JPH11320424A - 基板研磨用砥石及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い研磨効率を確保でき、また崩れる恐れも
ない基板研磨用砥石及び研磨装置を提供する。 【解決手段】 砥石１０を、ペレット形状の第１の砥石
部材２１の周囲を筒形状の第２の砥石部材２５で覆うよ
うにして構成した。第２の砥石部材２５は第１の砥石部
材２１よりも削れない材料で構成する。第２の砥石部材
２５の代わりに砥石ではない硬質材を用いても良い。こ
れによって第１の砥石部材２１と第２の砥石部材２５と
を同時に被研磨基板に当接せしめて相対運動させた際に
第１の砥石部材２１から削れた砥粒が第２の砥石部材２
５と被研磨基板の間を通過することとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウエハや各種
ハードディスク、ガラス基板、液晶パネルなどの被研磨
基板を研磨する研磨工具として用いて好適な基板研磨用
砥石及び研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体集積回路装置の製造工程に
おいては、ＣＭＰ（化学機械研磨）装置を用いて、半導
体ウエハ等の被研磨基板の表面を平坦化する工程が不可
欠である。そして該ＣＭＰ装置は、ターンテーブル上に
貼り付けた研磨クロス面上に、回転するトップリングに
装着された被研磨基板を当接すると共に、研磨クロス上
に研磨スラリを供給しながら、被研磨基板の研磨面を研
磨（遊離砥粒研磨）するように構成したものである。

【０００３】しかしながらこのＣＭＰ装置の場合、被研
磨基板の研磨面のパターンの種類や段差（凹凸）の状態
によっては十分に平坦化できないという問題や、半導体
用の高価な高純度の研磨スラリの消費量が多いという問
題があった。

【０００４】一方上記構造のＣＭＰ装置の代わりに、基
板研磨用の砥石を被研磨基板に押し付けて砥石面に砥液
（溶液）を供給しながら双方を相対運動させることで被
研磨基板を研磨する、固定砥粒研磨法が開発されてい
る。

【０００５】この方法によれば、前記研磨クロスを用い
たＣＭＰ装置に比べて、より平坦化機能の向上が図れる
ばかりか、高価な研磨スラリを大量に使用する必要がな
いのでランニングコストの低減化も図れる。

【０００６】図６はこの固定砥粒研磨法の内のペレット
型の砥石による研磨方法を示す基本的動作説明図であ
る。

【０００７】同図に示すようにペレット型の砥石による
研磨方法は、円板状の砥石支持部材８５の下面にペレッ
ト型の砥石８０を複数個（８個）リング状に取り付け、
該砥石８０の表面を半導体ウエハ１００表面に押し付け
て双方を例えば矢印Ｄ，Ｅ方向に回転運動し、同時に砥
石支持板８５を矢印Ｆ方向に直線運動させることで、各
砥石８０の表面を半導体ウエハ１００表面に擦り付けて
該半導体ウエハ１００表面を研磨する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の固定砥粒研磨法においても以下のような問題点があっ
た。

【０００９】即ち、この固定砥粒研磨法は、被研磨基板
に砥石を擦り付けることで砥石自体の表面から砥粒を削
り出し、該削れた砥粒によって被研磨基板を研磨するも
のであるが、砥石としては摩耗し易いものを採用した方
が、該砥石から大量の砥粒が削り出されて非研磨基板の
研磨速度を大きくできるので好適である。

【００１０】しかしながら摩耗し易い砥石の場合は、そ
の押付圧、摩擦力、使用する砥液等の影響によっては、
砥石が簡単に崩れてしまう恐れがあった。

【００１１】一方これを避けるため砥石をある程度摩耗
しにくくすると、押圧力や摩擦力を強くすることはでき
るが、今度は砥石から砥粒が削り出されにくくなり、研
磨効率が悪くなってしまう。

