JP5590477B2 - 研磨装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板に形成された金属膜を平坦に研磨加工する研磨装置に関する。
半導体デバイス製造において、基板に多層の配線層を形成する技術の一つとして、化学
的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を利用したダマシン（damascene
）法がある。ダマシン法は、シリコン基板やガラス基板等の基板表面に絶縁膜を形成して
トレンチやビアホール等の微細な凹部を形成し、この凹部を覆うように金属膜を形成した
うえで、金属膜を平坦に研磨して、凹部内に金属配線を埋め込む方法である。配線層を形
成する金属として銅などが用いられる。ところが、近年では、配線層の下地として比誘電
率が低いＬｏｗ−ｋ材が使用されつつあるが、Ｌｏｗ−ｋ膜はシリコン酸化物等の従来の
絶縁膜と比較して機械的強度が低く、ＣＭＰ加工時の研磨圧力によって層間剥離を生じる
恐れがある。
的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を利用したダマシン（damascene
）法がある。ダマシン法は、シリコン基板やガラス基板等の基板表面に絶縁膜を形成して
トレンチやビアホール等の微細な凹部を形成し、この凹部を覆うように金属膜を形成した
うえで、金属膜を平坦に研磨して、凹部内に金属配線を埋め込む方法である。配線層を形
成する金属として銅などが用いられる。ところが、近年では、配線層の下地として比誘電
率が低いＬｏｗ−ｋ材が使用されつつあるが、Ｌｏｗ−ｋ膜はシリコン酸化物等の従来の
絶縁膜と比較して機械的強度が低く、ＣＭＰ加工時の研磨圧力によって層間剥離を生じる
恐れがある。
そこで、Ｌｏｗ−ｋ膜にダメージを与えないように、電解研磨を応用したＣＭＰ（ＥＣ
ＭＰ：Electro Chemical Mechanical Polishing）が提案されている。ＥＣＭＰを行う
研磨装置（ＥＣＭＰ装置という）では、研磨パッドに陽極及び陰極が埋め込まれており、
基板表面の金属膜が陽極電位に近い正電位になるように配置される。そして、電解液を供
給して研磨パッドと基板とを回転させて面接触させ、陽極と陰極との間に電圧を印加する
ことにより、正電位の金属膜と陰極との間の電解作用によって低研磨荷重で金属膜を平坦
に研磨するように構成される（例えば特許文献１を参照）。
ＭＰ：Electro Chemical Mechanical Polishing）が提案されている。ＥＣＭＰを行う
研磨装置（ＥＣＭＰ装置という）では、研磨パッドに陽極及び陰極が埋め込まれており、
基板表面の金属膜が陽極電位に近い正電位になるように配置される。そして、電解液を供
給して研磨パッドと基板とを回転させて面接触させ、陽極と陰極との間に電圧を印加する
ことにより、正電位の金属膜と陰極との間の電解作用によって低研磨荷重で金属膜を平坦
に研磨するように構成される（例えば特許文献１を参照）。
ところが、ＥＣＭＰ装置の研究を進めるにつれて、新たな課題が明らかになってきた。
それは、ＣＭＰ加工あるいはＥＣＭＰ加工の過程で生じた金属微粒子や反応物などの生成
物が、表面を上向きとする研磨パッドの陽極及び陰極に付着し、あるいはこれらの電極が
配設された凹部内に堆積して、金属微粒子を介してショート（短絡）し、または反応物が
電気抵抗となって、電解研磨の研磨レートが低下するという課題である。本発明は、この
ような課題に鑑みて成されたものであり、安定した研磨レートで研磨加工を実現可能な研
磨装置を提供することを目的とする。
それは、ＣＭＰ加工あるいはＥＣＭＰ加工の過程で生じた金属微粒子や反応物などの生成
物が、表面を上向きとする研磨パッドの陽極及び陰極に付着し、あるいはこれらの電極が
配設された凹部内に堆積して、金属微粒子を介してショート（短絡）し、または反応物が
電気抵抗となって、電解研磨の研磨レートが低下するという課題である。本発明は、この
ような課題に鑑みて成されたものであり、安定した研磨レートで研磨加工を実現可能な研
磨装置を提供することを目的とする。
本発明を例示する態様に従えば、基板研磨用の研磨パッドを備えて構成される研磨ヘッドと、基板の研磨対象面を前記研磨パッドの研磨面に当接させた状態で、前記基板に対して前記研磨ヘッドを相対移動させる移動機構（例えば、実施形態におけるヘッド移動機構３０）と、を備え、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドの挿通孔に設けられ、昇降可能な電極部材（例えば、実施形態におけるパッド電極１２０）を有し、前記電極部材を前記研磨面に近接させた状態で、前記研磨対象面上に電解液を供給しながら前記電極部材に電圧を印加することにより、前記移動機構により前記基板に対して前記研磨ヘッドを相対移動させて、前記研磨対象面に形成された金属膜の電解研磨を行い、前記電極部材を前記研磨面から離隔させた状態で、前記研磨対象面上にスラリーを供給しながら前記移動機構により前記基板に対して前記研磨ヘッドを相対移動させる化学的機械研磨を行う研磨装置が構成される。
好ましくは、前記基板を保持するチャックプレートの周縁部と離隔して設けられる電極部材を更に備え、前記研磨パッドの挿通孔に設けられる電極部材と、前記チャックプレートの周縁部と離隔して設けられる電極部材との間に、電圧を印加する電源装置を更に備える構成としても良い。
