JP2012121129A

JP2012121129A - パッド・コンディショニングに適した研磨工具及びこれを用いた研磨方法

Info

Publication number: JP2012121129A
Application number: JP2011008751A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ishizuka; 博石塚
Original assignee: Shin Gijutsu Kaihatsu Co Ltd
Current assignee: Japan Foundation Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】工程制御が容易でかつ工具寿命の向上も達成可能なコンディショニングのための工具を提供する。
【解決手段】剛性基板が平面状の円形表面を有し、該基板に、該円形表面に関して一定レベル内に位置する有限面積の平坦な頂面を持つ切れ刃３１の集合を交差する二組の平行線群４１，４２からなる格子状に整列配置した研磨工具であって、各切れ刃３１は頂部における該工具の軸に垂直な断面(水平断面)が四辺形でありかつ上記軸方向に延びた縦稜線を有する焼結ダイヤモンドで構成され、かかる切れ刃３１は集団として限定された面積を持つ複数個の研磨島に形成され、該研磨島の複数個が一定間隔ごとに、工具の回転中心に関する同心円上に規則的に配置されていることを特徴とする、ＣＭＰパッドのドレッシングに適した研磨工具。
【選択図】図４

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

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が、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。研磨単位の形状は面間角度が90°のピラミッド型(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

前記の従来技術によるコンディショニングは、電着された超砥粒によるものも、焼結ダイヤモンド層に形成された研磨単位群によるものも、個々の粒子や研磨単位の尖端(ポイント)や角錐頂部でパッド表面を削り取る研磨作用に基づく。このためパッド表面の平坦度の確保には尖端を細かくしたり、突起の密度を増加させる方法が採られる。

しかしながら、従来型のドレッサーを用いて砥粒や研磨単位の尖端でパッド表面を削り取る平坦化工程では、材料除去率(カットレート)の制御と表面粗さとは互いに複雑に絡み合っていて、これらの両性能を目的に合わせて制御することは困難であった。さらに電着タイプにおいては固着される砥粒(ダイヤモンド等)の粒度が細かくなるにつれ、露出させて加工に供される砥粒の割合が減少し、この点において、工具寿命は必ずしも満足いくものではなかった。

本発明は従来のパッド・コンディショニングにおいて材料除去率の制御及び表面平坦度の確保を容易にすることにより前記の問題を解決し、同時に工具寿命の向上も達成可能としたコンディショニングのための工具を提供することを主な目的とする。

本発明者は以下の知見を得た。即ち、平面状の円形表面を有する剛性基板の表面に、該表面に関して一定レベル内に位置する有限面積の平坦な頂面、及び該頂面に直角に隣接する工具軸方向の縦稜線を持つ、該軸方向に垂直な断面(水平断面)において四辺形状の焼結ダイヤモンドからなる切れ刃を複数個整列配置した研磨工具を用い、この際工具全体の頂面の総面積を個々の頂面及び切れ刃間隔等の調節により工程の制御が容易で、工具寿命の向上も達成できる。かかる知見に基づき本発明を完成するに至った。

従って本発明は、剛性基板が平面状の円形表面を有し、該基板に、該円形表面に関して一定レベル内に位置する有限面積の平坦な頂面を持つ切れ刃の集合を交差する二組の平行線群からなる格子状に整列配置した研磨工具であって、各切れ刃は頂部における該工具の軸に垂直な断面(水平断面)が四辺形でありかつ上記軸方向に延びた縦稜線を有する焼結ダイヤモンドで構成され、かかる切れ刃は集団として限定された面積を持つ複数個の研磨島に形成され、該研磨島の複数個が一定間隔ごとに、工具の回転中心に関する同心円上に規則的に配置されていることを特徴とする、ＣＭＰパッドのドレッシングに適した研磨工具を要旨とする。

本発明はまた別の側面において、かかる工具を用いた研磨方法において、平面状の円形表面を有する剛性基板の表面に、該表面に関して一定レベル内に位置する有限面積の平坦な頂面及び該頂面に直角に隣接する縦稜線を持つ焼結ダイヤモンドからなる四辺形断面の切れ刃を複数個の平行直線状に整列配置した研磨工具の切れ刃を被加工物の表面へ押圧することにより、被加工物表面に押圧方向へ変位した変位部分を生ぜしめ、さらに切れ刃の縦稜線に、該変位部分に対して水平方向の相対運動を生ぜしめることによって、稜線周囲の変位部分と残部との境界における被加工物材料を削り取る方法を要旨とする。

