JP2017052014A - 加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に基板の加工を行うことが出来る加工装置を提供する。【解決手段】実施形態の加工装置は、第１の電極と、対象物が電気的に接続される第２の電極と、第１の電極及び第２の電極及び対象物が内部に設けられる液槽と、第１の電極及び第２の電極に電気的に接続をされた直流電源と、第１の電極と第２の電極の間に流れる電気量を測定する電気量測定計と、第２の電極と直流電源又は接地の接続の切り替え及び直流電源の極性の切り替えをおこなうスイッチング回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、加工装置及び加工方法に関する。

例えば、スイッチング電源やインバータなどの回路には、スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子が用いられる。これらの半導体素子には高耐圧及び低オン抵抗が求められる。そして、耐圧とオン抵抗の関係は、半導体材料で決まるトレードオフの関係がある。

技術開発の進歩により、半導体素子は、主な半導体材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。耐圧を更に向上させたり、オン抵抗を更に低減させたりするには、半導体材料の変更が必要である。ＧａＮやＡｌＧａＮなどのＧａＮ系半導体や炭化珪素（ＳｉＣ）などのワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子の半導体材料として用いることで、半導体材料で決まるトレードオフの関係を改善でき、高耐圧や低オン抵抗の実現が可能である。

特許４８７３６９４号公報

本発明が解決しようとする課題は、容易に基板の加工を行うことが出来る加工装置及び加工方法を提供することにある。

実施形態の加工装置は、第１の電極と、対象物が電気的に接続される第２の電極と、第１の電極及び第２の電極及び対象物が内部に設けられる液槽と、第１の電極及び第２の電極に電気的に接続をされた直流電源と、第１の電極と第２の電極の間に流れる電気量を測定する電気量測定計と、第２の電極と直流電源又は接地の接続の切り替え及び直流電源の極性の切り替えをおこなうスイッチング回路と、を備える。

本実施形態の加工装置の模式図である。 本実施形態の加工方法を説明する模式図である。 本実施形態の加工方法のフローチャートである。 本実施形態の加工方法によって電極表面に生成された生成物の拡散を示した模式図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
実施形態の加工装置は、第１の電極と、対象物が電気的に接続される第２の電極と、第１の電極及び第２の電極及び対象物が内部に設けられる液槽と、第１の電極及び第２の電極に電気的に接続をされた直流電源と、第１の電極と第２の電極の間に流れる電気量を測定する電気量測定計と、第２の電極と直流電源又は接地の接続の切り替え及び直流電源の極性の切り替えをおこなうスイッチング回路と、を備える。

図１は、本実施形態の加工装置の模式図である。

加工装置１００は、第１の電極１０と、第２の電極１２と、攪拌器１４と、液槽１６と、電気量測定計１８と、直流電源２０と、第２の配線３４と、第３の配線３６と、第４の配線３８と、接地回路４０と、可変抵抗４２と、スイッチング回路５０と、制御回路６０と、を備える。スイッチング回路５０は、スイッチ２２と、第１の接点２４と、第２の接点２６と、第４の接点３０と、接地回路４０と、を有する。直流電源２０は、第１の電源２０ａと、第２の電源２０ｂと、を有する。接地回路４０は、第３の接点２８と、グラウンドＥに接続された第１の配線３２と、を有する。

第１の電極１０及び第２の電極１２は、例えばＰｔ（白金）又はＣ（炭素）を含む、白金電極又は炭素電極であることが、電極自体の化学変化がおこりにくいため好ましい。

第２の電極１２は加工装置１００による加工の対象物Ｗと電気的に接続される。対象物Ｗは、例えばＳｉＣ（炭化珪素）を含む基板である。対象物Ｗの一方の面には保護膜Ｒが設けられている。保護膜Ｒは、例えばレジスト又は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を含む酸化膜である。保護膜Ｒは、対象物Ｗの一方の面を加工から保護する。対象物Ｗの他方の面は第２の電極１２に電気的に接続されている。対象物Ｗの端面Ｐは、例えばダイシングにより加工を受けた後の端面であり、本実施形態の加工装置１００により加工される部位である。

