JP3873180B2 - ダブルディスク研磨装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダブルディスク研磨装置、特に、半導体ウエハー用の研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の研磨装置はよく知られている。表裏２面で働く半導体ウエハーは、新しいタイプが開発されるたびに大きくなっている。このことによって、研磨ディスクが、要求される寸法からの幾何学的ずれをより小さくすることが要求される。
【０００３】
幾何学的誤差を最小にし、且つ表面物性が良い両面研磨ウエハーを製造する場合、下部研磨ディスク（研磨プレート）の回転と安定性における正確性が重要なファクターである。このような必要性に適合するため、下部研磨プレートを動的又は静的に支持する方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公知の研磨装置は高価である。そこで、本発明は、ダブルディスク研磨装置、特に、半導体ウエハー用の研磨装置であって、下部研磨プレートを支持する装置を有し、且つ相対的に低価格で、半導体ウエハーを正確に取り扱うことができ、大きな径も可能な装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上のような現状に鑑み本発明者は鋭意研究の結果本発明を完成させたものであり、その特徴とするところは、
実質的な構成は、リングディスク状に成形された研磨ディスクがほぼ中心位置に設けられているものである。この目的のため使用される支持基台は、対応する支持ディスクに適当な固定具によって接続されている。本発明によれば、支持基台は、スポーク固定された放射状のホイールとして設計されている。そのボスは、駆動軸に回転可能に接続されている。本発明の上部研磨ディスクは、それが変化したとき下部研磨ディスクの傾きに自動的に適用するという方法で懸架されている。上部研磨ディスクのこの支持は、ボールソケットジョイントによって行われ、例えば、ベアリング部材間の適切な歯の係合によって、トルクの伝達が可能なように設計されている。他の選択として、複数のシリンダーユニットが、支持基台のリングと支持ディスクとの間に設けられている。そのシリンダー間のスペースは、伝達媒体で満たされており、この懸架法において上部研磨ディスクが振動できるように互いに接続されている。
【０００６】
本発明は、温度の相対的に小さい変化であっても、支持ディスクの寸法の変化を来たすということを見出したことが基礎となっている。例えば、もし支持ディスクが、温度が上昇したとき自由に膨張することができないとき、それが変形したり、平滑性を失ったりする危険性がある。従って、本発明の他の態様では、支持基台と支持ディスクの間の固定手段によって、相対的に放射方向の動きが可能になる。部材間で異なった熱膨張が起こったときでも、研磨表面の平滑性に悪影響を及ぼす支持ディスクの変形が起こらない。
【０００７】
ダブルディスク研磨装置の他の特徴として、下部研磨ディスクの軸に平行で、冷却液が固定の送液装置によって流れ、且つ排出される通路を有している。上記した冷却操作によって、駆動軸の高温安定性が得られる。温度変化によって異なった軸方向力が掛かり、それによる研磨ディスクに影響を与える駆動軸の寸法の変化が生じない。
【０００８】
更に本発明の他の態様では、メイン駆動軸が、２つの離れたテーパ状のロールベアリングによって支持されている。その２つのテーパ状のロールベアリングは、相対的に大きく、且つ反対の角度を持っている。研磨操作の時に荷重の変化が生じたとき硬度が大きく変化が少ない。そのベアリングは、互いに及び軸上のナットによって軸に対して押圧している方がよい。
【０００９】
研磨ディスクを支持する支持ディスクの上部表面の冷却通路は公知である。本発明では、駆動軸の冷却通路がそれぞれの通路部を介して支持ディスクの上部冷却通路に連絡している。よって、装置のハウジングから回転部材への冷媒の流れは１系統でよい。他の軸に平行な冷却通路が、冷媒の戻りラインを構成する駆動軸に設けられている。
