JP4631293B2 - 半導体ウエーハの研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウエーハ等の半導体ウエーハの研磨装置及び研磨方法に関する。

従来、シリコンウエーハ等の半導体ウエーハを研磨する装置として、片面研磨装置と両面研磨装置が使用されている。一般的な両面研磨装置としては、図３及び図４に示すような遊星歯車機構を用いた、いわゆる４ウエイ方式の装置２０が知られている。

このような両面研磨装置２０によりシリコンウエーハＷを研磨する場合、キャリア２１に複数形成されたウエーハ保持孔２８にウエーハＷを挿入して保持する。そして、保持孔内のウエーハＷを研磨布２７ａ，２７ｂがそれぞれ貼付された上定盤２６ａ及び下定盤２６ｂで挟み込み、スラリー供給孔２３を通じて研磨スラリーを供給するとともに、キャリア２１をサンギヤ２４とインターナルギヤ２５との間で自転公転させる。これにより、各保持孔内のウエーハＷの両面を同時に研磨することができる。

また、他の形態の両面研磨装置として、例えば、図５及び図６に示されるように、上下の定盤３６ａ，３６ｂ（研磨布３７ａ，３７ｂ）の間に挟まれたキャリア３１を自転させずに小さな円を描くように揺動させる装置３０が知られている（特許文献１参照）。保持孔３４を有するキャリア３１がキャリアホルダ３８にセットされ、ホルダ３８の軸受部３９には偏心アーム４０が回転自在に挿着されている。研磨の際、全ての偏心アーム４０をタイミングチェーン４２を介して回転軸４１を中心に同期して回転させることにより、キャリアホルダ３８に保持されたキャリア３１が、自転せずに水平面内で小さな円を描くようにして円運動を行うことができる。このような、いわば揺動式の両面研磨装置３０であれば小型化することができるため、比較的狭いスペースで研磨作業を行うことができる。近年のウエーハの大口径化に伴い、揺動式の両面研磨装置３０が多く用いられるようになっている。

このような両面研磨装置３０による研磨手順をさらに具体的に説明すると、例えば２５枚のウエーハを収容したボックス（一般的に、ＦＯＳＢ、ＦＯＵＰなどと呼ばれている。）が自動搬送装置（ＡＧＶ等）によって所定の位置まで運ばれ、両面研磨装置のローディングステーション（ローダ部）に配置される。次いで、ボックス内のウエーハを、キャリア３１の各保持孔３４内にセットした後、上下の定盤３６ａ，３６ｂ（研磨布３７ａ，３７ｂ）によりウエーハＷの両面を挟み込む。上下の定盤３６ａ，３６ｂを回転させるとともにキャリア３１を揺動させ、スラリー供給孔３３から研磨スラリーを供給する。スラリーは、キャリア３１のスラリー通過孔３５等を通じて下側の研磨布３７ｂにも達し、ウエーハＷの両面が同時に研磨される。所定の時間研磨を行った後、定盤３６ａ，３６ｂとキャリア３１の運動を停止する。そして、保持孔３４内のウエーハＷは、ウエット状態を保ちながらアンローディングステーション（アンローダ部）へと搬出され、回収容器内に回収される。

上記のような手順でウエーハの研磨を行う場合、通常、１つのボックス内の全ウエーハ（例えば２５枚）を一度に研磨することはできないので、複数のバッチに分けて処理が行われる。例えば、図６に示したような５つの保持孔を有するキャリアを用いる場合、最初の５枚のウエーハをボックスから取り出して各保持孔内にセットした後、研磨を開始する。研磨時間は使用する研磨装置や研磨条件などにより異なるが、１つのボックス内のウエーハを全て処理するには少なくとも３０分以上は必要となる。

上記のようにしてウエーハの研磨を行う場合、従来、キャリアの保持孔にウエーハをセットするのは人手により行われていた。しかし、近年では自動化が進み、ボックス内のウエーハのローディングや研磨後のウエーハのアンローディングなどが搬送ロボットにより自動的に行われるようになってきている。

ところが、自動搬送装置と連動し、ボックス内のウエーハを搬送ロボットにより研磨装置にセットし、空になったボックスを回収するというシステムの自動化を図った場合、搬送の合理化は図れるが、空ボックスの回収から、次に処理するウエーハが入ったボックスをセットするまでの時間が装置も待ち時間となり、稼動率が低下するという問題がある。
ボックスの交換時間のロスを小さくするため、例えば、自動搬送装置を増やしたり、複数のローダ部を設けることなどが考えられるが、装置の大型化や設備（装置）コストの上昇を招いてしまう。

