(57)【要約】【課題】  高い研削速度を維持しつつ、研削条痕の発生を抑制する。【解決手段】  金属酸化物を主成分とする対象体を研磨するための研磨材であって、シリカを主成分とする第１の粒状体と、熱可塑性樹脂を主成分とする第２の粒状体と、前記金属酸化物を構成する金属と同じ金属の水酸化物を主成分とする第３の粒状体とを含有し、前記第１の粒状体の平均粒径および前記第２の粒状体の平均粒径に比べて、前記第３の粒状体の平均粒径が大きいことを特徴とする研磨材を提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物を主成分とする対象体を研磨するための研磨材であって、
シリカを主成分とする第１の粒状体と、熱可塑性樹脂を主成分とする第２の粒状体と、前記金属酸化物を構成する金属と同じ金属の水酸化物を主成分とする第３の粒状体とを含有し、
前記第１の粒状体の平均粒径および前記第２の粒状体の平均粒径に比べて、前記第３の粒状体の平均粒径が大きいことを特徴とする研磨材。
【請求項２】
前記金属酸化物を構成する金属が、アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の研磨材
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂が、ポリスチレンであることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨材。
【請求項４】
シリカを主成分とする第１の粒状体と、熱可塑性樹脂を主成分とする第２の粒状体と、水酸化アルミニウムを主成分とする第３の粒状体とを含有し、
前記第１の粒状体の平均粒径および前記第２の粒状体の平均粒径に比べて、前記第３の粒状体の平均粒径が大きいことを特徴とする研磨材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体デバイスの材料基板である半導体ウェハ等の製造においては、基板の表面を高精度に平滑化する研磨工程が実施される。従来、一般的な研磨工程では、例えばシリカ等の砥粒と薬液とを供給しながら、研磨布を用いてポリッシングまたはラッピングを行う湿式研磨工程が実施されていた。かかる湿式研磨では、砥粒と薬液とからなるスラリーを大量に流し続ける必要があり、研磨工程にかかるコストが高く、また、砥粒や薬液など大量の排出物によって自然環境を悪化させてしまうといった課題があった。かかる課題を解決する研磨工程として、砥粒や薬液を用いない、例えば下記特許文献１に記載されているような乾式研磨工程が提案され、実用され始めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４３４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１では、乾式研磨工程に用いる乾式研磨材の一例が記載されている。特許文献１に記載されている研磨材は、二酸化珪素や酸化セリウムからなる砥粒を研磨布に含ませ、ワニス等の結合材によって、研磨布と砥粒とを結合している。上記特許文献１に記載の乾式研磨材では、砥粒が研磨布に結合されており、湿式研磨のように薬液が砥粒に遊離しておらず、砥粒によって対象体の表面に研削条痕が付き易いといった課題があった。また、薬液のような冷媒が存在していないので、研磨する対象体と研磨材との摩擦によって、対象体と研磨との温度が上昇し易く、安定した研磨状態を維持することが難しいといった課題もあった。本願発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するため、本願では、金属酸化物を主成分とする対象体を研磨するための研磨材であって、シリカを主成分とする第１の粒状体と、熱可塑性樹脂を主成分とする第２の粒状体と、前記金属酸化物を構成する金属と同じ金属の水酸化物を主成分とする第３の粒状体とを含有し、前記第１の粒状体の平均粒径および前記第２の粒状体の平均粒径に比べて、前記第３の粒状体の平均粒径が大きいことを特徴とする研磨材を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明によれば、高い研削速度を維持しつつ、研削条痕の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の研磨材の一実施形態を備えて構成された研磨の概略斜視図である。
【図２】(ａ)は図１に示す研磨材の概略斜視図、（ｂ）は図１に示す研磨材の概略断面図である。
