JP4486297B2

JP4486297B2 - 半導体ウエハの加工装置およびこれを用いた半導体ウエハの製造方法

Info

Publication number: JP4486297B2
Application number: JP2002041347A
Authority: JP
Inventors: 功菅谷; 彰則伊藤; 功小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2003243337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの加工装置およびこれを用いた半導体ウエハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような加工装置として、加工対象物としての半導体ウエハを保持具により保持し、これを加工工具である研磨工具（研磨パッド）に接触させながら相対回転移動させて半導体ウエハの表面研磨を行う研磨装置がある。このように半導体ウエハの表面研磨を行う研磨装置では、非常に精密且つ均一な研磨が要求されるため、ウエハ（加工対象物）の表面の凹凸に追従して研磨工具がその姿勢を変えるようにしたり、もしくはウエハがその姿勢を変えるようにしたりして、常に最適な加工状態を維持するような工夫がなされている。
【０００３】
例えば、米国特許第６，２５１，２１５号に開示の研磨装置では、ウエハを保持するヘッド部に柔軟性に富んだゴムシートを用い、ゴムシートの裏面側に空気圧を作用させてこのゴムシートを介してウエハを研磨工具となる研磨パッドに押し付けるように構成されている。また、特開平１０−２３５５５５号公報に開示の装置では、ウエハを保持するヘッド部がボールジョイント構造を介して回転駆動軸に連結されて、ヘッド部がボールジョイント部を介して揺動自在な状態で回転駆動されるように構成されている。このようにゴムシートや、ボールジョイント構造を用いることにより、ウエハの表面凹凸に応じてその姿勢が柔軟に変化し、ウエハが研磨パッドに常に均一に接触し、均一な表面研磨を行うことができるようになっている。
【０００４】
上記構成とは逆に、研磨工具側すなわち研磨パッドの姿勢を柔軟に変化させることができるようにする構成の装置も知られている。この装置では、例えば、ウエハチャックにウエハがその被研磨面を上方に向けて（フェイスアップ状態で）真空吸着され、ウエハチャックとともに回転駆動される。このウエハの上方にこれと対向して研磨ヘッドが配設されており、研磨ヘッドは、ウエハの被研磨面と接触する研磨パッドを貼り付けたパッドプレートと、これを柔軟に支えるドライブプレートおよびゴムシート（ダイアフラム）と、これらに空気圧を加えるための圧力室を構成するための内部空間が形成されたヘッドハウジングとを有して構成される。ヘッドハウジングの下端外周においてドライブプレートおよびゴムシートの外周が接合され、ドライブプレートおよびゴムシートが内周部においてパッドプレートと結合されており、ヘッドハウジングの内部空間がこれらドライブプレートおよびゴムシートにより覆われて圧力室が形成されている。この結果、パッドプレートはドライブプレートを介してヘッドハウジングに支持され、且つゴムシートを介して圧力室内に圧力を均一に受ける。そして、ヘッドハウジングが回転駆動されるとドライブプレートを介してパッドプレートに回転駆動力が伝達されて全体が回転されるようになっている。
【０００５】
この研磨装置を用いたウエハの研磨加工は、ヘッドハウジングを回転駆動させた状態で研磨パッドをウエハチャックに吸着保持されたウエハの被研磨面に当接させて行われ、このときヘッドハウジングは面内で横方向に移動されてウエハの全表面が均一に研磨加工される。このようにしてウエハ表面の研磨加工を行うときに、研磨パッドをウエハ表面の凹凸等に対応して柔軟にその姿勢を変化させることができるようにドライブプレートは上下方向（厚さ方向）に十分な柔軟性を有することが要求される。このドライブプレートはさらに、ヘッドハウジングの回転駆動力（加工のための駆動トルク）をパッドプレートに伝達してヘッドハウジングとともにパッドプレートを回転させることができるとともに回転中における研磨パッドとウエハとの接触抵抗回転駆動力（加工時の抵抗トルク）に対抗できるだけの強度、耐久性を有することも要求される。
【０００６】
上記のようにパッドハウジングの下端外周にドライブプレートの外周が結合され、且つドライブプレートの内周にパッドプレートが係合されているため、ドライブプレートの弾性変形によりその外周に対して内周がドライブプレート面に垂直な方向に移動することによりパッドハウジングに対してパッドプレートが上下方向に移動する。すなわち、ドライブプレートにおける外周に対する内周の面垂直方向の弾性変形移動量が大きいということが、ドライブプレートが上下方向に大きな柔軟性を有するということを意味する。このようにドライブプレートに大きな上下方向の柔軟性を付与するために、従来では、例えば、図１５に示すように、ドライブプレート１００は薄い金属板を中心に円孔を有した円盤状に形成するとともに同心円状に位置した多数の開孔１０３を形成して構成されている。このようなドライブプレート１００では、外周１０２がパッドハウジングの下端外周に結合保持された状態で、パッドプレートが結合される内周１０１が上下に大きく弾性変形することができ、上下に大きな柔軟性を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ドライブプレートに要求される上下方向の柔軟性と、加工時の駆動もしくは抵抗トルクに対する強度、耐久性とは相反する面があり、両者を満足させることが難しいという問題がある。例えば、図１５に示すように、ドライブプレート１００に多数の開孔１０３を設けることにより上下方向の柔軟性を向上させることができるが、この開孔１０３を多くもしくは大きくしすぎると加工時の駆動もくしは抵抗トルクに対する強度が低下し、ドライブプレートの変形、破損が生じるという問題がある。特に、研磨加工中においてドライブプレート１００の開孔１０３には繰り返し応力が作用するため、この繰り返し応力により疲労損傷破壊（例えば、図１５に示すクラック１００ａ等の損傷破壊）が発生するおそれもある。
