特許 6779540 合成砥石

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6779540

(24)【登録日】2020年10月16日

(45)【発行日】2020年11月4日

(54)【発明の名称】合成砥石

(51)【国際特許分類】

   B24D 3/02 20060101AFI20201026BHJP

   B24D 3/28 20060101ALI20201026BHJP

   B24D 3/00 20060101ALI20201026BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20201026BHJP

   C09K 3/14 20060101ALI20201026BHJP

【ＦＩ】

   B24D3/02 310C

   B24D3/28

   B24D3/00 320A

   B24D3/02 310A

   H01L21/304 622F

   H01L21/304 631

   C09K3/14 550D

   C09K3/14 550J

   C09K3/14 550Z

【請求項の数】6

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2019-120270(P2019-120270)

(22)【出願日】2019年6月27日

【審査請求日】2019年6月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151357

【氏名又は名称】株式会社東京ダイヤモンド工具製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100199565

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】京島 快

【審査官】 亀田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０８２１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０６１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５００２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０２１２７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３２３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８１５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８７９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０４２８９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｄ ３／００ − ９９／００

Ｂ２４Ｂ ３７／１１ − ３７／２４

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被削材を乾式により化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対して前記乾式による化学機械研削作用を有し、粒子径が５μｍより小さい研磨剤と、
前記被削材と硬軟に関して同質若しくは軟質の材料、または前記被削材の酸化物と硬軟に関して同質若しくは軟質の材料で形成され、前記研磨剤より粒子径が大きい球状充填剤と、
前記研磨剤と前記球状充填剤を一体的に結合する樹脂結合剤と、
を備える合成砥石であって、
前記研磨剤の体積比は、０．２〜５０体積％であり、
前記球状充填剤の体積比は、３０〜６０体積％であり、
前記樹脂結合剤の体積は、３〜２５体積％である、
合成砥石。

【請求項2】

前記研磨剤は、前記被削材と硬軟に関して同質若しくは軟質の材料、または前記被削材の酸化物と硬軟に関して同質若しくは軟質の材料である請求項１に記載の合成砥石。

【請求項3】

前記研磨剤は、シリカ、酸化セリウム、酸化クロム、酸化第二鉄、アルミナ、炭化ケイ素のいずれか又は混合物である請求項１に記載の合成砥石。

【請求項4】

前記球状充填剤は、シリカ、カーボン、シリカゲル、活性炭のいずれか又は混合物である請求項１に記載の合成砥石。

【請求項5】

前記樹脂結合剤は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれか又は混合物である請求項１に記載の合成砥石。

【請求項6】

シリコンを主成分とする被削材を乾式により化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対し前記乾式による化学機械研削作用を有し、粒子径が５μｍより小さい研磨剤であるヒュームドシリカと、
前記研磨剤は、前記被削材と硬軟に関して同質若しくは軟質の材料、または前記被削材の酸化物と硬軟に関して同質若しくは軟質の材料で形成され、前記研磨剤より粒子径が大きい球状充填剤である球状シリカゲルと、
前記研磨剤と前記球状充填剤とを一体的に結合する樹脂結合剤であるセルロースと、
を備える合成砥石。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコンウェーハ等の被削物の表面をグライディング加工するための合成砥石に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造分野では、半導体素子の基板となるシリコンウェーハの表面の加工はシリコン単結晶インゴッドをスライスしたウェーハをラッピング工程、エッチング工程、ポリッシング工程等の数段の工程を経て鏡面に仕上げるのが一般的である。ラッピング工程においては、平行度、平坦度等の寸法精度、形状精度を得る。次いで、エッチング工程においてはラッピング工程でできた加工変質層を除去する。更にポリッシング工程においては、ケミカルメカニカル研磨（以下、「ＣＭＰ」と称する。）により、良好な形状精度を維持した上で鏡面レベルの面粗さを持ったウェーハを形成する。またこれと同等のポリシング工程は半導体後工程においてバックグラインドと呼ばれる研削加工のダメージを除去する際にも用いられる。

