JP7457913B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Description

本開示は、研磨剤を含有する研磨スラリーを用いて、連続する被研磨物の表面の金属膜を研磨除去する研磨装置および研磨方法に関する。

従来から、金属や板ガラスなどの研磨においては、例えば、砥粒と呼ばれる粒状の研磨剤と水とを混合した研磨スラリーが用いられている。具体的には、被研磨面（研磨が施される面）に研磨スラリーを供給しつつ研磨パッドなどの研磨手段によって当該被研磨面を押圧しながら磨き上げる。より高速に被研磨面を除去したい場合には、エッチング性能を有する成分を添加した研磨スラリーを用いた研磨が一般的であり、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）と呼ばれている。このような化学的作用を有する研磨スラリーは、単純な機械的作用のみを有する研磨スラリーと比較すると、研磨スラリー内の化学成分の反応が終了した時点で材料の除去レートが著しく低下するという問題がある。

被研磨物を構成する基材には、シリコンやＧａＮなどのウエハ状かつ枚葉なものもあれば、ＰＥＴのようなフィルム状のものもある。ウエハ状の被研磨物の場合、被研磨物サイズと比較し、より大きな研磨パッドを用いてパッド表面に研磨スラリーを滴下しパッド内にスラリーを含浸させてパッド表面に被研磨物を押しつけることで加工が行われる。その際に発生する研磨くずは、パッド表面に形成された溝形状により外周部に排出される（例えば、特許文献１参照。）。一方、特にフィルム状に形成された被研磨物を研磨する場合には、ロールｔｏロール方式でウェブ搬送を行いながら表面を連続的に研磨する方法が必要とされる。

特開２０１５－０１３３２５号公報

前述した連続したフィルム状の被研磨物を研磨する場合、被研磨物よりも小さなパッドで研磨することとなる。その場合、研磨に作用する研磨パッドは被研磨物と接触し続け、パッド内に含浸された研磨スラリーが新しい研磨スラリーと交換されにくくなる。特に、前述したＣＭＰスラリーの場合では化学反応による研磨レートの低下が発生し、所定の時間で研磨を完了することができず、研磨不具合により製品品質が劣化する場合がある。一方で連続したフィルムを連続して研磨する場合、安定して搬送し続ける必要がある。

本開示は、上記従来の問題点に鑑み、研磨レートを安定に保ち高品位な研磨を行うことができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的としている。

本開示に係る研磨装置は、フィルム状の基材表面に被研磨物を形成した部材を連続的に研磨する研磨装置であって、
被研磨物に作用するための回転可能な研磨工具と、
研磨スラリーを供給するスラリーノズルと、
前記研磨工具を前記被研磨物に押圧するための研磨ステージと、
前記研磨ステージと前記被研磨物との間に液体を噴射する噴射ノズルと、
を備え、
前記研磨ステージの表面には凹凸形状が付与されている。

本発明に係る研磨装置によって、高品質かつ高い除去レートの連続研磨を実現することができる。

本実施の形態１に係る研磨装置の構成を示す概略模式図である。 本実施の形態１における過酸化水素濃度を変化させたときの研磨除去レートの変化を示すグラフである。 本実施の形態１における研磨ユニットと対向する研磨ステージの表面の凹凸形状を示す模式断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本実施の形態１における研磨ステージの表面の様々な凹凸形状を示す概略模式図である。 （ａ）は、本実施の形態１に係る研磨装置における研磨ステージ全面の一例の凹凸形状を示す概略模式図であり、（ｂ）は、研磨ステージ全面の別例の凹凸形状を示す概略模式図である。 本実施の形態１における研磨ステージ全面の設計違いによる搬送抵抗の時間変化のグラフである。

第１の態様に係る研磨装置は、フィルム状の基材表面に被研磨物を形成した部材を連続的に研磨する研磨装置であって、
被研磨物に作用するための回転可能な研磨工具と、
研磨スラリーを供給するスラリーノズルと、
前記研磨工具を前記被研磨物に押圧するための研磨ステージと、
前記研磨ステージと前記被研磨物との間に液体を噴射する噴射ノズルと、
を備え、
前記研磨ステージの表面には凹凸形状が付与されていることを特徴とする。

第２の態様に係る研磨装置は、上記第１の態様において、前記噴射ノズルは、前記凹凸形状の凹部にノズルが沿うようにして配置されてもよい。

第３の態様に係る研磨装置は、上記第１又は第２の態様において、前記凹凸形状は、前記研磨ステージの平面視において、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向にストライプ状に形成されていてもよい。

