JP5327589B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶用フォトマスクや半導体フォトマスクに使用されるガラス基板などの被保持体を保持する保持部材を備える研磨装置および研磨方法に関する。

液晶用フォトマスクや半導体フォトマスクに使用されるガラス基板（以下、基板と称する）は、その表面に高い平坦度が要求されるものであって、平坦度の度合いが高い化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）等の研磨装置を用いて研磨されることにより高精度な平坦面を得ることができる。このような研磨装置に備えられて研磨対象物となる基板を固定保持する保持装置としては、基板を真空吸着により保持する吸着装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この保持装置（吸着装置）では、吸着面側にピン状または凸状をなす複数の剛性の凸部がその先端面（上端面）が同一高さとなるように形成されている。そして、各凸部の先端面は基板と接触した状態で凸部間の凹部が負圧に引かれ、基板が各凸部の先端面に倣って平坦に保持される。このように保持された基板を研磨することにより、基板の表面を高精度に仕上げることができる。
特開平１０−５０８１０号公報

ところで、図５(ａ）に示すように、研磨対象物である基板５の表面には、微小ながらも高低差が数μｍ程度のうねりが存在する場合があり、上記のような保持装置１００により基板を真空吸着すると、図５(ｂ）に示すように、その吸着力により基板表面のうねりは一時的に平坦面に矯正されて、この基板表面が研磨されることにより見かけ上は表面が平坦に形成される。しかしながら、研磨後に保持装置１００の吸着保持を解除すると、図５(ｃ）に示すように、解放された基板表面はもとのうねりのある状態に戻ってしまうため、いくら吸着状態で基板表面を高精度に研磨しても所望の平坦度(加工精度）を確保することが困難であるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、研磨による加工精度を向上させることができる保持部材を備える研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、被研磨体を保持する保持装置と、前記保持装置により保持された前記被研磨体の被研磨面に研磨部材を当接させ且つ相対移動させて前記被研磨面を研磨する研磨機構とを備える。そして、前記保持装置は、収容部に粒状物質の集合体からなる支持体を収容した保持部材と、前記保持部材の収容部に設けられ前記支持体に振動を加える振動部とを有し、前記支持体上に前記被研磨体を載置した状態において、前記振動部により前記支持体に振動を加えて前記粒状物質の配置構成を変化させることにより前記支持体を前記被研磨体の被保持面に倣った形状に変形させ、前記被保持面の形状を維持した状態で前記被研磨体を保持するように構成される。
また、本発明に係る研磨方法は、保持部材の収容部に収容された粒状物質の集合体からなる支持体上に被研磨体を載置し、前記収容部に設けられた振動部により前記支持体に振動を加えて前記粒状物質の配置構成を変化させることにより前記支持体を前記被研磨体の被保持面に倣った形状に変形させ、前記被保持面の形状を維持した状態で前記被研磨体を保持する保持工程と、前記保持工程において保持された前記被研磨体の被研磨面に研磨部材を当接させ且つ相対移動させて前記被研磨面を研磨する研磨工程とを備える。

本発明によれば、被保持面の形状に依存せず被保持体を保持することができるため、研磨などによる加工精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る保持装置（基板保持装置）を備えた研磨装置１の概略構成を図２に示している。この研磨装置１は、研磨対象物である基板５（例えば、半導体フォトマスクに使用されるガラス基板）を着脱自在に保持する基板保持装置３０と、研磨パッド１３が装着された研磨ヘッド１０と、基板保持装置３０（基板保持装置３０に保持された基板５）に対して研磨ヘッド１０を昇降および相対揺動させるヘッド移動機構２０と、基板保持装置３０を構成する基板支持粉体３５に対して給排水を行う給排水機構４０と、研磨装置１の作動を制御する制御装置５０とを主体に構成される。

ここで、半導体フォトマスクに使用されるガラス基板などには、図５(ａ）に示すように、表面に微小ながらも高低差が数μｍ程度のうねりが存在している場合があり、本実施形態の研磨対象物となる基板５の表面にも、このようなうねりが存在している。このとき、従来の真空吸着などにより基板を保持する基板保持装置１００では、セラミック等の高剛性材料を用いて形成された平面度の高い基板保持面１１０の上に基板５を単に載せたときには、基板５の表面にはうねりが存在しているが、図５(ｂ）に示すように、基板保持装置１００により真空吸着作用を発生させることで基板５はその吸着力によって略平坦化されるように変形する。そして、基板５の表面を研磨した後、真空吸着を解除すると、基板５は図５(ｃ）に示すように、もとのうねりの有る状態に戻ってしまい、平坦度を高めることが困難であった。そこで、本実施形態の研磨装置１では、基板保持装置３０により基板５の表面の原形（うねり）を維持しつつ保持した状態で、研磨ヘッド１０の下面に貼り付けられた研磨パッド１３により研磨を行う。

