JP2003094322A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨時の振動の発生を軽減させるため、研磨
装置の振動抑制に寄与する各部の剛性を上げるために重
量を増加させることなく、高負荷の研磨においてトップ
リングの振動を効果的に抑制でき、研磨対象物の被研磨
面を平坦かつ均一に研磨することができる研磨装置を提
供することを目的とする。 【解決手段】 研磨対象物を保持するトップリングを具
備し、該トップリングで保持する研磨対象物を研磨面に
当接させ、該研磨対象物と該研磨面の相対運動により、
該研磨対象物を研磨する研磨装置であって、トップリン
グ５は研磨面に対しての傾動機構４を具備し、該傾動機
構４には研磨対象物Ｗの研磨中にトップリング５に発生
する振動を吸収する振動吸収機構４０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
研磨対象物を研磨する研磨装置に関し、特に研磨時の振
動を軽減でき、負荷の高い研磨をするのに好適な研磨装
置に関するものである。

【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
パーの結像面の高い平坦度を必要とする。そこで、研磨
装置を用いて半導体ウエハの表面を研磨し平坦化してい
る。

【０００３】従来この種の研磨装置として、図４に示す
ような研磨装置がある。この研磨装置は、上面に研磨布
１を貼った回転するターンテーブル２と、支持体３に傾
動機構４により支持されたトップリング本体５を具備
し、ターンテーブル２とトップリング本体５との間に半
導体ウエハなどの研磨対象物Ｗを介在させて所定の力で
該研磨対象物Ｗをターンテーブル２の上面に押圧し、タ
ーンテーブル２と研磨対象物Ｗの相対運動により該研磨
対象物Ｗを研磨する構成である。

【０００４】トップリング本体５は円板状であり、上面
中央には凹部６が形成され、上下に挿通する多数の流通
孔７が設けられ、該流通孔７は研磨対象物Ｗの被研磨面
に対向する裏面に連通して開口している。また、該トッ
プリング本体５の下部の外周部には、研磨中に研磨対象
物Ｗの飛び出しを防止するガイドリング８がボルト９に
より取り付けられている。

【０００５】支持体３は、図示しない駆動装置及び昇降
装置により回転自在かつ上下動自在に支持されている。
また、支持体３は中空の筒状に形成されており、その中
心部の孔１０には、図示しない流通管が挿入されてお
り、該流通管は下端で分岐しており、該分岐した２つの
分岐管１１、１２は後述する押え板２３の接続孔２４に
連通している。また、上記流通管は、支持体３の上端に
取り付けられたロータリージョイントを介して外部の流
体供給装置に連通している。なお、該流体供給装置は真
空源、加圧空気源及び純水供給源からなり、各供給源を
選択的に上記ロータリージョイントに接続することがで
きるようになっている。

【０００６】傾動機構４は、支持体側受座１３、トップ
リング本体側受座１４及びセラミックスなどの高硬度材
料からなる球体１５で構成されている。支持体側受座１
３は、下部に凸部１６が設けられ、該凸部１６中央に
は、球体１５を摺動自在に収容する球面状凹部１７が設
けられている。また、支持体側受座１３は、ボルト１
８、１８により支持体３に固定されている。

【０００７】一方、トップリング本体側受座１４は、上
面に凹部１９、下面に凸部２０が設けられ、該凹部１９
中央に上記支持体側受座１４と同様に球面状凹部２１が
設けられている。また、トップリング本体側受座１４
は、該トップリング本体側受座１４の凸部２０とトップ
リング本体５の凹部６の間に所定の隙間Ｓが形成される
ようにボルト２２によりトップリング本体５に固定され
ている。なお、Ｓは押え板２３の接続孔２４及びトップ
リング本体５の流通孔７に連通しており、例えば、真空
源を繋いだときは基板の裏面に吸着力が作用し、加圧空
気源を繋いだときは押圧力が加えられるようになってい
る。

【０００８】押え板２３は、中空円板状であり、分岐管
１１、１２に連通する接続孔２４が設けられ、ボルト２
５、２６によりトップリング本体５及びトップリング本
体側受座１４を固定している。

【０００９】トップリング本体側受座１４の凹部１９の
周囲には、上方から見て等角度間隔にトップリング本体
５を吊り下げる吊下げピン２７と該トップリング本体５
へ支持体３の回転力を伝達する被駆動ピン２８が交互に
複数立設されており、これらの吊下げピン２７、被駆動
ピン２８は支持体側受座１３の対応する位置に設けられ
た穴２９、３０を挿通している。

