JP3841491B2 - 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、半導体ウエハ等の被研磨材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ものである。
【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。これに伴い、光リソグラフィなどで回路形成を行なう場合に焦点深度が浅くなるので、ステッパの結像面のより高い平坦度を必要とする。半導体ウエハの表面を平坦化する手段として、回転するターンテーブル上に貼付した研磨布に砥粒を含む研磨液を供給しながら、キャリアで保持した半導体ウエハを研磨布に押しつけて研磨する化学機械的研磨が行われている。
【０００３】
化合物半導体などにおいては、研磨液を変えて２段階で研磨することが行われる。このためのポリッシング装置として、米国特許第４，１４１，１８０号、あるいは、特開平４−３３４０２５号に記載された技術がある。これらのポリッシング装置は、いずれも２つのターンテーブルを備えており、半導体ウエハを保持するキャリア自体を移動させることにより、半導体ウエハをこれらのターンテーブル間で移動させ、間に洗浄工程を挟んで２段階の研磨を行なうようになっている。この洗浄工程では、いずれも半導体ウエハの下面（研磨面）側を水やブラシで洗浄するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これまでのポリッシング装置は、以下のような問題が有った。
（１）第１次研磨と第２次研磨の間の半導体ウエハの洗浄作業を、半導体ウエハをキャリアに取り付けたままで行っているので、半導体ウエハの下面以外の裏面又は側面の洗浄が不充分となる。従って、これらの面に残留した１次研磨の研磨液や砥粒が２次研磨において汚染源となって品質を低下させる。
（２）米国特許第４，１４１，１８０号においては、２つのターンテーブルが近接しているので、研磨液の飛散により同様の汚染が生じる。
（３）シリコン半導体ウエハなどの研磨においては、２段階の研磨工程を必要としない場合もある。米国特許第４，１４１，１８０号においては、キャリアが１つしかないので２つのターンテーブルの双方を同時に稼動させてスループットを上げることができない。特開平４−３３４０２５号に記載された技術においても、２つのキャリアが同一レール上を走行するので、他方のキャリアの作業終了を待つ待機時間が長くなり、スループットや品質に与える悪影響を無視できない。
【０００５】
本発明は、２段研磨等の多段の研磨作業において、前段階の研磨液による汚染を防止して、品質や歩留まりの低下を防ぐことができ、しかも１段研磨をパラレルに行ってスループットを上げるように用いることもできるようなポリッシング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１に記載の発明は、被研磨材を収容する収容部と、それぞれがターンテーブルとトップリングを有する少なくとも２つの研磨ユニットと、研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する洗浄装置と、これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置と、被研磨材を反転させる反転装置とを備え、前記反転装置及び洗浄装置のそれぞれを少なくとも２つ設け、前記研磨ユニットを前記収容部と対向する位置に並置し、前記反転装置及び／又は前記洗浄装置を、研磨ユニットと収容部を結ぶ搬送ラインの両側に分散配置したことを特徴とするポリッシング装置である。
請求項２に記載の発明は、被研磨材を収容する収容部と、それぞれがターンテーブルとトップリングを有する少なくとも２つの研磨ユニットと、研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する洗浄装置と、これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置と、被研磨材を反転させる反転装置とを備え、前記反転装置及び洗浄装置のそれぞれを少なくとも２つ設け、前記搬送装置は、ドライな被研磨材を取り扱うフィンガーと、ウエットな被研磨材を取り扱うフィンガーとを備えていることを特徴とするポリッシング装置である。