【００１０】
更に、本発明の他の態様では、支持ディスクの下面に冷却通路を有している。該冷却通路は、上部冷却通路と同じように駆動軸の軸方向冷却通路に連絡している。下部冷却通路の冷媒の温度（上部と下部との間のΔｔ）の調整は、研磨ディスクに強固に連結された支持ディスクの寸法に影響する。このことは、研磨工程の種々の条件に適合できるというメリットがある。上部及び下部冷却ラビリンスは、互いに分離して冷却できるため、異なった温度で使用できる。
【００１１】
駆動軸は、好ましくはギアを介してモーターによって駆動される。本発明の他の態様では、互いに係合する歯を持ったギアを有する。高品質の歯が好ましい。これによって、駆動軸上で働く、軸方向の力や振動を除くことができる。
【００１２】
上記した通り、支持ディスクが、それぞれの駆動軸に交互に連結するホイール状の支持基台に取り付けられている。その支持基台は、車のホイール形状に設計されていてもよく、その中で、支持ディスクが、スポークの端部で支持基台の外側リングに連結されていてもよい。スペーサーディスクが、ボルトで結合されており、支持基台の軸方向の振れ（ランアオウト）のバランスをとる。駆動部材の中央に設けることによって、研磨のために必要な荷重がかかったとき研磨ディスが不均一に変形することが防止できる。そして、研磨ディスクの寸法が変わらず、上下に均一的に移動できる。
【００１３】
正確な組み立てにもかかわらず、下部研磨ディスク上の不正確性やワーピングを完全に防止することは不可能である。研磨ディスクの最初の寸法を出すため、本発明の他の態様では、装置のハウジングは下部研磨ディスクの直径の反対側に、橋状の調整具を取り付けるための取り付け手段を有している。その調整具は、橋状ガイドの中で、調整具を保持しているキャリヤを支持している。それは、研磨ディスクに関して、リニア駆動装置によって放射状に移動する。相対的に正確に製造されている研磨プレートが取り付けられている時、その寸法は装置の組み立ての時ワーピング等によって影響を受ける。その結果、研磨ディスクを再度外したり除去した方がよくない限り、装置の研磨操作が異常に長い場合もある。それは、研磨表面が再組み立ての後その正確性を失うため、不確実性によってダメージ受けるだろう。ドレッシングリングによる研磨は、放射状の振れ（ランアウト）を正しくできない。研磨によって、凹又は凸の方向で研磨ディスクを調整する。装置内部で研磨ディスクを再研磨することによって、支持基台、研磨ディスクキャリヤ及び研磨ディスクのような用いる部品の製造時の不正確性を除去できる。更に、時間的に非常に利点がある。調整工程のために、研磨ディスクを持った研磨ディスクキャリヤは、加熱された冷媒によるよりも前に操作温度になる。
【００１４】
上記したタイプの調整装置は、基本なものは公知であるが、ここで述べた研磨装置には使用されていない。本発明では、取り付け手段は、下部研磨プレートの１方側にほぼ水平の接触面を有し、反対側には高さが調整できる支持具を有している。その水平接触面は、リファレンスプレート及び、これに沿ってツールが調整支持具によって放射状に調整されるラインの傾きを規定する。ロート状の形状が、研磨プレートの研磨に好ましい。このことは、前記した構造によって可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下実施例に沿って具体的に発明を詳細に説明するが、本発明がこれらに限定されるものではない。
図１及び図２では、リング状の研磨ディスク１０を有する本発明ダブルディスク研磨装置の下部を示す。このリング状研磨ディスク１０は、リング状支持ディスク１４にネジ１２によって取り付けられている。支持ディスク１４は、その上部表面に冷却通路１６を有している。
【００１６】
