JP5392483B2

JP5392483B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP5392483B2
Application number: JP2009200690A
Authority: JP
Inventors: 紀彦守屋; 和孝澁谷
Original assignee: FUJIKOSHI MACHINE INDUSTRY CO.,LTD.
Current assignee: FUJIKOSHI MACHINE INDUSTRY CO.,LTD.
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: KR20110023785A; EP2289668B1; CN102001036A; EP2289668A3; KR101696932B1; CN102001036B; JP2011051047A; US20110053474A1; EP2289668A2

Description

本発明はウェーハ等のワークを研磨する研磨装置に関する。

半導体ウェーハなどのワークの研磨には、上面に研磨布を貼付した定盤の研磨布に、研磨ヘッドに保持されたワークの研磨面を接触させ、定盤および研磨ヘッドを相対的に移動させてワークの研磨面を研磨するようにする片面研磨装置がある。
特許文献１に記載されている片面ワーク研磨装置は、次の構成より成る。
すなわち、ウェーハを保持ヘッドに保持し、回転する研磨定盤上の研磨パッドに押圧して、ウェーハの表面を研磨するウェーハ研磨装置において、前記保持ヘッドが、回転すると共に前記研磨定盤に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、前記ウェーハの周囲を包囲し、ウェーハと共に前記研磨パッドに接触されるリテーナリングとを備え、前記リテーナリングを前記キャリアにＯリングで保持されるようにし、前記キャリアの下面にエア吹出部材を設けると共に更にその外面に保護シートを設け、前記エア吹出部材からのエアの膜（層）で前記保護シートを介してウェーハを前記研磨パッドに押し付けるようにしたウェーハ研磨装置が記載されている。

特開２０００−３１７８１９

上記のように、特許文献１のものでは、エア吹出部材と保護シートとの間にエア層を形成し、エア層により保護シートを介してウェーハを研磨パッド（布）上に押圧するようにしている。これにより研磨布上にうねり状の凹凸が存在している場合であっても、ウェーハを押圧するのはエア層および保護シートであることから、ウェーハが当該凹凸に追随して動くので精度のよい研磨が行え、また保護シートが存在することからウェーハに傷が付きにくいという利点がある。

しかしながら、特許文献１のものでは、リテーナリングとキャリアとの間にＯリングが介在されているので、キャリア（およびキャリアに固定されているエア吹出部材）は、水平方向への動きがほとんど不可能で、水平状態を保ったまま上下方向のみに移動するという動きに制限されてしまう。ウェーハが研磨布の凹凸に追随して動くと、水平方向に対して傾く状態が生じ、水平状態にあるエア吹出部材と平行にならないときが生じる。エア吹出部材からは下方に向けてエアが吹き出されるが、上記のようにウェーハが傾くと、ウェーハ上の各所とエア吹出部材との間の距離が不均一となって、ウェーハに及ぼされる圧力が不均一となり、ウェーハの均一な研磨が行えないという課題が生じた。
昨今は、ウェーハが大型化していることから、このような僅かな状況の相違も研磨精度に大きな影響を与える。

そこで本発明は上記課題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、より高い精度の研磨が行える研磨装置を提供するにある。

上記の目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る研磨装置は、表面にワークを研磨する研磨布が貼設された定盤と、ワークを前記研磨布に押圧する研磨ヘッドと、該研磨ヘッドと前記定盤とを相対的に運動させる運動機構とを備え、ワークの研磨面を研磨する研磨装置において、前記研磨ヘッドは、ヘッド本体と、下方に開口する凹部を有し、前記ヘッド本体に上下方向に移動自在に吊持された盤状部材と、該盤状部材の凹部内に位置して、外周が該凹部の側壁とは所要の間隙を有する状態で、水平方向に対して傾動自在に盤状部材に支持されると共に、複数の噴出口から下方に向けて流体を噴出する流体供給部材を有するキャリアと、該キャリアに流体を供給し、流体供給部材から下方に向けて流体を噴出させる流体供給手段と、前記流体供給部材の下面側を覆って前記盤状部材に取り付けられて前記流体供給部材の下方に第１の流体室を画成し、下面にワークが保持される弾性シート体と、該弾性シート体下面の周縁部に取り付けられ、弾性シート体下面に保持されたワークを囲むリング部材と、前記盤状部材を下方に向けて押圧し、前記リング部材を弾性シート体を介して前記研磨布に押圧する第１の押圧手段と、前記キャリアを下方に向けて押圧する第２の押圧手段と、前記盤状部材の、前記流体供給部材の底面よりも高い位置に設けられ、前記第１の流体室の流体を外方に排出する流体排出口とを具備し、前記第２の押圧手段による前記キャリアへの押圧力と前記第１の流体室に供給された流体による流体室内圧力とにより前記弾性シート体を介してワークを研磨布に押圧してワークの研磨を行うと共に、前記第１の流体室内に下向きに供給された流体が、該第１の流体室を水平外方に流れて、前記凹部の側壁にぶつかって上向きに流れ、前記各流体排出口から外方に排出されることによって、前記流体供給部材が、前記弾性シート体の動きに追従して動いて該弾性シート体と平行を保ち、かつ流体室内で芯出しがなされることを特徴とする。

