JP7216601B2

JP7216601B2 - 研磨装置

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Publication number: JP7216601B2
Application number: JP2019078468A
Authority: JP
Inventors: 将士緒方
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2023-02-01
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: JP2020175464A

Description

本発明は、研磨装置に関する。

ＣＭＰ研磨では、研磨パッドにスラリーを供給しながら、ウェーハを研磨する。特許文献１および特許文献２には、ＣＭＰ研磨後のウェーハを所定の厚みに仕上げるために、もしくは、所定の研磨除去量を確保するために、研磨加工の際にウェーハの厚みを非接触で測定する技術が開示されている。たとえば、研磨パッドを回転させるスピンドルに、その中心を貫通する貫通路が設けられる。この貫通路を介して測定光がウェーハに照射され、ウェーハの上面および下面のそれぞれで反射されて、２つの反射光が生じる。これらの反射光は、貫通路を通り、厚み測定器によって受光される。厚み測定器は、２つの反射光の光路差に基づいて、ウェーハの厚みを測定する。

特開２０１６－２０９９５１号公報特開２０１８－１５３８７９号公報

しかし、研磨加工中では、ウェーハが貫通路の下端側を塞ぐことになるため、貫通路におけるエアの流れが封じられる。そのため、スラリーが噴霧になり、測定孔の上側に配設された厚み測定器を汚す可能性がある。この場合、正確な厚みを測ることが困難となる。

本発明の目的は、研磨加工中にウェーハの厚みを継続的に測定することにある。

本発明の研磨装置（本研磨装置）は、ウェーハを保持するチャックテーブルと、下端に研磨パッドを装着したスピンドルを回転させることによって、該チャックテーブルに保持された該ウェーハを該研磨パッドで研磨する研磨手段と、該研磨手段の上方に配設され、研磨加工中のウェーハの厚みを非接触で測定する厚み測定手段と、を備える研磨装置であって、該研磨パッドは、研磨面の中心に開口部としての研磨パッド開口を有し、該スピンドルは、中心を貫通し該研磨パッド開口に連通する貫通路を備え、該厚み測定手段は、該貫通路の上端に配設され、該貫通路にエアを導入するエア導入部と、該エア導入部の上端から上方に離れた位置に配置され、該エア導入部、該貫通路および該研磨パッド開口を通してウェーハに測定光を投光する投光部、および、ウェーハで反射された反射光を受光する受光部を備える厚み測定器と、を備え、該エア導入部は、該貫通路の上端部分に開口を有し、該貫通路に沿って延びるように設けられた第１管と、該第１管の外側壁との間に隙間を形成するように該第１管を囲繞するように配置され、該第１管とともに二重管を形成する第２管と、該第１管と該第２管との間の該隙間に接続されており、該隙間の上部からエアを供給するエア供給部と、該第１管と該第２管との間の該隙間の下端に設けられ、該エア供給部から供給されたエアを該貫通路内に噴射する環状エア噴射口と、該貫通路からエアの一部を排気するための排気口とを備え、該貫通路の下端をウェーハが塞いでいるウェーハの研磨加工中では、該環状エア噴射口から該貫通路に噴射されたエアが該貫通路に充満されていることにより、厚みを測定するウェーハの測定点から該測定光を遮光する遮光物質が除去され、該貫通路内の圧力が所定圧以上にならないように該排気口からエアが排気され、該環状エア噴射口から該貫通路に噴射される環状のエアの流れにより、該第１管内が負圧になり外気を該第１管内および該貫通路に導入し、該測定光の光軸上から遮光物質を除去し、該ウェーハの厚みを測定しながら研磨する。

本研磨装置では、環状エア噴射口からスピンドルの貫通路に噴射されたエアにより、第１管内が負圧になるため、外部から外気が導入される。このため、貫通路の下端をウェーハが塞いでいるウェーハの研磨加工中では、貫通路にエアが充満され、貫通路内の圧力が所定圧以上にならないように、排気口からエアが排気される。これにより、厚みを測定するウェーハの測定点から、測定光を遮光する遮光物質が、排気されるエアとともに除去される。さらに、本研磨装置では、第１管内の負圧を維持することができる。

研磨装置の構成を示す斜視図である。スピンドルを含む研磨手段の構成を示す断面図である。厚み測定手段の構成を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態にかかる研磨装置１１は、ウェーハＷを研磨するものであり、直方体状の基台１２、および、上方に延びるコラム１３を備えている。

