(57)【要約】【課題】  半導体ウェーハ片面枚葉ラップ・研磨加工において、加工による発熱ひずみ経過や定盤の摩耗時間変化や材料ウェーハ面振れの影響を受けることない安定した平面加工を行うことができる装置。【解決手段】    構成は、ウェーハを回転チャックに固定し、リング状の定盤をウェーハの半径部分に押圧し、リング状定盤の姿勢を自動的に制御される様にして、スラリーをリング状定盤中心から供給しながら双方を同方向に回転して研磨する方法。【選択図】  図１
2006326816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転可能にした円板２１（以下チャックという）上に、その回転中心に被加工試料（以下ウェーハという）を乗せてその片面を固定し、ウェーハのもう一方の片面を加工する方法に於いて、自転する前記ウェーハの中心付近から外周に向かう半径部をリング状回転定盤（以下リング状定盤という）の直径で覆う様に配置し、チャックの回転軸（以下主軸という）の軸方向と、前記リング状定盤を回転支持するスピンドル軸１４（以下副軸という）の軸方向とを、ウェーハのほぼ２分の１半径程主軸から離れた位置に平行に配置し、副軸１４を軸方向（上下）に移動可能にして、前記ウェーハ２０の上からリング状定盤１１を押圧し、リング状定盤の中心部から、スラリー状にした研磨砥粒を供給孔１５を介して供給し、ウェーハを加工する方法であって、リング状定盤とこれを回転支持する副軸との間に弾性体を介して結合し、主軸上で回転するウェーハ面上にリング状定盤が弾性的に密着して押圧し、荷重加工作用を有する様にしたことを特長とする研磨装置。
【請求項２】
リング状定盤１１と前記リング状定盤の内径内に在って前記リング状定盤を保持する円盤状板バネ１２と前記円盤状板バネを保持する軸芯フランジ１３と前記軸芯フランジと結合する副軸スピンドル軸１４で配置構成されるヘッド部の下端部は、主軸２２上で回転するウェーハ面２０に密着して荷重を掛け、除去加工する際、前記構成で連結して回転するリング状定盤の副軸１４と主軸２２上のウェーハ面２０に垂直な軸すなわち回転毎にリング状定盤の仮想回転軸との間に角度傾斜が生じることを弾性力をもって高速に許容する弾性円盤１２を有することを特長とするヘッド構成および請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】    半導体ウェーハに類する材料板面等を砥粒により平面や平面に近い球面に加工する方法に関するものである。
【本方法の特徴】
【０００２】    本方法は、曲率の小さな球面または平面を対象とし、凹球面から平面、平面から凸球面に至る任意の曲率を持った面を１つの定盤で加工することが出来る特徴を持っている。
【背景技術】
【０００３】    遊離砥粒を用いて平面加工する方法として、（ａ）被加工物よりも大きな平面工具を用いて摺り合わせて平面加工する方法と、（ｂ）被加工物より小さな工具を使用して平面加工する方法に分けられる。前者（ａ）の方法は、広く使用されているラップ定盤や鏡面研磨装置に用いられている。この方法は回転する基準となる平面定盤面上に複数の被研磨面を当てて摺り合わせて、被研磨面を平面に加工する方法である。この方法では平面と平面を摺り合わせるため、必ず一方の平面の傾きを他方の平面に追従させるためのいわゆるユニバーサルジョイントが使用される。また被加工試料面の傾きを修正する能力は無く、双方を高速回転するには力学的に不向きである欠点と加工熱による熱歪みが不均等に発生する欠点と加工定盤面の不均等な磨耗が発生し頻繁に平面性を取り戻す修正作業が伴う欠点がある。後者（ｂ）の方法は、例えば研削盤に用いられている様に、単数の被加工物に工具を相対的に平面移動して加工する方法である。高精度な平面を確保するために、被加工物と工具の両回転軸を剛性ある回転軸とし、熱歪みや荷重歪みを最小にする極めて高価な装置とその恒温環境下で、工具の運動軌道を被加工試料面に写し取る技術方法である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】    前記（ａ）の方法の問題点は、基準となる定盤の平面を被加工面に摺り合わせて加工する際、▲１▼修正作業対策：定盤面側も同時に磨耗し、定盤面の磨耗が不均一に進むため、頻繁に定盤面を平面修正するという宿命がある。