JP3152763B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体ウェーハ
を鏡面研磨するための研磨装置に関し、特に定盤とプレ
ートとの平行度を高精度に保つことができる研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化等にともな
い、半導体ウェーハには、高平行度および高平坦度が要
求されるが、この要求を満たすためには、研磨中におい
て、研磨布が設けられた定盤と半導体ウェーハが支持さ
れたプレートとの平行度が高精度で保たれなければなら
ない。

【０００３】従来、この種の研磨装置としては、機械的
固定方式、プレート追従方式、ピボット軸受方式、ある
いは外周保持方式などが提案されていたが、何れも、半
導体ウェーハの研磨面に摩擦力が作用すると、この摩擦
力に起因して摩擦面に垂直に圧力が偏って生じるモーメ
ント（以下、転倒モーメントという）によってプレート
が傾き、その結果、定盤とプレートとの平行度が維持で
きないという欠点を有していた。

【０００４】そこで、プレートの作動中心を研磨面上に
位置せしめることにより、摩擦面上に作用する摩擦力の
作用点とプレートの作動中心間の距離をゼロとし、プレ
ートを傾けようとする転倒モーメントをゼロとすること
により、定盤とプレートとの平行度を維持するようにし
た研磨装置も提案されている（例えば、特開昭６３−６
２，６６８号公報および図４参照）。

【０００５】特開昭６３−６２，６６８号公報に開示さ
れている研磨装置は、図４に示すように、球面軸受２０
にて構成される平行度維持機構を介して、軸２１に対し
て傾動自在に支持されたプレート２２と、表面に研磨布
２が張設され、水平に回転駆動する定盤１とを有してい
る。平行度維持機構は、プレート２２の作動中心０を半
導体ウェーハ４と研磨布２との接触面、すなわち研磨面
６上に位置せしめる構造であって、具体的には、ブロッ
ク２３とプレート２２とに形成された半径ｒ（中心がプ
レートの作動中心Ｏ）の球面座からなる球面軸受２０に
て構成されている。

【０００６】そして、プレート２２の下面に半導体ウェ
ーハ４を吸着し、定盤１を一定速度で回転させながら、
該定盤１の表面に張設された研磨布２に半導体ウェーハ
４を一定圧で押圧すると、半導体ウェーハ４と研磨布２
との間に相対滑りが生じ、ここに供給された研磨剤によ
って半導体ウェーハは鏡面研磨されることになる。

【０００７】ちなみに、この研磨面６には摩擦力が発生
し、また、定盤上の半径方向の周速度の相違によって半
導体ウェーハ４、プレート２２、およびブロック２３
は、ボールベアリング２４を介して軸２１の周りを回転
（以下、自転ともいう）することになる。

【０００８】プレート２２は、球面軸受２０を介して軸
２１に対して傾動自在に支持されているため、プレート
２２は定盤１の傾斜に追従して傾き、しかも、プレート
２２の作動中心Ｏが研磨面６上に位置しているために、
研磨面上に作用する摩擦力の作用点とプレート２２の作
用中心とが一致し両者間の距離がゼロとなる。

【０００９】したがって、摩擦力と距離との積で表わさ
れるところのプレート２２を傾けようとする転倒モーメ
ントがゼロとなり、その結果、摩擦力が研磨面６に作用
するにも拘らず、定盤１とプレート２２との平行度を維
持することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の研
磨装置では、球面軸受２０に作用する摩擦力を無視した
場合に限り、転倒モーメントがゼロとなるものである。

【００１１】しかしながら、実際には半導体ウェーハの
押圧力を大きく設定すればするほど、球面軸受２０に作
用する摩擦力が大きくなり、その結果、転倒モーメント
も大きくなって、定盤とプレートとの平行度を維持でき
ないという欠点があった。

【００１２】また、同公報に記載されている他の実施例
としての構成（球面軸受にＯリングなどの軟質弾性体を
介在させる構成）を採用したとしても、該研磨装置で
は、研磨時の摩擦係数がある特定の値に対してある特定
の角度となった場合にのみ有効であって、研磨開始から
研磨終了に至るまでの間における定盤とプレートとの平
行度を維持するには一般性がない構成であった。

