JP2011161584A

JP2011161584A - 研磨工具

Info

Publication number: JP2011161584A
Application number: JP2010028763A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishizuka; 博石塚
Original assignee: Shin Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Japan Foundation Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】
パッド表面を平坦化する工具において、カットレート及び平坦度の向上を同時に達成可能にすること。
【解決手段】
円形面上に複数個の研磨単位を配設した回転研磨工具において、該円形面内の円周上に、被加工材に食い込んで切り込みを行う超砥粒で構成される研磨単位群を含有する１乃至複数個の区画から成る切り込み部と、該切り込み部の切り込みによって解された被加工材を削り取る研磨単位群を含有する１乃至複数個の区画からなる均し部とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨工具、特に硬質ウレタン等で構成されたＣＭＰパッドのコンディショニングを高能率で実施可能な研磨工具に関する。

電子産業で使用されるメモリーチップ、その他のＬＳＩデバイスの製造工程には、シリコンウェハ表面や、多層構造における層間絶縁膜の超精密平坦化が不可欠であり、これは一般に、研磨材を含むスラリーと研磨パッドを用いたシステムにより行われている。研磨パッドは一般に硬質発泡ポリウレタン製であるが、平坦性及びウェハ研磨速度を維持するためには、常時又は間欠的にパッドの表面をコンディショニングする必要があり、この目的のために主として、ダイヤモンド砥粒を電着により基板に固着した、或いは、一般に超硬合金で裏打ちされている焼結ダイヤモンド層にピラミッド状突起の列を設けた工具(コンディショナー、ドレッサー)が知られている。

電着タイプのコンディショニング用の工具(コンディショナー、ドレッサー)としては、例えば次のような回転研磨工具が公知である。

円板形基台の円形表面の中央に、砥粒を配置しない中空領域を、その外側に第一の、さらにその外側に第二の砥粒層領域をそれぞれ設ける。第一の砥粒層領域には、間隔をおいて小砥粒層部が複数列設けられ、各小砥粒層部は、略部分球面状を呈する隆起部の表面に、超砥粒を金属めっき相で固着したものである。第二の砥粒層領域は、リング状の円周隆起部に超砥粒を金属めっき相で固着して構成されている。
特開2002-337050号公報

電着型のＣＭＰパッドコンディショナーとしてはこの外に、金属製の円板状工具基板において、円形面の外周付近に帯状に、或いはより内側の面にダイヤモンド等の超砥粒粒子を分布・固定させて研磨面としたもの、或いはさらにこの研磨面にスリット乃至線状溝を形成したものも、市販されている。

また、前記の金属めっき相で固着された個々の超砥粒粒子に代えて、ピラミッド状突起の列を焼結ダイヤモンドで形成した工具が、例えば下記公報に記載されている。この公知技術において研磨単位と称される突起群は、超硬合金で裏打ちされている焼結ダイヤモンド層に、ワイヤカットで切り込むことにより形成される。研磨単位の形状はピラミッド型(四角錐)や四角錐台、他にも三角錐や三角錐台等が記載されている。研磨単位同士は交差する直線溝群に沿って、かつこの溝群により隔てて配設されている。
WO-A1-2007023249公報

しかしながら、上記のようなパッド表面を平坦化する工具における、研磨単位の配置構成は、カットレート(時間当たりの材料除去効率)及び達成される表面平坦度に関して必ずしも最適化されておらず、これらの両項目について同時に良好な成果を得ることは困難であった。

本発明は従来のパッド・コンディショニングに伴う前記の問題を解決し、カットレート及び平坦度の向上を同時に達成可能な研磨工具を提供することを目的とする。

本発明の要旨とするところは、円形面上に複数個の研磨単位を配設した回転研磨工具において、該円形面内の円周上に、被加工材に食い込んで切り込みを行う超砥粒で構成される研磨単位群を含有する１乃至複数個の区画から成る切り込み部と、該切り込み部の切り込みによって解された被加工材を削り取る研磨単位群を含有する１乃至複数個の区画からなる均し部とを設けたことにある。

本発明の研磨工具は硬質ウレタン等の被加工物に押圧して回転される時、切り込み部が被加工物に押し込まれて回転することにより、被加工物の粗加工、即ち材料を高効率で解し、切削・除去する一方で、均し部が細加工、即ち粗加工された表面に対して細かい均し加工を行う。この２段階の表面加工を単一の工具で実施できることにより、高いカットレート(時間当たりの材料除去率)が確保される一方、最大山高さ(Ｒp＝Ｒk＋Ｒpk)で評価される荒れの小さな、良好な仕上げ面が同時に達成される、という利点を有する。

