JP2003188125A - ポリッシング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨対象物へのダメージを少なくすることが
でき、研磨液の使用量を大幅に削減することができるコ
ンパクトな構成のポリッシング装置を提供する。 【解決手段】 半導体ウェハＷを自転及び／又は公転可
能に保持するウェハ保持部１０と、ウェハ保持部１０に
保持された半導体ウェハＷの被研磨面にブラシ２０を押
圧するブラシ押圧部２２とを備え、半導体ウェハＷの被
研磨面に研磨液を供給しつつ、自転及び／又は公転する
半導体ウェハＷの被研磨面にブラシ２０を押圧して半導
体ウェハＷの研磨を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポリッシング装置
に係り、特に表面に薄膜が形成された半導体ウェハ等の
研磨対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシング装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が進む
につれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く
なりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラ
フィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像
面の平坦度を必要とする。このような半導体ウェハの表
面を平坦化する一手段として、化学機械研磨（ＣＭＰ）
を行うポリッシング装置が知られている。

【０００３】半導体ウェハ表面、特に半導体ウェハの上
面に形成されたデバイスパターンを研磨し平坦化するポ
リッシング装置においては、研磨テーブルの上面に貼ら
れた研磨布として、従来、不織布からなる研磨布を用い
ていた。しかし、近年、ＩＣやＬＳＩの集積度が高くな
るに従って、研磨後のデバイスパターン研磨面の段差を
より小さくすることが要望されている。デバイスパター
ン研磨面における段差の小さな研磨の要望に応えるた
め、研磨布には硬い材質のもの、例えば発泡ポリウレタ
ンからなる研磨布を用いるようになってきた。

【０００４】この種のポリッシング装置は、図４に示す
ように、上面に研磨布（研磨パッド）１００を貼付して
研磨面を構成する研磨テーブル１０２と、研磨対象物で
ある半導体ウェハＷをその被研磨面を研磨テーブル１０
２に向けて保持するトップリング１０４とを備えてい
る。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハ
Ｗの研磨処理を行う場合には、研磨テーブル１０２とト
ップリング１０４とをそれぞれ自転させ、研磨テーブル
１０２の上方に設置された研磨液供給ノズル１０６より
研磨液を供給しつつ、トップリング１０４により半導体
ウェハＷを一定の圧力で研磨テーブル１０２の研磨布１
００に押圧する。研磨液供給ノズル１０６から供給され
る研磨液は、例えばアルカリ溶液にシリカ等の微粒子か
らなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学
的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用
である化学的・機械的研磨によって半導体ウェハＷが平
坦かつ鏡面状に研磨される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＣＭＰ装置では、研磨テーブル１０２とトップ
リング１０４とをそれぞれ自転させる必要があるため、
装置構成が複雑となり装置全体が大きくなってしまう。
また、研磨時の研磨テーブル１０２とトップリング１０
４との相対速度をあまり大きくすることができないの
で、トップリング１０４により半導体ウェハＷに加える
荷重を大きくして研磨を行う必要がある。半導体ウェハ
Ｗはトップリング１０４により一定の圧力で研磨布１０
０に押圧されるが、このとき半導体ウェハＷに偏荷重が
かかり、場合によっては半導体ウェハＷが割れるおそれ
がある。

【０００６】また、上述した従来のＣＭＰ装置では、半
導体ウェハＷの被研磨面を下向きにして研磨を行うた
め、研磨中に半導体ウェハＷの被研磨面の表面状態（研
磨状態）や研磨量を確認することが難しいという問題も
ある。更に、半導体ウェハＷの外周部はリテーナリング
１０８によって保持されているが、このリテーナリング
１０８の内周部と半導体ウェハＷの外周部とが近接して
いるため、半導体ウェハＷの外周部を確実に研磨するこ
とは難しい。また、半導体ウェハＷの研磨条件を変える
場合には、研磨液や研磨布１００を交換する必要がある
が、研磨液のフラッシング作業や研磨布１００の取替作
業に手間がかかるため、簡単に半導体ウェハＷの研磨条
件を変えることができない。

