JP2003225859A - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents
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Abstract
設定を容易にすることができる研磨装置を提供する。 【解決手段】 開閉可能な蓋体14を備え、内部を加圧
もしくは減圧し得る圧力容器たるベルジャー12と、該
ベルジャー12内に配置された定盤23と、ベルジャー
12内の定盤23上に配置され、定盤23との間に配置
されたワークを定盤側に押圧するワーク押圧プレート3
6と、定盤23とワーク押圧プレート36とを相対移動
させることでワークを研磨する駆動部35と、ベルジャ
ー12に接続され、ベルジャー12内を加圧もしくは減
圧する圧力源47、48とを具備することを特徴とす
る。
Description
のワークを研磨する研磨装置および研磨方法に関する。
CMP(ケミカル・メカニカル・ポリシング)技術は、
高密度多層配線を実現するための重要な技術として注目
されている。
は、用いる研磨液の種類、定盤の回転速度、研磨パッド
の種類、温度等の研磨条件において複合的に関連するフ
ァクターが多いことから、所要の研磨レートが得られ、
しかも満足のいくプラナリゼーションが達成される最適
加工条件の選定が難しいという課題がある。
あり、ファクター間の複合的な関連性の比較的うすいワ
ークの加圧条件を変更可能で、研磨条件の設定を容易に
することができる研磨装置および加工方法を提供するこ
とを目的とする。
係る研磨装置は、開閉可能な蓋体を備え、内部を加圧も
しくは減圧し得る圧力容器たるベルジャーと、該ベルジ
ャー内に配置された定盤と、前記ベルジャー内の定盤上
に配置され、定盤との間に配置されたワークを定盤側に
押圧するワーク押圧プレートと、前記定盤とワーク押圧
プレートとを相対移動させることでワークを研磨する駆
動部と、前記ベルジャーに接続され、ベルジャー内を加
圧もしくは減圧する圧力源とを具備することを特徴とす
る。前記駆動部により、前記定盤を研磨面と平行な面内
で揺動させてもよいし、研磨面と平行な面内で回転させ
てもよい。また、前記定盤上に研磨液を供給する研磨液
供給部を設けると好適である。
スの加圧源を備え、該加圧源を切り替えて前記ベルジャ
ーに接続する切り替え手段を具備することを特徴とす
る。また、前記ベルジャー内の圧力、温度等を検出する
計測装置を備えることを特徴とする。また、前記駆動部
が前記ベルジャーの外部に配設されていることを特徴と
する。また、前記ワーク押圧プレートの外周縁に当接し
て、ワーク押圧プレートを前記定盤上の所要位置に保持
する複数個のローラを備えることを特徴とする。前記ロ
ーラが前記ベルジャー内に配設されたアームにより回転
自在に支持されていることを特徴とする。
備することを特徴とする。また、前記ワーク押圧プレー
トを複数備えることを特徴とする。また、前記研磨液供
給部が、前記ベルジャー内に配置されて研磨液を収納す
る研磨液収納部と、前記ベルジャー外部に配設され、前
記研磨液収納部および前記ベルジャーとパイプを介して
接続され、前記研磨液収納部から定盤上に研磨液を循環
させる循環ポンプとを具備することを特徴とする。ま
た、前記研磨液供給部が、前記ベルジャー内に配置され
て研磨液を収納する研磨液収納部に形成され、前記定盤
が、定盤面が水平面から傾斜するように配置されて、低
位の定盤面が研磨液中に浸るように設けられていること
を特徴とする。
装置を用い、前記定盤とワーク押圧プレートとの間にワ
ークを配置し、前記ベルジャー内に所要ガスを封入し、
前記駆動部により前記定盤とワーク押圧プレートとを相
対移動させてワークを研磨することを特徴とする。ま
た、前記研磨液供給部から定盤上に研磨液を供給するこ
とを特徴とする。また、研磨工程中に、前記ベルジャー
内の圧力を変化させることを特徴とする。また、研磨工
程中に、前記ベルジャー内の使用ガスを他のガスに交換
することを特徴とする。
