JP2000084837A - 研摩ヘッド及び研摩方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研摩ヘッドに水膜を介したハイドロチャッ
クでウェハを保持する際、ウェハの被研摩面の平面度誤
差と研摩パッド面の平面度誤差とにより、被研摩面に研
摩圧の不均一性が生じるために、充分な均一研摩が実現
できないという問題を解決すること。 【解決手段】ウェハを水膜を介して保持し、対向する研
摩パッドとの間に研摩剤を介在させ、研摩パッドとの間
に相対運動を与えることによりウェハを研摩する研摩ヘ
ッドに於いて、研摩ヘッドに、水膜の厚み分布を制御す
るための厚み制御部を設けることによりこの問題を解決
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガラス基盤ディス
ク、半導体ウェハ、セラミックス、金属、プラスチッ
ク、等の厚みが薄い平面状の被研摩部材の研摩に用いる
研摩ヘッド及び研摩方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高集積化、微細化に伴
って半導体製造プロセスの工程が増加し複雑になってき
ている。これに伴い、半導体デバイスの表面は必ずしも
平坦ではなくなってきている。電極膜では表面に於ける
段差の存在は配線の段切れによる断線や、局所的な抵抗
の増大や、電気容量の低下などをもたらす。また、絶縁
膜では耐電圧性の低下やリーク電流の発生にもつなが
る。

【０００３】一方、半導体集積回路の高集積化、微細化
に伴って光リソグラフィの光源波長は短くなり、開口数
いわゆるＮＡが大きくなってきていることに伴い、半導
体露光装置の焦点深度が浅くなってきている。浅い焦点
深度に対応するためには、今まで以上にデバイス表面の
平坦化が要求されている。さらに、金属電極層の埋め込
みであるいわゆる象嵌（プラグ、ダマシン）の要求も高
く、この場合、金属層の積層後の余分な金属層の除去及
び平坦化が不可欠な工程となる。

【０００４】このようなデバイス表面を平坦化する方法
としては、化学的機械的研摩（Chemical Mechanical Po
lishing 又はChemical Mechanical Planarization 、こ
れよりＣＭＰと呼ぶ）技術が有望な方法と考えられてい
る。ＣＭＰはシリコンウェハの鏡面研摩法を基に発展し
ており、図２に示すような装置を用いて行われている。
これはＣＭＰ装置を横から見た図である。１０１は研摩
パッド、１００は研摩パッド１０１を保持するプラテ
ン、１０２は被研摩部材であるウェハ、１０３は被研摩
部材１０２を保持する研磨ヘッド、１０４は研摩剤（ス
ラリー）供給部、１０５は研摩剤（スラリー）である。

【０００５】被研摩部材であるウェハ１０２を研摩ヘッ
ド１０３により保持し、研摩ヘッド１０３を回転させな
がら揺動して、研摩パッド１０１に所定の圧力２６で押
し付ける。研摩パッド１０１も回転させ、ウェハ１０２
との間で相対運動を行わせる。この状態で、研摩剤１０
５を研摩剤供給部１０４から研摩パッド１０１上に供給
する、研摩剤１０５は研摩パッド１０１上で拡散し、研
摩パッド１０１とウェハ１との相対運動に伴って研摩パ
ッド１０１とウェハ１０２との間に入り込み、ウェハ１
０２の表面を研摩する。即ち、研摩パッド１０１とウェ
ハ１０２の相対運動による機械的研摩と、研摩剤１０５
の化学的作用が相乗的に作用して良好な研摩が行われ
る。

【０００６】図３は従来の研摩ヘッド１０３を研摩パッ
ド１０１との関係で説明する詳細図である。この研摩ヘ
ッド１０３は基板プレート３と保持パッド１６と保持リ
ング５とを具え、ウェハ１０２を保持パッド１６に押し
当てて水貼りにて保持する。外周部の保持リング５はウ
ェハ１０２の飛び出しを防止するために取り付けられ
る。保持リング５は研摩パッド１０１に接触させないよ
うに高さを調整する。

