2021年3月29日

日本素材物性学会 令和2年度第2回研究会

中小企業における放射光利活用-先進パワー半導体基板の表面ダメージ評価-

株式会社斉藤光学製作所
経営企画室 千葉翔悟
E-mail:schiba@saito-os.com

会社概要
商号：株式会社斉藤光学製作所
設立：1977年(昭和52年)
所在地：本社・ガラス事業部・結晶事業部〒019-1512 秋田県仙北郡美郷町本堂城回字若林118‐2/3
従業員数：68名(2021年3月現在）
事業内容：【硬脆材等受託加工】〇加工工程：切断，外形加工，熱処理，研削，研磨（ラップ，CMP），洗浄，検査〇取扱材料：ガラス，酸化物・化合物単結晶，多結晶，樹脂，メタル【研磨関連技術サービス】〇各種研磨副資材等評価業務 〇研磨加工プロセス設計・コンサルティング業務〇研磨関連装置・資材販売〇研究開発向け小サイズ・少数試作

代表加工プロセスと取り扱い材料

令和元年度仙台市トライアルユース事業

SiC基板におけるCMP加工条件を導出するための放射光計測活用に関する可能性調査

事業背景
情報通信機器等の普及，高度化やIoTの普及に伴い，電力需要は増加

課題解決の鍵：パワーデバイスの高性能化

2016年

2030年

2050年

パワーデバイスとは…

IPトラフィック
(ZB/年）

4.7

170

20,200インバーターやコンバーターなどの電力変換器に用いられる半導体素子消費電力(国内:TWｈ/年)

41

1,480

176,200

消費電力(世界:TWｈ/年)

1,170

42,3005,030,000

出典：国立研究開発法人科学技術振興機構低炭素社会戦略セン
ター，”低炭素社会実現に向けた政策立案のための提案書 技術普及編
情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響（Vol.1）” （2019）

直流

交流

100V

5V

変換時には電力損失が発生損失の抑制＝省電力化

従来のSi半導体パワーデバイスに代わる次世代半導体（SiC，GaN等）パワーデバイスが注目
SiC⇒現在は電車などへの適用が検討⇒電力損失従来Si IGBT比55%低減が実証（NEDO）
課題：既存の素子と比べて高価
・次世代半導体は難加工材料
・その基板表面は原子レベルで無ひずみであることが要求

基板加工コストが増大

シリカ研磨剤による研磨速度(pH10)

Si

Sapphire

GaN

SiC

10.03

0.0050.0002

参考文献：玉井一誠，森永均，”Si，サファイア，SiC，GaNの研磨とそのメカニズム”，日本学術振興会「結晶加工と評価技術」145委
員会 第127回研究会（2011).

次世代半導体の加工プロセス概要①インゴット切断②形状精度創成工程

整厚，うねり反りの除去
平坦度確保

自立基板化

表面仕上げ工程（遊離砥粒研磨加工）③表面粗仕上げ工程④表面中間仕上げ工程

表面粗さ・表面ダメージ低減⑤表面最終仕上げ工程

原子レベルの平滑性確保

遊離砥粒研磨加工
工具とワークに砥粒を挟み込み，一定の圧力条件下において相対運動させ，砥粒の切れ刃により，ワークをごく微量ずつ削り取って精密に仕上げる加工法

硬脆材料の研磨加工において，主として砥粒の機械的除去作用（硬度等）による研磨除去を行った場合，表面には加工変質層が形成

加工変質層
基板表面近傍に形成されるバルクの結晶品質と異なる層半導体検査顕微鏡像

粗仕上表面

最終仕上げ初期表面光学的に観察できていなかった加工変質層が最終仕上げ時の研磨剤による化学作用によって顕在化

加工変質層（加工ひずみ）はデバイス性能に悪影響を与える⇒最終仕上げではこのひずみの完全除去が必須

最終工程における無ひずみを実現する加工法：化学機械研磨（CMP）
化学機械研磨(CMP: Chemical Mechanical Polishing)
研磨剤の機械的な除去作用と化学的な除去作用の複合により基板表面を無ひずみ仕上げる加工法

