(57)【要約】【課題】使用済みの砥粒により被加工物がスクラッチ等の加工傷を負うことを無くし、また、砥粒の最適な供給量を自動化可能な乾式研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、砥粒の貯蔵タンク６を加熱するヒータ１２と、砥粒に振動を与える振動発生器７と、砥粒を貯蔵する砥粒タンク６より研磨プレート１に砥粒を供給するパイプ１０と、被加工物のワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート１上から排出するためのスキージ１５と、使用済み砥粒を砥粒収集器２３にて収集し一定時間内の排出量を計測して、その計測量に応じて振動発生装置７の振動数、パイプ１０の傾斜角を調整するフィードバック機能を持たせる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、
前記砥粒タンクを加熱するヒータと、砥粒に振動を与える振動発生器と、砥粒を貯蔵する前記砥粒タンクより前記研磨プレートに砥粒を供給するパイプと、前記ワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート上から排出するためのスキージと、
を備えることを特徴とする乾式研磨装置。
【請求項２】
研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、
前記砥粒タンクを加熱するヒータと、砥粒に振動を与える振動発生器と、砥粒を貯蔵する前記砥粒タンクより前記研磨プレートに砥粒を供給するパイプと、前記ワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート上から排出するためのスキージと、その排出される使用済みの砥粒を収集し所定時間内の排出量を計測する砥粒収集器と、
を備え、その計測量に応じて振動発生装置の振動数を調整するフィードバック機能を持たせて、前記振動発生装置の少なくとも周波数を制御することを特徴とする乾式研磨装置。
【請求項３】
研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、
前記砥粒タンクを加熱するヒータと、砥粒に振動を与える振動発生器と、砥粒を貯蔵する前記砥粒タンクより前記研磨プレートに砥粒を供給する所定の傾斜角度を有するパイプと、前記ワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート上から排出するためのスキージと、その排出される使用済みの砥粒を収集し所定時間内の排出量を計測する砥粒収集器と、
を備え、その計測量に応じて前記パイプの傾斜角度を調整するフィードバック機能を持たせて、砥粒供給量を制御することを特徴とする乾式研磨装置。
【請求項４】
前記振動発生器は、前記砥粒タンク及び砥粒を供給するパイプに１０Ｈｚから１００Ｈｚの振動を加えることを特徴とする請求項１に記載の乾式研磨装置。
【請求項５】
前記ヒータは、前記砥粒タンクを加熱して、少なくとも砥粒の温度を１００℃に加熱することを特徴とする請求項１に記載の乾式研磨装置。
【請求項６】
前記スキージは、研磨装置ベース上に固定されるブラケットに、研磨プレート上に複数のシャフトにスプリングを介して所定の圧力にて押し付け、砥粒の回転方向への流れを阻止するように配置して、使用済み及び余分な砥粒を所定の排出方向に導き、研磨プレート外に設置される砥粒収集器に収集することを特徴とする請求項１に記載の乾式研磨装置。
【請求項７】
研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨方法であって、
砥粒を加熱するとともに砥粒に振動を与えて、前記研磨プレートに砥粒を供給して前記ワークを研磨し、砥粒の回転方向への流れを阻止するようにスキージを配置して使用済み及び余分な砥粒を所定の排出方向に導いて、砥粒を収集する乾式研磨方法。
【請求項８】
前記砥粒に与える振動は、１０Ｈｚから１００Ｈｚであることを特徴とする請求項７に記載の乾式研磨方法。
【請求項９】
前記スキージは、研磨装置ベース上に固定されるブラケットに、研磨プレート上に複数のシャフトにスプリングを介して所定の圧力にて押し付け、砥粒の回転方向への流れを阻止するように配置して、使用済み及び余分な砥粒を所定の排出方向に導き、研磨プレート外に設置される砥粒収集器に収集することを特徴とする請求項７に記載の乾式研磨方法。
【請求項１０】
研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨方法であって、
