JP2001009731A

JP2001009731A - メカノケミカル砥石

Info

Publication number: JP2001009731A
Application number: JP11176882A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Nishihara; 浩巳西原; Nobuo Yasunaga; 暢男安永
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2001-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンウエーハなどの表面を平坦に研磨す
る際、消耗品の消費量が少なく、且つ安定した加工結果
を実現することができるメカノケミカル砥石を提供す
る。【解決手段】本発明のメカノケミカル砥石は、ＭｎＯ
_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_３Ｏ_４またはＦｅ_３Ｏ_４からなる
砥粒をエポキシ樹脂系のボンド剤で結合し、室温で加圧
成形することによって得られる。なお、砥粒とボンド剤
の混合比率（重量比）は、「９５：５」から「９８：
２」の範囲が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウエーハ
などの平板上の被加工材の表面を平坦に研磨する際に使
用される平坦化装置用のメカノケミカル砥石に係る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の微細化及び多層
化の進行に伴い、フォトリソグラフィプロセスにおいて
使用される露光ビームの波長が次第に短くなり、その焦
点深度が浅くなってきている。このため、ウエーハの表
面上に形成されている層間絶縁膜あるいはメタル膜の段
差をグローバルに低減する平坦化技術は、多層配線を行
う際に必要不可欠な技術となりつつある。

【０００３】そこで、グローバルに精度良くウエーハ表
面の平坦化加工を行うことができる方法として、ＣＭＰ
（ Chemical Mechanical Polishing ）が採用される
様になっている。

【０００４】図５に、従来の一般的なＣＭＰ装置の概略
構成を示す。ターンテーブル７１の上面には、研磨布７
２が貼り付けられている。ターンテーブル７１の上方に
は研磨ヘッド７４が配置されている。研磨ヘッド７４の
下端には、ターンテーブル７１と対向する様に、トップ
リング７５が取り付けられている。被加工材であるウエ
ーハ１０は、トップリング７５の下面にバッキングパッ
ド７６を介して吸着されて保持される。トップリング７
５の下面の周縁部には、ウエーハ１０の外周に沿ってガ
イドリング７７が取り付けられ、ウエーハ１０の径方向
の動きを拘束する。研磨布７２の中心部の上方には、研
磨剤供給ノズル７９が配置されている。

【０００５】ターンテーブル７１及び研磨ヘッド７４を
回転するとともに、研磨布７２の上に研磨剤供給ノズル
７９から研磨剤を供給しながら、ウエーハ１０を研磨布
７２に対して押し付けることによって、ウエーハ１０の
表面の研磨加工が行われる。

【０００６】上記の様なＣＭＰ装置を用いたウエーハ表
面の平坦化加工に関しては、下記の様な問題点がある。

【０００７】（イ）研磨剤及び研磨布が大量に消費され
る。その結果、ウエーハ一枚当たりの加工コストのかな
りの部分が、これらの消耗品によって占められ、加工コ
ストを増大させる要因となっている。

【０００８】（ロ）研磨布やバッキングパッドについて
は、その特性及び寸法精度を均一に揃えることが必ずし
も容易ではない。一方、ウエーハの加工精度は、これら
の消耗品の特性及び寸法精度に依存するので、加工結果
が不安定になり易い。

【０００９】（ハ）研磨布が弾性体であるので、ウエー
ハ表面の段差を平坦化する機能が十分とは言えない。

【００１０】（ニ）研磨剤の廃液が大量に発生するが、
その処理に手間が掛かる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の様な
従来のＣＭＰの問題点に鑑み成されたもので、本発明の
目的は、消耗品の消費量が少なく、且つ安定した加工結
果を実現することができるメカノケミカル砥石を提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のメカノケミカル
砥石は、ＭｎＯ_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_３Ｏ_４及びＦｅ _３
Ｏ_４からなる群から選択された少なくとも一種からなる
砥粒をボンド剤で結合し、加圧成形することにより得ら
れたことを特徴とする。

【００１３】本発明のメカノケミカル砥石は、メカノケ
ミカル作用を有する上記の砥粒をボンド剤を用いて結合
することによって構成されている。この様なメカノケミ
カル砥石を使用することによって、研磨布及び研磨剤を
使用することなく、平坦加工を行うことが可能になる。
これによって、消耗品の消費量が減少し、加工コストを
引き下げることができる。

