JP2013141735A - 研磨装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】たとえ薬品の雰囲気内で使用して、研磨ヘッドの主要な構成部品の薬品による腐食を防止し、しかも、トップリング用電空レギュレータを備えた場合であっても、トップリング用電空レギュレータの温度ドリフトを低減させて圧力変動を抑制できるようにする。
【解決手段】研磨パッド10を支持する研磨テーブル12と、被研磨物を回転させながら研磨パッド10に押圧するトップリング14を有する研磨ヘッド16と、研磨パッド10をドレッシングするドレッサ20を有するドレッサヘッド22とを有し、研磨ヘッド16の主要部は、内部にパージガスを導入するパージガス導入部64と内部を排気する排出部66とを有し、内部圧力が外部圧力よりやや高い圧力に設定される研磨ヘッドカバー24内に収容されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、研磨装置に係り、特に半導体ウェハ等の被研磨物(基板)を平坦かつ鏡面状に研磨する研磨装置に関する。
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、化学的機械研磨(CMP)を行う研磨装置が知られている。
この種の研磨装置は、研磨パッドを上面に有する研磨テーブルと、トップリングを有する研磨ヘッドとを備えている。そして、研磨テーブルとトップリングとの間に半導体ウェハ等の被研磨物を介在させ、研磨パッドの研磨面(表面)に砥液(スラリ)を供給しつつ、トップリングによって被研磨物を研磨パッドの研磨面に押圧することで、被研磨物の表面を平坦かつ鏡面状に研磨するようにしている。
被研磨物の研磨を行うと、研磨パッドの研磨面には砥粒や研磨屑が付着し、また、研磨パッドの特性が変化して研磨性能が劣化してくる。このため、被研磨物の研磨を繰り返すに従い、研磨速度が低下し、また、研磨むらが生じてしまう。そこで、劣化した研磨パッドの研磨面を再生するために、研磨装置には、研磨テーブルに隣接して、研磨パッドをドレッシングするドレッサを有するドレッサヘッドが一般に備えられている。
このような研磨装置にあっては、腐食性の薬品の雰囲気内で使用すると、トップリングを有する研磨ヘッドの構成部品の周囲を覆うカバーの隙間から該カバーの内部に薬品の気体が入り込み、アルミニウム、ステンレスまたは鋼材製等の研磨ヘッド構成部品が薬品によって腐食してしまうことがある。このことは、ドレッサを有するドレッサヘッドにあっても同様で、ドレッサヘッド構成部品を覆うカバーの隙間から該カバーの内部に入り込んだ腐食性の薬品によって、ドレッサヘッド構成部品が腐食してしまうことがある。
また、トップリング用電空レギュレータを備えた研磨装置にあっては、トップリング用電空レギュレータの周囲を覆うカバーの内部に高温の薬品の気体が入り込んだり、トップリング回転モータ等の駆動部からの発熱により、カバー内部の温度が上昇し、トップリング用電空レギュレータが温度ドリフトして、圧力変動が生じる可能性がある。
ここに、装置から周囲の大気中に放出される塵芥(パーティクル)の量を減少させるため、研磨ヘッド(トップリング)を回転させる研磨ヘッド回転手段を、外周囲を密閉された状態、好ましくは積極的な排気を行って空気を循環させるようにした状態で配置するようにした研磨装置が提案されている(特許文献1参照)。また、出願人は、腐食性や有毒性の強い処理液から生成されたガス等の装置内への飛散を防止するため、基板保持機構(研磨ヘッド)及び研磨テーブルの外側をカプセルで一体に覆い、必要に応じて、基板保持機構の外側を覆うトップリングカプセル内にパージガスを導入するパージ機構を備えるようにした研磨装置を提案している(特許文献2参照)。
特許第3043578号公報 特開2008−166709号公報
