JPH0970750A

JPH0970750A - 基板研磨装置

Info

Publication number: JPH0970750A
Application number: JP22974195A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Sato; 修三佐藤; Yoshiaki Komuro; 善昭小室
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1997-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】基板研磨における面内均一性の向上と研磨パ
ッドの長寿命化を同時に図ることができる基板研磨装置
を提供する。【解決手段】研磨ヘッド３のチャックプレート２４に
て吸着保持した基板３１を、研磨プレート上に張設され
た研磨パッドの表面に所定の研磨加圧力をもって押し付
けつつ研磨処理を行う基板研磨装置であって、研磨パッ
ドの表面形状に合わせてチャックプレート２４を研磨加
圧方向に強制的に弾性変形させるべく、チャックプレー
ト２４の基板保持面と反対側に形成されたチャンバー２
６と、このチャンバー２６に連通する給排気口２８を介
してチャンバー２６内のエアー圧を可変する給排気装置
３０とからなるチャック面補正機構を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨ヘッドにて保
持した基板を研磨プレート上のパッド面に押し付けつつ
研磨処理を行う基板研磨装置に関するもので、特に、半
導体ウエハ上に成膜された各種の膜表面を均一に平坦化
する際に用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の基板研磨装置の一例を示す
概略図であり、これは半導体ウエハの層間絶縁膜等の平
坦化研磨に用いられる化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置の
構成を示している。図５に示す基板研磨装置において
は、研磨プレート（研磨定盤）１の上面に多孔質材料か
らなる研磨パッド２が張設されている。研磨プレート１
は図示せぬプレート回転軸によって水平状態に支持さ
れ、研磨時にはそのプレート回転軸を介して図中矢印方
向に回転駆動される。一方、研磨プレート１の上方に
は、プレート上のパッド面に対向して研磨ヘッド３が配
置されている。この研磨ヘッド３の下面には図示せぬチ
ャックプレートが取り付けられており、このチャックプ
レートにウレタンゴム等からなる基板吸着フィルム４が
貼着されている。また研磨ヘッド３は図示せぬヘッド回
転軸に支持されており、研磨時にはそのヘッド回転軸を
介して図中矢印方向に回転駆動される。さらに研磨ヘッ
ド３の近傍には研磨剤（スラリー）供給用のノズル５が
配設されており、研磨時には研磨剤供給タンク６から送
出された研磨剤が上記ノズル５を通して研磨パッド２上
に供給される。

【０００３】次に、上記従来の基板研磨装置の動作につ
いて説明する。先ず、基板の研磨処理に際しては、半導
体ウエハ等の基板７が基板吸着フィルム４を介して研磨
ヘッド３下面側のチャックプレート（不図示）に吸着保
持される。また、研磨プレート１と研磨ヘッド３とは、
それぞれの回転軸を介して図示せぬ駆動手段により回転
駆動される。このとき、研磨剤供給タンク６からノズル
５を通して研磨剤が研磨パッド２上に供給され、この状
態で図示せぬ加圧部の研磨加工圧Ｐをもって研磨パッド
２の表面に基板７が押し付けられる。これにより基板７
の表面は、研磨剤中のアルカリによる化学的研磨作用と
シリカによる機械的研磨作用とによって研磨される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の基
板研磨装置においては、何枚もの基板７を研磨していく
うちに、研磨パッド２が磨耗したり劣化したりして、徐
々にパッド表面形状が崩れてくる。一般に、形状が崩れ
た研磨パッド２は、図６に示すような形状、すなわち基
板７との接触領域において中凹形状となる。そうする
と、これに押し付けられる基板７側では、パッド面との
当たり具合（研磨接触圧）が面内で不均一となるため、
その中央部と周縁部とで研磨速度に差が生じる。これに
より基板７の被研磨面は、パッド面形状がそのまま転写
されたような中凸形状となり、面内均一性が著しく悪化
してしまう。そのため従来では、ドレッサ等を用いて頻
繁にパッド面をツルーイング（形状補正）する必要があ
り、そのための段取り作業によるタイムロスや研磨パッ
ドの短寿命化を招いていた。また従来装置の中には、流
体（気体、液体等）による均等加圧方式にて基板７を研
磨パッド２に押し付ける方式を採用する考えもあるが、
その場合でもパッド面形状の崩れによる面内均一性の悪
化を回避できるものではなかった。

