JP5369478B2

JP5369478B2 - 研磨装置

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Publication number: JP5369478B2
Application number: JP2008103624A
Authority: JP
Inventors: 進星野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: JP2009255181A

Description

本発明は、修正研磨等を行うための研磨装置に関する。

研磨装置には、被研磨物よりも小さな球状の研磨部を有した研磨工具を用いて、被研磨物の表面（被研磨面）が所望の形状になるように研磨を行うものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような研磨装置によれば、曲面状の被研磨面を研磨することが可能であり、また、被研磨面に対する部分的な修正研磨を行うことも可能である。このような研磨装置による研磨は、研磨部が一定の研磨圧力で被研磨面に倣うようにして研磨を行うのが一般的である（例えば、特許文献２を参照）。
特開平１０−１４６７４８号公報特開平５−５７６０６号公報

しかしながら、このような研磨装置においては、研磨圧力を一定とし、被研磨面の形状に応じて研磨工具の移動速度を変化させていたため、被研磨面における凸部（研磨量の多い部分）で研磨工具の移動速度が低下し、研磨に時間を要して効率が悪くな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、研磨時間を短縮した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、被研磨物を保持する保持機構と、前記保持機構と対向するように設けられたヘッド部と、前記被研磨物を研磨するための研磨部を有し、前記ヘッド部に回転可能に保持された研磨工具と、前記研磨工具を回転駆動する回転駆動機構と、前記研磨工具の前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる押圧機構と、前記押圧機構により前記被研磨面に押圧された前記研磨部を前記被研磨面に沿って相対移動させる移動機構と、前記回転駆動機構により前記研磨工具を回転させる作動、前記押圧機構により前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる作動、および前記移動機構により前記研磨部を前記被研磨面に沿って相対移動させる作動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記研磨部を前記被研磨面に沿って相対移動させる移動速度が略一定になるように前記移動機構の作動を制御するとともに、前記研磨工具の回転速度および前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる押圧力の少なくとも一方がターゲット面の高さと予め取得した前記被研磨面の高さとの差に対応するように前記回転駆動機構および前記押圧機構の作動を制御し、前記押圧機構が、前記押圧方向に延びて設けられたガイドシャフトと、前記ガイドシャフトに前記押圧方向へスライド移動可能に取り付けられるとともにバランスウェイトにより重力補償されたスライドプレートと、前記スライドプレートに前記スライド移動させる方向への押圧力を加える空気圧シリンダとを備えて構成され、前記ヘッド部は、前記スライドプレートに取り付けられており、前記制御部は、前記空気圧シリンダに供給される空気圧力を制御して前記スライドプレートを介して前記ヘッド部に前記スライド移動させる方向への押圧力を加えて、前記ヘッド部に保持された前記研磨工具の前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる作動制御を行うようになっている。

本発明によれば、研磨時間を短縮することができる。

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に示す。研磨装置１は、マスク基板１０を支持するＸＹＺステージ２０と、ＸＹＺステージ２０と対向するように設けられたヘッド部３０と、ヘッド部３０に回転可能に保持された研磨工具４０と、研磨工具４０の先端部に設けられた研磨部材４２をマスク基板１０の上面（被研磨面１１）に押圧させる押圧機構５０と、ＸＹＺステージ２０の移動速度や、研磨工具４０の回転速度、押圧機構５０による研磨圧力等、研磨装置１の作動を制御する制御部６０と、これらが取り付けられる筐体部６５とを主体に構成される。

マスク基板１０は、石英ガラス等を用いて薄板状に形成され、このマスク基板１０には、露光装置を用いて半導体ウェハの表面に回路パターンを転写するためのマスクパターンが形成される。本実施形態の研磨装置１は、マスクパターンを形成する前のマスク基板１０の表面（被研磨面１１）に対し、所定の平坦度を得るための修正研磨を行うものである。

ＸＹＺステージ２０は、マスク基板１０の下面を真空吸着する真空吸着機構（図示せず）を内部に有し、研磨対象面となる被研磨面１１が上側を向くようにマスク基板１０を略水平な状態で吸着保持する。また、ＸＹＺステージ２０は、図示しないサーボモータやボールネジ等を用いて、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に平行移動可能に構成され、ＸＹＺステージ２０に吸着保持されたマスク基板１０を研磨工具４０に対して所望の位置に（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に）相対移動させることができるようになっている。なお、本実施形態において、図１における左右方向をＸ方向とし、図１における紙面と垂直な方向をＹ方向とし、図１における上下方向をＺ方向とする。