第４の態様に係る研磨装置は、上記第３の態様において、前記凹凸形状は、前記研磨ステージの平面視において、前記凹凸形状の長辺が前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対して０°より大きく９０°より小さい角度を有してもよい。

第５の態様に係る研磨装置は、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記凹凸形状は、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対して、前記凹凸形状の長辺が前記進行方向に垂直な方向となす鋭角の大きさは、前記凹凸形状の短辺が前記進行方向に垂直な方向となす鋭角の大きさより小さくてもよい。

第６の態様に係る研磨装置は、上記第１から第５のいずれかの態様において、前記凹凸形状は、長辺と短辺のうち、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対して角度の小さい辺同士の間隔が、他方の辺同士の間隔より大きくてもよい。

第７の態様に係る研磨装置は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記凹凸形状は、前記研磨ステージの端部側に比べ、前記研磨ステージの中央部側のほうが、前記凹凸形状の長辺が、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対する角度が小さくてもよい。

第８の態様に係る研磨方法は、上記第１から第７のいずれかの態様の研磨装置を用いて、被研磨物の研磨を行う。

以下、実施の形態に係る研磨装置及び研磨方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係るロールｔｏロール研磨装置１０の構成を示す概略模式図である。なお、便宜上、フィルム状の基材表面に被研磨物を形成した被研磨部材１の進行方向（搬送方向）をｘ方向とし、幅方向をｙ方向とし、鉛直上方をｚ方向とした。
実施の形態１に係るロールｔｏロール研磨装置１０は、フィルム状の基材表面に被研磨物を形成した被研磨部材１を連続的に研磨する研磨装置である。この研磨装置１０は、被研磨部材１に作用するための回転可能な研磨工具（研磨ユニット）３１と、研磨スラリーを供給するスラリーノズル２１と、研磨工具３１を被研磨部材１に押圧するための研磨ステージ４と、を備える。また、研磨ステージ４の表面には凹凸形状が付与されている。前記被研磨部材１と研磨ステージ４に液体を噴射するための裏面噴射ノズル６が設置されている。
そこで、この研磨装置１０によれば、高品質かつ高い除去レートの連続研磨を実現することができる。

表面に被研磨材料を形成したフィルム状の被研磨部材１は、巻き出しロール１１から供給され、巻き取りロール１２にて回収される。巻き出しロール１１と巻き取りロール１２との間には、研磨ステージ４が配置され、被研磨部材１は、研磨ステージ４上を滑りながら搬送される。

裏面噴射ノズル６は、被研磨部材１の搬送の際、研磨スラリーを被研磨部材１と研磨ステージ４との間に噴射している。裏面噴射ノズル６は、効率的に研磨スラリーを被研磨部材１と研磨ステージ４との間に供給するよう、ノズルが研磨ステージ４の表面に沿うようにして配置される。さらに好ましくは、裏面噴射ノズル６は、研磨ステージ４の表面に付与される凹凸形状の凹部にノズルが沿うようにして配置される。このことで、裏面噴射ノズル６から噴射される研磨スラリーが、研磨ステージ４の表面に付与される凹凸形状の凹部に沿って、被研磨部材１の幅方向（ｙ方向）へ行き渡る。すなわち、裏面噴射ノズル６は、特にロールｔｏロール方式に見られる幅方向（ｙ方向）に長い被研磨部材１においても、幅方向中央付近へ効率的に研磨スラリーを供給することができる。したがって、被研磨部材１の搬送抵抗が低減する。

裏面噴射ノズル６は、本実施の形態では研磨ステージ４の外に設置することを想定しているが、例えば研磨ステージ４の内部に設置してもよい。この場合、例えば、研磨ステージ４は孔部を有し、研磨ステージ４内部に設置された裏面噴射ノズル６から噴射される研磨スラリーは、孔部を通して被研磨部材１と研磨ステージ４との間に供給される。
裏面噴射ノズル６は、被研磨部材１の搬送中に継続して研磨スラリーを噴射することが好ましい。また、裏面噴射ノズル６は、未使用もしくは搬送下流で回収され再利用される研磨スラリーを噴射することが好ましい。このことで、被研磨部材１の研磨される加工界面に余分な成分が入り込むことによる研磨スラリーの濃度低下を低減し、除去レートが低下することを防止することができる。

研磨ステージ４には、研磨パッド３１１とノズル付きの研磨ヘッド３１２とで構成される研磨ユニット３１が固定されて配置されている。研磨ヘッド３１２は、中央に空孔が設けられ、上部から供給された研磨スラリーを下方へ流し込むことが可能になっている。研磨ユニット３１は、フィルム状の被研磨部材１の進行方向（搬送方向）（ｘ方向）と幅方向（ｙ方向）に平行な位置にそれぞれ複数セット配置されている。

