電着砥石

トップ :: B 処理操作運輸 :: B24 研削;研磨

【発明の名称】	電着砥石
【発明者】	【氏名】山下哲二【住所又は居所】福島県いわき市泉町黒須野字江越２４６－１三菱マテリアル株式会社いわき製作所内【氏名】中林明【住所又は居所】福島県いわき市泉町黒須野字江越２４６－１三菱マテリアル株式会社いわき製作所内【氏名】下前直樹【住所又は居所】福島県いわき市泉町黒須野字江越２４６－１三菱マテリアル株式会社いわき製作所内【氏名】畑花子【住所又は居所】福島県いわき市泉町黒須野字江越２４６－１三菱マテリアル株式会社いわき製作所内
【要約】	【課題】研削時の切れ味と切り粉等の排出性を向上させる。【解決手段】円板形の台金２１の略円形をなす一面上に金属結合相を形成し、この金属結合相によって多数の砥粒を固着して砥粒層２３を形成する。砥粒層２３を、その表面に複数の凹部２６が互いに間隔をおいて形成された構成とする。砥粒層２３は、平面視で直径が約３ｍｍの略円形の凹部２６を有し、これら凹部２６が略格子状または網目状に配列された構成とする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】表面に複数の凹部が互いに間隔をおいて形成されてなる砥粒層を有していることを特徴とする電着砥石。
【請求項２】平面視における前記砥粒層の全面積に対して前記凹部の占める割合が５％から４０％の範囲内とされていることを特徴とする請求項１記載の電着砥石。
【請求項３】平面視における前記砥粒層の全面積に対して前記凹部の占める割合が６０％から９５％の範囲内とされていることを特徴とする請求項１記載の電着砥石。
【請求項４】前記砥粒層が、前記凹部として平面視で丸形、または三角形以上の多角形状の凹部が形成された構成とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電着砥石。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエーハ等の被研磨材の表面をＣＭＰ装置によって研磨する際に用いられる研磨用のパッドをコンディショニングするため等に用いられる電着砥石に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、シリコンインゴットから切り出した半導体ウエーハ（以下、単にウエーハという）の表面を化学的且つ機械的に研磨するＣＭＰ装置（ケミカルメカニカルポリッシングマシン）の一例として、図４に示すような装置がある。このＣＭＰ装置１は、図４に示すように中心軸２に取り付けられた円板状の回転テーブル３上に例えば硬質ウレタンからなるポリッシング用のパッド４が設けられ、このパッド４に対向して且つパッド４の中心軸２から偏心した位置に自転可能なウエーハキャリア５が配設されている。このウエーハキャリア５はパッド４よりも小径の円板形状とされてウエーハ６を保持するものであり、このウエーハ６がウエーハキャリア５とパッド４間に配置されてパッド４側の表面の研磨に供され鏡面仕上げされる。
【０００３】ＣＭＰによる研磨のメカニズムは、微粒子シリカ等によるメカニカルな要素（遊離砥粒）とアルカリ液や酸性液等によるエッチング要素とを複合したメカノ・ケミカル研磨法に基づいている。研磨に際して、例えば上述した微粒子シリカ等からなる遊離砥粒が研磨剤として用いられ、さらにエッチング用のアルカリ液等が混合されたものが液状のスラリＳとしてパッド４上に供給されているため、このスラリＳがウエーハキャリア５に保持されたウエーハ６とパッド４との間に流動して、パッド４でウエーハ６の一面が研磨される。ウエーハ６の研磨を行う硬質ウレタン製などのパッド４上にはスラリＳを保持する微細な発泡層が多数設けられており、これらの発泡層内に保持されたスラリＳでウエーハ６の研磨が行われる。ところが、ウエーハ６の研磨を繰り返すことでパッド４の研磨面の平坦度が低下したり目詰まりを起こしたりするためにウエーハ６の研磨精度と研磨効率が低下するという問題が生じる。
