JP6206942B2

JP6206942B2 - 円盤状キャリア

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Publication number: JP6206942B2
Application number: JP2012289084A
Authority: JP
Inventors: 修司岩田
Original assignee: GLOBALI.CO.,LTD.
Current assignee: GLOBALI.CO.,LTD.
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014128862A

Description

本発明は、被研磨物を研磨する工程において、半導体ウエハ，ハードディスク，液晶ディスプレイ用ガラスなどの被研磨物を保持する円盤状キャリアに関するものである。

半導体ウエハ（ウエハ）の両面を研磨する研磨装置として、研磨装置に形成されている外周歯車と中央歯車に、研磨装置上に置かれる円盤状キャリアの外周に設けられる外周歯車を噛合せ、そして円盤状キャリアに設けられたウエハ保持用のホール内に挿入したウエハを上定盤と下定盤によって上下に挟み込み、円盤状キャリアを自転と同時に公転させるようにしてウエハの上下面を同時に研磨する装置がある。
ここで、円盤状キャリアは、一般的には複数のウエハ保持用のホールと、ウエハを研磨するために研磨用砥粒（スラリー）を上定盤と下定盤の間に流し込むための複数のホールが設けられた構造となっている。

円盤状キャリアの一つとして、熱硬化性樹脂含浸積層板からなる円板を加工したものがある。熱硬化性樹脂含浸積層板としては、ガラス繊維織布基材にエポキシ樹脂を含浸させた積層板、アラミド繊維不織布基材にエポキシ樹脂を含浸させた積層板、綿布基材にフェノール樹脂を含浸させた積層板などがある。

研磨用砥粒による研磨は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２），酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），酸化セシウム（ＣｅＯ_２）などの微粒子を分散した水系研磨液を円盤状キャリアの表面上に供給しながら、円盤状キャリアを回転するのと同時にウエハの表面上に配置した研磨パッドを相対的に回転させてウエハの表面を研磨する。

熱硬化性樹脂含浸積層板より構成される円盤状キャリアは、積層体を構成する樹脂自体は硬いものの、積層体界面での接着性が比較的低いため、研磨時にガラス繊維織布基材にエポキシ樹脂を含浸させた積層板ではガラス繊維織布基材とエポキシ樹脂の界面剥離が発生したり、研磨パッドとの摩擦により円盤状キャリアのエポキシ樹脂がすり減り、長期にわたって同一の円盤状キャリアを使用できなくなるという欠点がある。

このような欠点を改善するために、ステンレス、チタン、鉄、アルミニウムなどの金属材を用いて構成する円盤状キャリアがある。金属製円盤状キャリアは、樹脂で構成する円盤状キャリアよりも硬くて強固であるため、研磨パッドとの摩擦により金属がすり減ることが少なく、長期にわたって同一の円盤状キャリアを使用できる。
しかし、金属露出部から微量ながら金属微粒子が発生し、この金属微粒子がウエハの研磨面に侵入すると、ウエハ表面にスクラッチ傷を発生させたり、金属汚染を生じたりする問題が発生する。

この欠点を解決するために、硬質の樹脂材、例えば、耐摩耗性、耐疲労性、耐薬品性などに優れたポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いた円盤状キャリアが考えられるが、円盤状キャリアが薄い場合、あるいは大形化になってくるとＰＥＥＫ材の剛性力が金属のように大きくないため、研磨中において円盤状キャリアの回転により円盤状キャリアが撓んだり、さらに撓みが大きくなってくるとクラッシュに至ることが懸念される。

このように、金属製円盤状キャリアでは金属微粒子によるウエハへのスクラッチ傷や汚染が発生する問題に対し、これを防止するために円盤状キャリアに硬質の樹脂材であるＰＥＥＫ材を用いても、薄型化、大形化になってくると撓み、クラッシュの発生という問題が生じる。

このような欠点を解決する方法として、特許文献１では、基材となる金属製キャリアを樹脂等の硬度の低い材料でコーティングして構成する、両面研磨用キャリアが報告されている。特許文献１のような構成の場合、基材とする金属キャリアを予め作製しておく必要があるが、金属キャリアはウエハを研磨する上で高い寸法精度が要求されることから、金属キャリアの外周歯車の加工精度、ウエハ保持用のホールやスラリーを上定盤と下定盤の間に流し込むためのホールの位置精度、金属キャリアの厚さばらつきが高い精度で確保されなければならない。

