◆ 車載テクノロジー最前線 ◆次世代パワー半導体（SiC）の結晶へき開型切断加工
三澤 明日香北市 充

三星ダイヤモンド工業 ( 株 )研究開発部技術研究課

三星ダイヤモンド工業 ( 株 )研究開発部技術研究課

4）

1.

課長5）

，プラズマエッチング ，ウォータガイドレーザによはじめにるダイシング6）などが提案・研究されている。

化合物半導体の一つである SiC は，Si の約 10 倍の絶一方で，三星ダイヤモンド工業は長年にわたり，主縁破壊電界，約 3 倍のバンドギャップ，約 3 倍の熱伝導に液晶パネル用の板ガラスを切断するための装置，工率を有する。これらの特性は，パワーデバイスの高耐圧具，加工プロセスを提供してきた。その切断手法の概要

化，低損失化，高速化，小型化に寄与するため，SiC はを図 1 に示す。まず，外縁を刃先形状に加工された硬車載用パワーデバイス材料として注目を集めてきた。すいホイール（スクライビングホイール）を板ガラス表面

でに，一部の車種に SiC パワーデバイスが搭載されておに押し付けて転動させる（スクライブ）。このスクライり，今後も需要拡大が見込まれる。自動車以外にも，民ブ工程において，板ガラス表面には浅い溝（スクライブ

生機器，情報通信機器，鉄道車両，太陽光・風力発電，ライン）が形成し，スクライブラインの直下には板ガラ各種産業機器への SiC パワーデバイスの採用がより一層

ス表面に対して垂直なき裂（垂直クラック）が形成する。

1）拡がるものと期待されている 。

次に，板ガラスに曲げ変形を与え，垂直クラックを板厚

従来の Si パワーデバイス製造において，ウェハか方向に進展させる（ブレイク）。これら 2 つの工程かららチップへ切り出す手法として，砥石製のブレードを成る切断手法を，スクライブ & ブレイク（SnB）法と称用いたダイシングが広く採用されてきた。しかしながしている。SnB 法におけるスクライブ速度は 100 mm / s

ら，SiC は Si よりも高硬度であるため，従来手法で SiC以上と比較的速く，切断に必要なスクライブのパス数はウェハを切断する場合は加工速度を遅くせざるを得ず，板厚によらず 1 パスのみである。SnB 法で切断可能な板現実的な加工速度は 3 mm / s 程度となる。また，加工負ガラスの板厚範囲は，約 0.1 mm から約 20 mm と非常に荷が大きく，ブレードの目つぶれや破損，ウェハのチッ広い。また，冷却水等を使用しないドライプロセスであピングやクラック発生が課題であった。そこで，SiC ウるため，排水処理を必要としない。さらに，SnB 法で切ェハの切断に対応するために，ブレードに超音波振動を断された板ガラスにはカーフがなく，1 枚の板ガラスか付与する，超音波援用ダイシングが開発された

2, 3）。超ら切り出せる商品数を最大化できる。また，母材の塑性音波援用ダイシングにより，チッピングやクラックの発変形はスクライブライン周囲の限られた領域のみで起こ生を抑制しつつ，従来手法の数倍の加工速度で SiC ウェり，切断面の大部分においては，母材の原子スケール構ハを切断できるようになった。しかしながら，SiC パワ造に与えるダメージが小さい。

ーデバイスの需要は絶えず拡大しており，加工速度の高上記のとおり SnB 法は，脆性材料におけるき裂進展速化や歩留まり向上への要求が高まっている。そのため，現象を，その切断加工に積極的に利用するものである。

SiC ウェハの新規切断手法として，ステルスダイシング

ここで，SiC は脆性材料であるのみならず，へき開性を車載テクノロジー Vol.11, No.6 202467有する材料である。SiC 中において，き裂を特定のへきクを半円き裂とみなした破壊力学的解析により，垂直ク開面に沿って進展させることが比較的容易である点に着ラックサイズと押し込み加重や物性値との関係式が導か目し，SnB 法を SiC ウェハの切断に応用した。本報では，れている。

SnB 法において特に独自性の高い技術であるスクライブについて，垂直クラックの形成メカニズムを簡単に紹介するとともに，SiC ウェハに対するスクライブ特性につ塑性変形領域いて述べる。また，SnB 法で切断された SiC ウェハにおける切断部の品質について，切断部の外観，および，切断面における結晶状態の評価結果を紹介する。

