JP2015193053A - 研磨装置、基板研磨方法 - Google Patents

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Takeshi Sakurai
武史 櫻井
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Abstract

【課題】基板の中心付近とその他の領域の間での研磨の進行程度が異なる特異点の発生を好適に抑制できる研磨装置および基板研磨方法を提供する。
【解決手段】研磨装置が備える研磨ユニット30は、回転中心C2を中心として回転可能に構成された研磨テーブル300と、基板Wを保持した状態で回転中心C1を中心として回転しながら、該基板Wを前記研磨テーブル300側に押しつけるように構成されたトップリング301と、前記研磨テーブル300を回転中心C1と回転中心C2とを結ぶラインL1と平行な水平方向D1に並進移動させるように構成された駆動装置とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、基板の研磨技術に関する。
半導体デバイスの製造において、基板の表面を研磨する化学機械研磨(CMP,Chemical Mechanical Polishing)装置が知られている。CMP装置では、研磨テーブルの上面に研磨パッドが貼り付けられて、研磨面が形成される。このCMP装置は、トップリングによって保持される基板の被研磨面を研磨面に押しつけ、研磨面に研磨液としてのスラリーを供給しながら、研磨テーブルとトップリングとを回転させる。これによって、研磨面と被研磨面とが摺動的に相対移動され、被研磨面が研磨される。通常、研磨パッドの研磨面には、スラリーを保持するための溝が形成されている。
かかる研磨装置において、基板の中心(すなわち、トップリングの回転中心)の付近では、研磨テーブルおよびトップリングが回転する場合であっても、径方向における基板と研磨パッドとの相対位置がほとんど変化しない。このため、基板の中心付近が、研磨パットの溝上に頻繁に位置するような状況が生じると、基板の中心付近とその他の領域の間で研磨の進行程度が大きく異なることになる。その結果、基板上に、研磨の程度に関しての特異点が生じることになる。
このような特異点の発生を避けるために、円弧状に揺動可能に構成されたトップリングを備える研磨装置が開発されている。かかる研磨装置では、基板の中心付近についても、基板と研磨パッドとの相対位置が変化するので、特異点の発生が抑制される。
特開2010−253627号公報 特開平7−251370号公報 特開平7−251372号公報
しかしながら、上記のトップリングを備える研磨装置では、トップリングの揺動中心と研磨テーブルとの位置関係が固定されているので、トップリングの揺動に伴う基板の径方向の移動範囲は、トップリングの揺動距離に対して非常に小さい。このため、研磨パッドに形成された溝の形状によっては、特異点の発生の回避を十分に行うことができないことがある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第1の形態によれば、基板を研磨するための研磨装置が提供される。この研磨装置は、回転可能に構成された研磨テーブルと、基板を保持した状態で回転しながら、基板を研磨テーブル側に押しつけるように構成されたトップリングと、研磨テーブルを水平方向に並進移動させるように構成された駆動装置と、を備える。
かかる研磨装置は、研磨液を保持するための溝が形成された研磨パッドを研磨テーブル
上に配置して使用することができる。かかる研磨装置によれば、研磨動作中において、トップリングによって保持される基板と研磨テーブル(すなわち、研磨パッド)との位置関係を、研磨テーブルが並進移動する方向に大きく変化させることができる。このため、研磨パッドに形成された溝形状に応じて、基板の回転中心付近が溝上に頻繁に位置することを抑制できる。この結果、他の領域と研磨の進行程度が異なる特異点の発生を好適に抑制できる。