【００１４】また、固形の砥石を用いて被加工材の表面
の加工を行うので、研磨布を使用した場合と比較して、
被加工材表面の段差を平坦化する機能に優れている。更
に、固形の砥石については、研磨布と比較して、特性及
び寸法精度が安定したものを製造し易いので、それらを
用いた加工結果も安定する。

【００１５】好ましくは、前記ボンド剤としてエポキシ
樹脂を用いる。エポキシ樹脂系のボンド剤は、実験によ
れば、焼結の必要がなく、室温の加圧成形で砥石を製作
することができる。また、エポキシ樹脂系のボンド剤を
使用して成形した砥石は、フェノール系のボンド剤を使
用して成形した砥石と比べて、加圧成形中に割れにく
い。

【００１６】なお、好ましくは、前記砥粒と前記ボンド
剤の混合比率（重量比）を、「９５：５」から「９８：
２」の範囲内とする。

【００１７】これは、次の理由による。メカノケミカル
砥石を用いた平坦化加工では、被加工材と比べて軟質な
砥粒が被加工材の表面と化学的に反応することによって
加工が進む。このため、加工中に、常に新しい砥粒が脱
落し、遊離砥粒として機能することが必要である。そこ
で、ボンド剤による結合力を弱くするため、砥石の成形
の際にボンド剤の割合を低くし、これによって、加工中
に砥粒の脱落が適度に発生する様にする。一方、ボンド
剤の割合が低く過ぎると、砥石の減りが早くなり、加工
速度も低下する。実験の結果、上記の混合比率の範囲が
適当であることが判明した。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に基づくメカノケ
ミカル砥石を使用した平坦化装置の一例を示す。

【００１９】被加工材であるウエーハ１０は、ターンテ
ーブル１１の上面に吸着されて保持される。ターンテー
ブル１１は、駆動軸１２の上端に固定されている。ター
ンテーブル１１の上方には、研磨ヘッド２１が配置さ
れ、本発明のメカノケミカル砥石２０は、研磨ヘッド２
１の下端に保持される。メカノケミカル砥石２０の直径
は、ウエーハ１０の直径と比べて小さい。研磨ヘッド２
１に隣接して純水（または薬液）供給用のノズル３１が
配置される。

【００２０】研磨ヘッド２１は、工具ホルダ２２、主軸
２３、駆動モータ２４などから構成される。主軸２３の
下端には、工具ホルダ２２を介してメカノケミカル砥石
２０が保持される。主軸２３は、駆動モータ２４の駆動
軸に接続され、駆動モータ２４のハウジングは、エアシ
リンダ２５を介して旋回アーム２８の先端の下側に取り
付けられている。更に、駆動モータ２４のハウジング
は、直動ガイド２６によって側面から支持され、直動ガ
イド２６に沿って上下方向に移動することができる。こ
の直動ガイド２６も、旋回アーム２８の下側に取り付け
られている。

【００２１】駆動モータ２４は、主軸２３を介してメカ
ノケミカル砥石２０を回転駆動する。エアシリンダ２５
は、主軸２３を介してメカノケミカル砥石２０を上下方
向に移動するとともに、ウエーハ１０を研磨する際に
は、メカノケミカル砥石２０をウエーハ１０に対して押
し付ける。旋回アーム２８は、コラム２９の回りの旋回
軌道上で往復旋回運動を行い、これによって、メカノケ
ミカル砥石２０を被研磨面に対して平行な面内で往復移
動させる。

【００２２】ノズル３１から、純水をウエーハ１０の表
面に供給するとともに、ターンテーブル１１及び研磨ヘ
ッド２１を駆動し、更に、メカノケミカル砥石２０を、
ウエーハ１０の表面に平行な面内で旋回させながらウエ
ーハ１０に対して押し付けることによって、ウエーハ１
０の表面全体の研磨が行われる。

【００２３】なお、加工対象であるウエーハ１０の表面
に形成されている薄膜の種類に応じて、上記の様な湿式
加工の他に、乾式加工も可能である。また、湿式加工の
際には、純水の他に化学薬品を含有する薬液を用いるこ
ともある。

