JP2003080451A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】研磨ベルトの波打ち現象がおきず、また研磨時
にウエーハが研磨ベルトに与える反力がベルトの進行方
向のみで、ベルトの周辺部において副次的な応力が発生
せず、ベルトの張力を均等に制御することができ、研磨
圧力の安定化を図ることができるベルト式研磨装置を提
供すること。 【解決手段】表面に研磨パッド１２を有した帯状のフィ
ルム１４と、フィルム１４をその長手方向に移動させる
駆動手段と、ウエーハＷを保持して回転するウエーハキ
ャリア２４と、長手方向と直角方向の一直線上でフィル
ム１４をウエーハＷに向けて押付ける押圧手段とを設
け、押圧手段で長手方向に移動するフィルム１４をウエ
ーハＷに線接触で押圧すると共に、ウエーハＷを回転さ
せることによってウエーハＷを研磨するように構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は研磨装置に関し、 特
に帯状の研磨パッドを用いた化学的機械研磨（ＣＭＰ：
Chemical Mechanical Polising）によるウエーハ研磨装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術の発展により、デザイ
ンルールの微細化、多層配線化が進み、リソグラフィー
のフォーカス領域が益々狭くなってきた。このため、層
間絶縁膜や金属配線膜の平坦化手段としてＣＭＰ装置が
広く用いられるようになってきた。このＣＭＰ装置は図
５に示すような、表面に研磨パッド７４が貼られて回転
する円盤７２に、ウエーハを保持したキャリア７６が回
転しながらウエーハを押付けるプラテン方式と、図６に
示すように、研磨パッド８２が貼られたエンドレスベル
ト８４を２個のローラ８６、８８に張設し、ローラ８
６、８８を回転駆動することにより研磨パッド８２の無
限軌道を形成し、この無限軌道にウエーハＷを回転させ
ながら押付けるベルト方式とがある。プラテン方式のＣ
ＭＰ技術はかなり確立されてきているが、このプラテン
方式のＣＭＰ装置では装置が大型化するという欠点があ
ると共に、研磨パッド７４の位置により回転半径が異な
るため、スラリーが均一に供給されないという欠点があ
る。このためベルト方式のＣＭＰ装置が種々検討されて
いる。特開平８−２０３８５０号公報、特開平１１−２
０７５７２号公報、特開平１１−２２１７５８号公報、
及び特開２０００−０９４３１６号公報ではウエーハを
ベルト方式の研磨機で研磨することが示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記各公報に言及され
ているベルト研磨方式では、ウエーハ面に対して研磨パ
ッドである研磨ベルトも面で接触する。しかし、このウ
エーハと研磨パッドとが面と面で接触する従来のベルト
方式の研磨機では以下のような問題点がある。即ち、ベ
ルト面をウエーハ面に接触させて研磨を行う場合、剛性
のある厚い研磨定盤に研磨パッドを貼り付けて研磨する
プラテン方式と比較して、ベルトの曲げ応力が弱いため
研磨のせん断応力により微視的にはベルトの進行方向に
研磨パッド表面の波打ち現象が生じる。図７はこの研磨
パッドの波打ち現象を概念的に示している。この波打ち
現象により研磨の平坦性が損なわれる。

【０００４】また、特開２０００−０９４３１６号公報
では、この波打ちを剛性のある定盤９２で押付けること
で抑えているが（図６）、過剰な力でベルト８４を押付
けた場合、今度はベルト８４が挟み込まれてベルト８４
の送りができなくなる他、ベルト８４の張力が調整でき
なくなり、研磨圧力をウエーハ面内に対して均等に作用
させることが困難になる。

【０００５】従来のベルト方式の研磨機のもう１つ問題
点は、次のようなものである。ベルト方式の研磨機の場
合、ベルト８４に与える張力が研磨圧力の安定化を制御
するうえで非常に大きなポイントであるが、ベルト面と
ウエーハ面とを合わせて研磨を行う面接触の研磨機の場
合、ベルト８４の張力で研磨圧力の安定化を図ることが
できるのは、ウエーハＷの周辺部分だけである。しか
し、ウエーハＷやウエーハＷのその周辺での移動を規制
するリテーナリングなどは円形に製作されているため、
ウエーハＷが研磨ベルトに与える反力がベルト８４の進
行方向のみならず、ベルト８４の周辺部に及び、ベルト
８４の周辺部に副次的な反力が発生する。図８はこのベ
ルト８４の周辺部に副次的に発生する反力の様子を概念
的にあらわしている。このため、ベルト８４の進行方向
に直角な方向においてベルト８４の張力を均等に制御す
ることは非常に困難である。

