JPH08155831A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエハチャックテーブルとターンテーブルと
を平行に維持することにより半導体ウエハを均一の厚み
に研磨すること。 【構成】 ウエハチャックテーブル４の内部に第１の磁
気発生体８を、ターンテーブル７の内部に前記第１の磁
気発生体８が発生する磁気に対して反発する磁気を発生
する第２の磁気発生体９をそれぞれ設け、前記第１の磁
気発生体８が発生する磁気と第２の磁気発生体９が発生
する磁気とにより発生する斥力により、ウエハチャック
テーブル４の下面とターンテーブル７の上面との間の平
行を維持し、半導体ウエハを均一の膜厚に研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、平板状物質、たとえ
ば半導体ウエハやＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板
の板面を研磨するのに好適な研磨装置及び研磨方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハなどの鏡面加工は、図７に
示すように、ウエハチャックテーブル４の下面に取り付
けた半導体ウエハ２を回転させながら、上面に研磨布５
を貼って所定速度で回転するターンテーブル７上に、油
圧またはエア圧による押圧手段を用いて所定圧力で押し
付け、ウエハチャックテーブル４とターンテーブル７と
の間に生じる相対滑りを利用して研磨することにより行
われている。

【０００３】ところで、半導体ウエハ２をターンテーブ
ル７上の同じ位置で回転させると、半導体ウエハ２のタ
ーンテーブル７の回転軸６に近い部分と、回転軸６から
遠い部分とでは周速が異なる。したがって、周速が速い
部分は研磨量が多く、遅い部分は研磨量が少なくなって
しまい、半導体ウエハ２の膜厚が一定しない。そこで、
図７の矢印で示すようにウエハチャックテーブル４をタ
ーンテーブル７の半径方向に往復動させることにより、
膜厚を一定にする方法が採用されている。そして、ウエ
ハチャックテーブル４をターンテーブル７上に均一に押
圧するため、ウエハチャックテーブル４がシャフト３に
傾斜自在に取付けられた装置が考えられている。

【０００４】そのような装置として、たとえば特開昭６
３−６２６６８号公報に記載されているように半導体ウ
エハを下面に取付けるウエハチャックテーブル（プレー
ト）が回転シャフト（シャフト）に傾斜自在に取付けら
れた研磨装置や、特開昭６４−６４７７４号公報に記載
されているようにウエハチャックテーブルがバネ部材を
介して回転シャフトに取付けられた研磨装置が知られて
いる。

【０００５】また、半導体ウエハの膜厚を所定の目標値
に制御する方法としては、目標値によって研磨時間を予
め定めておき、その定めた一定時間研磨する方法が採用
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記いずれの
装置もウエハチャックテーブル４がターンテーブル７に
対して傾斜自在に取り付けられているため、ウエハチャ
ックテーブル４をターンテーブル７上で往復動させる場
合、図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、ウエハチャッ
クテーブル４の端部がターンテーブル７上から浮き上が
り、半導体ウエハ２の浮き上がっていない端部に大きい
押圧力がかかって研磨量が多くなってしまい、半導体ウ
エハ２全体の膜厚が均一にならないという問題がある。

【０００７】そこで、この発明の第１の目的は、ウエハ
チャックテーブル（プレート）とターンテーブル（テー
ブル）とを平行に維持して被研磨物の厚みを均一にする
ことにある。また、ターンテーブル上に貼られた研磨布
は研磨している間に劣化するとともに、半導体ウエハの
温度が研磨による摩擦で変化するため、研磨レートが時
間とともに変化するが、前記従来の研磨方法では研磨レ
ートの変化にかかわらず一定時間研磨してしまうため、
膜厚が一定しないという問題がある。

