JP2019107752A - 研磨ヘッドおよび研磨装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、コンパクトな大きさの研磨ヘッドを提供する。【解決手段】研磨ヘッド１０は、研磨具３を支持する研磨具押圧部材１２と、研磨具押圧部材１２に連結された可動軸１５と、可動軸１５を内部に収容するハウジング１８と、可動軸１５の端部とハウジング１８との間に圧力室２０を形成する隔壁膜２５とを備える。隔壁膜２５は、可動軸１５の端部に接触する中央部２５ａと、中央部２５ａに接続され、可動軸１５の側面に沿って延びる内壁部２５ｂと、内壁部２５ｂに接続され、湾曲した断面を有する折り返し部２５ｃと、折り返し部２５ｃに接続され、内壁部２５ｂの外側に位置する外壁部２５ｄを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハなどの基板の表面に研磨具を押し付けるための研磨ヘッドに関する。また、本発明はそのような研磨ヘッドで基板を研磨するための研磨装置に関する。
近年、メモリー回路、ロジック回路、イメージセンサ（例えばＣＭＯＳセンサー）などのデバイスは、より高集積化されつつある。これらのデバイスを形成する工程においては、微粒子や塵埃などの異物がデバイスに付着することがある。デバイスに付着した異物は、配線間の短絡や回路の不具合を引き起こしてしまう。したがって、デバイスの信頼性を向上させるために、デバイスが形成されたウェーハを洗浄して、ウェーハ上の異物を除去することが必要とされる。
ウェーハの裏面（非デバイス面）にも、上述したような微粒子や粉塵などの異物が付着することがある。このような異物がウェーハの裏面に付着すると、ウェーハが露光装置のステージ基準面から離間したりウェーハ表面がステージ基準面に対して傾き、結果として、パターニングのずれや焦点距離のずれが生じることとなる。このような問題を防止するために、ウェーハの裏面に付着した異物を除去することが必要とされる。
特開２０１７−１４８９３１号公報
従来の研磨ユニットは、基板回転機構によってウェーハを回転させながら、研磨ヘッドでウェーハの裏面の研磨を行う（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載の研磨ヘッドは、その内部にエアシリンダを有しているため、研磨ヘッド全体が大きく、かつ構造も複雑となっている。特に、ウェーハの下方のスペースには限りがあるため、大型化した研磨ヘッドをウェーハの下方に配置することができない場合があった。
そこで、本発明は、簡単な構成で、コンパクトな大きさの研磨ヘッドを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような研磨ヘッドを備えた研磨装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、研磨具を基板に押し付けるための研磨ヘッドであって、前記研磨具を支持する研磨具押圧部材と、前記研磨具押圧部材に連結された可動軸と、前記可動軸を内部に収容するハウジングと、前記可動軸の端部と前記ハウジングとの間に圧力室を形成する隔壁膜とを備え、前記隔壁膜は、前記可動軸の端部に接触する中央部と、前記中央部に接続され、前記可動軸の側面に沿って延びる内壁部と、前記内壁部に接続され、湾曲した断面を有する折り返し部と、前記折り返し部に接続され、前記内壁部の外側に位置する外壁部とを有することを特徴とする。
前記可動軸は、その内部に通気孔を有しており、前記通気孔の一方の開口端は大気に連通し、前記通気孔の他方の開口端は、前記可動軸の側面内に位置し、かつ前記圧力室の外側に位置していることを特徴とする。
前記研磨具押圧部材と前記可動軸との間に配置されたユニバーサルジョイントをさらに備えたことを特徴とする。
前記ユニバーサルジョイントは、前記研磨具押圧部材の内部に収容されていることを特徴とする。
前記ユニバーサルジョイントは、前記可動軸の軸方向に垂直な第１支持軸と、前記第１支持軸に支持され、前記第１支持軸を中心に回転可能な傾動体と、前記傾動体に固定され、前記第１支持軸に垂直な第２支持軸を有していることを特徴とする。
前記可動軸の前記端部を向いて配置され、前記可動軸の前記ハウジングに対する相対的な移動距離を測定する距離センサをさらに備えたことを特徴とする。
前記距離センサは、光学式距離センサであることを特徴とする。
前記距離センサから送られる前記移動距離の測定値がしきい値よりも大きいとき、または小さいときに警報信号を発する距離監視装置をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の一態様は、基板を保持する基板保持部と、前記基板を研磨するための上記研磨ヘッドとを備えた研磨装置である。
可動軸および研磨具押圧部材は、隔壁膜（ダイヤフラム）によって形成された圧力室内の圧力に応じて移動する。圧力室は、エアシリンダよりも小さいので、研磨ヘッドの全体をコンパクトにすることができる。また、内壁部、湾曲した折り返し部、および外壁部を有する隔壁膜は、張力をほとんど発生することなく圧力室内の圧力の変化に応じて自由に変形することができる。したがって、隔壁膜に接触する可動軸は、圧力室内の圧力を直接に反映した力で押される。より具体的には、圧力室内の圧力を増加させたとき、可動軸は隔壁膜からの反力をほとんど受けずに基板に向かって移動することができる。結果として、可動軸に連結された研磨具押圧部材は、精密に制御された力で研磨具（例えば、研磨テープ）を基板に対して押し付けることができる。
