JP2020131301A - 加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＮやＳｉＣ等を加工するドライ研磨にて、高能率かつ高精度な加工を実現可能な加工方法及び加工装置を提供する。【解決手段】加工装置１は、加工テーブル２と、合成石英定盤３と、被加工物であるＧａＮ基板５を保持する試料ホルダー４を有している。また、加工装置１は、合成石英定盤３とＧａＮ基板５との接触部位に、水やアルカリ溶液を含有するオゾンガスを供給するオゾン供給部６を有している。また、加工装置１は、ＧａＮ基板５の被加工面に向けて紫外光（ＵＶ）を照射する紫外光照射部７を有している。【選択図】図１

Description

本発明は加工方法及び加工装置に関する。詳しくは、ＧａＮやＳｉＣ等を加工するドライ研磨にて、高能率かつ高精度な加工を実現可能な加工方法及び加工装置に係るものである。

ＧａＮ（窒化ガリウム）やＳｉＣ等は、広いバンドギャップを持ち、絶縁破壊電界や電荷移動度などに優れていることから、次世代パワー半導体デバイス用材料として有力視されている。

ＧａＮ等を用いて半導体デバイスを製作するためには、デバイスの下地となる基板表面を原子レベルで平滑、かつ無擾乱に仕上げる加工技術が必要不可欠であるといわれている。

しかしながら、ＧａＮやＳｉＣ等は、高硬度かつ化学的に安定であるために、加工することは極めて難しく、加工技術の開発が技術的課題となっている。

例えば、従来の加工方法として、化学機械研磨などの砥粒を用いた研磨により化学的除去を行う加工が知られている。しかしながら、研磨剤中での化学反応を利用するため除去速度が遅く、加工能率が不充分である問題があった。

こうしたなか、本願の発明者らは、簡易な構成でありながら、高能率かつ高精度な加工を実現可能な加工方法及び加工装置の開発を試みており、例えば、特許文献１に記載の加工方法及び加工装置を提案している。

特許文献１に記載の加工方法では、金属酸化物で構成された加工部材と被加工物を接触させ、接触部位に水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給しながら、加工部材を被加工物に接触させた状態で変位させて加工を行う。

この特許文献１に記載の加工方法では、従来の加工方法に比べて、被加工物の表面粗さや、加工能率を改善することができた。

国際公開第２０１７／１４１９１８号

しかしながら、特許文献１に記載の加工方法では、基板の製造工程におけるラッピング加工で生じた基板表面の損傷を受けた部分が、それ以外の基板表面に比べて、トライボケミカル反応による加工が進みにくい問題があった。

この結果、加工後の基板表面、特にＧａＮ基板表面では、損傷を受けた部分が凸状に残存した線状の隆起形状が生じ、基板表面の加工精度において改善の余地があった。また、この線状の隆起形状は、水やアルカリ性溶液を含有しないオゾンガスを供給した加工に比べ、水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給した加工において顕著に生じ、さらに、アルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給した加工において特に顕著に生じていた。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、ＧａＮやＳｉＣ等を加工するドライ研磨にて、高能率かつ高精度な加工を実現可能な加工方法及び加工装置を提供することを目的とするものである。さらには、加工後に線状の隆起形状のない表面を実現可能な加工方法及び加工装置を提供することを目的とするものである。

［加工方法について］
上記の目的を達成するために、本発明の加工方法は、光透過性を有する金属酸化物で構成された加工部材を被加工物と接触させ、接触部位に水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給すると共に、前記加工部材の前記被加工物と接触する面とは反対の面側から紫外光を同被加工物に照射しながら、前記加工部材を前記被加工物に接触させた状態で変位させる工程を備える。

本発明における加工は、被加工物の加工面における表面改質と、改質された部分を除去する表面除去とが同時に行われることで、加工面の加工が進み、平坦化される。

また、本発明における加工での表面改質は、加工部材と被加工物の摩擦面で発生するトライボケミカル反応による表面改質と、紫外光の照射による被加工物の加工面と紫外光との化学反応による表面改質によって行われる。

また、本発明における加工での表面除去は、被加工物の加工面における表面改質された改質部を、加工部材が物理・化学的に除去することによって行われる。さらに、表面除去は、後述する改質部のエッチングによっても行われる。

ここで、加工部材を被加工物と接触させ、接触部位にオゾンガスを供給することによって、接触部位をオゾンガス環境下におくことができる。即ち、オゾンガスは不安定な分子であるが、接触部位にオゾンガスを供給することで、同領域にオゾンガスを局在させることが可能となる。

また、加工部材を被加工物に接触させた状態で変位させる工程によって、接触部位に摩擦熱を生じさせることが可能となる。この摩擦熱は供給されるオゾンガスを熱分解し、オゾンガスから原子状酸素を生成する。生成した原子状酸素は、大気環境下で、被加工物との化学反応（加工）を担う加工部材の最表面のＯＨ基へのカルボキシル基等の結合、即ち、有機物に由来するコンタミネーションを抑止する。原子状酸素が有機物由来の汚れを分解して清浄化し、かつ、加工部材表面にＯＨ基を表出させる親水化を行うことで、トライボケミカル反応及び固相反応が安定化及び促進され、被加工物の安定、かつ、高効率な物理・化学的な加工が可能となる。