しかしながら、従来の研磨装置にあっては、薬品の雰囲気内で研磨装置を使用して被研磨物を研磨する時の研磨ヘッドやドレッサヘッドを構成する各構成部品の薬品による腐食を考慮したものではなく、このため、腐食性の薬品の雰囲気内で使用すると、研磨ヘッドやドレッサヘッドを構成する各構成部品が薬品で腐食されると考えられる。また、トップリング用電空レギュレータを備えた研磨装置にあっては、トップリング用電空レギュレータの温度ドリフトを低減させて圧力変動を抑制することが強く望まれていた。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、たとえ薬品の雰囲気内で使用しても、研磨ヘッドの主要な構成部品及び/またはドレッサヘッドの主要な構成部材の薬品による腐食を防止し、しかも、トップリング用電空レギュレータを備えた場合であっても、トップリング用電空レギュレータの温度ドリフトを低減させて圧力変動を抑制できるようにした研磨装置を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、被研磨物を回転させながら前記研磨パッドに押圧するトップリングを有する研磨ヘッドと、前記研磨パッドをドレッシングするドレッサを有するドレッサヘッドとを有し、前記研磨ヘッド及び前記ドレッサヘッドの少なくとも一方の主要部は、内部にパージガスを導入するパージガス導入部と内部を排気する排気部とを有し、内部圧力が外部圧力よりやや高い圧力に設定されるヘッドカバー内に収容されていることを特徴とする。
これにより、研磨ヘッド及びドレッサヘッドの少なくとも一方の主要部を収容するヘッドカバーの内部にパージガスを導入しながら、ヘッドカバーの内部を排気して、ヘッドカバーの内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に設定することで、たとえ薬品の雰囲気内で使用しても、薬品の気体がヘッドカバーの内部に入り込んでしまうことを防止できる。しかも、ヘッドカバーの内部を、排気部を通して常時排気することで、ヘッドカバーの内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に設定しても、ヘッドカバー内のパーティクルが排気部以外の箇所からヘッドカバーの外に出てしまうことを防止できる。更に、ヘッドカバーの内部温度が上昇することを防止でき、これによって、ヘッドカバー内に収容されるトップリング用電空レギュレータの温度ドリフトを低減させて圧力変動を抑制できる。
前記ヘッドカバー内に導入されるパージガスの圧力は、0.15〜0.25MPaで、流量は、40〜60L/minであることが好ましい。
例えば、パージガスとしてNガスを使用し、圧力0.2MPaで、流量50L/minのNガス(パージガス)をヘッドカバー内に導入することで、ヘッドカバーの内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に調整できる。
前記ヘッドカバーは、複数の板状部材を接合して中空ボックス状に形成され、各部材の接合部には、密閉シールが介装されていることが好ましい。密閉シールは、例えば、独立気泡構造のノルシールである。
このように、ノルシール等の密閉シールを各部材の接合部に介装してヘッドカバーを構成することで、ヘッドカバー内部の密閉性をより高めることができる。
本発明の研磨装置によれば、たとえ薬品の雰囲気内で使用しても、薬品の気体がヘッドカバーの内部に入り込んで研磨ヘッドやドレッサヘッドの構成部品が薬品の気体で腐食してしまうことを防止できる。しかも、ヘッドカバーの内部を、排気部を通して常時排気することで、ヘッドカバー内のパーティクルが排気部以外の箇所からヘッドカバーの外に出てしまうことを防止し、更に、ヘッドカバー内に収容されるトップリング用電空レギュレータの温度ドリフトを低減させて圧力変動を抑制できる。
