JP2016155180A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多量のスラリーを無駄に捨てることがなく、スラリー飛散により装置を汚すこともなく、切り屑なども一緒に循環させることによる試料の表面粗さの劣化を防ぎ、さらに、試料を吸着固定する真空チャックによる真空吸引によってスラリーがチャック内に浸透しチャック表面を汚したり真空配管を詰まらせたりするなどの欠点を解決する、高速研磨工具を提供する。【解決手段】研磨工具１面に貼り付けた研磨パッド５表面に渦巻き溝を形成し、研磨工具内にスラリーの循環流路をもつ小型工具を回転し、揺動テーブル上に設置した真空チャックに固定した試料を研磨する研磨装置において、試料周辺を取り囲み、厚さが試料と同じか、わずかに薄く、研磨工具１が試料上を揺動しても、研磨工具１外周がはみ出さない直径をもつ環状板１４を設けることによって、研磨工具１はみ出し時のスラリーの大量消費と飛散を防止することを可能にした。【選択図】図４

Description

本発明は、シリコン基板、ガラス基板、シリコンカーバイト、窒化ガリウム、サファイヤ基板などを平坦に加工する研磨装置に関するものである。

半導体や光デバイスの高密度化や高速度化、低電力化のために、シリコン基板やシリコンカーバイト、窒化ガリウム、サファイヤ基板などに高い平坦性が求められている。とくに、シリコン基板を除く他の基板は、硬くて化学耐性も強く、きわめて長い加工時間を必要としている。

これらの基板( ウエハ) の平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰ(Chemical Mechanical PolishingまたはPlanarization)と呼ばれる研磨技術である。ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用を併用して、ウエハの表面層を除いていく技術である。具体的には、酸、アルカリ、酸化剤などの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布( パッド) で、ウエハ表面を加圧し、相対運動で摩擦することにより研磨を進行させる。

この研磨技術は、未だに多くの課題をもっている。中でも、スラリーやパッド消費量が大きいこと、ウエハ径拡大に伴う装置の大型化、などの問題を解決する方策として、下記非特許文献１に記載のウエハよりも小さいパッドで、ウエハ面を揺動しながら研磨する小径パッド方式が提案されている。この方式では、小さなパッドで研磨するため、装置はウエハ径を基準に小型化することが可能になり、高速・高圧研磨が容易になる利点も有する。

図１ないし図３は、従来の小径パッド方式を用いた研磨装置の一例を示す。
従来の小径パッド方式を用いた研磨装置は、図１に示すように、研磨パッド５を貼った小型研磨工具１を、研磨対象物としての試料２に押しつけながら矢印ａの方向に回転させることにより加工する。試料２は真空ポーラスチャックや真空ピンチャックなどのチャック３により保持され、相対速度を大きくするために矢印ｂの方向に逆回転させることもある。チャックは揺動テーブル４上の台部４ａに搭載され、矢印６の方向に直線揺動される。本装置では揺動を停止し、任意の位置で研磨工具を固定して試料を加工することも可能である。

この研磨装置を高速回転で使用するために、小型研磨工具１上に貼った小径研磨パッド５の表面に、図２に示すスラリーを回収する渦巻き溝７とスラリーをパッド面内に均一供給する格子溝８からなる複合溝が形成され、研磨工具１内には、図３に示すスラリーを循環させる流路１０が設けられている。研磨工具１中心から供給されるスラリー９は、研磨工具１の回転による遠心力により研磨工具１中心から外周に向かって放射状に設けられた循環流路１０を通って、研磨工具１の外周に設けられたスラリー供給孔１１から試料２と研磨パッド５の接触面１２に供給される。研磨工具１は回転しているので、スラリーは、研磨パッド５の表面に形成された渦巻き溝７により研磨工具１中心に回収される。この回収されたスラリーは研磨工具１中心の流入孔１３を通って循環流路１０に戻る。このことによりスラリーの３０％以上が循環し、スラリー消費を抑制できる。矢印はスラリーの流れの方向を示す。

精密工学会誌、Vol ．68、 No ．3 (2002) pp ．461 - 465 2013年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、pp．237 −238

上記図１に示した研磨装置では、図２に示した渦巻き溝７によりスラリーを研磨工具１中心に回収し、そのスラリーを図３に示した研磨工具１内循環流路により循環させることができるので、通常の格子溝だけからなる研磨パッドと比較し、使用するスラリー量を１／３〜１／５に削減できる。さらに、研磨パッド外周５mmの範囲に溝のない研磨パッドを用いて加工すると、スラリーの飛散が抑止されると同時に、加工量は５〜10％向上するが、通常の硬質パッドを用いた場合、切り屑の排出が悪くなるので表面粗さが劣化する。

