JP3566417B2 - ポリッシング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポリッシング装置に係り、特に研磨用パッドを表面に備えた回転ドラムにより、半導体ウエハ等の研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨するポリッシング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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の結像面の高い平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により鏡面研磨することが行なわれている。
【０００３】
図１２は、従来のこの種のポリッシング装置の一例を示す。このポリッシング装置は、ターンテーブル３０とトップリング３１を有し、トップリング３１が一定の圧力をターンテーブル３０に与え、ターンテーブル３０とトップリング３１の間に半導体ウエハ等の研磨対象物３２を介在させて、ターンテーブル表面に配設された研磨パッド３４上で研磨対象物を回転させることにより、研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。又、パイプ３３からは砥粒を含む研磨液Ｑが供給され、研磨パッド３４上に保持される。通常、研磨対象物３２はトップリング３１の下面に研磨対象面を研磨パッド３４面に向けて保持された状態で研磨が行なわれる。そしてこのようなポリッシング装置においては、研磨対象物３２である例えば半導体ウエハの研磨面と、研磨パッド３４の相対速度として十分な速度を得るために、トップリングの軸芯とターンテーブルの軸芯を偏心させてある。このことから、研磨対象の半導体ウエハの外径に対して数倍の外径を有するターンテーブルが必要である。又、ターンテーブルが研磨時に回転しても、ターンテーブル上面の水平度を十分に保つことができて、且つ研磨を阻害するような振動が発生しないようにターンテーブル自体及び枠体に充分な強度を持たせることが必要となる。このため、図１２に示すような従来のポリッシング装置は大きな設置スペースを必要とし、且つ大きな重量の装置になる。
【０００４】
又、この種のポリッシング装置においては、ポリッシング中は、トップリング３１に把持された半導体ウエハ３２の研磨面がターンテーブル上の研磨パッド３４に押し付けられた状態であるので、ポリッシング中の半導体ウエハの研磨面を目視することは不可能であり、ポリッシング中にその時点での研磨量あるいは残膜量を測定することは困難であった。尚、従来のこの種のポリッシング装置でポリッシング中に研磨量あるいは残膜量を測定する方法としては、例えばＵＳＰ５０８１７９６に開示された研磨中に半導体ウエハをターンテーブルの外に出す方法が知られている。又、ＵＳＰ５１９６３５３号公報によれば、研磨対象物の温度変化から研磨時間を決定する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では装置構成が複雑なものになり、更に前者の方法では研磨途中に研磨面の観察が可能ではあるが、一定時間毎の間欠的な測定であり、後者では温度を介した間接的な測定であるため十分な検出精度を得ることが困難である。
【０００５】
一方、特開平２−２６９５５２号公報によれば、回転ドラムを用いたポリッシング方法及びポリッシング装置が開示されている。このポリッシング方法は、研磨対象物に、周面が略直線状に接触する状態で対向して配設された円柱状の回転ドラムを回転させつつ、該回転ドラムの周面と研磨対象物との対向部間に砥液を供給し、両者を該回転ドラムの軸芯に対して適当な角度をなす方向へ直線的に相対移動させることによりポリッシングを行なうものである。
【０００６】
このような回転ドラムを用いた方法によれば、図１２に示す従来のポリッシング装置が必要であった大きな径のターンテーブルを必要とせず、小型で軽量のポリッシング装置とすることができる。又、ポリッシング対象の半導体ウエハの研磨面を直接目視することができるので、ポリッシング中におけるその時点での研磨量あるいは残膜量を測定することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特開平２−２６９５５２号公報に開示されたポリッシング方法及び装置では、研磨が回転ドラムと研磨対象物とが接触する略直線状の接触面においてのみ行なわれる。このため、例えば、半導体ウエハのような円形物を研磨する場合には、外周部において押圧力が強くなり研磨量が増大して、いわゆるフチダレ現象が生じやすいという問題が生じる。又、研磨が略直線状の接触面において行なわれるため、研磨対象物である半導体ウエハの表面の全域に亘って均一な押圧力での研磨が難しい。例えば何らかの原因により押圧力が一部分において不足する場合には、シマ模様の研磨不足部分を生じることとなり、このため研磨ムラが生じやすいという問題がある。
【０００８】
本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであり、回転ドラムを用いたポリッシング装置の長所を活かしつつ、研磨面全面に亘って均一な押圧力が得られ、研磨ムラの生じない均一な研磨を行うことができるポリッシング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のポリッシング装置は、研磨用パッドを表面に取付けた回転可能なドラムと、研磨対象物が載置される台座と、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧手段と、前記ドラムを回転させる手段と、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段と、前記研磨用パッドに砥粒を含んだ研磨液を供給する手段とを備え、前記ドラム表面に取付けた研磨用パッドに保持された研磨液によって研磨対象物を研磨するポリッシング装置において、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧力が、前記研磨対象物と前記ドラムの線状接触長に略比例するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
又、前記ドラムと前記研磨対象物の線状接触長が変化しても、研磨速度を一定とするように前記ドラムの回転速度を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
又、前記ドラムと前記研磨対象物との間の相対移動速度が前記ドラムと前記研磨対象物との線状接触長に反比例するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
又、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段は、前記ドラムの軸芯に直角で且つ研磨対象物表面と平行な方向の動きに加え、他の異なる方向へ、順次又は同時に動かす手段を備えたものであることを特徴とする。
【００１０】
又、前記研磨対象物の研磨面とほぼ同一の面に配置された研磨面を有する犠牲板を、前記台座上の前記研磨対象物の外周に配置したことを特徴とする。
【００１１】
又、前記犠牲板と台座との間に弾性体を間挿したことを特徴とする。
【００１２】
又、表面に前記研磨対象物が載置される台座の裏面に、該台座を支持する状態で断面が円形の回転自在の棒状支持体を取付け、該棒状支持体の軸芯は前記ドラムの軸芯と直角で且つ台座表面と平行に配置され、該棒状支持体の回転により前記台座表面の研磨対象物の接触面が前記ドラムの接触面に対して追従して、両接触面間の押圧力が均等化されることを特徴とする。