【０００８】よって、この発明は、プレートとテーブル
との間の距離を高精度に制御することにより、被研磨物
を目標の厚みに研磨することをも第２の目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、回転シャフト（３）で
傾斜自在に支持され、被研磨物（２）を下面に取り付け
て回転するプレート（４）を、上面に研磨材料（５）を
取り付けて回転するテーブル（７）上に所定の押圧手段
（１３）で押圧することにより、前記被研磨物（２）を
研磨する研磨装置（１）において、前記プレート（４）
の下面とテーブル（７）の上面との間に、磁気による斥
力を発生させて、前記プレート（４）とテーブル（７）
との間を平行に維持する平行維持手段（８，９）を備え
たという技術的手段を採用する。

【００１０】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記平行維持手段（８，９）が、前
記プレート（４）の内部に設けられた第１の磁気発生体
（８）と、前記テーブル（７）の内部に設けられた第２
の磁気発生体（９）とで構成されているという技術的手
段を採用する。請求項３に記載の発明では、請求項２に
記載の発明において、前記第１の磁気発生体（８）が永
久磁石及び電磁石のうちのいずれかであり、前記第２の
磁気発生体（９）が永久磁石及び電磁石のうちのいずれ
かであるという技術的手段を採用する。

【００１１】請求項４に記載の発明では、請求項１乃至
３のいずれか１つに記載の発明において、前記プレート
（４）とテーブル（７）との間の距離を検出する距離検
出手段（１０）と、この距離検出手段（１０）により検
出された距離に応じて前記押圧手段（１３）の押圧力を
調整する押圧力調整手段（１１）とを備えたという技術
的手段を採用する。

【００１２】請求項５に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、前記プレート（４）とテーブル
（７）との間の距離を検出する距離検出手段（１０）を
備え、前記第１の磁気発生体（８）及び第２の磁気発生
体（９）のうち、少なくとも一方に電磁石が用いられ、
その電磁石に流れる電流の大きさを前記距離検出手段
（１０）により検出された距離に応じて調整する磁力調
整手段（１２）を備えたという技術的手段を採用する。

【００１３】請求項６に記載の発明では、第１の磁気発
生体（８）が内部に設けられるとともに、回転シャフト
（３）で傾斜自在に支持されたプレート（４）と、前記
第１の磁気発生体（８）が発生する磁界に反発する磁界
を発生する第２の磁気発生体（９）が内部に設けられる
とともに、研磨材料（５）を上面に取付けて回転するテ
ーブル（７）とを用い、前記プレート（４）の下面に被
研磨物（２）を取付ける工程と、前記プレート（４）の
下面とテーブル（７）の上面との間に、前記第１の磁気
発生体（８）から発生される磁気と、第２の磁気発生体
（９）から発生される磁気とによる斥力を発生させて前
記プレート（４）の下面とテーブル（７）の上面との間
を平行状態に維持する平行状態維持工程と、前記プレー
ト（４）を回転させながら前記テーブル（７）の上に所
定の押圧手段（１３）で押圧する押圧工程とによって前
記被研磨物を研磨するという技術的手段を採用する。

【００１４】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施例記載の具体的手段との対応関係を示すもので
ある。

【００１５】

【発明の作用効果】請求項１〜３、または請求項６に記
載の発明によれば、プレートの下面とテーブルの上面と
の間に磁気による斥力が発生され、プレートの下面とテ
ーブルの上面との間の平行を維持することができる。す
なわち、プレートの下面がテーブルの上面に対して傾斜
した場合、プレートの下面の傾斜した部分とテーブルの
上面との間には、平行状態にあるときよりも大きい斥力
が作用するため、プレートは元の位置へ復帰し、プレー
トの下面とテーブルの上面との間の平行を維持すること
ができる。したがって、プレートの押圧力は、被研磨物
に均等にかかり、被研磨物を均一の厚みに研磨すること
ができる。

【００１６】請求項４に記載の発明によれば、距離検出
手段により検出されたプレートとテーブル間の距離に応
じて、押圧力制御手段により押圧手段の押圧力が調整さ
れるため、研磨レートの変化による研磨量の過不足の発
生が防止され、被研磨物を目標の厚みに研磨することが
できる。しかも、研磨開始時に押圧力を大きくし、被研
磨物の厚みが目標値に近づいた時に押圧力を小さくする
ようにすれば、精度の高い研磨を行うことができるし、
研磨時間を短縮することができる。

