JP2006224252A

JP2006224252A - 研磨装置

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Publication number: JP2006224252A
Application number: JP2005041950A
Authority: JP
Inventors: Junji Watanabe; 純二渡邉; Kazuyuki Yokomine; 和幸横峯; Hideaki Ishii; 秀明石井
Original assignee: Kumamoto University NUC
Current assignee: Kumamoto University NUC
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】均一性の高い研磨および高速研磨を可能とする研磨装置を提供する。
【解決手段】研磨パッド１１は、その研磨面が被研磨材料Ｍにおける被研磨面Ｅ１の表面積より小さく、かつヤング率が１０ＭＰａ以上である。被研磨面Ｅ１には、研磨剤供給部１２から光触媒作用を有する研磨剤１２Ｃが供給される。研磨剤１２Ｃおよび被研磨面Ｅ１には、光照射部１３から、研磨剤１２Ｃおよび被研磨材料Ｍのいずれのバンドギャップよりも大きなエネルギーに相当する波長の光が照射される。研磨面Ｅ２から被研磨面Ｅ１へ押圧力が加わると共に、研磨面Ｅ２と被研磨面Ｅ１とが相対移動することにより被研磨面Ｅ１が研磨される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被研磨材料を化学的機械的に研磨するための研磨装置に係り、特に光触媒作用を利用して被研磨材料を化学的に研磨する研磨装置に関する。

従来、研磨装置では、研磨パッドとして、被研磨材料の被研磨面の面積より大きく、かつ軟らかい研磨面を有するものを用いて、被研磨材料の被研磨面全体を同時に研磨する方式が主に採用されている（特許文献１）。しかしながら、このような研磨方式では、研磨パッド側の研磨面が研磨剤を介して被研磨面の溝の内部や底部に接するため、被研磨面に微小なうねりが生じる。このため、高度な均一性が求められる平坦化加工には適さないという問題があった。また、硬度が非常に高い被研磨材料を研磨しようとする場合には、研磨速度が非常に遅くなり、従ってスループットが著しく低くなる。このため、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（窒化ガリウム）またはダイヤモンドなどの硬度が非常に高い被研磨材料については、この研磨方式は適さないという問題があった。

特開２００４−２６６２２８号公報

前者の問題を克服するためには、例えば、研磨面の硬度を高くすること、また、後者の問題を克服するために、例えば、研磨粒子としてダイヤモンド粒子を用いることが考えられる。しかしながら、これらの方法では、かえってスクラッチ（傷）などのダメージを被研磨面に対して与えてしまい、被研磨面の表面の均一性が悪化してしまうという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、均一性の高い研磨を可能とすると共に、高速研磨を可能とする研磨装置を提供することにある。

本発明の研磨装置は、以下の構成要素（Ａ）〜（Ｆ）を備えたものである。
（Ａ）被研磨材料を支持する支持手段
（Ｂ）被研磨材料の被研磨面の表面積より小さく、かつヤング率が１０ＭＰａ以上の研磨面を有する研磨パッド
（Ｃ）光触媒作用を有する研磨粒子を含む研磨剤を前記被研磨材料上に供給する研磨剤供給手段
（Ｄ）研磨粒子および被研磨材料のいずれのバンドギャップよりも大きなエネルギーに相当する波長の光を、被研磨材料上の研磨剤および被研磨材料に照射する光照射手段
（Ｅ）光が照射された研磨剤を介して研磨パッドと被研磨材料との間に押圧力を加える圧力印加手段
（Ｆ）研磨面と被研磨面とを相対的に回動させる回動手段

