JPWO2004028743A1

JPWO2004028743A1 - 研磨装置、研磨ヘッドおよび研磨方法

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Publication number: JPWO2004028743A1
Application number: JP2004539552A
Authority: JP
Inventors: 北橋　正光; 正光北橋; 利之亀井; 武田　英俊; 英俊武田; 徳永　裕之; 裕之徳永; 田尻　知朗; 知朗田尻
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: US7507148B2; JP4490822B2; TW200408497A; US20060057942A1; DE10393369T5; CN1684800A; WO2004028743A1; TWI243083B; CN100400236C; US20090156101A1; US7654883B2

Abstract

表面に研磨クロス２５を貼付した定盤２４と、ウェーハ３０の一面を保持して研磨クロス２５に当接させるチャック１９と、チャック１９の外周に同心状に配置された円環状のリテーナリング２３を有する。リテーナリング２３はチャック１９に対して揺動及び上下動可能であり、粗研磨工程ではリテーナリング２３により研磨クロス２５を押圧し、仕上げ研磨工程ではリテーナリング２３を上方に退避させ、粗砥粒の仕上げ研磨ステージへの持込を防止して、粗研磨と仕上げ研磨を同じ研磨ヘッドで連続して行う。これにより、粗研磨における粗砥粒を仕上げ研磨ステージに持ち込ませず、粗研磨と仕上げ研磨を同じ研磨ヘッドで連続して行うことにより装置のコストダウンが可能になる。

Description

本発明は、半導体ウェーハや液晶基板等の製造に関し、特に半導体ウェーハや液晶基板等の平坦面を有する被研磨物の表面を研磨するための装置、研磨ヘッド及びその研磨方法に関する。
本願において、仕上げ研磨とはウェーハ製造の研磨工程のうち最終の研磨工程をいい、粗研磨とは仕上げ研磨以外の研磨工程をいう。

図７は、従来の一般的な鏡面ウェーハの製造工程を示すフロー図である。同図に基づいて、半導体デバイスを作製するための原料ウェーハとして用いられる鏡面ウェーハの一般的な製造方法の概略を説明する。
まず、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）等により単結晶のインゴットを成長させる（ＳＴＥＰ１０１）。成長した単結晶インゴットは外周形状が歪（いびつ）であるため、次に外形研削工程（ＳＴＥＰ１０２）においてインゴットの外周を円筒研削盤等により研削し、インゴットの外周形状を整える。これをスライス工程（ＳＴＥＰ１０３）でワイヤソー等によりスライスして厚さ５００〜１０００μｍ程度の円板状のウェーハに加工し、さらに面取り工程（ＳＴＥＰ１０４）でウェーハ外周の面取り加工を行う。
その後、平面研削および／またはラッピングにより平坦化加工を行い（ＳＴＥＰ１０５）、エッチング処理工程（ＳＴＥＰ１０６）において化学研磨処理を施す。更に、ウェーハ表面を粗研磨（ＳＴＥＰ１０７）、仕上げ研磨（ＳＴＥＰ１０８）した後、ウェーハ洗浄（ＳＴＥＰ１０９）を施して鏡面ウェーハとする。
このような工程を経て得られた鏡面ウェーハの表面に回路を形成させて半導体デバイスを作製するため、近年の高精度のデバイス作製では極めて高い平坦度が要求される。ウェーハの表面平坦度が低いと、フォトリソグラフィ工程における露光時にレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、回路の微細パターン形成が難しくなるという問題が生ずる。また、半導体ウェーハのみならず液晶基板等の平坦面を有する被研磨材においても表面を平坦にすることが求められている。
このように極めて高い平坦度を有するウェーハを製造するために、ウェーハの研磨は非常に重要であるといえる。一般に、研磨を行う研磨装置として、表面に研磨用のクロスが貼付された円板状の定盤と、研磨すべきウェーハの一面を保持して研磨クロスにウェーハの他面を押し付けるウェーハチャックを有し、ウェーハと研磨クロスの間にスラリーを供給し、ウェーハと定盤とを相対回転させることにより研磨を行うものが広く知られている。
また、研磨クロスは弾性を有するため、ウェーハのみを研磨クロスに押し付けながら研磨を行うと、ウェーハは研磨クロスに僅かに沈み込むことになる。すると、研磨クロスからの弾性応力はウェーハの縁に集中するため、ウェーハ中心部に比し外周部でウェーハにかかる圧力が大きくなり、ウェーハ外周部が過剰に研磨されるという問題が発生する。
これを解消すべく、ウェーハチャックの外周に同心状に円環状のプレッサリングを配設し、プレッサリングにより研磨クロスを任意の圧力で押圧してウェーハの外周部における研磨クロスの変形を抑えて、過剰な研磨を防止しているものもある。例えば、米国特許６，３５０，３４６号では、図８に示すような研磨装置が開示されている。この研磨装置は、ウェーハチャック５１の外側にプレッサリング５２を設け、ウェーハチャック５１とプレッサリング５２は相対的に回転することができ、それぞれ独立して加圧力を制御できる。また、プレッサリング５２はトップリング５３に対して垂直に移動することができる。
しかしながら、プレッサリング５２を研磨クロス５４に対して完全に平行に作成することは現実的には非常に難しい。特にこの構成では、プレッサリング５２は垂直に移動することができるのみであるため、プレッサリング５２と研磨クロス５４は完全には平行にならずに、研磨中、プレッサリング表面で発生する圧力に分布ができてしまい、ウェーハ周辺部の平坦度が劣化したり、ウェーハ研磨形状が片べりしたりする場合がある。

本出願に係る発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その第１の目的とするところは、ウェーハ周辺部の平坦度の劣化を防止し、ウェーハ研磨形状が片べりしないウェーハ研磨装置およびその研磨方法を提供することにある。
また、本出願に係る発明の第２の目的は、粗研磨における粗砥粒を仕上げ研磨ステージに持ち込ませず、粗研磨と仕上げ研磨を同じ研磨ヘッドで連続して行うことにより装置のコストダウンを可能とすることにある。
さらに、本出願に係る発明の第３の目的は、リテーナリングの加工精度に起因するウェーハ平坦度の劣化を防止することにある。
上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明は、研磨クロスを備えた定盤と、被研磨物を保持して、前記研磨クロスに前記被研磨物を当接させるチャックと、前記チャックの外周に配置されたリテーナリングと、を有し、前記定盤と前記チャックとの相対運動により前記研磨クロスで前記被研磨物を研磨する研磨装置において、前記リテーナリングと前記チャックは互いに独立して揺動可能であることを特徴とする。
また、第２の発明は、研磨クロスを備えた定盤と、被研磨物を保持して、前記研磨クロスに前記被研磨物を当接させるチャックと、前記チャックの外周に配置されたリテーナリングと、を有し、前記定盤と前記チャックとの相対運動により前記研磨クロスで前記被研磨物を研磨する研磨装置において、前記リテーナリングは前記チャックに対して上下動可能であると共に、揺動可能であることを特徴とする。
さらに、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記揺動を可能にする１個または複数のクリアランスが設けられていることを特徴とする。
また、第４の発明は、第１乃至３のいずれかの発明において、
前記チャックと前記リテーナリングが常に一定範囲のギャップを保ちながら研磨加工することを特徴とする。
さらに、第５の発明は、第４の発明において、
前記ギャップの範囲が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであることを特徴とする。
また、第６の発明は、第４または第５の発明において、