砥粒を加熱するとともに砥粒に振動を与えて、前記研磨プレートに砥粒を供給して前記ワークを研磨し、砥粒の回転方向への流れを阻止するようにスキージを配置して使用済み及び余分な砥粒を所定の排出方向に導いて、砥粒を収集し、その収集された砥粒量を計測して、その計測量に応じて砥粒に与える振動数を制御することを特徴とする乾式研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハー等の研磨方式でのダイヤモンドや酸化物等の粉末を砥粒として用いる乾式研磨装置及び乾式研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鏡面仕上げが必要とされる半導体ウエハーの研磨方法として、微細ダイヤモンドスラリーやコロイダルシリカを研磨用砥粒とした湿式研磨方式が幅広く採用されている。湿式研磨方式は、砥粒を流動させて砥粒の遊離作用によって加工を促進させる効果や研磨により発生した加工屑を排出させる効果があり高精度な面を短時間で得るのに適した方法であるといえる。反面、研磨に使用した大量の廃液は環境への影響や処理に発生する費用が大きな課題となっている。湿式研磨に対して砥粒を液体に溶かして使用せずに粉末のまま使用する乾式研磨は、廃液が発生しないため環境に対しては非常に有効な手段といえるが、湿式と比較して砥粒の循環が難しく砥粒の遊離作用を発生させずらいことや砥粒の自動供給が難しいとの理由で実用化されていないのが現状である。湿式研磨に関しては、砥粒の供給方式として点滴方式や超音波を利用した方法（特許文献１参照）等知られており、乾式研磨としては、自動的に研磨砥粒粉体を研磨旋盤に供給し続けて表面をならし砥粒を一様に分布・保持させながら、被加工物を押し付けて研磨する方法が開示されている。（特許文献２）
図６に乾式研磨方法の従来例について示す。従来は、研磨プレート１上に加工前にあらかじめ適量の粉末砥粒２を供給し、被加工物３により掃き出された粉末砥粒４をスキージ５を使って研磨プレート１上に戻し常に研磨プレート１上に粉末砥粒が循環するようにして研磨を行う方法が一般的であった。先にも述べたように、この方法では、加工屑を含む砥粒が循環するので、スクラッチ等の加工傷を発生させてしまう危険性があることや、作業者による砥粒の手動供給の必要性といった課題があった。
【特許文献１】特開平６−１０６４７８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９０２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
乾式研磨用の砥粒は粉末であるため、液状の湿式砥粒のようにディスペンサー等を使用して点滴することができず、研磨プレート上に加工前にあらかじめ適量の粉末砥粒を供給し、被加工物により掃き出された粉末砥粒をスキージを使って研磨プレート上に戻し常に研磨プレート上に粉末砥粒が循環するようにして研磨を行う方法が一般的であった。
【０００４】
しかしながら、一度被加工物と接触した使用済み粉末砥粒は加工屑を含む可能性がある。研磨による加工量は非常に微量であるため、粉末砥粒内に含まれる加工屑は砥粒の量と比較すればわずかな割合といえるが、この加工屑は被加工物が塑性変形を起こして削り取られた物質で被加工物にたいして非常に硬いことが知られており、再度被加工物と接触する際にスクラッチ等の加工傷を発生させてしまう危険性が非常に高い。また、長時間の研磨中に研磨プレートから脱落することで消耗された砥粒に値する量を定期的に追加供給してやる必要があるが、作業者による手動対応が一般的であり画期的な自動供給方式は提案されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従来の問題を解決するために、本発明の乾式研磨装置によれば、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、前記砥粒タンクを加熱するヒータと、砥粒に振動を与える振動発生器と、砥粒を貯蔵する前記砥粒タンクより前記研磨プレートに砥粒を供給するパイプと、前記ワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート上から排出するためのスキージと、を備えることを特徴としたものである。
【０００６】
また、本発明は、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、前記砥粒タンクを加熱するヒータと、砥粒に振動を与える振動発生器と、砥粒を貯蔵する前記砥粒タンクより前記研磨プレートに砥粒を供給するパイプと、前記ワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート上から排出するためのスキージと、その排出される使用済みの砥粒を収集し所定時間内の排出量を計測する砥粒収集器と、を備え、その計測量に応じて振動発生装置の振動数を調整するフィードバック機能を持たせて、前記振動発生装置の少なくとも周波数を制御することを特徴としたものである。
