JP5294054B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス基板や半導体ウエハ等の基板を研磨する研磨装置に関する。

基板表面を研磨する研磨装置の代表例としてＣＭＰ装置が知られている。ＣＭＰ装置は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により基板表面を超精密に研磨加工する技術として、ガラス基板やシリコン基板、半導体ウエハなどの基板の研磨加工に広く利用されている。このような研磨装置では、チャックに保持された基板と研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させて押接し、基板と研磨パッドとの当接部に研磨内容に応じたスラリー（研磨液）を供給して化学的・機械的な研磨作用を生じさせ、基板表面を平坦に研磨加工する。

このような研磨装置では、基板表面における研磨レート（研磨量）はPrestonの法則から、基板と研磨パッドとの当接圧（研磨圧）が基板表面において均一であるとすると、研磨パッドと基板表面との相対速度に比例するため、研磨パッドにおける回転中心近傍では研磨レートは小さく、回転中心から離れた位置（研磨パッドの縁周側）では研磨レートが大きくなるというように研磨レートにバラツキが生じる。そのため、従来の研磨装置では、基板の外径に対する研磨パッドの外径の比が２以上で、基板表面を研磨パッドの縁周側の研磨面と当接させ、さらに研磨パッドに対して基板を相対揺動させて研磨加工を行う装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００‐２８８９１５号公報

しかしながら、このような研磨装置では、基板表面に当接する研磨パッドの位置によって研磨レートにバラツキが生じる、特に研磨パッドの回転中心近傍では縁周側と比べて著しく研磨レートが小さくなるという根本的な問題は解決されていないため、基板が大型化するに伴って研磨パッドの外径がとても大きくなり、その結果、研磨装置が大型化するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨パッドにおける当接位置に影響されずに所望の研磨レートを得ることが可能であり、その結果、装置を小型化することができる研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、研磨対象物を保持する保持機構と、前記保持機構に保持された前記研磨対象物の被研磨面と対向する主研磨面を有し、前記主研磨面に直交する自転軸を中心に自転可能な主研磨部材と、前記主研磨面よりも小さな副研磨面を有し、前記副研磨面が前記主研磨面と略同一面を成すように前記主研磨部材に形成された収容部内に設けられ、前記副研磨面に直交する自転軸を中心に自転可能な第１および第２副研磨部材とを備え、前記第１および第２副研磨部材は、前記主研磨部材の自転とともに前記主研磨部材の自転軸を中心に公転するように構成される。そして、前記第１副研磨部材の前記副研磨面が前記主研磨部材の自転軸と重なるように配置され、前記第２副研磨部材の自転軸が前記第１副研磨部材の自転軸の公転軌跡よりも外側の位置に配置されるとともに、前記第２副研磨部材の前記副研磨面が前記公転軌跡と重なるように配置される。

本発明によれば、研磨パッドにおける当接位置に影響されずに所望の研磨レートを得ることが可能であり、その結果、装置を小型化することができる。

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。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１および図２に示している。この研磨装置１は、研磨パッド１４が装着されたベース部材１１を回転させるパッド回転機構１０と、角形板状のガラス基板である基板５を保持可能なチャック２１を回転させるチャック回転機構２０と、研磨パッド１４に対してチャック２１（チャック２１に保持された基板５）を昇降および相対揺動させるチャック移動機構３０と、研磨パッド１４の上面側にスラリー（研磨液）を供給するスラリー供給機構４０と、基板５や研磨パッド１４の回転、研磨パッド１４に対する基板５の昇降および揺動、研磨加工部へのスラリーの供給等、研磨装置１の作動を制御する制御装置５０とを主体に構成される。

パッド回転機構１０は、円盤状のベース部材１１と、ベース部材１１の上面である支持面１２に装着された研磨パッド１４と、ベース部材１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１６と、スピンドル１６に回転駆動力を伝達してベース部材１１を水平面内で回転させる回転駆動装置１７等を有して構成される。ベース部材１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて、上面に平面度の高い略平坦な支持面１２を有する円盤状に形成され、スピンドル１６および回転駆動装置１７を用いて、支持面１２に直交する回転軸Ｏ１を中心として回転可能に構成される。

研磨パッド１４は、中心部近傍（回転軸Ｏ１の近傍）にスラリー供給孔１５や後述する副パッド回転機構が収容される収容孔１８を有した円盤状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ベース部材１１の支持面１２に貼り付けられて研磨面が上向きの水平姿勢で保持される。なお、研磨パッド１４の外径は、角形板状の基板５の対角線長さの1．1〜1．5倍程度に設計されることが好ましい。また、ベース部材１１の中心部近傍に、スラリー供給機構４０より供給されるスラリーを研磨パッド１４のスラリー供給孔１５を通じて研磨パッド１４の上面側に放出供給するための供給孔１３が上下に貫通して設けられている。

