JP2000334655A - Ｃｍｐ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構造の複雑化を招くことなく、研磨パッドと被
研磨物との間に発生する摩擦熱を可及的に抑制してＣＭ
Ｐ加工の特長である優れた平坦性能を確保することので
きる構成を備えたＣＭＰ加工装置を提供する。 【解決手段】被研磨物２３を支持面２４ａに吸着保持し
ながら回転するワークテーブル２４と、被研磨物２３の
被研磨面２３ａに押し付けられた状態で回転しながら移
動し、被研磨面２３ａとの間に供給される研磨用スラリ
ー３を介して被研磨面２３ａをＣＭＰ加工する研磨パッ
ド３０と、ワークテーブル２４に対しその周囲に配置さ
れ、且つベアリング３７を介在して回転自在に支持さ
れ、研磨パッド３０における被研磨面２３ａの外方側に
はみ出して移動してきた部分を支持するリテーナリング
３４とを備えて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主としてＬＳＩデ
バイスの表面に形成された絶縁膜や金属膜などの薄膜の
平坦化工程などに用いられるＣＭＰ（Chemical Mechani
cal Polishing ）加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＭＰ加工は、デバイス構造の微
細化に対するリソグラフィの焦点深度の問題の解消や、
多層配線ＬＳＩの製造に際する配線段差の低減或いはＣ
ｕ配線やＳＯＩなどの新しいプロセスに対応できる研磨
技術として急速な展開が進んでいる。ＣＭＰ加工技術
は、その優れた平坦性能ゆえに先ず米国でＵＬＳＩの製
造工程で適用され始め、現在では我が国においてもＵＬ
ＳＩの平坦化工程の主要技術となりつつある。

【０００３】つぎに、ＣＭＰ加工装置の概要について簡
単に説明する。一般的なＣＭＰ加工装置は図２に示すよ
うな構成になっている。すなわち、定盤１の表面に設け
られた研磨布２には、例えば、アンモニアなどの溶媒中
に研磨剤としての砥粒（微粒子）を混入させてなる研磨
用スラリー３がスラリー供給装置４から供給される。例
えばウェハーなどの被研磨物７は、研磨ヘッド８の吸着
パッド９の下面に吸着保持されて、回転力１０を付与さ
れながら上方からの加圧力１１で研磨布２上に押し付け
られる。一方、研磨布２は定盤１と共に回転される。

【０００４】図３は、ＣＭＰ加工の原理の説明図を示
し、便宜上、図３に対して上下の位置関係を逆に図示し
てある。ＣＭＰ加工はケミカル作用とメカニカル作用の
双方を利用した高速で低ダメージの研磨技術である。す
なわち、上記研磨用スラリー３中のイオン１２は、被研
磨物７の表面の薄膜に化学反応により結合して表面層１
４を形成するケミカル作用を行う。一方、研磨用スラリ
ー３中の砥粒１３は表面層１４を機械的に除去するメカ
ニカル作用を行う。上記表面層１４は化学反応が深部に
進行しなようにするためのカバー作用を行う。

【０００５】研磨布２は、ポーラス状部材にゴム板など
が裏打ちされたものであって、凹部２ａと凸部２ｂとを
有する凹凸面になっており、凹部２ａはイオン１２およ
び砥粒１３を保持して被研磨物７の表面に供給し、凸部
２ｂはイオン１２および砥粒１３を被研磨物７の表面に
押し付けて上述のケミカル作用とメカニカル作用とを加
速する。被研磨物７表面の薄膜と結合して形成された表
面層１４は、被研磨物７が研磨布２に押し付けられなが
ら回転することによって砥粒１３で剥がされていき、そ
の結果、被研磨物７の表面は、その全体が精密な平坦面
となるよう研磨される。

【０００６】このＣＭＰ加工は、図４（Ａ），（Ｂ）に
示すように層間絶縁膜２０の平坦化や、同図（ａ），
（ｂ）に示すようにメタル配線形成、さらには配線メタ
ルの埋め込みやＳＩＯ層の均一薄膜化或いはキャパシタ
形成などの多種の用途に幅広く利用されている。同図
（Ａ）は、シリコンウェハー１７の表面に形成した下地
酸化膜１８上に回路パターン１９を成形し、その回路パ
ターン１９を層間絶縁膜２０で被覆した状態を示してお
り、層間絶縁膜２０の表面には回路パターン１９に対応
した凹凸が存在している。そこで、層間絶縁膜２０は、
上記のＣＭＰ加工により研磨されて、同図（Ｂ）に示す
ように平坦化される。

