JP3729538B2 - ポリッシング装置 - Google Patents

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及び方法に関する。
【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。特にサブミクロンレベル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】
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。
【０００４】
このような回転ドラムを用いた方法によれば、従来から普及しているターンテーブル型のポリッシング装置で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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ドラム型ポリッシング装置は、研磨パッドが表面に貼り付けられた回転するドラムを、ウエハ研磨面に押付けドラムをウエハ面に亘って往復運動することにより研磨する装置である。したがって、ドラムの往復によりウエハ表面が均一に研磨されるならば、往復回数を増やせば所定の研磨量と平坦な表面が得られる。
【０００６】
しかしながら、ウエハの外周縁の影響やウエハとドラムの接触長がドラムの移動と共に変化して面圧が変わる影響等で、一往復により研磨される量はウエハ全体に亘り必ずしも均一にはならない。この対策として、ウエハ外周縁の影響をなくすためにウエハ外周に犠牲板を設けたり、また面圧の変化を補償するため押圧力やドラムの回転数、ドラムの移動速度を制御することが考えられる。それでも上記の影響を完全に除くことは困難であり、均一な研磨量を得ることは難しい。
【０００７】
また研磨用パッドは、通常ポリウレタンの成形品に砥液を保持しやすいように、微細な凹みをつけたものや、不織布等が使われるが、パッド表面は完全に滑らかな平面ではないので、固定した研磨対象物である半導体ウエハの上をドラムが直線的に多数回往復運動すると、研磨表面に微細なすじ模様ができて研磨面性状が良くない。
【０００８】
以上のような状態でウエハ全面に亘り、できる限り均一な研磨量を得るためには、ウエハを回転させればよい。ウエハを回転させれば、ドラムの移動に伴い、ドラムがウエハ上を万遍なくスキャンすることになるので、ドラムの一往復運動で研磨量に不均一があっても、それがウエハ全面に亘って平均化されるので、より平坦な研磨面が得られる。また、パッドがウエハ上の同一パスを通らないので、すじ模様もなくなる。
【０００９】
平均した研磨量の研磨面を得るためには、ウエハは研磨時間内に少なくとも１回転させることが必要なのは当然である。そしてある程度回転数を速くしていっても研磨面の平坦性は許容値内に保たれる。しかしながら、回転数を上げすぎると逆に研磨ムラが生じることが判明した。
【００１０】
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において、ドラムを往復運動させつつ研磨対象物を回転運動させながら研磨を行っても、研磨ムラの生じない安定な研磨を行うことができるポリッシング装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様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往復運動する手段と、前記研磨対象物を回転する手段と、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からなるポリッシング装置であって、前記ドラムが前記研磨対象物の全域を研磨するように往復運動する速度をＶ、前記研磨対象物の回転速度をω、前記研磨対象物の回転中心から最も遠い位置迄の距離をＬとするとき
Ｖ／ω＞Ｌ
とする制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
又、本発明の第２の態様のポリッシング方法は、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往復運動する手段と、前記研磨対象物を回転する手段と、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たポリッシング装置において、前記ドラムが前記研磨対象物の全域を研磨するように往復運動する速度をＶ、前記研磨対象物の回転速度をω、前記研磨対象物の回転中心から最も遠い位置迄の距離をＬとするとき
Ｖ／ω＞Ｌ
としたことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、ドラム型のポリッシング装置において、研磨対象物を回転させながらドラムを往復運動して研磨する際に、ドラムの往復運動速度（Ｖ）／研磨対象物の回転速度（ω）が研磨対象物の回転中心からの距離（Ｌ）よりも大となる関係を持たせたものである。これにより、ドラムの往復運動と共に、研磨対象物を回転運動させながら、研磨することで研磨ムラを生じることなく、研磨対象物全面に亘っての平坦な研磨が行える。
【００１４】
【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。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例のポリッシング装置を示す。
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、図示しないドラムヘッド内の軸受によりその回転軸２が支持され、ドラム駆動用モータにより回転駆動される。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。
【００１６】
台座８は、押圧手段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往復運動可能とする駆動機構を備えたテーブルである。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をその中心軸の回りに回転できる構造となっている。従って、Ｘテーブル１２がドラムの軸芯と直角方向に半導体ウエハ９を速度Ｖで往復運動させると共に、台座８は半導体ウエハ９を回転速度ωで回転運動させる。
【００１７】
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自体がその軸芯２のまわりに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。ドラム３自体の回転速度、Ｘ，Ｙテーブル１１，１２の往復運動速度Ｖ及びストローク幅、又、台座８の回転速度ω等は、図示しない制御装置の指令によりそれぞれ制御される。
【００１８】
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。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に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。
