特開 2022-180855 ＳｉＣ基板の表面加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022180855

(43)【公開日】2022-12-07

(54)【発明の名称】ＳｉＣ基板の表面加工方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20221130BHJP

   B24B 1/00 20060101ALI20221130BHJP

   B24B 7/04 20060101ALI20221130BHJP

   B24C 1/00 20060101ALI20221130BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 621C

H01L21/304 622W

B24B1/00 A

B24B7/04 A

B24C1/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021087583

(22)【出願日】2021-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青木 一史

(72)【発明者】

【氏名】丸野 尚紀

(72)【発明者】

【氏名】ソルタニ バーマン

(72)【発明者】

【氏名】加藤 裕也

(72)【発明者】

【氏名】山村 和也

(72)【発明者】

【氏名】楊 旭

【テーマコード（参考）】

3C043

3C049

5F057

【Ｆターム（参考）】

3C043BA03

3C043BA09

3C043CC04

3C043DD02

3C043DD04

3C043DD05

3C043DD06

3C049AA04

3C049AC04

3C049CA05

3C049CB03

5F057AA01

5F057AA06

5F057AA11

5F057AA41

5F057BA12

5F057BB09

5F057CA02

5F057CA11

5F057CA36

5F057DA03

5F057DA04

5F057DA08

5F057DA11

5F057DA34

5F057EB06

5F057EB09

5F057EB16

5F057FA46

5F057GA01

5F057GA16

(57)【要約】

【課題】陽極酸化を援用した、ＳｉＣ基板の表面加工方法において、従来よりも優れた加工特性を実現可能とする技術を提供すること。
【解決手段】ＳｉＣ基板の表面加工方法は、以下の処理あるいは工程を含む：１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の電流を、電解液（Ｓ）の存在下で前記ＳｉＣ基板を陽極として通流させることで、前記ＳｉＣ基板の被加工面（Ｗ１）を陽極酸化する。砥石層（３２）を有する表面加工パッド（３）における前記砥石層を前記被加工面と対向配置させ、陽極酸化により前記被加工面に生成した酸化物を前記砥石層により選択的に除去する。前記被加工面の陽極酸化と、前記被加工面に生成した酸化物の前記砥石層による選択的な除去とは、同時または順次に行うことが可能である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＣ基板（Ｗ）の表面加工方法であって、
１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の電流を、電解液（Ｓ）の存在下で前記ＳｉＣ基板を陽極として通流させることで、前記ＳｉＣ基板の被加工面（Ｗ１）を陽極酸化し、
砥石層（３２）を有する表面加工パッド（３）における前記砥石層を前記被加工面と対向配置させ、陽極酸化により前記被加工面に生成した酸化物（Ｗ３）を前記砥石層により選択的に除去する、
表面加工方法。

【請求項2】

前記被加工面の陽極酸化における電流密度が１５ｍＡ／ｃｍ^２以上となるように、陽極酸化条件を設定する、
請求項１に記載の表面加工方法。

【請求項3】

前記陽極酸化条件は、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の前記電流を通流させるためのオン時間と、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の前記電流を通流させないオフ時間とを有する、パルス電流を用いることである、
請求項２に記載の表面加工方法。

【請求項4】

前記酸化物の前記砥石層による除去速度は、前記被加工面の陽極酸化における酸化速度と等しい、
請求項１～３のいずれか１つに記載の表面加工方法。

【請求項5】

前記砥石層は、前記電流の印加により陽極酸化された前記被加工面を、研削または研磨する、
請求項１～４のいずれか１つに記載の表面加工方法。

【請求項6】

前記酸化物の前記砥石層による選択的な除去は、
５μｍ／ｍｉｎ以上の研削速度での前記被加工面の研削と、
５μｍ／ｈ以上の研磨速度での前記被加工面の研磨と、
を含む、
請求項５に記載の表面加工方法。

【請求項7】

前記被加工面の研削に対応する陽極酸化と、前記被加工面の研磨に対応する陽極酸化とを、同一の電流密度条件で行う、
請求項６に記載の表面加工方法。

【請求項8】

前記酸化物の前記砥石層による選択的な除去は、
前記被加工面の粗研磨と、
前記粗研磨よりも遅い研磨速度での前記被加工面の仕上げ研磨と、
を含み、
前記粗研磨に対応する陽極酸化と、前記仕上げ研磨に対応する陽極酸化とを、同一の電流密度条件で行う、
請求項６または７に記載の表面加工方法。

【請求項9】

前記被加工面の陽極酸化と、前記酸化物の前記砥石層による選択的な除去とを、同時または順次に行う、
請求項１～８のいずれか１つに記載の表面加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＳｉＣ基板の表面加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、陽極酸化を援用した研磨方法を開示する。この研磨方法は、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に創成することが可能な研磨方法である。具体的には、この研磨方法は、陽極酸化プロセスと研磨プロセスとを同時または交互に進行させて、研磨プロセスによる研磨レートが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。なお、陽極酸化を援用したこの種の研磨方法は、ＥＣＭＰと称される。ＥＣＭＰはＥｌｅｃｔｒｏ－Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇの略である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－２７３５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１にも記載されているように、従来、ＥＣＭＰにおいては、電流密度を大きくすると、加工速度が速くなる一方で、表面の粗さは悪化することが知られていた。また、電流密度の増加に伴って酸化レートが飽和するために、電流密度を或る程度まで増加させると、それ以上電流密度を増加させても研磨レートを増加させることはできないことが、特許文献１に開示されている。