【０００７】
また、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨装置であって、前記砥粒タンクを加熱するヒータと、砥粒に振動を与える振動発生器と、砥粒を貯蔵する前記砥粒タンクより前記研磨プレートに砥粒を供給する所定の傾斜角度を有するパイプと、前記ワークを研磨して使用済み及び余分の砥粒を研磨プレート上から排出するためのスキージと、その排出される使用済みの砥粒を収集し所定時間内の排出量を計測する砥粒収集器と、を備え、その計測量に応じて前記パイプの傾斜角度を調整するフィードバック機能を持たせて、砥粒供給量を制御することを特徴としたものである。
【０００８】
また、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨方法であって、砥粒を加熱するとともに砥粒に振動を与えて、前記研磨プレートに砥粒を供給して前記ワークを研磨し、砥粒の回転方向への流れを阻止するようにスキージを配置して使用済み及び余分な砥粒を所定の排出方向に導いて、砥粒を収集する。
【０００９】
また、研磨装置ベース上に研磨プレートを回転させて、所定量の砥粒を供給する砥粒タンクを有してワークを研磨する乾式研磨方法であって、砥粒を加熱するとともに砥粒に振動を与えて、前記研磨プレートに砥粒を供給して前記ワークを研磨し、砥粒の回転方向への流れを阻止するようにスキージを配置して使用済み及び余分な砥粒を所定の排出方向に導いて、砥粒を収集し、その収集された砥粒量を計測して、その計測量に応じて砥粒に与える振動数を制御することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、乾式研磨における粉末砥粒の供給が完全に自動化できるので装置上に被加工物と粉末砥粒をセットすればあとはタイマーで加工終了を待つだけとなり人件費の削減につながる。また、作業者間のばらつきを防止し常時適切な量の砥粒を連続的に供給できる。さらに一度被加工物と接触した砥粒は排除して、常に新しい砥粒での加工が可能となり、スクラッチ等の加工傷の防止となる。また、振動は粒子の粒子同士が互いにぶつかり合うことで２次凝集を防ぎ分散させる効果も期待できるため、粒径の揃った砥粒での加工が可能となり、被加工物の面粗さの向上も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の乾式研磨装置及び乾式研磨方法の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の実施例１における乾式研磨装置の実施形態を示す図である。
【００１３】
図１において、粉末砥粒の貯蔵用タンク６に供給された粉末砥粒は、貯蔵用タンク６の下方に設置された振動発生装置７から与えられる数１０Ｈｚの振動を間接的に受ける。この振動により粒子同士が互いにぶつかり合うことで粒子同士の２次凝集を防止するとともに、タンク内で粒子が活発に動きはじめる。貯蔵用タンク６の側面には砥粒をタンク外部に排出するための窓８があり、窓８からは研磨プレート９まで砥粒を導くためのパイプ１０が伸びている。超音波振動を与えられたことで常に活発に運動する砥粒は、窓８を介してパイプ１０内に導かれる。
【００１４】
パイプ１０は緩やかな勾配１１を持っており、貯蔵用タンク６の振動がパイプ１０に伝達されることで砥粒はパイプ１０内を重力に従い傾斜方向に向かって移動し、研磨装置ベース１００上に設置される研磨プレート９上方まで導かれる。さらに、一定量の砥粒を途切れることなく連続的に研磨プレート９上に供給するためには、粉末砥粒が分散していることが重要となるが、粉末砥粒が水分を含んだ場合、振動を与えても分散できない数１０ミクロンメートルの大きな粒塊を形成してしまう。このような大きな粒塊は、自重が増えることでパイプ１０内に設けられるＶ字状の溝（図４参照）との摩擦力が増し、溝の傾斜方向への移動が難しくなり、パイプ１０内の砥粒のスムーズな移動が妨げられ目詰まりの原因となって砥粒の連続供給を妨げたり、運良く研磨プレートまで供給されたとしても、粒径の大きな砥粒はスクラッチ等の加工傷の原因となる。
【００１５】
本発明では、貯蔵タンク６の下方にヒータ１２を設けて貯蔵タンク６を２００℃程度まで加熱することで砥粒自身の温度が１００℃以上となり砥粒が含む水分を蒸発させ砥粒の２次凝集を防止し、分散した砥粒を一定量研磨プレート９上に供給することが可能となる。
【００１６】