前記電解研磨を行った後に、前記化学的機械研磨を行うのが好ましい。
好ましくは、前記基板を保持するチャックプレートの周縁部と離隔して設けられる電極部材を更に備え、前記研磨パッドの挿通孔に設けられる電極部材と、前記チャックプレートの周縁部と離隔して設けられる電極部材との間に、電圧を印加する電源装置を更に備える構成としても良い。
前記電解研磨を行った後に、前記化学的機械研磨を行うのが好ましい。
上記構成の研磨装置によれば、正電位となる研磨対象面の金属膜と周囲を囲む陰極とが離間して配設され、基板から流れ落ちる電解液を介して電気的に接続される構成のため、生成物に起因したショートや電気抵抗の増大を抑制し、安定した研磨レートで研磨加工を実現可能な研磨装置を提供することができる。また、電極部材を研磨面から離隔させ、研磨対象面上にスラリーを供給しながら研磨ヘッドを相対移動させて化学的機械研磨を行うことができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本発明を
適用した研磨装置（ＥＣＭＰ装置）１の概略構成を図２に示す。研磨装置１は、シリコン
基板や半導体ウエーハ等の基板Ｗを研磨対象面Ｗsが上向きの水平姿勢で回転させる基板
回転機構１０、基板Ｗよりも小径の研磨パッド２３を研磨面が下向きの水平姿勢で回転さ
せるパッド回転機構２０、基板Ｗに対して研磨パッド２３を昇降及び相対揺動させるヘッ
ド移動機構３０、研磨対象面Ｗsに加工液を供給する加工液供給装置４０、基板回転機構
１０による基板Ｗの回転、パッド回転機構２０による研磨パッド２３の回転、ヘッド移動
機構３０による研磨パッド２３の昇降及び揺動、加工液供給装置４０による加工液の供給
など、研磨装置１の各部の作動を制御する制御装置５０などを備えて構成される。
適用した研磨装置（ＥＣＭＰ装置）１の概略構成を図２に示す。研磨装置１は、シリコン
基板や半導体ウエーハ等の基板Ｗを研磨対象面Ｗsが上向きの水平姿勢で回転させる基板
回転機構１０、基板Ｗよりも小径の研磨パッド２３を研磨面が下向きの水平姿勢で回転さ
せるパッド回転機構２０、基板Ｗに対して研磨パッド２３を昇降及び相対揺動させるヘッ
ド移動機構３０、研磨対象面Ｗsに加工液を供給する加工液供給装置４０、基板回転機構
１０による基板Ｗの回転、パッド回転機構２０による研磨パッド２３の回転、ヘッド移動
機構３０による研磨パッド２３の昇降及び揺動、加工液供給装置４０による加工液の供給
など、研磨装置１の各部の作動を制御する制御装置５０などを備えて構成される。
基板回転機構１０は、基板Ｗを保持する円盤状の基板チャック１１と、この基板チャッ
ク１１から鉛直下方に延びるスピンドル１４、スピンドル１４を介して基板チャック１１
を回転駆動するチャック駆動モータ１５などから構成される。
ク１１から鉛直下方に延びるスピンドル１４、スピンドル１４を介して基板チャック１１
を回転駆動するチャック駆動モータ１５などから構成される。
基板チャック１１は、上端に平坦な基板支持面１２ａが形成され基板Ｗの直径よりも幾
分大きめの円盤状に形成されたチャックプレート１２と、チャックプレート１２の外周に
設けられた円環状のリテーナリング１１０とを備えて構成される。チャックプレート１２
は、基板Ｗを着脱自在に真空吸着する真空チャック構造を有し、セラミック等の高剛性絶
縁材料により形成される。基板チャック１１は、研磨加工の対象となる研磨対象面（被加
工面）Ｗsが上向きとなる水平姿勢で基板Ｗを吸着保持し、保持した基板Ｗとともに、上
下に延びるスピンドル１４の回転軸廻りに回転駆動される。
分大きめの円盤状に形成されたチャックプレート１２と、チャックプレート１２の外周に
設けられた円環状のリテーナリング１１０とを備えて構成される。チャックプレート１２
は、基板Ｗを着脱自在に真空吸着する真空チャック構造を有し、セラミック等の高剛性絶
縁材料により形成される。基板チャック１１は、研磨加工の対象となる研磨対象面（被加
工面）Ｗsが上向きとなる水平姿勢で基板Ｗを吸着保持し、保持した基板Ｗとともに、上
下に延びるスピンドル１４の回転軸廻りに回転駆動される。
基板回転機構１０と隣接して、ヘッド移動機構３０が設けられ、ヘッド移動機構３０の
研磨アーム３２の先端にパッド回転機構２０が設けられる。パッド回転機構２０は、研磨
パッドが設けられた研磨ヘッド２１と、この研磨ヘッド２１から鉛直上方に延びるスピン
ドル２４、スピンドル２４を介して研磨ヘッド２１を回転駆動するパッド駆動モータ２５
などから構成される。
研磨アーム３２の先端にパッド回転機構２０が設けられる。パッド回転機構２０は、研磨
パッドが設けられた研磨ヘッド２１と、この研磨ヘッド２１から鉛直上方に延びるスピン
ドル２４、スピンドル２４を介して研磨ヘッド２１を回転駆動するパッド駆動モータ２５
などから構成される。
研磨ヘッド２１は、チャックプレート１２と同様の高剛性絶縁材料を用いて円盤状に形
成されたパッドプレート２２と、基板Ｗの直径よりも小径の円盤状に形成されパッドプレ
ート２２の下面に貼られた研磨パッド２３、研磨パッド２３を貫通し陽極１１５が研磨面
に露出して設けられたパッド電極１２０、研磨パッド２３を基板Ｗに押しつけるパッド加
圧機構などを備えて構成される。研磨ヘッド２１は、研磨加工を行う研磨面２３sが下向
きとなる水平姿勢で研磨パッド２３を保持し、上下に延びるスピンドル２３の回転軸廻り
に回転駆動される。研磨パッド２３はＣＭＰ加工用のパッドであり、例えば、独立発泡構
