JP2000218524A - 平面研磨装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物を全面に渡り高い精度で平坦に加工
することができ、装置の大型化とランニングコストの増
大を招くことがない平面研磨装置を提供する。 【解決手段】 ウエーハ１はターンテーブル２上に保持
される。ターンテーブル２の上方には研磨工具３が配置
される。研磨工具３の直径はウエーハ１の直径と比べて
小さい。研磨工具３は、研磨ヘッド４の主軸５に取り付
けられ回転駆動される。研磨ヘッド４は、揺動ブラケッ
ト６の先端に取り付けられ、コラム１１を旋回軸にして
往復揺動を行う。ウエーハ１を回転させた状態で、研磨
工具３を回転させてウエーハ１に対して押し付け、更
に、研磨工具３を往復揺動させることによって、ウエー
ハ１の全面を研磨する。このとき、研磨ヘッド４の揺動
角度を検出し、検出された値に応じて研磨ヘッド４の揺
動角速度を制御することによって、ウエーハ１の周縁部
での研磨速度を中央部での研磨速度に一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエーハな
どの円板上の被加工物の表面を平坦に加工する際に使用
される平面研磨装置に係り、特に、被加工物の直径と比
較して小さな直径の研磨工具を用いるタイプの平面研磨
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエーハの表面を平坦に加工する
平面研磨装置として、ＣＭＰ装置（Chemical Mechanica
l Polishing Machine）が広く使用されている。

【０００３】ＣＭＰ装置を使用して大口径のウエーハの
表面を平坦に加工する場合、ウエーハの直径と比較して
小さな直径の研磨工具が使用されている。この様なタイ
プのＣＭＰ装置では、ターンテーブル上にウエーハを保
持するとともに、研磨ヘッドの先端に研磨工具を装着
し、この研磨工具をターンテーブルと同一方向に回転さ
せながらウエーハに対して押し付けるとともに、これを
ターンテーブル上で揺動運動をさせて、ウエーハ表面全
体の研磨を行っている。

【０００４】また、研磨工具の位置を固定して、ターン
テーブル側を水平面内で往復運動させる方式を採用した
ＣＭＰ装置もある。

【０００５】この様なタイプのＣＭＰ装置では、ウエー
ハの周縁部を研磨する際に、研磨工具の一部がウエーハ
面から外側に外れることになる。このため、ウエーハの
周縁部における平坦度を確保するため、次の様な対策が
取られている。

【０００６】（ａ）ウエーハの外周に沿って、リング状
のダミー材をセットし、このダミー材をウエーハととも
に研磨することにより、ウエーハの周縁部における平坦
度を確保する。

【０００７】（ｂ）ウエーハに対する研磨工具の上下方
向位置を、ボールネジ機構とサーボモータを用いた駆動
機構によって数値制御し、研磨工具の一部がウエーハ面
から外れる揺動角度範囲において、研磨工具の位置を僅
かに上方に移動させる。

【０００８】（ｃ）研磨工具の上下方向及び水平方向の
位置を固定し、この状態でターンテーブル側を水平面内
で往復運動させる。

【０００９】（従来技術の問題点） （ａ）ダミー材を使用する方法では、ウエーハ一枚毎に
ダミー材を用意しなければならず、ランニングコストが
高く付く。また、ウエーハの厚みにはバラツキがあるの
で、ダミー材の厚みをウエーハの厚みに正確に一致させ
ることは容易ではない。

【００１０】（ｂ）揺動角度に基づいて研磨工具の上下
方向の位置を制御する方法では、上下方向の位置は、制
御プログラムによって一律に設定されることになる。従
って、初期の厚みや変形状態がそれぞれ微妙に異なる個
々のウエーハに対して、常に最適な条件を実現すること
はできない。

【００１１】（ｃ）ターンテーブル側を水平面内で往復
運動させる方法では、高精度の真直案内面と送り機構が
必要となり、装置が大型化し、装置の製作コストの増大
を招く。

