JPH07266219A

JPH07266219A - ウェーハ研磨装置

Info

Publication number: JPH07266219A
Application number: JP5633894A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kobayashi; 弘之小林; Hiroo Miyairi; 広雄宮入
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】段差発生および膜除去量の不均一性を低減で
きるウェーハ研磨装置を提供する。【構成】研磨パッド４が貼付されたプラテン２と、ウ
ェーハＷの上面を保持して研磨パッド４に当接させる６
基のウェーハ保持ヘッド１２と、ヘッド１２を回転させ
るヘッド駆動機構１０とを具備する。ヘッド１２はフロ
ーティング型ヘッドであって、流体が供給されるヘッド
本体１４と、下端に張られたダイヤフラム１６と、その
下面に固定されたキャリア１８とを具備する。研磨パッ
ド４は、ウェーハＷに当接する相対的に硬質の硬質表面
層４Ａと、プラテン２側に設けられた相対的に軟質の弾
性支持層４Ｂとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はウェーハ研磨装置に関
し、特に研磨後のウェーハ表面の段差発生を防ぎ、厚さ
均一性を向上するための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体ウェーハの表面を研磨す
るウェーハ研磨装置では、円盤状のプラテン（定盤）の
上面に研磨パッドを貼付し、このプラテン上に１枚また
は複数枚のウェーハを載置し、これらウェーハを研磨パ
ッド上でキャリアにより強制回転させつつ、研磨パッド
とウェーハの間に微細なシリカ砥粒を含むスラリーを供
給することにより研磨を行っている。

【０００３】上記研磨パッドとしては、例えば、ポリエ
ステル不織布にポリウレタン樹脂を含浸させたベロアタ
イプパッド、ポリエステル不織布を基材として、その上
に発泡ポリウレタン層を形成したスエードタイプパッ
ド、あるいは独立発泡させたポリウレタンシートなどが
一般に使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで最近では、ウ
ェーハ製造工程だけでなく、半導体素子の製造工程にお
いてもウェーハ研磨を行う頻度が増えてきている。例え
ば、ウェーハの鏡面にアルミニウム等を蒸着して回路パ
ターンを形成し、その上にＢＰＳＧ，ＰＴＥＯＳまたは
ＳｉＯ₂ 等の絶縁膜を積層形成した後、この絶縁膜を研
磨により平坦化して、さらにその上に素子の内部構造を
形成する技術が多用されつつある。

【０００５】この場合、回路パターン上に絶縁膜を形成
するので、研磨前の絶縁膜表面には回路パターンに倣っ
た凹凸が生じている。このため、研磨パッドの材質とし
て比較的軟質なベロアタイプパッドやスエードタイプパ
ッドを使用した場合には、図９に示すように、パッド表
面の弾性変形により絶縁膜の凸部だけでなく凹部まで若
干削られることが避けられず、研磨後の絶縁層表面に回
路パターン形状を反映した微細な段差が生じる欠点があ
った。

