JP2000326209A - 平面研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物を研磨工具表面に対して追従性を増
し、研磨加工を再現性良く、低ランニングコストで高平
滑平面加工を行う。 【解決手段】 回転駆動する円盤状の研磨工具２１の加
工面に被加工物２４を加圧接触させ、研磨液を加工面に
供給しながら平面研磨を行う。加工ヘッド部１２と被加
工物２４を保持する支持プレート２５との間に球面軸受
け２８Ａ、３０を有する連結軸２８と、回転伝達軸２９
を設け、回転伝達軸２９を案内にして被加工物２４を傾
動自在に可動する。また、研磨工具２１の表面の目立て
を行うドレッサ３１と研磨液回収用の微細孔３２が形成
されたドレッサ部１３を設ける。さらに、回収した研磨
液を再利用して研磨研磨工具２１の中心側に研磨液を供
給する研磨液供給部１７を設ける。

Description

【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、半
導体回路の絶縁膜付きウエハ、金属配線付きウエハ、磁
気ディスク、ガラス基板、その他の板状の被加工物を高
平滑に平面研磨加工するために用いられる平面研磨装置
に関し、特に加工ヘッドの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体ウエハや磁気ディスク
等の研磨のために、例えば特開平４−３３３３６号公
報、特開平５−６９３１０号公報、特開平５−３０９５
５９号公報等に記載の平面研磨装置が利用されている。
図７は、上記公報に記載のものと類似する従来の平面研
磨装置の一例を示している。この平面研磨装置は、軸２
によって回転駆動される円盤状の研磨工具１の上向きの
加工面に、被加工物３を加圧保持板４によって加圧接触
させ、研磨液５を加工面に供給しながら平面研磨するも
のである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の平面研磨装置では、研磨時間が長くなるにしたが
って、加工面に目詰まりが生じることにより、研磨レー
ト（研磨量／時間) が低下していく欠点があり、被加工
物ごとの研磨加工量が変動するという問題があった。し
かも、研磨液は１回の研磨使用毎に廃液処理を行ってお
り、ランニングコストが高くなるという問題があった。

【０００４】また、研磨工具１の表面が完全な平面であ
れば、被加工物３の表面も高い平坦度で研磨加工され
る。しかし、実際の研磨工具表面は、摩擦熱あるいは加
圧力などの影響で変形、あるいはうねりなどが生じてお
り、この影響で被加工物３が研磨工具の表面に対して片
当たりを生じて被加工物の表面の平坦度が損なわれると
いう問題もあった。さらに、研磨工具表面の変形、ある
いはうねりが増大すると、最悪の場合は加圧保持板４か
ら被加工物３が外れ、破損するという大きな問題があ
り、装置の停止、及び清掃交換という作業が発生し、メ
ンテナンスの時間が増大するなどの問題があった。

【０００５】そこで本発明は、上記のような事情に鑑み
てなされたもので、研磨加工に要するコストを低減する
とともに、研磨工具の表面の目詰まりを顕著に解消して
安定的な研磨加工を実現することができる平面研磨装置
を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、回転駆動する円盤状の研磨工具の加工面に略
平板状の被加工物を保持して加圧接触させ、回転してい
る研磨工具の加工面上に研磨液を供給しながら被加工物
の表面の研磨を行う平面研磨装置において、前記被加工
物を加工面上で支持するヘッド部と、前記研磨工具の回
転方向に対して前記ヘッド部の前方または後方位置に配
置され、前記研磨工具の加工面の目立てを行うととも
に、前記加工面から複数の微細孔によって研磨液を回収
するドレッサ部と、前記研磨工具の加工面の中心部に配
置され、研磨液を供給する研磨液供給機構とを有するこ
とを特徴とする。

