(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＭＰの前工程におけるラッピング定盤において、ＣＭＰの負担を軽減し、ＣＭＰの加工時間を短縮することができるラッピング定盤を提供する。【解決手段】所定の硬度の材質よりなる前記ラッピング定盤の表面を平坦に切削するとともに２種類の溝を加工生成するフェージング工程と、円弧状のシェービング治具でシェービングするシェービング工程と、該シェービング工程後のラッピング定盤をチャージングリングを用いてチャージングする工程とにより製作される所定の平坦度に形成されたラッピング定盤を使用して、ＳｉＣ単結晶基板をメカニカルラッピングする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体のメカニカル研磨に用いるラッピング定盤の製作方法において、
所定の硬度の材質よりなる前記ラッピング定盤を回転させながら該ラッピング定盤の表面を平坦に切削するとともに２種類の溝を加工生成するフェージング工程と、
所定の半径の円弧状のシェービング治具を前記ラッピング定盤の回転数より低い回転数で回転させてシェービングするシェービング工程と、
前記シェービング工程後のラッピング定盤をチャージングリングを用いて前記ラッピング定盤の回転数より低い回転数で回転させてチャージングする工程と、を有し、前記ラッピング定盤を所定の平坦度に形成することを特徴とするラッピング定盤の製作方法。
【請求項２】
前記フェージング工程は、ラッピング定盤にスパイラル状の第１の溝と、所定の間隔で第１の溝よりも深い同心円状の第２の溝を形成することを特徴とする請求項１に記載のラッピング定盤の製作方法。
【請求項３】
前記シェービング工程は、前記ラッピング定盤に形成された前記第１の溝の山部を削り取り、当該ラッピング定盤を所定の平坦度にすることを特徴とする請求項２に記載のラッピング定盤の製作方法。
【請求項４】
前記チャージング工程は、シェービングされた前記ラッピング定盤上にダイヤモンド塗粒を滴下しながら、所定の重さの回転するチャージングリングを用いて平坦化された溝上部にダイヤモンド塗粒をチャージング（埋め込み）することを特徴とする請求項３に記載のラッピング定盤の製作方法。
【請求項５】
メカニカルラッピング方法に用いられるラッピング定盤であって、請求項４の製作方法で作成されたラッピング定盤。
【請求項６】
請求項５に記載のラッピング定盤を用いて加工条件の異なる２段階ラッピングによる化合物半導体のワークを研磨するメカノケミカルラッピング方法であって、前記２段階ラッピングのうちの第１のラフラッピングは、ダイヤモンド塗粒を滴下して主として当該滴下塗粒の遊離塗粒により研磨し、第２のファインラッピングは、前記ラッピング定盤にチャージングされた固定塗粒により研磨することを特徴とするメカニカルラッピング方法。
【請求項７】
前記第２のファインラッピング時のラッピング定盤回転数及びワーク回転数は、前記第１のラフラッピング時のラッピング定盤回転数及びワーク回転数より小さいことを特徴とする請求項６に記載のメカニカルラッピング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ単結晶基板のメカニカル研磨に用いるラッピング定盤の製作方法及びそのラッピング定盤を用いたメカニカル研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーの低損失化、高性能化されたパワーデバイスは消費電力の大幅節減に直接寄与するため、多くの分野で利用されている。現在、パワーデバイスにはシリコン基板を用いたものが利用されているが、シリコンの有する材料特性により、シリコンへ微細な加工を施すことによるパワーデバイスのさらなる高性能化には限界がある。特に、高温等の条件下ではシリコンは使用できないため、シリコンに代わる材料が必要となってきた。
【０００３】
