TW201741070A

TW201741070A - 研磨裝置

Info

Publication number: TW201741070A
Application number: TW106103725A
Authority: TW
Inventors: 大曲啓明; 冨安正輝; 室伏勇
Original assignee: 東芝機械股份有限公司
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2017-12-01
Also published as: KR20180123467A; JP2017140694A; TWI623378B; JP6961343B2; KR20170093734A; KR102338708B1

Abstract

本發明提供一種研磨裝置，是在「研磨體隔著彈性機構由頭部所支承」之類型的研磨裝置中，可避免從位置控制切換成荷重控制時，所產生的對研磨時之目標荷重的過衝。本發明的研磨裝置(100)具備：保持部(60)，用來保持被研磨材(Wa)；研磨體(10)，用來研磨被研磨材(Wa)；頭部(30)，隔著彈性機構(32)支承研磨體(10)；驅動機構(24)，促使頭部(30)朝Z座標方向移動；控制部(50)，用來控制驅動機構(24)；位置感測器(34)，用來測量研磨體(10)相對於頭部(30)的位置，荷重控制，是依據位置感測器(34)的測量值與彈性機構(32)的彈簧常數所執行。

Description

研磨裝置

[相關申請案的參考]

本申請案，是依據2016年2月5日提出申請之日本第2016-021315號專利申請案、及2016年12月27日提出申請之日本第2016-254137號專利申請案，並主張前述兩件申請案作為優先權，該兩件優先權的所有內容，藉由參考而編寫入本申請案。

本發明關於研磨裝置。

傳統以來，就用來研磨由半導體材料所形成之晶圓表面等的研磨裝置而言，譬如已知有如同國際公開2013/038573號所記載的「使用被旋轉驅動之研磨墊」的研磨裝置。一般而言，研磨墊被設在旋轉軸的前端，含有旋轉機構及旋轉軸的研磨墊，是透過彈性機構由頭部所支承。頭部，是透過驅動機構由裝置本體所支承。

就驅動機構的控制方法而言，譬如可採用如日本特開昭59-219152號公報所記載之「組合了位置控制與荷重控制」的方法。該控制方法，為以下所述的方法：在研磨墊接觸於晶圓且達成研磨時的目標荷重之前，依據該研磨墊的位置(座標)來控制驅動機構(位置控制)，當達成前述目標荷重後，則依據產生於研磨墊與晶圓間之接觸面的壓力，對驅動機構進行控制(荷重控制)。當研磨時的目標荷重達成時之頭部的位置(Z座標)，是依據研磨墊之研磨面的面積、與彈性機構的彈簧常數(spring constant)所決定。

施加於研磨墊的荷重，譬如是由設在研磨墊之旋轉軸上方的測力計(load cell)所測得。測量的順序如以下所述。亦即，使頭部沿著Z座標軸(垂直方向軸)下降(朝接近晶圓的方向移動)，使研磨墊的研磨面抵接於晶圓。伴隨於此，彈性機構(螺旋彈簧)將產生變形，相對於頭部，使研磨墊及旋轉軸朝上方相對移動。如此一來，旋轉軸的上端部壓附於測力計，測力計內的應變計(strain gage)產生變形，測量「旋轉軸的上端部按壓應變計的力量」。然後，為了使「由測力計所測得的力」形成目標荷重，調整頭部的Z座標值。

在如同以上的研磨裝置中，當執行荷重控制時，一旦研磨體通過「存有微小的突起和異物的場所」，研磨墊將急遽地朝上方移動(被頂起)，使測力計的測量值急遽上升。追隨著這種急遽的荷重變化執行高精確度的荷重控制，一般來說是困難的。此外，在高精確度的測力計中，由於可測量的荷重範圍較狹小，恐有無法執行適當的荷重測量的疑慮。

本案的發明人，反覆地深入檢討的結果，發現藉由依據位置感測器(譬如，線性標度尺)與彈性機構的彈簧常數執行荷重控制，能擴大可測量的荷重範圍，且即使產生急劇的荷重變化，也能以高精確度執行研磨加工。

本發明，是基於上述的見解所發展的發明。亦即，本發明的目的是提供一種：擴大「施加於研磨體之荷重」的偵測範圍，即使研磨體通過「存在有微小的突起和異物的場所」，也能維持高精確度的研磨加工的研磨裝置。

本發明為研磨裝置，其特徵為具備：保持部，用來保持被研磨材；研磨體，用來研磨被前述保持部所保持的被研磨材；頭部，隔著彈性機構支承前述研磨材；驅動機構，促使前述頭部相對於前述被研磨材，朝向「與該被研磨材之間的分離距離產生變化」的方向形成相對移動；控制部，連接於前述驅動機構，用來控制前述驅動機構，在前述彈性機構，朝向抵銷前述頭部之荷重的方向提供彈性力。

