(57)【要約】 【課題】ダイヤモンド薄膜の化学研磨には高温雰囲気や特殊反応が必要とされ、それに応じた特殊装置を用いた研磨工程となることからコスト上昇の原因となる。また、真空雰囲気内での研磨になることから、作業工程自体も複雑化する。砥粒の条件として、作業者の労働環境において毒性のないことはもちろんであるが、昨今の環境規制から排出による環境負荷の少ない（処理しやすい）ことが求められている。【解決手段】水にアルミナ砥粒を分散させた研磨液に人工ダイヤモンドの薄膜又は薄板を浸漬し、ラップを回転させて該アルミナ砥粒で人工ダイヤモンドの薄膜又は薄板を擦過しながらその表面を研磨することを特徴とするダイヤモンド表面の化学機械研磨方法。【選択図】  図１
2006066554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水にアルミナ砥粒を分散させた研磨液に人工ダイヤモンドの薄膜又は薄板を浸漬し、ラッ
プを回転させて該アルミナ砥粒で人工ダイヤモンドの薄膜又は薄板を擦過しながらその表
面を研磨することを特徴とするダイヤモンド表面の化学機械研磨方法。
【請求項２】
アルミナ砥粒を研磨液に対して10〜100ｇ／ｌの割合で分散させた研磨液を用いることを
特徴とする請求項１記載の化学機械研磨方法。
【請求項３】
ラップを加工圧100kPa以下、周速度1m/秒以上で回転させることを特徴とする請求項１記
載の化学機械研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工ダイヤモンドの薄膜又は薄板の表面、特に気相合成法（ＣＶＤ）で成膜
されたダイヤモンド薄膜表面を研磨して極めて平滑で損傷のない高品質の表面に調質する
化学機械研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、バンドギャップ、熱伝導率、電子及び正孔の移動度、絶縁破壊電圧等
においてシリコンよりも優れた半導体特性を呈する。このような優れた半導体特性から、
高温雰囲気で使用しても故障や誤動作がなく高密度設計及び高速作動が可能な電子デバイ
ス用途に適している。更に、パワートランジスタを作製する際、小型・薄型構造にしてド
ーパント濃度を高くしても、絶縁破壊が起こらず、電力損失が桁違いに小さな特性が得ら
れる。
【０００３】
ダイヤモンドには天然ダイヤモンド、高圧合成法や気相合成法で製造された人工ダイヤ
モンド等があるが、気相合成法で製造したダイヤモンド薄膜が半導体用途に適している。
半導体材料としては単結晶のダイヤモンド薄膜が最も好ましいが、気相合成反応の通常条
件下では基材の随所にダイヤモンド核が発生・成長するため多結晶薄膜となり、表面はざ
らざらである。
【０００４】
電子デバイスの超微細化が一段と強くなっている傾向に伴い、基板表面に欠陥がないこ
と及び基板の平坦度に関してもナノメータオーダーの平坦度が要求されるようになってき
ている。
【０００５】
ダイヤモンドは最も硬い物質であるため、除去加工においてはダイヤモンド砥粒による
「共削り」の方法が古くから知られ、今日にまで至っている。この「共削り」の方法では
、このような平坦度を高効率で得るのは非常に困難である。そこで、化学的作用によって
ダイヤモンド薄膜を研磨する方法が開発されている。
【０００６】
ダイヤモンド薄膜の化学研磨方法は、ダイヤモンドに対する砥粒、研磨液、雰囲気ガス
の化学反応を利用してダイヤモンド薄膜の表面を平滑化する方法であり、機械研磨のよう
に砥粒がダイヤモンド薄膜に摺擦することによる脱粒や歪導入がない。そのため、化学研
磨されたダイヤモンド薄膜の表面は、無歪で平坦度の高い表面に効率よく改質される。
【０００７】
化学研磨の方法としては、ダイヤモンド表面とダイヤモンド砥粒を含む研磨盤とを擦り
合わせて熱を発生させ、ダイヤモンドと熱化学反応を起こす物質の粉末又は該粉末を含む
液を研磨盤上に噴霧して研磨する方法（特許文献１）、酸化珪素粉末を分散したpH9,5〜1
1の研磨液を使用する方法（特許文献２）、酸化チタン粉末を分散したpH9,5〜11の研磨液
を使用する方法（特許文献３）などが知られている。
【０００８】
本発明者は、軟質の酸化クロム砥粒を酸化性液体とともに用いて化学機械的加工法の加
工能率を向上させる方法を開発し、特許出願した（特許文献４）。さらに、酸素分圧及び
内部温度を調整可能な研磨作業用真空チャンバ内において鉄、ニッケル、コバルト、銅の
