JP3234881B2

JP3234881B2 - 両面研磨装置

Info

Publication number: JP3234881B2
Application number: JP36732299A
Authority: JP
Inventors: 明堀口; 冨夫福島; 健磯部
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-12-04
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2000237953A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ーハのポリッシング等に使用される両面研磨装置に関す
る。

【０００２】半導体デバイスの素材であるシリコンウエ
ーハは、シリコン単結晶から切り出された後にラッピン
グを受け、更にポリッシングと呼ばれる研磨処理を受け
る。この研磨処理を行う研磨装置としては遊星歯車形式
の両面研磨装置が多用されている。この形式の両面研磨
装置の概略構造を図６及び図７により説明する。なお、
図７は図６のＢ−Ｂ線矢示図である。

【０００３】遊星歯車形式の両面研磨装置は、研磨盤と
しての上下一対の回転定盤１，２と、回転定盤１，２間
の回転中心部周囲に遊星歯車として配置された複数のキ
ャリア３，３・・と、回転定盤１，２間の回転中心部に
配置された太陽ギヤ４と、回転定盤１，２間の外周部に
配置されたインターナルギヤ５とを備えている。

【０００４】上側の回転定盤１は昇降可能であり、複数
のキャリア３，３・・を挟んで下側の回転定盤２上に所
定の荷重で載置される。各キャリア３は、ワークである
シリコン等のウエーハ６を偏心して保持する。太陽ギヤ
４及びインターナルギヤ５は複数のキャリア３，３・・
に内側及び外側から噛み合い、通常は下側の回転定盤２
と同方向に回転駆動される。なお、上側の回転定盤１の
回転方向は、下側の回転定盤２の回転方向と反対であ
る。

【０００５】上側の回転定盤１を上昇させた状態で、下
側の回転定盤２上に複数のキャリア３，３・・を載せ、
各キャリア３にウエーハ６をセットした後、回転定盤２
を下降させる。この状態で回転定盤１，２、太陽ギヤ４
及びインターナルギヤ５を回転駆動することにより、複
数のキャリア３，３・・は、逆方向に回転する回転定盤
１，２間で自転しつつ太陽ギヤ４の回りを公転する。こ
れにより、複数枚のウエーハ６，６・・の両面が同時に
均一研磨される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、遊星歯車形
式の両面研磨装置によって研磨される代表的なワークで
あるシリコンウエーハは、近年大径化が進み、８インチ
径を経て１２インチ径へ移行しつつある。また同時に、
両面の研磨精度に対する要求も著しく高度化している。

【０００７】しかしながら、従来の両面研磨装置では、
ワークの大型化に伴ってキャリアが大きくなり、装置規
模が増大（特にインターナルギヤが大型化）することに
より、製作コストが嵩む。また、同時に研磨するウエー
ハの枚数が多くなることによっても装置規模が増大（特
にインターナルギヤが大型化）し、製作コストが嵩む。
加えて、装置規模の増大（特にインターナルギヤの大型
化）に伴って研磨精度が低下する傾向がある。このた
め、大径ウエーハを低コストで高精度かつ高能率に研磨
することは非常に困難な技術とされている。

【０００８】また、大型のインターナルギヤは金属でし
か形成されないが、金属製のインターナルギヤは、キャ
リアとの噛み合いにより金属粉を発生し、ウエーハを汚
染する問題がある。更に、高価なキャリアを早期に磨耗
させる問題もある。

【０００９】本発明の目的は、大型ワークを低コストで
高精度かつ高能率に研磨でき、且つワークの汚染を防止
できる両面研磨装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは従来の研磨装置の大型化に伴って研磨
精度が低下する原因について調査した。その結果、以下
の事実が判明した。

