JP4162001B2 - ウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、化学的機械研磨加工を行なうウェーハ研磨装置、及びウェーハ研磨方法に関するものである。

半導体装置や電子部品等のウェーハは、製造の過程において切削、研磨等の各種工程を経ていく。近年、半導体技術の発展により、半導体集積回路のデザインルールの微細化、多層配線化が進み、またコスト低減を進める上においてウェーハの大口径化も進行してきている。そのため、従来のようにパターンを形成した層の上にそのまま次の層のパターンを形成する場合、前の層の凹凸により次の層では良好なパターンを形成することが難しく、欠陥などが生じやすかった。

そこで、パターンを形成した層の表面を平坦化し、その後で次の層のパターンを形成する平坦化プロセスが実施されている。この平坦化プロセスにおいては、化学的機械研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ）が多用される。ＣＭＰによるウェーハの研磨は、ウェーハ保持ヘッドによってウェーハを保持し、ウェーハを回転する研磨パッドに所定の圧力で押し付け、研磨パッドとウェーハとの間にスラリ又は薬液等の研磨液を供給することにより行われる。

このＣＭＰによる研磨において、研磨パッド上に供給される研磨液は研磨結果を左右する大きな要因であり、ウェーハを均一に研磨する為には、研磨液を研磨パッド上に均一に供給する必要がある。

また、研磨液を過剰に供給してしまうと研磨コストが増大するため、少量で効率よく研磨パッド上へ研磨液を均一に供給する必要もある。

従来、このような課題に対応するため、研磨液の研磨パッド全面への効率的な分配用として研磨パッド上には溝が形成され、その溝の形状に様々な工夫がなされていた（参考文献：Ｇ．Ｐ．Ｍｕｌｄｏｗｎｅｙ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＭＰ Ｐａｄ Ｇｒｏｏｖｅ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｌｕｒｒｙ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，Ｗａｆｅｒ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｄｅｆｅｃｔｉｖｉｔｙ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＣＭＰ−ＭＩＣ（２００５）.ｐｐ１５６―１６７）。

しかし、研磨液は溝ではなく研磨パッド表面に搬送されることにより研磨が行われる。そのため、研磨パッド上に形成された溝ではなく、研磨パッド表面に対して効率よく研磨液を供給する方法が必要であった。

このような問題に対応する為、可動式のアームにより研磨液供給位置を変更できるウェーハ研磨装置、又は研磨液を霧状に噴霧するとともに研磨面へ研磨液を広げるスクイージが設けられた研磨装置等が提案されている（例えば、特許文献１、２、又は３参照）。
特開２００４−６３８８８号公報 特開平１１−７０４６４ 特開平１０−２９６６１８

上記特許文献に記載された技術では、いずれの場合も研磨液はウェーハと研磨パッドとの間、又は研磨パッドとスクイージの間で押し広げられて研磨パッド全面に分配供給される。このような供給方法では、研磨液は研磨パッドに形成された溝を介して供給されることになり、研磨パッドの回転数やパッドとウェーハ間の圧力、溝の配列等により研磨液の広がり方が変化するため、確実に研磨パッド全体へ研磨液を均一に供給することが困難であり、研磨面にスクラッチなどの問題が発生する場合がある。

また、研磨パッド上の溝では、研磨パッド全面に研磨液が広がる際に、研磨パッド表面へ上がり研磨へ関与する研磨液もあるが、一部の研磨液は研磨に関与することなくそのまま研磨パッドから排出されてしまい研磨液を無駄に消費する場合がある。

更に、研磨によって生成されたパッド屑、粗大な砥粒、又は研磨屑などの研磨残留物を研磨パッド上の溝から外に排出する際に、新しい研磨液内に研磨残留物を混入させてしまうため、混入した研磨残留物により研磨面にスクラッチが発生する。このような問題は、研磨液を大量に供給することにより低減されるが、研磨液使用量が非常に多くなり多大なコストが発生してしまう。

加えて、ＣＭＰによるウェーハの研磨では、パッドの目詰まりによる研磨レートの低下を防ぐ為、定期的に研磨パッドのドレッシングが必要であり、ドレッシングでは研磨パッド表面を荒らすとともに、表面が削り取られるため、使用初期と長期使用された後の研磨パッドでは溝の深さに大きな変化が生じる。これにより、使用初期と長期使用後では研磨液の広がり方に差が生じ、研磨品質に影響を与えることとなる。

他にも、上記特許文献に記載された技術では、ノズルより供給される研磨液の量を減らした場合、ノズル先端に研磨液が滞留して研磨液が断続的に滴下される場合があり、研磨パッド全面へ研磨液を均一に広げる妨げとなる問題も発生する。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構造の供給部材により、少量の研磨液であっても研磨パッド上に研磨液を均一に供給して高精度なウェーハの研磨を可能とするウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法を提供することを目的としている。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、研磨液が供給されてウェーハの研磨を行う研磨パッドと、前記ウェーハを保持する保持ヘッドと、前記研磨液を前記研磨パッド上へ供給する１つ以上の研磨液供給手段と、を備え、前記研磨液供給手段に設けられた研磨液供給部材を前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに相対的に移動させ、前記研磨液供給部材の上部に供給された前記研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させて前記研磨パッド表面に供給するウェーハ研磨装置において、前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに、該研磨液供給部材を流下した前記研磨液が、前記研磨パッドに形成された溝の底部と接触しない位置に設けられることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、保持ヘッドで保持されたウェーハの研磨を行っている研磨パッドへ、刷毛状部材の下端が近接、又は接触するように配置される。この状態で刷毛状部材の上部に均一に研磨液としてのスラリ、又は薬液が供給される。