【０００７】また、研磨に際しては、研磨液を研磨布１
００の全面に行き渡らせるため、実際の研磨に寄与して
いる研磨液よりも多量の研磨液を研磨布１００上に供給
している。従って、多くの研磨液が研磨に使われないま
ま排出されてしまい無駄が多く、このような研磨液は、
研磨テーブル１０２の回転に伴って周囲に飛散して汚染
原因ともなってしまう。

【０００８】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、研磨対象物へのダメージを少な
くすることができ、研磨液の使用量を大幅に削減するこ
とができるコンパクトな構成のポリッシング装置を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような従来技術にお
ける問題点を解決するために、本発明の一態様は、研磨
対象物を自転及び／又は公転可能に保持する保持部と、
上記保持部に保持された研磨対象物の被研磨面にブラシ
を押圧するブラシ押圧部とを備え、上記研磨対象物の被
研磨面に研磨液を供給しつつ、自転及び／又は公転する
上記研磨対象物の被研磨面に上記ブラシを押圧して該研
磨対象物の研磨を行うことを特徴とするポリッシング装
置である。

【００１０】従来のＣＭＰ装置を用いた場合、研磨対象
物よりも大きな研磨テーブルを設ける必要があったが、
本発明によれば、上記ブラシを研磨対象物よりも小さく
することができるので、必要以上に大きな装置構成とな
らず、装置全体をコンパクトにすることができる。ま
た、研磨対象物の被研磨面を上向きにした状態でも研磨
を行うことができるので、研磨中の被研磨面の表面状態
（研磨状態）の監視や膜厚測定装置による研磨膜厚のモ
ニタリングなどが容易になる。更に、研磨対象物を保持
部に自転又は公転可能に保持するだけでよいため、従来
のＣＭＰ装置のように研磨対象物の外周部を保持するた
めの部材を必要としない。従って、研磨対象物の外周部
まで確実に研磨を行うことが可能となる。

【００１１】本発明の好ましい一態様は、上記ブラシ押
圧部には、研磨液供給源に接続される流路と、上記流路
を介して供給された研磨液を上記ブラシに噴出する噴出
口とを形成したことを特徴としている。

【００１２】本発明によれば、ブラシの近傍にさえ研磨
液が存在すれば研磨対象物の研磨が進行するので、ブラ
シの近傍のみに研磨液を供給して使用する研磨液の量を
大幅に削減することが可能となる。また、研磨液の使用
量を少なくすることができるので、研磨液が周囲に飛散
して汚染することも防止される。

【００１３】この場合において、上記ブラシ押圧部に形
成された流路に上記研磨液に代えてエッチング液を流
し、上記流路を介して供給されたエッチング液を上記噴
出口から上記ブラシに噴出することもできる。このよう
に、本発明によれば、研磨対象物を研磨するだけでな
く、被研磨面のエッチングを行うこともできる。

【００１４】本発明の好ましい一態様は、上記ブラシ押
圧部は、上記ブラシに超音波振動を与える超音波加振器
を備えたことを特徴としている。このようにブラシに超
音波振動を加えて研磨を行えば、研磨中のブラシと被研
磨面との相対速度を上げることができるので、研磨時に
研磨対象物に加える荷重を小さくすることができ、研磨
対象物に偏荷重がかかることもない。従って、研磨対象
物の割れなどが防止され、研磨対象物に対するダメージ
を小さくすることができる。本発明に係るポリッシング
装置は、特に、Ｌｏｗ−Ｋ材のような比較的脆い材料を
研磨する場合に好適である。

【００１５】本発明の好ましい一態様は、上記ブラシ
は、上記ブラシ押圧部に着脱可能に取付けられているこ
とを特徴としている。このような構成とすれば、硬度や
材質の異なるブラシに取り替えることによって、研磨対
象物の研磨条件を容易に変更することができる。従っ
て、例えば、硬質のブラシに取り替えることにより、研
磨対象物を研磨するだけでなく、被研磨面を研削するこ
ともできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るポリッシング
装置の一実施形態について図１及び図２を参照して詳細
に説明する。図１は、本発明の一実施形態におけるポリ
ッシング装置を模式的に示す平面図である。

