JP2014108511A - ウェーハ研磨ヘッドおよびウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハ保持プレートの傾動中心の高さを低くできるウェーハ研磨を提供する。
【解決手段】本発明に係るウェーハ研磨ヘッド１０は、下面側に押圧部１７ａを有するヘッド本体１４と、ヘッド本体１４下面側に、ヘッド本体１４に対して傾動可能に保持され、下面に研磨すべきウェーハを保持するウェーハ保持プレート２２と、ヘッド本体１４の押圧部１７ａに取り付けられ、ウェーハ保持プレート２２上面を押圧する弾性リング体２６とを具備し、ヘッド本体１４の押圧部１７ａにより弾性リング体２６およびウェーハ保持プレート２２を介してウェーハが定盤の研磨布に押圧される際、ウェーハ保持プレート２２が弾性リング体２６の弾性力を受けて定盤の研磨布面に追従して傾動可能であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はウェーハ研磨ヘッドおよびウェーハ研磨装置に関する。

半導体ウェーハの研磨装置には、上面に研磨布を貼付した定盤の研磨布に、研磨ヘッドのウェーハ保持プレート（キャリア）に保持されたウェーハの研磨面を接触させ、定盤および研磨ヘッドを相対的に移動させてウェーハの研磨面を研磨するウェーハ研磨装置がある。
この種のウェーハ研磨装置における研磨ヘッドでは、ウェーハと定盤とが常に平行に接するように、ウェーハ保持プレートをヘッド本体に傾動可能に設けて、ウェーハ保持プレートが定盤の研磨布に追従して動けるようにしている。

特許文献１におけるウェーハ研磨ヘッドでは、ヘッド本体下面側に剛性を有するリング状のダイヤフラムによりウェーハ保持プレートを吊持することによって、ウェーハ保持プレートをヘッド本体に対して傾動可能に設けている。ヘッド本体の回転トルクは、剛性を有するダイヤフラムによりウェーハ保持プレートに伝達される。
また、特許文献２におけるウェーハ研磨ヘッドでは、ヘッド本体下面側に、球面軸受を配置し、この球面軸受を介してウェーハ保持プレートをヘッド本体に対して傾動可能に設けている。ヘッド本体の回転トルクは、伝達ピンによりウェーハ保持プレートに伝達される。

特開平９−２９６１７ 特開平６−１９８５６１

ところで、半導体装置（半導体デバイス）の大量生産を可能にするため、ウェーハはどんどん大径化し、直径３００ｍｍ以上の極めて大きな径のウェーハも出現している。この大径のウェーハに、研磨、洗浄、乾燥、ＣＶＤ、露光、現像、エッチング等の必要な処理を連続して施し、最後に裁断して個片化する一連の工程を行うことによって生産性を高めている。このような一連の工程を一括して行うためには、数千億円規模の大規模な生産設備が必要となる。

しかしながら、昨今、種々の用途に用いるため、多品種で少量必要とされる半導体装置も多くなってきている。このような多品種少量生産の半導体装置には、上記大規模な生産設備は不向きである。
そこで、昨今、直径１／２インチ程度の小さなウェーハ（半導体チップ１個取り程度）に、必要な加工処理を施していくミニマル（登録商標）ファブ構想が提案されている。このミニマルファブ構想によれば、研磨装置、ＣＶＤ装置など、各工程毎に小型の処理装置を設け、これら処理装置を必要に応じて適宜組み合わせて使用することによって、多品種のウェーハに対応できるようにしている。各装置は小型のものでよいので、設備投資費を低く抑えることができる。

前記のように、ウェーハ研磨装置における研磨ヘッドでは、ウェーハと定盤とが常に平行に接するように、ウェーハ保持プレートをヘッド本体に傾動可能に設けて、ウェーハ保持プレートが定盤の研磨布に追従して動けるようにしている。そしてこの場合にあっても、ウェーハ保持プレートの傾動中心が研磨布に対して高くなると、ウェーハ先端に研磨布が引っ掛かる現象が生じるので加工が不安定になりやすい。したがって、ウェーハ保持プレートの傾動中心を、研磨布面に接近するよう、できるだけ低くする（低重心化）のが好ましい。

ウェーハ保持プレートの傾動中心の高さは、ウェーハの大きさとの相対関係できまる。すなわち、ウェーハの直径が小さくなると、ウェーハ保持プレートの傾動中心が従前と同じ高さであれば、ウェーハ先端に研磨布が引っ掛かり易くなる（ウェーハがつんのめる現象）。したがって、ウェーハが小さくなった場合、ウェーハ保持プレートの絶対的な高さをそれに応じて低くしなければならない。