刷毛状部材上部に均一に供給された研磨液は、刷毛状部材を伝って流下していく。流下した研磨液は、研磨パッドと刷毛状部材との間に働く界面張力により少量であっても研磨パッド上へ均一に広がり、研磨パッドの回転と刷毛状部材の移動により研磨パッド表面へ均一に研磨液が供給される。

ここで、界面張力について概説する。界面とは、お互いに混ざり合わない２相の接触する面を意味する。ここで相とするものは、気相、液相、固相の３相を示している。２相の界面とは、気相と液相、液相と固相、固相と気相、液相同士、又は固相同士などの部分から構成される界面を指す。ここで、界面張力とは、界面の面積を最小にしようとする際に作用する力と定義することができる。ここで、表面張力という用語が一般的に存在するが、これらの界面で発生する界面張力のうちで、片側が気相である場合において界面張力に含まれる。

洗浄液等に主に使用される水は表面張力が非常に大きい液体の一つであり、表面張力により大きな液滴が形成される。このような液滴を形成する挙動は、砥粒を水と混合したスラリ等を使用する研磨液の供給においても当てはまる。

図１０に示すように、研磨液をノズルから滴下する場合において、ノズルの先端では、研磨液の表面張力により液滴が形成され、一定以上の大きさになってから落下する。このため、少量の研磨液を連続的に供給しようとした場合には、研磨液の表面張力の影響により、一定の大きさ以上にならなくては研磨液が滴下されず、連続的に供給することは困難であり、非常に大きな問題となる。

従来の装置では、図１１（ａ）に示すように、少量の研磨液をノズルより供給した場合、供給された研磨液が固体表面である研磨パッド上にただちに接触せず、研磨液の表面張力しか働かない為、液滴となって連続的に供給することは困難であった。

本発明におけるウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法においては、図１１（ｂ）に示すように、刷毛状部材が研磨パッドに接触、または近接しているため、研磨液が液滴となる前に研磨パッドに接触し、研磨パッドに接触した研磨液にはそれぞれの界面張力が作用して研磨パッド上に広がる。これにより、極少量の研磨液であっても大きな面積を占有することが可能であり、言いかえれば一定の面積へ均一に供給するのに必要な研磨液の量を少なくすることが可能となる。

よって、少量のスラリ、又は薬液であっても研磨パッド上に均一に供給され、ウェーハ研磨面にスクラッチなどの問題を発生させず、低コストで高精度なウェーハの研磨が可能となる。
また、請求項１に記載の発明において、前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに、該研磨液供給部材を流下した前記研磨液が、前記研磨パッドに形成された溝の底部と接触しない位置に設けられることを特徴としている。請求項１の発明によれば、研磨液供給部材の先端は研磨パッド表面に対して研磨液が液滴となって滞留しないように接触、または研磨液が液滴とならない距離に近接されている。しかし、研磨パッドに形成されている、古い研磨液や研磨屑の排出等に利用される研磨に直接関与しない溝の底部に対しては、研磨液の表面張力により研磨液が液滴となる距離まで研磨液供給部材の先端が離れている。このため、溝部分では研磨液が液滴となり、研磨液供給部材より溝底部へ直接研磨液が供給されない。これにより、研磨液を研磨パッド表面にのみ効率的に供給することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記刷毛状部材の下端は、略直線であり、かつ、前記研磨パッド表面に対して略平行であることを特徴としている。

請求項２の発明によれば、刷毛状部材が研磨パッドの全面と接触、又は近接することが容易となり、研磨液が供給される領域が増えるため、より確実に研磨パッド全体へ均一に研磨液を供給することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２の発明において前記刷毛状部材の下端は、前記研磨パッドの移動方向に対して交差する方向に延びていることを特徴としている。

請求項３の発明によれば、刷毛状部材は、複数の糸状部材が束ねられた刷毛状部材で形成されており、刷毛状部材と流体間とに働く界面張力によって生じる毛細管現象等の効果により上部に均一に供給された研磨液は均一に研磨パッドまで流下する。また、研磨パッドと接触する場合は、刷毛状部材の高さを調整することにより研磨パッドに与える圧力を調整することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２、又は３のいずれか１項において、前記研磨液供給手段には、研磨液を前記研磨液供給部材に供給する研磨液供給管が設けられ、前記研磨液供給管は、該研磨液供給管側面に水平に形成されたスリットに接するように設けられた前記研磨液供給部材へ、該研磨液供給管内に一定量以上貯留し前記スリットより流出した前記研磨液を供給することを特徴としている。