本願発明の研磨装置では、ヤング率が１０ＭＰａ以上の研磨面によって被研磨面が研磨される。これにより、研磨面の凸部のみを選択的に除去することが可能となる。

また、本願発明の研磨装置では、被研磨材料の被研磨面の表面積より小さな研磨面によって被研磨面が研磨される。このため、研磨面の被研磨面に対する投影面積が被研磨面の表面積よりも小さくなるので、研磨粒子を含む研磨剤を被研磨面に直接供給することが可能となると共に、被研磨面に直接供給された研磨剤および被研磨面に対して直接光を照射することが可能となる。その結果、光のエネルギーを吸収して光触媒として作用するようになった研磨粒子を、光触媒作用が失われる前に速やかに被研磨面のうち研磨面と対向する領域へ送り込むことが可能となる。また、光化学反応により被研磨面が酸化される。ここで、光触媒作用とは、光エネルギーによって生じる触媒作用のことであり、光化学反応とは、光エネルギーを吸収した物質の物理的、化学的性質が変化する反応のことである。

本発明の研磨装置によれば、被研磨面の表面積より小さく、ヤング率が１０ＭＰａ以上の研磨面を有する研磨パッドによって被研磨面を研磨するようにしたので、被研磨面の凸部のみを選択的に除去することができ、その結果、被研磨面に微小なうねりが生じることはない。これにより、均一性の高い研磨が可能である。

また、被研磨面の表面積より小さな研磨面を有する研磨パッドによって被研磨面を研磨するようにしたので、光照射手段から被研磨面上の研磨剤および被研磨材料に直接光を照射することができる。これにより、光触媒作用および光化学反応を利用して被研磨面を酸化することができるので、例えば、ＳｉＣなどの非酸化系セラミックスのように硬度の非常に高い材料であっても容易に研磨することができる。さらに、光のエネルギーによって光触媒として作用するようになった研磨粒子を、光触媒作用が失われる前に速やかに被研磨面うち研磨面と対向する領域へ送り込むようにしたので、研磨粒子の光触媒作用により被研磨面をより容易に酸化することができ、ゆえに高速研磨が可能となる。

また、研磨パッドを複数備えるようにした場合には、飛躍的に高速に研磨することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る研磨装置１の概略構成を表したものである。図２は、本実施の形態の研磨装置１の構成要素の一部を拡大したものである。この研磨装置１は、支持部材１０（支持手段）、研磨パッド１１、研磨剤供給部１２（研磨剤供給手段）、光照射部１３（光照射手段）、支持部材駆動部２０（圧力印加手段、回動手段）および研磨パッド駆動部２１（圧力印加手段、回動手段）により構成されている。

支持部材１０はＺ軸に垂直な平面を有する円板を含んで構成されており、その平面上に被研磨材料Ｍ（例えば、半導体基板）をその被研磨面の裏側から着脱可能に保持するための保持機構（図示せず）を有している。この支持部材１０は支持部材駆動部２０により駆動されるようになっている。支持部材駆動部２０は、Ｚ軸に平行な方向に回転軸２０Ａを有しており、保持機構により保持された被研磨材料ＭをＺ軸に垂直な面内で回転させるものである。

研磨パッド１１は、図２に示したように、ヤング率が１０ＭＰａ以上の円板形状の石英により形成されている。この研磨パッド１１は、被研磨材料Ｍにおける被研磨面の面積よりも小さな面積で、かつＺ軸に垂直な平面１１Ａと、この平面１１Ａの外縁に設けられた周面１１Ｂとを有している。また、研磨パッド１１は、研磨パッド駆動部２１から延長され、Ｚ軸に平行な棒状のロッドに着脱可能に接続されている。研磨パッド駆動部２１は、Ｚ軸に平行な方向に回転軸２１Ａを有しており、研磨パッド１１を介して支持部材１０上に保持された被研磨材料Ｍに対して押圧力を加えると共に、平面１１ＡをＺ軸に垂直な面内で回転させ、Ｘ−Ｙ平面内で任意の方向に移動させることができるようになっている。

研磨剤供給部１２は、研磨剤１２Ｃを貯蔵した貯蔵部１２Ａと、この貯蔵部１２Ａから研磨剤１２Ｃを吐出するための研磨剤吐出部１２Ｂとを備えている。研磨剤吐出部１２Ｂの先端は、支持基板１１のうち被研磨材料Ｍと接する部分と所定の間隔を有する位置にあり、被研磨材料Ｍの被研磨面Ｅ１に吐出するようになっている。

