JP2000218522A - ポリッシング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 押圧リングとトップリングの間の衝撃や「か
じり」を防止又は軽減して、安定な稼動とコストの低下
を図ることを目的とする。 【解決手段】 研磨面を有する研磨テーブルと、基板Ｗ
を保持し、これを前記研磨面に押圧する基板保持部材
と、前記基板保持部材の周囲に配置され、該基板保持部
材とは独立に研磨面を押圧する押圧リング３とを備え、
前記押圧リングと前記基板保持部材の少なくとも一方
に、両者が相対上下動した時にこれらの上下方向の接触
面の間の摩擦を低減する摩擦低減機構１０４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウエハ等のポ
リッシング対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシ
ング装置に係り、特にポリッシング対象物の周縁部の研
磨量を制御する機構を具備するポリッシング装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が進む
につれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く
なりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラ
フィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッ
パーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウ
エハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦
化法の１手段としてポリッシング装置により研磨するこ
とが行われている。

【０００３】従来、この種のポリッシング装置は、上面
に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブル
と、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保
持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転さ
せながらトップリングにより基板を一定の圧力でターン
テーブルに押しつけ、砥液を供給しつつ基板の被研磨面
を平坦且つ鏡面に研磨している。

【０００４】図４は従来のポリッシング装置の一例の主
要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨
布４２を貼った回転するターンテーブル４１と、回転お
よび押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ
Ｗを保持するトップリング４５と、研磨布４２に砥液Ｑ
を供給する砥液供給ノズル４８を備えている。トップリ
ング４５はトップリングシャフト４９に連結されて図示
しないエアシリンダにより上下動可能に支持されてい
る。

【０００５】トップリング４５はその下面にポリウレタ
ン等の弾性マット４７を備えており、この弾性マット４
７に接触させて半導体ウエハＷを保持するようになって
いる。さらにトップリング４５は、研磨中に半導体ウエ
ハＷがトップリング４５の下面から外れないようにする
ため、円筒状のガイドリング４６Ａを外周縁部に備えて
いる。ガイドリング４６Ａはトップリング４５に対して
固定され、その下端面はトップリング４５の保持面から
突出しており、その内側に凹所を形成している。これに
より、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷが凹所
内に保持され、研磨中に研磨布４２との摩擦力によって
トップリング外へ飛び出さないようになっている。

【０００６】半導体ウエハＷをトップリング４５の下面
の弾性マット４７の下部に保持し、ターンテーブル４１
上の研磨布４２に半導体ウエハＷをトップリング４５に
よって押圧するとともに、ターンテーブル４１およびト
ップリング４５を回転させて研磨布４２と半導体ウエハ
Ｗを相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズ
ル４８から研磨布４２上に砥液Ｑを供給する。砥液は、
例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したも
のを用い、アリカリによる化学的研磨作用と、砥粒によ
る機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハを
研磨する。

【０００７】図５は、図４に示すポリッシング装置によ
る研磨時の半導体ウエハと研磨布と弾性マットの状態を
示す拡大断面図である。図５に示すように、ポリッシン
グ対象物のみが研磨布を押圧する構造になっている場合
には、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷの周縁
は、研磨布４２との接触／非接触の境界であると同時
に、弾性マット４７との接触／非接触との境界になって
いる。このため、これらの境界であるポリッシング対象
物の周縁において、ポリッシング対象物に加わる研磨圧
力が不均一になり、ポリッシング対象物の周縁のみが多
く研磨され、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまうとい
う欠点があった。

【０００８】図６は、本件出願人が「縁だれ」を解消す
るために提案した（特開平１０−２８６７６８号）ポリ
ッシング装置を示す図であり、把持板５１Ａおよびリテ
ーナリング５１Ｂの周囲に、トップリングとは独立に上
下動可能な押圧リング５３が設けられている。また押圧
リング５３とトップリング５１との間には、トップリン
グ５１と押圧リングとが直接接触しないようにするため
およびトップリング５１の過度な傾動を抑制するための
略Ｕ字状の断面を有する板バネ６７が介装されている。

