JPH08323615A

JPH08323615A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH08323615A
Application number: JP13171795A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Morioka; 裕之森岡; Takashi Maeda; 岳志前田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1996-12-10

Abstract

(57)【要約】【構成】回転する研磨盤に被加工物を押し当てて、該被
加工物の表面を平坦化するための研磨装置において、上
記研磨盤をセラミック材により形成するとともに、その
表面に膜厚０．０１〜１ｍｍの樹脂膜をコーティングす
る。【効果】研磨盤の腐食および変形を抑えるとともに、被
加工物の表面に傷を付けることなく、平坦化精度３％以
下に平坦化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被加工物の表面を研磨
するための研磨装置に関するものであり、例えば、導体
膜と絶縁膜を３層以上積層した半導体デバイスの表面を
研磨するのに適したＣＭＰ（ＣＨＥＭＩＣＡＬ＆Ｍ
ＥＣＨＡＮＩＣＡＬＰＯＬＩＳＨ）装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、超ＬＳＩの高密度化、高集積化に
伴い配線の多層化が進みつつある。例えば、Ｄ−ＲＡＭ
は６４Ｍ−ｂｉｔ以上が主流になりつつあり、これに伴
い半導体ウエハの表面に導体膜や絶縁膜からなる積層膜
を３層以上形成した半導体デバイスが用いられるように
なっている。具体的には、図９（ａ）〜（ｇ）に示すよ
うに半導体ウエハ４１上に導体膜４２ａを形成したあと
成膜−エッチング−露光を繰り返して絶縁膜４２ｂと導
体膜４２ａとを順次成膜し、３層以上の積層膜４３を形
成するようになっていた。

【０００３】一方、半導体ウエハ４１の表面に３層以上
の積層膜４３を形成しようとすると膜４３の表面が凹凸
面となるために露光焦点が合わなくなるといった問題が
あった。その為、図９（ｆ）の工程で積層膜４３の表面
を一度平坦化したあとに再度積層する必要があり、この
積層膜４３の平坦化を行うために従来よりＣＭＰ（ＣＨ
ＥＭＩＣＡＬ＆ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＰＯＬＩＳ
Ｈ）装置が使用されていた。

【０００４】このＣＭＰ装置の概略は、図７に示すよう
に被加工物である半導体デバイス１３を保持するための
保持盤２２と、該保持盤２２に対向して配置された研磨
盤２１とから構成され、該研磨盤２１は図８に示すよう
な金属製の円板体３２の表面に膜厚５ｍｍ程度のウレタ
ン製の樹脂膜３３を接着シール３４を介して張り付けた
ものであった。そして、上記保持盤２２に半導体デバイ
ス１３をワックスにて張り付けたあと研磨盤２１に半導
体デバイス１３を押圧し、該研磨盤２１と半導体デバイ
ス１３との間にポリッシング剤（不図示）を供給しつつ
研磨盤１３のみを回転させるか、あるいは保持盤２２と
研磨盤１３とを相対回転させることにより、半導体デバ
イス１３の表面（半導体ウエハ４１上の積層膜４３表
面）を平面研磨して平坦化するようになっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
ＣＭＰ装置では、酸性およびアルカリ性の両方のポリッ
シング剤が使われることから、研磨盤２１をなす金属製
の円板体３２がポリッシング剤により短期間で腐食して
しまい研磨盤２１の交換サイクルが非常に短いといった
課題があった。しかも、樹脂膜３３は接着シール３４を
介して円板体３２に張り付けられた構造であることか
ら、樹脂膜３３と円板体３２との間にポリッシング剤が
侵入し易く、その結果、接着シール３４の粘着力が低下
して樹脂膜３３が剥がれる恐れがあるとともに、円板体
３２の表面が腐食され平坦度が損なわれることから半導
体デバイス１３の平坦化精度が徐々に低下し、常時一定
の精度に平坦化することが難しかった。

