JP6216686B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置に関し、特に基板を研磨面に押し付ける研磨ヘッドの傾きを調整する機構を備えた研磨装置に関する。

図７は、化学機械研磨（ＣＭＰ）装置を模式的に示す斜視図である。図７に示すように、ＣＭＰ装置は、回転する研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１にノズル１０２からスラリーを供給しながら、ウェハＷを研磨パッド１０１に押し付けてウェハＷの表面を研磨する。ウェハＷは研磨ヘッド１０５によって回転され、研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに押し付けられる。ウェハＷの表面は、スラリーの化学的作用と、スラリーに含まれる砥粒の機械的作用とによる組み合わせにより研磨される。

ウェハＷの研磨中、ウェハＷは研磨ヘッド１０５により回転されているので、ウェハＷのポンプ効果によって、図８に示すように、スラリーの流れがウェハＷと研磨パッド１０１との間に形成される。このようなスラリーの流れは、ウェハＷの表面に作用するスラリーの圧力に影響する。研磨テーブル１００のテーブル面と研磨ヘッド１０５のウェハ保持面とが互いに平行であるとき、図９に示すように、スラリーの圧力分布はウェハＷの中心Ｏと同心状である。

しかしながら、研磨ヘッド１０５が傾くと、スラリーの流れが変わり、結果として、図１０に示すように、スラリーの圧力分布も変化する。圧力分布の中心がウェハＷの中心Ｏからずれると、ウェハＷの表面に作用するスラリーの圧力が不均一となり、ウェハＷの研磨レートも不均一となってしまう。

特開２０００−５２２３３号公報 特開平１０−５８３０８号公報 特開平９−２０７０６５号公報

そこで、本発明は、研磨ヘッドの傾きを修正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。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに連結された回転軸と、前記回転軸を傾動可能に支持する自動調心転がり軸受と、前記回転軸のラジアル荷重を受けるラジアル転がり軸受と、前記回転軸の傾きを検出する傾き検出器と、前記回転軸の傾きを調整する傾き調整装置とを備えたことを特徴とする研磨装置である。

本発明の好ましい態様は、前記傾き検出器によって検出された前記回転軸の傾きに基づいて前記傾き調整装置を操作する制御器をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記制御器は、前記回転軸の傾きの角度が予め定められた範囲にない場合には、警報信号を発することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記自動調心転がり軸受は、前記研磨ヘッドと前記ラジアル転がり軸受との間に位置しており、前記傾き調整装置は、前記ラジアル転がり軸受に連結されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ラジアル転がり軸受は、自動調心転がり軸受から構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ラジアル転がり軸受は、複数のアンギュラ玉軸受の組み合わせから構成されていることを特徴とする。

回転軸は、自動調心転がり軸受によって支持されているので、傾くことができる。したがって、傾き調整装置は、回転軸の傾きを調整し、回転軸を研磨テーブルのテーブル面（研磨パッドの支持面）に対して垂直にすることができる。結果として、研磨ヘッドに保持された基板は、研磨テーブル上の研磨パッドの研磨面に対して平行になり、研磨液（スラリー）の圧力分布は基板の中心と同心状となる。特に、傾き検出器によって検出された回転軸の傾きに基づいて、制御器が傾き調整装置を操作することにより、基板の研磨中にも自動で回転軸の傾きを調整することができる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。 図１に示す傾き調整装置、軸受ハウジング、およびラジアル転がり軸受を示す平面図である。 研磨テーブルのテーブル面に傾きセンサが取り付けられた状態を示す図である。 他の実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。 さらに他の実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。 さらに他の実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。 一般的なＣＭＰ装置を示す斜視図である。 ウェハと研磨パッドとの間に形成されるスラリーの流れを説明する図である。 ウェハ上のスラリーの圧力分布を示す模式図である。 ウェハ上のスラリーの圧力分布を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド１を支持する回転可能な研磨テーブル３と、基板の一例であるウェハＷを保持し、ウェハＷを研磨パッド１に押し付ける研磨ヘッド（基板保持器）５と、研磨パッド１上にスラリーなどの研磨液を供給する研磨液供給ノズル７とを備えている。研磨テーブル３の上面はテーブル面３ａを構成し、このテーブル面３ａ上に研磨パッド１が貼り付けられている。研磨パッド１の上面は、ウェハＷを研磨するための研磨面１ａを構成する。

研磨ヘッド５は、回転軸１０の下端に固定されている。回転軸１０は、プーリ１２，１３およびベルト１６を介してモータ２０に連結されている。モータ２０は、ヘッドアーム２２に固定されている。モータ２０が駆動されると、回転軸１０および研磨ヘッド５はその軸心まわりに回転する。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨テーブル３および研磨ヘッド５をそれらの軸心まわりに回転させ、研磨液供給ノズル７から研磨液（スラリー）を研磨テーブル３上の研磨パッド１の研磨面１ａ上に供給する。研磨ヘッド５はウェハＷを回転させながら、ウェハＷの表面を研磨パッド１の研磨面１ａ上に押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用とによる組み合わせにより研磨される。

