JP2002254305A

JP2002254305A - 研磨ヘッド

Info

Publication number: JP2002254305A
Application number: JP2001050503A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Kobayashi; 小林　　芳樹; Seishi Harada; 晴司原田; Tadashi Denda; 正伝田
Original assignee: ZEBIOSU KK; Mitsubishi Materials Silicon Corp
Current assignee: ZEBIOSU KK; Mitsubishi Materials Silicon Corp
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨中の回転軸の振動を防ぎ、この振動によ
る半導体ウェーハの損傷を抑える研磨ヘッドを提供す
る。【解決手段】研磨時、研磨ヘッド１０の回転軸１６に
作用するスラスト荷重とラジアル荷重とは、回転軸１６
の軸受Ｘに組み込まれたクロスローラベアリング２４が
受ける。結果、長期間研磨しても、従来のスラストベア
リングとラジアルベアリングとを組み合わせた軸受とは
異なり、スラスト荷重を受けるベアリングの磨耗量と、
ラジアル荷重を受けるベアリングとの磨耗量とが、常
時、略同じになる。よって、研磨中の回転軸１６の振動
を防止し、この振動によるシリコンウェーハＷの損傷な
どを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はウェーハ研磨ヘッ
ド、詳しくは研磨ヘッドの軸受に組み込まれたスラスト
荷重を受けるベアリングと、ラジアル荷重を受けるベア
リングとの磨耗量の違いにより生じる研磨中の回転軸の
振動を防ぐ研磨ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】面取り後、エッチングが施されたシリコ
ンウェーハは、次の研磨工程で、シリコンウェーハの表
面に機械的化学的研磨が施される。ここで、ウェーハ研
磨装置により、その表面が平滑で無歪の鏡面に仕上げら
れる。従来、ウェーハ研磨装置として、上面に研磨布が
張設された研磨定盤と、研磨定盤の上方に対向配置さ
れ、下面にシリコンウェーハが所定の保持構造により保
持された研磨ヘッドとを備え、研磨時、この研磨ヘッド
を定盤半径方向へ揺動させるものが知られている。研磨
ヘッドは、ヘッド本体の下部に、シリコンウェーハを下
面に真空吸着するワークチャックが設けられ、このヘッ
ド本体の中央部に立設された回転軸を回転モータにより
回転させ、さらにこの回転軸を介して、エアシリンダか
らヘッド本体に対して、所定の研磨圧を作用させる構成
となっている。

【０００３】シリコンウェーハの研磨時には、研磨砥粒
を含む研磨剤（スラリー）を、研磨布に供給しながら、
回転モータにより研磨ヘッドを回転させ、エアシリンダ
により研磨圧を調整して、シリコンウェーハを研磨布の
表面（研磨作用面）に摺接させることで研磨する。この
とき、研磨ヘッドを定盤半径方向へ揺動し、シリコンウ
ェーハの外周部の一部を研磨布の外部にはみ出させる。
これにより、研磨布のシリコンウェーハとの摺接面の全
域において摩擦熱が均一化し、ウェーハ平坦度が高ま
る。

【０００４】ここで、図４の従来手段に係る研磨ヘッド
の概略要部拡大断面図を参照し、従来の研磨ヘッドの回
転軸の軸受構造を説明する。すなわち、図４に示すよう
に、従来の研磨ヘッド１００には、回転軸１０１の上端
部に、この回転軸１０１を垂直状態で軸支する軸受１０
２が配設されている。この従来の軸受１０２は、回転軸
１０１へのスラスト荷重を受けるスラストベアリング１
０３と、回転軸１０１へのラジアル荷重を受けるラジア
ルベアリング１０４という２個１組のベアリング構造を
有している。そのうち、スラストベアリング１０３は、
回転軸１０１の上端に固着された上端板１０１ａの外周
部を下方から支持する。また、ラジアルベアリング１０
４は、スラストベアリング１０３よりも回転軸１０１の
半径方向内側に配されて、回転軸１０１の外周面に内輪
が接して固定されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の研
磨ヘッド１００にあっては、軸受１０２の内部に、スラ
スト荷重を受けるベアリング（スラストベアリング１０
３）と、ラジアル荷重を受けるベアリング（ラジアルベ
アリング１０４）とが、それぞれ別個に組み込まれてい
た。そのため、長期間研磨を実施していると、スラスト
ベアリング１０３の磨耗量と、ラジアルベアリング１０
４の磨耗量とに違いが発生し、回転軸１０１がガタつい
て振動を起こしていた。その結果、シリコンウェーハの
平坦度を低下させ、振動が激しくなればシリコンウェー
ハの研磨面を傷つけるおそれもあった。

