JPH07314302A - 硬質ウエハ−の研磨方法及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基体の上にダイヤモンド、ｃ−ＢＮなどの硬
質被膜を形成した硬質ウエハ−は反りがあるし、基体が
弱いので、従来の方法では十分に研磨することができな
い。未研磨部を残さず、割れ欠けを引き起こすことなく
均一に表面を研磨できるようにした研磨方法を提供す
る。 【構成】 硬質ウエハ−を凸反りになるようにホルダ−
に固定する。ホルダ−は面がシャフト軸線に対して傾け
ることができるようにしてある。ホルダ−の僅かな傾き
により、凸反りに固定されるウエハ−の前面を研磨する
ことができる。軸線に対してホルダ−が傾くために補助
シャフトでホルダ−の一ヶ所を押さえる。主シャフトと
補助シャフトの圧力の配分によりウエハ−と研磨板の接
触箇所が変わるから、ウエハ−の前面を研磨することが
できる。研磨後の面粗さは、Ｒｍａｘ５００Å（５０ｎ
ｍ）以下、Ｒａ２００Å（２０ｎｍ）以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エレクトロニクス分
野、光学分野などで利用できる硬質物質被覆ウエハ−の
硬質物の表面を研磨する研磨方法および研磨装置に関す
る。特に、気相合成法によりダイヤモンドを被覆したウ
エハ−の被覆面を研磨する方法と装置に関する。被覆す
る硬質物質というのはダイヤモンド、ダイヤモンド状炭
素、ｃ−ＢＮなどを意味する。基板材料はより柔らかい
物質である。Ｓｉ、Ｍｏなどが基板になる。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは現在入手できる材料の中
で最も硬い材料である。これ以上に硬い材料がない。ダ
イヤモンドを機械的に研磨するには、ダイヤモンドをダ
イヤモンドで削ることによって行なわれる。これを共削
りという。

【０００３】遊離砥粒による方法と、固定砥粒による方
法がある。前者の方法としてスカイフ研磨方法が知られ
ている。これは鉄系の研磨板とダイヤモンド遊離砥粒を
用いる。ホルダ−に固定したダイヤモンド板を研磨板に
押しつけ、ダイヤモンド砥粒を含む研磨液を研磨板面に
流しながら、研磨板を公転させ、ホルダ−を自転させて
ダイヤモンド面をダイヤモンド遊離砥粒の作用により研
磨する。これは遊離砥粒ダイヤモンドを使うのでダイヤ
モンド砥粒の損失が大きい。研磨速度も遅くて仕上げ精
度も良くない。

【０００４】固定砥粒によるものは、ダイヤモンドを固
定した砥石でダイヤモンド板を擦ることにより研磨する
ものである。ダイヤモンドの固定手段の相違によって幾
つかの種類のダイヤモンド砥石がある。フェノ−ルレジ
ンやポリイミド樹脂などでダイヤモンド砥粒を固定した
ものはレジンボンド砥石という。ブロンズ、コバルト、
タングステン、鉄、ニッケルなどの金属で固定したもの
はメタルボンド砥石という。ダイヤモンド砥粒をニッケ
ル等のメッキ膜によって固定したものが電着砥石であ
る。これら固定ダイヤモンド粒子を用いるものはダイヤ
モンド粒子が流れて損失にならないという利点がある。

【０００５】研磨するべきダイヤモンド板をホルダ−に
付け、回転する砥石に押しつけて、ホルダ−も回転させ
て、物理的作用でダイヤモンド表面を研磨する。これら
の方法は、ダイヤモンド板、膜を、ダイヤモンド砥粒に
よって擦り、物理的にダイヤモンド表面を削ろうとする
ものである。これらの方法はいずれも研磨を進行させる
ために、研磨面に高い負荷をかける必要がある。高い圧
力を加えて硬いダイヤモンド表面を、同じ硬さのダイヤ
モンド砥粒で削るからである。高負荷により砥粒も試料
表面のダイヤモンドも同様に減耗してゆく。高い圧力が
かかっていないと両者が単に滑るだけで削ることができ
ない。

【０００６】高い負荷をかけないで研磨を進行させる方
法も提案されている。特開平２−２６９００号はダイヤ
モンド砥粒を使わず、酸化性雰囲気下で、加熱した平滑
な金属板にダイヤモンドを接触させて、ダイヤモンドを
化学的に研磨する熱化学的研磨法を開示している。

【０００７】図１及び図２により従来例に係る研磨方法
を説明する。研磨板１（研磨定盤）はダイヤモンド砥石
である。研磨されるべきウエハ−２を下面に固定したホ
ルダ−３はシャフト４に固定してある。ホルダ−３の面
は研磨板面に平行になるようにしてある。シャフト４の
上には空圧または油圧シリンダ５が設けられる。これは
シャフト４を通じて、ホルダ−３に圧力をかける。ダイ
ヤモンドなどの硬質物を研磨するには強い負荷をかける
ことが必須になる。ア−ム６はシリンダ５とシャフト４
を支持する。ア−ム６は半径方向に往復運動し、ウエハ
−２が研磨板１に接触する部分が半径方向に移動するよ
うにする。

【０００８】研磨板１の中央部にも周辺部にも等しくウ
エハ−が接触することによって、研磨板の摩耗を均等に
する。均等に摩耗すれば研磨板の平坦性を保持できるか
ら長い期間に渡って使用することができる。ホルダ−は
この場合自転しない。研磨板の公転による砥石とウエハ
−の摩擦によって、ウエハ−の硬質膜が研磨される。

【０００９】この研磨装置によって、ダイヤモンド被膜
のようにビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物質を研磨
しようとすると次の問題がある。

【００１０】一つは研磨面が非平行の時に発生する問題
である。ウエハ−を良好に研磨するには、ウエハ−面と
研磨板面を厳密に平行に維持しなければならない。とこ
ろが研磨板に対してウエハ−を完全に平行にするのは難
しい。少しでも平行からずれていると、硬質被膜が斜め
に削られ、一様な被膜にならない。これは望ましい状態
ではなく、一様な厚みの硬質物質層を得たいものであ
る。硬質膜が薄い場合は、最初に研磨板に接触した部分
から局所的に研磨が進行し、研磨面がウエハ−全体に広
がる前に基板の一部が露呈するということになる。そう
なると、これはもはや硬質ウエハ−としては使えなくな
る。これは傾斜摩耗の問題と呼ぶことができよう。

【００１１】もう一つの問題は、ウエハ−にうねりや凹
凸がある場合である。Ｓｉウエハ−の場合なら柔らかい
ので、凹部の深さ以上の研磨代を取れば凹凸が簡単に消
失するため問題はない。しかし凹凸のある硬質物質を被
覆した場合は大きな問題となる。ダイヤモンド膜などの
硬質膜は研磨が難しく、研磨速度が極端に遅い。研磨の
初期段階では、研磨板が硬質ウエハ−の最も突出した部
分に接触する。この場合、接触面積が狭いので、研磨が
適当な速度で進行する。研磨が進み、凹部も研磨板に接
触するようになると接触面積が増えて単位面積当たりの
圧力が低下するために研磨速度が低下する。負荷を増や
せば、さらに研磨を進行させることができる筈である。

【００１２】しかし負荷は無制限にかけられるわけでは
ない。ウエハ−が割れない範囲に負荷の大きさが制限さ
れる。このため、凹部であった部分が研磨されずに残っ
てしまう。つまり凹凸うねりのあるウエハ−の場合は、
未研磨部、不完全研磨部が残る。これは図１のようにホ
ルダ−を回転しない装置の欠点であった。

【００１３】図２に示すものは他の従来例に係る研磨装
置の斜視図である。ホルダ−も回転するようにした例で
ある。回転する研磨板１はダイヤモンド砥石よりなる。
ウエハ−２はホルダ−３の下面に固定してある。ホルダ
−３はシャフト４により支持される。シャフト４は軸受
により回転自在に支持される。シャフト４の上方には、
シャフトに負荷をかけるための油圧または空圧シリンダ
５が設けられる。ア−ム６には、シャフトを回転駆動す
るためのモ−タ７がある。モ−タの回転力がベルト８、
プ−リを介してシャフト４に伝わる。この回転力によっ
てホルダ−、ウエハ−が自転する。研磨板１の公転と、
ウエハ−の自転によって、ウエハ−が研磨されてゆく。

【００１４】これはモ−タにより強制的に回転させるも
のである。もっと簡単に、シャフトを軸受で支持するだ
けでも良い。モ−タによる回転力がなくても、自然にホ
ルダ−は回転する。つまり研磨板とホルダ−の接触にお
いて、中央部と周辺部での線速度が違うので、ホルダ−
が静止できず回転するのである。これを連れまわりとい
う。能動的にホルダ−を回す場合でも受動的にホルダ−
が回転する場合でもウエハ−が自転する。

【００１５】ウエハ−が自転するので、ウエハ−の接触
が平均化される。ホルダ−のシャフトが研磨板面の法線
に対して傾いている場合に研磨面が傾斜するという傾斜
摩耗の問題は解決される。しかしウエハ−に凹凸ねじれ
がある場合に未研磨部が残るという問題は、依然として
解決できない。凹部に届くまで研磨除去すれば平坦にな
るはずである。しかし極端に研磨しにくいダイヤモンド
被膜の場合、研磨による除去量を大きくすることができ
ない。負荷を増やせばいくらでも研磨できそうである。
しかし基板が割れてはいけないから負荷の増加も制限さ
れる。このため、単位当たりの圧力が不足してそれ以上
削れなくなる。

【００１６】硬質物質被膜に５０μｍをこえる凹凸があ
る場合は、凹部まで完全に削ることができない。未研磨
部分が大きく残留する。凹凸が２０μｍ〜４０μｍの程
度でも、未研磨部、不完全研磨部が残りやすい。図６に
より不完全研磨の３状態を説明する。は平坦な試料を
研磨した場合を示す。この場合未研磨部がランダムに現
われる。は基板が凹型に反る場合を示す。この場合は
内奥部に未研磨部が残る。は基板が凸型の反る場合を
示す。この場合は外周部近くに未研磨部が残る。これが
主な不完全研磨のカテゴリ−である。図１のように固定
ホルダ−の場合に現われる傾斜摩耗はここには示さな
い。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンド膜や、ダ
イヤモンド状炭素膜、ｃ−ＢＮ膜を基板に被覆したウエ
ハ−をエレクトロニクス分野で利用するには、既存のウ
エハ−プロセスによって処理できるようになっていなけ
ればならない。例えば微細加工のためにフォトリソグラ
フィ−などの技術が適用できなければならない。このた
めウエハ−は平坦でなければならない。ウエハ−プロセ
ス技術はＳｉウエハ−を対象にして高度に進歩したもの
である。硬質ウエハ−もこれらの技術に対応できるもの
であることが必要である。

【００１８】硬質物質ウエハ−も、半導体作製プロセス
における設備上の要求を満たさなければならない。半導
体作製プロセスに要求されるウエハ−のサイズは直径２
インチ以上であり、厚さは１ｍｍ以下である。電子デバ
イスの小型化は益々進み、デバイスの寸法を小さくする
ためにウエハ−の厚さは可能な限り薄くすることが望ま
れている。Ｓｉウエハ−の場合はこのような技術は既に
確立している。

【００１９】ダイヤモンドやｃ−ＢＮのように硬質の物
質は全体が同一物質でできた大きく広いウエハ−を作製
することはできない。これらの物質は薄い被膜なら簡単
に製作できる。そこで適当な基板の上にこれら硬質物質
を被覆してウエハ−とする。基板と被覆とからなる２層
構造のウエハ−である。

【００２０】ダイヤモンド被覆ウエハ−は公知のプラズ
マＣＶＤ法や熱フィラメントＣＶＤ法等により作製され
る。基板はさまざまな材料を使うことができるが、最も
好適な材料はＳｉウエハ−である。基板の上にダイヤモ
ンドを被覆して硬質ウエハ−とした場合、これの表面を
平滑、平坦にするために研磨しなければならない。