また、上述したように、接触部位がオゾンガス環境下となるため、安定した加工に必要な原子状酸素を確保することが可能となる。

また、接触部位に水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給すると共に、紫外光を被加工物に照射しながら、加工部材を被加工物に接触させた状態で変位させることによって、加工後の被加工物の加工面に、線状の隆起形状が形成されることを抑止することができる。また、紫外光の光励起により、被加工物の加工面における表面改質を促進することができる。さらに、紫外光の照射により、オゾンガスからの原子状酸素の生成を促し、トライボケミカル反応及び固相反応をより一層、安定化及び促進させることができる。また、紫外光の照射により、加工部材表面を親水化させ、ＯＨ基を表出させることで、被加工物の加工の効率を更に高めることができる。また、紫外光の照射により、加工部材表面の有機物に由来するコンタミネーションを除去することができる。

また、加工部材が光透過性を有する金属酸化物で構成され、加工部材の被加工物と接触する面とは反対の面側から紫外光を被加工物に照射することによって、被加工物の配置位置、または、オゾンガスの供給源の位置との干渉が避けやすい位置から、加工部材を透過させて、被加工物の加工面に紫外光を直接照射しやすくなる。この結果、被加工物の加工面に照射される紫外光の照度を高めやすくなり、被加工物の加工に寄与する、紫外光の照射の各種効果を向上させることができる。

また、オゾンガスが、水やアルカリ性溶液を含有することによって、加工部材と被加工物の摩擦面で発生するトライボケミカル反応を促進させ、被加工物の加工面における酸化物を生成させ、優先的に除去できるものとなる。この結果、オゾンガスの熱分解により生じる原子状酸素を利用した加工に加え、トライボケミカル反応による加工が促進され、表面粗さの精度をより一層高め、かつ、加工能率を向上させることができる。なお、ここでいうアルカリ性溶液とは、例えば、アルカリ性電解水、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等のアルカリ性を示す溶液である。
なお、水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスとしては、蒸気圧を有する水を含有するオゾンガスや、水やアルカリ性溶液のミストを同伴するオゾンガスが挙げられる。

また、加工部材が、Ａｌ_２Ｏ_３から構成される単結晶状態のサファイア、コランダム、サファイアガラス、サファイアクリスタル、ＳｉＯ_２を主成分とするガラスのうちいずれか１つからなり、被加工物が、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ＤＬＣ膜のうちいずれか１つからなる場合には、加工物の加工面を充分に高精度な面にでき、加工能率を高めることができる。

また、加工部材が、合成石英からなる場合には、加工部材における紫外光の透過率が高く、被加工物の加工面に照射される紫外光の照度をより一層高めやすくなり、被加工物の加工に寄与する、紫外光の照射の各種効果を向上させることができる。

また、アルカリ性溶液がＫＯＨ水溶液である場合には、ＫＯＨ水溶液を含むオゾンガスでトライボケミカル反応を促進させることが可能となる。また、ＫＯＨ水溶液により、被加工物の表面改質された改質部をエッチングで除去可能となり、被加工面にダメージを与えずに、表面除去の効率を高めることができる。この結果、より一層、被加工物の加工面を高精度な面にでき、加工能率を高めることができる。

また、紫外光が、３６５ｎｍの波長において、照度１０ｍＷ／ｃｍ^２以上である場合には、基板表面と、紫外光による化学反応（酸化）が促進され、基板表面に対する加工の精度と、加工能率を充分なものにでき、線状の隆起形状の形成を抑制することができる。また、照度１００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがより好ましく、照度３００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがさらに好ましい。

また、紫外光が、被加工物のバンドギャップ以上のエネルギーを有する場合には、被加工物の加工面と、紫外光による化学反応（酸化）が促進され、より一層、被加工物の加工面を高精度な面にでき、加工能率を高めることができる。

また、被加工物が、ＧａＮからなり、紫外光が、波長３６５ｎｍ以下のものを含む場合には、ＧａＮ基板の基板表面と、紫外光による化学反応（酸化）が促進され、ＧａＮ基板に基板表面に対する加工の精度と、加工能率を充分なものにできる。
なお、紫外光の波長が短い場合には、紫外光が加工部材や空気に吸収されやすくなり、被加工物への紫外線の照射が不十分となるため、紫外光の波長は２００ｎｍ以上のものを含むことが好ましい。

また、加工部材の表面及び被加工物の表面における親水化処理を促進させるために、オゾンガスから原子状酸素を生成して、原子状酸素を、加工部材と被加工物の接触部位に供給する場合には、被加工物における加工面の加工を充分に行うことができる。