図１は、本発明による回転研磨工具の構成例を示す全体平面図である。図２は、図１の回転研磨工具において、切り込み部の典型的な部分Ａにおける研磨単位集合体の配置例を示す詳細平面図である。図３は、図２のＣ−Ｃ方向における円錐台研磨単位の断面図である。図４は、本発明による回転研磨工具の切り込み部及び均し部における研磨単位頂部のレベルを比較示した模式説明図である。図５は、図１の回転研磨工具において、均し部の典型的な部分Ｂにおける研磨単位集合体の構成例を示す部分詳細平面図である。図６は、均し部で利用可能な研磨単位(ブレード型)の見取り図である。図７は、本発明における回転研磨工具の別の構成例を示す平面図である。図８は、さらに別の構成例を示す平面図である。

本発明の工具の構成例を図１に示す。ここでは工具１は、剛性円形基板(図示せず)の上に、ほぼ長方形に形成されたダイヤモンド焼結体からなるそれぞれ複数個の切り込みブロック２と扇形の均しブロック３とが互いに隣接して円周上に交互に配置されている。(この構成例では両部について各ブロックはどれも同等品を用いているので、各部１個のみ参照符号を付し、他は省略する。)

研磨単位を構成する材料としては他の超砥粒も利用可能であるが、入手可能性や取り扱い易さ等の点においてダイヤモンドが適しており、特に超硬合金の支持材で裏打ちされたダイヤモンド焼結体が、強度及び信頼性において好ましい。

かかる焼結体の焼結ダイヤモンド層に研磨単位を形成する技術としては、前記文献に記載された手法を始め、いくつかの公知の手法が利用可能である。例えば、ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド層に、ワイヤカットやレーザービーム法等を用いて切り込むことも有効である。

研磨単位は工具半径面(軸に垂直な面)における断面が平行四辺形に構成されるが、特に図２の平面図及び図３にＣ−Ｃにおける断面図を示すように、研磨単位４は、正方形や長方形の四角錐台状とし、これらの集合体を直交格子状に配置するのが簡便である。格子はさらに、両方向の列において研磨単位間のピッチを変え、或いは列の交差角を傾斜させた構成とすることも可能である。

本発明は、単一の工具内に、被加工物へ切り込んで粗加工を行う区画と、粗加工された表面の細加工、特に凹凸を均し加工表面を滑らかにするための均し部とを設けたことを特徴とする。この観点から均し部は、例えば図４に示すように、均し部６において研磨単位集合体の頂部が呈する面(研磨単位頂面と称する)のレベルＬ₂を切り込み部７のレベルＬ₁よりも後退させて構成する。

或いは研磨単位間のピッチをより短くしたり、四角錐台の形状を一方向に伸ばして図５及び図６に示すようなブレード状の研磨単位８、９とし、単位工具面積当たりの平坦部面をより大きくすることで達成できる。四角錐台のうち特に頂部四辺形における二対の辺長の比が３以上のものを本発明では特に「ブレード状」と称する。

本発明の回転研磨工具において、切り込み部と均し部とは該工具の円形面内に各１個以上配置され、これは各様の態様にて実施可能である。複数個ずつ設ける場合は前記図１に示した構成のほか、図７に示すような、切り込み部ブロック１１と均し部ブロック１２とを幅を狭めて外周付近のみにリング状に配置した構成、図８に示すように、長方形に形成した切り込み部ブロック１３を90°ごとに配置し、残部に形状の異なる均し用の主ブロック１４及び必須ではないが補助ブロック１５を効果的に配置した構成も利用可能である。また工具中央には中央の空所に適合する形状の例えば鋼製のブロック１６が配置され、周囲の各ブロックを所定の位置に保持する。

小径の工具においては、特に図示しないが、上記構成のほかに切り込み部と均し部とを各１個のみで構成可能である。例えば円環上における90°の扇型部分を切れ刃部とし、残りの270°を均し部とする。

