CN101528416B - 研磨头及研磨装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种研磨头，具备：一环状的刚性环(12)；一橡胶膜(13)，以均匀的张力接着于该刚性环；一中板(14)，结合于上述刚性环，与上述橡胶膜和上述刚性环一起形成一空间部；以及一环状的模板(16)，其外径大于上述刚性环的内径，与上述刚性环同心地设置于上述橡胶膜的底面部的周边部；能以压力调整机构(17)改变上述空间部的压力，将工件(W)的背面保持于上述橡胶膜的底面部，并使该工件的表面滑动接触于已贴附在平台上的研磨布来进行研磨，其中上述模板的内径小于上述刚性环的内径，该刚性环与模板之间的内径差、以及上述模板的内径与外径之间的差的比，为26％以上45％以下。由此，能提供一种研磨头，可安定地获得一定的平坦性。
Description
技术领域
本发明涉及研磨工件的表面时，用以保持工件的研磨头、以及具备此研磨头的研磨装置，特别涉及保持工件于橡胶膜上的研磨头、以及具备此研磨头的研磨装置。
背景技术
作为研磨硅晶圆等的工件表面的装置，有分别研磨工件单面的单面研磨装置、以及同时研磨工件双面的双面研磨装置。
一般的单面研磨装置，例如图5所示，是由贴附有研磨布94的平台93、研磨剂供给机构96、以及研磨头92等所构成。如此的研磨装置91中，先以研磨头92保持工件W，然后从研磨剂供给机构96供给研磨剂95至研磨布94上，且分别旋转平台93与研磨头92，使工件W的表面与研磨布94摩擦地接触(滑动接触)，来进行研磨。
作为将工件保持于研磨头的方法，有于平坦的圆盘状的板上，通过蜡等的接着剂来贴附工件的方法等。另外，作为特别是为了抑制工件的外周部的翘起、塌边，来提高工件整体的平坦性的保持方法，有以橡胶膜作为工件保持部，于橡胶膜的背面流入空气等的加压流体，以均匀的压力使橡胶膜膨胀，将工件推压在研磨布上的方式，也就是所谓的橡胶夹头方式(例如参照日本特开平5-69310号公报等)。
现有的橡胶夹头方式的研磨头的构成例，模式地表示于图4(a)，该研磨头的周边部的扩大图，表示于图4(b)。此研磨头71的重点，是由环状的SUS(不锈钢)等制成的刚性环72、接着于刚性环72上的橡胶膜73、以及结合于刚性环72上的中板74所组成。通过刚性环72、橡胶膜73、以及中板74，形成密闭的空间部75。另外，在橡胶膜73的底面部的周边部，具备与刚性环72同心的环状模板76。此外，在中板74的中央设有连通压力调整机构77的调整压力用的贯通孔78，通过压力调整机构77供给加压流体等，来调节空间部75的压力。另外，还具有将中板74向研磨布94方向推压的未图示的推压装置。
利用如此构成的研磨头，于橡胶膜73的底面部，隔着衬垫79保持工件W，且以模板76保持工件W的边缘部，并且推压中板74使工件W滑动接触已贴附于平台93的顶面上的研磨布94，来进行研磨。
如此地先将工件保持于橡胶膜，并使用具备模板的研磨头来进行工件的研磨，由此虽有可提高工件W整体的平坦性(以及研磨量均匀性)的情况，但依旧有平坦性不良的情况，而有无法安定地获得一定的平坦性的问题。
发明内容
因此，有鉴于如此的问题而提出本发明，其主要目的是提供一种研磨头，可安定地获得一定的平坦性。
本发明为解决上述课题而提供一种研磨头，至少具备：一环状的刚性环；一橡胶膜，以均匀的张力接着于该刚性环；一中板，结合于上述刚性环，与上述橡胶膜、上述刚性环一起形成一空间部；以及一环状的模板，其外径大于上述刚性环的内径，与上述刚性环同心地设置于上述橡胶膜的底面部的周边部；能以压力调整机构改变上述空间部的压力，工件的背面保持于上述橡胶膜的底面部，该工件的表面滑动接触于已贴附于平台上的研磨布来进行研磨，其特征在于：上述模板的内径小于上述刚性环的内径，该刚性环与模板之间的内径差、以及上述模板的内径与外径之间的差的比，为26％以上45％以下。
