両面研磨装置及びこれを用いた両面研磨方法
【課題】研磨後の各ウェーハの厚みバラツキを低減することが可能な非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法を提供する。
【解決手段】両面研磨装置１は、下定盤１０及び上定盤２０を含む回転定盤と、回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハ２を保持する複数のキャリア３と、複数のキャリア３を定位置で自転させる自転機構３０と、キャリア３の自転位置を変更するキャリア移動機構とを備え、研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、キャリア移動機構によってキャリア３の自転位置を変更した後、研磨動作を再開する。
【解決手段】両面研磨装置１は、下定盤１０及び上定盤２０を含む回転定盤と、回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハ２を保持する複数のキャリア３と、複数のキャリア３を定位置で自転させる自転機構３０と、キャリア３の自転位置を変更するキャリア移動機構とを備え、研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、キャリア移動機構によってキャリア３の自転位置を変更した後、研磨動作を再開する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハのポリッシング等に使用される両面研磨装置及び両面研磨方法に関し、特に、ウェーハを保持するキャリアが公転せず自転のみを行う非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの材料の一つであるシリコンウェーハは、単結晶シリコンインゴットから切り出された後、ラッピングやポリッシングと呼ばれる研磨処理を受ける。この研磨処理を行う装置として両面研磨装置が用いられている。
【０００３】
両面研磨装置は複数枚のウェーハ（ワーク）を一度に研磨するバッチ式の装置であり、キャリアにセットされたウェーハを回転定盤の中心部の周囲に等間隔に配置し、回転定盤を構成する上定盤と下定盤とでウェーハを挟み込んだ状態で研磨することにより、各ウェーハの両面を同時に研磨する。
【０００４】
両面研磨装置の研磨方式として遊星歯車方式が知られている。この方式は、回転定盤の中心部配置されたセンターギヤ（太陽ギヤ）と回転定盤の外周部に配置されたインターナルギヤとを用いて、ウェーハがセットされたキャリアを回転定盤上で公転させつつ自転させるものであり、これにより複数枚のウェーハの両面を均一に研磨することができる。
【０００５】
両面研磨装置の他の研磨方式として、キャリアが遊星運動しない非公転式の両面研磨装置も知られている（特許文献１参照）。遊星歯車方式の場合、ウェーハの大口径化に伴ってキャリアを公転させるインターナルギヤが大型化し、その加工精度が悪くなるため、ウェーハの研磨精度が低下するという問題がある。また、キャリアを公転させる場合には、研磨終了後のキャリアが研磨開始位置とは異なる任意の位置に停止しているため、ハンドリング機構を用いてキャリアを自動ローディングすることが難しい。しかし、この非公転式の両面研磨装置は、キャリアを定位置で自転するので、大型のインターナルギヤを省略することができ、研磨精度を高めることができる。また、キャリアは常に定位置にあるため、キャリアの自動ローディングも容易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２３４８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の非公転式の両面研磨装置は、キャリアが公転せず固定された位置で自転しているので、キャリアの自転位置によって研磨後のウェーハの厚みにバラツキが生じるという問題がある。すなわち、ある自転位置で研磨されたウェーハの厚みは常に目標厚みよりも厚くなり、また別の自転位置で研磨されたウェーハの厚みは目標厚みよりも常に薄くなるという傾向が見られる。このような厚みばらつきの傾向は、ウェーハにかかる不均等な荷重、装置構造の歪み、装置の組み立て精度のばらつき等の要因が積み重なって生じるものと考えられており、装置固有のものである。
【０００８】
上記の厚みバラツキは、キャリアが公転する遊星歯車方式の両面研磨装置ではほとんど問題にならない。部品の機械加工精度や装置の組み立て精度のばらつきがあったとしてもウェーハが回転定盤上を公転して一周することでばらつきが均一化されるからである。しかしながら、上記のように、遊星歯車方式の両面研磨装置では、インターナルギヤの加工精度の問題や、研磨終了時のキャリアの位置の問題があるため、非公転式の両面研磨装置においてウェーハの厚みバラツキを低減する工夫が望まれている。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、研磨後の各ウェーハの厚みバラツキを低減することが可能な非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明による両面研磨装置は、下定盤及び上定盤を含む回転定盤と、前記回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハを保持する複数のキャリアと、前記複数のキャリアを定位置で自転させる自転機構と、前記キャリアの自転位置を変更するキャリア移動機構とを備え、研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、前記キャリア移動機構によって前記キャリアの自転位置を変更した後、前記研磨動作を再開することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による両面研磨方法は、ウェーハがセットされた複数のキャリアを予め設定された研磨位置で自転させる非公転式の両面研磨装置を用いて複数枚のウェーハの両面を同時に研磨する両面研磨方法であって、前記複数枚のウェーハを前記キャリアにセットした状態で回転定盤上の定位置で自転させながら研磨する研磨工程と、前記研磨工程の途中でウェーハの位置をキャリアごと入れ替える位置変更工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、研磨期間中、ウェーハを常に同じ自転位置で研磨せず、研磨動作の途中で変更するので、自転位置が固有に有する厚みばらつきの傾向を吸収して均一化することができ、研磨後において各ウェーハの厚みバラツキを低減することができる。
【００１３】
本発明において、前記回転定盤は、前記キャリア移動機構を兼ねており、前記自転機構と前記複数のキャリアとの連結が解除された状態で、前記上定盤と前記下定盤との間に前記ウェーハ及び前記キャリアを挟み込んだまま前記上定盤と前記下定盤とを同一方向に所定の角度回転させることにより、各キャリアの自転位置を変更することが好ましい。この構成によれば、ウェーハ及びキャリアを回転定盤から取り出すことなく、ウェーハ及びキャリアの自転位置を変更することができる。また、ウェーハ及びキャリアの自転位置の変更の自動化も容易である。
【００１４】
本発明において、前記回転定盤は、前記複数のキャリアの各々を隣接のキャリアの自転位置まで回転移動させることが好ましい。また、ｎ枚の前記キャリアを使用する場合において、前記所定の角度は３６０／ｎ度であり、前記自転位置の変更をｎ−１回行うことが好ましい。
【００１５】
前記キャリア移動機構は、前記キャリアを持ち上げて移送するハンドリング機構であり、前記ハンドリング機構は、前記自転機構と前記キャリアとの連結が解除された状態で、一のキャリアの自転位置と他のキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることにより、前記キャリアの自転位置を変更することが好ましい。この構成によれば、両面研磨装置にウェーハ及びキャリアをセットする場合又は研磨後のウェーハ及びキャリアを両面研磨装置から取り出す際に用いられるハンドリング機構を利用して、ウェーハ及びキャリアの自転位置の変更を行うことができる。
