JP4611841B2

JP4611841B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP4611841B2
Application number: JP2005240146A
Authority: JP
Inventors: 明堀口
Original assignee: Nippon Steel Precision Machining Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Precision Machining Co Ltd
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-08-22
Also published as: JP2007054897A

Description

本発明は、たとえば半導体デバイスの素材である半導体ウエハのポリッシングに適した研磨装置に関する。

半導体デバイスの素材である半導体ウエハを両面ポリッシングするには、両面研磨装置が用いられている。図２は、従来の両面研磨装置の一例を示している（特許文献１参照）。同図に示された両面研磨装置Ｘは、研磨布９５が取り付けられた上定盤９１および下定盤９２を備えている。上定盤９１および下定盤９２は、互いに鉛直方向に離間して配置されており、それぞれ回転支持軸９３，９４に連結されている。両面研磨装置ＸによりウエハＷを研磨するには、ウエハＷをキャリアＣに固定し、このキャリアＣを上定盤９１と下定盤９２との間に装填する。そして、上定盤９１および下定盤９２を互いに反対方向に回転させ、各研磨布９５をウエハＷに対して相対動させる。これにより、ウエハＷの図中上下面が研磨布９５により研磨され、ウエハＷの両面ポリッシングを行うことができる。

しかしながら、ウエハＷの両面ポリッシングにおいては、表面精度をさらに向上させることへの要望が強くなってきている。表面精度を向上させるためには、以下の２点が重要である。第１に、上定盤９１をウエハＷに対して極力平行に配置する必要がある。上定盤９１がウエハＷに対して傾いていると、ウエハＷの表面が平滑な平面とならないからである。第２に、上定盤９１をウエハＷに押し付ける、いわゆる研磨荷重を適切に制御することが必要である。研磨荷重に過不足があると、ウエハＷを不当に研磨しすぎたり、表面粗さが荒くなったりするからである。近年においては、ウエハＷの大径化が盛んに進められており、直径が３００ｍｍに達するものもある。このような大径化されたウエハＷを両面ポリッシングするには、上定盤９１をウエハＷに対して平行に配置すること、および研磨荷重を適切に制御することが特に重要となる。両面研磨装置Ｘにおいては、これらの点についていまだ改善する余地があった。

特開２００３−２８５２６４号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、ウエハなどを表面精度よく研磨することが可能な研磨装置を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明によって提供される研磨装置は、ワークを挟持可能に対向配置された上定盤および下定盤と、上記上定盤を吊り下げ可能であり、かつ上記上定盤に回転駆動力を伝達する回転支持軸と、を備えており、上記上定盤が上記ワークに対して相対回転させられることにより、上記ワークの少なくとも上面を研磨する、研磨装置であって、上記上定盤は、上記回転支持軸の軸方向において上記回転支持軸に対して相対動可能であり、かつ上記回転支持軸に対して傾動可能であり、上記回転支持軸とは別に、弾性体を用いて上記上定盤の重量の少なくとも一部を負担し得る荷重調整機構を備えており、上記回転支持軸は、中空軸であり、上記荷重調整機構は、上記回転支持軸を貫通する部分を有することを特徴としている。

このような構成によれば、上記上定盤は、上記回転駆動軸に対して傾動可能であるため、上記ワークの傾斜などに追従するように適切な傾動を連続的に繰り返しつつ回転することが可能である。また、研磨作業の進行にともなって上記ワークが薄くなれば、これに追従して上記上定盤も下がる。これにより、研磨作業の全期を通して、上記ワークに付与される研磨荷重を一定値に管理可能である。また、上記研磨荷重を、比較的均一とすることが可能である。したがって、上記ワークの表面を精度よく研磨するのに適している。特に、上記ワークが大型化された場合に、研磨荷重が均一であることは、研磨表面の精度向上に好適である。また、このような構成によれば、上記ワークに付与される研磨荷重を上記上定盤の全重量から０まで連続的に調整することが可能である。これは、上記ワークの材質や求められる表面精度に応じて研磨条件を設定するのに都合がよい。さらにこのような構成によれば、上記回転支持軸および上記荷重調整機構のそれぞれによって、上記上定盤をその中心において支持することが可能である。したがって、上記上定盤が不当に偏心して回転するおそれがなく、均一な研磨に適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記上定盤と上記回転支持軸とは、ボールジョイントまたはギアカップリングを介して連結されている。このような構成によれば、上記上定盤を上記回転支持軸に対して、その周方向において固定しつつ、軸方向に摺動可能とするとともに、全周方向において傾動可能とするのに適している。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る研磨装置の一例を示している。同図に示された両面研磨装置Ａは、上定盤１、下定盤２、回転支持軸３、荷重調整機構４、上定盤昇降機構５、を備えており、本発明でいうワークの一例に相当するウエハＷを両面ポリッシング可能に構成されている。