ウェーハＷは、たとえば、円形の半導体ウェーハである。図１においては下方を向いているウェーハＷの表面は、複数のデバイスを保持しており、保護テープＴが貼着されることによって保護されている。ウェーハＷの裏面は、研磨加工が施される被加工面となる。

基台１２の上面側には、開口部１２ａが設けられており、開口部１２ａを覆うように防水カバー１７が配置されている。また、防水カバー１７のコラム１３側には、チャックテーブル１８を含む保持手段１５が配置されている。そして、基台１２の内部には、保持手段１５をＹ軸方向に移動させるＹ軸移動機構４０が備えられている。

保持手段１５は、ウェーハＷを保持するための保持面１９を有するチャックテーブル１８、および、チャックテーブル１８を支持する支持部材１６を含んでいる。チャックテーブル１８の保持面１９は、図示しない吸引源に連通されている。支持部材１６は、その上面にチャックテーブル１８が配置されており、チャックテーブル１８とともに、Ｙ軸移動機構４０により、Ｙ軸に沿って移動する。
本実施形態では、チャックテーブル１８がＹ軸方向に沿って移動することにより、研磨手段２６の研磨パッド３６が、チャックテーブル１８に保持されているウェーハＷを研磨する。

Ｙ軸移動機構４０は、Ｙ軸方向に平行な一対のＹ軸ガイドレール４２、このＹ軸ガイドレール４２上をスライドするＹ軸移動テーブル４６、Ｙ軸ガイドレール４２と平行なＹ軸ボールネジ４３、Ｙ軸ボールネジ４３に接続されているＹ軸サーボモータ４４、および、これらを保持する保持台４１を備えている。

Ｙ軸移動テーブル４６は、Ｙ軸ガイドレール４２にスライド可能に設置されている。Ｙ軸移動テーブル４６の下面には、図示しないナット部が固定されている。このナット部には、Ｙ軸ボールネジ４３が螺合されている。Ｙ軸サーボモータ４４は、Ｙ軸ボールネジ４３の一端部に連結されている。

Ｙ軸移動機構４０では、Ｙ軸サーボモータ４４がＹ軸ボールネジ４３を回転させることにより、Ｙ軸移動テーブル４６が、Ｙ軸ガイドレール４２に沿って、Ｙ軸方向に移動する。Ｙ軸移動テーブル４６には、保持手段１５の支持部材１６が載置されている。したがって、Ｙ軸移動テーブル４６のＹ軸方向への移動に伴って、チャックテーブル１８を含む保持手段１５が、Ｙ軸方向に移動する。

コラム１３は、基台１２の後部（－Ｘ方向側）に立設されている。コラム１３の前面には、ウェーハＷを研磨する研磨手段２６、および、研磨手段２６をＺ軸方向に上下動させるＺ軸方向移動手段１４が設けられている。

Ｚ軸方向移動手段１４は、コラム１３の前方に固定された固定部２５、固定部２５に固定されＺ軸方向に平行な一対のＺ軸ガイドレール２１、このＺ軸ガイドレール２１上をスライドするＺ軸移動テーブル２０、Ｚ軸ガイドレール２１と平行なＺ軸ボールネジ２２、および、Ｚ軸サーボモータ２４を備えている。

Ｚ軸移動テーブル２０は、Ｚ軸ガイドレール２１にスライド可能に設置されている。Ｚ軸移動テーブル２０の後面（裏面）には、図示しないナット部が固定されている。このナット部には、Ｚ軸ボールネジ２２が螺合されている。Ｚ軸サーボモータ２４は、Ｚ軸ボールネジ２２の一端部に連結されている。

Ｚ軸方向移動手段１４では、Ｚ軸サーボモータ２４がＺ軸ボールネジ２２を回転させることにより、Ｚ軸移動テーブル２０が、Ｚ軸ガイドレール２１に沿って、Ｚ軸方向に移動する。

研磨手段２６は、下端に研磨パッド３６を装着したスピンドル３２を回転させることによって、チャックテーブル１８に保持されたウェーハＷを研磨パッド３６によって研磨する。

研磨手段２６は、Ｚ軸移動テーブル２０の前面に取り付けられている。研磨手段２６は、Ｚ軸方向移動手段１４のＺ軸移動テーブル２０に固定された支持構造２８、支持構造２８に固定されたスピンドルハウジング３０、スピンドルハウジング３０に保持されたスピンドル３２、スピンドル３２の下端に取り付けられたマウント３４、および、マウント３４に支持された研磨パッド３６を備えている。研磨手段２６は、研磨パッド３６を回転可能に支持する。