シリコンに代わる材料として、例えばＳｉＣ（炭化珪素）があるが、ＳｉＣの禁制帯幅はシリコンの禁制帯幅の３倍であるので、シリコンよりも高温条件下で使用できる。また、絶縁破壊電界についてはシリコンの約１０倍であるため、小型化も可能である。さらに熱伝導度についてはシリコンの約３倍であり、放熱性に優れ、冷却されやすいという利点もある。このようにＳｉＣは優れた特性を有することから、ＳｉＣ基板はシリコン基板に変わるパワーデバイス用半導体基板として注目されている。
【０００４】
ところで、ＳｉＣ基板をパワーデバイスとして使用するには、その表面を研磨する必要がある。最終研磨工程には、加工変質層を残留させない研磨方法であるＳｉＯ2（コロイダルシリカ）を含む懸濁液を用いた研磨工法いわゆるＣＭＰ研磨工法が現在一般的に使用されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−２８８２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＭＰ研磨は、まず、前工程における加工変質層を完全に除去することをひとつ目の目的とし、さらに、表面粗さを平均表面粗さで、Ｒａ＝０．２ｎｍ程度に仕上げることをふたつ目の目的としており、これを達成するために数十時間の加工時間を要している。本発明は上記を鑑みてなされたものであり、ＣＭＰの前工程であるメカニカルラッピングプロセスのラッピング定盤およびラッピング条件を改善することで、ＣＭＰの負担を軽減し、ＣＭＰの加工時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明のラッピング定盤の製作方法は、化合物半導体のメカニカル研磨に用いるラッピング定盤の製作方法において、所定の硬度の材質よりなる前記ラッピング定盤を回転させながら該ラッピング定盤の表面を平坦に切削するとともに２種類の溝を加工生成するフェージング工程と、所定の半径の円弧状のシェービング治具を前記ラッピング定盤の回転数より低い回転数で回転させてシェービングするシェービング工程と、前記シェービング工程後のラッピング定盤をチャージングリングを用いて前記ラッピング定盤の回転数より低い回転数で回転させてチャージングする工程と、を有し、前記ラッピング定盤を所定の平坦度に形成することを特徴としたものである。
【０００７】
また、本発明のメカニカルラッピング方法は、加工条件の異なる２段階ラッピングによる化合物半導体のワークを研磨するメカノケミカルラッピング方法であって、前記２段階ラッピングのうちの第１のラフラッピングは、ダイヤモンド塗粒を滴下して主として当該滴下塗粒の遊離塗粒により研磨し、第２のファインラッピングは、前記ラッピング定盤にチャージングされた固定塗粒により研磨することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のラッピング定盤の製作方法及びメカニカルラッピング方法によれば、ＳｉＣのような高硬度の化合物半導体基板の最終ＣＭＰ研磨工程において数十時間必要であった研磨時間を、前工程のラッピング定盤の精度向上による改善によって数時間に短縮することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明におけるラッピング定盤の製作方法及びメカニカルラッピング方法の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明で使用した片面ラッピング方法に使用する研磨装置の構成図である。片面ラッピング装置は、一般的な卓上タイプを使用した。ラッピング定盤１をラッピング装置に装着し、反時計方向に回転させた。被加工物であるＳｉＣ単結晶基板２は、円盤治具３に仮接着用ワックスで固定し、強制駆動装置４によって反時計方法に回転させた。ラッピングプレート１の表面は、後述のフェーシングおよびシェービングおよびチャージングにより仕上げられたものを使用する。スラリーは、ダイヤモンドスラリーを使用し、ディスペンサー５によって、ラッピング定盤上に適量を滴下した。ラッピングとは、ポリッシャー（ここでいうラッピング定盤）の形状を被加工物に転写する加工方法のことである。
【００１１】