研磨パッド１３は、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンシート等を用いて円盤状に形成される。研磨パッド１３の中央部には、スラリー供給機構（図示せず）より供給されるスラリー（研磨液）を研磨パッド１３の研磨面に放出供給するためのスラリー供給孔（図示せず）が上下に貫通して設けられている。

研磨ヘッド１０の内部に形成された加圧室に、エアの供給を受けてキャリア部材１１を下向きに加圧する、いわゆるエアバック式のパッド加圧機構（図示せず）が設けられており、キャリア部材１１の下側に装着された研磨パッド１３の研磨面を基板保持装置３０に保持された基板５の被研磨面に当接させた状態で上記加圧室の圧力を制御することにより、研磨パッド１３と基板５との当接圧力、すなわち研磨パッド１３による研磨圧力を制御可能になっている。

ヘッド移動機構２０は、加工テーブルＴから上方に突出する基部２１と、この基部２１から水平に延びる研磨アーム２２と、基部２１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム２２を水平揺動させるアーム揺動機構２５と、研磨アーム２２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述の研磨ヘッド１０が研磨アーム２２の先端に設けられている。また、研磨アーム２２の先端部には、研磨ヘッド１０の上部から鉛直上方に延びるスピンドル１５に回転駆動力を伝達して研磨ヘッド１０を水平面内で回転させるヘッド駆動モータ２６が設けられている。

このヘッド移動機構２０は、アーム揺動機構２５により研磨アーム２２を水平揺動させたときの研磨ヘッド１０の揺動軌跡上に基板保持装置３０が位置するように構成されており、研磨ヘッド１０を基板保持装置３０と対向させた状態で研磨アーム２２全体を昇降させ、研磨ヘッド１０に装着された研磨パッド１３の研磨面を、基板保持装置３０に保持された基板５の被研磨面に当接させた状態で、基板５に対し研磨パッド１３（研磨ヘッド１０）を基板５との当接面に沿って水平揺動可能に構成されている。

基板保持装置３０は、基板５を保持するためのベース部材３１と、このベース部材３１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル３３と、スピンドル３３に回転駆動力を伝達してベース部材３１を水平面内で回転させる回転駆動装置３４等を有して構成される。ベース部材３１は、セラミック等の高剛性材料を用いて上面に略平坦な支持面３１ａを有する円盤状に形成され、スピンドル３３および回転駆動装置３４を用いて、スピンドル３３を通って支持面３１ａに直交する回転軸を中心として回転可能に構成される。

ベース部材３１の支持面３１ａには、図１および図３に示すように、平面視において基板５の表面形状と略同一形状（矩形状）で下方にくぼんだ凹部３２が形成されており、この凹部３２内に、砂などの微細な粒状物質（粒子）の集合体からなる基板支持粉体３５が設けられる。また、変形容易なシリコン系のゴム材料等を用いて形成された薄いシート状の封止シート３６が、凹部３２の上方開口を覆うように支持面３１ａに設けられており、この封止シート３６により凹部３２は内部に基板支持粉体３５を有した状態で閉じた系となっている。

また、支持面３１ａには、凹部３２の上方開口を囲んで支持面３１ａから上方に突出した矩形枠状の基板保持枠３７が設けられる。この基板保持枠３７は、基板支持粉体３５上に載置された基板５の周囲を囲んで保持し、研磨ヘッド１０による研磨加工時に基板５が支持面３１ａ（基板支持粉体３５）上を前後左右（支持面３１ａに沿った方向）に動くことを規制する。なお、基板保持枠３７は、基板５を確実に保持可能な高さ、且つ、保持した基板５の上面（被研磨面）よりも低い高さ（詳細には、研磨ヘッド１０による研磨加工が終了したときの基板５の上面よりも低い高さ）となるように設定される。また、バネや空気加圧等の内部構成を有し、基板５の研磨状況に応じて高さ調整可能に基板保持枠３７を構成してもよい。