【００１３】
又、前記押圧手段は、前記台座又はドラムが接続固定されたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに均一な圧力を付与するエアクッション手段とを備え、前記ダイヤフラムの全面には前記エアクッション手段により均一な押圧力が与えられ、前記研磨対象物の接触面が前記ドラムの接触面に対して追従して、両接触面間の押圧力が均等化されることを特徴とする。
【００１７】
【作用】
ドラムの押圧力が研磨対象物との線状接触長に略比例する制御手段を備えたことから、線状接触長の大小に関わらず、研磨速度を一定とすることができる。このため、線状接触長が小さくなると面圧が増大し、研磨速度が上昇することにより、ウエハ外周部で研磨量が大きくなるという問題が回避される。
ドラムと研磨対象物の線状接触長が変化しても、研磨速度を一定とするようにドラムの回転速度を制御する手段を備えたことから、線状接触長の大小に関わらず、研磨速度を一定とすることができる。このため、例えば線状接触長が小さくなると面圧が増大し、研磨速度が上昇することにより、ウエハ外周部で研磨量が大きくなるという問題が回避される。
ドラムと研磨対象物との間の相対移動速度が、ドラムと研磨対象物の線状接触長に反比例する制御手段を備えたことから、線状接触長の大小に関わらず、研磨速度を一定とすることができる。このため、線状接触長が小さくなると面圧が増大し、研磨速度が上昇することにより、ウエハ外周部で研磨量が大きくなるという問題が回避される。
研磨対象物が載置された台座を研磨対象物表面と平行な方向の動きに加え、他の異なる方向へ順次又は同時に動かす手段を備えたことから、ドラムと研磨対象物の接触面の一部分に押圧力が不足または過大となる部分があっても、シマ模様の研磨不足または研磨過多を生じるという問題が防止される。従って、大口径の半導体ウエハでも、全面に亘って均一な研磨を行なうことが可能となる。
【００１８】
研磨対象物の研磨面とほぼ同一の面に配置された研磨面を有する犠牲板を研磨対象物の外周に配置することにより、外周部においても内周部と均一な押圧力が与えられるので、研磨対象物の外周部における押圧力の増大という問題が回避され、外周部で研磨量が過多となるいわゆるフチダレ現象を防止することができる。
【００１９】
又、犠牲板と台座との間に弾性体を間挿したことから、研磨対象物の厚みのバラツキ等により研磨面が犠牲板と同一の面にならなくても、弾性体のクッション作用により、研磨面を合せることができる。これにより、研磨対象物の研磨面と犠牲板の研磨面とが同一面となり、犠牲板を有効に機能させることができる。
【００２０】
表面に研磨対象物が載置される台座の裏面に断面が円形の棒状支持体を設けることにより、両接触面間に押圧力の不均一があると、均一な押圧力を与えるように棒状支持体が回転する。このため、台座表面の研磨対象物の接触面がドラムの接触面に対して追従して、均一な押圧力のもとでの研磨を行なうことが可能となる。
【００２１】
又、ダイヤフラムとエアクッションによる押圧力の均一化により、同様に研磨対象物の全面に亘っての均一な研磨が可能となる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について添付図面を参照しながら説明する。尚、各図中同一の符号は、同一又は相当部分を示す。
【００２６】
図１は、本発明の一実施例のポリッシング装置の側立面図を示し、図２はその正面立面図を示す。
このポリッシング装置は、砥粒を含んだ研磨液を保持する研磨用パッド１６を表面に取り付けた回転するドラム３を備えている。ドラム３は、ドラムヘッド２内の軸受４，５によりその回転軸が支持され、ドラムモータ６により回転駆動される。ドラムヘッド２は、コラム１によりベース１３に固定されている。研磨対象物である半導体ウエハ９は、台座８に載置されており、真空吸着により固定されている。台座８は、追従機構１０を介してＹテーブル１１に固定されている。Ｙテーブル１１は、研磨対象物９をＹ方向（ドラム軸芯と同一方向）に揺動可能とする駆動機構を備えたテーブルである。Ｘテーブル１２は、研磨対象物９をＸ方向（ドラム軸芯と直角方向）に研磨対象物の全長に亘って移動可能とする駆動機構を備えたテーブルであり、ベース１３に固定されている。ベース１３は、レベラー１４を介して設置床面に固定されており、レベラー１４は研磨対象物である半導体ウエハ９の研磨面を水平面に保つように調整するものである。研磨液供給パイプ１５からは砥粒を含む研磨液がドラム３表面の研磨用パッド１６に供給され、研磨用パッド１６に研磨液が保持されてドラム３が回転することにより半導体ウエハ９との接触面で研磨が行なわれる。
【００２７】
図３は図２におけるＡＡ矢視図を示し、図４（Ａ）は図２におけるＣ矢視図を示し、図５は図１におけるＢＢ線に沿った断面図を示す。図４（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ図４（Ａ）の断面を示す。
図４及び図５に示すようにこのポリッシング装置においては、研磨対象物の外周部を保護するフチダレ防止用の犠牲板１８を備えている。
回転ドラムを用いたポリッシング装置で、半導体ウエハのような円形の研磨対象物を研磨する場合に、研磨パッドが半導体ウエハ９の外側から内周部に移動するとき、ウエハの外縁部の段差を通過することになる。この場合、研磨パッドがウエハ９の外縁部によって局部的に強い圧縮力を受け、研磨パッド表面や内部に保持されていた砥液や砥粒が絞り出されたり、研磨パッドそのものの表面性状が変化することにより、研磨パッドに研磨能力の不均一が生じ、研磨面の平坦性が乱れ、いわゆるフチダレ現象を起す。
【００２８】
犠牲板１８は、研磨対象物の研磨面の高さと同一又は僅かに低い研磨面を有しており、台座８上の研磨対象物９の外周に固定されている。犠牲板１８には、難研削材である硬質のセラミック板、ガラス状カーボン、又はステンレス鋼材等が用いられる。半導体ウエハ９の表面研磨に当たって、犠牲板１８にも押圧力が半導体ウエハ９と同様に与えられることになるので、ウエハ外周部と同時に犠牲板１８の表面が研磨され、半導体ウエハ９の外周部のみが過度に研磨されるという問題が解決される。犠牲板１８は、ドラム３表面に貼付された研磨用パッドの移動範囲１６Ａをすべてカバーできる大きさにすることが、犠牲板１８の外縁部で研磨パッドが悪影響を受けないようにするために好ましい。
【００２９】
図４（Ｂ）は半導体ウエハ９と犠牲板１８が台座上の同一面に載置されている場合を示す。犠牲板１８の強度が弱く、押圧力が加えられると割れ易い場合は、図４（Ｃ）に示すように、犠牲板１８の下面にプラスチック等の補助板６３を配置してもよい。
【００３０】
図４（Ｂ）（Ｃ）の断面図に示すように、半導体ウエハ９及び犠牲板１８又は補助板６３と台座８との間には、例えば厚さ０．６ｍｍ程度のゴム又はバッキングフィルム等の弾性体６２が間挿されている。半導体ウエハ９の厚さ自体にも数十μｍ程度のバラツキがあり、犠牲板６２と半導体ウエハ９の研磨面を完全に同一な面とするのは不可能である。このようなわずかな犠牲板とウエハの高さの違いによる段差でも、犠牲板とウエハが剛体の台座８上に直接載置されている時は、研磨パッドに少なからず影響を及ぼし、平坦な研磨面が得られない。特に研磨速度を上げるため強い押圧力で研磨するほど強い影響を受ける。
研磨対象物と犠牲板の下に弾性体６２を間挿することにより、ウエハ９と犠牲板１８の高さの違いによる段差の影響を柔らげることができ、研磨面の平坦性を改善できる。
