次世代半導体用の難加工結晶材料のための超精密加工技術

- SiC、GaN、AlN、Ga2O3、ダイヤモンド -

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第1章　化合物半導体の結晶育成技術とデバイス応用

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第1節　SiC結晶技術の現状と課題
1 はじめに
2 SiC単結晶の多形
3 SiC単結晶の結晶欠陥
4 SiC単結晶の結晶成長技術の現状と今後の課題
　4.1 昇華法成長
　4.2 結晶成長技術の今後の課題

第2節　GaN結晶技術の現状と課題
1 まえがき
2 ワイドバンドギャップ（WBG）半導体
　2.1 ワイドギャップ半導体の概要
　2.2 ワイドギャップ半導体の性能指数
3 GaN結晶の課題と各種成長方法
　3.1 GaN結晶成長法の概要
　3.2 GaN結晶の課題:貫通転位と結晶格子の湾曲（反り）
　3.3 高圧融液成長法
　3.4 高圧溶液成長法（HPSG:High Pressure Solution Growth）
　3.5 アモノサーマル法（Ammonothermal method）
　3.6 Naフラックス法（Na-Flux method）
　3.7 HVPE法（水素化物気相エピタキシャル成長：Hydride Vapor Phase Epitaxy method）
　3.8 OVPE法（酸化物気相エピタキシャル成長：Oxide Vapor Phase Epitaxy method）
4 GaN基板に関する今後の課題とまとめ
　4.1 今後の課題
　4.2 低コスト化

第3節　AlN結晶技術の現状
1 はじめに
　1.1 AlN単結晶成長技術
　　1.1.1 AlN単結晶成長における坩堝材料の選定
　　1.1.2 AlN単結晶成長における種結晶の選定
　1.2 AlN単結晶の品質
　　1.2.1 AlN単結晶の結晶品質の評価
　　1.2.2 紫外線吸収
2 AlN基板を用いたUV-C LED
3 今後の展望

第4節　Ga2O3結晶技術の現状と課題
1 はじめに
2 Ga2O3結晶成長技術
　2.1 バルク結晶成長
　2.2 エピタキシャル成長
3 まとめ

第5節　ダイヤモンド結晶技術の現状と課題
1 はじめに
2 結晶成長
　2.1 高温高圧
　　2.1.1 温度差法
　　2.1.2 成長速度とサイズ
　2.2 気相合成
　　2.2.1 合成概要
　　2.2.2 大面積基板合成
3 結晶性・転位
　3.1 転位
　　3.1.1 高温高圧結晶
　　3.1.2 CVD結晶
　　3.1.3 CVD結晶によるエピタキシャル膜
　3.2 転位終端の可能性
4 おわりに

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第2章　基板加工技術の現状と課題

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第1節　SiC基板加工
1 はじめに
2 プロジェクトの目標
3 開発した要素技術
4 要素技術を組み合わせた一貫加工プロセス
5 開発の成果と今後の期待

第2節　GaN基板加工
1 GaN結晶加工における課題～なぜGaN結晶加工が難しいか
　1.1 機械的・化学的特性による要因
　　1.1.1 機械的特性：硬度と脆性
　　1.1.2 化学的特性
　1.2 結晶成長起因の要因
　1.3 結晶構造・結晶面起因の要因
2 GaN結晶の基板加工技術
　2.1 スライス（切断）加工
　2.2 研削・機械研磨加工
　　2.2.1 研削・機械研磨で用いられる砥粒・砥石・スラリー
　　2.2.2 研削加工
　　2.2.3 機械研磨加工
　　2.2.4 研削と機械研磨の比較
　2.3 CMP加工
3 終わりに

第3節　AlN基板加工技術の現状と課題
1 はじめに
　1.1 AlN単結晶基板の基板加工
　1.2 AlN単結晶基板の品質課題
　　1.2.1 スクラッチ
　　1.2.2 サブサーフェスダメージ
　　1.2.3 ヒロック
　1.3 大口径AlN単結晶基板