【０００８】
なお、ドライブプレートの上下方向の柔軟性に関しては、上記のように加工中におけるウエハ表面の凹凸等に対する追従性という点の要求のみならず、次のような点からも大きな柔軟性が要求される。まず、研磨パッドをウエハ表面に押し付けて研磨加工を行うと、ウエハ表面が研磨されるとともに研磨パッド表面も摩耗して薄くなる。これに応じてドライブプレートの上下方向の変形量が大きくなり、この変形を元に戻そうとする上下方向の復元力が発生し、これが圧力室の空気圧に対して反対方向に作用し、研磨パッドとウエハ表面との接触圧が変化（低下）するという問題が生じる。このような接触圧の変化をできる限り小さくするため、ドライブプレートの上下方向の柔軟性を大きくすること、すなわち、上下方向の弾性変形に対するバネ定数を小さくすることが望まれている。
【０００９】
また、このようなドライブプレートの上下方向の変形により発生する復元力の影響をできる限り小さくするため、加工開始前に研磨パッドがウエハの被研磨面と接触した状態でドライブプレートが中立位置（復元力が作用しない位置）に位置するように調整される。但し、この調整精度に限界があり、また、パッドプレート、研磨パッドの厚さのばらつき等があるため、実際には、加工開始時からドライブプレート位置が中立位置から上下方向にある程度ずれるのが避けられず、これにより加工開始時からある程度の復元力が作用するという問題がある。この問題を抑えるためにも、ドライブプレートの上下方向の柔軟性を大きくすること、すなわち、上下方向の弾性変形に対するバネ定数を小さくすることが望まれている。
【００１０】
本発明は上記のような問題に鑑みたもので、ドライブプレートの上下方向の柔軟性を大きくするとともに加工時の駆動および抵抗トルクに対する強度、耐久性も十分確保できるような構成の加工装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、本発明においては、加工対象物となる半導体ウエハ（例えば、実施形態における基板９０）を保持する対象物保持具（例えば、実施形態における基板保持テーブル９５）と、半導体ウエハを加工する工具（例えば、実施形態における研磨パッド６０が取り付けられた研磨工具５０）を保持する工具保持具（例えば、実施形態における研磨ヘッド３０）と、対象物保持具に保持された半導体ウエハを工具保持具に保持された工具と接触させながら相対移動させて半導体ウエハの研磨加工を行わせる相対移動機構（例えば、実施形態における支持フレーム２０）とを有して加工装置が構成され、対象物保持具および工具保持具の少なくともいずれかは、バネ性を有した略円盤状の支持板（例えば、実施形態におけるドライブプレート１０）を介して前記相対移動機構により相対移動可能に支持される。このとき支持板の内周部に対象物保持具および工具保持具のいずれかが連結されるとともに外周部に相対移動機構が連結され、この支持板にはバネ性を獲得するための同心円状に並んだ複数の円弧状のスリットからなる開孔が形成され、これらの複数のスリットのうち、支持板の外周部および内周部に形成されたスリットを除くスリットの端部には、スリット幅より大きな直径の略円形状開口部が形成されている。
【００１２】
このような構成の加工装置によれば、各開孔がスリットの端部に円形状開口部を有して形成されているため、開孔の端部に応力集中が発生することが抑えられ、開孔を多くもしくは大きくした上で加工時の駆動トルクおよび抵抗トルクに対する強度、耐久性を大きくすることができ、支持板の上下方向（板面に直角な方向）の柔軟性を大きくするとともに強度、耐久性を確保できる。
【００１３】
上記加工装置において、前記スリットにより前記支持板のバネ性を確保するとともに前記略円形状開口部により前記スリットの端部における応力集中を緩和して、前記半導体ウエハを前記工具により加工するときに前記支持板が受けるせん断応力を低下させるように構成されているのが好ましい。
【００１４】
上記加工装置において、前記開孔が化学的除去加工により形成されていることが望ましく、この場合、前記化学的除去加工がエッチング加工であることが望ましい。また、この化学的除去加工が行われたときの前記支持板の表面平均粗さが０．２ａ以下であることが望ましい。さらに、前記化学的除去加工により形成された前記開孔に、バレル研磨もしくはアフターエッチングにより面取り加工が施されているのが望ましい。
【００１５】
上記加工装置において、前記支持板が、引っ張り強さが１０００Ｎ／ｍｍ ² 以上の材料から作られることが好ましく、この場合に、材料がオーステナイト系ステンレスであることが好ましい。
【００１６】
上記加工装置において、前記半導体ウエハを前記工具により加工するときに前記支持板が受ける等価応力振幅の最大値に基づく前記支持板の疲労寿命が、前記加工装置の実使用期間以上であることが望ましい。
また、前記半導体ウエハを前記工具により加工するときに、少なくとも前記支持板はその構成材料に対して化学反応性が低い物質に覆われた環境もしくは真空環境内に置かれるのが望ましい。
【００１７】
一方、本発明に係る半導体ウエハの製造方法は、上述の加工装置を用いて半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