上述のように研磨パッド１４およびベース部材１１の回転軸Ｏ１の近傍には、収容孔１８が複数（本実施形態では３つ）設けられており、その各収容孔１８内に第１副パッド回転機構６０ａ、第２副パッド回転機構６０ｂもしくは第３副パッド回転機構６０ｃが設けられる。これら第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃは、ベース部材１１上に配設されており、ベース部材１１および研磨パッド１４とともに回転軸Ｏ１を中心として回転される。なお、第１副パッド回転機構６０ａ、第２副パッド回転機構６０ｂおよび第３副パッド回転機構６０ｃは基本的に同一に構成されている。

第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃは、円盤状のベース部材６１と、ベース部材６１の上面に装着された副研磨パッド６２と、ベース部材６１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル６３と、スピンドル６３に回転駆動力を伝達してベース部材６１を水平面内で回転させるベース駆動装置６４等を有して構成される。ベース部材６１は、上述のベース部材１１と同様に高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成され、スピンドル６３およびベース駆動装置６４を用いて、ベース部材６１の上面に直交する回転軸（第１副パッド回転機構６０ａでは回転軸Ｏ２、第２副パッド回転機構６０ｂでは回転軸Ｏ３、第３副パッド回転機構６０ｃでは回転軸Ｏ４）を中心として回転可能に構成される。すなわち、ベース部材６１は、パッド回転機構１０のベース部材１１とともに回転軸Ｏ１を中心として回転され、且つ、ベース部材１１に対して各回転軸を中心として回転されるようになっている。

副研磨パッド６２は、中心部にスラリー供給孔６５を有したドーナツ円盤状に形成されており、上述の研磨パッド１４と同様に発泡体樹脂材料を用いて構成され、ベース部材６１の上面に貼り付けられて研磨面が研磨パッド１４の研磨面と略同一平面を成すように上向きの水平姿勢で保持される。なお、副研磨パッド６２の外径は、研磨パッド１４の外径の１０％程度に設計されることが好ましい。また、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃにおける各副研磨パッド６２は、本実施形態では同一の外径に設計されているが、互いに異なる外径に設計されてもよい。

ベース駆動装置６４は、ベース部材６１を回転させるとともに、スピンドル６３に昇降駆動力を伝達してベース部材６１を鉛直方向に昇降させるパッド昇降機構（図示せず）が設けられており、後述するように基板５の被研磨面を副研磨パッド６２の研磨面に当接させた状態でベース部材６１の昇降作動を制御することにより、基板５と副研磨パッド６２との当接圧力、すなわち副研磨パッド６２による研磨圧力を制御可能になっている。なお、ベース部材６１の中心部に、スラリー供給機構４０より供給されるスラリーを副研磨パッド６２のスラリー供給孔６５を通じて副研磨パッド６２の上面側に放出供給するための供給孔６６が上下に貫通して設けられている。

本実施形態において第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃは、上述したように研磨パッド１４の回転軸Ｏ１（回転中心）近傍に配置され、且つ、基板５をチャック移動機構３０により研磨パッド１４との当接面に沿って水平揺動させたときに、各副研磨パッド６２が基板５からはみ出さない（各研磨パッド６２の研磨面全体が基板５の被研磨面に常時当接する）ように配置されている。この配置について図３を用いて詳述すると、第１副パッド回転機構６０ａは、ベース部材１１および研磨パッド１４の回転軸Ｏ１と副研磨パッド６２の研磨面が重なるように（副研磨パッド６２の研磨面を回転軸Ｏ１が通るように）ベース部材１１上に設けられる。なお、このとき研磨パッド１４の回転軸Ｏ１と第１副パッド回転機構６０ａ（副研磨パッド６２）の回転軸Ｏ２は重ならない（一致しない）ようになっている。

また、第２副パッド回転機構６０ｂは、第１副パッド回転機構６０ａをベース部材１１とともに回転軸Ｏ１を中心として回転させたときに第１副パッド回転機構６０ａの回転軸Ｏ２が描く軌跡Ｔ１と副研磨パッド６２の研磨面とが重なるようにベース部材１１上に設けられる。さらに、このとき第２副パッド回転機構６０ｂの回転軸Ｏ３は前記軌跡Ｔ１の外側に位置し、且つ、第２副パッド回転機構６０ｂは第１副パッド回転機構６０ａに対して互いの副研磨パッド６２が干渉（接触）しないようになっている。

