stages. After 20 minutes of ECMP with the #8000 diamond wheel, a polishing depth of about 21 μm was obtained, and after 30 minutes of additional ECMP with the ceria wheel, the polishing depth increased to about 25.6 μm. MRRs of 63 μm/h and 9.2 μm/h were obtained for ECMP with the diamond and ceria wheels, respectively. These results showed that the roughness of the sliced wafers was reduced from 0.11 μmSq to less than 0.5 nmSq within 50 minutes.
<低速研磨工程における粗研磨工程と仕上げ研磨工程>
次に、陽極酸化パラメータの最適化による表面粗さを改善する方法を検討する。サブナノスケールの表面粗さを有するSiC表面が得られたが、研磨表面上には依然として多くの高周波表面粗さがある。酸化電流密度の増加とともにSiC表面の陽極酸化が均一になることを確認したが、酸化表面にはまだ小さなピットが多数発生している。原子的に滑らかな表面を得るためには、陽極酸化中に酸化物突起が発生してはならない。一方、LSV測定では、2.4~3.5Vの電位がSiC表面の不動態化をもたらすことがわかり、この電位では酸化物突起は生成されなかった。従って、不動態化状態にある一定の電位を有する追加のECMPは、高い電流密度を有するECMPによって得られる表面の仕上げにおいて利用可能であると考えられる。
<Rough polishing process and finish polishing process in low speed polishing process>
Next, we consider how to improve the surface roughness by optimizing the anodization parameters. Although a SiC surface with sub-nanoscale surface roughness was obtained, there is still a lot of high-frequency surface roughness on the polished surface. Although we confirmed that the anodization of the SiC surface becomes uniform with increasing oxidation current density, many small pits still occur on the oxidized surface. In order to obtain an atomically smooth surface, oxide protrusions should not occur during anodization. On the other hand, LSV measurements showed that a potential of 2.4 to 3.5 V resulted in passivation of the SiC surface, and no oxide protrusions were generated at this potential. Therefore, it is believed that additional ECMP with a certain potential in the passivation state can be utilized in finishing the surface obtained by ECMP with a high current density.
従って、高い電流密度を有するECMPは粗いECMPと考えられ、ここでは、SiC表面の全体的な平坦化を得るためにSSDの急速な除去及び表面粗さの著しい減少が行われた。次に、電位の低いECMPを仕上げECMPとして使用する。これにより、粗いECMPによって生成された表面のミクロンサイズの高周波表面粗さが除去され、表面の粗さがさらに減少する。この逐次ECMPプロセスの実現可能性を検証するために、スライスされた4H-SiC(0001)表面上に粗いECMP及び仕上げのECMPが行われた。#8000セリア砥粒を用いた粗い研磨工程の磨条件は、電流密度:10mA/cm2、スピンドル回転数:1500rpm、研磨圧力:140kPa、送り速度:10mm/s、往復距離:8mm、研磨時間:120分、電解液:1wt%NaCl水溶液、流量:380mL/minである。また、仕上げ研磨工程の磨条件は、電位:3V、スピンドル回転数:1500rpm、研磨圧力:140kPa、送り速度:10mm/s、往復距離:8mm、研磨時間:60分、電解液:1wt%NaCl水溶液、流量:380mL/minである。 Therefore, the ECMP with high current density was considered as rough ECMP, where the rapid removal of SSDs and the significant reduction of surface roughness were performed to obtain the overall planarization of the SiC surface. Then, the ECMP with lower potential was used as the finishing ECMP, which could remove the micron-sized high-frequency surface roughness of the surface generated by the rough ECMP and further reduce the surface roughness. To verify the feasibility of this sequential ECMP process, the rough ECMP and the finishing ECMP were performed on the sliced 4H-SiC (0001) surface. The polishing conditions of the rough polishing step using #8000 ceria abrasive grains were: current density: 10 mA/cm 2 , spindle speed: 1500 rpm, polishing pressure: 140 kPa, feed rate: 10 mm/s, reciprocating distance: 8 mm, polishing time: 120 min, electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, flow rate: 380 mL/min. The polishing conditions for the finish polishing process were: potential: 3 V, spindle rotation speed: 1500 rpm, polishing pressure: 140 kPa, feed speed: 10 mm/s, reciprocating distance: 8 mm, polishing time: 60 minutes, electrolyte: 1 wt % NaCl aqueous solution, flow rate: 380 mL/min.
最初に、SiC表面を10mA/cm2の電流密度で2時間ECMPにより粗研磨し、次に3Vの電位で1時間仕上げECMPを粗研磨表面上で実施した。図20の左側の像は、スライスしたままのSiC表面のSWLI像である。そして、図20の中央の像は、粗いECMPによって得られたSiC表面のSWLI像、図20の右側の像は、仕上げECMPで研磨した後のSiC表面のSWLI像を示している。粗いECMPによって得られた表面上の高周波特徴が仕上げECMPによって除去され、0.428nmのSq表面粗さおよび3.481nmのSz表面粗さを有する原子的に滑らかな表面が得られたことは明らかである。 First, the SiC surface was coarsely polished by ECMP at a current density of 10 mA/ cm2 for 2 hours, and then a finish ECMP was performed on the coarsely polished surface at a potential of 3 V for 1 hour. The left image in FIG. 20 is a SWLI image of the as-sliced SiC surface. And the center image in FIG. 20 shows a SWLI image of the SiC surface obtained by coarse ECMP, and the right image in FIG. 20 shows a SWLI image of the SiC surface after polishing by finish ECMP. It is clear that the high frequency features on the surface obtained by the coarse ECMP were removed by the finish ECMP, and an atomically smooth surface with Sq surface roughness of 0.428 nm and Sz surface roughness of 3.481 nm was obtained.
