(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に研磨パッド又は砥石を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、
前記ポリッシング装置は、前記トップリングの外周部を支持する軸受と、該軸受を前記ポリッシング装置の架台に固定する支持機構とを備え、
前記トップリングは、トップリング本体と、該トップリング本体の外周に配置されたガイドリングとから構成され、該ガイドリングの外周に前記軸受の可動側が固定され、該ガイドリングとトップリング本体とはキーにより上下方向には移動自在で且つ周方向には共に回転するように固定されていることを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】
前記トップリングは、その下面にポリッシング対象物の保持部と、その上面に駆動軸とを備え、その側面が軸受により支持され、該軸受は軸受ケーシングに収容されて支持機構を介して前記トップリング及び／又はターンテーブルを回転可能に支持する架台に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
【請求項３】
前記トップリング本体とガイドリングとの間には、振動減衰材が間挿されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等のポリッシング対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシング装置に係り、特にポリッシング対象物と前記研磨パッド又は砥石とを相対的に押圧しつつ、摺動させることで前記ポリッシング対象物を研磨するポリッシング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段としてポリッシング装置により研磨することが行われている。
【０００３】
従来、この種のポリッシング装置は、研磨パッドを貼設したターンテーブルとトップリングとを有し、トップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて、砥液を供給しつつ該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００４】
図１０は、従来のポリッシング装置の一例の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨パッド６を貼った回転するターンテーブル５と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ４を保持するトップリング１と、研磨パッド６に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル９とを備えている。トップリング１はトップリング駆動軸８に連結されており、またトップリング１はその下面にポリウレタン等の弾性マット２を備えており、弾性マットに接触させて半導体ウエハ４を保持する。さらにトップリング１は、研磨中に半導体ウエハ４がトップリング１の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング３を外周縁部に備えている。ここで、ガイドリング３はトップリング１に対して円周方向に固定されており、その下端面はトップリング１の保持面から突出するように形成され、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４が保持面内に保持され、研磨中に研磨パッド６との摩擦力によってトップリング外へ飛び出さないようになっている。
【０００５】
半導体ウエハ４をトップリング１の下面の弾性マット２の下部に保持し、ターンテーブル５上の研磨パッド６に半導体ウエハ４をトップリング１によって押圧するとともに、ターンテーブル５およびトップリング１を回転させて研磨パッド６と半導体ウエハ４を相対運動させて摺動することで研磨する。このとき、砥液供給ノズル９から研磨パッド６上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハを研磨する。
【０００６】
尚、研磨パッドに砥液Ｑを供給して、化学的・機械的に研磨する方法に変えて、砥粒を樹脂で結合した砥石を用いて研磨する方法も知られている。係る方法によれば、比較的柔らかな研磨パッドとスラリ状の砥液を用いないので、精度の高いポリッシングが可能となる。又、廃液処理等の環境問題の負担が低減する等の利点がある。
【０００７】