【００１３】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、定盤とプレートとの平行度
を高精度に保つことにより、高平行度および高平坦度の
被研磨物を得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の研磨装置は、回転する定盤と、前記定盤に
表面に固定された研磨体と、前記研磨体の表面に載置さ
れた被研磨物を前記研磨体と対向する面から押圧する円
盤状のプレートと、前記プレートに前記押圧する力を印
加する加圧軸と、前記加圧軸からの前記押圧力を前記プ
レートに伝達するとともに、前記被研磨物と前記研磨体
との接触に応じて前記プレートが前記研磨体と前記被研
磨物の研磨面に沿って移動可能に、前記プレートと前記
加圧軸とを結合する結合手段とを具備し、前記加圧軸
は、前記結合手段を介して前記プレートに前記押圧力を
印加する加圧軸本体部と、該加圧軸本体部から前記結合
手段および前記円盤状のプレートの外周を覆って延在
し、該延在している部分の内周 壁が前記円盤状のプレー
トの外周縁と所定のクリアランスを隔てて位置する円環
状の加圧軸側面部とを有する。

【００１５】また、本発明の研磨装置は、前記結合手段
が、前記加圧軸の前記加圧軸本体部に回転自在に設けら
れたブロックと、該ブロックと、前記研磨体と対向する
前記プレートの前記加圧軸本体部に向かう面との間に設
けられた、液体を収容した可撓性のある袋体とを有す
る。

【００１６】さらに、本発明の研磨装置は、前記結合手
段が、前記加圧軸の前記加圧軸本体部に揺動自在に設け
られたブロックと、前記研磨体と対向する前記プレート
の前記加圧軸本体部に向かう面に形成された凹部と、前
記凹部と、前記ブロックの前記プレートに向かう面との
間で移動自在に配設されたボールとを有する。

【００１７】さらに、本発明の研磨装置は、前記結合手
段が、前記加圧軸の前記加圧軸本体部の前記プレートに
向かう面に形成された第１の球面軸受と、前記研磨体と
対向する前記プレートの前記加圧軸本体部に向かう面に
形成された第２の球面軸受と、前記第１および第２の球
面軸受に収容された自在関節とを有する。

【００１８】

【作用】本発明の研磨装置は結合手段を有している。結
合手段は、加圧軸からの押圧力を円盤状のプレートに伝
達するとともに、被研磨物の研磨に応じてプレートが研
磨体と被研磨物の接触面（研磨面）に沿って移動可能
に、プレートと加圧軸とを結合する。従来の研磨装置に
おける加圧軸は、プレートを介して被研磨物を押圧して
いたが、研磨体による被研磨物の研磨による研磨面に作
用する押圧力と直交する研磨動作成分によって、加圧軸
の軸中心に対して傾斜し、その結果、加圧軸に固定され
ているプレートの表面が被研磨物の表面に対して平坦状
態を維持できないという問題があった。本発明において
は、研磨装置に上記結合手段を設けることにより、加圧
軸からプレートに作用する力は、研磨面と直交する被研
磨物に対する押圧力だけになる。すなわち、研磨体と被
研磨物との研磨面に作用する研磨動作成分の力が発生す
ると、プレートが研磨面に沿って移動するので、加圧軸
は研磨動作成分の力の影響を受けない。このように、加
圧軸が研磨動作成分の影響を受けないと、加圧軸からプ
レートに印加される押圧力は、研磨面に直交しているか
ら、研磨体の表面に対するプレートの面の平行度が高く
維持される。

【００１９】研磨動作成分により、プレートは研磨面に
沿って水平移動するが、円盤状のプレートの外周が円環
状の内壁を有する加圧軸の加圧軸側面部と接触する。す
なわち、本発明の研磨装置において、加圧軸は、結合手
段を介してプレートに押圧力を印加する加圧部本体に加
えて、該加圧軸本体部から結合手段および円盤状のプレ
ートの外周を覆って延在し、該延在している部分の内周
壁が円盤状のプレートの外周縁と所定のクリアランスを
隔てて位置する円環状の加圧軸側面部とを有する構造を
している。円盤状のプレートの外周が、円環状の加圧軸
側面部の内壁と接触した状態で、プレートと研磨体との
間に介在する被研磨物が研磨体によって研磨される。な
お、被研磨物は研磨体に載置されているだけであるか
ら、プレートと研磨体との間で移動しながら、研磨体に
よって研磨される。プレートはその研磨動作成分に応じ
て研磨面に沿って、加圧軸側面部の内壁に円盤状のプレ
ートの外周が接触した状態で移動する。