凹部３２の底面には、圧電素子などを用いて構成され基板支持粉体３５に振動を加える粉体振動部３８と、給排水機構４０（図２を参照）より供給される水を基板支持粉体３５に供給するための給水孔３９ａと、給排水機構４０により基板支持粉体３５に含まれる水を排出するための排水孔３９ｂとが配設されている。また、凹部３２の底面には、上方に延びて所定の長さを有した細い棒状の基板支持部材４１が３つ設けられている。この３つの基板支持部材４１は、各上端部が基板支持粉体３５上に載置された基板５の下面に当接して基板５を三点支持し、基板５を略水平な状態で基板支持粉体３５とともに支持するようになっている。

なお、本実施形態では凹部３２の底面において、図３に示すように、左右に２つの粉体振動部３８を配置しており、また、左右にそれぞれ３つの給水孔３９ａと中央に３つの排水孔３９ｂを配置しているが、これに限定されることなく、粉体振動部３８、給水孔３９ａおよび排水孔３９ｂを設置する位置および個数は適宜設計変更することが可能である。

給排水機構４０は、基板支持粉体３５に対して給排水を行うためのポンプ機構を有して構成されており、このポンプ機構によりベース部材３１の給水孔３９ａを介して基板支持粉体３５に水を供給し、また、排水孔３９ｂを介して基板支持粉体３５に含まれる水を排出することが可能に構成される。また、基板支持粉体３５と給水孔３９ａおよび排水孔３９ｂの開口部との間には、基板支持粉体３５が給水孔３９ａおよび排水孔３９ｂを介して凹部３２内から外部に流出するのを防止する、また、供給される水に混じってゴミ等が基板支持粉体３５に混入するのを防止するためのフィルタ４２（図１を参照）が設けられている。

制御装置５０は、研磨装置１に予め設定記憶された制御プログラムおよび研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラム等に基づいて、基板保持装置３０、給排水機構４０、研磨ヘッド１０、およびヘッド移動機構２０等の作動を制御する。なお、研磨ヘッド１０（研磨パッド１３）および基板保持装置３０のベース部材３１の回転（回転方向および回転速度）は、上記加工プログラム等に基づいてそれぞれ任意に独立して制御可能である。また、研磨装置１には、基板保持装置３０の近傍において研磨ヘッド１０がヘッド移動機構２０により移動可能な位置に、研磨パッド１３に対してドレスを行うドレス機構（図示せず）が設けられている。

次に、このような構成の研磨装置１を用いて基板５の研磨加工を行う場合について説明する。研磨装置１により基板５の研磨加工を行うには、はじめに基板保持装置３０に研磨対象となる基板５を固定保持させる。

基板保持装置３０に基板５を保持させるには、まず、基板ストッカ（図示せず）に載積された研磨加工前の基板５を、基板搬送アーム（図示せず）により基板保持装置３０の上方まで搬送して基板支持粉体３５の上に載置する。このとき、基板支持粉体３５上に載置された基板５は、図４(ａ）に示すように、基板５の表面（被保持面）に存在するうねりの凸部では封止シート３６を介して基板支持粉体３５と当接し、一方うねりの凹部では基板支持粉体３５と当接せずに、基板支持粉体３５に対して部分的に浮いた状態となっている。次に、図４(ａ）中に矢印Ａで示すように、給排水機構４０によりベース部材３１の給水孔３９ａを介して基板支持粉体３５に水を供給する。このとき、基板支持粉体３５は、供給される水により基板支持粉体３５を構成する粒子同士のせん断応力による粒子間摩擦が変化（減少）する。

そして、基板支持粉体３５に所定量の水が供給された後、この基板支持粉体３５に粉体振動部３８により所定周波数の振動が加えられる。このとき、基板支持粉体３５は、所定量の水を含んだことにより粒子同士のせん断応力による粒子間摩擦が減少し、さらに振動により各粒子の配置構成が変化する、いわゆる液状化現象が生じる。この結果、基板支持粉体３５は、図４(ｂ）に示すように、封止シート３６を介して基板５の下面全体に当接する状態となる。また、このとき基板５は、その側面が基板保持枠３７と当接して前後左右への移動が規制された状態で保持されるとともに、基板支持部材４１により三点支持されて略水平な状態で保持される。

