(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化触媒作用のある砥粒を分散させた酸化性研磨液にダイヤモンド薄膜を浸漬し、砥粒で薄膜表面を擦過しながらダイヤモンド薄膜を研磨することを特徴とするダイヤモンド薄膜の化学機械研磨方法。
【請求項２】
酸化クロム，酸化鉄の１種又は２種を砥粒として使用する請求項１記載の化学機械研磨方法。
【請求項３】
過酸化水素水，硝酸塩水溶液又はそれらの混合液に砥粒を分散させた研磨液を使用する請求項１記載の化学機械研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、気相合成法（ＣＶＤ）で成膜されたダイヤモンド薄膜を研磨して極めて平滑で損傷のない表面に調質する化学機械研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。たとえば、シリコンのバンドギャップ1.13eVに対し、ダイヤモンドのバンドギャップは5.5eVと大きいことから、高温雰囲気での使用が可能な電子デバイスが得られる。熱伝導率もシリコンの1.5W／cm・Kに比較して20.5W／cm・Kと格段に大きく、素子で発生したジュール熱が容易に放出される優れた放熱特性を呈する。また、シリコンの電子移動度1500cm2／V・秒，正孔移動度600 cm2／V・秒に対してダイヤモンドの電子移動度1800 cm2／V・秒，正孔移動度1600 cm2／V・秒と移動度が大きく、高速作動に適した半導体材料である。更には、絶縁破壊電圧がシリコンの3×105V／cmに対し100×105V／cmと大きなことから、素子間隔を狭くした高密度設計にあってもリーク電流が発生しない。
【０００３】
ダイヤモンドは、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可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。
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。常温・常圧における炭素の平衡相はグラファイトであるので、ダイヤモンド薄膜の作製に際しては、気相合成による非平衡の化学反応が利用される。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る。得られたダイヤモンド薄膜は、結晶間の粒界強度が弱く、粗い表面を呈する。
【０００４】
ダイヤモンド薄膜を用いて電子デバイスを作製する際、代表的な方法としてリソグラフィーが採用されているが、微細構造の素子をダイヤモンド薄膜上に作りこむためにはダイヤモンド薄膜が平坦な表面をもつことが必要である。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。
表面研磨には砥粒を用いた機械研磨が通常採用されるが、機械研磨をダイヤモンド薄膜に適用すると、砥粒の摺擦に起因する機械的作用（微小切削）によって硬くて脆いダイヤモンドが結晶粒内で破砕され、或いは粒界強度の弱い結晶粒間で脱粒し、薄膜表面を却って粗面化する虞がある。また、研磨対象が硬質のダイヤモンドであることから、大きな加工圧が必要とされ、長時間の加工，加工コストの上昇等、種々の問題が派生する。
【０００５】
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検討されている。たとえば、ダイヤモンドとFeが高温で反応することを利用し、鉄製円盤を研磨工具に用い、730℃以上の水素ガス雰囲気でダイヤモンド薄膜を研磨する方法（楊政峰，吉川昌範：New Diamond, 11(1988), 18)が知られている。この方法では、720℃程度にまで昇温したFeにダイヤモンド薄膜を接触させることにより、ダイヤモンドとFeとの反応でセメンタイトFe3Cを生成させている。
炭化ケイ素円盤上にSiOx膜をプラズマ蒸着すると同時にSiOx膜の上にダイヤモンド薄膜を擦過させる方法（日経メカニカル7月23日号(1990)，66）も知られている。この場合、SiOx膜中の酸素とダイヤモンドが反応し、COやCO2としてダイヤモンドが除去されることにより研磨が進行すると考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
化学研磨では、ダイヤモンドと砥粒，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。
しかし、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研磨に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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、化学反応及び砥粒による機械的作用が複合された化学機械研磨によってダイヤモンド薄膜を研磨することにより、欠陥がなくナノメータオーダーで平滑な表面にダイヤモンド薄膜を改質することを目的とする。
【０００８】
本発明の化学機械研磨は、その目的を達成するため、酸化触媒作用のある砥粒を分散させた酸化性研磨液にダイヤモンド薄膜を浸漬し、砥粒で薄膜表面を擦過しながらダイヤモンド薄膜を研磨することを特徴とする。
砥粒としてはたとえば酸化クロム及び／又は酸化鉄が使用され、過酸化水素水，硝酸塩水溶液，又はそれらの混合液に砥粒を分散させた研磨液を調製することが好ましい。
【０００９】
【作用】
化学機械研磨では、加工液又は加工雰囲気の気体が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。このような砥粒の作用は、コロイダルシリカ砥粒を分散させたアルカリ溶液中でシリコンを湿式研磨するときに確認されている。
【００１０】
一方、加工部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。
たとえば、酸化クロムを砥粒に用いてSiCを乾式研磨するとき、研磨領域にある砥粒表面に過剰の酸素が保持され、砥粒擦過時に酸素が加工物表面に押し付けられることによりSiC＋O2→非晶質SiOx＋非晶質C又はSiC+O2→非晶質Si−C−Oの化学反応が誘起されると考えられる。
【００１１】
