JP6758066B2 - 研磨装置 - Google Patents

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本発明は、ウェハなどの基板を保持しつつ研磨するための研磨装置に関する。
半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の微細化を図りながら多層配線を実現するにあたり、半導体デバイス表面の平坦化が重要となっている。半導体デバイス表面の平坦化において重要な技術として、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)がある。この化学機械研磨では、シリカ(SiO2)等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつ、トップリング又は研磨ヘッドと称される基板保持装置で保持されたウェハを研磨面に摺接させ、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより、ウェハの表面が研磨される。
研磨液を供給しながらウェハの表面を研磨すると、研磨液が研磨テーブルの周辺に飛散するため、研磨後には、研磨パッドの研磨面にアトマイザから液体(例えば純水)と気体(例えば窒素ガス)の混合気体または液体(例えば純水)を霧状に噴霧して、研磨面を洗浄している。
アトマイザによる研磨面の洗浄に伴い、研磨テーブルの周辺に配置されている種々の構成部品や研磨装置を収納するチャンバの内壁面に、研磨面から飛散する研磨液が付着する。構成部品やチャンバの内壁面に付着した研磨液が乾燥し、後に剥離して研磨テーブル上に落下してしまうと、基板にスクラッチを発生させる要因となる。
そのため、研磨面から飛散した研磨液を洗浄除去するための洗浄ノズルが、研磨装置の所定位置に設けられている。また、特許文献1に記載の研磨装置では、構成部品やチャンバの内壁面に対して洗浄液を噴霧する噴霧ノズルが設けられており、これにより付着した研磨液が乾燥することを防止することができる。
特開2014−111301号公報
チャンバ内に飛散した研磨液の乾燥を防止するために噴霧された洗浄液は、当該チャンバの内壁に付着して水滴が形成される。チャンバの側面(周壁)に発生する水滴は側面を伝ってチャンバの下方に流れ出るものの、チャンバの天井で水滴が発生すると、装置の振動等で当該水滴が研磨プロセス中の研磨面やトップリングに滴下して、研磨プロファイルが変化してしまうおそれがあった。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、チャンバの天井で発生する水滴が研磨プロセス中の研磨面やトップリングに滴下するのを防止することができる研磨装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、研磨対象物を保持して前記研磨パッドに押し付けるための保持部と、前記研磨テーブル及び前記保持部を収容するチャンバとを備えた研磨装置であって、前記チャンバは天井壁と当該天井壁に接続される周壁からなる内壁を備えており、前記研磨装置は、前記チャンバの内壁に洗浄液を噴射する液体噴射ノズルと、前記天井壁に向けて気体を噴射することで、前記天井壁に付着した洗浄液を前記周壁に向けて流出させる気体噴射ノズルとを有する。
この構成により、チャンバの天井で発生する水滴は気体噴射ノズルによりチャンバの周壁に向けて吹き付けられ、当該周壁に向かって流れ出るので、研磨プロセス中の研磨面やトップリングに洗浄液が滴下するのを防止することができる。
本発明の一態様に係る研磨装置において、前記気体噴射ノズルは、前記保持部の上面に設けられていることが好ましく、また、前記天井壁は傾斜面を有することが好ましい。さらに、前記天井壁には、付着した洗浄液を前記周壁部に向けて案内する複数のガイド溝が形成されていることが好ましい。これらの構成により、チャンバの天井で発生する水滴をより効率的に周壁に向けて流すことができる。
