大口径ダイヤモンドウエハの超平滑化加工と常温接合に世界で初めて成功 ～EVや高速通信に使われるパワー半導体デバイスの高性能化に貢献～

　明星大学連携研究センター（東京都日野市、学長：冨樫 伸）の須賀唯知(すが ただとも）主幹研究員（大阪大学客員教授、東京大学名誉教授）、王 俊沙 主任研究員らのグループは、大阪大学大学院工学研究科附属精密工学研究センターの山村 和也 教授、および株式会社IIPTと共同で、ダイヤモンドの大口径基板を表面粗さ0.5ナノメータ以下の超平滑面に加工し、これと窒化ガリウムウエハや圧電単結晶ウエハと常温で接合することに世界で初めて成功しました。
　本研究成果は、2024年5月28日より米国デンバーで開催される国際会議、2024 IEEE 74th Electronic Components and Technology Conferenceにおいて発表の予定です。

本件のポイント

• 新たに開発したプラズマ援用研磨（PAP）とガスクラスターイオンビーム（GICB）加工を組み合わせることにより、２インチのダイヤモンドウエハの超平滑化加工を高効率で実現することに成功。
• その結果、ダイヤモンドウエハと、窒化ガリウムウエハや圧電単結晶ウエハなど異種半導体ウエハとの常温接合を達成。
• この技術により、EVや高速通信に使われるパワー半導体やレーザなどの高出力化が実現できることから、日本が得意とするパワー半導体デバイスの高性能化が飛躍的に進み、社会への一層の普及が期待される。
  

概要

　これまでも、ダイヤモンドと窒化ガリウムとの接合技術は知られておりましたが、ダイヤモンドの研磨が難しいため、いずれもミリメータサイズの小片の接合にとどまっていました。
　本研究の成果は、新たに開発したプラズマ援用研磨（PAP）とガスクラスターイオンビーム（GICB）加工を組み合わせることにより、２インチのダイヤモンドウエハの超平滑化加工を高効率で実現することに成功し、その結果、ダイヤモンドウエハと、窒化ガリウムウエハや圧電単結晶ウエハなど異種半導体ウエハとの常温接合を達成したものです。
　この技術により、EVや高速通信に使われるパワー半導体やレーザなどの高出力化が実現できることから、日本が得意とするパワー半導体デバイスの高性能化が飛躍的に進み、社会への一層の普及が期待されます。

【参考】
ダイヤモンドジュエリーの研磨は従来のスカイフ研磨（後述）によって手作業で行われ、そのクオリティによってジュエリーとしてのグレード・価格が決まっていますが、本研究で開発したガスクラスターイオンビーム（GICB）加工によれば、最高グレードのダイヤモンドジュエリーに残る研磨傷を消すこともできます（ただし、そもそも研磨傷は肉眼で見える大きさではないので、そのレベルは最先端の原子間力顕微鏡を用いて初めて判別できるものです）。

　本研究成果は、2024年5月28日より米国デンバーで開催される国際会議、2024 IEEE 74th Electronic Components and Technology Conferenceにおいて発表の予定です。
　なお、本研究の一部は、令和3（2021）年度から始まった総務省「電波資源拡大のための研究開発(JPJ000254)」及び「戦略的情報通信研究開発推進事業(SCOPE) (JP215006003)」の支援を受けました。