【００２１】ところがダイヤモンドは既存の物質中最も
硬くて非常に研磨しにくい物質である。ダイヤモンドよ
り硬い物質がないので、ダイヤモンドを機械的に研磨す
る場合はダイヤモンド砥粒を使って共削りする。この時
高い圧力を研磨面にかける必要がある。

【００２２】ダイヤモンドウエハ−は高い面圧に耐える
ものでなければならない。ところがダイヤモンドウエハ
−と言っても例えばＳｉをダイヤモンド被膜で覆っただ
けのものである。研磨のための高負荷は結局基板である
材料にかかることになる。

【００２３】基板であるＳｉは脆性材料である。Ｓｉウ
エハ−の直径が大きくなり、より薄くなると、高い面圧
に耐えず、割れるという問題がある。他の材料を基板に
しても同様に研磨時の高負荷に耐えないという問題があ
る。高負荷によるウエハ−の割れ、破壊というのが問題
の一つである。これを解決しなければならない。

【００２４】さらに問題がある。基板の上にダイヤモン
ド被覆したウエハ−は、２層構造のために強い反りを発
生する。ダイヤモンド膜被覆時に基板とダイヤモンドの
線膨張率の違いに起因して熱応力が発生する。またダイ
ヤモンド膜自体が真性応力を持つ。熱応力と真性応力に
よりウエハ−には大きな反りが発生する。

【００２５】従来の研磨法は、平坦な対象物を平坦な研
磨板によって研磨するものである。反りのある薄板を削
ることには不適である。反りのあるウエハ−を従来の研
磨方法で研磨するには平坦な面を持つホルダ−に反りを
消すようにウエハ−を張りつけて、ホルダ−を研磨板に
あて、相対回転させるということになる。これには次の
問題があって実際には役に立たない。

【００２６】一つは研磨時にウエハ−が割れやすいとい
うことである。また被覆層を均一に研磨するのが難し
い。また研磨後の被覆層の厚さが不均一になる。このよ
うな問題があって、従来の平坦物を研磨する方法は、基
板と硬質物質の２層構造を持つ硬質ウエハ−の研磨には
適用することができない。

【００２７】Ｈｖ３０００以上の硬質物質をより柔らか
い基板の上に被覆してなる反りのある複合ウエハ−の硬
質膜を、ウエハ−を破損することなく鏡面研磨する方法
を提供することが本発明の第１の目的である。硬質膜と
基板よりなるウエハ−を硬質層の膜厚ばらつきが少なく
なるように均一に研磨する方法を提供することが本発明
の第２の目的である。複合ウエハ−の硬質膜を効率よく
研磨する方法を提供することが本発明の第３の目的であ
る。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ｈｖ３０
００以上の硬質物、特にダイヤモンドを被覆したウエハ
−の硬質膜を、ウエハ−が破損せず、研磨後の膜厚が均
一になり、効率よく鏡面研磨する方法を鋭意研究した。
これにより以下に述べる発明を成し遂げた。

【００２９】本発明の方法は、ビッカ−ス硬度３０００
以上の硬質物質を基板の片側の表面に被覆した硬質膜被
覆ウエハ−を円盤状のホルダ−の中央に凸反りの状態で
固定し、回転する研磨板に押し当て、ホルダ−の中心に
集中荷重を加え、ホルダ−を回転させ、ホルダ−面が研
磨板面に対して傾斜できるようにし、ホルダ−面を研磨
板に対して徐々に傾けてゆき、反りのあるウエハ−と研
磨板の接触面を中心から周辺へ或いは周辺から中心に移
動させるようにして、ウエハ−を研磨する。ホルダ−を
傾ける運動を以下簡単のために揺動運動と呼ぶ。さらに
またホルダ面法線を円錐面に沿って回転させる歳差運動
を行わせるようにしてもよい。

【００３０】凸反りのある状態で、硬質ウエハ−をホル
ダ−の中心に張りつけ、ホルダ−面を揺動運動又は歳差
運動させるので、破損することなく、研磨後の膜厚が均
一になるように、効率よくウエハ−の全面を鏡面研磨す
ることができる。さらにウエハ−とホルダ−の間には緩
衝材を挟むことが望ましい。緩衝材はウエハ−の変形を
許し、衝撃を和らげ、ウエハ−の破損を防止するという
作用がある。緩衝材はゴム、プラスチックなどの弾性の
ある材料を用いることができる。

【００３１】凸反りのウエハ−でも凹反りのウエハ−で
も或いは反りのないウエハ−でも本発明を適用できる。
いずれにしても、凸反りの状態で、ホルダ−に固定して
研磨する。凸反り量は３μｍ〜５０μｍの程度とする。
適当な凸反りのウエハ−の場合はそのまま緩衝材に固定
することができる。緩衝材が変形してウエハ−の凸形状
を維持することができる。

【００３２】ウエハ−の曲率が適当な範囲にない場合
は、ウエハ−とホルダ−の間に凸型のスペ−サを挟み、
ウエハ−が外側に凸になるように固定する。スペ−サに
より硬質被膜が下向きに凸になるようにホルダ−の下面
に固定される。ウエハ−の反りが初めから適当な値（３
μｍ〜５０μｍ）の場合でもスペ−サを用いても良い。

【００３３】凸曲面を有する膜の全体が、研磨板に接触
できるようにホルダ−面を揺動運動、歳差運動させる。
揺動運動、歳差運動の軸の傾斜はウエハ−の凸曲率に合
致する。ホルダ−面を揺動運動、歳差運動させるのが本
発明の方法の重要な点である。揺動運動又は歳差運動さ
せなければ、ウエハ−の中心のピ−ク部分しか接触しな
いので、周辺部を削ることができない。

【００３４】ホルダ−に固定する時に与えるウエハ−の
凸型の反りは、３μｍ〜５０μｍとする。これは周縁部
を含む平面と、これに平行な接平面との距離として定義
する。本発明はどのようなサイズの硬質ウエハ−でも研
磨することができるが、特に直径が１インチ以上、厚さ
が０．１ｍｍ〜２．１ｍｍのウエハ−に適用できる。直
径の大きいウエハ−程、一様研磨が難しいが、本発明は
１インチ以上のウエハ−にも適用できる。２インチ、３
インチ、４インチあるいはそれ以上の大きさでも良いの
である。

【００３５】凸反りの条件を、中央部の縁に対する突出
高さＨとして定義しているので、同じ反り量でもウエハ
−の直径Ｄにより曲率が異なる。簡単な２乗の反りの場
合はＲを曲率半径としてＨ＝Ｄ² ／８Ｒの関係がある。

【００３６】反り量がいずれの場合でも、３μｍ〜５０
μｍの凸反りを与えるスペ−サを介してホルダ−に取り
付ける。初めから３μｍ〜５０μｍの凸反りの場合はそ
のままの反りのままに取り付けることもできる。しかし
多くの場合、スペ−サの曲率と試料の曲率が一致しない
ので、取り付けることにより試料の内部に応力が発生す
る。もちろん凹型に彎曲した試料でも凸に変形させて固
定するのである。こうすることにより、ウエハ−を破損
することなく、中央部から周辺部にかけて研磨面を拡大
しながら硬質膜を均一に研磨することができる。凸反り
のある試料の場合はスペ−サを介してそのままホルダ−
に取り付ける。この範囲外の反りの試料の場合は同じ凸
型スペ−サを介して固定する。

【００３７】このような条件で、硬質ウエハ−を研磨す
ることにより、表面粗さがＲｍａｘ５００Å（５０ｎ
ｍ）、Ｒａ２００Å（２０ｎｍ）以下の平滑な研磨面が
表面全体の５０％以上になるように研磨する。つまり十
分に平坦な面が、表面全体の半分以上になるように研磨
できるのである。

【００３８】また揺動運動或は歳差運動すると同時にホ
ルダ−を非円周方向に平行移動させるようにしてもよ
い。平行移動させると、ウエハ−の研磨板に対する当た
り面が、研磨板の中央部と周辺部の間を往復する。これ
により砥石の摩耗を直径方向に均一にすることができ
る。摩耗が均一に起これば、研磨板の表面が常に平坦性
を維持することができる。表面の平行度を長く保ち、砥
石の寿命を長くすることができる。これは図１１、図１
２に示す。

【００３９】硬質被膜の初期厚みは任意である。基板の
厚みよりも薄くて反りが余り大きくないようにできれば
良い。基板の厚みも任意である。経済的な理由で基板
を、０．１ｍｍ〜２ｍｍの厚さにすると、被膜の厚み
は、０．０１ｍｍ〜１ｍｍ程度になる。厚い硬質被膜を
成長させるのは材料、時間の点で難しいので、実際には
硬質ウエハ−の膜厚は２００μｍ以下である。膜厚が大
きいほど研磨後の膜厚分布を少なくしやすい。

【００４０】本発明によれば、５０μｍ以下の初期厚み
のウエハ−でも、研磨後Ｒｍａｘ５００Å（５０ｎ
ｍ）、Ｒａ２００Å（２０ｎｍ）以下の面の膜厚分布を
±１０％以下に押さえることができる。研磨後にＲｍａ
ｘ５００Å（５０ｎｍ）以下、Ｒａ２００Å（２０ｎ
ｍ）以下となる面の膜厚分布が、±１０％以下になるた
めの方法としては二つの方法がある。

【００４１】（ア）研磨面の凸反り量が、研磨の進行と
ともに小さくなるようにする方法。（反り漸減法）これ
は図９に示す。

【００４２】（イ）硬質物質の層を研磨速度の異なる２
層構造にし、上側を研磨されやすい層とし、下側を研磨
されにくい層とする。研磨されやすい上面が一様研磨さ
れて平坦性、膜厚均一性が向上する。これは図１０に示
す。

【００４３】硬質膜を研磨するのであるから時間がかか
る。本発明の方法では次のようにして研磨速度を速め、
効率を高めることができる。研磨板とウエハ−の接触面
を不連続にすることである。つまり、研磨板と、ウエハ
−の接触面積を限定することにより研磨速度を上げる。
接触面を限定する方法としては、例えば研磨板の研磨面
に格子状（図１３）あるいは同心円状（図１４）のスリ
ットを入れることである。或いは、ウエハ−の硬質物質
表面に格子状、同心円状の未形成分（硬質物質が存在し
ない部分）を設けることにより接触を不連続にする。

【００４４】本発明は、ダイヤモンドを遊離砥粒、また
は固定砥粒として用いてダイヤモンドを共擦りする。遊
離砥粒とする場合は研磨液にダイヤモンド砥粒を混合し
て研磨板の上に供給する。研磨板の上面は適当な金属や
布とする。固定砥粒としてダイヤモンド砥粒を用いる時
は、研磨板そのものをダイヤモンド砥石とする。この場
合、レジンボンド砥石、メタルボンド砥石、電着砥石、
Small Diamond Pellet研磨砥石、Diamond Pellet研磨砥
石を用いることできる。さらに高温に加熱した平滑な金
属が研磨面となっている研磨板を用いて熱化学的にウエ
ハ−を研磨することもできる。

【００４５】

【作用】図３は本発明の研磨方法を行なうための研磨装
置の概略構成図である。これも公転する研磨板と、これ
に接触し自転するホルダ−を用いる。図２の装置と顕著
に異なるのは、ホルダ−が揺動運動をするという事であ
る。

【００４６】研磨板１（研磨定盤）はダイヤモンド粒子
を表面に多数固定したダイヤモンド砥石である（レジン
ボンド、メタルボンド、電着砥石）。これは主軸を中心
として公転する。ホルダ−３は平坦な円板にシャフトが
付いた器具である。硬質ウエハ−２は、ホルダ−３の下
面に緩衝材１１を介して取り付けられる。ホルダ−３
は、シャフト４により傾斜可能で回転力と圧力を伝える
ように支持される。従来のホルダ−はシャフトに対して
傾斜できないが、本発明のホルダ−はシャフトに対して
傾斜できる。緩衝材１１はゴム、プラスチックなどの弾
性のある材料である。

【００４７】緩衝材には二つの役割がある。一つはダイ
ヤモンドを研磨するのに必要な強い負荷によりウエハ−
が破壊されないように圧力を和らげるためである。また
ウエハ−面がホルダ−面に対してわずかに傾くことがで
きるようにする。これは揺動運動をなめらかにしてい
る。

