JP2014147990A - 研磨装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】研磨ヘッドに研磨液が付着することを防止し、さらに乾燥した研磨液が研磨面上に落下することを防止することができる研磨装置を提供する。
【解決手段】研磨装置は、研磨面3aを有する研磨具3を支持する研磨テーブル5と、基板Wを研磨面3aに押圧するためのトップリング15を有する研磨ヘッドと、研磨ヘッドを覆う研磨ヘッドカバー50と、研磨ヘッドカバー50の外周面に洗浄液を供給する第1洗浄液供給機構54と、研磨ヘッドカバー50の内周面に洗浄液を供給する第2洗浄液供給機構とを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、研磨装置に係り、特にウェハなどの研磨対象物(基板)の表面を研磨する研磨装置に関する。
化学的機械研磨(CMP)は、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械的作用によってウェハの表面を研磨する技術である。CMPを実施するための研磨装置は、通常、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハを研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、研磨パッドに研磨液(スラリー)を供給する研磨液供給機構を備える。研磨ヘッドは、ウェハを保持して、研磨パッドの研磨面に押し付けるトップリングと、このトップリングを駆動するトップリング駆動機構などを備えている。
ウェハはトップリングによって研磨パッドの研磨面に押圧され、この状態で研磨テーブルとトップリングが回転される。ウェハは研磨液の存在下で研磨パッドの研磨面に摺接され、これによりウェハの表面が研磨される。研磨終了後は、アトマイザから研磨パッドの研磨面に向けて霧状の流体が供給されて研磨面が洗浄される。
研磨液を供給しながらウェハ等の基板の表面を研磨すると、研磨液がトップリングを含む研磨ヘッドに付着する。また、アトマイザによる研磨面の洗浄時にも研磨面上に残留した研磨液が研磨ヘッドに付着する。研磨ヘッドに付着した研磨液は次第に乾燥し、やがて研磨面上に落下することがある。このような乾燥した研磨液は、基板の被研磨面にスクラッチを発生させる原因となる。
特開2008−296293号公報
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、研磨ヘッドに研磨液が付着することを防止し、さらに乾燥した研磨液が研磨面上に落下することを防止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。
本発明の一態様は、研磨面を有する研磨具を支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨面に押圧するためのトップリングを有する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを覆う研磨ヘッドカバーと、前記研磨ヘッドカバーの外周面に洗浄液を供給する第1洗浄液供給機構と、前記研磨ヘッドカバーの内周面に洗浄液を供給する第2洗浄液供給機構とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
本発明の好ましい態様は、前記第1洗浄液供給機構および前記第2洗浄液供給機構は、前記研磨ヘッドカバーに取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第1洗浄液供給機構は、前記研磨ヘッドカバーの外周面の全体に洗浄液を供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第2洗浄液供給機構は、前記研磨ヘッドカバーの内周面の全体に洗浄液を供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第2洗浄液供給機構は、洗浄液が流れる洗浄液流路と、前記洗浄液流路に接続された複数の洗浄ノズルとを備え、前記複数の洗浄ノズルの先端開口部は前記研磨ヘッドカバーの内周面に近接または接触しており、該内周面に沿って洗浄液を供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドカバーの外周面および/または内周面は、親水性の被膜で被覆されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドカバーの外周面および/または内周面は、撥水性の被膜で被覆されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドカバーの外周面には水平方向に延びる凸部または凹部が形成されており、前記凸部または凹部は前記第1洗浄液供給機構の下方に位置することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨ヘッドカバーの内周面には水平方向に延びる凸部または凹部が形成されており、前記凸部または凹部は前記第2洗浄液供給機構の下方に位置することを特徴とする。
本発明によれば、研磨ヘッドは研磨ヘッドカバー内に収容される。したがって、研磨ヘッドカバーによってトップリングを含む研磨ヘッドを研磨液から保護することができる。研磨ヘッドカバーに付着した研磨液は、洗浄液によって洗い流されるので、乾燥した研磨液が研磨面上に落下することがない。したがって、本発明によれば、乾燥した研磨液による基板のスクラッチを防止することができる。
一般的な研磨装置を示す斜視図である。 図1に示す研磨装置の平面図である。 研磨ヘッドを覆う研磨ヘッドカバーを備えた研磨装置の一実施形態を示す斜視図である。 図4(a)は研磨ヘッドカバーの外周面に設けられた溝を示す拡大図であり、図4(b)は研磨ヘッドカバーの外周面に設けられた堰を示す拡大図である。 図5(a)は図3の符号Aで示す仮想線に沿って切り取られた研磨ヘッドカバーの内周面を示す図であり、図5(b)は図5(a)のV−V線断面図である。 図6(a)は研磨ヘッドカバーの内周面に設けられた溝を示す拡大図であり、図6(b)は研磨ヘッドカバーの内周面に設けられた堰を示す拡大図である。 ドレッシングヘッドを覆うドレッシングヘッドカバーを備えた研磨装置の一実施形態を示す斜視図である。
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、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置を示す斜視図である。図2は図1に示す研磨装置の平面図である。図1に示すように、研磨装置は、研磨具としての研磨パッド3を支持するための研磨テーブル5と、ウェハWを保持しかつウェハWを研磨テーブル5上の研磨パッド3に押圧するための研磨ヘッド4と、研磨パッド3に研磨液(例えばスラリー)を供給するための研磨液供給機構10とを備えている。研磨パッド3は研磨テーブル5の上面に貼付されており、研磨パッド3の上面がウェハWを研磨する研磨面3aを構成している。研磨具としては、研磨パッド3に代えて固定砥粒または研磨布などを用いてもよい。
研磨テーブル5は、テーブル軸6を介してその下方に配置されるテーブルモータ8に連結されており、このテーブルモータ8により研磨テーブル5および研磨パッド3がその中心軸まわりに回転されるようになっている。
研磨ヘッド4は、ウェハWを保持して研磨面3aに押し付けるトップリング15と、トップリング15が固定されるトップリングシャフト16と、トップリングシャフト16を介してトップリング15を昇降させるトップリング昇降機構17と、トップリング昇降機構17が設置されるトップリングアーム18と、トップリングシャフト16を介してトップリング15をその中心軸まわりに回転させるトップリング回転機構(図示せず)等とを備えている。トップリング回転機構はトップリングアーム18内に配置されている。トップリング昇降機構17およびトップリング回転機構は、トップリング15を駆動するトップリング駆動機構を構成する。
トップリング15はトップリングシャフト16の下端に連結されている。トップリング15は、真空吸着によりその下面にウェハWを保持できるように構成されている。トップリングアーム18は、トップリング旋回軸19に連結されており、このトップリング旋回軸19を中心として旋回するようになっている。トップリングアーム18が旋回すると、図2に示すように、トップリング15は研磨テーブル5の上方にある研磨位置と研磨テーブル5の半径方向外側にある待機位置(点線で示す)との間を移動するようになっている。