造を有する硬質ポリウレタン製のパッドが用いられる。研磨パッド２３には、格子状ある
いは放射状等の溝パターンのパッド溝２３gが形成されている。
成されたパッドプレート２２と、基板Ｗの直径よりも小径の円盤状に形成されパッドプレ
ート２２の下面に貼られた研磨パッド２３、研磨パッド２３を貫通し陽極１１５が研磨面
に露出して設けられたパッド電極１２０、研磨パッド２３を基板Ｗに押しつけるパッド加
圧機構などを備えて構成される。研磨ヘッド２１は、研磨加工を行う研磨面２３sが下向
きとなる水平姿勢で研磨パッド２３を保持し、上下に延びるスピンドル２３の回転軸廻り
に回転駆動される。研磨パッド２３はＣＭＰ加工用のパッドであり、例えば、独立発泡構
造を有する硬質ポリウレタン製のパッドが用いられる。研磨パッド２３には、格子状ある
いは放射状等の溝パターンのパッド溝２３gが形成されている。
研磨ヘッド２１には、パッドプレート２２の中心を上下に貫通して加工液供給路２６が
設けられており、加工液供給装置４０から供給されるスラリーや電解液、純水などの加工
液が加工液供給路２６を通り研磨パッド２３の中心から研磨対象面に供給されるようにな
っている（図１を参照）。なお、リテーナリング１１０及びパッド電極１２０の電極構造
１００については後に詳述する。
設けられており、加工液供給装置４０から供給されるスラリーや電解液、純水などの加工
液が加工液供給路２６を通り研磨パッド２３の中心から研磨対象面に供給されるようにな
っている（図１を参照）。なお、リテーナリング１１０及びパッド電極１２０の電極構造
１００については後に詳述する。
ヘッド移動機構３０は、テーブルＴから上方に突出し水平に延びる研磨アーム３２、上
下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動モータ３５、
及び研磨アーム３２を垂直昇降させるアーム昇降機構（不図示）などからなり、前述した
パッド回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。ヘッド移動機構３０は
、研磨アーム３２を水平揺動させたときの研磨ヘッド２１の揺動軌跡上に基板回転機構１
０が位置するように構成されており、研磨ヘッド２１を基板チャック１１と対向させて研
磨アームを昇降させ、研磨パッドの研磨面２３sを基板の研磨対象面Ｗsに当接させた状態
で研磨パッド２３を水平揺動可能に構成されている。
下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動モータ３５、
及び研磨アーム３２を垂直昇降させるアーム昇降機構（不図示）などからなり、前述した
パッド回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。ヘッド移動機構３０は
、研磨アーム３２を水平揺動させたときの研磨ヘッド２１の揺動軌跡上に基板回転機構１
０が位置するように構成されており、研磨ヘッド２１を基板チャック１１と対向させて研
磨アームを昇降させ、研磨パッドの研磨面２３sを基板の研磨対象面Ｗsに当接させた状態
で研磨パッド２３を水平揺動可能に構成されている。
加工液供給装置４０には、加工対象に応じた種々の加工液、すなわちＣＭＰ用のスラリ
ーやＥＣＭＰ用の電解液、洗浄用の純水（リンス液）などが貯留されており、制御装置５
０から出力される指令信号に基づいて、指定された種別の加工液を指定された流量で送り
出し、研磨アーム３２の内部を通り研磨ヘッド２１に接続されたライン４１及びパッドプ
レート２２の中心を貫通する加工液供給路２６を介して研磨パッド２３の中心から基板Ｗ
の研磨対象面Ｗsに供給する。
ーやＥＣＭＰ用の電解液、洗浄用の純水（リンス液）などが貯留されており、制御装置５
０から出力される指令信号に基づいて、指定された種別の加工液を指定された流量で送り
出し、研磨アーム３２の内部を通り研磨ヘッド２１に接続されたライン４１及びパッドプ
レート２２の中心を貫通する加工液供給路２６を介して研磨パッド２３の中心から基板Ｗ
の研磨対象面Ｗsに供給する。
そのため、ヘッド移動機構３０により研磨アーム３２を揺動させて研磨ヘッド２１を基
板チャック１１上に移動させ、基板回転機構１０及びパッド回転機構２０により基板チャ
ック１１及び研磨ヘッド２１をそれぞれ回転させ、アーム昇降機構及びパッド加圧機構に
より研磨パッドの研磨面２３sを研磨対象面Ｗsに当接させて加圧し、加工液供給装置４０
により研磨対象面Ｗsにスラリーを供給しながらヘッド移動機構３０により研磨パッド２
３を水平揺動させることにより、研磨対象面ＷsをＣＭＰ加工することができる。
板チャック１１上に移動させ、基板回転機構１０及びパッド回転機構２０により基板チャ
ック１１及び研磨ヘッド２１をそれぞれ回転させ、アーム昇降機構及びパッド加圧機構に
より研磨パッドの研磨面２３sを研磨対象面Ｗsに当接させて加圧し、加工液供給装置４０
により研磨対象面Ｗsにスラリーを供給しながらヘッド移動機構３０により研磨パッド２
３を水平揺動させることにより、研磨対象面ＷsをＣＭＰ加工することができる。
このように概要構成される研磨装置１にあって、前記概要説明したように、基板チャッ
ク１１にリテーナリング１１０、研磨ヘッド２１にパッド電極１２０が設けられており、
加工液供給装置４０から研磨対象面Ｗsに電解液を供給しながらリテーナリング１１０と
パッド電極１２０の間に電圧を印加して所定電流密度で通電することにより、金属膜が形
