JPH0453671A - 熱変形制御型両面研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は熱変形制御型両面研磨装置に関し、特に加工
中の例えばシリコンウェーハの両面研磨装置の上・下研
磨定盤（以後上定盤、下定盤という）の熱変形を直接制
御する熱変形制御型両面研磨装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来から、上定盤、下定盤、研磨布、遊星キャリア、太
陽歯車、及びインターナル歯車を主構成とする例えばシ
リコンウェーハの両面研磨装置において、研磨加工時に
は研磨面に熱を生じる（特に化学研磨メカノケミカルボ
リジング等では発熱量が多い）ため上・下定盤は加熱さ
れて温度分布が不均一となり変形を生じることが指摘さ
れていた。このように、研磨加工中に定盤が変形すると
ウェーハと研磨面との接触の形態が常に変化することと
なる。そして、変形の程度及び経過によっては加工後の
ウェーハの平坦度にきわめて悪い影響を与えることとな
り、例えば超ＬＳ１時代に対応して実施されてきたウェ
ーハの両面研磨による平坦度の向上目的に対して無意味
な加工となってしまうという事態を呈するようになる。

したがって、定盤の熱変形の制御可能な両面研磨装置が
要望されることとなるが、一般には、定盤研磨面の温度
を計測し、これを制御の対象とすることで間接的に変形
を制御する（しているという方が適切かも知れない）方
法が対策として実施されている。ここでは、このような
装置を温度制御型両面研磨装置と呼ぶこととする。

第４図は従来の温度制御型両面研磨装置の一例を断面で
示した模式図、第５図はその要部の平面模式図である（
超精密研磨・鏡面加工技術−総合技術資料集−１経営間
発センター出版部発行、昭和６２年１０月３１日　Ｐ、
３７５−３８３参照）。また、第６図は第４図、第５図
の装置の動作を説明するために示した部分拡大模式図で
あり、第６図の（ａ）は要部断面図、（ｂ）は平面図で
ある。上記各図において、１は水路３を有し、下面に研
磨布５が貼付けられた上定盤、２は水路３ａを有し、上
面に研磨布５が貼付けられた下定盤で、両水路３．３８
は管路４を介して冷却水チラー２１に連結されている。

管路４には直列に流量制御ニードル弁２２及び電磁弁２
３が設けられ、流量の調節又は流量のオン−オフを行う
調節機能が設けられていて冷却水が水路３．３８を循環
する。６は下足ｌ１１２の中心部に配設された太陽歯車
、７はシリコンウェーハ９のキャリアを兼ねた複数の遊
星キャリア、８は遊星キャリア７と噛合うインターナル
歯車で、遊星キャリア７は第６図の（ｂ）にみられるよ
うに、太陽歯車６とインターナル歯車８との間で自転及
び公転を行う。シリコンウェーハ９は上・下定盤１．２
の間にはさまれた遊星キャリア７にセットされ、上定盤
１、下定盤２の対向面に貼付けた研磨布５間に所定の圧
力で保持されている。１０は温度センサーで、上定盤１
とこれに貼付けた研磨布５との接着面の所定点に、その
感温部が研磨布５に接触するように取付けられており、
その出力信号は温度信号送信アンテナ１１及び温度信号
受信アンテナ１２を介して温度計及びマイコンコントロ
ーラ１３に入力される。なお、１４は流量制御ニードル
弁２２を作動させるパルスモータで温度計及びマイコン
コントローラ１３の指令により作動するようになってい
る。また、第６図の（ａ）ではシリコンウェーハ９、水
路３．３ａ及び研磨布５の図示は省略している。

上記の温度制御型両面研磨装置においては、上定盤１、
下定盤２、太陽歯車６、インターナル歯車８及び遊星キ
ャリア７がそれぞれ独立に回転し、シリコーンウェーハ
９と定盤（実際には研磨布５）との間に回転速度差（相
対速度）を生じさせてシリコンウェーハ９の両面を研磨
するようになっている。この場合、温度制御の手段とし
て、■定盤に水路（氷室ともいう）３．３ａを設は水を
供給・循環して定盤を常に４０℃以下（例えば３０℃）
に冷却すること、■定盤の温度を検出して、目標温度と
の差に応じて水路３．３ａに供給する水の温度、流量を
コントロールすることにより温度制御することの２点を
特徴とするものである。