【００３１】
図６（Ａ）に示す犠牲板を備えない状態で、台座８に固定された半導体ウエハ９は、ドラム３の表面に取り付けられた研磨用パッド１６が押し付けられると、半導体ウエハ９の外周部Ａではその部分の押圧力が強くなり、過度に研磨されるため外周部がだれるフチダレ現象が生じる。図６（Ｂ）は、犠牲板１８を取り付けた状態を示す。半導体ウエハ９の外周にドーナツ状の円盤である犠牲板１８が取り付けられウエハ９の研磨面９Ａと、犠牲板１８の研磨面１８Ａとがほぼ同一の高さとなっている。このため、ドラム３の押圧力が、研磨面９Ａと１８Ａとに均等にかかり、半導体ウエハ９の外周部の押圧力は内周部とほぼ均一となる。
【００３２】
なお、図５に示す様に研磨対象物である半導体ウエハ９は、真空・圧力パイプ１７により研磨時は台座８に真空吸着され、研磨終了後は、エア加圧され、台座８からはずされる。なお、研磨対象物９をはずす際には、ウエハ押し上げピン４０の固設された押し上げリング４１がシリンダ４２により押し上げられることにより、台座８に密着した半導体ウエハ９を取りはずすことができる。
また、台座８はロータリジョイント４３により回転自在な構造となっており、図示しない駆動機構により研磨対象物９をその中心の回りに回転できる構造となっている。
【００３３】
本実施例のポリッシング装置においては、回転するドラムの接触面に対して均一な押圧力となるように研磨対象の半導体ウエハを接触させる追従機構を２種類備えている。第一の追従機構は、図５に示す断面図において、研磨対象物が載置された台座８の下に、この台座を支える状態で断面が円形の棒状支持体２０を、その軸芯がドラム３の軸芯と直角で且つ台座８表面と平行になるように取り付けている。ドラム３の軸芯と研磨対象のウエハ９の平行性が何らかの原因で失われると押圧力の分布が半導体ウエハとドラムとの接触面において不均一となる。ところが、断面が円形の棒状支持体２０のコロ作用により、押圧力が均等となるように台座８は、わずかに回転して半導体ウエハ９の研磨面がドラムの軸芯と平行になる。このため、回転するドラムに対してその接触面全長において半導体ウエハは均一な押圧力で押しつけられるため、均一な鏡面研磨が行なわれる。尚、部材４４は、断面が円形の棒状支持体２０の逃げを防止するためのものである。
【００３４】
又、第二の追従機構は、昇降座２１の下側部分が固定されたダイヤフラム２２と、そのダイヤフラムを支えるエアクッションによるものである。昇降座２１は、昇降座ガイド２５により上下方向に移動自在となっている。昇降座２１の下面は、接続部材２６を介してダイヤフラム２２に固定されている。ダイヤフラム２２の下部空間２３はエアパイプ２４から圧縮空気が押し込まれエアクッションを形成する。エアクッションは、ダイヤフラム２２の全面に亘って均一な押圧力を与えるため、昇降座２１を介して台座８から回転するドラム３に接触する半導体ウエハ９にはドラム３に対して均一な押圧力が与えられ、均一な鏡面研磨が研磨対象物全面に亘って行なえる。尚、第一の追従機構が円形の棒状支持体の軸芯に沿ったいわば線状部分に作用するのに対して、この第二の追従機構はエアクッションがダイヤフラムの全面に作用するので、研磨対象物の全面に亘って均一な押圧力を与えることを可能にする。
【００３５】
また、昇降座２１は図示しないシリンダにより大きく昇降することができる。研磨対象物である半導体ウエハ９の交換などの為の上下は、エアクッション２３を調整することによりダイヤフラム２２を上下動させることによっておこなう。メンテナンス時等の大きな昇降は、図示しないシリンダにより昇降座２１を上下することによって行う。
【００３６】
図７はこのポリッシング装置の基本的な動作を示す。図７（Ａ）（Ｂ）に示すように表面に研磨パッド１６を設けたドラム３が回転して、半導体ウエハ９の表面を研磨する。図７（Ｃ）に示すように接触面Ｃは略直線状となる。Ｙ方向の軸芯を有するドラム３に半導体ウエハ９を固定した台座８をＸ方向に移動させることにより、半導体ウエハ９の表面全域を研磨することができる。
【００３７】
係るポリッシング装置によれば、図４に示すように研磨対象物９を載置した台座の移動機構とドラム３を配置できるだけの面積があれば足りるので、従来の図１２に示すようなターンテーブル型の研磨装置と比較して大幅に小型軽量化することができる。又、研磨面が上方から目視可能であるので、研磨途中で研磨量や残膜量を常時確認することができる。
【００３８】
図８は、半導体ウエハを載置する台座の移動機構に関する説明図である。ドラムの回転軸を固定して、台座の一方向（Ｘ方向）のみの横移動では、押圧力に不均一部分があるとその部分で研磨対象物上にシマ模様の研磨ムラが残る。図８（Ａ）は、台座に横（Ｘ方向）移動と同時に縦（Ｙ方向）揺動機構を付与したものである。本実施例においては、Ｘテーブル１２のＸ方向へのウエハ９の全長に亘る移動に加え、Ｙテーブル１１をＹ方向に短周期で揺動させることにより横方向の移動と共に縦方向の揺動を加えることができ、研磨ムラの発生を防止することができる。尚、本実施例においては、台座側の移動によりこれを実現しているが、ドラム３側のドラムヘッド２を移動させるようにしてもよい。
【００３９】
図８（Ｂ）は、台座のウエハ９と犠牲板１８等の回転部分を回転揺動させるようにしたものである。即ち、台座８の回転部分は、ロータリジョイント４３により、回転可能であり、台座８に揺動を目的とした高速の往復回転動を与える。従って、Ｘ方向へのＸテーブル１２の移動と共に、台座８が回転揺動することにより同様に研磨ムラを防止することができる。
図８（Ｃ）は、ドラムの回転軸（Ｙ）に対して台座の横移動（Ｘ）方向との相対角度θを９０°からズラした状態を示す。図中、Ｙ′軸はドラムの回転軸（Ｙ軸）をウエハ面上に投影したものを示す。ドラムの回転による研磨方向と、研磨対象のウエハの移動方向との間にズレを生じるために同様にウエハ上にシマ模様が残らなくなり、研磨ムラを防止することができる。
【００４０】
図９（Ａ）は、台座がＸ方向に動くと同時に、ウエハ９、犠牲板１８を含む回転部分が回転を行いながら研磨する場合を示すものである。ウエハの研磨面に対するドラムの平均相対速度は一定に保たれるが、ウエハの研磨される方向が一定ではないのでシマ模様の発生を防ぐことができる。
【００４１】
図９（Ｂ）と（Ｃ）は、台座がＸ方向のみに動き、かつ、１枚のウエハの研磨途中で台座上のウエハの向きを変えることにより、ウエハ上にシマ模様ができることを防ぐようにして研磨を行った場合の実施例を示す。即ち図５に示すポリッシング装置でウエハの研磨を行い、まず台座がＸ方向のみに、即ちＯＦ（オリエンテーションフラット）に垂直な方向に動いて一定時間の研磨を行う。その後、ウエハがドラム下からはずれた状態で台座のＸ方向の動きを止め、ウエハ９、犠牲板１８を含む回転部分を９０゜回転し、再び台座がＸ方向にのみ動いて、即ちＯＦ（オリエンテーションフラット）に平行な方向の研磨を行う。図９（Ｂ）は９０゜回転の前のウエハ位置を示し、（Ｃ）は９０゜回転後のウエハ位置を示している。尚、回転角度は９０゜に限るものではなく、０゜又は１８０゜及びこれらに近い角度でなければ、９０゜以外の角度にすることが可能である。又、このような台座のＸ方向の動きを止めてウエハの載置方向を変更する操作は、１枚のウエハの研磨中に１回だけでなく２回以上行うようにしてもよい。
【００４２】
ところで、一般に研磨量は、ドラムと研磨対象物の接触面間の面圧Ｐと、研磨用パッドと研磨対象物の相対速度（又は、ドラムの回転速度）Ｖと、研磨時間Ｔとに比例する。即ち、研磨量Ｇは、
Ｇ＝αＰＶＴ 但し、α：比例定数
の関係にある。
