JP6304132B2 - ワークの加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャリアの保持孔にシリコンウェーハ等の薄板状のワークを挿入して保持し、そのワークの両面を同時に加工する、例えば両面研磨装置や両面ラップ装置などのワークの加工装置に関する。

従来より、例えばシリコンウェーハ等の薄板状のワークを平面加工する場合、両面研磨装置や両面ラップ装置が使用されている。

例えば、両面研磨装置は、発泡ウレタンや不織布からなる研磨パッドを貼り付けた上下定盤の間に、外周部に遊星ギアを有する円盤状のキャリアを配置する。ワークをこのキャリアの保持孔内に保持し、遊星ギアにかみ合うサンギアとインターナルギアとを相互に回転させることにより、キャリアの自転運動やサンギア周りの公転運動を発生させる。このキャリアの自転および公転運動、及び上下定盤の回転により、ワークと上下定盤とを摺動させてワークの上下面を同時に研磨する。研磨中には、研磨を効率的に行うため、上定盤に設けられた複数の穴から、研磨スラリーを供給する。

上定盤には上下動機構が備えられ、上定盤が昇降可能となっている（例えば、特許文献１）。上定盤を上昇させた上昇位置で、下定盤上にキャリアを配置したり、キャリアにワークを保持したりする。あるいは、上定盤を上昇位置から下降させ、上定盤と下定盤の間に適当な隙間を得る中間高さ位置で上定盤の下降を停止させ、上定盤と下定盤の間に洗浄ノズルを挿入し研磨パッドの研磨面を洗浄する。中間高さ位置で、上定盤と下定盤の間にドレッサーヘッドを挿入し研磨パッドの研磨面をドレッシングして研磨パッドの表面状態を整えたりもする。

このような研磨パッドの研磨面を洗浄したりドレッシングをする際、洗浄ノズルヘッドやドレッサーヘッドは、定盤に貼り付けられた研磨パッドの研磨面より、明らかに小さい面積を有することが多い。研磨面全体を洗浄したりドレッシングする為に、これらのヘッドはアームに取り付けられ、このアームが直線運動、もしくは旋回運動することにより、定盤の最外周から最内周までヘッドを移動させることができる。この移動と同時に上下定盤を回転させることにより、これらのヘッドは研磨面全体を洗浄したりドレスしたりすることができる。

近年、半導体デバイスの高集積化にともない、シリコンウェーハの平坦度や表面品質に対する要求は、ますます厳しくなっている。このような品質要求に応えるためには、両面研磨装置や両面ラップ装置の研磨面を常に適切な状態に維持することが重要である。

しかしながら、実際のプロセスにおいては操業に伴い、例えばラップにおいては残渣が研磨面に残りスラリーの流れを阻害したり、あるいは例えば両面研磨においては、研磨パッド表面で目詰まりが発生したり、研磨パッド表面の樹脂そのものが、変質、変形したりする。これらのようなプロセス状態の変化は、ウェーハ品質の低下やばらつきを誘引する原因となる。

このようなウェーハ品質の低下やばらつきを防止する為には、研磨面を常に均一且つ良好な状態を維持することが重要である。その為、従来の技術で述べたような、研磨面の洗浄や研磨パッドのドレッシングを定期的に実施するのが一般的である。

ところが、ウェーハの大直径化により、装置も大型化する傾向に有り、面積が大きい研磨面を均一に維持することがますます難しくなってきている。

両面研磨装置や両面ラップ装置の上定盤は、その角度を自由に変えられるよう、装置上部に設置されたシリンダーシャフトにユニバーサルジョイントや球面軸受けを介して接続される場合が多々ある。これは、ワークの研磨を実施する際、ワークやワークを保持するキャリアに厚さばらつきがあっても、常に均一な荷重を上定盤から加えることができるようにするためである。

特開平１０−２３０４５２号公報

ところが、この機構を有した上定盤を中間高さ位置で停止させると、この自由に動くことができるユニバーサルジョイントや球面軸受けのため、上定盤の傾きは安定せず、外部から僅かな力を加えただけでも、上定盤の傾きが変化してしまう。この傾きが変化してしまうと言うことは、上定盤と下定盤の間の間隔が時間と場所によって異なるということである。

