JP2009184088A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化しつつスラリーの使用量をより低減させた研磨装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る研磨装置１は、上面に略平坦な支持面１２を有する円盤状のベース部材１１と、ベース部材１１の支持面１２に設けられた円盤状の研磨パッド１４と、ベース部材１１および研磨パッド１４の上方に対向して設けられ、円盤状の基板Ｗを下面側において保持するチャック２１と、ベース部材１１に対してチャック２１を基板Ｗと研磨パッド１４との当接面に沿って相対揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨パッド１４の上面側にスラリーを供給するスラリー供給機構４０とを備え、ベース部材１１とともに回転する研磨パッド１４に、チャック２１に保持されて回転する基板Ｗを基板Ｗの一部が研磨パッド１４からはみ出るように当接させながらアーム揺動機構３５により相対揺動させることで、基板Ｗの研磨加工を行うように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の基板を研磨する研磨装置に関する。

基板表面を研磨する研磨装置としてＣＭＰ装置が例示される。ＣＭＰ装置は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により基板表面を超精密に研磨加工する技術として、半導体ウェーハやガラス基板等の基板の研磨加工に広く利用されている。このような研磨装置では、チャックに保持された基板と研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させて押接し、基板と研磨パッドとの当接部に研磨内容に応じたスラリー（Slurry）を供給して化学的・機械的な研磨作用を生じさせ、基板表面を平坦に研磨加工する。

このような研磨装置は、主として基板と研磨パッドの大小関係から、研磨パッドの外径が基板の外径よりも大きいタイプと、研磨パッドの外径が基板の外径よりも小さいタイプの２種類に大別される。研磨パッドの外径が基板の外径よりも小さいタイプの研磨装置は、研磨パッドの外径が基板の外径よりも大きいタイプの研磨装置と比較して、装置が小型であることや、研磨パッドの平坦化が容易であること等の利点を有している。このような研磨装置では、一般的に、基板が上面を向くようにチャックに保持されるとともに、研磨パッドが下面を向くように研磨ヘッドに装着され、基板全面を均一に研磨加工するために、基板に対して研磨パッド（研磨ヘッド）を相対揺動させる揺動機構が設けられている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００６−３１９２４９号公報

しかしながら、研磨パッドの外径が基板の外径よりも小さいタイプの研磨装置においては、研磨パッドが下面を向いているため、基板に対して研磨パッドを当接させながら相対揺動させたときに、空虚となっている研磨パッドの中央部が基板からはみ出てしまうと、重力の作用により多量のスラリーが研磨パッドの中央部から流れ落ちてしまい、スラリーの使用量が増加する一因となっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、装置を小型化しつつスラリー（研磨液）の使用量をより低減させた研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、上面に略平坦な支持面を有するとともに前記支持面に直交する回転中心軸を中心として回転可能な円盤状のベース部材と、前記ベース部材の前記支持面に設けられて前記ベース部材とともに回転可能な円盤状の研磨パッドと、前記ベース部材および前記研磨パッドの上方に対向して設けられ、円盤状の基板を下面側において保持するとともに前記下面に直交する回転中心軸を中心として回転可能な保持機構と、前記ベース部材に対して前記保持機構を前記基板と前記研磨パッドとの当接面に沿って相対揺動させる揺動機構と、前記研磨パッドの上面側に研磨液を供給する研磨液供給機構とを備え、前記基板の外径に対する前記研磨パッドの外径の比が０．８以上１．５以下であり、前記ベース部材とともに回転する前記研磨パッドに、前記保持機構に保持されて回転する前記基板を前記基板の一部が前記研磨パッドからはみ出るように当接させながら前記揺動機構により相対揺動させることで、前記基板の研磨加工を行うように構成される。

本発明によれば、装置を小型化しつつスラリー（研磨液）の使用量をより低減させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。研磨装置１は、研磨パッド１４が装着されたベース部材１１を回転させるパッド回転機構１０と、半導体ウェーハである円盤状の基板Ｗを保持可能なチャック２１を回転させるチャック回転機構２０と、研磨パッド１４に対してチャック２１（チャック２１に保持された基板Ｗ）を昇降および相対揺動させるチャック移動機構３０と、研磨パッド１４の上面側にスラリー（研磨液）を供給するスラリー供給機構４０と、基板Ｗや研磨パッド１４の回転、研磨パッド１４に対する基板Ｗの昇降および揺動、研磨加工部へのスラリーの供給等、研磨装置１の作動を制御する制御装置５０とを主体に構成される。

