JP2011020182A - 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 - Google Patents

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こと。
【解決手段】
(1) 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平坦な頂面を持つ切れ刃を複数個固定配置した研磨工具であって、該頂面は複数個の直線状稜線に囲まれかつ該稜線を介して工具軸方向に延びた側面と隣接し、切れ刃の少なくとも頂部が焼結ダイヤモンドで構成されていることを特徴とする研磨工具。
(2) 前記研磨工具を用いて被加工物材料を除去する研磨方法において、上記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形部分を生ぜしめ、さらに切れ刃頂部の直線状稜線を該変形部分に対して相対的に運動せしめることによって変形部分と残部との境界における被加工物材料を除去することを特徴とする研磨方法。
【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

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や突起(ポイント)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、上記のように研磨単位の尖端(ポイント)でパッド表面を削り取る従来型のドレッサーによるパッド表面の平坦化機構において、研磨単位尖端の微細化や研磨単位の密度の増加によって平坦度を確保することは、必ずしも容易ではなかった。

本発明は従来のパッド・コンディショニングに伴う前記の問題を解決し、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ことを目的とする。

本発明者は、以下の知見を得た。即ちパッド・ドレッサーの切れ刃を焼結ダイヤモンドのように剛性の高い物質で構成し、またパッドと接する切れ刃先端の頂面を平面とし、パッドに対する切削加工が主として、切れ刃の頂面を囲む稜線を含む面、特に側面で行なわれる構成とした場合、パッドへの加工工程はかんな(鉋)掛けやのみ(鑿)打ちのように平面状の刃でパッド構成材の薄片を削り取る切削加工となるが、この加工方式では、負荷荷重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。

本発明の要旨とするところは、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平坦な頂面を持つ切れ刃を複数個固定配置した研磨工具であって、該頂面は複数個の直線状稜線に囲まれかつ該稜線を介して工具軸方向に延びた側面と隣接し、切れ刃の少なくとも頂部が焼結ダイヤモンドで構成されていることを特徴とする研磨工具にある。

本発明の研磨工具を用いた研磨工程は、工具軸方向荷重を主体とする従来の研磨機構とは異なり、主として切れ刃の側方向(半径方向)の負荷荷重下における、切れ刃の特に稜線及び隣接した頂部側面による切削機構に基づく。即ち被加工物表面の押圧により材質を圧縮率に応じて変位させた状態で切れ刃との間に相対運動を行う場合、切れ刃側面がパッド構成材を削り取る工程となる。

従って本発明は別の側面において、かかる研磨工具を用いて被加工物材料を除去する研磨方法において、上記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形部分を生ぜしめ、さらに切れ刃頂部の直線状稜線を該変形部分に対して相対的に運動せしめることによって変形部分と残部との境界における被加工物材料を除去することを特徴とする研磨方法も要旨とする。

本発明の研磨工具は特に硬質ウレタンの精密研磨において、時間当たりの材料除去率(カットレート)が高く、かつ仕上げ面の粗さＲaも充分に小さい。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部分断面図である。 本発明の研磨工具における切れ刃配置の例の説明図である。 本発明の研磨工具における切れ刃配置について、別の例の説明図である。 本発明の研磨工具における切れ刃配置について、さらに別の例を示す説明図である。 実施例１で用いたダイヤモンド焼結体から成る扇形素材の説明図である。 実施例１で、ダイヤモンド層表面に形成した線状突起の部分断面図である。 実施例１、２で作成した研磨工具について、テスト結果(カットレートの経時変化)を示すグラフである。 本発明の研磨工具において、切れ刃構成の一例を示す説明図である。

本発明の方法においては、工具のカットレート(一定時間内にワーク(パッド材)厚さを減少させる性能)は、本質的に切れ刃の頂面に対する負荷荷重並びに切れ刃面の形状によって決まり、またワーク(パッド)の平滑度は切れ刃頂面に加えられる単位面積当たりの負荷荷重の大きさにより変化する。即ち、負荷荷重の調節により、作業効率及び仕上げ面の粗さを制御することが可能である。