【0005】

このように、従来の知見によれば、ＥＣＭＰにおいて、電流密度を大きくすることによる大きなメリットは確認されていない。例えば、特許文献１の開示によれば、実用的な電流密度の上限値はせいぜい１０ｍＡ／ｃｍ^２程度であり、しかも、仕上げ研磨工程ではなく、これに先立つ粗い研磨工程における使用であった。

【0006】

このため、陽極酸化膜の生成とこの酸化膜の選択的な除去という原理を用いた、この種の表面加工方法において、従来よりも優れた加工特性（例えば加工速度あるいは表面粗さ等）を実現するためには、まだまだ検討の余地があった。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、例えば、陽極酸化を援用した、ＳｉＣ基板の表面加工方法において、従来よりも優れた加工特性を実現可能とする技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に記載の、ＳｉＣ基板（Ｗ）の表面加工方法は、以下の処理あるいは工程を含む：
１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の電流を、電解液（Ｓ）の存在下で前記ＳｉＣ基板を陽極として通流させることで、前記ＳｉＣ基板の被加工面（Ｗ１）を陽極酸化し、
砥石層（３２）を有する表面加工パッド（３）における前記砥石層を前記被加工面と対向配置させ、陽極酸化により前記被加工面に生成した酸化物（Ｗ３）を前記砥石層により選択的に除去する。

【0008】

なお、出願書類中の各欄において、各要素に括弧付きの参照符号が付されている場合がある。この場合、参照符号は、同要素と後述する実施形態に記載の具体的構成との対応関係の単なる一例を示すものである。よって、本発明は、参照符号の記載によって、何ら限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る表面加工方法を実施するための表面加工装置の概略構成図である。

【図2】図１に示された表面加工装置を用いることで実現可能な、ＳｉＣウェハの概略的な製造工程を示す図である。

【図3】図１に示された表面加工装置を用いて陽極酸化されたＳｉＣ基板における被加工面の走査電子顕微鏡写真である。

【図4】図３に示されたＳｉＣ基板における被加工面の近傍部分の構造を模式的に示す断面図である。

【図5】図４に示されたＳｉＣ基板における酸化膜を溶解液により除去した後の構造を模式的に示す断面図である。

【図6】図５に示されたピットの深さが電流密度の変化によって受ける影響を示すグラフである。

【図7】図５に示されたピットの深さが電流密度の変化によって受ける影響を示すグラフである。

【図8】図５に示されたピットの深さが電流密度の変化によって受ける影響を示すグラフである。

【図9】電解液濃度を調整することで電流密度を変化させた場合のＳｉＣ基板における被加工面の走査電子顕微鏡写真である。

【図10】図９に示された各ＳｉＣ基板における酸化膜を溶解液により除去した後の表面粗さの測定結果を示すグラフである。

【図11】電流密度を一定にして電解液濃度を変化させた場合のＳｉＣ基板における被加工面の走査電子顕微鏡写真である。

【図12】陽極酸化前および陽極酸化後のＳｉＣ基板における被加工面の近傍部分の断面を観察した走査電子顕微鏡写真である。

【図13】電流密度と研磨終了後の表面粗さとの関係を示すグラフである。

【図14A】電流密度の変化による酸化膜生成態様の違いを模式的に示す断面図である。

【図14B】電流密度の変化による酸化膜生成態様の違いを模式的に示す断面図である。

【図14C】電流密度の変化による酸化膜生成態様の違いを模式的に示す断面図である。

【図15】印加電流のパルス化による、陽極酸化処理中のＳｉＣウェハ被加工面の近傍領域におけるＯＨ^－濃度の回復効果をシミュレーションした結果を示すグラフである。

【図16】図１５に示されたシミュレーション結果に基づく、単位時間あたりのＯＨ^－総反応量の試算結果を示すグラフである。

【図17】印加電流のパルス化による陽極酸化における酸化速度の向上を確認するための実験結果を示すグラフである。

【図18】パルス電流印加時における電流密度と加工速度との関係を示すグラフである。

【図19】パルス電流印加時における周期と酸化速度との関係を示すグラフである。

【図20】パルス電流印加時におけるデューティ比と酸化速度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、一つの実施形態に対して適用可能な各種の変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中に挿入されると、当該実施形態の理解が妨げられるおそれがある。このため、変形例については、当該実施形態に関する一連の説明の途中には挿入せず、その後にまとめて説明する。

【0011】

（表面加工装置）
図１を参照すると、本実施形態に係る表面加工装置１は、単結晶ＳｉＣウェハであるＳｉＣ基板Ｗを被加工物とする加工装置であって、ＳｉＣ基板Ｗにおける被加工面Ｗ１に対して陽極酸化を援用した研磨加工または研削加工を実施可能に構成されている。すなわち、表面加工装置１は、ＥＣＭＰ装置またはＥＣＭＧ装置としての構成を有している。ＥＣＭＧはＥｌｅｃｔｒｏ－Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｇｒｉｎｄｉｎｇの略である。

【0012】

表面加工装置１は、容器２と、表面加工パッド３と、駆動装置４と、電源装置５とを備えている。本実施形態においては、容器２は、ＳｉＣ基板Ｗを、エッチャント成分を含まない電解液Ｓに浸漬しつつ収容可能に構成されている。エッチャント成分は、陽極酸化によって被加工面Ｗ１上に生成された酸化膜（すなわち膜状に生成されたＳｉＣ酸化物）の溶解能を有する溶解液を構成する成分（すなわち例えばフッ化水素酸等）である。電解液Ｓは、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、あるいは硝酸ナトリウム等の水溶液である。