研磨テープを基板の一例であるウェーハの表面に押し付けるための研磨ヘッドを示す断面図である。 隔壁膜の断面図である。 圧縮気体の圧力が隔壁膜の中央部および内壁部を押し上げ、同時に可動軸を押し上げている様子を示す図である。 可動軸および研磨具押圧部材が上昇したときの図である。 可動軸の移動距離の測定値に対して設けられた第１しきい値および第２しきい値を説明するグラフである。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 上記研磨ヘッドを備えた研磨装置の一実施形態を示す模式図である。 基板保持部の詳細を示す模式図である。 図８に示すローラー回転機構を示す平面図である。 図９のＢ−Ｂ線断面図である。 ローラーの上部の拡大図である。 研磨テープの一例を示す模式図である。 研磨ヘッドの配置を示す平面図である。 複数の研磨ヘッドを備えた研磨装置を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、研磨テープを基板の一例であるウェーハの表面に押し付けるための研磨ヘッドを示す断面図である。研磨ヘッド１０は、研磨具の一例である研磨テープ３を支持するための研磨具押圧部材１２と、研磨具押圧部材１２に連結された可動軸１５と、可動軸１５を内部に収容するハウジング１８と、可動軸１５の端部とハウジング１８との間に圧力室２０を形成する隔壁膜（ダイヤフラム）２５とを備える。研磨具押圧部材１２は、研磨テープ３の進行方向に対して斜めに傾いた研磨ブレード２７を有している。研磨テープ３の裏面は、研磨ブレード２７によって支持される。研磨テープ３の裏面は、砥粒を有する研磨面とは反対側の面である。研磨ブレード２７は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂材料から構成することができる。
可動軸１５は、その軸方向にハウジング１８内で移動可能となっている。本実施形態では、可動軸１５はボールスプライン軸から構成されている。ハウジング１８内にはボールスプラインナット３０が配置されており、可動軸１５はボールスプラインナット３０により鉛直方向に移動可能に支持されている。一実施形態では、可動軸１５は、ハウジング１８の内面に移動可能に支持されてもよい。
ハウジング１８は、可動軸１５が収容される空間が内部に形成されたハウジング本体１８Ａと、上記空間を塞ぐ蓋１８Ｂとを備えている。蓋１８Ｂはねじ３１によりハウジング本体１８Ａに着脱可能に固定されている。隔壁膜２５の縁は、ハウジング本体１８Ａと蓋１８Ｂとの間に挟まれている。蓋１８Ｂをハウジング本体１８Ａから取り外すと、隔壁膜２５をハウジング１８から取り外すことができる。圧力室２０は、隔壁膜２５とハウジング１８の内面とによって形成されている。より具体的には、圧力室２０は、隔壁膜２５と蓋１８Ｂの内面とによって形成されている。ハウジング１８の蓋１８Ｂには、圧力室２０に連通する圧縮気体流路３３が形成されている。この圧縮気体流路３３は、圧力レギュレータ３６および切り替え弁３５を経由して圧縮気体供給源３８に接続されている。切り替え弁３５は、圧縮気体流路３３を圧縮気体供給源３８または大気に選択的に連通させる弁である。切り替え弁３５としては三方弁を用いることができる。圧縮気体供給源３８は、ポンプ、または工場に予め設置されているユーティリティとしての圧縮気体供給ラインとすることができる。
図２は、隔壁膜２５の断面図である。隔壁膜２５は、可動軸１５の端部（下端）に接触する中央部２５ａと、中央部２５ａに接続され、可動軸１５の側面に沿って延びる内壁部２５ｂと、内壁部２５ｂに接続され、湾曲した断面を有する折り返し部２５ｃと、折り返し部２５ｃに接続され、内壁部２５ｂの外側に位置する外壁部２５ｄとを有している。本実施形態では、隔壁膜２５は可動軸１５の下部に接触している。中央部２５ａは円形であり、可動軸１５の端部（下端）を支持している。折り返し部２５ｃは、上側に湾曲している。内壁部２５ｂおよび外壁部２５ｄは円筒形状を有し、内壁部２５ｂは可動軸１５の側面に接触している。外壁部２５ｄは内壁部２５ｂを囲むように配置されている。
隔壁膜２５は可動軸１５に接触しているのみであり、可動軸１５に固定されていない。隔壁膜２５の縁を構成する肉厚部２５ｅは、ハウジング本体１８Ａと蓋１８Ｂとの間に挟まれている。隔壁膜２５は、柔軟な材料から形成されている。隔壁膜２５を構成する材料の例としては、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴムが挙げられる。耐屈曲疲労性の高いクロロプレンゴムが好ましく用いられる。
圧力室２０内に圧縮気体が導入されると、図３に示すように、圧縮気体の圧力が隔壁膜２５の中央部２５ａおよび内壁部２５ｂを押し上げ、同時に可動軸１５を押し上げる。このとき、折り返し部２５ｃはその形状を保ちながら、内壁部２５ｂの一部は折り返し部２５ｃの一部となり、かつ折り返し部２５ｃの一部は外壁部２５ｄの一部となる。圧力室２０を大気開放すると、隔壁膜２５の中央部２５ａおよび内壁部２５ｂが下降し、同時に可動軸１５も下降する。このとき、折り返し部２５ｃはその形状を保ちながら、外壁部２５ｄの一部は折り返し部２５ｃの一部となり、かつ折り返し部２５ｃの一部は内壁部２５ｂの一部となる。このような隔壁膜２５の動きにより、可動軸１５は隔壁膜２５からの反力をほとんど受けることなく、スムーズに上下動することができる。
ウェーハＷを研磨するときは、切り替え弁３５を操作して圧縮気体流路３３を圧縮気体供給源３８に連通させる。圧縮空気などの圧縮気体は、圧縮気体供給源３８から圧縮気体流路３３を通って圧力室２０に供給される。圧力室２０内の圧縮気体の圧力は、圧力レギュレータ３６によって制御される。圧力室２０内の圧縮気体の圧力は、隔壁膜２５を介して可動軸１５の端部（下端）に作用し、可動軸１５および研磨具押圧部材１２を上昇させる。図４は、可動軸１５および研磨具押圧部材１２が上昇したときの図である。研磨具押圧部材１２の研磨ブレード２７は、研磨テープ３をウェーハＷの下面に押し付けることができる。
