JP2000263419A

JP2000263419A - ウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法

Info

Publication number: JP2000263419A
Application number: JP6933899A
Authority: JP
Inventors: Tatsunobu Kobayashi; 達宜小林; Hiroshi Tanaka; 弘志田中
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェーハの研磨と研磨パッドのドレッシング
とを効率良く同時に行うことができるウェーハ研磨装置
及びウェーハ製造方法を提供することを目的としてい
る。【解決手段】ウェーハ研磨装置１は、研磨されるべき
ウェーハが保持されたウェーハ保持ヘッド３１と、この
ウェーハ保持ヘッド３１の外方に設けられたドレスリン
グ２とを備えている。ドレスリング２は研磨パッドＳ上
面に回転可能に設置されている。そして、ウェーハを研
磨パッドＳに当接させつつウェーハ保持ヘッド３１と研
磨パッドＳとを回転させるとともに、ドレスリング２を
回転させることにより、ウェーハの研磨と研磨パッドＳ
のドレッシングとを同時に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
スにおける、半導体ウェーハ表面を研磨する装置に用い
られるウェーハ研磨装置及びそれを用いたウェーハ製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近
年、半導体製造装置の高集積化に伴うパターンの微細化
が進んでおり、特に多層構造の微細なパターンの形成が
容易かつ確実に行われるために、製造工程中における半
導体ウェーハの表面を極力平坦化させることが重要とな
ってきている。その場合、表面の膜を研磨するために平
坦化の度合いが高い化学機械的研磨法（ＣＭＰ法）が脚
光を浴びている。

【０００３】ＣＭＰ法とは、ＳｉＯ2 を用いたアルカリ
溶液やＳｅＯ2を用いた中性溶液、或いはＡｌ2Ｏ3を用
いた酸性溶液、砥粒剤等を用いて化学的・機械的にウェ
ーハ表面を研磨し、平坦化する方法である。一般に、半
導体ウェーハの表面を研磨するウェーハ研磨装置では、
ウェーハを保持するウェーハ研磨ヘッドと研磨パッドを
貼付したプラテンとを対向するように配置させ、ウェー
ハ表面を研磨パッドに押し当てつつ、研磨剤を供給しな
がらウェーハ研磨へッドを研磨パッド上で回転させるこ
とにより研磨を行っている。

【０００４】ところで、この研磨パッドは極力平坦であ
ることが望ましいが、ウェーハ研磨を行うことによりそ
の表面が劣化し研磨能力（研磨レート）の低下が発生し
たり、製造工程などに起因する研磨パッド自体の厚さの
不均一や、研磨パッドとプラテンとを貼付する接着層の
厚さの不均一などが原因となって、パッド表面には若干
の凹凸が生じて研磨性能（均一性や残膜厚さのばらつき
具合など）は低下される。そのため、研磨パッドの研磨
性能を再び向上させるために、この研磨パッドに対して
目直し（ドレッシング）が行われる。つまり、ウェーハ
研磨工程を終えた研磨パッドの表面にドレッシングパッ
ドを当接して回転させることによりドレッシングを行っ
ている。

【０００５】あるいは図４、図５に示すように、研磨工
程とドレッシング工程とを同時に行う方法もある。すな
わち、図４に示すような第１従来例において、ウェーハ
研磨装置２００は、旋回自在に支持されたアーム２０１
の先端に取り付けられたウェーハ保持ヘッド２０２と、
研磨パッド２０６に研磨剤を供給するための研磨剤供給
手段２０３と、ドレッシングパッド２０４とを備えたも
のである。研磨剤供給手段２０３は、プラテン２０５の
表面に貼付された研磨パッド２０６に研磨剤を直接供給
するようになっており、ウェーハ保持ヘッド２０２に保
持されたウェーハＷはこの研磨パッド２０６の表面に当
接しつつ回転されることによって研磨される。一方、ド
レッシングパッド２０４は駆動機構２０７によって回転
可能に支持されており、この駆動機構２０７は基体部２
０８に支持されている。また、この基体部２０８はガイ
ド２０９によって矢印Ｙ方向に直動可能に支持されてい
る。そしてドレッシングパッド２０４は、ウェーハＷを
研磨することによって研削性能が低下した研磨パッド２
０６の表面をドレッシングするようになっている。この
とき、ウェーハの研磨とドレッシングとは研磨パッド２
０６上の別の位置で行われている。

