JP5532464B2

JP5532464B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP5532464B2
Application number: JP2013131405A
Authority: JP
Inventors: 弘東道; 清福島; 守彦江崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2013230551A

Description

本発明は、研磨装置に関する。

ガラス基板や半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面を研磨加工する研磨装置として、
例えば、被研磨面が露出する状態で研磨対象物を保持する保持機構と、この保持機構に保
持された研磨対象物の被研磨面をテーブルに貼り付けられた研磨パッド等の研磨部材に押
圧させた状態でテーブルを移動させる移動機構を備え、被研磨面を研磨部材に押圧させた
状態で当該テーブルを移動させることにより、研磨対象物を研磨する構成の研磨装置が知
られている（例えば、特許文献１を参照）。また、このような研磨部材を被研磨面に押圧
し研磨部材を被研磨面に対して相対移動させることにより研磨を行う機械的研磨に加え、
研磨部材にスラリー等の研磨剤を供給して、研磨剤の化学的作用により上記研磨加工を促
進させる化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）を行う研磨装置
も周知となっている。

特許第２９６８７８４号公報

ところで、近年、研磨対象物の大型化が進行しており、これに伴い、研磨装置も大型化
している傾向がある。研磨装置が大型化すると、研磨装置の設計および製造、研磨装置の
搬送、メンテナンス、そして研磨布等の消耗品にかかるコストが増大するという課題があ
った。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、研磨対象物の大型化に伴いか
かるコストを低減可能な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、研磨対象物を研磨する研磨部材と、前記研磨部材を前記研磨対象物の被研磨面に沿って移動させる移動機構（例えば、実施形態におけるＸＹステージ２４）とを有する複数の研磨モジュールと、前記複数の研磨モジュールのそれぞれの前記移動機構の作動を制御する制御部（例えば、実施形態におけるコントローラ４０）とを備え、前記制御部は、複数の前記研磨部材が一体的に移動するように前記移動機構を制御する。

本発明に係る研磨装置によれば、連結させた複数の研磨モジュールの研磨部材を研磨対
象物の被研磨面に当接させた状態で研磨モジュールの各研磨部材を連動移動させるように
制御することにより、連結させた研磨モジュールの同期制御を行うことが可能になってい
るため、研磨対象物の大きさに合わせて連結させる研磨モジュールの数を容易に変更でき
ることから、研磨対象物の大型化に伴うコストを低減させることができる。

本発明に係る研磨装置の概略構成図である。キャリアにより固定保持されたワークを上方から見たときの平面図である。研磨モジュールとコントローラを電気的に接続した際における、ＸＹステージの駆動機構を示す概略構成図である。研磨モジュールの斜視図である。研磨モジュールを連結させた状態を示す上面図である。（ａ）は４台、（ｂ）は９台の研磨モジュールを連結させたときの図である。（ａ）はスラリー排出路が形成されるように構成された研磨モジュールの斜視図である。（ｂ）前記研磨モジュールを９台連結させた状態を示す上面図である。（ｃ）２台の研磨モジュール２０間にＶ字溝のスラリー排出路を形成した状態を示す、研磨モジュール２０間の部分断面図である。

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。本発明を適用した研磨装置１は、研磨対象物である
ワークを固定保持し、ワークの被研磨面を研磨布の研磨面に当接させた状態で研磨布を移
動させることにより、ワークの研磨加工を行う研磨装置である。研磨装置１は、搬送機構
１０と、キャリア１１と、スラリー供給装置１５と、研磨モジュール２０と、コントロー
ラ４０等により構成されている。なお、以下の説明では、図１の矢印に示すように、研磨
対象物であるワーク５に対して垂直上方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸と直交する面をＸＹ平
面とする。また図１の紙面上で左右方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向とする
。

搬送機構１０およびキャリア１１は、ワーク５を固定保持した状態で搬送させるために
設けられ、キャリア１１は、図１および図２に示すように、保持部材１２と、枠部材１３
とを有して構成される。枠部材１３は、ステンレス製で、外周部が正方形の枠板状に形成
されている。保持部材１２は、樹脂製で、中央に矩形の孔部を有する板状に形成され、枠
部材１３の内側に取り付けられている。上記孔部はワークの形状に合わせて形成され、本
実施形態においては正方形のワーク５が正方形の孔部に嵌合されて保持されるようになっ
ている。このように保持部材１２に固定保持されたワーク５は、搬送機構１０により研磨
部材２１の研磨面２１ｓ上に搬送された後、図示省略する押圧機構により研磨部材２１の
研磨面２１ｓに所定の荷重で押圧されるようになっている。

