JP7033960B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明はウェハを研磨する研磨装置に関するものである。

半導体製造分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）に残存するクラックを除去するためにウェハを研磨する研磨装置が知られている。

特許文献１記載の研磨装置は、研磨加工に際して研磨パッドをウェハに着座させ、ウェハ及び研磨パッドを回転させながら、ウェハより大径に形成された研磨パッドをウェハに押圧することによりウェハの上面を研磨する研磨装置である。

特開２０１５－１３４３８３号公報

しかしながら、特許文献１記載の研磨装置では、ウェハの一部が露出するように研磨パッドをオフセットして配置して研磨パッドをウェハに押圧する際に、研磨パッドのウェハからはみ出した部分が落ち込むように研磨パッドがウェハに対して傾き、ウェハの研磨量にバラつきが生じる虞があるという問題があった。

また、研磨パッドをウェハに押圧させる場合に、研磨パッドの中心付近には大きな押圧力が作用する一方で、研磨パッドの外周側には十分な押圧力が作用せず、ウェハ面内の押圧力に大きなバラつきが生じる虞があるという問題があった。

さらに、ウェハの研磨レートを増大させるために、ウェハと研磨パッドとを互いに対向するように回転させる場合、研磨レートは、研磨パッドに対するウェハの相対速度、研磨パッドがウェハを押圧する押圧量及び研磨パッドがウェハに接触する研磨時間の積に比例するところ、ウェハ面内では相対速度及び研磨時間が一定ではなく、ウェハ全体での研磨精度が落ちるという問題があった。

そこで、ウェハ全体を高精度に研磨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。

上記目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、ウェハの研磨装置であって、前記ウェハを吸着保持するチャックと、前記ウェハより大径に形成されて前記ウェハを覆った状態で前記ウェハの上面を研磨する研磨パッドを備え、前記チャックの上方に配置された研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを回転させるスピンドルシャフトと、前記研磨ヘッドを前記スピンドルシャフトに傾斜自在に接続する傾き許容接続手段と、前記スピンドルシャフトを介して前記研磨ヘッドを下方に押圧する中央押圧手段と、前記スピンドルシャフトの外周側に設けられて、前記研磨ヘッドをチャックに向けて押圧する外側押圧手段と、を備えている。

この構成によれば、中央押圧手段が研磨ヘッドの中央を押圧するとともに、外側押圧手段がスピンドルシャフトの外周側で研磨ヘッドをチャックに向けて押圧することにより、研磨パッドがウェハの上面に追従するように研磨ヘッドがスピンドルシャフトに対して傾くため、ウェハ全面に研磨パッドを当接させた状態で研磨を行うことができる。また、外側押圧手段がスピンドルシャフトの外周側を押圧することにより、研磨パッドの外周側で生じがちな加圧逃げを抑制して、研磨パッドの中央に集中しがちな押圧力分布のバラつきを緩和することができる。さらに、研磨パッドがウェハを覆った状態でウェハを研磨することにより、ウェハ全面で研磨時間が略一定になるため、研磨レートが均一化されて、研磨精度を向上させることができる。

また、本発明に係る研磨装置は、前記研磨ヘッドは、前記傾き許容接続手段を介して前記スピンドルシャフトに接続され、下端に前記研磨パッドが取り付けられた回転体と、前記回転体の内側に配置され、前記外側押圧手段が取り付けられた固定体と、前記回転体と固定体との間に介装され、前記外側押圧手段の押圧力を前記回転体に伝達する加圧伝達手段と、を備えていることが好ましい。

この構成によれば、外側押圧手段の押圧力が、固定体、加圧伝達手段、回転体の順に伝達するため、外側押圧力手段の直下において研磨パッドをウェハの上面に押し付ける押圧力を局所的に付与することができる。

また、本発明に係る研磨装置は、前記チャック及び研磨パッドは、平面から視て同方向に回転することが好ましい。

この構成によれば、研磨パッドとウェハとが同方向に回転することにより、ウェハ面内で研磨パッドに対するウェハの相対速度が略一定になるため、研磨レートが均一化されて、研磨精度を向上させることができる。

また、本発明に係る研磨装置は、前記外側押圧手段は、平面から視て前記研磨ヘッドの回転中心及び前記ウェハの中心を結ぶ直線を挟んで対称な位置に設けられ、前記研磨ヘッドの回転中心及び前記外側押圧手段は、平面から視て正多角形の頂点上に１つずつ設けられていることが好ましい。

