JP3254675B2 - 半導体ウェーハの研磨方法及びその装置 - Google Patents

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研
磨方法及びその装置に係り、特に化学的機械研磨法（Ｃ
ＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）による半導体
ウェーハの研磨方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体ウェーハの研磨装
置は、研磨布と保持ヘッドとを備えている。この研磨装
置で半導体ウェーハを研磨する場合には、まず、リング
状の押圧部材上に半導体ウェーハの研磨面の外周部を保
持させた後、この押圧部材を駆動して半導体ウェーハの
非研磨面を保持ヘッドの吸着部に押し当て、この吸着部
に半導体ウェーハを吸着保持させる。そして、保持ヘッ
ドを研磨布に近づけて、保持ヘッドに吸着保持されてい
る半導体ウェーハの研磨面を、回転している研磨布に押
し付けると共に研磨布にスラリーを供給して研磨する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体ウェーハの研磨装置では、半導体ウェーハの研磨
面を押圧部材上に保持させているので、その研磨面であ
るパターン面が押圧部材によって傷ついてしまう場合が
あるという欠点がある。このような不具合は、押圧部材
に対する半導体ウェーハの保持面積をパターン面に影響
しない程度に小さくすれば良いが、最近では半導体ウェ
ーハの研磨面の略全域をパターン面として利用する（例
えば、半導体ウェーハのエッジから３ｍｍまでは利用せ
ず、それ以外の面をパターン面として利用する）傾向に
あるため、従来装置では対応することができない。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、半導体ウェーハの研磨面を傷つけることなく
保持ヘッドに保持させて研磨することができる半導体ウ
ェーハの研磨方法及びその装置を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決する為の手段】本発明は、前記目的を達成
する為に、研磨前の半導体ウェーハをフローティング手
段のエア圧力によって浮かせた状態で支持し、前記フロ
ーティング手段のエア圧力によって浮いた状態で支持さ
れた前記半導体ウェーハの非研磨面を保持ヘッドで吸着
保持した後、該保持ヘッドで半導体ウェーハの研磨面を
研磨布に押し付けて研磨し、半導体ウェーハの研磨後
に、前記保持ヘッドの吸着保持を解除して、研磨後の半
導体ウェーハを受取装置のトレイに溜められた水に落と
して受渡装置に受け渡すことを特徴とする。

【０００６】また、本発明は、前記目的を達成する為
に、半導体ウェーハを研磨する研磨布と、研磨前の半導
体ウェーハをエア圧力によって浮かせた状態で支持する
フローティング手段と、研磨後の半導体ウェーハを受け
取る水がトレイに溜められた受取装置と、前記フローテ
ィング手段のエア圧力によって浮いた状態で支持された
研磨前の半導体ウェーハの非研磨面を吸着保持すると共
に、吸着保持した半導体ウェーハの研磨面を前記研磨布
に押し付けて研磨し、半導体ウェーハの研磨後に、吸着
保持を解除して、研磨後の半導体ウェーハを前記受取装
置のトレイに溜められた水に落として受渡装置に受け渡
す保持ヘッドと、を備えたことを特徴とする。

【０００７】本発明によれば、まず、フローティング手
段のエア圧力によって半導体ウェーハを浮いた状態で支
持する。次に、フローティング手段によって浮いた状態
で支持された半導体ウェーハの非研磨面を保持ヘッドで
吸着保持する。次いで、保持ヘッドで半導体ウェーハの
研磨面を研磨布に押し付けて研磨する。したがって、本
発明は、半導体ウェーハの研磨面を傷つけることなく保
持ヘッドに保持させて研磨することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
る半導体ウェーハの研磨方法及びその装置の好ましい実
施の形態について詳説する。図１は、本発明の実施の形
態の半導体ウェーハの研磨装置を示す全体構造図であ
る。同図に示すように、前記ウェーハ研磨装置１０は研
磨定盤１２、保持ヘッド１４、フローティング装置７
０、及び受取装置９０を主な構成としている。

【０００９】研磨定盤１２は円盤状に形成されており、
その上面には研磨布１６が設けられている。また、研磨
定盤１２の下部には、スピンドル１８が連結され、この
スピンドル１８はモータ２０の図示しない出力軸に連結
されている。前記研磨定盤１２は、モータ２０を駆動す
ることにより矢印Ａ方向に回転され、その回転する研磨
布１６上に図示しないノズルからスラリが供給される。