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。図１に、本発明に係る加工装置の代表例としてのＣＭＰ装置（化学的機械的研磨装置）１を示している。このＣＭＰ装置１は、研磨対象たる基板（例えば半導体ウエハ）９０をその上面側に着脱自在に吸着保持可能な基板保持テーブル９５と、この基板保持テーブル９５の上方位置に設けられ、基板保持テーブル９５上に保持された基板９０の被研磨面９１と対向する研磨パッド６０が取り付けられた研磨工具５０を保持してなる研磨ヘッド３０とを備えて構成されている。このＣＭＰ装置１では、研磨パッド６０の寸法（直径）は研磨対象たる基板９０の寸法（直径）よりも小さく（すなわち研磨パッド６０は基板９０よりも小径であり）、研磨パッド６０を基板９０に接触させた状態で双方を相対移動させることにより、基板９０の被研磨面（上面）９１全体を研磨できるようになっている。
【００２１】
これら基板保持テーブル９５と研磨ヘッド３０とを支持する支持フレーム２０は、水平な基台２１と、この基台２１上にＹ方向（紙面に垂直な方向でこれを前後方向とする）に延びて設けられたレール（図示せず）上をＹ方向に移動自在に設けられた第１ステージ２２と、この第１ステージ２２から垂直（Ｚ方向）に延びるように設けられた垂直フレーム２３と、この垂直フレーム２３上をＺ方向（上下方向）に移動自在に設けられた第２ステージ２４と、この第２ステージ２４上から水平（Ｘ方向）に延びるように設けられた水平フレーム２５と、この水平フレーム２５上をＸ方向（左右方向）に移動自在に設けられた第３ステージ２６とを有して構成されている。
【００２２】
第１ステージ２２内には第１電動モータＭ１が設けられており、これを回転駆動することにより第１ステージ２２を上記レールに沿ってＹ方向に移動させることができる。第２ステージ２４内には第２電動モータＭ２が設けられており、これを回転駆動することにより第２ステージ２４を垂直フレーム２３に沿ってＺ方向に移動させることができる。また、第３ステージ２６内には第３電動モータＭ３が設けられており、これを回転駆動することにより第３ステージ２６を水平フレーム２５に沿ってＸ方向に移動させることができる。このため、上記電動モータＭ１〜Ｍ３の回転動作を組み合わせることにより、第３ステージ２６を基板保持テーブル９５上方の任意の位置に移動させることが可能である。
【００２３】
基板保持テーブル９５は基台２１上に設けられたテーブル支持部２７から上方に垂直に延びて設けられた回転軸２８の上端部に水平に取り付けられている。この回転軸２８はテーブル支持部２７内に設けられた第４電動モータＭ４を回転駆動することにより回転されるようになっており、これにより基板保持テーブル９５をＸＹ面（水平面）内で回転させることができる。
【００２４】
研磨ヘッド３０は第３ステージ２６から下方に垂直に延びて設けられたスピンドル２９の下端部に取り付けられている。このスピンドル２９は第３ステージ２６内に設けられた第５電動モータＭ５を回転駆動することにより回転されるようになっており、これにより研磨ヘッド３０全体を回転させて研磨パッド６０をＸＹ面（水平面）内で回転させることができる。
【００２５】
研磨ヘッド３０は図２及び図３に示すように、スピンドル２９の下端部にボルトＢ５により結合される円盤部材３１ａ及びこの円盤部材３１ａの下面外周にボルトＢ１により結合された円筒部材３１ｂからなるヘッドハウジング３１と、円筒部材３１ｂの下端部にボルトＢ２により固定される保持リング３２と、これら円筒部材３１ｂと保持リング３２とにより外周部が挟持される円盤状のドライブプレート１０およびダイアフラム３５と、ダイアフラム３５の下面側に位置して取り付けられる円盤状の基準プレート４１と、この基準プレート４１の下面に真空吸着により着脱自在に取り付けられる上述の研磨工具５０とを有して構成される。この構成から分かるように、ヘッドハウジング３１内には、下面に開口した円筒状の空間Ｈが形成され、この空間Ｈが後述するようにダイアフラム３５により覆われて圧力室が形成される。
【００２６】
ドライブプレート１０はオーステナイト系ステンレス板等の金属板から作られ、その詳細を図４に示すように、中央に円形孔１１を形成した円盤に、同心円状に並んだ多数の開孔１５，１５′を図示のように形成して作られている。各開孔１５は、円周方向に延びたスリット１６とこのスリット１６の両端に形成されたスリット幅より大きな直径の円形状開口部１７とから構成される。但し、最内周および最外周に形成される開孔１５′はスリット１６のみから形成される。これは、後述するように、中間部の開孔１５についてはスリット１６のままでは、ウエハの研磨加工を行うときにその両端に発生する応力が大きくなるため、円形状開口部１７を設けて応力集中をなくして発生応力を小さくするためである。一方、最内周および最外周のスリット１５′については、研磨加工中において発生する応力が小さいため、スリット１６のみの形状としている。
【００２７】
ダイアフラム３５は所定厚さ（比較的薄い）ゴムシートをドライブプレート１０と同一径の円盤状に形成して作られている。ダイアフラム３５の中央にはドライブプレート１０の円形孔１１と同一径の円形孔３５ａが形成されている。ドライブプレート１０およびダイアフラム３５は、上下に重ねられた状態で、その外周部が上述のようにヘッドハウジング３１と保持リング３２とに挟持されて固定される。
【００２８】