トップリング１とトップリング駆動軸８との連結部には、球面座７が配設されている。これにより、ターンテーブル５の上面に僅かな傾きがあったとしてもトップリング１は球面座７により、トップリング駆動軸８に対してトップリング１が速やかに傾動する。トップリング１が傾いても、トップリング駆動軸８側のトルク伝達ピン１０７とトップリング１側のトルク伝達ピン１０８は点接触のためにそれぞれの場合で接触点をずらしてトップリング駆動軸８の回転トルクを確実にトップリング１に伝達する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の技術では、ポリッシング対象物の研磨を行う際に、ターンテーブル及びトップリングの間のポリッシング対象物を介在した摩擦力によって、大きな振動がポリッシング装置全体に発生する場合があるという問題がある。この振動現象の発生の原因は、ポリッシング対象物の表面と研磨パッド又は砥石の表面の摩擦力に従って、それぞれ独立に回転するトップリングとターンテーブルの回転力により引っ張られる力と、これらの駆動軸の復元力であると考えられる。
【０００９】
このような振動現象が大きくなると、ポリッシング対象物の被加工面に研磨ムラが生じる、或いは研磨傷が生じる等の問題があり安定な研磨ができなくなる。更には、振動現象が激しくなると、半導体ウエハが飛び出してしまい、研磨を継続することが不可能となる場合もある。
【００１０】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、ポリッシング装置に生じる振動現象を防止し、安定にポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面状に研磨することができるポリッシング装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のポリッシング装置は、上面に研磨パッド又は砥石を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、前記ポリッシング装置は、前記トップリングの外周部を支持する軸受と、該軸受を前記ポリッシング装置の架台に固定する支持機構とを備え、前記トップリングは、トップリング本体と、該トップリング本体の外周に配置されたガイドリングとから構成され、該ガイドリングの外周に前記軸受の可動側が固定され、該ガイドリングとトップリング本体とはキーにより上下方向には移動自在で且つ周方向には共に回転するように固定されていることを特徴とする。
【００１２】
上記本発明によれば、ポリッシング対象物を保持する保持部材等の外周側面を軸受で支持することにより、保持部材等の振動を抑圧することができる。ポリッシング対象物の被加工面に生じる摩擦力と、それぞれ独立に回転する保持部材及び研磨部材の回転力と、駆動軸の復元力とから由来する振動は、比較的細い駆動軸に支持された部材に最も大きく現れる。このため、当該部材の外周面を軸受で支持することにより、当該部材の振動が抑圧され、これによりポリッシング装置全体としての振動が抑圧される。従って、保持部材及び研磨部材の回転速度を上昇する、或いはポリッシング対象物に対する押圧力を上昇して摩擦力が上昇しても、ポリッシング装置の全体としての振動を引き起こすことなく、任意の運転条件で安定なポリッシングが行える。
【００１３】
このように保持部材の外周部を軸受で支持しつつ回転駆動することで、研磨中に生じる保持部材の振動を抑制することができるが、このことはトップリングとターンテーブルとを組み合わせたポリッシング装置以外の装置にも適用可能である。即ち、ポリッシング対象物をその研磨面を上向きにして配置し、砥石又は研磨パッドを保持した研磨部材を回転させつつ押圧することにより研磨を行うカップ型にも適用可能である。又、砥石又は研磨パッドの研磨面を上向きにして、ポリッシング対象物の研磨面を下向きにして押圧しつつスクロール運動を行うことにより研磨するスクロール型のポリッシング装置にも適用可能である。又、軸受としては機械的な軸受のみならず、磁気軸受のような非接触タイプの軸受を用いるようにしてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置の実施の形態を図１乃至図９を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例のポリッシング装置の全体的な構成を示す図であり、図２はその縦断面を示す図である。図示するように表面に研磨パッド又は砥石６を貼設したターンテーブル５と、ポリッシング対象物を保持するトップリング１とを備えている。ターンテーブル５は、駆動軸１１に固定され、駆動軸は架台１０内の図示しない軸受により支持され、同様に図示しないモータ及びプーリにより回転駆動される。トップリング１も同様に駆動軸８に固定され、この駆動軸８はトップリングケーシング１２内に収納された図示しないモータ及びプーリにより回転駆動される。同様にトップリングケーシング１２内には、駆動軸８を支持する軸受と、エアシリンダ等のトップリングをターンテーブル５側に押圧する押圧手段が備えられており、トップリング１を回転自在に支持しつつ、トップリング１を押圧している。即ち、トップリング１はトップリングケーシング１２と支持軸１６を介して架台１０に固定されている。トップリング１は円板状の部材であり、その下面側にポリッシング対象物である半導体ウエハ４を保持している。
