(57)【要約】【課題】  化学反応性に富んだラジカルを利用し、Ｓｉを始めＳｉＣやＧａＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体等を高能率に加工でき、ドライ状態での処理であるので装置構成が簡単であり、その取り扱いも容易且つ安全であるラジカル吸着輸送を援用した加工方法及びその装置を提供する。【解決手段】  ラジカルに対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する可動工具の近傍で、少なくともラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスのプラズマを発生させて、プラズマ発生領域で生成したラジカルを工具表面に吸着させて反応活性種を付与し、工具の移動によって反応活性種を被加工物表面まで輸送し、工具と接触した被加工物表面の原子と反応活性種との化学反応で生成した反応生成物を除去して、工具表面を加工基準面として被加工物表面をエッチングする。
2017150308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応性に富んだラジカルに対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する可動工具の近傍で、少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスからなるプラズマを発生させて、該プラズマ発生領域で生成したラジカルを前記工具表面に吸着させて反応活性種を付与し、該工具の移動によって前記反応活性種を被加工物表面まで輸送し、該工具と接触した被加工物表面の原子と反応活性種との化学反応によって生成した反応生成物を除去することにより、該工具表面を加工基準面として被加工物表面をエッチングすることを特徴とするラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項２】
前記ラジカルを生成する元素がＦ又はＣｌのハロゲン元素であり、前記ラジカルがＦラジカル又はＣｌラジカルである請求項１記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項３】
前記ラジカルを生成する置換基がＯＨ基であり、前記ラジカルがＯＨラジカルである請求項１記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項４】
前記工具の少なくとも表面がＮｉで形成されている請求項１〜３何れか１項に記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項５】
前記工具の表面がアルミナ又はイットリアのコーティング層となっている請求項１〜３何れか１項に記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項６】
前記工具が回転定盤工具であり、該回転定盤工具表面を加工基準面として被加工物表面を平坦化加工する請求項１記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項７】
前記工具が回転軸を備えた球状回転工具であり、該球状回転工具の外周部の近傍においてプラズマを発生させて、該球状回転工具の外周部にラジカルを吸着させ、該球状回転工具のプラズマ発生領域とは異なる外周部を被加工物表面に所定圧力で接触させながら回転させるとともに、該接触部を被加工物表面上で数値制御走査して任意形状に加工する請求項１記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。
【請求項８】
化学反応性に富んだラジカルに対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する回転定盤工具と、
前記回転定盤工具の表面に対して所定ギャップを設けて配置した電極ヘッドと、
前記電極ヘッドに少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記電極ヘッドに高周波電界を印加して前記ギャップでプラズマを発生させる高周波電源と、
プラズマ発生領域で生成したラジカルを吸着して反応活性種が付与された前記回転定盤工具表面の回転方向前方に被加工物を保持し、該被加工物を所定圧力で回転定盤工具表面に接触させるワークホルダーと、
を備え、前記回転定盤工具表面を加工基準面として被加工物表面を平坦化加工することを特徴とするラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【請求項９】
回転軸を備えるとともに、少なくとも外周部表面に化学反応性に富んだラジカルに対して耐食性と吸着能を備えている球状回転工具と、
前記球状回転工具の外周部に対して所定ギャップを設けて配置した電極と、
前記電極に少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記電極に高周波電界を印加して前記ギャップでプラズマを発生させる高周波電源と、
