KR20230157248A - 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액, 및, 화합물 반도체 기판의 연마 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연마액으로서 과망간산칼륨 및 질산세륨암모늄을 이용하는 경우보다 높은 연마 레이트를 실현한다.
본 발명은 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액으로서, 과망간산염과, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물이 용해된 수용액을 구비하고, 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하고, 수용액에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소의 농도 이하인 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액을 제공한다.

Description

화합물 반도체 기판 연마용의 연마액, 및, 화합물 반도체 기판의 연마 방법{POLISHING LIQUID FOR POLISHING COMPOUND SEMICONDUCTOR SUBSTRATE AND COMPOUND SEMICONDUCTOR SUBSTRATE POLISHING METHOD}
본 발명은 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액과, 화합물 반도체 기판의 연마 방법에 관한 것이다.
최근, 실리콘 단결정 기판을 이용하여 형성되어 있는 종래의 디바이스에 비교하여 고내압이며 또한 대전류를 제어 가능한 파워 디바이스가 주목되고 있다. 파워 디바이스는, 예컨대, SiC(탄화규소) 단결정 기판의 일면측에 형성된다.
SiC 단결정 기판의 일면측에 디바이스를 형성하기 전에는, 그 일면측에 CMP(Chemical Mechanical Polishing. 즉, 화학 기계 연마)를 실시하는 것이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 특허문헌 1에 기재된 연마 방법에서는, 척 테이블로 SiC 단결정 기판을 흡인 유지한 상태로, 고정 지립 패드와 SiC 단결정 기판 사이에 연마액을 공급하면서 SiC 단결정 기판을 연마한다.
특허문헌 1에서는, 특히, 과망간산칼륨(KMnO4)과 질산세륨암모늄((NH4)2Ce(NO3)6)을 연마액으로 이용함으로써, 연마 레이트를 가장 높게 할 수 있는 취지가 기재되어 있다.
예컨대, 특허문헌 1에서는, 연마 패드의 회전수(즉, 스핀들의 회전수)를 495 rpm, 척 테이블의 회전수를 500 rpm, 연마 패드로부터 척 테이블에의 압력을 1 ㎏f/㎠, 3%의 과망간산칼륨 및 0.16%의 질산세륨암모늄을 갖는 연마액의 유량을 0.15 L/min으로 한 경우에, 197 ㎚/min의 연마 레이트를 달성할 수 있었던 것이 기재되어 있다. 연마 레이트에 있어서, 197 ㎚/min은, 11.82 ㎛/h에 상당한다. 또한, 압력에 있어서, 1 ㎏f/㎠는, 약 98 ㎪에 상당한다.
종래는, 4 인치(약 100 ㎜)의 SiC 단결정 기판에 대하여 전술한 연마가 행해지고 있었지만, 4 인치를 넘는 직경을 갖는 기판을 연마하기 위한 연마 장치에서는, 연마 장치의 성능상, 50 ㎪를 넘는 압력을 인가할 수 없다고 하는 경우가 있다.
프레스톤의 법칙에 따른 연마에서는, 압력에 따라 연마 레이트가 증가하지만, 종래에 비해서 SiC 단결정 기판에 인가하는 압력을 내렸다고 해도, 종래의 연마 레이트를 넘는 높은 연마 레이트를 실현하는 것이 요구되고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2012-253259호 공보
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 연마액을 개량함으로써 종래보다 높은 연마 레이트를 실현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일양태에 따르면, 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액으로서, 과망간산염과, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물이 용해된 수용액을 구비하고, 상기 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하고, 상기 수용액에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 상기 제3족 원소, 상기 란타노이드 및 상기 제4족 원소의 농도 이하인 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액이 제공된다.
바람직하게는, 상기 과망간산염의 농도는 0.6 wt% 이상이고, 상기 수용성 화합물의 농도는 0.3 wt% 이상이다.
또한, 바람직하게는, 상기 과망간산염의 농도는 4.8 wt% 이하이고, 상기 수용성 화합물의 농도는 2.4 wt% 이하이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 화합물 반도체 기판을 연마하는 화합물 반도체 기판의 연마 방법으로서, 상기 화합물 반도체 기판을 연마 장치의 척 테이블로 유지하는 유지 공정과, 상기 화합물 반도체 기판의 일면에 대하여 지립을 갖는 연마 패드를 접촉시킨 상태로, 상기 연마 패드로부터 상기 화합물 반도체 기판에 연마액을 공급하면서 상기 화합물 반도체 기판을 연마하는 연마 공정을 포함하고, 상기 연마액은, 과망간산염과, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물이 용해된 수용액을 구비하고, 상기 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하고, 상기 수용액에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 상기 제3족 원소, 상기 란타노이드 및 상기 제4족 원소의 농도 이하인 화합물 반도체 기판의 연마 방법이 제공된다.
