(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を構成する材料における圧縮応力波の横波伝播速度以上の速度で、刃を前記被加工物の面に対して相対的に移動させることにより前記被加工物の面を削る、被加工物の加工方法。
【請求項２】
前記被加工物に当たる前の前記刃の運動エネルギーが、前記被加工物を構成する材料の原子間結合子を剪断するためのエネルギーと、削り取られた前記被加工物が前記刃とともに移動するときの運動エネルギーと、前記刃が前記横波伝播速度以上の速度で移動するときの運動エネルギーとの総和よりも大きい請求項１に記載の被加工物の加工方法。
【請求項３】
前記被加工物は複数の材料により形成されており、
前記刃は、前記複数の材料のうち最も弾性率が高い材料における圧縮応力波の横波伝播速度以上で移動する請求項１又は２に記載の被加工物の加工方法。
【請求項４】
前記刃は、少なくとも表面がダイヤモンド、窒化ボロン、モリブデン、ダングステン及び超鋼材料から選択される少なくとも一つの材料により形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の被加工物の加工方法。
【請求項５】
前記被切削物は、前記面が略鉛直に延在するように配置され、
前記刃を前記面に対して相対的に鉛直方向に上から下に移動させることにより前記被加工物の前記面を削る請求項１〜４のいずれか一項に記載の被加工物の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の面を鏡面に仕上げることができる被加工物の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物となる基板の表面を鏡面に仕上げる処理は、種々の分野で実施されている。例えば半導体製造分野においては、シリコンウエハ（基板）の表面を回路デバイスの構造に仕上げる途中で金属、有機物、セラミックなどの複合表面を鏡面に仕上げるために、CMP研磨処理(Chemical Mechanical Polishing)が施される。【０００３】
このシリコンウエハの回路デバイス製造工程の途中で数回の平坦化処理を行うとき、機械的なポリッシングのみでは複合材料の軟らかい材料が硬い材料に比べて余分に研磨され、ディンプル状（別名ディッシュシェープ）になってしまう。この欠点への対応策がCMP研磨である。この方法は、化学的なエッチング作用を持った研磨液を用いて複合材料を選択的にエッチングしながらポリッシングを行うことで平坦化する方法である。【０００４】
CMP研磨は、研磨液を複合材料構成が変わるたびに微調整する必要があり、加工条件もそのつど最適化する必要があり、かつ長い加工時間を要するという問題があった。例えばAlとSiO２/Si３N４の複合材料とCuとSiO２/Si３N４の複合材料では研磨液とその条件が全く異なる。また、注意して加工しても、パターニングされた複合表面が完全に平坦になるまでには至らない。【０００５】
一方、切削加工は、加工時間を大幅に短縮し得るが、加工品質上の問題があって、半導体基板の研磨には実用化されていないのが実情である。このような状況において、特許文献１及び非特許文献１に、基板(特に半導体基板)の厚みばらつきを均一化し、うねりや反りの発生を防止し、ディッシング等の不都合を発生させることなく、配線デザインの制約も無く、容易且つ安価に高速な平坦化を実現する方法として、基板に配線を形成し、その後この配線上にアルミナ、シリカ、ガラス等のフィラーが分散されてなる絶縁膜を形成し、配線の表面及絶縁膜の表面を切削して表面を平滑化する方法が記載されている。【０００６】
特許文献１に記載の半導体基板の切削技術は、特別に選択されたフィラー入りの樹脂（絶縁膜）、配線の表面よりも絶縁膜の表面が１０nm以上高くなるような弾性係数を有する材料等を切削対象物とするものである。【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３１９９６５号公報