特許文献１の研磨ヘッドにおけるウェーハ保持プレートの傾動中心はほぼダイヤフラムの高さとなる。特許文献１のように、ウェーハ保持プレートをダイヤフラムで吊持する構造のものでは、ウェーハ保持プレートの傾動中心を低くするには、物理的（機械的）に限界があることが判明した。
また、特許文献２の研磨ヘッドにおけるウェーハ保持ヘッドの傾動中心は球面軸受となり、比較的低重心化は可能であるが、機械部品を用いた構成であるため、やはり低重心化には限界がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ウェーハ研磨ヘッドにおけるウェーハ保持プレートの傾動中心の高さを低くでき、小径のウェーハの研磨も良好に行えるウェーハ研磨ヘッドおよびウェーハ研磨装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、本発明に係るウェーハ研磨ヘッドは、下面にウェーハを保持し、上面に研磨布が貼られて回転する定盤の研磨布にウェーハを押圧してウェーハを研磨するウェーハ研磨ヘッドにおいて、下面側に押圧部を有するヘッド本体と、該ヘッド本体下面側に、ヘッド本体に対して傾動可能に保持され、下面に研磨すべきウェーハを保持するウェーハ保持プレートと、前記ヘッド本体の押圧部に取り付けられ、前記ウェーハ保持プレート上面を押圧する弾性リング体とを具備し、前記ヘッド本体の押圧部により前記弾性リング体および前記ウェーハ保持プレートを介してウェーハが定盤の研磨布に押圧される際、前記ウェーハ保持プレートが前記弾性リング体の弾性力を受けて定盤の研磨布面に追従して傾動可能であることを特徴とする。

前記弾性リング体を、断面Ｖ字状に形成し、断面Ｖの開口側を外側にして前記ヘッド本体の押圧部と前記ウェーハ保持プレート上面との間に介在させることができる。
前記ウェーハ保持プレートの前記弾性リング体で囲まれる部位にウェーハ吸引用の複数の貫通孔を形成し、前記ヘッド本体の押圧部に、前記弾性リング体で囲まれる空間内の気体を吸引する吸引通路を形成し、前記弾性リング体にシールリングを兼用させるようにすることができる。

前記ヘッド本体の下面側に下方に開口する凹部を形成し、前記ウェーハ保持プレートを、該凹部内に、傾動可能に保持するようにすることができる。
前記凹部の内壁面に内方に突出する係止部を設け、前記ウェーハ保持プレートの外壁面に外方に突出する係止部を設け、該両係止部が係止することによって、前記ウェーハ保持プレートの抜け止めをするようにすることができる。
また、前記ウェーハ保持プレートをリング状の側壁部を有する皿状に形成し、前記係止部を該側壁部の外壁面に設け、前記ヘッド本体の押圧部の下部を、前記ウェーハ保持プレートの側壁部で囲まれる空間内に進入させるようにすることができる。
上記ウェーハ研磨ヘッドは、直径１／２インチのウェーハに用いて好適である。

また、本発明に係るウェーハ研磨装置は、上記いずれかの研磨ヘッドを、ヘッド駆動機構に着脱自在に取り付けられたことを特徴とする。
前記研磨ヘッドをヘッド駆動機構に研磨ヘッドの押圧部の軸線を中心に回転可能に取り付けるようにする。
前記ウェーハ保持プレートを、上面に押圧される弾性リング体と接続せず、それらの間の摩擦力のみによって前記押圧部側の回転力が伝達されるようにすると好適である。

本発明によれば、ヘッド本体の押圧部により弾性リング体およびウェーハ保持プレートを介してウェーハが定盤の研磨布に押圧される際、ウェーハ保持プレートが弾性リング体の弾性力に受けられて定盤の研磨布面に追従して傾動可能に設けたので、ウェーハ保持プレートの研磨布に対する傾動中心が、ウェーハ保持プレートの上面と押圧部下面との間に介在される弾性リング体の位置となるので、傾動中心を研磨布に接近した低い位置とすることができ、小さなウェーハであっても、研磨布への引っ掛かりを防止でき、良好な研磨を行える。

研磨ヘッドの要部を示す断面図である。 研磨ヘッドの断面図である。 研磨装置の正面図である。

以下本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は研磨ヘッド１０の要部を示す断面図、図２は研磨ヘッド１０の断面図、図３はヘッド駆動機構を含む研磨装置の正面図である。
なお、上面に研磨布を貼設した定盤機構は公知のものを用いることができるので、その説明を省略する。
図１および図２において、１４はヘッド本体である。
ヘッド本体１４は、下部にフランジ１５を有する取付ブロック部１６と、取付ブロック部１６の下面側に図示しないネジによって固定された押圧体１７と、押圧体１７を囲んで取付ブロック部１６下面にボルト１９によって固定されたリング状をなす係止体１８を具備する。取付ブロック部１６と押圧体１７とは一体のものとしてもよい。

