サファイア・SiC 基板とMEMSウェハの研削・研磨技術
Grinding and polishing technology of Sapphire, SiC, and MEMS wafer
六甲電子株式会社

技師長

滝修

OSAMU TAKI
Rokko Electronics Co., Ltd. Chief Engineer

1. はじめにを利用したデバイスは、半導体製造技術を用いてウェ半導体や LED の製造では、ウェハの厚みを薄くするや深堀エッチングをおこなったりし、薄板化や鏡面化を研削や、表面を鏡面にする研磨加工が必要である。半おこなう。従来の半導体デバイス製造と異なりグライン導体デバイスの製造は、（1）シリコン等を結晶成長からド・ダイシング以外の工程が必要となり、中間の工程 1）

切断、研磨しウェハ状に加工する工程（ウェハ製造工と呼ばれている（図 1）。中間の工程には、支持基板を程）、（2）
ウェハ上にICを作成する工程（前工程）、（3）

貼り合せてウェハを薄板化したり、バンプを形成したりチップに切り分け・組み立て・検査・実装する工程（後するTSV 向けなどの新たな技術が含まれている。従来工程）、が半導体製造の工程である。ウェハ製造工程と異なる工 程 が 必 要で、研 削（薄 板 化）・研 磨（ポリッでは、インゴットからスライスしたウェハを両面ラップ・片シュ）・洗浄（清浄化）を一貫で処理する工程が必要と面ラップ・エッチングなどで、厚みを整え加工面の歪みされている。

ハ上に大量に作製される。デバイス作製後に、再配線を除去し、最後に鏡面に加工する。また前工程で作製したパターン付きウェハの厚みを揃え薄くするバックグラインド工程が有る。バックグラインド後は、ダイシング工程でチップ化し後工程で実装される。グラインド工程、ダイシング工 程は前 工 程と後 工 程の中 間の工 程になり、ウェハの薄化、ストレスリリーフ、MEMS（メムス、Micro
Electro Mechanical Systems）
ウェハ製造に代表される深堀エッチング、薄板化、再配線など付加価値を上げるための中間の工程である。本稿では、中間の工程のニーズであるシリコンウェハの研削・研磨・洗浄技術について紹介する。また次世代半導体として期待され、実用化が始まっているＬＥＤ照明用サファイア基板、パワーデバイス用 炭 化ケイ素（SiC）基 板の研 削・研 磨・

図 1 半導体デバイス製造工程

洗浄技術についても紹介したい。
3. ラッピング・バックグラインド・ポリッシュ
2. 前工程と後工程の中間の工程
加速度センサーや圧力センサーなどの MEMS 技術

ウェハ製 造 工 程のウェハ加 工は円形のセラミックブ
ロックにワックスでウェハを固定し、ラップ定盤と呼ばれTHE CHEMICAL TIMES

2013  No.1
（通巻 227 号）

3

る円形の定盤の上に研磨剤を流し、定盤とウェハを面多様な MEMS の特殊研削・研磨の試作加工を1 枚よで摺り合わせて、厚み・平行度・面粗さ調整する加工り対応し、SOI・ガラス/Si 貼り合せウェハや穴開き・キャ方 法でラッピング法 2）と呼ばれる。一 般 的なラッピング

ビティー構造・貫通電極・非円形などのウェハを研削・仕上げのウェハは、加工ダメージ層が 10〜15µm 程度研磨・洗浄を一貫加工することが望ましい（表 1）。

である。そのため、シリコンウェハの場合はエッチング処

シリコンウェハの仕上げ洗浄は、RCA 洗浄が使用さ理で加工ダメージを除去してからポリッシュする方法がれている。SC-1 洗浄液でパーティクルを除去し、SC-2一般的である。

洗浄液で金属不純物を除去している。Siウェハ表面の前工程の最終、あるいは後工程の初めのバックグラ

洗浄は、パーティクルの除去、アルカリ金属・重金属のインド工程は、ダイヤモンドホイール（砥石）でウェハを加除 去、有 機 物・自然 酸 化 膜 の 除 去 が 必 要 である。

