JP2009023053A - 研磨装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被研磨物の端部付近における研磨特性を向上させた研磨装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る研磨装置は、被研磨物Wを保持する保持装置20と、保持装置20に保持された被研磨物Wを研磨可能な研磨部材11とを備え、研磨部材11の研磨面13を被研磨物Wに当接させながら相対移動させて被研磨物Wの研磨を行うように構成された研磨装置において、保持装置20は、被研磨物Wを保持するチャック部31と、チャック部31の周囲を囲むとともに研磨部材11に対して近接および離反する方向へ移動自在に配設され、研磨部材11の研磨面13に当接可能なガイド面37を有するリテーナ36と、リテーナ36が研磨部材11へ近接する方向にリテーナ36に対し付勢力を与える付勢部材と、当該付勢力に拘わらずリテーナ36を所定の位置で固定するリテーナ支持部41とを有して構成される。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体ウェハやガラス基板等の被研磨物を研磨する研磨装置に関する。
半導体ウェハ(以下、ウェハと称する)やガラス基板等といった被研磨物の研磨に用いられる研磨装置は、例えば、ウェハよりも径が小さい研磨パッドを用いる研磨装置や、ウェハよりも径が大きい研磨パッドを用いる(コンベンショナルの)研磨装置が知られている。ウェハよりも径が小さい研磨パッドを用いる研磨装置においては、研磨パッドがウェハに対して揺動運動しながら研磨を行っている(例えば、特許文献1を参照)。そのため、ウェハよりも径が大きい研磨パッドを用いる研磨装置のように、ウェハの表面が研磨パッドに全て覆われている訳ではないので、ウェハの裏面をテーブルとなるチャックに固定するなどして、ウェハがチャックより脱落しないようにした状態で研磨を行う必要がある。そこで、真空吸着を利用してウェハの裏面を負圧により吸着し固定保持する方法が用いられている。
このような研磨装置に用いられるウェハの保持装置は、例えば、回転自在な円盤状のチャックと、研磨パッドのウェハからのはみ出し部分を支持するリテーナリングとを有して構成され、チャックの上面にウェハの裏面が接触するようになっている。チャック上面には、真空源に繋がる多数の吸着穴が設けられており、ウェハの裏面をチャックの上面に接触させて、これら多数の吸着穴に負圧を作用させることで、ウェハの裏面がチャックの上面に真空吸着されるようになっている。このようにして、ウェハの裏面がチャックの上面に真空吸着された状態で、ウェハが保持装置に吸着保持される。
特開2002−217141号公報
しかしながら、従来のリテーナリングは、チャックの上面に吸着保持されたウェハよりも研磨により摩耗し易かったため、研磨パッドのウェハからのはみ出し部分を支持する機能がすぐに低下して、ウェハの端部付近における研磨特性が低下する一因となっていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被研磨物の端部付近における研磨特性を向上させた研磨装置を提供することを目的とする。
このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、被研磨物を保持する保持装置と、前記保持装置に保持された前記被研磨物を研磨可能な研磨部材とを備え、前記研磨部材の研磨面を前記被研磨物に当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨を行うように構成された研磨装置において、前記保持装置は、前記被研磨物を保持するチャック部と、前記チャック部の周囲を囲むとともに前記研磨部材に対して近接および離反する方向へ移動自在に配設され、前記研磨部材の前記研磨面に当接可能なガイド面を有するリテーナと、前記リテーナが前記研磨部材へ近接する方向に前記リテーナに対し付勢力を与える付勢部材と、前記付勢力に拘わらず前記リテーナを所定の位置で固定するリテーナ固定部とを有して構成される。
なお、上述の発明において、前記リテーナ固定部は、前記研磨部材の前記研磨面を前記被研磨物に当接させたとき前記付勢力を受けて前記ガイド面が前記研磨面に当接するガイド位置で、前記リテーナを固定することが好ましい。
