JP6961343B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置に関する。

従来より、半導体材料からなるウェハの表面等を研磨する研磨装置として、例えば国際公開２０１３／０３８５７３号（特許文献１）に記載されているような、回転駆動される研磨パッドを用いる研磨装置が知られている。一般に、研磨パッドは、回転軸の先端に設けられており、回転機構及び回転軸を含む研磨パッドが弾性機構を介してヘッドに支持されている。ヘッドは、駆動機構を介して装置本体に支持されている。

駆動機構の制御方法としては、例えば特開昭５９−２１９１５２号公報（特許文献２）に記載されているような、位置制御と荷重制御とを組み合わせた方法が採用され得る。この制御方法は、研磨パッドがウェハに接触して研磨時の目標荷重が達成されるまでは、当該研磨パッドの位置（座標）に基づいて駆動機構を制御（位置制御）し、前記目標荷重が達成された後は、研磨パッドとウェハとの接触面に生じる圧力に基づいて駆動機構を制御（荷重制御）する、という方法である。研磨時の目標荷重が達成される時のヘッドの位置（Ｚ座標）は、研磨パッドの研磨面の面積と弾性機構のバネ定数とに基づいて決定される。

研磨パッドに加わる荷重は、例えば、研磨パッドの回転軸の上方に設けられたロードセルによって測定され得る。測定の手順は次の通りである。すなわち、Ｚ座標軸（鉛直方向軸）に沿ってヘッドが下降（ウェハに近接する方向に移動）され、研磨パッドの研磨面がウェハに押し当てられる。これに伴って、弾性機構（コイルバネ）が変形し、ヘッドに対して研磨パッド及び回転軸が上方に相対移動される。これにより、回転軸の上端部がロードセルに押し付けられてロードセル内のひずみゲージが変形し、回転軸の上端部がひずみゲージを押す力が測定される。そして、ロードセルによって測定される力が目標荷重となるように、ヘッドのＺ座標値が調整される。

以上のような研磨装置においては、荷重制御が行われている際に、微小な突起や異物が存在している場所を研磨体が通過すると、研磨パッドは急激に上方に移動され（押し上げられ）、ロードセルの測定値が急激に上昇する。このような急激な荷重の変化に追従して高精度な荷重制御を行うことは、一般に困難である。また、高精度のロードセルにおいては、測定可能な荷重範囲が比較的狭いため、適正な荷重の測定が行えないおそれがある。

国際公開２０１３／０３８５７３号 特開昭５９−２１９１５２号公報

本件発明者は、鋭意検討を重ねた結果、位置センサ（例えばリニアスケール）と弾性機構のバネ定数とに基づいて荷重制御を行うことにより、測定可能な荷重範囲を拡大できると共に、急激な荷重の変化が生じても高精度で研磨加工を行い得ることを知見した。

本発明は以上の知見に基づいている。すなわち、本発明の目的は、研磨体に加わる荷重の検出範囲を拡大し、微小な突起や異物が存在している場所を研磨体が通過しても、高精度の研磨加工を維持し得る研磨装置を提供することである。

本発明は、被研磨材を保持する保持部と、前記保持部に保持された被研磨材を研磨する研磨体と、弾性機構を介して前記研磨体を支持するヘッドと、前記ヘッドを、前記被研磨材に対して当該被研磨材との離間距離が変化する方向に相対移動させる駆動機構と、前記駆動機構に接続され、前記駆動機構を制御する制御部と、を備え、前記ヘッドは、前記研磨体を支持する研磨体支持部材を有し、前記弾性機構は、前記研磨体支持部材を前記被研磨材に向けて加圧する加圧スプリングと、当該加圧スプリングと並列に配置され前記研磨体支持部材の自重を支持するバランス用スプリングと、を備え、前記制御部は、前記ヘッドの位置と前記加圧スプリングの弾性係数に基づき荷重を測定し、荷重が所定の値になるように制御することを特徴とする研磨装置である。