請求項４の発明によれば、研磨液供給管へ流入した研磨液は、研磨液供給管内に貯留されていく。貯留される研磨液の高さが、研磨液供給管の側面に水平に形成されたスリットの高さを超えると、スリットより研磨液が研磨液供給管外部へ流出する。このとき、流出する研磨液は、研磨液面が一定に上昇するため、スリット全体から均一に流出する。流出した研磨液は、スリットに接するように設けられた研磨液供給部材に接触し、研磨液供給部材を流下して研磨パッドへ供給される。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記研磨液供給管には、該研磨液供給管の水平度を計測するための傾斜センサが設けられていることを特徴としている。

請求項５の発明によれば、研磨液供給管の水平度が確認可能となるため、研磨液供給管が傾斜することにより、貯留される研磨液の液面の高さがスリットに対して傾き、研磨液が研磨供給部材に対して均一に供給されなくなるのを防ぐ。これにより、研磨液を常に均一に研磨液供給部材へ供給することが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２、３、又は５のいずれか１項において、前記研磨液供給部材は、高分子樹脂素材により形成されていることを特徴としている。

請求項６の発明によれば、可撓性を有する高分子樹脂素材により研磨液供給部材が形成され、研磨パッド面を破損することがない適正な荷重で研磨液供給部材を研磨パッドに接触させることが可能になる。

請求項７に記載の発明は、請求項１、２、３、４、５、又は６のいずれか１項において、前記ウェーハ研磨装置は、前記研磨液を供給した後の前記研磨液供給部材を洗浄する洗浄装置が備えられていることを特徴としている。

請求項７の発明によれば、研磨液供給後の研磨液供給部材が純水により洗浄され、研磨液が研磨液供給部材上で固着することを防ぐ。

請求項８に記載の発明は、溝が形成された板状部材、又は複数の糸状部材を束ねて形成された刷毛状部材で形成される１つ以上の研磨液供給部材を、ウェーハの研磨を行う研磨パッドに近接、又は接触させて相対的に移動させるとともに、該研磨液供給部材の上部に供給された研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させることにより前記研磨パッド表面へ供給して前記ウェーハの研磨を行なうことを特徴とするウェーハ研磨方法において、前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに、該研磨液供給部材を流下した前記研磨液が、前記研磨パッドに形成された溝の底部と接触しない位置に設けられることを特徴としている。

請求項８の発明によれば、研磨パッドに近接、又は接触された研磨液供給部材上部に供給された研磨液は、研磨液供給部材に沿って流下し、研磨パッドと研磨液供給部材の間に働く界面張力により研磨パッド上へ均一に広がる。これにより、少量の研磨液であっても、均一に広げられる研磨液によりウェーハ研磨面にスクラッチなどの問題を発生させず、低コストで高精度なウェーハの研磨が可能となる。

請求項９に記載の発明は、請求項８の発明において、前記研磨パッドに接触されている前記研磨液供給部材は、該研磨パッド上の研磨残留物を除去するとともに、該研磨液供給部材の上部に供給された研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させて前記研磨パッドへ供給することを特徴としている。

請求項９の発明によれば、研磨パッドへ研磨液供給部材を接触させる力が調整されることにより、研磨パッド上に滞留するパッド屑、粗大な砥粒、又は研磨屑などの研磨残留物が研磨液供給部材により除去される。このとき、研磨残留物の除去を行うとともに、研磨液供給部材上部には新たな研磨液が供給され、研磨液供給部材により清掃された研磨パッド面へ新しい研磨液が均一に供給される。

請求項１０に記載の発明は、請求項８の発明において、前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドと接触する部分に前記研磨パッドのドレッシングを行なうパッドドレッサーが設けられ、前記研磨パッドをドレッシングするとともに該研磨液供給部材の上部に供給された研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させて前記研磨パッドへ供給することを特徴としている。

請求項１０の発明によれば、研磨液供給部材が研磨パッドと接触する部分へ研磨パッドをドレッシングするドレッサが設けられる。この状態で研磨パッドへ研磨液供給部材を接触させる力が調整されることにより、研磨パッドがドレッシングされる。研磨パッドがドレッシングされるとともに、研磨液供給部材上部には新たな研磨液が供給され、研磨液供給部材によりドレッシングされた研磨パッド面へ新しい研磨液が均一に供給される。

これにより、ドレッシングが終了した直後の新たな研磨パッドの表面に新たな研磨液が均一に供給され、高品質で高精度なウェーハの研磨を可能とする。

以上説明したように、本発明のウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法によれば、簡易な構造の研磨液供給部材により、界面張力を利用して、少量の研磨液であっても研磨パッド上に研磨液が均一に供給される。これにより、ウェーハ研磨面にスクラッチなどの問題を発生させず、低コストで高精度なウェーハの研磨が可能となる。

以下、添付図面に従って本発明に係るウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法の好ましい実施の形態について詳説する。

