(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の上にダイヤモンド膜を形成したダイヤモンドウエハのダイヤモンド表面を研磨するために、ダイヤモンド表面とダイヤモンド砥粒を含む研磨盤とを接触させ、互いを擦り合わせることによって接触点で熱を発生させダイヤモンドと熱化学反応を起こす物質の粉末あるいは粉末を含む液を研磨盤上に噴霧し、ダイヤモンドと反応物質を反応させ、ダイヤモンドとの化合物を作り硬度を下げ研磨盤によって削ることによりダイヤモンド表面を除去するようにしたことを特徴とするダイヤモンドの研磨方法。
【請求項２】
粉末としてあるいは液として噴霧する噴霧物質として、鉄、ニッケル、マンガン、セリウム、ランタンのうち少なくとも１種類以上を使用することを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンドの研磨方法。
【請求項３】
加工時の雰囲気が酸素、水素、アルゴンのうち少なくとも１種類以上のガスによって満たされているか或いは真空であることを特徴とする請求項１或いは２に記載のダイヤモンドの研磨方法。
【請求項４】
研磨盤と被研磨材のそれぞれの任意の一点の相対速度が５ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓである事を特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のダイヤモンドの研磨方法。
【請求項５】
被研磨材表面の温度が研磨盤表面との摩擦熱によって２００℃〜８００℃の範囲内に加熱され、この熱によって化学的作用が促進されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のダイヤモンドの研磨方法。
【請求項６】
研磨盤下に施されているヒータと研磨盤表面温度を検出するセンサにより、研磨盤表面の温度を２００℃〜８００℃の範囲において連続的に調整することが可能であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のダイヤモンドの研磨方法。
【請求項７】
ダイヤモンド粒子を表面に固定した主軸まわりに回転する研磨盤と、ダイヤモンドウエハを下面に固定し研磨盤に押しつけた状態でシャフトまわりに自転するホルダ−と、ホルダ−を回転させるホルダ−モータと、ホルダ−に軸方向に力を与えその力を検出できるロードセルと、ニッケル、鉄、マンガン、セリウム、ランタンの粉末またはこれらの粉末を含む液を研磨盤に噴霧する噴霧器と、研磨盤の表面温度を測定する温度センサと、研磨盤を加熱するヒータとを含み、ホルダ−には２ｋｇｆ〜２０ｋｇｆの軸方向力を与えることができ、研磨盤とダイヤモンドウエハの相対線速度が５ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓになるように研磨盤を回転できるようにしたことを特徴とするダイヤモンドの研磨装置。
【請求項８】
研磨盤として、ダイヤモンド砥粒を用いた電着砥石、レジンボンド砥石、メタルボンド砥石、ビトリファイボンド砥石を使用することを特徴とする請求項７に記載のダイヤモンドの研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、エレクトロニクス分野、光学の分野などにおいて利用できる硬質物質ウエハの硬質物の表面を研磨する研磨方法及び研磨装置に関する。特に、気相合成法により基板の上にダイヤモンドを被覆した複合ウエハの被覆表面を研磨する方法と装置に関する。基板はＳｉ、Ｍｏなどである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは現在入手できるあらゆる材料の中では最も硬い材料である。これ以上に硬い材料はない。それ以上に硬い材料がないので、ダイヤモンドを機械的に研磨するには、ダイヤモンド自体を研磨材とする。ダイヤモンドによってダイヤモンドを研磨する。これを共削りという。
【０００３】