また、上述の発明において、前記保持装置は、前記付勢力に抗して前記リテーナを前記ガイド位置より前記研磨部材に対し離反する方向へ退避させるリテーナ退避部を有して構成されることが好ましい。
また、上述の発明において、前記ガイド面を構成する前記リテーナの材質が前記被研磨物の材質と同一であることが好ましい。
また、上述の発明において、前記保持装置は、前記被研磨物を保持する前記チャック部とともに前記リテーナを回転させる回転機構を有して構成されることが好ましい。
本発明によれば、被研磨物の端部付近における研磨特性を向上させることができる。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る研磨装置の代表例であるCMP装置(化学的機械的研磨装置)の一部を図1に示している。このCMP装置Cは、その研磨工程に従って、カセットインデックス部、ウェハ洗浄部、および研磨部から構成され、また研磨部は、4分割されたインデックステーブルのそれぞれの区画に設けられる3つの研磨室と1つの搬送室とから構成されるが、本実施形態では、そのうちの1つの研磨室について説明を行う。
搬送室からガラス基板等のワークWが搬入される研磨室1には、4分割されてステッピングモータ等の作動により90度毎に回動送りされるインデックステーブル2と、研磨アーム3と、ドレッシング装置4と、パッド交換台5と、表面形状測定装置6とが配設されている。インデックステーブル2のそれぞれの区画には、被研磨物である正方形板状のワークWを裏面から吸着保持する保持装置20が配設されており、ワークWを吸着保持して研磨室1に移動させる。
研磨アーム3は、インデックステーブル2に対して水平方向に旋回可能で、且つ、鉛直方向に上下動可能に構成されている。この研磨アーム3の揺動端部には研磨ヘッド10が回転自在に取り付けられており、この研磨ヘッド10は、図2に示すように、下面側に研磨パッド12が貼り付けられた研磨部材11を着脱可能に保持するようになっている。そして、研磨パッド12の表面(下面)には、ワークWの表面(被研磨面)に当接して研磨を行う研磨面13が形成される。
このような研磨ヘッド10は、研磨アーム3内に配設された図示しない回転駆動機構により回転駆動されて、水平面内で高速回転自在に構成される。また、研磨ヘッド10は、上述の保持装置20を構成するチャック部31およびリテーナ36の回転方向と逆方向に回転駆動され、研磨パッド12の研磨面13をワークWに当接させながら高速に相対回転させることにより、ワークWの表面(被研磨面)が平坦に研磨される。さらに、研磨ヘッド10は、図1に示すように、研磨アーム3の回動により、保持装置20、ドレッシング装置4、パッド交換台5、および表面形状測定装置6の上方にそれぞれ移動することができるようになっている。
なお、図1で示されるドレッシング装置4は、ワークWを研磨加工することによって研磨パッド12に生じた目詰まりや目の不揃いを修正(ドレッシング、目立て)する装置であり、詳細図示を省略するが、表面にダイヤモンド砥粒等が固着されて回転自在なディスクと、ドレッシングされた研磨パッドの表面に純水を噴射して研磨パッドを純水洗浄する洗浄ノズルを有している。また、パッド交換台5は使用後の研磨パッド12を新品のものに交換するための装置であり、表面形状測定装置6は研磨パッド12の表面形状を測定するための装置である。
保持装置20は、図2に示すように、回転軸21に連結されたベース部26と、ベース部26の上面に取り付けられたチャック部31と、チャック部31の周囲を囲むように配設されたリテーナ36と、リテーナ36を研磨部材11に対して近接および離反する方向へ(すなわち、上下方向へ)移動自在に支持するリテーナ支持部41と、リテーナ支持部41の側部を回転自在に支持する回転支持部61とを主体に構成される。
ベース部26は、ステンレス(例えば、SUS316)やセラミック等の高い剛性を有する材料を用いて略円盤状に形成され、ネジ等の固定手段により回転軸21の上端部に水平に取り付けられる。ベース部26には、チャック部31に冷却用のチラー水やウォーターシール用の純水を供給するための水路27が形成されており、上流側は回転軸21に形成された水供給通路23を介して図示しない開閉電磁弁や純水供給源と繋がっている。
