JP2014038981A - 基板研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない研磨液で効率良くかつ経済的に基板の化学研磨を行うことができる。
【解決手段】基板５を保持するリテーナ３と、当該リテーナ３を基板５の板面に垂直な回転軸Ｙ周りに回転させる基板回転手段と、研磨パッド２を基板５の板面に対向させて位置させられる定盤１と、定盤１を研磨パッド２に垂直な回転軸Ｘ周りに回転させる定盤回転手段と、基板５の周囲を囲む壁部７１を有し、当該壁部７１の一端を研磨パッド２に液密的に近接ないし当接させて基板５周囲に研磨液Ｌを貯留する液貯留空間Ｓを形成する液貯留部材７と、を備える
【選択図】 図２

Description

本発明は基板研磨装置に関し、特に、化学反応を利用した基板研磨に適する基板研磨装置に関するものである。

従来、半導体基板（ウェハ）の研磨には、砥石で基板表面を磨く研削研磨やこれよりも平坦な面を実現できる遊離砥粒を使用したラッピング研磨等が使用されてきたが、これら機械的研磨では原子レベルでの平坦性や良好な表面結晶性を得るのに難があるため、近年はウェットエッチングやプラズマエッチング等の化学的研磨が使用されている。また、さらに高精度で良好な表面結晶性を得られる研磨法としてElastic Emission Machining(ＥＥＭ)法が注目されている。

一方、パワーデバイス用の基板材料として、バンドギャップが広く電気的物性値の優れたＳｉＣやＧａＮ等が注目されているが、上記ＥＥＭ法では、機械的硬度と化学的安定性を有するＳｉＣ等の基板の研磨には多大の時間を要するという問題があるため、フッ化水素酸溶液中で白金等の触媒を基板表面に接触ないし近接させてＳｉＣ等の半導体基板の表面を効率的にエッチング研磨する、いわゆる触媒支援型化学研磨（ＣＡＲＥ）が提案されている。

ところで、従来一般的に基板研磨装置は、図３に示すように、回転する定盤９１上に研磨パッド９２を接合し、当該研磨パッド９２に、回転するリテーナ９３に保持した基板９４を押し付ける一方、研磨液供給管９５から研磨パッド９２上へ研磨液Ｌを落下供給して、研磨パッド９２と基板９４の間に研磨液Ｌを進入させる構造となっている。この場合、研磨液Ｌは、いわゆる垂れ流し状態である。このような基板研磨装置の一例は例えば特許文献１に示されている。

特開２０１０−２０５７９６

しかし、化学機械研磨（ＣＭＰ）でダイヤモンド砥粒を含んだ高価な研磨液を使用する場合等には、研磨液の使用量を極力抑えることが必要である。また、触媒支援型化学研磨で、研磨液として比較的高価でかつ身体に有害なフッ化水素酸を使用する場合には、研磨液の使用量を抑えることはもちろん、取り扱いに細心の注意を払う必要があって作業効率が低下しがちであり、また換気設備等にもコストを要する。

そこで本発明はこのような課題を解決するもので、少ない研磨液で効率良くかつ経済的に基板の化学研磨を行うことができる基板研磨装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、基板（５）を保持する基板保持部材（３）と、当該基板保持部材（３）を前記基板（５）の板面に垂直な回転軸（Ｙ）周りに回転させる基板回転手段と、盤面を前記基板（５）の板面に対向させて位置させられる定盤（１）と、前記定盤（１）をその盤面（２）に垂直な回転軸（Ｘ）周りに回転させる定盤回転手段と、前記基板（５）の周囲を囲む壁部（７１）を有し、当該壁部（７１）の一端を前記盤面（２）に液密的に近接ないし当接させて基板（５）周囲に研磨液（Ｌ）を貯留する液貯留空間（Ｓ）を形成する液貯留部材（７）と、を備える。

本第１発明によれば、基板の外周の定盤上に形成された液貯留空間内へ必要最小限の研磨液を供給すれば当該研磨液が基板の板面と定盤の盤面の間に侵入して化学研磨が行われるから、少ない研磨液で効率良くかつ経済的に基板の化学研磨を行うことができる。本第１発明は特に、ダイヤモンド砥粒を含んだ高価な研磨液を使用する場合等や研磨液に比較的高価なフッ化水素酸等を使用する触媒支援型化学研磨に好適に使用できる。

本第２発明では、前記液貯留部材（７）を、前記基板回転手段の主軸（４）を回転可能に保持する静止した軸保持部材（６）に一体に設ける。

本第２発明においては、液貯留部材を静止した軸保持部材に設けているから、液貯留空間を確実に画定することができる。

本第３発明では、前記液貯留部材（７）に、前記壁部（７１）の一端を前記盤面（２）に一定圧で当接させる付勢部材（７２）を設ける。

本第３発明によれば、液貯留空間の液密性を確実に保証することができる。

本第４発明では、前記液貯留空間（Ｓ）を閉鎖するシール部材（８）を設ける。

本第４発明によれば、シール部材によって液貯留空間が閉鎖されるから、研磨液の大気放出を効果的に抑えることができ、換気設備をより簡素化することができる。本第４発明はフッ化水素酸等の身体に有害な研磨液を使用する触媒支援型化学研磨に好適に使用できる。

