JP3131769B2 - 半導体ウェーハの機械化学的研磨装置及びその制御方法 - Google Patents

半導体ウェーハの機械化学的研磨装置及びその制御方法

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JP3131769B2 JP18365697A JP18365697A JP3131769B2 JP 3131769 B2 JP3131769 B2 JP 3131769B2 JP 18365697 A JP18365697 A JP 18365697A JP 18365697 A JP18365697 A JP 18365697A JP 3131769 B2 JP3131769 B2 JP 3131769B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェーハの
機械化学的研磨装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体の集積回路素子を製造す
るときは、図４の断面図に示したように、半導体ウェー
ハ１の上面に、電導性（conductive）、絶縁性（insula
tive）、及び半導体性（semiconductive）の各性質を有
する物質を、パターニング、ドーピング、及び蒸着等の
多様な工程により多層に積層形成して複数の集積回路素
子２を形成する。
【０００３】このとき、素子２を形成する過程で、酸化
物３のような表面が平坦でない中間物が形成されると、
次工程のフォトリソグラフィ等が困難になるため、機械
化学的平坦化（chemical mechnical plannarization ）
又は機械化学的研磨（chemical mechnical polishing；
以下、ＣＭＰと称する）により酸化物３を研磨し、各素
子２を露出させる等して、図５の断面図に示したよう
に、表面の平坦化を行なっていた。
【０００４】そして、従来、酸化物を除去するＣＭＰ装
置においては、図６に示すように、第１モータ１０の出
力軸１０ａに軸支された研磨板１１の上面には研磨布１
２が被覆されており、研磨液供給器１７から研磨液が供
給されるようになっている。また、支持アーム１３に
は、第２モータ１５とキャリヤーヘッド１６とからなる
キャリヤー１４が取り付けられている。キャリヤーヘッ
ド１６は、第２モータ１５の出力軸１５ａに軸支されて
おり、半導体ウェーハ１の一面を保持し、他面を研磨布
１２に当接させるものである。
【０００５】且つ、図７に示すように、第２モータ１５
の出力軸１５ａに、キャリヤーヘッド１６に代えて圧力
測定器２４を取り付け、半導体ウェーハ１と研磨板１１
との間の圧力を測定することができ、水平測定機２２を
用いて研磨布１２の水平レベルを測定することもできる
ようになっている。そして、このように構成された従来
のＣＭＰ装置においては、先ず、研磨板１１及び半導体
ウェーハ１０それぞれを水平に調整するため（以下、レ
ベリングという）、研磨布１２で覆われた研磨板１１上
面に水平測定機２２を載置してレベリングを行った後、
半導体ウェーハ１が保持されるキャリヤー１４のレベリ
ングを行う。
【０００６】即ち、キャリヤー１４からキャリヤーヘッ
ド１６を外した後、圧力測定機２４を装着し、キャリヤ
ー１４を下方に降下させて圧力測定機２４を研磨布１２
に接触させる。次いで、電源をオンにして第１モータ１
０を駆動し、研磨板１１を所定速度に回転させ、同様
に、第２モーター１５も回転させる。すると、キャリヤ
ー１４は、研磨板１１の面に沿って上下方向に昇降しな
がら、自重により研磨布１２に所定の圧力を加える。そ
して、圧力測定機２４と研磨布１２とが相互接触して、
圧力測定機２４に加圧値が検出される。このとき、もし
圧力測定機２４に検出された加圧値が不均一で、変動す
るような場合には、使用者は電源をオフにして各モータ
の駆動を停止した後、手動により装置を水平に調整し、
再び前述の過程を反復して圧力測定機２４の測定値が均
一になるまでレベリングを行う。
【０００７】キャリヤー１４のレベリングが完了する
と、次いで、圧力測定機２４を外して半導体ウェーハ１
が保持されたキャリヤーヘッド１６を装着する。そし
て、各モータを駆動し、キャリヤーヘッド１６及び研磨
板１１を回転して、研磨液供給機１７から研磨液を供給
