JPH11262856A

JPH11262856A - 平面状物の保持装置

Info

Publication number: JPH11262856A
Application number: JP37561898A
Authority: JP
Inventors: Thomas Keller; トーマス・ケラー
Original assignee: PETER WOLTERS WERKZEUGMAS GmbH
Current assignee: PETER WOLTERS WERKZEUGMAS GmbH
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 1999-09-28
Also published as: US6093091A; DE19755975A1

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体ウエハーのような平面状物の保持に際
して、均一な押圧力が得られる装置を提供する。【解決手段】上部において高さ調節可能なスピンドル
に接続され、下部に保持プレートを有するプレート状ヘ
ッドを備え、前記保持プレートが前記保持プレート上部
に配置するキャリア部へユニバーサルジョイントにより
結合されるとともに、前記保持プレート下面まで延び真
空及び／又は流体源へ接続し得る垂直方向の多数の穴を
有するものにおいて、前記保持プレートが前記キャリア
部内において高さ調節可能に案内され、前記キャリア部
と前記保持プレートの間に、環状の閉鎖膜が配置され、
前記膜内に、実質的に気密な閉鎖内部空間が形成され、
前記内部空間が大気もしくは真空、もしくは圧力源へ選
択的に接続し得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１前文に記
載した、フラットな物品、特に、半導体ウエハーのため
の保持装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子構造についての微小化
傾向が継続的に進行することにより、電子部品の製造プ
ロセスに対して従来にも増して一層過酷で然も新たな要
求が生じている。すなわち、０．５ミクロン以下の構造
寸法においてリソグラフィー技法を用いる場合、露呈す
る半導体素材表面を極めて平坦にして（プロファイル誤
差：＜０．４μ）、焦点面内に配置する必要があり、
そのためには、半導体素材を適当な装置により平滑化し
なければならない。

【０００３】ドイツ特許公報ＤＥ１９５４４３２８号
や、企業技術文献「ＣＭＰクラスターツールシステム、
平滑化のための化学的機械的研磨（ピーター・ウォルタ
ー編、１９９６年３月発行）」から、ウエハー用研磨・
洗浄ステーションを備えることが知られているし、ま
た、研磨後、ウエハーが洗浄ステーションを通過する段
階に関して、研磨・洗浄ステーションを清浄空間に配置
することや、その研磨・洗浄ステーションを、半導体ウ
エハーが適当な移送装置により清浄空間へ入れられる前
に位置している他の空間から分離することが、前記企業
技術文献から知られている。このウエハーはプロセスユ
ニットに、ホルダー装置によって保持され、このホルダ
ー装置により、研磨操作面へ押圧される。このホルダー
装置（もしくは保持ヘッド）は駆動装置のスピンドルに
連結されていて、スピンドルの位置は高さ調節可能であ
り、これにより、ウエハーを操作面に押圧できる。そし
て、適切な平面性を得るために、真空チャンネルもしく
は真空孔を介してウエハーを保持する下部保持板をユニ
バーサルジョイントによりキャリア部に連結する。前記
キャリア部の一部は前記駆動装置のスピンドルに連結し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ウエハーの操作面への
押圧力は、ユニバーサルジョイントのみを介して、前記
保持板、つまりは、ウエハーに加わる。従ってこの場
合、ジョイント部へ比較的高い負荷が掛かり、その結
果、押圧のための圧力が均一に分散されないという危険
が生じる。

【０００５】而して本発明の目的は、フラットな物品、
特に、半導体ウエハーのための保持装置であって、半導
体ウエハーを操作面に対し完全に均一に押圧させ得るも
のをを提供する点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的は、特許請求の
範囲請求項１の態様により達成される。本発明保持装置
によれば、保持プレートはキャリア部において高さ方向
の移動可能に設計されており、また、キャリア部と保持
プレートの間には環状の閉鎖膜を配設しこの膜内に本質
的に気密な密閉空間が形成される。この内部空間は圧力
源もしくは大気または真空と選択的に接続し得る。