これらのスラリーの削減は研磨工具が試料からはみ出さない限り可能であるが、研磨工具が試料からはみ出すと、スラリーは研磨工具の高速回転により飛散し、渦巻き溝によるスラリー回収も不可能になるので、スラリー消費量が増大する。一方、研磨工具のはみ出しは、この小径パッドを用いる方法では試料平坦化に必要不可欠なものであり、したがって、はみ出すと同時に大量のスラリーが消費されることになる。また、試料の固定には真空チャックが用いられているためスラリーをチャック内や真空配管内に吸い込むことになり、チャックの表面汚れや配管詰まりの原因となっている。

本発明は上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、試料の外周を囲み、研磨工具が揺動したとしても工具外周が試料からはみ出さない大きさをもつ、試料厚とほぼ等しい環状板を備えて、研磨工具が試料からはみ出した場合もスラリー消費を抑える。

また、本発明では、スラリーを強制的に吸引・送出する吸引装置や送出装置を備えて、スラリーの消費をより少なくし、飛散を防止し、循環を促進させる。

しかも、循環流路、もしくは吸引配管にフィルタを設けて、切り屑や凝集したスラリーを取り除くことができる。

さらには、試料の固定に下記非特許文献２に記載の水膜チャックを使用することでチャック内へのスラリー吸い込みを生じさせない研磨装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、図４（ａ）、（ｂ）の第１の実施の形態に示すように、試料２を固定したチャックプレート３と、試料周辺を取り囲み、厚さが試料と同じか、わずかに薄く、小型研磨工具１が試料上を両矢印１５の範囲で直線揺動しても、小型工具の外周がはみ出さない外径をもつ、チャックプレート３に固定された環状板１４から構成される。

さらに、図５の工具詳細図に示す研磨工具１内には、スラリーが循環する循環流路１０の工具中心を通る流路にフィルタ１６が設けられている。図２に示したパッド表面に形成された渦巻き溝７によってスラリー流入孔１３に回収されたスラリーは、このフィルタ１６を通過し、工具中心から供給されるスラリーと併せて循環流路１０を通って、試料面に再度供給されることを特徴としている。

図６の工具詳細図に示すように、スラリー流入孔１３に回収されたスラリーは、スラリー吸引配管１８に連結された吸引装置( 図示せず) によって、工具中心に設置された配管中を吸引スラリー１７となって流れ、フィルタ１６を通過して、スラリー回収ボックス( 図示せず) に回収される。回収されたスラリーは新しいスラリーと併せられて、スラリー送出装置( 図示せず) によりスラリー供給配管１９を通って、工具中心に設置された配管内を供給スラリー９として送り込まれ、循環流路１０を通って試料面に再度供給されることを特徴としている。

上記第１の実施例では、試料２が１個の場合について示したが、図７（ａ）、（ｂ）に示す第２の実施例では、チャック中心に対し7 個の試料２が稠密に配置される。チャックプレート３と研磨工具１は加工量を増加させるために矢印で示すように反対方向に回転させられ、研磨工具は環状板１４をはみ出さない両矢印で示す揺動範囲１５内で直線揺動させられる。試料２は表面が鏡面に磨かれた平面チャックプレート３上に厚さ１μm 以下の水膜によって固定されている。これらの試料を挿入できるように試料直径よりわずかに大きな７個の穴があいた、高さが試料の厚さに等しいか、もしくはわずかに厚さの薄い円板が、このチャックプレート３に厚さ１μm 以下の水膜、もしくはさらにせん断強度の大きいシリコーン樹脂製、アクリル製、合成ゴム製粘着テープや両面接着テープ２０などにより貼り付けられていることを特徴としている。

上記環状板１４は、その厚さが試料の厚さと等しいか、それより数１０μm 〜0 ．１mm程度厚さの薄く、その穴径は試料より０．１〜２mm大きいものが使用される。その素材は、試料より加工しにくいセラミックス材料、または金属、および試料に傷を付けにくい無機または有機の樹脂材料などにより作製される。

環状板１４には、板厚さが研磨対象物よりわずかに厚く工具と台座に挟み込まれることで研磨対象物と厚さが等しくなるような変形しやすい樹脂材料などを用いても良い。

本発明に係わる研磨装置においては、試料の回りに試料厚とほぼ等しいか、わずかに厚さの薄い環状板が設置され、研磨工具はこの環状板からはみ出すことなく揺動されるので、スラリーの消費量を大幅に削減できる。また、環状板の厚さが試料と等しいか、わずかに薄いだけなので、試料と環状板のすきまは小さくなり、遠心力によって飛散するスラリーをきわめて少なくでき、飛散による装置の汚れをなくすことができる。

