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明細書 :加工装置および加工方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5315573号 (P5315573)
公開番号 特開2009-099609 (P2009-099609A)
登録日 平成25年7月19日(2013.7.19)
発行日 平成25年10月16日(2013.10.16)
公開日 平成21年5月7日(2009.5.7)
発明の名称または考案の名称 加工装置および加工方法
国際特許分類 H01L  21/304       (2006.01)
B23H   9/00        (2006.01)
FI H01L 21/304 611W
B23H 9/00 Z
H01L 21/304 622W
H01L 21/304 622C
請求項の数または発明の数 8
全頁数 9
出願番号 特願2007-266987 (P2007-266987)
出願日 平成19年10月12日(2007.10.12)
審査請求日 平成22年10月5日(2010.10.5)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504159235
【氏名又は名称】国立大学法人 熊本大学
発明者または考案者 【氏名】久保田 章亀
個別代理人の代理人 【識別番号】100098785、【弁理士】、【氏名又は名称】藤島 洋一郎
【識別番号】100109656、【弁理士】、【氏名又は名称】三反崎 泰司
審査官 【審査官】西中村 健一
参考文献・文献 特開2008-243838(JP,A)
特開2006-114632(JP,A)
特開2002-299294(JP,A)
特開2001-205555(JP,A)
特開2004-327952(JP,A)
特開平07-078801(JP,A)
特開2006-231517(JP,A)
特開2007-283410(JP,A)
特開2008-136983(JP,A)
特開2008-121099(JP,A)
特開2008-071857(JP,A)
調査した分野 H01L 21/301、304、306
B23H 9/00
B26D 5/00- 5/04
B24B 27/06
B24B 37/00
特許請求の範囲 【請求項1】
被加工物を保持する保持台と、
遷移金属により形成されると共に、前記被加工物の表面に接触または極接近されるブレード状の加工部材と、
前記加工部材の前記被加工物との対向部分に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記加工部材を保持すると共に、前記加工部材を前記被加工物に対し、前記加工部材の長手方向に沿って相対的に往復移動させる駆動手段とを備え、
前記被加工物を切断し、あるいは前記被加工物に溝を形成するものであり、
前記酸化剤はH2 2 (過酸化水素)であり、
前記加工部材は、Fe(鉄),Ni(ニッケル),Co(コバルト),Cu(銅),Cr(クロム)およびTi(チタン)のうちの少なくとも1種により形成され、かつ
前記被加工物は、結晶性SiC、焼結SiC、GaN、AlN、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンドのうちのいずれか1種からなる
ことを特徴とする加工装置。
【請求項2】
酸化剤を含む溶液を収容した容器を備えると共に、
前記容器内において、前記加工部材による被加工物の切断あるいは溝形成を行う
ことを特徴とする請求項1に記載の加工装置。
【請求項3】
前記加工部材がFeにより形成され、かつ前記被加工物がSiC基板またはGaN基板である
ことを特徴とする請求項1に記載の加工装置
【請求項4】
前記加工部材に電流を流しつつ、前記加工部材を往復移動させる
ことを特徴とする請求項1に記載の加工装置。
【請求項5】
被加工物の表面に、遷移金属により形成されたブレード状の加工部材を接触または極接近させると共に、前記加工部材の前記被加工物との対向部分に酸化剤を供給し、かつ前記加工部材を前記被加工物に対し、前記加工部材の長手方向に沿って相対的に往復移動させることにより、前記被加工物を切断し、あるいは前記被加工物に溝を形成する方法であり、
前記酸化剤はH2 2 (過酸化水素)であり、
前記加工部材は、Fe(鉄),Ni(ニッケル),Co(コバルト),Cu(銅),Cr(クロム)およびTi(チタン)のうちの少なくとも1種により形成され、かつ
前記被加工物は、結晶性SiC、焼結SiC、GaN、AlN、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンドのうちのいずれか1種からなる
ことを特徴とする加工方法。
【請求項6】
前記被加工物の切断または溝形成を、酸化剤の溶液中において行う
ことを特徴とする請求項5に記載の加工方法。
【請求項7】
記加工部材がFeにより形成され、かつ前記被加工物がSiC基板またはGaN基板である
ことを特徴とする請求項5に記載の加工方法。
【請求項8】
前記加工部材に電流を流しつつ前記加工部材を往復移動させる