【０００７】本発明の平面研磨装置では、研磨工具面を
目立てして、複数の微細孔から使用済みの研磨液や研磨
屑を加工面から回収することにより、研磨工具面の目詰
まりを防止して、常に研磨工具表面をクリーンな状態に
保つことができる。したがって、被加工物の加工圧力が
高い場合、研磨加工時間が長い場合でも、研磨レートが
低下することなく、被加工物ごとの研磨加工量の変動を
無くすことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による平面研磨装置
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１
の実施の形態による平面研磨装置を示す図であり、図１
（Ａ）は研磨作業を行う機構部の構成を示す正断面図で
あり、図１（Ｂ）は研磨液の循環系を示すブロック図で
ある。また、図２は、図１に示す平面研磨装置を示す平
面図であり、図３は、図１に示す平面研磨装置のドレッ
サ部を示す部分裏面図である。

【０００９】図１〜図３において、平面研磨装置は、研
磨部１１と、ヘッド部１２と、ドレッサ部１３と、研磨
液再生循環機構１９と、研磨液供給部１７とを有して構
成されている。また、研磨液回収機構１４、研磨液供給
機構１５、及び研磨液タンク１６を有している。研磨部
１１は、平面研磨装置の架台（図示せず）中央部に位置
し、加工面を上向きにして回転可能な円盤状の研磨工具
２１が装備されている。この研磨工具２１は、架台の下
部に設置されたモータ（図示せず）によって軸２２を介
して矢印方向に定速回転駆動している。研磨工具２１の
外周部には研磨液等の飛散防止のため隔壁２３が設けら
れている。

【００１０】ヘッド部１２は、被加工物２４、支持プレ
ート２５、ガイドリング２６、主軸２７、球面軸受け２
８Ａ、回転伝達軸２９、球面軸受け３０、駆動用モータ
（図示せず）、及び流体を用いた加圧機構（図示せず）
等から構成されている。主軸２７は、平面研磨装置の上
部に位置するモータ（図示せず）に接続され、回転と上
下動が可能な構造になっており、一定圧力で研磨工具２
１に加圧する構造になっている。主軸２７の中心部下端
には、連結軸２８の一端が連結され、また、この連結軸
２８の外側には、少なくとも１本（図では複数本）の回
転伝達軸２９の一端が連結されている。連結軸２８の他
端には球面軸受け２８Ａが一体に設けられており、この
球面軸受け２８Ａは、被加工物２４を保持する円盤状の
支持プレート２５に結合されている。この球面軸受け２
８Ａの傾動中心は、主軸２７、及び支持プレート２５の
回転中心軸上に位置している。

【００１１】また、回転伝達軸２９が配設された位置に
対応する支持プレート２５上には、回転伝達軸２９と同
数の球面軸受け３０が設けられている。この球面軸受け
３０は、中心部に挿通孔を有し、回転伝達軸２９の他端
が挿入係合されており、回転伝達軸２９を案内にして、
球面軸受け３０及び支持プレート２５が上下に揺動可能
な構造になっている。支持プレート２５の下面には、ガ
イドリング２６により位置決めされた被加工物２４が保
持されている。このガイドリング２６は、支持プレート
２５の下面部より研磨面側に突出しており、被研磨物２
４を保持した時には、被研磨物２４の研磨面がガイドリ
ング２６より僅かに突出するようになっている。この被
加工物２４は、支持プレート２５を介し、前述の加圧機
構によって研磨工具２１に加圧接触している。研磨加工
中は、ガイドリング２６により被研磨物２４が支持プレ
ート２５から外部に飛び出すことを防止している。ま
た、研磨加工時には、研磨工具２１の表面は微少な凹凸
の影響でうねり等が生じるが、連結軸２８と回転伝達軸
２９、及び球面軸受け２８Ａ、３０を介して支持プレー
ト２５がスムーズに追従する。