図21(a)に粗いECMPで得られた表面のAFM像、図21(b)に仕上げECMPで得られた表面のAFM像を示す。低速研磨工程、即ち粗研磨工程と仕上げ研磨工程により、SiC表面のミクロンサイズの高周波形状が完全に除去され、ステップテラス構造の表面が得られた。これらの結果は、本発明のスラリーレスECMPが、粗研磨プロセスおよび精密研磨プロセスの両方において、SiCウエハの製造に非常に有効であることを示している。本発明のスラリーレスECMPを、研削、ラッピング、CMPに置き換えることができ、SiCウエハの製造工程が簡単になる。 Figure 21(a) shows an AFM image of the surface obtained by rough ECMP, and Figure 21(b) shows an AFM image of the surface obtained by finish ECMP. By the low-speed polishing process, i.e., the rough polishing process and the finish polishing process, the micron-sized high-frequency features on the SiC surface were completely removed, and a surface with a step-terrace structure was obtained. These results show that the slurry-less ECMP of the present invention is very effective in the production of SiC wafers in both the rough polishing process and the fine polishing process. The slurry-less ECMP of the present invention can replace grinding, lapping, and CMP, simplifying the manufacturing process of SiC wafers.
図22は、前述のスラリーレスECMPに超音波振動を付加した超音波援用電気化学機械研磨(Ultrasonic Assisted Electrochemical Mechanical Polishing:UAECMP)装置の簡略図である。SiCウエハ41は、容器42の底面に開いた開口部43の下側に、ゴムリング44を介してシール状態で配置し、金属プレート45の上面に保持する。前記SiCウエハ41の研磨面に対して、下端に砥石46を取付けたスピンドル47を垂直に配置し、該砥石46を所定圧力で押し付ける。前記ようき42内には電解液48を注入し、前記SiCウエハ41の研磨面とスピンドル47の下端の電極49と砥石46を電解液48に漬ける。電源50から金属プレート45を介してSiCウエハ41に正電位を、前記電極49にはスピンドル47を介して負電位を印加し、所定の電圧、電流密度に調節して陽極酸化を起こさせる。また、スピンドル47を回転して砥石46で酸化物を研磨して除去する。更に、前記金属プレート45の底面には、超音波発生器51を設置し、該金属プレート45を介してSiCウエハ41の研磨面に超音波振動を付与する。
22 is a simplified diagram of an ultrasonic assisted electrochemical mechanical polishing (UAECMP) device that adds ultrasonic vibration to the above-mentioned slurry-less ECMP. The
図23に示すように、砥石46の砥粒52の先端は、前記SiCウエハ41の研磨面に圧接されている。ここで、砥粒52は硬質であり、具体的にはSiCより硬いダイヤモンドを用いる。この状態でSiCウエハ41が超音波振動をすると、砥粒52が研磨面に局部的に衝撃を与える。すると、SiCウエハ41の研磨面に浅いSSDが多数導入される。この超音波導入プロセスは研磨中に行うので、砥粒52の位置は絶えず変化するので、研磨面に一様にSSDが形成される。
As shown in FIG. 23, the tips of the
また、砥粒52に接触してないSiCウエハ41の表面でも超音波振動によって陽極酸化レートが高くなることが分かった。図24に、超音波振動を付与する場合と、しない場合とで陽極酸化の深さを調べた結果を示す。酸化条件は、電圧:20V、酸化時間:20分、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.8S/m、超音波の周波数:40kHz、超音波の出力:100Wである。SiCウエハ41の表面に部分的に形成された酸化膜はHFでエッチングして除去し、それにより形成された凹部の深さを計測した。この結果、平均酸化深さは、超音波がない場合より、超音波がある場合の方が約2倍増加した。
It was also found that ultrasonic vibration increases the anodization rate even on the surface of the
また、酸化膜を除去した後のSiCウエハの表面の表面粗さは、図25に示すように、超音波なしの場合でSq:2.76nmであったのが、超音波あり場合にはSq:1.68nmと改善していることが分かった。この結果、超音波付与は表面粗さを改善するうえでも効果的であることが分かった。尚、超音波なしの場合と超音波あり場合の陽極酸化の深さがほぼ同じになるように加工時間は調整している。 In addition, as shown in Figure 25, the surface roughness of the SiC wafer after removing the oxide film was improved from Sq: 2.76 nm without ultrasonic waves to Sq: 1.68 nm with ultrasonic waves. This shows that applying ultrasonic waves is also effective in improving surface roughness. The processing time was adjusted so that the anodization depth without ultrasonic waves and with ultrasonic waves were approximately the same.