本発明によれば、ワークをより均一に精度よく研磨することが可能となる。

研磨装置の概略を示す説明図である。研磨ヘッドの概略を示す断面説明図である。ワークの傾きを示す説明図である。研磨ヘッドの他の実施形態を示す断面説明図である。

以下本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は研磨装置の概略を示す説明図である。
研磨装置１０は、表面にワークを研磨する研磨布１１が貼設された定盤１２と、ワークＷ（図２）を下面側に保持すると共に研磨布１１に押圧する研磨ヘッド１４と、該研磨ヘッド１４と定盤１２とを相対的に運動させる運動機構とを備える。

運動機構は、定盤１２を回転軸１５を中心に回転させる回転駆動装置（図示せず）と、研磨ヘッド１４を回転軸１６を中心に回転させる回転駆動装置（図示せず）とを有する。また研磨ヘッド１４は、上下動装置（図示せず）および水平動装置（図示せず）を有し、ワーク供給位置に供給されているワークＷを下面に吸着保持すると共に、定盤１２上に搬入し、ワーク研磨面を研磨布１１に押圧しつつ運動機構により定盤１２と研磨ヘッド１４とを相対回転させてワークの研磨面を研磨するものである。１８は研磨剤供給ノズルであり、研磨剤を定盤１２の研磨布１１上に供給する。

図２は研磨ヘッド１４の実施の形態を示す説明断面図である。
２０はヘッド本体であり、側壁２０ａを有し、下方に開口する凹部を有する。
２２は盤状部材であり、側壁２２ａによって囲まれる、下方に開口する凹部２３を有する。盤状部材２２は、ゴム製の弾性を有するリング状のダイアフラム２４によってヘッド本体２０内に上下方向に移動自在に吊持されている。側壁２０ａは盤状部材２２の上下動のガイドとして機能する。

ダイアフラム２４によって盤状部材２２とヘッド本体２０との間に第３の流体室２５が画成される。この第３の流体室２５内に、研磨ヘッド１４の回転軸１６（図２には図示せず）内に設けた流路２６を通じて、圧縮空気供給源（図視せず）からエアが供給される。流路２６は圧縮空気供給源と回転継手（図示せず）を通じて接続されている。流路２６、圧縮空気供給源等により第３の流体供給手段を構成している。
また、第３の流体室２５、第３の流体供給手段等によって第１の押圧手段が構成される。

次に、２８はキャリアである。キャリア２８は、盤状部材２２の凹部２３内に位置して、外周が該凹部２３の側壁２２ａとは所要の間隙を有する状態で、ダイアフラム２９によって水平方向に対して傾動自在に盤状部材２２に支持されている。
ダイアフラム２９によってキャリア２８と盤状部材２２との間に第２の流体室３４が画成される。この第２の流体室３４内に、研磨ヘッド１４の回転軸１６（図２には図示せず）内に設けた流路３５を通じて、圧縮空気供給源（図視せず）からエアが供給される。流路３５は圧縮空気供給源と回転継手（図示せず）を通じて接続されている。流路３５、圧縮空気供給源等により第２の流体供給手段を構成している。
また、第２の流体室３４、第２の流体供給手段等によって第２の押圧手段が構成される。