【０００９】トップリング５１の下面には弾性マット５
２が貼着されている。またトップリング５１の下方に
は、上面に研磨布５６を貼ったターンテーブル５５が設
置されている。また把持板５１Ａには凹球面８２ａを有
する取付フランジ８２が固定されている。トップリング
５１の上方にはトップリングシャフト５８が配置されて
いる。トップリングシャフト５８の下端には、凹球面８
４ａを有する駆動軸フランジ８４が固定されている。そ
して、両凹球面８２ａ，８４ａ間には、球ベアリング５
７が介装されている。また、把持板５１Ａと取付フラン
ジ８２との間には空間８３が形成され、この空間８３に
真空、加圧空気、水等の液体が供給することができるよ
うになっている。

【００１０】トップリングシャフト５８はトップリング
ヘッド５９に固定されたトップリング用エアシリンダ
（図示せず）に連結されており、このトップリング用エ
アシリンダによってトップリングシャフト５８は上下動
し、トップリング５１の下端面に保持された半導体ウエ
ハＷをターンテーブル５５上の研磨布５６に押圧するよ
うになっている。トップリングシャフト５８はトップリ
ング用モータ（図示せず）に連結されており、このトッ
プリング用モータを回転駆動することによってトップリ
ング５１が回転する。

【００１１】押圧リング５３の上端部は、トップリング
ヘッド５９から周方向に等間隔の位置に吊り下げられた
押圧リング用エアシリンダ７２のそれぞれのロッドの先
端にに連結されている。従って、研磨中にトップリング
５１はトップリングシャフト５８の軸心まわりに回転す
るが、押圧リング５３は自身の軸線に対して非回転に構
成されている。トップリング用エアシリンダ及び押圧リ
ング用エアシリンダ７２は、それぞれレギュレータ（図
示せず）を介して圧縮空気源（図示せず）に接続されて
いる。

【００１２】上述したような押圧リングを用いると、ト
ップリングの押圧力とガイドリングの押圧力を適宜調整
することにより、半導体ウエハの中心部から周縁部、さ
らには半導体ウエハの外側にある押圧リングの外周部ま
での研磨圧力の分布を連続かつ均一にして、半導体ウエ
ハの外周部における研磨量の過不足を防止することがで
きる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】研磨工程が終了する
と、トップリングはターンテーブル面から上昇し、さら
に揺動して所定箇所で研磨済みウエハを受け渡して新た
なウエハを受け取る。この際、押圧リングは図６に示す
ようにトップリングの周辺部を上下に囲むようになって
いるので、トップリングと押圧リングが同期して上昇し
ないと上下のいずれかで接触する。両者がエアシリンダ
で駆動されているため、完全に同期して上昇するように
制御するのは難しいので、トップリング用エアシリンダ
を上昇させ、トップリングの上面と押圧リングの内側に
突き出す庇部との接触を検知してからトップリング用エ
アシリンダで全体を持ち上げるように制御されている。

【００１４】ところで、研磨工程が終了してトップリン
グが上昇する時に、トップリングの回転を完全に停止さ
せず、上昇した位置で低速回転させて水切りを行なう場
合がある。これは、トップリングやウエハに研磨液や洗
浄液が付着した状態で受け渡し位置まで移動させると、
これらの液が移動経路途中に滴下し、乾燥した後にパー
ティクルを生成し、これが舞い上がってウエハに付着し
て汚染源となる可能性があるからである。

【００１５】しかしながら、このように一方が回転し他
方が静止している２つの部材を接触させると、接触部に
おいて滑り摩擦による衝撃が発生し、部材の割れを誘起
したり、あるいは両部材が過度にこすれたり引っかかっ
たりする状態、いわゆる「かじり」が発生する。このた
めに、これらの部材の耐用期間が短縮され、頻繁に交換
しなければならず、部品コストの上昇と稼動効率の低下
を招いていた。

