(57)【要約】【課題】  研磨開始から短時間で、安定して高い研磨速度で被研磨基板を研磨することができ、所定量の研磨を比較的短時間で行うことができる研磨装置を提供する。【解決手段】  赤外線を透過する被研磨基板４の一方主面４ａを研磨する研磨装置であって、一方主面４ａに当接する研磨面２ａを備えた研磨体２と、保持面６ａが研磨体２の他方主面２ｂに当接した状態で被研磨基板４を保持する保持部材６とを有し、保持部材６は、保持面６ａに開口１６ａを有する少なくとも１つの孔部１６を備え、孔部１６の少なくとも１つに、開口１６ａを通して被研磨基板４に向けて赤外線を出射して、被研磨基板４を透過した赤外線を研磨面２ａに照射するための赤外線照射手段８が配置されていることを特徴とする研磨装置を提供する。【選択図】図２
2013230509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を透過する被研磨基板の一方主面を研磨するための研磨装置であって、
前記一方主面に当接する研磨面を備えた研磨体と、
前記被研磨基板の他方主面に当接する保持面を備え、該保持面が前記他方主面に当接した状態で前記被研磨基板を保持する保持部材と、
前記一方主面を前記研磨面に当接させた状態で前記保持部材および前記研磨体を相対移動させる移動手段とを有しており、
前記保持部材は、前記保持面に開口を有する少なくとも１つの孔部を備え、
該孔部の少なくとも１つに、前記開口を通して前記被研磨基板に向けて赤外線を出射して、前記被研磨基板を透過した前記赤外線を前記研磨面に照射するための赤外線照射手段が配置されていることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記保持部材は前記孔部を複数備えており、２つ以上の該孔部に、前記赤外線照射手段が配置されていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
前記保持部材は前記孔部を複数備えており、該孔部の少なくとも１つに、前記研磨面から放射されて前記被研磨基板を透過してきた、前記赤外線照射手段が出射した赤外線よりも波長が長い赤外線を受けて、該赤外線に基づいて前記研磨面の温度情報を出力する放射温度センサが配置されていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項４】
前記赤外線照射手段および前記放射温度センサが接続された、前記放射温度センサが出力した前記温度情報に基づいて前記赤外線照射手段が出射する前記赤外線の強度を調整する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項３記載の研磨装置。
【請求項５】
前記被研磨基板がサファイア単結晶基板であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は研磨装置に関し、特に赤外線を透過する被研磨基板の一方主面を研磨するための研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体デバイスの材料基板である半導体ウェハ等の製造においては、基板の表面を研磨する研磨工程が実施される。従来、一般的な研磨工程では、例えばシリカ等の砥粒と薬液とを供給しながら、研磨布や研磨パッドとよばれる研磨体を被研磨基板に当接させて相対移動させる、いわゆる湿式研磨工程が主に実施されている。このような湿式研磨工程では、薬液に砥粒が分散されたスラリーを、研磨体と被研磨基板との当接部分に大量に流し続ける必要がある。このため湿式研磨では、スラリーに含まれる砥粒や薬液など大量の排出物が生じ、この排出物の処理費用などが多くかかり、研磨にかかるコストが大きくなってしまうといった課題があった。このような湿式研磨工程における課題を解決する手段として、砥粒や薬液が含まれるスラリーを用いずに被研磨基板を研磨する乾式研磨工程が提案されている。
【０００３】
例えば下記特許文献１には、乾式研磨工程の一例が記載されている。特許文献１に記載されている乾式研磨工程では、二酸化珪素や酸化セリウムからなる砥粒を研磨布に含ませ、ワニス等の結合材によって研磨布と砥粒とを結合した研磨体を用いている。特許文献１に記載されている乾式研磨工程では、この研磨体と被研磨基板とを当接させた状態で相対移動させることで、薬液に砥粒が分散されたスラリーを用いることなく被研磨基板を研磨している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４３４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スラリーを用いずに基板を研磨する、特許文献１に記載されているような乾式研磨工程では、研磨体に含まれる砥粒による機械的な作用によって、被研磨基板の表面（研磨体と当接する表面）が研磨される。また、研磨体と被研磨基板とが当接して相対移動することで、研磨体と被研磨基板との当接部分には摩擦熱が発生する。このような摩擦熱の熱エネルギーによって、研磨体に含まれる砥粒や結合材および被研磨基板が高温になり、温度上昇した砥粒や結合材と被研磨基板とが化学反応する。この化学反応に伴い、被研磨基板の表面が溶解したり、被研磨基板の表面が脆弱に変質し、機械的な作用によって研磨され易くなる。この化学反応の程度は、研磨体と被研磨基板との当接部分の温度によって変化し、温度が高いほど化学反応の程度が大きくなる。乾式研磨工程では、湿式研磨工程における薬液のような、冷媒として機能する液体が供給されないので、この研磨体と被研磨基板との当接部分が比較的高温になり易い。湿式研磨工程に比べて乾式研磨工程は、研磨体と被研磨基板との当接部分の温度が、研磨速度や研磨後の表面状態に強く影響する。
