JP2610623B2 - 高精度平面研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、被研磨物の加工面に等分布の加工荷重を発
生させ高精度の平面研磨を行うことを可能とした高精度
平面研磨装置に関する。

（従来の技術） IC、トランジスタの基板となるものとしてウェハ（シ
リコン製のものが主である）はよく知られている。ウェ
ハ表面は、平坦で、加工歪のない、清浄な鏡面に仕上げ
られる必要があるため、従来から種々の加工研磨方法及
び装置が提案開発されている。しかし、従来のウェハ加
工方法では、加圧シャフト、自在継手等を用いて回転伝
達や加工荷重伝達が行われているため、加工荷重の等分
布性、均一性に限界があり、さらにウェハと研磨布との
摩擦力がウェハ保持装置系に与えるモーメントの影響に
より、局部的な平坦度及び平行度不良が大きいという問
題があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記の問題点を解消するために発明された
もので、ウェハ等の被研磨物の加工面に等分布の加工荷
重を発生させ、被研磨物と定盤研磨部との摩擦力がウェ
ハ保持装置系に与えるモーメントの影響によるウェハ加
工偏荷重を減少させ、被研磨物加工面の平坦度及び平行
度を向上させることを可能とした高精度平面研磨装置を
提供することを目的とする。

（問題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、本発明の高精度平面研磨
装置は、上面に研磨部を設けてなる定盤と、被研磨物を
下面に固定する被研磨物固定盤と、研磨軸の下端に取付
けられかつ該被研磨物固定盤の上方に所定間隔をおいて
位置する研磨軸端フランジと、該被研磨物固定盤と該研
磨軸端フランジとの間に設置されかつ伸縮自在な側壁を
有し、流体として空気又は水が加えられる圧力室とを有
し、該定盤と該研磨軸を回転させると、該被研磨物固定
盤に固定された被研磨物が被研磨部に押圧追従摺動せし
められ、該被研磨物の加工面に等分布の加工荷重を発生
せしめる高精度な平面研磨を行うことを可能とし、上記
圧力室に加える流体圧及び／又は圧力室側壁のバネ定数
を調整することによって被研磨物の加工面への加工荷重
を制御調節するようにし、上記圧力室の側壁が、金属製
ベローズ或いはピアノ線及び各種繊維のいずれかまたは
それらの組合せにより強化された天然ゴムまたは合成ゴ
ムからなり、被研磨物固定盤との接続部において被研磨
物とほぼ同一な外形まは形状をもつ。

被研磨物固定盤としてセラミックス、例えばアルミナ
からなる円板が用いられる。該金属製ベローズとしては
ステンレス製ベローズが好適に用いられる。

該定盤の研磨部に研磨剤を連続供給し、該研磨部に研
磨剤を含ませた状態で被研磨物を研磨するようにすれ
ば、シリコンウェハの鏡面研磨のほか、研磨布を用いな
いラップ加工も行うことができる。

本発明装置による研磨の対象としては、シリコンウェ
ハの鏡面研磨が代表的なものであるが、その他にラップ
加工もできるし、またセラミック、ガラス、メタルの研
磨加工を行うこともできる。

（作用） 被研磨物固定盤14に対する研磨軸20の回転モーメント
が該圧力室22を介して伝達されることにより、ウェハ等
の被研磨物Ｗの加工面に等分布の加工荷重が発生し、被
研磨物Ｗと定盤研磨部との摩擦力がウェハ保持装置系に
与えるモーメントの影響によるウェハ加工偏荷重を減少
させ、被研磨物加工面の平坦度及び平行度を向上させる
こととなるものである。

（実施例） 以下に本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明にかかる高精度平面研磨装置２の要部
を示す概略説明図である。同図において、４は該研磨装
置２の一部を構成する定盤で、その上面には硬質ポリウ
レタンフォーム等で形成された研磨部６が設けられてい
る。硬質ポリウレタンフォーム等で定盤４の上面に設け
られる研磨部６は研磨布と通称される。なお、ラップ加
工の時などにはこの研磨布を設けることなく該定盤４の
上面をそのまま研磨部として研磨加工を行うものであ
る。設定盤４はその下面中央部に垂下された回転軸８を
中心として回転可能とされている。10は該定盤４の上面
中央部の上方に設けられたパイプで、研磨作業中水等の
液体とともに研磨剤12を該研磨布６面に流下させ該研磨
布６面に研磨剤12を含ませるように作用するものであ
る。該研磨剤12としては、シリコンウェハのポリッシン
グの場合、コロイダルシリカとアルカリ剤が用いられ、
またラップ加工の場合にはシリコンカーバイド、アルミ
ナ又は酸化セリウムが用いられる。

