JP5103631B2 - 加工方法 - Google Patents
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Description
本発明は加工方法に関する。詳しくは、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）等の難加工性の高機能材料表面を高能率かつ高精度に加工することができる加工方法に係るものである。
近年、次世代パワー半導体素子材料として、ワイドバンドギャップ半導体であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド、サファイア及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの材料が注目されている。
例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）はＳｉ半導体と比べてバンドギャップが３倍であり、絶縁破壊電界強度が約７倍である等優れた物性値を有しており、現在のＳｉパワーデバイスに比べて低損失、高周波特性、高温動作性といった点で優れている。
しかし、ＳｉＣはダイヤモンドに次ぐ高硬度を有しており、熱的にも化学的にも極めて安定しているために加工が難しく、従来のシリコン加工技術をそのまま適用することが困難である。
なお、従来のＳｉＣ基板の加工技術としては、ＳｉＣ単結晶から切り出した基板に対してダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨で平面度を出し、その後表面の加工変質層を除去するためにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）や高温水素アニールが行われている。
しかし、こうしたＳｉＣ基板の加工技術では、仕上がり面の表面にわずかなダメージが残っており、エピタキシャル成長用基板として充分な表面を得ることが困難であった。そのため、ダメージの無いＳｉＣ基板表面を高能率に実現することができる加工技術の開発が強く求められていた。
こうした求めに応じて、酸化剤の溶液中に被加工物を配し、定盤若しくは加工ヘッドに磁場により拘束し、空間的に制御された遷移金属の磁性微粒子を、被加工物の被加工面に極低荷重のもとで接触させるとともに、被加工面と磁性微粒子とを相対的に変位させ、磁性微粒子の触媒作用により、磁性微粒子表面上で生成した酸化力を持つ活性種と被加工物の表面原子との化学反応で生成した化合物を除去、あるいは溶出させることによって被加工物を加工する加工方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、加工速度が充分では無く、更なる加工速度の向上が求められていた。
本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、高い加工速度を実現することが可能である加工方法を提供することを目的とするものである。
上記の目的を達成するために、本発明に係る加工方法では、アルカリ溶液中に配置された被加工物の表面に、同被加工物のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光を照射すると共に、前記光が照射された前記被加工物の表面に加工部材を接触させた状態で前記被加工物と前記加工部材を相対的に変位させる工程を備える。
ここで、被加工物のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光を照射することによって、被加工物の表面を励起させ、被加工物の表面での酸化還元反応を誘発することができる。そして、被加工物の表面で酸化還元反応が生じることで、被加工物の表面が改質し、母材よりも軟質な層を形成することができる。例えば、被加工物がＳｉＣ基板の場合には被加工物より軟質な層としてＳｉＯｘ層を形成することができ、被加工物がＧａＮ基板の場合には軟質な層としてＧａ２Ｏ３層を形成することができるといった具合である。
また、被加工物がアルカリ溶液中に配置されていることによって、被加工物の表面に形成された軟質な層を化学的に除去することができる。更に、被加工物の表面に加工部材を接触させた状態で被加工物と加工部材を相対的に変位させることによって、被加工物の表面に形成された軟質な層を機械的（物理的）に除去することができる。
即ち、被加工物の表面に形成された軟質な層については、（１）アルカリ溶液によって化学的に除去され、若しくは、（２）加工部材によって機械的に除去され、若しくは、（３）アルカリ溶液によって化学的に除去されると共に加工部材によって機械的に除去されることとなる。
即ち、被加工物の表面に形成された軟質な層については、（１）アルカリ溶液によって化学的に除去され、若しくは、（２）加工部材によって機械的に除去され、若しくは、（３）アルカリ溶液によって化学的に除去されると共に加工部材によって機械的に除去されることとなる。
なお、被加工物に照射する光について、被加工物の直上若しくは直下から照射した場合には、光が被加工物に均等に照射されることとなり、被加工物の表面に形成される軟質な層についても均一に形成することができ、加工領域の表面粗さを改善し、より平滑な加工面を実現することが可能となる。
本発明を適用した加工方法では、高い加工速度を実現することが可能となる。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」と称する。）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
＜１．第１の実施の形態＞
図１は本発明を適用した加工方法の一例を実施するための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（ポリッシング装置）１は、水酸化カリウム溶液（０．１ｍｏｌ／リットル）２を入れた加工槽３と、ＳｉＣ基板８を保持する試料ホルダー４と、紫外光を照射するための紫外光光源５を有している。なお、ＳｉＣ基板は被加工物の一例である。
図１は本発明を適用した加工方法の一例を実施するための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（ポリッシング装置）１は、水酸化カリウム溶液（０．１ｍｏｌ／リットル）２を入れた加工槽３と、ＳｉＣ基板８を保持する試料ホルダー４と、紫外光を照射するための紫外光光源５を有している。なお、ＳｉＣ基板は被加工物の一例である。