【００１０】吊下げピン２７は、支持体側受座１３の上
面より突出しており、該吊下げピン２７上端の止め板３
１と支持体側受座１３の間にはバネ３２を介在させ、該
バネ３２の弾性力によりトップリング本体５の荷重の一
部を支持している。

【００１１】被駆動ピン２８の上部外周にはゴムクッシ
ョン３３が取り付けられており、該ゴムクッション３３
に当接し、かつ被駆動ピン２８を両側から挟むように２
つの駆動ピン３４が支持体側受座１３の側面から水平方
向に埋設されている。従って、被駆動ピン２８と支持体
側受座１３は、相対的に上下方向に移動可能となってお
り、該支持体側受座１３の回転力をトップリング本体５
に円滑に伝達できる。

【００１２】次に従来の研磨装置の動作について説明す
る。外部の流体供給装置の真空源をロータリージョイン
トに接続することにより、トップリング本体５の流通孔
７で研磨対象物Ｗを真空吸着によりトップリング本体５
の下面に吸着し、駆動装置を駆動することにより支持体
３を回転させ、該トップリング本体５を回転する。

【００１３】次に昇降装置により支持体３を下降させ、
研磨対象物Ｗをターンテーブル２の研磨布１に当接さ
せ、さらに研磨対象物Ｗをターンテーブル２に所定の押
圧力で当接し、研磨対象物Ｗの研磨を行なう。このと
き、既にトップリング本体５は回転を開始しており、図
示しない砥液ノズルから砥液がターンテーブル２の上面
（研磨面）に供給されている。

【００１４】このとき、支持体３からの押圧力は、該支
持体３とトップリング本体５の間に構成された傾動機構
４を介して伝達されるため、例えば、ターンテーブル２
が僅かに傾くなどして支持体３の中心軸とターンテーブ
ル２の研磨布１の上面が垂直でなくなった場合でも、ト
ップリング本体側受座１４が球体１５を中心に傾動する
ので、結果的に研磨対象物Ｗをターンテーブル２の研磨
布１に均一に当接させることができる。つまり、研磨対
象物Ｗはターンテーブル２の上面の傾きに追従し、均一
な押圧力で研磨布１の上面に当接する。

【００１５】研磨が終了すると、支持体３を昇降装置に
より上昇させることで、トップリング本体５が上昇し、
さらに図示しない旋回機構で旋回させ、該トップリング
本体５をターンテーブル２上方から退避させ、研磨対象
物Ｗを受け渡しする台の上に移動させる。このとき、移
動中は外部の流体供給装置の真空源をロータリージョイ
ントに接続することで、研磨対象物Ｗをトップリング本
体５に真空吸着させておき、上記受け渡しする台の上に
移動した後、外部の流体供給装置の純水供給源をロータ
リージョイントに接続することで、分岐管１１、１２か
ら隙間Ｓ、トップリング本体５の流通孔７を経て純水を
研磨対象物Ｗの裏面に供給し、該研磨対象物Ｗを裏面か
ら押すことで、該研磨対象物Ｗがトップリング本体５か
ら容易に剥離する。

【００１６】上記構成の研磨装置において、ターンテー
ブル２の研磨布１、砥液、及び研磨対象物Ｗの研磨条件
によって、トップリング本体５に振動が発生する場合が
あった。特に、負荷の高い研磨、即ち研磨対象物Ｗを高
い押圧力でターンテーブル２の研磨布１に当接させ研磨
する場合や研磨対象物Ｗを高速で回転しターンテーブル
２の研磨布１に当接させ研磨する場合などに、振動が顕
著になるという問題があった。

【００１７】また、この振動の発生は、研磨対象物Ｗの
研磨に悪影響を与えるばかりではなく、騒音発生により
作業環境に悪影響を与え、さらに振動が直接トップリン
グ本体５を支持する支持体３に伝達されるため、駆動装
置からの回転力の伝達に支障となる恐れや、振動が長期
間継続すると駆動装置及び昇降装置の寿命を縮めるとい
う問題もあった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたもので、研磨時の振動の発生を軽減させる
ため、研磨装置の振動抑制に寄与する各部の剛性を上げ
るために重量を増加させることなく、高負荷の研磨にお
いてトップリングの振動を効果的に抑制でき、研磨対象
物の被研磨面を平坦かつ均一に研磨することができる研
磨装置を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１に記載の発明は、研磨対象物を保持するトップ
リングを具備し、該トップリングで保持する研磨対象物
を研磨面に当接させ、該研磨対象物と該研磨面の相対運
動により、該研磨対象物を研磨する研磨装置であって、
トップリングは研磨面に対しての傾動機構を具備し、該
傾動機構には研磨対象物の研磨中にトップリングに発生
する振動を吸収する振動吸収機構を設けたことを特徴と
する。

