(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前段の処理手段として、円筒形の撹拌槽と、該撹拌槽と同心で撹拌槽内面と僅かの間隙を存して高速回転する回転羽根と、撹拌槽下部の溶媒入口と、撹拌槽上部中心の砥粒原料粉入口とを有する混合装置を設け、後段の処理手段として、円筒形の撹拌槽と、該撹拌槽と同心で撹拌槽の内周面と僅かの間隙を存して高速回転する回転羽根とを有する微粒化装置を設け、
溶媒と無機又は有機の砥粒原料粉を混合装置の撹拌槽内で撹拌し、溶媒に砥粒原料の微粉体が混合された撹拌処理後の混合液を取出して微粒化装置の撹拌槽に供給し、微粒化装置の回転羽根を５０〜１００ｍ／ｓｅｃの周速で駆動して混合液を薄膜円筒状に高速回転させながら撹拌して前記微粉体を超微粉体に破粋し、前記混合液を該超微粒子を有する懸濁液とすることを特徴とする、研磨材の製造方法。
【請求項２】
溶媒と砥粒原料粉を混合装置の撹拌槽に同時に供給することを特徴とする、請求項１記載の研磨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩの製造に際して半導体基板として使用されるシリコンウェーファの表面を、平滑に研磨するための研磨材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーファを研磨するための手段としては、図１に示すような手段が用いられている。図１において１は矢印方向に回転する回転台で、これに多数のシリコンウェーファ２が保持され、該シリコンウェーファ２の表面に砥粒と水の混合物３が供給される。そして下面にパッドを取付けたディスク４を混合物３上から圧接しながら矢印方向に回転することによりシリコンウェーファ２の研磨がなされる。この研磨に使用される砥粒としては、セリア系、シリカ系、アルミナ系、ジルコニア系、二酸化マンガン系などの結晶体又は非晶質体の粉末が用いられているが、該粉末は、鋭い凸部をもつ多数の粒子が集合した２次凝集の状態で使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、シリコンウェーファに対して、メカノケミカル研磨即ちケミカルメカニカル研磨（ＣＭＰ）を行なうことができる前記従来のセリア系、シリカ系、アルミナ系その他の研磨材の粒子又はゼオライトアモルファスの粒子を、任意の大きさの丸味をもった微粒子に加工して優れた研磨作用が生じるようにすることを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために用いる本発明の研磨材の製造方法は、前段の処理手段として、円筒形の撹拌槽と、該撹拌槽と同心で撹拌槽内面と僅かの間隙を存して高速回転する回転羽根と、撹拌槽下部の溶媒入口と、撹拌槽上部中心の砥粒原料粉入口とを有する混合装置を設け、後段の処理手段として、円筒形の撹拌槽と、該撹拌槽と同心で撹拌槽の内周面と僅かの間隙を存して高速回転する回転羽根とを有する微粒化装置を設け、溶媒と無機又は有機の砥粒原料粉を混合装置の撹拌槽内で撹拌し、溶媒に砥粒原料の微粉体が混合された撹拌処理後の混合液を取出して微粒化装置の撹拌槽に供給し、微粒化装置の回転羽根を５０〜１００ｍ／ｓｅｃの周速で駆動して混合液を薄膜円筒状に高速回転させながら撹拌して前記微粉体を超微粉体に破粋し、前記混合液を該超微粒子を有する懸濁液とすることを特徴とする。
【０００５】