本発明の研磨工具は、尖った頂部の切れ刃を持つ従来の工具に比べて食い込み深さが小さく、かつかかる尖った先端による従来の切削機構とは異なり、有限の面積を主として切れ刃(特に頂部)の特に縦稜線及び該稜線に隣接した頂部側面による切削が進行する。即ち被加工物表面を押圧すると材質の圧縮率に応じて変位するが、この状態で工具の回転(自転)などにより切れ刃との間に相対運動を行う場合、切れ刃の縦稜線及び隣接側面によって、稜線周囲の、変位部分と残部との境界付近の被加工物材料が削り取られる。

本発明において工具の自転及び公転によって被加工物の加工域が拡大していくが、加工は主として縦稜線(エッジ)及び隣接側面によるものでかんな(鉋)掛けやのみ(鑿)打ちのように面状の刃でおこなわれることにより、平坦度が高く、うねりの少ない表面が達成される。

さらに特に硬質ウレタンの精密研磨において、切れ刃頂面の面積や切れ刃群の間隔(ピッチ)を変えて受負荷面積を調整することにより、高い時間当たりの材料除去率(カットレート)、及び／又は小さな仕上げ面粗さ(Ｒk、Ｒpk)を達成でき、しかもこの性能が従来の同様の工具に比較して数倍維持されるという利点を有する。以下に本発明を、添付の説明図に拠って説明する。

本発明の研磨工具における切れ刃の基本的形状を示す見取り図である。本発明の研磨工具における切れ刃形状の別の例を示す見取り図である。本発明の研磨工具における切れ刃の補強角度を示す軸方向断面図である。本発明の研磨工具における切れ刃配置例を示す説明図である。本発明の研磨工具における別の切れ刃配置例を示す説明図である。本発明の研磨工具における別の切れ刃配置例のより詳細な平面図である。本発明の研磨工具における切れ刃形状(鋸刃状)を示す見取り図である。本発明の研磨工具における工具構成例を示す見取り図である。

本発明の研磨工具において被加工物の除去を行う切れ刃は、前記のように、有限面積の平坦な頂面１０、２０と、縦稜線１１、１２、１３；２１、２２、２３及び側面１５、１６；２５、２６(図１、図２)とによって特徴づけられ、このような切れ刃としては切れ刃の高さ乃至工具軸に垂直(水平)な断面における形状が四辺形、例えば正方形や菱形を含む長方形乃至平行四辺形、特に加工の容易さや切れ刃の強度等の観点から、一辺の長さが20μｍ以上の長方形や平行四辺形のものが適切である。

切れ刃は長方形乃至長平行四辺形とし、長手方向を工具半径方向に一致させ、或いは半径に対して小さな傾斜角度で整列させる。四辺形の短辺と長辺との比が大きいほど、工具回転時に個々の切れ刃によってカバーされる面積が大きくなるので有利であるが、大きすぎるとカットレートが低下する傾向がある。これらの点において四辺形の短辺対長辺比は1：200〜1が有効であるが、実用的には1：50〜10、特に1：20以下が好ましい。

本発明の切れ刃においてエッジとして作用する縦稜線１１〜１３；２１〜２３は、平坦な四辺形の頂面に隣接する四つの側面の交差によって構成される。これらの各側面は切れ刃乃至工具の軸方向に平行であってもいいが、例えば四辺形の中心を通り辺に平行な軸方向断面図を示した図３に示すように、軸方向に平行な基準線Ａに対して傾斜角度γで傾斜させ、切れ刃の底部に向かって断面積が増加するような補強角度を設けることは、特に切れ刃の幅が小さい構成において特に有効である。γの値としては10°以下、特に7〜8°が適切である。