さらに工具の寿命は切れ刃構成における側面の稜線長さ及び傾斜角度に応じて変化し、また先端面の周長にも依存する。従って、切れ刃の形状を適切に選択することにより工具寿命を最適化することができる。図１に本発明の研磨工具における切れ刃の部分断面図を示す。本発明において切れ刃１の側面２の傾斜は、工具の中心軸を含みかつ対象側面に平面行な面、従ってかかる面に平行な任意の基準面４(切れ刃軸面と言う)に対する軸方向(Ｚ方向)の傾斜角度(切れ刃軸面角度)αで表わす。切れ刃１は通常ワイヤ放電加工で形成されるため、基礎部５はワイヤ断面の影響を受けて丸みを帯び、切れ刃側面が湾曲面を呈することがある。この場合上記側面の傾斜角度は接線面の角度を指す。

本発明における研磨工具(パッド・ドレッサー)において、各切れ刃は四角柱乃至四角錐台、或いは三角柱乃至三角錐台状に形成するのが好適である。切れ刃１の頂面６に対する隣接各側面の傾斜角度は、少なくとも頂面に隣接する部分を頂面に対して垂直、即ち前記切れ刃軸面に対する傾斜α＝0°の四角柱に構成するのがカットレート及び仕上げ面粗さに関して最適の結果が得られ、好ましいが、傾斜角度60°以上、特に80°以上、乃至αについては30°以下、特に10°以下であれば良好な結果が得られる。

本発明の研磨工具において、切れ刃１は、工具の円板面全体に一様に、例えば図２に示すように格子状に配設したり、或いは特定の部位に部分的に、例えば図３に示すように基板７の一円周上または複数段の同心円周上に均等な角度で、又は半径上に複数個配置し放射状に、或いはこれらを組み合わせた形状に配設したりする。
さらに図４のように、複数個の切れ刃１(個々の正方形で表わす)を形成したチップ８を基板７上に均等角度で放射状に固定する構成も利用でき、これは特に、細かい切れ刃を多数形成する場合に効果的である。この場合、切れ刃或いはチップの中心線は、半径に対して平行になるように配置される。

なお本発明においては図面を簡略化し明確にする目的で多数配設されている切れ刃の１個にだけ参照符号を付しているが、特記しない限り、形成された切れ刃群の他の切れ刃も機能及び構成において同等であり、説明が該当することは理解されるべきである。

切れ刃の設置数は、目標とするカットレート、仕上げ面粗さ等に応じて変動するが、外径100mm程度の工具の場合、頂面総面積において220mm²以下とすることができる。また基板断面に対する面積比において10000分の1000〜0.5、特に160〜1において良好な性能が得られる。ただし本発明の基板断面は、円形の工具基板において、中心孔の有無に関わらず外周円で限定される断面積のことを言う。

本発明の研磨工具の製作にはいくつかの公知の手法が利用できる。例えば、切れ刃は、超硬合金で裏打ちされたダイヤモンド焼結体からなる単一円板、又は円板状に組み合わされた円板分割体(扇形)の、焼結ダイヤモンド層へワイヤカット等の放電加工やレーザーで切り込むことによって、或いはダイヤモンド焼結体から各１個の切れ刃を含むチップとして、或いは数個乃至数十個の切れ刃を含むブロックとして切り出し、基板上に配置・固定することによって形成することができる。

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やブロックは、工具基板の外周部分に、同心円状、放射状、或いはこれらを組み合わせた形状に配置される。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。例えば、基板にチップやブロックに対応する形状・個数の穴や溝を形成してこれらを嵌め込んだり、ロウ付けやハンダ付け、或いは接着剤、超速硬性や急硬性セメントを用いて接着し、或いはさらにアクリルやフッ素樹脂等で被覆することにより、基板のスラリーとの接触による侵食、溶出材料による汚染を防止する。

前記切れ刃形成のための各手法において、ダイヤモンド焼結体円板の焼結ダイヤモンド層へワイヤカット等での切り込みにより、先端が平面の、整列された四角や三角の角柱乃至角錐台状の切れ刃を形成する手法については、各切れ刃の先端面のレベルが揃うので、良好な平坦度が得られるが、反面、工具(ドレッサー)のサイズが、利用可能なダイヤモンド焼結体のサイズに限定される。

前記のダイヤモンド焼結体から切れ刃素材を、焼結ダイヤモンド層を頂部として角柱乃至角錐台を単独のチップとして必要な個数、或いは一定区画に含まれる複数個を区画ごとにブロックとして切り出して作成する方法も利用できる。この場合、工具の寸法に制限は無いが、仕上げ加工としてチップ表面を揃えて平坦度を確保するための研磨加工が必要である。