第１の電極１０、第２の電極１２及び対象物Ｗは、液槽１６の内部に設けられる。液槽１６は、例えばＨ_２Ｏ_２（過酸化水素）とＨＦ（フッ酸）を含む水溶液Ｓを、液槽１６の内部に含む。これにより、第１の電極１０、第２の電極１２及び対象物Ｗは、水溶液Ｓに浸漬される。

攪拌器１４は、液槽１６の内部に設けられている。攪拌器１４は、水溶液Ｓを攪拌することにより、後述する第１の電極１０及び第２の電極１２及び対象物Ｗに生成された反応物の、表面からの離脱を促進する。また、攪拌器１４は、水溶液Ｓ中のイオンの拡散を促進する。

電気量測定計１８は、例えば第２の配線３４を用いて、第２の電極１２に電気的に接続されている。電気量測定計１８は、第１の電極１０と第２の電極１２の間に流れる電気量を測定する。電気量測定計１８は、例えば時間計測機能付きの電流計であって時間と電流の積が計算可能な電流計である。また、電気量測定計１８は、例えば積算電流計である。

第１の電源２０ａ及び第２の電源２０ｂは、例えば第４の配線３８を通じて、第１の電極１０と電気的に接続されている。第１の接点２４は、第１の電源２０ａと電気的に接続される。第２の接点２６は、第２の電源２０ｂと電気的に接続される。第４の接点３０は、例えば第３の配線３６、電気量測定計１８及び第２の配線３２を通じて、第２の電極１２と電気的に接続されている。

第１の電源２０ａは、第２の電極１２の電位が第１の電極１０の電位に対して正になる電圧を印加する。第２の電源２０ｂは、第１の電極１０の電位が第２の電極１２の電位に対して正になる電圧を印加する。なお直流電源２０の構成はこれに限定されない。

接地回路４０の第３の接点２８は、第１の配線３２を通じて、グラウンドＥに接続される。これにより、第３の接点２８に電気的に接続された物は、グラウンドＥに接地される。

第１の接点２４と第４の接点３０がスイッチ２２により電気的に接続された場合、第２の電極１２の電位は第１の電極１０の電位より高い。これにより、第２の電極１２は陽極となり、第２の電極１２では酸化反応がおこる。また、第１の電極１０は陰極となり、第１の電極１０では還元反応が起こる。スイッチ２２は、例えば銅板である。

第２の接点２６と第４の接点３０がスイッチ２２により電気的に接続された場合、第１の電極１０の電位は第２の電極１２の電位より高い。これにより、第１の電極１０は陽極となり、第１の電極１０では酸化反応が起こる。また、第２の電極１２は陰極となり、第２の電極１２では還元反応が起こる。

第３の接点２８と第４の接点３０がスイッチ２２により電気的に接続された場合、第２の電極と直流電源２０の接続は解除され、第２の電極１２はグラウンドＥに接地される。

可変抵抗４２は、例えば第４の接点２２及び電気量測定計１８と電気的に接続されている。

制御回路６０は、電気量測定計１８と可変抵抗４２とスイッチング回路５０に接続される。制御回路６０は、電気量測定計１８により測定された電気量に応じて、スイッチング回路５０内における第４の接点３０と、第１の接点２４，第２の接点２６及び第３の接点２８の接続を制御する。これにより、制御回路６０は、第２の電極と直流電源２０又は接地の接続の切り替え及び直流電源２０の極性の切り替えを制御する。また制御回路６０は、可変抵抗４２の大きさを制御して、第１の電極１０と第２の電極１２の間に流れる電流を制御する。

制御回路６０は、その機能の処理を、コンピュータを搭載した制御計算機によりソフトウェアにより実効してもよい。或いは、電気的な回路によるハードウェアにより実施させても構わない。或いは、電気的な回路によるハードウェアとソフトウェアとの組合せにより実施させても構わない。或いは、かかるハードウェアとファームウェアとの組合せでも構わない。また、ソフトウェアにより構成される場合、プログラムは、図示しない磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。その際、制御計算機がバスを介して、記憶装置（記憶部）の一例となるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ、磁気ディスク（ＨＤ）装置、入力手段の一例となるキーボード（Ｋ／Ｂ）、マウス、出力手段の一例となるモニタ、プリンタ、或いは、入力出力手段の一例となる外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）、ＦＤ、ＤＶＤ、ＣＤ等に接続されていても構わない。

