JP7106067B2 - 片面研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板や半導体ウェハ等のワークを研磨する片面研磨装置に関し、詳しくは、定盤の表面に貼布された研磨パッドに対して、ワークを所定の荷重分布に従って加圧するための技術に関するものである。

この種の片面研磨装置において、ワークの端部、及び、特に矩形ワークにおいては四隅部が中心部より過剰に研磨されるのを防止してワークを均一に研磨するようにした従来技術が、種々提供されている。

例えば、特許文献１には、ウェハ等のワークが吸着された吸着パッドに複数のリングウェイトにより荷重をかけながら研磨パッドに圧接するＣＭＰ（化学機械研磨）装置であって、研磨レートがワーク全面で均一になるようにした従来技術が記載されている。
特許文献２には、ラップ定盤に研磨パッドを固定してその表面にワークを載置し、この研磨基板の上面に保護シートを介して球状の加圧部材を複数配置すると共に、これらの加圧部材を加圧用錘によって加圧することにより、ワークに対する加圧力を均一化する研磨装置が記載されている。
特許文献３には、加工台の表面にワークを吸着・載置させ、その上方に配置された研磨パッドを、弾性体を介して複数の加圧棒にて加圧することにより、ワークに対する加圧力を均一化する研磨装置が記載されている。

また、特許文献４には、研磨熱による定盤形状の変化等によって発生するワークの研磨ムラに合わせて、ワークに対する所定の荷重分布を発生させるようにした研磨装置が記載されている。
図９は、この研磨装置の主要部を示す側面図であり、１は定盤、２は研磨パッド、３は荷重保持器、４は荷重保持部材、５は多数のウェイト（荷重）、６は研磨液を供給するノズル、Ｗはワークである。図９では、ウェイト５を全て同じ高さで示しているが、後述するように、ワークＷの研磨ムラ形状に応じた荷重分布を得るために、高さ（重さ）が異なる複数種類のウェイトを使用可能となっている。

図１０は、ワークＷの研磨ムラ形状Ｗ’を誇張して示したものであり、この研磨ムラ形状Ｗ’は実験によって予め求めることができる。また、ｘ，ｙ，ｚはワークＷの基準面からの距離であり、ａ～ｄは研磨ムラ形状Ｗ’が距離ｘ，ｙ，ｚをそれぞれ超える領域を示す。
特許文献４では、上記の領域ａ～ｄに応じて重さが異なる４種類のウェイト５ａ～５ｄをワークＷ上に配置して不均一な荷重分布を構成し、この状態でワークＷを研磨することにより、研磨ムラ形状Ｗ’を相殺している。

次に、図１１（ａ）～（ｄ）は、特許文献４において、ウェイト５ａ～５ｄをワークＷ上の所定位置に移載するためのハンドリング動作を示しており、７は荷重ハンドリング装置、７ａは個々のウェイト５ａ～５ｄを吸着する吸着部を備えたハンドリング部である。
図１０の研磨ムラ形状Ｗ’を相殺するためにウェイト５ａ～５ｄをワークＷ上に移載する場合には、ハンドリング部７ａが移載済みのウェイトと機械的に干渉するのを防止するため、最も高さの低い（最も軽い）ウェイト５ａから５ｂ→５ｃ→５ｄの順に、ハンドリング部７ａの下面の吸着部が吸着、解除を繰り返してウェイト５ａ～５ｄをワークＷ上に移載していく。これにより、最終的には、図１１（ｄ）に示すごとく図１０の研磨ムラ形状Ｗ’に対応させたウェイト５ａ～５ｄの分布が構成されることになる。

特開２００４－１２２３１８号公報（段落［００１９］～［００２４］、図１等） 特開２００１－９６９８号公報（段落［００１９］～［００２３］、図１等） 特許第３３２６４４２号公報（段落［００２２］～［００３１］、図１等） 特開２００２－１８７０１号公報（段落［００２７］～［００４７］、図１～図４等）