ウェーハＷの研磨を終了させるときは、切り替え弁３５を操作して圧縮気体流路３３を大気に連通させる。圧力室２０は大気開放され、その結果、可動軸１５の自重および研磨テープ３の張力により可動軸１５および研磨具押圧部材１２が図１に示す退避位置まで下降する。
可動軸１５および研磨具押圧部材１２は、隔壁膜（ダイヤフラム）２５によって形成された圧力室２０内の圧力に応じて移動する。圧力室２０は、エアシリンダよりも小さいので、研磨ヘッド１０の全体をコンパクトにすることができる。また、内壁部２５ｂ、湾曲した折り返し部２５ｃ、および外壁部２５ｄを有する隔壁膜２５は、張力をほとんど発生することなく圧力室２０内の圧力の変化に応じて自由に変形することができる。したがって、隔壁膜２５に接触する可動軸１５は、圧力室２０内の圧力を直接に反映した力で押される。より具体的には、圧力室２０内の圧力を増加させたとき、可動軸１５は隔壁膜２５からの反力をほとんど受けずにウェーハＷに向かって移動することができる。結果として、可動軸１５に連結された研磨具押圧部材１２は、精密に制御された力で研磨テープ３をウェーハＷに対して押し付けることができる。
可動軸１５は、その内部に通気孔４０を有している。通気孔４０の一方の開口端４０ａは大気に連通し、通気孔４０の他方の開口端４０ｂは、可動軸１５の側面内に位置し、かつ圧力室２０の外側に位置している。より具体的には、通気孔４０の開口端４０ｂは、ハウジング１８の内面、可動軸１５の側面、および隔壁膜２５によって形成された空間４１に連通している。この空間４１は圧力室２０の外側に位置している。空間４１内の空気は、可動軸１５の上昇に伴って通気孔４０を通って大気に放出される。通気孔４０は、可動軸１５のスムーズな移動を確保するために設けられている。
圧力室２０内には、可動軸１５のハウジング１８に対する相対的な移動距離を測定する距離センサ５０の少なくとも一部が配置されている。距離センサ５０の全体が圧力室２０内に配置されてもよい。本実施形態の距離センサ５０は、非接触型の光学式距離センサである。距離センサ５０は、投光部および受光部（図示せず）を先端に有するセンサヘッド５１と、センサヘッド５１に投光光ファイバーケーブル５２Ａおよび受光光ファイバーケーブル５２Ｂにより連結されたアンプ５３と、アンプ５３に電気的に接続された距離算出器５４とを備えている。センサヘッド５１は、ハウジング１８の蓋１８Ｂに固定されているが、アンプ５３および距離算出器５４は研磨ヘッド１０から離れた位置にある。蓋１８Ｂをハウジング本体１８Ａから取り外したとき、センサヘッド５１もハウジング１８から取り外される。距離センサ５０の先端、すなわちセンサヘッド５１の先端は、可動軸１５の端部を向いて（より具体的には、可動軸１５の端部に接触する隔壁膜２５の中央部２５ａを向いて）配置されている。
アンプ５３は、光を発する光源５３ａと、光の強度を測定する光強度測定器５３ｂを有している。アンプ５３の光源５３ａから発せられた光は、投光光ファイバーケーブル５２Ａを通じてセンサヘッド５１に伝達される。センサヘッド５１は、隔壁膜２５の中央部２５ａ（図１では隔壁膜２５の底面）に光を導き、隔壁膜２５からの反射光を受ける。隔壁膜２５の底面にセンサターゲットを固定してもよい。反射光は、受光光ファイバーケーブル５２Ｂを通じてアンプ５３に伝達される。アンプ５３の光強度測定器５３ｂは、反射光の強度を測定する。アンプ５３は、反射光の強度の測定値を距離算出器５４に送り、距離算出器５４は、反射光の強度の測定値を距離に変換する。距離算出器５４によって得られる距離は、予め設定された基準位置と隔壁膜２５との距離である。このように構成された距離センサ５０は、可動軸１５が図１に示す退避位置から図４に示す研磨位置まで移動したときの移動距離を測定することができる。
光学式距離センサ５０を構成する要素のうち、センサヘッド５１のみが研磨ヘッド１０に取り付けられている。センサヘッド５１は、光を照射し、かつ反射光を受ける機能のみを有するので、センサヘッド５１自体は非常にコンパクトである。よって、研磨ヘッド１０の全体の大きさを小さくできる。図示しないが、一実施形態では、距離センサ５０として、サイズが小さなものであれば、他のタイプの非接触型距離センサ、または接触型距離センサを用いてもよい。
距離センサ５０は、距離監視装置５８に接続されており、可動軸１５の移動距離の測定値は距離センサ５０から距離監視装置５８に送られる。距離監視装置５８は、記憶装置（ＨＤＤまたはＳＳＤなど）および処理ユニット（ＣＰＵなど）を備えた専用のコンピュータまたは汎用のコンピュータから構成してもよい。距離監視装置５８は、移動距離の測定値がしきい値よりも大きいとき、または小さいときに警報信号を発するように構成される。移動距離の測定値がしきい値よりも大きいことの原因としては、ウェーハＷが後述する基板保持部に正しく保持されていないことが考えられる。移動距離の測定値がしきい値よりも小さい場合、研磨具押圧部材１２上の研磨テープ３がウェーハＷに接触していないと考えられる。
移動距離の測定値に対して第１しきい値および第２しきい値を設けてもよい。具体的には、距離監視装置５８は、移動距離の測定値が第１しきい値よりも大きいときに警報信号を発し、移動距離の測定値が第２しきい値よりも小さいときに警報信号を発するように構成される。図５は、可動軸１５の移動距離の測定値に対して設けられた第１しきい値および第２しきい値を説明するグラフである。第１しきい値は第２しきい値よりも大きく、第２しきい値から第１しきい値までの範囲は、正しい研磨位置を示している。