このような高い加工精度が要求される金属キャリアに樹脂等の硬度の低い材料でコーティングすると、コーティングされた金属キャリアの外周歯車の加工精度、各ホールの位置精度、金属キャリアの厚さばらつき精度が大きく低下する。このためコーティングされた金属キャリアの寸法精度を金属キャリアだけの加工精度に戻すためには、再度高精度な加工作業が必要となる。また、予め精度の高い金属キャリアを作製しておく必要があることから、最終的な金属キャリアの価格が高くなる可能性があり、また、樹脂キャリアに比べて金属キャリアを基材としているので重量も重たくなる。
このように特許文献１による構成のウエハ研磨用の円盤状キャリアは、寸法精度の問題、価格面、重量面の問題がある。

また、特許文献２では、金属微粒子の汚染を改善する方法が報告されている。
ウエハの両面を研磨する研磨装置は、研磨装置に形成されている外周歯車と中央歯車に、研磨装置上に置かれた円盤状キャリアの外周に形成する外周歯車を噛合せて、円盤状キャリアを自転と同時に公転させるようにしてウエハの上下面を同時に研磨する。通常、研磨装置の外周歯車と中央歯車は金属材にて構成されているところから、特許文献２では、これらの歯車部周辺を硬質の樹脂材にて形成したり、あるいは歯車部の表面を硬質の樹脂被覆材で覆ったりして、金属材が樹脂キャリアの外周歯車と直接接触しないようにしてウエハへの金属微粒子による汚染を防止するとしている。
しかし、特許文献２では、円盤状キャリアが金属製のものでは研磨パッドがあたる部分は金属が露出しているので、金属の露出部から金属微粒子が発生し、ウエハ表面にスクラッチ傷が発生したり、金属汚染を生じさせたりする問題がある。

また、特許文献３では、金属面にＰＥＥＫ材の樹脂でコーティングする構造が提案されている。特許文献３で提案している構造は、金属面に樹脂をコーティングするとしているので、仮に金属キャリアに適用した場合、金属面の露出がなくなり金属微粒子の発生を防ぐことができるので、金属微粒子によるウエハの信頼性低下という問題は解決できる。
しかし、金属キャリアの表面に樹脂をコーティングして再度、寸法精度の高い金属キャリアを作製する必要が生じるので、特許文献１の場合と同じような問題が生じる。

すなわち、特許文献３の方法においても、基材とする金属キャリアを予め作製しておく必要があるが、金属キャリアはウエハを研磨する上で高い寸法精度が要求されることから、金属キャリアの外周歯車の加工精度、ウエハ保持用のホールやスラリーを上定盤と下定盤の間に流し込むためのホールの位置精度、金属キャリアの厚さばらつきが高い精度で確保されなければならない、このような高い加工精度が要求される金属キャリアに樹脂材料でコーティングすると、コーティングされた金属キャリアの外周歯車の加工精度、各ホールの位置精度、金属キャリアの厚さばらつき精度が大きく低下する。

このため、コーティングされた金属キャリアの寸法精度を金属キャリアだけの加工精度に戻すためには、再度高精度な加工作業が必要となる。また、予め精度の高い金属キャリアを作製しておく必要があることから、最終的な樹脂がコーティングされた金属キャリアの価格が高くなる可能性があり、また、樹脂キャリアに比べて金属キャリアを基材としているので重量も重たくなる。
このように特許文献３による構造で、仮にウエハ研磨用の円盤状キャリアに用いた場合でも、寸法精度の問題、価格面、重量面の問題がある。

実開昭５８−４３４９号公報特開平９−２５４０２６号公報特許第４８２５００１号公報

樹脂をベースとした積層体で構成する円盤状キャリアでは、樹脂自体は硬いものの、積層体界面での接着性が比較的低いため研磨時に積層体界面で剥離したり、樹脂自体の破壊・摩耗が起こりやすい。また、ウエハを研磨する際に、研磨パッドとの摩擦により円盤状キャリアの樹脂がすり減り、長期にわたって同一の円盤状キャリアを使用できなくなるという欠点がある。これらの欠点を改善するために金属材を用いた金属製円盤状キャリアがある。

金属製円盤状キャリアは、硬くて強固であるため研磨パッドとの摩擦により金属がすり減ることが少なく長期にわたって使用できるものの、金属露出部から微量ながら金属微粒子が発生し、この金属微粒子がウエハの研磨面に侵入すると、ウエハ表面にスクラッチ傷が発生したり、金属汚染を生じさせたりする問題がある。