【００１６】
ｎ枚のウェーハを同時に研磨する場合において、前記ｎ枚のウェーハのうち研磨後の厚みがｍ番目（ｍは１以上ｎ／２以下の整数）に厚いウェーハのキャリアの自転位置と、ｍ番目に薄いウェーハのキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることが好ましい。この構成によれば、最も少ない入れ替え動作により、ウェーハの厚みばらつきを低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、研磨後の各ウェーハの厚みバラツキを低減することが可能な非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による両面研磨装置の構成を示す略側面断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った両面研磨装置の略平面図である。
【図３】キャリア３を駆動するための動力伝達系統の平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による研磨方法（５ステップ研磨）を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４の研磨方法におけるウェーハ及びキャリアのローテーション動作を説明するための模式図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による研磨方法（２ステップ研磨）を説明するためのフローチャートである。
【図７】図６の研磨方法におけるウェーハ及びキャリアの入れ替え動作を説明するための模式図である。
【図８】比較例及び実施例１、２による研磨方法によって得た５枚のウェーハの厚みばらつき測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る両面研磨装置の構成を示す略側面断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った両面研磨装置の略平面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、両面研磨装置１は、下フレーム１０と、下フレーム１０の上方に設けられた上フレーム２０と、下フレーム１０側に設けられた下定盤１１と、上フレーム２０側に設けられた上定盤２１とを備えている。
【００２２】
下定盤１１及び上定盤２１は、複数枚のウェーハ２を挟み込んでその両面を研磨する回転定盤を構成しており、下定盤１１の上面及び上定盤２１の下面には研磨パッド１１ａ，２１ａがそれぞれ貼り付けられている。下定盤１１はモータ１３を駆動源とする回転駆動機構４によって回転駆動され、また上定盤２１はモータ２３を駆動源とする回転駆動機構５によって回転駆動される。
【００２３】
下定盤１１は、中心部に空洞を有する鉛直な回転支持軸１２の上端部に連結されている。回転支持軸１２は下フレーム１０に設けられた複数の軸受により回転自在に取付けられ、モータ１３により回転駆動されることにより、下定盤１１が回転する。すなわち、モータ１３の出力軸が減速機１４に連結され、減速機１４の出力軸に取付けられた歯車１４ａが、回転支持軸１２に取付けられた歯車１２ａに噛合することにより、回転支持軸１２が回転して下定盤１１を回転させる。
【００２４】
上定盤２１は、下定盤１１の上方において同心状に設けられており、鉛直な回転支持軸２２の下端部に連結されている。回転支持軸２２は、上フレーム２０内に複数の軸受を介して回転自在に支持されており、同じく上フレーム２０内に設けられたモータ２３の回転が減速機２４及び歯車２４ａ及び歯車２２ａを介して回転支持軸２２に伝達されることにより、上定盤２１は下定盤１１とは独立に回転駆動される。また、昇降機構としてのシリンダー６によって、上定盤２１は上フレーム２０内でモータ２３及び減速機２４と共に回転軸方向（上下方向）に昇降駆動される。
【００２５】
下定盤１１の中心部には、センターギヤ１５が下定盤１１に対して独立に回転し得るように支持されている。センターギヤ１５は、回転支持軸１２の中心部に形成された空洞を貫通する回転駆動軸１６により、下定盤１１とは独立して回転駆動される。すなわち、回転駆動軸１６の下端部に取付けられたプーリ１６ａと後述する減速機１８の出力軸に取付けられたプーリ１８ａがベルト１９によって連結されることで、回転駆動軸１６が回転し、センターギヤ１５を下定盤１１に対して独立に回転駆動する。
【００２６】
また、本実施形態においては、下フレーム１０上にハンドリング機構７が設けられている。ハンドリング機構７は、不図示のカセットに収容されたウェーハやキャリアを持ち上げて回転定盤上に移送し、或いは研磨後のウェーハやキャリアを回収する役割を果たす。また後述するウェーハキャリアの入れ替え時に使用することもできる。なお、ハンドリング機構７は下フレーム１０と別の独立した装置であってもよい。
【００２７】
図２に示すように、複数のキャリア３は下定盤１１の上面（主面）に放射状に配置されている。キャリア３はガラスエポキシ等の樹脂からなる円盤状の部材である。各キャリア３には、ウェーハ２を収容するウェーハ保持孔３ａが中心から偏心して設けられており、その直径はウェーハ２の直径とほぼ一致している。本実施形態では、一枚のキャリアに一枚のウェーハが収容される。キャリア３の外周面には外周歯３ｂが設けられており、外周歯３ｂはセンターギヤ１５と一対のアウターギヤ３１，３１に噛合している。
【００２８】
本実施形態による両面研磨装置１は、１バッチで５枚のウェーハを研磨処理するものであり、下定盤１１の周囲には、５つの自転機構３０が周方向に等間隔で配設されている。自転機構３０は、下定盤１１上に載置された対応するキャリア３をセンターギヤ１５と共同して定位置で回転駆動する。
【００２９】
各自転機構３０は、対応するキャリア３の外周歯３ｂに外側から対称的に噛み合う一対のアウターギヤ３１，３１を有する。アウターギヤ３１，３１は、回転軸方向に長い棒状の平歯車であって、薄肉で樹脂製からなる複数の平歯車を回転軸方向に積層することにより構成され、下フレーム１０に回転自在かつ昇降自在に取付けられている。すなわち、下フレーム１０には２つのガイドスリーブ３２，３２が鉛直に取付けられている。各ガイドスリーブ３２内には軸体３３が周方向及び軸方向に可動に貫通しており、その上端部にはアウターギヤ３１が取付けられている。軸体３３の下端部にはプーリ３４がスプライン結合されている。
【００３０】
一対の軸体３３，３３は、下フレーム１０に取付けられた昇降機構としてのシリンダー３５により上下に駆動される。これにより、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１は、プーリ３４，３４を定位置に残して軸方向に昇降駆動される。また、プーリ３４，３４が後述する駆動機構によって回転駆動されることにより、アウターギヤ３１，３１は同期して同方向に回転する。
【００３１】
図３はキャリア駆動のための動力伝達系統の平面図である。
【００３２】
図３及び図１に示すように、自転機構３０は、下フレーム１０に取付けられたモータ１７を駆動源とする回転駆動機構によって回転駆動される。モータ１７の出力軸は減速機１８に接続されている。減速機１８は、上下に突出する出力軸を有し、上側の出力軸にはプーリ１８ｂが取付けられている。そして、このプーリ１８ｂと、下定盤１１の周囲に配設された複数の自転機構３０の各プーリ３４にベルト３６が掛けられている。隣接する自転機構３０，３０間にはベルト３６のテンションを調整するためのアイドルローラ３７が設けられている。以上の構成において、モータ１７が作動すると、下定盤１１の周囲に配設された複数の自転機構３０の各アウターギヤ３１，３１は同期して同方向に回転する。
【００３３】
一方、減速機１８の下側の出力軸にはプーリ１８ａが取付けられている。プーリ１８ａは、前述したようにセンターギヤ１５の回転駆動軸１６の下端部に取付けられたプーリ１６ａにベルト１９によって連結されている。したがって、モータ１７が作動することによりセンターギヤ１５も回転する。センターギヤ１５の回転方向及び周速度は、複数の自転機構３０の各アウターギヤ３１の回転方向及び周速度と同じに設定されている。