しながらウェーハ１の研磨を行い、図５に示したように
平坦に研磨していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】然るに、このような従
来のＣＭＰ装置においては、研磨以前の作業としてキャ
リヤーヘッドを外して圧力測定機を取付けた後、キャリ
ヤー及び研磨板のレベリングを反復して行うようになっ
ているため、研磨以前のレベリング作業が極めて煩雑で
あるという不都合な点があった。
【０００９】且つ、それらキャリヤー及び研磨板のレベ
リングを完了した後、半導体ウェーハの研磨中には、そ
れらキャリヤー及び研磨板のレベリング状態の良否を確
認することができないという不都合な点があった。本発
明は、このような従来の不都合な点に鑑み、レベリング
を容易に行って作業時間を短縮し得る半導体ウェーハの
機械化学的研磨装置及びその方法を提供することを目的
とする。
【００１０】且つ、本発明の他の目的は、研磨中に研磨
板と半導体ウェーハ間のレベリング状態を確認して調整
し、半導体ウェーハを平坦化させるための研磨効率を向
上し得る半導体ウェーハの機械化学的研磨装置及びその
制御方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、第１モータの出力軸に軸支された研磨板
と、該研磨板の上面に被覆された研磨布と、支持アーム
に支持された第２モータと、該第２モータの出力軸に軸
支されて半導体ウェーハの一面を保持するキャリヤーヘ
ッドと、前記研磨布上に研磨液を供給する研磨液供給器
と、を備え、前記第１モータによって回転され、前記研
磨液が供給された前記研磨板上面の研磨布に、前記キャ
リヤーヘッドに保持された半導体ウェーハの他面を、前
記第２モータの回転により自転させながら当接させるこ
とにより研磨する半導体ウェーハの機械化学的研磨装置
であって、前記研磨板に複数の溝部を設け、該溝部各々
に前記研磨布と半導体ウェーハとの間の圧力の変化を検
出する圧力センサーを挿合して配設した半導体ウェーハ
の機械化学的研磨装置において、前記複数の圧力センサ
ーは、前記研磨板上面の、前記半導体ウェーハの中心が
通過する軌跡上に配設されたものとする。
【００１２】このような構成の半導体ウェーハの機械化
学的研磨装置は、請求項４に係る発明のように、前記キ
ャリヤーヘッドに装着された半導体ウェーハを前記研磨
板の上面に被覆された研磨布に当接させる段階と、前記
研磨布上面に研磨液を供給し、前記キャリヤーヘッドに
装着された半導体ウェーハを自転させながら、前記研磨
板を回転させる段階と、前記半導体ウェーハと前記研磨
布との間の圧力を前記圧力センサーにより検出する段階
と、該検出結果により検出信号を発生し表示する段階
と、該表示された検出信号値に従い半導体ウェーハ表面
と研磨布表面とが平行になるようキャリヤーヘッドを調
整する段階と、研磨中に表示される検出信号値に従い、
キャリヤーヘッドを調整しながら研磨を行う段階と、を
順次行うように制御されて、レベリングを簡便に行うこ
とができる。
【００１３】特に、請求項２に係る発明のように、前記
複数の圧力センサーを、前記研磨板上面の、前記題１モ
ータの出力軸を中心とした円の円周上に均等に配設する
ことができる。更に、請求項３に係る発明は、前記圧力
センサは前記研磨布と半導体ウェーハとの間の圧力の変
化を信号として出力する圧力出力部を有し、該圧力出力
部によって出力された信号を検出する検出器と、該検出
器によって検出された信号に基づき前記半導体のウェー
ハの表面と研磨布の表面とが平行をなすか否かを演算す
るマイクロプロセッサと、該マイクロプロセッサが前記
半導体のウェーハの表面と研磨布の表面とが平行でない
と認識した場合平行になるよう前記研磨板を駆動するモ
ータと、該モータの駆動による方向に前記研磨板が移動
するように動作させるピボットメカニズムと、を包含す
るものである。
【００１４】
【００１５】このような構成の半導体ウェーハの機械化
学的研磨装置は、マイクロプロセッサにより半導体のウ
ェーハの表面と研磨布の表面との平行状態を判別し、平
行状態でない場合はモータを駆動させて平行状態となる
ようピボットメカニズムを作動させて研磨板を移動させ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１（Ａ）は、本発明に係る半導体ウェー