【０００６】以上述べた理由により、従来のベルト方式
の研磨機では研磨圧力の制御が非常に困難であり、その
ためウエーハ面内を安定して均一に研磨することができ
なかった。

【０００７】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、小型の装置で、ウエーハ面内を均一に研磨する、も
しくは所定の研磨形状（凸形状、凹形状等）に研磨加工
することができる研磨装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、スラリーを供給しながら
ウエーハを研磨パッドに接触させて研磨するウエーハの
研磨装置において、表面に研磨パッドを有した帯状のフ
ィルムと、該フィルムをその長手方向に移動させる駆動
手段と、前記ウエーハを保持して回転するウエーハキャ
リアと、前記長手方向と直角方向の一直線上で前記フィ
ルムを前記ウエーハに向けて押付ける押圧手段とが設け
られ、該押圧手段で前記長手方向に移動する前記フィル
ムを前記ウエーハに線接触で押圧すると共に、該ウエー
ハを回転させることによって該ウエーハを研磨すること
を特徴としている。

【０００９】請求項１に記載の発明によれば、研磨パッ
ドはウエーハに線接触で押圧されるので、ベルトの張力
を均等に制御することができ、研磨圧力の安定化を図る
ことができる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の研磨装置において、前記押圧手段は、軸芯が前
記長手方向と直角方向に配置された円柱又は円筒と、該
円柱又は円筒を前記フィルムに向けて押付ける押付け機
構とからなることを特徴とし、請求項３に記載の発明で
は、前記押圧手段は、前記長手方向と直角方向に配置さ
れ、前記長手方向に移動する前記フィルムにエアを吹き
付けるノズル配列体又は線状ノズルからなることを特徴
としている。

【００１１】請求項２又は請求項３に記載の発明によれ
ば、研磨パッドをウエーハに線接触で押圧することがで
きる。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１、２、
又は３のうちいずれか１項に記載の研磨装置において、
前記フィルムは長尺の帯状で、前記駆動手段は前記フィ
ルムの両端に設けられた巻取り及び巻戻し機構からな
り、該巻取り及び巻戻し機構で前記フィルムの両端を巻
取りあるいは巻戻すことにより、前記フィルムを長手方
向に一方向移動あるいは往復移動することを特徴とし、
請求項５に記載の発明では、前記フィルムはエンドレス
の帯状で、前記駆動手段は前記フィルムが張設される２
個以上のローラと少なくとも１個のローラを回転駆動す
る回転機構とからなり、該回転機構で前記ローラを一方
向回転あるいは往復回転することにより、前記フィルム
を長手方向に一方向移動あるいは往復移動することを特
徴としている。

【００１３】請求項４又は請求項５に記載の発明によれ
ば、フィルムを長手方向に一方向移動あるいは往復移動
することができる。

【００１４】また、請求項６に記載の発明は、請求項
１、２、３、４、又は５のうちいずれか１項に記載の研
磨装置において、前記ウエーハキャリアは、回転すると
共に前記長手方向に往復移動するように構成され、前記
フィルムの長手方向の移動と、前記ウエーハの回転運動
及び前記ウエーハの前記長手方向の往復移動とによって
該ウエーハを研磨することを特徴としている。

【００１５】請求項６に記載の発明によれば、ウエーハ
面内を均一に研磨できる。

【００１６】請求項７に記載の発明は、請求項１、２、
３、４、５、又は６のうちいずれか１項に記載の研磨装
置において、前記表面に研磨パッドを有した帯状のフィ
ルムは、研磨砥粒を表面に固着させた研磨フィルムであ
ることを特徴としている。

【００１７】請求項７に記載の発明によれば、研磨パッ
ドとフィルムが一体になっているので、取り扱いが容易
である。

【００１８】請求項８に記載の発明は、スラリーを供給
しながらウエーハを研磨パッドに接触させて研磨するウ
エーハの研磨方法において、表面に研磨パッドを有した
帯状のフィルムをその長手方向に移動させ、前記長手方
向と直角方向の一直線上で前記フィルムを前記ウエーハ
に向けて押付け、前記フィルムを前記ウエーハに線接触
で押圧すると共に、前記ウエーハを回転させながら前記
長手方向に往復移動させることにより、前記ウエーハを
研磨することを特徴としている。