引張応力
スクライブ

ブレイク

スクライビング
ホイール

垂直クラックスクライブ
ライン

垂直クラック

図2

図1

スクライブ＆ブレイク法の概要

脆性材料に対する圧子の押し込みによる垂直クラック形成

Tomei ら8）は，スクライビングホイールを押し込まれたガラスの内部における応力分布を明らかにするため

2.
2.1

スクライブ

垂直クラック形成メカニズムに，有限要素法による数値計算，および，光弾性法による応力分布測定を実施した。そして，スクライビン
グホイールの押し込み位置の直下には圧縮応力場が形成し，圧縮応力場の外側には GPa オーダーの引張応力場

脆性材料の表面に対してビッカース圧子などの圧子をが形成することを示した。この応力分布の特徴は上記

押し込んだ際，押し込み位置の周囲には様々なき裂が形の LEM モデルにおける応力分布と似通っており，スク成する。圧子の押し込みによって形成するき裂のうち，ライブにおいても，LEM モデルと類似のメカニズムに材料表面に対して垂直なき裂を垂直クラック，あるいは，よって垂直クラックが形成されることが示唆された。

メディアンクラックと呼ぶ。スクライブは，切断線に沿う垂直クラックのみを選択的に形成させる手法といえる。垂直クラックの形成メカニズムを記述するもっともSiC ウェハに対するスクライブ特性

基本的なモデルとして，ビッカース圧子による押し込み

SiC には，同一の化学組成で原子の積層構造が異なるを対象とした Lawn-Evans-Marshall（LEM）モデルが知ら複数のポリタイプが存在するが，パワーデバイス用途

7）

68

2.2

れている 。図 2 に LEM モデルの概要を簡略化して示す。

で主に使用されるのは，比較的安定で，バルク移動度圧子を押し込まれた箇所の周囲は，強い圧縮によって塑とバンドギャップが大きい 4H-SiC である。図 3 に，市性変形をしながら外側へ膨張する。一方で，塑性変形領販の 4H-SiC ウェハにおける代表的な結晶方位を示す。

域の外側では，塑性変形領域の膨張に追随して引張方向

4H-SiC の（0001）面 ，すなわち，Si 面をデバイス面とし，の変形が起こり，引張応力が誘起される。塑性変形領域

1100 方向に第一オリフラ，1120 方向に第二オリフラの外側に誘起される上記の引張応力が，垂直クラック形を有する。エピタキシャル成長による結晶成長特性を向成の主な駆動力となる。LEM モデルでは，垂直クラッ上させるために，4° のオフ角が設けられている。その車載テクノロジー Vol.11, No.6 2024――

車載テクノロジー最前線―

ため，第一オリフラと平行な {1100} 面がウェハ表面と―スのスクライブとブレイクで切断することができる。さ垂直であるのに対し，第二オリフラと平行な {1120} 面

らに特筆すべきは，図 4 において，垂直クラックの両側はウェハ表面垂直方向に対して 4° 傾いている。4H-SiCに切り代のような隙間が存在しない点である。スクライ――のへき開面は，{0001} 面，{1100} 面，{1120} 面であり，――へき開のしやすさは {0001} 面 ＞ {1100} 面 ＞ {1120} 面9）である。したがって，上記の 4H-SiC ウェハに対してブ工程に続くブレイク工程は垂直クラックを板厚方向に進展させるのみなので，SnB 法はカーフレスな切断を可能とする。

第一オリフラ平行方向および第二オリフラ平行方向にス―クライブを行うと，それぞれ，へき開面の {1100} 面お―よび {1120} 面に沿う垂直クラックを形成させることができると期待される。以降は，上記の 4H-SiC ウェハをスクライブライン対象とした SnB 法に関する記述であり，4H-SiC ウェハ

スクライブ面（Si 面）

を単に SiC ウェハと表記する。
―〈1100〉

図310）

第二オリフラ（0001）
Si 面

垂直断面4°

第一オリフラ垂直クラック
20 μm―〈1120〉

市販の 4H-SiC ウェハにおける代表的な結晶方位

図4

SiC ウェハに対するスクライブにより形成する
スクライブラインおよび垂直クラック 10）

3. SnB 法で切断された SiC ウェハにおける切断部の品質に，SiC ウェハに対するスクライブによって形

本章では，SnB 法で切り出された SiC チップにおける成するスクライブラインと垂直クラックの一例を示す。

切断部の品質について述べる。ここでは，Si 面をスクなお，図 4 は，スクライブ面を Si 面，スクライブ方向ライブ面とし，第一オリフラ平行方向，第二オリフラ平を第一オリフラ平行方向，スクライブ速度を 100 mm / s