プラズマ発生領域で生成したラジカルを吸着して反応活性種が付与された前記球状回転工具のプラズマ発生領域とは異なる外周部を、被加工物表面に所定圧力で接触させた状態で、前記球状回転工具と被加工物とを相対的に数値制御走査する走査手段と、
を備え、前記球状回転工具と被加工物の接触部を被加工物表面上で数値制御走査して該球状回転工具表面を加工基準面として任意形状に加工することを特徴とするラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【請求項１０】
前記前記ラジカルを生成する元素がＦ又はＣｌのハロゲン元素であり、前記ラジカルがＦラジカル又はＣｌラジカルである請求項８又は９記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【請求項１１】
前記ラジカルを生成する置換基がＯＨ基であり、前記ラジカルがＯＨラジカルである請求項８又は９記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【請求項１２】
前記回転定盤工具又は球状回転工具の少なくとも表面がＮｉで形成されている請求項８又は９記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【請求項１３】
前記回転定盤工具又は球状回転工具の表面がアルミナ又はイットリアのコーティング層となっている請求項８又は９記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジカル吸着輸送を援用した加工方法及びその装置に係わり、更に詳しくはＳｉを始めＳｉＣやＧａＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体基板等を平坦化加工若しくは任意形状加工することが可能なラジカル吸着輸送を援用した加工方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体デバイスには主にＳｉが使用されているが、その性能はＳｉの物性値による限界に近づきつつある。そのため、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドに代表されるワイドバンドギャップ半導体が注目されている。これらのパワー半導体デバイス材料はバンドギャップ、絶縁破壊電界値、熱伝導率、電子移動度といった物性値がSiと比較して数倍〜数十倍大きいため、これらの材料を用いてパワーデバイスを作製した場合、高耐圧で消費電力の低減，高速動作等の実現が可能になる。これらの利点から、ワイドバンドギャップ半導体は次世代パワー半導体デバイス分野を牽引する材料として期待されている。【０００３】
しかし、半導体パワーデバイスを作製する上で表面の結晶性が重要となる半導体基板の平坦化は必須であり、ＳｉＣやＧａＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体基板は硬く脆いことから、従来の機械的加工ではダメージを与えることなく高効率な平坦化は困難である。Ｐ−ＣＶＭ(Plasma Chemical Vaporization Machining)は、大気圧雰囲気下でのプラズマを用いた化学的な加工方法であり、その高いラジカル密度から高効率で且つ結晶にダメージを与えることない加工が可能である（特許文献１、２）。しかし、プラズマによる加工は本質的に等方性エッチングであり、面方向全体を加工してしまうため、凹凸のある被加工物表面を高能率に平坦化には向かない。【０００４】
そこで我々は、化学的研磨法の表面粗さの悪化という欠点を研磨定盤に基準面となる触媒を用いることで改善させた触媒表面基準エッチング(Catalyst-Referred Etching; CARE)法を提案している（特許文献３）。ＣＡＲＥ法では基準面となる研磨定盤にＮｉやＰｔを用いることで触媒作用を付加し、研磨定盤近傍でのみ発生したハロゲンラジカルの助けを借りてエッチング反応が誘起されるため、凸部のみを選択的に加工することができる。さらに、エッチング反応のみによって加工が進行するため原理的にダメージは入り得ず、化学的に基準面形状の転写が可能である。現在までに、ＣＡＲＥ加工によってＳｉＣやＧａＮのステップテラス構造が実現されており、基板表面を原子レベルに平坦化可能であることが確認されている。しかし、特許文献３に記載のＣＡＲＥ法は、ハロゲンを含む分子が溶けた加工液、例えばフッ化水素酸を用いていたため、その取り扱いには細心の注意が必要であり、廃液や排気ガスの処理が必要になって装置構成も複雑になるといった課題があった。【０００５】
また、本質的に加工液として水のみを用い、加工液に対する被加工物の電位を制御し、触媒の作用で水分子が解離して生成したＯＨラジカルが被加工物表面に吸着し、加水分解による分解生成物を被加工物表面から除去して加工を進行させる加工原理により、固体酸化物やＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体基板等の難加工物を加工が可能なＷａｔｅｒ−ＣＡＲＥ法が提案されている（特許文献４，５）。しかし、これらＷａｔｅｒ−ＣＡＲＥ法は、研磨剤や砥粒を一切使用せず、廃液の処理も容易であるという優れた加工法であるが、加工速度が遅く、とりわけダイヤモンドに対する加工速度が遅く、殆ど加工できなかった。しかも基本的にウェット状態での処理であるので、ドライ状態での処理に比べて特有の問題も存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２５２１１２７号公報