本発明の第2の形態によれば、第1の形態において、駆動装置は、トップリングの回転中心と、研磨テーブルの回転中心と、を結ぶラインに対して直交しない方向に研磨テーブルを並進移動させるように構成される。かかる形態によれば、研磨パッドに研磨液保持用溝が同心状に形成される場合に、当該溝と交差する方向に基板を移動させることができる。したがって、基板の回転中心付近が溝上に頻繁に位置することを抑制できる。
本発明の第3の形態によれば、第2の形態において、駆動装置は、ラインと平行な方向に研磨テーブルを並進移動させるように構成される。かかる形態によれば、研磨パッドに研磨液保持用溝が同心状に形成される場合に、当該溝と直交する方向に基板を移動させることができる。すなわち、研磨テーブルの移動によって基板の回転中心付近と溝との距離が変化される効果が最大になる。したがって、第2の形態の効果を最大限高めることができる。
本発明の第4の形態によれば、第1ないし第3のいずれかの形態において、研磨装置は、さらに、研磨液を供給するための研磨液供給ノズルであって、研磨テーブルの並進移動に同期して、研磨液を供給する位置を変更可能に構成された研磨剤供給ノズルを備える。かかる形態によれば、研磨テーブルの並進移動に同期して、研磨テーブル(すなわち、研磨パッド)に対してほぼ一定の位置で研磨液を供給できる。
本発明の第5の形態によれば、第1ないし第4のいずれかの形態において、駆動装置は、研磨テーブルを移動可能に支持する可動台と、可動台を移動させるためのアクチュエータと、を備える。かかる形態によれば、簡単な構成によって、研磨テーブルが並進移動可能な構成を実現できる。
本発明の第6の形態によれば、第5の形態において、アクチュエータは、エアシリンダと、サーボモータおよびボールネジと、カムおよび押しバネと、クランク機構と、のうちのいずれかを備える。かかる形態によれば、可動台を好適に移動させることができる。
本発明の第7の形態によれば、研磨装置によって基板を研磨する方法が提供される。この方法は、研磨液を保持するための溝が形成された研磨パッドが配置された研磨テーブルを回転させる工程と、研磨パッド上に研磨液を供給する工程と、回転する研磨テーブルが水平方向に並進移動される状態で、基板を回転させながら研磨パッドに押しつける工程と、を備える。かかる方法によれば、第1の形態と同様の効果を奏する。
本発明の実施例としての基板研磨装置の概略構成を示す平面図である。 研磨ユニットの概略構成を示す説明図である。 研磨ユニットの概略側面図である。 トップリングの揺動可能な構成を示す説明図である。 研磨テーブルの並進移動に伴う基板と研磨パッドとの位置関係の変化を示す説明図である。
図1は、本発明にしたがった半導体製造装置の一例としてのCMP研磨装置の全体構成を示す平面図である。図示するように、研磨装置は、略矩形状のハウジング1を備えており、ハウジング1の内部は、隔壁1a,1b,1cによって、ロード/アンロード部2と研磨部3(3a,3b)と洗浄部4とに区画されている。これらのロード/アンロード部2、研磨部3a,3bおよび洗浄部4は、それぞれ独立に組み立てられ、独立に排気されるものである。
ロード/アンロード部2は、基板の一種としてのウェハ(以下、単にウェハとも呼ぶ)をストックするウェハカセットを載置する2つ以上(本実施形態では4つ)のフロントロード部20を備えている。これらのフロントロード部20は、研磨装置の幅方向(長手方向と垂直な方向)に隣接して配列されている。フロントロード部20には、オープンカセット、SMIF(Standard Manufacturing Interface)ポッドまたはFOUP(Front Opening Unified Pod)などを搭載することができる。
研磨部3は、ウェハの研磨が行われる領域であり、第1研磨ユニット30Aと第2研磨ユニット30Bとを内部に有する第1研磨部3aと、第3研磨ユニット30Cと第4研磨ユニット30Dとを内部に有する第2研磨部3bとを備えている。これらの第1研磨ユニット30A、第2研磨ユニット30B、第3研磨ユニット30Cおよび第4研磨ユニット30Dは、装置の長手方向に沿って配列されている。