如此构成的研磨头中，若模板的内径小于刚性环的内径，刚性环与模板之间的内径差、以及模板的内径与外径之间的差的比为26％以上45％以下的研磨头，则模板的内周部分可自由变形，通过橡胶膜所实施的工件的保持与研磨，可于工件的全面，以更均匀的推压力来进行。其结果为，即使工件的底面与模板的底面的位置关系有某程度的偏差(dispersion)，也可保持良好的研磨量均匀性。
此时，以上述模板的内径仅大于上述工件的直径0.5mm以上2.0mm以下，上述模板的外径仅大于上述工件的直径10％以上20％以下为较佳。
如此，若模板的内径仅大于工件的直径0.5mm以上2.0mm以下，模板 的外径仅大于工件的直径10％以上20％以下，则工件可不破损地确实地保持，且可防止模板于工件研磨中脱落。另外，工件的研磨速度可良好地控制。
另外，上述研磨的工件可为直径300mm以上的单晶硅晶圆。
如此，即使研磨的工件为直径300mm以上的大直径的单晶硅晶圆，若为本发明的研磨头，则通过橡胶膜所实施的工件的保持与研磨，可于工件的全面，以更均匀的推压力来进行。其结果为，即使工件的底面与模板的底面的位置关系有某程度的偏差，也可保持良好的研磨量均匀性。
另外，上述模板的厚度，较佳是设成：当将上述工件保持于上述研磨头时，上述工件的底面的位置，位于低于从上述模板的底面算起向上方60μm的位置，且高于从上述模板的底面算起向下方5μm的位置。
如此，如模板的厚度，是设成当将上述工件保持于研磨头时，工件的底面的位置位于低于从模板的底面算起向上方60μm的位置，且高于从模板的底面算起向下方5μm的位置，则可更确实且高精度地保持研磨量均匀性，来进行研磨。
此外，本发明提供一种研磨装置，是在研磨工件的表面时所使用的研磨装置，至少具备：一研磨布，贴附于一平台上；一研磨剂供给机构，用以供给研磨剂至该研磨布上；以及一研磨头，用以保持上述工件，为上述本发明的研磨头。
如此，若利用具备本发明的研磨头的研磨装置，来进行工件的研磨，则通过橡胶膜所实施的工件的保持与研磨，可于工件的全面，以更均匀的推压力来进行。其结果为，即使工件的底面与模板的底面的位置关系有某程度的偏差，也可保持良好的研磨量均匀性。
若利用本发明的研磨头来进行工件的研磨，则因模板的内周部分可自由变形，通过橡胶膜所实施的工件的保持与研磨，可于工件的全面，以更均匀的推压力来进行。其结果为，即使工件的底面与模板的底面的位置关系有某程度的偏差，也可保持良好的研磨量均匀性。亦即，即使工件的厚度、模板的厚度等有些许的偏差，也可保持良好的研磨量均匀性，来进行研磨。
附图说明
图1是表示本发明的研磨头的概略剖面图，(a)是表示研磨头整体的概略剖面图、(b)是表示其周边部的扩大图。
图2是表示具备本发明的研磨头的研磨装置的一例的概略构成图。
图3是表示工件底面的从模板底面算起的突出长度与研磨量均匀性之间的关系的图表。
图4是表示现有的研磨头的概略剖面图，(a)是表示研磨头整体的概略剖面图、(b)是表示其周边部的扩大图。
图5是表示单面研磨装置的一例的概略构成图。
其中，附图标记说明如下：
11：研磨头 12：刚性环
13：橡胶膜 14：中板
15：空间部 16：模板
17：压力调整机构 18：贯通孔
19：衬垫 23：平台
24：研磨布 61：研磨装置
65：研磨剂 66：研磨剂供给机构
71：研磨头 72：刚性环
73：橡胶膜 74：中板
75：空间部 76：模板
77：压力调整机构 78：贯通孔
79：衬垫 91：研磨装置
92：研磨头 93：平台
94：研磨布 95：研磨剂
96：研磨剂供给机构 W：工件
具体实施方式
以下，更详细地说明本发明。
如上所述，即使先将工件保持于橡胶膜，并利用具备模板的研磨头来进行工件的研磨，也有无法获得良好的平坦性的情况，而有无法安定地获得一定的平坦性的问题。
因此，本发明人对于如此的问题的发生原因进行努力的实验与检讨。
其结果为，本发明人发现以下的情况。亦即，要进行研磨的工件的底面，与用以保持该工件的边缘部的模板的底面，当具有规定的位置关系时，即可获得良好的研磨量均匀性。而未成为如此的位置关系时，即发生工件的外周形状的翘起、塌边，研磨量均匀性恶化。具体而言，若工件的底面相对于模板的底面突出过大，则发生外周塌边，若工件的底面相对于模板的底面陷入过大，则成为外周翘起的形状。