▲２▼ユニバーサルジョイント（角度振れ制御）対策：基準平面と被加工平面を合わせる手段として、そのいずれか片方の回転軸にユニバーサルジョイントを取り付ける必要がある。試料毎に厚みや平行度が異なる試料面方向に対し、定盤面を試料面に追従させて合わせ密着加圧させるユニバーサルジョイントは、試料および定盤を高速に回転する場合、高速にその軸方向を変えることが困難な場合を有する欠点がある。▲３▼ユニバーサルジョイント（面振動減衰対策）：試料ウェーハ厚さに非平行な試料の場合、チャック面にこの試料を固定して高速回転すると、試料面が面触れを起こし、これに接触する定盤面に密着して追従させ且つ振れを減衰させることが出来ない場合がある。▲４▼加工熱による熱ひずみ対策：一般に発熱を抑えるため冷却機構を設けるが、発熱と吸熱の位置を一致させない限り、温度勾配（熱の流れ）が生じ、物体に熱ひずみを発生させる結果になる。
このことは、実質的に大きな温度勾配を発生させる仕事は出来ないことを意味する。
後者（ｂ）の方法では、工具を被加工物にたいして平面移動させるメカニカルな機構が必要である。このためには、工具および被加工物の双方の回転軸剛性を高め、同時に双方の回転軸方向を熱や荷重による歪みによって狂わせない対策が必要であるため、極めて高価な装置となる欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】    本方法は、遊離砥粒を用いながら、工具を試料より小さくし工具を安定して試料面に密着させる方法として、請求範囲１に記述する様に、リング状定盤を試料面に安定して押しつけて接触させる方法を提供するものである。
本発明では、ウェーハ面に定盤面を合わせる方法として、副軸スピンドル１４の先端に取り付けた軸芯フランジ１３から弾性板１２を介してリング定盤１１を保持し、荷重を掛ける方法により、ウェーハ面（加工試料は完全な表裏平行ではない場合がある）の回転面ぶれ振動に対して、高速に定盤面をウェーハ面に追従加圧させることが出来る。即ち、前項の「修正作業対策」ではリング状定盤は高速で回転し、均等に磨耗し、熱膨張に対して形状は変わらない。従って修正作業は不要となる。前項▲２▼の対策では弾性板１２によりリング状定盤面の微小な傾斜を可能にし、前項▲３▼の対策では傾斜を小さくする復元力により縦振動を小さく制御される特徴を持つ。前項▲４▼熱ひずみの対策ではリング状定盤に対向する試料ウェーハ面の湾曲ひずみに対して、リング状定盤であればこそ凹凸面に対しても有効であり、また試料面の湾曲面に対し、弾性板１２の効果と副軸のチルト機構１７があればこそ容易に許容でき、ウェーハの平行度を維持するものである。
従来のユニバーサルジョイントを用いた場合（図３）、高速回転する被加工面の振動に対する定盤の浮き上がり振動現象が発生する場合や、またはその振動が時間と共に減衰しない欠点を有したが、本方法（図２）では面にフィットして浮き上がることもなく、圧力の追従性も改善されて、従来の欠点を取り除くことが出来た。装置コストも研削装置に比べて安価に構成できることが分かる。
【０００６】    本方法は、まばらな厚みを持つウェーハを加工する方法として、従来の遊離砥粒方式でありながら、枚葉加工方法を提供するものである。このためには、ウェーハのほぼ半径程度のリング状定盤をそのウェーハに押し当てる構成にすること、リング状定盤を安定させることにより、主軸２２と副軸１４の２つのスピンドル軸の剛性を高める必要がなくなる。一般にウェーハ試料の厚み形状は平行でない場合が多く、片面をチャックで固定し、他面を加工する際この加工面が回転振動を起こし、工具に大きな振動を与えることになる。遊離砥粒による加工では圧力を与えて加工するメカニズムのため、振動がある場合でも、被加工面と加工工具面を密着加圧させる構成が必要となる。本方法では、密着加圧させる手段として、リニアーベアリング３６による上下の追従性を与え、ウェーハ半径方向に傾斜可能にする姿勢制御軸１７を設け、試料面の回転振動に追従し、その振動を減衰させる弾性円盤１２を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】修正作業の排除：高速回転するリング状定盤の磨耗は回転体として均等に磨耗する。従って、磨耗による修正作業は要らなくなる。
