(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
半導体を製造する工程には、インゴットをウエハに切断し、研磨する加工工程が含まれている。
従来、ウエハを研磨する装置として、次のような化学的機械研磨加工装置が知られている。
下記特許文献1には、固定砥粒式ワイヤを往復動させ、インゴットを下方に送り、切断することが示されており、ドレッシング装置を構成する筒状の電極には、ノズルを介して導電性液を供給し、電解電源を印加することにより、ワイヤの表面から砥粒結合材の一部を溶出させ、ドレッシングを行っている。
【0003】
また、下記特許文献2には、研磨パッドに、上方のノズルから研磨砥粒を含む電解液を供給し、デバイスウエハの表面に対し、化学的機械研磨加工を行うことが記載されている。
そして、研磨パッドとデバイスウエハの導体層との間に、電源からの電圧を印加することにより、導電体層の表面に電気化学的な保護膜を形成するとともに、保護膜を機械的に除去することにより、導電体層を電気化学的に溶解除去を行っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、高耐圧、低損失の半導体デバイスとして、SiCが注目されている。
しかし、SiCは、シリコンと比較して、硬度が非常に高く、研磨加工には、これより硬度の高い、ダイヤモンドやCBNを砥粒として使用する必要があるが、これらはいずれも高価で、製造コスト高騰の要因となっている。しかも、このようにSiCより硬度の高い砥粒を使用すると、母材自体も損傷する可能性があり、特に高集積化する際の歩留まりの悪化などを招く。
【0006】
先行技術文献2には、研磨パッドとデバイスウエハの導体層との間に、電源からの電圧を印加して、導電体層を電気化学的に溶解することが示されているが、これはあくまでも、導電体
層の除去を目的とするもので、
SiCそのものの研磨には利用できない。このことは、先行技術文献1のワイヤソーについても同様である。
【0007】
そこで、本発明の目的は、研磨砥粒として、SiCより硬度が低いものの、きわめて安価なアルミナ、炭化珪素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素(シリカ)、酸化ジルコニウム、酸化セリウム等により、SiC半導体ウエハの効率的な研磨、切断を可能とするとともに、基材へのダメージを低減した精度の高い加工を実現することにある。
特に酸化セリウムは価格が安いことに加え、同材料が持つ化学的性能から生成されたSiO
2を効率よく加工する(CMP)ことが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の課題を達成するため、発明者らは、SiCを電解液(10w%硝酸ナトリウム等)に浸漬して電解加工を行うことにより、電解電流を効率よく流し、SiC基板表面に電解酸化物、水酸化物(以下、SiC変性被膜)を生成し、SiCより硬度が低い砥粒より、加工部位の硬度を低下することに着目した。
すなわち、SiC硬度>砥粒硬度>SiC変性部硬度とすることにより、SiCより硬度が低く、安価な研磨砥粒により、SiC変性部を効率的に切断、研磨可能となる。
【0009】
具体的には、本発明のワイヤーソーは、表面に砥粒を固定したワイヤー、あるいは、スラリーとし砥粒が供給されるワイヤーにより、SiCインゴットを切断するワイヤーソーであって、前記ワイヤーと前記SiCインゴットの接触部に電解加工液を供給するとともに、前記ワイヤーと前記SiCインゴットとの間に電解電圧を印加し、前記SiC
インゴットと前記ワイヤーの間を流れる電解電流値を測定し、前記電解電流値の一定時間における変化率が所定の範囲になるよう、前記電解電圧、前記ワイヤーの張力、ワイヤー速度をフィードバック制御する制御手段を設け、前記SiCインゴットにおける前記ワイヤーとの接触部に、前記SiCインゴットの母材より硬度の低いSiC変性被膜を形成し、前記砥粒の硬度を、該SiC変性被膜より硬度が高く、かつ、前記SiCインゴットの母材より硬度の低いものとした。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、SiC母材と
ワイヤソーの加工部であるワイヤの間に電解電圧を印加することにより、SiC母材表面に、この母材より硬度の低いSiC変性被膜を形成し、砥粒の硬度を、SiC変性被膜より硬度が高く、かつSiCの母材より硬度の低いものにできるので、ダイヤモンド、CBN等の高価な砥粒を使用することなく、きわめて安価なアルミナ、炭化珪素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素(シリカ)、酸化ジルコニウム、酸化セリウム等により、SiC半導体ウエハの効率的
な切断を行うことが可能となる。またSiC母材よりも硬度の小さい砥粒を用いることで、母材への損傷を抑制することが可能となる.