本発明の切れ刃はダイヤモンド焼結体、即ち整粒(分級)されたダイヤモンド粒子を支持材としての超硬合金板に共に、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力・温度条件下で層状に一体化焼結した複合材の、焼結ダイヤモンド層に形成される。切れ刃３１、３２、３３(それぞれを代表して１個のみに参照符号を付ける) は、所定形状にプリカットされたこのような複合材の素材板３４、３５、３６に、ワイヤカットやＥＤＭ等の放電加工、レーザービーム、その他公知の手法により、図４、５及びより詳細な図６に(各方向の代表として一列ずつ符号を付して)示す、交差角αで交差する２方向の直線４１、４２；４３、４４；４５、４６及びこれらに平行な直線群に沿って、格子状に整列配置された一群として形成される。これらの手法は単独で利用、或いは併用し、特に50nmや20nmのような細かい切れ刃辺の形成にはレーザービームの利用が好適である。

前記交差角αは切れ刃の四辺形の各頂角を規定するが、αとしては45°≦α＜90°又は90°＜α≦135°、好ましくは60°≦α＜90°又は90°＜α≦150°が利用可能であり、これらの範囲において切れ刃の尖点強度と性能との最適化を図る。α＝90°乃至α≒90°の場合には鋭利な頂点による切り込みは得にくいが、縦稜線による加工性能は保持される。

この際一方の平行線群を工具の回転(接線)方向Ｒ→に対して(時計方向に)傾斜角βで傾斜させると共に、切れ刃の長辺方向の配置を、横方向１ピッチごとに切れ刃長さのｎ分の1(例えばｎ：4〜6)ずつずらすことによって回転方向に関して間隙なく配置した場合(基準線Ｌとして回転方向に平行な方向を示す)、該工具の一回転(自転)による被加工物上の加工域が最大となることにより、被加工物の表面粗さの制御がより容易に達成できる。β＝0の場合には工具の自転による加工域に空白が生じ効率が低下するが、本発明における縦稜線による加工を確保することは可能である。

一方、切れ刃の短辺と長辺との比率が大きい場合、図７に例示するように、切れ刃５１の頂面に、短辺に平行して１乃至複数個の切り込み５２、５３を設けて輪郭を鋸刃状にすると、削り粉や研磨液が移動しやすくなり、作業効率の改善に寄与するので有効である。

本発明による前記形状・配置の切れ刃は例えば、図８に示すような、丸みをつけた台形乃至扇形等にプリカットされた研磨島(チップ)としての複数個のダイヤモンド焼結体に形成される。各研磨島５５(代表して１個のみに参照符号を付ける)は形状を揃え、工具基板５６上に規則的に、例えば同心円上に一定間隔で配置して利用される。この際各研磨島において、切れ刃格子の二方向の列のうち一方向、特に長辺方向の複数本を工具基板の半径方向に一致させ、或いは半径方向に対する傾斜角が小となるように整列させて固定する。この場合、もう一方の列(短辺方向)は、回転方向に対してほぼ傾斜角βでの傾斜配置となる。

本発明においてカットレート、仕上げ面粗さ等の加工性能は切れ刃の頂部面積乃至水平断面積及び切れ刃間ピッチ(密度)、及びによって支配される。高いカットレートを望む場合は個々の頂面を小さくし、或いは／更に切れ刃間の間隔を大きくとる。一方面精度に重点を置く場合には各頂面を大きくし、更に／或いは切れ刃間の間隔を小さくするのが有効である。

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。

前記の切れ刃チップは、工具基板の外周部分に、同心円状、放射状、或いはこれらの組み合わせ等、様々な形状に配置することができる。この際、基板への固定には材種に応じて各種の公知技術が利用できる。

上記において、焼結ダイヤモンドで作成された切れ刃は、超高圧下で焼結されダイヤモンド−ダイヤモンド結合を介して強固に一体化された複合材表層の焼結ダイヤモンド層に形成されているので、刃の欠損を生じにくく、これに伴うトラブルが少ないという利点がある。

図８に概略示すような、超高圧高温下で焼結されたダイヤモンド焼結体(ＰＣＤ)から成るプリカット素材片(幅20mm、高さ14mm)に切れ刃を形成したものを6個、直径108mmのSUS630ステンレス鋼製円形基板の同一円周上に等間隔でエポキシ系接着剤で固着し、研磨島として用いた。プリカット素材は各隅を丸めた台形状で、ＰＣＤ層は厚さ1.0mmで、公称粒度8-12μmのダイヤモンド粒子で構成され、同時焼結によって超硬合金(ＷＣ−8％Ｃo)基体と一体化されていた。