図２は、本実施の形態１における過酸化水素濃度を変化させたときの研磨除去レートの変化を示すグラフである。研磨を行うために準備された研磨スラリーは、スラリー供給タンク２にて、例えば、過酸化水素水が０．７５ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下の濃度に調合された後に、スラリーノズル２１を介して各研磨ユニット３１へ供給される。これは図２の濃度範囲Ａに示すように、エッチング作用を付与する加工においては上記濃度範囲Ａであることが、研磨除去レートが高くなることから望ましい。なお、濃度範囲Ａは、０．７５ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下の濃度範囲である。

研磨ヘッド３１２の空孔を通して供給された研磨スラリーは、フィルム状の被研磨部材１の表面に滴下される。また同時に研磨ユニット３１は、フィルム状の被研磨部材１の表面に接触し加圧し、表面で回転する。この動作にて研磨パッド３１１の研磨作用により表面の被研磨材料は除去されることになる。研磨に用いられた研磨スラリーは、研磨ステージ４の側面から流れ落ち、回収パン５へ滴下した後、図示されていない回収タンクに回収される。

以下に、この研磨装置１０を構成する各部材について説明する。

＜研磨ユニット（研磨工具）＞
研磨ユニット３１は、研磨パッド３１１と、ノズル付きの研磨ヘッド３１２とで構成される。研磨ユニット３１は、ｚ軸を回転軸として回転可能であり、フィルム状の被研磨部材１に作用する。研磨ヘッド３１２の上部にはスラリーノズル２１が設けられている。スラリーノズル２１を介して供給された研磨スラリーは、研磨ヘッド３１２の空孔を通して研磨パッド３１１の下面のフィルム状の被研磨部材１の表面に滴下される。つまり、スラリーノズル２１によって、研磨パッド３１１とフィルム状の被研磨部材１との間に研磨スラリーが供給される。

＜スラリー供給タンク＞
スラリー供給タンク２には、研磨スラリーが保持されている。スラリー供給タンク２において、研磨スラリーは、例えば、過酸化水素水が０．７５ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下の濃度に調合される。

＜研磨ステージ＞
図３は、研磨ユニット３１と対向する研磨ステージ４の表面の凹凸形状を示す模式断面図である。研磨ステージ４の表面には、エッチングやブラストなどで形成された１００μｍから３００μｍの高低差を有する凹凸形状４１が形成されている。なお、高低差は、凹部のｚ方向の高さと凸部のｚ方向の高さとの差である。

図４は、本実施の形態１における研磨ステージ４の表面の様々な凹凸形状を示す概略模式図である。なお、図４では、凹凸形状のうちの凸部を描画している。

図４（ａ）に示すように、変形例１では、凹凸形状４１は、ｚ方向からの平面視でフィルム状の被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に、ストライプ状に形成されている。つまり、凹凸形状の長辺とｙ方向とのなす角θ１は０°である。このことで被研磨面の全体が均一に研磨されるため、なおよい。

または、凹凸形状４１は、図４（ｂ）に示すように、変形例２では、ｚ方向からの平面視で凹凸形状の長辺がフィルム状の被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に対してなす角θ２が０°より大きく９０°より小さい角度を有する、ストライプ状に形成されている。すなわち、凹凸形状４１は、長辺が被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に対して０°より大きく９０°より小さい角度θ２を有する。このことで、裏面に噴射されている潤滑用に供給した研磨スラリーが研磨に伴う上方からの加圧などによって、裏面の研磨スラリーが排出された際に排出される方向を制御できるため、なおよい。好ましくは、凹凸形状４１は、被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に対して３０°から６０°の角度を有するのがよい。さらに好ましくは、凹凸形状４１は、被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に対して４５°の角度を有するのがよい。

または、凹凸形状４１は、図４（ｃ）に示すように、変形例３では、ｚ方向からの平面視でストライプ形状が断続的に形成されている。すなわち、凹凸形状４１における一つ一つの凸部の四角形状について、長辺とｙ方向とのなす角θ３１が短辺とｙ方向とのなす角θ３２より小さくなることが望ましい。つまり、θ３１＜θ３２の関係を満たしてもよい。もしくは、凹凸形状４１における凸部同士について、ｙ方向に対して角度の小さい辺同士の間隔が、他方の辺同士の間隔より大きくなることが望ましい。またはこの両方を満たすように配置されてもよい。このことで、研磨スラリーが排出されずフィルム状の被研磨部材１の裏面に留まりやすくなり、フィルムの搬送抵抗が小さくなるため、なおよい。

