(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に支持された下定盤と、下定盤に対向してその上方に昇降機構を介して支持された上定盤と、内側に保持したウエーハの両面を研磨するべく、上下の定盤間で遊星運動を行うキャリアとを具備しており、前記昇降機構は、モータの回転動作により軸方向に昇降駆動され、昇降駆動機構より下のスプリングを介して上定盤を昇降可能に懸吊支持する昇降ロッドと、昇降ロッドに作用する軸方向荷重を昇降駆動機構とスプリングとの間で検出する荷重センサとを有し、前記スプリングは、昇降ロッドを上昇させて上定盤を吊り上げたときに上定盤の荷重を受けて圧縮する定盤保持スプリング、及び下定盤上に上定盤が載置された状態で昇降ロッドを下降させたときに圧縮して下定盤を押圧する定盤押圧スプリングであるウエーハ研磨装置において、下定盤上のキャリア内に保持されたウエーハを上定盤により加圧して研磨荷重を付加するウエーハ加圧方法であって、上定盤を吊り上げた状態での荷重センサの値をＷ0 とするとき、研磨荷重がＷ0 より小さいＷ1 のときは、荷重センサの値ｗ1 がＷ0 −Ｗ1 となるように上定盤を昇降させ、研磨荷重がＷ0 より大きいＷ2 のときは、荷重センサの値ｗ2 がＷ2 −Ｗ0 となるように昇降ロッドを昇降させることを特徴とするウエーハ加圧方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエーハ等の両面研磨に使用されるウエーハ研磨装置においてウエーハに所望の研磨圧を付加するためのウエーハ加圧方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンの単結晶ロッドから採取されたシリコンウエーハは、表面にデバイスを形成するに先立って、その表面が鏡面状態に研磨される。このウエーハ表面の鏡面研磨は、これまではデバイス形成面にのみ実施されていたが、８インチを超える例えば１２インチの如き大径のウエーハにおいては、デバイスが形成されない裏面にも鏡面研磨に匹敵する精密研磨が要求されるようになり、これに伴って両面研磨が必要になった。これは、ウエーハの表面にデバイスを形成する過程で、その表面が裏面に付着する微細な異物によって汚染されるのを防止するのと、露光時に裏面の凹凸の影響を受けるためとされている。
【０００３】
シリコンウエーハの両面研磨を行う場合、上下の定盤間でウエーハに遊星運動をさせる方式が、装置規模、研磨精度等の点から有望視されている。この方式のウエーハ研磨装置の基本構造を図２及び図３により説明する。
【０００４】
上下の定盤間でウエーハに遊星運動をさせる方式のウエーハ研磨装置は、水平に支持された環状の下定盤１と、下定盤１の上方に設けられた上定盤２と、上下の定盤１，２間に配置される複数のキャリア３，３，３と備えている。
【０００５】
下定盤１に対向する上定盤２は、フレームにエアシリンダー４、ジョイント５及び支持フレーム６を介して懸吊支持されており、エアシリンダー４の動作により下定盤１上を昇降する。
【０００６】
複数のキャリア３，３，３は、下定盤１上の周方向等間隔位置に回転自在に支持されている。各キャリア３は、下定盤１の内側に設けられた太陽ギヤ７と外側に設けられたリング状のインナギヤ８とに噛み合う所謂遊星歯車であり、且つ、キャリア３の中心から偏心した位置に、ウエーハ１０が嵌合する円形のホールが形成された環状体である。
【０００７】
ウエーハ１０の両面研磨を行うには、上定盤２を上昇させた状態で各キャリアのホール内にウエーハ１０をセットする。次いで、下定盤１及び太陽ギヤ７を低速で回転させながら、上定盤２を下降させることにより、上下の定盤１，２の対向面に貼り付けられた研磨パッドの間に、各ウエーハ１０を所定の研磨圧で挟み込む。下降した上定盤２は、太陽ギヤ７と連結されて回転を始める。そして、下定盤１及び太陽ギヤ７を所定速度に増速し、研磨を開始する。研磨中、上定盤２内を経由して研磨パッドに砥液が供給される。
【０００８】
各キャリア３は上下の定盤１，２間で自転しつつ公転し、その結果、各キャリア３内に偏心保持されたウエーハ１０は、砥液を含浸する研磨パッド間で偏心自転運動及び公転運動を行い、これらの運動の組み合わせにより、両面が均一に研磨されることになる。
【０００９】
この方式の研磨装置では、下定盤１、上定盤２、太陽ギヤ７及びインナギヤ８を独立に回転させることができる。更に、複数のキャリア３，３，３を同期して周回させることができる。このような多軸駆動により、キャリア３ひいてはウエーハ１０に多種多様な条件の遊星運動を行わせることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方式の研磨装置には、ウエーハ１０の加圧に関して、次のような問題がある。
