電界援用による新たな硬脆材料 向け研磨システムの開発 ·...

電界援用による新たな硬脆材料向け研磨システムの開発

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秋田工業高等専門学校 機械工学科

教授 池田 洋

平成28年12月20日JST東京本部別館ホール

＜共同研究機関＞

秋田県産業技術センター

レアアース(希土類元素）の例と主な用途①（Ce）→液晶ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ・HDDｶﾞﾗｽﾃﾞｨｽｸ用研磨材など②（W）→超硬工具の材料③（In）→液晶テレビ・PC等などの表示部

レアアース(希土類元素）の例と主な用途①（Ce）→液晶ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ・HDDｶﾞﾗｽﾃﾞｨｽｸ用研磨材など②（W）→超硬工具の材料③（In）→液晶テレビ・PC等などの表示部

ハイテク製品の製造に必要不可欠なレアアース(希土類元素）の世界的な需要拡大

ｶﾞﾗｽの高効率研磨技術を開発し、酸化ｾﾘｳﾑ砥粒の使用量削減を図る

→電界ｽﾗﾘｰ制御技術の開発

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限りある地球資源レアアースの使用効率を向上

研究背景① 「希少金属の使用量削減」

本研究の目的①

※NEDO希少金属代替材料開発プロジェクト（Ce）「精密研磨向けセリウム使用量低減技術開発及び代替材料開発」にて実施

(平成21～24年度）

※NEDO希少金属代替材料開発プロジェクト（Ce）「精密研磨向けセリウム使用量低減技術開発及び代替材料開発」にて実施

(平成21～24年度）

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半導体製造プロセス（シリコンの例）

□パワーデバイスを中心に，SiCを使った次世代半導体への置き換えが加速→難加工性材料で基板加工に長時間

□スマホなど電子デバイスの市場投入サイクルの短縮化

電子デバイス搭載

製品化

研磨プロセスの高効率化

高効率CMP技術の創出

半導体製造リードタイム短縮

電子デバイスの工期短縮+製造コスト削減

本研究の目的②

電子デバイス・半導体製造のリードタイム短縮化・製造コスト削減が必要不可欠

研究背景② 「半導体基板の高効率研磨」

エネルギー利用効率の向上に向け，電気エネルギー制御・変換用パワー半導体デバイスに飛躍的な性能向上が求められている．

Siパワー半導体からSiCパワー半導体への置き換えが加速

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基板加工技術の高度化→・ＳｉＣ基板は化学的，機械的に安定な難加工材料・基板加工工程が製造コストの上昇の一因．

基板材料 ガラス基板 Si ｻﾌｧｲｱ SiC

研磨速度 1 1 1/40 1/5000

基板材料の相対研磨速度（Si=1)（CMP)

切断工程

研磨工程

研削工程

外周形成ｲﾝｺﾞｯﾄ ｳｴﾊｰ

研磨工程

電界ｽﾗﾘｰ制御技術を導入したSiC基板向け高速ＣＭＰ技術を開発→加工時間の短縮，加工コスト低減本研究の目的②

研究背景② 「半導体基板の高効率研磨」

CMP（Chemical Mechanical Polishing ）1960年代後半に半導体シリコンの超精密加工プロセスとして適用されたことを起源

①遊離砥粒研磨技術を原理とする平坦化加工方法②化学反応，及び機械的除去作用を複合化させた研磨法

工作物（研磨試料）

ポリシングパッド

スラリー

研磨荷重研磨ヘッド

定盤

回転方向

ワークホルダー

・長所：高品位な仕上がり

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スラリー飛散

・短所：スラリー使用効率が低い

ＣＭＰ技術とは

AC

シリコンオイルにダイヤモンドパウダーを分散させたスラリーの電界印加挙動

2.0kV , 1.0Hz

1mm

電極

電界

吸引力

AC

吸引力電極

電界

砥粒(ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ):誘電率6

絶縁流体(ｼﾘｺﾝｵｲﾙ):誘電率2.5

誘電率に差

往復運動

砥粒に作用する吸引力

→砥粒の飛散抑制効果

電界砥粒制御技術（ｵｲﾙﾍﾞｰｽ・ｽﾗﾘｰ向け）

・発明の名称：粒子分散型誘電流体を用いた加工法・登録番号：特許第３５９５２１９ (平16.9.10) ・出願人：秋田県 ・発明者：赤上陽一 6

電界砥粒制御技術 電界ｽﾗﾘｰ制御技術

工作物 金属（導電性材料） ｶﾞﾗｽ基板・ｳｴﾊｰ

使用スラリー

溶媒【誘電率】

絶縁性オイル【2.5】

水【80】

砥粒【誘電率】

ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞなど【6】

酸化ｾﾘｳﾑ・ｼﾘｶ【3~6】

電界が主に作用する物質 砥粒 主に溶媒（水）

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電界印加により、スラリーへ吸引力が作用

→スラリーの飛散抑制研磨効率の向上

ｶﾞﾗｽ・半導体基板向け電界制御技術の開発

HVPadCCD

insulator

electrode

electrode

ＧＡＰ=6mm

Φ20mm

Slurry

Pad:Insulationmaterial

8

電界制御によるスラリー挙動

Oscilloscope

Functiongenerator

High voltageamp.

