JP2003077874A - 半導体ウェーハの研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェーハの研磨装置において、３枚同
時に高精度な加工を行うこと。 【解決手段】 上面に研磨パッドが貼り付けられ回転可
能な定盤と、該定盤を回転させる定盤回転機構と、半導
体ウェーハの一面を保持して前記研磨パッドに半導体ウ
ェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッド３と、該
ウェーハ保持ヘッドを回転可能に支持するヘッド支持機
構４とを備えた半導体ウェーハの研磨装置であって、前
記ヘッド支持機構は、前記定盤の中心軸から偏心して垂
直に配された主軸部材６と、該主軸部材の下部に該主軸
部材を中心に回転可能に支持されると共に３つの前記ウ
ェーハ保持ヘッドを垂直軸を中心に回転可能に支持する
ヘッド支持部材７とを備え、該ヘッド支持部材は、前記
主軸部材を中心にした円周上に３つの前記ウェーハ保持
ヘッドを等間隔に配している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、枚葉研磨ながら３
枚同時に高平坦度加工が可能な半導体ウェーハの研磨装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウェーハ等の半導体ウェーハを
平坦化する技術として、表面または裏面の被加工面をＣ
ＭＰ（化学的機械的研磨）等の研磨を行う装置が用いら
れている。従来の研磨装置としては、例えば、上面に研
磨パッドが貼り付けられ回転駆動される定盤と、半導体
ウェーハを保持すると共に被加工面を研磨パッドに当接
させるウェーハ保持ヘッドとを備えた研磨装置などが使
用されている。この研磨装置には、ウェーハ保持ヘッド
に１枚の半導体ウェーハを保持させる枚葉式と、多数枚
の半導体ウェーハを保持させる多数枚式とがある。上記
枚葉式の場合は、ウェーハの厚みに関係なくウェーハ毎
に高精度な加工が可能であり、多数枚式の場合は、多数
枚同時研磨のために量産性に優れている利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の研磨装置には、以下のような課題が残されている。
すなわち、枚葉式の研磨装置の場合、一枚毎の処理とな
るため量産性に乏しく、また多数枚式の研磨装置の場
合、ウェーハ保持ヘッドに多数貼り付けるために外周部
の精度コントロールが不安定であると共に、中心部は同
心円回転のために微少なへそ状の凹凸が発生しやすい不
都合がある。また、多数枚式の場合は、ウェーハの厚み
が異なる場合に、加工精度が悪化してしまう不都合があ
った。

【０００４】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、３枚同時に高精度な加工が可能な半導体ウェーハ
の研磨装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明
の半導体ウェーハの研磨装置は、上面に研磨パッドが貼
り付けられ回転可能な定盤と、該定盤を回転させる定盤
回転機構と、半導体ウェーハの一面を保持して前記研磨
パッドに半導体ウェーハの他面を当接させるウェーハ保
持ヘッドと、該ウェーハ保持ヘッドを回転可能に支持す
るヘッド支持機構とを備えた半導体ウェーハの研磨装置
であって、前記ヘッド支持機構は、前記定盤の中心軸か
ら偏心して垂直に配された主軸部材と、該主軸部材の下
部に該主軸部材を中心に回転可能に支持されると共に３
つの前記ウェーハ保持ヘッドを垂直軸を中心に回転可能
に支持するヘッド支持部材とを備え、該ヘッド支持部材
は、前記主軸部材を中心にした円周上に３つの前記ウェ
ーハ保持ヘッドを等間隔に配していることを特徴とす
る。

【０００６】この半導体ウェーハの研磨装置では、ヘッ
ド支持部材が、主軸部材を中心にした円周上に３つのウ
ェーハ保持ヘッドを等間隔に配しているので、主軸部材
に圧力を加えて研磨を行うと３点支持された３つのウェ
ーハ保持ヘッドに均一に圧力がかかり、３つの半導体ウ
ェーハを同時に高精度に研磨することができる。なお、
ウェーハ保持ヘッドを一つのヘッド支持部材に２つ又は
４つ以上配した場合、各ヘッドに加わる圧力が不均一な
りやすいが、本発明の場合、３つのウェーハ保持ヘッド
が、最も安定した圧力分配が可能な３点支持の状態とな
るため、圧力の均一化が可能になる。

【０００７】さらに、この半導体ウェーハの研磨装置で
は、主軸部材が定盤の中心軸から偏心して垂直に配され
ていると共にヘッド支持部材及びウェーハ保持ヘッドが
それぞれ個々に回転可能であるので、定盤の回転によっ
て、主軸部材を回転軸としてヘッド支持機構全体が回転
すると共に、各ウェーハ保持ヘッドも個別に自転する。
したがって、各ウェーハ保持ヘッドは、定盤上を自転し
ながら定盤の外周側への移動と中心側への移動とを繰り
返すため、半径方向の一定の位置に留まることなく研磨
パッド上を半径方向に常に移動し、各ウェーハ相互の研
磨精度及びウェーハ面内の研磨精度に誤差が生じ難いと
共に、互いに厚さの異なるウェーハでも加工精度を維持
することができる。