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、被研磨材を収容する収容部と、それぞれがターンテーブルとトップリングを有する少なくとも２つの研磨ユニットと、研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する洗浄装置と、これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置と、被研磨材を反転させる反転装置とを備え、前記反転装置及び洗浄装置のそれぞれを少なくとも２つ設け、前記反転装置のうち１つはドライな被研磨材を取り扱い、他の１つはウエットな被研磨材を取り扱うことを特徴とするポリッシング装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明のポリッシング装置の第１の実施の形態を説明する図であり、図１は平面図、図２は斜視図である。この装置は、全体が長方形をなす床上のスペースの一端側に一対の研磨ユニット１ａ，１ｂが左右に対向して配置され、他端側にそれぞれ半導体ウエハ収納用カセット２ａ，２ｂを載置する一対のロード・アンロードユニットが配置されている。そして、研磨ユニットとロード・アンロードユニットを結ぶ線上に走行レール３が敷設され、このレール上に搬送ロボット４ａ，４ｂが２台配置されて、搬送ラインが形成されている。搬送ラインの両側に、それぞれ１台の反転機５，６とこれの両隣の２台の洗浄機７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂが配置されている。
【０００９】
２基の研磨ユニット１ａ，１ｂは、基本的に同一の仕様の装置が搬送ラインに対称に配置されており、それぞれ、上面に研磨布を貼付したターンテーブル９と、半導体ウエハを真空吸着により保持してターンテーブル面に押し付けるトップリングヘッド１０と、研磨布の目立てを行なうドレッシングヘッド１１とを備えている。
【００１０】
図３は、研磨ユニット１ａ又は１ｂの詳細を示す断面図である。
図３に示すように、トップリングヘッド１０は、ターンテーブル９の上方に位置し、半導体ウエハ２０を保持しつつターンテーブル９に押しつけるトップリング１３を具備している。前記ターンテーブル９はモータ（図示せず）に連結されており、矢印Ａで示すようにその軸心９ａの回わりに回転可能になっている。またターンテーブル９の上面には、研磨布１４が貼設されている。
【００１１】
トップリング１３は、モータおよび昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによって、トップリング１３は矢印Ｂ，Ｃで示すように昇降可能かつその軸心回わりに回転可能になっており、半導体ウエハ２０を研磨布１４に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。また半導体ウエハ２０はトップリング１３の下端面に真空等によって吸着されるようになっている。なお、トップリング１３の下部外周部には、半導体ウエハ２０の外れ止めを行なうガイドリング１６が設けられている。
【００１２】
また、ターンテーブル９の上方には砥液供給ノズル１５が設置されており、砥液供給ノズル１５によってターンテーブル９に張り付けられた研磨布１４上に研磨砥液が供給されるようになっている。またターンテーブル９の周囲には、砥液と水を回収する枠体１７が設けられ、枠体１７の下部にはとい１７ａが形成されている。
【００１３】
ドレッシングヘッド１１はドレッシング部材１８を有している。ドレッシング部材１８は、研磨布１４上のトップリング１３の位置の反対側にあり、研磨布１４のドレッシングを行なうことができるように構成されている。研磨布１４には、ドレッシングに使用するドレッシング液、たとえば水がテーブル上に伸びた水供給ノズル２１から供給されるようになっている。ドレッシング部材１８は昇降用のシリンダと回転用のモータに連結されており、矢印Ｄ，Ｅで示すように昇降可能かつその軸心回わりに回転可能になっている。
【００１４】