【発明を実施するための形態】
【0012】
図1は、本発明
の原理を利用した研磨装置の概略図を示している。
回転ステージ1には、加工槽2が一体的に取り付けられており、その内部に、SiCからなるワーク3が、電解性の加工液に浸漬された状態で位置決めされている。加工槽2には、ポンプ4により加工液が循環するようになっている。
一方、アーム5の一方には、モータ6により回転駆動される電極工具7が取り付けられており、アーム5の他方に設けたウエイト8により重量的なバランスを確保している。
そして、図示しない制御装置により、電極工具7の研磨面をワーク3を所定の研磨圧で押圧し、回転ステージ1により回転する加工槽2に位置決めされたワーク3に対し、研磨を行う。その際、電極工具7と回転ステージ1との間に、直流の加工電圧を印加し、ワーク3を陽極、電極工具7を陰極として、対向する両者の表面間に、電位差を発生させている。なお、この制御装置には、市販の電流測定器、電圧測定器を用いて、ワーク3と表面電極工具7間の電圧(電解電圧)、電流(電解電流)が入力されている。
【0013】
電解性の加工液として、10w%硝酸ナトリウム、研磨砥粒として、アルミナを用いる。なお、硝酸ソーダ(硝酸ナトリウム)20w%水溶液に1w%のアルミナを混入したものでもよい。また、電極工具7の回転数は40rpm、回転ステージ1の回転数は、1500rpmとした。
【0014】
電極工具7のワーク3に対する研磨圧は6.7kPaとし、電極工具7と回転ステージ1との間に印加する電圧は17Vとした。なお、電解加工、電解砥粒研磨加工の重要なパラメータである電流密度(A/cm
2)については、100mA/cm
2程度とし、電解電流について、設定値へのフィードバック制御を行っている。
ここで、電極工具7と回転ステージ1との間に電圧を印加すると、SiCからなるワーク3の表面には、SiC変性被膜が形成され、このSiC変性被膜は、SiCの母材より硬度が低下し、研磨砥粒としたアルミナの硬度以下となる。一方、SiC変性被膜はSiC母材より、抵抗が大きくなり、
図2のような特性を示す。
この特性に基づき、電極工具7と回転ステージ1との間に印加する電圧を一定としたとき、SiC変性被膜の電解研磨が進行するにつれ、電極工具7−回転ステージ1との間の抵抗が小さくなり、両者間を流れる電解電流の値が高くなることを利用して、SiC変性被膜層の形成状態、及び、アルミナを研磨砥粒としたSiC変性被膜層の研磨終了を検知することができる。
【0015】
図3に、加工処理フローを示す。
(S0)の処理開始後、(S1)で回転ステージ1に取り付けられた加工槽2の内部に、ワーク3を位置決めし、(S2)でアーム5を伸縮、回転させ、水平面におけるX方向、Y方向に位置決めする。
(S3)で初期の加工条件(電極工具7、回転ステージ1の回転数、研磨圧、電解電圧等)を設定し、(S4)でこの初期の加工条件に基づき、電極工具7、回転ステージ1を回転させる。ここで、初期の電解電圧値の設定値を高くすることにより、より深層までの電解研磨を行うことができ、研磨仕上げ精度に応じて、最適な初期電解電圧値の設定値を選択することができる。
電解研磨開始時は、(S5)で加工が完了していないと判定され、(S6)で電解電流を測定し、(S7)で、この電解電流値が設定値以上であれば、(S8)で加工電圧、研磨圧、電極工具7、回転ステージ1の回転数を減少させる。
【0016】
(S7)で測定した電解電流が設定値以上でなければ、(S9)で電解電圧、研磨圧、電極工具7、回転ステージ1の回転数を増加させる。
【0017】
ここで、ワーク3と電極工具7の対向面積、そして、両者間に印加する電解電圧を一定とした場合、
図2の特性から、両者間を流れる電解電流値により、SiC変性被膜の厚さを判別することが可能になる。
したがって、ワーク3と電極工具7との間に電圧を印加して電解研磨を行う際、研磨圧、電極工具7、回転ステージ1の回転数等を増加させると、機械的研磨作用が活性化され、SiC変性被膜が研磨されて次第に薄くなり、抵抗値が減少し、電解電流が増加していくことになる。
【0018】
このように、機械研磨作用を活性化していくと、最終的にSiC変性被膜がほとんどなくなり、
図2の左端に示すように、SiC本来の抵抗値に由来する電流値に収束する。
一方、電解電圧を高めると、再び電解作用が活性化され、SiC変性被膜が厚くなる方向に作用する。
そこで、研磨加工を継続する理想の電解研磨状態を、SiC変性被膜が丁度0となる状態として、