亦即，例如通过调整模板的厚度等，来调整上述工件的底面与模板的底面的位置关系，即可使研磨量均匀性良好。然而，现有的研磨头中，为了获得良好的研磨量均匀性所容许的上述工件与模板的底面的差的数值范围，仅有约数μm，另外，工件为单晶硅晶圆时，通常工件的厚度有例如约±10μm以上的偏差，另外，模板也有厚度的偏差，因此，难以进行数μm以内的精密的调整。
因此，本发明人更进行努力实验与检讨，想到若将模板作成从刚性环向内侧伸出(也可称为“外伸(overhang)”)的构造，使模板的内周部分可自由地变形，则即使工件的底面与模板的底面的位置关系有些微的偏差，也可降低对于研磨形状的影响，将条件最适化，进而完成本发明。
以下，一边参照附图一边具体地说明本发明的研磨头与研磨装置，但本发明不限定于此。
图1是表示本发明的研磨头的一例，图1(a)是表示研磨头整体的概略剖面图，图1(b)是表示其周边部的扩大图。此研磨头11是具备由SUS(不锈钢)等的刚性材料所构成的环状的刚性环12；以均匀的张力接着于刚性环12，底面为平坦的橡胶膜(弹性膜)13；以及以螺丝等结合于刚性环12上的中板14。通过此刚性环12、橡胶膜13、以及中板14，形成密闭的空间部15。另外，工件W保持于橡胶膜13的底面部。橡胶膜13的厚度并无特别限定，可选择对应适当情况的厚度，例如可为约1mm厚。另外，中板的材质、形状也无特别限定，只要可形成空间部15即可。
另外，在橡胶膜13的底面部的周边部，具备与刚性环12同心的环状的模板16。模板16是用以保持工件W的边缘部，沿着橡胶膜13的底面部的外周部，向下方突出地接着。此时，模板16的内径，较佳是设成仅大于工件W的外径0.5mm以上2.0mm以下。这是因为若模板16的内径仅大于工 件W的外径不到0.5mm时，从工件W的定位精度的观点来看，无法良好地保持工件W的缘故。另一方面，如模板16的内径大于工件W的外径超过2.0mm时，在模板16与工件W的边缘部之间，研磨中的冲击大，使工件W破损的可能性变高。另外，模板16的外径是设成仅大于工件W的外径的10％以上20％以下。这是因为若模板16的外径大于工件W的外径不到10％的范围时，无法充分确保模板16的接着面积，因而造成在工件W的研磨中，模板16剥离、或是膜板16的宽(模板宽)变小，工件W的保持变成不充分，而在研磨中，会发生工件W从模板16脱落飞出等问题的缘故。另一方面，若模板16的外径超过工件W的外径20％而过大时，有研磨剂难以进入模板16的内侧，研磨速度极端降低等的问题。
另外，模板16，作成其外径至少大于刚性环12的内径，且其内径小于刚性环12的内径。此时，因刚性环12与模板16同心，模板16成为从刚性环12向内侧伸出的状态。此外，模板16从该刚性环12算起的伸出(突出)长度称为外伸长度。而且，因下述的理由，刚性环12与模板16的内径差、以及模板16的内径与外径之间的差的比，是设成26％以上45％以下(亦即，外伸长度与模板16的宽的比也为26％以上45％以下)。
另外，模板16的材质，为了不污染工件W，且不造成伤痕、压痕，较佳是：比工件柔软，且在研磨中即使与研磨布24滑动接触也难以磨耗、耐磨耗性高的材质。
另外，在中板14的中央，设有连通压力调整机构17的压力调整用的贯通孔18。通过压力调整机构17，供给加压流体等，来调节空间部15的压力。另外，具有将中板14向研磨布24的方向推压的未图示的推压装置。
另外，也可于橡胶膜13的底面贴设衬垫19。衬垫19含有水分，贴附在工件W上，用以将工件W保持于橡胶膜13的工件保持面上。衬垫19例如可为由发泡聚氨酯制成。设置如此的衬垫19，并使其含水，可通过包含于衬垫19中的水的表面张力，确实地保持工件W。此外，图1是表示模板16直接接着于橡胶膜13上的形式，但本发明并未排除模板16间隔衬垫19等而被接着于橡胶膜13上的情况。
利用如此构成的研磨头11，通过未图示的中板推压装置，将中板14向贴附于平台23上的研磨布24的方向推压，使工件W与研磨布24滑动接触， 来研磨工件表面。此中板推压装置是以均匀的压力推压中板14全面为较佳。