【０００４】そのため、従来からＣＭＰ装置１には図４に示すようにパッドコンディショナ８が設けられ、パッド４の表面を再研削（コンディショニング）するようになっている。このパッドコンディショナ８は、回転テーブル３の外部に設けられた回転軸９にアーム１０を介してコンディショナ１１として電着ホイールが設けられている。そしてウエーハキャリア５でウエーハ６を研磨しながらあるいはウエーハ６の研磨を停止した状態で、コンディショナ１１でパッド４の表面を研削してパッド４の表面の平坦度等を回復または維持し目詰まりを解消するようになっている。このコンディショナ１１としては、例えば円形板状の台金にその略円形をなす一面全面に砥粒層を形成したものや、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように円形板状の台金１２上に上面が平面状をなしていて一定幅でリング状の砥粒層１３が形成され、この砥粒層１３が例えば図６に示すように台金１２上に電気めっきなどによりダイヤモンドやｃＢＮなどの超砥粒１４を金属めっき相１５で分散固定して構成されているものもある。この金属めっき相１５は例えばニッケルなどで構成されている。なお、砥粒層１３の表面には例えば４５°等の所定間隔で径方向に凹溝１７が形成されており、スラリＳや切り粉をこの凹溝１７を通して外部に排出することになる。
【０００５】ところで、このようなコンディショナ１１を用いてパッド４の研削を行う場合、コンディショナ１１はパッド４上を少なくともパッド４の半径に相当する距離に亘って往復揺動させる。砥粒層１３に分散配置された超砥粒１４は、パッド４の起毛をなぎ倒しつつ切断するが、その際、砥粒層１３がべた当たりして研削圧力が分散して滑り、起毛が切れずに倒されてしまい切れ味が悪く目詰まりしやすいという欠点がある。また、研削液や切り粉の排出経路も確保できずに排出が不十分となる。
【０００６】これらのコンディショナの他、例えば特開平９－１９８６８号公報に記載されているものがある。このコンディショナは２～１０個の超砥粒を集合させて１つの島状に配設し、これら島状の超砥粒群を研削面である砥粒層の表面に分散配置することで研削時の目詰まりを防止して長期間に亘って研削加工できるようにしたものである。このようなコンディショナでは、台金上にマスキングを施して島状の下地めっきを形成し、この下地めっき部に２～１０個の超砥粒を電気めっきで一層分仮固定し、その後に台金全体を電気めっきして超砥粒を砥粒層に電着するというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このコンディショナは、比較的軟質のパッド４を研削する際には目詰まりを防止して良好な研削を行うことができるが、比較的硬質のパッド４を研削する際には研削性能が低かった。本発明者は、このようなコンディショナにおいては、単に超砥粒の先端によってパッド４の表面が研削されるだけでなく、島状に配設された超砥粒のうち外周に位置する超砥粒が切刃として作用し、パッド４の研削に大きく寄与しているという知見を得た。このようなコンディショナによって比較的軟質、すなわち比較的弾性変形しやすいパッド４を研削する際には、研削圧力によってパッド４が弾性変形して島状の超砥粒群間にはみ出し、コンディショナの移動に伴って切刃となる超砥粒によってこのはみ出した部分が側方から削り取られていると考えられる。一方で、このようなコンディショナによって比較的硬質、すなわち比較的弾性変形しにくいパッド４を研削する際には、上記のようなはみ出しが生じにくいために、パッド４は主に超砥粒の先端によって研削されるが、このようなコンディショナでは超砥粒を分散配置していて研削に作用する超砥粒の数が少ないので、研削性能が低くなってしまうと考えられる。
【０００８】本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、切れ味が良く切り粉等の排出性の良好な電着砥石を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる電着砥石は、表面に複数の凹部が互いに間隔をおいて形成されてなる砥粒層を有していることを特徴としている。このように構成される電着砥石においては、砥粒層がその表面に複数の凹部が形成された構成とされているので、砥粒層が被削材にべた当たりしにくくなり、研削圧力が高められる。また、研削に用いた研削液や研削によって生じた切り粉は凹部内に排出されることとなるので、砥粒層の目詰まりが生じにくくなる。そして、比較的軟質で弾性変形しやすい被削材を研削する際には、研削圧力を受けて被削材が弾性変形して凹部内にはみ出すこととなり、凹部の周囲に設けられる砥粒が切刃として作用して凹部内にはみ出した被削材を削り取ることとなる。また、砥粒層において、凹部間に位置する部分の面積を十分確保することで、研削に作用する砥粒の数を確保することができる。
【００１０】ここで、平面視における砥粒層の全面積に対して凹部の占める割合が５％よりも低いと、砥粒層が被削材にべた当たりしやすくなり、研削圧力が分散して切れ味が低下してしまう。また、この割合が４０％よりも高いと、凹部間に位置する部分の面積が小さくなり、研削に作用する砥粒の数が低下するので、比較的硬質の被削材を研削する際の研削性能が低下してしまう。このため、被削材が比較的硬質のものである場合には、電着砥石において砥粒層の全面積に対して凹部が占める面積は、５％から４０％の範囲内とすることが好ましい。