ことを特徴とする請求項5に記載の加工方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、SiC(炭化珪素),GaN(窒化ガリウム)などの難加工物の切断あるいは溝形成に好適な加工装置および加工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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SiC単結晶が注目され、Si(シリコン)の性能を超えるSiC素子の実用化の研究が行われている。このSiCは、結晶インゴットをスライスし、ウエハ化したのち、機械研磨、化学研磨が行われて、その表面が作製される。しかし、SiCは化学的に安定であり、かつダイヤモンドに次ぐ硬度を有するため、加工が非常に困難であり、従来のシリコン加工技術のそのまま適用することが困難である。
【0003】
従来、SiCの切断加工技術としては、例えば特許文献1,2に開示されているようなメタルボンド砥石やダイヤモンドブレードソー等を用いる方法がある。

【特許文献1】特開2000-79561号公報
【特許文献2】特開2002-254283公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来技術のようなダイヤモンドブレードソー等を用いた切断工程では、結晶格子にダメージを与えてしまい、平滑な切断面を得ることが困難であった。そのため、結晶欠陥の導入を抑制し、超精密にSiCを切断加工することのできる方法が望まれている。これはインゴットのスライスに限らず、ウエハ化した後、素子分離を行う際の切断加工においても同様である。更に、ウエハ表面に微細な溝を形成する際に、溝の内面を十分に平滑化することは困難であった。なお、このような問題はSiCに限らず、GaN、サファイアなどの素材についても同様である。
【0005】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、SiCやGaN等の難加工物に対してダメージの導入を抑制しながら、平滑に切断し、あるいは平滑な溝を形成することの可能な加工装置および加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の加工装置は、被加工物を保持する保持台と、遷移金属により形成されると共に、被加工物の表面に接触または極接近されるブレード状の加工部材と、加工部材の被加工物との対向部分に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、加工部材を保持すると共に、加工部材を被加工物に対し、加工部材の長手方向に沿って相対的に往復移動させる駆動手段とを備え、被加工物を切断し、あるいは被加工物に溝を形成するものであり、酸化剤はH2 2 (過酸化水素)であり、加工部材は、Fe(鉄),Ni(ニッケル),Co(コバルト),Cu(銅),Cr(クロム)およびTi(チタン)のうちの少なくとも1種により形成され、かつ被加工物は、結晶性SiC、焼結SiC、GaN、AlN、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンドのうちのいずれか1種からなる。
【0007】
また、本発明の加工方法は、具体的には、被加工物の表面に、遷移金属により形成されたブレード状の加工部材を接触または極接近させると共に、加工部材の被加工物との対向部分に酸化剤を供給し、かつ加工部材を被加工物に対し、加工部材の長手方向に沿って相対的に往復移動させることにより、被加工物を平滑に切断し、あるいは被加工物に平滑な溝を形成する方法であり、酸化剤はH2 2 (過酸化水素)であり、加工部材は、Fe(鉄),Ni(ニッケル),Co(コバルト),Cu(銅),Cr(クロム)およびTi(チタン)のうちの少なくとも1種により形成され、かつ被加工物は、結晶性SiC、焼結SiC、GaN、AlN、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンドのうちのいずれか1種からなる。
【0008】
本発明の加工装置または加工方法では、上記加工を酸化剤を含む溶液中で行うことが好ましく、また、酸化剤としてはH2 2 (過酸化水素)、加工部材としては、Fe(鉄),Ni(ニッケル),Co(コバルト),Cu(銅),Cr(クロム)およびTi(チタン)のうちの少なくとも1種により形成されていることが好ましい。
【0009】
また、被加工物としては、結晶性SiC、焼結SiC、GaN、サファイヤ、ルビーまたはダイヤモンド等を用いることができる。特に、酸化剤がH2 2 であると共に、加工部材がFeにより形成され、かつ被加工物がSiC基板またはGaN基板である態様が好ましい。
【0010】
また、加工部材に電流を供給しつつ、上記加工を行うようにしてもよい。
【0011】
本発明の加工装置または加工方法では、酸化剤が加工部材を構成する遷移金属を触媒として酸化力の強い活性種を生成し、この活性種に被加工物が接触または極接近することで、被加工物の表面にある表面原子が酸化される。そして、この酸化された表面原子が加工部材の往復移動に伴い除去または溶出されることによって、被加工物が切断、あるいは被加工物に溝が形成される。