可動軸１５が図１に示す退避位置にあるとき、移動距離の測定値は第２しきい値よりも小さい。圧縮気体が圧力室２０内に供給されると、可動軸１５および研磨具押圧部材１２はウェーハＷに向かって移動する。可動軸１５の移動距離の測定値が第２しきい値から第１しきい値までの範囲内にあるときは、研磨テープ３がウェーハＷに正しく接触していると判断される。可動軸１５の移動距離の測定値が第１しきい値よりも大きいとき、および圧縮気体が圧力室２０内に供給されているにもかかわらず移動距離の測定値が第２しきい値よりも小さいとき、研磨テープ３がウェーハＷに正しく接触していないと考えられるので、距離監視装置５８は警報信号を発する。
図１に示すように、研磨具押圧部材１２は、ユニバーサルジョイント６０を介して可動軸１５の上端に連結されている。このユニバーサルジョイント６０は、研磨具押圧部材１２が可動軸１５に対して全方向に傾くことを許容する。ユニバーサルジョイント６０は、可動軸１５と研磨具押圧部材１２との間に配置されており、かつ研磨具押圧部材１２の内部に収容されている。このような配置は、研磨テープ３がウェーハＷに接触しているときにウェーハＷから研磨具押圧部材１２に加わる反力に起因するモーメントを小さくすることができる。結果として、研磨ヘッド１０の姿勢を安定させることができる。
図６は、図１のＡ−Ａ線断面図である。ユニバーサルジョイント６０は、可動軸１５の軸方向に垂直な第１支持軸６１と、第１支持軸６１を中心に回転可能な傾動体６３と、第１支持軸６１に垂直な第２支持軸６５を有している。第１支持軸６１は、可動軸１５を垂直に貫通して延びており、可動軸１５に固定されている。傾動体６３は第１支持軸６１によって支持され、第１支持軸６１を中心に傾動可能となっている。傾動体６３はその中央に穴６３ａを有しており、可動軸１５は穴６３ａに挿入されている。第２支持軸６５は傾動体６３に固定されており、傾動体６３の側面から外側に突出している。研磨具押圧部材１２は、第２支持軸６５が挿入される穴６７を有しており、研磨具押圧部材１２は第２支持軸６５によって回転可能に支持されている。研磨具押圧部材１２は、第２支持軸６５を中心に傾動可能となっている。さらに、研磨具押圧部材１２は、傾動体６３とともに第１支持軸６１を中心に傾動可能となっている。
上記構成を有するユニバーサルジョイント６０は、研磨具押圧部材１２が全方向に傾くことを可能とする。したがって、研磨具押圧部材１２が研磨テープ３をウェーハＷの表面に対して押し付けると、研磨具押圧部材１２は自動的にウェーハＷの表面と平行になる。研磨具押圧部材１２を傾動可能に支持するユニバーサルジョイント６０は、研磨テープ３がウェーハＷの表面に均一に押し付けられることを可能とする。
図１に示すように、研磨具押圧部材１２にはスカート７１が固定されている。このスカート７１は研磨具押圧部材１２から下方に延び、ハウジング１８の上部を囲んでいる。本実施形態ではスカート７１は円筒状であるが、ハウジング１８の上部を囲むことができるのであれば、他の形状であってもよい。スカート７１は、ウェーハＷの研磨に使用される純水などの研磨液がユニバーサルジョイント６０やハウジング１８内に侵入することを防ぐことができる。
上述した構成を持つ研磨ヘッド１０は、その全体がコンパクトであるので、ウェーハＷの下方に配置することが可能である。さらに、複数の研磨ヘッド１０をウェーハＷの下方に配置することも可能である。
図７は、上記研磨ヘッド１０を備えた研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図７に示す研磨装置は、基板の一例であるウェーハＷを保持し、その軸心を中心として回転させる基板保持部１１０と、研磨具としての研磨テープ３をこの基板保持部１１０に保持されたウェーハＷの第１の面１に接触させてウェーハＷの第１の面１を研磨する上記研磨ヘッド１０と、研磨テープ３を研磨ヘッド１０に供給する研磨テープ供給機構１４１を備えている。
基板保持部１１０は、ウェーハＷの周縁部に接触可能な複数のローラー１１１を備えている。研磨ヘッド１０は、基板保持部１１０に保持されているウェーハＷの下側に配置されている。図７では、基板保持部１１０の一部の図示は省略されている。
本実施形態では、ウェーハＷの第１の面１は、デバイスが形成されていない、またはデバイスが形成される予定がないウェーハＷの裏面、すなわち非デバイス面である。第１の面１とは反対側のウェーハＷの第２の面２は、デバイスが形成されている、またはデバイスが形成される予定である面、すなわちデバイス面である。本実施形態では、ウェーハＷは、その第１の面１が下向きの状態で、基板保持部１１０に水平に保持される。
図８は、基板保持部１１０の詳細を示す模式図であり、図９は、図８に示すローラー回転機構１１２を示す平面図である。基板保持部１１０は、ウェーハＷの周縁部に接触可能な複数のローラー１１１と、これらローラー１１１をそれぞれの軸心を中心に回転させるローラー回転機構１１２とを備えている。本実施形態では、４つのローラー１１１が設けられている。５つ以上のローラー１１１を設けてもよい。ウェーハＷの周縁部に接触しているときの（すなわちウェーハＷを保持しているときの）上記複数のローラー１１１は、基板保持部１１０の軸心ＣＰから同じ距離にある。
ローラー回転機構１１２は、４つのローラー１１１のうちの２つを連結する第１ベルト１１４Ａと、第１ベルト１１４Ａで連結された２つのローラー１１１のうちの一方に連結された第１モータ１１５Ａと、第１モータ１１５Ａを支持する第１モータ支持体１２５Ａと、第１ベルト１１４Ａで連結された２つのローラー１１１を回転可能に支持する第１ローラー台１１６Ａと、４つのローラー１１１のうちの他の２つを連結する第２ベルト１１４Ｂと、第２ベルト１１４Ｂで連結された２つのローラー１１１のうちの一方に連結された第２モータ１１５Ｂと、第２モータ１１５Ｂを支持する第２モータ支持体１２５Ｂと、第２ベルト１１４Ｂで連結された２つのローラー１１１を軸受１２４Ｂを介して回転可能に支持する第２ローラー台１１６Ｂとを備える。第１ローラー台１１６Ａは、上側第１ローラー台１１７Ａと、下側第１ローラー台１１７Ｂとを備えている。第１モータ１１５Ａおよび第１ベルト１１４Ａは第１ローラー台１１６Ａの下方に配置され、第２モータ１１５Ｂおよび第２ベルト１１４Ｂは第２ローラー台１１６Ｂの下方に配置されている。第１モータ１１５Ａは、第１モータ支持体１２５Ａを介して第１ローラー台１１６Ａに固定されている。第２モータ１１５Ｂは、第２モータ支持体１２５Ｂを介して第２ローラー台１１６Ｂの下面に固定されている。