まず初めに、本発明に係わるウェーハ研磨装置の構成について説明する。図１は、ウェーハ研磨装置 １０の全体構成図である。

図１に示すように、本実施の形態の化学的機械研磨装置１０は、ウェーハ収納部２０、搬送手段１４、研磨部である研磨手段１６、１６、１６、洗浄・乾燥手段１８、膜厚測定手段２６、２８、及び図示しない装置制御部で構成されている。 ウェーハ収納部２０は、製品用ウェーハ収納部２０Ａ、ダミーウエーハ収納部２０Ｂ、第１モニターウエーハ収納部２０Ｃ、第２モニターウエーハ収納部２０Ｄとからなり、各収納部にはカセット２４に格納されたウェーハＷが収納される。製品用ウェーハ収納部２０Ａは２個並んで設けられている。また第１モニターウエーハ収納部２０Ｃはカセット２４の下段を使用し、同じカセット２４の上段は第２モニターウエーハ収納部２０Ｄになっている。

搬送手段１４は、インデックス用ロボット２２とトランスファーロボット３０及び搬送ユニット３６Ａ、３６Ｂとから構成されている。インデックス用ロボット２２は、旋回自在かつ屈曲自在なアームを２本備えており、図１の矢印Ｙ方向に沿って移動自在に設けられている。このインデックス用ロボット２２は、各ウェーハ収納部に載置されたカセット２４から研磨対象のウェーハＷを取り出してウェーハ待機位置２６、２８に搬送するとともに、洗浄が終了したウェーハＷを洗浄・乾燥手段１８から受け取ってカセット２４に格納する。

トランスファーロボット３０は、屈曲自在かつ旋回自在なロード用アーム３０Ａとアンロード用アーム３０Ｂとを備えており、図１の矢印Ｘ方向に沿って移動自在に設けられている。ここで、ロード用アーム３０Ａは、研磨前のウェーハＷの搬送に使用され、その先端部に備えられた図示しないパッドで研磨前のウェーハＷをウェーハ待機位置２６、２８から受け取り、搬送ユニット３６Ａ、３６Ｂに搬送する。

一方、アンロード用アーム３０Ｂは、研磨後のウェーハＷの搬送に用いられ、その先端に備えられた図示しないパッドで研磨後のウェーハＷを搬送ユニット３６Ａ、３６Ｂから受け取り、洗浄・乾燥手段１８へと搬送する。

搬送ユニット３６Ａ、３６Ｂは、どちらも図１の矢印Ｙ方向に沿って移動自在に設けられ、夫々受取り位置ＳＡ 、ＳＢ と受渡し位置ＴＡ 、ＴＢ の間を移動する。受取り位置ＳＡ 、ＳＢ でトランスファーロボット３０のロード用アーム３０Ａから研磨対象のウェーハＷを受取り、受渡し位置ＴＡ 、ＴＢ に移動して研磨ヘッド３８Ａ、３８Ｂに受け渡す。また研磨後のウェーハＷを受渡し位置ＴＡ 、ＴＢ で受取り、受取り位置ＳＡ 、ＳＢ に移動してトランスファーロボット３０のアンロード用アーム３０Ｂに受け渡す。

この搬送ユニット３６Ａ、３６Ｂは夫々が別々の２個の受け台を持っており、この２個の受け台は研磨前のウェーハＷ用と研磨後のウェーハＷ用とに使い分けられる。洗浄・乾燥手段１８の隣にはアンロードカセット３２が設けられ、研磨後のウェーハを一時格納する場合に使用される。たとえば洗浄・乾燥手段１８の運転中止中に研磨後のウェーハＷがトランスファーロボット３０に搬送されて一時格納される。

研磨手段１６、１６、１６は、ウェーハの研磨を行い、図１に示すように、研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、ウェーハ保持ヘッド３８Ａ、３８Ｂ、研磨液供給手段１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、及びキャリア洗浄ユニット４０Ａ、４０Ｂを備えている。研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃは、円盤状に形成されており、３台が並列して配置されている。各研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの上面には、それぞれ研磨パッドが貼付されており、この研磨パッド上に研磨液供給手段１Ａ、１Ｂ、１Ｃからスラリ、又は薬液等の研磨液が供給される。

ここで、この３つの研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃのうち左右の研磨定盤３４Ａ、３４Ｂは第１の研磨対象膜（例えばＣｕ膜）の研磨に用いられ、中央の研磨定盤３４Ｃは第２の研磨対象膜（例えばТａ膜）の研磨に用いられる。両者の研磨においては、供給する研磨液の種類、研磨ヘッドの回転数や研磨定盤の回転数、また、研磨ヘッドの押付力や研磨パッドの材質等が変更されている。

なお、この研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの近傍には、それぞれドレッシング装置３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃが設けられている。ドレッシング装置３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃは、旋回自在なアームを備えており、このアームの先端に設けられたドレッサによって研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ上の研磨パッドをドレッシングする。

ウェーハ保持ヘッドは３８Ａ、３８Ｂと２台設置されており、それぞれ図１の矢印Ｘ方向に沿って移動自在に設けられている。

図２は、研磨部である研磨手段１６の構成を示した斜視図である。図２に示すように、研磨手段１６は、研磨定盤３４Ａの上面に研磨パッド４が設けられている。

研磨定盤３４Ａの下部には、モータ５１の図示しない出力軸に連結された軸５２が連結され、モータ５１を駆動することにより、研磨定盤３４Ａは矢印Ａ方向に回転される。

ウェーハ保持ヘッド３８Ａは、下部にガイドリング５４、リテーナーリング５３等を備え、内部には、ウェーハを吸着固定する図示しないキャリアが設けられている。ウェーハ保持ヘッド３８Ａは、図示しない移動機構により矢印Ｂ方向に移動し、吸着固定されたウェーハを研磨パッド４へ押圧する。