【００１１】ここで、平面視における砥粒層の全面積に対して凹部の占める割合が６０％よりも低いと、比較的軟質の被削材を研削する場合には、砥粒層が被削材にべた当たりしやすくなり、研削圧力が分散して切れ味が低下してしまう。一方で、この割合が９５％よりも高いと、研削に作用する砥粒の数が少なくなって研削性能が低下する上、被削材が部分的に研削されることとなって不安定なコンディショニングとなってしまう。また、少ない砥粒で研削を行うこととなるために砥粒の消耗が進み、寿命が短くなってしまう。このため、被削材が比較的軟質のものである場合には、砥粒層の全面積に対して凹部が占める面積は、６０％から９５％の範囲内とすることが好ましい。
【００１２】また、砥粒層を、前記凹部として平面視で丸形、または三角形以上の多角形状をなす凹部が形成された構成とすることで、砥粒層を不定形の凹部が形成された構成とした場合に比べて研削性能が安定し、電着砥石の研削性能の評価が正確かつ容易になる。そして、凹部が丸形である場合には、ドリル等を用いた切削加工によって凹部を容易に形成することができるので、電着砥石の生産性を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を添付図面により説明するが、上述の従来技術と同一の部分には同一の符号を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかるコンディショナの研削作用面を示す平面図、図２は、図１に示すコンディショナの構成を概略的に示す縦断面図、図３は、本実施形態にかかるコンディショナの製造工程を示す図である。本実施の形態によるＣＭＰ用のコンディショナ２０は、電着砥石（電着ホイール）で構成されており、例えばステンレス等からなる円板形の台金２１の略円形をなす一面２１ａ上の全面に、ＮｉめっきやＮｉ基合金めっき等によって形成される金属結合相２２が形成され、この金属結合相２２によって例えばダイヤモンド砥粒等の多数の砥粒１４…が固着されて砥粒層２３を形成している。なお、砥粒１４は、ダイヤモンドやｃＢＮ等の超砥粒に限らず、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、炭化珪素ＳｉＯ₂などの一般砥粒であってもよい。コンディショナ２０は、砥粒１４が一層のみ形成されて金属結合相２２によって固着された単層砥石である。
【００１４】このコンディショナ２０では、砥粒層２３は、その表面に複数の凹部２６が互いに間隔をおいて形成された構成とされている。本実施の形態では、砥粒層２３は、平面視で直径が約３ｍｍの略円形の凹部２６を有する構成とされており、これら凹部２６が略格子状または網目状に配列された構成とされている。このように凹部２６を丸形とすることで、ドリル等を用いた切削加工によって凹部２６を容易に形成することができ、コンディショナ２０の生産性を向上させることができる。これに限らず、砥粒層２３は、平面視で三角形以上の多角形状をなす凹部２６が形成された構成としてもよい。このように、砥粒層２３を、平面視で丸形、または三角形以上の多角形状をなす凹部２６が形成された構成とすることで、砥粒層２３を不定形の凹部２６が形成された構成とした場合に比べて研削性能が安定し、コンディショナ２０の研削性能の評価が正確かつ容易になる。また、これら凹部２６の配置は、上記の他、例えば砥粒層２３に対して同心円状に複数列配置したり、螺旋状に配置してもよい。
【００１５】さらに、砥粒層２３は、凹部２６の内面にも砥粒１４…が配設された構成とされている。これに限らず、砥粒層２３は、凹部２６の内面に砥粒１４…が配設されていない構成としてもよい。ここで、砥粒層２３の表面から凹部２６の底面までの深さＤが０．１ｍｍよりも浅いと、砥粒層２３が凹部２６を有していない構成とした場合と同様に目詰まりが生じやすくなってしまう。一方で、この深さＤが０．５ｍｍよりも深いと、凹部２６の底面に対してパッド４が当接しなくなり、凹部２６の底面に設けられた砥粒１４によるパッド４の研削が行われなくなるので、研削性能が低下してしまう。このため、砥粒層２３の表面から凹部２６の底面までの深さＤは、０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲内であることが望ましい。