係止体１８の下部には、内方に突出する内方フランジ２０が設けられている。この内方フランジ２０が一方の係止部を構成する。内方フランジ２０の上面と押圧体１７の下面あるいは取付ブロック部１６の下面との間には凹部２１が形成されている。
押圧体１７は、内方フランジ２０の内径よりも小径の外径を有する円柱状の押圧部１７ａを有する。押圧部１７ａはその下部が内方フランジ２０内に若干入り込む高さに形成されている。

２２は、側壁部２３を有する浅い皿状をなすウェーハ保持プレートである。
ウェーハ保持プレート２２の側壁部２３は、押圧部１７ａの外壁面と内方フランジ２０の外壁面との間の空間に進入している。側壁部２３の上部外壁面には、凹部２１内で外方に突出する外方フランジ２５が形成されている。この外方フランジ２５が他方の係止部を構成する。押圧部１７ａの下部はウェーハ保持プレート２２内に進入し、その下面がウェーハ保持プレート２２の上面に接近している。

ウェーハ保持プレート２２は、押圧部１７ａの外壁面と内方フランジ２０の内壁面との間で上下動可能であり、かつ、ヘッド本体１４に対して傾動可能になっている。ウェーハ保持プレート２２は、内方フランジ２０と外方フランジ２５とが係止することによって、下方への抜け止めがなされる。

また、押圧部１７ａの下部外周はリング状に切り欠かれ、この切欠部内に上半分が位置して、弾性リング体２６が固定されている。弾性リング体２６の下半部は押圧部１７ａの下方に突出し、ウェーハ保持プレート２２の上面に当接する。
本実施の形態では、弾性リング体２６は、断面Ｖ字状をなし、断面Ｖの開口側を外側にして押圧部１７ａに固定され、断面Ｖ字をなす一方のリップ部がウェーハ保持プレート２２の上面に当接している。

ウェーハ保持プレート２２の弾性リング体２６に囲まれる部位にウェーハ吸引用の複数の貫通孔２８が形成されている。ヘッド本体１４に、弾性リング体２６に囲まれる空間内の空気を吸引する吸引通路３０が形成されている。吸引通路３０は図示しない真空装置に接続される。吸引通路３０から気体が吸引されることによって形成される負圧力によりウェーハがウェーハ保持プレート２２の下面に吸着保持されるようになっている。この場合、弾性リング体２６はシールリングの役目もする。

ウェーハ保持プレート２２の下面には、ウェーハを収納保持する凹部３１が形成されている。ウェーハがこの凹部３１内に保持されることによって、研磨時、ウェーハの外方への飛び出しが防止される。
なお、ウェーハを吸引保持するのでなく、ウェーハ保持プレート２２の下面にバッキング材（図示せず）を貼付し、バッキング材に水を含ませ、この水の表面張力によってウェーハをバッキング材下面側に保持するようにしてもよい。

また、弾性リング体２６は、断面Ｖ字状のものでなく、Ｏリング状のものであってもよく、あるいは、弾性を有する小片をリング状に並べたものであってもよい。
いずれにしても、弾性リング体２６は、ヘッド本体１４の押圧部１７ａにより弾性リング体２６およびウェーハ保持プレート２２を介してウェーハが定盤の研磨布に押圧される際、ウェーハ保持プレート２２が弾性リング体２６の弾性力に受けられて定盤の研磨布面に追従して傾動可能な弾性力を有していればよい。

この弾性リング体２６がウェーハ保持プレート２２の傾動中心となる。弾性リング体２６は、押圧部１７ａ下面とウェーハ保持プレート２２の上面との間に直接介在し、押圧部１７ａからの押圧力によって圧縮される関係にあり、ウェーハ保持プレート２２の傾動中心を定盤の研磨布に接近して低くなるように設定できることが理解されよう。

研磨ヘッド１４は、取付ブロック部１６の外周に形成した雄ネジ部にネジリング３３が螺合されることによって、ヘッド駆動機構３５側の回転軸３６に着脱自在に取り付けられ、回転軸３６によって軸線を中心として回転される。３２は位置決めピンである。なお、ウェーハ保持プレート２２は、上面に押圧される弾性リング体２６との間の摩擦力によって押圧部１７ａ側の回転力が伝達される。
回転軸３６への取付ブロック部１６の取付けは、ネジリング３３でなく、コレットチャック構造、カップリング構造、マグネットを用いた構造など、他の適宜な機構を採用しうる。