根據本發明，由於可不透過測力計等來測量施加於研磨體的荷重，故可提供一種：能擴大該荷重的偵測範圍，即使研磨體通過「存在有微小的突起和異物的場所」，也能維持高精確度的研磨加工的研磨裝置。

前述研磨裝置，亦可連接於前述控制部，並具備用來測量前述研磨體對前述頭部之位置的位置感測器。在該場合中，可正確地測量研磨體對頭部的相對位置。

前述位置感測器，亦可為線性標度尺。在該場合中，可容易且正確地測量研磨體對頭部的相對位置。

前述控制部，亦可形成：依據前述位置感測器的測量值與前述彈性機構的彈簧常數，計算被施加於前述研磨體的荷重，而控制該荷重。在該場合中，可正確地控制研磨體的位置。

根據本發明，施加於研磨體的荷重並非藉由測力計等直接測量，故可提供一種：能擴大該荷重的偵測範圍，即使研磨體通過「存在有微小的突起和異物的場所」，也能維持高精確度的研磨加工的研磨裝置。

Wa‧‧‧被研磨材(晶圓)

10‧‧‧研磨體

11‧‧‧心軸

12‧‧‧研磨墊

20‧‧‧裝置本體

21‧‧‧塔柱

21a‧‧‧一側面

22‧‧‧臂

23‧‧‧基座

23a‧‧‧上表面

24‧‧‧驅動機構

30‧‧‧頭部

31‧‧‧研磨體支承構件

31a‧‧‧凸緣部

32‧‧‧彈性機構

32a‧‧‧加壓彈簧

32b‧‧‧平衡用彈簧

32c‧‧‧平衡用彈簧

33‧‧‧支承體

34‧‧‧線性標度尺(位置感測器)

34a‧‧‧固定體

34b‧‧‧可動體

35‧‧‧蓋

35a‧‧‧貫穿孔

50‧‧‧控制部

51‧‧‧偵測部

52‧‧‧記憶部

53‧‧‧判定部

54‧‧‧壓力評價部

60‧‧‧工作台

60a‧‧‧載置面

61‧‧‧支承塊

62‧‧‧突條

70‧‧‧底座

71‧‧‧平行溝

100‧‧‧研磨裝置

第1圖：是顯示本發明其中一種實施形態之研磨裝置的概略立體圖。

第2圖：是顯示第1圖之研磨裝置的頭部內部構造的概略立體圖。

第3圖：是顯示從第2圖的左上方，觀看第1圖之研磨裝置的頭部的概略側視圖。

第4圖：是在「平行於第3圖的紙面，且通過心軸(spindle)之軸心」的平面中，第3圖之頭部的概略剖面圖。

第5圖：是概略地顯示第1圖之研磨裝置的控制裝置的塊狀圖。

以下，參考圖面詳細地說明本發明的其中一種實施形態。

第1圖，是顯示本發明其中一種實施形態之研磨裝置100的概略立體圖。如第1圖所示，本實施形態的研磨裝置100具備：底座70；工作台60，被設在底座70上，作為用來保持被研磨材(晶圓Wa)的保持部；研磨體10，用來研磨工作台60所保持的被研磨材；頭部30，隔著彈性機構32(請參考第2圖)支承研磨體10；驅動機構24，使頭部30相對於裝置本體20朝Z座標方向(第1圖中的上下方向)移動；控制部50，連接於驅動機構24，用來控制該驅動機構24。

其中，工作台(保持部)60，是用來保持作為被研磨材之圓盤狀的晶圓Wa的構件。工作台60，是由「被配置於底座70上之長方體狀的支承塊61」所支承。

此外，研磨體10，是用來研磨工作台60所保持之晶圓Wa的構件。如第1圖所示，該研磨體10具有：心軸11；被安裝於該心軸11之一端部(第1圖的下端部)的研磨墊12。本實施形態的研磨墊12，採用直徑為10mm的圓盤狀物。

本實施形態的裝置本體20為以下所述的構件：隔著「使頭部30相對於晶圓Wa形成相對移動」的驅動機構24，支承該頭部30。如第1圖所示，裝置本體20具有：長方體狀的塔柱(column)21；其中一端隔著驅動機構24支承於塔柱21的一側面21a上之圓柱狀的臂22；在上表面23a支承著塔柱21之長方體狀的基座23。在臂22的另一端安裝有頭部30，而形成藉由驅動機構24使臂22在塔柱21的前述一側面21a上，朝垂直方向(第1圖的Z座標方向)移動。如此一來，可執行頭部30於Z座標方向的定位。