【０００５】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、基板研磨における面内均一性
の向上と研磨パッドの長寿命化を同時に図ることができ
る基板研磨装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、研磨ヘッドのチャックプ
レートにて吸着保持した基板を、研磨プレート上に張設
された研磨パッドの表面に所定の研磨加圧力をもって押
し付けつつ研磨処理を行う基板研磨装置において、研磨
パッドの表面形状に合わせてチャックプレートを研磨加
圧方向に強制的に弾性変形させるチャック面補正機構を
備えた構成を採っている。

【０００７】こうした構成を採用すれば、研磨処理によ
って研磨パッドの表面形状が変化しても、その時々の研
磨パッドの表面形状に合わせてチャックプレートを研磨
加圧方向に強制的に弾性変形させることにより、たとえ
研磨パッドの表面形状に多少の崩れがあっても、チャッ
クプレートにて吸着保持した基板をその全面にわたりパ
ッド表面に均一に押し付けることが可能となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、例えば半導体ウエハの平坦
化研磨に用いられる化学的機械研磨装置に適用した場合
の本発明の実施形態につき、図面を参照しつつ詳細に説
明する。なお、本発明に係わる基板研磨装置は上記化学
的機械研磨装置への適用に限定されるものではなく、例
えば機械的研磨作用を主体としたメカノケミカル研磨や
化学的研磨作用を主体としてケモメカニカル研磨など、
機械的作用と化学的作用とを複合化させた、いわゆる複
合研磨装置全般に適用できるものである。

【０００９】図１は本発明に係わる基板研磨装置の一実
施形態を示す要部断面図であり、これは研磨プレート上
のパッド面に対向して配置される研磨ヘッド３の構造を
示している。図１に示す研磨ヘッド３においては、ヘッ
ド回転軸１０の下端にフランジ１１を介してアッパープ
レート１２が取り付けられている。アッパープレート１
２はドーナツ形状をなすもので、そのプレート上には、
大径リング１３と小径リング１４とからなるロータリー
ジョイントハウジングが装着されている。このうち、大
径リング１３はアッパープレート１２上に螺子結合にて
固定され、その内側に小径リング１４が摺動自在に嵌め
込まれている。

【００１０】ここで大径リング１３と小径リング１４に
は、図２（ａ）に示すように、各々Ｌ字形の孔１３ａ，
１４ａが設けられている。また、小径リング１４の外周
面と、これに向かい合う大径リング１３の内周面には、
それぞれリング全周にわたって突き合わせ溝１３ｂ，１
４ｂが形成されており、これらの突き合わせ溝１３ｂ，
１４ｂを介して互いの孔１３ａ，１４ａ同士がリング回
転角とは無関係に常に連通するようになっている。ま
た、大径リング１３の取付位置に対応してアッパープレ
ート１２にも貫通孔１２ａが設けられており、この貫通
孔１２ａに大径リング１３の孔１３ａが連通している。

【００１１】さらにアッパープレート１２の周縁部には
所定の円周ピッチで複数本のガイドシャフト１５が摺動
自在に嵌挿されている。ガイドシャフト１５の上端部は
アッパープレート１２から突出して配置され、そこに抜
け止め用のストッパー１６が取り付けられている。ま
た、ガイドシャフト１２の下端部は螺子結合にてベース
プレート１７に固定されている。さらにアッパープレー
ト１２とベースプレート１７の間には圧縮コイルバネ１
８が介装されている。この圧縮コイルバネ１８はガイド
シャフト１２に取り付けられ、そのバネ圧をもってアッ
パープレート１２とベースプレート１７が互いに略平行
に保持されている。