また、第３副パッド回転機構６０ｃは、第２副パッド回転機構６０ｂをベース部材１１とともに回転軸Ｏ１を中心として回転させたときに第２副パッド回転機構６０ｂの回転軸Ｏ３が描く軌跡Ｔ２と副研磨パッド６２の研磨面が重なるようにベース部材１１上に設けられる。さらに、このとき第３副パッド回転機構６０ｃの回転軸Ｏ４は前記軌跡Ｔ２の外側に位置し、且つ、第３副パッド回転機構６０ｃは第１副パッド回転機構６０ａおよび第２副パッド回転機構６０ｂに対して互いの副研磨パッド６２が干渉（接触）しないようになっている。

パッド回転機構１０の近傍には、チャック移動機構３０が設けられており、チャック移動機構３０を構成する研磨アーム３２の先端にチャック回転機構２０が設けられる。チャック回転機構２０は、ベース部材１１（研磨パッド１４）および各ベース部材６１（各副研磨パッド６２）の上方に対向して設けられたチャック２１と、チャック２１と連結されて回転可能なハウジング２２と、ハウジング２２の上部から鉛直上方に延びるスピンドル２３と、スピンドル２３に回転駆動力を伝達してチャック２１を水平面内で回転させるチャック駆動モータ２４等を有して構成される。

チャック２１は、上述のベース部材１１等と同様の高剛性材料を用いて平面度の高い角形板状（角形板状の基板５に対応した形状）に形成され、ウレタン樹脂のコーティングが施された下面側において基板５を保持するとともに、スピンドル２３およびチャック駆動モータ２４を用いて、ハウジング２２とともにチャック２１の下面に直交する回転軸Ｏ５を中心として回転可能に構成される。チャック２１の内部には、基板５の裏面を真空吸着する真空チャック構造が設けられて基板５を着脱可能に構成され、チャック２１に吸着保持された基板５の研磨対象面（すなわち被研磨面）が下向きの水平姿勢で保持される。

ハウジング２２の内部に形成された加圧室に、エアの供給を受けてチャック２１を下向きに加圧する、いわゆるエアバッグ式のパッド加圧機構（図示せず）が設けられており、チャック２１に保持された基板５の被研磨面を研磨パッド１４および各副研磨パッド６２の研磨面に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、基板５と研磨パッド１４および各副研磨パッド６２との当接圧力、すなわち研磨パッド１４および各副研磨パッド６２による研磨圧力を制御可能になっている。なお、図１の二点鎖線で示すように、ハウジング２２の周部に、チャック２１に保持された基板５の周囲を囲んで当該基板５が水平方向に飛び出すのを防ぐリテーナリング２９を設けるようにしてもよい。

チャック移動機構３０は、加工テーブルＴから上方に突出する基部３１と、この基部３１から水平に延びる研磨アーム３２と、基部３１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨アーム３２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述したチャック回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。チャック移動機構３０は、アーム揺動機構３５により研磨アーム３２を水平揺動させたときのチャック２１の揺動軌跡上にベース部材１１（研磨パッド１４）および各ベース部材６１（各副研磨パッド６２）が位置するように構成されており、チャック２１を研磨パッド１４と対向させた状態で研磨アーム３２全体を昇降させ、チャック２１に保持されて回転する基板５の被研磨面を、ベース部材１１とともに回転する研磨パッド１４および各ベース部材６１とともに回転する各副研磨パッド６２の研磨面に当接させた状態で、研磨パッド１４および各副研磨パッド６２に対し基板５（チャック２１）を、研磨パッド１４（各副研磨パッド６２）との当接面に沿って水平揺動可能に構成される。

制御装置５０は、研磨装置１に予め設定記憶された制御プログラム、および研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて、パッド回転機構１０、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃ、チャック回転機構２０、チャック移動機構３０、およびスラリー供給機構４０等の作動を制御する。なお、パッド回転機構１０のベース部材１１、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃの各ベース部材６１、およびチャック回転機構２０のチャック２１の回転（回転方向および回転速度）は、上記加工プログラム等に基づいてそれぞれ任意に独立して制御可能である。また、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃにおける研磨圧力はそれぞれ独立して制御可能である。また、研磨装置１には、パッド回転機構１０の近傍においてチャック移動機構３０と干渉しない位置に、研磨パッド１４および副研磨パッド６２に対してドレスを行うドレス機構（図示せず）が設けられる。