【０００６】
乾式研磨の際、研磨体と被研磨基板との当接部分の温度は、研磨開始の時点から、すなわち、研磨体と被研磨基板とが当接した状態で相対移動が開始した時点から、研磨体と被研磨基板との摩擦熱の発生に伴って徐々に上昇し、摩擦熱による温度上昇と放熱とが釣り合った段階で、温度変化が殆どない略一定の温度状態に達する。研磨体と被研磨基板との当接部分の研磨開始からの温度変化は、例えば図１２に示すグラフのようになる。研磨速
度が速く、研磨後の表面状態が良い研磨ができるのは、温度が上昇しきって安定した状態となった、図１２に示す時間Ｔ経過時点以降である。
【０００７】
図１２に示す時間Ｔ経過時点よりも前の状態では、研磨体と被研磨基板との当接部分の温度が低いので研磨速度が比較的小さく、所定量の研磨に比較的多くの時間を要する。ここで、研磨体と被研磨基板との当接部分の温度を早く上昇させるには、研磨体と被研磨基板との相対移動速度を大きくし、時間当たりの摩擦熱を多くすればよいが、研磨開始時点のように温度が低い状態では、被研磨基板の溶解や、被研磨基板の表面の変質が進んでおらず、機械的な研磨によって容易には研磨が進まない。研磨開始時点のように温度が低い状態で、研磨体と被研磨基板との相対移動速度を大きくし過ぎると、機械的な研磨の作用が大きくなり過ぎるので、被研磨基板の表面が荒れたり、場合によっては欠けや割れ等が発生する場合もあった。このため乾式研磨では、研磨開始時点のような温度が低い状態では、相対移動速度を小さくしてゆっくり温度を上げていく必要があり、効率よく研磨が進む状態（図１２に示す時間Ｔ経過時点）になるまで、多くの時間を要するといった課題があった。また、徐々に温度を上げていく段階では、温度上昇に伴って研磨速度や研磨後の表面状態が大きく変化するので、徐々に温度を上げていく段階の時間が長いと、研磨量や研磨後の表面状態の制御が困難であるといった課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、赤外線を透過する被研磨基板の一方主面を研磨するための研磨装置であって、前記一方主面に当接する研磨面を備えた研磨体と、前記被研磨基板の他方主面に当接する保持面を備え、該保持面が前記他方主面に当接した状態で前記被研磨基板を保持する保持部材と、前記一方主面を前記研磨面に当接させた状態で前記保持部材および前記研磨体を相対移動させる移動手段とを有しており、前記保持部材は、前記保持面に開口を有する少なくとも１つの孔部を備え、該孔部の少なくとも１つに、前記開口を通して前記被研磨基板に向けて赤外線を出射して、前記被研磨基板を透過した前記赤外線を前記研磨面に照射するための赤外線照射手段が配置されていることを特徴とする研磨装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、被研磨基板を保持する保持部材の保持面に、開口を有する少なくとも１つの孔部を備え、これら孔部の少なくとも１つに、開口を通して被研磨基板に向けて赤外線を出射して、被研磨基板を透過した赤外線を研磨面に照射するための赤外線照射手段が配置されており、赤外線照射手段によって被研磨基板を加熱することができる。このため、研磨開始から短時間のうちに、安定して高い研磨速度で被研磨基板を研磨することができる状態とすることができるので、所定量の研磨を比較的短時間で行うことが可能であり、また研磨量や研磨後の表面状態を高精度に制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の研磨装置の一実施形態である研磨装置３０の概略斜視図である。
【図２】図１に示す研磨装置３０の一部の概略断面図であり、研磨装置３０が備える研磨体２周辺を拡大して示している。
【図３】図３は、図１に示す研磨装置３０の一部の概略上面図であり、被研磨基板であるサファイア基板４が載置された状態で、保持部材６を上側から見た状態について示す上面図である。
【図４】図１に示す研磨装置３０の一部の概略上面図であり、研磨体２を図１および図２における上側から見た状態を示している。
【図５】図１に示す研磨装置３０が備える赤外線照射手段（赤外線ヒーター）８の概略断面図である。
【図６】研磨体２の研磨面２ａ近傍を拡大して示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、研磨装置３０を用いて行う研磨における、研磨体２によるサファイア基板４表面の研磨の状態について説明する図である。
【図８】研磨装置３０における、放射温度センサ１２による検出温度と、赤外線ヒーター８の赤外線ハロゲンランプ８３の出力の大きさの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の研磨装置の他の実施形態である研磨装置７０の概略断面図であり、研磨装置７０が備える研磨体２周辺を拡大して示している。
【図１０】図９に示す研磨装置７０の一部の概略上面図であり、被研磨基板であるサファイア基板４が載置された状態で、保持部材６を上面の側から見た状態を示す概略上面図である。