成された研磨対象面Ｗsの電解研磨を行い得るようになっている。研磨装置１における電
極の配置構成、及び電解研磨加工時における基板チャック１１、基板Ｗ、並びに研磨ヘッ
ド２１の位置関係を示す側断面図を図１に示しており、以下この図を併せて参照しながら
研磨装置１における電極構造１００について説明する。
ク１１にリテーナリング１１０、研磨ヘッド２１にパッド電極１２０が設けられており、
加工液供給装置４０から研磨対象面Ｗsに電解液を供給しながらリテーナリング１１０と
パッド電極１２０の間に電圧を印加して所定電流密度で通電することにより、金属膜が形
成された研磨対象面Ｗsの電解研磨を行い得るようになっている。研磨装置１における電
極の配置構成、及び電解研磨加工時における基板チャック１１、基板Ｗ、並びに研磨ヘッ
ド２１の位置関係を示す側断面図を図１に示しており、以下この図を併せて参照しながら
研磨装置１における電極構造１００について説明する。
電極構造１００は、研磨ヘッド２１に設けられ、下端の陽極１２５が研磨面２３sに露
出するパッド電極１２０を陽極部材とし、基板チャック１１に基板Ｗが吸着保持された状
態において、上端部が基板Ｗの外周縁部と離隔して周囲を囲む円環状のリテーナリング１
１０を陰極部材として構成される。
出するパッド電極１２０を陽極部材とし、基板チャック１１に基板Ｗが吸着保持された状
態において、上端部が基板Ｗの外周縁部と離隔して周囲を囲む円環状のリテーナリング１
１０を陰極部材として構成される。
パッド電極１２０は、例えば、金や銀、白金あるいはこれらの合金などの導電性が高く
スラリーや電解液等の加工液に対して耐蝕性を備えた金属材料を用いて細長い円柱状に形
成される。研磨ヘッド２１には、パッドプレート２２及び研磨パッド２３を上下に貫通し
てパッド電極１２０を上下に挿通させる電極挿通孔１２１が複数形成されており、各電極
挿通孔１２１にパッド電極１２０が嵌挿され、下端面が研磨パッドの研磨面２３sに露出
して（すなわち、底面視において視認可能に）配設される。各パッド電極１２０は、制御
装置５０によって作動が制御される電解研磨用電源装置６０のプラス側端子に電気的に接
続されており、研磨面２３sに臨んで配設されるパッド電極の下端面１２５が陽極として
作用する。
スラリーや電解液等の加工液に対して耐蝕性を備えた金属材料を用いて細長い円柱状に形
成される。研磨ヘッド２１には、パッドプレート２２及び研磨パッド２３を上下に貫通し
てパッド電極１２０を上下に挿通させる電極挿通孔１２１が複数形成されており、各電極
挿通孔１２１にパッド電極１２０が嵌挿され、下端面が研磨パッドの研磨面２３sに露出
して（すなわち、底面視において視認可能に）配設される。各パッド電極１２０は、制御
装置５０によって作動が制御される電解研磨用電源装置６０のプラス側端子に電気的に接
続されており、研磨面２３sに臨んで配設されるパッド電極の下端面１２５が陽極として
作用する。
研磨ヘッド２１には、複数のパッド電極１２０を一体的に上下移動させる陽極昇降機構
（不図示）が設けられている。図３(ａ)(ｂ)に陽極昇降機構によるパッド電極１２０の設
定位置を示すように、パッド電極１２０は、(ａ)陽極１２５が研磨面２３sに近接した第
１位置Ｐ1と、(ｂ)第１位置よりも上方に位置し陽極１２５が研磨面２３sから離隔した第
２位置Ｐ2とに設定される。陽極昇降機構によるパッド電極１２０の位置設定は、制御装
置５０により制御される。
（不図示）が設けられている。図３(ａ)(ｂ)に陽極昇降機構によるパッド電極１２０の設
定位置を示すように、パッド電極１２０は、(ａ)陽極１２５が研磨面２３sに近接した第
１位置Ｐ1と、(ｂ)第１位置よりも上方に位置し陽極１２５が研磨面２３sから離隔した第
２位置Ｐ2とに設定される。陽極昇降機構によるパッド電極１２０の位置設定は、制御装
置５０により制御される。
ここで、図３(ａ)に示す第１位置Ｐ1は、陽極１２５（パッド電極の下端面）が研磨面
２３sと同一高さ〜研磨面２３sよりも微小量高い高さ位置であり、研磨面２３sを研磨対
象面Ｗsに当接させ、電解液の存在下でパッド電極１２０に正電圧を印加した時に、研磨
対象面Ｗsに形成された金属膜Ｍが陽極１２５の電位と同一〜陽極電位に近い正電位にな
る高さ位置、すなわち、研磨対象面Ｗsの金属膜Ｍと陽極１２５とが電気的に接続される
高さ位置である。一方、図３(ｂ)に示す第２位置Ｐ2は、陽極１２５が研磨面２３sから上
方に離隔して研磨対象面Ｗsと陽極１２５とが接触しない高さ位置、すなわち研磨対象面
と陽極とが機械的に離れた高さ位置である。
２３sと同一高さ〜研磨面２３sよりも微小量高い高さ位置であり、研磨面２３sを研磨対
象面Ｗsに当接させ、電解液の存在下でパッド電極１２０に正電圧を印加した時に、研磨
対象面Ｗsに形成された金属膜Ｍが陽極１２５の電位と同一〜陽極電位に近い正電位にな
る高さ位置、すなわち、研磨対象面Ｗsの金属膜Ｍと陽極１２５とが電気的に接続される
高さ位置である。一方、図３(ｂ)に示す第２位置Ｐ2は、陽極１２５が研磨面２３sから上
方に離隔して研磨対象面Ｗsと陽極１２５とが接触しない高さ位置、すなわち研磨対象面
と陽極とが機械的に離れた高さ位置である。
一方、リテーナリング１１０は、パッド電極１２０と同様の属材料を用い、基板Ｗの直
径よりも幾分大きめに形成されたチャックプレート１２の外周部を囲む円筒状に形成され
る。チャックプレート１２の外周部には、上面が基板支持面１２ａよりも低く段落しされ