Voltage

Time

ｽﾗﾘｰ液滴の挙動→電界による吸引作用を確認

電極

電極・定盤

研磨パッド

工作物

研磨ヘッド試料固定プレート

スラリー

研磨加工部断面図

電界を印加することによって，研磨界面のスラリー分布を向上

→研磨効率向上 ・ 工作物の表面品位向上

遠心力吸引力

流入

電極

排出

電界ON

吸引力

電界印加時のスラリーの流れ

定盤

H.V(AC.)

9

スラリー挙動観察実験方法

Slurry droppingposition

15m

m

160m

m

800min-1 80min-1

100m

m

Slurry

High-speedcamera

Electronic field

generation system

スラリー挙動観察実験装置

10

スラリー流れ画像解析

Polishing head

Platen withelectrode

Work piece(ITO glass)

研磨界面のスラリー流れ解析

High speed camera

Upper platen

Lower Platen

Electronic field generation system

スラリー挙動観察実験の様子

研磨界面のスラリー流れ解析

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0secEdge of grass plate

Edge of platen

ハイスピードカメラで連続撮影

スラリー滴下スラリー滴下

スラリー流れ画像解析→MTI（Moving Target Indicator）処理を導入・移動物体の軌跡を高精度に検出し，数値化．スラリー流れ軌跡，分布の解析に応用．

MTI処理

・スラリー：白色・背景 ：黒色工作物

（ＩＴＯｶﾞﾗｽ)工作物（ＩＴＯｶﾞﾗｽ)

定盤&電極定盤&電極

スラリー流れ画像解析方法

研磨界面のスラリー流れ解析

12

無電界 電界印加

電界有無における研磨界面へのスラリー流入比較

電界印加によりスラリー飛散が抑制される

流入後 0.15sec

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研磨界面のスラリー流れ解析

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

500

1000

1500

2000

2500

Time sec

Slur

ry d

istri

butio

n ar

ea m

m2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

500

1000

1500

2000

2500

Time sec

Slur

ry d

istri

butio

n ar

ea m

m2

Dropping position

Edge of grass plate

Edge of platenSlurry

無電界 電界印加

経過時間とスラリー分布面積の関係 経過時間とスラリー分布面積の関係

電界を印加することにより，スラリー分布面積が増加→良好な研磨特性が得られる可能性

3kV/32Hz

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電界印加有無によるスラリー分布面積の比較

(a) E = 0 V

(b) E = 1 kV

(c) E = 2 kV

(d) E = 3 kV

Edge of grass plate

Edge of platen

Slurry

Dropping position

Upper platen

Lower platen

印加電圧がスラリー分布に及ぼす影響

電圧の増大にともなって，スラリー分布面積が増加→電界印加による研磨速度向上に期待

15

16

10mm

Work piece(ITO glass)

Platen

Slurry

(a)No electric field

Edge of work pieceSlurry

Dropping position

Edge of platen

(b)8Hz

(c)24Hz

(d)32Hz

(e)40Hz

周波数変化にともなうスラリー分布面積・研磨レートの増減傾向が同じ

→分布面積は研磨レートに大きく影響→最適な周波数の存在

印加周波数におけるスラリー分布と研磨速度の関係

印加電圧と研磨レートとの関係

・砥粒濃度1wt%、5wt%共、電界強度の増大に伴い研磨レート向上・1wt%の低濃度ｽﾗﾘｰに電界を印加することにより5wt%と同等の研磨レート→電界印加により80％砥粒使用量削減 17

0 1 2 31.6

1.8

2

2.2

2.4

Voltage kV

Rem

oval

rate

m/m

in5wt%

1wt%

Conventional CMP : 0.9μm/min

スラリー濃度における電圧と研磨レートの関係

・砥粒：酸化ｾﾘｳﾑ(平均粒径0.5μm）

・研磨ﾍｯﾄﾞ回転速度：

800min-1

500 1000 1500 200000.30.60.91.21.51.82.12.4

Processing time , min

Polis

hing

rate

,

m/m

in

400min

1300min

Av.1.84

Av.1.6

電界無し

電界有り

電界印加によりスラリーの寿命は3倍程度となる

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スラリーの連続使用における研磨レートの変化(寿命評価）

・砥粒：酸化ｾﾘｳﾑ(平均粒径0.5μm）

※リサイクル使用

・研磨ﾍｯﾄﾞ回転速度：

800min-1

0 1 2 3 4

0.18

0.2

0.22

0.24

Rem

oval

am

ount

mg/

h

Voltage kV

19

印加電圧と研磨除去量の関係

電圧の上昇に伴って研磨除去量が増加→電界印加が研磨除去速度向上に効果的に作用

SiC基板の研磨特性

・試料：2ｲﾝﾁ 4H-SiCｳｴﾊ

・ｽﾗﾘｰ：ｺﾛｲﾀﾞﾙｼﾘｶ系（Compol80，40wt%)