【０００７】ところで図２に示すような従来の研摩ヘッ
ドでウェハを保持するに当たって、ウェハの裏面を保持
パッド１６に密着させるが、保持パッドの面とウェハの
裏面とを全面に渡って均一な密着圧力で密着させること
は一般に困難である。この密着圧力の不均一性は、ウェ
ハが研摩パッドに押し付けられ、ウェハの被研摩面に研
摩圧がかけられた状態で生じ、ウェハの厚みが薄いた
め、ウェハに弾性変形を与える方向に作用し、その結
果、ウェハの被研摩面に研摩圧の不均一性を生じせしめ
る。仮にウェハの披研摩面が無加圧状態で完全な平面で
あり、研摩パッド面も完全な平面であったとしても、こ
の研摩圧の不均一性は避けることができない。この研摩
圧の不均一性は一般に被研摩面に於ける研摩速度の不均
一性の原因になるため、除去研摩厚みの面内均一性が必
要であるＣＭＰに於いて特に問題となる。

【０００８】そのため、従来ハイドロチャックによるウ
ェハの保持方法が開発されている。この方法は、ウェハ
の裏面を保持パッドに密着させ、上記のように保持パッ
ドを介して研摩圧を与えるのではなく、ウェハの裏面に
水膜を接触させ、ウェハを水膜を介して基板プレートに
貼りつけ、水による水圧を介して研摩圧を与えるもので
ある。水膜内の圧力はどこでも一定であるという法則に
よりウェハ裏面の密着圧の均一性が図れ、その結果、研
摩圧の均一性が、そして研摩速度の均一性が、更には除
去研摩厚みの面内均一性が期待できるものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記ハイドロチャック
によるウェハの保持方法は、ウェハの被研摩面に於ける
除去研摩膜厚の面内均一性が期待できるものの、現実に
は必ずしも均一研摩が実現できていない。その理由を以
下のように推定している。第一は、ウェハの被研摩面は
必ずしも平面ではないこと。第二は、研摩パッド面が必
ずしも平面ではないこと。これらの理由で仮にハイドロ
チャックが水膜を介してウェハを研摩パッドに押し付け
たときに、ハイドロチャック自体は直接ウェハに研摩圧
の不均一性を与えなくても、平面でない被研摩面が平面
でない研摩パッド面にウェハと研摩パッドの双方が互い
に押し付けられた時には、撓みによって双方が密着し
て、ウェハの被研摩面に於ける撓みの不均一性に依存し
た研摩圧の不均一性が生じるからである。

【００１０】このためハイドロチャックによる保持方法
では充分に均一研摩が実現できない。本発明は、以上の
問題を解決し、ウェハの被研摩面の平面度誤差が大き
く、研摩パッド面の平面度誤差が大きくても、被研摩部
材（ウェハ）の被研摩面内の除去研摩厚の面内均一性が
良い、均一研摩が実現できる簡単な構造の研摩ヘッド
を、更には均一研摩の方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題を解
決するため、基板プレートに水膜を介して被研摩部材を
貼りつける際、水膜の厚み分布を制御し、その厚み分布
によって被研摩面の研摩圧分布を制御することを試み
る。そのため、基板プレートに複数の小径穴を設け、そ
の小径穴を適当な分布で設けることにより、被研摩面の
研摩圧分布を均一にし、その結果、除去研摩厚分布の均
一化を図る。

【００１２】 本発明はそのため、第一に「被研摩部材を
水膜を介して保持し、対向する研摩パッドとの間に研摩
剤を介在させ、前記研摩パッドとの間に相対運動を与え
ることにより前記被研摩部材を研摩する研摩ヘッドに於
いて、前記研摩ヘッドが、前記水膜の厚み分布を制御す
る厚み制御部を具えること特徴とする研摩ヘッド（請求
項１）」を提供する。

【００１３】 第二に「請求項１記載の研摩ヘッドを用い
て被研摩部材を研摩する研摩方法（請求項２）」を提供
する。 第三に「前記被研摩部材が、半導体ウェハである
ことを特徴とする請求項１記載の研摩ヘッド（請求項
３）」を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１を用いて本発明の実施
の形態を説明するが、本発明はこれに限られるものでは
ない。研摩ヘッド１は、本体９、上下主軸８、基板プレ
ート３及び保持リング５を具える。