て電極支持部１２ｂが形成されており、リテーナリング１１０の上端部が、電極支持部１
２ｂの上面から上方に突出して配設される。
径よりも幾分大きめに形成されたチャックプレート１２の外周部を囲む円筒状に形成され
る。チャックプレート１２の外周部には、上面が基板支持面１２ａよりも低く段落しされ
て電極支持部１２ｂが形成されており、リテーナリング１１０の上端部が、電極支持部１
２ｂの上面から上方に突出して配設される。
リテーナリング１１０の上端の高さ位置は、基板支持面１２ａに支持された基板Ｗの加
工対象面Ｗsよりも低く、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちる電解液の流下経路に位置する
ように設定される。すなわち、基板チャック１１及び研磨ヘッド２１を回転させて研磨対
象面Ｗsに研磨面２３sを当接させ、加工液供給装置４０により研磨パッド２３の中心から
研磨対象面Ｗsに電解液を供給したときに、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちる電解液がリ
テーナリング１１０の上端部（上端面または内周面）に受け止められるような高さ位置に
設定される。リテーナリング１１０は、電解研磨用電源装置６０のマイナス側端子に電気
的に接続されており、電極支持部１２ｂから上方に突出するリテーナリング１１０の上端
部１１５が陰極として作用する。
工対象面Ｗsよりも低く、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちる電解液の流下経路に位置する
ように設定される。すなわち、基板チャック１１及び研磨ヘッド２１を回転させて研磨対
象面Ｗsに研磨面２３sを当接させ、加工液供給装置４０により研磨パッド２３の中心から
研磨対象面Ｗsに電解液を供給したときに、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちる電解液がリ
テーナリング１１０の上端部（上端面または内周面）に受け止められるような高さ位置に
設定される。リテーナリング１１０は、電解研磨用電源装置６０のマイナス側端子に電気
的に接続されており、電極支持部１２ｂから上方に突出するリテーナリング１１０の上端
部１１５が陰極として作用する。
このリテーナリング１１０の外周側に、陰極１１５の表面を露出状態に保持する陰極修
正機構１５０が設けられている。陰極修正機構１５０は、この機構を基板チャック１１０
の上方から見た概要構成図を図４に示すように、リテーナリング１１０の円環幅程度のチ
ップ状の砥石等からなる係合部材１５５と、この係合部材１５５を陰極１１５に弾性的に
係合させた係合位置（図１及び図４中の実線位置）と、陰極１１５との係合を解除してリ
テーナリング１１０の外側に退避させた退避位置（同図中の二点鎖線位置）とに移動させ
るアーム１５３とを備える。そして、係合部材１５５を陰極１１５に弾性的に係合させた
係合位置において基板チャック１１を回転させることにより、係合部材１５５がリテーナ
リング１１０の上面を滑るように陰極１１５と相対摺動して、陰極表面を露出状態に保持
するように構成される。
正機構１５０が設けられている。陰極修正機構１５０は、この機構を基板チャック１１０
の上方から見た概要構成図を図４に示すように、リテーナリング１１０の円環幅程度のチ
ップ状の砥石等からなる係合部材１５５と、この係合部材１５５を陰極１１５に弾性的に
係合させた係合位置（図１及び図４中の実線位置）と、陰極１１５との係合を解除してリ
テーナリング１１０の外側に退避させた退避位置（同図中の二点鎖線位置）とに移動させ
るアーム１５３とを備える。そして、係合部材１５５を陰極１１５に弾性的に係合させた
係合位置において基板チャック１１を回転させることにより、係合部材１５５がリテーナ
リング１１０の上面を滑るように陰極１１５と相対摺動して、陰極表面を露出状態に保持
するように構成される。
すなわち、係合部材１５５は、基板チャック１１の回転に伴って陰極１１５の上を摺動
し、陰極１１５への金属微粒子や反応物などの付着を防止するとともに、被膜の形成を妨
げ、常に新鮮な電極面（リテーナリング１１０の素地）を露出させる部材であり、リテー
ナリング１１０の材質に応じた適宜な組成の砥石が用いられる。なお、この機能から明ら
かなように、係合部材１５５は砥石に限られるものではなく、例えば、研磨剤入りのスポ
ンジや金属ブラシなどを用いて構成することができる。
し、陰極１１５への金属微粒子や反応物などの付着を防止するとともに、被膜の形成を妨
げ、常に新鮮な電極面（リテーナリング１１０の素地）を露出させる部材であり、リテー
ナリング１１０の材質に応じた適宜な組成の砥石が用いられる。なお、この機能から明ら
かなように、係合部材１５５は砥石に限られるものではなく、例えば、研磨剤入りのスポ
ンジや金属ブラシなどを用いて構成することができる。
このように電極構造１００が構成される研磨装置１による基板Ｗの研磨加工について、
シリコンウェーハの表面に絶縁膜及びバリア膜を形成してトレンチ（配線溝）を形成し、
この配線溝を覆って銅の金属膜を形成した基板の金属膜を平坦に研磨する場合を例に説明
する。
シリコンウェーハの表面に絶縁膜及びバリア膜を形成してトレンチ（配線溝）を形成し、
この配線溝を覆って銅の金属膜を形成した基板の金属膜を平坦に研磨する場合を例に説明
する。
図１に示すように、銅膜Ｍが形成された研磨対象面を上向きとして、基板Ｗを基板チャ