【非特許文献１】第１２回STS(SEMI Technology Symposium)Award受賞記念講演８−２５〜８−３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来の一般的な切削技術では半導体基板の研磨を行うことはできない。また、特許文献１及び非特許文献１に記載の技術は、配線上に絶縁膜を形成する必要があるため、工程数が増加してしまう。また、特許文献１に記載の技術では、切削対象物の材料特性に条件があるため、本技術を適用することができる切削対象物が限定されてしまう。これに対して、材料特性に関係なく高い平坦性を得ることができるができる非常に一般的な加工方法が求められている。【０００９】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高い加工効率で高い平坦性を得ることができる被加工物の加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る加工方法は、被加工物を構成する材料における圧縮応力波の横波伝播速度以上の速度で、刃を前記被加工物の面に対して相対的に移動させることにより前記被加工物の表面を削る。前記刃を前記被加工物に対して相対的に移動させる方法としては、前記刃のみを移動させる場合、前記被加工物のみを移動させる場合、並びに前記刃と前記被加工物の双方を移動させる場合のいずれも含む。【００１１】
前記被加工物に当たる前の前記刃の運動エネルギーが、前記被加工物を構成する材料の原子間結合子を剪断するためのエネルギーと、削り取られた前記被加工物が前記刃とともに移動するときの運動エネルギーと、前記刃が前記横波伝播速度以上の速度で移動するときの運動エネルギーとの総和よりも大きいのが好ましい。【００１２】
前記被加工物が複数の材料により形成されている場合、前記刃は、前記複数の材料のうち最も弾性率が高い材料における圧縮応力波の横波伝播速度以上で移動するのが好ましい。  前記刃は、少なくとも表面がダイヤモンド、窒化ボロン、モリブデン、ダングステン及び超鋼材料から選択される少なくとも一つの材料により形成されているのが好ましい。前記被切削物は、前記面が略鉛直に延在するように配置され、前記刃を前記面に対して相対的に鉛直方向に上から下に移動させることにより前記被加工物の前記面を削るのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る被加工物の加工方法によれば、従来の被加工物の表面加工処理方法である研磨加工に比較して、加工時間を大幅に短縮することができ、かつ切削面の平坦性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る面加工装置の構成を説明する為の概略図。
【図２】実施形態に係る被加工物の加工方法の原理を説明するための図。
【図３】実施形態に係る被加工物の加工方法の原理を説明するための図。
【図４】実施形態に係る被加工物の加工方法の原理を説明するための図。
【図５】バイト２の刃２ａによる被加工物１０の切削を原子モデルで説明する為の図。
【符号の説明】
【００１５】
１…面加工装置
２…バイト
２a …刃
３…駆動装置
４…ガイド
５…装着機構
６…水槽
７…水
８…切子
９…泡の層
１０…ウエハ（被加工物）
１１…表面
２０…原子
２１…結合手
３０…原子
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る被加工物の加工方法に用いる面加工装置１の構成を示す概略図である。面加工装置１は、被加工物（例えばシリコンウエハなどの半導体ウエハ）１０の表面１１を鏡面加工するためのものであるが、表面加工の対象素材は、半導体ウエハに限定されるものではなく、表面の鏡面加工を必要とする各種材料（金属、無機材料、有機材料等）に広く適用が可能である。【００１７】
面加工装置１は、バイト刃（以下バイトと記載）２、バイト２を回転させる駆動装置３、被加工物１０が装着される装着機構５、及び水槽６を有している。バイト刃２(以降バイトと呼ぶ)は、少なくとも表面がダイヤモンド、窒化ボロン、モリブデン、ダングステン及び超鋼材料から選択される少なくとも一つの材料により形成されている。これらの材料は原子間結合力が高いため、後述するようにバイト２を高速回転させて被加工物１０の表面加工を実施しても欠けや割れ等が発生することはなく、高い信頼性を持って表面加工処理を実施することができる。【００１８】