본 발명의 일양태에 따른 연마액은, 과망간산염과, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물이 용해된 수용액을 구비한다. 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함한다.
특히, 연마액에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소의 농도 이하이다. 그러므로, 암모늄 이온 및 암모니아가 이 농도를 넘는 경우에 비해서, 과망간산 이온에 의한 화합물 반도체 기판의 일면에 대한 산화 작용을 높게 유지할 수 있다.
화합물 반도체 기판의 일면측이 산화되면, 상기 일면측이 산화되지 않은 경우에 비해서, 산화된 상기 일면측을 연마 패드로 스무드하게 깎아 낼 수 있다. 이와 같이 암모늄 이온 및 암모니아의 농도를 낮게 함으로써, 연마액으로서 과망간산칼륨 및 질산세륨암모늄을 이용하는 경우에 비해서, 높은 연마 레이트를 실현할 수 있다.
도 1은 연마 장치의 일부 단면 측면도이다.
도 2는 연마 방법의 흐름도이다.
도 3은 종래의 연마액과 본 실시형태의 연마액을 비교한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 일양태에 따른 실시형태에 대해서 설명한다. 먼저, 본 실시형태의 연마액(1)(도 1 참조)에 대해서 설명한다. 연마액(1)은, 과망간산염과, 수용성 화합물이 용해된 수용액을 포함한다.
과망간산염으로서는, 과망간산나트륨(NaMnO4), 과망간산칼륨(KMnO4) 등이 이용된다. 또한, 후술하는 바와 같이, 과망간산염으로서는, 과망간산칼륨의 용해도에 비해서 물에의 용해도가 높은 과망간산나트륨을 이용하는 편이 바람직하다.
또한, 과망간산염은, 과망간산은(AgMnO4), 과망간산아연(Zn(MnO4)2), 과망간산마그네슘(Mg(MnO4)2), 과망간산칼슘(Ca(MnO4)2), 과망간산바륨(Ba(MnO4)2) 등의 금속 양이온을 포함하는 과망간산염이어도 좋다.
수용성 화합물로서는, (i) 강산과 제3족 원소가 화합한 수용성 화합물, (ii) 강산과 란타노이드가 화합한 수용성 화합물, 또는, (iii) 강산과 제4족 원소가 화합한 수용성 화합물이 이용된다.
강산으로서는, 질산(HNO3), 염산(HCl), 황산(H2SO4) 등을 들 수 있지만, 강산은 이 3종류에만 한정되는 것이 아니다.
(1) 제3족 원소로서는, 예컨대, 이트륨(Y)을, (2) 란타노이드로서는, 예컨대, 란탄(La) 및 세륨(Ce)을, 또한, (3) 제4족 원소로서는, 예컨대, 지르코늄(Zr)을, 각각 들 수 있다.
강산으로서 질산(HNO3)을 이용하는 경우, (1) 질산이트륨(Y(NO3)3), (2) 질산란탄(La(NO3)3), 질산세륨(Ce(NO3)3), 및, (3) 질산지르코닐(옥시질산지르코늄이라고도 불림)(ZrO(NO3)2)의 각각이, 수용성 화합물로서 이용된다.
강산으로서 염산(HCl)을 이용하는 경우, (1) 염화이트륨(YCl3), (2) 염화란탄(LaCl3), 염화세륨(CeCl3), 및, (3) 염화지르코닐(산화염화지르코늄 또는 지르코늄옥시클로라이드라고도 불림)(ZrOCl2)의 각각이, 수용성 화합물로서 이용된다.
강산으로서 황산(H2SO4)을 이용하는 경우, (1) 황산이트륨(Y2(SO4)3), (2) 황산란탄(La2(SO4)3), 황산세륨(Ce(SO4)2), 및, (3) 황산지르코닐(황산지르코늄이라고도 불림)(ZrOSO4)의 각각이, 수용성 화합물로서 이용된다.
과망간산염과, 수용성 화합물이 용해된 수용액을 포함하는 연마액(1)은, 강산성(예컨대, pH가 3 미만의 소정값)이며, 도 1에 나타내는 바와 같이, 화합물 반도체 기판(피가공물)(11)을 연마할 때에 사용된다. 즉, 연마액(1)은, 화합물 반도체 기판 연마용이다.
화합물 반도체 기판(11)은, 예컨대, 탄화규소(SiC)의 단결정 기판이지만, 질화갈륨(GaN), 갈륨비소(GaAs) 등의 다른 화합물 반도체의 단결정 기판이어도 좋다.