【００２４】この様に、固形のメカノケミカル砥石２０
を用いて研磨を行うことによって、研磨剤を使用する必
要がなくなり、これに伴い、廃液処理の負担が大幅に軽
減される。また、薬液を使用する場合にも、研磨剤を使
用した場合と比較して、廃液処理が容易になる。

【００２５】本発明によるメカノケミカル砥石は、高い
加工能率を備えているので、小さな径の砥石を使用して
も、研磨布を用いる従来のＣＭＰ装置と同等のスループ
ットを実現することができる。従って、従来のＣＭＰ装
置と比較して、装置全体のサイズを小さくすることがで
きる。

【００２６】次に、本発明に基づくメカノケミカル砥石
の製造方法について説明する。

【００２７】図２に、本発明に基づくメカノケミカル砥
石の製造装置の概略構成を示す。フレーム４１の上部に
は、加圧用ピストン４２が搭載され、加圧用ピストン４
２には、移動軸４３が下向きに取り付けられている。フ
レーム４１の下部には、成形部カバー４５が取り付けら
れ、成形部カバー４５の中に、金型５１が収容される。
金型５１の上部には開口部が設けられ、この開口部を介
して成形室５３の上方に成形用ロッド４７の先端部分が
挿入される。

【００２８】メカノケミカル作用を有する砥粒（例え
ば、ＭｎＯ_２）とエポキシボンド剤を、所定の重量比で
混合し、乾燥させる。次いで、この混合生成物を、再
度、粉末状に粉砕した後、金型５１の成形室５３の中に
充填する。

【００２９】成形用ロッド４７の周囲の、上端のフラン
ジ部の下側の部分に、スプリング４８を装着した後、成
形用ロッド４７の先端部分を、金型５１の上部の開口部
に挿入する。金型５１の周囲に成形部カバー４５を取り
付ける。成形部カバー４５の上部には円筒形の開口部が
設けられている。この開口部の中に成形用ロッド４７の
上端のフランジ部が収容される。成形用ロッド４７の上
端に、加圧力伝達用球４９を介して、移動軸４３を押し
当てる。なお、上記の開口部と、移動軸４３との間に
は、パッキン４４が挿入され、成形部カバー４５の内部
を気密に保つことができる。成形部カバー４５の内部
は、真空ポンプ５５に接続されている。

【００３０】この状態で真空ポンプ５５を作動させ、成
形部カバー４５内を、−７０〜−８０ｋＰａ（Ｇ）の負
圧状態にする。その後、加圧用ピストン４２で、成形用
ロッド４７を介して成形室５３内に圧力を加え、加圧状
態を保持する。一定時間経過後、加圧用ピストン４２に
よる荷重を解除する。その後、成形部カバー４５内を大
気圧に戻す。金型５１から成形品（メカノケミカル砥石
２０）を取り出す。この様にして、メカノケミカル砥石
２０が完成する。

【００３１】金型５１の形状を変えることによって、様
々な形状のメカノケミカル砥石を製作することができ
る。なお、上記のメカノケミカル砥石の製造プロセスで
は、室温で加圧成形が行われ、成形中の砥石を加熱する
必要はない。

【００３２】次に、本発明に基づくメカノケミカル砥石
の性能評価試験の結果について説明する。

【００３３】上記の製造方法によって、砥粒としてＭｎ
Ｏ_２、Ｍｎ_２Ｏ_３及びＦｅ_３Ｏ_４を含むメカノケミカル
砥石を、それぞれ製造した。なお、ボンド剤としてエポ
キシ樹脂系のボンド剤を使用し、その混合比率（重量
比）を、「９６：４」とした。なお、製作されたメカノ
ケミカル砥石は、直径１０ｍｍ、高さ約５ｍｍの円柱形
状の砥石である。また、研磨対象のウエーハ１０とし
て、表面に熱酸化膜が形成されたシリコンウエーハを使
用した。

【００３４】図３に、この性能評価試験の際に使用した
試験装置の概略構成を示す。研磨対象のウエーハ１０
は、ターンテーブル６１の上面に吸着されて保持され
る。ターンテーブル６１は、駆動軸６２の上端に固定さ
れている。ターンテーブル６１の上方には、研磨ヘッド
６５が配置される。研磨ヘッド６５の下端には、重錘６
６が取り付けられている。評価対象のメカノケミカル砥
石２０は、工具ホルダ６７を介して重錘６６の下側に保
持される。

