JP3711607B2 - 研磨装置と研磨方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばウェーハなどの被研磨対象の表面を良好に研磨することができる研磨方法と研磨装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えばLSIの製造プロセスでは、層間絶縁膜あるいはその他の膜の平坦化が重要である。
平坦化のための技術としては、種々の手段が提案されているが、近年、シリコンウェハーのミラーポリシング技術を応用したCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨)法が注目され、これを利用して平坦化を図る方法が開発されている。
【0003】
しかしながら、従来のCMP法を用いたウェハーの曲面形成技術は、ラッピング技術の延長上にあるもので、ウェハー面内の均一性および研磨レートの安定性などの精度面において、不十分であるという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本出願人により、図5,6に示す高速回転研磨装置が提案されている。
図5,6に示すように、ウェーハ2は、真空引き用通路8が形成されたテーブル6のチャック4に吸着され、テーブル6と共に回転されるようになっている。このウェーハ2の表面は、パッド保持具10に装着された研磨パッド8により研磨されるようになっている。パッド保持具10の中央部には、軸芯に沿って、研磨液供給孔12が形成してあり、パッド8の中央部から研磨液が吐出するようになっている。
【0005】
パッド保持具10は、高速で回転し、しかも矢印Xに示すように、ウェーハ2の回転半径方向に沿って、往復移動自在になっている。
このような高速回転研磨装置では、研磨パッド8の面積とウェーハ2の面積とを略同じにすると共に、パッド保持具を回転させるスピンドルとして高剛性部材を用いることにより、高速回転研磨を可能にする。その結果、パッド面の高平坦化が可能になり、従来技術に比べて平坦化距離を長くすることができ、ウェーハ2の表面にある凹凸のみが高精度に研磨され、ウェーハ2の表面に高品質な平坦面を形成することができる。なお、研磨パッド8をウェーハ2に対して半径方向に往復移動させるのは、ウェーハ2の表面の平坦性をさらに向上させるためである。
【0006】
しかしながら、この開発中の高速回転研磨装置では、図5,6に示すように、パッド保持具10をウェーハ2に対して往復移動させて研磨するため、研磨パッド8の中央部がウェーハ2から外れた状態では、研磨液が鉛直方向下方に流れる。そのため、特に研磨開始初期のウェーハ2の外周部には、研磨液が入らないおそれがあり、パッドの研磨面への入りが悪く、研磨むらが生じるおそれがある。
【0007】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、ウェーハなどのような被研磨対象の表面に沿って研磨パッドが往復移動しながら回転して研磨する際に、ウェーハの表面に良好に研磨液が供給され、研磨むらが少なく、平坦化の面内均一性に優れた研磨方法と研磨装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、被研磨対象を回転自在に保持する保持手段と、回転自在に保持され、回転中心部から研磨液を吐出するように構成してある研磨パッドと、回転する前記研磨パッドを前記被研磨対象の表面に沿って、被研磨対象の半径方向に相対的に往復移動させる往復移動手段と、前記研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態で、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液を被研磨対象の表面に向かわせる整流板とを有し、前記整流板が、前記研磨パッドに対して略平行に所定の間隙で、研磨パッドの相対的往復移動の範囲を含むように、前記保持手段に対しては相対的に静止するように装着してあり、前記整流板には、前記被研磨対象の外周との間に研磨液排出口が形成されるように隙間が形成してある。
【0009】
記整流板の外周には、壁が形成してあることが好ましい。
【0010】
発明に係る研磨方法は、被研磨対象を回転させた状態で、当該被研磨対象の表面に沿って、回転する研磨パッドを、被研磨対象の半径方向に相対的に往復移動させ、被研磨対象の表面を研磨する方法において、前記研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態で、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液を被研磨対象の表面に向かわせる整流板を、前記研磨パッドに対して略平行に所定の間隙で、研磨パッドの相対的往復移動の範囲を含むように、前記被研磨対象に対しては相対的に静止するように配置し、前記整流板と前記被研磨対象の外周との間の隙間から前記研磨液を排出させる。
好適には、前記整流板の外周には、壁が形成してある。
【0011】