パッド回転機構１０は、円盤状のベース部材１１と、ベース部材１１の上面である支持面１２に装着された研磨パッド１４と、ベース部材１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１６と、スピンドル１６に回転駆動力を伝達してベース部材１１を水平面内で回転させる回転駆動装置１７等を有して構成される。ベース部材１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて、上面に平面度の高い略平坦な支持面１２を有する円盤状に形成され、スピンドル１６および回転駆動装置１７を用いて、支持面１２に直交する回転中心軸Ｏ１を中心として回転可能に構成される。研磨パッド１４は、中心部１５が空虚なドーナツ円盤状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ベース部材１１の支持面１２に貼り付けられて研磨面が上向きの水平姿勢で保持される。なお、ベース部材１１の中心部に、スラリー供給機構４０より供給されるスラリーを研磨パッド１４の中央部１５を通じて研磨パッド１４の上面側に放出供給するためのスラリー供給孔１３が上下に貫通して設けられている。

パッド回転機構１０の近傍には、チャック移動機構３０が設けられており、チャック移動機構３０を構成する研磨アーム３２の先端にチャック回転機構２０が設けられる。チャック回転機構２０は、ベース部材１１および研磨パッド１４の上方に対向して設けられた円盤状のチャック２１と、チャック２１と連結されて回転可能な円筒状のハウジング２２と、ハウジング２２の上部から鉛直上方に延びるスピンドル２３と、スピンドル２４に回転駆動力を伝達してチャック２１を水平面内で回転させるチャック駆動モータ２４等を有して構成される。チャック２１は、ベース部材１１と同様の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成され、ウレタン樹脂のコーティングが施された下面側において基板Ｗを保持するとともに、スピンドル２３およびチャック駆動モータ２４を用いて、ハウジング２２とともにチャック２１の下面に直交する回転中心軸Ｏ２を中心として回転可能に構成される。チャック２１の内部には、基板Ｗの裏面を真空吸着する真空チャック構造が設けられて基板Ｗを着脱可能に構成され、チャック２１に吸着保持された基板Ｗの研磨対象面（すなわち被研磨面）が下向きの水平姿勢で保持される。

ハウジング２２の内部に形成された加圧室に、エアの供給を受けてチャック２１を下向きに加圧する、いわゆるエアバッグ式のパッド加圧機構が設けられており、チャック２１に保持された基板Ｗの被研磨面を研磨パッド１４の研磨面に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、基板Ｗと研磨パッド１４との当接圧力、すなわち研磨圧力を制御可能になっている。なお、図１の二点鎖線で示すように、ハウジング２２の周部に、チャック２１に保持された基板Ｗの周囲を囲んで当該基板Ｗが水平方向に飛び出すのを防ぐリテーナリング２９を設けるようにしてもよい。

チャック移動機構３０は、加工テーブルＴから上方に突出する基部３１と、この基部３１から水平に延びる研磨アーム３２と、基部３１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨アーム３２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述したチャック回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。チャック移動機構３０は、アーム揺動機構３５により研磨アーム３２を水平揺動させたときのチャック２１の揺動軌跡上にベース部材１１および研磨パッド１４が位置するように構成されており、チャック２１を研磨パッド１４と対向させた状態で研磨アーム３２全体を昇降させ、チャック２１に保持されて回転する基板Ｗの被研磨面をベース部材１１とともに回転する研磨パッド１４の研磨面に当接させた状態で、研磨パッド１４に対し基板Ｗ（チャック２１）を研磨パッド１４との当接面に沿って水平揺動可能に構成される。

制御装置５０は、研磨装置１に予め設定記憶された制御プログラム、および研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて、パッド回転機構１０、チャック回転機構２０、チャック移動機構３０、およびスラリー供給機構４０等の作動を制御する。なお、研磨装置１には、パッド回転機構１０の近傍においてチャック移動機構３０と干渉しない位置に、研磨パッド１４に対してドレスを行うドレス機構（図示せず）が設けられる。

以上のように構成された研磨装置１において、基板Ｗの研磨加工を行うには、チャック移動機構３０により研磨アーム３２を揺動させてチャック２１を研磨パッド１４の上方に対向して位置させ、チャック２１および研磨パッド１４をともに回転させながらチャック２１を研磨位置に下降させて、チャック２１に保持されて回転する基板Ｗを研磨パッド１４に当接させ、ハウジング２２に設けられた加圧機構により基板Ｗを所定の研磨圧力で研磨パッド１４に押圧させる。このとき、スラリー供給機構４０を用いて、スラリーを研磨パッド１４の中心部１５から基板Ｗと研磨パッド１４との当接部に供給するとともに、チャック２１に保持されて回転する基板Ｗの被研磨面を、ベース部材１１とともに回転する研磨パッド１４の被研磨面に、基板Ｗの一部が研磨パッド１４からはみ出るように当接させた状態で、アーム揺動機構３５により基板Ｗ（チャック２１）を研磨パッド１４に対して水平揺動させるようにする。