第4節　Ga2O3基板加工
1 酸化ガリウムの特徴
2 ウエハ製造工程
3 まとめ

第5節　宝飾用ダイヤモンド加工とその歴史
1 はじめに
2 ダイヤモンド研磨の歴史
　2.1 古代エジプト、インド
　2.2 13～14世紀頃
　2.3 16～17世紀
　2.4 17世紀
　2.5 19世紀
　2.6 20世紀
3 宝飾用ダイヤモンド研磨基本工程
4 おわりに

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第3章　基板製造のための各種加工装置

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第1節　基板の切断　-ワイヤーソーによるGaNの切断を例に-
1 はじめに
2 ワイヤーソーによる結晶切断の概要
3 バルクGaN結晶のマルチワイヤーソーによる切断
4 まとめ

第2節　基板の面取加工　-ウエハ面取加工装置と砥石の仕組-
1 はじめに
2 面取り加工装置に求められる性能
3 NC制御によるツインコンタリング方式を採用した面取り加工装置の概要
　3.1 装置構成
　3.2 研削部（総型研削部（外周用・ノッチ用）、コンタリング部）
4 SiCウェーハへの加工事例と課題
　4.1 加工プロセス1の場合
　4.2 加工プロセス2の場合
5 おわりに

第3節　基板の研削加工　-研削加工の仕組　装置と工具-
1 概論~プロローグ
2 研削加工に求められる課題
3 研削加工での具体的対応策
4 研削装置の構成と構造
　4.1 揺動機構の構造
　4.2 揺動機構の目的
　4.3 揺動機構の効果
5 研削装置で使用する砥石と研削液というアイテム
　5.1 研削液の重要な作用
　5.2 砥石自生作用の促進
6 研削性能を発揮させる動作フローと加工レシピ
　6.1 揺動機構の複合動作
　　6.1.1 間欠動作砥石進行中/砥石揺動連動
　　6.1.2 間欠動作砥石停止中/砥石揺動連動
　6.2 多段ステップ加工
　6.3 スパークアウト/ゼロカット揺動
7 総論~エピローグ

第4節　基板のラップ加工　-ラップ盤の説明　両面ラップ加工データの紹介-
1 はじめに
　1.1 ラップ盤，ポリッシュ盤の種類
　1.2 片面加工機と両面加工機
2 片面加工と両面加工の加工プロセス
　2.1 従来からの片面加工と両面加工との違い
3 単結晶SiC両面加工
　3.1 単結晶、多結晶SiCのコストダウン加工方法
　3.2 GaNやSiCの両面加工例
4 おわりに

第5節　基板のポリッシュ加工　-CMP加工と加工機-
1 基板製造におけるCMP加工
2 基板用CMP加工装置
　2.1 バッチ式片面研磨装置
　　2.1.1 ローラー支持方式
　　2.1.2 軸支持方式
　2.2 枚葉式片面研磨装置
　2.3 両面研磨装置
　2.4 難加工基板向け高速高圧研磨装置

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第4章　研削・研磨加工のための副資材類

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第1節　ワイヤーソー
1 概要
　1.1 背景
2 ワイヤーソー加工方式
　2.1 遊離砥粒
　2.2 固定砥粒
3 ワイヤーソー加工実例
　3.1 SiC
　　3.1.1 マルチワイヤーソー加工
　　3.1.2 シングルワイヤーソー加工
　3.2 GaN
　3.3 ダイヤモンド

第2節　ダイヤモンドスラリー
1 はじめに
2 ダイヤラップ研磨
3 SiC研削・ラップ研磨加工と評価
4 考察

第3節　研磨フィルム（ダイヤモンド砥粒研磨フィルム）
1 はじめに
2 研磨フィルムについて
　2.1 研磨フィルムの概要
　2.2 研削加工方式との比較
3 研磨フィルム用いる研磨装置について
　3.1 エッジ部（ノッチ・オリフラ部）研磨用装置
　3.2 表裏面（平面）研磨用装置
4 超難加工材料向けアプリケーション例
　4.1 面取り加工（低ダメージ面取り加工、低歪み加工）
　4.2 エッジ部、ノッチ部の鏡面加工（ウェーハ端面部の鏡面加工）
　4.3 テラス加工（トップエッジ部の研磨加工）
　4.4 接合処理を目的とした平面研磨加工
　4.5 エッジ部周辺のメタル膜等の残渣（不要膜）除去加工
　4.6 バックグラインド加工（薄化工程）歩留まり改善、エッジトリミング加工
　4.7 接合（接着）ウェーハのエッジトリートメント処理
5 次世代研磨フィルムについて
6 おわりに