【０００６】一方、研磨パッドとして比較的硬質のポリ
ウレタンシートを使用した場合には、パッド表面の弾性
変形が少ないため、上記のような段差の発生は少ないも
のの、ウェーハ自体または研磨パッド表面に存在する周
期の大きい僅かな「うねり」により、研磨パッドとウェ
ーハとの当接圧力に局部的な偏りが生じやすく、このよ
うな当接圧力の偏差により、比較的大きな周期を有する
ウェーハ厚さの不均一性が生じる問題を有していた。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、段差発生およびウェーハ厚さの不均一性を低減でき
るウェーハ研磨装置を提供することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るウェーハ研磨装置は、表面に研磨パッ
ドが貼付されプラテン駆動機構により回転駆動されるプ
ラテンと、研磨すべきウェーハの上面を保持して前記研
磨パッドにウェーハ下面を当接させる複数のウェーハ保
持ヘッドと、これらウェーハ保持ヘッドを前記プラテン
に対して遊星回転させることによりウェーハ下面を研磨
パッドで研磨するヘッド駆動機構とを具備し、前記ウェ
ーハ保持ヘッドはフローティング型ヘッドであって、流
体供給手段に接続される中空のヘッド本体と、このヘッ
ド本体の下端に水平に張られヘッド本体内の流体圧力に
応じて上下に変位するダイヤフラムと、このダイヤフラ
ムの下面に固定されその下面にウェーハが付着されるキ
ャリアとを具備し、さらに、前記研磨パッドは、ウェー
ハに当接する相対的に硬質の硬質表面層と、この表面層
よりも前記プラテン側に設けられた相対的に軟質の弾性
支持層とを有することを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明に係るウェーハ研磨装置によれば、パッ
ド表面が相対的に硬い硬質表面層により構成されている
ので、ウェーハ表面に初期凹凸が存在している場合にも
凹凸に追従してパッド表面が弾性変形しにくい。したが
って、凸部と同時に凹部の内側まで削ることが少なく、
初期凹凸に起因するミクロ的な段差発生が低減できる。

【００１０】一方、ウェーハ保持ヘッドは、流体圧力で
均一にウェーハを押圧して研磨パッドに当接させるフロ
ーティング型であるため、研磨パッドへのウェーハの当
接圧力を一定化する作用（圧力均一化作用と称する）が
得られるだけでなく、弾性支持層は、ウェーハに直接当
接する硬質表面層を裏側から弾性的に支持してクッショ
ン作用を発揮する。これらの作用が相乗しあうことによ
り、本発明の装置では研磨パッドあるいはウェーハにう
ねりが生じている場合にも、うねりに沿って表面硬質層
をウェーハ全面に亙って均一に当接させる効果が得ら
れ、ウェーハの研磨速度がウェーハ全面に亙って均一化
される。したがって、従来は両立しがたかった段差の低
減および厚さ均一性の向上を同時に達成できる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明に係るウェーハ研磨装置の一
実施例を示す正面図である。始めに全体の構成を簡単に
説明すると、図中符号１は基台であり、この基台１の中
央には円盤状のプラテン２が水平に設置されている。こ
のプラテン２は基台１内に設けられたプラテン駆動機構
により軸線回りに回転されるようになっており、その上
面には全面に亙って研磨パッド４が貼付されている。

【００１２】プラテン２の上方には、基台１から直立す
る複数の支柱６を介して上側取付板８が水平に固定され
ている。この上側取付板８の下面には、プラテン２と対
向する円盤状のヘッド駆動機構１０が固定され、このヘ
ッド駆動機構１０にはプラテン２と対向する計６基のウ
ェーハ保持ヘッド１２が設けられている。これらウェー
ハ保持ヘッド１２は、図２に示すようにプラテン２の中
心から同一距離に、プラテン２の中心軸回りに６０゜毎
に配置され、ヘッド駆動機構１０によりそれぞれ遊星回
転される。

【００１３】各ウェーハ保持ヘッド１２は、下端が漏斗
状に開口した中空のヘッド本体１４と、このヘッド本体
１４の下端部を塞ぐように固定された円板形のダイヤフ
ラム１６と、このダイヤフラム１６の下面に固定された
円板形のキャリア１８と、キャリア１８の外周を包囲す
るとともにダイヤフラム１６に固定された円環状のウェ
ーハストッパ２２とを具備している。そして、キャリア
１８の下面に、円形のウェーハ付着シート２０（インサ
ート）を介して、ウェーハＷが吸着保持されるようにな
っている。

【００１４】ヘッド本体１４の上端は、図示しない圧縮
空気源（流体供給機構）に接続されており、ヘッド本体
１４内に適宜、圧縮空気が供給できるようになってい
る。一方、ダイヤフラム１６はゴム等の弾性材料で形成
され、ヘッド本体１４内の圧力に比例した力でキャリア
１８を下方に均一加圧するようになっている。