【0013】

表面加工パッド３は、電極３１と砥石層３２とを有している。電極３１は、金属等の良導体からなる板状部材であって、例えば銅板等により形成されている。砥石層３２は、電極３１に接合されている。すなわち、表面加工パッド３は、電極３１と砥石層３２とが表面加工パッド３の厚さ方向に接合された構成を有している。砥石層３２は、モース硬度が単結晶ＳｉＣとその酸化膜との中間硬度を有する研磨材料を有している。すなわち、砥石層３２は、ＳｉＣ基板Ｗの被加工面Ｗ１と対向配置されつつ駆動装置４により回転駆動されることで、陽極酸化により被加工面Ｗ１に生成した酸化膜を選択的に研磨除去あるいは研削除去可能に構成されている。本実施形態においては、表面加工パッド３は、砥石層３２がＳｉＣ基板Ｗの被加工面Ｗ１に対して電解液Ｓを挟んで対向配置されるように設けられている。

【0014】

駆動装置４は、表面加工パッド３を上記の厚さ方向と平行な所定の回転軸周りに回転駆動するとともに、かかる回転軸と直交する面内方向にＳｉＣ基板Ｗと表面加工パッド３とを相対移動可能に構成されている。電源装置５は、電解液Ｓの存在下で被加工物であるＳｉＣ基板Ｗを陽極とし表面加工パッド３における電極３１を陰極として電圧を印加することで、砥石層３２による加工対象である被加工面Ｗ１を陽極酸化するための電流を通流させるように構成されている。

【0015】

本実施形態においては、電源装置５は、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の電流を、電解液Ｓの存在下でＳｉＣ基板Ｗを陽極として通流させるように設けられている。また、電源装置５は、被加工面Ｗ１を陽極酸化するための電流として、オン時間とオフ時間とを有するパルス電流を出力可能に構成されている。ここで、「オン時間」とは、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の電流を通流させるための時間である。一方、「オフ時間」とは、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の電流を通流させない時間であり、具体的には、電流が実質的にゼロである時間である。すなわち、電源装置５は、時間変化に伴う所定周波数の周期的な電流密度変化が実質的に存在しない直流電流と、矩形波状のパルス電流とを、選択的に出力可能に構成されている。このように、本実施形態に係る表面加工装置１は、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の、直流電流またはパルス電流を、被加工面Ｗ１を陽極酸化するための電流として用いることで、高速且つ高精度のＥＣＭＰあるいはＥＣＭＧを実行可能な構成を備えている。

【0016】

（実施形態の表面加工方法の概要）
本実施形態に係る表面加工装置１は、従来のＥＣＭＰよりも優れた加工特性（例えば加工速度あるいは平坦性）を実現すべく、以下の（１）～（３）に示す処理を有するＳｉＣ基板Ｗの表面加工方法（すなわち研磨方法または研削方法）を実施可能に構成されている。なお、（２）と（３）とは、同時または順次に行うことが可能である。
（１）表面加工パッド３を、電解液Ｓを挟んで、ＳｉＣ基板Ｗの被加工面Ｗ１と対向配置させる。
（２）１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度の、直流電流またはパルス電流を、電解液Ｓの存在下でＳｉＣ基板Ｗを陽極として通流させる。これにより、砥石層３２による加工対象である被加工面Ｗ１を陽極酸化する。
（３）砥石層３２により被加工面Ｗ１を研削または研磨する。すなわち、陽極酸化により被加工面Ｗ１に生成した酸化膜（すなわち膜状に生成された酸化物）を、砥石層３２により選択的に除去する。

【0017】

図２におけるＡ～Ｃは、図１に示された表面加工装置１を用いた、ＳｉＣウェハすなわちＳｉＣ基板Ｗの概略的な製造工程図である。なお、図２に示した、比較例としての従来製法Ｐは、図１に示された表面加工装置１によるＥＣＭＰあるいはＥＣＭＧに代えて、周知のＣＭＰを用いた場合の、ＳｉＣウェハの概略的な製造工程を示す。ＣＭＰはＣｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇの略である。

【0018】

まず、従来製法Ｐの概略について説明する。従来製法Ｐは、インゴット成形工程と、スライス工程と、ウェハ研削工程と、粗ＣＭＰ工程と、仕上げＣＭＰ工程とを、この順に含む。インゴット成形工程は、結晶成長させた単結晶ＳｉＣの塊を円柱状のインゴットに加工する工程である。スライス工程は、ワイヤスライスによりインゴットから薄円板状のＳｉＣウェハであるＳｉＣ基板Ｗを得る工程である。ウェハ研削工程は、スライス工程においてＳｉＣ基板Ｗに生じる「うねり」を、研削により除去して、ＳｉＣ基板Ｗを平坦化する工程である。粗ＣＭＰ工程および仕上げＣＭＰ工程は、ＳｉＣ基板Ｗにおける被加工面Ｗ１を、半導体デバイス製造工程に好ましい表面状態である鏡面に加工する工程である。

【0019】

一般に、ウェハ研削工程において、ＳｉＣ基板Ｗにおける被加工面Ｗ１およびその近傍部分に、或る程度の「表面下ダメージ」を有する「ダメージ層」が形成される。「表面下ダメージ」は、例えば、クラック、残留応力、等である。そこで、まず、粗ＣＭＰ工程により、被加工面Ｗ１が鏡面仕上げされる。そして、続く仕上げＣＭＰ工程により、ダメージ層が除去される。