【０００７】また本発明保持装置によれば、保持プレー
トは、好ましくは金属製蛇腹で形成した膜を介してキャ
リア部に懸けられる。膜の働きと、膜によるキャリア部
と保持プレートとの接続については、保持駆動装置の駆
動スピンドルからキャリア部へ伝達されるトルクを、膜
が、保持プレートへ伝達するようにしている。従って膜
は回転に対し十分な頑丈さを有していなければならな
い。更に、膜は軸方向において弾性的に屈曲するので、
膜の内部空間の内部圧力とは無関係に、保持プレートの
キャリア部に対する相対位置が変更される。

【０００８】ウエハーの受取り位置への受取りは、真空
を保持プレートの垂直穴に掛け、その効果によりウエハ
ーを保持プレート下面に吸着させるなどの通常の方法で
行われる。尚、好ましくは、ウエハー受取は、膜内部空
間に真空を掛け、保持プレートをキャリア部に対し最も
高い位置にした状態で行う。それに続いて、スピンドル
の支援により、ヘッド部が、例えば研磨プレートの研磨
布などの操作面まで下降させる。このヘッド部の下降位
置は、前記操作面の直上である。つづいて、前記膜の内
部空間へ圧力を掛けることにより、保持プレートがウエ
ハーを操作面に押しつける。膜内部空間の圧力の度合に
より研磨操作圧が決まる。この場合、柔軟な膜の復帰バ
ネ力を考慮しなければならない。

【０００９】前記膜は保持プレートの直径のほぼ全体を
収容し得るので、保持プレートの大きな表面全体に渡っ
て押圧力が掛けられる。但、キャリア部への保持プレー
トのジョイント式で高さ調節可能な取り付けに対して
は、この押圧力は掛からない。

【００１０】本発明の１つの実施例においては、蛇腹に
ユニット形式の上側及び下側環状ディスクを備え、これ
らディスクそれぞれを保持プレート上面とキャリア部フ
ランジの下面に堅固に接続する。前記下側環状ディスク
には、保持プレートの外径よりわずかに小さな外径を持
たせることにより、保持プレートに対し大きな表面で係
合可能となり、保持プレートに均一な押圧力を掛けるこ
とができる。従って本発明保持装置の助けにより、極め
て精確な（研磨などの）処理が優れた平面性の下に実施
可能である。

【００１１】また、膜内部空間の、圧力源や大気、真空
への接続は、好ましくは、キャリア部における垂直方向
のチャネルにより為される。また、好ましくは、この垂
直チャネルは駆動スピンドルにおける垂直チャネルに接
続し、駆動スピンドル上端において回転式（循環、交代
式）接続により、圧力源や真空に接続するようにして良
い。尚、保持プレートの垂直穴の圧力や真空への接続に
関してスピンドルにチャネルを組み込むことはそれ自体
公知であるが、本発明の取り付け方法の実施において
は、少なくとも３つのチャネルをスピンドルに設けてお
り、それについては以下に説明する。

【００１２】真空ポンプもしくは加圧空気源、その他の
流体源などを、圧力プレートの垂直穴に接続するために
は、適当な分配システムを設けることが好ましい。本発
明の一実施例においてこの分配システムの構成は、垂直
穴それぞれを保持プレート上面まで延ばすとともに、こ
れらの垂直穴を少なくとも１つの部分円上に設けてい
る。１つの部分円に設ける複数の垂直穴の上端はすべ
て、保持プレートにおける環状溝を介して互いに接続さ
れる。（尚、この場合、保持プレートの環状溝領域に
は、シール用カバー手段を備えている。）また、保持プ
レートには少なくとも１つの横方向穴を形成し、垂直方
向の接続穴を介して前記カバー手段の開口部に接続する
とともに、前記カバー手段の一部は前記膜の内部空間に
設ける柔軟な配管を介してキャリア部の穴に接続して、
流体源や真空との接続を可能とする。尚、前記横方向穴
は、前述の部分円における少なくとも１つの垂直穴と接
続されており、これにより、保持プレートにおける垂直
穴の下側開口部において均一な吸引圧や過圧が形成され
る。

