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高性能半導体材料としての炭化ケイ素（SiC）は、その優れた物理的および化学的特性により、パワーエレクトロニクス、高周波マイクロ波、オプトエレクトロニクスなどの分野で大きな応用可能性を示しています。しかし、炭化ケイ素の高硬度と安定した格子構造は、その研磨プロセスに大きな課題をもたらします。この記事では、関連分野での研究と応用の参考となるよう、炭化ケイ素基板の研磨が難しい理由に焦点を当てます

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第一に、研磨の問題による高い硬度と脆さ

炭化ケイ素は超高硬度が大きな特徴で、モース硬度はダイヤモンドに次ぐ9.5にも達します。この高硬度の特性により、研磨プロセスでは同様に高硬度の研磨剤と工具を使用する必要があります。しかし、硬度の高い砥粒を使用すると、研磨中に研磨工具の摩耗が早くなり、研磨効率が低下するだけでなく、研磨品質の低下を招く場合があります。さらに、炭化ケイ素の脆さも研磨プロセスにおける大きな問題です。研磨プロセスでは、SiC 基板に亀裂が生じやすく、表面損傷や亀裂が形成されます。これらの欠陥はウェーハの外観品質に影響を与えるだけでなく、電気的性能や信頼性にも影響を与える可能性があります。

第二に、安定した格子構造によってもたらされる研磨の課題

SiC の格子構造は Si-C 四面体で構成されており、緻密な構造と高い安定性を持っています。この安定した格子構造により、外部機械加工による表面構造の変化は極めて困難になります。研磨プロセスでは、Si-C 原子間の共有結合を破壊し、材料の除去と表面品質の向上を達成するために、多量の熱エネルギーと摩擦せん断力を消費する必要があります。これにより、研磨プロセスのエネルギー消費と時間コストが増加するだけでなく、チップの内部構造に損傷を与える可能性もあります。

第三に、研磨プロセスにおける応力の影響

従来の研磨プロセスでは、通常、ワークピースと研磨ダイスは接着剤によって固定されています。ただし、SiC 基板と研磨ダイの間の熱膨張係数が一貫していないため、冷却および硬化後に接合部位に応力が発生します。これらの応力は研磨中のウェーハ表面の形状や仕上がりに悪影響を及ぼし、研磨品質の低下を引き起こします。さらに、研磨プロセス中に発生する摩擦熱と機械的応力により、この影響がさらに悪化する可能性があり、研磨プロセスの制御がさらに困難になります [25]。

第四、研磨液と研磨パッドの選択

研磨液と研磨パッドは研磨プロセスの重要な要素であり、その選択は研磨効果に直接影響します。炭化ケイ素基板の場合、硬度が高く脆いため、従来の研磨液や研磨パッドでは研磨要件を満たすことが困難なことがよくあります。一方で、チップへの過度の損傷を避けるために、研磨液の組成、粒子サイズ、および研磨剤の濃度を正確に制御する必要があります。一方、最高の研磨効果を達成するには、研磨パッドの硬度、弾性、表面トポグラフィーも炭化ケイ素基板の特性と一致する必要があります。しかし、SiC 基板用の特別な研磨液と研磨パッドは市場では依然として不足しており、研磨プロセスの困難さとコストがさらに増加し​​ています [31]。

要約すると、炭化ケイ素基板の研磨が難しい理由には、主にその高い硬度と脆さ、安定した格子構造、研磨プロセスにおける応力の影響、および研磨液と研磨パッドの選択が含まれます。これらの課題は、SiC 基板の研磨効率と品質に影響を与えるだけでなく、関連分野での応用や開発も制限します。したがって、これらの問題を克服し、炭化ケイ素材料の幅広い応用と開発を促進するには、将来的に炭化ケイ素基板研磨技術の研究と革新を強化する必要があります。