【００３４】
次に、両面研磨装置１の基本的な動作について説明する。
【００３５】
ウェーハの研磨では、まず上定盤２１を上昇させ、各自転機構３０のアウターギヤ３１を定位置から下降させる。このようなアウターギヤ３１の連結が解除された待避状態で、下定盤１１上に５枚のキャリア３をそれぞれセットする。このときのキャリア３のセットはハンドリング機構７によって行うことができる。その後、アウターギヤ３１，３１を上昇させてキャリア３と連結させ、キャリア３の位置を固定する。このとき、各キャリア３の外周歯３ｂには、内側からセンターギヤ１５が噛み合い、外側からは対応する自転機構３０のアウターギヤ３１，３１が噛み合うようにアウターギヤ３１，３１を定位置まで上昇させる。そして、各キャリア３のウェーハ保持孔３ａにウェーハ２をセットする。
【００３６】
各キャリア３のウェーハ保持孔３ａにウェーハ２がセットされると、上定盤２１を下降させて、ウェーハ２を下定盤１１と上定盤２１との間（厳密には研磨パッド１１ａ，２１ａ間）に所定の圧力で挟む。
【００３７】
次に、ウェーハの研磨を開始する。ウェーハの研磨では、下定盤１１と上定盤２１とを逆方向に回転させるべく、モータ１３及びモータ２３を作動させる。また、これと同時にモータ１７を作動させる。
【００３８】
モータ１７が作動するとセンターギヤ１５が回転する。また、下定盤１１の周囲に配設された複数の自転機構３０において一対のアウターギヤ３１，３１が回転する。ここで、センターギヤ１５は外側のキャリア３に内側から噛み合っており、一対のアウターギヤ３１，３１は内側のキャリア３に外側の対称の位置から噛み合っている。また、センターギヤ１５の回転方向及び周速度は、アウターギヤ３１，３１の回転方向及び周速度と同一である。したがって、下定盤１１と上定盤２１との間のキャリア３は定位置で同方向に自転し、これにより、キャリア３内のウェーハ２は偏心回転運動を行う。また、研磨中、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１がキャリア３と噛み合った状態のまま回転軸方向に緩やかな周期で昇降を繰り返す。
【００３９】
各ウェーハ２の両面は、研磨パッド１１ａ，２１ａにより同時に研磨される。最初、キャリア３の厚みはウェーハ２よりも薄いが、研磨されることで徐々にキャリアの厚みに近づき、同じになるとウェーハはキャリアごと削られる。キャリアは消耗品であるが、何回か再利用が可能であり、そのリサイクル回数はウェーハの加工精度に応じて設定される。
【００４０】
詳細は後述するが、本発明においては全研磨期間にわたりウェーハを同じ自転位置で研磨せず、研磨の途中で変更する。その後、研磨が終了すると、設置時とは逆の動作によりウェーハを取り出す。すなわち、上定盤２１を上昇させ、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１を定位置から下降させる。そして、下定盤１１上のキャリア３からウェーハ２を取り出す。
【００４１】
このような両面研磨によると、キャリア３が定位置で同方向に自転し、センターギヤ１５の周囲を公転することがない。したがって、公転に使用されるインターナルギヤが不要であり、インターナルギヤの製作誤差等による研磨精度の低下がないため、キャリア３の直径が大きくなる大型装置では、従来装置と同等或いはそれ以上の研磨精度が確保される。また、回転定盤の外径に匹敵するような大きなインターナルギヤが省略され、その駆動機構も合わせて省略されるため、自転機構３０の付加を考慮しても装置が小型化され、そのコストダウンが図られる。
【００４２】
各自転機構３０では、アウターギヤ３１，３１が樹脂により構成されているので、キャリア３との噛み合いによっても金属粉を生じない。このため、金属粉によるウェーハ２の汚染が防止される。ちなみに、キャリア３も樹脂製である。また、金属製のものと比べて製作コストが安価である。自身の磨耗が懸念されるが、研磨中、昇降を繰り返すので、キャリア３との噛み合いによる局部磨耗が抑制され、且つ磨耗部分は、部分的な交換により修復されるので、磨耗によるコスト増は可及的に抑制される。アウターギヤ３１，３１の昇降は、キャリア３のセット及び取り外しの操作を簡単にする。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、複数の自転機構３０が共通の駆動源（モータ１７）により駆動され、その駆動源はセンターギヤ１５の駆動源も兼ねるため、これらの同期精度が高く、小型化も図られる。
【００４４】
一方、下定盤１１と上定盤２１とは、センターギヤ１５及び複数の自転機構３０に対して独立駆動されるが、これはそれぞれの回転速度を自在に変更でき、研磨条件を広範囲に設定できる利点がある。本発明ではキャリア３の公転がなく、その運動が単純であるため、下定盤１１及び上定盤２１の独立駆動により研磨条件を広範囲に設定できることは大きな意味をもつ。この点から下定盤１１と上定盤２１とをモータ１３，２３で別々に駆動することは一層有利である。
【００４５】
本発明による研磨方法は、全研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、キャリア３の自転位置を変更した後、研磨動作を再開することを特徴している。以下、キャリア３の自転位置の変更方法について説明する。
【００４６】
図４は、本発明の第１の実施形態による研磨方法を説明するためのフローチャートである。また、図５は、ウェーハ及びキャリアのローテーション動作を説明するための模式図である。
【００４７】
図４及び図５に示すように、第１の実施形態による研磨方法では、全研磨工程を５回の研磨ステップに分けて、１回の研磨ステップ（ステップＳ１０１）が終わるごとにキャリアのローテーションを行う。ローテーション動作では、研磨動作を途中で止めて、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１を待避位置に移動させてキャリア３との係合を解除させる（ステップＳ１０３）。そして、下定盤１１と上定盤２１との間にウェーハ２及びキャリア３を挟み込んだまま、下定盤１１及び上定盤２１を７２度回転させ、これにより各ウェーハ２及び各キャリア３を７２度回転させる（ステップＳ１０３）。そしてこのようなローテーション動作を４回繰り返し（ステップＳ１０２Ｙ、Ｓ１０４）、５回目の研磨ステップが終了することにより、一連の研磨動作を終了する（ステップＳ１０２Ｎ）。
【００４８】
図５に示すように、自転位置Ｐ１〜Ｐ５にキャリア３が配置されており、第１研磨ステップでは、各キャリア及びウェーハがこの位置で研磨処理される。次に、第２研磨ステップでは、自転位置Ｐ１にあったキャリア及びウェーハが自転位置Ｐ５に移動し、第３研磨ステップでは自転位置Ｐ４に移動し、第４研磨ステップでは自転位置Ｐ３に移動し、第５研磨ステップでは自転位置Ｐ２に移動する。このように、一つのキャリア３は各研磨ステップで自転位置を変え、自転位置Ｐ２での研磨ステップが終了すると、全研磨工程が完了となり、ウェーハの取り出しが行われる。
【００４９】
研磨動作中は下定盤１１及び上定盤２１を互いに逆方向に回転させるが、下定盤１１は比較的大きな軸受で軸支されており、軸受のわずかな加工精度のばらつき、軸受に組み込まれるボールベアリングの高さ方向のばらつき等の影響を受けて、その上に設けられた下定盤１１は上下動し、これが研磨圧力の変化となり、ウェーハの厚みばらつきを発生させる要因となる。キャリアが公転する遊星歯車方式の両面研磨装置ではこのばらつきが平均化されるため、各ウェーハの厚みばらつきが少ない。
【００５０】
このように、本実施形態においては、キャリア３が各自転位置をローテーションしていき、すべての自転位置で研磨処理されるので、公転機構に近い研磨工程を実現することができる。また、全研磨工程が終了時のウェーハの位置も決まっているので、ハンドリング機構７によるウェーハの取り出しも容易である。
【００５１】