【００１０】前記保持ヘッド１４は、図示しない昇降装
置により上下移動自在に設けられ、研磨対象の半導体ウ
ェーハを保持ヘッド１４で吸着保持する際に上昇移動さ
れる。また、保持ヘッド１４は、半導体ウェーハを研磨
する際に下降移動されて半導体ウェーハを研磨布１６に
押し付ける。図２は保持ヘッド１４の縦断面図である。
同図に示す保持ヘッド１４は、ヘッド本体２２、キャリ
ア２４、ガイドリング２６、研磨面調整リング２８、及
びゴムシート３０等から構成される。前記ヘッド本体２
２は円盤状に形成され、回転軸３２に連結された図示し
ないモータによって図中矢印Ｂ方向に回転される。ま
た、ヘッド本体２２にはエア供給路３４、３６が形成さ
れている。前記エア供給路３４は、図中二点鎖線で示す
ように保持ヘッド１４の外部に延設され、レギュレータ
（Ｒ：regulator ）３８Ａを介してエアポンプ（ＡＰ：
air pump）４０に接続される。また、エア供給路３６
は、レギュレータ３８Ｂを介してポンプ４０に接続され
ている。

【００１１】前記キャリア２４は、略円柱状に形成され
てヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２と同軸上に配
置されている。また、キャリア２４の下面には凹部２５
が形成されており、この凹部２５に通気性を有する多孔
質板４２が収納されている。また、多孔質板４２の上方
には空気室２７が形成され、空気室２７には、キャリア
２４に形成されたエア吸引路４４が連通されている。エ
ア吸引路４４は、図中二点鎖線で示すように保持ヘッド
１４の外部に延設されている。そして、サクションポン
プ（ＳＰ：suction pump) ４６に接続されている。した
がって、サクションポンプ４６を駆動すると、ウェーハ
５０が多孔質板４２に吸引されて、多孔質板４２の下面
に吸着保持される。前記多孔質板４２は、内部に多数の
通気路を有するものであり、例えば、セラミック材料の
焼結体よりなるものが用いられている。

【００１２】前記キャリア２４には、キャリア２４の下
面に噴出口が形成された多数のエア供給路４８、４８…
（図２では２ヵ所のみ図示）が形成されている。これら
のエア供給路４８、４８…は、図中二点鎖線で示すよう
に保持ヘッド１４の外部に延設され、レギュレータ３８
Ｃを介してポンプ４０に接続されている。したがって、
ポンプ４０からの圧縮エアは、エア供給路４８、４８…
を介して多孔質板４２とウェーハ５０との間の空気室５
１に噴き出される。これにより、空気室５１には圧力エ
ア層が形成され、キャリア２４の押圧力がこの圧力エア
層を介してウェーハ５０に伝達される。ウェーハ５０
は、前記圧力エア層を介して伝達される前記押圧力によ
って研磨布１６に押し付けられる。なお、エア供給路４
８、４８…から噴き出されたエアは、研磨面調整リング
２８に形成された図示しない排気孔から外部に排気され
る。

【００１３】前記キャリア２４には、キャリア２４の下
面に噴出口が形成された多数のエア／ウォータ供給路５
２、５２…（図２では２ヵ所のみ図示）が形成される。
これらのエア／ウォータ供給路５２、５２…は、図中二
点鎖線で示すように保持ヘッド１４の外部に延設され、
バルブ５４を介して二方向に分岐されている。一方の分
岐路には、レギュレータ３８Ｄを介してエアポンプ４０
が接続され、他方の分岐路にはウォータポンプ（ＷＰ：
water pump）５６が接続されている。したがって、前記
バルブ５４でエアポンプ４０側の経路を開に、ウォータ
ポンプ５６側の経路を閉にすると、エアポンプ４０から
の圧縮エアがエア／ウォータ供給路５２、５２…を介し
て前記空気室５１に供給される。また、バルブ５４を切
り替えてエアポンプ４０側の経路を閉に、ウォータポン
プ５６側の経路を開にすると、ウォータポンプ５６から
のウォータがエア／ウォータ供給路５２、５２…を介し
て前記空気室５１に供給される。

【００１４】一方、キャリア２４とヘッド本体２２との
間には１枚のゴムシート３０が配置されている。このゴ
ムシート３０は、均一な厚さで円盤状に形成される。ま
た、ゴムシート３０は、環状の止め金５８によってヘッ
ド本体２２の下面に固定され、止め金５８を境として中
央部３０Ａと外周部３０Ｂとに２分されている。ゴムシ
ート３０の中央部３０Ａはキャリア２４を押圧し、外周
部３０Ｂは研磨面調整リング２８を押圧する。