第1研磨ユニット30Aは、研磨テーブル300Aと、トップリング301Aと、研磨液供給ノズル302Aと、ドレッサ303Aと、アトマイザ304Aと、を備えている。同様に、研磨ユニット30B,30C,30Dは、それぞれ、研磨テーブル300B,300C,300Dと、トップリング301B,301C,301Dと、研磨液供給ノズル302B,302C,302Dと、ドレッサ303B,303C,303Dと、アトマイザ304B,304C,304Dとを備えている。以下の説明において、第1研磨ユニット30A〜30Dを区別しない場合には、これらを総称して、単に研磨ユニット30と呼び、また、研磨ユニット30の構成要素にもA〜Dの符号を付さずに説明する。研磨ユニット30の構成については、後述する。
第1研磨部3aの第1研磨ユニット30Aおよび第2研磨ユニット30Bと洗浄部4との間には、長手方向に沿った4つの搬送位置(ロード/アンロード部2側から順番に第1搬送位置TP1、第2搬送位置TP2、第3搬送位置TP3、第4搬送位置TP4とする)の間でウェハを搬送する、基板搬送装置としての第1リニアトランスポータ5が配置されている。この第1リニアトランスポータ5の第1搬送位置TP1の上方には、ロード/アンロード部2の、走行機構21上を移動する搬送ロボット22から受け取ったウェハを反転する反転機31が配置されており、その下方には、上下に昇降可能なリフタ32が配置されている。また、第2搬送位置TP2の下方には、上下に昇降可能なプッシャ33が、第3搬送位置TP3の下方には、上下に昇降可能なプッシャ34がそれぞれ配置されている。
また、第2研磨部3bには、第1リニアトランスポータ5に隣接して、長手方向に沿った3つの搬送位置(ロード/アンロード部2側から順番に第5搬送位置TP5、第6搬送位置TP6、第7搬送位置TP7とする)の間でウェハを搬送する、基板搬送装置としての第2リニアトランスポータ6が配置されている。この第2リニアトランスポータ6の第6搬送位置TP6の下方には、プッシャ37が、第7搬送位置TP7の下方には、プッシャ38がそれぞれ配置されている。
洗浄部4は、研磨後のウェハを洗浄する領域であり、ウェハを反転する反転機41と、研磨後のウェハを洗浄する4つの洗浄機42〜45と、反転機41および洗浄機42〜4
5の間でウェハを搬送する搬送ユニット46とを備えている。これらの反転機41および洗浄機42〜45は、長手方向に沿って直列に配置されている。
第1リニアトランスポータ5と第2リニアトランスポータ6との間には、第1リニアトランスポータ5、第2リニアトランスポータ6および洗浄部4の反転機41の間でウェハを搬送するスイングトランスポータ7が配置されている。このスイングトランスポータ7は、第1リニアトランスポータ5の第4搬送位置TP4から第2リニアトランスポータ6の第5搬送位置TP5へ、第2リニアトランスポータ6の第5搬送位置TP5から反転機41へ、第1リニアトランスポータ5の第4搬送位置TP4から反転機41へ、それぞれウェハを搬送できるようになっている。
下段の搬送ステージTS1,TS2,TS3と上段の搬送ステージTS4とは、図4の平面図上では同じ軸上を移動するように見えるが、設置される高さが異なっているため、下段の搬送ステージTS1,TS2,TS3と上段の搬送ステージTS4とは、互いに干渉することなく自由に移動可能となっている。第1搬送ステージTS1は、反転機31およびリフタ32が配置された第1搬送位置TP1と、プッシャ33が配置された(ウェハの受け渡し位置である)第2搬送位置TP2と、の間でウェハを搬送し、第2搬送ステージTS2は、第2搬送位置TP2と、プッシャ34が配置された(ウェハの受け渡し位置である)第3搬送位置TP3と、の間でウェハを搬送し、第3搬送ステージTS3は、第3搬送位置TP3と第4搬送位置TP4との間でウェハを搬送する。また、第4搬送ステージTS4は、第1搬送位置TP1と第4搬送位置TP4との間でウェハを搬送する。
図2は、研磨ユニット30の概略構成を示す。図示するように、研磨ユニット30は、トップリング301と研磨液供給ノズル302とドレッサ303と、制御装置308と、を備えている。研磨テーブル300は、円盤状に形成されており、回転中心C2を中心として回転可能に構成されている。研磨テーブル300上には、研磨パッド305が貼り付けられている。このため、研磨パッド305は、研磨テーブル300が回転する際に、研磨テーブル300とともに回転する。研磨パッド305の表面は、研磨面を形成する。この研磨パッド305の表面すなわち研磨面には、研磨液としてのスラリーを保持するための溝306が形成されている。本実施例では、溝306は、回転中心C2を中心として同心円状に複数形成されている。ただし、溝306の形状は、適宜設定されることができ、例えば、網目状に形成されていてもよい。
