JP5081490B2 - ワークの片面研磨装置および片面研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの片面研磨装置および片面研磨方法に関する。

半導体ウェーハ等のワークの片面研磨装置は、ワーク保持ヘッドと、上面に研磨パッドが貼付された定盤とを具備し、前記ワーク保持ヘッドは、天板と側壁板とにより上面側が閉塞された筒状に形成されたヘッド本体と、該ヘッド本体にダイアフラムを介して上下動可能に吊持され、下面側にワークが保持可能な保持プレートと、前記ダイアフラムと保持プレートにより前記ヘッド本体が仕切られてヘッド本体内に形成された加圧室と、該加圧室に加圧流体を供給する加圧源とを有するものが普及しており、ワーク保持ヘッドの下面に保持されたワークを定盤の研磨パッドに押圧し、研磨パッド上に研磨スラリーを供給しつつ、ワーク保持ヘッドと定盤とを相対回転することによってワーク下面を研磨するようになされる。

この場合に、研磨前のワークの形状が、中凹、中凸の場合には、定盤とワーク保持ヘッドの回転数を制御することにより形状修正を行うようにしている。すなわち、回転数を制御し、ワークの外周部と中央部の温度差による研磨量の違いを利用するものであるが、研磨スラリーによる冷却効果があり大きな温度差が生じないため、修正割合が小さく所定の研磨量の間に僅かしか修正できない。

また、研磨前のワーク形状が、裏面に対し傾斜（テーパ）して厚さが一定でない場合には、ワーク保持ヘッドの回転中心とワークの中心の位置をずらして保持し、ワーク保持ヘッドと定盤とを相対回転させることにより周速を変えてテーパの修正を行うようにしている。しかし、この方法では、ずらし量と研磨量の調整が困難なうえ、修正割合が小さく所定の研磨量の間に僅かしか修正できない。

また、加圧室内に、リング状のゴム製チューブを配し、このチューブ内に加圧空気を導入して、保持プレート上面をリング状に押圧して、ワークに対し、中央部と周辺部との加圧力に差をつけ、これにより研磨量を調節できるようにした研磨装置がある（特許文献１）。

特表２００１−５１３４５１

しかしながら、特許文献１のものでは、ワークの周辺部をリング状に加圧できるものにすぎないので、研磨面が裏面に対して傾斜している、すなわちテーパ面となって一定の厚さを有しないワークの研磨には不向きである。
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、ワークを部分的に加圧でき、種々の形状のワークの修正研磨の行えるワークの片面研磨装置および片面研磨方法を提供するにある。

本発明に係るワークの片面研磨装置は、ワーク保持ヘッドと、上面に研磨パッドが貼付された定盤とを具備し、ワーク保持ヘッドの下面に保持されたワークが定盤の研磨パッドに押圧され、研磨パッド上に研磨スラリーが供給されつつ、ワーク保持ヘッドと定盤とが相対回転されることによってワーク下面を研磨するワークの片面研磨装置において、前記ワーク保持ヘッドは、天板と側壁板とにより上面側が閉塞された筒状に形成されたヘッド本体と、該ヘッド本体にダイアフラムを介して上下動可能に吊持され、下面側にワークが保持可能な保持プレートと、前記ダイアフラムと保持プレートにより前記ヘッド本体が区画されてヘッド本体内に形成された加圧室と、該加圧室に加圧流体を供給する加圧源と、前記加圧室内に位置して前記ヘッド本体に取付けられ、前記保持プレートの少なくとも周方向の複数個所を部分的に押圧する複数のアクチュエータと、該アクチュエータの保持プレートへの押圧力を調整する調整手段とを具備し、前記アクチュエータがエアシリンダであり、前記ヘッド本体内が、仕切り板により、前記加圧室と、該加圧室の上方に区画された大気室とに仕切られ、前記各エアシリンダのシリンダ本体が前記仕切り板上に固定支持され、ロッドが前記仕切り板に設けた貫通孔を貫通して前記加圧室内に伸びていることを特徴とする。