キャリア２８は、内部にエア溜り３０が形成されている。また、このエア溜り３０の下面側を覆って流体供給部材３１が固定されている。流体供給部材３１には、下方に向けてエアを噴出する噴出口３２が複数設けられている。エア溜り３０内に、研磨ヘッド１４の回転軸１６（図２には図示せず）内に設けた流路３７を通じて、圧縮空気供給源（図視せず）からエアが供給される。流路３７は圧縮空気供給源と回転継手（図示せず）を通じて接続されている。流路３７、圧縮空気供給源等により第１の流体供給手段を構成している。

次に、３６は弾性シート体であり、流体供給部材３１の下面側を覆って盤状部材２２の側壁２２ａ下端にその周縁部にて適宜取付部材（図示せず）を介して気密に取り付けられて、流体供給部材３１の下方に第１の流体室３８を画成している。
弾性シート体３６は、樹脂製の弾性を有するシート状部材３９と該シート状部材３９の下面側に設けられ、多数の吸着孔を有して、ワークＷを水の表面張力によって吸着保持可能な吸着部材４０の２層からなっている。

弾性シート体３６下面の周縁部には、弾性シート体３６下面に保持されるワークＷを囲むことのできる樹脂製のリング部材４２が取り付けられている。
ワークＷ研磨時には、第３の流体室にエアが供給されて盤状部材２２が下方に向けて押圧され、リング部材４２が弾性シート体３６を介して研磨布１１に押圧され、ワークＷ周辺の研磨布１１をワーク下面とほぼ同一レベルにまで押し下げることによって、ワークＷのエッジ部の過研磨を防止する。

次に、盤状部材２２の、流体供給部材３１の底面よりも高い位置に、周方向に所要間隔をおいて、第１の流体室３８のエアを外方に排出する流体排出口４４が複数設けられている。
本実施の形態では、各流体排出口４４に排出パイプ４５が接続され、排出パイプ４５が１つの集合パイプ４６に連結され、この集合パイプ４６にリリーフバルブ４７が配設されている。このリリーフバルブ４７は、第１の流体室３８内の圧力がリリーフバルブ４７で設定された圧力に維持されるようにするものである。第１の流体室３８内の圧力が設定圧力よりも高くなると、エアがリリーフバルブ４７から排出される。
なお、流体排出口４４は１つであってもよい。

なお、排出パイプ４５は、ヘッド本体２０の側壁２０ａに設けた大径の貫通孔を通じて外部に導出されている。
リリーフバルブ４７から外部に排出されるエアを回収して図示しない圧縮空気供給源に循環させて再利用するようにすることができる。これによりコスト削減、環境への配慮ができる。
なお、排出パイプ４５やリリーフバルブ４７は必ずしも設けなくともよく、流体排出口４４から流体を直接外部に排出するようにしてもよい。

本実施の形態は上記のように構成されている。
続いて研磨方法について説明する。
前記したように、研磨時、第３の流体室２５にエアを供給して盤状部材２２を押圧し（第１の押圧手段による押圧）、盤状部材２２の側壁２２ａ、弾性シート体３６を介してリング部材４２を研磨布１１に押圧し、ワークＷのエッジ部の過研磨を防止する。
また、第２の流体室３４内にエアを供給し、キャリア２８を下方に押圧する。さらに第１の流体室３８内にエアを供給し、弾性シート体３６を押圧する。

したがって、ワークＷには、第２の流体室（第２の押圧手段）３４によるキャリア２８への押圧力と第１の流体室３８に供給される流体による第１の流体室内圧力とにより前記弾性シート体を介して押圧力が加わり、この押圧力によりワークＷは研磨布１１に押圧されて研磨が行われる。
なお、第１の流体室３８内に供給されるエアは流体排出口４４より常に外方に排出される。第１の流体室３８内に常に一定のエア層が形成される必要があるが、第２の流体室３４内の圧力によって第１の流体室３８内のエア層が潰されないような両室の圧力設定が必要となる。この場合、リリーフバルブ４７を設けることによって、第１の流体室３８の圧力管理が容易となる。