【００１１】
ウエーハ１０の表面研磨では、そのウエーハ１０に所定の研磨圧を正確に付加する必要がある。このために、図２及び図３に示した従来の研磨装置では、上定盤２を上方に退避させた状態で、下定盤１上に約１２０度の間隔で３個のロードセルを置き、エアシリンダー４のロッドを下方に進出させることにより、上定盤２を下降させて３個のロードセルの上に載せる。このとき、３個のロードセルの値を合計して加圧力とし、その加圧力とエアシリンダー４に付加する空気圧の関係を求める。そして、実際の研磨では、この関係を用いて、所定の加圧力（研磨圧）が得られるように、空気圧を調整する。
【００１２】
ところが、必要な研磨圧が上定盤２の吊架重量よりも小さい場合は、研磨時に上定盤２をエアシリンダー４によって引き上げるようにする必要がある。上定盤２をエアシリンダー４によって引き上げた場合の空気圧の調整は、エアシリンダー４内のロッド側の空間（下側の空間）に接続された圧力調整弁により行う。このため、上定盤２をエアシリンダー４によって下方に押圧する場合と比べて、空気圧の調整精度が低くなり、これによる研磨圧の変動がウエーハ１０の研磨品質をばらつかせる原因になる。
【００１３】
一方、必要な研磨圧が上定盤２の吊架重量よりも大きい場合は、エアシリンダー４内のボトム側の空間（上側の空間）に圧縮エアを送り込んで研磨圧を付与する必要がある。このとき、エア圧の微調整が必要である。更に、圧力調整弁の応答特性上、ヒステリシスは不可避である。これらのため、研磨圧の変動が避けられない。
【００１４】
また、加圧力と空気圧の関係を求める場合は、基本的に、エアシリンダー４内に付加する圧力で、その関係が決定される。上定盤２を持ち上げて使う場合、即ちエアシリンダー４内のロッド側の空間（下側の空間）にエア圧を付加する場合は、シリンダー断面積からロッド断面積を差し引く補正を行って、加圧力と空気圧の関係を求めるため、この関係は実測値ではない。このため、加圧力と空気圧の関係が不正確であることによる研磨圧のバラツキも生じる。
【００１５】
更に、上下の定盤１，２の上下方向の振れに対しては、エアシリンダー４のロッド側とボトム側の圧力を調整する必要があるが、エアの圧縮性及び圧力調整バルブの特性上、応答が遅れ、ヒステリシスが生じるため、その振れによる研磨圧のバラツキが助長され、そのバラツキは一層大きなものとなる。
【００１６】
このように、従来の研磨装置では、研磨圧が不正確であることによる研磨品質のバラツキが生じる。この問題は、研磨面積が狭いこれまでの小径ウエーハの研磨（片面研磨）では大きな問題にならなかったが、研磨面積の広い大径ウエーハの研磨（両面研磨）では、この研磨品質のバラツキが特に大きな問題となる。
【００１７】
本発明の目的は、所定の研磨圧を正確に付加することができるウエーハ加圧方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のウエーハ加圧方法は、水平に支持された下定盤と、下定盤に対向してその上方に昇降機構を介して支持された上定盤と、内側に保持したウエーハの両面を研磨するべく、上下の定盤間で遊星運動を行うキャリアとを具備しており、前記昇降機構は、モータの回転動作により軸方向に昇降駆動され、昇降駆動機構より下のスプリングを介して上定盤を昇降可能に懸吊支持する昇降ロッドと、昇降ロッドに作用する軸方向荷重を昇降駆動機構とスプリングとの間で検出する荷重センサとを有し、前記スプリングは、昇降ロッドを上昇させて上定盤を吊り上げたときに上定盤の荷重を受けて圧縮する定盤保持スプリング、及び下定盤上に上定盤が載置された状態で昇降ロッドを下降させたときに圧縮して下定盤を押圧する定盤押圧スプリングであるウエーハ研磨装置において、下定盤上のキャリア内に保持されたウエーハを上定盤により加圧して研磨荷重を付加するウエーハ加圧方法であって、上定盤を吊り上げた状態での荷重センサの値をＷ0 とするとき、研磨荷重がＷ0 より小さいＷ1 のときは、荷重センサの値ｗ1 がＷ0 −Ｗ1 となるように上定盤を昇降させ、研磨荷重がＷ0 より大きいＷ2 のときは、荷重センサの値ｗ2 がＷ2 −Ｗ0 となるように昇降ロッドを昇降させる点に特徴がある。
【００１９】
（削除）
【００２０】
（削除）
【００２１】