酸化金属体をダイヤモンド表層部の炭素によって還元しダイヤモンド側の炭素の磨耗によ
ってダイヤモンドの研磨を行う方法（特許文献５）もある。なお、化学研磨方法ではなく
、通常の研磨方法としてアルミナ等の硬質研磨用粒子を用いたスラリーをペースト状にし
てニッケルメッキしたハードディスク等の金属表面を研磨する方法が公知である（例えば
、特許文献６）。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２１７５９７号公報
【特許文献２】特開平１１−１５１６７０号（特許第３５１４０９１号）公報
【特許文献３】特開平１１−２０７６０３号（特許第３５１４０９６号）公報
【特許文献４】特開２００２−３４６９１５号公報
【特許文献５】特開２００３−７３１９０号公報
【特許文献６】特開２００１−３０３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
通常の研磨加工は、加工対象の材料よりも硬い砥粒を使って表面を機械的に除去する。
これに対して、化学機械研磨は加工対象の材料より柔らかい砥粒によって除去を行うとい
う、一見すると不可能であるようなことを可能にする方法であり、通常の研磨加工とは材
料表面の除去機構が相違する。この機構により、ダイヤモンド表面の除去が可能になる。
【００１１】
ダイヤモンドは、常温で極めて安定な物質であり、通常のアルカリ、酸、腐食性ガス等
とほとんど反応せず、勿論固体材料とも反応しない。そのため、ダイヤモンド薄膜の化学
研磨には高温雰囲気や特殊反応が必要とされ、それに応じた特殊装置を用いた研磨工程と
なることからコスト上昇の原因となる。また、真空雰囲気内での研磨になることから、作
業工程自体も複雑化する。
【００１２】
本発明者らが開発した前記の酸化クロム砥粒によるダイヤモンドの除去加工においては
、過酸化水素水、硝酸塩水溶液又はそれらの混合液のように酸化性の研磨液を用いて酸化
クロムの酸化触媒としての作用を利用している。このような触媒作用をする物質は、遷移
金属又はこれを含んだ化合物である場合がほとんどであるが、遷移金属には毒性の問題や
公害の原因となる問題があるため、産業応用への普及において障害となっている。実際、
酸化クロムはＰＲＴＲにおいて第１種指定化学物質として法規制を受ける。このため、環
境負荷の少ない手段によって、酸化クロム砥粒を用いた場合と同等以上の極めて平滑で損
傷のない高品質の表面に調質する化学機械研磨方法が求められている。
【００１３】
砥粒の条件として、作業者の労働環境において毒性のないことはもちろんであるが、昨
今の環境規制から排出による環境負荷の少ない（処理しやすい）ことが求められている。
この点から、遷移金属化合物の砥粒はほぼ全てが重金属に属すため不適といえ、加工性能
を落とさないようにしながら上記の目的を達成できる代替技術の開発が迫られている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
典型元素の酸化物としては、例えば、ベリリウムや鉛の酸化物には毒性がある。また、
不活性気体やフッ素などのハロゲンは酸化物を作らない。また、ナトリウムなどのアルカ
リ金属の酸化物は水に溶けるため、根本的に砥粒にならない。これら以外にMgO、 B2O3、
Al2O3、SiO2などの酸化物粒子が通常の研磨方法の砥粒として知られている。
【００１５】
典型元素の化合物からなる砥粒を用いた方法として、特許文献２（特許第３５１４０９
１号公報）に記載の酸化珪素粉末を分散した研磨液を使用する方法が知られているが、研
磨液はpH9.5から11のアルカリ領域に限定されているので、SiO2表面に形成されている水
和物が除去の化学反応に関与していると思われる。
【００１６】
しかし、本発明者は、研磨液として酸性やアルカリ性のものを用いないでも、Al2O3は
水中で酸化触媒作用をし、酸化性研磨液中で使用する酸化クロムの場合よりも加工能率が
高く、同等の研磨面が得られることを見出した。本発明の方法では、研磨加工液に水を用
いるので、Al2O3に吸着した酸素によるダイヤモンド薄膜表面の酸化反応と考えられ、Al2
O3がダイヤモンドの酸化触媒として作用していると考えられる。
【００１７】
すなわち、本発明は、水にアルミナ砥粒を分散させた研磨液に人工ダイヤモンドの薄膜
