JP3818445B2

JP3818445B2 - パッドレス研磨定盤及び方法

Info

Publication number: JP3818445B2
Application number: JP2002191646A
Authority: JP
Inventors: 泰弘谷; 紀昭横井
Original assignee: Nihon Micro Coating Co Ltd
Current assignee: Nihon Micro Coating Co Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2003089055A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、ガラス、セラミックス、プラスチックス等の材料からなる薄板状の研磨対象物の表面を、研磨パッドを使用せずに研磨するパッドレス研磨に用いられる定盤及び研磨方法に関し、特に、半導体装置、磁気ディスク又は液晶パネルなどに用いられる基板表面をパッドレス研磨するのに適した定盤及び研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
電話、カメラ、コンピュータなどの電子機器には、機能の制御や情報の記憶又は表示のため、半導体装置、磁気ディスク又は液晶パネルなどが主要電子部品として使用されている。
【０００３】
このような電子部品に用いられる半導体ウエハ、磁気ハードディスク基板又は液晶パネル基板（以下、これらを総称して基板という）の表面は、研磨工程を経た後、多層配線工程や被膜工程など、各種電子部品の製造工程で要求される様々な工程、さらに検査工程を経て製品化される。
【０００４】
ここで、基板表面に施される配線や被膜などの製造段階で要求される一連の工程は、設計段階で予定される部品性能や機能を発揮させるため、ナノメートル単位の精度で行わなければならず、このため、各工程には高い精度が要求され、研磨工程においても、基板表面を高度に平坦化することが要求されている。
【０００５】
このように高い精度が要求される研磨工程における基板表面の研磨は、代表的に、半導体ウエハなどのディスク状基板表面の研磨について説明すると、図２に示すように、研磨パッド２２を円盤２１に張着した定盤２０を回転（矢印Ｒの方向）させながら、研磨パッド２２の表面に向けたノズル２４を通じて、砥粒を含有した研磨スラリーを研磨パッド２２の表面に供給し、チャック２３に吸着した基板Ｗを回転（矢印ｒの方向）させながら押し付けて行われる（例えば、特開２０００−２３９６５１公報を参照）。
【０００６】
この従来の研磨技術では、研磨パッドとして、織布、不織布、発泡体シートからななる研磨パッドが使用され、この研磨パッドは弾性を有し、また表面に研磨クズを取り込める隙間や気泡空隙を有することから、基板表面を高度に平坦化できるものと考えられてきた。
【０００７】
しかし、織布シートには織り目があり、また、不織布シートには表面上の糸の密度に斑があるため、基板表面が局所的に粗くなったり、うねりが生じ、基板表面を均一に平坦化できない、という問題がある。また、発泡体シートでは、兆次間使用すると、表面の気泡空隙が研磨クズにより目詰まりし、上記の織布、不織布シートと同様に、基板表面が局所的に粗くなったり、うねりが生じ、基板表面を均一に平坦化できない、という問題があり、定期的に、表面部分を砥石で削除するコンディショニングと称する作業を行っていた。
【０００８】
また、研磨パッドとして、厚さ２ｍｍ〜３ｍｍの弾性を有する上記した研磨パッドが使用されるので、研磨中の研磨パッドの弾性変形が大きく、定盤を回転させるために、大きな動力を必要としていた。
【０００９】
近年、研磨パッドを使用せずに、定盤表面に研磨スラリーを直接供給し、この上に研磨対象物を押し付け、定盤と研磨対象物とを相対的に移動させて研磨対象物表面の平坦化を行う画期的な研磨技術が開発された（表題「パッドレス研磨の試み」、２０００年度砥粒加工学会予稿集、第４８〜４８頁、平成１２年９月１２〜１４日学会発表、東京大学生産技術研究所、盧毅申、谷泰弘、柳原聖、共著を参照）。この研磨技術は、研磨スラリーに、ミクロンサイズの弾性粒子と、これよりも小さい平均粒径の硬質粒子とを混入し、研磨中、弾性粒子に仮付着した硬質粒子によって基板表面を研磨するものであり、研磨スラリー中の各弾性粒子が研磨パッドとして機能するので、研磨パッドを不要とした。このことから、この研磨技術は「パッドレス研磨」又は「パッドレスポリッシング」と呼ばれる。