研磨剤１２Ｃは、研磨粒子１２Ｃ−１が分散媒１２Ｃ−２中に分散されたものである。ここで、研磨粒子１２Ｃ−１は、光触媒作用を有する粒状の物質、例えば粒径０．１μｍ以下のＴｉＯ₂（二酸化チタン）で構成されており、研磨粒子１２Ｃ−１を構成する物質のバンドギャップＥｇ以上のエネルギーを持つ光Ｌ（ＴｉＯ₂のバンドギャップは３．０〜３．２ｅＶなので、ＴｉＯ₂を研磨粒子１２Ｃ−１として用いた場合には、波長が４１３ｎｍ〜３８７ｎｍより短い紫外光）のエネルギーを吸収した場合には、活性化して近接する物質を強力に酸化する作用を有している。また、研磨パッド１１によって押圧力が加えられた場合には、研磨粒子１２Ｃ−１は被研磨材料Ｍを研磨する作用を有している。一方、分散媒１２Ｃ−２は、極性溶媒、例えばＨ₂ＯやＨ₂Ｏ₂であり、研磨粒子１２Ｃ−１が凝集して所望の粒径よりも大きくなることを抑制する作用を有している。

光照射部１３は、光源１３Ａを光導波部１３Ｂの一端部に備えたものである。光導波部１３Ｂの他端側は支持基板１１のうち被研磨材料Ｍと接する部分と所定の間隔を介して配置されており、光源１３Ａからの光Ｌを研磨パッド１１による研磨面に導くようになっている。

次に、本実施の形態の研磨装置１の作用・効果について説明する。

本実施の形態の研磨装置１では、まず、支持部材１０の平面上に被研磨材料Ｍが載置されると、保持機構により被研磨材料Ｍが保持される。その後、支持部材駆動部２０が作動し、保持された被研磨材料ＭがＺ軸に垂直な面内で高速回転（例えば、５００ｒｐｍ〜１０００００ｒｐｍ程度の回転数）する。

次に、研磨剤１２Ａが研磨剤供給部１２から被研磨材料Ｍの被研磨面Ｅ１に吐出されると共に、光照射部１３から研磨粒子１２Ｃ−１のバンドギャップよりも大きなエネルギーに相当する波長の光Ｌが被研磨面Ｅ１に吐出された研磨粒子１２Ｃ−１に照射される。この際、光Ｌは、被研磨面Ｅ１全体に照射されてもよいが、図１に示したように、被研磨面Ｅ１のうち研磨パッド１１の研磨面Ｅ２と接している領域の近傍であって、被研磨面Ｅ１の回転により研磨面Ｅ２と直ちに接することとなる領域にのみ照射するようにしてもよい。いずれにしても、光のエネルギーを吸収して光触媒として作用するようになった研磨粒子１２Ｃ−１を、光触媒作用が失われる前に速やかに被研磨面Ｅ１のうち研磨面Ｅ２と対向する領域へ送り込む必要がある。

続いて、研磨パッド駆動部２１により、研磨パッド１１を介して支持部材１０上に保持された被研磨材料Ｍに対して押圧力（例えば、１ｋＰａ〜１Ｍｐａ程度の圧力）が加わると共に、研磨パッド１１がＺ軸に垂直な面内で高速回転（例えば、５００ｒｐｍ〜１０００００ｒｐｍ程度の回転数）し、かつＸ−Ｙ平面内で移動する。但し、被研磨材料Ｍおよび研磨パッド１１のいずれか一方を回転させるだけで十分な研磨速度が得られる場合や、十分な均一性が得られる場合には、いずれか一方を回転させるだけでもよい。