【特許文献２】特許第２９６２５８３号公報
【特許文献３】特開２００６−１１４６３２号公報
【特許文献４】国際公開第２０１３／０８４９３４号
【特許文献５】特開２０１５−１７３２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、化学反応性に富んだラジカルを利用し、Ｓｉを始めＳｉＣやＧａＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体基板等の難加工物を高能率に加工することができるにも係わらず、ドライ状態での処理であるので装置構成が簡単であり、その取り扱いも容易且つ安全であるラジカル吸着輸送を援用した加工方法及びその装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前述の課題解決のために、以下のラジカル吸着輸送を援用した加工方法及び加工装置を構成した。【０００９】
（１）
化学反応性に富んだラジカルに対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する可動工具の近傍で、少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスからなるプラズマを発生させて、該プラズマ発生領域で生成したラジカルを前記工具表面に吸着させて反応活性種を付与し、該工具の移動によって前記反応活性種を被加工物表面まで輸送し、該工具と接触した被加工物表面の原子と反応活性種との化学反応によって生成した反応生成物を除去することにより、該工具表面を加工基準面として被加工物表面をエッチングすることを特徴とするラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１０】
（２）
前記ラジカルを生成する元素がＦ又はＣｌのハロゲン元素であり、前記ラジカルがＦラジカル又はＣｌラジカルである（１）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１１】
（３）
前記ラジカルを生成する置換基がＯＨ基であり、前記ラジカルがＯＨラジカルである（１）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１２】
（４）
前記工具の少なくとも表面がＮｉで形成されている（１）〜（３）何れか１に記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１３】
（５）
前記工具の表面がアルミナ又はイットリアのコーティング層となっている（１）〜（３）何れか１に記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１４】
（６）
前記工具が回転定盤工具であり、該回転定盤工具表面を加工基準面として被加工物表面を平坦化加工する（１）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１５】
（７）
前記工具が回転軸を備えた球状回転工具であり、該球状回転工具の外周部の近傍においてプラズマを発生させて、該球状回転工具の外周部にラジカルを吸着させ、該球状回転工具のプラズマ発生領域とは異なる外周部を被加工物表面に所定圧力で接触させながら回転させるとともに、該接触部を被加工物表面上で数値制御走査して任意形状に加工する（１）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工方法。【００１６】
（８）
化学反応性に富んだラジカルに対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する回転定盤工具と、
前記回転定盤工具の表面に対して所定ギャップを設けて配置した電極ヘッドと、
前記電極ヘッドに少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記電極ヘッドに高周波電界を印加して前記ギャップでプラズマを発生させる高周波電源と、
プラズマ発生領域で生成したラジカルを吸着して反応活性種が付与された前記回転定盤工具表面の回転方向前方に被加工物を保持し、該被加工物を所定圧力で回転定盤工具表面に接触させるワークホルダーと、
を備え、前記回転定盤工具表面を加工基準面として被加工物表面を平坦化加工することを特徴とするラジカル吸着輸送を援用した加工装置。【００１７】
（９）
回転軸を備えるとともに、少なくとも外周部表面に化学反応性に富んだラジカルに対して耐食性と吸着能を備えている球状回転工具と、
前記球状回転工具の外周部に対して所定ギャップを設けて配置した電極と、
前記電極に少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記電極に高周波電界を印加して前記ギャップでプラズマを発生させる高周波電源と、
