(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被削材を乾式により化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対し前記乾式による化学機械研削作用を有する研磨剤と、
摩擦促進剤と、
前記研磨剤と前記摩擦促進剤とを結合するとともに、増粘作用を有し、グリセリン又はグリコースの少なくとも一方を主成分とする増粘剤が含浸される結合剤と、
を備える合成砥石。
【請求項２】
前記研磨剤は、酸化セリウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化チタン、酸化クロムのいずれか又は混合物を主成分とし、平均粒径が１０μｍ以下である請求項１に記載の合成砥石。
【請求項３】
前記摩擦促進剤は、前記被削材よりも低いモース硬度であり、かつ、酸化物系ウィスカ、炭化物系ウィスカ、セルロースファイバ及びカーボンファイバからなる群から選択される少なくとも１つを主成分とする請求項１に記載の合成砥石。
【請求項４】
前記結合剤は、有機化合物系樹脂又は低融点ガラス質結合剤を主成分とする請求項１に記載の合成砥石。
【請求項５】
被削材を乾式により化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対し前記乾式による化学機械研削作用を有する研磨剤と、
前記研磨剤を結合するとともに、増粘作用を有し、グリセリン及びグリコースの少なくとも一方を主成分とする増粘剤が含浸される結合剤と、
を具備する合成砥石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハ等の被削物の表面をグライディング加工するための合成砥石に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造分野では、半導体素子の基板となるシリコンウェーハの表面の加工はシリコン単結晶インゴッドをスライスしたウェーハをラッピング工程、エッチング工程、ポリッシング工程等の数段の工程を経て鏡面に仕上げるのが一般的である。ラッピング工程においては、平行度、平坦度等の寸法精度、形状精度を得る。次いで、エッチング工程においてはラッピング工程でできた加工変質層を除去する。更にポリッシング工程においては、ケミカルメカニカル研磨（以下、「ＣＭＰ」と称する。）により、良好な形状精度を維持した上で鏡面レベルの面粗さを持ったウェーハを形成する。また、これと同等のポリシング工程は半導体後工程においてバックグラインドと呼ばれる研削加工のダメージを除去する際にも用いられる。
【０００３】
近年、ポリッシング工程の代わりに、乾式のケミカルメカニカル研削（以下、「ＣＭＧ」と称する。）による表面加工を行う方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。ＣＭＧ工程では、研磨剤（砥粒）を硬質樹脂等の樹脂結合剤で固定化した合成砥石を用いる。そして、ウェーハ及び合成砥石を回転させながら合成砥石をウェーハに押圧させる（例えば、特許文献２参照）。ウェーハ表面の凸部は、合成砥石との摩擦により微細な加工起点が加熱・酸化されて脆くなって剥がれ落ちる。このようにして、ウェーハの凸部だけが研削され、平坦化される。
【０００４】
また、ＣＭＧ工程において、研削レートを向上させることで、加工能率を向上させる合成砥石が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５７３４９２号公報
【特許文献２】特開２００４−８７９１２号公報
【特許文献３】特開２０１６−８２１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した合成砥石は、次のような問題があった。すなわち、上述したようにＣＭＧ工程では、固体間の化学反応を利用して材料除去を加工原理としているため、反応熱が十分に上昇しないと加工速度が上昇しなかった。また、合成砥石から遊離した研磨剤が合成砥石又はウェーハの回転に伴う遠心力で排出され、研削作用に関与せず、加工速度が低下するという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、研削加工における高い研削効率を実現する合成砥石を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態に係る合成砥石は、被削材に対し化学機械研削作用を有する研磨剤と、摩擦促進剤と、前記研磨剤と前記摩擦促進剤を結合する結合剤とを備えている。
【０００９】