【００４８】シャフト４の上方は駆動部になっている。
ここに軸受とジョイント（図示せず）があり、シャフト
を回転可能に支持する。ジョイントより下の回転可能な
部分にはプ−リがついている。ジョイントの上には、シ
ャフトに圧力を印加するためのシリンダ５がある。ダイ
ヤモンドなどの硬質ウエハ−を研磨するためには大きい
荷重が必要である。シリンダはこの荷重を与えるもので
ある。この荷重はホルダ−の中心に集中荷重を与える。
このシリンダは空気圧または油圧駆動シリンダである。

【００４９】横に延びるア−ム６が、シリンダ５、シャ
フト４等を支持する。モ−タ７がさらにア−ム６の上に
設けられる。モ−タの回転がモ−タプ−リ、ベルト８、
シャフトプ−リを通してシャフト４に伝わる。これによ
りホルダ−３が回転する。ともに硬質ウエハ−も回転す
る。ホルダ−がシャフト周りに自転し、研磨板は回転主
軸（図示せず）の周りに大きく公転する。

【００５０】図４において、ホルダ−３とシャフト４の
結合はフレキシブルジョイント１２としている。これは
ホルダ−に圧力を伝達し回転力を加え、ホルダ−３の傾
きを許すものである。フレキシブルジョイント１２は、
例えば球面状の嵌め合いとすることができる。

【００５１】回転を伝える必要があるので、まわり止め
構造が必要である。シャフト４はこれによりホルダ−３
の中心に集中荷重を加えるようにしている。図５がウエ
ハ−をホルダ−に張りつけた状態を示す。ホルダ−の裏
面中央に硬質ウエハ−２を凸型に固定する。つまりホル
ダ−の裏面に緩衝材１１を張りつけ、この上に凸型を与
えるスペ−サ１４を付ける。この上に硬質ウエハ−２を
固定する。ウエハ−は初めから凸反りのこともある、凹
反りのこともある。平坦なこともある。

【００５２】凹反り、平坦の場合は凸スペ−サを入れる
ことにより凸形状にすることができる。凸形状のウエハ
−が最も多いがこの場合はスペ−サを省くことができ
る。図４のウエハ−の固定は凸反りウエハ−の場合を示
す。凸形状の場合でも、スペ−サを入れてもよい。中央
で張り出すようにしてウエハ−をホルダ−に取り付ける
ということは従来はなかったことである。

【００５３】重要なことは、ホルダ−がシャフトに対し
て傾斜角の変化する揺動運動をするということである。
ここで揺動運動というのは、ホルダ−面が、研磨板面に
対して傾角が０でなく、しかもこれが変動するというこ
とである。ホルダ−は自らの中心軸のまわりを回転（自
転）しながら、傾斜角Φを変えてゆく。つまり２種類の
回転運動が存在する。一つはＺ軸（鉛直軸）周りの通常
の自転である。もうひとつはホルダ−の法線のＹ軸周り
の往復部分回転である。

【００５４】前述のフレキシブルジョイントは、ホルダ
−法線のＹ軸周り回転を許容するものである。フレキシ
ブルジョイントは、回転力を伝えないものであってもよ
いし、回転力を伝えるものであっても良い。前者の場合
は、モ−タのような独立の駆動源を持たず、軸は回転自
在に支持しておきウエハ−を研磨板との接触により自然
のままに自転させる。ホルダ−の軸の内外での周速の違
いにより自然に回転する。この場合フレキシブルジョイ
ントは回転力を伝達しなくても良い。これは連れ廻りで
ある。

【００５５】後者の場合は、独立のモ−タを必要とし、
モ−タの動力により、ホルダ−を強制回転させる。この
場合は、フレキシブルジョイントが回転力を伝達できる
ものでなければならない。図３に示すのはこのようにホ
ルダ−を積極回転させるものである。本発明はいずれの
場合にも適用することができる。

【００５６】凸形状にウエハ−をホルダ−に取付けるこ
ともホルダ−の揺らぎを許す作用がある。しかし、これ
らは揺動運動のための消極的な条件である。積極的にホ
ルダ−を揺動運動させる機構が必要である。以下にこれ
を説明する。ホルダ−に揺動運動を起こさせるために、
ホルダ−の側方を昇降運動する補助的なシャフト１０で
押さえる。中心のシャフト４、補助シャフト１０、研磨
板の主軸は同一平面上にあってもなくても良い。補助シ
ャフト１０の昇降によって、ホルダ−の周面が周期的に
上昇下降する。ためにホルダ−がシャフトの下端の周り
に揺動運動する。

【００５７】補助シャフトが１本だけでもホルダ−周辺
部が上昇下降できるのは、ウエハ−を凸型にホルダ−裏
面に固定しており、ウエハ−の凸曲面がホルダ−の揺ら
ぎを許すからである。説明の便宜のために座標を次のよ
うに定義しよう。縦方向にＺ軸を取る。Ｚ軸が鉛直方向
である。研磨板の主軸がＺ軸である。研磨板の中心を原
点Ｏとする。簡単のため、研磨板主軸、シャフト４、補
助シャフト１０がＸ軸上に並ぶと仮定する（そうでなく
ても良いが座標系を簡単にするためにこのようにす
る。）。Ｚ軸、Ｘ軸に垂直にＹ軸を定義する。

【００５８】シャフト延長と研磨板の交点はＢ（ｂ，
０，０）、補助シャフト延長と研磨板の交点はＣ（ｃ，
０，０）によって表現することができる。ホルダ−の周
縁部には円形の周回溝１３（半径ｆ＝ｃ−ｂ）が穿たれ
ている。これの中を補助シャフト１０が滑動してゆくの
である。ホルダ−３は回転し、補助シャフトは回転しな
い。しかし補助シャフト１０は、小さい振幅で上下運動
する。これが下降するとホルダ−の右側が下がる。これ
が上がるとホルダ−の左側が下がる。これはＺＸ面でみ
れば単に揺動運動である。つまりホルダ−の法線はＺＸ
面への投影において振動しているだけである。

【００５９】図７、図８、図９によってホルダ−、ウエ
ハ−の揺動運動を説明する。図７は簡略化した凸反りウ
エハ−２、主シャフト（Ｈ）４、補助シャフト（Ｊ）１
０、研磨板１などの拡大図である。ウエハ−が球面と仮
定する。主シャフトがＸ軸上のＢ点にあり、補助シャフ
トがＸ軸上のＣ点にある。研磨板が完全に平坦であり歪
まないと仮定すると、ウエハ−と研磨板は軸上の一点Ｇ
において接触するはずである。実際には研磨板、ウエハ
−ともに歪むので接触は厳密な点接触ではない。しかし
その場合でも接触部は狭い円形領域に限られるし、円形
領域の中心点ＧはシャフトＨ、Ｊを結ぶＸ軸上にある。
Ｇ点の座標（ｇ，０，０）を決定する。主シャフトにか
かる力をＨ、補助シャフトにかかる力をＪとする。接触
点Ｇでの反力をＫとする。力と回転モ−メントの釣り合
いから、

【００６０】Ｈ＋Ｊ＝Ｋ、Ｈｂ−Ｋｇ＋ｃＪ＝０

【００６１】という式が成り立つ。これを解いて、

【００６２】ｇ＝（Ｈｂ＋Ｊｃ）／（Ｈ＋Ｊ）

【００６３】を得る。これはウエハ−の曲率や、研磨板
の弾性率、摩擦係数などによらずに決まる。Ｊが０の時
に、Ｇ点はＢ点に重なる。Ｊが増えると接触点Ｇは少し
ずつ外側にずれてゆき、補助シャフトの方に接近してゆ
く。Ｇ点がずれてゆくためにはウエハ−が凸反りである
ことが必要条件になるが、凸反り量には余裕がある。Ｇ
点は、シャフトにかかる力の比によって決まる。他のパ
ラメ−タに依存せずに制御できるということである。Ｇ
点がＢ点に重なっていると研磨部は中心部だけになる。
しかしＧ点がＢ点からずれると、ホルダ−が回転してい
るから、接触部は円になる。Ｇ点がＢ点から離れるに従
い接触円が増大する。

【００６４】図８はウエハ−の傾き角Φの変化を例示す
るものである。は補助シャフトの力Ｊが０であり、ウ
エハ−が水平（Φ＝０）の場合を示す。接触点Ｇ１はウ
エハ−の中心である。は補助シャフトに力Ｊが少し加
わりウエハ−が少し傾いている状態を示す。接触Ｇ２は
中心から少しずれている。は補助シャフトの力Ｊがも
う少し増えた状態を示す。傾き角Φが大きくなり、接触
点Ｇ３がより外側に寄る。は補助シャフトの力がさら
に増えており主シャフトの力が弱くなっている。接触点
Ｇ４がさらに外側に寄っている。は主シャフトの力が
さらに弱く、補助シャフトの力が強くなっている。接触
点Ｇ４が補助シャフトの位置にまで偏ってきている。極
限の状態である。

【００６５】図８はＹＺ面での断面図であるが、実際に
は、ウエハ−が回転しているので、ウエハ−と研磨板の
接触点は円を描く。図１５はこれを示す。Ｇ１での接触
点は中心である。Ｇ２での接触線は小さい円になってい
る。Ｇ３での接触線は少し大きい円になっている。Ｇ４
での接触線は大きい円になる。Ｇ５での接触は最も大き
い円になる。実際は研磨板やウエハ−の歪みがあるの
で、点接触ではなく、その点を中心とした円形の接触面
が形成される。従って、図１５において実際の接触領域
はこれらの円の両側に幾分の幅を持つリング状の領域に
なる。

【００６６】接触点をＧ１からＧ５の方向に変化させる
と、ウエハ−の中央から周辺にかけて研磨が進行する。
反対に接触点をＧ５から、Ｇ１の方向に変化させると、
ウエハ−の周辺から、中央にかけて研磨が進行する。本
発明でウエハ−を凸反りでホルダ−に取付け、ホルダ−
を揺動させるのは、このように接触領域を中心と周辺の
間で自在に変化させるためである。

【００６７】接触点の座標は、主シャフトの力Ｈと、補
助シャフトの力Ｊの比率により、絶対値に依らない。こ
れは全圧力を自在に変更できる制御変数として残してお
くという優れた効果がある。全圧力が自由制御できるの
で、研磨速度を、自在に変化させることができる。ウエ
ハ−の材質、厚み、直径により研磨速度、圧力を変えた
いという場合がある。この場合でも全圧力Ｋ＝Ｈ＋Ｊが
自由変数として残るので制御性が良い。

【００６８】この方法によると、研磨板との接触点Ｇが
ウエハ−の中央Ｂと周辺部Ｃの間を往復運動することが
できる。ために、凸型に取付けたウエハ−の前面を均一
に普く研磨することができる。ウエハ−には初めから凹
部や平坦部がないので、研磨は均一である。未研磨部、
研磨不十分な箇所が残らない。

【００６９】従来法では、凸反りウエハ−は中央部のみ
研磨されて、周辺部を研磨できなかった。凹反りウエハ
−は中間部が未研磨部として残った。ねじれウエハ−は
局所的な凹部が未研磨部となった。しかし本発明は、ウ
エハ−を凸反りとし、ホルダ−面を上下に揺り動かすの
で、中央部も周辺部も一様に普く研磨することができる
のである。このようにホルダ−を揺り動かして凸反りウ
エハ−を研磨するのは従来の研磨技術からは予想もされ
ない、独特の方法である。

【００７０】ホルダ−に取付ける際の好ましい硬質ウエ
ハ−の凸反り量は、ウエハ−の剛性（基板の剛性）とサ
イズによる。直径が１インチ以上で、厚さが０．１ｍｍ
〜２．１ｍｍのウエハ−の場合は、凸反り量は３μｍ〜
５０μｍであることが望ましい。さらに好ましくは凸反
り量が、３μｍ〜２０μｍとする。ここで凸反り量とい
うのは周辺部を含む平面からの中央部の高さを意味す
る。反りの曲率半径Ｒとは、相反する量である。もしも
反りが円形であると仮定すると、ウエハ−の直径をＤと
して、凸反り量Ｈと曲率半径Ｒの間には、Ｒ＝Ｄ² ／８
Ｈの関係がある。ウエハ−の直径が大きくなるに従い、
好ましい凸反り量Ｈは増える。厚さが増えるとやはり好
ましい凸反り量は増える。