研磨法には遊離砥粒による方法と、固定砥粒による方法とがある。遊離砥粒による方法として、スカイフ研磨方法が知られている。これは鉄系の研磨盤とダイヤモンド遊離砥粒を用いる。ホルダ−に固定したダイヤモンド板を研磨盤に押しつけダイヤモンド砥粒を含む研磨液を研磨盤面に流しながら、研磨盤を公転させ、ホルダ−を自転させて、ダイヤモンド面をダイヤモンド遊離砥粒の作用により研磨する。これは対象物への当たりが柔らかであって対象物を破壊しないという利点がある。しかし遊離砥粒ダイヤモンドを使うのでダイヤモンド砥粒の損失が大きい。研磨速度も遅くて仕上げ面精度も良くない。
【０００４】
固定砥粒による研磨方法は、ダイヤモンド砥粒を固定した研磨板によって、ダイヤモンド板を擦ることによって研磨するものである。ダイヤモンドの固定手段の相違によっていくつかの種類のダイヤモンド砥石がある。レジンボンド砥石、メタルボンド砥石、電着砥石等である。フェノ−ルレジン、ポリイミド樹脂などの樹脂によってダイヤモンド砥粒を固定したものはレジンボンド砥石である。
【０００５】
ブロンズ、コバルト、タングステン、鉄、ニッケルなどの金属によって固定したものがメタルボンド砥石である。ダイヤモンド砥粒を鉄、ニッケルなどのメッキ膜によって固定したものが電着砥石である。レジンボンド砥石、メタルボンド砥石、電着砥石等はダイヤモンド砥粒を固定して用いているから砥粒が流れ去らない。高価なダイヤモンド砥粒の損失がないので極めて有利である。
固定砥粒による方法は、研磨するべきダイヤモンド板をホルダ−に取付け、回転（公転）する砥石（研磨板、研磨定盤）に押しつけ、ホルダ−自身も自転させて、物理的作用により、ダイヤモンド表面を削ってゆく。
【０００６】
これらの研磨法はダイヤモンド板や膜を、ダイヤモンド砥粒によって擦り、物理的にダイヤモンド表面を削ろうとするものである。物理的手段で削るからこれらの方法はいずれも研磨面に高い負荷をかける必要がある。高い圧力によって硬いダイヤモンド表面を、同じ硬さのダイヤモンド砥粒で無理に削ってゆく必要があるからである。もちろん高負荷によってダイヤモンド砥粒も、試料ダイヤモンドも同様に磨耗してゆく。もしも高い圧力をかけないとすると、互いに空滑りするだけで試料を全く削ることができない。
【０００７】
高い負荷をかけないで研磨する特別の方法も提案されている。例えば、特開平２−２６９００号はダイヤモンド砥粒を使わず平滑金属盤を用いる。これは酸素雰囲気下で加熱した平滑な金属盤にダイヤモンドを接触させ、ダイヤモンドを化学的に研磨する。これは熱と酸素の作用によってダイヤモンドを研磨するのであるから、熱化学的研磨法と呼ぶことができよう。しかしこのような熱化学的方法は、加工特性が周囲の雰囲気、温度に強く依存する。加工を良好に進めるためには装置が極めて高価なものになるという難点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来ダイヤモンドは研磨材や工具として利用されていた。しかしダイヤモンドはバンドギャプが広く熱に強く熱伝導率が高く不純物添加によって半導体になる。これらの利点からエレクトロニクス分野でダイヤモンドを利用できるのではないかという強い期待が寄せられている。
ダイヤモンド膜をエレクトロニクス分野で利用するには既存のウエハ−プロセスによって処理できるようになっていなければならない。例えば微細加工のためにフォトリソグラフィ−などの技術が適用できることが望まれる。
【０００９】
ウエハ−プロセスはＳｉウエハを対象にしてこれまで高度に進歩してきた。ダイヤモンドに対してダイヤモンド独自の方法を模索するというよりは、Ｓｉにおいて発達したウエハ−プロセスをそのままダイヤモンドにも転用できるようにするのが最も望ましい。このためにはダイヤモンドが広い面積を持ち、しかも平坦でなければならない。
【００１０】
ダイヤモンドは高圧合成法または気相合成法によって人工的に製造できる。前者はバルクダイヤモンド結晶を高圧高温によって合成するものである。高圧をかける必要があるので大きい結晶を作ることができない。だからＳｉウエハと同じような全体がダイヤモンドであるダイヤモンドウエハはできない。Ｓｉウエハと同じ意味でのダイヤモンドウエハは将来も製造できないであろう。