トップリング301は、所定の保持機構(例えば、真空吸着機構)によって、トップリング301の下面にウェハWを保持する。このトップリング301は、その上部の支持アーム307によって支持されている。支持アーム307は、アクチュエータ(図示省略)、例えば、エアシリンダおよびモータによって、鉛直方向に移動可能、かつ、ウェハWを保持した状態で回転中心C1を中心として回転可能に構成されている。
研磨液供給ノズル302は、研磨パッド305の研磨面に研磨液としてのスラリーやドレッシング液(例えば、純水)を供給する。ドレッサ303は、研磨パッド305のドレッシングを行う。アトマイザ304(図2では、図示省略)は、液体(例えば純水)と気体(例えば窒素)との混合流体または液体(例えば純水)を霧状にして、1つまたは複数のノズルから研磨面に噴射する。
制御装置308は、研磨ユニット30の動作全体を制御する。制御装置308は、CPU、メモリ等を備え、ソフトウェアを用いて所定の機能を実現するマイクロコンピュータとして構成されてもよいし、専用の演算処理を行うハードウェア回路として構成されてもよい。また、制御装置308は、研磨ユニット30A〜30Dごとに設けられてもよいし、研磨ユニット30A〜30Dの各々を制御してもよい。
かかる研磨ユニット30では、以下のようにしてウェハWの研磨が行われる。まず、制御装置308は、ウェハWを保持するトップリング301を回転させるとともに、研磨テーブル300を回転させる。かかる状態で、制御装置308は、研磨液供給ノズル302から研磨パッド305の研磨面にスラリーを供給し、回転するトップリング301を下降させる。これによって、ウェハWの表面(被研磨面)は、回転する研磨パッド305の研磨面に押しつけられる。これによって、ウェハWの被研磨面と研磨パッド305の研磨面とが、スラリーの存在下で接触した状態で、相対移動し、ウェハWの被研磨面が研磨される。制御装置308は、かかる研磨動作中に、研磨テーブル300を水平方向に並進移動、すなわち、往復運動させる。本実施例では、研磨テーブル300は、回転中心C1と回転中心C2とを結ぶラインL1と平行な方向D1に並進移動される。
図3は、研磨ユニット30の側面図である。ベース311上にフレーム312が設けられている。このフレーム312上には、ローラ317を備える可動台316が配置されている。可動台316の底面には、研磨テーブル300を、軸線AL2を中心に回転させるためのモータ313が固定されている。可動台316は、モータ313を介して研磨テーブル300を支持している。モータ313の下方には、研磨テーブル300を冷却する冷却水を移送するためのロータリジョイントと、研磨テーブル300に取り付けられたセンサ類に信号・電源を伝達するためのロータリコネクタと、が設けられている(ロータリジョイントおよびロータリコネクタは、単一のユニット314として図示されている)。可動台316には、アクチュエータ318が連結されている。アクチュエータ318は、トップリング301およびウェハWが軸線AL1を中心に回転し、かつ、研磨テーブル300および研磨パッド305が軸線AL2を中心に回転した状態で、可動台316を方向D1に沿って往復運動させる。これによって、可動台316に支持されるモータ313、ユニット314および研磨テーブル300も方向D1に沿って往復運動する。
フレーム312上には、方向D1の両側の端部において、ショックアブソーバ319が設けられている。ショックアブソーバ319は、例えば、スプリング、オイルダンパ、ガスダンパなどであってもよい。アクチュエータ318には、公知の種々の構成を採用することができる。例えば、アクチュエータ318は、エアシリンダであってもよい。あるいは、アクチュエータ318は、サーボモータとボールねじとを備えていてもよい。あるいは、アクチュエータ318は、方向D1の一端側に設けられ、研磨テーブル300を方向D1のうちの一方の方向に付勢する押しばねと、他端側に設けられ、押しばねの付勢力に抗って研磨テーブル300を周期的に押圧するカムと、を備えていてもよい。あるいは、アクチュエータ318は、クランク機構を備えていてもよい。