【００１５】キャリア１８は、金属等の高い剛性を有す
る材料で成形された一定厚さのものであり、弾性変形は
しない。ウェーハストッパ２２は、ウェーハ研磨を行っ
ている状態で、その下端がウェーハＷの下面と同一にな
るように構成されている。

【００１６】ウェーハ付着シート２０は、不織布等の吸
水性を有する材質で形成され、水分を吸収すると、表面
張力でウェーハを吸着する。このウェーハ付着シート２
０の具体的な材質としては各種不織布等が挙げられ、そ
の好ましい厚さは０．６〜０．８ｍｍである。

【００１７】本発明の主たる特徴点は、研磨パッド４の
構造にあり、この実施例の研磨パッド４は、ウェーハＷ
に当接する表面硬質層４Ａ、および表面硬質層４Ａとプ
ラテン２との間に位置する中間軟質層４Ｂの２層から構
成されている。なお、実際には、表面硬質層４Ａと中間
軟質層４Ｂとの間に両者を接合するための接着層が存在
してもよいし、あるいは表面硬質層４Ａと中間軟質層４
Ｂの間、または／および中間軟質層４Ｂとプラテン２と
の間に、１層あるいは２層以上の中間層が形成されてい
てもよい。

【００１８】硬質表面層４Ａのショア硬度は８０〜１０
０、より好ましくは９０〜９６、弾性支持層４Ｂのショ
ア硬度は５０〜７０、より好ましくは５５〜６５とされ
る。また、硬質表面層４Ａの厚さは０．５〜１．５ｍ
ｍ、より好ましくは０．６〜１．２ｍｍ、弾性支持層４
Ｂの厚さは０．５〜１．５ｍｍ、より好ましくは１．０
〜１．３ｍｍとされる。

【００１９】表面硬質層４Ａのショア硬度が８０未満、
あるいは表面硬質層４Ａの厚さが０．５ｍｍ未満である
と、ウェーハ研磨中に研磨パッド４の表面がウェーハ表
面の初期凹凸に倣ってウェーハ表面の凹部内まで削るた
め、研磨後に回路パターン等を反映した段差が発生しや
すくなる。一方、表面硬質層４Ａのショア硬度が１００
より大きいか、あるいは表面硬質層４Ａの厚さが１．５
ｍｍより大きいと、うねりがある場合に表面硬質層４Ａ
がウェーハ表面になじまず、均等圧で当接しないおそれ
が生じる。

【００２０】また、中間軟質層４Ｂのショア硬度あるい
は厚さが前記各範囲を外れると、中間軟質層４Ｂによる
適度なクッション効果が得られず、ウェーハＷと表面硬
質層４Ａとの当接圧力を均等化する作用が低下する。

【００２１】研磨パッド４の具体的な材質を例示する
と、硬質表面層４Ａ，弾性支持層４Ｂとしてはそれぞれ
発泡ポリウレタンまたは不織布が好適で、特に硬質表面
層４Ａとしては発泡ポリウレタン、弾性支持層４Ｂとし
てはポリエステル等の不織布が好ましい。硬質表面層４
Ａ，弾性支持層４Ｂを不織布で形成する場合、ポリウレ
タン樹脂等の含浸剤を含浸させてもよい。ただし本発明
では、前記ショア硬度範囲を満足すれば、前記以外の材
質で研磨パッド４を構成してもよい。

【００２２】また、ウェーハ保持ヘッド１２による研磨
パッド４へのウェーハＷの当接圧力は２〜１５ｐｓｉ、
特に３〜１０ｐｓｉに設定されていることが望ましい。
この範囲であると、上述した研磨パッド４において弾性
支持層４Ｂの効果を特に発揮できる。

【００２３】上記構成からなるウェーハ研磨装置によれ
ば、パッド表面が相対的に硬い表面硬質層４Ａにより構
成されているので、ウェーハ表面に回路パターンなどに
起因する初期凹凸が存在している場合にも、凹凸に追従
して研磨パッド４の表面が弾性変形しにくい。したがっ
て、凸部と同時に凹部の内側まで削ることが少なく、初
期凹凸に起因する段差発生が低減できる。