行方向の順で，それぞれ等間隔にスクライブを行った後，としたものであり，スクライブ後のスクライブ面と垂直3 点曲げ方式のブレイクを施した。

図4

断面とを斜めから SEM 観察して得られた図である。図10）

図5は，スクライブ面，および，その逆側の面におの上半分はスクライブ面であり，スクライブラインが見いて，SiC チップの端部（切断線が交差する箇所）を光られる。一方，図の下半分は垂直断面であり，スクライ学顕微鏡で観察して得られた図である。いずれの面におブラインの下部に垂直クラックが形成している。通常，いてもチッピングやクラックは見られず，SnB 法で SiC

SiC ウェハに対する SnB 法で形成されるスクライブライウェハを良好に切断できたことが分かる。図 6 に，SiCンは，深さ 1 μm 未満，幅 5 μm 未満と，極めて微細なチップの側面，すなわち，切断面の光学顕微鏡像を示す。

溝となる。また，スクライブライン近傍に形成される塑

図 6（a）は第一オリフラと平行な切断面，図 6（b）は第二性変形領域のサイズは数 μm 程度であることが分かってオリフラと平行な切断面であり，それぞれの中央部およいる。一方で，1 パスのスクライブで SiC ウェハに形成び両端部で撮影された画像である。切断面には凹凸によできる垂直クラックの深さは最大で数十 μm に及ぶ。こる縦の筋が見られるが，その表面粗さは 1 μm 以下と小れにより，厚さ 450 μm 程度までの SiC ウェハを，1 パさいため実用上の影響はほとんどない。図 6（a）におけ車載テクノロジー Vol.11, No.6 2024

6910）る端部画像より，第二オリフラと平行な断面が，ウェ

図7は， 第 二 オ リ フ ラ と 平 行 な 切 断 面 に 対 す る

ハ表面垂直方向に対して約 4° 傾いていることが分かる。

EBSD 解析結果である。EBSD 解析では，観察面の表面―

これは，2.2 節で述べた {1120} 面とウェハ表面垂直方向から深さ数十 nm までの，極表層における結晶構造情報との角度と一致する。すなわち，第二オリフラ平行方向を得ることができる。図 7 における IQM（Image Quality―

は，狙い通りへき開面の {1120} 面に沿って切断できてMap）は，EBSD パターンの鮮明度をもとに結晶性の良いる。一方，図 6（b）における端部画像より，第一オリし悪しを評価し，結晶性の良い箇所を明るい色で，悪フラと平行な切断面はウェハ表面に対してほぼ垂直であい箇所を暗い色でマッピングした図である。切断面のることが分かる。2.2 節で述べたとおり，SiC ウェハにほぼ全域が明るい色で示されていることから，切断面―おける {1100} 面はウェハ表面に対して垂直であること―の広い範囲が良好な結晶状態であることが分かる。まから，第一オリフラ平行方向もへき開面の {1100} 面にた，図 7 における ND（Normal Direction），TD（Transverse沿って切断されたことが確認できる。

Direction），RD（Rolling Direction）はそれぞれ，紙面垂直方向，左方向，上方向に対応する結晶方位を，図 7 左下に示すカラーコードに従ってマッピングした図である。
図 6（a）について上述したとおり，第二オリフラ平行方―向はへき開面の {1120} 面に沿って切断されるが，図 7―の EBSD 解析結果からも，この切断面が確かに {1120}
200 μm（a）
図5200 μm（b）面であることが確認できた。図 7 における KAM（KarnelAverage Misorientation）は，測定点ごとに，それと隣接する測定点との結晶方位差を評価してマッピングしたもSnB 法で切り出された SiC チップの（a）スクライブ面 および（b）スクライブ面とは逆側の面における切断部の様子 10）のであり，原子スケールの歪分布が定性的に可視化された図である。なお，青色は結晶方位差がゼロであることを示す。この図より，切断面のほぼ全域にわたって結4°晶方位差がゼロであり，原子スケールの歪が小さい切断面が得られていることが分かる。第一オリフラと平行な切断面に対しても同様に EBSD 解析を行ったところ，
200 μm（a）

第二オリフラと平行な切断面の場合と同様の結果を得られた10）

。

RDTD

ND
200 μm200 μm（b）
図6

SnB 法で切り出された SiC チップにおける（a）第一オリフラと平行な切断面および（b）第二オリフラと平行な切断面の光学
顕微鏡像 10）―10100001
図770

車載テクノロジー Vol.11, No.6 2024

――

2110

IQM

ND

TD

RD KAM第二オリフラと平行な切断面の EBSD 解析結果 10）車載テクノロジー最前線
上記のとおり，SnB 法によって，SiC ウェハをへき開

文献

面に沿って切断することができる。切断部に生じるチッ

1）富士経済インダストリアルソリューション事業部，2022 年度版

次ピングやクラックは比較的少なく，切断面における原子世代パワーデバイス＆パワエレ関連機器市場の現状と将来展望，富スケール構造へのダメージも小さい。一方で，スクライ

士経済，pp. 3 - 46（2022）

ブライン近傍における大きさ数 μm の領域だけは，塑性

2）邱 暁明，熊谷 壮祐，田篠 文照，小澤 成俊，超音波援用ダイシング

変形するため結晶構造に乱れが生じる。この塑性変形領ソーの開発と電子デバイス部品加工への応用，精密工学会誌，Vol.