上記において、焼結ダイヤモンドで作成された切れ刃は、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。さらに焼結ダイヤモンド層を構成するダイヤモンド粒子サイズの選択によって、表面粗さＲaやカットレートの制御も可能になる。

既述のように、本発明の工具においては、パッドに対する加工工程は、工具切れ刃の側面によるものであって、パッドは平面状の刃によって削られる。従って、本発明の工具は既述の特徴に加え、従来の手法・工具に比較して次のような利点を有する。

(1) 切れ刃の面積が従来よりも大幅に増大しているため、工具の摩滅速度が小さく最初の切れ味が持続する、或いは工具寿命が長い。またより大きい加工速度が得られる。
(2) パッド面に対する切れ刃の接触は従来のピラミッド型におけるような点接触ではなく、稜線による線接触であることから、接触面圧が相対的に小さく食い込み深さが小さい。
(3) 仕上げ面粗さＲaが切れ刃のサイズに依存しないことから、切れ刃として大寸法のサイズのチップや粒子の使用が可能である。次に本発明を実施例に即して説明する。

図５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から成る４個の、半径50mm、内径60mm、中心角90°の扇形素材１１〜１４を用いた。厚さ1.0 mmのＰＣＤ(焼結ダイヤモンド)層は公称粒度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る。これらの扇形素材を直径108mmのSUS630ステンレス鋼製円形基板上にエポキシ系接着剤で固着し、ブランク材とした。

ブランク材は先ず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、図６の軸方向部分(平行軸面)断面図で略示するように、超硬合金基体１５と一体化された焼結ダイヤモンド層１６へワイヤカット放電加工で垂直に切り込むことにより、一対の対向側面部分１７、１８及び平坦な頂面部分１９をもつ線状突起２０を、互いに平行に、ダイヤモンド層表面全域に形成した。

次にこのブランク材を中心軸の周りに90°回転して上記の操作を繰り返すことにより、合計４方向の側面を形成し、頂部平面の一辺が100μｍ、溝底に対する高さが150μｍの四角錐台状の切れ刃群2000個を、中心間距離(ピッチ)1500μｍの直交格子状に形成した。

前記実施例の操作を繰り返した。ダイヤモンド焼結体からなる扇形素材は半径50mm、内径30mm、中心角度90°、これを4個同様の基板に貼り付け、ブランク材とした。このブランク材はさらに、前記実施例と同様の操作で、ワイヤカット放電加工により、頂部平面の一辺が200μｍ、溝底に対する高さが200μｍ、軸面に対して平行な(四角柱状の)部分を持つ四角錐台状の切れ刃群1500個を、中心間距離(ピッチ)2000μｍの直交格子状に形成した。

各実施例で作成した工具の構成を下表で対比的に要約して示す。

比較例

比較の目的で四角錐状の切れ刃をもつ研磨工具を作成した。前記各実施例と同一材質及び形状の扇形素材をSUS316製円形基板上にエポキシ系接着剤で固着し、ブランク材とし、前記例同様にワイヤカット放電加工によって、四角錐状の切れ刃群を直交格子状に形成した。四角錐の対向側面間の面角度は90°、切れ刃間底部に対する頂部の高さは500μｍ、切れ刃中心間間隔(ピッチ)は1500μｍとした。

前記実施例１、２及び比較例の各々で作成した研磨工具を、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2kgfとし、試験は最長30時間継続した。途中で数回研磨を停止し、ワーク上の６定点における厚さを測定し変化量を求めた。時間当たりの減少量をカットレートとし、その経時変化を図７に示す。また仕上げ表面粗さを次表に示す。

図８に略示する切れ刃１配置を持つ工具２２を作成した。厚さ2.5mmの超硬合金基板上に、厚さ0.5mmの焼結ダイヤモンド層(公称粒8-16μm)を有する、ダイヤモンド焼結体を切れ刃素材として用いた。このダイヤモンド焼結体は予め両面研磨によって、平行度を確保しておき、焼結ダイヤモンド面からワイヤカットによって800μm×800μmの焼結ダイヤモンドの頂部２３を持つ、全体の長さが2mmの複合材チップ２４を24個切り出した。