【００２４】また、ウェーハ保持ヘッド１２は流体圧力
で均一にウェーハＷを押圧して研磨パッド４に当接させ
るフローティング型であるうえ、ウェーハＷに直接当接
する表面硬質層４Ａは、中間軟質層４Ｂにより裏側から
弾性的に支持されているので、フローティング型ヘッド
による当接圧力の均一化作用、および中間軟質層４Ｂに
よるクッション効果が相乗しあい、研磨パッド４あるい
はウェーハＷにうねりが生じている場合にも、表面硬質
層４Ａをうねりに沿って変形させウェーハＷの全面に亙
って均一に当接させる効果が得られる。これにより、研
磨パッド４によるウェーハＷの研磨速度がウェーハ全面
に亙って均一化されるから、研磨後のウェーハ厚さの不
均一性が低減でき、従来は両立しがたかった段差の低減
および厚さ均一性の向上が同時に達成できる。

【００２５】なお、フローティング型ヘッドによる当接
圧力の均一化作用、あるいは中間軟質層４Ｂによるクッ
ション効果のいずれか一方のみでは、回路パターンによ
る段差を低減しつつ、表面硬質層４Ａをうねりに沿って
変形させウェーハＷの全面に亙って均一に当接させる効
果は得られず、本発明の効果を達成し得ない。

【００２６】また、従来のウェーハ研磨技術では、１基
のプラテンで６枚のウェーハを同時研磨する構成とする
と、各ウェーハに対する研磨条件を均一化することが困
難であったが、この実施例においては、フローティング
型ヘッドによる当接圧力の均一化作用、および中間軟質
層４Ｂによるクッション効果により、段差の低減および
厚さ均一性の向上を同時に達成できるため、全てのウェ
ーハＷの研磨条件を統一することが可能で、品質の揃っ
たウェーハＷの量産が可能であり、そのうえ装置の小型
化も図れる。

【００２７】次に、図５は本発明の他の実施例における
研磨パッド４を示す平面図である。この研磨パッド４の
表面には、全面に亙って格子状の溝３０が形成されてい
る。この溝３０の深さＤ１は、図６に示すように、表面
硬質層４Ａの厚さの２０〜８０％、より好ましくは３０
〜５０％とされる。すなわち、表面硬質層４Ａを貫通し
ていないことが好ましい。溝３０が表面硬質層４Ａを貫
通していると、表面硬質層４Ａの各格子内部分の表面に
段差が生じ、研磨精度が悪化する。溝３０の幅は１〜３
ｍｍ、より好ましくは１．５〜２．５ｍｍとされ、平行
な溝３０同士のピッチは５〜４０ｍｍ、より好ましくは
５〜１５ｍｍとされる。

【００２８】溝３０は、ウェーハ研磨時に研磨パッド４
の表面に供給される研磨用スラリーがこれら溝３０を伝
わって、研磨パッド４の全面に亙って均一に効率よく供
給されるようにするためのものであり、それにより、ス
ラリーの分布の均一化を促進し、かつ研磨パッド４の局
部的な昇温による熱膨張を防いで、ウェーハ厚さの均一
性を向上することに役立つ。なお、溝３０の各部寸法が
前記各範囲を外れると、いずれの場合にもスラリーが効
率よくかつ均一に供給され難くなり、溝３０による前記
効果が低減する。

【００２９】なお、研磨パッド４に形成する溝の断面形
状は図６に示すように矩形状でもよいし、図７に示すよ
うにＶ字状であってもよい。

【００３０】

【実験例】

（実験１）フローティング型ヘッドおよび二層型研磨パ
ッドの組み合わせ効果を実証するため、図１および図２
のように６基のフローティング型ヘッドを具備する研磨
装置を使用し、研磨パッドとして、軟質シート一枚：
比較例１、硬質シート一枚：比較例２、軟質シート
（プラテン側）＋硬質シート（表面側）：実験例１、
軟質シート二枚合わせ：比較例３、硬質シート二枚合
わせ：比較例４、の各場合について、ウェーハ厚さの均
一性、および段差を測定した。なお、各測定値は、６枚
のウェーハについて求めた値を平均して算出した。実験
条件は以下の通りである。