【００２０】上記のようにトップリングに発生する振動
を吸収する振動吸収機構を設けたことにより、研磨装置
の振動抑制に寄与する各部の剛性を上げるために重量を
増加させることなく、効果的に研磨時の振動を抑制でき
る。また、高負荷の研磨において研磨対象物の表面を平
坦かつ均一に研磨できる。

【００２１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の研磨装置において、傾動機構はトップリングを構成す
るトップリング本体と該トップリング本体を支持する支
持体の間に介在する球体を具備し、該球体をトップリン
グ本体側の受座と支持体側の受座で支持する構成であ
り、振動吸収機構はトップリング本体側の受座又は前記
支持体側の受座のいずれか一方又は双方を支持する弾性
部材であることを特徴とする。

【００２２】上記のように振動吸収機構はトップリング
本体側の受座又は支持体側の受座のいずれか一方又は双
方を支持する弾性部材であるので、簡単な構成で弾性部
材がトップリング本体に発生する振動を吸収し、高負荷
の研磨において研磨対象物の表面を平坦かつ均一に研磨
できる。

【００２３】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の研磨装置において、弾性部材は受座の外周側面に配設
され、該受座を水平方向に移動可能に支持することを特
徴とする。

【００２４】上記のように弾性部材は受座の外周側面に
配設され、該受座を水平方向に移動可能に支持すること
により、特に水平方向の振動を吸収でき、高負荷の研磨
において研磨対象物の表面を平坦かつ均一に研磨でき
る。

【００２５】請求項４に記載の発明は、請求項２又は３
に記載の研磨装置において、弾性部材はゴム材であるこ
とを特徴とする。

【００２６】上記のように弾性部材をゴム材とすること
により、簡単な構成で、しかも該ゴム材の硬度を研磨時
の負荷に応じて調節することができるので、効率よく振
動を吸収し、研磨対象物の表面を平坦かつ均一に研磨で
きる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基いて説明する。図１は本発明にかかる振動吸収機
構を用いた研磨装置の概略断面を示す図である。本研磨
装置の基本的構成は、図４に示す研磨装置と同一である
のでその説明は省略する。図示するように本研磨装置
は、トップリング本体側受座１４に振動吸収機構４０を
設けた構成である。

【００２８】振動吸収機構４０は、受座本体４１、弾性
部材４２及びフランジ４３より構成されている。トップ
リング本体側受座１４の凹部１９中央部には、上記振動
吸収機構４０を収容する収容部３５が設けられている。

【００２９】受座本体４１は、円板状であり、上面に凸
部４４が設けられ、該凸部４４中央に球体１５を摺動自
在に収容する球面状凹部４５が設けられている。また、
上記受座本体４１は、該受座本体４１と収容部３５の間
に受座本体４１が水平方向に移動するための隙間Ａを設
けた状態で収容部３５に収容されている。このとき、受
座本体４１の底部は、トップリング本体側受座１４に直
接当接している。

【００３０】弾性部材４２は、図２に示すように中空の
円板状であり、エーテル系ポリウレタン（硬度：ショア
Ａ７０）、低弾性ラバー（硬度：ショアＡ３２）、低反
発ウレタン（硬度：ショアＡ７０）などから構成されて
おり、受座本体４１の凸部４４の外周に取り付けられて
いる。

【００３１】フランジ４３は、中空の円板状であり、受
座本体４１が水平方向に移動できる状態で、トップリン
グ本体側受座１４の収容部３５にボルト３６で取り付け
られている。なお、フランジ４３の内周面と弾性部材４
２の外周面は当接している。

【００３２】次に本研磨装置の動作について説明する。
外部の図示しない流体供給装置の真空源をロータリージ
ョイントに接続することにより、トップリング本体５の
流通孔７で研磨対象物Ｗを真空吸着によりトップリング
本体５の下面に吸着し、駆動装置を駆動することにより
支持体３を回転させ、該トップリング本体５を回転す
る。

【００３３】次に押圧装置により支持体３を下降させ、
研磨対象物Ｗをターンテーブル２の研磨布１に当接さ
せ、さらに研磨対象物Ｗをターンテーブル２に所定の押
圧力で当接し、研磨対象物Ｗとターンテーブル２の相対
運動により、該研磨対象物Ｗの研磨を行なう。このと
き、既にトップリング本体５は回転を開始しており、図
示しない砥液ノズルから砥液が研磨布１の上面（研磨
面）に供給されている。