【０００６】そこで、発明者は、鋭意研究の結果、従来
の研磨ヘッドの軸受に組み込まれた、スラストベアリン
グとラジアルベアリングとの２個１組のベアリング構造
に代え、スラスト荷重とラジアル荷重とを同時に受ける
クロスローラベアリングを採用すれば、このような回転
軸の振動を抑制できることを知見し、この発明を完成し
た。

【０００７】

【発明の目的】この発明は、研磨中の回転軸の振動を防
止し、この振動による半導体ウェーハの損傷などを低減
させることができる研磨ヘッドを提供することを、その
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ヘッド本体と、該ヘッド本体に設けられ、ウェーハ
保持面に半導体ウェーハが保持される保持部材と、軸受
を介して、前記ヘッド本体の中央部に回転自在に立設さ
れた回転軸と、該回転軸を回転させる回転手段と、前記
回転軸を介して、前記ヘッド本体に研磨圧を作用させる
加圧手段とを備えた研磨ヘッドにおいて、前記軸受に
は、前記回転軸に対して軸線方向から作用するスラスト
荷重と、前記回転軸に対して軸線方向に直交する方向か
ら作用するラジアル荷重とを受けるクロスローラベアリ
ングが設けられた研磨ヘッドである。

【０００９】この研磨ヘッドが配備されるウェーハ研磨
装置は、例えば、半導体ウェーハを研磨ヘッドに真空吸
着する方式でもよし、半導体ウェーハを研磨ヘッドにワ
ックス接着するワックスマウント方式でもよい。また
は、水を含むバックパッドによって半導体ウェーハを研
磨ヘッドに保持するワックスレスマウント方式でもよ
い。さらに、このウェーハ研磨装置は、研磨ヘッドに１
枚の半導体ウェーハだけを保持して研磨する枚葉式の研
磨装置でもよいし、研磨ヘッドに多数枚の半導体ウェー
ハを保持して研磨するバッチ式でもよい。そして、ウェ
ーハ研磨装置は、研磨ヘッドを定盤半径方向へ揺動する
方式でもよいし、揺動しない方式でもよい。また、揺動
する場合、半導体ウェーハの外周部の一部を研磨布の外
部にはみ出させてもよいし、そうでなくてもよい。その
他、研磨ヘッドを研磨定盤の上方に対向配置させてもよ
いし、これとは上下を反対にしてもよい。さらに、研磨
ヘッドと研磨定盤との各軸線方向とをそれぞれ水平方向
とした縦型の研磨装置でもよい。

【００１０】ヘッド本体の素材は限定されない。ただ
し、セラミックス、低膨張率の金属（合金を含む）、鋳
鉄、鉄鋼などが好ましい。半導体ウェーハは、代表的な
シリコンウェーハ以外にも、例えばガリウム砒素ウェー
ハ（ＧａＡｓウェーハ）など、各種のウェーハを採用可
能である。保持部材としては、例えばウェーハ研磨装置
が真空吸着方式の場合、半導体ウェーハを真空吸着する
ワークチャックであり、またワックスマウント方式の場
合、キャリアプレートである。また、ワックスレスマウ
ント方式の場合は、バックパッドとなる。

【００１１】軸受には、回転軸に作用するスラスト荷重
とラジアル荷重とを同時に受けることが可能なクロスロ
ーラベアリングが組み込まれていればよい。このクロス
ローラベアリングの種類は限定されない。例えば、内輪
と外輪との間で、多数個のローラを一括して回転自在に
保持する環状の保持板を有するものでも、この保持板を
有しないないものでもよい。要は、これらの内輪と外輪
との間に、周方向へ向かって所定個数置きに隣り合うも
の同士の軸線がそれぞれ交差するように各ローラが配置
されていればよい。軸受に組み込まれるクロスローラベ
アリングの個数は限定されない。１個でもよいし、複数
個でもよい。複数個の場合、それぞれのクロスローラベ
アリングを近接配置してもよいし、互いに離反状態で配
置してもよい。また、この２個以上の場合には、各クロ
スローラベアリングはそれぞれ同じ直径としてもよい
し、異なる直径としてもよい。回転手段には、例えば電
動モータ、油圧モータなどが挙げられる。また、加圧手
段には、例えばエアシリンダなどが挙げられる。