【００１１】従来は研磨精度を確保するために、キャリ
アの公転は不可欠と考えられていた。しかし、ワークが
大型化すると、キャリアを公転させるためのインターナ
ルギヤが大型化し、その製作誤差が大きくなるため、逆
に研磨精度が低下する。大型のワークを研磨する場合
は、研磨精度の低下原因であるインターナルギヤを排除
し、各キャリアを定位置で小型の歯車により自転させる
方が研磨精度を得やすい。インターナルギヤの省略は、
装置規模及び装置コストを低減するのにも非常に有効で
ある。

【００１２】キャリアを小型の歯車により定位置で自転
させることにより、その歯車の樹脂化が可能になる。樹
脂製の歯車は、金属粉によるウエーハの汚染を回避でき
る。しかし、一方では、薄いキャリアとの噛み合い部で
磨耗が急速に進む。この磨耗は研磨精度の低下原因とな
るので、放置できない。このため、歯車の頻繁な交換が
必要になり、研磨コストが増大する。この問題を解決す
るためには、歯車を回転軸方向に移動させるか、回転軸
方向で分割して部分的な交換が可能な構造とするのが有
効である。

【００１３】本発明の両面研磨装置はかかる知見に基づ
いて開発されたものであって、ワークの両面を研磨する
一対の回転定盤と、一対の回転定盤間の回転中心部周囲
に配置され、それぞれがワークを偏心して保持する複数
の歯車型のキャリアと、一対の回転定盤間の回転中心部
に配置され、周囲に配置された複数のキャリアに噛み合
って複数のキャリアを同期して自転させるセンターギヤ
と、複数のキャリアの周囲に各キャリアに対応して分散
配置され、それぞれが内側のキャリアに噛み合ってその
キャリアを前記センターギヤと共同して定位置に保持し
て自転させる複数の自転手段とを具備しており、各自転
手段は、キャリアに１位置又は２位置以上で噛み合うと
共に、歯すじが回転軸に沿った１又は複数の回転歯車で
キャリアを自転させる構成となっている。

【００１４】そして、回転歯車については、回転軸方向
に移動可能な構造とするか、或いは厚みが薄い複数の薄
肉歯車を回転軸方向に積層した構造とした上で、回転軸
方向に移動可能な構造とする。

【００１５】回転歯車を使用することにより、製造コス
トが低減する。その回転歯車を回転軸方向に移動可能な
構造とすることにより、キャリアとの噛み合いによる局
部磨耗が抑制され、その交換頻度が低下することによ
り、研磨コストが低下する。厚みが薄い複数の薄肉歯車
を回転軸方向に積層した構造とすることにより、磨耗部
分の部分的な交換が可能となり、研磨コストが低下す
る。両者を組み合わせることにより、研磨コストが特に
低下する。

【００１６】回転歯車の材質は金属、非金属のいずれで
もよいが、非金属のなかでも樹脂が特に好ましい。樹脂
製の回転歯車は、前述した通り、金属粉によるワーク汚
染を回避でき、且つ高価なキャリアの磨耗を低減でき
る。自身の磨耗による研磨コストの上昇は、上述の各構
造と組み合わせることにより効果的に回避される。樹脂
の種類としてはモノマーキャスティングナイロンやＰＣ
Ｖなどが調達コスト、機械的強度及び加工性等の点から
好ましい。

【００１７】回転歯車の種類としては、歯すじが回転軸
に平行な所謂平歯車を基本とするが、歯すじが回転軸に
対して若干傾斜した（例えば１０°以下の角度で傾斜し
た）はすば歯車でもよい。また、山部と谷部が円周方向
に繰り返される通常の歯車に限らず、ピンを円周方向に
所定間隔で配列した構造のものでよい。

【００１８】複数の自転手段は、共通の駆動源により同
期駆動させることができる。ここにおける共通の駆動源
は、センターギヤの駆動源を兼ねることができる。ま
た、別個の駆動源を用いて、電気的に同期駆動させるこ
とができる。