【００１５】 基板プレート３は、水膜の厚み制御部とし
ての複数組みの調整部６と小径穴２とを具える。調整部
６を適宜調整ネジ１５で塞ぐことによりその位置の小径
穴２を塞ぎ、その位置の水膜厚を制御する。基板プレー
ト３の材料は、不都合なイオンの溶出がない材料であれ
ば特に制限はないが、ステンレスは好ましい例である。

【００１６】本体９に組み込まれた基板プレート３は上
下主軸８に固定ネジ１０にて固定されており、上下主軸
８には下限ストッパー１２を介して所定の荷重２１が掛
けられる。本体９にはボールエンド型ベアリング１１が
固定され、上下主軸８はボールエンド型ベアリング１１
に嵌合され、上下主軸８が本体９に対して偏揺れ運動
（ＹＡＷＩＮＧ）と上下スラスト運動が可能なように作
られている。

【００１７】これの目的は被研摩部材１０２の被研摩面
の研摩パッド１０１面への加圧状態で、被研摩部材１０
２の被研摩面と研摩パッド１０１面との平行性を確保す
るためである。本体９の外周部には被研摩部材１０２を
保持するための保持リング５が固定ネジ３０で固定され
ている。保持リング５の材質は溶出物が少なく、磨滅片
が研摩品質に悪影響を与えないものならば特に制限はな
いが、好ましくは被研摩部材と同一材料である。

【００１８】下限ストッパ１２は、上下主軸８が本体９
に対して最も下がった状態で、被研摩部材１０２の上面
の高さを保持リング５の下面以上に保ち、被研摩部材１
０２が保持リング５より飛び出さないようにするための
ものである。研摩するに当たって、純水１４を供給し、
被研摩部材１０２を基板プレ−ト３に水貼りにて取り付
け、荷重２１を掛ける。純水１４の供給量は適当な厚み
の水膜４が形成されるよう決定される。被研摩部材１０
２として６インチシリコンウェハを用いた場合、荷重１
００ｇ／ｃｍ² で３０〜５０ｃｃ／ｍｉｎが最適であっ
た。

【００１９】 上記設定によりウェハ１０２を研摩パッド
１０１に押しつけ、研摩パッド１０１及びウェハ１０２
に各々回転５３、５２を与え研摩を行う。このときウェ
ハ１０２に必要に応じて揺動５１を与える。研摩時は研
摩剤供給部１０４より研摩剤１０５を供給する。ウェハ
１０２が所定の厚み研摩されるまで研摩を行い、被研摩
部材１０２の除去研摩厚分布を測定する。

【００２０】この結果から調整ネジ１５で調整部６を塞
ぐことによって塞ぐ小径穴２の位置と数とを決定するこ
とになる。一般に小径穴２を塞ぐ位置は、研磨厚が平均
研磨厚よりも厚い部分の近くに位置する小径穴であり、
塞ぐ数は、その部分の研磨厚と平均研磨厚との差の大き
さに比例する。小径穴２を調整ネジ１５で塞いだ様子が
図１に示されている。小径穴２を塞いでから再度研磨
し、研磨厚分布を測定する。結果が不満足ならば再度こ
のプロセスを繰り返すが、通常これを２〜３回繰り返す
ことにより希望の研摩厚分布を達成することが可能とな
る。

【００２１】 複数の水膜厚の調整部６と小径穴２の形成
位置は必要な水膜厚制御精度から決まるが、好ましくは
３ｍｍから２０ｍｍの間隔であり、より好ましくは５ｍ
ｍ〜１０ｍｍピッチの等間隔であった。 小径穴２の径は
穴数により変化するが、０．１ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲
で好ましい結果が得られた。

【００２２】調整部６を塞ぐために調整ネジ以外に、電
磁、圧空で動作する開閉バルブを設けるのも好ましい例
である。この場合水膜厚分布調整がより短時間で容易に
できる。