図１０は、図９のＢ−Ｂ線断面図である。図１０に示すように、第１ローラー台１１６Ａは、第１ベルト１１４Ａで連結された２つのローラー１１１を軸受１２４Ａ（図８参照）を介して回転可能に支持する下側第１ローラー台１１７Ｂと、下側第１ローラー台１１７Ｂに固定されたピボット軸１１７Ｃと、ピボット軸１１７Ｃを軸受１２４Ｃを介して回転可能に支持する上側第１ローラー台１１７Ａとを備えている。上側第１ローラー台１１７Ａと下側第１ローラー台１１７Ｂは、ピボット軸１１７Ｃを介して互いに連結されている。図９に示すように、ピボット軸１１７Ｃは、第１ベルト１１４Ａで連結された２つのローラー１１１の間に位置している。図８に示すように、第１モータ１１５Ａは、第１モータ支持体１２５Ａを介して下側第１ローラー台１１７Ｂの下面に固定されている。したがって、第１ベルト１１４Ａ、第１ベルト１１４Ａで連結された２つのローラー１１１、下側第１ローラー台１１７Ｂ、第１モータ１１５Ａ、および第１モータ支持体１２５Ａは一体に、ピボット軸１１７Ｃを中心に回転可能である。
ローラー回転機構１１２は、４つのローラー１１１を同じ方向に同じ速度で回転させるように構成されている。ウェーハＷの第１の面１の研磨中、ウェーハＷの周縁部は、ローラー１１１によって把持される。ウェーハＷは水平に保持され、ローラー１１１の回転によってウェーハＷはその軸心を中心に回転される。ウェーハＷの第１の面１の研磨中、４つのローラー１１１はそれぞれの軸心を中心に回転するが、ローラー１１１自体の位置は静止している。
４つのローラー１１１の下部にはプーリー１２２がそれぞれ固定されている。第１ベルト１１４Ａは、４つのローラー１１１のうちの２つに固定されたプーリー１２２に掛けられ、第２ベルト１１４Ｂは他の２つのローラー１１１に固定されたプーリー１２２に掛けられている。第１モータ１１５Ａおよび第２モータ１１５Ｂは同じ速度で同じ方向に回転するように構成されている。したがって、４つのローラー１１１は、同じ速度で同じ方向に回転することができる。
図９に示すように、ローラー回転機構１１２は、第１ローラー台１１６Ａの上側第１ローラー台１１７Ａに連結された第１アクチュエータ１１８Ａと、第２ローラー台１１６Ｂに連結された第２アクチュエータ１１８Ｂをさらに備えている。第１アクチュエータ１１８Ａは、第１ローラー台１１６Ａに支持されている２つのローラー１１１を矢印で示すように水平方向に移動させる。同様に、第２アクチュエータ１１８Ｂは、第２ローラー台１１６Ｂに支持されている他の２つのローラー１１１を矢印で示すように水平方向に移動させる。すなわち、第１アクチュエータ１１８Ａおよび第２アクチュエータ１１８Ｂは、２組のローラー１１１（本実施形態では各組は２つのローラー１１１からなる）を互いに近づく方向および離間する方向に移動させるように構成されている。第１アクチュエータ１１８Ａおよび第２アクチュエータ１１８Ｂは、エアシリンダまたはモータ駆動型アクチュエータなどから構成することができる。図８および図９に示す実施形態では、第１アクチュエータ１１８Ａおよび第２アクチュエータ１１８Ｂはエアシリンダから構成されている。第１アクチュエータ１１８Ａおよび第２アクチュエータ１１８Ｂは、ベースプレート１２３の下面に固定されている。
ローラー１１１は、ベースプレート１２３を貫通して上方に延びている。ベースプレート１２３の下面には第１直動ガイド１２６Ａおよび第２直動ガイド１２６Ｂが固定されている。第１直動ガイド１２６Ａの可動部は上側第１ローラー台１１７Ａに連結されており、第２直動ガイド１２６Ｂの可動部は第２ローラー台１１６Ｂに連結されている。２つの直動ガイド１２６Ａ，１２６Ｂは、ローラー１１１の動きを水平方向への直線運動に制限する。
２組のローラー１１１が互いに近づく方向に移動すると、ウェーハＷは４つのローラー１１１によって保持される。４つのローラー１１１のうちの２つはピボット軸１１７Ｃの周りを回転可能であるので、４つのローラー１１１がウェーハＷを保持しているとき、上記２つのローラー１１１の位置が自動的に調整される。２組のローラー１１１が互いに離れる方向に移動すると、ウェーハＷは４つのローラー１１１から解放される。本実施形態では、基板保持部１１０の軸心ＣＰの周りに配列された４つのローラー１１１が設けられているが、ローラー１１１の数は４つに限定されない。例えば、３つのローラー１１１を１２０度の角度で等間隔で軸心ＣＰの周りに配列し、それぞれのローラー１１１に対して、アクチュエータを１つずつ設けるようにしてもよい。一実施形態では、３つのローラー１１１を１２０度の角度で等間隔で軸心ＣＰの周りに配列し、３つのローラー１１１のうちの２つを第１ベルト１１４Ａで連結し、第１ベルト１１４Ａで連結された２つのローラー１１１と、第１ベルト１１４Ａで連結されていないローラー１１１に対して、アクチュエータを１つずつ設けてもよい。
図１１は、ローラー１１１の上部の拡大図である。ローラー１１１は、ウェーハＷの周縁部に接触可能な円筒状の基板保持面１１１ａと、基板保持面１１１ａに接続され、かつ基板保持面１１１ａから下方に傾斜するテーパー面１１１ｂとを有している。テーパー面１１１ｂは円錐台形状を有しており、基板保持面１１１ａよりも大きな直径を有している。ウェーハＷは、まず、図示しない搬送装置によりテーパー面１１１ｂ上に載置され、その後ローラー１１１がウェーハＷに向かって移動することによりウェーハＷの周縁部が基板保持面１１１ａに保持される。ローラー１１１がウェーハＷを解放するときは、ローラー１１１がウェーハＷから離れる方向に移動することにより、ウェーハＷの周縁部が基板保持面１１１ａから離れ、テーパー面１１１ｂに支持される（図１１の点線参照）。図示しない搬送装置は、テーパー面１１１ｂ上のウェーハＷを取り出すことができる。