【０００７】また、同図（ａ）は、シリコンウェハー１
７の表面に形成した下地酸化膜１８上に、凹部を有する
所定形状のバリア膜２１を形成し、その上に銅配線部２
２を形成した状態を示している。銅配線部２２およびバ
リア膜２１の各々の不要部分はＣＭＰ加工を行って研磨
除去されることにより、同図（ｂ）に示すような所要形
状の銅配線部２２を得ている。

【０００８】図５は、比較的形状の大きな被研磨物２３
の被研磨面２３ａの平坦化工程などに用いられるＣＭＰ
加工装置を示す概略縦断面図であり、このＣＭＰ加工装
置の被研磨物２３としては、形状が比較的大きなウェハ
ーまたはハードディスクなどが対象となる。被研磨物２
３を吸着保持して回転させる吸着テーブル２４は、鉄製
であって、支持台部２７上に支持されてテーブル駆動用
モータ２８により回転されるようになっている。

【０００９】支持台部２７に載置固定された樹脂製のリ
テーナリング２９は、吸着テーブル２４の支持面２４ａ
に対して被研磨物２３のほぼ厚み相当分だけ上方に突出
した相対関係で吸着テーブル２４の外周部に嵌め込まれ
ている。このリテーナリング２９は、被研磨物２３の外
周面を規制して被研磨物２３が吸着テーブル２４の支持
面２４ａ上から側方へはみ出そうとするのを防止する。
また、リテーナリング２９は後述のバルン方式の研磨パ
ッド３０が被研磨物２３の側方にはみ出る位置まで移動
したときに垂れないよう支持するものであるが、この点
についての詳細は後述する。

【００１０】吸着テーブル２４の支持面２４ａ上に載置
された被研磨物２３は、吸着テーブル２４の吸着用孔３
３を介して吸気する真空吸引装置（図示せず）により吸
着テーブル２４の支持面２４ａ上に真空吸着され、且つ
リテーナリング２９によって支持面２４ａの側方へずれ
るのを防止して着脱自在に固定される。なお、同図に
は、図２に示した研磨用スラリー３を供給するためのス
ラリー供給装置４の図示を省略してある。

【００１１】上記バルン方式の研磨パッド３０は、パッ
ド駆動用モータ３１によって回転される研磨ヘッド３２
の下端面に取り付けられて、圧縮空気によって研磨ヘッ
ド３２から膨れ出る状態になっている。この研磨パッド
３０は、その外面が図３に示した研磨布２と同様の凹凸
のある加工面３０ａになっており、加工面３０ａは、パ
ッド駆動用モータ３１によって回転されながら加圧力を
受けて被研磨物２３の被研磨面２３ａに押し付けられ、
その状態を保持して矢印で示すように水平方向に移動さ
れて被研磨物２３の被研磨面２３ａの全面を研磨する。

【００１２】上記研磨パッド３０は、主として被研磨物
２３の直径方向に沿って直線的に往復移動されながら被
研磨面２３ａの全体を均等に研磨する。このときの研磨
量をＶ、定数をｋ、研磨パッド３０に加わる加工圧力を
ｐ、共に回転される研磨パッド３０と被研磨物２３との
相対速度をｖ、研磨時間をｔとしたとき、研磨量Ｖはつ
ぎの（１）式で表される。

【００１３】Ｖ＝ｋ・ｐ・ｖ・ｔ……（１） したがって、被研磨面２３ａの全体を均等な研磨量Ｖと
なるようにするためには、研磨パッド３０と被研磨物２
３との相対速度ｖの平均値が被加工面２３ａの全体にわ
たり均一になるように研磨パッド３０を移動制御する必
要がある。もし仮に、研磨パッド３０は、これの周端が
被研磨物２３の周端に合致した時点で移動を停止して、
そののち逆方向に移動させるように移動制御すると、研
磨パッド３０の被研磨面２３ａ全体に対する相対速度の
平均値が均一にならない。そこで、研磨パッド３０は、
これの中心部が被研磨面２３ａの周端部に達する位置ま
で移動される。ここで、研磨パッド３０は、バルン方式
のものであって、圧縮空気によって膨らまされた状態で
移動されているから、リテーナリング２９は、研磨パッ
ド３０における被研磨面２３ａの側方にはみ出る部分を
被研磨面２３ａと同一高さ位置で受けて、研磨パッド３
０が垂れ下がり状態になるのを防ぐ。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リテー
ナリング２９は、吸着テーブル２４に対し固定されて一
体回転し、吸着テーブル２４と研磨パッド３０とは、互
いの径が大きく異なることから必然的に互いの回転速度
が相違するため、研磨パッド３０とリテーナリング２９
との間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱は、リテーナリ
ング２９が吸着テーブル２４に外嵌されてその回転速度
が極めて大きいことから、相当に高い温度になるので、
研磨バッド３０の加工面３０ａが受ける熱的ダメージが
大きい。すなわち、研磨バッド３０の加工面３０ａは、
摩擦熱によって焼き付き状態が発生して、図３の研磨布
２に示したと同様の加工に必要な凹凸面状態が減少し、
所謂切れ味が悪くなって被研磨面２３ａに対する加工レ
ートが低下する。