スラリー供給装置１５は、図１に示すように、後に詳述するテーブル２３の上面に開口
部を有しこの開口部から研磨モジュール２０の内部に下方に延びて設けられているスラリ
ー供給路１６を介して、研磨部材２１に研磨液であるスラリーを研磨部材２１の下面から
供給するようになっている。スラリーは、ワーク５の研磨を行うための研磨砥粒や分散剤
等を含んでおり、研磨砥粒の材料としては例えばセリア（ＣｅＯ₂）が使用される。なお
、スラリー供給路１６を介して供給されたスラリーは、研磨モジュール２０の外側から排
出され、排出されたスラリーは回収槽（図示せず）に回収されるようになっており、回収
されたスラリーはフィルター（図示せず）により濾過され再度使用されるようになってい
る。

コントローラ４０は、図３に示すように、モータコントロール基板４１とサーボアンプ
４２（Ｘ軸およびＹ軸サーボアンプ４２ａ，４２ｂ）等を有して構成されており、図１に
示すように、スラリー供給装置１５と、後に詳述するＸＹステージ２４に接続されている
。モータコントロール基板４１は後に詳述するＸ軸モータ３１およびＹ軸モータ（図示せ
ず）の駆動を制御するための制御基板であり、サーボアンプ４２にＸ軸モータ３１および
Ｙ軸モータの制御を行うための制御信号を送信し、サーボアンプ４２は、受信した制御信
号を基にＸ軸モータ３１およびＹ軸モータの駆動制御を行う。こうして、ＸＹステージ２
４の、ワーク５に対するＸ軸およびＹ軸上における位置、およびＸ，Ｙ方向への移動速度
や回転速度を制御できるようになっている。また、コントローラ４０から、スラリー供給
装置１５に制御信号を送信することにより、研磨部材２１へのスラリーの吐出量を制御す
ることが可能になっている。

研磨モジュール２０は、図１および図４に示すように、研磨部材２１と、シール２２と
、上面に研磨部材２１を設けるためのテーブル２３と、テーブル２３を駆動させるＸＹス
テージ２４と、固定ベース２５と、固定ピン２６と、係合孔２７等により構成されており
、研磨モジュール２０は、Ｚ軸正方向から見たときの形状が１辺が５０cm弱の正方形とな
っている。固定ベース２５は、ＸＹステージ２４の下面に設けられ、固定ベース２５に対
してＸＹステージ２４をＸＹ面に沿って移動させることが可能になっている。固定ベース
２５は、図４に示すように、直方体の形状になっており、その上面（Ｚ軸正方向から見た
ときの面）および底面（Ｚ軸負方向から見たときの面）が１辺５０cmの正方形となってい
る。そして、固定ベース２５の４つの側面（底面に対して直交する４つの面）は、後に詳
述する固定ピン２６を有する２つの側面と、その固定ピン２６を有する面と反対側に後に
詳述する係合孔２７を有する２つの側面により構成されている。研磨部材２１はテーブル
２３の上面を覆うように設けられ、発泡ポリウレタン等の材料を用いて構成されており、
キャリア１１により固定保持されたワーク５の被研磨面５ｓを研磨部材２１の研磨面２１
ｓに当接させた状態でＸＹステージ２４をＸまたはＹ方向に移動させることによりワーク
５の研磨加工を行うことが可能になっている。また、シール２２は、研磨モジュール２０
を連結する際に用いられ、研磨モジュール２０を連結する際に生じる研磨部材２１および
テーブル２３の隙間を埋めるために用いられる。

固定ピン２６は、図４（ａ）に示すように、固定ベース２５の４つの側面のうち２つの
側面に設けられており、１つの側面に、固定ベース２５の下面からの高さがｈ１および固
定ベース２５の左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および左端
からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ１および右端からの距離がｗ１の
位置に１個と、下面からの高さがｈ２および右端からの距離がｗ１の位置に１個と合計４
個設けられている。また、固定ピン２６が設けられている側面と反対側の２つの側面には
、他の研磨モジュール２０の固定ピン２６を係合させるための係合孔２７が設けられてお
り、図４（ｂ）に示すように、１つの側面に、固定ベース２５の下面からの高さがｈ１お
よび固定ベースの左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および固
定ベース２５の左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ１および右端
からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および右端からの距離がｗ１の
位置に１個と、固定ピン２６と同様に合計４個設けられている。このように、固定ピン２
６と係合孔２７は固定ベース２５の１つの側面の全く同じ位置に設けられており、固定ピ
ン２６がある側面が互いに隣り合うように２つ、そして係合孔２７が設けられている側面
が固定ピン２６がある側面と反対側に２つ設けられていることから、研磨モジュール２０
の係合孔２７に他の研磨モジュール２０の固定ピン２６を係合させることにより、複数の
研磨モジュール２０を連結させることが可能になっている。