【００１６】ここで、本実施の形態で示すコンディショナ２０は、比較的硬質で弾性変形しにくいパッド４に対して用いられるものであって、平面視における砥粒層２３の全面積に対して凹部２６が占める面積は、５％から４０％の範囲内とされている。砥粒層２３の全面積に対する凹部２６の占める割合が５％よりも低いと、砥粒層２３がパッド４にべた当たりしやすくなり、研削圧力が分散して切れ味が低下してしまう。また、この割合が４０％よりも高いと、砥粒層２３において凹部２６間に位置する部分の面積が小さくなり、研削に作用する砥粒の数が低下するので、比較的硬質のパッド４を研削する際の研削性能が低下してしまう。
【００１７】以下に、図３を用いて、このように構成されるコンディショナ２０の製造工程を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、例えばＳＵＳ３０４等からなる円板形状の台金２１の一面２１ａにドリル等を用いた切削加工を施して、図３（ｂ）に示すように、一面２１ａに複数の止まり穴３０を形成する。ここで、止まり穴３０は、切削加工の他、例えば一面２１ａにマスキングを施して止まり穴３０となる部分のみをエッチング等によって除去することによって形成してもよい。このようにして止まり穴３０が形成された台金２１の一面２１ａ上にめっきによって金属結合相２２を形成し、この金属結合相２２によって止まり穴３０の内面を含む一面２１ａ全面に砥粒１４…を固着して、図３（ｃ）に示すように、一面２１ａ上に砥粒層２３を形成する。砥粒層２３の表面において、一面２１ａ上の止まり穴３０が形成される部分は他の部分よりも窪むこととなり、これによって凹部２６が形成されることとなる。このようにして、台金２１の一面２１ａ上に、その表面に互いに間隔をおいて複数の凹部２６が形成された砥粒層２３を形成することで、コンディショナ２０を得る。
【００１８】本実施の形態によるコンディショナ２０は上述の構成を備えており、図４に示すＣＭＰ装置１のアーム１０に装着された状態で、パッド４のコンディショニングを行うに際して、回転する回転テーブル３上のパッド４に対してアーム１０を揺動させることでコンディショナ２０を往復揺動させ、パッド４を研削してその平坦度を回復または維持させる。研削に際して、コンディショナ２０は、砥粒層２３の表面に配設される砥粒１４…の先端によってパッド４の表面を研削する。さらに、研削圧力を受けてパッド４が弾性変形して凹部２６内にはみ出した場合には、この部分は、凹部２６の周囲に配設される砥粒１４…によって側方から削り取られたり、凹部２６の底面に配設される砥粒１４…によって削り取られることとなる。そして、研削に用いた研削液や研削によって生じた切り粉は凹部２６内に排出されることとなり、砥粒層２３の目詰まりが生じにくくなる。
【００１９】このように構成されるコンディショナ２０によれば、砥粒層２３がその表面に複数の凹部２６が形成された構成とされているので、砥粒層２３がパッド４にべた当たりしなくなり、砥粒１４…に研削圧力を高めて切れ味を良好に保つことができる。また、研削に用いた研削液や研削によって生じた切り粉は凹部２６内に排出されることとなるので、砥粒層２３の目詰まりが生じにくく、良好な研削を行うことができる。そして、このコンディショナ２０では、平面視における砥粒層２３の全面積に対して凹部２６が占める面積は、５％から４０％の範囲内とされており、砥粒層２３において凹部２６間に位置する部分の面積が十分確保されているので、パッド４が比較的硬質で弾性変形しにくく凹部２６内へのはみ出しが生じにくいものであっても、研削に作用する砥粒１４の数を確保して十分な研削性能を維持することができる。
【００２０】ここで、上記実施の形態では、コンディショナ２０を、平面視において砥粒層２３の全面積に対して凹部２６の占める割合が５％から４０％の範囲内とした例を示したが、コンディショナ２０が比較的軟質で弾性変形しやすいパッド４の研削に用いられるものである場合には、上記割合は６０％から９５％の範囲内とすることが好ましい。言い換えると、砥粒層２３において凹部２６に対する凸部が、砥粒層２３の全面積に対して５％から４０％を占めることとなる。この場合、例えば砥粒層２３において研削時における周速が遅く、研削にあまり作用しない中央部分には比較的大径の凹部２６を配置してこの部分に逃げを形成し、周速が早く研削に効果的に作用する外周部分には比較的小径の凹部２６を配置する。砥粒層２３の全面積に対して凹部２６の占める割合が６０％よりも小さいと、比較的軟質のパッド４を研削する場合には、砥粒層２３がパッド４にべた当たりすることとなり、研削圧力が分散して切れ味が低下してしまう。一方で、この割合が９５％よりも高いと、研削に作用する砥粒１４の数が少なくなって研削性能が低下する上、パッド４が部分的に研削されることとなって不安定なコンディショニングとなってしまう。また、少ない砥粒で研削を行うこととなるために砥粒１４の消耗が進み、寿命が短くなってしまう。このため、パッド４が比較的軟質のものである場合には、砥粒層２３の全面積に対して凹部２６が占める面積は、６０％から９５％の範囲内とすることが好ましい。