【図３】本発明の研磨ホイールが装着される研磨装置の一実施形態について説明する概略斜視図である。
【図４】図３に示す研磨装置を用いた研磨における、図１に示す研磨材による研磨の状態について説明する概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の研磨材について詳細に説明する。図１は、本発明の研磨材１１を備えて構成された研磨ホイール１０の概略斜視図である。研磨ホイール１０は、円環状の基台１２と、基台１２に貼着固定された研磨材１１とを備えて構成されている。基台１２は、金属製の円板状体であり、図示しないネジ穴を備えている。研磨材１１は、円板形状の部材であり、基台１２下側(図１における下側)の主面に貼着固定されている。
【０００９】
図２(ａ)は、研磨材１１の概略斜視図、図２（ｂ）は研磨材１１の概略断面図である。研磨ホイール１０は、例えば図３に示す研磨装置２０に装着されて、研磨する対象体である基板Ｗの研磨に用いられる。図３は、研磨ホイール１０が装着された研磨装置２０について説明する概略斜視図である。
【００１０】
研磨材１１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする対象体Ｗを研磨するための研磨材であって、シリカを主成分とする第１の粒状体３１と、ポリスチレンからなる第２の粒状体３２と、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）を主成分とする第３の粒状体３３とを含有している。
【００１１】
第２の粒状体３２は、熱可塑性樹脂であれば特に限定されず、ナイロン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等、特に限定されない。第３の粒状体３３は、研磨する対象である対象体Ｗの主成分である金属酸化物を構成する金属と、同じ金属の水酸化物を主成分としていればよく、本実施形態では、第３の粒状体３３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を構成するアルミニウム（Ａｌ）の水酸化物である、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）を主成分とする。本発明においては、第３の粒状体は、研磨する対象体の材質に応じて選択すればよい。
【００１２】
本実施形態の研磨材１１では、第１の粒状体３１の平均粒径は２μｍ、第２の粒状体３２の平均粒径は６μｍ、第３の粒状体３３の平均粒径は２３μｍであり、第１の粒状体３１および第２の粒状体３２に比べて、第３の粒状体３３の平均粒径が最も大きくなっている。本実施形態では、第３の粒状体３３の平均粒径は、第１の粒状体３１の平均粒径の１０倍以上、第２の粒状体３２の平均粒径の３倍以上の大きさを有している。第３の粒状体の平均粒径は、第１の粒状体の平均粒径の５倍以上かつ５０倍以下であることが好ましい。
【００１３】
また、研磨材１１では、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３の他に、ポリビニルアルコールからなる結合材を含有している。結合材は、第１の粒状体３１、第２の粒状体３２、第３の粒状体３３のそれぞれの間隙に位置し、第１の粒状体３１、第２の粒状体３２、第３の粒状体３３それぞれと接合している。本実施形態では、結合材としてポリビニルアルコールを用いたが、結合材の材質については、特に限定されない。
【００１４】
研磨材１１は、不可避不純物以外の含有物として、第１の粒状体３１を５７質量％、第２の粒状体３２を２５質量％、第３の粒状体３３を５質量％、上述の結合材を１３質量％含有している。結合材を除いた、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３とでは、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３との合計の質量（合計質量ともいう）に対する、第１の粒状体３１の質量の割合が約６５．５質量％、第２の粒状体３２の質量の割合が約２９質量、第の粒状体３３の質量の割合が約６％となっている。
【００１５】
また、第１の粒状体は、表面積当たりのシラノール基含有量の平均値が約４μｍｏｌ／ｍ２となっている。シラノール基の含有量は、第１粒状体の粉末について、カールフィッ