【００１９】各自転手段は、キャリアを定位置に確実に
保持する点からは、回転歯車をキャリアに２位置以上で
噛み合わせる構造が好ましい。回転歯車を回転軸方向に
移動可能とすることにより、回転歯車の定位置からの退
避が可能となり、キャリアのセット及び取り外しの操作
が簡単になる。なお、回転歯車の退避構造としては、回
転軸方向の移動によるものだけでなく、径方向移動や斜
め移動によるものも可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る両面
研磨装置の縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢示図で、
キャリア駆動機構の平面図、図３はキャリア駆動のため
の動力伝達系統の平面図である。

【００２１】本発明の実施形態に係る両面研磨装置は、
半導体ウエーハの両面同時ポリッシングに使用される。
この両面研磨装置は、図１及び図２に示すように、下フ
レーム１０と、その上に設けられた上フレーム２０とを
備えている。下フレーム１０には下側の回転定盤３０が
取付けられており、上フレーム２０には上側の回転定盤
４０が下側の回転定盤３０上に位置して同心状に取付け
られている。

【００２２】下側の回転定盤３０は、中心部に空洞を有
する回転支持軸３１の上にネジ止めされている。回転支
持軸３１は下フレーム１０に複数の軸受により回転自在
に取付けられ、モータ３２により回転駆動されることに
より、回転定盤３０を回転させる。即ち、モータ３２の
出力軸が減速機３３に連結され、減速機３３の出力軸に
取付けられた歯車３４が、回転支持軸３１に取付けられ
た歯車３５に噛み合うことにより、回転支持軸３１が回
転して回転定盤３０を回転させる。回転定盤３０の上面
には研磨パッド３９が貼り付けられている。

【００２３】回転定盤３０の中心部上には、センターギ
ヤ５０が回転定盤３０に対して独立に回転し得るように
複数の軸受により支持されている。センターギヤ５０
は、回転支持軸３１の中心部に形成された空洞を貫通す
る回転駆動軸５１により、回転定盤３０とは独立して回
転駆動される。即ち、回転駆動軸５１の下端部に取付け
られたプーリ５２と後述する減速機８１の主力軸に取付
けられたプーリ８５がベルト８６によって連結されるこ
とで、回転駆動軸５１が回転し、センターギヤ５０を回
転定盤３０に対して独立に回転駆動する。

【００２４】回転定盤３０の周囲には、複数の自転手段
６０，６０・・が周方向に等間隔で配設されている。複
数の自転手段６０，６０・・は、回転定盤３０の上に載
置された複数のキャリア７０，７０・・をセンターギヤ
５０と共同して定位置で回転駆動する。各キャリア７０
には、ウエーハ９０を収容するワーク収容孔７１が中心
から偏心して設けられており、その外周面にはセンター
ギヤ５０に噛み合う歯部７２が設けられている。

【００２５】各自転手段６０は、対応するキャリア７０
の歯部７２に外側から対称的に噛み合う一対の回転歯車
６１，６１を有する。回転歯車６１，６１は、回転軸方
向に長い棒状の平歯車であって、薄肉で樹脂製からなる
複数の平歯車を回転軸方向に積層することにより構成さ
れ、下フレーム１０に回転自在かつ昇降自在に取付けら
れている。即ち、下フレーム１０には２つのガイドスリ
ーブ６２，６２が鉛直に取付けられている。各ガイドス
リーブ６２内には軸体６３が周方向及び軸方向に可動に
貫通しており、その上端部には回転歯車６１が取付けら
れている。軸体６３の下端部にはプーリ６５がスプライ
ン結合されている。

【００２６】一対の軸体６３，６３は、下フレーム１０
に取付けられた昇降装置としてのシリンダー６７により
上下に駆動される。これにより、自転手段６０の回転歯
車６１，６１は、プーリ６５，６５を定位置に残して軸
方向に昇降駆動される。また、プーリ６５，６５が後述
する駆動機構によって回転駆動されることにより、回転
歯車６１，６１は同期して同方向に回転する。