トップリング昇降機構17は、軸受26を介してトップリングシャフト16を回転可能に支持するブリッジ28と、ブリッジ28に取り付けられたボールねじ32と、支柱30により支持された支持台29と、支持台29上に設けられたサーボモータ38とを備えている。サーボモータ38を支持する支持台29は、支柱30を介してトップリングアーム18に連結されている。
ボールねじ32は、サーボモータ38に連結されたねじ軸32aと、このねじ軸32aが螺合するナット32bとを備えている。トップリングシャフト16は、ブリッジ28と一体となって昇降(上下動)するようになっている。したがって、サーボモータ38を駆動すると、ボールねじ32を介してブリッジ28が上下動し、これによりトップリングシャフト16およびトップリング15が上下動する。
ウェハWの研磨は次のようにして行われる。ウェハWを保持したトップリング15は待機位置から研磨位置に移動される。トップリング15および研磨テーブル5をそれぞれ同じ方向に回転させ、研磨液供給機構10から研磨パッド3上に研磨液(スラリー)を供給する。この状態で、トップリング15はウェハWを研磨パッド3の研磨面3aに押し付け、ウェハWと研磨面3aとを摺接させる。ウェハWの表面は、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により研磨される。このような研磨装置はCMP(Chemical Mechanical Polishing)装置と呼ばれている。
研磨装置は、研磨パッド3の研磨面3aのドレッシング(またはコンディショニング)を行うドレッシングヘッド40をさらに備えている。ドレッシングヘッド40は、研磨パッド3に摺接されるドレッサ41と、ドレッサ41が固定されるドレッサシャフト43と、ドレッサシャフト43を支持するドレッサアーム45と、ドレッサシャフト43を介してドレッサ41を回転駆動するドレッサ回転機構(図示せず)とを備えている。ドレッサ回転機構はドレッサアーム45内に配置されている。ドレッサ41の下面にはダイヤモンド粒子などの砥粒(図示せず)が固定されており、これらの砥粒によって研磨面3aをドレッシングするドレッシング面が構成されている。
ドレッサアーム45は、ドレッサ旋回軸47に連結されており、このドレッサ旋回軸47を中心として旋回するようになっている。ドレッサアーム45が旋回すると、ドレッサ41は研磨面3a上を研磨テーブル5の半径方向に揺動する。ドレッサ41は、研磨パッド3の研磨面3a上を揺動しながら回転し、研磨パッド3を僅かに削り取ることにより研磨面3aをドレッシングする。さらに、ドレッサ41は、ドレッサ旋回軸47の回転に伴って、図2に示すように、研磨テーブル5の上方のドレッシング位置と、研磨テーブル5の外側の待機位置(点線で示す)との間を移動する。
研磨装置は、霧状の洗浄流体を研磨パッド3の研磨面3aに噴射して研磨面3aを洗浄するアトマイザ49をさらに備えている。アトマイザ49は、研磨パッド3(または研磨テーブル5)の半径方向に沿って延びている。洗浄流体は、洗浄液(通常は純水)と気体(例えば、窒素ガスなどの不活性ガス)との混合流体、または洗浄液のみから構成される。このような洗浄流体を研磨面3aに噴射することにより、研磨パッド3の研磨面3a上に残留する研磨屑および研磨液に含まれる砥粒が除去される。
図3は、研磨ヘッド4を覆う研磨ヘッドカバー50を備えた本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。図3に示すように、研磨ヘッド4のほぼ全体は研磨ヘッドカバー50によって覆われている。研磨ヘッドカバー50は、その下端が開口しており、楕円形の水平断面を有している。研磨ヘッドカバー50は、トップリングシャフト16、トップリングアーム24、図示しないトップリング回転機構、およびトップリング昇降機構17をその内部に収容し、さらにトップリング15の上部を覆う形状を有している。したがって、トップリング15の上部への研磨液の浸入、およびトップリング昇降機構17等を含む研磨ヘッド4への研磨液の付着を防止することができる。