そのため、このような隙間に洗浄やドレッシングヘッドを挿入し、研磨パッドの研磨面の洗浄やドレッシングを試みても、上定盤と下定盤の間の間隔が変化してしまい、洗浄やドレッシングの研磨面への作用は、場所によって異なってしまい、結果として均一な研磨面の状態を得ることができない。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で上定盤を停止させた際に、上定盤の研磨面に対して垂直方向の力が作用しても、上定盤を水平に維持することができるワークの加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、外周面に軸方向に形成された少なくとも１つの第１の溝を有する回転軸周りに回転可能なセンタードラムと、加工するワークを挿入して保持する保持孔を有するキャリアと、前記ワークを保持した前記キャリアを挟んだ状態で、前記回転軸周りに回転可能な上定盤及び下定盤と、前記上定盤の内周部に取り付けられ、前記第１の溝に挿入した先端部を前記第１の溝に沿って移動可能な少なくとも１つのフックを有するワークの加工装置であって、
前記センタードラムは、さらに、前記外周面に軸方向に形成された少なくとも１つの第２の溝を有し、
該第２の溝は、前記第１の溝と異なる長さを有し、前記上定盤が前記ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で、前記フックを下方から支持する支持面を有するものであることを特徴とするワークの加工装置を提供する。

このようなものであれば、第２の溝の支持面でフックを支持することにより、ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で上定盤を停止させた際に、上定盤の研磨面に対して垂直方向の力が作用しても、上定盤を水平に維持することができる。これにより、上定盤を水平に維持したまま、上下定盤に貼り付けられた研磨パッドの洗浄やドレッシングを均一に行うことができる。

このとき、前記第２の溝の前記支持面は、前記フックを介して少なくとも前記上定盤の荷重の全てを支持することができる表面積を有するものであることが好ましい。

このようなものであれば、フックを介して上定盤の荷重の全てを支持面で支持することができるので、上定盤の研磨面に対して垂直方向の力が作用しても、上定盤を水平に維持することができる。

このとき、前記少なくとも１つのフック、前記少なくとも１つの第１の溝、及び前記少なくとも１つの第２の溝は、それぞれが１８０°の角度間隔で配置される一対で構成させるものであることが好ましい。

このようなものであれば、フックを介して支持面で上定盤を安定して支持することができる。

またこのとき、前記センタードラムに、前記一対の第１の溝と前記一対の第２の溝とが配置される角度間隔は、９０°であることが好ましい。

このようなものであれば、第１の溝と第２の溝の切り替えを簡易に行うことができる。

またこのとき、前記ワークの加工装置は、両面研磨装置または両面ラップ装置とすることができる。

このようなものであれば、特に高平坦度が要求されるシリコンウェーハ等のワークの製造プロセスに好適に適応できる。

本発明のワークの加工装置であれば、上定盤をワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で停止させた際に、上定盤が回転したり、上定盤の研磨面に対しての垂直方向の力が作用しても、上定盤を水平に維持することができる。従って、上定盤の研磨パッドをドレッシングする等の処置を施す時、均一に作用させることができ、結果としてワークを高品質に加工することができる。

本発明のワークの加工装置の一例としての両面研磨装置を示す概略図である。 本発明の両面研磨装置において、上定盤をワークの加工を行う位置まで下降させた状態を示した概略図である。 本発明の両面研磨装置におけるセンタードラムの一例を示した概略図である。 図３に示した本発明の両面研磨装置におけるセンタードラムを軸方向に９０°回転させた概略図である。 実施例１におけるエアーバックを用いて上定盤の研磨面に対して垂直方向の力を掛ける方法を示した概略図である。 実施例１及び比較例１におけるエアーバックを用いて上定盤の研磨面に対して垂直方向の力を掛けた場合の上定盤の高さ位置の変化を示したグラフである。 比較例１におけるエアーバックを用いて上定盤の研磨面に対して垂直方向の力を掛ける方法を示した概略図である。 実施例２において、上下定盤に貼り付けられた研磨パッドをドレッシングする様子を示した概略図である。 実施例２における両面研磨及び研磨面の洗浄・ドレッシングを実施する場合のプロセスフローを示した工程図である。 実施例２及び比較例２における研磨レートとバッチとの関係を示したグラフである。 比較例２において、上下定盤に貼り付けられた研磨パッドをドレッシングする様子を示した概略図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上述したように、ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で上定盤を停止させた際に、上定盤の研磨面に対して垂直方向の力が作用すると、上定盤を水平に維持することができないという問題があった。

