JP5002353B2 - 化学的機械的研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェハ等の半導体ウェハの表面を平坦化するために使用される化学的機械的研磨装置に関し、より詳細には、化学的機械的研磨装置の研磨パッドを再生させるためのパッドコンディショナーの改良技術に関する。

シリコンウェハ等の表面を平坦化する方法として、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が近年よく用いられている。図１３に、従来用いられている化学的機械的研磨装置（以下、「ＣＭＰ装置」と称す）の構成を模式的に示す。

図１３において、従来のＣＭＰ装置５０は、上面に研磨パッド１を有する円盤状の回転テーブル２と、研磨パッド１上に研磨剤であるスラリー３を供給する研磨剤供給部４と、半導体ウェハ５を保持して被研磨面を研磨パッド１に押圧するウェハ保持部６と、パッドコンディショナー７を備えて構成される。

回転テーブル２は、テーブル面と直交する回転テーブル回転軸８に支持され、回転テーブル回転軸８の中心を貫通する第１軸心Ｘ１回りに回転可能に構成されている。

研磨剤供給部４からは、研磨パッド１上にスラリー３が供給され、スラリー３は半導体ウェハ５の被研磨面と研磨パッド１との接触面に取り込まれる。半導体ウェハ５の被研磨面は、研磨パッド１に接触し、スラリー３によって研磨される。

ウェハ保持部６は、半導体ウェハ５を吸着保持するウェハ保持面９を備え、ウェハ保持面９と直交するウェハ保持回転軸１０に支持され、ウェハ保持回転軸１０の中心を貫通する第２軸心Ｘ２回りに回転可能に構成されている。

パッドコンディショナー７は、表面にダイヤモンド等からなる砥粒を固着してなる研磨面１１を備えた円盤状のコンディショニングディスク１２が、研磨面１１と直交するコンディショニングディスク回転軸１３に支持され、コンディショニングディスク回転軸１３の中心を貫通する第３軸心Ｘ３回りに回転可能に構成されている。コンディショニングディスク１２は、第１軸心Ｘ１回りに回転している回転テーブル２の上面に形成された研磨パッド１の表面に、第３軸心Ｘ３回りに回転している研磨面１１を押圧して、研磨パッド１の表面を研削することで、半導体ウェハ５の被研磨面との間の相互作用により平坦化した研磨パッド１の表面状態を毛羽立った肌理の粗い状態に再生して、半導体ウェハ５の被研磨面に対する研磨能力が一定状態に維持されるようコンディショニング処理を行う。

図１４に、従来のパッドコンディショナー７で用いられているコンディショニングディスク１２の一例を模式的に示す。図１４に示すコンディショニングディスク１２は、台金１３の外周側をリング状に平らに盛り上げてリング部を形成し、このリング部の平らな下面に砥粒を規則配列して固着させて研磨面１１を形成している。しかし、図１４に示すコンディショニングディスク１２を弾性のある研磨パッド１のコンディショニングに使用すると、図１２に示すように、外周のリング部に固着した砥粒に大きな負荷が断続的に掛かるため、研磨面１１の砥粒は摩滅してしまう。また、最悪の場合には砥粒が破砕することがある。研磨面１１の砥粒が摩滅してしまうと、研磨パッド１表面に対する研磨能力が低下してコンディショニングディスク１２の寿命が短くなる。また、砥粒が破砕すると、破砕した砥粒が研磨パッド１表面に残存して、半導体ウェハ５の被研磨面に損傷を与える可能性が高くなり、コンディショニングディスク１２を継続使用が不能になるという問題がある。

これらの問題点に対する対策を施したパッドコンディショナーとして、下記の特許文献１及び特許文献２に開示されたものがある。

特開２００５−２６２３４１号公報 特開２００２−１４４２２７号公報

上記特許文献１に開示されているパッドコンディショナーで使用されているコンディショニングディスクは、コンディショニングディスクの研磨面を形成する面に平坦部と傾斜部を設けることにより、外周部に形成された傾斜部において砥粒への集中負荷をなくすことができ、コンディショニングディスクの寿命を向上することが可能となる。しかし、研磨面の形状を変えるだけでは、砥粒の消耗の主要因である研磨剤との物理的、化学的な接液による消耗は避けられない。

また、上記特許文献２では、コンディショニングディスクを取り付けるヘッドに、コンディショニングディスクと研磨パッドとの間に洗浄液を供給する洗浄液供給手段と洗浄液回収手段を同時に設けることにより、研磨パッド上の塵埃やコンディショニングディスクの研磨面から脱落、破砕した砥粒等の研磨パッド上における残留量を低減し、研磨作業において、半導体ウェハの表面に生ずる損傷を抑制可能なパッドコンディショナーが開示されている。しかし、洗浄液回収手段となっている洗浄液回収管を吸引ポンプで回収する際に研磨パッド上の塵埃やコンディショニングディスクの研磨面から脱落、破砕した砥粒が逆に回収管を詰まらせる等の悪影響、トラブル発生が懸念される。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、研磨剤との物理的、化学的な接液による砥粒の消耗を防止し、コンディショニングディスクの寿命の向上が可能な化学的機械的研磨装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上面に研磨パッドを有し第１軸心回りに回転可能な回転テーブルと、前記研磨パッド上に研磨剤を供給する研磨剤供給部と、半導体ウェハを保持して前記半導体ウェハの被研磨面を前記研磨パッドに押圧する前記第１軸心と平行な第２軸心回りに回転可能なウェハ保持部と、表面に砥粒を固着してなる研磨面を前記第１軸心と平行な第３軸心回りに回転させながら前記研磨パッドの表面に押圧して、前記研磨パッドの表面を研削してコンディショニング処理を施す円盤状のコンディショニングディスクと、を備えてなる化学的機械的研磨装置であって、
下面側が開口し、上面側に前記第３軸心が貫通する蓋部材を有する有底筒状体で構成される前記コンディショニングディスクを前記有底筒状体の内側に収容するカバー部と、前記カバー部と前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に向けて押圧する押圧装置を更に備え、前記カバー部の前記有底筒状体の筒状壁部の下端面が、前記第３軸心と直交する同一平面に形成され、前記押圧装置が、前記カバー部の前記筒状壁部の下端面全面が前記研磨パッドの表面に向けて押圧可能に構成されていることを第１の特徴とする。