【００１０】
ここで、パッドレス研磨では、硬質粒子は、静電気力、ファンデルワールス力又は定盤と研磨対象物との相対移動に起因する機械的な力によって、弾性粒子に付着したり、弾性粒子から脱粒したり、また脱粒した硬質粒子が再び弾性粒子に付着したりする。本明細書では、このように硬質粒子が弾性粒子から脱粒し得る状態を「仮付着」といい、硬質粒子が弾性粒子に固定され、弾性粒子から脱粒し得ない状態と区別する。
【００１１】
このパッドレス研磨技術により、研磨パッドが不要となり、研磨パッドの張り換えやコンディショニングなどの作業がなくなり、研磨作業にかかる能率が飛躍的に向上した。
【００１２】
しかし、従来の定盤をパッドレス研磨に用いると、定盤表面に供給した研磨スラリー中の弾性粒子が定盤表面にわたって均一に安定して保持されず、また定盤表面も、研磨対象物表面と同様、研磨スラリー中の硬質粒子により研磨され、定盤表面が摩耗し、定盤表面にうねりが生じ、研磨対象物表面を均一に研磨できないだけでなく、定盤を長時間使用できず、定盤の交換を短時間で行わなければならない、という問題がある。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、研磨スラリー中の弾性粒子を定盤表面にわたって均一に安定して保持でき、長時間使用しても研磨スラリー中の硬質粒子により研磨され難いパッドレス研磨定盤及び方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、弾性粒子とこの弾性粒子よりも小さい平均粒径の硬質粒子とを混入した研磨スラリーを使用して、弾性粒子に仮付着した硬質粒子で研磨対象物表面を研磨するパッドレス研磨に用いる定盤であって、上記目的を達成するため、硬質粒子に対して耐摩耗性のある表層部を有し、この表層部の表面が、弾性粒子を保持する粗面を有することを特徴とするものである。パッドレス研磨中、表層部の粗面に保持された弾性粒子の表面に硬質粒子が仮付着する。
【００１５】
弾性粒子を表層部の表面に保持するため、表層部の粗面の表面粗度は、弾性粒子の平均粒径の１／５〜２／３の範囲にある。
【００１６】
表層部の材料として、金属酸化物、金属炭化物、金属硼素化物、金属窒化物又は金属硅素化物が使用され、好適に、耐摩耗性に優れたタングステンカーバイド系、アルミナ系、又は酸化クロム系のセラミックスが使用される。また、表層部の材料として、炭化物系、酸化物系、硼素化物系、窒化物系又は硅素化物系のサーメットを使用してもよい。
【００１７】
本発明に従ったパッドレス研磨は、上記本発明の定盤の表層部の表面に、弾性粒子と硬質粒子とを混入した上記の研磨スラリーを供給し、この上に研磨対象物を押し付け、定盤と研磨対象物とを相対的に移動して行われる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、弾性粒子とこの弾性粒子よりも小さい平均粒径の硬質粒子とを混入した研磨スラリーを使用して、半導体ウエハ、磁気ハードディスク基板のようなディスク状の基板表面をパッドレス研磨するために用いられる定盤である。
【００１９】
＜定盤＞図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の定盤１０は、円盤１１の上に、硬質粒子に対して耐摩耗性のある表層部１２を形成したものであり、表層部１２の表面は、弾性粒子を保持する粗面を有する。
【００２０】
基板表面のパッドレス研磨は、図示のように、定盤１０を矢印Ｒの方向に回転させながら、表層部１２の表面に向けたノズル１４を通じて、表層部１２の表面に、弾性粒子３１とこの弾性粒子３１よりも小さい平均粒径の硬質粒子３２とを混入した研磨スラリーを供給し、この上に、チャック１３に吸着させた基板Ｗを矢印ｒの方向に回転させながら押し付けて行われる。ここで、定盤１０の回転数は、１０ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍ、好適に、３０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍの範囲にあり、研磨スラリーの供給量は、１ｃｃ／分〜１００ｃｃ／分、好適に、５ｃｃ／分〜５０ｃｃ／分の範囲にある。
【００２１】