本実施形態に係る合成砥石は、被削材に対し化学機械研削作用を有する研磨剤と、前記研磨剤を結合する結合剤を具備し、前記結合剤には、増粘作用を有する増粘剤が含浸されている、又は、前記増粘剤が低融点ワックスで溶解されて含浸されている。
【発明の効果】
【００１０】
研削加工における摩擦による発熱を促進し、短時間で温度上昇を図ることで、高い研削効率を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る合成砥石が組み込まれたＣＭＧ装置を示す斜視図。
【図２】同合成砥石を示す斜視図。
【図３】同合成砥石の構成を示す説明図。
【図４】同合成砥石の作用原理を示す説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る合成砥石の構成及び製造法を示す説明図。
【図６】同合成砥石の作用原理を示す説明図。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る合成砥石の構成及び製造法を示す説明図。
【図８】同合成砥石の作用原理を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図４は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。なお、これらの図においてＳは研削対象となるシリコンウェーハ（被削物）を示している。図１に示すように、ＣＭＧ装置１０は、ウェーハＳを支持する回転テーブル機構２０と、後述する合成砥石１００を支持する砥石支持機構３０とを備えている。ＣＭＧ装置１０は、ウェーハ処理装置の一部を構成している。ＣＭＧ装置１０には、搬送ロボット等によりウェーハＳが搬入・搬出される。
【００１３】
回転テーブル機構２０は、床面に配置されるテーブルモータ２１と、このテーブルモータ２１から上方に突出して配置されたテーブル軸２２と、このテーブル軸２２の上端に取り付けられたテーブル２３を備えている。テーブル２３は、研削対象であるウェーハＳを着脱自在に保持する機構を有している。保持する機構としては、例えば真空吸着機構がある。
【００１４】
砥石支持機構３０は、床面に配置されると共に内部にモータが収容された架台３１と、この架台３１に支持され、架台３１内のモータによって図１中矢印方向に揺動する鉛直方向の揺動軸３２と、この揺動軸３２の上端に設けられ、水平方向に延設されるアーム３３と、このアーム３３の先端側に設けられた砥石駆動機構４０を備えている。
【００１５】
砥石駆動機構４０は、回転モータ部４１を備えている。回転モータ部４１は、下方に突出した回転軸４２を備えている。回転軸４２の先端部には円板状のホイール保持部材４３が取り付けられている。ホイール保持部材４３には、図２に示すように、円板状の合成砥石１００が着脱自在に取り付けられている。合成砥石１００の装着には、合成砥石１００に設けられたネジ孔に、ホイール保持部材４３側からボルトをネジ込んで装着する。
【００１６】
合成砥石１００は、図３に示すように、ウェーハＳに対し化学機械研削作用を有する研磨剤１０１を有し、この研磨剤１０１内に摩擦促進剤１０２を分散して結合剤１０３によって結合し、気孔を形成して形成されている。研磨剤１０１は、被削材の材質によって適宜選択されるものであり、ウェーハＳがシリコン材製の場合には、平均粒径が１０μｍ以下の酸化セリウムを主成分とすることが好ましい。なお、酸化セリウムの他、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化チタン、酸化クロムも適用でき、これらの混合物でも良い。
【００１７】
摩擦促進剤１０２は、ウェーハＳよりも低いモース硬度で、かつ、高い摩擦係数を有する繊維物質を主成分とする。繊維物質は、ウィスカ（結晶表面から外側に向けて髭状に成長した結晶）、ファイバのいずれか又は混合物を適用できる。ウィスカとしては、機械的強度の大きな酸化物系ウィスカ及び炭化物系ウィスカが好ましい。ファイバとしては、セルロースファイバ及びカーボンファイバが好ましい。結合剤１０３は、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂等の有機化合物系樹脂又は低融点ガラス質結合剤を主成分としている。
【００１８】
なお、合成砥石１００の組成は例えば、研磨剤１０１が４０〜５５体積％、摩擦促進剤１０２が１〜５体積％、結合剤１０３が９〜３０体積％である。また、合成砥石１００の気孔率は１０〜５０体積％である。気孔には、摩擦促進剤１０２が充填される。
【００１９】