특히, 연마액(1)은 강산성이며, 화합물 반도체를 연마할 때에 사용된다. 이에 대하여, 실리콘 단결정 기판은, 일반적으로, 알칼리성 조건 하에서 연마가 행해지기 때문에, 실리콘 단결정 기판의 연마에는, 연마액(1)은 통상 이용되지 않는다.
또한, 연마액(1)은, 전술한 과망간산염과 수용성 화합물이 용해된 수용액에 더하여, pH 조정제, 점도 조정제, 방청제, 방부제 등의 첨가제나, 유리 지립(예컨대, 실리카(SiO2)제의 지립)을 더 포함하여도 좋다.
다음에, 화합물 반도체 기판(11)인 SiC 단결정 기판에 대하여, 과망간산나트륨(NaMnO4)과, 질산란탄(La(NO3)3)이 용해된 수용액을 포함하는 연마액(1)으로 화학 기계 연마를 실시할 때의 메커니즘에 대해서 설명한다. 또한, 다음에 설명하는 메커니즘은, 출원인의 추측이며, 실제의 메커니즘은 다를 가능성이 있다.
먼저, 화합물 반도체 기판(11)의 일면(11a)(도 1 참조)에 대하여 연마액(1)이 공급되면, 과망간산(즉, 산화제)의 산화 작용에 의해 일면(11a)측의 Si 원자가 산화되어, SiO2(산화실리콘)층이 형성된다.
또한, SiC 단결정 기판의 C 원자는, 카르복실기, 이산화탄소 등으로 변화한다. 카르복실기는, La3+나 지립에 배위하여 화합물 반도체 기판(11)으로부터 발출된다. 또한, 이산화탄소는, 탄산 이온으로서 연마액(1)에 용해되거나, 기체가 되어 연마액(1)으로부터 밖으로 배출되거나 한다.
일면(11a)측에 형성된 SiO2층은, SiC의 결정면에 비해서 부드럽다. SiO2층이 지립에 의해 물리적으로 깎여 나감으로써, 새로운 SiC의 결정면이 노출된다. 이 이후에, 동일하게, 산화에 의한 SiO2층의 형성과, 지립에 의한 물리적인 깎아 내기가, 교대로 반복된다.
이와 같이, 연마액(1)을 이용하여 일면(11a)측의 연마를 진행시키기 위해서는, 연마액(1)에 있어서 화합물 반도체 기판(11)의 일면(11a)을 산화하는 능력을 충분히 발휘시킬 필요가 있다.
본 실시형태에서는, 주로 과망간산으로 일면(11a)측을 산화한다. 과망간산은, pH가 높을 때(즉, 중성 또는 알칼리성 조건 하)보다, pH가 낮을 때(즉, 산성 조건 하)에 산화력이 강해진다.
본 실시형태에서는, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물을 이용하여 연마액(1)을 강산성으로 유지함으로써, 과망간산의 산화 능력을 충분히 발휘시킬 수 있다.
이에 대하여, 종래와 같이, 과망간산칼륨과 질산세륨암모늄이 용해된 수용액을 이용하는 경우, 과망간산이 암모늄 이온(NH4+) 및 암모니아(NH3)를 산화함으로써, 연마액(1) 중의 과망간산이 소비된다고 생각된다.
그러므로, 일면(11a)측을 산화하는 과망간산의 수가 감소하기 때문에, 과망간산의 산화 능력이 상대적으로 약해진다고 생각된다. 일면(11a)측의 산화가 진행되기 어려워지면, 지립에 의한 깎아 내기가 진행되기 어려워지고, 결과로서 연마 레이트가 저하한다고 생각된다.
반대로, 본 실시형태의 수용성 화합물은, 전술한 바와 같이, 암모늄 이온 및 암모니아를 포함하고 있지 않다(즉, 대략 0 wt%임). 그러므로, 과망간산칼륨 및 질산세륨암모늄을 갖는 종래의 연마액에 비하면, 연마액(1)에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소의 농도 이하가 된다.
예컨대, 본 실시형태의 연마액(1)에 있어서, 암모늄 이온의 농도는 이온 크로마토그래피의 정량 하한값 이하이고, 대략 0 wt%이다. 단, 연마를 행하는 클린룸 내에 존재하는 암모늄 이온이 연마액(1)에 미량으로 용해될 가능성이 있기 때문에, 연마액(1) 중의 암모늄 이온은 완전히 0 wt%가 아닐지도 모른다.
