JP3788562B2

JP3788562B2 - ポリッシング装置

Info

Publication number: JP3788562B2
Application number: JP13608899A
Authority: JP
Inventors: 聡若林; 都章山口; 哲二戸川; 暢行高田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000326217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等のポリッシング対象物を平坦かつ鏡面状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。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の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１手段として化学機械研磨（ＣＭＰ）が採用されている。
【０００３】
図６は、従来のＣＭＰを行なうポリッシング装置の一例の主要部を示す図である。これは、上面に研磨布１００を貼った回転するターンテーブル（研磨テーブル）１０２と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ等の基板Ｗを保持するトップリング１０４と、研磨布１００に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル１０６を備えている。トップリング１０４は駆動軸１０８に連結され、この駆動軸１０８は図示しないトップリングヘッドにエアシリンダを介して上下動可能に支持されている。
【０００４】
トップリング１０４はその下面にポリウレタン等の弾性マット１１０を備えており、この弾性マット１１０を介して基板Ｗを保持するようになっている。トップリング１０４の外周縁部には、円筒状のガイドリング１１２が下端面をトップリング１０４の保持面より突出させて取り付けられており、その内側にポリッシング対象物である基板Ｗを保持する凹所を形成して基板Ｗが研磨中にトップリング１０４から外れないようになっている。
【０００５】
このような構成の研磨装置において、基板Ｗをトップリング１０４の下面の弾性マット１１０の下部に保持し、ターンテーブル１０２上の研磨布１００に基板Ｗをトップリング１０４によって押圧するとともに、ターンテーブル１０２およびトップリング１０４を回転させて研磨布１００と基板Ｗを相対運動させて研磨する。砥液供給ノズル１０６からは、研磨布１００の研磨面上に例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁した砥液Ｑを供給し、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって基板Ｗを研磨する。
【０００６】
ポリッシング終了時には、基板Ｗと研磨布１００の間に砥液Ｑが含まれているので、これらを面に直交する方向に離そうとすると、基板Ｗと研磨面間に作用する表面張力に対抗するための多大の力が必要となる上、基板Ｗがトップリング１０４から離脱する可能性もある。そこで、研磨テーブル１０２の回転を停止させてから、あるいは回転中に、トップリング１０４を保持するアームを揺動して、トップリング１０４を回転させながら研磨面上を這わせるように移動させる。そして、トップリング１０４で保持した基板Ｗの一部が研磨面からはみ出すオーバーハング位置まで平行移動させた後、トップリング１０４を上昇させて基板Ｗを研磨面から離脱させる。これにより、基板Ｗを研磨面から離脱させ、基板Ｗと研磨面との間に生じる表面張力による搬送精度の低下や作業の不安定化を防止するようにしている。
【０００７】
上記のようなポリッシング装置においては、自転する研磨テーブル１０２により研磨を行うものであり、回転中心では変位がなく、研磨が行われない。従って、中心を外れたところで研磨を行うために、研磨テーブル１０２の大きさは、基板の直径の少なくとも２倍以上の直径を有するように設定されている。このため、研磨テーブルが大きな面積を占有して、ポリッシング装置自体が大型化してしまうとともに、設備コストも大きくなる。この欠点は、基板の大型化の傾向に伴って一層顕著になる。
【０００８】
