JP6121283B2

JP6121283B2 - 研磨装置

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Publication number: JP6121283B2
Application number: JP2013168040A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　真也; 真也渡辺; 宏平浅井
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: JP2015036165A

Description

本発明は、板状ワークを研磨する研磨装置に関する。

ウェーハなどの板状ワークを保持テーブルの保持面に保持し、研磨手段に装着された研磨パッドで研磨する研磨装置においては、荷重センサーで研磨荷重を測定し、研磨荷重が所定の範囲内に収まるように、研磨送り手段が研磨手段と保持テーブルとを相対的に接近及び離間させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３１１６１４号公報

しかし、研磨荷重、研磨パッドの回転速度、保持テーブルの回転速度などの要因により、研磨加工中に発生する加工熱が、保持テーブルや研磨手段に蓄熱される場合がある。保持テーブルや研磨手段が温度上昇により膨張すると、研磨荷重が大きくなるので、研磨送り手段は、研磨手段と保持テーブルとを離間する方向に移動させる。このときの移動速度が速すぎると、研磨荷重が急激に減少し、今度は、研磨送り手段が研磨手段と保持テーブルとを接近する方向に移動させることとなる。その結果、研磨手段と保持テーブルとが接近／離間を繰り返して、正常な研磨荷重を加えることができなくなる。このため、接近／離間を繰り返さない適正な速度で、研磨手段と保持テーブルとを相対的に移動させることが必要となる。

しかし、異常な温度上昇が発生した場合、保持テーブル等の膨張速度が速いために、正常時の適正な速度で研磨手段と保持テーブルとを離間させたのでは対応することができない。その結果、研磨荷重が過大な状態が続き、更なる温度上昇を招くこととなり、研磨装置が破損する可能性がある。

本発明は、このような問題にかんがみなされたもので、正常時に適切な研磨荷重で板状ワークを研磨するとともに、異常な温度上昇が発生した場合に、研磨装置の破損を防ぐことを目的とする。

本発明に係る研磨装置は、板状ワークを保持する保持面を有する保持テーブルと、該保持面に保持された板状ワークを研磨する研磨パッドが回転可能に装着される研磨手段と、該研磨手段と該保持テーブルとを相対的に接近及び離間させる研磨送り手段と、該研磨送り手段が該研磨手段と該保持テーブルとを接近させることにより該保持テーブルに保持された板状ワークに該研磨パッドが押圧されるときの研磨荷重を検出する荷重センサーと、該荷重センサーで検出した研磨荷重が所定の荷重範囲内となるよう、該研磨送り手段を制御する制御部と、を備えた研磨装置において、該研磨送り手段が該研磨手段と該保持テーブルとを接近及び離間させたときの進退量が所定の進退範囲外となったときに異常発生と判断する判断部を備え、研磨加工中に該判断部が異常発生と判断した場合、該研磨送り手段が該研磨手段と該保持テーブルとを離間させる。

本発明に係る研磨装置によれば、異常な温度上昇が発生した場合に、保持テーブルや研磨手段の熱膨張により、進退量が所定の進退範囲外となったことを判断部が検出して、研磨送り手段が研磨手段と保持テーブルとを離間させるので、研磨装置の破損を防ぐことができる。また、正常時における研磨手段の移動速度を速くする必要がないので、正常時には、適切な研磨荷重で板状ワークを研磨することができる。

研磨装置を示す正面図及び平面図。正常時における研磨送り量及び研磨荷重の変化を示すグラフ。異常時における研磨送り量及び研磨荷重の変化を示すグラフ。

図１に示す研磨装置１０は、基台１１と、板状ワーク２０を保持する保持テーブル１２と、板状ワーク２０を研磨する研磨手段１３と、研磨手段１３を±Ｚ方向に移動させる研磨送り手段１４と、保持テーブル１２を支持する３つの支持手段１５ａ〜１５ｃと、研磨荷重を測定する３つの荷重センサー１６ａ〜１６ｃと、研磨送り手段１４を制御する制御部１７と、異常発生の有無を判断する判断部１８と、保持テーブル１２の傾きを調整する傾き調整手段１９ａ〜１９ｃとを備えている。

保持テーブル１２は、例えばチャックテーブルであり、保持面１２１に載置された板状ワーク２０を吸着して保持する。保持テーブル１２は、±Ｚ方向に平行な回転軸１２９を中心として回転可能となっている。