以上のように構成された研磨装置１において、基板５の研磨加工を行うには、まず、チャック２１に基板５を保持し、チャック移動機構３０により研磨アーム３２を揺動させてチャック２１（基板５）を研磨パッド１４の上方に対向して位置させる。このとき、チャック２１に保持された基板５は、研磨パッド１４の中央部近傍と対向して位置する（図２(Ａ)を参照）、例えばチャック２１の回転軸Ｏ５がベース部材１１（研磨パッド１４）の回転軸Ｏ１と略一致する状態となる。そして、チャック２１およびベース部材１１を回転させるとともに、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃの各ベース部材６１も回転させる。このとき、上述のようにチャック２１、ベース部材１１および各ベース部材６１の回転方向や回転速度は、それぞれ任意に独立して制御可能であるが、例えば、図２(Ａ)中に矢印で示すように、チャック２１およびベース部材１１を同一方向および同一速度で回転させ、各ベース部材６１をチャック２１およびベース部材１１に対して反対方向に回転させる。

そして、チャック２１、ベース部材１１および各ベース部材６１を回転させながら、チャック２１を研磨位置に下降させて、チャック２１に保持されて回転する基板５を、ベース部材１１に装着されて回転する研磨パッド１４および各ベース部材６１に装着されて回転する各副研磨パッド６２に当接させ、ハウジング２２に設けられたパッド加圧機構により基板５を所定の研磨圧力で研磨パッド１４および各副研磨パッド６２に押圧させる。ここで、各ベース駆動装置６４に設けられたパッド昇降機構により各副研磨パッド６２をそれぞれ所定の研磨圧力で基板５に押圧させる制御も可能である。

このとき、スラリー供給機構４０を用いて、スラリーを研磨パッド１４のスラリー供給孔１５から基板５と研磨パッド１４との当接部に供給するとともに、スラリーを各副研磨パッド６２のスラリー供給孔６５から基板５と当該副研磨パッド６２との当接部に供給しながら、チャック２１に保持されて回転する基板５の被研磨面を、ベース部材１１とともに回転する研磨パッド１４および各ベース部材６１とともに回転する各副研磨パッド６２の研磨面に当接させた状態で、アーム揺動機構３５により基板５（チャック２１）を研磨パッド１４の研磨面からはみ出ない（オーバーハングしない）ように水平揺動させて、基板５の研磨加工がなされる。なお、このとき各副研磨パッド６２は基板５からはみ出さない状態、すなわち各副研磨パッド６２の研磨面全体が基板５の被研磨面に常時当接した状態で研磨加工が行われる。

以上のように研磨装置１では、当接された基板５に対する相対速度が比較的小さな研磨パッド１４の位置、すなわち研磨パッド１４の回転軸Ｏ１（回転中心）近傍に、研磨パッド１４（ベース部材１１）とともに回転軸Ｏ１を中心として回転され、且つ、研磨パッド１４に対して各回転軸（回転軸Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４）を中心として回転される各副研磨パッド６２（第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃ）が配設されるため、研磨パッド１４の回転中心近傍においても所望の研磨レートを得ることが可能になる。この結果、研磨パッド１４の外径を従来の研磨パッドの外径よりも小さく設計することができ、これにより装置を小型化することが可能になる。

なおこのとき、アーム揺動機構３５により基板５を研磨パッド１４の研磨面からはみ出ない（オーバーハングしない）ように水平揺動させて基板５の研磨加工がなされることが好ましく、このようにすると、例えば、被研磨面が下向きに保持された基板５において、基板５の研磨パッド１４からはみ出した部分が自重によって下方に撓んでしまい、この撓みにより研磨パッド１４からはみ出した部分において所望の研磨レートを得られない場合があり、このような場合を未然に防ぎ、基板５の被研磨面を所望の面形状に研磨加工するが可能になる。

またこのとき、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃは、アーム揺動機構３５により基板５を研磨パッド１４との当接面に沿って水平揺動させたときに、各副研磨パッド６２が基板５からはみ出さない位置に配置されることが好ましく、このようにすれば、各副研磨パッド６２の研磨面が基板５に常時当接した状態で研磨加工が行われるため、各副研磨パッド６２による研磨圧を安定して制御可能であり、所望の研磨レートを得ることができる。

またこのとき、制御装置５０は研磨パッド１４（パッド回転機構１０のベース部材１１）および各副研磨パッド６２（第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃの各ベース部材６１）の回転（回転方向および回転速度）をそれぞれ任意に独立して制御可能であることが好ましく、また第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃにおける各副研磨パッド６２の研磨圧力をそれぞれ独立して制御可能であることが好ましく、このようにすれば、基板５の被研磨面の状態や加工状況等に応じて研磨レートを調整することが可能になり、基板５の被研磨面を所望の面形状に研磨加工するができる。