支持構造２８は、研磨手段２６の他の部材を支持した状態で、Ｚ軸方向移動手段１４のＺ軸移動テーブル２０に取り付けられている。スピンドルハウジング３０は、Ｚ軸方向に延びるように支持構造２８に保持されている。

図２に示すように、スピンドル３２は、Ｚ軸方向に延びており、スピンドルハウジング３０に回転可能に支持されている。スピンドル３２の上端側には、回転駆動源としてのモータ３９が連結されている。モータ３９は、スピンドル３２の上端側外周面に固定されたロータ１０１と、ロータ１０１を囲繞するようにスピンドルハウジング３０の内周面に固定されたステータ１０３とを備えている。ステータ１０３に所定の電圧を印加することにより、ロータ１０１が回転し、スピンドル３２がその軸心を中心として回転する。

スピンドルハウジング３０には、エア源１０５に接続されたエア供給路１２０、および、エア供給路１２０に接続されたエア噴出部１２１が設けられている。エア噴出部１２１は、複数のエア噴出口を備えており、スピンドルハウジング３０とスピンドル３２との間の隙間に、矢印Ｋに示すように高圧のエアを噴出する。

スピンドルハウジング３０の内部に収容されたスピンドル３２は、エア噴出部１２１から噴出される高圧エアによって、スピンドルハウジング３０と非接触の状態で、スピンドルハウジング３０によって回転可能に支持される。

マウント３４は、円板状に形成され、スピンドル３２の下端（先端）に固定されている。マウント３４の下面は、研磨パッド３６が取り付けられる水平方向に平行な平坦面である。

研磨パッド３６は、マウント３４と略同径を有するように形成されている。研磨パッド３６は、円板３７と、円板３７の下面に接着される研磨部材３８とを備えている。円板３７は、図示しないボルト等によってマウント３４に取り付けられている。

研磨部材３８は、その下面が、ウェーハＷを研磨する研磨面となっている。
図２に示すように、本実施形態では、ウェーハＷは、保護テープＴを介して、チャックテーブル１８の保持面１９に吸着保持される。研磨部材３８を含む研磨パッド３６は、チャックテーブル１８の保持面１９に保持されたウェーハＷに接触した状態で、スピンドル３２およびマウント３４とともに回転する。これにより、このウェーハＷが、研磨部材３８の研磨面によって研磨される。

ここで、円板３７および研磨部材３８を含む研磨パッド３６は、研磨面の中心に、開口部としての研磨パッド開口３５を有している。
また、マウント３４にも、研磨パッド開口３５に対応するように、中央に、開口部としてのマウント開口３４ａが形成されている。マウント開口３４ａの直径は、たとえば１３ｍｍである。
さらに、スピンドル３２には、その中心を貫通し、マウント開口３４ａを介して研磨パッド開口３５に連通する貫通路１１０が形成されている。

そして、研磨手段の上方であって貫通路１１０の上方には、厚み測定手段５１が配設されている。厚み測定手段５１は、研磨加工中のウェーハＷの厚みを、非接触で測定する。

図２および図３に示すように、厚み測定手段５１は、スピンドル３２の上端部分の近傍に設けられている。厚み測定手段５１は、スピンドル３２の貫通路１１０の上端に配設され、貫通路１１０にエアを導入するエア導入部６１と、ウェーハＷの厚みを測定する厚み測定器７１とを備えている。

図３に示すように、厚み測定器７１は、エア導入部６１の上端から上方に離れた位置に配置されており、投光部７２および受光部７３を備えている。投光部７２は、エア導入部６１、貫通路１１０、マウント開口３４ａおよび研磨パッド開口３５を通して、ウェーハＷにおける厚みの測定点（研磨パッド開口３５に対応する部分）に、測定光を投光する。受光部７３は、ウェーハＷの上面および下面で反射された２つの反射光を受光する。厚み測定器７１は、２つの反射光の光路差に基づいて、ウェーハＷの厚みを測定する。

エア導入部６１は、スピンドル３２の貫通路１１０に挿入されている第１管６２、および、第１管６２を覆うように貫通路１１０に挿入されている第２管６３を含んでいる。すなわち、エア導入部６１では、第１管６２は、第２管６３内に挿入されている。

第１管６２は、貫通路１１０の上端部分に第１管開口６２１を有しており、貫通路１１０に沿って延びるように設けられている。
第２管６３は、第１管６２の外側壁との間に隙間６４を形成するように、第１管６２を囲繞するように貫通路１１０内に配置されている。したがって、第２管６３は、第１管６２とともに二重管を形成している。