このように構成された合成砥石１００は、ＣＭＧ装置１０に取り付けられて、次のようにしてウェーハＳを研削する。すなわち、合成砥石１００をホイール保持部材４３に取り付ける。次に、搬送ロボットによりウェーハＳをテーブル２３に取り付ける。
【００２０】
次に、テーブルモータ２１を駆動して、テーブル２３を図１中矢印方向に回転させる。また、回転モータ部４１を駆動して、ホイール保持部材４３及び合成砥石１００を図１中矢印方向に回転させる。合成砥石１００の周速を例えば、６００ｍ／ｍｉｎで回転させると共に、加工圧力３００ｇ／ｃｍ２でウェーハＳ側に押圧する。さらに、揺動軸３２を図１中矢印方向に揺動させる。これらが連動することで、合成砥石１００とウェーハＳとが摺動する。
【００２１】
この時の合成砥石１００とウェーハＳとの関係を図４に示す。加工が開始されると、合成砥石１００とウェーハＳが摺動し、結合剤１０３に外力が作用する。この外力が連続して作用することで結合剤１０３が緩み、研磨剤１０１及び軟質の摩擦促進剤１０２がウェーハＳ上に脱落する。遊離した研磨剤１０１は、繊維状の摩擦促進剤１０２に絡まり、合成砥石１００とウェーハＳとの隙間において摺動される。研磨剤１０１は化学研磨作用を有しており、ウェーハＳ表面に長く滞留することで化学研磨作用の機会頻度の向上につながる。
【００２２】
一方、摩擦促進剤１０２は、ウェーハＳ表面及び研磨剤１０１と擦れあうことで微視的な凝着と剥離を繰り返す。この動作がブレーキ作用となることで摩擦熱が発生する。摩擦熱は、研磨剤１０１及び結合剤１０３とウェーハＳとの間でも生じているため、その摩擦熱に加わることとなる。図４中Ｈは、合成砥石１００とウェーハＳとの隙間で生じた摩擦熱がウェーハＳ表面からウェーハＳ内部に拡がる様子を示している。
【００２３】
ＣＭＧ工程による加工量Ｌは、Ｐｒｅｓｔｏｎの公式から導かれる。すなわち、Ｌ＝ｋ・Ｐ・Ｖ・ｔ（ｋ：Ｐｒｅｓｔｏｎ係数、Ｐ：砥石面圧力、Ｖ：砥石相対速度、ｔ：加工時間）により表される。研磨効率（Ｖ／ｔ）を促進させる比例定数ｋの要因の一つとして熱影響がある。
【００２４】
熱化学反応式は一般にアレニウスの式によりｋ（速度定数）＝Ａｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）と示され（Ａ：反応係数、Ｅ：活性化エネルギ、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度）、絶対温度Ｔに対し正の相関となる。したがって、発熱量を大きくすることで加工雰囲気において熱が発生すると化学作用の駆動エネルギとなり、化学反応は促進され、加工量は増加する。
【００２５】
一方、摩擦係数μと発生熱量Ｑは一般的な公式ΔＱ＝μ・ΔＷ・ｖ／Ｊ（ΔＷ：加えた仕事量、ｖ：すべり速度、Ｊ：仕事量を熱量に変換する換算定数）で示されることから、摩擦係数の増大で絶対温度ＴはＱの積分値として示される。よって摩擦係数、特に、動摩擦係数が大きいほど温度上昇も大きくなる。
【００２６】
このようにして摩擦促進剤１０２を用いてウェーハＳ表面の温度上昇による化学反応を促進し、研削効率が上昇させることで、ＣＭＧ装置１０及び合成砥石１００によるウェーハＳの表面研削の加工時間を短縮させることができる。
【００２７】
本実施の形態に係る合成砥石１００によれば、摩擦促進剤１０２による温度上昇効果及び研磨剤１０１の滞留効果を組み合わせることで、研削効率が上昇し、加工時間を短縮させることができる。
【００２８】
図５〜図６は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。これらの図において、図１〜図４と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本発明の第２の実施の形態に係る合成砥石１００Ａは、上述した合成砥石１００と同様に、ＣＭＧ装置１０に取り付けられる。
【００２９】
合成砥石１００Ａは、合成砥石１００に対し、増粘剤１０４が加えられている。増粘剤１０４の主成分は、例えばグリセリンである。なお、グリセリンの他、グリコールでも良く、これらの混合物でも良い。また、増粘剤１０４の添加方法としては、直接混合しても良いし、図５に示すように、グリセリン等を低融点ワックスで溶解させたものを含浸させるようにしても良い。
【００３０】
このように構成された合成砥石１００Ａは、ＣＭＧ装置１０に取り付けられて、上述した合成砥石１００と同様にウェーハＳを研削する。
【００３１】