域がデバイスに及ぼす影響を低減させる手法として，デ76，pp. 606 - 609（2010）

バイス面である Si 面ではなく，その逆側の C 面をスクライブ面とする方法が挙げられる。C 面をスクライブ面とした場合でも SiC ウェハを良好に切断できることは，南雲ら

11）により報告されている。

3）邱 暁明，田篠 文照，超音波振動を援用したダイシング技術，2014 年
度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，M67（2014）4）久野耕司，ステルスダイシングによる微細加工技術の変遷と展望 ―24 時間稼働できる高スループットレーザ加工装置 ―，レーザ加工
学会誌，Vol. 26，pp. 92 - 98（2019）4.

まとめと今後の展望板ガラスを切断するための技術として知られる SnB
法は，速い切断速度，カーフレス，完全ドライプロセス

5）Y. Sano, H. Nishikawa, Y. Okada, K. Yamamura, S. Matsuyama, K.
Yamauchi, Dicing of SiC wafer by atmospheric-pressure plasma etchingprocess with slit mask for plasma confinement, Materials Science Forum,
Vols. 778 - 780, pp. 759 - 762 (2014)であるといった特長を持つ。SnB 法は脆性材料における

6）門屋 祥太郎，高橋 哲，道畑 正岐，大谷 昇，阿部 耕三，有村 俊介，

き裂進展現象を利用する切断手法であるため，へき開性ウォータガイドレーザを用いた SiC ウェハのダメージフリーダイシを有する SiC ウェハの切断にも応用できると考え技術開ング，先進パワー半導体分科会第 10 回講演会予稿集，ⅡA-3（2023）

発を進めることとなった。本文では述べなかったが，板

7）B.R.Lawn, A.G.Evans, D.B.Marshall, Elastic / Plastic Indentation Damage

ガラス用の切断装置をそのまま利用できたわけではな

in Ceramics: The Median / Radial Crack System, J. Am. Ceram. Soc., Vol.

く，スクライビングホイール，専用工具ホルダ，切断装63, pp. 574 - 581 (1980)

置の機構などを一新することとなった。特に，SiC ウェ8）N.Tomei, K.Murakami, T.Fukunishi, S.Yoshida, J.Matsuoka, Direct

ハのスクライブに耐え得るスクライビングホイールのobservation of crack propagation in a liquid crystal display glass substrate

開発は，その製造方法の開発も含めて多くの時間を要し

during wheel scribing, Int. J. Appl. Glass Sci., Vol. 9, pp. 105 - 113 (2018)た。完成した SiC ウェハ用切断装置は，SnB 法の上記特9）A.Kubo, Y.Umeno, First-Principles Analysis of Deformation and Fracture

長を踏襲した切断を可能とする。また，本文で述べたとProperties of Semiconductors, Procedia Structural Integrity, Vol. 23, pp.

おり，切断部におけるチッピングやクラックは比較的少372 - 377 (2019)

なく，切断面へのダメージも小さい。現在は，顧客とと

10） 北市 充，浅井 義之，福西 利夫，化合物半導体（SiC）ウェハの高能もに様々な製品の切断実績を積み上げているところであ率，高品位切断加工プロセスおよび専用工具の開発，砥粒加工学会る。しかしながら，SiC ウェハの切断に関する知見は板誌，Vol. 66，pp. 56 - 59（2022）

ガラスと比べて少なく，結晶性半導体材料に特有の現象

11） 南雲 裕司，植茶 雅史，奥田 勝，長屋 正武，藤原 広和，森 亮，木山など，明らかにすべき課題は多く残されている。今後は，

直哉，北市 充，武田 真和，SiC パワー半導体におけるスクライブ &Si，GaN，GaAs など，他の結晶性半導体材料への応用もブレイク法を用いた新ダイシング技術の開発，先進パワー半導体視野に入れ，SnB 法による切断現象を明らかにしていき分科会第 10 回講演会予稿集，ⅠB - 2（2023）

たい。

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