(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2013/19 EP B1 (13) (51) T3 Int.Cl. H01L 21/306 ( ) C25F 3/16 ( ) B24B 37/04 ( ) (54) Tytuł wynalazku: SPOSÓB ELEKTROCHEMICZNO-MECHANICZNEGO POLEROWANIA PŁYTEK Z WĘGLIKA KRZEMU (30) Pierwszeństwo: PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2011/44 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 2013/09 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Technologii Materialów Elektronicznych, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 HALINA SAKOWSKA, JózefosŁaw, PL MACIEJ GALA, Warszawa, PL WłADYSłAW HOFMAN, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jakub Sielewiesiuk AOMB POLSKA SP. Z O.O. ul. E. Plater piętro Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 Opis [0001] Przedmiotem wynalazku jest sposób elektrochemiczno-mechanicznego polerowania płytek z węglika krzemu, mający zastosowanie w elektronice, zwłaszcza do wytwarzania diod i tranzystorów na bazie SiC w systemach wysokiej mocy i wysokiej częstotliwości. [0002] Płytki podłożowe z SiC powinny charakteryzować się doskonałą jakością powierzchni, wymaganą do osadzania warstw epitaksjalnych. Jakość powierzchni płytek zależy od jakości krystalograficznej kryształu SiC oraz w dużym stopniu od sposobu przygotowania czyli obróbki powierzchni. [0003] Dla uzyskania dobrej jakości warstwy epitaksjalnej powierzchnia podłoża musi być wolna od defektów i tak gładka, jak to jest możliwe. [0004] Znany z publikacji X.Chen i in., J.of Material Science of Technology, 22, 5, (2006) sposób uzyskania odpowiednio gładkiej powierzchni SiC polega na wieloetapowej obróbce ziarnem diamentowym z użyciem zawiesin o zmniejszającym się średnim ziarnie. Jednak ziarno diamentowe, wygładzając powierzchnię, powoduje jednocześnie powstawanie przypowierzchniowej warstwy uszkodzonej. Polerowanie twardym ziarnem diamentowym, usuwające warstwę SiC, skutkuje również propagacją mikropęknięć, a co za tym idzie obecność uszkodzonej warstwy przypowierzchniowej jest nie do uniknięcia. Tak uzyskana powierzchnia ma liczne rysy widoczne pod mikroskopem. [0005] Z publikacji Ling Shou i in., J.of Electrochemical Society, 144, 6, (1997); Peter Cuo i Ian Currier, Materials Science Forum, (2006) oraz opisu patentowego PCT WO 2005/099388A2 znany jest sposób polerowania mechaniczno--chemicznego CMP, łączący proces chemicznego trawienia, czyli utleniania powierzchni z procesem mechanicznego polerowania. W procesie tym wykorzystuje się najczęściej środek utleniający, taki jak nadtlenek wodoru H2O2 oraz koloidalną krzemionkę SiO2. [0006] Z uwagi na dużą odporność chemiczną SiC na działanie czynników chemicznych w porównaniu do reaktywności na przykład krzemu Si, szybkość usuwania warstwy SiC jest rzędu 10 nm/godz. w porównaniu do 50 nm/min dla polerowania krzemu. CMP jest czasochłonny i nie przynosi oczekiwanych efektów. 2

3 [0007] W celu zwiększenia efektywności polerowania stosuje się zmodyfikowany proces ACMP, znany z publikacji W.J. Everson i in., Materials Science Forum, , (2006) , a polegający na zwiększeniu szybkości utleniania powierzchni SiC przy jednoczesnym zrównoważeniu szybkości mechanicznego usuwania powstałego SiO2 poprzez zastosowanie alternatywnego ziarna ściernego z odpowiednim uziarnieniem oraz dobór stężenia utleniacza. [0008] Z opisu patentowego USA nr B2 znany jest sposób łączący wygrzewanie płytek SiC w atmosferze utleniającej w celu utlenienia powierzchni SiC do SiO2, a następnie polerowanie tak przygotowanej powierzchni krzemionką koloidalną do uzyskania gładkości powierzchni wymaganej do epitaksji. [0009] Z opisu patentowego USA nr znane są techniki oparte na trawieniu jonowym lub plazmowym. Są one konkurencyjne do metod wykorzystujących polerowanie pod względem szybkości usuwania warstwy, lecz nie zapewniają uzyskania wymaganej do epitaksji gładkości powierzchni. [0010] Z publikacji Keita Yagi i in., Japanese J.Applied Physic, 47, 1, (2008) znany jest sposób wygładzania powierzchni, oparty na wykorzystaniu utleniających własności rodników OH generowanych przez atomy metalu, takiego jak Fe, zawartych w tarczy polerskiej. [0011] W pracy, opisanej w publikacji Canhua Li i in., Electronics Materials, 33, 5, (2004), zastosowano dwustopniowy proces ECMP. W 1. etapie przeprowadzono anodowe utlenianie powierzchni SiC do SiO2 w czasie około 30 sekund, stosując czysty nadtlenek wodoru H2O2 przy gęstości prądu 1 ma/cm2, zaś w 2. etapie, chemomechaniczne polerowanie do usunięcia warstwy SiO2 przy użyciu wodnej zawiesiny krzemionki koloidalnej w ciągu 30 min. Obydwa etapy powtarzano do uzyskania polerowanej powierzchni bez rys widocznych pod mikroskopem. Płytki SiC przyklejono do aluminiowego uchwytu polerskiego przy użyciu wosku naklejniczego. Dodatkowo pomiędzy płytką SiC a uchwytem umieszczono warstwę metalicznego indu, zapewniającą kontakt elektryczny. Sposobem tym uzyskano wolną od rys powierzchnię SiC, o gładkości R 0,200 nm, pozbawioną przypowierzchniowej warstwy uszkodzonej. Sposób ten wymaga jednak jednoczesnego spełnienia kilku warunków. Naklejenie płytki do uchwytu wymaga dużej staranności dla zapewnienia dobrego zamocowania płytki, ale i dobrego kontaktu elektrycznego. Każde mniej precyzyjne umieszczenie warstwy indu 3