研磨が、回転ドラム円筒面上の研磨用パッドと研磨対象物との略直線状の接触面で行われるので、半導体ウエハのような円形物を研磨する場合、回転ドラムが研磨対象のウエハ上を移動するに伴い、接触長（Ｌ）が変化する。そのため、押圧力が一定の場合、接触面圧Ｐが変化し、ドラムの位置によって研磨速度が異なり平坦な研磨面が得られないという問題がある。
【００４３】
即ち、半導体ウエハの研磨では、ウエハの中央部では接触長Ｌが長く、周辺部では接触長Ｌが短い。このため、押圧力を一定とすると周辺部では面圧Ｐが高くなり、中央部と比較して研磨量Ｇが大きくなる。
【００４４】
この対策としては、ドラム３を研磨対象物９の表面に押し付ける押圧力Ｐ、又はドラムの回転速度、又はドラムと研磨対象物間の相対移動速度Ｖが、研磨対象物とドラムの線状接触長Ｌによる研磨速度の変化を打消すようにすればよい。接触長Ｌは、図１０（Ａ）に示すように、半導体ウエハの半径をＲとすると、三平方の定理から、
Ｌ＝２（Ｒ２−Ｘ２）１／２
で求められる。そして、Ｘは、Ｘテーブル１２の移動量から算定できる。接触長ＬとＸとの関係は、図１０（Ｂ）に示すような曲線となる。
【００４５】
従って、押圧力をＳとすると、
面圧 Ｐ＝βＳ／Ｌ＝βＳ／（Ｒ２−Ｘ２）１／２
但し、 β：比例定数
であるので、
Ｓ＝γＬ 但し、γ：比例定数
となるように制御すれば、接触長Ｌの如何に関わらず、面圧Ｐを一定とすることができ、半導体ウエハ全面にわたって均一な研磨ができる。
【００４６】
従って、図１１に示すように、Ｘテーブル１２の移動量Ｘをコントローラ５１に取り入れて、移動量Ｘから接触長Ｌを演算して、ダイアフラム２２の下部空間２２に圧縮空気を供給する圧力レギュレータ５０により、下部空間２２の圧力をＳ＝δＬ＝２δ（Ｒ２−Ｘ２）１／２ 但し、δ：比例定数
となるように調整する。これにより、接触長Ｌの如何に係わらず一定の面圧Ｐが得られ、一定の研磨量Ｇが得られる。
【００４７】
ドラム３の回転速度Ｖは、ドラム駆動用モータ５３にコントローラ５１から回転信号を与えることで制御される。従って、押圧力を一定としたままで、ドラムの回転速度Ｖを
Ｖ＝δＬ＝δ（Ｒ２−Ｘ２）１／２
と制御することにより、
Ｇ＝αＰＶＴ
Ｐ＝βＳ／Ｌ
であることから接触長Ｌの如何に係わらず、一定の研磨量Ｇが得られる。これは図１１においてコントローラ５１からドラム駆動用サーボモータ５３を速度制御することにより実現できる。
【００４８】
又、半導体ウエハ９の全長に亘るドラムの相対的位置移動は、Ｘテーブル１２の移動により行われるが、この移動速度ＶをＸテーブル１２を駆動するモータ５５を速度制御することで調整できる。従って、Ｘテーブルの移動速度を接触長Ｌに反比例するように制御しても、ウエハ全面に亘っての研磨速度を均一なものとすることができる。
【００４９】
又、研磨速度が、押圧力が一定であっても、研磨対象物の材料等によっては、必ずしも接触長Ｌに比例しない場合がある。例えば研磨速度が接触長Ｌに反比例するような場合には、ドラムの回転速度Ｖを前述とは逆に接触長Ｌに反比例させるように制御することにより、ウエハ全面に亘っての研磨速度を一定として、均一な研磨量を得ることができる。
【００５０】
尚、以上の実施例は回転ドラム３の位置を固定して、研磨対象物を載置した台座８側を移動させることによって、研磨対象物である半導体ウエハの表面全面を鏡面研磨する例について説明した。しかしながら、半導体ウエハを載置した台座側を固定して、逆に回転ドラム側を移動するようにしても勿論良い。又、追従機構を同様に回転ドラム側に持たせることももちろん可能である。このように本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のポリッシング装置によれば、従来の図１２に示すポリッシング装置と比較して、小型で軽量且つ研磨面を直接観察することができると共に、研磨対象物の外周部のいわゆるフチダレが防止され、又均一な押圧力が確保されることから、均一な鏡面研磨がなされ、研磨ムラという問題を生じない。更に、ドラムと研磨対象物との接触長により、面圧が変化して研磨量が変化するという問題も、本発明の制御手段の付加により回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のポリッシング装置の側立面図。
【図２】図１に示すポリッシング装置の正面立面図。
【図３】図２におけるＡ−Ａ矢視図。
【図４】（Ａ）図２におけるＣ矢視図、（Ｂ）及び（Ｃ）は（Ａ）の側断面図。
【図５】図１におけるＢＢ線に沿った断面図。
【図６】犠牲板の動作に関する説明図であり、（Ａ）は犠牲板を備えないもの、（Ｂ）は犠牲板を備えたものを示す。
【図７】回転ドラム型ポリッシング装置の動作を示す、（Ａ）斜視図、（Ｂ）断面図、（Ｃ）研磨面Ｃを示す斜視図。
【図８】台座の移動機構の説明図であり、（Ａ）は横移動と縦移動を組合せたもの、（Ｂ）は横移動と回転揺動を組合せたもの、（Ｃ）は横移動に対してドラムの回転軸をずらしたものを示す。
【図９】台座の移動機構の説明図であり、（Ａ）は横移動と回転移動を組合せたもの、（Ｂ）と（Ｃ）は横移動の研磨途中でウエハ面を回転移動させたものを示す。
【図１０】（Ａ）はドラムと研磨対象物の接触長Ｌについての説明図、（Ｂ）はドラムの位置Ｘと接触長Ｌの関係を示す線図。
【図１１】接触長Ｌの影響を補償する制御系の説明図。
【図１２】従来のポリッシング装置の部分断面図。
【符号の説明】
３ ドラム
８ 台座
９ 半導体ウエハ（研磨対象物）
１０ 追従機構
１１ Ｙテーブル
１２ Ｘテーブル
１５ 研磨液供給パイプ
１６ 研磨用パッド
２０ 棒状支持体
２２ ダイヤフラム
２３ 下部空間（エアクッション室）
【発明の属する技術分野】
本発明はポリッシング装置に係り、特に研磨用パッドを表面に備えた回転ドラムにより、半導体ウエハ等の研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨するポリッシング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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の結像面の高い平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により鏡面研磨することが行なわれている。
【０００３】
図１２は、従来のこの種のポリッシング装置の一例を示す。このポリッシング装置は、ターンテーブル３０とトップリング３１を有し、トップリング３１が一定の圧力をターンテーブル３０に与え、ターンテーブル３０とトップリング３１の間に半導体ウエハ等の研磨対象物３２を介在させて、ターンテーブル表面に配設された研磨パッド３４上で研磨対象物を回転させることにより、研磨対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。又、パイプ３３からは砥粒を含む研磨液Ｑが供給され、研磨パッド３４上に保持される。通常、研磨対象物３２はトップリング３１の下面に研磨対象面を研磨パッド３４面に向けて保持された状態で研磨が行なわれる。そしてこのようなポリッシング装置においては、研磨対象物３２である例えば半導体ウエハの研磨面と、研磨パッド３４の相対速度として十分な速度を得るために、トップリングの軸芯とターンテーブルの軸芯を偏心させてある。このことから、研磨対象の半導体ウエハの外径に対して数倍の外径を有するターンテーブルが必要である。又、ターンテーブルが研磨時に回転しても、ターンテーブル上面の水平度を十分に保つことができて、且つ研磨を阻害するような振動が発生しないようにターンテーブル自体及び枠体に充分な強度を持たせることが必要となる。このため、図１２に示すような従来のポリッシング装置は大きな設置スペースを必要とし、且つ大きな重量の装置になる。
