高温接合で熱反りを低減、ダイヤモンドとシリコンの複合ウエハーの製造に成功：研究開発の最前線

産業技術総合研究所は、シリコンウエハー上への貼り付け構造を有し、汎用的な半導体製造装置で加工できるダイヤモンドデバイス用ウエハーを作製した。ダイヤモンドとシリコンの高温接合により、微細描画が可能な複合ウエハーの製造に成功している。

[MONOist]

　産業技術総合研究所（産総研）は2026年2月2日、イーディーピーと共同で、シリコンウエハー上への貼り付け構造を有し、汎用的な半導体製造装置で加工できるダイヤモンドデバイス用ウエハーを作製したと発表した。ダイヤモンドとシリコンの高温接合により、化学処理や高温処理に耐性のある複合ウエハーの製造に成功した。

研究のイメージ 出所：産業技術総合研究所

　ダイヤモンドは、高温動作特性や放熱性、高電圧耐性など、半導体デバイスとして優れた特性を持つ。しかし、汎用的な半導体製造装置で加工するには、2インチ径（〜50mm）以上の大面積ウエハーが必要とされる。

ウエハースケールでのダイヤモンドデバイスの製造［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　研究では、ダイヤモンドの大面積ウエハーを実現するため、大面積シリコンウエハーに小さなダイヤモンドウエハーを貼り付ける手法を検討。ダイヤモンドとシリコンの熱膨張係数が600℃程度で逆転することに注目し、単結晶ダイヤモンドとシリコンを高温接合することで熱ひずみを抑制できることを発見した。

（左）ダイヤモンドとシリコンの熱膨張係数は温度変化し、600℃近辺で逆転する。（中）熱膨張量の計算式。（右）ダイヤモンドとシリコンの熱膨張のモデル［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　実験では、ダイヤモンドとシリコンを接合したウエハーは、1200℃の接合時に熱ひずみが低減して基板の高低差が9μmとなった。この複合ウエハーを汎用的な縮小投影露光装置（ステッパー）に導入したところ、10mm角の描画領域の95％で1μm幅の微細なラインアンドスペースパターンを作製できた。

高温接合したダイヤモンドウエハーとシリコンウエハー［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　また、表面が粗いダイヤモンド基板でも、高温接合で強固な接合を得られた。シリコンを破壊する衝撃を加えても端部以外では剥離が見られず、ダイヤモンドデバイスの製造工程で用いられる化学処理や高温処理でも剥離はしなかった。

ダイヤモンドとシリコンの接合界面［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　これらの成果から、1200℃の高温接合で作製したダイヤモンドとシリコンの複合ウエハーは、微細描画やデバイス加工が可能であることが分かった。今後、ダイヤモンドウエハーの枚数や面積を増やすことで、ダイヤモンドデバイスの量産が期待される。

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