研磨ヘッドカバー50の上部には、研磨ヘッドカバー50の外周面50aに洗浄液を供給する第1洗浄液供給機構54が配置されている。第1洗浄液供給機構54は、洗浄液が流れる環状の洗浄液流路(第1洗浄液流路)55と、洗浄液流路55に接続された複数の洗浄ノズル(第1洗浄ノズル)56とを備えている。洗浄液流路55および洗浄ノズル56は、研磨ヘッドカバー50の上端に取り付けられている。洗浄液としては純水が好ましく使用される。
洗浄液流路55は、外周面50aを取り囲むようにその周方向に沿って延びている。洗浄ノズル56は外周面50aの全周に亘って等間隔に配置されている。洗浄液は洗浄液供給ライン(図示しない)から洗浄液流路55に供給される。洗浄液流路55を流れる洗浄液は、それぞれの洗浄ノズル56から研磨ヘッドカバー50の外周面50a上に供給される。洗浄ノズル56は洗浄液を広い領域に噴霧することができるスプレーノズルであることが好ましい。
トップリング15が待機位置にあるとき(すなわち、トップリング15が研磨面3aの上方にないとき)、洗浄液が外周面50aに向けて噴霧される。外周面50aに沿って洗浄液を供給するように、洗浄ノズル56の先端開口部は外周面50aに近接または接触して配置されていることが好ましい。洗浄液は外周面50a全体に亘って下方に流れ、外周面50aに付着した研磨液を洗い流す。したがって、研磨液が研磨ヘッドカバー50上に残留せず、結果として乾燥した研磨液が研磨パッド3の研磨面3a上に落下することが防止される。
洗浄液の均一な液膜を外周面50a上に形成するために、研磨ヘッドカバー50の外周面50aを親水性の被膜で被覆することが好ましい。このような親水性の被膜の一例としては、フッ素とシリコン系有機化合物との混合からなる被膜が挙げられる。親水性の被膜を外周面50aに被覆する方法の一例としては、親水性の材料を外周面50aに塗布し、外周面50a上の親水性の材料に熱処理を施す方法が挙げられる。外周面50aが親水性の被膜で被覆されることにより、洗浄液は外周面50aの全体に張り付くように広がり、外周面50a上に均一な液膜を形成する。
研磨ヘッドカバー50の外周面50aを親水性の被膜に代えて撥水性の被膜で被覆してもよい。撥水性の被膜を外周面50aに被覆する方法の一例として、撥水性の材料を外周面50aに塗布し、外周面50a上の撥水性の材料に熱処理を施す方法が挙げられる。外周面50aが撥水性の被膜で被覆されることにより、ウェハWの研磨時に外周面50aに付着した研磨液は凝集され、筋状となって下方に流れる。これにより、研磨液は外周面50aに付着したまま乾燥されることがなくなる。結果として、乾燥した研磨液が研磨パッド3の研磨面3a上に落下することが防止される。
図4(a)および図4(b)に示すように、水平方向に延びる溝(凹部)51または堰(凸部)53を研磨ヘッドカバー50の外周面50aに設けてもよい。溝51または堰53は、洗浄液ノズル56の下方に位置しており、外周面50aの全周に亘って水平に延びている。溝51および堰53の断面は三角形状を有している。洗浄ノズル56から外周面50a上に供給された洗浄液は、溝51または堰53上で水平方向に一旦広がり、その後に流下してある程度の幅を持った下方への流れを形成する。この下方への幅広の流れを維持するために、外周面50aには親水性の被膜が形成されていることが好ましい。洗浄液は外周面50a上を広がったまま下方に流れ、外周面50a上に均一な液膜を形成する。
図4(a)および図4(b)において、洗浄液流路55は四角形状の断面を有しているが、特定の形状に限定されず、例えば管状の洗浄液流路55であってもよい。図4(a)に示す溝51または図4(b)に示す堰53を撥水性の被膜で被覆された外周面50aに設けてもよい。
洗浄液の消費量を少なくするために、使用された洗浄液を回収し、異物を取り除いた後、再利用することが好ましい。また、研磨ヘッドカバー50に供給された洗浄液が、研磨パッド3上に落下しないように、待機位置にある研磨ヘッドカバー50にパージガス(窒素ガスなど)を吹きつけて、研磨ヘッドカバー50から洗浄液を除去することが好ましい。