加工槽３の底部３ａは合成石英定盤で構成されており、この合成石英定盤の上面（図１上の上面）によって被加工物が研磨されることとなる。また、加工槽３の側壁３ｂは例えばフッ素樹脂や塩化ビニル樹脂といった耐薬品性に優れた樹脂系材料により形成されている。なお、合成石英定盤は加工部材の一例である。
ここで、本実施の形態では、加工槽３の底部３ａが合成石英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、紫外光光源５から照射される紫外光が底部３ａの上面に到達する程度の透過率である材料であれば充分であり、必ずしも合成石英で形成される必要は無く、例えば、サファイア等で形成されていても構わない。
また、合成石英定盤３ａの中心部には、モーター６と接続された回転軸７ａと連結されており、モーター６によって加工槽３が図１中符号Ａで示す方向に回転可能に構成されている。
ここで、本実施の形態では、加工槽３に入れられるアルカリ溶液として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を用いた場合を例に挙げて説明を行っているが、アルカリ溶液は後述する様に、被加工物の表面に生成された改質層部分を化学的に除去することができれば充分であり、必ずしも水酸化カリウム溶液である必要はなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液、アルカリ電解水若しくは水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）溶液のうち少なくとも１つを含んでいれば良い。即ち、被加工物や加工条件等の組み合わせに応じてアルカリ溶液は種々の材料に変更可能である。
また、試料ホルダー４は、加工槽３の回転軸７ａに対して偏心した回転軸７ｂを中心として図１中符号Ｂで示す方向に回転可能に構成されており、ＳｉＣ基板８を保持した状態で上方からＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触するような位置まで下降する。
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ＳｉＣ基板８を例に挙げて説明を行っているが、被加工物はＳｉＣ基板に限定されるものではなく、窒化ケイ素、ＧａＮ、ダイヤモンド、サファイア、ＡｌＮ等からなる基板であっても構わない。
また、紫外光光源５は、合成石英定盤３ａの上面に紫外光を照射することができる様に構成されており、即ち、ＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域に紫外光を照射することができる様に構成されている。なお、紫外光光源５はＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域の真下に配置され、紫外光光源５から真上に紫外光を照射できる様に構成されている。
ここで、ＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域に紫外光を照射することができるのであれば、必ずしも紫外光光源５がＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域の真下に配置される必要は無い。但し、紫外光光源５がＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域の真下に配置され、真上に紫外光を照射できる様に構成することで、ＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域に均等に紫外光を照射することができることとなるために、紫外光光源５はＳｉＣ基板８と合成石英定盤３ａが接触する領域の真下に配置された方が好ましい。
なお、本実施の形態では、ＳｉＣ基板８に照射する光が紫外光である場合を例に挙げて説明を行っているが、ＳｉＣ基板８のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する光であればよい。
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の説明を行う。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。
先ず、ＳｉＣ基板８に紫外光を照射することで、図２（Ａ）で示す様に、ＳｉＣ基板８よりも軟質な層９が形成される。具体的には、ＳｉＣ基板８に紫外光を照射することで、ＳｉＣ基板８の表層にＳｉＯ２層９が形成される。
先ず、ＳｉＣ基板８に紫外光を照射することで、図２（Ａ）で示す様に、ＳｉＣ基板８よりも軟質な層９が形成される。具体的には、ＳｉＣ基板８に紫外光を照射することで、ＳｉＣ基板８の表層にＳｉＯ２層９が形成される。
即ち、ＳｉＣ基板８に紫外光を照射することで、ＳｉＣ基板８の表面が励起され、そのことによってＳｉＣ基板８の表面で酸化還元反応が誘発されることとなる。そして、ＳｉＣ基板８の表面で酸化還元反応が生じることによりＳｉＣ基板８の表面が改質され、上述した様に、ＳｉＣ基板８の表面に軟質な層（ＳｉＯ２層）９が形成されるのである。
ＳｉＣ基板８の表層に形成されたＳｉＯ２層９は、水酸化カリウム溶液による化学的なエッチング作用によって除去されると共に（図２（Ｂ）参照）、合成石英定盤３ａにより機械的に除去されることとなる（図２（Ｃ）参照）。
本実施の形態における加工方法では、ＳｉＣ基板８の表面に軟質なＳｉＯ２層９を形成し、化学的及び機械的に除去することによって、高能率であると共に高精度な加工が実現できることとなる。
図３は各種加工方法による加工レートを示す模式図である。
先ず、図３中符号Ａは、ＳｉＣ基板を過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）中に配置し、鉄（Ｆｅ）製の加工部材をＳｉＣ基板に接触させた状態で往復運動させた場合の加工レートである。
即ち、加工部材（Ｆｅ）が過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）と反応して生成されるＯＨラジカル（ＯＨ・；ヒドロキシルラジカル）と過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）中の溶存酸素によってＳｉＣ基板の表面を酸化してＳｉＯ２層を生成した上で、加工部材を往復させることでＳｉＯ２層を除去する場合の加工レートを示したものが、図３中符号Ａである。なお、こうした技術は上述の特許文献１に記載がなされている。