本発明の実施形態の研磨装置の概要を示す斜視図である。 図1に示す研磨装置の研磨ヘッドカバーの概要を研磨ヘッドの概要と共に示す断面図である。 図1に示す研磨装置の研磨ヘッドカバーの各構成部材と密閉シールとの関係の概要を示す図である。 パージガス導入ライン、排気ライン及び研磨ヘッドカバーの関係を示す図である。 図1に示す研磨装置のドレッサヘッドカバーの概要をドレッサヘッドの概要と共に示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態の研磨装置の概要を示す斜視図である。図1に示すように、この研磨装置は、上面を研磨面10aとした研磨パッド10と、上面に研磨パッド10を取付けた研磨テーブル12と、半導体ウェハなどの基板(被研磨物)を研磨パッド10の研磨面(上面)10aに摺接させて研磨するトップリング14を有する研磨ヘッド16と、研磨パッド10の研磨面10aの目立て(ドレッシング)を行うドレッサ20を有するドレッサヘッド22とを備えている。研磨テーブル12は、図示しないモータに連結されており、このモータによって、研磨テーブル12および研磨パッド10は、矢印で示す方向に回転する。
研磨ヘッド16は、その主要部を研磨ヘッドカバー24の内部に収容されており、研磨ヘッドカバー24の底板を貫通して上方に延びる回転自在な研磨ヘッド揺動軸26の上端に連結されている。トップリング14は、研磨ヘッドカバー24の底板を貫通して下方に延出するトップリング駆動軸28の下端に連結されおり、トップリング14の下面は、真空吸着などにより基板を保持する基板保持面を構成している。
ドレッサヘッド22は、その主要部をドレッサヘッドカバー30の内部に収容されており、ドレッサヘッドカバー30の底板を貫通して上方に延びる回転自在なドレッサヘッド揺動軸32の上端に連結されている。ドレッサヘッド22は、ドレッサヘッドカバー30の底板を貫通して下方に延びる回転軸34と、この回転軸34の下端に一端を連結した水平方向に延びる補助ドレッサ揺動アーム36とを有しており、この補助ドレッサ揺動アーム36の他端に、ドレッサ駆動軸38を昇降及び回転させる駆動機構を内部に収容した補助カバー40が備えられている。ドレッサ20は、ドレッサ駆動軸38の下端に連結されている。
研磨テーブル12に隣接して、研磨液及びドレッシング液を研磨パッド10の研磨面10aに供給する液体供給機構42が配置されている。液体供給機構42は、複数の供給ノズルを備えており、この供給ノズルから研磨液及びドレッシング液が研磨パッド10の研磨面10aに供給される。この液体供給機構42は、研磨液を研磨パッド10に供給する研磨液供給機構と、ドレッシング液(例えば純水)を研磨パッド10に供給するドレッシング液供給機構とを兼用している。なお、研磨液供給機構とドレッシング液供給機構とを別に設けてもよい。
研磨ヘッド16は、図2に示すように、研磨ヘッド揺動軸26の上端に連結され、研磨ヘッド揺動軸26の回転に伴って揺動するトップリング揺動アーム44と、図示しないベルト伝達機構等を介して、トップリング駆動軸28を回転させるトップリング用回転モータ46と、トップリング駆動軸28を昇降させる、例えばエアシリンダからなるトップリンク昇降機構48とを有している。これによって、トップリング14は、図1に矢印で示す方向にトップリング駆動軸28を中心に回転し、トップリンク昇降機構48を介して昇降する。
基板の研磨は、次のようにして行なわれる。トップリング14の下面に基板が保持され、トップリング14および研磨テーブル12が回転される。この状態で、研磨パッド10の研磨面10aに研磨液が供給され、トップリング14により基板が研磨パッド10の研磨面10aに押圧される。これによって、基板の表面(下面)は、研磨液に含まれる砥粒による機械的研磨作用と研磨液の化学的研磨作用により研磨される。研磨ヘッド揺動軸26は、研磨パッド10の径方向外側に位置しており、トップリング揺動軸26の回転により、トップリング14は、研磨パッド10の上方の研磨位置と、研磨パッド10の外方の待機位置との間を移動する。
研磨ヘッドカバー24は、この例では、一対の平板状の側板50及び一対の湾曲した端板52、共に平板状の底板54及び天板56とから中空ボックス状に構成されており、この内部に研磨ヘッド16のトップリング揺動アーム44、トップリング用回転モータ46、トップリンク昇降機構48等の主要部が収容されている。研磨ヘッド揺動軸26とトップリンク駆動軸28は底板54を貫通して下方に延出している。