【0020】

特許文献１にて開示されているように、ダメージフリーな研磨工程であるＥＣＭＰによれば、ＣＭＰを上回る加工速度が得られる。このため、ＣＭＰ工程をＥＣＭＰ工程に置き換えることで、被加工面Ｗ１に対する高速且つダメージフリーな研磨が実現され得る。ＥＣＭＰ工程においては、砥石層３２として、比較的軟質の砥粒（例えばセリア砥粒等）を含有する軟質砥石が用いられる。

【0021】

そこで、本実施形態においては、例えば、図２に示された製法Ａのように、従来製法Ｐにおける粗ＣＭＰ工程を粗ＥＣＭＰ工程に置き換えるとともに、従来製法Ｐにおける仕上げＣＭＰ工程を仕上げＥＣＭＰ工程に置き換えることが可能である。これにより、製造コストを従来製法Ｐから約４０％低減させることが可能となる。

【0022】

また、砥石層３２として、比較的硬質の砥粒（例えばダイアモンド砥粒等）を含有する硬質砥石を用いることで、ＥＣＭＧ工程が実現され得る。すなわち、図２に示された製法Ｂのように、従来製法Ｐにおけるウェハ研削工程を、ＥＣＭＧ工程に置き換えることが可能である。これにより、製造コストを従来製法Ｐから約２０％低減させることが可能となる。

【0023】

ここで、低ダメージな研削工程であるＥＣＭＧ工程によれば、従来製法Ｐにおけるウェハ研削工程よりも、表面下ダメージの発生が低減される。このため、従来製法Ｐにおけるウェハ研削工程をＥＣＭＧ工程に置き換えた場合、製法Ｂを製法Ｃのように変容することも可能である。製法Ｃにおいては、従来製法Ｐにおける粗ＣＭＰ工程が省略されつつ、従来製法Ｐにおける仕上げＣＭＰ工程が仕上げＥＣＭＰ工程に置き換えられる。これにより、製造コストを従来製法Ｐからほぼ半減させることが可能となる。

【0024】

（陽極酸化電流の大電流密度化）
特許文献１にも記載されているように、従来、ＳｉＣ基板Ｗを被加工物とするＥＣＭＰにおいては、電流密度を大きくすると、加工速度が速くなる一方で、表面の粗さは悪化することが知られていた。このため、従来、仕上げ研磨工程にＥＣＭＰを用いる場合、加工後の良好な表面粗さを実現すべく、加工速度低下という背反を甘受しつつも、印加電圧を不動態電位より低くすることで電流密度を小さくしていた。

【0025】

しかしながら、発明者は、鋭意研究の結果、印加電圧を不動態電位よりも充分高くした１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の大電流密度領域を用いることで、従来の知見とは逆に、表面粗さの改善が見込めることを見出した。具体的には、図３および図４に示されているように、陽極酸化により被加工面Ｗ１上に生成した酸化膜Ｗ２は、多数の粒子状の酸化物Ｗ３からなる凹凸形状を有している。この酸化膜Ｗ２を、フッ化水素酸等のエッチャント成分を含有する溶解液で溶解すると、図５に示されているように、被加工面Ｗ１には、多数のピットＷ４が形成される。このピットＷ４の深さを、従来の知見にて仕上げ研磨工程に対応する、直流且つ定電流の小電流密度条件で、電流密度を変化させつつ測定した。その結果を図６に示す。図６における縦軸のピット深さＳｚは、試料であるウェハ上の所定領域（１μｍ×１μｍ）におけるピットＷ４の深さの最大値であって、島津製作所製 原子間力顕微鏡 ＳＰＭ ９７００によって測定したものである。図６に示されているように、電流密度の増加に伴ってピット深さＳｚが低下することが確認された。

【0026】

そこで、より電流密度が大きい条件で、電流密度の変化に伴うピット深さＳｚの変化の様子を、直流電流とパルス電流との双方で確認した。その結果を図７および図８に示す。図７は直流電流すなわち非パルス電流の場合を示し、図８はパルス電流の場合を示す。なお、各電流条件におけるピット深さＳｚは、試料であるウェハ表面における中心を通る直線上の、中心付近の位置を含む略等間隔の５か所で測定した。図７および図８に示されているように、直流電流とパルス電流との双方において、５～３０ｍＡ／ｃｍ^２の範囲で、電流密度の増加によるピット深さＳｚの低下すなわちピット形状の均一化が確認された。

【0027】

図９は、直流電流を用いつつ、電解液濃度を調整することで電流密度を変化させた場合の、ＳｉＣ基板における被加工面の走査電子顕微鏡写真である。印加条件は、電圧２５Ｖ，印加時間３０秒である。図９には、電解液としての塩化ナトリウム水溶液の濃度と、これに対応する電流密度とが示されている。図１０は、図９に示された各ＳｉＣ基板における酸化膜Ｗ２を溶解液により除去した後の表面粗さの測定結果を示すグラフである。図１０における縦軸の最大高さＳｚおよび二乗平均平方根高さＳｑは、ＺＹＧＯ社製 走査型白色干渉計 Ｎｅｗ Ｖｉｅｗ ８３００によって測定したものである。