制御回路６０やスイッチング回路５０等、本実施形態に用いられる電気量を流したり制御したりする機器は、μＳ程度の電流応答やスイッチングを制御できるように適切なインピーダンスマッチング等がなされていることが好ましい。

第１の電極１０と第２の電極１２の距離ｄは、１ｍｍ以上５ｃｍ以下であることが好ましい。距離ｄが大きすぎる場合、直流電源２０に負担がかかるため大きな容量を有する直流電源が必要になる。一方距離ｄが小さすぎる場合、第１の電極１０と第２の電極１２の間を水溶液が流れることが難しくなるため、反応の生成物の電極からの脱離が困難なものとなる。

次に、本実施形態の加工方法について説明する。

本実施形態の加工方法は、水溶液に浸漬された第１の電極と、対象物が載置され水溶液に浸漬された第２の電極の間に、直流電源を用いて第２の電極の電位が第１の電極の電位に対して正になる第１の電圧を第１の時間の間印加して第１の電気量を流し、第１の電極と第２の電極の間に、直流電源を用いて第１の電極の電位が第２の電極の電位に対して正になる第２の電圧を第２の時間の間印加して第１の電気量の２倍の電気量を流し、第１の電極又は第２の電極と直流電源の接続を解除し、第１の電極又は第２の電極を第３の時間の間接地する。

図２は、本実施形態の加工方法を説明する模式図である。図３は、本実施形態の加工方法のフローチャートである。

本実施形態の加工方法において起こる電気化学反応を示す。まずＨＦ水溶液の電気分解反応である。Ｆ⁻のイオン化傾向よりもＯＨ⁻のイオン化傾向の方が低いので、陽極においては下記化学式（１）で示される、ＯＨ⁻が電子を放出する反応が起こる。

一方、陰極においては下記化学式（２）で示される、Ｈ^＋が電子を受け取る反応が起こる。

下記化学式（３）で示される反応は、陰極で起こるハーバー・ワイス反応である。これにより、ヒドロキシラジカルＯＨ・が発生する。

下記化学式（４）で示される反応は、ヒドロキシラジカルによる水素の酸化反応である。

下記化学式（５）で示される反応は、ヒドロキシラジカルによりＳｉＣを酸化してＳｉＯ_２を生成する反応である。

下記化学式（６）で示される反応は、ＨＦによるＳｉＯ_２のエッチング反応である。すなわち、ヒドロキシラジカルを用いてＳｉＣからＳｉＯ_２を生成することにより、ＳｉＣをＨＦにより加工することが可能になる。

下記化学式（７）で示される反応は、水のイオン式である。

加工の開始前においては、第４の接点３０と第３の接点２８が電気的に接続されている。

次に、制御回路６０が、スイッチ２２を用いて第１の接点２４と第４の接点３０を電気的に接続する。これにより、直流電源２０の第１の電源２０ａを用いて、第２の電極１２の電位が第１の電極１０の電位に対して正になる第１の電圧を第１の時間の間印加し、第１の電気量を流す（Ｓ１０）。第１の電圧の大きさは、制御回路６０が可変抵抗４２の大きさを制御することにより、制御することが出来る。第１の電気量は、電気量測定計１８により測定することができる。なお第１の時間は１μＳ以上２μＳ以下であることが好ましい。

第１の電圧が印加されている間、第１の電極１０では、化学式（２）と化学式（３）と化学式（４）と化学式（７）で示される反応が起こる。これらの反応をまとめた反応は、下記の化学式（８）で示される反応である。

第１の電圧が印加されている間、第２の電極１２及び第２の電極１２に電気的に接続された対象物Ｗの端面Ｐでは、化学式（１）で示されるように、酸素が生成される。

次に、制御回路６０が、スイッチ２２を用いて第２の接点２６と第４の接点３０を電気的に接続する。これにより、直流電源２０の第２の電源２０ｂを用いて、第１の電極１０の電位が第２の電極１２の電位に対して正になる第２の電圧を第２の時間の間印加し、第１の電気量の２倍の電気量を流す（Ｓ１２）。なお第２の時間は１μＳ以上２μＳ以下であることが好ましい。