【０００６】図５に示す第２従来例においては、ウェー
ハ研磨装置３００は、回転可能な３つのプラテン３０１
及びその表面に貼付された研磨パッド３０２と、二股状
に形成されたアーム３０３のそれぞれの先端に設けられ
たウェーハ保持ヘッド３０４と、それぞれの研磨パッド
３０２の直径方向に設置されたガイド３０５に沿って直
動されるドレッシングパッド３０６とを備えている。ア
ーム３０３は軸３０３ａに旋回自在に支持されており、
ウェーハ保持ヘッド３０４に支持されたウェーハはそれ
ぞれの研磨パッド３０２によって研磨されるようになっ
ている。また、このウェーハ研磨と同時に、研磨パッド
３０２の直径方向に直動可能に設けられたドレッシング
パッド３０６によって研磨パッド３０２の表面がドレッ
シングされるようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】第１、第２従来例に示
したようなウェーハ研磨装置によってウェーハを研磨す
る場合、ウェーハ研磨工程とドレッシング工程とは同時
に行えるため有効であるが、第１従来例において、研磨
剤はウェーハ保持ヘッド２０２の外方から研磨パッド２
０６の表面に直接供給される。この場合、プラテン２０
５の回転による遠心力により、供給された研磨剤の大部
分は外方に流れ出てしまい、十分な研磨効果を得るため
には大量の研磨剤を供給しなければならなかった。ま
た、ドレッシングパッド２０４の占有する部分が大きい
ため、設置可能なウェーハ保持ヘッド２０２の数は少な
いものとなり、機械の使用能率が低下されるといった問
題が生じた。

【０００８】また、第２従来例においては、ドレッシン
グパッド３０６は、研磨パッド３０２に比べてその形状
が小さく、研磨パッド３０２に対して直線状に移動され
る構成であるため、全体を均一に押圧することが困難で
あり、研磨パッド３０２表面の平坦化は十分になされな
かった。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ウェーハの研磨と研磨パッドのドレッシング
とを同時に効率良く安定して行うことができるウェーハ
研磨装置及びウェーハ製造方法を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、表面に研磨パッドが貼付
されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持して前記
研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェーハ保持
ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラ
テンとの相対運動により前記研磨パッドで前記ウェーハ
を研磨するウェーハ研磨装置であって、前記ウェーハ保
持ヘッドの外方には、下部に砥粒層を備えた円筒状のド
レスリングが、前記研磨パッド表面に当接されつつ回転
可能に設けられていることを特徴とするウェーハ研磨装
置である。

【００１１】本発明によれば、ウェーハ保持ヘッドによ
るウェーハの研磨と、ドレスリングによる研磨パッドの
ドレッシングとを同時に行うことができる。そのため、
工程数を低減させることができ、効率の良い研磨作業を
行うことができる。そして円筒状のドレスリングを回転
させることにより、研磨パッドのドレッシングは効果的
に行われるとともに、研磨パッド全体の平坦化も行うこ
とができる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記ドレスリングは、前
記研磨パッドの半径より小径に形成されつつこの研磨パ
ッドの表面に載置されたものであり、自転する前記研磨
パッドとの摩擦によって回転することを特徴とするウェ
ーハ研磨装置である。

【００１３】本発明によれば、前記ドレスリングによる
研磨パッドへの押圧力は自重のみであり、ドレスリング
の回転は自転する研磨パッドとの摩擦によるものである
ため、前記研磨パッドに対する局所的な押圧や過剰な研
磨は防止される。

