JP6531034B2 - ウェハ研磨装置 - Google Patents

Description

本発明はウェハ研磨装置に関するものであり、特に、半導体ウェハを研磨するウェハ研磨装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線距離間隔もより狭くなりつつある。そこで、半導体ウェハ(以下、単に「ウェハ」という)の表面を平坦化することが必要になり、その平坦化の一手段としてポリッシング装置により研磨することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

一般に、この種のポリッシング装置は、図５に示すように、回転するチャックテーブル１０１上にウェハＷを保持し、このチャックテーブル１０１と対向する上側の位置に、研磨パッド１０２を下面側に取り付けてなる回転駆動軸１０３を有する構成となっている。そして、チャックテーブル１０１をウェハＷと共に水平回転させると共に、回転駆動軸１０３と一体に研磨パッド１０２を水平回転させる。さらに、研磨パッド１０２とウェハＷの間に砥液(図示せず)を供給しつつ、研磨パッド１０２をチャックテーブル１０１側のウェハＷに一定の押圧力Ｐで接触させるとともに、同図中に示す矢印Ａ−Ｂ方向に移動させ、その研磨パッド１０２によりウェハＷの表面を平坦、かつ、鏡面に研磨している。

ところで、この種のポリッシング装置においては、研磨中のウェハＷと研磨パッド１０２との間の相対的な押圧力ＰがウェハＷの表面全体に渡って均一でないと、各部分では押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、研磨パッド１０２は、ウェハＷに対して常に平行に接触するのが好ましい。

しかしながら、図５に示したポリッシング装置の構造では、図６に示すように、回転駆動軸１０３の回転駆動軸線Ｏ１がウェハＷから外れた位置に移動されると、矢印Ｃに示す方向に研削パッド１０２を回転させる力が発生して、研磨パッド１０２とウェハＷの片当たりが生じ、更に回転駆動軸１０３も研削パッド１０２と共に矢印Ｃ方向に大きく傾き、片削りを起こす虞がある。

そこで、従来のポリッシング装置においては、例えば特許文献２で知られるように、球面軸受を採用した装置もある。特許文献２で知られるポリッシング装置の球面軸受の部分は、概略図７に示すようになっている。図７のポリッシング装置では、回転駆動軸２０３の先端に球面部２０４を一体に形成するとともに、ウェハＷを保持するトップリング２０５の上面に球面部２０４を収容する凹球面でなる球面座２０６を形成している。そして、トップリング２０５を回転駆動軸２０３に対して矢印２０７の方向に往復傾動可能にすることにより、トップリング２０５がターンテーブル２０１の傾きに自動的に倣うように構成している。これによって、トップリング２０５のウェハ保持面２０５ａとターンテーブル２０１の上面との平行度を保ち、ウェハＷとターンテーブル２０１に設置された研磨パッド２０７との相対的な押圧力Ｐを、ウェハＷの全面に亘って均一になるようにしている。

特開２０１０−４５２６２号公報。 特開平６−１９８５６１号公報。

しかしながら、特許文献２で知られる球面軸受を採用したポリッシング装置においては、回転駆動軸２０３の下面とトップリング２０５の上面との間に比較的大きな面積の凸球面(球面部２０４)と凹球面(球面座２０６)を形成し、両球面の滑り接触によってトップリング２０５が傾動するようにしているため、両球面間の摩擦力が大きく、トップリング２０５のターンテーブル２０１の面に対する追従性が悪い。そのため、トップリング２０５の保持面とターンテーブル２０１の面との平行度が失われることがあるという問題点があった。加えて、凸球面と凹球面とを所定半径の球面に正確に加工しないと球面軸受としての機能を果たさない。そのため、高度な加工を必要とするという問題点もあった。

また、球面軸受を採用していない従来のポリッシング装置においては、チャックテーブルの面の傾きに合わせて、回転駆動軸の傾きを予め調整しておく必要があった。しかし、回転駆動軸の傾き調整は煩雑な上、何らかの影響によってチャック角度が調整時と異なってしまうと、研磨パッドとウェハの平行度が悪化し、適正な研磨加工が実施されない可能性がある。