14は被研磨物固定盤で、該定盤４の中心から周辺方向
へ変移してその上面上方に設けられている。該被研磨物
固定盤14の下面にはテンプレート16が設けられており、
該テンプレート16を介してウェハ等の被研磨物Ｗが保持
されるようになっている。18は研磨軸20の下端に設けら
れかつ該被研磨物固定盤14の上方に所定の間隔をおいて
位置する研磨軸端フランジである。

しかして、22は該被研磨物固定盤14と該研磨軸端フラ
ンジ18との間に設けられた圧力室である。該圧力室22
は、上下方向に伸縮可能でかつ横方向に若干の剛性を持
った部材（一定以上のバネ定数を有する）で形成された
圧力室側壁24と、該側壁24によって包囲された圧力室本
体22aから構成されている。なお、28,30は接続フランジ
である。該接続フランジ28は該圧力室22の上端を該研磨
軸端フランジ18の下面に接続し、一方該接続フランジ30
は該圧力室22の下端を該被研磨物固定盤14の上面に接続
する役目を果たす。

第２図は圧力室22の一例を示す断面図を示している。
同図にはウェハＷを真空吸着する機構が示されており、
該研磨軸端フランジ28の中央部と被研磨物固定盤14の中
央部とに接続された真空吸着用パイプ32が設けられ、該
パイプ32は吸着ベースアダプタ34の下面に設けられたス
ペース36を介して被研磨物固定盤14の内部に穿設されか
つ加工面14aに開口する複数本の吸着管38に連通し、該
パイプ32が真空状態となるとともに該吸着管38も真空状
態となり、該加工面14aに位置する被研磨物（シリコン
ウェハ等）Ｗを真空吸着することとなる。第２図におい
て、40は接続フランジ18の下面に垂下された環状の上部
位置出し止め金であり、42は該上部位置出し止め金40と
係合可能にかつ該吸着ベースアダプタ34の上面に設けら
れた下部位置出し止め金である。該上部位置出し止め金
40の下端部から内方に突設された内方係合突部44と該下
部位置出し止め金42の上端部から外方に突設された外方
係合突部46とは、位置出しを行うときには、第２図に示
した如く、互いに係合状態となるが、研磨加工を行うと
きには互いに係合することなく離間状態となり、研磨軸
端フランジ18と被研磨物固定盤14とは圧力室側壁24のみ
によって接続されている状態となる。

該圧力室22は、本発明において最も重要な作用を発揮
するもので、被研磨物固定盤14の加工面14aにその何れ
における加工荷重も極めて均一に調整出来、かつ該加工
面14aが定盤４の上面に接着固定された研磨布６に追従
し、該加工面14aには、位置決めのテンプレート16に嵌
合し例えば第２図に示した如く減圧吸着した被研磨物
（例えばシリコンウェハ）の加工面を該研磨布６の上面
に研磨剤12の薄膜を介して密着せしめ、均一な荷重を加
えながら摺動研磨させることが可能となるのである。

上記したごとく、該圧力室側壁24は一定以上のバネ定
数を持ち、しかも伸縮に際して一定の応力を発生するこ
とが必要である。通常の研磨では、圧力室側壁24はその
円周において部分的に伸縮の程度が変化し一様ではない
が、その伸縮は小さいので、バネ圧縮力の差が被研磨物
Ｗの均一研磨に影響する程大きくなることはない。

該被研削物固定盤14は、研磨軸20を中心にこれに直角
な平面内で強制的に一定の速度で回転せしめられ、下方
の研磨布６及び定盤４の回転と適当に組み合わされて、
複数の被研磨物を研磨する場合の被研磨物間の研磨加工
速度を一定に制御することが必要であり、かつ同一の被
研削物についても研磨面内の研磨加工速度を一定に制御
することが要求されるが、このため圧力室側壁24は研磨
軸20の回転を伝えるのに十分な強度が必要とされる。

