TWI413571B - Grinding head and grinding device - Google Patents
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Description
本發明係關於研磨工作件的表面時，用以保持工作件的研磨頭、以及具備此研磨頭之研磨裝置，特別係關於保持工作件於橡膠膜之研磨頭、以及具備此研磨頭之研磨裝置。
作為研磨矽晶圓等的工作件表面的裝置，有分別研磨工作件的單面之單面研磨裝置、以及同時研磨工作件的雙面之雙面研磨裝置。
一般的單面研磨裝置，例如第5圖所示，係由貼附有研磨布94之平台93、研磨劑供給機構96、以及研磨頭92等構成。如此的研磨裝置91中，先以研磨頭92保持工作件W，然後從研磨劑供給機構96供給研磨劑95至研磨布94上，且分別旋轉平台93與研磨頭92，使工作件W的表面與研磨布94摩擦地接觸(滑動接觸)，來進行研磨。
作為工作件保持於研磨頭的方法，有於平坦的圓盤狀的板上，藉由蠟等的接著劑來貼附工作件的方法等。另外，作為特別是抑制工作件的外周部的翹起、塌邊，提高工作件整體的平坦性的保持方法，有以橡膠膜作為工作件保持部，於橡膠膜的背面流入空氣等的加壓流體，以均勻的壓力使橡膠膜膨脹，將工作件壓抵向研磨布，亦即，橡膠夾
頭方式(例如參照日本專利公開公報特開平5-69310號公報等)。
先前的橡膠夾頭方式的研磨頭的構成例，模式地表示於第4圖(a)，該研磨頭的周邊部的擴大圖表示於第4圖(b)。此研磨頭71的重點係由環狀的SUS(不鏽鋼)製等的剛性環72、接著於剛性環72之橡膠膜73、以及結合於剛性環72之中板74所組成。藉由剛性環72、橡膠膜73、以及中板74，形成密閉的空間部75。另外，在橡膠膜73的底面部的周邊部，具備與剛性環72同心的環狀的模板76。另外，在中板74的中央設有連通壓力調整機構77之調整壓力用的貫通孔78，藉由壓力調整機構77供給加壓流體等，來調節空間部75的壓力。另外，亦具有將中板74向研磨布94方向壓抵之未圖示的壓抵裝置。
利用如此構成的研磨頭，於橡膠膜73的底面部，隔著襯墊79保持工作件W，且以模板76保持工作件W的邊緣部，壓抵中板74並使工作件W滑動接觸已貼附於平台93的頂面之研磨布94，來進行研磨。
如此地先將工作件保持於橡膠膜，並使用具備模板之研磨頭來進行工作件的研磨，藉此雖有可提高工作件W整體的平坦性(以及研磨量均勻性)的情況，但依舊有平坦性非良好的情況，而有無法安定地獲得一定的平坦性的問題。
因此，本發明係有鑑於如此的問題而開發出來，其主要目的係提供一種研磨頭，可安定地獲得一定的平坦性。
本發明係為解決上述課題而提供一種研磨頭，至少具備：一環狀的剛性環；一橡膠膜，以均勻的張力接著於該剛性環；一中板，結合於上述剛性環，與上述橡膠膜、上述剛性環一起形成一空間部；以及一環狀的模板，其外徑大於上述剛性環的內徑，與上述剛性環同心地設置於上述橡膠膜的底面部的周邊部；能以壓力調整機構改變上述空間部的壓力，工作件的背面保持於上述橡膠膜的底面部，該工作件的表面滑動接觸於已貼附於平台上的研磨布來進行研磨，其特徵在於：上述模板的內徑小於上述剛性環的內徑，該剛性環與模板之間的內徑差、和上述模板的內徑與外徑之間的差的比，為26%以上45%以下。