ハの機械化学的研磨装置の第１実施形態を示す平面図で
あり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のａ−ａ' 断面図であ
る。第１モータ１０の出力軸１０ａに軸支された研磨板
１１の上面には、複数の溝部３２ａが、第１モータ１０
の出力軸１０ａを中心とした円の円周上に均等に配設し
てあり、この溝部３２ａそれぞれには圧力センサー３２
が挿合してある。溝部３２ａは、圧力センサー３２の上
面が研磨板１１の上面に略一致するように深さを調節し
て設けてある。また、圧力センサー３２の上面を含む研
磨板１１の上面全体には、研磨布１２が被覆されてお
り、この研磨布１２上には研磨液供給器１７から研磨液
が供給されるようになっている。
【００１７】一方、支持アーム１３には、第２モータ１
５と、その出力軸１５ａに軸支されたキャリヤーヘッド
１６とからなるキャリヤー１４が取付けてあり、このキ
ャリヤー１４は、上下方向に移動して自重により下方に
所定の圧力を加えるように支持されている。キャリヤー
ヘッド１６は、下面に半導体ウェーハ１の一面を保持
し、第２モータの回転により自転しながら、半導体ウェ
ーハ１の他面を研磨板上面の研磨布に当接させることに
より研磨するように構成されている。
【００１８】また、図１（Ｃ）に示すように、各圧力セ
ンサー３２は、その発生した信号に基づき圧力を検出す
る検出部３６と、その検出結果を表示する表示部３８に
接続されており、研磨布１２と半導体ウェーハ１との間
の圧力の変化を検出できるようになっている。そして、
半導体ウェーハ１の中心は、回転中の研磨板１１上の各
圧力センサー３２の中心と一致するようになっている。
すなわち、半導体ウェーハ１がキャリヤーヘッド１６の
下面に装着され、研磨板１１が回転すると、複数の圧力
センサー３２が半導体ウェーハ１の中心を連続して通過
しながら圧力を検出するようになっている。
【００１９】このように構成された半導体ウェーハの機
械化学的研磨装置は、以下のように制御されて半導体ウ
ェーハ１の研磨を行なう。先ず、キャリヤーヘッド１６
下面に半導体ウェーハ１の一面を装着し、半導体ウェー
ハ１の他面が研磨板１１上面の研磨布１２に当接するよ
うにキャリヤーヘッド１６を移動する。
【００２０】次に、研磨布１２上に研磨液を供給しなが
ら、電源をオンにして、第１モータ１０および第２モー
タ１５を駆動して研磨板１１とキャリヤーヘッド１６と
を所定速度で回転させる。このとき、半導体ウェーハ１
はキャリヤーヘッド１６と共に自転しながら、研磨布１
２および研磨液により研磨される。そして、各圧力セン
サー３２は半導体ウェーハ１の下を通過するときに、半
導体ウェーハ１と研磨布１２との間の圧力に応じた信号
を発生する。検出部３６はこの信号に基づいて圧力を検
出し、表示部３８は検出結果を表示する。
【００２１】
【００２２】そこで、表示部３８に表示された値が所定
の範囲を外れていた場合には、電源を手動又は自動でオ
フにして、キャリヤー１４のレベリングを行う。その
後、再び電源をオンにして、研磨を行いながら半導体ウ
ェーハ１と研磨布１２との間の圧力を検出し、同様の調
整を繰り返して半導体ウェーハ１の研磨を行う。このよ
うにすることにより、レベリングを研磨を行いながら調
整することで、研磨前の準備作業を短縮することができ
る。また、研磨中に継続してレベリングを監視すること
で、研磨中のレベリングの狂いを検出して直ちに修正す
ることができるようになり、正確な研磨が可能になる。
【００２３】また、本発明に係る半導体ウェーハの機械
化学的研磨装置の第２実施例として、図２の縦断面図に
示したように、半導体ウェーハ１が保持されるキャリヤ
ーヘッド１６の下面の中央部と、この中央部を中心とし
た同心円の円周上とに均等に複数の溝部４４ａを配設し
て、各溝部４４ａに圧力センサー４４を夫々挿合した構
成としてもよい。各圧力センサー４４は検出部３６およ
び表示部３８に接続されて、半導体ウェーハ１と研磨布
１２との間の圧力を半導体ウェーハ１の側で検出する。
このような構成では、半導体ウェーハ１の面内各位置で
の圧力差を検出することができ、レベリングをより緻密
に監視することができる。
【００２４】さらに、研磨板１１とキャリヤーヘッド１