本発明によれば、研磨体に加わる荷重がロードセル等を介さずに測定されるため、当該荷重の検出範囲を拡大でき、微小な突起や異物が存在している場所を研磨体が通過しても、高精度の研磨加工を維持し得る研磨装置を提供することができる。

前記研磨装置は、前記制御部に接続され、前記ヘッドに対する前記研磨体の位置を測定する位置センサを備えていて良い。この場合、ヘッドに対する研磨体の相対位置を正確に測定することができる。

前記位置センサは、リニアスケールであって良い。この場合、ヘッドに対する研磨体の相対位置を正確に測定することが容易である。

前記制御部は、前記位置センサの測定値と前記弾性機構のバネ定数とに基づいて、前記研磨体に加えられている荷重を計算し、この荷重を制御するようになっていて良い。この場合、研磨体の位置を正確に制御することができる。

本発明によれば、研磨体に加わる荷重がロードセルなどによって直接的に測定されないため、当該荷重の検出範囲を拡大でき、微小な突起や異物が存在している場所を研磨体が通過しても、高精度の研磨加工を維持し得る研磨装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態による研磨装置を示す概略斜視図である。 図１に示す研磨装置のヘッドの内部構造を示す概略斜視図である。 図１に示す研磨装置のヘッドを、図２の左上方から見た場合の概略側面図である。 図３の紙面に平行でスピンドルの軸心を通過する平面における、図３のヘッドの概略断面図である。 図１に示す研磨装置の制御装置を概略的に示すブロック図である。

以下に、添付の図面を参照して本発明の一実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による研磨装置１００を示す概略斜視図である。図１に示すように、本実施の形態による研磨装置１００は、ベッド７０と、ベッド７０上に設けられ、被研磨材（ウェハＷａ）を保持する保持部としてのテーブル６０と、テーブル６０に保持された被研磨材を研磨する研磨体１０と、弾性機構３２（図２参照）を介して研磨体１０を支持するヘッド３０と、ヘッド３０を装置本体２０に対してＺ座標方向（図１における上下方向）に移動させる駆動機構２４と、駆動機構２４に接続され、当該駆動機構２４を制御する制御部５０とを備えている。

このうちテーブル（保持部）６０は、被研磨材としての円盤状のウェハＷａを保持するものである。テーブル６０は、ベッド７０上に配置された直方体状の支持ブロック６１により支持されている。

また、研磨体１０は、テーブル６０に保持されたウェハＷａを研磨するものである。この研磨体１０は、図１に示すように、スピンドル１１と、当該スピンドル１１の一端部（図１の下端部）に取り付けられた研磨パッド１２と、を有している。本実施の形態の研磨パッド１２には、直径が１０ｍｍの円盤状のものが採用されている。

本実施の形態の装置本体２０は、ヘッド３０をウェハＷａに対して相対移動させる駆動機構２４を介して当該ヘッド３０を支持するものである。装置本体２０は、図１に示すように、直方体状のコラム２１と、コラム２１の一側面２１ａ上に駆動機構２４を介して一端が支持された円柱状のアーム２２と、コラム２１を上面２３ａにおいて支持する直方体状のベース２３と、を有している。アーム２２の他端にはヘッド３０が取り付けられており、駆動機構２４によってアーム２２がコラム２１の前記一側面２１ａ上を鉛直方向（図１のＺ座標方向）に移動されるようになっている。これにより、ヘッド３０のＺ座標方向の位置決めが行われるようになっている。

また、本実施の形態のコラム２１は、既知の駆動機構によって、ベース２３上をアーム２２の長さ方向（図１のＸ座標方向）に移動されるようになっており、これにより、ヘッド３０のＸ座標方向の位置決めが行われるようになっている。

また、図１に示すように、ベッド７０は、テーブル６０の支持ブロック６１及び装置本体２０を支持するものである。具体的には、テーブル６０及び支持ブロック６１は、ベッド７０の上面において、研磨体１０に対応する位置に配置されている。本実施の形態では、支持ブロック６１の下面には、ベッド７０上に図１のＹ座標方向に沿って刻まれた２本の平行溝７１に係合する突条６２が設けられており、当該支持ブロック６１は当該２本の平行溝７１に沿って移動され得るようになっている。これにより、テーブル６０のＹ座標方向の位置決め、すなわち、テーブル６０に対するヘッド３０のＹ座標方向の位置決めが行われるようになっている。本実施の形態のテーブル６０は、例えば直径が２００ｍｍの載置面６０ａを有している。