これにより、研磨粒子１２Ｃ−１の光触媒作用により被研磨面Ｅ１が局所的に酸化されると共に、被研磨面Ｅ１から酸化された部分が研磨パッド１１によって除去される。

このように、本実施の形態によれば、被研磨面の表面積より小さく、ヤング率が１０ＭＰａ以上の研磨面Ｅ２を有する研磨パッド１１によって研磨するようにしたので、被研磨面Ｅ１の凸部のみを選択的に除去することができ、よって、被研磨面Ｅ１に微小なうねりが生じることはなく、均一性の高い研磨が可能となる。

また、被研磨面Ｅ１の表面積より小さな研磨パッド１１によって研磨するようにしたので、光照射部１３から被研磨面Ｅ１上の研磨粒子１２Ｃ−１および被研磨面Ｅ１に対して直接光を照射することができる。これにより、光触媒作用および光化学反応を利用して被研磨面Ｅ１を酸化することができ、例えば、ＳｉＣなどの非酸化系セラミックスのように硬度の非常に高い材料であっても容易に研磨することが可能になる。さらに、光のエネルギーによって光触媒として作用するようになった研磨粒子１２Ｃ−１を、光触媒作用が失われる前に速やかに被研磨面Ｅ１のうち研磨面と対向する領域へ送り込むようにしたので、研磨粒子１２Ｃ−１の光触媒作用により被研磨面Ｅ１をより容易に酸化することができ、ゆえに高速研磨が可能となる。

従って、本実施の形態の研磨装置１を用いると、被研磨材料Ｍが、ＳｉＣ（Ｅｇ＝２．９３ｅＶ，λ＝２４３ｎｍ），ＧａＮ（Ｅｇ＝３. ２７ｅＶ，λ＝３７９ｎｍ）またはダイヤモンド（Ｅｇ＝５．４７ｅＶ，λ＝２２７ｎｍ）などの硬度の非常に高いワイドバンドギャップ半導体や、誘電体結晶、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，サファイア、ＬｉＮｂＯ₃または水晶などのオプトエレクトロニクスデバイス材料で構成されていても、均一性高く研磨することができると共に、高速に研磨することができる。

以下に、被研磨材料Ｍとして、ＳｉＣ単結晶、ダイヤモンド単結晶またはＧａＡｓで構成されたものを用いた実験結果およびそれに対する考察を示す。

〔第１の実施例〕
本実施例では、ＳｉＣ単結晶を被研磨材料Ｍとして選択した。ＳｉＣ単結晶は、高硬度で耐熱性や耐食性にも優れており、化学的にも極めて安定なワイドバンドギャップ半導体であり、成形加工を行うことが非常に困難な材料である。しかしながら、後述のように、図３および図４に示した実験結果から、上記研磨装置１を用いることにより、高速研磨が可能であると考えられる。以下に、本実施例の研磨装置１の実験条件を示す。

なお、図３は、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光装置）を用いて、被研磨面Ｅ１の表面組成状態を分析した結果を表したものである。ここで、図３中の実線Ａは、光Ｌを被研磨面Ｅ１に照射した後の表面組成状態、図３中の破線Ｂは、光Ｌを被研磨面Ｅ１に照射した後、被研磨面Ｅ１を研磨パッド１１を用いて研磨したときの表面の組成状態を表している。図４（Ｂ）は、実施例として、光Ｌを被研磨面Ｅ１に照射した後、被研磨面Ｅ１の一部を研磨パッド１１を用いて研磨したときの被研磨面Ｅ１の凹凸の様子を表したものである。これに対して、図４（Ａ）は、比較例として、光Ｌを照射しなかったときの被研磨面Ｅ１の凹凸の様子を表したものである。