【００７１】但し自然状態で凸反りである場合と、平坦
である場合と、凹状態である場合では、好ましい凸反り
量が違う。内部応力が増えると破損しやすいので、自然
状態の反りからあまりに大きい強制彎曲を与えない方が
良い。しかしこの場合でも、３μｍ〜５０μｍの間のい
ずれかの値になる。

【００７２】凹反り、平坦ウエハ−の場合は、強制的に
変形させて凸反りにする。このために先程述べたスペ−
サ１４を用いる。ホルダ−３に緩衝材１１を付け、さら
にスペ−サ１４を挟んで、ウエハ−を固定する。ウエハ
−が初めから凸反りで凸反り量が３μｍ〜５０μｍの場
合は、スペ−サを使わずそのまま緩衝材１１の上に固定
することもできる。この場合でもスペ−サを入れても良
い。

【００７３】図５は緩衝材１１、スペ−サ１４を介して
ウエハ−２をホルダ−に取付けた状態を示す。ウエハ−
が凸反りであり、ホルダ−が傾くので、研磨板との接触
面が移動する。この方法によると、ウエハ−の中央部か
ら周辺部にかけて確実に研磨を進行させることができ
る。あるいは周辺部から中央部に研磨を進行させること
もできる。凹部が存在しないので、研磨不十分な箇所、
未研磨部が残存しない。

【００７４】ホルダ−の中心に集中荷重を加えるのは、
ホルダ−の揺動運動を行ないやすくするためである。緩
衝材をウエハ−とホルダ−の間に挟むのは、研磨時に強
い圧力がかかった場合に、緩衝材が歪むことによりウエ
ハ−にかかる局所的な力を緩和し、ウエハ−の割れを防
止するためである。それだけでなく、ホルダ−が揺動運
動をする時、緩衝材が変形することにより研磨板に対し
てウエハ−を傾斜させることができる。これにより凸反
りの曲率がたとえ不適切であったとしてもウエハ−前面
を研磨することができるようになる。

【００７５】もしも研磨板の同じ箇所にホルダ−が接触
しているとすると、その箇所の砥粒のみが摩耗し円形の
窪みになる。このように凹凸のある研磨板を使うと接触
圧が変動し研磨ムラができる。また研磨板の寿命も短く
なる。これを防ぐために、ア−ムを前進後退させること
により、ウエハ−の接触する領域を半径方向に動かす。
つまり研磨板の円周方向以外の方向にシャフトの位置Ｂ
（ｂ，０，０）を往復させて、ウエハ−と研磨板の接触
面の位置を変化させる。ウエハ−と研磨板の接触面が半
径方向に移動し、摩耗が研磨板の全体に渡って均一に起
こる。ために研磨板の平坦度が良好で寿命が長くなる。

【００７６】図１１、図１２にこれを示す。ホルダ−が
外側のＳ位置と、内側のＴ位置の間を平行移動できると
する。Ｓ位置でのウエハ−と研磨板との接触面は大きい
ド−ナツ型の領域Σｓとなる。Ｔ位置でのウエハ−と研
磨板との接触面は小さいリング状の領域Σｔとなる。こ
れらの領域の幅はウエハ−の直径に等しい。ホルダ−は
連続的にＳ位置とＴ位置の間を動くことができるので、
研磨板の接触面は、中央の小さい円ｍと、外周部の大き
い円ｐで囲まれる大きい面積を占める。この間の全面に
ウエハ−が接触することができる。接触時間を均等にす
ることによって、研磨板の摩耗を均一にすることができ
る。こうすることにより研磨板の平坦度を維持すること
ができる。平坦な研磨板により、ムラのない研磨を可能
にすることができる。研磨板の寿命を延長することもで
きる。

【００７７】本発明の研磨法を使うとダイヤモンドに限
らず、ビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物質の被膜
を、Ｒｍａｘ５０ｎｍ以下、Ｒａ２０ｎｍ以下になるよ
うに研磨することができる。凸反りの形状でホルダ−に
固定し、揺動運動させるので、ウエハ−全体の少なくと
も５０％以上の面積を、Ｒｍａｘ５０ｎｍ、Ｒａ２０ｎ
ｍ以下にできる。また７０％以上の面積をこの粗さ以下
にできる。さらに１００％の面積をＲｍａｘ５００Å
（５０ｎｍ）、Ｒａ２００Å（２０ｎｍ）以下にするこ
ともできる。

【００７８】硬質ウエハ−の被膜の厚みの分布について
述べる。本発明の方法により研磨された被膜の厚みの分
布は±２０％以内にすることができる。これは初めに膜
形成した時の膜厚が均等であるという条件がある。硬質
の膜であり、研磨速度が遅いので初期厚みが一定であれ
ば、研磨後の厚み分布も小さい値になる。

【００７９】さらに本発明によれば、Ｒｍａｘ５００Å
（５０ｎｍ）以下、Ｒａ２００Å（２０ｎｍ）以下の研
磨面の被膜の厚み分布が±１０％以下にすることもでき
る。このためには二つの方法がある。一つは反り量を減
らしてゆく反り量漸減法である。もう一つは強弱二層構
造法である。

【００８０】反り量漸減法…研磨の進行とともに凸反
り量を漸減してゆく方法である。反り量が大きいと中央
部が強く研磨される。中央部の減量が甚だしい。反り量
が小さいと外周部がより強く研磨される。初めに中央部
を強く研磨しておき、徐々に反りを減らすと外周部の研
磨が進行する。このために、全面に渡って一様な研磨が
可能になる。反り量を変化させるという動的な方法は、
きわめて新規なものである。

【００８１】これは次のようにして実行されうる。図９
にこれを例示する。基体に初めに圧縮応力の小さい硬質
膜１を形成しておき、ついで表面近くのみに強い圧縮の
真性応力を持つ硬質膜２を形成する。圧縮応力の異なる
２層膜１、２を形成するのである。研磨の初めは強い圧
縮応力を持つ膜２があり、大きく凸反りになっている。
研磨の進行により表面の硬質膜２が除去される。圧縮応
力の小さい硬質膜１が残る。すると圧縮応力が減少す
る。このために凸反り量が減少する。全体としての圧縮
応力を研磨の進行の関数として変化させることにより、
凸反り量を漸減させることにより周辺部の研磨を増進す
る。このため、厚みが均一化されて厚み分布が小さくな
る。

【００８２】強弱二層構造法…研磨の難易の異なる二
層の硬質膜を基体上に形成し、研磨困難膜を残すことに
より膜厚分布を小さくする方法である。これを図１０に
示す。基体上に初め研磨困難膜を均一に形成する。次い
で研磨容易膜を形成する。容易とか困難と言っても相対
的なものである。ビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物
質であるので研磨は難しいのであるが相対的に容易であ
る膜を表面側に被覆する。ダイヤモンドの場合で言う
と、（１１１）配向の膜は研磨が非常に難しい。（１１
０）配向膜は比較的研磨容易である。気相合成により形
成するダイヤモンドは多結晶でランダムに配向すること
もある。しかし合成条件により配向をほぼ指定できるこ
とが分かってきた。

【００８３】本発明はこのような配向選択性を有効に利
用する。研磨の初めに研磨容易膜が除去される。研磨部
分が中央から表面に広がってゆくと、中央部から研磨困
難膜が露呈してくる。するとこれ以上研磨が進行しな
い。中央部も周辺部も研磨困難膜が露出した状態にな
る。この膜は初めから均一膜になるように形成してある
から、研磨後の膜厚が均一になる。この上に研磨容易膜
を形成してあるので、全面に渡って少なくとも研磨容易
膜の上半は研磨される。従って未研磨部あるいは研磨不
十分な部分が残らないという利点がある。これは凸反り
量を途中で変化させることなく全面を均一膜厚に研磨す
る有力な方法である。

【００８４】本発明の方法が、研磨後の硬質物質膜厚の
一様性に優れていることについて説明した。次に研磨速
度、研磨圧力について述べる。本発明は凸反りにした状
態（凸反り量３μｍ〜５０μｍ）でホルダ−に固定した
ウエハ−を、平坦面を持つ研磨板（研磨盤）に接触させ
る。接触面はウエハ−の一部である。接触部の面積が小
さい。シャフトにより強い荷重をかけることにより硬質
物質をダイヤモンド砥粒で研磨するのであるから、荷重
が重要な役割をする。接触面が狭いので、単位面積当た
りの圧力がきわめて高い。このため研磨の効率が向上す
るし、研磨速度も高くなる。接触面積が小さいので、逆
に荷重を減らして研磨装置の負担を軽減することもでき
る。これはウエハ−を凸反りにして研磨するという本発
明の利点の一つである。

【００８５】さらに接触面を不連続にすることにより接
触面積を減らして単位面積当たりの圧力を増強できる。
これには二つの方法がある。一つは研磨板に格子状、同
心円状の溝を形成する方法である。もう一つはウエハ−
被膜に格子状（図１３）、同心円状の溝（図１４）を形
成することである。接触面積を減らして圧力を増やす点
では同じことである。研磨板に溝を切る方が、ウエハ−
の形状に影響しないのでより便利である。しかしウエハ
−の用途によりウエハ−側に溝を切ることも可能であ
る。

【００８６】凸反りにし研磨すること、及び溝を切るこ
との利点がもう一つある。研磨することにより微粒子が
ウエハ−、研磨板から遊離する。これは不要物であるか
ら速やかに排除されなければならない。本発明ではウエ
ハ−が凸反りであり、接触部が狭く、他の部分が離れて
いる。離隔部が不要物の好適な流路となり排出を促進す
る。図１３、１４のように溝を切ればさらに不要物の排
除が促進される。

【００８７】また強い摩擦によって発熱するから、研磨
面の温度を調節するために冷却水を流すことがある。こ
の場合もホルダ−全面が研磨板に接触していると冷却水
が回らず効果がない。本発明は凸反りでウエハ−を支持
しているから、接触部以外の部分が表面張力を利用して
冷却水を十分に引き込むことができる。冷却媒体の流路
として非接触部が有効に作用する。温度調節を効果的に
迅速、的確に行なうことができる。溝を切ればさらに効
果的である。

【００８８】これまでホルダ−が揺動する場合について
説明してきた。本発明はこの他に歳差運動させることに
より、ホルダ−と研磨板の接触面を変化させることもあ
る。図１６〜１９によって説明する。歳差運動というの
は、回転体の軸が円錐に沿って回転することである。回
転体が軸に平行でなく、回転方向に関して対称の力を受
けると、回転速度の変化はない（エネルギ−変化なく）
が軸が回転する。回転モ−メントをＭとし、これに働く
外力をＮとすると、ＩｄＭ／ｄｔ＝Ｍ×Ｎ（×はベクト
ル積）となる。このために、軸が直角の方向にω＝Ｎ／
Ｉの回転角速度で回転するわけである。これまで説明し
た揺動に比べてかなり複雑な運動である。歳差運動は独
楽の運動としてよく知られている。独楽の軸がゆっくり
と逆円錐を描いて回転するのは重力により、独楽の本体
が下向きの力を受けるからである。歳差運動の回転角速
度は不変であるが、半径が次第に増加するので独楽はや
がて床に接触して倒れてしまう。