具体的には、ラッピング定盤と被加工物の間をダイヤモンドスラリーが転がるうちに、ラッピング定盤側には後述のチャージングによって、固定砥粒としてダイヤモンドが埋め込まれているので影響が少ないが、被加工物側は、ダイヤモンドよりやわらかい材質であるため、ラッピング定盤の形状をなぞりながら、転がるダイヤモンドの影響で表面の凸部がゆっくりと削りとられていき、最終的にラッピング定盤と被加工物が同じ形状に近づいていく。つまり、ラッピング定盤の表面形状が被加工物側に転写される。従って、被加工物の加工精度は、ラッピング定盤の精度に左右されることになり、ラッピング定盤をいかに仕上げるかがポイントとなる。
【００１２】
本発明においては、ラッピング定盤の材質を加工変質層と平坦度を最適な状態にできるものを選択し、さらに、ラッピング定盤の精度を最良とするために、フェーシング後にシェービング、さらにチャージング処理を施した。このラッピング定盤を使用して適切な加工条件のもとメカニカルラッピングすることで目標を達成した。
【００１３】
以下に、（１）ラッピング定盤の材質、（２）フェーシング、（３）シェービング、（４）チャージング、（５）ラッピング条件について順を追って詳細に説明を行う。
（１）ラッピング定盤の材質
まず、ラッピング定盤の材質についてであるが、本発明の実施例においては、純度９９％の錫製プレートを使用した。表１は、ラッピング定盤の材質を比較したものである。
【００１４】
【表１】
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表中左側の材料ほど硬度が高く、この中では銅が最も硬い。また、右側の材料ほど硬度が低く、ポリウレタン製のパッドが最も軟らかい。比較項目の加工変質層は、被加工物に与える加工変質層の深さで、◎、○、△、×の順に深くなっていく。平坦性は、被加工物の平坦度で、◎、○、△、×の順に悪くなっていく。表１から加工変質層と平坦度は、ラッピング定盤の硬さと密接な関係があり、トレードオフの関係にあることがわかる。一般的には、平坦度のことは軽視されがちであるので、加工変質層が非常に少なく、フェーシング等の面倒な処理がまったく必要ない研磨パッドが使用されているが、本発明においては、ＣＭＰの加工時間を大きく左右しているのは、加工変質層よりも平坦度であると考え、加工変質層を最小限に抑えることが可能で、しかも平坦度を保ちやすい錫製プレートを選択し、さらに後で詳細に説明するフェーシング、チャージング等の処理を施すことで、さらなる平坦度の向上を達成した。
（２）フェーシング工程
次に、図２を用いてラッピング定盤のフェーシング工程について詳細に説明する。フェーシングとは、ラッピング定盤の表面を平坦度１μｍ程度に切削加工し、砥粒の保持等を目的とした溝や、ラッピング時に発生する切りくずを排出するための溝を加工する工法のことである。本発明においては、図２に示すような一般的なフェーシング装置を使用した。ラッピング定盤１は、スピンドルモータ（図中記載なし）により回転可能でエアー軸受け（図中記載なし）によって支えられた回転テーブル６上にセットされ、回転テーブル６とともに回転しながら、フェーシングアーム７の先端にセットされたダイヤモンドバイト８により、ラッピング定盤１の中心から外周に向かって切削加工される。ラッピング定盤の回転速度に対して、ダイヤモンドバイト８の移動速度が充分遅い場合、ラッピング定盤の表面は溝の無いフラット面に加工され、逆に、ラッピング定盤の回転速度に対して、ダイヤモンドバイト８の移動速度が速い場合、その速度差によって違ったピッチの溝が形成される。
【００１５】
フェーシング装置を使用して形成できる溝形状として、スパイラル状と同心円状があり、効果としては同等と考えられるが、フェーシング装置の加工原理上、同心円を形成するためにはスパイラルと比較して長時間を有するためにスパイラルを選択した。実際には、2種類の溝を形成し、第１の溝は、スパイラル状であり、そのスパイラル状の溝に所定のピッチの間隔をあけて第1の溝よりも深さの深い第２の同心円状の溝を形成する。
【００１６】