【０００８】また、本発明の半導体ウェーハの研磨装置
は、前記ヘッド支持部材が前記主軸部材に対して揺動可
能な機構で支持されていることが好ましい。すなわち、
この半導体ウェーハの研磨装置では、ヘッド支持部材が
主軸部材に対して揺動可能な機構で支持されているの
で、主軸部材が定盤上面の垂直軸に対して傾いた場合、
ヘッド支持部材が揺動することにより、３つのウェーハ
保持ヘッドに加わる圧力が不均一になることを防ぐこと
ができる。

【０００９】また、本発明の半導体ウェーハの研磨装置
は、前記ウェーハ保持ヘッドが、その中心軸が垂直軸に
対して揺動可能な機構で支持されていることが好まし
い。すなわち、この半導体ウェーハの研磨装置では、ウ
ェーハ保持ヘッドが、その中心軸が垂直軸に対して揺動
可能な機構で支持されているので、ヘッド支持部材が定
盤上面に対して傾いた場合、ウェーハ保持部材自体が揺
動することにより、ウェーハ面内において加わる圧力が
不均一になることを防ぐことができる。

【００１０】また、本発明の半導体ウェーハの研磨装置
は、前記揺動可能な機構が自動調心型ベアリングである
技術が採用される。すなわち、この半導体ウェーハの研
磨装置では、揺動可能な機構が自動調心型ベアリングで
あるので、簡易な構成でかつ正確に圧力の均一化を図る
ことができる。

【００１１】さらに、本発明の半導体ウェーハの研磨装
置は、前記自動調心型ベアリングの上部に研磨液の浸入
を防止するカバーが取り付けられていることが好まし
い。すなわち、この半導体ウェーハの研磨装置では、自
動調心型ベアリングの上部に研磨液の浸入を防止するカ
バーが取り付けられているので、研磨液が自動調心型ベ
アリング内に浸入してその動作の妨げになることを防ぐ
ことができる。

【００１２】また、本発明の半導体ウェーハの研磨装置
は、前記ヘッド支持機構が前記定盤上に複数配されてい
る技術が採用される。すなわち、この半導体ウェーハの
研磨装置では、ヘッド支持機構が定盤上に複数配されて
いるので、３枚を越えた枚数のウェーハを処理すること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体ウェー
ハの研磨装置の一実施形態を、図１から図４を参照しな
がら説明する。

【００１４】図１は、本実施形態のシリコンウェーハ
（半導体ウェーハ）Ｗの研磨装置であって、図１から図
３に示すように、上面に不織布等の研磨布である研磨パ
ッド１ａが貼り付けられ回転可能な定盤１と、該定盤１
を回転させる定盤回転機構２と、シリコンウェーハＷの
裏面（一面）を保持して研磨パッド１ａにシリコンウェ
ーハＷの表面（他面）を当接させるウェーハ保持ヘッド
３と、３つのウェーハ保持ヘッド３をそれぞれ回転可能
に支持するヘッド支持機構４と、４つのヘッド支持機構
４をそれぞれ上下動可能に支持する上下動機構５とを備
えている。

【００１５】上記ヘッド支持機構４は、図３に示すよう
に、定盤１の中心軸から偏心して垂直に配されたメイン
シャフト（主軸部材）６と、該メインシャフト６の下部
に該メインシャフト６を中心に回転可能に支持されると
共に３つのウェーハ保持ヘッド３を垂直軸を中心に回転
可能に支持するベース板（ヘッド支持部材）７とを備え
ている。該ベース板７は、メインシャフト６を中心にし
た円周上に３つのウェーハ保持ヘッド３を等間隔に配し
ている。

【００１６】上記ベース板７は、メインシャフト６に対
して揺動可能かつ回転可能な機構として自動調心型ベア
リングの第１ベアリング８で支持されている。また、ウ
ェーハ保持ヘッド３も、その中心軸が垂直軸に対して揺
動可能かつ回転可能な機構として自動調心型ベアリング
の第２ベアリング９でベース板７に支持されている。

【００１７】上記メインシャフト６は、その上部をアダ
プター１０を介して上下動機構５の上下動支持部材５ａ
に固定されていると共に、その下部に上記第１ベアリン
グ８が設けられている。該第１ベアリング８の上部に
は、研磨液の浸入を防止する第１水除けカバー１１がＯ
リング１２によって取り付けられている。第１ベアリン
グ８は、ベアリング８ａの外側にメインシャフト６に対
して揺動可能なベアリング押さえフランジ１２を備えて
いる。また、該ベアリング押さえフランジ１２とベース
板７とが複数のボルト１２ａで連結されている。