【００１２】

【作用】この発明によれば、研磨布に研磨剤を供給し、
回転手段により回転軸を回転させ、この回転軸を介し
て、加圧手段によりヘッド本体に研磨圧を作用させて、
保持部材に保持された半導体ウェーハを研磨布に摺接さ
せることにより、半導体ウェーハを研磨する。この際、
必要により研磨ヘッドを定盤半径方向へ揺動させる。軸
受には、クロスローラベアリングが配置されている。そ
のため、研磨時に回転軸に作用するスラスト荷重とラジ
アル荷重とは、いずれもクロスローラベアリングが受け
る。その結果、長期間研磨を行っても、例えば従来のス
ラストベアリングとラジアルベアリングとを組み合わせ
た軸受の場合とは異なり、スラスト荷重を受けるベアリ
ングと、ラジアル荷重を受けるベアリングとの磨耗量
が、常時、略同じになる。これにより、研磨中の回転軸
の振動を防止し、この振動による半導体ウェーハの損傷
などを低減させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施例を図面を
参照して説明する。図１は、この発明の一実施例に係る
研磨ヘッドが搭載されたウェーハ研磨装置の要部断面図
である。図２は、この発明の一実施例に係る研磨ヘッド
に組み込まれたクロスローラベアリングの斜視図であ
る。図３は、この発明の一実施例に係る研磨ヘッドに組
み込まれたクロスローラベアリングの要部拡大断面図で
ある。図１において、１０はこの発明の一実施例に係る
研磨ヘッドであり、この研磨ヘッド１０は、定盤半径方
向へ揺動しながら、１枚ずつシリコンウェーハＷの表面
を鏡面研磨する枚葉式のウェーハ研磨装置１１に組み込
まれている。すなわち、このウェーハ研磨装置１０は、
研磨定盤１２と、これに対向して上方に配設され、下面
のウェーハ保持面に１枚のシリコンウェーハＷが真空吸
着される前記研磨ヘッド１０とを備えている。研磨定盤
１２は、その上面（研磨作用面）に図示しない厚地のス
ポンジゴムを介してポリウレタン製の研磨布１３が展張
・接着されている。

【００１４】次に、図１〜図３を参照して、研磨ヘッド
１０の構成を説明する。図１に示すように、この研磨ヘ
ッド１０は、主に、ヘッド本体１４と、このヘッド本体
１４の下部に固定され、下面のウェーハ保持面にシリコ
ンウェーハＷが真空吸着されるワークチャック（保持部
材）１５と、ヘッド本体１４の中央上部に立設されたス
プラインシャフトからなる回転軸１６と、回転軸１６を
介してヘッド本体１４に所定の研磨圧を作用させるエア
シリンダ（回転手段）１７と、回転軸１６を所定の回転
速度で回転させる回転モータ１８と、これらの回転軸１
６、エアシリンダ１７および回転モータ１８が所定位置
にそれぞれ配設されるヘッド架台１９とにより構成され
ている。このヘッド架台１９には、研磨ヘッド１０を定
盤半径方向へ揺動させるため、図示しない揺動機構が連
結されている。以下、各構成要素を詳細に説明する。

【００１５】ヘッド本体１４は、平面視して円形状の板
材で、その下面の外周部を除いた略全域に、底面視して
円形の陥没部が形成されている。この陥没部には、円板
形状のワークチャック１５の上部がしっかりと嵌入され
ている。ヘッド本体１４と回転軸１６とは、平面視して
十字形状のユニバーサルジョイント２０により連結され
ている。回転軸１６の上端には平面視して円形状の上端
板１６ａが固着されている。この上端板１６ａが、連結
用軸受２１を介して、エアシリンダ１７の下向きのロッ
ド１７ａに連結されている。ヘッド架台１９は箱形の枠
体であり、その上枠中間部に立設された前記連結用軸受
２１にはスラストベアリング２２が組み込まれている。
エアシリンダ１７のロッド１７ａを出し入れさせると、
連結用軸受２１を介して、回転軸１６およびヘッド本体
１４が、後述するボールスプラインナット２６およびタ
イミングベルト２７にガイドされながら、回転軸１６の
軸線方向（垂直方向）へ移動する。