具体的には、前述のように、フェーシングは、ラッピング定盤を一定速度で回転させた状態でダイヤモンドバイト８をラッピング定盤の中心付近に接触させ、ラッピング定盤外周方向に一定速度で移動させることで溝加工を施す加工方法であり、ダイヤモンドバイト８とラッピング定盤の接触深さで溝深さが決定し、ポリッシング定盤の回転数とダイヤモンドバイト８の移動速度の関係で溝ピッチが決定し、もちろん溝は中心から外周まで連続のスパイラル状となる。
【００１７】
また、同心円状の溝を形成する場合には、ダイヤモンドバイトをラッピング定盤に接触させた状態でラッピング定盤を1回転させ、一つ目の溝を形成し、その後、溝ピッチに応じて必要な距離だけダイヤモンドバイト８を移動させた状態でさらにラッピング定盤を１回転させることで二つ目の溝を形成するという作業となり、前者と比較して非常に時間がかかる。また、その他に溝形成が可能な装置として、加工機としては一般的なフライス盤があげられ、碁盤目状の溝形成が可能であるが、本実施例における第１の溝のような微細な溝形成は、加工ツールであるエンドミルの微細化の限界により難しいと考えられる。
【００１８】
図３（Ａ）は、本発明におけるラッピング定盤１を上方から見た図である。フェーシングによって形成される溝は、ラッピング定盤の中心から外側に向かって、螺旋状に広がるイメージで形成される。図３（Ｂ）は、本発明におけるラッピング定盤１の溝形状の詳細図である。図３（Ｂ）において、溝の山部における最大部分と最小部分の差がこのラッピング定盤の平坦度であり、フェーシングの平坦度は約１μｍとなる。溝９は、不要な砥粒を排出する目的で作製し、ピッチ１．８ｍｍ深さ１．５ｍｍとした。また溝６は、砥粒を保持する目的で作製し、ピッチ０．３ｍｍ深さ０．７５ｍｍとした。溝形状については、本仕様に限定するものではないが、溝９が無い場合や浅すぎる場合は、目詰まりが発生し、加工レートが激減することがわかっている。また、溝１０については、研磨砥粒の種類や粒径によって最適化する必要があるといえる。
【００１９】
溝９、１０の目的について、さらに説明すると、仮に溝がまったくはいっていないポリッシング定盤を使用した場合、砥粒が保持されないので、被加工物とポリッシング定盤の間を砥粒が滑るだけで加工が進まないのは明白である。従って、溝１０が必要となってくる。次に、溝１０だけを作製し、溝９がない場合は、被加工物の研磨面の全面に砥粒が接することになり、必要な加工圧力（荷重÷被加工物の面積）を得るためには、相当な荷重が必要となる。即ち、溝１０の存在する部分全体で加工圧力がかかることになるので所望の加工レートを得るためには大きな加重が必要となる。従って、適当な範囲の荷重で加工を可能とする場合には、溝９のような、ある程度深さをもった第２の溝が必要となってくる。
（３）シェービング工程
次にシェービング工程について説明する。フェーシング後のラッピング定盤の加工表面の平坦度は、前述のとおり、フェーシング装置の精度にもよるが０．５μｍ〜１．５μｍ程度である。（図３（Ｂ）における山部の最大と最小の差）
この状態のラッピング定盤を使用した場合、２つの問題が発生する。ひとつは、先にも述べたように、ラッピング加工とは、ラッピング定盤の形状を被加工物に転写する工法であり、ラッピング状盤の平坦度が悪い場合、被加工物の平坦度にも限界が生じる。ふたつ目に、ラッピング定盤表面に、ダイヤモンド砥粒を埋め込むチャージングにおいて、シェービングを施した場合の５〜１０倍のチャージング時間が必要となったり、最悪の場合は均一なチャージングができない等の問題が発生する。
【００２０】
図４は、本発明におけるシェービング方法の説明図である。まず、ラッピング状盤１を図１で説明した片面ラッピング装置上にセットし、シェービング治具１１をラッピング定盤１上にセットする。シェービング治具は、自重を含めて５００ｇ〜５０００ｇに加工の状態によって調整する。ラッピング定盤の回転数は５〜１０ｒｐｍ、シェービング治具１１の回転数は、１〜５ｒｐｍとした。シェービング治具１１の回転数は必ずラッピング定盤の回転数より小さくする必要があり、仮にラッピング定盤の回転数を超えると、ラッピング定盤に深い傷を発生させ使用不能となる。この状態で５〜３０分間加工することで、ラッピング定盤の平坦度を０．２μｍ以下に改善することができる。
