JP2513426C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、研磨装置に関し、特に、半導体集積回路装置の
製造工程において行われる、ウェーハを研磨するためのウェーハ研磨装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】図５はこの種の従来のウェーハ研磨装置の正面図である。 【０００３】図５に示すように、このウェーハ研磨装置は、主に、ウェーハ１Ｘ
をその研磨面が下方へ向く状態で保持し、第１の駆動手段（不図示）により矢印
Ｂで示す方向に回転されかつ往復移動手段（不図示）により矢印Ｃで示すように
往復移動されるウェーハチャック２Ｘと、ウェーハ１Ｘよりも大径の研磨パッド
としての研磨クロス４Ｘが貼り付けられ、第２の駆動手段（不図示）によりウェ
ーハチャック２Ｘの回転方向と同方向（矢印Ａ方向）に回転される定盤７Ｘと、
研磨クロス４Ｘ上に研磨液としてのスラリー６Ｘを供給するためのノズル５Ｘと
、ウェーハチャック２Ｘをウェーハ１Ｘを介して研磨クロス４Ｘに押し付けるた
めの加圧手段（不図示）と、を備えている。 【０００４】ウェーハ１Ｘのウェーハチャック２Ｘへの保持方法は、真空引きに よる吸着や、ワックス、溶液あるいは水による接着等があり、ウェーハ１Ｘのず
れを防ぐためウェーハ外周に衝立を付けることがある。研磨クロス４Ｘの半径は
ウェーハ１Ｘの直径の約２倍であり、定盤７Ｘの大きさはウェーハ１Ｘの大きさ
の約５倍あり、また、スラリー６Ｘは、シリコン酸化膜微粉末をＫＯＨ水溶液に
混合した懸濁液である。 【０００５】上述した研磨装置を用いて、ウェーハを研磨するには、先ず、ウェ
ーハチャック２Ｘに、研磨する面を下にしてウェーハ１Ｘを固定し、ウェーハチ
ャック２Ｘを定盤７Ｘに押し付ける。そして、ノズル５Ｘより研磨クロス４Ｘ上
にスラリー６Ｘを供給しながら、ウェーハチャック２Ｘと定盤７Ｘをそれぞれ矢
印Ｂ，Ａ方向に、すなわちともに同方向にそれぞれ回転運動させつつ、ウェーハ
チャック２Ｘを復運動させて研磨を行う。この時、前記加圧手段（不図示）によ
り約５００ｇ重／ｃｍ2の圧力でウェーハチャック２Ｘによりウェーハ１Ｘを加
圧し、スラリー６Ｘの供給量を約５０ｍｌ／分、定盤７Ｘの回転数を約４０ｒｐ
ｍ、ウェーハチャック２Ｘの回転数を約４０ｒｐｍ、ウェーハチャック２Ｘの往
復運動を約１０〜２０往復／分に設定し、ウェーハ１Ｘの表面に付いているプラ
ズマＣＶＤシリコン酸化膜を約１００ｎｍ／分の割合で研磨する。また、ウェー
ハチャック２Ｘの往復運動幅はウェーハ１Ｘの半径程度となっている。なお、研
磨枚数を向上させるために、ウェーハチャックが複数備えられた研磨装置もある
。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路装置の製造工程において
、従来より行われているウェーハのシリコン鏡面研磨だけではなく、ウェーハ表
面でのデバイス形成工程において、層間絶縁膜および導電膜の表面の凹凸の平坦
化の試みが盛んに行われている。 【０００７】このとき、従来の研磨装置を用いると、以下の問題点が生じる。第
１に研磨性能の最適化が困難であること、第２に製品別に最適な研磨条件をあて
がうことが困難であること、第３に研磨装置の形態が現状の半導体製造現場に馴
染みにくく、研磨装置の導入に支障があることが挙げられる。 【０００８】先ず、第１の間題点を説明する。デバイス形成工程で発生する凹凸
は、配線等のパターニングによるもので、凹凸の間隔はサブミクロンからミリメ
ートルの範囲であり、凹凸の高さは１ミクロン程度である。一方、デバイス形成 前の状態で、既にウェーハの膜厚の不均一性のためにウェーハ表面にうねりが生
じたり、デバイス形成工程の加熱処理や成膜により生じた応力によるウェーハの
反り等によってもセンチメートル程度の間隔、サブミクロン以上の高さの凹凸が
同時に存在している。要求される研磨性能は前者の凹凸のみ研磨し、後者の凹凸
には影響を与えないことである。ところが、従来の研磨装置では、研磨パッドの