【００１２】一方、アッパープレート１２の下面略中央
には軸受け支持部材１９が取り付けられている。この軸
受け支持部材１９は中空構造をなすもので、その内周側
には凹面と凸面（球面）によって互いに滑動自在に結合
された球面滑り軸受け２０が組み込まれている。これに
対して、ベースプート１７の凹部上面には鍔付きの筒体
２１が取り付けられている。上記球面滑り軸受け２０
は、この筒体２１の胴体部分に嵌め込まれ、その状態
で、筒体２１上端に螺合されたナット２２と軸受け支持
部材１９の内周側に嵌め込まれた止め環２３により挟持
されている。さらにベースプレート１７の下面側にはチ
ャックプレート２４が取り付けられている。このチャッ
クプレート２４は、後述する基板を吸着保持するための
もので、その周縁部はシール用のＯリング２５を介して
ベースプレート１７に密着固定されている。

【００１３】加えて、本実施形態の研磨ヘッド３では、
研磨プレート上に張設された研磨パッドの表面形状に合
わせて上記チャックプレート１７を研磨加圧方向（ヘッ
ド回転軸１０の軸方向）に強制的に弾性変形させるチャ
ック面補正機構が以下のごとく構成されている。すなわ
ち、ベースプレート１７とチャックプレート２４との間
には微小なチャンバー２６が形成されている。このチャ
ンバー２６は、双方のプレート１７、２４間に介装され
た上記Ｏリング２５によって気密状態に保持されてい
る。またベースプレート１７の中心部には、チャンバー
２６に連通する給排気口２７が穿孔されている。この給
排気口２７にはロータリージョイント２８を介してエア
ーチューブ２９の一端が接続されている。またエアーチ
ューブ２９の他端は、筒体２１及びヘッド回転軸１０の
内部を通して給排気装置３０へと接続されている。こう
した給排気系は、上記エアーチューブ２９を通してチャ
ンバー２６にエアーを供給したり、逆にチャンバー２６
からエアーを吸引することによって、チャンバー２６内
のエアー圧を任意に変化させるものである。

【００１４】このチャック面補正機構においては、給排
気装置３０の作動によりエアーチューブ２９を通して給
排気口２７から圧縮エアーがチャンバー２６内に供給さ
れる。そうすると、チャンバー２６内のエアー圧が高ま
り、このエアー圧に押し出されるようにしてチャックプ
レート２４が研磨加圧方向に弾性変形する。そこで本出
願人は、チャンバー２６内のエアー圧とチャック面形状
の関係を把握するため、基板を保持する領域の厚さが８
ｍｍに設定されたステンレス（ＳＵＳ材）のチャックプ
レート２４を用いて、図１に示す如くチャックプレート
２４の周縁部を固定した状態でチャンバー２６内へのエ
アーの供給によりチャックプレート２４に等分布荷重を
加え、各々の圧力条件でのチャック面の変化を測定して
みた。

【００１５】この測定にあたっては、研磨プレートから
研磨ヘッド３を離間させた状態、つまり非研磨状態に
て、給排気装置３０での圧力設定値を調整することによ
り、チャンバー２６内のエアー圧を０Ｋｇｆ／ｃｍ
²（大気圧）〜４Ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲内で１Ｋｇｆ／
ｃｍ²ずつ変化させ、各々のチャック面形状を測定し
た。その結果、チャック面の形状変化としては、図３に
示すように、０Ｋｇｆ／ｃｍ²ではパッド面に対して若
干中凹傾向にあったものが、１Ｋｇｆ／ｃｍ²のエアー
圧をかけた状態ではほぼ平坦になり、その後はエアー圧
の高まりにしたがって徐々に中凸傾向が強くなってい
る。つまり、チャック面の形状は、チャンバー２６内の
エアー圧に比例して徐々に中凸傾向が顕著となり、これ
は理論的にも一致したものとなっている。このことから
上記チャック面補正機構では、チャンバー２６内のエア
ー圧を調整することにより、チャックプレート２４のチ
ャック面形状を任意に変化させることが可能であるとい
える。