回転軸１０は、自動調心転がり軸受３１およびラジアル転がり軸受４１によって回転可能に支持されている。自動調心転がり軸受３１の外輪は、球面状の内周面（図示せず）を有しており、その内周面の曲率中心は自動調心転がり軸受３１の中心に一致する。ボールまたはローラーなどの転動体は外輪の内周面に転がり接触する。したがって、自動調心転がり軸受３１は、回転軸１０を傾動可能に支持することができる。自動調心転がり軸受３１の例としては、自動調心玉軸受、自動調心ころ軸受が挙げられる。

ラジアル転がり軸受４１は、回転軸１０のラジアル荷重を受けることができる軸受である。ラジアル転がり軸受４１の例としては、ラジアル玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、ラジアルころ軸受、自動調心ころ軸受が挙げられる。自動調心転がり軸受３１およびラジアル転がり軸受４１には、市販されているものを使用することができる。

研磨ヘッド５は回転軸１０の下端にねじまたはボルトなどの締結具（図示せず）によって固定されている。したがって、研磨ヘッド５は、回転軸１０と一体に回転し、回転軸１０と一体に傾く。上述したように、自動調心転がり軸受３１は、回転軸１０が傾くことを許容しつつ、回転軸１０を回転可能に支持することができる。よって、研磨ヘッド５および回転軸１０は、自動調心転がり軸受３１の中心周りに傾くことができる。

自動調心転がり軸受３１は、円筒状の軸受ハウジング３３に保持されており、この軸受ハウジング３３はヘッドアーム２２に固定されている。ラジアル転がり軸受４１は、リング状の軸受ハウジング４３に保持されており、この軸受ハウジング４３は、回転軸１０の傾きを調整する複数の傾き調整装置５１に保持されている。

図２は、図１に示す傾き調整装置５１、軸受ハウジング４３、およびラジアル転がり軸受４１を示す平面図である。図２に示すように、複数の傾き調整装置５１は、回転軸１０の周りに等間隔に配列されている。これらの傾き調整装置５１は、ヘッドアーム２２に固定されているとともに、軸受ハウジング４３の外周面に固定されている。したがって、傾き調整装置５１は、軸受ハウジング４３を介してラジアル転がり軸受４１に連結されている。各傾き調整装置５１は、軸受ハウジング４３およびラジアル転がり軸受４１を介して回転軸１０を水平方向（ラジアル方向）に押すように構成されている。傾き調整装置５１の例としては、ボールねじおよびサーボモータの組み合わせ、ピエゾ素子、油圧シリンダなどが挙げられる。

回転軸１０には傾きセンサ５４が取り付けられている。この傾きセンサ５４は、回転軸１０の傾きを検出する傾き検出器である。研磨装置は、傾きセンサ５４によって検出された回転軸１０の傾きの角度および方向に基づいて傾き調整装置５１を操作する制御器５８をさらに備えている。この制御器５８は、傾きセンサ５４および傾き調整装置５１に接続されている。

研磨テーブル３を設置する時、図３に示すように、研磨パッド１が研磨テーブル３に貼り付けられていない状態で、研磨テーブル３のテーブル面３ａに傾きセンサ５６が取り付けられる。研磨テーブル３は、そのテーブル面３ａが水平になるように設置される。テーブル面３ａが水平であるか否かは、テーブル面３ａ上の傾きセンサ５６によって検出することができる。

制御器５８は、回転軸１０の長手方向（軸心）が鉛直方向にあるように、複数の傾き調整装置５１を操作する。より具体的には、傾きセンサ５４によって検出された回転軸１０の傾きの角度および方向に基づいて、回転軸１０が鉛直になるまで、制御器５８は傾き調整装置５１に回転軸１０を水平方向（ラジアル方向）に押圧させる。

このような傾き調整装置５１の操作により、回転軸１０は、研磨テーブル３のテーブル面３ａに対して垂直に維持される。研磨ヘッド５のウェハ保持面（基板保持面）は、テーブル面３ａ上に貼り付けられた研磨パッド１の研磨面１ａと平行に維持される。結果として、ウェハＷと研磨パッド１との間に存在する研磨液の圧力分布は、ウェハＷと同心状となる。制御器５８による傾き調整装置５１の操作は、ウェハＷの研磨中に行ってもよく、またはウェハＷの研磨前に行ってもよい。制御器５８は、回転軸１０の傾きの角度が予め定められた範囲にない場合には、警報信号を発するように構成されている。