を添付図面に基づいて詳細に説明する。図1は研磨装置
10の正面断面図、図2は蓋体をあけた状態の平面図、
図3はベルジャーの平面図である。12は、蓋体14を
備えるベルジャーであり、加圧、減圧状態に耐え得る圧
力容器構造をなす。蓋体14は軸15を中心に回動自在
にベルジャー本体16に取りつけられ、ベルジャー本体
16を開閉可能になっている。
16にその基部側が軸21により回動自在に取り付けら
れ、上部側が蓋体14に設けた二股状の固定アーム19
内に進入可能となっていて、締付ナット20を回転する
ことによって、蓋体14をベルジャー本体16に気密に
締め付けるようになっている。締付ボルト18は、60
°ずつの間隔をおいて、ベルジャー本体16に6個設け
られている。ベルジャー本体16は所要厚さの鋼材から
なる有底円筒状に形成され、また蓋体14の天板も上に
凸の曲面に形成されることによって、耐圧構造に形成さ
れている。ベルジャー本体16の底部材16aは、平板
状をなし、耐圧構造をもたせるために、円筒状部よりも
かなり厚い鋼材により形成されている。なお、ベルジャ
ー12は耐圧構造を備えるものであればよく、円筒型の
ものには限定されない。
設される。定盤23の上面(定盤面)には、図示しない
が、公知の材料からなる研磨布が貼設されている。定盤
23の下面側には筒状をなす連結部材24が固定されて
いる。この連結部材24が、ベアリング25によって底
部材16aに回転自在に支持された回転軸部26に、キ
ー部材27を介して連結されている。これにより定盤2
3は回転軸部26とともに回転される。28はシール部
材である。また、定盤23の下面側は、スラストベアリ
ング29によって支持されている。30は、底部材16
a上に設けられた受部材であり、スラストベアリング2
9はこの受部材30上に配置されている。31はカバー
であり、定盤23の外周を囲み、定盤23上に研磨液が
所要量滞留されるようにするためのものである。このカ
バー31は設けなくともよい。
あり、4本の脚32aを有し、この各脚32a下端に
は、脚32aの長さを調節するためのアジャスタブルボ
ルト33が螺合され、このボルト33を調整することに
よって、脚32aの高さ調節や、ベルジャー12の水平
度の調節が可能となる。
2に取り付けられ、その回転軸が回転軸部26に連結さ
れることによって、モータ35により定盤23が回転さ
れることになる。駆動部(モータ)35は、ベルジャー
12の外部に配設したが、場合によってはベルジャー1
2内に配設することもできる。
押圧プレート36は、定盤23上に配置され、自重によ
り定盤23側に押圧力を付与する。定盤23の上面とワ
ーク押圧プレート36の下面との間に研磨すべきワーク
(図示せず)が配置される。なお、ワーク押圧プレート
36上には、任意枚数の円板状の錘(加圧手段)37が
載せられるようになっていて、荷重の調節が可能となっ
ている。
心軸線上に配置されたローラ38と、定盤23の周縁部
上方に配置されたローラ39とによって、その外周縁が
当接支持されることによって、定盤23上の所要部位に
保持されるようになっている。ローラ38、39は、ベ
ルジャー12内に配設された円弧状のアーム40により
回転自在に支持されている。定盤23は、図2上、矢A
方向に回転される。この定盤23の回転によって、ワー
ク押圧プレート36も同方向に連れ回りする自転を行
う。なお、例えば、図示しないモータによりローラ38
を回転駆動して、これに接触するワーク押圧プレート3
6を所要方向に強制回転させるようにしてもよい。
が収容される。すなわち、ベルジャー本体16自体が、
研磨液収容部に形成される。このベルジャー本体16内
に収容された研磨液が、図4に示すように、循環ポンプ
43により循環される。すなわち、研磨液収容部16b
に接続されたパイプ44、およびベルジャー本体16に
接続されたパイプ45を介して、研磨液収容部16bに
収容された研磨液が循環ポンプ43により吸引され、パ
イプ45から定盤23面上に供給され、ワークの研磨に