このように基板５が、基板支持粉体３５、基板保持枠３７および基板支持部材４１によって保持された後、図４(ｃ）中に矢印Ｂで示すように、給排水機構４０によりベース部材３１の排水孔３９ｂを介して基板支持粉体３５に含まれる水を排出する。このとき、基板支持粉体３５は、含有する水が排出されることにより粒子同士のせん断応力よる粒子間摩擦が増加し、基板５の下面全体に当接した状態で基板保持枠３７および基板支持部材４１とともに基板５を固定保持する。

このようにして基板保持装置３０では、基板５の表面にうねりが存在する場合であっても、基板５の原形を留めた状態（表面のうねりを維持した状態）で固定保持することができる。このため、図５を用いて前述したように、基板５の表面のうねりが一時的に矯正されて略平坦化された状態で保持されることにより、この表面を研磨しても研磨加工後に基板保持を解除するともとのうねりのある表面に戻ってしまうというような不具合がない。

次に、基板５が基板保持装置３０に固定保持されると、ヘッド移動機構２０により研磨アーム２２を揺動させて研磨ヘッド１０をベース部材３１の上方に位置させる。そして、研磨ヘッド１０およびベース部材３１を回転させながら、研磨ヘッド１０を研磨位置に下降させて、研磨ヘッド１０に装着されて回転する研磨パッド１３を、ベース部材３１上に保持されて回転する基板５に当接させ、研磨ヘッド１０内に設けられたパッド加圧機構により研磨パッド１３を所望の研磨圧力で基板５に押圧させる。このとき、不図示のスラリー供給機構を用いて、スラリーを研磨パッド１３と基板５との当接部に供給しながら、回転する研磨パッド１３の研磨面をベース部材３１とともに回転する基板５の被研磨面に当接させた状態で、アーム揺動機構２５により研磨パッド１３（研磨ヘッド１０）を基板５（ベース部材３１）に対して水平揺動させて、基板５の研磨加工がなされる。このとき、基板５における図４(ｃ）中に示した破線Ｃよりも上の部分が除去（研磨）されて、基板５の表面を平坦な面に仕上げる。

以上のように基板保持装置３０では、基板５の被保持面が球面形状や非球面形状など平坦な面ではない場合においても、基板支持粉体３５が基板５の被保持面に倣った形状に変形して被保持面全体に当接し、基板５の形状を変化させずに原形を維持した状態（表面のうねりを維持した状態）で、基板５を確実に固定保持することができる。このため、従来の保持装置のように保持部材の保持面を前もって被保持面の形状に合わせて製造する必要がなく、多種形状の被研磨物に対応可能な汎用性を持たせることができるとともに、製造コストを低減することができる。さらに、このようにして基板保持装置３０により固定保持された基板５の表面を研磨することにより基板５の表面に存在するうねりを除去することができ、基板５の平坦度を高めることができる。

また、基板保持装置３０では、給排水機構４０によりベース部材３１の給水孔３９ａを介して基板支持粉体３５に供給される水により基板支持粉体３５を構成する粒子同士のせん断応力による粒子間摩擦が減少するため、粉体振動部３８による振動により基板支持粉体３５が基板５の被保持面に倣った形状への変形が容易となる。また、給排水機構４０により排水孔３９ｂを介して基板支持粉体３５に含まれる水を排出することにより粒子間摩擦が増加するため、基板５を基板支持粉体３５によって確実に支持することができる。

さらに、基板保持装置３０では、基板支持粉体３５が封止シート３６およびフィルタ４２により凹部３２内の閉じた系に設けられるため、一旦、このような構成を形成した後はこの閉じた系が壊れるまで（封止シート３６やフィルタ４２が破損するまで）、上記のようにして基板５を固定保持することができる。また、基板保持枠３７により基板５を前後左右への移動を規制した状態で保持することができ、３つの基板支持部材４１により基板５を略水平な状態で保持することができる。

なお、上述した実施形態では、基板を支持する基板支持粉体が、砂などの微細な粒状物質（粒子）の集合体から構成されるとして説明したが、この粒子の形状（球状もしくは多角形状）および材質等は特に限定されるものではなく、種々の粉体を適宜用いることができる。また、基板支持粉体に供給する液体を水として説明したが、これも種々の液体を適宜用いることができる。