基準プレート４１の中央部上面側にはドライブプレート１０及びダイアフラム３５の円形孔１１，３５ａよりも若干小さい半径を有する円盤状の中心部材４４がボルトＢ３により固定されており、この中心部材４４に芯合わせをされたドライブプレート１０およびダイアフラム３５の内周部が、基準プレート４１とこの基準プレート４１の上面側にボルトＢ４により固定されるリング部材４５との間に挟持される。このように基準プレート４１はドライブプレート１０を介してヘッドハウジング３１に固定されており、スピンドル２９の回転駆動力がドライブプレート１０を介して基準プレート４１に伝達される。また、ドライブプレートに重なって取り付けられるダイアフラム３５がヘッドハウジング３１の内部空間Ｈを下面側から密封状態で覆い、圧力室を形成する。
【００２９】
なお、基準プレート４１の外周部から外方に張り出したフランジ４１ａの外径は保持リング３２の内周部から内方に張り出したフランジ３２ａの内径よりも大きく形成されており、基準プレート４１が保持リング３２から抜け出ることがないようになっている。
【００３０】
研磨工具５０は上記基準プレート４１とほぼ同じ外径を有する円盤状のパッドプレート５１と、このパッドプレート５１の下面である研磨パッド取付面５１ａに取り付けられた円形の研磨パッド（研磨布）６０とから構成される。ここで、研磨パッド６０は研磨により劣化していく消耗品であるため、上記研磨パッド取付面５１ａに着脱自在に取り付け可能にして（例えば接着剤による）、交換作業を容易にしている。
【００３１】
図２に示すように、基準プレート４１の内部には下面側に複数の吸着開口を有する空気吸入路７１が形成されており、この空気吸入路７１は中心部材４４側にも延びてヘッドハウジング３１の内部空間（圧力室）Ｈ側に開口している。この開口部にはスピンドル２９の中央に貫通形成されたエア供給路８０内を延びた吸入管７２が接続されており、基準プレート４１の下面側にパッドプレート５１を位置させた状態でこの吸入管７２から空気を吸入することにより、パッドプレート５１を基準プレート４１に吸着取り付けできるようになっている。ここで、パッドプレート５１は基準プレート４１との間に設けられたセンターピンＰ１と位置決めピンＰ２とにより芯出しと回転方向の位置決めとがなされる。
【００３２】
また、エア供給路８０内には図示しない研磨剤供給装置と繋がる研磨剤供給管８１が延びており、スピンドル２９と中心部材４４との間に位置する接続具８２を介して中心部材４４を貫通して設けられた流路８３、センターピンＰ１内を貫通する流路８４，パッドプレート５１内に形成された流路８５および研磨パッド６０に設けられた流路８６と繋がっている。
【００３３】
さらに、エア供給路８０は図示しないエア供給源に繋がっており、エア供給源から供給されるエア圧により圧力室Ｈ内の圧力を所望の圧力に調整設定できるようになっている。
【００３４】
このような構成のＣＭＰ装置１を用いて基板の研磨を行うには、先ず基板保持テーブル９５の上面に研磨対象となる基板９０を吸着取り付けし（このとき基板９０の中心は基板保持テーブル９５の回転中心に一致させる）、電動モータＭ４を駆動して基板保持テーブル９５を回転させる。次に電動モータＭ１〜Ｍ３を駆動して第３移動ステージ２６を基板９０の上方に位置させ、電動モータＭ５によりスピンドル２９を駆動して研磨ヘッド３０を回転させる。続いて電動モータＭ２を駆動して第３ステージ２６を降下させ、研磨パッド６０を基板９０の上面（被研磨面）に押し当てるようにする。
【００３５】
次に、エア供給源から圧力室Ｈ内に所定のエア圧を供給して、圧力室Ｈ内のエア圧により基板９０と研磨パッド６０との接触圧を所定の値に設定する。そして、電動モータＭ1，Ｍ３を駆動して研磨ヘッド３０をＸＹ方向（基板９０と研磨パッド６０との接触面の面内方向）に揺動させる。このとき同時に、研磨剤供給装置より研磨剤（シリカ粒を含んだ液状のスラリー）を圧送し、研磨パッド６０の下面側に研磨剤を供給させる。これにより、基板９０の被研磨面９１は、研磨剤の供給を受けつつ基板９０自身の回転運動と研磨ヘッド３０の（すなわち研磨パッド６０の）回転及び揺動運動とにより研磨される。
【００３６】
このようにして基板９０の被研磨面９１の研磨を行っているときに、研磨パッド６０を有する研磨工具５０は基準プレート４１に結合された状態で、ドライブプレート１０を介してヘッドハウジング３１に支持されているため、ドライブプレート１０の弾性変形により被研磨面９１の傾きや凹凸に応じて研磨工具５０の姿勢が変動し、被研磨面９１の均一な研磨を行う。このドライブプレート１０の変形や、研磨加工中に発生する内部応力等について以下に説明する。
【００３７】
上述したように、ドライブプレート１０は、同心円状に並んだ多数の開孔１５，１５′を有して形成されいるため、その外周部１３がヘッドハウジング３１の下端外周に固定された状態で、その内周部１２に上下方向（ドライブプレート面に垂直な方向）の力が作用したときにドライブプレート１０の弾性変形による内周部１２の上下方向の移動量が開孔を有しない場合に比べて格段に大きくなる。すなわち、内周部１２の移動に対するドライブプレート１０の弾性変形のバネ定数が小さくなる。このため、ドライブプレート１０の内周部に結合されて取り付けられる研磨工具５０が上下に柔軟に移動することができ、基板９０の被研磨面９１の傾きや、凹凸に追従して研磨工具５０が上下に移動したり傾いたりして柔軟にその姿勢が変化し、被研磨面９１が精度良く且つ均一に研磨される。
【００３８】
但し、ドライブプレート１０はスピンドル２９の回転をヘッドハウジング３１から研磨工具５０に伝達してこれをスピンドル２９と一体に回転させる役割を有しているため、この回転のための駆動トルクを伝達するための十分な強度も要求される。このため、ドライブプレート１０が十分な強度が得られるように、以下のような工夫が凝らされている。
【００３９】