【０００６】また、上記研磨盤２１を構成する円板体３
２は金属により形成されているために、保持盤２２によ
る押圧力や回転に伴う遠心力によって研磨盤１が変形し
易く、その結果、平坦化精度が大きく損なわれるととも
に、金属は比重が大きいことから研磨盤２１の始動時あ
るいは強制停止時に駆動手段にかかる負荷が大きいとい
った課題もあった。

【０００７】さらに、研磨盤２１に張り付けた樹脂膜３
３が摩耗して寿命となると樹脂膜３３のみを張り替える
のであるが、空気の侵入をできるだけ抑えて張り付けな
ければならず、張り替え作業に多大な時間を要してい
た。

【０００８】また、半導体デバイス１３の表面を平坦化
する場合、平坦化精度を３％以下とすることが要求され
ているのであるが、上記研磨盤２１に備える樹脂膜３３
の膜厚は１〜５ｍｍ程度と厚肉であるために、この研磨
盤２１を用いて研磨を行うと、樹脂膜３３の弾性作用に
より平坦化精度３％以下を達成することができなかっ
た。

【０００９】そこで、５ｍｍ未満の膜厚を持った樹脂膜
３３を使用することが考えられるが、５ｍｍ未満の膜厚
を持った樹脂膜３３を円板体３２に張り付けようとする
と、膜厚が薄すぎるためにシワになり易く、このシワに
より平坦化精度が大きく損なわれ、仮に、シワを極力抑
えて樹脂膜３３を張り付けたとしても、樹脂膜３３と円
板体３２との間に介在する接着シール３４のために平坦
化精度を高めるには限度があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、被加工物を回転する研磨盤に押圧して、該研
磨盤の表面に存在せしめたポリッシング剤により被加工
物の表面を研磨する研磨装置において、上記研磨盤をセ
ラミック材により形成するとともに、その表面に膜厚
０．０１〜１ｍｍの樹脂膜をコーティングしたものであ
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明実施例を説明する。

【００１２】図１は、本発明に係る研磨装置の一例であ
る平面研磨を行うためのＣＭＰ装置を示す概略図で、被
加工物である半導体デバイス１３（積層膜４３を形成し
た半導体ウエハ４１）を保持するための真空チャック１
２と、回転軸１０の先端に取り付けた研磨盤１とから構
成してあり、上記真空チャック１２は研磨盤１と偏心状
態、即ち、研磨盤１の中心ＯからＬだけ離れた位置に対
向するように設けてある。

【００１３】また、このＣＭＰ装置により平面研磨する
には、まず、半導体デバイス１３を搬送アーム１１によ
り真空チャック１２の下面まで搬送したあと、真空チャ
ック１２の吸着面に吸着保持し、上記半導体デバイス１
３を研磨盤１に対して５００ｋｇ／ｃｍ²程度の荷重で
押圧する。そして、半導体デバイス１３と研磨盤１との
間にポリッシング剤（不図示）を供給しつつ研磨盤１を
回転させることにより、ポリッシング剤の作用でもって
半導体デバイス１３の表面を平坦化するようにしてあ
る。

【００１４】なお、上記実施例では研磨盤１の外周部に
一つの真空チャック１２を配置した例を示したが、半導
体デバイス１３の大きさに合わせ、間隔を設けて複数個
の真空チャック１２を研磨盤１の外周対向面上に配置し
て、一度に複数の半導体デバイス１３を平面研磨するこ
ともできる。

【００１５】また、半導体デバイス１３を研磨盤１に押
圧するための部材として真空チャック１２以外に図７に
示すような保持盤２２を使用したものであっても良く、
この場合には半導体デバイス１３をワックスでもって保
持盤２２に張り付けて固定し、５００ｋｇ／ｃｍ²程度
の荷重で研磨盤１に押圧すれば良い。