【００１１】
気相合成法は、加熱された適当な基板の上に水素ガスと炭化水素ガスを導き気相反応を起こさせてダイヤモンド薄膜を基板の上に成長させるものである。例えば、プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ア−クプラズマジェットＣＶＤ法等を用いてダイヤモンド薄膜を合成することができる。これらの気相合成法は比較的広い面積の膜を製造することができる。時間をかければかなり厚い膜を作ることもできる。そこでＳｉウエハやその他の適当な材料の上にダイヤモンドの薄膜を形成したものを実質的なダイヤモンドウエハとして利用する事が考えられる。
【００１２】
実際Ｓｉウエハによってデバイスを作る時も、ウエハの上層の一部を利用しているに過ぎない。ウエハの下層部分は台座となるだけで積極的に利用されていない。だからダイヤモンドの場合でも、上層だけダイヤモンドで有れば良いのである。Ｓｉウエハの上に極薄くダイヤモンドを気相合成したものでもダイヤモンドウエハとして用いることができる筈である。全体がダイヤモンドである必要はない。Ｓｉの上にダイヤモンドを被覆したものであってもダイヤモンドとしてその電気的性質を利用することができる。そこで、非ダイヤモンド（Ｓｉ、Ｍｏ、Ｎｉ等）基板の上に薄くダイヤモンド薄膜を付けた複合体（基板＋薄膜）を以後ダイヤモンドウエハということにする。
【００１３】
ダイヤモンドウエハを作ったとしてもそのままではデバイスを作ることができない。ウエハ全体に反りがあり、表面に凹凸があるからである。そのままではウエハプロセスに乗せることができない。表面の凹凸を除き、平坦平滑にするためにはダイヤモンド面を研磨する必要がある。
ところがダイヤモンドは既存の物質の内で最も硬くて研磨しにくい材料である。先に述べたように、ダイヤモンド以上に硬い物質が存在しないので、ダイヤモンド砥粒によってダイヤモンド面を共削りする。この時に高い圧力を研磨面にかける必要がある。
【００１４】
この為、ダイヤモンドウエハは高い面圧に耐えるものでなければならない。ところが前述のダイヤモンドウエハは、例えばＳｉ基板をダイヤモンド薄膜によって覆ったものに過ぎない。研磨のために高負荷をかけると、基板にこの圧力が全部かかってしまう。
ところが、基板であるＳｉは脆性材料である。研磨時の高負荷に耐えない。Ｓｉウエハの直径が大きくなり、より薄くなると、研磨時の高い面圧に耐える事ができず割れてしまう。Ｓｉ以外の材料を基板にしても同じである。研磨時の高い圧力によって割れたり欠けたりする。複合ダイヤモンドウエハを研磨する時に、高負荷によってウエハが割れたり欠けたり破壊されないようにする必要がある。
【００１５】
柔らかい基板の上にダイヤモンドを被覆した複合ダイヤモンドウエハを、破損することなく、ダイヤモンド面を鏡面研磨する方法を提供する事が本発明の第１の目的である。複合ウエハの硬質膜を効率よく研磨する方法を提供する事が本発明の第２の目的である。ダイヤモンドウエハを安価に研磨する方法を提供する事が本発明の第３の目的である。ダイヤモンドウエハを均一かつ平滑に研磨する事のできる方法を提供することが本発明の第４の目的である。基板の上にダイヤモンド被覆を形成した脆弱なダイヤモンドウエハを破損することなく研磨する装置を提供することが本発明の第５の目的である。複合ダイヤモンドウエハを平滑に研磨できる装置を提供することが本発明の第６の目的である。硬い被覆を持つ複合ダイヤモンドウエハを高能率で研磨できる装置を提供することが本発明の第７の目的である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板にダイヤモンドを被覆した複合ウエハのダイヤモンド膜を、ウエハが破損する事なく、均一に効率よく、鏡面研磨する方法を鋭意研究した。ダイヤモンドと反応する物質の粉末を研磨盤に加え、摩擦により加熱して化学反応を起こさせる事により研磨する以下の方法を見い出した。
【００１７】