【００１７】請求項５に記載の発明によれば、プレート
の内部に設けられた第１の磁気発生体、及びテーブルの
内部に設けられた第２の磁気発生体の内、少なくとも一
方に電磁石を用い、前記距離検出手段により検出された
距離に応じて電磁石に流れる電流の大きさを調整するこ
とにより、プレートとターンテーブル間に作用する磁
力、すなわち斥力の大きさを調整することができる。し
たがって、その斥力を調整することにより、プレートと
ターンテーブルとの間の平行を維持することができる。

【００１８】

【実施例】以下、この発明にかかる研磨装置及び研磨方
法の一実施例を図面に基づいて説明する。図２は研磨装
置の斜視説明図、図１は図２のＡ−Ａ断面説明図であ
る。なお、ここでは被研磨物として半導体ウエハを例に
挙げて説明する。研磨装置１は回転シャフト３により傾
斜自在に支持された円盤状のウエハチャックテーブル４
と、回転シャフト６で支持された円盤状のターンテーブ
ル７とを備えている。ウエハチャックテーブル４の下面
には半導体ウエハ２がバキュームチャック方式で取り付
けられ、ターンテーブル７の上面には研磨材料の一種で
ある研磨布５が貼り付けられている。

【００１９】ウエハチャックテーブル４及びターンテー
ブル７は、それぞれ所定の回転手段（図示しない）によ
り回転するようになっている。回転シャフト３は、押圧
手段としての、油圧またはエア圧で駆動される押圧装置
（図示しない）に接続され、その押圧装置の駆動により
昇降動するようになっている。ウエハチャックテーブル
４の内部には磁極の向きを同方向に揃えた複数の永久磁
石８が同心円上に配置されている。また、ターンテーブ
ル７の内部にも、磁極の向きを同方向に揃えた複数の永
久磁石９が同心円上に配置されている。永久磁石８と永
久磁石９は、互いに同じ極性が向き合うように配置さ
れ、それぞれ面密度の均一な磁界を発生し、その磁界に
より、ウエハチャックテーブル４とターンテーブル７と
の間に一様な斥力が作用するようになっている。つま
り、これらの永久磁石８及び永久磁石９によって平行維
持手段が構成されている。

【００２０】この平行維持手段の原理は、以下のとおり
である。永久磁石８と永久磁石９の単位面積当たりの磁
荷をそれぞれｍ１，ｍ２、ウエハチャックテーブル４と
ターンテーブル７との間の距離をｒ、ウエハチャックテ
ーブル４とターンテーブル７とが平行状態にあるときの
ウエハチャックテーブル４とターンテーブル７との間の
距離をｒ０、ウエハチャックテーブル４上面の面積をＡ
とし、回転シャフト３には荷重Ｆが加えられているとす
る。

【００２１】このとき、ウエハチャックテーブル４とタ
ーンテーブル７との間に働く単位面積当たりの斥力Ｆｒ
は、（ｍ１・ｍ２）に比例し、ｒ² に反比例する。つま
り、比例係数をＫとすると、Ｆｒ＝Ｋ・ｍ１・ｍ２／ｒ
² となるから、Ｆｒは距離ｒに対して図４に示す曲線に
したがって変化する。一方、回転シャフト３には荷重Ｆ
が加えられているので、ウエハチャックテーブル４には
単位面積当たりＦ／Ａの荷重が加わる。

【００２２】したがって、Ｆｒ＝Ｆ／Ａとなる関係を満
たすとき、すなわちｒ＝ｒ０＝（Ａ・Ｋ・ｍ１・ｍ２／
Ｆ）^1/2 となるとき、ウエハチャックテーブル４とター
ンテーブル７とは平行状態にある。半導体ウエハ２は、
前記平行維持手段を有する研磨装置１を用いて、以下の
工程によって研磨される。