前記チャックの中心と前記被研磨物の中心の距離が０．５ｍｍ以内であることを特徴とする。
さらに、第７の発明は、第１乃至第６のいずれかの発明において、
前記リテーナリングが、前記チャックに対して回転可能であることを特徴とする。
また、第８の発明は、チャックに保持した被研磨物を研磨クロスに押圧しつつ、前記被研磨物と前記研磨クロスとの間に研磨液を介在させた状態で、前記チャックと定盤との相対運動により前記研磨クロスで前記被研磨物を研磨するウェーハ研磨方法において、前記チャックの外周に上下動可能に配置されたリテーナリングを有し、前記研磨クロスに押圧する前記リテーナリングの押圧力を、研磨工程に応じて設定することを特徴とする。
また、第９の発明は、第８の発明において、粗研磨工程では、前記リテーナリングにより前記研磨クロスを押圧した状態で研磨し、仕上げ研磨工程では、前記リテーナリングを前記研磨クロスから退避させた状態で研磨することを特徴とする。
さらに、第１０の発明は、少なくとも粗研磨工程と仕上げ研磨工程を有するウェーハ製造方法において、被研磨物を保持して研磨クロスに当接させるチャックと、前記チャックの外周に上下動可能に配置されたリテーナリングと、を有する研磨ヘッドを用い、前記粗研磨工程では前記リテーナリングにより前記研磨クロスを押圧した状態で研磨し、前記仕上げ研磨工程では、前記リテーナリングを前記研磨クロスから退避させた状態で研磨することにより、前記粗研磨工程と前記仕上げ研磨工程とを同一の研磨ヘッドで行うことを特徴とする。
上記開示した本発明によれば、前記リテーナリングと前記チャックは独立に好適な圧力で加圧でき、しかも互いに揺動可能なので、平坦度を作り込むための粗研磨ではウェーハ周辺部の平坦度を向上させることができ、ウェーハ研磨形状が片べりしないウェーハ研磨装置およびその研磨方法を得ることができる。
また、本発明によれば、粗研磨工程では、前記リテーナリングにより前記研磨クロスを押圧した状態で研磨し、仕上げ研磨工程では、前記リテーナリングを前記研磨クロスから退避させた状態で研磨するため、粗研磨における粗砥粒を仕上げ研磨ステージに持ち込むことがない。また、粗研磨と仕上げ研磨を同じ研磨ヘッドで連続して行うことにより装置のコストダウンができる。
さらに、本発明によれば、前記リテーナリングが前記ウェーハチャックに対して相対的に回転できるため、この回転機構により、前記リテーナリングの加工精度に起因するウェーハ平坦度の劣化、前記リテーナリングの偏磨耗等を防止することができる。

図１は第１の実施の形態にかかわるウェーハ研磨装置の全体構成図である。
図２は第１の実施の形態にかかわる第１ステージ３または第２ステージ４におけるチューブ加圧型研磨ヘッド１１の縦断面図である。
図３は第１の実施の形態にかかわる第３ステージ５におけるチューブ加圧型研磨ヘッド１１の縦断面図である。
図４は第２の実施の形態にかかわる第１ステージ３または第２ステージ４におけるベローズ加圧型研磨ヘッド４０の縦断面図である。
図５は第２の実施の形態にかかわる第３ステージ５におけるベローズ加圧型研磨ヘッド４０の縦断面図である。
図６Ａはリテーナリングのない従来のウェーハ研磨装置を用いてウェーハを研磨した場合の、研磨前の素材ウェーハのＳＦＱＲを横軸に、研磨後のウェーハのＳＦＱＲを縦軸に表したグラフ、図６Ｂは本願発明にかかわるウェーハ研磨装置を用いてウェーハを研磨した場合の、研磨前の素材ウェーハのＳＦＱＲを横軸に、研磨後のウェーハのＳＦＱＲを縦軸に表したグラフ、図６Ｃは本願発明にかかわるウェーハ研磨装置において、リテーナリングとウェーハ間の距離を横軸に、研磨後のウェーハのＳＦＱＲを縦軸に表したグラフである。
図７は半導体ウェーハの製造方法の概略を示すフロー図である。
図８は従来技術のウェーハ研磨装置の一例を示した概略図である。
図９は本発明の第３の実施の形態にかかわる直列２重エアバック方式の研磨ヘッド６０のリテーナリングを下降させた状態を示す縦断面図である。
図１０は第３の実施の形態にかかわる直列２重エアバック方式の研磨ヘッド６０のリテーナリングを上昇させた状態を示す縦断面図である。
図１１は第４の実施の形態にかかわるエアシリンダ＋エアバック方式の研磨ヘッド９０のリテーナリングを詳細に示す部分縦断面図である。
図１２は第４の実施の形態にかかわるエアシリンダ＋エアバック方式の研磨ヘッド９０のリテーナリングを下降させた状態を示す部分縦断面図である。
図１３は本発明の第４の実施の形態にかかわるエアシリンダ＋エアバック方式の研磨ヘッド９０のリテーナリングを上昇させた状態を示す部分縦断面図である。

以下、本出願に係るウェーハ研磨装置について、図面に基づいて詳細に説明する。但し、以下の実施の形態に記載される構成部品の材質、寸法、形状などは特に限定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。また、以下の実施の形態において、具体例としてシリコンウェーハを研磨する場合について説明しているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、各種半導体基板や液晶ガラス基板等の薄板状体に対しても適用することができることは言うまでもない。
［実施の形態１］
まず、第１の実施の形態について図１乃至図３を用いて説明する。図１は本発明のウェーハ研磨装置の全体構成図、図２は本実施の形態にかかわる第１ステージ３または第２ステージ４におけるエアバック加圧型研磨ヘッド１１の縦断面図、図３は本実施の形態にかかわる第３ステージ５におけるエアバック加圧型研磨ヘッド１１の縦断面図である。
はじめに図１を参照してウェーハ研磨装置の全体の構成を簡単に説明する。図１は本発明の研磨ヘッド１１を備えた研磨装置１の平面図であり、第１〜３のステージ３，４，５とウェーハのロード・アンロードステージ２で構成されている。
第１ステージ３と第２ステージ４は粗研磨工程、第３ステージ５は仕上げ研磨工程となっており、粗研磨工程では前の工程でウェーハ表面に入った加工ダメージの除去とウェーハ平坦度の作り込みを担当し、仕上げ研磨工程では粗研磨で入った加工ダメージの除去とウェーハ平坦度の維持を担当している。粗研磨が２工程に分かれているのは、粗研磨にかかる時間と仕上げ研磨にかかる時間との関係から、トータルのスループットを考慮して設計されたものである。
研磨装置１の中央上部には十字形状の研磨ヘッド支持部６を備えており、研磨ヘッド支持部６は垂直軸を中心に水平面内で回転自在に設置される。研磨ヘッド支持部６の先端にはそれぞれ研磨ヘッド１１を垂直下向きに２個ずつ、合計８個の研磨ヘッド１１を備えている。
図２及び図３は、研磨ヘッド支持部６の先端に固定された研磨ヘッド１１及びその下に配置された定盤２４の縦断面図であり、説明の便宜上、１個の研磨ヘッド１１及び定盤２４の左半分のみを示しているが、中心線に対して右側にも対称な構造が備わっている。第１〜第３ステージ３，４，５における定盤２４は円板形状であって水平に保持し、図２に示すように第１及び第２ステージ３，４では定盤２４の上面に粗研磨用クロス２５を、図３に示すように第３ステージ５では上面に仕上げ研磨用クロス２６を貼付している。
研磨効率を高めるためには、研磨砥粒の分布を均一にすることが重要であるため、粗研磨用クロス２５と仕上げ研磨用クロス２６の材質には気泡が均一に分散しているウレタン等の発泡材を用い、気泡を砥粒の保持サイトとして機能させている。定盤２４の下部には、スピンドル２７を垂直に連結し、スピンドル２７は図示しない定盤回転モータの回転軸に連結している。定盤２４は、この定盤回転モータを駆動することにより、スピンドル２７を中心に水平面内で回転する。定盤２４の中央上方には図示しない研磨液供給ノズルを設置しており、研磨液供給ノズルは図示しない研磨液供給タンクに接続している。
各ステージ３〜５では２個の研磨ヘッド１１により２枚のウェーハ３０が同時に研磨加工され、研磨加工終了後に次の工程へ順時送られて引き続き研磨加工される。このとき、第２ステージ４の粗研磨工程から第３ステージ５の仕上げ研磨工程へ移動する前に、一旦ロード・アンロードステージ２へ移動して粗研磨工程で研磨ヘッド１１に付着した砥粒を水洗いすることができるように、ロード・アンロードステージ２にはジェット水流を噴射することができるノズルを設置している。
