ポイント
- ＳｉＣ、ＧａＮなどのパワー半導体材料は加工が困難なことから、加工プロセスの高速化、低コスト化が普及に向けた課題となっていました。
- ナノファイバー繊維を用いた不織布と高硬度樹脂含浸技術を組み合せ、高研磨レートと低表面粗さ・平坦性を両立する研磨パッドの開発に成功しました。
- 難加工材半導体の生産性が向上することで、省エネルギー効果を有する高機能半導体の普及が加速することが期待されます。
ＪＳＴ（理事長 濵口 道成）は、産学共同実用化開発事業（ＮｅｘＴＥＰ）の開発課題「高生産性精密研磨パッド注１）の開発」の開発結果を成功と認定しました。
この開発課題は、立命館大学 理工学部 谷 泰弘 教授らの研究成果をもとに、平成２５年１０月から平成２９年３月にかけて帝人株式会社（代表取締役社長執行役員 鈴木 純、東京本社住所 東京都千代田区霞が関三丁目２番１号、資本金 ７０８億円）に委託して、同社 高機能繊維・複合材料事業グループ（会社吸収分割により現在は帝人フロンティア株式会社）にて企業化開発を進めていたものです。 ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などは、省エネルギーに資するパワー半導体注２）の材料として期待を集めていますが、例えばＳｉＣの硬度はＳｉ（ケイ素）の約４倍であるなど、化学的・熱的に安定であることから、基板として利用する際の仕上げ加工が極めて難しく（難加工性半導体材料）、加工プロセスの高速化、低コスト化が課題となっています。今回開発した研磨パッドは、高研磨レート注３）と低表面粗さ・平坦性注４）を両立することによりこの課題を解決、省エネルギーに資する高機能パワー半導体の普及に貢献することが期待されます。
＜背景＞
半導体・記録媒体産業を牽引してきた我が国の製造業において、製造コストのさらなる低減は欠かせません。 とりわけＳｉＣ、ＧａＮなどは、省エネルギー化に効果を発揮するパワー半導体の材料として大いに期待されていますが、例えばＳｉＣの硬度はＳｉの約４倍と硬く、またこれらの材料は化学的・熱的に安定であるため、基板として利用する際の仕上げ加工が極めて難しく（難加工性半導体材料）、加工プロセスの高速化、低コスト化が課題となっていました。
＜開発内容＞
以下の２つの技術を組み合わせることで、高研磨レートと表面粗さ・平坦性を高水準で両立する研磨パッドの開発を行いました。
- １．繊維表面積が大きく、繊維間空隙数の多いナノファイバー繊維注５）（繊維直径７００ｎｍ）を用いて不織布を作成し、スラリー（研磨剤）の吸込み・付着性を向上させました。ナノファイバーの繊維間で砥粒注６）をキャッチすることで、作用砥粒数が増加し研磨レートが向上しました。またナノファイバーは繊維表面積が大きいことから、大きなゼータ電位注７）をもつため、スラリー中の砥粒の凝集を抑制する効果もあり、表面粗さが向上（ウエハの表面がより滑らかになる）しました。（図１）
- ２．高硬度樹脂を高密度に含浸する技術を確立しました。含浸させる樹脂として、既存樹脂（ウレタン）を用いた研磨パッドの他、次世代樹脂を用いた研磨パッドも開発しました。
＜期待される効果＞
本開発により、難加工材の研磨プロセスの高速化、低コスト化が見込まれます。難加工材半導体の生産性が向上することで、省エネルギー効果を有する高機能半導体の普及が加速することが期待されます。
＜参考図＞
図１ パッド断面（左）、ナノファイバー断面（右）の拡大写真
※パッド断面（左）に見られる繊維状のものはナノファイバー（右）から構成され、その大きな表面積が高効率な研磨を実現します。
図２ ＳｉＣ（Ｓｉ面）研磨評価（実機評価）
※既存樹脂（ウレタン）で従来品より早く同等の滑らかさを実現。
図３ ＳｉＣ（Ｓｉ面）研磨評価（ラボ機評価）
図４ 従来品と開発品により、ほぼ同じ条件でＳｉＣ基板を研磨した時の研磨前後の形状の比較
開発品の方が、より滑らかになり、同時に平坦性が損なわれ難い（ロールオフが少ない）。
図５ 耐久摩耗性評価
＜用語解説＞
- 注１） 研磨パッド
- 半導体デバイスなどの製造プロセスにおいて、超精密平面研磨に使用される数ミリ程度の厚みを有する特殊な布状もしくは板状研磨材料の総称。研磨機の定盤に粘着テープで固定し、研磨剤（スラリー）や薬液を流し掛けながら研磨する。シリコン単結晶ウェハ、化合物半導体ウェハ、ガラスディスク、液晶ディスプレーガラスなどの鏡面研磨、半導体デバイスの多層配線化を行うときの化学機械研磨などに使用される。
- 注２） パワー半導体
- 直流から交流への変換や周波数変数といった電力の制御や供給に用いられる半導体。現在はシリコン（Ｓｉ）単結晶を用いたものが主流だが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶に置き換えると、より薄い厚さで高い耐電圧を得られるため、半導体電力制御装置の電力損失を１／３～１／５にできると考えられている。ＧａＮやＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）も同様に変換効率に優れたパワー半導体材料である。
- 注３） 研磨レート
- 研磨により除去される材料の重量または寸法をさし、単位時間あたりの厚みの減少で表されることが多い。研磨効率ともいう。
- 注４） 平坦性
- ウェハ面が鏡面均一に加工されて、ロールオフ（ロールオフ＝縁ダレ）やうねりなどの加工歪のない状態。面全体を干渉顕微鏡で測定する。厚みの差異が小さいことが望ましい。
- 注５） ナノファイバー
- 繊維直径が１μｍ以下の極細繊維の総称。繊維径が細いことにより、表面積や接触点数が増えることで、摩擦係数が高く、また滑り止め性能も高く、熱線（波長２μ）を反射による遮熱性の発現や、フィルター性能など、極細化により繊維と膜の中間的な機能を発現する材料として２０００年ごろから研究・商品化が進んだ素材。
- 注６） 砥粒
- 精密研磨に用いられるコロイダルシリカ、微粒子アルミナ、酸化セリウム、ダイヤモンドなどの微粒子。それらを分散剤により水に均一分散させたものが研磨スラリーと呼ばれる。
- 注７） ゼータ電位
- 水分散系材料の表面電荷を表す。分散状態の維持には表面電荷反発を利用する。ゼータ電位が大きいことは、良好な分散状態を意味する。
＜お問い合わせ先＞
＜開発内容に関すること＞
帝人フロンティア株式会社 ノンウーブンソリューション部 機能不織布・製品課
〒530-8605 大阪府大阪市北区中之島三丁目２番４号
篠原 昌宏（シノハラ マサヒロ）
Tel：06-6233-3822
E-mail：
＜報道担当＞
帝人株式会社 コーポレートコミュニケーション部
〒100－8585 東京都千代田区霞が関３－２－１ 霞が関コモンゲート西館３０階
Tel：03-3506-4055 Fax：03－3506－4150
E-mail：
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
科学技術振興機構 産学共同開発部
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
大竹 利也（オオタケ トシヤ）、関谷 亮英（セキヤ アキヒデ）
Tel：03-5214-8995 Fax：03-5214-0017
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