支持基台１８は、ボス２０、スポーク２２、及び外側のスポークを互いに繋ぐ外部環状リング２４を有している。支持ディスク１４は、ネジ２６によって、しっかりと環状リング２４に固定されている。フラットリング２８が、環状リング２４と支持ディスク１４の間に設けられている。フラットリング２８は、冷却通路３０をカバーしている。フラットリング２８と環状リング２４との間にワッシャー３２が設けられている。環状リング２４が支持ディスク１４を支持する位置は、研磨ディスク１０の中心付近である。これにより、矢印３４の方向に力が適用された場合、研磨ディスク１０が不均一に変形することがない。
【００１７】
図３に示すように、支持基台１８のボス２０は、ネジによって、ギアボックスのケーシング３８を通って下方に垂直に延びている駆動軸３６に連結している。カバーとシェルは、それぞれ、テーパ状のローラーベアリング４４を支持している。上部と下部のベアリングのテーパの角度は、互いに反対方向である。ナット４６’によって、軸３６が、上部テーパ状のローラーベアリング４４に押圧されている。この構造によって、上部と下部のテーパ状のローラーベアリングは互いに押圧される。
【００１８】
中空の駆動軸３６は、軸に平行な第１平行通路４６を有している。その下方域で、駆動軸３６は、ハウジング５０内で固定的に設けられているディストリビューターリング４８で囲まれている。交互に冷媒ライン（図示せず）に接続されるニップル５２は、ディストリビューターリング４８に接続される。該冷媒ラインは交互に冷媒源に導かれる。ニップル５２は、リングの内側の連続環状通路５６内で終わっている放射方向ボア５４に沿って位置している。その連続環状通路５６は、軸３６の連続環状通路５８に沿って位置し、交互に放射状ボア６０に連結されている。ニップル５２に導かれた冷媒は、第１平行通路４６に流れ込み、次いでボス２０内の楕円ボア６２に入る。次いで、楕円ボアから通路６４に入る。該通路６４は、ライン６６及び他の通路部６８を介して、上部冷却通路１６に接続されている。平行ライン７０は、下部冷却通路３０に繋がるように、フラットリング２８内のボアを通過する。戻りの流れは、ライン７２及びライン７４を通過する。該ライン７２は、フラットリング２８のボアを通り、下部冷却通路３０と繋がっている。該ライン７４は、ボアを通って上部冷却通路１６と繋がっている。それらのラインは、駆動軸３６の第２平行通路７６に導かれる。第２平行通路は、第２放射状ボア７８を介してディストリビューターリング４８内の環状通路８０に連結している。その環状通路８０は、図示していないが、他のニップルに繋がっている。そのニップルを介して、冷媒が排出され冷媒タンクに戻ることができるようにしている。
【００１９】
軸３６にピニオン８４と係合しているスパーギア８２が設けられている。このギアは、ウオームギア機構８８を介してモータ８６によって駆動される。スパーギア８２とピニオン８４の間の歯は正確に係合している。
【００２０】
第２軸９０は、軸３６を通って同軸状に延びている。その第２軸は、歯を持ったベルトを介して、第２モータ９８の軸上に設けられたギア９６によって駆動されるギア９２にその下端部で連結している。軸９０はその上端部において内部ピンリム１００（通常のものであるため、その連結機構の詳細は示していない）に連結している。ピンリム１００は、環状方向に一定間隔を持った１列のピン１０１を有している。ピン１０４を有する他のピンリム１０２は、リフティングシリンダー１０８のピストンロッドにベアリング１０６を介して支持されている。必要があれば、ピンリム１０２はピンリム１００のように駆動される。ピン１０１、１０４は、研磨ディスク１０上にあり、ウエハーを受容し、歯を有するランナーディスク（図示せず）を駆動する。
【００２１】
ギアボックスケース３８のボス２０及びカバー４０は、その間に図示はしないがラビリンスシールが設けられている。それによって、ギアボックスケースに汚染物質が入るのを防止する。
【００２２】
図２からわかるように、装置のハウジング５０は、上部接触部１１２を有する肩部１１０を有している。上部接触部１１２は、研磨ディスク１０の上部表面よりわずかに低い位置にある。調整部１１４は、研磨ディスク１０を半径方向に横切るように伸びている橋状のキャリヤ部１１６を有している。その橋状のキャリア部は、ネジ１２０によって肩部１１０に取り付けられているフレーム部１１８内で終わっている。橋状のキャリヤ部１１６は、その他の端部において、調整部１１４が支持している柄１２２を有している。ネジ１２４は、スペーサー１２６に結合している。そのスペーサーは、ネジ１２８によって装置のハウジング５０のベアリング部１３０にネジ止めされている。橋状のキャリヤ部１１６は、ネジ１２４を回すことによって調整可能である。