【００１５】ヘッド本体２２の下方には、ゴムシート３
０の中央部３０Ａと止め金５８とによって密閉される空
間６０が形成される。この空間６０に、前記エア供給路
３６が連通されている。したがって、エア供給路３６か
ら空間６０に圧縮エアを供給すると、ゴムシート３０の
中央部３０Ａがエア圧で弾性変形されてキャリア２４の
上面を押圧する。これにより、研磨布１６に対するウェ
ーハ５０の押し付け力を得ることができる。また、エア
圧をレギュレータ３８Ｂで調整すれば、ウェーハ５０の
押し付け力を制御することができる。

【００１６】前記ガイドリング２６は、円筒状に形成さ
れてヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２と同軸上に
配置される。また、ガイドリング２６は、ゴムシート３
０を介してヘッド本体２２に固定されている。ガイドリ
ング２６とキャリア２４との間には、円筒状の研磨面調
整リング２８が配置されている。この研磨面調整リング
２８の下部内周部には、ウェーハ５０の飛び出しを防止
するリテーナリング６２が取り付けられている。また、
研磨面調整リング２８の下部外周部には、研磨面調整リ
ング２８の脱落を防止するストッパ溝２８Ａが形成され
ている。このストッパ溝２８Ａが、ガイドリング２６の
下部内周部に形成された突起２６Ａに係合することによ
り、研磨面調整リング２８の脱落が防止される。

【００１７】前記ヘッド本体２２の下方外周部には、ヘ
ッド本体２２とゴムシート３０の外周部３０Ｂによって
密閉される環状の空間６４が形成される。この空間６４
に、前記エア供給路３４が連通されている。したがっ
て、エア供給路３４から空間６４に圧縮エアを供給する
と、ゴムシート３０の外周部３０Ｂがエア圧で弾性変形
されて研磨面調整リング２８の環状上面を押圧する。こ
れにより、研磨面調整リング２８の環状下面が研磨布１
６に押し付けられる。なお、研磨面調整リング２８の押
し付け力は、レギュレータ３８Ａでエア圧を調整するこ
とにより制御することができる。

【００１８】図１において、フローティング装置７０は
研磨定盤１２に近接して配置され、トレイ７２、アーム
７４、駆動軸７６、及びモータ７８を主な構成としてい
る。トレイ７２は、半導体ウェーハ５０を収容可能な大
きさに形成されると共に、図３に示すようにその底面に
多数のエア噴出口８０、８０…が形成されている。これ
らのエア噴出口８０、８０…は、トレイ７２及びアーム
７４に形成されたエア供給路８２に連通されており、エ
ア供給路８２は、フローティング装置７０の外部に延設
されて、図示しないレギュレータを介してエアポンプに
接続されている。したがって、エアポンプからの圧縮エ
アは、エア供給路８２を介してエア噴出口８０、８０…
から噴き出される。これにより、トレイ７２に収容され
た半導体ウェーハ５０は、エア噴出口８０、８０…から
噴き出されるエア圧によって浮いた状態で支持される。

【００１９】前記トレイ７２はアーム７４を介して駆動
軸７６に連結され、駆動軸７６はモータ７８の図示しな
い出力軸に接続されている。したがって、モータ７８を
駆動すると、トレイ７２はアーム７４を半径とする円弧
に沿って移動することができる。なお、前記トレイ７２
は、研磨前の半導体ウェーハ５０が受け渡される位置
（図中実線で示す位置）と、保持ヘッド１４に前記半導
体ウェーハ５０を受け渡す位置との範囲内で前記モータ
７８により往復移動される。

【００２０】フローティング装置７０の近傍には、受取
装置９０が配置されている。この受取装置９０はトレイ
９２、アーム９４、駆動軸９６、及びモータ９８を主な
構成としている。トレイ９２は、研磨後の半導体ウェー
ハ５０を収容可能な大きさに形成され、そのトレイ９２
内には、半導体ウェーハ５０が乾燥しないように水１０
０が溜められている。

【００２１】前記トレイ９２はアーム９４を介して駆動
軸９６に連結され、駆動軸９６はモータ９８の図示しな
い出力軸に接続されている。したがって、モータ９８を
駆動すると、トレイ９２はアーム９４を半径とする円弧
に沿って移動することができる。なお、前記トレイ９２
は、研磨後の半導体ウェーハ５０を受け取る位置（保持
ヘッド１４の下方位置）と、次工程に半導体ウェーハ５
０を受け渡す位置（図中実線で示す位置）との範囲内で
前記モータ９８により往復移動される。

