JP3998657B2 - 基板の研磨方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨方法および装置に係り、特に半導体ウエハ、ガラス基板、液晶パネル等の高度の清浄度が要求される基板を研磨・洗浄するのに好適な方法および装置に関する。

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り、特に０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合は、焦点深度が浅くなるためにステッパの結像面の平坦度を必要とする。また、基板上に配線間距離より大きなパーティクルが存在すると、配線がショートするなどの不具合が生じるので、基板の処理においては、平坦化とともに清浄化を図ることが重要となる。このような事情は、マスク等に用いるガラス基板、或いは液晶パネル等の基板のプロセス処理においても同様である。

従来の研磨装置として、図４に示すように、研磨ユニット１０、ロード・アンロードユニット２１、搬送ロボット２２、２つの洗浄機２３ａ、２３ｂを有するものがある。研磨ユニット１０は、図５に示されるように、上面にクロス（研磨布）１１を貼り付けたターンテーブル１２と、半導体ウエハ１を保持しつつターンテーブル１２に押しつけるトップリング１３とを具備している。

このような構成の研磨装置において、トップリング１３の下面に半導体ウエハ１を保持し、半導体ウエハ１を回転しているターンテーブル１２の上面の研磨布１１に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル１４から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布１１に研磨砥液Ｑが保持され、半導体ウエハ１の研磨される面（下面）と研磨布１１の間に研磨砥液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。

ターンテーブル１２とトップリング１３はそれぞれが独立の回転数で回転しており、トップリング１３は、ウエハ１の縁部がターンテーブル１２の中心及び縁から所定距離ａ、ｂだけ離れた位置に来るようにウエハ１を保持し、これにより、ウエハ１の全面が均一にかつ高速度で研磨される。従って、ターンテーブル１２の径Ｄは、次式に示すようにウエハ１の径ｄの２倍以上に設定されている。
Ｄ＝２（ｄ＋ａ＋ｂ）

研磨された半導体ウエハ１は、洗浄装置２３ａ、２３ｂにおいて１ないし数次の洗浄工程と乾燥工程を経て、ロード・アンロードユニット２１においてウエハ搬送用カセット２４に収容される。ウエハ１を洗浄する方法としては、ナイロン、モヘア等のブラシや、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）スポンジによって表面を擦るスクラブ洗浄が行われている。

上記のような従来の研磨装置においては、ターンテーブル１２とトップリング１３の相対的な変位が大きく、またその相対速度も大きいため効率的な研磨がなされ、平坦度も充分に得られるが、面粗度が大きくなる傾向がある。

また、清浄化に関しても、砥液を含む研磨液を用いた研磨の後に上述のようなスクラブ洗浄を行なう場合には、サブミクロンレベルのパーティクルの除去が難しい、あるいはウエハとパーティクルの結合力が強い場合に洗浄効果が現れないという問題点があった。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、面粗度を向上し研磨面を滑らかに仕上げると共に、研磨面に付着した微細なパーティクルを効率的に洗浄により除去できる基板の研磨方法及び装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、本発明では研磨工程において基板を自転する第１研磨工具面に押付けて研磨することで、平坦度を高めること、または所定の膜厚を除去することが出来る。その後、基板に対し、洗浄工程により不織布または不織布以外の研磨布ワイピングクロスにより成る第２研磨工具を当接して、スクラブ洗浄することで、基板の被研磨面の面粗度を向上し、この被研磨面を滑らかに仕上げるとともに該面に付着したパーティクルを効率よく除去する。すなわち、洗浄工程では、仕上げ研磨と洗浄とを同時に行う。

また、第２の研磨工具が循環並進運動を行うように構成することで、装置スペースが被処理基板に並進移動スペースを加えた程度の大きさのスペースですみ、コンパクトな装置を実現できる。

なお、上記の循環並進運動型の研磨装置は、一般的に言って研磨工具（テーブル）の寸法を小さく出来るが、そのために、対象物の被研磨面と研磨工具の研磨面（研磨布表面）の相対速度が従来の研磨装置に比べて小さく、この相対速度が小さいことによって十分な研磨スピードが得にくいという欠点が有った。しかし、本発明に示している研磨兼洗浄を行う第２の研磨工程（洗浄工程）に於ては、研磨スピードとしてはそれほど大きな値が必要無いので、循環並進運動型の研磨装置を適用することが容易になる。