本発明に係る研磨装置を用いた研磨方法では、研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態で、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液を被研磨対象の表面に向かわせる整流板が装着してある。このため、研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態でも、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液が、無駄になることなく、ウェーハなどの被研磨対象の表面に向かう。
【0012】
したがって、被研磨対象の表面全体に研磨液が供給され、研磨液の供給性が向上する。また、研磨初期時でも、被研磨対象の表面に研磨液が供給され、研磨パッドと被研磨対象との相対的な往復移動がスムーズになり、被研磨対象の外周部と内周部との研磨レートの差を少なくすることが可能になる。その結果、研磨むらがなくなり、平坦化の面内均一性が向上し、研磨された対象物の品質が向上する。
【0013】
さらに、本発明では、単に整流板を配置するのみで、上述した優れた作用効果を奏するので、装置のコストアップも少ない。さらに、単純な構成なので、メンテナンスも容易である。
特に、整流板の外周に壁を設けた本発明では、この壁の近くに研磨液溜りが形成され、研磨液をさらに有効に利用することができる。また、この壁は、研磨パッドおよび被研磨対象の回転による研磨液の飛散をも防止することができる。
【0014】
また、研磨液の排出口を被研磨対象と整流板との隙間に設けた本発明では、被研磨対象および研磨パッドの回転により外周に飛散した研磨液が最終的に、被研磨対象の方向へ向けて流れ、その排出口から排出されるので、研磨液をさらに有効に利用することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る研磨装置および研磨方法を、図面に示す実施形態に基づき、詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る研磨装置の側面側要部断面図、図2はその研磨装置の要部平面図、図3は研磨装置全体の一部省略した概略斜視図、図4は図3に示す主軸スピンドルの断面図である。
【0016】
図1,2に示すように、本実施形態に係る研磨装置30は、被研磨対象としてのウェーハ2の表面を研磨するための装置である。
図3に示すように、この研磨装置30は、研磨パッド8を回転させる主軸スピンドル32と、ウェーハ2を保持する保持手段としてのテーブル6とを有する。
【0017】
主軸スピンドル32では、図4に示すように、研磨パッド保持具10の下面に発泡ポリウレタンなどの多孔質粘弾性材からなる研磨パッド8が貼着してある。研磨パッドは、ウェーハ2の被研磨面と略同じ面積(またはそれよりも小さい面積)を有している。
【0018】
研磨パッド保持具10の上方にはフランジ31、エアベアリング33およびロータコイル38が順に設けてある。研磨パッド2は、例えば直径約220mmの円盤状をしている。ステータコイル37とロータコイル38とでスピンドルモータ34が構成される。
【0019】
研磨パッド8と、パッド保持具10と、フランジ31、エアベアリング33のエアベアリングシャフト35およびロータコイル38とは一体となって回転する。すなわち、ステータコイル37からの電磁力によってロータコイル38が回転すると、それに連動して、研磨パッド8、パッド保持具10、フランジ31、エアベアリングシャフト35が回転する。すなわち、主軸スピンドル32は、スピンドルモータ34による回転力が、平ベルトなどを介さずに、直接的に研磨パッド8に伝達される機構になっている。
【0020】
ロータコイル38の内側には、ステータコイル37が設けてある。ステータコイル37はカバー41に固定してあり、ステータコイル37の内側にはノズルブラケット36が設けてある。ノズルブラケット36には、中心軸に沿って研磨液供給孔12が形成してあり、この供給孔12の下端には、ノズル40が装着してある。ノズル40からは、供給孔12を介して、図示しないスラリー供給装置からスラリー(研磨剤)が供給される。スラリーとしては、例えば粉状の酸化シリコン( SiO2 ) と水酸化カリウム(KOH) との水溶液などが用いられる。
【0021】
カバー41には、エアー吸入口41aが設けてあり、エアー吸入口41aから主軸スピンドル32の内圧を高めるためのエアーが吸入される。このエアーによって、ノズル40から噴出されるスラリーが主軸スピンドル32内に逆流することを抑制できる。
【0022】
また、本実施形態では、回転軸に対する研磨パッド8の回転を安定化させるために、ノズルブラケット36、エアベアリングシャフト35、フランジ31およびパッド保持具10として、研磨パッド2がZ軸方向(図3参照)に移動する際の弾性係数を高めるために高剛性部材を用いている。
【0023】
なお、図4中、42はエアベアリングハウジングを示し、44は多孔質絞り部を示し、46はスピンドルフランジを示している。
一方、図3に示すように、テーブル6は、レール50に沿ってX軸方向に移動自在に設けられたスライダ52(往復移動手段)の上に回転自在に装着してある。テーブル6は、比較的低速回転なので、モータ、プーリおよび平ベルトなどにより回転駆動される。