ック１１に吸着保持させ、研磨加工をスタートさせると、制御装置５０は、陽極昇降機構
によりパッド電極１２０を第１位置Ｐ1に設定させ、ヘッド移動機構３０により研磨アー
ム３２を揺動させて研磨ヘッド２１を基板チャック１１の上方に移動させ、基板回転機構
１０及びパッド回転機構２０により基板チャック１１及び研磨ヘッド２１をそれぞれ回転
させ、アーム昇降機構により研磨パッドの研磨面２３sを研磨対象面Ｗsに当接させる。
ック１１に吸着保持させ、研磨加工をスタートさせると、制御装置５０は、陽極昇降機構
によりパッド電極１２０を第１位置Ｐ1に設定させ、ヘッド移動機構３０により研磨アー
ム３２を揺動させて研磨ヘッド２１を基板チャック１１の上方に移動させ、基板回転機構
１０及びパッド回転機構２０により基板チャック１１及び研磨ヘッド２１をそれぞれ回転
させ、アーム昇降機構により研磨パッドの研磨面２３sを研磨対象面Ｗsに当接させる。
そして、加圧機構により研磨パッド２３を低圧（好ましくは７kPa(1psi)以下の圧力）
で研磨対象面Ｗsに加圧し、加工液供給装置４０によりライン４１及び加工液供給路２６
を介して研磨パッド２３の中心から研磨対象面Ｗsに電解液を供給しながらヘッド移動機
構３０により研磨パッド２３を水平に往復揺動させ、電解研磨用電源装置６０によりパッ
ド電極１２０とリテーナリング１１０との間に電圧を印加する。研磨パッドの加圧力を低
圧とすることにより、絶縁層へのダメージを抑制することができ、特に７kPa(1psi)以下
とすることによって、比較的機械的強度が低いＬｏｗ−ｋ材に対してもダメージを与える
ことなく銅膜の研磨加工を行うことができる。
で研磨対象面Ｗsに加圧し、加工液供給装置４０によりライン４１及び加工液供給路２６
を介して研磨パッド２３の中心から研磨対象面Ｗsに電解液を供給しながらヘッド移動機
構３０により研磨パッド２３を水平に往復揺動させ、電解研磨用電源装置６０によりパッ
ド電極１２０とリテーナリング１１０との間に電圧を印加する。研磨パッドの加圧力を低
圧とすることにより、絶縁層へのダメージを抑制することができ、特に７kPa(1psi)以下
とすることによって、比較的機械的強度が低いＬｏｗ−ｋ材に対してもダメージを与える
ことなく銅膜の研磨加工を行うことができる。
パッド電極１２０とリテーナリング１１０との間に電圧が印加されると、第１位置Ｐ1
に設定されたパッド電極下端の陽極１２５が電解研磨用電源装置６０のプラス側電圧と略
同一の陽極電位となり、この陽極１２５に近接する全体が、陽極１２５の電位と同一〜陽
極電位に近い正電位になる。また、電解研磨加工時には、陰極修正機構１５０により係合
部材１５５がリテーナリング１１０の上端部に係合されており、リテーナリング１１０の
上端部に形成される陰極１１５が、電解研磨用電源装置６０のマイナス側電圧と略同一の
負電位となる。ただし、陰極１１５は基板の研磨対象面Ｗsよりも低く、かつ、基板Ｗの
外周縁部と離隔して配設されているため、陽極１２５あるいは銅膜Ｍと陰極１１５とが直
接接触して導通することはない。
に設定されたパッド電極下端の陽極１２５が電解研磨用電源装置６０のプラス側電圧と略
同一の陽極電位となり、この陽極１２５に近接する全体が、陽極１２５の電位と同一〜陽
極電位に近い正電位になる。また、電解研磨加工時には、陰極修正機構１５０により係合
部材１５５がリテーナリング１１０の上端部に係合されており、リテーナリング１１０の
上端部に形成される陰極１１５が、電解研磨用電源装置６０のマイナス側電圧と略同一の
負電位となる。ただし、陰極１１５は基板の研磨対象面Ｗsよりも低く、かつ、基板Ｗの
外周縁部と離隔して配設されているため、陽極１２５あるいは銅膜Ｍと陰極１１５とが直
接接触して導通することはない。
研磨パッド２３の中心から研磨対象面Ｗsに送り出された電解液は、研磨面２３sと研磨
対象面Ｗsとの間を流れ、基板Ｗの外周縁部から外周方向に流れ落ちる。このとき、リテ
ーナリング１１０の上端の高さ位置は、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちる電解液の流下経
路に位置するように設定されている。従って、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちた電解液は
、リテーナリング１１０の上端面に直接受け止められて外周方向に流れ落ち、またリテー
ナリング１１０の内周面に受け止められて電極支持部１２ｂの上面とリテーナリングの上
部内周面とにより形成される凹部内に溜まった後リテーナリング１１０の上端面を通って
外周方向に流れ落ちる。
対象面Ｗsとの間を流れ、基板Ｗの外周縁部から外周方向に流れ落ちる。このとき、リテ
ーナリング１１０の上端の高さ位置は、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちる電解液の流下経
路に位置するように設定されている。従って、基板Ｗの外周縁部から流れ落ちた電解液は
、リテーナリング１１０の上端面に直接受け止められて外周方向に流れ落ち、またリテー
ナリング１１０の内周面に受け止められて電極支持部１２ｂの上面とリテーナリングの上
部内周面とにより形成される凹部内に溜まった後リテーナリング１１０の上端面を通って
外周方向に流れ落ちる。
このため、研磨対象面Ｗsの銅膜Ｍと、リテーナリング上端の陰極１１５とが、基板か