次に、ヘッド３０の構成について更に説明する。図２は、図１に示す研磨装置１００のヘッド３０の内部構造を示す概略斜視図であり、図３は、図１に示す研磨装置１００のヘッド３０を、図２の左上方から見た場合の概略側面図であり、図４は、図３の紙面に平行でスピンドル１１の軸心を通過する平面における、図３のヘッド３０の概略断面図である。

図２乃至図４に示すように、本実施の形態のヘッド３０は、研磨体１０を支持するものである。このヘッド３０は、弾性機構３２を介して支持され、研磨体１０のスピンドル１１を支持する研磨体支持部材３１を有している。研磨体支持部材３１の内部には、スピンドル１１を回転駆動する既知の駆動機構（不図示）が設けられており、所望の回転速度で研磨体１０を回転させるようになっている。研磨体支持部材３１は、図４に示すように、側面上にフランジ部３１ａを有する円柱状であり、当該フランジ部３１ａの上方には、アーム２２に固定され、研磨体支持部材３１を取り囲むカバー３５が設けられている。カバー３５の外形は、図２に示すように、八角柱状である。カバー３５には、上下方向に貫通孔３５ａが形成され、この貫通孔３５ａ内で研磨体支持部材３１が上下方向に移動可能となっている。

また、図２に示すように、本実施の形態の弾性機構３２は、研磨体支持部材３１と共に研磨体１０を下方に加圧する１つの加圧スプリング３２ａと、研磨体支持部材３１の自重を支持する２つのバランス用スプリング３２ｂ、３２ｃによって構成されている。加圧スプリング３２ａは、研磨体支持部材３１の上端に設置されており、研磨体１０のスピンドル１１の軸心に沿って弾発力を発生させるようになっている。また、バランス用スプリング３２ｂ、３２ｃは、加圧スプリング３２ａのＹ軸方向両側において、当該加圧スプリング３２ａと並列にカバー３５の上面に設けられている。本実施の形態では、加圧スプリング３２ａの上端が支持体３３に連結されており、当該加圧スプリング３２ａを介して、研磨体１０に加わる荷重が測定されるようになっている。

更に、研磨装置１００は、ヘッド３０に対する研磨体１０の鉛直方向の座標（図２におけるＷ座標）を測定する位置センサとして、リニアスケール３４を備えている。図２に示すように、リニアスケール３４は、研磨体支持部材３１の上端に固定された固定子３４ａと支持部材３６を介してカバー３５の上方に固定された可動子３４ｂとを有している。このリニアスケール３４は、カバー３５に対する研磨体支持部材３１の相対位置を測定するようになっている。そして、この測定値に基づいて、制御装置５０がヘッド１０に対する研磨体１０の位置（Ｗ座標）を評価するようになっている。

図５は、図１に示す研磨装置１００に接続されている制御装置５０の概略的なブロック図である。本実施の形態の制御装置５０は、図５に示すように、研磨体１０のスピンドル１１の軸心とテーブル６０の回転の中心との相対位置関係を検出する検出部５１と、位置制御から荷重制御へ切り替える時の研磨体支持部材３１のＺ座標を記憶している記憶部５２と、研磨体支持部材３１が前記Ｚ座標に到達したか否かを判定する判定部５３と、検出部５１によって検出された研磨体１０のスピンドル１１の軸心とテーブル６０の回転の中心との相対位置関係に基づいて研磨パッド１２とウェハＷａとの接触面積を評価し、当該接触面積とリニアスケール３４の測定値とに基づいて当該ウェハＷａに加わる圧力が適切か否かを評価する圧力評価部５４と、を有している。