図5(a)は図3の符号Aで示す仮想線に沿って切り取られた研磨ヘッドカバー50の内周面を示す図であり、図5(b)は図5(a)のV−V線断面図である。図5(a)および図5(b)に示すように、研磨ヘッドカバー50の内周面50bに洗浄液を供給する第2洗浄液供給機構61が設けられている。第2洗浄液供給機構61を研磨ヘッドカバー50の内側に設ける理由は次の通りである。図1に示すように、トップリング15は、トップリング昇降機構17によりトップリングアーム18に対して上下動するように構成されている。研磨ヘッドカバー50はトップリング15を囲むように形成されているため、上昇位置にあるトップリング15が研磨ヘッドカバー50内で回転すると、研磨液がトップリング15から飛散して研磨ヘッドカバー50の内周面50bに付着する。そこで、研磨ヘッドカバー50の内周面50bから研磨液を除去するために、第2洗浄液供給機構61から洗浄液が内周面50bに供給される。
図5(a)に示すように、第2洗浄液供給機構61は、洗浄液が流れる洗浄液流路(第2洗浄液流路)62と、洗浄液流路62に接続された複数の洗浄ノズル(第2洗浄ノズル)63とを備えている。洗浄液流路62は内周面50bに固定されており、内周面50bの周方向に沿って延びている。洗浄ノズル63は、トップリング15の上昇位置と同じ高さか、またはその上昇位置よりも上方に配置されている。図5(b)に示すように、洗浄ノズル63は、洗浄液流路62の下部に形成された通孔から構成されている。洗浄ノズル63を洗浄液流路62とは別体として構成してもよい。洗浄ノズル63は、内周面50bの周方向に沿って等間隔に配置されている。
洗浄液は上述した洗浄液供給ライン(図示しない)から洗浄液流路62に供給される。洗浄液流路62を流れる洗浄液は、それぞれの洗浄ノズル63から研磨ヘッドカバー50の内周面50b上に供給される。洗浄ノズル63から出た洗浄液が内周面50bに当たったときに飛び散らないように、洗浄ノズル63の先端開口部は内周面50bに近接または接触している。さらに、洗浄ノズル63の先端開口部が内周面50bを向くように洗浄ノズル63が内周面50bに対して傾斜している。このような洗浄ノズル63を用いることにより、洗浄液は、飛散することなく内周面50bに沿って洗浄ノズル63から流れ出し、内周面50b上に均一な液膜を形成する。上述した第1洗浄液供給機構54に、図5(b)に示す洗浄液流路62および洗浄ノズル63を適用してもよい。
洗浄液の均一な液膜を内周面50b上に形成するために、研磨ヘッドカバー50の内周面50bを親水性の被膜で被覆することが好ましい。内周面50bが親水性の被膜で被覆されることにより、洗浄液は内周面50bの全体に張り付くように広がり、内周面50b上に均一な液膜を形成する。
研磨ヘッドカバー50の内周面50bを親水性の被膜に代えて撥水性の被膜で被覆してもよい。内周面50bが撥水性の被膜で被覆されることにより、内周面50bに付着した研磨液は凝集され、筋状となって下方に流れる。これにより、研磨液は内周面50bに付着したまま乾燥されることがなくなる。結果として、乾燥した研磨液が研磨パッド3の研磨面3a上に落下することが防止される。
図6(a)および図6(b)に示すように、水平方向に延びる溝(凹部)71または堰(凸部)73を研磨ヘッドカバー50の内周面50bに設けてもよい。溝71または堰73は、洗浄液ノズル63の下方に位置しており、内周面50bの全周に亘って水平に延びている。溝71および堰73の断面は三角形状を有している。洗浄ノズル63から内周面50b上に供給された洗浄液は、溝71または堰73上で水平方向に一旦広がり、その後に流下してある程度の幅を持った下方への流れを形成する。この下方への幅広の流れを維持するために、内周面50bには親水性の被膜が形成されていることが好ましい。洗浄液は内周面50b上を広がったまま下方に流れ、内周面50b上に均一な液膜を形成する。
研磨ヘッドカバー50の内周面50bに供給される洗浄液自体の飛散を防止するために、洗浄ノズル63から供給される洗浄液の流量をある程度少なくすることが好ましい。このような場合でも、洗浄液は溝71または堰73によって水平方向に広がるので、内周面50b上に液膜を形成することができる。