そこで、本発明者らはこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、外周面に軸方向に形成された少なくとも１つの第１の溝を有するセンタードラムに、さらに、外周面に軸方向に少なくとも１つの第２の溝を形成し、該第２の溝を、第１の溝と異なる長さを有し、上定盤がワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で、上定盤の内周部に取り付けられたフックを下方から支持する支持面を有するものとすることを見出した。

これにより、第２の溝の支持面でフックを支持することにより、ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で上定盤を停止させた際に、上定盤の研磨面に対して垂直方向の力が作用しても、上定盤を水平に維持することができることを発見した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。

本発明のワークの加工装置について詳細に説明する。本発明のワークの加工装置として、例えば、両面研磨装置、両面ラップ装置があげられる。
このようなものであれば、特に高平坦度が要求されるシリコンウェーハ等のワークの製造プロセスに好適に適応できる。

以下では、本発明のワークの加工装置として、両面研磨装置の場合を例として説明する。
図１に示すように、本発明の両面研磨装置１は、上下に相対向して設けられた上定盤２と下定盤３を備えており、各上下定盤２、３には、それぞれ研磨パッド４が貼付されている。上定盤２と下定盤３の間の中心部にはサンギア（不図示）が、周縁部にはインターナルギア（不図示）が設けられている。

図２に示すように、キャリア５には、ワークＷを保持するための保持孔６が形成されている。両面研磨時には、キャリア５はワークＷを保持孔６内に保持した状態で上定盤２と下定盤３の間に配設される。

上定盤２は、その角度を自由に変えられるよう、装置上部に設置されるシリンダーシャフト（不図示）にユニバーサルジョイント７や球面軸受けを介して接続される。これにより、研磨を実施する際、ワークＷやワークＷを保持するキャリア５に厚さばらつきがあっても、常に均一な荷重を上定盤２から加えることができる。ここでは、例としてユニバーサルジョイント７を用いている。

センタードラム８は、回転軸周りに回転可能となっている。センタードラム８には、外周面に軸方向に少なくとも１つの第１の溝９が形成されている。

上定盤２の内周部には、フック１１が少なくとも１つ取り付けられている。フック１１は、その先端部を第１の溝９に挿入し、第１の溝９に沿って移動することが可能となっている。

上定盤２をワークＷの加工を行う位置まで降下させる際には、上定盤２に取り付けられたフック１１がセンタードラム８に設けられた第１の溝９に挿入され嵌合する。この状態のとき、センタードラム８の回転駆動力を上定盤２に伝達して上定盤２を回転させることが可能になる。

上下定盤２、３をそれぞれ回転軸周りに回転させながら、上下の研磨パッド４をワークＷの表裏両面に押し付けるとともに、ワークＷを保持したキャリア５を自転公転させることでワークＷの両面を同時に研磨することができる。

センタードラム８には、さらに、外周面に軸方向に少なくとも１つの第２の溝１０が形成されている。第２の溝１０は、第１の溝９と異なる長さを有し、上定盤２がワークＷの加工を行う位置よりも上方となる位置で、フック１１を下方から支持する支持面１０ａを有する。

図３、４に示すように、第２の溝１０の長さは、第１の溝９と比べて短くなっている。一方、第１の溝９は、上定盤２がワークＷやキャリア５、下定盤３に接触するのに十分な長さを有している。