次に、図２を参照して本実施の形態におけるチューブ加圧型研磨ヘッド１１について詳細に説明する。研磨ヘッド１１は、シャフト２８、フレーム２９、エアバック１５、ウェーハチャック１９、リテーナフレーム３６、及びリテーナリング２３等から構成される。図中、符号２８は円筒状の中空シャフトであり、このシャフト２８の外周にフレーム２９を配置している。フレーム２９はシャフト２８の中心軸から放射状に穿設された４個の雌ねじ部２９ａをそれぞれ９０°の間隔をあけて有し、その雌ねじ部２９ａを通して外側からボルト２９ｃをねじ込んで、フレーム２９をシャフト２８に固定している。
フレーム２９の下端部には円板形状の板ばね及び板ゴムを固定し、板ゴムとフレーム２９で仕切られた空洞部を空気室１６として、エアバック１５を形成する。そして、エアバック１５の下面には円板状のウェーハチャック１９を固定している。ウェーハチャック１９は多孔質セラミックプレートの硬質チャックベースであり、その中央上部はエアバック１５を貫通する真空配管３２を介して真空ポンプ５６に接続している。
一方、フレーム２９は上面の外周部において、垂直方向に延びる円筒状の突起部とその突起部に続いて外周水平方向に突出して形成されるフランジ部とを有する。フランジ部のすぐ下には、ドーナツ状のエアバック１７を備え、さらにその下に圧縮スプリング１８を３０°おきに１２個備える。そして、このエアバック１７と圧縮スプリング１８の間にリテーナフレーム３６を挟んで支持している。
リテーナフレーム３６は、断面コ字状の円環状部材であり、下面にリテーナリング２３を備える。リテーナフレーム３６は、上部に内周水平方向に突出して形成されるフランジ部を有する。このフランジ部にはフレーム２９の円筒状の突起部の外表面に対して所定のクリアランスを有するように貫通穴が形成されている。このフランジ部が圧縮スプリング１８により下方から付勢され、エアバック１７によって上方から付勢されて支持される。
エアバック１７はドーナツ状の一本のチューブであるため、内部の気圧はチューブの外表面で均一に発生する。そのため、例えば、図２のリテーナフレーム３６の右側からエアバック１７の一部に上方に押し上げる偏荷重が加わった場合であっても、その偏荷重はエアバック１７内で均一化され、エアバック１７の左側よりリテーナフレーム３６を下方に押し下げる力が発生する。この結果、リテーナフレーム３６はフレーム２９に対して揺動し、研磨クロス２５，２６の表面に対して調心することができる。
また、このようにリテーナフレーム３６を揺動及び調心できる構成としたために、リテーナフレーム３６とウェーハチャック１９の最低隙間を保つ機構が必要になる。そのため、リテーナフレーム３６の中腹部にボールプランジャ２１を縦に２箇所、回転軸に対して４５°おきに合計１６箇所設けている。ボールプランジャ２１を縦に２箇所設けているのは、リテーナフレーム３６の昇降に従いボールプランジャ２１が昇降しても、いずれかのボールプランジャ２１がフレーム２９とリテーナフレーム３６の最低間隔を保つ機能を果たすことができるようにするためである。また、この最低間隙を保つ機構を設けることにより、所定の位置精度でウェーハチャック１９に取り付けられたウェーハがリテーナリング２３に接触することを防止できる。
更に、リテーナフレーム３６の中腹下部にはボールベアリング２２を備えており、ボールベアリング２２より下側のリテーナフレーム３６の下面に、円環状のリテーナリング２３を固定している。リテーナリング２３は、吸着させるウェーハと略同外径のウェーハチャック１９の外周部との間に０．５〜２．０ｍｍ程度の隙間を空けて、ウェーハチャック１９とほぼ同心状に水平に配置されている。リテーナリング２３は、ボールベアリング２２によってリテーナフレーム３６に対して滑らかに回転可能であり、ウェーハチャック１９に対して相対的に回転する。この回転機構により、リテーナリング２３の加工精度に起因するウェーハ平坦度の劣化、リテーナリング２３の偏磨耗、およびリテーナリング２３に発生するせん断力の発生（ねじれ）を防止することができる。
エアバック１７はリテーナ加圧配管３１を介して電気空気レギュレータＲに接続しており、空気室１６はウェーハ加圧配管３３を介して電気空気レギュレータＷに接続している。電気空気レギュレータＲの先には圧縮空気ポンプ５７が接続され、電気空気レギュレータＷの先には圧縮空気ポンプ５８が接続されている。
一方、図示しないがシャフト２８の上部はその外周部にタイミングプーリを設けている。そして、タイミングプーリはタイミングベルトを介して、研磨ヘッド回転用モータに設けられたタイミングプーリに接続されている。なお、シャフト２８の上端部と研磨ヘッド回転用モータの基部とは研磨ヘッド支持部６に固定されたシリンダに連結し、研磨ヘッド１１を上下動可能としている。
本実施の形態ではウェーハチャック１９として多孔質セラミックプレートよりなる硬質チャックベースを用いたが、ピンチャックやリングチャックまたはホールチャックをウェーハチャック１９として用いても良い。また、本実施の形態ではボールプランジャ２１を４５°おきに１６個、圧縮スプリング１８を３０°おきに１２個形成しているが、ボールプランジャ２１や圧縮スプリング１８の数はこれらに限られるものではなく、所望の機能を果たす範囲内であれば、さらに多くてもまたは少なくても良い。
次に、上記した構成を有するウェーハ研磨装置１によって、ウェーハ３０を研磨する方法について図１乃至図３を用いて以下に説明する。
ロード・アンロードステージ２において、ウェーハ搬入装置７により未研磨のウェーハ３０を研磨ヘッド１１のウェーハチャック１９直下に移動させる。次に、真空ポンプ５６が吸気を行うことにより、真空配管３２を介して多孔質セラミックプレート内部を負圧とし、ウェーハチャック１９の下面に未研磨ウェーハ３０を吸着させる。このとき、ウェーハチャック１９の中心と未研磨ウェーハ３０の中心の距離が０．５ｍｍ以内になる様に位置合わせをして吸着させる。未研磨ウェーハ３０のロードが行われると、研磨ヘッド支持部６が右回りに９０°回転し、未研磨ウェーハを吸着した研磨ヘッド１１を第１ステージ３へ移動させる。
次に、電気空気レギュレータＷを駆動させ、圧縮空気ポンプ５８からウェーハ加圧配管３３を介して空気室１６に圧縮空気を供給し、空気室１６内の空気によって５ｇ／ｍｍ^２の圧力でエアバック１５の全体を均一に押圧する状態を保つ。その後、研磨ヘッド回転用モータと定盤回転用モータを駆動させることにより、研磨ヘッド１１と定盤２４とを相対回転させ、研磨液供給ノズルにより研磨液を供給する。その状態で不図示のシリンダを駆動させて、ウェーハ３０が粗研磨用クロス２５に接するまで研磨ヘッド１１を下降させる。
ウェーハ３０は全面に５ｇ／ｍｍ^２の均一な圧力を受けて粗研磨用クロス２５に押圧されて、被研磨面が平坦に研磨される。エアバック１５は板ゴムと板バネでできているため、ウェーハチャック１９は粗研磨用クロス２５の表面の歪みに合わせて揺動及び調心することができる。したがって、ウェーハ３０は常に粗研磨用クロス２５の表面に対して平行状態を保ち、かつ、ウェーハ全体にわたって均一の圧力で粗研磨用クロス２５に押圧されることになる。
上記の粗研磨工程を行っている間は、電気空気レギュレータＲを駆動させ、圧縮空気ポンプ５７からリテーナ加圧配管３１を介してエアバック１７に圧縮空気を供給する。すると、エアバック１７が膨らみ圧縮スプリング１８に抗してリテーナフレーム３６を下方向に付勢し、リテーナリング２３を粗研磨用クロス２５に押圧する。リテーナフレーム３６はエアバック１７と圧縮スプリング１８により支持されているため、リテーナフレーム３６及びリテーナリング２３はウェーハチャック１９と独立して揺動し、粗研磨用クロス２５の表面に調心することができる。
