JP5305151B2

JP5305151B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP5305151B2
Application number: JP2009015284A
Authority: JP
Inventors: 弘東道; 清福島; 守彦江崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010172973A

Description

本発明は、研磨装置に関する。

ガラス基板や半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面を研磨加工する研磨装置として、例えば、被研磨面が露出する状態で研磨対象物を保持する保持機構と、この保持機構に保持された研磨対象物の被研磨面をテーブルに貼り付けられた研磨パッド等の研磨部材に押圧させた状態でテーブルを移動させる移動機構を備え、被研磨面を研磨部材に押圧させた状態で当該テーブルを移動させることにより、研磨対象物を研磨する構成の研磨装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、このような研磨部材を被研磨面に押圧し研磨部材を被研磨面に対して相対移動させることにより研磨を行う機械的研磨に加え、研磨部材にスラリー等の研磨剤を供給して、研磨剤の化学的作用により上記研磨加工を促進させる化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing；ＣＭＰ）を行う研磨装置も周知となっている。

特許第２９６８７８４号公報

ところで、近年、研磨対象物の大型化が進行しており、これに伴い、研磨装置も大型化している傾向がある。研磨装置が大型化すると、研磨装置の設計および製造、研磨装置の搬送、メンテナンス、そして研磨布等の消耗品にかかるコストが増大するという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、研磨対象物の大型化に伴いかかるコストを低減可能な研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、ベース部材、研磨対象物を研磨するための研磨面を有した研磨部材、およびベース部材に設けられて研磨部材を移動可能に支持する研磨部材移動機構（例えば、実施形態におけるＸＹステージ２４）を備えた複数の研磨モジュールと、ベース部材に備えられ、複数の研磨モジュールのベース部材同士を互いの研磨面が同一平面上に並んで位置するように連結させて複数の研磨モジュールを一体に連結させるモジュール連結手段（例えば、実施形態における固定ピン２６、係合孔２７、およびシール２２）と、モジュール連結手段により複数の研磨モジュールを連結した状態で、同一平面上に並んで連結するこれら複数の研磨モジュールの研磨面と対向する状態で研磨対象物を保持する対象物保持機構（例えば、実施形態におけるキャリア１１）と、モジュール連結手段により連結された複数の研磨モジュールの研磨部材移動機構を連動させて、複数の研磨モジュールの研磨面を研磨対象物の被研磨面に当接させた状態で、複数の研磨モジュールの研磨部材を被研磨面に沿って連動移動させて研磨部材により被研磨面を研磨するように制御する制御機構（例えば、実施形態におけるコントローラ４０）とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る研磨装置によれば、連結させた複数の研磨モジュールの研磨部材を研磨対象物の被研磨面に当接させた状態で研磨モジュールの各研磨部材を連動移動させるように制御することにより、連結させた研磨モジュールの同期制御を行うことが可能になっているため、研磨対象物の大きさに合わせて連結させる研磨モジュールの数を容易に変更できることから、研磨対象物の大型化に伴うコストを低減させることができる。

本発明に係る研磨装置の概略構成図である。キャリアにより固定保持されたワークを上方から見たときの平面図である。研磨モジュールとコントローラを電気的に接続した際における、ＸＹステージの駆動機構を示す概略構成図である。研磨モジュールの斜視図である。研磨モジュールを連結させた状態を示す上面図である。（ａ）は４台、（ｂ）は９台の研磨モジュールを連結させたときの図である。（ａ）はスラリー排出路が形成されるように構成された研磨モジュールの斜視図である。（ｂ）前記研磨モジュールを９台連結させた状態を示す上面図である。（ｃ）２台の研磨モジュール２０間にＶ字溝のスラリー排出路を形成した状態を示す、研磨モジュール２０間の部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。本発明を適用した研磨装置１は、研磨対象物であるワークを固定保持し、ワークの被研磨面を研磨布の研磨面に当接させた状態で研磨布を移動させることにより、ワークの研磨加工を行う研磨装置である。研磨装置１は、搬送機構１０と、キャリア１１と、スラリー供給装置１５と、研磨モジュール２０と、コントローラ４０等により構成されている。なお、以下の説明では、図１の矢印に示すように、研磨対象物であるワーク５に対して垂直上方向をＺ軸正方向とし、Ｚ軸と直交する面をＸＹ平面とする。また図１の紙面上で左右方向をＸ方向、Ｘ方向と直交する方向をＹ方向とする。