【００８９】本発明は、重力ではなく、３本以上の補助
シャフトを用いて強制的に歳差運動を起こさせるのであ
る。図１６に簡単な例を示す。これはホルダ−の上面の
斜視図である。この下に、硬質ウエハ−が下向きに取り
付けてある。ホルダ−の上面の中心には主シャフト４が
あり、ホルダ−を自転させ、圧力をかけるようになって
いる。ホルダ−の上面円周に沿って溝１３がある。補助
シャフト１０が溝１３にはまり込み、回転するホルダ−
を押さえる。補助シャフトは回転しない。溝１３を補助
シャフト１０が滑るようになっている。補助シャフトは
３本以上なければならない。補助シャフトをＪ₁ 、Ｊ
₂ 、Ｊ₃、…Ｊ_n とする。主シャフトには一定の押圧力
をかけ、補助シャフトには一定圧力と正弦関数によって
変化する押圧力をかける。しかもこれらの補助シャフト
に与える圧力は位相が２π／ｎずつ異なるようにする。
すると、ホルダ−にかかる圧力の重心Ｇが中心Ｏから外
れ、一定半径の円の上を動くようになる。

【００９０】そしてホルダ−の下面には球面をした硬質
ウエハ−が張り付けてある。ホルダ−を押し付けるシャ
フトの押圧力の重心が、円を描き、ホルダ−下面が球面
をなすので、ホルダ−は歳差運動をすることになるので
ある。図１８は法線と凸球面の動きの様子を示す。ホル
ダ−が傾くと、接触点が異なってくる。補助シャフトＪ
₁ 、Ｊ₂ 、Ｊ₃ 、…にかける力Ｆ₁ 、Ｆ₂ 、Ｆ₃ 、…を
次のように決める。

【００９１】Ｆ₁ ＝Ｓ＋Ｑｓｉｎ（Ωｔ−２π／ｎ） Ｆ₂ ＝Ｓ＋Ｑｓｉｎ（Ωｔ−４π／ｎ） Ｆ₃ ＝Ｓ＋Ｑｓｉｎ（Ωｔ−６π／ｎ） Ｆ_i ＝Ｓ＋Ｑｓｉｎ（Ωｔ−２πｉ／ｎ） Ｆ_n ＝Ｓ＋Ｑｓｉｎ（Ωｔ）

【００９２】主シャフトの力Ｆ₀ をＲとする。これらの
力は全て下向き平行である。すると、これらの力の合力
Ｔは、これらの力のベクトル和によって単純に与えられ
る。合力の作用点Ｇはこれらの力の重心の位置に等し
い。補助シャフトＪ₁ 、Ｊ₂ 、Ｊ₃ 、…はＸＹ面におい
て回転対称の位置に分布している筈である。つまり

【００９３】 Ｊ₁ （Ｗｃｏｓ（２π／ｎ），Ｗｓｉｎ（２π／ｎ）） Ｊ₂ （Ｗｃｏｓ（２×２π／ｎ），Ｗｓｉｎ（２×２π
／ｎ）） Ｊ_i （Ｗｃｏｓ（２πｉ／ｎ），Ｗｓｉｎ（２πｉ／
ｎ）） Ｊ_n （Ｗ，０）

【００９４】全圧力のＸ成分ＦＸは、 ＦＸ＝ＳＷΣｃｏｓ（２πｉ／ｎ）＋ＱＷΣｃｏｓ（２
πｉ／ｎ）ｓｉｎ（Ωｔ−２πｉ／ｎ）＝（ＱＷ／２）
Σ［ｓｉｎ（ΩＴ）−ｓｉｎ｛（４πｉ／ｎ）−Ω
ｔ｝］＝（ＱＷｎ／２）ｓｉｎ（Ωｔ） となる。ここでΣの和の範囲は、１、２、…、ｎであ
る。対称性から、Σｃｏｓ（２πｉ／ｎ）＝０、Σｓｉ
ｎ｛（４πｉ／ｎ）−Ωｔ｝＝０である。

【００９５】同様に全圧力のＹ成分ＦＹは、 ＦＹ＝ＳＷΣｓｉｎ（２πｉ／ｎ）＋ＱＷΣｓｉｎ（２
πｉ／ｎ）ｓｉｎ（Ωｔ−２πｉ／ｎ）＝（ＱＷ／２）
Σ［−ｃｏｓ（ΩＴ）＋ｃｏｓ｛（４πｉ／ｎ）−Ω
ｔ｝］＝−（ＱＷｎ／２）ｃｏｓ（Ωｔ）

【００９６】この結果、全圧力のＸ成分、Ｙ成分ともに
正弦関数に従って時間変化するということを意味してい
る。重心Ｇ（Ｇｘ，Ｇｙ）の座標を求める。これは全圧
力（Ｈ＋ｎＳ）で、合力のＸ成分、Ｙ成分を割れば良
い。

【００９７】 Ｇｘ＝（ＱＷｎ／２（Ｈ＋ｎＳ））ｓｉｎΩｔ Ｇｙ＝−（ＱＷｎ／２（Ｈ＋ｎＳ））ｃｏｓΩｔ

【００９８】これは円軌跡を表している。シャフトの合
力の重心Ｇは、半径が（ＱＷｎ／２（Ｈ＋ｎＳ））であ
る円を描くということである。それだけではなく、ホル
ダ−の下面には、球面を持つ硬質ウエハ−が取り付けら
れるのである。すると、ウエハ−の研磨板との接触点Ｓ
は、合力の重心Ｇに等しい筈である。これが球面ウエハ
−を取り付けたことの重大な効果である。Ｓ＝Ｇになる
筈である。これはウエハ−が平坦であっては成り立たな
い。ウエハ−がでこぼこであっても成り立たない。凸球
面で接触点が常に一つしか存在しない場合にＳ＝Ｇとい
う関係が成り立つ。

【００９９】すると、合力の重心Ｇは取りもなおさず、
ウエハ−と研磨板の接触点Ｓに等しいのである。さらに
また、凸球面であるから、接触点Ｓの中心からのずれを
ｓとするとウエハ−の曲率半径をＲとして、法線の傾き
角Θは、Θ＝ｓ／Ｒによって与えられる。合力の重心
が、円を描くということを証明した。ウエハ−が凸の球
面であると、重心と接触点が同一であるということも述
べた。接触点のずれｓと法線の傾きΘの関係も与えた。
これらの結果から、ウエハ−と研磨板の接触点は円を描
き、法線の傾きΘは一定であるということが分かる。ｓ
＝（ＱＷｎ／２（Ｈ＋ｎＳ））、Θ＝（ＱＷｎ／２（Ｈ
＋ｎＳ））／Ｒによって与えられる。ホルダ−の法線の
傾きが一定であり、法線が円運動をするから、これは歳
差運動である。歳差運動は、法線が逆円錐を描く運動で
あるから、ウエハ−の非中心部分を研磨することができ
る。

【０１００】しかし純粋の歳差運動であれば、接触点の
中心からのずれｓが不変である。これを接触円と呼ぶ。
ホルダ−が自転していたとしても、これでは研磨できる
のは半径がｓである接触円の近傍の帯状の部分だけであ
る。歳差運動は揺動とは異なり、ホルダ−の法線が円周
方向に運動し、接触点の半径が変わらない。揺動運動は
図７、図８、図１５に示すように接触点半径が変化する
運動である。歳差運動は接触点半径を保存する運動であ
る。両者は相反する運動である。硬質ウエハ−の面を均
等に研磨するには、接触点の半径を変化させなければな
らない。半径はｓ＝（ＱＷｎ／２（Ｈ＋ｎＳ））である
ので、シャフトの力Ｈ、Ｑ、Ｓを変えることによって変
動させることができる。

【０１０１】主シャフトの力Ｈを増やすと、接触円半径
ｓが減る。Ｈを減らすと接触円半径ｓが増える。補助シ
ャフトの定数項Ｓを増やすと、接触円半径ｓが減少す
る。補助シャフトの振動項Ｑを増やすと、接触円半径ｓ
が増大する。パラメ−タは３つあり、主シャフトの力
Ｈ、補助シャフトの定数力Ｓ、振動力Ｑである。これら
のパラメ−タを少しずつ変動させることにより、接触円
半径を変えてゆき、凸球面状ウエハ−の下面の全体を研
磨することができる。補助シャフトの振動項Ｑを小さく
すると、接触円半径ｓをいくらでも小さくすることがで
きる。反対にＱを大きくし、Ｈ、Ｓを下げると接触円の
半径を増やすことができる。

【０１０２】それでは接触円半径の上限について考察し
よう。接触円が最大になるのは、主シャフトの力Ｈが０
である時である。補助シャフトの場合、定数項Ｓが０に
はならない。補助シャフトにかかる力は定数項Ｓと、振
動項ＱｓｉｎΩｔの和であるが、これが常に押圧力を加
えるのであるから、Ｓ≧Ｑでなければならない。等号が
成り立つ時は補助シャフトの力が０になることがあると
いうことである。この場合に接触円半径は最大値を与え
る。最大値は簡単に、ｓ_max＝Ｗ／２である。Ｗは、中
心から補助シャフトの距離である。補助シャフトの距離
の半分が、歳差運動による研磨の場合の最大円半径とな
る。

【０１０３】これは揺動による場合とは違う。揺動の場
合は、接触点の中心からの最大距離はＷであり、補助シ
ャフトの位置いっぱいまで接触点を広げることができ
る。以上は一般論（補助シャフトがｎ個）である。例と
して補助シャフトが４つの場合を図１６、図１７に示
す。図１７において、補助シャフトをＡＢＣＤによって
示す。これらの補助シャフトに定数力Ｓ＋振動力Ｑを加
えると、ホルダ−の接触点は円軌跡を描く。補助シャフ
トに自由自在に任意の力を与えることができるならば、
合力の重心は、四辺形ＡＢＣＤによって囲まれる領域の
どこでも取り得る。しかし、重心が円軌跡を描きしかも
補助シャフトの力が正（圧力のみ）であるという条件が
課されると、合力の重心は半径がＷ／２の円の内部に限
られる。図１７において、斜線部のみに合力重心が存在
する。Ｋ₃ のような接触円は四辺形の内部にあるが、実
は在り得ない。

【０１０４】補助シャフトが３本の場合を図１９に示
す。この場合、正三角形ＥＦＬに接触する円が最大接触
円（ｓ＝Ｗ／２）である。補助シャフトの数を増やして
も、最大接触円を拡大することはできない。しかし力の
配分が楽になるので、この点では、補助シャフトの数が
多いほうが良い。しかし補助シャフトは独立の押圧機構
が必要であるから、補助シャフトの数が多いと、圧力を
かける部分の機構が複雑になる。歳差運動させるための
機構は極めて複雑なものになるが製作できないというこ
とはない。接触円の半径を徐々に増大、あるいは減少す
るようにして、ウエハ−の面を均一に研磨するのが望ま
しい。図２０に示すように、接触点が渦巻き型になるよ
うにすることもできる。接触点距離は０から増大して行
くことも、最大値から減少させることもできる。

【０１０５】以上に説明したものは、研磨装置に一つの
ホルダ−が取り付けられるものであるが、複数のホルダ
−を設けて複数のウエハ−を同時に研磨できるようにす
ることもできる。図２１のように、３つのホルダ−を支
持し、３枚のウエハ−を研磨できるヘッドを３組設けた
装置も利用することができる。ここで、補助シャフト等
の図示を略している。ウエハ−２を下面に張りつけたホ
ルダ−３を主シャフト４によって押さえる。主シャフト
４は中間円板２０によって回転自在に支持される。ア−
ム２６にヘッド２３が固定される。ヘッド２３は共通シ
ャフト２７により回転力を各ホルダ−に与える。

【０１０６】共通シャフト２７の下端には小太陽歯車２
８があり、遊星歯車２９に噛み合っている。遊星歯車２
９は直下の主シャフト４を回転させる。押圧力は、共通
シャフト２７によって与えられる。ホルダ−の自転力
が、ヘッド２３から与えられる。中間円板２０は遊星運
動をする。中間円板の縁には歯車が切ってある。これは
周辺歯車２４と、中央の大太陽歯車２５に噛み合ってい
る。大太陽歯車２５と周辺歯車２４は軸受や回転機構が
あるが、図示を略している。周辺歯車２４が中間円板２
０に対する回転力を与える。この機構は極めて複雑であ
るが、９枚のウエハ−を同時に研磨することができる。
さらにまた、ウエハ−は自転、遊星運動し、研磨板が公
転するので、研磨の一様性がさらに高くなる。請求項６
に定義している。

