JP5592117B2

JP5592117B2 - サファイア基板の研磨工具

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Publication number: JP5592117B2
Application number: JP2010022767A
Authority: JP
Inventors: 徳人不破
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP2011156648A

Description

本発明は、表面に光デバイス層が積層される基板となるサファイア基板を平滑に加工するための研磨工具に関する。

光デバイス製造工程においては、略円板形状であるサファイア基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層が積層され格子状に形成された複数のストリートによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイスウエーハをストリートに沿って切断することにより光デバイスが形成された領域を分割して個々の光デバイスを製造している。（例えば、特許文献１参照。）

サファイア基板は、サファイアインゴットから切り出された後、ラッピング、ポリッシング等の加工を施すことによって均一な厚みに形成され、その後表面をケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）加工することにより、表面粗さを０．０１μ以下の平滑面に形成される。このように平滑面に形成されたサファイア基板の表面にn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層が積層して形成される。（例えば、特許文献２参照。）

特許第２８５９４７８号特開２００６−３４７７７６号公報

而して、サファイアインゴットから切り出されラッピング、ポリッシング等の加工を施すことによって均一な厚みに形成されたサファイア基板の表面をケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）加工によって表面粗さを０．０１μm以下に仕上げるには相当の加工時間を要するとともに遊離砥粒、化学的なエッチング液およびこれらの廃棄処理を要し生産性が悪いという問題がある。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術課題は、表面粗さを０．０１μm以下に効率よく仕上げることができるサファイア基板の研磨工具を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、光デバイス層が積層されるサファイア基板を平滑に加工するためのサファイア基板の研磨工具であって、
基台と、該基台の下面に装着される研磨パッドとからなり、
該研磨パッドは、粒径が５０μm以下のシリカ(SiO ₂ )粒子と粒径が５００μm以下のゴム粒子を重量比で９５〜７０：５〜３０の割合で混合した混合物を焼結して形成されている、
ことを特徴とするサファイア基板の研磨工具が提供される。

本発明による研磨工具を構成する研磨パッドは、粒径が５０μm以下のシリカ(SiO ₂ )粒子と粒径が５００μm以下のゴム粒子を重量比で９５〜７０：５〜３０の割合で混合した混合物を円板状に成型し焼結して形成されているので、サファイア基板の被加工面を研磨すると研磨パッドのシリカ(SiO₂)とサファイア(AlO₃)が反応して粉末状のムライト（SiO₂AlO₃）が生成されことにより、サファイア基板の被加工面の面粗さを０．０００２μm以下の平滑面に短時間で形成することができる。しかも、本発明による研磨工具は乾式研磨するので、ＣＭＰのように遊離砥粒、化学的なエッチング液およびこれらの廃棄処理が不要となり、生産性を向上することができる。

本発明によるサファイア基板の研磨工具が装備された研磨装置の斜視図。本発明によるサファイア基板の研磨工具の斜視図。図２に示す研磨工具を下面側から見た状態を示す斜視図。サファイア基板の斜視図。図1に示す研磨装置によって図4に示すサファイア基板の表面を研磨する状態を示す説明図。サファイア基板の表面に保護部材を貼着する保護部材貼着工程の説明図。図1に示す研磨装置によって表面に保護部材を貼着されたサファイア基板の裏面を研磨する状態を示す説明図。

以下、本発明によるサファイア基板の研磨工具の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１には、本発明によるサファイア基板の研磨工具を装備した研磨装置の斜視図が示されている。図１に示す研磨装置２は、全体を番号２０で示す装置ハウジングを具備している。この装置ハウジング２０は、細長く延在する直方体形状の主部２１と、該主部２１の後端部（図１において右上端）に設けられ上方に延びる直立壁２２とを有している。直立壁２２の前面には、上下方向に延びる一対の案内レール２２１、２２１が設けられている。この一対の案内レール２２１、２２１に研磨手段としての研磨ユニット３が上下方向に移動可能に装着されている。

研磨ユニット３は、移動基台３１と該移動基台３１に装着されたスピンドルユニット４を具備している。移動基台３１は、後面両側に上下方向に延びる一対の脚部３１１、３１１が設けられており、この一対の脚部３１１、３１１に上記一対の案内レール２２１、２２１と摺動可能に係合する被案内溝３１２、３１２が形成されている。このように直立壁２２に設けられた一対の案内レール２２１、２２１に摺動可能に装着された移動基台３１の前面には前方に突出した支持部３１３が設けられている。この支持部３１３にスピンドルユニット４が取り付けられる。