またこのとき、スラリー供給機構４０を用いてスラリーを基板５と研磨パッド１４および各副研磨パッド６２との当接部に供給しながら研磨加工が行われるが、研磨パッド１４および各副研磨パッド６２は各研磨面を上側に向けて設けられることが好ましく、このようにすれば、研磨パッド１４および各副研磨パッド６２の各研磨面が供給されたスラリーを保持するため、スラリーの使用量を低減させることができる。

またこのとき、基板５の対角線長さに対する研磨パッド１４の外径の比を１.１〜１.５程度に設計することで、より高い効果を得ることができる。

なお、第１〜３副パッド回転機構６０ａ〜６０ｃの配置は、上述の実施形態において説明した配置に限らず、各副研磨パッド６２の外径とともに適宜設計変更することが可能である。

本発明に係る研磨装置の概略図である。 （Ａ）はパッド回転機構および副パッド回転機構の平面図であり、（Ｂ）は図２（Ａ）中の矢視Ｂ‐Ｂより見たパッド回転機構および副パッド回転機構の断面図である。 副パッド回転機構の配置を説明する図である。

符号の説明

１ 研磨装置
５ 基板（研磨対象物）
１０ パッド回転機構
１１ ベース部材（主研磨部材）
１４ 研磨パッド（主研磨部材）
２１ チャック（保持機構）
３０ チャック移動機構（揺動機構）
６０ａ〜６０ｂ 副パッド回転機構
６２ 副研磨パッド（副研磨部材）

Claims (9)

1. 研磨対象物を保持する保持機構と、
   前記保持機構に保持された前記研磨対象物の被研磨面と対向する主研磨面を有し、前記主研磨面に直交する自転軸を中心に自転可能な主研磨部材と、
   前記主研磨面よりも小さな副研磨面を有し、前記副研磨面が前記主研磨面と略同一面を成すように前記主研磨部材に形成された収容部内に設けられ、前記副研磨面に直交する自転軸を中心に自転可能な第１および第２副研磨部材とを備え、
   前記第１および第２副研磨部材は、前記主研磨部材の自転とともに前記主研磨部材の自転軸を中心に公転するように構成され、
   前記第１副研磨部材の前記副研磨面が前記主研磨部材の自転軸と重なるように配置され、
   前記第２副研磨部材の自転軸が前記第１副研磨部材の自転軸の公転軌跡よりも外側の位置に配置されるとともに、前記第２副研磨部材の前記副研磨面が前記公転軌跡と重なるように配置されたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記主研磨面よりも小さな副研磨面を有し、前記副研磨面が前記主研磨面と略同一面を成すように前記主研磨部材に形成された収容部内に設けられ、前記副研磨面に直交する自転軸を中心に自転可能な第３副研磨部材を備え、
   前記第３副研磨部材の自転軸が前記第２副研磨部材の自転軸の公転軌跡よりも外側の位置に配置されるとともに、前記第３副研磨部材の前記副研磨面が前記第２副研磨部材の自転軸の公転軌跡と重なるように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記保持機構を前記主研磨面に平行な方向に揺動させる揺動機構を備え、
   前記主研磨部材は前記研磨対象物の前記被研磨面よりも大きな前記主研磨面を有し、
   前記保持機構に保持された前記研磨対象物の前記被研磨面を前記主研磨面および前記副研磨面に当接させながら、前記被研磨面が前記主研磨面からはみ出ないように前記揺動機構により前記保持機構を揺動させることにより、前記被研磨面の研磨加工を行うように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記副研磨部材は、前記揺動機構により前記保持機構を揺動させて前記研磨加工を行ったときに、前記副研磨面が前記研磨対象物の前記被研磨面からはみ出さない位置に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
5. 前記主研磨部材に対して前記副研磨部材を前記副研磨面に直交する方向に移動させる移動機構を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の研磨装置。
6. 前記主研磨部材および前記副研磨部材の回転方向および回転速度をそれぞれ独立して制御可能な回転制御装置を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の研磨装置。
7. 前記副研磨部材の研磨圧力をそれぞれ独立して制御可能な研磨圧制御装置を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の研磨装置。
8. 前記保持機構は前記被研磨面を下側に向けて前記研磨対象物を保持するとともに、前記主研磨部材は前記主研磨面を上側に向けて設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の研磨装置。
9. 前記研磨対象物の前記被研磨面における最長の外径に対する前記主研磨部材の前記主研磨面における最長の外径の比が１．１以上１．５以下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研磨装置。

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