次に、実際にSiCウエハを、超音波振動を付与しながらECMPで研磨した。研磨条件は、電圧:20V、研磨圧力:70kPa、軸回転数:1500rpm、研磨時間:60分、送り速度:10mm/s、超音波の周波数:40kHz、超音波の出力:100Wである。また、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.897S/m、砥石:ビトリファイドボンドセリア砥石(♯8000、粒径:1μm)を用いた。研磨面の断面を図26に示し、超音波印加することで、材料除去率が3倍以上に増加した。但し、表面粗さは通常のECMPよりも悪化したが、これは残留酸化膜の影響であり、研磨圧力を高めて研磨レートを高めて、酸化レートより研磨レートを高くすることで解消する。 Next, a SiC wafer was actually polished by ECMP while applying ultrasonic vibration. The polishing conditions were: voltage: 20 V, polishing pressure: 70 kPa, shaft rotation speed: 1500 rpm, polishing time: 60 minutes, feed rate: 10 mm/s, ultrasonic frequency: 40 kHz, ultrasonic output: 100 W. The electrolyte was a 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.897 S/m, and the grindstone was a vitrified bonded ceria grindstone (#8000, particle size: 1 μm). The cross section of the polished surface is shown in Figure 26. By applying ultrasonic waves, the material removal rate increased by more than three times. However, the surface roughness was worse than that of normal ECMP, but this was due to the influence of the residual oxide film, and this was resolved by increasing the polishing pressure to increase the polishing rate and making the polishing rate higher than the oxidation rate.
次に、石英ガラスを用いて、酸化膜の除去特性を評価した。研磨条件は、研磨圧力:70kPa、軸回転数:1500rpm、研磨時間:30分、送り速度:10mm/s、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.897S/m、超音波の周波数:42kHz、超音波の出力:100Wである。また、砥石:ビトリファイドボンドセリア砥石(♯8000、粒径:1μm)を用いた。酸化深さの結果を図27に示す。これにより、超音波を印加することで、石英ガラスの研磨深さが1.4倍増加することが分かった。 Next, the oxide film removal characteristics were evaluated using quartz glass. The polishing conditions were: polishing pressure: 70 kPa, shaft rotation speed: 1500 rpm, polishing time: 30 minutes, feed rate: 10 mm/s, electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.897 S/m, ultrasonic frequency: 42 kHz, ultrasonic output: 100 W. The grinding wheel used was a vitrified bonded ceria grinding wheel (#8000, particle size: 1 μm). The results of the oxidation depth are shown in Figure 27. This shows that the application of ultrasonic waves increases the polishing depth of quartz glass by 1.4 times.
前述のSiCウエハのUAECMPにおいて、前述の研磨条件のうち、研磨圧力を2倍の140kPaにして、研磨レートを高めて研磨した結果を図28に示す。図28(a)は、表面状態の像、図28(b)はXPS測定した結果である。表面粗さは、超音波なしのECMPで研磨した面の場合のSq:0.696nmよりも優れ、Sq:0.322nmと良好な結果を得た。また、研磨面には酸化膜は残っていないことが分かった。 Figure 28 shows the results of polishing the aforementioned SiC wafer under the UAECMP of the aforementioned polishing conditions, where the polishing pressure was doubled to 140 kPa, increasing the polishing rate. Figure 28(a) shows an image of the surface state, and Figure 28(b) shows the results of XPS measurement. The surface roughness was excellent, Sq: 0.322 nm, which is better than the surface polished by ECMP without ultrasonic waves, which had a Sq of 0.696 nm. It was also found that no oxide film remained on the polished surface.
図29に、スラリーレスUAECMPを実施した結果を示す。図29の左側のAFM像からUAECMP研磨した表面に小さいピットが存在しているが、ダメージフリーな表面が得た。表面粗さは、Sa:0.920nm、Sq:1.188nm、Sz:9.534nmであった。ダイヤモンドラッピング表面とUAECMP研磨した表面を共焦点ラマン顕微鏡で波数分解能0.1cm-1、シフト範囲±0.5cm-1で観察した深さ方向の残留応力を計測した結果、中央のダイヤモンドラッピング表面には残留応力が観察される(SSD:~4μm)が、右側のUAECMP研磨した表面には残留応力が観察されず(SSD:0μm)、高品位の表面になっていることが分かった。 FIG. 29 shows the results of slurry-less UAECMP. From the AFM image on the left side of FIG. 29, small pits are present on the UAECMP-polished surface, but a damage-free surface was obtained. The surface roughness was Sa: 0.920 nm, Sq: 1.188 nm, and Sz: 9.534 nm. The diamond-lapping surface and the UAECMP-polished surface were observed with a confocal Raman microscope at a wavenumber resolution of 0.1 cm −1 and a shift range of ±0.5 cm −1 to measure the residual stress in the depth direction. As a result, the residual stress was observed on the diamond-lapping surface in the center (SSD: 4 μm), but no residual stress was observed on the UAECMP-polished surface on the right side (SSD: 0 μm), indicating that the surface was of high quality.