上定盤１および下定盤２は、金属製またはセラミックス製の円盤であり、それぞれの対向面にたとえば研磨布（図示略）が貼付されている。上定盤１には、ジョイント部材８を介して回転支持軸３が連結されている。下定盤２には、回転駆動機構（図示略）が連結されており、回転自在とされている。

ジョイント部材８は、ボールジョイントからなる。このボールジョイントは、周方向に配置された複数のボール８１と、これらのボール８１を支持する円筒状のホルダ８２と、複数のボール８１に外側および内側から嵌合する円筒状のキャップ８３とが組み合わされたものである。ホルダ８２は、上定盤１に固定されており、キャップ８３は、回転支持軸３の一部である。これにより、上定盤１は、回転支持軸３に対して周方向において相対的な回転動が生じない。一方、上定盤１は、回転支持軸３に対して、その軸方向において摺動可能であるとともに、全周方向において傾動可能とされている。

回転支持軸３は、鉛直方向に延びる中空軸であり、上定盤１を回転させるとともに上定盤１を吊り下げ可能とされている。回転支持軸３は、円筒形状のハウジング６の内側に、複数の軸受６１を介して支持されており、その軸方向において固定され、周方向において回転可能とされている。回転支持軸３の上端は、傘歯車７１を介して回転駆動用モータ７に連結されている。回転支持軸３は、その下端に形成された係合部３ａが、上定盤１の中心に形成された安全ストッパ１ａに係合された状態で軸方向および径方向に移動可能に連結されている

荷重調整機構４は、モータ４１、昇降ラック４２、バネ４３、荷重検出器４４、ワイヤ４５、およびベアリング部４６を具備しており、上定盤１の荷重を負担することによりウエハＷに負荷される研磨荷重を調整するためのものである。モータ４１と昇降ラック４２とはギヤを介して連結されている。モータ４１の回転により、昇降ラック４２は昇降自在とされている。

昇降ラック４２の下端には、バネ４３、荷重検出器４４、ベアリング部４６およびワイヤ４５が直列に連結されている。バネ４３は、いわゆるつるまきバネであり、上定盤１の全重量を負担可能である。荷重検出器４４は、上定盤１の重量のうちバネ４３が負担している重量を計測するためのものである。ベアリング部４６は、ワイヤ４５を回転可能に懸垂支持している。ワイヤ４５は、上定盤１を吊り下げるためのものであり、回転支持軸３を貫通している。ワイヤ４５は、その下端が上定盤１に連結されており、上定盤１の回転に従動可能とされている。

上定盤昇降機構５は、昇降ベース５１、直動ガイド５２、およびアクチュエータ５４を具備して構成されており、回転支持軸３、ハウジング６、荷重調整機構４などとともに、上定盤１を昇降させるためのものである。昇降ベース５１は、金属製のＬ字型フレームであり、ハウジング６およびモータ４１などが取り付けられている。昇降ベース５１は、直動ガイドにより支持されており、鉛直方向に摺動可能とされている。直動ガイド５２は、鉛直方向に延びる溝が形成されたレール５２ｂと上記溝に係合するベアリングを有する４つのベアリングケース５２ａとが組み合わされて構成されている。アクチュエータ５４は、たとえばエアシリンダであり、その出力軸の上端が昇降ベース５１に固定されている。このような構成により、アクチュエータ５４の出力軸が進退すると、上定盤１が昇降する。