本発明の研磨方法は、ダイヤモンドウエハを円盤状のホルダ−の中央に固定し、回転する研磨盤に押し当て、研磨盤とウエハ表面の接触点の相対速度を５〜１５ｍ／ｓの高速にし、基板の表面の温度を２００℃〜８００℃に保ち、研磨盤上に、硬質物質（ダイヤモンド）に固溶する物質を噴霧し、化学反応を起こさせてダイヤモンドの硬度を下げて研磨する。
【００１８】
このように本発明の研磨方法は、物理的作用だけでなく、化学的作用をも利用してダイヤモンドの硬い膜を研磨しようとするものである。反応（噴霧）物質がダイヤモンドの内部に拡散し、ダイヤモンドと化学反応する。これによってダイヤモンドの硬度が低下する。柔らかくなるので、より低い圧力によって研磨できるようになる。
これが本発明にとって極めて重要な点である。硬度低下量は、噴霧物質の拡散量に比例する。ここで化学反応を起こさせるために噴霧する物質を単に反応物質あるいは反応剤と呼ぶことにする。
【００１９】
反応物質としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、セリウム（Ｃｅ）、ランタン（Ｌａ）などの物質を用いることができる。いずれもダイヤモンドと化学反応をする材料である。これらの材料は粉末にして、研磨盤に上に定期的にあるいは随時噴霧する。
反応物質粉末が研磨盤から逃げる事なく、常に均一に存在するようにする事が望ましい。噴霧器の分布や、タイミングを適当に決める必要がある。さらに粉末を滞留させるような凹部を、研磨盤表面に一様に形成しておくのが良い。
【００２０】
反応物質はダイヤモンドと反応することにより化合物を形成して、ダイヤモンドの硬度を実質的に減少させる。こうなる為に反応物質がダイヤモンドの内部へ効率よく拡散しなければならない。
ダイヤモンド中への前記の反応物質の拡散速度は、ダイヤモンドと研磨盤の接触面付近の温度に大きく依存する。高温の方が拡散速度が高い。温度を上げるために加熱する手段が必要である。研磨盤の下方にヒ−タを設けて研磨盤を加熱する事が考えられよう。
【００２１】
しかしそれ以外に、研磨盤とダイヤモンド膜との摩擦による発熱がある。研磨の際の摩擦熱を有効に利用して反応物質の拡散を促進する事が可能である。摩擦熱の大きさは、圧力と相対速度の積によって決まる。
ウエハの面積にも依るがウエハを押し付ける力は２ｋｇｆ〜２０ｋｇｆの程度である。基材の物理的な強度によりこの力には上限がある。多くの場合、基板はＳｉのような脆性材料であるから、あまり圧力をかけ過ぎると、基板が割れてしまう。１０ｋｇｆ以上に上げられない場合がある。
【００２２】
そこで、相対速度を上げることを考える。相対速度が大きいと、圧力が低くても摩擦熱の発生は盛んになる。
好ましい相対速度は５ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓである。最も良いのは１０ｍ／ｓ〜１７ｍ／ｓの程度である。ダイヤモンド薄膜と研磨盤の間の動摩擦係数をμとして、押圧力が１０ｋｇｆ、速度が１５ｍ／ｓとすると、単位時間の摩擦熱発生量は、３５０μｃａｌ／ｓとなる。
【００２３】
また好ましい研磨盤の温度は２００℃〜８００℃である。適当な圧力をかけながら、前記の範囲の相対速度で研磨盤とウエハ−を相対回転させると、２００℃〜８００℃になる。これによって、反応物質のダイヤモンド中への拡散を促進できる。
接触界面の温度Ｔ１は、研磨盤表面に埋め込んだ温度センサによって測定する。この温度Ｔ１と研磨の条件から、研磨界面の目標温度Ｔｍが決定される。目標温度が与えられると、これを実現するための加重Ｗ、相対速度Ｓが決まる。そのような条件になるように研磨装置を調整する。摩擦熱だけでは加熱不十分であることもある。この場合はヒ−タによって加熱し、研磨盤の温度を上げる。
【００２４】
反応物質が硬質物質の中に拡散することにより硬度を下げて研磨の進行を促進させるというのが本発明の骨子である。研磨後のダイヤモンドは、拡散層を含んではならない。全て削り落とす必要がある。そこで研磨盤としては、表面にダイヤモンド砥粒を固着したものを用いる。ダイヤモンド砥粒は、レジンボンド、メタルボンド、電着などのつなぎ材を介して研磨盤に固定する。
【００２５】
【作用】
図１は、本発明の研磨方法を行うための研磨装置の外略斜視図である。