また、前記保持部は、外部との間で前記研磨対象物の受け渡しを行う受渡位置と、前記研磨テーブル上に位置する研磨位置との間で移動可能とされ、前記気体噴射ノズルは、前記基板保持装置が前記受渡位置と前記研磨位置との間で移動する間に気体を噴射することが好ましい。また、前記気体噴射ノズルは、前記保持部が前記受渡位置と前記研磨位置との間で移動する方向に応じて、切り替えて駆動されることが好ましい。
本発明によれば、研磨装置の構成部品を収容するチャンバの天井壁に向けて気体を噴射する気体噴射ノズルを設けたから、天井壁に付着した洗浄液を周壁に向けて流出させることができる。これにより、研磨プロセス中の研磨面やトップリングに洗浄液が滴下するのを防止することができる。
研磨装置の一実施形態を示す斜視図である。 図1に示す研磨装置の正面図である。 図1に示す研磨装置の別の正面図である。 図1の研磨装置のチャンバ部分を示す部分斜視図である。 洗浄処理の一例を示すフローチャートである。 研磨装置の別の実施形態を示す正面図である。 研磨装置のさらに別の実施形態を示す正面図である。 研磨装置のさらに別の実施形態を示す正面図である。 研磨装置のさらに別の実施形態を示す斜視図である。 図9の研磨装置のチャンバ部分を示す部分斜視図である。 チャンバの天井壁と気体噴射ノズルの位置関係を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかる研磨装置を示す斜視図である。研磨装置は、上面を研磨面10aとした研磨パッド10と、研磨パッド10を取り付けた研磨テーブル12と、被研磨物であるウェハ等の基板を保持して研磨面10aに摺接させて研磨するトップリング14を有するトップリングヘッド16と、研磨面10aの目立て(ドレッシング)を行うドレッサ20を有するドレッサヘッド22を備えている。研磨テーブル12は図示しないモータに連結されており、研磨テーブル12及び研磨パッド10は、図中矢印で示す方向に回転する。なお、図1では、後述する噴霧ノズルは省略している。
トップリングヘッド16は、回転自在に設けられた揺動軸26の上端に連結されており、トップリング14を駆動する駆動機構を覆うトップリングヘッドカバー24を備えている。トップリング14は、トップリングヘッドカバー24から下方に突出する駆動軸28の下端に連結されており、その底面は真空吸着等により基板を保持する基板保持面を構成する。また、トップリング14は、揺動軸26の回転に伴うトップリングヘッド16の揺動により、研磨テーブル12の上方に位置する研磨位置と、研磨テーブルの側方の基板受渡位置(図2参照)との間で移動可能とされている。
トップリングヘッドカバー24の上面には、研磨装置を収容するチャンバの天井に向けて気体(例えば窒素ガス)を噴射して、チャンバの天井に付着する水滴を除去するための気体噴射ノズル50a〜50dが、所定間隔で配置されている。気体噴射ノズル50a〜50dの動作の詳細については後述する。
ドレッサヘッド22は、回転自在に設けられた揺動軸32の上端に連結されており、ドレッサ20を駆動する駆動機構を覆う3つのドレッサヘッドカバー30a〜30cを備えている。ドレッサ20は、第2ドレッサヘッドカバー30bの底面から下方に突出する駆動軸の下端に連結されている。ドレッサ20は、揺動軸の回転に伴うドレッサヘッド22の揺動により、研磨テーブル12の上方に位置する研磨位置と、研磨テーブルの側方の退避位置(図2参照)との間で移動可能とされている。
研磨テーブル12に隣接して、研磨パッド10の研磨面10aに研磨液(スラリー)を供給する研磨液供給ノズル34が配置されている。研磨液供給ノズル34は、図示しない駆動機構により、先端の供給口が研磨テーブル12の上方に位置する供給位置と、研磨テーブルの側方の退避位置(図示せず)との間で移動可能とされている。