【００１２】ドレッサ部１３は、上端をモータ（図示せ
ず）、及び加圧機構（図示せず）に連結された回転軸３
５を有し、この回転軸３５の下端にはフランジ部３５Ａ
が一体に結合されている。そして、このフランジ部の底
面３５Ａには、研磨工具２１の表面との間に僅かな隙間
（１ｍｍ以下）を設けた複数個の研磨液を吸引する複数
個の微細孔３２が形成され、また、研磨面の目立てを行
う複数枚のドレッサ３１が設けられている。また、各微
細孔３２は、流路３３で連結され、この流路３３と接続
された回収用チューブ３４を介して研磨液回収機構１４
に接続されている。ドレッサ３１は、金属製のプレート
３１Ａと、このプレート３１Ａの表面にダイヤモンド粒
子等の研磨砥粒を電着などにより固着した砥粒層３１Ｂ
とからなっている。図３に回転軸３５のフランジ部３５
Ａの裏面形状を示す。図示のようにフランジ部３５Ａの
裏面には、各ドレッサ３１が同心円上に配置され、この
ドレッサ３１が固定された場所を除いた箇所に放射状に
微細孔３２が形成されている。回転軸３５から伸びた回
収用チューブ３４は、研磨液回収機構１４の吸引ポンプ
３６を介して研磨タンク１６に固定されている。

【００１３】また、研磨液供給部１７と研磨液供給機構
１５は、供給用接続チューブ３７で接続されている。研
磨液供給部１７には、裏面に微細孔を有する複数本のノ
ズル３８が形成され、研磨工具２１の表面に研磨液１８
が供給される。研磨液供給部１７の表面には、供給用接
続チューブ３７が固定されており、ノズル３８と供給用
接続チューブ３７の一端は複数の流路３９で接続されて
いる。研磨液供給機構１５は、研磨液タンク１６と、供
給用チューブ４０と、供給ポンプ４１と、フィルタ４２
から構成されている。供給用チューブ４０の先端は、研
磨タンク１６に浸析されており、駆動源としての供給ポ
ンプ４１と不純物を除去するためのフィルタ４２を経由
し、供給用接続チューブ３７で研磨液供給部１７に接続
されている。

【００１４】次に、以上のような構成の平面研磨装置に
おける動作について説明する。まず、ヘッド部１２の支
持プレート２５の裏面外周部には、固定されたガイドリ
ング２６を案内に被加工物２４が位置決めされ固定され
ている。研磨工具２１で被加工物２４の加工を開始する
ことに伴い、研磨液供給部１７の複数個のノズル３８か
ら研磨液１８を研磨工具２１の表面に供給する。ヘッド
部１２を降下させ、被加工物２４の加工面を研磨工具２
１に接触させ、加圧する。被加工物２４の手前で表面に
供給された研磨液１８は、研磨工具２１の回転により被
加工物２４の加工箇所に到達し、研磨工具２１の回転と
被加工物２４の回転により生じる研磨工具２１と被加工
物２４間の摩擦により、被加工物２４を研磨する。

【００１５】研磨工具２１の表面は、うねりや微小な凹
凸があり、回転によってそのうねりや凹凸が拡大する
が、球面軸受２８Ａにより被加工物２４が固定された支
持プレート２５がうねりや凹凸に追従する。また、外側
の球面軸受３０でも回転伝達軸２９を案内にして球面軸
受け２８Ａと同様にうねりや凹凸に追従するとともに、
主軸２７の回転力を回転伝達軸２９で支持プレート２５
に伝達する。研磨加工に使用された研磨液は、被加工物
２４が通過した後、ドレッサ部１３のドレッサ３１で研
磨工具２１表面の目立てを行い、同時にドレッサ部１３
に形成された複数個の微細孔から流路３３、及び回収用
チューブ３４を介して吸引ポンプ３４で研磨タンク１６
に吸引回収される。

【００１６】また、研磨タンク１６の研磨液１８は、研
磨液供給機構１５の供給ポンプ４１でフィルタ４２、供
給用チューブ４０、供給用接続チューブ３７を経由し、
流路３９で分岐してノズル３８から研磨工具２１の表面
に供給される。このように、研磨タンク１６の研磨液１
８を供給ポンプ４１で供給し、吸引ポンプ３４により研
磨工具２１表面の研磨液や研磨屑、及び研磨工具屑等を
除去するとともに、ドレッサ３１により研磨工具２１表
面が確実に掘り起こされ、インプロセスで除去されるの
で、研磨工具２１表面は常にクリーンな状態に保つこと
ができる。したがって、研磨レートの低下を防ぎ、長時
間にわたって効率よく研磨することができる。この場
合、研磨工具２１の加工面の全幅に研磨液が供給せれ、
加工面の全幅から研磨液が回収されるので、被加工物２
４の大きさによらず、同じ条件で研磨加工することがで
きる。また、使用した研磨液は、フィルタ４２を用いて
浄化した後に再利用するので研磨液の無駄が無くなる。