さらに、チャックテーブルが研磨パッドに対して角度調整可能な機構を備えている場合は、新たなウェハを研磨する度にチャックテーブルの角度を元に戻す必要があり、その分、加工時間が長くなるというデメリットが生じる。

また、さらに研磨パッドを揺動させながら加工を行う場合、研磨パッドを保持している可動部材とチャックテーブルの位置関係が常に変動することから、研磨パッドがウェハに片当たりする場合がある。

そこで、チャックテーブルと研磨パッドがどのような位置関係であっても、研削パッドがウェハと平行に接触して、常に適正な研磨加工を行うことができる構成にしたウェハ研磨装置を提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、回転するチャックテーブル上に保持されたウェハに、前記チャックテーブルと相対的に回転する研磨パッドを押し付け、前記ウェハの表面を研磨するウェハ研磨装置において、回転駆動軸と、前記研磨パッドを下面側に取り付けた可動部材と、前記回転駆動軸の他端側に固定して一体回転可能に取り付けられた固定部材と、前記回転駆動軸と前記可動部材との間に介装されたコイルスプリングと、前記可動部材と前記固定部材との間に設けられ、揺動支点を前記ウェハの略表面上で、かつ、前記回転駆動軸の軸中心と一致する位置に設定して、前記回転駆動軸に対して前記可動部材を前記研磨パッドと共に揺動自在に支持してなる曲面軸受機構と、を備えるウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、曲面軸受機構により揺動される可動部材の揺動支点を、ウェハの略表面上で、かつ、回転駆動軸の軸中心と一致する位置に設定している。そのため、可動部材により保持されている研磨パッドとウェハを保持しているチャックテーブルがどのような位置関係であっても、揺動支点はウェハの表面上にあるので、可動部材はウェハの表面上で研磨パッドと共に、常にその揺動支点を中心に回転する。これにより、可動部材の揺動は、研磨パッドと共にチャックテーブルの上面(ウェハの表面)の動きに滑らかに追従し、常に研磨パッドとチャックテーブルとの平行度を保つことができる。そして、研磨中のウェハと研磨パッドとの間の相対的な押圧力を、ウェハの表面全体に亘って均一に付加することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記曲面軸受機構が、前記固定部材に形成された内側凸曲面と、前記可動部材に形成された外側凹曲面と、前記内側凸曲面と前記外側凹曲面との間に介装された複数個の球体と、を備えるウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、曲面軸受機構は、内側凸曲面と外側凹曲面との間に複数個の剛球を介装し、可動部材と固定部材との滑り接触を点接触とし、点の滑り接触で可動部材が回転駆動軸に対して揺動するようにしているので、摩擦が少なく滑らかな追従を許容する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成において、前記コイルスプリングが、前記回転駆動軸と前記可動部材との間にチルト手段を構成してなる、ウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、研磨作業中に生じる可動部材及び研磨パッドにおける中立位置への揺動復帰が、チルト手段により自動的になされるので、可動部材が研磨パッドと共にウェハの略平面上で円滑に傾動し、研磨パッドとチャックテーブルとの平行度を更に保つことができる。これにより、可動部材と研磨パッドによるチャックテーブルの上面の動きが更に滑らかで、かつ、迅速に追従することができる。

請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３に記載の構成において、前記可動部材が、該可動部材の傾きに応じて、前記回転駆動軸に対してフロートする構成としてなる、ウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、可動部材が、該可動部材の傾きに応じて回転駆動軸に対してフロートすることにより、可動部材と研磨パッドによるチャックテーブルの上面の動きが更に滑らかで、かつ、迅速に追従することができる。