【０１０７】研磨板（研磨盤あるいは回転定盤）の砥石
面について説明する。一般に砥粒は硬質物質粒子であ
り、ダイヤモンド以外にもある（アルミナ粒子など）。
対象物よりも硬度の高い材料の砥粒を使う。しかし、本
発明は硬質物質（ダイヤモンド、ｃ−ＢＮなど）を対象
にするので、ダイヤモンド以外の砥粒は使えない。ダイ
ヤモンドであっても砥粒も消耗しながら削ってゆく。ダ
イヤモンド粒子が損耗してゆく。

【０１０８】研磨は遊離砥粒を使う方法と、固定砥粒を
使う方法がある。砥粒がそのまま排出される遊離砥粒法
は高価なダイヤモンド砥粒の場合不適当である。また研
磨効率も低い。仕上げ面精度も劣る。スクラッチが発生
することもある。そこで本発明は固定砥粒を使う。固定
砥粒を使う砥石は、砥粒、結合剤、充填剤などにより構
成される。砥粒は細かい硬質の粒である。結合剤は砥粒
を相互に結合し固定するものである。結合剤（ボンド）
に種類によりレジンボンド、メタルボンド、ビトリファ
イドボンド、ゴム砥石などの区別がある。充填剤は固体
粉末で研磨、結合には寄与しない。炭酸カルシウム、ア
ルミナ、炭化ケイ素などの微粉末である。

【０１０９】ダイヤモンド砥石の場合、ダイヤモンドの
体積比率を集中度というパラメ−タによって表現する。
ダイヤモンドが２５％入っている砥石を集中度１００と
いう。集中度は徐々に上がり現在では２００のものがで
きるようになっている。集中度が高い程研磨能力が高
い。

【０１１０】また砥粒の大きさをメッシュ＃で表現す
る。砥粒の平均直径で１インチを割った値である。これ
も砥石のパラメ−タである。これが大きいほど砥粒径が
小さい。小さい程径が大きい。本発明では、研磨板（研
磨定盤）にはレジンボンドダイヤモンド砥石、メタルボ
ンドダイヤモンド砥石、ダイヤモンド電着砥石を使うこ
とができる。またSmall Diamond Pellet研磨砥石や、Di
amond Pellet研磨砥石も研磨板として利用できる。これ
らは砥粒ではなく、ダイヤモンドの小片（ペレット）を
複数個研磨板に固着したものである。

【０１１１】これらのうちで、電着砥石は最も研磨効率
が高い。表面でのダイヤモンド砥粒の存在比率が最も高
いからである。結合剤に頼らずダイヤモンドを電着する
からダイヤモンド密度を高くできる。しかし反面ダイヤ
モンド層が表面１層しか存在しないので、これが摩耗す
るともはや砥石として機能しない。共擦りによって硬質
物質を研磨するので粒子の摩耗が無視できない。つまり
経時変化による劣化が著しい。１層しかないので、他の
砥石のようにドレッシングにより新しい研磨面を出すこ
とができない。

【０１１２】Small Diamond Pellet砥石や、Diamond Pe
llet砥石は、ダイヤモンド粒子密度が高いので、電着砥
石についで研磨効率が高い。摩耗するとドレッシングに
より新しい研磨面を得ることができる。繰り返し初期性
能を回復し何度も使用できるという利点がある。しかし
これらはきわめて高価であるという欠点がある。レジン
ボンド砥石、メタルボンド砥石はともに、ドレッシング
により繰り返し使用でき、前述のものよりも安価である
という利点がある。しかしダイヤモンド砥粒の密度（集
中度に比例）が今なお低いので研磨速度がより遅い。こ
れら二つの中でも、メタルボンド砥石はダイヤモンドの
集中度をより高めることができるから、研磨効率の点で
はより優れている。しかしレジンボンドの方がより安価
である。

【０１１３】これらの砥石は、対象である硬質ウエハ−
の材料、厚み、必要な研磨量などを勘案し適当なものを
選択するべきであろう。以上の説明は常温での硬質ウエ
ハ−の研磨である。固定ダイヤモンド砥粒による機械的
な研磨法である。ダイヤモンドが対象の場合は、砥粒も
対象も共に摩耗する共擦りによる研磨であった。一括し
て常温機械研磨と呼ぶことができよう。

【０１１４】本発明は、高温での化学反応を利用した研
磨法によっても実現することができる。高温化学研磨法
は、平滑な金属板を研磨板（研磨定盤）とする。金属板
と被膜との化学反応を利用し被膜を次第に除去してゆ
く。研磨装置は真空容器の中に設置する。研磨板とウエ
ハ−は真空容器の中に装入される。研磨面の温度を４０
０℃〜９００℃の高温に維持する。酸素、水素、炭化酸
素、炭化水素、不活性ガスのうちから選んだ少なくとも
ひとつのガスを真空容器に導入する。雰囲気制御のため
である。圧力は１０^-3〜１０² Ｔｏｒｒとする。鉄族の
金属はダイヤモンドと高温で反応しダイヤモンド表面を
化学的に除去してゆくことができる。

【０１１５】この場合もウエハ−は凸反り状態でホルダ
−に取付ける。ウエハ−と研磨板の接触面が局所的であ
って、ホルダ−面を傾斜させてウエハ−の中央から周辺
部にかけて全面を研磨するという点は変わらない。

【０１１６】

【実施例】

［実施例１］次の条件で作製した硬質ウエハ−を、本発
明の方法によって加工した。 ｛硬質膜の作製方法｝ 基板として、鏡面研磨した直径
２インチ（５ｃｍ）、厚み１ｍｍの（１００）単結晶Ｓ
ｉウエハ−を用いた。このＳｉウエハ−を、平均粒径
０．５μｍ〜１μｍのダイヤモンド粉末により傷つけ処
理した。これはダイヤモンドの核発生密度を上げるため
である。

【０１１７】公知のフィラメントＣＶＤ装置を用いて、
２０μｍ厚さのダイヤモンド膜をこのウエハ−の上に形
成した。これは支持台の上に、基材を置いて、炭化水素
を含む水素ガスを容器内に導き、フィラメントで加熱し
て原料ガスを分解し、気相反応を起こさせ、反応生成物
を基材に堆積させる方法である。フィラメントには、１
０本のφ０．３ｍｍのＷ線を７ｍｍ間隔で平行に張った
ものを用いた。合成条件は以下のようである。

【０１１８】フィラメント温度 ２１００℃ 原料ガス 水素Ｈ₂ ガス ５００ ｓｃｃｍ メタンＣＨ₄ ガス ５ ｓｃｃｍ 圧力 ５０ Ｔｏｒｒ（６５
００Ｐａ） 基材温度 ９１０℃（試料）、８６０℃（試料）、
８１０℃（試料） ダイヤモンド膜厚 ２０ μｍ

【０１１９】基材はフィラメントによって加熱される。
支持台には冷却機構がある。冷却機構の能力を調整して
基材の温度を任意の値に設定することができる。ここで
は基材温度を９１０℃、８６０℃、８１０℃の３種類に
変えている。これらのウエハ−を試料、試料、試料
とする。温度の違いは反りの違いに現われる。温度が
低いと凸反りになり易い。温度が高いと凹反りになり易
いようである。膜厚は合成時間により調整することがで
きる。いずれも膜厚２０μｍのものを合成した。

【０１２０】各試料について反りは、 試料 ダイヤモンド成長面が凹になり反り量が３０μ
ｍである。＋３０μｍ。 試料 ダイヤモンド成長面に凹と凸のうねりがある。
高低差が５μｍ。 試料 ダイヤモンド成長面が凸であり反り量が２０μ
ｍである。−２０μｍ。 これらを図６に示す。基材温度が高いと凸に反り、基材
温度が低いと凹に反るということが分かる。ここで反り
量はダイヤモンド面に凹型に歪むものを正に、凸に歪む
ものを負に取る。緩衝材としてφ６０ｍｍ、厚み２ｍｍ
の天然ゴムを使って、硬質ウエハ−をホルダ−の中心に
固定した。これらの試料を次の研磨条件によって加工し
た。

【０１２１】｛加工条件｝ 研磨板（研磨盤） ＃４００のダイヤモンド砥粒を電着
した電着砥石 研磨盤直径 ３００ ｍｍ 研磨盤回転数 ８０ ｒｐｍ ウエハ−回転数 ５０ ｒｐｍ 加圧力 ５ ｋｇｆ 揺動運動の回転軸のずれ振幅 １° 研磨時間 ３０Ｈｒ 、８０Ｈｒ （３０時間研磨後の状態）この条件によって３０時間研
磨した。この時のウエハ−の研磨状態を図６に示す。

【０１２２】試料：ダイヤモンド成長面が凹に＋３０
μｍ反っていた試料は中央部と外周部は研磨される
が、外周から５ｍｍ〜１０ｍｍの部分に帯状の未研磨部
分が残った。揺動運動をさせても、凹形状に反っている
から中間部に未研磨の領域が残るのを防止できない。ウ
エハ−の中央にはシャフトにより強い荷重が作用してい
るので、緩衝材の余裕もあって、凸に反り研磨できる。
外周部は研磨板に強く押しつけられるので研磨される。
しかし、外周部と中央部の間の部分は、凹反りを矯正す
る手段がないので凹反りが最後まで研磨板に接触するの
を邪魔してこの部分が未研磨になるのである。凹反りで
はウエハ−を十分に研磨できない。

【０１２３】試料：成長面に凸と凹のうねりがあり、
高低の差が５μｍの試料は、比較的均一に研磨され
る。しかし外周から５μｍ〜１０μｍの部分に未研磨部
分がランダムに残っている。これはウエハ−面に凹凸が
ランダムに存在するからである。

【０１２４】試料：ダイヤモンド成長面が凸に２０μ
ｍ反っている試料は中央部から周辺部に向かって均一
に研磨される。しかし外周部にリング状の未研磨部が残
る。 （８０時間研磨後の状態） 上の状態のものをさらに５
０時間研磨した。

【０１２５】試料：中間のド−ナツ状の未研磨部は縮
小したが依然として残存した。凹反りのものはどうして
も未研磨部が残る。完全に研磨することができない。中
間の凹反りの部分に力がかからないからである。 試料：ランダム分布する未研磨部は幾分縮小した。し
かし残存した。完全に研磨することができない。この試
料は一見平坦に見えるが実は研磨しにくいものであるこ
とが分かる。８０時間かけて研磨できないところがある
のであるから、凹凸ねじれのあるものは事実上完全研磨
できないということである。

【０１２６】試料：凸反りの試料は外周部まで完全
に研磨することができた。未研磨部が全く存在しないよ
うになった。つまり凸反りでホルダ−に取付けるのが良
いということである。

【０１２７】これらの結果からホルダ−に付けるときは
凸反りにするのが良いということがわかる。中央部のシ
ャフトで強い荷重をかけるのであるから、どのような初
期形状でも荷重によって撓み、普く研磨されそうである
がそうでない。初期形状が凹反りのものは中央が未研磨
になるのではなく、中間部が未研磨になる。初期形状が
平坦なものは良好にゆきそうに思えるがそうではない。
短い周期のうねりがあるので、狭い凹部が研磨板に接触
せず未研磨のまま残る。結局凸に反っているものが良い
ということである。

【０１２８】いずれの試料も研磨部の表面粗さは、Ｒｍ
ａｘ１００Å（１０ｎｍ）、Ｒａ５０Å（５ｎｍ）であ
った。デバイスを作製するに十分な平坦さである。試料
は研磨後のダイヤモンド膜厚は２２μｍ±２μｍであ
った。中央部が薄く、外周部が厚かった。

【０１２９】［実施例２］次の合成条件で硬質膜を作製
した試料を本発明の方法で研磨した。 ｛硬質膜の作製条件｝ 鏡面研磨した直径３インチ（７
５ｍｍ）、厚さ１ｍｍ（φ３インチ×１ｍｍｔ）の（１
００）単結晶Ｓｉウエハ−を基板とした。このＳｉ基板
を、平均粒径が０．５μｍ〜１μｍのダイヤモンド粉末
で傷入れ処理をした。これに、ＴＭ₀₁モ−ドを使うマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置により１５μｍ厚みのダイヤ
モンド膜を被覆した。膜の合成条件は、

