(57)【要約】【課題】ワークの表面に加わる押圧を調整して、表面研磨を行うとともに、ワークの回転を滑らかにし、ワークの表面の研磨を均一に行うことを目的とする。【解決手段】ワーク２の表面を研磨するための研磨面４６が形成された定盤４２に、ワーク保持部６に取り付けられたワーク２を接触させ、ワーク保持部６を組み込んだフランジ部８を回転するために駆動手段により回転軸２０へ回転を伝達するとともに、回転軸２０の内部に設けられた複数の管路２２、２４へ流体を送出し、ワーク保持部６とフランジ部８との間で相互に逆圧力が加わる複数の加圧室１２、１４を形成し、相殺されて小さい押圧をワーク保持部６に取り付けられて研磨面４６上に接触しているワーク２に加える研磨装置の研磨ヘッド１０を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にワークの表面を研磨するための研磨面が形成され、前記研磨面とともに回転可能である定盤と、
前記研磨面に研磨すべき前記ワークの表面を接触させることが可能で、前記ワークとともに回転可能なワーク保持部と、
前記ワーク保持部へ駆動手段による回転を伝達するとともに、内部に設けられた管路より前記ワーク保持部へ流体を送出するための回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ、前記ワーク保持部と組み合わされて、前記回転軸からの回転を前記ワーク保持部へ伝達するためのフランジ部と、を備える研磨装置の研磨ヘッドであって、
前記回転軸内に設けられた複数の前記管路より前記流体を送出することにより、前記フランジ部と前記ワーク保持部と組み合わせて相互に逆圧力が加わる複数の加圧室を形成し、その複数の加圧室の圧力により前記ワーク保持部と前記研磨面との間にある前記ワークに押圧を加えることを特徴とする研磨装置の研磨ヘッド。
【請求項２】
表面にワークの表面を研磨するための研磨面が形成され、前記研磨面とともに回転可能である定盤と、
前記研磨面に研磨すべき前記ワークの表面を接触させることが可能で、前記ワークとともに回転可能なワーク保持部と、
前記ワーク保持部へ駆動手段による回転を伝達するとともに、内部に設けられた管路より前記ワーク保持部へ流体を送出するための回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ、前記ワーク保持部と組み合わされて、前記回転軸からの回転を前記ワーク保持部へ伝達するためのフランジ部と、を備える研磨装置の研磨ヘッドであって、
前記回転軸内に設けられた一方の前記管路より前記流体を送出することにより、前記研磨面上の前記ワークに対して、前記ワーク保持部から前記定盤へ押圧を加える、前記ワーク保持部と前記フランジ部とを組み合わせて形成される第一加圧室と、
前記回転軸内に設けられた他方の前記管路より前記流体を送出することにより、前記定盤から前記ワーク保持部へ押圧を加える、前記ワーク保持部と前記フランジ部とを組み合わせて形成される第二加圧室と、を備えることを特徴とする研磨装置の研磨ヘッド。
【請求項３】
前記フランジ部に対して前記ワーク保持部が移動して、前記第一加圧室及び前記第二加圧室を形成できるように、前記フランジ部に設けられた溝と前記ワーク保持部に設けられた歯車状の溝とが係合することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置の研磨ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークである半導体ウェハの研磨面の平坦度を高める研磨装置の研磨ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、小型機械の普及により半導体ウェハの多層構造の微細なパターンの形成が必要とされている。そのために、半導体製造装置の高集積化に伴うパターンの微細化が進んでおり、パターンが形成される半導体ウェハ自体及びパターンを形成する過程における半導体ウェハの表面を極力平坦化させることが重要となってきている。その場合、半導体ウェハ（以下、ウェハと略す）の表面を研磨するために平坦化の度合いが高い化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）を用いることが多い。