研磨手段１３は、先端に研磨パッド３０が装着され、±Ｚ方向に平行な回転軸１３９を中心として研磨パッド３０を回転させることにより、保持テーブル１２に保持されて回転している板状ワーク２０を研磨する。研磨の方式は、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）であってもよいし、ドライポリッシュであってもよい。研磨パッド３０は、例えば布や樹脂で形成されている。研磨パッド３０が砥粒を含有している構成であってもよいし、外部から砥粒を供給する構成であってもよい。研磨パッド３０の回転軸１３９と、保持テーブル１２の回転軸１２９とは、離れている。研磨パッド３０の直径は、板状ワーク２０の直径より大きく、研磨加工中は、板状ワーク２０の被研磨面（＋Ｚ方向の面）全体に、研磨パッド３０の研磨面（−Ｚ方向の面）が接触する。

研磨送り手段１４は、例えばボールねじ機構を備え、制御部１７からの指示にしたがって研磨手段１３を±Ｚ方向に移動させる。研磨送り手段１４が研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させると、保持テーブル１２と研磨手段１３とは相対的に離間し、研磨送り手段１４が研磨手段１３を−Ｚ方向に移動させると、保持テーブル１２と研磨手段１３とは相対的に接近する。

３つの支持手段１５ａ〜１５ｃは、保持テーブル１２の回転軸１２９を中心として、１２０度ずつ離れた方向に配置されている。各支持手段１５ａ〜１５ｃは、傾き調整手段１９ａ〜１９ｃを介して、保持テーブル１２を支持している。傾き調整手段１９ａ〜１９ｃは、例えばねじやてこなどにより支持手段１５ａ〜１５ｃが保持テーブル１２を支持する位置を±Ｚ方向に移動させることにより、保持テーブル１２の保持面１２１が研磨パッド３０の研磨面と平行になるように調整する。

各荷重センサー１６ａ〜１６ｃは、支持手段１５ａ〜１５ｃと基台１１との間に配置されている。研磨送り手段１４が研磨手段１３を−Ｚ方向に移動させて保持テーブル１２に接近させ、研磨パッド３０の研磨面が板状ワーク２０の被研磨面に接触し、研磨パッド３０が板状ワーク２０を押圧すると、その圧力を荷重センサー１６ａ〜１６ｃが検出する。制御部１７は、３つの荷重センサー１６ａ〜１６ｃが検出した圧力を合計することにより、研磨パッド３０が板状ワーク２０を研磨する研磨荷重を算出する。

制御部１７は、算出した研磨荷重が所定荷重範囲内になるように、研磨送り手段１４を制御する。例えば、研磨荷重が荷重範囲の下限より小さい場合、研磨手段１３を−Ｚ方向に移動させる。これにより、研磨荷重が大きくなる。逆に、研磨荷重が荷重範囲の上限より大きい場合、研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させる。これにより、研磨荷重が小さくなる。研磨荷重が荷重範囲の下限より大きく、かつ、荷重範囲の上限より小さい場合は、研磨手段１３を移動させない。

判断部１８は、研磨送り手段１４が保持テーブル１２に対して研磨手段１３を接近及び離間させたときの研磨手段１３の±Ｚ方向の位置があらかじめ定めた進退範囲外である場合に、異常発生と判断し、研磨手段１３の±Ｚ方向の位置があらかじめ定めた進退範囲内である場合は正常と判断する。

板状ワーク２０の研磨時は、保持テーブル１２を回転させるとともに、研磨送り手段１４が研磨手段１３を−Ｚ方向に下降させ、回転する研磨パッド３０の研磨面を板状ワーク２０の被研磨面に接触させる。研磨パッド３０が板状ワーク２０を研磨することにより発生する加工熱が保持テーブル１２や研磨手段１３に蓄熱されてその温度が上昇すると、保持テーブル１２や研磨手段１３が熱膨張し、研磨荷重が大きくなる。制御部１７は、研磨荷重が荷重範囲の上限を超えたことを検出すると、研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させる。このときの移動速度が速すぎると、制御部１７が研磨荷重を検出する周期との関係で、研磨荷重が荷重範囲内に入ったことを検出するのが遅れ、行き過ぎてしまう可能性がある。そうすると、今度は、研磨荷重が荷重範囲の下限を下回ったことを制御部１７が検出し、研磨手段１３を−Ｚ方向に移動させる。これが繰り返されると、研磨手段１３が振動運動し、適切な研磨荷重での研磨ができない。このため、研磨手段１３を移動させる移動速度は、制御部１７が研磨荷重を検出する周期との関係で、適切な速度に設定される。