チャック部31は、ベース部26と同様に、ステンレス(例えば、SUS316)やセラミック等の高い剛性を有する材料を用いて、下側に円盤状のフランジ部31aを有する直方体形に形成され、ネジ等の固定手段によりベース部26の上面に取り付けられる。そして、チャック部31は、ベース部26および回転軸21を介してインデックステーブル2に水平面内で回転自在に支持され、インデックステーブル2の内部に配設された図示しない電動モータやエアモータ等の駆動手段により高速回転される。なお、チャック部31上部の平断面形状は、ワークWの形状に合わせて正方形となっている。
チャック部31の上面には、複数の吸着穴(図示せず)が形成されており、チャック部31の上面にワークWの裏面(下面)を接触させて各吸着穴に負圧を作用させることで、ワークWの裏面がチャック部31の上面に真空吸着されるようになっている。このように、ワークWの裏面がチャック部31の上面に真空吸着された状態で、ワークWが保持装置20のチャック部31に吸着保持される。なお、吸着穴は、チャック部31に形成された吸着用エア通路(図示せず)や回転軸21に形成されたエア通路22を介して、図示しないエアオペレートバルブや真空源およびエア源と繋がっている。
リテーナ36は、図2および図3に示すように、研磨パッド12の研磨面13に当接可能なガイド部38と、ガイド部38から下方へ延びるように形成されてリテーナ支持部41に支持されるキャリッジ39とを有して構成される。ガイド部38は、チャック部31上側の周囲を囲む枠板状に形成され、研磨パッド12の研磨面13が当接するガイド面37がガイド部38の上面に形成される。これにより、図2に示すように、リテーナ36(ガイド部38)が研磨パッド12のワークWからのはみ出し部分を支持し、さらには、チャック部31上面の延長面上におけるワークWの移動を規制できるようになっている。
なお、ガイド部38の材質は、ワークWの材質と同じ材質を使用している。このようにすれば、ガイド部38の摩耗量がワークWの研磨量とほぼ同じになるため、ワークWの端部付近における研磨がより安定して当該部分の研磨特性を向上させることが可能になる。
キャリッジ39は、図3に示すように、下側に開口を有した有底円筒状に形成され、ガイド部38の下面側に結合される。また、キャリッジ39は、リテーナ支持部41を構成する支持部材49の頭部と上下方向へ摺動自在に嵌合した状態で、リテーナ支持部41のサブハウジング45内に収容されており、これにより、リテーナ36がリテーナ支持部41に上下方向、すなわち研磨部材11に対して近接および離反する方向へ移動自在に支持されることになる。
リテーナ支持部41は、メインハウジング42と、メインハウジング42に収容されたサブハウジング45と、サブハウジング45に収容された支持部材49とを有して構成される。メインハウジング42は、チャック部31上側の周囲を囲む枠状に形成され、ネジ等の固定手段によりチャック部31のフランジ部31a上面に取り付けられる。これにより、ワークWを保持するチャック部31とともにリテーナ支持部41およびリテーナ36を回転させることが可能になる。このようにすれば、リテーナ36がワークWと一体的に回転するため、リテーナ36におけるガイド部38の摩耗の状態がワークWの研磨の状態に近くなることから、ワークWの端部付近における研磨がより安定して当該部分の研磨特性を向上させることが可能になる。
サブハウジング45は、上側に開口を有した有底円筒状に形成され、メインハウジング42に形成された収容穴に収容される。そして、サブハウジング45内には、前述したようにリテーナ36のキャリッジ39および支持部材49が収容される。なお、リテーナ36のキャリッジ39はガイド部38に沿って複数設けられており、キャリッジ39の数に応じてサブハウジング45や支持部材49が設けられることになる。
支持部材49は、内側にセンターピン50を挿入可能な筒状に形成されて、サブハウジング45の内側底部に固定される。支持部材49の頭部外周部は、キャリッジ39の内径よりも僅かに小さな径を有しており、前述したように、キャリッジ39が上下方向へ摺動自在に嵌合する。支持部材49の頭部内周部は、センターピン50の径よりも僅かに大きい径を有しており、これにより、支持部材49の頭部内側にセンターピン50が上下方向へ摺動自在に挿入される。また、支持部材49の頭部に形成された複数の横穴には、球状のボール部材51がそれぞれ配設されており、各ボール部材51は常に、センターピン50の先端に形成されたテーパ部にそれぞれ摺接するようになっている。