図６は、本発明の第２の実施形態による研磨方法を説明するためのフローチャートである。また、図７は、ウェーハ及びキャリアの入れ替え動作を説明するための模式図である。
【００５２】
図６及び図７に示すように、第２の実施形態による研磨方法では、全研磨工程を２回の研磨ステップに分けて、第１研磨ステップ（ステップＳ２０１）が終了したとき、研磨後の厚みが１番厚いウェーハと５番目に厚い）ウェーハをキャリアごと相互に入れ替える（ステップＳ２０２）と共に、２番目に厚い自転位置Ｐ２のウェーハと２番目に薄い（４番目に厚い）ウェーハの位置を入れ替える（ステップＳ２０３）。その後、２回目の研磨ステップを実施する（ステップＳ２０４）。
【００５３】
より具体的には、研磨後のウェーハの厚みが自転位置によってＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５の順となる場合に、自転位置Ｐ１のウェーハと自転位置Ｐ５のウェーハとを相互に入れ替え、また自転位置Ｐ２のウェーハと自転位置Ｐ４のウェーハとを相互に入れ替える。このときの入れ替えは、ハンドリング機構７によって行ってもよく、人手によって行っても構わない。
【００５４】
上記のように、両面研磨装置は装置毎に固有の構造的な歪みを持っているので、研磨工程で現れるウェーハの厚みばらつきの傾向も常に同じであり、ある自転位置で研磨したウェーハは目標厚みよりもつねに厚くなったり、別の自転位置で研磨したウェーハは目標厚みよりも常に薄くなったりする傾向にある。このようなポジションの違いによる固有の厚みばらつきを平均化するため、ウェーハの自転位置を入れ替える。
【００５５】
このように、本実施形態においては、ウェーハの厚みばらつきの傾向を考慮してウェーハの自転位置を入れ替えるので、公転機構に近い研磨工程を実現することができる。また、全研磨工程が終了時のウェーハの位置も決まっているので、ハンドリング機構７によるウェーハの取り出しも容易である。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００５７】
例えば、上記実施形態においては、５枚のウェーハを同時に研磨しているが、本発明においてウェーハの同時処理枚数は特に限定されない。また、一枚のキャリアによって保持されるウェーハの枚数も特に限定されず、２枚以上であってもよい。さらに、キャリアの枚数も任意であるが、図４に示した５ステップ研磨では、キャリアの枚数に応じてローテーションの回数は変化し、ウェーハの枚数をｎ枚とするとき、ローテーション回数（自転位置の変更回数）はｎ−１回となる。
【実施例】
【００５８】
（比較例）
図１〜３に示した両面研磨装置を用いて従来の研磨方法による研磨を行った後、各自転位置Ｐ１〜Ｐ５で自転するキャリアに保持されていたウェーハＷ１〜Ｗ５の厚みを測定した。研磨時間は５０分とした。その結果、図８のグラフに示すように、ウェーハの厚みばらつきは比較的大きく、最も厚いもので７７０．５μｍ、最も薄いもので７６９．４μｍであり、厚みばらつき（両者の厚みの差）は１．１μｍであった。
【００５９】
（実施例１）
次に、同じ両面研磨装置を用いて図４及び図５に示した５ステップ研磨を行い、各キャリアに保持されたウェーハＷ１〜Ｗ５の厚みを測定した。全研磨時間は５０分とし、各研磨ステップの時間は１０分とした。その結果、図８のグラフに示すように、従来の研磨方法よりも厚みバラツキが小さく、最も厚いウェーハＷ１で７６８．１μｍ、最も薄いウェーハＷ５で７６７．６μｍであり、厚みばらつきは、０．５μｍであった。
【００６０】
（実施例２）
次に、同じ両面研磨装置を用いて図６及び図７に示した２ステップ研磨を行い、各キャリアに保持されたウェーハＷ１〜Ｗ５の厚みを測定した。全研磨時間は５０分とし、各研磨ステップの時間は２５分とした。２ステップ研磨では、従来の研磨方法で研磨したときのウェーハの厚みバラツキの結果（図８）を参考にし、最も厚いＰ２と最も薄いＰ１とを入れ替え、２番目に厚いＰ５と２番目に薄いＰ３とを入れ替えた。その結果、図８に示すように、従来の研磨方法よりも厚みバラツキが小さく、最も厚いウェーハＷ１で７６９．７μｍ、最も薄いウェーハＷ２で７６８．９μｍであり、厚みばらつきは、０．８μｍであった。
【符号の説明】
【００６１】
１ 両面研磨装置
２ ウェーハ
３ キャリア
３ａ キャリアのウェーハ保持孔
３ｂ キャリアの外周歯
４，５ 回転駆動機構
６ シリンダー
７ ハンドリング機構
１０ 下フレーム
１１ 下定盤
１１ａ，２１ａ 研磨パッド
１２ 回転支持軸
１２ａ，２２ａ 歯車
１３，２３ モータ
１４，２４ 減速機
１４ａ，２４ａ 歯車
１５ センターギヤ
１６ 回転駆動軸
１６ａ プーリ
１７ モータ
１８ 減速機
１８ａ，１８ｂ プーリ
１９ ベルト
２０ 上フレーム
２１ 上定盤
２２ 回転支持軸
３０ 自転機構
３１ アウターギヤ
３２ 各ガイドスリーブ
３２ ガイドスリーブ
３３ 軸体
３４ プーリ
３５ シリンダー
３６ ベルト
３７ アイドルローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハのポリッシング等に使用される両面研磨装置及び両面研磨方法に関し、特に、ウェーハを保持するキャリアが公転せず自転のみを行う非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの材料の一つであるシリコンウェーハは、単結晶シリコンインゴットから切り出された後、ラッピングやポリッシングと呼ばれる研磨処理を受ける。この研磨処理を行う装置として両面研磨装置が用いられている。
【０００３】
両面研磨装置は複数枚のウェーハ（ワーク）を一度に研磨するバッチ式の装置であり、キャリアにセットされたウェーハを回転定盤の中心部の周囲に等間隔に配置し、回転定盤を構成する上定盤と下定盤とでウェーハを挟み込んだ状態で研磨することにより、各ウェーハの両面を同時に研磨する。
【０００４】
両面研磨装置の研磨方式として遊星歯車方式が知られている。この方式は、回転定盤の中心部配置されたセンターギヤ（太陽ギヤ）と回転定盤の外周部に配置されたインターナルギヤとを用いて、ウェーハがセットされたキャリアを回転定盤上で公転させつつ自転させるものであり、これにより複数枚のウェーハの両面を均一に研磨することができる。
【０００５】
両面研磨装置の他の研磨方式として、キャリアが遊星運動しない非公転式の両面研磨装置も知られている（特許文献１参照）。遊星歯車方式の場合、ウェーハの大口径化に伴ってキャリアを公転させるインターナルギヤが大型化し、その加工精度が悪くなるため、ウェーハの研磨精度が低下するという問題がある。また、キャリアを公転させる場合には、研磨終了後のキャリアが研磨開始位置とは異なる任意の位置に停止しているため、ハンドリング機構を用いてキャリアを自動ローディングすることが難しい。しかし、この非公転式の両面研磨装置は、キャリアを定位置で自転するので、大型のインターナルギヤを省略することができ、研磨精度を高めることができる。また、キャリアは常に定位置にあるため、キャリアの自動ローディングも容易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３２３４８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の非公転式の両面研磨装置は、キャリアが公転せず固定された位置で自転しているので、キャリアの自転位置によって研磨後のウェーハの厚みにバラツキが生じるという問題がある。すなわち、ある自転位置で研磨されたウェーハの厚みは常に目標厚みよりも厚くなり、また別の自転位置で研磨されたウェーハの厚みは目標厚みよりも常に薄くなるという傾向が見られる。このような厚みばらつきの傾向は、ウェーハにかかる不均等な荷重、装置構造の歪み、装置の組み立て精度のばらつき等の要因が積み重なって生じるものと考えられており、装置固有のものである。
【０００８】