【００１３】また本発明によれば、保持プレートは、キ
ャリア部内を高さ方向の移動可能に案内される。このた
め本発明一実施例では、保持プレートに案内ボルトを取
り付けて、この案内ボルトを、キャリア部のボールガイ
ドにより高さ方向移動可能に案内されるようしている。
前記ボールガイドにより、前記ガイドボルトがキャリア
部内で精確でかつほぼ摩擦無しに調節可能である。

【００１４】本発明の別の実施例においては、操作面と
係合し得る保持リングを備え、この保持リングが保持プ
レートを取り巻き、且つ、バネ構造により保持プレート
に支持される。また、プレートの空気圧式の押圧装置に
より、前記保持リングを操作面に係合させる。押圧力の
付加および実際のウエハーの処理に先立ち、前記保持リ
ングを下敷き（アンダークロス）に押圧して、ウエハー
を保持リング内に横方向で保持する。研磨操作時、研磨
布は前方へ押し出されるので、保持リング下面に、摩擦
性が低く、摩耗耐性の大きい材料を取り付けておくこと
が好ましい。

【００１５】すでに述べたように、保持プレートはウエ
ハー受け取りに先立ち、キャリア部方向へ移動可能であ
るが、この動作を規制するために、本発明一実施例にお
いては前記膜の内側に接当部を設ける。この接当部に
は、緩衝手段もしくは同様の減衰要素を設け、振動を減
少させ、ノイズの発生を抑える。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付の図面に示し
た実施の形態に従って更に詳述する。図において、保持
ヘッド（１０）は、スピンドル（１２）に取り付けられ
ている（尚、スピンドル（１２）についての詳細は省略
する）。保持ヘッド（１０）のスピンドル（１２）への
取付は、キャリア部（１４）へのねじ止めにより行う
（尚、キャリア部（１４）については以下、詳細には説
明しない）。キャリア部（１４）に示したねじ付きポケ
ット穴（１６）がスピンドル（１２）とのねじ結合に用
いられる。尚、スピンドル（１２）は、半導体ウエハー
用の機械的・化学的研磨装置（図示せず）における駆動
装置（１８）の一部であって、矢印（２０）方向に回転
し、また、矢印（２２）方向で高さ調節される。

【００１７】キャリア部（１４）のフランジ（２４）下
側に、環状ディスク（２６）がネジ（２８）により接続
される。また、環状ディスク（２６）には金属製の蛇腹
（３０）が連結される（尚、蛇腹（３０）の詳細は省略
する）。蛇腹（３０）の下側に、前記環状ディスク（２
６）と同径で同形状の第２の環状ディスク（３２）を接
続する。そして、第２環状ディスク（３２）は、ネジ
（３６）により保持プレート（３４）上面に接続されて
いる。保持プレート（３４）は、適当な材料の精確な研
磨により平坦かつ平行状に形成し、厚みを比較的厚くし
ており、また、前記環状ディスク（３２、２６）及びフ
ランジ（２４）と同様の円形を持たせている。

【００１８】環状ディスク（３２）における内方の開口
部にはカバープレート（３８）がネジ（４０）で取り付
けられる。これにより、前記蛇腹（３０）の膜の内側
に、実質的に気密状に閉鎖された内部空間（４２）が形
成される。尚、前記保持プレート（３４）は、図から判
る通り、前記蛇腹膜に懸けられている。

【００１９】また、保持プレート（３４）上面の凹部、
即ち、カバープレート（３８）の中心孔において、リン
グ体（４４）がネジ（４６）により保持プレート（３
４）に固定されており、前記リング体（４４）は内側に
ベアリングシェル（４８）を支持している。ベアリング
シェル（４８）は、ベアリングボルト（５２）下端のベ
アリングボール（５０）と協働する。図から判る通り、
ベアリングボール（５０）はボルト（５２）の小径部へ
押し嵌められ、ディスク（５４）を介してネジ（５６）
により固定される。前記ボルト（５２）は、前記フラン
ジ（２４）の中心孔を通って上方に延び、上端でネジ
（６０）により接当プレート（５８）と結合される。ま
た、ボルト（５２）は前記内部空間（４２）において図
中符号６２で示したようにフランジ状に拡径している。