特許文献１に記載の研磨装置では、同心円状に組み合わされる複数種類のリングウェイトの形状、構造が複雑であり、コスト高になる恐れがある。
また、特許文献２に記載の研磨装置では、複数の加圧部材として全て同じ重量の球状部材を用いている。しかし、例えば矩形のワークを研磨する場合には、ワークの四隅部分が過剰研磨される傾向にあるため、この四隅部分については加圧力を小さくする等、ワークの平面的な位置に応じて加圧力を調整できることが望ましいが、特許文献２の研磨装置ではこれが困難である。
特許文献３に記載の研磨装置では、加圧棒を加圧するためのリニアアクチュエータやシリンダブロック、ばね等を加圧棒の数だけ設けなくてはならず、装置の構造が複雑化するという問題がある。

特許文献４に記載の研磨装置では、ウェイトの数だけハンドリング部７ａの吸着部を設ける必要があるため、荷重ハンドリング装置７の構造が複雑になる。また、ウェイトの配置を変更する場合には、基本的に、全てのウェイトを除去した後に軽いウェイトから順にワーク上へ移載しなくてはならない。
更に、複数のワークを連続的に研磨する場合を想定すると、１枚のワークの研磨が終了してから多数のウェイトを重いものから順に除去し、研磨済みワークを搬出してから次のワークを研磨パッド上に搬入し、その後、多数のウェイトを軽量のものから順にワーク上へ移載する、といった作業を順次行う必要がある。
つまり、特許文献４の研磨装置では、荷重ハンドリング装置７の構造が複雑であると共に、ウェイトの移載や除去等の作業が煩雑で長時間を要するため、一連の研磨加工の作業性が悪いという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、ワークに対してウェイトを移載、除去するための構造を簡略化し、また、ウェイトのハンドリング作業を短時間で簡単に行えるようにした片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、請求項１に係る発明は、定盤上に研磨パッドを介して配置されたワークホルダ内のワークを複数のウェイトにより加圧すると共に、前記定盤と前記ワークとを相対的に回転させて前記ワークの一面を前記研磨パッドにより研磨する片面研磨装置であって、
前記ウェイトとして重さが異なる複数の分割ウェイトを保持棒によりそれぞれ保持して複数のウェイトユニットを構成し、これらのウェイトユニットを前記定盤の外部において所定の荷重分布に従って予め配置しておき、
吊り下げプレートを貫通した前記保持棒の上端部を抜け止めプレートにより支持し、かつ、前記吊り下げプレートの両端部に位置決め部材がそれぞれ配置されたウェイト搬送用保持部を設け、
ウェイト搬送装置が、前記ウェイト搬送用保持部により保持された前記複数のウェイトユニットを前記ワークの上方に搬送し、前記位置決め部材により前記吊り下げプレート及び前記抜け止めプレートを前記ワークホルダに位置決めしながら、前記複数のウェイトユニットを構成する前記複数の分割ウェイトを前記吊り下げプレート、前記抜け止めプレート及び前記保持棒により保持しつつ一括して前記ワークホルダ内の前記ワークの上面にそれぞれ移載して前記研磨パッドにより前記ワークの下面を研磨することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した片面研磨装置において、前記抜け止めプレートを前記吊り下げプレートに対して相対的にスライドさせることにより、前記吊り下げプレートを貫通した前記保持棒の上端部を前記抜け止めプレートの係止孔に係止可能であることを特徴とする。

本発明によれば、特許文献１，３の研磨装置における加圧手段や加圧機構に比べて構造が簡単であり、コストの低減が可能である。また、特許文献２の研磨装置では困難であった所定の荷重分布による研磨を実現することができる。
更に、特許文献４に記載された研磨装置と比較すると、ワークに対してウェイトを移載し、除去するためのハンドリング作業を短時間で行うことができ、研磨加工の作業性を大幅に向上させることができる。
加えて、研磨時の放熱効率が良く、研磨熱によってワークや定盤が変形する恐れもない等の効果を有する。