図７に示すように、基板保持部１１０に保持されたウェーハＷの下方には、ウェーハＷの第１の面１にリンス液（例えば純水、またはアルカリ性の薬液）を供給するリンス液供給ノズル１２７が配置されている。このリンス液供給ノズル１２７は、図示しないリンス液供給源に接続されている。リンス液供給ノズル１２７は、ウェーハＷの第１の面１の中心Ｏ１を向いて配置されている。リンス液は、リンス液供給ノズル１２７からウェーハＷの第１の面１に供給され、遠心力によりリンス液はウェーハＷの第１の面１上を広がる。リンス液は、ウェーハＷの第１の面１上を半径方向外側に流れ、これにより研磨屑をウェーハＷの第１の面１から除去することができる。
基板保持部１１０に保持されたウェーハＷの上方には、ウェーハＷの第２の面２に保護液（例えば純水）を供給する保護液供給ノズル１２８が配置されている。保護液供給ノズル１２８は、図示しない保護液供給源に接続されている。保護液供給ノズル１２８はウェーハＷの第２の面２の中心を向いて配置されている。保護液は、保護液供給ノズル１２８からウェーハＷの第２の面２の中心に供給され、遠心力により保護液はウェーハＷの第２の面２上を広がる。保護液は、ウェーハＷの研磨で生じた研磨屑や異物を含むリンス液がウェーハＷの第２の面２に回り込んでウェーハＷの第２の面に付着することを防止する。その結果、ウェーハＷの第２の面２を清浄に保つことができる。
本実施形態では、研磨具として、砥粒を表面に有する研磨テープ３が使用されている。図１２は、研磨テープ３の一例を示す模式図である。図１２に示す研磨テープ３は、基材テープ４と、研磨層５とを有する。基材テープ４の表面は、研磨層５で覆われている。研磨層５は、砥粒６と、砥粒６を保持するバインダ（樹脂）７とを有する。研磨テープ３の研磨面３ａは、研磨層５の露出面から構成されている。
図７に戻って、研磨ヘッド１０は、支持部材１３１に支持されており、支持部材１３１は可動プレート１２０に固定されている。したがって、研磨ヘッド１０の全体は可動プレート１２０と一体に移動可能となっている。支持部材１３１は図示しない通孔を有しており、研磨テープ３はこの通孔を通って延びている。
研磨テープ供給機構１４１は、研磨テープ３を供給するテープ巻き出しリール１４３と、研磨テープ３を回収するテープ巻き取りリール１４４とを備えている。テープ巻き出しリール１４３およびテープ巻き取りリール１４４は、それぞれテンションモータ１４３ａ，１４４ａに連結されている。これらテンションモータ１４３ａ，１４４ａは、リールベース１４２に固定されており、所定のトルクをテープ巻き出しリール１４３およびテープ巻き取りリール１４４に与えることにより、研磨テープ３に所定のテンションをかけることができる。リールベース１４２は、可動プレート１２０に固定されており、研磨テープ供給機構１４１の全体は可動プレート１２０と一体に移動可能となっている。
テープ巻き出しリール１４３とテープ巻き取りリール１４４との間には、研磨テープ３をその長手方向に送るテープ送り装置１４６が設けられている。このテープ送り装置１４６は、研磨テープ３を送るテープ送りローラー１４８と、研磨テープ３をテープ送りローラー１４８に対して押し付けるニップローラー１４９と、テープ送りローラー１４８を回転させるテープ送りモータ１４７とを備えている。研磨テープ３はニップローラー１４９とテープ送りローラー１４８との間に挟まれている。テープ送りモータ１４７がテープ送りローラー１４８を図７の矢印で示す方向に回転させると、研磨テープ３はテープ巻き出しリール１４３から研磨ヘッド１０の研磨具押圧部材１２を経由してテープ巻き取りリール１４４に送られる。研磨テープ３を送る速度は、テープ送りモータ１４７の回転速度を変化させることによって変更できる。一実施形態では、研磨テープ３を送る方向は、図７の矢印で示す方向の逆方向としてもよい（テープ巻き出しリール１４３とテープ巻き取りリール１４４の配置を入れ替えてもよい）。この場合も、テープ送り装置１４６はテープ巻き取りリール１４４側に設置される。研磨テープ３は、研磨テープ３の研磨面３ａがウェーハＷの第１の面１を向くように研磨具押圧部材１２に供給される。
研磨装置は、研磨テープ３を支持する複数のガイドローラー１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄをさらに備えている。研磨テープ３は、これらガイドローラー１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄにより研磨ヘッド１０を囲むように案内される。研磨ヘッド１０は、研磨具押圧部材１２によって研磨テープ３をその裏側からウェーハＷの第１の面１に押し付けることでウェーハＷの第１の面１を研磨する。研磨ヘッド１０の上部に配置されたガイドローラー１５３ｂ，１５３ｃは、ウェーハＷの第１の面１と平行な方向に研磨テープ３が進行するように研磨テープ３をガイドする。
テープ送り装置１４６およびガイドローラー１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄは、図示しない保持部材に固定されており、この保持部材は可動プレート１２０に固定されている。
研磨テープ３をウェーハＷの第１の面１の中心Ｏ１から最外部まで接触させるために、本実施形態の研磨装置は、研磨ヘッド１０を基板保持部１１０に対して相対的に平行移動させる研磨ヘッド移動機構１９１を備えている。研磨ヘッド移動機構１９１は、研磨ヘッド１０をウェーハＷの第１の面１の中心Ｏ１と第１の面１の最外部との間で移動させるように構成されている。