【００１６】ヘッド架台１９の下枠には、外輪ハウジン
グ２３が固定されている。この外輪ハウジング２３の内
部空間に、クロスローラベアリング２４を介して、円筒
形状の内輪ハウジング２５の上端部が回転自在に連結さ
れている。クロスローラベアリング２４については後述
する。内輪ハウジング２５には、回転軸１６をその軸線
方向に移動自在に収納するボールスプラインナット２６
が内嵌されている。また、この内輪ハウジング２５の上
端面には、大径な前記タイミングプーリ２７が固定され
ている。

【００１７】タイミングプーリ２７の内周部には、回転
軸１６のスプラインに対応する多数本のボス溝が周設さ
れている。これにより、回転軸１６はタイミングプーリ
２７の回転に伴って回転しながら、その軸線方向へ移動
自在になっている。なお、回転軸１６のうち、内輪ハウ
ジング２５によって保持される部分は、通常、回転軸１
６の軸線方向における略中間の部分である。これらの外
輪ハウジング２３、クロスローラベアリング２４、内輪
ハウジング２５およびボールスプラインナット２６によ
り、回転軸１６の軸受Ｘが構成される。前記回転モータ
１８は、ヘッド架台１９の一方の側枠に、その出力軸を
下方に向けて垂直に固定されている。この出力軸には小
径なタイミングプーリ２８が固着され、このタイミング
プーリ２８と、前記大径なタイミングプーリ２７とに、
タイミングベルト２９が掛け渡されている。

【００１８】図１〜図３に示すように、前記クロスロー
ラベアリング２４は、回転中の回転軸１６に対して軸線
方向から作用するスラスト荷重と、この回転中の回転軸
１６に対して軸線方向に直交する方向から作用するラジ
アル荷重とを同時に受ける特殊な構造のベアリングであ
る。具体的な構成は、内輪２４ａと、外輪２４ｂと、こ
れらの間に配置され、多数個のローラ２４ｃを一括して
回転自在に保持する環状のスペーサリテーナ２４ｄとを
有している。外輪２４ｂは、その軸線方向の中間位置で
２分割されたものである。また、各ローラ２４ｃは、隣
接するもの同士が互いの軸線を交差するようにそれぞれ
配列されている。スペーサリテーナ２４ｄは、厚肉で、
各ローラ２４ｃとの有効接触長さが長い保持リングであ
る。

【００１９】このように、隣接するローラ２４ｃ同士が
互いの軸線を交差して配列されているので、内輪２４ａ
または外輪２４ｂに作用する前記スラスト荷重やラジア
ル荷重は、それぞれ軸線方向が所定方向に向いた各ロー
ラ２４ｃが受ける。また、スペーサリテーナ２４ｄによ
り各ローラ２４ｃを保持するようにしたので、従来の各
ローラを軸支する環状の薄い鉄板に比べて、各ローラ２
４ｃの有効接触長さが長くなって耐負荷性能が大きくな
り、ローラ２４ｃの倒れの防止効果が得られ、しかもク
ロスローラベアリング２４への負荷が増大しても、摩擦
抵抗によるローラ２４ｃの円滑な回転が阻害されるおそ
れが少ない。回転モータ１８の出力軸を回転すると、小
径なタイミングプーリ２８が回転するとともにタイミン
グベルト２９が周転し、この周転に伴い、大径なタイミ
ングプーリ２７が回転する。その結果、外輪ハウジング
２３の内部空間で、クロスローラベアリング２４を介し
て、内輪ハウジング２５が回転する。これにより、回転
軸１６がヘッド本体１４とともに、内輪ハウジング２５
と一体的に回転する。その際、回転軸１６は、内周部に
ボス溝が形成されたタイミングプーリ２７と、ボールス
プラインナット２６とにより、その軸線方向の移動が許
容されている。このため、エアシリンダ１７のロッド１
７ａを出し入れすることで、回転軸１６は回転中でも自
在に上下動することができる。図１中、３０は研磨剤を
研磨布１３上に供給するスラリーノズルである。