【0028】

図９および図１０に示されているように、電解液濃度を高くすることで、電流密度が大きくなるとともに、酸化膜Ｗ２における突起構造が小さくなり酸化膜Ｗ２の均一性が向上することが確認された。この結果が、電流密度変化ではなく電解液濃度の変化によるものであるか否かを検証するために、電流密度を一定にして電解液濃度だけを変化させた場合の結果を確認した。その結果を図１１に示す。印加条件は、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ^２，印加時間３０秒である。図１１には、電解液としての塩化ナトリウム水溶液の濃度が示されている。図１１に示されているように、電流密度が同一であれば、電解液濃度が異なっていても、表面形状にほとんど差が生じないことが確認された。したがって、図９～図１１の結果から明らかなように、電流密度を大きくすることで酸化膜Ｗ２の均一性が向上することが確認された。

【0029】

図１２は、異なる電流密度で陽極酸化処理した場合の、酸化膜Ｗ２の断面を観察した結果を示す。図１２における左上は、陽極酸化処理前の状態を示す。図１２の結果から明らかなように、電流密度を上げることで、凹凸が少なく緻密で均一な酸化膜Ｗ２が形成されることが確認された。

【0030】

図１３は、パルス電流ではなく直流電流を用いて陽極酸化処理を行った場合の、ＥＣＭＰによる研磨後の表面粗さを、電流密度を変化させつつ測定した結果を示す。図１３の結果から明らかなように、１５ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度を用いることで、極めて良好な表面性状を得ることができることが確認された。

【0031】

図１４Ａ～図１４Ｃは、大電流密度化による表面粗さの低減効果の、想定されるメカニズムを、模式的に示したものである。図中、破線の矢印は、陽極酸化電流を示す。図１４Ａ～図１４Ｃに示されているように、電流密度が大きくなるほど、面内方向（すなわち図中左右方向）における電流の通流状態が均一化され、酸化膜Ｗ２の構造がより緻密になるものと考えられる。

【0032】

このように、大電流密度化により、酸化膜Ｗ２が良好に緻密化且つ均一化される。また、大電流密度化によれば、加工速度も高速化され得る。したがって、本実施形態によれば、陽極酸化を援用した、ＳｉＣ基板Ｗの表面加工方法において、従来よりも優れた加工特性を実現可能とする技術を提供することが可能となる。換言すれば、本実施形態によれば、高速且つ高精度のＥＣＭＰあるいはＥＣＭＧを提供することが可能となる。

【0033】

（加工条件）
以下、本実施形態に係る表面加工方法における各種の加工条件について説明する。

【0034】

（１）本実施形態に係る表面加工方法は、被加工面Ｗ１の陽極酸化における電流密度が１５ｍＡ／ｃｍ^２以上となるように、陽極酸化条件を設定する処理を含む。設定する陽極酸化条件は、以下のパラメータのうちの、少なくともいずれか１つを含む：電解液Ｓの温度、濃度、電源装置５からの出力電流値、出力電流波形、出力電圧値、出力電圧波形、等。具体的には、例えば、電解液Ｓの温度および／または濃度により、電解液Ｓの電気抵抗値が調整され得る。これにより、所望の陽極酸化電流を良好に維持することが可能となる。ここで、「陽極酸化電流」とは、陽極酸化のための印加電流、すなわち、電源装置５からＳｉＣ基板Ｗに流入する電流のうち、電解液Ｓの電気分解ではなく実際に被加工面Ｗ１の陽極酸化に供された電流をいうものとする。なお、電流のパルス化については後述する。

【0035】

（２）上記の通り、本実施形態に係る表面加工方法は、ＥＣＭＰとＥＣＭＧとの双方に対して適用可能である。すなわち、砥石層３２は、電流の印加により陽極酸化された被加工面Ｗ１を、研削または研磨するものである。研削速度あるいは研磨速度は、砥石層３２における砥石の種類および番手によって調整可能である。具体的には、例えば、＃８０００～＃３００００のダイアモンド砥石を用いることで、５μｍ／ｍｉｎ以上の研削速度を達成することが可能となる。また、例えば、＃８０００程度の番手のセリア砥石を用いることで、５μｍ／ｈ以上の研磨速度を達成することが可能となる。

【0036】

（３）酸化物Ｗ３（すなわち酸化膜Ｗ２）の砥石層３２による除去速度（すなわち研磨速度または研削速度）と、被加工面Ｗ１の陽極酸化における酸化速度とは、ほぼ等しくすることが好適である。これにより、加工後の被加工面Ｗ１における表面粗さを良好に低下させることが可能となる。

【0037】

（４）図２に示された製法Ａのように、粗ＥＣＭＰ工程と、この粗ＥＣＭＰ工程よりも遅い研磨速度での仕上げＥＣＭＰ工程とが、この順で行われる場合がある。この場合、粗ＥＣＭＰ工程と仕上げＥＣＭＰ工程とで、同一の電流密度条件で陽極酸化を行うことが可能である。同様に、図２に示された製法Ｃのように、ＥＣＭＧ工程とＥＣＭＰ工程とが、この順で行われる場合がある。この場合、ＥＣＭＧ工程とＥＣＭＰ工程とで、同一の電流密度条件で陽極酸化を行うことが可能である。このように、大電流密度条件を、研削工程、粗研磨工程、および仕上げ研磨工程にも適用可能とすることで、ＳｉＣ平坦化プロセスを可能な限り一貫化することが可能となる。