【０００４】
又、この種のポリッシング装置においては、ポリッシング中は、トップリング３１に把持された半導体ウエハ３２の研磨面がターンテーブル上の研磨パッド３４に押し付けられた状態であるので、ポリッシング中の半導体ウエハの研磨面を目視することは不可能であり、ポリッシング中にその時点での研磨量あるいは残膜量を測定することは困難であった。尚、従来のこの種のポリッシング装置でポリッシング中に研磨量あるいは残膜量を測定する方法としては、例えばＵＳＰ５０８１７９６に開示された研磨中に半導体ウエハをターンテーブルの外に出す方法が知られている。又、ＵＳＰ５１９６３５３号公報によれば、研磨対象物の温度変化から研磨時間を決定する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では装置構成が複雑なものになり、更に前者の方法では研磨途中に研磨面の観察が可能ではあるが、一定時間毎の間欠的な測定であり、後者では温度を介した間接的な測定であるため十分な検出精度を得ることが困難である。
【０００５】
一方、特開平２−２６９５５２号公報によれば、回転ドラムを用いたポリッシング方法及びポリッシング装置が開示されている。このポリッシング方法は、研磨対象物に、周面が略直線状に接触する状態で対向して配設された円柱状の回転ドラムを回転させつつ、該回転ドラムの周面と研磨対象物との対向部間に砥液を供給し、両者を該回転ドラムの軸芯に対して適当な角度をなす方向へ直線的に相対移動させることによりポリッシングを行なうものである。
【０００６】
このような回転ドラムを用いた方法によれば、図１２に示す従来のポリッシング装置が必要であった大きな径のターンテーブルを必要とせず、小型で軽量のポリッシング装置とすることができる。又、ポリッシング対象の半導体ウエハの研磨面を直接目視することができるので、ポリッシング中におけるその時点での研磨量あるいは残膜量を測定することが可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特開平２−２６９５５２号公報に開示されたポリッシング方法及び装置では、研磨が回転ドラムと研磨対象物とが接触する略直線状の接触面においてのみ行なわれる。このため、例えば、半導体ウエハのような円形物を研磨する場合には、外周部において押圧力が強くなり研磨量が増大して、いわゆるフチダレ現象が生じやすいという問題が生じる。又、研磨が略直線状の接触面において行なわれるため、研磨対象物である半導体ウエハの表面の全域に亘って均一な押圧力での研磨が難しい。例えば何らかの原因により押圧力が一部分において不足する場合には、シマ模様の研磨不足部分を生じることとなり、このため研磨ムラが生じやすいという問題がある。
【０００８】
本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであり、回転ドラムを用いたポリッシング装置の長所を活かしつつ、研磨面全面に亘って均一な押圧力が得られ、研磨ムラの生じない均一な研磨を行うことができるポリッシング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のポリッシング装置は、研磨用パッドを表面に取付けた回転可能なドラムと、研磨対象物が載置される台座と、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧手段と、前記ドラムを回転させる手段と、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段と、前記研磨用パッドに砥粒を含んだ研磨液を供給する手段とを備え、前記ドラム表面に取付けた研磨用パッドに保持された研磨液によって研磨対象物を研磨するポリッシング装置において、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧力が、前記研磨対象物と前記ドラムの線状接触長に略比例するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
又、前記ドラムと前記研磨対象物の線状接触長が変化しても、研磨速度を一定とするように前記ドラムの回転速度を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
又、前記ドラムと前記研磨対象物との間の相対移動速度が前記ドラムと前記研磨対象物との線状接触長に反比例するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
又、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段は、前記ドラムの軸芯に直角で且つ研磨対象物表面と平行な方向の動きに加え、他の異なる方向へ、順次又は同時に動かす手段を備えたものであることを特徴とする。
【００１０】
又、前記研磨対象物の研磨面とほぼ同一の面に配置された研磨面を有する犠牲板を、前記台座上の前記研磨対象物の外周に配置したことを特徴とする。
【００１１】
又、前記犠牲板と台座との間に弾性体を間挿したことを特徴とする。
【００１２】
又、表面に前記研磨対象物が載置される台座の裏面に、該台座を支持する状態で断面が円形の回転自在の棒状支持体を取付け、該棒状支持体の軸芯は前記ドラムの軸芯と直角で且つ台座表面と平行に配置され、該棒状支持体の回転により前記台座表面の研磨対象物の接触面が前記ドラムの接触面に対して追従して、両接触面間の押圧力が均等化されることを特徴とする。
【００１３】
又、前記押圧手段は、前記台座又はドラムが接続固定されたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに均一な圧力を付与するエアクッション手段とを備え、前記ダイヤフラムの全面には前記エアクッション手段により均一な押圧力が与えられ、前記研磨対象物の接触面が前記ドラムの接触面に対して追従して、両接触面間の押圧力が均等化されることを特徴とする。
【００１７】
【作用】
ドラムの押圧力が研磨対象物との線状接触長に略比例する制御手段を備えたことから、線状接触長の大小に関わらず、研磨速度を一定とすることができる。このため、線状接触長が小さくなると面圧が増大し、研磨速度が上昇することにより、ウエハ外周部で研磨量が大きくなるという問題が回避される。
ドラムと研磨対象物の線状接触長が変化しても、研磨速度を一定とするようにドラムの回転速度を制御する手段を備えたことから、線状接触長の大小に関わらず、研磨速度を一定とすることができる。このため、例えば線状接触長が小さくなると面圧が増大し、研磨速度が上昇することにより、ウエハ外周部で研磨量が大きくなるという問題が回避される。
ドラムと研磨対象物との間の相対移動速度が、ドラムと研磨対象物の線状接触長に反比例する制御手段を備えたことから、線状接触長の大小に関わらず、研磨速度を一定とすることができる。このため、線状接触長が小さくなると面圧が増大し、研磨速度が上昇することにより、ウエハ外周部で研磨量が大きくなるという問題が回避される。
研磨対象物が載置された台座を研磨対象物表面と平行な方向の動きに加え、他の異なる方向へ順次又は同時に動かす手段を備えたことから、ドラムと研磨対象物の接触面の一部分に押圧力が不足または過大となる部分があっても、シマ模様の研磨不足または研磨過多を生じるという問題が防止される。従って、大口径の半導体ウエハでも、全面に亘って均一な研磨を行なうことが可能となる。
【００１８】