使用された後、研磨液収容部16bに回収されるのであ
る。
ンプ43、パイプ45等により研磨液供給部が構成され
る。図1において、44aはパイプ44の接続口であ
る。なお、研磨液収容部16bは、ベルジャー12の外
部に配設してもよいことはもちろんである。
は減圧源である。この両者を含めて圧力源とよぶことと
する。加圧源47は、パイプ49によりベルジャー本体
16に接続され、加圧流体をベルジャー12内に供給す
る。加圧流体は、エアー、酸素、窒素、アルゴン等のガ
スを用いることができ、これらの流体を切り替え弁(図
示せず)により適宜切り替えてベルジャー12内に供給
しうるようになっている。51は減圧弁であり、可変し
得る所要設定圧力で流体をベルジャー12内に供給でき
る。52、53はバルブ、54は流量制御弁である。な
お、加圧流体は、種々のガスの混合ガスを用いてもよ
い。
52とバルブ53との間のパイプ49に接続されてい
る。56はバルブである。減圧源48は真空ポンプ等に
よって構成される。図1において、49aはパイプ49
の接続口である。バルブ56を閉じ、バルブ52、53
を開くことによって、加圧流体をベルジャー12内に供
給でき、バルブ52を閉じ、バルブ56、バルブ53を
開くことによって、減圧源48により流体を吸引してベ
ルジャー12内を減圧することができる。なお、57は
圧力計(計測装置)であり、ベルジャー12内の圧力を
検出する。その他、温度や湿度を検出する計測装置も必
要に応じて取りつける。58は安全弁であり、ベルジャ
ー12内が所要の許容圧力以上の圧力となった場合には
流体を外部に逃がすようになっている。また60は覗き
窓である(図3)。
図である。ベルジャー12内に、ステータ62とロータ
63からなる駆動モータ64が配置され、ロータ63上
に定盤23が配置されている。モータドライバ65がベ
ルジャー12外に配置され、配線66によってステータ
コイルに電力が供給される。なお、駆動モータ64には
公知の構造のモータを用いることができる。本実施の形
態では、配線66のみのシールをすればよいからシール
構造が簡単になる。
す説明図である。本実施の形態では、磁気カプラ構造を
採用して定盤23を回転させるようにしている。すなわ
ち、N、Sに交互に着磁された磁極67をモータ68で
回転し、これにより、マグネットからなるロータ69を
回転させるようにしている。ロータ69上に定盤23が
固定されている。本実施の形態では、外部と非接触で定
盤23を回転させることができるので、ベルジャー12
内をクリーンに保つことができる。
心として定盤23を回転させるようにしたが、定盤23
を、定盤23の研磨面(研磨パッド)と平行な面内で揺
動させるようにしてもよい。図7は、その一例を示す説
明図である。本実施の形態では、定盤23に複数のクラ
ンク軸70を取り付け、クランク軸70をベルジャー1
2の外部に設けた駆動部(図示せず)により、同期して
回転させることによって、定盤23を、一定の方向を向
かせたまま旋回運動させる、いわゆる小円(B)運動を
させることができる。
ク押圧プレート36によって単に定盤23上に押圧する
ようにしたが、ワークをワーク押圧プレート36下面に
接着剤によって貼りつけるようにしてもよい。この場
合、研磨終了後にワークを剥離するようにする。あるい
は、ワーク押圧プレート36を、下面に真空吸着力を作
用させることができる構造のものにし(図示せず)、ワ
ークを直接、あるいは弾性を有するバッキング材を介し
て吸着保持できるようにしてもよい。
37を用いたが、アーム40上に設けたシリンダ装置
(図示せず)を用いて加圧するようにしてもよい。ある
いはまた、ワーク押圧プレート36自体を加圧ヘッド方
式のものにして、ワークを加圧するようにしてもよい。
図8はこの加圧ヘッド方式のワーク押圧プレート36の
一例を示す。すなわち、ヘッド本体72内に保持プレー
ト73を弾性リング体(ダイヤフラム)74で吊持し
て、加圧室75を形成し、この加圧室75内に加圧流体
を導入するようにして、保持プレート73に保持された