搬送機構１０およびキャリア１１は、ワーク５を固定保持した状態で搬送させるために設けられ、キャリア１１は、図１および図２に示すように、保持部材１２と、枠部材１３とを有して構成される。枠部材１３は、ステンレス製で、外周部が正方形の枠板状に形成されている。保持部材１２は、樹脂製で、中央に矩形の孔部を有する板状に形成され、枠部材１３の内側に取り付けられている。上記孔部はワークの形状に合わせて形成され、本実施形態においては正方形のワーク５が正方形の孔部に嵌合されて保持されるようになっている。このように保持部材１２に固定保持されたワーク５は、搬送機構１０により研磨部材２１の研磨面２１ｓ上に搬送された後、図示省略する押圧機構により研磨部材２１の研磨面２１ｓに所定の荷重で押圧されるようになっている。

スラリー供給装置１５は、図１に示すように、後に詳述するテーブル２３の上面に開口部を有しこの開口部から研磨モジュール２０の内部に下方に延びて設けられているスラリー供給路１６を介して、研磨部材２１に研磨液であるスラリーを研磨部材２１の下面から供給するようになっている。スラリーは、ワーク５の研磨を行うための研磨砥粒や分散剤等を含んでおり、研磨砥粒の材料としては例えばセリア（ＣｅＯ_２）が使用される。なお、スラリー供給路１６を介して供給されたスラリーは、研磨モジュール２０の外側から排出され、排出されたスラリーは回収槽（図示せず）に回収されるようになっており、回収されたスラリーはフィルター（図示せず）により濾過され再度使用されるようになっている。

コントローラ４０は、図３に示すように、モータコントロール基板４１とサーボアンプ４２（Ｘ軸およびＹ軸サーボアンプ４２ａ，４２ｂ）等を有して構成されており、図１に示すように、スラリー供給装置１５と、後に詳述するＸＹステージ２４に接続されている。モータコントロール基板４１は後に詳述するＸ軸モータ３１およびＹ軸モータ（図示せず）の駆動を制御するための制御基板であり、サーボアンプ４２にＸ軸モータ３１およびＹ軸モータの制御を行うための制御信号を送信し、サーボアンプ４２は、受信した制御信号を基にＸ軸モータ３１およびＹ軸モータの駆動制御を行う。こうして、ＸＹステージ２４の、ワーク５に対するＸ軸およびＹ軸上における位置、およびＸ，Ｙ方向への移動速度や回転速度を制御できるようになっている。また、コントローラ４０から、スラリー供給装置１５に制御信号を送信することにより、研磨部材２１へのスラリーの吐出量を制御することが可能になっている。

研磨モジュール２０は、図１および図４に示すように、研磨部材２１と、シール２２と、上面に研磨部材２１を設けるためのテーブル２３と、テーブル２３を駆動させるＸＹステージ２４と、固定ベース２５と、固定ピン２６と、係合孔２７等により構成されており、研磨モジュール２０は、Ｚ軸正方向から見たときの形状が１辺が５０ｃｍ弱の正方形となっている。固定ベース２５は、ＸＹステージ２４の下面に設けられ、固定ベース２５に対してＸＹステージ２４をＸＹ面に沿って移動させることが可能になっている。固定ベース２５は、図４に示すように、直方体の形状になっており、その上面（Ｚ軸正方向から見たときの面）および底面（Ｚ軸負方向から見たときの面）が１辺５０ｃｍの正方形となっている。そして、固定ベース２５の４つの側面（底面に対して直交する４つの面）は、後に詳述する固定ピン２６を有する２つの側面と、その固定ピン２６を有する面と反対側に後に詳述する係合孔２７を有する２つの側面により構成されている。研磨部材２１はテーブル２３の上面を覆うように設けられ、発泡ポリウレタン等の材料を用いて構成されており、キャリア１１により固定保持されたワーク５の被研磨面５ｓを研磨部材２１の研磨面２１ｓに当接させた状態でＸＹステージ２４をＸまたはＹ方向に移動させることによりワーク５の研磨加工を行うことが可能になっている。また、シール２２は、研磨モジュール２０を連結する際に用いられ、研磨モジュール２０を連結する際に生じる研磨部材２１およびテーブル２３の隙間を埋めるために用いられる。