研磨対象物の研磨面とほぼ同一の面に配置された研磨面を有する犠牲板を研磨対象物の外周に配置することにより、外周部においても内周部と均一な押圧力が与えられるので、研磨対象物の外周部における押圧力の増大という問題が回避され、外周部で研磨量が過多となるいわゆるフチダレ現象を防止することができる。
【００１９】
又、犠牲板と台座との間に弾性体を間挿したことから、研磨対象物の厚みのバラツキ等により研磨面が犠牲板と同一の面にならなくても、弾性体のクッション作用により、研磨面を合せることができる。これにより、研磨対象物の研磨面と犠牲板の研磨面とが同一面となり、犠牲板を有効に機能させることができる。
【００２０】
表面に研磨対象物が載置される台座の裏面に断面が円形の棒状支持体を設けることにより、両接触面間に押圧力の不均一があると、均一な押圧力を与えるように棒状支持体が回転する。このため、台座表面の研磨対象物の接触面がドラムの接触面に対して追従して、均一な押圧力のもとでの研磨を行なうことが可能となる。
【００２１】
又、ダイヤフラムとエアクッションによる押圧力の均一化により、同様に研磨対象物の全面に亘っての均一な研磨が可能となる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について添付図面を参照しながら説明する。尚、各図中同一の符号は、同一又は相当部分を示す。
【００２６】
図１は、本発明の一実施例のポリッシング装置の側立面図を示し、図２はその正面立面図を示す。
このポリッシング装置は、砥粒を含んだ研磨液を保持する研磨用パッド１６を表面に取り付けた回転するドラム３を備えている。ドラム３は、ドラムヘッド２内の軸受４，５によりその回転軸が支持され、ドラムモータ６により回転駆動される。ドラムヘッド２は、コラム１によりベース１３に固定されている。研磨対象物である半導体ウエハ９は、台座８に載置されており、真空吸着により固定されている。台座８は、追従機構１０を介してＹテーブル１１に固定されている。Ｙテーブル１１は、研磨対象物９をＹ方向（ドラム軸芯と同一方向）に揺動可能とする駆動機構を備えたテーブルである。Ｘテーブル１２は、研磨対象物９をＸ方向（ドラム軸芯と直角方向）に研磨対象物の全長に亘って移動可能とする駆動機構を備えたテーブルであり、ベース１３に固定されている。ベース１３は、レベラー１４を介して設置床面に固定されており、レベラー１４は研磨対象物である半導体ウエハ９の研磨面を水平面に保つように調整するものである。研磨液供給パイプ１５からは砥粒を含む研磨液がドラム３表面の研磨用パッド１６に供給され、研磨用パッド１６に研磨液が保持されてドラム３が回転することにより半導体ウエハ９との接触面で研磨が行なわれる。
【００２７】
図３は図２におけるＡＡ矢視図を示し、図４（Ａ）は図２におけるＣ矢視図を示し、図５は図１におけるＢＢ線に沿った断面図を示す。図４（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ図４（Ａ）の断面を示す。
図４及び図５に示すようにこのポリッシング装置においては、研磨対象物の外周部を保護するフチダレ防止用の犠牲板１８を備えている。
回転ドラムを用いたポリッシング装置で、半導体ウエハのような円形の研磨対象物を研磨する場合に、研磨パッドが半導体ウエハ９の外側から内周部に移動するとき、ウエハの外縁部の段差を通過することになる。この場合、研磨パッドがウエハ９の外縁部によって局部的に強い圧縮力を受け、研磨パッド表面や内部に保持されていた砥液や砥粒が絞り出されたり、研磨パッドそのものの表面性状が変化することにより、研磨パッドに研磨能力の不均一が生じ、研磨面の平坦性が乱れ、いわゆるフチダレ現象を起す。
【００２８】
犠牲板１８は、研磨対象物の研磨面の高さと同一又は僅かに低い研磨面を有しており、台座８上の研磨対象物９の外周に固定されている。犠牲板１８には、難研削材である硬質のセラミック板、ガラス状カーボン、又はステンレス鋼材等が用いられる。半導体ウエハ９の表面研磨に当たって、犠牲板１８にも押圧力が半導体ウエハ９と同様に与えられることになるので、ウエハ外周部と同時に犠牲板１８の表面が研磨され、半導体ウエハ９の外周部のみが過度に研磨されるという問題が解決される。犠牲板１８は、ドラム３表面に貼付された研磨用パッドの移動範囲１６Ａをすべてカバーできる大きさにすることが、犠牲板１８の外縁部で研磨パッドが悪影響を受けないようにするために好ましい。
【００２９】
図４（Ｂ）は半導体ウエハ９と犠牲板１８が台座上の同一面に載置されている場合を示す。犠牲板１８の強度が弱く、押圧力が加えられると割れ易い場合は、図４（Ｃ）に示すように、犠牲板１８の下面にプラスチック等の補助板６３を配置してもよい。
【００３０】
図４（Ｂ）（Ｃ）の断面図に示すように、半導体ウエハ９及び犠牲板１８又は補助板６３と台座８との間には、例えば厚さ０．６ｍｍ程度のゴム又はバッキングフィルム等の弾性体６２が間挿されている。半導体ウエハ９の厚さ自体にも数十μｍ程度のバラツキがあり、犠牲板６２と半導体ウエハ９の研磨面を完全に同一な面とするのは不可能である。このようなわずかな犠牲板とウエハの高さの違いによる段差でも、犠牲板とウエハが剛体の台座８上に直接載置されている時は、研磨パッドに少なからず影響を及ぼし、平坦な研磨面が得られない。特に研磨速度を上げるため強い押圧力で研磨するほど強い影響を受ける。
研磨対象物と犠牲板の下に弾性体６２を間挿することにより、ウエハ９と犠牲板１８の高さの違いによる段差の影響を柔らげることができ、研磨面の平坦性を改善できる。
【００３１】
図６（Ａ）に示す犠牲板を備えない状態で、台座８に固定された半導体ウエハ９は、ドラム３の表面に取り付けられた研磨用パッド１６が押し付けられると、半導体ウエハ９の外周部Ａではその部分の押圧力が強くなり、過度に研磨されるため外周部がだれるフチダレ現象が生じる。図６（Ｂ）は、犠牲板１８を取り付けた状態を示す。半導体ウエハ９の外周にドーナツ状の円盤である犠牲板１８が取り付けられウエハ９の研磨面９Ａと、犠牲板１８の研磨面１８Ａとがほぼ同一の高さとなっている。このため、ドラム３の押圧力が、研磨面９Ａと１８Ａとに均等にかかり、半導体ウエハ９の外周部の押圧力は内周部とほぼ均一となる。
【００３２】
なお、図５に示す様に研磨対象物である半導体ウエハ９は、真空・圧力パイプ１７により研磨時は台座８に真空吸着され、研磨終了後は、エア加圧され、台座８からはずされる。なお、研磨対象物９をはずす際には、ウエハ押し上げピン４０の固設された押し上げリング４１がシリンダ４２により押し上げられることにより、台座８に密着した半導体ウエハ９を取りはずすことができる。
また、台座８はロータリジョイント４３により回転自在な構造となっており、図示しない駆動機構により研磨対象物９をその中心の回りに回転できる構造となっている。
【００３３】
本実施例のポリッシング装置においては、回転するドラムの接触面に対して均一な押圧力となるように研磨対象の半導体ウエハを接触させる追従機構を２種類備えている。第一の追従機構は、図５に示す断面図において、研磨対象物が載置された台座８の下に、この台座を支える状態で断面が円形の棒状支持体２０を、その軸芯がドラム３の軸芯と直角で且つ台座８表面と平行になるように取り付けている。ドラム３の軸芯と研磨対象のウエハ９の平行性が何らかの原因で失われると押圧力の分布が半導体ウエハとドラムとの接触面において不均一となる。ところが、断面が円形の棒状支持体２０のコロ作用により、押圧力が均等となるように台座８は、わずかに回転して半導体ウエハ９の研磨面がドラムの軸芯と平行になる。このため、回転するドラムに対してその接触面全長において半導体ウエハは均一な押圧力で押しつけられるため、均一な鏡面研磨が行なわれる。尚、部材４４は、断面が円形の棒状支持体２０の逃げを防止するためのものである。
