■技術名

LHAパッド技術 の［著者］佐藤 誠 開発・技術本部 研究開発センター 研磨開発グループ

半固定砥粒研磨パッド“LHAパッド”とSiC単結晶の研磨［展開性・目指す方向性］

電子・半導体、MEMS※、光学部品向け研磨工程での“遊離砥粒研磨の置き換え”を図り、“加工の高能率化、加工面の高品位化”を目指しています。
ノリタケが開発した半固定砥粒研磨パッド“ＬＨＡパッド”は、網目状樹脂に砥粒を挟み込んだ構造であり、砥粒がその場から大きく動かずに転がります。
この構造が遊離砥粒研磨の高い研磨能率と固定砥粒研磨の高平坦性というメリットを両立させます。
また、
ＬＨＡパッドを用いて強酸化剤を援用しながらＳ
ｉＣ単結晶を研磨したところ、従来方法では研磨中にどうしても発生してしまう傷がほとんど発生しませんでした。
さらに、
ＬＨＡパッドで研磨したＳ
ｉＣ単結晶ウェーハの表面付近の断面をＴＥＭで観察したところ非常にきれいな原子配列が観察され、ウェーハ上にパワーデバイスを成形可能な状態であることが判明しました。

01 研磨の常識 を変 える L H A パッド ～ノリタケ か ら の 提 案 ～従来の研磨方法とメカニズム“研磨”という加工方法についてご存知でしょうか？スマー
トフォンやパソコンの中のＣＰＵやメモリの製造過程、カメラや顕微鏡の中にある光学レンズの製造過程など様々な

図1 従来の研磨（遊離砥粒研磨）分野で使われています。これら従来の研磨は、図1のように
荷 重
研磨プレート

研磨スラリーor研磨液

回転する円形テーブルの上に樹脂・織布・不織布等ででき研磨パッドor研磨定盤たシート（以降研磨パッド）もしくは金属・樹脂金属複合材料・セラミックス等でできた円板（以降研磨定盤）を載せ、さワークらにその上に砥粒を液体（水や油等）に分散させた研磨ス
回転テーブルラリー を撒きな が ら 研 磨した い 物（ 以 降ワ ー ク）を研 磨
パッドもしくは研磨定盤に押し当てることによって行われ

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［技術の芽］LHAパッド

図2 砥粒の作用のしかた（a）従来型遊離砥粒研磨（b）固定砥粒研磨（c）LHAパッド

作用砥粒数が多く、砥粒全体で作用するが作用砥粒の分散が偏る

作用砥粒数が少ない

作用砥粒数が多く、作用砥粒に偏りがない→
・スクラッチキズが入り易い
・作用点が少なく研磨レートが低い

ワーク

研磨パッド or 研磨定盤

： 作用砥粒→→・平坦化研磨が難しい
・作用点が多く研磨レートが高い

・スクラッチキズが入り難い
・作用点が多く研磨レートが高い

ワーク

ワーク

母材樹脂

： 作用しない砥粒ます。
ここで、砥粒は実際に研磨を行うものであり、研磨パッド悩みを 解 決する
ＬＨＡパッドによる研磨もしくは研磨定盤は砥粒をワークに作用させ、働かせる役割をします。

遊離砥粒研磨と固定砥粒研磨の両者の良いところを生か

また、研磨スラリー中の液は砥粒を分散させたり、研磨すために考案されたのがLoosely Held Abrasive（以降パッドもしくは研磨定盤とワークとの間で起きる摩擦を低LHA）構造の研磨パッドであるLHAパッド12です。構造自体減したり、摩擦熱を逃がしたり、場合によってはワークとの間は図3や図4のように、非常に細かな網目状の樹脂に砥粒がで化学反応を起こし柔らかくすることにより砥粒の働きを挟まった構造であり、固定砥粒研磨と同様にこのLHAパッド手助けもします。
図3 LHAパッドの断面写真
網目状樹脂に砥粒が挟まっている。