又は薄板を浸漬し、ラップの回転によって該アルミナ砥粒で人工ダイヤモンドの薄膜又は
薄板を擦過しながらその表面を研磨することを特徴とするダイヤモンド表面の化学機械研
磨方法、である。
【００１８】
また、本発明は、アルミナ砥粒を研磨液に対して10〜100ｇ／ｌの割合で分散させた研
磨液を用いることを特徴とする上記の化学機械研磨方法、である。
【００１９】
また、本発明は、ラップを加工圧100kPa以下、周速度1m/秒以上で回転させることを特
徴とする上記の化学機械研磨方法、である。
【００２０】
一般に、化学機械研磨では、加工物の表面とラップの表面との間の接触面に介在する非
常に薄い酸性又はアルカリ性の加工液又は酸素、水素、アルゴン等の加工雰囲気の気体が
シリコンやダイヤモンド等の加工物の表面と化学反応し、反応生成物の皮膜となって加工
物の表面が覆われることがある。化学的研磨作用だけでは加工物表面が反応生成物で被覆
されることにより反応が停止するが、加工物表面を擦過する砥粒の存在下で研磨が進行す
る化学機械研磨においては、反応生成物の皮膜が砥粒の擦過によって加工物表面から引き
剥がされ、下地表面が新たに露出する。新たに露出した下地表面は加工液又は加工雰囲気
の気体と化学反応して反応生成物の皮膜で再度覆われる。反応生成物の皮膜生成及び皮膜
剥離が繰り返されるため、化学反応が停止することなく高度に平坦化された表面に改質さ
れる。
【００２１】
一方、加工部の表面とラップの表面との間の接触面に存在する砥粒が加工物と直接的に
反応し、或いは砥粒の触媒作用により加工液と被加工物の研磨反応が促進される場合があ
る。すなわち、単に砥粒が加工物表面に接触するだけでは研磨に有効な化学反応は生じな
いが、加工物表面を砥粒が擦過する際の機械的作用によって加工物表面の局部に高密度の
エネルギーが伝達される。高密度エネルギーの伝達によって砥粒と接触した加工物表面が
活性化され、砥粒、加工液又は加工雰囲気の気体に対する反応性が向上する。  
【００２２】
本発明の方法は、上記のような反応の中で、砥粒の触媒反応の原理を利用している。す
なわち、本発明では、ダイヤモンドのC元素のアルミナ（Al2O3）による酸化触媒作用を利
用してダイヤモンド薄膜を研磨している。Cの直接酸化は、C+O2→CO又はCO2に従ったガス
化反応であり、加工後の表面に余剰C成分の反応生成物等を残存させることがない。
【００２３】
研磨液に溶存する酸素が酸化触媒作用のある砥粒の表面に吸着され、反応性に富む状態
が維持される。そのため、ダイヤモンド薄膜の表面を擦過すると、機械的作用と相俟って
C＋O2→CO又はCO2に従った直接酸化反応が進行する。しかも、常温大気雰囲気での研磨で
あるため、従来法のように高温や特殊雰囲気を必要とせず、研磨作業自体も容易になる。
【００２４】
本発明の方法では、化学的作用及び機械的作用が複合されてダイヤモンド薄膜に及ぼさ
れるため、仮にダイヤモンドが化学的にエッチングされる場合があっても薄膜全面が除去
され、研磨されたダイヤモンド薄膜の表面は、ナノメータオーダーで平滑な表面に改質さ
れる。そのため、リソグラフィ法で電子デバイスを作りこむ際、精度良く且つ高い歩留で
非常に微細な素子を作製できる。また、一枚の基板から多数のチップを取る際にも、高度
に平滑な平面であることから要求特性を満足するチップの生産性が向上する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の方法においては、毒性の全くないアルミナを使用して酸化クロムの場合よりも
加工能率が高く、ナノメータオーダーで平滑なダイヤモンド薄膜の鏡面を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の化学機械研磨法は、その目的を達成するため、アルミナ砥粒を水中に分散させ
た研磨液に人工ダイヤモンドの薄膜や薄板を浸漬し、ラップを回転させて砥粒でその表面
を擦過しながらダイヤモンドの表面を研磨することを特徴とする。本発明の方法は、汎用
の研磨機でも可能であるが、研磨液を溜め置き型にしても同等の加工が可能であり、この
場合、スラリーを大幅に節約できる。
【００２７】
汎用の研磨装置ではスラリーを連続的に供給し、削られた研磨残滓を研磨盤の上から洗
い流して排出する構造となっている。そうしないと、通常の研磨では残滓によるヘアース
クラッチが研磨面に入ることになる。これに対して、本発明の方法では、研磨残滓が固体