【００１６】ちなみに、基板保持領域でのプレート厚が
４ｍｍに設定されたチャックプレート２４を用いて上記
同様のエアー圧条件にてチャック面形状を測定してみた
ところ、エアー圧の上昇に伴うチャック面形状の変化度
合いが大きくなるだけで、エアー圧に比例してチャック
面形状が変化することに変わりはなかった。現状では、
研磨処理による研磨パッドの磨耗量を考慮すると、チャ
ックプレート２４の変形量としては１００μｍ程度で十
分であるため、チャック面形状をより細かに制御できる
という点からも、１００μｍ程度の変形量が実用範囲内
のエアー圧（０Ｋｇｆ／ｃｍ²〜５Ｋｇｆ／ｃｍ²）に
て得られるよう、チャック面の厚さを設定するのが好ま
しい。

【００１７】さらに、チャックプレート２４の下面には
多孔質材料等からなる基板吸着フィルム（バッキングフ
ィルムＢＦ（図３（ａ））が貼着され、この基板吸着フ
ィルムＢＦを介してチャックプレート２４の下面側に基
板３１が吸着保持されるようになっている。一般に、チ
ャックプレート２４に対する基板３１の脱着には、バキ
ューム吸引やエアーブローを用いるため、上記チャック
面補正機構を作動させるためのエアー系統とは別に基板
脱着用のエアー系統が必要になる。

【００１８】基板脱着用のエアー系統としては、上述の
ロータリージョイントハウジング１３、１４によって形
成された第１のエアー流路（図２（ａ）参照）に加え
て、ベースプレート１７の周縁部からチャックプレート
２４の基板保持面（下面）に至る第２のエアー流路が確
保されている。この第２のエアー流路として、ベースプ
レート１７の周縁部には、ガイドシャフト１５の固定位
置と円周方向に位相をずらしたかたちで複数の通孔３２
が同心円上に形成されている。また第１のエアー流路と
第２のエアー流路とは、図２中の破線で示すように、ア
ッパープレート１２の貫通孔１２ａとベースプレート１
７の通孔３２とを繋ぐエアーチューブ（不図示）によっ
て連通している。

【００１９】さらに第２のエアー流路として、チャック
プレート２４の周縁部には、図２（ｂ）に示すように、
上記ベースプレート１７の通孔３２と同軸状態で通孔３
３が設けられている。またチャックプレート２４の周縁
部にはリテーナーリング３４が嵌着され、このリテーナ
ーリング３４にも上記通孔３３に連通するＬ型の通孔３
５が設けられている。ここで、リテーナーリング３４は
研磨時における基板３１の飛び出しを防止するためのも
ので、基板吸着フィルムＢＦ面を基準とした厚み寸法ｔ
１は基板３１の厚み寸法ｔ２よりも小さく設定されてい
る。さらにチャックプレート２４には周縁部から内方に
向けてＬ型の通孔３６が形成されている。この通孔３６
はリテーナーリング３４の通孔３５に連通し、基板吸着
フィルムＢＦの貼着面に開口している。

【００２０】続いて、本実施形態における基板研磨装置
の動作機能について説明する。先ず、研磨ヘッドのチャ
ックプレート２４に基板吸着フィルムＢＦを介して基板
３１を吸着保持する。このとき、大径リング１３と小径
リング１４とからなるロータリージョイントハウジング
を介して真空引きを行うことにより、上述した第１のエ
アー流路（図２（ａ）参照）と第２のエアー流路（図２
（ｂ）参照）とを介してエアーの吸引がなされ、チャッ
クプレート２４のチャック面２４ａに基板吸着フィルム
ＢＦを介して基板３１が吸着保持される。