ドレッシング部材１８はトップリング１３とほぼ同径の円盤状であり、その下面にドレッシングツール１９を保持している。ドレッシング部材１８の下面、即ちドレッシングツール１９を保持する保持面には図示しない孔が形成され、この孔は真空源に連通し、ドレッシングツール１９を吸着保持する。砥液供給ノズル１５および水供給ノズル２１はターンテーブル上面の回転中心付近にまで伸び、研磨布１４上の所定位置に砥液および水をそれぞれ供給する。
【００１５】
トップリング１３に保持された半導体ウエハ２０を研磨布１４上に押圧し、ターンテーブル９およびトップリング１３を回転させることにより、半導体ウエハ２０の下面（研磨面）が研磨布１４と擦り合わされる。この時、同時に研磨布１４上に砥液供給ノズル１５から砥液を供給することにより、半導体ウエハ２０の研磨面は、砥液中の砥粒の機械的研磨作用と砥液の液体成分であるアルカリによる化学的研磨作用との複合作用によってポリッシングされる。ポリッシングに使用された砥液はターンテーブル９の遠心力によってターンテーブル外へ飛散し、枠体１７の下部のとい１７ａで回収される。
【００１６】
半導体ウエハ２０の所定の研磨量を研磨した時点でポリッシングを終了する。このポリッシングが終了した時点では、ポリッシングによって研磨布の特性が変化し、次に行なうポリッシングの研磨性能が劣化するので、研磨布のドレッシングを行なう。
【００１７】
ドレッシングツール１９を下面に保持したドレッシング部材１８およびターンテーブル９を回転させた状態でドレッシングツール１９を研磨布１４に当接させ、所定圧力をかける。このとき、ドレッシングツール１９が研磨布に接触するのと同時もしくは接触前に、水供給ノズル２１から研磨布１４上面に水を供給する。水を供給するのは研磨布１４上に残留している使用済み砥液を洗い流すことを目的としている。また、ドレッシング処理はドレッシングツール１９と研磨布１４とを擦り合わせるため、ドレッシング処理によって発生する摩擦熱を除去するという効果もある。研磨布１４上に供給された水はターンテーブル９の回転による遠心力を受けてテーブル外へ飛散し、枠体１７の下部のとい１７ａで回収される。
【００１８】
図１に示すように、研磨ユニット１ａ，１ｂは、それぞれの搬送ライン側に、半導体ウエハをトップリング１３との間で授受するプッシャ１２を備えている。トップリング１３は水平面内で旋回可能とされ、プッシャ１２は上下動可能となっている。
【００１９】
洗浄機の形式は任意であるが、例えば、研磨ユニット側がスポンジ付きのローラで半導体ウエハ表裏両面を拭う形式の洗浄機７ａ，７ｂであり、カセット側が半導体ウエハのエッジを把持して水平面内で回転させながら洗浄液を供給する形式の洗浄機８ａ，８ｂである。後者は、遠心脱水して乾燥させる乾燥機としての機能をも持つ。洗浄機７ａ，７ｂにおいて、半導体ウエハの１次洗浄を行うことができ、洗浄機８ａ，８ｂにおいて１次洗浄後の半導体ウエハの２次洗浄を行うことができるようになっている。
【００２０】
ロボット４ａ，４ｂは、例えばレール３上を走行する台車の上部に水平面内で屈折自在に関節アームが設けられているもので、それぞれ上下に２つの把持部を、ドライフィンガーとウエットフィンガーとして使い分ける形式となっている。この実施の形態ではロボットを２基使用しているので、基本的に、第１ロボット４ａは、反転機５，６よりカセット側の領域を、第２ロボット４ｂは反転機５，６より研磨ユニット側の領域を受け持つ。
【００２１】
反転機５，６は、この実施の形態では、カセットの収納方式やロボットの把持機構との関係で必要であるが、常に半導体ウエハの研磨面が下向きの状態で移送されるような場合には必要ではない。また、ロボットに反転機能を持たせるような構造の場合も必要ではない。この実施の形態では、２つの反転機５，６をドライな半導体ウエハを扱うものと、ウエットな半導体ウエハを扱うものと使い分けている。
【００２２】
このような構成のポリッシング装置においては、シリーズ処理とパラレル処理の双方が行われる。図４は、その工程における半導体ウエハの流れの１つの例である。
（１）シリーズ処理（逐次処理）（図４（ａ）参照）
シリーズ処理（２段階研磨）の場合は、洗浄機は３台が稼動する。
半導体ウエハの流れは、カセット２ａ→反転機５→第１研磨ユニット１ａ→洗浄機７ａ→第２研磨ユニット１ｂ→洗浄機７ｂ→反転機６→洗浄機８ｂ→カセット２ａとなる。ロボット４ａ，４ｂは、それぞれ、ドライな半導体ウエハを扱う時はドライフィンガーを用い、濡れた半導体ウエハを扱う時はウエットフィンガーを用いる。プッシャ１２は、ロボット４ｂから半導体ウエハを受け、トップリング１３が上方に来た時に上昇して半導体ウエハを渡す。研磨後の半導体ウエハは、プッシャ１２の位置に設けられたリンス液供給装置によってリンス洗浄する。