【００２３】

【実施例】［実施例１］ 本発明の研摩ヘッドを用いた研
摩方法により６インチサイズの ゛ラスウェハ基板の研
摩を行ったので以下に示す。図１に示すように、研摩パ
ッド１０１の径はφ６００ｍｍで、研磨パッド１０１の
回転速度は１０ｒｐｍで、保持リング５の径はφ２００
ｍｍとした。研摩剤１０５には酸化セリウムを水で溶か
したものを用いた。基板プレート３にφ０．２の小径穴
２と調整部６を、中心より半径２０ｍｍ、４０ｍｍ、６
０ｍｍの各同心円の円周上に２０ｍｍ間隔で形成した。

【００２４】小径穴を全部開放して研磨した場合は研磨
厚分布は中心部が周辺部に対して約２０％厚かった。そ
こで、中央部近くの小径穴を塞いだところ、中心部の圧
力が軽減されたため、５００ｎｍ研摩したときの研摩面
全面での研磨厚分布は±４％以内と向上した。 ［実施例２］ 被研摩部材１０２としてＴＥＧウェハを用
いた。図１に示すように、研摩パッド１０１の径はφ６
００ｍｍで、研磨パッド１０１の回転速度は５０ｒｐｍ
で、保持リング５の径はφ２００とした。研摩パッド１
０１として市販の研摩布で、２層構造の発泡ウレタン製
のものを用いた。研摩剤１０５にはコロイダルシリカ
（ＦＵＪＩＭＩ研摩材：ＳＵＲＦＩＮ０００（パー
ト））を用い、研摩剤供給部１０４から毎分２００ｃｃ
供給した。ＴＥＧウェハを研摩する前に、感圧薄膜を印
刷したフィルムを貼りつけて圧力分布を測定する市販の
圧力分布測定システム（ロデールニッタ：タクタイルセ
ンサーシステム）でＴＥＧウェハの被研摩面の研磨圧を
測定した。

【００２５】この測定圧力分布のデータを基に、小径穴
２の位置、穴径を設計し、被研摩面の面内研摩圧力分布
を均一にすることを試みた。このようにして小径穴２の
位置、穴径を決定して、５００ｎｍの研摩を行ったとこ
ろ、研磨厚分布として２０ｎｍ以下が得られた。以上の
実施例は、被研摩面の面内研摩圧力分布を均一にするよ
うに、小径穴２の位置、穴径を設計したが、これとは別
に、被研摩面に所望の面内研摩圧力分布を与えることも
できる。これは被研摩面の研摩パッドに対する相対速度
が被研摩面全面で均一でない場合に有効であり、これに
より研磨厚の面内分布を均一にするものである。

【００２６】

【発明の効果】 本発明の研摩パッド及び研摩方法によれ
ば水膜膜厚分布を制御することにより研磨圧力分布を制
御することができ、その結果被研摩部材の除去研摩厚分
布を均一にでき、良好な研摩品質を提供し、研摩のスル
ープットを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は本発明の研摩パッド、研摩方法の説明図であ
る。

【図２】は従来の研摩装置の説明図である。

【図３】は従来の研摩ヘッドを研摩パッドとの関係で説
明する図である。

【符号の説明】

１ 研摩ヘッド ２ 小径穴 ３ 基板プレ−ト ４ 水膜 ５ 保持リング ６ 調整部 ７ Ｏリング ８ 上下主軸 ９ 本体 １０ 固定ネジ １１ ボ−ルエンド型ベアリング １２ 下限ストッパ− １３ ユニバ−サルジョイント １４ 純水 １５ 調整ネジ（密閉ネジ） １６ 保持パッド ２１ 加重 ３０ 固定ネジ １０１研摩パッド １０２被研摩部材（ウェハ） １０３研摩ヘッド １０４研摩剤供給部 １０５研摩剤

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被研摩部材を水膜を介して保持し、対向す
   る研摩パッドとの間に研摩剤を介在させ、前記研摩パッ
   ドとの間に相対運動を与えることにより前記被研摩部材
   を研摩する研摩ヘッドに於いて、前記研摩ヘッドが、前
   記水膜の厚み分布を制御する厚み制御部を具えること特
   徴とする研摩ヘッド。
2. 【請求項２】請求項１記載の研摩ヘッドを用いて被研摩
   部材を研摩する研摩方法。
3. 【請求項３】前記被研摩部材が、半導体ウェハであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の研摩ヘッド。