JP5528826B2 - 研磨装置及び方法、並びに、ドレッシングユニットの性能試験方法 - Google Patents
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Description
また、上述したドレッシングユニットによる研磨パッドの研磨面のドレッシングには、基板の研磨と同時に行なう方法と、基板の研磨と研磨との合間に行なう方法とがある。いずれの方法においても、研磨面はドレッシングによってある程度削り取られてしまう。
さらに、パッドの表面に凹凸が設けられた場合や、又は表面に複雑な形状の溝が形成された研磨パッドの場合にも、凹凸の内部に研磨砥粒が滞留しがちとなるため、その粒子を適切に除去するために、ブラシを用いたドレッサーがドレッシング部材として用いられることがある。
すなわち、ブラシの先端でパッド表面に接触することから、ブラシとパッドとの接触面積がきわめて小さくなる。そうすると、パッドとブラシとの間に働く摩擦力が非常に大きくなることから、ドレッサーとパッドの接触面でいわゆるスティックスリップ現象が発生する。スティックは、粘着する、スリップは、滑る、ということを各々意味するものである。したがって、一般には、物体を滑らせるときに、途中でひっかかったり滑ったりを繰り返すような現象を指して、スティックスリップ現象という。
さらに、ダイヤモンドなどの砥粒をドレッシング部材に用いず、ブラシのみを研磨パッドに接地させてドレッシングする場合には、上からの押圧に対してブラシそのものがいわば「バネ」のように機能する。
したがって、パッドとブラシとの間に働く摩擦力が非常に大きいことからスティックスリップ現象が発生し、さらに、ブラシそのものもバネのように機能することで、ドレッシングする際の押圧力のかかりかたによっては、ドレッサーから自励振動が発生する場合があること、特に、ドレッサー旋回アーム周辺からの振動が極めて大きくなる場合があることを、発明者らは新たに見出した。
さらに、表面に複雑な形状の溝が形成された研磨パッドやソフトパッドについても、ドレッシング時の押圧力を適切に選択すれば、ブラシドレッサーではなくドレッシング部材としてダイヤモンドを用いたダイヤモンドドレッサーを使用することがある。この場合にも、条件によっては、パッドの表面状態如何によってはパッドとダイヤモンドとの間に働く摩擦力が大きくなり、自励振動現象が発生する可能性がある。したがって、ダイヤモンドドレッサーの場合であっても、ドレッシング時の自励振動を予め抑制することは重要である。
また、研磨処理の最中に振動が発生してしまうとプロセスロスが大きくなるため、ドレッシングユニットから予め振動が発生しないことを試験、確認した後に、ドレッシングユニットを研磨装置に設置する必要がある。
この自励振動は、自身(振動する部分)の固有振動数とほぼ等しい周波数で発生するものである。そして、主要部品の見直しによる大幅な構造変更を行う対策も考えられるが、コストや対策展開までのリードタイムが莫大に掛かることが憂慮されていた。
また、本発明の一実施形態においては、基板を保持して研磨テーブル上の研磨パッドに該基板を押圧して研磨するための基板保持ユニットと、該研磨パッドにドレッシング部材を接触させて該研磨パッドを目ならしするドレッシングユニットとを備えた研磨装置において、前記ドレッシングユニットは、ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器と、ドレッシング部材が固定されるドレッサーフランジと、上下方向の振動の発生を防止するために、該ドレッサーフランジのバックホイールに載置される錘と、前記ドレッシング部材の前記研磨パッドに対する押圧力を与えるための駆動機構と、を有した研磨装置を提供する。ここで、バックホイールとは、ドレッサーフランジのドレッシング部材固定面とは異なる面(裏面)のことである。このように、本発明では、ドレッサーフランジのバックホイールに錘を載置したので、錘の荷重を変更することで、確実かつ簡便に、有害な振動を抑制することができる。
また、本発明の一参考例においては、基板を保持して研磨テーブル上の研磨パッドに該基板を押圧して研磨するための基板保持ユニットと、該研磨パッドにドレッシング部材を接触させて該研磨パッドを目ならしするドレッシングユニットとを備えた研磨装置において、前記ドレッシングユニットは、ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器と、該容器の上に載置される機械的押圧機構と、を有した研磨装置を提供する。このように、本参考例では、ダイナミックダンパー(動吸振器)としてのドレッシングユニット本体を収容する容器と、該容器の上に載置される機械的押圧機構を採用したので、確実に振動発生を抑制できた。また、容器の上に載置される機械的押圧機構を採用しているので、機械的に荷重を変更することで、動吸振器の大きさや振動数を自在に調整することが可能となり、確実かつ簡便に、有害な振動を抑制することができる。