また、エア導入部６１は、エアを供給するためのエア供給部６５、および、エアを噴出するための環状エア噴射口６６を有している。
エア供給部６５は、第１管６２と第２管６３との間の隙間６４に接続されており、隙間６４に、その上部からエアを供給する。

環状エア噴射口６６は、第１管６２と第２管６３との間の隙間６４の下端からなり、スピンドル３２の貫通路１１０内に配置されている。
環状エア噴射口６６は、エア供給部６５から隙間６４の上部に供給されたエアを、貫通路１１０内に、貫通路１１０の延びる方向に沿って下方に向けて噴射する。

さらに、エア導入部６１は、貫通路１１０からエアの一部を排気するための排気口６７を備えている。
排気口６７は、スピンドル３２の貫通路１１０の内壁と第２管６３の外壁との間を、エア導入部６１の外部と接続している。エア導入部６１では、貫通路１１０内の圧力が所定圧以上にならないように、排気口６７からエアが排気される。たとえば、貫通路１１０内の圧力が所定圧に近づいた場合に、貫通路１１０内のエアの一部が、排気口６７から排出される。

また、研磨装置１１には、研磨パッド３６とウェーハＷとの間にスラリーを供給する、図示しないスラリー供給部材が設けられている。研磨装置１１では、このスラリーを用いたＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）研磨が実施される。スラリーの供給量は、たとえば、５０～７０ｍｌ／ｍｉｎである。

このような構成を有する研磨装置１１では、ウェーハＷを保持したチャックテーブル１８は、図示しない駆動部材によって回転する。また、研磨パッド３６が、モータ３９によるスピンドル３２の回転に応じて回転しながら下降して、ウェーハＷに接触する。これにより、ウェーハＷが、研磨パッド３６によって研磨される。

また、ウェーハＷの研磨加工開始時において、研磨装置１１では、エア供給部６５から第１管６２と第２管６３との間の隙間６４に、その上部からエアが供給される。エア供給部６５によるエアの供給量は、たとえば、５０Ｌ／ｍｉｎである。このエアは、環状エア噴射口６６から、貫通路１１０内に、図３に矢印Ａによって示すように、貫通路１１０の延びる方向に沿って下方に向けて噴射される。

このような環状エア噴射口６６からのエアの噴射に伴い、第１管６２の内部と第１管６２の下端付近の貫通路１１０の径方向中心部分が負圧（たとえば、－１６５～－１９５Ｐａ）になり、図２に示すような負圧領域ＭＲが生成される。このために、第１管６２の第１管開口６２１を介して、第１管６２の内部に向けて、図３に矢印Ｂに示すように、外気が導入される。
このように、貫通路１１０内にエアが充満した状態で、研磨パッド３６をウェーハＷに接近させ、ウェーハＷに接触した際に、研磨パッド開口３５が塞がれ貫通路１１０内を研磨パッドに付着した研磨屑が立ち上がるのを防止している。

一方、ウェーハＷの研磨加工中では、貫通路１１０の下端付近では、研磨パッド３６がウェーハＷに接触しており、研磨パッド開口３５がウェーハＷによって塞がれている。このため、研磨パッド３６とウェーハＷとの間に導入されたスラリーが噴霧状になり、研磨屑（加工屑）とともに、研磨パッド開口３５およびマウント開口３４ａを介して貫通路１１０に向かって立ち上ろうとする。

ここで、上記のように、貫通路１１０の縦方向の中央部付近では、矢印Ａおよび矢印Ｂで示したように外部から供給されたエアが充満しており、この負圧領域ＭＲ以外の貫通路１１０内は、外気よりも高圧（たとえば、２０～４０Ｐａ）の加圧領域ＫＲ（図２参照）となっている。
このため、噴霧状のスラリーおよび研磨屑のような遮光物質が、貫通路１１０の上方に到達すること、および、貫通路１１０および第１管開口６２１を抜けて厚み測定器７１に到達することが回避されている。

また、矢印Ａに示すようにエア供給部６５から供給されたエアは、供給されたエアの流速で、図２に矢印Ｄによって示すように、貫通路１１０およびマウント開口３４ａを介して研磨パッド開口３５の近傍まで到達し、研磨パッド開口３５の近傍の圧力を高める（たとえば、２０～４０Ｐａ）。

貫通路１１０に供給されたエアは、図２に矢印Ｅによって示すように、研磨パッド開口３５の近傍から、貫通路１１０の内壁に沿って上昇し、第２管６３の外壁と貫通路１１０の内壁との間および排気口６７を介して、図２および図３に矢印Ｃに示すように、貫通路１１０から外部に排出される。
これにより、排気されるエアとともに遮光物質を外部に排出することが可能となるので、噴霧状のスラリーおよび研磨屑のような遮光物質が、貫通路１１０、マウント開口３４ａおよび研磨パッド開口３５の中央部分から除去される。