また、バイト２は、本体が略円柱形状であり、この本体の側面に、本体の中心軸と同一方向に延伸する刃２ａを複数設けた構成である。バイト２の回転に伴い、刃２ａが被加工物１０の表面１１を切削加工する。この切削加工において、バイト２の刃２aが最初に被加工物１０に衝突する際、刃２ａと被加工物１０の表面１１とが、垂直に衝突するように構成されている。これにより、被加工物１０の原子配列に対して略垂直な剪断力を印加させることができる。【００１９】
また、図１において刃２ａは、１８０度離間して２つ設けられている。例えば被加工物１０が、複数の半導体チップが形成される半導体ウエハである場合、刃２aの幅寸法（紙面に対して垂直方向の長さ、即ちバイト２の中心軸方向の長さ）は、好ましくは半導体チップの幅方向の長さと等しいか、或いはチップ寸法の幅の整数倍の長さになるよう設定される。これによって、バイト２の刃２aは、被加工物１０の表面１１をチップ幅方向に対し一括で表面加工することが可能となり、チップの一括平坦処理が行える。【００２０】
装着機構５は、被加工物１０をバイト２の中心軸方向にステップ送りする送り機構を有している。駆動装置３は、ガイド４に移動可能に配設されており、図示しない移動装置により鉛直方向（図中矢印X１,X２方向）に、被加工物１０の表面に対して相対的に移動する構成をなっている。また駆動装置３の移動に伴いバイト２も鉛直方向（図中矢印X１,X２方向）に移動する。これにより、被加工物１０の全面を加工することができる。また、一回当たりの研磨深さは、バイト２や駆動装置３が受ける切削力に耐えられる範囲で調整する。例えば１μmの必要研磨深さであれば、一回の研磨操作で略鏡面が得られる。【００２１】
装着機構５は、バイト２と対向する位置に設けられている。装着機構５は図示しないベースに固定されており、これにより装着機構５に装着された被加工物１０もベースに固定された状態となる。このため、バイト２により表面加工が実施される際に被加工物１０に大きな外力が印加されても、被加工物１０が変位することを抑制できる。【００２２】
また装着機構５は、被加工物１０を、表面１１が鉛直方向（X１,X２方向）に延在する状態に装着する。駆動装置３によるバイト２の送り方向も鉛直方向である。水槽６は、被加工物１０の下方に配置されている。水槽６は、内部に水７が装填されている。水７の上部には、界面活性剤で、例えば厚さが５００ｍｍ以上の泡の層９が、形成されている。【００２３】
バイト２により被加工物１０の表面１１を加工する際に被加工物１０から削り取られた切子８は、水槽６内に突入させる構成となっている。面加工装置１では、上記のように被加工物１０は表面１１が鉛直方向（X１,X２方向）に延在する状態となっている。このため、切子８が被加工物１０の表面１１に残留して傷つけることを抑制できる。【００２４】
また、被加工物１０の下方には水槽６が配置されているため、切子８を確実に水槽６内に突入させることができる。更に、後述するようにこの面加工装置１は、バイト２を高速回転させるため、発生する切子８も高速で飛散する。しかしながら、水７の上部に泡の層９を形成しているため、切子８が水７の表面で跳ね返ること（高速で水面に衝突した場合には、水面が剛体のように作用するため）、及び突入した切子８が水７を飛散させることを防止できる。【００２５】
なお、面加工装置１の構成は図１に示した構成に限られない。例えば被加工物１０が円筒形状でる場合、装着機構５は、被加工物１０を、中心軸がバイト２の中心軸と重なるように保持する。面加工装置１が被加工物１０の内面を加工する場合、刃２ａを含むバイト２の直径は、被加工物１０の内径に等しくなる。面加工装置１が被加工物１０の外面を加工する場合、バイト２も円筒形になり、内面に中心軸と略平行に延伸する刃２ａを有する。また刃２ａを含むバイト２の内径は、被加工物１０の外形に等しくなる。【００２６】