固定ピン２６は、図４（ａ）に示すように、固定ベース２５の４つの側面のうち２つの側面に設けられており、１つの側面に、固定ベース２５の下面からの高さがｈ１および固定ベース２５の左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ１および右端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および右端からの距離がｗ１の位置に１個と合計４個設けられている。また、固定ピン２６が設けられている側面と反対側の２つの側面には、他の研磨モジュール２０の固定ピン２６を係合させるための係合孔２７が設けられており、図４（ｂ）に示すように、１つの側面に、固定ベース２５の下面からの高さがｈ１および固定ベースの左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および固定ベース２５の左端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ１および右端からの距離がｗ１の位置に１個と、下面からの高さがｈ２および右端からの距離がｗ１の位置に１個と、固定ピン２６と同様に合計４個設けられている。このように、固定ピン２６と係合孔２７は固定ベース２５の１つの側面の全く同じ位置に設けられており、固定ピン２６がある側面が互いに隣り合うように２つ、そして係合孔２７が設けられている側面が固定ピン２６がある側面と反対側に２つ設けられていることから、研磨モジュール２０の係合孔２７に他の研磨モジュール２０の固定ピン２６を係合させることにより、複数の研磨モジュール２０を連結させることが可能になっている。

また、研磨加工時には、研磨面２１ｓの高さ（固定ベース２５の下面から研磨面２１ｓまでの距離）ｈを研磨モジュール２０毎に全て同じにする必要があるが、固定ベース２５、ＸＹステージ２４、またはテーブル２３の高さに微小な差（公差）が生じていたり、研磨部材２１が発泡ポリウレタンで構成されていることにより研磨部材２１の厚さが変動したりする等の理由によって、研磨面２１ｓの高さが研磨モジュール２０毎に異なる場合がある。
そこで、研磨モジュール２０は、ウェハ５の研磨加工を行う前に、複数台（例えば図５（ｂ）に示すように９台）連結された状態で、連結された研磨部材２１のＺ軸正方向から見たときの面積と同じ面積に設定され、均一な平面形状を有するダミー研磨物を研磨加工し、この研磨加工により発泡ポリウレタン等の材料で構成された研磨部材２１の研磨面２１ｓが平坦化されるようになっている。

ＸＹステージ２４は、研磨部材２１に覆われたテーブル２３を固定ベース２５に対してＸＹ面に沿って移動させるために設けられ、図３に示すように、Ｘ軸モータ３１およびＹ軸モータ（図示せず）により固定ベース２５に対してＸＹステージ２４を移動させることが可能になっている。また、Ｘ軸およびＹ軸モータにより移動したＸＹステージ２４の移動量は、Ｘ軸およびＹ軸リニアエンコーダ３８，３９で検出されるようになっており、Ｘ軸およびＹ軸モータの回転量は、Ｘ軸およびＹ軸モータに内蔵されているＸ軸およびＹ軸モータエンコーダ（図示せず）により検出されるようになっている。検出されたＸＹステージ２４の移動量は、Ｘ軸およびＹ軸エンコーダケーブル３２，３５を介してモータコントロール基板４１に、そして、検出されたモータの回転量はＸ軸およびＹ軸モータエンコーダケーブル３４，３７を介してＸ軸およびＹ軸サーボアンプ４２ａ，４２ｂに送信されるようになっている。なお、Ｘ軸およびＹ軸モータ動力ケーブル３３，３６は、サーボアンプ４２から送信された駆動指令をＸ軸およびＹ軸モータに送信するためのケーブルである。また、ＸＹステージ２４は、図３に示すように歯車Ｇからなる移動機構（図示せず）を介して、Ｘ軸モータ３１およびＹ軸モータ（図示せず）と接続されており、Ｘ軸モータ３１またはＹ軸モータがサーボアンプ４２からの駆動指令に基づいて駆動したときに、Ｘ軸およびＹ軸方向に移動するようになっている。