本第５発明では、前記液貯留空間（Ｓ）内への研磨液（Ｌ）の供給ないし前記液貯留空間（Ｓ）からの研磨液（Ｌ）の回収を行う液流通管（９１）を設ける。

本第５発明によれば、研磨時の液貯留空間への研磨液の供給、ないし研磨後の液貯留空間からの研磨液の回収を、液流通管を介して行い、回収した研磨液を再使用することができるから経済的であるとともに、研磨液の供給・回収作業の負担を軽減することができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の基板研磨装置によれば、少ない研磨液で効率良くかつ経済的に基板の触媒支援型化学研磨を行うことができる。

本発明の一実施形態を示す、基板研磨装置の要部概略断面図である。 本発明の一実施形態を示す、基板研磨装置の要部詳細断面図である。 従来の研磨装置の一例を示す概略側面図である。

以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。特に、以下の実施形態は触媒支援型化学研磨に適用した例を示しているが、本発明は化学機械研磨等の他の研磨法にも広く適用可能である。

図１には本発明の基板研磨装置の要部概略断面図を示す。図１において、定盤１は大径の円形板で、垂直の回転軸Ｘ周りに定盤回転手段たる公知の駆動機構によって水平姿勢で回転させられる。定盤１の上面には盤面を形成する研磨パッド２が接合されており、当該研磨パッド２は本実施形態では円形のゴムパッドの上側表面に白金薄膜を成膜したものである。

定盤１上の偏心位置には基板保持部材としてのリテーナ３が位置させられており、リテーナ３は主軸４の回転軸Ｙ周りに水平姿勢で回転させられる。リテーナ３の下面には公知の構造でＳｉＣ等の半導体基板５が保持されて、その下側表面が研磨パッド２の上側表面に接触している。

主軸４を回転可能に保持する主軸スリーブ６にはその外周に支持フランジ６１が突設してあり、支持フランジ６１の下面には全周に、構造を後述する付勢部材としてのバネ部材７２が配設されている。バネ部材７２の下端には、リング状の壁部７１の上端面が固着してあり、壁部７１の下端面はバネ部材７２の付勢力によって研磨パッド２の上側表面に密接させられている。上記バネ部材７２と壁部７１は液貯留部材７を構成している。

リテーナ３に保持された基板５の周囲には研磨パッド２に接する壁部７によって区画された環状の液貯留空間Ｓが形成されている。さらに、リテーナ３の外周と壁部７の内周との間にはシール部材８が設けられて、液貯留空間Ｓが上方から閉鎖されている。

液貯留空間Ｓ内には上方から液流通管９１と外気流通管９２がそれぞれ挿入されている。そして、研磨作業時には液流通管９１によって液貯留空間Ｓ内へ一定量のフッ化水素酸等の研磨液Ｌが供給される。この時、液貯留空間Ｓ内の空気は外気流通管９２を経て排気される。この場合、液流通管９１および外気流通管９２にそれぞれ弁体を設けておき、研磨作業中は両弁体を閉じるようにすれば、研磨液Ｌが液貯留空間Ｓ内に良好に保持される。研磨作業を終了した後は液流通管７１を経て研磨液Ｌが吸引回収され、同時に外気流通管９２から液貯留空間Ｓ内へ外気が導入される。

図２には本発明の基板研磨装置の要部詳細断面図を示す。図２において、リテーナ３はリング状の外枠３５を備える板状基体３１の下面内周部内に、複層構造の保持板３２を嵌着して構成されており、保持板３２には板面の複数個所に負圧吸引用の開口３２１が形成されている。これら開口３２１は保持板３２と基体３１内に形成された吸気通路３３に連通しており、吸気通路３３には、主軸４の上端部内に設置された図略の排気装置に至る吸気管３４の一端が連結されている。吸気管３４は主軸４の中心部内に挿通されている。半導体基板５は上記開口３２１の負圧によって保持板３２の下面に吸引保持され、基板５の下側表面（研磨面）が研磨パッド２の上側表面に接触させられている。

主軸４は、起立姿勢で設置された筒状の主軸スリーブ６内を上下方向へ貫通しており、基板回転手段たる公知の駆動機構によって回転軸Ｙ周りに回転させられる。主軸スリーブ６から下方へ突出した主軸４の下端には押え部材４１が設置されている。押え部材４１は中心部の下面が球体４２を介してリテーナ３の基体３１上に位置させられて、基体３１に対して傾動可能である。押え部材４１の中心部からは外方へ複数の支腕部４１１（図２には一つのみを示す）が延び、支腕部４１１の先端に設けた押え片４１２の下端がバネ部材４１３の付勢力で基体３１の上面に当接させられている。これにより主軸４が回転させられると、これに応じてリテーナ３およびこれに保持された半導体基板５が回転させられる。

