JP6250459B2 - ドレッシング装置、及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨対象物に摺接される研磨パッドのドレッシングを行うドレッシング装置、及び半導体製造装置に関するものである。

半導体の微細化が進むにつれて、水平方向の寸法の縮小化とともに、垂直方向の構造も複雑化している。このため、半導体基板（ウェハ）表面を平坦化し、加工を容易にする技術の必要性が高まっている。このような平坦化技術の中で、とりわけ重要度を増しているのが、化学機械的研磨（ＣＭＰ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術である。

図５は、ＣＭＰを行う、従来の研磨装置の概要を示す図である。図５に示すように、従来の研磨装置５は、半導体基板を保持する研磨ヘッド６１と、研磨パッド７１が載置された研磨テーブル７０と、砥粒を含む研磨液（スラリ）を研磨パッドに供給するための研磨液供給ノズル８０とを備える。研磨装置５は、研磨液を滴下しながら、研磨ヘッドにより保持された半導体基板Ｗを、研磨パッド７１に摺接させて研磨する。

基板の研磨を行うと、研磨パッドの表面に付着した砥粒や研磨屑によって、また、研磨パッドの特性の変化によって、研磨性能は徐々に劣化する。そこで、ＣＭＰにおいては、研磨中や研磨後に、研磨パッドの表面の付着物を除去して目立てを行い、表面状態を回復させるドレッシング（コンディショニング）と呼ばれる処理が行われるのが一般的である。研磨装置５も、このドレッシング処理のためのドレッシングユニット５０を備える。

図５に示すように、ドレッシングユニット５０は、ドレッサー５１と、ドレッサーシャフト５２と、ドレッサーアーム５３と、支軸５４を備える。ドレッサー５１は、ダイヤモンド粒子を表面に固着させたダイヤモンドディスク５１１と、ダイヤモンドディスク５１１を保持するディスク保持部５１２とを備え、ドレッサーシャフトの５２の下端に連結される。ドレッサーシャフト５２は、ドレッサーアーム５３の一端付近に、軸周りに回動可能に連結される。ドレッサーアーム５３の他端は、回動可能な支軸５４に連結される。ドレッシングユニット５０は、ドレッサーシャフト５２の回転によりドレッサー５１を回転させながら、また、ドレッサーアーム５３を研磨パッド７１の半径方向に往復移動させながら、ドレッサー５１を研磨パッド７１に当接させて、ドレッシングを行う。

なお、本発明に関連する先行技術として、以下の先行技術文献がある。

特開２００６−１１４８６１号公報

ところで、ドレッシング処理は、研磨パッドの表面が、パッド全体にわたって均一となるように行われるのが望ましい。なぜなら、研磨パッドの表面状態が不均一であると、その研磨パッド上で研磨された半導体基板の研磨プロファイル（研磨後の表面状態）もまた、不均一となるからである。そして、ドレッサーの研磨パッドに対する傾き角度が小さい状態、すなわち、両者が略平行となる状態でドレッシングを行うことができれば、ドレッサーとパッド表面との接触がより均一になるため、研磨パッドを均一にドレッシング処理できることが知られている。

しかしながら、従来のドレッシング装置は、装置の使用状態によってテーブルの平行度が変化するため、ドレッシングの間、装置自体の平行度を維持することが難しかった。また、ドレッサーアームや研磨テーブル等の構成部品自体のバラつきや組立不良によって、ドレッシングの際に、ドレッサーを研磨テーブルと平行になるように維持することが困難であった。従来のドレッシング装置の中には、ディスク保持部の内部に、ダイヤモンドディスクと研磨パッドとの平行度を維持するための部品を備えるものもあったが、部品のバラつきや組立不良により生じる傾き角度を十分に低減させることができなかった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、構成部品のバラつきや組立不良等にかかわらず、研磨パッドとドレッサーとが略平行となる状態で研磨パッドのドレッシングを行うことができるドレッシング装置、及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明のドレッシング装置は、研磨テーブルに載置される研磨パッドのドレッシングを行うドレッシング装置であって、前記研磨パッドに摺接してドレッシングを行うドレッサーと、前記ドレッサーに連結されたドレッサーシャフトと、前記ドレッサーシャフトを、軸周りに回動可能に支持するドレッサーアームと、前記ドレッサーアームを支持する支軸と、を備え、前記ドレッサーアームと前記支軸との間に、弾性材を介装させたことを特徴とする。