研究内容

背景

　パワーデバイスの小型化、高集積化、高出力化に伴い、動作時の温度上昇による出力の低下及び半導体素子寿命の低減が大きな課題となっています。この問題を解決し、さらなる高性能化を実現するためには、動作時のパワーデバイスの温度上昇を抑えるための放熱技術が重要であり、最も効果的な方法として、物質の中でも熱伝導率が最も高いダイヤモンドとパワーデバイスを直接接合して、熱を逃がす方法が提案されています。
　ダイヤモンドは本来、接合の難しい材料ですが、大阪公立大学の重川教授や明星大学の須賀主幹研究員（本研究報告者）らの提案した常温接合方法により、ダイヤモンドと窒化ガリウムGaNなどのパワー半導体の直接接合が2019年に実現しており、実際、富士通研究所や三菱電機などで、GaN−HEMTデバイスとダイヤモンドの接合により、パワーデバイスの性能が飛躍的に向上することが実証されています。
　この常温接合のためには、接合する表面の表面粗さを0.5ナノメータ以下の超平滑面にする必要があります。しかしながら、特にダイヤモンドは物質の中でも最も硬度の高い材料であり、大面積のウエハで効率よく研磨することができませんでした。そのため、接合の実証は数ミリメータ程度の小さな小片にのみ限られていました。
　今回の研究成果は、この問題に対して、プラズマ援用研磨とガスクラスタービーム加工という新しい方法を組み合わせることで、直径２インチのダイヤモンドウエハに対して表面粗さ0.5ナノメータ以下の超平滑面を高効率で実現し、常温接合によって、GaNウエハや圧電単結晶ウエハとの接合に成功したものです。

従来技術の問題点

　従来ダイヤモンドの研磨は、研磨ディスク上でダイヤモンド粉末をスラリー状にして、ダイヤモンドを機械的にこすり合わせることで研磨をする「スカイフ研磨」によって行われて来ました。宝石のダイヤモンドの研磨が代表的です。工業的には、さらに細かいダイヤモンドナノ粒子を含む酸化性のスラリーを用いて、化学機械研磨（CMP）により段階的に研磨を行うことで、数ナノメータの平滑化加工を行うことができますが、実際には数日間に渡る研磨が必要です。近年、熱化学反応やプラズマを適用した研磨方法も提案されていますが、大口径のダイヤモンドへの適用は検討されてきませんでした。
　ダイヤモンドは宝石を考えると非常に高価ですが、化学気相成長（CVD）法によって合成される人工ダイヤは決して高価ではありません。もともと元素は炭素で、高温下で原料ガスを分解することで容易にダイヤモンドを得ることができます。もちろん、ダイヤモンド半導体を作るような高品位の単結晶ダイヤモンドを大口径のウエハとして製造することは非常に難しく、現在も開発過程にありますが、放熱用途に使うような低品位の薄膜ダイヤモンドであれば、数ミリ厚さで直径４インチ程度のサイズのダイヤモンドウエハの製造は十分に商業ベースとしても成り立つレベルに来ています。これが未だに使われないのは、ダイヤモンドの平滑化加工が上記のように非常に難しいからです。
　ダイヤモンドを使用する場合、インチサイズの大口径ウエハが必要なのは、半導体プロセスがすべて大口径のウエハでのプロセスを前提としているからです。大口径ウエハの問題としては、表面のナノメータレベルの平滑化の他に、ウエハの反りの問題も解決する必要があります。ダイヤモンドのウエハは1000℃を超える高温で製造されるために、10マイクロメータ近い反りが生じている場合が多く、この反りを2ミクロン程度以下に修正しないと接合することはできません。

解決のための新技術と成果

　上記のダイヤモンドのウエハの反りの修正と超平滑化加工という問題を、下記の２つの手法を最適化し、組み合わせることで解決し、常温接合を実現しました。

　大阪大学の山村教授らによりこれまで研究開発が進められてきたもので、アルゴン＋酸素のプラズマ照射下で、ダイヤモンドを回転するガラスやシリコンの研磨ディスク上に押し付けることで、ダイヤモンド表面がグラファイト化して除去されるという、化学作用と機械的作用が同時に働くことで研磨が進行します。山村教授の研究室と須賀大阪大学客員教授・明星大学主幹研究員の明星大学グループの２年間にわたる共同研究の結果、このプラズマ照射条件や回転数、加圧力などを最適化することで、今回、初めて２インチダイヤモンドの研磨に成功し、ウエハの反りを２ミクロン程度にまで抑えることができました。この加工は、従来の化学機械研磨（CMP）の10倍以上の加工能率があります。

