JP3299523B2 - 硬質発泡樹脂パッドの旋削溝加工用工具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の詳細なる説明】本発明は半導体ウエハ若しくは
デバイス表面のＣＭＰ法（Chemical Nechanical Plolis
hing）の加工に用いるポリッシングパッドの溝加工用工
具に関するもので、詳しくは硬質発泡樹脂パッドに同心
状の細密なリング溝を旋削により能率良く加工する際に
使用する多刃工具の形状に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程において、例えばシリコ
ンウエハ表面の各種薄膜層を化学的に鏡面加工する場合
のＣＭＰ法に各種のポリッシングパッドが使用されてい
る。これらのパッドの中には結合の緩い砥粒と樹脂の複
合体構造をとっているものがある。加工の際にウエハ表
面とポリッシングパッドとの摩擦によりデイスクから遊
離した砥粒がウエハ表面に作用して鏡面とするものであ
る。この場合加工能率は離脱する砥粒の程度に依存して
いる。

【０００３】またスラリの砥粒移動を制御しやすい状態
にするという観点からパッドを作るのに表面が多孔質の
硬質発泡樹脂で形成することが行われている。砥粒に代
表される加工用の微粒子はウエハの物性，目標の仕上が
り表面の形状精度や粗さによって適宜選択されるがウエ
ハと固定した微粒子との接触とするか、浮遊した微粒子
との接触とするかが選択されている。平坦化処理した表
面の鏡面仕上げの程度を向上させるために、ＣＭＰ法で
は後者の手法が採用されフロートポリッシングの一種で
あり、微粒子と液体からなるスラリーをウエハとパッド
間に一定量を定常的に供給して作業するものである。

【０００４】またウエハによっては脆性破壊性が強く、
割れ及び欠けが発生しやすいという機械的な弱点を有す
るためウエハの薄化工程をラッピング又はポリッシング
のみで行わねばならない場合もあり、ポリッシング工程
は重要な工程となっている。ラップ研削盤の機能を有す
る鏡面研磨機においてテーブル上にウエハを固定し砥石
軸下端のフランジ端面にパッドを固定し砥粒微粒子を含
む液体を、テーブルと砥石軸が回転中に常時供給し鏡面
仕上げの作業能率を計っている。半導体デバイスの平坦
化処理の場合にはパッドを円テーブル上に載置して行わ
れている。

【０００５】定常的に供給されるスラリがウエハの上面
に均一に供給され、かつウエハの表面の一定個所に滞留
することがないように、また新たに供給される液体に更
新されるようにする必要がある。従来使用されているパ
ッドはその表面にウエハとパッド間に流入する液体の流
動性や均一性を図るために小さな穴を多数設けたり、直
線状の溝を基本として直交又は斜交する溝群を設けたり
して作業能率の向上を計ってきた。溝の形状と共にパッ
ドの材質についても改良が加えられている。

【０００６】多層配線技術において各層の配線金属層の
平坦化処理にＣＭＰ法が多用されている。配線金属層は
軟質であるためフロートポリッシングが不可欠であり特
にスラリによる平坦化処理を効率的に行い、更に処理能
率を向上させるためにパッドに刻設される溝の形状と研
磨布の寸法・機械的性質が重要である。従来技術として
生産能率の点から金型で多数の溝を一挙に形成する方法
があるが形成するパッド外径が大きくなり溝数が増加し
更に溝形状が細密になるに従い溝の形状を均整にするこ
とが困難となっている。また成型に伴う一般的な欠点で
ある樹脂の流動性のばらつきが溝形状の不均整さをもた
らしている。

【０００７】特にウエハ若しくはデバイスの表面層が軟
質材でありこれを鏡面仕上げ若しくは平坦化するのは従
来のパッドの表面形状では所定の鏡面品質を達成するこ
とが困難となっている。またパッド上の溝の形状等によ
るパッド表面と被加工表面との間のハイドロプレーン現
象の発生を抑制するための試行が必要であり、そのため
にも溝形状の策定にも切削によるパッドの試作及び製造
が不可欠である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術のこ
のような問題に鑑みなされたものであり、その目的とす
るところは、半導体ウエハ若しくはデバイス表面の鏡面
仕上げを能率良く行うのにスラリの流動性と被削金属の
特性に配慮してポリッシングすべき面に過大な加工圧を
付加せず、かつスラリの円滑な流動を保証することがで
きる同心状の細密溝を有する硬質発泡樹脂パッドの旋削
溝加工用工具を提供しようとするものである。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の発明
は、単一切刃を板状工具チップの同一側面上にピッチ
０．２ｍｍ乃至２．０ｍｍで整列突設して多刃ユニット
とし、更にこの多刃ユニットをユニットホルダに取り換
え可能に固装して多刃ユニット工具とし、この多刃ユニ
ット工具の一個以上を溝ピッチが整列するように配列し
て取り換え可能に構成して、同心の多条の溝を同時に旋
削により形成するものである。

