寄稿

紫外線を利用した鏡面加工の試み
山口司＊桂

ykaemgch@kit.ac.jp
1．はじめにネルギーを与えると電子が励起されることにな研磨加工は、現在の科学技術を根底から支える。4H-SiC を例にとって光化学反応の説明をる極めて重要な技術の 1 つである。私が研磨加すると、（1）式で示される光のエネルギー式に工の世界に足を踏み入れたのは、大学 4 年生の4H-SiC のバンドギャップ（=3.26 eV）、真空8ときである。当時を振り返ると、研磨加工に興中 の 光 速（ =3.00 × 10 m/s）、 プ ラ ン ク 定 数味があったわけではなく、漠然と半導体材料の（ =6.63 × 10-34 J・s）を代入する（1 eV=1.60 ×

加工技術に興味を持っていた。各研究室の研究

10-19 J）と、波長λは約 381 nm と算出できる。

内容を調べると、次世代半導体基板材料として＝注目される単結晶 SiC（炭化ケイ素）を加工対（1）λ象としている研究室があることを知り、その研したがって、波長が 380 nm 以下の光を照射す究室に配属希望を出した。そこで紫外線を利用ることで 4H-SiC 表面の電子を励起することがでした鏡面加工の研究に携わったのが始まりであきる。電子が励起されるとホール（正孔）が発生る。それから現在に至るまで、単結晶 SiC の研し、電子とホールの一部が大気中の酸素分子や磨加工を中心として、各種硬脆材料の紫外線を水分子などと化学的な反応を起こして非常に酸化利用した鏡面加工に関する研究を続けている。

力の高い原子状酸素やヒドロキシルラジカルが生

本稿では、紫外線を利用した鏡面加工におい成される。これらの非常に反応性の高い活性種がて、学生時代から現在までに得られたいくつかSiC 表面に化学的に作用し、比較的軟質な酸化の知見を紹介する。

膜が形成される。このように、光化学反応によって SiC 表面を軟質に改質し、形成された軟質な層

2．紫外線と光化学反応を除去することで鏡面加工を実現するというのが、一般的に、波長 100 〜 400nm の光（電磁波）

ここで紹介する加工法の原理である。

を総称して紫外線と呼ばれており、波長が短いためエネルギーの高い光である。人体に悪影響

3．紫外線照射による SiC の酸化反応を及ぼすことでも知られているが、工業的にも4H-SiC の紫外線照射による光化学反応を確露光技術や印刷、接着、コーティング、塗装、認した結果が図 1 である［1］。紫外線を 1 時間洗浄、改質など幅広い分野で応用されている。

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本稿で紹介する紫外線を利用した加工は、改質

6L&;36LQWHQVLW\ DXの効果を応用した技術といえる。
半導体表面に紫外線を照射すると、表面に存在する原子中の電子が、価電子帯から伝導帯に励起する場合がある。半導体や絶縁体では価電子帯と伝導帯との間に禁制帯（バンドギャッ6LS6L2プ）と呼ばれる電子が存在できないエネルギー帯が存在する。このバンドギャップを超えるエ＊機械工学系№ 362017

助教
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図1 紫外線照射前後のSiC 表面のXPSスペクトル［1］− 21 −
図2UV アシスト研磨前後の SiC 表面［2］図3UV アシスト固定砥粒研磨前後の PCD 表面［3］照射した SiC 表面を XPS によって化学分析し引っかき傷（スクラッチ痕）が多数残留している。

た結果である。実線で示した紫外線照射後のこれは、実験前の状態を常に等しくする目的で

SiC には、酸化物の存在を示す 103.5 eV 付近の行った、ダイヤモンドスラリーを用いたポリシピークがはっきりと現れている。この結果をうングの際にダイヤモンド砥粒によって除去されけて、SiC の鏡面研磨に対して紫外線が有効でた除去痕である。SiC よりも硬度の高いダイヤあることを確信した。SiC 母材よりも軟質な酸モンドを砥粒として用いるため、SiC は機械的化膜を、SiC よりも軟質かつ酸化膜よりは硬いに除去されることとなり、スクラッチ痕は非常材料で除去すれば、改質層のみを除去することに多く残留する結果となる。一方、UV アシスが可能となるため、理想的な加工法になること