【００２０】前記フランジ（２４）の中心孔にはボール
ガイド（６４）が配設されており、このボールガイド
（６４）が、前記ボルト（５２）と協働するとともに、
前記ボルト（５２）を殆ど摩擦無しにリニアに案内す
る。また、先に述べた接当プレート（５８）が接当部と
なるネジ（６６）頭部と協働する。これらのことから、
前記蛇腹膜（３０）に懸けられている保持プレート（３
４）が高さ方向に移動可能であること、そして、ボルト
（５２）に対しての傾動も可能であることが理解されよ
う。尚、そのように傾動した場合でも、前記フランジ状
部（６２）により制限されて最小限となる。

【００２１】また、保持プレート（３４）における同心
状の２つの部分円には、垂直方向の複数の穴が形成され
て保持プレート（３４）を貫通するよう案内されてい
る。即ちち、図において内方の部分円には、穴（６８）
（７０）が形成され、外方の部分円には穴（７２）（７
３）が形成される（尚、更に別の部分円にも、例えば穴
（７３）右側に破線で示したように穴を形成し得ること
は理解されよう）。これらの穴は保持プレート（３４）
上面まで案内されるが、但し、その部位で、環状ディス
ク（３２）もしくはカバープレート（３８）によりシー
ルされる。このため、適当なシール手段（７４）を設け
ている。前記各穴（６８）〜（７３）は前記保持プレー
ト（３４）上面で環状溝（７６）または（７８）へ開口
するので前記の各部分円における垂直穴どおしが互いに
連結される。また、前記各穴（６８）〜（７３）は下端
においてノズル状開口部に開口し、前記保持プレート
（３４）下面まで到る。

【００２２】また、図において、２つの横方向の穴（８
０）（８２）を示している。このうち一方の横方向穴
（８２）は２つの垂直穴（７０、７３）を互いに連結す
るので、前記した２つの部分円における垂直穴すべての
結合が生じる。前記横方向穴（８２）は、穴（８４）を
介してカバー（３８）の開口部（８６）に接続される。
また、チューブ式接続部（８８）が、チューブ式接続部
（９１）の開口（８６）を前記フランジ（２４）下部の
チューブ式接続部（９０）へ接続する。前記チューブ式
接続部（９０）自体は垂直穴（９２）を介して、装置
（９４）へ接続されて、この装置（９４）により、真空
が吸入されたり、窒素や水が流入する。尚、この点につ
いては追って説明する。

【００２３】前記保持プレート（３４）は小さな間隔を
持って保持リング（９６）に囲われており、前記保持リ
ング（９６）の下面には、摩擦性が低く摩耗耐性の高い
材料から成る滑動部（９８）を備えている。前記滑動部
（９８）下面は保持プレート（３４）の下面と平行であ
る。また、前記保持リング（９６）上方には、軸受けリ
ング（１００）が在り、ネジ（１０２）により保持プレ
ート（３４）上面に取り付けられている。前記軸受けリ
ング（１００）の環状の凹部には、膨らませることが可
能なチューブ（１０４）を取り付ける。このチューブ
（１０４）は膨張時、前記保持リング（９６）上面に接
触し、これにより、前記保持リング（９６）がバネ（１
０６）に抗して押し下げられて、保持プレート（３４）
上面に支持されることになる。尚、前記チューブ（１０
４）への加圧空気の供給は、前記フランジ（２４）の垂
直穴（１１０）に接続された装置（１０８）によって行
われる。

【００２４】また、前記チャネル（垂直穴）（１１０）
の下端部は、接続部（１１２）につながり、接続部（１
１２）は、柔軟な配管（１１４）を介して、前記プレー
ト（３８）に取り付けた接続部（１１６）へ繋る。そし
て、プレート（３８）の穴、プレート（３４）の穴部
（１１４）、横方向穴（８０）、並びに、軸受けリング
（１００）の穴（１１６）を介して、前記チューブ（１
０４）への接続が、符号１１８の部位で生じる。チュー
ブ（１０４）へ加わる圧力の度合いに応じて、保持リン
グ（９６）はより下方へ、大きくもしくは小さく押し下
げられる。