なお、第４図〜第６図に示した従来例は両面研磨装置で
あるが、他の研磨装置（例えば片面研磨装置）において
も、研磨は上述の物理的な研磨によって行われるのが一
般的である。また、前述のように研磨剤とウェーハ間で
の化学的変化を利用した化学研磨（メカノケミカルボリ
ジングなど）が加工の主体となる場合もある。特に発熱
量が多くなる化学研磨では、研磨加工時には研磨面の発
熱が大きいので、定盤は加熱されて温度分布が不均一と
なり変形が生じやすい。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の両面研磨装置では、温度センサによ
り正確に温度を検出して、この温度にもとづいて上・下
定盤の水路に供給する所定温度の水量を調節し、定盤の
温度を制御して定盤の熱変形を最小化する配慮がなされ
ているが、依然として高精度の平坦性を有するウェーハ
を得ることは困難であった。また、間接的ながら定盤の
変形を制御するような目的の下になされた温度制御方式
の両面研磨装置においても、直接熱変形を制御する手段
を講じていないため、十分に変形を制御して平坦度の優
れたウェーハを製造することは不可能であった。

この発明は上述のような課題を解決するためになされた
もので、直接定盤の熱変形を検出してこの検出量にもと
づいて制御する手段により、加工性の優れた両面研磨装
置を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る熱変形制御型両面研磨装置は、上・下定
盤、研磨布、遊星キャリア、太陽歯車及びインターナル
歯車を主構成とするウェーハの両面研磨装置において、
上・下定盤のうち少くとも一方の内部に設けられ所定温
度・所定流量の冷却水を供給する水路を有する冷却手段
と、上・下定盤のうち少くとも一方の研磨面の反対面に
設置され上・下定盤のうち少くとも一方の熱変形を検出
する変位計測手段と、この変位計測手段の検出値に基づ
いて上・下定盤のうち少くとも一方を昇温する加熱手段
と、変位計測手段の出力に基づいてウェーハの研磨加工
中に加熱手段の作動のオンオフを行い上・下定盤のうち
少くとも一方の熱変形を制御する制御装置とを有するも
のである。

［作用コ この発明においては、両面研磨装置の上・下定盤のうち
少くとも一方の研磨面とは反対の面に変位計測手段の歪
ゲージと加熱手段のヒーターとを少くとも一対以上所定
位置に配置し、変位（歪）を検知してこの検知量にもと
づいてヒータのオン−オンを行う構成を有するものであ
る。したがって、研磨面側が研磨加工が進むにつれて発
熱して温度上昇した場合、この温度上昇を補償する格好
でその反対側の面をヒーター等の外部熱源により加熱し
てやれば、定盤の上下面（研磨面及びその反対側の面）
の温度分布を等しくすることができ、そのため定盤内部
の温度分布はほぼ上下対称になり定盤の熱変形（歪）を
最小化する熱変形制御が実施される。以上が熱変形制御
の基本的な作用であるが、実際の熱変形制御系は変位（
歪）を計測してヒーターのオン−オフを行うようになっ
ていて、定盤の温度を直接制御するのではなく、上述の
ように変位（歪）を抑えるように温度分布を制御するも
のとなっている。なお、この発明の熱変形制御手段では
、定盤は上下から加熱されるが、水路に一定温度、一定
流量の冷却水を常時流してやることにより定盤の温度が
加工中に必要以上に上がらないようにしている。

［実施例］ 第１図はこの発明による熱変形制御型両面研磨装置の定
盤の一実施例を示す要部模式図である。

第１図の（ａ）は−例として上定盤の一象限を示す部分
平面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ線に沿う断面図
である。図において、第４図〜第６図の従来例と同−又
は相当部分には同じ符号を付し、説明を省略する。本実
施例においては、上定盤１の研磨面（第１図の（ｂ）参
照）と反対側の面に直径の異なるリング状のヒーター３
０を複数個同心円状に接着して配置する。また、各ヒー
ター３０に対応して、その近傍にそれぞれ歪ゲージ３１
を配設する。

この場合、ヒーター３０は図示しない絶縁物内に埋込ま
れたヒーター線と、ヒーター３ｏの絶縁物上に接着形成
した２本の線状端子電極にヒーター線の端子を接続した
もので形成され、図示しないヒーター制御回路に接続す
るスプリング圧接タイプのヒータ一端子と回転中でも常
時接触するようになっている。また、歪ゲージ３１は上
部にそれぞれ図示しない歪信号送信アンテナを有してい
てこのアンテナから送信される歪信号をヒーター制御回
路に設けた歪信号受信アンテナで受信して歪信号を制御
回路に取り込むようになっている。各歪出力信号は歪ゲ
ージ３１毎に異なる周波数で送信され各歪ゲージの出力
を別々に受信できるようになっている。第２図は個々の
ヒーター３０．歪ゲージ３１に対応した制御ブロック線
図の一実施例であり、制御回路を構成している。なお、
図示は省略したが、下定盤２も同様な歪ゲージ８１．ヒ
ーター３ｏが配置されている。