フック１１が第２の溝１０に挿入され嵌合し、上定盤２が下降する際、フック１１が第２の溝１０の下端の支持面１０ａに接触するため、上定盤２はそれ以上の下降を継続することはできない。そのため、上定盤２は、フック１１が支持面１０ａに接触した中間高さ位置で停止する。この中間高さ位置において、上下定盤２、３の研磨面の洗浄やドレッシングを行うことができる。

第２の溝１０の長さは、上定盤２の下降が所望する中間高さ位置で停止できるよう、調整しておくことが好ましい。

このとき、図３に示すように、第２の溝１０の支持面１０ａは、フック１１を介して少なくとも上定盤２の荷重の全てを支持することができる表面積を有するものであることが好ましい。

このようなものであれば、フック１１を介して上定盤２の荷重の全てを支持面で支持することができるので、上定盤２の研磨面に対して垂直方向の力が作用しても、上定盤２を水平に維持することができる。

例えば、第２の溝１０を切欠き状、支持面１０ａを平面形状とすることができる。ただし、これには限定されない。

このとき、フック１１、第１の溝９、第２の溝１０は、それぞれが１８０°の角度間隔で配置される一対で構成させるものであることが好ましい。

このようなものであれば、フック１１を介して上定盤２を、１８０°で正対する２つの第２の溝１０の支持面１０ａで保持することができる。このように、中間高さ位置で停止した上定盤２の荷重の全て、もしくはその一部を２点で支持するので、上定盤２を安定して支持することができ、上定盤２を停止させる高さ位置および、傾きの維持安定性を著しく改善することができる。

またこのとき、図３、図４に示すように、センタードラム８に、一対の第１の溝９と一対の第２の溝１０とが配置される角度間隔は、９０°であることが好ましい。

このようなものであれば、第１の溝９と第２の溝１０の切り替えを簡易に行うことができる。

例えば、第１の溝９から第２の溝１０への切り替えは、まず上定盤２を上昇させ、フック１１を第１の溝９から完全に抜け出す。このとき、上定盤２は回転しないのでフック１１の位置は一定のままである。この状態でセンタードラム８を９０°回転させ、その後、上定盤２を下降させると、フック１１が第２の溝１０へ挿入される。このようにして、第１の溝９から第２の溝１０への切り替えをすることができる。

上記では、第１の溝９と第２の溝１０の２種類の長さの溝をそれぞれ２つずつ、合計４つを９０°間隔でセンタードラム８に配置したが、例えば第１の溝９と第２の溝１０をそれぞれ３つずつ、合計６つを６０°間隔で配置しても良い。このようにすれば、中間高さ位置で上定盤２を停止させる際の、定盤２の高さおよび傾きの維持安定性をさらに高めることができる。また、２つの中間高さ位置で停止させたい場合は、第２の溝１０を２種類設ければよい。

上記のような本発明の両面研磨装置であれば、ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で上定盤を停止させた際に、上定盤が回転したり、上定盤の研磨面に対して垂直方向の力が作用しても、上定盤を水平に維持することができる。これにより、上定盤を水平に維持したまま、上下定盤に貼り付けられた研磨パッドの洗浄やドレッシングを均一に行うことができる。従って、このように均一にドレッシングや洗浄が行われた両面研磨装置を用いれば、ワークを高品質に研磨することができる。

上記では、本発明のワークの加工装置について、両面研磨装置の場合を例として説明したが、両面ラップ装置に適応することもでき、上記と同様の効果を奏するものとすることができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示した本発明の両面研磨装置１を用いて、上定盤２を中間高さ位置に停止させた際に、上定盤２の研磨面に対して垂直方向の力を掛けた際の上定盤２の安定性を調べた。

図５のように上定盤２を中間位置で停止させ、上定盤２と下定盤３の間にエアーバッグ１２を挿入した。そして、エアーバック１２の圧力を増加させ、上定盤２を押し上げようとする力を大きくした。