【0024】
テーブル6の大きさは、特に限定されないが、たとえば直径約200mmの円盤状をしている。テーブル6の上部には、図1に示すように、多孔質部材などで構成されるチャック4が装着してある。テーブル6を回転させる回転軸7には、その軸芯に沿って真空引き用通路8が形成してある。この通路8を通して真空引きすることで、ウェーハ2がチャック4の表面に真空吸着されるようになっている。
【0025】
図1,2に示すように、本実施形態では、テーブル6の周囲には、研磨液ガイド20が装着してある。この研磨液ガイド20は、図3には図示省略してあるが、スライダ52に対して固定してあり、スライダ52と共に、X方向に往復移動自在になっている。
【0026】
ガイド20は、図1,2に示すように、研磨パッド8に対して約0.5mm〜数十mm、好ましくは1〜5mm、さらに好ましくは1〜2mmの間隙で略平行な平面を有する整流板21を有する。この整流板21には、テーブル6に対応する位置に開口部が形成してあり、ここにテーブル6が回転自在に収容される。この開口部には、下方に延びる円筒部が形成してあり、この円筒部とテーブル6との間に、0.5mm〜数十mm程度の隙間26が形成される。この隙間26が研磨液の排出口25となる。
【0027】
整流板21の平面形状は、図2に示すように、ウェーハ2の外周を囲み、しかもパッド保持具10がウェーハから最も遠い往復位置で、保持具10の外周を囲む程度に、広い面積を有する形状である。この整流板21の外周には、図1,2に示すように、壁28が形成してあり、この壁28の付近に研磨液溜り24が形成されるようになっている。壁28の高さは、特に限定されないが、パッド保持具10の厚み程度である。研磨液溜り24に貯留される研磨液の量は、研磨液供給孔12から供給される研磨液の供給量と、研磨パッド8およびウェーハの回転速度と、隙間26の大きさなどとにより決定される。隙間26を大きく設定すれば、研磨液溜り24に貯留される研磨液の量は少なくなる。
【0028】
なお、壁28は、研磨パッド8およびウェーハ2の回転による研磨液の飛散をも防止することができる。
次に、本実施形態に係る研磨装置の動作について説明する。
先ず、テーブル6の吸引装置が吸引を開始し、チャック4の表面に吸引力が生じる。この状態で、図1に示すように、研磨対象面を図中上にして、チャック4の上にウェーハ2を載置し、ウェーハ2をチャック4の表面に吸着させる。
【0029】
次に、図4に示すスピンドルモータ34の駆動によって研磨パッド8を回転速度約1500〜3000rpmで回転させる。また、モータの駆動によってテーブル6をウェーハ2と共に、回転速度約30〜500rpmで回転させる。
また、ウェーハ2の上方に研磨パッド8が位置するように、図3に示すスライダ52をレール50に沿ってX軸方向に移動する。
【0030】
このとき、図4に示す研磨液供給孔12を介して、スラリー供給装置からのスラリーがノズル40に供給され、ノズル40から放射状に噴射される。
そして、図示しない駆動装置により主軸スピンドル32(図3,4)がZ軸方向に下降し、所定の研磨圧力で、ウェーハ2の研磨対象面に研磨パッド8が押し付けられる。
【0031】
本実施形態では、ウェーハ2の研磨対象面に研磨パッド8が押し付けられた状態で、図示しない駆動装置からの駆動力によって、図3に示すスライダ52がレール50に沿って所定の周期および振幅で往復運動を行い、ウェーハ2および研磨液ガイド20が研磨パッド8に対してトラバース運動(回転半径方向に往復移動)を行う。尚、このトラバース運動の速度は、例えば5〜400(mm/分)である。このトラバース運動に際して、研磨パッド8およびウェーハ2は回転し、研磨液ガイド20は、回転せずにトラバース運動のみである。
【0032】
本実施形態では、このようなトラバース運動に際し、研磨パッド8の中央部がウェーハ2から外れた状態でも、研磨パッド8の中央部から吐出される研磨液が、無駄になることなく、整流板21により案内されてウェーハ2の表面に向かう。また、研磨パッドおよび被研磨対象の回転により研磨液が外周に飛散することになるが、この飛散した研磨液は、壁28に当たり、壁の付近に液溜り24が形成される。したがって、研磨液をさらに有効に利用することができる。研磨液は、最終的には、ウェーハ2の方向へ向けて流れ、その外周に形成された排出口25から排出される。
【0033】
したがって、ウェーハ2の表面全体に研磨液が供給され、研磨液の供給性が向上する。また、研磨初期時でも、整流板21に沿った研磨液の流れにより、ウェーハ2の表面に研磨液が供給され、研磨パッド8とウェーハ2との相対的な往復移動がスムーズになり、ウェーハ2の外周部と内周部との研磨レートの差を少なくすることが可能になる。
【0034】
このような研磨により、ウェーハ2の研磨対象面は、スラリー中のアルカリ成分による化学的研磨作用と、直径約0.1μm程度のシリカなどの研磨粒子による機械的研磨作用と、さらにこれらの相乗研磨作用により、メカノケミカル研磨(CMP)が良好に行われる。
【0035】
その結果、研磨むらがなくなり、平坦化の面内均一性が向上し、研磨されたウェーハの品質が向上する。
また、本実施形態では、単に研磨液ガイド20を配置するのみで、上述した優れた作用効果を奏するので、装置のコストアップも少ない。さらに、ガイド20は単純な構成なので、そのメンテナンスも容易である。