그러나, 본 실시형태의 연마액(1)에는, 제조 시에 원재료로서 암모니아, 암모늄 이온 등의 염기성 물질 및 염기성 이온이 의도적으로 첨가되어 있지 않다. 그러므로, 연마액(1)에서는, 종래의 연마액에 비해서, 과망간산의 산화 능력을 충분히 발휘시킬 수 있다.
다음에, 연마액(1)을 이용한 화합물 반도체 기판(11)의 연마 방법에 대해서 설명한다. 먼저는, 사용하는 연마 장치(2)에 대해서 설명한다. 도 1은 연마 장치(2)의 일부 단면 측면도이다. 또한, 도 1에 나타내는 Z축 방향은, 연직 방향과 대략 평행이다.
연마 장치(2)는, 원반형의 척 테이블(4)을 갖는다. 척 테이블(4)의 하면측에는, 길이 방향이 Z축 방향을 따라 배치된 회전축(도시하지 않음)이 연결되어 있다. 회전축에는, 종동 풀리(도시하지 않음)가 마련되어 있다.
척 테이블(4)의 근방에는, 모터 등의 회전 구동원(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 회전 구동원의 출력축에는, 구동 풀리(도시하지 않음)가 마련되어 있다. 구동 풀리 및 종동 풀리에는, 무단 벨트(도시하지 않음)가 걸려 있고, 회전 구동원의 동력은 척 테이블(4)의 회전축에 전달된다.
회전 구동원이 동작하면, 척 테이블(4)은 회전축의 둘레로 회전한다. 척 테이블(4), 회전 구동원 등은, 소정 방향(예컨대, Z축 방향에 직교하는 X축 방향)을 따라 이동 가능한 이동판(도시하지 않음)으로 지지되어 있다.
이동판은, 볼나사식의 이동 기구(도시하지 않음)에 의해, 척 테이블(4), 회전 구동원 등과 함께, X축 방향을 따라 이동 가능하다. 척 테이블(4)은, 세라믹스로 형성된 원반형의 프레임체(6)를 갖는다. 프레임체(6)의 상부에는, 원반형의 오목부가 형성되어 있다.
이 오목부에는 다공질 세라믹스 등으로 형성된 원반형의 포러스판(8)이 고정되어 있다. 포러스판(8)의 상면과, 프레임체(6)의 상면은, 동일 평면으로 되어 있고, 대략 평탄한 유지면(4a)을 형성하고 있다.
포러스판(8)은, 프레임체(6) 중에 형성되어 있는 유로(6a, 6b)를 통해, 진공 펌프 등의 흡인원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 흡인원을 동작시키면, 포러스판(8)의 상면에는 부압이 전달된다.
유지면(4a) 상에는, 화합물 반도체 기판(11)이 배치된다. 도 1에 나타내는 화합물 반도체 기판(11)의 타면(11b)에는, 오염, 충격 등을 막기 위해, 수지로 형성된 원형의 보호 테이프(13)가 접착되어 있다.
화합물 반도체 기판(11)은, 타면(11b)과는 반대측에 위치하는 일면(11a)이 상방을 향하도록, 타면(11b)측이 보호 테이프(13)를 통해 유지면(4a)에서 흡인 유지된다. 유지면(4a)의 상방에는, 연마 유닛(10)이 배치되어 있다.
연마 유닛(10)은, 원통형의 스핀들 하우징(도시하지 않음)을 갖는다. 스핀들 하우징의 길이 방향은, Z축 방향과 대략 평행하게 배치되어 있다. 스핀들 하우징에는, 연마 유닛(10)을 Z축 방향을 따라 이동시키는 볼나사식의 Z축 방향 이동 유닛(도시하지 않음)이 연결되어 있다.
스핀들 하우징 내에는, 원기둥형의 스핀들(12)의 일부가 회전 가능하게 수용되어 있다. 스핀들(12)의 길이 방향은, Z축 방향과 대략 평행하게 배치되어 있다. 스핀들(12)에 있어서의 상측의 일부에는, 스핀들(12)을 회전시키기 위한 모터 등의 회전 구동원(도시하지 않음)이 마련되어 있다.
스핀들(12)의 하단부에는, 원반형의 마운트(14)의 상면의 중심부가 연결되어 있다. 마운트(14)는, 유지면(4a)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 마운트(14)의 하면에는, 마운트(14)와 대략 동직경의 원반형의 연마 공구(16)가 장착되어 있다.
연마 공구(16)는, 마운트(14)의 하면에 연결된 원반형의 베이스(플래턴이라고도 칭해짐)(18)를 갖는다. 베이스(18)는, 스테인레스강 등의 금속으로 형성되어 있다. 베이스(18)의 하면에는, 베이스(18)와 대략 동직경의 연마 패드(20)가 고정되어 있다.