【００１７】図１に示すように、ポリッシング装置に
は、全体が長方形をなす床上のスペースの一端側に一対
の研磨部１ａ，１ｂが左右に対向して配置され、他端側
にそれぞれ半導体ウェハ収納用カセット２ａ，２ｂを載
置する一対のロード・アンロードユニットが配置されて
いる。研磨部１ａ，１ｂとロード・アンロードユニット
とを結ぶ線上には、半導体ウェハを搬送する搬送ロボッ
ト４ａ，４ｂが２台配置されて搬送ラインが形成されて
いる。この搬送ラインの両側には、それぞれ１台の反転
機５，６とこの反転機５，６を挟んで２台の洗浄機７
ａ，７ｂ，８ａ，８ｂとが配置されている。

【００１８】搬送ロボット４ａ，４ｂは、水平面内で屈
折自在な関節アームを有しており、それぞれ上下に２つ
の把持部をドライフィンガーとウェットフィンガーとし
て使い分けている。本実施形態では２台のロボットが使
用されるので、基本的に第１ロボット４ａは反転機５，
６よりカセット２ａ，２ｂ側の領域を、第２ロボット４
ｂは反転機５，６より研磨部１ａ，１ｂ側の領域を受け
持つ。

【００１９】反転機５，６は半導体ウェハの上下を反転
させるもので、搬送ロボット４ａ，４ｂのハンドが到達
可能な位置に配置されている。本実施形態では、２つの
反転機５，６をドライ基板を扱うものと、ウエット基板
を扱うものとに使い分けている。

【００２０】各洗浄機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの形式は
任意であるが、例えば、研磨部１ａ，１ｂ側はスポンジ
付きのローラで半導体ウェハの表裏両面を拭う形式の洗
浄機７ａ，７ｂであり、カセット２ａ，２ｂ側は半導体
ウェハのエッジを把持して水平面内で回転させながら洗
浄液を供給する形式の洗浄機８ａ，８ｂである。後者
は、遠心脱水して乾燥させる乾燥機としての機能をも備
える。洗浄機７ａ，７ｂにおいて、半導体ウェハの１次
洗浄を行うことができ、洗浄機８ａ，８ｂにおいて１次
洗浄後の半導体ウェハの２次洗浄を行うことができる。

【００２１】次に、上述した研磨部の詳細を説明する。
２つの研磨部１ａ，１ｂは、基本的に同一の仕様の装置
が上記搬送ラインに対して対称に配置されている。図２
は、図１に示す研磨部１ａの要部を示す概略図である。
なお、以下では、研磨部１ａについてのみ説明するが、
研磨部１ｂについても研磨部１ａと同様に考えることが
できる。

【００２２】図２に示すように、研磨部１ａは、上面に
半導体ウェハＷを保持するウェハ保持部１０と、例えば
研磨面（半導体ウェハＷとの接触面）が略長方形でウレ
タンスポンジからなるブラシ２０を有するブラシ押圧部
２２とを備えている。このブラシ２０の長手方向（半導
体ウェハＷの径方向）の長さは、半導体ウェハＷの半径
と同じ、あるいは半導体ウェハＷの半径の２割以下だけ
半導体ウェハＷの半径よりも長いことが好ましい。研磨
対象物としての半導体ウェハＷは、被研磨面を露出させ
た状態で例えば真空チャックによりウェハ保持部１０に
保持される。図２は被研磨面を上向きにした例を示して
いるが、被研磨面を下向きにすることもできる。また、
ウェハ保持部１０は、回転軸１０ａを介してその下方に
配置されるモータ１２に連結されており、ウェハ保持部
１０は回転軸１０ａ回りに回転可能となっている。

