難加工材料におけるハイブリッド研磨微粒子の最適構造に関する研究 化学的作用と機械的作用に関する考察

摘要

近年，電気自動車，LED照明など普及に伴い，電力損失の低減が期待できることからパワー半導体の需要が増加している.パワー半導体の全体の課題としては，生産性の向上や電力効率の改善である.特にパワー半導体で使用する基板はサファイアやSiC,そしてダイヤモンドと高硬度かつ化学的に安定なため従来の研磨技術では高効率に研磨することは困難であった.そのため，これらの基板を無欠陥の状態で原子レベルでの超平坦面を高効率に研磨可能な新規研磨技術に関する多くの研究が精力的に行われてきた.例えばプラズマや紫外線を援用した高効率研磨技術や，触媒基準エッチング法（CARE)による原子レベルの平坦面の形成が挙げられる.一方，研磨材に関してはカーボンオニオンを研磨微粒子として適用した研究が報告されているが実用化には至っていない.近年，我々は水酸基数の平均値が10の水酸化フラーレンを既存のスラリーに混合したところ，サファイアの研磨効率が向上することを見出した.ここでは動的光散乱や透過型電子顕微強の結果よりコロイダルシリカ微粒子の周辺に水酸化フラーレンが吸着していることを確認している.一般的にC_(60) 固体はレーザ照射や高温高圧処理によりC_(60)分子同士が共有結合してC_(60)ポリマーなどの新炭素相の形成することが知られている.これまでの研究で水酸化フラーレンを吸着した複合微粒子に紫外線を照射したところ，サファイアCMPの材料除去レートは向上した.ここでは，水酸化フラーレンのようなナノ微粒子がコァ粒子上に吸着·付着や反応により研磨性能の向上が期待できることから，コア粒子とナノ微粒子で形成される複合微粒子を総称してハイブリット研磨微粒子と記述する.このハイブリッド研磨微粒子は水酸化フラーレンのほか4nm程度のコロイダルシリカ微粒子でも形成される.コロイダルシリカの場合，20nm未満の領域で化学的作用が支配的になるため材料除去レートが特異的に上昇する.このサイズ領域のコロイダルシリカ微粒子がコア微粒子に付着した際，ナノ粒子の特異性を反映してサファイアCMPの材料除去レートの向上とともに表面粗さの低減が実現可能となる.そのため本研究ではFigure1に示すようにナノ微粒子の種類や付着量や，吸着·付着したナノ粒子を物質変換することで研磨対象物に最適な研磨特性を有するハイブリッド研磨微粒子を形成させることを目指している.ハイブリッド研磨微粒子のパラメータとしてはコア粒子による全体の粒子径，そしてナノ粒子の特異性などによる反応性，さらに硬度である.このパラメータを独立に制御することで，単一微粒子のみで機械的作用や化学的作用など制御可能な微粒子設計の実現させることが期待できる.本研究ではこれまで行ってきた研究内容に基づき，ハイブリッド研磨微粒子におけるパラメータの妥当性について検証をするとともに，ナノ微粒子の特異性を反映したハイブリッド研磨粒子の優位性について考察する.