厚さや、弾力性などを最適化して対処しているが、研磨パッドの材質の微妙な調
整や均一性の確保が非常に困難であり、前記要求される研磨性能が得られない。 【０００９】第２の問題点については、現在半導体集積回路装置の品種のなかで
大きな割合を占めつつある特定用途向け集積回路装置（ＡＳＩＣ）の生産対応が
困難ということである。この理由は、研磨の特性として低密度の凸部に比較して
高密度の凸部は研磨され難い性質がある。一方、製品の種類に応じて配線類のパ
ターンが異なっており、これがそのままウェーハ表面の凹凸の密度の違いとなっ
ている。この結果、製品の種類によって研磨特性が異なってしまうことになり、
少量多品種生産の典型であるＡＳＩＣの生産管理を困難にしている。 【００１０】第３の問題点については、研磨装置の設置場所が制限されてしまう
ことである。すなわち、研磨に用いるスラリーはシリコン酸化物の微粉末をＫＯ
Ｈ水溶液に混ぜたものであり、研磨装置自体が塵埃やアルカリ金属の発生源にな
る。たとえ、研磨装置の定盤付近を密閉構造にして汚染の拡散を防ぐ工夫をして
も、定盤が大きいため、密閉部の体積が大きくなり、内部を常に清浄化すること
は難しい。そして、研磨装置のメンテナンス等で前記密閉部を開放したときに、
製造現場に塵埃やアルカリ金属を拡散してしまうことになる。 【００１１】本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであ
り、デバイス形成工程における、ウェーハ研磨性能を向上し、研磨条件の変更が
容易で、しかも、半導体製造現場での設置が容易なウェーハ研磨装置を提供する
ことを目的としている。 【００１２】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための本発明は、ウェーハを
その研磨面が上方へ向く状態で保持し、第１の駆動手段により回転されるウェー
ハチャックと、ウェーハ上に研磨液を供給するための研磨液供給手段と、ウェー
ハよりも小径の研磨パッドを保持し、第２の駆動手段により回転されかつ往復運
動手段によりウェーハの研磨面に沿って往復運動される、ウェーハよりも小径の 研磨ヘッドと、研磨ヘッドを研磨パッドを介してウェーハに押し付けるための加
圧手段と、を備え、研磨ヘッドが複数備えられ、各研磨ヘッドは種類の異なる研
磨パッドを保持するものであることを特徴とする。 【００１３】また、研磨パッドの直径がウェーハのうねりの間隔と等しい。 【００１５】 【作用】上記のとおりに構成された本発明では、研磨パッドが小径であるため、
研磨クロスが、１ｃｍ程度という小さな間隔でうねっているウェーハ表面に追従
するので、ウェーハの厚みの不均一や反りに起因する凹凸はそのままに、研磨す
べき配線パターン等に起因した凹凸を効率よく研磨できる。 【００１６】また、研磨ヘッドが小さいので、一つのウェーハチャックに対して
複数の研磨ヘッドを備え、それぞれの研磨ヘッドに種類の異なる研磨パッドを取
り付けておくことで、凹凸パターンに応じた所望の研磨ヘッドを選択して使用す
る。 【００１７】さらに、ウェーハの研磨面が上方を向いているため、ウェーハ上に
のみスラリーを供給することで済み、スラリーが付着するウェーハチャック近辺
を密閉構造にする場合、密閉部の大きさは従来の約１／１００で済む。 【００１８】研磨パッドの直径が前記ウェーハのうねりの間隔と等しいと、研磨
ヘッドがウェーハ表面に良く追従する。 【００１９】 【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。 【００２０】図１は本発明のためのウェーハ研磨装置の参考例の正面図、図２は
図１の上面図である。 【００２１】図１および図２に示すように、本参考例のウェーハ研磨装置は、ウ
ェーハ１をその研磨面（研磨すべき面）が上方へ向く状態で保持し、後述する第
１の駆動手段により矢印Ａ方向に回転されるウェーハチャック２と、ウェーハ１
上に研磨液としてのスラリー６ａ，６ｂを供給するための研磨液供給手段として
のノズル５ａ，５ｂと、ウェーハ１よりも小径の研磨パッドとしての研磨クロス