本発明のウェハ研磨装置によれば、可動部材により保持されている研磨パッドとウェハを保持しているチャックテーブルがどのような位置関係であっても、可動部材は、研磨パッドと共にチャックテーブルの上面(ウェハの上面)の動きに対して滑らかに、かつ、迅速に追従して回転し、常に研磨パッドとチャックテーブル(ウェハの上面)との平行度を保つことができる。これにより、研磨中のウェハと研磨パッドとの間の相対的な押圧力が、ウェハの表面全体に亘って均一に付加されることになり、ウェハの表面を精度良く、平坦、かつ鏡面に研磨することができる。

本発明の実施の形態に係る一実施例として示すウェハ研磨装置の全体構造図である。 ウェハの研磨を実施している状態で示す同上ウェハ研磨装置の全体構造図である。 図２の部分拡大図であって、同上ウェハ研磨装置における曲面軸受機構の作用を説明する図である。 図３の一部を更に拡大した図であって、同上ウェハ研磨装置における曲面軸受機構の構造を説明する図である。 従来のポリッシング装置の一例を説明する概略構成図である。 図６に示したポリッシング装置の問題点を説明する図である。 従来のポリッシング装置の他の例と、その問題点を説明する図である。

本発明は、チャックテーブルと研磨パッドがどのような位置関係であっても、研削パッドがウェハと平行に接触して適正な研磨加工を行うことができるウェハ研磨装置を提供するという目的を達成するために、回転するチャックテーブル上に保持されたウェハに、前記チャックテーブルと相対的に回転する研磨パッドを押し付け、前記ウェハの表面を研磨するウェハ研磨装置において、回転駆動軸と、前記研磨パッドを下面側に取り付けた可動部材と、前記回転駆動軸の他端側に固定して一体回転可能に取り付けられた固定部材と、前記回転駆動軸と前記可動部材との間に介装されたコイルスプリングと、前記可動部材と前記固定部材との間に設けられ、揺動支点を前記ウェハの略表面上で、かつ、前記回転駆動軸の軸中心と一致する位置に設定して、前記研磨パッドと共に前記回転駆動軸に対して前記可動部材を前記研磨パッドと共に揺動自在に支持してなる曲面軸受機構とを備える、構成としたことにより実現した。

以下、本発明の実施形態によるウェハ研磨装置の一実施例を図１乃至図４を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る一実施例として示すウェハ研磨装置の全体構造図、図２はウェハの研磨を実施している状態で示す同上ウェハ研磨装置の全体構造図、図３は図２の部分拡大図であって、同上ウェハ研磨装置における曲面軸受機構の作用を説明する図、図４は図３の一部を更に部分拡大した図であって、同上ウェハ研磨装置における曲面軸受機構の構造を説明する図である。

図１及び図２において、ウェハ研磨装置１０は、主としてチャックテーブル１１と研磨ヘッド１２とから構成されている。

前記チャックテーブル１１は、円盤状に形成されている。また、図示しないが、チャックテーブル１１の下面中央には支持軸が連結されており、その支持軸の下端に連結されたモータの駆動により所定方向へ回転軸線Ｏ３を軸心として水平回転する。そのチャックテーブル１１の上面には、ウェハＷが吸着保持され、チャックテーブル１１はその吸着保持したウェハＷと共に一体に回転する。なお、チャックテーブル１１上には、図示しないノズルから研磨材と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。

前記研磨ヘッド１２は、図示せぬ移動機構に取り付けられている。そして、研磨ヘッド１２は、その移動機構の駆動によって水平方向(Ｘ−Ｙ方向)及び垂直方向(Ｚ方向)に移動される。

さらに詳述すると、研磨ヘッド１２は、上下方向(垂直方向)に延びるヘッド本体部１３と、そのヘッド本体部１３に支持された上下方向に延びる回転駆動軸１４と、その回転駆動軸１４と同軸状に配置され、かつ回転駆動軸１４と一体に回転する研磨パッド１５とを備える。