上記のようにワークＷの研磨が行われる際、第１の流体室３８内に下向きに供給されたエアは、第１の流体室３８内を水平外方に流れて、盤状部材２２の凹部２３の側壁２２ａにぶつかって上向きに流れ、各流体排出口４４から外方に排出される。流体排出口４４は、流体供給部材３１の底面よりも十分高い位置に設けられている。したがって、エアが、第１の流体室３８内を水平外方に流れて、盤状部材２２の凹部２３の側壁２２ａにぶつかって上向きに流れることにより、キャリア（流体供給部材）２８は、エアがリング状の側壁２２ａにぶつかることの反力により、盤状部材２２の中心に寄ろうとする芯出しがなされることになる。

また、前記したように、キャリア（流体供給部材）２８がフローティングされていてキャリア２８側からはワークＷに直接的な作用はないので、研磨布１１の表面にうねり状の凹凸があると、ワークＷは研磨布１１の表面の凹凸状態に追従して動く。
本実施の形態では、キャリア（流体供給部材）２８は、外周が凹部２３の側壁２２ａとは所要の間隙を有する状態で、水平方向に対して傾動自在に盤状部材２２に支持されている。

通常（研磨布１１の表面が水平）の状態においては、キャリア（流体供給部材）２８は水平の状態にある。そして研磨布１１にうねり状の凹凸があると、例えば図３に示すように、ワークＷ（したがって弾性シート体）は水平状態にあるキャリア（流体供給部材）２８に対して傾斜した状態となる（図３は、ワークＷの傾斜状態を誇張して描いている）。特許文献１の従来のものの場合には、キャリアは水平状態を維持するようになされているので、キャリア（流体供給部材）とワークとの間の距離が一定でなくなり、ワークへの均一な押圧ができず、したがってワークの均一研磨ができないというものであった。

ところで、本実施の形態では、上記のように、キャリア（流体供給部材）２８は盤状部材２２に対して傾動自在となっている。図３に示すように、ワークＷが傾斜してキャリア（流体供給部材）２８との間の距離が均一でなくなると、ワークＷとの間の距離が近いＸの部位ではキャリア（流体供給部材）２８に対する圧力（反力）が高く、ワークＷとの間の距離が遠いＹの部位ではＸの部位よりも圧力が低い。ワークＷ側は研磨布１１に当接しているので、傾動可能なキャリア（流体供給部材）２８側が、圧力の高いＸの部位ではワークＷ側に対して離反する方向、圧力の低いＹの部位ではワークＷ側に対して接近する方向に移動、すなわち、キャリア（流体供給部材）２８がワークＷと平行になろうとする方向に傾動することがわかる。これにより、キャリア（流体供給部材）２８とワークＷとの間の距離が均一となり、ワークＷに加わる押圧力が均一となって、ワークＷの均一研磨が行えるのである。
なお、キャリア（流体供給部材）２８には、上記のように芯出し方向にエア圧が加わっていることから、上記のように傾動して中心からずれた場合であっても、常に中心方向に芯出しがなされることになる。

本実施の形態では、キャリア２８がフローティング構造となっていて、研磨時、ワークＷ側から直接何らの負荷もないことから、キャリア２８を吊持するダイアフラム２９はそれほど剛性を有するものを用いる必要がないので、キャリア２８を傾動自在に支持するのが容易となる。

図４は研磨ヘッド１４の他の実施の形態を示す断面説明図である。
図２に示す実施の形態と同一の部材は同一の符号を付し、その説明は省略する。
本実施の形態では、キャリア２８における流体溜りを同心の複数のゾーンに仕切っている。具体的には中心ゾーンにおける流体溜り３０ａとその周辺ゾーンにおける流体溜り３０ｂに仕切っている。各流体溜り３０ａ、３０ｂにはそれぞれの流体供給手段５０ａ、５０ｂから個別にエアを供給しうるようになっている。
そして、流体供給手段５０ａには、流量コントローラ５２が設けられ、流体溜り３０ａへのエアの流量をコントロールしうるようになっている。流体供給手段５０ｂにも流量コントローラ（図示せず）を設けてもよい。なお、流量コントローラでなく、圧力コントローラを用いてもよい。
本実施の形態によれば、ワークＷの中心ゾーンとその周辺ゾーンへの押圧力を調整できるので、研磨条件をより精密にコントロールすることができる。
なお、同心状に３つ以上のゾーンごとにコントロールしうるようにしてもよい。