【００１４】請求項３に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェ
ーハ保持ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと
前記プラテンとの相対運動により前記研磨パッドで前記
ウェーハを研磨する研磨工程を含んだウェーハ製造方法
であって、前記ウェーハ保持ヘッドの外方に、下部に砥
粒層を備えた円筒状のドレスリングを配置し、前記ドレ
スリングを前記研磨パッド表面に当接させつつ回転させ
ることにより、前記ウェーハの研磨と前記研磨パッドの
ドレッシングとを同時に行うことを特徴とするウェーハ
製造方法である。

【００１５】本発明によれば、ウェーハの研磨と研磨パ
ッドのドレッシングとを同時に行うことができ、効率良
く研磨を行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
ウェーハ研磨装置を図面を参照して説明する。図１は本
発明のウェーハ研磨装置の一実施形態のうち上方から見
た平面図である。また、図２は図１の側方断面図であ
り、図３は本実施形態に用いられるウェーハ保持ヘッド
の一例を示す断面図である。

【００１７】図１、図２において、ウェーハ研磨装置１
は、ウェーハ保持ヘッド３１と、このウェーハ保持ヘッ
ド３１の外方に設置されたドレスリング２と、このドレ
スリング２を支持するリングガイド３と、研磨剤供給手
段としてのノズル４とを備えている。

【００１８】ウェーハ保持ヘッド３１は基体部５に回転
自在に支持されており、本実施形態では２つ設置されて
いる。そして、このウェーハ保持ヘッド３１に保持され
ているウェーハＷは、回転されるプラテンＰに貼付され
た研磨パッドＳの表面に当接されている。

【００１９】研磨パッドＳの材質には、従来よりウェー
ハＷの研磨に使用されていたものであればいずれでも良
く、例えばポリエステル等からなる不織布にポリウレタ
ン樹脂等の軟質樹脂を含浸させたベロアタイプパッド、
ポリエステル等の不織布を基材としてその上に発泡ポリ
ウレタン等からなる発泡樹脂層を形成したスエードタイ
プパッド、或いは独立発泡させたポリウレタン等からな
る発泡樹脂シートが使用される。

【００２０】ウェーハ保持ヘッド３１の外方には、その
下端面に砥粒層を有する円環状のドレスリング２が設置
されている。このドレスリング２は、ウェーハ保持ヘッ
ド３１の外径より大きく且つ研磨パッドＳの半径より小
さい径を有するように形成されており、ウェーハ保持ヘ
ッド３１との間に間隔６を有するように設けられてい
る。そして、このドレスリング２は、下端面に形成され
た砥粒層を研磨パッドＳの表面に当接させている。

【００２１】ドレスリング２は、研磨パッドＳ上に載置
されており、プラテンＰが回転することによって生じる
研磨パッドＳとドレスリング２との摩擦力によってつれ
回りするように回転されるようになっている。また、ド
レスリング２を支持しているリングガイド３はそれぞれ
２つのコロ３ａを備えており、ドレスリング２の位置を
保持しつつ、このドレスリング２の回転を妨げないよう
に支持させている。

【００２２】基体部５には、研磨パッドＳの中心近傍に
向けて研磨剤を直接供給するためのノズル（研磨剤供給
手段）４が設けられている。このノズル４は、先端が研
磨パッドＳの表面から離間するように設置されており、
それぞれのドレスリング２の中間部に研磨剤を供給させ
るようになっている。

【００２３】次に、ウェーハ保持ヘッド３１について説
明する。図３において、ウェーハ保持ヘッド３１は、天
板部３３及び筒状に形成された周壁部３４からなるヘッ
ド本体３２と、ヘッド本体３２の内部に張られたダイヤ
フラム３５と、ダイヤフラム３５の下面に固定された円
盤状のキャリア３６と、周壁部３４の内壁とキャリア３
６の外周面に同心状に設けられた円環状のリテーナリン
グ３７とを備えている。