［加工装置について］
また、上記の目的を達成するために、本発明に係る加工装置は、光透過性を有する金属酸化物で構成された加工部材と、所定の被加工物を前記加工部材と接触させて保持する保持機構と、前記加工部材及び前記被加工物との接触部位に、水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給するオゾンガス供給部と、前記加工部材の前記被加工物と接触する面とは反対の面側から紫外光を同被加工物に照射する紫外光照射部と、前記加工部材と前記被加工物を接触させた状態で、前記加工部材を変位させる駆動部とを備える。

ここで、所定の被加工物を加工部材と接触させて保持する保持機構と、加工部材及び被加工物との接触部位にオゾンガスを供給するオゾンガス供給部によって、接触部位をオゾンガス環境下におくことができる。即ち、オゾンガスは不安定な分子であるが、接触部位にオゾンガスを供給することで、同領域にオゾンガスを局在させることが可能となる。

また、加工部材と被加工物を接触させた状態で、加工部材を変位させる駆動部によって、接触部位に摩擦熱を生じさせることが可能となる。この摩擦熱は供給されるオゾンガスを熱分解し、オゾンガスから原子状酸素を生成する。生成した原子状酸素は、大気環境下で、被加工物との化学反応（加工）を担う加工部材の最表面の水酸基（ＯＨ基）へのカルボキシル基等の結合、即ち、有機物に由来するコンタミネーションを抑止する。原子状酸素が有機物由来の汚れを分解して清浄化し、かつ、加工部材表面に水酸基（ＯＨ基）を表出させる親水化を行うことで、トライボケミカル反応及び固相反応が安定化及び促進され、被加工物の安定、かつ、高効率な物理・化学的な加工が可能となる。

また、上述したように、接触部位がオゾンガス環境下となるため、安定した加工に必要な原子状酸素を確保することが可能となる。

また、加工部材及び被加工物との接触部位に、水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給するオゾンガス供給部と、紫外光を被加工物に照射する紫外光照射部と、加工部材と被加工物を接触させた状態で、加工部材を変位させる駆動部によって、加工後の被加工物の加工面に、線状の隆起形状が形成されることを抑止することができる。また、紫外光による光励起により、被加工物の加工面における表面改質を促進することができる。さらに、紫外光の照射により、オゾンガスからの原子状酸素の生成を促し、トライボケミカル反応及び固相反応をより一層、安定化及び促進させることができる。また、紫外光の照射により、加工部材表面を親水化させ、被加工物の加工の効率を更に高めることができる。また、紫外光の照射により、加工部材表面の有機物に由来するコンタミネーションを除去することができる。

また、光透過性を有する金属酸化物で構成された加工部材と、加工部材の被加工物と接触する面とは反対の面側から紫外光を被加工物に照射する紫外光照射部によって、被加工物の配置位置、または、オゾンガスの供給源の位置との干渉が避けやすい位置から、加工物を透過させて、被加工物の加工面に紫外光を直接照射しやすくなる。この結果、被加工物の加工面に照射される紫外光の照度を高めやすくなり、被加工物の加工に寄与する、紫外光の照射の各種効果を向上させることができる。

また、オゾンガスが、水やアルカリ性溶液を含有することによって、加工部材と被加工物の摩擦面で発生するトライボケミカル反応を促進させ、被加工物の加工面における酸化物を生成させ、優先的に除去できるものとなる。この結果、オゾンガスの熱分解により生じる原子状酸素を利用した加工に加え、トライボケミカル反応による加工が促進され、表面粗さの精度をより一層高め、かつ、加工能率を向上させることができる。なお、ここでいうアルカリ性溶液とは、例えば、アルカリ性電解水、ＮａＯＨ、ＫＯＨ等のアルカリ性を示す溶液である。
なお、水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスとしては、蒸気圧を有する水を含有するオゾンガスや、水やアルカリ性溶液のミストを同伴するオゾンガスが挙げられる。

また、加工部材が、Ａｌ_２Ｏ_３から構成される単結晶状態のサファイア、コランダム、サファイアガラス、サファイアクリスタル、ＳｉＯ_２を主成分とするガラスのうちいずれか１つからなり、被加工物が、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ＤＬＣ膜のうちいずれか１つからなる場合には、加工物の加工面を充分に高精度な面にでき、加工能率を高めることができる。

また、加工部材が、合成石英からなる場合には、加工部材における紫外光の透過率が高く、被加工物の加工面に照射される紫外光の照度をより一層高めやすくなり、被加工物の加工に寄与する、紫外光の照射の各種効果を向上させることができる。

また、アルカリ性溶液がＫＯＨ水溶液である場合には、ＫＯＨ水溶液を含むオゾンガスでトライボケミカル反応を促進させることが可能となる。また、ＫＯＨ水溶液により、被加工物の表面改質された改質部をエッチングで除去可能となり、被加工面にダメージを与えずに、表面除去の効率を高めることができる。この結果、より一層、被加工物の加工面を高精度な面にでき、加工能率を高めることができる。

また、紫外光が、被加工物のバンドギャップ以上のエネルギーを有する場合には、被加工物の加工面と、紫外光による化学反応（酸化）が促進され、より一層、被加工物の加工面を高精度な面にでき、加工能率を高めることができる。