本発明において、前段の手段によれば、筒状に旋回する混合液の内側から砥粒原料粉が分散しながら供給されるので、砥粒原料粉と溶媒がいわゆる「ダマ」を生じることなく充分に混合し、後段の微粒化装置における撹拌作業に支障が生じない。また、本発明の方法で製造した研磨材は、粒径が小さく丸味を有するから、半導体基板に掻き傷をつけることなく極めて平滑に半導体基板を研磨することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。該実施の形態においては、研磨材の原材料としてゼオライトアモルファスを用いたものを一例として説明するが、本発明は、セリア系、シリカ系、アルミナ系、ジルコニア系、二酸化マンガン系等の全ての研磨材の製造に用いることができる。この実施の形態において原材料として使用するゼオライトアモルファスは、例えば本出願人が先に出願した特公平５−６７５６８号公報に示されている、ゼオライト生成時にその先駆体として生成される微細な非晶質のアルミノ珪酸塩である。該アルミノ珪酸塩は、同公報に記載のように、イオン交換能や吸着能を有する微粒子で、例えば水４０ｍｌ、水酸化ナトリウム４ｇ（グラム）、アルミン酸ナトリウム２ｇ、４０ｗｔ％のコロイダルシリカ１４ｇを混合し、これに適量のゼラチンを水溶液として加えて撹拌後、１００℃で１時間程度加熱することにより得ることができる。このアルミノ珪酸塩は、メカノケミカル研磨用の砥粒として知られているが、直径２５μｍ以上の粒子であり、すでに生成されたこれより大径のゼオライトも若干混合していて平均粒径は６５μｍ程度である。このような粒径では砥粒として過大であり、表面形状が角張ったものも含まれているので被加工物の表面に掻き傷がつくおそれがある。
【０００７】
本発明は、このようなゼオライトアモルファスを、超微細な粒子に分割すると共に表面に角部がなく丸味を帯びた形状になる加工手段を提供するもので、この目的のために図２の混合装置１０と図３，４の微粒化装置１１又は１１ａが使用される。これらの混合装置１０と微粒化装置１１，１１ａは、高速撹拌機としての機能を有するもので、本出願人の出願に係る特開平９−７５６９８号公報に高速撹拌装置として記載されたものと同種のものである。
【０００８】
図２の混合装置１０において、１２は円筒形の撹拌槽で、その上部にリング状の堰板１３と上部室１２ａが重なって固定され、上端に蓋１４が取付けられる。撹拌槽１２の下部には底壁１２ｂを貫通して回転軸１５が設けられ、その上端に回転羽根１６が固定され、下端にモータ１５ａが接続されている。該回転羽根１６は多孔の円筒部１６ａをアーム１６ｂで回転軸１５に連結したもので、円筒部１６ａの外径は、撹拌槽１２の内径より僅かに小さい。
【０００９】
底壁１２ｂには、溶媒として用いられる水の入口１７が開けられ、ポンプ１７ａ，水タンク１７ｂが接続されている。また蓋１４にはホッパ１８が取付けられ、その上方に粉体フィーダ１９が設置されている。前記上部室１２ａの側部には、混合物を排出するための流出管２０が設けられ、パイプ２０ａでバッファタンク２１に接続されている。該バッファタンク２１には真空ポンプ２１ａが接続されて被処理液Ｌ中の空気を抜き取るようにされ、該被処理液Ｌは、液送ポンプ２３，パイプ２３ａを介して図３，４に示す微粒化装置１１又は１１ａへ送られる。図中２１ｂは、バッファタンク２１の液面センサで、該タンク２１の被処理液Ｌの液面高さを検出して混合装置１０に供給される水と原料粉の量を制御させる。また２４は撹拌室１２の冷却水室で冷却水の入口２４ａと出口２４ｂを有し、撹拌によって生じる摩擦熱を吸収する。
【００１０】
混合装置１０は以上の構成を有するので、回転羽根１６を周速２５ｍ／ｓｅｃ程度で回転させ、水を水入口１７から供給しながら原料粉をホッパ１８から供給すると、両者は回転羽根１６の回転力を受けて薄膜円筒状に回転しながら撹拌処理される。
【００１１】