【００１２】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
ありその目的は、高い研磨効率を確保でき、また崩れて
しまう恐れもない基板研磨用砥石及び研磨装置を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明は、その表面に被研磨基板を当接して相互に相
対運動させることで被研磨基板を研磨する基板研磨用の
砥石において、前記砥石を、第１の砥石部材と、該第１
の砥石部材よりも削れない第２の砥石部材又は硬質材と
を具備し、該第１の砥石部材と第２の砥石部材又は硬質
材とを同時に被研磨基板に当接せしめて相対運動させた
際に第１の砥石部材から削れた砥粒が第２の砥石部材又
は硬質材と被研磨基板の間を通過する構造に構成した。
また本発明は、前記基板研磨用砥石としてリング状に配
列されるペレット型の砥石を用い、且つ該砥石を、ペレ
ット形状の第１の砥石部材の周囲を筒形状の第２の砥石
部材又は硬質材で覆う構造に構成した。また本発明は、
前記基板研磨用砥石としてリング型の砥石を用い、且つ
該砥石を、リング形状の第１の砥石部材の内側と外側を
リング形状の第２の砥石部材又は硬質材で覆う構造に構
成した。また本発明は、前記第１の砥石部材を加圧手段
によって研磨面に向けて加圧するか、或いは第２の砥石
部材又は硬質材を加圧手段によって研磨面に向けて加圧
するか、或いは第１の砥石部材と第２の砥石部材又は硬
質材とをそれぞれ別々の加圧手段によって研磨面に向け
て加圧する構造に構成した。また本発明は、前記基板研
磨用砥石と、該基板研磨用砥石を保持する砥石支持部材
と、該基板研磨用砥石の表面に当接して研磨される被研
磨基板と、前記砥石支持部材と被研磨基板とを相互に相
対運動させることで被研磨基板を砥石に擦り合わせて研
磨する駆動機構とを具備して研磨装置を構成した。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に
かかる砥石１０を砥石支持部材３０に取り付けた状態を
示す図であり、同図（ａ）は側断面図（同図（ｂ）のＡ
−Ａ断面図）、同図（ｂ）は裏面図、同図（ｃ）は１つ
の砥石１０の拡大断面図である。同図に示すように８個
の砥石１０は円板形状の砥石支持板３０の裏面にリング
状に固定されており、また砥石１０は、カップ形状の砥
石ホルダ１１内に、第１の砥石部材２１と第２の砥石部
材２５とコイルバネ（加圧手段）２９とを収納して構成
されている。以下各構成部品について説明する。

【００１５】第１の砥石部材２１は円柱形状に形成され
ている。また第２の砥石部材２５は円筒形状であって、
その内周が第１の砥石部材２１の外周を覆い且つその外
周が砥石ホルダ１１の内周面に嵌合して固定される寸法
に形成されている。一方コイルバネ２９はその一端が砥
石ホルダ１１の上端面に固定され、他端が第１の砥石部
材２１の上面に固定されている。

【００１６】即ちこれによって第１の砥石部材２１は第
２の砥石部材２５に対して上下動自在にコイルバネ２９
によって砥石ホルダ１１に保持されている。なおこのと
き第１の砥石部材２１の下面と第２の砥石部材２５の下
面とは図では同一面となるように示されているが、これ
は被研磨部材を研磨する際の状態を示しており、該下面
に何ら他の部材が当接していないときは第２の砥石部材
２５の下面から第１の砥石部材２１の下面が下方向に突
出している。言い替えれば、第１と第２の砥石部材２
１，２５の下面が同一面となったときに第１の砥石部材
２１に所定の加圧圧力がかかるように構成されている。

【００１７】ここで第１の砥石部材２１は摩耗し易く研
磨効率の良い（被研磨基板の研磨速度が大きい）材料で
構成されており、一方第２の砥石部材２５は摩耗しにく
くて第１の砥石部材２１よりも削れない材料で構成され
ている。

【００１８】即ち例えば、第１，第２の砥石部材２１，
２５は、砥粒粒径，砥粒材質，結合剤種類，砥石空孔
率，焼成温度，焼成時間等を異ならせることによって、
第１の砥石部材２１を摩耗し易く構成し、第２の砥石部
材２５を摩耗しにくく構成している。

【００１９】具体的に言えば、砥粒としてシリカ粒子
（平均一次粒子の半径約３０ｎｍ）、結合剤として液状
フェノールレジン（粘度０．２Ｐ／２５℃、不揮発成分
４８％、メタノール溶剤）を用い、焼成温度を１７０℃
／２ｈｒとすることは同一であるが、両者の砥石空孔率
を７２％のものと４８％のものとで製作することで、砥
石空孔率の高い方を第１の砥石部材２１とし、低い方を
第２の砥石部材２５とした。

【００２０】またさらに言い替えれば、「削れない」と
は、自生しにくい、又は摩耗しにくい、又はボンド材含
有比率が少ない、等のことを言い、「削れやすい」と
は、自生しやすい、又は摩耗しやすい、又はボンド材含
有比率が多い、等のことを言う。またここで「自生」と
は、砥石部材に機械的作用及び／または化学的作用、熱
作用を供給した際に、砥石研磨面に結合剤により固定さ
れていた”研磨能力の低下したいわゆる使用済み砥粒”
を結合剤とともに砥石研磨面もしくは被研磨基板面より
除去し、”砥石に内包されていた研磨能力の高い、新し
い砥粒”を研磨面に出現させる現象、更にその新しい砥
粒を砥石から遊離させ、研磨に寄与させることを含む現
象をいうものとする。ここで研磨能力とは研磨速度、研
磨精度などのことをいい、結合剤とはフェノールレジン
などのことを言う。