【００１８】ベース板７には、メインシャフト６を中心
にした円周上に３つの貫通孔７ａが互いに等間隔に形成
され、各貫通孔７ａにはそれぞれサブシャフト１３の上
部が挿入されている。サブシャフト１３は、上記挿入状
態で座金１４を介してボルト１３ａでベース板７に固定
されている。サブシャフト１３の下部には、上記第２ベ
アリング９が設けられており、その上部には、研磨液の
浸入を防止する第２水除けカバー１４が取り付けられて
いる。

【００１９】第２ベアリング９は、ベアリング９ａの外
側にサブシャフト１３の中心軸に対して揺動可能なスト
ップリング１５を備えている。また、該ストップリング
１５とウェーハ保持ヘッド３とが複数のボルト（図示
略）で連結されている。ウェーハ保持ヘッド３は、下部
にシリコンウェーハＷをワックスで下面に保持するセラ
ミックプレート１７を備えている。なお、シリコンウェ
ーハＷの保持手段として、ワックス以外の方法、例えば
真空吸着方式等を用いても構わない。また、この研磨装
置は、研磨パッド１ａ上に研磨液を供給する研磨液供給
機構（図示略）を備えている。

【００２０】次に、本実施形態の研磨装置によるシリコ
ンウェーハの研磨方法について、図４を参照して説明す
る。

【００２１】まず、研磨するシリコンウェーハＷをワッ
クスで各セラミックプレート１７に貼り付けてウェーハ
保持ヘッド３にセットする。この状態で、上下動機構５
により上下動支持部材５ａを介してヘッド支持機構４を
下降させてシリコンウェーハＷの研磨面（表面）を定盤
１上の研磨パッド１ａに一定の加圧状態で接触させる。
次に、定盤回転機構２により定盤１を一定の回転速度で
回転させると共に研磨液供給機構により研磨パッド１ａ
上及び研磨面に研磨液を供給する。

【００２２】このとき、メインシャフト６に加わった圧
力は、図４に示すように、ベース板７を介して３点支持
された３つのウェーハ保持ヘッド３に均一に分配されて
加わる。また、ベース板７が、自動調心型の第１ベアリ
ング８によって揺動可能であるので、メインシャフト６
が定盤１上面の垂直軸に対して傾いても、ベース板７が
揺動することにより、３つのウェーハ保持ヘッド３に加
わる圧力が不均一になることを防ぐことができる。さら
に、ウェーハ保持ヘッド３が、自動調心型の第２ベアリ
ング９によって揺動可能であるので、ベース板７が定盤
１上面に対して傾いても、ウェーハ保持ヘッド３自体が
揺動して定盤１上面に対して平行状態を維持することに
より、ウェーハＷの研磨面内において加わる圧力が不均
一になることを防ぐことができる。

【００２３】また、定盤１の回転軸から偏心した位置に
メインシャフト６が配されていると共にベース板７及び
ウェーハ保持ヘッド３がそれぞれ個々に回転可能である
ため、定盤１の回転によって、メインシャフト６を回転
軸としてヘッド支持機構４全体が回転すると共に、各ウ
ェーハ保持ヘッド３も個別に自転する。したがって、各
ウェーハ保持ヘッド３は、定盤１上を自転しながら定盤
１の外周側への移動と中心側への移動とを繰り返すた
め、半径方向の一定の位置に留まることなく研磨パッド
１ａ上を半径方向に常に移動する。この動きによって、
各ウェーハ相互の研磨精度及びウェーハ面内の研磨精度
に誤差が生じ難いと共に、互いに厚さの異なるウェーハ
でも加工精度を維持することができる。なお、図４中に
おいて、各回転方向を実線の矢印で示している。

【００２４】なお、第１ベアリング８及び第２ベアリン
グ９の上部には、研磨液の浸入を防止する第１水除けカ
バー１１及び第２水除けカバー１４が取り付けられてい
るので、研磨液がベアリング内に浸入してその動作の妨
げになることを防ぐことができる。

【００２５】このように本実施形態では、ベース板７
が、メインシャフト６を中心にした円周上に３つのウェ
ーハ保持ヘッド３を等間隔に配しているので、メインシ
ャフト６に圧力を加えて研磨を行うと３点支持状態の３
つのウェーハ保持ヘッド３に均一に圧力がかかる。すな
わち、３つの各シリコンウェーハＷの中心に均等に加重
されるため、３つのシリコンウェーハＷを同時に高精度
に研磨することができる。また、ヘッド支持機構４全体
及びウェーハ保持ヘッド３単体がそれぞれ回転運動する
ので、枚葉研磨ながら、ウェーハＷの厚み又は外径に関
わりなく１軸で３枚同時に高い加工精度を維持でき、高
平坦度な表面を有する研磨ウェーハを得ることができ
る。

