JPH0950975A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

ウェーハ研磨装置

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JPH0950975A
JPH0950975A JP14721596A JP14721596A JPH0950975A JP H0950975 A JPH0950975 A JP H0950975A JP 14721596 A JP14721596 A JP 14721596A JP 14721596 A JP14721596 A JP 14721596A JP H0950975 A JPH0950975 A JP H0950975A
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wafer
polishing
cmp apparatus
stage
wafer stage
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JP14721596A
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Heikun Ri
炳勲 李
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    • B24—GRINDING; POLISHING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェーハの表面を化学機械的に平坦化
させるための改善されたＣＭＰ装置を提供する。 【解決手段】 ウェーハ２０の研磨面が上向くように前
記半導体ウェーハを積載及び固定するための平坦なウェ
ーハステージ３０と、前記露出されたウェーハ２０の研
磨面の上部に形成され前記ウェーハ２０との接触点が線
形運動し得るように高速回転可能なシリンダ状の研磨パ
ッド４０とを含む。前記ステージ３０は多数個の真空ホ
ールを通じて真空吸着方式でウェーハ２０を支持できる
ように構成され、前記シリンダ状の研磨パッド４０はそ
の中心に回転運動を伝達する回転軸４２を具備し、該回
転軸４２の外周面に相違なる硬さを有する二重層の研磨
部材を有する。したがって、ウェーハ２０のハンドリン
グと制作が容易となり、洗浄機能を採用して自動化に有
利で、研磨均一性及び平坦性を向上させ得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウェーハの表
面を平坦化するための装置に係り、特に改善された化学
・機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing ：以
下、ＣＭＰと略す）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の集積度の増加に相まって多層
配線の工程が実用化されることにより、層間絶縁膜のグ
ローバル平坦化がさらに重要とされており、このため新
たな平坦化技術としてＣＭＰが注目され始めたのであ
る。ＣＭＰ装置は研磨パッドと研磨剤とを用いた機械的
成分とスラリー溶液内の化学的成分によりウェーハの表
面を機械・化学的に研磨する。これにより、最初のうち
は清浄度の問題などの実用性に疑問もあったが、従来の
方法により垂直方向の形状制御性に優れて実用化に対す
る期待が高まっている。このような状況から半導体製造
メーカでも量産レベルに対応し得るＣＭＰ装置に対する
研究が深まっている。
【０００３】図１は従来のＣＭＰ装置を概略的に示した
断面図である。図１を参照すれば、従来のＣＭＰ装置の
構成は回動可能なプラテン(Platen)１１と左右移動可能
なキャリア１９とに大別される。前記ウェーハキャリア
１９の下部にはキャリア１９の両側の下部の保持リング
１７によりウェーハ１０が固定されており、前記プラテ
ン１１の前面には前記ウェーハ１０の研磨面に対向する
研磨パッド１３が固着されている。
【０００４】以下、前記した構成を有する従来のＣＭＰ
装置の問題点を作用と共に説明するる。第一、前記した
既存のＣＭＰ装置は研磨する素材の表面即ち、ウェーハ
の研磨面が下向くので、ウェーハのハンドリングが極め
て不便である。具体的に、ウェーハ１０のずれを防止す
る前記保持リング１７と前記パッド１３の間隔が前記ウ
ェーハ１０の厚さの１／３に調節することにより最適の
結果が得られるが、これを保ち難く上、この間隔が不適
切な場合ウェーハが破損されることが頻繁に起こる。さ
らに、ウェーハのフラットゾーン部位は空いているので
該部分にスラリー１５が蓄積される。このような不揃い
なスラリーの分布により、ウェーハのフラットゾーン部
分が先に研磨されるフラットゾーン欠陥が発生する。さ
らに、ウェーハをローディングし煩わしいと共にスクラ
ッチ発生の恐れがあり高コストの原因となる。