上記第１の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、カバー部の筒状壁部の下端面全面が研磨パッドの表面に向けて押圧されることで、研磨パッド表面の研磨剤がカバー部の内側に浸入するのを抑制でき、これにより、コンディショニングディスクの研磨面が研磨剤と物理的、化学的に接液することによる砥粒の消耗を防止できる。また、研磨パッド表面がカバー部の筒状壁部の下端面全面によって押圧されるため、その内側で支持されているコンディショニングディスクの下面を研磨パッド表面に対して平行に維持できるため、研磨面の外周端へ研磨パッド表面が集中的に接触して過負荷状態となるのを回避でき、コンディショニングディスクの研磨面の外周端に固着された砥粒の消耗や破損が防止できる。以上の結果、コンディショニングディスクの寿命の向上が図れる。更には、研磨パッド表面のコンディショニング状態が安定し、半導体ウェハの被研磨面に対する研磨レートの安定性及び均一性が改善される。

上記の改善効果について、図１２及び図１１を参照して具体的に説明する。図１２は、カバー部を備えない従来の化学的機械的研磨装置のコンディショニングディスク１２と研磨パッド１の表面の相対的な位置関係を示しており、研磨パッド１の表面は弾性変形するので、コンディショニングディスク１２の押圧により表面が変形して押下されるため、コンディショニングディスク１２の研磨面１１の外周端では、研磨パッド１の表面と側方からも接触するため接触面積が増大し、大きな接触抵抗を受けて負荷状態が大きくなる。図１１は、カバー部１４を備えた本発明に係る化学的機械的研磨装置のカバー部１４とコンディショニングディスク１２と研磨パッド１の表面の相対的な位置関係を示している。図１１に示すように、カバー部１４の筒状壁部１７の下端面１８の全面が研磨パッド１の表面を均等に押圧し、また、コンディショニング処理中は研磨パッド１が回転しているので、筒状壁部１７の内側の研磨パッド１の表面全体が均等に平面状に押下されている。従って、コンディショニングディスク１２の研磨面１１の外周端では、研磨パッド１の表面が浮き上がるのが抑制されるため、研磨面１１の外周端との接触面積が増大するのが抑制され、結果として、研磨面１１の外周端での砥粒の消耗や破損が抑制される。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１の特徴に加えて、更に、前記カバー部が、前記有底筒状体の内側に洗浄用流体を供給する洗浄用流体供給路を備え、前記カバー部の前記筒状壁部の下端面に、前記筒状壁部の内側から外側に向けて貫通する１または複数の溝が形成されていることを第２の特徴とする。

上記第２の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、有底筒状体の内側に少量浸入する研磨剤を洗浄用流体によって有底筒状体の外側へ排出できるため、コンディショニングディスクの研磨面が研磨剤と物理的、化学的に接液するのが更に抑制され、砥粒の消耗をより効果的に防止できる。また、筒状壁部の下端面に設けられた溝から排出される洗浄用流体によって、有底筒状体の内側への研磨剤の浸入が効果的に抑制される。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第２の特徴に加えて、更に、前記溝の貫通方向が、前記コンディショニングディスクの半径方向に対して前記コンディショニングディスクの回転方向に向って傾斜していることを第３の特徴とする。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第２または第３の特徴に加えて、更に、前記溝の幅が、前記筒状壁部の内側で広く、外側に向けて狭くなっていることを第４の特徴とする。

上記第３または第４の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、溝内の研磨剤及び洗浄用流体が筒状壁部の外側に向けて排出する排出効率が高くなり、有底筒状体の内側に少量浸入する研磨剤がコンディショニングディスクの研磨面と接触するのをより効果的に抑制できる。特に、上記第４の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、ポンプ効果によって、更に、溝内の研磨剤及び洗浄用流体が筒状壁部の外側に向けて排出する排出効率が高くなる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第２乃至第４の何れか特徴に加えて、更に、前記洗浄用流体供給路が、前記洗浄用流体を前記コンディショニングディスクの下面側に供給可能に設けられていることを第５の特徴とする。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第２乃至第５の何れかの特徴に加えて、更に、前記洗浄用流体供給路が、前記洗浄用流体を前記筒状壁部の内側壁と前記コンディショニングディスクの外周端の間の空間に供給可能に設けられていることを第６の特徴とする。

上記第５または第６の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、研磨パッドに付着した半導体ウェハの研磨屑や研磨パッド自体の研削屑を洗浄用流体によって有底筒状体の外側に洗い出すことができ、有底筒状体の外側に洗い出された、研磨パッド自体の回転による遠心力によって、研磨パッドの半径方向の外側に向けて排出される。

特に、上記第５の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、洗浄用流体がコンディショニングディスクの下面側に供給されるので、コンディショニング処理中の研磨パッドに付着している研磨屑等を効率的に洗浄できる。また、上記第６の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、洗浄用流体が筒状壁部の内側壁とコンディショニングディスクの外周端の間の空間に供給されるので、コンディショニング処理前後の研磨パッドに付着している研磨屑等を効率的に洗浄できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１乃至第６の何れかの特徴に加えて、更に、前記押圧装置が、前記コンディショニング処理時において、前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に向けて押圧する圧力以上の圧力で、前記カバー部を前記研磨パッドの表面に向けて押圧することを第７の特徴とする。