如此，使模板16的内径小于刚性环12的内径，来构成研磨头11，由此，模板16的内周部分可自由地变形，通过适当地调节空间部15的压力，研磨中的工件W的底面(被研磨面)与模板16的底面的位置关系自动地缓和而可接近适当的位置，因此，即使工件W的厚度与模板16的厚度有某程度的偏差时，也可保持将推压力全面均匀地施加于工件W上的状态，来进行研磨。其结果为，可良好地保持工件W的研磨量均匀性，来进行研磨。
本发明人，关于刚性环12与模板16的内径差，为了具体地求取应设在如何的范围内而进行以下的实验。
(实验)
改变模板16的从刚性环12算起的外伸(突出)长度，如以下地制作出图1所示的构成的研磨头11。首先，在其上部被中板14闭塞的不锈钢制的刚性环12(外径360mm)的外周，以均匀的拉伸力贴附橡胶膜13。于此橡胶膜13的工件保持面，以双面胶带贴附衬垫19，邻接衬垫19的周围以双面胶带接着其外径为355mm、内径为302mm的环状的模板16(亦即，其外径与内径之间的差为53mm，模板宽度为26.5mm)。但是，分别准备用于交换的具有使刚性环12与模板16的内径差为0、5、10、14、18、22、24、26mm(模板16的从刚性环12算起的外伸长度分别为0、2.5、5、7、9、11、12、13mm)的内径的刚性环。
此时的刚性环12与模板16之间的内径差、该刚性环12与模板16之间的内径差、以及模板16的内径与外径之间的差的比的关系，是表示于表1。
表1
| 刚性环与模板之间的内 径差(mm) | (刚性环与模板之间的内径差)/ (模板的内径与外径之间的差)(％) |
| 0 | 0 |
| 5 | 9 |
| 10 | 19 |
| 14 | 26 |
| 18 | 34 |
[0062]
| 22 | 42 |
| 24 | 45 |
| 26 | 49 |
利用具备如上所述的研磨头11的研磨装置，如下所述，进行作为工件W的直径300mm、厚度775μm的单晶硅晶圆的研磨。此外，使用的单晶硅晶圆，其双面预先施以一次研磨，其边缘部也已施以研磨。另外，平台23是使用直径800mm的，研磨布24是使用通常使用的。
研磨时，使用研磨剂中含有硅酸胶(colloidal silica)的碱性溶液，研磨头11与平台23分别以31rpm、29rpm旋转。工件W的研磨荷重(推压力)设为15kpa。研磨时间设为10分钟。
对于如此地进行研磨后的工件W，评价其研磨量均匀性。此外，研磨量均匀性是以平坦性测定器，于平面内对于研磨前后的工件的厚度，测定作为平坦度保证区域(最外周部2mm宽除外后的领域)，取得研磨量的差量而求得，以研磨量均匀性(％)＝(平面内的最大研磨量-平面内的最小研磨量)/平面内的平均研磨量的数学式来表示。
其结果为，工件W保持于研磨头11时，工件W底面的从模板16底面算起的突出长度(符号为正时，表示工件W的底面是更低于模板16的底面；为负时，表示工件W的底面是位于模板16的底面之上的意思)与研磨量均匀性之间的关系的图表，表示于图3。
由图3可知，如刚性环12与模板16之间的内径差，与模板16的内径与外径之间的差的比为26～45％时，只要工件W底面的从模板16底面算起的突出长度约在5μm～-60μm的范围，则研磨量均匀性为良好的10％以下。另一方面，如刚性环12与模板16之间的内径差的比小于此范围，则研磨量均匀性因工件W底面的从模板16底面算起的突出长度，大幅地受到影响，偏差变大。另外，刚性环12与模板16之间的内径差的比为49％时，橡胶膜13发生扭曲，有衬垫19与工件W脱落等无法进行研磨的情况。
由以上的实验的结果可知，如刚性环12与模板16之间的内径差，与模板16的内径与外径之间的差的比为26％以上45％以下，则即使工件W底 面的从模板16底面算起的突出长度为约5μm～-60μm这样的偏差较大的情况，也可保持良好的研磨量均匀性，来研磨工件。
为了使刚性环12与模板16之间的内径差位于此种范围内，要进行研磨的工件W的直径取决于规格时，不变更模板16的内径，而通过改变刚性环12的内径，便可调节刚性环12与模板16的内径差。但是，本发明不限定于此，也可根据工件W的直径，来改变模板16的内径。