【図１１】図９および図１０に示す研磨装置７０を用いて行う、サファイア基板４の研磨の一例について説明する概略上面図である。
【図１２】従来の研磨装置を用いて行う研磨における、研磨体の研磨面と被研磨基板との当接部分の温度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の研磨装置について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の研磨装置の一実施形態である研磨装置３０の概略斜視図である。図２は、研磨装置３０の一部の概略断面図であり、研磨装置３０が備える研磨体２周辺を拡大して示した図である。図３は、図１に示す研磨装置３０の一部の概略上面図であり、被研磨基板であるサファイア基板４が載置された状態で、保持部材６を図１および図２における上側から見た状態について説明する概略上面図である。
【００１３】
研磨装置３０は、赤外線を透過する被研磨基板４の一方主面を研磨するための装置であり、本実施形態では、赤外線を透過するサファイア単結晶基板を被研磨基板４（以降、単にサファイア基板４ともいう）として、このサファイア基板４の一方主面４ａを研磨する。本発明において、被研磨基板４はサファイア単結晶基板に限定されない。被研磨基板４として、例えば波長９００ｎｍから１６００ｎｍの赤外線を、５０％以上の透過率で透過する基板を用いることができる。
【００１４】
研磨装置３０は、一方主面４ａに当接する研磨面２ａを備えた研磨体２と、サファイア基板４の他方主面４ｂに当接する保持面６ａを備え、保持面６ａが他方主面４ｂに当接した状態でサファイア基板４を保持する保持部材６と、一方主面４ａを研磨面２ａに当接させた状態で、保持部材６および研磨体２を相対移動させることで、研磨面２ａによってサファイア基板４の一方主面４ａを研磨する移動手段２０とを有している。
【００１５】
研磨装置３０は、図１に示すように、基台２２と、基台２２の上面に対して垂直な壁面を備える壁部２３とを有する。移動手段２０は、この壁部２３の壁面に配置された、第１の移動手段２０ａと、第２の移動手段２０ｂと、基台２２の内部に配置された第３の移動手段２０ｃとを備える。
【００１６】
第１の移動手段２０ａは、基台２２の上面に対して垂直に延在した一対のレール２４ａと、レール２４ａに沿って移動可能な、内部にモーター等の駆動手段を備えたスライド板２５ａと、スライド板２５ａに固定された、基体２２の上面に平行な一対のレール２４ｂと、レール２４ｂに沿って移動可能な、内部にモーター等の駆動手段を備えたスライド板２５ｂとを有している。
【００１７】
第２の移動手段２０ｂは、基台２２の上面に対して垂直に延在した軸芯２１を有する、研磨体２を保持するためのマウンタ２８と、マウンタ２８を軸芯２１の中心軸α周りに回転させる、図示しないモーターを備える回転機構部２６とを有している。マウンタ２８は
、機械的に研磨体２を保持する機構や、いわゆる真空吸着機構等を備えており、研磨体２はマウンタ２８に対して固定されている。
【００１８】
また。回転機構部２６は第１の移動手段２０ａのスライド板２５ｂに対して固定されている。第２の移動手段２０ｂは、回転機構部２６によってマウンタ２８が回転することで、このマウンタ２８に保持された研磨体２が回転する構成となっている。第２の移動手段２０ｂは、マウンタ２８およびマウンタ２８に保持された研磨体２を、中心軸α周りに、例えば５０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの回転数で回転させる。
【００１９】
保持部材６は、円板状の板状部６Ａと、板状部６Ａから突出した軸体部６Ｂとを備えている。保持部材６は、いわゆる真空吸着機構等の保持機構を備えており、サファイア基板４は保持部材６の板状部６Ａに対して固定されている。
【００２０】
保持部材６の軸体部６Ｂの側面の下方端部には、ギヤ部６１が設けられている。ギア部６１は、第３の移動手段２０ｃの一部を構成するギア６２と係合している。第３の移動手段２０ｃは、ギア６２と、ギア６２を回転駆動させる図示しないモーターとを有している。図示しないモーターによってギア６２が回転することで、ギア部６１が設けられた保持部材６が、軸体部６Ｂの中心軸β周りに回転し、板状部６Ａ上に固定されたサファイア基板４も、軸体部６Ｂの中心軸β周りに回転する。第３の移動手段２０ｃは、保持部材６および保持部材６に保持されたサファイア基板４を、中心軸β周りに、例えば５０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの回転数で回転させる。
【００２１】
研磨装置３０によって対象体であるサファイア基板４の表面を研磨する際は、サファイア基板４を保持部材６に保持させ、第３の移動手段２０ｃによって保持部材６とともにサファイア基板４を回転させるとともに、第２の移動手段２０ｂによってマウンタ２８とともに研磨体２を回転させる。このように研磨体２とサファイア基板４とが回転した状態で、第１の移動手段２０ａが、研磨体２を図１および図２における下側に移動させ、研磨体２とサファイア基板４とを当接させて、研磨体２によるサファイア基板４の研磨が開始される。本実施形態では、研磨の最中に、スライド板２５がレール２４ｂに沿って往復移動する（図１に示す両矢印Ａ方向）。研磨装置３０は、薬液等を供給する機構は特に備えておらず、研磨の最中に、研磨体２とサファイア基板４との当接面に薬液を供給しない、いわゆる乾式研磨を行う。