【００２３】ブラシ押圧部２２は、ウェハ保持部１０に
保持された半導体ウェハＷの被研磨面にブラシ２０を押
圧するもので、図２に示すように、ブラシ２０が着脱自
在に取付けられたブラシ取付部３０と、回転可能な支軸
３２と、支軸３２に取付けられた揺動アーム３４と、揺
動アーム３４を上下動させる昇降機構３６と、ブラシ２
０に超音波振動を与える超音波加振器３８とを備えてい
る。ブラシ取付部３０は、支軸３２の回転による揺動ア
ーム３４の揺動と共に水平方向に移動し、図１の矢印Ａ
で示すように、研磨部に配置されたブラシ洗浄装置４０
と半導体ウェハＷ上の研磨位置との間での往復運動が可
能となっている。このような機構により、ブラシ押圧部
２２は、ブラシ取付部３０のブラシ２０をウェハ保持部
１０上の半導体ウェハＷに対して任意の圧力で押圧する
ことができる。

【００２４】ここで、ブラシ取付部３０に保持されたブ
ラシ２０の根元部分には複数の噴出口３０ａが形成され
ており、この噴出口３０ａには、ブラシ取付部３０の内
部及び揺動アーム３４の内部を貫通する流路３１が連通
されている。この流路３１は研磨液供給源４２（図１で
は図示せず）に接続されており、研磨液供給源４２から
の研磨液は、流路３１を通ってブラシ取付部３０の下面
の噴出口３０ａからブラシ２０及びその近傍に噴出され
る。

【００２５】このような構成の研磨部１ａにおいて、半
導体ウェハＷを研磨する場合には、支軸３２の回転によ
りブラシ取付部３０をウェハ保持部１０に保持された半
導体ウェハＷ上の研磨位置に移動する。そして、モータ
１２の駆動によりウェハ保持部１０及び半導体ウェハＷ
を回転させつつ、ブラシ取付部３０のブラシ２０を所定
の圧力でウェハ保持部１０上の半導体ウェハＷに押圧す
る。このとき、ブラシ取付部３０の噴出口３０ａから研
磨液をブラシ２０の近傍に供給し、この研磨液の作用に
よって半導体ウェハＷの被研磨面が研磨される。この場
合において、研磨中にブラシ２０の先端が半導体ウェハ
Ｗの中心部から外周部へ、あるいは一方の外周部から他
方の外周部へ接触しながら通過するように、水平面内で
ブラシ取付部３０を揺動アーム３４により揺動させても
よい。このとき、半導体ウェハＷの中心付近では揺動速
度を遅くし、外周部付近で速くすると、半導体ウェハＷ
の全面で研磨レートを略均一にすることができる。

【００２６】研磨終了後は、支軸３２の回転によりブラ
シ取付部３０をブラシ洗浄装置４０に収容し、このブラ
シ洗浄装置４０においてブラシ２０を洗浄する。なお、
このブラシ洗浄装置４０に、更にブラシ２０の研磨性能
を回復させるためのドレッシング機構を設け、研磨の前
後においてブラシ２０の研磨面をドレッシングしてもよ
い。

【００２７】上述した実施形態では、ブラシ２０として
ウレタンスポンジを用いた例を説明したが、ブラシ２０
を研磨布や砥粒を固定させた砥石により構成してもよ
い。また、繊維状のブラシを使用する場合、その繊維の
太さ（直径）は半導体ウェハＷに形成される配線幅より
も太いことが好ましい。繊維の硬さにもよるが、好まし
くは１μｍ以上数百μｍ以下、より好ましくは５０μｍ
以上２００μｍ以下の径を有するウレタン繊維を用いる
のがよい。また、ブラシ２０の研磨面は上述した略長方
形に限らず、略円形や略扇形でもあってもよい。ブラシ
２０の研磨面を扇形にする場合には、研磨レートが半導
体ウェハＷの全面で均一になるように、研磨面が半導体
ウェハＷの中心部で広く、外周部で狭くなっている形状
が好ましい。