したがって、リテーナリング２３は常に粗研磨用クロス２５の表面に対して平行状態を保ち、かつ、リテーナリング２３の全体にわたって均一の圧力で粗研磨用クロス２５に押圧される。この際、望ましくはリテーナリング加圧力がウェーハ加圧力と同様の５ｇ／ｍｍ^２となるように、エアバック１７に供給する圧縮空気の圧力を調整する。リテーナリング加圧力をウェーハ加圧力と等しくすることにより、ウェーハ３０の外周部における粗研磨用クロス２５の変形を抑えて、過研磨を防止することができる。また、研磨後のウェーハ３０の仕上げ形状に応じて、リテーナリング加圧力を調整することもできる。
このように電気空気レギュレータＷにより供給する空気圧を調整することによりウェーハ加圧力を調整することができ、電気空気レギュレータＲにより供給する空気圧を調整することによりリテーナ加圧力を調整することができる。したがって、ウェーハ加圧力とリテーナ加圧力は独立に任意の加圧力を設定できる。また、前述のようにウェーハチャック１９とリテーナリング２３はそれぞれ独立した自動調芯機能をもっているため、粗研磨用クロス２５の研磨面に対してそれぞれが常に平行になる。
また、リテーナフレーム３６の内側にはボールプランジャ２１を設けているため、リテーナリング２３とウェーハチャック１９との間の隙間を一定範囲以下に設定することができる。本実施の形態では、隙間が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの時に最も良好な研磨結果を得ることができた。間隙が２．０ｍｍ以上になると研磨後のウェーハの平坦度が悪くなった。
そこで、リテーナリング２３とウェーハチャック１９との間の隙間を標準状態で１．０ｍｍとすると共に、ボールプランジャ２１のボール部とフレーム２９の隙間を０．１ｍｍとし、ボールプランジャ２１のバネのストロークを０．４ｍｍとしている。これによりリテーナリング２３とウェーハチャック１９が揺動しても、隙間は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内の変動で安定する。
粗研磨工程の研磨液としては、ＳｉＣ、ＳｉＯ等の直径１２ｎｍ程度の粗研磨用砥粒と水性又は油性の液体を混合したスラリーなどを用いることができる。このように研磨液を供給しながら、研磨ヘッド１１と定盤２４とを相対回転させ、５分間ウェーハ３０の粗研磨を行う。
粗研磨終了後、シリンダを駆動し研磨ヘッド１１を上昇させ、研磨ヘッド支持部６を右回りに９０°回転させて、研磨ヘッド１１を第２ステージ４へ移動させる。
第２ステージ４へ研磨ヘッド１１が移動すると、第１ステージ３における作用と同様にして研磨ヘッド１１が下降してウェーハ３０を研磨する。加工条件において第１ステージ３における作用と異なる点は、ウェーハ加圧力とリテーナ加圧力をそれぞれ２ｇ／ｍｍ^２とすること、及び研磨時間を２分間とすることである。
粗研磨終了後、シリンダを駆動し研磨ヘッド１１を上昇させ、研磨ヘッド支持部６が左回りに１８０°回転し、研磨ヘッド１１をロード・アンロードステージ２へ移動させる。
ロード・アンロードステージ２へ研磨ヘッド１１が移動すると粗研磨用の砥粒を仕上げ研磨のステージへ持ち込ませないために、ノズルから噴射するジェット水流によって、ウェーハ３０の被研磨面及びリテーナリング２３に付着した砥粒を約１０秒間、純水又はオゾン水により洗浄する。
研磨ヘッド１１の洗浄終了後、研磨ヘッド支持部６が左回りに９０°回転し、研磨ヘッド１１を第３ステージ５へ移動させる。
ウェーハ加圧力が１ｇ／ｍｍ^２と低いため、ウェーハ３０は仕上げ研磨用クロス２６に殆ど沈み込まない。したがって、仕上げ研磨用クロス２６からの弾性応力はウェーハ３０の縁に集中せず、ウェーハ外周部が過剰に研磨されるという問題が発生しない。また、研磨取代も少ないため、リテーナリング２３を使用する必要がない。
そこで、本実施の形態では、第３ステージ５への移動中にエアバック１７の圧力を抜き、スプリング１８の反力によりリテーナリング２３を上方へ退避させておく。この移動量は約５ｍｍに設計している。これは、リテーナリング２３に付着した粗研磨用の砥粒を仕上げ研磨のステージへ持ち込ませないためである。
第３ステージ５へ研磨ヘッド１１が移動したら、電気空気レギュレータＷを駆動させ、圧縮空気ポンプ５８からウェーハ加圧配管３３を介して空気室１６に圧縮空気を供給し、空気室１６内の空気が１ｇ／ｍｍ^２の圧力でエアバック１５の全体を均一に押圧する状態を保つ。その後、研磨ヘッド回転用モータと定盤回転用モータを駆動させることにより、研磨ヘッド１１と定盤２４とを相対回転させ、研磨液供給ノズルにより研磨液を供給する。その状態で不図示のシリンダを駆動させて、ウェーハ３０が仕上げ研磨用クロス２６に接するまで研磨ヘッド１１を下降させる。
ウェーハ３０は全面に１ｇ／ｍｍ^２の均一な圧力を受けて仕上げ研磨用クロス２６に押圧されて、被研磨面が仕上げ研磨される。エアバック１５はゴムと板バネでできているため、ウェーハチャック１９は揺動し、仕上げ研磨用クロス２６の表面形状に合わせて調心することができる。したがって、ウェーハ３０は常に仕上げ研磨用クロス２６に対して平行状態を保ち、かつ、ウェーハ全体にわたって均一の圧力で仕上げ研磨用クロス２６に押圧される。
仕上げ研磨工程の研磨液としては、ＳｉＣ、ＳｉＯ等の直径５〜５００ｎｍ程度の仕上げ研磨用砥粒と水性又は油性の液体を混合したスラリーなどを用いることができる。このように、研磨液を供給しながら、研磨ヘッド１１と定盤２４とを相対回転させ、５分間ウェーハ３０の仕上げ研磨を行う。
仕上げ研磨終了後、シリンダを駆動し研磨ヘッド１１を上昇させ、研磨ヘッド支持部６を右回りに９０°回転させ、研磨ヘッド１１をロード・アンロードステージ２へ移動させる。
ロード・アンロードステージ２へ研磨ヘッド１１を移動させると共に、ウェーハ搬出装置８の不図示の搬出用ハンドをウェーハチャック１９直下へ移動させる。次に、真空ポンプ５６を停止すると、ウェーハチャック１９の吸着力がなくなり、ウェーハチャック１９に吸着されていたウェーハ３０はウェーハ搬出用ハンドに載置され、その後、ウェーハ搬出装置８により搬出される。以上によりウェーハ３０の研磨工程が終了する。
［実施の形態２］
次に、第２の実施の形態について図４および図５を用いて説明する。図４は本発明の第２の実施の形態にかかわる第１ステージ３または第２ステージ４におけるベローズ加圧型研磨ヘッド４０の縦断面図、図５は本実施例にかかわる第３ステージ５におけるベローズ加圧型研磨ヘッド４０の縦断面図である。
本実施の形態における全体構成は、図１に示す第１の実施の形態における全体構成と同様であるため、相違点となる研磨ヘッド４０の構成についてのみ図４を参照して説明する。図４は、研磨ヘッド支持部６の先端に固定された研磨ヘッド４０及びその下に配置された定盤２４の縦断面図であり、説明の便宜上、１個の研磨ヘッド４０及び定盤２４の左半分のみを示しているが、中心線に対して右側にも対称な構造が備わっている。
本実施の形態におけるベローズ加圧型研磨ヘッド４０は、シャフト２８、フレーム４７、ベローズ４５，４６、ウェーハチャック１９、ガイドピン４１，４４、ボールベアリング４２、およびリテーナリング４３等から構成される。図中、符号２８は円筒状の中空シャフトであり、このシャフト２８の外周にフレーム４７を固定している。フレーム４７は中心軸から放射状に穿設された４個の雌ねじ部４７ａをそれぞれ９０°の間隔をあけて有し、その雌ねじ部４７ａの外側からボルト４７ｃをねじ込んで、フレーム４７をシャフト２８に固定している。
フレーム４７の外周下面には、円環状の薄板である上部リテーナフレーム５０ａを固着している。この上部リテーナフレーム５０ａの下面には、同心円状に円筒状のベローズ４５を２枚垂直下向きに固定し、ベローズ４５の下端は円環状の薄板である下部リテーナフレーム５０ｂの上面に固着されている。そして、２枚のベローズ４５と上部リテーナフレーム５０ａ及び下部リテーナフレーム５０ｂにより囲まれた円環状の密閉された空間は空気室４８となる。