また、上述した実施形態において、基板支持粉体内を上下に延びる吸着管路を設けるなどして、この吸着管路と繋がる真空源により基板支持粉体上に基板を真空吸着するように構成してもよい。

また、上述した実施形態では、本発明に係る保持装置が、半導体フォトマスクに使用されるガラス基板の研磨加工を行う研磨装置に適用された例について説明したが、これに限定されるものではなく、研削盤、旋盤、ラップ盤などの各種加工設備にこの保持装置を適用することも可能である。

本発明に係る基板保持装置の断面図であり、図３中の矢視I‐Iから見た断面図である。 上記基板保持装置を備えた研磨装置の概略構成図である。 上記基板保持装置の平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は上記基板保持装置による基板の固定保持を説明する図であり、図３中の矢視I‐Iから見た基板保持装置および基板の断面図である。 （ａ）は基板の上方から見た斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は従来の保持装置における基板の研磨前後の状態を示す正面図である。

符号の説明

５ 基板（被保持体）
３０ 基板保持装置（保持装置）
３１ ベース部材（保持部材）
３２ 凹部（収容空間）
３５ 基板支持粉体（支持粉体）
３６ 封止シート
３７ 基板保持枠（保持枠）
３８ 粉体振動部
３９ａ 給水孔（液体供給孔）
３９ｂ 排水孔（液体排出孔）
４０ 給排水機構（液体給排機構）
４１ 基板支持部材（支持部材）

Claims (9)

1. 被研磨体を保持する保持装置と、前記保持装置により保持された前記被研磨体の被研磨面に研磨部材を当接させ且つ相対移動させて前記被研磨面を研磨する研磨機構とを備える研磨装置において、
   前記保持装置は、収容部に粒状物質の集合体からなる支持体を収容した保持部材と、前記保持部材の収容部に設けられ前記支持体に振動を加える振動部とを有し、
   前記支持体上に前記被研磨体を載置した状態において、前記振動部により前記支持体に振動を加えて前記粒状物質の配置構成を変化させることにより前記支持体を前記被研磨体の被保持面に倣った形状に変形させ、前記被保持面の形状を維持した状態で前記被研磨体を保持するように構成されたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記保持装置は、前記支持体に液体を供給するとともに、前記支持体に含まれる液体を排出する液体給排機構を有し、
   前記支持体上に前記被研磨体を載置した状態において、前記液体給排機構により前記支持体に液体を供給し、前記振動部により液体が供給された前記支持体に振動を加えて前記粒状物質の配置構成を変化させることにより前記支持体を前記被研磨体の被保持面に倣った形状に変形させ、前記被保持面の形状を維持した状態で前記被研磨体を保持し、前記液体給排機構により前記支持体に含まれる液体を排出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記保持部材の前記収容部には、前記液体給排機構により、前記支持体に液体を供給するための液体供給孔と、前記支持体に含まれる液体を排出するための液体排出孔とが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記保持装置は、前記収容部に収容された前記支持体を覆うように前記保持部材に設けられ、前記被研磨体の被保持面に倣った形状に変形可能な封止シートを有して構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の研磨装置。
5. 前記保持装置は、前記保持部材に保持された前記被研磨体の側面に当接し、前記被研磨体の研磨時の移動を規制する保持枠を有して構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の研磨装置。
6. 前記保持部材の前記収容部には、上端部が前記被研磨体の被保持面に当接して支持する３つの支持部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の研磨装置。
7. 保持部材の収容部に収容された粒状物質の集合体からなる支持体上に被研磨体を載置し、前記収容部に設けられた振動部により前記支持体に振動を加えて前記粒状物質の配置構成を変化させることにより前記支持体を前記被研磨体の被保持面に倣った形状に変形させ、前記被保持面の形状を維持した状態で前記被研磨体を保持する保持工程と、
   前記保持工程において保持された前記被研磨体の被研磨面に研磨部材を当接させ且つ相対移動させて前記被研磨面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする研磨方法。
8. 前記保持工程において、前記振動部により前記支持体に振動を加える前に液体給排機構により前記支持体に液体を供給し、前記支持体により前記被保持面の形状を維持した状態で前記被研磨体を保持した後に前記液体給排機構により前記支持体に含まれる液体を排出することを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
9. 前記保持工程において、前記保持部材の前記収容部に設けられた３つの支持部材により前記被研磨体の被保持面を三点支持することを特徴とする請求項７または８に記載の研磨方法。

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