JPH0752034A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 定盤の熱変形などにより傾斜が付くことなく
被研磨材を高品位に研磨し得るウェーハ研磨装置を提供
すること。 【構成】 ウェーハ研磨装置は、被研磨材５を保持する
ブロック４と、ブロック４の被研磨材５を保持した側に
配置される定盤７と、ブロック４を定盤７に対して加圧
する加圧機構１、３と、ブロック４と定盤７とを相対的
に摺動させる摺動駆動機構と、定盤７を冷却する冷却機
構とを有する。この冷却機構は、定盤７の厚み寸法以下
の部材厚みを有すると共に同心円状に二分割された水冷
ジャケット８を、定盤７に離間部７ａを隔てて取り付け
ることにより構成されている。さらに、定盤７の離間部
７ａは、当該定盤７およびブロック４の振れを防止する
スラスト軸受け１２に直接搭載されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウェーハ等を鏡
面研磨等する際に用いられるウェーハ研磨装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウェーハ等の鏡面研磨等に
用いられるウェーハ研磨装置としては、図５に示すもの
が知られている。このウェーハ研磨装置は、標準的な構
造のものであり、加圧軸１には、調心軸受け２を介して
首振り、回転自在に、加圧ヘッド３が取り付けられてい
る。この加圧ヘッド３の下方には、図６に示すような複
数枚のシリコンウェーハ等の被研磨材５を装着したブロ
ック４が装着されている。そして、研磨パッド６を貼っ
た定盤９にブロック４を加圧し摺動させることによっ
て、被研磨材５の表面が研磨される。

【０００３】この研磨過程では、加圧力による被研磨材
５と研磨パッド６の上に供給される研磨剤液１７との摩
擦や化学反応により発生する研磨熱によって、被研磨材
５の温度が変化し、被研磨材５の研磨後の厚さが一定に
ならないという問題がある。被研磨材５の温度変化を抑
制するために、ウェーハ研磨装置には冷却機構が設けら
れている。一般的な冷却機構では、定盤９に水冷ジャケ
ット１０を取り付け、所定温度となるように温度制御さ
れた冷却水を給水系統１４を介して水冷部１１に供給
し、この水冷部１１内の冷却水を排水系統１５を介して
排出する構造が採用されている。

【０００４】また、定盤９と水冷ジャケット１０は、回
転軸１６により回転するときの鉛直方向の振れ発生を防
止するため、架台１３上に取り付けたスラスト軸受け１
２などに搭載されている。さらに、加圧軸１からの加圧
力により定盤９の平面が変形することを防止するため、
および定盤９を均一に冷却するため、冷却ジャケット１
０には、図７に示すようなリブ１８が設けられ、定盤９
と水冷ジャケット１０とをボルト孔１９を介してボルト
で組付ける構造としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示すリブ構造を有する図５のウェーハ研磨装置において
は、まだ以下に示すような問題点がある。すなわち、被
研磨材５の適性な研磨面品質と研磨生産性とを得るため
の温度条件である約４０℃になるまで研磨熱で昇温され
るため、定盤９の表面温度は研磨開始から研磨終了まで
上昇し、この温度上昇に伴って定盤９は熱変形する。

【０００６】図８は、定盤９が熱膨張により一般に下面
（裏面）側に熱変形することを誇張して示したものであ
り、図９は、熱変形に伴い被研磨材５がブロック４の中
心側に傾斜して研磨された状態を示したものである。一
般に、被研磨材５が傾斜して研磨されることを防ぐため
には、定盤９を、室温状態では凹面形状になるように加
工しておき、昇温状態でブロック４に定盤９の平面状態
がマッチングするように昇温時における研磨面の温度管
理をすることで対応している。

【０００７】しかしながら、定盤９の直径は１〜１．５
ｍと大であるため、定盤９をねらいとする凹面形状に仕
上げるためには、多くの加工時間を要し、熟練した加工
操作も必要なことから、定盤９の加工作業がきわめて繁
雑になるという問題がある。さらに、スラスト軸受け１
２には水冷ジャケット１０が当接しており、この水冷ジ
ャケット１０を定盤９に組み付けているボルトなどの緩
みや伸びなどによって、定盤９の凹面形状が経年変化す
ることがある。このため、定盤９の凹面形状の管理と維
持のためには、凹面形状を測定したり修正加工したりす
るための時間が必要で、ウェーハ研磨装置の休止時間が
長くなり、ウェーハ研磨の作業効率が低下してしまうと
いう問題がある。

