(57)【要約】【課題】  硬度の異なる材料で構成された電子デバイスの加工において、平滑な研磨面を得るとともに、デバイスに要求される特性を満足させる。【解決手段】基板表面を平滑にするための基板研磨工程と、前記基板上に電子デバイス表面を研磨するための研磨用砥粒層を形成する工程と、該砥粒層の表面に砥粒を突出させるための表面処理工程とを経て研磨工具の作製し、この研磨工具の表面とデバイスの研磨加工する部分とを接触・摺動させることにより平滑な表面加工という目的が達せられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面を平滑にするための基板研磨工程と、前記基板上に電子デバイス表面を研磨するための研磨用砥粒層を形成する工程と、該砥粒層の表面に砥粒を突出させるための表面処理工程とを備えたことを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項２】
前記請求項１において、前記砥粒層形成工程は、前記基板上に弾性領域を形成した後、該弾性領域の上に砥粒領域を形成することを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、前記弾性領域は前記基板表面を覆う第一のプラズマを用いて形成され、前記砥粒領域は前記第一のプラズマに対して更にナノ微粒子を供給して形成されることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項４】
請求項１において、前記砥粒層形成工程は、ナノ微粒子を含有する第一のプラズマを前記基板の表面を覆うように供給してなされることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項５】
請求項１において、前記表面処理工程は前記砥粒層表面の第二のプラズマを用いたエッチング処理であることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項６】
請求項３において、前記第一のプラズマはＣ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｎ及びＳｎ系合金、Ａｌ、Ｃｕのいずれかから選ばれた材料を用いたスパッタプラズマであることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項７】
請求項１において、前記砥粒はダイヤモンドまたはＳｉＯ２からなるナノ微粒子であることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項８】
請求項７において、前記ナノ微粒子の径が１０〜５０ｎｍであることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【請求項９】
請求項３において、前記ナノ微粒子は前記第一のプラズマによって負に帯電されてなることを特徴とする研磨工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロジックやＤＲＡＭ等の半導体デバイスや磁気ディスク装置用磁気ヘッド等に対応する研磨工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば磁気ディスク装置においては面記録密度の向上が望まれており、そのためには磁気ヘッドの磁気記録媒体に対する浮上量を現状の約１０ｎｍからさらに低減させることが必要である。そして、この浮上量の低減を実現するには、回転する磁気記録媒体に対面させて配置する磁気ヘッドのスライダ面（浮上面）をより一層高精度に加工することが不可欠である。
【０００３】
一般に、磁気ヘッドは次のように作製されていた。即ち、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＣ（アルミナチタンカーバイト）等の硬質基板上に、絶縁膜としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ、膜厚２〜１０μｍ）を形成し、シールド層、ギャップ膜、磁気抵抗効果膜等からなる磁気素子部（ＧＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）、下部磁極、上部磁極、保護膜（アルミナ層）を順次積層する。上記した構造体はリソグラフィーを用いた薄膜プロセスにより５インチサイズの基板上に形成される。
【０００４】