【００２３】
橋状のキャリヤ部１１６は、キャリヤ１３２（詳細は省く）のガイドとして働く。公知の形状であるピン状の整調具１３４を保持している。キャリヤ部１１６にある駆動スピンドル１３６は、駆動モータ１３８と接続されており、且つキャリヤ１３２に連絡している。この連結は、ボールネジドライブによって構成され、それによって調整具１３４が、相対的に小さい摩擦で研磨ディスク１０に対して、放射状に移動可能となる。
【００２４】
研磨ディスク１０が処理された後、その研磨ディスク１０を上記の方法で取り付け、次いで調整部１１４を取り付ける。これに先立って、加熱された冷媒によって操作温度にまで上げられる。これによって、その構造や研磨ディスク１０が支持する部分によって生じるすべての誤差が補償される。よって、良好なラッピングプロセス（研磨操作）が、最小の時間でできることとなる。
【００２５】
駆動軸３６及び支持ディスク１４の幾何学的寸法は、上記した温度制御（管理）法によって所望のレートに維持され、研磨ディスク１０も影響を受けない。支持ディスク１４が十分に制御（冷却）された時、研磨ディスク１０の寸法は限界内におさまる。従って、上記した制御（冷却）システムによって、研磨ディスク１０を所定の温度に調整できる。それは調整操作にとって重要である。
【００２６】
装置内の研磨ディスクの調整を含む明細書に記載した方法を採用することによって、研磨ディスクの軸方向高さのランアウトが可能になる。即ち、径が１５３５ｍｍの研磨ディスクの場合、回転の中心に関して、研磨ディスクの外径からの距離で、±１μｍ以下及び、±１０μｍ以下が可能である。これらの値は、研磨ウエハーの表面品質に悪影響を与えない。
【００２７】
図４の研磨装置では、下部研磨ディスクと駆動部の配列は、図１の実施例と同様に構成されている。よって、詳細な符号はつけていない。例えば、研磨ディスクは、支持ディスク１４の冷却ラビリンスと協動する冷却ラビリンスを有している。また、特別な構成として、支持ディスク１４１は図５に示すように支持基台１８のリング２４に取り付けてもよい。研磨ディスク１０は、ネジ１２によって、支持ディスク１４に取り付けられている。リング２４は、環状に一定間隔を持って設けられたネジ２６によって、支持ディスク１４に取り付けられている。そして、固定ネジ２６を取りつける。支持ディスク１４及びリング２４の拡張ボア内に、スリーブ１５０を設けている。リング２４及び支持ディスク１４が一緒にネジ止めされると、スリーブ１５０は、軸方向の応力を受ける。しかし、そのスリーブは、放射状の遊びのあるボア内に位置し、且つネジ１２に関しても放射状の遊びを有しており、相対的な放射状の動きが、その２つの部材の間で起こる。一方では支持基台１８とリング２４、他方では支持ディスク１４の１面側の熱膨張は、支持ディスク１４の変形、それに伴う研磨ディスク１０の変形を起こさない。
【００２８】
図４の上部研磨プレート１６０は、研磨ディスク１６２、支持ディスク１６４及び支持基台１６６を有している。これらの部材の相互関係は、詳細な符号は付していないが下部研磨プレートのそれに対応している。支持基台１６６のボス１６８は、駆動軸１７０に懸架されている。駆動軸１７０の下端部に、ボス１６８内のベアリングシェル１７４と相互作動するベアリングボール１７２が設置されている。このことによって、研磨プレート１６０を許容範囲内で振動させることができ、研磨ディスク１６２の研磨表面が自動的に、下部研磨プレートの研磨表面の対応する傾きに適応することができる。軸１７０からトルクを伝達するために、ベアリング部材１７２、１７４は、相互に係合する歯を有している。その歯によって、研磨プレート１６０が振動（回転）する。
【００２９】