工し、主にデバイス付きウェハの薄 化に使 用されていRCA 洗浄は工程も多く、大量の純水、薬液が必要になる。加工ダメージ層は 1µm 以下で、エッチング処理なしる。工程数の削減や簡略化、枚葉式洗浄に使用出来で直接ポリッシュすることで加工ダメージの除去が可能

る新 RCA 洗浄液として Frontier Cleanerシリーズ 3）なである。一般にはラッピング加工はラップ研磨と呼ばれ、どの使用が検討されている。従来の 2 液使用から、1 液

バックグラインドは裏面研削あるいは BG、鏡面研磨加で Siウェハの洗浄が完了する新 RCA 洗浄液である。

工はポリッシュ加 工あるいはミラー加 工と呼ばれていコスト低減、工程数の削減に従来バッチ式では処理出る。

来なかったウェハを枚 葉で洗 浄 する方 法に使 用できシリコンウェハの鏡面加工は化学的作用と機械的作る。片面のみを洗浄することが可能となり薄型ウェハや用による研 磨 技 術 で、CMP（Chemical-Mechanical

MEMS ウェハ、デバイス付きウェハの洗 浄に適していPolishing）と表現する。前工程のデバイス化途中の多る。

層化配線用の層間絶縁膜・金属膜の平坦化加工の化学機械平坦化（Chemical-Mechanical Planarization）

表 1 研削・研磨・洗浄の一貫加工対応

もCMPと表現される。いずれも略語は CMP で、誤解さ研削
研磨（グラインド） （ポリッシュ）れることが多いが、加工目的、研磨装置、研磨剤・パッドの種類なども異なっている。
4. ＭＥＭＳウェハの研削・研磨・洗浄の一貫加工
MEMS は、半導体製造技術を用いて作られ、成膜、パターン形成、エッチングなどの技術を利用し、微細な電気要素と機械要素を一つの基板上に組み込んだ部品である。各種センサーに用いられるウェハは、デバイ洗浄（RCA）

A社

○×

×

B社

×

○

○

C社

○○

×

当社

◎◎

◎

ス作製後、裏面を研削し薄厚化する。回路が形成されたウェハは回路面を保護テープで保護し研削する。また、センサー用ウェハは裏面にシリコン・ガラスなどを接合するため、裏面をミラー面に仕上げ接合面を平滑にする必要が有る。通常のストレスリリーフといったエッチ

45. サファイア基板・SiC 基板の加工最新動向
5.1

社会的ニーズ

ングや乾式ポリッシュなどの加工面ではなく、ミラー面がパワー半導体メーカーや、センサー半導体メーカーか要求される。ウェハ製造工程や前工程に裏面加工済

らは、新素材の SiC 基板を使用したデバイスを開発す

みウェハを投入することは汚れ・汚染などの問題がありるため、従 来の基 板 材 料であるシリコンウェハ並みの困難である。MEMSウェハの薄化・ポリッシュ加工は中高精度化・高品位化が SiC 基板に求められている。ま間の工程で一貫処理できることが望まれている。多種

た、現在は基板の供給問題から、小口径のウェハで開THE CHEMICAL TIMES

2013  No.1
（通巻 227 号）

サファイア・SiC 基板とMEMS ウェハの研削・研磨技術発をおこなっているが、量産対応、低コスト化のために格化を進め競争優位を築くことが課題となっている。一は大口径ウェハ（φ6、φ8インチ）の利用が必要となっ方、次世代型パワー半導体については、導入期にあるている。といえる。この段階では、市場価格に近い価格を実現

サファイア基板メーカー、デバイスメーカーからは、サして、今 後の普 及 促 進を進めることが 重 要となってく

ファイアウェハの 低コスト、高 品 位 化 の 要 求 がある。

る。ここ1〜2 年で材料製造技術が進み、6インチ口径LED 用サファイア基板ではコストダウンのためφ6インチのウェハを発 売する報 道もあり、従 来の 3、4 インチ口