まず、研磨剤には強酸、強アルカリなどの研磨液が含まれており、ドライブプレート１０がこれら研磨液に曝される可能性がある。特に、メンテナンス時においてドライブプレート１０が取り外されるようなときに研磨液の飛沫が付着したりし、錆、腐食が発生するおそれがある。このような錆、腐食はドライブプレート１０の耐久性を低下させるだけでなく、生じた錆が基板（ウエハ）９０や、研磨装置構成部品を汚染する問題もある。このようなことから、ドライブプレート１０はステンレス系（ＳＵＳ系）材料から作られており、ステンレス系材料でも、マルテンサイト系よりもさらに耐腐食性に優れたオーステナイト系ステンレス材が適している。耐力やバネ性の観点から見ればステンレス系材料よりも優れた材料はあるが（例えば、ベリリウム銅など）、このような材料は防錆のためのメッキ処理が必要とされるが、一般に、金属に防錆を目的としてメッキ処理を施すと水素脆性等により耐力、バネ性が低下するという問題がある。さらに、メッキ剥離の可能性の問題や、コスト、信頼性を考え合わせると、ステンレス系が最も適している。
【００４０】
ドライブプレート１０は図４に示すように、多数の開孔１５，１５′が形成されて作られるのであるが、このような開孔１５，１５′の形成は、従来、レーザー加工、プレス加工により行われていた。ここで、ステンレス材料は冷間圧延率が高いが一般的に焼き入れによる材料強度向上が期待できないため、冷間圧延時の圧縮加工により硬度および引っ張り強度を高めている。つまり、圧縮力によって歪み応力を結晶組織内に封じ込めて材料強度を向上させている。このようなステンレス材料にレーザー加工により開孔１５，１５′を形成してドライブプレート１０を作った場合、レーザー加工熱を受けた切断面はアニール（焼きなまし）された状態になり封じ込められた歪み応力が開放され、切断面の強度が低下するという問題がある。さらに、レーザー加工による切断面は細かな凹凸が多い荒れた加工面となり、応力集中が発生しやすく、特に疲労強度が低下するという問題がある。一方、プレス加工により開孔１５，１５′を形成した場合には、レーザー加工のような熱による応力開放ということはないが、切断面にバリ、ダレが発生するとともに多数の細かな凹凸が存在するため、応力集中が発生し、強度低下（特に、疲労強度低下）が生じるという問題がある。
【００４１】
このようなことから、本発明においては、ステンレス材料の板材を化学的除去加工（例えば、エッチング加工）により、円盤状で、中央に円形孔１１を有し、且つ多数の開孔１５，１５′を有する図４に示す形状に加工してドライブプレート１０を作っている。このようにエッチング加工等の化学的除去加工を行うと疲労強度が向上するので、同一形状のドライブプレートであっても、従来のレーザー加工もしくはプレス加工により作られたドライブプレートより長い寿命が得られる。
【００４２】
これを確認するため、本発明者はＳＵＳ３０４−ＣＳＰ−Ｈステンレス材料から図７に示すような切り欠き部１１１を有する矩形状のテストピース１１０を作成し、両端に引っ張り繰り返し加重Ｆを加えたときの疲労寿命を試験した。このときの疲労破壊は切り欠き部１１１を通る面１１２において発生するため、この面１１２に作用する等価応力振幅σeqと繰返数Ｎ（疲労寿命）との試験結果に基づくＳ−Ｎ曲線を図５に示している。この図において線Ａはテストピース１１０をエッチング加工により作った場合の試験結果を示し、線Ｂはレーザー加工により作った場合の試験結果を示している。この結果から分かるように、同一材料で同一形状であっても、エッチング加工で作った方が長い寿命が得られる。なお、等価応力振幅σeqとは、例えば、図１２に示すように、平均応力σｍが作用した状態で振幅σａの応力が作用したときに、平均応力σｍが零となるときに等価寿命が得られる応力振幅σeqを意味し、次の式（１）により求まる値である。
【００４３】
【数１】
σeq ＝ σａ／｛１−（σｍ／σB）｝・・・（１）
但し、σBは引っ張り強度
【００４４】
本発明者はさらに、図７に示す形状のテストピースを、材料を相違させてレーザー加工により作った場合についての疲労寿命比較試験も行った。その結果に基づくＳ−Ｎ曲線を図６に示しており、この図において線Ｃは上記と同様にＳＵＳ３０４−ＣＳＰ−Ｈステンレスからレーザー加工により作られたテストピースの試験結果を示し、線ＤはＳＵＳ３０１−ＣＳＰ−ＥＨステンレスからレーザー加工により作られたテストピースの試験結果を示している。この結果から分かるように、ＳＵＳ３０１の方がＳＵＳ３０４より長い寿命が得られる。
【００４５】
以上説明したように、エッチング加工の場合には加工熱による歪みの開放が無いため、加工面の強度低下の問題がなく、且つ加工面が滑らかで凹凸が小さいため応力集中が生じにくく、上記のような高い寿命が得られる。とろこで、エッチング加工の場合には、開孔部の角部（稜線部）が鋭く、断面が尖った直角形状となるので、何らかの衝撃を受けて角部が欠損して凹凸が形成されるという可能性がある。このため、このドライブプレート１０においては、エッチング加工により開孔１５，１５′を形成した後、マスク部を全て剥がして再度全表面をエッチング液に曝すアフターエッチングを行って、角部を丸くしている。なお、アフターエッチングに代えてバレル研磨を行っても良い。
【００４６】
また、ドライブプレート１０の疲労寿命という見地から、ドライブプレート１０の表面を滑らかにして応力集中を起こす凹凸をできる限り除去することが望ましい。このため、本実施形態のドライブプレート１０においては、表面粗さＲａ＜０．２ａとなるようにドライブプレート１０の表面が鏡面仕上げ加工されており、これにより、疲労強度が一層高められている。
【００４７】
