JP4614851B2

JP4614851B2 - 平面研磨装置

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Publication number: JP4614851B2
Application number: JP2005274707A
Authority: JP
Inventors: 仁志長山; 俊邦清水
Original assignee: SpeedFam Co Ltd
Current assignee: SpeedFam Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007083337A

Description

本発明は、高精度な平行度及び平坦度を必要とするワークを研磨するための平面研磨装置に関するものである。

半導体ウエハやフォトマスク等に用いられるガラスウエハあるいはセラミックスウエハなどの薄板状をしたワークの表面を研磨加工する場合、ポリッシング装置等の平面研磨装置が使用される。この平面研磨装置は、一般に、図７に示すように、円環状をした盤面に研磨パッド２６を貼着した上下の定盤２１，２２と、下定盤２２の中央に位置するサンギア２３と、該下定盤２２の外周を取り囲むように位置するインターナルギア２４と、下定盤２２上に位置してこれら両ギア２３，２４に噛合する複数のキャリヤ２５とを有し、各キャリヤ２５のワーク保持孔２５ａ内にワークＷを嵌合、保持させ、上記サンギア２３を回転させるか又はサンギア２３とインターナルギア２４の両方を回転させて各キャリヤ２５をサンギア２３の回りで自転及び公転させると共に、研磨液を供給しながら、回転する上下の定盤２１，２２で上記ワークＷの表裏面を研磨加工するものである。このとき、上記キャリヤ２５に保持されたワークＷは、該キャリヤ２５の自転に伴って該キャリヤ２５の中心の回りを回転すると共に、該キャリヤ２５の公転に伴ってサンギア２３の回りを回転し、回転する上下の定盤２１，２２の研磨パッド２６に押し付けられて研磨されることになる。

ところが、このような平面研磨装置においては、上記キャリヤ２５が自転するとき、その回転速度は中心側より外周側の方が大きいため、このキャリヤ２５に保持されたワークＷも、該キャリヤ２５の中心側に位置する部分の回転速度がキャリヤ２５の外周側に位置する部分の回転速度よりも大きくなる。また、上記定盤２１，２２即ち研磨パッド２６の回転速度も、中心側より外周側の方が大きい。このため、これらワークＷ及び研磨パッド２６の回転速度差が原因となってワークＷの研磨量に部分的な差が生じ、ワークＷの外周側ほど多く研磨される結果、該ワークＥの表面は、図８に示すような凸形の曲面になり易い。

このような問題を解消するため、図９に示すように、ワークＷを上下の定盤２１，２２の研磨パッド２６の外周側と内周側とにオーバーハングさせながら研磨する方法も実施されており、この方法によれば、オーバーハングさせない場合よりはワークＷの平坦度が向上することが確認されている。
しかし、ワークＷがオーバーハングする量は常に一定で、研磨パッド２６に対して同じパターンでの接触を繰り返すため、図１０に示すように、該ワークＷの表面には、オーバーハングする部分としない部分との境界部分に形状の変化点としての段部２８が形成され、均一な表面になりにくい。しかも、キャリヤＷが下定盤２２から突出する量も多くなるため、薄いキャリヤ２５を使用する場合に、該キャリヤ２５の外周部が下向きに撓み、振動やばたつきなどによってキャリヤクラッシュやワークのスクラッチ等を発生し易い。

一方、特許文献１には、上下の定盤の円環状をした当接部（研磨作業面）のうち、上定盤の研磨作業面を、下定盤の研磨作業面に比べ、外径を小さくかつ内径を大きく形成することにより、ワークを、上定盤の研磨作業面からオーバーハングさせるが下定盤の研磨作業面からはオーバーハングさせないで研磨するようにしたものが開示されている。この例によれば、キャリヤが下定盤から突出する量が少ないため、薄いキャリヤを使用しても上述したキャリヤクラッシュやワークのスクラッチ等は発生しにくくなる。しかし、ワークが上定盤からオーバーハングする量は常に一定であるため、上記の如くワークの表面に形状の変化点が現れるという問題は解消されない。