図6(a)および図6(b)において、洗浄液流路62は四角形状の断面を有しているが、特定の形状に限定されず、例えば管状の洗浄液流路62であってもよい。図6(a)に示す溝71または図6(b)に示す堰73を撥水性の被膜で被覆された内周面50bに設けてもよい。
図3乃至図6(b)を参照して説明した研磨ヘッドカバー50は、ドレッシングヘッド40にも適用することができる。図7は、ドレッシングヘッド40にドレッシングヘッドカバー81を装着した例を示す図である。ドレッシングヘッドカバー81の構成は研磨ヘッドカバー50と同じであるので、その重複する説明を省略する。
これまで本発明の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。
3 研磨パッド
4 研磨ヘッド
5 研磨テーブル
6 テーブル軸
8 テーブルモータ
10 研磨液供給機構
15 トップリング
16 トップリングシャフト
17 トップリング昇降機構
18 トップリングアーム
19 トップリング旋回軸
26 軸受
28 ブリッジ
29 支持台
30 支柱
32 ボールねじ
38 サーボモータ
40 ドレッシングヘッド
41 ドレッサ
43 ドレッサシャフト
45 ドレッサアーム
47 ドレッサ旋回軸
50 研磨ヘッドカバー
50a 外周面
50b 内周面
51 溝(凹部)
53 堰(凸部)
54 第1洗浄液供給機構
55 洗浄液流路
56 洗浄ノズル
61 第2洗浄液供給機構
62 洗浄液流路
63 洗浄ノズル
71 溝(凹部)
73 堰(凸部)
81 ドレッシングヘッドカバー

Claims (9)

  1. 研磨面を有する研磨具を支持する研磨テーブルと、
    基板を前記研磨面に押圧するためのトップリングを有する研磨ヘッドと、
    前記研磨ヘッドを覆う研磨ヘッドカバーと、
    前記研磨ヘッドカバーの外周面に洗浄液を供給する第1洗浄液供給機構と、
    前記研磨ヘッドカバーの内周面に洗浄液を供給する第2洗浄液供給機構とを備えたことを特徴とする研磨装置。
  2. 前記第1洗浄液供給機構および前記第2洗浄液供給機構は、前記研磨ヘッドカバーに取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の研磨装置。
  3. 前記第1洗浄液供給機構は、前記研磨ヘッドカバーの外周面の全体に洗浄液を供給することを特徴とする請求項1または2に記載の研磨装置。
  4. 前記第2洗浄液供給機構は、前記研磨ヘッドカバーの内周面の全体に洗浄液を供給する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研磨装置。
  5. 前記第2洗浄液供給機構は、洗浄液が流れる洗浄液流路と、前記洗浄液流路に接続された複数の洗浄ノズルとを備え、
    前記複数の洗浄ノズルの先端開口部は前記研磨ヘッドカバーの内周面に近接または接触しており、前記複数の洗浄ノズルは該内周面に沿って洗浄液を供給す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研磨装置。
  6. 前記研磨ヘッドカバーの外周面および/または内周面は、親水性の被膜で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の研磨装置。
  7. 前記研磨ヘッドカバーの外周面および/または内周面は、撥水性の被膜で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の研磨装置。
  8. 前記研磨ヘッドカバーの外周面には水平方向に延びる凸部または凹部が形成されており、前記凸部または凹部は前記第1洗浄液供給機構の下方に位置することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の研磨装置。
  9. 前記研磨ヘッドカバーの内周面には水平方向に延びる凸部または凹部が形成されており、前記凸部または凹部は前記第2洗浄液供給機構の下方に位置することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の研磨装置。
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