【００１７】以下、本発明の他の実施の形態について説
明する。 （第２の実施の形態）図４は、本発明の第２の実施の形
態による平面研磨装置において研磨作業を行う機構部の
構成を示す正断面図である。この第２の形態による平面
研磨装置では、図示しない移動機構によってドレッサ部
４３を左右方向（矢線４４方向）または前後方向（図４
の紙面方向）に一定量移動可能な構造を付加したもので
ある。それ以外は第１の形態と同様である。また、移動
機構は、上述した左右方向、前後方向の移動の他に、楕
円運動でも同様の効果が得られる。この場合、例えば、
偏芯カム等を用いることにより、より広範囲の研磨工具
２１の目立てが可能になり、クリーンな研磨工具面が得
られる。なお、動作に関しては、第１の形態と同じであ
るので説明は省略する。

【００１８】（第３の実施の形態）図５は、本発明の第
３の実施の形態による平面研磨装置の構成を示す平面図
である。この第３の形態による平面研磨装置では、研磨
工具２１の回転中心を中心にした対称の２つの箇所で被
加工物２４を研磨するようになっている。そのため、各
ヘッド部１２、及びドレッサ部１３は、研磨工具２１の
それぞれ中心側と外周側に一体になった研磨液供給機構
４５を設けている。そして、この研磨液供給機構４５の
裏面には、複数のノズル（図示せず）が形成され、それ
ぞれのノズルは流路（図示せず）で接続されており、中
心部の供給用接続チューブ３７に供給された研磨液が各
ノズルから研磨工具２１の表面に供給される構造であ
る。それ以外の構成は、第１の実施の形態と同様であ
る。また、動作に関しても、第１の実施の形態と同様で
あるので説明を省略する。

【００１９】この第３の形態では、被加工物２４を複数
枚（図示の例では２枚）同時に研磨レートの低下を来す
ことなく、長時間にわたって効率よく研磨加工すること
ができる。また、この場合、研磨工具２１の加工面の全
幅に研磨液が供給され、加工面の全幅から研磨工具面が
目立てされた状態で研磨液が回収されるので、被加工物
２４の大きさによらず、同じ条件で複数枚の被加工物を
同時に研磨加工することができる。

【００２０】（第４の実施の形態）図６は、本発明の第
４の実施の形態による平面研磨装置において研磨作業を
行う機構部の構成を示す正断面図である。この第４の形
態による平面研磨装置のドレッサ部５０は、主軸５５
と、球面軸受け５１Ａを有する連結軸５１と、金属製プ
レート３１Ａの裏面に砥粒層３１Ｂを有するドレッサ３
１と、複数の微細孔３２を有するドレッサプレート５２
と、回転伝達軸５３と、球面軸受け５４と、回収用接続
チューブ５６と、回収用チューブ３４と、駆動用モータ
（図示せず）と、流体を用いた加圧機構（図示せず）等
から構成される。

【００２１】主軸５５は、平面研磨装置上部に位置する
駆動用モータに接続され、回転と上下動が可能な構造に
なっており、一定圧力で研磨工具２１に加圧する構造に
なっている。また、主軸５５の中心部下端には、連結軸
５１の一端が固定され、連結軸５１の他端に設けられた
球面軸受け５１Ａは、ドレッサプレート５２に結合され
ている。ドレッサプレート５２は、円盤状に形成され、
多数の微細孔３２を有している。球面軸受け５１Ａの傾
動中心は、主軸５５、及びドレッサプレート５２の回転
中心軸上に位置している。また、連結軸５１の外側には
少なくとも１本以上の回転伝達軸５３が配置されてい
る。この回転伝達軸５３の一端は、主軸５５に結合され
ている。また、回転伝達軸５３が形成された位置に対向
するドレッサプレート５２上には、回転伝達軸５３と同
数の球面軸受け５４が設けられている。