【０００５】第二、前記パッド１３がウェーハ１０の研
磨面と全て接触されるのでウェーハ中心部へのスラリー
供給がうまく進まない。従って、研磨均一性が劣化され
ると共に、これを改善するために前記ウェーハキャリア
１９の加圧分布を細密に調節しなければならない。この
ような全面接触方式は大口径ウェーハのＣＭＰ工程に決
定的な制限要素となる。
【０００６】第三、工程温度調節の観点から、従来装置
はプラテン１１を用いるので非効率的である。それは、
ウェーハ１０がパッド１３により熱的に遮断されるから
である。しかも、摩擦力が大きい場合は温度調節の機能
を失い、高速回転に求められる工程には適用できない。
第四、前記重いプラテン１１が回転機能を有するので高
速回転を必要とする低いディッシング工程に不向きであ
る。即ち、２００ｒｐｍ以上の高速回転を必要とする研
磨工程では機械的に不安定となる。さらに、１５０ｒｐ
ｍにおいても従来の装置はスラリー供給の問題、工程温
度の上昇などの諸問題を抱えている。
【０００７】第五、低いディッシング工程を得るために
は低圧が必要であるが、圧力を均一性の改善のために求
められる最小限の圧力以下に下げ難いだけでなく、前記
ウェーハキャリヤ１９自体の重さも相殺させ難い。した
がって、前記プラテンの連動時ウェーハの全面に加えら
れる圧力を均一に保たれない問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は前記し
た問題点を解決し得る新たな形態のＣＭＰ装置を提供す
ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに本発明による半導体ウェーハを化学機械的な方法で
平坦化するためのＣＭＰ装置は、研磨するウェーハの研
磨面が上向くように前記半導体ウェーハを積載及び固定
するための平坦なウェーハステージと、前記露出された
ウェーハの研磨面の上部に形成され前記ウェーハとの接
触点が線形運動し得るように高速回転可能なシリンダ状
の研磨パッドとを具備することを特徴とする。
【００１０】好ましくは、前記半導体ウェーハを水平ロ
ーディング方式で積載し、この積載されたウェーハを支
持するためのウェーハステージは、ステージの全面に形
成された多数個の真空ホールを具備し、この真空孔を通
じて真空吸着方式でウェーハを支持し得るように構成さ
れることを特徴とする。さらに、前記ウェーハステージ
は研磨剤による装置内部の汚染が防止できるように、ス
テージを周期的に洗浄し得る脱イオン水洗浄機能及び空
気噴出機能を具備することを特徴とする。
【００１１】さらに、前記ウェーハステージは金属汚染
を防止するために、多孔性セラミック材質より構成され
たことが好ましい。好ましくは、前記シリンダ状の研磨
パッドはその中心に回転運動を伝達する回転軸を具備し
ており、該回転軸の外周面に相違なる硬さを有する二重
層の研磨部を具備する。
【００１２】前記二重層の研磨部材の外層材質は、前記
ウェーハの研磨面の一部分と接触して平坦な研磨作用が
行なえるように、内部材質より硬い材質より構成される
ことが好ましい。さらに、前記二重層の研磨部材の内層
は、前記研磨部材の外層を支持及び緩衝させ、該外層と
前記ウェーハとの接触面積を調節して研磨均一性を向上
させ得る柔らかい材質より構成されることが好ましい。
【００１３】さらに、本発明は前記ウェーハステージの
下部に線形運動及び／又は回転運動可能な平滑なテーブ
ルをさらに具備して、前記パッドの回転運動、該テーブ
ルの線形及び回転運動、並びにこれら運動方向の組み合
わせによりウェーハの全面を均一に研磨することがてき
る。さらに好ましくは、前記ウェーハステージとテーブ
ルとの間に冷却手段をさらに含めて、該冷却手段により
前記ウェーハの温度を直接制御し得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明を詳細に説明する。図２及び図３を参照すれば、研磨
する素材の表面即ち、ウェーハの研磨面が露出されるよ
うにウェーハ２０は平坦なウェーハステージ３０の上面
に載置される。即ち、前記ウェーハ２０は水平ローディ
ング方式により前記ステージ３０上に装着及び脱着され
る。
【００１５】前記露出されたウェーハ２０の研磨面の上
部には前記ウェーハ２０との接触点が線形運動できるよ
うに高速回転可能なシリンダ状の研磨パッド４０が形成
される。研磨パッド４０は研磨均一性及び研磨平坦性に
おいて、該硬さが極めて重要である。例えば、硬いもの
を用いると平坦性は向上されるが均一性が劣化される反
面、柔らかいのを使用する場合は均一性は向上されるが
平坦性が劣化されて研磨面が傾く。
【００１６】従って、本発明の研磨パッド４０は該中心
に回転運動を伝達する回転軸４２を具備しており、該回
転軸４２の外周面には相違なる硬さを有する二重層の研
磨部材を具備する。図２を参照すれば、前記二重層の研