【００２５】また、（破線のみで示した）穴（１２０）
により、装置（１２２）が先に述べた膜（３０）の内部
空間（４２）に接続されている。この装置（１２２）を
介して圧力が内部空間（４２）に導入され、また、真空
が掛けられる。また、装置（９４）（１０８）（１２
２）へ繋る各配管はスピンドル（１２）における各チャ
ネルにより構成される。これら各チャネルは、回転（交
互）接続により、装置（９４）（１０８）（１２２）と
接続される。また、前記内部空間（４２）へ真空を掛け
るか、圧力を掛けるかによって、前記保持プレート（３
４）の位置が多少偏位する。真空を掛けた場合保持プレ
ート（３４）は持ち上げられて内部空間の接当部（１２
６）に接当する。（尚、この接当部（１２６）には不要
な雑音が発生しないよう適当な止音材を設けてもよ
い。）また、前記内部空間（４２）へ圧力を掛けた場合
は、プレート（３４）は下降方向へ調節され、この下降
動作は、接当部（５８）がボルト（６６）へ接当するこ
とにより制限される。

【００２６】而して図示した保持装置の作用は以下の通
りである。高さ調節可能としたスピンドル（１２）の助
けにより、ヘッド（１０）を、準備を整えて支持されて
いるウエハーまで降ろすと、保持プレート（３４）下面
がウエハー表面と係合する。予めに保持プレート（３
４）は、前記内部空間（４２）へ真空を掛けて最高持ち
上げ位置へ調節しておく。ウエハーとの接触直前もしく
は接触時に、装置（９４）を介して真空を垂直穴（６
８）〜（７３）に掛ける。これにより、ウエハーは保持
プレート（３４）上に保持され、以後、例えば研磨プレ
ートなどの操作面へ移送し得る状態になる。研磨プレー
ト上方において、ヘッド（１０）の所定位置への下降を
行い、この位置で、ウエハーは研磨布に対し最小間隔と
なる。但し研磨布と接触はしない。つづいて、圧力を内
部空間（４２）に掛けることにより、保持プレート（３
４）が下降し、ウエハーが研磨布に係合する。この場合
の係合力（研磨力）は、内部空間（４２）の内圧により
決まる。これに先立ち、チューブ（１０４）へ装置（１
０８）により圧力を掛けることにより、まず、滑動部
（９８）が研磨布と係合し、これを固定する。つづい
て、ヘッド（１０）を回転にセットし、研磨手順を開始
する。研磨操作時、装置（１２２）の真空が穴（６８）
〜（７３）において維持される。そして、研磨手順完了
時、再度、真空を内部空間（４２）に掛けることによ
り、保持プレート（３４）が再び幾分か持ち上がる。そ
れと同時にスピンドル（１２）も上昇する。そして駆動
装置を別の位置へ駆動してウエハーを別の位置へ堆積さ
せる。そのために、スピンドル（１２）が新たな位置へ
下がり、穴（６８）〜（７３）への真空の停止と、窒素
などを短時間当てることにより、ウエハーが保持プレー
ト（３４）から解放される。また、穴（６８）〜（７
３）により、ウエハーを装置（９４）から保持プレート
（３４）下面へ搬送し、洗浄を実施することも可能であ
る。