また、特許文献２には、定盤のパッド貼着面に特殊な形状をした研磨パッド（研磨布）を貼着することにより、ワークのオーバーハング量に変化を持たせるようにしたものが開示されていて、研磨パッドの形状例として、肉厚の薄い環状部分を外周に備えた円形の研磨パッドや、正六角形をした研磨パッド、楕円形の研磨パッド、外周を波形あるいは鋸歯状にカットした研磨パッドなどが示されている。
しかし、この例においても、上記研磨パッドの内外周形状は周方向に規則性を有していて、この研磨パッドが定盤に同心状に貼着されているため、結果的にワークと研磨パッドとは同じパターンでの接触を繰り返すかあるいは同じ加工軌跡をたどることになり、ワーク表面における研磨量の不均一化（面ダレ）の問題は解消されない。しかも、特殊な形状をした上記研磨パッドは、その製造や定盤に対する貼着が難しく、特別な技術と手数とを必要とするなど、別の新たな問題を生じる。

特開２００５− ４６９３２号公報特開２０００−２４６６２７号公報

そこで本発明の目的は、研磨時にワークと研磨パッドとが同じパターンでの接触を繰り返したり同じ加工軌跡をたどるのを極力なくして加工精度を高めると同時に、キャリヤの振動やばたつきなどによるキャリヤクラッシュやワークのスクラッチの発生といった問題も解消することができる、簡単で合理的な設計構造を有する平面研磨装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、板状のワークを保持するキャリヤと、該キャリヤを駆動するサンギア及びインターナルギアと、円環状のパッド貼着面に円環状の研磨パッドを貼着した上下の定盤とを有し、上記キャリヤに保持されたワークを共通の回転中心を有するこれら両定盤により両側から挟んで研磨する平面研磨装置において、上記下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドが、上記回転中心に対して同心状に位置し、また、上記上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドが、上記回転中心に対して偏心した位置を占めると共に、下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドに比べて小さい外径と大きい内径とを有するように形成されていて、研磨時に上記ワークが、上下両定盤のうち上定盤の研磨パッドの内外周両側にオーバーハングするように構成されていることを特徴とするものである。

本発明においては、上記上定盤のパッド貼着面が、該上定盤の盤面に高低差を付けることにより該盤面上に突出した状態に形成されていることが望ましい。

また、本発明において好ましくは、上記上定盤の盤面のパッド貼着面を除いたパッド非貼着部が、研磨液との接触を防止するための保護層で覆われていることである。

さらに、本発明においては、上記上定盤におけるパッド貼着面及び研磨パッドの内周円を、該パッド貼着面及び研磨パッドの中心に対して偏心させることにより、該パッド貼着面及び研磨パッドを上定盤の回転中心を通る２本の互いに直交する仮想線で４等分したとき、上記研磨パッドの４区分された研磨領域の面積が全て異なるように構成することもできる。

本発明によれば、上定盤における円環状のパッド貼着面及び研磨パッドを、該上定盤の回転中心に対して偏心した位置に形成すると共に、下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドより小さい外径と大きい内径とを有するように形成して、研磨時にワークが、上定盤の研磨パッドの内外周両側にオーバーハングするように構成したので、ワークと研磨パッドとが同じパターンでの接触を繰り返したり同じ加工軌跡をたどることがなく、ワーク全体の研磨量が平均化して平坦度及び平行度が確実に高められる。
しかも、上記ワークが下定盤からはオーバーハングしないので、キャリヤが該下定盤から突出する量は少なく、このため、薄いキャリヤを使用しても、その端部が下方に撓まないから、該キャリヤの振動やばたつきなどによるキャリヤクラッシュやワークのスクラッチ等が発生しにくくなる。