研磨除去速度と表面の仕上がり品質はトレードオフの関係にあるため，バランスを取り，多段工程(1次，2次）で段階的に仕上げる．

課題：現状のCMP工程は難加工材料である次世代半導体向けに最適化されていない⇒本工程に要する時間とコストは大きく，改善が必要
しかし，現状は加工変質層がどの段階で除去されているかに対する明確な指針がなく，主に経験値を基に必要な除去量が算出されている．

これまでの取り組みと事業の目的
弊社におけるSiC基板加工
大学，研究機関を中心に受託加工を実施．

社内における評価手法
原子間力顕微鏡
微分干渉顕微鏡

結晶欠陥やひずみの密度や分布を定量化することは困難

放射光を用いたX線トポグラフィ
SPring-8にて各仕上げ段階における基板表面付近の加工変質層に存在する結晶欠陥や歪みの密度や分布を評価⇒定量化することで加工の良否判断を明確化

SiC 基板の最終表面仕上げ工程における条件導出の指針を得る➔ 製造コスト削減に寄与

実施体制

株式会社斉藤光学製作所

共同研究秋田県産業技術センター

協力・助言

高輝度光科学研究センター

評価用試料＜試料＞4H-SiC (0001)ウェハー
オフ角：[11-20]方向に4 deg
試料表面状態：Sample#1 ダイヤモンドラップ（粗加工面）, Sample#2 1次CMP（一次仕上げ面）
Sample#3 2次CMP（最終仕上げ面）
Wafer#123State

After Diamond Polishing

After 1st CMP

After 2nd CMP

DIC
Image

AFM
Image

放射光X線トポグラフィー評価条件＜放射光X線トポグラフィー条件＞-1-128回折の反射X線トポグラフィー
X線エネルギー：9 keV
入射角：2 deg，回折角：90 deg 放射光X線(0001)

SPring-8 BL19B2

2次元X線センサー

2次元X線センサー

回折X線
入射X線

試料(SiC基板)

SiC基板

評価セットアップ評価結果：放射光X線トポグラフィー像

10 mm

Sample#1
ダイヤモンドラップ基板

Sample#2
1次CMP基板

Sample#3
2次CMP基板放射光X線トポグラフィー像とAFM像（社内評価）の比較検討#1 ダイヤモンドラップ基板#2 1次CMP基板#3 2次CMP基板

・AFM像においては1次CMP後の表面に微小なうねり成分が認められ，2次CMP後では除去
・X線トポグラフィー像のコントラストはダイヤモンドラップ＞2次CMP≒1次CMP
1次CMP時点でダイヤモンドラップ（粗加工）による結晶歪みが除去されている可能性⇒2次CMP工程を削減できる可能性
今後の課題：コントラストが表面の傷の影響を受けている可能性も考えられるため，詳細な解析を行う．

まとめと今後の課題<まとめ>

SiC基板の各表面仕上げ状態における結晶歪みの有無を明らかにするため，放射光X線トポグラフィ―を用いた評価を実施した．
X線トポグラフィー像のコントラストはダイヤモンドラップ＞2次CMP≒1次CMPであり，1次CMP時点でダイヤモンドラップ（粗加工）による結晶歪みが除去されている可能性が示唆された．
これより，SiC基板加工プロセスにおいて，2次CMP工程を削減できる可能性が得られ，製造コストの低減が期待できる．

<今後の課題>✓ X線トポグラフィーの高分解能撮影✓ X線トポグラフィー像コントラストの詳細解析✓ X線トポグラフィー像コントラストと傷との相関の詳細解析

中小企業における放射光の利活用
・中小製造業を取り巻く環境は急激に変化⇒価値の見直し，再定義必要
・中小製造業において放射光を用いた評価はまだ身近な存在ではない(ハードルが高い)
一方で価値ある技術を有する中小企業は多数存在

中小企業の経験知＋放射光による“見える，分かる”
イノベーション創出や異なるビジネスフィールドへの展開のチャンスは大きく広がる
鍵：連携

謝辞

本研究は令和元年度仙台市トライアルユース事業を受けて行われたものであり，ここに謝意を表す.