下部リテーナフレーム５０ｂの下にはさらに、ボールベアリング４２を備え、ボールベアリング４２の下には円環状のリテーナリング４３を固定している。リテーナリング４３は、吸着させるウェーハと略同外径のウェーハチャック１９の外周部との間に僅かな隙間を空けて、ウェーハチャック１９とほぼ同心状に水平に配置されている。リテーナリング４３はボールベアリング４２により、ウェーハチャック１９に対して滑らかに相対的に回転可能な構成となっている。このボールベアリング４２による回転機構により、リテーナリング４３の加工精度に起因するウェーハ平坦度の劣化、リテーナリング４３の偏磨耗、およびリテーナリング４３に発生するせん断力の発生（ねじれ）を防止することができる。
更に、リテーナリング４３はベローズ４５により吊り下げられて保持されており、このベローズ４５はハステロイ等により作成され伸縮可能なため、リテーナリング４３はフレーム４７に対して揺動することができる。また、このようにリテーナリング４３を揺動できる構成としたために、リテーナリング４３とウェーハチャック１９の隙間の変動を一定範囲に保つべく、上部リテーナフレーム５０ａには円柱状のガイドピン４１を垂直下向きに、下部リテーナフレーム５０ｂの上面にはＬ字状に折り曲げた板材からなるガイドピン受け３８を、それぞれ６０°おきに６個固定している。ガイドピン受け３８には、揺動を一定範囲に保つために、ガイドピン４１に対して所定のクリアランスを有した貫通穴が設けられており、この貫通穴にガイドピン４１が挿通している。
一方、内周側のベローズ４５のさらに内側には円筒状のベローズ４６をフレーム４７の下端部に垂直下向きに固定し、ベローズ４６の下端にはウェーハチャック１９を固定している。そして、ベローズ４６およびウェーハチャック１９により囲まれた密閉された空間が空気室４９となる。
このベローズ４６の内には、フレーム４７から垂直下向きに円柱状のガイドピン４４を、ウェーハチャック１９からは垂直上向きに略Ｌ字状の板材よりなるガイドピン受け３９を、それぞれ６０°おきに６本固定している。ガイドピン受け３９には、揺動を一定範囲に保つために、ガイドピン４４に対して所定のクリアランスを有した貫通穴が設けられており、この貫通穴にガイドピン４４が挿通している。
また、ウェーハチャック１９は多孔質セラミックプレートよりなる硬質チャックベースであり、その中央上部を真空配管３２を介して真空ポンプ５６に接続している。
２枚のベローズ４５の間に形成された空気室４８はリテーナ加圧配管３１を介して電気空気レギュレータＲに接続しており、空気室４９はウェーハ加圧配管３３を介して電気空気レギュレータＷに接続している。電気空気レギュレータＲの先には圧縮空気ポンプ５７が接続され、電気空気レギュレータＷの先には圧縮空気ポンプ５８が接続されている。
図示しないがシャフト２８の上部はその外周部にタイミングプーリを設けている。そして、タイミングプーリはタイミングベルトを介して、研磨ヘッド回転用モータに設けられたタイミングプーリに接続されている。なお、シャフト２８の上端部と研磨ヘッド回転用モータの基部とを研磨ヘッド支持部６に固定されたシリンダに連結し、研磨ヘッド１１を上下動可能としている。
本実施の形態ではウェーハチャック１９として多孔質セラミックプレートの硬質チャックベースを用いたが、ピンチャックやリングチャックまたはホールチャックをウェーハチャック１９として用いても良い。また、ガイドピン４１，４４を６０°おきに６個ずつ設けているが、ガイドピン４１，４４の数は所望の機能を果たす範囲内であれば、６個より多くても又は少なくても良い。
次に、上記した研磨ヘッド４０を有する研磨装置１によって、ウェーハ３０を研磨する方法について図１および図４，５を用いて以下に説明する。図１においては、研磨ヘッド１１を本実施の形態における研磨ヘッド４０に置き換えて説明する。
ロード・アンロードステージ２において、ウェーハ搬入装置７により未研磨のウェーハ３０を研磨ヘッド４０のウェーハチャック１９直下に移動させる。次に、真空ポンプ５６が吸気を行うことにより、真空配管３２を介して多孔質セラミックプレート内部を負圧とし、ウェーハチャック１９に未研磨ウェーハ３０を吸着する。このとき、ウェーハチャック１９の中心と未研磨ウェーハ３０の中心の距離が０．５ｍｍ以内になる様に位置合わせをして吸着させる。この動作により未研磨ウェーハ３０のロードが行われると、研磨ヘッド支持部６が右回りに９０°回転し、研磨ヘッド４０を第１ステージ３へ移動させる。
次に図４に示すように、電気空気レギュレータＷを駆動させ、圧縮空気ポンプ５８からウェーハ加圧配管３３を介して空気室４９に圧縮空気を供給し、空気室４９内の空気が５ｇ／ｍｍ^２の圧力でウェーハチャック１９の全体を均一に押圧する状態を保つ。その後、研磨ヘッド回転用モータと定盤回転用モータを駆動させることにより、研磨ヘッド４０と定盤２４とを相対回転させ、研磨液供給ノズルにより研磨液を供給する。その状態で不図示のシリンダを駆動させて、ウェーハ３０が粗研磨用クロス２５に接するまで研磨ヘッド４０を下降させる。ウェーハ３０は全面に５ｇ／ｍｍ^２の均一な圧力を受けて粗研磨用クロス２５に押圧されて、被研磨面が平坦に研磨される。
ベローズ４６はハステロイ等により作成し伸縮可能となっているため、ウェーハチャック１９は揺動可能であり、粗研磨用クロス２５の表面形状にならって調心することができる。したがって、ウェーハ３０は常に粗研磨用クロス２５に対して平行を保ち、かつ、ウェーハ全体にわたって均一の圧力で粗研磨用クロス２５に押圧されることになる。
上記の粗研磨工程を行っている間は、電気空気レギュレータＲを駆動させ、圧縮空気ポンプ５７からリテーナ加圧配管３１を介して空気室４８に大気圧よりも圧力が高い圧縮空気を供給し、空気室４８の圧力により下部リテーナフレーム５０ｂが５ｇ／ｍｍ^２の圧力でリテーナリング４３を粗研磨用クロス２５に押圧する状態を保つ。このようにリテーナリング加圧力をウェーハ加圧力と等しくすることにより、ウェーハ３０の外周部における粗研磨用クロス２５の変形を抑えて、過研磨を防止することができる。また、研磨後のウェーハ３０の仕上げ形状に応じて、リテーナリング加圧力を調整することもできる。
ここで、リテーナリング４３はベローズ４５によりフレーム４７に吊り下げられているため、リテーナリング４３はウェーハチャック１９と独立して揺動可能であり、ウェーハチャック１９の調心とは独立して粗研磨用クロス２５の表面形状にならって調心することができる。
したがって、リテーナリング４３は常に粗研磨用クロス２５に対して平行状態を保ち、かつ、リテーナリング４３の全体にわたって均一の圧力で粗研磨用クロス２５に押圧される。このように電気空気レギュレータＷによって空気室４９に供給する空気圧を調整することによりウェーハ加圧力を調整し、電気空気レギュレータＲによって空気室４８に供給する空気圧を調整することによりリテーナ加圧力を調整するため、ウェーハ加圧力とリテーナ加圧力は独立に任意の加圧力を設定できる。また、前述のようにウェーハチャック１９とリテーナリング４３はそれぞれ独立した自動調芯機能をもっているため、粗研磨用クロス２５に対してそれぞれが常に平行になる。
また、研磨ヘッド４０にはガイドピン４１，４４を設けており、リテーナリング４３とウェーハチャック１９との間の隙間の変動を一定範囲以下に設定している。本実施の形態においても隙間が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの時に最も良好な研磨結果を得ることができた。間隙が２．０ｍｍ以上になると研磨後のウェーハの平坦度が悪くなった。そこで、リテーナリング４３とウェーハチャック１９との間の隙間が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内になるように、ガイドピン受け３８，３９に形成する貫通穴の穴径を設定している。
粗研磨時の研磨液としては、ＳｉＣ、ＳｉＯ等の直径１２ｎｍ程度の粗研磨用砥粒と水性又は油性の液体を混合したスラリーなどを用いることができる。このように、研磨液を供給しながら、研磨ヘッド４０と定盤２４とを相対回転させ、５分間ウェーハ３０の粗研磨を行う。
粗研磨終了後、シリンダを駆動し研磨ヘッド４０を上昇させ、研磨ヘッド支持部６を右回りに９０°回転させ、研磨ヘッド４０を第２ステージ４へ移動させる。