若利用具有如此的范围的刚性环12与模板16的内径差的研磨头11，来进行工件W的研磨，研磨中，模板16的内周部分自由地变形，工件底面(被研磨面)与模板16的底面的位置关系会自动地缓和，因此，即使工件W的厚度和模板16的厚度等，有某程度的偏差时，也可良好地保持工件的研磨量均匀性，来进行研磨。具体而言，当工件保持于研磨头时，若设定模板的厚度，使得工件的底面的位置是位于低于从模板的底面算起向上方60μm的位置，且高于从模板的底面算起向下方5μm的位置的位置，则可更确实且良好地保持工件的研磨量均匀性，来进行研磨。
图2是表示具备上述研磨头11的研磨装置61的概略。此研磨装置61，除了研磨头11之外，也具备贴附于平台23上的研磨布24、以及用以供给研磨剂65至研磨布24上的研磨剂供给机构66。
利用此研磨装置61来研磨工件W时，首先，将工件W贴附于含水的衬垫19，以橡胶膜13保持工件W的背面，且以模板16来保持工件W的边缘部。
而且，从研磨剂供给机构66供给研磨剂65至研磨布24上，且一边使研磨头11与平台23分别依预定的方向旋转，一边使工件W与研磨布24滑动接触。能够使保持于橡胶膜13下方的工件W，一边相对于平台23上的研磨布24作旋转，一边以预定的推压力压抵，来研磨工件W的表面。
若利用具备如此的研磨头11的研磨装置61来进行工件W的研磨，则由于刚性环12与模板16之间的内径差、以及模板16的内径与外径之间的差的比，成为26％以上45％以下的构造，因此，可于工件W的全面，以均匀的推压力来进行研磨，即使工件的厚度有某程度的偏差，也可良好地保持工件的研磨量均匀性，来进行研磨。
本发明并非被限定于上述实施形式，上述实施形式仅为示例，凡是具有 和本发明的权利要求中所记载的技术思想实质相同的构成，可达到同样的作用效果，皆包含在本发明的保护范围中。
例如，本发明的研磨头不限定于图1所示的形式，例如，只要适当地设计中板的形状等便可以。
另外，研磨装置的构成也不限定于图2所示的形式，例如，可为具备多个本发明的研磨头的研磨装置。
Claims (7)
1.一种研磨头，至少具备：
一环状的刚性环；
一橡胶膜，以均匀的张力接着于该刚性环；
一中板，结合于上述刚性环，与上述橡胶膜和上述刚性环一起形成一空间部；以及
一环状的模板，其外径大于上述刚性环的内径，与上述刚性环同心地设置于上述橡胶膜的底面部的周边部；
能以压力调整机构改变上述空间部的压力，将工件的背面保持于上述橡胶膜的底面部，并使该工件的表面滑动接触于已贴附在平台上的研磨布来进行研磨，其特征在于：
上述模板的内径小于上述刚性环的内径，该刚性环与模板之间的内径差、以及上述模板的内径与外径之间的差的比，为26％以上45％以下。
2.如权利要求1所述的研磨头，其中上述模板的内径仅大于上述工件的直径0.5mm以上2.0mm以下，上述模板的外径仅大于上述工件的直径10％以上20％以下。
3.如权利要求1所述的研磨头，其中上述要进行研磨的工件，是直径300mm以上的单晶硅晶圆。
4.如权利要求2所述的研磨头，其中上述要进行研磨的工件，是直径300mm以上的单晶硅晶圆。
5.如权利要求1～4中任一项所述的研磨头，其中上述模板的厚度，是设成：当将上述工件保持于上述研磨头时，上述工件的底面的位置，位于低于从上述模板的底面算起向上方60μm的位置，且高于从上述模板的底面算起向下方5μm的位置。
6.一种研磨装置，是在研磨工件的表面时所使用的研磨装置，其特征在于上述研磨装置至少具备：
一研磨布，贴附于一平台上；
一研磨剂供给机构，用以供给研磨剂至该研磨布上；以及
一研磨头，用以保持上述工件，为权利要求1～4中任一项所述的研磨 头。
7.一种研磨装置，是在研磨工件的表面时所使用的研磨装置，其特征在于上述研磨装置至少具备：
一研磨布，贴附于一平台上；
一研磨剂供给机构，用以供给研磨剂至该研磨布上；以及
一研磨头，用以保持上述工件，为权利要求5所述的研磨头。
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