また、研磨加工時には、研磨面２１ｓの高さ（固定ベース２５の下面から研磨面２１ｓ
までの距離）ｈを研磨モジュール２０毎に全て同じにする必要があるが、固定ベース２５
、ＸＹステージ２４、またはテーブル２３の高さに微小な差（公差）が生じていたり、研
磨部材２１が発泡ポリウレタンで構成されていることにより研磨部材２１の厚さが変動し
たりする等の理由によって、研磨面２１ｓの高さが研磨モジュール２０毎に異なる場合が
ある。そこで、研磨モジュール２０は、ウェハ５の研磨加工を行う前に、複数台（例えば
図５（ｂ）に示すように９台）連結された状態で、連結された研磨部材２１のＺ軸正方向
から見たときの面積と同じ面積に設定され、均一な平面形状を有するダミー研磨物を研磨
加工し、この研磨加工により発泡ポリウレタン等の材料で構成された研磨部材２１の研磨
面２１ｓが平坦化されるようになっている。

ＸＹステージ２４は、研磨部材２１に覆われたテーブル２３を固定ベース２５に対して
ＸＹ面に沿って移動させるために設けられ、図３に示すように、Ｘ軸モータ３１およびＹ
軸モータ（図示せず）により固定ベース２５に対してＸＹステージ２４を移動させること
が可能になっている。また、Ｘ軸およびＹ軸モータにより移動したＸＹステージ２４の移
動量は、Ｘ軸およびＹ軸リニアエンコーダ３８，３９で検出されるようになっており、Ｘ
軸およびＹ軸モータの回転量は、Ｘ軸およびＹ軸モータに内蔵されているＸ軸およびＹ軸
モータエンコーダ（図示せず）により検出されるようになっている。検出されたＸＹステ
ージ２４の移動量は、Ｘ軸およびＹ軸エンコーダケーブル３２，３５を介してモータコン
トロール基板４１に、そして、検出されたモータの回転量はＸ軸およびＹ軸モータエンコ
ーダケーブル３４，３７を介してＸ軸およびＹ軸サーボアンプ４２ａ，４２ｂに送信され
るようになっている。なお、Ｘ軸およびＹ軸モータ動力ケーブル３３，３６は、サーボア
ンプ４２から送信された駆動指令をＸ軸およびＹ軸モータに送信するためのケーブルであ
る。また、ＸＹステージ２４は、図３に示すように歯車Ｇからなる移動機構（図示せず）
を介して、Ｘ軸モータ３１およびＹ軸モータ（図示せず）と接続されており、Ｘ軸モータ
３１またはＹ軸モータがサーボアンプ４２からの駆動指令に基づいて駆動したときに、Ｘ
軸およびＹ軸方向に移動するようになっている。

Ｘ軸およびＹ軸リニアエンコーダ３８，３９は、ＸＹステージ２４のＸ方向およびＹ方
向への実移動量を所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に検出し、また、Ｘ軸およびＹ軸モ
ータに内蔵されたＸ軸およびＹ軸モータエンコーダが、Ｘ軸モータ３１およびＹ軸モータ
の実回転量を所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に検出するようになっている。なお、図
３においては、１台のコントローラ４０と、コントローラ４０に接続された１台の研磨モ
ジュール２０のみ示しているが、実際には、複数台の研磨モジュール２０が連結されたと
きには、１台のコントローラ４０に複数台の研磨モジュール２０が接続されるようになっ
ている。

以上のような構成の研磨装置１において、スラリー供給装置１５によりＺ軸負方向から
研磨部材２１に向かってスラリーが供給された状態で、キャリア１１により保持されたワ
ーク５の被研磨面５ｓが研磨部材２１の研磨面２１ｓに当接されるとともにＸＹステージ
２４がＸＹ方向に移動することによりワーク５の研磨加工が行われるようになっている。
よって、例えば１辺の長さが５０cmより小さい正方形のワークの研磨加工を行う場合は、
上述した研磨モジュール２０を１台だけ用いて研磨加工を行うことが可能である。しかし
、例えば７０cm×７０cmの正方形のワークの研磨加工を行う場合は、研磨モジュール２０
単体では研磨加工を行うことはできず、図５（ａ）のように４台連結させる必要がある。
さらに、例えば１２０cm×１２０cmの大きな正方形のワークの研磨加工を行う場合は、図
５（ｂ）のように９台連結させなければ研磨加工を実行することはできない。