上記の厚みバラツキは、キャリアが公転する遊星歯車方式の両面研磨装置ではほとんど問題にならない。部品の機械加工精度や装置の組み立て精度のばらつきがあったとしてもウェーハが回転定盤上を公転して一周することでばらつきが均一化されるからである。しかしながら、上記のように、遊星歯車方式の両面研磨装置では、インターナルギヤの加工精度の問題や、研磨終了時のキャリアの位置の問題があるため、非公転式の両面研磨装置においてウェーハの厚みバラツキを低減する工夫が望まれている。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、研磨後の各ウェーハの厚みバラツキを低減することが可能な非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明による両面研磨装置は、下定盤及び上定盤を含む回転定盤と、前記回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハを保持する複数のキャリアと、前記複数のキャリアを定位置で自転させる自転機構と、前記キャリアの自転位置を変更するキャリア移動機構とを備え、研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、前記キャリア移動機構によって前記キャリアの自転位置を変更した後、前記研磨動作を再開することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による両面研磨方法は、ウェーハがセットされた複数のキャリアを予め設定された研磨位置で自転させる非公転式の両面研磨装置を用いて複数枚のウェーハの両面を同時に研磨する両面研磨方法であって、前記複数枚のウェーハを前記キャリアにセットした状態で回転定盤上の定位置で自転させながら研磨する研磨工程と、前記研磨工程の途中でウェーハの位置をキャリアごと入れ替える位置変更工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、研磨期間中、ウェーハを常に同じ自転位置で研磨せず、研磨動作の途中で変更するので、自転位置が固有に有する厚みばらつきの傾向を吸収して均一化することができ、研磨後において各ウェーハの厚みバラツキを低減することができる。
【００１３】
本発明において、前記回転定盤は、前記キャリア移動機構を兼ねており、前記自転機構と前記複数のキャリアとの連結が解除された状態で、前記上定盤と前記下定盤との間に前記ウェーハ及び前記キャリアを挟み込んだまま前記上定盤と前記下定盤とを同一方向に所定の角度回転させることにより、各キャリアの自転位置を変更することが好ましい。この構成によれば、ウェーハ及びキャリアを回転定盤から取り出すことなく、ウェーハ及びキャリアの自転位置を変更することができる。また、ウェーハ及びキャリアの自転位置の変更の自動化も容易である。
【００１４】
本発明において、前記回転定盤は、前記複数のキャリアの各々を隣接のキャリアの自転位置まで回転移動させることが好ましい。また、ｎ枚の前記キャリアを使用する場合において、前記所定の角度は３６０／ｎ度であり、前記自転位置の変更をｎ−１回行うことが好ましい。
【００１５】
前記キャリア移動機構は、前記キャリアを持ち上げて移送するハンドリング機構であり、前記ハンドリング機構は、前記自転機構と前記キャリアとの連結が解除された状態で、一のキャリアの自転位置と他のキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることにより、前記キャリアの自転位置を変更することが好ましい。この構成によれば、両面研磨装置にウェーハ及びキャリアをセットする場合又は研磨後のウェーハ及びキャリアを両面研磨装置から取り出す際に用いられるハンドリング機構を利用して、ウェーハ及びキャリアの自転位置の変更を行うことができる。
【００１６】
ｎ枚のウェーハを同時に研磨する場合において、前記ｎ枚のウェーハのうち研磨後の厚みがｍ番目（ｍは１以上ｎ／２以下の整数）に厚いウェーハのキャリアの自転位置と、ｍ番目に薄いウェーハのキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることが好ましい。この構成によれば、最も少ない入れ替え動作により、ウェーハの厚みばらつきを低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、研磨後の各ウェーハの厚みバラツキを低減することが可能な非公転式の両面研磨装置及び両面研磨方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好ましい実施形態による両面研磨装置の構成を示す略側面断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った両面研磨装置の略平面図である。
【図３】キャリア３を駆動するための動力伝達系統の平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による研磨方法（５ステップ研磨）を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４の研磨方法におけるウェーハ及びキャリアのローテーション動作を説明するための模式図である。
【図６】本発明の第２の実施形態による研磨方法（２ステップ研磨）を説明するためのフローチャートである。
【図７】図６の研磨方法におけるウェーハ及びキャリアの入れ替え動作を説明するための模式図である。
【図８】比較例及び実施例１、２による研磨方法によって得た５枚のウェーハの厚みばらつき測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る両面研磨装置の構成を示す略側面断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った両面研磨装置の略平面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、両面研磨装置１は、下フレーム１０と、下フレーム１０の上方に設けられた上フレーム２０と、下フレーム１０側に設けられた下定盤１１と、上フレーム２０側に設けられた上定盤２１とを備えている。
【００２２】
下定盤１１及び上定盤２１は、複数枚のウェーハ２を挟み込んでその両面を研磨する回転定盤を構成しており、下定盤１１の上面及び上定盤２１の下面には研磨パッド１１ａ，２１ａがそれぞれ貼り付けられている。下定盤１１はモータ１３を駆動源とする回転駆動機構４によって回転駆動され、また上定盤２１はモータ２３を駆動源とする回転駆動機構５によって回転駆動される。
【００２３】
下定盤１１は、中心部に空洞を有する鉛直な回転支持軸１２の上端部に連結されている。回転支持軸１２は下フレーム１０に設けられた複数の軸受により回転自在に取付けられ、モータ１３により回転駆動されることにより、下定盤１１が回転する。すなわち、モータ１３の出力軸が減速機１４に連結され、減速機１４の出力軸に取付けられた歯車１４ａが、回転支持軸１２に取付けられた歯車１２ａに噛合することにより、回転支持軸１２が回転して下定盤１１を回転させる。
【００２４】
上定盤２１は、下定盤１１の上方において同心状に設けられており、鉛直な回転支持軸２２の下端部に連結されている。回転支持軸２２は、上フレーム２０内に複数の軸受を介して回転自在に支持されており、同じく上フレーム２０内に設けられたモータ２３の回転が減速機２４及び歯車２４ａ及び歯車２２ａを介して回転支持軸２２に伝達されることにより、上定盤２１は下定盤１１とは独立に回転駆動される。また、昇降機構としてのシリンダー６によって、上定盤２１は上フレーム２０内でモータ２３及び減速機２４と共に回転軸方向（上下方向）に昇降駆動される。
【００２５】
下定盤１１の中心部には、センターギヤ１５が下定盤１１に対して独立に回転し得るように支持されている。センターギヤ１５は、回転支持軸１２の中心部に形成された空洞を貫通する回転駆動軸１６により、下定盤１１とは独立して回転駆動される。すなわち、回転駆動軸１６の下端部に取付けられたプーリ１６ａと後述する減速機１８の出力軸に取付けられたプーリ１８ａがベルト１９によって連結されることで、回転駆動軸１６が回転し、センターギヤ１５を下定盤１１に対して独立に回転駆動する。