【発明の効果】
【0012】
本発明の加工装置または加工方法によれば、被加工物の表面に遷移金属からなる加工部材を接触または極接近させて往復移動させると共に、加工部材の被加工物との対向部分を含む領域に酸化剤を供給するようにしたので、砥粒や研磨剤を用いることなく、化学的な方法によって切断あるいは溝形成を行うことができる。よって、加工面へのダメージの導入を抑制することができる。また、被加工物は加工部材を接触または極接近させた間のみ加工され、その加工領域も加工部材が接触または極接近した領域のみに限られるため、加工制御が容易になり、高精度に、平滑な切断面を形成し、あるいは平滑な内面を有する溝を形成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の一実施の形態に係る加工装置の全体構成を表すものである。加工装置1は、酸化剤の溶液11aを収容した容器11を備えている。容器11の底部には保持台12が設けられ、この保持台12上に被加工物13を保持するようになっている。保持台12の上方には加工ヘッド14が配置されており、この加工ヘッド14の先端部分には遷移金属により形成されたブレード(加工部材)15が保持されている。加工ヘッド14は、図示しない駆動機構によってブレード15を被加工物13に接触または極接近させた状態で、図に矢印で示した方向(縦方向)に往復移動させることができ、これにより被加工物13を任意の位置で切断、あるいは被加工物13の任意の位置に溝を形成できるようになっている。
【0015】
容器11は例えばフッ素樹脂や塩化ビニル樹脂などの耐薬品性に優れた樹脂系材料により形成されている。容器11に収容される酸化剤は、ブレード15を構成する遷移金属を触媒としたレドックス反応により、被加工物13を切断等するための活性種を生成するものである。酸化剤としては、例えば過酸化水素水(H2 2 )が用いられるが、被加工物、触媒および加工条件等の組合せにより種々の材料に変更可能である。
【0016】
遷移金属からなるブレード15は、上述の通り酸化剤をレドックス分解するための触媒として働くものであり、例えばFe(鉄)により構成されている。なお、その他、Ni(ニッケル),Co(コバルト),Cu(銅),Cr(クロム)またはTi(チタン)などを用いることもできる。
【0017】
被加工物13は例えば結晶性のあるいは焼結SiC基板であるが、その他、GaN,AlN,ダイヤモンド,サファイヤおよびルビー等からなるものでもよい。また、その形状は板状に限らず、インゴット状等、任意である。
【0018】
次に、図2を参照して加工装置1の作用について説明する。なお、本発明の加工方法については、この加工装置1の作用に具現化されているので、その説明は省略する。
【0019】
まず、図2(A)に示したように、酸化剤の溶液が収容された容器11内に被加工物13を配置すると共に、ブレード15を有する加工ヘッド14を浸漬させる。これによりブレード15を構成する触媒金属と酸化剤が反応し、このブレード15の表面に活性種16が生成される。具体的には、下記化学構造式1,2に示したように、酸化剤(H2 2 )はブレード15を構成する遷移金属(Fe2+)を触媒としてフェントン(Fenton)反応を生じ、活性種としてOHラジカル(OH・;ヒドロキシルラジカル)を生成する。すなわち、ハーバー-ワイス(Harber-Waiss)機構によるH2 2 の分解であり、低原子価の遷移金属(Fe2+,Ti3+,Cr2+,Cu+等)による一電子還元によりOHラジカルが生成される。OHラジカルは、寿命は短いが、非常に強い酸化力を有する。
【0020】
【化1】
JP0005315573B2_000002t.gif

【0021】
【化2】
JP0005315573B2_000003t.gif

【0022】
次いで、図2(B)に示したように、ブレード15を被加工物13に接触または極接近させると共に往復移動させる。このとき、ブレード15と近接した領域における被加工物13の表面にある表面原子(SiC)17が酸化される。具体的には、下記化学式3に示したように、活性種16(OH・)および酸化剤中の溶存酸素(O2 )が被加工物13の表面原子17を酸化し、酸化物18(SiO2 )を生成し、この酸化物18が除去または溶出される。そして、新しい被加工面が出現し、加工が進む。すなわち、被加工物13は、ブレード15と近接すると、このブレード15と接近した領域において優先的に加工され、ブレード15の往復移動に伴って、図3(A)に示したように平滑に切断、あるいは図3(B)に示したように溝13aが形成される。このとき、ブレード15を往復速度を高めることによって加工速度を高速化することができる。なお、酸化剤の溶液中には、上記活性種や酸化物の他、未反応の酸化剤分子19と酸化剤分子が解離して活性種16が生じた残余分子20が残存する。
【0023】
【化3】
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【0024】