【００２２】次に、前記の如く構成されたウェーハ研磨
装置１０の作用について説明する。まず、図１中実線で
示す位置に待機しているフローティング装置７０のトレ
イ７２内に、研磨前の半導体ウェーハ５０を研磨面を下
向きにして載置する。なお、この時、トレイ７２のエア
噴出口８０、８０…からエアを予め噴出させておく。こ
れにより、半導体ウェーハ５０は、研磨面がトレイ７２
の底面に当たることなく浮いた状態で即座に支持される
ので、研磨面がトレイ７２の底面で傷つくことはない。

【００２３】次に、フローティング装置７０のモータ７
８を駆動して、前記トレイ７２を保持ヘッド１４に向け
て移動すると共に、保持ヘッド１４を図示しない昇降装
置で上昇移動させて研磨布１６から離れた位置に位置さ
せる。次いで、図４に示すように前記トレイ７２が保持
ヘッド１４の下方に位置すると、ゴムシート３０の中央
部３０Ａにエアを供給して、中央部３０Ａをエアで膨張
させる。これにより、キャリア２４がゴムシート３０の
中央部３０Ａに押されて、キャリア２４の下部が研磨面
調整リング２８の下部から突出していく。この時、キャ
リア２４は、トレイ７２の内壁面７３に下部外周面２５
がガイドされながら下降移動する。そして、キャリア２
４が半導体ウェーハ５０から微小量離れた位置に位置し
たところでエアの供給を停止し、キャリア２４を図４に
示した位置に位置させる。即ち、図４に示したキャリア
２４の位置が、半導体ウェーハ５０を吸着保持する直前
の位置である。

【００２４】次に、保持ヘッド１４側のサクションポン
プ４６（図２参照）を駆動して半導体ウェーハ５０の非
研磨面を多孔質板４２に吸着保持させる。これにより、
半導体ウェーハ５０がトレイ７２から保持ヘッド１４に
保持される。なお、サクションポンプ４６を駆動する前
に、エア供給路４８、４８…の噴出口からエアを弱く噴
出させて、外部のごみが多孔質板４２と半導体ウェーハ
５０との間に侵入しないようにしておく。

【００２５】保持ヘッド１４に半導体ウェーハ５０が保
持されると、フローティング装置７０のモータ７８を逆
方向に駆動して、空になったトレイ７２を図１中実線で
示す元の位置に位置させる。一方、保持ヘッド１４で
は、ゴムシート３０の膨張している中央部３０Ａ内のエ
アを抜くと共に、残りのエアを図示しないサクションポ
ンプで吸引してキャリア２４を上昇移動させ、キャリア
２４に吸着保持されている半導体ウェーハ５０を研磨面
調整リング２８の下面から上方に退避させる。なお、ゴ
ムシート３０の中央部３０Ａの一部がキャリア２４に接
着されているため、中央部３０Ａ内のエアを吸引する
と、キャリア２４を上昇移動させることができる。

【００２６】次に、図５に示すように保持ヘッド１４を
下降移動させて、研磨面調整リング２８の下面が研磨布
１６に当接した位置で下降移動を停止する。そして、サ
クションポンプ４６を停止して半導体ウェーハ５０の吸
着を解除し、ウェーハ５０を研磨布１６上に載置する。
次いで、ポンプ４０を駆動して圧縮エアをエア供給路４
８を介して空気室５１に供給し、圧力流体層を空気室５
１に形成する。

【００２７】そして、ポンプ４０からの圧縮エアを、エ
ア供給路３６を介して空間６０に供給し、ゴムシート３
０の中央部３０Ａを膨張させてキャリア２４を押圧し、
前記圧力エア層を介してウェーハ５０を研磨布１６に押
し付ける。そして、レギュレータ３８Ｂでエア圧を調整
して、研磨布１６に対するウェーハ５０の押し付け力を
一定に保持する。

【００２８】次に、ポンプ４０からの圧縮エアをエア供
給路３４を介して空間６４に供給し、ゴムシート３０の
外周部３０Ｂを膨張させて研磨面調整リング２８を押圧
し、研磨面調整リング２８とリテーナリング６２との下
面を研磨布１６に押し付ける。そして、レギュレータ３
８Ａでエア圧を調整して、研磨布１６に対する研磨面調
整リング２８の押し付け力を一定に保持する。この後、
研磨定盤１２及び保持ヘッド１４を回転させて半導体ウ
ェーハ５０の研磨を開始する。