この構成によれば、ドレッサーが研磨パッドに摺接する際、ドレッサーアームと支軸との間の弾性材の変形により、ドレッサーの研磨パッドに対する傾き角度が小さくなるように、すなわち、ドレッサーと研磨パッドが略平行になるように、ドレッサーアームの支軸に対する角度が調節される。したがって、ドレッサーが研磨パッドに対して略平行となる状態で研磨パッドのドレッシングを行うことができる。

本発明のドレッシング装置において、前記弾性材は、硬質ウレタンフォームであってよい。

硬質ウレタンフォームは、適度な弾性と強度とを兼ね備えた素材である。したがって、この構成によれば、ドレッサーアームを安定的に支持しながら、ドレッサーと研磨パッドとの間の角度に応じて、ドレッサーアームの角度を調節することができる。

本発明の半導体製造装置は、研磨パッドが載置された研磨テーブルと、研磨対象物である半導体基板を前記研磨パッドに摺接可能に保持する基板保持部と、前記研磨パッドと摺接して、該研磨パッドのドレッシングを行うドレッサーと、前記ドレッサーに連結されたドレッサーシャフトと、前記ドレッサーシャフトを、軸周りに回動可能に支持するドレッサーアームと、前記ドレッサーアームを支持する支軸と、を備え、前記ドレッサーアームと前記支軸との間に、弾性材を介装させたことを特徴とする。

本発明によれば、ドレッサーアームと該ドレッサーアームを支持する支軸との間に介装された弾性材により、ドレッサーの研磨パッドに対する傾き角度を減少させるので、研磨パッドとドレッサーとが略平行となる状態で研磨パッドのドレッシングを行うことができる。

本発明の実施の形態における半導体製造装置の要部を示す側面図 （ａ）及び（ｂ）本発明の実施の形態におけるドレッサーユニットの作用を説明するための模式図 本発明の実施の形態における半導体製造装置におけるドレッサーの回転トルクと、従来技術の半導体製造装置におけるドレッサーの回転トルクの測定結果を示す図 本発明の実施の形態における半導体製造装置による半導体基板の研磨レートと、従来技術の半導体製造装置による半導体基板の研磨レートの測定結果を示す図 従来の半導体製造装置の概要を示す模式図

以下、本発明の実施の形態の半導体製造装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態の半導体製造装置１の要部を示す側面図である。図１に示すように、半導体製造装置１は、研磨ユニット１０と、ドレッシングユニット２０と、研磨テーブルユニット３０と、研磨液供給ノズル４０とを備える。研磨ユニット１０は、研磨ヘッド１１と、研磨ヘッド１１に連結されたシャフト１２と、シャフト１２を回動可能に支持するアーム１３と、アーム１３を支持する支軸１４とを備える。研磨テーブルユニット３０は、研磨テーブル３１と、研磨パッド３２と、テーブル軸３３とを備え、研磨パッド３２は、研磨テーブル３１の上部に載置される。研磨テーブル３１は、テーブル軸３３周りに回転可能である。

研磨ヘッド１１は、半導体基板（ウェハ）Ｗを保持する。研磨ヘッド１１に連結されたシャフト１２は、図示しないモータに接続されている。シャフト１２が回転することにより、研磨ヘッド１１は、シャフト１２の軸を中心に回転する。また、研磨ヘッド１１は、支軸１４の回転により、研磨パッド３１上を移動可能である。研磨ユニット１０は、研磨ヘッド１１をシャフト１２の軸周りに回転させながら、研磨ヘッド１１が保持するウェハＷを、回転する研磨テーブル３１上の研磨パッド３２に摺接させて、ウェハＷを研磨する。このとき、研磨液供給ノズル４０からは、研磨液が滴下される。

ドレッシングユニット２０は、ドレッサー２１と、ドレッサーに連結されたドレッサーシャフト２２と、ドレッサーシャフト２２を回動自在に支持するドレッサーアーム２３と、ドレッサーアーム２３を支持する支軸２４とを備える。また、ドレッシングユニット２０のドレッサーアーム２３と支軸２４との間には、弾性材であるラバースペーサ２５が介装されている。本実施の形態において、ラバースペーサ２５は、硬質ウレタンフォームを素材とする、リング状の部材である。