연마 패드(20)는, 경질 발포 우레탄 수지로 형성된 본체부를 갖는다. 이 본체부에는, 실리카제의 지립(20a)이 고정되어 있다. 즉, 연마 패드(20)는, 소위, 고정 지립 패드이다. 또한, 도 1에서는, 지립(20a)이 연마 패드(20)에 규칙적으로 그려져 있지만, 실제로는, 지립(20a)은 연마 패드(20)에 있어서 랜덤하게 배치되어 있다.
그런데, 연마 패드(20)에 있어서는, 경질 발포 우레탄 수지 대신에, 다른 경질 발포 수지나, 부직포를 이용하여도 좋다. 또한, 연마 패드(20)에는, 지립(20a)이 고정되어 있지 않아도 좋다. 이 경우, 연마액(1)에 유리 지립이 분산된다.
연마 패드(20), 베이스(18), 마운트(14) 및 스핀들(12)의 직경 방향의 중심 위치는, 대략 일치하고 있고, 이들의 중심 위치를 통과하도록, 원기둥형의 관통 구멍(22)이 형성되어 있다. 관통 구멍(22)의 상단부는, 도관(26a)에 의해 연마액 공급원(26)에 접속되어 있다.
연마액 공급원(26)은, 연마액(1)의 저류조(도시하지 않음), 저류조로부터 연마액(1)을 도관(26a)에 보내기 위한 펌프(도시하지 않음) 등을 구비한다. 연마액 공급원(26)으로부터 공급되는 연마액(1)은, 관통 구멍(22)을 통해 연마 패드(20)의 중앙부에 공급된다.
도 2는 화합물 반도체 기판(11)을 연마할 때의 연마 방법의 흐름도이다. 또한, 본 예의 화합물 반도체 기판(11)은, 직경 6 인치(약 150 ㎜)의 SiC 단결정 기판이다. 일면(11a)을 연마할 때에는, 먼저, 일면(11a)이 상방에 노출되도록, 하나의 화합물 반도체 기판(11)을 척 테이블(4) 상에 배치한다.
그리고, 화합물 반도체 기판(11)의 타면(11b)측을 유지면(4a)에서 흡인 유지한다(유지 공정 S10). 본 실시형태의 일면(11a)은 Si면이며 또한 타면(11b)은 C면이지만, 일면(11a)이 C면이며 또한 타면(11b)이 Si면이어도 좋다.
다음에, 연마 공정 S20을 행한다. 연마 공정 S20에서는, 척 테이블(4)을 소정 방향으로 회전시키며, 스핀들(12)도 소정 방향으로 회전시킨다. 회전수는, 예컨대, 척 테이블(4)을 750 rpm으로 하고, 스핀들(12)(즉, 연마 공구(16))을 745 rpm으로 한다.
이와 같이, 척 테이블(4) 및 스핀들(12) 중 한쪽의 회전수가 짝수가 되고, 다른 쪽의 회전수가 홀수가 되도록 속도차를 설정함으로써, 척 테이블(4) 및 스핀들(12)의 회전수를 동일한 값으로 한 경우와 같이 일면(11a) 및 연마 패드(20)의 동일한 영역이 소정 시간 계속해서 접촉을 거듭하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 피연삭면(일면(11a))을 상향(즉, 페이스 업)으로 하고, 피연삭면의 상방으로부터 피연삭면에 연마액(1)을 공급하기 때문에, 척 테이블(4)을 120 rpm 초과로 하여도, 피연삭면에 적절하게 연마액(1)을 공급할 수 있다.
이에 대하여, 피연삭면을 하향(즉, 페이스 다운)으로 하는 경우, 도 1에 나타내는 연마 패드(20)의 위치에 화합물 반도체 기판(11)이 배치되고, 도 1에 나타내는 척 테이블(4)의 위치에 연마 패드(20)가 배치되고, 화합물 반도체 기판(11)과 접하지 않는 연마 패드(20)의 소정 영역에 상방으로부터 연마액(1)이 공급된다.
그러나, 이와 같이 피연삭면을 하향(즉, 페이스 다운)으로 하는 경우, 연마 패드(20)의 회전수를 120 rpm 초과로 하면, 연마 패드(20)에 공급된 연마액(1)이 원심력에 의해 연마 패드(20) 밖으로 비산하기 때문에, 피연삭면에 연마액(1)이 적절하게 공급되지 않는다. 그 결과, 연마 패드(20)의 회전수를 올려도 연마 레이트가 증가하기 어렵다(즉, 프레스톤의 법칙에 따르지 않는다).