【００２８】また、ブラシ２０とウェハ保持部１０との
相対運動は、回転運動に限らず、循環並進運動（いわゆ
るスクロール運動）、直線運動、直線往復運動などあら
ゆる種類の相対運動にできることは言うまでもない。更
に、ウェハ保持部１０を図示しない公転機構により一定
の公転周期で公転させてもよい。装置全体をコンパクト
にする上で、公転半径は半導体ウェハＷの半径以下の所
定の大きさにすることが好ましい。なお、ブラシ取付部
３０を上述のように揺動させたり、図示しない直線移動
機構により３０を半導体ウェハＷに対して一定速度で水
平移動させたりする場合は、ウェハ保持部１０を自転さ
せず公転させることで、研磨中にブラシ２０とウェハ保
持部１０との相対速度を均一にすることが可能である。
この場合、ブラシ押圧部２２による研磨圧力が一定とな
るように、ブラシ２０のウェハ保持部１０に対する接触
面積に応じてブラシ押圧部２２による押圧力を変えるこ
とが好ましい。

【００２９】本発明に係るポリッシング装置によれば、
ブラシ２０を半導体ウェハＷよりも小さくすることがで
きるので、装置全体をコンパクトにすることができる。
また、半導体ウェハＷの被研磨面を上向きにした状態で
も研磨を行うことができるので、研磨中の被研磨面の表
面状態（研磨状態）の監視や膜厚測定装置による研磨膜
厚のモニタリングなどが容易になる。更に、半導体ウェ
ハＷをウェハ保持部１０に自転又は公転可能に保持する
だけでよいため、従来のＣＭＰ装置のように半導体ウェ
ハＷの外周部を保持するための部材を必要としない。従
って、半導体ウェハＷの外周部まで確実に研磨を行うこ
とが可能となる。

【００３０】また、本発明によれば、ブラシ２０の近傍
にさえ研磨液（スラリー）が存在すれば半導体ウェハＷ
の研磨が進行するので、ブラシ２０の近傍のみに研磨液
を供給して、従来のＣＭＰ装置に比べ使用する研磨液の
量を大幅に削減することが可能となる。また、研磨液の
使用量を少なくすることができるので、研磨液が周囲に
飛散して汚染することも防止される。

【００３１】この場合において、研磨中に超音波加振器
３８によってブラシ２０に超音波振動を加えることによ
り、研磨中のブラシ２０と半導体ウェハＷの被研磨面と
の相対速度を上げることができる。従って、研磨時に半
導体ウェハＷに加える荷重を小さくすることができ、半
導体ウェハＷに偏荷重がかかることもない。このため、
半導体ウェハＷの割れなどが防止され、半導体ウェハＷ
に対するダメージを小さくすることができる。本発明に
係るポリッシング装置は、特に、Ｌｏｗ−Ｋ材のような
比較的脆い材料を研磨する場合に好適である。

【００３２】上述したように、ブラシ取付部３０にはブ
ラシ２０が着脱自在に取付けられている。従って、ブラ
シ２０を硬度や材質の異なるブラシに取り替えることに
よって、半導体ウェハＷの研磨条件を容易に変更するこ
とができる。従って、例えば、硬質のブラシに取り替え
ることにより、半導体ウェハＷを研磨するだけでなく、
被研磨面を研削することもできる。

【００３３】上述の実施形態においては、研磨液供給源
４２からの研磨液をブラシ取付部３０の噴出口３０ａか
ら噴出することとしたが、これに限られるものではな
い。例えば、エッチング液供給源を設けて、このエッチ
ング液供給源からのエッチング液を流路３１に供給し
て、研磨液に代えてエッチング液をブラシ取付部３０の
下面の噴出口３０ａからブラシ２０及びその近傍に噴出
してもよい。このように、流路３１を介して噴出口３０
ａから噴出する流体を変えることによって、半導体ウェ
ハＷの研磨条件を容易に変更することができる。上述し
た例では、半導体ウェハＷを研磨するだけでなく、被研
磨面のエッチングを行うこともできる。