【００２１】
図５は本発明におけるシェービング治具１１の説明図である。シェービング治具１１の材質はアルミナとした。アルミナのほかにジルコニアや超硬等ラッピング定盤より充分硬ければ使用可能である。シェービング治具１１のラッピング定盤に接触する面（下面）は、Ｒ１００ｍの球面状とし、図５に示すような断面形状とした。このような形状をとることで、シェービング治具の下面の内周端面（図５の切れ刃）のみがラッピング定盤と接触する。つまり切れ刃として働く。逆にマイナスＲ１００ｍとした場合は外周端面がラッピング定盤と接触し切れ刃となる。仮に、下面をフラットとした場合は、ラッピング定盤と面接触をするために、切れ刃が発生しない。つまりシェービングされない。外側を切れ刃とした場合は、ラッピング定盤に対して、切れ刃部分が鋭角となるので、切れ味がよくなる。反面、ラッピング定盤に深い傷を入れやすい。逆に内周を切れ刃とした場合は、ラッピング定盤に対して、切れ刃部分が鈍角となるので、切れ味が悪くなる。切れ味が良い場合は、ラッピング定盤に深い傷を残しやすいので、切れ味の悪い内周を切れ刃とするのが良い。また、球面のＲに関しては、Ｒ１００ｍに固定するものではないが、Ｒが小さすぎる場合は加工傷を発生させやすく、逆に大きすぎる場合は、ほとんどシェービングされない。
【００２２】
図６は、シェービング処理後のラッピング定盤の断面形状を表す図である。溝の山部における最大部分と最小部分の差（平坦度）が０．２μｍ以内に改善されていることがわかる。また、山の頂点部分が削り取られてラッピング砥粒を埋め込む（チャージング）ための平坦部が形成されている。本発明においては、シェービング時間を調整することで、この平坦部の幅を０．１ｍｍ程度に調整した。
【００２３】
（４）チャージング工程
次にチャージング工程について説明する。シェービング終了後、ラッピング定盤をＩＰＡとウエスでよく拭き取り、シェービング治具１１と交換して、図７記載のチャージングリング１２をセットする。チャージングリング１２は、アルミナ製で、その断面形状はフラットとし端面を面取りすることでダイヤモンド砥粒の誘いとした。面取りの幅は１ｍｍとした。
【００２４】
図８は、ラッピング定盤１にダイヤモンド砥粒１３ａがチャージングされるときのイメージ図である。ラッピング定盤１は図中矢印の方向に回転し、ラッピング定盤１上に塗布されたダイヤモンドスラリー１３をチャージングリング１２まで運ぶ。ダイヤモンドスラリー１３中に含まれるダイヤモンド砥粒１３ａは、チャージングリング１２の下側の端面に設けられた誘いにより、チャージングリング１２とラッピング定盤１との間に誘い込まれる。誘い込まれたダイヤモンド砥粒は、ダイヤモンドやアルミナと比較すると圧倒的に軟性材料である錫製のラッピング定盤表面に埋め込まれる。つまりチャージングされることになる。より具体的なチャージング条件しては、平均粒径０．１２５μｍのダイヤモンド砥粒を毎分１ｃｃの割合でラッピング定盤に滴下しながら、ラッピング定盤を２０ｒｐｍ、チャージングリング１２を５ｒｐｍで回転させた。チャージングリング１２は自重含めて５ｋｇとした。シェービングの状態にもよるが、１〜２時間でラッピング定盤全面に均一にダイヤモンド砥粒を埋め込むことができる。
【００２５】
図９は、チャージング後のラッピング定盤１の表面状態のイメージである。ダイヤモンド砥粒１３ａは、ラッピング定盤１表面に均一に埋め込まれ、ラッピング定盤内部の応力により強固に保持されるため、以降のラッピング時に脱落することはない。
（５）ラッピング方法
次に本発明のメカニカルラッピングの条件について説明する。表２は、本発明におけるメカニカルラッピング条件の一例である。本発明においては、加工条件をラフラッピングとファインラッピングの２段階に分け、ラフラッピングにおいては、前工程の加工変質層を効率よく除去し、ファインラッピングにおいては表面状態を高精度に仕上げる設定とした。
【００２６】
【表２】