【００２０】結合手段の形態としては、請求項２〜４記
載の形態をとることができる。

【００２１】以上のように、本発明の研磨装置は、結合
手段と、加圧軸側面部を有する加圧軸とを設けることに
より、どのような大きさの摩擦力が研磨面に作用して
も、換言すれば、加圧軸に加える押圧力の大きさに拘ら
ず、定盤とプレートとの平行度を維持することができ、
その結果、高平行度、高平坦度の鏡面加工を行うことが
できる。

【００２２】

【実施例】本発明の研磨装置について、好ましい実施例
を挙げ、図面に基づいて具体的に説明する。

【００２３】図１は本発明の一実施例に係る研磨装置を
示す縦断面図である。本実施例の研磨装置に係る定盤１
は、駆動装置（不図示）によって中心軸１ａ周りに水平
に回転駆動し、その上面には研磨布（クロス）２が張設
されている。この研磨布２には、図示しないノズルから
研磨剤が供給され、加圧軸３によって研磨布２に半導体
ウェーハ（被研磨体）４を押圧すると、研磨剤および研
磨布２によって半導体ウェーハ４の表面が鏡面研磨され
ることになる。

【００２４】定盤１の上方には、加圧軸３が定盤に対し
て上下移動可能に設けられており、この加圧軸３には、
軸受１８を介してブロック１７が回転自在に設けられて
おり、一方、円盤状のプレート５が、定盤１の表面の平
行方向に移動自在であって、かつ定盤１に対して揺動自
在に支持されている。

【００２５】加圧軸３に対するプレート５の移動可能範
囲に付いては、少なくとも研磨面６に生じた摩擦力によ
ってプレート５を傾けようとする力を吸収できる範囲で
あればよい。

【００２６】なお、プレート５はステンレス鋼やセラミ
ックなどのように剛性の高い材料によって形成されてお
り、さらに、半導体ウェーハ４を保持するために吸着孔
等を形成しておくことが好ましい。

【００２７】プレート５とブロック１７との間には、加
圧軸３からの押圧力をブロック１７を介してプレート５
に伝達する一方で、半導体ウェーハ４の研磨面６に生じ
た摩擦力については加圧軸３に非伝達とする摩擦力吸収
体７（または、加圧軸３とプレート５とを結合する結合
手段７）が設けられており、本実施例では、袋内に収容
した液体７ａにより構成されている。なお、この摩擦力
吸収体（結合手段）７は、プレート５とブロック１７と
の間に単に介装されているだけである。

【００２８】このように、本実施例の研磨装置のプレー
ト５は、加圧軸３およびブロック１７に対して、定盤１
の表面の平行方向に移動自在であり、かつ定盤１に対し
て揺動自在に設けられているため、プレート５と加圧軸
３との間に摩擦力吸収体（結合手段）７を介装すること
により、プレート５は以下の２つの機能を司ることにな
る。

【００２９】まず、摩擦力吸収体（結合手段）７が介装
されていてもプレート５は加圧軸３に対して水平揺動自
在となるため、定盤１が加圧軸３に対して平行度を喪失
しても、プレート５は定盤１に追従して圧力分布を変え
ずに水平移動することができる。

【００３０】また、加圧軸３を定盤１に押し付けて半導
体ウェーハ４を研磨布２に押圧すると、半導体ウェーハ
４と研磨布２との間に相対滑りが生じて半導体ウェーハ
４が鏡面研磨されることになるが、このとき、該研磨面
６に摩擦力が発生する。すなわち、研磨布２から半導体
ウェーハ４を保持したプレート５に対して研磨面６の摩
擦係数と加圧軸３からの押圧力に応じた摩擦力が作用す
る。

【００３１】仮に、プレート５の加圧軸３に対する作動
中心が摩擦力吸収体（結合手段）７の近傍にある場合に
は、この摩擦力の反作用により生じる転倒モーメントに
よってプレート５が定盤１に対して傾いてしまい、定盤
１とプレート５との平行度が維持できなくなってしま
う。ところが、本実施例の摩擦力吸収体（結合手段）７
は、研磨面６で生じた摩擦力はプレート５からブロック
１７および加圧軸３に伝達されないため、摩擦力はプレ
ート５のみに作用することになる。したがって、加圧軸
３の押圧方向に直交する方向に対して平行移動可能に設
けられたプレート５は定盤表面に平行に移動し、該プレ
ート５は、加圧軸３の側面３ａの内壁で受けとめられる
こととなる。これによって、プレート５は転倒すること
なく摩擦力により生じた転倒モーメントを吸収すること
ができ、その結果、プレート５と定盤１との平行度が維
持される。