次に、本実施の形態による研磨装置１００の作用について説明する。

まず、研磨加工に先立ち、テーブル６０の回転の中心と研磨体１０のスピンドル１１の軸心とがＹ軸方向において一致するように、テーブル６０が、ベッド７０上に刻まれた２本の平行溝に沿って位置決めされる。当該テーブル６０には、被研磨材としてのウェハＷａが研磨対象の面を上方にして載置される。そして、ユーザにより研磨装置１００が起動されると、テーブル６０の回転の中心とスピンドル１１の軸心とが図１のＸ軸方向において一致するまで、コラム２１がベース２３上を移動させられる。なお、この時に研磨体１０の研磨パッド１２がテーブル６０の縁部と干渉しないよう、初期状態において、ヘッド３０は十分な高さに退避されている。

そして、ユーザの指示に基づいて、研磨体１０のスピンドル１１及びテーブル６０の駆動機構がそれぞれ起動され、研磨体１０及びテーブル６０が所望の速度で回転される。すなわち、研磨パッド１２とウェハＷａとが、それぞれ所望の速度で回転される。この状態で、ヘッド３０が、コラム２１に設けられた駆動機構によって、アーム２２と共に下方に移動され、ウェハＷａに研磨パッド１２が押し当てられる。本実施の形態では、円滑な研磨加工を行うため、ウェハＷａに研磨パッド１２が押し当てられる前に、ウェハＷａの研磨対象の面に研磨液が供給される。

本実施の形態による研磨装置１００において、ウェハＷａに研磨パッド１２が押し当てられるまでのヘッド３０の移動は、位置制御、すなわち、ヘッド３０の位置（Ｚ座標）に基づく制御である。そして、ウェハＷａに研磨パッド１２が押し当てられ、研磨時の目標荷重が達成された時に、リニアスケール３４が検出するヘッド３０に対する研磨体１０の位置（Ｗ座標）に基づく荷重制御に切り替えられる。本実施の形態の荷重制御では、ウェハＷａと研磨パッド１２との接触面に加わる圧力（面圧）が一定となるように、弾性機構３２のバネ定数を勘案して、研磨体支持部材３１の位置（Ｗ座標）が制御される。

以上から明らかなとおり、本実施の形態における荷重制御は、研磨体１０に加わる荷重を直接的に測定することによって行われるのではなく、リニアスケール３４によって測定される、ヘッド３０に対する研磨体１０の位置（Ｗ座標）に基づいて行われる。具体的には、このＷ座標と弾性機構３２のバネ定数とにより、研磨体１０に加わる荷重を評価し、この荷重が所定の値となるように、ヘッド３０の位置（Ｚ座標）を制御する。

荷重制御が開始すると、圧力評価部５４は、研磨体支持部材３１のＷ座標をリアルタイムで監視する。研磨パッド１２は、ウェハＷａの上方から次第に当該ウェハＷａに近接し、同時に、ウェハＷａの径方向外側から径方向内側に向けて移動される。そして、研磨パッド１２の一部がウェハＷａに押し当てられて当該ウェハＷａの研磨が開始される。研磨パッド１２は、次第にウェハＷａの径方向内側に移動される。これに伴って、研磨パッド１２の研磨面とウェハＷａとの接触面積は次第に増大し、最終的に当該研磨面の全てがウェハＷａに接触して接触面積は一定となる。本実施の形態においては、研磨パッド１２とウェハＷａとの接触面に加わる圧力（面圧）が一定となるようにヘッド３０の位置（Ｚ座標）が制御されるため、研磨体１０に加わる荷重は、次第に増大しその後一定となる。

ウェハＷａの研磨加工に伴って当該ウェハＷａの厚みが減少し、研磨体１０に加わる荷重が減少した場合には、ヘッド３０が、コラム２１に設けられた駆動機構２４によってアーム２２と共に下方に移動される。この移動により、研磨体１０がウェハＷａに対してより強く押し当てられるため、研磨体１０に加わる荷重が増大するすると共に、加圧スプリング３２ａが圧縮される。そして、リニアスケール３４によって、研磨装置１００内に予め登録された研磨体支持部材３１のＷ座標が回復されたことが検出されると、移動は停止される。