また、紫外光が、３６５ｎｍの波長において、照度１０ｍＷ／ｃｍ^２以上である場合には、基板表面と、紫外光による化学反応（酸化）が促進され、基板表面に対する加工の精度と、加工能率を充分なものにでき、線状の隆起形状の形成を抑制することができる。また、照度１００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがより好ましく、照度３００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがさらに好ましい。

また、被加工物が、ＧａＮからなり、紫外光が、波長３６５ｎｍ以下のものを含む場合には、ＧａＮ基板の基板表面と、紫外光による化学反応（酸化）が促進され、ＧａＮ基板に基板表面に対する加工の精度と、加工能率を充分なものにできる。さらに、波長２００ｎｍ以上のものを含む場合には、紫外光が加工部材や空気を透過可能となる。

また、加工部材の表面及び被加工物の表面における親水化処理を促進させるために、オゾンガスから原子状酸素を生成して、原子状酸素を、加工部材と被加工物の接触部位に供給する場合には、被加工物における加工面の加工を充分に行うことができる。

本発明を適用した加工方法及び加工装置では、ＧａＮやＳｉＣ等を加工するドライ研磨にて、高能率かつ高精度な加工を実現可能な加工方法及び加工装置を提供することができる。

本発明を適用した加工装置を説明するための模式図である。 被加工物の被加工面におけるＵＶ照射範囲を示す概略図（左）及び実施例１の加工後の被加工面を撮影した図（右）である。 被加工物の被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定したデータであり、（ａ）は、加工前の被加工面の加工領域を示し、（ｂ）は、実施例１の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域を示し、（ｃ）は、実施例１の加工後のＵＶ未照射範囲の加工領域を示している。 被加工物の被加工面におけるＵＶ照射範囲を示す概略図（左）及び実施例２の加工後の被加工面を撮影した図（右）である。 被加工物の被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定したデータであり、（ａ）は、加工前の被加工面の加工領域を示し、（ｂ）は、実施例２の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域を示し、（ｃ）は、実施例２の加工後のＵＶ未照射範囲の加工領域を示している。 被加工物の被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定したデータであり、（ａ）は、実施例２（合成石英）の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域を示し、（ｂ）は、実施例１（ソーダ石灰ガラス）の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域を示している。 被加工物の被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定したデータであり、（ａ）は、比較例１の加工後の被加工面の加工領域を示し、（ｂ）は、比較例２の加工後の被加工面の加工領域を示し、（ｃ）は、実施例３の加工後の被加工面の加工領域を示している。 実施例１、比較例１及び比較例２における加工能率の評価結果を示すグラフである。

［発明の実施の形態］
以下、本発明を実施するための形態（以下、「発明の実施の形態」と称する）について説明する。
図１は本発明を適用した加工装置を説明するための模式図であり、ここで示す加工装置１は、加工テーブル２と、合成石英定盤３と、被加工物であるＧａＮ基板５を保持する試料ホルダー４を有している。なお、合成石英定盤３は加工部材の一例であり、ＧａＮ基板５は被加工物の一例である。

また、加工装置１は、合成石英定盤３とＧａＮ基板５との接触部位に、ＫＯＨ水溶液を含有したオゾンガスを供給するオゾン供給部６を有している。

また、加工装置１は、ＧａＮ基板５の被加工面に向けて紫外光（ＵＶ）を照射する紫外光照射部７を有している。

この加工装置１では、合成石英定盤３の上面（図１上の上面）に被加工物であるＧａＮ基板５が接して、ＧａＮ基板５の被加工面（基板表面）が研磨されることとなる。

より詳細には、加工装置１における加工は、ＧａＮ基板５の被加工面における表面改質と、改質された部分を除去する表面除去とが同時に行われることで、加工面の加工が進み、平坦化される。

また、ＧａＮ基板５の表面改質は、合成石英定盤３とＧａＮ基板５の摩擦面で発生するトライボケミカル反応による表面改質と、紫外光の照射によるＧａＮ基板５の被加工面と紫外光との化学反応による表面改質によって行われる。

また、ＧａＮ基板５の表面除去は、ＧａＮ基板５の表面改質された改質部を、合成石英定盤３が物理・化学的に除去することによって行われる。さらに、表面除去は、オゾンガスに含まれたＫＯＨ水溶液による改質部のエッチングによっても行われる。

オゾン供給部６は、合成石英定盤３の上方に配置されている。また、オゾン供給部６の先端、即ち、オゾンガスが排出される部分は、合成石英定盤３とＧａＮ基板５との接触部位に向けられている。これにより、接触部位がオゾン環境下となる。

また、接触部位における合成石英定盤３とＧａＮ基板５との間で生じる摩擦熱によりオゾンガスが熱分解されて原子状酸素が生成し、トライボケミカル反応及び固相反応が安定化及び促進され、ＧａＮ基板５の安定、かつ、高効率な物理・化学的な加工が可能となる。

また、ＫＯＨ水溶液を含有するオゾンガスを供給するため、加工部材と被加工物の摩擦面で発生するトライボケミカル反応を促進させ、被加工物の加工面における酸化物を生成させ、優先的に除去できるものとなる。さらに、ＫＯＨ水溶液によりＧａＮ基板５の改質部をエッチングして、表面除去を促進することができる。