・研磨ﾍｯﾄﾞ回転速度：

100min-1

20

0 20 40 600.1

0.15

0.2

0.25

0.3R

emov

al a

mou

nt m

g/h

Frequency Hz

Removal rate (with electric field) Removal rate (non electric field)

50% Up

印加周波数と研磨除去量の関係

E=4kV

研磨レートには周波数依存性がある→最大で50％除去量が増加

SiC基板の研磨特性

・試料：2ｲﾝﾁ 4H-SiCｳｴﾊ

・ｽﾗﾘｰ：ｺﾛｲﾀﾞﾙｼﾘｶ系（Compol80，40wt%)

・研磨ﾍｯﾄﾞ回転速度：

100min-1

研磨パッド

工作物

研磨ヘッド試料固定プレート

スラリー

研磨加工部断面図

電界スラリー制御技術

研磨界面のスラリー分布を向上

→研磨効率向上

電界スラリー活性化技術の概要

定盤

H.V(AC.)

電極

電極

電界スラリー活性化技術

ｽﾗﾘｰが有する電気的特性を変化

①砥粒の凝集抑制 ②化学反応促進

→研磨効率向上・導入ｺｽﾄ低減

スラリーへ電界を印加「電界活性化ノズル」

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電界活性化ノズル

片面研磨機への電界活性化ノズル装着状態

電界スラリー活性化技術の装置展開

電界活性化ノズル

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印加周波数の増加にともない，砥粒のゼータ電位が低下砥粒の凝集を抑制→研磨レート向上に期待

電界活性化ノズルによるスラリーへの影響

0 20 40 609.5

10

10.5

11

-70

-60

-50

-40 pH Zeta Potential

Frequency Hz

pH

Zeta

Pot

entia

l m

V

周波数とスラリーpH・ｾﾞｰﾀ電位の関係

測定

スラリー電界印加ノズル

23

0 20 40 609

9.5

10

10.5

-70

-60

-50

-40 Removal amount Zeta Potential

Frequency Hz

Rem

oval

am

ount

mg

Zeta

Pot

entia

l m

V

ゼータ電位低下に伴い，研磨レート向上→砥粒の分散性向上が要因

電界活性化スラリーの研磨速度への影響

周波数と試料除去量の関係

11%向上

24

25

-60-55-50-45

9

10

11

Zeta Potential mV

Rem

oval

am

ount

mg

砥粒のゼータ電位と研磨速度の相関性を確認→電界スラリー活性化技術によるゼータ電位制御によって研磨速度向上に期待できる

電界活性化スラリーの研磨速度への影響本実験におけるｾﾞｰﾀ電位と除去量の関係

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想定される用途

ガラス基板，半導体基板の高効率CMPラッピング研磨，研削加工の高効率化各種レンズの高効率研磨 など

実用化に向けた課題

市販装置における電界スラリー制御技術の研磨特性（ﾃﾞｰﾀの蓄積）

様々な材料において良好な研磨特性を示す最適な電界条件の解明．

企業への期待

本技術の実用化に向けて，様々な応用範囲を探っている．この技術を活用できる分野を提案いただき，共同研究できる環境を整えたい．

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本技術に関する知的財産権

・発明の名称：粒子分散型誘電流体を用いた加工法・出願番号：特願平11-293558（特許第3595219号）・出願人：秋田県・発明者：赤上陽一

・発明の名称：電界下における誘電性砥粒を水に分散させた流体を用いた仕上げ方法及び仕上げ装置

・出願番号：特願2006-326935（特許第4783719号）・出願人：秋田県・発明者：赤上陽一

・発明の名称：平面トライボ研磨方法、およびその装置・出願番号：特願2010-227347・出願人：秋田県，株式会社小林機械製作所・発明者：赤上陽一，池田洋，久住孝幸，森十九男，川瀬恵嗣，谷口智洋

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お問い合わせ先

国立高専機構 秋田工業高等専門学校

・企画室

ＴＥＬ ０１８－８４７ － ６１０６

ＦＡＸ ０１８－８５７ － ３１９１

e-mail kikaku＠akita-nct.ac.jp

・機械工学科 教授 池田 洋

ＴＥＬ ０１８－８４７ － ６０３１

e-mail ikeda@akita-nct.ac.jp