2013年1月28日 第30回無機材料に関する最近の研究成果発表会

次世代半導体基板の超精密加工プロセスに関する研究

熊本大学大学院 自然科学研究科
久保田 章亀1

発表内容• 研究背景• 提案加工法（鉄触媒援用研磨法）の紹介• 単結晶SiC基板の加工例• 単結晶ダイヤモンドの加工例

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研究背景
エネルギー利用効率の向上に向けて，電気エネルギーの輸送や変換装置に用いられるパワー半導体デバイスに飛躍的な性能向上が求められている．

電力関係
鉄道関係

ハイブリッド自動車

燃料電池自動車

エレベータ制御
産業用ロボット・モータ制御

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研究背景
・ バンドギャップがSiに比べて大きい－高温半導体デバイス材料としての優位性

・ 高い飽和電子速度と高い絶縁破壊電界強度－(1)デバイスの大電流･高耐圧化 (2)高周波化 (3)小型化 (4)集積化 (5)低損失化

・ 高い熱伝導度－デバイス中で発生した熱を効率よく放出可能

表 各種機能材料の物性比較
Si

GaAs

3C-SiC

6H-SiC

4H-SiCGaN

Diamond

バンドギャップ(eV)

1.11

1.431.5

2.86

3.09

3.44

5.5

絶縁破壊電界(MV/cm)

0.6

0.6

1.5

3.2

3.2

210

移動度(cm2/Vs)

電子
正孔

1100
420

6000
320

750
40370
90

800
115

900
1020001550

飽和電子速度(107cm/s)

1.0

1.0

2.5

2.0

2.0

2.5

3.0

熱伝導度(W/cmK)

1.5

0.5

5.0

4.9

4.9

2.1

20.0

比誘電率

11.8

10.9

1010

10

9.5

5.5

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研究背景
パワーデバイス実用化への技術的課題
1．結晶の大口径化技術・結晶欠陥の低減技術
2．高品位エピタキシャル膜成長技術
3．単結晶基板の加工技術
高硬度かつ化学的に安定なため，次世代パワーデバイス用材料の加工は極めて困難

加工技術の開発が技術的課題のひとつ
5機械加工と化学加工との違い
機械的作用による材料欠陥の導入，運動，増殖

表面の原子が自然に除去される
物理・化学現象
反応種

工具（a） 機械加工

(b) 化学加工

加工能率：◎
加工精度：△～×

加工能率：×
加工精度：◎
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求められる加工技術の要件
ダメージ
表面凹凸
欠陥

一般的な加工表面◎◎◎◎

高能率に加工ダメージ・欠陥がない
高い平滑性・平坦性
高い清浄度

理想的な表面機械加工のように高能率に加工でき，かつ，化学加工のように結晶構造を崩すことなく無擾乱な表面を作製できる新しい表面平坦化技術が必要

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材料と硬度
硬度

修正硬度

標準鉱物名

化学組成

硬さ（Ｈｋ）

１

滑石 タルク

Mg3(OH)2(Si4O10)

－

２

石膏

CaSO4.2H2O

３２３

方解石

CaCO3

１３５４

蛍石

CaF2

１６３５

燐灰石

Ca5F(PO4)3４３０６

正長石

K(AlSiO8)

５６０

７

熔融石英

SiO2－

７８

石英 水晶

SiO2８２０８９

黄玉 トパーズ

Al2(F,OH)2(SiO4)

１３４０-

１０

ザクロ石

(Mg,Ca,Fe)3(Al,Cr,Fe)2(SiO4)

１３６０4から5
鉄 Iron3-

１１熔融ジルコニア
炭化タンタル

ZrO2
TaC（１１６０）
２０００

９１２

綱玉 コランダム
炭化タングステン

Al2O3WC（２１００）
１８８０-

１３炭化ケイ素

SiC

２４８０-

１４炭化ホウ素

B4C

２７５０

１０

１５ダイヤモンド（金剛石）C

７０００8機械的作用による加工面の一例
nm
54

2µm
000(a)µm

72-21/4µmのダイヤモンド砥粒を用いた加工面
Ra：0.614 nm PV：7.219 nm（b）1/4µmのダイヤモンド砥粒を用いた加工面
Ra：0.340 nm PV：3.481 nm