この問題を改善する一方法として硬質の樹脂材を用いる方法があるが、円盤状キャリアが薄い場合、あるいは大形化になってくると樹脂材の剛性力が金属のように大きくないため、研磨中において円盤状キャリアの回転により円盤状キャリアが撓んだり、さらに撓みが大きくなってくるとクラッシュに至ることが懸念される。

この欠点をなくすために金属面に樹脂をコーティングした円盤状キャリアがあるが、高精度な寸法の円盤状キャリアの確保が難しいことや、価格面や重量面での課題が残る。そこで、これらの問題が解決できる円盤状キャリアが望まれていた。
上記状況に鑑みて、本発明は、高剛性、長寿命、高寸法精度であり、かつ、低価格、軽重量の円盤状キャリアを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の円盤状キャリアは、被研磨物を保持する円盤状キャリアであって、円盤状キャリアは、硬質樹脂材から成り、外周歯車と被研磨物保持用ホールと研磨砥粒用ホールとが形成され、内部に剛性を高めるための無機材からなる補強材が設けられており、該補強材は、外部を硬質の樹脂材で覆われ露出部を無くした構造を呈し、かつ、形状が円盤状キャリアに設けられる被研磨物保持用ホールと、被研磨物を研磨するために研磨用砥粒を流し込むための研磨砥粒用ホールの位置に重ならず、外周歯車を有さず、円盤状キャリアの大きさより小さい形状であり、コンパクトな形状にすることにより重量の軽い円盤状キャリアとし得る構成とされる。
かかる構成によれば、補強材が円盤状キャリアの大きさより小さく、かつ被研磨物用ホールやスラリーを上定盤と下定盤の間に流し込むための研磨砥粒用ホールの位置と重ならなければ任意な形状で良く、そのために高精度な加工を必要としない。

したがって補強材を簡単な切削加工やプレス加工のようなもので作製することができる。このように作製された補強材に長寿命の硬質な樹脂材で覆った後、円盤状キャリアに要求される高精度加工を施すことによって、金属汚染が防止され、高剛性、長寿命、高寸法精度であり、かつ、低価格、軽重量が実現できる。

また、本発明の円盤状キャリアでは、厚さが略一定で、形状がシート状あるいはメッシュ状である構成がより好ましい。かかる構成であれば、円盤状キャリアの剛性を損なわなくて、長寿命であり、加工精度が高く、低価格、軽重量の円盤状キャリアが提供できる。

さらに、本発明の円盤状キャリアでは、硬質の樹脂材として、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）のそれぞれにおける単体材料、またはこれらの複合材料のいずれかであること、ならびに無機材からなる補強材がステンレス、チタン、アルミニウム、鉄、セラミック、カーボン繊維体、ガラス繊維体のいずれかであることが更に好ましい。円盤状キャリアの内部に埋め込まれている無機材からなる補強材が長期にわたって露出することがなく、信頼性の高いウエハを得ることができる。

本発明に係る円盤状キャリアによれば、高剛性、長寿命、高寸法精度、低価格、軽重量を実現できる。

実施例１に係る本発明の円盤状キャリアであり、補強材との位置関係を示した図である。実施例１に係る補強材の平面図である。実施例１に係る硬質樹脂材によって補強材が埋め込まれたキャリアシートを示す。実施例１に係る円盤状キャリアにおけるキャリアシートの位置関係を示した図である。実施例１に係る円盤状キャリアの平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。
なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

以下、図１〜図５を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施例１の円盤状キャリア１であり、円盤状キャリア１の中に設けられている補強材５の位置関係を示した図である。図１（１）は、平面図である。図１（２）は、図１（１）におけるＡ−Ａ断面図である。
円盤状キャリア１の内部には剛性を高めるための無機材からなる補強材５が設けられており、硬質樹脂材６を用いて補強材５を覆うことによって補強材５の露出部を無くした構造となっている。円盤状キャリア１の外周部には外周歯車２が設けられており、研磨装置（図示しない）に形成されている外周歯車と中央歯車に噛合せることにより、被研磨物保持用ホール３に挿入した被研磨物を研磨装置の上定盤と下定盤によって上下に挟み込み、円盤状キャリア１を自転と同時に公転させるようにして被研磨物の上下面を同時に研磨する。