【００２３】半導体ウエハ２をウエハチャックテーブル
４の下面にバキュームチャック方式によって取付け、ウ
エハチャックテーブル４とターンテーブル７との間を、
ウエハチャックテーブル４とターンテーブル７との間に
前記斥力を発生させて平行に維持する。そして、回転シ
ャフト３に支持されたウエハチャックテーブル４を所定
の回転手段によって回転させ、そのウエハチャックテー
ブル４を前記押圧装置の駆動によって、回転するターン
テーブル７の研磨布５上に所定圧力で押し付ける。する
と、半導体ウエハ２は、半導体ウエハ２と研磨布５との
間に生じる相対滑りによって研磨される。このとき、ウ
エハチャックテーブル４とターンテーブル７との間が平
行に維持され、ウエハチャックテーブル４の押圧力は半
導体ウエハ２の全面に均等にかかるため、半導体ウエハ
２を均一の膜厚に研磨することができる。

【００２４】今、図３（ｂ）に示すように、ターンテー
ブル７と平行状態にあるウエハチャックテーブル４をタ
ーンテーブル７の中心から外周方向へ移動させた場合を
考える。前述のように、ウエハチャックテーブル４は、
回転シャフト３に対して傾斜自在に連結されているた
め、図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、移動方向側の
端部が沈み込み、ターンテーブル７の中心側の端部が浮
き上がる。

【００２５】しかし、ウエハチャックテーブル４の沈み
込んだ端部とターンテーブル７との距離は、その沈み込
みにより小さくなるため、沈み込んだ端部とターンテー
ブル７との間には斥力Ｆｒが作用する。この斥力Ｆｒ
は、ウエハチャックテーブル４とターンテーブル７とが
平行状態にあるときの斥力Ｆｒ０より大きい。よって、
ウエハチャックテーブル４の沈み込んだ端部は、その斥
力Ｆｒにより元の位置へ復帰しようとする。

【００２６】一方、浮き上がった端部はターンテーブル
７との距離が大きくなるため、浮き上がった端部とター
ンテーブル７との間には斥力Ｆｒより小さい斥力ｆｒが
作用する。この斥力ｆｒは、荷重Ｆ／Ａより小さいた
め、浮き上がった端部は、ターンテーブル７上に押し戻
される。このように、ウエハチャックテーブル４は図３
（ｂ）に示す平行状態に復帰し半導体ウエハ２の全面は
均一の押圧力で研磨され、均一の厚みに研磨される。

【００２７】なお、半導体ウエハ２は、ウエハチャック
テーブル４とターンテーブル７との間の平行を前記斥力
によって維持してから、ウエハチャックテーブル４の下
面に取付けてもよい。また、前記斥力による平行維持の
方法としては、たとえばプレートとテーブルに埋め込ま
れた複数の電磁石から成る磁気発生体の各々に流す電流
値を独立に制御することによってウエハチャックテーブ
ル４とターンテーブル７との間に均一な面密度の磁界を
発生させる方法でもよい。

【００２８】さらに、斥力と距離との関係を図４に示す
ように予め求めておき、ウエハチャックテーブル４とタ
ーンテーブル７との間隔が、目標値ｒ０になったときの
斥力Ｆに釣り合う押圧力を回転シャフト３に加えて研磨
を行い、ウエハチャックテーブル４とターンテーブル７
との間隔ｒが、目標値に達しないうち（ｒ＞ｒ０）は、
押圧力が斥力にまさって研磨が進行するが、ｒがｒ０に
近づくにつれて研磨され難くなり、やがてｒ＝ｒ０で押
圧力が目標の斥力に達したときに研磨作業を自動的に停
止するように構成することもできる。