本発明によれば研磨工程において研磨部の自転する第１の研磨工具に基板の被研磨面を所定圧力で押しつけ研磨し、その後、洗浄工程において洗浄部で、ワイピングクロスまたは不織布または不織布以外の研磨布よりなる第２の研磨工具を基板の被研磨面に当接させて該面を仕上げ研磨すると同時に効率よくスクラブ洗浄するものであり、研磨工程で基板の平坦度を高め、または、所定の膜厚を除去し、その後、洗浄工程で基板の被研磨面の面粗度を向上させ滑らかに仕上げるとともに、付着したパーティクルを効率よく除去し、平坦で滑らかな、しかも清浄な研磨面を得ることができる。

また、この発明の装置によれば、第２の研磨工具が全体に循環並進運動を行なうものであるので、被処理基板に循環並進移動スペースを加えた程度の大きさで済み、装置全体もコンパクトになり、これに伴い、駆動用モータも小型で済み、占有面積も小さくてよい。

図１は、この発明の研磨・洗浄装置の実施の形態を示すもので、長方形のスペースの一端側に被研磨材であるウエハ１の出し入れを行なうロード・アンロードユニット２１が設けられ、他端側にはターンテーブルとトップリングを備えた主研磨ユニット（研磨部）１０が設けられている。そして、これらを結ぶウエハ搬送ライン上に、この例では２基の搬送ロボット２２ａ、２２ｂが走行可能に設けられ、この搬送ラインの一方の側にウエハ１を反転するための反転機２５が、他方の側に洗浄ユニット（洗浄部）３０と３機のリンス洗浄またはブラシ、スポンジ等による、スクラブ洗浄機等の洗浄機２３ａ、２３ｂ、２３ｃが設置されている。主研磨ユニット１０は、１つのターンテーブル１２と２つのトップリング１３を備えており、２枚のウエハ１を並行して処理することができるが、この点を除けば図４及び図５により説明したものと同じである。

洗浄ユニット３０の構成を図２及び図３により説明する。これは、循環並進運動する研磨工具面を提供する並進テーブル部３１と、ウエハ１を被研磨面を下に向けて把持し、所定圧力で研磨工具面に押圧するトップリング３２を備えている。

なお、ここでいう循環並進運動とは、２つの面が互いに対面する姿勢を変えずに、すなわち相対的に回転することなく、所定の軌跡に沿った並進運動のみで相対移動する場合、あるいはこのような並進運動が主であるような相対移動を繰り返し行なう場合を指すもので、その軌跡としては直線に沿った往復運動でも、多角形や楕円のような特殊な形状の軌跡を描く運動でもよいが、研磨性及び機構上からみて最適には円運動である。この循環相対並進運動では、接触する面の各部分で同一の相対移動が行われる。

並進テーブル部３１は、内部にモータ３３を収容する筒状のケーシング３４の上部に、内側に環状に張り出す支持板３５が設けられ、これには周方向に３つ以上の支持部３６が形成され、定盤３７が支持されている。つまり、この支持部３６の上面と定盤３７の下面の対応する位置には、周方向に等間隔に複数の凹所３８、３９が形成され、これにはそれぞれベアリング４０、４１が装着されている。そして、このベアリング４０、４１は、図３に示すように“ｅ”だけずれた２つの軸体４２、４３を持つ連結部材４４が、各軸体の端部を挿入して装着され、これにより定盤３７が半径“ｅ”の円に沿って並進運動可能となっている。

また、定盤３７の中央下面側には、モータ３３の主軸４５の上端に偏心して設けられた駆動端４６を軸受４７を介して収容する凹所４８が形成されている。この偏心量も同様に“ｅ”である。モータ３３は、ケーシング３４内に形成されたモータ室４９に収容され、その主軸４５は上下の軸受５０、５１により支持されているとともに、偏心による負荷のバランスをとるバランサ５２ａ、５２ｂが設けられている。