６との両方に圧力センサーを設けた構成とすれば、より
正確なレベリングが可能となる。本発明に係る半導体ウ
ェーハの機械化学的研磨装置の第３実施例として、図３
に示したように、マイクロプロセッサ５０、モータ５
２、及びピボット（pivoting）メカニズム５４を備えた
構成としてもよい。
【００２５】ここで検出器３６は、複数の圧力感知セン
サ３２から発生された信号を検出し、該検出された信号
をマイクロプロセッサ５０に出力する。次いで、マイク
ロプロセッサ５０は前記検出された信号を比較し、これ
ら信号に例えば電圧等の差異があるか否かを検知して、
複数の圧力感知センサ３２間の圧力の差異を判別する。
判別の結果、前記圧力感知センサ３２間に圧力の差異が
あると認識した場合は、この差異をなくして信号値が均
等となるように前記ピボットメカニズム５４をモータ５
２によって作動させる。
【００２６】即ち、モータ５２によって作動されたピボ
ットメカニズム５４は、前記マイクロプロセッサ５０か
らの命令に従い、水平方向（Ｘ, Ｙ, Ｚ方向の少なくと
も一方向）に研磨板１１を移動させて、前記半導体ウェ
ーハ１の表面と研磨板１１上に載置された研磨布１２の
表面とが常に水平に接するよう制御される。尚、前記ピ
ボットメカニズム５４は、図３に示すように、駆動軸１
８と研磨板１１との間に介在させて設置してもよいし、
図示はしないがキャリヤヘッド１６と軸間の連結部位に
設置してキャリヤヘッド１６を駆動するようにしてもよ
い。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
係る半導体ウェーハの機械化学的研磨装置及び、請求項
４に係る制御方法によれば、キャリヤーヘッドに半導体
ウェーハを装着した状態でレベリング及び研磨を行い、
レベリングを行う時圧力測定機を取付ける過程が省かれ
るため、レベリング作業準備の時間が短縮されて研磨効
率が向上し、生産性が向上されるという効果がある。
【００２８】且つ、研磨中に研磨布と半導体ウェーハと
の間のレベルを圧力センサにより確認し調整するように
なっているため、半導体ウェーハの平坦化作業が正確に
行われ、製品の信頼性が向上されるという効果がある。
また、請求項１および請求項２に係る発明によれば、研
磨中も連続して常に正確な圧力を検出することができ、
レベリングを正確に保持することができるという効果が
ある。
【００２９】また、請求項４に係る発明によれば、マイ
クロプロセッサにより半導体のウェーハの表面と研磨布
の表面との平行状態を判断するため、常に半導体のウェ
ーハの表面と研磨布の表面とを平行にしつつ研磨下降を
行うことができ、且つ正確に圧力制御を行うことがで
き、従って装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態の概略構造を示した図
【図２】 本発明の第２実施形態の概略構造を示した図
【図３】 本発明の第３実施形態の概略構造を示した図
【図４】 研磨工程前の半導体ウェーハを示した断面図
【図５】 研磨工程後の半導体ウェーハを示した断面図
【図６】 従来の機械化学的研磨装置を示した概略図
【図７】 従来の機械化学的研磨装置のレベリングを説
明する概略図
【符号の説明】
１ 半導体ウェーハ ２ 素子 ３ 酸化物 １０ 第１モータ １０ａ 第１モータの出力軸 １１ 研磨板 １２ 研磨布 １３ 支持アーム １４ キャリヤー １５ 第２モータ １５ａ 第２モータの出力軸 １６ キャリヤーヘッド １７ 研磨液供給機 ２２ 水平測定機 ２４ 圧力測定機 ３２、４４ 圧力センサー ３２ａ、４４ａ 溝部 ３６ 検出部 ３８ 表示部 ５０ マイクロプロセッサ ５２ モータ ５４ ピボットメカニズム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−196456（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−42475（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−314327（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−148284（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−260316（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−69311（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B24B 37/04 H01L 21/304 622