研磨ディスク１６２は、１連の軸に平行な貫通ボア１７６を有している。その貫通ボアは、支持ディスク１６４の貫通ボアに沿って位置し、ライン１７８に接続している。更に、研磨剤はその貫通ボアを通って研磨ディスク１６２の研磨表面に達する。ボス１６８に、研磨剤用のディストリビューター部材１８０が設けられている。そのディストリビューター部材１８０は、研磨剤が通る３つの同心状に設けられたリング状通路１８２を有している。研磨剤は、重力によって下方に流れる。
【００３０】
支持基台１６６を支持ディスク１６４に取り付ける場合の方法は、図１〜図３合わせて述べた方法と同様である。即ち、支持ディスク１６４を支持基台１６６のリングの中央に取り付けること等である。図５と合わせて説明したように、クランピングスリーブ１８６と相互研磨するネジ１８４によって取り付ける。それは、放射方向に範囲内において移動可能であり、ネジ１８４とスリーブ１８６との間で相対移動可能である。そのため、キャリヤ１６６の変形によって起こされる支持ディスク１６４の、そして研磨ディスク１６２の許容できない変形は生じない。
【００３１】
図６及び図７の研磨プレートの構造は、図４の上部研磨プレートの１つとほぼ等しい。図４との違いは、支持基台１６６ａのボス１６８ａは、しっかりと軸１７０ａに連結されている点である。従って、ケースが図４の実施例のためのものであるのに反して、この点では振動は起こらない。
【００３２】
図６の実施例の特別な特徴は、支持基台１６６ａ、即ちその外部リングに支持ディスク１６４を取り付けている点である。これの詳細は、図１に示されている。図７から分かるように、ピストンシリンダーユニット１９２が、リング１９０と支持ディスク１６４の間に設けられている。リング１９０の貫通ボアに、球状スライドガイド１９４が設けられている。そのガイドを中空のロッド１９６が通っている。その上端部で、ピストンロッド１９６は、シリンダー２００内部で気密で移動するピストン１９８を保持している。シリンダー２００は、リング１９０にしっかりと連結されている。固定ネジ２０２は、ピストン１９８及び中空ピストンロッド１９６を通っている。それは、支持ディスク１６４のネジ穴にネジ込まれている。これに反して、ピストンロッド１９６は、支持ディスク１６４の対応するボア内で放射方向に移動することができる。それによって、図示したように接続しているため、支持基台１６６ａと支持ディスク１６４の間で、放射状の相対的な動きが可能となる。
【００３３】
ピストンシリンダーユニット１９２のピストンロッドスペースと他のシリンダースペースは、図６に示すように、ライン２０４及び２０６を介して互いに連結されている。研磨プレート１６０は、図４の研磨プレートのように、支持基台１６６ａから浮いて懸架されており、図４の下部研磨ディスクの研磨ディスクの稼動表面の傾きの変化にそれ自身適合しながら、その傾きに自動的に適合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による研磨装置の１例の部分断面図である。
【図２】 図１の例に調整装置を付けた例の部分断面図である。
【図３】 図１の研磨装置の中心部分の拡大断面図である。
【図４】 本発明による研磨装置の他の例の部分断面図である。
【図５】 図４の詳細部分断面図である。
【図６】 本発明による研磨装置の上部研磨プレートの他の部分断面図である。
【図７】 図６の詳細部分断面図である。
【符号の説明】
１０ 研磨ディスク
１２ ネジ
１４ 支持ディスク
１６ 冷却通路
１８ 支持基台
２０ ボス
２２ スポーク
２４ 外部環状リング
２６ ネジ
２８ フラットリング
３０ 冷却通路
３２ ワッシャー
３４ 矢印
３６ 駆動軸
３８ ケーシング
４４ テーパ状のローラーベアリング
４６ 第１平行通路
４８ ディストリビューターリング
５２ ニップル

Claims (12)

1. 装置ハウジング５０、それぞれ環状の研磨面を持った上部及び下部研磨ディスク１０、該上部及び下部研磨ディスク１０を支持する支持ディスク１４からなるものであって、