【００１６】本発明は、上述の事情に鑑みなされたもの
で、押圧リングとトップリングの間の衝撃や「かじり」
を防止又は軽減して、安定な稼動とコストの低下を図る
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、研磨面を有する研磨テーブルと、基板を保持し、こ
れを前記研磨面に押圧する基板保持部材と、前記基板保
持部材の周囲に配置され、該基板保持部材とは独立に研
磨面を押圧する押圧リングとを備え、前記押圧リングと
前記基板保持部材の少なくとも一方に、両者が相対上下
動した時にこれらの上下方向の接触面の間の摩擦を低減
する摩擦低減機構を設けたことを特徴とするポリッシン
グ装置である。

【００１８】これにより、両者が上下方向に相対移動し
て接触した場合でも、上下方向の接触面に作用する滑り
摩擦を低減させることができ、接触に起因する衝撃や
「かじり」を軽減又は防止して、安定な稼動と部品やメ
ンテナンスコストの低減を図ることができる。

【００１９】請求項２に記載の発明は、前記摩擦低減機
構は、回転可能に保持されたベアリングからなることを
特徴とする請求項１記載のポリッシング装置である。こ
のような構成により、充分な摩擦低減と高い耐用性を得
ることができる。

【００２０】請求項３に記載の発明は、前記ベアリング
は、円錐台状のローラであることを特徴とする請求項２
記載のポリッシング装置である。これにより、線接触に
よって衝撃を負担し、吸収することができ、充分な剛性
を得ることもできる。ローラの個数を変えることによ
り、衝撃を受ける面積を増減することができる。すなわ
ち、ローラの数を増やす方が衝撃を分散して、衝撃の偏
りを防ぐために、３つ以上を回転中心軸対称の配置で設
けることが望ましい。

【００２１】請求項４に記載の発明は、前記ベアリング
は、球体であることを特徴とする請求項２記載のポリッ
シング装置である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るポリッシング
装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図１およ
び図２において、符号１はトップリングであり、トップ
リング１は、把持板１Ａと、把持板１Ａの外周部にボル
トによって着脱可能に固定されたリテーナリング１Ｂと
からなり、把持板１Ａの下面とリテーナリング１Ｂによ
って半導体ウエハＷを収容する凹部１ａが形成されてい
る。

【００２３】トップリング１の下面には弾性マット２が
貼着されている。把持板１Ａおよびリテーナリング１Ｂ
の周囲には押圧リング３が上下動可能に設けられてい
る。また、トップリング１の下方には、上面に研磨布６
を貼ったターンテーブル５が設置されている。把持板１
Ａには凹球面３２ａを有する取付フランジ３２が固定さ
れている。トップリング１の上方にはトップリングシャ
フト８が配置されている。トップリングシャフト８の下
端には、凹球面３４ａを有する駆動軸フランジ３４が固
定されている。そして、両凹球面３２ａ，３４ａ間に
は、球ベアリング７が介装されている。

【００２４】把持板１Ａと取付フランジ３２との間には
空間３３が形成され、この空間３３に真空、加圧空気、
水等の液体を供給することができるようになっている。
把持板１Ａは空間３３と連通して下面に開口する多数の
連通孔３５を有している。弾性マット２も同様に連通孔
３５に対向する位置に貫通孔を有している。これによっ
て、半導体ウエハＷ（図１参照）の上面を真空によって
吸着可能であり、又、半導体ウエハＷの上面に液体又は
加圧空気を供給することができるようになっている。

【００２５】トップリングシャフト８はトップリングヘ
ッド９に固定されたトップリング用エアシリンダ１０に
連結されており、このトップリング用エアシリンダ１０
によってトップリングシャフト８は上下動し、トップリ
ング１の下端面に保持された半導体ウエハＷをターンテ
ーブル５に押圧するようになっている。