このため、厚み測定器７１における投光部７２からの光が、貫通路１１０、マウント開口３４ａおよび研磨パッド開口３５を介して、ウェーハＷの厚みの測定点に、容易に到達することができる。さらに、受光部７３は、ウェーハＷからの反射光を良好に受光することができる。したがって、厚み測定器７１は、ウェーハＷの厚みを、適切かつ継続的に測定することが可能となる。

また、貫通路１１０に供給されたエアの排気により、貫通路１１０内の加圧領域ＫＲと負圧領域ＭＲと第１管６２内の負圧領域ＭＲとが維持されるので、矢印Ｂに示した第１管開口６２１からの外気の導入が停止することを抑制することができる。
このようにして、研磨装置１１では、ウェーハＷの厚みを測定しながら、ウェーハＷを研磨することが可能となる。

なお、本実施形態では、研磨装置１１において、ウェーハＷに対してＣＭＰ研磨が実施されている。これに限らず、ウェーハＷに対する研磨は、水を用いた研磨であってもよいし、ドライ研磨であってもよい。水を用いた研磨が実施される場合、研磨装置１１では、外部から供給されたエアにより、厚み測定器７１の光路上から噴霧状の水および加工屑を排除することができる。また、ドライ研磨が実施される場合、外部から供給されたエアにより、厚み測定器７１の光路上から加工屑を排除することができる。このため、ウェーハＷの厚みを、適切かつ継続的に測定することが可能となる。

Ｗ：ウェーハ、Ｔ：保護テープ、
１１：研磨装置、１２：基台、１３：コラム、１４：Ｚ軸方向移動手段、
１５：保持手段、１６：支持部材、１８：チャックテーブル、１９：保持面、
２６：研磨手段、３０：スピンドルハウジング、３２：スピンドル、１１０：貫通路
３４：マウント、３４ａ：マウント開口、
３６：研磨パッド、３５：研磨パッド開口、３７：円板、３８：研磨部材、
５１：厚み測定手段、
６１：エア導入部、６２：第１管、６３：第２管、６４：隙間、６５：エア供給部、
６６：環状エア噴射口、６７：排気口、１２０：エア供給路、１２１：エア噴出部、６２１：第１管開口、
７１：厚み測定器、７２：投光部、７３：受光部

Claims

ウェーハを保持するチャックテーブルと、下端に研磨パッドを装着したスピンドルを回転させることによって、該チャックテーブルに保持された該ウェーハを該研磨パッドで研磨する研磨手段と、該研磨手段の上方に配設され、研磨加工中のウェーハの厚みを非接触で測定する厚み測定手段と、を備える研磨装置であって、
該研磨パッドは、研磨面の中心に開口部としての研磨パッド開口を有し、
該スピンドルは、中心を貫通し該研磨パッド開口に連通する貫通路を備え、
該厚み測定手段は、
該貫通路の上端に配設され、該貫通路にエアを導入するエア導入部と、
該エア導入部の上端から上方に離れた位置に配置され、該エア導入部、該貫通路および該研磨パッド開口を通してウェーハに測定光を投光する投光部、および、ウェーハで反射された反射光を受光する受光部を備える厚み測定器と、を備え、
該エア導入部は、
該貫通路の上端部分に開口を有し、該貫通路に沿って延びるように設けられた第１管と、
該第１管の外側壁との間に隙間を形成するように該第１管を囲繞するように配置され、該第１管とともに二重管を形成する第２管と、
該第１管と該第２管との間の該隙間に接続されており、該隙間の上部からエアを供給するエア供給部と、
該第１管と該第２管との間の該隙間の下端に設けられ、該エア供給部から供給されたエアを該貫通路内に噴射する環状エア噴射口と、
該貫通路からエアの一部を排気するための排気口とを備え、
該貫通路の下端をウェーハが塞いでいるウェーハの研磨加工中では、該環状エア噴射口から該貫通路に噴射されたエアが該貫通路に充満されていることにより、厚みを測定するウェーハの測定点から該測定光を遮光する遮光物質が除去され、該貫通路内の圧力が所定圧以上にならないように該排気口からエアが排気され、該環状エア噴射口から該貫通路に噴射される環状のエアの流れにより、該第１管内が負圧になり外気を該第１管内および該貫通路に導入し、該測定光の光軸上から遮光物質を除去し、該ウェーハの厚みを測定しながら研磨する、
研磨装置。