ウェハＷａの研磨時には、コラム２１がベース２３上を移動させられることにより研磨体１０がウェハＷａの一方の周縁部から他方の周縁部までＸ座標方向に沿って直線状に移動される。この研磨の過程において、ウェハＷａの表面に微小な突起や異物が存在している場所を研磨体１０が通過すると、研磨体１０は急激に上方に移動される（押し上げられる）。
しかしながら、本実施の形態においては、リニアスケール３４を利用して間接的に荷重を測定しているため、測定可能な荷重範囲は、例えばロードセルによって直接的に測定する場合よりも広い。

そして、所望の研磨加工が達成されると、研磨液の供給が停止されると共に、ヘッド３０が、駆動機構２４によってアーム２２と共に上方に移動される。そして、ユーザの指示に基づいて、研磨体１０及びテーブル６０の回転が停止され、ウェハＷａがテーブル６０から取り外される。この時、必要に応じて、コラム２１がベース２３上を図１のＸ座標の負の方向に移動させられて、ヘッド３０が退避される。

以上のような本実施の形態によれば、研磨体１０に加わる荷重がロードセル等を介さずに測定されるため、当該荷重の検出範囲を拡大でき、微小な突起や異物が存在している場所を研磨体１０が通過しても、高精度の研磨加工を維持し得る研磨装置１００を提供することができる。

本実施の形態では、位置センサとしてリニアスケール３４が採用されているため、ヘッド３０に対する研磨体１０の相対位置を容易且つ正確に測定することができる。

なお、本実施の形態では、研磨体１０は、スピンドル１１を介して研磨体支持部材３１に回転可能に支持されているが、当該研磨体１０は必ずしも回転可能に支持されている必要はない。

また、本実施の形態においては、研磨時の目標荷重が達成されたときに、位置制御から荷重制御に切り替えられたが、当該目標荷重が達成される前に荷重制御に切り替えられても良い。この場合、弾性機構３２の反発力に起因して生じる目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを回避することができる。

１０ 研磨体
１１ スピンドル
１２ 研磨パッド
２０ 装置本体
２１ コラム
２１ａ コラムの一側面
２２ アーム
２３ ベース
２３ａ ベースの上面
３０ ヘッド
３１ 研磨体支持部材
３１ａ フランジ部
３２ 弾性機構
３２ａ 加圧スプリング
３２ｂ、３２ｃ バランス用スプリング
３３ 支持体
３４ リニアスケール
３４ａ 固定子
３４ｂ 可動子
３５ カバー
５０ 制御装置
５１ 検出部
５２ 記憶部
５３ 判定部
５４ 圧力評価部
６０ テーブル
６０ａ 載置面
６１ 支持ブロック
６２ 突条
７０ ベッド
７１ 平行溝
１００ 研磨装置
Ｗａ ウェハ

Claims (4)

1. 被研磨材を保持する保持部と、
   前記保持部に保持された被研磨材を研磨する研磨体と、
   弾性機構を介して前記研磨体を支持するヘッドと、
   前記ヘッドを、前記被研磨材に対して当該被研磨材との離間距離が変化する方向に相対移動させる駆動機構と、
   前記駆動機構に接続され、前記駆動機構を制御する制御部と、
   を備え、
   前記ヘッドは、前記研磨体を支持する研磨体支持部材を有し、
   前記弾性機構は、前記研磨体支持部材を前記被研磨材に向けて加圧する加圧スプリングと、当該加圧スプリングと並列に配置され前記研磨体支持部材の自重を支持するバランス用スプリングと、を備え、
   前記制御部は、前記ヘッドの位置と前記加圧スプリングの弾性係数に基づき荷重を測定し、荷重が所定の値になるように制御することを特徴とする研磨装置。
2. 前記研磨装置は、前記制御部に接続され、前記ヘッドに対する前記研磨体の位置を測定する位置センサを備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記位置センサは、リニアスケールである
   ことを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記制御部は、前記位置センサの測定値と前記弾性機構のバネ定数とに基づいて、前記研磨体に加えられている荷重を計算し、この荷重を制御する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の研磨装置。

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