【００２６】
また、本実施形態においては、下フレーム１０上にハンドリング機構７が設けられている。ハンドリング機構７は、不図示のカセットに収容されたウェーハやキャリアを持ち上げて回転定盤上に移送し、或いは研磨後のウェーハやキャリアを回収する役割を果たす。また後述するウェーハキャリアの入れ替え時に使用することもできる。なお、ハンドリング機構７は下フレーム１０と別の独立した装置であってもよい。
【００２７】
図２に示すように、複数のキャリア３は下定盤１１の上面（主面）に放射状に配置されている。キャリア３はガラスエポキシ等の樹脂からなる円盤状の部材である。各キャリア３には、ウェーハ２を収容するウェーハ保持孔３ａが中心から偏心して設けられており、その直径はウェーハ２の直径とほぼ一致している。本実施形態では、一枚のキャリアに一枚のウェーハが収容される。キャリア３の外周面には外周歯３ｂが設けられており、外周歯３ｂはセンターギヤ１５と一対のアウターギヤ３１，３１に噛合している。
【００２８】
本実施形態による両面研磨装置１は、１バッチで５枚のウェーハを研磨処理するものであり、下定盤１１の周囲には、５つの自転機構３０が周方向に等間隔で配設されている。自転機構３０は、下定盤１１上に載置された対応するキャリア３をセンターギヤ１５と共同して定位置で回転駆動する。
【００２９】
各自転機構３０は、対応するキャリア３の外周歯３ｂに外側から対称的に噛み合う一対のアウターギヤ３１，３１を有する。アウターギヤ３１，３１は、回転軸方向に長い棒状の平歯車であって、薄肉で樹脂製からなる複数の平歯車を回転軸方向に積層することにより構成され、下フレーム１０に回転自在かつ昇降自在に取付けられている。すなわち、下フレーム１０には２つのガイドスリーブ３２，３２が鉛直に取付けられている。各ガイドスリーブ３２内には軸体３３が周方向及び軸方向に可動に貫通しており、その上端部にはアウターギヤ３１が取付けられている。軸体３３の下端部にはプーリ３４がスプライン結合されている。
【００３０】
一対の軸体３３，３３は、下フレーム１０に取付けられた昇降機構としてのシリンダー３５により上下に駆動される。これにより、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１は、プーリ３４，３４を定位置に残して軸方向に昇降駆動される。また、プーリ３４，３４が後述する駆動機構によって回転駆動されることにより、アウターギヤ３１，３１は同期して同方向に回転する。
【００３１】
図３はキャリア駆動のための動力伝達系統の平面図である。
【００３２】
図３及び図１に示すように、自転機構３０は、下フレーム１０に取付けられたモータ１７を駆動源とする回転駆動機構によって回転駆動される。モータ１７の出力軸は減速機１８に接続されている。減速機１８は、上下に突出する出力軸を有し、上側の出力軸にはプーリ１８ｂが取付けられている。そして、このプーリ１８ｂと、下定盤１１の周囲に配設された複数の自転機構３０の各プーリ３４にベルト３６が掛けられている。隣接する自転機構３０，３０間にはベルト３６のテンションを調整するためのアイドルローラ３７が設けられている。以上の構成において、モータ１７が作動すると、下定盤１１の周囲に配設された複数の自転機構３０の各アウターギヤ３１，３１は同期して同方向に回転する。
【００３３】
一方、減速機１８の下側の出力軸にはプーリ１８ａが取付けられている。プーリ１８ａは、前述したようにセンターギヤ１５の回転駆動軸１６の下端部に取付けられたプーリ１６ａにベルト１９によって連結されている。したがって、モータ１７が作動することによりセンターギヤ１５も回転する。センターギヤ１５の回転方向及び周速度は、複数の自転機構３０の各アウターギヤ３１の回転方向及び周速度と同じに設定されている。
【００３４】
次に、両面研磨装置１の基本的な動作について説明する。
【００３５】
ウェーハの研磨では、まず上定盤２１を上昇させ、各自転機構３０のアウターギヤ３１を定位置から下降させる。このようなアウターギヤ３１の連結が解除された待避状態で、下定盤１１上に５枚のキャリア３をそれぞれセットする。このときのキャリア３のセットはハンドリング機構７によって行うことができる。その後、アウターギヤ３１，３１を上昇させてキャリア３と連結させ、キャリア３の位置を固定する。このとき、各キャリア３の外周歯３ｂには、内側からセンターギヤ１５が噛み合い、外側からは対応する自転機構３０のアウターギヤ３１，３１が噛み合うようにアウターギヤ３１，３１を定位置まで上昇させる。そして、各キャリア３のウェーハ保持孔３ａにウェーハ２をセットする。
【００３６】
各キャリア３のウェーハ保持孔３ａにウェーハ２がセットされると、上定盤２１を下降させて、ウェーハ２を下定盤１１と上定盤２１との間（厳密には研磨パッド１１ａ，２１ａ間）に所定の圧力で挟む。
【００３７】
次に、ウェーハの研磨を開始する。ウェーハの研磨では、下定盤１１と上定盤２１とを逆方向に回転させるべく、モータ１３及びモータ２３を作動させる。また、これと同時にモータ１７を作動させる。
【００３８】
モータ１７が作動するとセンターギヤ１５が回転する。また、下定盤１１の周囲に配設された複数の自転機構３０において一対のアウターギヤ３１，３１が回転する。ここで、センターギヤ１５は外側のキャリア３に内側から噛み合っており、一対のアウターギヤ３１，３１は内側のキャリア３に外側の対称の位置から噛み合っている。また、センターギヤ１５の回転方向及び周速度は、アウターギヤ３１，３１の回転方向及び周速度と同一である。したがって、下定盤１１と上定盤２１との間のキャリア３は定位置で同方向に自転し、これにより、キャリア３内のウェーハ２は偏心回転運動を行う。また、研磨中、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１がキャリア３と噛み合った状態のまま回転軸方向に緩やかな周期で昇降を繰り返す。
【００３９】
各ウェーハ２の両面は、研磨パッド１１ａ，２１ａにより同時に研磨される。最初、キャリア３の厚みはウェーハ２よりも薄いが、研磨されることで徐々にキャリアの厚みに近づき、同じになるとウェーハはキャリアごと削られる。キャリアは消耗品であるが、何回か再利用が可能であり、そのリサイクル回数はウェーハの加工精度に応じて設定される。
【００４０】
詳細は後述するが、本発明においては全研磨期間にわたりウェーハを同じ自転位置で研磨せず、研磨の途中で変更する。その後、研磨が終了すると、設置時とは逆の動作によりウェーハを取り出す。すなわち、上定盤２１を上昇させ、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１を定位置から下降させる。そして、下定盤１１上のキャリア３からウェーハ２を取り出す。
【００４１】
このような両面研磨によると、キャリア３が定位置で同方向に自転し、センターギヤ１５の周囲を公転することがない。したがって、公転に使用されるインターナルギヤが不要であり、インターナルギヤの製作誤差等による研磨精度の低下がないため、キャリア３の直径が大きくなる大型装置では、従来装置と同等或いはそれ以上の研磨精度が確保される。また、回転定盤の外径に匹敵するような大きなインターナルギヤが省略され、その駆動機構も合わせて省略されるため、自転機構３０の付加を考慮しても装置が小型化され、そのコストダウンが図られる。
【００４２】
各自転機構３０では、アウターギヤ３１，３１が樹脂により構成されているので、キャリア３との噛み合いによっても金属粉を生じない。このため、金属粉によるウェーハ２の汚染が防止される。ちなみに、キャリア３も樹脂製である。また、金属製のものと比べて製作コストが安価である。自身の磨耗が懸念されるが、研磨中、昇降を繰り返すので、キャリア３との噛み合いによる局部磨耗が抑制され、且つ磨耗部分は、部分的な交換により修復されるので、磨耗によるコスト増は可及的に抑制される。アウターギヤ３１，３１の昇降は、キャリア３のセット及び取り外しの操作を簡単にする。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、複数の自転機構３０が共通の駆動源（モータ１７）により駆動され、その駆動源はセンターギヤ１５の駆動源も兼ねるため、これらの同期精度が高く、小型化も図られる。