【００１２】（ｄ）更に、ウエーハはターンテーブル上
に装着されて回転しているので、ウエーハ表面の周速度
は、その中心部と周縁部で異なっている。従って、ウエ
ーハ表面と研磨工具との間の相対速度も、その中心部と
周縁部で異なっている。その結果、ウエーハの中心部に
おける研磨面積に対する研磨時間が、周縁部における研
磨時間より長くなり、ウエーハ中心部の加工量がウエー
ハ周縁部より高くなり、ウエーハの平坦度が損なわれる
ことになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、被加工物よ
りも小さな直径の研磨工具を用いるタイプの平面研磨装
置における、以上の様な問題点に鑑み成されたもので、
本発明の目的は、被加工物の表面をその全面に渡って高
い精度で平坦に加工することが可能で、初期の厚みや変
形状態がそれぞれ微妙に異なる個々の被加工物に対して
も適応することができ、且つ装置の製作コスト及びラン
ニングコストの増大を招くことが少ない平面研磨装置を
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の平面研磨装置
は、上面に円板状の被加工物が保持されるターンテーブ
ルと、ターンテーブルに対向してその上方に配置され、
下面に被加工物よりも小さな直径の研磨工具が装着さ
れ、研磨工具を回転しながら被加工物に対して押し付け
るとともに、ターンテーブル上で揺動運動をさせる研磨
ヘッドと、を備えた平面研磨装置において、前記研磨ヘ
ッドの揺動角度を検出する角度検出器と、検出された揺
動角度に基づいて、予め設定されたパターンに従って、
前記研磨工具の揺動角速度を制御する制御機構とを備え
たことを特徴とする。

【００１５】また、本発明の平面研磨方法は、ターンテ
ーブルの上面に円板状の被加工物を保持し、ターンテー
ブルに対向してその上方に配置された研磨ヘッドの下面
に、被加工物よりも小さな直径の研磨工具を装着し、研
磨工具を回転しながら被加工物に対して押し付けるとと
もに、ターンテーブル上で揺動運動をさせて、被加工物
の表面の研磨を行う平面研磨方法において、前記研磨ヘ
ッドの揺動角度を検出し、検出された揺動角度に基づい
て、予め設定されたパターンに従って、前記研磨工具の
揺動角速度を制御することを特徴とする。

【００１６】被加工物の表面の周速度は、その中心部と
周縁部とで異なっているので、被加工物の表面と研磨工
具との間の相対速度も、その中心部と周縁部とで異なっ
ている。本発明の平面研磨装置及び方法によれば、検出
された揺動角度に基づいて研磨工具の揺動角速度を制御
することによって、この様な相対速度の相違に起因する
研磨速度の相違を打ち消すこともできる。

【００１７】更に、本発明の平面研磨装置及び方法によ
れば、被加工物の周縁部を研磨する際、研磨工具の一部
が被加工物の表面から外側に外れた状態の時に、研磨工
具の揺動角速度を、研磨工具と被加工物の表面の間の接
触面積に応じて制御することによって、両者の間での接
触面圧の相違に起因する研磨速度の相違を打ち消すこと
ことができる。

【００１８】これにより、被加工物の周縁部における研
磨速度を、中心部における研磨速度に一致させ、その結
果、被加工物をその全面に渡って平坦に研磨することが
可能になる。

【００１９】なお、上記の装置及び方法において、揺動
角度に基づいて前記研磨工具の揺動角速度を制御する代
わりに、揺動角度に基づいて被加工物に対する前記研磨
工具の押し付け力を制御することによって、被加工物の
周縁部における研磨速度を、中心部における研磨速度に
一致させることもできる。

【００２０】更に、前記研磨工具の揺動角速度の制御と
押し付け力の制御とを併用すれば、被加工物の平坦度を
より高めることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に基づく枚葉式の
ＣＭＰ装置の一例を示す。図中、１はウエーハ、２はタ
ーンテーブル、３は研磨工具、４は研磨ヘッドを表す。

【００２２】ウエーハ１は、ターンテーブル２の上面に
保持される。ターンテーブル２の直径は、ウエーハ１の
直径と比べて僅かに大きい。ターンテーブル２の上方に
は、ターンテーブル２と対向する様に研磨工具３が配置
される。研磨工具３の直径は、ウエーハ１の直径と比べ
て小さい。

【００２３】研磨工具３は、研磨ヘッド４の中心部を貫
通する主軸５の下端に取り付けられる。主軸５は、研磨
ヘッド４の内部に設けられた軸貫通式のダイレクトドラ
イブ方式のモータ（図示せず）によって回転駆動され
る。

【００２４】研磨ヘッド４は、揺動ブラケット６の先端
部に設けられた案内面に取り付けられ、この案内面に沿
って上下方向に移動することができる。揺動ブラケット
６の先端部の上部には、エアシリンダ７が搭載されてい
る。ウエーハ１の研磨を行う際、エアシリンダ７から研
磨ヘッド４を介して研磨工具３に下向きの押し付け力が
与えられる。

【００２５】揺動ブラケット６の後端側は、ベアリング
ケース８及びクロスローラベアリング９を介して、コラ
ム１１の周りに支持されている。これによって、研磨ヘ
ッド４は、コラム１１を旋回軸にして往復揺動を行うこ
とができる。