図30は実用化をイメージした第4実施形態の研磨装置を示す。本装置は硬質固定砥粒研磨体を用いた高速研磨装置Aと軟質固定砥粒研磨体を用いた低速研磨装置Bとから構成される。高速研磨装置Aと低速研磨装置Bは、研磨体以外は共通の構造を有しているので、高速研磨装置Aで構造の説明をする。高速研磨装置Aは、図30(a)に示すように、回転テーブル61の上に円筒形の容器62を設け、該容器62の底面に絶縁体63を介して金属板64を配置し、該金属板64の上面に硬質固定砥粒研磨体65を取付けている。前記金属板64の中心には電極棒66が上方へ延びている。前記硬質固定砥粒研磨体65の半径部には、SiCウエハ67が回転可能なウエハホルダー68に金属電極板69を介して保持されている。金属電極板69の中心には電極棒70が上方へ延びている。そして、前記容器62には電解液71が溜められている。そして、SiCウエハ67を作用極(WE)とし、金属板64を対極(CE)とし、電解液71に浸漬した電極72を参照電極(RE)とし、それぞれポテンシオスタット73に接続している。回転する電極棒66及び電極棒70にスリップリングを介してポテンシオスタット73に接続する。
Figure 30 shows a polishing apparatus of the fourth embodiment, which is an image of practical use. This apparatus is composed of a high-speed polishing apparatus A using a hard fixed abrasive polishing body and a low-speed polishing apparatus B using a soft fixed abrasive polishing body. The high-speed polishing apparatus A and the low-speed polishing apparatus B have a common structure except for the polishing body, so the structure will be explained using the high-speed polishing apparatus A. As shown in Figure 30 (a), the high-speed polishing apparatus A has a
図30(b)に示した低速研磨装置Bは、前記高速研磨装置Aの硬質固定砥粒研磨体65の代わりに軟質固定砥粒研磨体74を取付けた構造である。その他の構造は高速研磨装置Aと同様であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省略する。SiCウエハ67を先ず高速研磨装置Aで、深いSSDを除去した後、SiCウエハ67を低速研磨装置Bに付け替えて仕上げ研磨を行うのである。尚、一つの研磨装置を用いて硬質固定砥粒研磨体65と軟質固定砥粒研磨体74を付け替えるようにしても良い。
The low-speed polishing apparatus B shown in FIG. 30(b) has a structure in which a soft fixed abrasive
図31は実用化をイメージした第5実施形態の研磨装置を示す。この研磨装置Cは、前記高速研磨装置Aと低速研磨装置Bの機能を併せ持つ構造である。研磨装置Cの構造は、研磨体以外は前記高速研磨装置Aと略同様であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省略する。本実施形態の研磨体75は、複数の硬質固定砥粒研磨体76と軟質固定砥粒研磨体77が入れ子状に配置され、図示しない昇降機構によって、硬質固定砥粒研磨体76が上方に突出する態様と、軟質固定砥粒研磨体77が上方に突出する態様とを選べるようになっている。つまり、図31(a)は硬質固定砥粒研磨体76が上方に突出した高速研磨モード、図31(b)は軟質固定砥粒研磨体77が上方に突出した低速研磨モードとなる。この場合、高速研磨から低速研磨の仕上げ研磨までSiCウエハ67を付け替える必要がないので、作業効率が向上する。
Figure 31 shows a polishing apparatus of the fifth embodiment, which is an image of practical use. This polishing apparatus C has a structure that combines the functions of the high-speed polishing apparatus A and the low-speed polishing apparatus B. The structure of the polishing apparatus C is substantially the same as that of the high-speed polishing apparatus A, except for the polishing body, so the same components are given the same reference numerals and their description is omitted. In this embodiment, the polishing
これまでの実験で、超音波振動を付与すると、SiCの酸化レートが高くなること(図24参照)、石英ガラス(酸化膜)の研磨レートも高くなること(図27参照)、そしてSiCのMRRが高くなること(図26参照)が分かっている。しかし、これまでの実験では、電解液は室温雰囲気のままで使用し、温度は制御してなかった。そこで、電解液の温度を制御しない場合、ECMPとUAECMPおいて、研磨時間に対する電解液の温度変化を調べた。サンプルは、4H-SiC(0001),N type, on-axis,ダイヤモンドラッピング面である。研磨条件は、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.8S/m、砥石:ビトリファイドボンドセリア砥石(♯8000、粒径:1μm)、電圧:25V、研磨圧力:70kPa、軸回転数:1500rpm、研磨時間:60分、送り速度:10mm/sである。UAECMPの場合、超音波の周波数:42kHz、超音波の出力:100Wである。その結果、図32に示すように、ECMPとUAECMPにおいて、研磨時間の経過に伴い電解液の温度が上昇することが分かった。予測されたことではあるが、電解液の温度の上昇はUAECMPにおいて顕著である。 Previous experiments have shown that applying ultrasonic vibration increases the oxidation rate of SiC (see Figure 24), the polishing rate of quartz glass (oxide film) (see Figure 27), and the MRR of SiC (see Figure 26). However, in previous experiments, the electrolyte was used at room temperature and the temperature was not controlled. Therefore, we investigated the temperature change of the electrolyte with respect to the polishing time in ECMP and UAECMP when the electrolyte temperature was not controlled. The sample was 4H-SiC (0001), N type, on-axis, diamond lapping surface. The polishing conditions were: electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.8 S/m, grinding wheel: vitrified bonded ceria grinding wheel (#8000, grain size: 1 μm), voltage: 25 V, polishing pressure: 70 kPa, shaft rotation speed: 1500 rpm, polishing time: 60 minutes, feed rate: 10 mm/s. In the case of the UAECMP, the ultrasonic frequency was 42 kHz and the ultrasonic output was 100 W. As a result, as shown in FIG. 32, it was found that the temperature of the electrolyte increases with the polishing time in both ECMP and UAECMP. As expected, the increase in electrolyte temperature is more noticeable in the UAECMP.