【００３１】（実験条件）ウェーハＷの直径：６インチ（１５０ｍｍ）ウェーハ研磨面：厚さ８０００オングストロームの回路
パターン形成後、熱酸化膜あるいはＰＴＥＯＳ膜（プラ
ズマ形成膜）を形成。プラテン２の直径：９１４ｍｍ軟質シートの材質：ポリエステル不織布（含浸剤なし）厚さ１．２７ｍｍ、ショア硬さ６１硬質シートの材質：発泡ポリウレタン厚さ１．２８ｍｍ、ショア硬さ９６研磨用スラリー：シリカ粒子＋アルカリ研磨液ウェーハ当接圧力：７ｐｓｉ研磨時間：５ｍｉｎ

【００３２】実験結果を表１に示す。表中、厚さ均一性
は次式によって算出した。なお、膜除去量最大値、最小
値は、同一のウェーハの面内での値を計６枚で平均化し
た値である。均一性＝（（膜除去量最大値）−（膜除去量最小値））
／（（膜除去量最大値）＋（膜除去量最小値））×１０
０また、ＰＴＥＯＳ膜と記載しているのはＰＴＥＯＳ膜を
形成したシリコンウェーハについての実験結果である。
均一性は各ウェーハについて面内多点測定した値を６枚
で平均化して算出した。また、段差はウェーハ中心部の
測定値を用いた。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１から明らかなように、実験例１の装置
では、比較例１〜４のいずれの装置と比較しても研磨後
のウェーハに生じた段差が小さいうえ、軟質シート１枚
のみを使用した比較例１と比較してもほとんど均一性の
点で遜色がなく、総合的には最高の研磨精度を示した。

【００３５】（実験２）前記実験例１の装置を用い、６
枚づつ２度に分けて前記同様のウェーハを前記同様の条
件で研磨し、各回の１枚毎の厚さ均一性および研磨速度
を比較した。その結果を図８に示す。この図から明らか
なように、同時に研磨したウェーハ間では研磨速度の差
がほとんどなく、厚さ均一性の差も小さかった。

【００３６】（実験３）前記実験例１の装置を用い、研
磨パッドの硬度・厚さを種々変化させて、膜除去量の均
一性、および段差を測定した。なお、各測定値は、６枚
のウェーハについて求めた値を平均して算出した。研磨
前のウェーハ、研磨条件は実験１と同じである。その結
果を表２に示す。表中、「実２」は実験例２を、「比
５」は比較例５をそれぞれ示している。

【００３７】

【表２】

【００３８】表２から明らかなように、実験例２は比較
例５〜１２に比して、総合的な研磨精度が良好であっ
た。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るウェ
ーハ研磨装置によれば、パッド表面が相対的に硬い硬質
表面層により構成されているので、ウェーハ表面に初期
凹凸が存在している場合にも凹凸に追従してパッド表面
が弾性変形しにくい。したがって、凸部と同時に凹部の
内側まで削ることが少なく、初期凹凸に起因するミクロ
的な段差発生が低減できる。

【００４０】一方、ウェーハ保持ヘッドは、流体圧力で
均一にウェーハを押圧して研磨パッドに当接させるフロ
ーティング型であるため、研磨パッドへのウェーハの当
接圧力を一定化する作用（圧力均一化作用と称する）が
得られるだけでなく、弾性支持層は、ウェーハに直接当
接する硬質表面層を裏側から弾性的に支持してクッショ
ン作用を発揮する。これらの作用が相乗しあうことによ
り、本発明の装置では研磨パッドあるいはウェーハにう
ねりが生じている場合にも、うねりに沿って表面硬質層
をウェーハ全面に亙って均一に当接させる効果が得ら
れ、ウェーハの研磨速度がウェーハ全面に亙って均一化
される。したがって、研磨後の膜除去量の不均一性が低
減でき、従来は両立しがたかった段差の低減および厚さ
均一性の向上を同時に達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウェーハ研磨装置の一実施例を示
す正面図である。