また、好ましくは、前記ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器は、ドレッサー軸を内部に収容するハウジングと、該ハウジングの外側に設けられドレッシングユニット本体を収容するドレッサーカバーを有する。
また、本発明の一実施形態においては、好ましくは、前記ドレッサー駆動軸の周りには、ボールスプラインが備えられ、該ボールスプライン周りをマイナス隙間とされたことを特徴とする研磨装置を提供する。
また、本発明の一実施形態においては、好ましくは、前記ドレッシング部材が、ブラシドレッサーであることを特徴とする研磨装置を提供する。
また、本発明の一実施形態においては、好ましくは、前記ドレッシング部材が、ダイヤモンドドレッサーであることを特徴とする研磨装置を提供する。
さらに、本発明の一参考例においては、ドレッシングユニットの性能試験方法であって、ドレッシング部材への第1押付荷重を設定し、該第1押付荷重によってドレッシングする第1工程と、第1工程において発生する振動を測定して振動抑制効果の有無を判定する第2工程と、前記振動抑制効果が存在しないと判定された場合にドレッシングユニットの制振手段を変更し、前記振動抑制効果が存在すると判定された場合に押付荷重を変更する第3工程と、を有した、ドレッシングユニットの性能試験方法を提供する。このように構成したので、本発明では、任意のドレッシング荷重を加えた場合に、ドレッシングユニットのダイナミックダンパー(動吸振器)として作用する制振手段に振動抑制効果が存在しないと判定された場合にはドレッシングユニットの動吸振器の大きさや振動数を調整し、制振効果が認められたときには別のドレッシング荷重を加えるようにし、全ドレッシング荷重範囲で有害な振動を抑制できるか確認することができ、したがって、ドレッシングユニットの耐振性を確保することができる。
さらに好ましくは、前記ドレッシング部材が、ブラシドレッサーである。
さらに好ましくは、前記ドレッシング部材が、ダイヤモンドドレッサーである。
また、本発明の一実施形態によれば、ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器と、ドレッシング部材が固定されるドレッサーフランジと、該ドレッサーフランジのバックホイールに載置される錘と、を有したドレッシングユニットとされたので、ドレッシングユニットの主振動系に発生するような振動の固有振動数を打ち消して固有振動ピークを複数のピークに分裂させるので、振動を有効に抑制ないし防止することが出来る。また、たとえ振動エネルギーが発生しても、振動エネルギーをドレッサーの周囲や地面へと拡散させるようなドレッサーカバーを採用しうるので、振動によってドレッサー(ドレッシング部材)が不良動作を起こすことを抑制することができる。
また、本発明の一実施形態によれば、ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器と、該容器の上に載置される機械的押圧機構と、を有したドレッシングユニットとされたので、本発明の研磨装置および方法によれば、自励振動の発生を防いで研磨パッドのドレッシングを確実に行うことができるので、パッド表面の研磨面の再生を有効に行うことができるとともに、半導体ウェハの被研磨面におけるマイクロスクラッチの発生を低減することができるドレッシングユニットを備えた研磨装置ないし方法を提供することができる。また、振動の発生を抑制するためのダンパーの荷重を、振動状態に適合するように可変式としたため、振動の発生を予測して、有効に、自励振動を防止することができる。
また、本発明のドレッシングユニットの性能試験方法によれば、ドレッシング条件が変化してもドレッシングユニットから振動が発生しないことを予め確認した上で、該ドレッシングユニットを研磨装置に設置することができる。したがって、研磨処理の最中に振動を発生させることなく研磨時のプロセスロスを最小化することができる。
磨位置と、研磨パッド10の外側の待機位置との間を移動可能となっている。また、研磨するにあたっては、基板保持ユニット1の吸着部による半導体ウェハWの吸着を解除した後、基板保持ユニット1の下面に半導体ウェハWを保持させると共に、トップリング駆動軸11に連結されたトップリング用エアシリンダ111を作動させて基板保持ユニット1の下端に固定されたリテーナリング3(不図示)を所定の押圧力で研磨テーブル100の研磨面に押圧する。この状態で、基板保持ユニット1の複数の圧力室(不図示)にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハWを研磨テーブル100の研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズル102から研磨液Qを流すことにより、研磨パッド101に研磨液Qが保持され、半導体ウェハWの研磨される面(下面)と研磨パッド101との間に研磨液Qが存在した状態で研磨が行われる。