このとき、上定盤２の、エアーバッグ１２を挿入した場所と反対側で、上定盤２の高さ位置の変化をダイアルゲージ１３でモニターした。すなわち、上定盤２がエアーバッグ１２の圧力によって傾くのであれば、反対側での上定盤２の高さ位置は低くなるはずである。このときのダイアルゲージ１３による測定結果を図６に示した。図６には、後述する比較例１の結果も併せて記した。

その結果、図６に示したように、実施例１では、すなわち短溝の底面で上定盤の荷重を支持した場合には、エアーバッグと反対側における上定盤高さ変動が、比較例１に比べ、約１／１０程度まで低減できた。

図５に示すようにフック１１が第２の溝１０の支持面１０ａに接触し、支持面１０ａで上定盤２を支持するので、エアーバッグ１２で上定盤２を押し上げようとしても、上定盤２は傾かず、結果として反対側で測定している上定盤２の高さはほとんど変化しなかった。

（比較例１）
図７に示すように、両面研磨装置１０１は、上下に相対向して設けられた上定盤１０２と下定盤１０３を備えており、各定盤１０２、１０３には、それぞれ研磨パッド１０４が貼付されている。上定盤１０２は、ユニバーサルジョイント１０７に接続され、その角度を自由に変えられるようになっている。

上定盤１０２に設けられたフック１１１を、センタードラム１０８に設けられた第１の溝１０９に挿入し、上定盤１０２を下降させ、中間高さ位置で停止させた。そして、上定盤１０２と下定盤１０３の間にエアーバッグ１２を挿入し、エアーバック１２の圧力を増加させて、実施例１と同様の測定を行った。このときの結果を上述したように図６に示した。

その結果、図６に示したように、比較例１では、エアーバッグ１２と反対側における上定盤１０２高さ位置の変動が、実施例１に比べ、約１０倍程度大きかった。

上定盤２を中間高さ位置へ下降して停止させ、ドレッシングを行う場合、ドレッサーヘッドは研磨面に押しつけられる。すなわち、比較例１の結果から分かるように、第１の溝９を用いて中間高さ位置でドレッシングを行うと、ドレッサーヘッドに押し上げられた上定盤の部分は上方へ移動し、押しつけ圧力が低下してしまうため、十分なドレス効果を得ることができない。

一方、実施例１の結果から分かるように、第２の溝１０を用いて中間高さ位置でドレッシングを行えば、上定盤２の傾きが変化することはほとんど無いので、所望の圧力でドレッシングすることができることを示している。

（実施例２）

図２に示すようにしてフック１１を第１の溝９に挿入して、ワークＷの両面研磨を行った後ワークＷを取出し、上下定盤２、３に貼り付けられた研磨パッド４の研磨面の洗浄・ドレッシングを実施した。ドレッシングは、フック１１を第２の溝１０に挿入して、図８に示すように、上定盤２と下定盤３の間にドレスヘッド１４を挿入して行った。

具体的には、図９に示す工程図に従って、ワークのセット（ＳＰ１）、上定盤下降（長溝使用）（ＳＰ２）、研磨（ＳＰ３）、上定盤上昇（ＳＰ４）、ワーク取り出し（ＳＰ５）、センタードラム９０°回転（ＳＰ６）、上定盤下降（短溝使用、中間位置停止）（ＳＰ７）、研磨面洗浄・ドレッシング（ＳＰ８）、上定盤上昇（ＳＰ９）、センタードラム９０°回転（ＳＰ１０）の順に行った。そして、ＳＰ１０の後に再びＳＰ１に戻り、これを連続３０バッチ行った。

ＳＰ４とＳＰ９の上定盤上昇では、フック１１は、第１の溝９及び第２の溝１０から完全に抜け出す。このとき、上定盤２は回転しないのでフック１１の位置は一定のままである。この状態でセンタードラム８を、ＳＰ６とＳＰ１０で９０°回転させ、その後ＳＰ７とＳＰ２で上定盤２が下降すると、フック１１が挿入される溝を入れ替えることができる。