【図２】同装置のプラテン２とウェーハ保持ヘッド１２
を示す平面図である。

【図３】同装置のウェーハ保持ヘッド１２の縦断面図で
ある。

【図４】研磨パッド４の断面拡大図である。

【図５】研磨パッド４に溝３０を形成した例を示す平面
図である。

【図６】溝３０の一例の断面図である。

【図７】溝３０の他の例の断面図である。

【図８】本発明の実験例の結果を示すグラフである。

【図９】従来技術の問題点を示すウェーハ表層部の断面
図である。

【符号の説明】

１基台２プラテン４研磨パッド４Ａ表面硬質層４Ｂ中間軟質層６支柱８上側取付板１０ヘッド駆動機構１２ウェーハ保持ヘッド１４ヘッド本体Ｗウェーハ１６ダイヤフラム１８キャリア２０ウェーハ付着シート２２ウェーハストッパ３０溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に研磨パッドが貼付されプラテン駆動
機構により回転駆動されるプラテンと、研磨すべきウェ
ーハの上面を保持して前記研磨パッドにウェーハ下面を
当接させる複数のウェーハ保持ヘッドと、これらウェー
ハ保持ヘッドを前記プラテンに対して遊星回転させるこ
とによりウェーハ下面を研磨パッドで研磨するヘッド駆
動機構とを具備し、前記ウェーハ保持ヘッドはフローティング型ヘッドであ
って、流体供給手段に接続される中空のヘッド本体と、
このヘッド本体の下端に水平に張られヘッド本体内の流
体圧力に応じて上下に変位するダイヤフラムと、このダ
イヤフラムの下面に固定されその下面にウェーハが付着
されるキャリアとを具備し、さらに、前記研磨パッドは、ウェーハに当接する相対的
に硬質の硬質表面層と、この表面層よりも前記プラテン
側に設けられた相対的に軟質の弾性支持層とを有するこ
とを特徴とするウェーハ研磨装置。
【請求項２】前記硬質表面層のショア硬度は８０〜１０
０、前記弾性支持層のショア硬度は５０〜７０であるこ
とを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨装置。
【請求項３】前記硬質表面層の厚さは０．５〜１．５ｍ
ｍであり、前記弾性支持層の厚さは０．５〜１．５ｍｍ
であることを特徴とする請求項１または２記載のウェー
ハ研磨装置。
【請求項４】前記研磨パッドは、前記硬質表面層および
前記弾性支持層の２層から構成されていることを特徴と
する請求項１，２または３記載のウェーハ研磨装置。
【請求項５】前記硬質表面層および前記弾性支持層はそ
れぞれ、発泡ポリウレタンまたは不織布から選択される
材質で形成されていることを特徴とする請求項１，２，
３または４記載のウェーハ研磨装置。
【請求項６】前記ウェーハ保持ヘッドは前記プラテンの
中心軸回り６０゜毎に計６基設けられていることを特徴
とする請求項１，２，３，４または５記載のウェーハ研
磨装置。
【請求項７】前記硬質表面層には、この硬質表面層の厚
さの２０〜８０％の深さおよび１〜３ｍｍの幅を有する
溝が形成されていることを特徴とする請求項１，２，
３，４，５または６記載のウェーハ研磨装置。
【請求項８】前記溝のピッチは５〜４０ｍｍであること
を特徴とする請求項７記載のウェーハ研磨装置。
【請求項９】前記ウェーハ保持ヘッドによる前記研磨パ
ッドへのウェーハ当接圧力は２〜１５ｐｓｉに設定され
ていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５，
６，７または８記載のウェーハ研磨装置。