【００２９】このように構成することにより、被研磨物
の厚みを一定値に自動的にそろえることができる。この
うち、後述の距離検出手段１０などを用い、押圧力と斥
力との関係を微調節することで、さらに高精度な厚み制
御をすることができる。次に、距離検出手段１０及び押
圧力制御手段１１を備えたこの発明にかかる研磨装置及
び研磨方法を、図５のブロック図に基づいて説明する。

【００３０】図示のように、プレート（ウエハチャック
テーブル）とテーブル（ターンテーブル）との間の距離
を検出する距離検出手段１０が設けられ、プレートを押
圧する押圧手段１３には押圧力制御手段１１が接続され
ている。距離検出手段１０としては、プレート及びテー
ブルの少なくとも一方に光センサを設け、その光センサ
の検出信号の大きさに基づいて距離を検出する光学的検
出装置（光学的検出手段）を用いることができる。ま
た、押圧力制御手段１１としては、回転シャフト３を油
圧またはエア圧で昇降動させる押圧装置（押圧手段１
３）の油圧またはエア圧の大きさを制御する制御回路な
ど（図示しない）が用いられる。

【００３１】前記距離検出手段１０により検出された距
離に関するデータは押圧力制御手段１１へ入力され、そ
の入力されたデータはそのデータの大きさに比例した大
きさの制御信号に変換される。そして、その制御信号は
押圧手段１３へ入力され、その入力された制御信号によ
って押圧手段１３の押圧力が制御される。このように、
距離検出手段１０により検出された距離に基づいてウエ
ハチャックテーブル４の押圧力を制御する構成を採用す
ることにより、ウエハチャックテーブル４とターンテー
ブル７間の距離が目標値に近づいたときに押圧力を小さ
くすることができるため、研磨しすぎて目標値を超えて
しまうことがない。しかも研磨開始時は大きい押圧力で
研磨し、目標値に近づいたときに押圧力を小さくするこ
とにより研磨時間の短縮を図ることができる。

【００３２】なお、前記光学的検出手段として、レーザ
ー測定器により距離を検出する手段を用いることもでき
る。また、距離検出手段１０としては、ウエハチャック
テーブル４とターンテーブル７間の静電容量を検出し、
その検出した静電容量の大きさに基づいて距離を検出す
る手段を用いることもできる。次に、距離検出手段１０
及び磁力調整手段１２を用いたこの発明にかかる研磨装
置及び研磨方法を、図６のブロック図に基づいて説明す
る。

【００３３】第１の磁気発生体及び第２の磁気発生体の
少なくとも一方に電磁石を用い、前記距離検出手段１０
により検出された距離に応じて電磁石に流れる電流の大
きさを調整する磁力調整手段１２が設けられている。こ
の磁力調整手段１２としては電磁石に流れる電流の大き
さを制御する電流制御回路を用いることができる。そし
て、磁力調整手段１２を用いて、電磁石に流れる電流の
大きさを調整することにより、ウエハチャックテーブル
４とターンテーブル７間に発生する磁力、すなわち斥力
の大きさを調整することができるようになっている。つ
まり、ウエハチャックテーブル４がターンテーブル７に
対して傾いた場合でも、傾いた側に位置する電磁石に流
れる電流を大きくすることにより、その傾いた部分とタ
ーンテーブル７との間に作用する斥力を大きくすること
ができるため、傾いた部分を元の位置へ復帰させること
ができる。

【００３４】なお、前記実施例では、ウエハチャックテ
ーブル４及びターンテーブル７の内部に、複数の永久磁
石または電磁石を同心円状に配置した研磨装置を説明し
たが、リング状に形成された永久磁石をウエハチャック
テーブル４またはターンテーブル７の内部に同心円状に
設けてもよいし、ウエハチャックテーブル４またはター
ンテーブル７の平面とほぼ同じ面積の平面を有する円盤
状の永久磁石を設けてもよい。