補強材５の形状は、円盤状キャリア１に設けられる被研磨物保持用ホール３と、被研磨物を研磨するために研磨用砥粒を流し込むための研磨砥粒用ホール４、およびその他の目的で設けられるホールの位置に重ならないような形状となっている。もし、補強材５の形状が被研磨物保持用ホール３と研磨砥粒用ホール４を横切るような形状となれば、円盤状キャリア１を加工、作製する工程において被研磨物保持用ホール３と研磨砥粒用ホール４の穴あけ加工後に、その断面部に補強材５が露出することになる。補強材５が露出すれば、被研磨物の研磨工程においてその露出部分から金属微粒子が発生し、金属微粒子に関わる問題が生じ被研磨物の信頼性が低下する。尚、補強材５の形状が被研磨物保持用ホール３と研磨砥粒用ホール４の位置に重ならなければ、補強材５の形状はいかなる形状であってもよい。ここで、補強材５を剛性が損なわれない程度にコンパクトにすることによって重量の軽い円盤状キャリア１が提供できる。

図２は、実施例１の円盤状キャリア１に係る補強材５に関する図である。図２（１）は、平面図である。図２（２）は、図２（１）におけるＢ−Ｂ断面図である。補強材５は、ステンレス、チタン、アルミニウム、鉄（フェライトとマルテンサイトによる複合組織鋼や炭素鋼も鉄の範疇とする）、セラミック、カーボン繊維体、ガラス繊維体のような剛性の大きい金属や非金属の無機材であり、シート状あるいはメッシュ状となっている。補強材５の厚さは円盤状キャリア１の厚さより薄ければいかなる厚さでもよいが、剛性を高めるためには１００μｍ以上が好ましい。

補強材５の形状は、円盤状キャリア１に設けられる被研磨物保持用ホール３と、研磨砥粒用ホール４の位置に重ならない形状であれば任意な形状でよいため、特別に高精度に加工する必要がなく簡単な切削加工やプレス加工のようなもので作製することができる。もし、この工程において切削加工やプレス加工によりバリや返りがある場合は、研磨処理してこれらを削除するのが好ましい。このように簡単な切削加工やプレス加工のようなもので作製できるので、補強材５の加工するための加工賃が安くでき、その分円盤状キャリアの価格を抑えることができる。

図３は、実施例１の円盤状キャリア１に係る硬質樹脂材６によって、補強材５がキャリアシート７の中央部に設けられた図である。キャリアシート７は、圧縮成形、フレーム溶射の加工方法などにより作製することができる。
圧縮成形方法において硬質樹脂材６にＰＥＥＫ材を用いると、キャリアシート７の大きさに相当する金型に粉末やペレットのＰＥＥＫ材を入れ、金型の縦・横方向及び厚さ方向の中心部に補強材５を埋め込み、金型とＰＥＥＫ材をＰＥＥＫ材の溶融温度以上に加熱すると共に、加熱時間を持続することによってＰＥＥＫ材が溶融するので、溶融されたＰＥＥＫ材は補強材５の隅々まで行きわたる。その後、金型を所定の時間をかけて冷却した後、金型よりキャリアシート７を取り出すことによって、硬くて強固なキャリアシート７を得ることができる。

ここで、金型を冷却する際、補強材５と硬質樹脂材６の膨張係数の違いにより補強材５の界面に剥離が生じたり不具合が懸念される場合は、冷却時間を十分に取ったり、補強材５をメッシュ状にして硬質樹脂材６が補強材５を覆うような構造とすることによって膨張係数の違いによる剥離や不具合を改善、防止させることが望ましい。
フレーム溶射では、ガスと酸素の混合気を燃焼させることでＰＥＥＫ粉末を溶かし、圧縮空気によりＰＥＥＫ材の溶融粒子を加熱した補強材５の表面に高速に吹きかけ、ＰＥＥＫ材粒子を補強材５の表面に堆積させてキャリアシート７を得る方法である。まずキャリアシート７の大きさに相当する金型の内壁に、フレーム溶射によりＰＥＥＫ材の溶融粒子を吹き付け、キャリアシート７の半面を作製する。続いて補強材５をその上に置き、再度ＰＥＥＫ材の溶融粒子を吹き付け、もう一方の半面を作製した後、所定の時間をかけて冷却、金型よりキャリアシート７を取り出すことによって、硬くて強固なキャリアシートを得ることができる。