【００２６】また、トップリングシャフト８はキー（図
示せず）を介して回転筒１１に連結されており、この回
転筒１１はその外周部にタイミングプーリ１２を有して
いる。そして、タイミングプーリ１２は、タイミングベ
ルト１３を介して、トップリングヘッド９に固定された
トップリング用モータ１４に設けられたタイミングプー
リ１５に接続されている。したがって、トップリング用
モータ１４を回転駆動することによってタイミングプー
リ１５、タイミングベルト１３およびタイミングプーリ
１２を介して回転筒１１及びトップリングシャフト８が
一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリン
グヘッド９は、フレーム（図示せず）に固定支持された
トップリングヘッドシャフト１６によって支持されてい
る。

【００２７】トップリング１の周囲に設けられた押圧リ
ング３は、図２に示すように、最下位置にあってアルミ
ナセラミックからなる第１押圧リング部材３ａと、第１
押圧リング部材３ａの上方にあるステンレス鋼からなる
第２、第３押圧リング部材３ｂ，３ｃとから構成されて
いる。第２および第３押圧リング部材３ｂ，３ｃは、ボ
ルト（図示せず）によって相互に接続されており、第１
押圧リング部材３ａは第２押圧リング部材３ｂに接着等
によって固定されている。第１押圧リング部材３ａの下
端部は、研磨布６を押圧する押圧面３ｆになっている。

【００２８】第３押圧リング部材３ｃには、内側に突き
出す環状の庇部１００が設けられ、図３に示すように、
これにはエアシリンダ２２に対応する位置にシリンダロ
ッドへの取付部１０２が周方向等間隔に形成され、取付
部１０２の間の位置に、摩擦低減機構であるローラ１０
４を収容するローラ収容部１０６が設けられている。こ
のローラ収容部１０６は、庇部１００の該当部分が盛り
上がって下方が開いた収容空間を形成しているもので、
その内外壁の基部の間に跨ってローラ１０４の支持軸１
０８が取り付けられている。この支持軸１０８は、押圧
リング３のそのローラの設けられた点を通る直径と軸線
を含む平面内に有り、この実施の形態では、軸に直交す
る面に対して所定の角度θだけ傾斜している。

【００２９】ローラ１０４は、外側が大径であるような
円錐台として形成され、その頂角は２θになっており、
従って、その下側の稜線は水平になっている。そのロー
ラ１０４の軸線とローラ１０４の稜線を延長した線は、
押圧リング３の中心で交差している。これにより、ロー
ラ１０４がトップリング１のリテーナリング１Ｂの上面
に接触したときに、ローラ１０４の内外で径方向位置の
違いによる走行距離差がなくなり、ローラ１０４が滑り
（スリップ）なしに、従って、滑り摩擦なしに転動でき
るようになっている。ローラ１０４は、その下端の稜線
が庇部１００やローラ収容部１０６の内壁の下端より下
側に位置し、トップリング１が相対的に上昇した時にロ
ーラ１０４のみがリテーナリング１Ｂの上面に接触する
ようになっている。

【００３０】次に、このような構成のトップリング装置
の作用を説明する。研磨は、研磨布６上に砥液Ｑを供給
しつつ、トップリング１とターンテーブル５をそれぞれ
回転させ、エアシリンダ１０により半導体ウエハＷをタ
ーンテーブル５上の研磨布６に押圧して行なう。同様に
エアシリンダ２２によって押圧リング３をターンテーブ
ル５の研磨布６面上に押し付けて、研磨布６の弾性変形
やたるみによる「縁だれ」を防止する。これらの押圧力
は、それぞれのレギュレータＲ１，Ｒ２によって適当な
値に調整する。

