JPH10193258A

JPH10193258A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH10193258A
Application number: JP9000796A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Tsunada; 雅文綱田; Yasuhiko Nagakura; 靖彦長倉
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1997-01-07
Filing date: 1997-01-07
Publication date: 1998-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな押圧力を作用させることが可能で、か
つ研磨面の傾斜に追従して自在に傾動することが可能な
研磨ヘッドの構造を提供する。【解決手段】本発明の研磨装置において、研磨ヘッド
１２は、回転駆動用の駆動軸１５の下端部に、押圧力伝
達用の球１６、自動調芯ベアリング１７、及びトルク伝
達用アーム１８を介して接続される。自動調芯ベアリン
グ１７の内輪は駆動軸１５の下端部に固定され、自動調
芯ベアリング１７の外輪は研磨ヘッド１２の上面に固定
される。押圧力伝達用の球１６は、駆動軸１５の下端面
の回転中心軸上に設けられた第一の球面座３１と、研磨
ヘッド１２の上面の回転中心軸上に設けられた第二の球
面座３２との間に挿入される。自動調芯ベアリング１７
の傾動の中心と、第一の球面座３１及び球１６の中心と
は、互いに一致している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は研磨装置に係り、特
に、半導体デバイス加工分野において、ウェーハの表面
を平滑に仕上げるポリッシング加工に適した研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの製造において採
用が開始されつつあるケミカル・メカニカル・ポリッシ
ング加工では、ウェーハと研磨布との間に研磨液を供給
しながら、半導体のウェーハを研磨布に対して一定圧力
で押し付け、両者の間に相対的な回転運転を与えてウェ
ーハの研磨を行っている。

【０００３】この様なケミカル・メカニカル・ポリッシ
ング加工に使用される研磨装置は、その表面に研磨布が
固定され回転駆動される定盤、被研磨材であるウェーハ
を定盤に対向させて保持する研磨ヘッド、研磨布の上に
研磨剤を供給する研磨剤供給装置、及び研磨ヘッドに対
してウェーハの着脱を行うローダ装置などから構成され
る。

【０００４】図２に、研磨装置の一般的な構成の例を示
す、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。ベース４
１の上には回転駆動される定盤４３が配置され、定盤４
３の上面に研磨布４４が固定される。研磨布４４の固定
には、例えば両面テープ等の接着材が使用される。定盤
４３の回転駆動用のモータ４２はベース４１の内部に収
容されている。定盤４３の上方には、被加工物（ウェー
ハ）１１を定盤４３に対向させて保持する研磨ヘッド１
２が配置される。研磨ヘッド１２はトップリング１４及
びトッププレート１３で構成され、ウェーハ１１はトッ
プリング１４の下面に装着される。研磨ヘッド１２は旋
回アーム４７の先端部の下面に下向きに取り付けられて
いる。旋回アーム４７の基部はベース４１上に固定され
た支柱４８によって支えられ、支柱４８の内部にはアー
ム旋回用のモータが収容されている。旋回アーム４７の
先端部の上面には研磨ヘッド押圧用のエアシリンダ５１
が配置され、旋回アーム４７の先端部の内部には研磨ヘ
ッド回転駆動用のモータ５２が収容されている。研磨ヘ
ッド１２の駆動軸１５は、このモータ５２に接続される
とともに、ロータリージョイント５３を介してエアシリ
ンダ５１の先端に接続されている。ベース４１上には、
定盤４３に隣接して、ローダ装置５９が配置されてい
る。

【０００５】次に、この装置を用いたウェーハの研磨作
業の概要について説明する。先ず、ウェーハを、人また
はロボット等によってローダ装置５９の上に搬入する。
次に、旋回アーム４７を旋回させて研磨ヘッド１２をロ
ーダ装置５９の上へ移動し、研磨ヘッド１２をエアシリ
ンダ５１によって下降させて、ローダ装置５９上のウェ
ーハを真空吸着する。ウェーハを真空吸着した後、研磨
ヘッド１２を上昇させ、旋回アーム４７を旋回させて定
盤４３上へ移動する。定盤４３上へ到達した後、定盤４
３及び研磨ヘッド１２を、互いに同一方向に回転させる
とともに、研磨ヘッド１２をエアシリンダ５１によって
下降させて、ウェーハ１１を研磨布４４の表面に接触さ
せる。研磨ヘッド１２の研磨布４４に対する押圧力が所
定の値になる様に、エアシリンダ５１の圧力を調整しな
がら、ウェーハ１１の研磨が行われる。研磨中は、研磨
剤供給装置５８によって、例えばアルカリ性のコロイダ
ルシリカ水溶液の研磨剤が研磨布４４の表面に供給され
る。