研磨工具内に設けられたスラリーを循環させる循環流路やスラリーを吸引する吸引配管にフィルタを設けることにより、研磨による切り屑や凝集スラリーなどを取り除くことができるので、試料の表面粗さを向上できる。

一方、従来から使用されてきた真空チャックに変えて、水膜チャックを用いることにより環状板と試料のすきまから浸入するスラリーがチャック内に吸い込まれることがなくなり、チャック面を常時清浄に保つことができるので、薄板を研磨したさいに、ゴミが試料とチャック面間へ挟み込まれることによって生じる研磨ディンプルの発生を防ぐ効果をもつ。

（ａ）、（ｂ）は従来の小型研磨工具を用いて揺動研磨を行っている研磨装置の一実施例を示す模式図および正断面図である。 従来の渦巻き溝と格子溝をもつ研磨パッドを貼った研磨工具の図である。 従来の循環流路をもつ研磨工具内部における、中心から外周に向かって放射状に流れ、工具中心に戻るスラリー流れの模式図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る研磨装置の一実施例を示す平面図および正断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るスラリー流れを含む研磨工具の詳細図である。 本発明の第１の実施形態に係るスラリー流れを含む研磨工具の詳細図に、スラリー吸引配管と供給配管を加えた図である。 （ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る研磨装置の一実施例を示す平面図および正断面図である。

図４乃至図６は、本発明の第１に実施形態を示す。
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明に係わる冷凍ピンチャック装置の第１の実施形態を示す平面図とＢ−Ｂ’断面図である。
図に示すように、試料２と試料厚とほぼ等しいか、もしくは厚さの薄い環状板１４をチャックプレート３上に固定し、試料の１／２から２／３の直径をもつ研磨パッド５を貼った研磨工具１を回転揺動しつつ試料を研磨する。揺動範囲は両矢印１５で示す範囲であり、環状板１４からはみ出ることはない。

この研磨工具内には、図５に示すスラリーが循環する循環流路１０が設けられているので、研磨工具中心から供給されるスラリー９は、研磨工具回転による遠心力により研磨工具中心から研磨工具外周に向かって矢印の方向に流れ、スラリー供給孔１１から試料２と研磨パッド５の接触面１２に供給される。供給されたスラリーは、図２に示す研磨パッド表面に形成された渦巻き溝７によって研磨工具中心に回収され、スラリー流入孔１３を通って循環流路１０に戻る。この研磨工具中心の流路にはフィルタ１６が設けられているので、切り屑などが除去され、試料２の表面の表面粗さなどを劣化させることはない。

図４に示すように研磨工具が試料からはみ出た場合、スラリー供給孔１１から試料とパッド面に供給されたスラリーは、研磨工具の遠心力により環状板と研磨工具のすきまを通って研磨工具外に逃げようとするが、すきまが小さいためその量は少なく、ほとんどのスラリーはパッド表面に形成された図２に示す渦巻き溝により研磨工具中心に回収される。さらに、パッド外周５mmの範囲に溝のない研磨パッドを貼り付けた渦巻き研磨パッドを用いて加工すると、スラリー消費は一層少なくなり、加工速度も向上し、スラリーの飛散も防止できる。

一方、図５の構造に加えて、図６に示すように工具中心にあるスラリー流入孔１３に回収したスラリーを、吸引装置( 図示せず) に繋がる吸引配管に吸引することにより回収するスラリー量を増やし、すきまから流れ出るスラリーをさらに少なくできるので、スラリー消費量を極限まで減らすことができる。

同時に、供給配管１９から流すスラリーへ内圧をかけることにより循環するスラリーを適度に増量することによってスラリーの循環を促進し、パッド焼き付けのない省エネ型の高速・高圧研磨を実現できる。

この時、かける内圧は、すきまから漏れ出るスラリーが増加しない程度に抑え、吸引圧と工具回転速度に応じて制御する必要がある。排出配管１８にはフィルタ１６が設けられ、切り屑や凝集したスラリーなどを除去するので試料の表面粗さが劣化することはない。このフィルタは砥粒粒度に適合した、スラリーの通過をできるだけ妨げないたものが用いられる。