プラズマ発生領域で生成したラジカルを吸着して反応活性種が付与された前記球状回転工具のプラズマ発生領域とは異なる外周部を、被加工物表面に所定圧力で接触させた状態で、前記球状回転工具と被加工物とを相対的に数値制御走査する走査手段と、
を備え、前記球状回転工具と被加工物の接触部を被加工物表面上で数値制御走査して該球状回転工具表面を加工基準面として任意形状に加工することを特徴とするラジカル吸着輸送を援用した加工装置。【００１８】
（１０）
前記前記ラジカルを生成する元素がＦ又はＣｌのハロゲン元素であり、前記ラジカルがＦラジカル又はＣｌラジカルである（８）又は（９）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。【００１９】
（１１）
前記ラジカルを生成する置換基がＯＨ基であり、前記ラジカルがＯＨラジカルである（８）又は（９）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。【００２０】
（１２）
前記回転定盤工具又は球状回転工具の少なくとも表面がＮｉで形成されている（８）又は（９）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。【００２１】
（１３）
前記回転定盤工具又は球状回転工具の表面がアルミナ又はイットリアのコーティング層となっている（８）又は（９）記載のラジカル吸着輸送を援用した加工装置。
【発明の効果】
【００２２】
以上にしてなる本発明のラジカル吸着輸送を援用した加工方法及びその装置によれば、ラジカルを吸着させる工具表面を加工基準面としたドライエッチングが実現する。ドライエッチング技術において、このような加工基準面を有する技術は他に存在しない。本発明によって高能率に単結晶材料の無歪平坦化が期待でき、例えばＳｉＣやＧａＮ、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体基板等の次世代半導体基板の高品質化、低価格化が期待できる。更に、従来技術では均一な加工が困難であった、結晶成長に起因する結晶性の不均一性を有するような基板や多結晶基板等も、本発明では加工基準面の効果によって均一な加工が実現できる可能性がある。また、本発明ではプラズマは直接被加工物表面に接触しないため、耐熱温度の低い材料に対しても加工が可能と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のラジカル吸着輸送を援用した加工装置の概念図である。
【図２】同じく本発明のラジカル吸着輸送を援用した加工装置の簡略斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態の平坦化加工装置の簡略斜視図である。
【図４】同じく第１実施形態の平坦化加工装置の一部を示し、（ａ）は電極ヘッドの斜視図、（ｂ）は電極ヘッドと被加工物の関係を示す部分断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態の数値制御加工装置の概念を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】加工実験１として、Ｓｉ基板の平坦化加工実験の結果を示し、プラズマを発生させない条件での表面状態を場所と時間毎に示した白色干渉計像である。
【図７】加工実験１として、Ｓｉ基板のＦラジカルによる平坦化加工実験の結果を示し、プラズマを発生させた条件での表面状態を場所と時間毎に示した白色干渉計像である。
【図８】加工実験２として、ＳｉＣ基板の平坦化加工実験の結果を示し、加工前と加工後の表面状態を示した白色干渉計像である。
【図９】反応ガスとしてＨｅと水蒸気の混合ガスを用いる場合の加工装置の概念図である。
【図１０】加工実験３として、Ｓｉ基板の平坦化加工実験の結果を示し、プラズマを発生させない条件での表面状態を場所と時間毎に示した白色干渉計像である。
【図１１】加工実験３として、Ｓｉ基板のＯＨラジカルによる平坦化加工実験の結果を示し、プラズマを発生させた条件での表面状態を場所と時間毎に示した白色干渉計像である。
【図１２】加工実験４として、アルミナコーティング層を形成した回転定盤工具を用いたＳｉ基板の平坦化加工実験の結果を示し、プラズマを発生させない条件での表面状態の白色干渉計像である。
【図１３】加工実験４として、アルミナコーティング層を形成した回転定盤工具を用いたＳｉ基板のＦラジカルによる平坦化加工実験の結果を示し、プラズマを発生させた条件での表面状態を場所と時間毎に示した白色干渉計像である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は、本発明のラジカル吸着輸送を援用した加工装置の概念図を示し、Ｗは被加工物、１は回転定盤工具、２は電極ヘッド、３はガス供給手段、４は高周波電源、５はワークホルダーをそれぞれ示している。
【００２５】