磨部材の外層４６は前記ウェーハ２０の研磨面の一部分
と接触して平坦な研磨作用が行えるように内部材質より
硬い材質より構成される。さらに、前記二重層の研磨部
材の内層４４は前記研磨部材の外層４６を支持及び緩衝
させ、該外層４６と前記ウェーハ２０との接触面積を調
節して研磨均一性を向上させ得るように前記外層４６よ
り柔らかい材質より構成される。
【００１７】前記ウェーハステージ３０の下部には冷却
手段５０を具備して該冷却手段５０により該その上部の
ウェーハステージ３０の温度を調節してウェーハ２０の
温度が直接制御できる。さらに、研磨特性をさらに向上
させるために、前記ウェーハ２０が積載及び固定された
ステージ３０の下部に線形運動及び／又は回転運動可能
な平滑なテーブル６０をさらに含むことができる。従っ
て、このテーブル６０の線形及び回転運動、前記シリン
ダ状の研磨パッド４０の回転運動及び、これら運動方向
の組み合わせによりウェーハ２０の全面が均一に研磨で
きる。
【００１８】図４Ａは前記した構成を有するＣＭＰ装置
のウェーハステージ３０を拡大した断面図であり、図４
Ｂはウェーハステージ３０の平坦構造を拡大した図面で
ある。図４Ａ及び図４Ｂを参照して、前記半導体ウェー
ハ２０を水平ローディング方式で積載し、該積載された
ウェーハを支持するためのウェーハステージ３０は、ス
テージの全面に同一なパターンで形成された多数個の真
空ホール３１を具備し、該真空ホール３１を通じて真空
吸着方式でウェーハが固定できるように構成される。
【００１９】前記したように、ＣＭＰ装置は研磨剤を用
いるので装置の内部が汚染され易く、よって装置のクリ
ーン化が極めて重要である。本発明において、研磨剤に
よる装置内部の汚染を防止するための簡易洗浄機能を前
記ウェーハステージ３０に採用した。即ちウェーハ２０
の置かれる前記ステージ３０を周期的に洗浄し得るよう
に真紅吸着のための真空装置３３とのインーライン化で
イオン水洗浄装置３５及び空気噴出装置３７とを具備し
て洗浄機能を向上させ得る。
【００２０】かかるウェーハステージ３０の構成物質は
金属汚染を防止するために多孔性セラミック材質より構
成されることが好ましい。次に前記した構成を有する本
発明のＣＭＰ装置の長所を従来技術（図１参照）と対比
して説明する。 （１）従来の装置におけるウェーハのハンドリング時生
じる問題点を水平ローディング方式を使用して解決し得
る。即ち、装／脱着が容易になると共に、従来とは違っ
てウェーハを支持するための保持リング１７（図１）を
用いないのでウェーハ割れ(breakage)も防止し得る。こ
のような特性を得るために、本発明においては真空吸着
方式のウェーハステージ（図４参照）を用いる。
【００２１】（２）工程温度の制御が極めて容易とな
る。これはウェーハステージ３０と密着された冷却手段
５０によりウェーハ２０の温度を直接制御し得るからで
ある。 （３）既存の全面接触方式のパッド１３に比し本発明の
シリンダ状のパッド４０は次のような長所がある。シリ
ンダ状のパッド４０は、既存のパッド１３の固定された
プラテン１１に比べて著しく高速に回転するのでウェー
ハの全面を接触しなくても十分な研磨率が確保でき、高
速回転によりディッシングを減らし得る。
【００２２】ハードパッド部４６を支持するソフト内層
４４の硬さを調節してウェーハの研磨面との接触面積を
変化させ得るので、工程条件により研磨率などの特性を
調整し得る。ウェーハとパッドの接触点が線形運動する
ので平坦性及び均一性の制御が容易である。
【００２３】（４）研磨圧力制御が容易である。即ち、
前記シリンダ状のパッド４０の高さを調節したり、シリ
ンダ状のパッド４０のソフト内層４４の硬さを調節し
て、研磨圧力を非常に低く制御できるので研磨特性（平
坦性）を向上させ得る。さらに、従来の装置とは違っ
て、ウェーハキャリヤ１９自体の重さを相殺させるため
の別途の装置がなくても研磨圧力を低く調節できる。
【００２４】（５）従来とは違って、スラリーの蓄積さ
れる部分がないのでフラットゾーン欠陥が起こらない。 （６）既存の装置に比し、制作し易く、自動化、小型化
が可能な上、ウェーハの大口径化に対する対応も容易で
ある。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるＣＭ
Ｐ装置によれば、研磨工程が行われる時ウェーハの研磨
面が上向くように水平ローディング方式でウェーハを積
載し、真空吸着及び洗浄機能がさらに備えられたステー
ジを用いてウェーハを固定し、ウェーハの研磨面の一部
だけがパットと接触された状態でシリンダ状の研磨パッ
ドの回転により研磨工程を行うことにより、ウェーハの
ハンドリングと制作が容易となり、洗浄機能を採用して
自動化に有利で、研磨均一性及び平坦性を向上させ得
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術によるＣＭＰ装置の構造を概略的に
示した断面図である。