【００４４】
一方、下定盤１１と上定盤２１とは、センターギヤ１５及び複数の自転機構３０に対して独立駆動されるが、これはそれぞれの回転速度を自在に変更でき、研磨条件を広範囲に設定できる利点がある。本発明ではキャリア３の公転がなく、その運動が単純であるため、下定盤１１及び上定盤２１の独立駆動により研磨条件を広範囲に設定できることは大きな意味をもつ。この点から下定盤１１と上定盤２１とをモータ１３，２３で別々に駆動することは一層有利である。
【００４５】
本発明による研磨方法は、全研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、キャリア３の自転位置を変更した後、研磨動作を再開することを特徴している。以下、キャリア３の自転位置の変更方法について説明する。
【００４６】
図４は、本発明の第１の実施形態による研磨方法を説明するためのフローチャートである。また、図５は、ウェーハ及びキャリアのローテーション動作を説明するための模式図である。
【００４７】
図４及び図５に示すように、第１の実施形態による研磨方法では、全研磨工程を５回の研磨ステップに分けて、１回の研磨ステップ（ステップＳ１０１）が終わるごとにキャリアのローテーションを行う。ローテーション動作では、研磨動作を途中で止めて、自転機構３０のアウターギヤ３１，３１を待避位置に移動させてキャリア３との係合を解除させる（ステップＳ１０３）。そして、下定盤１１と上定盤２１との間にウェーハ２及びキャリア３を挟み込んだまま、下定盤１１及び上定盤２１を７２度回転させ、これにより各ウェーハ２及び各キャリア３を７２度回転させる（ステップＳ１０３）。そしてこのようなローテーション動作を４回繰り返し（ステップＳ１０２Ｙ、Ｓ１０４）、５回目の研磨ステップが終了することにより、一連の研磨動作を終了する（ステップＳ１０２Ｎ）。
【００４８】
図５に示すように、自転位置Ｐ１〜Ｐ５にキャリア３が配置されており、第１研磨ステップでは、各キャリア及びウェーハがこの位置で研磨処理される。次に、第２研磨ステップでは、自転位置Ｐ１にあったキャリア及びウェーハが自転位置Ｐ５に移動し、第３研磨ステップでは自転位置Ｐ４に移動し、第４研磨ステップでは自転位置Ｐ３に移動し、第５研磨ステップでは自転位置Ｐ２に移動する。このように、一つのキャリア３は各研磨ステップで自転位置を変え、自転位置Ｐ２での研磨ステップが終了すると、全研磨工程が完了となり、ウェーハの取り出しが行われる。
【００４９】
研磨動作中は下定盤１１及び上定盤２１を互いに逆方向に回転させるが、下定盤１１は比較的大きな軸受で軸支されており、軸受のわずかな加工精度のばらつき、軸受に組み込まれるボールベアリングの高さ方向のばらつき等の影響を受けて、その上に設けられた下定盤１１は上下動し、これが研磨圧力の変化となり、ウェーハの厚みばらつきを発生させる要因となる。キャリアが公転する遊星歯車方式の両面研磨装置ではこのばらつきが平均化されるため、各ウェーハの厚みばらつきが少ない。
【００５０】
このように、本実施形態においては、キャリア３が各自転位置をローテーションしていき、すべての自転位置で研磨処理されるので、公転機構に近い研磨工程を実現することができる。また、全研磨工程が終了時のウェーハの位置も決まっているので、ハンドリング機構７によるウェーハの取り出しも容易である。
【００５１】
図６は、本発明の第２の実施形態による研磨方法を説明するためのフローチャートである。また、図７は、ウェーハ及びキャリアの入れ替え動作を説明するための模式図である。
【００５２】
図６及び図７に示すように、第２の実施形態による研磨方法では、全研磨工程を２回の研磨ステップに分けて、第１研磨ステップ（ステップＳ２０１）が終了したとき、研磨後の厚みが１番厚いウェーハと５番目に厚い）ウェーハをキャリアごと相互に入れ替える（ステップＳ２０２）と共に、２番目に厚い自転位置Ｐ２のウェーハと２番目に薄い（４番目に厚い）ウェーハの位置を入れ替える（ステップＳ２０３）。その後、２回目の研磨ステップを実施する（ステップＳ２０４）。
【００５３】
より具体的には、研磨後のウェーハの厚みが自転位置によってＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５の順となる場合に、自転位置Ｐ１のウェーハと自転位置Ｐ５のウェーハとを相互に入れ替え、また自転位置Ｐ２のウェーハと自転位置Ｐ４のウェーハとを相互に入れ替える。このときの入れ替えは、ハンドリング機構７によって行ってもよく、人手によって行っても構わない。
【００５４】
上記のように、両面研磨装置は装置毎に固有の構造的な歪みを持っているので、研磨工程で現れるウェーハの厚みばらつきの傾向も常に同じであり、ある自転位置で研磨したウェーハは目標厚みよりもつねに厚くなったり、別の自転位置で研磨したウェーハは目標厚みよりも常に薄くなったりする傾向にある。このようなポジションの違いによる固有の厚みばらつきを平均化するため、ウェーハの自転位置を入れ替える。
【００５５】
このように、本実施形態においては、ウェーハの厚みばらつきの傾向を考慮してウェーハの自転位置を入れ替えるので、公転機構に近い研磨工程を実現することができる。また、全研磨工程が終了時のウェーハの位置も決まっているので、ハンドリング機構７によるウェーハの取り出しも容易である。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００５７】
例えば、上記実施形態においては、５枚のウェーハを同時に研磨しているが、本発明においてウェーハの同時処理枚数は特に限定されない。また、一枚のキャリアによって保持されるウェーハの枚数も特に限定されず、２枚以上であってもよい。さらに、キャリアの枚数も任意であるが、図４に示した５ステップ研磨では、キャリアの枚数に応じてローテーションの回数は変化し、ウェーハの枚数をｎ枚とするとき、ローテーション回数（自転位置の変更回数）はｎ−１回となる。
【実施例】
【００５８】
（比較例）
図１〜３に示した両面研磨装置を用いて従来の研磨方法による研磨を行った後、各自転位置Ｐ１〜Ｐ５で自転するキャリアに保持されていたウェーハＷ１〜Ｗ５の厚みを測定した。研磨時間は５０分とした。その結果、図８のグラフに示すように、ウェーハの厚みばらつきは比較的大きく、最も厚いもので７７０．５μｍ、最も薄いもので７６９．４μｍであり、厚みばらつき（両者の厚みの差）は１．１μｍであった。
【００５９】
（実施例１）
次に、同じ両面研磨装置を用いて図４及び図５に示した５ステップ研磨を行い、各キャリアに保持されたウェーハＷ１〜Ｗ５の厚みを測定した。全研磨時間は５０分とし、各研磨ステップの時間は１０分とした。その結果、図８のグラフに示すように、従来の研磨方法よりも厚みバラツキが小さく、最も厚いウェーハＷ１で７６８．１μｍ、最も薄いウェーハＷ５で７６７．６μｍであり、厚みばらつきは、０．５μｍであった。
【００６０】
（実施例２）
次に、同じ両面研磨装置を用いて図６及び図７に示した２ステップ研磨を行い、各キャリアに保持されたウェーハＷ１〜Ｗ５の厚みを測定した。全研磨時間は５０分とし、各研磨ステップの時間は２５分とした。２ステップ研磨では、従来の研磨方法で研磨したときのウェーハの厚みバラツキの結果（図８）を参考にし、最も厚いＰ２と最も薄いＰ１とを入れ替え、２番目に厚いＰ５と２番目に薄いＰ３とを入れ替えた。その結果、図８に示すように、従来の研磨方法よりも厚みバラツキが小さく、最も厚いウェーハＷ１で７６９．７μｍ、最も薄いウェーハＷ２で７６８．９μｍであり、厚みばらつきは、０．８μｍであった。
【符号の説明】
【００６１】
１ 両面研磨装置
２ ウェーハ
３ キャリア
３ａ キャリアのウェーハ保持孔
３ｂ キャリアの外周歯
４，５ 回転駆動機構
６ シリンダー
７ ハンドリング機構
１０ 下フレーム
１１ 下定盤
１１ａ，２１ａ 研磨パッド
１２ 回転支持軸
１２ａ，２２ａ 歯車
１３，２３ モータ
１４，２４ 減速機
１４ａ，２４ａ 歯車
１５ センターギヤ