特開平１０−２０２５１１号公報

上記のような問題に鑑み、本発明は、半導体ウエーハの研磨において、装置を大型化せず、コストを抑えた上、作業効率を向上させることができる研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、少なくともローダ部と、搬送ロボットと、研磨部と、アンローダ部とを有し、ローダ部に配置されるボックス内に収容された半導体ウエーハを、前記搬送ロボットが前記研磨部に搬送し、該研磨部で研磨した後、前記アンローダ部にウエーハを搬送する研磨装置において、前記ローダ部に、該ローダ部に配置したボックス内から研磨前のウエーハを移送して一時的に保管する一時保管用ボックスが設置されていることを特徴とする半導体ウエーハの研磨装置が提供される。

このようにローダ部に一時保管用ボックスを設けた研磨装置とすれば、ウエーハの入ったボックスから最初に取り出したウエーハを研磨している間に、このボックス内に残っているウエーハを一時保管用のボックスに移送しておき、次の研磨は一時保管用ボックスからウエーハを取り出して行うことができる。そして、一時保管用ボックスへの移送により空になったボックスは、次のウエーハが入ったボックスと交換しておくことができる。このようにローダ部に設けた一時保管用ボックス内にウエーハを移送した後、ボックスの交換を行っておけば、研磨部の待ち時間が無くなり、研磨作業の効率を大きく向上することができる。また、ローダ部に一時保管用ボックスを設けた研磨装置であれば、同じボックスを２ヶ所以上設置するより装置を大型化する必要はなく、安価なものとなる。

この場合、前記研磨装置は、両面研磨装置が好適である。
近年、両面研磨装置が多く用いられるようになっており、前記のようにローダ部に一時保管用ボックスを設置した両面研磨装置とすることで、より効率的にウエーハの研磨を行うことができるとともに自動化にも資するものとなる。

前記一時保管用ボックスと前記ウエーハが収容されたボックスが、前記搬送ロボットを中心とする同じ円周上に配置されることが好ましい。
このように、一時保管用ボックスとウエーハが収容されたボックスとが同じ円周上に配置されるものであれば、中心の搬送ロボットによるハンドリングが容易となり、一時保管用ボックスへのウエーハの移送を容易にかつ迅速に行うことができるとともに、装置の小型化にも資する。

さらに、本発明によれば、ボックス内に収容された半導体ウエーハを、搬送手段により研磨装置に搬送して研磨を行う方法において、ローダ部に研磨前のウエーハを一時的に保管する一時保管用ボックスを予め設置しておき、前記研磨するウエーハが収容されたボックスを前記ローダ部に配置し、該ボックス内の一部のウエーハを研磨装置に搬送して研磨を開始し、該ウエーハの研磨中に前記ボックス内に残っている全てのウエーハを前記一時保管用ボックスに移送し、空になったボックスを新たなウエーハが収容された次のボックスに交換するとともに、前記ウエーハの研磨が終了したら、前記一時保管用ボックスに移送されたウエーハを前記研磨装置に搬送して次の研磨を行うことを特徴とする半導体ウエーハの研磨方法が提供される。

このようにボックス内の最初のバッチのウエーハを研磨する間に、ボックス内に残っているウエーハを一時保管用のボックスに移送し、空になったボックスの交換を行っておけば、ボックスの交換のための待ち時間が無くなり、研磨作業の効率を向上させることができる。

この場合、前記研磨装置として、両面研磨装置を用いることが好ましい。
本発明に係る一時保管用ボックスを設置した両面研磨装置を用いれば、近年要求されるウエーハの両面研磨をより効率的に行うことができる。

前記一時保管用ボックスと前記ウエーハが収容されたボックスを、前記搬送手段を中心とする同じ円周上に配置することが好ましい。
このように、一時保管用ボックスとウエーハが収容されたボックスとを同じ円周上に配置すれば、中心の搬送ロボットによるハンドリングが容易となり、一時保管用ボックスへのウエーハの移送を容易にかつ迅速に行うことができる。