【００２７】自転手段６０の回転駆動機構は、図１及び
図３に示すように、下フレーム１０に取付けられたモー
タ８０を使用する。モータ８０の出力軸は減速機８１に
接続されている。減速機８１は、上下に突出する出力軸
を有し、上側の出力軸にはプーリ８２が取付けられてい
る。そして、このプーリ８２と、回転定盤３０の周囲に
配設された複数の自転手段６０，６０・・の各プーリ６
５，６５にベルト８３が掛けられている。従って、モー
タ８０が作動することにより、回転定盤３０の周囲に配
設された複数の自転手段６０，６０・・の各回転歯車６
１，６１は同期して同方向に回転する。なお、８４は隣
接する自転手段６０，６０の間に設けられたテンション
用のアイドルローラである。

【００２８】一方、減速機８１の下側の出力軸にはプー
リ８５が取付けられている。プーリ８５は、前述したよ
うにセンターギヤ５０の回転駆動軸５１の下端部に取付
けられたプーリ５２にベルト８６によって連結されてい
る。従って、モータ８０が作動することによりセンター
ギヤ５０も回転する。センターギヤ５０の回転方向及び
周速度は、複数の自転手段６０，６０・・の各回転歯車
６１，６１の回転方向及び周速度と同じに設定されてい
る。

【００２９】上側の回転定盤４０は、図１に示すよう
に、下側の回転定盤３０の上に同心状に設けられてい
る。回転定盤４０の下面には研磨パッド４９が貼り付け
られている。

【００３０】この回転定盤４０は、鉛直な支持軸４１の
下端部に連結されている。支持軸４１は、上フレーム２
０内に複数の軸受を介して回転自在に支持されており、
同じく上フレーム２０内に設けられたモータ４２の回転
が減速機４３及び歯車４４，４５を介して支持軸４１に
伝達されることにより、回転定盤４０は下側の回転定盤
３０とは独立に回転駆動される。また、図示されない昇
降装置によって、回転定盤４０は上フレーム２０内でモ
ータ４２及び減速機４３と共に回転軸方向に昇降駆動さ
れる。

【００３１】本発明の実施形態に係る両面研磨装置の構
成は以上の通りである。以下にこの両面研磨装置の使用
方法及び動作について説明する。

【００３２】上側の回転定盤４０を上昇させ、自転手段
６０の回転歯車６１，６１を定位置から下降させた状態
で、下側の回転定盤３０上に複数のキャリア７０，７０
・・をセットする。セットされた各キャリア７０の歯部
７２には、内側からセンターギヤ５０が噛み合い、外側
からは対応する自転手段６０の回転歯車６１，６１が噛
み合うように回転歯車６１，６１を定位置まで上昇させ
る。そして、各キャリア７０のワーク収容孔７１にウエ
ーハ９０をセットする。

【００３３】複数のキャリア７０，７０・・の各ワーク
収容孔７１にウエーハ９０がセットされると、上側の回
転定盤４０を下降させて、複数のウエーハ９０，９０・
・を回転定盤３０，４０間（厳密には研磨パッド３９，
４９間）に所定の圧力で挟む。そして、回転定盤３０，
４０を逆方向に回転させるべく、モータ３２，４２を作
動させる。また、これと同時にモータ８０を作動させ
る。

【００３４】モータ８０が作動するとセンターギヤ５０
が回転する。また、下側の回転定盤３０の周囲に配設さ
れた複数の自転手段６０，６０・・においては、一対の
回転歯車６１，６１が回転する。ここで、センターギヤ
５０は外側のキャリア７０に内側から噛み合っており、
一対の回転歯車６１，６１は内側のキャリア７０に外側
の対称２位置から噛み合っている。また、センターギヤ
５０の回転方向及び周速度は、回転歯車６１，６１の回
転方向及び周速度と同一である。従って、回転定盤３
０，４０間のキャリア７０，７０・・は定位置で同方向
に自転し、これにより、キャリア７０，７０・・内のウ
エーハ９０，９０・・は偏心回転運動を行う。