ワークを定盤23に押圧するようにするのである。この
場合、ワーク押圧プレート36を、図示しないモータに
より回転軸76を中心として回転させるようにすると好
適である。回転軸76の回転駆動機構(図示せず)はア
ーム40上に設ける。
を図示しないシリンダ装置によって上下動させるように
して、定盤23の研磨面に接離動させるようにすると好
適である。この場合、回転軸76を図示しない保持アー
ムによって回転自在に支持し、この保持アームをアーム
40上に設けた上記シリンダ装置によって上下動させる
のである。したがって、上記回転駆動機構は、回転軸7
6を所要範囲内で上下動を許容すると共に、回転力を伝
達可能にする構造のものとする必要がある。加圧室75
内には回転軸76に設けた通路77を介して加圧流体を
供給する。通路77には、図示しないロータリージョイ
ントを介して加圧流体を導入する。なお、78は規制リ
ングであり、保持プレート73の抜け止めをすると共
に、保持プレート73の上下方向の移動をガイドする。
また、79はOリングであり、ヘッド本体72の側壁の
内壁と保持リング73の外壁との間に配設され、保持リ
ング73の水平方向の移動を弾性的に吸収すると共に、
研磨剤がヘッド本体72内に進入するのを防止する。
ベルジャー12内のエアー(空気)圧力を変化させて、
ワークの、銅被膜、SiO2被膜、Si基板の研磨を行ったと
ころ、図9に示す興味ある結果が得られた。 研磨布(パッド):商品名IC1000/SUBA400(φ200mm) スラリー(研磨液):SiO2被膜用のシリカ系スラリー(SS−25) Si用のコロイダルシリカ(Compol−80) Cu用のアルミナ系スラリー 加工圧力(ワーク押圧プレートからの荷重):100〜500g/cm2 定盤回転数:15〜90rpm 加工時間:2〜4min 上記条件内で、加工圧力、定盤回転数、加工時間を一定
に保ったまま、上記各ワークを研磨した研磨結果を図9
に示す。
大気圧である。すなわち、横軸の装置内圧力とは、大気
圧からの加圧分、あるいは減圧分の圧力を示す。図9か
ら明らかなように、大気圧下での研磨の研磨レートが一
番低く、加圧側、減圧側に向けて、それぞれ加圧力、減
圧力にほぼ比例して研磨レートが向上するという興味あ
る結果が得られた。特に、SiO2被膜、Si基板の研磨の場
合、200KPaで大気圧下のほぼ2倍、500KPa
で大気圧下のほぼ2.5倍の研磨レートが得られた。銅
被膜の研磨の場合には、若干の減圧側(−50KPa付
近)で研磨レートが最小となる。すなわち、最小の研磨
レートの部位が若干減圧側にずれるが、この部位よりも
高圧側、低圧側ではいずれもSiO2被膜、Si基板の研磨の
場合と同様に研磨レートが上昇した。加圧側で研磨レー
トが向上するのは、ワーク押圧プレート36に加圧流体
の圧力がそのまま作用するからと考えられる。また、流
体圧力により研磨液がパッド中に染み込み、これにより
研磨レートが向上するとも考えられる。減圧側で研磨レ
ートが向上する理由は定かではないが、ベルジャー12
内が減圧されることにより、ワークとパッドとの間で発
生する摩擦熱が放散されにくく、温度が上昇して反応速
度が大きくなるからと考えられる。
を用いた場合の圧力と研磨レートとの関係を示すグラフ
である。エアーの場合とほとんど同じ傾向を示すが、特
に銅被膜の研磨の場合、高圧側での研磨レートが大きく
上昇した。
変化させることによって、他の条件を一定にしたまま、
研磨レートの調節が可能となる。例えば、研磨開始時の
粗研磨時には、ベルジャー12内を加圧、あるいは減圧
して、高い研磨レートで研磨を行い、仕上げ研磨時に
は、ベルジャー12内を大気圧下に戻して低い研磨レー
トで仕上げ研磨を行うという制御が可能となる。もちろ
ん、他のファクター、例えば、定盤23の回転数などの
ファクターと組み合わせて、研磨工程中に、研磨レート
の設定を変更するということも可能である。研磨液を変
えるとか、異なる性質のパッドを用いるという場合に
は、異なるステーション(異なる研磨装置)での研磨が