【０００６】なお、自動式の研磨装置において、トップ
リング１４の下面にウェーハ１１を装着する方法として
は、上記の例に示した真空吸着の他に、水貼等のワック
スレスパッド方式が広く採用されている。

【０００７】最近では、半導体デバイスのパターンの微
細化の進展に伴い、ウェーハのポリッシング加工の形状
精度についてより高い平坦性が要求されるようになって
きている。このため、研磨ヘッドが定盤上の研磨布の傾
斜に追従して自在に傾斜すること、及び、ウェーハがそ
の全面に亘って定盤上の研磨布に対して均一に押圧され
ることが必要となる。

【０００８】一方、ウェーハの研磨工程のコスト低減も
求められている。コスト低減にはスループットの増大が
大きく寄与する、そのためには、研磨を高負荷下で行う
必要があり、これに伴いウェーハに対する押圧力が増大
する。

【０００９】図３に、従来の研磨装置の一例として、特
開平６−１２６６１５号公報に記載されている研磨装置
の研磨ヘッドの構造を示す。この研磨ヘッドは、ウェー
ハを保持する保持プレート６１を、支持部材６２に対し
て、保持プレート６１の周囲に配置されるリング状の弾
性部材６４、及び保持プレート６１の背面側に配置され
る板状の弾性部材６５を介して取り付けたもので、更
に、板状の弾性部材６５の背面に形成された密閉空間６
７には、所定圧力の流体が供給される構造となってい
る。リング状の弾性部材６４は、保持プレート６１の水
平方向の微小移動を許容しながら水平方向の移動を拘束
し、板状の弾性部材６５は、保持プレート６１の上下方
向及び水平方向の微小移動を許容しながら上下方向の移
動を拘束する機能を備えている。以上の様な構造を備え
ることによって、この研磨装置では、定盤の研磨面に傾
斜に対する研磨ヘッドの追従性の向上を図っている。

【００１０】（従来技術の問題点）ところで、図２
（ｂ）に示した様に、ウェーハ１１の研磨の際に、ウェ
ーハ１１と研磨布４４との間に摩擦力Ｆが発生し、この
力Ｆが研磨ヘッド１２に対して横方向に作用する。高負
荷下でのポリッシングにおいて、摩擦係数が増大するこ
とが知られている。例えば、直径８インチのウェーハを
押圧力６００ｇ／ｃｍ²でポリッシングすると、摩擦係
数は１程度になる場合がある。このとき、研磨ヘッドに
対して定盤回転方向に作用する摩擦力Ｆは、以下に示す
様に、約１８８ｋｇｆになり、非常に大きな値となる。

【００１１】Ｆ＝μ・（π／４）・ｄ² ・Ｐここで、 μ＝１．０（摩擦係数）ｄ＝２０ｃｍ（ウェーハの直径）Ｐ＝０．６ｋｇ／ｃｍ² （押圧力）このため、図３に示した研磨装置では、研磨ヘッドの回
転によりリング状の弾性部材６４に、前記の力が繰り返
し作用するので、寿命が短いという問題がある。また、
微少範囲内での移動が許容されるということは、極く僅
かの隙間があるということでもあり、その隙間から研磨
液が入り、リング状の弾性部材６４の寿命を短くすると
いう問題もある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の様な
問題点に鑑みて成されたもので、本発明の目的は、研磨
装置において、大きな押圧力を作用させることが可能
で、かつ回転駆動される研磨面の傾斜に追従して自在に
傾動することが可能な研磨ヘッドの構造を提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の研磨装置は、そ
の表面に研磨布が固定され、回転駆動される定盤と、定
盤の上方に配置され、平板状の被研磨材を定盤に対向さ
せて保持する研磨ヘッドと、研磨ヘッドの上方に接続さ
れ、研磨ヘッドに回転駆動力を伝達するとともに、定盤
に対する押圧力を研磨ヘッドに伝達する駆動軸と、を備
えた研磨装置において、前記研磨ヘッドは、前記駆動軸
に対して自動調芯軸受を介して傾動自在に接続されると
ともに、前記駆動軸は、その下端面の回転中心軸上に、
その中心が前記自動調芯軸受の傾動の中心と互いに一致
する第一の球面座を備え、前記研磨ヘッドは、その上面
の回転中心軸上に第二の球面座を備え、第一の球面座と
第二の球面座との間に、第一の球面座に嵌合する押圧力
伝達用の球が挿入されていることを特徴とする。