第4節　研削砥石
1 はじめに
2 研削砥石の構成要素
3 高能率・高品質化のための工夫
4 研削性能の半導体材料依存性
5 おわりに

第5節　CMPスラリー
1 はじめに
2 SiC半導体基板研磨の基礎
　2.1 SiCの研磨方法
　2.2 SiCの研磨スラリー
　2.3 SiC基板研磨の目的
　2.4 SiC用途研磨スラリーの研磨能率
　2.5 SiC用途研磨スラリーの研磨精度
3 SiC半導体基板の多段研磨による高品質化
　3.1 SiC研磨精度の深掘り
　3.2 SiC研磨微小欠陥がエピ後の表面品質に与える影響
　3.3 SiC研磨プロセスの多段化
4 SiC半導体基板の実際の研磨プロセス
　4.1 研磨プロセスの実際
　4.2 研磨条件に合わせたSiC研磨スラリーの選択
5 おわりに

第6節　研磨パッド
1 はじめに
2 研磨パッドの働き
　2.1 研磨パッドの表面状態
　2.2 コンタクトエリアとコンタクトポイント
　2.3 研磨パッドの圧縮挙動と粘弾性特性
3 研磨パッドの種類
　3.1 硬質発泡タイプ
　3.2 不織布タイプ
　3.3 スウェードタイプ
4 研磨パッドに対する要求性能
　4.1 シリコンウェーハ用研磨パッド
　4.2 デバイスウェーハ用研磨パッド
　4.3 難研磨物用研磨パッド
5 研磨パッドと研磨性能
　5.1 研磨パッドの種類と研磨性能（研磨レート・表面粗さ・平坦性）
　5.2 研磨パッドの溝と研磨性能（研磨レート・表面粗さ）
　5.3 研磨パッドの目詰まりとその対策
6 研磨パッドの適用例
7 まとめ

第7節　半固定砥粒研磨工具「LHAパッド®」
1 はじめに
2 LHAパッドとは
3 LHAパッドの研磨性能
4 廃棄物の削減効果
5 今後の展望～両面研磨の取組み～

第8節　添加剤
1 はじめに
2 加工液の化学的作用
　2.1 分散剤
　2.2 潤滑剤
　2.3 浸透剤
　2.4 その他の添加剤
3 遊離砥粒加工による添加剤の選定
　3.1 切断加工用クーラント剤への応用
　　3.1.1 遊離砥粒加工における分散性について
　　3.1.2 遊離砥粒クーラントにおける浸透性について
　　3.1.3 遊離砥粒クーラントにおける潤滑性について
4 添加剤の化学物質規制、環境対応について

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第5章　デバイスプロセスのための加工装置・加工技術

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第1節　バックグラインド
1 背景
2 研削装置の課題と高剛性研削盤
　2.1 従来型研削盤の課題
　2.2 高剛性研削盤HRGシリーズの紹介
3 SiC研削プロセス
　3.1 SiCウェーハ製造工程と研削に求められる技術
　3.2 SiCデバイス工程と研削に求められる技術
4 今後の課題と展望

第2節　CMP
1 はじめに
2 半導体の歴史とCMP
3 CMP装置と技術
　3.1 CMPの歴史
　3.2 CMP装置
4 おわりに

第3節　ブレードダイシング
1 SiC/GaN基板の特徴
　1.1 SiC/GaN基板
　1.2 SiC/GaNの半導体基板
2 SiC/GaNの加工方法
3 使用するダイシングブレード
4 SiC/GaNのダイシング技術
　4.1 SiC/GaN加工用ブレード
　4.2 ダイシングテープの選定
　4.3 SiC基板の特徴
　4.4 SiC基板の加工事例