【0036】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、上述した実施形態では、整流板21の外周に壁28を設けたが、本発明では、必ずしもこの壁28を設ける必要はない。さらに、研磨液の排出口25は、ウェーハ2の外周位置のみでなく、その他の位置に形成しても良い。ただし、回転するウェーハ2と整流板21との間には、隙間を形成する必要があるので、この隙間を利用して研磨液の排出口25を形成することがより好ましい。
【0037】
また、上記実施形態では、往復移動手段として、図3に示すスライダ52を用い、このスライダ52をX方向に移動させることで、ウェーハ2を研磨パッド8に対して往復移動させたが、研磨パッド8を保持するスピンドル32をウェーハに対して往復移動させても良い。ただし、スピンドル32の方が高速回転なので、テーブル6を往復移動させる方が、回転安定性の観点からは好ましい。
【0038】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態でも、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液が、無駄になることなく、ウェーハなどの被研磨対象の表面に向かう。
【0039】
したがって、被研磨対象の表面全体に研磨液が供給され、研磨液の供給性が向上する。また、研磨初期時でも、被研磨対象の表面に研磨液が供給され、研磨パッドと被研磨対象との相対的な往復移動がスムーズになり、被研磨対象の外周部と内周部との研磨レートの差を少なくすることが可能になる。その結果、研磨むらがなくなり、平坦化の面内均一性が向上し、研磨された対象物の品質が向上する。
【0040】
さらに、本発明では、単に整流板を配置するのみで、上述した優れた作用効果を奏するので、装置のコストアップも少ない。さらに、単純な構成なので、メンテナンスも容易である。
特に、整流板の外周に壁を設けた本発明では、この壁の近くに研磨液溜りが形成され、研磨液をさらに有効に利用することができる。また、この壁は、研磨パッドおよび被研磨対象の回転による研磨液の飛散をも防止することができる。
【0041】
また、研磨液の排出口を被研磨対象と整流板との隙間に設けた本発明では、被研磨対象および研磨パッドの回転により外周に飛散した研磨液が最終的に、被研磨対象の方向へ向けて流れ、その排出口から排出されるので、研磨液をさらに有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の一実施形態に係る研磨装置の側面側要部断面図である。
【図2】図2はその研磨装置の要部平面図である。
【図3】図3は研磨装置の外観斜視図である。
【図4】図4は図3に示す主軸スピンドルの断面図である。
【図5】図5は開発中の研磨装置の側面側要部断面図である。
【図6】図6はその研磨装置の要部平面図である。
【符号の説明】
2… ウェーハ、 4… チャック、 6… テーブル、 8… 研磨パッド、10… パッド保持具、 12… 研磨液供給孔、 20… 研磨液ガイド、21… 整流板、 24… 研磨液溜り、 25… 排出口、 26… 隙間、28… 壁、 30… 研磨装置。

Claims (4)

  1. 被研磨対象を回転自在に保持する保持手段と、
    回転自在に保持され、回転中心部から研磨液を吐出するように構成してある研磨パッドと、
    回転する前記研磨パッドを前記被研磨対象の表面に沿って、被研磨対象の半径方向に相対的に往復移動させる往復移動手段と、
    前記研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態で、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液を被研磨対象の表面に向かわせる整流板と
    を有し、
    前記整流板が、前記研磨パッドに対して略平行に所定の間隙で、研磨パッドの相対的往復移動の範囲を含むように、前記保持手段に対しては相対的に静止するように装着してあり、
    前記整流板には、前記被研磨対象の外周との間に研磨液排出口が形成されるように隙間が形成してある
    研磨装置。
  2. 前記整流板の外周には、壁が形成してある請求項に記載の研磨装置。
  3. 被研磨対象を回転させた状態で、当該被研磨対象の表面に沿って、回転する研磨パッドを、被研磨対象の半径方向に相対的に往復移動させ、被研磨対象の表面を研磨する方法において、
    前記研磨パッドの中央部が前記被研磨対象から外れた状態で、研磨パッドの中央部から吐出される研磨液を被研磨対象の表面に向かわせる整流板を、前記研磨パッドに対して略平行に所定の間隙で、研磨パッドの相対的往復移動の範囲を含むように、前記被研磨対象に対しては相対的に静止するように配置し、前記整流板と前記被研磨対象の外周との間の隙間から前記研磨液を排出させる
    研磨方法。
  4. 前記整流板の外周には、壁が形成してある請求項3に記載の研磨方法。
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