基板Ｗの表面は、弾性粒子３１に仮付着した硬質粒子３２によって研磨され、研磨中、弾性粒子３１の各々が弾力性のあるパッドのように機能するので、硬質粒子３２は基板Ｗの表面に弾性的に作用し、基板Ｗの表面は、過度に傷つけられることなく、平滑に研磨される。ここで、硬質粒子３２は、静電気力、ファンデルワールス力又は定盤１０と基板Wとの相対移動に起因する機械的な力によって、図示のように、弾性粒子３１に付着したり、弾性粒子３１から脱粒して定盤１０と基板Wとの間で浮遊したり、また脱粒した硬質粒子３２が再び弾性粒子３１に付着したりする。
【００２２】
表層部１２は、溶射、燒結等の既知の技術を利用して、円盤１１上に形成される。
【００２３】
表層部１２の材料として、金属酸化物、金属炭化物、金属硼素化物又は金属窒化物が使用される。好適に、耐摩耗性に優れたタングステンカーバイド系、アルミナ系又は酸化クロム系のセラミックスが使用される。ここで、タングステンカーバイドを溶射するときは、この材料を単独で使用するのではなく、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒなどの金属と結合したもの（例えば、８８％ＷＣ−１２％Ｃｏ）が使用される。アルミナ系及び酸化クロム系のものは、アルミナ及び酸化クロムをそれぞれ単独で使用できるが、ＴｉＯ₂と結合したもの（例えば、９４％Ａｌ₂Ｏ₃−２．５％ＴｉＯ₂）を使用してもよい。
【００２４】
また、表層部１２の材料として、炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、ＷＣなど）系、酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｈＯ₂など）系、硼素化物（ＺｒＢ₂、ＴｉＢ₂など）系、窒化物（ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＢＮなど）系又は硅素化物（ＭｏＳｉ₂、WSｉ₂など）系のサーメットを使用してもよい。サーメットは、セラミックスの粉末と金属の粉末とを圧縮成形、燒結した複合材料であり、セラミックスの耐熱性と金属の強靭性を兼ね備えた、耐摩耗性に優れた材料である。
【００２５】
表層部１２の表面には、弾性粒子３１を保持するため、粗面加工が施されており、表層部１２の粗面の表面粗度は、弾性粒子３１の平均粒径の１／５〜２／３の範囲にある。ここで、表層部１２の表面粗度が小さすぎると、弾性粒子３１を安定して保持できず、表面粗度が大きすぎると、表層部１２が基板Ｗの表面に接触し、基板Ｗの表面を傷つけてしまう。好適に、この粗面は、表層部１２の表面全体にわたって均一に形成される。
【００２６】
このように表層部１２の表面に粗面加工が施され、弾性粒子３１が表層部１２の表面にわたって均一に安定して保持されるので、基板Ｗの表面が均一に平坦化される。
【００２７】
表層部１２の表面の粗面加工は、既知の研磨方法により、遊離砥粒式又は固定砥粒式に行われ得る。好適に、金属製の円盤表面にセラミックス又はサーメットを溶射して表層部１２を形成し、この表層部１２の表面をサンドブラストで研磨して、上記範囲の表面粗度の粗面を表層部１２の表面に形成する。
【００２８】
＜研磨スラリー＞パッドレス研磨に使用する研磨スラリーは、弾性粒子とこの弾性粒子よりも小さい平均粒径の硬質粒子とを混入したものであり、弾性粒子として、ウレタン、ナイロンポリイミド、ポリエステルなどのプラスチックスからなる平均粒径０．１μｍ〜１００μｍの球状粒子が使用され、硬質粒子として、弾性粒子の平均粒径の１／５〜１／５００の範囲にある平均粒径のコロイダルシリカ、アルミナ、酸化セリウムなどの粒子が使用される。
【００２９】
研磨スラリーは、水又は水ベースの分散液中に硬質粒子を分散し、これに弾性粒子を加え、攪拌することによって製造される。
【００３０】
＜実施例＞本発明に従った定盤を用いて４インチシリコンウエハ表面のパッドレス研磨を行った。
【００３１】
実施例の定盤は、厚さ２０ｍｍの平坦なＳＵＳ円盤（円盤径３８０ｍｍφ）の表面にタングステンカーバイド系のセラミックス（８８％ＷＣ−１２％Ｃｏ）を溶射し、セラミックスからなる厚さ２５０μｍの表層部を形成し、この表面のほぼ全体に、均一に、サンドブラストにより表面粗度５．１μｍの粗面を形成した。
【００３２】
パッドレス研磨に使用した研磨スラリーは、硬質粒子として、平均粒径３０ｎｍのコロイダルシリカ（商品名：スノーテックス３０、製造者：日産化学株式会社）を純水中に分散し、これに、弾性粒子として、平均粒径１０μｍのベンゾグアナミン樹脂（商品名：エポスターＬ１５、製造者：日本触媒株式会社）を加え、攪拌して製造した。この研磨スラリーの組成を下記の表１に示す。
【表１】