上記第７の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、カバー部の筒状壁部の下端面からの押圧により研磨パッド表面が弾性変形して表面位置が低下する量が、コンディショニングディスクからの押圧により研磨パッド表面が弾性変形して表面位置が低下する量より大きいため、コンディショニングディスクの研磨面に接触する研磨パッド表面の平面性がより良好に維持され、研磨面の外周端に掛かる負荷をカバー部による押圧がない場合に比べて大幅に軽減できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１乃至第７の何れかの特徴に加えて、更に、前記カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記コンディショニングディスクと一体或いは独立に、前記第３軸心回りに回転可能に構成されていることを第８の特徴とする。

上記第８の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、カバー部の回転で生じる遠心力によって筒状壁部の下端面に形成された溝内の研磨剤及び洗浄用流体が筒状壁部の外側に向けて排出する排出効率が更に高くなり、有底筒状体の内側に少量浸入する研磨剤がコンディショニングディスクの研磨面と接触するのをより効果的に抑制できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１乃至第７の何れかの特徴に加えて、更に、前記カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記第３軸心回りに回転しないことを第９の特徴とする。

上記第９の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、カバー部を回転駆動する機構が不要となる。特に、筒状壁部の下端面に溝を形成する場合に、溝の位置が固定されるため、適正な位置、例えば、筒状壁部に洗浄用流体とともに排出された研磨剤や研磨屑等を研磨パッドの回転による遠心力で、研磨パッドの半径方向の外側に向けて排出し易い位置に配置できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１乃至第９の何れかの特徴に加えて、更に、前記カバー部が、前記研磨剤による腐食に対して耐性を有する素材で構成されていることを第１０の特徴とする。

上記第１０の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、酸性或いはアルカリ性の研磨剤によるカバー部、特に、研磨剤と接触する筒状壁部の下端面の腐食を防止でき、カバー部の高寿命化が図れるとともに、筒状壁部の下端面全面を研磨パッド表面に対して安定的に押圧でき、コンディショニングディスクの研磨パッド表面に対する姿勢を適正に維持でき、研磨面の一部への集中的な負荷状態となるのを回避できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１乃至第１０の何れかの特徴に加えて、更に、下面側が開口し、上面側に前記第３軸心が貫通する蓋部材を有する有底筒状体で構成される前記カバー部と前記コンディショニングディスクを前記有底筒状体の内側に収容する第２カバー部を備え、前記第２カバー部の前記有底筒状体の筒状壁部の下端面が、前記第３軸心と直交する同一平面に形成され、前記第２カバー部の前記筒状壁部の下端面全面が前記研磨パッドの表面に向けて押圧可能に構成されていることを第１１の特徴とする。

上記第１１の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、コンディショニングディスクを囲むカバー部が２重になるため、より効果的に、コンディショニングディスクの寿命の向上が図れる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１１の特徴に加えて、更に、前記第２カバー部の前記筒状壁部の下端面に、前記筒状壁部の内側から外側に向けて貫通する１または複数の第２の溝が形成されていることを第１２の特徴とする。

上記第１２の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、第２カバー部の有底筒状体の内側に少量浸入した研磨剤を、カバー部から排出される洗浄用流体或いは研磨ヘッドの回転で生じる遠心力によって、第２カバー部の有底筒状体の外側へ第２の溝を通過して排出できるため、カバー部の内側への研磨剤の浸入を抑制でき、コンディショニングディスクの研磨面が研磨剤と物理的、化学的に接液するのが更に抑制され、砥粒の消耗をより効果的に防止できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１２の特徴に加えて、更に、前記第２の溝の貫通方向が、前記コンディショニングディスクの半径方向に対して前記コンディショニングディスクの回転方向に向って傾斜していることを第１３の特徴とする。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１２または第１３の特徴に加えて、更に、前記第２の溝の幅が、前記筒状壁部の内側で広く、外側に向けて狭くなっていることを第１４の特徴とする。

上記第１３または第１４の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、第２の溝内の研磨剤及び洗浄用流体が筒状壁部の外側に向けて排出する排出効率が高くなり、第２カバー部の有底筒状体の内側に少量浸入する研磨剤がコンディショニングディスクの研磨面と接触するのをより効果的に抑制できる。特に、上記第４の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、ポンプ効果によって、更に、第２の溝内の研磨剤及び洗浄用流体が筒状壁部の外側に向けて排出する排出効率が高くなる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１１乃至第１４の何れかの特徴に加えて、更に、前記第２カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記カバー部とは一体或いは独立に、前記第３軸心回りに回転することを第１５の特徴とする。

上記第１５の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、第２カバー部の回転で生じる遠心力によって筒状壁部の下端面に形成された第２の溝内の研磨剤及び洗浄用流体が筒状壁部の外側に向けて排出する排出効率が更に高くなり、第２カバー部の有底筒状体の内側に少量浸入する研磨剤がカバー部を通過してコンディショニングディスクの研磨面と接触するのをより効果的に抑制できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１１乃至第１４の何れかの特徴に加えて、更に、前記第２カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記第３軸心回りに回転しないことを第１６の特徴とする。