ら流れ落ちる電解液を介して電気的に接続され、これにより、陽極１２５と陰極１１５と
の間で電流が流れ、ともに回転する基板Ｗ（銅膜Ｍ）と研磨ヘッド２１（陽極１２５）の
作用により、研磨対象面全体の銅膜Ｍが均一かつ平坦に電解研磨される。
ら流れ落ちる電解液を介して電気的に接続され、これにより、陽極１２５と陰極１１５と
の間で電流が流れ、ともに回転する基板Ｗ（銅膜Ｍ）と研磨ヘッド２１（陽極１２５）の
作用により、研磨対象面全体の銅膜Ｍが均一かつ平坦に電解研磨される。
このように、研磨装置１では、正電位となる研磨対象面Ｗsの金属膜と陰極１１５とが
離間して配設され、基板Ｗから流れ落ちる電解液を介して電気的に接続される構成のため
、研磨加工により生じた金属微粒子や反応物等の生成物に起因してショートを生じるよう
なことがない。さらに、電解研磨加工時には、陰極修正機構１５０により係合部材１５５
がリテーナリング１１０の上端部に係合されて常に新鮮な陰極面が露出されるため、上記
性生物に起因したショートや電気抵抗の増大を抑制し、安定した研磨レートで研磨加工を
実現することができる。
離間して配設され、基板Ｗから流れ落ちる電解液を介して電気的に接続される構成のため
、研磨加工により生じた金属微粒子や反応物等の生成物に起因してショートを生じるよう
なことがない。さらに、電解研磨加工時には、陰極修正機構１５０により係合部材１５５
がリテーナリング１１０の上端部に係合されて常に新鮮な陰極面が露出されるため、上記
性生物に起因したショートや電気抵抗の増大を抑制し、安定した研磨レートで研磨加工を
実現することができる。
ところで、電解研磨が進行して研磨対象面Ｗsの銅膜がまばらになり、バリア膜が出て
くると、バリア膜の導電性は配線金属（銅）の導電性に比較して大幅に低いため、電解研
磨の安定性が低下する。また電解研磨はＣＭＰと比較して段差解消性が低い。そのため、
研磨装置１では、電解研磨が進行して銅膜の膜厚が所定以下となったとき、あるいは銅膜
がまばらになり研磨対象面の電気抵抗が増大したときに、電解研磨を終了して化学的機械
研磨に切り替えて研磨加工を実行する。
くると、バリア膜の導電性は配線金属（銅）の導電性に比較して大幅に低いため、電解研
磨の安定性が低下する。また電解研磨はＣＭＰと比較して段差解消性が低い。そのため、
研磨装置１では、電解研磨が進行して銅膜の膜厚が所定以下となったとき、あるいは銅膜
がまばらになり研磨対象面の電気抵抗が増大したときに、電解研磨を終了して化学的機械
研磨に切り替えて研磨加工を実行する。
具体的には、電解研磨用電源装置６０からの電力供給をオフとし、加工液供給装置４０
により研磨対象面Ｗsに純水を供給しながら基板チャック１１と研磨ヘッド２１とを回転
及び相対揺動させて基板Ｗ及び研磨パッド２３をリンス洗浄する。次いで、陽極昇降機構
によりパッド電極１２０を第２位置Ｐ2に設定して陽極１２５を研磨面２３sから上方に離
隔させ、陰極修正機構１５０により係合部材１５５を退避位置に設定してリテーナリング
１１０の外側に退避させる。これにより、陽極１２５及び陰極１１５の摩耗を防止できる
とともに、陽極にスラリーの研磨材が噛みこんで電解研磨時に金属膜にスクラッチを生じ
させるような事態を防止できる。
により研磨対象面Ｗsに純水を供給しながら基板チャック１１と研磨ヘッド２１とを回転
及び相対揺動させて基板Ｗ及び研磨パッド２３をリンス洗浄する。次いで、陽極昇降機構
によりパッド電極１２０を第２位置Ｐ2に設定して陽極１２５を研磨面２３sから上方に離
隔させ、陰極修正機構１５０により係合部材１５５を退避位置に設定してリテーナリング
１１０の外側に退避させる。これにより、陽極１２５及び陰極１１５の摩耗を防止できる
とともに、陽極にスラリーの研磨材が噛みこんで電解研磨時に金属膜にスクラッチを生じ
させるような事態を防止できる。
そして、加工液供給装置４０により研磨対象面Ｗsにスラリーを供給しながら基板チャ
ック１１と研磨ヘッド２１とを回転及び相対揺動させ、研磨対象面ＷsをＣＭＰ加工する
。これにより、配線層にスクラッチを生じたり絶縁膜にダメージを与えたりすることなく
、銅の残膜及びバリア膜を平坦に研磨することができる。従って、通常のＣＭＰプロセス
を行った場合と同様に、質が高い研磨を行うことができる。そして本構成により、各工程
専用の複数台の研磨装置、あるいはステージごとに工程が異なる複数ステージ(複数ユニ
ット)の研磨装置を用いることなく、簡明な構成で電解研磨と化学的機械研磨（ＣＭＰ）
とを連続的に処理可能な研磨装置を構成することができる。
ック１１と研磨ヘッド２１とを回転及び相対揺動させ、研磨対象面ＷsをＣＭＰ加工する
。これにより、配線層にスクラッチを生じたり絶縁膜にダメージを与えたりすることなく
、銅の残膜及びバリア膜を平坦に研磨することができる。従って、通常のＣＭＰプロセス
を行った場合と同様に、質が高い研磨を行うことができる。そして本構成により、各工程
専用の複数台の研磨装置、あるいはステージごとに工程が異なる複数ステージ(複数ユニ
ット)の研磨装置を用いることなく、簡明な構成で電解研磨と化学的機械研磨（ＣＭＰ）
とを連続的に処理可能な研磨装置を構成することができる。
Ｗ 基板（Ｗs 研磨対象面）
Ｐ1 第１位置
Ｐ2 第２位置
１ 研磨装置
１０ 基板回転機構
１１ 基板チャック
２０ パッド回転機構
２１ 研磨ヘッド
２３ 研磨パッド（２３s 研磨面）
３０ ヘッド移動機構（移動機構）
４０ 加工液供給装置
６０ 電解研磨用電源装置