このように、弾性リング体２６との間の摩擦力によってウェーハ保持プレート２２が回転されるので、ウェーハ保持プレート２２側に大きなトルクが発生した場合には、押圧部１７ａ側が空転して、ウェーハに過大な力が加わらないので、小さく、薄いウェーハの研磨に好都合である。
なお、場合によっては、図示しないが、伝達ピンを介して、押圧部１７ａ側の回転力を直接ウェーハ保持プレート２２側に伝達してもよい。

次にヘッド駆動機構３５について、図３により説明する。
４０は回動アームであり、基台４１に固定された正転、逆転可能な正逆モータ４２の回転軸４３に固定されて、水平面内で所要位置間に亘って往復回動できるようになっている。
回動アーム４０上にシリンダ装置４５が取り付けられ、シリンダ装置４５のロッド４６にステー４８が固定されている。ステー４８に、図３上、Ｌ字状をなす取付アーム４９が固定されている。

取付アーム４９の水平盤４９ａに、研磨ヘッド１０が取り付けられる回転軸３６が、軸受５０を介して取り付けられている。この回転軸３６を回転駆動するモータ５１が、水平盤４９ａの上方に位置して取付アーム４９の垂直盤４９ｂに水平に固定された取付板５２上に固定されている。５３は、取付アーム４９の垂直盤４９ｂをガイドするガイド板である。
したがって、シリンダ装置４５が駆動されてロッド４６が上下動することによって、ステー４８および取付アーム４９を介して、研磨ヘッド１０およびモータ５１が上下動する。また、研磨ヘッド１０およびモータ５１は、回動アーム４０の回動に伴われて水平面内で回動する。

５５ａ、５５ｂ、および５５ｃは、回動アーム４０に立設した取付棒５４に上下方向に間隔をおいて配設されたセンサである。各センサは、ステー４８の位置を検出する。センサ５５ａにより、研磨ヘッド１０が所定上限位置まで上昇したことを検出し、この位置で研磨ヘッド１０の上昇を停止する。センサ５５ｃにより、研磨ヘッド１０が、研磨開始前、搬入されているウェーハを吸着保持する下限位置まで下降したことを検出し、あるいは研磨時、研磨ヘッド１０に保持されたウェーハが定盤の研磨布に当接する下限位置まで下降したことを検出し、この位置で研磨ヘッド１０の下降を停止する。

研磨ヘッド１０を下降させる際、センサ５０ｂで検出される位置までは研磨ヘッド１０を高速で下降させ、この位置からセンサ５０ｃで検出される位置までは研磨ヘッド１０をゆっくり下降させる。これによりタクトタイムを短縮するとともに、ウェーハを搬入部や研磨布に衝突させないようにすることができる。
また、５６は、回動アーム４０の後端に取り付けたセンサであり、回動アーム４０の回動によるセンサ５６の移動経路上に配設したマーク（図示せず）を検出して、回動アーム４０を所定回動位置で停止させるためのものである。

本実施の形態に係る研磨ヘッド１０、およびヘッド駆動機構３５を含むウェーハ研磨装置は上記のように構成される。
次に、ウェーハを研磨する際の研磨動作について説明する。
まず、正逆モータ４２を駆動して、回動アーム４０を、研磨すべきウェーハが搬入されている搬入部（図示せず）の所要上方位置まで回動し、次いでこの位置でシリンダ装置４５を駆動して研磨ヘッド１０を下降してウェーハに当接させると共に、図示しない真空装置を作動させてウェーハをウェーハ保持プレート２２の下面に吸着保持する。

次いで、研磨ヘッド１０を上昇させ、さらに回動アーム４０を回動させて、研磨ヘッド１０を定盤の上方位置まで回動させる。
次に、研磨ヘッド１０を下降させ、研磨ヘッド１０のウェーハ保持プレート２２下面に保持されているウェーハを定盤の研磨布に当接させる。
そして、定盤を回転させ、さらにモータ５１を駆動して研磨ヘッド１０を回転させ、また、図示しないノズルから研磨液を定盤上に供給して、ウェーハの研磨をする。
研磨終了後は、研磨ヘッド１０の上昇、回動アーム４０の回動、研磨ヘッド１０の下降という順に作動して、ウェーハを所要箇所に搬出する。

なお、ウェーハを研磨布に押圧する力は、研磨ヘッド１０側の自重（モータ５１や取付アーム４９側の重量も含む）から、シリンダ装置４５側の上方への押し上げ力を差し引いた力によるものとし、所要一定の押圧力に調整した研磨圧によってウェーハの研磨を行うようにする。
上記一連の動作は、組み込まれているプログラムにしたがって制御部（図示せず）によって各部を駆動制御して行われる。