第２の電圧が印加されている間、第１の電極１０では、化学式（１）に示される反応が起こる。

第２の電圧が印加されている間、対象物Ｗの端面Ｐでは、化学式（３）と化学式（７）と化学式（８）で示される反応が起こる。化学式（３）で示される反応で生成されたヒドロキシラジカルと、第１の電圧が印加されている間に化学式（１）で示される反応で生成された酸素により、化学式（５）で示された反応が起こる。これにより、端面ＰでＳｉＯ_２と二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。次に、化学式（６）で示される反応が起こり、ヘキサフルオロケイ酸（Ｈ_２ＳｉＦ_６）が生成される。ヘキサフルオロケイ酸は水溶性であるため水溶液Ｓに溶け出す。これにより対象物Ｗの端面Ｐの加工がなされる。下記の化学式（９）は、第２の電圧が印加されている間に対象物Ｗの端面Ｐで起こる反応をまとめたものである。

以上の反応を十分に進めるため、化学式（１）及び化学式（８）と化学式（９）の比較から明らかなように、第２の時間の間に、第１の電気量の２倍の電気量を流す。

次に、制御回路６０が、スイッチ２２を用いて第３の接点２８と第４の接点３０を電気的に接続する。これにより、第２の電極を第３の時間の間接地する（Ｓ１４）。第３の時間は、化学式によって生じた生成物の拡散速度に依存するため、第２の時間の１０倍以上１００倍以下であることが好ましい。

図４は、本実施形態の加工方法によって電極表面に生成された生成物の拡散を示した模式図である。

第２の電圧が印加されている間に、第１の電極１０の表面では酸素が生成され、端面Ｐではヘキサフルオロケイ酸と二酸化炭素が生成される。電極表面及び端面Ｐ表面から０．２μｍ程度の距離の部分は境界層と呼ばれ、攪拌器１４を用いて水溶液Ｓを攪拌しても水溶液が容易に攪拌されない部分である。境界層内部における酸素、ヘキサフルオロケイ酸及び二酸化炭素の移動は、濃度勾配に比例する拡散によって起こる。酸素、ヘキサフルオロケイ酸及び二酸化炭素が境界層の外部に到達すると、攪拌器１４がつくる水溶液Ｓの流れに流されて、電極表面及び端面Ｐの近傍から遠ざかる。そのため、攪拌器１４は水溶液Ｓを攪拌することにより、境界層の電極表面及び端面Ｐから最も遠い部分における酸素、ヘキサフルオロケイ酸及び二酸化炭素の濃度を出来るだけ下げて、拡散による移動を促進することが好ましい。特に水溶液Ｓに溶解できない程の酸素や二酸化炭素が発生した場合には酸素や二酸化炭素が気泡を作ってしまう。そのため、上記の反応が阻害されて端面Ｐがうまく加工されない等の問題が発生する。

以上の方法を繰り返すことにより、端面Ｐの加工を進めることが出来る。

次に、本実施形態の作用効果を述べる。

これまでＳｉＣをウェットエッチング加工することは困難であった。ヒドロキシラジカルを用いてＳｉＣからＳｉＯ_２を生成することによりＳｉＣを加工する方法が考えられる。しかし、ヒドロキシラジカルは酸化力が非常に強く周囲の物とすぐに反応してしまうため、ライフタイムが１μＳの程度で非常に短い。また、ヒドロキシラジカルの拡散長は、すぐに周囲の物と反応してしまうために１μｍの程度で非常に短い。そのため、ヒドロキシラジカルを対象物Ｗの表面に送り込んで加工を行うことは困難であった。

また、化学式（５）に示されているように、ヒドロキシラジカルによる加工を行うためには酸素が必要である。しかし、加工に用いられる適切な量の酸素を対象物Ｗの表面に供給することは困難であった。

本実施形態の加工装置及び加工方法によれば、電気化学反応を用いて、第２の時間の間にヒドロキシラジカルを端面Ｐ近傍に生成して加工を行う。そして、この加工に必要な酸素は、第１の時間の間に端面Ｐ近傍に生成する。これにより、ヒドロキシラジカルと酸素を端面Ｐ近傍に供給して加工を行うことが出来る。