ところで、材料の引張強度と引張圧縮疲労限との関係は、炭素鋼および構造用合金について、図８に示すように、線ＥおよびＦに挟まれたハッチングを施す領域内の相関関係があることが知られている。この関係から分かるように、引っ張り強さが１００Kg／mm²（約１０００Ｎ／mm²）付近までは引張強度と引張圧縮疲労限とは強い正の相関関係が認められるが、これ以上の引っ張り強さでは相関関係が低下している。つまり、１００Kg／mm²（約１０００Ｎ／mm²）以下の引っ張り強さの材料を使用すると疲労限が引っ張り強さに応じて変化するが、１００Kg／mm²（約１０００Ｎ／mm²）以上の引っ張り強さの材料を使用すれば常に最大の疲労寿命が得られる。このことから、本実施形態においては、引っ張り強さが１００Kg／mm²（約１０００Ｎ／mm²）以上のオーステナイト系ステンレス材料からドライブプレート１０を作っている。なお、図６の試験に用いたＳＵＳ３０１およびＳＵＳ３０４ステンレスはともに１００Kg／mm²（約１０００Ｎ／mm²）以上の引っ張り強さを有している。
【００４８】
以上のようなことから、ドライブプレート１０は、ＳＵＳ３０１−ＣＳＰ−ＥＨステンレスをエッチング加工して図４の形状に形成し、さらにアフターエッチングし、表面粗さは０．２ａ以下となるように鏡面仕上げするのが最も好ましい。但し、本発明に係るドライブプレートはこれに限られるものではなく、ＳＵＳ３０４ステンレスをエッチングして作るなど、種々の形態が考えられる。
【００４９】
以上説明した研磨装置（ＣＭＰ装置）１では、一般的に液体状の研磨剤を用いているが、固定研粒式と称される研磨布に研粒粉を含ませて液体状の研磨剤を用いない研磨方式のものでも良い。このような場合、ドライブプレート１０が研磨液の雰囲気に曝されるおそれが無くなるため、要求される耐腐食性のレベルが下がり、ステンレス以外の材料、例えば、ベリリウム銅等からドライブプレートを作成することが可能となる。
【００５０】
ところで、一般に、疲労破壊は対象物の略面内方向に加わるせん断応力振幅が発端となり、次のその箇所の主応力振幅が亀裂の進展を進行させると考えられている。この考えに基づくと、疲労破壊を避けるには、対象物の略面内方向に加わるせん断応力振幅をできる限り低く抑えることが有効である。このようなことから、図４に示す形状のドライブプレート１０と、図１５に示す形状のドライブプレート１００を有限要素法を用いてモデル化し、研磨装置１を用いて研磨するときの回転や横方向移動による実際の外力が作用したときの応力解析を行った。その結果を図９および図１０に示しており、ここでは面内せん断応力振幅をベクトル形式（矢印）で示している。この解析の結果によれば、図１５に示す形状のドライブプレート１００の面内せん断応力振幅の最大値が約１１kgf/mm²となり、図４に示す形状のドライブプレート１０の面内せん断応力振幅の最大値が約８kgf/mm²となり、図４に示す形状のドライブプレート１０の方が強度、耐久性で有利であることが分かった。ちなみに、この解析において面内せん断応力振幅が大きいと解析された部分は、実物の破断箇所とほぼ一致しており、解析の有効性が確認された。
【００５１】
次に、このように面内せん断応力振幅が大きくなる部分での主応力変動を解析した結果を図１１に示しており、この図において図１５に示す形状のドライブプレート１００の主応力変動を線Ｍで示し、図４に示す形状のドライブプレート１０の主応力変動を線Ｎで示している。これらの主応力変動を等価応力振幅σeqに式（１）を用いて換算すると、図１５に示す形状のドライブプレート１００の等価応力振幅が約１６kgf/mm²となり、図４に示す形状のドライブプレート１０の等価応力振幅が約１０kgf/mm²となった。そして、これら等価応力振幅を図５および図６を元にしたＳ−Ｎ曲線に照らして図１３に示している。
【００５２】
この図１３のＳ−Ｎ曲線では、線ＡがＳＵＳ３０４ステンレス材料をレーザー加工して作ったドライブプレートのＳ−Ｎ曲線を示し、線ＢがＳＵＳ３０４ステンレス材料をエッチング加工して作ったドライブプレートのＳ−Ｎ曲線を示し、線ＣがＳＵＳ３０１ステンレス材料をエッチング加工して作ったドライブプレートのＳ−Ｎ曲線を示す。また、破線Ｐが等価応力振幅約１６kgf/mm²（すなわち、図１５に示す形状のドライブプレート１００の等価応力振幅）を示し、破線Ｑが等価応力振幅約１０kgf/mm²（すなわち、図４に示す形状のドライブプレート１０の等価応力振幅）を示す。これら破線Ｐ，Ｑと各Ｓ−Ｎ曲線Ａ，Ｂ，Ｃとの交点ａ〜ｅが各ドライブプレートの疲労寿命（繰り返し数）を示す。
【００５３】
この図から分かるように、まず、図１５に示す形状のドライブプレート１００を、ＳＵＳ３０４ステンレス板材をレーザー加工して作った場合、すなわち、従来のドライブプレートの場合には点ａでの疲労寿命となり、約１３７万回の繰り返し寿命で、実際の研磨加工時間に換算すると約１０日程度の寿命しか得られない。これに対して、本発明の第１実施例として、図１５に示す形状のドライブプレート１００を、ＳＵＳ３０４ステンレス板材をエッチング加工（化学的除去加工）して作った場合には点ｂでの寿命となり、約４．０×１０⁸回の繰り返し寿命で、約２９００日の寿命が得られる。さらに、本発明の第２実施例として、図１５に示す形状のドライブプレート１００を、ＳＵＳ３０１ステンレス板材をエッチング加工（化学的除去加工）して作った場合には点ｃでの寿命となり、約３．５×１０¹⁰回の繰り返し寿命で、約２５５０００日の寿命が得られる。
【００５４】
次に、本発明の第３実施例として、図４に示す形状のドライブプレート１０を、ＳＵＳ３０４ステンレス板材をエッチング加工（化学的除去加工）して作った場合には点ｄでの寿命となり、約３．５×１０⁹回の繰り返し寿命で、約２．７３×１０⁴日（約７４年）の寿命が得られる。さらに、本発明の第４実施例として、図４に示す形状のドライブプレート１０を、ＳＵＳ３０１ステンレス板材をエッチング加工（化学的除去加工）して作った場合には点ｅでの寿命となり、約１．０２×１０¹²回の繰り返し寿命で、約７．９×１０⁶日（約２万年）の寿命が得られる。このように本発明の実施例に係るドライブプレートを用いれば、高い耐久性が確保できる。