ヘッド部３０は、ヘッド本体３１と、ヘッド本体３１に回転可能に取り付けられたチャック３２とを有して構成される。ヘッド本体３１には、ベアリング機構（図示せず）等が内蔵され、チャック３２が回転可能に取り付けられる。チャック３２は、研磨工具４０を着脱自在に保持し、これにより研磨工具４０がヘッド部３０に回転可能に保持される。また、ヘッド本体３１にはサーボモータ３３が取り付けられており、このサーボモータ３３は、チャック３２とともに当該チャック３２に保持された研磨工具４０を回転駆動する。

研磨工具４０は、図２にも示すように、棒状部材４１と、研磨部材４２とを有して構成される。棒状部材４１は、棒状に延びるように形成され、先端部に研磨部材４２が取り付けられるとともに、基端側がチャック３２に連結保持される。そのため、研磨工具４０は、ヘッド部３０により、棒状部材４１の長手方向に延びる中心軸Ａを中心に回転可能に保持され、棒状部材４１の先端部で回転する研磨部材４２により、マスク基板１０に対する研磨が行われる。研磨部材４２は、例えば独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンを用いて、マスク基板１０よりも小さい球状に形成され、接着等により棒状部材４１の先端部に取り付けられる。

押圧機構５０は、スライドプレート５１と、スライドプレート５１が取り付けられるガイドシャフト５２と、スライドプレート５１を下方に押圧する空気圧シリンダ５３とを主体に構成される。スライドプレート５１は、筐体部６５におけるＸＹＺステージ２０の上方に配設され、ヘッド部３０がＸＹＺステージ２０と対向するように取り付けられる。ヘッド部３０が取り付けられたスライドプレート５１は、筐体部６５に固設された左右２本のガイドシャフト５２，５２に、上下方向（Ｚ方向）にスライド移動可能に取り付けられており、スライドプレート５１とともにヘッド部３０が上下方向にスライド移動可能となる。左右のガイドシャフト５２，５２はそれぞれ、上下に延びる棒状に形成され、互いに平行となるように筐体部６５に取り付け固定される。

また、ヘッド部３０が取り付けられたスライドプレート５１は、バランスウェイト（図示せず）および左右のワイヤ５４，５４によって重力補償がなされている。すなわち、各ワイヤ５４の一端側はスライドプレート５１と連結されるとともに、他端側はガイドローラ５５に巻き掛けられて背面側のバランスウェイト（図示せず）と連結されている。なお、ガイドローラ５５は、筐体部６５の上部に固設されたブラケット６６に回転可能に取り付けられている。

空気圧シリンダ５３は、ロッド部がスライドプレート５１と連結され、空気圧を利用してスライドプレート５１を下方に押圧する。これにより、スライドプレート５１およびヘッド部３０を介して、空気圧シリンダ５３により研磨工具４０の研磨部材４２をマスク基板１０の被研磨面１１に押圧させることが可能になる。なお、空気圧シリンダ５３は、電空レギュレータ５６（図３を参照）を介してエアタンク等の空気圧源（図示せず）と接続されており、当該空気圧源から電空レギュレータ５６を介して空気圧シリンダ５３に圧力空気が供給されるようになっている。

制御部６０は、図３に示すように、ＸＹＺステージ２０（サーボモータ等）と電気的に接続されており、ＸＹＺステージ２０に駆動信号を出力してＸＹＺステージ２０の位置および移動速度を制御する。また、制御部６０は、ヘッド部３０のサーボモータ３３と電気的に接続されており、サーボモータ３３に回転駆動信号を出力してサーボモータ３３の回転速度を制御する。さらに、制御部６０は、電空レギュレータ５６と電気的に接続されており、電空レギュレータ５６に圧力制御信号を出力して空気圧シリンダ５３に供給する空気圧力（すなわち、マスク基板１０に対する研磨圧力）を制御する。また、制御部６０には、例えばレーザー干渉計等の形状測定装置７０と電気的に接続されており、形状測定装置７０から研磨対象となるマスク基板１０の表面（被研磨面１１）の形状測定データ（例えば、マスク基板１０の表面高さ等）が入力されるようになっている。

以上のように構成された研磨装置１を用いて、マスク基板１０の修正研磨を行うには、まず、図示しない搬送装置によりマスク基板１０をＸＹＺステージ２０上に搬送し、ＸＹＺステージ２０にマスク基板１０を吸着保持させる。このとき、装置外部の形状測定装置７０から制御部６０に、研磨対象となるマスク基板１０の形状測定データが入力される。なお、形状データの入力は、研磨開始前であればいつでも構わない。ＸＹＺステージ２０上にマスク基板１０を搬送すると、制御部６０の作動制御により、ＸＹＺステージ２０を移動させてマスク基板１０を所定の研磨開始位置に位置させる。マスク基板１０が研磨開始位置に位置すると、制御部６０の作動制御によって、サーボモータ３３により研磨工具４０を回転させるとともに、空気圧シリンダ５３により研磨工具４０の研磨部材４２をマスク基板１０の被研磨面１１に押圧させる。