図１は、半導体ウエハ、フォトマスク等に用いられるガラスウエハ、セラミックスウエハなどの薄板状をしたワークＷの表面を研磨加工するための平面研磨装置、特に、該ワークＷの両面を研磨するための両面研磨装置の要部の断面を概略的に示すもので、ポリッシング装置によって代表されるものである。

上記平面研磨装置は、図２及び図４からも分かるように、中心Ｏ１を共有することによって同心状に位置する円環状をした上下の定盤１，２と、下定盤２の中央に位置するサンギア３と、該下定盤２の外周を取り囲むように位置するインターナルギア４と、下定盤２上にほぼ等間隔に配置されて上記両ギア３，４に噛合する複数のキャリヤ５とを有していて、上記両定盤１，２と、両ギア３，４のうち少なくともサンギア３とが、図示しない伝動機構を介して駆動装置に連結され、必要な方向に必要な速度で回転駆動されるようになっている。また、上定盤１は昇降自在となっていて、ワークＷの研磨時に下降して該ワークＷの上面に当接する。

上記両定盤１及び２の盤面、即ち上定盤１の下面及び下定盤２の上面には、円環状をしたパッド貼着面７及び８が形成され、これらのパッド貼着面７及び８に、それぞれ、円環状をした研磨パッド１１及び１２が、液不透過性の両面接着シート（図示せず）を介して貼着されている。これらの研磨パッド１１及び１２としては、例えば硬質ウレタン製あるいは硬質不織布製のものを使用することができる。

なお、以下の説明中、上下の定盤１，２の各パッド貼着面７，８及び研磨パッド１１，１２について、それらを互いに区別して表示するときは、上定盤１のパッド貼着面７及び研磨パッド１１をそれぞれ上盤パッド貼着面７及び上盤研磨パッド１１と表示し、下定盤２のパッド貼着面８及び研磨パッド１２をそれぞれ下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２と表示するものとする。

上記平面研磨装置でワークＷを研磨するときは、上記各キャリヤ５のワーク保持孔５ａ内にそれぞれ該ワークＷを嵌合、保持させ、上記サンギア３を回転させるか又はサンギア３とインターナルギア４の両方を回転させて上記各キャリヤ５をサンギア３の回りで自転及び公転させると共に、上下の定盤１，２を上記中心Ｏ１を回転中心として回転させ、これら両定盤１，２の間に研磨液を供給しながら、上記研磨パッド１１，１２によってワークＷの表裏面を研磨する。このとき、上記キャリヤ５に保持されたワークＷは、該キャリヤ５の自転に伴って該キャリヤ５の中心の回りを回転すると共に、該キャリヤ５の公転に伴ってサンギア３の回りを回転し、上下の定盤１，２の研磨パッド１１，１２に挟持されて研磨されることになる。また、上記ワークＷが円板形をしている場合、研磨時に該ワークＷがワーク保持孔内で自転する場合もある。なお、図ではキャリヤ５及びワークＷの厚さは誇張して描かれている。

上記上定盤１と下定盤２とは、互いに等しい大きさに形成されている。換言すれば、それらの外径同士及び内径同士がそれぞれ互いに等しく形成されている。
このうち下定盤２においては、円環状をした盤面全体が上記パッド貼着面（下盤パッド貼着面）８となっていて、この下盤パッド貼着面８全体に上記研磨パッド（下盤研磨パッド）１２が貼着されている。従って、これらの下盤パッド貼着面８と下盤研磨パッド１２とは、それらの内外径が互いに等しく、かつ、下定盤の中心（回転中心）Ｏ１に対して同心状に位置していることになる。

一方、上記上定盤１においては、図３からも分かるように、円環状の盤面に、円環状をした上記パッド貼着面（上盤パッド貼着面）７が、該上定盤の中心（回転中心）Ｏ１に対して偏心した位置を占めるように形成されている。図中Ｏ２がこのパッド貼着面７の中心である。この上盤パッド貼着面７は、上定盤１の盤面に高低差を設けることにより、該盤面上に一定の高さ突出した状態に形成したもので、この上盤パッド貼着面７に、該上盤パッド貼着面７と等しい内外径を有する上記研磨パッド（上盤研磨パッド）１１が同心状に貼着されている。従って、この上盤研磨パッド１１も、上定盤１の中心Ｏ１に対して偏心していることになる。