【０００３】
この方法を実施する一般的な装置として、図６に示すように、中心軸２００に取り付けられた円盤状の定盤１５０（プラテン）上に、例えば硬質ウレタンからなる研磨面（研磨パッド）１６０が設けられ、この研磨面１６０に対向してかつ研磨面１６０の中心軸２００から偏心した位置に、自転可能なウェハの研磨ヘッド１４０が配設されている。このウェハの研磨ヘッド１４０は、研磨面１６０よりも小径の略円盤形状とされて、図示しないアームによって上端を保持された状態で、その下部すなわち保持プレート１２０でウェハ１００を保持して研磨面１６０に当接させている。
【０００４】
そして、ウェハ１００の研磨に際して、例えば、ＳｉＯ２を用いたアルカリ溶液、ＳｉＯ２を用いた中性溶液、或いはＡｌ２Ｏ３を用いた酸性溶液等の砥粒剤が液状のスラリーＳとして研磨面１６０上に供給されている。そのため、スラリーＳがウェハの研磨ヘッド１４０に保持されたウェハ１００と研磨面１６０との間に流動して、ウェハの研磨ヘッド１４０に保持されたウェハ１００が自転し（矢印方向）、同時に研磨面１６０が中心軸２００を中心として回転するために（矢印方向）、研磨面１６０でウェハ１００の一面（表面）が研磨される。
【０００５】
上記方法を実施するためにウェハの研磨ヘッド１４０に保持されたウェハ１００を研磨面１６０に当接させ、研磨するための具体的な従来の機構としては、図７に示す機構がある。この機構の動作としては、まずウェハ１００の上方からウェハの研磨ヘッド１４０を図示しないシリンダ装置によって矢印方向Ｇへ下降させ、ウェハ１００を保持プレート１２０の表面に水の表面張力によって吸着させる。つぎに、ウェハ１００を定盤１５０の上方まで搬送し、図示しないシリンダ装置によってウェハの研磨ヘッド１４０を下方に下げ、ウェハ１００の表面を定盤１５０の研磨面１６０に当接させる。
【０００６】
そして、所定の圧力の圧縮空気を、図示しない主軸（回転軸）の管路を経て、圧力室１８０に導入することによって、ウェハ１００の表面を研磨面１６０に所望の圧力で押圧することになる。このようにウェハ１００に荷重が負荷された状態で定盤１５０の研磨面１６０上にスラリーを供給しつつ、定盤１５０を回転し、図示しない駆動モータの動力によりウェハの研磨ヘッド１４０を回転して、ウェハ１００の表面を鏡面研磨するというものである（特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２９０３５８号公報（段落番号００２４から段落番号００２５の記載、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ウェハ１００の表面上に形成された酸化膜はガラス等の堅い材質から被抵抗が高い材質に変わってきており、その被抵抗が高い材質のものはガラス等の堅い材質に比べ柔らかい。そのため、ウェハの研磨ヘッド１４０の自重、或いは圧力室１８０による圧力を加えることによりウェハ１００の表面が研磨し過ぎてしまう場合が生じる。また、そのようなウェハ１００を回転させる場合において、ウェハ１００表面に凸凹がある場合等では、ウェハの研磨ヘッド１４０の保持プレート１２０に吸着されているウェハ１００が滑らかに回転し難くなる。