　ガスクラスタイオンビーム加工は、京都大学の山田 公名誉教授らにより提案された手法で、ガスを真空チャンバー内でクラスター状態（ガス分子が2000個以上固まって一つの大きな粒子になった状態）でイオン化し、ビーム状に加速して試料に照射すると、試料表面でクラスターが個別の分子にばらばらになり、それぞれの分子が試料表面の突起部をエッチングすることにより試料表面を平滑化するというプロセスです。
　須賀主幹研究員らの明星大学研究グループは株式会社IIPTと共同でこれをCVDダイヤモンドの平滑化に適用する研究開発を行っており、今回、そのクラスターのガス種やビームの照射条件を最適化することにより、プラズマ援用研磨（PAP）後のダイヤモンド表面をさらに平滑化し、0.5ナノメータレベルの超平坦面を得ることに成功しました。
　この加工は、化学機械研磨（CMP）の30倍以上の加工能率があります。

　ガスクラスターイオンビーム（GCIB）加工は、ビーム加工であるがゆえに基準面が存在せず、ウエハの反りを矯正するのには向いていません。また多結晶ダイヤモンドのダイヤの大きな突起を平坦化するのは前述のプラズマ援用研磨（PAP）が有利です。そこで、プラズマ援用研磨（PAP）とガスクラスターイオンビーム（GCIB）加工を組合せることで、接合に必要な２マイクロメータレベル以下の反りを確保しつつ、0.5ナノメータレベル以下の表面粗さを２インチのCVD多結晶ダイヤモンドウエハで実現することが可能となりました。

　このダイヤモンドウエハを用いて、直径２インチの窒化ガリウム（GaN）基板、および直径４インチの圧電単結晶（ニオブ酸リチウムNbLiO3 ; LN）基板それぞれと、常温接合をすることができました。なお、常温接合は、須賀主幹研究員らのグループが東京大学時代に開発した拡張表面活性化手法を用いており、この手法の採用も含めて、直径２インチのダイヤモンド基板の常温接合の成功は世界で初めての結果です。

社会的意義・将来の展望

　今回開発したダイヤモンド基板の高効率超平滑化加工手法と表面活性化常温接合により、パワーデバイスの放熱構造に画期的変化がもたらされ、放熱効果、デバイス特性の飛躍的な向上が実用的なレベルで実現したといえます。高効率のパワーデバイスの実現は、環境負荷低減に対しても大きな貢献があると期待されます。

用語解説

（注１）常温接合（表面活性化接合SAB）

　従来の接合技術は、溶接やはんだ付けのように温度を上げて、場合によっては接合部を溶かし、高温での反応により接合していた。上記のウエハ接合も従来の方法では加熱が必要であった。常温接合は、これに対して接触のみで固体材料を常温で接合するものである。標準的には、超高真空などの非常にクリーンな雰囲気で、材料表面についている酸化膜やよごれをアルゴン中性高速原子ビームの照射により除去し、非常に活性な表面を露出させて、接合する方法であるが、本技術ではこれにさらに、シリコン薄膜を成膜してから接合するという拡張表面活性化手法を採用している。
　この手法は、本研究報告者の須賀主幹研究員らにより開発されたもので、加盟32社からなる産学のコンソーシアム 一般社団法人電子実装工学研究所（IMSI）において、半導体、フォトニクス、材料接合などの分野で実用化が進められている。

（注２）窒化ガリウムGaN

　窒化ガリウムGaN はパワー半導体として高い性能を持つだけでなく、LED 等の発光素子の材料としても広く使われている。

（注３）パワーデバイス

　スイッチングや交流直流の変換、交流の周波数変換、直流の電圧変換などの電力変換などのパワーエレクトロニクスに用いられるSi（シリコン）やSiC（炭化ケイ素）、GaN（窒化ガリウム）、Ga2O3（酸化ガリウム）などのパワー半導体を用いた電子デバイスのこと。

（注４）表面粗さ

　加工物の表面には、高さや深さ、間隔の異なる山や谷が連続した複雑な微細な「表面粗さ」が存在する。その評価のためRaやRMSなどさまざまな表面粗さパラメータが使われている。