【０００８】また、前記マッチングに適した定盤９の研
磨面の温度は、研磨パッド６の性状（表面状態など）が
研磨バッチ回数順に変化することや、研磨バッチ間の時
間がばらつくことなどのために、２〜５℃程度変化す
る。所期の研磨温度が変化すると研磨速度および定盤９
の熱変形状態が大きく変化するため、温度管理のための
研磨剤液１７の温度や供給量の調整のほかに、研磨時間
の調整などが必要となる。このような数多くの操業条件
の変化は、研磨量の不均一や傾斜の発生というような被
研磨材５の研磨形状の悪化を招来するという問題があ
る。

【０００９】本発明は、前述した事情を考慮して行われ
たもので、定盤の熱変形などにより傾斜が付くことなく
被研磨材を高品位に研磨し得るウェーハ研磨装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、被研磨材を保持するブロックと、当該ブロックの
前記被研磨材を保持した側に配置される定盤と、前記ブ
ロックを前記定盤に対して加圧する加圧機構と、前記ブ
ロックと前記定盤とを相対的に摺動させる摺動駆動機構
と、前記定盤を冷却する冷却機構とを有するウェーハ研
磨装置において、前記定盤の厚み寸法以下の部材厚みを
有すると共に同心円状に二分割された水冷ジャケットを
前記定盤に離間部を隔てて取り付けて前記冷却機構を構
成し、前記定盤の前記離間部を、当該定盤およびブロッ
クの振れを防止する保持部に直接搭載したことを特徴と
するウェーハ研磨装置である。

【００１１】

【作用】冷却機構を構成する水冷ジャケットは、定盤の
厚み寸法以下の部材厚みを有すると共に同心円状に二分
割され、定盤に離間部を隔てて取り付けられているため
に、熱膨張などに伴う定盤の平面形状の変化が少なくな
る。さらに、保持部に搭載される部位はボルトなどによ
って定盤に組付けられた部材ではなく定盤自身であるた
め、定盤形状の経年変化がなく、定盤形状の管理や維持
を行うためにウェーハ研磨装置を休止する時間が減少す
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例に係るウェーハ研磨
装置の要部を示す構成図であり、図５に示した部材と共
通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略
してある。

【００１３】図１に示すように、ウェーハ研磨装置は、
シリコンウェーハ等の被研磨材５を保持するブロック４
を有し、該ブロック４の被研磨材５を保持した側には定
盤７が配置されている。ブロック４を定盤７に対して加
圧する加圧機構として、加圧軸１と、この加圧軸１に調
心軸受け２を介して首振り、回転自在に取り付けられる
加圧ヘッド３とが設けられている。この加圧ヘッド３の
下方に、前記ブロック４が装着されており、図６に示し
たように、複数枚の被研磨材５がブロック４に装着され
るようになっている。

【００１４】定盤７は、図示しないモータなどが接続さ
れた回転軸１６により回転駆動され、ブロック４と相対
的に摺動する。モータや回転軸１６などにより、ブロッ
ク４と定盤７とを相対的に摺動させる摺動駆動機構が構
成されている。定盤７の上面には研磨パッド６が貼り付
けられており、定盤７にブロック４を加圧し摺動させる
ことによって、被研磨材５の表面が研磨されるようにな
っている。

【００１５】研磨に伴う被研磨材５の温度変化を抑制す
るために、ウェーハ研磨装置には冷却機構が設けられて
いる。本実施例の冷却機構は、定盤７の厚み寸法以下の
部材厚みを有すると共に同心円状に二分割された水冷ジ
ャケット８を定盤７の下部に離間部７ａを隔てて取り付
けることにより構成されている。所定温度となるように
温度制御された冷却水は、給水系統１４を介して径方向
外側（図中離間部７ａの右側）に位置する水冷部１１に
供給され、この外側の水冷部１１内の冷却水は接続管を
介して中心側（図中離間部７ａの左側）に位置する水冷
部１１に供給され、この中心側の水冷部１１内の冷却水
は排水系統１５を介して排出される。水冷ジャケット８
の部材厚みは、定盤７の厚み寸法以下、望ましくは定盤
７の厚み寸法の１／２以下である。

【００１６】定盤７が回転するときの当該定盤７の鉛直
方向の振れ発生を防ぐため、架台１３上に取りつけられ
た保持部としてのスラスト軸受け１２などに、定盤７の
下面に設けた前記離間部７ａが直接に搭載されている。
離間部７ａは加圧軸１に対応する位置に設けられてお
り、また、加圧軸１からの加圧力により定盤７の平面が
変形することを防止するため、研磨面から離間部７ａの
下端面つまりスラスト軸受け１２の上面側までの厚み
は、他の部位に比較して大きな厚さ寸法を有する構造と
なっている。定盤７の離間部７ａがスラスト軸受け１２
に直接搭載されることにより、定盤７とブロック４との
相対的な摺動が安定して行われる。