以 上の大口径ウェハでチップを製 造すると考えられる

径、より大口径のウェハを利用できる環境が整ってきてが、従来より加工精度［厚み精度：GBIR（全体的平坦いる。このような技術動向を受けて、最終メーカーは、1度）、SBIR（局所的平坦度）、表面粗さ：Ra、反り量］等

枚 のウェハからより多くのチップを製 造 できる大 口 径を向上させ、歩留まりの向上を図る必要がある。また、ウェハを利用すること以 外に、ウェハの加 工 面 精 度を表面弾性波 SAW デバイスなどに使用されるサファイア高めてエピタキシャル膜成形に適したエピレディー面に

R 面ウェハの加工も同様の要求が有る。

仕上げることで積層膜の形成不良を減らし、面平坦度社会的ニーズに対応して産業界においても電気自動（G B I R、S B I R）を上げてフォトプロセスでの不良率を車の開発・実用化、家電製品や産業機器等の省エネ下げるといった歩留まり向上策や、短納期化して在庫技術、スマートグリッド網技術等の開発が進められていの最適化をはかる等、生産性を高めるためにいろいろる。自動車では大幅な低燃費・低炭素化を目指してハイな取組を進めて、製造単価を下げることに目が向いてブリッド車（HEV）やプラグインハイブリッド車（ PHEV）、いる。

電気自動車（EV）が開発され、国内では HEV が販売台 数の上 位を占めるようになるとともに、電 気自動 車

5.3

遊離砥粒から固定砥粒へ（EV）も小型商用車が市販され始めた。このような低炭

現在、SiC やサファイア等の高硬度材料に対する平素車は 2 次電池とモーターがキーパーツとなっており、よ坦化・薄化はラッピング研磨方法で加工している。遊離り電 力損 失が少ない SiC を基 板とした次 世 代 型のパ砥粒を流しながら研磨していくために砥粒の大きさを調ワー半導体の開発を大手メーカーが先頭に立って進め整することで高硬度材でも平滑に仕上げることができるている。

が、加工効率が悪い難点がある。スライス後ウェハの太陽光発電などの再生可能エネルギーを効率的に加工ダメージ除去、ウェハの平行度・厚み調整のためスマートグリッド網に取り込むためには直流を交流に高の 遊 離 砥 粒ラッピング法 が 標 準 の 加 工 方 法 である。

効率で変換できるパワーコンディショナーが必要となる。

バッチ方 式で一 度に大 量のウェハが加 工できるため、その鍵を握るのが Si に代わりSiCを使った次世代型パ大量生産に向いている。また両面同時に加工することワー半導体であり、電機メーカー大手各社がその実用もでき、平行度が良好なウェハが得られる。加工に使用化を競っている。また、産業機器分野では省エネ化すする研磨剤は、主にダイヤモンド砥粒が使用され、砥粒る上でインバータが大きな役割を担っており、既に次世と水 等を混 合した液 が 使われラップスラリーと呼ばれ代型パワー半導体が採用され始めている。

る。ウェハの加工と同時に定盤自体も摩耗するため定期的に定盤平坦度の修正作業 4）が必要となり、良好な5.2

技術動向

SiC やサファイアといった新材料は製造が難しくかつ加工精度を維持するためには定盤の管理に熟練が必要になる。

高硬度・高脆性のため加工も困難である。そのため材現在主流のラップ研磨は加工精度管理、大量のスラ料コスト・加 工コストが高くなるといった難 点があった。

リー廃棄物、加工時間の短縮などの問題があり、ウェLED 照明については、導入期を過ぎ成長期にあり、市ハの大口径化対応及び加工の自動化対応に適さない場 競 争も激 化、生 産 性を上げて低コスト化を図ること方法である。このため遊離砥粒の加工から固定砥粒のが最 終メーカーの命 題となっている。特に低 価 格を武ダイヤモンドホイールで加工する研削を取り入れ、加工器にする海外新興国との競争が熾烈化しており、低価効率を上げる取組が行われている（表2）。一部ラッピン