即ち、加工部材（Ｆｅ）が過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）と反応して生成されるＯＨラジカル（ＯＨ・；ヒドロキシルラジカル）と過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）中の溶存酸素によってＳｉＣ基板の表面を酸化してＳｉＯ２層を生成した上で、加工部材を往復させることでＳｉＯ２層を除去する場合の加工レートを示したものが、図３中符号Ａである。なお、こうした技術は上述の特許文献１に記載がなされている。
また、図３中符号Ｂは、ＳｉＣ基板を過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）中に配置し、ＳｉＣ基板に紫外光を照射すると共に、石英をＳｉＣ基板に接触させた状態で往復運動させた場合の加工レートである。
即ち、紫外光の影響で過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）が分解されて生成されるＯＨラジカルと過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）中の溶存酸素によってＳｉＣ基板の表面を酸化してＳｉＯ２層を生成した上で、石英を往復させることでＳｉＯ２層を除去する場合の加工レートを示したものが、図３中符号Ｂである。
即ち、紫外光の影響で過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）が分解されて生成されるＯＨラジカルと過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）中の溶存酸素によってＳｉＣ基板の表面を酸化してＳｉＯ２層を生成した上で、石英を往復させることでＳｉＯ２層を除去する場合の加工レートを示したものが、図３中符号Ｂである。
これに対して、図３中符号Ｃは、本実施の形態における加工方法での加工レートを示している。
図３からも明らかな様に、本実施の形態の加工レートは極めて高いことが分かる。
表１は本実施の形態における加工方法で加工した場合の表面粗さと、紫外光を照射せずその他の条件は本実施の形態における加工方法と同様の方法で加工した場合の表面粗さを示したものである。
表１からも明らかな様に、本実施の形態における加工方法では、加工レートの向上のみならず、表面粗さの改善をも実現することができる。
＜２．第２の実施の形態＞
上記した第１の実施の形態では、紫外光によってのみＳｉＯ２層を形成していたが、紫外光と共にＯＨラジカルによってＳｉＯ２層を形成するようにしても良い。
即ち、加工槽３の中に水酸化カリウム溶液２と共に過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を入れておいても良い。
上記した第１の実施の形態では、紫外光によってのみＳｉＯ２層を形成していたが、紫外光と共にＯＨラジカルによってＳｉＯ２層を形成するようにしても良い。
即ち、加工槽３の中に水酸化カリウム溶液２と共に過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を入れておいても良い。
過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を含む溶液に紫外光が照射されると、極めて強力な酸化力を有するＯＨラジカルが生成されることとなる（式１参照）。
（式１）
Ｈ２Ｏ２＋ＵＶ（紫外光）→２ＯＨ・
Ｈ２Ｏ２＋ＵＶ（紫外光）→２ＯＨ・
そして、こうして生成されたＯＨラジカルとＳｉＣ基板８の表面の凸部が反応することで、ＳｉＣ基板８の表面が酸化され、ＳｉＯ２層９が形成されることとなる（式２参照）。
（式２）
ＳｉＣ＋４ＯＨ・＋Ｏ２→ＳｉＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２↑
ＳｉＣ＋４ＯＨ・＋Ｏ２→ＳｉＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２↑
なお、ＳｉＣ基板８に紫外光を照射することで、ＳｉＣ基板８の表面が励起されてＳｉＯ２層９が形成される点については、上記した第１の実施の形態と同様である。
そして、紫外光を照射することによって、更に、ＯＨラジカルの作用によってＳｉＣ基板８の表面に形成されたＳｉＯ２層９は、水酸化カリウム溶液による化学的なエッチング作用によって除去されると共に（図２（Ｂ）参照）、合成石英定盤３ａにより機械的に除去されることとなる（図２（Ｃ）参照）。この点についても、上記した第１の実施の形態と同様である。
本実施の形態における加工方法についても、上記した第１の実施の形態と同様に、高能率であると共に高精度な加工が実現できることとなり、更に、表面粗さの改善をも実現することができる。
１加工装置
２水酸化カリウム溶液
３加工槽
３ａ合成石英定盤
３ｂ側壁
４試料ホルダー
５紫外光光源
６モーター
７ａ回転軸
７ｂ回転軸
８ＳｉＣ基板
９ＳｉＯ２層
２水酸化カリウム溶液
３加工槽
３ａ合成石英定盤
３ｂ側壁
４試料ホルダー
５紫外光光源
６モーター
７ａ回転軸
７ｂ回転軸
８ＳｉＣ基板
９ＳｉＯ２層
Claims (3)
- アルカリ溶液中に配置された被加工物の表面に、同被加工物のバンドギャップよりも大きなエネルギーを有する紫外光を照射すると共に、前記紫外光が照射された前記被加工物の表面に合成石英若しくはサファイアで構成された加工部材を接触させた状態で前記被加工物と前記加工部材を相対的に変位させる工程を備える加工方法であって、
前記紫外光は前記加工部材を介して前記被加工物に照射する
加工方法。 - 前記アルカリ溶液は、水酸化カリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、アルカリ電解水若しくは水酸化カルシウム溶液のうち少なくとも１つを含んでいる
請求項１に記載の加工方法。 - 前記被加工物は、シリコンカーバイド、窒化ケイ素、ＧａＮ、ダイヤモンド、サファイア、ＡｌＮのうちいずれか１つからなる
請求項１または請求項２に記載の加工方法。
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