上記高低差は、上記パッド貼着面７とその内外周側に位置するパッド非貼着部９ａ，９ｂとの間に階段状の段差を付けることにより形成されている。しかし、この段差は僅かなものであるため、このようなパッド貼着面７の形成によって上定盤１に偏荷重が加わるおそれは殆どない。

また、上記上盤パッド貼着面７及び上盤研磨パッド１１は、それらの外径Ｄ１を、上記下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２の外径Ｄ２より小さく形成すると共に、内径ｄ１を、該下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２の内径ｄ２より大きく形成し、さらに、上記上盤パッド貼着面７及び上盤研磨パッド１１の外周円Ｃ１を、下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２の外周円Ｃ２の内側に位置させると共に、該上盤パッド貼着面７及び上盤研磨パッド１１の内周円ｃ１を、下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２の内周円ｃ２の外側に位置させており、これによって上盤研磨パッド１１が、下盤研磨パッド１２の内周側及び外周側の何れにもはみ出さない状態で、該下盤研磨パッド１２の上面領域内を偏心回転するように構成されている。

なお、上記下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２の外径Ｄ２及び内径ｄ２は、上定盤１の外径及び内径と実質的に同じであり、また、該下盤パッド貼着面８及び下盤研磨パッド１２の外周円Ｃ２及び内周円ｃ２についても、上定盤１の外周円及び内周円と実質的に同じ大きさで同心状に位置しているため、便宜上それらを図３の上定盤１において代替的に表示した。

上記上定盤１の盤面の上記パッド貼着面７を除いたその他の部分、即ち、上記パッド非貼着部９ａ，９ｂは、研磨液との接触を防止するための保護層１４で覆われていることが望ましい。パッド貼着面７の内外両側面９ｃ，９ｃについても、それらはパッド非貼着部であるため、同様に保護層１４で被覆することが望ましい。
上記保護層１４としては、液不透過性で、研磨液に対する耐腐食性を有するものであればどのようなものでも良く、例えば、シリカやフッ素系樹脂あるいはポリウレタン系樹脂等をコーティングした樹脂被膜であっても、クロム酸化物等をコーティングした金属被膜であっても良く、あるいは、研磨パッドを貼着するのに使用する液不透過性の接着シートを接着したものであっても良い。

かくして、上定盤１の盤面の研磨パッド１１が貼着されていない部分を保護層１４で覆うことにより、外部に露出する部分が研磨液と直接接触することがなくなるため、錆の発生が防止され、錆によるスクラッチの発生や金属汚染の問題が解消される。
なお、上下の定盤１，２におけるパッド貼着面７，８も、上記液不透過性の接着シートで覆われているため、実質的に上記保護層が形成されていることになる。しかし、これらのパッド貼着面７，８にも、上述した樹脂被膜や金属被膜による保護層を形成することができる。