研磨加工の悩み
従来の研磨方法（以降遊離砥粒研磨）は図2（a）のように樹脂

砥粒の分散の偏りがあるため、平坦に磨くことが非常に難砥粒しくなります。
これに対し砥粒の分散の偏りがないように砥粒を研磨パッドや研磨定盤に固定し、砥粒の入っていない液体（以降2μm研磨液）を掛けながら研磨する方法（以降固定砥粒研磨）が

図4 LHAパッドの構造ありますが、この方法は図2（b）のように面方向の砥粒の分LHAとはLoosely Held Abrasiveの略で繊維状の母材中に砥粒が挟まり、砥粒が完全には固定されていない構造を有する研磨工具である。

散の偏りは少なくなりますが、母材中の上下方向の砥粒の分散の偏りも少なくなるためワークに当たる（働く）砥粒数が少なくなり、結果として研磨能率が低くなります。さらに樹脂
砥粒

砥粒1粒あたりに掛かる荷重が高くなり傷が入りやすくなります。

｜ 63

［技術の芽］LHAパッド

図5 研磨スラリー・研磨液を循環する場合
LHAパッドによる研磨遊離砥粒研磨
異物除去
フィルター

荷重
ワーク

研磨パッド

異物除去
フィルター

荷重
ワーク

研磨液ポンプ

研磨液ポンプ

LHAパッド砥粒には関係のない細かいフィルター砥粒径より粗いフィルターに研磨液を掛けながら研磨を行います。
このとき、砥粒は図することが出来ないため、砥粒径に近いサイズの異物が研2(c)のように作用し、砥粒がワークに数多く均質に当たる磨スラリーに混入した場合、傷が入る確率が高くなります。

ため、高い研磨能率と平坦化研磨の両立という従来の常識

これに対しLHAパッドを用いた研磨では砥粒が入っていなを変える研磨を行うことができます。

い研磨液を掛けながら研磨を行うため、砥粒径に関係なく、また、研磨スラリーの循環を行いながら研磨する場合（図5）、遊離砥粒研磨は砥粒径より細かなフィルターを使用

細かなフィルターを通しての研磨液の循環が可能であり、異物が研磨液に混入しても傷が入り難くなります。

02 LHAパッドをS iC の 研 磨 に 適 用した ら …
ここでは、
LHAパッドによるS i C単結晶の研磨の試みを紹介します。
してＳｉ
Ｃ単結晶が挙げられており、電気自動車（図6）、ハイブ期待の半導体 材 料 S iC

リッド自動車、燃料電池自動車の大きな電力を必要とする駆スマートフォンやパソコン等に使用されている半導体の動モーターの制御用途で大量に使用されることが期待され多くがシリコン（Ｓｉ）という素材で出来ています。このシリコているものの、従来型のシリコンパワーデバイスに比べ高ン半導体はＣＰＵやメモリの他にもパワーデバイスと呼ばれ価であることが課題です。

る電力や電気信号を制御する素子としても使われています。しかし、シリコンのパワーデバイスは大きな電力を扱う時には、電力

図6 パワーデバイスの使われ方の一例（電気自動車）

電気の流れモーターの一部が熱となってしまうため電力のロスが生じるという問題があります。そこで電力2次電池→→→→のロスが少なく効率的に扱うことができ、省エネを実現できる次世代半導体材料が新たに登場しています。次世代半導体の代表例と