如此構成的研磨頭中，如為模板的內徑小於剛性環的內徑，剛性環與模板之間的內徑差、和模板的內徑與外徑之間的差的比為26%以上45%以下的研磨頭，則模板的內周部分可自由變形，藉由橡膠膜所實施的工作件的保持與研磨，可於工作件的全面，以更均勻的壓抵力來進行。其結果，即使工作件的底面與模板的底面的位置關係有某程度的離散不均，亦可保持良好的研磨量均勻性。
此時，以上述模板的內徑僅大於上述工作件的外徑0.5mm以上2.0mm以下，上述模板的外徑僅大於上述工作件的外徑10%以上20%以下為較佳。
如此，如模板的內徑僅大於工作件的外徑0.5mm以上2.0mm以下，模板的外徑僅大於工作件的外徑10%以上20%以下，則工作件可不破損地確實地保持，且可防止模板於工作件研磨中脫落。另外，工作件的研磨速度可良好地控制。
另外，上述研磨的工作件可為直徑300mm以上的單結晶矽晶圓。
如此，即使研磨的工作件為直徑300mm以上的大直徑的單結晶矽晶圓，如為本發明之研磨頭，則藉由橡膠膜所實施的工作件的保持與研磨，可於工作件的全面，以更均勻的壓抵力來進行。其結果，即使工作件的底面與模板的底面的位置關係有某程度的離散不均，亦可保持良好的研磨量均勻性。
另外，上述模板的厚度，較佳係設成：當將上述工作件保持於上述研磨頭時，上述工作件的底面的位置，位於低於從上述模板的底面算起向上方60 μm的位置，且高於從上述模板的底面算起向下方5 μm的位置。
如此，如模板的厚度，係設成當將上述工作件保持於研磨頭時，工作件的底面的位置位於低於從模板的底面算起向上方60 μm的位置，且高於從模板的底面算起向下方5 μm的位置，則可更確實且高精度地保持研磨量均勻性，來進行研磨。
再者，本發明提供一種研磨裝置，係在研磨工作件的表面時所使用的研磨裝置，至少具備：一研磨布，貼附於
一平台上；一研磨劑供給機構，用以供給研磨劑至該研磨布上；以及一研磨頭，用以保持上述工作件，為上述本發明的研磨頭。
如此，如利用具備本發明的研磨頭之研磨裝置，來進行工作件的研磨，則藉由橡膠膜所實施的工作件的保持與研磨，可於工作件的全面，以更均勻的壓抵力來進行。其結果，即使工作件的底面與模板的底面的位置關係有某程度的離散不均，亦可保持良好的研磨量均勻性。
如利用本發明之研磨頭來進行工作件的研磨，則因模板的內周部分可自由變形，藉由橡膠膜所實施的工作件的保持與研磨，可於工作件的全面，以更均勻的壓抵力來進行。其結果，即使工作件的底面與模板的底面的位置關係有某程度的離散不均，亦可保持良好的研磨量均勻性。亦即，即使工作件的厚度、模板的厚度等有些許的離散不均，亦可保持良好的研磨量均勻性，來進行研磨。
以下，更詳細地說明本發明。
如上所述，即使先將工作件保持於橡膠膜，並利用具備模板之研磨頭來進行工作件的研磨，亦有無法獲得良好的平坦性的情況，而有安定地無法獲得一定的平坦性的問題。
因此，本發明者對於如此的問題的發生原因進行努力的實驗與檢討。
其結果，本發明者發現以下的情事。亦即，要進行研磨的工作件的底面，與用以保持該工作件的邊緣部之模板的底面，當具有規定的位置關係時，即可獲得良好的研磨量均勻性。而未成為如此的位置關係時，即發生工作件的外周形狀的翹起、塌邊，研磨量均勻性惡化。具體地，工作件的底面相對於模板的底面突出過大，則發生外周塌邊，工作件的底面相對於模板的底面陷入過大，則成為外周翹起的形狀。