【００３５】各メカノケミカル砥石２０に、重錘６６に
よる荷重を加えてウエーハ１０に対して押し付け、研磨
ヘッド６５及びターンテーブル６１を回転させ、乾式で
ウエーハ１０の表面の研磨を行い、各メカノケミカル砥
石２０による加工速度を次の様な方法で比較した。研磨
前後のウエーハ１０上の熱酸化膜の厚さの変化を測定
し、熱酸化膜の除去量を、重錘６６による荷重と、メカ
ノケミカル砥石２０とウエーハ１０の相対移動距離との
積で割った値（「比加工量」）を求めた。

【００３６】図４に、比加工量の測定結果を示す。同図
に示す様に、ＭｎＯ_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、またはＦｅ_３Ｏ_４
の砥粒を使用したメカノケミカル砥石について、良好な
結果が得られ、その中では、ＭｎＯ_２が最も高い加工速
度を示した。なお、Ｍｎ_３Ｏ _４の砥粒を使用した場合に
も、Ｍｎ_２Ｏ_３の場合と同程度の性能を期待することが
できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によるメカノケミカル砥石を使用
することによって、以下の効果が得られる。

【００３８】（イ）研磨布及び研磨剤を使用する必要が
なくなるので、消耗材の消費量が減り、平坦化加工の際
の加工コストを引き下げることができる。

【００３９】（ロ）研磨剤を使用する必要がなくなるの
で、廃液処理の負担が軽減される。

【００４０】（ハ）固形の砥石を使用しているので、研
磨布を用いた場合と比べて、段差平坦化機能に優れてい
る。

【００４１】（ニ）本発明によるメカノケミカル砥石
は、研磨布と比べて寸法及び特性を均一に揃え易く、ま
た、使用中の性質の変化も少ない。従って、加工精度が
高く、安定した加工結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるメカノケミカル砥石を使用する平
坦化装置の概略構成を示す図。

【図２】本発明によるメカノケミカル砥石を製造する装
置の概略構成を示す図。

【図３】本発明によるメカノケミカル砥石の評価試験に
使用された試験装置の概略構成を示す図。

【図４】本発明によるメカノケミカル砥石の評価試験の
結果を示す図。

【図５】従来のＣＭＰ装置の概略構成を示す図。

【符号の説明】

１０・・・ウエーハ、１１・・・ターンテーブル、１２
・・・駆動軸、２０・・・メカノケミカル砥石、２１・
・・研磨ヘッド、２２・・・工具ホルダ、２３・・・主
軸、２４・・・駆動モータ、２５・・・エアシリンダ、
２６・・・直動ガイド、２８・・・旋回アーム、２９・
・・コラム、３１・・・ノズル、４１・・・フレーム、
４２・・・加圧用ピストン、４３・・・移動軸、４４・
・・パッキン、４５・・・成形部カバー、４７・・・成
形用ロッド、４８・・・スプリング、４９・・・加圧力
伝達用球、５１・・・金型、５３・・・成形室、５５・
・・真空ポンプ、６１・・・ターンテーブル、６２・・
・駆動軸、６５・・・研磨ヘッド、６６・・・重錘、６
７・・・工具ホルダ、７１・・・ターンテーブル、７２
・・・研磨布、７４・・・研磨ヘッド、７５・・・トッ
プリング、７６・・・バッキングパッド、７７・・・ガ
イドリング、７９・・・研磨剤供給ノズル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＭｎＯ_２、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｍｎ_３Ｏ_４及び
Ｆｅ_３Ｏ_４からなる群から選択された少なくとも一種か
らなる砥粒をボンド剤で結合し、加圧成形することによ
り得られたことを特徴とするメカノケミカル砥石。
【請求項２】前記ボンド剤は、エポキシ樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１に記載のメカノケミカル砥
石。
【請求項３】前記砥粒と前記ボンド剤の混合比率が、
重量比で９５対５から９８対２の範囲内にあることを特
徴とする請求項２に記載のメカノケミカル砥石。