４を保持し、後述する第２の駆動手段によりウェーハチャック２の回転方向と同
方向（矢印Ｂ方向）に回転されかつ後述する往復移動手段により矢印Ｃで示すよ
うにウェーハ１の前記研磨面に沿って往復移動動される研磨ヘッド３と、研磨ヘ
ッド３を研磨クロス４を介してウェーハ１に押し付けるための加圧手段としての 研磨ヘッド荷重調整用エアーシリンダー１０と、を備えている。前記研磨ヘッド
３はウェーハ１よりも小径となっている。 【００２２】ウェーハチャック２は、ウェーハ１の直径と同程度の直径を有する
大きさのもので済み、従来の定盤と比較して非常に小型化され、このウェーハチ
ャック２と対向して、直径約１ｃｍの研磨クロス４が貼り付けてある直径約１ｃ
ｍの研磨ヘッド３が設けられている。研磨ヘッド３の往復移動幅はウェーハ１の
ほぼ半径となっている。ウェーハ１は例えば、シリコン基板であり、このシリコ
ン基板には通常１ｃｍ間隔のうねりがあるため、研磨ヘッド３および研磨クロス
４の直径をそれぞれ約１ｃｍとした。 【００２３】また、ウェーハチャック２は第１の駆動手段としてのウェーハチャ
ック回転用モータ７により矢印Ａ方向に回転される。一方、アーム駆動用モータ
８の回転する出力軸８ａの先端には、一端に研磨ヘッド回転用モータ１１が固定
された研磨ヘッド往復運動用アーム９の他端部が鉛直面内を回転自在に連結され
ている。第２の駆動手段としての研磨ヘッド回転用モータ１１の出力軸１１ａに
は弾性体ジョイント１２を介して研磨ヘッド３が連結され、研磨ヘッド３は研磨
ヘッド回転用モータ１１により矢印Ｂ方向に回転される。往復運動手段としての
アーム駆動用モータ８により、研磨ヘッド往復運動用アーム９とともに研磨ヘッ
ド回転用モータ１１を出力軸８ａを支点とする矢印Ｃで示すように円弧を描く往
復運動をさせることができる。加圧手段としての研磨ヘッド荷重調整用エアーシ
リンダー１０は、研磨ヘッド往復運動用アーム９の中途部とアーム駆動用モータ
８の回転する出力軸８ａとの間に介在され、研磨ヘッド往復運動用アーム９を下
方に引き寄せることにより、研磨ヘッド３をウェーハチャック２へ押し付けるこ
とができ、また、研磨ヘッド荷重調整用エアーシリンダー１０のロッドの突出長
さを調節することにより、前記押し付け力を調節できる。 【００２４】上述したウェーハ研磨装置を使用し、ウェーハチャック２に研磨す
る面を上にしてウェーハ１を固定し、このウェーハチャック２を約５０ｒｐｍに
て回転させるとともに、ウェーハ１の上面にスラリー６ａ，６ｂを約１０ｍｌ／
分の割合で供給する。また、研磨ヘッド３を約１０００ｒｐｍにて回転し、約５
００ｇ重／ｃｍ2の圧力で研磨クロス４をウェーハ１の研磨面に押し付けながら
、研磨ヘッド３を研磨面上に往復運動させてウェーハ１の研磨を行う。研磨ヘッ
ド３の往復運動幅はウェーハ１の約半径に等しい。 【００２５】ウェーハチャックの回転数は１０〜１０００ｒｐｍ程度、研磨クロ
スの回転数は１０〜２０００ｒｐｍ程度、研磨ヘッドの往復回数は１０〜１００
往復／分、加圧手段（不図示）による圧力は約１０〜５００ｇ重／ｃｍ2程度が
好ましい。研磨ヘッドを従来よりも小型化したため、それに比例しただけ研磨ヘ
ッドの回転数を上げることが好ましい。 【００２６】図３は本発明のウェーハ研磨装置の第１実施例の正面図、図４は図
３の上面図である。 【００２７】本実施例のウェーハ研磨装置は、研磨ヘッド３０が複数（本実施例
では２個）備えられ、それぞれの研磨ヘッド３０に種類の異なる研磨クロス４０
が取付けられ、研磨するウェーハの種類に応じて、すなわち凹凸パターンに応じ
た所望の研磨ヘッドを選択して使用する。これにより、種種の凹凸パターンに応
じて最適な研磨条件を容易に選択できる。もちろん、各研磨ヘッド個別に回転手
段や往復運動手段が設けられている。すなわち、アーム駆動用モータ８０，８０
０、研磨ヘッド往復運動用アーム９０，９００、研磨ヘッド回転用モータ１１０
，１１００、研磨ヘッド３０等がそれぞれ２つずつ備えられ、しかも、研磨ヘッ
ド３０が互いに干渉せず、かつノズル５０ａ，５０ｂにも干渉しないように構成
されている。その他の構成や条件は第１実施例のものと同一である。本実施例で