【００１５】上記加工レートが低下すると、ＣＭＰ加工
の最も大きな特長である優れた平坦性能を確保すること
が困難となり、被研磨物２３の加工歩留りが低下すると
いう問題が発生する。また、研磨パッド３０およびリテ
ーナリング２９は、上述の比較的高温の摩擦熱による熱
的ダメージを受けて、共に本来の寿命を確保することが
できない欠点もある。例えば、リテーナリング２９は一
般に樹脂製であり、研磨パッド３０は樹脂製のポーラス
状部材にゴム板部材を裏打ちした構成になっているが、
実測によると、上記の摩擦熱は、リテーナリング２９お
よび研磨パッド３０の素材として用いられている樹脂の
変質点である80℃に近い70℃程度の温度になる。そのた
め、研磨パッド３０およびリテーナリング２９の寿命は
相当に短くなる。

【００１６】そこで本発明は、上記従来の課題に鑑みて
なされたもので、構造の複雑化を招くことなく、研磨パ
ッドと被研磨物との間に発生する摩擦熱を可及的に抑制
してＣＭＰ加工の特長である優れた平坦性能を確保する
ことのできる構成を備えたＣＭＰ加工装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のＣＭＰ加工装置は、被研磨物を支持面に吸
着保持しながら回転するワークテーブルと、前記被研磨
物の被研磨面に押し付けられた状態で回転しながら移動
し、前記被研磨面との間に供給される研磨用スラリーを
介して前記被研磨面をＣＭＰ加工する研磨パッドと、前
記ワークテーブルに対しその周囲に配置され、且つベア
リングを介在して回転自在に支持され、前記研磨パッド
における前記被研磨面の外方側にはみ出して移動してき
た部分を支持するリテーナリングとを備えて構成されて
いる。

【００１８】このＣＭＰ加工装置では、リテーナリング
がベアリングの介在によってワークテーブルに対し自由
に回転可能な状態に支持されているから、研磨パッドが
リテーナリング上に移動したときに、リテーナリングが
研磨パッドの回転力を受けて研磨パッドにつれ回りす
る。そのため、研磨パッドの加工面とリテーナリングと
の間に発生する摩擦熱は従来装置に比較して格段に低減
する。これにより、研磨バッドの加工面は、摩擦熱によ
って焼き付き状態が発生する程の熱的ダメージを受けな
いことから、加工に必要な凹凸面状態の減少が極めて小
さく抑えることができ、ＣＭＰ加工の有する優れた平坦
性能を比較的長期にわたり確保することができる。ま
た、研磨パッドおよびリテーナリングは、摩擦熱によっ
て僅かな熱的ダメージを受けるだけであるから、共に本
来の寿命を確保することができる。しかも、上記の効果
はリテーナリングとアークテーブルとの間にベアリング
を設けるのみの簡単な構成により得ることができる。

【００１９】上記発明において、リテーナリングを摩擦
係数の低い素材により形成することが好ましい。これに
より、研磨パッドの加工面とリテーナリングとの間に発
生する摩擦熱を一層低減することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１
（ａ）は本発明の一実施の形態に係るＣＭＰ加工装置を
示す概略断面図、（ｂ）はその要部の切断平面図であ
り、同図において、図５と同一若しくは同等のものには
同一の符号を付してその説明を省略する。この実施の形
態のＣＭＰ加工装置が図５の従来装置と相違する点は、
リテーナリング３４が摩擦係数の低い材質の合成樹脂に
より形成されているとともに、このリテーナリング３４
が、吸着テーブル（ワークテーブル）２４および被研磨
物２３に対し少しばかりの間隙に配置されて、ボールベ
アリング３７を介して支持台部２７に回転自在に取り付
けられた構成のみである。なお、同図には、図２に示し
た研磨用スラリー３を供給するためのスラリー供給装置
４の図示を省略してある。