Ｘ軸およびＹ軸リニアエンコーダ３８，３９は、ＸＹステージ２４のＸ方向およびＹ方向への実移動量を所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に検出し、また、Ｘ軸およびＹ軸モータに内蔵されたＸ軸およびＹ軸モータエンコーダが、Ｘ軸モータ３１およびＹ軸モータの実回転量を所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に検出するようになっている。なお、図３においては、１台のコントローラ４０と、コントローラ４０に接続された１台の研磨モジュール２０のみ示しているが、実際には、複数台の研磨モジュール２０が連結されたときには、１台のコントローラ４０に複数台の研磨モジュール２０が接続されるようになっている。

以上のような構成の研磨装置１において、スラリー供給装置１５によりＺ軸負方向から研磨部材２１に向かってスラリーが供給された状態で、キャリア１１により保持されたワーク５の被研磨面５ｓが研磨部材２１の研磨面２１ｓに当接されるとともにＸＹステージ２４がＸＹ方向に移動することによりワーク５の研磨加工が行われるようになっている。よって、例えば１辺の長さが５０ｃｍより小さい正方形のワークの研磨加工を行う場合は、上述した研磨モジュール２０を１台だけ用いて研磨加工を行うことが可能である。しかし、例えば７０ｃｍ×７０ｃｍの正方形のワークの研磨加工を行う場合は、研磨モジュール２０単体では研磨加工を行うことはできず、図５（ａ）のように４台連結させる必要がある。さらに、例えば１２０ｃｍ×１２０ｃｍの大きな正方形のワークの研磨加工を行う場合は、図５（ｂ）のように９台連結させなければ研磨加工を実行することはできない。

上記のように、大型のワークの研磨加工を行う際には、研磨モジュール２０を複数台連結させて、研磨モジュール２０を連結させた後に研磨加工を行う。具体的には、係合孔２７が設けられている研磨モジュール２０の側面に対して、他の固定ピン２６が設けられている研磨モジュール２０の側面を対向させて、上記係合孔２７に上記固定ピン２６を係合させ各研磨モジュール２０の固定ベース２５の側面を接合させる。このように、係合孔２７が設けられている側面に固定ピン２６が設けられている側面を係合させることにより、研磨モジュール２０を連結させていく。

上記のように連結された研磨モジュール２０を用いて研磨加工を行う方法について以下で説明する。まず、オペレータが図示省略する入出力装置を操作することにより、ダミー研磨物がキャリア１１により固定保持され、固定保持されたダミー研磨物が搬送機構１０により搬送される。そして、押圧機構（図示せず）によりダミー研磨物が研磨面２１ｓに押圧され、押圧された状態でＸＹステージ２４を稼動させる。このように、ダミー研磨物の研磨を行うことにより研磨面２１ｓの高さが均一化される。

研磨面２１ｓの高さを均一化させた後、キャリア１１により固定保持されたワークが搬送機構１０により研磨面２１ｓの上面に搬送され、押圧機構（図示せず）によりワークの被研磨面が研磨部材２１の研磨面２１ｓに押圧される。その状態でモータコントロール基板４１から、Ｘ軸およびＹ軸サーボアンプ４２ａ，４２ｂに研磨モジュール２０毎に同じ移動量の指令値が出力され、当該指令値に基づいてＸ軸モータ３１およびＹ軸モータが駆動し、ＸＹステージ２４がＸＹ方向に移動することにより被研磨面の研磨加工が行われる。ここで、本実施形態における歯車Ｇからなる移動機構（図示せず）を介したＸＹステージ２４では、モータコントロール基板４１から各研磨モジュール２０に出力される指令値が同一でも、ギア間の遊びにより研磨モジュール２０毎に全く同じ量だけ移動しなくなる問題が発生する場合がある。