【００２１】こうして研磨ヘッド３に基板３１がセット
されると、モータ等の駆動力をもってヘッド回転軸１０
と一体に研磨ヘッド３が回転駆動される。このとき、大
径リング１３はアッパープレート１２とともに回転する
が、その内周側に嵌め込まれた小径リング１４は、大径
リング１３との間に確保された微小なエアーギャップに
より回転せずにフローティング状態となる。また、大径
リング１３が回転しても、双方の孔１３ａ，１４ａが互
いの突き合わせ溝１３ｂ，１４ｂを介して常に連通した
状態に保持されるため、従来同様にヘッド回転中におい
てもチャックプレート２４のチャック面２４ａにて基板
３１を確実に保持することができる。

【００２２】次に、回転する研磨プレート上の研磨パッ
ドに対し、上述の如く研磨ヘッド３のチャックプレート
２４にて保持した基板３１を所定の研磨加工圧をもって
押し付ける。このとき、研磨パッド上には図示せぬノズ
ルから研磨剤（スラリー）が供給される。ここで、チャ
ックプレート２４にて保持した基板３１を研磨パッドの
表面に押し付けた際、ヘッド回転軸１０の傾きや回転精
度、あるいは基板３１の厚さバラツキやチャッキング誤
差等により、基板３１の被研磨面がパッド面に対して傾
いたまま押し付けられる場合がある。そこで研磨ヘッド
３を構成する上では、球面滑り軸受け２０と圧縮コイル
バネ１８を利用したユニバーサルジョイント構造を採用
し、上述した種々の要因による基板面とパッド面の傾き
を矯正できるようにしている。

【００２３】その後、所定の時間が経過して１回目の研
磨が終了したら、研磨ヘッド３を上昇させて基板３１の
脱着を行い、２回目の研磨を開始する。こうして研磨処
理を繰り返していくと、先の従来例でも述べたように、
研磨パッドの表面が徐々に磨耗してくる。そうすると、
パッド面形状の崩れとともに基板３１の面内均一性も悪
化する。そこで本実施形態の基板研磨装置では、図４に
示すように、給排気系からのエアーの供給によってチャ
ンバー２６内のエアー圧を高め、磨耗した研磨パッド２
の表面形状に合わせてチャックプレート２４を研磨加圧
方向に強制的に弾性変形させる。

【００２４】さらに詳述すると、研磨パッド２の表面形
状については、研磨処理後の基板３１の表面状態から容
易に把握できるため、これによって把握されたパッド表
面形状に合わせてチャンバー２６内のエアー圧を調整す
る。チャンバー２６内のエアー圧とチャック面形状の関
係については先の図３にも示したように簡易な測定によ
って事前に把握できるため、基板３１の表面状態から把
握したパッド表面形状に倣ったプロファイルをチャック
プレート２４が形成するようにチャンバー２６内のエア
ー圧を適宜調整する。ここで、先の図３に示した測定結
果は非研磨状態でのエアー圧とチャック面形状の関係を
示すものであったが、実際の研磨加工ではチャックプレ
ート２４が研磨加工圧による等分布荷重をパッド面側か
ら受けることになる。そのため、例えば研磨加工圧が１
Ｋｇｆ／ｃｍ²に設定されている場合は、その分を加味
してチャンバー２６内のエアー圧を高めに設定すること
が肝要である。

【００２５】これにより、研磨中のチャックプレート２
４は、研磨加工圧によってパッドから受ける外圧とチャ
ンバー２６からの内圧（エアー圧）との差圧で、パッド
表面形状に倣って弾性変形するようになるため、たとえ
磨耗した研磨パッド２であっても基板３１の全面をパッ
ド表面に均一に押し付けつつ研磨処理を行うことができ
る。その結果、パッド面形状の崩れによる面内均一性の
悪化を回避しつつ、１回のツルーイングによって形状補
正した研磨パッド２で、より多くの基板３１を好適に研
磨処理することができる。