此外，本實施形態的塔柱21，可藉由已知的驅動機構，在基座23上朝臂22的長度方向(第1圖的X座標方向)移動，如此一來，可執行頭部30於X座標方向的定位。

此外，如第1圖所示，底座70，是用來支承工作台60的支承塊61及裝置本體20的構件。具體地說，工作台60及支承塊61，在底座70的上表面，被配置在對應於研磨體10的位置，本實施形態，在支承塊61的下表面設有：卡合於「沿著第1圖的Y座標方向刻畫於底座70上之2條平行溝71」的突條62，而形成該支承塊61可沿著該2條平行溝71移動。如此一來，可執行工作台60於Y座標方向的定位，亦即，頭部30相對於工作台60在Y座標方向的定位。本實施形態的工作台60，具有譬如直徑200mm的載置面60a。

接下來，針對頭部30進行更進一步的說明。第2圖，是顯示第1圖所示之研磨裝置100的頭部30之內部構造的概略立體圖，第3圖，是從第2圖的左上方觀看第1圖所示之研磨裝置100的頭部30時的概略側視圖，第4圖，是在「平行於第3圖的紙面，且通過心軸11之軸心」的平面中，第3圖之頭部30的概略剖面圖。

如第2圖~第4圖所示，本實施形態的頭部30，是用來支承研磨體10的構件。該頭部30，隔著彈性機構32被支承，且具有「用來支承研磨體10之心軸11」的研磨體支承構件31。在研磨體支承構件31的內部，設有驅動心軸11旋轉的已知驅動機構(圖面中未顯示)，而形成：以所期望的旋轉速度使研磨體10旋轉。如第4圖所示，研磨體支承構件31，呈現「在側面上具有凸緣部31a」的圓柱狀，在該凸緣部31a的上方設有：固定於臂22，包圍研磨體支承構件31的蓋35。如第2圖所示，蓋35的外形為八角柱狀。在蓋35，於上下方向形成有貫穿孔35a，在該貫穿孔35a內，研磨體支承構件31可朝上下方向移動。

此外，如第2圖所示，本實施形態的彈性機構32是由以下所構成：1個加壓彈簧32a，與研磨體支承構件31一起朝下方對研磨體10加壓；2個平衡用彈簧32b、32c，用來支承研磨體支承構件31本身的重量。加壓彈簧32a被設在研磨體支承構件31的上端，而形成：沿著研磨體10之心軸11的軸心產生彈力。此外，平衡用彈簧32b、32c，在加壓彈簧32a的Y軸方向兩側，與該加壓彈簧32a並列地設在蓋35的上表面。在本實施形態中，加壓彈簧32a的上端連結於支承體33，而形成透過該加壓彈簧32a，測量施加於研磨體10的荷重。

除此之外，研磨裝置100具備線性標度尺34，該線性標度尺34作為用來測量研磨體10相對於頭部30之垂直方向的座標(第2圖中的W座標)的位置感測器。如第2圖所示，線性標度尺34具有：透過被固定於研磨體支承構件31上端的固定體34a、與透過支承構件36被固定於蓋35上方的可動體34b。該線性標度尺34，測量研磨體支承構件31對蓋35的相對位置。然後形成：依據該測量值，控制裝置50對「研磨體10相對於頭部30的位置(W座標)」進行評價。

第5圖，為連接於第1圖所示之研磨裝置100的控制裝置50的概略塊狀圖。如第5圖所示，本實施形態的控制裝置50具有：偵測部51，用來偵測「研磨體10之心軸11的軸心」與「工作台60之旋轉的中心」之間的相對位置關係；記憶部52，用來記憶從位置控制朝荷重控制切換時，研磨體支承構件31的Z座標；判定部53，用來判定研磨體支承構件31是否已到達前述Z座標；壓力評價部54，依據由偵測部51所偵測之「研磨體10之心軸11的軸心」與「工作台60之旋轉的中心」之間的相對位置關係，來評價研磨墊12與晶圓Wa之間的接觸面積，並依據該接觸面積與線性標度尺34的測量值，評價施加於該晶圓Wa的壓力是否適當。

接著，針對本實施形態的研磨裝置100的作用進行說明。

首先，在研磨加工之前，使工作台60沿著「刻劃於底座70上的2條平行溝」進行定位，進而使工作台60之旋轉的中心、與研磨體10之心軸11的軸心在Y軸方向上形成一致。作為被研磨材的晶圓Wa，使研磨對象的面朝向上方而載置於該工作台60。接著，一旦研磨裝置100被使用者啟動，塔柱21將在基座23上移動，直到「工作台60之旋轉的中心」與「心軸11的軸心」在第1圖的X軸方向中形成一致。此時，為了使研磨體10的研磨墊12不會與工作台60的緣部形成干涉，在初期狀態中，頭部30退避至充分的高度。