被加工物１０を構成する材料の圧縮応力波の縦波伝播速度をc１、横波伝播速度をc２とした場合、上記構成の面加工装置１において、被加工物１０の表面１１に対するバイト２の相対的な加工速度すなわち移動速度（以下、このバイト２の加工速度をvと示す）を、v≧c２、好ましくはv≧c１となるよう設定する。例えば被加工物１０がシリコンウエハの場合、シリコンの横波伝播速度は５,８４３m/sであるため、バイト２の加工速度vは従来の加工装置に比べて高速回転となる。なお、被加工物１０が複数の材料により構成されている場合（例えばシリコンウエハに形成された半導体チップの場合は、シリコン、酸化シリコン、金属など）、最も弾性率が高い材料のc２，c１を用いる。【００２７】
また、刃２ａが被加工物１０に衝突する直前のバイト２の運動エネルギー（Es）が、被加工物１０を構成するシリコンの原子間結合手２１（以下、単に結合手という）を剪断するためのエネルギー（Ea）と、切子８がc２以上（好ましくはc１以上）の速度で移動するときの運動エネルギー（Ev１）と、切削後のバイト２がc２以上（好ましくはc１以上）の速度で移動するときの運動エネルギー（Ev２）の総和よりも大きなエネルギーを持つ（Es≧Ea+ Ev１+ Ev２）よう設定する。【００２８】
以下、バイト２の加工速度v及びバイト２の運動エネルギーEsを上記のように設定する理由について説明する。固体に応力が加わった場合、固体内では縦波と横波が起こり、固体表面では表面波としてのレイリー波が起こる。固体は、圧縮方向に対して縮むとき、その直角面では伸びるため、これが横波となる。直角面の伸びは、ポアソン比νの大きさに比例する。これが縦弾性率Eと横弾性率Gの関係となる。入力エネルギーに対して横方向にエネルギーが逃げるため、縦波伝播速度v１はその分遅くなる。直角面にx方向とy方向があるため、その配慮も必要となる。【００２９】
縦波伝播速度ｃ１、横の伝播速度ｃ２、レイリー波の伝播速度ｃ３とすると、ｃ１、ｃ２、ｃ３はそれぞれ式６、式７、式８で示される。ここでSは剛性率、Cはポアソン比で決まる定数（C＜１）である。例えばν＝０.２５とすると、ｃ１：ｃ２：ｃ３＝１.７３：１：０.９２となる。これらの速度ｃ１、ｃ２、ｃ３は物質ごとに異なる定数である。ここで体積弾性率k、縦弾性率E、剛性率Sの関係を示すと、E＝２S（１+ν）、E=３k(１-２ν)である。なお、ポアソン比νは、ガラスで０.２５、シリコンで０.０７、銅で０.３４２、アルミニウムで０.３４５である。また、最もポアソン比ν大きいものはゴムのようなものであり、ポアソン比νは０.６である。【００３０】
ｃ１=√（(１-ν)E/(１+ν)(１-２ν)ρ）=√（(３k+４S)/３ρ）・・・（１）
ｃ２=√（E/２(１+ν)ρ）=√（S/ρ）・・・（２）
ｃ３=Cｃ２ ・・・（３）【００３１】
被加工物１０が、半導体チップが形成されたシリコンウエハである場合、被加工物１０の構成材料及びその応力伝播速度は、表１のようになる。【００３２】
【表１】
0005194319.tif 000002
【００３３】
固体中の力の伝達速度は、隣接する原子２０の相互作用の変化、具体的には隣接する原子２０間を接合している結合手２１の追従性を示している（図２参照）。従って、固体中の力の伝達速度は、隣接する原子２０間の距離の大小に関係する。【００３４】
ここで固体（本件では、被加工物１０がこれに相当する）に対し外力が印加され、かつこの外力の速度が上記した固体中の力の伝達速度より速い場合を想定する。説明を判り易くするために、上記の固体をガラスとし、外力が印加される具体例として、銃の弾丸がこのガラスを貫通した場合を想定する。銃の弾丸は、空気中の音速の数倍である。ガラスを貫通するとき、ガラスには弾丸の大きさに近い穴が開くだけで、周囲にクラックの進展はないことが経験的に知られている。重要なことは、弾丸の通過する範囲にしか応力を与えないことである。  【００３５】
この現象をガラスの加工という観点から見ると、弾丸（速度は１０００m/s程度）により、ガラスに対して周囲にクラック等の欠陥のない高品質の穴加工が行われたことになる。これは、固体（被加工物１０）の横波を越える速度で固体に対して加工された（これは、外力の印加と等価である）とすると、外力が印加された原子２０は、この外力が印加された原子の隣の原子２０に応力を伝える時間的余裕を与えることなく、結合子２１が破壊されることを意味する。【００３６】