【００２２】そして、この球面軸受け５４には、中心部
に挿通孔を有し、この挿通孔には、回転伝達軸５３の他
端が挿通係合している。したがって、回転伝達軸５３を
案内に球面軸受け５４及びドレッサプレート５２が上下
に揺動可能な構造になっている。それ以外の構成は第１
の実施の形態と同様である。このような第４の形態によ
る平面研磨装置では、ドレッサ部５０がヘッド部１２と
同様の支持構造により傾動可能に支持されていることか
ら、ドレッサプレート５２のドレッサ３１及び微小孔３
２は、研磨工具２１の表面に対して追従性が向上し、さ
らに良好な目立てや研磨液の回収作用を得ることが可能
となる。その他の動作等は、第１の実施の形態と同様で
あるので説明を省略する。

【００２３】以上説明したように、本発明の実施の形態
によれば、研磨工具面を目立てして、複数の微細孔から
使用済みの研磨液や研磨屑を加工面から回収することに
より、研磨工具面の目詰まりを防止して、常に研磨工具
表面をクリーンな状態に保つことができる。したがっ
て、被加工物の加工圧力が高い場合や研磨加工時間が長
い場合でも、研磨レートが低下することなく、被加工物
ごとの研磨加工量の変動を無くすことができる。また、
研磨加工に使用した研磨液を回収し、フィルタによって
濾過して再利用するので、研磨液の廃液量を極減するこ
とができ、研磨加工及びドレッシングに用いる研磨液の
ランニングコストを低減できる。

【００２４】また、球面軸受けを用いて被加工物を保持
する支持プレートが傾動自在に動くようにすることによ
り、研磨工具表面に対する被加工物の片当たりが緩和さ
れ、追従性が向上した結果、被加工面の平坦度を向上さ
せ、しかも研磨加工時間を短縮することができる。ま
た、球面軸受けを用いることにより被加工物の追従性が
向上し、研磨加工中に支持プレートから被加工物が剥離
脱落することが無くなり、被加工物の破損、及び破損に
よるメンテナンスが大幅に削減できる。さらに、ドレッ
サの近傍に研磨液等を回収する微細孔を設けたことで装
置の小型化が可能になり、小径から大口径までの被加工
物の研磨加工が複数個同時に同じ条件で加工することが
できる。

【００２５】以上、本発明の実施の形態を図面により詳
細に述べてきたが、本発明の具体的な構成はこの実施の
形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲の設計変更があっても、本発明に含まれる。ま
た、被加工物は、二酸化シリコン膜付きウエハに限定さ
れるものではなく、例えば、金属配線付きウエハ、磁気
ディスク、ガラス基板、その他の板状の物も含まれる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の平面研磨装
置では、被加工物を加工面上で支持するヘッド部と、前
記研磨工具の回転方向に対して前記ヘッド部の前方また
は後方位置に配置され、前記研磨工具の加工面の目立て
を行うとともに、前記加工面から複数の微細孔によって
研磨液を回収するドレッサ部と、前記研磨工具の加工面
の中心部に配置され、研磨液を供給する研磨液供給機構
とを設けた。したがって、本発明によれば、研磨工具面
を目立てして、複数の微細孔から使用済みの研磨液や研
磨屑を加工面から回収することにより、研磨工具面の目
詰まりを防止して、常に研磨工具表面をクリーンな状態
に保つことができ、この結果、被加工物の加工圧力が高
い場合や研磨加工時間が長い場合でも、研磨レートが低
下することなく、被加工物ごとの研磨加工量の変動を無
くすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による平面研磨装置
を示す図であり、（Ａ）は研磨作業を行う機構部の構成
を示す正断面図であり、（Ｂ）は研磨液の循環系を示す
ブロック図である。

【図２】図１に示す平面研磨装置を示す平面図である。

【図３】図１に示す平面研磨装置のドレッサ部を示す部
分裏面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態による平面研磨装置
において研磨作業を行う機構部の構成を示す正断面図で
ある。

【図５】本発明の第３の実施の形態による平面研磨装置
の構成を示す平面図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態による平面研磨装置
において研磨作業を行う機構部の構成を示す正断面図で
ある。