上記の構成において、まず、第４図の従来例と同様に上
定盤１（下定盤２についても同様）の温度が研磨加工に
よって上り過ぎないように、水路３（３ａも含む）には
常時一定温度・一定流量の冷却水が供給されている。そ
して、研磨加工が開始されると、研磨面側は加熱されて
温度が上昇する。このため、上定盤１（以後実施例の説
明では定盤という）は上側に曲るように変形を始めるよ
うになる。この熱変形は歪ゲージ（又は変位計）３１に
より検出される。そこで、第２図に示したように、あら
かじめ定められたヒーター３ｏのオン−オフ判断の基準
値（歪）を基準信号として、歪ゲージ３１で計測した実
際の変位（歪）と共に比較器３２に入力し、その偏差値
によってヒーター（加熱装置）３０のオン−オフを制御
する。第３図はヒーター３０のオン−オフ信号と歪ゲー
ジ３１の出力との関係を示す線図である。第３図の（ａ
）は歪ゲージの出力（縦軸は歪）と時間（横軸）を示し
、第３図の（ｂ）はヒーター３０のオン−オフ（縦軸）
と時間（横軸）を示している。図に示したように、歪ゲ
ージ３１の出力（波状曲線）がヒーター３ｏのオン−オ
フ判断の基準値（点線）を超えるとヒーター８０がオン
（第３図の（ｂ）参照）となり、定盤の外側の面を加熱
する。ヒーター３０オン直後も歪はやや増加するが時間
の経過とともに減小する。そして、歪が基準値以下にな
ったときヒーター３０はオフとなる。この操作を制御装
置がくり返し実行することにより、変位を基準値近傍に
抑えておくことのできる熱変形制御が行われる。なお、
上記実施例では変位計測手段として歪ゲージを用いた場
合を示したが、取りつけ方法を工夫すれば変位計を用い
ることもできる。

また、研磨加工開始後歪ゲージ３１により定盤の変形を
観測し、歪ゲージの出力に応じてヒーター３０のオン−
オフを行う熱変形制御においては、ヒーター３０のオン
−オフの基準となる歪ゲージ３１の出力値は、定盤の諸
元、ヒーターの性能（特性）、加工条件等を考慮に入れ
て決めるようになっている。

以上説明した実施例によって明らかなように、従来の温
度制御型両面研磨装置と比べて定盤の熱変形を一定値に
安定することができるので、つ工−ハの加工不良率を低
減でき、さらに加工精度（平坦度）を高くすることがで
きる。

なお、上記実施例では上定盤に歪ゲージとヒーターを配
設した場合を説明したが、場合によっては下定盤に同様
に配設してもよく、あるいは上・下定盤の両方に配設し
てもよい。

［発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、ウェーハ用の両面研磨
装置の上・下定盤のうち少くとも一方の研磨面の反対面
に変位計測装置（歪ゲージ等）と加熱装置（ヒーター）
を配設し、定盤の変位値に基づいてヒーターをオン−オ
フする制御を行う構成としたので、従来の単なる温度制
御方式に比して、実際の定盤の変位を制御できるので、
精度のよい熱変形制御が可能となる。これにより、ウェ
ーハの加工不良率を著しく低減できるとともに、加工精
度（平坦度）を向上させることができる効果が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の定盤部分の構成を示す模
式図、第２図は各ヒーター・歪ゲージに対応した制御の
一実施例を示す制御ブロック線図、第３図はヒーターの
オン−オフ信号と歪ゲージの出力との関係を説明する線
図、第４図は従来の温度制御型両面研磨装置の一例を示
した模式断面図、第５図は第４図の従来例の要部平面模
式図、第６図は従来装置の動作を説明するために示した
部分拡大模式図である。 図において、１は上定盤、２は下定盤、３，３ａは水路
、５は研磨布、６は太陽歯車、７は遊星キャリア、８は
インターナル歯車、９はシリコンウェーハ、１０は温度
センサー、３０はヒーター、３１は歪ゲージ、３２は比
較器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 上・下研磨定盤、研磨布、遊星キャリア、太陽歯車、及
   びインターナル歯車を主構成とし、上記遊星キャリアに
   セットしたウェーハの研磨を行う両面研磨装置において
   、 上記上・下研磨定盤のうち少くとも一方に設けられ常時
   所定温度・所定流量に制御した冷却水を供給する水路を
   有する冷却手段と、 上記上・下研磨定盤のうち少くとも一方の研磨面の反対
   面に設置されこの上・下研磨定盤のうち少くとも一方の
   熱変形を検出する変位計測手段と、この変位計測手段の
   検出値に基づいて上記上・下研磨定盤のうち少くとも一
   方を昇温する加熱手段と、 上記変位計測手段の出力に基づいて上記ウェーハの研磨
   加工中に上記加熱手段の作動のオン−オフを行い上記上
   ・下研磨定盤のうち少くとも一方の熱変形を制御する制
   御装置と を有することを特徴とする熱変形制御型両面研磨装置。