| Project/Area Number |
21K03800
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
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Principal Investigator |
吉冨 健一郎 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 教授 (40546149)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 高回転高圧研磨 / 加工レート / 研磨パット / 溝パターン / 水膜ポーラスチャック / スラリ / 高能率研磨 / 高平坦化 / 研磨パッド / 水膜チャック / 半導体デバイス / ディスペンサ |
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| Outline of Research at the Start |
半導体デバイス製造における研磨工程は，副資材である砥粒や研磨パッドの開発は進んでいるが，研磨方法の基本構造は従来から変わっておらず，加工能率を劇的に向上させることが望めない現状がある．本研究では，スラリ（研磨液）の精密強制供給で基板と研磨パッドの接触状態を最適化する研磨手法を提案し，従来型の研磨機では実現不可能な毎分数万回転の工具回転，研磨圧100kPa以上の条件で研磨可能な加工システムを開発することで，今まで実施されていない高回転高圧条件での研磨特性を明らかにするとともに，加工能率を大きく向上させる新しい研磨手法の確立を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
スラリの精密パルス供給研磨システムの構築のために、①高回転研磨用新型工具のスラリ（研磨液）供給特性の評価、②水膜ポーラスチャックの開発、に関する研究を行った。成果を以下に示す。
①これまでに、ディスペンサによるスラリの精密供給、加工域をケーシングで密閉することによるスラリの閉じ込め、高回転下においてスラリを保持するための研磨パッドの渦巻き溝パターン、研磨力を一定に維持する適応制御、の特長をもつ研磨システムを構築した。高速高圧研磨時は加工熱が多量に発生するため、連続加工の実現にはできるだけ多くのスラリを安定して加工域に供給する必要がある。そこで、加工域のスラリ流れの安定化のために、工具中心軸にスラリ圧力を開放する通気孔を採用した新型工具を開発した。加えて、渦巻き溝パターンのパラメータであるランド数および巻き数と、実際に加工域に供給できるスラリ量との関係を実験的に明らかにした。新型工具と最適化した渦巻き溝パターンを用いることで、工具回転数30000rpmにおいても研磨が可能である見通しを得た。
②高回転高圧研磨条件では、加工中のウエハに発生するせん断方向の研磨力が非常に大きくなる。このため、真空ポーラスチャックよりウエハ保持力が高いチャックが必要となることから水膜ポーラスチャックの開発を進めている。本年度は、ポーラス素材の構造と水膜による保持力との関係を明らかにするとともに、新しい極薄水膜形成法を考案し、0.3μm以下の水膜を安定して形成することを可能にした。さらに研磨実験を実施し、水膜ポーラスチャックは研磨圧30kPaの研磨に適用可能であることを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでの成果を踏まえて、新しい試作機の開発を進めている。①加工系、②計測系、③ソフト系、④その他、についての進捗状況を以下に示す。
①従来より高トルク型のスピンドルを採用し、研磨パッドを従来の直径20mmから50mmに大口径化した。3軸力学センサによる研磨圧測定機構を設計した。直径100mmのウエハを加工するための水膜ポーラスチャックシステムを製作した。
②ウエハ全面の形状と厚みの測定システムを構築中である。
③加工中に取得する研磨力データから、加工位置とディスペンサのスラリ吐出条件を制御して研磨状態を任意に変更可能な適応制御加工プログラムを開発した。また、ウエハの形状・厚みデータから平坦化のための加工制御プログラムを製作中である。
④渦巻き溝パターンをCNC加工機で形成することで高精度化を実現した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和６年度の研究推進方策として、①研磨システムの動作確認と特性評価、②高回転高圧研磨実験、を実施する。それぞれの概要および課題を以下に示す。
①通常研磨条件および高回転高圧研磨条件にて、研磨中の加工力変化、ウエハ形状・厚み変化、加工中の温度変化、の測定実験を行う。並行して、加工中のデータを取り込んで処理する適応制御アルゴリズムをテストする。装置特性の評価実験として、ウエハおよび研磨パッドの回転振れ測定、高速度カメラによるスラリ供給状態の観察、本システムでの加工量分布測定を実施する。
②加工可能であることを実証済みの30000rpmまでの高回転高圧研磨特性を明らかにするとともに、適応制御アルゴリズムの検証を行う。
課題として、研磨パッドの大口径化によりウエハと研磨パッドの接触が不均一になることと研磨熱の発生量が増加することが考えられる。対応策として、接触の均一化には研磨パッドの２層化による表面追従性の向上、研磨熱についてはスラリの流れを循環型することによる冷却性向上、を考えている。
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