【００３２】ちなみに、研磨布２とプレート５との間に
挟持された半導体ウェーハ４は、研磨布２（定盤１）上
の半径方向の周速度の相違によって、プレート５ととも
に自転することになる。

【００３３】本発明の研磨装置は、上述した実施例にの
み限定されることなく種々に改変することが可能であ
る。図２は本発明の他の実施例に係る研磨装置を示す縦
断面図であり、本実施例の研磨装置では、摩擦力吸収体
（結合手段）７は、加圧軸３に揺動自在に設けられ、該
ブロック７ｂとプレート５との間に介装されたボール７
ｃとから構成している。

【００３４】ブロック７ｂは球面軸受８を介して加圧軸
３に取り付けられており、加圧軸３に対して揺動自在に
設けられている。このブロック７ｂの下面にはプレート
５の上面に形成された凹部９と協働して軸受である複数
のボール７ｃを収容するための凹部１０が形成されてい
る。

【００３５】円盤状のプレート５は、上述した第１実施
例と同様に、加圧軸３に対して、定盤表面の平行方向に
移動自在であって、かつ定盤１に対して揺動自在に設け
られているが、プレート５の周縁には、加圧軸３の下端
３ａの内周縁に形成された凸部１１と係合する鍔部１２
が形成されており、これによって、加圧軸３が上昇した
ときでも加圧軸３にプレート５を支持することができる
ようになっている。

【００３６】ブロック７ｂとプレート５との間に介装さ
れるボール７ｃは、２つの凹部９，１０で形成された空
間に収容されているだけであることから、加圧軸３を押
し下げて半導体ウェーハ４を研磨布２に押圧したとき
は、加圧軸３からの垂直方向の押圧力のみをブロック７
ｂを介してプレート５に伝達することができる。

【００３７】しかしながら、研磨面６に発生した摩擦力
の反作用による転倒モーメントは、プレート５がブロッ
ク７ｂに対して水平に移動自在であるため、先にプレー
ト５が定盤１の表面に平行に移動し、該プレート５は、
加圧軸３の側面３ａで受けとめられることになる。これ
によって、プレート５は転倒することなく摩擦力により
生じた転倒モーメントを吸収することができ、その結
果、上述した第１実施例と同様に、プレート５と定盤１
との平行度が維持される。

【００３８】本発明の研磨装置はさらに改変することが
できる。図３は本発明のさらに他の実施例に係る研磨装
置を示す縦断面図であり、本実施例では、摩擦力吸収体
（結合手段）７を、加圧軸３とプレート５とのそれぞれ
に、球面軸受１３，１４を介して接続された自在関節７
ｄから構成している。

【００３９】円盤状に形成されたプレート５は、上述し
た第１実施例と同様に、加圧軸３に対して、定盤表面の
平行方向に移動自在であって、かつ定盤１に対して揺動
自在に設けられている。このプレート５には自在関節７
ｄの一方の球頭部１５が球面軸受１４を形成するように
取り付けられ、他方の球頭部１６は加圧軸３に同じく球
面軸受１６を形成するように取り付けられている。

【００４０】したがって、プレート５は加圧軸３に対し
て、２つの球頭部１５，１６を支点として揺動自在に移
動することができ、加圧軸３を押し下げて半導体ウェー
ハ４を研磨布２に押圧したときは、加圧軸３からの垂直
方向の押圧力を自在関節７ｄを介してプレート５に伝達
することができる。

【００４１】しかしながら、研磨面６に発生した摩擦力
の反作用による転倒モーメントは、プレート５が自在関
節７ｄを介して加圧軸３に対して水平にも移動自在であ
るため、先にプレート５が定盤１の表面に平行に移動
し、該プレート５は、加圧軸３の側面３ａで受けとめら
れることとなる。これによって、プレート５は転倒する
ことなく摩擦力により生じた転倒モーメントを吸収する
ことができ、その結果、上述した第１実施例および第２
実施例と同様に、プレート５と定盤１との平行度が維持
される。