該圧力室本体22aには空気、水等の流体が研磨軸20に
設けられた流体圧入孔26から圧入される。該圧力室22の
圧力は、研磨される対象及び研磨工程によって適宜調整
されるが、例えば０〜2.0kg/cm²程度の圧力調整を行え
るようになっている。この圧力室22の圧力が研磨荷重と
してウェハ等の被研磨物Ｗに加わる。研磨速度を増す場
合には、この圧力室の加圧が研磨荷重の相当部分、例え
ば50％以上を占めるように調節され、被研磨物（例え
ば、ウェハ）Ｗの平坦が最適になるように操業される。
例えば、シリコンウェハに限らず、被研磨物の研磨には
必ず一段又は二段又は三段以上の仕上げ工程が続くが、
この際には圧力室22の流体圧を除き、圧力室側壁24のバ
ネ圧縮力及び被研磨物固定盤14の自重のみで研磨が終
え、被研磨物Ｗに加わる荷重を所望の最小となるように
設計するのが好ましい。

圧力室側壁24のバネ定数は、このような仕上げ時の加
工荷重を調節するために、十分小さくなければならな
い。これは被研磨物固定盤14への回転力の伝達のための
十分の強度と矛盾するので、圧力室側壁24の機械的強度
には適当な範囲がある。

圧力室側壁24は、第２図に示した如く、金属、例えば
ステンレスのベローズなどは好ましいが、この例に限定
されず、ピアノ線、各種繊維が強化された天然又は合成
ゴムなどでもよい。

圧力室側壁24の強度を十分に低下させた場合、被研磨
物固定盤14が研磨布６からの力を受けて、著しく異常に
所定の位置からずれる場合を防ぐために、圧力室側壁24
の側面に接する円筒状の剛体を該圧力室側壁24の内部又
は外部に挿入するのが効果的である。しかし、被研磨物
（例えば、シリコンウェハ）の加工圧が減少すれば、圧
力室側壁24にかかる捩れ応力も小さくなるので、あまり
問題とはならない。

圧力室側壁24の直径寸法は、被研削物固定盤14のそれ
に比較してあまり小さくてはいけない。また、研磨軸端
フランジ18の回転動力を遅れなしに被研削物固定盤14に
伝えかつ被研削物固定盤14の下面に均一な加工荷重を与
えるために適当な位置を設定する。

加工圧力の不均一は避けることは出来ないので、被研
削物固定盤14の剛性の設定も大切で、特に研磨速度の速
いときには、主として研磨荷重が圧力室22の流体圧で発
生するのが好ましい。この流体圧で被研削物固定盤14の
変形が大きくならないこと及び研磨中の発熱による熱変
形を考慮して、被研削物固定盤14は剛体でありかつ熱膨
張係数の小さい材質、例えばアルミナ系統のセラミック
で構成するのが好適である。

第３図〜第５図には上記した高精度平面研磨装置２を
複数台（４台）設置した装置例について示してある。第
３図〜第５図において、50は基台で、該基台50上にはゲ
ート52がボールネジ54によって摺動可能に設けられてい
る。56は該ゲート52のガイドをするガイドレールであ
る。該ゲート52は側面横転コ字状で、上板52a及び側板5
2bを有している。該上板52aの中央部には研磨軸揺動用
モータ58が設けられ、該揺動用モータ58の周囲には４本
の研磨軸20が対称位置に設けられている。該研磨軸20は
該揺動用モータ58によって研磨作業中該揺動モータ58方
向へ接近又は離間するように揺動するものである。60は
各研磨軸20に取付けられた自転用モータである。62は該
基台50の前部の上面に設けられた流し枠で、その内部に
は前記定盤４が設けられている。該定盤４面に流される
研磨剤12及び研磨された滓等は該定盤４面から流出し、
該流し枠62内に収容され外部に漏れることはなくなる。
64は該基台50の後部の上面に設けられた受け台で、該研
磨軸20の下方に位置する被研磨物固定盤14に対応する受
け部64aが設けられている。66はボールネジ用モータ、6
8は定盤４を回転するためのモータ、70は減速機であ
る。