図2の左上領域となるよう、電解電圧、そして、研磨圧、電極工具7、回転ステージ1の回転数等を変化させ誘導すればよい。そして、SiC変性被膜が零に近くなると、
図2から明らかなように、電解電流の変化率、すなわち、SiC変性被膜が薄くなる方向の膜厚変化に対し、電流上昇率が減少するので、この電流上昇率が所定値以下に減少したのを検知することにより、(S5)で、加工完了とすべき最適研磨条件を判定することができる。
【0019】
図4は、さらに電解電流値の変化に基づき、さらに最適研磨条件を再導出するタイミングを検出するものである。
(S10)〜(S14)までは、
図2における(S0)〜(S4)と同様である。
(S15)で電解電流値を測定し、メモリに保存し、(S16)で、記憶した前回までの電解電流値と今回の電解電流値により、電解電流値の予測値を算出する。
(S17)で予測値の算出が行われたことが判定されると、(S18)で、予測値に基づき、電解電流値の変化率を算出する。
【0020】
一方、処理工程の初期など、(S17)で予測値の算出ができないことが判定されると、(S19)で、加工電圧、研磨圧、電極工具7、回転ステージ1の回転数等の加工条件を単位ステップで増加させ、(S17)で予測値の算出が可能となるまで、(S15)に戻り、これを繰り返す。
(S18)で変化率が算出されると、(S20)で、変化率が設定値以上か否か判定する。
変化率が設定値以上である場合、(S21)で、電解電圧、加工力(押圧力)、電極工具、回転ステージ等の加工条件を単位ステップで増加させた後、再び、(S15)に戻り、加工を継続させる。
【0021】
(S20)で、変化率が設定値より小さくなったことが判定されると、(S22)で、その時点の加工条件で継続して加工を行う。
一方、研磨工程の進行に伴い、電極工具7がワーク3内に進入し、ワーク3に対する側面の対向面積が次第に増大していく。このように、対向面積が変化すると前述の最適研磨条件における電流値が変化することになる。
そこで、(S23)で、加工中の電流値が設定した範囲を超える場合、あるいは下回る場合は、再度最適加工条件を導出するため、(S13)の初期加工条件設定に戻り、上述した処理フローに戻る。
これらのフローを繰り返し、設定した加工深さが得られたことが確認されると、(S24)で、加工終了条件が満足されたとして加工を終了する。
なお、実際の研磨処理では、
図3、
図4いずれの処理フローでも、研磨加工が終了するまで、1時間程度の時間を要した。
【実施例】
【0022】
図5に、
本発明の実施例を概略図で示す。
図5に示されるように、上下方向に移動可能なテーブル10には、SiCインゴット11が位置決めされており、3つのローラー12、12a(主軸ローラー)、12bcに巻回されたワイヤ13を往復動させ、テーブル10を徐々に上昇させることで、SiCインゴット11を複数枚にスライスする。なお、ワイヤ13には、砥粒としてアルミナが固定されている。またワイヤ13に砥粒を固定せず、スラリーとして砥粒を供給するようにしてもよい。
なお、一般的には、このようなワイヤソーの場合、一定の張力(数十N)のワイヤを一定速度で走らせ(数十m/s)ながら切り込み方向に一定速度(数百um/min)でワークを供給している。
【0023】
その際、SiCインゴット11とワイヤ13の接触部位に、3つのローラーのうち、下方に位置する12a、12b間に配設した砥粒液供給ノズル14から、電解性の加工液である砥粒液を供給し、SiCインゴット11を陽極、ワイヤ13に電気的に導通するローラー12bを陰極として、直流電圧を印加する。これにより、SiCインゴット11とワイヤ13との接触部には、SiC変性被膜が形成され、このSiC変性被膜は、SiCの母材より硬度が低下し、ワイヤ13に固定したアルミナの硬度以下となり、効率的なスライスを行うことができる。
【0024】
研磨装置の場合と比較して、ワイヤ13はSiCインゴット11に対し、線状に接触するための接触面積が小さい。また、スライスが進行し、SiCインゴット11の直径に到るまでは、ワイヤ13の接触長さが増大し、SiCインゴット11の直径を通過すると、ワイヤ13の接触長さが次第に減少し、スライスが完了すると、接触長さが零になるという特性がある。
そこで、スライス加工を開始から終了まで効率よく行うため、
図6のような処理フローを行う。
【0025】
本実施例による加工処理フローを示す。加工条件にワイヤの張力が含まれていることを除き、実施例1の