第4節　ステルスダイシング
1 はじめに
2 ステルスダイシングの概要説明
　2.1 ステルスダイシングとは
　　2.1.1 レーザ照射工程
　　2.1.2 分割工程
　2.2 ステルスダイシングの特長
3 ステルスダイシングの構成
　3.1 エンジン全体の構成
　3.2 デバイスに適したエンジン構成
　3.3 LBAの搭載
4 加工例
　4.1 ダイシングプロセス
　　4.1.1 SiCのダイシング加工結果
　　4.1.2 GaNのダイシング加工結果
　　4.1.3 Ga2O3のダイシング加工の取り組み
　4.2 スライシングプロセス
5 まとめ

第5節　プラズマダイシング
1 はじめに
2 プラズマダイシング工法の特徴
　2.1 従来工法との比較
　2.2 プラズマダイシング装置
　2.3 プラズマダイシングの4つのメリット
　　2.3.1 高抗折強度
　　2.3.2 パーティクルレス
　　2.3.3 高生産性（小チップ）
　　2.3.4 異形チップレイアウト
　2.4 プロセスフロー
3 加工応用事例
　3.1 シリコン半導体（Si、SiO2、SiN材料の加工）
　3.2 化合物半導体（SiC材料の加工）
4 さいごに

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第6章　基板の計測・評価技術

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第1節　基板形状の計測・評価技術
1 はじめに
2 基板測定方式の各種手法
3 各種測定方式の特長
4 おわりに

第2節　コンフォーカル微分干渉　-基板表面形状検査技術-
1 はじめに
2 ワイドギャップ半導体検査に適した光学系
3 CMP後のワイドギャップ半導体検査技術
4 ワイドギャップ半導体に求められる欠陥分類技術
5 多種解析装置との連携
6 おわりに

第3節　ミラー電子式検査装置　-表面電位変化を利用した結晶欠陥と潜傷の検出-
1 はじめに
2 SiCウェーハの欠陥と欠陥検出技術
　2.1 SiCウェーハの特徴と欠陥
　2.2 SiCウェーハ欠陥検査技術
3 ミラー電子顕微鏡技術
　3.1 第三の顕微鏡
　3.2 ミラー電子顕微鏡の光学系と像形成原理
　　3.2.1 ミラー電子顕微鏡の光学系
　　3.2.2 像形成原理
　3.3 ミラー電子顕微鏡の特長
4 ミラー電子式検査装置Mirelis VM1000
5 Mirelis VM1000によるSiCウェーハ検査の実例
　5.1 SiCバルクウェーハ品質管理
　　5.1.1 SiCバルクウェーハ欠陥と検出事例
　　5.1.2 潜傷の解析結果
　5.2 SiCエピウェーハ品質管理
　　5.2.1 SiCエピウェーハ欠陥の非破壊管理
　　5.2.2 SiCエピウェーハ欠陥分類精度向上
6 おわりに

第4節　カソードルミネッセンス　-発光変化を利用した欠陥とスクラッチと潜傷の検出-
1 カソードルミネッセンス（Cathodoluminescence：CL）とは
2 CLの原理
3 CL測定装置について
　3.1 励起源
　3.2 集光系
　3.3 分光系
　3.4 検出系
　3.5 制御・データ処理系
4 化合物半導体のCL評価
　4.1 GaN/エピ基板の欠陥評価
　4.2 InP基板表面のダメージ誘起の発光中心の観察
　4.3 LEDデバイス（GaN）の評価
5 化合物半導体基板のCL評価
6 おわりに

第5節　多光子顕微鏡　-発光効率変化を利用した欠陥とスクラッチと潜傷の3次元検出-
1 多光子励起顕微鏡とは
2 ワイドバンドギャップ半導体への応用
3 加工導入欠陥の検出
　3.1 スクラッチの検出
　3.2 加工変質層厚推定のためのモデル実験