ラジアル転がり軸受４１は、自動調心転がり軸受３１の上方に配置されており、研磨ヘッド５は自動調心転がり軸受３１の下方に配置されている。言い換えれば、自動調心転がり軸受３１は、ラジアル転がり軸受４１と研磨ヘッド５との間に配置されている。ウェハＷの研磨中、ウェハＷと研磨パッド１との間の摩擦に起因して研磨ヘッド５は水平方向の荷重を受ける。この水平方向の荷重の大部分は、自動調心転がり軸受３１によって受け止められる。したがって、ラジアル転がり軸受４１に掛かるラジアル荷重は、自動調心転がり軸受３１に掛かるラジアル荷重よりも小さい。ラジアル転がり軸受４１に連結された傾き調整装置５１は、比較的小さな力で回転軸１０を傾けることができる。

図４は、他の実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図４に示すように、ラジアル転がり軸受４１として、自動調心転がり軸受が使用されている。この自動調心転がり軸受からなるラジアル転がり軸受４１は、自動調心転がり軸受３１と同じ構成を有している。ラジアル転がり軸受４１は、円筒状の軸受ハウジング６０に保持されており、この軸受ハウジング６０はヘッドアーム２２に固定されている。各傾き調整装置５１は、軸受ハウジング６０およびラジアル転がり軸受４１を介して回転軸１０を水平方向に押して回転軸１０の姿勢を調整する。

図５は、他の実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図５に示すように、ラジアル転がり軸受４１として、複数のアンギュラ玉軸受の組み合わせが使用されている。図５に示す例では、２つのアンギュラ玉軸受の組み合わせが使用されている。複数のアンギュラ玉軸受から構成されたラジアル転がり軸受４１は、円筒状の軸受ハウジング６５に保持されている。

軸受ハウジング６５は、ヘッドアーム２２に形成された孔６７に緩やかに挿入されており、軸受ハウジング６５は、ヘッドアーム２２に対して傾くことが可能となっている。軸受ハウジング６５はフランジ６５ａを有している。フランジ６５ａの水平面（下面）とヘッドアーム２２の水平面（上面）との間には、複数の傾き調整装置５１が配置されている。傾き調整装置５１は、フランジ６５ａを鉛直方向（アキシャル方向）に押すことによって軸受ハウジング６５の全体を傾かせ、これによって、ラジアル転がり軸受４１、回転軸１０、および研磨ヘッド５を傾かせる。傾きセンサ５４は軸受ハウジング６５に取り付けられている。本実施形態は、ラジアル方向における傾き調整装置５１の設置スペースが小さい場合に有利である。

図６は、他の実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図５に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。フランジ６５ａの水平面（上面）とヘッドアーム２２の水平面（下面）との間には、複数の傾き調整装置５１が配置されている。傾き調整装置５１は、フランジ６５ａを鉛直方向（アキシャル方向）に押すことによって軸受ハウジング６５の全体を傾かせ、これによって、ラジアル転がり軸受４１、回転軸１０、および研磨ヘッド５を傾かせる。

上述した実施形態に係る研磨装置は、ウェハＷの研磨中に、研磨ヘッド５と研磨パッド１の研磨面１ａとを平行に維持することができ、さらにウェハ間での研磨のばらつきを小さくすることができる。制御器５８は、ウェハＷの研磨中に、回転軸１０の傾きが予め定められた範囲にない場合には、警報信号を発することが望ましい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
３ａ テーブル面
５ 研磨ヘッド（基板保持器）
７ 研磨液供給ノズル
１０ 回転軸
１２，１３ プーリ
１６ ベルト
２０ モータ
２２ ヘッドアーム
３１ 自動調心転がり軸受
３３ 軸受ハウジング
４１ ラジアル転がり軸受
４３ 軸受ハウジング
５１ 傾き調整装置
５４ 傾きセンサ（傾き検出器）
５８ 制御器
６０，６５ 軸受ハウジング
Ｗ ウェハ

Claims (6)

1. 研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
   基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、
   前記研磨ヘッドに連結された回転軸と、
   前記回転軸を傾動可能に支持する自動調心転がり軸受と、
   前記回転軸のラジアル荷重を受けるラジアル転がり軸受と、
   前記回転軸の傾きを検出する傾き検出器と、
   前記回転軸の傾きを調整する傾き調整装置とを備えたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記傾き検出器によって検出された前記回転軸の傾きに基づいて前記傾き調整装置を操作する制御器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記制御器は、前記回転軸の傾きの角度が予め定められた範囲にない場合には、警報信号を発することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記自動調心転がり軸受は、前記研磨ヘッドと前記ラジアル転がり軸受との間に位置しており、
   前記傾き調整装置は、前記ラジアル転がり軸受に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
5. 前記ラジアル転がり軸受は、自動調心転がり軸受から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
6. 前記ラジアル転がり軸受は、複数のアンギュラ玉軸受の組み合わせから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

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