この構成によれば、複数の外側押圧手段が研磨パッドをバランス良く押し付けることにより、研磨パッドがウェハに追従するように研磨ヘッドの姿勢がスムーズに補正されるため、ウェハ全面に研磨パッドを当接させた状態で研磨を行うことができるとともに、研磨パッドの外周側の加圧逃げを抑制して押圧力分布のバラつきを緩和することができる。

本発明は、ウェハ全面に研磨パッドを当接させた状態で研磨を行い、ウェハ全面に略均一な押圧力を作用させ、研磨レートが均一化されて、研磨精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置を適用した加工装置を模式的に示す平面図。 研磨装置を示す斜視図。 研磨装置の内部構造を示す模式図。 エアパッドの設置位置を示す平面図。 従来の研磨装置における、研磨パッド及びウェハの位置関係を示す平面図及び側面図。 従来の研磨装置における、研磨パッドに対するウェハの相対速度又は接触時間を示す図。 本実施形態に係る研磨装置における、研磨パッド及びウェハの位置関係を示す平面図及び側面図。 本実施形態に係る研磨装置における、研磨パッドに対するウェハの相対速度又は接触時間を示す図。 エアシリンダによる圧力分布を示す模式図。 ウェハ内のエアシリンダによる圧力分布を示す図。 エアシリンダ及びエアパッドによる圧力分布を示す模式図。 ウェハ内のエアシリンダ及びエアパッドによる圧力分布を示す図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、加工装置１の基本的構成を示す平面図である。加工装置１は、ウェハＷの研削加工及び研磨加工を連続して行うものである。

加工装置１には、プラットフォーム（ウェハ受け渡し）ステージＳＴ１、粗研削ステージＳＴ２、精研削ステージＳＴ３及び研磨ステージＳＴ４の４つのステージが設けられている。

加工装置１は、図１の紙面を反時計回りに回動可能なインデックステーブル２と、インデックステーブル２の回転軸を中心に同心円上で等間隔に離間して配置された４つのチャック３と、を備えている。インデックステーブル２が、９０°ずつステップ回転することにより、チャック３は、プラットフォーム（ウェハ受け渡し）ステージＳＴ１、粗研削ステージＳＴ２、精研削ステージＳＴ３、研磨ステージＳＴ４の順に移動する。

チャック３は、上面にアルミナ等の多孔質材料からなる図示しない吸着体が埋設されている。チャック３は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、チャック３に載置されたウェハＷがチャック３に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ウェハＷとチャック３との吸着が解除される。

プラットフォーム（ウェハ受け渡し）ステージＳＴ１には、ウェハアライメントユニット４と、第１の搬送アーム５と、を備えている。ウェハアライメントユニット４には、第２の搬送アーム６によってロードポート７から取り出された研削前のウェハＷが載置されて、ウェハＷの位置出しが行われる。第１の搬送アーム５は、位置出しされたウェハＷをウェハアライメントユニット４からチャック３に搬送する。

ウェハＷは、バッググラインドテープや、ガラス基板、シリコン基板等のサポート基板にマウントされた状態でチャック３に吸着保持される。特に、ウェハＷが薄く、大口径化するにつれて、サポート基板が用いられることが多い。

粗研削ステージＳＴ２には，図示しない粗研削砥石と、粗研削砥石送り機構８と、が設けられている。粗研削砥石には、例えば＃６００のカップ型砥石が用いられる。粗研削砥石送り機構８は、粗研削砥石を下端に取り付けるとともに粗研削砥石を回転可能に支持するスピンドル８ａと、スピンドル８ａを鉛直方向に昇降させるスピンドル送り機構８ｂと、を備えている。

精研削ステージＳＴ３には、図示しない精研削砥石と、精研削砥石送り機構９と、が設けられている。精研削砥石には、例えば＃４０００のカップ型砥石が用いられる。精研削砥石送り機構９は、精研削砥石を下端に取り付けるとともに精研削砥石を回転可能に支持するスピンドル９ａと、スピンドル９ａを鉛直方向に昇降させるスピンドル送り機構９ｂと、を備えている。

上述した各スピンドル送り機構は、公知の構成であり、例えば、２本のリニアガイドとボールネジスライダ機構とで構成されている。

研磨ステージＳＴ４には、後述する研磨装置１０が設けられている。研磨装置１０の具体的構成については後述する。

加工装置１は、１次洗浄ユニット１１と、２次洗浄ユニット１２と、を備えている。１次洗浄ユニット１１は、第３の搬送アーム１３によってチャック３から搬送された研削・研磨後のウェハＷの裏面（非加工面）を洗浄する。