【００３４】上記研磨時に負荷の高い研磨などによりト
ップリング本体５に水平方向の振動が発生すると、該振
動はフランジ４３に伝達されるが、受座本体４１は水平
方向に移動可能であるので、該フランジ４３に伝達され
た振動は直接受座本体４１に伝達されることはなく、弾
性部材４２を介して受座本体４１に伝達される。即ち、
フランジ４３に伝達された振動は、弾性部材４２により
抑制された後、受座本体４１に伝達され、該受座本体４
１の水平方向の移動により完全に吸収されるので、球体
１５、支持体側受座１３及び支持体３に伝達されること
はない。

【００３５】研磨が終了すると、支持体３を昇降装置に
より上昇させることで、トップリング本体５が上昇し、
さらに図示しない旋回機構で旋回させ、該トップリング
本体５をターンテーブル２上方から退避させ、研磨対象
物を受け渡しする台の上に移動させる。このとき、移動
中は外部の流体供給装置の真空源をロータリージョイン
トに接続することで、研磨対象物Ｗをトップリング本体
５に真空吸着させておき、上記受け渡しする台の上に移
動した後、外部の流体供給装置の純水供給源をロータリ
ージョイントに接続することで、分岐管１１、１２から
隙間Ｓ、トップリング本体５の流通孔７を経て純水を研
磨対象物Ｗの裏面に供給し、該研磨対象物Ｗを裏面から
押すことで、該研磨対象物Ｗがトップリング本体５から
容易に剥離する。

【００３６】上記実施形態では、振動吸収機構４０を球
体１５とトップリング本体側受座１４の間に設けたが、
本発明はこれに限定されるものではなく振動吸収機構４
０を支持体側受座１３と球体１５の間、又は支持体側受
座１３と球体１５の間及び該球体１５とトップリング本
体側受座１４の間に設けても良い。

【００３７】また、上記実施形態では、研磨対象物Ｗを
研磨する際に用いるテーブルに回転運動するターンテー
ブル２を用いたが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、例えば、図３に示すようなスクロールテーブル５
０を用いても良い。

【００３８】図３は、本発明にかかる振動吸収機構を用
いた他の研磨装置の構成例を示す図である。同図に示す
ように本研磨装置は、スクロールテーブル５０が、モー
タ５１の回転力によりガイドクランク５２を介して偏心
運動するように構成されている。‘また、スクロールテ
ーブル５０内には研磨液が流入する研磨液供給槽５３が
設けられ、該スクロールテーブル５０の上面には該上面
に開口し且つ研磨液供給槽５３に連通する多数の研磨液
流通孔５４が設けられている。なお、図示しないがスク
ロールテーブル５０上面には研磨布が貼り付けられてお
り、該研磨布には上記研磨液流通孔５４に対向する位置
に研磨液を研磨対象物Ｗの研磨面に供給する開口が設け
られている。

【００３９】上記研磨装置は、モータ５１の駆動により
該スクロールテーブル５０が水平方向に偏心運動し、ス
クロールテーブル５０に貼られた研磨布と研磨対象物Ｗ
との相対運動により該研磨対象物Ｗを研磨する。なお、
研磨対象物Ｗの研磨時には、図示しない研磨液供給源か
ら、研磨液供給管５５を通して、研磨液が研磨液供給槽
５３に流入し、該研磨液供給槽５３から各研磨液流入孔
５４及び研磨布の開口を通して研磨液が研磨対象物Ｗの
研磨面に供給される。

【００４０】スクロールテーブル５０は、研磨対象物Ｗ
の回転運動と比較して小さい直径の円運動を行い、研磨
対象物Ｗの任意の点で、該スクロールテーブルが１回転
した場合の移動距離はすべて等しくなる。従って、図３
に示す研磨装置では、スクロールテーブル５０の研磨布
はトップリング本体５に対し、１回転で３６０°摩擦力
の方向が変化することになり、図１に示すターンテーブ
ル２を用いる研磨装置に比べて振動が発生しやすい状況
となる。特にスクロールテーブル５０の回転半径が小さ
いため、研磨速度を向上させるためには、該スクロール
テーブル５０を高速度で回転するか又はトップリング本
体５の押圧力を増大させなければならないため、振動の
発生が顕著となる。