【００１６】
トップリング１の外周面は、軸受１３により支持され、その軸受１３は軸受ケーシング１４内に収納されている。そして軸受ケーシング１４は支柱１５を介してポリッシング装置の架台１０に着脱自在に固定されている。
【００１７】
このポリッシング装置の動作は、概略次の通りである。まずトップリング１の下面凹部にポリッシング対象物である半導体ウエハ４を真空吸着等の手段により吸着する。そしてポリッシング対象物４を保持したトップリング１を、ターンテーブル５上の所定の位置に移動させ、ポリッシング対象物４を研磨パッド又は砥石６上に接触させる。そして、軸受ケーシング１４を支柱１５に係止して、軸受ケーシング１４を架台１０側に強固に固定する。
【００１８】
次に、ターンテーブル５及びトップリング１をそれぞれ所定の回転数迄上昇させながら、トップリング１をターンテーブル５上の研磨パッド又は砥石６に対してポリッシング対象物の被研磨面を所定の押圧力迄上昇するように押圧する。これにより研磨パッド上に供給された砥液の砥粒により、又は砥石の砥粒によりポリッシング対象物の被研磨面が研磨される。この際、ターンテーブル５の回転数と、トップリング１との回転数とを等しくしておくことが好ましい。これによりポリッシング対象物の全面にわたって均一な研磨が行える。
【００１９】
ターンテーブル５及びトップリング１の回転速度を上昇させると、これによりポリッシング対象物の研磨速度が上昇する。又、トップリング１を介してポリシング対象物４を研磨パッド又は砥石６に押圧する押圧力を上昇させることにより、同様にポリッシング対象物の研磨速度が向上する。しかしながら、ターンテーブル及びトップリングの回転速度の上昇又はトップリングの押圧力の上昇等に伴う摩擦力の上昇により、ポリッシング装置全体に振動現象が生じる場合があることは上述した通りである。
【００２０】
しかしながら、この実施例のポリッシング装置においては、トップリング１の外周面が軸受１３を介して架台１０に強固に固定されている。このような振動現象は、トップリング１の部分が、比較的細い駆動軸８により支持されているため、最も著しいが、軸受１３によりトップリング１が強固に架台１０側に固定されているので、トップリング１の振動が抑圧される。従って、トップリング１の振動が抑圧されることで、上部ケーシング１２の振動、支持機構１６の振動も抑圧される。又同様にターンテーブル５及び駆動軸１１の振動も抑圧される。
【００２１】
図３は、本発明の第１実施例のポリッシング装置の変形例を示す図である。
この変形例においては、支柱１５を架台１０に回転自在に支持し、非研磨時には支柱１５を回転させて軸受ケーシング１４をターンテーブル上から退避させることができる構成としている。即ち、図３に示すように架台１０に支柱１５を水平方向に揺動させるための揺動溝Ｄを形成し、支柱１５を矢印ｄ方向に揺動可能とすることで、軸受ケーシング１４がトップリング１と一体となって揺動することができる。揺動溝Ｄは、支持軸１６から支柱１５までの距離を半径として、支持軸１６を中心にした円弧状に形成されている。尚、図５のように揺動溝Ｄを形成した場合には、研磨加工中は揺動溝Ｄを横切るように突き出たストッパー２５により支柱１５を強固に固定する。このように、軸受ケーシング１４を揺動可能にすることにより、研磨終了時にトップリング１と軸受ケーシング１４を一体にターンテーブル５からはみ出るまでオーバーハングさせることができ、ターンテーブル上の研磨パッド又は砥石６の研磨面に密着したウエハを容易に引き上げ、回動することにより移動することができる。
【００２２】
図４は、トップリング部分の詳細な構造の一例を示す図である。トップリング本体１ａの下面にはウレタン材等の弾性マット２が貼着されている。又トップリング本体１ａの外周部にはガイドリング３が配置されている。そして、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４は、ガイドリング３と弾性マット２で囲まれた凹部に保持される。ポリッシング対象物４の被研磨面は、ターンテーブル５の研磨パッド又は砥石６に接触して、研磨が行われる。
【００２３】
トップリング１は球面座７を介して駆動軸８に接続されており、このトップリング駆動軸８はトップリングケーシング１２に収納されたモータ及びプーリ等の回転駆動手段及びエアシリンダ等の押圧手段により、トップリング１を押圧しつつ、且つトップリング１を回転駆動する。これによりトップリング１の下端面に保持されたポリッシング対象物４はターンテーブル５の研磨パッド又は砥石６に押圧されつつ摺動することで研磨が進行する。
【００２４】