研磨盤１はダイヤモンド粒子を表面に多数固定した円盤状の砥石である。レジンボンド、メタルボンド、電着など砥粒の固定手段は任意である。ホルダー３は円形の平坦な円盤である。下面に被研磨物２が張り付けられる。つまりダイヤモンドウエハ−が基板側をホルダー面に接触させて取り付けられる。間に緩衝材を挟むこともある。
【００２６】
ホルダー３は回転軸４（シャフト）によって支持される。回転軸４は上方で軸受けによって回転自在に支持される。ロードセル５は、回転軸４に所定の圧力を加える。モータ７は、軸１４、プーリ１５、ベルト８、プーリ１６によって回転力を回転軸４に与える。回転軸４がホルダー３を自転させる。ここでは、ロードセル５は、０〜３×１０4 Ｎ／ｍ2 の圧力をかけることができるようになっている。ダイヤモンドウエハ−は垂直加重によって研磨盤に押し付けられる。ホルダ−３は定位置で自転し、研磨盤１は大きく公転する。
【００２７】
噴霧器６が、研磨盤１の側方に設けられる。硬質物質の中に拡散し化学反応する反応物質の粉末、あるいは粉末を含む液を噴霧器６に入れておく。研磨中に定期的または必要に応じて、研磨盤上に、粉末、液体を噴霧する。噴霧された反応物質粒子は研磨盤の面に一時的に滞留する。
研磨盤１は公転し、ホルダーは自転する。圧力をかけているので、硬質物質膜が強く研磨盤の上に押し付けられる。高い相対速度を与えるので、接触面において大きな摩擦熱が発生する。摩擦熱によって被研磨材が加熱される。ダイヤモンド表面が高温になる。
【００２８】
ダイヤモンド表面には噴霧された反応物質が付着する。温度と圧力により反応物質が硬質物質（ダイヤモンド）の内部に拡散を開始する。拡散の速度、拡散量は、被研磨材の材質、反応物質、被研磨材の温度によって決まる。研磨盤の砥粒は硬質物質であるが、被研磨材と同じ材料であると、研磨盤の劣化を早める。劣化を避けるために、研磨盤の砥粒の材質を適当に選定するべきである。
【００２９】
研磨盤１は図２、図３に示すように、円周方向に多数の周回溝１２、半径方向にも多数の半径溝１１が穿たれている。円周溝１２は、幅０．５ｍｍ〜１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの浅い溝である。これは研磨盤上に噴霧された粉末又は溶液が、被研磨物の通過によって、研磨盤上から排除されるのを防ぐ。硬質物質と反応する物質を粉末、溶液の形で研磨盤に供給すれば、これが円周溝１２に滞留して容易に押し退けられないようになる。もしも円周溝１２がないと、研磨盤上の被研磨物が通る部分は、反応物質が存在しないようになってしまう。円周溝１２は粉末、溶液を捕獲できるから被研磨物の通過する部分にも常時反応物質が存在するようにできる。
【００３０】
半径方向の溝１１は、幅１ｍｍ〜２ｍｍ、深さ１ｍｍ〜２ｍｍのより大きく深い溝である。半径溝１１は、噴霧されて暫らく経った後の残留粉末や研磨屑などにより研磨盤が目詰まりするのを防ぐ。つまり円周溝は、粉末が長く滞留するようにする作用があり、半径溝は不要な粉末や屑を速やかに排除する作用がある。半径溝は必ずしも直線状である必要はない。渦巻き状、スクリュ−状の形状でもよい。中心部と外周部を連結する形状であれば良い。
【００３１】
粉末の供給量、円周溝の作用、半径溝の作用により、研磨盤上には一定量の反応物質が常に存在する。しかし残留粉末や屑によって次第に研磨盤が汚れてくる。研磨盤上の研磨屑や残留粉末の堆積が過度になってくると、研磨盤上に水または洗浄液を流す。これによって残留粉末や研磨屑を除去し、研磨盤上を清浄化する。清掃後、再び噴霧器６から粉末又は溶液を噴霧し、研磨を再開する。
【００３２】
主モ−タ７はホルダ−を自転させるものである。主モ−タ７は、インバ−タによってその回転数を変化させることができる。モ−タ７は高速回転型のモ−タである。モ−タ出力がベルト８、プ−リよりなる減速機構によって減速されてホルダ−を回転させる。そして被研磨物と研磨盤の接触点での相対速度が５ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓになるように、モ−タ回転数を調整することができる。