粒子径の小さなダイヤモンド砥粒を用いることによって，研磨傷（スクラッチ）深さの低減や加工ダメージ導入の抑制を図っている．
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化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：CMP）

Sample

表面に削りやすい層（酸化層Slurry あるいは水酸化物層）を化学的に形成し，その部分を機械Polishing的に除去する研磨方法．
Pad

Platenスラリーと呼ばれる化学薬品と研磨粒子（主に酸化物微粒子，粒子径数十nm～数m）を混合した溶液を使用．

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UV（紫外光）アシスト研磨法
化学的機械的作用と光化学反応を重畳させた高精度加工方法の可能性を検討
石英板
基板
Ultraviolet ray

加工部の加工概念図

紫外光光源

加工試料

熊本大学：渡邉純二客員教授，峠睦教授が開発加工したSiC表面のAFM像

11触媒基準エッチング法

フッ酸（HF）溶液中で白金（Pt）触媒を作用させることによって加工を実現．

大阪大学 山内和人研究室 HPより引用

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活性種の酸化力について

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OHラジカルの発生方法
OHラジカルの発生方法
× 超音波照射△ 放電プラズマ△ 酸化チタンを用いた光触媒反応○ 促進酸化法：過酸化水素，オゾン，紫外線による反応◎ フェントン反応による方法：H2O2＋Fe2+→OH・＋ Fe3+ ＋OH－OHラジカル

電極

原子状酸素
OHラジカル

酸化チタン
微粒子

紫外光照射

電極表面下を酸化改質することは可能だが，積極的な表面平坦化効果は期待できない

微粒子表面とSiC基板表面との接触点近傍に紫外光を安定的に照射するのは困難

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活性種（OHラジカル）の供給方法

微粒子

触媒作用で生成された反応種

機械的作用

機械的作用による材料欠陥の導入，運動，増殖により加工が進行

従来の機械的研磨後

鉄微粒子
化学的作用

活 性 な 反 応 種 と 母材 原子 と を 化 学 的 に 作用 させる

提案する加工法

微粒子を媒体にしてOH・を被加工物近傍に供給し，被加工物表面の最表面を改質し，改質層を除去，エッチングすれば高能率加工ができるのでは？と考えた．

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提案する加工法の加工原理提案する加工法の原理図

FeFe
OH radical

In H2O2
SiC wafer

Removedand smoothed
Reactive site

Fe2++H2O2→Fe3+＋OH-+OH・・・・・・（1）Fe3++H2O2→Fe2+＋OOH・+H+・・・・・（2）SiC+4OH・+O2→SiO2+2H2O+CO2 ↑ ・・・・・（3）SiO2+2OH-→[SiO2(OH)2]2・・・・・（4）OH・とH2O2中の溶存酸素によりSiC表面を酸化改質（SiOx）し，その部分を優先的に除去・溶出することによって加工を実現する．

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加工原理の検証実験（XPSによる表面評価）(100.8 eV)

Si-C(103.6 eV)

Si-O2

XPSによる単結晶SiCのSi2p軌道周辺のスペクトル

フェントン試薬（FeSO4＋H2O2）中にSiC基板を浸漬させることによって，SiC表面上に酸化物形成を確認．
17磁性微粒子を用いた触媒化学加工方法

加工槽（耐食容器）
を XY スキャンし，加工を実現

過酸化水素水溶液中

粒子保持工具
触媒金属粒子SiC サンプル
Y スキャン
粒子保持工具の一例

粒子を安定保持可能

精密 XY ステージは準備中

X スキャン

磁力制御により，鉄粒子凝集状態を制御可能（パッドレス研磨）
鉄粒子を磁力で保持したsmall toolを用いることにより，非球面形状等の表面創成が可能

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加工前後の表面凹凸の変化
加工前

加工後
PV: 4.204 nm
Ra: 0.462 nm
RMS: 0.583 nm

PV: 0.633 nm
Ra: 0.054 nm
RMS: 0.068 nm

19SiC基板の大口径化（新聞報道）

3インチ・2インチのSiC基板

20一般的なSiC基板の加工工程
スライシン
グ

研削/機械的研磨

化学的機械的研磨（CMP）

ダメージ層

精密洗浄

Epireadysubstrate

加工能率：低加工コスト：高研削/機械的研磨

化学的機械的研磨（CMP）

安価・高能率・高精度に一括で加工できないか？
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インチサイズSiC基板平坦化へ向けた装置開発

