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RFスパッタ法を用いたGaN薄膜の作製技術開発

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今回作製されたGaN圧電薄膜の電子顕微鏡写真(左)と構造の模式図(右)
  
  
●産業技術総合研究所(以下産総研)製造技術研究部門 センシング材料研究グループと村田製作所は共同で、低コストで成膜温度の低いRFスパッタ法を用いた、単結晶と同等の圧電性能を示す窒化ガリウム(GaN)薄膜を作製できる方法を見出したと発表した。
 
●またスカンジウム(Sc)添加で圧電性能が飛躍的に向上することを実証している。産総研によると、発表時点でGaNの圧電薄膜としては世界最高の性能を有するという。
  
●AlNやGaNなどの窒化物の圧電体は、酸化物に比べて機械的性質に優れ、センサー感度やエネルギー変換効率が高いため、通信用高周波フィルターや、センサー、エナジーハーベスターとして期待されている。しかしGaN圧電デバイスの作製はAlNに比べて難しいため、圧電体としてのGaNの研究開発はこれまでほとんど進んでこなかった。
  
●GaN圧電デバイスの作製には、これまでMOCVD法が用いられてきた。しかし製造コストが高いことに加え、一般的に700 ℃以上の高い加熱が必要であり、高温加熱によって圧電デバイスに不可欠な電極に用いる金属が不純物としてGaNを汚染してしまうため、金属電極をGaN成膜後に複雑な工程で作製しなければならないこと等の課題があった。
 
●今回開発された技術は、GaNと結晶学的に相性のよいハフニウム(Hf)やモリブデン(Mo)の配向層を、あらかじめシリコン基板上に成長させて、比較的低温で成膜できるRFスパッタ法を用いて、その上にGaNの配向薄膜を成長させるというものである。
  
GaN_RF_Sputter_3
    
●上図に示されている通り、今回開発されたGaN配向薄膜の圧電定数d33は、MOCVD法などで作製された単結晶GaNの発表されている値と同等となっている。更にScを添加すると、圧電定数d33著しく向上し、Sc無添加のGaNの4倍である約14 pC/Nを示した。また電気機械結合係数k2も約6 %と、無添加単結晶の3倍の高い値を示している。
  
●Scはレアアースで高価なため、今後同研究グループはScに替わる安価な元素の探索と、さらに圧電性能を向上させるための構造制御技術の開発を行う。
  
(画像は産総研 プレスリリースより)
1.繊維表面積が大きく、繊維間空隙数の多いナノファイバー繊維注5)(繊維直径700nm)を用いて不織布を作成し、スラリー(研磨剤)の吸込み・付着性を向上させました。ナノファイバーの繊維間で砥粒注6)をキャッチすることで、作用砥粒数が増加し研磨レートが向上しました。またナノファイバーは繊維表面積が大きいことから、大きなゼータ電位注7)をもつため、スラリー中の砥粒の凝集を抑制する効果もあり、表面粗さが向上(ウエハの表面がより滑らかになる)しました。(図1)
2.高硬度樹脂を高密度に含浸する技術を確立しました。含浸させる樹脂として、既存樹脂(ウレタン)を用いた研磨パッドの他、次世代樹脂を用いた研磨パッドも開発しました。 
  
  
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最終更新 2017年 9月 11日(月曜日) 09:45