紫外光照射部７は、合成石英定盤３の底面側に配置されている。紫外光照射部７から照射される紫外光（ＵＶ）は、合成石英定盤３を透過して、合成石英定盤３とＧａＮ基板５との接触部位、即ち、ＧａＮ基板５の被加工面に向けて照射される。また、紫外光照射部７は、波長３６５ｎｍ以下の紫外光が照射可能な光源となっている。さらに、紫外光照射部７は、３６５ｎｍの波長において、照度１０ｍＷ／ｃｍ^２以上の紫外光が照射可能な光源となっている。また、照度１００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがより好ましく、照度３００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがさらに好ましい。

なお、加工テーブル２は、合成石英定盤３を支持する枠状体として形成されており、紫外光照射部７から照射される紫外光は、加工テーブル２を形成する枠部材同士の間を通過して、合成石英定盤３に入射するようになっている。

また、紫外光照射部７による紫外光の照射により、加工後のＧａＮ基板５の表面に、線状の隆起形状が形成されることを抑止することができる。また、紫外光の光励起により、ＧａＮ基板５における表面改質を促進することができる。さらに、紫外光の照射により、オゾンガスからの原子状酸素の生成を促し、トライボケミカル反応及び固相反応をより一層、安定化及び促進させることができる。

また、紫外光の照射により、加工部材表面を親水化させることによって、ＧａＮ基板５の加工の効率を高めることができる。また、紫外光の照射により、合成石英定盤３の表面上に残った有機物に由来するコンタミネーションを除去することができる。

また、合成石英定盤３の底面側から、合成石英定盤３を透過して、ＧａＮ基板５に紫外光を照射することができるため、試料ホルダー４やオゾン供給部６と干渉しない位置に紫外光照射部７を配置することができる。このため、ＧａＮ基板５の加工面に直接紫外光を照射できる。

また、紫外光照射部７とＧａＮ基板５の加工面との距離も小さくできるため、紫外光の照度を高めやすくなり、ＧａＮ基板５の加工に寄与する、紫外光の照射の各種効果を向上させることができる

ここで、本実施の形態では、加工部材が合成石英定盤３で形成されている場合を例に挙げて説明を行っているが、光透過性を有し、被加工物を加工可能な金属酸化物であれば充分であって、必ずしも合成石英定盤３で形成される必要はない。

加工部材としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３から構成される単結晶状態のサファイア、コランダム、サファイアガラス、サファイアクリスタル、ＳｉＯ_２を主成分とするガラス及びそれらからなる構成材料で形成されていても構わない。また、ＳｉＯ_２を主成分とするガラスとして、合成石英、溶融石英、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス等を採用することができる。

また、合成石英定盤３は、回転数が制御可能な加工テーブル２上に固定され、加工テーブル２の回転によって、合成石英定盤３が図１中符号Ｒ１で示す方向に回転可能に構成されている。

また、試料ホルダー４は、合成石英定盤３の回転軸Ｃ１に対して偏心した回転軸Ｃ２を中心として、図１中符号Ｒ２で示す方向に回転可能に構成されており、ＧａＮ基板５を保持した状態で、上方からＧａＮ基板５と合成石英定盤３が接触する位置まで下降する。なお、図中の符号Ｐは荷重をかける方向を示している。

ここで、本実施の形態では、試料ホルダー４に保持される被加工物としてＧａＮ基板５を例に挙げて説明を行っているが、被加工物はＧａＮ基板５に限定されるものではなく、ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ＤＬＣ膜等のダイヤモンド関連材料、ＳｉＣ、ＡｌＮ、サファイア、ＳｉＣセラミックス、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックス、ガラス等の硬脆材料等であっても構わない。

また、オゾンガスに含有させるアルカリ性溶液はアルカリ性であればよく、ＫＯＨ水溶液に限定されるものではない。例えば、ＮａＯＨ等のアルカリ性溶液またはアルカリ性電解水をオゾンガスに含有させて加工に利用することも可能である。但し、被加工物の表面の改質部をエッチングする点から、腐食性の水溶液であることが好ましい。

また、紫外光照射部７から照射する紫外光の波長は、被加工物のバンドギャップ以上のエネルギーを有する紫外光を用いることが好ましい。つまり、被加工物のバンドギャップに併せて、紫外光の波長を選択するものとなる。

例えば、ＧａＮのバンドギャップ（約３．４２ｅＶ）であれば、波長約３６５ｎｍ以下の紫外光が選択され、ＳｉＣのバンドギャップ（約３．２６ｅＶ）であれば、波長約３８０ｍ以下の紫外光が選択される。

以下、上記の様に構成された加工装置１を用いた加工方法について説明を行う。即ち、本発明を適用した加工方法の一例について説明を行う。

本発明を適用した加工方法の一例では、合成石英定盤３を回転させながら、合成石英定盤３とＧａＮ基板５との接触部位にオゾン供給部５からオゾンガスを供給する。また、紫外光照射部７から紫外光を照射して、ＧａＮ基板５を透過した紫外光がＧａＮ基板５の被加工面に向けて照射される。