研磨テーブル12に隣接して、研磨パッド10の研磨面10aに洗浄流体を霧状に噴霧して研磨処理後の研磨面10aを洗浄するためのアトマイザ36が配置されている。洗浄流体は、例えば、液体(例えば純水)と気体(例えば窒素ガス)の混合流体または液体(例えば純水)を用いることができる。アトマイザ36は、その上面を覆うアトマイザカバー38を備え、その下面には、洗浄流体を下方に噴霧する複数の噴出口(図示せず)が所定間隔で配置されている。アトマイザ36は、揺動軸40の回転に伴い、研磨テーブル12の上方に位置する洗浄位置(図示せず)と、研磨テーブルの側方の退避位置との間で移動可能とされている。
研磨テーブル12、トップリングヘッド16、ドレッサヘッド22、研磨液供給ノズル34及びアトマイザ36は動作制御部42に接続されており、これらの機器の動作は制御部42によって制御される。
図2に示すように、研磨装置は、天井壁52aと周壁52bとで構成される内壁を備えたチャンバ52の内部に収容されており、チャンバ52の内部には、前述した研磨テーブル12やトップリングヘッド16等の構成部品のほかに、チャンバ52の天井壁52aに洗浄液(例えば純水)を噴霧する天井壁噴霧ノズル54と、チャンバ52の周壁52bに洗浄液を噴霧する周壁噴霧ノズル56が配置されている。
また、チャンバ52の内部には、トップリング14が研磨テーブル12の側方の基板受渡位置にあるときに、トップリング14の上面に洗浄液を噴霧する噴霧ノズル58と、ドレッサ20が研磨テーブル12の側方の退避位置にあるときにドレッサヘッドカバー30a,30b,30cの外面に洗浄液を噴霧する噴霧ノズル60が配置されている。
なお、図2では図示は省略しているが、チャンバ52の内部には、トップリングヘッドカバー24の外面に洗浄液を噴霧する噴霧ノズル、アトマイザカバー38に洗浄液を噴霧する噴霧ノズル及び研磨液供給ノズル34に洗浄液を噴霧する噴霧ノズルが設けられている。また、噴霧ノズルの配置及び数は、研磨装置のサイズや配置スペース等を考慮して、適宜定めることができる。これら噴霧ノズルによる洗浄液の噴霧開始及び停止を含む動作は、動作制御部42によって制御される。
図3に示すように、トップリングヘッドカバー24の上面に設けられた気体噴射ノズル50a〜50dは、研磨処理及び洗浄処理の後に、気体をチャンバ52の天井壁52aに向けて噴射して、天井壁52aに付着した水滴を周壁52bに向けて吹き付ける。気体噴射ノズル50a〜50dは、トップリングヘッドカバー24の内部に設けられた配管60を介して気体源62に連結されている。これら気体噴射ノズル50a〜50dによる気体の噴射開始及び停止を含む動作は、動作制御部42によって制御される。なお、気体噴射ノズル50a〜50dにより吹き付けられる気体の種類には限定はないが、低コストであること及び活性が低いことから窒素ガスを用いることが好ましい。
図3及び図4に示すように、天井壁52aは略角錐状の形状とされており、頂点から周壁52bに向けて傾斜が形成されており、天井壁52aに付着した水滴が周壁52bに向かって流れるようにされている。また、天井壁52aの内側には、頂点から周壁52bに向けて複数の放射状の溝64が形成されており、天井壁52aで発生した水滴がこれらの溝64に入り込むことで、周壁52bに向かって流れるようになる。
図3において、トップリング14が設けられた側の端部に配置された気体噴射ノズル50aは、トップリング14が対向するのと反対側の天井壁52aに向けて気体が噴射されるように、傾けて配置されている。なお、他の気体噴射ノズル50b〜50dについても、天井壁52aの大きさ及び傾斜の程度に応じて、適宜傾けて配置しても良い。
上述した研磨装置の動作について、図5のフローチャートを用いて説明する。この動作シーケンスは、動作制御部5に設定されている動作レシピに従って制御される。まず、基板受渡位置にあるトップリング14は、図示しない基板搬送機構より基板を受けとり、研磨テーブル12の上方の研磨位置に移動させる。研磨液供給ノズル24が研磨液を研磨テーブル12に供給する間、トップリング14回転中の研磨パッド10の研磨面10aに基板を摺接することで、所定の研磨レシピに従い基板が研磨される(ステップS10)。