亦即，例如藉由調整模板的厚度等，調整上述工作件的底面與模板的底面的位置關係，即可使研磨量均勻性良好。但習用的研磨頭中，為獲得良好的研磨量均勻性所容許的上述工作件與模板的底面的差的數值的範圍，僅有約數μm，另外，工作件為單結晶矽晶圓時，通常工作件的厚度有例如約±10 μm以上的離散不均(偏差)，另外，模板亦有厚度的離散不均，因此，難以進行數μm以內的精密的調整。
因此，本發明者更進行努力實驗與檢討，思及如模板成為從剛性環向內側伸出(亦可稱為「突出」)的構造，使模板的內周部分可自由地變形，則即使工作件的底面與模板的底面的位置關係有些微的離散不均，亦可降低對於研磨形狀的影響，將條件最適化，進而完成本發明。
以下參照圖式，具體地說明本發明之研磨頭與研磨裝置，但本發明不限定於此。
第1圖係表示本發明之研磨頭的一例，第1圖(a)係
表示研磨頭整體的概略剖面圖，第1圖(b)係表示其周邊部的擴大圖。此研磨頭11係具備由SUS(不鏽鋼)等的剛性材料所構成的環狀的剛性環12；以均勻的張力接著於剛性環12，其底面為平坦的橡膠膜(彈性膜)13；以及以螺絲等結合於剛性環12之中板14。藉由此剛性環12、橡膠膜13、以及中板14，形成密閉的空間部15。另外，工作件W保持於橡膠膜13的底面部。橡膠膜13的厚度並無特別限定，可選擇對應適當情況的厚度，例如可為約1mm厚。另外，中板的材質、形狀亦無特別限定，只要可形成空間部15即可。
另外，在橡膠膜13的底面部的周邊部，具備與剛性環12同心的環狀的模板16。模板16係用以保持工作件W的邊緣部，沿著橡膠膜13的底面部的外周部，向下方突出地接著。此時，模板16的內徑以僅大於工作件W的外徑0.5mm以上2.0mm以下為較佳。這是因為如模板16的內徑僅大於工作件W的外徑未滿0.5mm時，從工作件W的定位精度的觀點來看，無法良好地保持工作件W的緣故。另一方面，如模板16的內徑大於工作件W的外徑超過2.0mm時，模板16與工作件W的邊緣部之間，研磨中的衝擊大，使工作件W破損的可能性變高。另外，模板16的外徑係設成僅大於工作件W的外徑的10%以上20%以下。如模板16的外徑大於工作件W的外徑未滿10%的範圍時，有無法充分確保模板16的接著面積，因而造成在工作件W的研磨中，模板16剝離，或是膜板16的寬(模板
寬)變小，工作件W的保持變成不充分，而在研磨中，會發生工作件W從模板16脫落飛出等的問題。另一方面，如模板16的外徑超過工作件W的外徑20%而較大時，有研磨劑難以進入模板16的內側，研磨速度極端降低等的問題。
另外，模板16，作成其外徑至少大於剛性環12的內徑，且其內徑小於剛性環12的內徑。此時，因剛性環12與模板16同心，而成為模板16從剛性環12向內側伸出的狀態。又，模板16從該剛性環12算起的伸出長度稱為突出長度。而且，因下述的理由，剛性環12與模板16的內徑差、以及模板16的內徑與外徑之間的差的比，係設成26%以上45%以下(亦即，伸出長度與模板16的寬的比亦為26%以上45%以下)。
另外，模板16的材質，為不污染工作件W，且不造成傷痕、壓痕，以較工作件柔軟，在研磨中，即使與研磨布24滑動接觸亦難以磨耗、耐磨耗性高的材質為較佳。
另外，在中板14的中央，設有連通壓力調整機構17之壓力調整用的貫通孔18。藉由壓力調整機構17，供給加壓流體等，來調節空間部15的壓力。另外，具有將中板14向研磨布24的方向壓抵之未圖示的壓抵裝置。