【０１３０】 原料ガス 水素ガスＨ₂ １０００ ｓｃｃｍ メタンガスＣＨ₄ ２０ ｓｃｃｍ 圧力 ３０Ｔｏｒｒ（４００
０Ｐａ） マイクロ波電力 ９００Ｗ 膜厚 １５μｍ

【０１３１】基材温度 試料：８６０℃（初めの１０
μｍ）＋８００℃（残りの５μｍ） 試料：８２０℃（１５μｍ全部） ウエハ−の反り 試料：凸反り −５０μｍ 試料：凸反り −５０μｍ

【０１３２】基材温度は、支持台の冷却能力を変えるこ
とにより変化させることができる。温度が高い程凹型に
変形する。試料は初めの１０μｍを反りの少ない８６
０℃で合成し、後の５μｍを強い凸反りの温度８００℃
で合成した。最終的には凸反りで凸反り量は−５０μｍ
である。このように途中で合成条件を変えるのは、反り
量の異なる２層を複合し、一方を除去することにより反
り量を途中で相対的に変化させ研磨に及ぼす影響を調べ
るためである。

【０１３３】試料は終始８２０℃で合成した。これも
凸反りで凸反り量は−５０μｍである。試料、共に
全体の反りは同じであるが、内部的には異なる応力をも
っている。緩衝材としてφ８５ｍｍ×１ｍｍｔの天然ゴ
ムを使用して、試料、をホルダ−に固定した。これ
らの試料を本発明の研磨装置によって加工した。

【０１３４】［加工条件］ 研磨盤（研磨板） ＃２７０集中度１００のレジンボン
ドダイヤモンド砥石 研磨盤直径 ３００ ｍｍ 研磨盤回転数 ２００ ｒｐｍ ウエハ−（ホルダ−）回転数 ４０ ｒｐｍ 加圧力 ８ ｋｇｆ 揺動運動の軸ずれ ０．５° 研磨時間 ２０Ｈｒ、５０Ｈｒ

【０１３５】｛２０時間研磨後｝ ２０時間この状態で
研磨した。試料、試料共に、中央部から周辺部に向
かって約７割の領域が研磨されていた。しかし、ホルダ
−に取付けられた状態でのウエハ−の反りは異なる。試
料の反りは凸反りで−２０μｍである。これは大きい
凸反りを与える外側の５μｍ（８００℃で成長）が削ら
れて無くなったために、反りが減ったのである。試料
の反りは凸反りで−４５μｍであった。これは小さい凸
反りになる条件（８２０℃）で全体を成長させているの
で、あまり内部応力が変わらないためである。反りが依
然として残っている。

【０１３６】｛５０時間研磨後｝ さらに３０時間、試
料、試料を研磨した。試料は全体を完全に研磨す
ることができた。下側の皮膜の凸反りが弱くて研磨とと
もに反りが減少するので、外周部まで完全に研磨でき
る。試料はいくら研磨しても凸反りの強い膜が残って
いるので、反りが減らず、外周部が未研磨になった。研
磨できた部分の領域は約８０％であった。つまり次第に
反りが減少してゆくような膜が望ましいということであ
る。

【０１３７】試料は最終的に膜厚が１１μｍ±１．５
μｍであった。中央部が薄く、外周部が厚いという結果
になった。この傾向は試料の場合と同様である。いず
れの研磨面も、表面粗さは、Ｒｍａｘ９０Å（９ｎ
ｍ）、Ｒａ４０Å（４ｎｍ）であった。

【０１３８】［実施例３］次の合成条件で硬質膜を作製
した試料を本発明の方法で研磨した。 ｛硬質膜の作製条件｝ 鏡面研磨した直径３インチ（７
５ｍｍ）、厚さ１ｍｍ（φ３インチ×１ｍｍｔ）の（１
００）単結晶Ｓｉウエハ−を基板とした。このＳｉ基板
を、平均粒径が０．５μｍ〜１μｍのダイヤモンド粉末
で傷入れ処理をした。これに、ＴＭ₀₁モ−ドを使うマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置により２５μｍ厚みのダイヤ
モンド膜を被覆した試料、を作製した。試料は原
料ガスの組成を途中で変化させている。膜の合成条件
は、

【０１３９】 原料ガス 試料初めの２０μｍ 水素ガスＨ₂ １０００ ｓｃｃｍ メタンガスＣＨ₄ １０ ｓｃｃｍ 終わりの５μｍ 水素ガスＨ₂ １０００ ｓｃｃｍ メタンガスＣＨ₄ ３５ ｓｃｃｍ 試料全体の２５μｍ 水素ガスＨ₂ １０００ ｓｃｃｍ メタンガスＣＨ₄ ３０ ｓｃｃｍ 圧力 ４０Ｔｏｒｒ（５３０
０Ｐａ） マイクロ波電力 １０００Ｗ 膜厚 ２５μｍ

【０１４０】基材温度 試料：８５０℃ 試料：８３０℃ ウエハ−の反り 試料：凸反り −３５μｍ 試料：凸反り −４０μｍ

【０１４１】基材温度は支持台の冷却能力を変えること
により変化させる。基材温度が高い程凹型に変形する。
だから試料の方が反りが大きい。

【０１４２】試料は初めの２０μｍをメタンを低濃度
にして合成し、後の５μｍをメタンを高濃度にして合成
した。メタン濃度によりＳｉウエハ−の上にできるダイ
ヤモンド膜の配向が異なる。初めメタンを１体積％と低
濃度にしたのは、（１１１）配向のダイヤモンド膜を形
成するためである。ついでメタンを３．５体積％として
（１１０）配向のダイヤモンドを形成する。つまり試料
は下から２０μｍ（１１１）配向＋１５μｍ（１１
０）配向膜から成るようにしている。

【０１４３】これに反して試料は終始メタン濃度を３
体積％とし、（１１０）配向の膜を形成している。膜は
単結晶ではないが、結晶粒の基板に対する方向をメタン
濃度により制御できる。これは本発明者の発見である。
ダイヤモンドは配向により研磨の難易が異なる。（１１
１）は極めて研磨しにくい。（１１０）は比較的研磨し
やすい配向面である。

【０１４４】緩衝材としてφ８５ｍｍ×１ｍｍｔの天然
ゴムを使用して、試料、５をホルダ−の中央に固定し
た。そして本発明の研磨装置により試料、を研磨し
た。

【０１４５】［加工条件］ 研磨盤（研磨板）：外径１５ｍｍの＃６００集中度１２
０のメタルボンドダイヤモンドペレットを研磨板に張り
付けたダイヤモンドペレット研磨盤

【０１４６】 研磨盤直径： ４５０ ｍｍ 研磨盤回転数： ４０ ｒｐｍ ウエハ−（ホルダ−）回転数： ３０ ｒｐｍ 加圧力： １２ ｋｇｆ 揺動運動の軸ずれ： ０．５° 研磨時間： １５Ｈｒ、３５Ｈｒ

【０１４７】｛１５時間研磨後｝ １５時間この状態で
研磨した。試料、試料ともに、中央部から周辺部に
向かって約７割の領域が研磨されていた。凸型をなすウ
エハ−をホルダ−の揺動運動によって満遍無く研磨板に
接触できるので広い範囲で研磨することができる。

【０１４８】｛３５時間研磨後｝ さらに２０時間、試
料、試料を研磨した。試料、共に全体を完全に
研磨されていた。研磨後のウエハ−の表面粗さは、試料
、試料のいずれもＲｍａｘ１０００Å（１００ｎ
ｍ）、Ｒａ５００Å（５０ｎｍ）であった。

【０１４９】試料の最終的な膜厚は２０μｍ±１μｍ
であった。試料は１５μｍ±５μｍであった。試料
は初めの２０μｍの（１１１）配向膜、次いで５μｍの
（１１０）配向膜を重ねたものである。（１１１）膜は
研磨が特に難しい。試料を研磨すると、初めに研磨速
度の高い（１１０）膜を削ることになる。これが無くな
って、（１１１）配向膜が露呈するともはや研磨がほと
んど進行しなくなる。ために厚い膜厚になる。膜厚のバ
ラツキが±１μｍと極めて小さくなるのもこのためであ
る。（１１１）面にかかると研磨が進行しないから前面
に（１１１）膜が露出してこれが最終研磨面になる。も
ちろん初めの（１１１）配向膜の形成された時の厚みば
らつきが小さいということが必要である。

【０１５０】これに反して試料は全体が研磨速度の高
い（１１０）面であるので、中央部での研磨がどんどん
進行し膜が薄くなる。だから中央が薄く、外周部が厚く
なり膜厚のばらつきが±５μｍにもなるのである。初め
に研磨速度の遅い膜を付け後に研磨速度の速い膜をつけ
ると、上側の膜を全部削った状態で、膜厚が一様になり
膜厚ばらつきを著しく少なくすることができるのであ
る。

【０１５１】

【発明の効果】基体の上に硬質物質を被覆した硬質ウエ
ハ−は基体との熱膨張率の違いなどにより、凸反りまた
は凹反りになることが多い。全体として反りがなくても
うねりがある。このように元々平坦でないウエハ−であ
るから、従来の研磨方法では、全体を研磨することがで
きない。どこかに未研磨部が残る。

【０１５２】本発明は、ウエハ−を凸にしてホルダ−に
取付け、ホルダ−を軸に対してわずかに傾くように揺動
運動をさせることにより、基体の上に硬質被膜を形成し
た硬質ウエハ−を平坦に均一に研磨することができる。
時間をかければ、未研磨部を残さずに研磨することもで
きる。研磨後の粗さは、Ｒｍａｘが５００Å（５０ｎ
ｍ）以下、Ｒａが２００Å（２０ｎｍ）以下になる。さ
らに被覆部の厚さの分布を±１０％以下に抑えることが
できる。

【０１５３】さらに、膜の構造を２層構造にしておき、
初めにより堅い膜、ついでより柔らかい膜を被覆した２
層構造にすると、研磨により上層をほぼ完全に除き、下
の層の大部分を露出させることができる。こうするとさ
らに膜厚の均一性が向上する。硬質膜を気相合成で形成
したとしても、自立膜とする程厚く合成するのは時間と
費用がかかる。半導体材料としての利用においては硬質
膜が薄く存在すれば良いのであるから安価で入手しやす
い基体の上に被膜を形成したもので十分である。しかし
この場合フォトリソグラフィ−などのウエハ−プロセス
を実施するためにウエハ−面は十分に研磨しミラ−ウエ
ハ−としなければならない。本発明によりはじめて、基
体、硬質物質被膜の複合材料ウエハ−をミラ−ウエハ−
にすることができるようになった。硬質ウエハ−の利用
の道を開く重要な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】研磨板を公転させ、ホルダ−のつれ回りを利用
してウエハ−を研磨する従来例に係る研磨装置の概略斜
視図。

【図２】研磨板を公転させホルダ−を自転させてウエハ
−を研磨する従来例に係る研磨装置の概略斜視図。

【図３】研磨板を公転させホルダ−を自転させしかもホ
ルダ−の面を傾けてウエハ−を研磨する本発明の実施例
に係る研磨装置の概略斜視図。

【図４】本発明の実施例に係る研磨装置においてシャフ
トとホルダ−の関係を示す断面図。

【図５】本発明においてスペ−サを介してウエハ−を凸
反りの形でホルダ−に固定した状態を示す断面図。

【図６】初期のウエハ−の反りの状態と研磨後の研磨の
状態の関係を示す図。

【図７】主シャフトと補助シャフトに加える力により、
凸反りウエハ−と研磨板との接触点が決まることを説明
する線図。

【図８】主シャフトの力を漸減し、補助シャフトの力を
増やすことによりウエハ−と研磨板の接触点がウエハ−
の外側に移行してゆくことを説明するウエハ−と研磨板
の概略断面図。