研磨時の加工熱の温度は、例えば、摂氏５０度以上８０度以下が適正である。そこで、温度が８０度のときの保持テーブル１２や研磨手段１３の熱膨張量を進退範囲の上限とし、研磨手段１３がそれよりも＋Ｚ方向に移動した場合、判断部１８は、異常発生と判断する。これにより、温度を測定することなく、異常な温度上昇を検出することができる。例えば、温度が８０度のときの保持テーブル１２や研磨手段１３の熱膨張量が１０μｍであるとすると、研磨開始時に研磨パッド３０の研磨面が板状ワーク２０の被研磨面に接触したときの研磨手段１３の±Ｚ方向の位置を基準として、それよりも＋Ｚ方向に１０μｍ高い位置を進退範囲の上限とする。

また、異常な温度上昇により研磨パッド３０が削られた結果、研磨手段１３が正常時よりも−Ｚ方向に移動する場合もある。そこで、研磨により板状ワーク２０の被研磨面を削る厚さと、正常な１回の研磨で研磨パッド３０が磨耗する磨耗量との合計を、進退範囲の下限とし、研磨手段１３がそれよりも−Ｚ方向に移動した場合、判断部１８は、異常発生と判断する。これにより、異常な温度上昇により研磨パッド３０が異常に磨耗した場合でも、異常を検出することができる。例えば、研磨により板状ワーク２０の被研磨面を削る厚さが２μｍであり、正常な１回の研磨で研磨パッド３０が磨耗する磨耗量が最大１μｍであるとすると、研磨開始時に研磨パッド３０の研磨面が板状ワーク２０の被研磨面に接触したときの研磨手段１３の±Ｚ方向の位置を基準として、それよりも−Ｚ方向に３μｍ低い位置を進退範囲の下限とする。

判断部１８が異常発生と判断した場合、制御部１７が研磨送り手段１４を制御することにより、研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させ、板状ワーク２０と研磨パッド３０とを離間させることにより、研磨を中断する。研磨パッド３０を離間させた後、待機位置に待機させ、その後、研磨を継続してもよい。このときの移動速度は、なるべく速いほうがよい。少なくとも正常時に研磨手段１３を移動させる移動速度よりも速い速度であり、研磨送り手段１４が研磨手段１３を移動させることができる最大速度であることが望ましい。

このように、異常が検出された場合に板状ワーク２０と研磨パッド３０とを離間させて両者が接触しない状態とするので、加工熱が放熱され、温度が下がる。これにより、適切な温度範囲で研磨することができ、研磨装置１０の破損を防ぐことができる。また、温度を測定せずに異常な温度上昇を検出できるので、研磨装置１０が温度センサーを備える必要がなく、コストを削減することができる。

図２において、研磨荷重６２は、３つの荷重センサー１６ａ〜１６ｃで検出した研磨荷重を合計したものであり、位置６１は、研磨送り手段１４により研磨送りされた研磨手段１３の±Ｚ方向における位置である。

研磨開始前は、研磨手段１３が+Ｚ方向に退避している。研磨開始時は、時刻４１において、研磨送り手段１４が研磨手段１３を−Ｚ方向に下降させていく。そして、時刻４２において、研磨パッド３０の研磨面が板状ワーク２０の被研磨面に接触すると、研磨荷重が検出される。

研磨荷重が検出されると、研磨送り手段１４は、移動速度を落としつつ、更に、研磨手段１３を−Ｚ方向に移動させる。そして、時刻４３において、研磨荷重が荷重範囲５１の下限５１１に達すると、判断部１８は、このときの研磨手段１３の位置を基準として、−Ｚ方向に所定の距離離れた位置を進退範囲５２の下限５２１、＋Ｚ方向に所定の距離離れた位置を進退範囲５２の上限５２２とする。

研磨が始まると、加工熱が発生し、保持テーブル１２や研磨手段１３の温度が上昇する。これによる熱膨張量が、研磨によって板状ワーク２０が削られる量より大きいと、徐々に研磨荷重が大きくなる。研磨荷重が荷重範囲５１の上限５１２に達すると、研磨送り手段１４は、研磨手段１３を所定の速度で＋Ｚ方向に所定の距離移動させる。これにより、研磨荷重が小さくなり、荷重範囲５１内に収まる。

一方、研磨によって板状ワーク２０が削られる量のほうが熱膨張量よりも大きくなると、研磨荷重は小さくなる。研磨荷重が荷重範囲５１の下限５１１に達すると、研磨送り手段１４は、研磨手段１３を所定の速度で−Ｚ方向に所定の距離移動させる。これにより、研磨荷重が大きくなり、荷重範囲５１内に収まる。

