総説

セラミックス基盤工学研究センター年報 (2007). Vol. 7, 49-53

砥粒内包工具による SiC 単結晶の研磨の試み
佐藤 誠†・山口幸男†‡†

株式会社ノリタケカンパニーリミテド〒 451-8501 名古屋市西区則武新町 3-1-36‡

名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29

The Trial of Polishing of the Single-Crystal Silicon Carbide (SiC) by an
Abrasive Grain Intension Polishing Pad
Makoto Sato†, Yukio Yamaguchi†‡†Noritake Co., Limited, 3-1-36 Noritake, Nishi-ku, Nagoya 451-8501‡Ceramics Research Laboratory, Nagoya Institute of Technology, Asahigaoka 10-6-29, Tajimi, Gifu 507-0071 JAPANIn recent years, the single-crystal silicon carbide (SiC) attracts attention as a substrate of a power device or LED. The single-crystal
SiC becomes a substrate through various processing processes. At a back process, polishing process is needed. Conventionally, afinal polishing of single-crystal SiC was performed by loose abrasive grain polishing. However, the removal rate of polishing waslow. This was set to one of the causes of a cost rise of the single-crystal SiC wafer. In this research, the polishing examination
was performed using the advanced-type Loosely Held Abrasive (LHA) pad which is a polishing pad involving abrasive grains,
and water or a polishing lubricant containing the additive agent was supplyied in order to improve the polishing process. When
this process is introduced into polishing process of the single-crystal SiC, polishing process in a short time is attained and there
is possibility of a cost cut. It leads to the spread of future single-crystal SiC wafers.

化還元電位（ORP）の研磨性能に対する影響を調査した．

１．緒言
炭化珪素単結晶（SiC 単結晶）はワイドギャップ半導２．実験

体の代表的素材であり、電気的特性に優れるため、窒化ガリウム単結晶（GaN 単結晶）と共に次世代高周波デバ

2. 1 研磨パッドの試作

イスやパワーデバイスなどへの応用が期待される。しかLHA pad は、粒径 250nm の球状シリカとポリエーテルサルホン（PES）樹脂を有機溶剤中で混合し、500 ×しながら、SiC 単結晶は大変加工しにくい硬い材料であり、特に鏡面化を行う研磨加工では高い加工能率が得られず、加工に長時間を要する。このため加工コストが高く、SiC 単結晶のウェーハは大変高価（2 インチサイズで 10 万円以上）でありこのことが普及の妨げになっている。
一方、我々は研磨加工において平坦化と低廃棄物の観点から固定砥粒研磨パッドの開発を行ってきたが、従来型の固定砥粒研磨パッドは高い研磨レートとスクラッチレス化とを両立させる事が困難であった。[1] こうした中で、我々は，Loosely Held Abrasive (LHA) 構造の砥粒内包研磨パッドが、加工液の液性などの差により、ベアシリコンウェーハや酸化膜ウェーハの研磨において研磨[2][3][4]性能を向上させる場合があることを見出した。

本報では，SiC 単結晶の研磨に LHA 構造の研磨パッド（LHA pad）を用い，研磨性能（特に加工能率）を向Fig.1. View of the LHA pad and SEM micrographs of the LHA

上させる目的で，LHA pad に供給する研磨液の pH と酸

pad cross section― 49 ―

砥粒内包工具による SiC 単結晶の研磨の試み

Table 1. Component of polishing pad

Table 3. Polishing pad and fluid

Polishing pad

Silica abrasive grain

Matrix resin

LHA pad26 vol%28 vol%Experimental Polishingpadnumber

500 × 2 のシート状に鋳込み成形し、その後、有機溶剤

1IC1000

Water + silica (250nm) 12.5w%

2IC1000

HCl (0.1mol/l) + silica (250nm)
12.5w%

3IC1000

KOH (0.1mol/l) + silica (250nm)
12.5w%

4IC1000

KMnO4 (0.1mol/l) + silica (250nm)
12.5w%

5IC1000

K2S2O3 (0.1mol/l) + silica (250nm)
12.5w%

6

LHA pad Water

7

LHA pad HCl (0.1mol/l)

8

LHA pad KOH (0.1mol/l)を抜くことにより作成した。その外観と断面を拡大した

SEM 写真を図 1 に示す。また、作成した研磨パッドの構成を表 1 に示す。
2. 2 研磨試験
研磨性能の調査は図 2 に示す研磨装置を用いて研磨試験を行ない、SiC 単結晶に対する研磨性能（加工能率と被加工面の表面粗さ）を調査することにより実施した。

Polishing fluid

9

LHA pad KMnO4 (0.1mol/l)

10

LHA pad KMnO4 (0.1mol/l) + HCl (0.1mol/l)（回転定盤）はチラー（冷却装置）により 298K に保つよ11

LHA padうに調整した。LHA pad の対照となる発砲ポリウレタ

12

LHA pad K2S2O3 (0.1mol/l)