または、凹凸形状４１は、図４（ｄ）に示すように、変形例４では、ｚ方向からの平面視でフィルム状の被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）に対して、０°より大きく９０°より小さい角度内で変動する角度θ４１及びθ４２を有するストライプ状に形成されている。このとき、凹凸形状４１は、研磨ステージ４の端部側の凹凸形状の長辺とｙ方向とのなす角θ４２に比べ、研磨ステージ４の中央部側の凹凸形状の長辺とｙ方向とのなす角θ４１のほうが、小さいことが好ましい。つまり、θ４１＜θ４２の関係を満たしてもよい。このことで、研磨スラリーが排出されずフィルム状の被研磨部材１の裏面に留まりやすくなり、フィルムの搬送抵抗が小さくなるため、なおよい。なお、図４（ｄ）においては、図面下方（－ｙ方向）が研磨ステージ４の端部に近いことを想定している。

図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態１における研磨ステージ４の全面の一例と別例との凹凸形状を示す概略模式図である。図６は、本実施の形態１における研磨ステージ４の全面の設計違いによる搬送抵抗の時間変化のグラフである。

図５（ａ）に示すように、一例としては、研磨ステージ４の全面で同一のデザインの凹凸形状としてもよい。つまり、全面で凹凸形状４１ｅの長辺とｙ方向とのなす角θ５が同じであってもよい。また、図５（ｂ）に示すように、別例としては、凹凸形状４１ｆは、研磨ステージ４における場所ごとに異なる様式を採用してもよい。より好ましくは、研磨ステージ４の端部側のみ、フィルム上の被研磨部材１の進行方向と垂直な方向（ｙ方向）と凹凸形状４１ｆ及び４１ｈの長辺とのなす角度θ６１及びθ６３が０°より大きく９０°より小さくなるように配置される。このことで、図５（ａ）に示す研磨ステージ４の全面で同一のデザインの場合と比較して、更に潤滑用の液体が排出されずフィルム状の被研磨部材１の裏面にとどまりやすくなる。したがって、図５（ｂ）に示す前面の凹凸形状の場合に、図６に示すように、連続して長い時間、研磨を継続した場合のフィルムの搬送抵抗が増加せず、なおよい。なお、研磨ステージ４の中央部では、凹凸形状４１ｇの長辺とｙ方向とのなす角θ６２は０°であってもよい。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係る研磨装置によれば、高品質かつ高い除去レートの連続研磨を実現することができる。

１ 被研磨部材
１１ 巻き出しロール
１２ 巻き取りロール
２ スラリー供給タンク
２１ スラリーノズル
２２ スラリー供給管
３１ 研磨ユニット（研磨工具）
３１１ 研磨パッド
３１２ 研磨ヘッド
４ 研磨ステージ
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ 凹凸形状
５ 回収パン
６ 裏面噴射ノズル
１０ ロールｔｏロール研磨装置（研磨装置）

Claims (6)

1. 連続的に走行するフィルム状の基材表面に被研磨物を形成した部材を連続的に研磨する研磨装置であって、
   被研磨物に作用するための回転可能な研磨工具と、
   研磨スラリーを供給するスラリーノズルと、
   前記研磨工具を前記被研磨物に押圧するための研磨ステージと、
   前記研磨ステージと前記被研磨物との間に液体を噴射する噴射ノズルと、
   を備え、
   前記研磨ステージの表面には凹凸形状が付与され、
   前記凹凸形状は、前記研磨ステージの平面視において、前記凹凸形状の長辺が前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対して０°より大きく９０°より小さい角度を有する、
   研磨装置。
2. 前記噴射ノズルは、前記凹凸形状の凹部にノズルが沿うようにして配置される、
   請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記凹凸形状は、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対して、前記凹凸形状の長辺が前記進行方向に垂直な方向となす鋭角の大きさは、前記凹凸形状の短辺が前記進行方向に垂直な方向となす鋭角の大きさより小さい、
   請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記凹凸形状は、長辺と短辺のうち、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対して角度の小さい辺同士の間隔が、他方の辺同士の間隔より大きい、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
5. 前記凹凸形状は、前記研磨ステージの端部側に比べ、前記研磨ステージの中央部側のほうが、前記凹凸形状の長辺が、前記被研磨物の進行方向と垂直な方向に対する角度が小さい、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の研磨装置を用いて、被研磨物の研磨を行う研磨方法。

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