このように作製されたキャリアシート７は表面が凸凹であったり、外形の縦横寸法が正確でない状態であるので、研削加工、研磨加工等により表面と外周壁を研磨、平坦化したり、外形寸法を正確に切断することによって、寸法精度の高いキャリアシート７を得る。また厚さに関しては更に研磨加工することによって、厚さばらつきのないキャリアシート７を得ることができる。

ここで、硬質樹脂材６にＰＥＥＫ材の単体材料を用いて説明したが、ＰＥＫ材、ＰＰＳ材、ＰＴＦＥ材のいずれの単体材料であっても良いし、これらの複合材料であっても同様の効果が得られる。また、ＰＥＥＫ材、ＰＥＫ材、ＰＰＳ材、ＰＴＦＥ材のいずれかに、アルミナやジルコニウムなどのいずれか、または複数を添加して得ることができる複合材料を用いて、硬度や摩擦性などの性能的付加価値をつけてもよい。

図４は、実施例１の円盤状キャリア１のキャリアシート７における位置関係を示した図である。
補強材５は予め設定されたキャリアシート７の中央部に設けられているので、円盤状キャリア１の作製はキャリアシート７のたとえばコーナー部を基準にしてレーザーなどにより切削して行う。

図５は、作製された実施例１に係る円盤状キャリア１の平面図である。
補強材５が埋め込まれたキャリアシート７をレーザー加工や旋盤加工によって円盤状キャリア１に仕上げられていくが、たとえば、炭酸ガスレーザーであればレーザーの熱により、硬質樹脂材６を溶融、切断して外周歯車２、被研磨物保持用ホール３、研磨砥粒用ホール４を高精度の寸法で加工できる。これにより円盤状キャリア１は、高精度の寸法のものが得られる。

このように、補強材５については簡単な切削加工やプレス加工のようなもので作製でき、しかも寸法精度が悪くてもキャリアシート７から円盤状キャリア１を作製する段階で、レーザー加工により高精度な加工を施せばよいので、寸法精度の高い円盤状キャリア１を得ることができると共に、一回の加工だけで高精度の円盤状キャリア１を得ることができるので加工賃を抑えることができ、その分、円盤状キャリア１の価格が安くなる。
さらに、補強材５の形状が被研磨物保持用ホール３と研磨砥粒用ホール４の位置に重ならない形状であれば、いかなる形状であっても良いので、大きさをコンパクトにすることによって重量の軽い円盤状キャリア１を得ることができる。

円盤状キャリア１の剛性力の向上については、円盤状キャリア１の内部に剛性の高い補強材５を設けているので、円盤状キャリア１が薄型化、大形化になっても撓み、クラッシュの発生しない高剛性の円盤状キャリア１が提供できる。
また、ＰＥＥＫ材のような耐摩耗性、耐疲労性、耐薬品性のある硬質樹脂材６で補強材５を覆った構成としているので、被研磨物の金属汚染がなくなり、長期にわたって安定に研磨できる円盤状キャリア１が提供できる。
なお、図中、同一符号、同一記号は、同じ機能、同じ効果を示すものである。

本発明は、半導体ウエハの両面を研磨する研磨装置の円盤状キャリアとして有用である。

１円盤状キャリア
２外周歯車
３被研磨物保持用ホール
４研磨砥粒用ホール
５補強材
６硬質樹脂材
７キャリアシート

Claims

被研磨物を保持する円盤状キャリアであって、
該円盤状キャリアは、硬質樹脂材から成り、外周歯車と被研磨物保持用ホールと研磨砥粒用ホールとが形成され、
内部に剛性を高めるための無機材からなる補強材が設けられており、
該補強材は、外部を硬質の樹脂材で覆われ露出部を無くした構造を呈し、かつ、形状が円盤状キャリアに設けられる前記被研磨物保持用ホールと、被研磨物を研磨するために研磨用砥粒を流し込むための前記研磨砥粒用ホールの位置に重ならず、外周歯車を有さず、円盤状キャリアの大きさより小さい形状であり、コンパクトな形状にすることにより重量の軽い円盤状キャリアとし得る、
ことを特徴とする円盤状キャリア。
前記補強材は、厚さが略一定で、形状が大小２つのリング部材とそれらを半径方向に伸びる部材で繋げたものであることを特徴とする請求項１に記載の円盤状キャリア。
前記硬質の樹脂材として、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂のそれぞれにおける単体材料、またはこれらの複合材料のいずれかであること、ならびに、前記補強材がステンレス、チタン、アルミニウム、鉄、セラミック、カーボン繊維体、ガラス繊維体のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の円盤状キャリア。