4 powoduje straty prądu płynącego przez płytkę, a w konsekwencji nieprecyzyjny pomiar natężenia prądu, przepływającego przez płytkę. Wosk naklejniczy, konieczny do skutecznego zamocowania płytki SiC, musi jednocześnie spełniać rolę izolatora na pionowych ściankach uchwytu do próbek, nie pozwalając na przepływ prądu pomiędzy uchwytem a elektrolitem na tarczy polerskiej z pominięciem płytki SiC, jak również nie powinien ograniczać powierzchni kontaktu indowego. Spełnienie tych warunków ogranicza zastosowanie tej metody do jednostkowych prób. [0012] Celem wynalazku było opracowanie prostej, mniej czasochłonnej, czystej i powtarzalnej technologii, umożliwiającej uzyskanie wysokiej jakości powierzchni płytek SiC, wolnej od defektów i o wysokiej gładkości. [0013] Sposób według wynalazku polega na tym, że w 1. etapie do uchwytu polerskiego z przewodzącego prąd materiału, usytuowanego w głowicy urządzenia do polerowania elektrochemiczno-mechanicznego, z zamocowaną trwale kasetą nieprzewodzącą prądu z co najmniej jednym gniazdem, w którym na wymiennej podkładce z przewodzącego prąd materiału mocuje się adhezyjnie płytkę z węglika krzemu SiC, zaś tarczę polerską urządzenia do polerowania wykłada się tkaniną do polerowania chemicznego odporną na działanie agresywnych czynników chemicznych, takich jak kwasy lub alkalia, po czym uchwyt łączy się z anodą, a do tkaniny polerskiej zwilżonej warstwą elektrolitu umożliwiającego przepływ prądu przykłada się katodę, łącząc wyjścia elektrod z zasilaczem prądu stałego i przepuszcza przez tak powstały układ prąd elektryczny. [0014] W 2. etapie płytkę po umyciu i wypłukaniu ponownie umieszcza się w gnieździe kasety na wymienionej na nieprzewodzącą prądu podkładce i poddaje polerowaniu krzemionką koloidalną, po czym tak wypolerowaną płytkę myje się, płucze wodą i suszy. [0015] Korzystnie w trzech gniazdach kasety mocuje się trzy płytki. [0016] Korzystnie stosuje się kasetę z nieprzewodzącego prądu poliwęglanu. [0017] Korzystnie stosuje się uchwyt polerski wykonany z aluminium. [0018] W 1. etapie w kasecie umieszcza się podkładkę korzystnie wykonaną z aluminium. 4

