JP2002239896A - 平面研磨装置および平面研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークの平坦度や面粗度の精度を向上させ、
歩留まりを良好なものとすることができるようにする。 【解決手段】 この発明の平面研磨装置１は、ワーク１
０を上面に回転可能に保持する下定盤２と、下定盤２の
上方に配置された研磨ヘッド部７と、研磨ヘッド部７に
上下動および回転を行わせるヘッド駆動部８と、研磨ヘ
ッド部７とヘッド駆動部８とを一体に上下動させる上下
移動部４，５と、制御部１Ａと、を備え、制御部１Ａ
は、ワーク１０の平面研磨時に、上下移動部４，５を駆
動し研磨ヘッド部７とヘッド駆動部８とを一体に下降さ
せて研磨ヘッド部７の下面をワーク１０に近づけ、また
ヘッド駆動部８を駆動し研磨ヘッド部７を下降させてワ
ーク１０に研磨ヘッド部７を押し当て、研磨ヘッド部
７、下定盤２を回転させつつワーク１０に平面研磨を行
う、ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、平板状のワーク
の平面研磨を行う平面研磨装置および平面研磨方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウェーハなどの平板状のワ
ークに平面研磨を行い、ワークの表面を平坦化する平面
研磨装置が、例えばＣＭＰ装置（ケミカルメカニカルポ
リッシング装置）として知られている。

【０００３】図９は従来の平面研磨装置の一例を概略的
に示す図である。図において、平面研磨装置１００は、
回転可能な下定盤１０２と、その下定盤１０２の上方に
回転および揺動可能に配置された研磨ヘッド部１０３と
を備え、研磨加工時には、ワーク１０１を下定盤１０２
の上面に保持する一方、エアシリンダ１０４のピストン
１０４ａを長く伸ばして、その先端の研磨ヘッド部１０
３の下面をワーク１０１に押し付け、下定盤１０２およ
び研磨ヘッド部１０３を回転させつつ、また研磨ヘッド
部１０３を揺動させつつ平面研磨を行うようになってい
る。加工完了後は、エアシリンダ１０４はピストン１０
４ａを縮退させ、研磨ヘッド部１０３を上方に引き上げ
る。

【０００４】このように、従来の平面研磨装置１００に
おいて、エアシリンダ１０４のストロークを長く設定す
るのは、次のような理由によるものである。すなわち、
下定盤１０２のメンテナンス、例えば下定盤下部に用い
られているベアリングの補修等の場合、下定盤１０２を
一旦上方に引き上げる必要があり、下定盤１０２の上方
にそのための比較的広い空間を確保しなければならない
ためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のよう
に、エアシリンダ１０４のストロークを長く設定してい
ると、ピストン先端の研磨ヘッド部１０２は回転時に振
れ回るようになり、また、研磨ヘッド部１０２は揺動し
ているため、その振れ回りはさらに複雑な動きとなり、
そのために、安定した研磨が行えず、スリップロスや研
磨ロス、ビビリ等の種々の不具合が発生していた。これ
らは半導体ウェーハ表面の平坦度や面粗度を悪化させ、
不良品発生による歩留まりの悪化を招き、また半導体と
しての電気的特性にも悪影響を及ぼしていた。