【００１４】なお、好ましくは、前記第二の球面座の曲
率半径を、押圧力伝達用の前記球の曲率半径よりも大き
く設計する。本発明の研磨装置によれば、研磨ヘッドを
自動調芯軸受を介して駆動軸に接続しているので、研磨
ヘッドは駆動軸に対して自由に傾動することができると
ともに、研磨の際、研磨ヘッドに対して横方向に作用す
る摩擦力を、この自動調芯軸受を介して駆動軸で支える
ことができる。

【００１５】また、第一の球面座と第二の球面座の間に
挿入された前記球を介して、押圧力が駆動軸から研磨ヘ
ッドに伝達されるので、簡易な構造で比較的大きな押圧
力を伝達することができる。

【００１６】更に、第一の球面座の中心と自動調芯軸受
の傾動の中心とを互いに一致させているので、研磨ヘッ
ドが高い押圧力下で傾動する際に前記球の表面に作用す
る摩擦力に基づくトルクの値を小さく抑えることができ
る。その結果、研磨ヘッドの傾動に対する抵抗力を小さ
く抑えることができる。

【００１７】なお、第二の球面座の曲率半径を、押圧力
伝達用の前記球の曲率半径よりもやや大きく形成して、
第二の球面座と前記球との間の面接触を少なくすること
によって、研磨ヘッドの傾動に対する抵抗力を更に小さ
く抑えることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に基づく研磨装置
において使用される研磨ヘッドの構造の一例を示す。図
中、１２は研磨ヘッド、１５は駆動軸、３１は球面座
（第一の球面座）、３２は球面座（第二の球面座）、１
６は押圧力伝達用の球、１８はトルク伝達用アームを表
す。なお、研磨装置の全体的な構成は、先に図２で示し
た従来のものと共通なので、その説明は省略する。

【００１９】図１に示す様に、研磨ヘッド１２は、トッ
ププレート１３及びトップリング１４から構成される。
トッププレート１３の下面にはトップリング１４がボル
ト２１によって固定される。トップリング１４の下面に
は、多数のウェーハ吸着用真空孔２２が形成されてお
り、ウェーハ１１は、これらのウェーハ吸着用真空孔２
２によってトップリング１４の下面に装着される。

【００２０】研磨ヘッド１２は、回転駆動用の駆動軸１
５の下端部に、押圧力伝達用の球１６、自動調芯ベアリ
ング１７、及びトルク伝達用アーム１８を介して接続さ
れる。ウェーハ吸着用真空孔２２は、駆動軸１５の内部
に形成された真空経路２７に可撓性のナイロンチューブ
２６を介して接続される。

【００２１】これらの内、押圧力伝達用の球１６は、駆
動軸１５の下端部の中心の回転軸上に設けられた球面座
３１に嵌合し、この球面座３１と、トッププレート１３
の上面の中心の回転軸上に設けられた球面座３２との間
に挿入される。この球１６は、研磨ヘッド押圧用のエア
シリンダ５１（図２（ａ））によって加えられた押圧力
を、駆動軸１５から研磨ヘッド１２に伝達する機能を担
う。なお、トッププレート１３の上面に設けられた球面
座３２は、前記球１６との間の面接触を少なくして、研
磨ヘッドの傾動に対する抵抗力を更に小さくするよう
に、前記球１６と比べて僅かに大きい曲率半径を備えた
球面となっている。

【００２２】自動調芯ベアリング１７は、その内輪が駆
動軸１５の下端部付近の外周に押え部材２３によって固
定され、その外輪がトッププレート１３の上面に押え部
材２４によって固定される。更に、自動調芯ベアリング
１７は、その傾動の中心が押圧力伝達用の球１６の中心
と一致するように配置されている。この自動調芯ベアリ
ング１７は、研磨ヘッド１２を駆動軸１５の下端部に傾
動自在に接続する機能を担うとともに、研磨の際、研磨
ヘッド１２に対して横方向に作用する摩擦力Ｆ（図２
（ｂ））は、この自動調芯軸受１７を介して駆動軸１５
によって支えられる。

【００２３】この様に、自動調芯ベアリング１７の傾動
の中心が、押圧力伝達用の球１６の中心と一致するよう
に配置されているので、ポリッシング中に、研磨ヘッド
１２が、定盤４３（図２）の傾斜に追従して、前記球１
６を中心にして自在に傾動することが可能であり。ま
た、ポリッシング中に発生する摩擦力Ｆ（図２（ｂ））
は、自動調芯ベアリング１７を介して駆動軸１５に伝達
されるので、前記球１６には水平方向の力がほとんど作
用しない。