以上のようなプロセスを経て研磨プレート９上に供給された砥粒は、研磨されるワークの被加工物１４と接触し、その後砥粒排出用スキージ１５により研磨プレート外へ排出される。前述のとおり、一度被加工物と接触した砥粒は加工屑を含み、この加工屑は被加工物が塑性変形を起こして削り取られた物質で被加工物に対して非常に硬いことが知られており、再度被加工物と接触する場合は、スクラッチ等の加工傷を発生する危険性があったが、本発明により、使用済み砥粒はスキージ１５により研磨プレート外に排除される。即ち、砥粒収集器２３にて収集し一定時間内の排出量を計測されて排出され、常に新しい砥粒での研磨加工が可能となる。
【００１７】
図１に示す粉末砥粒の供給機能付の乾式研磨装置についてさらに詳細に説明する。振動発生装置７にはパーツフィーダー等で良く知られている方法である電磁石と板バネで構成され電磁石のＯＮ／ＯＦＦによる力を板バネを利用し増幅して振動を発生させる機構を用いる。この振動発生装置により１０Ｈｚから１００Ｈｚの周波数での振動を発生させる。振動周波数については、付属の振動数調整ボリューム１６により調整が可能である。
【００１８】
なお、振動数調整ボリューム１６を、電子ボリュームにて構成して、砥粒収集器２３にて収集し一定時間内の排出量を計測して、その計測量に応じて振動発生装置７の振動数を調整するフィードバック機能を持たせて、自動的に周波数を制御することができる。
【００１９】
また、ヒータユニットには、温度可変式セラミックヒータを用い熱伝対温度計１３により温度をモニタリングし砥粒貯蔵用タンク内が常に２００℃になるように制御し、砥粒自身の温度を少なくとも１００℃に加熱する。砥粒自身の温度は、水分を蒸発させ砥粒の２次凝集を防止するためには、１００℃以上である必要がある。
【００２０】
また、粉末砥粒の種類については、被加工物となる半導体ウエハーの種類によって決定する必要があるが、今回は窒化珪素の加工を行うため、窒化珪素の加工に適しているとされる平均粒径１ミクロンメートルの酸化クロム粉末を使用した。この他、酸化鉄、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の酸化物が乾式研磨用砥粒として考えられる。今回使用した平均粒径１ミクロンメートルの酸化クロム粉末においては、５０Ｈｚ程度の振動を与えることで粒子の運動が活発となり砥粒の移動と供給を実現できる。与えられる振動の大きさについては粒径はもちろんのこと各酸化物のもつ結晶構造を考慮する必要がある。
【００２１】
例えば、酸化クロムの場合、図２に示すような六方晶系の結晶構造を持ち、丸みをおびた形状であり比較的転がりやすい傾向にあるといえる。転がりやすいとはつまり活発に運動しやすいという事である。また、酸化鉄は図３に示すような三方晶系の結晶構造を持ち、同じ粒径の場合、格子が尖っているために六方晶系の結晶構造と比較して転がりにくく、酸化クロムよりも低周波の３０Ｈｚ前後の振動与えることが必要となる。その他の砥粒についても結晶構造や粒系の違いによって、振動数を変化させることで酸化クロムと同等の結果を得る事ができる。砥粒として使用される酸化物の結晶構造については、三方晶系、正方晶系の結晶構造をもつ砥粒は比較的転がりにくく、六方晶系の結晶構造をもつ砥粒は比較的転がりやすい。
【００２２】
従って、転がりにくい結晶構造を有する砥粒は、転がりやすい結晶構造を有する砥粒よりもより低周波数の振動を与えることで、スムーズで連続的な砥粒の供給を行うものである。
【００２３】
次に砥粒貯蔵用タンクから研磨プレート上方まで粉末砥粒を伝達するためのパイプとして、図４に示すような形状のステンレス製パイプを製作し砥粒の伝達路とした。図４はパイプ１０の断面図であり、ステンレス製の角材１７に図４に示すような角度９０°深さ５ｍｍの溝形状となっており、不純物の侵入を防ぐためのフタ１８が付属されている。
【００２４】
砥粒の伝達路の形状は、図４に示すようなＶ字状の他にＵ字状や、半円状、矩形状の溝でもよい。スムーズに砥粒を伝達していくには、Ｖ字状、Ｕ字状、半円状が好ましい。また、砥粒と溝表面との摩擦係数が大きい場合、砥粒の伝達が難しくなるため、溝表面の面粗さは平均面粗さ1．6ミクロンメートル以内である必要がある。
【００２５】
さらにこのステンレス製パイプに勾配１１を与えてやる事で砥粒とパイプ内面とのパイプの低い側つまり研磨プレートにむかって移動する。勾配１１は必要な砥粒の量によって決定する必要があるが、５°〜１０°程度の勾配を持たせることで２インチ程度のウエハーを研磨するのに適当な量を供給できる。研磨プレート９上に供給された砥粒は被加工物１４と接触しその後砥粒排出用スキージ１５により研磨プレート外へ排出される。
【００２６】