ここで、砥粒に直接接触してないSiCウエハ表面でも超音波振動によって陽極酸化レートが高くなることも分かっているので、電解液の温度がMRRに何らかの影響を及ぼしていることが推測できる。そこで、先ず、電解液の温度によって酸化レートがどのように変化するのかを調べた。先ず、電解液の温度が制御可能な実験装置によって、温度と酸化深さの関係を調べた。サンプルは、4H-SiC(0001),N type, on-axisのダイヤモンドラッピング面である。酸化深さは、サンプルに形成された酸化膜をHFでエッチングし、その深さを計測した。陽極酸化条件は、電圧:25V、酸化時間:20分、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.8S/m、温度:25、30、40、50、60℃である。電解液の温度と酸化深さの関係を図33に示す。電解液の温度の上昇とともに、酸化レートが指数関数的に高くなることが分かった。 Here, it is known that the anodization rate increases due to ultrasonic vibration even on the surface of a SiC wafer that is not in direct contact with the abrasive grains, so it can be inferred that the temperature of the electrolyte has some effect on the MRR. Therefore, first, we investigated how the oxidation rate changes with the temperature of the electrolyte. First, we investigated the relationship between temperature and oxidation depth using an experimental device that can control the temperature of the electrolyte. The sample was a diamond-lapping surface of 4H-SiC (0001), N type, on-axis. The oxidation depth was measured by etching the oxide film formed on the sample with HF. The anodization conditions were voltage: 25 V, oxidation time: 20 minutes, electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.8 S/m, and temperature: 25, 30, 40, 50, and 60°C. The relationship between the temperature of the electrolyte and the oxidation depth is shown in Figure 33. It was found that the oxidation rate increases exponentially with an increase in the temperature of the electrolyte.
また、二種類のサンプルを用いて異なる温度毎の電流密度と酸化深さの関係を調べた。サンプルは、4H-SiC(0001),N type, 4°offのCMP面とダイヤモンドラッピング面である。陽極酸化条件は、電流密度:0.1~25mA/cm2、酸化時間:20分、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.8S/m、温度:25、40、60℃である。電流密度と酸化深さの関係を図34に示す。電流密度の増加に伴い、SiCの酸化レートが飽和するので、研磨レート(MRRと同じ)を増加できないが、電解液の温度の上昇によりこの酸化レートの飽和値が増大し、研磨レートが大幅に増加することが分かった。また、最大酸化レートは、ダメージがあるダイヤモンドラッピング面の方が、ダメージのないCMP面より大きいことが確認でき、温度が高くなるとその差は小さくなることが分かった。 In addition, the relationship between the current density and the oxidation depth at different temperatures was investigated using two types of samples. The samples were a CMP surface of 4H-SiC (0001), N type, 4° off and a diamond lapping surface. The anodization conditions were current density: 0.1-25mA/cm 2 , oxidation time: 20 minutes, electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.8 S/m, and temperature: 25, 40, and 60°C. The relationship between the current density and the oxidation depth is shown in Figure 34. As the current density increases, the oxidation rate of SiC becomes saturated, so the polishing rate (same as MRR) cannot be increased, but it was found that the saturation value of this oxidation rate increases with the increase in the temperature of the electrolyte, and the polishing rate increases significantly. It was also confirmed that the maximum oxidation rate of the damaged diamond lapping surface was higher than that of the undamaged CMP surface, and the difference became smaller as the temperature increased.
次に、超音波付与によってMRRが増大する現象の本質を探るため、図22に示した装置を用いて電圧を印加せず、機械研磨(MP)と超音波を付与した機械研磨(UAMP)を行った。サンプルは、4H-SiC(0001),N type, on-axis,CMP面である。共通の研磨条件は、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.8S/m、砥石:ビトリファイドボンドセリア砥石(♯8000、粒径:1μm)、研磨圧力:70kPa、軸回転数:1500rpm、送り速度:10mm/sである。UAMPの場合、超音波の周波数:42kHz、超音波の出力:30Wである。MPの研磨時間:30分、UAMPの研磨時間:30分、1分である。 Next, to investigate the nature of the phenomenon in which the MRR increases with the application of ultrasound, mechanical polishing (MP) and mechanical polishing with the application of ultrasound (UAMP) were performed without applying voltage using the device shown in Figure 22. The sample was 4H-SiC (0001), N type, on-axis, CMP surface. The common polishing conditions were: electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.8 S/m, grinding wheel: vitrified bonded ceria grinding wheel (#8000, particle size: 1 μm), polishing pressure: 70 kPa, shaft rotation speed: 1500 rpm, feed rate: 10 mm/s. For UAMP, the ultrasonic frequency was 42 kHz, and the ultrasonic output was 30 W. MP polishing time: 30 minutes, UAMP polishing time: 30 minutes, 1 minute.