そして、研磨ヘッドカバー24の構成部材の各接合部、即ち、側板50と端板52との各接合部、側板50及び端板52と底板54との接合部、並びに側板50及び端板52と天板56との接合部には、研磨ヘッドカバー24の内部の密閉性をより高めるため、図3に模式的に示すように、密閉シール58a,58b,58cがそれぞれ介装されている。この例では、密閉シール58a,58b,58cとしており、低圧縮で極めて高いシール効果を発揮する、ポリ塩化ビニルを基材とした独立気泡構造のシールリング材であるノルシールを使用し、各接合部にノルシールを取付け潰し込むことで密閉性を高めるようにしている。
なお、この例では、一方の端板52を上端板52aと下端板52bで構成し、この上端板52aと下端板52bとの接合にも、例えばノルシールからなる密閉シール58dを介装するようにしている。
研磨ヘッドカバー24は、研磨装置を内部に設置する設置空間を区画する天井壁60に取付けた円筒状の支持具62を介して、天井壁60に吊下げ支持されている。この支持具62の下端は、研磨ヘッドカバー24の天板56に設けた貫通孔を挿通して研磨ヘッドカバー24の内部に達し、上端は、天井壁60に設けた貫通孔を挿通して天井壁60の上方に達している。支持具62の上部には充填材63が充填されている。図示していないトップリング用空電レギュレータは、研磨ヘッドカバー24の内部に収容される。
更に、研磨ヘッドカバー24には、この内部にNガス等のパージガスを導入するパージガス導入部64と、内部を排気する排気部66が設けられている。パージガス導入部64は、支持具62の内部を通過して、研磨ヘッドカバー24の内部下方に達し直角に屈曲するパージガス導入管68を有しており、排気部66は、支持具62の内部を通過して、研磨ヘッドカバー24の内部に達する排気管70を有している。
パージガス導入管68は、図4に示す、パージガス導入ライン72に接続され、このパージガス導入ライン72には、この内部を流れるNガス等のパージガスの圧力を調整するレギュレータ74と、この内部を流れるNガス等のパージガスの流量を計測して調整する流量計(マスフローコントローラ)76が介装されている。一方、排気管70は、図4に示す、排気ライン78に接続されている。
研磨ヘッドカバー24の内部圧力は外部圧力よりやや高い圧力に設定される。つまり、研磨ヘッドカバー24の内部圧力が外部圧力よりやや高い圧力となるように、研磨ヘッドカバー24の内部に、パージガス導入部64を通して、所定圧力のNガス等のパージガスを所定流量で導入しながら、排気部66を通して、研磨ヘッドカバー24の内部を排気する。
この研磨ヘッドカバー24内に導入されるパージガスの圧力は、例えば0.15〜0.25MPaで、流量は、例えば40〜60L/minである。例えば、圧力0.2MPaで、流量50L/minのNガス(パージガス)を研磨ヘッドカバー24内に導入することで、研磨ヘッドカバー24の内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に調整することができる。パージガスの温度は室温、例えば20℃である。
このように、研磨ヘッドカバー24の内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に設定することで、たとえ薬品の雰囲気内で研磨装置を使用しても、薬品の気体が研磨ヘッドカバー24の内部に入り込んでしまうことを防止し、これによって、研磨ヘッド16の構成部品が薬品の気体で腐食してしまうことを防止できる。しかも、研磨ヘッドカバー24の内部を、排気部66を通して、常時外部に排気することで、研磨ヘッドカバー24の内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に設定しても、研磨ヘッドカバー24内のパーティクルが排気部66以外の箇所から研磨ヘッドカバー24の外に出てしまうことを防止し、この例では、排気ライン78を通して、研磨装置設置空間の外部に排気できる。