【００１９】
こ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、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。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。
【００２０】
次にドラムの往復運動とウエハの回転運動に伴う研磨ムラの発生について説明する。
図２及び図３は、ドラムとウエハの接触線Ｓ_１，Ｓ_２，…が時間と共にウエハ上を１ストローク分移動する様子を示したものである。接触線は、往復運動するドラムと回転運動するウエハとが接触する部分の線である。本図においては、ウエハを固定して接触線Ｓ_１，Ｓ_２，…の相対的な移動の様子を図示している。ウエハの回転中心Ｃは、台座８の回転中心と一致している。符号Ｌは、ウエハの回転中心Ｃからウエハの最も遠い位置迄の距離を示している。ウエハ９は、本実施例の場合は回転速度ωで矢印方向に回転している。ドラムの往復運動速度はＶである。
【００２１】
図２はウエハ９の回転速度ωが遅い場合であり、図３は回転速度ωが速い場合を示す。回転速度が速い場合は図３の符号Ａで示す部分のように接触線が重なる部分が発生する。即ち、ドラムがウエハ上を１回ストロークしたとき、Ａ部分は他の部分より多く研磨されることになり、ウエハ全面に亘り平坦性が得られないということである。このような条件の下でドラムが多数回往復運動すれば、Ａ部がウエハの周上に多数個できて、幾何学模様を呈して研磨面にムラができる。一方図２に示すようにウエハの回転速度が遅い場合は、ウエハ内で接触線の重なることがなく平坦な研磨面が得られる。
【００２２】
ドラム３がウエハ９上を１回往復運動した時、ウエハ上で接触線が重なる部分がウエハで生じない条件は数学的に求めることができ、その条件は次のとおりである。
Ｖ／ω＞Ｌ
ここで Ｖ：ドラムの運動速度
ω：ウエハの回転速度
Ｌ：ウエハの半径
【００２３】
上記の条件内でもよりよい平坦性を得るには、Ｖを大きくしてドラムの運動速度をある程度大きくして、ストローク数を大きくした方が良い。即ち、所定の研磨量を得るのに往復運動回数を多くすると１ストローク当たりの研磨量が小さくてすみ、したがって、１ストローク内で発生する研磨量の不均一の絶対量も小さいということになる。その上、ドラムがウエハ上をスキャンするピッチも細かくなるので、よりよい平坦性が得られる。
【００２４】
図４乃至図９は、ドラムの往復運動速度Ｖが３０００mm／分の条件で、ドラムの往復運動の一往復分の接触線の移動の状態を示す。
ウエハの回転速度ωが、図４は１rpm、図５は３rpm、図６は６rpm、図７は７rpm、図８は１０rpm、図９は３５rpmの場合をそれぞれ示す。図７以降に示されるように、ドラムの往復運動速度Ｖが３０００mm／分である場合には、回転速度が７rpm以上では接触線が集中する部分Ａがウエハ内に入り、ウエハには研磨ムラが生じることが分かる。従って、この条件では、図４又は図５に示すウエハの回転速度が１rpm又は３rpmの場合には研磨ムラが発生しない。そして、図６又は図７に示すウエハの回転速度ωが６rpm又は７rpm程度が研磨ムラを生じない限界であることがわかる。
【００２５】
尚、以上の実施例の説明では、ドラムを往復運動させて、研磨対象物を載置した台座を回転運動させる例について説明したが、ドラムを固定して台座を往復運動させつつ、且つ回転運動するようにしてもよいのは勿論のことである。
【００２６】
又、以上の実施例は半導体ウエハの研磨について例示しているが、広く各種電子材料、或いは光学材料の研磨にも適用できるのも勿論のことである。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、ドラムの往復運動速度Ｖ、研磨対象物の回転速度ω、研磨対象物の回転中心からの距離をＬとする時、
Ｖ／ω＞Ｌ
とすることから、研磨対象物上をドラムが往復運動をしつつ、研磨対象物を回転運動しても、研磨ムラの発生という問題が起こらない。これにより、研磨対象物全面に亘って、平坦度の高い、且つ研磨ムラという問題の生じない半導体デバイス等の研磨を行うことができる。
【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説明図。
【図２】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が小さい場合を示す。
【図３】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が大きい場合を示す。
【図４】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が１rpmである場合を示す。
【図５】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が３rpmである場合を示す。
【図６】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が６rpmである場合を示す。
【図７】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が７rpmである場合を示す。
【図８】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が１０rpmである場合を示す。
【図９】 ドラムの往復運動と研磨対象物の回転運動に伴う接触線の動きを示す説明図であり、研磨対象物の回転速度が３５rpmである場合を示す。
【符号の説明】
３ ドラム
８ 台座
９ 研磨対象物（半導体ウエハ）
１０ 押圧手段
１１，１２ テーブル
１５ 研磨液供給手段
１６ 研磨用パッド

Claims (2)

1. 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往復運動する手段と、前記研磨対象物を回転する手段と、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からなるポリッシング装置であって、
   前記ドラムが前記研磨対象物の全域を研磨するように往復運動する速度をＶ、前記研磨対象物の回転速度をω、前記研磨対象物の回転中心から最も遠い位置迄の距離をＬとするとき
   Ｖ／ω＞Ｌ
   と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。
2. 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往復運動する手段と、前記研磨対象物を回転する手段と、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たポリッシング装置において、
   前記ドラムが前記研磨対象物の全域を研磨するように往復運動する速度をＶ、前記研磨対象物の回転速度をω、前記研磨対象物の回転中心から最も遠い位置迄の距離をＬとするとき
   Ｖ／ω＞Ｌ
   としたことを特徴とするポリッシング方法。

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