【0038】

（電流パルス化による酸化速度向上）
発明者は、ＳｉＣ基板を被加工物とするＥＣＭＰにおいて、電流密度を大きくして加工を高速化しようとしても、陽極酸化における酸化速度が飽和するために、加工速度の向上に限界があるという課題を見出した。発明者の検討によれば、このような、電流密度の上昇に伴う酸化速度の上昇が飽和する原因は、被加工面Ｗ１の近傍領域における電解液Ｓ中の反応種すなわちＯＨ^－の供給量が不足することであると考えられる。なお、被加工面Ｗ１の近傍領域を、以下「表面近傍領域」と略称する。

【0039】

具体的には、陽極酸化により、表面近傍領域において、ＯＨ^－が消費されることでＯＨ^－濃度が低下する。すると、ＯＨ^－は、電解液Ｓにおけるバルク領域、すなわち、表面近傍領域よりも被加工面Ｗ１から離れた領域から、物質拡散の原理で、表面近傍領域に供給される。このため、表面近傍領域におけるＯＨ^－濃度は、フィックの法則に従い、被加工面Ｗ１に近づくにしたがって低下する。

【0040】

表面近傍領域におけるＯＨ^－の供給量が充分であるか否かは、酸化速度すなわちＯＨ^－の消費速度と、バルク領域からのＯＨ^－の供給速度との関係によって定まる。この点、陽極酸化における電流条件が直流且つ定電流である場合、ＯＨ^－の供給速度が不足することで表面近傍領域におけるＯＨ^－の供給量が不足し、安定的な陽極酸化状態を維持することが困難となることが懸念される。

【0041】

そこで、発明者は、陽極酸化のための印加電流を、オン時間とオフ時間とを有するパルス状とし、オフ時間中にバルク領域から表面近傍領域にＯＨ^－を供給して表面近傍領域におけるＯＨ^－濃度を回復させることで、酸化速度が向上することを見出した。また、かかるオフ時間を比較的短時間（具体的には例えば０．０１～１０秒程度）とすることで、オン時間中における良好な酸化速度を保持しつつ、総加工時間の長時間化を良好に回避することができることを見出した。

【0042】

図１５は、陽極酸化電流にオフ時間を設けることによる、表面近傍領域におけるＯＨ^－濃度の回復効果を示す、計算機シミュレーション結果である。図中、横軸の「Ｔｏｆｆ」は、オフ時間の長さを示す。縦軸は、被加工面Ｗ１を平坦面と仮定し、かかる平坦面から１０μｍ離れた位置における、ＯＨ^－濃度を示す。シミュレーションにおける前提条件は、以下の通りである。
拡散係数Ｄ＝１．９×１０^－９ｍ^２／ｓ
バルク領域ＯＨ^－濃度Ｃ＝６．０２×１０^１７個／ｃｍ^３

【0043】

図１６は、図１５に示されたシミュレーション結果に基づく、単位時間あたりのＯＨ^－総反応量の試算結果を示す。図中の水平な実線は、Ｔｏｆｆ＝０すなわち直流且つ定電流の場合を示す。なお、「直流且つ定電流」を、以下単に「定電流」と略称する。

【0044】

図１５および図１６から明らかなように、陽極酸化電流をパルス電流として、０．０１秒以上のオフ時間を設けることで、表面近傍領域におけるＯＨ^－の供給量不足が良好に解消され得る。具体的には、発明者は、図１５および図１６に示されているように、０．０１秒以上且つ１０秒以下のオフ時間において、表面近傍領域に対する良好なＯＨ^－の供給が可能であることを、シミュレーションにより確認している。但し、オフ時間を設けることによるＯＨ^－濃度の回復効果は、Ｔｏｆｆが或る程度長い領域においては飽和する傾向にある。このため、オフ時間は、０．１～１秒程度であることが、さらに好適であると考えられる。

【0045】

そこで、発明者は、定電流印加とパルス電流印加との間の、陽極酸化における酸化速度の違いを確認するための実験を、３０ｍｍ角ウェハを用いて行った。パルス電流は、オン時間１秒，オフ時間１秒（すなわち、周期２秒，デューティ比０．５）の矩形波状である。陽極酸化処理後、フッ化水素酸で酸化膜Ｗ２を除去し、除去量により酸化速度を算出した。実験結果を図１７に示す。図１７において、丸形のプロットはパルス電流の場合を示し、菱形のプロットは定電流の場合を示す。パルス電流の場合の電流密度の値は、オン時間中の値である。

【0046】

図１７から明らかなように、パルス電流印加により、小～大電流密度領域において、高い酸化速度が得られている。そして、電流密度の上昇に伴い、酸化速度も上昇している。このため、パルス電流印加によれば、電流密度を大きくすることによる加工の高速化が、良好に図られ得る。特に、大電流密度の電流印加により表面近傍領域におけるＯＨ^－を大量に消費しても、オフ時間中に表面近傍領域におけるＯＨ^－濃度を良好に回復させることができる。したがって、パルス電流印加によれば、大電流密度の電流印加による高速加工を実現することが期待できる。

【0047】

（電流パルス化による加工速度向上）
加工速度は、酸化速度のみならず、酸化膜Ｗ２の性状による影響も受ける。具体的には、従来のＥＣＭＰにおいては、比較的小さい電流密度による定電流印加により、密度が比較的高く硬度も比較的高い酸化膜Ｗ２が形成されていた。そこで、従来のＥＣＭＰに対応する定電流印加により生成された酸化膜Ｗ２の組成をＸＰＳ装置により分析したところ、ＳｉＯＣが４０％程度、ＳｉＯが３０％程度、Ｓｉ_２Ｏ_３が１０％程度、それぞれ含有されていた。ＸＰＳはＸ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙの略である。