【００２３】
このようなポリッシング装置では、プッシャ１２及び洗浄機７ａで半導体ウエハがトップリング１３と切り離された状態で洗浄されるので、半導体ウエハの研磨面だけでなく裏面や側面に付着する第１次研磨用の研磨液等を完全に除去することができる。第２次の研磨を受けた後は、洗浄機７ｂ及び洗浄機８ｂで洗浄され、スピン乾燥されてカセット２ａへ戻される。シリーズ処理においては、第１研磨ユニット１ａにおける研磨条件と第２研磨ユニット１ｂにおける研磨条件は異なっている。
【００２４】
（２）パラレル処理（並列処理）（図４（ｂ）参照）
この場合は、４基の洗浄機を稼動させる。カセットは２つを用いても、１つのカセットを共用してもよい。
半導体ウエハが、カセット２ａ→反転機５→研磨ユニット１ａ→洗浄機７ａ→反転機６→洗浄機８ａ→カセット２ａと移動する流れと、半導体ウエハがカセット２ａ→反転機５→研磨ユニット１ｂ→洗浄機７ｂ→反転機６→洗浄機８ｂ→カセット２ａと移動する流れの２系列あることになる。反転機５，６は、シリーズ処理の場合と同様に、研磨前のドライな半導体ウエハを扱うものと、研磨後のウエットな半導体ウエハを扱うものと使い分けるが、洗浄機は搬送ラインの両側のいずれを用いてもよい。パラレル処理においては、研磨ユニット１ａ，１ｂにおける研磨条件は同一であり、洗浄機７ａ，７ｂにおける洗浄条件は同一であり、洗浄機８ａ，８ｂにおける洗浄条件は同一である。洗浄機８ａ，８ｂにおいて、半導体ウエハは洗浄およびスピン乾燥された後、カセット２ａへ戻される。
【００２５】
図５は、この発明の他の実施の形態を示すもので、ロボット４ａ，４ｂが図１の場合のようにレール上を走行する形式ではなく、据えつけ型である。距離的に長い搬送が必要でない場合には、レールが無い方が装置の構成が簡単になる。
【００２６】
なお、この発明の実施の形態は前記に限られるものではなく、洗浄機や搬送装置の台数や配置は任意である。例えば、パラレル処理を行わない場合には、洗浄機は３台設ければ足りる。また、反転機の有無、配置、台数、形式、ロボットの形式、プッシャーの有無等も任意である。
【００２７】
【実施例】
前記のような装置を用いて実際に研磨を行った。シリーズ処理の場合、１次研磨の研磨液が２次研磨に持ち込まれることはなく、これに起因する汚染は全くみられなかった。
表１に、比較例と、本発明のシリーズ処理およびパラレル処理の場合における半導体ウエハ処理能率の比較を示す。比較対象の１ターンテーブルの装置は、１つのターンテーブルと必要数の洗浄機、反転機、ロボットを有する形式のものである。これによると、本発明はパラレル処理における１つのターンテーブル当たりのスループットが比較例に対して遜色がない。従って、床占有面積当たりの能率は大きく向上していることが分かる。

【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２段階以上の研磨を行う場合に、前段階の研磨液による汚染を防止して、研磨された製品の品質及び歩留りの向上を図ることができる。また１段研磨をパラレル（並列的）に行って製品のスループットを上げることができる。
また本発明によれば、１つの装置によって、２段階研磨を行うシリーズ処理と、１段研磨をパラレルに行うパラレル処理とを選択的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のポリッシング装置を模式的に示す平面図である。
【図２】この発明のポリッシング装置の外観を示す斜視図である。
【図３】図１及び図２に示す研磨ユニットの詳細を示す断面図である。
【図４】図１乃至図３に示すポリッシング装置の動作を示す図である。
【図５】この発明の他の実施の形態のポリッシング装置の平面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 研磨ユニット
２ａ，２ｂ カセット（収容部）
４ａ，４ｂ ロボット（搬送装置）
５，６ 反転機（反転装置）
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ 洗浄機（洗浄装置）