原料粉としてゼオライトアモルファスを用いるとき、該ゼオライトアモルファスの粉体は、粒子間に作用する凝集力で２次凝集しており、これを水に混合しても「ダマ」と称する塊りになって分散し難い。ところが、この混合装置１０を作動させながら水と粉体を同時に供給すると、回転羽根１６の回転によって回転作用と撹拌作用が生じ、ダマを生じることなく分散、溶解した被処理液Ｌとなる。そして遠心力で生じた圧力によって槽内面を上昇し、堰板３を越えて上部室１２ａに入り流出管２０からバッファタンク２１に流入する。
【００１２】
図３の微粒化装置１１において、３２は、円筒形の撹拌槽で、その上部にリング状の堰板３３と上部室３２ａが重なって固定され、上端に蓋３４が取付けられる。３５，３６は被処理原料の供給管で、開閉弁３５ａ，３６ａを有するが、微粒化装置１１として用いるときは、供給管３５，３６の一方が使用され、前記図２のパイプ２３ａに接続される。
【００１３】
上部室３２ａに設けた流出管３７は、装置１１を連続運転した場合の製品の取出しに使用される。この場合、前記堰板３３として中心孔３３ａが回転軸の外径より大きいものを用いると、該中心孔３３ａから上部室３２ａに被処理液Ｌが溢流して流出管３７から流出する。しかし図示の堰板３３は、微粒化装置１１をバッチ運転するためのもので、被処理液Ｌが上部室３２ａに入るのを防止する。撹拌終了後は、被処理液Ｌは、供給管３５，３６の他方の管から取出される。図中３８，３９は、撹拌によって生じる摩擦熱を冷却させるための冷却水室で、一方の冷却水室３８に冷却水の流入管３８ａと流出管３８ｂを備え、他方の冷却水室３９には管３８ａ，３８ｂから分岐した管が接続されている。
【００１４】
上端にモータ４３を連結した回転軸４１は、予め蓋３４、上部室３２ａ、堰板３３を貫通し、その下端に回転羽根４２が固定される。
【００１５】
図示の回転羽根４２は、ワイヤ型と称する型式のもので、無数のワイヤを放射方向に並べて重ね合わせ、ボス部４２ａに固定したものである。その外径φは、撹拌槽３２の内径Ｄより僅かに小さく、間隙Ｓは（Ｄ−φ）／２であるから極めて小さい。実験的装置としてＤ＝８０ｍｍ、φ＝７６ｍｍとしたものはＳ＝２ｍｍである。
【００１６】
この撹拌槽３２内に液体と粉体を混合した被処理液Ｌを入れて回転軸４１を駆動し、回転羽根４２を高い周速度で回転させると、被処理液Ｌは、これに連れて強制回転され、遠心力で撹拌槽３２の内面に押付けられながら厚さｔの薄膜円筒状になって回転する。そして、被処理液Ｌのそれぞれの部分は、円周方向及び上下方向に速度差があり、半径方向に圧力差があるから、全体として薄膜円筒状を保ちながらその内部で複雑な方向に流動すると共に、回転羽根４２で叩かれて強い破砕及び分散作用を受ける。このため、極めて短時間で撹拌作用が達成される。なお、被処理液Ｌを薄膜円筒状にする理由は、回転羽根における撹拌に有効な高速部分だけで撹拌作用を行ない、中心側の部分では液との接触を避けて、ここで摩擦熱が発生したり回転抵抗が生じるのを防止するためである。
【００１７】
本発明の微粒化装置１１は、その強い撹拌作用によって、ゼオライトアモルファスの粒子を極めて小径の粒子に破砕し分散させると共に、その表面を丸味を帯びた滑らかな形状にすることができる。
【００１８】
図４の微粒化装置１１ａは、図３の微粒化装置１１に比べて回転羽根の構造は異なるがその他の構造は実質上同一である。装置１１ａにおける回転羽根４４は円筒型と称するもので、円筒部４４ａが数本のアーム４４ｂでボス４４ｃに接続されたものであり、槽内径Ｄと回転羽根外径φ、間隙Ｓは、図３のものと同一である。この装置１１ａでは、円筒部４４ａが高速回転することにより、被処理液Ｌは、円筒部４４ａの内外周を上下方向に循環しながら薄膜円筒状になって回転し、液中のゼオライトアモルファスの粒子は、粒子相互又は粒子と回転羽根、槽内面との衝突と摩擦で破砕、分散、平滑化の作用を受ける。
【００１９】