【００１６】次に、上記ＣＭＰ装置に備える研磨盤１に
ついて詳細に説明すると、図２および図３に示すように
平面度を１μｍ以下としたセラミック材からなる円板体
２の表面にウレタンの樹脂膜３をコーティングしてあ
る。具体的には円板体２の表面に液状のウレタン樹脂を
塗布したあと、アニール処理することによりアンカー効
果でもって固着してある。なお、本発明実施例における
コーティングとは円板体２の表面にアンカー効果でもっ
て直接固着したもののことである。

【００１７】また、このウレタンの樹脂膜３には多数の
微細な気泡孔３ａを設けてあり、該気泡孔３ａにポリッ
シング剤を保持させることで、荷重をかけた状態でも傷
を付けることなく半導体デバイス１３を研磨することが
できる。なお、本発明の研磨盤１に使用できる樹脂膜３
としてはウレタン以外の樹脂であっても良く、微細な気
泡孔３ａを設えた樹脂や発砲樹脂であることが望まし
く、さらにはショアー硬度で５０〜９０を有する樹脂が
良い。

【００１８】ところで、真空チャック１２や保持盤２２
の押圧力および回転に伴う遠心力により研磨盤１が変形
しないようにするためには、上記円板体２を構成する材
質は２００００ｋｇ／ｍｍ²以上のヤング率を有するセ
ラミック材が適材であり、表１に示すようなアルミナセ
ラミックス、ジルコニアセラミックス、炭化珪素質セラ
ミックス、窒化珪素質セラミックス、さらにはアルミナ
−炭化チタン系セラミックスなどのセラミック材を使用
することができる。しかも、これらのセラミック材は見
掛け比重が６．５以下と小さい。その為、真空チャック
１２や保持盤２２の押圧力や回転に伴う遠心力が研磨盤
１に作用したとしても殆ど変形することがなく、また、
研磨盤１を回転させるのに小さなトルクで回転させるこ
とができ、駆動手段に多大な負荷を与えることもない。
その上、上記セラミック材は耐薬品性に優れ、その中で
も特にアルミナセラミックス、炭化珪素質セラミック
ス、およびアルミナ−炭化チタン系セラミックスは酸性
およびアルカリ性の両方の薬液に対して優れた耐薬品性
を備えているため、円板体２を形成するのに最適であ
る。なお、円板体２を構成するセラミック材の構造とし
ては２００００ｋｇ／ｍｍ²以上のヤング率を有するも
のであれば緻密質体および多孔質体のいずれであっても
構わない。

【００１９】

【表１】

【００２０】また、上記研磨盤１はセラミック製の円板
体２の表面に樹脂膜３をコーティングした構造としてあ
るが、樹脂膜３との充分な密着強度を得るために、円板
体２の表面は中心線平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以上
の表面としてある。即ち、円板体２の表面が中心線平均
粗さ（Ｒａ）で１．０μｍより小さくなると、円板体２
の表面と樹脂膜３との間で十分なアンカー効果が得られ
ないために密着力が弱く、半導体デバイス１３との摺動
により樹脂膜３が剥離するからである。

【００２１】また、円板体２の表面に平均径が２μｍ以
上の気孔２ａを有するセラミック材を用いれば、さらに
樹脂膜３との密着強度を高めることができる。即ち、気
孔の平均径が２μｍ以上であると樹脂が入り込み易いた
め、この樹脂が硬化するとアンカー効果でもって強固に
密着させることができる。ただし、平均径が５００μｍ
より大きくなると、樹脂が気孔２ａから抜け易くなるた
め逆にアンカー効果が期待できなくなる。

【００２２】その為、円板体２の表面に存在あるいは形
成する気孔の最適な平均径としては２〜５００μｍの範
囲で設けることが望ましい。

【００２３】なお、本発明実施例における気孔とは、セ
ラミック粒子とセラミック粒子との間にできた隙間やボ
イドだけを意味するものではなく、円板体２の表面に加
工により形成した凹部や溝などをも含むものである。