定盤３７は、研磨すべきウエハ１の径に偏心量“ｅ”を加えた値よりやや大きい径に設定され、２枚の板状部材５３、５４を接合して構成されている。これらの部材の間には研磨面に供給する洗浄液を流通させる空間５５が形成されている。この空間５５は側面に設けられた洗浄液供給口５６に連通しているとともに、上面に開口する複数の洗浄液吐出孔５７と連通している。定盤３７の上面に貼付される研磨布５９にも対応する位置に吐出孔５８が形成されており、通常は定盤３７の全面にほぼ均一に分散配置されている。研磨布５９の表面に格子状、スパイラル状、あるいは放射状等の溝を設け、この溝に吐出口５８を連通させるようにしてもよい。

押圧手段であるトップリング３２は、シャフト６０の下端に研磨面に合わせてある程度の傾動を可能として取り付けられ、図示しないエアシリンダの押圧力と駆動モータの回転力がシャフト６０を介してこのトップリング３２に伝達される。このトップリング３２は、自転速度が遅い点以外は、構造的に図４及び図５に示すものと同一であるが、なお、ケーシング３４の上部外側には供給された洗浄液を回収する回収槽６１が取り付けられている。

以下、上記のように構成された研磨・洗浄装置の作用を説明する。収納カセット２４（図４参照）内のウエハ１は、搬送ロボット２２ａ、２２ｂにより必要に応じて反転機２５を介して主研磨ユニット１０のトップリング１３に取り付けられる。トップリング１３は、図５に示すように、自転しながらウエハ１をターンテーブル１２の研磨布１１上に押圧する。ウエハ１と研磨布１１の間の高速相対移動と、ノズル１４から供給される研磨砥液Ｑによって、研磨工程が行われる。

研磨工程が終わったウエハ１は、直接に又は粗洗浄を行った後、洗浄ユニット３０に移送され、ここで洗浄工程が行われる。すなわち、モータ３３の作動によって定盤３７が並進円運動し、トップリング３２に取り付けられたウエハ１は定盤３７に貼付した研磨布５９の面上に押し付けられる。

洗浄液供給口５６、洗浄液空間５５、洗浄液吐出孔５７、５８を介して研磨面に供給された洗浄液により洗浄および研磨が行われる。洗浄液吐出孔５７、５８により、ウエハ１中央部にも洗浄液を充分供給できる。研磨布５９とウエハ１の間には、半径“ｅ”の微小な相対並進円運動が生じて、ウエハ１の被研磨面はその全面において均一な研磨がなされる。なお、被研磨面と研磨面の位置関係が同じであると、研磨面の局部的な差異による影響を受けるので、これを避けるためにトップリング３２を徐々に自転させて、研磨布５９の同じ場所のみで研磨がなされるのを防止している。研磨面と被研磨面の接触する位置が順次変化し、全体に均一化した処理がなされる。

なお、研磨工程は、所定の研磨量を得るためにウエハ１と研磨工具（研磨布）１１の面を高速で相対移動させ、押圧力も比較的大きくしてウエハの平坦度を高めている、または研磨スピードを高めているのに対し、洗浄工程は平坦度や面粗度の向上とともに、付着している微細径の粒子を除去することを目的とするので、研磨工具（研磨布）５９の面の粗度を小さくし、工具とウエハの相対移動速度、押圧力を研磨工程に比べて小さく設定する。また、洗浄液としては、通常は純水を用い、必要に応じて薬液や特殊スラリーを用いる。すなわち接触面にはそれぞれの目的に応じた薬剤を介在させる。研磨工程では砥粒を含ませ、洗浄工程では、砥粒は通常用いず、用いる場合でも極微細な砥粒を少量用いる。

洗浄工程が終わったウエハは、必要に応じて洗浄機２３ａ〜２３ｃにおいて数次の洗浄が行われた後乾燥され、ウエハカセット２４に収容される。この研磨洗浄装置においては、研磨工程を行なう主研磨ユニット１０では２つのトップリング１３が設けられている。従って、洗浄工程の所要時間を研磨工程の研磨時間のほぼ２分の１にすることにより、各装置がロスタイムなしに稼動して効率の向上を図ることができる。