上記両定盤１，２でワークＷを研磨する場合、該ワークＷは、下定盤２の研磨パッド１１に対しては、その内周側にも外周側にもオーバーハングすることなく、ほぼ全面的に接触するが、上定盤１の偏心した研磨パッド１１に対しては、該研磨パッド１１の内周側及び外周側に部分的にオーバーハングしながら接触し、研磨されることになる。そして、このようにオーバーハングするワーク外周部分では、該ワークＷが下定盤２の研磨パッド１１にだけ接触しているため、その部分に作用する加圧力は軽減され、この結果、ワークＷの外周部分の研磨量が抑えられて全体の研磨量が平均化され、平坦度が向上することになる。特に、上定盤１のパッド貼着面７及び研磨パッド１１を偏心させたことにより、研磨位置によってワークＷのオーバーハング量が常に異なり、キャリヤ５及びワークＷが最初の位置（初期位置）に戻ってくる間は同じ加工軌跡をたどらないため、研磨パッド面が均一に使用されて各ワークＷが均等に研磨されることになり、図１０に示すような形状の変化点である段部２８が形成されにくい。
しかも、上盤パッド貼着面７及び上盤研磨パッド１１を単純な形状である円環状に形成し、それを定盤の回転中心Ｏ１に対して偏心させただけであるから、特殊形状のパッド貼着面及び研磨パッドを使用する従来例に比べて構成が非常に簡単であり、研磨パッドの製造もパッド貼着面に対する貼着も容易である。

また、上記ワークＷを保持する各キャリヤ５は、研磨時にその殆どの部分が下定盤２の研磨パッド１１に下から支持された状態で自転及び公転し、該下定盤２から突出する量は少ない。従って、薄いワークＷを研磨するために薄肉のキャリヤ５を使用する場合でも、該キャリヤの下方への撓みが殆ど生じないため、該キャリヤの振動やばたつき等が発生することはなく、このような振動やばたつきに起因するワークＷの飛び出しやスクラッチあるいはキャリヤクラッシュ等が発生しにくい。

図５は上定盤の第２実施形態を示すもので、この第２実施形態の上定盤１Ａが図３に示す第１実施形態の上定盤１と相違する点は、第１実施形態の上定盤１においては、パッド貼着面７及び研磨パッド１１の内周円ｃ１が、該パッド貼着面７及び研磨パッド１１の中心Ｏ２に対して同心状に位置しているのに対し、この第２実施形態の上定盤１Ａは、パッド貼着面７及び研磨パッド１１の内周円ｃ１が、該パッド貼着面７及び研磨パッド１１の中心Ｏ２に対して偏心しているという点である。換言すれば、パッド貼着面７及び研磨パッド１１の外周円Ｃ１に対して内周円ｃ１が偏心していることになる。図中Ｏ３が上記内周円ｃ１の中心である。

しかも、上記内周円ｃ１の中心Ｏ３を、上定盤１Ａの中心Ｏ１とパッド貼着面７及び研磨パッド１１の中心Ｏ２とを結ぶ直線上に位置しないように配置することにより、上記パッド貼着面７及び研磨パッド１１を該上定盤１Ａの中心Ｏ１１を通る２本の互いに直交する仮想線Ｌ１，Ｌ２で４等分したとき、上記研磨パッド１１の４区分された研磨領域１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの面積が全て異なるように構成されている。上記以外の構成は第１実施形態の上定盤１と実質的に同じである。

上定盤１Ａをこのように構成することにより、研磨時にワークＷが研磨パッド１１からオーバーハングする量及び姿勢が何れの研磨位置においても同じにならないため、換言すれば、ワークＷと研磨パッド１１とが同じ加工軌跡をたどらないため、該ワークＷの研磨量は全面にわたってより均等化され、平坦度が一層高められることになる。

図６は上定盤の第３実施形態を示すもので、この第３実施形態の上定盤１Ｂが図３及び図５に示す第１及び第２実施形態の上定盤１，１Ａと相違する点は、これらの上定盤１，１Ａにおいては、パッド貼着面７とパッド非貼着部９ａ，９ｂとの間の高低差を階段状の段差により形成しているのに対し、この第３実施形態の上定盤１Ｂにおいては、パッド非貼着部９ａ，９ｂを傾斜面とすることにより、パッド貼着面７とパッド非貼着部９ａ，９ｂとの間に高低差を付けている点である。即ち、パッド貼着面７の内周側に位置する上記パッド非貼着部９ａは、該パッド貼着面７から遠ざかる方向である定盤内周側に向けて該定盤の肉厚が次第に薄くなるように傾斜し、パッド貼着面７の外周側に位置する上記パッド非貼着部９ｂは、該パッド貼着面７から遠ざかる方向である定盤外周側に向けて該定盤の肉厚が次第に薄くなるように傾斜している。これらのパッド非貼着部９ａ，９ｂにも、上記第１実施形態の上定盤１と同様に保護層を形成することが望ましいが、その図示は省略されている。