図５は、図３の微粒化装置１１の作用効果を示すグラフで、該装置１１に水１４２．５ｇ、ゼオライトアモルファス７．５ｇの混合物（５％水分散液）を入れて、回転羽根４２の周速を変えて撹拌した場合の撹拌時間に対する平均粒子径の変化を、撹拌速度ごとに示している。ワイヤ型の回転羽根４２の周速が、曲線Ｗ1では３０ｍ／ｓｅｃ、曲線Ｗ2では４０ｍ／ｓｅｃ、曲線Ｗ3では５０ｍ／ｓｅｃである。また曲線Ｍは、別の型式の撹拌機で、周速２３ｍ／ｓｅｃで駆動されたものである。
【００２０】
曲線Ｍにあっては、ゼオライトアモルファスの粒子径は、２．５分経過しても原体の６５μｍのままであり、３０分撹拌して２３μｍである。これに対して装置１１による撹拌では、曲線Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3がすべて作動開始直後から微細化が始まり、その後も急速に粒径が減少し、周速３０ｍ／ｓｅｃの曲線Ｗ1では１５分で１３μｍであるが、周速４０ｍ／ｓｅｃの曲線Ｗ2では１０分で４．５μｍになり、周速が５０ｍ／ｓｅｃの曲線Ｗ3では１０分で１μｍ以下になる。
【００２１】
図６は図３のワイヤ型の回転羽根４２を有する装置１１と図４の円筒型の回転羽根４４を有する装置を用いて実験したデータをグラフにしたもので曲線Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3は図５のものと同じである。また曲線Ｃ1〜Ｃ4は円筒型回転羽根４４を３０，５０，６０，７０ｍ／ｓｅｃで駆動した場合である。
【００２２】
この図から判るようにワイヤ型の回転羽根４２を用いれば周速４０ｍ／ｓｅｃ以上で約５分後に平均粒径が１０μｍ以下になり、円筒型の回転羽根４４を用いれば周速５０ｍ以上で約１０分後に１０μｍ以下になる。そして、このような撹拌処理をすると、各粒子は角が取れた丸味のある粒子になる。
【００２３】
図７は、微粒化装置１１にゼオライト５％の水混合物を入れて膜厚ｔを２１ｍｍに設定して周速５０ｍ／ｓｅｃで作動させたとき、作動時間によって平均粒径と粒度分布がどのように変化するかを調べたものであり、平均粒径の数値は枠内に記載され、該枠内のＦＭはワイヤ型、８０は槽内径、５０は周速を示す。図７（ａ）はゼオライトアモルファスの原料について示し、平均粒径は５９．４５９μｍで１５〜３００μｍの範囲に分布する。
【００２４】
この原料を微粒化装置１１で１０分間処理すると（ｂ）に示すように平均粒径が１．１９４μｍになり、０．０８〜４０μｍの範囲に分布する。１時間処理したものは、（ｃ）に示され平均粒径０．１７１μｍで０．０８〜５μｍの範囲に分布し、１６時間処理したものは、（ｄ）に示され平均粒径が０．１２８μｍで０．０３〜０．４μｍの範囲に分布する。
【００２５】
このように撹拌時間の経過に従って微粒化が進行するが、高速で或る時間以上撹拌すると、粒子の沈殿が殆どなくなり、懸濁安定度が極めて大になることが発見された。図８は、微粒化装置１１で処理した液体と他の手段で処理した液体の懸濁安定度を比べたものであり、処理後の液体を試験管に入れてｌか月放置した後の状態を示し、(１)の試験管に示した上部の白いイの部分は、水のみが存在する透明部であり、中間の斜線つきの口の部分は白濁部分であり、底部の点を付したハの部分は装置から分離した金属粉の沈澱部である。
【００２６】
図８に示す試験管のうち(１)(２)(３)は、本発明の微粒化装置１１においてＤ＝８０ｍｍとし、φ＝７６ｍｍのワイヤ型羽根を用いた装置を周速７０ｍ／ｓｅｃで作動させ、図中試験管(１)〜(３)の下に記入した時間ごとに資料を採取した。図中、ＦＭは薄膜円筒型式を示し、８０は内径、１００は最大周速度を示す。
【００２７】