   該２つの研磨ディスク１０は少なくともどちらかが縦方向駆動軸に連結され、且つローラベアリングによって該装置ハウジングに可回転に支持され、ギア機構を介してモータによって駆動されるよう取り付けられ、冷媒が流れる冷却通路がそれぞれの支持ディスクに構成されているものにおいて、
   それぞれの支持ディスク１４、１６４は、ホイール形状の支持基台１８、１６６、１６６ａの環状リング２４、１９０に固定具によって取り付けられており、
   該固定具が研磨面の幅の半分の位置に配置され、
   該支持基台は駆動軸３６、１７０、１７０ａに連結され、
   ２つの研磨ディスク１０、１６２が被処理物から圧力を受けるとき下部研磨ディスク１０の傾きに上部研磨ディスク１６２の傾きが自動的に適合するように上部研磨ディスク１６２の該支持基台が軸１７０、１７０ａと支持ディスク１６４に連結されており、
   更に、該環状リング２４と支持ディスク１４との間は、半径方向の相対的な移動が可能なように取り付けられていることを特徴とするダブルディスク研磨装置。
2. 上部研磨ディスク１６２の該軸１７０が、そのベアリング部材が係合する歯を介してトルクを伝達できるようかみ合っている球状ベアリングを介して、支持基台１６６に連結しているものである請求項１記載のダブルディスク研磨装置。
3. 支持基台１６６ａのリング１９０は、環状に間隔を持って取り付けられているピストンシリンダーユニット１９２を介して該支持ディスクに接続され、一方ではそのユニットのピストンロッドが支持ディスクのボア内でスペースがあり、他方のシリンダー内のピストンはそれがなく、力伝達液で満たさるものである請求項１記載のダブルディスク研磨装置。
4. 環状リング２４、１９０が、放射状スポーク２２を介して、ボス２０、１６８、１６８ａに接続されているものである請求項１乃至３記載のダブルディスク研磨装置。
5. 下部研磨ディスクの軸３６は、移送装置４８，５２によって冷媒が移送される少なくとも１つの軸方向の通路４６、７６を有している請求項１乃至４記載のダブルディスク研磨装置。
6. 該移送装置４８は、駆動軸３６の下部エリアに設けられており、冷却通路４６の上端部が通路部６２、６４、７０、６８を介して支持ディスク１４の上部冷却通路１６に接続されているものである請求項５記載のダブルディスク研磨装置。
7. 該駆動軸３６の軸方向通路７６は、その上端部で、通路部７４を介して、支持ディスク１４の上部冷却通路１６に接続され、他の冷却通路７６の下部エリアが排出部に接続されているものである請求項６記載のダブルディスク研磨装置。
8. 該下部冷却通路３０は駆動軸３６の冷却通路に接続されているものである請求項５乃至７記載のダブルディスク研磨装置。
9. 該下部研磨ディスク１０の駆動軸３６は、２つの分離したテーパ状のローラベアリング４４によって支持され、且つ各ローラベアリングの傾きが互いに反対に向くようにギア機構を有するギアボックスによって支持されているものである請求項１乃至８記載のダブルディスク研磨装置。
10. 該下部研磨ディスク１０の駆動軸３６は、モータ８６の駆動ピニオン８４により互いに係合するスパーギア８２を有し、該スパーギアとピニオンはまっすぐな歯を有しているものである請求項１乃至９記載のダブルディスク研磨装置。
11. 装置のハウジング５０は、下部研磨ディスク１０の直径方向に、橋状調整具１１４を取り付けるための取り付け手段１１０、１３０、１２６、１２４を有しており、該橋状調整具が橋状ガイド１１６内で、調整具１３４を保持しているキャリヤ１３２を支持するもので、該調整具は、リニア駆動源１３６によって研磨ディスク１０に関して放射状に移動するものである請求項１乃至１０記載のダブルディスク研磨装置。
12. 該取り付け手段は、一方側にほぼ水平の接触面１１２を有しており、反対側に高さ調整可能な支持手段１２４、１２６を有しており、且つ、装置のハウジング５０の支持部１３０に取り付けられているものである請求項１１記載のダブルディスク研磨装置。

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