【００１４】この発明によれば、微細な溝幅の溝を旋削
でパッドに効率的に付与する多刃工具である。その場合
に溝が小径になるほど溝外径と工具側面との干渉が問題
となる。そのため小径から大径までの溝を干渉なく、か
つ被削材の材質を考慮して刃先の形状を特定する必要が
ある。またパッド上の溝が最小径２０ｍｍから最大径２
００ｍｍを含みそれ以上の径まで一様に多数の溝を旋削
する必要上作業能率が要求され、溝の形状，溝ピッチの
変更に適応でき、かつ溝の精度を満足した工具切刃と多
刃工具形態である。

【００１５】本発明の請求項２の発明は、前記多刃ユニ
ットの整列突設した切刃が両側端にも設けられたもので
ある。この発明によれば、多刃ユニットを並置して構成
するときのユニット間の隙間を切刃ピッチとする調整が
容易である。

【００１６】

【００１７】本発明の請求項３の発明は、前記単一切刃
の形状を刃物角１５度乃至３５度、前逃げ角６５度乃至
４５度、溝の外周側壁に当接する切刃の横逃げ角を１度
乃至３度の範囲に形成してなるものである。請求項３の
発明によれば、円板状のパッド材表面に多状の溝を形成
する必要がある場合や溝付パッド材が半導体デバイス加
工時には消耗品であるために溝を能率良く加工する必要
がある。そのため旋削時の工具を多刃化し、その単一工
具の刃先を多孔性パッド材の加工が容易な切刃を採用す
ることにより高能率にパッド材の加工が容易となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面にもど
つき説明する。 〔実施例１〕最初に、 本願発明に係る多刃旋削工具に先立ち用いられ
る工具の刃先形状とこれを用いて製造したＣＭＰ法加工
用パッドについて説明する。

【００１９】ＣＭＰ法加工に用いられるパッドの基材
は、コスト・物性の安定性等から硬質発泡樹脂が多用さ
れている。とりわけ弾性変形特性・熱伝導率・耐久性・
生産性・経済性等を総合的に判断して現在硬質発泡ウレ
タンシートを基材とするパッドが使用されることが多
い。しかしながら硬質発泡ウレタンシートは、その機械
的性質から一般に切削加工には不向きとされており、パ
ッドとして使用する場合に必要なシート表面上の溝は、
溝を刻設した金型で成型時に同時に形成する方法が能率
的な生産法であるため模索されてきた。

【００２０】パッドの外径と溝数が大になり、更に繊細
な溝幅のパッドが近時ＣＭＰ法加工上要請されつつあ
る。金型による成型では、溝入口のコーナ部分がだれや
すくスラリの流動性を制御しにくい。そのため切削加工
によりコーナ部分に直角なエッジを有する溝を形成する
必要が生じてきた。本願発明は、硬質発泡樹脂材の旋削
に適合した切刃を特定し、溝の壁面にむしれ若しくは膨
れまたは壁面の傾き等が少ない溝を旋削により付与した
ＣＭＰ法加工用パッドの提供を可能とするものである。

【００２１】図１は、単一切刃１でパッド基材２に溝３
を旋削した状態を示す。ここで溝壁面３ａは均整に旋削
されることが要求されている。図２は、金型でパッドの
外形と溝とを同時に形成した場合に、壁面の傾き２ａや
膨れ２ｂが生じることを示している。次にＣＭＰ法加工
に使用されるパッドには、可能な限り中心部分から外径
に最も近いところまで一様な溝を設ける必要がある。実
際の最小径は２０ｍｍ前後であるが最大径は２５０ｍｍ
から５００ｍｍへと増加し近い将来１０００ｍｍ位のパ
ッドが要請される可能性がある。直径の大きいリング溝
を旋削する場合は加工した溝と切刃との干渉量は小さい
が、溝径が小さいほど干渉量は大きい。