叙上の構成によりその作用を説明する。

上記研磨軸20を上昇させた状態で、該ゲート52を受け
台64上に移動せしめ、該被研削物固定盤14の加工面14a
に被研削物（例えばシリコンウェハ）Ｗを吸着せしめた
後、該ゲート52を定盤４の上方に移動せしめる。つい
で、該研磨軸20を下降させて該定盤４の研磨布６面に被
研磨物Ｗが接触するように設定する。そして、該圧力室
22に空気又は水等の流体を圧入し、適宜の圧力に設定す
る。該パイプ10から研磨剤12を流出させつつ、定盤４を
回転させ同時に研磨軸20を自転させるとともに揺動させ
ることによって、該被研磨物（シリコンウェハ）Ｗを研
磨する。シリコンウェハの研磨の場合には、荒研磨完了
後、数段（１〜４段程度）の仕上げ研磨を行って鏡面研
磨作業を終了する。この仕上げ研磨は、圧力室22の圧力
を低下せしめて行うのが普通であり、極めて減圧させる
か又は内部の流体を除去した圧力のない状態で行われ
る。

上記実施例では、被研磨物固定盤14の加工面14aへの
被研磨物の取付手段としては、真空吸着を用いた例を示
したが、例えば接着剤を用いて取付けてもよく、また簡
易手段としては水を介在させて吸着させることもでき
る。

本発明で用いる圧力室22の構成としては、金属製のベ
ローズの側壁を有する場合を図示したが、上記した如
く、ピアノ線、各種繊維で強化した天然又は合成の加硫
ゴムも適用できるし、本発明の精神を逸脱しないかぎり
その他種々の材料を用いて側壁を構成した圧力室が適用
可能なことはいうまでもない。

本発明装置の研磨対象としては、シリコンウェハの鏡
面研磨について説明したが、ラップ加工に適用してもよ
いし、また加工材料も必ずしもシリコンウェハに限定さ
れず、セラミック、ガラス、メタルの研磨に適用するこ
ともできる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、ウェハ等の被研磨物
の加工面に等分布の加工荷重を発生させ、被研磨物と定
盤研磨部との摩擦力がウェハ保持装置系に与えるモーメ
ントの影響によるウェハ加工偏荷重を減少させ、被研磨
物加工面の平坦度及び平行度を向上させることができる
という大きな効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の要部の概略説明図、第２図は圧力
室の断面摘示図、第３図〜第５図は高精度平面研磨装置
を４台設置した場合の一例を示す図面で、第３図は上面
図、第４図は正面図及び第５図は側面図である。 ２……高精度平面研磨装置、４……定盤、６……研磨
部、８……回転軸、10……パイプ、12……研磨剤、14…
…被研磨物固定盤、16……テンプレート、18……研磨軸
端フランジ、20……研磨軸、22……圧力室、24……側
壁、28,30……接続フランジ、Ｗ……被研磨物。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に研磨部を設けてなる定盤と、被研磨
   物を下面に固定する被研磨物固定盤と、研磨軸の下端に
   取付けられかつ該被研磨物固定盤の上方に所定間隔をお
   いて位置する研磨軸端フランジと、該被研磨物固定盤と
   該研磨軸端フランジとの間に設置されかつ伸縮自在な側
   壁を有し、流体として空気又は水が加えられる圧力室と
   を有し、該定盤と該研磨軸を回転させると、該被研磨物
   固定盤に固定された被研磨物が被研磨部に押圧追従摺動
   せしめられ、該被研磨物の加工面に等分布の加工荷重を
   発生せしめ高精度な平面研磨を行うことを可能とし、上
   記圧力室に加える流体圧及び／又は圧力室側壁のバネ定
   数を調整することによって被研磨物の加工面への加工荷
   重を制御調節するようにし、上記圧力室の側壁が、金属
   製ベローズ或いはピアノ線及び各種繊維のいずれかまた
   はそれらの組合せにより強化された天然ゴムまたは合成
   ゴムからなり、被研磨物固定盤との接続部において被研
   磨物とほぼ同一な外形または形状をもつことを特徴とす
   る高精度平面研磨装置。
2. 【請求項２】前記被研磨物固定盤としてセラミックスか
   らなる円板を用いることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の高精度平面研磨装置。
3. 【請求項３】前記セラミックスがアルミナ系セラミック
   スであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   高精度平面研磨装置。
4. 【請求項４】前記金属製ベローズがステンレス製ベロー
   ズであることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３
   項のいずれか１項記載の高精度平面研磨装置。