従って、装置の全体のスループット（処理量）は、図４及び図５に示した従来の装置に比べて向上する。また、洗浄ユニット３０は、循環並進運動型であるので、定盤３７の大きさはウエハ１の大きさより偏心量である“ｅ”だけ大きな程度の径であれば良い。これに伴い、駆動用モータも小型で済み、占有面積も小さくてよい。この利点は、半導体ウエハなどの被処理基板が大型化するに従い大きくなる。また、第２の研磨工具が自転を伴わないので、被処理基板のどの部分でも同一の相対速度が得られ、低速で研磨しても平坦性が得やすく、従って、滑らかな面を得るにも有利である。従って、設置面積を小さくすることができる。さらに、この洗浄ユニット３０では、定盤３７が循環並進運動をするので、図２に示すように定盤３７をその縁部の複数箇所で支持することができ、押圧力がかかっても定盤が安定に支持されるので高速で回転するターンテーブルに比べてより平坦度の高い研磨を行なうことができる。

以下に、研磨工程と洗浄工程の平均的な実施条件を対比して示す。
１ 研磨工程
研磨剤 被研磨剤の材質により異なる
研磨布 被研磨剤の材質により異なる
面圧 ２００〜５００ｇ／ｃｍ^２
相対速度 ０．０７〜０．６ｍ／ｓｅｃ
時間 研磨量により異なる
２ 洗浄工程
洗浄液 水、薬液、スラリー
研磨布 柔らかいクロス（不織布、ナップ層の物）
面圧 ０〜２００ｇ／ｃｍ^２
相対速度 ０．０７〜０．６ｍ／ｓｅｃ
時間 １０〜１２０ｓｅｃ

なお、上記の実施例では、研磨工具を循環並進運動させているが、基板側を運動させるようにしても良い。また、上記では、モータの回転駆動軸に偏心した駆動端を形成して定盤を並進円運動させたが、例えば、ＸＹステージを用いてＸ方向とＹ方向の運動のベクトル和として定盤を運動させてもよく、工具と基板の双方を運動させて同じ並進運動を得ても良い。さらに、上記実施の形態ではクランク状の連結部材を用いて定盤を支持したが、自転を規制しながら並進運動を可能とするような適当な支持構造、例えば、磁気軸受や無潤滑滑り軸受を用いても良い。

また、本発明は本実施例に限らず、種々の変更が可能である。
すなわち、本発明は、研磨部において、自転する第１の研磨工具に、基板の被研磨面を所定圧力で押しつけ研磨し、その後に、洗浄部において、ワイピングクロスまたは不織布または不織布以外の研磨布から成る第２の研磨工具を基板の被研磨面に当接させて研磨しつつスクラブ洗浄するという要件を満たしていれば、上述の構成と異っていてもよく、例えば図１の２つのトップリング１３を有する研磨部に代えて、図５のような１つのトップリングを有する研磨部を用い、図１の定盤の並進運動する洗浄部に代えて、図５のような１つのトップリングを有する洗浄部を用いてもよい。この場合、研磨部では上述した研磨剤を、洗浄部では上述した水、薬液、スラリー等の洗浄液を用い、研磨部、洗浄部では上述したように、ウエハと研磨工具との相対速度、ウエハと研磨工具との押圧力、研磨工具の面粗度等を切換える。

洗浄部で用いる第２研磨工具としては、研磨布、ワイピングクロスなどが適しており、研磨布は一般的に、半導体ウエハを鏡面かつ平坦に研磨するポリッシングに用いられているものであり、市場で入手できるものである。例えば、ポリエステルから成る不織布やローデル社製のＳｕｂａ８００やＩＣ−１０００、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等である。Ｓｕｂａ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた研磨布であり、ＩＣ−１０００は発泡ポリウレタンである。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）となっており、その表面に多数の微細なへこみを有している。よって、このへこみで微細なパーティクルを捕捉できるものと考えられる。

本来、研磨布は半導体ウエハの研磨に使用するものであり、研磨布表面に砥液中の砥粒が付着し易い構造となっている。この研磨布を半導体ウエハの洗浄に用いることにより、半導体ウエハに頑強に付着しているパーティクルを容易に離脱させることが可能である。
また、本発明の洗浄装置では、本来研磨を行う研磨布を用いているため、洗浄と同時に半導体ウエハの被洗浄面の面粗度が小さくなり、平滑にされることが確認された。