前記エアシリンダのロッド下端に、保持プレートに当接して押圧する押圧パッドが取付けられていることを特徴とする。

前記ヘッド本体の天板に中空シャフトが設けられ、該中空シャフト内および前記大気室内に、前記各エアシリンダへ圧縮空気を供給するエア配管が収容されていることを特徴とする。

前記調整手段がエアレギュレータであり、該エアレギュレータにより、前記各エアシリンダに供給するエア圧を制御する制御部を有することを特徴とする。
また、前記アクチュエータが、前記保持プレートの中央部を押圧する１つの中央アクチュエータと、該中央アクチュエータの周囲の周方向に複数個所配設され、中央から離れた位置の保持プレートを押圧する周囲アクチュエータとを具備することを特徴とする。

また本発明に係るワークの片面研磨方法は、上記ワークの研磨装置を用い、研磨中のワークの複数個所の膜厚を計測し、前記調整手段により、膜厚が厚い部位のワークに対応する部位の前記アクチュエータによる押圧力を高めることを特徴とする。

本発明に係るワークの片面研磨装置および片面研磨方法によれば、基本的に加圧室を加圧してワークを研磨パッドに押圧して研磨を行うので、必要な研磨速度を確保できるとともに、アクチュエータにより、ワークを周方向の複数個所で部分的に押圧するものであるので、研磨中にワークの形状に応じて修正研磨を行うことができ、平坦な均一厚さの研磨を行える。

以下本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は片面研磨装置１０の一例の概要を示す断面図、図２はワーク保持ヘッド２０の断面図である。
１１は定盤であり、上面に発泡ポリウレタンや硬質の不織布等からなる研磨パッド１２が貼付されている。
定盤１１は回転軸１３を中心に公知の駆動機構（図示せず）によって水平面内で回転される。研磨パッド１２上にはノズル１４により研磨スラリーが供給される。

ワーク保持ヘッド２０は、次の構造を有している。
２２はヘッド本体であり、天板２３と側壁板２４とにより上面側が閉塞された筒状に形成されている。
ヘッド本体２２内に、下面側にワークＷが保持される保持プレート２６がダイアフラム２５を介して上下動可能に吊持されている。

保持プレート２６は、上下２枚のプレート２７、２８がボルトによって固定されて形成され、上下２枚のプレート２７、２８間には空気室２９が形成され、下側のプレート２８には空気室２９に通じる多数の貫通孔３０が形成されている。
プレート２８下面側には多孔質の弾性材料からなるバッキング材（図示せず）が貼付されている。空気室のエアが吸引されることによって、バッキング材下面側に吸引作用が生じ、これによってワークＷが保持プレート２６下面側に保持されるようになっている。なお、ワークＷは、水の表面張力によって保持プレート２６の下面側に保持されるようにしてもよい。

保持プレート２６の上方のヘッド本体２２内は、仕切り板３２によって上下に仕切られて、下方側の、保持プレート２６が面する側の加圧室３３と、上方側の大気室３４に区画されている。加圧室３３は、ダイアフラム２５と保持プレート２６と仕切り板３２とにより気密に形成されている。また大気室３４は特段気密には形成されていない。

天板２３の中央部には取付け孔が形成され、この取付け孔に嵌合するようにして分配ポート盤３６がボルトによって天板２３に固定されている。また、分配ポート盤３６を囲むようにして、天板２３に中空のシャフト３８が固定されている。ワーク保持ヘッド２０は、このシャフト３８が図示しない駆動装置によって回転されることによってシャフト３８の軸線を中心として回転するようになっている。

また、ワーク保持ヘッド２０は、図示しない駆動部によって、上下動可能、かつ、定盤１１の上方位置と定盤１１の側方位置との間に亙って移動可能となっていて、側方位置でワークＷを保持し、定盤１１の上方に移動し、下降してワークＷを研磨パッド１２に当接させ、研磨後、上昇し、次いで側方位置へ移動してワークＷを搬出するようになっている。

図３において、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅはアクチュエータの一例であるエアシリンダである。以下エアシリンダで説明する。
エアシリンダ４０ａ〜４０ｅは、基本的に加圧室３３内に位置してヘッド本体２２に取付けられ、保持プレート２６の上面の少なくとも周方向の複数個所を部分的に押圧するようになっている。