【００２１】ここで、上記実施の形態では、本発明の電着砥石をＣＭＰ装置に用いるコンディショナに採用した例を示したが、これ以外にも研磨研削装置に採用できることはいうまでもない。
【００２２】
【実施例】次に、本実施形態にかかるコンディショナ２０を用いたパッドの研削試験について説明する。この研削試験では、本実施形態にかかるコンディショナ（以下、実施例とする）と、島状に砥粒群を配置した従来のコンディショナ（以下、従来例とする）とを用意し、これらのコンディショナを用いて図４に示すように回転テーブル３上に貼り付けられたパッド４の研削を行い、それぞれの研削性能の比較を行った。
【００２３】実施例では、砥粒層２３が、平面視で直径約３ｍｍの略円形の凹部２６を有し、略格子状または網目状に凹部２６が配列された構成のものを用いている。さらに、砥粒層２３は、凹部２６の内面にも砥粒１４…が配設された構成とされ、砥粒層２３の表面から凹部２６の底面までの深さＤは０．２ｍｍとされている。また、実施例及び従来例は、ともに砥粒１４として平均粒径ｄが１４６μｍ（粒度＃１００）のものを用いている。また、被削材であるパッド４としては、ロデール・ニッタ社製のＩＣ－１０００を用いており、パッド４の研削条件は、回転テーブル３の外径（パッド４の外径）が６００ｍｍ、回転テーブル３の回転数は４５ｍｉｎ^-1、コンディショナの回転数は５６ｍｉｎ^-1、コンディショナに加える垂直方向の荷重は２４Ｎとし、パッド４の表面には純水を１７ｍＬ／ｍｉｎで供給しながら研削を行った。
【００２４】コンディショナとして実施例を用いた場合には、パッド４の研削レートは３０μｍ／ｈと十分である。またパッド４の表面は良好に削り取られており、パッド４の平坦度が確保されるとともに、パッド４のスラリＳの保持能力を高く維持することができた。このように、実施例によって研削されたパッド４は、平坦度が確保されるとともにスラリＳの保持能力が高く維持されているので、ウエーハの研磨精度及び研磨能率も高く、ウエーハの研磨を効率的に行うことができる。
【００２５】これに対し、従来例を用いた場合には、パッド４の研削レートは２０μｍ／ｈと低く、またパッド４の表面では起毛が切れずに倒されており、表面状態はよくなかった。このため、このパッド４によって研磨されるウエーハの研磨精度及び研磨能率は低く、ウエーハの研磨に時間がかかり、生産性が低い。このことから、従来例のコンディショナでは、パッド４の研削性能が低く、良好なコンディショニングを行うことができないことがわかる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる電着砥石では、砥粒層が表面に凹部が形成された構成とされているので、砥粒層が被削材にべた当たりしにくくなり、研削圧力が高められて切れ味が良好になる。また、研削に用いた研削液や研削によって生じた切り粉は凹部内に排出されることとなるので、砥粒層の目詰まりが生じにくくなり、良好な研削を行うことができる。そして、比較的軟質で弾性変形しやすい被削材を研削する際には、研削圧力を受けて被削材が弾性変形して凹部内にはみ出すこととなり、凹部の周囲に設けられる砥粒が切刃として作用して凹部内にはみ出した被削材を削り取ることとなるので、良好な研削を行うことができる。また、砥粒層において、凹部間に位置する部分の面積を十分確保することで、研削に作用する砥粒の数を確保して、切れ味を良好にすることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６２６４【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社【住所又は居所】東京都千代田区大手町１丁目５番１号
【出願日】	平成１３年７月１０日（２００１．７．１０）
【代理人】	【識別番号】１０００６４９０８【弁理士】【氏名又は名称】志賀正武（外６名）
【公開番号】	特開２００３－２５２３０（Ｐ２００３－２５２３０Ａ）
【公開日】	平成１５年１月２９日（２００３．１．２９）
【出願番号】	特願２００１－２０９５８２（Ｐ２００１－２０９５８２）