另外，亦可於橡膠膜13的底面貼設襯墊19。襯墊19係包含水分，貼附工作件W，用以保持工作件W於橡膠膜13的工作件保持面。襯墊19例如可為發泡聚氨酯製者。設置如此的襯墊19，並使其含水，可藉由包含於襯墊19
的水的表面張力，確實地保持工作件W。又，第1圖中係表示模板16直接接著於橡膠膜13的態樣，但本發明並未排除模板16間隔襯墊19等接著於橡膠膜13的情況。
利用如此構成的研磨頭11，藉由未圖示的中板壓抵裝置，壓抵中板14向貼附於平台23上的研磨布24的方向，使工作件W與研磨布24滑動接觸，來研磨工作件表面。此中板壓抵裝置係以均勻的壓力壓抵中板14全面為較佳。
如此，使模板16的內徑小於剛性環12的內徑，來構成研磨頭11，藉此，模板16的內周部分可自由地變形，藉由適當地調節空間部15的壓力，研磨中的工作件W的底面(被研磨面)與模板16的底面的位置關係自動地緩和而可接近適當的位置，因此，即使工作件W的厚度與模板16的厚度有某程度的離散不均(偏差)時，亦可保持壓抵力全面均勻地施加於工作件W，來進行研磨。其結果，可良好地保持工作件W的研磨量均勻性，來進行研磨。
本發明者，關於剛性環12與模板16的內徑差，為具體地求取應為如何的範圍而進行以下的實驗。
改變模板16的從剛性環12算起的伸出長度，如以下地製作第1圖所示的構成的研磨頭11。首先，於上部被中板14閉塞的SUS製的剛性環12(外徑360mm)的外周，以均勻的拉力貼附橡膠膜13。於此橡膠膜13的工作件保持面，以雙面膠帶貼附襯墊19，鄰接襯墊19的周圍以雙面膠帶接著其外徑355mm、內徑302mm的環狀的模板16
(亦即，其外徑與內徑之間的差為53mm，模板寬(幅度)為26.5mm)。但分別準備用於交換的具有使剛性環12與模板16的內徑差為0、5、10、14、18、22、24、26mm(模板16的從剛性環12算起的伸出長度分別為0、2.5、5、7、9、11、12、13mm)的內徑的剛性環。
此時的剛性環12與模板16之間的內徑差，以及該剛性環12與模板16之間的內徑差、和模板16的內徑與外徑之間的差的比的關係，係表示於第1表。
利用具備如上所述的研磨頭11之研磨裝置，如下所述地，進行作為工作件W之直徑300mm、厚度775 μm的單結晶矽晶圓的的研磨。又，使用的單結晶矽晶圓，其雙面預先施以一次研磨，其邊緣部亦已施以研磨。另外，平台23係使用直徑800mm者，研磨布24係使用通常使用者。
研磨時，使用研磨劑中含有矽酸膠(colloidal silica)之鹼性溶液，研磨頭11與平台23分別以31rpm、29rpm旋轉。工作件W的研磨荷重(壓抵力)設為15kpa。研磨時間設為10分鐘。
對於如此地進行研磨後的工作件W，評價其研磨量均勻性。又，研磨量均勻性係以平坦性測定器，於平面內對於研磨前後的工作件的厚度，測定作為平坦度保證區域之最外周部2mm寬除外的領域，取得研磨量的差量而求得，以研磨量均勻性(%)=(平面內的最大研磨量-平面內的最小研磨量)/平面內的平均研磨量的數式來表示。
其結果，工作件W保持於研磨頭11時，工作件W底面的從模板16底面算起的突出長度(符號為正時，表示工作件W的底面係更低於模板16的底面；為負時，表示工作件W的底面係於模板16的底面之上的意思)與研磨量均勻性之間的關係的圖表，係表示於第3圖。