ドレッサー２１は、ダイヤモンド粒子を下側表面に固着させたダイヤモンドディスク２１１と、ダイヤモンドディスク２１１を保持するディスク保持部２１２とを備え、ドレッサーシャフト２２の下端に連結される。ドレッサーシャフト２２は、ドレッサーアーム２３の一端付近に、軸周りに回動可能に連結される。ドレッサーアーム２３の他端は、回動可能な支軸２４に連結される。なお、ダイヤモンドディスク２１１は、ディスク保持部２１２の内部で、フレキシブルジョイント（図示しない）によりドレッサーシャフト２２に接続され、これによりダイヤモンドディスク２１１と研磨パッド３２との平行度がある程度維持されるようになっている。

ドレッサー２１に連結されたドレッサーシャフト２２は、図示しないモータに接続されている。ドレッサーシャフト２２が回転することにより、ドレッサー２１はドレッサーシャフト２２の軸を中心に回転する。また、ドレッサー２１は、支軸２４の回転により、研磨パッド３１上を移動可能である。ドレッシングユニット２０は、ドレッサーシャフト２２の回転によりドレッサー２１を回転させながら、また、ドレッサーアーム２３を研磨パッド３１の半径方向に往復移動させながら、ドレッサー２１を、回転する研磨テーブル３１上の研磨パッド３２に摺接させて、ドレッシングを行う。

ここで、本発明の実施の形態におけるラバースペーサ２５の作用について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、従来技術の半導体製造装置によりドレッシングを行う場合における、ドレッサーの研磨テーブルに対する傾き角度を示す模式図である。図２（ａ）に示すように、従来技術の半導体製造装置においては、ドレッサーと研磨テーブルとの平行度の維持は、ダイヤモンドディスクをドレッサーシャフトに接続するフレキシブルジョイントのみにより行われていた。このため、従来は、構成部品のバラつきや組立不良等の、平行度を阻害する要因の全てを吸収することができず、ドレッサー表面の研磨テーブル（研磨パッド）に対する傾き角度（θ）を小さく保つことができなかった。

これに対して、本発明の実施の形態における半導体製造装置１においては、ドレッサー２１が研磨パッド３１に摺接する際、ラバースペーサ２５の変形により、ドレッサー２１の研磨テーブル３０に対する傾き角度が小さくなるように、すなわち、ドレッサー２１と研磨テーブル３０が略平行になるように、ドレッサーアーム２３の支軸２４に対する角度が調節される。これにより、ダイヤモンドディスク２１１を、ドレッサーシャフト２２に接続するフレキシブルジョイントに加えて、ドレッサーアーム２３によっても平行度を維持することができる。したがって、図２（ｂ）に示すように、従来技術に比べて、ドレッサー表面の研磨テーブル（研磨パッド）に対する傾き角度（θ´）をより小さく保つことができる。

ドレッシング中に、ドレッサー５１表面の研磨テーブル３１（研磨パッド３２）に対する傾き角度が小さくなると、すなわち、ドレッサー５１と研磨テーブル３１とが略平行となる状態が保たれると、回転しているドレッサー５１と研磨パッド３２との接触による摩擦が均一に近くなるため、ドレシング時におけるドレッサーの回転トルクのバラつきも小さくなる。つまり、ドレッサー５１の回転トルクを計測することにより、ドレッサー５１表面と研磨テーブル３１との平行度を測ることができる。

図３は、本発明の実施の形態における半導体製造装置１におけるドレッサーの回転トルクと、従来技術の半導体製造装置におけるドレッサー５１の回転トルクデータの測定結果を示す図である。図３において、横軸は、処理時間（秒）、縦軸は、ドレッサーの回転トルク（（実測値−定格値）／定格値の百分率）を示し、所定時間当たりの回転トルク値の変動が大きいほど、回転トルクのバラつきが大きくなることを示す。なお、本実験において、上記データ測定中のテーブル回転数、ドレッサー回転数、ドレッサー押し付け荷重等のドレッシング条件は同一である。しかるに、図３においては、本発明の実施の形態における半導体製造装置１におけるドレッサー５１の回転トルクの変動幅が、従来技術に比べて小さくなっており、特にプロセスタイム６から１０秒における変動幅の差は顕著である。このように、本発明の実施の形態における半導体製造装置１においては、ドレッシング中、ドレッサー５１と研磨テーブル３１とが略平行となる状態が保たれていることが、実験結果からも理解される。