本発明のウエーハ加圧方法では、モータの回転動作により軸方向に昇降駆動される昇降ロッドに、上定盤がスプリングを介して昇降可能に懸吊支持されている。また、昇降ロッドに作用する軸方向荷重が荷重センサにより検出される。上定盤を上方に退避させた状態では、荷重センサには上定盤を含む懸吊部の全荷重が付加され、定盤保持スプリングは最大限に縮み、定盤押圧スプリングは最大限に伸びる。従って、上定盤を上方に退避させたときの荷重センサの値Ｗ0 は懸吊部の総重量となる。
【００２２】
この状態から上定盤を徐々に下降させて下定盤の上に載置すると、最終的には懸吊部の全荷重が下定盤に付加され、定盤保持スプリングは伸びきって無負荷となり、荷重センサの値は０となる。このため、荷重センサの値が０になるまで上定盤を下降させたときに下定盤が受ける荷重は、懸吊部の総重量Ｗ0 となる。
【００２３】
この状態から昇降ロッドを軸方向に上昇させると、定盤保持スプリングが縮み、下定盤に加わる懸吊部の荷重が減少する。そして、懸吊部の総重量Ｗ0 から荷重センサの値ｗ1 を差し引いたものが研磨圧Ｗ1 となる。また、昇降ロッドを軸方向に下降させると、定盤押圧スプリングが縮み、懸吊部の総重量Ｗ0 に荷重センサの値ｗ2 を加えたものが研磨圧Ｗ2 となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
本実施形態に係るウエーハ研磨装置は、図１に示すように、下フレーム１１の側に下定盤１、太陽ギヤ７及びインナギヤ８を支持し、上フレーム１２の側に上定盤２を、昇降機構２０を介して支持した構造になっている。
【００２６】
下定盤１は、装置センタに対して同心状に配置された環状体である。太陽ギヤ７は下定盤１の内側に、またインナギヤ８は下定盤１の外側にそれぞれ同心状に配置されている。そして下定盤１の上には、ウエーハ１０を保持する複数のキャリア３が、太陽ギヤ７及びインナギヤ８に噛み合った状態で載置されている。
【００２７】
上定盤２は、下定盤１に上方から対向する環状体である。上定盤２を昇降させる昇降機構２０は、装置センタに対して同心状に配置された昇降ロッド２１を有している。昇降ロッド２１は上下に２分割されており、その上部２１ａと下部２１ｂの間に介装された荷重センサとしてのロードセル２２により、軸方向の荷重が測定される構造になっている。
【００２８】
昇降ロッド２１の上部２１ａは、例えばボールネジであって、上フレーム１２に取り付けられたサーボモータ２３及び減速機２４を動力源として、下部２１ｂと共に軸方向に昇降駆動される。昇降ロッド２１の回転を阻止するために、昇降ロッド２１は、上フレーム１２に昇降自在に支持された回り止めシャフト２５と連結されている。ボールネジに代えて、ラックアンドピニオン等を使用することもできる。
【００２９】
昇降ロッド２１の下部２１ｂには、スリーブ状のスライドケース２６が下部２１ｂに対して昇降自在に外嵌されている。スライドケース２６には、上定盤２が支持部材２７を介して取り付けられている。支持部材２７は、その上部がスライドケース２６にベアリング２８を介して外嵌されており、その下部に連結された上定盤２を昇降ロッド２１の下方に同心状に懸吊支持する。一方、昇降ロッド２１の下部２１ｂとスライドケース２６の間には、スプリング２９，２９′が上下２段に介装されている。上段のスプリング２９は、定盤保持スプリングであり、スライドケース２６の上端部と昇降ロッド２１の大径部２１ｃとの間で圧縮されている。このため、上定盤２は支持部材２７及びスライドケース２６と共に、スプリング２９を介して昇降ロッド２１に懸吊されることになる。
【００３０】
また、下段のスプリング２９′は、定盤押圧スプリングであり、昇降ロッド２１の大径部２１ｃとスライドケース２６の下端部との間に伸びきった状態で設けられている。
【００３１】
次に、本実施形態に係るウエーハ研磨装置の動作及び本実施形態に係るウエーハ加圧方法について説明する。
【００３２】
ウエーハ１０の両面研磨に先立って、サーボモータ２３を作動させ、昇降ロッド２１を上昇させることにより、上定盤２を上方の退避位置に移動させる。このとき、上定盤２は支持部材２７及びスライドケース２６と共に、定盤保持スプリング２９を介して昇降ロッド２１に懸吊されているので、ロードセル２２にはこの懸吊部の総重量Ｗ0 が付加される。
【００３３】
ウエーハ１０に懸吊部の総重量Ｗ0 より軽い研磨荷重Ｗ1 を付加する場合は、ロードセル２２の値ｗ1 がＷ0 −Ｗ1 となるまで、サーボモータ２３を作動させて、昇降ロッド２１を下降させる。これにより、ウエーハ１０には懸吊部より軽い重量が付加されるにもかかわらず、所望の研磨圧が正確に付加される。しかも、この研磨力を付加する操作も非常に簡単である。更に、スプリング２９はエアシリンダーと異なり上定盤２の上下方向の振れに対してヒステリシスを有しないので、研磨中の研磨圧のバラツキも軽減される。