【0048】

これに対し、パルス電流印加により生成された酸化膜Ｗ２の組成を、ＸＰＳ装置により分析したところ、定電流且つ低電流の印加により生成された酸化膜Ｗ２よりも、ＳｉＯＣの含有量が大幅に低下する一方で、ＳｉＯの含有量が大幅に増加した。また、断面の透過電子顕微鏡像を確認したところ、パルス電流印加により生成された酸化膜Ｗ２においては、定電流且つ低電流の印加により生成された酸化膜Ｗ２よりも、内部のボイド層の生成が顕著であった。また、パルス周期を上げることで、ボイド層におけるボイド量の増加傾向が見られた。具体的には、デューティ比０．５の条件で、周期が０．０２秒の場合でも定電流且つ低電流の印加の場合よりもボイド層の発生が顕著に見られ、周期が０．１秒、１秒、と長くなる毎にボイド量が増加した。すなわち、発明者は、周期０．０２～１秒の範囲で、比較的低密度で易研磨性あるいは易研削性となり得る酸化膜Ｗ２が形成されることを確認した。

【0049】

以上の結果を考察すると、パルス電流印加による効果として、以下の事項が考えられる。表面近傍領域にＯＨ^－が良好に供給されてＳｉＣの陽極酸化が促進されることで、ＳｉＯＣよりも酸化度合がより進行したＳｉＯがより多く発生する。ＳｉＯＣ，ＳｉＯの順に酸化度合が進行するほど、膨張率が大きくなり、酸化膜Ｗ２内における内部応力によるボイドの発生が促進される。このため、ＳｉＯがより多く発生することで、酸化前後の膨張率の差により発生するボイド層の生成がより顕著となる。このようにＳｉＯを多く含有しボイド層におけるボイド量が増加した酸化膜Ｗ２は、硬度が低くなり、研削あるいは研磨の速度が向上する。さらに、ボイドの発生により酸化膜Ｗ２の表面に多数のクラックが発生すると、反応種であるＯＨ^－がクラックから膜内部に侵入することで、陽極酸化がさらに促進され得る。このように、印加電流のパルス化による効果として、研磨速度の向上効果が期待できる。

【0050】

図１８は、パルス電流印加における電流密度を変化させた場合の、電流密度と研磨速度との関係を示す。パルス電流は、周期２秒，デューティ比０．７５である。研磨加工対象としては４インチウェハを用いた。研磨速度の算出方法は、以下の通りである：試料である４インチウェハ表面における中心を通る直線上の、中心付近の位置を含む略等間隔の９か所で、研磨前後のウェハの厚さ変化を測定し、９か所の測定点における単位時間内の厚さ変化量の平均値を計算し、ウェハの研磨速度とした。図１８に示されているように、パルス電流印加の場合、４０ｍＡ／ｃｍ^２以上の大電流領域においても、電流密度の上昇に伴って研磨速度が向上することが確認された。

【0051】

（パルス周期）
図１９は、パルス電流における周期を変化させた場合の酸化速度の変化の様子を示す。図中、縦軸は酸化速度を示し、横軸Ｔは周期を示す。なお、図中の水平な実線は、定電流の場合の参考値を示す。

【0052】

評価条件は以下の通りである。試料として、３０ｍｍ角のウェハを用いた。各電流印加条件の間で、電荷量を一致させるため、デューティ、電流密度、および印加時間を同一とした。デューティ比は０．５とし、電流密度は２０ｍＡ／ｃｍ^２とした。

【0053】

図１９から明らかなように、周期が少なくとも０．０１～２０秒の範囲で、定電流よりも高い酸化速度が得られた。ここで、上記の通り、表面近傍領域におけるＯＨ^－濃度の回復のため、オフ時間を０．０１秒以上設ける必要がある。したがって、良好な酸化速度が得られる周期は、０．０１秒を超え且つ２０秒以下となる。特に、周期が０．０１秒の場合、オフ時間が０．００５秒となるため、酸化速度は定電流の場合よりも若干高い程度であった。よって、例えば、オフ時間の最低値０．０１秒において、後述のようにデューティ比が０．２５～０．７５であるとすると、好適な周期の最低値は０．０２秒程度となる。

【0054】

また、上記の通り、低密度の酸化膜形成による易加工性を考慮すると、周期は０．０２～１秒の範囲であることが好適である。さらに、図１９に示されているように、周期が２０秒を超える領域において、酸化速度が定電流の場合よりも若干高い程度となった。この理由は、オフ時間を設けることによる酸化速度の向上効果が上記のように飽和する一方で、全体のサイクルタイムが長時間化してしまうことであると考えられる。このため、図１５および図１６に示されたシミュレーション結果と、図１９に示された実際の酸化速度の評価結果と、実際の製造工程におけるサイクルタイムとを総合考慮すると、周期は０．１秒以上且つ２秒以下であることが好適である。

【0055】

以上の点を総合考慮すると、好適な周期は０．０２～２秒であり、より好適には０．０２～２秒であり、さらに好適には０．０２～１秒あるいは０．１～２秒であり、最も好適には０．１～１秒である。

【0056】

（デューティ比）
図２０は、パルス電流におけるデューティ比を変化させた場合の酸化速度の変化の様子を示す。図中、縦軸は酸化速度を示し、横軸はデューティ比を示す。また、図中の水平な実線は、定電流の場合の参考値を示す。