上記第１６の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、第２カバー部を回転駆動する機構が不要となる。特に、第２カバー部の筒状壁部の下端面に第２の溝を形成する場合に、第２の溝の位置が固定されるため、適正な位置、例えば、筒状壁部に洗浄用流体とともに排出された研磨剤や研磨屑等を研磨パッドの回転による遠心力で、研磨パッドの半径方向の外側に向けて排出し易い位置に配置できる。

本発明に係る化学的機械的研磨装置は、上記第１１乃至第１６の何れかの特徴に加えて、更に、前記第２カバー部が、前記研磨剤による腐食に対して耐性を有する素材で構成されていることを第１７の特徴とする。

上記第１７の特徴の化学的機械的研磨装置によれば、酸性或いはアルカリ性の研磨剤による第２カバー部、特に、研磨剤と接触する筒状壁部の下端面の腐食を防止でき、第２カバー部の高寿命化が図れる。

以下、本発明に係る化学的機械的研磨装置（以下、適宜「本発明装置」と略称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で参照する図面には、図１３に示す従来の化学的機械的研磨装置と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明する。

〈第１実施形態〉
図１に、第１実施形態における本発明装置４０の概略構成を模式的に示す。図１に示すように、上面に研磨パッド１を有する円盤状の回転テーブル２と、研磨パッド１上に研磨剤であるスラリー３を供給する研磨剤供給部４と、半導体ウェハ５を保持して被研磨面を研磨パッド１に押圧するウェハ保持部６と、パッドコンディショナー７を備えて構成される。

回転テーブル２は、テーブル面と直交する回転テーブル回転軸８に支持され、回転テーブル回転軸８の中心を貫通する第１軸心Ｘ１回りに回転可能に構成されている。

研磨剤供給部４からは、研磨パッド１上にスラリー３が供給され、スラリー３は半導体ウェハ５の被研磨面と研磨パッド１との接触面に取り込まれる。半導体ウェハ５の被研磨面は、研磨パッド１に接触し、スラリー３によって研磨される。

ウェハ保持部６は、半導体ウェハ５を吸着保持するウェハ保持面９を備え、ウェハ保持面９と直交するウェハ保持回転軸１０に支持され、ウェハ保持回転軸１０の中心を貫通する第２軸心Ｘ２回りに回転可能に構成されている。

回転テーブル２、研磨剤供給部４、及び、ウェハ保持部６の構成は、図１３に示す従来のＣＭＰ装置５０と同じである。

図２に、パッドコンディショナー７の構造を模式的に示す。図２に示すように、パッドコンディショナー７は、表面にダイヤモンド等からなる砥粒を固着してなる研磨面１１を備えた円盤状のコンディショニングディスク１２が、研磨面１１と直交するコンディショニングディスク回転軸１３に支持され、コンディショニングディスク回転軸１３の中心を貫通する第３軸心Ｘ３回りに回転可能に構成されている。コンディショニングディスク１２は、第１軸心Ｘ１回りに回転している回転テーブル２の上面に形成された研磨パッド１の表面に、第３軸心Ｘ３回りに回転している研磨面１１を押圧して、研磨パッド１の表面を研削することで、半導体ウェハ５の被研磨面との間の相互作用により平坦化した研磨パッド１の表面状態を毛羽立った肌理の粗い状態に再生して、半導体ウェハ５の被研磨面に対する研磨能力が一定状態に維持されるようコンディショニング処理を行う。尚、本実施形態では、回転テーブル２の表面に対して研磨パッド１が平板状に設けられているので、第２及び第３軸心Ｘ２，Ｘ３は夫々、回転テーブル２の第１軸心Ｘ１と平行になるように設定されている。

本実施形態では、パッドコンディショナー７は、コンディショニングディスク１２をその半径方向の外側及び上側から覆うカバー部１４と、カバー部１４とコンディショニングディスク１２を研磨パッド１の表面に向けて押圧する押圧装置１５を、更に備えて構成される。カバー部１４は、下面側が開口し、上面側にコンディショニングディスク回転軸１３が貫通する蓋部材１６を、側方に筒状壁部１７を有する有底筒状体で構成される。ここで、筒状壁部１７の下端面１８の全面が、押圧装置１５によって研磨パッド１の表面に向けて均等に押圧可能に構成されている。また、カバー部１４は、コンディショニングディスク回転軸１３と同軸状に設けられたカバー部回転軸１９によって支持されるとともに、コンディショニングディスク１２とは独立して回転駆動可能に構成されている。具体的には、コンディショニングディスク回転軸１３とカバー部回転軸１９が、搖動アーム２０によって支持されている。搖動アーム２０は、パッドコンディショナー７の駆動機構（図示せず）によって支持されるとともに、搖動駆動される。また、コンディショニングディスク回転軸１３とカバー部回転軸１９は、夫々、回転駆動用のベルト２１，２２によって夫々、相互に独立して個別にパッドコンディショナー７の駆動機構側から第３軸心Ｘ３回りに回転駆動される。

更に、コンディショニングディスク１２とコンディショニングディスク回転軸１３は、上下に伸縮可能な蛇腹状の壁面を有する中空の第１連結部材２３によって連結され、コンディショニングディスク回転軸１３の回転が、コンディショニングディスク１２に伝達可能に構成されている。また、コンディショニングディスク回転軸１３には、第１連結部材２３の中空部に空気を供給する第１空気供給路２４が設けられ、コンディショニングディスク回転軸１３と第１連結部材２３の中空部とコンディショニングディスク１２には、コンディショニングディスク１２の下面側に純水、薬液、ガス等の洗浄用流体を供給する洗浄用流体供給路２５が設けられている。