この時の合成砥石１００ＡとウェーハＳとの関係を図６に示す。加工が開始されると、合成砥石１００ＡとウェーハＳが摺動し、結合剤１０３に外力が作用する。この外力が連続して作用することで結合剤１０３が緩み、研磨剤１０１及び軟質の摩擦促進剤１０２がウェーハＳ上に脱落する。遊離した研磨剤１０１は、繊維状の摩擦促進剤１０２に絡まり、合成砥石１００ＡとウェーハＳとの隙間において摺動される。研磨剤１０１は化学研磨作用を有しており、ウェーハＳ表面に長く滞留することで化学研磨作用の機会頻度の向上につながる。
【００３２】
さらに、合成砥石１００ＡとウェーハＳとの間の摺動及び摩擦促進剤１０２の摺動により、摩擦熱が発生する。これにより、合成砥石１００Ａ内部に低融点ワックスと共に含浸した増粘剤１０４の成分、すなわちグリセリンが溶出を初める。低融点ワックスは分子量が少ないために合成砥石１００ＡとウェーハＳ間の潤滑作用は限定的である。その低融点ワックスと同じくして溶出した増粘剤１０４は合成砥石１００ＡとウェーハＳ間で高粘度な液体Ｍとなる。
【００３３】
その結果、合成砥石１００ＡとウェーハＳとの極く狭い隙間の中で高い剪断応力をもつ液体となり、結果的に摩擦熱を生じる。生じた摩擦熱は液体Ｍ内に留まり易く、温度上昇による化学反応を促進し、研削効率が上昇する。したがって、ＣＭＧ装置１０及び合成砥石１００ＡによるウェーハＳの表面研削の加工時間を短縮させることができる。図６中Ｈは、合成砥石１００ＡとウェーハＳとの隙間で生じた摩擦熱がウェーハＳ表面からウェーハＳ内部に拡がる様子を示している。なお、高粘度の液体Ｎ内によって研磨剤１０１がトラップされるため、研磨剤１０１の排出作用が抑制され、研磨剤１０１の滞留時間が長くなることで化学研磨作用の機会頻度が向上するという効果もある。
【００３４】
本実施の形態に係る合成砥石１００Ａによれば、摩擦促進剤１０２及び増粘剤１０４による温度上昇効果及び研磨剤１０１の滞留効果を組み合わせることで、研削効率が上昇し、加工時間を短縮させることができる。
【００３５】
図７〜図８は、本発明の第３の実施の形態を示す図である。これらの図において、図１〜図６と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本発明の第２の実施の形態に係る合成砥石２００は、上述した合成砥石１００と同様に、ＣＭＧ装置１０に取り付けられる。
【００３６】
合成砥石２００は、ウェーハＳに対し化学機械研削作用を有する研磨剤２０１と、この研磨剤２０１を分散して結合する結合剤２０２とによって形成されている。また、結合剤２０２には、増粘作用を有する増粘剤２０３が低融点ワックスに溶解され、図７に示すようにして含浸されている。
【００３７】
研磨剤２０１は、被削材の材質によって適宜選択されるものであり、ウェーハＳがシリコン材製の場合には、平均粒径が１０μｍ以下の酸化セリウムを主成分とすることが好ましい。なお、酸化セリウムの他、酸化ケイ素、酸化鉄も適用でき、これらの混合物でも良い。
【００３８】
結合剤２０２は、フェノール樹脂等の有機物又は低融点ガラス質結合剤を主成分としている。増粘剤２０３の主成分は、例えばグリセリンである。なお、グリセリンの他、グリコールでも良く、これらの混合物でも良い。また、増粘剤２０３の添加方法としては、直接混合しても良いし、図７に示すように、グリセリン等を低融点ワックスで溶解させたものを含浸させるようにしても良い。
【００３９】
このように構成された合成砥石２００は、ＣＭＧ装置１０に取り付けられて、次のようにしてウェーハＳを研削する。すなわち、合成砥石２００をホイール保持部材４３に取り付ける。次に、搬送ロボットによりウェーハＳをテーブル２３に取り付ける。
【００４０】
次に、テーブルモータ２１を駆動して、テーブル２３を図１中矢印方向に回転させる。また、回転モータ部４１を駆動して、ホイール保持部材４３及び合成砥石１００を図１中矢印方向に回転させる。合成砥石２００の周速を例えば、６００ｍ／ｍｉｎで回転させると共に、加工圧力３００ｇ／ｃｍ２でウェーハＳ側に押圧する。さらに、揺動軸３２を図１中矢印方向に揺動させる。これらが連動することで、合成砥石２００とウェーハＳとが摺動する。
【００４１】
この時の合成砥石２００とウェーハＳとの関係を図８に示す。加工が開始されると、合成砥石２００とウェーハＳが摺動し、結合剤２０２に外力が作用する。この外力が連続して作用することで結合剤２０２が緩み、研磨剤２０１がウェーハＳ上に脱落する。研磨剤２０１は化学研磨作用を有しており、ウェーハＳ表面の研削が開始される。
【００４２】
一方、合成砥石２００とウェーハＳとの間の摺動により、摩擦熱が発生する。これにより、合成砥石２００内部に低融点ワックスと共に含浸した増粘剤２０３の成分、すなわちグリセリンが溶出を初める。低融点ワックスは分子量が少ないために合成砥石２００とウェーハＳ間の潤滑作用は限定的である。その低融点ワックスと同じくして溶出した増粘剤２０３は合成砥石２００とウェーハＳ間で高粘度な液体Ｎとなる。