支持部材49の胴部は、頭部よりも内径および外径が大きくなっており、外周側に付勢バネ48が取り付けられる。この付勢バネ48は、圧縮コイルバネであり、付勢バネ48の上端部がリテーナ36のキャリッジ39の下部に当接するとともに、下端部が支持部材49の脚部に当接し、リテーナ36が上方へ移動する方向に、すなわちリテーナ36が研磨部材11へ近接する方向にリテーナ36に対し付勢力を与えるようになっている。
なお、リテーナ36のキャリッジ39の下部は、サブハウジング45の内径よりも僅かに小さい外径を有する一方、キャリッジ39の上部は、キャリッジ39の下部よりもさらに外径が小さくなっており、キャリッジ39の上部とサブハウジング45との間には、第1エア供給空間55が形成される。第1エア供給空間55は、サブハウジング45に形成された第1エア供給通路46と、メインハウジング42に形成された第1回転側エア通路43と、回転支持部61に形成された第1固定側エア通路63およびジョイントJと、ジョイントJに接続された配管(図示せず)とを介して、図示しない電空レギュレータやエア源と繋がっている。
また、支持部材49の胴部とセンターピン50との間に形成される空間には、ロック解除バネ52が取り付けられる。ロック解除バネ52は、圧縮コイルバネであり、ロック解除バネ52の上端部が支持部材49の内側に当接するとともに、下端部がセンターピン50の基端部に当接し、センターピン50が下方へ移動する方向に(後述するボール部材51によるロックが解除される方向に)センターピン50に対し付勢力を与えるようになっている。
なお、サブハウジング45の底部と対向するセンターピン50の基端部に凹部が形成されており、この凹部が形成されたセンターピン50の基端部とサブハウジング45との間には、第2エア供給空間56が形成される。第2エア供給空間56は、サブハウジング45に形成された第2エア供給通路47と、メインハウジング42に形成された第2回転側エア通路44と、回転支持部61に形成された第2固定側エア通路64およびジョイント(図示せず)と、ジョイントに接続された配管(図示せず)とを介して、図示しない電空レギュレータやエア源と繋がっている。
回転支持部61は、本体部62と、本体部62に取り付けられたベアリング65およびメカニカルシール67とを有して構成される。本体部62は、メインハウジング42の周囲を囲む枠状に形成され、ネジ等の固定手段によりインデックステーブル2上に固定された筐体部(図示せず)に取付固定される。本体部62の内側には、上下にベアリング65,65が取り付けられ、本体部62は、このベアリング65,65を介してメインハウジング42のフランジ部42aを回転自在に支持する。なお、本体部62の内側上下端には、それぞれシール部材66が取り付けられる。
メインハウジング42のフランジ部42aが収容される本体部62の溝部には、上下にメカニカルシール67,68が取り付けられる。上部メカニカルシール67は、フランジ部42aの上面と対向するように配設され、回転自在なリテーナ支持部41のメインハウジング42に(フランジ部42aまで延びて)形成された第1回転側エア通路43と、固定側の本体部62に形成された第1固定側エア通路63とを繋ぐ。一方、下部メカニカルシール68は、フランジ部42aの下面と対向するように配設され、メインハウジング42に(フランジ部42aまで延びて)形成された第2回転側エア通路44と、本体部62に形成された第2固定側エア通路64とを繋ぐ。
このような構成のCMP装置Cにおいて、まず、図示しない搬送装置により、搬送室で待機する保持装置20のチャック部31上面に、未加工のワークWが載置される。このとき、図示しないエア源から第1固定側エア通路63、第1回転側エア通路43、および第1エア供給通路46を介して第1エア供給空間55に圧縮空気が供給されており、第1エア供給空間55に供給された空気圧を利用して、リテーナ36は(付勢バネ48からの付勢力に抗して)研磨部材11から離反するように下方へ退避した退避位置に位置しているが、チャック部31の上面に未加工のワークWが載置されると、第1エア供給空間55から第1エア供給通路46等を介して圧縮空気が排出され、リテーナ36は付勢バネ48からの付勢力を受けて研磨部材11へ近接する方向に上昇する。