本発明の実施形態の主要部の平面図及び側面断面図である。 本発明の実施形態の主要部の斜視図である。 本発明の実施形態の主要部の斜視図である。 本発明の実施形態の使用状態を示す主要部の側面図である。 参考例として均一ウェイトを用いた場合の主要部の側面図である。 本発明の実施形態における分割ウェイトの配置例を示す平面図である。 本発明の実施形態における分割ウェイトの段取り動作を説明するための側面図である。 本発明の実施形態の全体構成を示す平面図及び側面図である。 特許文献４に記載された研磨装置の主要部を示す断面図である。 特許文献４におけるワークの研磨ムラ形状に応じたウェイトの配置を示す図である。 特許文献４におけるウェイトのハンドリング動作の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る片面研磨装置の主要部を示す平面図（図１（ａ））及び側面断面図（図１（ｂ））である。これらの図において、筐体１０１の上方には定盤１０４が配置され、この定盤１０４は駆動モータ１０２により回転軸１０３を中心として回転可能となっている。なお、定盤１０４の表面には研磨パッドが貼り付けられているが、便宜的に図示を省略してある。

定盤１０４の上面には円盤状のワークホルダ１０５が載置されており、その中央の窓部には矩形基板等のワークＷが収容される。ワークホルダ１０５は、図１（ａ）に示すように、側方に配置されたワークホルダ揺動用フレーム１１１が矢印ａ方向に移動することで揺動可能であると共に、ワークホルダ駆動用モータ１１５によって回転可能となっている。
上記の構成により、定盤１０４と、ワークホルダ１０５及びワークＷとは、相対的に回転、揺動可能である。

図１（ｂ）に示すごとく、ワークホルダ１０５の上方には、吊り下げプレート１０６及び抜け止めプレート１０８が、棒状の位置決め部材１０７によって配置されている。また、吊り下げプレート１０６及び抜け止めプレート１０８には、保持棒１０９によって多数の分割ウェイト１１０が保持されており、これらの分割ウェイト１１０はワークホルダ１０５内のワークＷを上方から加圧している。
なお、分割ウェイト１１０の下方には、後述の図４に示すようにベースウェイト１１０ｘが配置されているが、図１（ｂ）では、便宜的にベースウェイト１１０ｘの図示を省略する。

また、図１（ａ）では、図１（ｂ）における吊り下げプレート１０６、抜け止めプレート１０８等を省略して分割ウェイト１１０の配置のみを示している。図示するように、個々の分割ウェイト１１０は平面から見て矩形の直方体状であり、多数の分割ウェイト１１０を縦横に配置した全体的な平面形状がワークＷの外形にほぼ一致するようになっている。
これらの分割ウェイト１１０は、その高さを変える方法の他に、一定の高さ（重さ）の単位ウェイトを保持棒１０９の上部から挿入する枚数を変えて重さを任意に設定することにより、複数種類の重さを持たせることができる。

次に、図２は、ワークホルダ１０５上の各部材の配置を示した斜視図である。ワークホルダ１０５の周囲４か所には、このワークホルダ１０５を上方から支持するための吊り下げ片１１２が立設されている。
吊り下げプレート１０６の周囲４か所に配置された位置決め部材１０７は、ピン－ホゾ構造によって吊り下げプレート１０６を上下方向に移動可能に支持すると共に、この吊り下げプレート１０６をワークホルダ１０５に対して位置決めする機能を有する。
なお、図２及び後述の図３においても、分割ウェイト１１０の下方に配置されるベースウェイト１１０ｘの図示を省略してある。
また、図３は、図２に示した各部材と定盤１０４及びワークホルダ揺動用フレーム１１１との位置関係を示した斜視図である。

次に、図４は、この実施形態の使用状態を示す主要部の側面図である。
矩形のワークＷを研磨する場合、一般にワークＷの四隅付近が過剰研磨となり、中央部付近が研磨不足になる傾向がある。このため、前述した方法により重さを異ならせた複数種類の分割ウェイト１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ（重さは１１０ａ＞１１０ｂ＞１１０ｃ）を用意しておき、ワークＷの中心部から四隅方向に向かって重さが徐々に軽くなるように多数の分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃを配置する。これにより、ワークＷの厚さが全体的に均一になるように研磨することができる。