図７（ａ）、（ｂ）は、本発明に係わる研磨装置の第２の実施形態を示す平面図とＢ−Ｂ’断面図である。
図７は、多数枚の試料を同時に研磨する場合の環状板１４の一実施例である。試料は稠密に配置され、研磨工具１との間で互いに相対運動を行いつつ、加圧されて研磨される。試料２と試料直径よりわずかに大きな多数の嵌合穴１４ａをもつ、高さが試料の厚さに等しいか、もしくはわずかに厚さの薄い環状板１４は、チャックプレート３上に水膜( 図示せず) によって固定される。

研磨工具中心からスラリーが供給され、研磨が始まるとスラリーは環状板１４に開いた嵌合穴１４ａと試料２のすきまに浸入する。しかし、真空チャックを用いた場合のようにチャック内部や真空配管内部にスラリーが吸い込まれることはなく、すきまに溜まって止まる。予めこのすきまにスラリーが溶け込まない溶液などを満たしておくと、すきまへのスラリー浸入を抑制することもできる。水膜２０によって試料の横方向への力を支えきれない場合には、水膜に換えて、さらにせん断強度の大きいシリコーン樹脂製、アクリル製、合成ゴム製粘着テープや両面接着テープなどを用いて貼り付けても良い。また、本実施例では試料を水膜で固定したが、水張りなどの従来の固定方法を利用しても良い。

なお、上記実施の形態においては、環状板に７個の嵌合穴を設けたが、この個数は試料数に合わせて設ければ良い。また、試料の形状に応じて矩形、六角形、菱形など自由な形状の穴をもつものを利用しても良い。
同様に、上記実施の形態１，２においては、円形のチャックプレート３を設けたが、矩形、楕円等のチャックプレートを設けても良い。また、上記実施例においては、スラリーの吸引配管側にフィルタを設けたが、送出配管側に設けても良い。

上記実施の形態においては、直線揺動の例について示したが、円弧揺動など、どのような揺動にも適用でき、研磨工具の揺動範囲が環状板をはみ出さなければ良い。また、試料は薄板の場合について示したが、厚板やブロックなどにも適用でき、そのさいは環状板内に試料を載置するだけでも良い。さらに、上記実施例では、試料と工具が互いに回転する場合について示したが、工具だけが回転する装置について適用しても良い。

１…研磨工具、２…試料、３…チャック、４…揺動テーブル、５…研磨パッド、６…揺動方向、７…渦巻き溝、８…格子溝、９…供給スラリー、１０…循環流路、１１…スラリー供給孔、１２…試料と研磨パッドの接触面、１３…スラリー流入孔、１４…環状板、１５…揺動範囲、１６…フィルタ、１７…吸引スラリー、１８…スラリー吸引配管、１９…スラリー供給配管

Claims (8)

1. 研磨対象物表面の凹凸を研磨により取り除いて平坦化、もしくは、平滑化するために、研磨対象物表面に対向して研磨パッドを有する研磨工具を回転させて研磨加工する研磨装置において、
   前記研磨対象物の周囲を取り囲むように、研磨対象物と厚さの等しい、もしくは、厚さの薄い環状板を設け、前記研磨加工時に、前記研磨工具の前記研磨パッドの外周が環状板の外周からはみ出さないようにして研磨加工させるようにしたことを特徴とする研磨装置。
2. 請求項１に記載の研磨装置において、
   前記環状板は、前記研磨対象物よりも数１０μm 〜0.１mm程度厚さの薄い形状であることを特徴とする研磨装置。
3. 請求項１に記載の研磨装置において、
   前記環状板は、前記研磨対象物よりわずかに厚く変形しやすい形状であることを特徴とする研磨装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の研磨装置において、
   前記研磨工具の、前記研磨対象物と対向する工具面に、スラリーを回収する渦巻き溝を形成した前記研磨パッドを設け、研磨工具にスラリー循環流路を有し、循環流路に接続して、加工液を強制的に吸引する吸引装置を設けたことを特徴とする研磨装置。
5. 請求項４記載の研磨装置において、
   前記吸引装置により吸引された加工液を、強制的に前記研磨工具の前記スラリー循環流路に送出させる送出装置を併せて設けたことを特徴とする研磨装置。
6. 請求項４又は５記載の研磨装置において、
   前記循環流路及び前記吸引装置の吸引配管に、フィルタを設けたことを特徴とする研磨装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載の研磨装置において、
   前記研磨対象物を水膜チャックにより研磨対象物の設置台上に固定したことを特徴とする研磨装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項記載の研磨装置において、
   前記環状板には、複数個の前記研磨対象物が嵌合保持される複数個の嵌合穴が形成され、前記研磨工具の前記研磨パッドの外周が環状板の外周からはみ出さないように研磨作動させることにより、複数個の研磨対象物を研磨加工させるようにしたことを特徴とする研磨装置。