その後、この基板をダイヤモンド砥石を用いて２インチの長さを有する短冊片に切断される。そして、切断後の歪みを両面ラップ等の方法を用いて除去した後、基板上に積層した構造体に対して直交する面を高精度に研磨加工を施して、磁気記録媒体に対面する磁気ヘッドのスライダ面（浮上面）を形成する。そして、短冊片から個々の磁気素子部を含むような小片を切り出して磁気ヘッドが完成する。
【０００５】
ところで、上記した短冊片の研磨方法には、回転する軟質金属系の定盤上にダイヤモンド等の砥粒を含んだラップ液を滴下しながら、研磨治具に接着した短冊片を押圧摺動させることが用いられている。研磨条件としては、回転する定盤に対して短冊片を張り付けた研磨治具を自公転式に回転させる場合、定盤の回転方向に対して直交する方向あるいは回転方向と平行に短冊片を揺動させる場合等がある。
【０００６】
ところで、磁気ヘッドのような電子デバイスを上記の手法において研磨加工する際に使用する研磨工具の製造方法としては、特許文献１または特許文献２に記載のよう方法が一般的である。即ち、研磨定盤の材質として錫系合金等からなる比較的軟質な金属が用い、その表面の面精度は機械加工によって極めて高精度に仕上げられていなければならない。そして、研磨加工中に生じるスラッジや研磨液、潤滑液等の排出を促すため、研磨定盤の表面には、例えばアナログレコード盤状の微細な溝加工（幅数１０μｍ、深さ数μｍ）が施されている。
【０００７】
こうして得られた研磨定盤の表面にダイヤモンド砥粒等の固定砥粒を設ける。１００ｎｍ程度の粒径のダイヤモンド砥粒を含むスラリー液をスラリー供給チューブを介して滴下しながら、質量１０ｋｇ程度のおもりを有するセラミックリング（修正リング）を自公転させる。そして、修正リングによってダイヤモンド砥粒等の固定砥粒が定盤内に押し込まれる。
【０００８】
このとき、定盤の材料は柔らかいのでその塑性変形によって押し込まれた砥粒はそのままその場に保持される。定盤表面に埋め込まれたダイヤモンド砥粒等の固定砥粒はその一部が表面に露出した状態で固定されている。そして、遊離砥粒あるいは埋め込みの不十分な状態にある遊離砥粒は界面活性剤を含む洗浄液等を用いて完全に排除される。
【０００９】
また、半導体デバイス（ＬＳＩ）では、層間絶縁膜の平坦化やメタル配線形成工程にいわゆるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術が用いられているが、具体的に研磨に使用する工具等の部材としては、積層構造の研磨パッドを用いている。
【００１０】
材質は微細な発泡構造を有するポリウレタン材から形成されており、研磨時にはこの研磨パッドの表面に粒径３０〜１００nm程度のシリカ砥粒やアルミナ砥粒を分散させたスラリーを供給しながら研磨加工を行っている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２９６６２０号公報
【特許文献２】特開２００２−３３１４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このような半導体や磁気ヘッドをはじめとする電子デバイスでは研磨すべき表面が複数の材料から構成されていることが多い。例えば、磁気ヘッドでは、上記で述べた短冊片を構成する部材、即ち、基板、絶縁膜、磁気素子部、保護膜等の機械的硬度がそれぞれ異なるため、上記した従来技術を用いてこれらを一様に研磨することが極めて難しい。
【００１３】
さらに、近年では、再生素子であるＧＭＲ素子構造の微細化により、製造プロセス中における素子の耐性が弱まる現象が顕在化し、静電破壊といった電気的ダメージに加えて、研磨加工等の機械加工後に表面層に発生するダメージの影響も大きくなってきている。このようなデバイス表面加工時のダメージを低減し高品質なデバイスを効率良く製造するための表面加工法が要求されている。
【００１４】
本発明の目的は、複合材料からなる半導体デバイスや磁気ヘッド等の電子デバイス全般の製造方法において、デバイス表面の粗さを低減するとともに、加工によるダメージの少ない研磨工具の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
基板表面を平滑にするための基板研磨工程と、前記基板上に電子デバイス表面を研磨するための研磨用砥粒層を形成する工程と、該砥粒層の表面に砥粒を突出させるための表面処理工程とを経て研磨工具の作製する。このとき、砥粒層形成工程は、基板上にこの基板表面を覆う第一のプラズマを用いて弾性領域を形成した後、更にナノ微粒子を供給した第一のプラズマを上記の弾性領域の上に供給することによって砥粒領域が形成される。
【００１６】