そこで、上記のようなポリッシング装置に替わって、或いはこれと併用して、研磨テーブルが円軌道に沿って循環並進運動（スクロール運動）を行うポリッシング装置の採用が考えられる。この場合は、研磨面がどの点をとっても全て同じ運動を行うので、この大きさは、スクロール動作の直径が小さければポリッシング対象物である基板とほぼ同じ大きさでよいことになる。
【０００９】
また、上記のような従来の方法では、研磨布が弾性を有するためにポリッシングの際に容易に変形し、基板Ｗ上の配線密度が低い場合には、絶縁層を凹状に研磨して、加工後に基板表面上のうねりが生じる、あるいは、基板面上にある段差の解消に時間を要するという問題がある。このため、例えば、シリカ等の砥粒をバインダを用いて結合させて平板状に加工した砥石を用いて、これを研磨テーブル上に貼設し、トップリング１０４に保持された半導体ウエハＷを押圧、摺動することにより研磨を行う方法が提案されている。これにより、砥石とウエハの摺動に伴い、バインダが崩壊あるいは溶解して砥粒を生成しつつ研磨が行われる。
【００１０】
このような研磨方法によれば、砥石は研磨布と比較して硬質であるため、加工後に基板表面上のうねりが生じるという問題点が解消される。また、砥粒を多量に含むスラリー状の砥液を用いないため、その処理が不要であり、稼動コストを低下させるとともに、環境の維持も容易であるという利点がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の自転する研磨テーブルでは、テーブル自体の中心は移動しないので、トップリングを保持するアームを一定角度揺動すれば、基板は研磨テーブルに対して一定のオーバーハング状態となる。しかしながら、上記のような円に沿って循環並進運動を行う研磨テーブルでは、研磨終了時の研磨テーブルの停止位置が一定ではない。従って、トップリングをオーバーハング位置に移動させても、基板と研磨面との接触面積が一定とならず、トップリングを上昇させて基板を研磨面から離脱させる際に基板と研磨面との間に生じる表面張力が変化して、搬送不能となったり、基板の脱落や割れ、更にはトップリングの傾きによるスクラッチを発生させるという問題があった。このことは、研磨テーブルが循環移動するような方式のポリッシング装置でも同様である。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、ポリッシングの終了したポリッシング対象物を円滑に次工程に搬送する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。
【００１３】
【解題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、基板を保持する基板保持部材と、前記基板の被研磨面を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、前記基板と前記研磨面を相対的に循環移動させる循環移動機構とを備え、前記循環移動機構には、前記基板の被研磨面が前記研磨面に対して一定のオーバーハング状態となるように前記基板保持部材と前記研磨テーブルの停止位置を制御するオーバーハング制御手段が設けられていることを特徴とするポリッシング装置である。
【００１４】
これにより、ポリッシング終了後の基板を研磨面から離脱させる時に、基板と研磨面との間に生じる表面張力を常に一定にし、基板の搬送を円滑に、かつ基板に余分の負荷を掛けることなく行なうことができる。ここで、オーバーハング状態とは、基板の被研磨面が研磨テーブルの研磨面に対してずれた状態、すなわち、はみ出した状態を言う。また、一定のオーバーハング状態とは、そのようなはみ出し量（オーバーハング量）が一定であることを言う。オーバーハング量としては、これが大きいほど接触面積が小さくなって表面張力が低下するので、離脱は容易となるが、基板保持部材の中心が研磨面のエッジに近づくと基板保持部材の姿勢が不安定になるので、５０％程度が好適であり、最大でも基板保持部材の中心が研磨面のエッジを超えないようにする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記オーバーハング制御手段は、前記研磨テーブルを予め定めた一定位置で停止するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置である。前記研磨テーブルを予め定めた一定位置で停止すれば、基板保持部材も常に同じ位置に移動することによって一定のオーバーハング状態とすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記オーバーハング制御手段は、前記研磨テーブルの停止位置を検知し、その停止位置に対応して前記基板保持部材の位置を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１ないし図５は、本発明の１つの実施の形態のポリッシング装置を示すもので、このポリッシング装置は、図１に示すように、全体が長方形をなす床Ｆの一端側に研磨部２が配置され、他端側には、基板収納用カセット４ａ，４ｂを載置するロード・アンロードユニット４が設けられている。研磨部２とロード・アンロードユニット４との間には、２台の搬送ロボット６ａ，６ｂを有する搬送部６と洗浄機８ａ，８ｂ及び反転機８ｃが配置されている。