13

LHA pad K2S2O3 (0.1mol/l) + HCl (0.1mol/l)

14

LHA pad K2S2O3 (0.1mol/l) + KOH (0.1mol/l)

研磨条件を表 2 に示す。また、試験に用いた研磨パッドと研磨液の組合せを表 3 に示す。研磨装置のプラテン

KMnO4 (0.1mol/l) + KOH(0.1mol/l)ンパッド（ニッタハース社製 IC1000）は遊離砥粒研磨（特にデバイスウェーハの CMP）においてよく使用されているものである。また、研磨スラリー内のシリカとしては LHA pad に内包されている球状シリカを同じものを用いた。
研磨性能の指標である加工能率は下記の式 (1) により求めた。
Fig.2. Aschematic of the polishing experimental setup

ここで、各パラメータは以下の通りとする。

Rr ：加工能率 (Removal rate)
V ：加工寸法 (Polishing thickness)
t ：研磨時間 (Polishing time)

Table 2. Polishing conditions
Item

(1)

Contents
Lapmaster LP-15(Taisei lapping system)

被加工物の表面品の評価には表面粗さ Ra を用い、Ra はPolishing pad size

300mm

光学式干渉顕微鏡（Zygo 社製 New View 200）によりPlaten revolutions

1s-1 (60rpm)

表面形状を測定し ISO 規格に基づき導き出した。また、Work piece

Single crystal SiC 6H (0001)

被加工物は 6H タイプの SiC 単結晶を用い、加工面は結Work piece size

10 x 10 x 0.26 mm (3 piece)

晶方位 0001 の Si 面とした。

Carrier revolutions

1s-1 (60rpm)

Polishing pressure

24.6 kPa (251gf/cm3)

LHA pad の研磨試験の研磨液流量については過去の研究 [4] から加工能率への影響が大きいことが判明しているので、予備試験として上記 SiC 単結晶を用い図 2 の装置と表 2 の研磨条件（流量は除く）で、水かけながら流 量 を 変 え て 研 磨 試 験 を 行 っ た。流 量 は 0,0.0067,0.0167, 0.084, 0.167cm3/s の 5 条件で実施した。その結Polishing machine

Fluid flow

IC1000 : 0.167 cm3/s (10ml/min)
LHA pad : 0.0067cm3/s (0.4ml/min)

Polishing time

7200 s (120min)

Conditioner

SD#325― 50 ―

佐藤 誠・山口幸男

Table 4. Oxidation reduction potential and pH of polishing fluid

Fig.3. Correlation with removal rate and water flow

Experimental number

ORP (mV)

pH

1560

4.5

2755

1.4

3241

11.5

41016

5.4

5266

5.2

6565

5.0

7648

1.3

8166

12.8

91012

5.7

果を図 3 に示す。図の結果から 0.0067cm3/s の流量が最101382

1.2も加工能率が高いことが判明したので、LHA pad に対し

11735

13.3てはこの流量を使うことにした。

12361

6.2

13137

1.5

144013.02. 3 酸化還元電位と pH の測定
酸化還元電位 (ORP) と pH の測定は Eutech 社製の pH-ORP メータ Cyber Scan 200 を用いて測定した。この時、酸化還元電位の測定には飽和 KCl 水溶液 Ag-AgCl 電極
酸化還元電位（ORP）の値が高いエリアでは SiC に対しを用い、電位値は標準水素電極値に変換して用いた。