본 실시형태에서는, 페이스 업 방식을 채용함으로써, 120 rpm을 넘는 고속 회전을 행하여도 적절하게 피연삭면에 연마액(1)을 공급할 수 있다. 또한, 척 테이블(4) 및 스핀들(12)의 회전수를 올릴수록, 연마 레이트를 증가시킬 수 있다. 즉, 프레스톤의 법칙에 따른 연마를 실현할 수 있다.
연마액(1)의 유량은, 0.1 L/min 이상 0.3 L/min 이하(예컨대, 0.2 L/min)로 한다. 또한, 연마 패드(20)가 화합물 반도체 기판(11)을 압박하는 압력은, 30 ㎪ 이상 50 ㎪ 이하(예컨대, 40 ㎪)로 한다.
그러나, 본 실시형태의 연마는, 프레스톤의 법칙에 따르기 때문에, 연마의 양태에 따라 압력을 적절하게 높게 하여도 낮게 하여도 좋다. 단, 연마 장치(2)의 성능상, 압력은, 50 ㎪ 이하, 보다 바람직하게는, 40 ㎪ 이하로 한다.
연마 공정 S20에서는, 일면(11a)에 대하여 연마 패드(20)를 접촉시킨 상태로, 척 테이블(4) 및 스핀들(12)을 회전시키며 연마 패드(20)로부터 화합물 반도체 기판(11)에 연마액(1)을 공급하면서 화합물 반도체 기판(11)을 연마한다. 이때, 전술한 화학 기계 연마의 메커니즘에 따라, 일면(11a)측이 연마된다.
또한, 연마 공정 S20에서는, X축 방향 이동 기구에 의해, 소정 거리의 범위에서 척 테이블(4)을 X축 방향을 따라 요동시켜도 좋다. 즉, 연마 공정 S20에서는, 척 테이블(4)을 +X 방향으로 소정 거리 이동시킨 후, -X 방향으로 소정 거리 이동시킨다고 하는 동작을 반복하여도 좋다.
소정 거리는, 화합물 반도체 기판(11)의 반경보다 작고, 보다 바람직하게는, 화합물 반도체 기판(11)의 직경의 1/10보다 작다. 화합물 반도체 기판(11)의 직경이 6 인치(약 150 ㎜)인 본 실시형태에서는, 소정 거리를 10 ㎜로 한다.
이와 같이, 연마 공정 S20에서 척 테이블(4)의 요동을 행함으로써, 요동시키지 않는 경우에 비해서, 일면(11a)측을 보다 균일하게 연마할 수 있다(예컨대, TTV(total thickness variation)를 보다 낮게 할 수 있음)는 이점이 있다.
(제1 실험) 다음에, 도 3을 참조하여, 제1 실험에 대해서 설명한다. 도 3은 종래의 연마액(실험예 1 및 실험예 2)과, 본 실시형태의 연마액(1)(실험예 3 및 실험예 4)의 연마 레이트를 비교한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 3의 실험예 1부터 실험예 4에서는, 가부시키가이샤 애드마테크스 제조의 실리카 지립(제품명: SO-E2, 입경은 0.4 ㎛ 내지 0.6 ㎛)이 경질 발포 우레탄 수지의 패드에 고정된 고정 지립 방식의 연마 패드(20)를 이용하였다. 또한, 연마 조건을 하기와 같이 하였다.
척 테이블(4)의 회전수: 750 rpm
연마 패드(20)의 회전수: 745 rpm
연마액의 유량: 0.2 L/min
연마 패드(20)로부터의 압력: 39.2 ㎪
연마 시간: 620 s
화합물 반도체 기판(11): SiC 단결정 기판
화합물 반도체 기판(11)의 직경: 6 인치(약 150 ㎜)
피연마면: Si면
실험예 1(종래예)에서는, 60 g의 질산세륨암모늄을 충분한 양의 순수에 첨가하고, 이것에 120 g의 과망간산칼륨을 더 첨가하고, 계속해서, 이것을 순수로 10 L 희석한 후, 교반기를 이용하여 100 rpm으로 30분간 교반함으로써, 과망간산칼륨이 1.2 wt%, 질산세륨암모늄이 0.6 wt% 용해된 10 L의 연마액을 준비하였다.
실험예 2(종래예)에서는, 60 g의 질산세륨암모늄을 충분한 양의 순수에 첨가하고, 이것에 120 g의 과망간산나트륨을 더 첨가하고, 계속해서, 이것을 순수로 10 L 희석한 후, 교반기를 이용하여 100 rpm으로 30분간 교반함으로써, 과망간산나트륨이 1.2 wt%, 질산세륨암모늄이 0.6 wt% 용해된 10 L의 연마액을 준비하였다.