THE CHEMICAL TIMES

2013  No.1
（通巻 227 号）

5

グ加 工 前の粗 加 工にバッチ式で研 削できる専用の研ヤポリッシュ並みの加工面を得ることが困難で有る。砥

削装置が実用化されている。固定砥粒の加工は、高石の開発と、砥石にマッチングした研削装置を使用し速の加工、精度の向上、クリーンな作業環境の維持、た固定砥粒加工で Ra：1nm 以下を早急に実現するこ

大口径ウェハの枚葉式自動加工を実現できる方法であとが望まれている。ダイヤモンドホイールを使用した研削る。このことにより我が国が強みを持つパワー半導体・加工（図 2）は、高速加工、高精度加工、加工自動化をLED 用サファイア基板加工のコスト競争力の向上に大実現できる。低価格を武器とする海外新興国のラップきく貢献できる。サファイア・SiC 等の高硬度材料加工加工では実現できない高品位ウェハを1 枚から大量生のプロセスイノベーションを実現してコスト削減を目指し産に対応する自動グラインド研削加工を実現することでていく必要がある。

国内ビジネスを拡大することが可能である。

表 2 遊離砥粒加工と固定砥粒加工

長遊離砥粒加工
（ラップ）

所

短所

バッチ処理で生産性 作業環境が汚くなる
高い
自動化が困難良好な加工面が得ら 定 盤 精 度 維 持に熟れる（面粗さ、低加工 練必要ダメージ）
加工速度が遅い
スラリー廃 棄 物 が 大量に発生

自動化が容易加工速度が速い

面粗さ、加工ダメージの低減が困難

固定砥粒 ウェハ1枚から加工で ウェハの口径により、砥石仕様、加工条件加工きる
出しが必要（グラインド） 作業環境がきれい
装置、砥石開発中
ロット内厚みバラツキ
小さい

ウェハ

研削ホイール（砥石）

図 2 インフィード研削
自転するウェハに対して回転した砥石を上から下降させ、指定した厚みになるまで連続して研削する方法。

6. サファイア基板の C 面・R 面
6.1 サファイア C 面ウェハ
サファイアウェハには C 面ウェハ・R 面ウェハなどがあ5.4ダイヤモンドホイールでの加工り、それぞれ用途が異なる。サファイア C 面は LED に使

現在研削装置メーカー、砥石メーカーが、ラップ・ダイ

われる青 色 LED（青 色 発 光ダイオード）の材 料である

ヤラップ加工を固定砥粒加工に置き換えるため、装置GaN（窒化ガリウム）を成長させる基板として利用されの開発、砥石の開発を行っている。ラップ加工は、定盤ている。LED は長寿命、高信頼性である。しかしコストとワークの間に研磨剤を流し込みながら加工するため、面においては現 状の電 球・電 灯において 5〜20 倍の粒径 1µm 以下の超微粒ダイヤモンド砥粒を使用しても差があり、まだまだ大幅な普及には遠い現状であるが、加 工 可 能である。ダイヤラップで加 工 面 粗さRa：1nm

今後は現状のサファイア C 面 4 インチから6 インチウェ程度のミラー面を得られる。固定砥粒の場合は超微細ハが主流になるように、各サファイア基板メーカーが急砥粒を均一に砥石の表面に出したりすることが難しい。

ピッチで開発中である。

そのため高硬度材料の研削では、加工できずに砥石が表面を滑ったり、砥粒の脱落が多く磨耗が多くなった

66.2 サファイア R 面ウェハりなどの問題がある。特にサファイアウェハの微細砥粒

サファイア R 面ウェハは、スマートフォン、タブレット向領域（砥粒径 5µm 以下）での加工が困難であり、ダイけの従来の化合物 SAW デバイスに代わり、高周波特THE CHEMICAL TIMES

2013  No.1
（通巻 227 号）

サファイア・SiC 基板とMEMS ウェハの研削・研磨技術性を向上できるデバイス用の基板である。また SOS（サの微細化により要求される。透明基板の SiC・サファイ

ファイア・オン・シリコン）デバイスも注目されている。R 面アなどは表 面 検 査 装 置も専 用となりまた、検出できるサファイア基板の普及により、SAW デバイスが商品開パーティクルのサイズも0.3µm 以下の検出が困難であ発され製品化途上にある。今後もスマートフォンやタブる。洗浄技術の向上と評価技術の向上も必要である。