【００３４】
昇降ロッド２１を更に下げるとロードセル２２の値は０となり、研磨荷重Ｗ1 は懸吊部の総重量Ｗ0 に一致する。ウエーハ１０に懸吊部の総重量Ｗ0 より重い研磨荷重Ｗ2 を付加する場合は、ロードセル２２の値ｗ2 がＷ2 −Ｗ0 となるまで、昇降ロッド２１を更に下降させる。但し表示については、研磨荷重Ｗ1 ，Ｗ2 を表示させるようにする。
【００３５】
次に、別の加圧方法を説明する。
【００３６】
ウエーハ１０の両面研磨に先立って、サーボモータ２３を作動させ、昇降ロッド２１を上昇させることにより、上定盤２を上方の退避位置に移動させる。この状態でロードセル２３の値を記録する。このとき、上定盤２は支持部材２７及びスライドケース２６と共に、定盤保持スプリング２９を介して昇降ロッド２１に懸吊されているので、ロードセル２２にはこの懸吊部の総重量が付加される。
【００３７】
この状態から、定盤保持スプリング２９が無負荷となるまで、昇降ロッド２１を下降させて、上定盤２を下降させる。定盤保持スプリング２９が無負荷となるまで上定盤２が下降を続けることができるように、昇降ロッド２１の下方には、そのストロークゾーン１３が確保されており、昇降ロッド２１の下端がここに侵入するまで昇降ロッド２１を下降させることにより、定盤保持スプリング２９は無負荷状態となる。そして、このときのロードセル２２の値を、退避位置で記録した値にセットする。これにより、ロードセル２２の値はウエーハ１０に付加される荷重に正確に対応するものとなる。
【００３８】
ウエーハ１０の両面研磨では、上定盤２を上方の退避位置に移動させて、複数のキャリア３にウエーハ１０をセットする。ウエーハ１０のセットが終わると、ウエーハ１０に研磨圧を付加する。研磨加圧が懸吊部の総重量より軽い場合は、昇降ロッド２１が下降する方向にサーボモータ２３を作動させ、ロードセル２２の値が、ウエーハ１０の研磨に必要な圧力値になるまで、上定盤２を下降させる。これにより、ウエーハ１０には懸吊部より軽い重量が付加されるにもかかわらず、所望の研磨圧が正確に付加される。しかも、この研磨力を付加する操作も非常に簡単である。更に、スプリング２９はエアシリンダーと異なり上定盤２の上下方向の振れに対してヒステリシスを有しないので、研磨中の研磨圧のバラツキも軽減される。
【００３９】
ウエーハ１０に懸吊部より重い研磨圧を付加する場合は、上定盤２がウエーハ１０に載った状態から更に上定盤２を下降させる。これにより、定盤押圧スプリング２９′が縮み、その反力がロードセル２２に付加される。従って、ロードセル２２の値が、ウエーハ１０の研磨に必要な圧力値になるまで、上定盤２を下降させることにより、その圧力がウエーハ１０に付加される。
【００４０】
上記実施形態では、ロードセル２２の値が研磨圧に一致するように、定盤保持スプリング２９が無負荷状態となったときのロードセル２２の値を、退避位置で記録した値にセットしているが、この操作を行わず、ロードセル２２の値に懸吊部の総重量を加えて研磨圧を求めるようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のウエーハ加圧方法は、モータの回転動作により軸方向に昇降駆動される昇降ロッドに、上定盤をスプリングを介して昇降可能に懸吊支持し、且つ、昇降ロッドに作用する軸方向荷重を、昇降駆動機構とスプリングとの間の荷重センサにより検出する研磨装置構成としたことにより、ウエーハに必要な研磨圧を高精度かつ簡単に付加することができる。また、研磨中の研磨圧のバラツキも小さい。このため、高い研磨品質を安定的に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るウエーハ研磨装置の構成図である。
【図２】従来のウエーハ研磨装置の構成図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢示図である。
【符号の説明】
１  下定盤
２  上定盤
３  キャリア
１０  ウエーハ
１１  下フレーム
１２  上フレーム
２０  昇降機構
２１  昇降ロッド
２２  ロードセル
２３  サーボモータ
２６  スライドケース
２９  スプリング
【図１】
0003998781.tif 000002
【図２】
0003998781.tif 000003
【図３】
0003998781.tif 000004