このときの、バッチ数と研磨レートとの関係を図１０に示した。なお、図１０には後述する比較例２の結果も併せて記した。また、両面研磨を行ったワークＷの平坦度としてＧＢＩＲ（Ｇｌｏｂａｌ Ｂａｃｋｓｕｒｆａｃｅ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ Ｉｄｅａｌ ｐｌａｎｅ／Ｒａｎｇｅ）、ＳＦＱＲｍａｘ（Ｓｉｔｅ Ｆｒｏｎｔｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ ｌｅａｓｔ ｓＱｕａｒｅｓ／Ｒａｎｇｅ）を測定した。

その結果、図１０に示したように、連続開始直後の研磨レートを１００としたとき、３０バッチ後の実施例２における研磨レートの低下率は約２％に留まった。また、両面研磨後のワークのフラットネスを示す、ＧＢＩＲ、ＳＦＱＲｍａｘがそれぞれ、比較例２に比較し、実施例２では、４．２％と６．０％の改善を示した。

（比較例２）
図１１に示すような、両面研磨装置１０１を用いて、第１の溝１０９を用いて中間高さ位置でドレッシングを行ったこと以外は、実施例２と同様にして、ワークＷの両面研磨及び、研磨パッド１０４の研磨面の洗浄・ドレッシングを繰り返し行った。即ち、図９におけるＳＰ６とＳＰ１０を行わなかった。

そして実施例２と同様に、このときの、バッチ数と研磨レートとの関係を測定し、上述したように図１０に示し、さらに、両面研磨を行ったワークＷの平坦度としてＧＢＩＲ、ＳＦＱＲｍａｘを測定した。

その結果、図１０に示したように、比較例２では、３０バッチ後の研磨レートが約５％の低下を示した。また、両面研磨後のワークのＧＢＩＲ、ＳＦＱＲｍａｘはそれぞれ、実施例２と比較し、比較例２では、４．２％と６．０％悪化した。

このように、センタードラムを第１の溝と第２の溝の複数の溝タイプを持つものに交換しＳＰ６とＳＰ１０のプロセスを加えるだけで、上定盤の高さと傾きを安定させた洗浄やドレッシングを行うことができることが分かった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…両面研磨装置、 ２…上定盤、 ３…下定盤、 ４…研磨パッド、
５…キャリア、 ６…保持孔、 ７…ユニバーサルジョイント、
８…センタードラム、 ９…第１の溝、 １０…第２の溝、 １０ａ…支持面
１１…フック、 １２…エアーバック、 １３…ダイアルゲージ、
１４…ドレスヘッド、 Ｗ…ワーク。

Claims (5)

1. 外周面に軸方向に形成された少なくとも１つの第１の溝を有する回転軸周りに回転可能なセンタードラムと、加工するワークを挿入して保持する保持孔を有するキャリアと、前記ワークを保持した前記キャリアを挟んだ状態で、前記回転軸周りに回転可能な上定盤及び下定盤と、前記上定盤の内周部に取り付けられ、前記第１の溝に挿入した先端部を前記第１の溝に沿って移動可能な少なくとも１つのフックを有するワークの加工装置であって、
   前記センタードラムは、さらに、前記外周面に軸方向に形成された少なくとも１つの第２の溝を有し、
   該第２の溝は、前記第１の溝と異なる長さを有し、前記上定盤が前記ワークの加工を行う位置よりも上方となる位置で、前記フックを下方から支持する支持面を有するものであることを特徴とするワークの加工装置。
2. 前記第２の溝の前記支持面は、前記フックを介して少なくとも前記上定盤の荷重の全てを支持することができる表面積を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のワークの加工装置。
3. 前記少なくとも１つのフック、前記少なくとも１つの第１の溝、及び前記少なくとも１つの第２の溝は、それぞれが１８０°の角度間隔で配置される一対で構成させるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のワークの加工装置。
4. 前記センタードラムに、前記一対の第１の溝と前記一対の第２の溝とが配置される角度間隔は、９０°であることを特徴とする請求項３に記載のワークの加工装置。
5. 前記ワークの加工装置は、両面研磨装置または両面ラップ装置であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のワークの加工装置。

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