シャー法による測定を行うことで求めることができる。測定は、後述する成型前の第１の粒状体を用いて行うことができる。カールフィッシャー法にてシラノール基濃度を測定するには、水分気化装置に、第１の粒状体３１の粉末をセットし、電気ヒーターで加熱しながら脱水処理されたアルゴンガスをキャリアガスとして供給し、微細球状シリカ粉末表面に付着したシラノール基が縮合して揮発した水蒸気を測定器に導き、その水分を測定することによって行われる。
【００１６】
研磨ホイール１０は、例えば図３に示す研磨装置２０に装着されて、研磨する対象体である基板Ｗの研磨に用いられる。図３は、研磨ホイール１０が装着された研磨装置２０について説明する概略斜視図である。研磨装置２０は、基台２２と、基台２２の端部に設けられた壁部２３と、この壁部２３の内側の面に配設された一対のレール２４と、レール２４に沿って上下動するスライド板２５とを備える。スライド２５には、駆動手段２６が固定されている。また、基台２２上には、研磨する対象体を保持するチャックテーブル２７が配設されている。
【００１７】
駆動手段２６は、垂直方向の軸芯を有するスピンドル２１と、スピンドル２１の先端に装着されたマウンタ２８とを備えている。研磨ホイール１０は、マウンタ２８に装着されており、スピンドル２１の回転にともなって研磨ホイール１０も回転する構成となっている。
【００１８】
研磨装置２０によって対象体である基板Ｗの表面を研磨する際は、基板Ｗをチャックテーブル２７に保持させて駆動手段２６の直下に位置付け、スピンドル２１を回転させるとともに駆動手段２６を下降させて、研磨材１１を基板Ｗの表面に当接させる。スピンドル２１の高速回転に伴って研磨ホイール１０を構成する研磨材１１が基板Ｗに摺接され、基板Ｗの表面が研磨材１１によって研磨される。研磨装置２０は、薬液等を供給する機構は特に備えておらず、研磨の最中、研磨材１１と基板Ｗとの摺接面に薬液を供給しない、いわゆる乾式研磨が行われる。
【００１９】
図４は、研磨装置２０を用いた研磨における、研磨材１１によるウエハＷ表面の研磨の状態について説明する図である。研磨においては、研磨材１１が、スピンドル２１によって回転している状態で、ウエハＷの表面に摺接される。ウエハＷと研磨材１１との接触部分では、研磨材１１を構成する各粒状体が、ウエハＷの表面を機械的に剥ぎ取ることで、ウエハＷの表面が削られていく。本実施形態の研磨材１１を用いた研磨では、上述の機械的研磨作用のみでなく、ウエハＷ表面が化学的に変質される。すなわち、研磨材１１を用いた研磨では、化学的に変質されたウエハＷの表面が、機械的に削られていく、いわゆる化学的機械研磨が行われる。通常、今までの化学的機械研磨は、研磨する対象体の表面に薬液を供給しつつ研磨を行う、湿式研磨によって行われてきた。本実施形態では、研磨の最中に、ウエハＷの表面に研磨用の薬液を供給しない乾式研磨でありながら、研磨対象の表面を化学的に変質させながら、対象体の表面を削っていく。
【００２０】
研磨材１１によって対象体が研磨されるメカニズム次のように推測される。ウエハＷの化学的変質は、第１の粒状体３１のシリカ（ＳｉＯ２）と、基板Ｗのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とが反応して、ガラス化することで進行していく。研磨の際、研磨材１１と基板Ｗとの摩擦によって多くの熱が発生し、基板Ｗは比較的高温となる。この熱によってシリカとアルミナとが化学的に活性化され、シリカとアルミナとが反応し、ケイ素原子（Ｓｉ）とアルミニウム（Ａｌ）原子とが酸素原子（Ｏ）を共有する、アルミナシリケートガラスからなる変質層４１が基板Ｗの表面に形成されていく。この変質層４１は、通常のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて、各構成原子同士の結合力が弱く、研磨材１１による機械的作用によって比較的容易に削り取られやすい。金属酸化物を含む対象体を、シリカからなる第１の粒子を含んで構成された研磨体を用いて研磨することで、金属原子を取り込んだシリ
ケートガラス層が形成され、高い研磨速度で効率よく研磨することが可能となっている。
【００２１】