第6節　ラマン分光　-ラマンシフトを利用した応力計測と分布評価-
1 概要
2 レーザーラマン顕微鏡の原理と加工プロセス評価時の要点
　2.1 ラマン分光法の原理
　2.2 応力測定
　2.3 レーザーラマン顕微鏡の原理
3 分析事例と測定の要点
　3.1 SiC加工基板の応力評価
　　3.1.1 SiC基板表面加工プロセスの応力評価事例
　　3.1.2 Z（内部）方向測定の要点
　　3.1.3 レーザー波長と分析深さ
　3.2 ガリウムナイトライド（以下、GaN）加工基板の応力評価
　3.3 Si加工基板の基板全面応力評価
4 まとめ

第7節　X線回折法　-Ｘ線回折の乱れを利用した欠陥と歪の評価-
1 はじめに
2 X線回折法とX線ロッキングカーブ測定法
　2.1 X線回折法の基礎
　2.2 X線ロッキングカーブ測定法とは
　2.3 X線回折測定の際のX線の侵入深さ
　2.4 XRC測定の応用ー格子面の反りの解析
　2.5 単結晶基板表面の加工層の評価
3 X線トポグラフ法（XRT）
4 まとめ

第8節　電子線後方散乱回折　-電子線回折の乱れを利用した歪の計測と分布評価-
1 EBSD
　1.1 加工影響層
　　1.1.1 機械加工による影響
　　1.1.2 結晶歪みとその問題点
　1.2 EBSD測定
　　1.2.1 EBSD測定
　　1.2.2 EBSD測定による結晶歪み解析
　　1.2.3 Wilkinson測定
　　1.2.4 試料調製および測定
　　1.2.5 Wilkinson解析結果

第9節　透過型電子顕微鏡　-電子線回折を利用した転位解析-
1 電子顕微鏡解析の意義
2 観察試料の作製方法
3 転位構造の解析手法
　3.1 平行電子線と収束電子線
　3.2 明視野・暗視野法
　3.3 大角度収束電子線回折法
4 GaN結晶中の転位構造解析

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第7章　加工メカニズム解明に向けた取り組み

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第1節　加工中のスラリー挙動（その1）
1 はじめに
2 ウェーハとパッドの接触状態の見える化
3 スラリー挙動の見える化
　3.1 マクロ的視点から
　3.2 ミクロ的視点から

第2節　加工中のスラリー挙動（その2）
1 はじめに
2 可視化観察方法および実験装置
3 実験方法
4 実験結果
　4.1 鉛直断面の可視化観察結果
　4.2 鉛直断面の流速分布解析結果
5 考察
6 おわりに

第3節　両面研磨中のウエハ挙動
1 はじめに
2 ウエハ挙動の解析手法
　2.1 両面研磨プロセス
　2.2 ウエハ回転数の解析手法
3 推定されるウエハ挙動
4 おわりに

第4節　光弾性法による加工ストレスの可視化
1 はじめに
2 光弾性法と位相差分布撮影方法
3 光弾性法を応用した加工現象の可視化事例
　3.1 準静的な二次元切削
　3.2 超音波切削時の応力分布変動の可視化
　3.3 回転工具における応力分布の可視化

第5節　精密研削・精密研磨の加工メカニズム解明を目的とした加工変質層の構造推定
1 はじめに
2 一般的な加工変質層の構造推定方法
3 難加工材基板の加工変質層の構造推定方法～GaN基板を例に
　3.1 CLイメージング法によるGaN基板の観察
　3.2 CMP時間依存CLイメージング法による加工変質層の構造推定
4 おわりに

第6節　研磨プロセスのスマート化を支えるモデルベースシミュレーション
1 緒言
2 研磨プロセスのモデル化
　2.1 半導体CMPのモデルベースシミュレーションの概要
　2.2 機械の運動を考慮したキネマティックモデル
　2.3 研磨効率モデル
　2.4 パラメータ同定
3 検証実験の結果と考察

第7節　研磨プロセスの知能化への挑戦
1 はじめに
2 予測するパラメータと評価方法
3 重回帰分析を用いた予測の方法と結果
4 装置特性を考慮した予測の結果と有効性

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第8章　新加工技術への道

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第1節　真空紫外光援用研磨
1 はじめに
2 真空紫外光援用研磨の開発経緯
3 真空紫外光援用研磨
4 真空紫外光援用研磨によるダイヤモンドの研磨実施例
5 おわりに