【００２２】
図４は、図１に示す研磨装置３０の一部の概略上面図であり、研磨体２を図１および図２における上側から見た状態について説明する概略上面図である。図４では、研磨装置３０による研磨の最中の、研磨体２と保持部材６（および保持部材６に保持されたサファイア基板４）の動きを、それぞれ矢印で示している。研磨の最中、研磨体２と保持部材６とはそれぞれ回転しながら、第３の移動手段２０ｃによって研磨体２は矢印Ａ方向に沿って往復移動している。
【００２３】
研磨装置３０は、図２および図３に示すように、保持部材６が、保持面６ａに開口１６ａを有する少なくとも１つの孔部１６を備え、複数の孔部１６に、開口１６ａを通してサファイア基板４に向けて赤外線を出射して、サファイア基板４を透過した赤外線を研磨面２ａに照射するための赤外線照射手段８（以降、赤外線ヒーター８ともいう）が配置されている。また、保持部材６は孔部１６を複数備えており、２つ以上の孔部１６に、赤外線ヒーター８が配置されている。
【００２４】
保持部材６に設けられた孔部１６は、保持面６ａから保持面６ａの反対側まで貫通している。保持面６ａには、孔部１６の一方の開口である開口１６ａが複数配置されている。研磨装置３０では、１つの開口１６ａが保持面６ａの中心部に配置されるとともに、８個
の開口１６ａが同心円状に等間隔で配列された円形状の列が２列形成されており、合計で計１７個の開口１６ａが配置されている。
【００２５】
保持面６ａの中心部分以外に配置された孔部１６には、赤外線ヒーター８が配置されている。図５は、赤外線ヒーター８の概略断面図である。赤外線ヒーター８は、例えばセラミックからなるハウジング８２と、赤外線ハロゲンランプ８３と、反射鏡８４と、カバーガラス８６とを有する。図５に示すように、ハウジング８２は柱状部材であり、一方の端部に凹状部８１を備えている。反射鏡８４は、この凹状部８１の内面に被着された、例えばアルミニウム等の金属膜から構成されている。カバーガラスは、石英やサファイア等、赤外線を良好に透過する部材からなる。赤外線ハロゲンランプ８３は、配線１１を介して供給された電力に応じた強度の赤外線を放射する。より詳しくは、赤外線ハロゲンランプ８３は、一般的な赤外線ハロゲンランプと同様、例えば波長０．９μｍから１．６μｍの範囲にピークを有する、いわゆる近赤外領域の赤外線（近赤外線）を放射する。赤外線ハロゲンランプ８３から放射された赤外線は、反射鏡８４によって反射されることで、図５中の上側に向かう。ハウジング８２は孔部１６内に固定されており、赤外線ヒーター８は、開口１６ａを通してサファイア基板４に向けて赤外線を出射して、サファイア基板４を透過した赤外線を、研磨体２の研磨面２ａに照射する。
【００２６】
保持部材６は孔部１６を複数備えており、孔部１６の少なくとも１つに、研磨面２ａから放射されてサファイア基板４を透過してきた、赤外線ヒーター８が出射した赤外線とは異なる波長の赤外線を受けて、この赤外線に基づいて研磨面２ａの温度情報を出力する放射温度センサ１２が配置されている。本実施形態では、孔部１６のうち、保持面６ａの中心部分に配置された孔部１６に、放射温度センサ１２が配置されている。放射温度センサ１２は、対象物から放射される赤外線を、サーモパイルと呼ばれる検出素子で受光し、受光した赤外線の強度に応じた電気信号を対象物の温度情報として出力する、公知の放射温度センサである。放射温度センサ１２は、図１中の上側から下側に向かう、研磨面２ａから放射された赤外線を受光し、この赤外線に応じた電気信号を出力するよう、孔部１６内に配置されている。
【００２７】
すなわち、研磨装置３０では、放射温度センサ１２が、赤外線ヒーター８から出射される赤外線とは波長が異なる、研磨面２ａから放射されてサファイア基板４を透過してきた赤外線（以降、研磨面赤外線ともいう）を受けて、この研磨面赤外線に基づいて研磨面２ａの温度情報を検出し、検出した温度情報を出力する。
【００２８】
放射温度センサ１２は、受光面に図示しない波長選択フィルタが設けられており、この波長選択フィルタによって、赤外線ヒーター８から出射した赤外線よりも波長が長い赤外線を選択的に透過させて、研磨面赤外線として受光する。サファイア基板４は赤外線透過率が高いので、赤外線ヒーター８から出射した赤外線は、サファイア基板４を少ない光損失で透過して研磨面２ａに到達する。研磨面２ａに到達した赤外線は、研磨面２ａの温度を上昇させるが、赤外線の一部は研磨面２ａで反射する。研磨面２ａで反射した赤外線は、サファイア基板４内を移動して、放射温度センサ１２が配置された孔部１６に到達する。このように、放射温度センサ１２が配置された孔部１６には、研磨面２ａから放射されてサファイア基板４を透過してきた研磨面赤外線の他に、赤外線ヒーター８から出射された赤外線も入射してくる。放射温度センサ１２は、この図示しない波長選択フィルタによって、赤外線ヒーター８が出射した赤外線と異なる波長の研磨面赤外線を選択的に受光する。
【００２９】
具体的には、波長選択フィルタは、赤外線ハロゲンランプ８３のピーク強度を含む例えば波長０．９μｍから１．６μｍの近赤外線領域よりも長い波長範囲である、例えば波長４．０μｍ以上のいわゆる遠赤外線のみを選択して透過する。物体から放射される赤外線