本加工方法では、ＧａＮ基板５の被加工面において、合成石英定盤３とＧａＮ基板５の摩擦面で発生するトライボケミカル反応と、紫外光の照射によるＧａＮ基板５の被加工面と紫外光との化学反応により、被加工面の表面改質が進む。

そして、ＧａＮ基板５の被加工面の表面改質がされた改質部を、合成石英定盤３が物理・化学的に除去することにより表面除去がなされる。

また、ＧａＮ基板５の被加工面の表面改質がされた改質部において、オゾンガスに含まれたＫＯＨ水溶液による改質部のエッチングにより表面除去がなされる。

そして、合成石英定盤３とＧａＮ基板５とが接触した状態で、合成石英定盤３とＧａＮ基板５がそれぞれ回転することで、ＧａＮ基板５の被加工面の表面改質と表面除去が同時に行われ、ＧａＮ基板５の被加工面を物理・化学的に除去し、被加工面の平坦化が進む。

また、合成石英定盤３とＧａＮ基板５との接触部位にオゾンガスを供しながら、接触部位で生じる摩擦熱によりオゾンガスを熱分解して原子状酸素を生成する。また、オゾンガスからの原子状酸素の生成は、紫外光照射部７からの紫外光の照射によって促進される。

このオゾンガスから生成した原子状酸素により、トライボケミカル反応及び固相反応が安定化及び促進され、ＧａＮ基板５の安定、かつ、高効率な物理・化学的な加工が可能となる。

また、紫外光を照射することにより、加工後のＧａＮ基板５の表面に、線状の隆起形状が形成されることを抑止することができる。また、紫外光の光励起により、ＧａＮ基板５における表面改質を促進することができる。さらに、紫外光の照射により、オゾンガスからの原子状酸素の生成を促し、トライボケミカル反応及び固相反応をより一層、安定化及び促進させることができる。

また、紫外光の照射により、加工部材表面を親水化させることによって、ＧａＮ基板５の加工の効率を高めることができる。また、紫外光の照射により、合成石英定盤３の表面上に残った有機物に由来するコンタミネーションを除去することができる。

［効果］
本発明を適用した加工方法及び加工装置は、水やアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを、加工部材と被加工物の接触部位に供給すると共に、被加工物の被加工面に紫外光を照射することで、線状の隆起形状の形成を抑止しながら、安定的かつ高い加工精度と高能率な加工を実現しうるものとなっている。

以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。なお、ここで示す実施例は一例であり本発明を限定するものではない。

［実施例１］
本発明の実施例１の加工方法として、以下の条件で加工を行った。先ず、本発明の実施例１の加工方法として、ソーダ石灰ガラス定盤に、被加工物としてＧａＮ（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を０．５ｋｇの荷重で押圧し、ソーダ石灰ガラス定盤を回転数２００ｒｐｍ、揺動距離３ｍｍ、揺動速度０．１ｍｍ／ｓの条件で回転させると共に、試料ホルダーを３１．２５ｒｐｍで回転させた。また、オゾン供給部よりソーダ石灰ガラス定盤とＧａＮとの接触部位に、ＫＯＨ水溶液（０．１ｍｏｌ／Ｌ、ｐＨ１２．６）を含有したオゾンガス（５Ｌ／ｍｉｎ）を供給した。また、紫外光照射部より紫外光（ＵＶ照射距離２２ｍｍ、ＵＶ照度１０７５ｍＷ／ｃｍ^２）を、ＧａＮの被加工面の一定範囲に向けて照射した。この様な状況で１時間の加工を行った。
上記の実施例１について、加工後のＧａＮの表面粗さを金属顕微鏡により観察及び非接触形状測定機（走査型白色干渉計、Zygo社、NewView7300）による測定を行い、評価を行った。図２において、左図は、ＵＶ照射領域とＵＶ未照射領域を識別するための図であり、右図は、Slope画像（微分画像）である。

図２の左側の図に示すように、ＧａＮの符号Ｃで示す円形の範囲の内側が、被加工面における紫外光を照射したＵＶ照射範囲（符号Ｘ１）であり、符号Ｃで示す円形の範囲の外側が、被加工面における紫外光を照射していないＵＶ未照射範囲（符号Ｘ２）である。

また、実施例１の加工の結果、図２の右側に示すように、符号Ｃに対応する符号Ｃ'の円形の範囲の内側であるＵＶ照射範囲（符号Ｘ'１）において、符号Ｃ'の円形の範囲の外側の領域に比べて、線状の隆起形状の形成が抑止されている結果が確認された。

また、実施例１の加工について、図３において、被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定した結果を示す。図３において、上段は高さ画像、下段はSlope画像（微分画像）を示す。