またワイピングクロスは、直径１〜２μｍの超極細繊維からなり、例えば東レのミラクルシリーズ（商品名）、鐘紡のミニマックス（商品名）等として市販されている。これらのワイピングクロスは、１平方インチ当たりの繊維数が１０〜２０万本と高密度であるため、拭き取り対象物との接点を著しく増大して、微細なパーティクルの拭き取り能力を優れたものとしている。

ワイピングクロスは薄い布であるため、洗浄中に半導体ウエハ１を破損しないようスポンジ又はゴム等の緩衝材を介して定盤上に取り付けてもよい。

又、以上の実施例は半導体ウエハの洗浄について説明したが、ガラス基板、液晶パネル等の高度の清浄度の要求される基板についても同様に適用できるのは勿論のことである。このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。
尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

さらに、本発明の他の実施例としては、研磨部の直近の後段に、図１の符号２３ａ〜ｃのような従来のリンス洗浄装置、スクラブ洗浄装置を設け、そこでウエハに付着した比較的大きいパーティクルを落とし、その後段に図２の洗浄部を設けて、通常のブラシ、スポンジによるスクラブ洗浄では除去できないサブミクロンレベルのパーティクルを除去し高い洗浄効果を得るような構成にすることも考えられる。

この発明の研磨装置の全体の配置を示す図である。 洗浄ユニットの断面図である。 図２の定盤の縁部の支持部を拡大して示すモータ側の平面図及び断面図である。 従来の研磨装置を示す斜視図である。 従来の研磨ユニットの断面図である。

符号の説明

１ 基板（ウエハ）
１０ 主研磨ユニット（研磨部）
１１ 研磨布（第１の研磨工具）
１３ トップリング（押圧手段）
３０、３０ａ、３０ｂ 洗浄ユニット（洗浄部）
５９ 研磨布（第２の研磨布工具）
３２ トップリング（押圧手段）
１０３ 研磨布（第２の研磨工具）
１１３ ワイピングクロス（第２の研磨工具）

Claims (6)

1. 研磨工具面を基板の被研磨面に当接させ、該被研磨面を研磨・洗浄する基板の研磨方法であって、
   循環並進運動をし、かつ該循環並進運動による偏心量と基板の径とを加えた値に略同じ径を有する研磨工具面に、上記基板の被研磨面を所定の圧力で押圧し、該研磨工具面に分散配置して開口する複数の吐出孔から液を供給して上記基板の被研磨面を研磨・洗浄することを特徴とする基板の研磨方法。
2. 第１の研磨工具面を基板の被研磨面に当接させ、研磨砥液を供給して上記被研磨面を研磨する第１の研磨工程と、
   基板の被研磨面を、循環並進運動する第２の研磨工具面に所定の圧力で押圧させ、該第２の研磨工具面に分散配置して開口する複数の洗浄液吐出孔から洗浄液を供給し、基板の被研磨面を研磨しつつ洗浄する第２の研磨工程とからなる研磨方法であって、
   上記第２の研磨工具面は、上記循環並進運動による偏心量と基板の径とを加えた値に略同じ径を有することを特徴とする基板の研磨方法。
3. 第１の研磨工具面に基板の被研磨面を所定の圧力で押圧させ、研磨砥液を供給して上記被研磨面を研磨する第１の研磨工程と、
   循環並進運動する第２の研磨工具面に上記被研磨面を所定の圧力で押圧させ、洗浄液を供給して上記被研磨面を研磨しつつ洗浄する第２の研磨工程とからなる研磨方法であって、
   上記第２の研磨工程における押圧力は上記第１の研磨工程における押圧力よりも小さいことを特徴とする基板の研磨方法。
4. 基板を保持するトップリングと、
   研磨工具面を有するテーブルとを有し、
   上記テーブルは循環並進運動が可能であり、該テーブルの径は基板の径に循環並進運動による偏心量を加えた値に略同じとなるように構成され、
   上記研磨工具面には分散配置して開口する複数の液吐出孔が設けられていることを特徴とする研磨装置。
5. 上記液吐出孔から洗浄液が供給されることを特徴とする請求項４記載の研磨装置。
6. 上記研磨工具面には研磨布が貼付され、上記研磨布には上記研磨工具面の液吐出孔に対応する位置に吐出孔が配置されていることを特徴とする請求項４または５記載の研磨装置。

Images