【００１８】
研磨部２には、研磨テーブル１０と、この研磨テーブル１０を挟む位置にトップリング装置１２及びドレッシング装置１４とが設けられ、研磨テーブル１０の側方に、搬送ロボット６ｂと基板Ｗの授受を仲介するプッシャ１５が設置されている。研磨テーブル１０の上面には、研磨部材としての円板状の砥石１６が固着され、この砥石１６の表面に平坦な研磨面１６ａが形成されている。研磨テーブル１０の下方には、例えば制御可能なサーボモータで構成された駆動モータ１８が配置されている。なお、特に仕上げ研磨の場合は、研磨部材として従来のように砥石の代わりに研磨布を使用してもよい。
【００１９】
駆動モータ１８の上下方向に延びる駆動軸２０の上端には該駆動軸２０の軸心Ｏ_１と偏心量"ｅ"だけ偏心した位置に軸心Ｏ_２を有する駆動ピン２０ａが設けられている。一方、研磨テーブル１０の裏面中央には凹部１０ａが形成され、この凹部１０ａの内部に軸受２２を介して駆動ピン２０ａが収容されている。なお、図示していないが、研磨テーブル１０の支持機構には、研磨テーブル１０が駆動ピン２０ａまわりに自転するのを防止するための機構が設けられている。
【００２０】
これにより、駆動モータ１８の駆動に伴う駆動軸２０の回転によって、駆動ピン２０ａが偏心量"ｅ"を半径とした円軌道を描き、研磨テーブル１０は、自転することなく、偏心量"ｅ"を半径とした公転運動である循環並進運動（スクロール運動）を行うようになっている。
【００２１】
駆動モータ１８には、エンコーダ２４が装着され、研磨テーブル１０の下方には、研磨テーブル１０の原点位置を検出する原点センサ２６が配置されている。そして、エンコーダ２４及び原点センサ２６からの信号は制御装置２８に入力され、この制御装置２８から駆動モータ１８へ制御信号が出力され、これにより研磨テーブル１０の停止位置が制御されるようになっている。
【００２２】
トップリング装置１２には、カバー３０の内部を挿通する支持軸３２が設けられ、この支持軸３２の下端に基板Ｗを吸着保持しつつ該基板Ｗを研磨面１６ａに向けて所定の力で押し付ける略円盤状のトップリング３４が取り付けられている。そして、カバー３０の内部には、図示しないモータ、揺動アーム及び上下動シリンダが配置され、揺動アームの基端は上下方向に延びる回転自在な支柱３６の上端に連結されているとともに、この揺動アームの自由端に支持軸３２が上下動及び回転自在に支承されている。
【００２３】
これによって、支柱３６の回転によって揺動アームがカバー３０と共に水平方向に揺動し、モータの駆動及び上下動シリンダの作動に伴って、支持軸３２とトップリング３４が一体となって回転及び上下動するようになっている。
【００２４】
次に、このような構成のポリッシング装置の動作を図２，３及び５を参照して説明する。まず、プッシャ１５上に載置された基板Ｗをトップリング３４によって吸着保持し、揺動アームを介してトップリング３４を研磨テーブル１０の上方の支持軸３２の軸心が駆動軸２０の軸心Ｏ_１に一致する位置まで移動させる。研磨テーブル１０は、駆動モータ１８の駆動により円軌跡を描く循環並進運動をしている。この状態で、図５（ａ）に示すように、基板Ｗを回転させながら下降させ、研磨テーブル１０の研磨面１６ａに向けて押圧して、基板Ｗを研磨する。
【００２５】
ポリッシングが終了した後、研磨テーブル１０を一定位置に停止させるように、つまり、駆動ピン２０ａの軸心Ｏ_２が駆動軸２０の軸心Ｏ_１に対して所定の方向に来た位置で停止させるように、駆動モータ１８を制御する。これは例えば以下のようにして行なう。すなわち、研磨テーブル１０の原点が原点センサ２６を通過した時の位置を予め制御装置２８に記憶しておく。そして、原点から停止位置までのエンコーダ２４のパルス数を予め設定しておき、原点通過後にエンコーダ２４から出力されるパルス数が設定値になったときに駆動モータ１８を停止させる。