上記のような問題に対し、本実施形態における研磨装置１では、Ｘ軸およびＹ軸モータに内蔵され、モータの回転量を検出可能なＸ軸およびＹ軸モータエンコーダ（図示せず）がモータの実回転量を検出するとともに、ＸＹステージ２４に取り付けられたＸ軸およびＹ軸リニアエンコーダ３８，３９がＸ軸およびＹ軸方向の実移動量を検出し、検出されたＸＹステージ２４の実移動量はモータコントロール基板４１に、検出された実回転量はサーボアンプ４２ａ，４２ｂに送信される。モータコントロール基板４１は、上記の指令値に応じた移動量と検出された実移動量を研磨モジュール２０毎に比較し、指令値に応じた移動量と実移動量に差異がある研磨モジュール２０に対して、指令値を補正し補正後の指令値をサーボアンプ４２ａ，４２ｂに送信し、ＸＹステージ２４の移動量およびＸ軸モータ３１およびＹ軸モータの回転量の補正を行う。このように、ＸＹステージ２４の移動量およびモータの回転量を補正しながら各研磨モジュール２０のＸＹステージ２４を移動させるようなフィードバック制御を行うため、研磨モジュール２０毎に移動量が異なるような事態をなくすことができ、複数の研磨モジュール２０の協調制御を確実に行うことができる。

以上、上述した本実施形態に係る研磨装置１においては、例えば、図５に示すように、大きなワークを研磨する際には、被研磨物の大きさに応じた数の研磨モジュール２０を組み合わせ、組み合わせた研磨モジュール２０を協調制御させることが可能になる。これにより、大きなワークの研磨加工を行う際にも、各種サイズのワークの研磨加工に対応させることができ、研磨装置自体に係る設計、製造、メンテナンスのコスト、そして、研磨布等の消耗品にかかるコストを低減させることができる。また、複数の研磨モジュール２０を組み合わせることにより、研磨装置の大きさを研磨物の大きさに最適な大きさにすることができるので、研磨布等の消耗品にかかるコストを低減することができる。

なお、本実施形態に係る研磨装置１においては、上方（Ｚ軸正方向）から見たときの形状が１辺が５０ｃｍの正方形である研磨モジュール２０の例について説明したが、研磨モジュール２０の大きさおよび形状はこれに限定されるものではない。

また、本実施形態においては、スラリーを研磨部材２１の下方から上方（Ｚ軸負方向からＺ軸正方向）に供給する例について説明したが、スラリーの供給方法についてはこれに限られることなく、例えば、研磨部材２１の上方から下方（Ｚ軸正方向からＺ軸負方向）にスラリーノズル等を介して供給するようにしてもよい。

そして、本実施形態においては、研磨部材２１に供給されたスラリーは研磨モジュール２０の外側から排出され、排出されたスラリーを下方で回収する例について説明したが、スラリーの回収方法はこれに限定されることはなく、例えば、図６（ａ）に示すように、Ｚ軸上方向から見たときのシール２２ａの面積を、研磨部材２１より若干大きくし、図６（ｂ）に示すように、複数の研磨モジュール２０を連結させたときに隙間１７が形成されるようにし、この隙間１７をスラリー排出路としてもよい。また、スラリー排出路の交点にＺ軸方向に貫通させたスラリー排出孔１８を設け、このスラリー排出孔１８から下方にスラリーを排出するようにしてもよい。さらに、図６（ｃ）の部分断面図のように、研磨部材２１を面取りしてスラリー供給路がＶ字溝になるようにしてもよい。