１００ 電極構造
１１０ リテーナリング（陰極部材）
１１５ 陰極
１２０ パッド電極１２０（陽極部材）
１２５ 陽極
１５５ 係合部材
Ｐ1 第１位置
Ｐ2 第２位置
１ 研磨装置
１０ 基板回転機構
１１ 基板チャック
２０ パッド回転機構
２１ 研磨ヘッド
２３ 研磨パッド（２３s 研磨面）
３０ ヘッド移動機構（移動機構）
４０ 加工液供給装置
６０ 電解研磨用電源装置
１００ 電極構造
１１０ リテーナリング（陰極部材）
１１５ 陰極
１２０ パッド電極１２０（陽極部材）
１２５ 陽極
１５５ 係合部材
Claims (3)
- 基板研磨用の研磨パッドを備えて構成される研磨ヘッドと、
基板の研磨対象面を前記研磨パッドの研磨面に当接させた状態で、前記基板に対して前記研磨ヘッドを相対移動させる移動機構と、を備え、
前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドの挿通孔に設けられ、昇降可能な電極部材を有し、
前記電極部材を前記研磨面に近接させた状態で、前記研磨対象面上に電解液を供給しながら前記電極部材に電圧を印加することにより、前記移動機構により前記基板に対して前記研磨ヘッドを相対移動させて、前記研磨対象面に形成された金属膜の電解研磨を行い、
前記電極部材を前記研磨面から離隔させた状態で、前記研磨対象面上にスラリーを供給しながら前記移動機構により前記基板に対して前記研磨ヘッドを相対移動させる化学的機械研磨を行うことを特徴とする研磨装置。 - 前記基板を保持するチャックプレートの周縁部と離隔して設けられる電極部材を更に備え、
前記研磨パッドの挿通孔に設けられる電極部材と、前記チャックプレートの周縁部と離隔して設けられる電極部材との間に、電圧を印加する電源装置を更に備える請求項１に記載の研磨装置。 - 前記電解研磨を行った後に、前記化学的機械研磨を行う請求項１または２に記載の研磨装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013088517A JP5590477B2 (ja) | 2013-04-19 | 2013-04-19 | 研磨装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013088517A JP5590477B2 (ja) | 2013-04-19 | 2013-04-19 | 研磨装置 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008120113A Division JP5252271B2 (ja) | 2008-05-02 | 2008-05-02 | 研磨装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013176838A JP2013176838A (ja) | 2013-09-09 |
| JP5590477B2 true JP5590477B2 (ja) | 2014-09-17 |
Family
ID=49269039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013088517A Active JP5590477B2 (ja) | 2013-04-19 | 2013-04-19 | 研磨装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5590477B2 (ja) |
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| CN111168173B (zh) * | 2020-01-10 | 2021-05-14 | 安徽工业大学 | 正流式活动模板电解磨削复合加工方法及装置 |
| TW202339883A (zh) * | 2021-11-15 | 2023-10-16 | 亞毅精密股份有限公司 | 薄化晶圓基板之系統及方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2004273929A (ja) * | 2003-03-11 | 2004-09-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電子デバイスの製造方法及び化学的機械研磨装置 |
| JP2005317625A (ja) * | 2004-04-27 | 2005-11-10 | Tokyo Seimitsu Co Ltd | 化学的機械研磨装置及びウェーハ |
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| TW200801253A (en) * | 2006-04-14 | 2008-01-01 | Roki Techno Co Ltd | Polishing pad for device wafer |
-
2013
- 2013-04-19 JP JP2013088517A patent/JP5590477B2/ja active Active
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|---|---|
| JP2013176838A (ja) | 2013-09-09 |
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