研磨液供給手段１Ａは、図３に示すように、研磨液供給管３の側面に水平に形成されたスリット５へ接するように研磨液供給部材２が設けられ、研磨パッドの半径方向に中心部から周辺部に向かって設置されている。

研磨液供給手段１Ａは、図示しない移動機構により矢印Ｃ方向、又は矢印Ｄ方向に移動可能であり、研磨液供給管３の水平度を計測する傾斜センサ６が、研磨液供給管３の一端に設置されている。傾斜センサとしては、オムロン株式会社製リニア傾斜センサＤＳＲ−Ｌ０２−１５等が好適に利用可能である。

研磨液供給管３は、管状の部材で形成され、研磨パッド４と平行になるように側面にスリットが形成されており、一端が封止され、開放された一端より、図示しない研磨液タンクから研磨に使用される研磨液が図示しないポンプにより供給される。

研磨液供給管３へ供給された研磨液は、図３に示すように、研磨液供給管３の内部に貯留され、一定量を超えた時点でスリット５より流出し、研磨液供給部材２を流下して研磨パッド４へ供給される。

研磨液供給部材２は、表面に溝が形成された板状部材、又は糸状の部材を束ねて板状にした刷毛状部材により形成される。研磨液供給部材２は、研磨時に研磨パッド４に対して先端に研磨液の表面張力による研磨液の液滴が形成されない距離まで近接される。又は、研磨パッド４に対して接触される。

これにより、研磨液供給部材２の上部に位置する研磨液供給管３より均一に供給された研磨液が、板状部材、又は刷毛状部材と流体間とに働く界面張力によって生じる毛細管現象等の効果により研磨液供給部材２を均一に流下する。流下した研磨液は、研磨パッド４と研磨液供給部材２との間に働く界面張力により少量であっても研磨パッド４上へ均一に広がり、研磨パッド４の回転と研磨液供給部材２の移動により研磨パッド４表面へ均一に供給される。

また、研磨液供給部材２の先端と研磨パッド４上に形成された溝の底部とは、研磨液が表面張力により液滴となった際の液滴の大きさよりも広い間隔となるため、溝の底部に対しては直接研磨液が供給されず、研磨パッド４表面にのみ効率的に研磨液が供給される。

研磨液供給部材２に使用される板状部材、又は刷毛状部材は、ポリアミド、ポリエチレン、ポリアセタール、ポリエステル等の高分子樹脂素材によって形成され、可撓性を有する。これにより、研磨パッド４に接触された研磨液供給部材２は、研磨パッド４へ接触される力に応じて撓み、研磨パッド４表面を押圧する。

研磨液供給手段１Ａの近傍には、図４に示すように研磨終了後に研磨液供給部材２上の研磨液を洗浄する洗浄装置７０が設けられている。洗浄装置７０は、矢印Ｇ方向に移動しながら研磨液供給部材２へノズル７１より純水を高圧で噴射する。これにより、研磨後に研磨液供給部材２上に残留した研磨液は、洗浄されて研磨液供給部材２上から除去されるため、研磨液供給部材２で乾燥して固着することがない。

研磨手段１６は以上のように構成され、ウェーハ保持ヘッド３８Ａで保持したウェーハＷを研磨定盤３４Ａ上の研磨パッド４に押し付けて、研磨定盤３４Ａとウェーハ保持ヘッド３８Ａとをそれぞれ回転させながら、研磨パッド４上に研磨液供給手段１Ａによって研磨液Ｓを供給することにより、ウェーハＷが化学的機械研磨される。他方側のウェーハ保持ヘッド３８Ｂ、研磨定盤３４Ｂ、３４Ｃ、及び研磨液供給手段１Ｂ、１Ｃも同様に構成される。

なお、研磨液供給手段１Ａは、図５に示す研磨液供給手段１Ｄのように、研磨液供給管３、研磨液供給部材２を並列に複数配置してもよい。複数配置された研磨液供給部材２は、それぞれ個別に矢印Ｃ、矢印Ｄ方向、又は矢印Ｅ、矢印Ｆ方向に移動しながら研磨液の供給を行うため、研磨液が供給される領域が増え、より確実に研磨パッド全体へ均一に研磨液を供給することが可能となる。

また、研磨液供給部材２は、溝が形成された板状部材、又は糸状の部材による刷毛状部材だけに限らず、微細な管状部材を束ねた物、又は薄い板状部材を折り畳んだ蛇腹状の部材であっても好適に利用可能である。

図１に示すように、研磨定盤３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの間にはキャリア洗浄ユニット４０Ａ、４０Ｂが２台設置されており、それぞれ搬送ユニット３６Ａ、３６Ｂの所定の受渡位置ＴＡ 、ＴＢ に配置されている。このキャリア洗浄ユニット４０Ａ、４０Ｂは、研磨終了後の研磨ヘッド３８Ａ、３８Ｂのキャリアを洗浄する。