【００２４】ヘッド本体３２は、円板状の天板部３３と
天板部３３の外周下方に固定された筒状の周壁部３４と
から構成され、ヘッド本体３２の下端部は開口されて中
空になっている。天板部３３は、シャフト３９に同軸に
固定されており、シャフト３９には、圧力調整機構５０
に連通された流路４５が鉛直方向に形成されている。ま
た、周壁部３４の下端部には、全周にわたって段部３４
ａ及び半径方向内方に突出された円環状の係止部４０が
形成されている。

【００２５】繊維補強ゴムなどの弾性材料からなるダイ
ヤフラム３５は円環状または円板状に形成されており、
ダイヤフラム固定リング４１によって周壁部３４の内壁
に形成された段部３４ａ上に固定されている。

【００２６】ダイヤフラム３５上方には流体室４４が形
成されており、シャフト３９に形成された流路４５に連
通されている。そして、流体室４４内部に、圧力調整機
構５０から流路４５を通して、空気をはじめとする流体
が供給されることによって、流体室４４内部の圧力は調
整される。

【００２７】セラミック等の高剛性材料からなるキャリ
ア３６はほぼ円盤状に一定の厚さで形成されており、ダ
イヤフラム３５の上面に設けられたキャリア固定リング
４２によって固定されている。キャリア固定リング４２
の上部には円環状に段部４２ａが形成されており、天板
部３３から鉛直方向に挿通されナット４９、スぺーサー
４９ａによって固定されているストッパーボルト４８の
下端に形成された段部４８ａと係合されるようになって
いる。そして、例えばウェーハ保持ヘッド３１が上昇さ
れ、キャリア３６などの自重によってダイヤフラム３５
が下方にたわんでも、段部４２ａと段部４８ａとが係合
することにより、ダイヤフラム３５に過剰な力を作用さ
せないようになっている。

【００２８】リテーナリング３７は、周壁部３４の内壁
とキャリア３６の外周面との間に円環状に形成されてお
り、周壁部３４の内壁との間及びキャリア３６の外周面
との間に僅かな隙間を空けて、周壁部３４及びキャリア
３６と同心状に配置されている。また、リテーナリング
３７は、ダイヤフラム３５の上面に設けられたリテーナ
リング固定リング４３によって固定されている。リテー
ナリング３７の上端面及び下端面は水平に形成されてい
る。また、リテーナリング３７の外周面には段部３７ａ
が形成されており、ウェーハ保持ヘッド３１が上昇され
た際、段部３７ａと係止部４０とが係合することによっ
てリテーナリング３７の下方向への過剰な移動を抑え、
ダイヤフラム３５に局所的な力を作用させないようにな
っている。

【００２９】なお、このウェーハ保持ヘッド３１として
は種々のものを用いることが可能であり、例えばヘッド
駆動機構であるカルーセルとウェーハ保持ヘッドとを球
面軸受によって傾動自在に支持したものなど様々なもの
を採用することができる。

【００３０】このようなウェーハ研磨装置１によってウ
ェーハＷを研磨する場合、まずウェーハ保持ヘッド３１
の下面にウェーハＷを保持させる。すなわち、まずウェ
ーハＷは、キャリア３６の下面に設けられたウェーハ付
着シート３６ａに付着される。そして、ウェーハＷはリ
テーナリング３７によって周囲を係止されつつ、その表
面をプラテンＰ上面に貼付された研磨パッドＳに当接さ
せられる。

【００３１】次に、流路４５から流体室４４に空気など
の流体を流入させることによって、流体室４４内の圧力
を調節し、キャリア３６及びリテーナリング３７の研磨
パッドＳへの押圧圧力を調節する。キャリア３６及びリ
テーナリング３７はダイヤフラム３５に支持された、そ
れぞれ独立して上下方向に変位可能なフローティング構
造となっており、流体室４４内部の圧力によって研磨パ
ッドＳへの押圧圧力が調節可能となっている。