つまり、ウェハ１００表面の研磨が凸凹に沿って行われず、ウェハ１００表面の凸の部分によりウェハの研磨ヘッド１４０が傾き滑らかに回転できなくなり、ウェハ１００の表面が均一に研磨されない場合が発生し易いことになる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みなされたものであり、ウェハ表面の研磨し過ぎを防ぐためにウェハ表面に加わる押圧を調整し、ウェハ表面の研磨を均一に行うためにウェハの回転を滑らかに行う研磨装置の研磨ヘッド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】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、表面にワークの表面を研磨するための研磨面が形成され、前記研磨面とともに回転可能である定盤と、前記研磨面に研磨すべき前記ワークの表面を接触させることが可能で、前記ワークとともに回転可能なワーク保持部と、前記ワーク保持部へ駆動手段による回転を伝達するとともに、内部に設けられた管路より前記ワーク保持部へ流体を送出するための回転軸と、前記回転軸に取り付けられ、前記ワーク保持部と組み合わされて、前記回転軸からの回転を前記ワーク保持部へ伝達するためのフランジ部と、を備える研磨装置の研磨ヘッドであって、前記回転軸内に設けられた複数の前記管路より前記流体を送出することにより、前記フランジ部と前記ワーク保持部と組み合わせて相互に逆圧力が加わる複数の加圧室を形成し、その複数の加圧室の圧力により前記ワーク保持部と前記研磨面との間にある前記ワークに押圧を加えることを特徴とする。
【００１１】
従って、請求項１に記載の発明によれば、研磨ヘッドを構成するワーク保持部とフランジ部とを組み合わせ、回転軸の複数の管路により流体を送出することで複数の加圧室を形成し、その複数の加圧室に相互に逆圧が加わるようにすることでワーク保持部に取り付けられたワークへ加わる押圧の大きさを制御することができ複数の加圧室により相殺された小さな押圧をワークに加えることが可能になる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明は、表面にワークの表面を研磨するための研磨面が形成され、前記研磨面とともに回転可能である定盤と、前記研磨面に研磨すべき前記ワークの表面を接触させることが可能で、前記ワークとともに回転可能なワーク保持部と、前記ワーク保持部へ駆動手段による回転を伝達するとともに、内部に設けられた管路より前記ワーク保持部へ流体を送出するための回転軸と、前記回転軸に取り付けられ、前記ワーク保持部と組み合わされて、前記回転軸からの回転を前記ワーク保持部へ伝達するためのフランジ部と、を備える研磨装置の研磨ヘッドであって、前記回転軸内に設けられた一方の前記管路より前記流体を送出することにより、前記研磨面上の前記ワークに対して、前記ワーク保持部から前記定盤へ押圧を加える、前記ワーク保持部と前記フランジ部とを組み合わせて形成される第一加圧室と、前記回転軸内に設けられた他方の前記管路より前記流体を送出することにより、前記定盤から前記ワーク保持部へ押圧を加える、前記ワーク保持部と前記フランジ部とを組み合わせて形成される第二加圧室と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
従って、請求項２に記載の発明によれば、ワーク保持部とフランジ部とを組み合わせて、回転軸内の一方の管路より流体を送出することにより、ワークに対してワーク保持部から定盤方向へ押圧を加える、第一加圧室を形成し、さらに回転軸内の他方の管路より流体を送出することにより、前記定盤から前記ワーク保持部方向へ押圧を加える、第二加圧室を形成することで、第一加圧室の圧力と第二加圧室の圧力とが相互に逆圧力となり、圧力同士が相殺されて残った小さい圧力をワーク保持部に取り付けられたワークに加えることが可能になる。
【００１４】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の構成に加え、前記フランジ部に対して前記ワーク保持部が移動して、前記第一加圧室及び前記第二加圧室を形成できるように、前記フランジ部に設けられた溝と前記ワーク保持部に設けられた歯車状の溝とが係合することを特徴とする。
【００１５】