本発明の加工原理は、以下に示す通りである。先ず、化学反応性に富んだフリーラジカル（以下、単に「ラジカル」と表わす）に対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する可動工具（回転定盤工具１）の近傍で、少なくとも前記ラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスからなるプラズマを発生させて、該プラズマ発生領域ＰでラジカルＲを生成する。このプラズマ発生領域Ｐを前記可動工具表面が通過する際に、前記ラジカルＲが、該工具表面の原子に高配位し、あるいは過剰に吸着して反応活性種となり、該工具の移動によって被加工物Ｗの表面まで輸送される。前記工具と接触した被加工物Ｗの表面まで輸送された反応活性種は、該被加工物Ｗの表面原子側に移動し、該表面原子のバックボンドを弱めて結合して、反応生成物となる。この反応生成物が、被加工物Ｗの表面から除去されることにより、被加工物Ｗの表面原子が除去され、つまりエッチングされるというものである。
【００２６】
ここで、前記ラジカルを生成する元素として、Ｆ又はＣｌのハロゲン元素が挙げられ、具体的にはハロゲン元素含有ガスは、Ｆ元素を含有するものとしてＳＦ６、ＣＦ４、ＮＦ３等があり、Ｃｌ元素を含有するものとしてＣｌ２、ＣＣｌ４、ＰＣｌ４等がある。ここで、前記ラジカルを生成するガスとして、Ｏ２ガスを用いることも可能である。また、前記ラジカルを生成する置換基として、ＯＨ基が挙げられ、ＯＨ基を含むガスとして代表的にはＨ２Ｏがある。尚、前記置換基は、分子の部分構造を示し、前記フリーラジカルに対応している。そして、希ガスとしては、ヘリウムガスやアルゴンガスが挙げられる。反応ガスには、これらラジカル生成ガスと希ガスの他に、第３のガスを微量添加することもある。ここで、反応ガスの圧力ＰＧは、大気圧を基本とするが、減圧状態若しくは真空状態であっても良いが、この場合、ラジカルＲが吸着して工具表面に形成された反応活性種が工具表面から速やかに離脱することは避けなければならない。
【００２７】
前記回転定盤工具１の表面は、加工基準面となっている。前記回転定盤工具１の表面に用いることが可能な材料は、ラジカルに対して耐食性と吸着能を備えていることが要求され、Ｎｉ等の各種金属材料を用いることができ、また基体の表面にアルミナやイットリア等を溶射してコーティング層を形成したものでも良い。本実施形態では、前記回転定盤工具１の表面に、無電解Ｎｉめっきによって厚さ２０μｍのＮｉ層６を形成したものや、溶射によってアルミナのコーティング層を形成したものを用いている。ここで、Ｎｉ層６は、無電解めっきの他に、電解めっきや真空蒸着により形成してもよい。また、前記工具１自体をバルクのＮｉで作製しても良い。
【００２８】
前記回転定盤工具１の表面に対して所定ギャップＧを設けて電極ヘッド２を配置し、該電極ヘッド２と回転定盤工具１の表面とのギャップにガス供給手段３から、少なくともラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給する。前記電極ヘッド２は、中心にガス供給手段３を構成するガス流路を形成し、図示しないガスボンベにガス供給管で接続され、反応ガスを先端に向けて噴射するようになっている。
【００２９】
そして、前記電極ヘッド２に高周波電源４から高周波電界を印加して前記ギャップＧで、前記反応ガスからなる大気圧プラズマを発生させる。尚、これら回転定盤工具１と電極ヘッド２等をチャンバー内に収容し、減圧雰囲気でプラズマを発生させても良い。通常、前記高周波電源４は、周波数が１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源を用いるが、周波数は２００ＭＨｚ程度までのものを用いることができる。
【００３０】
ここで、前記プラズマ発生領域Ｐ中で生成されたラジカルＲは、前記回転定盤工具１の表面がプラズマ発生領域Ｐを通過する際に、表面のＮｉ層６のＮｉ原子に高配位し、あるいは過剰に吸着して反応活性種となり、その回転に伴って回転方向前方へ輸送される。前記回転定盤工具１のプラズマ発生領域の回転方向前方の表面には、ワークホルダー５で保持された被加工物Ｗを所定圧力で接触させている。これを接触圧力ＰＬとし、加工雰囲気の圧力ＰＧと区別する。それにより、プラズマ発生領域でＮｉ層６に吸着し、前記回転定盤工具１の回転によって輸送されてきたラジカルＲに由来する反応活性種が、前記被加工物Ｗと回転定盤工具１の表面との接触部で該被加工物Ｗの構成原子のバックボンドを弱めて結合して、反応生成物を生成し、この反応生成物が揮発し若しくは適宜な方法で除去されることにより、被加工物Ｗの表面が加工される。被加工物Ｗは、回転定盤工具１の表面に接触した凸部から選択的に加工されるので、Ｎｉ層６を加工基準面として平坦化加工される。この場合、前記ワークホルダー５を前記回転定盤工具１の回転軸と同方向の軸で回転させれば、加工が平均化されるのでより平坦度が高まる。
【００３１】