基板の研磨が終了すると、トップリング14は研磨位置から基板受渡位置へと移動して研磨済みの基板を搬出する。そして、ドレッサ20を退避位置からドレッシング位置へ移動させて、ドレッサ20の下面を研磨面10aに摺接させて研磨面10aのドレッシングが行われる。更に、アトマイザ36を退避位置から洗浄位置へと移動させて研磨面10aに対して洗浄液を噴出して、研磨面10aの洗浄が行われる(ステップS11)。
アトマイザ36による研磨面10aの洗浄処理の後、噴霧ノズルが動作して、基板受渡位置にあるトップリング14及びトップリングヘッドカバー24、並びに退避位置にあるドレッサ20、研磨液供給ノズル34及びアトマイザ36に対して洗浄液が噴霧され、これらの外面を湿潤状態に保つ(ステップS12)。これにより、研磨面10aから飛散された研磨液が研磨装置を構成する各部材の表面に付着することが抑制され、また表面で乾燥するのを防止することができる。ここで、基板受渡位置にあるトップリング14に対して洗浄液を噴霧するため、噴霧された洗浄液が研磨面10aに流れ出ることはない。
さらに、基板研磨がなされていない間に、噴霧ノズル54,56よりチャンバ52の天井壁52a及び周壁52bに対して洗浄液が噴霧され、これらの外面を湿潤状態に保つことで、研磨面10aから飛散された研磨液が天井壁52a及び周壁52bの表面に付着されることが抑制され、また、研磨液が表面で乾燥するのを防止できる。
これら研磨装置の構成要素及びチャンバ52への洗浄液の噴霧は、動作レシピに従い所定時間行われる。洗浄液の噴霧により、チャンバ52の天井壁52aは湿潤状態となっており、その後に水滴が発生して研磨処理中の研磨パッド10aやトップリング14に滴下してしまい、それにより研磨プロファイルが変化してしまうおそれがある。
そのため、本実施形態に係る研磨装置では、洗浄液の噴霧処理後に、気体噴射ノズル50a〜50dを作動させて気体源64より気体を供給し(ステップS13)、トップリング14を基板受渡位置と研磨位置との間で一往復させながら、気体噴射ノズル50a〜50dより天井壁52aに気体を噴射する(ステップS14)。ここで、トップリング14が研磨位置に達したときに、所定時間研磨位置で停止させて、天井壁52aに気体を噴射するようにしても良い。
これにより、天井壁52aに付着された余剰の洗浄液が、気体噴射ノズル50a〜50dからの気体により吹き付けられて滴状となり、天井壁52aから周壁52bに向かって流れ出るから、天井壁52aに付着された洗浄液が研磨パッド10aやトップリング14に滴下するのを防止することができる。
また、天井壁52aには、チャンバ52の頂点から周壁52に向かって延びた複数の溝64が形成されており、天井壁52aで滴状となった洗浄液は、これらの溝64に案内されて周壁52bに向かって流れ出るようになるから、天井壁52aに付着した洗浄液をより効率的に除去することができる。
そして、トップリング14を基板受渡位置に戻された後に、気体噴射ノズル50a〜50dが停止して天井壁52aへの気体噴射が終了し(ステップS15)、図示しない搬送機構より次に研磨すべき基板が基板受渡位置にあるトップリング14に受け渡され、次の基板研磨処理が行われる。
なお、気体噴射ノズル50a〜50dの開閉タイミング、気体噴射ノズル50a〜50dによる天井壁52aへの気体噴射の時間及びトップリング14の揺動周期は、天井壁52aが気体噴射により乾燥しない限りにおいて、チャンバ52の大きさ、研磨装置のスループット等を考慮して、適宜定めることができる。
上記実施形態では、気体噴射ノズル50a〜50dによる気体噴射処理を、洗浄処理が行われる毎に行うようにしているが、本発明はこれに限られることはなく、洗浄処理が複数回行われるごとに気体噴射処理を行うようにしても良い。あるいは、気体噴射ノズル50a〜50dによる気体噴射処理を、洗浄処理とは異なる場面(例えば装置のメンテナンス時)に行うようにしても良い。