次に、両面研磨装置Ａの機能について説明する。

両面研磨装置Ａを用いてウエハＷの両面ポリッシングを行うには、まず、上定盤昇降機構５により、上定盤１を上昇させておく。次いで、キャリアＣを下定盤２に装填し、このキャリアＣにウエハＷを固定する。このとき、上定盤１は、ワイヤ４５により吊り下げられた状態にある。すなわち、バネ４３が引っ張られた状態とされており、バネ４３には、上定盤１の重量に相当する弾性力を発揮しうる伸びが生じている。また、荷重検出器４４の検出値は、上定盤１の重量となっている。なお、厳密には、ジョイント部材８の上定盤１側の重量も負荷されるが、これも含めて上定盤１の重量と呼ぶこととする。

キャリアＣおよびウエハＷを装填した後は、昇降ベース５１を下降させる。この操作により、上定盤１が回転支持軸３およびハウジング６とともに下降し、下定盤２上のウエハＷに上定盤１が接する。この状態においては、上定盤１による研磨荷重は、ほとんど０である。

次に、ポリッシング作業を行う。回転駆動用モータ７を作動させて、回転支持軸３を回転させる。この回転駆動力が、ジョイント部材８を介して上定盤１に伝達される。これにより、上定盤１が回転する。また、図示されない下方の駆動機構を作動させることにより、下定盤２を回転させる。上定盤１および下定盤２をそれぞれ反対方向に回転させた状態で、キャリアＣを上定盤１および下定盤２の対向面に沿った運動、たとえば回転運動させる。これにより、キャリアＣに保持されたウエハＷが上定盤１および下定盤２に貼付された研磨布（図示略）間でポリッシングされる。このポリッシング作業中には、上定盤１および下定盤２から研磨液（図示略）を供給する。

上記ポリッシング作業中の研磨荷重は、以下のようにして調整可能である。上述したように、ポリッシング作業の開始状態おいては、研磨荷重はほとんど０か非常に小さい値とされている。一方、モータ４１を作動させて、昇降ラック４２を徐々に下降させると、バネ４３の伸びが小さくなる。上定盤１の重量のうち、バネ４３の伸び減少分に相当する重量が、ワークＷへと負荷される。これにより、研磨荷重が徐々に大きくなっていく。モータ４１をさらに作動させると、研磨荷重を徐々に増加させることが可能であり、研磨荷重を最終的に上定盤１の重量まで連続的に変化させることができる。実際に負荷されている研磨荷重は、上定盤１の重量から荷重検出器４４の測定値を差し引くことにより把握可能である。

バネ４３の伸びが０となる状態とし、上定盤１の全重量をワークＷに負荷させると、両面研磨装置Ａにおける最大の研磨荷重でポリッシングを行うことが可能である。なお、ウエハＷには、この上定盤１の重量のみが負荷され、回転支持軸３、ハウジング６や、荷重調整機構４、および上定盤昇降機構５の重量は一切負荷されない。これは、ジョイント部材８を備えることにより、上定盤１が回転支持軸３に対してその軸方向に摺動可能であることによる。

次に、両面研磨装置Ａの作用について説明する。

本実施形態によれば、上定盤１がウエハＷに対して強制的に押圧されることがなく、その自重を研磨荷重として利用するだけである。このため、上定盤１には外力がほとんど負荷されず、不当に歪むおそれがない。これは、ウエハＷを平滑にポリッシングするのに好適である。特に、比較的多数のウエハＷを一括してポリッシングする場合や、比較的大径のウエハＷをポリッシングするのに適している。また、上定盤１は、ジョイント部材８によって傾動可能であるため、ウエハＷに載った状態で、ウエハＷの傾斜などに追従するように適切な傾動を連続的に繰り返しつつ回転する。さらに、研磨作業の進行にともなってウエハＷが薄くなれば、これに追従して上定盤１も下がる。

このような上定盤１の追従回転運動の結果、研磨作業の全期を通して、研磨荷重は、最大値を上定盤１の重量とする一定値に管理される。また、研磨荷重の周方向および径方向分布は、比較的均一とすることが可能である。したがって、ウエハＷの表面を精度よくポリッシングするのに適している。特に、ウエハＷが大型化された場合に、研磨荷重が均一であることは、研磨表面の精度向上に好適である。