【００４１】上記のように振動が発生しやすいスクロー
ルテーブル５０を有する研磨装置においても、振動吸収
機構４０を設けることで、研磨時におけるのスクロール
テーブル５０に貼られた研磨布の３６０°方向に時々刻
々と変化する摩擦力により、トップリング本体５に水平
方向の振動が発生すると、フランジ４３に伝達される
が、該振動は弾性部材４２により抑制された後、受座本
体４１に伝達され、該受座本体４１の水平方向の移動に
より完全に吸収されるので、球体１５、支持体側受座１
３及び支持体３に伝達されることはない。

【００４２】

【発明の効果】以上、説明したように各請求項に記載の
発明によれば下記のような優れた効果が得られる。

【００４３】請求項１に記載の発明によれば、トップリ
ングに発生する振動を吸収する振動吸収機構を設けたこ
とにより、研磨装置の振動抑制に寄与する各部の剛性を
上げるために重量を増加させることがなく、効果的に研
磨時の振動を抑制できる。また、高負荷の研磨において
研磨対象物の表面を平坦かつ均一に研磨できる。

【００４４】請求項２に記載の発明によれば、振動吸収
機構はトップリング本体側の受座又は支持体側の受座の
いずれか一方又は双方を支持する弾性部材であるので、
簡単な構成で弾性部材がトップリング本体に発生する振
動を吸収し、高負荷の研磨において研磨対象物の表面を
平坦かつ均一に研磨できる。

【００４５】請求項３に記載の発明によれば、弾性部材
は受座の外周側面に配設され、該受座を水平方向に移動
可能に支持することにより、特に水平方向の振動を吸収
でき、高負荷の研磨において研磨対象物の表面を平坦か
つ均一に研磨できる。

【００４６】請求項４に記載の発明によれば、弾性部材
をゴム材とすることにより、簡単な構成で、しかも該ゴ
ム材の硬度を研磨時の負荷に応じて調節することができ
るので、効率よく振動を吸収し、研磨対象物の表面を平
坦かつ均一に研磨できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる振動吸収機構を用いた研磨装置
の概略断面を示す図である。

【図２】本発明にかかる振動吸収機構に用いる弾性部材
を示す図である。

【図３】本発明にかかる振動吸収機構を用いた他の研磨
装置の構成例を示す図である。従来の研磨装置の概略断
面を示す図である。

【図４】従来の研磨装置の概略断面を示す図である。

【符号の説明】

１ 研磨布 ２ ターンテーブル ３ 支持体 ４ 傾動機構 ５ トップリング本体 ７ 流通孔 ８ ガイドリング １０ 孔 １１ 分岐管 １２ 分岐管 １３ 支持体側受座 １４ トップリング本体側受座 １５ 球体 １７ 球面状凹部 ２１ 球面状凹部 ２３ 押え板 ２４ 接続孔 ２７ 吊下げピン ２８ 被駆動ピン ３２ バネ ３３ ゴムクッション ３４ 駆動ピン ３５ 収容部 ４０ 振動吸収機構 ４１ 受座本体 ４２ 弾性部材 ４３ フランジ ４４ 凸部 ４５ 球面状凹部 ５０ スクロールテーブル ５１ モータ ５２ ガイドクランク ５３ 研磨液供給槽 ５４ 研磨液流通孔 ５５ 研磨液供給管 Ａ 隙間 Ｓ 隙間 Ｗ 研磨対象物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 磯部 壮一 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 相澤 英夫 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 AB04 CA01 CB01 DA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨対象物を保持するトップリングを具
   備し、該トップリングで保持する研磨対象物を研磨面に
   当接させ、該研磨対象物と該研磨面の相対運動により、
   該研磨対象物を研磨する研磨装置であって、 前記トップリングは前記研磨面に対しての傾動機構を具
   備し、該傾動機構には前記研磨対象物の研磨中に前記ト
   ップリングに発生する振動を吸収する振動吸収機構を設
   けたことを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の研磨装置において、 前記傾動機構は前記トップリングを構成するトップリン
   グ本体と該トップリング本体を支持する支持体の間に介
   在する球体を具備し、該球体をトップリング本体側の受
   座と支持体側の受座で支持する構成であり、前記振動吸
   収機構は前記トップリング本体側の受座又は前記支持体
   側の受座のいずれか一方又は双方を支持する弾性部材で
   あることを特徴とする研磨装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の研磨装置において、 前記弾性部材は前記受座の外周側面に配設され、該受座
   を水平方向に移動可能に支持することを特徴とする研磨
   装置。
4. 【請求項４】 請求項２又は３に記載の研磨装置におい
   て、 前記弾性部材はゴム材であることを特徴とする研磨装
   置。