洗浄・乾燥手段１８は、研磨が終了したウェーハＷを洗浄する。この洗浄・乾燥手段１８は、洗浄装置６８Ａと乾燥装置６８Ｂとを備えている。洗浄装置６８Ａは３個の洗浄槽を有し、アルカリ洗浄、酸洗浄、及びリンスに用いられる。研磨手段１６、１６、１６で研磨されたウェーハＷは、トランスファーロボット３０によって洗浄・乾燥手段１８へと搬送され、この洗浄・乾燥手段１８の洗浄装置６８Ａで酸洗浄、アルカリ洗浄及びリンスされた後、乾燥装置６８Ｂで乾燥される。乾燥されたウェーハＷは、搬送手段１４のインデックス用ロボット２２によって乾燥装置６８Ｂから取り出され、ウェーハ収納部２０にセットされたカセット２４の所定の位置に格納される。

以上のような構成の装置によりウェーハの研磨を行う。

なお、研磨液供給部材２が研磨パッド４に対して先端に研磨液の液滴が形成されない距離まで近接する際の具体的な距離は以下のような方法で計算可能である。例として、外径５ｍｍの円管より落下する水滴を想定する。温度が２０度では、水の表面張力は７２．８ｍＮ／ｍである。外径が５ｍｍであるとすると、外周長は約１５．７ｍｍとなる。７２．８ｍＮ／ｍの表面張力が１５．７ｍｍの長さに作用するため、１つの水滴を重力に対して支える応力は１．１４ｍＮとなる。ここで、重力加速度は９．８ｍ／ｓ２であるので、支えられる水滴の重さは、０．１１７ｇとなる。これは、１１７ｍｍ２の体積に相当することから、半径を算出すると約３ｍｍとなる。よって、外径５ｍｍの円管から滴下する水滴の外径は直径６ｍｍということになる。これにより、外径５ｍｍの円管の下面から液滴の下面までは、水滴の半径が３ｍｍから４ｍｍ程度となる。水の場合において、本発明における近接の距離とは、研磨パッド４より３ｍｍから４ｍｍ程度の位置以内にあることを意味する。他の研磨液の場合も同様に、表面張力を求めることにより、液滴を支持する半径から、近接させる距離を計算により求めることが可能である。

次に、本発明に係わるウェーハの研磨方法について説明する。図６、図７は研磨が行われている際の研磨液供給部材２の先端部を示した断面図である。

研磨が開始されると、図１に示すウェーハ保持ヘッド３８Ａに吸着固定されたウェーハは、ウェーハ保持ヘッド３８Ａが矢印Ｂ方向へ移動し、矢印Ａ方向へ回転する研磨パッド４に押圧される。

研磨液供給手段１Ａは、矢印Ｄ方向へ移動して研磨液供給部材２の先端部を研磨パッド４へ近接、又は接触させるとともに、傾斜センサ６により研磨パッド４と平行に保たれた研磨液供給管３へスラリ又は薬液等の研磨液を送り、スリット５より研磨液供給部材２上部へ均一に研磨液を供給する。研磨液供給部材２上部へ均一に供給された研磨液は、研磨液供給部材２を流下していく。

このとき、図６に示すように研磨液供給部材２が研磨パッド４に対し、研磨液が研磨液の表面張力により液滴とならない距離ｄだけ離れて近接していた場合、研磨液供給部材２を流下してきた研磨液Ｓは、液滴となることなく、研磨パッド４と研磨液供給部材２との間に働く界面張力により均一に研磨パッド４上に広がる。

また、図７に示すように、研磨液供給部材２が研磨パッド４に接触している場合も、研磨パッド４まで流下してきた研磨液Ｓは、研磨パッド４と研磨液供給部材２との間に働く界面張力により均一に研磨パッド４上に広がる。

この状態で研磨液供給手段１Ａが図１に示す矢印Ｃ方向へ移動することにより、研磨パッド４の回転にともなって、研磨液Ｓは研磨パッド４全面へ均一に供給される。よって、少量の研磨液Ｓであっても、研磨パッド４上に研磨液が均一に供給されるので、ウェーハ研磨面にスクラッチなどの問題を発生させず、低コストで高精度なウェーハの研磨が可能となる。他方側のウェーハ保持ヘッド３８Ｂ、研磨定盤３４Ｂ、３４Ｃ、及び研磨液供給手段１Ｂ、１Ｃも同様に作用する。

なお、研磨液供給部材２は可撓性を有するため、接触させる力を調整することにより、研磨パッド４表面をブラッシングし、研磨パッド４表面に滞留するパッド屑、粗大な砥粒、又は研磨屑などの研磨残留物の除去を行う。

これにより、図８に示すように、研磨液供給管３Ａの研磨液供給口３Ｂより研磨液供給部材２上面にのみ研磨液Ｓを流下させて研磨パッド４上へ研磨液Ｓを供給するとともに、研磨液供給部材２の下面側で研磨残留物ＣＯの除去を行い、研磨液供給部材２により清掃された研磨パッド４の表面へ新しいスラリが均一に供給される。