レット系の PC が普及し無線 LAN や Wi-Fi などの普及は拡大する一方にあり、さらなる量産が見込まれる。
7. SiC 基板の Si 面・C 面

9. おわりにシリコンウェハを使用したデバイスから、次世代の半導体デバイスで有るワイドギャップ半導体を使用したデ

SiC ウェハが利用されるパワー半 導 体とは、直 流をバイスの実現が LED デバイスで始まった。同じ半導体交流、交流を直流、周波数変換、昇圧・降圧などに使製造の技術を利用したサファイア基板や SiC 基板の加われ、効率よく電力変換する省エネルギーを担う仕事を工技術の開発がおこなわれている。半導体製造工程行うデバイスである。

でもウェハの研磨、研削などの部分は普段あまり注目さ

SiC は従 来の Si パワーデバイスに比 べ 高 温 動 作、れることが無い工程で有る。パッケージの小型化・薄型

耐 厳 環 境 動 作、小 型 軽 量 化、高 性 能 高 効 率 化に優化にともなうデバイスウェハの薄板化、MEMSウェハなれ、シリコン基板パワーデバイスの限界を超える領域でどの深堀エッチング、再配線などの要求があり、バックの性能が期待されている。

グラインド工程、ストレスリリーフ加工、ポリッシュ加工な

SiCウェハの表面と裏面では、結晶面が異なりSi 面どの中間の工程が注目されることになった。シリコンデとC 面がある。一般的にパワーデバイスは Si 面にデババイスの高機能化・多機能化により製造工程が複雑とイスが作られる。固定砥粒の研削加工では、Si 面・Cなり、ウェハ形状で加工できる最後の中間の工程で、よ面 で 加 工 効 率 など は 変 化しない。しかしポリッシュり付加価値の高いデバイス作りに対応ができるかという（CMP）加工では Si 面・C 面で加工時間が大きく異なる課題がある。加工メーカーでは、1 枚の試作から少量・ことが知られている。シリコンウェハの CMP は 1µm/min

多品種製品製造の生産効率化をおこなう必要がある。

程度の加工が可能であるが、SiCウェハの場合、CMPサファイア基板や SiC 基板などを使用したデバイスも、加 工は非 常に遅くシリコンウェハの 1/200〜1/1000 のシリコンデバイスと同様に高機能化、微細化が進むと考加工量である。ウェハの大口径化で加工面積・体積がえられる。ウェハの研 削（薄 化）から研 磨（ポリッシュ）、増加し、CMP工程に必要な時間の増加が予想される。

そして仕上げ洗浄を一貫で加工する技術が、製品の最近では、1.5〜10µm/h程度加工できるスラリーも開発高付加価値を推進するキーポイントである。

されており、固定砥粒の加工面から直接 CMP で仕上げが可 能になると考えられ、ラップ・ダイヤポリッシュ工程の削減・短縮が期待される。
8. SiC 基板・サファイア基板の洗浄
CMP 後の洗浄は現在 Siウェハの洗浄に使用されているRCA 洗浄技術でおこなわれることが多いが、今後デバイス微細化の進歩と共に改善が必要である。前記

参考文献
1）萩本英二 . はじめての半導体後工程プロセス. 東京電機大学
出版局 , 2011, 68-79.
2）竹脇敏男 . 半導体シリコンビジネスのすべて . 工業調査会 ,1994, 163-182.
3）宮崎正男. THE CHEMICAL TIMES. 2005,（198）, 6-104）UCS 半導体基盤技術研究会編 . シリコンの科学 . 株式会社リアライズ, 1996, 274-276.

した新 RCA 洗浄液など、枚葉式洗浄装置に使用できる洗浄液であれば、洗浄条件などの評価のコストもバッチ式に比較して低減できる。パーティクル、金属汚染レベルの向上もサファイア・SiCウェハの大口径、デバイス

THE CHEMICAL TIMES2013  No.1
（通巻 227 号）

7