図３中の実線Ａにおいて１０４ｅＶ付近にピークがあることから、被研磨面Ｅ１のうち光Ｌが照射された領域には、酸化膜（ＳｉＯ₂）が形成されたことが確認できる。また、１０１ｅＶ付近にもピークがあることから、光Ｌが照射された後の表面には、ＳｉＣが依然として残存していることが確認できる。一方、図３中の破線Ｂにおいて１０４ｅＶ付近にピークが無いことから、被研磨面Ｅ１のうち光Ｌが照射され研磨パッド１１により研磨された領域には、酸化膜（ＳｉＯ₂）がほとんど残存していないことが確認できる。

なお、光Ｌによる光化学反応は以下の化（１）のように進行すると考えられる。すなわち、化（１）に示したように、まず、活性酸素種により、Ｏ原子が表面のＳｉ−Ｃ結合の合間に挿入され、Ｓｉ−Ｏ−Ｃが形成される。続いて、ＣＯが引き抜かれ、Ｓｉ−Ｓｉ結合が形成される。その後、Ｓｉ−Ｓｉ結合の一部が酸化されて酸化膜（ＳｉＯ₂）が表面に形成されると考えられる。

次に、比較例（図４（Ａ））では、光Ｌが照射されていないので、被研磨面Ｅ１のうち研磨面Ｅ２が接した部分だけが研磨されていることが確認できる。一方、本実施例（図４（Ｂ））では、光Ｌが照射されたので、被研磨面Ｅ１のうち研磨面Ｅ２が接した部分だけでなく、その周辺まで研磨されていることが確認できる。

これらのことから、本実施例のように光Ｌを照射することがＳｉＣの高速研磨において有効であることが確認できる。従って、光Ｌの波長および強度、ならびに研磨パッドの回転速度および荷重を適切に選択することにより、被研磨面Ｅ１の光化学反応による酸化速度を、量産化に耐え得る程度にすることが可能になる。

〔第２の実施例〕
本実施例では、ダイヤモンド単結晶を被研磨材料Ｍとして選択した。但し、被研磨材料Ｍは、＃１００の大きなダイヤモンド砥粒を集積して形成されたカップ型ダイヤモンド砥石リングで構成されている。このダイヤモンド単結晶は、ＳｉＣ単結晶と同様に、高硬度で耐熱性や耐食性にも優れており、化学的にも極めて安定なワイドギャップ半導体であり、成形加工を行うことが非常に困難な材料である。しかしながら、後述のように、図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した実験結果から、本実施例の研磨装置１を用いることにより、平坦化加工、高速研磨が可能であると考えられる。以下に、本実施例の研磨装置１の実験条件を示す。

なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、被研磨面Ｅ１の凹凸の様子を表したものである。ここに、図５（Ａ）は比較例１としての研磨前の状態、図５（Ｂ）は、比較例２としての、光触媒作用を有さない研磨剤を使用したときの状態、また、図５（Ｃ）は、実施例として、光触媒作用を有する研磨剤１２Ｃを使用したときの状態をそれぞれ表したものである。

なお、光触媒作用は以下の化（２）〜化（７）のように進行すると考えられる。

比較例（図５（Ｂ））では、研磨剤に光触媒作用がないので、研磨前の被研磨面Ｅ１（図５（Ａ））と同様に、大きな凹凸が存在していることが確認できる。一方、本実施例（図５（Ｃ））では、研磨剤１２Ｃに光触媒作用があるので、被研磨面Ｅ１に大きな凹凸が存在せず、平坦であるのが確認できる。

これらのことから、被研磨面Ｅ１の表面積より小さく、ヤング率が１０ＭＰａ以上の研磨面Ｅ２を有する研磨パッド１１、および光触媒作用を有する研磨剤１２Ｃを用いることが、ダイヤモンド単結晶の平坦化加工および高速研磨において有効であることが確認できる。従って、光Ｌの波長および強度、ならびに研磨パッドの回転速度および荷重を適切に選択することにより、被研磨面Ｅ１の光触媒作用による酸化速度、および被研磨面Ｅ１の光触媒作用と研磨パッド１１の硬度（ヤング率が１０ＭＰａ以上）によって実現される平坦化加工を量産化に耐え得る程度にすることが可能になる。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、研磨パッド１１を１つとして説明したが、図６に示したように、複数の研磨パッド１１を備える構成とすることがより好ましい。１つ当たりの研磨パッドが被研磨面Ｅ１に接触する面積が小さくても、研磨パッド１１を複数備えることにより接触面積が大きくなるので、大きな研磨面Ｅ２を被研磨面Ｅ１全体に接触させて研磨する場合と同等かそれ以上の研磨速度を達成することが容易となるからである。