必要となって、装置が大型化するが、ベルジャー12内
の圧力調整や、定盤23の回転数の変更は、同じステー
ションで行えるので、研磨装置(ステーション)の台数
を減じることができ、研磨条件の設定が容易となり、ま
た装置の小型化、コストの低減化が図れる利点がある。
れて、加圧された状態で循環されるから、循環ポンプ4
3の負荷はそれ程大きなものとならない。研磨液収容部
をベルジャー12外部に設けてもよいが、この場合には
加圧されているベルジャー12内に研磨液を送り込む必
要があるので、大型で強力なポンプを使用する必要があ
る。また、研磨液は、ベルジャー12内に滞留させて用
いるのでもよい。この場合には、アジャスタブルボルト
33を調節するなどして、定盤23が、定盤面が水平面
から傾斜するように設定し、低位の定盤面の部位が研磨
液中に浸るようにする。これにより、研磨液が常にパッ
ドに汲み上げられ、ワークの研磨面に供給される。
素ガスを用いた場合の上記各ワークの研磨結果を示す。
ベルジャー12内を窒素ガスでパージした後、加圧、も
しくは減圧したものである。減圧側は、図9、図10に
示す、エアー、酸素ガス中での研磨と同様に、研磨レー
トが向上する傾向にある。しかし、加圧側は、特に銅被
膜の研磨の場合には、逆に、特に400KPaあたりま
での加圧状態では、研磨レートが低下する傾向が見られ
る。
ら、酸素の存在下で研磨が行われる図9や図10の研磨
と、酸素の不存在下で行われる図11の研磨とでは、研
磨のメカニズムが相違することに起因すると考えられ
る。すなわち、酸素の存在下では、銅被膜は、酸化作用
を伴うエッチングによる研磨メカニズムとなって、研磨
レートが高くなり、酸素の不存在下では、研磨液からの
エッチング作用のみの研磨メカニズムとなり、研磨レー
トが低下するものと考えられる。図12は加圧流体にア
ルゴンガスを用いた場合の上記各ワークの研磨結果を示
す。同図から明らかなように、アルゴンガスの場合も窒
素ガスの場合とほぼ同様の傾向が見られた。
のみの研磨レートをまとめたグラフである。図14は、
種々のガスの存在下でのSi基板のみの研磨レートをまと
めたグラフである。また、図15は、種々のガスの存在
下でのSiO2被膜のみの研磨レートをまとめたグラフであ
る。用いる加圧流体を適宜に選択することにより、加圧
流体の圧力設定だけでも研磨レートの調整が行える利点
がある。加圧流体の選択は、複数の流体の圧力源を別途
設けておき、切り替え弁によって切り替えて異なる流体
を用いることができるようにすればよく、これにより同
一の研磨装置10で対応できる。
0で隔絶された銅の埋めこみ配線を研磨により形成する
場合について説明する。61は、銅がSiO2被膜60中に
拡散するのを防止するためのバリアメタル層であり、T
aN(窒化タンタル)、あるいはTa(タンタル)をス
パッタリングして形成される。銅被膜62は電解銅めっ
き等によって形成される。まず、バリアメタル層61が
露出するまで、銅被膜62の研磨を、例えばエアーによ
る加圧条件下で、所要の高い研磨レートで行う。
あり、そのまま研磨を継続すると、銅の部分だけ研磨が
早く進行し、埋め込み配線部の銅被膜が薄くなってしま
うおそれがある。そこで、例えば、図11に示すよう
な、窒素ガスによる加圧条件下で、銅被膜の研磨レート
を下げた状態で、一方、バリアメタル層61の研磨レー
トを高くした状態での研磨を行うようにすれば、銅被膜
62とバリアメタル層61の研磨速度をほぼ同一にして
研磨を行うことが可能となり、図17に示すように、一
定の所要厚さの埋め込み配線部62aを形成することが
できる。このように、同一の研磨サイクル中で、使用流
体を変更することで、研磨レートを変更できるので、研
磨条件の設定が容易となる。もちろん、定盤23の回転
数の変更などを同時に行ってもよい。
説明したが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。
ャー内に定盤とワーク押圧プレートとを配置して、ベル