更に、トップリング用回転モータ46等の駆動部等からの発熱雰囲気を、それよりも低く一定温度(室温)のパージガスで置換できるので、研磨ヘッドカバー24の内部温度が上昇することを防止でき、これによって、研磨ヘッドカバー24内に収容されるトップリング用電空レギュレータの温度ドリフトを低減させて圧力変動を抑制できる。なお、内部圧力を外部圧力よりやや高いとするのは(必要以上に高くしないのは)、内部圧力が薬品の気体が研磨ヘッドカバー24の内部に入り込んでしまうことを防止するのに十分な圧力であればよく、例えば、高い圧力による研磨ヘッド16の主要部やヘッドカバーへの影響を及ぼさない範囲とする為であったり、無駄なエネルギーを消費しない為であるということはいうまでもない。
なお、研磨ヘッドカバー24の他に該研磨ヘッドカバー24と同じ構成の他の研磨ヘッドカバー24aを有する場合には、図4に示すように、パージガス導入ライン72のレギュレータ74と流量計(マスフローコントローラ)76との間で分岐した分岐ライン72aに流量計76aを設置して、この分岐ライン72aに研磨ヘッドカバー24aのパージガス導入管を接続し、研磨ヘッドカバー24aの排気管から延びる排気ライン78aを研磨ヘッドカバー24の排気管70から延びる排気ライン78に合流させるようにしてもよい。
ドレッサヘッドカバー30は、図5に示すように、前述の研磨ヘッドカバー24とほぼ同様に、薄肉円筒状に湾曲した側板80と、共に平板状の底板82及び天板84とから中空ボックス状に構成され、側板80と底板82との接合部、及び側板80と天板84との接合部には、ノルシール等の密閉シール58e,58fがそれぞれ介装されている。なお、前述の研磨ヘッドカバー24と同様に、薄肉円筒状に湾曲した側板80の代わりに、一対の平板状の側板を使用し該側板に一対の端板をそれぞれ接合して円筒状に形成したものを使用しても良い。このドレッサヘッドカバー30の内部には、ドレッサヘッド22の主要部である主ドレッサ揺動アーム86と、図示しないベルト伝達機構等を介して、前記回転軸34を回転させるドレッサ用回転モータ(図示せず)が収容されており、ドレッサヘッド揺動軸32と回転軸34が底板82を貫通して下方に延出している。
研磨パッド10の研磨面10aをドレッシングするときは、ドレッサヘッド揺動軸32を回転させて、退避位置にあった主ドレッサ揺動アーム86をドレッシング位置に揺動させる。次に、補助カバー40の内部に収容した駆動機構を介して、ドレッサ20を図1に矢印に示す方向に回転させながら下降させて、ドレッサ20のドレッシング面を回転する研磨パッド10の研磨面10aに摺接させる。この状態で、ドレッサヘッドカバー30の内部に収容したドレッサ用回転モータを正逆交互に回転させて回転軸34を正逆交互に回転させ、これによって、補助ドレッサ揺動アーム36を往復揺動させ、ドレッサ20を研磨パッド10の略径方向に往復移動させる。この回転するドレッサ20の移動(揺動)により、研磨パッド10の研磨面10aに付着した研磨屑などが除去され、かつ研磨面10aが再生される。ドレッシング中は、液体供給機構42により、ドレッシング液(例えば純水)が研磨パッド10の研磨面10aに供給される。
ドレッサヘッドカバー30には、この内部にNガス等のパージガスを導入するパージガス導入部88と、内部を排気する排気部90が設けられている。パージガス導入部88は、ドレッサヘッド揺動軸32の内部を貫通して上方に延び、ドレッサヘッドカバー30内部の主ドレッサ揺動アーム86の上方に達するパージガス導入管92を有しており、このパージガス導入管92は、図4に示す、レギュレータ74と流量計(マスフローコントローラ)76とを有するパージガス導入ライン72に接続される。排気部90は、この例では、天板84に設けた貫通孔84aと連通し、ドレッサヘッドカバー30と該ドレッサヘッドカバー30に取付けた半管パイプ94との間に形成される排気路96から構成されている。この排気路96は、ドレッサヘッドカバー30の天板84上をその長さ方向に沿って延びて側板80に達し、側板80に沿って更に下方に延びて側板80の下部に達している。