【００２６】
次に、図５（ｂ）に示すように、トップリング３４を回転させつつ、揺動アームを予め定めた所定角度だけ揺動させ、トップリング３４を、保持している基板Ｗの被研磨面を研磨面１６ａに摺動させつつ平行移動させ、図５（ｃ）に示す所定のオーバーハング位置で停止させる。揺動アームを所定位置で停止させる方法も上述したものと基本的に同じである。
【００２７】
このオーバーハング位置におけるオーバーハング量（基板Ｗの被研磨面のうち研磨面１６ａの表面から外方にはみ出す面積の割合）は、図５（ｃ）を下方から見た図である図５（ｄ）に示すように、約２０〜５０％程度であり、しかも基板Ｗの中心が研磨面１６ａの面上にある位置である。前述のように、この実施の形態では、研磨テーブル１０の停止位置は常に一定であり、トップリング３４の揺動距離も一定であるから、オーバーハング位置も常に一定になる。従って、センサを設けて研磨テーブルの停止位置をその都度検知し、これに基づいてトップリングの揺動量を決めるような複雑な工程を経ることなく、オーバーハング量を一定とすることができる。
【００２８】
そして、図５（ｅ）に示すように、トップリング３４を回転させたまま上昇させて、基板Ｗを研磨面１６ａから離脱させる。このとき、オーバーハング量が一定なので、基板Ｗと研磨面１６ａとの間に生じる表面張力が一定となって、常に安定した離脱動作を行うことができる。その後、トップリング３４の回転を停止させ、揺動アームを揺動させてトップリング３４をプッシャ１５の上方に移動し、ポリッシング終了後の基板Ｗをプッシャ１５上に搬送する。
【００２９】
なお、この実施の形態においては、基板と研磨テーブルどうしの離脱位置を一定としてオーバーハング量を一定にするようにした例を示しているが、ポリッシング終了時における研磨テーブルの停止位置を特に一定にすることなく、停止した位置を検知してから、この研磨テーブルの停止位置に合わせて、基板と研磨面との接触面積が一定となるようにオーバーハング位置にトップリングを移動するように制御しても良い。
【００３０】
また、以上の説明では、トップリングに保持された基板と研磨テーブルの間の位置制御について説明したが、ドレッシング装置におけるドレッサ（ドレッシング工具）と研磨テーブルに対して同様の制御を行ってもよい。これにより、ドレッサが研磨テーブルから円滑に離脱し、砥石や研磨布が研磨テーブルから剥離する等の事故を防止することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板を研磨テーブルから離脱させる際の基板の研磨面に対するオーバーハング量を一定にすることにより、ポリッシングの終了したポリッシング対象物を搬送する作業を円滑に行なうことができ、基板や装置に無用の力が掛かったり、それによる事故の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のポリッシング装置の全体の構成を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態のポリッシング装置の要部を示す斜視図である。
【図３】図２の研磨テーブルの平面図である。
【図４】図２のポリッシング装置の断面図である。
【図５】図２のポリッシング装置の動作の説明に付する斜視図である。
【図６】従来の研磨テーブルの断面図である。
【符号の説明】
１０研磨テーブル
１２トップリング装置
１５プッシャ
１６砥石
１６ａ研磨面
１８駆動モータ
２０駆動軸
２０ａ駆動ピン
２２軸受
２４エンコーダ
２６原点センサ
２８制御装置
３４トップリング

Claims

研磨面を有する研磨テーブルと、
基板を保持する基板保持部材と、
前記基板の被研磨面を前記研磨面に対して押圧する押圧機構と、
前記基板と前記研磨面を相対的に循環移動させる循環移動機構とを備え、
前記循環移動機構には、前記基板の被研磨面が前記研磨面に対して一定のオーバーハング状態となるように前記基板保持部材と前記研磨テーブルの停止位置を制御するオーバーハング制御手段が設けられていることを特徴とするポリッシング装置。
前記オーバーハング制御手段は、前記研磨テーブルを予め定めた一定位置で停止するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
前記オーバーハング制御手段は、前記研磨テーブルの停止位置を検知し、その停止位置に対応して前記基板保持部材の位置を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。