【００３２】そして、キャリア３６及びリテーナリング
３７の研磨パッドＳへの押圧圧力を調節しつつ、プラテ
ンＰを回転させるとともに、それぞれのウェーハ保持ヘ
ッド３１を回転させるようになっている。これと同時
に、研磨パッドＳを貼付したプラテンＰを図１中、反時
計方向に回転させ、ノズル４から研磨剤を供給させる。

【００３３】このときドレスリング２は研磨パッドＳ上
に載置されたものであり、回転する研磨パッドＳとドレ
スリング２下面との摩擦力によって回転されるようにな
っている。つまり、研磨パッドＳの中心側部分と外側部
分とでは、それぞれの部分においてドレスリング２に作
用させる力が異なるが、この力の差を利用して回転させ
るものである。例えば、研磨パッドＳを図１中、反時計
方向に回転させた場合、このドレスリング２に作用する
摩擦力が最も大きい部分は、研磨パッドＳの外側部分に
相当する位置ｂ１である。そして、ドレスリング２は、
リングガイド３によってその相対的位置を保持されつつ
回転可能に支持されているため、ドレスリング２にも反
時計方向の力が作用される。その結果、このドレスリン
グ２は研磨パッドＳの回転と連動するようにつれ回りさ
れ、反時計方向に回転されるようになっている。

【００３４】なお、それぞれのコロ３ａとモータなどか
らなる駆動部３ｂとをタイミングベルト３ｃによって連
結させ、能動的に回転可能としてもよい。コロ３ａを回
転可能にさせることによりドレスリング２に補助力が作
用され、ドレスリング２の回転を円滑なものとすること
ができる。このとき、１つの駆動部３ｂによってそれぞ
れのコロ３ａを駆動させることにより、複数設けられた
コロ３ａの回転の同期は安定して実現される。

【００３５】もちろん、ドレスリング２を駆動部３ｂに
よって積極的に駆動させることも可能である。この場
合、例えばドレスリング２の外周にギア部を設けるとと
もに、コロ３ａにもギア部を設け、これらギア部どうし
を噛み合わせることにより回転させることもできる。

【００３６】こうして、それぞれのドレスリング２を回
転させることにより、ドレスリング２の下端面に形成さ
れた砥粒層の作用によって研磨パッドＳの表面はドレッ
シングされる。

【００３７】このように、複数設けられたウェーハ保持
ヘッド３１のそれぞれの外方にドレスリング２を設置し
たため、ウェーハＷの研磨と研磨パッドＳのドレッシン
グとを同時に効率良く行うことができる。

【００３８】また、円筒状のドレスリング２の内部にウ
ェーハ保持ヘッド３１を配置させたため、ドレスリング
２内部のスペースは有効に利用された構成となってい
る。そのため、研磨パッドＳ上に複数のウェーハ保持ヘ
ッド３１及びドレスリング２を配置させることができ、
装置全体を効率良く使用することができる。

【００３９】円環状の砥粒層を備えたドレスリング２を
複数配置させたため、研磨パッドＳにはドレッシングが
施されるとともに、形状修正（ツルーイング）も同時に
施される。つまり、研磨パッドＳ自体の厚さが不均一で
あったり、研磨パッドＳとプラテンＰとを貼付する接着
層の厚さが不均一であったりした場合、研磨パッドＳ表
面には若干の凹凸が生じる場合があるが、前記ドレスリ
ング２を用いることにより形状修正が施され、前記研磨
パッドＳの表面は平坦化される。

【００４０】ドレスリング２は研磨パッドＳ上に載置さ
せたものであり、研磨パッドＳへの押圧力はドレスリン
グ２の自重によるものである。そして、その回転も研磨
パッドＳとの摩擦を利用したものであり、例えば各種ア
クチュエータを用いた能動的手段によらないで回転され
るようになっている。そのため、ドレスリング２と研磨
パッドＳとの当接角度は著しく傾斜されないようになっ
ているとともに、研磨パッドＳは強制的に研磨されない
ようになっている。そのため、研磨パッドＳの表面は過
剰に研磨されず、均一なドレッシングを施すことができ
る。