【００１９】請求項８に記載の発明によれば、研磨パッ
ドはウエーハに線接触で押圧されるので、ベルトの張力
を均等に制御することができ、研磨圧力の安定化を図る
ことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
る研磨装置の好ましい実施の形態について詳説する。尚
各図において、同一の部材については同一の番号又は記
号を付している。

【００２１】図１は、ウエーハ研磨装置１０の全体構成
を示す斜視図である。同図に示すウエーハ研磨装置１０
は、主として表面に研磨パッド１２を有した長尺の帯状
のフィルム１４とウエーハキャリア２４とで構成され
る。フィルム１４は、表面に研磨砥粒を固着させた研磨
フィルムが用いられる。フィルム１４は、その一端がモ
ータ２０とモータ２０に連結されたローラ１６とからな
る巻取り及び巻戻し機構に結合され、他端も同じくモー
タ２２とモータ２２に連結されたローラ１８とからなる
巻取り及び巻戻し機構に結合されている。モータ２０を
時計方向に回転してローラ１６でフィルム１４を巻き取
るときには、モータ２２を同じく時計方向に回転し、ロ
ーラ１８からフィルム１４を巻き戻す。これによりフィ
ルム１４は一方向に送られる。また、モータ２０とモー
タ２２の両方を反時計方向に回転するとフィルム１４は
ローラ１８に巻き取られ、反対方向に送られる。この機
構によりフィルム１４は一方向送りと往復送りとがなさ
れる。また、モータ２０及びモータ２２は夫々ローラ１
６及びローラ１８のフィルム１４の巻径によって回転ス
ピードが制御されるが、フィルム１４に与える張力Ｔも
加味して制御される。即ち、巻取り側のモータの回転ス
ピードはフィルム１４の巻径に対応したスピードよりも
＋αのスピードで、巻き戻し側のモータの回転スピード
は巻径に対応したスピードよりも−αのスピードで制御
される。従ってフィルム１４に与える張力Ｔは、モータ
２０及びモータ２２の回転スピードをコントロールする
だけで容易に制御できる。

【００２２】また、ローラ１６とローラ１８との中間に
は、フィルム１４の長手方向と直行する幅方向に円柱
（又は円筒）３０が上下移動可能に配置されている。こ
れはフィルム１４をウエーハＷに押付ける押圧手段であ
って、図示しないエアーシリンダからなる押付け機構に
よってフィルム１４の裏面からフィルム１４の表面に形
成された研磨パッド１２をウエーハＷに押付ける。この
押付け力はエアシリンダに供給するエアの圧力を調整す
ることにより制御される。

【００２３】ウエーハキャリア２４は、フィルム１４の
下方に配置され、図１の矢印Ｘ方向に移動するＸテーブ
ル２８上に載置されたθ回転テーブル２６に結合されて
おり、θ回転されると共に矢印Ｘ方向に往復移動され
る。このウエーハキャリア２４の上面には、ウエーハＷ
が吸着固定される。

【００２４】ウエーハＷの上面にはスラリー供給ノズル
３２があり、研磨に必要なスラリーが供給される。

【００２５】以上のように構成された研磨装置１０の作
用について説明する。先ず研磨されるウエーハＷがウエ
ーハキャリア２４に吸着固定される。次にθ回転テーブ
ル２６とＸテーブル２８の駆動によって、ウエーハＷは
表面に研磨パッド１２が形成されたフィルム１４の下方
でθ回転されると共に矢印Ｘ方向に往復移動される。

【００２６】一方、表面に研磨パッド１２が形成された
フィルム１４は、その一端が結合されているローラ１６
とモータ２０とから成る巻取り及び巻戻し機構と、他端
が結合されているローラ１８とモータ２２とから成る巻
取り及び巻戻し機構との往復回転動作によって、長手方
向に往復移動される。この時、ローラ１６側の巻取り量
を巻戻し量よりも若干多くすることで、新しい研磨パッ
ド面が次々と研磨ポイントに供給される。また、ローラ
１６とローラ１８との中間位置で、フィルム１４の長手
方向と直交する幅方向に配置された押圧手段である円柱
（又は円筒）３０が、図示しないエアーシリンダによっ
て押圧されて、フィルム１４をウエーハＷに押付ける。
この時フィルム１４の研磨パッド１２とウエーハＷとは
線接触で研磨圧力が加えられ、この接触線上で研磨加工
がされる。またこの時、スラリー供給ノズル３２から研
磨加工線に向かってスラリーが供給される。