また、上記実施の形態では、研磨パッド１１の平面１１Ａ上に研磨面Ｅ２を設けていたが、図７に示したように、研磨パッド１１の周面１１Ｂに研磨面Ｅ２があるような構成としてもよい。これにより、被研磨面Ｅ１のうち凹凸の部分をより選択的に研磨することが可能となり、被研磨面Ｅ１をより均一に加工することが可能となる。但し、このような構成では、研磨パッド１１が被研磨面Ｅ１に接触する面積が小さくなり、研磨速度が低下するので、周面１１Ｂを上記のように回転軸に対して平行となるように設ける代わりに、回転軸に対して傾斜するように設けたり、図８に示したように、研磨パッド１１を複数備えることが好ましい。

本発明の一実施の形態に係る研磨装置の概略構成図である。研磨パッドの構成を説明するための図である。第１の実施例でのＸＰＳ測定結果を表した図である。第１の実施例での被研磨面の様子を表した図である。第２の実施例での被研磨面の様子を表した図である。図２の研磨パッドの一変形例の構成を説明するための図である。図２の研磨パッドの他の変形例の構成を説明するための図である。図２の研磨パッドのその他の変形例の構成を説明するための図である。

符号の説明

１…研磨装置、１０…支持部材、１１…研磨パッド、１１Ａ…平面、１１Ｂ…周面、１２…研磨剤供給部、１２Ａ…貯蔵部、１２Ｂ…研磨剤吐出部、１２Ｃ…研磨剤、１２Ｃ−１…研磨粒子、１２Ｃ−２…分散媒、１３…光照射部、１３Ａ…光源、１３Ｂ…光導波部、２０…支持部材駆動部、２１…研磨パッド駆動部、Ｅ１…被研磨面、Ｅ２…研磨面、Ｌ…光、Ｍ…被研磨材料

Claims

被研磨材料を支持する支持手段と、
前記被研磨材料の被研磨面の表面積より小さく、かつヤング率が１０ＭＰａ以上の研磨面を有する研磨パッドと、
光触媒作用を有する研磨粒子を含む研磨剤を前記被研磨材料上に供給する研磨剤供給手段と、
前記研磨粒子および被研磨材料のいずれのバンドギャップよりも大きなエネルギーに相当する波長の光を、前記被研磨材料上の研磨剤および前記被研磨材料に照射する光照射手段と、
前記光が照射された研磨剤を介して前記研磨パッドと前記被研磨材料との間に押圧力を加える圧力印加手段と、
前記研磨面と前記被研磨面とを相対的に回動させる回動手段と
を備えたことを特徴とする研磨装置。
前記研磨パッドは円板形状の平面上に研磨面を有するものであり、前記研磨面は、前記被研磨材料の被研磨面に対して平行に回動する
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記研磨パッドは円板形状の周面上に研磨面を有するものであり、前記研磨面は、前記被研磨材料の被研磨面に対して垂直に回転する
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記被研磨材料に対して複数の研磨パッドを備えた
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の研磨装置。
前記研磨パッドの研磨面は、石英により形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記被研磨材料は、ワイドバンドギャップ半導体により構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記被研磨材料は、ＳｉＣ，ＧａＮ，またはダイヤモンドにより構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
前記被研磨材料は、オプトエレクトロニクスデバイス材料である
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記被研磨材料は、誘電体結晶、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，サファイア、ＬｉＮｂＯ３または水晶により構成されている
ことを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。