MP研磨した表面と研磨時間が異なる二種類のUAMP研磨した表面を、共焦点ラマン顕微鏡を用いて、波数分解能0.1cm-1、シフト範囲±0.1cm-1で観察した深さ方向の残留応力を計測した結果を図35に示している。図35の左側のMP研磨面には残留応力が観察されず、中央と右側の超音波振動を付与したUAMP研磨面には残留応力が観察された。図35の中央の研磨時間30分のUAMP研磨面の方が残留応力が若干多いが、右側の研磨時間1分のUAMP研磨面にも同程度の残留応力が導入された。注目すべきは、SiCよりも軟質のセリア砥粒でも超音波振動を付与することによって、SiCウエハ表面に浅いSSDが導入されるということである。超音波付与によるMRRの増大は、浅いSSDの導入が大きな要因であることが分かった。 FIG. 35 shows the results of measuring the residual stress in the depth direction observed by a confocal Raman microscope at a wave number resolution of 0.1 cm −1 and a shift range of ±0.1 cm −1 on the MP-polished surface and two types of UAMP-polished surfaces with different polishing times. No residual stress was observed on the MP-polished surface on the left side of FIG. 35, while residual stress was observed on the UAMP-polished surface to which ultrasonic vibration was applied on the center and right side. The UAMP-polished surface with a polishing time of 30 minutes in the center of FIG. 35 had slightly more residual stress, but the same level of residual stress was introduced on the UAMP-polished surface with a polishing time of 1 minute on the right side. It should be noted that even with ceria abrasive grains softer than SiC, shallow SSDs are introduced on the SiC wafer surface by applying ultrasonic vibration. It was found that the increase in MRR due to the application of ultrasonic waves is largely due to the introduction of shallow SSDs.
そこで、超音波振動の付与による材料除去率(MRR)の増大効果を確認するために、電解液の温度を制御してECMPとUAECMPのMRRを比較した。サンプルは、4H-SiC(0001),N type, on-axis,CMP面である。共通の研磨条件は、電圧:25V、研磨時間:60分、電解液:1wt%NaCl水溶液EC:1.8S/m、温度:25、30、50、60℃、砥石:ビトリファイドボンドセリア砥石(♯8000、粒径:1μm)、研磨圧力:70kPa、軸回転数:1500rpm、送り速度:10mm/sである。UAECMPの場合、超音波の周波数:42kHz、超音波の出力:30Wである。その結果を図36に示す。同じ電解液の温度で、UAECMPの材料除去率はECMPの材料除去率の約4倍であることが分かった。超音波付与によるMRRの増大効果は明らかである。また、超音波の付与の有無に係わらず電解液の温度上昇もMRRの増大に寄与していることが分かる。 In order to confirm the effect of increasing the material removal rate (MRR) by applying ultrasonic vibration, the electrolyte temperature was controlled to compare the MRR of ECMP and UAECMP. The sample was 4H-SiC (0001), N type, on-axis, CMP surface. The common polishing conditions were: voltage: 25 V, polishing time: 60 min, electrolyte: 1 wt% NaCl aqueous solution, EC: 1.8 S/m, temperature: 25, 30, 50, 60°C, grinding wheel: vitrified bonded ceria grinding wheel (#8000, particle size: 1 μm), polishing pressure: 70 kPa, shaft rotation speed: 1500 rpm, feed rate: 10 mm/s. In the case of UAECMP, the ultrasonic frequency was 42 kHz, and the ultrasonic output was 30 W. The results are shown in Figure 36. It was found that the material removal rate of UAECMP was about four times that of ECMP at the same electrolyte temperature. The effect of applying ultrasound on increasing the MRR is clear. It is also clear that the increase in electrolyte temperature contributes to the increase in MRR, regardless of whether ultrasound is applied or not.
図33及び図36に示すように、ECMPとUAECMPの全研磨段階において、電解液の温度を上昇させることで、研磨レートを大幅に向上できる。また、電解液の温度を制御することにより、研磨レートをより正確に制御することができる。 As shown in Figures 33 and 36, the polishing rate can be significantly improved by increasing the temperature of the electrolyte in all polishing stages of ECMP and UAECMP. In addition, the polishing rate can be more accurately controlled by controlling the temperature of the electrolyte.
図37に本発明の第6実施形態に係る温度制御機能を備えた局所研磨装置を示す。本実施形態は、図4に示した局所研磨装置に温度制御機能を付加した構造であり、同一構成には同一符号を付して、その説明は省略する。本実施形態の温度制御機能を備えた局所研磨装置は、前記容器26から電解液27を回収し、恒温槽78に送る回収ポンプ79と、恒温槽78から所定温度に制御された電解液27を吸い上げ、先端に砥石25を備えたスピンドル24のロータリージョイント32に供給する供給ポンプ80と、それらを接続する循環配管系81を備え、前記容器26の電解液27の温度を計測する温度計82も備えている。前記恒温槽78は、熱交換機能を備えた断熱容器83内の水浴中に熱伝導性の良い貯留容器84を浸漬し、該貯留容器84に前記電解液27が送られ、所定の温度に維持するものである。尚、温度制御機能は、どのような構造であっても良く、連続した循環配管系81の一部がヒートパイプになっていて、それが熱交換機内を通り、一つの循環ポンプで電解液を所定温度に制御して循環させるようにしても良い。