由第3圖可知，如剛性環12與模板16之間的內徑差，與模板16的內徑與外徑之間的差的比為26~45%時，只要工作件W底面的從模板16底面算起的突出長度約在5 μm~-60 μm的範圍，則研磨量均勻性為良好的10%以下。另一方面，如剛性環12與模板16之間的內徑差的比小於此範圍，則研磨量均勻性因工作件W底面的從模板16底面算起的突出長度，大幅地受到影響，離散不均性大(偏差大)。另外，剛性環12與模板16之間的內徑差的比為49%時，橡膠膜13發生扭曲，有襯墊19與工作件W
脫落等無法進行研磨的情況。
由以上的實驗的結果可知，如剛性環12與模板16之間的內徑差，與模板16的內徑與外徑之間的差的比為26%以上45%以下，則即使工作件W底面的從模板16底面算起的突出長度為約5 μm~-60 μm這樣的較為離散不均的情況，亦可保持良好的研磨量均勻性，來研磨工作件。
為使剛性環12與模板16之間的內徑差位於如此的範圍內，要研磨的工作件W的直徑取決於規格時，不變更模板16的內徑，而藉由改變剛性環12的內徑，來調節剛性環12與模板16的內徑差。但本發明不限定於此，亦可依工作件W的直徑，來改變模板16的內徑。
如利用具有如此的範圍的剛性環12與模板16的內徑差之研磨頭11，來進行工作件W的研磨，研磨中，模板16的內周部分自由地變形，工作件底面(被研磨面)與模板16的底面的位置關係自動地緩和，因此，即使工作件W的厚度和模板16的厚度等，有某程度的離散不均時，亦可良好地保持工作件的研磨量均勻性，來進行研磨。具體地，當工作件保持於研磨頭時，如設定模板的厚度，使得工作件的底面的位置係位於低於從模板的底面算起向上方60 μm的位置，且高於從模板的底面算起向下方5 μm的位置之位置，則可更確實地良好地保持工作件的研磨量均勻性，來進行研磨。
第2圖係表示具構上述研磨頭11之研磨裝置61的概略。此研磨裝置61除了研磨頭11之外，亦具備貼附於平
台23上的研磨布24、以及用以供給研磨劑65至研磨布24上的研磨劑供給機構66。
利用此研磨裝置61研磨工作件W時，首先，將工作件W貼附於含水的襯墊19，以橡膠膜13保持工作件W的背面，且以模板16保持工作件W的邊緣部。
而且，從研磨劑供給機構66供給研磨劑65至研磨布24上，且研磨頭11與平台23分別依預定的方向旋轉，使工作件W與研磨布24滑動接觸。保持於橡膠膜13的工作件W，相對於平台23上的研磨布24旋轉的同時，以預定的壓抵力壓抵，能研磨工作件W的表面。
如利用具備如此的研磨頭11之研磨裝置61來進行工作件W的研磨，則由於剛性環12與模板16之間的內徑差、和模板16的內徑與外徑之間的差的比，成為26%以上45%以下的構造，因此，可於工作件W的全面，以均勻的壓抵力來進行研磨，即使工作件的厚度有某程度的離散不均，亦可良好地保持工作件的研磨量均勻性，來進行研磨。
本發明並非被限定於上述實施型態者，上述實施型態僅為例示，凡是具有和本發明申請專利範圍所記載之技術思想實質相同之構成，可達到同樣之作用效果者，皆包含在本發明之技術範圍中。
例如，本發明之研磨頭不限定於第1圖所示的態樣，例如，只要適當地設計中板的形狀等便可以。
另外，研磨裝置的構成亦不限定於第2圖所示者，例
如，可為具備複數個本發明的研磨頭之研磨裝置。
11‧‧‧研磨頭
12‧‧‧剛性環
13‧‧‧橡膠膜
14‧‧‧中板
15‧‧‧空間部