【００３５】かくして、ウエーハ９０，９０・・の両面
が研磨パッド３９，４９により同時に研磨される。

【００３６】また、研磨中、自転手段６０の回転歯車６
１，６１がキャリア７０と噛み合った状態のまま回転軸
方向に緩やかな周期で昇降を繰り返す。

【００３７】研磨が終了すると、再度、上側の回転定盤
４０を上昇させ、自転手段６０の回転歯車６１，６１を
定位置から下降させる。そして、回転定盤３０上のキャ
リア７０，７０・・からウエーハ９０，９０・・を取り
出す。

【００３８】このような両面研磨によると、キャリア７
０，７０・・が定位置で同方向に自転し、センターギヤ
５０の周囲を公転することがない。従って、公転に使用
されるインターナルギヤが不要であり、インターナルギ
ヤの製作誤差等による研磨精度の低下がないため、キャ
リア７０，７０・・の直径が大きくなる大型装置では、
従来装置と同等或いはそれ以上の研磨精度が確保され
る。

【００３９】定盤外径に匹敵するような大きなインター
ナルギヤが省略され、その駆動機構も合わせて省略され
るため、自転手段６０，６０・・の付加を考慮しても装
置が小型化され、そのコストダウンが図られる。

【００４０】各自転手段６０では、回転歯車６１，６１
が樹脂により構成されているので、キャリア７０との噛
み合いによっても金属粉を生じない。このため、金属粉
によるウエーハ９０の汚染が防止される。ちなみに、キ
ャリア７０も樹脂製である。また、金属製のものと比べ
て製作コストが安価である。自身の磨耗が懸念される
が、研磨中、昇降を繰り返すので、キャリア７０との噛
み合いによる局部磨耗が抑制され、且つ磨耗部分は、部
分的な交換により修復されるので、磨耗によるコスト増
は可及的に抑制される。回転歯車６１，６１の昇降は、
キャリア７０，７０・・のセット及び取り外しの操作を
簡単にする。

【００４１】更に、上記実施形態では、複数の自転手段
６０，６０・・が共通の駆動源（モータ８０）により駆
動され、その駆動源はセンターギヤ５０の駆動源も兼ね
るため、これらの同期精度が高く、小型化も図られる。

【００４２】一方、回転定盤３０，４０は、センターギ
ヤ５０及び自転手段６０，６０・・に対して独立駆動さ
れるが、これはそれぞれの回転速度を自在に変更でき、
研磨条件を広範囲に設定できる利点がある。本発明では
キャリア７０，７０・・の公転がなく、その運動が単純
であるため、回転定盤３０，４０の独立駆動により研磨
条件を広範囲に設定できることは大きな意味をもつ。こ
の点から回転定盤３０，４０をモータ３２，４２で別々
に駆動することは一層有利である。

【００４３】図４は本発明の他の実施形態に係る両面研
磨装置のキャリア駆動機構の平面図、図５は動力伝達系
統の平面図である。

【００４４】本実施形態に係る両面研磨装置は、前述し
た両面研磨装置と比較して自転手段６０が相違する。即
ち、本実施形態に係る両面研磨装置の自転手段６０で
は、回転歯車６１は１個であって、センターギヤ５０の
中心とキャリア７０の中心を結ぶ直線上に配置されてい
る。即ち、この自転手段６０では、センターギヤ５０に
その中心を挟む２位置からセンターギヤ５０と回転歯車
６１が噛み合う。そして、センターギヤ５０と回転歯車
６１が同じ方向へ同じ周速度で回転することにより、キ
ャリア７０が定位置で自転する。