本発明によれば、研磨装置のローダ部に一時保管用ボックスを予め設けておき、研磨するウエーハを収容したボックスから取り出した最初のバッチのウエーハを研磨している間に、ボックス内に残っているウエーハを一時保管用のボックスに移送し、空になったボックスを次のボックスと交換しておく。このように一時保管用ボックス内にウエーハを移送した後、空になったボックスを次のボックスと予め交換しておけば、ボックスの交換に伴う研磨装置の待ち時間が無くなり、研磨作業の効率を大きく向上させることができる。また、ローダ部を２つ設け、各ローダ部に配置されたそれぞれのボックス内から搬送ロボットによりウエーハを搬送するように構成する場合に比べ、装置を小型化することができ、設備コストを低く抑えることができる。

以下、本発明の好適な態様として、シリコンウエーハを両面研磨する場合について添付の図面に基づいて具体的に説明する。
本発明者は、半導体ウエーハの研磨作業の自動化を図るにあたり、ローダ部のボックスが空になった後、これを回収して次のボックスを配置するまでの間に待ち時間が生じ、すなわちローダ部が律速段階となって稼動率を低下させることに着目した。このような待ち時間を少なくする、あるいは無くすため、例えば、１つの研磨装置に複数のローディングステーションを設け、ウエーハを収容したボックスを２つ以上配置することが考えられる。しかし、この場合、装置が大型化し、各ボックスの蓋をあけるためのオープナーも２つ必要となり、ボックスの搬送装置、ウエーハの搬送装置等も全て２つ以上に対応するものとする必要が生じて、著しくコストが上昇してしまう。

そこで、本発明者は、さらに鋭意検討した結果、ローダ部に、一時保管用のボックス（本発明では、「バッファー」とも呼ぶ。）を設置しておくことで、装置を大型化せず、コストを低く抑えた上で作業効率を大きく改善することができることを見出した。すなわち、研磨開始後、ボックス内に残っているウエーハをバッファーに速やかに移送し、空になったボックスを次のボックスと交換しておけば、装置の大型化やコストの上昇はせずに、ボックスの入れ替えの待ち時間を解消して作業効率を向上させることができることを見出し、本発明の完成に至った。この場合、ローダ部に出し入れされるボックスはあくまで１つずつ行えば良いので、新たなボックス搬送装置やオープナー等は不要である。

図１は、本発明に係る装置の一例の概略を示した図である。
この両面研磨装置１には、研磨装置本体（研磨部）２と、ローディングステーション（ローダ部）１０と、アンローダ部１６等が設けられている。研磨装置本体２は、偏心アーム７、キャリアホルダ３等を有する揺動式のものであり、キャリア４には５つのウエーハ保持孔５とスラリー通過孔６が設けられている。ローダ部１０には研磨前のシリコンウエーハＷを収容したボックス１１（以下、「収容ボックス」と呼ぶ場合がある。）が配置され、アンローダ部１６には研磨後のウエーハを回収する回収容器（水槽）１７が配置される。

また、ウエーハＷの搬送手段として、搬送ロボット１３が設けられている。搬送ロボット１３は、上下左右の動きや回転が可能なものとし、特に図２に示したように、研磨装置内の上部のフレーム１９から吊るされ、関節部８を有するものとすれば、装置１をより小型化することができ、また、下部に設置されたアンローダ部１６等との干渉を防ぐためにも好適である。

そしてこの研磨装置１では、ローダ部１０において、ウエーハＷが収容されたボックス１１とは別に、固定された一時保管用のボックス（バッファー）１２が予め設置されている。このバッファー１２は、ウエーハＷが収容されたボックス１１と同じ枚数のウエーハＷを水平に保持できるようバッファー内に溝が形成されているフロントオープン構造の容器を用いればよい。例えば蓋のないポリカーボネイト製のＦＯＳＢ等を使用することができ、脱着自在にピン等でローダ部１０に固定されたものとする。また、バッファー１２は、ウエーハＷが収容されたボックス１１がローダ部１０に配置されたときに搬送ロボット１３を中心とする同じ円周上となるように配置されている。なお、このようなバッファー１２は、必ずしも図１のような配置とする必要はなく、搬送ロボット１３による搬送ができるように設置すれば良い。
また、図示されていないが、両面研磨装置として必要な上下の定盤、研磨布、スラリー供給手段等も設けられている。