従って、請求項３に記載の発明によれば、ワーク保持部が第一加圧室及び第二加圧室を形成するために移動できるように、ワーク保持部に設けられた歯車状の溝とフランジ部に設けられた溝とが係合するため、フランジ部の回転がワーク保持部に伝達され、ワーク保持部を回転させることを可能にし、ワークの表面に凹凸があるとその凸の部分をワーク保持部と研磨面との間に挟み、ワーク保持部に加わっている押圧がワーク保持部の重量以下の所定の押圧であるため、ワーク保持部の凸の部分が当たる箇所が上方（回転軸方向）へ移動し、ワーク保持部が傾き、傾いた状態で滑らかに回転し、ワークの表面にある、特に凸の部分を研磨し、ワークを凸の部分のない水平状態にし、水平状態でのワークの表面研磨を行うことを可能にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１には、本発明である研磨装置におけるウェハの研磨ヘッド１０の詳細が示してある。ウェハの研磨ヘッド１０はフランジ部８と加圧用部材であるワーク保持部６とから構成されている。フランジ部８は図示しない複数の円盤状の部材を重ね合わせて、中央部１６は中空になるように構成されているが、単一の部材で構成することも可能である。その中央部１６にはワーク保持部６が組み込まれている。ワーク保持部６は、図３に示すように、上部である一端には円盤状の部材６ａが形成され、ついで円柱状の中心部材６ｂが形成されており、その中心部材６ｂの一部に歯車状の溝６ｃが設けてあり、その歯車状の溝６ｃについで円盤状の部材６ａより径が大きい保持プレート６ｄが形成されている。
【００１８】
そして、フランジ部８の中央部１６には、図１及び図４に示すように、円盤状の部材６ａが挿入されており（組み合わされており）、中央部１６の端部は円盤状の部材６ａが中央部１６から抜け出ないように円盤状の部材６ａより小さい径の開口部１６ａが形成されている。この円盤状の部材６ａは、このように中央部１６から抜け出ない状態で、中央部１６内を往復移動することが可能になっている。
【００１９】
具体的には、図１に示すように、フランジ部８の中央部１６内の円盤状の部材６ａを挟んで対向する位置からフランジ部８を貫通する経路８ａ（Ａ）、８ｂ（Ｂ）が設けられている。この経路８ａから空気等を送り込むことにより、経路８ａ側の中央部１６に第一加圧室である加圧室１２を形成することが可能になり、加圧室１２を形成することで円盤状の部材６ａは矢印Ｘ方向へ移動することになる。また、経路８ｂから空気等を送り込むことにより、経路８ｂ側の中央部１６に第二加圧室である加圧室１４を形成することが可能になり、加圧室１４を形成することで円盤状の部材６ａは矢印Ｙ方向へ移動することになる。このように加圧室１２、１４を形成するためにワーク保持部６の円盤状の部材６ａが往復移動することになる。
【００２０】
そして、図２及び図４に示すように、円盤状の部材６ａの下方の中心部材６ｂの周囲を囲むことになる中央部１６の開口部１６ａには溝１６ｂが設けてあり、中心部材６ｂの一部に設けられた歯車状の溝６ｃと噛み合う（係合する）ことが可能になっている。中心部材６ｂの一部に設けられた歯車状の溝６ｃと開口部１６ａの溝１６ｂとが噛み合っても円盤状の部材６ａの矢印Ｘ、Ｙ方向の往復移動を制限することにはならないので、第一加圧室である加圧室１２及び第二加圧室である加圧室１４を形成することは可能である。
【００２１】
この中心部材６ｂの一部に設けられた歯車状の溝６ｃと開口部１６ａの溝１６ｂとの噛み合いによりフランジ部１０の回転がワーク保持部６に伝達され、ワーク保持部６を回転させることが可能になる。また、ワーク保持部６の保持プレート６ｄの中心部材６ｂが設けられている面とは反対側の下面側にはウェハの保持器４が保持プレート６ｄの外周に沿って設けられている。このウェハの保持器４は樹脂製であり、保持プレート６ｄへ取り付けはねじ等により行われ固定されている。そして、ウェハ２は、図１に示すように、ウェハの保持器４内に配置され、取り付けられることになる。
【００２２】
図５には、本発明である研磨装置１の側面が示されている。研磨ヘッド１０の下方には定盤４２があり、その定盤４２の上面に研磨布４４が貼着されており、研磨布４４にはウェハ２の表面を研磨する研磨面４６が形成されている。この研磨面４６には、スラリー等を含む液状研磨剤が供給されており、ウェハ２の表面を鏡面研磨することが可能になっている。