加工前の加工領域である図３（ａ）と、実施例１の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域である図３（ｂ）から明らかなように、ＵＶ照射範囲において、実施例１の加工により、被加工物の加工面が精度高く加工され、被加工面の測定範囲における算術平均粗さ（Ｒａ）の値は０．１５５ｎｍであり、線状の隆起形状の形成が確認されず、平滑に加工されていたことが分かった。加工前の被加工面の測定範囲における算術平均粗さ（Ｒａ）の値は１．９４２ｎｍであった。また、実施例１の加工後のＵＶ未照射範囲の加工領域である図３（ｃ）から明らかなように、ＵＶ未照射範囲では、線状の隆起形状のない範囲は平滑に加工されているものの、線状の隆起形状の顕著な形成が確認される結果となった。

［実施例２］
本発明の実施例２の加工方法では、加工部材の種類を、実施例１のソーダ石灰ガラスから合成石英定盤に変更して、加工を行った。なお、実施例２における加工の条件は、実施例１の加工の条件から、加工部材の種類が変更になった点、紫外光のＵＶ照度が１３３２ｍＷ／ｃｍ^２となった点である。なお、実施例２の紫外光のＵＶ照度が、実施例１の紫外光のＵＶ照度に比べて高いのは、ソーダ石灰ガラス定盤と、合成石英定盤の紫外光の透過率の違いに起因している。
上記の実施例２について、加工後のＧａＮの表面粗さを金属顕微鏡により観察及び非接触形状測定機による測定を行い、評価を行った。図４において、左図は、ＵＶ照射領域とＵＶ未照射領域を識別するための図であり、右図は、Slope画像（微分画像）である。

図４の左側の図に示すように、ＧａＮの符号Ｃで示す円形の範囲の内側が、被加工面における紫外光を照射したＵＶ照射範囲（符号Ｘ１）であり、符号Ｃで示す円形の範囲の外側が、被加工面における紫外光を照射していないＵＶ未照射範囲（符号Ｘ２）である。

また、実施例２の加工の結果、図４の右側に示すように、符号Ｃに対応する符号Ｃ'の円形の範囲の内側であるＵＶ照射範囲（符号Ｘ'１）において、符号Ｃ'の円形の範囲の外側の領域に比べて、線状の隆起形状の形成が抑止されている結果が確認された。

また、実施例２の加工について、図５において、被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定した結果を示す。図５において、上段の画像は高さ画像、下段の画像はSlope画像（微分画像）を示す。

加工前の加工領域である図５（ａ）と、実施例２の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域である図５（ｂ）から明らかなように、ＵＶ照射範囲において、実施例２の加工により、被加工物の加工面が、非常に精度高く加工され、被加工面の測定範囲における算術平均粗さ（Ｒａ）の値は０．１６９ｎｍであり、線状の隆起形状の形成が確認されず、平滑に加工されていたことが分かった。加工前の被加工面の測定範囲における算術平均粗さ（Ｒａ）の値は１．５３５ｎｍであった。また、実施例２の加工後のＵＶ未照射範囲の加工領域である図５（ｃ）から明らかなように、ＵＶ未照射範囲では、線状の隆起形状のない範囲は平滑に加工されているものの、線状の隆起形状の形成が確認される結果となった。

また、実施例２における加工能率は４２８２ｎｍ／ｈであり、充分な加工能率を示していた。なお、加工能率は、被加工物となるＧａＮに所定の深さの溝を形成しておき、加工前後での溝の深さの変化量から加工能率を算出している。

また、図６には、上述した実施例及び実施例２について、被加工面のＵＶ照射範囲の表面粗さを非接触形状測定機で測定した結果を並べている。図６において、上段の画像は高さ画像、下段の画像はSlope画像（微分画像）を示す。図６から明らかなように、加工部材として、ソーダ石灰ガラスを用いた実施例１の加工と、合成石英定盤を用いた実施例２の加工がともに精度の高い加工面が得られることが明らかとなった。

本発明における紫外光照射の効果を確認するために、以下の実施例３と、比較例１及び比較例２を用いた検討を行った。

ここで、実施例３は、上述した実施例２と同様の条件での加工であり、加工部材に合成石英定盤を採用して、ＫＯＨ水溶液を含有したオゾンガスの供給と、紫外光の照射を行っている。一方、比較例１は、実施例３の条件において、ＫＯＨ水溶液を含有したオゾンガスの供給を行わず、紫外光の照射を行った加工である。また、比較例２は、実施例３の条件において、ＫＯＨ水溶液を含有したオゾンガスの供給を行い、紫外光の照射を行わない加工である。

また、実施例３、比較例１及び比較例２の加工について、図７において、被加工面の加工領域の一部の表面粗さを非接触形状測定機で測定した結果を示す。上段の画像は高さ画像、下段の画像はSlope画像（微分画像）を示す。
実施例３の加工後のＵＶ照射範囲の加工領域である図７（ｃ）から明らかなように、ＵＶ照射範囲において、実施例３の加工により、被加工物の加工面が、非常に精度高く加工され、被加工面の測定範囲における算術平均粗さ（Ｒａ）の値は０．１６９ｎｍであり、線状の隆起形状の形成が確認されず、平滑に加工されていたことが分かった。また、比較例１の結果である図７（ａ）及び比較例２の結果である図７（ｂ）から明らかなように、ＫＯＨ水溶液を含有したオゾンガスの供給を行わず、紫外光の照射を行った加工、または、ＫＯＨ水溶液を含有したオゾンガスの供給を行い、紫外光の照射を行わない加工では、高精度な表面が得られなかった。