【００２０】次に、研磨ヘッド１０が組み込まれたウェ
ーハ研磨装置１１を用いて、シリコンウェーハＷの研磨
方法を説明する。図１に示すように、研磨時には、まず
図示しない真空発生装置により発生した負圧力により、
ワークチャック１５のウェーハ保持面にシリコンウェー
ハＷを真空吸着する。その後、研磨定盤１２の表面に展
張された研磨布１３の中心部上に、スラリーノズル３０
を介して研磨剤を５リットル／分で供給し、この研磨剤
の供給を維持しながら、回転モータ１８により研磨ヘッ
ド１０を所定速度で回転させ、さらにエアシリンダ１７
の所定量のロッド１７ａの突出により、ヘッド本体１４
を下降させて、シリコンウェーハＷに所定の研磨圧をか
けた状態で、このシリコンウェーハＷの研磨面を研磨布
１３に押し付ける。しかも、図示しない揺動機構によ
り、研磨ヘッド１０の全体を定盤半径方向へ揺動させ、
シリコンウェーハＷの外周部の一部を研磨布１３の外部
にはみ出させる。これにより、研磨定盤１２上で研磨ヘ
ッド１０が回転し、かつ研磨ヘッド１０が定盤半径方向
へ揺動しながら、シリコンウェーハＷが研磨剤を保有す
る研磨布１３によって表面研磨される。

【００２１】この研磨中、回転軸１６には、エアシリン
ダ１７のロッド１７ａの突出による軸線方向からのスラ
スト荷重と、研磨ヘッド１０の揺動力によるラジアル荷
重とが作用する。これらのスラスト荷重とラジアル荷重
とは、ともに軸受Ｘに組み込まれた１個のクロスローラ
ベアリング２４が受ける。具体的には、前記エアシリン
ダ１７によるスラスト荷重は、クロスローラベアリング
２４の全周において、外輪２４ｂと各ローラ２４ｃとの
間の位置Ｐａの周辺で受ける（図２参照）。また、研磨
ヘッド１０の揺動に伴うラジアル荷重は、内輪２４ａに
おけるヘッド揺動方向の両側に該当する対抗位置Ｐｂ，
Ｐｂの周辺で受ける。その結果、長期間にわたって研磨
作業を行っても、例えば従来のスラストベアリングとラ
ジアルベアリングとを組み合わせた軸受の場合とは異な
り、スラスト荷重を受けるベアリングと、ラジアル荷重
を受けるベアリングとの磨耗量が、常時、略同じにな
る。そのため、研磨中の回転軸１６の振動を防止し、こ
の振動によるシリコンウェーハＷの平坦度の低下、シリ
コンウェーハＷの損傷などを低減させることができる。

【００２２】

【発明の効果】この発明によれば、回転軸の軸受に、従
来のスラストベアリングとラジアルベアリングとの２個
１組のベアリング構造に代え、スラスト荷重とラジアル
荷重とを同時に受けるクロスローラベアリングを組み込
んでいるため、研磨中の回転軸の振動を防止し、その振
動による半導体ウェーハの損傷などを低減させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る研磨ヘッドが搭載さ
れたウェーハ研磨装置の要部断面図である。

【図２】この発明の一実施例に係る研磨ヘッドに組み込
まれたクロスローラベアリングの斜視図である。

【図３】この発明の一実施例に係る研磨ヘッドに組み込
まれたクロスローラベアリングの要部拡大断面図であ
る。

【図４】従来手段に係る研磨ヘッドの概略要部拡大断面
図である。

【符号の説明】

１０研磨ヘッド、１４ヘッド本体、１５ワークチャック（保持部材）、１６回転軸、１７エアシリンダ（加圧手段）、１８回転モータ（回転手段）、２４クロスローラベアリング、Ｗシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）、Ｘ軸受。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原田晴司東京都千代田区大手町１丁目５番１号三菱マテリアルシリコン株式会社内 (72)発明者伝田正東京都千代田区大手町１丁目５番１号三菱マテリアルシリコン株式会社内Ｆターム(参考） 3C034 AA08 AA13 BB06 BB09 BB73

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヘッド本体と、該ヘッド本体に設けら
れ、ウェーハ保持面に半導体ウェーハが保持される保持
部材と、軸受を介して、前記ヘッド本体の中央部に回転
自在に立設された回転軸と、該回転軸を回転させる回転
手段と、前記回転軸を介して、前記ヘッド本体に研磨圧
を作用させる加圧手段とを備えた研磨ヘッドにおいて、前記軸受には、前記回転軸に対して軸線方向から作用す
るスラスト荷重と、前記回転軸に対して軸線方向に直交
する方向から作用するラジアル荷重とを受けるクロスロ
ーラベアリングが設けられた研磨ヘッド。