主軸スリーブ６の下端外周には全周に支持フランジ６１が水平姿勢で固定されており、支持フランジ６１の外周部下面には、リング状のバネ部材７２の上端が固着されている。バネ部材７２は本実施形態ではその周壁が内外へ屈曲させられて上下方向へ伸縮し付勢力を生じるように構成されている。バネ部材７２の下端はリング状の壁部７１の上端に固着されている。このような形状のバネ部材７２は径方向へは変形し難いから、壁部７１の横振れを効果的に抑えることができる。また、リング状のバネ部材７２の上端と下端をそれぞれ支持フランジ６１と壁部７１に固着したことにより、バネ部材７２の下方の、壁部７１で囲まれた空間を気密的に閉鎖することができるという効果も有する。したがって、この場合はシール部材８を省略できることがある。そして、半導体基板５を研磨パッド２に接触させた状態で、壁部７１の下端面は、圧縮状態のバネ部材７２の伸長付勢力で研磨パッド２の表面に一定圧で当接させられる。これにより、リテーナ３に保持された半導体基板５の周囲に、研磨パッド２と壁部７で囲まれた環状の液貯留空間Ｓが形成される。

壁部７の内周面からは水平に補助フランジ７３が突設してあり、リテーナ３の外枠３５外周部の下面全周に設けたシール部材８の先端が補助フランジ７３に延びてこれに液密的に接している。これにより、液貯留空間Ｓが上方から閉鎖されている。壁部７１に沿って上方から液流通管９１と外気流通管９２がそれぞれ液貯留空間Ｓ内に挿入されており、基板研磨時には液流通管９１によって液貯留空間Ｓ内へ一定量のフッ化水素酸が研磨液Ｌとして供給される。研磨液Ｌは半導体基板５と研磨パッド２の間に侵入して、基板５の下面（研磨面）が化学研磨される。この時、液貯留空間Ｓ内の空気は外気流通管９２によって排気される。研磨作業を終了した後は液流通管９１によって研磨液Ｌが液貯留空間Ｓから吸引回収され、同時に外気流通管９２から液貯留空間Ｓ内へ外気が導入される。なお、外気流通管９２を負圧源に切り替え接続できる切替弁を設けて、液貯留空間Ｓ内を負圧にできるようにすれば、研磨液Ｌを液貯留空間Ｓ内により確実に留めておくことができる。

このような構造の基板研磨装置によれば、半導体基板５の外周の定盤１上に形成された液貯留空間Ｓ内へ必要最小限の研磨液Ｌを供給すれば良い上に、研磨終了後は液貯留空間Ｓ内の研磨液Ｌを回収して再使用することができる。したがって研磨液Ｌの供給・回収作業の負担を軽減することができる。本発明は研磨液として比較的高価でかつ身体に有害なフッ化水素酸等を使用して触媒支援型化学研磨を行う場合に効果が大きい。特に本実施形態のようにシール部材８を設けて液貯留空間Ｓを閉鎖するようにすれば、研磨液Ｌの大気放出を効果的に抑えることができるから、換気設備が簡素化されてさらに大きな経済的効果が得られる。

なお、壁部７の下端は必ずしも研磨パッド２に当接させる必要はなく、液密性を保つ程度に近接して位置させるようにもできる。この場合、バネ部材７１は不要である。また、壁部７をリテーナ３と一体に回転する構造にしても良い。本発明は半導体基板以外の基板にも適用可能であり、また研磨液もフッ化水素酸に限られるものではない。

１…定盤、２…研磨パッド（盤面）、３…リテーナ（基板保持部材）、４…主軸、５…半導体基板（基板）、６…主軸スリーブ（軸保持部材）、７…液貯留部材、７１…壁部、７２…バネ部材（付勢部材）、８…シール部材、９１…液流通管、Ｌ…研磨液、Ｓ…液貯留空間、Ｘ…回転軸、Ｙ…回転軸。

Claims (5)

1. 基板を保持する基板保持部材と、当該基板保持部材を前記基板の板面に垂直な回転軸周りに回転させる基板回転手段と、盤面を前記基板の板面に対向させて位置させられる定盤と、前記定盤をその盤面に垂直な回転軸周りに回転させる定盤回転手段と、前記基板の周囲を囲む壁部を有し、当該壁部の一端を前記盤面に液密的に近接ないし当接させて基板周囲に研磨液を貯留する液貯留空間を形成する液貯留部材と、を備える基板研磨装置。
2. 前記液貯留部材を、前記基板回転手段の主軸を回転可能に保持する静止した軸保持部材に一体に設けた請求項１に記載の基板研磨装置。
3. 前記液貯留部材に、前記壁部の一端を前記盤面に一定圧で当接させる付勢部材を設けた請求項１又は２に記載の基板研磨装置。
4. 前記液貯留空間を閉鎖するシール部材を設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の基板研磨装置。
5. 前記液貯留空間内への研磨液の供給ないし前記液貯留空間からの研磨液の回収を行う液流通管を設けた請求項１ないし４のいずれかに記載の基板研磨装置。

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