のピーク波長は、物体の温度が高くなるほど短くなっていく。本実施形態では、後に詳述するように、研磨面２ａの最高到達温度を約１５０℃に制御しながら研磨を行う。約１５０℃程度の研磨面２ａから放射される研磨面赤外線のピーク波長は約６〜７μｍ程度であり、この研磨面赤外線の光強度は、このピーク波長よりも短波長側では著しく低く、このピーク波長よりも長波長側では比較的高くなっている。波長選択フィルタによって、例えば波長４．０μｍ以上のいわゆる遠赤外線のみを選択して透過することで、赤外線ヒーター８から出射した近赤外線と異なる、研磨面２ａから放射された遠赤外線（研磨面赤外線）を、放射温度センサ１２が選択的に効率良く受光することができる。これにより放射温度センサ１２は、放射温度センサ１２が配置された孔部１６に入射する、赤外線ヒーター８から出射される赤外線の影響を殆ど受けることなく、研磨面２ａから放射される研磨面赤外線に基づいて、研磨面２ａの温度を高精度に検出することができる。
【００３０】
軸体６Ｂの側面には、複数のリング状電極１０が固定されている。リング状電極１０各々には、それぞれ異なる赤外線ヒーター８が、配線１１を介して接続されている。図２では、配線１１の電気的な接続状態を模式的に図示している。配線１１は、保持部材６に対して固定されており、保持部材６の回転に伴って、保持部材６とともに回転移動する。研磨装置３０はまた、リング状電極１０それぞれに対して、リング状電極１０とに接する導電性のカーボン電極３６が配置されている。カーボン電極３６は、不図示の固定治具によってリング状電極１０と相対的な位置が固定されている。研磨装置３０では、保持部材６が軸体部６Ｂの中心軸β周りに回転している最中も、リング状電極１０とカーボン電極３６とが当接している。
【００３１】
研磨装置３０は、赤外線ヒーター８および放射温度センサ１２が接続された、放射温度センサ１２が出力した温度情報に基づいて赤外線ヒーター８が出射する赤外線の強度を調整する制御手段１９をさらに有している。各カーボン電極３６は、配線１３を介して制御手段１９と電気的に接続している。このように赤外線ヒーター８は、配線１１、リング状電極１０、カーボン電極３６、および配線１３を介して、制御手段１９と電気的に接続されている。また、放射温度センサ１２も、配線１３を介して制御手段１９と電気的に接続されている。
【００３２】
研磨装置３０では、放射温度センサ１２が、研磨面２ａから放射された研磨面赤外線を受け、この研磨面赤外線に基づいて研磨面２ａの温度を算出し、研磨面２ａの検出温度情報として、配線１３を介して制御手段１９に送られる。制御手段１９は、放射温度センサ１２から出力された検出温度情報に基づいて赤外線ヒーター８が出射する赤外線の強度を調整する。
【００３３】
図６は、研磨体２の研磨面２ａ近傍を拡大して示す断面図である。研磨体２は、シリカを主成分とする第１の粒状体３１と、ポリスチレンからなる第２の粒状体３２と、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）を主成分とする第３の粒状体３３とを含有している。
【００３４】
第２の粒状体３２は、熱可塑性樹脂であれば特に限定されず、ナイロン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等、特に限定されない。第３の粒状体３３は、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）３）を主成分とする。第３の粒状体も、研磨する対象体の材質に応じて選択すればよい。
【００３５】
本実施形態では、第１の粒状体３１の平均粒径は２μｍ、第２の粒状体３２の平均粒径は６μｍ、第３の粒状体３３の平均粒径は２３μｍであり、第１の粒状体３１および第２の粒状体３２に比べて、第３の粒状体３３の平均粒径が最も大きくなっている。本実施形態では、第３の粒状体３３の平均粒径は、第１の粒状体３１の平均粒径の１０倍以上、第２の粒状体３２の平均粒径の３倍以上の大きさを有している。第３の粒状体の平均粒径は
、第１の粒状体の平均粒径の５倍以上かつ５０倍以下であることが好ましい。
【００３６】
また、研磨体２では、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３との他に、ポリビニルアルコールからなる結合材を含有している。結合材は、第１の粒状体３１、第２の粒状体３２、および第３の粒状体３３のそれぞれの間隙に位置し、第１の粒状体３１、第２の粒状体３２、および第３の粒状体３３それぞれと接合している。本実施形態では、結合材としてポリビニルアルコールを用いたが、結合材の材質については、特に限定されない。
【００３７】
研磨体２は、不可避不純物以外の含有物として、第１の粒状体３１を５７質量％、第２の粒状体３２を２５質量％、第３の粒状体３３を５質量％、および上述の結合材を１３質量％含有している。結合材を除いた、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３とでは、第１の粒状体３１と第２の粒状体３２と第３の粒状体３３との合計の質量（合計質量ともいう）に対する、第１の粒状体３１の質量の割合が約６５．５質量％となり、第２の粒状体３２の質量の割合が約２９質量となり、第３の粒状体３３の質量の割合が約６％となっている。
【００３８】