【0057】

評価条件は以下の通りである。試料として、３０ｍｍ角のウェハを用いた。各電流印加条件の間で、電荷量を一致させるため、電流密度を同一（すなわち２０ｍＡ／ｃｍ^２）とし、デューティ比と印加時間との積が一定となるように印加時間を調整した。図２０に示されているように、デューティ比を０．２５～０．７５とすることで、定電流よりも高い、良好な酸化速度が得られた。

【0058】

（電流パルス化による効果まとめ）
上記の通り、陽極酸化における印加電流をパルス化することで、酸化速度の向上のみならず、酸化膜Ｗ２の密度および硬度の低下に伴う易研磨性あるいは易研削性と、酸化膜Ｗ２の均一性向上による平坦性向上とが達成され得る。これにより、研磨あるいは研削の高速化、および、これによるウェハ製造コストの低減が、良好に実現され得る。

【0059】

すなわち、例えば、電流密度を大きくすると加工速度は速くなる一方で表面の粗さが悪化するという従来の技術常識に反し、パルス化した印加電流を大電流化することで、良好な平坦度を保持しつつ高速加工が実現され得る。上記の通り、発明者は、現時点で、１５０ｍＡ／ｃｍ^２程度までの電流密度において、ＥＣＭＰあるいはＥＣＭＧに適した良好な酸化膜Ｗ２の形成を確認することができた。

【0060】

ウェハサイズに関しては、上記の実施例のような４インチからさらに大口径化した場合であっても、同等の研磨速度を得ることが可能である。具体的には、本実施形態に係る表面加工方法は、例えば、１～８インチのウェハサイズに対して、良好に適用可能である。

【0061】

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。故に、上記実施形態に対しては、適宜変更が可能である。以下、代表的な変形例について説明する。以下の変形例の説明においては、上記実施形態との相違点を主として説明する。また、上記実施形態と変形例とにおいて、互いに同一または均等である部分には、同一符号が付されている。したがって、以下の変形例の説明において、上記実施形態と同一の符号を有する構成要素に関しては、技術的矛盾または特段の追加説明なき限り、上記実施形態における説明が適宜援用され得る。

【0062】

本発明は、上記実施形態にて示された具体的な装置構成に限定されない。すなわち、図１は、本発明に係る表面加工装置１、および、これにより実施可能な表面加工方法の概要を簡易に説明するための、簡素化された概略図である。したがって、実際に製造販売される表面加工装置１の構成は、必ずしも、図１に示された例示的な構成と一致するとは限らない。また、実際に製造販売される表面加工装置１の構成は、図１に示された例示的な構成から適宜変更され得る。

【0063】

例えば、表面加工パッド３の構成は、上記実施形態にて示された具体的な装置構成に限定されない。具体的には、電極３１と砥石層３２とは、表面加工パッド３の厚さ方向に接合されていなくてもよい。より詳細には、例えば、電極３１と砥石層３２とが、表面加工パッド３の厚さ方向と直交する面内方向に隣接配置していてもよい。すなわち、表面加工パッド３が回転あるいは移動することで、被加工面Ｗ１における特定の部分に対して、電極３１と表面加工パッド３とが時間的に交互に対向するように、表面加工装置１が構成され得る。あるいは、電極３１は、表面加工パッド３とは別体のものであってもよい。すなわち、被加工面Ｗ１における全体あるいは特定の部分に対して、電極３１と表面加工パッド３とが時間的に交互に対向するように、表面加工装置１が構成され得る。砥石層３２に含有される砥粒の種類等についても、特段の限定はない。

【0064】

電解液Ｓは、エッチャント成分を含んでいてもよい。すなわち、本発明に係る表面加工装置１、および、これにより実施可能な表面加工方法は、陽極酸化により生じた酸化膜Ｗ２をエッチャントおよび表面加工パッド３の双方を用いて選択的に除去することで、被加工面Ｗ１を研磨あるいは研削するものであってもよい。

【0065】

本発明に係る表面加工装置１、および、これにより実施可能な表面加工方法は、典型的には、図２に示された製法Ａ～製法ＣにおけるＥＣＭＧ工程、粗ＥＣＭＰ工程、および仕上げＥＣＭＰ工程のいずれに対しても適用可能である。しかしながら、例えば、製法Ａにおいて、粗ＥＣＭＰ工程の後の被加工面Ｗ１は、良好に鏡面仕上げされ、且つ、粗ＥＣＭＰ工程に起因する表面下ダメージをほとんど有さないことが期待できる。したがって、仕上げＥＣＭＰ工程については、従来の定電流印加によるＥＣＭＰを用いることが可能である。

【0066】

上記実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、構成要素の個数、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数値に限定される場合等を除き、その特定の数値に本発明が限定されることはない。同様に、構成要素等の形状、方向、位置関係等が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に特定の形状、方向、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、方向、位置関係等に本発明が限定されることはない。

【0067】

変形例も、上記の例示に限定されない。すなわち、例えば、上記に例示した以外で、複数の実施形態同士が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。同様に、複数の変形例が、技術的に矛盾しない限り、互いに組み合わされ得る。

【符号の説明】

【0068】

１ 表面加工装置
２ 容器
３ 表面加工パッド
３１ 電極
３２ 砥石層
４ 駆動装置
５ 電源装置
Ｓ 電解液
Ｗ ＳｉＣ基板
Ｗ１ 被加工面
Ｗ２ 酸化膜
Ｗ３ 酸化物
Ｗ４ ピット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】