【0003】

近年、ポリッシング工程の代わりに、乾式のケミカルメカニカル研削（以下、「ＣＭＧ」と称する。）による表面加工を行う方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。ＣＭＧ工程では、研磨剤（砥粒）を硬質樹脂等の樹脂結合剤で固定化した合成砥石を用いる。そして、ウェーハ及び合成砥石を回転させながら合成砥石をウェーハに押圧させる（例えば、特許文献２参照）。ウェーハ表面の凸部は、合成砥石との摩擦により加熱・酸化されて脆くなって剥がれ落ちる。このようにして、ウェーハの凸部だけが研削され、平坦化される。

【0004】

合成砥石の主成分は、例えば、被削物がシリコンウェーハの場合は、研磨剤として酸化セリウムやシリカといった酸化物が用いられる。また、樹脂結合剤としてはフェノール樹脂やエポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂のほか耐熱性の高い熱可塑性樹脂も用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許４５７３４９２号公報

【特許文献2】特開２００４−８７９１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した合成砥石は、次のような問題があった。すなわち、ＣＭＧ工程が進むと、合成砥石の被削物に対する研磨作用面から研磨剤が少しずつ脱落し、研磨作用面が平滑になってゆく。このため、研磨作用面においては樹脂結合剤と被削物との接触機会が増え、その結果、研磨剤と被削材との間の接触圧が低下し加工能率が著しく低下する一方、特に加工レートの向上を狙って乾式加工行う際は摩擦熱が過大となり、焼けや研磨スラッジの巻き込みによるスクラッチを生じるという問題があった。

【0007】

そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、加工が進行しても研磨剤と被削物との接触圧を十分に維持して加工能率を維持し、しかも樹脂結合剤と被削物との接触面積を一定以下に抑制することで被削物面の品質低下及びスクラッチの発生を防止できる合成砥石を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本実施形態に係る合成砥石は、前記被削材に対し化学機械研削作用を有し、平均粒子径が５μｍより小さい研磨剤と、前記研磨剤より平均粒子径が大きい球状充填剤と、前記研磨剤と前記球状充填剤を一体的に結合する樹脂結合剤とを備えている。

【発明の効果】

【0009】

加工が進行しても研磨剤と被削物との接触圧を十分に維持して加工能率を維持し、しかも樹脂結合剤と被削物との接触面積を一定以下に抑制することで被削物面の品質低下及びスクラッチの発生を防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施の形態に係る合成砥石が組み込まれたＣＭＧ装置を示す斜視図。

【図2】同合成砥石を示す斜視図。

【図3】同合成砥石の構成を示す説明図。

【図4】同合成砥石を電子顕微鏡で拡大して示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１〜図４は、本発明の一実施の形態を示す図である。なお、これらの図においてＷは研削対象となるシリコンウェーハ（被削物）を示している。図１に示すように、ＣＭＧ装置１０は、ウェーハＷを支持する回転テーブル機構２０と、後述する合成砥石１００を支持する砥石支持機構３０とを備えている。ＣＭＧ装置１０は、ウェーハ処理装置の一部を構成している。ＣＭＧ装置１０には、搬送ロボット等によりウェーハＷが搬入・搬出される。

【0012】

回転テーブル機構２０は、床面に配置されるテーブルモータ２１と、このテーブルモータ２１から上方に突出して配置されたテーブル軸２２と、このテーブル軸２２の上端に取り付けられたテーブル２３を備えている。テーブル２３は、研削対象であるウェーハＷを着脱自在に保持する機構を有している。保持する機構としては、例えば真空吸着機構がある。

【0013】

砥石支持機構３０は、床面に配置されると共に内部にモータが収容された架台３１と、この架台３１に支持され、架台３１内のモータによって図１中矢印方向に揺動する鉛直方向の揺動軸３２と、この揺動軸３２の上端に設けられ、水平方向に延設されるアーム３３と、このアーム３３の先端側に設けられた砥石駆動機構４０を備えている。