【００２１】次にこの砥石１０の作用について説明す
る。即ち図２に示すようにこの砥石１０を半導体ウエハ
等の被研磨基板１００の表面に当接して矢印で示すよう
に相互に相対運動させると、第１，第２の砥石部材２
１，２５の被研磨基板１００との当接面は何れも被研磨
基板１００表面に擦り付けられて、それぞれの当接面が
削られて被研磨基板１００を研磨していく。

【００２２】このとき、第２の砥石部材２５に比べて第
１の砥石部材２１の方がより多く削られ、被研磨基板１
００の研磨に寄与するが、第１の砥石部材２１において
削られた砥粒は該第１の砥石部材２１と被研磨基板１０
０との当接面において研磨に利用されるだけではなく、
第２の砥石部材２５と被研磨基板１００との当接面を通
過する際にも研磨に利用される。つまり内側に位置して
いる第１の砥石部材２１で十分な砥粒を削り出し、研磨
すると共に、該削り出された砥粒が外周に位置する加圧
されたより摩耗しにくい第２の砥石部材２５の研磨面を
通過する際に被研磨基板１００の平坦化研磨が進行し、
被研磨基板１００の高段差特性を向上させることができ
る。

【００２３】特に本実施形態の場合は第１の砥石部材２
１の周囲を第２の砥石部材２５が覆っているので、第１
の砥石部材２１で削り出された砥粒は全て必ず第２の砥
石部材２５と被研磨基板１００の間を通過して排出され
効率の良い研磨が行なえる。

【００２４】また第１の砥石部材２１は摩耗し易く十分
に加圧できないため研磨が進まないような場合もある
が、このような場合でも摩耗しにくくて十分に加圧でき
る第２の砥石部材２５と被研磨部材１００の間に第１の
砥石部材２１によって削り出された砥粒を通すことで十
分な研磨効率が得られる。

【００２５】一方、第１の砥石部材２１は研磨効率は良
いが、その押付圧、摩擦力、使用する砥液等の影響によ
り、簡単に崩れてしまう畏れがある。しかしながら本実
施形態においては、摩耗しにくい第２の砥石部材２５が
第１の砥石部材２１の周囲を覆っているので第１の砥石
部材２１が崩れることはない。

【００２６】つまり本実施形態においては、摩耗し易い
砥石と摩耗しにくい砥石の双方の欠点をなくし、双方の
利点のみを引き出したのである。

【００２７】なお被研磨基板１００の研磨を行なうと、
第１の砥石部材２１の方が第２の砥石部材２５よりも速
く摩耗する。しかしながら本実施形態によれば、第１の
砥石部材２１がより多く摩耗した分だけコイルバネ２９
によって押し出される。従って第１，第２の砥石部材２
１，２５とも、常に所定の加圧圧力によって被研磨基板
１００の研磨を継続できる。

【００２８】図３は前記図１に示す砥石１０及び砥石支
持板３０を用いて構成された研磨装置を示す概略斜視図
である。同図に示すように砥石支持板３０の上面中央に
取り付けた回転軸３１は、これを回転駆動する駆動機構
を内蔵した研磨装置２００のアーム部２０１に取り付け
られている。

【００２９】一方円板形状の半導体ウエハ１００は基板
ホルダ２１１の上に保持されている。

【００３０】基板ホルダ２１１及び半導体ウエハ１００
はテーブル２１３内に露出するように設置されており、
該基板ホルダ２１１及び半導体ウエハ１００の上面とテ
ーブル２１３の上面とは同一面になるように構成されて
いる。

【００３１】またテーブル２１３は基板ホルダ２１１と
共に研磨装置２００の基台２０３上において図示しない
駆動機構によって直線方向（矢印Ｊ方向）に移動自在に
構成されている。

【００３２】そして基板ホルダ２１１と砥石支持板３０
とをそれぞれ独立に回転しながら、半導体ウエハ１００
に砥石１０を押し付け、同時にテーブル２１３を直線運
動させれば、半導体ウエハ１００表面全体の研磨が行な
われる。その際前述のように本発明にかかる砥石１０に
よって半導体ウエハ１００は効率良く研磨されていくの
である。