さらに、本実施形態においては、複数の研磨モジュール２０を連結させるための連結手段として固定ピン２６及び係合孔を用いる例について説明したが、他の連結手段を用いてもよい。また、研磨モジュール２０を連結させるときに研磨部材２１の高さを合わせるため、固定ピン２６および係合孔の高さを全て同じにするとともにダミー研磨物を用いて研磨面２１ｓの高さを均一化する例について説明したが、これに限られず、例えば、テーブル２３を上下方向に微調整可能な上下位置調整機構を設け、この上下位置調整機構により研磨モジュール２０間の研磨部材２１の高さを微調整できるようにしてもよい。

なお、本実施形態では、ワーク５の被研磨面の形状が四角形である例について説明したが、四角形に限定されるものではなく、例えば、円形のワークを研磨する際にも本発明に係る研磨装置１を適用することができる。なお、この際には、孔部が円形になっている保持部材を用いてワークを固定保持するようにすればよい。

１研磨装置
５ワーク（研磨対象物）
１１キャリア（対象物保持機構）
１５スラリー供給装置（研磨液供給装置）
２０研磨モジュール
２１研磨部材
２２シール（モジュール連結手段）
２４ＸＹステージ（研磨部材移動機構）
２５固定ベース（ベース部材）
２６固定ピン（モジュール連結手段）
２７係合孔（モジュール連結手段）
３８Ｘ軸リニアエンコーダ（移動量検出手段）
３９Ｙ軸リニアエンコーダ（移動量検出手段）
４０コントローラ（制御機構）

Claims

ベース部材、研磨対象物を研磨するための研磨面を有した研磨部材、および前記ベース部材に設けられて前記研磨部材を移動可能に支持する研磨部材移動機構を備えた複数の研磨モジュールと、
前記ベース部材に備えられ、複数の前記研磨モジュールのベース部材同士を互いの研磨面が同一平面上に並んで位置するように連結させて複数の前記研磨モジュールを一体に連結させるモジュール連結手段と、
前記モジュール連結手段により複数の前記研磨モジュールを連結した状態で、同一平面上に並んで連結するこれら複数の研磨モジュールの研磨面と対向する状態で前記研磨対象物を保持する対象物保持機構と、
前記モジュール連結手段により連結された複数の前記研磨モジュールの研磨部材移動機構を連動させて、前記複数の研磨モジュールの研磨面を研磨対象物の被研磨面に当接させた状態で、前記複数の研磨モジュールの研磨部材を前記被研磨面に沿って連動移動させて前記研磨部材により前記被研磨面を研磨するように制御する制御機構とを備えたことを特徴とする研磨装置。
連結された前記複数の研磨モジュールの研磨面を平坦化させるための平坦面を有する平坦化手段をさらに備え、
前記制御機構は、前記モジュール連結手段により連結された複数の前記研磨モジュールの研磨部材移動機構を連動させて、前記複数の研磨モジュールの研磨面を前記平坦化手段の平坦面に当接させた状態で、前記複数の研磨モジュールの研磨部材を前記平坦面に沿って連動移動させて研磨することにより前記複数の研磨モジュールの研磨面を平坦化させるように制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記研磨モジュールに設けられて前記研磨モジュールの研磨部材の移動量を検出する移動量検出手段をさらに備え、
前記制御機構は、前記モジュール連結手段により連結された複数の研磨モジュールの研磨部材を研磨対象物の被研磨面に沿って目標移動量だけ連動移動させるように制御するとともに、各研磨モジュールの移動量検出手段により検出された前記研磨部材の移動量を検出し、研磨モジュールの移動量検出手段により検出された移動量と前記目標移動量が異なるときに、検出された移動量を前記目標移動量にするように補正して前記研磨モジュールの研磨部材を移動させるように制御することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
前記複数の研磨モジュールの研磨部材に研磨を行うための研磨液を供給する研磨液供給装置をさらに備え、
前記複数の研磨モジュールが、前記モジュール連結手段により、研磨モジュールの研磨面と他の研磨モジュールの研磨面の間に前記研磨液を流すための隙間を設けて連結されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の研磨装置。