【００３４】また、図３に示すように、ブラシ２０を複
数に分割し、分割されたブラシ毎に半導体ウェハＷに対
する押圧力を調整する押圧力調整手段５０ａ，５０ｂ，
５０ｃ，５０ｄをブラシ取付部３０に設けてもよい。こ
のような押圧力調整手段５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０
ｄにより半導体ウェハＷに対する押圧力（Ｆ１，Ｆ２，
Ｆ３，Ｆ４）を適宜変更又は調整し、研磨プロファイル
制御などのウェハ研磨制御を行うことができる。このよ
うな押圧力調整手段としては、空気や窒素などの不活性
ガス等を用いた気体シリンダや水圧シリンダなどが挙げ
られる。

【００３５】これまで本発明の一実施形態について説明
したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技
術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施され
てよいことは言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、ブラ
シ押圧部のブラシを研磨対象物よりも小さくすることが
できるので、必要以上に大きな装置構成とならず、装置
全体をコンパクトにすることができる。また、研磨対象
物の被研磨面を上向きにした状態でも研磨を行うことが
できるので、研磨中の被研磨面の表面状態（研磨状態）
の監視や膜厚測定装置による研磨膜厚のモニタリングな
どが容易になる。更に、研磨対象物を保持部に自転又は
公転可能に保持するだけでよいため、従来のＣＭＰ装置
のように研磨対象物の外周部を保持するための部材を必
要としない。従って、研磨対象物の外周部まで確実に研
磨を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるポリッシング装置
の全体構成を模式的に示す平面図である。

【図２】図１の研磨部の要部を示す概略図である。

【図３】本発明の他の実施形態における研磨部の要部を
示す概略図である。

【図４】従来のポリッシング装置を模式的に示す断面図
である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 研磨部 ２ａ，２ｂ 半導体ウェハ収納用カセット ４ａ，４ｂ 搬送ロボット ５， ６ 反転機 ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ 洗浄機 １０ ウェハ保持部 １０ａ 回転軸 １２ モータ ２０ ブラシ ２２ ブラシ押圧部 ３０ ブラシ取付部 ３０ａ 噴出口 ３１ 流路 ３２ 支軸 ３４ 揺動アーム ３６ 昇降機構 ３８ 超音波加振器 ４０ ブラシ洗浄装置 ４２ 研磨液供給源 ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ 押圧力調整手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 展 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 辻村 学 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 3C047 AA34 AA37 FF08 GG00 3C058 AA07 AA19 AC04 CB01 DA17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨対象物を自転及び／又は公転可能に
   保持する保持部と、 前記保持部に保持された研磨対象物の被研磨面にブラシ
   を押圧するブラシ押圧部とを備え、 前記研磨対象物の被研磨面に研磨液を供給しつつ、自転
   及び／又は公転する前記研磨対象物の被研磨面に前記ブ
   ラシを押圧して該研磨対象物の研磨を行うことを特徴と
   するポリッシング装置。
2. 【請求項２】 前記ブラシ押圧部には、研磨液供給源に
   接続される流路と、前記流路を介して供給された研磨液
   を前記ブラシに噴出する噴出口とを形成したことを特徴
   とする請求項１に記載のポリッシング装置。
3. 【請求項３】 前記ブラシ押圧部に形成された流路に前
   記研磨液に代えてエッチング液を流し、前記流路を介し
   て供給されたエッチング液を前記噴出口から前記ブラシ
   に噴出することを特徴とする請求項２に記載のポリッシ
   ング装置。
4. 【請求項４】 前記ブラシ押圧部は、前記ブラシに超音
   波振動を与える超音波加振器を備えたことを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポリッシング装
   置。
5. 【請求項５】 前記ブラシは、前記ブラシ押圧部に着脱
   可能に取付けられていることを特徴とする請求項１乃至
   ４のいずれか一項に記載のポリッシング装置。