判断部１８は、研磨手段１３の±Ｚ方向の位置を常に監視しており、研磨手段１３の±Ｚ方向の位置が進退範囲５２のなかに入っていれば、判断部１８は、異常が発生していないと判断し、研磨を続行する。そして、時刻４４に、研磨が終了すると、研磨送り手段１４は、研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させる。板状ワーク２０の被研磨面と研磨パッド３０の研磨面とが離れると、研磨荷重が０になる。研磨送り手段１４は、研磨手段１３を更に＋Ｚ方向に移動させて、退避位置に退避させる。

図３に示すように、加工熱による温度上昇が異常に大きい場合、保持テーブル１２や研磨手段１３が熱膨張する速さのほうが、研磨手段１３の移動速度より大きく、研磨送り手段１４が研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させても、研磨荷重が荷重範囲５１内に収まらない。このため、研磨送り手段１４は、研磨手段１３を更に＋Ｚ方向に移動させる。

その結果、時刻４５に、研磨送り量が進退範囲５２の上限５２２に達すると、判断部１８が異常発生を検出する。研磨送り手段１４は、研磨手段１３を＋Ｚ方向に移動させ、板状ワーク２０の被研磨面と研磨パッド３０の研磨面とが離れると、研磨荷重が０になる。研磨送り手段１４は、研磨手段１３を更に＋Ｚ方向に移動させて、退避位置に退避させる。

このように、加工熱の影響で異常な研磨荷重が発生すると研磨送り量が進退範囲外になることを利用して、判断部１８が異常発生を検出し、板状ワーク２０と研磨パッド３０とを離間させる。これにより、熱による研磨装置１０の破損を防止することができる。また、研磨加工に最適な温度・研磨荷重で、板状ワーク２０を研磨することができる。

以上説明した実施形態は、一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、研磨送り手段１４は、保持テーブル１２と研磨手段１３とを相対的に接近及び離間させるものであればよく、研磨手段１３を移動させるのではなく、保持テーブル１２を±Ｚ方向に移動させる構成であってもよいし、保持テーブル１２と研磨手段１３との双方を±Ｚ方向に移動させる構成であってもよい。
また、傾き調整手段１９ａ〜１９ｃは、保持テーブル１２の保持面１２１と研磨パッド３０の研磨面とが平行になるように調整するものであればよく、保持テーブル１２の傾きを調整するのではなく、研磨手段１３の傾きを調整する構成であってもよいし、保持テーブル１２と研磨手段１３との双方の傾きを調整する構成であってもよい。
さらに、荷重センサー１６ａ〜１６ｃは、保持テーブル１２の側で研磨荷重を計測するのではなく、研磨手段１３の側で研磨荷重を計測する構成であってもよい。
研磨装置１０は、判断部１８が以上発生を検出した場合に、例えばブザーや警告灯などの報知手段により、作業員に異常発生を通知する構成であってもよい。

１０研磨装置、１１基台、１２保持テーブル、１２１保持面、
１３研磨手段、１２９，１３９回転軸、
１４研磨送り手段、１５ａ〜１５ｃ支持手段、１６ａ〜１６ｃ荷重センサー、
１７制御部、１８判断部、１９ａ〜１９ｃ傾き調整手段、
２０板状ワーク、３０研磨パッド、４１〜４５時刻、
５１荷重範囲、５１１，５２１下限、５１２，５２２上限、５２進退範囲、
５２０研磨送り量、６１位置、６２研磨荷重

Claims

板状ワークを保持する保持面を有する保持テーブルと、
該保持面に保持された板状ワークを研磨する研磨パッドが回転可能に装着される研磨手段と、
該研磨手段と該保持テーブルとを相対的に接近及び離間させる研磨送り手段と、
該研磨送り手段が該研磨手段と該保持テーブルとを接近させることにより該保持テーブルに保持された板状ワークに該研磨パッドが押圧されるときの研磨荷重を検出する荷重センサーと、
該荷重センサーで検出した研磨荷重が所定の荷重範囲内となるよう、該研磨送り手段を制御する制御部と、
を備えた研磨装置において、
該研磨送り手段が該研磨手段と該保持テーブルとを接近及び離間させたときの進退量が所定の進退範囲外となったときに異常発生と判断する判断部を備え、
研磨加工中に該判断部が異常発生と判断した場合、該研磨送り手段が該研磨手段と該保持テーブルとを離間させる、研磨装置。