【図７】従来の平面研磨装置の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】 １１……研磨部、１２……ヘッド部、１３……ドレッサ
部、１４……研磨液回収機構、１５……研磨液供給機
構、１６……研磨液タンク、１７……研磨液供給部、１
９……研磨液再生循環機構。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転駆動する円盤状の研磨工具の加工面
   に略平板状の被加工物を保持して加圧接触させ、回転し
   ている研磨工具の加工面上に研磨液を供給しながら被加
   工物の表面の研磨を行う平面研磨装置において、 前記被加工物を加工面上で支持するヘッド部と、 前記研磨工具の回転方向に対して前記ヘッド部の前方ま
   たは後方位置に配置され、前記研磨工具の加工面の目立
   てを行うとともに、前記加工面から複数の微細孔によっ
   て研磨液を回収するドレッサ部と、 前記研磨工具の加工面の中心部に配置され、研磨液を供
   給する研磨液供給機構と、 を有することを特徴とする平面研磨装置。
2. 【請求項２】 前記ヘッド部は、前記被加工物を保持し
   た回転伝達部に球面軸受けを設けるとともに、前記球面
   軸受を介して前記被加工物の加圧及び回転を行う加圧及
   び回転伝達機構を有し、前記ドレッサ部は、前記研磨工
   具上の加工面の目立てを行う複数個のドレッサを有する
   とともに、加工面から複数の微細孔で研磨液を回収する
   研磨液回収機構とを有していることを特徴とする請求項
   １記載の平面研磨装置。
3. 【請求項３】 前記ヘッド部は、前記加圧及び回転伝達
   機構に接続された主軸と、一端が前記主軸の下部の回転
   中心部に連結されるとともに、他端が被加工物を装着す
   る支持プレートに球面軸受けを介して連結された連結軸
   と、前記連結軸の外側に配置され、一端が前記主軸の下
   部に連結されるとともに、他端が支持プレートに球面軸
   受けを介して連結された少なくとも１本の回転伝達軸と
   を有していることを特徴とする請求項１または２記載の
   平面研磨装置。
4. 【請求項４】 前記回転伝達軸の他端に設けられた球面
   軸受けは、内部に前記回転伝達軸を挿通する挿通孔を有
   し、前記回転伝達軸の他端は、前記球面軸受けの挿通孔
   内で軸方向にスライド可能に係合していることを特徴と
   する請求項３記載の平面研磨装置。
5. 【請求項５】 前記ドレッサ部の各ドレッサは、ダイヤ
   モンド小砥石からなる砥粒層をプレートに固着してな
   り、前記各ドレッサは前記ドレッサ部の軸を中心として
   同心円上に配置されていることを特徴とする請求項２〜
   ４のいずれか１項記載の平面研磨装置。
6. 【請求項６】 前記複数の微少孔は、前記ドレッサ部の
   ドレッサを除く位置に放射状に配列されており、各微少
   孔が内部で接続され、共通の流路を介して研磨液回収用
   のポンプに接続されていることを特徴とする請求項１〜
   ５のいずれか１項記載の平面研磨装置。
7. 【請求項７】 前記ドレッサ部のドレッサ及び微少孔
   は、前記研磨工具が前記被加工物を加工する前幅を、目
   立て対象領域及び研磨液吸引対象領域としていることを
   特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の平面研磨
   装置。
8. 【請求項８】 前記研磨液を回収する前記研磨液回収機
   構と、前記研磨液を再利用して前記研磨工具に研磨液を
   供給する前記研磨液供給機構との間に、前記研磨液を貯
   蔵する貯蔵槽を具備した研磨液再生循環機構を有するこ
   とを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項記載の平面
   研磨装置。
9. 【請求項９】 前記研磨液再生循環機構は、少なくとも
   １個以上のフィルタを経由して研磨液を再生循環するこ
   とを特徴とする請求項８記載の平面研磨装置。
10. 【請求項１０】 前記研磨工具の加工面の外周部には、
    前記被加工物を加工する加工面より被加工物側に突出し
    た無端状の隔壁が設けられていることを特徴とする請求
    項１〜９のいずれか１項記載の平面研磨装置。