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タイヤ

キャパシタ

→→

モーター
制御装置
パワーデバイスは、この中で使われる半導体部品である［技術の芽］LHAパッド

図7 SiCウェーハの加工方法の一例

うねり取り加工（両面ラップ）
研磨スラリー

切断加工

SiC単結晶
インゴット

荷重

荷重
内歯ギア

ワイヤー
ウェーハ
キャリア

上定盤
下定盤

太陽ギア

仕上加工（研磨）

粗加工（研削）
研削
ホイール

荷重

ウェーハ

ウェーハ

研磨スラリー

ターンテーブル

研磨パッド
ダイヤチップ

向上に大きく寄与することを発見345しました。そして、現在

Si Cの加工プロセス

はLHAパッドに強酸化剤を援用しながら研磨する新しい研磨

SiC単結晶をパワーデバイスとして使うためには薄いプロセスを開発しています。

ウェーハ形状にしなければなりません（代表的なSiC単結晶

表1の試験条件でこの新しい研磨プロセスをもちいてSiCウェーハ加工プロセスを図7に示します）。しかしながら、単結晶ウェーハを研磨した結果を示します（図8～10）。今回

SiC単結晶は砥粒に使用されるほど硬い材料であり、通常のはφ6インチのSiC単結晶ウェーハを3枚、研磨プレートに貼研磨では研磨能率が低く、研磨の工程が長時間となります。

付けて研磨しました。
ウェーハは通常パワーデバイスで用いらこのことが製造原価を押し上げる大きな要因の一つとなっ
表1 試験条件ています。

Si Cの新しい 研 磨プロセス

研磨装置

φ36インチ片面研磨機

研 磨ワーク

SiC単結晶［4Hタイプ］基板
Si（シリコン）面［0001］

研磨圧力30 kPa

切り出し角4°
φ6インチ×3枚

テ ーブル 回 転 数35 rpm

研磨能率向上に対応するため、ノリタケではさまざまな研研磨液

・ノリタケルブリカントLSC-１（LHAパッド用強酸化剤研磨液）
・強酸化剤研磨スラリー（遊離砥粒研磨用：従来法）

磨実験や研究を行い、SiC単結晶に対し強酸化剤が研磨能率

加工時間2時間

図8 研磨性能の比較（研磨能率）

図9 研磨性能の比較（表面粗さ）
0.20

表面粗さRa（nm）

研磨能率(nm/h)

2500
2000
1500
1000
5000

不織布研磨パッド

LHAパッド+強酸化剤系研磨スラリー（遊離砥粒研磨）+強酸化剤研磨液

0.150.050.050

不織布研磨パッド

LHAパッド+強酸化剤系研磨スラリー（遊離砥粒研磨）+強酸化剤研磨液｜ 65

［技術の芽］LHAパッド

れている面（切り出し角4°のSiC面※）を用いました。図8のよ常に高い事が判明したので、図12のようにLHAパッドで研磨

うにLHAパッドによる研磨の研磨能率は遊離砥粒研磨の1.7

後のSiC単結晶ウェーハの断面をTEM（透過型電子顕微鏡）で倍と非常に高くなりました。
またこの時の表面粗さは図9のよ観察しました。

うにほぼ同等となりました。

一般にSiC単結晶ウェーハ上にパワーデバイスを作る際一般に研磨を行う場合、研磨能率が高くなると表面粗さがに、結晶の乱れがあるとパワーデバイスを作ることが出来ま粗くなる傾向となりますが、LHAパッドは遊離砥粒研磨に対しせん。図12では表層まで原子配列が鮮明に見え、結晶の乱れ表面粗さが同等のまま研磨能率が高くなっているので非常にが無いことが分かりました。
これはウェーハに対するダメージ研磨性能が高いと言えます。さらに図10のように研磨後のが皆無、もしくはダメージを除去できた状態で研磨が終了し、SiC単結晶ウェーハの表面の微細な凹凸を比較すると、LHAパワーデバイスを作ることが出来る状態であることを意味しパッドの研磨面は遊離砥粒研磨に対し、細かくなっているたます。
このようにLHAパッドを用いた新しい研磨プロセスはめ、より均質な研磨が出来ていると言えます。
また、図11のよSiC単結晶ウェーハを高品質かつ短時間で研磨できる可能性