でなくCOやCO2の気体の形となるため、排出の手間がなく、砥粒も反応を起こしているわ
けではなく単に酸化触媒として作用しているため劣化はしない。このため、スラリーを溜
め置き型にでき、スラリーの余分な消費を抑えることができる。通常の連続的にスラリー
を供給する場合においては、ほとんどの砥粒は加工に参加することなく排出され、むだに
なっている。
【００２８】
図１に、溜め置き型の研磨装置の一実施形態の模式図を示す。このような装置は、湿式
研磨装置として公知（精密工学会誌,66(12),(2000),pp1981-1983）のものである。すなわ
ち、ラップ１には硬質であるガラス円板等を用い、ラップ１の裏側には永久磁石２が取り
付けられている。永久磁石２は水に触れて錆びたりするのでフッ素樹脂等のカバー３で被
覆する。ステンレス鋼製などの試料台４の上に樹脂製の円筒状ガイド５を載せて研磨液の
溜め置槽を構成する。研磨液６を入れた溜め置き槽の試料台４上に加工物７を載せ、ラッ
プ１を研磨される加工物７と向き合うように浸漬する。溜め置槽をガス供給バルブ８、排
出バルブ９を設けた密閉容器１０内に収容し、雰囲気ガスを供給するようにしてもよい。
試料台４の下部には永久磁石１１とそれを水平面で回転させるモータからなる回転磁場発
生部を設ける。
【００２９】
そして、ラップ１の裏側に設けた永久磁石２を、回転磁場発生部からの回転磁場により
回転させると、ラップ１は研磨対象の加工物７の表面を擦り、加工物の表面とラップの表
面との間の接触面に介在する砥粒により加工物の表面の研磨加工を行う。
【００３０】
ラップは、硬いダイヤモンドを擦るため、磨耗が激しい。このため、ラップの材質とし
てはガラスやセラミックスなどの硬い材料であることが好ましい。また、加工圧を大きく
しすぎると、ラップの磨耗が著しくなるのみならず、加工対象のダイヤモンドに対して脱
粒などの損傷を引き起こすため、100kPa以下に設定する。しかし、化学反応を促進して加
工速度を向上させるためには高速で砥粒をダイヤモンド表面に擦過させる必要があり、回
転速度は周速度が1m/秒以上となるように設定する。  
【００３１】
特に、CVD法など作製した多結晶ダイヤモンドでは、結晶粒界の強度が低いため、大き
な加工圧で研磨すると、粒界の所で割れて、結晶粒自身がはずれて（つまり脱粒）、いく
ら磨いても鏡面がでない(磨いたことにならない)ことが多い。
【００３２】
このため、ダイヤモンドを磨く場合には小さな加工圧に設定しなければならないが、こ
れでは砥粒の擦過による反応が起こらない。このため、なるべく回転数を大きくし、砥粒
に力は加わっていないが、個々の砥粒は大きな運動エネルギーを持つ状況を作り出すのが
好ましい。
【００３３】
また、加工物の表面に作用する砥粒の数が多いほど加工能率は向上する。このためアル
ミナ砥粒の大きさは1μm以下の微細であることが好ましい。アルミナには砥粒の触媒的作
用を向上するために、遷移金属、例えば、チタン、鉄、クロム、マンガンを10原子％程度
以下固溶させたものでもよい。
【００３４】
アルミナ砥粒は、化学研磨及び機械研磨を効率よく進行させる上で研磨液に対して10〜
100ｇ／ｌの割合で分散させることが好ましい。
【実施例１】
【００３５】
被加工材料としてSi（001）基板上に約10μmの厚みでCVD法により堆積させたダイヤモ
ンド多結晶膜を試料として用いた。図２に、そのダイヤモンド多結晶膜のSEM像を示す。
図２より、このダイヤモンド多結晶の粒径は数μmであり、結晶面のファセットにより数
μm程度の鋭利な凹凸を持つことが分かる。
【００３６】
研磨装置としては、図１に模式的に示したような装置を使用した。研磨液は、純水50ml
に粒径1.0μmのアルミナ砥粒（商品名Bailkalox 1.0CR）5gを分散することによって調製
し、加工時に連続的に被加工物表面に供給するのではなく、溜め置き型とした。
【００３７】
10×10mmに切断したダイヤモンド薄膜試料をステンレス鋼製の試料台に貼り付け、フッ
素樹脂製の容器に満たした研磨液の中に浸漬した。ダイヤモンド薄膜に対向する側に直径
38mmのソーダガラス円板を貼り付けたラップを置き、加工圧１０ｋPaでダイヤモンド薄膜
に押し付け、1500rpm（周速度に直すと2.4m／秒）で回転させた。
【００３８】
４０時間が経過した時点でラップの回転を止め、研磨液中からダイヤモンド薄膜を引き