【００２２】しかし、現在若しくは近い将来においては
パッドの最大径は５００ｍｍから８００ｍｍの範囲が必
要とされ、この場合に最小径域から最大径域までの溝を
生産性良く同一工具で如何に旋削により均整な溝をパッ
ドに付与できるかの点にある。本願発明では、後述の本
願発明に係る多刃旋削用工具を用いてこの課題を解決し
ＣＭＰ法加工用に使用できる溝付パッドを提供するもの
である。

【００２３】図３は溝付パッドの部分図であり溝３が中
心部分の一部を除き一様に多数の溝が形成されているこ
とを示している。図４は図３のＡ−Ａ断面図で、形成さ
れた一様の溝を表している。溝はパッド表面に一様に加
工される他スラリの流動性を制御してスラリによるハイ
ドロプレーン現象を抑制するために、スラリの粘性を考
慮して溝ピッチを一定周期で変化させたり溝ピッチを不
規則にする場合もある。

【００２４】図５，図６，図７にパッド基材を硬質発泡
ウレタンシートとしたＣＭＰ法加工用パッドを示す。図
５または図６に示す溝形状と溝ピッチを有する溝群を最
小径２０ｍｍから基材の最外径の近くまで一様に溝を旋
削で形成したパッドを示している。

【００２５】パッド上に旋削される溝の形状は以下の通
りである。溝幅は０．１ｍｍ乃至０．３ｍｍの範囲で特
定される。スラリの流動性を制御し、発泡体表面の凹凸
と溝幅の大きさにより砥粒の供給と加工屑若しくは反応
生成物の排出が左右されるからである。溝幅が０．１ｍ
ｍより小さくなるとスラリの制御性と溝の旋削による被
削性が低下するので限界があり溝幅は１ｍｍ以上では旋
削性は良いがスラリの制御性が低下し平坦化処理面の鏡
面仕上げ程度が悪くなるので限界が認められる。

【００２６】溝幅の選定の要因としてパッド材質の硬度
がある。硬度の低い材質にあっては溝幅×溝深さを０．
２ｍｍ×０．２ｍｍに、比較的硬度の高いパッド基材の
場合は０．４ｍｍ×０．８ｍｍに選定できる。溝ピッチ
は０．２ｍｍ乃至２．０ｍｍの範囲で特定される。溝ピ
ッチの特定は半導体デバイスの銅・金等の軟質配線部材
の平坦化処理の鏡面仕上げの程度と処理能率によって選
択される。通常溝ピッチは１ｍｍ乃至２ｍｍの範囲で特
定されることが多い。溝ピッチを必要以上に小さくする
とスラリの粘度との関係でハイドロプレーン現象を抑制
しにくくなるので慎重に特定する必要がある。具体値と
して溝幅×溝深さ×溝ピッチが０．３ｍｍ×０．４ｍｍ
×２ｍｍがある。パッドの旋削溝の径が小さくなるほど
旋削切刃の刃先と溝外径との干渉問題及び切削速度が低
下するので溝の被削性が悪くなる。特に径が２０ｍｍか
ら２００ｍｍの範囲の溝旋削には切刃形状の特定が必要
となる。

【００２７】ここで記載した硬質発泡ウレタンを基材と
するＣＭＰ法に用いるパッド上の旋削溝加工には刃物角
１５度，２０度，２５度を特定し対応する前逃げ角は４
５度，横逃げ角は３度と特定している。刃物角の選択は
被削性の物性や被削材等による切粉の排除性等を考慮し
て選択される。切刃の刃幅は旋削後の溝形状が所定寸法
になるように決定される。刃幅と溝ピッチの具体例とし
て刃幅×溝ピッチを０．２５ｍｍ×１．１ｍｍ若しくは
０．３ｍｍ×２．０ｍｍと特定して旋削してパッド表面
を形成している。