本実施の形態では、各エアシリンダ４０のシリンダ本体が大気室３４内で仕切り板３２上にボルトによって固定支持され、ロッド４２が仕切り板３２に設けた貫通孔を貫通して加圧室３３内に伸び、このロッド４２の下端に取付け板４３が固定され、取付け板４３に、保持プレート２６上面に当接して保持プレート２６を押圧するウレタン製の押圧パッド４４が取付けられている。

エアシリンダ４０ａは、保持プレート２６の中央部を押圧する１つの中央アクチュエータに形成され、またエアシリンダ４０ｂ〜４０ｅは、中央アクチュエータの周囲に周方向に９０°ずつの間隔をおいて配設され、中央から離れた位置の保持プレート２６を押圧する周囲アクチュエータに形成されている。
なお、中央アクチュエータはかならずしも設けなくともよい。
また、周囲アクチュエータは、４個に限られない。

前記分配ポート盤３６には、シャフト３８内となる上面と大気室３４内となる側面に各開口する８本のエア流路が設けられ、これらエア流路の各ポートに管継手が取付けられている。８本のエア流路のうち１本のエア流路は予備用である。
外部のコンプレッサ（加圧源：図示せず）から、ロータリージョイント（図示せず）を介して、またシャフト３８内のエア配管を通じて各エア流路に圧縮空気が供給される。なお、１本のエア流路は吸引される。

加圧室３３には、大気室３４内に位置するエア配管４５を通じて圧縮空気が供給される。また、空気室２９は、エア配管４６、側壁板２４内に設けたエア流路４７、加圧室３３内のエア配管４８を通じてエアが吸引される。
また、各エアシリンダ４０ａ〜４０ｅにも、図示しないエア配管を通じて圧縮空気が供給されて作動されるようになっている。なお、エアシリンダ４０ａ〜４０ｅ内にはスプリング（図示せず）が配設され、エアが供給されていないときには、このスプリングの付勢力によってロッドがシリンダ本体内に突入していて、圧縮空気が供給されるとスプリングの付勢力に抗して突出される単動式のエアシリンダに構成されている。

上記各エア配管中にはエア圧の調整手段たるエアレギュレータ（図示せず）が配設されている。これらエアレギュレータは後記する制御部によって自動的に作動されるようになっている。

また、定盤１１の下方には図示しない、膜厚計測部が配設され、研磨されるワークＷの厚さを計測可能となっている。
この膜厚計測部は、ワークＷの中央部と、周辺の４個所の厚さを計測できるように５個所に配設されている。なお、この膜厚計測部の配設個数は特に限定されない。

膜厚計測部は、公知の機構を採用できる。
例えば、定盤１１に透明窓部を設け、この透明窓部からワークＷの下面側に計測光を照射し、ワークＷの下面と上面からの反射光を検出して、この反射光の光路差からワークＷの厚さを演算する方式のものが採用できる。なお、ワークＷは、ＳＯＩウェーハの場合、最上層のシリコン膜の研磨を行うものであるが、このシリコン膜の膜厚計測を行う。

本実施の形態は上記のように構成されている。
ワークＷの研磨は次のようにして行うことができる。
すなわち、定盤１１の研磨パッド１２上に研磨スラリーを供給しつつ、定盤１１、ワーク保持ヘッド２０を所要の方向に回転させてワークＷの研磨を行う。このワークＷの研磨は、基本的に、加圧室３３内に圧縮空気を供給することによって保持プレート２６を介してワークＷを研磨パッド１２に均一の押圧力で押圧することによって行う。

そして、研磨中、膜厚計測部により、ワークＷの中央部、および周辺の４個所の厚さを計測する。このように、ワークＷの厚さを複数個所で計測することによって、ワークＷの裏面に対する研磨面側の形状（凹凸状態、傾斜状態など）を計測できる。
この計測結果は図示しない制御部に入力され、制御部では、測定結果が厚い部位のワークＷに対応する部位のエアシリンダ４０のエアレギュレータを自動制御してエア圧を高め、これにより研磨圧を高めることができ、したがって、これにより形状修正ができる。