【００２３】
研磨装置１の中央にあるスピンドルの回転軸２０は筒状に形成されており、その回転軸２０内には研磨ヘッド１０内の加圧室１２、１４につながる経路８ａ、８ｂに接続される管路２２、２４が設けられている。そして、この管路２２、２４は流体である圧縮空気を供給（送出）するための図示しない圧縮空気源に連通している。そして、管路２２は経路８ａに接続されており、管路２４は経路８ｂに接続されている。またスピンドルの回転軸２０の外周にはベアリング３８が設置されており、スピンドルの回転軸２０が回転してもスピンドル４０の外側には回転が伝わらなくなっている。
【００２４】
回転軸２０の先端にはプーリ３２が取り付けてあり、ベルト３４を介して駆動手段である駆動モータ２６の主軸２８に取り付けてあるプーリ３０につながっている。従って、駆動モータ２６の主軸２８の回転を回転軸２０に伝えることが可能になっている。また、回転軸２０の先端に取り付けられたプーリ３２の上方にはロータリージョイント３６が設置され、そのロータリージョイント３６内に管路２２、２４が設けられているため回転軸２０が回転しても管路２２、２４が回転するのを防止し、管路２２、２４から圧縮空気を送れる状態を確保している。
【００２５】
つぎに、本発明である研磨装置の動作について説明する。はじめにスピンドル（回転軸２０）４０を、図示しないシリンダ装置により支持板４１上に設けられた支持部材３５に沿って、矢印Ｃ方向（図５参照）に移動する。研磨するウェハ２をワーク保持部６の保持プレート６ｄに水等の表面張力等によりウェハの保持器４内の所定の位置に吸着させる。つぎに、図示しないシリンダ装置によりスピンドル４０を、図示しないシリンダ装置により支持板４１上に設けられた支持部材３５に沿って、矢印Ｄ方向（図５参照）へ移動することで、ワーク保持部６を矢印Ｄ方向へ移動し、ウェハ２の表面を定盤４２の研磨面４６に当接させる。
【００２６】
つぎに、圧縮空気をワーク保持部６の加圧室１２、１４へ送り込む。具体的には、図示しない圧縮空気源からの圧縮空気を、図５に示すロータリージョイント３６内に設けられた入口Ａ、Ｂより送り込む（送出する）。圧縮空気は、それぞれ入口Ａ、Ｂより管路２２、２４内に入りスピンドル４０内の回転軸２０を通過し、研磨ヘッド１０へ到達する（送出される）。研磨ヘッド１０に到達した圧縮空気は、それぞれ研磨ヘッド１０内に設けられた経路８ａ、８ｂに沿って研磨ヘッド１０内を循環し、それぞれ経路８ａに送り込まれた圧縮空気は加圧室１２に到達し、経路８ｂに送り込まれた圧縮空気は加圧室１４に到達する。
【００２７】
そして、加圧室１２に到達した圧縮空気は加圧室１２に供給されて、円盤状の部材１８ａを定盤４２側へ押し下げワーク保持部６全体が定盤４２に押圧を加えることになり、ワーク保持部６に吸着したウェハ２に押圧を加える。一方、加圧室１４に到達した圧縮空気は加圧室１４に供給されて、円盤状の部材１８ａを定盤４２側とは反対方向に押し上げることになる。その結果、加圧室１４による押圧が加圧室１２による押圧に対向し、ワーク保持部６の重量とつり合いをとり、さらに加圧室１４に圧縮空気を供給することでワーク保持部６の重量以下の所定の押圧をウェハ２に加える。
【００２８】
このとき、圧縮空気は流体であるため円盤状の部材１８ａの上下面である加圧室１２及び加圧室１４を構成する面全面を均一に押圧を加え、ウェハ２の表面を研磨面４６に追随させるとともに、ウェハ２の表面が研磨面４６の傾斜等に追随した場合でもウェハ２の表面全面が研磨面４６へ均一に押圧を加える。
【００２９】
このように、ウェハ２に押圧が加えられた状態で、定盤４２の研磨面４６上にスラリー等を含む液状研磨剤を供給しながら、図示しないモータにより定盤４２を回転し、それとともに駆動モータ２６を回転し、駆動モータ２６の主軸２８に取り付けられているプーリ３０が回転する。その回転がベルト３４を介して回転軸２０に取り付けられているプーリ３２に伝達され、スピンドル４０の回転軸２０が回転する。そして、スピンドル４０の回転軸２０の端部に取り付けた研磨ヘッド１０も回転する。具体的には、フランジ部８の開口部１６ａの溝１６ｂとワーク保持部６の中心部材６ｂの一部に設けられた歯車状の溝６ｃとの噛み合いによりフランジ部８の回転がワーク保持部６へ伝達されワーク保持部６が回転しワーク保持部６に吸着されたウェハ２も回転する。このとき、ロータリージョイント３６内に管路２２、２４が設けられているため、管路２２、２４は回転せず管路２２、２４から圧縮空気を研磨ヘッド１０へ送る。