실험예 3(본 실시형태의 일례)에서는, 79.94 g의 질산란탄(Ⅲ)육수화물을 충분한 양의 순수에 첨가하고, 이것에 120 g의 과망간산칼륨을 더 첨가하고, 계속해서, 이것을 순수로 10 L 희석한 후, 교반기를 이용하여 100 rpm으로 30분간 교반함으로써, 과망간산칼륨이 1.2 wt%, 질산란탄이 0.6 wt% 용해된 10 L의 연마액(1)을 준비하였다.
실험예 4(본 실시형태의 다른 예)에서는, 79.94 g의 질산란탄(Ⅲ)육수화물을 충분한 양의 순수에 첨가하고, 이것에 120 g의 과망간산나트륨을 더 첨가하고, 계속해서, 이것을 순수로 10 L 희석한 후, 교반기를 이용하여 100 rpm으로 30분간 교반함으로써, 과망간산나트륨이 1.2 wt%, 질산란탄이 0.6 wt% 용해된 10 L의 연마액(1)을 준비하였다.
또한, 실험예 1 내지 실험예 4에서는, 고정 지립 방식의 연마 패드(20)를 이용하기 때문에, 연마액에 유리 지립은 포함되어 있지 않다. 즉, 각 농도는, 지립을 포함하지 않는 연마액에 있어서의 wt%를 의미한다.
실험예 1 내지 실험예 4에서는, 전술한 연마 조건에 따라 SiC 단결정 기판의 Si면측을 연마하였다. 실험예 1의 연마 레이트는 5.22 ㎛/h가 되고, 실험예 2의 연마 레이트는 6.78 ㎛/h가 되었다. 이와 같이, 종래의 연마액을 이용한 실험예 1 및 실험예 2에서는, 목표로 하는 연마 레이트 7.00 ㎛/h에는 미치지 못하였다.
이에 대하여, 실험예 3의 연마 레이트는 8.09 ㎛/h가 되고, 실험예 4의 연마 레이트는 8.53 ㎛/h가 되어, 목표로 하는 연마 레이트 7.00 ㎛/h를 넘을 수 있었다.
전술한 바와 같이 암모늄 이온 및 암모니아의 농도를 낮게 함으로써, 종래와 같이 연마액으로서 과망간산칼륨 및 질산세륨암모늄을 이용하는 경우에 비해서, 높은 연마 레이트를 실현할 수 있었다고 생각된다.
또한, 과망간산칼륨에 비해서 과망간산나트륨을 이용하는 쪽이, 연마 레이트가 향상한 이유는, 과망간산나트륨의 용해도가, 과망간산칼륨의 용해도보다 높은 것에 기인하고 있다고 생각된다.
예컨대, 25℃, 100 g의 순수에 대한 과망간산나트륨 용해도는 61.6 g인 데 대하여, 25℃, 100 g의 순수에 대한 과망간산칼륨의 용해도는 7.5 g이다.
용해도가 높은 쪽이 과망간산의 수가 증가하고, 과망간산의 수가 증가할수록, SiC 단결정 기판을 산화하기 쉽기 때문에, 연마 레이트의 증가로 이어졌다고 추측된다. 또한, 이것은 출원인의 추측이며, 연마 레이트의 증가는, 다른 요인에 기인할 가능성도 있다.
(제2 실험) 다음에, 과망간산나트륨 및 질산란탄이 용해된 수용액을 포함하는 연마액(1)을 이용하여, 화합물 반도체 기판(11)인 SiC 단결정 기판을 연마한 실험 결과를 나타낸다(표 1 및 표 2 참조).
또한, 연마 조건은, 연마 패드(20)로부터 화합물 반도체 기판(11)에의 압력을 40.0 ㎪로 한 것 이외에, 전술한 연마 조건과 동일한 연마 조건으로 하였다. 또한, Si면의 연마 시간은 전술과 동일하게 620 s로 하였지만, C면의 연마 시간은 140 s로 하였다.
표 1은 연마액(1) 중의 과망간산나트륨 및 질산란탄의 각 농도에 따른 Si면의 연마 레이트를 나타낸다.
표 2는 연마액(1) 중의 과망간산나트륨 및 질산란탄에 따른 C면의 연마 레이트를 나타낸다.
표 1 및 표 2로부터 분명한 바와 같이, 과망간산나트륨의 농도를 0.60 wt% 이상, 또한, 질산란탄의 농도를 0.30 wt% 이상으로 하면, 연마가 비교적 어렵다고 하는 Si면을 연마하는 경우라도, 목표로 하는 연마 레이트 7.00 ㎛/h를 달성할 수 있다.