かかる研磨ユニット30において、本実施例では、研磨液供給ノズル302は、研磨テーブル300の方向D1に沿った並進移動に同期して、研磨液を供給する位置を変更可能に構成されている。図4は、かかる構成の一例を示している。研磨液供給ノズル302は、その基端部の回転中心C3を中心として、方向D1に沿って、円弧状に揺動可能に構成されている。制御装置308は、フレーム312上に設けられた変位センサ320を使用して可動台316(すなわち研磨テーブル300)の位置を検出し、その検出値に基づいて、方向D1における研磨テーブル300の変位量と同一の距離だけ、研磨テーブル300が移動する方向に研磨液供給ノズル302の先端部(スラリーの吐出箇所)を移動させる。かかる構成によれば、研磨パッド305に対してほぼ一定の位置でスラリーを供給できる。研磨液供給ノズル302のスラリーの供給位置を変化させるための形態は、任意の形態とすることができ、例えば、研磨液供給ノズル302は、研磨テーブル300と同様に、並進移動可能に構成されてもよいし、ノズルヘッドが方向D1に沿って回転可能に構成されてもよい。
図5(a)は、本実施例の研磨ユニット30における研磨テーブル300の並進移動に伴うウェハWと研磨パッド305との位置関係の変化を示す。図5(b)は、比較例としての、揺動可能に構成されたトップリング301aを備える研磨ユニットにおけるトップリング301aの揺動に伴うウェハWと研磨パッド305aとの位置関係の変化を示す。図5(a)に示すように、本実施例の研磨ユニット30では、研磨テーブル300が方向D1に距離D2だけ並進移動すると、トップリング301に保持されるウェハWと研磨パッド305との径方向(すなわち方向D1)の位置関係は、距離D2だけずれることになる。つまり、研磨テーブル300の移動距離が全て、ウェハWと研磨パッド305との径方向の相対位置のずれに反映される。距離D2の最大範囲は、例えば、基準位置から両側に25mmとすることができる。かかる範囲は、ウェハWが研磨テーブル300(研磨パッド305)からはみ出さない範囲、かつ、ウェハWが研磨テーブル300(研磨パッド305)の中心(回転中心C2)を越えない範囲で適宜設定することができる。
一方、図5(b)に示すように、比較例では、支持アーム307aの基端を中心として、トップリング301aが距離D3だけ揺動しても、トップリング301aに保持されるウェハWと研磨パッド305aとの径方向(すなわち方向D1)の位置関係は、距離D3と比べて非常に小さい距離D4しかずれない。
このように、本実施例の研磨ユニット30によれば、トップリング301に保持されるウェハWと研磨パッド305との径方向の位置関係を研磨中に大きくずらすことができる。したがって、研磨パッド305に溝306が同心円状に形成される場合に、溝306と直交する方向に溝306に対してウェハWを大きく移動させることができる。したがって、ウェハWの回転中心付近が溝306上に頻繁に位置することが抑制され、その結果、ウェハWに特異点が生じることを抑制できる。
かかる研磨ユニット30は、研磨テーブル300の回転数と独立して、研磨レピシのステップごとに、研磨テーブル300の並進移動の実行の有無、並進速度、並進距離を制御パラメータとして動作制御されてもよい。一例を挙げれば、研磨ユニット30は、例えば、以下のように制御されてもよい。まず、第1ステップにおいて、研磨テーブル300を並進移動させることなく、20秒間スラリー研磨が実施される。次に、第2ステップにおいて、研磨テーブル300を10mm/秒の速度で基準位置から20mmの範囲内で並進移動させながら、120秒間スラリー研磨が実施される。次に、第3ステップにおいて、研磨テーブル300を並進移動させることなく、10秒間水研磨が実施される。そして、第4ステップにおいて、研磨テーブル300を並進移動させることなく、ドレッシングが実施される。第2ステップにおいては、第2ステップから第3ステップに切り替わる際に、研磨テーブル300が基準位置(研磨テーブル300の移動範囲の中央点)に位置するように、研磨テーブル300の往復運動の周期が自動設定されてもよい。