更に、カバー部１４の蓋部材１６とカバー部回転軸１９は、上下に伸縮可能な蛇腹状の内外２重の壁面を有する中空円環状の第２連結部材２６によって連結され、カバー部回転軸１９の回転が、カバー部１４全体に伝達可能に構成されている。また、カバー部回転軸１９には、第２連結部材２６の中空部に空気を供給する第２空気供給路２７が設けられている。

本実施形態では、一例として、コンディショニングディスク１２を回転数９０〜１１０ｒｐｍで回転駆動する場合には、カバー部１４は、それと同等或いは低い回転数で回転駆動されるように制御される。

第１空気供給路２４、洗浄用流体供給路２５、及び、第２空気供給路２７は、夫々搖動アーム２０に沿って図示しないパッドコンディショナー７の駆動機構側に向けて延伸し、駆動機構側から夫々、空気や洗浄用流体が供給可能に構成されている。

押圧装置１５は、実質的には、第１及び第２空気供給路２４，２７と２つの第１連結部材２３，２６によって構成され、第１空気供給路２４と第２空気供給路２７を介して第１連結部材２３及び第２連結部材２６の各中空部に空気を供給することで、その空気供給圧によって、コンディショニングディスク１２の研磨面１１とカバー部１４の筒状壁部１７の下端面１８を研磨パッド１の表面に向けて夫々独立して押圧することができる。研磨面１１と下端面１８の各押圧力は、第１及び第２空気供給路２４，２７に供給する空気供給圧によって調整される。具体的には、研磨面１１の押圧力は、通常５〜１２ｐｓｉ（約３４．４９〜８２．７５ｋＰａ）に調整されるので、筒状壁部１７の下端面１８の押圧力は、研磨面１１の当該押圧力より高く設定する。これにより、筒状壁部１７の下端面１８全面が、研磨パッド１の表面を均等に押圧するため、コンディショニングディスク１２の研磨面１１は、その全面で一様に研磨パッド１の表面に対して平行に当接することができ、研磨面１１の外周端に集中的に負荷が掛かるのを回避でき、研磨面１１の砥粒の磨耗或いは破損を抑制できる。

カバー部１４の蓋部材１６及び筒状壁部１７は、第３軸心Ｘ３方向から見た形状が円形で、筒状壁部１７の内径は、その内側にコンディショニングディスク１２を収容する必要からコンディショニングディスク１２の直径に対して一定のクリアランス（例えば、１０ｍｍ以上）を持った寸法とする。尚、コンディショニングディスク１２の直径は、２００ｍｍウェハ用のＣＭＰ装置の場合には、約１００ｍｍであり、３００ｍｍウェハ用のＣＭＰ装置の場合には、約１０８ｍｍ、約２５０ｍｍ、約２７０ｍｍ等とメーカによって仕様に差がある。

また、カバー部１４は、酸性或いはアルカリ性の研磨剤による腐食に対して耐性を有するＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ポリアミドイミド樹脂等のような樹脂或いはその他の耐腐食性素材を用いて形成される。

本実施形態では、図３に示すように、筒状壁部１７の下端面１８に、筒状壁部１７の内側から外側に向けて貫通する１または複数の溝２８が形成されている。図３の例では、４つの溝２８が形成されている。コンディショニングディスク１２の下面側に供給され、コンディショニングディスク１２の下面から外側に排出される洗浄用流体が、研磨パッド１に付着した半導体ウェハ５の研磨屑や研磨パッド１自体の研削屑等とともに、各溝２８を介してカバー部１４の外側に排出される。カバー部１４の外側に排出された洗浄用流体等は、研磨パッド１自体の回転による遠心力によって、研磨パッド１の半径方向の外側に向けて排出される。

本実施形態では、更に、各溝２８の貫通方向（図３中、破線で表示）は、コンディショニングディスク１２の半径方向（図３中の矢印Ａ）に対してコンディショニングディスク１２の回転方向（図３中の矢印Ｂ）に向って傾斜しており、洗浄用流体の排出効率が向上する。更に、各溝２８の幅は、筒状壁部１７の内側で広く、外側に向けて狭くなっており、斯かる溝２８の形状によって、洗浄用流体に対するポンプ効果が発生し、洗浄用流体の排出効率が更に向上する。以上の結果、カバー部１４の内側に少量浸入する研磨剤を洗浄用流体によってカバー部１４の外側へ排出できるため、コンディショニングディスク１２の研磨面１１が研磨剤と物理的、化学的に接液するのが抑制され、砥粒の消耗をより効果的に防止できる。また、筒状壁部の下端面に設けられた溝から排出される洗浄用流体によって、有底筒状体の内側への研磨剤の浸入が効果的に抑制される。

〈第２実施形態〉
次に、本発明装置の第２実施形態について説明する。図４に、第２実施形態における本発明装置４１の概略構成を模式的に示す。図４に示すように、第２実施形態における本発明装置４１は、第１実施形態における本発明装置４０と同様に、上面に研磨パッド１を有する円盤状の回転テーブル２と、研磨パッド１上に研磨剤であるスラリー３を供給する研磨剤供給部４と、半導体ウェハ５を保持して被研磨面を研磨パッド１に押圧するウェハ保持部６と、パッドコンディショナー７を備えて構成される。第１実施形態との相違点は、パッドコンディショナー７が、カバー部１４をその半径方向の外側及び上側から覆う第２カバー部３０を備えて構成される点である。従って、カバー部１４とコンディショニングディスク１２、及び、これらに関連する機構部分は、第１実施形態と同様に設けられており、重複する説明は省略する。