ジャー内を加圧もしくは減圧した状態でワークの研磨を
行うことができ、ベルジャー内の圧力を調整すること
で、研磨条件を容易に変更できるという効果を奏する。
ある。
明図である。
ある。
フである。
フである。
グラフである。
をまとめたグラフである。
をまとめたグラフである。
トをまとめたグラフである。
ある。
Claims (17)
- 【請求項1】 開閉可能な蓋体を備え、内部を加圧もし
くは減圧し得る圧力容器たるベルジャーと、 該ベルジャー内に配置された定盤と、 前記ベルジャー内の定盤上に配置され、定盤との間に配
置されたワークを定盤側に押圧するワーク押圧プレート
と、 前記定盤とワーク押圧プレートとを相対移動させること
でワークを研磨する駆動部と、 前記ベルジャーに接続され、ベルジャー内を加圧もしく
は減圧する圧力源とを具備することを特徴とする研磨装
置。 - 【請求項2】 前記駆動部は、前記定盤を研磨面と平行
な面内で揺動させることを特徴とする請求項1記載の研
磨装置。 - 【請求項3】 前記駆動部は、前記定盤を研磨面と平行
な面内で回転させることを特徴とする請求項1記載の研
磨装置。 - 【請求項4】 前記定盤上に研磨液を供給する研磨液供
給部を具備することを特徴とする請求項1〜3いずれか
1項記載の研磨装置。 - 【請求項5】 前記圧力源は、複数の異なる加圧ガスの
加圧源を備え、 該加圧源を切り替えて前記ベルジャーに接続する切り替
え手段を具備することを特徴とする請求項1〜4いずれ
か1項記載の研磨装置。 - 【請求項6】 前記ベルジャー内の圧力、温度等を検出
する計測装置を備えることを特徴とする請求項1〜5い
ずれか1項記載の研磨装置。 - 【請求項7】 前記駆動部が前記ベルジャーの外部に配
設されていることを特徴とする請求項1〜6いずれか1
項記載の研磨装置。 - 【請求項8】 前記ワーク押圧プレートの外周縁に当接
して、ワーク押圧プレートを前記定盤上の所要位置に保
持する複数個のローラを備えることを特徴とする請求項
1〜7いずれか1項記載の研磨装置。 - 【請求項9】 前記ローラが前記ベルジャー内に配設さ
れたアームにより回転自在に支持されていることを特徴
とする請求項8記載の研磨装置。 - 【請求項10】 前記ワークを加圧する加圧手段を具備
することを特徴とする請求項1〜9いずれか1項記載の
研磨装置。 - 【請求項11】 前記ワーク押圧プレートを複数備える
ことを特徴とする請求項1〜10いずれか1項記載の研
磨装置。 - 【請求項12】 前記研磨液供給部が、 前記ベルジャー内に配置されて研磨液を収納する研磨液
収納部と、 前記ベルジャー外部に配設され、前記研磨液収納部およ
び前記ベルジャーとパイプを介して接続され、前記研磨
液収納部から定盤上に研磨液を循環させる循環ポンプと
を具備することを特徴とする請求項1〜11いずれか1
項記載の研磨装置。 - 【請求項13】 前記研磨液供給部が、前記ベルジャー
内に配置されて研磨液を収納する研磨液収納部に形成さ
れ、 前記定盤が、定盤面が水平面から傾斜するように配置さ
れて、低位の定盤面が研磨液中に浸るように設けられて
いることを特徴とする請求項1〜11いずれか1項記載
の研磨装置。 - 【請求項14】 請求項1〜13いずれか1項記載の研
磨装置を用い、前記定盤とワーク押圧プレートとの間に
ワークを配置し、前記ベルジャー内に所要ガスを封入
し、前記駆動部により前記定盤とワーク押圧プレートと
を相対移動させてワークを研磨することを特徴とする研
磨方法。 - 【請求項15】 前記研磨液供給部から定盤上に研磨液
を供給することを特徴とする請求項14記載の研磨方
法。 - 【請求項16】 研磨工程中に、前記ベルジャー内の圧
力を変化させることを特徴とする請求項14または15
記載の研磨方法。 - 【請求項17】 研磨工程中に、前記ベルジャー内の使
用ガスを他のガスに交換することを特徴とする請求項1
4、15または16記載の研磨方法。
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