【００２４】さらに、半導体デバイス１３の平坦化精度
を高めるためには、樹脂膜３の膜厚が重要な要件とな
る。

【００２５】即ち、半導体デバイス１３の表面に傷を付
けることなく平坦化するためには、樹脂膜３の膜厚は極
力薄い方が良い。

【００２６】そこで、本発明では樹脂膜３の膜厚Ｔを１
ｍｍ以下の範囲で設けてある。これは、樹脂膜３の膜厚
Ｔが１ｍｍより大きくなると、膜厚が厚くなり過ぎるた
めに樹脂膜３の持つ弾性作用により現在要求されている
半導体デバイス１３の平坦化精度３％以下とすることが
難しく、また、剥離する恐れがあるからである。ただ
し、樹脂膜３の膜厚Ｔを０．０１ｍｍより小さくするこ
とは製造上難しく、また、短期間で樹脂膜３が摩耗する
とともに、ポリッシング剤を保持するための微細なポア
を形成することができない。

【００２７】その為、樹脂膜３の最適な膜厚Ｔの範囲と
しては０．０１〜１ｍｍが良い。

【００２８】このように本発明は研磨盤１をなす円板体
２を高硬度で高靱性を有し、かつ耐薬品性に優れたセラ
ミック材により形成してあるため、真空チャック１２や
保持盤２２による押圧力や回転に伴う遠心力によって研
磨盤１が変形するようなことはなく、また、ポリッシン
グ剤により腐食を受けることもない。しかも、上記研磨
盤１はセラミック製の円板体２の表面に直接樹脂膜３を
形成してあるために従来の研磨盤のように接着シールが
介在することによる影響がなく、また、シワのない薄い
樹脂膜３を形成することができるため、樹脂膜３の寿命
まで半導体デバイス１３などの被加工物を常に平坦化精
度３％以下に平面研磨することができる。

【００２９】なお、本発明実施例では、平面研磨するた
めのＣＭＰ装置についてのみ説明したが、当然、本発明
はＣＭＰ装置以外に曲面状の被加工物やエッジ部を有す
る被加工物、あるいは球状体を研磨するための研磨装置
にも適用することができる。〔実験例１〕ここで、表面粗さを変化させた円板体２の
上に樹脂膜３を被覆した研磨盤１を試作し、樹脂膜３の
密着強度について測定を行った。

【００３０】試料をなす研磨盤１は、直径２００ｍｍ、
厚み幅２０ｍｍの円板状をしたアルミナ製の円板体２の
表面に研磨加工を施して中心線平均粗さ（Ｒａ）０．２
〜２．０μｍの範囲で変化させた円板体２を試作し、そ
の表面に液状のポリウレタン樹脂を塗布しあと、熱処理
を施して膜厚０．０５ｍｍ程度のポリウレタンからなる
樹脂膜３をコーティングしたものを用意した。

【００３１】そして、これらの研磨盤１の樹脂膜３を引
っ張り、剥がれた時の荷重を求めて単位面積当たりの荷
重を密着強度として測定した。

【００３２】それぞれの結果は図４に示す通りである。

【００３３】図４より判るように、円板体２の表面粗さ
が中心線平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ未満になると、
表面が滑らか過ぎるために充分なアンカー効果が得られ
ず、急激に密着強度が低下した。

【００３４】このことから、円板体２の表面粗さは中心
線平均粗さ（Ｒａ）で１．０μｍ以上あれば密着強度を
高めることができることが判る。

【００３５】〔実験例２〕次に、気孔径の異なるアルミ
ナ製の円板体２を用意し、その表面を中心線平均粗さ
（Ｒａ）で０．５μｍに研磨したあと、その表面に液状
のポリウレタン樹脂を塗布し、熱処理を施して膜厚０．
０５ｍｍ程度のポリウレタンからなる樹脂膜３をコーテ
ィングした研磨盤１を試作した。

【００３６】そして、これらの試料を実験例１と同様に
樹脂膜３を引っ張り、剥がれた時の荷重を求めて単位面
積当たりの荷重を密着強度として測定した。それぞれの
結果は図５に示す通りである。