【００４１】なお、ノズル４を複数設けるとともに、研
磨剤をそれぞれのウェーハ保持ヘッド３１の周辺部であ
る間隔６に供給させることも可能である。間隔６に研磨
剤を供給させることにより、研磨パッドＳが回転されて
いても、研磨剤はドレスリング２によって保持されてい
るため、遠心力によって半径方向外方に流出してしまう
ことがない。そのため、研磨剤の使用量を低減させるこ
とができる。さらに、研磨されるべきウェーハＷの周辺
に直接研磨剤が供給されるため、ウェーハＷの研磨や研
磨パッドＳのドレッシングは効率良く且つ低コストで行
われる。

【００４２】このとき、ドレスリング２の周壁部の一部
に貫通孔を設けることも可能である。前記貫通孔を形成
させることにより、この貫通孔が間隔６に収容された研
磨剤の出口部となって、ノズル４から供給された新しい
研磨剤と、間隔６内の劣化した或いは研磨屑を含んだ研
磨剤とが一定の割合で置換される。そのため、研磨剤の
劣化を防止させることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明のウェーハ研磨装置及びウェーハ
製造方法は、以下のような効果を有するものである。

【００４４】請求項１に記載の発明によれば、ウェーハ
保持ヘッドによるウェーハの研磨と、ドレスリングによ
る研磨パッドのドレッシングとを同時に行うことができ
る。そのため、工程数を低減させることができ、効率の
良い研磨作業を行うことができる。そして円筒状のドレ
スリングを回転させることにより、研磨パッドのドレッ
シングは効果的に行われるとともに、研磨パッド全体の
平坦化も行うことができる。

【００４５】請求項２に記載の発明によれば、前記ドレ
スリングによる研磨パッドへの押圧力は自重のみであ
り、ドレスリングの回転は自転する研磨パッドとの摩擦
によるものであるため、前記研磨パッドに対する局所的
な押圧や過剰な研磨は防止される。

【００４６】請求項３に記載の発明によれば、ウェーハ
の研磨と研磨パッドのドレッシングとを同時に行うこと
ができ、効率良く研磨を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウェーハ研磨装置の実施形態の一例を
示す平面図である。

【図２】図１の側方断面図である。

【図３】ウェーハ保持ヘッドを説明する断面図である。

【図４】従来のウェーハ研磨装置を説明する図である。

【図５】従来のウェーハ研磨装置を説明する図である。

【符号の説明】

１ウェーハ研磨装置２ドレスリング３リングガイド４ノズル（研磨剤供給手段）６間隔３１ウェーハ保持ヘッド３２ヘッド本体３３天板部３４周壁部３５ダイヤフラム３６キャリア３７リテーナリングＷウェーハＰプラテンＳ研磨パッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとの相対運
動により前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨するウェ
ーハ研磨装置であって、前記ウェーハ保持ヘッドの外方には、下部に砥粒層を備
えた円筒状のドレスリングが、前記研磨パッド表面に当
接されつつ回転可能に設けられていることを特徴とする
ウェーハ研磨装置。
【請求項２】請求項１に記載のウェーハ研磨装置であ
って、前記ドレスリングは、前記研磨パッドの半径より小径に
形成されつつこの研磨パッドの表面に載置されたもので
あり、自転する前記研磨パッドとの摩擦によって回転すること
を特徴とするウェーハ研磨装置。
【請求項３】表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとの相対運
動により前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨する研磨
工程を含んだウェーハ製造方法であって、前記ウェーハ保持ヘッドの外方に、下部に砥粒層を備え
た円筒状のドレスリングを配置し、前記ドレスリングを前記研磨パッド表面に当接させつつ
回転させることにより、前記ウェーハの研磨と前記研磨パッドのドレッシングと
を同時に行うことを特徴とするウェーハ製造方法。