研磨の際に発生するこの熱によって、基板Ｗとの接触部分に位置する、熱可塑性樹脂からなる第２の粒状体３２は溶融し、基板Ｗとの接触部分に拡がる。この第２の粒状体３２の溶融物が、研磨材１１と基板Ｗとの接触部分に拡がることで、研磨材１１の基板Ｗとの滑り抵抗が低減され、早い研磨速度で効率的に研磨を実行することが可能となる。第２の粒状体３２の、溶融した後の樹脂成分は基板Ｗの表面で更に加熱されて最終的に蒸発し、基板Ｗの表面に殆ど残留することはない。また、基板Ｗ表面に僅かに残留した第２の粒状体３２の成分も、最終的には、研磨材１１の主に第１の粒状体３１によって削り取られる。また、第２の粒状体３２が、研磨材１１と基板Ｗとの接触部分において、溶融・蒸発にともなって熱エネルギーを吸収することで、研磨材１１と基板Ｗの温度とが必要以上に上昇することが抑制される。研磨材１１と基板Ｗとの接触部分の温度が上昇し過ぎると、接触部分で、シリカからなる第１の粒子３１の成分の焼け付き等の不具合が起こる場合があるが、本実施形態では、このような過度の温度上昇に起因した不具合が抑制されている。
【００２２】
第３の粒子３３は、摩擦によって温度が上昇した基板Ｗの表面と接触し、基板Ｗの酸化アルミニウムと反応する。具体的に、第３の粒子３３のＯＨ基と、基板Ｗの酸化アルミニウムの酸素（Ｏ）とが重合して水分子となる、水和反応が生じる。この水和反応にともなう吸熱、および、水分子が気化することによる吸熱によって、研磨材１１と基板Ｗとの接触部分における、過度の温度上昇が抑制される。また、この水和反応によって、酸化アルミニウムから酸素原子が脱離されるので、基板Ｗのアルミニウム（Ａｌ）原子が、第１の粒状体３１のシリカに取り込まれ易い。第３の粒状体３３を備えることで、基板Ｗを研磨材１１によって効率的に研磨することができる。第３の粒状体３３を含有することで、上述のように基板Ｗを効率的に研磨することができる。
【００２３】
なお、水酸化アルミニウムからなる第３の粒状体３３は硬度が比較的高いので、第１の粒状体３１および第２の粒状体３２が充分な密度で配置された状態で、仮に、第３の粒状体３３のみが研磨材１１から脱落した場合、研磨材１１と基板Ｗとの間隙にこぼれた第３の粒状体３３が、研磨材１１によって基板１１に擦り付けられる状態となる。この場合、第３の粒状体３３によって、基板Ｗの表面に傷が付いてしまうこともある。本実施形態では第１の粒状体３１の平均粒径は２μｍ、第２の粒状体３２の平均粒径は６μｍ、第３の粒状体３３の平均粒径は２３μｍであり、第１の粒状体３１および第２の粒状体３２に比べて、第３の粒状体３３の平均粒径が最も大きくなっている。このため、第３の粒状体３３の周囲は、比較的径が小さい第１の粒状体３１と第２の粒状体３２とによって全体的に囲まれて比較的強固に保持される。第１の粒状体３１と第２の粒状体３２とに比べて第３の粒状体３３が大きいことで、第３の粒状体による基板Ｗ表面の脱酸素反応が効率的に進行するとともに、第３の粒状体３３の研磨材１１からの脱落が抑制され、研磨における傷の発生を低減することができる。
【００２４】
本実施形態では、第３の粒状体３３の平均粒径は、第１の粒状体３１の平均粒径の１０倍以上、第２の粒状体３２の平均粒径の３倍以上の大きさを有している。第１の粒状体３１が充分に小さいので、図４(ａ)に示すように、第３の粒状体３３の基板Ｗ側の表面部分の全体にわたって、第１の粒状体３１が覆うことができる。基体Ｗ側を覆った第１の粒状体３１によって、第３の粒状体３３の研磨材１１からの脱落は、より確実に抑制される。なお、研磨の進行とともに、図４(ａ)から図４（ｂ）に示すように、第３の粒状体３３の摩耗が進行して第３の粒状体３３が小さく、かつ薄くなると、最終的に図４（ｃ）に示すように第３の粒状体３３が脱落する。充分に小さくかつ薄くなった第３の粒状体３３は、研磨材１１と基板Ｗとの間隙に挟まった場合でも、比較的容易に研磨材１１から脱落していく第１の粒状体３１等とともに研磨屑として、研磨材１１と基板Ｗとの間隙から容易に排除される。また、すぐに排除されなかった場合でも、充分に小さくかつ薄くなった第３
の粒状体３３は、短時間のうちに基板Ｗと反応し間隙から消失してしまう。本実施形態では、第３の粒状体３３に起因した大きな傷が、基板Ｗに発生し難くされている。
【００２５】
また、本実施形態では、第１の粒状体３３の表面積当たりシラノール基含有量の平均値が、約４μｍｏｌ／ｍ２とされている。シリカ粒子の集合体において、シリカ粒子を比較的強固に結合させるには、通常、シリカ粒子に圧力をかけて成型した後、全体を比較的高い温度に昇温させるアニール工程を実施している。このアニール工程では、シリカ粒子の表面のシラノール基が重合した後に、重合で生成された水分が蒸発するので、シリカ粒子の表面には、シラノール基は殆ど残っていない。本実施形態では、シリカ粒子の表面に比較的多くのシラノール基が存在しており、研磨における摩擦熱によって、これらシラノール基が重合して蒸発する。この重合におけるエネルギーの吸収と、重合によって生成した水分の気化エネルギーの吸収により、基板Ｗと研磨材１１との摺接部分における温度上昇が抑制される。また、シラノール基におけるＯＨ基と、基板Ｗの酸化アルミニウムの酸素（Ｏ）とが重合して水分子となる、水和反応が生じる。この水和反応にともなう吸熱、および、水分子が気化することによる吸熱によって、研磨材１１と基板Ｗとの接触部分における過度の温度上昇が、さらに抑制される。第１の粒状体の、表面積当たりのシラノール基含有量の平均値は、２μｍｏｌ／ｍ２以上かつ５μｍｏｌ／ｍ２以下であることが好ましい。