【００５５】
ところで、従来、ドライブプレートの開孔パターンは試行錯誤、経験等により設計されていたが、上述したように本実施形態では有限要素法による解析に基づき、応力振幅と疲労限度に鑑みて設計されており、耐久性、信頼性を大きく向上させることができる。本発明の第３および第４実施例として説明した図４に示す形状の開孔１５，１５′は、この解析の結果、スリット１６を設けただけではスリット１６の両端に応力集中することが判明したため、スリット両端に円形状開口部１７を形成して応力集中を緩和させた。このように、まず、厚さ方向の柔軟性に対する要求を満足するようにスリットの本数、分割数、板厚等を決定し、その後に応力解析結果に基づいてスリット両端の応力緩和のための円形開口部形状を決定する。そして、この円形開口部形状を確保できない場合には、スリット本数、分割数等を再設計し、修正する。このような手法によれば、所望の柔軟性と耐久性とを有したドライブプレートを容易に設計、製作することができる。
【００５６】
なお、応力振幅や面内方向の最大せん断応力を下げつつ厚み方向の柔軟性を得るには、ドライブプレートの外径を大きくすることが最も容易な解決方法である。しかし、現実には周囲の構造物の干渉もあるためあまり大きな径を確保することは困難である。また、できる限り小さなＣＭＰ装置が求められており、ドライブプレートの径もできる限り小さくすることが求められる。このため、上述したようにドライブプレートを設計する手法を用いれば、外形を小さくした上で上下方向の柔軟性および耐久性をともに満足するようなドライブプレートの設計が可能となる。
【００５７】
なお、前述のように亀裂が発生すると、繰り返し応力を受けて亀裂のすべり面同士が互いに擦れ合い、ダメージを与え合いながら亀裂が進展していくと考えられる。この亀裂のすべり面は化学的に活性であるため、雰囲気中の酸素等と化学反応を起こし、酸化物等が生成され、この酸化物は亀裂間に介在物として取り込まれて亀裂の進展を助長する。このことに鑑みれば、すべり面の化学反応を抑制すれば亀裂の進展要素の一部を排除できる。このため、上述したＣＭＰ装置１において研磨ヘッド３０の圧力室Ｈ内に空気に代えて、化学反応に不活性な気体、例えば窒素等を送り込み、すべり面の化学反応を押さえ込み、ドライブプレートの耐久性を向上させるのが好ましい。さらに、ドライブプレートの表面にテフロン（登録商標）コート等の保護膜（固体）を形成したり、ドライブプレートを油（液体）に浸した状態で用いるなど、周囲雰囲気との化学反応を遮断するようにして、耐久性向上を図っても良い。
【００５８】
以上、本発明の構成要件の支持板の実施形態として、ＣＭＰ装置におけるドライブプレートを例にして説明したが、本発明に係る支持板はこれに限定されるものではない。すなわち、工具と工具保持具の相対位置追従性を要求される機械について、本発明の支持板を用いることが可能である。
【００５９】
次に、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施例について説明する。図１４は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、まずステップＳ２００で次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択し、いずれかのステップに進む。
【００６０】
ここで、ステップＳ２０１はウェハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりウェハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウェハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
【００６１】
ＣＶＤ工程(Ｓ２０２)もしくは電極形成工程(Ｓ２０３)の後で、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨によるダマシン（damascene）の形成等が行われる。
【００６２】
ＣＭＰ工程(Ｓ２０５)もしくは酸化工程(Ｓ２０１)の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソグラフィ工程である。この工程ではウェハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
【００６３】
次に、ステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返してウェハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
【００６４】
本発明による半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において本発明にかかる研磨装置を用いているため、ドライブプレート交換のために研磨装置を停止する必要がないのでＣＭＰ工程のスループットが向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明による研磨装置を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、高スループットで製造されるので低コストの半導体デバイスとなる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、開孔が化学的除去加工により形成されているため、開孔の周囲に応力集中が発生することが抑えられ、開孔を多くもしくは大きくした上で加工時の駆動トルクおよび抵抗トルクに対する強度、耐久性を大きくすることができ、支持板の上下方向（板面に直角な方向）の柔軟性を大きくするとともに強度、耐久性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加工装置の代表例としてのＣＭＰ装置を示す正面図である。