また、第１の粒状体３１は、表面積当たりのシラノール基含有量の平均値が約４μｍｏｌ／ｍ２となっている。シラノール基の含有量は、第１の粒状体３１の粉末について、カールフィッシャー法による測定を行うことで求めることができる。カールフィッシャー法にてシラノール基濃度を測定するには、水分気化装置に、第１の粒状体３１の粉末をセットし、電気ヒーターで加熱しながら脱水処理されたアルゴンガスをキャリアガスとして供給し、微細球状シリカ粉末表面に付着したシラノール基が縮合して揮発した水蒸気を測定器に導き、その水分を測定することによって行われる。
【００３９】
図７（ａ）〜（ｃ）は、研磨体２によるサファイア基板４表面の研磨の状態について説明する図である。サファイア基板４と研磨体２との当接部分では、サファイア基板４の表面が化学的に変質され、化学的に変質されたサファイア基板４の表面が機械的に削られていく、いわゆる化学的機械研磨が進行する。
【００４０】
研磨体２によるサファイア基板４の研磨のメカニズムは、以下のように考えられる。サファイア基板４の化学的変質は、第１の粒状体３１のシリカ（ＳｉＯ２）と、サファイア基板４のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とが反応して、ガラス化することで進行していく。研磨の際、研磨体２とサファイア基板４との摩擦によって多くの熱が発生し、サファイア基板４は比較的高温となる。この熱によってシリカとアルミナとが化学的に活性化され、シリカとアルミナとが反応し、ケイ素原子（Ｓｉ）とアルミニウム（Ａｌ）原子とが酸素原子（Ｏ）を共有する、アルミナシリケートガラスからなる変質層４１がサファイア基板４の表面に形成されていく。この変質層４１は、通常のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて、各構成原子同士の結合力が弱く、研磨体２による機械的作用によって比較的容易に削り取られやすい。
【００４１】
また、研磨の際に発生する熱によって、サファイア基板４との当接部分に位置する、熱可塑性樹脂からなる第２の粒状体３２は溶融し、サファイア基板４との当接部分に拡がる。この第２の粒状体３２の溶融物が、研磨体２とサファイア基板４との当接部分に拡がることで、研磨体２のサファイア基板４との滑り抵抗が低減され、早い研磨速度で効率的に研磨を実行することが可能となる。第２の粒状体３２の、溶融した後の樹脂成分はサファイア基板４の表面でさらに加熱されて最終的に蒸発し、サファイア基板４の表面に殆ど残留することはない。また、サファイア基板４の表面に僅かに残留した第２の粒状体３２の成分も、最終的には、研磨体２の主に第１の粒状体３１によって削り取られる。また、第２の粒状体３２が、研磨体２とサファイア基板４との当接部分において、溶融・蒸発に伴
って熱エネルギーを吸収することで、研磨体２とサファイア基板４の温度とが必要以上に上昇することが抑制される。研磨体２とサファイア基板４との当接部分の温度が上昇し過ぎると、当接部分で、シリカからなる第１の粒子３１の成分の焼き付き等の不具合が起こる場合があるが、本実施形態では、このような過度の温度上昇に起因した不具合が抑制されている。
【００４２】
第３の粒状体３３は、温度が上昇したサファイア基板４の表面と接触し、サファイア基板４の酸化アルミニウムと反応する。具体的に、第３の粒状体３３のＯＨ基と、サファイア基板４の酸化アルミニウムの酸素（Ｏ）とが重合して水分子となる、水和反応が生じる。この水和反応に伴う吸熱および水分子が気化することによる吸熱によって、研磨体２とサファイア基板４との当接部分における、過度の温度上昇が抑制される。また、この水和反応によって、酸化アルミニウムから酸素原子が脱離されるので、サファイア基板４のアルミニウム（Ａｌ）原子が、第１の粒状体３１のシリカに取り込まれ易い。第３の粒状体３３を含有することで、サファイア基板４を効率的に研磨することができる。
【００４３】
なお、水酸化アルミニウムからなる第３の粒状体３３は硬度が比較的高いので、第１の粒状体３１および第２の粒状体３２が充分な密度で配置された状態で、仮に、第３の粒状体３３のみが研磨体２から脱落した場合には、研磨体２とサファイア基板４との間隙にこぼれた第３の粒状体３３が、研磨体２によってサファイア基板４に擦り付けられる状態となる。この場合、第３の粒状体３３によって、サファイア基板４の表面に傷が付いてしまうこともある。本実施形態では第１の粒状体３１の平均粒径は２μｍ、第２の粒状体３２の平均粒径は６μｍ、第３の粒状体３３の平均粒径は２３μｍであり、第１の粒状体３１および第２の粒状体３２に比べて、第３の粒状体３３の平均粒径が最も大きくなっている。このため、第３の粒状体３３の周囲は、比較的径が小さい第１の粒状体３１と第２の粒状体３２とによって全体的に囲まれて比較的強固に保持される。第１の粒状体３１と第２の粒状体３２とに比べて第３の粒状体３３が大きいことで、第３の粒状体３３によるサファイア基板４表面の脱酸素反応が効率的に進行するとともに、第３の粒状体３３の研磨体２からの脱落が抑制され、研磨における傷の発生を低減することができる。
【００４４】