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。例えば、研磨テーブル300の並進移動の方向は、径方向に限らず、ラインL1(図2参照)に対して直交しない方向であってもよい。かかる構成であっても、上述した効果をある程度奏する。もとより、研磨テーブル300の並進移動の方向は、研磨パッド305に形成された溝306の形状に応じて、水平方向の任意の方向とすることができる。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。
1…ハウジング
1a,1b,1c…隔壁
2…ロード/アンロード部
3,3a,3b…研磨部
4…洗浄部
5,6…リニアトランスポータ
7…スイングトランスポータ
20…フロントロード部
21…走行機構
22…搬送ロボット
30,30A〜30D…研磨ユニット
31…反転機
32…リフタ
33,34,37,38…プッシャ
41…反転機
42…洗浄機
46…搬送ユニット
300,300A,300B,300C,300D…研磨テーブル
301,301,301A,301B,301C,301D…トップリング
302,302A,302B,302C,302D…研磨液供給ノズル
303,303A,303B,303C,303D…ドレッサ
304A,304B,304C,304D…アトマイザ
305…研磨パッド
306…溝
307…支持アーム
308…制御装置
311…ベース
312…フレーム
313…モータ
314…ユニット
316…可動台
317…ローラ
318…アクチュエータ
319…ショックアブソーバ
320…変位センサ
TP1〜TP7…搬送位置
TS1〜TS7…搬送ステージ
W…ウェハ
C1,C2,C3…回転中心
L1…ライン
D1…方向
D2,D3,D4…距離
AL1,AL2…軸線

Claims (7)

  1. 基板を研磨するための研磨装置であって、
    回転可能に構成された研磨テーブルと、
    前記基板を保持した状態で回転しながら、該基板を前記研磨テーブル側に押しつけるように構成されたトップリングと、
    前記研磨テーブルを水平方向に並進移動させるように構成された駆動装置と
    を備える研磨装置。
  2. 請求項1に記載の研磨装置であって、
    前記駆動装置は、前記トップリングの回転中心と、前記研磨テーブルの回転中心と、を結ぶラインに対して直交しない方向に前記研磨テーブルを並進移動させるように構成された
  3. 請求項2に記載の研磨装置であって、
    前記駆動装置は、前記ラインと平行な方向に前記研磨テーブルを並進移動させるように構成された
    研磨装置。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の研磨装置であって、
    さらに、研磨液を供給するための研磨液供給ノズルであって、前記研磨テーブルの前記並進移動に略同期して、前記研磨液を供給する位置を変更可能に構成された研磨剤供給ノズルを備える
    研磨装置。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の研磨装置であって、
    前記駆動装置は、
    前記研磨テーブルを移動可能に支持する可動台と、
    前記可動台を移動させるためのアクチュエータと
    を備える研磨装置。
  6. 請求項5に記載の研磨装置であって、
    前記アクチュエータは、エアシリンダと、サーボモータおよびボールネジと、カムおよび押しバネと、クランク機構と、のうちのいずれかを備える
    研磨装置。
  7. 研磨装置によって基板を研磨する方法であって、
    研磨液を保持するための溝が形成された研磨パッドが配置された研磨テーブルを回転させる工程と、
    前記研磨パッド上に前記研磨液を供給する工程と、
    前記回転する研磨テーブルが水平方向に並進移動される状態で、前記基板を回転させながら前記研磨パッドに押しつける工程と
    を備える基板研磨方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101799497B1 (ko) * 2016-07-13 2017-11-20 주식회사 케이씨 화학 기계적 연마 장치

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