또한, 과망간산나트륨의 농도를 4.80 wt% 이하, 또한, 질산란탄의 농도를 2.40 wt% 이하로 함으로써, 연마액(1)의 재료비의 증가를 억제하면서, 충분한 연마 레이트를 얻을 수 있다.
그 외에, 전술한 실시형태에 따른 구조, 방법 등은, 본 발명의 원하는 범위를 일탈하지 않는 한에 있어서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다. 예컨대, 연마액(1)에 이용되는 수용성 화합물은, 질산란탄에 한정되지 않는다.
질산이트륨, 질산세륨, 및, 질산지르코닐을 이용한 경우라도, 동일한 메커니즘에 의해, 질산세륨암모늄을 이용하는 경우에 비해서, 높은 연마 레이트를 실현할 수 있는 것은 합리적으로 추측할 수 있다.
동일하게, 염화이트륨, 염화란탄, 염화세륨, 및, 염화지르코닐을 이용한 경우나, 황산이트륨, 황산란탄, 황산세륨, 및, 황산지르코닐을 이용한 경우라도, 질산세륨암모늄을 이용하는 경우에 비해서, 높은 연마 레이트를 실현할 수 있는 것은 합리적으로 추측할 수 있다.
그러므로, 다른 족의 천이 금속 원소를 조합하여 연마액(1)에 이용하여도 좋다. 예컨대, 질산이트륨, 질산란탄 및 질산지르코닐의 2종류 이상을 적절하게 조합하여 연마액(1)에 이용하여도 좋다. 즉, 연마액(1)에 이용하는 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하고 있으면 좋다.
또한, 질산과, 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하는 천이 금속 원소의 수용성 화합물(즉, 질산계의 수용성 화합물)과, 황산과, 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하는 천이 금속 원소의 수용성 화합물(즉, 황산계의 수용성 화합물)을 연마액(1)에 있어서 조합하여도 좋다.
그런데, 연마 공정 S20에서는, 관통 구멍(22)으로부터 연마액(1)을 공급하는 대신에, 척 테이블(4)의 직경 방향의 외측에 배치된 스프레이 노즐로부터, 화합물 반도체 기판(11)과 접하지 않는 연마 패드(20)의 하면측의 영역에 연마액(1)을 분출함으로써, 연마 패드(20)로부터 화합물 반도체 기판(11)에 연마액(1)을 공급하여도 좋다.
1: 연마액 2: 연마 장치
4: 척 테이블 4a: 유지면
6: 프레임체 6a, 6b: 유로
8: 포러스판 10: 연마 유닛
12: 스핀들 14: 마운트
11: 화합물 반도체 기판 11a: 일면
11b: 타면 13: 보호 테이프
16: 연마 공구 18: 베이스
20: 연마 패드 20a: 지립
22: 관통 구멍 26: 연마액 공급원
26a: 도관 S10: 유지 공정
S20: 연마 공정

Claims (4)

  1. 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액으로서,
    과망간산염과, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물이 용해된 수용액을 구비하고,
    상기 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하고,
    상기 수용액에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 상기 제3족 원소, 상기 란타노이드 및 상기 제4족 원소의 농도 이하인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액.
  2. 제1항에 있어서, 상기 과망간산염의 농도는 0.6 wt% 이상이고, 상기 수용성 화합물의 농도는 0.3 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 과망간산염의 농도는 4.8 wt% 이하이고, 상기 수용성 화합물의 농도는 2.4 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 기판 연마용의 연마액.
  4. 화합물 반도체 기판을 연마하는 화합물 반도체 기판의 연마 방법으로서,
    상기 화합물 반도체 기판을 연마 장치의 척 테이블로 유지하는 유지 공정과,
    상기 화합물 반도체 기판의 일면에 대하여 지립을 갖는 연마 패드를 접촉시킨 상태로, 상기 연마 패드로부터 상기 화합물 반도체 기판에 연마액을 공급하면서 상기 화합물 반도체 기판을 연마하는 연마 공정
    을 포함하고,
    상기 연마액은,
    과망간산염과, 강산 및 천이 금속 원소가 화합한 수용성 화합물이 용해된 수용액을 구비하고,
    상기 천이 금속 원소는 제3족 원소, 란타노이드 및 제4족 원소 중 적어도 1종류의 원소를 포함하고,
    상기 수용액에 포함되는 암모늄 이온 및 암모니아의 농도는 상기 제3족 원소, 상기 란타노이드 및 상기 제4족 원소의 농도 이하인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 기판의 연마 방법.
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