上記各実施の形態では流体としてエアで説明したが、エアでなく液体であってもよい。また、第１の押圧手段（第３の流体室２５等）および第２の押圧手段（第２の流体室３４等）は流体による押圧ではなく、機械的な押圧手段、たとえばスプリング（図示せず）とか、ネジ機構等による押圧手段であってもよい。

１０研磨装置
１１研磨布
１２定盤
１４研磨ヘッド
１８研磨剤供給ノズル
２０ヘッド本体
２２盤状部材
２３凹部
２４ダイアフラム
２５第３の流体室
２６流路
２８キャリア
３０流体溜り
３１流体供給部材
３２噴出孔
３４第２の流体室
３５流路
３６弾性シート体
３７流路
３８第１の流体室
４２リング部材
４４流体排出口
４５排出パイプ
４７リリーフバルブ

Claims

表面にワークを研磨する研磨布が貼設された定盤と、ワークを前記研磨布に押圧する研磨ヘッドと、該研磨ヘッドと前記定盤とを相対的に運動させる運動機構とを備え、ワークの研磨面を研磨する研磨装置において、
前記研磨ヘッドは、
ヘッド本体と、
下方に開口する凹部を有し、前記ヘッド本体に上下方向に移動自在に吊持された盤状部材と、
該盤状部材の凹部内に位置して、外周が該凹部の側壁とは所要の間隙を有する状態で、水平方向に対して傾動自在に盤状部材に支持されると共に、複数の噴出口から下方に向けて流体を噴出する流体供給部材を有するキャリアと、
該キャリアに流体を供給し、流体供給部材から下方に向けて流体を噴出させる流体供給手段と、
前記流体供給部材の下面側を覆って前記盤状部材に取り付けられて前記流体供給部材の下方に第１の流体室を画成し、下面にワークが保持される弾性シート体と、
該弾性シート体下面の周縁部に取り付けられ、弾性シート体下面に保持されたワークを囲むリング部材と、
前記盤状部材を下方に向けて押圧し、前記リング部材を弾性シート体を介して前記研磨布に押圧する第１の押圧手段と、
前記キャリアを下方に向けて押圧する第２の押圧手段と、
前記盤状部材の、前記流体供給部材の底面よりも高い位置に設けられ、前記第１の流体室の流体を外方に排出する流体排出口とを具備し、
前記第２の押圧手段による前記キャリアへの押圧力と前記第１の流体室に供給された流体による第１の流体室内圧力とにより前記弾性シート体を介してワークを研磨布に押圧してワークの研磨を行うと共に、前記第１の流体室内に下向きに供給された流体が、該第１の流体室を水平外方に流れて、前記凹部の側壁にぶつかって上向きに流れ、前記各流体排出口から外方に排出されることによって、前記流体供給部材が、前記弾性シート体の動きに追従して動いて該弾性シート体と平行を保ち、かつ流体室内で芯出しがなされることを特徴とする研磨装置。
前記キャリアは、前記凹部側壁と所要の間隙を有する状態で、ダイアフラムによって前記盤状部材に傾動自在に支持され、
前記第２の押圧手段が、前記ダイアフラムによって前記キャリアと盤状部材との間に画成された第２の流体室と、該第２の流体室に流体を供給する第２の流体供給手段とを具備することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記盤状部材は、ダイアフラムによって前記ヘッド本体に上下動自在に支持され、
前記第１の押圧手段が、前記ダイアフラムによって前記盤状部材とヘッド本体との間に画成された第３の流体室と、該第３の流体室に流体を供給する第３の流体供給手段とを具備することを特徴とする請求項１または２記載の研磨装置。
前記流体排出口に排出パイプが接続され、該排出パイプにリリーフバルブが配設され、前記第１の流体室の圧力が前記リリーフバルブで設定された圧力に維持されることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の研磨装置。
前記排出パイプからの流体を回収して再利用することを特徴とする請求項４記載の研磨装置。
前記弾性シート体を介して押圧するウェーハへの押圧力が同心状の複数のゾーンで異なるように、各ゾーンに対応する第１の流体室への流体の流量が設定されることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の研磨装置。
前記流体室に供給される流体がエアであることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の研磨装置。
前記弾性シート体は、シート状部材と該シート状部材の下面側に設けられた吸着部材の２層からなることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の研磨装置。