高速可視化技術によりSiCウエハーの高品質化に貢献

金子忠昭・工学部教授、豊田通商株式会社（以下、豊田通商）、株式会社山梨技術工房は、パワー半導体材料であるSiC（炭化ケイ素）ウエハーの製造プロセスで生じる結晶の歪み（加工歪み層）を検査する技術を共同で開発しました。この技術は、金子教授の研究グループと豊田通商が2017年から共同で進めている高品質SiCウエハーの量産プロセス技術開発の中で得られた革新的検査技術であり、半導体を製造・研究する現場が抱える課題解決及び製造の効率化に寄与するものです。今回共同開発された技術は、９月11日から9月16日にスイスで開催される「ICSCRM2022（SiC及び関連材料に関する国際会議2022）」で発表ならびにブース展示が行われます。

1．背景
現在普及しているパワー半導体材料である Si（シリコン）と比較して、SiC は、電力ロスを大幅に低減できることから、自動車、鉄道、産業機器、電力等のカーボンニュートラルに向けて、特に電動車（EV・HV・FCV）における採用拡大が期待されています。 
SiC ウエハーの製造時の課題としては、硬くて脆い材質のため、スライス、研削・研磨の際、表面近傍で結晶が破壊され加工歪み層が生じます（図表１参照）。加工歪み層は、ウエハーの良品率低下やパワー半導体の不具合の原因となる一方、ウエハー全面を可視化する技術が存在せず、ウエハー量産加工プロセスの品質管理や受入検査にも適用可能な「高速・高精度加工歪み検査技術」が強く望まれていました。 

2．本共同開発 
関西学院大学（工学部 金子忠昭教授）と豊田通商は、山梨技術工房の持つレーザー散乱光応用技術に着目し、三者共同で SiC ウエハーの機械加工由来の歪み層を全面にわたり可視化し、ウエハーの歪み層を相対的に比較する技術を開発しました。 
この技術は、レーザー光をウエハー表面に照射し、表面及び内部からの散乱光を最適な角度で検出することで、加工歪み層を可視化することができます（図表２参照）。さらに、ウエハー全面を高速で検査することができ、量産加工プロセスの品質管理等へも適用が可能です。今後、本技術を実装したウエハー検査装置の製品化の早期実現を目指してまいります。 
なお、この検査技術を通じて確認された加工歪み層は、関西学院大学と豊田通商が2021年3月に公表した、熱エッチングと結晶成長を統合した非接触型のナノ制御プロセス技術「Dynamic AGE-ing®」により、完全に除去することが可能です。  

＊ウエハーをスライス、研削・研磨といった機械加工時に砥粒との接触や応力等で生じた歪みの層。 

（図表 1）SiC ウエハー製造プロセス概要

(1)SiC バルク結晶を成長させインゴットに成形
(2)インゴットをスライスし SiC ウエハーの素地を作製
(3)スライスされた SiC ウエハー素地を研削・研磨
(4)CMP＝Chemical Mechanical Polish（化学機械研磨）で鏡面加工して SiC ウエハーが完成
(5)SiC ウエハー上に高品位な結晶薄膜を形成（CVD エピタキシャル成長）

【SiC ウエハー製造プロセスの課題】 
・(2)、(3)の工程で機械加工する時に表面近傍に加工歪み層が生じる。
・(4)の化学機械研磨でも、(2)、(3)で形成された加工歪み層が取り切れず加工歪み層が残留する場合がある。
・(5)の前処理工程でも加工歪み層は完全には除去されない可能性があり、最終製品の不具合を引き起こすことがある。
・これまでは(2)～(4)の工程で加工歪み層がウエハー全面でどのように残留しているか、わからなかった。

​​（図表２）ウエハー加工歪み検査技術の概要