ガイドリング３はキー１８を介してトップリング本体１ａに連結されており、ガイドリング３はトップリング１に対して上下動自在であると共に、トップリング本体１ａと一体に回転するようになっている。そしてガイドリング３は、ガイドリング軸受１９を介して、ガイドリング押圧部材２０に水平方向回転可能に、かつ上下方向の動きを伝達するように連結されている。ガイドリング押圧部材２０はシャフト２１を介して図示しないエアシリンダに接続されており、ガイドリング３を押圧するようになっている。ガイドリング押圧部材２０の外周面は、軸受３３により支持され、軸受３３は軸受ケーシング３２内に収納されている。軸受ケーシング３２は、支柱１５等の支持機構により強固に架台１０に固定されている。トップリング１とガイドリング３との間にはＯリング等の振動減衰材３０が間挿されており、これによりポリッシング対象物４の研磨に伴う振動を吸収するようになっている。
【００２５】
従って、ポリッシング対象物の被研磨面の摩擦力とトップリング駆動軸の復元力に由来する振動が生じても、この振動はまず弾性マット２で吸収され、更にトップリング１とガイドリング３との間に間挿された振動減衰材３０により吸収される。更に大きな振動はポリッシング対象物の被研磨面から弾性マット２及びトップリング１、キー１８を介してガイドリング３に伝達されるが、ガイドリング３は上述したように軸受３３により強固に回転可能に支持されているため、この振動は軸受３３の部分で抑圧されることになる。
【００２６】
尚、図４に示すトップリングにおいては、軸受として球軸受を採用しているが、すべり軸受を用いても同様な効果が得られる。又、上記実施例においては、ガイドリングを軸受で支持するように構成しているが、トップリング本体を軸受で直接支持するようにしても勿論よい。又、上記実施例においてはトップリング１を球面座７を介して駆動軸８に接続した例について説明したが、直接駆動軸８をトップリング本体１ａに接続したものについても、同様の効果が期待できる。
【００２７】
又、上記実施例では、トップリングを支持する軸受をポリッシング装置の架台に固定したが、それに限定するものではなく、トップリングの振動を受けにくい部分（トップリングケーシング以外の部分）であればよい。
【００２８】
図５は、本発明の第２実施例のポリッシング装置を示すもので、カップ型のポリッシング装置への適用例を示したものである。砥石ホルダ４１は、リング状の砥石４２を固着しており、駆動機構４３によりポリッシング対象物である半導体ウエハ４を押圧しつつ図中の矢印Ｃ方向に回転運動を行う。そして、駆動機構４３は、図中の矢印Ａで示す方向に往復運動を行いつつ研磨が進行する。ここで、この実施例においては砥石４２はリング状であるが、複数の円盤状の小さな砥石をリング状に配列したものであってもよい。一方で、半導体ウエハ４は、ウエハホルダ４４に保持され、ウエハホルダ４４は、図中の矢印Ｂで示すように回転運動を行う。ウエハホルダ４４は支柱４５に固定され、これが図示しないモータにより回転駆動されることで半導体ウエハ４を回転させる。ウエハホルダ４４の外周面は、ベアリングにより支持され、このベアリングはベアリングケース４６内に収納されている。ベアリングケース４６は、支柱４７によりケーシング４８に強固に固定されている。従って、半導体ウエハ４の研磨の進行に伴い生じる振動は、ウエハホルダ４４の外周面が軸受で支持されていることにより抑制される。
【００２９】
図６は、本発明の第３実施例のポリッシング装置を示し、スクロール型ポリッシング装置への適用例である。この装置は、砥石又は研磨パッド５１を貼設したホルダ５２をその支持軸５３を矢印Ｄで示すようにスクロール（循環並進）運動をさせる。ここでスクロール運動とは、並進しつつ半径ｄで砥石又は研磨パッド５１を循環回転運動させることである。一方で半導体ウエハ（図示しない）を保持するウエハホルダ５４は、支持軸５５に固定され、駆動機構５７を介して伝達される回転駆動力により図中の矢印Ｃ方向に回転駆動される。ウエハホルダ５４の外周面は、図示しないベアリングにより支持され、そのベアリングはベアリングケース５５内に収容され、ウエハホルダ５４を回転自在に支持しつつ、その半径方向への動きを抑制する。ベアリングケース５５は、ベアリング支柱５６によりケーシング５８に強固に固定されている。従ってこの装置においては、砥石又は研磨パッド５１は、その研磨面を上向きにしてホルダ５２に保持され、半導体ウエハ（図示しない）はその研磨面を下向きにしてウエハホルダ５４に保持され、駆動機構５７により回転運動されると共に砥石又は研磨パッドの研磨面に対して押圧される。そして、砥石５１の半径ｄのスクロール運動と、半導体ウエハの回転運動及び押圧力により研磨が進行する。ここで研磨により半導体ウエハの摩擦力と支持軸５５の復元力との間で振動が生じようとしても、ウエハホルダ５４が軸受により支持されているので、その振動が抑制される。
【００３０】
図７及び図８は、本発明の第４実施例のポリッシング装置を示し、トップリング軸を有さない装置への適用例を示す。この装置では、砥石又は研磨パッド６１が支持軸６２により回転駆動されることは上述した第１実施例の装置と同様である。ポリッシング対象物である半導体ウエハはトップリング６３に保持されるが、第１実施例の装置と異なりトップリングは支持軸を有さない。代わりに、トップリング６３はその外周面をベアリングケース６４に収容されたベアリングにより回転自在に支持され、ベアリングケース６４がアーム６４ａ及び支柱６６を介してケーシング７０に固定されている。そして、トップリング６３はベルト６５によりモータ６９から回転駆動力が伝達され、トップリング６３が回転する。又、加圧用シリンダ６７を備え、ベアリングケース６４を下向きに押圧することで、ポリッシング対象物４の被研磨面に垂直荷重を付与する。この装置においても、ポリッシング対象物に振動が生じようとしても、トップリング６３の外周面がベアリングにより回転自在に支持されているので、その振動が抑制される。