【０００６】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
ワークの平坦度や面粗度の精度を向上させ、歩留まりを
良好なものとすることができ、また半導体としての電気
的特性も向上させることができる平面研磨装置および平
面研磨方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、平板状のワークの平面研
磨を行う平面研磨装置において、上記ワークを上面に回
転可能に保持する下定盤と、上記下定盤に対向してその
上方に配置された研磨ヘッド部と、上記研磨ヘッド部に
上下動および回転を行わせるヘッド駆動部と、上記研磨
ヘッド部とヘッド駆動部とを一体に上下動させる上下移
動部と、装置の動作を制御する制御部と、を備え、上記
制御部は、ワークの平面研磨時に、上下移動部を駆動し
研磨ヘッド部とヘッド駆動部とを一体に下降させて研磨
ヘッド部の下面をワークに近づけ、またヘッド駆動部を
駆動し研磨ヘッド部を下降させて下定盤に保持されてい
るワークに研磨ヘッド部の下面を押し当て、研磨ヘッド
部および下定盤を回転させつつワークに平面研磨を行
う、ことを特徴としている。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、平板状の
ワークの平面研磨を行う平面研磨装置において、上記ワ
ークを上面に回転可能に保持する下定盤と、上記下定盤
に対向してその上方に配置された研磨ヘッド部と、上記
研磨ヘッド部に上下動および回転を行わせるヘッド駆動
部と、上記研磨ヘッド部とヘッド駆動部とを一体に収納
する収納部と、上記収納部を収納し水平方向揺動可能に
支持する支持体と、上記支持体に支持されている収納部
を水平方向に揺動させる揺動駆動部と、上記支持体をそ
の内部の収納部と一体に上下動させる支持体駆動部と、
装置の動作を制御する制御部と、を備え、上記制御部
は、ワークの平面研磨時に、支持体駆動部を駆動し支持
体を下降させて研磨ヘッド部の下面をワークに近づけ、
またヘッド駆動部を駆動し研磨ヘッド部を下降させて、
下定盤に保持されているワークに研磨ヘッド部の下面を
押し当て、研磨ヘッド部および下定盤を回転させつつ、
また揺動駆動部を駆動し収納部と一体に研磨ヘッド部の
下面を揺動させつつ、ワークに平面研磨を行う、ことを
特徴としている。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、平板状の
ワークの平面研磨を行う平面研磨方法において、上記ワ
ークを下定盤の上面に回転可能に保持し、上記下定盤に
対向してその上方に配置された研磨ヘッド部と、その研
磨ヘッド部に上下動および回転を行わせるヘッド駆動部
とを一体に下降させて研磨ヘッド部の下面をワークに近
づけ、上記ヘッド駆動部を駆動し研磨ヘッド部を下降さ
せて下定盤に保持されているワークに研磨ヘッド部の下
面を押し当て、上記研磨ヘッド部および下定盤を回転さ
せつつワークに平面研磨を行う、ことを特徴としてい
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００１１】図１はこの発明の平面研磨装置の構成を示
す正面図、図２は装置上半側を示す背面図、図３は装置
上半側を示す側面図、図４は図１のＩ−Ｉ線断面図、図
５は図１のＩＩ−ＩＩ線断面を概略的に示す図、図６は
下定盤の構成を示す正面断面図である。

【００１２】これらの図において、この発明の平面研磨
装置１は、平板状のワーク１０に平面研磨を行い、その
表面に平坦加工を施す装置であり、筐体１１内に装置各
部が配置されて構成されている。この筐体１１は、前面
側に設けた扉（図示省略）によって前面の大部分が開放
可能となっている。筐体１１には、中央から少し下方に
棚板１１ｍが水平に設けられ、この棚板１１ｍには、下
定盤２が配設されている。

【００１３】また、筐体１１の天板１１ｃにはエアシリ
ンダ４が立設され、そのピストン４１が天板１１ｃから
突き出して筐体１１内に伸縮自在となっている。このピ
ストン４１の下端には、筐体１１内に収納され前面が開
放した箱状の支持体（昇降フレーム）５が固設縣装され
ている（図３）。

【００１４】この支持体５の両側の側壁５ａ，５ａの外
面には突き出して凹状部材５１，…が添設され、一方、
筐体１１の両側の側壁１１ａ，１１ａの上半側には突条
９，…が垂直方向に設けられ、突条９に凹状部材５１が
嵌入している（図１、図５）。そして、支持体５は、エ
アシリンダ４の駆動に応じて、筐体１１側の突条９に沿
って上下動自在となっている。

【００１５】この支持体５の背壁５ｂには、図３および
図５に示すように、モータ５Ｍと、モータ５Ｍの回転駆
動をベルト５５で伝達されて回転するネジ５６と、その
ネジ５６に螺合するナット５７とが設けられている。ナ
ット５７は、後述する収納部６の背壁６ｂに固定されて
おり、ネジ５６の回転に応じてナット５７が移動する
と、その移動と一体に収納部６が移動するように構成さ
れている。

【００１６】この支持体５の内部にはさらに、上記の収
納部（左右揺動フレーム）６が配設されている。この収
納部６は、支持体５と同様に、前面が開放した箱状のも
のである。この収納部６には、図３および図４に示すよ
うに、その背壁６ｂの外面に突き出して凹状部材６１
が、また底壁６ｄの外面に突き出して凹状部材６２，…
がそれぞれ添設され、一方、支持体５の背壁５ｂの内面
には突条５２が、また底壁５ｄの内面にも突条５３が、
それぞれ水平方向に突設され、凹状部材６１，６２に突
条５２，５３がそれぞれ嵌入している。そして、収納部
６は、上記のモータ５Ｍの回転駆動に基づいて移動する
ナット５７と一体に移動する際に、支持体５側の突条５
２，５３，５３に沿って案内され、下定盤２の上面に平
行な面内で揺動運動（往復運動）ができるようになって
いる。