【００２７】尚、軸受けリング（１００）上面には、カ
バーリング（１３０）を取り付ける。カバーリング（１
３０）は、軸方向内方に延びるカラー（１３２）により
上端がフランジ（２４）の対応の溝に係合する。このカ
バーリング（１３０）は、ヘッド（１０）の内部を保護
するが、ヘッド（１０）の機能に対しては何らの役割も
持たない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明保持装置の１例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０保持ヘッド１２スピンドル１４キャリア部１６ポケットネジ穴１８駆動装置２０矢印２２矢印２４フランジ２６環状ディスク２８ネジ３０金属製蛇腹３２環状ディスク３４保持プレート３６ネジ３８カバープレート４０ネジ４２内部空間４４リング４６ネジ４８軸受けシェル５０軸受けボール５２軸受けボルト５４ディスク５６ネジ５８接当部６０ネジ６２フランジ６４ボールガイド６６ネジ６８、７０穴７２、７３穴７６、７８環状溝８０、８２横穴８４穴８６開口部８８チューブ９０、９１チューブ９２、９４垂直穴９６保持リング９８滑動部１００軸受けリング１０２ネジ１０４膨張チューブ１０６バネ１０８加圧装置１１０垂直穴１１２接続部１１４配管１１６接続部１１８接続部１２０穴１２２加圧・真空装置１２６接当部１３０カバーリング１３２カラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハーの化学的・機械的研磨装
置における半導体ウエハーなどの平面状物のための保持
装置であって、上部において高さ調節可能なスピンドルに接続され、下
部に保持プレートを有するプレート状ヘッドを備え、前記保持プレートが前記保持プレート上部に配置するキ
ャリア部へユニバーサルジョイントにより結合されると
ともに、前記保持プレート下面まで延び真空および・ま
たは流体源へ接続し得る垂直方向の多数の穴を有するも
のにおいて、前記保持プレートが前記キャリア部内において高さ調節
可能に案内され、前記キャリア部と前記保持プレートの間に、環状の閉鎖
膜が配置され、前記膜内に、実質的に気密な閉鎖状内部
空間が形成され、前記内部空間が大気もしくは真空、も
しくは圧力源へ選択的に接続し得るようにしたもの。
【請求項２】請求項１記載の保持装置であって、前記膜
が金属製蛇腹から成るもの。
【請求項３】請求項２に記載の保持装置であって、ユニ
ットを成す前記蛇腹と上部および下部環状ディスクが、
前記保持プレート上側と、キャリアのフランジの下側に
堅固に接続されるもの。
【請求項４】請求項１〜３記載の保持装置であって、前
記膜の内部空間が前記キャリア部の垂直なチャネルを介
して圧力源もしくは真空に接続し得るもの。
【請求項５】請求項１〜４記載の保持装置であって、前
記垂直方向穴が前記保持プレート上面に向かって延び、
且つ、少なくとも１つの部分円上に配設され、また、部
分円上に形成される各穴の上端がすべて、前記保持プレ
ートにおける環状溝により接続されるとともに、前記保
持プレートが前記環状溝領域においてシール用カバーに
よりカバーされ、また、前記保持プレートに少なくとも
１つの横方向穴が形成され垂直方向の接続穴を介して前
記カバーの開口部に接続されるとともに、一部が、前記
膜の内部空間に設ける柔軟な配管により前記キャリア部
の穴に接続されて流体源もしくは真空への接続を可能と
し、更に、前記横方向穴が前記部分円それぞれにおける
少なくとも１つの垂直方向穴と接続されるもの。
【請求項６】請求項１〜５記載の保持装置であって、前
記ユニバーサルジョイントの前記キャリア側部分が、前
記キャリア部のボールガイドにおいて高さ方向に移動可
能に案内されるガイドボルトへ接続されるもの。
【請求項７】請求項１〜６記載の保持装置であって、操
作面と係合し得る保持リングが、前記保持プレートを取
り巻き、バネ構造により前記保持プレートに支持される
とともに、空気圧式押圧装置が保持プレート上に取り付
けられ前記保持リングに圧力を掛け得るようにしたも
の。
【請求項８】請求項７記載の保持装置であって、前記保
持プレートに軸受けリングが結合され、前記軸受けリン
グに、弾性を持ち膨張可能で前記保持リングに係合可能
なチューブが取り付けられ、対応の前記軸受けリングに
おけるチャネルを介する前記チューブと、前記保持プレ
ートにおけるチャネルと、前記膜内部空間における柔軟
な配管と、前記キャリア部におけるチャネルが圧力源と
接続されているもの。
【請求項９】請求項１〜８記載の保持装置であって、前
記膜の内部空間に、前記キャリア部方向における前記保
持プレートの移動を制限するための少なくとも１つの接
当部が設けられ、前記キャリア部に接続されているも
の。
【請求項１０】請求項９記載の保持装置であって、前記
接当部が緩衝手段から成るもの。