Figure 37 shows a local polishing device with a temperature control function according to the sixth embodiment of the present invention. This embodiment is a structure in which a temperature control function is added to the local polishing device shown in Figure 4, and the same components are given the same reference numerals and their description is omitted. The local polishing device with a temperature control function of this embodiment is equipped with a
図38及び図39に本発明の第7実施形態に係る超音波援用電気化学機械研磨(UAECMP)装置を示す。本実施形態は、平面状の被加工物、例えばSiCウエハ101を平坦化研磨するのに適した研磨装置である。本研磨装置は、回転可能な円盤102の上に絶縁体103を介して容器104が固定され、底面に陰極となる金属板105を敷設するとともに、複数の超音波振動子106,…を上下方向に貫通状態で配置している。そして、各超音波振動子106の上端には砥石107を取付け、該砥石107が浸漬されるように、容器104には電解液108を充填している。前記SiCウエハ101は、回転可能なウエハホルダー109に保持され、前記電解液108中で前記砥石107に所定荷重で押圧される。前記ウエハホルダー109は、回転ヘッド110の下面に絶縁層111を介して設けた真空チャック112に吸着される。そして、ポテンショスタット113に接続した前記SiCウエハ101を作用極(WE)として正電位を印加し、前記金属板105を対極(CE)とし、参照電極(RE)は電解液108中に配置している。また、図中符号114は制御用のパーソナルコンピュータ、115は前記超音波振動子106に電力を供給する超音波発生器である。勿論、本研磨装置にも電解液の温度制御機能を付加することが好ましい。図40は、第7実施形態のUAECMP装置をより実用に適した形態に変形した例であり、前記超音波振動子106の数を増やして、前記SiCウエハ101の前面に均一に超音波振動を付与して研磨できるようにしたものである。
38 and 39 show an ultrasonically assisted electrochemical mechanical polishing (UAECMP) apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. This embodiment is a polishing apparatus suitable for planarizing and polishing a planar workpiece, for example, a
図41は本発明の第8実施形態に係る局所UAECMP装置を示し、数値制御して曲面研磨に適したものである。SiC等の被加工物201が図示しないホルダーに保持され、該被加工物201の研磨面に対峙して研磨ヘッド202が配置され、該研磨ヘッド202から電解液を漏出させるとともに、所定荷重で押圧されながら相対位置を変えて任意曲面を研磨するものである。前記研磨ヘッド202は、図示しないスピンドルに固定された超音波振動ユニット203に取付けられ、先端が半球状の砥石204となっている。前記砥石204は、図41(b)に示すように、電解液が浸透可能な湿潤体205に砥粒206が埋め込まれた構造を有し、スピンドルから超音波振動ユニット203を通して供給された電解液が前記湿潤体205から漏出し、研磨面に供給されるように構成している。そして、電源207から前記被加工物201を正極、前記研磨ヘッド202内の電解液中に配置した図示しない金属を負極として電圧を印加する。勿論、前記超音波振動ユニット203には、図示しない超音波発生器から電力を供給して、前記研磨ヘッド202に超音波振動を付与する。ここで、前記湿潤体205として、多孔質ガラスや高吸水性樹脂等を用いる。また、電解液の温度を制御するために、電解液の供給系に温度制御機能を付加し、あるいは前記研磨ヘッド202内にヒーターを内蔵させることも好ましい。
Figure 41 shows a local UAECMP device according to the eighth embodiment of the present invention, which is suitable for polishing curved surfaces by numerical control. A
図42は本発明の第9実施形態に係る局所UAECMP装置を示し、本研磨装置も数値制御して曲面研磨に適したものである。本研磨装置は、第8実施形態の研磨装置に近い構造のものであり、電解液を湿潤体205からではなく、研磨ヘッド202に供給流路208と回収流路209を備えている。本実施形態の研磨ヘッド202は、図示しないスピンドルに固定された超音波振動ユニット203に取付けられ、先端が半球状の砥石204となっている。前記ヘッド202は、前記砥石204の外周に円筒部210が設けられ、該円筒部210と砥石204の間の空間が前記供給流路208となり、また前記砥石204の中心部に設けた貫通孔が前記回収流路209となっている。そして、前記回収流路209の回収配管系に設けた循環ポンプ211で電解液を回収し、温度制御機能を備えた恒温槽212に送られ、適当な温度に維持された電解液が供給配管系に設けた流量計213とバルブ214で流量を調整しながら前記供給流路208に送られる。この場合、前記被加工物201の研磨面の限られた面にのみ電解液が存在するようになり、酸化膜215の形成も局所的になる。その他の構成は、第8実施形態と同様である。尚、前記供給流路208と回収流路209の関係は逆であっても良い。
Figure 42 shows a local UAECMP device according to the ninth embodiment of the present invention, which is also suitable for polishing curved surfaces by numerical control. This polishing device has a structure similar to that of the polishing device of the eighth embodiment, and is provided with a
本発明は、単結晶SiCウエハ, 単結晶GaNウエハの表面仕上げに利用できる。また、CVD-SiCや超硬合金(WC)製金型の形状創成と表面仕上げにも利用できる。更に、宇宙望遠鏡用SiC製軽量ミラーの作製にも利用できる。 The present invention can be used for surface finishing of single crystal SiC wafers and single crystal GaN wafers. It can also be used for creating shapes and surface finishing of CVD-SiC and cemented carbide (WC) molds. It can also be used for manufacturing lightweight SiC mirrors for space telescopes.