切断または溝形成が完了すると、図2(C)に示したようにブレード15を被加工物13から離間させる。このとき上記したように酸化物18は被加工物13の被加工面から除去されている。また、未反応の活性種16は上記残余分子20と結合して不活性化する。そのため、ブレード15が極接近している間のみ被加工物13は酸化され、ブレード15を被加工物13から離間したときには被加工物13は酸化されない。すなわち、被加工物13の加工はブレード15と接触または極接近しているときのみ行われるので、切断あるいは溝形成の制御を容易に行うことができる。
【0025】
このように本実施の形態では、酸化剤および遷移金属(ブレード15)により生成される活性種16を用いて化学的に加工するようにしたので、砥粒や研磨材を用いることなく、SiC等の難加工物を高精度に切断し、あるいは溝を形成することができる。
【0026】
また、ブレード15と近接した領域においてのみ化学的反応が生じることから、微細な溝のパターン形成を容易に行うことができる。さらに、ブレード15と被加工物13とが近接した間においてのみ上記化学的反応が生じることから、切断または溝形成等の加工量の制御を容易に行うことができる。
【0027】
より詳細には、本実施の形態の方法は触媒支援による化学加工法であり、基準面(触媒)上でのみ反応種が作られ、基準面から離れると反応種は不活性化し、かつ基準面の物性は長時間変化しない、という特徴を有する。このような特徴を有することから、本実施の形態では以下の利点を有する。
【0028】
すなわち、基準面上でのみ反応種が作られるために、従来の化学エッチングとは異なり、被加工物13の表面の面指数に影響されずに加工することが可能になる。また、基準面から離れると反応種が不活性化するために、基準面を転写する加工法となり、原子スケールでの加工が可能となる。更に、基準面の物性が長時間変化しないことから、基準面が転写され加工が進行しても、この基準面の表面は変化しない。このようなことから、本実施の形態では、効率的に、超精密な溝を形成することができ、あるいは平滑な切断面を得ることができる。
【0029】
特に、被加工物13がSiC基板であり、酸化剤をH2 2 とした場合には、ブレード15をFeとすると、他の遷移金属の場合よりもより多くのラジカルが生成され、より効率的に加工することができる。
【実施例】
【0030】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
【0031】
(実施例1)
実施例1として、図1に示したFeからなるブレード15による単結晶SiCを切断加工した。まず、保持台13の上面に試料として単結晶SiCウェハを固定し、このSiCウェハにブレード15が対向するよう加工ヘッド14を配置すると共に、容器11内を濃度30%のH2 2 で満たした。続いて、加工ヘッド14をモータを用いてSiCウェハ面に対して水平に往復運動させ、SiCウェハの切断を行った。このとき、加工部には常に新しいH2 2 を供給するようにした。加工条件は以下のとおりである。
条件
溶液(濃度) :H2 2 (原液(30%))
触媒(純度) :Fe(99.5%)
被加工物 :4H-SiC(Si)面
走査速度 :5mm/s
荷重 :200g



【0032】
(比較例1,2)
比較例1では、所定の条件により、ダイヤモンドブレードによる切断実験を行った。また、比較例2には市販されている基板を用いた。
【0033】
図4(A),(B)はそれぞれ実験後の切断面を表す図である。図4(A)はFeブレードを用いた実施例の場合、図4(B)はダイヤモンドブレードを用いた比較例1の場合の切断面をそれぞれ表している。
【0034】
ダイヤモンドブレードを用いた場合(図4(B))では、切断面がダメージを受け、表面に凹凸を有している。これに対して、本実施例のFeブレードを用いた場合(図4(A))では、切断面の表面上にクラック・ダメージの痕が見られず、凹凸のない平滑な表面を有していることが分かる。
【0035】
(実施例2)
実施例2として、Feブレードにより単結晶SiCへ溝を形成した。なお、詳細な加工条件は、上記実施例1と同様とした。図5にその結果を示す。
【0036】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態においては触媒金属からなる加工部材としてブレード15を用いるようにしたが、ブレードの代わりにワイヤとしてもよい。加えて、このワイヤに対して、所定の電流を流すようにしてもよく、これにより上記活性種の生成をより効率的に行うことができ、溝の形成等の加工効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の一実施の形態に係る加工装置の概略構成を表す図である。
【図2】図1に示した加工装置の作用を説明するための工程図である。
【図3】被加工物の切断および溝形成状況を表す図である。
【図4】切断実験の結果を表す図である。
【図5】溝形成実験の結果を表す図である。
【符号の説明】
【0038】
1…加工装置、11…容器、12…保持台、13…被加工物、14…加工ヘッド、15…ブレード(加工部材)、16…活性種、17…被加工物13の表面原子、18…酸化物、19…酸化剤分子、20…残余分子。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4