図５に、第２実施形態におけるパッドコンディショナー７の構造を模式的に示す。図５に示すように、第２カバー部３０は、下面側が開口し、上面側にコンディショニングディスク回転軸１３とカバー部回転軸１９が貫通する蓋部材３１を、側方に筒状壁部３２を有する有底筒状体で構成される。第２カバー部３０は、搖動アーム２０によって第３連結部材３４を介して支持されている。第３連結部材３４は、上下に伸縮可能な蛇腹状の壁面を有し、上下に弾性変形可能な弾性構造を有しており、第２カバー部３０の自重と第３連結部材３４の弾性力によって、第２カバー部３０の筒状壁部３２の下端面３３の全面が、研磨パッド１の表面に向けて均等に押圧可能に構成されている。尚、本実施形態では、第２カバー部３０は、搖動アーム２０によって第３連結部材３４を介して支持されているため、カバー部１４と異なり、第３軸心Ｘ３回りに回転せずに固定されている。

第２カバー部３０の蓋部材３１及び筒状壁部３２は、第３軸心Ｘ３方向から見た形状が円形で、筒状壁部３２の内径は、その内側にカバー部１４を収容する必要からカバー部１４に対して一定のクリアランス（例えば、１０ｍｍ以上）を持った寸法とする。

また、第２カバー部３０は、カバー部１４と同様に、酸性或いはアルカリ性の研磨剤による腐食に対して耐性を有するＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ポリアミドイミド樹脂等のような樹脂或いはその他の耐腐食性素材を用いて形成される。

本実施形態では、図６に示すように、第２カバー部３０の筒状壁部３２の下端面３３に、筒状壁部３２の内側から外側に向けて貫通する１または複数の溝３５（第２の溝に相当）が形成されている。図６の例では、１つの溝３５が形成されている。コンディショニングディスク１２の下面側に供給され、コンディショニングディスク１２の下面から外側に排出される洗浄用流体が、研磨パッド１に付着した半導体ウェハ５の研磨屑や研磨パッド１自体の研削屑等とともに、カバー部１４の各溝２８を介してカバー部１４の外側に排出され、更に、第２カバー部３０の溝３５を介して第２カバー部３０の外側に排出される。第２カバー部３０の外側に排出された洗浄用流体等は、研磨パッド１自体の回転による遠心力によって、研磨パッド１の半径方向の外側に向けて排出される。従って、第２カバー部３０の溝３５は、筒状壁部３２の下端面３３の研磨パッド１の半径方向の外側に向って開口するように形成されている。掛かる構成によって、第２カバー部３０の外側に排出された洗浄用流体に含まれる半導体ウェハ５の研磨屑や研磨パッド１自体の研削屑等が、研磨パッド１の第１軸心Ｘ１を挟んで反対側に位置するウェハ保持部６に吸着保持されている半導体ウェハ５の被研磨面に到達するのを防止できる。

〈第３実施形態〉
次に、本発明装置４０、４１におけるカバー部１４、或いは、カバー部１４と第２カバー部３０を設けることの効果を説明するための２つの実験データを、第３実施形態として紹介する。尚、以下の２つの実験は、本発明装置４０、４１を直接用いた実験ではないことを断っておく。

第１の実験例では、研磨剤（スラリー３）を使用した場合と純水を使用した場合について、コンディショニングディスク１２のダイヤモンド砥粒の磨耗状態を、キーエンス製のレーザー顕微鏡にて定点観測を行った。図７に、ダイヤモンド砥粒の磨耗状態を定点観測した写真（研磨剤使用の加工前と８時間加工後、及び、純水使用の加工前と２５時間加工後の４点）を示す。図７に示すように、研磨剤を使用した場合、純水を使用した場合に比べてダイヤモンド砥粒の磨耗量は明らかに多く、コンディショニングディスク１２を囲むカバー部１４を設け、砥粒の磨耗の主要因である研磨剤との物理的、化学的な接液を抑制すれば、コンディショニングディスク１２の寿命を大幅に向上できることは明らかである。

コンディショニングディスク１２の研磨面の消耗の目安として、一般的に研磨パッドのパッドカットレート（コンディショニングディスクが単位加工時間当たりに削除できるパッドの削れ量）で判断する場合があり、図８に、研磨剤（スラリー３）と純水を各別に使用し、コンディショニングディスク１２の研磨面の消耗度合いを比較した第２の実験例の結果を示す。

図８に示す第２の実験例の研磨条件として、研磨パッド１（ニッタ・ハース製ＩＣ１０００／ｓｕｂａ）を貼り付けた回転テーブル２を１２０ｒｐｍ、及び、コンディショニングディスク１２を１００ｒｐｍで回転させながら、圧力５ｐｓｉで研磨パッド１の表面を押圧し、スラリー３（キャボット製ＳＳ２５−Ｅ）の流量を１００ｃｃ／分に設定し、比較例として純水を使用した。図８に、スラリーを使用した場合と純水使用した場合の夫々におけるコンディショニング時間に対する研磨パッド１のパッドカットレートの経時変化を示す。図８に示すように、明らかにスラリー３（研磨剤）を使用した場合、研磨パッドのパッドカットレートの低下は著しく早く、消耗の主要因である研磨剤との物理的、化学的な接液を抑制すれば、コンディショニングディスク１２の寿命を大幅に向上できることは明らかである。