【００２９】半導体ウェーハ５０の研磨が終了すると、
サクションポンプ４６を駆動して半導体ウェーハ５０の
非研磨面を多孔質板４２に吸着保持させる。なお、サク
ションポンプ４６を駆動する前に、エア供給路４８、４
８…の噴出口からエアを弱く噴出させて、吸着時にスラ
リーを吸い込まないようにしておく。半導体ウェーハ５
０が多孔質板４２に吸着保持されると、保持ヘッド１４
を上昇移動させて研磨布１６から離れた位置に位置させ
る。これと同時に、図１中実線で示す位置に待機してい
る受取装置９０のトレイ９２を保持ヘッド１４に向けて
移動する。

【００３０】次いで、図６に示すように前記トレイ９２
が保持ヘッド１４の下方位置に位置すると、サクション
ポンプ４６を停止して、半導体ウェーハ５０の吸着を解
除し、半導体ウェーハ５０をトレイ９２の水１００に落
とす。この後、次工程の受け渡し位置にトレイ９２を移
動させて、半導体ウェーハ５０を次工程に受け渡す。以
上が１枚の半導体ウェーハ５０の研磨加工工程である。
２枚目以降の半導体ウェーハ５０を研磨する場合には、
前述した工程を繰り返せば良い。

【００３１】このように、本実施の形態では、半導体ウ
ェーハ５０をフローティング装置７０によって浮いた状
態で支持し、この状態で保持ヘッド１４に吸着保持させ
たので、半導体ウェーハ５０の研磨面を傷つけることな
く保持ヘッド１４に保持させて研磨することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
ウェーハの研磨方法及びその装置によれば、半導体ウェ
ーハをフローティング手段のエア圧によって浮いた状態
で支持し、この状態で保持ヘッドに吸着保持させたの
で、半導体ウェーハの研磨面を傷つけることなく保持ヘ
ッドに保持させて研磨することができる。また、研磨後
の半導体ウェーハを受取装置の水に落として受け渡した
ので、研磨後の半導体ウェーハの乾燥を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る半導体ウェーハの研
磨装置の全体構造図

【図２】図１に示した研磨装置の保持ヘッドの縦断面図

【図３】図１に示したフローティング装置のトレイの縦
断面図

【図４】フローティング装置に支持された半導体ウェー
ハを保持ヘッドに受け渡している状態を示す縦断面図

【図５】半導体ウェーハが保持ヘッドに吸着保持された
状態を示す縦断面図

【図６】研磨後の半導体ウェーハを受取装置に受け渡し
ている状態を示す縦断面図

【符号の説明】

１０…半導体ウェーハの研磨装置 １２…研磨定盤 １４…保持ヘッド １６…研磨布 ２４…キャリア ２８…研磨面調整リング ３０…ゴムシート ５０…半導体ウェーハ ７０…フローティング装置 ９０…受取装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 37/04 H01L 21/304 622 H01L 21/68 B25J 15/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨前の半導体ウェーハをフローティング
   手段のエア圧力によって浮かせた状態で支持し、 前記フローティング手段のエア圧力によって浮いた状態
   で支持された前記半導体ウェーハの非研磨面を保持ヘッ
   ドで吸着保持した後、該保持ヘッドで半導体ウェーハの
   研磨面を研磨布に押し付けて研磨し、 半導体ウェーハの研磨後に、前記保持ヘッドの吸着保持
   を解除して、研磨後の半導体ウェーハを受取装置のトレ
   イに溜められた水に落として受渡装置に受け渡すことを
   特徴とする半導体ウェーハの研磨方法。
2. 【請求項２】半導体ウェーハを研磨する研磨布と、 研磨前の半導体ウェーハをエア圧力によって浮かせた状
   態で支持するフローティング手段と、 研磨後の半導体ウェーハを受け取る水がトレイに溜めら
   れた受取装置と、 前記フローティング手段のエア圧力によって浮いた状態
   で支持された研磨前の半導体ウェーハの非研磨面を吸着
   保持すると共に、吸着保持した半導体ウェーハの研磨面
   を前記研磨布に押し付けて研磨し、半導体ウェーハの研
   磨後に、吸着保持を解除して、研磨後の半導体ウェーハ
   を前記受取装置のトレイに溜められた水に落として受渡
   装置に受け渡す保持ヘッドと、 を備えたことを特徴とする半導体ウェーハの研磨装置。