然後，依據使用者的指示，研磨體10的心軸11及工作台60的驅動機構分別啟動，研磨體10及工作台60以所期望的速度旋轉。亦即，研磨墊12與晶圓Wa，分別以所期望的速度旋轉。在該狀態下，頭部30藉由設在塔柱21的驅動機構，與臂22一起朝下方移動，使研磨墊12抵接於晶圓Wa。在本實施形態中，為了執行平順的研磨加工，在研磨墊12抵接於晶圓Wa之前，對晶圓Wa的研磨對象面供給研磨液。

在本實施形態的研磨裝置100中，頭部30在「研磨墊12抵接於晶圓Wa」之前的移動，是依據位置控制所控制，亦即，是依據頭部30的位置(Z座標)的控制。接著，在研磨墊12抵接於晶圓Wa，且達成研磨時的目標荷重時，依據線性標度尺34所偵測之「研磨體10相對於頭部30的位置(W座標)」，切換成荷重控制。在本實施形態的荷重控制中，為了使施加於晶圓Wa與研磨墊12間之接觸面的壓力(面壓)形成一定，是斟酌彈性機構32的彈簧常數，來控制研磨體支承構件31的位置(W座標)。

從以上的說明可清楚得知，本實施形態的荷重控制，並非藉由「直接地測量施加於研磨體10的荷重」的方式執行，而是依據由線性標度尺34所測量之「研磨體10相對於頭部30的位置(W座標)」所執行。具體地說，是依據該W座標與彈性機構32的彈簧常數，評價施加於研磨體10的荷重，為了使該荷重成為預定的值，而控制頭部30的位置(Z座標)。

一旦荷重控制開始，壓力評價部54，即時(real time)監看研磨體支承構件31的W座標。研磨墊12，是從晶圓Wa的上方逐漸地靠近該晶圓Wa，同時從晶圓Wa的徑向外側朝向徑向內側移動。然後，研磨墊12的一部分抵接於晶圓Wa，而開始該晶圓Wa的研磨。研磨墊12，逐漸地朝晶圓Wa的徑向內側移動。伴隨於此，研磨墊12的研磨面與晶圓Wa之間的接觸面積逐漸地增大，最終該研磨面整體接觸於晶圓Wa，接觸面積形成一定。在本實施形態中，為了使施加於研磨墊12與晶圓Wa間之接觸面的壓力(面壓)形成一定，而控制頭部30的位置(Z座標)，因此施加於研磨體10的荷重，將於逐漸地增大後形成一定。

在伴隨著晶圓Wa的研磨加工，該晶圓Wa的厚度減少，且施加於研磨體10的荷重減少的場合中，頭部30藉由設在塔柱21的驅動機構24，與臂22一起朝下方移動。藉由該移動，研磨體10更用力地抵接於晶圓Wa，因此施加於研磨體10的荷重增大，且加壓彈簧32a受到壓縮。接著，倘若由線性標度尺34偵測出「研磨裝置100內所預先登錄之研磨體支承構件31的W座標」已經恢復，便停止移動。

在研磨晶圓Wa時，藉由使塔柱21在基座23上移動，使研磨體10沿著X座標方向從晶圓Wa其中一側的周緣部直線狀地移動至另一側的周緣部。在該研磨的過程中，一旦研磨體10通過「在晶圓Wa的表面存有微小的突起和異物的場所」，研磨體10將急遽地朝上方移動(被頂起)。

然而，由於在本實施形態中，是利用線性標度尺34 間接地測量荷重，因此可測量的荷重範圍，譬如較藉由測力計直接測量的場合更廣。

然後，一旦達成所期望的研磨加工，便停止研磨液的供給，同時藉由驅動機構24，使頭部30與臂22一起朝上方移動。然後，依據使用者的指示，停止研磨體10及工作台60的旋轉，將晶圓Wa從工作台60卸下。此時，可視需要，使塔柱21在基座23上朝第1圖之X座標的負值方向移動，使頭部30形成退避。

根據如以上所述的本實施形態，由於可不透過測力計等來測量施加於研磨體10的荷重，故可提供一種：能擴大該荷重的偵測範圍，即使研磨體10通過「存在有微小的突起和異物的場所」，也能維持高精確度的研磨加工的研磨裝置100。

在本實施形態中，由於採用線性標度尺34作為位置感測器，因此能正確地測量研磨體10對頭部30的相對位置。

雖然在本實施形態中，研磨體10透過心軸11而可旋轉地由研磨體支承構件31所支承，但該研磨體10不一定需要被支承成可旋轉。

接著，由於在本實施形態中，當達成研磨時的目標荷重時，從位置控制切換成荷重控制，但亦可在達成研磨時的目標荷重之前，切換成荷重控制。在該場合中，可避免起因於彈性機構32的回復力而產生之「對目標荷重的荷重過衝」。