砥粒排出用スキージ１５による砥粒の排出のメカニズムについて図５を用いて詳細に説明する。スキージ１５は硬度６０程度の樹脂製で研磨プレートと線接触できるように三角形の断面形状を持っており、その一角が研磨プレートに接触するような所定の角度を持った状態で２本のシャフト２０により支えられる。また、シャフト２０にはスキージ１５を研磨プレート９に隙間なく押し付けるためのスプリング２２が装着されブラケット２１にストッパー１９を使って固定されている。スキージ１５は、スプリング２２により０．５ｋｇ程度の押し圧で研磨プレート９に押し付けられ、研磨プレートに密着し、研磨プレート上に載っている使用済み砥粒を残らず研磨プレート外に排出し、図１に示すように研磨プレート９のほぼ円周方向に設置して、研磨プレート９外の砥粒収集器２３に導入する役割を果たす。そして、排出された砥粒は砥粒収集器２３にて収集してその重さを測定し、その重量値を振動発生装置７にフィードバックして、重量値に応じて振動周波数、振動量、パイプ１０の傾斜角度などをコントロールすることでワークに応じた最適量の砥粒を供給することが可能になる。
【００２７】
即ち、排出された砥粒の量が計測され、予め定められた時間内の砥粒の重さが、振動発生装置７内の制御装置（図示せず）に設定される基準の値と比較し、その比較結果に応じて振動派生装置７の制御装置の振動数若しくは振動量、又は、ステンレス製パイプ１０の傾斜角度を調整することによりワークに供給される砥粒の量をワークの大きさや硬さに応じた最適量に設定することができる。更に、砥粒の結晶構造に起因する砥粒の研磨プレート９への伝達量も調整することができるので、砥粒の量の過度の使用や不足してワークの研磨に時間がかかるという問題を解決することができる。以上の説明のように、砥粒の最適量の自動供給を実現できる。もちろん、振動派生装置７の制御装置の振動数若しくは振動量、又は、ステンレス製パイプ１０の傾斜角度を手動で調整して砥粒の供給量を調整することも当然にできる。
【００２８】
ステンレス製パイプ１０は、砥粒貯蔵タンク側の端を砥粒貯蔵タンクからでるヒンジピン２４で支えられ、ヒンジピン２４を中心にスムーズに回転できるようになっている。また、反対端の下方には、マイクロヘッド２５が付属されステンレス製パイプ１０が回転しないように支える機構となっている。このマイクロヘッドを上下方向に調整することでステンレス製パイプの傾斜角度を調整できるようになっている。より具体的には、２インチの炭化珪素ウエハーを１ミクロンメートルの粒径をもつ酸化クロム砥粒で加工する場合、供給速度を３ｇ/min±２ｇ程度、また、ステンレス製パイプの角度を５°〜１０°に調整することで最適な加工が行える。
【００２９】
なお、マイクロヘッド２５に回転装置（図示せず）を付加して、砥粒収集器２３にて収集し一定時間内の計測された排出量に応じてマイクロヘッド２５の回転量を調整するフィードバック機能を持たせて、自動的にパイプ１０の傾斜角度を制御することができる。
【００３０】
上記の装置及び設定で半導体ウエハーを加工したところ、スクラッチ等の加工傷を発生させることなく、湿式加工と同等の結果を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の乾式研磨装置及び乾式研磨方法は、粉末砥粒の自動供給及び安定供給が可能となり、加工屑を含む砥粒が循環してスクラッチ等の加工傷を発生させてしまう欠点が改善され、そして、排出される砥粒を砥粒収集器２３にて収集してその重さを測定し、その重量値を振動発生装置７にフィードバックして、重量値に応じて振動周波数、振動量、パイプ１０の傾斜角度などをコントロールすることで種々のワークに対応した乾式研磨に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１における乾式研磨装置の形態を示す斜視図
【図２】本発明の実施例１における乾式研磨装置に用いられる酸化クロムの六方格子の結晶構造を示す図
【図３】本発明の実施例１における乾式研磨装置に用いられる酸化鉄の三方格子の結晶構造を示す図
【図４】本発明の実施例１における乾式研磨装置に用いられる砥粒運搬用パイプの断面図
【図５】本発明の実施例１における乾式研磨装置に用いられる砥粒排出用スキージの構成を説明するための図
【図６】従来の乾式研磨装置の形態を示す斜視図
【符号の説明】
【００３３】
１  研磨プレート
２  粉末砥粒
３  被加工物
４  加工済み粉末砥粒
５  スキージ
６  貯蔵タンク
７  振動発生装置
８  窓
９  研磨プレート
１０  パイプ
１１  勾配
１２  ヒータ
１３  熱伝対温度計
１４  被加工物
１５  砥粒排出用スキージ
１６  振動数調整ボリューム
１７  ステンレス角材
１８  フタ
１９  ストッパー
２０  シャフト
２１  ブラケット
２２  スプリング
２３  砥粒収集器
２４  ヒンジピン
２５  マイクロヘッド
１００  研磨装置ベース
【図１】
2005305608.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005305608.tif 000007
【図６】
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