次に、本発明装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記第１実施形態では、コンディショニングディスク回転軸１３と第１連結部材２３の中空部とコンディショニングディスク１２には、コンディショニングディスク１２の下面側に純水、薬液、ガス等の洗浄用流体を供給する洗浄用流体供給路２５を設け、更に、カバー部１４の筒状壁部１７の下端面１８に、筒状壁部１７の内側から外側に向けて貫通する１または複数の溝２８を形成し、コンディショニングディスク１２の下面側に供給され、コンディショニングディスク１２の下面から外側に排出される洗浄用流体を、研磨パッド１に付着した半導体ウェハ５の研磨屑や研磨パッド１自体の研削屑等とともに、各溝２８を介してカバー部１４の外側に排出する構成としたが、洗浄用流体供給路２５及び溝２８を必ずしも設けなくても構わず、コンディショニング処理時に、カバー部１４の筒状壁部１７の下端面１８の全面が研磨パッド１の表面を均等に押圧できる押圧装置１５を備えることだけでも、コンディショニングディスク１２の研磨面の消耗を低減する基本的な効果は発揮される。また、上記第２実施形態においても同様の理由により、洗浄用流体供給路２５、カバー部１４の溝２８及び第２カバー部３０の溝３５は必ずしも設けなくても構わない。

〈２〉上記第１及び第２実施形態では、コンディショニングディスク回転軸１３と第１連結部材２３の中空部とコンディショニングディスク１２に洗浄用流体供給路２５を設け、コンディショニングディスク１２の下面側に純水、薬液、ガス等の洗浄用流体を供給可能な構成としたが、例えば、図９に示すように、洗浄用流体供給路２５をカバー部回転軸１９に設け、カバー部１４の筒状壁部１７の内側壁とコンディショニングディスク１２の外周端の間の空間２９に供給可能な構成とするのも好ましい。

〈３〉上記第１及び第２実施形態では、コンディショニングディスク回転軸１３とカバー部回転軸１９を個別に設けて独立して回転駆動可能に構成したが、カバー部１４とコンディショニングディスク１２を同じ回転数で駆動する場合は、例えば、図１０に示すように、２つの回転軸１３、１９を一体化して１つの回転駆動用のベルト２１で駆動するようにしても構わない。

〈４〉上記第１実施形態では、カバー部１４は第３軸心Ｘ３回りに回転可能な構成としたが、上記第２実施形態の第２カバー部３０と同様に、第３軸心Ｘ３回りに回転しない構成としても構わない。この場合、カバー部１４の溝２８は、上記第２実施形態における第２カバー部３０の溝３５と同様の要領で設ければ良い。

また、上記第２実施形態において、第２カバー部３０を第３軸心Ｘ３回りに回転しない構成としたが、上記第１実施形態のカバー部１４と同様の要領で第３軸心Ｘ３回りに回転可能な構成とするのも好ましい。この場合、第２カバー部３０の溝３５は、上記第１実施形態におけるカバー部１４の溝２８と同様の要領で設ければ良い。

〈５〉上記第１及び第２実施形態では、カバー部１４及び第２カバー部３０の有底筒状体として、筒状壁部１７，３２の壁面が研磨パッドの表面に対して直交し、蓋部材１６，３１が平板状のものを想定したが、筒状壁部１７，３２と蓋部材１６，３１の少なくとも何れか一方が曲面で構成された立体形状であっても構わない。例えば、筒状壁部１７，３２と蓋部材１６，３１の両方が球面で構成されたドーム状の有底筒状体であっても構わない。

〈６〉上記第１及び第２実施形態において、カバー部１４及び第２カバー部３０に設けられた溝２８，３５の形状及び個数は、上記各実施形態で例示した形状及び個数に限定されるものではなく、適宜変更可能である。

〈７〉上記第１及び第２実施形態において、押圧装置１５を第１及び第２空気供給路２４，２７と２つの第１連結部材２３，２６によって構成し、第１空気供給路２４と第２空気供給路２７を介して第１連結部材２３及び第２連結部材２６の各中空部に空気を供給することで、その空気供給圧によって、コンディショニングディスク１２の研磨面１１とカバー部１４の筒状壁部１７の下端面１８を研磨パッド１の表面に向けて夫々独立して押圧することができる構成としたが、押圧装置１５の構成は、空気供給圧によって押圧する構成に限定されるものではない。

本発明は、シリコンウェハ等の半導体ウェハの表面を平坦化するために使用される化学的機械的研磨装置に利用可能であり、特に、化学的機械的研磨装置の研磨パッドを再生させるためのパッドコンディショナーに有用である。

本発明に係る化学的機械的研磨装置の第１実施形態における基本的な構成を模式的に示す概略の断面構成図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の第１実施形態におけるパッドコンディショナーの構造を模式的に示す概略の断面構成図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の第１実施形態におけるカバー部の筒状壁部の下端面に形成された複数の溝の配置及び形状を模式的に示す概略の底面図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の第２実施形態における基本的な構成を模式的に示す概略の断面構成図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の第２実施形態におけるパッドコンディショナーの構造を模式的に示す概略の断面構成図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の第２実施形態における第２カバー部の筒状壁部の下端面に形成された溝の配置及び形状を模式的に示す概略の底面図 研磨剤を使用した場合と純水を使用した場合についてコンディショニングディスクのダイヤモンド砥粒の磨耗状態を定点観測した写真 スラリーを使用した場合と純水使用した場合の夫々におけるコンディショニング時間に対する研磨パッドのパッドカットレートの経時変化を示す図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の別実施形態におけるパッドコンディショナーの構造を模式的に示す概略の断面構成図 本発明に係る化学的機械的研磨装置の他の別実施形態におけるパッドコンディショナーの構造を模式的に示す概略の断面構成図 本発明に係る化学的機械的研磨装置のカバー部とコンディショニングディスクと研磨パッド表面の相対的な位置関係を模式的に示す断面図 従来の化学的機械的研磨装置のコンディショニングディスクと研磨パッド表面の相対的な位置関係を模式的に示す断面図 従来の化学的機械的研磨装置の基本的な構成を模式的に示す概略の断面構成図 従来の化学的機械的研磨装置で使用されるコンディショニングディスクの一例を模式的に示す概略の断面構成図