駆動機構としてのエアシリンダ5は、スプラインシャフト32を上下させる駆動力を与え、ドレッシング時には、ブラシのパッドに対するドレッシング押圧力を設定することができる。
本発明では、このドレッシング時に発生しうるZ軸方向の固有振動数へのエネルギー変換、すなわち、上下方向の振動が発生することを防止するために、ダイナミックダンパーとしての天板51の上部に、オモリ50を設け、これにより、振動の抑制と、振動の発生防止を有効に達成することに成功した。
図7では、縦軸として伝達関数(入力に対する応答の感度)を、横軸として周波数(Hz)を示す。なお、ここでZ軸方向とは、研磨パッドに対して鉛直方向の軸の方向を意味し、X軸方向、Y軸方向とは、研磨パッドに対して平行な平面上で、直行する2つの軸方向を意味する。
図7では、旋回アームで発生する振動のZ軸方向の固有振動結果である。ドレッサー旋回アーム300の天板の直上に何ら荷重を設けなかった場合には、Z軸方向の旋回アームの固有振動数は周波数90Hz付近でピークを示す振動ピークが生じていることがわかる(曲線d−1)。90Hz付近の固有振動数の自励振動は本来発生しにくいと想定されたものだが、摩擦によるエネルギーが大きくなった今回の場合には、曲線d−1のような自励振動が発生してしまったものである。これに対して、ドレッサー旋回アームの天板の直上に、振動防止のための荷重部材として、重量が2kgの荷重をかけた場合の曲線がd−2である。この場合、ドレッサー旋回アームの天板の直上に、2kgの荷重部材を設けた場合、ダイナミックダンパーとして機能し、実線で示された周波数90Hz付近でのピークは分裂していることがわかった。
すなわち、図7から明らかなように、Z軸方向の旋回アームの固有振動数は、ドレッサー旋回アームの天板の直上に、振動防止のための荷重部材を設けた場合には、これがダイナミックダンパーとして機能し、90Hz付近にもともと発生していた固有振動数のピークが二つに分裂し、振動の抑制がなされていることがわかる。
ここで、表1の比較例1、比較例2とを比較した場合、ドレッサーカバーを使用したブラシドレッサーにおいては振動が抑制されていることがわかった。すなわち、比較例2の場合では、ドレッサーカバーを使用することで振動の固有振動エネルギーが吸収され、固有振動の極大値が抑えられているものと推定される。
さらに、比較例2と実施例1とを比較するため、ドレッシングユニットの上部に衝撃を与えて強制的に振動を発生させる振動収束試験を行った。この結果、外部から衝撃をあたえると振動が発生してしまうことがあったのが(比較例2)、錘を用いた場合にはこの振動も抑制されることがわかった(実施例1)。比較例2の場合は固有振動の極大値が抑えられていただけなのが、実施例1の場合には容器の上に錘を載せたことでこれがダイナミックダンパーとして機能し、図7の結果のように固有振動のピークが複数のピークに分裂しているものと推定された。
そして、実施例1では、ドレッシング処理全体を通して自励振動の発生を確実に防いでパッドのドレッシングを行うことができた。また、目立て後の研磨パッドの表面状態を確認したところ、問題となるような凹凸は生じていなかった。したがって、従来の装置と比較して、パッド表面の研磨面の再生を効果的に行うとともに、半導体ウェハの被研磨面におけるマイクロスクラッチの発生をも確実に低減できた。
さらに、振動源に近い部分にオモリを設けることも、振動抑制のためには有効であった。
また、表には示していないが、ドレッサー駆動軸の周りにボールスプラインを設け、このボールスプライン周りをマイナス隙間とすることで、振動抑制をより確実なものとすることができる点も、発明者らは見出した。なお、ここで「マイナス隙間」とされた状態とは、剛体を挟み込む際、剛体を挟むようにして形成された空間の幅(間隔)と、剛体の直径とを比較したときに、当該間隔(幅)が、剛体の本来の直径寸法値よりも小さい値となるように剛体を挟持した状態のこと、である。
また、ドレッサー駆動軸の周りに、ボールスプラインを設ける代わりに、例えば防振ゴム材からなる弾性支持部材を設けて振動抑制を図ることもできる。このように構成しても、振動抑制をより確実なものとすることができる。
ついで、ドレッシング中に研磨テーブル近傍に設置された振動測定手段によって第1工程において発生する振動を測定する(303。なお、任意的に、このときにドレッシング後の研磨パッドの表面状態を例えば光学測定装置によりスキャニング・測定をおこなったり、あるいは目視による確認を行い、目立て効果が確保されていることを確認することもできる)。そして、振動抑制効果の有無を判定するが(304。第2工程)、この判定の演算処理を自動的に行うために、振動測定手段および押付荷重変更手段にケーブル接続された演算装置を別途設けることが出来る。