【００３３】
本発明は被研磨物と研磨盤の間で発生する摩擦熱によって化学反応を起こさせる。単位時間に発生する摩擦熱は、相対速度と摩擦抵抗の積によって与えられる。ロ−ドセルを介して与えれる力が大きいと、摩擦抵抗が大きく発熱も大きくなる。しかし被研磨物に大きい圧力をかけることができない場合がある。
被研磨物が、硬質物質と脆性材料の複合体である場合がある。この場合は被研磨物を強く研磨盤に押し付けることができない。この場合は高速の相対速度を与えなければならない。つまり研磨盤を高速回転させる必要がある。であるから本発明はかなり高速の相対回転を与えるようにしている。
【００３４】
化学反応を利用して被研磨物を削ってゆくのであるから、温度が重要な因子になる。研磨盤１の表面温度は、放射温度計９によってモニタされる。研磨盤１の下には、電熱コイルが設置される。電熱コイル（ヒ−タ）によって研磨盤を加熱し研磨盤の温度を調整できるようになっている。ここでは研磨盤の温度を２００℃〜８００℃の範囲で調整できるようになっている。
【００３５】
しかし噴霧物質の拡散に必要な温度のすべてを電熱コイルによって供給する訳ではない。大部分の熱は、被研磨物と研磨盤の間で生ずる摩擦熱によって賄われる。噴霧物質が被研磨物中に拡散することができる温度を始めに決定し、摩擦熱によって上昇した研磨盤の温度を放射温度計によって測定し、これらの差の温度を与えるのに必要な熱をヒ−タから供給する。設定温度より研磨盤温度が低ければ電熱コイル電力を増やし、反対に、設定温度より研磨盤温度が高ければ、電熱コイル電力を減らす。
【００３６】
【実施例】
次の条件によって作製した硬質物質ウエハ−を、本発明の方法によって研磨した。
［硬質膜の作製方法］  基板として、鏡面研磨した直径２インチ（５０ｍｍ）、厚み１ｍｍの（１００）単結晶Ｓｉウエハ−を用いた。このＳｉウエハ−を、平均粒径０．５μｍ〜１μｍのダイヤモンド粉末によって傷つけ処理した。これはダイヤモンドの核発生密度を上げるためである。
【００３７】
フィラメントＣＶＤ法を用いて、Ｓｉウエハ−の上に、ダイヤモンド膜を形成した。フィラメントＣＶＤ法というのは、反応容器の中の支持台の上に基材を置き、炭化水素を含む水素ガスを容器内に導き、フィラメントによって基材を加熱し原料ガスを分解し、気相反応を起こさせて、反応生成物を基材の上に堆積させる方法である。
フィラメントとしては、φ０．３ｍｍのタングステン（Ｗ）線１０本を７ｍｍ間隔で平行に張ったものを用いた。支持台の中には冷却機構がある。フィラメントの温度を一定にしても、冷却機構によって基材の温度を自在に調整することができるようになっている。ダイヤモンド膜の合成条件は以下のようである。
【００３８】
0003713738.tif 000002
【００３９】
基材の温度は冷却機構によって制御することができる。ここでは８５０℃としている。膜厚は時間に比例して増大するので時間によって膜厚を制御できる。ここでは５０μｍとしている。
本発明の試料になるダイヤモンドウエハ−は、直流プラズマＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ア−クプラズマジェットＣＶＤ法などによっても製造することができる。また炭化水素原料もメタンの他にエタン、プロパン、アセチレン、ハロゲン化炭化水素などを用いることができる。
【００４０】
ダイヤモンド膜厚は１０μｍ〜３００μｍの程度にすることもできる。基板はＳｉの他に、Ｍｏなどをも用いることができる。本発明は基材とダイヤモンド薄膜からなる複合膜の研磨方法であるから、どのような製造方法によって作られた硬質物質ウエハ−に対しても適用することができる。
このようにして製造した試料を次の４つの加工方法によって研磨した。
【００４１】
（１）加工条件１（研磨盤の回転速度を変えた場合）
試料（Ｓｉ基板＋薄膜）は円盤状の基材ホルダ−に取り付けられる。試料を支持するために直径１００ｍｍ厚さ２０ｍｍのステンレス製のホルダ−を用いた。試料を直接にホルダ−に固定するのではない。試料は、直径φ６０ｍｍ、厚み２ｍｍの天然ゴムに接着剤にて貼りつけ、天然ゴムをさらに接着剤によってホルダ−の下面に接着した。ゴムを介するのは、一つには試料にもともと凹凸があるからである。もう一つの理由はゴムの緩衝作用によって脆弱な基板が割れたり欠けたりするのを防ぐためである。研磨盤の回転速度による相違を調べる。