符号の説明

１： 研磨パッド
２： 回転テーブル
３： 研磨剤（スラリー）
４： 研磨剤供給部
５： 半導体ウェハ
６： ウェハ保持部
７： パッドコンディショナー
８： 回転テーブル回転軸
９： ウェハ保持面
１０： ウェハ保持回転軸
１１： 研磨面（砥粒の集合）
１２： コンディショニングディスク
１３： コンディショニングディスク回転軸
１４： カバー部
１５： 押圧装置
１６： カバー部を構成する蓋部材
１７： カバー部を構成する筒状壁部
１８： カバー部を構成する筒状壁部の下端面
１９： カバー部回転軸
２０： 搖動アーム
２１： コンディショニングディスク回転軸の回転駆動用ベルト
２２： カバー部回転軸の回転駆動用ベルト
２３： 第１連結部材
２４： 第１空気供給路
２５： 洗浄用流体供給路
２６： 第２連結部材
２７： 第２空気供給路
２８： 溝
２９： カバー部の内側でコンディショニングディスクより外側の空間
３０： 第２カバー部
３１： 第２カバー部を構成する蓋部材
３２： 第２カバー部を構成する筒状壁部
３３： 第２カバー部を構成する筒状壁部の下端面
３４： 第３連結部材
３５： 第２の溝
４０： 本発明に係る化学的機械的研磨装置（第１実施形態）
４１： 本発明に係る化学的機械的研磨装置（第２実施形態）
５０： 従来の化学的機械的研磨装置
Ｘ１： 第１軸心
Ｘ２： 第２軸心
Ｘ３： 第３軸心

Claims (15)

1. 上面に研磨パッドを有し第１軸心回りに回転可能な回転テーブルと、
   前記研磨パッド上に研磨剤を供給する研磨剤供給部と、
   半導体ウェハを保持して前記半導体ウェハの被研磨面を前記研磨パッドに押圧する前記第１軸心と平行な第２軸心回りに回転可能なウェハ保持部と、
   表面に砥粒を固着してなる研磨面を前記第１軸心と平行な第３軸心回りに回転させながら前記研磨パッドの表面に押圧して、前記研磨パッドの表面を研削してコンディショニング処理を施す円盤状のコンディショニングディスクと、を備えてなる化学的機械的研磨装置であって、
   下面側が開口し、上面側に前記第３軸心が貫通する蓋部材を有する有底筒状体で構成される前記コンディショニングディスクを前記有底筒状体の内側に収容するカバー部と、
   前記カバー部と前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に向けて押圧する押圧装置を、更に備え、
   前記カバー部の前記有底筒状体の筒状壁部の下端面が、前記第３軸心と直交する同一平面に形成され、
   前記押圧装置が、前記カバー部の前記筒状壁部の同一平面に形成された下端面全面が前記研磨パッドの表面に当接して前記研磨パッドの表面を押下可能に構成され、
   下面側が開口し、上面側に前記第３軸心が貫通する蓋部材を有する有底筒状体で構成される前記カバー部と前記コンディショニングディスクを前記有底筒状体の内側に収容する第２カバー部を備え、
   前記第２カバー部の前記有底筒状体の筒状壁部の下端面が、前記第３軸心と直交する同一平面に形成され、
   前記第２カバー部の前記筒状壁部の下端面全面が前記研磨パッドの表面に向けて押圧可能に構成され、
   前記第２カバー部の前記筒状壁部の下端面に、前記筒状壁部の内側から外側に向けて貫通する１または複数の第２の溝が形成されていることを特徴とする化学的機械的研磨装置。
2. 前記カバー部が、前記有底筒状体の内側に洗浄用流体を供給する洗浄用流体供給路を備え、
   前記カバー部の前記筒状壁部の下端面に、前記筒状壁部の内側から外側に向けて貫通する１または複数の溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨装置。
3. 前記溝の貫通方向が、前記コンディショニングディスクの半径方向に対して前記コンディショニングディスクの回転方向に向って傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の化学的機械的研磨装置。
4. 前記溝の幅が、前記筒状壁部の内側で広く、外側に向けて狭くなっていることを特徴とする請求項２または３に記載の化学的機械的研磨装置。
5. 前記洗浄用流体供給路が、前記洗浄用流体を前記コンディショニングディスクの下面側に供給可能に設けられていることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
6. 前記洗浄用流体供給路が、前記洗浄用流体を前記筒状壁部の内側壁と前記コンディショニングディスクの外周端の間の空間に供給可能に設けられていることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
7. 前記押圧装置が、前記コンディショニング処理時において、前記コンディショニングディスクを前記研磨パッドの表面に向けて押圧する圧力以上の圧力で、前記カバー部を前記研磨パッドの表面に向けて押圧することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
8. 前記第２の溝の貫通方向が、前記コンディショニングディスクの半径方向に対して前記コンディショニングディスクの回転方向に向って傾斜していることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
9. 前記第２の溝の幅が、前記筒状壁部の内側で広く、外側に向けて狭くなっていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
10. 前記第２カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記カバー部とは一体或いは独立に、前記第３軸心回りに回転することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
11. 前記第２カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記第３軸心回りに回転しないことを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
12. 前記第２カバー部が、前記研磨剤による腐食に対して耐性を有する素材で構成されていることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
13. 前記カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記コンディショニングディスクと一体或いは独立に、前記第３軸心回りに回転可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
14. 前記カバー部が、前記コンディショニング処理時において、前記第３軸心回りに回転しないことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。
15. 前記カバー部が、前記研磨剤による腐食に対して耐性を有する素材で構成されていることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の化学的機械的研磨装置。