ところで、研磨パッドの外径が基板の外径よりも大きいタイプの従来の研磨装置は、例えば図５（ｂ）に示すように、一般的に、基板Ｗの外径に対する研磨パッド１４′の外径の比が２以上で、基板Ｗが下面を向くようにチャック等に保持されるとともに、研磨パッド１４′が上面を向くように構成され、回転する基板Ｗの被研磨面を回転する研磨パッド１４′の研磨面に当接させて揺動させずに研磨加工を行う（なお、基板Ｗを回転させたまま、研磨パッドを回転させずにオービタル運動させるものもある）。このような研磨装置は、基板Ｗが大型化するのに伴って（例えば、基板Ｗの外径が３００ｍｍから４５０ｍｍになると）研磨パッド１４′の外径がとても大きくなり、装置が大型化してしまう。これに対し、本実施形態の研磨装置１では、基板Ｗの外径に対する研磨パッド１４の外径の比は、０．８以上１．５以下となるように設計され、さらに最適な範囲として、１．０以上１．１１以下の範囲に設計されることが好ましい（図５（ａ）を参照）。

ここで、本実施形態の研磨装置１と、研磨パッドの外径が基板の外径よりも小さいタイプの従来の研磨装置（以下、従来小径Ｐａｄ研磨装置と称する）と、図５（ｂ）に示すような研磨パッドの外径が基板の外径よりも２倍以上大きいタイプの従来の研磨装置（以下、従来大径Ｐａｄ研磨装置と称する）との性能比較を行う。まず、図２に示すように、最適条件での理論計算値によるＲａｎｇｅ均一性（研磨均一性）を比較すると、基板（図２の場合、外径４５０ｍｍの半導体ウェーハ）の外径に対する研磨パッドの外径の比が０．８〜０．９に設計される従来小径Ｐａｄ研磨装置のＲａｎｇｅ均一性は５〜７％、従来大径Ｐａｄ研磨装置のＲａｎｇｅ均一性は０％であるのに対し、本実施形態の研磨装置１のＲａｎｇｅ均一性は５％程度となっている。一般に、実研磨におけるＲａｎｇｅ均一性の要求値は２０％であるので、理論計算でのＲａｎｇｅ均一性がその１／３である７％以下の場合、同等の性能を有していると判断される。すなわち、本実施形態の研磨装置１は、従来小径Ｐａｄ研磨装置および従来大径Ｐａｄ研磨装置と同等の研磨均一性が得られると考えられる。

次に、図３に示すように、最適条件での理論計算値による研磨レートを比較すると、従来小径Ｐａｄ研磨装置の研磨レートは３０００程度、従来大径Ｐａｄ研磨装置の研磨レートは７０００〜９０００であるのに対し、本実施形態の研磨装置１の研磨レートは４０００程度となっている。この比較では、研磨パッドの回転数を同じにしているため、従来大径Ｐａｄ研磨装置の研磨レートが比較的大きくなるが、本実施形態の研磨装置１は、研磨パッド１４が比較的小径であり、研磨パッド１４の回転数を上げることが容易であるため、研磨パッド１４の回転数を上げることで、従来大径Ｐａｄ研磨装置（および従来小径Ｐａｄ研磨装置）と同等の研磨レートが得られると考えられる。

続いて、図４に示すように、研磨部周辺スペース（幅）を比較すると、従来小径Ｐａｄ研磨装置の研磨部周辺スペースは７００ｍｍ程度、従来大径Ｐａｄ研磨装置の研磨部周辺スペースは１１００ｍｍ程度であるのに対し、本実施形態の研磨装置１の研磨部周辺スペースは８００ｍｍ程度となっている。図４より、本実施形態の研磨装置１は、従来小径Ｐａｄ研磨装置よりも若干大きくなるが、従来大径Ｐａｄ研磨装置よりも大幅に小さくできることがわかる。

図２〜図４より、本実施形態の研磨装置１は、従来大径Ｐａｄ研磨装置と比較して、同等の研磨均一性および研磨レートが得られながら、研磨部周辺スペースを大幅に小さくできることがわかる。また、本実施形態の研磨装置１は、従来小径Ｐａｄ研磨装置と比較して、ほぼ同等の研磨均一性、研磨レート、および研磨部周辺スペースが得られることがわかる。