均し部は、用途に応じては必ずしもダイヤモンド焼結体で構成する必要はなく、例えば上記と同様の形状に生成された硬質のアルミナ(Ａl₂Ｏ₃)や炭化ケイ素（ＳiＣ)等の焼結体ブロックの表面に平行な直線状の溝を多数形成し、あるいはさらにＣＶＤによりダイヤモンド状炭素(ＤＬＣ)で被覆し、稜線を切れ刃として利用することも可能である。

また上記において本発明の研磨単位はダイヤモンド焼結体への切り込みによる形成例のみを示したが、さらに、整粒された単結晶粒子を工具基板面に並べ、電着金属、或いは他の結合材で固定したものも、同様に利用可能である。

本発明の工具において、切り込み部による被加工材への食い込み及び均し部による微細加工を確実にするために、切り込み部において、均し部に比べて食い込みの抵抗が少ないように研磨単位間のピッチをより大きくとることは有効であり、一方均し部による過度の食い込みを避け、細加工が有効に行われるように、均し部は研磨単位間のピッチを切り込み部よりも短くしたり、或いはブレード状に形成する。

研磨単位の頂面の位置(軸方向のレベル)は、切り込み部、均し部ごとに全体として一様に形成される。研磨単位の頂部のレベルを均し部よりも充分に突出させて設ける場合は必ずしも研磨単位の形状やピッチを変えることを要しないが、切り込み部・均し部間のレベル差と研磨単位の構成の差との併用によって、より顕著な効果を達成することができる。

一定押圧荷重下での個々の研磨単位が被加工物に対して課する推力は切り込み部において均し部よりも大きくなるので、切り込み部の研磨単位が被加工物に食い込んで切削・粗加工すると共に、平坦部面積のより大きな均し部の研磨単位によって、粗加工された被加工物面の細かな切削乃至研磨が行われることにより、表面粗さの少ない仕上げ面が達成される。

研磨ブロックの基部乃至溝底(研磨単位列間の研磨ブロック面を溝と称する)からの突き出し量を研磨単位の高さとする。溝底の位置が両側方で異なる場合は、２つの突き出し量のうち小さい方を研磨単位高さとする。本発明において研磨単位高さは200nm以上とするのが適切である。

本発明の切り込み部と均し部とは、例えば円形工具基板上の、異なる二つの半径の円周間に限定される範囲(円周帯)内に、扇型或いは類似形状として、例えば２個、4個、5個、6個、8個、10個ずつ、交互に隣接して配置することができる。

上記円周帯において切り込み部と及び均し部とが占める総面積の比率は、切り込み部の研磨単位の密度、均し部との研磨単位高さの差等によっても変動するが、概して１：0.5以上において良好な結果が得られる。

本発明の研磨工具において、切り込み部及び／又は均し部は、既述のように、研磨単位を形成したダイヤモンド焼結体ブロックを接着やろう付け等で、或いは単結晶ダイヤモンド粒子を電着やロウ付け等で固着することによって作製することができる。ダイヤモンド焼結体は通常超硬合金の支持材で裏打ちされているが、研磨単位の形成は、ワイヤカットによる切り込みやレーザービームによって焼結ダイヤモンド層に形成した後、扇型や台形等所定形状に切断し、工具基板上に配置固定する。研磨単位の形成と所定形状への切断の順序は重要でなく、上記の逆に行ってもよい。

研磨単位の形状としては四角柱乃至四角錐台状に形成するのが好適である。これらの研磨単位は直交格子状に整列して形成するのが簡便であるが、工具上における配置方向を考慮して、該格子の対角線を工具基板の半径方向と一致させ、或いは傾斜角が小さく保たれるように形成する。こうして研磨単位の側面を工具の回転方向に対して45±15°(30〜60°)とした場合、特に効率的な切り込みが進行する。

研磨面の構成に焼結されていない単結晶のダイヤモンド粒子を用いる場合、想定研磨単位高さと電着等による埋め込み代とを考慮して粒度を決定する。

基板は、SUS系ステンレス鋼が耐食性の点で好ましいが、使用環境によってはアルミニウム等他の金属材やベークライトのような合成樹脂、金属被覆の合成樹脂等も利用可能である。次に本発明を実施例に即して説明する。

図１に概略示すような研磨工具を作製した。超高圧高温下で焼結された厚さ0.6mmの焼結ダイヤモンド層を有する焼結体から10×20mmの短冊形ブロックを切り出し、切り込み部用とした。これを支持台上に平行に8個並べ、ワイヤカットにより、軸(長辺)に対して45°傾斜させて、一辺200μmの正方形頂部を持つ研磨単位高さが200μmの四角錐台状(側面傾斜角30°)の研磨単位を、500μmピッチで直交格子状に形成した。