続いて、高速加工でもうひとつ重要な現象例を示す。ある物体が高速で水面に衝突すると、水面（c０=１５００m/s）は硬い固体と等価のように感じる。これは、５０m/s(１８０km/h)という遅い速度でもそのような状態、即ち液体が剛体とみなしうる状態となる。【００３７】
これらの現象を形状加工に適用してみる。図２がそのモデルである。図２（A）に示すように、被加工物１０を構成する１６個の原子２０を考え、結合子２１のそれぞれはばね定数κと結合の強さを表すエネルギーUintを有しているものとする。体積弾性率kや凝集エネルギー２γとの関係を示すと、
(体積弾性率ｋ）＝{κ×原子濃度×(配位数／２)}／{９×(原子半径×２)２}
(凝集エネルギー２γ)＝Uint×アボガドロ数／(配位数／２) 
となる。【００３８】
ここで、図２（Ｂ）に示されるように、バイト２の刃２ａにより力Ｆが、１６個の原子２０の内、中心２列に印加されたとする。刃２ａの速度vが結合手２１による原子間結合の弾性波伝播速度より十分速いとすると（v≧ｃ１）、中心２列の８原子は、その進行方向（図中左方向）の結合手の弾性変形（弾性波伝播の元になる現象）をする暇を与えられず、８原子全体が一括的に左に移動し、このように一括的に移動する８原子の上下の結合手２１が剪断力で破断される。これにより、刃２ａにより加工が行われた後の表面は、原子２０の転移、クラック、残存、歪等のない高精度の鏡面となる。【００３９】
また、上記した表面加工の際、上下の４つの結合子２１の切断エネルギーと、４つの原子２０の運動エネルギーをバイト２の連動エネルギーから貰い受けるが、その破断に至る変位をδd、破断に至る力をFdとすると式９の関係が成り立つ。
mpv２/２＞４κδd２+４ｍav２/２=４Fd２/２κ+４mav２/２          （４）【００４０】
換言すれば、バイト２の運動エネルギーEb(＝mpｖ２/２)が、被加工物１０を構成する原子２０の結合手２１を上記の如く剪断するためのエネルギーEa（＝４Fd２/２κ）と、削り取られる原子２０がc２以上（好ましくはc１以上）の速度で移動するときの運動エネルギー（運動エネルギーEv１（＝４ma c２２/２）と、切削後のバイト２がc２以上（好ましくはc１以上）の速度で移動するときの運動エネルギー（Ev２）の総和よりも大きなエネルギーを持つように（Eb≧Ea+ Ev１+ Ev２）面加工装置１において加工を行うことにより、基板（被加工物１０）に対して上記の高精度の鏡面加工を実施することが可能となる。【００４１】
一方、バイト２の加工速度vが次第に小さくなる（c２≦v＜c１）と、結合手２１の多少の弾性変形を許すことになり、横波速度c２の速度で力の波動が進行方向の斜め後方に広がっていく。従って、バイト２の加工速度vが横波速度c２以上であれば、力の波動はバイト２の進行方向に対して４５度以下の立体角を形成する。上記のように波動が進む際、この波動の力の及ぶ４５度以下の立体角の中で一番強度の弱い部分で破壊が進行する。１列目の原子２０は、バイト２の進行方向に対して略０℃の角度の部分が破壊されるため、２列目以降の原子２０も、しばらくはバイト２の進行方向に対して略０℃の角度で破壊が進行する。このため、バイト２の回転数を上げるか、又は刃２ａの数を増やして複数の刃２ａが被加工物１０を切削する時間間隔を十分に短くすることにより、c２≦v＜c１の条件においても高精度の鏡面加工を実施することが可能となる。【００４２】
なお、複数の刃２ａが被加工物１０を切削する時間間隔が多少長くなった場合、破壊の進行角度は最終的にはarctan(c２/c１)となるが、破壊の進行角度がarctan(c２/c１)となる長さは十分に短いため、この場合においても切削面に凹凸は十分に小さくなり、略鏡面の切削面を得ることができる。【００４３】
図３は、バイト２により被加工物１０を表面加工している状態をマクロ的に見た状態を示しており、また図４は、バイト２により被加工物１０を表面加工している状態をミクロ的に見た状態を示している。バイト２により被加工物１０を加工する場合、バイト２の軸ぶれ及び送りすれはいずれも０.１μｍ以下であるのが好ましく、かつバイト２の回転速度は１００００〜５００００rpmの高速回転であることが望ましい。【００４４】