前記のように、ミニマルファブ構想によるウェーハの研磨の場合には、直径１／２インチ程度の小さなウェーハの研磨を行うことになる。本実施の形態では、ウェーハ保持プレート２２の研磨布に対する傾動中心が、ウェーハ保持プレート２２の上面と押圧部１７ａ下面との間に介在される弾性リング体２６の位置となるので、傾動中心を研磨布に接近した低い位置とすることができ、上記のように小さなウェーハであっても、研磨布への引っ掛かりを防止でき、良好な研磨を行える。

１０ 研磨ヘッド、１４ ヘッド本体、１５ フランジ、１６ 取付ブロック部、１７ 押圧体、１７ａ 押圧部、１８ 係止体、２０ 内方フランジ、２１ 凹部、２２ ウェーハ保持プレート、２３ 側壁部、２５ 外方フランジ、２６ 弾性リング体、２８ 貫通孔、３０ 吸引通路、３１ 凹部、３２ 位置決めピン、３３ ネジリング、３６ 回転軸、４０ 回動アーム、４１ 基台、４２ 正逆モータ、４３ 回転軸、４５ シリンダ装置、４６ ロッド、４８ ステー、４９ 取付アーム、４９ａ 水平盤、４９ｂ 垂直盤、５０ 軸受、５１ モータ、５２ 取付板、５３ ガイド板、５４ 取付棒、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ センサ、５６ センサ

Claims (10)

1. 下面にウェーハを保持し、上面に研磨布が貼られて回転する定盤の研磨布にウェーハを押圧してウェーハを研磨するウェーハ研磨ヘッドにおいて、
   下面側に押圧部を有するヘッド本体と、
   該ヘッド本体下面側に、ヘッド本体に対して傾動可能に保持され、下面に研磨すべきウェーハを保持するウェーハ保持プレートと、
   前記ヘッド本体の押圧部に取り付けられ、前記ウェーハ保持プレート上面を押圧する弾性リング体とを具備し、
   前記ヘッド本体の押圧部により前記弾性リング体および前記ウェーハ保持プレートを介してウェーハが定盤の研磨布に押圧される際、前記ウェーハ保持プレートが前記弾性リング体の弾性力を受けて定盤の研磨布面に追従して傾動可能であることを特徴とするウェーハ研磨ヘッド。
2. 前記弾性リング体は、断面Ｖ字状に形成され、断面Ｖの開口側を外側にして前記ヘッド本体の押圧部と前記ウェーハ保持プレート上面との間に介在されていることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨ヘッド。
3. 前記ウェーハ保持プレートの前記弾性リング体で囲まれる部位にウェーハ吸引用の複数の貫通孔が形成され、前記ヘッド本体の押圧部に、前記弾性リング体で囲まれる空間内の気体を吸引する吸引通路が形成され、前記弾性リング体がシールリングを兼用することを特徴とする請求項１または２記載のウェーハ研磨ヘッド。
4. 前記ヘッド本体の下面側に下方に開口する凹部が形成され、前記ウェーハ保持プレートが、該凹部内に、傾動可能に保持されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のウェーハ研磨ヘッド。
5. 前記凹部の内壁面に内方に突出する係止部が設けられ、前記ウェーハ保持プレートの外壁面に外方に突出する係止部が設けられ、該両係止部が係止することによって、前記ウェーハ保持プレートが抜け止めされることを特徴とする請求項４記載の研磨ヘッド。
6. 前記ウェーハ保持プレートがリング状の側壁部を有する皿状に形成され、前記係止部が該側壁部の外壁面に設けられ、前記ヘッド本体の押圧部の下部が、前記ウェーハ保持プレートの側壁部で囲まれる空間内に進入していることを特徴とする請求項５記載のウェーハ研磨ヘッド。
7. 直径１／２インチのウェーハ用であることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載のウェーハ研磨ヘッド。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載の研磨ヘッドが、ヘッド駆動機構に着脱自在に取り付けられたことを特徴とするウェーハ研磨装置。
9. 研磨ヘッドがヘッド駆動機構に研磨ヘッドの押圧部の軸線を中心に回転可能に取り付けられることを特徴とする請求項８記載のウェーハ研磨装置。
10. 前記ウェーハ保持プレートは、上面に押圧される弾性リング体と接続されておらず、それらの間の摩擦力のみによって前記押圧部側の回転力が伝達されることを特徴とする請求項８または９記載のウェーハ研磨装置。