【００１７】定盤には、一般に黄銅や鋳鉄などの金属材
料が適用されているが、最近これらの材料に比較して、
室温から５０℃前後までの温度範囲での熱膨張率が、１
／５から１／２０の鋳鉄系低熱膨張材料（熱膨張率が１
〜２×１０^-6／℃）を定盤材料として使用することが提
案されている。この低熱膨張材料で構成される定盤が、
室温の２０℃から研磨温度条件、すなわち約４０℃まで
温度が上昇したときの、直径が１．５ｍの定盤、および
水冷ジャケットの断面内の温度分布を、図２および図３
に示す。

【００１８】図３に示す従来技術による構造の温度分布
は、定盤９がほぼ３６℃前後であるのに対して、水冷ジ
ャケット１０の下部は２２℃と温度が低く、両者の温度
差は１０℃以上であり、図２に示す本発明構造による定
盤９の温度分布も、ほぼ３６℃前後である。この温度分
布にもとづく定盤の熱変形状態を図４に示す。図中の基
準面は室温が２０℃での各定盤７、９の上面位置を表す
が、従来技術の構造では、前記のとおり定盤９と水冷ジ
ャケット１０との温度差に起因する熱膨張差により図８
に示すような熱変形が引き起こされるため、鉛直方向の
変位が大であるのに対し、本発明構造の場合の鉛直方向
の変位は、水冷ジャケット８の部材厚みが定盤７の厚み
寸法以下好ましくは１／２以下であること、および定盤
７の構成部位（離間部７ａ）で同心円状に二分割されて
いる効果のため、従来技術の構造に比較し、熱変形は１
／４以下に大幅に抑制されている。

【００１９】このように研磨過程での熱変形を抑制し、
定盤７の形状を安定化させることで温度条件などの操業
条件を変えることなく、被研磨材５に傾斜を付けずに当
該被研磨材５を研磨することができ、品質および歩留り
が向上する。

【００２０】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明において
は、熱膨張などに伴う定盤の平面形状の変化が少ないた
め、定盤をねらいとする形状に容易に加工することがで
きる。また、保持部に搭載される部位はボルトなどによ
って定盤に組付けられた部材ではなく定盤自身であるた
め、定盤形状の経年変化がなく、定盤形状の管理や維持
に伴うウェーハ研磨装置の休止時間を大幅に減らすこと
ができ、この休止時間の削減を通して研磨作業能率を高
めることができる。さらに、定盤の熱変形が抑制され当
該定盤の形状が安定化することから、研磨の際の温度条
件などの操業条件を変えることなく、被研磨材に傾斜を
付けずに当該被研磨材を研磨することができ、品質およ
び歩留りを向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係るウェーハ研磨装置の
要部を示す構成図である。

【図２】 本発明のウェーハ研磨装置による研磨過程に
おける定盤、水冷ジャケットの温度分布を示す断面図で
ある。

【図３】 従来構造のウェーハ研磨装置による研磨過程
における定盤、水冷ジャケットの温度分布を示す断面図
である。

【図４】 本発明および従来構造のウェーハ研磨装置に
よる研磨過程における定盤半径方向の定盤面変位量を比
較して示す図である。

【図５】 従来のウェーハ研磨装置の要部を示す構成図
である。

【図６】 ブロック上に接着された被研磨材の配置状態
を示す図である。

【図７】 図５に示される水冷ジャケットを示す平面図
である。

【図８】 従来のウェーハ研磨装置による研磨過程にお
ける熱変形状態を誇張して示す要部断面図である。

【図９】 被被研磨材に傾斜が付いて研磨された不具合
状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１…加圧軸（加圧機構）、 ３…加圧ヘッド（加圧機
構）、 ４…ブロック、５…被研磨材、 ６
…研磨パッド、 ７…定盤、７ａ…離間
部、 ８…水冷ジャケット、 １１
…水冷部、１２…スラスト軸受け（保持部）、 １３…
架台、 １４…給水系統、１５…排水系統、
１６…回転軸（摺動駆動機構）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨材(5) を保持するブロック(4)
   と、当該ブロック(4)の前記被研磨材(5) を保持した側
   に配置される定盤(7) と、前記ブロック(4) を前記定盤
   (7) に対して加圧する加圧機構(1,3) と、前記ブロック
   (4) と前記定盤(7) とを相対的に摺動させる摺動駆動機
   構と、前記定盤(7) を冷却する冷却機構とを有するウェ
   ーハ研磨装置において、 前記定盤(7) の厚み寸法以下の部材厚みを有すると共に
   同心円状に二分割された水冷ジャケット(8) を前記定盤
   (7) に離間部(7a)を隔てて取り付けて前記冷却機構を構
   成し、 前記定盤(7) の前記離間部(7a)を、当該定盤(7) および
   ブロック(4) の振れを防止する保持部(12)に直接搭載し
   たことを特徴とするウェーハ研磨装置。