【００１７】この収納部６には、研磨ヘッド部７とヘッ
ド駆動部８とが、並列に２系列収納されている。なお、
この２系列は同一の構成を備えているので、以下の説明
では、一方の系列のみ説明し、他方の系列には、同一の
符号を付してその説明を省略する。

【００１８】ヘッド駆動部８は、モータ８Ｍと低摺動エ
アーシリンダ８Ｓとを備え、これらは収納部６の上壁６
ｃに載置固定されている。モータ８Ｍの回転軸は収納部
６の内方に延出し、その下半側に駆動ギヤ８１が取り付
けられている。一方の低摺動エアーシリンダ８Ｓは、そ
のピストン８５が収納部６の内方に延出するとともに、
そのまま収納部６の底壁６ｄ、および支持体５の底壁５
ｄを突き抜けて配置され、そのピストン８５の下端側
に、押圧用プレート７１と研磨具７２とからなる研磨ヘ
ッド部７が取り付けられている。

【００１９】ピストン８５には、その外周にベアリング
機構（図示省略）を介して回転円筒軸８５ａが周設さ
れ、この回転円筒軸８５ａに、上記の駆動ギヤ８１に歯
合する被駆動ギヤ８６が軸着されている。したがって、
低摺動エアーシリンダ８Ｓのピストン８５は、上下動の
み行い、回転は回転円筒軸８５ａが独立して行うように
なっている。この回転円筒軸８５ａはさらに、軸受８７
を介して収納部６の底壁６ｄに精度良く位置決めされ、
振れ回りが発生しないようになっている。なお、上記し
た収納部６の揺動に応じて、このピストン８５も一体に
揺動するが、そのピストン８５の動きを確保するため
に、支持体５の底壁５ｄには、長孔５８が穿設されてい
る（図５）。また、ピストン８５の、底壁５ｄより下方
部分はピストン保護用ジャバラ８８で覆われている。

【００２０】筐体１１の底板１１ｎには、モータ２Ｍが
載置され、このモータ２Ｍの回転駆動はギヤ列２５およ
び伝達部材２６を介して下定盤２に伝達される。伝達部
材２６は、棚板１１ｍ中央の設置用孔１１ｈに配されて
ベアリング２１を介して棚板１１ｍ側に回転自在に支持
され、また、下定盤２はその裏面側がベアリング２２を
介して棚板１１ｍに回転自在に支持されている。そし
て、このベアリング２２にはボルトがアジャスタ２３，
…として適宜設けられ、このアジャスタ２３を締め付け
たり緩めたりすることで、その上方の下定盤２の水平度
を高精度に調整できるようになっている。

【００２１】また、この筐体１１には、隣接して制御装
置１Ａが配置され、この制御装置１Ａは、エアシリンダ
４や低摺動エアーシリンダ８Ｓ、モータ２Ｍ、モータ８
Ｍ、モータ５Ｍ等に接続され、また位置センサ等の各種
検出器に接続され、それらと間で信号の授受を行うこと
で、所定のプログラムに従い平面研磨装置１の全体動作
を制御している。その制御手順を図７および図８を併用
して説明する。

【００２２】すなわち、制御装置１Ａは、次の手順でワ
ーク（例えば半導体ウェーハ）１０に平坦加工を施す。
先ず、図１に示すように研磨ヘッド部７が上方に引き上
げられている状態で、モータ８Ｍを駆動して研磨ヘッド
部７を回転させ、またモータ２Ｍを駆動して下定盤２を
回転させる。なお、ワーク１０は予め下定盤２の上面に
固定し保持されているとする。次に、エアシリンダ４を
駆動してピストン４１を伸長させ、それによって支持体
５を、図７に示すように、大幅に（例えば２５０ｍｍ程
度）下降させ、研磨ヘッド部７の下面（研磨具７２の下
面）をワーク１０に近づける。このとき、研磨ヘッド部
７の下面は、図７の右側系列に示すような位置まで、ワ
ーク１０に接近している。

【００２３】続いて、制御装置１Ａは、低摺動エアーシ
リンダ８Ｓを駆動してピストン８５を伸長させ、研磨ヘ
ッド部７を、例えば５０ｍｍ程度下降させる。この研磨
ヘッド部７の下降により、研磨ヘッド部７の下面は、図
７の左側系列に示すように、ワーク１０に回転しつつ押
し当てられる。