うに遊離砥粒研磨は傷が入りますがLHAパッドによる研磨はを秘めています。

傷が全く入っていません。
これらの結果から研磨面品位が非図10 研磨性能の比較（表面高さ分布）
不織布研磨パッド

1nm

SiC単結晶ウェーハ表面近くまで原子の配列を鮮明に見ることができる。

LHAパッド+強酸化剤系研磨スラリー（遊離砥粒研磨）

図12 LHAパッドで研磨したSiC単結晶のTEM断面像+強酸化剤研磨液

炭素膜（表面保護用）ウェーハ表面SiC単結晶
200000nm

200000nm

図11 研磨性能の比較（傷の比較）

5nm

不織布研磨パッド

LHAパッド+強酸化剤系研磨スラリー（遊離砥粒研磨）+強酸化剤研磨液
傷6本

66-1nm

傷0本

［技術の芽］LHAパッド

03 普及が 期 待され る 技 術 の 芽

LH A パッド

以上のようにLHAパッドの構造解説とSiC単結晶の研磨事

例えばシリコンウェーハの研磨や先端材料であるGaNの研磨

例 を紹 介しました が、遊 離 砥 粒 研 磨と固 定 砥 粒 研磨とのに適用できることは確認していますが、今後はさらに適用事

良いとこ取りを実現したLHAパッドは、まだまだ用途開発の例を積み上げていく予定です。

途中であり、様々な加工への適用をトライしている最中です。

［注釈］※MEMS：Micro Electro Mechanical Systems の略で微細加工技術を用いて作られた機械要素部分や電子回路を集積化したデバイスを意味します。実用化されている（比較的大きな）ものの例としてはスマートフォン等のオートフォーカス機構、ハードディスクのヘッドの制御機構、インクジェットプリンターのヘッド等があります。
※図13のようにSi C単結晶の結晶ｃ軸面（ｃ軸を法線とする面）はシリコン（SiC）面[0001]とC（炭素）面[000－1]があり、ほとんどの場合Si面側にデバイスを作ります。一般的にはSi面側が研磨しにくくなります。7
図13 SiC単結晶の構造とウェーハの切り出し角
切り出し角注1ｃ軸
ウェーハ面の法線

ウェーハ

Si（シリコン）面m軸

ｃ軸a軸m軸a軸C（炭素）面

SiC単結晶［4Hタイプ注2］

SiC単結晶インゴット（六方晶構造）注1:パワーデバイス用ウェーハの場合、a軸周りに２～４°傾けて切り出したものが多い
注2:パワーデバイス用にはポリタイプ 6 が4Hタイプのものを使う場合が多い［参考文献］
1 M.Sato, T.Nonami, J.Ishizaki, ：“Polishing Pad with Loose Held Abrasive Structure”、Journal of the Ceramic Society of Japan Supplement 112-1、
112［5］2004.
2 佐藤誠 ：“研磨体およびその製造方法”、特許第4266579号
3 M.Sato, K.Okuda ：“Polishing of Single Crystal SiC with the LHA Pad”, The 11th International Conference on Precision Engineering（August 16‒18、2006, Tokyo, Japan）proceedings,“Towards Synthesis of Micro-/Nano-system”, p271-275.
4 佐藤誠・奥田和弘 ：“砥粒内包パッドの開発(3)”、2006年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、p555-556.
5 佐藤誠・奥田和弘 ：“結晶材料の研磨加工方法”、特許第5336699号
6 松浪弘之（編著）：“半導体Si C技術と応用”、日刊工業新聞社（2003），p15-31
7 佐藤誠：“SiC単結晶の酸化剤援用研磨とそのメカニズム”、日本機械学会2010年度年次大会講演論文集，p241-242■適用範囲と期待効果
非金属材料

その他

無機材料
有機材料
（ガラス・セラミックス） （ゴム・プラスチック）

先端材料

金属材料
鉄系材料

サイクルタイム短縮●

非鉄系材料（Alなど）

工具寿命向上●●●

加工品質向上

作業性改善

環境配慮

●

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