また、図８に示すように、実施例３における加工能率は４２８２ｎｍ／ｈであり、充分な加工能率を示していた。一方、比較例１の加工能率は２２４７ｎｍ／ｈであり、また、比較例２の加工能率は２５５８ｎｍ／ｈであった。

１ 加工装置
２ 加工テーブル
３ 合成石英定盤
４ 試料ホルダー
５ ＧａＮ基板
６ オゾン供給部
７ 紫外光照射部

Claims (20)

1. 光透過性を有する金属酸化物で構成された加工部材を被加工物と接触させ、接触部位に水またはアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給すると共に、前記加工部材の前記被加工物と接触する面とは反対の面側から紫外光を同被加工物に照射しながら、前記加工部材を前記被加工物に接触させた状態で変位させる工程を備える
   加工方法。
2. 前記加工部材は、Ａｌ_２Ｏ_３から構成される単結晶状態のサファイア、コランダム、サファイアガラス、サファイアクリスタル、ＳｉＯ_２を主成分とするガラスのうちいずれか１つからなり、
   前記被加工物は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ＤＬＣ膜のうちいずれか１つからなる
   請求項１に記載の加工方法。
3. 前記加工部材は、合成石英からなる
   請求項１または請求項２に記載の加工方法。
4. 前記被加工物は、ＧａＮからなる
   請求項１から３のいずれかに記載の加工方法。
5. 前記オゾンガスが、水またはアルカリ性溶液のミストを同伴するオゾンガスである
   請求項１から４のいずれかに記載の加工方法。
6. 前記アルカリ性溶液がＫＯＨ水溶液である
   請求項１から５のいずれかに記載の加工方法。
7. 前記紫外光は、前記被加工物のバンドギャップ以上のエネルギーを有する
   請求項１から６のいずれかに記載の加工方法。
8. 前記紫外光は、３６５ｎｍの波長において、照度１０ｍＷ／ｃｍ^２以上を有する
   請求項１から７のいずれかに記載の加工方法。
9. 前記被加工物は、ＧａＮからなり、
   前記紫外光は、波長３６５ｎｍ以下のものを含む
   請求項１から８のいずれかに記載の加工方法。
10. 前記加工部材の表面及び前記被加工物の表面における親水化処理を促進させるために、前記オゾンガスから原子状酸素を生成して、同原子状酸素を、同加工部材と同被加工物の接触部位に供給する
    請求項１から９のいずれかに記載の加工方法。
11. 光透過性を有する金属酸化物で構成された加工部材と、
    所定の被加工物を前記加工部材と接触させて保持する保持機構と、
    前記加工部材及び前記被加工物との接触部位に、水またはアルカリ性溶液を含有するオゾンガスを供給するオゾンガス供給部と、
    前記加工部材の前記被加工物と接触する面とは反対の面側から紫外光を同被加工物に照射する紫外光照射部と、
    前記加工部材と前記被加工物を接触させた状態で、前記加工部材を変位させる駆動部とを備える
    加工装置。
12. 前記加工部材は、Ａｌ_２Ｏ_３から構成される単結晶状態のサファイア、コランダム、サファイアガラス、サファイアクリスタル、ＳｉＯ_２を主成分とするガラスのうちいずれか１つからなり、
    前記被加工物は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ＣＶＤダイヤモンド、ＤＬＣ膜のうちいずれか１つからなる
    請求項１１に記載の加工装置。
13. 前記加工部材は、合成石英からなる
    請求項１１または請求項１２に記載の加工装置。
14. 前記被加工物は、ＧａＮからなる
    請求項１１から１３のいずれかに記載の加工装置。
15. 前記オゾンガスが、水またはアルカリ性溶液のミストを同伴するオゾンガスである
    請求項１１から１４のいずれかに記載の加工装置。
16. 前記アルカリ性溶液がＫＯＨ水溶液である
    請求項１１から１５のいずれかに記載の加工装置。
17. 前記紫外光は、前記被加工物のバンドギャップ以上のエネルギーを有する
    請求項１１から１６のいずれかに記載の加工装置。
18. 前記紫外光は、３６５ｎｍの波長において、照度１０ｍＷ／ｃｍ^２以上を有する
    請求項１１から１７のいずれかに記載の加工装置。
19. 前記被加工物は、ＧａＮからなり、
    前記紫外光は、波長３６５ｎｍ以下のものを含む
    請求項１１から１８のいずれかに記載の加工装置。
20. 前記加工部材の表面及び前記被加工物の表面における親水化処理を促進させるために、前記オゾンガスから原子状酸素を生成して、同原子状酸素を、同加工部材と同被加工物の接触部位に供給する
    請求項１１から１９のいずれかに記載の加工装置。