【００２６】ところで一般的に、新品のパッド表面又は
ツルーイング直後のパッド表面は面内均一性を上げるた
めに平坦に成形される。しかしながら本実施形態の基板
研磨装置では、パッド表面形状に合わせてチャックプレ
ートを弾性変形させることができるため、新品或いはツ
ルーイング直後のパッド表面を中凸形状に成形してお
き、そのパッド面形状に合わせてチャンバー２６内を負
圧にしたり、大気圧でのチャック面を予め中凹形状に設
定して研磨処理を開始することで、磨耗によるパッド面
の中凹傾向の進行を遅らせることができるため、パッド
面のツルーイング頻度をより一層低下させることが可能
となる。

【００２７】なお、上記実施形態においては、エアー圧
を利用してチャックプレート２４を弾性変形させるチャ
ック面補正機構を採用するようにしたが、これ以外に
も、例えばチャックプレート２４の基板保持面（チャッ
ク面）と反対側の面に螺子の先端を当接させ、その螺子
の押し込みによるメカニカルな中心荷重によってチャッ
クプレート２４を強制的に弾性変形させる機構を採用す
ることも可能である。しかしながら、上記実施形態のよ
うにエアー圧を利用した方が、加工中の研磨パッド２か
ら受ける等分布荷重に対し、チャックプレート２４のチ
ャック面形状をパッド表面形状に近似した理想的且つ単
調なプロファイルとすることができるうえ、パッド表面
形状の変化に追随したチャック面の形状制御がきわめて
容易となるため、より好適である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の基板研磨装
置によれば、研磨パッドの表面形状に合わせてチャック
プレートを研磨加圧方向に強制的に弾性変形させるチャ
ック面補正機構を備えたことにより、研磨処理によって
研磨パッドの表面形状が変化しても、そのパッド表面形
状に合わせてチャックプレートを弾性変形させることに
より、たとえ研磨パッドの表面形状に多少の崩れがあっ
ても、チャックプレートにて吸着保持した基板をその全
面にわたりパッド表面に均一に押し付けることができ
る。これにより、基板研磨時の面内均一性を大幅に向上
させることができるとともに、研磨接触圧の均一化によ
って研磨速度を安定させることも可能となる。また、従
来に比較してパッド表面をツルーイングする頻度が低く
なるため、段取り作業によるタイムロスを低減できると
ともに、パッド自身の寿命を大幅に延ばすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる基板研磨装置の一実施形態を示
す要部断面図である。

【図２】図１の一部詳細図である。

【図３】エアー圧とチャック面形状の関係を示す図であ
る。

【図４】実施形態における研磨加工時の模式図である。

【図５】従来の基板研磨装置の一例を示す概略図であ
る。

【図６】従来問題を説明する図である。

【符号の説明】

２４チャックプレート２６チャンバー２７給排気口２８ロータリージョイント２９エアーチューブ３０給排気装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨ヘッドのチャックプレートにて吸着
保持した基板を、研磨プレート上に張設された研磨パッ
ドの表面に所定の研磨加圧力をもって押し付けつつ研磨
処理を行う基板研磨装置において、前記研磨パッドの表面形状に合わせて前記チャックプレ
ートを研磨加圧方向に強制的に弾性変形させるチャック
面補正機構を備えたことを特徴とする基板研磨装置。
【請求項２】前記チャック面補正機構は、前記チャッ
クプレートの基板保持面と反対側に形成されたチャンバ
ーと、このチャンバーに連通する給排気口を介して前記
チャンバー内のエアー圧を可変する給排気系とによって
構成されたことを特徴とする請求項１記載の基板研磨装
置。