【００３３】図４（ａ）〜（ｄ）はそれぞれペレット型
の砥石の他の実施形態を示す拡大断面図である。即ち、
本発明においては、図４（ａ）に示すように、第１の砥
石部材２１をコイルバネ２９で弾発する他に、第２の砥
石部材２５も別途コイルバネ（加圧手段）２８によって
下方向（研磨面方向）に弾発するように砥石ホルダ１１
に上下動自在に取り付けても良いし、また図４（ｂ）に
示すように、第２の砥石部材２５をカップ形状に構成
し、その内部にコイルバネ２９を介して第１の砥石部材
２１を上下動自在に収納しても良いし、また図４（ｃ）
に示すように第１の砥石部材２１を砥石ホルダ１１に固
定し、第２の砥石部材２５のみをコイルバネ２８によっ
て下方向に弾発するように砥石ホルダ１１に上下動自在
に取り付けても良い。これらのように構成しても、前記
図１に示す砥石１０と同等の作用効果が生じる。

【００３４】また本発明においては、図１に示す実施形
態とは逆に、図４（ｄ）に示すように、円筒形状の第１
の砥石部材２１′の内部に上下動自在にコイルバネ２９
によって保持された円柱形状の第２の砥石部材２５′を
収納するように構成しても良い。ここで第１の砥石部材
２１′の方が第２の砥石部材２５′に比べて摩耗し易い
材料で構成されていることは前記実施形態と同様であ
る。

【００３５】このように構成した場合、摩耗し易い第１
の砥石部材２１′が崩れるのを防止する効果は生じない
が、第１の砥石部材２１′で削り出された砥粒を第２の
砥石部材２５′の研磨面に導いてその研磨効率の向上に
寄与させるという効果は生じる。

【００３６】図５は本発明をリング型の砥石に適用した
実施形態を示す図であり、同図（ａ）は側断面図（同図
（ｂ）のＢ−Ｂ断面図）、同図（ｂ）は裏面図である。

【００３７】同図に示す実施形態における砥石５０はリ
ング型の砥石であり、具体的には、円板形状の砥石支持
板６０の裏面に径の異なる２つのリング形状の第２の砥
石５５−１，５５−２を同心円状に固定し、両者の間に
コイルバネ（加圧手段）６９を介して上下動自在にリン
グ形状の第１の砥石５１を取り付けて構成されている。
言い替えれば、第１の砥石部材５１の内側と外側を第２
の砥石部材５５−１，２で覆うように構成されている。

【００３８】このように構成しても前記図１に示す砥石
１０の場合と同様の効果が生じることは言うまでもな
い。またこの実施形態においても、図４に示すと同様に
第１，第２の砥石部材５１，５５−１，５５−２の構造
を種々変形できることは言うまでもない。

【００３９】以上本発明の実施形態を詳細に説明した
が、本発明はこれら実施形態に限定されるものではな
く、例えば以下のような種々の変形が可能である。

【００４０】上記各実施形態では第２の砥石部材を第
１の砥石部材よりも削れない砥石によって構成したが、
第２の砥石部材を砥石ではない例えば硬質樹脂等で構成
された硬質材に置き換えても良い。ここで硬質材として
は、軟質部材と比較して、溶液、加圧力等で崩れず、砥
石支持部材を介して加圧した際に研磨面に圧力を効率よ
く伝達する部材でポリカーボネイト、塩ビ、又はアルミ
ナ等のセラミックが挙げられる。このように構成しても
硬質材と被研磨基板の間を第１の砥石部材で削り出され
た砥粒が通過する際に研磨効果が生じる。

【００４１】第１の砥石部材と第２の砥石部材の配置
構造はさらに種々の変形が可能であり、要は第１の砥石
部材と第２の砥石部材（又は硬質材）とを同時に被研磨
基板に当接せしめて相対運動させた際に第１の砥石部材
から削り出された砥粒が第２の砥石部材（又は硬質材）
と被研磨基板の間を通過する構造に構成されているもの
であればどのような構造のものであっても良い。

【００４２】上記各実施形態では加圧手段としてコイ
ルバネを用いたが、別の種類の加圧手段、例えば他の構
造のバネ、加圧エア、加圧液体、ネジトルクによる圧力
などを用いても良い。

【００４３】砥石支持板等の各部材の形状や構造に種
々の変形が可能であることは言うまでもない。

【００４４】また研磨装置の構造も種々の変形が可能
である。要は基板研磨用砥石と、砥石を保持する砥石支
持部材と、該砥石の表面に当接して研磨される被研磨基
板と、前記砥石支持部材と被研磨基板とを相互に相対運
動させることで被研磨基板を砥石に擦り合わせて研磨す
る駆動機構とを具備してなる研磨装置であればどのよう
な構造の研磨装置であっても良い。