ト研磨後の SiC 表面には、目立ったスクラッチを確信したのである。

痕は存在しない。表面粗さも 0.2 nmRa を下回る極めて平滑な面を得ることができた。この時4．紫外線を利用した SiC の鏡面研磨の除去能率（単位時間当たりの除去量）も紫外

結論から述べれば、紫外線を利用することで線照射によって約 40% 向上した。

極めて平滑な鏡面を比較的高能率に得られることを明らかにした。とくに、SiC の酸化膜と同5．ダイヤモンドの UV アシスト固定砥粒研磨成分であるガラスの研磨剤として用いられるセ

最後に、現在進めているダイヤモンドの研リア（CeO2）を使用することで、極めて高品磨事例を紹介する。ダイヤモンドと言えば聞位な加工面を得ることができた。図 2 に示し

こえは良いが、ここで紹介するのは工業用ダ

たのは、紫外線を照射しながら研磨（UV アシ

イ ヤ モ ン ド、 と く に PCD（PolyCrystallineスト研磨）した際の研磨前後の SiC 表面を光Diamond：焼結多結晶ダイヤモンド）の研磨干渉式の非接触形状測定装置で測定した結果事例である。ダイヤモンドもバンドギャップのである［2］。研磨前後でカラーレンジが異な極めて大きい半導体の 1 つとして知られており、る点に注意してほしい。研磨前には表面粗さ

理論上では 220 nm 以下の波長の紫外線を照射

こそ 1 nmRa を下回っているが、線状の細かいすれば励起が可能である。固定砥粒研磨とは、− 22 −

京都工芸繊維大学情報科学センター広報

研磨剤となる砥粒を固定化した砥石を用いて研て平滑な鏡面に仕上げるうえで、紫外線による磨を行う加工法である。図 3 は UV アシスト固光化学反応は非常に有用な現象といえる。紫外定砥粒研磨による加工前後の PCD 表面である。

線には、光化学反応による表面改質の効果以外試料のサイズ上、一部見切れた箇所があるたにも洗浄作用等もあることから、さまざまな効め、表面粗さは中央付近の 0.6 mm 四方の領域

果が複合的に作用することで鏡面加工が可能にで算出した。加工前には非常に大きなうねりとなっているものと考える。今後も、研磨におけ深いくぼみが多数存在しているのに対し、加工る紫外線の利用はもちろん、研磨以外でも紫外後には極めて平滑な鏡面が得られた。PCD は線の新たな魅力を探索していきたい。

焼結体であるためダイヤモンド粒子間にコバルトなどの焼結助剤が含まれる。したがって、粒参考文献界に段差を生じることがある。実際に加工前［1］山 口 桂 司， 峠 睦， 久 保 田 章 亀， 中 野 貴の PCD には、粒界段差あるいはダイヤモンド之，渡邉純二，“ 単結晶 SiC 基板の高能率粒子の脱落によると考えられるくぼみが多数存

鏡面仕上げに関する研究 ”，精密工学会誌，在している。しかしながら、UV アシスト研磨

Vol.77，No.1（2011），pp.116-120．

を行うと、これらの段差は極めて小さく抑える［2］山口桂司，峠睦，久保田章亀，室田忠俊，ことができた。これは、PCD 中のダイヤモン

渡 邉 純 二， 豊 福 陽 樹， 沢 見 有 輝，“ 単 結ド粒子そのものを凸部から選択的に、さらに粒晶 SiC 基板の紫外光支援研磨特性におけ子の脱落を伴うことなく加工が進展しているこる粒子の影響 ”，砥粒加工学会誌，Vol.55，とを示している。紫外線を利用した加工法が、No.4（2011），pp.220-225．

SiC と同様にダイヤモンドに対しても極めて効［3］北村龍太郎，野村寛志，太田稔，江頭快，果的な加工法であることが明らかである。

山口桂司，三輪紘敬，恩地好晶，棚田憲一，“PCD の固定砥粒研磨における UV 照射の6．おわりに影響 ”，2017 年度砥粒加工学会学術講演会

ダイヤモンドや SiC などの超硬質材料を極め№ 36

2017− 23 −講演論文集，pp.112-116．