また、ウエハＷに負荷される研磨荷重は、上定盤１の重量だけである。このため、上定盤１以外の部位から偏心した力が加えられるおそれがない。したがって、ウエハＷを平滑にポリッシングするのに有利である。

さらに、荷重調整機構４を利用することにより、研磨荷重を上定盤１の重量から０まで連続的に変化させることが可能である。たとえば、研磨荷重が０の状態でポリッシング作業を開始し、ポリッシング作業の進行とともに研磨荷重を漸次増大させ、最終的に上定盤１の全重量をウエハＷに負荷した状態に移行する、といったポリッシング作業も可能である。これは、ウエハＷの材質や、求められる表面精度に応じて研磨条件を最適に設定するのに都合がよい。研磨作業中の研磨荷重は、荷重検出器４４の測定値から即時かつ正確に把握可能であり、モータ４１の操作により任意に調整することができる。

本発明に係る両面研磨装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る両面研磨装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

ジョイント部材としては、ボールジョイントに限定されず、円筒内面に形成された外歯車とＲ形状の歯を有する円形状の内歯車とを軸方向において摺動可能に組み合わせるとともに、全周方向において傾動可能に構成したギアカップリングを用いてもよい。すなわち、周方向における回転駆動力伝達機能、軸方向における摺動機能、および全周方向における傾動機能を兼ね備えたジョイント部材であれば、その種類は問わない。

荷重調整機構としては、ワイヤに代えてたとえばチェーンなど、張力を伝達可能であるとともに、圧縮力を伝達しない弛緩状態をとることができる部材、あるいは棒鋼などの剛体を備えた構成であってもよい。回転支持軸は、一様な円筒形状に限定されず、回転摺動部以外の部分がたとえば中空角柱形状のものであってもよい。

バネの引っ張り弾性力により上定盤の重量を負担する構成に限定されず、バネの圧縮弾性力を利用して上定盤の重量を負担する構成であってもよい。また、本発明でいう弾性体とは、バネに限定されず、たとえば十分な剛性を有するゴムなど上定盤の重量を負担するのに適切な弾性力を発揮可能なものであればよい。

本発明に係る研磨装置は、半導体デバイスの素材である半導体ウエハの両面ポリッシングに好適であるが、その用途はこれに限定されず、さまざまな物体の両面ポリッシングに用いることができる。また、本発明でいう研磨とは、ポリッシングに限定されず、たとえば研磨液を用いたラッピングなどさまざまな研磨を含むことはいうまでもない。さらに、ワークの片面のみを上定盤により研磨する構成であってもよい。

本発明に係る両面研磨装置の一例を示す要部断面正面図である。従来の両面研磨装置の一例を示す要部断面正面図である。

符号の説明

Ａ両面研磨装置
Ｃキャリア
Ｗウエハ（ワーク）
１上定盤
２下定盤
３回転支持軸
４荷重調整機構
５上定盤昇降機構
６ハウジング
７回転駆動用モータ
８ジョイント部材
４１モータ
４２昇降ラック
４３バネ
４４荷重検出器
４５ワイヤ
４６ベアリング部
５１昇降ベース
５２直動ガイド
５２ａベアリングケース
５２ｂレール
５４アクチュエータ
６１軸受
７１傘歯車
８１ボール
８２ホルダ
８３キャップ

Claims

ワークを挟持可能に対向配置された上定盤および下定盤と、
上記上定盤を吊り下げ可能であり、かつ上記上定盤に回転駆動力を伝達する回転支持軸と、を備えており、
上記上定盤が上記ワークに対して相対回転させられることにより、上記ワークの少なくとも上面を研磨する、研磨装置であって、
上記上定盤は、上記回転支持軸の軸方向において上記回転支持軸に対して相対動可能であり、かつ上記回転支持軸に対して傾動可能であり、
上記回転支持軸とは別に、弾性体を用いて上記上定盤の重量の少なくとも一部を負担し得る荷重調整機構を備えており、
上記回転支持軸は、中空軸であり、
上記荷重調整機構は、上記回転支持軸を貫通する部分を有することを特徴とする、研磨装置。
上記上定盤と上記回転支持軸とは、ボールジョイントまたはギアカップリングを介して連結されている、請求項１に記載の研磨装置。