サーボモータ３３によって回転する研磨部材４２をマスク基板１０の被研磨面１１に押圧させると、この状態で、制御部６０は、ＸＹＺステージ２０に横方向（図２の場合、−Ｘ方向）へ移動させる制御を行う。これにより、マスク基板１０の修正研磨が開始され、研磨部材４２は、例えば図２に示す場合、被研磨面１１の左端から右端へ相対移動し、その後、被研磨面１１の右端に位置すると、Ｙ方向の位置を変えて、被研磨面１１の右端から左端へ逆方向に相対移動し、このような相対移動を繰り返すことで被研磨面１１の全面を走査するように研磨する。

このような研磨を行うとき、制御部６０は、マスク基板１０の移動速度（すなわち、マスク基板１０上の研磨部材４２の移動速度）が略一定になるようにＸＹＺステージ２０の作動を制御するとともに、凹凸のある被研磨面１１の形状を平坦な形状に修正するため、被研磨面１１の形状に応じて研磨圧力および研磨工具４０（研磨部材４２）の回転速度を変化させるように押圧機構５０（空気圧シリンダ５３）およびサーボモータ３３の作動を制御する。具体的には、例えば次の（１）式のように表わされるプレストンの式を利用して、研磨圧力（および研磨工具４０の回転速度）を求める。

Ｑ＝Ｋ×Ｐ×Ｖ …（１）

ここで、Ｑを研磨速度とし、Ｋを比例係数とし、Ｐを研磨圧力とし、そしてＶをマスク基板１０に対する研磨部材４２の相対移動速度とする。制御部６０は、まず、研磨部材４２の移動速度および回転速度がともに一定、すなわち、相対移動速度Ｖが一定であるとして、研磨速度Ｑから研磨圧力Ｐを求める。必要な研磨速度Ｑは、形状測定装置７０から入力された形状測定データに基づく被研磨面１１の高さと、平面となるターゲット面１２の高さとの差に基づいて求めることができるので、被研磨面１１の形状（高さ）に応じて研磨圧力が求まることになる。なお、被研磨面１１の形状（高さ）に応じた研磨圧力Ｐや研磨工具４０の回転速度等は、予め形状測定装置７０から形状測定データが入力されるので、研磨開始前に求めておくことができる。

そして、求めた研磨圧力Ｐが、マスク基板１０にダメージを与えない限界となる所定の許容圧力以下である場合、求めた研磨圧力Ｐを研磨圧力として採用し、当該研磨圧力が得られるように電空レギュレータ５６に圧力制御信号を出力する。また、研磨部材４２の回転速度に関しても、先に一定であるとした回転速度が得られるようにサーボモータ３３に回転駆動信号を出力する。また、研磨部材４２の移動速度に関しても、一定の移動速度が得られるようにＸＹＺステージ２０に駆動信号を出力する。

一方、求めた研磨圧力Ｐが許容圧力よりも大きい場合、許容圧力を研磨圧力として採用し、プレストンの式を利用して、研磨速度Ｑ、研磨部材４２の移動速度、および許容圧力（＝研磨圧力Ｐ）から研磨部材４２の回転速度を求める。そして、許容圧力が得られるように電空レギュレータ５６に圧力制御信号を出力するとともに、求めた回転速度が得られるようにサーボモータ３３に回転駆動信号を出力する。また、研磨部材４２の移動速度に関しても、一定の移動速度が得られるようにＸＹＺステージ２０に駆動信号を出力する。

このように、本実施形態の研磨装置１によれば、制御部６０が、研磨部材４２の移動速度が略一定になるようにＸＹＺステージ２０の作動を制御するとともに、研磨圧力および研磨工具４０の回転速度が被研磨面１１の形状に応じて変化するように押圧機構５０（空気圧シリンダ５３）およびサーボモータ３３の作動を制御するため、被研磨面１１の形状に拘わらず研磨部材４２の移動速度が略一定にできることから、修正研磨に要する研磨時間を短縮することが可能になる。

また、被研磨面１１の形状に応じた研磨圧力が所定の許容圧力よりも大きくなるとき、研磨圧力が当該許容圧力となるように押圧機構５０（空気圧シリンダ５３）の作動を制御することが好ましく、このようにすれば、研磨圧力が過大となってマスク基板１０にダメージを与えてしまうことを防止することができる。