【００２６】上記の装置において、ターンテーブル２を
駆動してウエーハ１を回転させた状態で、研磨工具３を
回転させてウエーハ１に対して押し付け、更に、研磨工
具３をウエーハ１の表面上で端から端まで往復揺動させ
ることによって、後述の様にウエーハ１の表面を平坦に
加工することができる。

【００２７】なお、図１に示した例において、下部のベ
アリングは、大径のクロスローラベアリング９であり、
充分な予圧をかけることができる。一方、上部のベアリ
ングは、予圧方式のベアリングであって、そのベアリン
グケース８は、揺動ブラケット６に対してラジアル方向
に微調整できる様に構成されている。

【００２８】この様に構成することによって、揺動ブラ
ケット６の旋回軸とターンテーブル２の回転軸との間の
平行度を高い精度で確保することができるので、研磨工
具３を往復揺動させる際における、研磨工具３とウエー
ハ１表面との間の平行度を高い精度で確保することがで
きる。なお、上部のベアリングケース８の微調整は、加
工精度を補正する程度の微小量なので、下部のクロスロ
ーラベアリング９に悪影響を及ぼすおそれはない。

【００２９】以上の様に構成することによって、大口径
のウエーハ研磨用のＣＭＰ装置を、比較的コンパクトな
サイズに収めることができる。

【００３０】次に、上記のＣＭＰ装置の制御方法につい
て説明する。

【００３１】上述の様に、研磨工具３を往復揺動させな
がら、ウエーハ１の表面の研磨を行うが、往復揺動の際
の折り返し点は、両側とも、研磨工具３の全体がウエー
ハ１の端から外れ、ウエーハ１と接触しなくなるまで行
き過ぎた位置とする。

【００３２】平坦な面を得るには、研磨工具３とウエー
ハ１との間の接触状態をなるべく変えないで連続的に加
工を続ける方が良い。

【００３３】先ず、等速度で回転しているターンテーブ
ル２の周速度は、中央近傍と周縁部とでは当然異なって
いる。従って、研磨ヘッド４（従って研磨工具３）の揺
動角度位置が、ウエーハ１の周縁部から中央近傍へ、次
いで中央近傍から周縁部へと移るに従い、研磨ヘッド４
の揺動角速度を、図２に示す実線の様に変化させ、極
力、研磨工具３とウエーハ１の単位面積当たりの接触時
間を均一に保つようにする。

【００３４】更に、研磨工具３がウエーハ１の周縁部の
近傍に来ると、研磨工具３とウエーハ１との間の接触面
積が減り、接触状態に変化が起きるので、研磨ヘッド４
の揺動角速度を、図２の点線の様に変化させて補正する
ことも可能である。

【００３５】次に、研磨工具３がウエーハ１の周縁部に
来ると、研磨工具３とウエーハ１との間の接触面積が減
少し、同じ押し付け力をそのまま与え続けると、接触面
圧が増大して、研磨され過ぎてしまう。従って、押し付
け力を、図３に示す様に変化させて調整すれば、ウエー
ハ１の周縁部を中央部と同等に加工することが可能にな
る。

【００３６】なお、図２に示した揺動角度対揺動角速度
の特性曲線は、シミュレーションあるいは実験結果に基
づいて、制御プログラム上で設定されるものであり、個
々のウエーハには無関係に一律的に決まるものである。

【００３７】一方、図３に示した揺動角度対押し付け力
の特性曲線は、同じく、シミュレーションあるいは実験
結果に基づいて設定されるものではあるが、個々のウエ
ーハに直接研磨工具がタッチした状態を原点として調整
されるので、厚さや変形状態がそれぞれ微妙に異なる個
々のウエーハに対して、個々にリアルタイムで適応でき
るものである。

【００３８】

【発明の効果】本発明の平面研磨装置によれば、被加工
物の直径よりも小さな直径の研磨工具を用いて、被加工
物の表面をその全面に渡って高い精度で平坦に加工する
ことができる。

【００３９】また、本発明の平面研磨装置は、被加工物
の初期の厚みや変形状態が個々にそれぞれ微妙に異なっ
ている場合であっても、その影響を受けずに、それらを
高い精度で平坦に加工することができる。

【００４０】更に、本発明の平面研磨装置は、ダミー材
を使用しないので、ランニングコストの増大を招くこと
がなく、研磨ヘッド側を往復揺動させているので、比較
的コンパクトに装置を構成することが可能で、装置の製
作コストの増大を招くことも少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくＣＭＰ装置の構成の一例を示す
模式図、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。