【０００８】ユニバーサルジョイントの排除：請求範囲２及び１に示した弾性板および姿勢制御軸を有するチルト機構１７により、振動反発を抑え高速回転が可能になる。
【０００９】熱歪み対策：リング定盤の円形熱歪みに関して全く影響が無く、平板から成るチャック面の熱歪みは、ほぼ球面に近似される熱歪みであるため、その上に固定されるウェーハも同様な球面となり、高精度加工に影響を及ぼさない安定した枚葉加工が可能となる。
【００１０】    本方法は、従来の固定砥粒による切削や研削に必要な高剛性スピンドルを用いた高価な装置となる技術思想では無く、装置の低コスト化も可能な遊離砥粒による加工方式を提供するものである。
【００１１】    本方法に於いては、定盤面に砥粒を固定して加工する方法も、容易に類推することが出来る。この場合の問題点は固定砥粒の目詰まりを解消する手段の選択である。超音波ドレッシング、電解ドレッシング、水洗ドレッシング、また、固定砥粒粒度より細かいスラリー砥粒を用いて目詰まりを解消する加工方法も考えられる。
【００１２】    加工定盤をリング状にすることで、この定盤を任意の曲率球面に均等に接することが出来ることは幾何学的な自然の理であり、被加工面が球面からはみ出た非球面の凸部は、リング状定盤に強く接して球面への方向に修正加工される。この時高速に回転するリング定盤は、その円周上において均等に作用し、加工熱発生によりリング状定盤の熱歪みが発生しても、リング状定盤の真円を損なうことはない。また磨耗しても同様に真円を損なうものではない。またウェーハの温度上昇で、チャックおよびウェーハが球面熱変形する場合でも、本方法では、任意の曲率球面状ウェーハに対しリング状定盤が接することが出来、その加工方法を与えるものである。また、弾性板１２をリング状定盤内に設置することで、ウェーハ面の曲率に関係する主軸と副軸とのなす傾斜角を柔軟に受け入れ、本装置を軽量化し、コンパクトにし、加工面を高精度に仕上げることができる。
【００１３】（加工面と被加工面との密着性）
遊離砥粒を用いて被加工面と定盤面とを摺り合わせて加工する方法では、被加工面の方向と定盤面の方向とを一致せさる必要がある。しかし、投入ウェーハに様々なバラツキや装置の環境変動要因が存在するため、予め２つの面を一致させることは不可能である。加工面と被加工面を一致させる方法として一方の面の方向を可変にする機構、いわゆる、ユニバーサルジョイントが一般に使用される。しかし、回転軸を固定してその先端にユニバーサルジョイントを使用すると、回転遠心力によりユニバーサルジョイントが不本意な方向に振られてしまう可能性があること、および、面に加圧密着して前記「不本意な振れ」を防止出来たとしても、ユニバーサルジョイントでは定盤面に復元力が無く（図３）、試料面の僅かな傾斜をも取り除くことが出来ない。しかし、リング定盤面を弾性的に保持することにより試料面の回転面振れを除去することが出来る。本方法では、試料面の回転面振れに伴い定盤面が上下して制御不能になること無く、その振幅を減衰させる機能が備わるのである。
【００１４】    遊離砥粒を介して圧力Ｐを与え定盤面と被加工面を相対的に移動ｖして、いわゆるラップする時間ｔを与えると、その除去量ｗは一般に次式で表現される。
ｗ  ＝  ｋ・Ｐ・ｖ・ｔ．
但し  ｗ：被加工物面の除去量
ｋ：  比例定数
Ｐ：圧力
ｖ：相対移動速度
ｔ：仕事時間
しかしながら、本方法ではリング状定盤をウェーハ全面に均等に当てることができないにもかかわらず、理想的な面（平面や球面）が得られる理由は、凹んだ面には圧力Ｐが減少して加工を遅らせ、凸の部分は圧力Ｐを増大させ加工を速める現象が起こっていると考えられる。また定盤の作用する時間ｔについても同様に、ウェーハ面上に作用時間の長い部分と短い部分が存在し、作用時間の長い部分は仕事量は大きく、短い部分は仕事量は小さくなるが、これが、圧力Ｐに反映して、作用時間の長い部分は圧力は小さく、作用時間の短い部分は圧力は大きくなり、バランスのとれた加工が進行すると考えられる。
【００１５】    結果として、高速に回転するリング状の定盤面は、幾何学的に歪みのない真円軌道を形成し、被加工物面をこの「真円軌道に接する面（平面や球面）」に作り上げることが出来るのである。この被加工物面に真円軌道面を常に接する様にするためには、リング状定盤を支える弾性体が必要である。