研磨条件は以下のごとくである。
【００４２】
イ．研磨盤  ＃２００の、集中度１００のレジンボンドダイヤモンド砥石
ロ．研磨盤直径      ３００ｍｍ
ハ．研磨盤回転数    ▲１▼５００ｒｐｍ、▲２▼１５００ｒｐｍ
ニ．ホルダ−      ステンレス  φ１００、２０ｍｍｔ
ホ．緩衝材      天然ゴム      φ６０  、２ｍｍｔ
ヘ．ホルダ−回転数        ４０  ｒｐｍ
ト．加工圧力                ８  ｋｇｆ
チ．研磨時間              １０  Ｈｒ
リ．噴霧粉末      なし、鉄、マンガン、セリウム
ヌ．雰囲気          アルゴン（Ａｒ）
【００４３】
｛１０時間研磨後｝  このような条件によって１０時間ダイヤモンドウエハ−を研磨した。研磨盤回転数が５００ｒｐｍのものを試料▲１▼、１５００ｒｐｍのものを試料▲２▼とする。自転の場合の線速度を計算する。ウエハ−の半径が２５ｍｍ、自転の回転数が４０ｒｐｍであるあるから、最外周部での線速度は０．１ｍ／ｓである。公転の場合の線速度を計算する。研磨盤の半径が１５０ｍｍで、ウエハ−の半径が２５ｍｍであるから、ウエハ−の中心と研磨盤中心の距離Ｄは９０ｍｍ〜１１０ｍｍ程度である。
【００４４】
試料▲１▼の５００ｒｐｍの場合は、ウエハ−中心での線速度Ｖは、Ｄ＝９０ｍｍの時Ｖ＝４．７ｍ／ｓ、Ｄ＝１００ｍｍの時Ｖ＝５．２ｍ／ｓ、Ｄ＝１１０ｍｍの時Ｖ＝５．７ｍ／ｓである。
試料▲２▼の１５００ｒｐｍの場合は、ウエハ−中心での線速度Ｖは、Ｄ＝９０ｍｍの時Ｖ＝１４ｍ／ｓ、Ｄ＝１００ｍ／ｓの時Ｖ＝１５．７ｍ／ｓ、Ｄ＝１１０ｍｍの時Ｖ＝１７ｍ／ｓである。自転と公転が両方作用するし、研磨盤中心からの距離により線速度が異なる。自転と公転が同方向なら、線速度は一時的に両方の和になる場合がある。上の例では自転による線速度が小さいので、研磨盤とウエハ−の相対線速度は殆ど研磨盤の公転によって決まる。
【００４５】
どちらの試料も、ダイヤモンド膜面の方が凸に１５μｍ反っているものを用いた。いずれの試料においても研磨は、中心部から周辺に向かって進行している。その進行状況を基板全体Ｚに対する研磨部の面積Ｘの比Ｘ／Ｚによって表現すると、公転速度が５００ｒｐｍのものは、どの条件においても約５割であった。つまり周辺部の５割は未研磨であるか研磨不十分であるということである。
公転速度が１５００ｒｐｍのものは、噴霧物質なし、噴霧物質が鉄の場合はＸ／Ｚが７割であった。噴霧物質がマンガンの場合は、Ｘ／Ｚが９割でさらに優れている。噴霧物質がセリウムの場合、Ｘ／Ｚが１０割であって全面が研磨されていた。
【００４６】
これは研磨時間が１０時間の場合である。これよりも時間を長くすると研磨の割合はさらに増える。反対に時間を短くすると研磨された領域はさらに減る。表１に回転速度や噴霧物質にの異なる試料についてのウエハ−中心部での研磨深さの測定結果を示す。
【００４７】
【表１】
0003713738.tif 000003
【００４８】
研磨盤回転が５００ｒｐｍでは、噴霧物質によって研磨速度は殆ど変わらない。つまり噴霧物質による特別の効果が殆どない。１５００ｒｐｍの場合はマンガン、セリウムを噴霧する場合に研磨速度が高くなる。これは研磨深さにおいてもそうであるし、先程述べた研磨広さにおいてもそうである。
５００ｒｐｍの場合はウエハ−と研磨盤の相対速度が５ｍ／ｓの程度である。これより相対速度が低いと研磨深さは浅い事が分かる。１５００ｒｐｍでは相対速度が１５ｍ／ｓの程度になる。マンガンを反応物質に用いる場合は、回転速度に比例して研磨深さが増加している。しかし噴霧物質なし、噴霧物質が鉄の場合は回転速度に比例する程には研磨深さが増えない。噴霧物質がセリウムの場合は回転数の比以上に深さが増えている。
【００４９】
（２）加工条件２（ダイヤモンド砥石の種類を変えた場合）