【００３１】研磨が終了すると、トップリング１の回転
数を水切り用の低速回転数とし、押圧リング３用のエア
シリンダ２２の押圧力をフリーにし、トップリング１用
のエアシリンダ１０を動作させてトップリング１を上昇
させる。すると、トップリング１のリテーナリング１Ｂ
の上面がローラ１０４の下端に接触し、これにより押圧
リングが持ち上げられて一緒に上昇する。この際、トッ
プリング１の回転モーメントはローラ１０４に伝達され
て滑らかに吸収され、トップリング１と押圧リング３の
間に滑り摩擦として作用することが軽減あるいは防止さ
れる。従って、回転モーメントに起因する接触面におけ
る摩耗や衝撃の発生が防止され、部材の破損等の事故の
防止及びこれらの部材の耐用期間の延長等の効果を得る
ことができる。

【００３２】なお、この例ではローラを３つ設けたが、
４つ以上設けても良い。摩擦低減部材としてローラベア
リングを用いたが、球状ベアリングでも、スライドベア
リングでもよく、また適宜の摩擦軽減部材を用いてもよ
い。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
研磨工程の終了時に、トップリングが上昇する際に、ト
ップリングと押圧リングが接触した場合でも、上下方向
の接触面に作用する滑り摩擦を低減させることができ、
接触に起因する衝撃や「かじり」を軽減又は防止して、
安定な稼動と部品やメンテナンスコストの低減を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るポリッシング装置の第１の実施の
形態の全体構成を示す断面図である。

【図２】本発明に係るポリッシング装置の第１の実施の
形態の要部構成を示す断面図である。

【図３】図２のIII−III線矢視図である。

【図４】従来のポリッシング装置の概略構造を示す断面
図である。

【図５】従来のポリッシング装置における半導体ウエハ
と研磨布と弾性マットとの状態を示す拡大断面図であ
る。

【図６】従来のポリッシング装置の他の例の主要部を示
す図である。

【符号の説明】

１ トップリング １Ａ 把持板 １Ｂ リテーナリング ２ 弾性マット ３ 押圧リング ３ａ，３ｂ，３ｃ 押圧リング部材 ３ｆ 押圧面 ５ ターンテーブル ６ 研磨布 ７ 球ベアリング ８ トップリングシャフト ９ トップリングヘッド １０ トップリング用エアシリンダ １１ 回転筒 １２，１５ タイミングプーリ １３ タイミングベルト １４ トップリング用モータ １６ トップリングヘッドシャフト ２２ 押圧リング用エアシリンダ ２４ 圧縮空気源 ２５ 砥液供給配管 ３１ ボルト ３２ 取付フランジ ３２ａ，３４ａ 凹球面 ３３ 空間 ３４ 駆動軸フランジ ３５ 連通孔 ３６ ベアリング受けフランジ １００ 庇部 １０２ 取付部 １０４ ローラ １０６ ローラ収容部 １０８ 支持軸 Ｗ 半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小澤 秀和 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA09 AA12 AB04 BA05 BB04 CB05 CB06 DA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨面を有する研磨テーブルと、 基板を保持し、これを前記研磨面に押圧する基板保持部
   材と、 前記基板保持部材の周囲に配置され、該基板保持部材と
   は独立に研磨面を押圧する押圧リングとを備え、 前記押圧リングと前記基板保持部材の少なくとも一方
   に、両者が相対上下動した時にこれらの上下方向の接触
   面の間の摩擦を低減する摩擦低減機構を設けたことを特
   徴とするポリッシング装置。
2. 【請求項２】 前記摩擦低減機構は、回転可能に保持さ
   れたベアリングからなることを特徴とする請求項１記載
   のポリッシング装置。
3. 【請求項３】 前記ベアリングは、円錐台状のローラで
   あることを特徴とする請求項２記載のポリッシング装
   置。
4. 【請求項４】 前記ベアリングは、球体であることを特
   徴とする請求項２記載のポリッシング装置。