【0014】

砥石駆動機構４０は、回転モータ部４１を備えている。回転モータ部４１は、下方に突出した回転軸４２を備えている。回転軸４２の先端部には円環状のホイール保持部材４３が取り付けられている。ホイール保持部材４３には、図２に示すように、円環状の合成砥石１００が着脱自在に取り付けられている。合成砥石１００の装着には、合成砥石１００に設けられたネジ孔に、ホイール保持部材４３側からボルトをねじ込んで装着する。

【0015】

合成砥石１００は、図３に示すように、０．２〜５０体積％の研磨剤１０１と、２０〜６０体積％の球状充填剤１０２と、３〜２５体積％の樹脂結合剤１０３を下記の体積比率により形成されている。なお、球状充填剤１０２の形状は、必ずしも球体に限られず、塊状のものであれば多少の凹凸や変形は含まれる。

【0016】

研磨剤１０１としては、例えば粒子径２０ｎｍ以下のヒュームドシリカを用いる。なお、粒子径とは、球相当径におけるメディアン径Ｄ５０を指す。また、研磨剤１０１の粒子径は５μｍ未満であることが好ましい。

【0017】

ここで、粒子径２０ｎｍ以下のヒュームドシリカを用いているにも関わらず、研磨剤１０１の粒子径の上限値を５μｍ未満とした規定した理由について説明する。すなわち、微粒子は、液中に分散した状態における一次粒子と、大気中や固体中で凝集した状態における二次粒子とでは、大きくその粒子径が異なる。例えば、上述したヒュームドシリカの場合、一次粒子は１０〜２０ｎｍ程度であるものの、二次粒子では０．１〜０．５μｍ程度となる。このため、研磨剤の粒子径の上限値を規定する場合は、一次粒子と二次粒子の両者が混在していることを考慮し、二次粒子の粒子径の上限値で規定することが好ましい。一方、微粒子はヒュームドシリカの他、後述するように様々な種類（酸化セリウム、酸化クロム、酸化第二鉄、アルミナ・炭化ケイ素等）が有り、その二次粒子の粒子径に基づいて、上限値を定めた。

【0018】

また、粒子径が１μｍ以下となるサブミクロン粒子の場合は、研磨剤１０１の体積比率は０．２〜１％程度でも良い。球状充填剤１０２としては、粒子径２０μｍの球状シリカゲルを用いる。なお、球状シリカゲルはシリカの多孔質体である。樹脂結合剤１０３としては、例えば、フェノール樹脂やエチルセルロースを用いる。このように形成された合成砥石１００を電子顕微鏡で拡大して示すと図４に示すようなものとなる。

【0019】

合成砥石１００は、上述した比率の研磨剤１０１、球状充填剤１０２、樹脂結合剤１０３をＭＥＫ（メチルエチルケトン）溶媒で溶き、撹拌した後に大気中で乾燥する。乾燥したものを粉砕して粉体とし、この粉体を金型に充填して、１８０℃で加圧成型して形成する。研磨剤１０１及び樹脂結合剤１０３は母材Ｍを形成し、球状充填剤１０２がその母材Ｍ内に分散されている状態となる。なお、樹脂結合剤１０３の結合度を調整したり、組織分散性を向上させるために研磨剤１０１より更に細かな粒子や線径の小さな繊維質を加えたりしてもよい。

【0020】

また、シリコンを主成分とするウェーハＷに対して、ヒュームドシリカからなる研磨剤１０１はウェーハまたはその酸化物と同等か又は軟質である。また、研磨剤１０１に対して、球状シリカゲルからなる球状充填剤１０２はウェーハまたはその酸化物と同質又は軟質である。さらに、研磨剤１０１に対して、セルロースからなる樹脂結合剤１０３は同質又は軟質である。

【0021】

なお、上述した合成砥石１００における体積比率は次のようにして決定した。すなわち、研磨剤１０１は０．２体積％未満となると加工能率が低下し、５０体積％を超えると砥石の成型が困難になる。したがって、研磨剤１０１の体積比は０．２〜５０％であることが好ましい。