このような研磨装置１によりシリコンウエーハの研磨を行うには、まず、研磨すべきウエーハＷを収容したボックス１１（例えば２５枚入り）がボックス自動搬送装置１４により運ばれ、ローダ部１０へと配置される。なお、ボックス１１のローダ部１０への搬送方法は特に限定されるものではなく、床面上を自走する自走型搬送車（ＡＧＶ）により搬送する方式のほか、室内の天井部にレールを敷設し、レールに沿ってボックスを搬送する方式（ＯＨＴ）としても良い。

ローダ部１０に配置されたボックス１１は、オープナー等により蓋が開封され、ボックス１１内のウエーハＷが搬送ロボット１３により保持される。例えば、図２に示されているように搬送ロボット１３の先端に板状の保持手段９を設けておき、ボックス１１内に水平に収容されているウエーハＷの下面側をすくい上げるようにして水平に保持することができる。

次いで、ウエーハＷをキャリア４へと搬送して保持孔内にセットするが、図１に示されているように、保持孔内にセットする前にウエーハＷを持ち替えるための台（センタリングステージ１５）などを設けておいても良い。下面側を保持したウエーハＷをセンタリングステージ１５の上に一旦載せた後、例えば吸着による保持手段によりウエーハの上面側中央部を保持し直すことで、ウエーハをより確実に保持することができ、保持孔５内への挿入も容易となる。なお、搬送ロボット１３が、板状保持手段９のほかに吸着による保持手段も備えたものとすれば、１台でウエーハＷの持ち替えを行うことができ、研磨装置をより小型化し、コストを一層抑えることができる。

上記のようにしてボックス１１内からウエーハＷを取り出し、各保持孔５内に順次セットした後、上定盤を下降させ、保持孔５内のウエーハを上下の研磨布の間に挟み込む。次いで、研磨スラリーを供給するとともに上下の定盤（研磨布）の回転とキャリア４の揺動により最初のバッチ分のウエーハの研磨を開始する。

ここで、収容ボックス１１内にはまだ多数のウエーハが残っているが、最初のバッチ分のウエーハの研磨を開始した後、研磨が終了する前に、ボックス１１内に残っているウエーハＷをバッファー１２へと移送する。ここでは、収容ボックス１１内のウエーハの裏面側を搬送ロボット１３によりすくい上げるようにして保持し、持ち替えることなくそのままバッファー１２内へと移送すれば良い。このとき、収容ボックス１１とバッファー１２は搬送ロボット１３を中心とする同一の円周上に配置されているため、収容ボックス１１からバッファー１２への移送は搬送ロボット１３の軸まわりの回転により容易にかつ迅速に行うことができる。

収容ボックス１１内に残っている全てのウエーハを一時保管用ボックス１２に速やかに移送し、収容ボックス１１を空にする。そして、空になったボックス１１は回収し、新たなウエーハが収容された次のボックスをローダ部１０に配置する。このように、先のボックス内に収容されていたウエーハＷをバッファー１２に移し、それらのウエーハＷの研磨を行っている間にボックスの交換を行っておけば、従来のようなボックスの入れ替え時の待ち時間を解消することができる。この場合、もちろんウエーハの移送、ボックスの入れ替えは、最初の研磨中にのみ行われなければならないものではなく、ボックスの入れ替えによる研磨の待ち時間が生じないようにすれば良いのであるから、２バッチ目、３バッチ目がある場合は、それらの研磨時間も利用してウエーハの移送、ボックスの交換をすれば良い。

研磨装置本体２では、最初のバッチ分のウエーハの研磨が終了したら、定盤とキャリア４の動作を停止し、ウエーハを回収する。すなわち、キャリア４からウエーハを吸着による保持手段により取り出してアンローダ部１６の回収容器（水槽）１７へと順次搬出する。なお、ウエーハの回収は、前記したように吸着による保持手段も備えた搬送ロボット１３により行うことが好ましいが、回収用の搬送ロボットを別途設けておいても良い。

キャリア４内のウエーハを回収した後、次の研磨を行うが、このときバッファー１２内からウエーハを取り出し、同様に研磨した後、回収容器１７に回収する。そして、バッファー１２内のウエーハも全て研磨し、回収容器１７内に回収されたウエーハは、自動搬送装置（ＡＧＶ）１８により次工程（洗浄）へと運ばれる。