5 [0019] W 2. etapie w kasecie umieszcza się podkładkę korzystnie z tworzywa sztucznego, co pozwala na swobodne obroty płytki w gnieździe kasety, zabezpieczając jednocześnie niepolerowaną stronę płytki przed kontaktem z materiałem uchwytu polerskiego. [0020] W 1. etapie w czasie przepływu prądu uchwyt korzystnie obraca się, a tarczę polerską pozostawia się nieruchomą. [0021] W 2. etapie uchwyt i tarczę polerską korzystnie obraca się w przeciwnych kierunkach. [0022] Dla zapewnienia stabilnego i bezpiecznego umocowania płytki SiC w gnieździe kasety w czasie polerowania głębokość gniazda kasety korzystnie dobiera się tak do grubości płytki SiC i grubości wymiennej podkładki, żeby 1/3 grubości płytki wystawała ponad kasetę, a 2/3 pozostawało wewnątrz gniazda. [0023] W czasie 1. etapu podkładka z przewodzącego prąd materiału, dociskana z jednej strony przez polerowaną płytkę SiC, a z drugiej przez uchwyt dopasowuje się do przylegających do niej powierzchni, zapewniając skuteczny przepływ prądu elektrycznego przez płytkę SiC. [0024] Średnica gniazda kasety, w którym umieszcza się płytkę SiC wraz z podkładką, nieco większa niż średnica płytki, zapewnia swobodny obrót płytki wokół własnej osi w czasie polerowania oraz swobodne umieszczanie i wyjmowanie płytki z gniazda kasety przed i po polerowaniu. [0025] Sposób według wynalazku zapewnia dobry przepływ prądu podczas 1. etapu polerowania, a ponadto dzięki mocowaniu płytek w urządzeniu bez konieczności zastosowania dodatkowych środków klejących oraz zapewniających przepływ prądu, a stykających się z nimi bezpośrednio, zapewnia czystą technologię procesu bez konieczności mycia płytek w rozpuszczalnikach organicznych po obu etapach polerowania. [0026] Podane niżej przykłady ilustrują sposób według wynalazku w konkretnych przypadkach jego wykonania w oparciu o przykładowy układ do polerowania, przedstawiony schematycznie na rysunku fig 1. Dla zilustrowania uzyskanych wyników podano przykładowy obraz z mikroskopu sił atomowych AFM powierzchni SiC przed i po polerowaniu, przedstawiony na rysunkach fig.2 odpowiednio a) i b). 5

6 Przykład 1: [0027] Przygotowano wstępnie przez wypolerowanie zawiesinami diamentowymi o zmniejszającym się uziarnieniu 15 μm, 9 μm, 6 μm, 1 μm, 0,25 μm i 0,1 μm i umycie w płuczce ultradźwiękowej trzy płytki 1 4H SiC o orientacji (0001), oddchylone o 4 od kierunku [0001], o średnicy Φ=1 i grubości (1,00±0,05)mm. [0028] W głowicy urządzenia do polerowania elektrochemiczno-mechanicznego, nie uwidocznionej na rysunku, usytuowano aluminiowy uchwyt polerski 2. Do uchwytu 2 przyklejono kasetę 3 z nieprzewodzącego prąd poliwęglanu, mającą trzy gniazdaotwory o średnicy minimalnie większej od średnicy płytek 1. W gniazdach kasety 3 umieszczono wymienne aluminiowe podkładki 4 o średnicy równej średnicy płytek 1 i grubości 0,100 mm, po czym zamocowano adhezyjnie płytki 1 tak, że 1/3 grubości każdej z nich wystawała ponad kasetę 3, a 2/3 grubości pozostawało wewnątrz gniazda. Tarczę polerską 5 wyłożono tkaniną 6 do polerowania chemicznego, odporną na działanie agresywnych czynników chemicznych, a zwłaszcza alkaliów. Tkaninę 6 zwilżono warstwą świeżo przygotowanego 10% roztworu wodnego KNO3. Następnie uchwyt 2 połączono z anodą, a do tkaniny polerskiej 6 przyłożono katodę, łącząc wyjścia obu elektrod z zasilaczem prądu stałego i przepuszczono prąd w czasie 30 sekund. Gęstość prądu elektrycznego przepływającego przez płytki 1 wynosiła 1 ma/cm2. Podczas przepływu prądu tarcza polerska 5 pozostawała nieruchoma, zaś głowica urządzenia wraz z uchwytem 2 z płytkami 1 obracała się z prędkością 150 rpm przy nacisku w czasie polerowania 20 psi. [0029] Następnie płytki 1 wyjęto z kasety 3, umyto w płuczce ultradźwiękowej w wodnym roztworze pirofosforanu sodu, wypłukano wodą i ponownie umieszczono w gnieździe kasety 3, zastępując aluminiową podkładkę 4 podkładką 4 z poliuretanu. Umyto również tkaninę polerską 6. [0030] Tak przygotowane płytki 1 poddano 2. etapowi polerowania przy zastosowaniu wodnej zawiesiny krzemionki koloidalnej o średnim ziarnie 50 nm i o ph 9,6. Uchwyt 2 i tarczę polerską 5 obracano w przeciwnych do siebie kierunkach. Czas polerowania wynosił 30 min., obroty tarczy rpm przy nacisku na płytki 1 5 psi, obroty głowicy z płytkami rpm. Po zakończonym polerowaniu płytki 1 umyto w płuczce ultradźwiękowej w roztworze pirofosforanu sodu, wypłukano wodą i wysuszono. 6