【００２８】ＣＭＰ法加工に使用するパッドに多条の旋
削溝を効率よく加工することがてきる本発明に係る多刃
旋削工具について説明する。

【００２９】図８に刃先部分の用語説明を示している。
樹脂の中でもとりわけ気孔を含む発泡樹脂材は刃物によ
る切削加工の対象とはされないことが多い。そのためＣ
ＭＰ法加工用パッドの基材である硬質発泡樹脂である硬
質発泡ウレタン製のパッドの成型品が生産性の高い方法
として発想された。しかし、最近のＣＭＰ法加工上の要
請から細密な溝幅が必要となり、かつパッド形状の大型
化に対応して従来のパッドの製造手法では限界があり、
これを打開するためあえて生産性が低いと考えられる切
削加工による方法を選択せざるを得ない状況下にあり検
討され始めている。

【００３０】成型による製造法に比し生産性の点で殆ど
匹敵できる程度の生産性のある手段として考えられるの
は旋削による多刃工具による加工が最も可能性が大き
い。そこで硬質発泡ウレタンシートに均整な溝を加工す
るための単一切刃の形状特定が第１の課題となる。第２
の課題として、ＣＭＰ法加工用パッドはパッド中心の小
径溝から最外径に近い溝まで同一形状の溝を一様に旋削
する必要があり特に小径部では溝の外径部の壁面とこれ
と接する切刃の側面との干渉が特に顕著であり壁面のむ
しりやだれの原因となっている。従って内径部分から外
径部分の溝加工に至るまで同一形状の工具で加工するた
めに刃先形状に特定の配慮をする必要がある。

【００３１】そこで第１の課題である単一切刃の形状を
刃物角を１５度乃至３５度、それに対応して前逃げ角を
４５度乃至６５度と特定する。角度範囲は被削材との関
係で定まる。被削材が軟質材であるほど刃物角は１５度
に近く、前逃げ角を４５度に近くとる。また刃物角を一
定にして前逃げ角を４５度から増加させて被削性を判定
し単一切刃の形状が最終的に決定される。なお単一切刃
の刃幅は最終的に形成するパッド上溝幅０．１ｍｍ乃至
１．０ｍｍを旋削するのに適合する幅を０．１ｍｍ乃至
１．５ｍｍの範囲から選定する。

【００３２】硬質発泡ウレタンは木材の切削に類似する
点があり切刃の刃先は鋭利にし切刃の刃先は刃先両側か
ら被削材に当接し切削が開始する形状にすることが望ま
しい。例えば工具研磨の際に刃先中央部分が凹みとなり
刃先の両端を突出するように円弧で刃先を形成するよう
に刃先を研磨することにより溝加工時の切粉の流出もよ
くなる。また刃先を直線にせず刃先先端にのみ研削目を
残して微小なノコギリ目を残しすくい面・前逃げ面・刃
側面は切粉等が流れやすい研磨目とするか、極めて滑ら
かな平面にすることが必要である。

【００３３】次に第２の課題について説明する。同一形
状の単一切刃で溝の最小径から最大径まで加工する場合
に満たすべき条件を検討する。小径溝において溝壁との
干渉を避けるためには前逃げ角を大にすれば良い。そこ
で小径部の直径を２０ｍｍ，溝深さ１．０ｍｍを仮定し
て前逃げ角１０度，４５度，８０度で試算したものを表
１に示している。

【００３４】

【表１】

【００３５】表示する数値の計算式は次の通りである。
前逃げ角１０度、溝径２０ｍｍ、溝深さ１ｍｍとする
と、前逃げ面の外側のエッジがパッドの表面と接する位
置は次式で求められる。

【数１】 従って干渉量は１１．４９６−１０＝１．４９６。

【００３６】前逃げ角に４５度を採用すると干渉量は
０．０５ｍｍとなり更に横逃げ角を３度程度に採れば干
渉は全く生じないことがわかる。この点から前逃げ角を
４５度程度とし刃物角を小の方向、すくい角を大きい方
向で単一切刃を選択する。図９は干渉量の計算手順の説
明図である。なお単一工具の材質は炭素鋼・合金鋼・高
速度鋼・超硬合金・サーメット・ステライト・超高圧焼
結体も使用することもできる。パッドのクリーン度を高
めるためには錆の混入を防止するためセラミックを使用
することもできる。平均的切削条件は周速２００ｍ／ｍ
ｉｎ、送り０．０５以下とする。切削速度を一定に管理
することもできるが、仕上がりに差は殆どない。なお硬
質発泡樹脂旋削時の切刃の刃幅は材質により旋削後の溝
形状が所定寸法になるように材質の物性を考慮して工具
幅を決定する。