上記のようにして１つのボックス内の全てのウエーハの研磨が終了した時には、ローダ部１０には既に新たなボックス１１が配置されているため、ボックスの交換による待ち時間が発生せず、連続して研磨作業を行うことができる。ここで新たなボックス内のウエーハの研磨は、先のボックスと同様の手順で研磨を行えばよい。すなわち、新たな収容ボックス内から搬送ロボット１３によりウエーハを取り出し、キャリア４の保持孔５内にセットして最初のバッチ分の研磨を開始する。研磨中、ボックス内に残っているウエーハをバッファー１２内に移送し、空になったボックス１１をさらに次のボックスと交換する。

以上のように、本発明では、ローダ部１０にバッファー１２を予め設置しておき、ローダ部１０に配置された収容ボックス１１内からウエーハを取り出して最初のバッチの研磨を行う。そして、研磨中、ボックス１１内に残っているウエーハをバッファー１２内に移送し、空になったボックス１１は新たなボックスと交換する。このような一連の作業を繰り返してウエーハの研磨を行えば、従来のようにボックスの入れ替えの際の待ち時間を無くし、ウエーハの研磨作業を連続して行うことができ、作業効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明による研磨装置では、バッファー１２はローダ部１０に固定され、交換する必要は無いため、ボックスの交換は１箇所で足りる。従って、例えば、ローダ部を２つ設け、各ローダ部に配置されたそれぞれのボックス内から搬送ロボットによりウエーハを搬送するように構成する場合に比べ、装置を小型化することができ、また、設備コストを低く抑えることができる。その結果、研磨工程の全自動化にも資するところ大である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、上記実施形態では、揺動式の両面研磨装置について説明したが、本発明はこれに限定されず、４ウエイ方式の両面研磨装置、あるいは片面研磨装置にも適用することができる。また、研磨装置内の配置は、図１のものに限定されず、適宜設定すれば良い。

本発明に係る研磨装置の一例を示す概略図である。 搬送ロボットの一例を示す概略図である。 ４ウェイ方式の両面研磨装置の一例を示す概略図である。 遊星歯車構造を示す概略平面図である。 揺動式の両面研磨装置の概略図である。 図５の両面研磨装置におけるキャリアホルダの概略平面図である。

符号の説明

１…両面研磨装置、 ２…研磨装置本体、 ３…キャリアホルダ、 ４…キャリア、
５…保持孔、 ６…スラリー通過孔、 ７…偏心アーム、 ８…関節部、
９…ウエーハ保持手段、 １０…ローダ部、 １１…ウエーハ収容ボックス、
１２…一時保管用ボックス（バッファー）、 １３…搬送ロボット、
１４…ボックス自動搬送装置、 １５…センタリングステージ、
１６…アンローダ部、 １７…回収容器（水槽）、 １８…自動搬送装置、
１９…フレーム、 Ｗ…ウエーハ。

Claims (4)

1. 少なくともローダ部と、１つの搬送ロボットと、研磨部と、アンローダ部とを有し、ローダ部に配置されるボックス内に収容された半導体ウエーハを、前記搬送ロボットが前記研磨部に搬送し、該研磨部で研磨した後、前記アンローダ部にウエーハを搬送する研磨装置において、前記ローダ部に、該ローダ部に配置したボックス内から研磨前のウエーハを移送して一時的に保管する一時保管用ボックスが設置されており、かつ前記一時保管用ボックスと前記ウエーハが収容されたボックスが、前記搬送ロボットを中心とする同じ円周上に配置されることを特徴とする半導体ウエーハの研磨装置。
2. 前記研磨装置が、両面研磨装置であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエーハの研磨装置。
3. ボックス内に収容された半導体ウエーハを、１つの搬送手段により研磨装置に搬送して研磨を行う方法において、ローダ部に研磨前のウエーハを一時的に保管する一時保管用ボックスを予め設置しておき、前記研磨するウエーハが収容されたボックスを前記ローダ部に配置し、該ボックス内の一部のウエーハを研磨装置に搬送して研磨を開始し、該ウエーハの研磨中に前記ボックス内に残っている全てのウエーハを前記一時保管用ボックスに移送し、空になったボックスを新たなウエーハが収容された次のボックスに交換するとともに、前記ウエーハの研磨が終了したら、前記一時保管用ボックスに移送されたウエーハを前記研磨装置に搬送して次の研磨を行い、前記一時保管用ボックスと前記ウエーハが収容されたボックスを、前記搬送手段を中心とする同じ円周上に配置することを特徴とする半導体ウエーハの研磨方法。
4. 前記研磨装置として、両面研磨装置を用いることを特徴とする請求項３に記載の半導体ウエーハの研磨方法。

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