第2節　触媒表面基準エッチング（CARE）
1 はじめに
2 基礎概念および加工装置
3 加工特性
　3.1 加工後表面
　3.2 加工速度
4 加工メカニズム
5 加工の効果
6 おわりに

第3節　固体電解質応用電気化学融合研磨
1 はじめに
2 提案するECMPの原理
3 ECMP装置構成
4 研磨特性
　4.1 材料除去速度
　4.2 加工面形状および表面粗さ
5 おわりに

第4節　プラズマＣＭＰ加工技術
1 はじめに
2 プラズマCMP加工法のコンセプト
3 プラズマCMP加工装置
4 プラズマCMPによる各種材料の加工特性
5 おわりに

第5節　ダイラタンシー発現により高能率・高品位加工を両立するスマート加工
1 はじめに
2 スマート加工プロセスを構築する基本コンセプト
　2.1 高剛性高速圧加工装置の基本概念
　2.2 ダイラタンシー・パッドの基本概念
3 ダイラタンシー・パッドの研磨加工性能
　3.1 高加工能率化のメカニズム
　3.2 高品位・低ダメージ加工のメカニズム　
4 スマート加工プロセス
4.1 スマート加工プロセスによる加工時間の短縮
4.2 スマート加工技術の最終品質検証（エピタキシャル成長による評価）
5 スマート加工技術のむすび

第6節　ベルジャー研磨
1 はじめに
2 密閉耐圧チャンバー（Bell-jar）型CMP装置
3 異なる加工雰囲気下での4H-SiCの基本的加工特性
　3.1 実験条件
　3.2 実験結果
4 化学的作用を持つ砥粒と酸化剤による加工レート向上効果
　4.1 KMnO4を添加したMnO2スラリーによる加工レートへの影響
　4.2 填充気体成分比率による加工レートへの影響
5 おわりに

第7節　UV（紫外線）直接照射アシスト研磨
1 はじめに
2 UV照射アシスト研磨と装置構成
3 UV直接照射アシスト研磨の加工特性
4 まとめ

第8節　ガスクラスターイオンビーム（GCIB）加工
1 ガスクラスターイオンビーム（GCIB）について
　1.1 はじめに
　1.2 ガスクラスターイオンビームの照射効果
　1.3 ガスクラスターイオンビーム装置
2 ガスクラスターイオンビームによる加工
　2.1 表面平坦化
　2.2 GCIB照射位置制御を用いたトリミング加工
3 おわりに

第9節　低ダメージ電界ダイヤモンドポリシング技術
1 はじめに
2 高硬質樹脂パッドによるダイヤモンドポリシングの加工特性
　2.1 金属製定盤と高硬質樹脂パッドにおける研磨界面の砥粒挙動
　2.2 高硬質樹脂パッドが加工変質層低減に及ぼす影響
3 電界砥粒制御技術が研磨効率の向上に及ぼす影響
　3.1 遊離砥粒研磨法と電界砥粒制御技術
　3.2 電界研磨装置の構成
　3.3 電界ダイヤモンドポリシングの研磨特性
4 おわりに

第10節　GaN・SiC等に対応した次世代型精密研削・研磨加工技術
1 固定砥粒定盤を用いた化合物半導体の平坦・平滑加工
　1.1 SiCウエハの高能率・高精度加工
　　1.1.1 ラッピング技術と研削技術
　　1.1.2 固定砥粒定盤
　　1.1.3 固定砥粒定盤によるラッピング加工データ
　　1.1.4 固定砥粒定盤による両面ラップ加工
　　1.1.5 固定砥粒定盤による高速ラッピング技術
　　1.1.6 CMP負荷の低減を目指した超微粒子固定砥粒定盤
　1.2 GaNウエハに対する固定砥粒定盤加工
　　1.2.1 GaNウエハのラッピング技術と研削技術
　　1.2.2 固定砥粒定盤によるGaNウエハ加工
　　1.2.3 固定砥粒定盤によるGaNウエハ加工データ
2 遊離砥粒加工と固定砥粒加工