は、２つの研磨ヘッドを備えた研磨装置を示したが、３つ以上の研磨ヘッドを備
えてもよい。 【００２８】上記実施例では、ウェーハの回転方向と研磨クロスの回転方向を一
致させたが、これに限られず、また、研磨ヘッドがアーム駆動用モータの出力軸
を支点として円弧上を往復移動するものを示したが、直線上を往復移動するもの
でもよい。 【００２９】 【発明の効果】本発明は、以上説明したとおりに構成されているので、以下に記
載するような効果を奏する。 【００３０】研磨ヘッドが小径であるため、研磨パッドが、１ｃｍ程度の小さな
間隔でうねっているウェーハ表面に追従するので、ウェーハの厚みの不均一や反
りに起因する凹凸はそのままに、配線パターン等に起因した研磨すべき凹凸を効
率よく研磨で、研磨性能の最適化が達成される。 【００３１】また、研磨ヘッドが小さいので、一つのウェーハチャックに対して 複数の研磨ヘッドを備え、それぞれの研磨ヘッドに種類の異なる研磨パッドを備
えておくことで、凹凸パターンに応じた所望の研磨ヘッドを選択して使用する。
これにより、種種の凹凸パターンに応じて最適な研磨条件を容易に選択できる。
また、加圧手段の小型化ひいては研磨装置が小型化され、研磨装置の占有面積や
重量が大幅に減少する。これにより、多数のユニット化が容易で、ウェーハの研
磨処理枚数が向上する。 【００３２】さらに、ウェーハの研磨面が上方を向いているため、ウェーハ上に
のみスラリーを供給することで済み、スラリーの供給量を減少させてランニング
コストが低減し、また、スラリーが付着するウェーハチャック近辺を密閉構造に
する場合、密閉部の大きさは従来の約１／１００で済む。これにより、密閉部内
を容易に清浄でき、また、密閉部を開放しても塵埃やアルカリ金属の発散を小さ
くでき、スラリーによる発塵やアルカリ金属による汚染を低減でき、結果的に、
研磨装置の導入が容易となる。 【００３３】研磨パッドの直径が前記ウェーハのうねりの間隔と等しくすること
により、研磨ヘッドがウェーハ表面に良く追従する。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明のウェーハ研磨装置の参考例の正面図である。 【図２】図１の上面図である。 【図３】本発明のウェーハ研磨装置の第１実施例の正面図である。 【図４】図３の上面図である。 【図５】従来のウェーハ研磨装置の正面図である。 【符号の説明】 １ ウェーハ ２ ウェーハチャック ３ 研磨ヘッド ４ 研磨クロス ５ａ，５ｂ ノズル ６ａ，６ｂ スラリー ７ ウェーハチャック回転用モータ ８ アーム駆動用モータ ８ａ 出力 ９ 研磨ヘッド往復運動用アーム １０ 研磨ヘッド荷重調整用エアーシリンダー １１ 研磨ヘッド回転用モータ １１ａ 出力軸 １２ 弾性体ジョイント ３０ 研磨ヘッド ４０ 研磨クロス ５０ａ，５０ｂ ノズル ６０ａ，６０ｂ スラリー ８０，８００ アーム駆動用モータ ８０ａ，８００ａ 出力軸 ９０，９００ 研磨ヘッド往復運動用モータ １００，１０００ 研磨ヘッド荷重調整用エアーシリンダー １１０，１１００ 研磨ヘッド回転用モータ １１０ａ 出力軸 １２０ 弾性体ジョイント

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ウェーハをその研磨面が上方へ向く状態で保持し、第１の駆動手
   段により回転されるウェーハチャックと、前記ウェーハ上に研磨液を供給するた
   めの研磨液供給手段と、前記ウェーハよりも小径の研磨パッドを保持し、第２の
   駆動手段により回転されかつ往復運動手段により前記ウェーハの前記研磨面に沿
   って往復運動される、前記ウェーハよりも小径の研磨ヘッドと、前記研磨ヘッド
   を前記研磨パッドを介して前記ウェーハに押し付けるための加圧手段と、を備え
   、前記研磨ヘッドが複数備えられ、各研磨ヘッドは種類の異なる研磨パッドを保
   持するものであることを特徴とするウェーハ研磨装置。 【請求項２】 前記研磨パッドの直径が前記ウェーハのうねりの間隔と等しい請
   求項１に記載のウェーハ研磨装置。