【００２４】また、研磨ヘッド部７の下面がワーク１０
に押し当てられた後か、押し当てられる前の適当な時期
に、モータ５Ｍを駆動し、図８に示すように、収納部６
を揺動させる。それによって、収納部６と一体に構成さ
れている研磨ヘッド部７の下面は、下定盤２の上面に平
行な面内で揺動する。

【００２５】このようにして、ワーク１０は、下定盤２
の上面と研磨ヘッド部７の下面との間で圧迫されつつ、
それらの回転運動を受け、また研磨ヘッド部７の揺動運
動を受け、それによって平坦に加工される。

【００２６】以上述べたように、この発明の実施形態で
は、ワーク１０の平坦加工時に、支持体５を大幅に下降
させ、その段階からさらに低摺動エアーシリンダ８Ｓの
ピストン８５を伸長させて研磨ヘッド部７の下面をワー
ク１０に押し当てるようにしたので、低摺動エアーシリ
ンダ８Ｓはわずかの距離だけピストン８５を伸長すれば
よい。このため、研磨ヘッド部７の振れ回りを大幅に小
さくすることができ、従来この振れ回りによって発生し
ていたスリップロスや研磨ロス、ビビリ等の種々の不具
合を防止することができ、安定した研磨を行うことがで
きる。したがって、ワーク１０表面の平坦度や面粗度を
向上させることができ、加工不良を低減して歩留まりを
良好なものとすることができる。またワーク１０の半導
体としての電気的特性も向上させることができる。

【００２７】さらに、加工完了後は、支持体５の上昇、
また研磨ヘッド部７自体の上昇により、下定盤２の上方
に、その下定盤２を上方に引き上げるに十分な広い空間
（例えば下定盤２から研磨ヘッド部７の下面まで３００
ｍｍ）を確保することができ、したがって、下定盤側の
メンテナンス作業も容易に行うことができる。

【００２８】なお、上記の説明では、支持体５の下降に
続いて研磨ヘッド部７自体の下降を行わせるようにした
が、それは同時に行ってもよいし、場合によっては逆に
研磨ヘッド部７自体の下降後、支持体５の下降を行うよ
うに構成してもよい。

【００２９】また、収納部６の揺動を往復運動とした
が、この往復運動は直線運動でなくともよく、案内用の
突条を曲線としその突条に沿って曲線を画くような揺動
でもよい。

【００３０】また、ワーク１０を下定盤２に固定するよ
うにしたが、研磨ヘッド部７の下面に固定して加工を行
うようにしてもよい。

【００３１】さらに、支持体５の上下動を低摺動エアー
シリンダで行うようにしたが、サーボ機構等の他の往復
動手段を用いるように構成してもよい。また同様に、研
磨ヘッド部７の上下動をエアシリンダで行うようにした
が、これも、例えばサーボ機構のような他の往復動手段
を用いるように構成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の平面研
磨装置および平面研磨方法によれば、ワークの平面研磨
時に、支持体を下降させて研磨ヘッド部の下面をワーク
に近づけ、また研磨ヘッド部自体を下降させて、ワーク
に研磨ヘッド部の下面を押し当てるようにしたので、ワ
ークに押し当てるまでに研磨ヘッド部自体はわずかの距
離だけ伸ばせばよいこととなる。このため、研磨ヘッド
部の振れ回りを大幅に小さくすることができ、従来この
振れ回りによって発生していたスリップロスや研磨ロ
ス、ビビリ等の種々の不具合を防止することができ、安
定した研磨を行うことができる。したがって、ワーク表
面の平坦度や面粗度を向上させることができ、加工不良
を低減して歩留まりを良好なものとすることができる。
またワークの半導体としての電気的特性も向上させるこ
とができる。

【００３３】さらに、加工完了後は、支持体の上昇、ま
た研磨ヘッド部自体の上昇により、下定盤の上方に、そ
の下定盤を上方に引き上げるに十分な広い空間を確保す
ることができ、したがって、下定盤側のメンテナンス作
業も容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の平面研磨装置の構成を示す正面図で
ある。