【００２６】なお、本実施形態に基づいて実際にシリコ
ンウェーハの鏡面研磨を行った結果、従来の多数枚式が
１μｍ程度の平坦度であったのに対し、本実施形態で
は、平坦度が０．５μｍ程度となり、従来の１／２の高
平坦度を得ることができた。また、１つのヘッド支持機
構４に取り付けられた３枚のウェーハＷにおける研磨の
平坦度ばらつきは、従来の多数枚式が２μｍ以上であっ
たのに対し、０．１μｍ以下と非常に高精度な研磨が実
現されている。

【００２７】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【００２８】例えば、上記実施形態では、本発明の研磨
装置をデバイス工程前のシリコンウェーハの鏡面研磨に
用いたが、他の研磨工程に使用しても構わない。例え
ば、多層配線を形成する工程（ダマシン工程等）におけ
るＣＭＰによる平坦化工程などに用いてもよい。また、
上記実施形態では、シリコンウェーハを研磨対象とした
が、他の半導体ウェーハを研磨するものでもよい。例え
ば、エピタキシャルウェーハやＧａＡｓ（ガリウム・ヒ
素）等の化合物半導体ウェーハ等を研磨してもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の半導体ウェーハの研磨装置によれば、ヘッド支
持部材が、主軸部材を中心にした円周上に３つのウェー
ハ保持ヘッドを等間隔に配しているので、３点支持され
た３つのウェーハ保持ヘッドに均一に圧力がかかり、３
つの半導体ウェーハを同時に高精度に研磨することがで
きる。さらに、主軸部材が定盤の中心軸から偏心して垂
直に配されていると共にヘッド支持部材及びウェーハ保
持ヘッドがそれぞれ個々に回転可能であるので、定盤の
回転によって、ヘッド支持機構全体が回転及び各ウェー
ハ保持ヘッドが自転してより均一な研磨が可能になると
共に、互いに厚さの異なるウェーハでも加工精度を維持
することができる。したがって、本発明の研磨装置で研
磨を行えば、低コストかつ高品質で高集積度にも対応可
能な超高平坦度のウェーハを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施形態における研磨装置を
示す斜視図である。

【図２】 本発明に係る一実施形態におけるヘッド支持
機構を示す平面図である。

【図３】 図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。

【図４】 本発明に係る一実施形態におけるヘッド支持
機構の原理を説明するための概念図である。

【符号の説明】

１ 定盤 １ａ 研磨パッド ２ 定盤回転機構 ３ ウェーハ保持ヘッド ４ ヘッド支持機構 ６ メインシャフト（主軸部材） ７ ベース板（ヘッド支持部材） ８ 第１ベアリング（自動調心型ベアリング） ９ 第２ベアリング（自動調心型ベアリング） １１ 第１水除けカバー １４ 第２水除けカバー Ｗ シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上面に研磨パッドが貼り付けられ回転可
   能な定盤と、該定盤を回転させる定盤回転機構と、半導
   体ウェーハの一面を保持して前記研磨パッドに半導体ウ
   ェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドと、該ウ
   ェーハ保持ヘッドを回転可能に支持するヘッド支持機構
   とを備えた半導体ウェーハの研磨装置であって、 前記ヘッド支持機構は、前記定盤の中心軸から偏心して
   垂直に配された主軸部材と、 該主軸部材の下部に該主軸部材を中心に回転可能に支持
   されると共に３つの前記ウェーハ保持ヘッドを垂直軸を
   中心に回転可能に支持するヘッド支持部材とを備え、 該ヘッド支持部材は、前記主軸部材を中心にした円周上
   に３つの前記ウェーハ保持ヘッドを等間隔に配している
   ことを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体ウェーハの研磨
   装置において、 前記ヘッド支持部材は、前記主軸部材に対して揺動可能
   な機構で支持されていることを特徴とする半導体ウェー
   ハの研磨装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の半導体ウェーハ
   の研磨装置において、 前記ウェーハ保持ヘッドは、その中心軸が垂直軸に対し
   て揺動可能な機構で支持されていることを特徴とする半
   導体ウェーハの研磨装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載の半導
   体ウェーハの研磨装置において、 前記揺動可能な機構は、自動調心型ベアリングであるこ
   とを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の半導体ウェーハの研磨
   装置において、 前記自動調心型ベアリングの上部に、研磨液の浸入を防
   止するカバーが取り付けられていることを特徴とする半
   導体ウェーハの研磨装置。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかに記載の半導
   体ウェーハの研磨装置において、 前記ヘッド支持機構は、前記定盤上に複数配されている
   ことを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。