主な実験条件Sample holder

Fe
plate

Feeding device

Processing bath
実験装置の加工部写真

Sample4H-SiC (0001) on axis
（As-slice substrate）

plateFe

Solution

H2O2 (30%)
Fe particle (3 wt%)

Supply flux

80 ml/min

Pressure

0.97 kg/cm2

Revolution speed

Plate 30 rpm
Sample 30 rpm

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各時間におけるSiC基板平坦化の過程(a) Preprocessing(b) Processing time:1 h(c) Processing time:2 h(d) Processing time:4 h(e) Processing time:6 h(f) Processing time:8 h

加工前のAs slice面の状態から鏡面を実現
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金属顕微鏡による表面観察

加工前

加工後

加工表面上にスクラッチが一切ないことを確認

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位相シフト干渉顕微鏡による表面評価

height nm

20151050-5-10-15-200200

400
600
Position m

800

Ra : 0.89 nm, PV : 9.27 nm

良好な平坦度であることを確認
251000加工表面の原子間力顕微鏡像

Ra: 0.160 nm, RMS: 0.195 nm, Rz: 1.71 nm

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提案加工法により原子レベル平坦面を実現

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原子レベルでSiC基板の平坦化を実現

4H-SiC28

ダイヤモンドの高精度加工への試み

29代表的なダイヤモンドの加工法
・ ダイヤモンド砥粒を用いたラッピング（スカイフ加工）
機械的・熱的破壊を通じて材料を除去する

クラックや転位を含んだダメージ
層の形成が避けられない・ レーザー加工
局部的に加熱し，ダイヤモンドを構成する炭素を炭酸ガス化して除去する

熱的加工であるため，表面へのダメージが大きい

・ イオンビーム加工
アルゴンなどのイオンを照射することでダイヤモンドを構成する炭素原子を除去する

物理的加工であるため，表面凹凸やダメージが残る

30溶液中でのダイヤモンド加工への挑戦
常温・常圧下における溶液中での触媒化学反応を利用した加工プロセスであるため，高コストな真空チャンバーや排気ポンプ等が一切不要．

低コスト・低環境負荷型の新しいダイヤモンド基板加工法

一見非常識とも思われる溶液環境のもとで，ダイヤモンドの高精度加工に挑戦
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提案する加工法の加工原理提案する加工法の原理図

FeFeOH radical

In H2O2
Diamond

Removedand smoothed
Reactive site
寿命は短いが，酸化力が強い

Fe2++H2O2→Fe3+＋OH-+OH・・・・・・(1)Cdiamond+4OH・→CO2+2H2O

・・・・・(2)Cdiamond+2OH・→CO +H2O

・・・・・(3)32ダイヤモンド表面の加工量と表面粗さ
20Height (nm)1510

：Initial surface profile5：Removal depth:25 nm

0：Removal depth:76 nm-5-100204060Distance (m)

80100

Removal depth 25 nm
Removal depth 76 nm

Ra ; 1.13 nm, Rz ; 8.07 nm
Ra ; 0.23 nm, Rz ; 1.38 nm

表面凸部から優先的に加工が進行
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加工前後の表面凹凸の変化
位相シフト干渉顕微鏡（a） 加工前の基板表面
P-V：28.40 nm, Ra： 2.24 nm（b） 加工後の基板表面
P-V：2.36 nm, Ra：0.16 nm

原子間力顕微鏡（a） 加工前の基板表面
PV: 2.477 nm, Ra: 0.371 nm,
RMS: 0.459 nm（b） 加工後の基板表面
PV: 1.166 nm, Ra: 0.068 nm,
RMS: 0.087 nm

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ラマン分光測定
ラマン分光法35