チャック部31の上面に未加工のワークWが載置されると、真空吸着を利用してワークWが保持装置20のチャック部31に吸着保持され、この状態で保持装置20がインデックステーブル2の回転により研磨室1へ送られる。続いて、研磨アーム3の作動により、研磨ヘッド10が保持装置20の上方に移動し、図2に示すように、研磨パッド12の研磨面13がワークWに当接する研磨高さまで研磨ヘッド10が下降する。
このとき、リテーナ36は、付勢バネ48からの付勢力を受けて、チャック部31に吸着保持されたワークWの上面を超える高さまで上昇しているが、研磨ヘッド10が前述の研磨高さまで下降すると、図2の二点鎖線で示すように、リテーナ36のガイド面37が研磨パッド12の研磨面13に当接した状態で、研磨ヘッド10および研磨部材11の自重により下降し、ガイド面37がワークWの上面と同一面上に並ぶ(すなわち、研磨パッド12の研磨面13をワークWに当接させたとき、付勢バネ48からの付勢力を受けてリテーナ36のガイド面37が研磨面13に当接する)ガイド位置に移動する。
リテーナ36が前述のガイド位置に移動すると、図示しないエア源から第2固定側エア通路64、第2回転側エア通路44、および第2エア供給通路47を介して第2エア供給空間56に圧縮空気が供給され、第2エア供給空間56に供給された空気圧を利用して、センターピン50が(ロック解除バネ52からの付勢力に抗して)上昇する。このとき、センターピン50のテーパ部に摺接する複数のボール部材51は、上昇するセンターピン50によりそれぞれ横方向へ押圧されてリテーナ36のキャリッジ39に当接し、センターピン50からの押圧力を受けて各ボール部材51がキャリッジ39を横方向へ押圧することで、付勢バネ48による付勢力に拘わらずリテーナ36がガイド位置でロック固定される。
このようにリテーナ36をガイド位置に固定した状態で、研磨ヘッド10とともに研磨パッド12(研磨部材11)を回転させながら、研磨パッド12の研磨面13をチャック部31に回転保持されたワークWの上面に当接させて研磨加工が行われ、このとき、研磨パッド12は回転しながらワークWに対して水平方向へ往復運動(揺動)することで、ワークWの全表面が平坦に研磨加工される。なおこのとき、研磨パッド12とワークWとの間に研磨剤(スラリー)が供給される。また、研磨パッド12がワークWの端部付近を研磨するときには、ガイド位置に固定されたリテーナ36が研磨パッド12のワークWからのはみ出し部分を支持する。
ワークWの研磨加工が終了すると、第2エア供給空間56から第2エア供給通路47等を介して圧縮空気が排出され、センターピン50はロック解除バネ52からの付勢力を受けて下降する。このとき、リテーナ36のキャリッジ39に当接していた複数のボール部材51は、センターピン50の下降に伴ってキャリッジ39から離れ、ボール部材51によるリテーナ36のロックが解除される。
続いて、図示しないエア源から第1固定側エア通路63、第1回転側エア通路43、および第1エア供給通路46を介して第1エア供給空間55に圧縮空気が供給され、第1エア供給空間55に供給された空気圧を利用して、リテーナ36が(付勢バネ48からの付勢力に抗して)研磨部材11から離反するように下降し退避位置に移動する。このようにリテーナ36が退避位置に移動した状態で、研磨ヘッド10が保持装置20の上方まで上昇し、研磨加工を行ったワークWの洗浄および搬出や、チャック部31上面の洗浄等が行われる。これにより、チャック部31上面の洗浄等を容易に行うことができる。
なお、ワークWの研磨が所定回数終了すると、研磨アーム3の作動により、研磨ヘッド10が保持装置20の上方からドレッシング装置4の上方に移動し、そこで研磨パッド12のドレッシングが行われる。ドレッシング終了後、研磨アーム3の作動により、研磨ヘッド10がドレッシング装置4の上方から表面形状測定装置6の上方に移動し、そこで研磨パッド12の表面形状(溝深さやパッド厚さ等)が測定される。
パッド厚さや溝深さが規定の値未満となっていた場合には、研磨ヘッド10をパッド交換台5の上方に移動させて研磨パッド12(研磨部材11)の交換を行い、さらに研磨ヘッド10を保持装置20の上方に移動させて新しくワークWの研磨を行う。一方、パッド厚さや溝深さが規定の値以上である場合には、研磨ヘッド10を保持装置20の上方に戻して新しいワークWの研磨を開始する。