上記した第一のプラズマはＣ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｎ及びＳｎ系合金、Ａｌ、Ｃｕのいずれかから選ばれた材料を用いたスパッタプラズマであり、そのプラズマ中に導入されるナノ微粒子は径が１０〜５０ｎｍ程度のダイヤモンドまたはＳｉＯ２が効果的である。尚、上記したナノ微粒子は第一のプラズマによって負に帯電されている。
【００１７】
本発明によれば、上記した製造方法を用いて製作された研磨工具を加工すべき電子デバイス、例えば、材質の異なる材料で構成されている磁気ヘッドの浮上面を接触させて、摺動させることによって浮上面が極めて平滑に研磨加工される。その結果として磁気ヘッドの浮上特性や磁気特性の向上に大きく貢献することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。
はじめに電子デバイスのひとつである磁気ヘッドの加工例を用いて説明する。
磁気ヘッドで使用される材料としては、一般的には、基板の材料としてＡｌ２Ｏ３―ＴｉＣ（アルミナ・チタン・カーバイト）が、絶縁膜及び保護膜の材料としてＡｌ２Ｏ３（アルミナ）が、シールド膜及び磁極などにパーマロイなどの軟質磁性金属からなる複合材料がそれぞれ用いられる。そして、これら素材のビッカース硬度は、Ａｌ２Ｏ３―ＴｉＣ（アルミナチタンカーバイト）が約２０００Ｈｖ、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）が約１０００Ｈｖ、パーマロイが約２００Ｈｖである。
【００１９】
かかる構成の磁気ヘッド浮上面形成のための研磨方法としては、例えば、ワークである複数の磁気ヘッドが一列に配列されてなる短冊状のローバーをワークとし、回転した状態で研磨液が供給される定盤上でワークを自公転させながら研磨する方式や、定盤上でこのワークを揺動させながら研磨する方式がある。
【００２０】
このようなよく知られた研磨方法を用いて磁気ヘッドの表面を研磨した場合、磁気素子部での各部の材料特性の違いから生じる研磨速度の違いにより、研磨された磁気ヘッドの表面に凹凸が発生する。さらに、パーマロイからなる磁気素子の硬度が小さいため、研磨によってスクラッチ傷が形成される場合がある。
【００２１】
このようなスクラッチが発生する要因について説明する。
磁気ヘッド浮上面の研磨においては、軟質金属製の研磨定盤に保持された砥粒（固定砥粒）の作用により実切込量の小さい加工が行われ、加工段差が小さく、平滑なデバイス面が得られるものと考えられる。しかしながら、砥粒は軟質金属からなる定盤の表面上に、金属の塑性変形により機械的に保持されているに過ぎない。このため、研磨中には定盤の表面から砥粒が脱落などして転動砥粒となり、これによる作用が生じる。
【００２２】
さらに、今後も磁気ヘッド表面の平滑化と低ダメージ加工を行うには、一般的には、より小さな砥粒を用いるが、砥粒径を小さくしていくと、砥粒の定盤への固定化が困難になり工具作製に多大な時間を要すると同時に、砥粒の保持力は急激に低減しスクラッチ傷の発生を抑制することができないと予測される。
【００２３】
本発明は、このような技術的課題を解決するために、すなわち磁気ヘッド等をはじめとする複合材料からなる電子デバイスの研磨加工における不具合を考慮するために開発されたものであり、効率良く電子デバイス用研磨工具の作製を実現するとともに、デバイス特性に影響する加工ダメージを低減する製造方法を提供するものである。
【００２４】
以下、本発明における研磨工具の作製法について磁気ヘッドデバイス及び半導体デバイスごとにそれぞれ詳細に説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１〜図３の工程を詳細に説明する。まず図１の第一工程5として、電子デバイス用研磨工具を作製するために５インチサイズ（約１２５ｍｍ）のシリコンウエハ基板1を用意した。厚みは５ｍｍとし、片面のみ研磨パッド及びコロイダルシリカスラリーを用いてポリシング加工を施し、表面粗さをＲａで１ｎｍ以下に調整した。該シリコンウエハ基板を、図４に示す真空プロセスチャンバー内にセットし、真空ポンプにより、１×１０−４Ｐａ以下に減圧した後、Ａｒガスを１０〜２０ｍＴｏｒｒ程度まで導入した。
【００２６】
以降の処理が図１の第２工程６である。最初に、高周波電圧を印加してAｒプラズマを発生させ、高周波出力１０〜２０Ｗ程度で、Ａｒイオンによる基材の自己バイアスで表面スパッタエッチングを数分間行った。次に、カーボンターゲット９と純Ｓｎターゲット１０を下部電極にセットした。一方のターゲットは後述するナノ微粒子と同質材としてナノ微粒子の定着を安定化させるために使用し、さらに一方のＳｎターゲット材は砥粒となるナノ微粒子の母材に用いるものである。