【００２４】また、トルク伝達用アーム１８は、駆動軸
１５の外周部から外方向に延びる様に取り付けられ、ト
ルク伝達用アーム１８の先端部は、トッププレート１３
の上面に取り付けられた抑え部材２４に、若干の遊びを
介して接続され、回転駆動用モータ５２（図２ａ）によ
って与えられる回転トルクを、駆動軸１５から研磨ヘッ
ド１２へ伝達する機能を担う。

【００２５】なお、本発明の研磨ヘッドでは、上記の様
に、自動調芯ベアリング１７の傾動の中心と、球面座３
１及び押圧力伝達用の球１６の中心とが互いに一致する
ように配置している。これは、図４あるいは図５に示し
た参考図の様に、両者の間に距離（ｌ）がある場合、研
磨ヘッド１２が傾動する際、前記球１６の表面に作用す
る摩擦力に基づくモーメントが、研磨ヘッド１２の傾動
に対する抵抗力として作用し、このモーメントの値は自
動調芯ベアリング１７の傾動の中心と前記球１６の中心
の間の距離（ｌ）に比例して増大するからである。

【００２６】

【発明の効果】本発明の研磨装置では、自動調芯軸受と
押圧力伝達用の球とを中心が互いに一致する様に配置し
て、押圧力伝達用の球を介して押圧力を駆動軸から研磨
ヘッドに伝達するとともに、摩擦力Ｆに基づいて研磨ヘ
ッドに対して横方向に作用する力を自動調芯軸受によっ
て駆動軸に伝達する様にしているので、被加工材に対し
て大きな押圧力を加えて研磨作業を行っても、研磨面の
傾斜に追従して研磨ヘッドが自在に傾動することができ
る。この結果、研磨速度の増加と同時に、被加工材の平
坦度を向上させることが可能である。また、消耗部材の
ない構造であるので、信頼性が高く、メンテナンスに手
間が掛からない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨装置に使用される研磨ヘッドを示
す図。

【図２】一般的な研磨装置の全体構成を示す図、（ａ）
は正面図、（ｂ）は上面図を表す。

【図３】従来の研磨装置に使用される研磨ヘッドを示す
図。

【図４】研磨ヘッドの比較例を示す参考図。

【図５】研磨ヘッドの比較例を示す参考図。

【符号の説明】

１１・・・ウェーハ、１２・・・研磨ヘッド、１３・・
・トッププレート、１４・・・トップリング、１５・・
・駆動軸、１６・・・押圧力伝達用の球、１７・・・自
動調芯ベアリング、１８・・・トルク伝達用アーム、２
２・・・吸着用真空孔、２６・・・ナイロンチューブ、
２７・・・真空経路、３１・・・球面座（第一の球面
座）、３２・・・球面座（第二の球面座）、４１・・・
ベース、４２・・・モータ、４３・・・定盤、４４・・
・研磨布、４７・・・旋回アーム、４８・・・支柱、５
１・・・研磨ヘッド押圧用のエアシリンダ、５２・・・
モータ、５３・・・ロータリージョイント、５８・・・
研磨剤供給装置、５９・・・ローダ装置、６１・・・保
持プレート、６２・・・支持部材、６４・・・リング状
の弾性部材、６５・・・板状の弾性部材、６７・・・密
閉空間。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その表面に研磨布が固定され、回転駆動
される定盤と、定盤の上方に配置され、平板状の被研磨材を定盤に対向
させて保持する研磨ヘッドと、研磨ヘッドの上方に接続され、研磨ヘッドに回転駆動力
を伝達するとともに、定盤に対する押圧力を研磨ヘッド
に伝達する駆動軸と、を備えた研磨装置において、前記研磨ヘッドは、前記駆動軸に対して自動調芯軸受を
介して傾動自在に接続されるとともに、前記駆動軸は、その下端面の回転中心軸上に、その中心
が前記自動調芯軸受の傾動の中心と互いに一致する第一
の球面座を備え、前記研磨ヘッドは、その上面の回転中心軸上に第二の球
面座を備え、第一の球面座と第二の球面座との間に、第一の球面座に
嵌合する押圧力伝達用の球が挿入されていることを特徴
とする研磨装置。
【請求項２】前記第二の球面座の曲率半径は、押圧力伝
達用の前記球の曲率半径よりも大きいことを特徴とする
請求項１記載の研磨装置。