また、図９に示すように研磨液供給部材２の先端部へ研磨パッド４のドレッシングを行うパッドドレッサー８０を設けることにより、研磨パッド４がドレッシングされるとともに、研磨液供給管３Ａの研磨液供給口３Ｂより研磨液供給部材２上面にのみ新たな研磨液が供給され、研磨液供給部材２によりドレッシングされた研磨パッド４の新たな面へ新しい研磨液が均一に供給される。

これらにより、研磨液Ｓの供給と研磨パッド４の清掃、及びドレッシングが同時に行われ、供給される研磨液に研磨残留物が混入することが無く、常にドレッシングされた研磨パッド４の新たな面で研磨が行われるため、スループットが向上されるとともに、ウェーハ研磨面にスクラッチなどを発生させない高精度な研磨が可能になる。

なお、パットドレッサー８０が研磨液供給部材２に設けられる場合は、ドレッシング装置３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃは不用となる。

次に、本発明に係わるウェーハ研磨方法によるウェーハの研磨結果と、従来のウェーハ研磨方法によるウェーハの研磨結果の比較を示す。研磨装置には株式会社東京精密製量産ＣＭＰ装置（商品名：ＣｈａＭＰ３２２）を使用する。

研磨条件は以下の通り。

ウェーハ圧力
３ｐｓｉ

リテーナ圧力
１ｐｓｉ

研磨パッド回転数
８０ｒｐｍ

キャリア回転数
８０ｒｐｍ

スラリ供給レート
１００ｍｌ／ｍｉｎ

研磨パッド
ＩＣ１４００−Ｐａｄ Ｄ３０．３（ニッタハース社製）

研磨時間
６０ｓｅｃ

エアーフロート流量
４９Ｌ／ｍｉｎ

スラリ（研磨液）
ヒュームドシリカスラリー
ＳＳ２５（１：１水希釈）（キャボット社製）

ウェーハ
酸化膜付き１２ｉｎｃｈウェーハ
（ＰＥＴＥＯＳ ｏｎ Ｓｉ）

ドレッシング方法
Ｉｎ−ｓｉｔｕドレッシング

ドレッシング力
４ｋｇｆ
（４インチドレッサー：三菱マテリアル社製）

ドレス揺動周期
１ｔｉｍｅｓ／１０ｓｅｃ

ドレッサ回転数
８８ｒｐｍ

従来構成の研磨液供給手段としては、ＰＦＡチューブを研磨パッド上部に配置する。ＰＦＡチューブは直径６ｍｍとし、研磨パッドの中心より５０ｍｍの場所に研磨液としてのスラリを滴下する。

本発明による研磨液供給手段では、研磨パッドの中心より９０ｍｍの部分から３３０ｍｍの部分まで研磨液供給部材を研磨パッドに接触させる。研磨液供給部材は、直径０．１ｍｍから０．２ｍｍのナイロン繊維からなり、約１０００本から２０００本を研磨液供給管の長手方向（研磨パッドの半径方向）に並べて形成している。

研磨パッドは、研磨定盤へ貼り付けた後、純水を供給して３０分間ドレッシングをした後に、従来構成により上記条件でスラリの供給レートを３００ｍｌ／ｍｉｎとし、スラリ滴下位置を研磨パッド中心から９０ｍｍの位置として２５枚のウェーハを研磨する。研磨後、ウェーハの研磨レートが所定の研磨レートである２８００Ａ／ｍｉｎ以上となっているかを確認し、研磨パッドの状態を調整する。

この状態で従来構成、本発明の方法によりウェーハの研磨を行う。それぞれの研磨は、研磨液供給手段交換後に連続的に行ったため、研磨パッドの状態やウェーハの押圧条件などは同等であり、研磨液供給手段のみ異なる。

研磨結果は図１２に示す。結果として、従来構成の場合、研磨パッド中心から５０ｍｍ離れた一点でのみスラリの供給を行っていたため、１００ｍｌ／ｍｉｎの少量のスラリでは、スラリが完全にウェーハ全面へ回り込まない。これはスラリがパッド表面に形成された溝を介して供給されるのであるが、パッドの溝に十分にスラリが溢れるほど存在しないため、溝に押し広げられたスラリが研磨パッド表面まで持ち上げられないことが原因と言える。そのため、全体的にスラリ不足が生じてしまい、結果的に研磨レートは１７９４Ａ／ｍｉｎと低くなる。また、研磨形状もウェーハ中心部のレートが遅いセンタースロー状態となり、研磨の面内均一性も７．６％と悪い。

対して、本発明におけるウェーハ研磨方法では、研磨レートが２８９７Ａ／ｍｉｎと非常に高く、研磨の面内均一性も２．９％と良好となる。これは、スラリが研磨液供給部材を流下して、研磨パッド上に形成された溝ではなく研磨パッドの表面部分にだけ選択的に供給され、供給されたスラリのほとんどが研磨に関与したためである。

以上から、本発明では極少量の研磨液であっても、研磨パッド表面全面へ均一に供給する能力を有し、研磨レートを高く保つことが可能である。また、研磨の面内均一性を達成するのにも有効である。このことから、研磨液の消費を最小限に抑え、量産稼動時に対する低コスト化を実現する。