【図９】研磨の進行とともに凸反り量を減らしてゆくた
めのウエハ−の層構造を示す断面図。

【図１０】基体に研磨困難膜と容易膜を形成し容易膜を
削ることにより膜厚分布を少なくすることを説明するた
めの断面図。

【図１１】ホルダ−を平行移動させることにより研磨板
との接触面を半径方向に変化させることを示す平面図。

【図１２】ホルダ−を平行移動させることにより研磨板
との接触面を半径方向に変化させることを示す正面図。

【図１３】接触面を不連続にするためにウエハ−の面に
格子上の溝を設けた例を示す平面図。

【図１４】接触面を不連続にするためにウエハ−の面に
同心円上の溝を設けた例を示す平面図。

【図１５】図８のように接触点が変化したときに研磨板
上での接触点の描く軌跡を示す研磨板平面図。

【図１６】補助シャフトを４本用いて歳差運動を起こさ
せるようにしたホルダ−の上面方向斜視図。

【図１７】補助シャフトを４本用いて歳差運動を起こさ
せるようにしたホルダ−の説明用平面図。

【図１８】歳差運動によりホルダ−法線の方向が逆円錐
に沿って回転することを説明する線図。

【図１９】補助シャフトを３本用いて歳差運動を起こさ
せるようにしたホルダ−の説明用平面図。

【図２０】歳差運動をする場合、力のパラメ−タを徐々
に変化させることにより、接触点が渦巻きを描くように
動くようにしたものを示すホルダ−の裏面の底面図。

【図２１】同時に９枚のウエハ−を研磨できる装置の例
を示す斜視図。

【符号の説明】

１ 研磨板 ２ ウエハ− ３ ホルダ− ４ シャフト ５ シリンダ ６ ア−ム ７ モ−タ ８ ベルト ９ シリンダ １０ 補助シャフト １１ 緩衝材 １２ フレキシブルジョイント １３ 溝 １４ スペ−サ ２０ 中間円板 ２３ ヘッド ２４ 周辺歯車 ２５ 大太陽歯車 ２６ ア−ム ２７ 共通シャフト ２８ 小太陽歯車 ２９ 遊星歯車

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 直治 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号住友電 気工業株式会社伊丹製作所内

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物質
   を基体片側の表面に被覆した硬質膜被覆ウエハ−の被膜
   を研磨するため、シャフトにより傾斜可能に支持される
   円板状のホルダ−の中央にウエハ−を固定し、固定砥粒
   を有する研磨板にホルダ−のウエハ−を当て、ホルダ−
   がシャフトに対して傾斜できるようにシャフトを介して
   ホルダ−の中心に集中荷重を加え、研磨板を軸まわりに
   公転させ、ホルダ−面の研磨板平面に対する傾斜角Φを
   変化させる揺動運動をすることにより、ウエハ−と研磨
   板の研磨面の接触部分を変化させウエハ−の全面を研磨
   するようにしたことを特徴とする硬質ウエハ−の研磨方
   法。
2. 【請求項２】 ビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物質
   を基体片側の表面に被覆した硬質膜被覆ウエハ−の被膜
   を研磨するため、シャフトにより傾斜可能に支持される
   円板状のホルダ−の中央にウエハ−を固定し、平坦な金
   属板よりなる研磨板にホルダ−のウエハ−を当て、ホル
   ダ−がシャフトに対して傾斜できるようにシャフトを介
   してホルダ−の中心に集中荷重を加え、研磨板を４００
   ℃〜９００℃に加熱し、１０^-3〜１０² Ｔｏｒｒの圧力
   の酸素、水素、炭化酸素、炭化水素、不活性ガスの何れ
   かの雰囲気で、研磨板を軸まわりに公転させ、ホルダ−
   面の研磨板平面に対する傾斜角Φを変化させる揺動運動
   をすることにより、ウエハ−と研磨板の研磨面の接触部
   分を変化させウエハ−の全面を研磨するようにしたこと
   を特徴とする硬質ウエハ−の研磨方法。
3. 【請求項３】 ビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物質
   を基体片側の表面に被覆した硬質膜被覆ウエハ−の被膜
   を研磨するため、シャフトにより傾斜可能に支持される
   円板状のホルダ−の中央にウエハ−を固定し、固定砥粒
   を有する研磨板にホルダ−のウエハ−を当て、ホルダ−
   がシャフトに対して傾斜できるようにシャフトを介して
   ホルダ−の中心に集中荷重を加え、研磨板を軸まわりに
   公転させ、ホルダ−面の法線を研磨板面法線周りに回転
   させる歳差運動をすることにより、ウエハ−と研磨板の
   研磨面の接触部分を変化させウエハ−の全面を研磨する
   ようにしたことを特徴とする硬質ウエハ−の研磨方法。
4. 【請求項４】 ビッカ−ス硬度３０００以上の硬質物質
   を基体片側の表面に被覆した硬質膜被覆ウエハ−の被膜
   を研磨するため、シャフトにより傾斜可能に支持される
   円板状のホルダ−の中央にウエハ−を固定し、平坦な金
   属板よりなる研磨板にホルダ−のウエハ−を当て、ホル
   ダ−がシャフトに対して傾斜できるようにシャフトを介
   してホルダ−の中心に集中荷重を加え、研磨板を４００
   ℃〜９００℃に加熱し、１０^-3〜１０² Ｔｏｒｒの圧力
   の酸素、水素、炭化酸素、炭化水素、不活性ガスの何れ
   かの雰囲気で、研磨板を軸まわりに公転させ、ホルダ−
   面の法線を研磨板面法線周りに回転させる歳差運動をす
   ることにより、ウエハ−と研磨板の研磨面の接触部分を
   変化させウエハ−の全面を研磨するようにしたことを特
   徴とする硬質ウエハ−の研磨方法。
5. 【請求項５】 ウエハ−とホルダ−に弾性変形できる緩
   衝材を取付け、さらに緩衝材の上にウエハ−を固定し、
   緩衝材の変形により、研磨板の研磨平面に対してウエハ
   −の被研磨面が傾斜することを可能にしたことを特徴と
   する請求項１〜請求項４の何れかに記載の硬質ウエハ−
   の研磨方法。
6. 【請求項６】 凸型のスペ−サをホルダ−面または緩衝
   材に取付け、スペ−サの上にウエハ−を固定することに
   よりウエハ−の研磨面を凸に反らせ、回転する研磨板面
   に対して、凸反りの状態でウエハ−を支持するホルダ−
   を揺動させ、ウエハ−と研磨板研磨面の接触面を変化さ
   せながら、ウエハ−の全面を研磨し、面粗度Ｒｍａｘ５
   ００Å（５０ｎｍ）、Ｒａ２００Å（２０ｎｍ）以下の
   被研磨面が５０％以上の面積となるように研磨すること
   を特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の硬質
   ウエハ−の研磨方法。
7. 【請求項７】 ホルダ−が回転する研磨板に対して平行
   移動し、研磨板の接触面が半径方向及び円周方向に変化
   するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項６の
   いずれかに記載の硬質ウエハ−の研磨方法。
8. 【請求項８】 ウエハ−を固定して回転運動を行なう複
   数のホルダ−がさらに別の円盤状の固定具に該円盤状の
   固定具の軸心に対して回転対称の位置に据え付けられ、
   該円盤状の固定具が回転する研磨板に対して回転するこ
   とにより、ウエハ−が研磨板に対して自転及び公転する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載
   の硬質ウエハ−の研磨方法。
9. 【請求項９】 直径が１インチ以上で厚さが０．１ｍｍ
   〜２．１ｍｍで、ウエハ−が被膜側に凹反り、凸反り、
   或いは平坦である硬質膜被覆ウエハ−を、３μｍ〜５０
   μｍの凸反り量を持たせるようにホルダ−に取付けて研
   磨することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか
   に記載の硬質ウエハ−の研磨方法。
10. 【請求項１０】 自由状態で被膜面が凸に３μｍから５
    ０μｍ反っているウエハ−を、３μｍ〜５０μｍの凸反
    り量を持たせるようにホルダ−に取付けて研磨すること
    を特徴とする請求項８に記載の硬質ウエハ−の研磨方
    法。
11. 【請求項１１】 硬質被覆層の厚さが５μｍ〜５０μｍ
    のウエハ−を研磨し、研磨後の膜厚分布が±２０％以内
    であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記
    載の硬質ウエハ−の研磨方法。
12. 【請求項１２】 硬質物質の被覆層が研磨のし易さが異
    なる積層構造となっており、基体に接触する内層は研磨
    困難である層であり、外部に露呈する外層は研磨容易な
    層が被覆されており、外側の研磨容易層が全面において
    研磨され、一部では研磨困難層が露呈するようにして膜
    厚の一様性を高める事を特徴とする請求項１１に記載の
    硬質ウエハ−の研磨方法。
13. 【請求項１３】 研磨板の研磨面に溝を設けるか或いは
    硬質ウエハ−の被膜に溝を設けることにより、研磨板と
    硬質ウエハ−の接触面が不連続になっていることを特徴
    とする請求項６、あるいは請求項９〜請求項１２のいず
    れかに記載の硬質ウエハ−の研磨方法。
14. 【請求項１４】 固定砥粒を表面に有し回転する研磨板
    と、硬質ウエハ−を張り付けるべきホルダ−と、ホルダ
    −中心に結合されホルダ−を傾斜可能に支持するシャフ
    トと、シャフトを回転可能に支持するア−ムと、シャフ
    トに荷重をかけるシリンダと、ホルダ−の周縁部を押さ
    える一つまたは複数の補助シャフトと、補助シャフトを
    支持しこれに圧力をかけるシリンダとを含み、補助シャ
    フトの荷重、あるいは主シャフトの荷重と補助シャフト
    の荷重を変化させることにより、ホルダ−面を研磨面に
    対して揺動させるようにしたことを特徴とする硬質ウエ
    ハ−の研磨装置。
15. 【請求項１５】 固定砥粒を表面に有し回転する研磨板
    と、硬質ウエハ−を張り付けるべきホルダ−と、ホルダ
    −中心に結合されホルダ−を傾斜可能に支持するシャフ
    トと、シャフトを回転可能に支持するア−ムと、シャフ
    トに荷重をかけるシリンダと、ホルダ−の周縁部を押さ
    える３つ以上の補助シャフトと、補助シャフトを支持し
    これに圧力をかけるシリンダとを含み、補助シャフトの
    荷重、あるいは主シャフトの荷重と補助シャフトの荷重
    を変化させることにより、ホルダ−面を研磨面に対して
    歳差運動させるようにしたことを特徴とする硬質ウエハ
    −の研磨装置。
16. 【請求項１６】 ホルダ−を支持するア−ムが平行移動
    できて、ホルダ−と研磨板の接触面が研磨板の半径方向
    に移動できるようにしたことを特徴とする請求項１５に
    記載の硬質ウエハ−の研磨装置。
17. 【請求項１７】 研磨板にダイヤモンド砥粒を電着した
    ダイヤモンド電着砥石を用いることを特徴とする請求項
    １４又は請求項１５に記載の硬質ウエハ−の研磨装置。
18. 【請求項１８】 Small Diamond Pellet或いはDiamond
    Pelletを複数個研磨面に固定したダイヤモンド砥石を用
    いることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載
    の硬質ウエハ−の研磨装置。
19. 【請求項１９】 平坦な金属板であり回転する研磨板
    と、硬質ウエハ−を張り付けるべきホルダ−と、研磨板
    またはホルダ−を加熱するヒ−タと、ホルダ−中心に結
    合されホルダ−を傾斜可能に支持するシャフトと、シャ
    フトを回転可能に支持するア−ムと、シャフトに荷重を
    かけるシリンダと、回転するホルダ−の周縁部を押さえ
    る一つ或いは複数の補助シャフトと、補助シャフトを支
    持しこれに圧力をかけるシリンダと、これらを囲む真空
    容器とを含み、補助シャフトの荷重、あるいは主シャフ
    トの荷重と補助シャフトの荷重を変化させることによ
    り、ホルダ−面を研磨面に対して揺動運動或は歳差運動
    させ、高温に加熱された金属と被膜の化学反応により硬
    質物質を研磨するようにしたことを特徴とする硬質ウエ
    ハ−の研磨装置。