第２ステージ４へ研磨ヘッド４０が移動すると、第１ステージ３と同様にして研磨ヘッド４０が下降してウェーハ３０を研磨する。加工条件において第１ステージ３と異なる点は、ウェーハ加圧力とリテーナ加圧力を２ｇ／ｍｍ^２とすること、および研磨時間を２分間とすることである。
粗研磨終了後、シリンダを，駆動し研磨ヘッド４０を上昇させ、研磨ヘッド支持部６が左回りに１８０°回転し、研磨ヘッド４０をロード・アンロードステージ２へ移動させる。
ロード・アンロードステージ２へ研磨ヘッド４０が移動すると、粗研磨用の砥粒を仕上げ研磨のステージへ持ち込ませないため、ノズルから噴射するジェット水流によって、粗研磨で研磨ヘッド１１に付着した砥粒を約１０秒間、純水又はオゾン水で洗浄する。
研磨ヘッド４０の洗浄終了後、研磨ヘッド支持部６が左回りに９０°回転し、研磨ヘッド４０を第３ステージ５へ移動させる。
ここで、仕上げ研磨工程ではウェーハ加圧力は１ｇ／ｍｍ^２と低いため、ウェーハ３０は仕上げ用研磨クロス２６に殆ど沈み込まない。したがって、仕上げ研磨用クロス２６からの弾性応力はウェーハ３０の縁に集中せず、ウェーハ外周部が過剰に研磨されるという問題が発生しない。また研磨取代も少ないため、リテーナリング４３を使用する必要がない。そこで、第３ステージ５への移動中に空気室４８の圧力を抜き、リテーナリング４３を上方へ退避させておく。この移動量は５ｍｍに設計している。これはリテーナリング４３に付着した粗研磨用の砥粒を仕上げ研磨のステージへ持ち込ませないためである。
第３ステージ５へ研磨ヘッド４０が移動すると、電気空気レギュレータＷを駆動させ、圧縮空気ポンプ５８からウェーハ加圧配管３３を介して空気室４９に大気圧よりも圧力が高い圧縮空気を供給し、空気室４９の空気が１ｇ／ｍｍ^２の圧力でウェーハチャック１９の全体を均一に押圧する状態を保つ。その後、研磨ヘッド回転用モータと定盤回転用モータを駆動させることにより、研磨ヘッド４０と定盤２４とを相対回転させ、研磨液供給ノズルにより研磨液を供給する。その状態で不図示のシリンダを駆動させて、ウェーハ３０が仕上げ研磨用クロス２６に接するまで研磨ヘッド４０を下降させる。ウェーハ３０は全面に１ｇ／ｍｍ^２の均一な圧力を受けて仕上げ研磨用クロス２６に押圧されて、被研磨面が仕上げ研磨される。
ベローズ４６は伸縮可能なハステロイにより作成されているため、ウェーハチャック１９は揺動し、仕上げ研磨用クロス２６の表面形状にならって調心することができる。したがって、ウェーハ３０は常に仕上げ研磨用クロス２６に対して平行になり、かつ、ウェーハ全体にわたって均一の圧力で仕上げ研磨用クロス２６に押圧されることになる。
仕上げ研磨時の研磨液としては、ＳｉＣ、ＳｉＯ等の直径５〜５００ｎｍ程度の仕上げ研磨用砥粒と水性又は油性の液体を混合したスラリーなどを用いることができる。このように、研磨液を供給しながら、研磨ヘッド４０と定盤２４とを相対回転させ、５分間ウェーハ３０の仕上げ研磨を行う。
仕上げ研磨終了後、シリンダを駆動し研磨ヘッド４０を上昇させ、研磨ヘッド支持部６を右回りに９０°回転させ、研磨ヘッド４０をロード・アンロードステージ２へ移動させる。
ロード・アンロードステージ２へ研磨ヘッド４０を移動させると共に、ウェーハ搬出装置８の不図示の搬出用ハンドをウェーハチャック１９直下へ移動させる。次に、真空ポンプ５６を停止すると、ウェーハチャック１９の吸着力がなくなり、ウェーハチャック１９に吸着されていたウェーハ３０は搬出用ハンドに載置される。以上によりウェーハ３０の研磨工程が終了する。
上記第１および第２の実施の形態における図１で示した研磨装置１は、各ステージ３〜５において、並行してウェーハ３０の研磨が可能であり、第１ステージ３及び第２ステージ４でウェーハ３０の粗研磨を行っている間に、第３ステージ５で仕上げ研磨を行うことができるため、作業効率も良い。
また、研磨装置１においては、ウェーハ３０の片べりなどを防止するために、研磨ヘッド４０と定盤２４の双方を回転させてウェーハ３０を研磨しているが、いずれか一方のみを回転させて研磨することもできる。
上記の第１の実施の形態においては、エアバック１５の材料として板ゴムと板バネを採用し、第２の実施の形態においては、ベローズ４５，４６の材料として金属の一種であるハステロイを採用したが、これに限られるものではなく、エア圧力等の流体圧力で弾性変形することができるものであればプラスチックやその他の材料を用いても良い。なお、エアバック１５の代わりに、エア圧力により弾性変形するシートを用いても良い。
また、ウェーハ３０の材質及び大きさに関しては、本発明を実施するにあたり何ら制限は無く、現在製造されている口径のシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の半導体ウェーハ３０は勿論のこと、将来製造可能となる非常に大きなウェーハ３０に対しても本発明を適用することができる。
［実施の形態３］
次に、第３の実施の形態について図９および図１０を用いて説明する。図９及び図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかわる直列２重エアバック方式の研磨ヘッド６０の縦断面図である。図９はリテーナを下降させた状態を示し、図１０はリテーナを上昇させた状態を示している。
本実施の形態における直列２重エアバック方式の研磨ヘッド６０は、シャフト６８、フレーム６９、ウェーハチャック１９、リテーナフレーム６６、およびリテーナリング２３等から構成される。図中、符号６８は円筒状の中空シャフトであり、このシャフト６８の外周にフレーム６９を固定している。
リテーナリング２３の上には円環状のリテーナ固定台７０をボルト７１により締結している。リテーナ固定台７０はボルト７２によって、さらにリテーナフレーム６６に締結される。リテーナ固定台７０とリテーナフレーム６６の間には、可撓性を有する板ばね７４と板ゴム７３が張られ、リテーナフレーム６６と板ゴム７３によって密閉空間となる第２エアバック７５が形成される。第２エアバック７５にはシャフト６８内を通るウェーハ加圧配管７６が接続され、ウェーハ加圧配管７６の供給口７６ａから第２エアバック７５内に圧縮空気が供給される。
板ばね７４の中央下面にはウェーハチャック１９が固定されている。ウェーハチャック１９は、板ゴム７３の上からプラグ台７７を通してボルト７８をねじ込むことにより、板状に張られた板ばね７４及び板ゴム７３をプラグ台７７とウェーハチャック１９によって挟み込んだ状態で固定される。プラグ台７７の外周にはフランジ状のメカストッパ７７ａを設けており、ウェーハチャック１９がリテーナフレーム６６に対して下降した際にリテーナフレーム６６に係止し、ストロークエンドを示すストッパとして機能する。
ウェーハチャック１９の中央上部には排気プラグ８２が取り付けられている。排気プラグ８２は、シャフト６８内を通る排気管７９に接続されており、排気管７９で排気を行うことによりウェーハチャック１９内の減圧を行う。この減圧状態において、ウェーハはウェーハチャック１９の下面に形成された吸着面に真空吸着される。
リテーナフレーム６６とフレーム６９の間には可撓性を有する材質からなる円板状の板材８０が張られている。フレーム６９と板材８０及びリテーナフレーム６６により囲まれた密閉空間に第１エアバック８１が形成される。第１エアバック８１内には、シャフト６８の中空穴６８ａから圧縮空気が供給される。リテーナフレーム６６には、フレーム６９に係止するようにフランジ状のメカストッパ６６ａを設ており、リテーナフレーム６６がフレーム６９に対して下降した際に、ストロークエンドを示すストッパとして機能する。
このように本実施の形態における研磨ヘッド６０では、第１エアバック８１と第２エアバック７５が重ねられた状態で直列に配置される。
次に、本実施の形態における研磨ヘッド６０の動作について説明する。シャフト６８の中空穴６８ａから圧縮空気を供給し、第１エアバック８１に荷重Ｐ１をかけると、リテーナフレーム６６に荷重が加わり、ウェーハチャック１９とリテーナリング２３が一体となって下降する。このとき、ウェーハ加圧配管７６から圧縮空気を供給し、第２エアバック７５に荷重Ｐ２をかけると、ウェーハチャック１９には荷重Ｐ２がかかり、リテーナリング２３には荷重Ｐ３（＝Ｐ１−Ｐ２）がかかる。