【図２】本発明によるＣＭＰ装置の構造を示した断面図
である。
【図３】図２の平面図である。
【図４】（Ａ）は本発明による研磨装置のウェーハステ
ージを拡大した図面であり、（Ｂ）は図４Ａの平面図で
ある。
【符号の説明】
２０ ウェーハ ３０ ウェーハステージ ４０ 研磨パッド ４２ 回転軸 ４４ 二重層の研磨部材の内層 ４６ 二重層の研磨部材の外層 ５０ 冷却手段 ６０ テーブル

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体ウェーハを化学機械的方法で平坦
    化させるためのＣＭＰ装置において、 ウェーハの研磨面が上向くように前記半導体ウェーハを
    積載及び固定するための平坦なウェーハステージと、 前記露出されたウェーハの研磨面の上部に形成され前記
    ウェーハとの接触点が線形運動し得るように高速回転可
    能なシリンダ状の研磨パッドとを具備することを特徴と
    するＣＭＰ装置。
  2. 【請求項２】 前記シリンダ状の研磨パッドは回転運動
    を伝達する回転軸と、該回転軸の外周面に多層構造の研
    磨部を具備することを特徴とする請求項１に記載のＣＭ
    Ｐ装置。
  3. 【請求項３】 前記回転軸の外周面に形成された多層構
    造の研磨部は相違なる硬さを有する二層構造より構成さ
    れることを特徴とする請求項２に記載のＣＭＰ装置。
  4. 【請求項４】 前記ウェーハの研磨面の一部分と接触し
    て研磨作用を行う二層型研磨部の外層は平坦性を向上さ
    せるために内部材質より硬い材質より構成されることを
    特徴とする請求項３に記載のＣＭＰ装置。
  5. 【請求項５】 前記二層型研磨部の内層は前記研磨部の
    外層を支持し、該外層と前記ウェーハとの接触面積を調
    節して研磨均一性を向上させる得る柔らかい材質より構
    成されたことを特徴とする請求項３に記載のＣＭＰ装
    置。
  6. 【請求項６】 前記ウェーハステージの下部に線形運動
    及び／又は回転運動可能な平滑なテーブルをさらに具備
    して前記パッドの回転運動、該テーブルの線形及び回転
    運動、並びにこれら運動方向の組み合わせによりウェー
    ハの全面を均一に研磨することを特徴とする請求項１に
    記載のＣＭＰ装置。
  7. 【請求項７】 前記ウェーハの温度を直接制御し得るよ
    うに前記ウェーハステージとテーブルとの間に形成され
    た冷却手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記
    載のＣＭＰ装置。
  8. 【請求項８】 前記ウェーハの温度を直接制御し得るよ
    うに前記ウェーハステージとテーブルとの間に形成され
    た冷却手段をさらに含むことを特徴とする請求項６に記
    載のＣＭＰ装置。
  9. 【請求項９】 半導体ウェーハを化学機械的な方法で平
    坦化するためのＣＭＰ装置において、 研磨するウェーハの研磨面が上向くように前記半導体ウ
    ェーハを水平ローディング方式で積載し、この積載され
    たウェーハを真空吸着方式で支持し得るように多数個の
    真空ホールを具備した平坦なウェーハステージと、 前記露出されたウェーハの研磨面の上部に形成され、前
    記ウェーハとの接触点が線形運動し得るように高速回転
    可能なシリンダ状の研磨パッドとを具備することを特徴
    とするＣＭＰ装置。
  10. 【請求項１０】 前記ウェーハステージは研磨剤による
    装置内部の汚染が防止できるように脱イオン水洗浄の機
    能をさらに具備することを特徴とする請求項９記載のＣ
    ＭＰ装置。
  11. 【請求項１１】 前記ウェーハステージは研磨剤による
    装置内部の汚染が防止できるように脱イオン水洗浄の機
    能に加えて空気噴出機能を具備することを特徴とする請
    求項９に記載のＣＭＰ装置。
  12. 【請求項１２】 前記ウェーハステージは金属汚染を防
    止するために多孔性セラミック材質より構成されたこと
    を特徴とする請求項９に記載のＣＭＰ装置。
JP14721596A 1995-08-07 1996-06-10 ウェーハ研磨装置 Pending JPH0950975A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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KR1995P24297 1995-08-07
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JP (1) JPH0950975A (ja)
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