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成果報告書詳細
管理番号20170000000560
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究 窒化ガリウム基板の高平坦・無潜傷・超高速研磨プロセスの研究
公開日2018/3/20
報告書年度2015 - 2016
委託先名株式会社岡本工作機械製作所
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト/窒化ガリウムパワーデバイスの実用化促進等に関する先導研究/窒化ガリウム基板の高平坦・無潜傷・超高速研磨プロセスの研究

低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクトの一環として窒化ガリウムの高平坦・無潜傷・超高速研磨プロセスの研究を特にGa面に対し行った。本業務は、紫外光と強アルカリ機能水雰囲気で窒化ガリウムの表面反応が起こることを発見したことが基になっている。そこで、窒化ガリウム基板の表面がどの紫外領域で反応が起きるのか実験により確かめた。紫外領域は、光の波長帯約400nm以下である。今回の実験では、紫外光のピーク波長が172nmのエキシマ、185/254nmの低圧水銀、254/365nmの高圧水銀、405nmのメタルハライドの4種類で窒化ガリウムの表面反応を確かめた。この中で、最も表面反応が起きた波長は254/365nmで、紫外光を60分照射すると深さ方向に10nmの反応物(GaxOy)を確認した。この確認方法は、□10mmの窒化ガリウムチップを一部分マスキングしシャーレ内に設置し、そのチップが水没するまで強アルカリ機能水を注いだ。紫外光172nm波長で反応が起きなかった要因は、光のエネルギーは最も高いが、水中での光吸収も高い。よって、短い波長帯では反応が起きなかったと言える。以上の結果から、研磨装置に使用する紫外光の波長帯は254/365nmとし、紫外光透過型研磨装置を開発した。なお、研磨装置の定盤は紫外光の透過率が最も良い溶融石英を選択した。
紫外光透過型研磨布は、先に選定した紫外波長265/365nmを使い各種研磨布において透過率を計測した。透過率の測定には、紫外線照度計(ORC製:UV-M03A)を用いた。透過率が最も大きいのは透明ポリウレタン系の研磨布であったが、紫外光を照射すると焼けが発生し茶色く変色するため研磨布に向かないと判断した。PET系とポリアリレート系繊維を編み込んだメッシュタイプ研磨布は、ポリウレタン系に対し比べ透過率は下がるが、紫外光は透過していることを確認できた。
上記選定した254/365nm波長の紫外光ランプとメッシュ系の研磨布を使い、自転と公転を有する小型研磨機で、窒化ガリウム基板の研磨加工実験を行なった。従来研磨との比較ために市販の不織布系研磨布SUBA600を選んだ。研磨に使用するスラリーは、市販のシリカ系を選定し、それを純水、アルカリ水(KOH)、強アルカリ機能水でそれぞれ3倍希釈し研磨布に滴下した。紫外光は研磨機外から斜めに照射し、金属反射を利用してGaN基板に照射した。研磨速度が最も速い条件は、ポリアリレート系のメッシュタイプ研磨布と強アルカリ機能水で希釈した研磨剤の組み合わせで35nm/hを達成した。PET系のメッシュタイプ研磨布は、研磨に耐えうる強度が無く研磨に不向きであることが分かった。
これらの結果を踏まえて、紫外線透過型研磨装置で研磨加工実験を行った。研磨加工速度は、純水希釈で43nm/hと最も速い結果となった。同条件においてN面の加工を行い研磨加工速度を確認した。研磨加工速度は、強アルカリ機能水希釈6012nm/h、純水希釈3290nm/hであり強アルカリ機能水の方が約2倍の加工速度を達成した。但し、N面に関しては紫外線照射効果は見られなかった。
以上の結果から紫外光波長265/365の紫外ランプを照射することで加工速度が速くなることが確認できた。また、紫外光は、反射より加工直下からの照射により加工速度が速くなることが確認できた。ただし、本委託研究で目標としていたGa面の加工速度500nm/minと無潜傷は達成できない結果となる。今回の結果からGa面は非常に化学的に安定していることが確認された。研磨速度を大幅に向上させるためには、Ga面に対し化学的反応速度(エッチング力)を高める他、定盤の高速化による機械的作用を増やすことが必要となる。今後は、本事業終了後も検討・実験を重ねていく予定である。
英文要約As part of the next-generation power electronics project to realize a low-carbon society, research on high flatness, non-subsurface damage and ultra high speed polishing process of gallium nitride (GaN) on Ga surface. This project is based on to find out that surface reaction of GaN occurs in ultraviolet light and strong alkaline functional water atmosphere. In the surface of the GaN wafer, the wavelength at which the surface reaction occurred most was 254/365nm in the alkaline solution, and when irradiated with ultraviolet light for 60minutes, a reactant (GaxOy) having a depth of 10nm was confirmed. From the results, ultraviolet light transmission type polishing machine was developed with the wavelength band of ultraviolet light set at 254/365 nm. Fused quartz was selected as the polishing platen.
For the ultraviolet light transmission type polishing pad, the transmittance was measured in various polishing pad using the ultraviolet wavelength 265/365nm. It is a transparent polyurethane of transmittance largest but was determined not suited to the polishing pad discolored when irradiated with ultraviolet light. Therefore, a mesh type polishing pad knitted with fibers was selected. Although the transmittance to the polyurethane was low, but does not discoloration in this pad.
Using the above selected ultraviolet lamp with wavelength of 254/365nm and mesh type polishing pad, it experimented with polishing on GaN with a small polishing machine with rotation and revolution. For the slurry to be used for polishing, silica type was selected, diluted threefold with pure water, alkaline water (KOH) and strongly alkaline functional water, respectively, and dropped onto the polishing pad. Ultraviolet light was irradiated diagonally from the outside of the polishing machine, and the GaN wafer was irradiated using metal reflection. For the condition with the highest polishing rate, 35nm/h was obtained with an abrasive diluted with strongly alkaline functional water.
Based on these results, a polishing experiment is conducted with an ultraviolet transmission type polishing apparatus. The polishing rate was 43nm/h as the dilution with pure water and the fastest result was obtained. For the polishing rate of the N surface under the same conditions, strong alkaline functional water dilution 6012nm/h, pure water dilution 3290nm/h was obtained.
From the above results, it was confirmed that the processing speed was increased by irradiating with an ultraviolet lamp of ultraviolet light wavelength 265/365nm. However, the processing speed of Ga surface of 500nm/min and non-subsurface damage dose not reached goals in this project. In order to remarkably improve the polishing rate, it is necessary to increase the chemical reaction rate (etching) of the Ga surface, and to increase the mechanical action by increasing the speed of the platen. It will be continue to examination and experiment even after the project is over.
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