１６ 回転駆動軸
１６ａ プーリ
１７ モータ
１８ 減速機
１８ａ，１８ｂ プーリ
１９ ベルト
２０ 上フレーム
２１ 上定盤
２２ 回転支持軸
３０ 自転機構
３１ アウターギヤ
３２ 各ガイドスリーブ
３２ ガイドスリーブ
３３ 軸体
３４ プーリ
３５ シリンダー
３６ ベルト
３７ アイドルローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下定盤及び上定盤を含む回転定盤と、前記回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハを保持する複数のキャリアと、前記複数のキャリアを定位置で自転させる自転機構と、前記キャリアの自転位置を変更するキャリア移動機構とを備え、
研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、前記キャリア移動機構によって前記キャリアの自転位置を変更した後、前記研磨動作を再開することを特徴とする両面研磨装置。
【請求項２】
前記回転定盤は、前記キャリア移動機構を兼ねており、前記自転機構と前記複数のキャリアとの連結が解除された状態で、前記上定盤と前記下定盤との間に前記ウェーハ及び前記キャリアを挟み込んだまま前記上定盤と前記下定盤とを同一方向に所定の角度回転させることにより、各キャリアの自転位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
【請求項３】
前記回転定盤は、前記複数のキャリアの各々を隣接のキャリアの自転位置まで回転移動させることを特徴とする請求項２に記載の両面研磨装置。
【請求項４】
ｎ枚の前記キャリアを使用する場合において、前記所定の角度は３６０／ｎ度であり、前記自転位置の変更をｎ−１回行うことを特徴とする請求項２に記載の両面研磨装置。
【請求項５】
前記キャリア移動機構は、前記キャリアを持ち上げて移送するハンドリング機構であり、
前記ハンドリング機構は、前記自転機構と前記キャリアとの連結が解除された状態で、一のキャリアの自転位置と他のキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることにより、前記キャリアの自転位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
【請求項６】
ｎ枚のウェーハを同時に研磨する場合において、前記ｎ枚のウェーハのうち研磨後の厚みがｍ番目（ｍは１以上ｎ／２以下の整数）に厚いウェーハのキャリアの自転位置と、ｍ番目に薄いウェーハのキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることを特徴とする請求項５に両面研磨装置。
【請求項７】
ウェーハがセットされた複数のキャリアを予め設定された研磨位置で自転させる非公転式の両面研磨装置を用いて複数枚のウェーハの両面を同時に研磨する両面研磨方法であって、
前記複数枚のウェーハを前記キャリアにセットした状態で回転定盤上の定位置で自転させながら研磨する研磨工程と、
前記研磨工程の途中でウェーハの位置をキャリアごと入れ替える位置変更工程とを備えることを特徴とする両面研磨方法。
【請求項８】
前記回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハを保持する複数のキャリアを定位置で自転させながら、前記回転定盤を回転させて前記ウェーハの両面を研磨する研磨工程と、
研磨工程の途中で研磨を一時停止し、前記キャリアの自転位置を変更した後、前記研磨を再開することを特徴とする請求項７に記載の両面研磨方法。
【請求項９】
ｎ枚のウェーハを同時に研磨する場合において、前記ｎ枚のウェーハのうち研磨後の厚みがｍ番目（ｍは１以上ｎ／２以下の整数）に厚いウェーハのキャリアの自転位置と、ｍ番目に薄いウェーハのキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることを特徴とする請求項７に両面研磨方法。
【請求項１】
下定盤及び上定盤を含む回転定盤と、前記回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハを保持する複数のキャリアと、前記複数のキャリアを定位置で自転させる自転機構と、前記キャリアの自転位置を変更するキャリア移動機構とを備え、
研磨工程の途中で研磨動作を一時停止し、前記キャリア移動機構によって前記キャリアの自転位置を変更した後、前記研磨動作を再開することを特徴とする両面研磨装置。
【請求項２】
前記回転定盤は、前記キャリア移動機構を兼ねており、前記自転機構と前記複数のキャリアとの連結が解除された状態で、前記上定盤と前記下定盤との間に前記ウェーハ及び前記キャリアを挟み込んだまま前記上定盤と前記下定盤とを同一方向に所定の角度回転させることにより、各キャリアの自転位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
【請求項３】
前記回転定盤は、前記複数のキャリアの各々を隣接のキャリアの自転位置まで回転移動させることを特徴とする請求項２に記載の両面研磨装置。
【請求項４】
ｎ枚の前記キャリアを使用する場合において、前記所定の角度は３６０／ｎ度であり、前記自転位置の変更をｎ−１回行うことを特徴とする請求項２に記載の両面研磨装置。
【請求項５】
前記キャリア移動機構は、前記キャリアを持ち上げて移送するハンドリング機構であり、
前記ハンドリング機構は、前記自転機構と前記キャリアとの連結が解除された状態で、一のキャリアの自転位置と他のキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることにより、前記キャリアの自転位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の両面研磨装置。
【請求項６】
ｎ枚のウェーハを同時に研磨する場合において、前記ｎ枚のウェーハのうち研磨後の厚みがｍ番目（ｍは１以上ｎ／２以下の整数）に厚いウェーハのキャリアの自転位置と、ｍ番目に薄いウェーハのキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることを特徴とする請求項５に両面研磨装置。
【請求項７】
ウェーハがセットされた複数のキャリアを予め設定された研磨位置で自転させる非公転式の両面研磨装置を用いて複数枚のウェーハの両面を同時に研磨する両面研磨方法であって、
前記複数枚のウェーハを前記キャリアにセットした状態で回転定盤上の定位置で自転させながら研磨する研磨工程と、
前記研磨工程の途中でウェーハの位置をキャリアごと入れ替える位置変更工程とを備えることを特徴とする両面研磨方法。
【請求項８】
前記回転定盤の中心部の周囲に設けられ、研磨対象のウェーハを保持する複数のキャリアを定位置で自転させながら、前記回転定盤を回転させて前記ウェーハの両面を研磨する研磨工程と、
研磨工程の途中で研磨を一時停止し、前記キャリアの自転位置を変更した後、前記研磨を再開することを特徴とする請求項７に記載の両面研磨方法。
【請求項９】
ｎ枚のウェーハを同時に研磨する場合において、前記ｎ枚のウェーハのうち研磨後の厚みがｍ番目（ｍは１以上ｎ／２以下の整数）に厚いウェーハのキャリアの自転位置と、ｍ番目に薄いウェーハのキャリアの自転位置とを相互に入れ替えることを特徴とする請求項７に両面研磨方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４３８３９（Ｐ２０１２−１４３８３９Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４２３７（Ｐ２０１１−４２３７）
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１２日（２０１１．１．１２）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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