【００４５】なお上述の実施形態では、キャリア７０は
５枚とされているが、その枚数は限定されない。従っ
て、自転手段６０の設置数も限定されない。またベルト
はチェーンに代えることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の両面研磨
装置は、一対の回転定盤間で複数のキャリアを定位置に
保持して自転させることにより、複数枚のワークを同時
に両面研磨する。これにより、ワークの大型化に対応し
たり同時に研磨されるワーク数の増加に対応する場合に
も、大型で高精度なインターナルギヤが不要となり、構
造が簡単になるため、装置の製作コストを抑制できる。
また、インターナルギヤを省略しても、その省略により
精度低下要因が取り除かれることにより、高い研磨精度
を確保できる。更に、複数のキャリアを定位置に保持し
て自転させるための回転歯車に樹脂の使用が可能になる
ことにより、金属粉によるワーク汚染を回避できる。更
に又、その回転歯車に工夫を講じたことにより、歯車コ
ストを低減できる。従って、大型ワークを安価な装置で
高精度に、しかも汚染の危険なく多数枚同時に能率よく
研磨することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る両面研磨装置の縦断面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線矢示図でキャリア駆動機構の平
面図である。

【図３】同キャリア駆動機構における動力伝達系統の平
面図である。

【図４】本発明の他の実施形態に係る両面研磨装置のキ
ャリア駆動機構の平面図である。

【図５】同キャリア駆動機構における動力伝達系統の平
面図である。

【図６】従来の両面研磨装置の概略構成図である。

【図７】図６のＢ−Ｂ線矢示図である。

【符号の説明】

１０下フレーム２０上フレーム３０下側の回転定盤３２モータ４０上側の回転定盤４２モータ５０センターギヤ６０自転手段６１回転歯車７０キャリア８０センターギヤ５０及び自転手段６０を駆動するモ
ータ９０ウエーハ（ワーク）

フロントページの続き (72)発明者磯部健大阪府柏原市河原町１番22号株式会社柏原機械製作所内 (56)参考文献特開昭63−39764（ＪＰ，Ａ) 実開平６−39353（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−71058（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−83252（ＪＰ，Ｕ) 実開昭54−46096（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 37/04 H01L 21/304 621

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ワークの両面を研磨する一対の回転定盤
と、一対の回転定盤間の回転中心部周囲に配置され、そ
れぞれがワークを偏心して保持する複数の歯車型のキャ
リアと、一対の回転定盤間の回転中心部に配置され、周
囲に配置された複数のキャリアに噛み合って複数のキャ
リアを同期して自転させるセンターギヤと、複数のキャ
リアの周囲に各キャリアに対応して分散配置され、それ
ぞれが内側のキャリアに噛み合ってそのキャリアを前記
センターギヤと共同して定位置に保持して自転させる複
数の自転手段とを具備しており、各自転手段は、キャリ
アに１位置又は２位置以上で噛み合うと共に、歯すじが
回転軸に沿った１又は複数の回転歯車を有しており、且
つ前記回転歯車は回転軸方向に移動可能であることを特
徴とする両面研磨装置。
【請求項２】ワークの両面を研磨する一対の回転定盤
と、一対の回転定盤間の回転中心部周囲に配置され、そ
れぞれがワークを偏心して保持する複数の歯車型のキャ
リアと、一対の回転定盤間の回転中心部に配置され、周
囲に配置された複数のキャリアに噛み合って複数のキャ
リアを同期して自転させるセンターギヤと、複数のキャ
リアの周囲に各キャリアに対応して分散配置され、それ
ぞれが内側のキャリアに噛み合ってそのキャリアを前記
センターギヤと共同して定位置に保持して自転させる複
数の自転手段とを具備しており、各自転手段は、キャリ
アに１位置又は２位置以上で噛み合うと共に、歯すじが
回転軸に沿った１又は複数の回転歯車を有しており、且
つ前記回転歯車は厚みが薄い複数の薄肉歯車を回転軸方
向に積層して構成されると共に、回転軸方向に移動可能
であることを特徴とする両面研磨装置。
【請求項３】前記回転歯車は樹脂製であることを特徴
とする請求項１又は２に記載の両面研磨装置。