【００２７】
まず基板の上部に数ミクロン程度の一定膜厚のＳｎ膜３を成膜するため、Ｓｎターゲットのみに、高周波電圧を印加してスパッタリング成膜を行った。この領域を弾性領域と称する（図２）。
次に、ナノ微粒子２をＳｎ膜内に効率よく定着させるため、真空チャンバーに設置したナノ微粒子導入装置に、適当な溶媒に分散させた状態で供給ジェットノズルを介して、数マイクロ〜ミリグラムオーダーで気相浮遊しやすい状態で間歇的にプラズマ８内に導入する。
【００２８】
磁気ヘッド対応工具にはナノ微粒子として、ナノサイズのダイヤモンド粒子を用いた。プラズマ８中に導入されたナノ微粒子２はプラズマ中での電子との衝突により負に帯電し、プラズマ中に浮遊する。このナノ微粒子を含んだプラズマは、設置した基板表面を覆うように形成されている。
【００２９】
また、プラズマ８はスパッタ電極９及び１０から供給される電力で維持されている。スパッタ電極へ９、１０への電力供給を停止し、その数ナノ秒から１ミリ秒後に基板１を載置した電極に接続されているパルス電源より基板表面に１から数百ミリ秒の幅の正のパルス電位を印可する。
【００３０】
スパッタ電源からの電力供給を絶たれたプラズマ中の電子及びイオンはチェンバ等の壁面に衝突し、チェンバ内の空間には質量が重く速度の遅い負に帯電したナノ微粒子が残る。そこに基板電極に印可した正の電位により電界が発生するため、ナノ微粒子は基板１の表面に加速されて引き寄せられ付着する。しかる後に再度スパッタ電源への電力供給を再開する事で基板１に付着した粒子周囲への成膜が行われると共にプラズマ８が再び発生する。
【００３１】
上記の手順を成膜中に適度の回数繰返すことで基板１上へ所望の密度のナノ微粒子を定着させることができた。このナノ微粒子を含む層を砥粒領域と称し、上記弾性領域と砥粒領域を合わせて砥粒層と称する（図２）。
上述の製造方法では、砥粒層は砥粒を含む砥粒領域と砥粒を含まない弾性領域に分離されているが、基板に対してはじめからナノ微粒子を含んだ砥粒層のみを形成しても、原理上同様の効果が期待できる研磨工具が作製可能であった。
【００３２】
また、ナノ微粒子２をＳｎ膜内に効率よく定着させるため別の方法として、以下に説明する構造の装置を用いてもよい。すなわち、主たる真空チャンバーに取付けられた電気的に負の電位となる別チェンバーに設置したナノ微粒子導入装置に、適当な溶媒に分散させた状態で供給ジェットノズルを介して、数マイクロ〜ミリグラムオーダーで気相浮遊しやすい状態で間歇的にチェンバに導入してもよい。
【００３３】
チェンバ内はプラズマ励起用のフィヒラメントから供給される電子によりプラズマが生成されている。プラズマ中に導入されたナノ微粒子２はプラズマ中での電子との衝突により負に帯電し、プラズマ中に浮遊する。チェンバには主たるチェンバとの間に２枚のグリッド電極が設置され、チェンバ側のグリッド電極はチェンバと同電位、もう一方のグリッドはチェンバに対し可変電圧電源により正の電位を与えることが出来る。チェンバ自体は電源により負電位になっている。
【００３４】
電源によりグリッド間に電位を印可すると、プラズマ８中の電子及びナノ微粒子はグリッド間の電界に加速されてチェンバから主たるチェンバに導入される。グリッドの近傍には磁石が有り電子及びナノ粒子の進行方向に直交した磁界が発生している。このとき電子は磁界により進路を曲げられて直進できないが、質量が重いナノ粒子は直進し更にチェンバとの電位差で形成される電界により加速し基板１の表面に高いエネルギーを持って到達する。このような方式でも上述の図４の装置と同様の効果が期待できる。
【００３５】
引続き真空チャンバー内において、導入したＡｒガスを用いて基板の自己バイアスを利用して（０〜−７００Ｖ）、比較的マイルドな条件においてプラズマエッチング処理を行った（第３工程）。この目的は母材の内部に定着されたナノ微粒子2を母材の表面から一定量突出させるために行ったものである。従来工具の状態と近づけるためナノ微粒子の粒径の１／３程度を目安に母材の表面から突出させた。
【００３６】
このようにして作製された研磨工具の表面状態の評価を行った。ナノ微粒子のサイズや、密度の評価を行うため、日立製作所製電子顕微鏡Ｓ５０００の２次電子像で、測定倍率１〜５万倍で測定を行った。さらに、工具の表面粗さの評価には、米国Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（現在のＶｅｅｃｏ社）製原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）ＮａｎｏｓｃｏｐｅＩＩＩａ、Ｄ３１００で先端径１０ｎｍのシリコン単結晶プローブを用いた。詳細な評価結果を図４に示す。