【0022】

また、球状充填剤１０２は２０体積％未満の場合、砥面の平滑化を防ぐ効果が薄れるという問題がある。球状充填剤１０２の体積比率が大きくなると加工能率を高く維持できると共に、ウェーハＷの品質低下及びスクラッチの発生を防止できる効果が大きくため、３０体積％以上が好ましい。しかし６０体積％を超えると砥石成型が困難となる。したがって、球状充填剤１０２の体積比は２０〜６０％であることが好ましく、５０〜６０％であるとさらに好ましい。

【0023】

さらに、樹脂結合剤１０３はその比率が少なくなると加工能率は向上するが、３体積％未満では成型が困難になり、合成砥石１００の摩耗速度が速くなる。樹脂結合剤１０３が２５体積％を超えると砥石結合度が大幅に上昇し加工中の摩耗が無くなるため前記球状充填剤があっても砥面平滑化を生じやすい。したがって、樹脂結合剤１０３の体積比は３〜２５体積％であることが好ましい。

【0024】

このように構成された合成砥石１００は、ＣＭＧ装置１０に取り付けられて、次のようにしてウェーハＷを研削する。すなわち、合成砥石１００をホイール保持部材４３に取り付ける。次に、搬送ロボットによりウェーハＷをテーブル２３に取り付ける。

【0025】

次に、テーブルモータ２１を駆動して、テーブル２３を図１中矢印方向に回転させる。また、回転モータ部４１を駆動して、ホイール保持部材４３及び合成砥石１００を図１中矢印方向に回転させる。合成砥石１００の周速を例えば、６００ｍ／ｍｉｎで回転させると共に、加工圧力３００ｇ／ｃｍ^２でウェーハＷ側に押圧する。さらに、揺動軸３２を図１中矢印方向に揺動させる。これらが連動することで、合成砥石１００とウェーハＷとが摺動する。

【0026】

この時の合成砥石１００とウェーハＷとの関係を図３に示す。球状充填剤１０２は研磨剤１０１よりも平均粒径が大きいため、加工中の合成砥石１００とウェーハＷとはほとんど球状充填剤１０２の頂点を介して接触することになる。すなわち、合成砥石１００の母材ＭとウェーハＷとの間には、球状充填剤１０２が存在していることから、母材ＭとウェーハＷとは直接接触せず、一定の隙間Ｓが生じる。

【0027】

球状充填剤１０２がウェーハＷと接触した状態で、加工が開始されると、母材Ｍに外力が作用する。この外力が連続して作用することで樹脂結合剤１０３が緩み、母材Ｍから研磨剤１０１が脱落する。遊離した研磨剤１０１は、合成砥石１００とウェーハＷとの隙間において、球状充填剤１０２に吸着した状態で加工界面に存在する。このため、加工中の研磨剤１０１とウェーハＷとはほとんど球状充填剤１０２の頂点を介して接触することになる。このため、研磨剤１０１とウェーハＷとの実接触面積は大幅に小さくなり、加工点での作用圧力は高まる。したがって、高い加工能率で研削加工が進む。

【0028】

一方、隙間Ｓによって、ウェーハＷの表面付近の空気は外気との循環が促進され、加工面は冷却される。また、研磨剤１０１によって生じたスラッジは隙間Ｓを介してウェーハＷから外部に排出され、ウェーハＷの表面が傷つくことを防止できる。この結果、摩擦熱によるウェーハＷの表面の焼けやスクラッチを防止できる。

【0029】

このようにして、合成砥石１００により、ウェーハＷの表面を平坦、かつ、所定の表面粗さに研削してゆく。

【0030】

上述したように本実施の形態に係る合成砥石１００によれば、加工が進行しても研磨剤１０１とウェーハＷとの接触圧を十分に維持して加工能率を維持し、しかも樹脂結合剤１０３とウェーハＷとの直接的な接触を抑制することでウェーハＷの品質低下及びスクラッチの発生を防止できる。