前記ヘッド本体部１３は、筒状体として形成されている。ヘッド部材１３は、その筒状体の内部に、ベアリング１６を介して前記回転駆動軸１４を回転可能に支持している。その回転駆動軸１４の一端側(上端側)には図示しないモータが取り付けられており、回転駆動軸１４は、そのモータの駆動により回転軸線Ｏ２を軸心として所定方向へ回転する。一方、回転駆動軸１４の他端側(下端側)の端面には、円盤状をした固定部材１７が、回転駆動軸１４の回転軸線Ｏ２と直交して取り付けられている。そして、固定部材１７は、該回転駆動軸１４の回転時に、該回転駆動軸１４と一体に水平回転する。また、固定部材１７には、曲面軸受機構１８を介して可動部材１９が取り付けられている。さらに、該固定部材１７の上側において、回転駆動軸１４の下端外周には、スリーブ２０が上方向の移動が規制された状態で装着されている。

前記可動部材１９は、円盤状に形成されている。図３に詳細に示すように、その可動部材１９は、前記固定部材１７の上面及び外周を覆って配設されてなる上部可動部材１９ａと、該固定部材１７の下面を覆って配設されてなる下部可動部材１９ｂとを備え、前記固定部材１７と前記上部可動部材１９ａとの間に、前記曲面軸受機構１８を設けている。また、下部可動部材１９ｂの下面側には、冷却機構２５を介して前記研磨パッド１５を、下部可動部材１９と一体移動可能に取り付けている。

前記上部可動部材１９ａは、中央部分に、前記スリーブ２０を介して回転駆動軸１４の下端部を貫通させてなる孔２１が設けられている。また、上部可動部材１９ａの上面には、筒状のガイド部材２２が一体移動可能に取り付けられている。そのガイド部材２２の上端部側は、ヘッド本体部１３の下端側に回転軸線Ｏ２と同軸状で設けられているリング状をしたガイド溝２３内に、傾動並びに上下方向移動自在に挿入係合されている。

一方、上部可動部材１９ａの下面側には、前記固定部材１７を収納する凹部２６が形成されており、その凹部２６内に前記曲面軸受機構１８を設けている。そして、上部可動部材１９ａは、その曲面軸受機構１８を介して、固定部材１７に傾動可能に支持されている。また、上部可動部材１９ａの下面には、円盤状をした前記下部可動部材１９ｂが、その凹部２６を閉じるようにして取り付けられている。

また、前記スリーブ２０の外周には、コイル状をしたスプリング２４(以下、これを単に「コイルスプリング２４」という)が、回転駆動軸１４と上部可動部材１９ａとの間に圧縮された状態に介装されている。すなわち、前記可動部材１９は、コイルスプリング２４により回転駆動軸１４に対して常に下方に付勢された状態にして保持されている。コイルスプリング２４の配設は、固定部材１７に対する下部可動部材１９ｂの傾動の許容、及び、その傾動の中立位置への復帰を行わせるチルト手段を構成している。また、同時に、コイルスプリング２４の配設は、可動部材１９の傾きに応じてコイルスプリング２４が伸縮し、その伸縮により該可動部材１９が回転駆動軸１４に対して上下方向にフロート(浮き沈み移動)するのを許容する。

前記曲面軸受機構１８は、固定部材１７の外周面に形成された内側凸曲面１８ａと、この内側凸曲面１８ａと対向して上部可動部材１９ａの内面に形成された外側凹曲面１８ｂと、内側凸曲面１８ａと外側凹曲面１８ｂとの間に介装されたボールベアリングである剛球１８ｃとで構成されている。