２次洗浄ユニット１２は、第３の搬送アーム１３によって１次洗浄ユニット１１から搬送された１次洗浄後のウェハＷの表面（加工面）及び裏面を洗浄する。例えば、ウェハＷ裏面（非加工面）の全面又は中心の一部を吸着保持し、ウェハＷの表面に純水又は純水及びミストから成る２流体ミストを吹き付ける等しながら、スピン回転によって純水を吹き飛ばすことにより洗浄を行う。または、ウェハＷの周縁を３本又は４本のコマで支持しながら、ウェハＷの表面及び裏面に純水とミストから成る２流体ミストを吹き付けることにより洗浄を行う。２次洗浄後のウェハＷは、第２の搬送アーム６によってロードポート７に格納させる。

加工装置１の動作は、制御装置１４によって制御される。制御装置１４は、加工装置１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御装置１４は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御装置１４の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

次に、研磨装置１０の具体的構成について、図面に基づいて説明する。図２は、研磨装置１０を示す斜視図である。図３は、研磨装置１０の内部構造を示す模式図である。図４は、エアパッド７０の設置位置を示す平面図である。

研磨装置１０は、チャック３に吸着保持されたウェハＷの上面を研磨して、粗研削ステージＳＴ２又は精研削ステージＳＴ３での研削加工時に発生したマイクロクラックを含むダメージ層を除去するものである。

研磨装置１０は、スピンドル２０と、研磨ヘッド３０と、を備えている。

スピンドル２０は、モータ２１と、モータ２１に接続された円筒状のスピンドルシャフト２２と、スピンドルシャフト２２を収容するケーシング２３と、スピンドルシャフト２２とケーシング２３との間に介装されたベアリング２４と、を備えている。スピンドルシャフト２２は、モータ２１によって回転軸ａ１を中心として回転する。

スピンドルシャフト２２内部の空洞には、スラリーを流す螺旋状の配管が設けられている。配管の上端は、ロータリージョイント２５を介して外部のスラリー供給源に接続されている。配管の下端は、後述する回転体３１の表面に開口する図示しない供給孔に接続されている。ウェハＷの上面に供給されたスラリーは、ウェハＷの回転に伴う遠心力でウェハＷ全面に拡散する。

研磨ヘッド３０は、回転体３１と、固定体３２と、ベアリング３３と、を備えている。

回転体３１は、断面コ字状に形成されており、スピンドルシャフト２２の下端に搖動機構３４を介して連結されている。回転体３１の下端には、研磨パッド３５が水平に取り付けられている。研磨パッド３５は、ウェハＷよりも大径に形成されており、例えば、直径３００ｍｍのウェハＷに対して、研磨パッド３５の直径は４５０ｍｍに設定される。

固定体３２は、円盤状に形成されており、ベアリング３３を介して回転体３１内に収容されている。これにより、スピンドルシャフト２２の回転に伴い、回転体３１及び搖動機構３４は一体となって固定体３２に対して相対的に回転する。

搖動機構３４は、回転体３１がスピンドルシャフト２２に対して垂直方向に搖動するように傾くことを許容する。搖動機構３４は、例えば公知のジンバル機構等であっても構わない。

研磨装置１０は、スピンドル２０及び研磨ヘッド３０をコラム４０に対して昇降させる送り機構５０を備えている。但し、スピンドル２０及び研磨ヘッド３０は、送り機構５０と直接連結された構成ではなく、ウェハＷにスピンドル２０及び研磨ヘッド３０が着座したときには分離するように構成されている。送り機構５０は、図示しないモータ及びベルトと、プーリ５１と、図示しないボールネジと、スライダ５２と、を備えている公知のボールネジスライダ機構である。ボールネジは、プーリ５１によって回転し、スライダ５２は、ボールネジの回転方向に応じて鉛直方向に昇降する。

研磨ヘッド３０は、中央押圧手段としてのエアシリンダ６０と、外側押圧手段としてのエアパッド７０と、を備えている。

エアシリンダ６０は、シリンダ６１がコラム４０に取り付けられ、ピストン６２がケーシング２３の上面に取り付けられ、シリンダ６１内に給気された圧縮空気によってピストン６２が進退移動する公知の空気圧制御機器である。また、エアシリンダ６０は、回転軸ａ１上に配置されており、ケーシング２３全体を均等に下方に押し付けるように構成されている。

エアパッド７０は、固定体３２に２つ設けられている。具体的には、エアパッド７０が、固定体３２とベアリング３３との間に介装されるように設けられている。エアパッド７０は、外部の図示しない圧縮空気源に接続されており、エアパッド７０内に圧縮空気が供給されることにより、ベアリング３３を介してウェハＷに押圧力を付与する。