【図２】上記ＣＭＰ装置を構成する研磨ヘッドの断面図である。
【図３】上記研磨ヘッドの分解斜視断面図である。
【図４】上記研磨ヘッドに用いられるドライブプレートの平面図である。
【図５】図７に示すテストピースをＳＵＳ３０４ステンレスからレーザ加工およびエッチング加工して作った場合のＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。
【図６】図７に示すテストピースをＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３０１ステンレスからレーザ加工して作った場合のＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。
【図７】図６および図７に示すＳ−Ｎ曲線を求めたテストピース形状を示す斜視図である。
【図８】引っ張り強さと疲れ限度との関係を示すグラフである。
【図９】図４に示す形状のドライブプレートの主応力解析結果を示す応力分布解析図である。
【図１０】図１５に示す形状のドライブプレートの主応力解析結果を示す応力分布解析図である。
【図１１】図４および図１５に示すドライブプレートの主応力解析結果に基づく揺動方向と主応力との関係を表すグラフである。
【図１２】等価応力振幅σeqと平均応力σｍおよび繰り返し応力振幅σａとの関係を説明するためのグラフである。
【図１３】本発明および従来例に係るドライブプレートのＳ−Ｎ曲線を示すグラフである。
【図１４】半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。
【図１５】従来のドライブプレートの形状を示す平面図である。
【符号の説明】
１ＣＭＰ装置
１０，１００ドライブプレート
１５，１５′，１０３開孔
１６スリット
１７円形状開口部
２０支持フレーム
２９スピンドル
３０研磨ヘッド
３１ヘッドハウジング
３５ダイアフラム
５０研磨工具
６０研磨パッド
９０基板（半導体ウエハ）

Claims

加工対象物となる半導体ウエハを保持する対象物保持具と、前記半導体ウエハを加工する工具を保持する工具保持具と、前記対象物保持具に保持された半導体ウエハを前記工具保持具に保持された工具と接触させながら相対移動させて前記半導体ウエハの研磨加工を行わせる相対移動機構とを有して構成され、
前記対象物保持具および前記工具保持具の少なくともいずれかは、バネ性を有した略円盤状の支持板を介して前記相対移動機構により相対移動可能に支持され、
このとき前記支持板の内周部に前記対象物保持具および前記工具保持具のいずれかが連結されるとともに外周部に前記相対移動機構が連結され、
前記支持板には前記バネ性を獲得するための同心円状に並んだ複数の円弧状のスリットからなる開孔が形成され、
前記複数のスリットのうち、前記支持板の外周部および内周部に形成された前記スリットを除く前記スリットの端部には、前記スリット幅より大きな直径の略円形状開口部が形成されていることを特徴とする半導体ウエハの加工装置。
前記スリットにより前記支持板のバネ性を確保するとともに前記略円形状開口部により前記スリットの端部における応力集中を緩和して、前記半導体ウエハを前記工具により加工するときに前記支持板が受けるせん断応力を低下させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
前記開孔が化学的除去加工により形成されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の加工装置。
前記化学的除去加工がエッチング加工であることを特徴とする請求項３に記載の加工装置。
前記化学的除去加工が行われたときの前記支持板の表面平均粗さが０．２ａ以下であることを特徴とする請求項３もしくは４に記載の加工装置。
前記化学的除去加工により形成された前記開孔に、バレル研磨もしくはアフターエッチングにより面取り加工が施されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の加工装置。
前記支持板が、引っ張り強さが１０００Ｎ／ｍｍ²以上の材料から作られることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の加工装置。
前記材料がオーステナイト系ステンレスであることを特徴とする請求項７に記載の加工装置。
前記半導体ウエハを前記工具により加工するときに前記支持板が受ける等価応力振幅の最大値に基づく前記支持板の疲労寿命が、前記加工装置の実使用期間以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の加工装置。
前記半導体ウエハを前記工具により加工するときに、少なくとも前記支持板はその構成材料に対して化学反応性が低い物質に覆われた環境もしくは真空環境内に置かれることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の加工装置。
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の加工装置を用いて前記半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体ウエハ製造方法。