1 SiCウエハ、 2 スピンドル、
3 絶縁層、 4 ウエハホルダー、
5 砥石、 6 開口部、
7 金属板、 8 絶縁層、
9 回転テーブル、 10 電解液、
11 ポテンショスタット、 12 容器、
13 酸化物層、
21 SiCウエハ、 22 XYテーブル、
23 銅板、 24 スピンドル、
25 砥石、 26 容器、
27 電解液、 28 ポテンショスタット、
29 電極、 30 スリップリング、
31 供給パイプ、 32 ロータリージョイント、
33 循環ポンプ、
41 SiCウエハ、 42 容器、
43 開口部, 44 ゴムリング、
45 金属プレート、 46 砥石、
47 スピンドル、 48 電解液、
49 電極、 50 電源、
51 超音波発生器、 52 砥粒、
61 回転テーブル、 62 容器、
63 絶縁体、 64 金属板、
65 硬質固定砥粒研磨体、 66 電極棒、
67 SiCウエハ、 68 ウエハホルダー、
69 金属電極板、 70 電極棒、
71 電解液、 72 電極、
73 ポテンシオスタット、 74 軟質固定砥粒研磨体、
75 研磨体、 76 硬質固定砥粒研磨体、
77 軟質固定砥粒研磨体、 78 恒温槽、
79 回収ポンプ、 80 供給ポンプ、
81 循環配管系、 82 温度計、
83 断熱容器、 84 貯留容器、
101 SiCウエハ、 102 円盤、
103 絶縁体、 104 容器、
105 金属板、 106 超音波振動子、
107 砥石、 108 電解液、
109 ウエハホルダー、 110 回転ヘッド、
111 絶縁層、 112 真空チャック、
113 ポテンショスタット、 114 パーソナルコンピュータ、
115 超音波発生器、
201 被加工物、 202 研磨ヘッド、
203 超音波振動ユニット、 204 砥石、
205 湿潤体、 206 砥粒、
207 電源、 208 供給流路、
209 回収流路、 210 円筒部、
211 循環ポンプ、 212 恒温槽、
213 流量計、 214 バルブ、
215 酸化膜、
A 高速研磨装置、
B 低速研磨装置、
C 研磨装置。
1 SiC wafer, 2 spindle,
3 insulating layer; 4 wafer holder;
5 grindstone, 6 opening,
7 metal plate, 8 insulating layer,
9 Rotary table; 10 Electrolyte;
11 potentiostat, 12 vessel,
13 oxide layer,
21 SiC wafer, 22 XY table,
23 copper plate, 24 spindle,
25 grindstone, 26 container,
27 electrolyte, 28 potentiostat,
29 Electrode, 30 Slip ring,
31 supply pipe; 32 rotary joint;
33 circulating pump,
41 SiC wafer, 42 container,
43 opening, 44 rubber ring,
45 metal plate, 46 grindstone,
47 spindle, 48 electrolyte,
49 electrode, 50 power supply,
51 ultrasonic generator, 52 abrasive grain,
61 Rotary table, 62 Container,
63 insulator, 64 metal plate,
65 Hard fixed abrasive polishing body, 66 Electrode rod,
67 SiC wafer, 68 wafer holder,
69 metal electrode plate, 70 electrode rod,
71 Electrolyte, 72 Electrode,
73 Potentiostat, 74 Soft fixed abrasive polishing body,
75 Abrasive body, 76 Hard fixed abrasive abrasive body,
77 Soft fixed abrasive polishing body, 78 Thermostatic chamber,
79 Recovery pump, 80 Supply pump,
81 Circulation piping system, 82 Thermometer,
83 Insulated container, 84 Storage container,
101 SiC wafer, 102 disk,
103 insulator, 104 container,
105 Metal plate, 106 Ultrasonic transducer,
107 grinding wheel, 108 electrolyte,
109 wafer holder, 110 rotating head,
111 insulating layer, 112 vacuum chuck,
113 potentiostat, 114 personal computer,
115 ultrasonic generator,
201 workpiece, 202 polishing head,
203 ultrasonic vibration unit, 204 grinding wheel,
205 Wet body, 206 Abrasive grains,
207 power source; 208 supply flow path;
209 recovery flow path, 210 cylindrical portion,
211 Circulation pump, 212 Thermostatic bath,
213 flow meter, 214 valve,
215 oxide film,
A high speed polishing machine,
B. Low-speed polishing machine;
C. Polishing equipment.
Claims (13)
被加工物を陽極として電圧を印加し、該被加工物の表面を酸化させる陽極酸化プロセスと、
所定硬度及び粒度の砥粒を基材に固定した固定砥粒研磨体で、前記被加工物の表面に形成された酸化物を研磨して除去する研磨プロセスと、
を同時又は交互に進行させて、前記研磨プロセスによる研磨レートが前記陽極酸化プロセスによる酸化レートより高い条件で研磨する陽極酸化を援用した研磨方法であって、
前記被加工物の材料除去率が高く、製造時に導入されたスクラッチや表面下の深いダメージまで除去する高速研磨工程と、
前記被加工物の材料除去率が低く、浅いダメージに起因する酸化物を除去して平坦化する低速研磨工程と、
を順に行い、前記高速研磨工程には前記被加工物の表面下に均一に浅いダメージを導入するダメージ導入手段を備えた、ことを特徴とする陽極酸化を援用した研磨方法。 In the presence of an electrolyte,
an anodizing process in which a voltage is applied to a workpiece as an anode to oxidize the surface of the workpiece;
a polishing process in which oxides formed on the surface of the workpiece are polished and removed using a fixed abrasive polishing body having abrasive grains of a predetermined hardness and grain size fixed to a substrate;
and (c) simultaneously or alternately proceeding with a polishing rate in the polishing process higher than an oxidation rate in the anodizing process,
a high-speed polishing process that provides a high material removal rate for the workpiece, even removing scratches and deep subsurface damage introduced during manufacture;
a low-speed polishing step in which the material removal rate of the workpiece is low and oxides resulting from shallow damage are removed and planarized;
and the high-speed polishing step is provided with a damage introducing means for introducing uniformly shallow damage under the surface of the workpiece.
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