上げた。図３に、研磨前（ａ）と研磨後（ｂ）の表面の概観を示す。研磨中にラップが片
当たりして鏡面研磨された部分が右側周辺に認められ、その他の表面が未研磨状態であっ
た。図３(b)の右側の赤丸で囲った領域の縁においては鏡面が得られており、良好な研磨
加工がされている。
【００３９】
研磨面の平坦度を詳細に調査するため、この部分をSEM観察した結果を図４に示す。図
４の上図には、研摩されている部分と未研摩部分の境界部を示した。図４の（ａ），（ｂ
），（ｃ）は、上図の（ａ），(ｂ），（ｃ）の部分の拡大写真である。図４の（a）のま
ったく研摩されていない部分では、ファセットにより個々の結晶粒は鋭利である。ところ
が、（b）の部分的に研磨されている部分では、結晶粒のとがった部分が一部平坦に磨か
れている。（c）に示す完全に研磨された部分では、故意にゴミが乗っている部分を撮影
したが、約１μmのゴミの示すコントラストと比較して研磨された面は平坦であり、凹凸
を意味するコントラストが検出されず、またスクラッチ等の損傷もないことがわかる。し
たがって、先に本発明者らが開発した酸化クロム砥粒を用いる研磨方法の場合とほぼ同じ
程度の精度の加工が達成されている。
【００４０】
図５に、研磨された面積と研磨加工時間の関係を比較例１、比較例２と対比して示す。
短い時間で広い面積が研磨されるほど加工能率が良い。この図５より、Fe2O3でも加工は
可能であるが、能率は最も低い。これに対して、アルミナ砥粒では酸化クロム砥粒の２倍
程度の能率であり、酸化クロム砥粒より少し性能に優ることが分る。
【００４１】
比較例１
アルミナに代えてCr2O3（酸化クロム）を砥粒として使用して実施例１と同じ条件で研
磨した。  図５に、研磨加工された面積と加工時間の関係を示す。
【００４２】
比較例２
アルミナに代えてFe2O3（酸化鉄）を砥粒として使用して実施例１と同じ条件で研磨し
た。  図５に、研磨加工された面積と加工時間の関係を示す。
【００４３】
比較例３
アルミナに代えてTi2O3（酸化チタン）を砥粒として使用して実施例１と同じ条件で研
磨した。研磨されている痕跡がSEM観察で認められなかった。
【００４４】
比較例４
アルミナに代えてMn2O3（酸化マンガン）を砥粒として使用して実施例１と同じ条件で
研磨した。研磨されている痕跡がSEM観察で認められなかった。
【００４５】
比較例５
アルミナに代えてCo2O3（酸化コバルト）を砥粒として使用して実施例１と同じ条件で
研磨した。研磨されている痕跡がSEM観察で認められなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
半導体用基材には平滑度、面粗さ等の幾何学的精度の外に加工面の高品質な物理化学特
性も要求されるが、化学反応の誘起手段として機械的作用を利用し、実質的には化学的作
用でダイヤモンド薄膜を毒性の全くないアルミナを砥粒として使用して研磨する本発明の
化学機械研磨法によると、砥粒の擦過に起因したクラック、歪等の欠陥が研磨表面に導入
されることもない。したがって、本発明の方法によって、半導体特性に重大な影響を与え
る表面欠陥がなく、高品質な物理化学特性の電子デバイス作製用基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の方法を実施するために好適な化学機械研磨装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】実施例１において、CVD法で作製したダイヤモンド多結晶薄膜の図面代用SEM像である。
【図３】実施例１において、研磨されたダイヤモンド薄膜表面の光学顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図４】最上部の図面代用写真は、実施例１において、未研磨の部分と研磨された部分の境界部を観察したSEM像であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）は各部分を拡大した図面代用SEM像である。
【図５】実施例１、比較例１、比較例２を対比して、研磨された面積と研磨加工時間の関係を示す図面である。
【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】
2006066554.tif 000007