【００３４】
又、第二の追従機構は、昇降座２１の下側部分が固定されたダイヤフラム２２と、そのダイヤフラムを支えるエアクッションによるものである。昇降座２１は、昇降座ガイド２５により上下方向に移動自在となっている。昇降座２１の下面は、接続部材２６を介してダイヤフラム２２に固定されている。ダイヤフラム２２の下部空間２３はエアパイプ２４から圧縮空気が押し込まれエアクッションを形成する。エアクッションは、ダイヤフラム２２の全面に亘って均一な押圧力を与えるため、昇降座２１を介して台座８から回転するドラム３に接触する半導体ウエハ９にはドラム３に対して均一な押圧力が与えられ、均一な鏡面研磨が研磨対象物全面に亘って行なえる。尚、第一の追従機構が円形の棒状支持体の軸芯に沿ったいわば線状部分に作用するのに対して、この第二の追従機構はエアクッションがダイヤフラムの全面に作用するので、研磨対象物の全面に亘って均一な押圧力を与えることを可能にする。
【００３５】
また、昇降座２１は図示しないシリンダにより大きく昇降することができる。研磨対象物である半導体ウエハ９の交換などの為の上下は、エアクッション２３を調整することによりダイヤフラム２２を上下動させることによっておこなう。メンテナンス時等の大きな昇降は、図示しないシリンダにより昇降座２１を上下することによって行う。
【００３６】
図７はこのポリッシング装置の基本的な動作を示す。図７（Ａ）（Ｂ）に示すように表面に研磨パッド１６を設けたドラム３が回転して、半導体ウエハ９の表面を研磨する。図７（Ｃ）に示すように接触面Ｃは略直線状となる。Ｙ方向の軸芯を有するドラム３に半導体ウエハ９を固定した台座８をＸ方向に移動させることにより、半導体ウエハ９の表面全域を研磨することができる。
【００３７】
係るポリッシング装置によれば、図４に示すように研磨対象物９を載置した台座の移動機構とドラム３を配置できるだけの面積があれば足りるので、従来の図１２に示すようなターンテーブル型の研磨装置と比較して大幅に小型軽量化することができる。又、研磨面が上方から目視可能であるので、研磨途中で研磨量や残膜量を常時確認することができる。
【００３８】
図８は、半導体ウエハを載置する台座の移動機構に関する説明図である。ドラムの回転軸を固定して、台座の一方向（Ｘ方向）のみの横移動では、押圧力に不均一部分があるとその部分で研磨対象物上にシマ模様の研磨ムラが残る。図８（Ａ）は、台座に横（Ｘ方向）移動と同時に縦（Ｙ方向）揺動機構を付与したものである。本実施例においては、Ｘテーブル１２のＸ方向へのウエハ９の全長に亘る移動に加え、Ｙテーブル１１をＹ方向に短周期で揺動させることにより横方向の移動と共に縦方向の揺動を加えることができ、研磨ムラの発生を防止することができる。尚、本実施例においては、台座側の移動によりこれを実現しているが、ドラム３側のドラムヘッド２を移動させるようにしてもよい。
【００３９】
図８（Ｂ）は、台座のウエハ９と犠牲板１８等の回転部分を回転揺動させるようにしたものである。即ち、台座８の回転部分は、ロータリジョイント４３により、回転可能であり、台座８に揺動を目的とした高速の往復回転動を与える。従って、Ｘ方向へのＸテーブル１２の移動と共に、台座８が回転揺動することにより同様に研磨ムラを防止することができる。
図８（Ｃ）は、ドラムの回転軸（Ｙ）に対して台座の横移動（Ｘ）方向との相対角度θを９０°からズラした状態を示す。図中、Ｙ′軸はドラムの回転軸（Ｙ軸）をウエハ面上に投影したものを示す。ドラムの回転による研磨方向と、研磨対象のウエハの移動方向との間にズレを生じるために同様にウエハ上にシマ模様が残らなくなり、研磨ムラを防止することができる。
【００４０】
図９（Ａ）は、台座がＸ方向に動くと同時に、ウエハ９、犠牲板１８を含む回転部分が回転を行いながら研磨する場合を示すものである。ウエハの研磨面に対するドラムの平均相対速度は一定に保たれるが、ウエハの研磨される方向が一定ではないのでシマ模様の発生を防ぐことができる。
【００４１】
図９（Ｂ）と（Ｃ）は、台座がＸ方向のみに動き、かつ、１枚のウエハの研磨途中で台座上のウエハの向きを変えることにより、ウエハ上にシマ模様ができることを防ぐようにして研磨を行った場合の実施例を示す。即ち図５に示すポリッシング装置でウエハの研磨を行い、まず台座がＸ方向のみに、即ちＯＦ（オリエンテーションフラット）に垂直な方向に動いて一定時間の研磨を行う。その後、ウエハがドラム下からはずれた状態で台座のＸ方向の動きを止め、ウエハ９、犠牲板１８を含む回転部分を９０゜回転し、再び台座がＸ方向にのみ動いて、即ちＯＦ（オリエンテーションフラット）に平行な方向の研磨を行う。図９（Ｂ）は９０゜回転の前のウエハ位置を示し、（Ｃ）は９０゜回転後のウエハ位置を示している。尚、回転角度は９０゜に限るものではなく、０゜又は１８０゜及びこれらに近い角度でなければ、９０゜以外の角度にすることが可能である。又、このような台座のＸ方向の動きを止めてウエハの載置方向を変更する操作は、１枚のウエハの研磨中に１回だけでなく２回以上行うようにしてもよい。
【００４２】
ところで、一般に研磨量は、ドラムと研磨対象物の接触面間の面圧Ｐと、研磨用パッドと研磨対象物の相対速度（又は、ドラムの回転速度）Ｖと、研磨時間Ｔとに比例する。即ち、研磨量Ｇは、
Ｇ＝αＰＶＴ 但し、α：比例定数
の関係にある。
研磨が、回転ドラム円筒面上の研磨用パッドと研磨対象物との略直線状の接触面で行われるので、半導体ウエハのような円形物を研磨する場合、回転ドラムが研磨対象のウエハ上を移動するに伴い、接触長（Ｌ）が変化する。そのため、押圧力が一定の場合、接触面圧Ｐが変化し、ドラムの位置によって研磨速度が異なり平坦な研磨面が得られないという問題がある。
【００４３】
即ち、半導体ウエハの研磨では、ウエハの中央部では接触長Ｌが長く、周辺部では接触長Ｌが短い。このため、押圧力を一定とすると周辺部では面圧Ｐが高くなり、中央部と比較して研磨量Ｇが大きくなる。
【００４４】
この対策としては、ドラム３を研磨対象物９の表面に押し付ける押圧力Ｐ、又はドラムの回転速度、又はドラムと研磨対象物間の相対移動速度Ｖが、研磨対象物とドラムの線状接触長Ｌによる研磨速度の変化を打消すようにすればよい。接触長Ｌは、図１０（Ａ）に示すように、半導体ウエハの半径をＲとすると、三平方の定理から、
Ｌ＝２（Ｒ２−Ｘ２）１／２
で求められる。そして、Ｘは、Ｘテーブル１２の移動量から算定できる。接触長ＬとＸとの関係は、図１０（Ｂ）に示すような曲線となる。
【００４５】
従って、押圧力をＳとすると、
面圧 Ｐ＝βＳ／Ｌ＝βＳ／（Ｒ２−Ｘ２）１／２
但し、 β：比例定数
であるので、
Ｓ＝γＬ 但し、γ：比例定数
となるように制御すれば、接触長Ｌの如何に関わらず、面圧Ｐを一定とすることができ、半導体ウエハ全面にわたって均一な研磨ができる。
【００４６】
従って、図１１に示すように、Ｘテーブル１２の移動量Ｘをコントローラ５１に取り入れて、移動量Ｘから接触長Ｌを演算して、ダイアフラム２２の下部空間２２に圧縮空気を供給する圧力レギュレータ５０により、下部空間２２の圧力をＳ＝δＬ＝２δ（Ｒ２−Ｘ２）１／２ 但し、δ：比例定数
となるように調整する。これにより、接触長Ｌの如何に係わらず一定の面圧Ｐが得られ、一定の研磨量Ｇが得られる。
【００４７】
ドラム３の回転速度Ｖは、ドラム駆動用モータ５３にコントローラ５１から回転信号を与えることで制御される。従って、押圧力を一定としたままで、ドラムの回転速度Ｖを
Ｖ＝δＬ＝δ（Ｒ２−Ｘ２）１／２
と制御することにより、
Ｇ＝αＰＶＴ
Ｐ＝βＳ／Ｌ