なお、図５に見られるように、バイト２の被加工物１０（被加工物）への衝突は、原子２０と原子３０のぶつかりである。今１個の原子２０と１個の原子３０が同じ質量を持つとすれば、総合エネルギーの強いほうが弱いほうを切断する。これは、図５で分かるように、各部材（バイト２、被加工物１０）の密度と凝集エネルギーの関数である。【００４５】
これをマクロ的に見ると、(１/２)(単位体積当たりの質量)(衝突速度)２+(単位体積あたりの凝集エネルギー)の大小でどちらが切断されるかが決まり、バイト２の密度を被加工物１０の密度より大きく設計すればよい。また、切断状態は、被加工物１０のバイト２が衝突する衝突前面の、バイト２の進行方向に対する後ろに控える分子の質量にも関係する。図３及び図５は、このモデルも示している。【００４６】
バイト２が最初に被加工物１０に衝突すると、図２を用いて説明したように、被加工物１０では水平に原子２０の剥離が起こる。図３（A）及び図４（A）は、バイト２が被加工物１０に衝突したときを示している。前記したように、バイト２の加工速度vは、c２≦vの条件を満たしているため、原子２０の剥離は上方に逃げることになる。図３（B）はこの状態を示しており、図３（Ｃ）は刃２aか表面１１を切削している状態を拡大して示している。【００４７】
切削加工が進展すると、図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、バイト２は以前に剥離して逃げた原子２０上をトレースすることになる。この際、原子２０の原子列が、バイト２によりだるま落としのように下から順に加工されていく。具体的には、図４（B）では、バイト２より原子列Aが加工され、図４（C）ではバイト２により原子列A及び原子列Bが加工され、更に図４（Ｄ）ではバイト２により原子列Ｃが加工され、バイト２は原子列A及び原子列Ｂから離間する。【００４８】
このように本発明では、バイト２の加工速度vがc２≦vの条件を満たしているため、各原子列A〜原子列Ｃは、だるま落としのように被加工物１０から剥離してゆく。従って、切削加工により発生する切子８は、全体が原子レベルの層構造を維持したまま、変形しない状態で被加工物１０から剥離する。一般的に切子８は変形し、切子８の変形にエネルギーを必要とする。これに対して本発明では、上記したように原子レベルで変形が無いため、切子８の変形エネルギーを必要としない。従って、加工に必要なエネルギーが少なくなる。また、発生する切子８の温度は高くなり、数千℃になって飛ぶことになる。しかし、残された被加工物１０の加工表面は、表面１１の原子２０の剥離に必要なエネルギー以上のエネルギーを与えられず、ひずみも全くないため、温度上昇もわずかで無歪の鏡面となる。尚、表２に元素の凝集エネルギーや密度度などのパラメータを示しておく。【００４９】
【表２】
0005194319.tif 000003
【００５０】
以上、被加工物１０の表面１１に対するバイト２の加工速度すなわち移動速度を、被加工物１０を構成する材料における圧縮応力波の横波伝播速度をc２より速くすることにより、表面１１を鏡面切削することができる。【００５１】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を変更しない範囲で様々に変形することが可能である。例えば図１を用いて説明した加工を被加工物１０に対して行った後、被加工物１０の表面１１に対して刃を水平に移動させることにより、表面１１を仕上げ加工しても良い。この場合、刃は、例えばタングステンバイトの表面にタイヤモンドをエピタキシャル成長させることにより形成される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、ウエハやシリンダ内面等の被加工物の表面を加工する被加工物の加工方法に関する。
【図１】
0005194319.tif 000004
【図２】
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【図３】
0005194319.tif 000006
【図４】
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【図５】
0005194319.tif 000008