このように、本発明の主要構成は、ラジカル生成のためのプラズマ発生手段（電極ヘッド２、ガス供給手段３、高周波電源４）と、ラジカルを表面に吸着させて輸送する工具（回転定盤工具１）、そして被加工物Ｗを保持し当該工具との接触を保つワークホルダー５からなる。本発明によれば、ラジカル吸着工具と接触した部分のみを選択的にドライエッチングすることが可能となり、極めて革新的である。大気圧プラズマエッチングにおいて主となる反応種であるＦラジカル、Ｃｌラジカル、Ｏラジカル、ＯＨラジカル等をプラズマ発生領域で生成させ、工具（回転定盤工具）表面に吸着させる。これらラジカルが吸着した表面は反応性に富んだ高配位状態となっている。そして、工具の運動によって吸着したラジカルに由来する反応活性種を被加工物Ｗの表面まで輸送し、工具と接触した被加工物Ｗの表面原子と工具表面の反応活性種とが化学反応によって反応生成物となり、除去されることにより、被加工物表面をエッチングする。
【実施例１】
【００３２】
本発明の第１実施形態の平坦化加工装置を図３及び図４に示す。本実施形態の平坦化加工装置は、中心部に開口７を設けるとともに、ラジカルに対して耐食性と吸着能を備えた表面を有する水平な回転定盤工具１と、前記回転定盤工具１の表面に対して所定ギャップを設けて配置した電極ヘッド２と、前記電極ヘッド２に少なくともラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給するガス供給手段３と、前記電極ヘッド２に高周波電界を印加して前記ギャップでプラズマを発生させる高周波電源４と、プラズマ発生領域Ｐで生成したラジカルを吸着して反応活性種が付与された前記回転定盤工具１の表面の回転方向前方に被加工物Ｗを保持し、該被加工物Ｗを所定圧力（接触圧力ＰＬ）で回転定盤工具１の表面に接触させるワークホルダー５と、を備え、被加工物Ｗの表面を平坦化加工するものである。ここで、加工雰囲気の圧力ＰＧは、大気圧を基本とするが、減圧雰囲気であっても良い。【００３３】
前記回転定盤工具１の表面には、無電解ＮｉめっきによってＮｉ層６を形成している。ここで、前記回転定盤工具１は接地され、加工基準面となるＮｉ層６はアース電位となっている。前記回転定盤工具１の開口７の中心部に、前記電極ヘッド２の基部が垂直軸により支持され、ヘッド部が水平首振り可能になっている。前記電極ヘッド２は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、水平なアーム部８の基部をロータリージョイント９で保持し、ヘッド部１０が前記回転定盤工具１の表面に所定のギャップで配置されている。更に、前記電極ヘッド２は、ロータリージョイント９からアーム部８及びヘッド部１０に連続してガス流路１１が形成され、前記ガス供給手段３の一部を構成している。前記電極ヘッド２のヘッド部１０は、プラズマに曝されて損耗するので、交換可能な構造にすることが好ましい。前記電極ヘッド２は、ロータリージョイント９を中心に回転角度を変えることにより、前記ワークホルダー５に保持された被加工物Ｗとの間隔を調節できるようになっている。【００３４】
前記回転定盤工具１の回転駆動機構や前記ワークホルダー５の駆動機構は、従来の研磨装置と同様な構造であり、従来の研磨装置に前記電極ヘッド２とガス供給手段３及び高周波電源４を追加するだけで、本発明の平坦化加工装置を構成できる。しかも、本発明は、ドライエッチングであるので、水周りの構造は不要であり、装置構成を簡単にできる。
【実施例２】
【００３５】
本発明の第２実施形態の数値制御加工装置を図５に示す。本実施形態の数値制御加工装置は、回転軸２０を備えるとともに、少なくとも外周部表面にラジカルに対して耐食性と吸着能を備えている球状回転工具２１と、前記球状回転工具２１の外周部２２に対して所定ギャップＧを設けて配置した電極２３と、前記電極２３に少なくともラジカルを生成する元素若しくは置換基を含むガスと希ガスを混合した反応ガスを供給するガス供給手段（図示せず）と、前記電極２３に高周波電界を印加して前記ギャップＧでプラズマを発生させる高周波電源２４と、プラズマ発生領域Ｐで生成したラジカルを吸着して反応活性種が付与された前記球状回転工具２１のプラズマ発生領域Ｐとは異なる外周部２２を、被加工物Ｗの表面に所定圧力（接触圧力ＰＬ）で接触させた状態で、前記球状回転工具２１と被加工物Ｗとを相対的に数値制御走査する走査手段（図示せず）と、を備え、前記球状回転工具２１と被加工物Ｗの接触部Ｃを被加工物Ｗの表面上で数値制御走査して任意形状に加工するものである。この場合、球状回転工具２１の外周部２２に吸着したラジカルに由来する反応活性種が、該球状回転工具２１の回転に伴って前記被加工物Ｗとの接触部Ｃに輸送されるのである。本実施形態でも加工雰囲気の圧力ＰＧは、大気圧を基本とするが、減圧雰囲気であっても良い。【００３６】
前記球状回転工具２１は、文字通りの球状に限定されず、円板状若しくはタイヤ状の外周部２２が円弧面を有する形状であれば良い。そして、被加工物Ｗの表面を任意形状に加工するには、前記球状回転工具２１によって接触部Ｃで形成される単位加工痕のプロファイルを取得し、被加工物Ｗの表面における局所的な加工量のデータに基づき、前記接触部Ｃの滞在時間を規定するのである。実際には、繰り返し走査するので、走査速度を変えることによって、滞在時間を制御する。尚、数値制御走査は、前記球状回転工具２１と被加工物Ｗの何れか一方を駆動することによって行う。【００３７】
＜加工原理を実証するための加工実験１＞