本発明の実施の形態における、ラバースペーサ２５を設けたドレッサーユニット２０によれば、ドレッサー２１と研磨テーブル３０とが略平行となる状態が保たれるため、研磨パッド３１の表面をより均一にドレッシングすることができる。したがって、本実施の形態における半導体製造装置１によれば、均一にドレッシングされた研磨パッド３１上で半導体基板Ｗを、適切に研磨することができる。図４は、本発明の実施の形態における半導体製造装置による半導体基板の研磨レートと、従来技術の半導体製造装置による半導体基板の研磨レートの測定結果を示す図である。図４において、横軸はウェハの半径方向位置（ｍｍ）、縦軸は研磨レート（ｎｍ／分）であり、縦軸の変動幅が小さいほど、研磨プロファイルがスムーズであることを示す。なお、本実験において、研磨パッドの初期状態や研磨ヘッド、テーブルの回転速度、基板押し付け圧力等の研磨条件は同一である。しかるに、図４においては、従来技術による場合、特に、基板位置０から１００ｍｍ付近において、小刻みにデータが変動し、研磨プロファイルに凹凸が発生していることが分かる。これに対して、本発明の実施の形態における半導体製造装置１の場合、全体的にデータの変動が小さく、研磨プロファイルがスムーズであることが分かる。

以上、説明したように、本発明の実施の形態におけるドレッシングユニット２０は、ドレッサーアーム２３と支軸２４との間にラバースペーサ２５が介装される。そして、ドレッサー２１が研磨パッド３１に摺接する際、ラバースペーサ２５の変形により、ドレッサー２１の研磨テーブル３０に対する傾き角度が小さくなるように、すなわち、ドレッサー２１と研磨テーブル３０が略平行になるように、ドレッサーアーム２３の支軸２４に対する角度が調節される。したがって、研磨パッド３１の表面が均一となるようにドレッシングを行うことができる。

上記の実施の形態においては、ラバースペーサの素材が硬質ウレタンフォームである場合について説明したが、例えば、バネ、ゴム材等の他の弾性材が用いられてもよい。また、弾性材の形状も、リング形状に限らず、伸縮管ベローズ等であってもよい。

本発明は、研磨パッドとドレッサーとが略平行となる状態で研磨パッドのドレッシングを行うことができるという効果を有し、ドレッシング装置等として有用である。

１ 半導体製造装置
１０ 研磨ユニット
１１ 研磨ヘッド
１２ シャフト
１３ アーム
１４ 支軸
２０ ドレッシングユニット
２１ ドレッサー
２１１ ダイヤモンドディスク
２１２ ディスク保持部
２２ ドレッサーシャフト
２３ ドレッサーアーム
２４ 支軸
２５ ラバースペーサ
３０ テーブルユニット
３１ 研磨テーブル
３２ 研磨パッド
３３ テーブル軸
４０ 研磨液供給ノズル

Claims (4)

1. 研磨テーブルに載置された研磨パッドのドレッシングを行うドレッシング装置であって、
   前記研磨パッドに摺接してドレッシングを行うドレッサーと、
   前記ドレッサーに連結されたドレッサーシャフトと、
   前記ドレッサーシャフトを、軸周りに回動可能に支持するドレッサーアームと、
   前記ドレッサーアームを支持する支軸と、を備え、
   前記ドレッサーアームと前記支軸との間に、ラバースペーサまたはゴム材を介装させたことを特徴とするドレッシング装置。
2. 前記ドレッサーアームと前記支軸との間に介装されるのは、前記ラバースペーサであることを特徴とする請求項１に記載のドレッシング装置。
3. 前記ラバースペーサは、硬質ウレタンフォームであることを特徴とする請求項２に記載のドレッシング装置。
4. 研磨パッドが載置された研磨テーブルと、
   研磨対象物である半導体基板を前記研磨パッドに摺接可能に保持する基板保持部と、
   前記研磨パッドと摺接して、該研磨パッドのドレッシングを行うドレッサーと、
   前記ドレッサーに連結されたドレッサーシャフトと、
   前記ドレッサーシャフトを、軸周りに回動可能に支持するドレッサーアームと、
   前記ドレッサーアームを支持する支軸と、を備え、
   前記ドレッサーアームと前記支軸との間に、ラバースペーサまたはゴム材を介装させたことを特徴とする半導体製造装置。

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