7 [0031] Obydwa etapy polerowania powtórzono 6 razy. [0032] Wypolerowane płytki 1 poddano myciu w mieszaninie wodorotlenku amonu NH3 H2O i nadtlenku wodoru H2O2, następnie w kwasie fluorowodorowym HF i dodatkowo w mieszaninie kwasu solnego HCl i nadtlenku wodoru H2O2. [0033] Wykonano analizę gładkości powierzchni płytek 1 przy pomocy mikroskopu sił atomowych AFM. Parametr chropowatości po wstępnym polerowaniu zawiesiną diamentową o uziarnieniu 0,1 μm wynósł Ra=0,24 nm, po dwóch etapach polerowania ECMP wynósł Ra=0,20 nm. Przykład 2: [0034] Przygotowano wstępnie tak, jak w przykładzie 1, trzy płytki 1 6H SiC o orientacji (0001), odchylone o 8 od kierunku [0001], o średnicy Φ=1 i grubości (1,00±0,05) mm. Proces polerowania przeprowadzono w dwóch etapach tak, jak w przykładzie 1. 7

8 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób elektrochemiczno-mechanicznego polerowania płytek z węglika krzemu SiC poprzez anodowe utlenianie zewnętrznej warstwy płytek po ich stronie krzemowej do SiO2 i następne ich polerowanie krzemionką koloidalną, znamienny tym, że w 1. etapie do uchwytu polerskiego (2) z przewodzącego prąd materiału, usytuowanego w głowicy urządzenia do polerowania elektrochemicznomechanicznego, z zamocowaną trwale kasetą (3) nieprzewodzącą prądu z co najmniej jednym gniazdem, w którym na wymiennej podkładce (4) z przewodzącego prąd materiału mocuje się adhezyjnie płytkę (1) z węglika krzemu SiC, zaś tarczę polerską (5) urządzenia do polerowania wykłada się tkaniną (6) do polerowania chemicznego, odporną na działanie agresywnych czynników chemicznych, po czym uchwyt (2) łączy się z anodą, a do tkaniny polerskiej (6) zwilżonej warstwą elektrolitu przykłada się katodę, łącząc wyjścia elektrod z zasilaczem prądu stałego i przepuszcza przez tak powstały układ prąd elektryczny, następnie w 2. etapie płytkę (1) po umyciu i wypłukaniu ponownie umieszcza się w gnieździe kasety (3) na wymienionej na nieprzewodzącą prądu podkładce (4) i poddaje polerowaniu krzemionką koloidalną, po czym tak wypolerowaną płytkę (1) myje się, płucze wodą i suszy. 2. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że w trzech gniazdach kasety (3) mocuje się trzy płytki (1). 3. Sposób według zastrz.1., znamienny tym, że stosuje się kasetę (3) z nieprzewodzącego prądu poliwęglanu. 4. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że stosuje się uchwyt polerski (2) z aluminium. 5. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że w 1. etapie w kasecie (3) umieszcza się podkładkę (4) z aluminium. 6. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że w 2. etapie w kasecie (3) umieszcza się podkładkę (4) z tworzywa sztucznego. 7. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że w 1. etapie w czasie przepływu prądu uchwyt (2) obraca się, a tarczę polerską (5) pozostawia się nieruchomą. 8

9 8. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że w 2. etapie uchwyt (2) i tarczę polerską (5) obraca się w przeciwnych do siebie kierunkach. 9. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że głębokość gniazda kasety (3) dobiera się tak do grubości płytki SiC (1) i grubości wymiennej podkładki (4), żeby 1/3 grubości płytki wystawała ponad kasetę (3), a 2/3 pozostawało wewnątrz gniazda. 9

10 10

11 WCZEŚNIEJSZE PUBLIKACJE WYMIENIONE W OPISIE Niniejsza lista publikacji przywołanych przez Zgłaszającego przygotowana jest wyłącznie dla wygody czytelników. Nie stanowi ona części europejskiego dokumentu patentowego. Chociaż dołożono wielkiej staranności przy układaniu listy przywołanych publikacji, nie można wykluczyć błędów lub pominięć, a Europejski Urząd Patentowy uchyla się od wszelkiej odpowiedzialności w tym względzie. Dokumenty patentowe wymienione w opisie WO A2A [0005] US B2 [0008] US A [0009] Literatura niepatentowa wymieniona w opisie X.CHEN et al.j.of Material Science of Technology, 2006, vol. 22, [0004] LING SHOU et al.j.of Electrochemical Society, vol. 144, [0005] PETER CUOIAN CURRIERMaterials Science Forum, 2006, vol , [0005] W.J. EVERSON et al.materials Science Forum, 2006, vol , [0007] KEITA YAGI et al.japanese J.Applied Physic, 2008, vol. 47, [0010] CANHUA LI et al.electronics Materials, 2004, vol. 33, [0011] 11