前記曲面軸受機構１８の内側凸曲面１８ａは、固定部材１７の上面側から下面側へ進むに従って外側へ向かうようにして傾斜しているとともに、図３中に示す符号Ｒの位置(以下、この位置を「揺動支点Ｒ」という)に中心を設定して描かれる円周に倣う、凸状をした曲面で形成されている。一方、曲面軸受機構１８の外側凹曲面１８ｂも、内側凸曲面１８ａと同様に、上面側から下面側へ進むに従って外側へ向かうように傾斜しているとともに、前記揺動支点Ｒに中心を設定して描かれる円周に倣う、凹状をした曲面で形成されている。すなわち、内側凸曲面１８ａと外側凹曲面１８ｂとは、その間に前記剛球１８ｃを挟んで互いに平行に配置されている。なお、剛球１８ｃは、それぞれ円周方向に略等間隔離して、少なくとも３個以上設けられる。また、前記揺動支点Ｒは、図３に示すように、研磨パッド１５がチャックテーブル１１上のウェハＷの表面に押し付けられたときに、そのウェハＷの略表面上で、かつ回転駆動軸１４の軸中心と一致する位置に設定される。

したがって、ここでの研磨ヘッド１２の可動部材１９及び研磨バット１５は、固定部材１７(回転駆動軸１４)に対する可動部材１９の上下方向の揺動、すなわち図３中に矢印２７で示す方向の揺動は、その揺動支点Ｒを中心にして行われる。また、その揺動支点Ｒを中心とした、可動部材１９の前記矢印２７方向における所定量の揺動を可能とするために、それぞれ上部可動部材１９に設けた貫通孔２１はスリーブ２０の外径よりも若干大きな内径で、この寸法差によって貫通孔２１とスリーブ２０との間に遊びを持たせて形成され、前記ヘッド本体１３に設けたガイド溝２３の幅Ｓ２(図３参照)は、ガイド部材２２の肉厚よりも大きくこの寸法誤差によってガイド溝２３との間に遊びＳ１(図４参照)を持たせて傾動可能に形成されている。

次に、ウェハ研磨装置１０の作用を説明する。まず、図１に示すように研磨ヘッド１２がチャックテーブル１１の上方に大きく離れている状態において、チャックテーブル１１上にウェハＷが真空吸着により取り付けられる。その後、チャックテーブル１１を所定の方向に回転駆動させるとともに、回転駆動軸１４の所定の方向への相対的な回転を開始する。

回転駆動軸１４が回転を始めると、回転駆動軸１４の回転は図４に示す、固定部材17の下面に取り付けられているキー２８ａ及び下部可動部材１９ｂに配設されたキー溝２８ｂを介して可動部材１９に動力伝達されて、回転駆動軸１４と可動部材１９が同時に回転する。すなわち、この可動部材１９の回転により研磨パッド１５も同時に回転する。

次いで、研磨ヘッド１２を降下させて、その研磨パッド１５を所定の押圧力Ｐでチャックテーブル１１上のウェハＷに接触させ、研磨パッド１５をウェハＷに押し付ける。また、このとき図示しない研磨砥液ノズルからウェハＷ上に研磨砥液を流し、研磨パッド１５に研磨砥液を保持させる。これにより、ウェハＷの研磨される面(下面)に研磨砥液が浸入しポリッシングを始める。

このとき、チャックテーブル１１の上面(ウェハＷの面)に僅かな傾きがあった場合、可動部材１９は曲面軸受機構１８の揺動制御により、研磨パッド１５と共にウェハＷの面上における揺動支点Ｒを中心として回転駆動軸に対して傾動(揺動)する。この揺動では、チルト手段を構成しているコイルスプリング２４が撓まされて、可動部材１９の揺動を許容する。そして、この揺動により、可動部材１９と研磨パッド１５とがウェハＷの面に対して平行に調節される。この調整により、研磨中のウェハＷと研磨パッド１５との間の相対的な圧力を、ウェハＷの表面全体に亘って均一に付加することができる。また、この揺動では、曲面軸受機構１８は剛球１８ｃを使用して構成しているので、揺動時における固定部材１７と可動部材１９との間の接触は点接触となり、摩擦が少なく、その傾動が滑らかに行われることになる。そして、研磨中のウェハＷと研磨パッド１５との間の相対的な圧力を、ウェハＷの表面全体に亘って均一に付加することができる。可動部材１９が研磨パッド１５と共にチャックテーブル１１上の僅かな傾き及びウェハＷの研磨加工面に倣って追従する。そして、可動部材１９が、チャックテーブル１１の上面(ウェハＷの面)に対して研磨パッド１５と共に、常に平行に保持され、ウェハＷの表面を平坦、かつ、鏡面に研磨する。