16‧‧‧模板
17‧‧‧壓力調整機構
18‧‧‧貫通孔
19‧‧‧襯墊
23‧‧‧平台
24‧‧‧研磨布
61‧‧‧研磨裝置
65‧‧‧研磨劑
66‧‧‧研磨劑供給機構
71‧‧‧研磨頭
72‧‧‧剛性環
73‧‧‧橡膠膜
74‧‧‧中板
75‧‧‧空間部
76‧‧‧模板
77‧‧‧壓力調整機構
78‧‧‧貫通孔
79‧‧‧襯墊
91‧‧‧研磨裝置
92‧‧‧研磨頭
93‧‧‧平台
94‧‧‧研磨布
95‧‧‧研磨劑
96‧‧‧研磨劑供給機構
W‧‧‧工作件
第1圖係表示本發明之研磨頭的概略剖面圖，(a)係表示研磨頭整體的概略剖面圖，(b)係表示周邊部的擴大圖。
第2圖係表示具備本發明之研磨頭的研磨裝置的一例的概略構成圖。
第3圖係表示工作件底面之從模板底面算起的突出長度與研磨量均勻性之間的關係的圖表。
第4圖係表示習用之研磨頭的概略剖面圖，(a)係表示研磨頭整體的概略剖面圖，(b)係表示周邊部的擴大圖。
第5圖係表示單面研磨裝置的一例的概略構成圖。
11‧‧‧研磨頭
12‧‧‧剛性環
13‧‧‧橡膠膜
14‧‧‧中板
15‧‧‧空間部
16‧‧‧模板
17‧‧‧壓力調整機構
18‧‧‧貫通孔
19‧‧‧襯墊
23‧‧‧平台
24‧‧‧研磨布
W‧‧‧工作件
Claims (7)
- 一種研磨頭，至少具備：一環狀的剛性環；一橡膠膜，以均勻的張力接著於該剛性環；一中板，結合於上述剛性環，與上述橡膠膜、上述剛性環一起形成一空間部；以及一環狀的模板，其外徑大於上述剛性環的內徑，與上述剛性環同心地設置於上述橡膠膜的底面部的周邊部；能以壓力調整機構改變上述空間部的壓力，工作件的背面保持於上述橡膠膜的底面部，該工作件的表面滑動接觸於已貼附於平台上的研磨布來進行研磨，其特徵在於：上述模板的內徑小於上述剛性環的內徑，該剛性環與模板之間的內徑差、和上述模板的內徑與外徑之間的差的比，為26%以上45%以下。
- 如申請專利範圍第1項所述之研磨頭，其中上述模板的內徑僅大於上述工作件的外徑0.5mm以上2.0mm以下，上述模板的外徑僅大於上述工作件的外徑10%以上20%以下。
- 如申請專利範圍第1項所述之研磨頭，其中上述要研磨的工作件，係直徑300mm以上的單結晶矽晶圓。
- 如申請專利範圍第2項所述之研磨頭，其中上述要研磨的工作件，係直徑300mm以上的單結晶矽晶圓。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之研磨頭，其中上述模板的厚度，係設成：當將上述工作件保持於上述研磨頭時，上述工作件的底面的位置，位於低於從上述模板的底面算起向上方60 μm的位置，且高於從上述模板的底面算起向下方5 μm的位置。
- 一種研磨裝置，係在研磨工作件的表面時所使用的研磨裝置，至少具備：一研磨布，貼附於一平台上；一研磨劑供給機構，用以供給研磨劑至該研磨布上；以及一研磨頭，用以保持上述工作件，為申請專利範圍第1至4項中任一項所述的研磨頭。
- 一種研磨裝置，係在研磨工作件的表面時所使用的研磨裝置，至少具備：一研磨布，貼附於一平台上；一研磨劑供給機構，用以供給研磨劑至該研磨布上；以及一研磨頭，用以保持上述工作件，為申請專利範圍第5項所述的研磨頭。
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