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ラフラッピングプロセスにおいては、ラッピング定盤１の回転数を５０ｒｐｍ、ＳｉＣ単結晶基板２の回転数（ワーク回転数）を２５ｒｐｍとした。また、ラッピング定盤上に粒径０．１２５μｍのダイヤモンドスラリーを毎秒１滴の割合で滴下し、ＳｉＣ単結晶基板２に加える荷重は、２００ｇ/ｃｍ2とした。
【００２７】
本実施例においては、平均粒径０．１２５μｍのダイヤモンドスラリーを使用したが、まず粒径に関しては、微細化すればするほど、加工変質層を小さくすることが可能であるが、平坦度に関してはラッピング定盤の精度に依存性が高いため粒径をこれ以上微細化しても大きな改善はみられない。砥粒の種類についてであるが、ダイヤモンド以外に炭化ホウ素等があるが、ダイヤモンドと比較すると切れ味が鈍るために平坦度は悪化傾向なることが予測される。ラフラッピングプロセスを約４０分間行い、ラフラッピング後の表面粗さ（Ｒａ）は約Ｒａ＝０．５ｎｍ、加工変質層は２００ｎｍ程度であった。
【００２８】
次にファインラッピングプロセスであるが、ラフラッピング後、ラッピング定盤上の遊離砥粒をウエスを使ってすべて拭き取り、続いてファインラッピングを行う。ファインラッピングにおいては、スラリーの代わりにオイルを滴下し、遊離砥粒を完全に排除した状態でラッピング定盤に埋め込まれた固定砥粒のみで加工を行う。ファインラッピングプロセスにおいては、ラッピング定盤１の回転数１０ｒｐｍ、ＳｉＣ単結晶基板の回転数を５ｒｐｍとした。この条件で１０〜２０分間加工を行うことで表面粗さをＲａ０．４ｎｍ程度に向上させることができるとともに、加工変質層を１００ｎｍ程度に改善することができた。また、比較として、同じダイヤモンドスラリーを使用し、本発明のラッピング定盤にかえてポリウレタンからなる研磨パッドを使用して同様のラッピング加工を行った場合、Ｒａが０．７ｎｍ以上となった。
【００２９】
本発明におけるメカニカルラッピング定盤を使用したラッピングプロセスで作成したＳｉＣ基板と、比較として前述のポリウレタンからなる研磨パッドを使用したラッピングプロセスで作成したＳｉＣ基板をＣＭＰ研磨した結果、本発明におけるメカニカルラッピングにおいては、約６時間でＣＭＰ研磨を完了することができたが、比較例においては、約２０時間の加工時間を要した。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明にかかる化合物半導体基板のメカニカルラッピング方法は従来の加工法と比べ、半導体製作において生産性のボトルネックとなっているＣＭＰ研磨工程の生産性を向上させることが可能となり、化合物半導体基板の製造方法として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例におけるラッピング方法に使用する研磨装置の概略図
【図２】本発明の実施例におけるフェーシング工程に使用するフェージング装置の概略図
【図３】本発明の実施例におけるラッピング定盤を説明するための図
【図４】本発明の実施例におけるシェービング工程に使用するシェービング装置の概略図
【図５】本発明の実施例におけるシェービング工程に使用するシェービング治具を説明するための図
【図６】本発明の実施例におけるシェービング後のラッピング定盤を説明するための図
【図７】本発明の実施例におけるチャージング工程に使用するチャージングリングを説明するための図
【図８】本発明の実施例におけるチャージング工程を模式的に説明するための図
【図９】本発明の実施例におけるチャージング後のラッピング定盤を説明するための図
【符号の説明】
【００３２】
１  ラッピング定盤
２  ＳｉＣ単結晶基板
３  円盤治具
４  強制駆動装置
５  ディスペンサー
６  回転テーブル
７  フェーシングアーム
８  ダイヤモンドバイト
９  第１の溝
１０  第２の溝
１１  シェービング治具
１２  チャージングリング
１３  ダイヤモンドスラリー
１３ａ  ダイヤモンド砥粒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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