【００４５】なお場合によっては、前記本発明にかか
る研磨装置とともに、前記従来の技術の欄で説明した研
磨クロスなどからなるＣＭＰ装置を設置し、本発明にか
かる研磨装置による研磨の前後の工程でＣＭＰ装置によ
って被研磨装置を研磨するように構成しても良い。

【００４６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば以下のような優れた効果を有する。 第１の砥石部材から削り出された砥粒が、第２の砥石
部材又は硬質材と被研磨基板の間を通過するように構成
したので、第１の砥石部材から十分な砥粒を削り出して
研磨できると共に、第１の砥石部材よりも削れない第２
の砥石部材又は硬質材によって被研磨基板の平坦化研磨
が効果的に行なえる。特に第１の砥石部材を第２の砥石
部材（又は硬質材）で覆った場合は、第１の砥石部材で
削り出された砥粒が全て必ず第２の砥石部材（又は硬質
材）と被研磨基板の間を通過して排出されるので効果的
である。

【００４７】また第１の砥石部材を第２の砥石部材又
は硬質材で覆うように構成した場合は、摩耗し易い第１
の砥石部材が崩れるのを防止することができ、第１の砥
石部材としてより摩耗し易くて研磨速度の大きい砥石部
材を使用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる砥石１０を砥石支
持部材３０に取り付けた状態を示す図であり、同図
（ａ）は側断面図（同図（ｂ）のＡ−Ａ断面図）、同図
（ｂ）は裏面図、同図（ｃ）は１つの砥石１０の拡大断
面図である。

【図２】砥石１０の作用説明図である。

【図３】砥石１０を用いて構成された研磨装置の一例を
示す概略斜視図である。

【図４】図４（ａ）〜（ｄ）はペレット型の砥石の他の
実施形態を示す拡大断面図である。

【図５】本発明をリング型の砥石に適用した実施形態を
示す図であり、同図（ａ）は側断面図（同図（ｂ）のＢ
−Ｂ断面図）、同図（ｂ）は裏面図である。

【図６】固定砥粒研磨法の内のペレット型の砥石による
研磨方法を示す基本的動作説明図である。

【符号の説明】

１０ 砥石 １１ 砥石ホルダ ２１ 第１の砥石部材 ２５ 第２の砥石部材 ２８ コイルバネ（加圧手段） ２９ コイルバネ（加圧手段） ３０ 砥石支持部材 ６９ コイルバネ（加圧手段） １００ 被研磨基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松尾 尚典 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その表面に被研磨基板を当接して相互に
   相対運動させることで被研磨基板を研磨する基板研磨用
   の砥石において、 前記砥石は、第１の砥石部材と、該第１の砥石部材より
   も削れない第２の砥石部材又は硬質材とを具備し、該第
   １の砥石部材と第２の砥石部材又は硬質材とを同時に被
   研磨基板に当接せしめて相対運動させた際に第１の砥石
   部材から削れた砥粒が第２の砥石部材又は硬質材と被研
   磨基板の間を通過する構造に構成されていることを特徴
   とする基板研磨用砥石。
2. 【請求項２】 前記基板研磨用砥石はリング状に配列さ
   れるペレット型の砥石であり、且つ該砥石は、ペレット
   形状の第１の砥石部材の周囲を筒形状の第２の砥石部材
   又は硬質材で覆う構造に構成されていることを特徴とす
   る請求項１記載の基板研磨用砥石。
3. 【請求項３】 前記基板研磨用砥石はリング型の砥石で
   あり、且つ該砥石は、リング形状の第１の砥石部材の内
   側と外側をリング形状の第２の砥石部材又は硬質材で覆
   う構造に構成されていることを特徴とする請求項１記載
   の基板研磨用砥石。
4. 【請求項４】 前記第１の砥石部材を加圧手段によって
   研磨面に向けて加圧するか、或いは第２の砥石部材又は
   硬質材を加圧手段によって研磨面に向けて加圧するか、
   或いは第１の砥石部材と第２の砥石部材又は硬質材とを
   それぞれ別々の加圧手段によって研磨面に向けて加圧す
   る構造に構成することを特徴とする請求項１又は２又は
   ３記載の基板研磨用砥石。
5. 【請求項５】 請求項１又は２又は３又は４記載の基板
   研磨用砥石と、該基板研磨用砥石を保持する砥石支持部
   材と、該基板研磨用砥石の表面に当接して研磨される被
   研磨基板と、前記砥石支持部材と被研磨基板とを相互に
   相対運動させることで被研磨基板を基板研磨用砥石に擦
   り合わせて研磨する駆動機構とを具備してなることを特
   徴とする研磨装置。