【００３７】
このようにして作製した該研磨工具を用いて電子デバイスのひとつである磁気ヘッドの研磨加工評価を行った。研磨試料となる磁気ヘッドをポリウレタン系の弾性体を介して治具に保持させ、各研磨定盤に１０〜１００ｇ重の範囲内の一定荷重で押しつけながら加工した。研磨工具の回転数は概ね１０ｒｐｍ以下とした。また、潤滑剤（仕上げ液）としては、パラフィン系炭化水素オイルを使用し、加工量は約３０nm以上とした。
【００３８】
加工後の表面粗さの評価には、上記、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用した。表面粗さは、磁気素子部上の最も硬度が小さい部分（例えば上部シールド部分）を測定面積１×６μｍ２で評価した。また、研磨能率は磁気素子の抵抗値を加工前後に計測し、加工量に換算して評価を行った。図５に示すように、表面粗さと研磨能率の両者で優れた結果が得られた。
【００３９】
（実施例２）
次に、半導体デバイスとしては、いわゆるメタル配線工程（Ｃｕダマシン）におけるＣｕ除去研磨を行った。ロジックやＤＲＡＭ等の半導体デバイスでは、微細化によって生じる配線遅延やエレクトロマイグレーションの問題に対応するためにＣｕ配線への転換が進められている。このＣｕ配線はドライエッチングが困難なことから絶縁膜に形成した配線溝にＣｕを埋め込み、余分なＣｕを研磨除去するという方法で形成されている。
【００４０】
Ｃｕダマシン配線の研磨除去は現在、ＣＭＰにより行われているが、ＣＭＰでは薬液と砥粒の混合物であるスラリーを使用するためのコストや環境負荷の高さ、スラリーの安定的な使用法が困難なことに起因するスクラッチなどが問題となっている。
【００４１】
まず研磨工具の作製は、実施例１と同様の手法において、ターゲット材９としてシリコンターゲットを用いた。また砥粒となるナノ微粒子には粒径３０nm程度のＳｉＯ２粒子を使用し、一方のターゲット材であるＳｎ母材の中に定着を行った。作製後の工具表面の評価を上述と同様に、日立製作所製電子顕微鏡Ｓ５０００及び米国Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社製原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）ＮａｎｏｓｃｏｐｅＩＩＩａ,Ｄ３１００を用いて行った。評価結果を図５に示す。
【００４２】
また研磨対象となるＣｕ配線デバイスとしては、Ｃｕ配線パターン膜付Ｓｉ基板を用意した。Ｓｉ（１００）上にＳｉＯ２膜、ＴａＮ膜、Ｃｕ膜をそれぞれ一定の膜厚で成膜した。さらに基板上のＳｉＯ２膜には、数ミクロンから１００ミクロン程度までの線幅の配線が形成され、その上にスパッタ成膜と電解めっきでCuの薄膜層を形成した。この基板を１０ｍｍ角に切断し研磨加工に使用した。研磨条件に関しては、研磨工具の回転数は、上記実施例１の磁気ヘッドの場合と概ね同様の条件にて行い、研磨時の荷重は１００〜１０００ｇ重の範囲で調整した。
【００４３】
また、加工時には、弱アルカリ性に調整し、Cu表面の腐食を防止するためのベンゾトリアゾールを添加した水溶液を供給しながら研磨加工を行った。研磨後にＣｕ配線上の表面粗さを２μｍ２の面積範囲で、上述の原子間力顕微鏡にて評価した。評価結果を図５に示す。従来のスラリーを使用したＣＭＰ研磨に比べて深いスクラッチが発生せず平滑な加工がなされた。
【００４４】
また、第一のプラズマを形成するためのスパッタターゲット材としては、Ｃ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｎ及びＳｎ系合金、Ａｌ、Ｃｕのいずれかから選ばれた材料にて作製が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による研磨工具作製の基本工程を示す図である。
【図２】本発明の研磨工具作製の工程と工具状態を示す図である。
【図３】本発明の研磨工具作製の工程と工具状態を示す図である。
【図４】本発明における真空プロセス装置である。
【図５】本発明における評価結果である。
【符号の説明】
【００４６】
１…基板、２…ナノ微粒子、３…母材、４…第一工程、５…第二工程、６…第三工程、７…プラズマ、８…カーボン、シリコンターゲット、９…Ｓｎターゲット
【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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