【００３５】また、磁性体の磁極側の平面が、ウエハチ
ャックテーブル４またはターンテーブル７の平面形状に
形成された電磁石を、それぞれウエハチャックテーブル
４またはターンテーブル７の内部に設けてもよい。さら
に、この発明は、半導体ウエハの他、ＳＯＩなどの被研
磨物にも広く適用することができ、距離検出手段１０、
押圧力制御手段１１及び磁力調整手段１２は、それぞれ
前記実施例で用いたものに限定されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２のＡ−Ａ断面説明図である。

【図２】この発明にかかる研磨装置の斜視説明図であ
る。

【図３】（ａ）及び（ｃ）はウエハチャックテーブルが
傾いた状態の説明図、（ｂ）はウエハチャックテーブル
が平行状態にある説明図である。

【図４】ウエハチャックテーブルとターンテーブル間に
作用する斥力と、ウエハチャックテーブルとターンテー
ブル間の距離との関係を示すグラフである。

【図５】距離検出手段と押圧力制御手段とを設けたブロ
ック図である。

【図６】距離検出手段と磁力調整手段を設けたブロック
図である。

【図７】従来の研磨装置の断面説明図である。

【符号の説明】

１・・研磨装置、２・・半導体ウエハ、３・・回転シャ
フト、４・・ウエハチャックテーブル、５・・研磨布、
６・・回転軸、７・・ターンテーブル、８，９・・永久
磁石。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転シャフトで傾斜自在に支持され、被
   研磨物を下面に取り付けて回転するプレートを、上面に
   研磨材料を取り付けて回転するテーブル上に所定の押圧
   手段で押圧することにより、前記被研磨物を研磨する研
   磨装置において、 前記プレートの下面とテーブルの上面との間に、磁気に
   よる斥力を発生させて、前記プレートの下面とテーブル
   の上面との間を平行に維持する平行維持手段を備えたこ
   とを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 前記平行維持手段は、 前記プレートの内部に設けられて磁気を発生する第１の
   磁気発生体と、 前記テーブルの内部に設けられて前記第１の磁気発生体
   が発生する磁気に対して反発する磁気を発生する第２の
   磁気発生体とで構成されていることを特徴とする請求項
   １に記載の研磨装置。
3. 【請求項３】 前記第１の磁気発生体が永久磁石及び電
   磁石のうちのいずれかであり、前記第２の磁気発生体が
   永久磁石及び電磁石のうちのいずれかである請求項２に
   記載の研磨装置。
4. 【請求項４】 前記プレートとテーブルとの間の距離を
   検出する距離検出手段と、この距離検出手段により検出
   された距離に応じて前記押圧手段の押圧力を調整する押
   圧力調整手段とを備えた請求項１乃至３のいずれか１つ
   に記載の研磨装置。
5. 【請求項５】 前記プレートとテーブルとの間の距離を
   検出する距離検出手段を備え、 前記第１の磁気発生体及び第２の磁気発生体のうち、少
   なくとも一方に電磁石が用いられ、その電磁石に流れる
   電流の大きさを前記距離検出手段により検出された距離
   に応じて調整する磁力調整手段を備えた請求項３に記載
   の研磨装置。
6. 【請求項６】 第１の磁気発生体が内部に設けられると
   ともに、回転シャフトで傾斜自在に支持されたプレート
   と、 前記第１の磁気発生体が発生する磁界に反発する磁界を
   発生する第２の磁気発生体が内部に設けられるととも
   に、研磨材料を上面に取付けて回転するテーブルとを用
   い、 前記プレートの下面に被研磨物を取付ける取付工程と、 前記プレートの下面とテーブルの上面との間に、前記第
   １の磁気発生体から発生される磁気と、第２の磁気発生
   体から発生される磁気とによる斥力を発生させて前記プ
   レートの下面とテーブルの上面との間を平行状態に維持
   する平行状態維持工程と、 前記プレートを回転させながら前記テーブルの上に所定
   の押圧手段で押圧する押圧工程とによって前記被研磨物
   を研磨することを特徴とする研磨方法。