これらのチップについて切断面を、ダイヤモンド砥石を用いて研磨仕上げを行い、超硬合金側を底部とし、銀ろうを介してSUS630基板２５上の、半径95mmと90mmの二つの同心円周上に各16個ずつ配置、固定した。この際チップの配置にはテンプレートを用いて隣接粒子間に均等な間隔が保たれるようにし、全チップを上から軸方向に押し付けた状態で加熱した。

仕上げ加工として#200のダイヤモンド砥石を用い、チップ間の段差が認められなくなるまで平面研削を行い、垂直四角柱状のダイヤモンド焼結体製切れ刃を持つドレッサーとした。同様の条件において研磨テストを行い、10時間後にカットレート及び仕上げ面粗さＲaとして、それぞれ24μm/h及び3.0μmを得た。

前記実施例１及び２のダイヤモンド焼結体から、下表に示す寸法の四角柱及び三角柱(傾斜角α=0°)形状の切れ刃をワイヤカットにより切り出した。一方前記各実施例と同種の基板に各種パターンで固定のための孔を彫り、個々のチップを配置、上から軸方向に圧入することにより、固定及び頂面位置の一定性を確保した。

前記硬質ウレタンの研磨試験と同様の研磨条件において研磨試験を行い、次の結果を得た。

前記実施例１のダイヤモンド焼結体から、10個の切れ刃を有する直方体形状のチップを作成した。焼結ダイヤモンド層には形成された切れ刃は各々一辺が200μm×200μmの頂部をもつ高さ200μm の四角柱状で、半径方向に1mmのピッチで5段、円周方向に1mmピッチで2列配置されている。同一構成のチップを24個用意した。

実施例３と同様の基板の外周に15°ごとに長方形断面の溝を24個彫り、各チップを配置し、表面の水平さを確保した上でプレスにより圧入し、固定して工具とした。

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180μm/ｈ、Ｒa表面粗さとして4.9μm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 切れ刃
２ 側面
４ 基準面 (切れ刃軸面)
６ 頂面
７ 基板
８ ブロックチップ
１１〜１４ 扇形素材
１５ 超硬合金基体
１６ 焼結ダイヤモンド層
２０ 線状突起
２２ 工具
２４ 複合材チップ
２５ 基板

Claims (13)

1. 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平坦な頂面を持つ切れ刃を複数個固定配置した研磨工具であって、該頂面は複数個の直線状稜線に囲まれかつ該稜線を介して工具軸方向に延びた側面と隣接し、切れ刃の少なくとも頂部が焼結ダイヤモンドで構成されていることを特徴とする、パッドドレッシングに適した研磨工具。
2. 前記切れ刃が四角柱又は四角錐台状である、請求項１に記載の研磨工具。
3. 前記切れ刃が三角柱又は三角錐台状である、請求項１に記載の研磨工具。
4. 前記切れ刃における側面の切れ刃軸面角度が30°以下である、請求項１乃至３の各項に記載の研磨工具。
5. 研磨工具全体における切れ刃の頂面総面積が、基板内面積の10％以下0.005％以上(10000分の1000以下0.5以上)である、請求項１に記載の研磨工具。
6. 前記切れ刃が直交格子状に一定の間隔で配設されている、請求項１に記載の研磨工具。
7. 前記切れ刃が同心円状に一定の間隔で配設されている、請求項１に記載の研磨工具。
8. 前記切れ刃の複数個が同一半径上に配設されている、請求項１又は７に記載の研磨工具。
9. 前記工具が直径110mm以下のパッド・ドレッサーである、請求項１乃至８の各項に記載の研磨工具。
10. 請求項１に記載の研磨工具を用いて被加工物材料を除去する研磨方法において、上記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、さらに切れ刃頂部の直線状稜線を該変形部分に対して相対的に運動せしめることによって変形部分と残部との境界における被加工物材料を除去することを特徴とする、研磨方法。
11. 前記被加工物が硬質ウレタンである、請求項１０に記載の研磨方法。
12. 前記切れ刃が四角柱状又は四角錐台状である、請求項１０に記載の研磨方法。
13. 前記切れ刃が三角柱状又は三角錐台状である、請求項１０に記載の研磨方法。

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