【図２】本発明に基づくＣＭＰ装置における研磨ヘッド
の揺動角速度の制御方法を示す図。

【図３】本発明に基づくＣＭＰ装置における研磨ヘッド
の押し付け力の制御方法を示す図。

【符号の説明】

１・・・ウエーハ、 ２・・・ターンテーブル、 ３・・・研磨工具、 ４・・・研磨ヘッド、 ５・・・主軸、 ６・・・揺動ブラケット、 ７・・・エアシリンダ、 ８・・・ベアリングケース、 ９・・・クロスローラベアリング、 １１・・・コラム。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上面に円板状の被加工物が保持されるタ
   ーンテーブルと、 ターンテーブルに対向してその上方に配置され、下面に
   被加工物よりも小さな直径の研磨工具が装着され、研磨
   工具を回転しながら被加工物に対して押し付けるととも
   に、ターンテーブル上で揺動運動をさせる研磨ヘッド
   と、 を備えた平面研磨装置において、 前記研磨ヘッドの揺動角度を検出する角度検出器と、 検出された揺動角度に基づいて、予め設定されたパター
   ンに従って、前記研磨工具の揺動角速度を制御する制御
   機構とを備えたことを特徴とする平面研磨装置。
2. 【請求項２】 上面に円板状の被加工物が保持されるタ
   ーンテーブルと、 ターンテーブルに対向してその上方に配置され、下面に
   被加工物よりも小さな直径の研磨工具が装着され、研磨
   工具を回転しながら被加工物に対して押し付けるととも
   に、ターンテーブル上で揺動運動をさせる研磨ヘッド
   と、 を備えた平面研磨装置において、 前記研磨ヘッドの揺動角度を検出する角度検出器と、 検出された揺動角度に基づいて、予め設定されたパター
   ンに従って、前記被加工物に対する前記研磨工具の押し
   付け力を制御する制御機構とを備えたことを特徴とする
   平面研磨装置。
3. 【請求項３】 上面に円板状の被加工物が保持されるタ
   ーンテーブルと、 ターンテーブルに対向してその上方に配置され、下面に
   被加工物よりも小さな直径の研磨工具が装着され、研磨
   工具を回転しながら被加工物に対して押し付けるととも
   に、ターンテーブル上で揺動運動をさせる研磨ヘッド
   と、 を備えた平面研磨装置において、 前記研磨ヘッドの揺動角度を検出する角度検出器と、 検出された揺動角度に基づいて、予め設定されたパター
   ンに従って、前記研磨工具の揺動角速度及び前記被加工
   物に対する押し付け力を制御する制御機構とを備えたこ
   とを特徴とする平面研磨装置。
4. 【請求項４】 ターンテーブルの上面に円板状の被加工
   物を保持し、 ターンテーブルに対向してその上方に配置された研磨ヘ
   ッドの下面に、被加工物よりも小さな直径の研磨工具を
   装着し、 研磨工具を回転しながら被加工物に対して押し付けると
   ともに、ターンテーブル上で揺動運動をさせて、被加工
   物の表面の研磨を行う平面研磨方法において、 前記研磨ヘッドの揺動角度を検出し、 検出された揺動角度に基づいて、予め設定されたパター
   ンに従って、前記研磨工具の揺動角速度を制御すること
   を特徴とする平面研磨方法。
5. 【請求項５】 ターンテーブルの上面に円板状の被加工
   物を保持し、 ターンテーブルに対向してその上方に配置された研磨ヘ
   ッドの下面に被加工物よりも小さな直径の研磨工具を装
   着し、 研磨工具を回転しながら被加工物に対して押し付けると
   ともに、ターンテーブル上で揺動運動をさせて、被加工
   物の表面の研磨を行う平面研磨方法において、 前記研磨ヘッドの揺動角度を検出し、 検出された揺動角度に基づいて、予め設定されたパター
   ンに従って、前記被加工物に対する前記研磨工具の押し
   付け力を制御することを特徴とする平面研磨方法。
6. 【請求項６】 ターンテーブルの上面に円板状の被加工
   物を保持し、 ターンテーブルに対向してその上方に配置された研磨ヘ
   ッドの下面に、被加工物よりも小さな直径の研磨工具を
   装着し、 研磨工具を回転しながら被加工物に対して押し付けると
   ともに、ターンテーブル上で揺動運動をさせて、被加工
   物の表面の研磨を行う平面研磨方法において、 前記研磨ヘッドの揺動角度を検出し、 検出された揺動角度に基づいて、予め設定されたパター
   ンに従って、前記研磨工具の揺動角速度及び前記被加工
   物に対する押し付け力を制御することを特徴とする平面
   研磨方法。