２つのエアパッド７０は、平面から視て研磨ヘッド３０の回転中心とウェハＷの中心を結ぶ直線を挟んで対称な位置に１つずつ設けられている。また、回転軸ａ１と２つのエアパッド７０とが、平面から視て正三角形の頂点を形成するように配置されている。なお、エアパッド７０の配置は上述したものに限定されるものではない。

なお、中央押圧手段及び外側押圧手段は、上述したようなエアシリンダ又はエアパッドの構成に限定されず、ウェハＷに押圧力を付与できるものであれば如何なる構成であっても構わない。

このようにして、ウェハＷ及び研磨パッド３５が回転しながら、研磨パッド３５が、エアシリンダ６０及びエアパッド７０によって研磨パッド３５の研磨面３５ａが下方に押し付けられることにより、ウェハＷの上面が研磨される。研磨パッド３５による研磨量は、例えばウェハＷの上面から２μｍに設定される。

次に、研磨パッド３５とウェハＷとの配置関係について説明する。

まず、本実施形態の比較例として、ウェハＷと略同じ径の研磨パッド８１を用いた研磨装置８０について説明する。図５は、研磨装置８０におけるウェハＷと研磨パッド８１との配置関係を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

研磨装置８０では、ウェハＷと研磨パッド８１とはオフセットした状態で対向して配置されている。したがって、ウェハＷの一部が研磨パッド８１から露出した状態で研磨加工が行われる。また、研磨装置８０では、研磨レートを増大させる為に、ウェハＷと研磨パッド８１とが向い合う向きに回転している。

研磨パッド８１に対するウェハＷの相対速度又は接触時間を図６に示す。図６は、縦軸を相対速度又は接触時間、横軸をウェハ位置に設定している。なお、図６中の符号は、図５（ａ）中の符号に対応する。図６によれば、研磨装置８０では、ウェハＷ内において常に研磨パッドに接触している領域（図５中のＡ－Ａ’を両端とする円内）と、その他の領域とで研磨時間にバラつきが生じている。また、ウェハＷと研磨パッド８１とが対向して回転するため、ウェハＷの研磨パッド８１に対する相対速度は、ウェハＷ内で均一ではないことが分かる。

研磨量は、Ｐｒｅｓｔｏｎの式により、研磨パッド８１に対するウェハＷの相対速度、研磨パッド８１がウェハＷを押圧する押圧量及び研磨パッド８１がウェハＷに接触する研磨時間の積に比例することから、研磨装置８０では、ウェハＷ内で相対速度及び研磨時間にバラつきが存在しており、ウェハＷ内において研磨量が均一でない。

図７は、研磨装置１０におけるウェハＷと研磨パッド３５との配置関係を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

研磨装置１０では、研磨パッド３５がウェハＷよりも大径に形成されており、且つ研磨パッド３５とウェハＷの回転方向が一致して、研磨パッド３５の外周とウェハＷの外周とが１点で重なっている。これにより、ウェハＷ面内の速度ベクトルが一致する。また、研磨パッド３５は、加工中にウェハＷ全面を常に覆うことにより、ウェハＷ全面を均一に研磨することができる。

研磨パッド３５に対するウェハＷの相対速度又は接触時間を図８に示す。図７は、縦軸を相対速度又は接触時間、横軸をウェハ位置に設定している。なお、図８中の符号は、図７（ａ）中の符号に対応する。図８によれば、研磨装置１０では、ウェハＷ内で研磨時間及びウェハＷの研磨パッド８１に対する相対速度は、ウェハＷ内で均一である。

したがって、Ｐｒｅｓｔｏｎの式によれば、研磨装置１０では、ウェハＷ内において研磨量の均一性が優れている。

次に、エアシリンダ６０及びエアパッド７０の作用について図面に基づいて説明する。図９は、エアシリンダ６０による圧力分布を示す模式図である。図１０は、ウェハＷ内のエアシリンダ６０による圧力分布を示す図である。

研磨加工時には、エアシリンダ６０が所定の押圧力Ｆ１で研磨パッド３５を下方に押圧する。具体的には、エアシリンダ６０による押圧力Ｆ１は、ケーシング２３、ベアリング２４、スピンドルシャフト２２、搖動機構３４、回転体３１の順に伝達することにより、エアシリンダ６０の直下において研磨パッド３５がウェハＷの上面に押し付けられる。

これにより、エアシリンダ６０による押圧力Ｆ１は、図９中の矢印に示すように、研磨パッド３５の中心が最も高く、研磨パッド３５の径方向に向かって徐々に低くなっている。具体的には、図１０に示すように、エアシリンダ６０で研磨パッド３５を押圧する場合、ウェハＷに作用する押圧力は、研磨パッド３５の中心付近は大きくなる一方で、研磨パッド３５の外周側では小さくなり、研磨パッドの外周部分ではいわゆる加圧逃げが生じがちである。なお、図１０では、紙面右側の濃色部分が最も押圧力が大きい領域であり、紙面左側に向かう薄色部分、濃色部分の順に押圧力が小さくなっている。