試料（Ｓｉ基板＋薄膜）はダイヤモンド膜面の方に１５μｍ反っているものを用いた。前例と同様に、天然ゴムを介して、直径１００ｍｍ厚さ２０ｍｍのステンレス製のホルダ−にウエハ−を貼りつけた。今度は研磨盤による研磨結果の違いを調べた。研磨条件は以下のごとくである。
【００５０】
0003713738.tif 000004
【００５１】
ニ．ホルダ−      ステンレス  φ１００、２０ｍｍｔ
ホ．緩衝材      天然ゴム      φ６０  、２ｍｍｔ
ヘ．ホルダ−回転数        ４０  ｒｐｍ
ト．加工圧力                ８  ｋｇｆ
チ．研磨時間                ５  Ｈｒ
リ．噴霧粉末      なし、鉄、マンガン、セリウム
ヌ．雰囲気          アルゴン（Ａｒ）
【００５２】
｛５時間研磨後｝  このような条件によって５時間ダイヤモンドウエハ−を研磨した。どの試料も、ダイヤモンド膜面の方が凸に１５μｍ反っているものを用いた。いずれの試料においても研磨は、中心部から周辺に向かって進行している。研磨盤の回転数は１５００ｒｐｍである。線速度にすると、１４ｍ／ｓ〜１７ｍ／ｓである。
表２に、研磨盤の違いによる基板中心部の研磨深さの測定結果を示す。
【００５３】
【表２】
0003713738.tif 000005
【００５４】
噴霧物質なし、鉄、マンガンの場合は、電着砥石とメタルボンド砥石において除去深さは殆ど変わらない。レジンボンド砥石はこれらふたつの砥石よりも除去量が少ない。噴霧物質にセリウムを用いる時はどの砥石でも研磨量が多くなる。またセリウムの場合、レジンボンド砥石による研磨量は他の２つの砥石の研磨量にほぼ等しくなる。
研磨結果を評価するものとして、表面粗さＲａは重要なファクタ−である。砥石と噴霧物質の違う試料について研磨面の面粗さＲａ（ｎｍ）を測定した。表３にその結果を示す。
【００５５】
【表３】
0003713738.tif 000006
【００５６】
メタルボンド砥石の場合に面粗さが最も大きくなる。電着砥石、レジンボンド砥石の場合、面粗さが小さい。噴霧物質なし、鉄、マンガンの場合に、電着砥石、レジンボンド砥石では、Ｒａ＝１０ｎｍ〜２０ｎｍの程度である。面荒れを少なくするという目的のためには、噴霧物質なしか噴霧物質鉄の場合が良い。噴霧物質としてセリウムを使う時は面が荒れている。その中でもメタルボンド砥石を使う場合が最も著しい。これはセリウムを噴霧することにより研磨盤が劣化するためである。セリウムによる劣化の最も少ない砥石はレジンボンドである。
【００７１】
【発明の効果】
硬度が高いために加工が極めて困難であったダイヤモンドの加工を能率よくしかも高精度に行なうことができる。能率よく研磨する、つまり高速加工という点ではレ−ザ加工、放電加工などがある。しかし表面の面粗度は劣る。加工精度という点では、酸素エッチング法がある。しかしこれは加工速度が遅い。つまりダイヤモンド加工法において、能率と精度が両立できる加工法は存在しない。本発明は初めて、能率と精度に双方に優れたダイヤモンド加工法を与えることができる。
【００７２】
ダイヤモンドをエレクトロニクス、光学分野で利用するには、平坦で平滑な大面積のダイヤモンドウエハ−が必要である。本発明は大面積の鏡面研磨ダイヤモンドウエハ−を提供することができる。本発明の加工法によりダイヤモンドの用途を飛躍的に増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダイヤモンド研磨装置の概略斜視図。
【図２】本発明において使用する研磨盤の表面の溝構造を示す平面図。
【図３】図２の研磨盤のＸ−Ｘ縦断面図。
【符号の説明】
１  研磨盤
２  被研磨物
３  ホルダ−
４  シャフト（シャフト）
５  ロ−ドセル
６  噴霧器
７  ホルダ−モ−タ
８  ベルト
９  放射温度計
１１  半径溝
１２  円周溝
１４  軸
１５  プーリ
１６  プーリ
【図１】
0003713738.tif 000007
【図２】
0003713738.tif 000008
【図３】
0003713738.tif 000009