さらに、第2工程で振動抑制効果が無しと判定された場合にはドレッシング部材への押付荷重を変更せずに制振手段を変更した上で、第1押付荷重のままドレッシング試験を継続する(305から302へ戻る)。もし、第2工程で振動抑制効果が有りと判定された場合にはドレッシング部材への押し付け荷重を第2押付荷重へと変更してこの第2押付荷重によりドレッシングを行って全範囲押付荷重範囲において効果が得られているか続いて確認する(306。第3工程)。
2 トップリング本体
3 リテーナリング
4 旋回アーム(ドレッサー揺動アーム)
5 エアシリンダ
6 ハウジング
10 研磨パッド
11 研磨テーブル
20 基板保持ユニット
21 トップリングヘッド
22 トップリング駆動軸
23 揺動アーム
24 トップリング揺動軸
25 液体供給機構
30 ドレッシングユニット
31 ドレッサー
32 スプラインシャフト
33 カバー
34 モータ軸(ドレッサー揺動軸)
35 カップリング
36 軸受
37 ブラシドレッサー(ブラシ)
38 ベルト
39 モータ軸
40 回転用モータ
41 スプラインナット
42 ドレッサーフランジ
43 ベルト駆動輪
50 錘(おもり)
51 天板
100 研磨テーブル
101 研磨パッド(研磨布)
102 研磨液供給ノズル
200 In-line膜厚測定ユニット
300 試験開始
301 ドレッシング部材への押付荷重(第1押付荷重)設定工程
302 第1押付荷重によりドレッシングする工程
303 振動測定工程
304 測定結果をもとに振動抑制効果の有無を判定する工程
305 錘の重量を変更して(第1押付荷重にて)更にドレッシングする工程
306 ドレッシング部材への押し付け荷重を変更して(第2押付荷重にて)ドレッシングする工程
1001 カセット
1003 走行レール
1004 搬送ロボット
1005 洗浄機
1020 搬送ロボット
1022 洗浄機
1027 ロータリートランスポーター
1036 研磨テーブル
1038 ドレッシングユニット
1043 水桶
1050 載置台
3000 ドレッシングユニット
A ドレッサーフランジの回転方向
B スプラインシャフトの回転方向
C ベルトの回転方向
D ベルト駆動輪の回転方向
E 回転テーブルの回転方向
F ドレッサーの回転方向
G ドレッシング時のドレッサーに対する押圧力
Q 研磨液
W 半導体ウェハ
Claims (7)
- 研磨テーブル上の研磨パッドに基板を押圧して研磨する基板保持ユニットと、該研磨パッドにドレッシング部材を接触させて該研磨パッドを目ならしするドレッシングユニットを備えた研磨装置において、
前記ドレッシングユニットは、
ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器と、
上下方向の振動の発生を防止するために、該容器の上に載置される錘と、
前記ドレッシング部材の前記研磨パッドに対する押圧力を与えるための駆動機構と、
を有したことを特徴とする、研磨装置。 - 基板を保持して研磨テーブル上の研磨パッドに該基板を押圧して研磨するための基板保持ユニットと、該研磨パッドにドレッシング部材を接触させて該研磨パッドを目ならしするドレッシングユニットとを備えた研磨装置において、
前記ドレッシングユニットは、
ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器と、
ドレッシング部材が固定されるドレッサーフランジと、
上下方向の振動の発生を防止するために、該ドレッサーフランジのバックホイールに載置される錘と、
前記ドレッシング部材の前記研磨パッドに対する押圧力を与えるための駆動機構と、
を有したことを特徴とする、研磨装置。 - 前記ドレッシングユニット本体を内部に収容する容器は、ドレッサー軸を内部に収容するハウジングと、該ハウジングの外側に設けられドレッシングユニット本体を収容するドレッサーカバーを有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。
- 前記ドレッサー駆動軸の周りにはボールスプラインが備えられ、該ボールスプライン周りをマイナス隙間としたことを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記ドレッシング部材が、ブラシドレッサーであることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記ドレッシング部材が、ダイヤモンドドレッサーであることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の研磨装置を用いて基板を研磨することを特徴とする研磨方法。
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