図4に示す加工処理フローとほぼ同様である。すなわち、本実施例の場合、前述したように、スライス開始から終了まで、ワイヤ13の接触長さが変化するので、実施例1の
図4に示す加工処理フローとほぼ同様の加工処理フローを採用している。
このことは、例えば、SiCウエハやSiCインゴットに孔明け加工する場合も同様で、孔明け工程の進行に伴い、ワーク3に対する孔明け工具側面の対向面積が次第に増大していくので、
図6と同様の処理フローを行う必要がある。
【0026】
以下、
前述の研磨装置をベースに、実際に行った実験装置、実験結果について説明する。
電解液に10w%硝酸ナトリウム水溶液+Al
2O
3(#1000+#3000それぞれ100g/l)、電極回転速度1500rpm程度、研磨圧6.7kPa(全体で120g重の押しつけ力)、試料回転速度約40rpm、電解電圧17Vの加工条件で1時間電解研磨後、さらに5分間、通常の研磨を行った際の、SiCウエハの表面を撮影した写真を
図7、研磨外周近傍の代表断面を
図8に示す。
【0027】
図8から、ウエハ中心とウエハ同心円状中程に白色部が存在し、両者間のみに工具電極が通過していることから、この間の加工が行われていることが確認できる。
SiCウエハが深さ方向に加工されているか確認するために、
図7において加工が影響していると思われる同心円状の部分について、中心白色部をまたぐように(赤枠内の目安)コンフォーカル顕微鏡により測定した。
図8において、縦軸、横軸のメモリ単位はumである。
最外周の濃淡部分は電極工具との接触はないため、電解による影響が現れている部分と考えられるが、その外周(電解による影響が少ない部分)と比較すると約5um程高くなっている。電解加工により被膜が形成され盛り上がった可能性がある。
ここでは電解による影響が少ない部分と、加工部の高さの差を加工深さとする。
電解加工装置では、電極とワークを平行、且つそれらと電極、ワーク回転軸を垂直にすることが難しいため、全面を均一に研磨できていないが、試料表面からの加工深さは15um程度となることが分かった。
【0028】
また、
図7に示される白色部(中心、同心円状中程)は肉眼では同様に見えるが、高さが異なっている。
両白色部の間は鏡面に近い状態であることより、研磨領域では白色部の形成、除去が繰り返して行われていることが推測される。
なお、予備実験として研磨液に水のみ、上記研磨液で電解電圧を加えないで1時間研磨を行ったが、両結果とも若干のスクラッチが見られるものの、深さ方向の進展は見られなかった。
以上の結果から今回の実験では電解加工で、研磨表面に被膜を生じさせることができ、この被膜はアルミナ混入スラリーによって研磨することができるため、アルミナよりも硬度が低くなっていることが確認できる。
【0029】
一方、エッチングレートは15um/時間程度であり、加工条件が最適化されていない状態でもSiCの研磨、CMPの結果よりも大きなエッチレートを得ることができた。
電解生成物の発生状況と加工プロセスとの関係に基づき、最適加工条件を導出することにより、エッチレートを改善しながら、研磨品質、ワイヤを用いたスライシング品質の改善を行うことができる。
【0030】
以下、実験条件について詳述する。
(1)電解液
10w%硝酸ナトリウム水溶液+Al
2O
3(#1000+#3000)それぞれ100g/l)
(2)回転ステージ及び電極工具の回転速度、研磨圧
電極工具及び回転ステージの回転速度は、それぞれ1500rpm、40rpm程度、研磨圧6.7kPa(全体で120g重の押しつけ力)。
電極工具及び回転ステージを過度に高速回転すると、電解性の加工液が、電極工具とウエハ間に進入しにくくなり、工具電極近傍エリアの抵抗値が増加し、電解電流も低下し、加工特性を悪化させる。
(3)研磨圧
5k−50kPa程度であり、加工能率、電解性の加工液の進入、短絡の発生、ワークへの損傷発生等の観点で最適値を選定する。
(4)電解電圧
電解電圧が低電圧であると、十分な電解を発生することができず、10V近傍で、研磨加工が確認できるが、過度に高電圧であると、SiCの表面に曇りを発生させたり、最悪の場合、SiC基板の損傷を招く。
(5)電極
ワーク3、表面電極工具7間に電圧を印加する際に使用する電極は、真鍮φ15mmを使用した。
(6)電解、研磨のバランス
電解電流が過多であると、研磨が追いつかず効率が悪く、一方、電解電流が不足すると、研磨時間の長期化を招く。