上記実施形態では、天井壁52aを略角錐状の形状としているが、本発明はこれに限られることはなく、チャンバの形状は、天井壁が傾斜状であればいかなるものであっても良く、例えば図6に示すような片流れ形状の天井壁を有するチャンバ66としても良い。
また、上記実施形態では、トップリングヘッドカバー24の全面にわたって4つの気体噴射ノズル50a〜50dが所定間隔で配置されているが、本発明はこれに限られることはなく、噴射ノズルが配置される数及び間隔は適宜変更することができる。また、図7に示すように、トップリング14が研磨位置にあるときに、研磨ステージ10aの真上にのみ気体噴射ノズル50a、50bが配置されるようにしても良い。これによっても、天井壁52aに付着した洗浄液が研磨ステージ10aに滴下するのを防止することができる。
また、天井壁52aに傾斜を設けた場合、気体噴射ノズルから噴射される気体が傾斜に沿って頂点に向かって吹き上がるおそれがあり、それにより天井壁52aに付着した水滴が周壁52bに向かって流れるのを阻害されてしまう。このため、例えば図8に示すように、個々の気体噴射ノズル50a〜50dにバルブ70a〜70dを設け、これらバルブ70a〜70dの開閉タイミングを変えるようにするのが好ましい。例えば、気体噴射処理の初期の段階では、トップリング14側にある気体噴射ノズル50a、50bに対応するバルブ70a、70bのみを開いて、天井壁52aの頂上付近に付着した余剰の洗浄液を除去し、その後に揺動軸26側にある気体噴射ノズル50c、50dに対応するバルブ70c、70dに切り替えることで、天井壁52aの頂部から流れ出た洗浄液を、効率的に周壁52bに向けて流すことができる。
上記実施形態では、気体噴射ノズルがトップリングヘッドカバー上面の略中央部分に並べて配置されているが、本発明はこれに限られることはなく、適宜の位置に配置することができる。図9は、気体噴射ノズルの配置の別の例を図示したものであり、図1の実施例で説明したものと同じ部材については同一の符番を付して詳細な説明は省略する。
トップリングヘッド80は、回転自在に設けられた揺動軸26の上端に連結されており、トップリング14を駆動する駆動機構を覆うトップリングヘッドカバー81を備えている。トップリングヘッドカバー81の上面には、第1気体噴射ノズル82,第2噴射ノズル83a〜83c及び第3噴射ノズル84a〜84cが設けられており、それぞれ制御部42によって動作制御され、チャンバに向けて気体を噴射する。
第1気体噴射ノズル82は、揺動軸26とは反対側の端部で、幅方向の中央付近に設けられている。第2気体噴射ノズル83a〜83cは、トップリングヘッドカバー81の幅方向の一端側で、長手方向に沿って3つ並べられている。また、第3気体噴射ノズル84a〜84cは、第2気体噴射ノズル83a〜83cとは反対の他端側で、トップリングヘッドカバー81の長手方向に沿って3つ並べられている。
図10に示すように、基板研磨装置を収容するチャンバ86は、天井壁86aと周壁86bとを備えており、天井壁86の内側には、互いに略並行に形成された溝87と、これらの溝87と交差する別の溝88とが形成されている。図11は、トップリングヘッドカバー81と天井壁86aとの位置関係を示す説明図であり、トップリングヘッドカバー81が図中の矢印Aで示す方向に回動すると、トップリング14は基板受渡位置から研磨位置に向けて移動し、図中の矢印Bで示す方向に回動すると、トップリング14は研磨位置から基板受渡位置に向けて移動する。
そして、トップリングヘッドカバー81が図中の矢印Aで示す方向に回動するときは、第1気体噴射ノズル82と第3気体噴射ノズル84a〜84cとが駆動して、天井壁86aに向けて気体を噴射する。ここで、前述した溝87は、トップリングヘッドカバー81の揺動する方向に沿って形成されており、天井壁86aに付着した洗浄液は、回動中の第1気体噴射ノズル82と第3気体噴射ノズル84a〜84cから噴射される気体によって押し流され、当該溝87に沿って側壁86bに流れ出る。