【００３１】
図９は、第４実施例の変形例を示すもので、軸受として磁気軸受を用いたものである。磁気軸受は電磁石の磁気吸引力を制御することにより、回転軸を所定の浮上位置に非接触で支持する軸受である。従って、この場合にはトップリングが回転軸に相当し、この回転軸が外乱の存在にも係わらず一定位置に保持される。これにより同様にトップリングに生じる振動が抑制される。この場合には、トップリング６３には被回転部６３ａを備え、押圧力伝達力梁６５ａにより加圧用シリンダ６７の垂直加重力が伝達される。そして、磁気軸受７１は、トップリングに非接触で回転力を与える。従って、この装置においても砥石又は研磨パッド６１の回転運動と、トップリング６３，６３ａに保持された半導体ウエハ４の回転運動と、加圧シリンダ６７の押圧力により、ポリッシング対象物の研磨が進行する。研磨の進行によりトップリングに振動が生じても、これを磁気軸受により抑制することができる。
【００３２】
従来の技術で述べたポリッシング装置は、装置に発生する振動を抑制するため、トップリングを支持するスプライン軸やトップリングアーム、スイング軸等が大きな剛性となるように設計されていた。このため重量が非常に大きく、且つ装置全体が大型化するという問題点を有していた。しかしながら、上述したようにポリッシング対象物を支持する保持部材を軸受で回転可能に支持することにより、保持部材の振動が抑制される。このため上述した各種の軸やアームの剛性を大きくする必要がなくなり、装置全体の軽量化及びコンパクト化に寄与することができる。
【００３３】
なお、以上の実施例においては、半導体ウエハ等のポリッシング対象物を保持する保持部材の外周面を軸受で保持することによる振動の抑制について述べたが、カップ型或いはスクロール型のポリッシング装置等において、砥石又は研磨パッドを保持する研磨部材の外周面を軸受により保持して、その振動の発生を抑制するようにしても良い。このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ポリッシング対象物を保持する保持部材等を軸受で支持することにより、これらの部材及びその駆動軸に生じる振動を抑圧でき、これによりポリッシング装置全体に生じる振動を抑圧できる。従って、ポリッシング対象物及び砥石又は研磨パッドの相対的な回転速度の上昇又は押圧力の上昇等の様々な運転条件に対して、常に安定なポリッシングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のポリッシング装置の全体的な構成を示す斜視図である。
【図２】図１の縦断面図である。
【図３】図１に示すポリッシング装置の変形例を示す斜視図である。
【図４】トップリング部分の詳細構造の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施例のポリッシング装置の全体的な構成を示す斜視図である
【図６】本発明の第３実施例のポリッシング装置の全体的な構成を示す斜視図である
【図７】本発明の第４実施例のポリッシング装置の全体的な構成を示す斜視図である
【図８】図７の要部を示す縦断面図である。
【図９】図８に示すポリッシング装置の変形例を示す縦断面図である。
【図１０】従来のポリッシング装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
１        トップリング
１ａ      トップリング本体
２        弾性マット
３        ガイドリング
４        ポリッシング対象物（半導体ウエハ）
５        ターンテーブル
６        研磨パッド又は砥石
７        球面座
８        トップリング駆動軸
１０        架台（ケーシング）
１１        ターンテーブル駆動軸
１２        トップリングケーシング
１３，１９  軸受
１４，２０  軸受ケーシング
１５        支柱
【図１】
0003781576.tif 000002
【図２】
0003781576.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003781576.tif 000006
【図６】
0003781576.tif 000007
【図７】
0003781576.tif 000008
【図８】
0003781576.tif 000009
【図９】
0003781576.tif 000010
【図１０】
0003781576.tif 000011