可動プレート１２０の下面には複数の直動ガイド１９５が固定されており、可動プレート１２０は複数の直動ガイド１９５に支持されている。複数の直動ガイド１９５は設置面１９７に配置されている。可動プレート１２０は研磨ヘッド移動機構１９１によって移動され、直動ガイド１９５は、可動プレート１２０の動きをウェーハＷの半径方向への直線運動に制限する。
研磨ヘッド移動機構１９１は、ボールねじ機構１９３と、ボールねじ機構１９３を駆動するモータ１９４とを備えている。モータ１９４としてサーボモータを使用することができる。可動プレート１２０は、ボールねじ機構１９３のねじ軸１９３ｂに連結されている。研磨ヘッド移動機構１９１を作動させると、研磨ヘッド１０、研磨テープ供給機構１４１、テープ送り装置１４６、およびガイドローラー１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄは、基板保持部１１０に対して相対的にウェーハＷの半径方向に移動する。
ウェーハＷの研磨中、研磨ヘッド移動機構１９１は研磨ヘッド１０をウェーハＷの第１の面１の中心Ｏ１と第１の面１の最外部との間で移動させる。研磨ヘッド移動機構１９１は、動作制御部１８０に電気的に接続されており、研磨ヘッド移動機構１９１の動作は、動作制御部１８０によって制御される。研磨ヘッド移動機構１９１が動作すると、研磨ヘッド１０、研磨テープ供給機構１４１、テープ送り装置１４６、およびガイドローラー１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄは、一体に移動する。
ウェーハＷの研磨中、ウェーハＷはローラー１１１によって回転される。全てのローラー１１１は各軸心を中心に回転するが、これらローラー１１１の位置は固定されている。したがって、研磨ヘッド１０が研磨ヘッド移動機構１９１によってウェーハＷの中心側から外側に移動しても、ローラー１１１は研磨ヘッド１０に接触しない。結果として、研磨テープ３は、最外部を含むウェーハＷの第１の面１の全体を研磨することが可能となる。
図１３は、研磨ヘッド１０の配置を示す平面図である。図１３に示すように、研磨ブレード２７は、ウェーハＷの半径よりも短い。研磨ブレード２７は、研磨テープ３の進行方向（矢印Ｃで示す）に対して斜めに延びている。本実施形態では、研磨テープ３の進行方向Ｃは、研磨テープ３の長手方向に一致する。さらに、研磨ブレード２７は、研磨テープ３からはみ出さない限りにおいて、研磨テープ３の全幅に亘って延びている。研磨ブレード２７を研磨テープ３の進行方向Ｃ（研磨テープ３の長手方向）に対して斜めに傾けることによって、研磨テープ３の進行方向の下流側（本実施形態の場合、ウェーハＷの外周側）でも未使用の研磨テープ３をウェーハＷに接触させることができる。結果として、研磨によって劣化した研磨テープ３が使用されることに起因する研磨レートの低下を防ぐことができる。一実施形態では、研磨ブレード２７は、ウェーハＷの半径よりも長くてもよい。さらに、一実施形態では、研磨ブレード２７を研磨テープ３の進行方向Ｃに対して垂直に配置してもよい。
次に、本実施形態の研磨装置の動作について説明する。以下に説明する研磨装置の動作は、図７に示す動作制御部１８０によって制御される。動作制御部１８０は、基板保持部１１０、研磨ヘッド１０、研磨テープ供給機構１４１、テープ送り装置１４６、および研磨ヘッド移動機構１９１に電気的に接続されている。基板保持部１１０、リンス液供給ノズル１２７、保護液供給ノズル１２８、研磨ヘッド１０、研磨テープ供給機構１４１、テープ送り装置１４６、および研磨ヘッド移動機構１９１の動作は動作制御部１８０によって制御される。動作制御部１８０は、専用のコンピュータまたは汎用のコンピュータから構成される。
研磨されるウェーハＷは、第１の面１が下向きの状態で、基板保持部１１０のローラー１１１により保持され、さらにウェーハＷの軸心を中心に回転される。具体的には、基板保持部１１０は、ウェーハＷの第１の面１が下向きの状態で複数のローラー１１１をウェーハＷの周縁部に接触させながら、複数のローラー１１１をそれぞれの軸心を中心に回転させることで、ウェーハＷを回転させる。次に、リンス液供給ノズル１２７からウェーハＷの第１の面１にリンス液が供給され、保護液供給ノズル１２８からウェーハＷの第２の面２に保護液が供給される。リンス液は、ウェーハＷの第１の面１上を半径方向外側に流れ、保護液は、遠心力によりウェーハＷの第２の面２の全体に広がる。
研磨ヘッド移動機構１９１は、研磨ヘッド１０をウェーハＷの第１の面１の中心Ｏ１の下方に移動させる。動作制御部１８０は、研磨テープ供給機構１４１およびテープ送り装置１４６を駆動し、所定のテンションを掛けながら研磨テープ３をその長手方向に所定の速度で進行させる。次に、研磨ヘッド１０は研磨テープ３の研磨面３ａをウェーハＷの第１の面１に接触させ、リンス液の存在下でウェーハＷの第１の面１の研磨を開始する。さらに、研磨ヘッド１０が研磨テープ３でウェーハＷの第１の面１を押し付けながら、研磨ヘッド移動機構１９１は、研磨ヘッド１０、研磨テープ供給機構１４１、ガイドローラー１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄ、およびテープ送り装置１４６をウェーハＷの半径方向外側に移動させる。ウェーハＷの研磨中、リンス液供給ノズル１２７および保護液供給ノズル１２８は、リンス液および保護液を常にウェーハＷに供給し続ける。
研磨ヘッド１０がウェーハＷの第１の面１の最外部に到達したとき、動作制御部１８０はウェーハＷの研磨を終了させる。具体的には、研磨ヘッド１０は、研磨具押圧部材１２を下降させ、研磨テープ３をウェーハＷの第１の面１から離す。その後、動作制御部１８０は、基板保持部１１０、リンス液供給ノズル１２７、保護液供給ノズル１２８、研磨テープ供給機構１４１、およびテープ送り装置１４６の動作を停止させ、ウェーハＷの研磨を終了する。