酸化クロムを砥粒に用いたSiCの乾式研磨では、研磨に有効な化学反応はSiの酸化であり、結果として余剰のCが非晶質固体になり、或いは反応生成物SiO2に取り込まれることもあるが、加工後の表面に残存することが懸念される。構造材料としての用途では反応生成物が多少付着していても以後の工程や製品の特性に悪影響を及ぼさないが、電子デバイス用途では不純物が微量でも残存すると以降の素子形成工程及び得られる素子の特性に重大な影響を及ぼす。
他方，本発明では、Cの直接酸化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等を残存させることがない。Cの直接酸化は、酸化作用のある研磨液を使用することによって促進される（図１）。
【００１２】
酸素が存在する系で炭素は熱力学的に不安定であるが、室温雰囲気に放置されたダイヤモンド又は黒鉛が重量減少しないことにみられるように、炭素のガス化反応は極めて遅い。室温付近の温度に維持されている溶液中に浸漬されているダイヤモンドや黒鉛も、酸化剤の有無による重量減少の差異が生じない。この点、本発明にあっては、砥粒を分散させた酸化性の研磨液を用いてダイヤモンド薄膜を湿式研磨している。
研磨液は、酸化触媒作用をもつ粉状物質を砥粒として酸化作用のある溶液に分散させることにより調製される。酸化作用のある溶液には、過酸化水素水（H2O2），硝酸塩（MxNO3）水溶液等が掲げられる。酸化触媒作用のある砥粒には、酸化クロム（Cr2O3），酸化鉄（Fe2O3）等が掲げられる。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10〜100ｇ／ｌの割合で分散させることが好ましい。
【００１３】
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。このとき、酸化作用のある溶液中で砥粒表面に保持される酸素の量が多くなっているので、該直接酸化反応が促進される。しかも、常温雰囲気での研磨であるため、従来法のように特殊雰囲気を必要とせず、研磨作業自体も容易になる。
【００１４】
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。
【００１５】
また、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品位も要求されるが、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研磨する化学機械研磨によるとき、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、半導体特性に重大な影響を与える表面欠陥がなく、高品質の電子デバイス作製用基板として使用される。
【００１６】
【実施例】
Si（001）基板上にCVD法で作製した膜厚0.1mmのダイヤモンド薄膜を化学機械研磨することに本発明を適用した。
研磨液は、34.5％過酸化水素水50mlに粒径1.6μmの酸化クロム5gを分散することによって調製した。フッ素樹脂製の容器に収容した研磨液（室温）にダイヤモンド薄膜を浸漬し、ダイヤモンド薄膜に対向する側にガラス板を貼り付けた攪拌子を加工圧27kPaでダイヤモンド薄膜に押し付け、周速度3.2m／秒で回転させた。
【００１７】
43.5時間経過した時点で攪拌子の回転を止め、研磨液からダイヤモンド薄膜を引き上げた。このダイヤモンド薄膜の表面を光学顕微鏡で観察したところ、鏡面研磨された部分が左側周辺（図２）に検出され、その他の表面が未研磨状態であった。
研磨面の平坦度を詳細に調査するため、研磨面表面をSEM観察した。図3のSEM像にみられるように、中央の研磨途中の領域の左側は平坦であった。更に研磨された部分を20000倍の高倍率で観察しても、スクラッチ等の表面凹凸を意味するコントラストが検出されなかった。この観察結果から、研磨された表面は、表面粗さがRmax 30nm以下のナノメータオーダーで平滑な表面であることが判った。
【００１８】
また、過酸化水素水に代え純水に酸化クロムを分散させた研磨液を用いて同様な条件下でダイヤモンド薄膜を化学機械研磨した。研磨開始から72時間経過した時点でダイヤモンド薄膜の表面を観察したところ、ダイヤモンド薄膜の表面一部が鏡面研磨されていた（図４）。この場合に鏡面研磨された部分は、同程度の平滑度を示すものの、過酸化水素に酸化クロムを分散させた研磨液を使用した場合に比較して表面積が極端に小さくなっており、過酸化水素が研磨反応（Cの直接酸化）に有効に寄与していることが確認された。
【００１９】
比較のため、粒径1μmのダイヤモンド粒を懸濁させたダイヤモンドスラリーを使用し、同一条件下でダイヤモンド薄膜を機械研磨した。研磨開始から72時間経過した時点でダイヤモンド薄膜の表面をSEM観察したところ、磨かれた痕跡が全く検出されず、却って粒内割れや脱粒に起因する粗面化がみられた。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、C+O2→CO又はCO2の直接酸化反応が進行するように酸化作用のある研磨液を用いてダイヤモンド薄膜を化学機械研磨している。そのため、硬質で研磨困難な材料であったダイヤモンド薄膜の表面を平滑に改質でき、SiCの化学機械研磨で生じたような余剰Cが薄膜表面に残留することもない。このようにして表面改質されたダイヤモンド薄膜は、ナノメータオーダーで平滑な表面であること及びダイヤモンド本来の優れた半導体特性を活用し、高出力の電子デバイスを高密度配置した基板等、高密度化・高性能化が急速に進んでいる電子デバイスに好適な基板として使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  過酸化水素水に酸化クロム砥粒を分散させた酸化性研磨液を用いた化学機械研磨によりダイヤモンド薄膜が研磨されることを説明するモデル図
【図２】  本発明に従った化学機械研磨を43.5時間施したダイヤモンド薄膜の表面一部が研磨されていることを示す写真
【図３】  同研磨表面のSEM像
【図４】  純水に酸化クロム砥粒を分散させた研磨液を用いて化学機械研磨したダイヤモンド薄膜の表面を示すSEM像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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