【００３７】図５より判るように、円板体２の表面に存
在する気孔２ａの平均径が２μｍ未満になると、やはり
急激に密着強度が低下することが判る。

【００３８】従って、樹脂膜３の密着強度を高めるため
には円板体２の表面に存在する気孔２ａの平均径は２μ
ｍ以上とすることが好ましいことが判る。

【００３９】〔実験例３〕さらに、実験例１のうち中心
線平均粗さ（Ｒａ）２．０μｍの表面としたアルミナ製
の円板体２に膜厚Ｔを変えたウレタンからなる樹脂膜３
を被覆した研磨盤１を用意し、これらをＣＭＰ装置に組
み込んで半導体デバイス１３を研磨した時の平坦化精度
について測定した。

【００４０】なお、比較例として膜厚０．５、０．８、
１．０、１．２７ｍｍのウレタン樹脂膜３３を接着シー
ト３４によりアルミナ製の円板体２に張り付けた研磨盤
２１も用意して同様に実験を行った。

【００４１】また、本実験では平坦化精度が３％以下の
ものを優れたものとした。

【００４２】樹脂膜３の膜厚およびそれぞれの結果は図
６に示す通りである。

【００４３】まず、図６より樹脂膜３、３３の膜厚Ｔを
小さくしていくと１ｍｍまでは平坦化精度は大幅に向上
し、１ｍｍ以下となると平坦化精度はほぼ横這いになる
ことが判る。そして、比較例の研磨盤２１では膜厚Ｔが
０．５ｍｍと最も小さいものでも平坦化精度は４％程度
までであった。

【００４４】これに対し、樹脂膜３をコーティングし、
その膜厚Ｔを０．０１〜１ｍｍとした本発明に係る研磨
盤１を用いれば平坦化精度を３％以下とすることができ
た。なお、上記実施例ではアルミナ製の円板体２により
形成した研磨盤１についてのみ示したが、他のジルコニ
アセラミックス、炭化珪素質セラミックス、窒化珪素質
セラミックス、アルミナ−炭化チタン系セラミックスな
どのセラミック材により形成した円板体２を用いて構成
した研磨盤１でも同様に結果が得られた。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明は研磨装置に備え
る研磨盤をセラミック材により形成するとともに、その
表面に膜厚０．０１〜１ｍｍの樹脂膜をコーティングし
たことにより、被加工物の押圧力や回転に伴う遠心力に
より研磨盤が変形することは殆どなく、ポリッシング剤
に曝されたとしても腐食することがない。しかも、樹脂
膜の膜厚を極力薄くすることができ、直接樹脂膜を円板
体にコーティングしてあるため、被加工物の表面に傷を
付けることなく、常に平坦化精度３％以下に平坦化する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研磨装置の一例であるＣＭＰ装置
を示す概略図である。

【図２】図１に備える研磨盤を示す斜視図である。

【図３】図２に示す研磨盤主要部を拡大した断面図であ
る。

【図４】円板体の表面粗さと密着強度との関係を示すグ
ラフである。

【図５】円板体の表面に存在する気孔の平均径と密着強
度との関係を示すグラフである。

【図６】円板体にコーティングした樹脂膜の膜厚と平坦
化精度との関係を示すグラフである。

【図７】従来のＣＭＰ装置を示す概略図である。

【図８】図７に備える従来の研磨盤を示す斜視図であ
る。

【図９】（ａ）〜（ｇ）は半導体ウエハ上への成膜工程
を示す断面図である。

【符号の説明】

１研磨盤２円板体３樹脂膜１０回転軸１１搬送アーム１２真空チャック１３半導体デバイス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物を回転する研磨盤に押圧して、該
研磨盤の表面に存在せしめたポリッシング剤により研磨
するようにした研磨装置において、上記研磨盤をセラミ
ック材により形成するとともに、その表面に膜厚０．０
１〜１ｍｍの樹脂膜をコーティングしたことを特徴とす
る研磨装置。