【００２７】このように研磨パッド１２とウエーハＷと
は線接触であるため、前述したベルト８４（フィルム１
４）周辺部において副次的な応力が受け難く、ベルト８
４（フィルム１４）の張力コントロールが容易になり、
研磨パッド１２とウエーハＷとの接触状態の安定化が図
れる。また、スラリーが研磨線上へ均一に供給される。

【００２８】図２は、本発明の実施形態の変形例を表わ
している。この変形例ではフィルム１４をウエーハＷに
向けて押付ける押圧手段が図１に示した実施形態と異な
っており、その他は同じである。ここでは押圧手段とし
て、フィルム１４にエアを吹き付けるノズル配列体４０
又は線状ノズル４２が用いられている。このノズル配列
体４０又は線状ノズル４２はフィルム１４の長手方向と
直交する幅方向に配置され、ノズルから吹出すエアの圧
力でフィルム１４をウエーハＷに線接触させ、研磨圧力
を与えている。また、エアの圧力を調整することで研磨
圧力を制御している。図３（ａ）にノズル配列体４０を
示す。ノズル配列体４０は底面に１列にノズル４０Ｂ、
４０Ｂ、…が形成され、ニップル４０Ｃから空洞部４０
Ａに供給されたエアは各ノズル４０Ｂから噴射してフィ
ルム１４を押圧する。また図３（ｂ）は線状ノズル４２
を表わしている。線状ノズル４２は底面に細いスリット
４２Ｂが形成されており、ニップル４２Ｃから空洞部４
２Ａに供給されたエアはスリット４２Ｂから噴射してフ
ィルム１４を押圧する。図３（ｃ）はノズル配列体の別
の実施形態を示している。このノズル配列体では２個の
ブロック４４と４４Ｅとが組み合わされている。ブロッ
ク４４の底面にはノズル４４Ｂ、４４Ｂ、…が形成され
ており、ニップル４４Ｃから空洞部４４Ａに供給された
エアは各ノズル４４Ｂから噴射する。またブロック４４
Ｅの底面にはノズル４４Ｇ、４４Ｇ、…が形成されてお
り、ニップル４４Ｈから空洞部４４Ｆに供給された別系
統のエアが各ノズル４４Ｇから噴射する。この別の実施
形態のノズル配列体では、中央部のノズル４４Ｇ、４４
Ｇ、…から吹出すエアの圧力と、両端部のノズル４４
Ｂ、４４Ｂ、…から吹出すエアの圧力とを夫々独立に制
御できるので、ウエーハＷを所定の研磨形状（凸形状、
凹形状等）に研磨加工することができる。

【００２９】図４は、本発明の実施形態の別の変形例を
表わしている。この別の変形例では、表面に研磨パッド
５２を有するフィルム５４がエンドレスの帯状になって
いる。このエンドレスの帯状フィルム５４はローラ５６
及びローラ５８に張設されており、ローラ５６及びロー
ラ５８は夫々モータ６０及びモータ６２に連結されてい
る。モータ６０及びモータ６２によってローラ５６及び
ローラ５８を同一方向に回転させることにより、フィル
ム５４はその長手方向に一方向移動あるいは往復移動さ
れる。

【００３０】尚、以上説明した実施の形態では、フィル
ム１４の押圧手段の１つとして円柱（又は円筒）３０を
用いたが、これに限らずフィルムとの接触が線接触にな
るような曲面を有する形状であれば構わない。また変形
例ではノズルからエアを噴射しているが、エアに限らず
他の流体を用いてもよい。

【００３１】また、ウエーハキャリア２４がθ回転され
ると共に、フィルム１４の長手方向に往復移動するよう
に構成されているが、θ回転のみあるいは長手方向の往
復移動のみでもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、研
磨パッドはウエーハに線接触で押圧されるので、研磨パ
ッドの波打ち現象がおきず、また研磨時にウエーハが研
磨ベルトに与える反力がベルトの進行方向のみであり、
ベルトの周辺部において副次的な応力が受け難く、ベル
トの張力を均等に制御することができ、研磨圧力の安定
化を図ることができる。

【００３３】また、スラリーを研磨線上へ均一に供給す
ることができる。

【００３４】更に、小型の装置で、ウエーハ面内を均一
に研磨する、もしくは所定の研磨形状（凸形状、凹形状
等）に研磨加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の斜視図