【００４２】なお、図２および図３に示す実施例では、
図１に示す実施例と同様に、定盤１が回転して研磨を開
始すると、定盤１の半径方向の周速度の相違によって、
加圧軸３がフリーである場合は、半導体ウェーハ４はプ
レート５とともに自転することになるが、加圧軸３を強
制的に回転させる場合は、加圧軸の側面３ａの内径とプ
レート５の外径との比に応じて、加圧軸の回転にしたが
って側面３ａに内接したプレート５が転がり、その結
果、ウェーハ４は一定の割合で回転することになる。

【００４３】以上説明した実施例は、本発明の理解を容
易にするために記載されたものであって、本発明を限定
するために記載されたものではない。したがって、これ
らの実施例に開示された各要素は、本発明の技術的範囲
に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

【００４４】例えば、プレート５の外周の円筒部分に加
圧軸３の側面３ａの内周部分を接触作用させ、摩擦力に
抗して働く応力の方向を水平として説明したが、本発明
では必ずしも水平である必要はなく、むしろ、プレート
の外周を円錐状に形成し、これに応じて加圧軸の側面の
内周を構成することにより、転倒モーメントをさらに小
さくすることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、加圧
軸に加える押圧力の力学系と、該押圧力によって生じた
摩擦力に対抗する力学系とを別系統とするように、定盤
・加圧軸・プレートを構成したので、加圧軸に加える押
圧力の大きさに拘らず、定盤とプレートとの平行度を維
持することができ、その結果、高平行度、高平坦度の鏡
面加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る研磨装置を示す縦断面
図である。

【図２】本発明の他の実施例に係る研磨装置を示す縦断
面図である。

【図３】本発明のさらに他の実施例に係る研磨装置を示
す縦断面図である。

【図４】従来の研磨装置を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…定盤 ２…研磨布 ３…加圧軸３ａ・・加圧軸側部 ４…半導体ウェーハ（被研磨体） ５…プレート ６…研磨面 ７…摩擦力吸収体（結合手段） １７…ブロック ７ａ…袋内に収容した液体 ７ｂ…ブロック ７ｃ…ボール ７ｄ…自在関節

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−45366（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−257628（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−62668（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−165849（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 37/04 H01L 21/304 622

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転する定盤と、 前記定盤に表面に固定された研磨体と、 前記研磨体の表面に載置された被研磨物を前記研磨体と
   対向する面から押圧する円盤状のプレートと、 前記プレートに前記押圧する力を印加する加圧軸と、 前記加圧軸からの前記押圧力を前記プレートに伝達する
   とともに、前記被研磨物と前記研磨体との接触に応じて
   前記プレートが前記研磨体と前記被研磨物の研磨面に沿
   って移動可能に、前記プレートと前記加圧軸とを結合す
   る結合手段とを具備し、 前記加圧軸は、前記結合手段を介して前記プレートに前
   記押圧力を印加する加圧軸本体部と、該加圧軸本体部か
   ら前記結合手段および前記円盤状のプレートの外周を覆
   って延在し、該延在している部分の内周壁が前記円盤状
   のプレートの外周縁と所定のクリアランスを隔てて位置
   する円環状の加圧軸側面部とを有する研磨装置。
2. 【請求項２】前記結合手段が、前記加圧軸の前記加圧軸
   本体部に回転自在に設けられたブロックと、該ブロック
   と、前記研磨体と対向する前記プレートの前記加圧軸本
   体部に向かう面との間に設けられた、液体を収容した可
   撓性のある袋体とを有する、 請求項１に記載の研磨装置。
3. 【請求項３】前記結合手段が、前記加圧軸の前記加圧軸
   本体部に揺動自在に設けられたブロックと、前記研磨体
   と対向する前記プレートの前記加圧軸本体部に向かう面
   に形成された凹部と、前記凹部と、前記ブロックの前記
   プレートに向かう面との間で移動自在に配設されたボー
   ルとを有する、 請求項１記載の研磨装置。
4. 【請求項４】前記結合手段が、前記加圧軸の前記加圧軸
   本体部の前記プレートに向かう面に形成された第１の球
   面軸受と、前記研磨体と対向する前記プレートの前記加
   圧軸本体部に向かう面に形成された第２の球面軸受と、
   前記第１および第２の球面軸受に収容された自在関節と
   を有する、 請求項１記載の研磨装置。