【００２１】したがって、上記ＣＭＰ加工装置では、リ
テーナリング３４がボールベアリング３７の介在によっ
て吸着テーブル２４およびその支持台部２７に対し自由
に回転可能な状態に支持されている。これにより、研磨
パッド３０がリテーナリング３４上に移動したときに
は、（ｂ）に示すように、リテーナリング３４が研磨パ
ッド３０の回転力を受けて研磨パッド３０につれ回りす
る。そのため、リテーナリング３４の存在は研磨パッド
３０の回転に対するさほど大きな抵抗とはならず、研磨
パッド３０の加工面３０ａとリテーナリング３４との間
に発生する摩擦熱は、図５の従来装置のようにリテーナ
リング２９が吸着テーブル２４に固定されている場合に
比較して格段に低減する。しかも、リテーナリング３４
が摩擦係数の低い材質の合成樹脂で形成されているか
ら、この点からも上記摩擦熱を一層低減できる。実測結
果によると、この実施の形態のＣＭＰ加工装置では、研
磨パッド３０の加工面３０ａとリテーナリング３４との
間に発生する摩擦熱による温度が、図５の従来装置と比
較して約10℃低下した。

【００２２】そのため、研磨バッド３０の加工面３０ａ
は、摩擦熱によって焼き付き状態が発生する程の熱的ダ
メージを受けないことから、加工に必要な凹凸面状態の
減少が極めて小さく、被研磨面２３ａに対する加工レー
トの低下も僅かである。したがって、このＣＭＰ加工装
置では、優れた平坦性能を比較的長期にわたり確保する
ことができる。また、研磨パッド３０およびリテーナリ
ング３４は、それぞれ摩擦熱によって僅かな熱的ダメー
ジを受けるだけであるから、共に本来の寿命を確実に確
保することができる。また、構成的には、リテーナリン
グ３４をボールベアリング３７を介して支持台部２７に
回転自在に支持するだけであり、安価に製作できる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、本発明のＣＭＰ加工装置
によれば、研磨パッドにおける被研磨面の外方側にはみ
出して移動してきた部分を支持するリテーナリングを、
ワークテーブルに対しベアリングを介在して回転自在に
支持する構成としたので、研磨パッドがリテーナリング
上に移動したときに、リテーナリングが研磨パッドの回
転力を受けて研磨パッドにつれ回りする。そのため、研
磨パッドの加工面とリテーナリングとの間に発生する摩
擦熱は従来装置に比較して格段に低減するので、研磨バ
ッドの加工面は、摩擦熱によって焼き付き状態が発生す
る程の熱的ダメージを受けないことから、加工に必要な
凹凸面状態の減少が極めて小さく抑えることができ、Ｃ
ＭＰ加工の有する優れた平坦性能を比較的長期にわたり
確保することができる。また、研磨パッドおよびリテー
ナリングは、摩擦熱によって僅かな熱的ダメージを受け
るだけであるから、共に本来の寿命を確実に確保するこ
とができる。上記効果は、リテーナリングとワークテー
ブルとの間にベアリングを介設するのみの簡単な構成に
より得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態に係るＣＭＰ加
工装置を示す概略断面図、（ｂ）は同装置の要部の切断
平面図。

【図２】一般的なＣＭＰ加工装置を示す概略斜視図。

【図３】ＣＭＰ加工技術の原理の説明図。

【図４】（Ａ），（Ｂ）はＣＭＰ加工による層間絶縁膜
の平坦化工程を工程順に示す断面図、（ａ），（ｂ）は
ＣＭＰ加工によるメタル配線形成工程を工程順に示す断
面図。

【図５】比較的形状の大きな被研磨物の研磨工程に用い
られる従来のＣＭＰ加工装置を示す概略縦断面図。

【符号の説明】

３ 研磨用スラリー ２３ 被研磨物 ２３ａ 被研磨面 ２４ 吸着テーブル（ワークテーブル） ２４ａ 支持面 ３０ 研磨パッド ３４ リテーナリング ３７ ボールベアリング（ベアリング）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安平 宣夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AB04 CB01 CB05 DA12

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨物を支持面に吸着保持しながら回
   転するワークテーブルと、 前記被研磨物の被研磨面に押し付けられた状態で回転し
   ながら移動し、前記被研磨面との間に供給される研磨用
   スラリーを介して前記被研磨面をＣＭＰ加工する研磨パ
   ッドと、 前記ワークテーブルに対しその周囲に配置され、且つベ
   アリングを介在して回転自在に支持され、前記研磨パッ
   ドにおける前記被研磨面の外方側にはみ出して移動して
   きた部分を支持するリテーナリングとを備えて構成され
   ていることを特徴とするＣＭＰ加工装置。
2. 【請求項２】 リテーナリングが摩擦係数の低い素材に
   より形成されている請求項１に記載のＣＭＰ加工装置。