【００３０】
そして、保持プレート６ｄに吸着されたウェハ２と定盤４２とを相対的に回転させて研磨面４６上でウェハ２の表面研磨が行われる。このとき、回転しているウェハ２にはワーク保持部６の重量以下の所定の押圧が加わっている。そして、ウェハ２の表面に形成されている酸化膜はガラス等の堅い材質ではなく被抵抗が高い柔らかい材質で形成されているため、その所定の押圧によりウェハ２の表面の酸化膜は、研磨し過ぎることなく、適切な量だけ均一に研磨される。また、回転しているウェハ２の表面には全く凹凸がないということはなく、凹凸があるとウェハ２は若干煽りながら（傾きながら）回転する。この場合、図２に示すように、ワーク保持部６は、中心部材６ｂに設けられた歯車状の溝６ｃがフランジ部８の開口部１６ａの溝１６ｂと噛み合っている。そのため、ワーク保持部６は回転しながら図５に示す矢印方向Ｅ、Ｆ（上下方向）に若干移動することができる。
【００３１】
つまり、ウェハ２の回転に際し、ウェハ２の表面に凸の部分があるとその凸の部分が保持プレート６ｄと研磨面４６との間に挟まれた状態になる。このとき、ワーク保持部６に加わっている押圧が、従来のように強い押圧ではなく、ワーク保持部６の重量以下の所定の押圧であるため、ワーク保持部６の凸の部分が当接する箇所が上方（矢印Ｅ方向）へ移動し、保持プレート６ｄが傾き、傾いた状態で滑らかに回転する。その結果、ウェハ２の表面である、特に凸の部分を研磨する。そして、この凸の部分の研磨を終えると保持プレート６ｄの凸の部分が当接する箇所が矢印Ｆ方向へ移動する。そして、保持プレート６ｄとともにウェハ２が水平状態になり、水平状態でウェハ２の表面研磨が行われる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ワークであるウェハにワーク保持部の重量以上を加える加圧室に加え、その加圧室の押圧に対して逆圧を加える加圧室（逆圧室）を設けることにより、ワーク保持部からウェハに加わる押圧をワーク保持部の重量以下の小さい押圧にすることができるので、ウェハの表面に形成されている酸化膜の被抵抗が高い柔らかい材質を適切な量だけ研磨することができる。また、このようにウェハに対してワーク保持部の重量以下の小さい押圧を加えることともに、ワーク保持部の中心部材に設けられた歯車状の溝とフランジ部の開口部の溝との噛み合っているため、ウェハの表面の凹凸に対しても凹凸に応じて滑らかに回転することができ、ウェハの表面の凹凸のあるなしにかかわらずウェハ表面の研磨を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である研磨装置の研磨ヘッドの断面図である。
【図２】図１に示すＺ−Ｚ線に沿った断面図である。
【図３】本発明である研磨装置の研磨ヘッドのワーク保持部の斜視図である。
【図４】本発明である研磨装置の研磨ヘッドの断面斜視図である。
【図５】本発明である研磨装置の概略断面図である。
【図６】研磨装置内の研磨ヘッドの配置を示す斜視図である。
【図７】従来の研磨ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１…研磨装置、２…ウェハ、４…ウェハの保持器、６…ワーク保持部、６ａ…円盤状の部材、８…フランジ部、１０…研磨ヘッド、１２、１４…加圧室、２０…回転軸、２２、２４…管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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