図１１は、エアシリンダ６０及びエアパッド７０による圧力分布を示す模式図である。図１２は、ウェハＷ内のエアシリンダ６０及びエアパッド７０による圧力分布を示す図である。

エアパッド７０による押圧力Ｆ２は、固定体３２、ベアリング３３、回転体３１の順に伝達することにより、エアパッド７０の直下において研磨パッド３５がウェハＷの上面に押し付けられる。

これにより、エアシリンダ６０が研磨パッド３５の中心付近を押圧しながら、エアパッド７０が研磨ヘッド３０の回転中心と研磨パッド３５の外周縁との間を局所的に押圧することにより、すなわち研磨パッド３５を中央及び回転軸ａ１の外側の複数点で加圧することにより、図１１中の矢印に示すように、研磨パッド３５の外周部分での加圧逃げが抑制され、図１２に示すように、ウェハＷ面内の圧力分布のバラつきを緩和することができる。なお、図１２では、紙面の濃色部分は押圧力が大きい領域であり、薄色部分は押圧力が小さい領域である。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも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。

１ ・・・加工装置
２ ・・・インデックステーブル
３ ・・・チャック
４ ・・・ウェハアライメントユニット
５ ・・・第１の搬送アーム
６ ・・・第２の搬送アーム
７ ・・・ロードポート
８ ・・・粗研削砥石送り機構
８ａ ・・・スピンドル
８ｂ ・・・スピンドル送り機構
９ ・・・精研削砥石送り機構
９ａ ・・・スピンドル
９ｂ ・・・スピンドル送り機構
１０ ・・・研磨装置
１１ ・・・１次洗浄ユニット
１２ ・・・２次洗浄ユニット
１３ ・・・第３の搬送アーム
１４ ・・・制御装置
２０ ・・・（研磨装置の）スピンドル
２１ ・・・モータ
２２ ・・・スピンドルシャフト
２３ ・・・ケーシング
２４ ・・・ベアリング
２５ ・・・ロータリージョイント
３０ ・・・研磨ヘッド
３１ ・・・回転体
３２ ・・・固定体
３３ ・・・ベアリング（加圧伝達手段）
３４ ・・・搖動機構（傾き許容接続手段）
３５ ・・・研磨パッド
３５ａ・・・研磨面
４０ ・・・コラム
５０ ・・・送り機構
５１ ・・・プーリ
５２ ・・・スライダ
６０ ・・・エアシリンダ（中央押圧手段）
６１ ・・・シリンダ
６２ ・・・ピストン
７０ ・・・エアパッド（外側押圧手段）
Ｗ ・・・ウェハ
ａ１ ・・・回転軸

Claims (4)

1. ウェハの研磨装置であって、
   前記ウェハを吸着保持するチャックと、
   前記ウェハより大径に形成されて前記ウェハを覆った状態で前記ウェハの上面を研磨する研磨パッドを備え、前記チャックの上方に配置された研磨ヘッドと、
   前記研磨ヘッドを回転させるスピンドルシャフトと、
   前記研磨ヘッドを前記スピンドルシャフトに傾斜自在に接続する傾き許容接続手段と、
   前記スピンドルシャフトを介して前記研磨ヘッドを下方に押圧する中央押圧手段と、
   前記スピンドルシャフトの外周側に設けられて、前記研磨ヘッドをチャックに向けて押圧する外側押圧手段と、
   を備えていることを特徴とする研磨装置。
2. 前記研磨ヘッドは、
   前記傾き許容接続手段を介して前記スピンドルシャフトに接続され、下端に前記研磨パッドが取り付けられた回転体と、
   前記回転体の内側に配置され、前記外側押圧手段が取り付けられた固定体と、
   前記回転体と固定体との間に介装され、前記外側押圧手段の押圧力を前記回転体に伝達する加圧伝達手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 前記チャック及び研磨パッドは、平面から視て同方向に回転することを特徴とする請求項１又は２記載の研磨装置。
4. 前記外側押圧手段は、平面から視て前記研磨ヘッドの回転中心及び前記ウェハの中心を結ぶ直線を挟んで対称な位置に設けられ、
   前記研磨ヘッドの回転中心及び前記外側押圧手段は、平面から視て正多角形の頂点上に１つずつ設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の研磨装置。
   

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