[論文レビュー] Polishing of {100} and {111} single crystal diamond through the use of Chemical Mechanical Polishing

Evan L. H. Thomas, Soumen Mandal+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2014

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science参考文献 3被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、ポリウレタン/ポリエステルパッドとコロイダルシリカスラリーを用いた化学機械研磨（CMP）が、{100}および{111}単結晶ダイヤモンドウエハの表面粗さを効果的に低減することを示した。この手法により、ダイヤモンドグリットや高温処理を用いずに、それぞれRMS粗さを0.23 nmおよび0.09 nmまで低下させ、原子的に平らで欠陥のないダイヤモンド表面を実現した。これは、高度なエレクトロニクスおよび光学応用に向けた、簡素化されIC準拠の方法である。

ABSTRACT

Diamond is one of the hardest and most difficult to polish materials. In this paper, the polishing of {111} and {100} single crystal diamond surfaces by standard Chemical Mechanical Polishing, as used in the silicon industry, is demonstrated. A Logitech Tribo Chemical Mechanical Polishing system with Logitech SF1 Syton and a polyurethane/polyester polishing pad was used. A reduction in roughness from 0.92 to 0.23 nm root mean square (RMS) and 0.31 to 0.09 nm RMS for {100} and {111} samples respectively was observed.

研究の動機と目的

• 高電力および高周波数のエレクトロニクスおよび光学デバイスに適した、低ダメージでスケーラブルな単結晶ダイヤモンドの研磨法を開発すること。
• 従来の機械的研磨が引き起こす異方性の表面損傷、ナノ溝、および準表面亀裂の制限を克服すること。
• シリコン産業で標準的に行われる化学機械研磨（CMP）技術をダイヤモンドに適応させることで、高温処理やダイヤモンドグリットを回避すること。
• CMPが{100}および{111}ダイヤモンド結晶方位において、原子的に平らで欠陥のない表面を達成する有効性を評価すること。
• 長時間にわたるダイヤモンドCMPにおける研磨パッドの摩耗およびコンditionィングを特徴づけ、プロセスの耐久性と性能最適化を図ること。

提案手法

• ロジテック・トライボCMPシステムを用い、SUBA-Xポリエステル/ポリウレタン研磨パッドとアルカリ性コロイダルシリカスラリー（シトン、pH 9.2–10.1、エチレングリコール4–5%）を採用した。
• {100}および{111}単結晶ダイヤモンド試料を室温で、4 psiの垂直圧力および反対方向に60 rpmで回転させながら研磨した。
• SC-1洗浄（H₂O₂:NH₄OH:DI H₂O、1:1:5、75 °Cで10分）および超音波DI H₂Oバス洗浄により試料を前処理し、シアンアクリレートおよびクリスタルボンドを用いてポリマー保持具に固定した。
• 電気めっきダイヤモンドグリットを用いてパッドをイン・サイトでコンディショニングし、表面の不整形部を増加させ、スラリーの分布および研磨効率を向上させた。
• 研磨後洗浄としてSC-1およびHF溶液を用い、残留スラリーおよび不純物を効果的に除去した。
• 表面粗さの特徴づけには、25 μm²領域における原子間力顕微鏡（AFM）を用い、RMS粗さおよび元の研磨溝に垂直なライントレースを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な化学機械研磨（CMP）を、コロイダルシリカおよびポリウレタン/ポリエステルパッドを用いて、{100}および{111}単結晶ダイヤモンドの表面粗さを効果的に低減できるか？
• RQ2 従来の機械的研磨と比較して、CMPは表面損傷、ナノ溝の除去、および準表面欠陥の発生に関してどのように異なるか？
• RQ3 ダイヤモンドの極めて高い硬度が、長時間にわたるCMPプロセス中の研磨パッドの摩耗および耐久性に与える影響は何か？
• RQ4 高温処理やダイヤモンドグリットを必要とせず、ICプロセス基準に準拠した状態でCMPプロセスをダイヤモンドに適応できるか？
• RQ5 {100}および{111}結晶方位における除去速度および表面品質の観点から、研磨メカニズムの違いはどの程度か？

主な発見

• CMPにより、機械的研磨で生じたナノ溝が効果的に除去され、表面粗さが著しく改善された。
• {100}面のRMS表面粗さは、研磨前0.92 nmから0.23 nmに低下し、粗さが75%減少した。
• {111}面のRMS表面粗さは、研磨前0.31 nmから0.09 nmに低下し、粗さが71%減少した。
• 本研磨プロセスは、硬い方向および柔らかい方向の両方の機械的研磨方向に対して効果的であり、破断損傷や溝の再形成の兆候は認められなかった。
• SC-1およびHF溶液を用いた研磨後洗浄により、残留スラリーおよび不純物が効果的に除去され、清浄で不純物のない表面が得られた。
• 7時間の研磨後、顕著なパッド摩耗が観察され、ポリエステルストランドが断ち切られ、ポリウレタンフォームが摩耗した。これは、イン・サイトでのコンディショニングおよびパッド交換戦略の必要性を示している。