図１０は、リテーナリング２３を上昇させた状態を示している。本実施の形態における直列２重構造によれば、第２エアバック内の荷重Ｐ２を第１エアバック内における荷重Ｐ１よりも大きくすることにより、リテーナリング２３を上昇させることができる。
例えば粗研磨時にチャック荷重を０．０３ＭＰａ、リテーナ荷重を０．０３ＭＰａに設定したいときには、第１エアバック８１内の荷重Ｐ１を０．０４３ＭＰａ、第２エアバック７５内の荷重Ｐ２を０．０３ＭＰａに設定すればよい。このときメカストッパ７７ａは、図９に示すようにリテーナフレーム６６に係合しないため、ストッパとして機能することはなく、また、板材８０、板ばね７４、板ゴム７３を除いて、プラグ台７７、フレーム６９、およびリテーナフレーム６６は互いに所定のクリアランスを有して配置されており、ウェーハチャック１９とリテーナリング２３は独立して揺動できる。
また、仕上げ研磨時には粗研磨の砥粒を仕上げ研磨ステージに持ち込みたくないため、仕上げ研磨用クロスに対してリテーナリングを浮かせながら研磨する必要がある。例えば仕上げ研磨時にチャック荷重を０．０１５ＭＰａ、リテーナ荷重を０．００ＭＰａ（浮いた状態）に設定したいときには、第１エアバック８１内の荷重Ｐ１を０．０１５ＭＰａ、第２エアバック７５内の荷重Ｐ２を０．０２０ＭＰａに設定すればよい。
第２エアバック７５内の荷重Ｐ２が第１エアバック８１内の荷重Ｐ１よりも大きくなると、図１０に示すようにウェーハチャック１９はストロークエンドまでリテーナフレーム６６に対して下降する。このとき、ウェーハチャック１９はメカストッパ７７ａによりリテーナフレーム６６に係止した状態になるため、第２エアバック７５の加圧力は内力にかわり、チャック加圧には寄与しない。その結果、ウェーハチャック１９には第１エアバック８１の荷重Ｐ１のみがかかるため、荷重Ｐ１を自在に設定することでチャック荷重を容易に制御することができる。
本実施の形態によれば、直列に配置された２個のエアバックにより、ウェーハチャック１９とリテーナリング２３とが独立して揺動するため、ウェーハ周辺部の平坦度が劣化したりウェーハ研磨形状が片べりしたりすることを防止できる。
また、リテーナ加圧機構とチャック加圧機構を直列に配置することにより、研磨ヘッドの外形を小さくすることができる。その結果、研磨装置の設置面積を縮小することができるため、ランニングコストを下げることができる。さらに、研磨ヘッドを小型・軽量化することができるため、研磨ヘッドの交換時間を大幅に短縮することができる。
なお、図９及び図１０の研磨ヘッド６０においては、リテーナリング２３をウェーハチャック１９に対して独立して回転させる機構を設けていないが、リテーナ固定台７０とリテーナリング２３の間に、リテーナリング２３とウェーハチャック１９を独立して回転させるためのベアリング機構を設けても良い。また、研磨ヘッド６０の回転機構は、シャフト６８の上部に設け、シャフト６８を含むシャフト以下全体を回転させるものでも、または、シャフト６８は回転せずにフレーム６９とともにウェーハチャック１９が回転する機構としてもよい。
［実施の形態４］
次に、第４の実施の形態について図１１乃至図１３を用いて説明する。図１１乃至図１３は、本発明の第４の実施の形態にかかわるエアシリンダ＋エアバック方式の研磨ヘッド９０の部分縦断面図である。図１１は研磨ヘッド９０の詳細な縦断面図を示し、図１２はリテーナを下降させた状態を、図１３はリテーナを上昇させた状態を示している。
本実施の形態におけるエアシリンダ＋エアバック方式の研磨ヘッド９０は、シャフト９１、ウェーハチャック１９、リテーナフレーム９２、およびリテーナリング２３等から構成される。図中、符号９１は円筒状の中空シャフトであり、このシャフト９１の外周にリテーナフレーム９２を備え付けている。
シャフト９１の外周面に球面ベアリング９３の内周面を固定し、球面ベアリング９３の外周面にリテーナフレーム９２を固定している。シャフト９１とリテーナフレーム９２は、球面ベアリング９３によって滑らかに揺動できるように結合される。
リテーナリング２３の上には円環状のリテーナ固定台７０をボルト７１により締結している。リテーナ固定台７０はボルト７２によって、さらにリテーナフレーム９２に締結される。リテーナ固定台７０とリテーナフレーム９２の間には、可撓性を有する板ばね７４と板ゴム７３が張られ、リテーナフレーム９２と板ゴム７３によって密閉空間となるエアバック９４が形成される。エアバック９４内には、シャフト９１の中空穴９１ａから圧縮空気が供給される。
板ばね７４の中央下面にはウェーハチャック１９が固定されている。ウェーハチャック１９は、板ゴム７３の上からプラグ台７７を通してボルト７８をねじ込むことにより、板状に張られた板ばね７４及び板ゴム７３をプラグ台７７とウェーハチャック１９によって挟み込んだ状態で固定される。プラグ台７７の外周にはフランジ状のメカストッパ７７ａを設けており、ウェーハチャック１９がリテーナフレーム９２に対して下降した際にリテーナフレーム９２に係止し、ストロークエンドを示すストッパとして機能する。
なお、板ばね７４と板ゴム７３を除いて、プラグ台７７とリテーナフレーム９２は互いに所定のクリアランスを有して配置されており、ウェーハチャック１９とリテーナフレーム９２は独立して揺動できる。
プラグ台７７にはシャフト９１内を通る排気管７９が接続されており、排気管７９で排気を行うことによりウェーハチャック１９内の減圧を行う。この減圧状態において、ウェーハはウェーハチャック１９の下面に形成された吸着面に真空吸着される。
シャフト９１はその上部において、さらにシリンダ９５に連結されている。シリンダ９５は、油圧シリンダ等の流体シリンダや液体シリンダ、またはエアシリンダ等の気体シリンダを用いることができる。シリンダ９５の作用により、シャフト９１はリテーナフレーム９２およびウェーハチャック１９とともに上下動作を行う。
このように本実施の形態における研磨ヘッド９０では、エアバック９４とシリンダ９５が重ねられた状態で直列に配置される。
次に、本実施の形態における研磨ヘッド９０の動作について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２に示すように、シリンダ９５によりシャフト９１に荷重Ｐ１をかけると、リテーナフレーム９２に荷重が加わり、ウェーハチャック１９とリテーナリング２３が一体となって下降する。このとき、図１１に示すシャフト９１の中空穴９１ａから圧縮空気を供給し、エアバック９４に荷重Ｐ２をかけると、ウェーハチャック１９には荷重Ｐ２がかかり、リテーナリング２３には荷重Ｐ３（＝Ｐ１−Ｐ２）がかかる。
図１３は、リテーナリング２３を上昇させた状態を示している。本実施の形態におけるエアシリンダ＋エアバック方式によれば、エアバック９４内の荷重Ｐ２をシリンダ９５の荷重Ｐ１よりも大きくすることにより、リテーナリング２３を上昇させることができる。
エアバック９４内の荷重Ｐ２がシリンダ９５の荷重Ｐ１よりも大きくなると、図１３に示すようにウェーハチャック１９はストロークエンドまでリテーナフレーム９２に対して下降する。このとき、ウェーハチャック１９はメカストッパ７７ａによりリテーナフレーム９２に係止した状態になるため、エアバック９４の加圧力は内力にかわり、チャック加圧には寄与しない。その結果、ウェーハチャック１９にはシリンダ９５の荷重Ｐ１のみがかかるため、荷重Ｐ１を自在に設定することでチャック荷重を容易に制御することができる。
本実施の形態によれば、シャフト９１に揺動自在に連結されたリテーナフレーム９２と、リテーナフレーム９２に対して揺動自在に備え付けられたウェーハチャック１９により、ウェーハチャック１９とリテーナリング２３とが独立して揺動するため、ウェーハ周辺部の平坦度が劣化したりウェーハ研磨形状が片べりしたりすることを防止できる。
また、リテーナ加圧機構とチャック加圧機構を直列に配置することにより、研磨ヘッドの外形を小さくすることができる。その結果、研磨装置の設置面積を縮小することができるため、ランニングコストを下げることができる。さらに、研磨ヘッドを小型・軽量化することができるため、研磨ヘッドの交換時間を大幅に短縮することができる。