上記のように、大型のワークの研磨加工を行う際には、研磨モジュール２０を複数台連
結させて、研磨モジュール２０を連結させた後に研磨加工を行う。具体的には、係合孔２
７が設けられている研磨モジュール２０の側面に対して、他の固定ピン２６が設けられて
いる研磨モジュール２０の側面を対向させて、上記係合孔２７に上記固定ピン２６を係合
させ各研磨モジュール２０の固定ベース２５の側面を接合させる。このように、係合孔２
７が設けられている側面に固定ピン２６が設けられている側面を係合させることにより、
研磨モジュール２０を連結させていく。

上記のように連結された研磨モジュール２０を用いて研磨加工を行う方法について以下
で説明する。まず、オペレータが図示省略する入出力装置を操作することにより、ダミー
研磨物がキャリア１１により固定保持され、固定保持されたダミー研磨物が搬送機構１０
により搬送される。そして、押圧機構（図示せず）によりダミー研磨物が研磨面２１ｓに
押圧され、押圧された状態でＸＹステージ２４を稼動させる。このように、ダミー研磨物
の研磨を行うことにより研磨面２１ｓの高さが均一化される。

研磨面２１ｓの高さを均一化させた後、キャリア１１により固定保持されたワークが搬
送機構１０により研磨面２１ｓの上面に搬送され、押圧機構（図示せず）によりワークの
被研磨面が研磨部材２１の研磨面２１ｓに押圧される。その状態でモータコントロール基
板４１から、Ｘ軸およびＹ軸サーボアンプ４２ａ，４２ｂに研磨モジュール２０毎に同じ
移動量の指令値が出力され、当該指令値に基づいてＸ軸モータ３１およびＹ軸モータが駆
動し、ＸＹステージ２４がＸＹ方向に移動することにより被研磨面の研磨加工が行われる
。ここで、本実施形態における歯車Ｇからなる移動機構（図示せず）を介したＸＹステー
ジ２４では、モータコントロール基板４１から各研磨モジュール２０に出力される指令値
が同一でも、ギア間の遊びにより研磨モジュール２０毎に全く同じ量だけ移動しなくなる
問題が発生する場合がある。

上記のような問題に対し、本実施形態における研磨装置１では、Ｘ軸およびＹ軸モータ
に内蔵され、モータの回転量を検出可能なＸ軸およびＹ軸モータエンコーダ（図示せず）
がモータの実回転量を検出するとともに、ＸＹステージ２４に取り付けられたＸ軸および
Ｙ軸リニアエンコーダ３８，３９がＸ軸およびＹ軸方向の実移動量を検出し、検出された
ＸＹステージ２４の実移動量はモータコントロール基板４１に、検出された実回転量はサ
ーボアンプ４２ａ，４２ｂに送信される。モータコントロール基板４１は、上記の指令値
に応じた移動量と検出された実移動量を研磨モジュール２０毎に比較し、指令値に応じた
移動量と実移動量に差異がある研磨モジュール２０に対して、指令値を補正し補正後の指
令値をサーボアンプ４２ａ，４２ｂに送信し、ＸＹステージ２４の移動量およびＸ軸モー
タ３１およびＹ軸モータの回転量の補正を行う。このように、ＸＹステージ２４の移動量
およびモータの回転量を補正しながら各研磨モジュール２０のＸＹステージ２４を移動さ
せるようなフィードバック制御を行うため、研磨モジュール２０毎に移動量が異なるよう
な事態をなくすことができ、複数の研磨モジュール２０の協調制御を確実に行うことがで
きる。

以上、上述した本実施形態に係る研磨装置１においては、例えば、図５に示すように、
大きなワークを研磨する際には、被研磨物の大きさに応じた数の研磨モジュール２０を組
み合わせ、組み合わせた研磨モジュール２０を協調制御させることが可能になる。これに
より、大きなワークの研磨加工を行う際にも、各種サイズのワークの研磨加工に対応させ
ることができ、研磨装置自体に係る設計、製造、メンテナンスのコスト、そして、研磨布
等の消耗品にかかるコストを低減させることができる。また、複数の研磨モジュール２０
を組み合わせることにより、研磨装置の大きさを研磨物の大きさに最適な大きさにするこ
とができるので、研磨布等の消耗品にかかるコストを低減することができる。

なお、本実施形態に係る研磨装置１においては、上方（Ｚ軸正方向）から見たときの形
状が１辺が５０cmの正方形である研磨モジュール２０の例について説明したが、研磨モジ
ュール２０の大きさおよび形状はこれに限定されるものではない。