また試験管(４)(５)(６)は、同じ材料を湿式メディアミルによって処理したもので、該ミルの撹拌槽内に径０．３ｍｍのガラスビーズを８５％の充填率で封入し、多重の回転羽根を１０ｍ／ｓｅｃで駆動し、該メディアミルを１〜３回通過させたものである。また試験管(７)(８)(９)は、高圧ジェット型微粒化分散機で処理したもので、該分散機は、前記と同じ材料を口径０．１８ｍｍのノズルから１００〜１５０ｍ／ｓｅｃの高速で噴出させることにより微粒化するもので、該分散機を１〜３回通過させた。
【００２８】
本発明の手段によれば、試験管(２)(３)に見られるように短時間で粒径２〜３μｍ程度になり、透明部イが極めて少なく、特に試験管(３)においては透明部が全く無く、懸濁安定度が極大である。これに対して(４)(５)(６)のメディアミルによるものは、３パスによって粒径０．１０４μｍの微粒にしても、上部に水のみの透明部が存在する。また (７) (８)(９)の高圧ジェット型微粒化分散機によるものは、(９)の粒径略３μｍになっても透明部の量は大である。
【００２９】
このように、本発明の製法によるときは、粒子径が３μｍ程度又はそれ以下になると、ゼオライトアモルファスの粒子の沈殿が殆ど生じないか皆無になって懸濁安定度が高いので、これを研磨液として使用すれば沈殿防止剤を添加しなくても均質の研磨が行なわれる。また、顕微鏡で粒子を見ると、各粒子は角のとれた丸味のある形状をしている。
【００３０】
水と粒子の混合比は、微粒化装置１１に原料を供給する時に決めてもよいし、製品取出し後に調整してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のとおり、後段の微粒化装置による処理手段によれば、被処理液中の粒子は、この微粒化装置内に生じる高速水流で運ばれながら回転羽根又は槽内面との衝突及び摩擦を繰り返し、粒子相互も衝突を繰り返すから、粒子は微細化すると共に角の取れた丸味のある粒子になり、研磨材として使用するとき被加工面に掻き傷が生じない効果がある。また、この微粒化装置で撹拌処理した後の液体は、粒子の沈殿が殆どないか全くないので、沈殿防止剤を用いなくても一定混合率の研磨材を供給でき、均質の研磨ができる利点がある。
【００３２】
また前段の混合装置による処理手段によれば、混合装置の撹拌槽内周面に薄膜筒状に旋回している溶媒中に砥料原料粉が分散して混合するので、該砥料原料粉は、混合液中に平均的に分配され、ダマを生じることがなく撹拌処理されるから、後段の微粒化装置での微粒化作用を均等に受けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の研磨装置の斜視図
【図２】  混合装置の一例を示す縦断面図
【図３】  微粒化装置の一例を示す縦断面図
【図４】  同じく他例を示す縦断面図
【図５】  ワイヤ型回転羽根による微粒化作用を示すグラフ
【図６】  ワイヤ型と円筒型の回転羽根による微粒化作用を示すグラフ
【図７】  攪拌時間と粒子の粒度分布の関係を示すグラフ
【図８】  粒子の懸濁状態を示す正面図
【符号の説明】
１０  混合装置            １１，１１ａ  微粒化装置
１２，３２  撹拌槽                １３，３３  堰板
３５，３６  供給管          ２４，３８，３９  冷却水室
１５，４１  回転軸          １６，４２，４４  回転羽根
Ｌ  被処理液体
【図１】
0003819155.tif 000002
【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】
0003819155.tif 000007
【図７】
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【図８】
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