このＰＣＤ片に、焼結ダイヤモンド層の表面を型放電加工により平坦化した後、ワイヤカット放電加工により交差平行線状にダイヤモンド層表面に切り込み、表面全域に切れ刃の格子を創生した後、レーザービーム加工により7°の補強角を有する、50×200μｍの平坦な頂面を持つ、高さ200μｍの切れ刃群を形成した。格子状の切れ刃は２方向の交差角75度、ピッチは長手方向700μｍ、他方が600μｍであった。

かかる工具をラッピングマシンに装着し、研磨パッドのコンディショニングを模した硬質ウレタンの研磨試験に供した。工具への加圧荷重は3kgの荷重で20分間で、カットレート10μｍ/h、Ra粗さ2.3μｍ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。

１０頂面
１１〜１３縦稜線
１５、１６側面
２０頂面
２１〜２３縦稜線
２５、２６側面
３１〜３３切れ刃
３４〜３６素材板
４１〜４６平行線群
５１切れ刃
５２、５３切り込み
５５研磨島
５６工具基板

Claims

剛性基板が平面状の円形表面を有し、該基板に、該円形表面に関して一定レベル内に位置する有限面積の平坦な頂面を持つ切れ刃の集合を交差する二組の平行線群からなる格子状に整列配置した研磨工具であって、各切れ刃は頂部における該工具の軸に垂直な断面(水平断面)が四辺形でありかつ上記軸方向に延びた縦稜線を有する焼結ダイヤモンドで構成され、かかる切れ刃は集団として限定された面積を持つ複数個の研磨島に形成され、該研磨島の複数個が一定間隔ごとに、工具の回転中心に関する同心円上に規則的に配置されていることを特徴とする、ＣＭＰパッドのドレッシングに適した研磨工具。
前記切れ刃の水平断面が平行四辺形である、請求項１に記載の研磨工具。
前記切れ刃の水平断面が長方形である、請求項１又は２に記載の研磨工具。
前記四辺形の短辺対長辺の比が１対200〜1の長方形又は平行四辺形である、請求項１に記載の研磨工具。
前記四辺形の短辺対長辺の比が１対50〜10である、請求項４に記載の研磨工具。
前記四辺形の短辺対長辺の比が１対20以下である、請求項４乃至５に記載の研磨工具。
前記四辺形の一辺が20μｍ以上である、請求項１乃至４の各項に記載の研磨工具。
前記切れ刃が頂面を横切る１乃至複数本の溝を有し鋸歯状の輪郭を呈する、請求項１乃至６の各項に記載の研磨工具。
前記切れ刃が軸方向断面において、切れ刃乃至工具の軸に対する傾斜角(γ)が10°以下の下方に広がる側面を有する、請求項１の研磨工具。
前記二組の平行線群間の交差角(α)がα＞90°又はα＜90であり、かつ一方の平行線群の方向が回転方向に対して垂直な方向を含む、請求項９に記載の研磨工具。
前記２組の平行線群間の交差角(α)がα＝90°である、請求項１０に記載の研磨工具。
前記研磨島の少なくとも１個において、上記二組のうち一組の平行線群が半径方向の切れ刃列を含む、請求項１に記載の研磨工具。
前記研磨島の少なくとも１個において、前記切れ刃が回転方向に関して隙間を生じないように傾斜配置されている、請求項１に記載の研磨工具。
前記切れ刃群が、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力温度条件下で一体化されたダイヤモンド焼結体の焼結ダイヤモンド層内に形成されたものである、請求項１に記載の研磨工具。
平面状の円形表面を有する剛性基板の表面に、該表面に関して一定レベル内に位置する有限面積の平坦な頂面及び該頂面に直角に隣接する縦稜線を持つ焼結ダイヤモンドからなる四辺形断面の切れ刃を複数個の平行直線状に整列配置した研磨工具の切れ刃を被加工物の表面へ押圧することにより、被加工物表面に押圧方向へ変位した変位部分を生ぜしめ、さらに切れ刃の縦稜線に、該変位部分に対して水平方向の相対運動を生ぜしめることによって、稜線周囲の変位部分と残部との境界における被加工物材料を削り取ることを特徴とする、請求項１の工具を用いた研磨方法。
前記被加工物が硬質ウレタンである、請求項１５に記載の研磨方法。