また、研磨後は、回転駆動軸１４のスリーブ２０と可動部材１９との間に介装されているチルト手段としてのコイルスプリング２４が、可動部材１９及び研磨パッド１５の傾きを中立位置(回転軸線Ｏ２に中心軸が略一致された状態に戻る位置)まで自己復帰させる。そして、そのコイルスプリング２４の自己復帰力により、可動部材１９の回転軸線が回転駆動軸１４の回転軸線Ｏ２と略一致される。

さらに、可動部材１９が回転駆動軸１４に対して傾くことにより、その可動部材１９が上方にフロートしようとするとき、コイルスプリング２４が圧縮変形されて可動部材１９の上方へのフロートを許容し、また浮上力が解消されたらコイルスプリング２４の圧縮力で可動部材１９を下降させる。しがって、この上下方向へのフロートによっても、可動部材１９がチャックテーブル１１上の僅かな傾き及びウェハＷの研磨加工面に倣って研磨パッド１５と共に追従するのをし易くする。そして、この追従により可動部材１９が、チャックテーブル１１の上面(ウェハＷの面)に対して研磨パッド１５と共に常に平行に保持される。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

以上説明したように、本発明はウェハＷの表面を研磨する場合について説明したが、ウェハＷの表面を研磨する以外にも、一般の板を研磨する装置にも応用できる。

１０ ウェハ研磨装置
１１ チャックテーブル
１２ 研磨ヘッド
１３ ヘッド本体部
１４ 回転駆動軸
１５ 研磨パッド
１６ ベアリング
１７ 固定部材
１８ 曲面軸受機構
１８ａ 内側凸曲面
１８ｂ 外側凹曲面
１８ｃ 剛球
１９ 可動部材
１９ａ 上部可動部材
１９ｂ 下部可動部材
２０ スリーブ
２１ 貫通孔
２２ ガイド部材
２３ ガイド溝
２４ コイルスプリング(チルト手段)
２５ 冷却機構
２６ 凹部
２７ 矢印
２８ａ キー
２８ｂ キー溝
Ｏ２ 回転軸線
Ｏ３ 回転軸線
Ｐ 押圧力
Ｒ 揺動支点
Ｗ ウェハ

Claims (4)

1. 回転するチャックテーブル上に保持されたウェハに、前記チャックテーブルと相対的に回転する研磨パッドを押し付け、前記ウェハの表面を研磨するウェハ研磨装置において、
   回転駆動軸と、
   前記研磨パッドを下面側に取り付けた可動部材と、
   前記回転駆動軸の他端側に固定して一体回転可能に取り付けられた固定部材と、
   前記回転駆動軸と前記可動部材との間に介装されたコイルスプリングと、
   前記可動部材と前記固定部材との間に設けられ、揺動支点を前記ウェハの略表面上で、かつ、前記回転駆動軸の軸中心と一致する位置に設定して、前記回転駆動軸に対して前記可動部材を前記研磨パッドと共に揺動自在に支持してなる曲面軸受機構と、
   を備えることを特徴とするウェハ研磨装置。
2. 前記曲面軸受機構が、前記固定部材に形成された内側凸曲面と、前記可動部材に形成された外側凹曲面と、前記内側凸曲面と前記外側凹曲面との間に介装された複数個の球体と、を備えることを特徴とするウェハ研磨装置。
3. 前記コイルスプリングが、前記回転駆動軸と前記可動部材との間にチルト手段を構成してなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のウェハ研磨装置。
4. 前記可動部材が、該可動部材の傾きに応じて、前記回転駆動軸に対してフロートする構成としてなる、ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のウェハ研磨装置。

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