以上説明したように、本発明に係るウェーハ研磨装置及びウェーハ研磨方法によれば、簡易な構造の研磨液供給部材により、界面張力を利用して、少量の研磨液であっても研磨パッド上に研磨液が均一に供給される。これにより、ウェーハ研磨面にスクラッチなどの問題を発生させず、低コストで高精度なウェーハの研磨が可能となる。

また、研磨パッド上に研磨液が均一に供給されることから、研磨レートを高く保つことが可能であり、研磨の面内均一性を達成するのにも有効でため研磨液の消費を最小限に抑え、量産稼動時に対する低コスト化を実現する。

更に、研磨液の供給と同時に研磨パッド面の清掃、及びドレッシングも可能である為、高スループット且つ高精度なウェーハ研磨が可能になる。

本発明に係わるウェーハ研磨装置の全体構成図。 研磨手段の構成を示した斜視図。 研磨液供給部材と研磨液供給管の側面断面図。 研磨液供給部材を洗浄する洗浄装置の側面図。 複数の研磨液供給部材を備えた研磨手段の構成を示した斜視図。 研磨パッドに近接された研磨液供給部材の研磨時の断面図。 研磨パッドに接触された研磨液供給部材の研磨時の断面図。 研磨パッドの清掃を行う研磨液供給部材の側面図。 研磨パッドのドレッシングを行う研磨液供給部材の側面図。 ノズル先端より滴下される水滴の例を示した側面図。 固体表面に広がる研磨液の状態を示した側面図。 従来構成と本発明に係わるウェーハ研磨方法とによる研磨結果の図表。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…研磨液供給手段，２…研磨液供給部材，３、３Ａ…研磨液供給管，４…研磨パッド，５…スリット，６…傾斜センサ，１０…ウェーハ研磨装置，３８Ａ、３８Ｂ…ウェーハ保持ヘッド７０…洗浄装置，７１…ノズル，８０…パッドドレッサー，Ｓ…研磨液

Claims (10)

1. 研磨液が供給されてウェーハの研磨を行う研磨パッドと、
   前記ウェーハを保持する保持ヘッドと、
   前記研磨液を前記研磨パッド上へ供給する１つ以上の研磨液供給手段と、を備え、
   前記研磨液供給手段に設けられた研磨液供給部材を前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに相対的に移動させ、前記研磨液供給部材の上部に供給された前記研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させて前記研磨パッド表面に供給するウェーハ研磨装置において、
   前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに、該研磨液供給部材を流下した前記研磨液が、前記研磨パッドに形成された溝の底部と接触しない位置に設けられることを特徴とするウェーハ研磨装置。
2. 前記研磨液供給手段は、前記研磨パッドの中央部から周辺部に向けて該研磨パッドの半径方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ研磨装置。
3. 前記研磨液供給部材は、複数の溝が形成された板状部材、又は複数の糸状部材を束ねて形成された刷毛状部材により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のウェーハ研磨装置。
4. 前記研磨液供給手段には、研磨液を前記研磨液供給部材に供給する研磨液供給管が設けられ、前記研磨液供給管は、該研磨液供給管側面に水平に形成されたスリットに接するように設けられた前記研磨液供給部材へ、該研磨液供給管内に一定量以上貯留し前記スリットより流出した前記研磨液を供給することを特徴とする請求項１、２、又は３のいずれか１項に記載のウェーハ研磨装置。
5. 前記研磨液供給管には、該研磨液供給管の水平度を計測するための傾斜センサが設けられていることを特徴とする請求項４に記載のウェーハ研磨装置。
6. 前記研磨液供給部材は、高分子樹脂素材により形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、又は５のいずれか１項に記載のウェーハ研磨装置。
7. 前記ウェーハ研磨装置は、前記研磨液を供給した後の前記研磨液供給部材を洗浄する洗浄装置が備えられていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は６のいずれか１項に記載のウェーハ研磨装置。
8. 溝が形成された板状部材、又は複数の糸状部材を束ねて形成された刷毛状部材で形成される１つ以上の研磨液供給部材を、ウェーハの研磨を行う研磨パッドに近接、又は接触させて相対的に移動させるとともに、該研磨液供給部材の上部に供給された研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させることにより前記研磨パッド表面へ供給して前記ウェーハの研磨を行なうことを特徴とするウェーハ研磨方法において、
   前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドに近接、又は接触させるとともに、該研磨液供給部材を流下した前記研磨液が、前記研磨パッドに形成された溝の底部と接触しない位置に設けられることを特徴とするウェーハ研磨方法。
9. 前記研磨パッドに接触されている前記研磨液供給部材は、該研磨パッド上の研磨残留物を除去するとともに、該研磨液供給部材の上部に供給された研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させて前記研磨パッドへ供給することを特徴とする請求項８に記載のウェーハ研磨方法。
10. 前記研磨液供給部材は、前記研磨パッドと接触する部分に前記研磨パッドのドレッシングを行なうパッドドレッサーが設けられ、前記研磨パッドをドレッシングするとともに該研磨液供給部材の上部に供給された研磨液を、該研磨液供給部材に沿って流下させて前記研磨パッドへ供給することを特徴とする請求項８に記載のウェーハ研磨方法。

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