スピンドルユニット４は、支持部３１３に装着されたスピンドルハウジング４１と、該スピンドルハウジング４１に回転自在に配設された回転スピンドル４２と、該回転スピンドル４２を回転駆動するための駆動源としてのサーボモータ４３とを具備している。回転スピンドル４２の下端部はスピンドルハウジング４１の下端を越えて下方に突出せしめられており、その下端には円板形状のマウンター４４が設けられている。なお、マウンター４４には、周方向に間隔をおいて複数のボルト挿通孔（図示していない）が形成されている。このマウンター４４の下面に研磨工具４５が装着される。研磨工具４５は、図２および図３に示すように、円板形状の基台４６と円板形状の研磨パッド４７とから構成されている。基台４６には周方向に間隔をおいてその上面から下方に延びる複数の盲ねじ穴４６ａが形成されている。基台４６の下面は円形支持面を構成しており、研磨パッド４７はエポキシ樹脂系接着剤の如き適宜の接着剤によって基台４６の円形支持面に接合されている。研磨パッド４７は、シリカ粒子をゴム材で固めて構成した研磨パッドを用いることが重要である。この研磨パッド４７は、例えば粒径が５０μm以下のシリカ(SiO₂)粒子と粒径が５００μm以下のゴム粒子（ニトリルゴム(NBR)粒子、アクリロニトリル・ブタジェンニトリルゴム粒子、スチレンブタジェンニトリルゴム粒子、ブタジェンニトリルゴム粒子、イソプレンゴム粒子、フッ素ゴム粒子、シリコンゴム粒子、アクリルゴム粒子）を重量比で９５〜７０：５〜３０の割合で混合し、このシリカ(SiO₂)粒子とゴム粒子との混合物を円板状に圧縮成型した状態で焼結することによって形成すことができる。なお、ゴム粒子としてニトリルゴム(NBR)粒子を用いた場合には、シリカ(SiO₂)粒子とニトリルゴム(NBR)粒子との混合物を２００〜１２００N／cm²の成型圧力で円板状に圧縮成型した状態で、１５０〜１９０℃の焼結温度で４〜１０時間焼結することによって形成すことができる。上述した研磨パッド４７は、中心部に円形の穴４７aが形成されている。なお、研磨パッド４７は、外周縁と円形の穴４７aとの幅が後述するサファイア基板の直径より大きい値に設定されている。以上のように構成された研磨工具４５は、上記回転スピンドル４２の下端に固定されているマウンター４４の下面に研磨工具４５を位置付け、マウンター４４に形成されている貫通孔を通して研磨工具４５の基台４６に形成されている盲ねじ孔４６ａに締結ボルト４８を螺着することによって、マウンター４４に装着される。

図１に戻って説明を続けると、図示の実施形態における研削装置は、上記研磨ユニット３を上記一対の案内レール２２１、２２１に沿って上下方向（後述するチャックテーブルの保持面に対して垂直な方向）に移動せしめる研磨送り手段５を備えている。この研磨送り手段５は、直立壁２２の前側に配設され上下方向に延びる雄ねじロッド５１を具備している。この雄ねじロッド５１は、その上端部および下端部が直立壁２２に取り付けられた軸受部材５２および５３によって回転自在に支持されている。上側の軸受部材５２には雄ねじロッド５１を回転駆動するための駆動源としてのパルスモータ５４が配設されており、このパルスモータ５４の出力軸が雄ねじロッド５１に伝動連結されている。移動基台３１の後面にはその幅方向中央部から後方に突出する連結部（図示していない）も形成されており、この連結部には上下方向に延びる貫通雌ねじ穴（図示していない）が形成されており、この雌ねじ穴に上記雄ねじロッド５１が螺合せしめられている。従って、パルスモータ５４が正転すると移動基台３１即ち研削ユニット３が下降即ち前進せしめられ、パルスモータ５４が逆転すると移動基台３１即ち研磨ユニット３が上昇即ち後退せしめられる。

