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情報工学研究院
九州工業大学
機械情報工学研究系
准教授 鈴木 恵友
炭素ナノ
炭素ナノ微粒子
ナノ微粒子を
微粒子を用いた新規研磨材
いた新規研磨材による
新規研磨材による
難加工半導体基板（
）
難加工半導体基板（サファイヤ、
サファイヤ、SiC）
の高効率研磨に
高効率研磨に関する研究
する研究
1
サファイア基板
サファイア基板の
基板の製造プロセス
製造プロセス
2
研磨装置外観
スピードコント
ローラー
プラテン
加工ヘッド
装置名：マルトー社製ML-160A
サファイア基板
京セラ株式会社HPより引用
スラリーは半導体基板の平坦化プロセス制御の決め手
化学的作用 ：スラリー中の化学成分によって化学反応層を形成
機械的作用 ：スラリー中の研磨粒子により化学反応層を除去
Chemical Mechanical Polishing・・・化学機械研磨
CMPとは
とは
3
ガラス
難
高
加
硬
工
度
加工学Ⅰ–除去加工– 日本機械学会著作兼発行より引用
物質硬度の比較
Al2O3
SiC
ダイヤモンド
難加工材料：高硬度かつ化学的に安定
⇓
通常のCMPプロセスでは
高効率に加工することが困難
サファイア基板
・・・
ダイヤモンド基板
パワー半導体；自動車分野
LED；照明・液晶分野
SiC基板
SiC基板
難加工半導体基板の加工需要の増加
半導体の適用分野の拡大に伴い、シリコン半導体だけでなく、
従来技術とその
従来技術とその問題点
とその問題点①
問題点①
4
→ 被研磨近傍での基板表面改質および化学反応性向上
土肥，佐野,黒河,會田， 2014年度精密工学会春季大会学術講演会論文集 D02
③ 革新的CMP/P-CVM融合加工法
坂本，久保田,峠， 砥粒加工学会誌，57 (2013) 518
② SiC基板の紫外光支援研磨に関する研究
山内，佐野ら， 精密工学会誌，78 (2012) 947
① 触媒表面基準エッチングによる単結晶SiC，GaN表面の平滑化
新規研磨手法および装置
装置
☆新たに研究が進められている研磨手法
材料除去速度は向上せず、表面欠陥が増加
⇒加工レートと欠陥抑制の両立が難しい
⇒材料除去速度を向上するため相対速度の増大，研磨荷重の増加
化学反応性が低く、高硬度であるため長時間の加工が必要（数日）
現状の難加工基板の加工方法：ポリウレタン製パッドを使用
従来技術とその
従来技術とその問題点
とその問題点②
問題点②
5
水酸化フラーレンのモデル
フラーレンの特徴
1. 高硬度と高い反応性
高硬度 高い反応性
2. 均一な粒子径，分子直径は
約 1nm
均一な粒子径
3. 高い対称性（サッカーボール形状）
高い対称性
4. 水酸化フラーレンは親水性
親水性の分子
親水性
・水酸化フラーレン混合スラリーのメリット
消耗品交換頻度↓
①加工レートの
加工レートの向上
レートの向上 ⇒研磨時間の短縮化⇒
低コスト化
②欠陥抑制効果
③既存の
装置にそのまま
既存のCMP装置
装置にそのまま導入可能
にそのまま導入可能⇒専用装置の開発は不要
水酸化フラーレン溶液
0.015wt% 0.020wt% 0.080wt%
水酸化フラーレン混合スラリー
新技術： 炭素ナノ微粒子を用いた新規研磨材
新技術の
新技術の特徴・
特徴・従来技術との
従来技術との比較
との比較
6
会合
水酸化フラーレン
付加反応
C60
1nm
Diamond
SiO2
水酸化フラーレン
10nm
紫外線照射
5nm
カーボンナノボール
紫外線照射
ナノ微粒子の
吸着・保持
3nm〜
C60会合体
5nm
100nm サイズ
Diamond
SiO2
表面改質
フラーレンポリマーなど
50nm
水酸化フラーレン混合による新規炭素微粒子の作製
7
難加工基板CMPの高効率研磨を実現させるため，
水酸化フラーレンが吸着したダイヤモンド微粒子の表面改質を行った
化学反応性
7
0.3ml/min
12
Φ12
厚さ１mm
密度3.98g/cm3
スラリー流量
pH
研磨
研磨レート
レート
レート[[μm
μm/hour]
/hour]
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.025
上昇率
ダイヤモンドの粒径
ダイヤモンドの粒径[μm]
粒径[μm]
0.1
水酸化フラーレンあり
水酸化フラーレンなし
1
1.ダイヤモンドスラリーの粒径に関わらず、
水酸化フラーレンを
水酸化フラーレンを混合
フラーレンを混合することにより
混合することにより，
することにより，研磨レートの
研磨レートの上昇
レートの上昇が確認された.