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１モータの出力軸に軸支された研磨板
    と、 該研磨板の上面に被覆された研磨布と、 支持アームに支持された第２モータと、 該第２モータの出力軸に軸支されて半導体ウェーハの一
    面を保持するキャリヤーヘッドと、 前記研磨布上に研磨液を供給する研磨液供給器と、 を備え、前記第１モータによって回転され、前記研磨液
    が供給された前記研磨板上面の研磨布に、前記キャリヤ
    ーヘッドに保持された半導体ウェーハの他面を、前記第
    ２モータの回転により自転させながら当接させることに
    より研磨する半導体ウェーハの機械化学的研磨装置であ
    って、 前記研磨板に複数の溝部を設け、該溝部各々に前記研磨
    布と半導体ウェーハとの間の圧力の変化を検出する圧力
    センサーを挿合して配設した半導体ウェーハの機械化学
    的研磨装置において、 前記複数の圧力センサーは、前記研磨板上面の、前記半
    導体ウェーハの中心が通過する軌跡上に配設されたこと
    を特徴とする半導体ウェーハの機械化学的研磨装置。
  2. 【請求項２】前記複数の圧力センサーは、前記研磨板上
    面の、前記第１モータの出力軸を中心とした円の円周上
    に均等に配設された請求項１に記載の半導体ウェーハの
    機械化学的研磨装置。
  3. 【請求項３】前記圧力センサは前記研磨布と半導体ウェ
    ーハとの間の圧力の変化を信号として出力する圧力出力
    部を有し、 該圧力出力部によって出力された信号を検出する検出器
    と、 該検出器によって検出された信号に基づき前記半導体の
    ウェーハの表面と研磨布の表面とが平行をなすか否かを
    演算するマイクロプロセッサと、 該マイクロプロセッサが前記半導体のウェーハの表面と
    研磨布の表面とが平行でないと認識した場合平行になる
    よう前記研磨板を駆動するモータと、 該モータの駆動による方向に前記研磨板が移動するよう
    に動作させるピボットメカニズムと、 を包含することを特徴とする請求項１又は請求項２記載
    の半導体ウェーハの機械化学研磨装置。
  4. 【請求項４】第１モータの出力軸に軸支された研磨板
    と、 該研磨板の上面に被覆された研磨布と、 支持アームに支持された第２モータと、 該第２モータの出力軸に軸支されて半導体ウェーハの一
    面を保持するキャリヤーヘッドと、 前記研磨布上に研磨液を供給する研磨液供給器と、 前記キャリヤーヘッドに設けられた複数の溝部各々に挿
    合されて前記研磨布と半導体ウェーハとの間の圧力の変
    化を検出するとともに、前記研磨板上面の前記半導体ウ
    ェーハの中心が通過する軌跡上に複数配設された圧力セ
    ンサーと、 を備えた半導体ウェーハの機械化学的研磨装置の制御方
    法であって、 前記キャリヤーヘッドに装着された半導体ウェーハを前
    記研磨板の上面に被覆された研磨布に当接させる段階
    と、 前記研磨布上面に研磨液を供給し、前記キャリヤーヘッ
    ドに装着された半導体ウェーハを自転させながら、前記
    研磨板を回転させる段階と、 前記半導体ウェーハと前記研磨布との間の圧力を前記圧
    力センサーにより検出する段階と、 該検出結果により検出信号を発生し表示する段階と、 該表示された検出信号値に従い半導体ウェーハと研磨布
    表面とが平行になるようキャリヤーヘッドを調整する段
    階と、 研磨中に表示される検出信号値に従い、半導体ウェーハ
    表面と研磨布表面とが平行になるようキャリヤーヘッド
    を調整しながら研磨を行う段階と、 を順次行う半導体ウェーハの機械化学的研磨装置の制御
    方法。
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