このように、本実施の形態では、エアシリンダ４０により、ワークＷを周方向の複数個所で部分的に押圧するものであるので、研磨中にワークの形状に応じて修正研磨を行うことができ、平坦な均一厚さの研磨を行える。

上記実施の形態では、アクチュエータとしてエアシリンダを用いたが、これに限られることはない。例えば、アクチュエータとして、エアでなく油圧を用いるものでもよいし、下端に押圧パッドを取り付けたボールネジ（図示せず）を用い、このボールネジをモータによって回転駆動して進退させるようにしてもよい。あるいは押圧子の駆動部として圧電素子を用いるのでもよい。

片面研磨装置の説明図である。 ワーク保持ヘッドの断面図である。 エアシリンダの配置例を示す平面図である。

符号の説明

１０ 片面研磨装置
１１ 定盤
１２ 研磨パッド
１３ 回転軸
１４ ノズル
２０ ワーク保持ヘッド
２２ ヘッド本体
２３ 天板
２４ 側壁板
２５ ダイアフラム
２６ 保持プレート
３２ 仕切り板
３３ 加圧室
３４ 大気室
３８ シャフト
４０ａ〜４０ｅ エアシリンダ
４２ ロッド
４４ 押圧パッド

Claims (6)

1. ワーク保持ヘッドと、上面に研磨パッドが貼付された定盤とを具備し、ワーク保持ヘッドの下面に保持されたワークが定盤の研磨パッドに押圧され、研磨パッド上に研磨スラリーが供給されつつ、ワーク保持ヘッドと定盤とが相対回転されることによってワーク下面を研磨するワークの片面研磨装置において、
   前記ワーク保持ヘッドは、
   天板と側壁板とにより上面側が閉塞された筒状に形成されたヘッド本体と、
   該ヘッド本体にダイアフラムを介して上下動可能に吊持され、下面側にワークが保持可能な保持プレートと、
   前記ダイアフラムと保持プレートにより前記ヘッド本体が区画されてヘッド本体内に形成された加圧室と、
   該加圧室に加圧流体を供給する加圧源と、
   前記加圧室内に位置して前記ヘッド本体に取付けられ、前記保持プレートの少なくとも周方向の複数個所を部分的に押圧する複数のアクチュエータと、
   該アクチュエータの保持プレートへの押圧力を調整する調整手段とを具備し、
   前記アクチュエータがエアシリンダであり、
   前記ヘッド本体内が、仕切り板により、前記加圧室と、該加圧室の上方に区画された大気室とに仕切られ、
   前記各エアシリンダのシリンダ本体が前記仕切り板上に固定支持され、ロッドが前記仕切り板に設けた貫通孔を貫通して前記加圧室内に伸びていることを特徴とするワークの片面研磨装置。
2. 前記エアシリンダのロッド下端に、保持プレートに当接して押圧する押圧パッドが取付けられていることを特徴とする請求項１記載のワークの片面研磨装置。
3. 前記ヘッド本体の天板に中空シャフトが設けられ、該中空シャフト内および前記大気室内に、前記各エアシリンダへ圧縮空気を供給するエア配管が収容されていることを特徴とする請求項１または２記載のワークの片面研磨装置。
4. 前記調整手段がエアレギュレータであり、該エアレギュレータにより、前記各エアシリンダに供給するエア圧を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のワークの片面研磨装置。
5. 前記アクチュエータが、前記保持プレートの中央部を押圧する１つの中央アクチュエータと、該中央アクチュエータの周囲の周方向に複数個所配設され、中央から離れた位置の保持プレートを押圧する周囲アクチュエータとを具備することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のワークの片面研磨装置。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載のワークの研磨装置を用い、研磨中のワークの複数個所の膜厚を計測し、前記調整手段により、膜厚が厚い部位のワークに対応する部位の前記アクチュエータによる押圧力を高めることを特徴とするワークの片面研磨方法。

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