【0031】

なお、合成砥石１００を構成する材料は、上述したものに限られない。すなわち、研磨剤１０１としては、被削材がシリコンの場合には、シリカ又は酸化セリウム、被削材がサファイヤの場合には、酸化クロム・酸化第二鉄が適用可能である。この他、適用可能性のある研磨剤としてアルミナ・炭化ケイ素も被削材の種類に応じて用いることができる。

【0032】

球状充填剤１０２としては、シリカ、カーボンとそれらの多孔質体であるシリカゲル、活性炭等が適用可能である。なお、気孔形成剤として用いられる中空体バルーンは加工中に割れてスクラッチの原因となるため不適である。

【0033】

樹脂結合剤１０３としては、フェノール樹脂・エポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂の他、エチルセルロースのような熱可塑性樹脂も適用可能である。熱可塑性樹脂の場合は、軟化点が１２０℃以上と比較的高く、伸びの少ないものであれば使用できる。

【0034】

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願の当初の特許請求の範囲に記載された事項を付記する。
［１］被削材を化学機械研削する合成砥石において、
前記被削材に対し化学機械研削作用を有し、粒子径が５μｍより小さい研磨剤と、
前記被削材またその酸化物と同質又は軟質の材料で形成され、前記研磨剤より粒子径が大きい球状充填剤と、
前記研磨剤と前記球状充填剤を一体的に結合する樹脂結合剤とを備えている合成砥石。
［２］前記研磨剤は、前記被削材またはその酸化物と同質又は軟質の材料である［１］に記載の合成砥石。
［３］前記研磨剤の体積比は、０．２〜５０％、
前記球状充填剤の体積比は、２０〜６０％、
前記樹脂結合剤の体積は、３〜２５体積％である［１］に記載の合成砥石。
［４］前記球状充填剤の体積比は、３０〜６０％である［３］に記載の合成砥石。
［５］前記研磨剤は、シリカ、酸化セリウム、酸化クロム、酸化第二鉄、アルミナ、炭化ケイ素のいずれか又は混合物である［１］に記載の合成砥石。
［６］前記球状充填剤は、シリカ、カーボン、シリカゲル、活性炭のいずれか又は混合物である［１］に記載の合成砥石。
［７］前記樹脂結合剤は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれか又は混合物である［１］に記載の合成砥石。
［８］前記被削材はシリコンを主成分とし、
前記研磨剤はヒュームドシリカであり、
前記球状充填剤は球状シリカゲルであり、
前記樹脂結合剤はセルロースである［１］に記載の合成砥石。

【符号の説明】

【0035】

１０…ＣＭＧ装置、２０…回転テーブル機構、２１…テーブルモータ、２２…テーブル軸、２３…テーブル、３０…砥石支持機構、３１…架台、３２…揺動軸、３３…アーム、４０…砥石駆動機構、４１…回転モータ部、４２…回転軸、４３…ホイール保持部材、１００…合成砥石、１０１…研磨剤、１０２…球状充填剤、１０３…樹脂結合剤、Ｍ…母材、Ｓ…隙間、Ｗ…ウェーハ。

【要約】

【課題】加工が進行しても研磨剤と被削物との接触圧を十分に維持して加工能率を維持し、しかも樹脂結合剤と被削物との接触面積を一定以下に抑制することで被削物面の品質低下及びスクラッチの発生を防止すること。
【解決手段】ウェーハＷを化学機械研削する合成砥石１００において、ウェーハＷに対し化学機械研削作用を有し、粒子径が５μｍより小さいヒュームドシリカを主成分とする研磨剤１０１と、ウェーハＷと同質又は軟質の材料で形成され、研磨剤１０１より粒子径が大きい球状シリカゲルを主成分とする球状充填剤１０２と、研磨剤１０１と球状充填剤１０２を一体的に結合するセルロースを主成分とする樹脂結合剤１０３とを備えている。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】