図１を参照して説明を続けると、装置ハウジング２０の主部２１にはチャックテーブル機構６が配設されている。チャックテーブル機構６は、被加工物保持手段としてのチャックテーブル６１と、該チャックテーブル６１の周囲を覆うカバー部材６２と、該カバー部材６２の前後に配設された蛇腹手段６３および６４を具備している。チャックテーブル６１は、図示しない回転駆動機構によって回転せしめられるようになっており、その上面に被加工物を図示しない吸引手段を作動することにより吸引保持するように構成されている。また、チャックテーブル６１は、図示しないチャックテーブル移動手段によって図１に示す被加工物載置域２４と上記研磨ユニット３のスピンドルユニット４を構成する研磨工具４５と対向する研磨域２５との間で移動せしめられる。蛇腹手段６３および６４はキャンパス布の如き適宜の材料から形成することができる。蛇腹手段６３の前端は主部２１の前面壁に固定され、後端はカバー部材６２の前端面に固定されている。また、蛇腹手段６４の前端はカバー部材６２の後端面に固定され、後端は装置ハウジング２の直立壁２２の前面に固定されている。チャックテーブル６１が矢印２３ａで示す方向に移動せしめられる際には蛇腹手段６３が伸張されて蛇腹手段６４が収縮され、チャックテーブル６１が矢印２３ｂで示す方向に移動せしめられる際には蛇腹手段６３が収縮されて蛇腹手段６４が伸張せしめられる。

上述した研磨工具４５を装備した研磨装置２によってサファイア基板の表面を平滑に加工する加工方法について説明する。
図４には、サファイア基板の斜視図が示されている。図４に示すサファイア基板１０は、サファイアインゴットから切り出された後、表面１０aおよび裏面１０bがラッピング、ポリッシング等の加工が施されてうねりが除去されるとともに均一な厚み（例えば、４００μm）に形成されている。このように形成されたサファイア基板１０の表面１０aにn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層からなる光デバイス層を積層して形成するためには、表面１０aの面粗さを０．０１μm以下の平滑面に仕上げる必要がある。

上記サファイア基板１０の表面１０aを研磨装置２を用いて平滑に加工するには、図１に示すように研磨装置２の被加工物載置域２４に位置付けられているチャックテーブル６１の上面である保持面上に上記サファイア基板１０の裏面１０b側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル６１上にサファイア基板１０を吸着保持する（サファイア基板保持工程）。従って、チャックテーブル６１上に保持されたサファイア基板１０は、表面１０aが上側となる。このようにして、チャックテーブル６１上にサファイア基板１０を吸引保持したならば、図示しないチャックテーブル移動手段を作動してチャックテーブル６１を矢印２３ａで示す方向に移動し研磨域２５に位置付ける。このようにチャックテーブル６１が研磨域２５に位置付けられたならば、チャックテーブル６１を図５において矢印６１aで示す方向に例えば６０ｒｐｍで回転しつつ、研磨工具４５を図５において矢印４５aで示す方向に例えば１２００ｒｐｍで回転せしめて図５に示すように研磨パッド４７を被加工面であるサファイア基板１０の表面１０aに接触せしめ、所定の圧力（例えば、１００N）で押圧して乾式研磨する（表面研磨工程）。この表面研磨工程においては、サファイア基板１０は、研磨パッド４７の外周縁と円形の穴４７aとの間に位置付けられる。従って、研磨パッド４７の研磨面（下面）がサファイア基板１０の被加工面である表面１０aの全面に接触する。このように、シリカ(SiO₂)粒子をゴム粒子で固めた研磨パッド４７によってサファイア(AlO₃)基板３を研磨すると、シリカ(SiO₂)とサファイア(AlO₃)が反応して粉末状のムライト（SiO₂AlO₃）が生成されことにより、サファイア基板１０の表面１０aが研磨され、表面１０aに生成された加工歪が除去されるとともに、表面１０aは面粗さが０．０００２μm以下の平滑面に形成することができる。本発明者による実験によると、上述した表面研磨工程を実施することにより１分間に０．６μm（０．６μm／分）研磨することができ、サファイア基板の表面から３μm研磨すると面粗さを０．０００２μmの平滑面に形成することができた。従って、上述した表面研磨工程を５分間実施することによりサファイア基板の表面を面粗さが０．０００２μmの平滑面に仕上げることができる。一方、CMPは加工速度が０．０６μm／分であるため、サファイア基板の表面を３μmCMP加工するために５０分の加工時間を要する。このように本発明による研磨工具４５を用いて乾式研磨することにより、加工時間をCMPの１０分の１に短縮することができる。