であることから接触長Ｌの如何に係わらず、一定の研磨量Ｇが得られる。これは図１１においてコントローラ５１からドラム駆動用サーボモータ５３を速度制御することにより実現できる。
【００４８】
又、半導体ウエハ９の全長に亘るドラムの相対的位置移動は、Ｘテーブル１２の移動により行われるが、この移動速度ＶをＸテーブル１２を駆動するモータ５５を速度制御することで調整できる。従って、Ｘテーブルの移動速度を接触長Ｌに反比例するように制御しても、ウエハ全面に亘っての研磨速度を均一なものとすることができる。
【００４９】
又、研磨速度が、押圧力が一定であっても、研磨対象物の材料等によっては、必ずしも接触長Ｌに比例しない場合がある。例えば研磨速度が接触長Ｌに反比例するような場合には、ドラムの回転速度Ｖを前述とは逆に接触長Ｌに反比例させるように制御することにより、ウエハ全面に亘っての研磨速度を一定として、均一な研磨量を得ることができる。
【００５０】
尚、以上の実施例は回転ドラム３の位置を固定して、研磨対象物を載置した台座８側を移動させることによって、研磨対象物である半導体ウエハの表面全面を鏡面研磨する例について説明した。しかしながら、半導体ウエハを載置した台座側を固定して、逆に回転ドラム側を移動するようにしても勿論良い。又、追従機構を同様に回転ドラム側に持たせることももちろん可能である。このように本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のポリッシング装置によれば、従来の図１２に示すポリッシング装置と比較して、小型で軽量且つ研磨面を直接観察することができると共に、研磨対象物の外周部のいわゆるフチダレが防止され、又均一な押圧力が確保されることから、均一な鏡面研磨がなされ、研磨ムラという問題を生じない。更に、ドラムと研磨対象物との接触長により、面圧が変化して研磨量が変化するという問題も、本発明の制御手段の付加により回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のポリッシング装置の側立面図。
【図２】図１に示すポリッシング装置の正面立面図。
【図３】図２におけるＡ−Ａ矢視図。
【図４】（Ａ）図２におけるＣ矢視図、（Ｂ）及び（Ｃ）は（Ａ）の側断面図。
【図５】図１におけるＢＢ線に沿った断面図。
【図６】犠牲板の動作に関する説明図であり、（Ａ）は犠牲板を備えないもの、（Ｂ）は犠牲板を備えたものを示す。
【図７】回転ドラム型ポリッシング装置の動作を示す、（Ａ）斜視図、（Ｂ）断面図、（Ｃ）研磨面Ｃを示す斜視図。
【図８】台座の移動機構の説明図であり、（Ａ）は横移動と縦移動を組合せたもの、（Ｂ）は横移動と回転揺動を組合せたもの、（Ｃ）は横移動に対してドラムの回転軸をずらしたものを示す。
【図９】台座の移動機構の説明図であり、（Ａ）は横移動と回転移動を組合せたもの、（Ｂ）と（Ｃ）は横移動の研磨途中でウエハ面を回転移動させたものを示す。
【図１０】（Ａ）はドラムと研磨対象物の接触長Ｌについての説明図、（Ｂ）はドラムの位置Ｘと接触長Ｌの関係を示す線図。
【図１１】接触長Ｌの影響を補償する制御系の説明図。
【図１２】従来のポリッシング装置の部分断面図。
【符号の説明】
３ ドラム
８ 台座
９ 半導体ウエハ（研磨対象物）
１０ 追従機構
１１ Ｙテーブル
１２ Ｘテーブル
１５ 研磨液供給パイプ
１６ 研磨用パッド
２０ 棒状支持体
２２ ダイヤフラム
２３ 下部空間（エアクッション室）
Claims (8)
- 研磨用パッドを表面に取付けた回転可能なドラムと、研磨対象物が載置される台座と、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧手段と、前記ドラムを回転させる手段と、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段と、前記研磨用パッドに砥粒を含んだ研磨液を供給する手段とを備え、前記ドラム表面に取付けた研磨用パッドに保持された研磨液によって研磨対象物を研磨するポリッシング装置において、
前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧力が、前記研磨対象物と前記ドラムの線状接触長に略比例するように制御する制御手段を備えたことを特徴とするポリッシング装置。 - 研磨用パッドを表面に取付けた回転可能なドラムと、研磨対象物が載置される台座と、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧手段と、前記ドラムを回転させる手段と、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段と、前記研磨用パッドに砥粒を含んだ研磨液を供給する手段とを備え、前記ドラム表面に取付けた研磨用パッドに保持された研磨液によって研磨対象物を研磨するポリッシング装置において、
前記ドラムと前記研磨対象物の線状接触長が変化しても、研磨速度を一定とするように前記ドラムの回転速度を制御する制御手段を備えたことを特徴とするポリッシング装置。 - 研磨用パッドを表面に取付けた回転可能なドラムと、研磨対象物が載置される台座と、前記ドラムを前記研磨対象物の表面に押し付ける押圧手段と、前記ドラムを回転させる手段と、前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段と、前記研磨用パッドに砥粒を含んだ研磨液を供給する手段とを備え、前記ドラム表面に取付けた研磨用パッドに保持された研磨液によって研磨対象物を研磨するポリッシング装置において、
前記ドラムと前記研磨対象物との間の相対移動速度が前記ドラムと前記研磨対象物との線状接触長に反比例するように制御する制御手段を備えたことを特徴とするポリッシング装置。 - 前記ドラムが前記研磨対象物の研磨面の全域に当たるように前記台座又はドラムを動かす手段は、前記ドラムの軸芯に直角で且つ研磨対象物表面と平行な方向の動きに加え、他の異なる方向へ、順次又は同時に動かす手段を備えたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリッシング装置。
- 前記研磨対象物の研磨面とほぼ同一の面に配置された研磨面を有する犠牲板を、前記台座上の前記研磨対象物の外周に配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリッシング装置。
- 前記犠牲板と台座との間に弾性体を間挿したことを特徴とする請求項５記載のポリッシング装置。
- 表面に前記研磨対象物が載置される台座の裏面に、該台座を支持する状態で断面が円形の回転自在の棒状支持体を取付け、該棒状支持体の軸芯は前記ドラムの軸芯と直角で且つ台座表面と平行に配置され、該棒状支持体の回転により前記台座表面の研磨対象物の接触面が前記ドラムの接触面に対して追従して、両接触面間の押圧力が均等化されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリッシング装置。
- 前記押圧手段は、前記台座又はドラムが接続固定されたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに均一な圧力を付与するエアクッション手段とを備え、前記ダイヤフラムの全面には前記エアクッション手段により均一な押圧力が与えられ、前記研磨対象物の接触面が前記ドラムの接触面に対して追従して、両接触面間の押圧力が均等化されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリッシング装置。
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