【図２】本発明の実施の形態に係る研磨装置の変形例を
示す斜視図

【図３】本発明の実施の形態に係る研磨装置の変形例に
おける押圧手段を示す断面図

【図４】本発明の実施の形態に係る研磨装置の別の変形
例を示す斜視図

【図５】従来のプラテン方式の研磨装置の斜視図

【図６】従来のベルト方式の研磨装置の斜視図

【図７】従来のベルト方式の研磨装置におけるベルトの
波打ち現象を示す概念図

【図８】従来のベルト方式の研磨装置におけるウエーハ
の反力を示す概念図

【符号の説明】

Ｗ…ウエーハ、１０…研磨装置、１２、５２…研磨パッ
ド、１４、５４…フィルム、１６、１８、５６、５８…
ローラ、２０、２２、６０、６２…モータ、２４…ウエ
ーハキャリア、２６…θ回転テーブル、２８…Ｘテーブ
ル、３０…円柱（又は円筒）、４０…ノズル配列体、４
２…線状ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２２Ｆ (72)発明者 藤田 隆 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株式 会社東京精密内 Ｆターム(参考） 3C058 AA05 AA07 AA09 AA12 CA01 CB01 DA12 DA17

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スラリーを供給しながらウエーハを研磨パ
   ッドに接触させて研磨するウエーハの研磨装置におい
   て、 表面に研磨パッドを有した帯状のフィルムと、 該フィルムをその長手方向に移動させる駆動手段と、 前記ウエーハを保持して回転するウエーハキャリアと、 前記長手方向と直角方向の一直線上で前記フィルムを前
   記ウエーハに向けて押付ける押圧手段とが設けられ、 該押圧手段で前記長手方向に移動する前記フィルムを前
   記ウエーハに線接触で押圧すると共に、該ウエーハを回
   転させることによって該ウエーハを研磨することを特徴
   とする研磨装置。
2. 【請求項２】前記押圧手段は、 軸芯が前記長手方向と直角方向に配置された円柱又は円
   筒と、 該円柱又は円筒を前記フィルムに向けて押付ける押付け
   機構とからなることを特徴とする請求項１に記載の研磨
   装置。
3. 【請求項３】前記押圧手段は、 前記長手方向と直角方向に配置され、前記長手方向に移
   動する前記フィルムにエアを吹き付けるノズル配列体又
   は線状ノズルからなることを特徴とする請求項１に記載
   の研磨装置。
4. 【請求項４】前記フィルムは長尺の帯状で、 前記駆動手段は前記フィルムの両端に設けられた巻取り
   及び巻戻し機構からなり、 該巻取り及び巻戻し機構で前記フィルムの両端を巻取り
   あるいは巻戻すことにより、前記フィルムを長手方向に
   一方向移動あるいは往復移動することを特徴とする請求
   項１、２、又は３のうちいずれか１項に記載の研磨装
   置。
5. 【請求項５】前記フィルムはエンドレスの帯状で、 前記駆動手段は前記フィルムが張設される２個以上のロ
   ーラと、少なくとも１個のローラを回転駆動する回転機
   構とからなり、 該回転機構で前記ローラを一方向回転あるいは往復回転
   することにより、前記フィルムを長手方向に一方向移動
   あるいは往復移動することを特徴とする請求項１、２、
   又は３のうちいずれか１項に記載の研磨装置。
6. 【請求項６】前記ウエーハキャリアは、回転すると共に
   前記長手方向に往復移動するように構成され、 前記フィルムの長手方向の移動と、前記ウエーハの回転
   運動及び前記ウエーハの前記長手方向の往復移動とによ
   って該ウエーハを研磨することを特徴とする請求項１、
   ２、３、４、又は５のうちいずれか１項に記載の研磨装
   置。
7. 【請求項７】前記表面に研磨パッドを有した帯状のフィ
   ルムは、研磨砥粒を表面に固着させた研磨フィルムであ
   ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は６
   のうちいずれか１項に記載の研磨装置。
8. 【請求項８】スラリーを供給しながらウエーハを研磨パ
   ッドに接触させて研磨するウエーハの研磨方法におい
   て、 表面に研磨パッドを有した帯状のフィルムをその長手方
   向に移動させ、前記長手方向と直角方向の一直線上で前
   記フィルムを前記ウエーハに向けて押付け、前記フィル
   ムを前記ウエーハに線接触で押圧すると共に、 前記ウエーハを回転させながら前記長手方向に往復移動
   させることにより、前記ウエーハを研磨することを特徴
   とする研磨方法。