なお、上述した表面研磨工程が実施されたサファイア基板１０は、研磨された表面１０a側が凹状に反り返る傾向があるため、裏面１０bも研磨して加工歪みを除去することが望ましい。このサファイア基板１０の裏面１０bを研磨するには、上記図１に示す研磨装置２を用いて実施する。なお、サファイア基板１０の裏面１０bを研磨するに際しては、上述したサファイア基板１０の表面１０aを保護するために、図６に示すようにサファイア基板１０の表面１０aに保護テープ１１を貼着する。

次に、上述した表面を研磨する際と同様に、図１に示すように研磨装置２の被加工物載置域２４に位置付けられているチャックテーブル６１の上面である保持面上にサファイア基板１０の表面１０aに貼着された保護テープ１１側を載置する。そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル６１上に保護テープ１１を介してサファイア基板１０を吸着保持する。従って、チャックテーブル６１上に保持されたサファイア基板１０は、裏面１０bが上側となる。このようにして、チャックテーブル６１上にサファイア基板１０を吸引保持したならば、図示しないチャックテーブル移動手段を作動してチャックテーブル６１を矢印２３ａで示す方向に移動し研磨域２５に位置付ける。このようにチャックテーブル６１が研磨域２５に位置付けられたならば、チャックテーブル６１を図７において矢印６１aで示す方向に例えば６０ｒｐｍで回転しつつ、研磨工具４５を図７において矢印４５aで示す方向に例えば１２００ｒｐｍで回転せしめて図７に示すように研磨パッド４７を被加工面であるサファイア基板１０の裏面１０bに接触せしめ、所定の圧力（例えば、１００N）で押圧して乾式研磨する（裏面研磨工程）。なお、この裏面研磨工程も上記表面研磨工程と同様に、サファイア基板１０は研磨パッド４７の外周縁と円形の穴４７aとの間に位置付けられる。この結果、サファイア基板１０の裏面１０bが研磨され裏面１０bに生成された研削歪が除去されるとともに、上記表面１０aと同様に裏面１０bは面粗さが０．０００２μm以下の平滑面に形成される。このように、裏面研磨工程を実施してサファイア基板１０の裏面１０bに生成された加工歪を除去することにより、サファイア基板１０に反り返りが発生ことを防止できる。

以上のようにして表面および裏面が研磨されたサファイア基板１０は、表面に光デバイス層を積層して形成する光デバイス層形成工程に搬送される。

上述した研磨工具を構成する研磨パッドは、シリカ粒子とゴム粒子を混合した混合物を円板状に成型し焼結して形成されているので、サファイア基板の被加工面を研磨すると研磨パッドのシリカ(SiO₂)とサファイア(AlO₃)が反応して粉末状のムライト（SiO₂AlO₃）が生成されことにより、サファイア基板の被加工面の面粗さを０．０００２μm以下の平滑面に短時間（ＣＭＰの１０分の１）で形成することができる。本発明者による実験によると、面粗さが０．０００２μmに仕上がったサファイア基板の被加工面をシリカ粒子を研磨剤としてＣＭＰ加工すると、１０秒程度の短時間でサファイア基板の被加工面の面粗さを０．０００１μmに仕上げることが確認された。従って、本発明による研磨工具による乾式研磨とＣＭＰを併用しても５分１０秒の加工時間でサファイア基板の被加工面を０．０００１μmの面粗さに仕上げることができる。

２：研磨装置
２０：装置ハウジング
３：研磨ユニット
３１：移動基台
４：研磨ユニットのスピンドルユニット
４１：スピンドルハウジング
４１５：プレート収容室
４２：回転スピンドル
４４：マウンター
４５：研磨工具
４６：基台
４７：研磨パッド
５：研磨送り手段
６：チャックテーブル機構
６１：チャックテーブル
１０：サファイア基板
１１：保護テープ

Claims

光デバイス層が積層されるサファイア基板を平滑に加工するためのサファイア基板の研磨工具であって、
基台と、該基台の下面に装着される研磨パッドとからなり、
該研磨パッドは、粒径が５０μm以下のシリカ(SiO ₂ )粒子と粒径が５００μm以下のゴム粒子を重量比で９５〜７０：５〜３０の割合で混合した混合物を焼結して形成されている、
ことを特徴とするサファイア基板の研磨工具。