また、本実施形態においては、スラリーを研磨部材２１の下方から上方（Ｚ軸負方向か
らＺ軸正方向）に供給する例について説明したが、スラリーの供給方法についてはこれに
限られることなく、例えば、研磨部材２１の上方から下方（Ｚ軸正方向からＺ軸負方向）
にスラリーノズル等を介して供給するようにしてもよい。

そして、本実施形態においては、研磨部材２１に供給されたスラリーは研磨モジュール
２０の外側から排出され、排出されたスラリーを下方で回収する例について説明したが、
スラリーの回収方法はこれに限定されることはなく、例えば、図６（ａ）に示すように、
Ｚ軸上方向から見たときのシール２２ａの面積を、研磨部材２１より若干大きくし、図６
（ｂ）に示すように、複数の研磨モジュール２０を連結させたときに隙間１７が形成され
るようにし、この隙間１７をスラリー排出路としてもよい。また、スラリー排出路の交点
にＺ軸方向に貫通させたスラリー排出孔１８を設け、このスラリー排出孔１８から下方に
スラリーを排出するようにしてもよい。さらに、図６（ｃ）の部分断面図のように、研磨
部材２１を面取りしてスラリー供給路がＶ字溝になるようにしてもよい。

さらに、本実施形態においては、複数の研磨モジュール２０を連結させるための連結手
段として固定ピン２６及び係合孔を用いる例について説明したが、他の連結手段を用いて
もよい。また、研磨モジュール２０を連結させるときに研磨部材２１の高さを合わせるた
め、固定ピン２６および係合孔の高さを全て同じにするとともにダミー研磨物を用いて研
磨面２１ｓの高さを均一化する例について説明したが、これに限られず、例えば、テーブ
ル２３を上下方向に微調整可能な上下位置調整機構を設け、この上下位置調整機構により
研磨モジュール２０間の研磨部材２１の高さを微調整できるようにしてもよい。

なお、本実施形態では、ワーク５の被研磨面の形状が四角形である例について説明した
が、四角形に限定されるものではなく、例えば、円形のワークを研磨する際にも本発明に
係る研磨装置１を適用することができる。なお、この際には、孔部が円形になっている保
持部材を用いてワークを固定保持するようにすればよい。

１研磨装置
５ワーク（研磨対象物）
１１キャリア（対象物保持機構）
１５スラリー供給装置（研磨液供給装置）
２０研磨モジュール
２１研磨部材
２２シール（モジュール連結手段）
２４ＸＹステージ（研磨部材移動機構）
２５固定ベース（ベース部材）
２６固定ピン（モジュール連結手段）
２７係合孔（モジュール連結手段）
３８Ｘ軸リニアエンコーダ（移動量検出手段）
３９Ｙ軸リニアエンコーダ（移動量検出手段）
４０コントローラ（制御機構）

Claims

研磨対象物を研磨する研磨部材と、前記研磨部材を前記研磨対象物の被研磨面に沿って移動させる移動機構とを有する複数の研磨モジュールと、
前記複数の研磨モジュールのそれぞれの前記移動機構の作動を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、複数の前記研磨部材が一体的に移動するように前記移動機構を制御する研磨装置。
前記複数の研磨モジュールは、前記複数の研磨部材の少なくとも二つの少なくとも一部が前記研磨対象物に同時に当接するように配置されている請求項１に記載の研磨装置。
前記複数の研磨モジュールは、複数の前記研磨部材の研磨面が同一平面上に位置するように配置される請求項１または２に記載の研磨装置。
前記研磨部材の研磨面の高さを調整する調整機構を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記複数の研磨部材のそれぞれの移動量を検出する移動量検出手段を備え、
前記制御部は、前記移動量検出手段により検出された前記移動量が目標移動量と異なるとき、検出された前記移動量が前記目標移動量になるように補正すべく前記駆動部を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記複数の研磨モジュールを連結させる連結手段を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記複数の研磨モジュールは、それぞれ互いに隣り合う前記研磨部材間の隙間を埋めるシール部材を備える請求項１から６のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記研磨部材に研磨液を供給する研磨液供給装置を備え、
前記複数の研磨部材の間には、前記研磨液を排出する排出部が設けられている請求項１から７のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記複数の研磨部材の研磨面を平坦化させるための平坦面を有する平坦化手段を備え、
前記制御部は、前記複数の研磨部材の前記研磨面をそれぞれ前記平坦化手段の平坦面に当接させた状態で、前記複数の研磨部材が前記平坦面に沿って移動するように前記移動機構を制御する請求項１から８のいずれか一項に記載の研磨装置。