なお、従来大径Ｐａｄ研磨装置は、研磨パッドの外径がとても大きいため、研磨パッドにスラリーを均一に供給するために多量のスラリーが必要であった。一方、従来小径Ｐａｄ研磨装置は、研磨パッドの外径が小さいため、従来大径Ｐａｄ研磨装置よりもスラリーの使用量を減らせるものの、前述したように、研磨パッドが下面を向いているため、基板に対して研磨パッドを当接させながら相対揺動させたときに、空虚となっている研磨パッドの中央部が基板からはみ出てしまうと、重力の作用により多量のスラリーが研磨パッドの中央部から流れ落ちてしまい、スラリーの使用量が増加する一因となっていた。

これに対し、本実施形態の研磨装置１によれば、基板Ｗの外径に対する研磨パッド１４の外径の比は、０．８以上１．５以下となるように設計されるとともに、ベース部材１１の上面に設けられた支持面１２に研磨パッド１４が設けられるため、研磨パッド１４に対して基板Ｗを当接させながら相対揺動させたときに、基板Ｗから研磨パッド１４がはみ出てしまっても、研磨パッド１４が上面を向いてスラリーを保持するため、研磨パッド１４から多量のスラリーが流れ落ちることはなく、装置を小型化しつつスラリー（研磨液）の使用量をより低減させることが可能になる。なおこのとき、基板Ｗの外径に対する研磨パッド１４の外径の比を１．０以上１．１１以下の範囲に設計することで、より高い効果を得ることができる。

またこのとき、スラリー供給機構４０は、ベース部材１１の中央部に形成されたスラリー供給孔１３から空虚である研磨パッド１４の中央部１５を通じてスラリーを放出し、研磨パッド１４の上面側に供給することが好ましく、このようにすれば、スラリーが研磨パッド１４の中央部１５から回転遠心力により均等に拡がるため、研磨パッド１４の上面側にスラリーを均一に供給することができる。さらに、空虚である研磨パッド１４の中央部１５にスラリーを溜めて保持可能にすれば、スラリーの使用量をさらに低減させることができる。

なお、上述の実施形態において、基板Ｗは、半導体ウェーハに限らず、例えばガラス基板等の場合であっても、本発明を適用可能である。

本発明に係る研磨装置の概略図である。 Ｒａｎｇｅ均一性の比較を示すグラフである。 研磨レートの比較を示すグラフである。 研磨部周辺スペースの比較を示すグラフである。 （ａ）は本発明に係る研磨装置の研磨パッドと基板との大小関係を示す図であり、（ｂ）は従来における研磨装置の研磨パッドと基板との大小関係を示す図である。

符号の説明

Ｗ 基板
１ 研磨装置 １１ ベース部材
１２ 支持面 １３ スラリー供給孔（孔部）
１４ 研磨パッド １５ 中央部
２１ チャック（保持機構） ３５ アーム揺動機構
４０ スラリー供給機構（研磨液供給機構）

Claims (4)

1. 上面に略平坦な支持面を有するとともに前記支持面に直交する回転中心軸を中心として回転可能な円盤状のベース部材と、
   前記ベース部材の前記支持面に設けられて前記ベース部材とともに回転可能な円盤状の研磨パッドと、
   前記ベース部材および前記研磨パッドの上方に対向して設けられ、円盤状の基板を下面側において保持するとともに前記下面に直交する回転中心軸を中心として回転可能な保持機構と、
   前記ベース部材に対して前記保持機構を前記基板と前記研磨パッドとの当接面に沿って相対揺動させる揺動機構と、
   前記研磨パッドの上面側に研磨液を供給する研磨液供給機構とを備え、
   前記基板の外径に対する前記研磨パッドの外径の比が０．８以上１．５以下であり、
   前記ベース部材とともに回転する前記研磨パッドに、前記保持機構に保持されて回転する前記基板を前記基板の一部が前記研磨パッドからはみ出るように当接させながら前記揺動機構により相対揺動させることで、前記基板の研磨加工を行うように構成されることを特徴とする研磨装置。
2. 前記基板の外径に対する前記研磨パッドの外径の比が１．０以上１．１１以下であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記研磨パッドは、中央部が空虚なドーナツ円盤状であり、
   前記研磨液供給機構は、前記ベース部材の中央部に形成された孔部から前記研磨パッドの前記中央部を通じて前記研磨液を放出することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記研磨パッドの前記中央部において前記研磨液を保持可能であることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。

Images