次に、前記平坦化加工装置を用いて、本発明の加工原理を実証する実験を行った。つまり、プラズマで発生したラジカルが回転定盤に吸着して、回転定盤の表面に付与された反応活性種が被加工物との接触部に供給されているかを確認するために行った基礎実験の結果を示す。【００３８】
ラジカル吸着工具として無電解Ｎｉめっきを２０μｍ厚で施した回転定盤工具を用い、試料（シリコン基板）の上流約１５ｍｍの位置でＨｅ：ＳＦ６＝９９：１の反応ガス（圧力ＰＧ：大気圧）のプラズマを発生させたときと発生させなかったときの試料表面の変化を比較した。試料はＳｉの１０ｍｍ四方の基板の表面粗さの悪い面を用いた。試料は回転させずに回転定盤工具のみを回転させ、その回転速度は１０ｒｐｍで、試料を回転定盤工具に押し付ける接触圧力ＰＬは３ｋＰａである。プラズマを発生させる際の実験条件を表１に示す。１時間毎に試料表面の表面粗さを評価した。表面粗さの評価方法としては、白色干渉計（Zygo社製 NewView 200）によって６４×４８(μｍ２)の範囲で４つの観測点を計測した。【００３９】
【表１】
2017150308.tif 000003
【００４０】
先ず、プラズマを発生させない状態（電圧印加無し、反応ガスの供給無し）で加工した結果を図６に示す。試料を回転速度１０ｒｐｍ、圧力３ｋＰａ下で加工を行い、１時間毎に表面粗さを計測した。図６中の左欄に○で表示した基板中央部・上部・右部・左部の４点の加工前から３時間加工後までの白色干渉計（Zygo社製 NewView 200）像を図６に示す。尚、Ｓｉ基板の上部とは、前記電極ヘッド２に近い部分であり、以下同様とする。いずれの観測点においても表面粗さの改善が見られないことから、回転速度１０ｒｐｍ、接触圧力３ｋＰａの加工条件では機械加工の作用がないことを確認できた。【００４１】
次に、プラズマを発生させた状態（電圧印加有り、反応ガスの供給有り）で加工した結果を図７に示す。プラズマを表１の条件で発生させた状態で、試料を回転速度１０ｒｐｍ、接触圧力３ｋＰａ下で加工を行い、１時間毎に表面粗さを計測した。図７中の左欄に○で表示した基板中央部・上部・右部・左部の４点の加工前から３時間加工後までの白色干渉計（Zygo社製 NewView 200）像を図７に示す。Ｆラジカルに由来する反応活性種の作用により、いずれの観測点においても、表面粗さ（ｒｍｓ）が、加工前の４００ｎｍ超から、３時間の加工後に１０ｎｍ以下になり、大幅な改善が見られた。【００４２】
プラズマを発生させない場合の加工では表面粗さが改善されなかったことから、機械加工の作用は働いてないと考えられるため、プラズマ発生領域で生成したラジカルが研磨定盤の表面に吸着し、それが研磨定盤の回転に伴って試料表面に供給されていることが確認できた。試料表面をプラズマに直接曝すプラズマエッチングでは、除去レートが等方的であるため平坦化はできないが、回転定盤工具と電極間でプラズマを発生させることで、回転定盤工具にＦラジカルを吸着させ、そのＦラジカルに由来する反応活性種を回転定盤工具の回転に伴って試料表面に供給することで、試料表面の平坦化加工を実現した。今回の実験で、Ｆラジカルに由来する反応活性種が試料表面に供給されており、それによってＳｉ基板の平坦化が行われていることが明らかとなった。【００４３】
＜加工原理を実証するための加工実験２＞
次に、前記平坦化加工装置を用いて、被加工物としてＳｉＣ基板を用いて同様の実験を行った結果を図８に示す。プラズマ発生条件は表１に示したものと同じであるが、この場合のＳｉＣ基板の接触圧力ＰＬは５ｋＰａである。３時間の平坦化加工により、ＳｉＣ基板の表面粗さ（ｒｍｓ）は、加工前の１００ｎｍ超から１０ｎｍ以下に平坦化された。Ｆラジカルの作用により、ＳｉＣ基板もＳｉ基板と同様に平坦化加工されることが確認された。【００４４】
＜加工原理を実証するための加工実験３＞
次に、反応ガスとして、ＨｅとＨ２Ｏ（水蒸気）の反応ガス（圧力ＰＧ：大気圧）を用い、前記平坦化加工装置を用いて、被加工物としてＳｉ基板（面積：０．５９ｃｍ２）の表面を加工した。プラズマ発生条件と加工条件は、表２に示している。この場合も、無電解Ｎｉめっきを２０μｍ厚で施した回転定盤工具を用いた。Ｓｉ基板の接触圧力ＰＬは３．４ｋＰａである。水蒸気を含む反応ガスは、図９に示すように、密閉容器に水を入れ、水中でＨｅガスを噴出し、気相中でＨｅと水蒸気の反応ガスを回収して使用した。回転定盤工具１と電極ヘッド２とのギャップＧは２００μｍ、該電極ヘッド２から下流側のＳｉ基板までの距離Ｌを１５ｍｍとした。【００４５】
【表２】
2017150308.tif 000004
【００４６】
先ず、プラズマを発生させない状態（電圧印加無し、反応ガスの供給無し）で加工した結果を図１０に示す。図１０中、上段はＳｉ基板の上部、下段はＳｉ基板の中央部の白色干渉計（Zygo社製 NewView 200）像であり、それぞれ左から順に、加工前、３０分間の加工後、１時間の加工後を示している。この場合も、１時間経過してもＳｉ基板の表面に殆ど変化がないことが分かる。【００４７】