９ ターンテーブル
１０ トップリングヘッド
１１ ドレッシングヘッド
１２ プッシャー
１３ トップリング
１４ 研磨布

Claims (7)

1. 被研磨材を収容する収容部と、
   それぞれがターンテーブルとトップリングを有する少なくとも２つの研磨ユニットと、
   研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する洗浄装置と、
   これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置と、
   被研磨材を反転させる反転装置とを備え、
   前記反転装置及び洗浄装置のそれぞれを少なくとも２つ設け、
   前記研磨ユニットを前記収容部と対向する位置に並置し、前記反転装置及び／又は前記洗浄装置を、研磨ユニットと収容部を結ぶ搬送ラインの両側に分散配置したことを特徴とするポリッシング装置。
2. 被研磨材を収容する収容部と、
   それぞれがターンテーブルとトップリングを有する少なくとも２つの研磨ユニットと、
   研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する洗浄装置と、
   これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置と、
   被研磨材を反転させる反転装置とを備え、
   前記反転装置及び洗浄装置のそれぞれを少なくとも２つ設け、
   前記搬送装置は、ドライな被研磨材を取り扱うフィンガーと、ウエットな被研磨材を取り扱うフィンガーとを備えていることを特徴とするポリッシング装置。
3. 被研磨材を収容する収容部と、
   それぞれがターンテーブルとトップリングを有する少なくとも２つの研磨ユニットと、
   研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する洗浄装置と、
   これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置と、
   被研磨材を反転させる反転装置とを備え、
   前記反転装置及び洗浄装置のそれぞれを少なくとも２つ設け、
   前記反転装置のうち１つはドライな被研磨材を取り扱い、他の１つはウエットな被研磨材を取り扱うことを特徴とするポリッシング装置。
4. 被研磨材を収容する収容部と、
   それぞれがターンテーブルとトップリングを有する２つの研磨ユニットと、
   研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する２つの洗浄装置と、
   これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置とを備え、
   一方の研磨ユニットで被研磨材の第１次研磨を行い、一方の洗浄装置で第１次研磨後の被研磨材の洗浄を行い、他方の研磨ユニットで被研磨材の第２次研磨を行い、他方の洗浄装置で第２次研磨後の被研磨材の洗浄を行う逐次処理が可能なことを特徴とするポリッシング装置。
5. 洗浄装置がさらに１つ設けられており、前記逐次処理された被研磨材の洗浄が可能であることを特徴とする請求項４に記載のポリッシング装置。
6. 前記洗浄装置は被研磨材を洗浄後に乾燥させることが可能であることを特徴とする請求項４又は５に記載のポリッシング装置。
7. 被研磨材を収容する収容部と、
   それぞれがターンテーブルとトップリングを有する２つの研磨ユニットと、
   研磨ユニットにおいて研磨がされた被研磨材をトップリングから外した状態で洗浄する２つの洗浄装置と、
   これらの装置の間で被研磨材を移送する搬送装置とを備え、
   一方の研磨ユニットと一方の洗浄装置とにより被研磨材の研磨および洗浄を行い、他方の研磨ユニットと他方の洗浄装置とにより被研磨材の研磨および洗浄を行う並列処理と、
   一方の研磨ユニットで被研磨材の第１次研磨を行い、一方の洗浄装置で第１次研磨後の被研磨材の洗浄を行い、他方の研磨ユニットで被研磨材の第２次研磨を行い、他方の洗浄装置で第２次研磨後の被研磨材の洗浄を行う逐次処理との選択が可能であることを特徴とするポリッシング装置。

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