また、研磨工具４０が、棒状部材４１と、マスク基板１０よりも小さい球状に形成されて棒状部材４１の先端部に設けられた研磨部材４２とを有して構成されることが好ましく、このような研磨工具４０を備えた研磨装置１において、より高い効果を得ることができる。

なお、本実施形態においては、押圧機構５０として空気圧シリンダ５３の作動を制御しているため、研磨圧力の制御遅延が発生してしまう。そこで、制御部６０は、研磨圧力の制御遅延を考慮して押圧機構５０の作動を制御することが好ましい。具体的には、制御遅延をΔＴとし、研磨部材４２の移動速度をＵとしたとき、先に求めた研磨圧力が適用される修正研磨位置に到達する前の距離ＳがＳ＝Ｕ×ΔＴとして求められるので、当該前の距離Ｓに達したら対応する圧力制御信号を電空レギュレータ５６へ出力することが好ましい。これにより、研磨精度を向上させることができる。なお、制御遅延ΔＴは実測で求められる。

なお、上述の実施形態において、ＸＹＺステージ２０およびマスク基板１０を移動させることで研磨部材４２を被研磨面１１上で移動させるようにしているが、これに限られるものではなく、マスク基板１０を固定として、ヘッド部３０および研磨工具４０を移動させるようにしてもよい。

また、上述の実施形態において、マスク基板１０を修正研磨する場合を例に説明を行ったが、これに限られるものではなく、例えば、半導体ウェハやレンズ等の表面を研磨する場合にも、本発明を適用可能である。

本発明に係る研磨装置の概略図である。研磨工具の近傍を示す拡大図である。制御部の制御ブロック図である。

符号の説明

１研磨装置
１０マスク基板（被研磨物）２０ＸＹＺステージ（移動機構）
３０ヘッド部３３サーボモータ（回転駆動機構）
４０研磨工具
４１棒状部材４２研磨部材（研磨部）
５０押圧機構
５３空気圧シリンダ５６電空レギュレータ
６０制御部

Claims

被研磨物を保持する保持機構と、
前記保持機構と対向するように設けられたヘッド部と、
前記被研磨物を研磨するための研磨部を有し、前記ヘッド部に回転可能に保持された研磨工具と、
前記研磨工具を回転駆動する回転駆動機構と、
前記研磨工具の前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる押圧機構と、
前記押圧機構により前記被研磨面に押圧された前記研磨部を前記被研磨面に沿って相対移動させる移動機構と、
前記回転駆動機構により前記研磨工具を回転させる作動、前記押圧機構により前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる作動、および前記移動機構により前記研磨部を前記被研磨面に沿って相対移動させる作動を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記研磨部を前記被研磨面に沿って相対移動させる移動速度が略一定になるように前記移動機構の作動を制御するとともに、前記研磨工具の回転速度および前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる押圧力の少なくとも一方がターゲット面の高さと予め取得した前記被研磨面の高さとの差に対応するように前記回転駆動機構および前記押圧機構の作動を制御し、
前記押圧機構が、前記押圧方向に延びて設けられたガイドシャフトと、前記ガイドシャフトに前記押圧方向へスライド移動可能に取り付けられるとともにバランスウェイトにより重力補償されたスライドプレートと、前記スライドプレートに前記スライド移動させる方向への押圧力を加える空気圧シリンダとを備えて構成され、
前記ヘッド部は、前記スライドプレートに取り付けられており、
前記制御部は、前記空気圧シリンダに供給される空気圧力を制御して前記スライドプレートを介して前記ヘッド部に前記スライド移動させる方向への押圧力を加えて、前記ヘッド部に保持された前記研磨工具の前記研磨部を前記被研磨物の被研磨面に押圧させる作動制御を行うことを特徴とする研磨装置。
前記被研磨面の高さは、前記被研磨面の形状測定に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記制御部は、前記差に対応する前記押圧力が所定の許容圧力よりも大きくなるとき、前記押圧力が前記許容圧力となるように前記押圧機構の作動を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
前記制御部は、前記押圧機構による押圧作動の制御遅延を考慮して前記押圧機構の作動を制御することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の研磨装置。
前記研磨工具は、棒状に延びる棒状部材をさらに有し、前記研磨部が前記被研磨物よりも小さい球状に形成されて前記棒状部材の先端部に設けられており、前記棒状部材の長手方向に延びる中心軸を中心に回転可能に前記ヘッド部に保持されることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の研磨装置。