【００３７】旋削工具に関する第３の課題は、直径５０
０ｍｍのパッドで同心円状溝を１２５本乃至２５０本程
度、直径８００ｍｍの場合２００本乃至４００本程度の
溝を効率良く旋削する問題である。本願発明では多刃工
具を用いて多数の同一形状の切刃をパッド上に切り込み
送りを行い所定の切刃の数だけの溝を同時に旋削するも
のである。従って一定数の切刃を一つのチップ上に形成
してユニット化して溝の加工能率の向上、工具の製造と
保全管理の容易化をできるようにしたものである。

【００３８】多刃工具の第１の実施例を図１０，図１１
に示す。単一切刃１を板状の工具チップの同一側面上に
所定のピッチで形成して多刃ユニット４とし、ユニット
ホルダ５に固装した位置決めピン６に嵌着して位置決め
し、押さえ板７で挟持してボルト８で固定して多刃ユニ
ット工具を構成する。この多刃ユニット工具の１個以上
を溝ピッチが同一となるよう配列して工具台に固定し２
軸ＮＣ制御して多数の溝を効率良く加工することが可能
である〔図１２〕。図１３はマルチユニットホルダ９の
例であり一つのホルダ上に多数の多刃ユニットを組み付
けたもので図１０に示すように多刃ユニット４の両側端
に切刃１が設けられているので切刃間ピッチの確保が容
易であり作業上の便宜が計られたものである。

【００３９】

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【発明の効果】請求項１の発明は、単一切刃を構成素子
とする旋削用多刃工具をモジュール化して構成して高能
率に多数の旋削溝を加工することができるものである。

【００４３】請求項２の発明は、多刃ユニットの両端に
単一切刃を突設することにより旋削用多刃工具の構成と
調整が容易である。

【００４４】

【００４５】請求項３の発明は、パッド材の細溝加工に
最適な形状を刃先に付与して単一切刃を形成し、該単一
切刃を板上に並設して多刃工具を構成した旋削溝加工用
工具を用いて、多条の溝を短時間で加工するものであ
り、高能率加工が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】単一切刃による溝加工図を示し好ましい溝壁面
を示している。

【図２】型使用で成形した溝形状図を示し溝壁面の傾き
や膨れが生じている。

【図３】溝付パッドの表面，溝の拡大図である。図は一
様な溝を示しているが不規則ピッチにすることもでき
る。

【図４】図３の溝の断面図である。

【図５】ＣＭＰ法加工用硬質発泡ウレタンパッドの断面
図である。

【図６】図５のパッドより更に繊細な溝幅を有するパッ
ドの断面図である。

【図７】図５又は図６に示す溝をパッド表面に一様に旋
削で設けた状態図である。

【図８】刃先部分の用語説明図である。

【図９】前逃げ面と被削面との干渉量の計算手順の説明
図である。

【図１０】多刃ユニットで多条溝を加工する説明図であ
る。

【図１１】多刃ユニット工具の全体図である。

【図１２】多刃ユニット工具を並設して多数の溝を同時
加工する説明図である。

【図１３】マルチユニットホルダに多刃ユニットを並設
した外形図である。

【符号の説明】

１ 単一切刃 ２ パッド基材 ３ 溝 ４ 多刃ユニット ５ ユニットホルダ ６ 位置決めピン７ 押さえ板８ ボルト ９ 溝切り工具

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 37/00 B23B 27/00,27/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一切刃を板状工具チップの同一側面上
   にピッチ０．２ｍｍ乃至２．０ｍｍで整列突設して多刃
   ユニットとし、更にこの多刃ユニットをユニットホルダ
   に取り換え可能に固装して多刃ユニット工具とし、この
   多刃ユニット工具の一個以上を溝ピッチが整列するよう
   に配列して取り換え可能に構成して、同心の多条の溝を
   同時に旋削により形成することを特徴とする硬質発泡樹
   脂パッドの旋削溝加工用工具。
2. 【請求項２】 前記多刃ユニットの整列突設した切刃が
   両側端に設けられたものである請求項１に記載の硬質発
   泡樹脂パッドの旋削溝加工用工具。
3. 【請求項３】 前記単一切刃の形状を刃物角１５度乃至
   ３５度、前逃げ角６５度乃至４５度、溝の外周側壁に当
   接する切刃の横逃げ角を１度乃至３度の範囲に形成して
   なる請求項１または２に記載の旋削溝加工用工具。