第２の時間が１μＳ未満である場合、時間が短すぎるためＳｉＣとヒドロキシラジカルの反応が十分に起こらない。一方第２の時間が２μＳより長い場合、ヒドロキシラジカルのライフタイムは短いため、ヒドロキシラジカルは消滅してしまう。そのため、第２の時間は１μＳ以上２μＳ以下であることが好ましい。

第１の時間が２μＳより長い場合、水溶液中の過酸化水素がなくなるおそれがある。一方、第１の時間が１μＳ未満である場合、短すぎて十分に酸素が生成されないおそれがある。

第３の時間は、形成された酸素とヘキサフルオロケイ酸と二酸化炭素が境界層を通って拡散するために第２の時間の１０倍以上であることが好ましい。一方、効率良く加工を進めるためには、第３の時間は第２の時間の１００倍より長いことは好ましくない。

以上のように、本実施形態の加工装置及び加工方法によれば、容易に基板の加工を行うことが出来る加工装置及び加工方法の提供が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 第１の電極
１２ 第２の電極
１４ 攪拌器
１６ 液槽
１８ 電気量測定計
２０ 直流電源
２０ａ 第１の電源
２０ｂ 第２の電源
２２ スイッチ
２４ 第１の接点
２６ 第２の接点
２８ 第３の接点
３０ 第４の接点
３２ 第１の配線
３４ 第２の配線
３６ 第３の配線
３８ 第４の配線
４０ 接地回路
４２ 可変抵抗
５０ スイッチング回路
６０ 制御回路
１００ 加工装置
ｄ 第１の電極と第２の電極の距離
Ｅ グラウンド
Ｐ （対象物Ｗの）端面
Ｒ 保護膜
Ｓ 水溶液
Ｗ 対象物

Claims (14)

1. 第１の電極と、
   対象物が電気的に接続される第２の電極と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極及び前記対象物が内部に設けられる液槽と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極に電気的に接続をされた直流電源と、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に流れる電気量を測定する電気量測定計と、
   前記第２の電極と前記直流電源又は接地の接続の切り替え及び前記直流電源の極性の切り替えをおこなうスイッチング回路と、
   を備える加工装置。
2. 前記電気量に応じて前記接続の切り替え及び前記極性の切り替えを制御する制御回路をさらに備える請求項１記載の加工装置。
3. 前記対象物は炭化珪素を含む基板である請求項１又は請求項２記載の加工装置。
4. 前記液槽は過酸化水素とフッ酸を含む水溶液を前記内部に含む請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の加工装置。
5. 前記液槽の前記内部に設けられた攪拌器をさらに備える請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の加工装置。
6. 前記第１の電極と前記第２の電極の距離は１ｍｍ以上５ｃｍ以下である請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の加工装置。
7. 前記第２の電極は、白金または炭素を含む請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の加工装置。
8. 水溶液に浸漬された第１の電極と、対象物が電気的に接続され前記水溶液に浸漬された第２の電極の間に、前記第２の電極の電位が前記第１の電極の電位に対して正になる第１の電圧を第１の時間の間印加して第１の電気量を流し、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間に、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位に対して正になる第２の電圧を第２の時間の間印加して前記第１の電気量の２倍の電気量を流し、
   前記第１の電極又は前記第２の電極を第３の時間の間接地する、
   加工方法。
9. 前記対象物は炭化珪素を含む基板である請求項８記載の加工方法。
10. 前記水溶液は過酸化水素とフッ酸を含む請求項８又は請求項９に記載の加工方法。
11. 前記第２の時間は１μＳ以上２μＳ以下である請求項８ないし請求項１０いずれか一項記載の加工方法。
12. 前記第１の時間は１μＳ以上２μＳ以下である請求項８ないし請求項１１いずれか一項記載の加工方法。
13. 前記第３の時間は前記第２の時間の１０倍以上である請求項８ないし請求項１２いずれか一項記載の加工方法。
14. 請求項８ないし請求項１３記載の加工方法を２回以上繰り返す加工方法。