一方、トップリングヘッドカバー81が図中の矢印Bで示す方向に回動するときは、第1気体噴射ノズル82と第2気体噴射ノズル83a〜83cとが駆動して、天井壁86aに向けて気体を噴射する。ここで、前述した溝87は、トップリングヘッドカバー81の揺動する方向に沿って形成されており、天井壁86aに付着した洗浄液は、回動中の第1気体噴射ノズル82と第2気体噴射ノズル83a〜83cから噴射される気体によって押し流され、当該溝87に沿って側壁86bに流れ出る。
このように、トップリングヘッドカバーの揺動方向に応じて、駆動する気体噴射ノズルを切り替えるようにすることで、効率よく、天井壁に付着した洗浄液を溝に沿って押し流すことができる。なお、ここで説明した実施例では、天井壁86aを平板状としているが、図2及び図6のように傾斜を設けても良い。
上記実施形態では、気体噴射ノズルをトップリングヘッドカバー24の上部に配置しているが、本発明はこれに限られることはなく、例えばドレッサヘッドカバーの上部に気体噴射ノズルを配置しても良く、あるいは、天井壁52aの頂部付近に気体噴射ノズルを配置しても良い。
上記実施形態では、トップリングが旋回するタイプの基板研磨装置を例にして説明しているが、本発明はこれに限られることはなく、例えば基板を保持する複数のキャリアヘッドと、当該キャリアヘッドを保持するカルーセルがチャンバ内に備えられ、カルーセルを回転させることで基板を移動させるタイプの基板研磨装置に対しても、等しく適用することができる。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
10 研磨パッド
10a 研磨面
12 研磨テーブル
14 トップリング
20 ドレッサ
42 制御部
50a〜50d、82、83a〜83c、84a〜84c 気体噴射ノズル
52、66、86 チャンバ
52a、86a 天井壁
52b、86b 周壁
54,56,58,60 噴射ノズル
70a〜70d バルブ

Claims (5)

  1. 研磨パッドを支持する研磨テーブルと、研磨対象物を保持して前記研磨パッドに押し付けるための移動可能な保持部と、前記研磨パッドに研磨液を供給する研磨液供給ノズルと、前記研磨テーブル及び前記保持部を収容するチャンバとを備えた研磨装置であって、
    前記チャンバは天井壁と当該天井壁に接続される周壁からなる内壁を備えており、前記研磨装置は、
    研磨液が前記チャンバの内壁に付着することを抑制するために、前記内壁に向けて洗浄液を噴射する液体噴射ノズルと、
    前記天井壁に付着した余剰の洗浄液が前記研磨パッドに滴下するのを防止するために、前記天井壁に向けて気体を噴射することで、前記天井壁に付着した余剰の洗浄液を前記周壁に向けて流出させる気体噴射ノズルとを有し、
    前記気体噴射ノズルは、前記保持部の上面に設けられていることを特徴とする研磨装置。
  2. 前記天井壁は傾斜面を有することを特徴とする、請求項1記載の研磨装置。
  3. 前記天井壁には、付着した洗浄液を前記周壁部に向けて案内する複数のガイド溝が形成されていることを特徴とする、請求項記載の研磨装置。
  4. 前記保持部は、外部との間で前記研磨対象物の受け渡しを行う受渡位置と、前記研磨テーブル上に位置する研磨位置との間で移動可能とされており、前記気体噴射ノズルは、前記保持部が前記受渡位置と前記研磨位置との間で移動する間に気体を噴射することを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の研磨装置。
  5. 前記気体噴射ノズルは複数設けられており、前記保持部が前記受渡位置と前記研磨位置との間で移動する方向に応じて、駆動する前記気体噴射ノズルが切り替えられることを特徴とする、請求項記載の研磨装置。

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