以上のような構成のCMP装置Cによれば、リテーナ36が研磨部材11へ近接する方向にリテーナ36に対し付勢力を与える付勢バネ48と、当該付勢力に拘わらずリテーナ36を所定の位置で固定するセンターピン50およびボール部材51を有して構成されるため、リテーナ36の摩耗に応じて、リテーナ36のガイド面37の高さをワークW上面の高さと同一にすることが可能になり、リテーナ36が研磨パッド12のワークWからのはみ出し部分を安定して支持できることから、ワークWの端部付近における研磨特性を向上させることが可能になる。
具体的には、研磨パッド12の研磨面13をワークWに当接させたとき、付勢バネ48からの付勢力を受けてリテーナ36のガイド面37が研磨面13に当接するガイド位置で、リテーナ36を固定することが好ましく、このようにすれば、研磨パッド12の研磨面13を基準として、ガイド面37の高さをワークW上面の高さと同一にできるため、リテーナ36の高さを測る測定器が不要となる。また、リテーナ36が摩耗しても、付勢バネ48からの付勢力を利用して、ガイド面37の高さを再びワークW上面の高さと同一にできるため、リテーナ36を限界まで使用することが可能になり、リテーナ36の交換頻度を低減させることができる。
なお、上述の実施形態において、研磨部材11の下方において保持装置20によりワークWが吸着保持される研磨装置について説明したが、これに限られるものではなく、本発明は、研磨部材の上方において保持装置によりワークが吸着保持される構成の研磨装置にも用いることができる。
また、上述の実施形態において、被研磨物であるワークWが、ガラス基板のように正方形板状に形成されているが、これに限られるものではなく、半導体ウェハのように円盤状に形成されていてもよい。
本発明に係る研磨装置の一例であるCMP装置の正面図である。 保持装置の正断面図である。 保持装置におけるリテーナ近傍を示す拡大図である。
符号の説明
C CMP装置(研磨装置) W ワーク(被研磨物)
10 研磨ヘッド 11 研磨部材
12 研磨パッド 13 研磨面
20 保持装置 31 チャック部
36 リテーナ 37 ガイド面
41 リテーナ支持部(リテーナ退避部) 48 付勢バネ(付勢部材)
50 センターピン(リテーナ固定部) 51 ボール部材(リテーナ固定部)
61 回転支持部

Claims (5)

  1. 被研磨物を保持する保持装置と、前記保持装置に保持された前記被研磨物を研磨可能な研磨部材とを備え、前記研磨部材の研磨面を前記被研磨物に当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨を行うように構成された研磨装置において、
    前記保持装置は、前記被研磨物を保持するチャック部と、
    前記チャック部の周囲を囲むとともに前記研磨部材に対して近接および離反する方向へ移動自在に配設され、前記研磨部材の前記研磨面に当接可能なガイド面を有するリテーナと、
    前記リテーナが前記研磨部材へ近接する方向に前記リテーナに対し付勢力を与える付勢部材と、
    前記付勢力に拘わらず前記リテーナを所定の位置で固定するリテーナ固定部とを有して構成されることを特徴とする研磨装置。
  2. 前記リテーナ固定部は、前記研磨部材の前記研磨面を前記被研磨物に当接させたとき前記付勢力を受けて前記ガイド面が前記研磨面に当接するガイド位置で、前記リテーナを固定することを特徴とする請求項1に記載の研磨装置。
  3. 前記保持装置は、前記付勢力に抗して前記リテーナを前記ガイド位置より前記研磨部材に対し離反する方向へ退避させるリテーナ退避部を有して構成されることを特徴とする請求項2に記載の研磨装置。
  4. 前記ガイド面を構成する前記リテーナの材質が前記被研磨物の材質と同一であることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載の研磨装置。
  5. 前記保持装置は、前記被研磨物を保持する前記チャック部とともに前記リテーナを回転させる回転機構を有して構成されることを特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載の研磨装置。
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