図４（ａ）は、保持棒１０９により保持された分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃ及びベースウェイト１１０ｘをワークＷの表面に載置する前の状態を示し、位置決め部材１０７によってワークホルダ１０５に位置決めする前の状態である。また、図４（ｂ）は、位置決め部材１０７によってワークホルダ１０５への位置決めを行い、分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃ及びベースウェイト１１０ｘによりワークＷを加圧している状態である。
なお、ベースウェイト１１０ｘは保持棒１０９の下端部にそれぞれ固定されており、分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃの中心部の通孔を上方から保持棒１０９に通して分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃをベースウェイト１１０ｘに積層するように構成されている。

図４（ａ）に示すごとく、保持棒１０９の上端の凸部は、吊り下げプレート１０６の通孔を貫通したうえで抜け止めプレート１０８の長円形または円形の係止孔１０８ａを貫通可能であり、係止孔１０８ａを貫通させた後に抜け止めプレート１０８を矢印ｂ方向にスライドさせることで、保持棒１０９、ベースウェイト１１０ｘ及び分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃ，１１０ｘを、吊り下げプレート１０６及び抜け止めプレート１０８に対してそれぞれ一体的に取り付けることができる。

位置決め部材１０７には、吊り下げプレート１０６とワークホルダ１０５（ワークＷ）との間の距離を調整するための姿勢調整部１０７ａが設けられている。この姿勢調整部１０７ａを調整して吊り下げプレート１０６の姿勢をワークＷに対して平行に保つことにより、図４（ｂ）のように位置決め部材１０７によりワークホルダ１０５への位置決めを行った際に、ベースウェイト１１０ｘの下面が万遍なく均等にワークＷの表面に接触するように考慮されている。

なお、１０４ａは定盤１０４の上面に貼り付けられた研磨パッド、１０５ａは位置決め部材１０７の下端部の凸部に係合する位置決め凹部である。また、１１３はゴム板等からなる緩衝材である。この緩衝材１１３は、ワークＷの上面全体とほぼ同じ大きさにしてワークＷの上面に予め載置しておく。

研磨の進行に伴って生じるワークＷの厚さの分布、すなわち、ワークＷの四隅付近及び中央部付近において厚さが不均一になる状態は、実験によって予め確認することが可能であり、その状態に応じて重さが異なる分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃの平面的な配置を決定することができる。
図４（ａ），（ｂ）に示すように、ワークＷの中央部から四隅に向かって重さが軽くなるように分割ウェイト１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを順次配置すれば、図５のように重さが均一な均一ウェイト１１０’を使用する場合に比べて、研磨後のワークＷの厚さは全体的にほぼ均一になる。なお、図５において、１０５’はワークホルダ、 １１３’は緩衝材である。

図６は、この実施形態における分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃの配置例を示す平面図である。図５のように均一ウェイト１１０’を使用する場合には、ワークＷの大きさや設定荷重に応じて大きさや重さが異なる各種の均一ウェイト１１０’を用意しなければならず、また、大型の均一ウェイト１１０’はワークＷに対する加圧面の精度を維持することが難しい。

本実施形態では、ワークＷの大きさや設定荷重に応じて分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃの数や配置を図６（ａ）～（ｅ）のように変更すれば、所定の荷重分布を得ることができる。
ちなみに、図６（ａ）は大型のワークＷを対象としてその全面を加圧するべく３種類の分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃを配置した例であり、図６（ｂ）は大型のワークＷに対してその四隅に分割ウェイトを配置しない（分割ウェイトのない部分を白抜きで示す）例である。また、図６（ｃ），（ｄ），（ｅ）は小型のワークＷの外形に適合するように３種類の分割ウェイト１１０ａ～１１０ｃを配置した例である。