【図２】装置上半側を示す背面図である。

【図３】装置上半側を示す側面図である。

【図４】図１のＩ−Ｉ線断面図である。

【図５】は図１のＩＩ−ＩＩ線断面を概略的に示す図で
ある。

【図６】下定盤の構成を示す正面断面図である。

【図７】支持体が下降した状態を示す正面図である。

【図８】揺動する収納部を示す正面図である。

【図９】従来の平面研磨装置の一例を概略的に示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 平面研磨装置 １Ａ 制御装置 ２ 下定盤 ２Ｍ モータ ４ エアシリンダ ４１ ピストン ５ 支持体 ５Ｍ モータ ５ａ 側壁 ５ｂ 背壁 ５ｄ 底壁 ５１ 凹状部材 ５２ 突条 ５３ 突条 ５５ ベルト ５６ ネジ ５７ ナット ５８ 長孔 ６ 収納部 ６ｂ 背壁 ６ｃ 上壁 ６ｄ 底壁 ６１ 凹状部材 ６２ 凹状部材 ７ 研磨ヘッド部 ７１ 押圧用プレート ７２ 研磨具 ８ ヘッド駆動部 ８Ｍ モータ ８１ 駆動ギヤ ８Ｓ 低摺動エアーシリンダ ８５ ピストン ８５ａ 回転円筒軸 ８６ 被駆動ギヤ ８７ 軸受 ８８ ピストン保護用ジャバラ ９ 突条 １０ ワーク １１ 筐体 １１ａ 側壁 １１ｃ 天板 １１ｈ 設置用孔 １１ｍ 棚板 １１ｎ 底板 ２１ ベアリング ２２ ベアリング ２３ アジャスタ ２５ ギヤ列 ２６ 伝達部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状のワークの平面研磨を行う平面研
   磨装置において、 上記ワークを上面に回転可能に保持する下定盤と、 上記下定盤に対向してその上方に配置された研磨ヘッド
   部と、 上記研磨ヘッド部に上下動および回転を行わせるヘッド
   駆動部と、 上記研磨ヘッド部とヘッド駆動部とを一体に上下動させ
   る上下移動部と、 装置の動作を制御する制御部と、を備え、 上記制御部は、ワークの平面研磨時に、上下移動部を駆
   動し研磨ヘッド部とヘッド駆動部とを一体に下降させて
   研磨ヘッド部の下面をワークに近づけ、またヘッド駆動
   部を駆動し研磨ヘッド部を下降させて下定盤に保持され
   ているワークに研磨ヘッド部の下面を押し当て、研磨ヘ
   ッド部および下定盤を回転させつつワークに平面研磨を
   行う、 ことを特徴とする平面研磨装置。
2. 【請求項２】 平板状のワークの平面研磨を行う平面研
   磨装置において、 上記ワークを上面に回転可能に保持する下定盤と、 上記下定盤に対向してその上方に配置された研磨ヘッド
   部と、 上記研磨ヘッド部に上下動および回転を行わせるヘッド
   駆動部と、 上記研磨ヘッド部とヘッド駆動部とを一体に収納する収
   納部と、 上記収納部を収納し水平方向揺動可能に支持する支持体
   と、 上記支持体に支持されている収納部を水平方向に揺動さ
   せる揺動駆動部と、 上記支持体をその内部の収納部と一体に上下動させる支
   持体駆動部と、 装置の動作を制御する制御部と、を備え、 上記制御部は、ワークの平面研磨時に、支持体駆動部を
   駆動し支持体を下降させて研磨ヘッド部の下面をワーク
   に近づけ、またヘッド駆動部を駆動し研磨ヘッド部を下
   降させて、下定盤に保持されているワークに研磨ヘッド
   部の下面を押し当て、研磨ヘッド部および下定盤を回転
   させつつ、また揺動駆動部を駆動し収納部と一体に研磨
   ヘッド部の下面を揺動させつつ、ワークに平面研磨を行
   う、 ことを特徴とする平面研磨装置。
3. 【請求項３】 平板状のワークの平面研磨を行う平面研
   磨方法において、 上記ワークを下定盤の上面に回転可能に保持し、 上記下定盤に対向してその上方に配置された研磨ヘッド
   部と、その研磨ヘッド部に上下動および回転を行わせる
   ヘッド駆動部とを一体に下降させて研磨ヘッド部の下面
   をワークに近づけ、 上記ヘッド駆動部を駆動し研磨ヘッド部を下降させて下
   定盤に保持されているワークに研磨ヘッド部の下面を押
   し当て、 上記研磨ヘッド部および下定盤を回転させつつワークに
   平面研磨を行う、 ことを特徴とする平面研磨方法。