ドレッサヘッドカバー30の内部圧力は外部圧力よりやや高い圧力に設定される。つまり、ドレッサヘッドカバー30の内部圧力が外部圧力よりやや高い圧力となるように、ドレッサヘッドカバー30の内部に、パージガス導入部88を通して、所定圧力のNガス等のパージガスを所定流量で導入しながら、排気部90を通して、ドレッサヘッドカバー30の内部を排気する。
このように、ドレッサヘッドカバー30の内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に設定することで、前述の研磨ヘッドカバー24とほぼ同様に、たとえ薬品の雰囲気内で研磨装置を使用しても、薬品の気体がドレッサヘッドカバー30の内部に入り込んでしまうことを防止し、これによって、ドレッサヘッド22の構成部品が薬品の気体で腐食してしまうことを防止できる。しかも、ドレッサヘッドカバー30の内部を、排気部90を通して、常時外部に排気することで、ドレッサヘッドカバー30の内部圧力を外部圧力よりやや高い圧力に設定しても、ドレッサヘッドカバー30内のパーティクルが排気部90以外の箇所からドレッサヘッドカバー30の外に出てしまうことを防止して、この例では、研磨ヘッド16の外方のパーティクルの存在によって研磨に支障が生じない場所に導くことができる。また、この例では、排気部90の排気口を、研磨テーブル12の外側に位置するように配置しているので、排気口から排気されるパーティクルを、研磨に支障が生じない場所(研磨が行われる研磨テーブル12表面の外側)に導くことができる。
なお、上記の例では、研磨ヘッド16とドレッサヘッド22の双方にヘッドカバーを設けた例を示しているが、研磨ヘッド16とドレッサヘッド22のどちらか一方にヘッドカバーを設けるようにしても良い。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。
10 研磨パッド
10a 研磨面
12 研磨テーブル
14 トップリング
16 研磨ヘッド
20 ドレッサ
22 ドレッサヘッド
24 研磨ヘッドカバー
26 研磨ヘッド揺動軸
28 トップリング駆動軸
30 ドレッサヘッドカバー
32 ドレッサヘッド揺動軸
34 回転軸
36 補助ドレッサ揺動アーム
38 ドレッサ駆動軸
44 トップリング揺動アーム
46 トップリング駆動用モータ
48 トップリング昇降機構
50 側板
52 端板
54 底板
56 天板
58a,58b,58c,58d,58e,58f 密閉シール
62 支持具
64 パージガス導入部
66 排気部
68 パージガス導入管
70 排気管
72 パージガス導入ライン
74 レギュレータ
76 流量計
78 排気ライン
80 側板
82 底板
84 天板
86 主ドレッサ揺動アーム
88 パージガス導入部
90 排気部
92 パージガス導入管
94 半管パイプ
96 排気路

Claims (4)

  1. 研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
    被研磨物を回転させながら前記研磨パッドに押圧するトップリングを有する研磨ヘッドと、
    前記研磨パッドをドレッシングするドレッサを有するドレッサヘッドとを有し、
    前記研磨ヘッド及び前記ドレッサヘッドの少なくとも一方の主要部は、内部にパージガスを導入するパージガス導入部と内部を排気する排出部とを有し、内部圧力が外部圧力よりやや高い圧力に設定されるヘッドカバー内に収容されていることを特徴とする研磨装置。
  2. 前記ヘッドカバー内に導入されるパージガスの圧力は、0.15〜0.25MPaで、流量は、40〜60L/minであることを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
  3. 前記ヘッドカバーは、複数の板状部材を接合して中空ボックス状に形成され、各部材の接合部には、密閉シールが介装されていることを特徴とする請求項1または2記載の研磨装置。
  4. 前記密閉シールは、ノルシールであることを特徴とする請求項3記載の研磨装置。
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