【００２６】
本実施形態の研磨材１１は、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３との合計の質量（合計質量ともいう）に対する、第２の粒状体３２の質量の割合が約２９質量％とされている。第２の粒状体の質量の割合がより大きいほど、研磨材１１の耐摩耗性は向上し、研磨における研磨材１１の減少量は小さくなるので、長い期間にわたって安定した研磨特性を維持することができる。一方、第２の粒状体の質量の割合がより小さいほど、研磨材１１を構成する粒状体同士の結合力は小さくなり、研磨材の粒状体による対象体の表面の損傷が少なくなる。対象体の表面の損傷を、充分に小さいレベルに抑制しつつ、複数回にわたって使用可能な十分な対摩耗性を維持するには、第１の粒状体と第２の粒状体と第３の粒状体との合計質量に対する、第２の粒状体の質量の割合は、１０質量％以上かつ４０質量％以下であることが好ましい。
【００２７】
また、本実施形態の研磨材１１は、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３との合計の質量（合計質量ともいう）に対する、第３の粒状体３３の質量の割合が約６質量％とされている。第３の粒状体の質量の割合がより大きいほど、水和反応および水分の気化にともなう温度低減の効果が小さくなる。一方、第３の粒状体３３の質量の割合がより小さいほど、硬度が比較的高い粒状体３３による基板Ｗ表面での傷の発生が少なくなる。対象体の表面の損傷を、充分に小さいレベルに抑制しつつ、充分な基板冷却の効果を得るためには、第１の粒状体と第２の粒状体と第３の粒状体との合計質量に対する、第３の粒状体の質量の割合は、３質量％以上かつ１０質量％以下であることが好ましい。
【００２８】
本実施形態の研磨材１１は、各粒状体の粉末を混合し、圧力をかけて成型することで作製することができる。具体的には、まず、平均結晶粒径が約２μｍのシリカからなる第１粉体と、平均結晶粒径が約６μｍのポリスチレンからなる第２粉体と、平均結晶粒径が約２３μｍの水酸化アルミニウムからなる第３粉体と、結合材であるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）粒子とを混合する。各粉体を混合させる際、第１粉体と第２粉体と第３粉体と結合材とからなる合計の質量に対し、第１粉体が５７質量％、第２粉体が２５％、第３粉体が５質量％、結合材が１３質量％となるよう、各粉体は混合されている。混合体において、結合材を除いた、第１粉体と第２粉体と第３粉体との合計の質量（合計質量ともいう）に対する、第１粉体の質量の割合が約６７質量％、第２粉体の質量の割合が約２９質量、第３粉体の質量の割合が約６％となっている。
【００２９】
この混合体を、冷間プレス機に配置し、対象体Ｗとの摺接面に対応する面と垂直な方向に、約１０００ｋｇ重の荷重をかけて加圧成型する。加圧の直前および加圧直後においては、特別なアニールを実施せず、機械的な圧力のみによって、各粉体を構成する粒状体同士が結合する。このようにして、例えば直径２５ｍｍかつ厚さ７ｍｍの円板状の、本実施形態の研磨材１１を得ることができる。
【００３０】
本実施形態の研磨材１１を備える研磨ホイール１０を用い、研磨装置２０において、アルミナからなる対象基板Ｗの研磨を行えば、比較的高い研削速度で、研削条痕の発生を抑制しながら、対象基板Ｗを研磨することができる。
【００３１】
以上、本発明の研磨材について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  研磨ホイール
１１  研磨材
１２  基台
２０  研磨装置
３１  第１の粒状体
３２  第２の粒状体
３３  第３の粒状体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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