本実施形態では、第３の粒状体３３の平均粒径は、第１の粒状体３１の平均粒径の１０倍以上、第２の粒状体３２の平均粒径の３倍以上の大きさを有している。第１の粒状体３１が充分に小さいので、図７(ａ)に示すように、第３の粒状体３３のサファイア基板４側の表面部分を全体にわたって、第１の粒状体３１が覆うことができる。サファイア基板４側を覆った第１の粒状体３１によって、第３の粒状体３３の研磨体２からの脱落は、より確実に抑制される。なお、研磨の進行とともに、図７(ａ)から図７（ｂ）に示すように、第３の粒状体３３の摩耗が進行して、第３の粒状体３３が小さくかつ薄くなると、最終的に図７（ｃ）に示すように、第３の粒状体３３が脱落する。充分に小さくかつ薄くなった第３の粒状体３３は、研磨体２とサファイア基板４との間隙に挟まった場合でも、比較的容易に研磨体２から脱落していく第１の粒状体３１等とともに研磨屑として、研磨体２とサファイア基板４との間隙から容易に排除される。また、すぐに排除されなかった場合でも、充分に小さくかつ薄くなった第３の粒状体３３は、短時間のうちにサファイア基板４と反応し、間隙から消失してしまう。本実施形態では、第３の粒状体３３に起因した大きな傷が、サファイア基板４に発生し難くされている。
【００４５】
このようなメカニズムで進行する乾式研磨では、研磨面２ａと被研磨基板４の当接部分の温度が、被研磨基板４の研磨状態に大きく影響する。例えば研磨速度や研磨後の表面状態は、研磨の最中の、研磨面２ａの温度履歴によって大きく変化する。
【００４６】
本実施形態の研磨装置３０を用いた研磨では、研磨体２とサファイア基板４との相対移動による摩擦熱のみでなく、赤外線ヒーター８による赤外線の照射によって、研磨体２の
研磨面２ａに熱エネルギーが与えられる。サファイア基板４のように赤外線を良好に透過する基板を被研磨基板４とし、この被研磨基板４を透過させて赤外線を研磨体２に照射することで、研磨体２とサファイア基板４との当接部分における研磨面２ａの温度を、研磨開始から短時間で比較的高い温度に上げることができる。
【００４７】
本実施形態では、図４に示すとおり、回転する研磨体２の研磨面２ａに対して、回転する保持部材６に保持されたサファイア基板４が当接し、さらに、保持部材６に対して研磨体２が、相対的に往復移動している。本実施形態では、研磨の最中に、保持部材４に配置された複数の赤外線ヒーター８から、研磨面２ａ全体にわたって満遍なく赤外線が放射される。
【００４８】
研磨装置３０は、放射温度センサ１２を備えており、この放射温度センサ１２が検出して出力する温度情報に基き、制御手段１９が、赤外線ヒーター８から出射して研磨面２ａに照射する赤外線の強度を調整する。具体的には、研磨の最中に、制御手段１９は、放射温度センサ１２から出力される温度情報を０．５秒毎に取得し、例えば１０秒間にわたる温度情報の平均値（平均温度）を求める。制御手段１９は、この平均値が予め設定された設定温度Ｔ０に近づくよう、赤外線ハロゲンランプ８３に供給する電力を調整して、赤外線ヒーター８から出射する赤外線の強度を調整する。制御手段１９には予め、研磨速度が比較的高く、かつ研磨後の表面状態が比較的良好となる温度が、設定温度Ｔ０として記憶されている。本実施形態では、設定温度Ｔ０が例えば１５０℃に設定されている。制御手段１９はこのように、放射温度センサ１２による温度情報（の平均値）がこの設定温度Ｔ０に近づくよう、温度情報と設定温度Ｔ０とに基づき、赤外線ハロゲンランプ８３の出力のフィードバック制御を行う。
【００４９】
図８は、研磨装置３０における、放射温度センサ１２による温度情報と、赤外線ヒーター８の赤外線ハロゲンランプ８３の出力の大きさの関係を示すグラフである。研磨装置３０による研磨の開始時点（時間ｔ＝０）では、研磨体２の研磨面２ａの温度Ｔは低いので、制御手段１９は、赤外線ハロゲンランプ８３の出力を比較的高くして、比較的強い赤外線を研磨面２ａに照射する。研磨の最中に、この赤外線ヒーター８から照射される赤外線の熱エネルギーと、研磨面２ａとサファイア基板４との摩擦熱のエネルギーとにより、研磨面２ａの温度Ｔが上昇し、放射温度センサ１２による温度情報（研磨面２ａの温度Ｔ）も上昇していく。制御手段１９は、放射温度センサ１２による温度情報が示す研磨面２ａの温度Ｔが上昇するにしたがい、赤外線ヒーター８からの赤外線の強度を低減させていく。
【００５０】
制御手段１９によるフィードバック制御により、最終的に、放射温度センサ１２による温度情報（研磨面２ａの温度Ｔ）が設定温度Ｔ０となった状態で、赤外線および摩擦熱による温度上昇と放熱とがつりあい、研磨面２ａの温度Ｔが設定温度Ｔ０で安定する。図８に示すグラフには、研磨開始から赤外線ヒーター８を全く動作させなかった場合（赤外線ハロゲンランプ８３の出力を常にゼロ〔０〕とした場合）の、放射温度センサ１２により検出した温度情報（研磨面２ａの温度Ｔ）の例を、破線で示している。赤外線ヒーター８を全く動作させない、従来の研磨装置と同様の条件では、破線に示すように、安定した温度となるまでの時間ｔ１が、例えばｔ１＝２０分以上と比較的長くなっている。この場合、研磨速度が比較的高く、かつ研磨後の表面状態が比較的良好となる設定温度Ｔ０に到達しない状態で、比較的長時間研磨を進める必要があるため、所定量の研磨にかかる時間が多くなる。また、この温度が低い状態（設定温度Ｔ０に到達しない状態）では、研磨の際に研磨対象面（サファイア基板４の一方主面４ａ）に傷や欠け等が生じやすいので、研磨後のサファイア基板４の表面は、表面粗さが比較的大きくなってしまう。一方、研磨装置３０を用いた場合は、研磨開始から例えば１分未満で、研磨速度が比較的高く、かつ研磨後の表面状態が比較的良好となる設定温度Ｔ０に到達し、所定量の研磨を比較的短時間で