【００３３】
シリコンウエハの研磨は、図１に示すような装置を使用して行われ、下記の表２に示す研磨条件で行われた。
【表２】

【００３４】
実施例では、連続して３０枚のシリコンウエハの研磨を行ったが、いずれのシリコンウエハにおいても表面粗度２０Å〜２５Åの鏡面が得られた。
【００３５】
＜比較例＞厚さ２０ｍｍの平坦なパイレックス（登録商標）ガラス（円盤径３８０ｍｍφ）の表面を表面粗度５．０μｍの粗面に仕上げた定盤を用いて、上記実施例と同様、４インチシリコンウエハのパッドレス研磨を行った。
【００３６】
比較例のパッドレス研磨は、定盤を変更した以外、上記実施例と同一の装置及び研磨スラリーを使用し、上記表２の研磨条件で行われた。
【００３７】
比較例では、連続して５枚目のシリコンウエハの研磨を行ったところで、研磨面に斑が生じ、６枚目で表面の研磨が行えなくなった。これは、比較例のパイレックス（登録商標）ガラス製の定盤が、研磨スラリー中の硬質粒子（コロイダルシリカ）により研磨され、研磨スラリー中の弾性粒子（ベンゾグアナミン樹脂）を定盤表面にわたって均一に安定して保持できなくなったためと考えられる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明が、以上のように構成されるので、研磨スラリー中の弾性粒子を定盤表面にわたって均一に安定して保持でき、長時間使用しても研磨スラリー中の硬質粒子により研磨され難く、よって、パッドを使用せずに、長時間にわたって安定して研磨対象物表面を高精度に研磨できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、パッドレス研磨に用いる本発明の定盤の部分断面図であり、図１（ｂ）は、本発明に従った研磨装置の斜視図である。
【図２】図２は、従来の研磨装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０・・・本発明の定盤
１１、２１・・・円盤
１２・・・表層部
１３、２３・・・チャック
１４、２４・・・ノズル
２０・・・従来の定盤
２２・・・研磨パッド
Ｗ・・・研磨対象物
Ｒ・・・定盤回転方向
ｒ・・・チャック回転方向

Claims

弾性粒子とこの弾性粒子よりも小さい平均粒径の硬質粒子とを混入した研磨スラリーを使用するパッドレス研磨に用いる定盤であって、前記硬質粒子に対して耐摩耗性のある表層部を有し、この表層部の表面が、前記弾性粒子を保持する粗面を有し、前記パッドレス研磨中、前記表層部の前記粗面に保持された前記弾性粒子の表面に、前記硬質粒子が仮付着する、定盤。
前記表層部の前記粗面の表面粗度が、前記弾性粒子の平均粒径の１／５〜２／３の範囲にある、請求項１の定盤。
前記表層部の材料として、金属酸化物、金属炭化物、金属硼素化物、金属窒化物又は金属硅素化物が使用される、請求項１の定盤。
前記表層部の材料として、タングステンカーバイド系、アルミナ系又は酸化クロム系のセラミックスが使用される、請求項１の定盤。
前記表層部の材料として、炭化物系、酸化物系、硼素化物系、窒化物系又は硅素化物系のサーメットが使用される、請求項１の定盤。
請求項１〜５のいずれか１に記載の定盤の表層部の表面に、弾性粒子とこの弾性粒子よりも小さい平均粒径の硬質粒子とを混入した研磨スラリーを供給し、この上に研磨対象物を押し付け、前記定盤と前記研磨対象物とを相対的に移動して行う、パッドレス研磨方法。