次に、図７は本実施形態における分割ウェイトの段取り動作（ワークＷに合わせて多数の分割ウェイトを所定位置に配置する動作）を説明するための側面図である。
図７において、２０１は段取り台車であり、その上面にはワークＷとほぼ同じ大きさのウェイト載置用平板２０２が載置されている。分割ウェイトの配置用鳥瞰図等を参照して、分割ウェイト１１０ａ～１１０ｄ（ここでは、分割ウェイト１１０ａよりも重いものとして分割ウェイト１１０ｄを追加している）の何れかの通孔に保持棒１０９を貫通させたウェイトユニット１１７を多数、構成し、これら多数のウェイトユニット１１７をウェイト載置用平板２０２の上面に配置する。なお、分割ウェイト１１０ａ～１１０ｄの交換（配置換え）すなわち荷重分布の変更は、例えば保持棒１０９に挿入する単位ウェイトの枚数を変更して行えば良い。

その後、吊り下げプレート１０６、抜け止めプレート１０８、位置決め部材１０７、及び搬送用保持棒１１４からなるウェイト搬送用保持部１１８を多数のウェイトユニット１１７の上方から下降させ、位置決め部材１０７を段取り台車２０１側の位置決め受け部２０３に係合させると共に、保持棒１０９の上端凸部を吊り下げプレート１０６の通孔から抜け止めプレート１０８の貫通孔１０８ａに貫通させ、更に抜け止めプレート１０８をスライドさせることにより、ウェイト搬送用保持部１１８と多数のウェイトユニット１１７とを一体化させる。
上記のように、ウェイト搬送用保持部１１８及び多数のウェイトユニット１１７を段取り台車２０１の上で予め一体化させておき、その後に、段取り台車２０１ごと後述のウェイト搬送装置３０１の直下に移動させてから、ワークＷ上へのウェイトユニット１１７の移載工程に移る。

次いで、図８を参照しながら、ウェイト搬送用保持部１１８により保持した多数のウェイトユニット１１７を搬送してワークＷ上に移載する動作について説明する。
図８（ａ）は、段取り台車２０１を含めた片面研磨装置全体の平面図、図８（ｂ）は同じく側面図である。

図８（ｂ）において、ウェイト搬送装置３０１は、搬送用把持部３０３を昇降させる昇降機構３０４を備え、搬送用把持部３０３は搬送用保持棒１１４の上端部を把持可能となっている。また、昇降機構３０４及び搬送用把持部３０３は、搬送用回転軸３０２を中心として段取り台車２０１の上方と定盤１０４の上方との間を回動可能である。

段取り台車２０１上で、ウェイト搬送用保持部１１８の搬送用保持棒１１４の上端部を搬送用把持部３０３により把持し、昇降機構３０４を駆動して矢印ｃ方向に上昇させた後、搬送用回転軸３０２を中心として図８（ａ）に一点鎖線で示すように回動させる。そして、ウェイト搬送用保持部１１８をワークＷの上方へ搬送してから昇降機構３０４を駆動して下降させると共に、位置決め部材１０７にてワークホルダ１０５に位置決めすることにより、多数のウェイトユニット１１７をワークＷの上面に載置することができる。なお、ワークＷは、定盤１０４上のワークホルダ１０５の窓部に予め収容しておく。

その後に搬送用把持部３０３が搬送用保持棒１１４の把持を解除してウェイト搬送装置３０１を退避させ、定盤１０４とワークホルダ１０５とを相対的に回転、揺動させれば、多数のウェイトユニット１１７により所定の荷重分布が与えられたワークＷの下面を研磨パッド１０４ａに圧接して研磨することが可能になる。
なお、ウェイト搬送用保持部１１８を、ワークＷの研磨中も図８（ｂ）に示すごとくワークホルダ１０５の上方に配置しておけば、ウェイトユニット１１７が振動によってずれるのを防ぐことができる。ウェイト搬送用保持部１１８は位置決め部材１０７を介してワークホルダ１０５に支持されているので、ウェイト搬送用保持部１１８の自重がワークＷに加わる恐れはない。