一実施形態では、研磨ヘッド移動機構１９１は、研磨ヘッド１０をウェーハＷの第１の面１の最外部と中心Ｏ１との間で往復させてもよい。
一実施形態では、研磨具は、研磨テープ３に代えて、砥石などの固定砥粒であってもよい。この場合、固定砥粒は研磨具押圧部材１２の表面に固定されてもよい。研磨ヘッド１０は、固定砥粒をウェーハＷの第１の面１に接触させてウェーハＷの第１の面１を研磨することができる。
研磨ヘッド１０はコンパクトであるので、図１４に示すように、ウェーハＷの下方に複数の研磨ヘッド１０を配置することも可能である。この場合、研磨ヘッド移動機構１９１は、省略してもよい。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
１ 第１の面
２ 第２の面
３ 研磨テープ
４ 基材テープ
５ 研磨層
６ 砥粒
７ バインダ（樹脂）
１０ 研磨ヘッド
１２ 研磨具押圧部材
１５ 可動軸
１８ ハウジング
１８Ａ ハウジング本体
１８Ｂ 蓋
２０ 圧力室
２５ 隔壁膜
２５ａ 中央部
２５ｂ 内壁部
２５ｃ 折り返し部
２５ｄ 外壁部
２５ｅ 肉厚部
２７ 研磨ブレード
３０ ボールスプラインナット
３１ ねじ
３３ 圧縮気体流路
３５ 切り替え弁
３６ 圧力レギュレータ
３８ 圧縮気体供給源
４０ 通気孔
４０ａ 開口端
４０ｂ 開口端
５０ 距離センサ
５１ センサヘッド
５２Ａ 投光光ファイバーケーブル
５２Ｂ 受光光ファイバーケーブル
５３ アンプ
５４ 距離算出器
５８ 距離監視装置
６０ ユニバーサルジョイント
６１ 第１支持軸
６３ 傾動体
６５ 第２支持軸
６７ 穴
７１ スカート
１１０ 基板保持部
１１１ ローラー
１１２ ローラー回転機構
１１４Ａ 第１ベルト
１１４Ｂ 第２ベルト
１１５Ａ 第１モータ
１１５Ｂ 第２モータ
１１６Ａ 第１ローラー台
１１６Ｂ 第２ローラー台
１１７Ａ 上側第１ローラー台
１１７Ｂ 下側第１ローラー台
１１７Ｃ ピボット軸
１１８Ａ 第１アクチュエータ
１１８Ｂ 第２アクチュエータ
１２０ 可動プレート
１２２ プーリー
１２３ ベースプレート
１２４Ａ 軸受
１２４Ｂ 軸受
１２４Ｃ 軸受
１２５Ａ 第１モータ支持体
１２５Ｂ 第２モータ支持体
１２６Ａ 第１直動ガイド
１２６Ｂ 第２直動ガイド
１２７ リンス液供給ノズル
１２８ 保護液供給ノズル
１３１ 支持部材
１４１ 研磨テープ供給機構
１４２ リールベース
１４３ テープ巻き出しリール
１４３ａ，１４４ａ テンションモータ
１４４ テープ巻き取りリール
１４６ テープ送り装置
１４７ テープ送りモータ
１４８ テープ送りローラー
１４９ ニップローラー
１５３ａ，１５３ｂ，１５３ｃ，１５３ｄ ガイドローラー
１９１ 研磨ヘッド移動機構
１９３ ボールねじ機構
１９４ モータ
１９５ 直動ガイド

Claims (9)

  1. 研磨具を基板に押し付けるための研磨ヘッドであって、
    前記研磨具を支持する研磨具押圧部材と、
    前記研磨具押圧部材に連結された可動軸と、
    前記可動軸を内部に収容するハウジングと、
    前記可動軸の端部と前記ハウジングとの間に圧力室を形成する隔壁膜とを備え、
    前記隔壁膜は、
    前記可動軸の端部に接触する中央部と、
    前記中央部に接続され、前記可動軸の側面に沿って延びる内壁部と、
    前記内壁部に接続され、湾曲した断面を有する折り返し部と、
    前記折り返し部に接続され、前記内壁部の外側に位置する外壁部とを有することを特徴とする研磨ヘッド。
  2. 前記可動軸は、その内部に通気孔を有しており、
    前記通気孔の一方の開口端は大気に連通し、
    前記通気孔の他方の開口端は、前記可動軸の側面内に位置し、かつ前記圧力室の外側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
  3. 前記研磨具押圧部材と前記可動軸との間に配置されたユニバーサルジョイントをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨ヘッド。
  4. 前記ユニバーサルジョイントは、前記研磨具押圧部材の内部に収容されていることを特徴とする請求項３に記載の研磨ヘッド。
  5. 前記ユニバーサルジョイントは、
    前記可動軸の軸方向に垂直な第１支持軸と、
    前記第１支持軸に支持され、前記第１支持軸を中心に回転可能な傾動体と、
    前記傾動体に固定され、前記第１支持軸に垂直な第２支持軸を有していることを特徴とする請求項３または４に記載の研磨ヘッド。
  6. 前記可動軸の前記端部を向いて配置され、前記可動軸の前記ハウジングに対する相対的な移動距離を測定する距離センサをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の研磨ヘッド。
  7. 前記距離センサは、光学式距離センサであることを特徴とする請求項６に記載の研磨ヘッド。
  8. 前記距離センサから送られる前記移動距離の測定値がしきい値よりも大きいとき、または小さいときに警報信号を発する距離監視装置をさらに備えたことを特徴とする請求項６または７に記載の研磨ヘッド。
  9. 基板を保持する基板保持部と、
    前記基板を研磨するための研磨ヘッドとを備え、
    前記研磨ヘッドは、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の研磨ヘッドであることを特徴とする研磨装置。
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