【００４３】
その結果、合成砥石２００とウェーハＳとの極く薄い隙間の中で高い剪断応力をもつ液体となり、結果的に摩擦熱を生じる。生じた摩擦熱は液体Ｎ内に留まり易く、温度上昇による化学反応を促進し、研削効率が上昇する。したがって、ＣＭＧ装置１０及び合成砥石２００によるウェーハＳの表面研削の加工時間を短縮させることができる。図８中Ｈは、合成砥石２００とウェーハＳとの隙間で生じた摩擦熱がウェーハＳ表面からウェーハＳ内部に拡がる様子を示している。なお、高粘度の液体Ｎ内によって研磨剤２０１がトラップされるため、研磨剤２０１の排出作用が抑制され、研磨剤２０１の滞留時間が長くなることで化学研磨作用の機会頻度が向上するという効果もある。
【００４４】
このようにして増粘剤２０３を用いてウェーハＳ表面の温度上昇を促進すると共に、研磨剤２０１を作用面に止めることができる。したがって、研削効率を上昇させることで、ＣＭＧ装置１０及び合成砥石２００によるウェーハＳの表面研削の加工時間を短縮させることができる。
【００４５】
本実施の形態に係る合成砥石２００によれば、増粘剤２０３による温度上昇効果及び研磨剤２０１の滞留効果を組み合わせることで、研削効率が上昇し、加工時間を短縮させることができる。
【００４６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願の当初の特許請求の範囲に記載された事項を付記する。
［１］被削材を化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対し化学機械研削作用を有する研磨剤と、
摩擦促進剤と、
前記研磨剤と前記摩擦促進剤を結合する結合剤とを備えている合成砥石。
［２］前記研磨剤は、酸化セリウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化チタン、酸化クロムのいずれか又は混合物を主成分とし、平均粒径が１０μｍ以下である［１］に記載の合成砥石。
［３］前記摩擦促進剤は、前記被削材よりも低いモース硬度で、かつ、高い摩擦係数を有する繊維物質を主成分とする［１］に記載の合成砥石。
［４］前記摩擦促進剤は、ウィスカ、ファイバのいずれか又は混合物を主成分とする［３］に記載の合成砥石。
［５］前記結合剤は、有機化合物系樹脂又は低融点ガラス質結合剤を主成分とする［１］に記載の合成砥石。
［６］前記結合剤には、増粘作用を有する増粘剤が含浸されている、又は、前記増粘剤が低融点ワックスで溶解されて含浸されている［１］に記載の合成砥石。
［７］前記増粘剤は、グリセリン又はグリコールの少なくとも一方を主成分とする［６］に記載の合成砥石。
［８］被削材を化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対し化学機械研削作用を有する研磨剤と、
前記研磨剤を結合する結合剤を具備し、
前記結合剤には、増粘作用を有する増粘剤が含浸されている、又は、前記増粘剤が低融点ワックスで溶解されて含浸されている合成砥石。
［９］前記増粘剤は、グリセリン又はグリコールの少なくとも一方を主成分とする［８］に記載の合成砥石。
【符号の説明】
【００４７】
１０…ＣＭＧ装置、２０…回転テーブル機構、２１…テーブルモータ、２２…テーブル軸、２３…テーブル、３０…砥石支持機構、３１…架台、３２…揺動軸、３３…アーム、４０…砥石駆動機構、４１…回転モータ部、４２…回転軸、４３…ホイール保持部材、１００，１００Ａ…合成砥石、１０１…研磨剤、１０２…摩擦促進剤、１０３…結合剤、１０４…増粘剤、２００…合成砥石、２０１…研磨剤、２０２…結合剤、２０３…増粘剤、Ｓ…ウェーハ。
【要約】
【課題】研削加工における高い研削効率を実現する合成砥石を提供すること。
【解決手段】ウェーハＳを化学機械研削する合成砥石１００において、平均粒径が１０μｍ以下の酸化セリウムを主成分とし、ウェーハＳに対し化学機械研削作用を有する研磨剤１０１と、ウェーハＳよりも低いモース硬度で、かつ、高い摩擦係数を有する繊維物質を主成分とし、発熱作用を有する摩擦促進剤１０２と、フェノール樹脂を主成分とし、研磨剤１０１と摩擦促進剤１０２を分散して結合する結合剤１０３とを備えている。
【選択図】図３【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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