次に、プラズマを発生させた状態（電圧印加有り、反応ガスの供給有り）で加工した結果を図１１に示す。図１１中、上段はＳｉ基板の上部、下段はＳｉ基板の中央部の白色干渉計（Zygo社製 NewView 200）像であり、それぞれ左から順に、加工前、３０分間の加工後、１時間の加工後、１．５時間の加工後、２時間の加工後、３時間の加工後を示している。Ｓｉ基板の上部では、加工前の表面粗さ（ｒｍｓ）が、加工前の１６７ｎｍであったのが、１時間の加工後には２２ｎｍ、３時間の加工後には１６ｎｍに改善していることが分かる。一方、Ｓｉ基板の中央部では、加工前の表面粗さ（ｒｍｓ）が、加工前の１８４ｎｍであったのが、１時間の加工後には４８ｎｍ、３時間の加工後には１６ｎｍに改善していることが分かる。水蒸気プラズマを発生させたことにより、ＯＨラジカルが生成し、このＯＨラジカルがＳｉ基板表面の加工に寄与したものと考えられる。【００４８】
＜加工原理を実証するための加工実験４＞
最後に、前記平坦化加工装置を用いて、導電性の基体表面にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）をコーティングした回転定盤工具を用い、被加工物としてＳｉ基板（面積：０．７８ｃｍ２）の表面を加工した。プラズマ発生条件と加工条件は、表３に示している。この場合、表１の条件と略同じであるが、回転定盤工具に対するＳｉ基板の接触圧力ＰＬを５．１ｋＰａと大きくしている。また、回転定盤工具と電極ヘッドとのギャップＧは６００μｍ、該電極ヘッドから下流側のＳｉ基板までの距離Ｌを１５ｍｍとした。【００４９】
【表３】
2017150308.tif 000005
【００５０】
先ず、先ず、プラズマを発生させない状態（電圧印加無し、反応ガスの供給無し）で加工した結果を図１２に示す。この場合、接触圧力ＰＬが１ｋＰａでも機械的な加工ラインが発生し、全く平坦化加工ができないことが分かった。加工ラインが発生した原因は、Ｓｉ基板のエッジが欠けて発生した微細なＳｉ屑が、前記回転定盤工具とＳｉ基板の間に挟まってＳｉ基板の表面を傷付けているからと推測できる。【００５１】
次に、プラズマを発生させた状態（電圧印加有り、反応ガスの供給有り）で加工した結果を図１３に示す。図１３中、上段はＳｉ基板の上部、下段はＳｉ基板の下部の白色干渉計（Zygo社製 NewView 200）像であり、それぞれ左から順に、加工前、３０分間の加工後、１時間の加工後、１．５時間の加工後を示している。Ｓｉ基板の上部では、加工前の表面粗さ（ｒｍｓ）が、加工前の５４７ｎｍであったのが、３０分の加工後には７２ｎｍと大幅に改善し、１時間の加工後には２１ｎｍ、１．５時間の加工後には２４ｎｍに改善していることが分かる。一方、Ｓｉ基板の下部では、加工前の表面粗さ（ｒｍｓ）が、加工前の５９２ｎｍであったのが、３０分の加工後では４７０ｎｍとあまり改善していないが、１時間の加工後には８０ｎｍ、１．５時間の加工後には４０ｎｍに改善していることが分かる。【００５２】
この加工実験によって、アルミナ工具を用いてもＳｉ基板が平坦化加工できたことを示している。アルミナ工具は、表面の安定性に優れており、経時劣化が少ないので、実用化において有利である。尚、回転定盤工具に対するＳｉ基板の接触圧力ＰＬを５．１ｋＰａとしても、機械的な加工ラインが発生しないのは、回転定盤工具に付着していた微細なＳｉ屑がプラズマ発生領域を通過する際に、プラズマエッチングにより除去されたものと推測できる。【００５３】
以上の実施例では平坦化加工と、球状回転工具による数値制御加工への適用例を示したが、他にもワイヤー走行工具による溝加工等、ラジカル吸着工具の形状によって種々の応用が可能と考えられる。また、ダイヤモンド工具や宝石も平面加工あるいは鋭角形状に加工することも可能になる。
【符号の説明】
【００５４】
１  回転定盤工具、
２  電極ヘッド、
３  ガス供給手段、
４  高周波電源、
５  ワークホルダー、
６  Ｎｉ層、
７  開口、
８  アーム部、
９  ロータリージョイント、
１０  ヘッド部、
１１  ガス流路、
２０  回転軸、
２１  球状回転工具、
２２  外周部、
２３  電極、
２４  高周波電源、
Ｗ  被加工物、
Ｇ  ギャップ、
Ｐ  プラズマ発生領域、
Ｒ  ラジカル、
Ｃ  接触部、
【図１】
2017150308.tif 000006
【図２】
2017150308.tif 000007
【図３】
2017150308.tif 000008
【図４】
2017150308.tif 000009
【図５】
2017150308.tif 000010
【図６】
2017150308.tif 000011
【図７】
2017150308.tif 000012
【図８】
2017150308.tif 000013
【図９】
2017150308.tif 000014
【図１０】
2017150308.tif 000015
【図１１】
2017150308.tif 000016
【図１２】
2017150308.tif 000017
【図１３】
2017150308.tif 000018
【国際調査報告】
2017150308.tif 000019
2017150308.tif 000020
2017150308.tif 000021
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