なお、図１１乃至図１３の研磨ヘッド９０においては、リテーナリング２３をウェーハチャック１９に対して独立して回転させる機構を設けていないが、リテーナ固定台７０とリテーナリング２３の間に、リテーナリング２３とウェーハチャック１９を独立して回転させるためのベアリング機構を設けても良い。また、研磨ヘッド９０の回転機構は、シャフト９１の上部に設け、シャフト９１を含むシャフト以下全体を回転させるものでも、または、シャフト９１は回転せずにリテーナフレーム９２とともにウェーハチャック１９が回転する機構としてもよい。
上記の第１〜第４の各実施の形態において、リテーナリングは円環状のものを用いて説明しているが、リテーナリングはこれに限られるものではなく、複数のブロックからなるものをリテーナフレームに沿って環状に固定したものであってもよい。また、リテーナリングの下面は、平坦であっても又は複数本の溝を設けていても良い。
また、上記の第１〜第４の各実施の形態において、仕上げ研磨工程でリテーナリングを退避させず、リテーナ加圧力を、粗研磨工程のリテーナ加圧力より小さい加圧力、たとえばウェーハ加圧力と同程度としても良い。こうすれば、粗研磨工程で作り込まれたウェーハ平坦度を悪化させることなく仕上げ研磨工程を行うことができる。
すなわち、本発明の仕上げ研磨工程において、リテーナリングを退避させておいても良く、リテーナリングの加圧力を弱めて使用しても良い。
このように本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、リテーナリング、ウェーハチャックの支持方法や、ウェーハの研磨方法、被研磨物などに関し、発明の要旨の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
［実施データ］
リテーナリングのない従来のウェーハ研磨装置を用いてウェーハを研磨した場合と、本願発明のウェーハ研磨装置を用いてウェーハを研磨した場合の効果について、図６Ａ〜Ｃを参照して以下に具体的に説明する。
ウェーハの平坦度を比較する際の基準としてサブ平坦度ＳＦＱＲを用いる。ＳＦＱＲはウェーハから所定寸法の４角形を複数サンプリングし、各サンプルについて所望のウェーハ厚との差を求め、各サンプルの平均値を算出することにより求められる。
その結果、リテーナリングのない従来のウェーハ研磨装置を用いてウェーハを研磨した場合の、研磨前の素材ウェーハのＳＦＱＲを横軸に、研磨後のウェーハのＳＦＱＲを縦軸に表したものが図６Ａである。この図からわかるように、素材ウェーハよりも研磨後ウェーハの方が平坦度が悪化している。これはリテーナリングがないため、ウェーハの外周部平坦度が劣化するからである。
これに対して、本願発明にかかわるウェーハ研磨装置を用いてウェーハを研磨した場合の、研磨前の素材ウェーハのＳＦＱＲを横軸に、研磨後のウェーハのＳＦＱＲを縦軸に表したものが図６Ｂである。この図からわかるように、素材ウェーハの平坦度は研磨後において維持されている。これはリテーナリングにより、ウェーハの外周部平坦度を維持可能だからである。
一方、本願発明にかかわるウェーハ研磨装置において、リテーナリングとウェーハ間の距離を横軸に、研磨後のウェーハのＳＦＱＲを縦軸に表したものが図６Ｃである。このグラフから、リテーナリングとウェーハ間の距離は０．５ｍｍ〜２．０ｍｍとすることが最も望ましいことがわかる。
以上のように、本発明のウェーハ研磨装置によれば、ウェーハチャックとリテーナリングは独立に好適な圧力で加圧できるので、平坦度を作り込むための粗研磨ではウェーハ周辺部の平坦度を向上させることができる。
また、本発明のウェーハ研磨装置によれば、仕上げ研磨ではリテーナリングを研磨面から退避させるため、粗研磨砥粒の持込などによる仕上げステージの汚染を防止できる。したがって、仕上げ研磨工程と粗研磨工程とを同じ研磨ヘッドで連続して行うことができるため装置のコストダウンが可能になる。
更に、本願発明の第１の実施の形態においては、リテーナリングの退避機構はスプリングなどによりメカニカルに実現するのでリテーナ加圧配管が断線してもリテーナリングは退避位置に移動して、仕上げ研磨のステージを汚染しない。
また、従来技術のウェーハ研磨装置ではリテーナリングが揺動できないため、ウェーハ周辺部の平坦度が劣化したりウェーハ研磨形状が片べりしたりするが、本発明のウェーハ研磨装置ではウェーハチャックとリテーナリングとが独立して揺動するため、その様な不具合は発生しない。
更に、本発明のウェーハ研磨装置によれば、ウェーハチャックとリテーナリングとが相対的に回転することでリテーナ部材の加工精度に起因するウェーハ平坦度の劣化を防止できる。
また、本発明のウェーハ研磨装置によれば、枚葉研磨装置の仕上げ研磨工程と粗研磨工程とを共通の研磨ヘッドで加工することが可能であり、研磨工程の時間を大幅に低減させることができる。
また、本発明のウェーハ研磨装置によれば、所定の位置精度でウェーハチャックに取りつけられたウェーハは揺動中にリテーナリングに接触することがなく、ウェーハエッジへの機械的損傷を回避することができる。

本発明は半導体ウェーハおよび液晶基板等の表面を平坦化し鏡面研磨する分野に利用できる。

Claims

研磨クロスを備えた定盤と、
被研磨物を保持して、前記研磨クロスに前記被研磨物を当接させるチャックと、
前記チャックの外周に配置されたリテーナリングと
を有し、
前記定盤と前記チャックとの相対運動により前記研磨クロスで前記被研磨物を研磨する研磨装置において、
前記リテーナリングと前記チャックは互いに独立して揺動可能であることを特徴とする研磨装置。
研磨クロスを備えた定盤と、
被研磨物を保持して、前記研磨クロスに前記被研磨物を当接させるチャックと、
前記チャックの外周に配置されたリテーナリングと
を有し、
前記定盤と前記チャックとの相対運動により前記研磨クロスで前記被研磨物を研磨する研磨装置において、
前記リテーナリングは前記チャックに対して上下動可能であると共に、揺動可能であることを特徴とする研磨装置。
前記揺動を可能にする１個または複数のクリアランスが設けられていることを特徴とする請求範囲１または２に記載の研磨装置。
前記チャックと前記リテーナリングが常に一定範囲のギャップを保ちながら研磨加工することを特徴とする請求範囲１乃至３いずれか記載の研磨装置。
前記ギャップの範囲が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求範囲４に記載の研磨装置。
前記チャックの中心と前記被研磨物の中心の距離が０．５ｍｍ以内であることを特徴とする請求範囲４または５に記載の研磨装置。
前記リテーナリングが、前記チャックに対して回転可能であることを特徴とする請求範囲１乃至６いずれかに記載の研磨装置。
チャックに保持した被研磨物を研磨クロスに押圧しつつ、前記被研磨物と前記研磨クロスとの間に研磨液を介在させた状態で、前記チャックと定盤との相対運動により前記研磨クロスで前記被研磨物を研磨するウェーハ研磨方法において、前記チャックの外周に上下動可能に配置されたリテーナリングを有し、
前記研磨クロスに押圧する前記リテーナリングの押圧力を、研磨工程に応じて設定することを特徴とする研磨方法。
粗研磨工程では、前記リテーナリングにより前記研磨クロスを押圧した状態で研磨し、
仕上げ研磨工程では、前記リテーナリングを前記研磨クロスから退避させた状態で研磨する
ことを特徴とする請求範囲８に記載の研磨方法。
少なくとも粗研磨工程と仕上げ研磨工程を有するウェーハ製造方法において、
被研磨物を保持して研磨クロスに当接させるチャックと、前記チャックの外周に上下動可能に配置されたリテーナリングと、を有する研磨ヘッドを用い、
前記粗研磨工程では前記リテーナリングにより前記研磨クロスを押圧した状態で研磨し、
前記仕上げ研磨工程では、前記リテーナリングを前記研磨クロスから退避させた状態で研磨することにより、前記粗研磨工程と前記仕上げ研磨工程とを同一の研磨ヘッドで行う
ことを特徴とするウェーハ製造方法。