上昇
ウェハの仕様
0.1wt%
60min
(1)0.025μm
(2)0.1μm
(3)1μm
60/60min-1
Suba600(溝なし)
45.9kPa(6.6psi)
水酸化フラーレン濃度
ダイヤモンドの粒径
（ロット1)
ポリシングパッド
圧力
回転速度
（プラテン/ヘッド）
研磨時間
研磨条件
水酸化フラーレン混合による
研磨レートの変化
0
1
2
3
4
研磨レートの上昇率（C60有/C60無）
8
60/60min-1
60min
0.025μm
0.1μm
1μm
0.1wt%
0.3ml/min
12
回転速度
（プラテン/ヘッド）
研磨時間
ダイヤモンドの粒径
(ロット２）
水酸化フラーレンの濃度
スラリー流量
pH
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.025
0.1
ダイヤモンドの粒径
ダイヤモンドの粒径[μm]
粒径[μm]
レーザー照射前
レーザー照射後
MRR上昇率
1
1.ダイヤモンドスラリーの粒径に関わらず、
水酸化フラーレンを
水酸化フラーレンを混合
フラーレンを混合することにより
混合することにより，
することにより，研磨レートの
研磨レートの上昇
レートの上昇が確認された．
上昇
2.研磨レートの上昇はダイヤモンド粒径が1μmの場合が最も高かった．
⇒紫外線照射前後
紫外線照射前後で
紫外線照射前後で約69パーセントの
69パーセントの向上
パーセントの向上が確認された．
向上
Suba600(溝なし)
45.9kPa(6.6psi)
研磨条件
355nm
50kHz
270mW
60min
ポリシングパッド
圧力
波長
パルス周波数
照射強度
照射時間
レーザ照射条件
研磨
研磨レート
レート
レート[μm/hour]
[μm/hour]
0
0.5
1
1.5
2
水酸化フラーレン混合スラリーの表面改質による
材料除去レートの変化
研磨条件
研磨レートの上昇率（レーザ照射有/無）
9
0.3ml/min
12
水酸化フラーレンの濃度
スラリー流量
pH
ダイヤモンドスラリー単体に紫外線を
照射しても研磨レート向上は見られない
2.
減少
増加
水酸化フラーレン混合と表面改質
による研磨レート向上効果を証明
ダイヤモンドスラリーのみに紫外線を照射した場合，ダイヤモンドの粒径が
0.025μm,0.1μm において研磨レートが減少する傾向が見られた．
ダイヤモンドの粒径が1μｍではレーザを照射しても研磨レートにほとんど変化しない．
0wt%
ダイヤモンドの粒径
1.
0.025μm
0.1μm
1μm
レーザ照射条件
波長
355nm
パルス周波数
50kHz
照射強度
270mW
照射時間
60min
研磨条件
ポリシングパッド
Suba600(溝なし)
圧力
45.9kPa(6.6psi)
回転速度
60/60min-1
（プラテン/ヘッド）
研磨時間
60min
研磨条件
ダイヤモンドスラリー（単体）への紫外線照射の影響
10
• サファイヤ、SiC基板に代表される難加工基板のCMP
の高効率研磨を実現させるため、水酸化フラーレンが
吸着したダイヤモンド微粒子の表面改質を行った。
• 水酸化フラーレンを混合でも研磨レートの向上が確認さ
れたが、紫外線照射をすることでさらなる効果が得られ
た。
• ダイヤモンドスラリーの粒径0.025µm,0.1µm,1µmによ
り効果に差があり、最大で３倍の効果が確認された。
• 表面改質については、水酸化フラーレンナノ粒子が、ダ
イヤモンドの表面に吸着することと、紫外線によりフラー
レンが結合する効果があることが確認されている（未公
開資料）
まとめ
11
高硬度材料以外にも適用可能
• 金型の表面性状の改質
• 3Dプリンタによる造形後の平滑化処理
水酸化フラーレンを用いた改質技術の適用
• 研磨加工用工具の表面改質への適用
SiC, サファイア, ダイヤモンド, セラミック等・・・
基板に合せてスラリーの粒径をカスタマイズ可能
• 高硬度、難加工基板のCMP用スラリー
想定される
想定される用途
される用途
12
• 今後、表面改質により研磨レートが向上する原
理の追究のため、実験データを取得し、砥粒の
カスタマイズをする場合の条件設定を行う
• 水酸化フラーレンは高価であるので、
低コスト化が必要
• 現在、本技術により加工レートの向上と欠陥の
抑制効果は実証したが、さらなる効率化が可能
実用化に
実用化に向けた課題
けた課題
13
• 半導体検査装置を開発中の企業や評価機関と
の連携を希望。
• 試験的なデータをより幅広く取得するために、
難加工基板の研磨技術を持つ企業との共同研
究を希望。スラリーの試験的な導入も歓迎。
• 低コスト化については、水酸化フラーレンの回
収・リサイクル方法を確立しつつある。
• さらなる効率化については、母材粒子や表面改
質方法の工夫により克服できると考えている。
企業への
企業への期待
への期待
14
•
•
•
•
発明の名称 ：研磨材
出願番号 ：特願2011-117617
出願人
：国立大学法人九州工業大学
発明者
：鈴木 恵友、木村 景一、
カチョーンルンルアン パナート
齋藤 貴志、是澤 龍哉
本技術に
本技術に関する知的財産権
する知的財産権
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☆その他の九州工業大学との共同研究について ⇒産学連携推進センター
Web: http://www.ccr.kyutech.ac.jp/index.html
E-mail: [email protected]
☆特許の取り扱いについて⇒
⇒知的財産部門
Web: http://www.ccr.kyutech.ac.jp/f_chizai/
E-mail: [email protected]
九州工業大学 イノベーション推進機構
リサーチアドミニストレーションセンター
URA助教 小川由紀子
ＴＥＬ/ＦＡＸ 093-884-3565
e-mail [email protected]
web: http://www.kyutech.ac.jp/ura/
お問い合わせ先
わせ先
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