酸化剤として働き、これより低いエリアでは SiC に対し[5]
この事は、表 4 の実還元剤として働くと考えられる。

３．結果と考察

験 1 から 3 と実験 6 から 8 が、酸化剤でも還元剤でもなく、pH のみが異なることを示している。また、実験 1,4，

3. 1 酸化還元電位と pH
図 4 に酸化還元電位（ORP）と pH の関係を示す。表4 に研磨液 の酸化還元電位（ORP）と pH の値を示す。
研磨液の酸化還元電位（ORP）の調整には還元剤として
K2S2O3 を、酸化剤として KMnO4 を用いた。また、pH の調整には HCl と KOH を用いた。SiC の酸化還元電位（ORP）と pH の測定は以下のようにして行った。約 2mmの SiC 粒子を水に分散させてスラリーにした。そのスラリ ー を HCl と KOH で 調 整 し て 9 点 の 酸 化 還 元 電 位（ORP）と pH を測定した。その 9 点の値を用い最小二乗近似法で近似した線が図 4 の破線である。この線より5 と実験 6,9，12 はほぼ同じ pH（弱酸性）で酸化還元電位（ORP）が異なることを示している。
3. 2 加工能率に対する酸化還元電位と pH の影響
図 5 は遊離砥粒研磨における加工能率を示し、図 6 は遊離砥粒研磨における表面粗さ Ra を示す。また、図 7は LHA pad における加工能率を示し、図 8 は LHA padにおける表面粗さ Ra を示す。これらの図には実験 1 から 14 の研磨試験結果と、それらを相関法で結ぶ仮想曲面が描かれている。さらに、表 5 には実験 1 から 14 の研磨試験結果の値を示す。
加工能率の比較をすると、遊離砥粒研磨は実験 4 において、また LHA pad は実験 9 において最も高い値となっている。実験 4 と実験 9 は共に酸化剤入りである。また、
実験 9 は実験 4 に対して 1.8 倍の加工能率である。さらに、市販のシリコンウェーハ研磨用スラリーとほぼ同じORP と pH である実験 3 に対して実験 9 の加工能率は 2.7倍である。この様に研磨液に酸化剤を加えると加工能率が向上し、これらに加えて LHA pad を用いるとさらに加工能率が向上することが実験結果から判明した。図 5と図 7 の仮想曲面からは酸性でかつ酸化還元電位（ORP）が高い（酸化性）の領域において加工能率が高く、強酸性でかつ酸化還元電位（ORP）が低い（還元性）の領域においては加工能率が低いことが予想される。このよう
Fig.4. Correlation with oxidation reduction potential and pHにシリカ砥粒による SiC 単結晶の研磨における加工能率― 51 ―

砥粒内包工具による SiC 単結晶の研磨の試み

Fig.5. Correlation with removal rate and oxidation reduction

Fig. 6. Correlation with surface roughness and oxidation reduction

potential-pH on loose abrasive. a.3D-graph; b. contour drawing

potential-pH on loose abrasive. a.3D-graph; b. contour drawing

Fig. 7. Correlation with removal rate and oxidation reduction

Fig. 8. Correlation with surface roughness and oxidation reduction

potential-pH on LHA. a.3D-graph; b. contour drawing

potential-pH on loose abrasive. a.3D-graph; b. contour drawing― 52 ―

佐藤 誠・山口幸男

Table 5. Removalrate and surface roughness

3. 4 研磨性能向上因子について
これらのことからシリカ砥粒による SiC 単結晶の研磨

Experimental
numberRemoval rate
nm/hSurfaceroughness Ranm

11171.43

ものと考えられる。渡辺・土肥らの研究においても SiC

22320.54[6]の研磨では酸化が影響していることを示唆している。

31671.57

また、LHA pad による研磨は遊離砥粒研磨より砥粒の動においては、酸化反応を促進させると、C 原子が CO2 等に変化して SiC から抜けやすくなり加工能率が向上する

42500.53

きを拘束するので、機械的な力が強くその影響により、51830.62さらに加工能率が向上したものと考えられる。

62170.6371501.0682001.3594500.35

SiC 単結晶の研磨に対し LHA pad による研磨はその104000.59研磨性能向上させることが判明した。また、酸化反応促

111000.83

進させる環境下ではさらに研磨性能が向上することが判12670.48

明した。これらの知見を利用することにより、SiC 単結

13340.44晶の研磨のコストダウンを図ることが可能になり、量産

14501.07化が促進されることを期待したい。今後は酸化反応と４．結言

SiC 単結晶の研磨メカニズムの解明と LHA pad に酸化作用を持たせることを検討する。
は pH の影響以上に酸化還元電位（ORP）が影響を及ぼしているため、シリカ砥粒による SiC 単結晶の研磨では［参考文献］酸化（還元）反応が寄与していることが考えられる。

[1] K. Ishiguro , Electoronic Parts and Materials, 39, 5 (2000)
83

3. 3 表面粗さに対する酸化還元電位と pH の影響[2] M. Sato, T. Nonami, J. Ishizaki, Journal of the Ceramic Society

表面粗さ Ra の比較をすると、遊離砥粒研磨においては実験 4 が、LHA pad においては実験 9 が最も細かい値となっている。これらはそれぞれ加工能率が最も高い

of Japan, Supplement, 112, 5(2004) s1341[3] M. Sato et al., Proceeding of JSPE Spring Meeting, (2003)
259

結果となった実験でもある。逆に最も粗い値となったの[4] M. Sato, T. Kameyama, T. Nonami, JSPE, 72, 1(2006) 79

は遊離砥粒研磨では実験 3 で、LHA pad は実験 8 であ

[5] M. Pourbaix, “Atlas of electrochemical equilibria in aqueous

る．これらは何れも強いアルカリ性であり、酸化性でもsolutions”,National association of corrosion engineers (1974)

還元性でもない領域である。図 6 と 図 8 の仮想曲面か[6] S. Watanabe, T. Doi, J. Ikeno, Proceeding of JSPE Autumn

らは酸性で酸化還元電位（ORP）が高い（酸化性）の領域と酸化還元電位（ORP）が低い（還元性）の領域とでは表面粗さが細かく、強アルカリ性であり、酸化性でも還元性でもない領域では表面粗さが粗いことが予想される。

― 53 ―

Meeting, (2005) 339