次に均し部用として、同様に、焼結ダイヤモンド層を有する焼結体から、内径25mm、外径50mmの扇形ブロックを切り出した。これを8個、中心軸を互いに平行にして支持台上に交互に向きを変えて並べ、ワイヤカットにより軸に対して30°の傾斜で切り込み、頂部幅が200nm、研磨単位高さが200μmの直線ブレード状の研磨単位を500μmピッチで互いに平行に研磨ブロック面全体に形成した。

以上各8個の切り込み部用及び均し部用の焼結ダイヤモンドブロックを、外周部に環状突起を有する108mmのステンレス鋼製工具基板の外周に沿って、交互に互いに隣接して並べた。研磨単位高さの調整及び支持材超硬合金の厚みの調整により、切り込み部のレベルを均し部よりも70μm突き出させ接着剤で固定した。

この工具を硬質ウレタンの研磨試験に供し、カットレートとして105μm/ｈ、表面粗さの指標Ｒk及びＲpk値としてそれぞれ6.944μm6及び3.312μmを得た。

比較例

比較のために、均し部を設けず、工具面全体を前記実施例の切り込み部と同一の構成にし、前記同様の研磨試験に供した。この場合カットレートとして110μm/ｈ、Ｒk及びＲpk値としてそれぞれ6.774μm及び6.256μmを得た。

上記において、本発明をダイヤモンド焼結体に関して説明したが、これに代えて硬質相チッ化ホウ素(ｃ−ＢＮ、ｗ−ＢＮ)焼結体を利用することも可能である。

本発明の工具はパッドコンディショナーとしての利用に特に適しているが、その外に硬質材の精密仕上げにも利用可能である。

１工具
２切り込みブロック
３均しブロック
４研磨単位
６均し部
Ｌ₁ 切り込み部研磨単位頂面レベル
Ｌ₂ 均し部研磨単位頂面レベル
７切り込み部
８ブレード状の研磨単位
９ブレード状の研磨単位
１１切り込み部ブロック
１２均し部ブロック
１３切り込み部ブロック
１４均し用の主ブロック
１５補助ブロック
１６保持ブロック

Claims

円形面上に複数個の研磨単位を配設した回転研磨工具において、該円形面内の円周上に、被加工材に食い込んで切り込みを行う超砥粒で構成される研磨単位群を含有する１乃至複数個の区画から成る切り込み部と、該切り込み部の切り込みによって解された被加工材を削り取る研磨単位群を含有する１乃至複数個の区画からなる均し部とを設けたことを特徴とする工具。
前記切り込み部と均し部とをそれぞれ複数個の区画で構成し、同一円周帯内の回転方向に交互に隣接配置してなる、請求項１に記載の研磨工具。
前記均し部が扇型を呈し、かつ一定中心角ごとに規則的に配置されている請求項１乃至２の各項に記載の研磨工具。
前記切込み部における研磨単位が焼結された超砥粒で構成されている、請求項１に記載の研磨工具。
前記均し部における研磨単位が焼結された超砥粒で構成されている、請求項１に記載の研磨工具。
前記超砥粒がダイヤモンドである請求項１乃至５の各項に記載の研磨工具。
前記均し部における研磨単位が焼結された硬質セラミックで構成されている、請求項１に記載の研磨工具。
前記セラミックがＡl₂Ｏ₃又はＳiＣを主成分とする、請求項７に記載の研磨工具。
前記セラミックがＣＶＤダイヤモンドで被覆されている、請求項７又は８に記載の研磨工具。
前記切り込み部に含有される研磨単位が、四角柱乃至四角錐台状である、請求項１に記載の工具。
前記均し部に含有される研磨単位が、長方形乃至平行四辺形の軸に垂直な断面を持つ四角錐台状であり、かつより短い辺に対するより長い辺の長さの比が1：3以上である、請求項１に記載の工具。
前記切込み部において各研磨単位の頂部が呈する面(研磨単位頂面と称する)が、均し部における研磨単位頂面よりも突き出ている、請求項１乃至１１の各項に記載の研磨工具。
パッド・ドレッサーである、請求項１に記載の研磨工具。