以上のようにこの実施形態によれば、段取り台車２０１上で分割ウェイト１１０ａ～１１０ｄを保持棒１０９に取り付けて多数のウェイトユニット１１７を構成することにより、例えば、ワークＷの中央部付近の荷重を四隅付近よりも大きくした荷重分布を得ることができ、ウェイト搬送用保持部１１８及び搬送用把持部３０３等を動作させて多数のウェイトユニット１１７を一括してワークＷ上に移載し、その後に搬送用把持部３０３を退避させれば、研磨加工を直ちに開始することができる。
また、荷重分布の異なる条件での研磨加工を円滑に行うため、予め複数の段取り台車２０１の上に異なった荷重分布のウェイトを配置しておき、必要な段取り台車２０１をウェイト搬送装置３０１の直下に移動させて図８（ｂ）の矢印ｄ方向に昇降させ、段取り台車２０１ごと交換可能にすれば、段取り変えを短時間で行うことができる。
このように、本発明においては、特に矩形のワークＷに対してその四隅付近が過剰に研磨されるのを防止して、ワークＷの全体をほぼ均一の厚さに研磨することが可能である。また、多数の分割ウェイト１１０ａ～１１０ｄ及びベースウェイト１１０ｘを用いているので、放熱効率が良く、研磨熱によってワークＷや定盤１０４が変形する恐れもない。
更に、研磨終了後には、多数のウェイトユニット１１７を一括してワークＷ上から除去すれば研磨済みのワークＷを搬出することができ、多数のワークＷの連続的な研磨加工も容易である。

１０１：筐体
１０２：駆動モータ
１０３：回転軸
１０４：定盤
１０４ａ：研磨パッド
１０５：ワークホルダ
１０５ａ：位置決め凹部
１０６：吊り下げプレート
１０７：位置決め部材
１０７ａ：姿勢調整部
１０８：抜け止めプレート
１０８ａ：係止孔
１０９：保持棒
１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ：分割ウェイト
１１０ｘ：ベースウェイト
１１１：ワークホルダ揺動用フレーム
１１２：吊り下げ片
１１３：緩衝材
１１４：搬送用保持棒
１１５：ワークホルダ駆動用モータ
１１７：ウェイトユニット
１１８：ウェイト搬送用保持部
２０１：段取り用台車
２０２：ウェイト載置用平板
２０３：位置決め受け部
３０１：ウェイト搬送装置
３０２：搬送用回転軸
３０３：搬送用把持部
３０４：昇降機構
Ｗ：ワーク

Claims (2)

1. 定盤上に研磨パッドを介して配置されたワークホルダ内のワークを複数のウェイトにより加圧すると共に、前記定盤と前記ワークとを相対的に回転させて前記ワークの一面を前記研磨パッドにより研磨する片面研磨装置であって、
   前記ウェイトとして重さが異なる複数の分割ウェイトを保持棒によりそれぞれ保持して複数のウェイトユニットを構成し、これらのウェイトユニットを前記定盤の外部において所定の荷重分布に従って予め配置しておき、
   吊り下げプレートを貫通した前記保持棒の上端部を抜け止めプレートにより支持し、かつ、前記吊り下げプレートの両端部に位置決め部材がそれぞれ配置されたウェイト搬送用保持部を設け、
   ウェイト搬送装置が、前記ウェイト搬送用保持部により保持された前記複数のウェイトユニットを前記ワークの上方に搬送し、前記位置決め部材により前記吊り下げプレート及び前記抜け止めプレートを前記ワークホルダに位置決めしながら、前記複数のウェイトユニットを構成する前記複数の分割ウェイトを前記吊り下げプレート、前記抜け止めプレート及び前記保持棒により保持しつつ一括して前記ワークホルダ内の前記ワークの上面にそれぞれ移載して前記研磨パッドにより前記ワークの下面を研磨することを特徴とする片面研磨装置。
2. 請求項１に記載した片面研磨装置において、
   前記抜け止めプレートを前記吊り下げプレートに対して相対的にスライドさせることにより、前記吊り下げプレートを貫通した前記保持棒の上端部を前記抜け止めプレートの係止孔に係止可能であることを特徴とする片面研磨装置。

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