【００１６】    作用時間ｔを更に分散させる手法として、主軸に対し距離間隔的に、副軸を揺動させる方法も、前記加工量の均一バランスを崩さない範囲が存在することが予想される。特に主軸と副軸を平行に保ったまま、ウェーハの半径方向に軸を相対的に揺動させる方法は容易に類推されるものである。（主軸と副軸の間隔を変えることは加工面の曲率を変えることになることを承知して揺動させる必要がある。）また、同方向に回転する主軸と副軸の回転比を変更すると加工面の曲率を変えることになることは言うまでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】    遊離砥粒を介して工具の加工面をウェーハの被加工面を摺り合わせて加工する方法に於いて、工具の加工面がリングであるため、平面または球面曲率を持つ被加工面に対して、リング状工具面を接触摺り合わせが可能となる。被加工面が非球面であれば、リング面と当たる部分の加工が進み非球面から球面（平面）へと収れんする。この球面の曲率を変更制御して平面に近づけるためには、リングに例えば偏荷重を与えることにより達成させることができる。リングに偏荷重を与えられる様に姿勢制御軸１７を設けている。ウェーハの外周の荷重を偏らせると凸面へ、内側に荷重を掛けると凹面へと進行する傾向があり、バランスをとれば平面や、面の曲率をそのまま維持させることができる。（図１には偏荷重を与える機構を省略している）。バランスが取れた状態では、ウェーハチャック面が凸球面に熱変形しても、ウェーハ形状を平行のまま加工を進めることができる特徴を持たせることができる。これは姿勢制御軸１７によるものである。またウェーハの形状に傾斜がある場合は、ウェーハの回転例えば２０００ｒｐｍに対し、弾性円盤１２により加工面と被加工面を密着させることにより、この弾性力で面の振動を減衰させる。
【実施例】
【００１８】    チャック面に被加工物ウェーハ（φ２００ｍｍ）を真空チャックで固定し、２０００ｒｐｍで回転させる。アルミナ等のパウダー＃１２００を１５％溶かしたスラリーを１５ｍｌ／ｍｉｎ副スピンドルのスラリー供給孔１５に送り、リング状定盤を２０００ｒｐｍで同方向に回転して、ウェーハ面に下ろし荷重１０ｋｇを掛けて、表面除去加工を行う。リング定盤の外径はウェーハの半径よりやや大きくφ１１０ｍｍ内径は内外平均値をウェーハ半径より小さくなる様に選択したφ８０ｍｍ。
【発明の効果】
【００１９】    請求項１に記載する装置により、具体的には請求項２に記載する金属弾性円盤の外周に保持されたリング状定盤を使用することにより、リング状定盤の磨耗に対して、定盤の平坦性を崩すことなく、試料面に密着して加圧加工ができ、正常な平面が得られた。従って従来の「定盤の修正」を全く必要としない、また冷却機構を持たない加工装置技術を完成することができた。また試料面の傾きに対しても、回転振動する試料面に対して十分に試料面に定盤面を密着して追従させることが出来た。
この追従性により、スピンドル軸剛性を高める必要性が無く、小型でスリムな装置を構成することが出来た。
また、加工熱等による試料面を支配するウェーハチャック面の熱変形（湾曲変形）を配慮することなく、平面加工が効率的に出来た。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施装置の全体概念図
【図２】本発明のリング状定盤の一形態図
【図３】従来技術ユニバーサルジョイントを用いたリング状定盤の一形態図
【符号の説明】
【００２１】１１    リング状定盤
１２    弾性円盤
１３    フランジ
１４    スピンドル軸（副軸）
１５    スラリー供給孔
１６    回転駆動モータ
１７    凹凸平面姿勢制御軸
２０    試料・ウェーハ
２１    ウェーハ保持チャック
２２    スピンドル軸（主軸）
２３    回転駆動モータ
２４    リニアーベアリング
３４    バランス重り
３５    上昇下降駆動加圧シリンダー
３６    リニアーベアリング
５１    リング状定盤
５２    ユニバーサルジョイント
５３    スピンドル軸
【図１】
2006326816.tif 000003
【図２】
2006326816.tif 000004
【図３】
2006326816.tif 000005