行うことができる。また、研磨量や研磨後の表面状態を高精度に制御することができる。
【００５１】
研磨装置３０では、１枚目のサファイア基板４の研磨が終了すれば、研磨したサファイ
ア基板４を取り出し、引き続いて新たなサファイア基板４を研磨することもできる。このとき、最初のサファイア基板４の研磨の際に発生した熱が予熱として残っている場合には、研磨面２ａの温度上昇時間がさらに短くなり、より短時間で被研磨基板４を研磨することができる。
【００５２】
図９および図１０は、本発明の研磨装置の他の実施形態である研磨装置７０について説明する図である。図９および図１０は、図１〜図８に示す第１の実施形態と同様の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いている。
【００５３】
図９は、研磨装置７０の概略断面図であり、研磨装置７０が備える研磨体２の周辺を拡大して示している。また図１０は、図９に示す研磨装置７０の一部の概略上面図であり、被研磨基板であるサファイア基板４が載置された状態で、保持部材６を上面の側から見た状態について説明する概略上面図である。図９および図１０に示す実施形態でも、研磨装置３０の保持部材６は孔部１６を複数（計１７個）備えており、複数の孔部１６（図９および図１０の例では計１４個）に、赤外線ヒーター８が配置されている。図９および図１０に示す実施形態では、研磨面赤外線を受けて、この研磨面赤外線に基づいて研磨面２ａの温度情報を出力するための放射温度センサ１２が、保持部材６の円形状の保持面６ａの径方向に沿って３つ配置されている。
【００５４】
本実施形態では、制御手段１９が、径方向に沿って間隔を空けて配置された複数の放射温度センサ１２それぞれによる温度情報に基き、複数の赤外線ヒーター８から研磨面２ａに照射する赤外線の強度をそれぞれ個別に調整する。図１１は、図９および図１０に示す研磨装置７０を用いて行う、サファイア基板４の研磨の一例について説明する概略上面図である。図１１に示す実施形態では、図中Ｘで示す矢印の方向に回転する研磨体２の研磨面２ａに対して、図中Ｙで示す矢印の方向に回転する保持部材６に保持されたサファイア基板４を当接させる。この実施形態では、研磨の最中に、円形の研磨面２ａの中心と円形の保持面６ａの中心とを略一致させた状態を維持する。このようにして行う研磨では、研磨面２ａの中心位置近傍に対し、研磨面２ａの外周近傍の方が、サファイア基板４に対する相対速度が大きくなり、研磨面２ａとサファイア基板４との当接部分に発生する摩擦熱の大きさは、研磨面２ａの中心位置近傍に比べて、研磨面２ａの外周近傍の方が大きくなる。このため、摩擦熱のみが研磨面２ａに与えられる場合には、研磨面２ａの中心位置近傍に対して、研磨面２ａの外周近傍の方が温度が高くなってしまい、サファイア基板４の研磨状態に大きな面内分布が生じてしまう。
【００５５】
本実施形態の研磨装置７０では、研磨面２ａの径方向に沿って並んだ放射温度センサ１２によって、研磨面２ａの径方向に沿った複数箇所の温度を測定し、制御手段１９が、複数の放射温度センサ１２それぞれによる温度情報に基き、複数の赤外線ヒーター８から出射する赤外線の強度をそれぞれ個別に調整する。より具体的には、図９および図１０に示す放射温度センサ１２βから出力された温度情報に基づき、放射温度センサ１２βと同心円上に配置された複数の赤外線ヒーター８βの出力を制御する。同様に、放射温度センサ１２γから出力された温度情報に基づき、放射温度センサ１２γと同心円状上に配置された複数の赤外線ヒーター８γの出力を制御する。図９〜図１１に示すこの実施形態では、研磨面２ａの径方向に沿った温度分布（温度のばらつき）を抑制することができる。
【００５６】
以上、本発明の研磨装置の実施形態について説明したが、本発明の研磨装置は、上記の各実施形態に限定されるものでなく、例えば各部材の材質や配置など、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００５７】
２  研磨体
２ａ  研磨面
４  被研磨基板(サファイア基板)
４ａ  一方主面
４ｂ  他方主面
６  保持部材
６ａ  保持面
８  赤外線照射手段(赤外線ヒーター)
１０  リング状電極
１２  放射温度センサ
１６  孔部
１６ａ  開口
１９  制御手段
２０  移動手段
２０ａ  第１の移動手段
２０ｂ  第２の移動手段
２０ｃ  第３の移動手段
３、７０  研磨装置
３６  カーボン電極
８３  ハウジング
８３  赤外線ハロゲンランプ
８４  反射鏡
８６  カバーガラス
【図１】
2013230509.tif 000003
【図２】
2013230509.tif 000004
【図３】
2013230509.tif 000005
【図４】
2013230509.tif 000006
【図５】
2013230509.tif 000007
【図６】
2013230509.tif 000008
【図７】
2013230509.tif 000009
【図８】
2013230509.tif 000010
【図９】
2013230509.tif 000011
【図１０】
2013230509.tif 000012
【図１１】
2013230509.tif 000013
【図１２】
2013230509.tif 000014