従って、この上定盤１Ｂにおける上記パッド非貼着部９ａ，９ｂの形状は、軸線が偏心した円錐面のような形状であり、それらの面の傾きは互いに逆向きである。これに対し、上記第１及び第２実施形態の上定盤１及び１Ａの上記パッド非貼着部９ａ，９ｂは、パッド貼着面７と平行する平面である。

なお、上記各実施形態においては、上下の定盤が互いに等しい内外径を有するように形成されているが、両定盤の内外径は必ずしも等しくなくて良い。ただし、この場合においても、両定盤におけるパッド貼着面７，８及び研磨パッド１１，１２の大きさ及び位置関係は、上述した通りである。また、上定盤については、その中心と回転中心とが必ずしも一致している必要はない。

本発明に係る平面研磨装置を概略的に示す要部断面図である。図１の平面研磨装置を、上定盤を取り除くと共に、該上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドを仮想線で示した状態の平面図である。図１の平面研磨装置における上定盤の下面図である。図１の要部拡大図である。上定盤の第２実施形態を示す図３と同様の下面図である。上定盤の第３実施形態を示す断面図である。従来の平面研磨装置の一例を概略的に示す要部断面図である。図７の平面研磨装置で研磨したときのワークの平面形状を模式的に示す要部断面図である。従来の平面研磨装置の他を概略的に示す要部断面図である。図７の平面研磨装置で研磨したときのワークの平面形状を模式的に示す要部断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ上定盤
２下定盤
３サンギア
４インターナルギア
５キャリヤ
７，８パッド貼着面
９ａ，９ｂ，９ｃパッド非貼着部
１１，１２研磨パッド
１１ａ，１１ｂ，１１Ｂ，１１ｄ研磨領域
Ｗワーク
Ｏ１定盤の中心
Ｏ２上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの中心
Ｏ３上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの内周円の中心
Ｄ１上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの外径
ｄ１上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの内径
Ｄ２下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの外径
ｄ２下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの内径
ｃ１上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドの内周円
Ｌ１，Ｌ２仮想線

Claims

板状のワークを保持するキャリヤと、該キャリヤを駆動するサンギア及びインターナルギアと、円環状のパッド貼着面に円環状の研磨パッドを貼着した上下の定盤とを有し、上記キャリヤに保持されたワークを共通の回転中心を有するこれら両定盤により両側から挟んで研磨する平面研磨装置において、
上記下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドが、上記回転中心に対して同心状に位置し、また、上記上定盤のパッド貼着面及び研磨パッドが、上記回転中心に対して偏心した位置を占めると共に、下定盤のパッド貼着面及び研磨パッドに比べて小さい外径と大きい内径とを有するように形成されていて、研磨時に上記ワークが、上下両定盤のうち上定盤の研磨パッドの内外周両側にオーバーハングするように構成されていることを特徴とする平面研磨装置。
上記上定盤のパッド貼着面が、該上定盤の盤面に高低差を付けることにより該盤面上に突出した状態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の平面研磨装置。
上記上定盤の盤面のパッド貼着面を除いたパッド非貼着部が、研磨液との接触を防止するための保護層で覆われていることを特徴とする請求項２に記載の平面研磨装置。
上記上定盤におけるパッド貼着面及び研磨パッドの内周円を、該パッド貼着面及び研磨パッドの中心に対して偏心させることにより、該パッド貼着面及び研磨パッドを上定盤の回転中心を通る２本の互いに直交する仮想線で４等分したとき、上記研磨パッドの４区分された研磨領域の面積が全て異なるように構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の平面研磨装置。