JPH10249715A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の大型化、高価格化を抑えると共に、研
磨対象物の研磨面の研磨量の均一性を向上させて歩留ま
りを上げる研磨装置を提供する。 【解決手段】 定盤１３上に「研磨部材」としての研磨
パッド１４が設けられる一方、「研磨対象物」としての
ウエハ１６がホルダー１５に保持され、前記研磨パッド
１４とウエハ１６とを接触させて相対移動させると共
に、該両者の間に研磨剤を介在させて前記ウエハ１６の
研磨を行う研磨装置１１において、前記定盤１３を平面
内で往復直線運動させる定盤駆動系を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ウエハ等の研磨
対象物を研磨する研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造において微細加工の線幅が細
くなるに従って、光リソグラフィの光源波長は短くな
り、開口数いわゆるＮＡも大きくなってきている。ま
た、半導体製造プロセスも工程が増加し、複雑となって
きており、半導体デバイスの表面形状は必ずしも平坦で
はなくなってきている。

【０００３】表面における段差の存在は配線の段切れ、
局所的な抵抗値の増大などを招き、断線や電流容量の低
下等をもたらし、絶縁膜では耐圧劣化やリークの発生に
もつながる。また、こうした段差の存在は半導体露光装
置の焦点深度が実質的に浅くなってきていることを示し
ている。言い換えると、歩留まりと信頼性の向上、更に
高解像度化のための焦点深度のマージンの増加のために
半導体デバイス表面の平坦化が必要になってきた。

【０００４】そこで、図６に示すような、研磨装置が提
案されている。これは、化学的機械的研磨（Chemical M
echanical Polishing又はChemical Mechanical Planari
zation)（以下「ＣＭＰ」と称す。）技術を用いたもの
であり、この技術は、シリコンウエハの鏡面研磨法を基
に発展してきたものである。すなわち、回転駆動する定
盤１上に研磨パッド２が貼り付けられる一方、ホルダー
３に「研磨対象物」としてのウエハ４が保持され、この
ウエハ４が研磨パッド２上に接触されている。この状態
で、定盤１を回転駆動すると共に、ホルダー３に上方か
ら荷重をかけながら回転させると同時に横方向に平行移
動させる。かかる動作と共に、研磨剤吐出ノズル５から
研磨剤６を研磨パッド２上に吐出させて、この研磨剤６
を研磨面に供給して、ホルダー３に保持されたウエハ４
を平坦に研磨するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の回転定盤式の研磨装置では、ホルダー３に取
り付けられたウエハ４を剛性の高い定盤１に押し当てて
研磨するため、研磨均一性は比較的良好である反面、研
磨パッド２とウエハ４との相対速度は主にウエハ４から
定盤１の中心までの距離と回転角速度で決まるため、高
い均一性で研磨速度を上げてスループットを向上させる
ためには定盤１の半径はウエハ４の直径と同程度以上の
大きさが必要であった。ウエハ４のサイズに関しては、
大口径化の傾向が続き、２０００年には１２インチウエ
ハ（直径３００ｍｍ）が量産に採用されるという予測が
ある。このような状況の下、研磨速度・スループットを
確保するためには定盤１もウエハサイズの大口径化に合
わせ、大型化する必要があり、平坦化研磨装置の大型
化、ひいては高価格化を招くという問題点がある。

【０００６】この問題を解決する方策として、回転定盤
１を使用しない研磨方法がある。すなわち、図７に示す
ように、定盤１の代わりに研磨布が貼られたベルト８を
回転させ、このベルト８にホルダー３を押し当てて平坦
化研磨を行う。このベルト８は、矢印に示すように、一
方向のみ動くので、この研磨方式をリニア方式と呼ぶ。
このリニア式平坦化研磨装置では、ベルト８とウエハ４
の相対速度はベルト８を駆動する２つのドラム９の回転
速度で制御できるため、ベルト８の幅をウエハ４サイズ
よりやや広くすれば良く、ウエハ４サイズが大きくなっ
ても回転定盤式のように装置を大型化する必要はない。

【０００７】しかしながら、このリニア式平坦化研磨装
置では、図７のように研磨布が貼られたベルト８が２つ
のドラム９に巻かれており、そのドラム９の中間の位置
にウエハ４が押し当てられて研磨されるため、回転定盤
方式に比べ、ベルト８とウエハ４との接触圧力が均一と
なる条件の範囲が狭く、結果として研磨均一性が劣り歩
留まりが悪い、という問題点があった。

【０００８】そこで、この発明は、装置の大型化、高価
格化を抑えると共に、研磨対象物の研磨面の研磨量の均
一性を向上させて歩留まりを上げる研磨装置を提供する
ことを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる課題を達成するた
めに、請求項１に記載の発明は、定盤上に研磨部材が設
けられる一方、研磨対象物がホルダーに保持され、前記
研磨部材と研磨対象物とを接触させて相対移動させると
共に、該両者の間に研磨剤を介在させて前記研磨対象物
の研磨を行う研磨装置において、前記定盤を平面内で往
復直線運動させる定盤駆動系を設けた研磨装置としたこ
とを特徴としている。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の構成に加え、前記定盤駆動系は、前記定盤を周期的に
移動させるように設定されたことを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の構成に加え、前記ホルダーを平面内で、且つ、
前記定盤の移動方向と異なる方向に往復直線運動をさせ
るホルダー駆動系を設けたことを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の構成に加え、前記ホルダー駆動系は、前記ホルダーを
回転させるように設定されたことを特徴とする。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項３又は４
に記載の構成に加え、前記ホルダー駆動系と前記定盤駆
動系とは、それぞれ前記ホルダーと定盤とを同期させて
往復直線運動させるように設定されたことを特徴とす
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００１５】［発明の実施の形態１］図１、２には、こ
の発明の実施の形態１を示す。

【００１６】まず構成について説明すると、図１中符号
１１は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）技術を用いた研磨
装置で、この研磨装置１１は、ベース部材１２上に往復
直線運動可能に定盤１３が配設され、この定盤１３上に
研磨パッド１４が設けられる一方、ホルダー１５に「研
磨対象物」であるウエハ１６が保持されるようになって
いる。

【００１７】そのホルダー１５は、ホルダー駆動装置１
７に支持されて、このホルダー駆動装置１７にて中心軸
を中心に回転駆動されると同時に、ウエハ１６の全面を
研磨パッド１４に所定の圧力で均一に接触させるように
設定されている。

【００１８】一方、前記ベース部材１２には、図中左右
方向に沿うレール溝１２ａが形成され、このレール溝１
２ａに、定盤１３から下方に突出されたガイド部１３ａ
がスライド自在に挿入されている。

【００１９】この定盤１３は、例えばセラミックスのよ
うに剛性及び耐薬品性の高い材質のもので形成され、図
２に示すように、上方から見ると、長方形状を呈してい
る。この長方形状の幅Ｂは、ウエハ１６の径Ｄより長く
形成され、長さＬは、ウエハ１６の径Ｄに定盤１３の振
幅Ｌｏを加えた長さ以上に形成されている。

【００２０】そして、そのガイド部１３ａに第１リンク
１８の一端部が回転自在に接続され、この第１リンク１
８の他端部に第２リンク１９の先端部が回転自在に接続
され、この第２リンク１９がモータ２０にて回転される
ことにより、定盤１３がレール溝１２ａに案内されて、
平面上を図中左右方向に往復直線運動されるようになっ
ている。このモータ２０は、制御装置２１からの命令に
より駆動されるようになっている。これら第１，第２リ
ンク１８，１９やモータ２０等で定盤１３を平面内で往
復直線運動させる「定盤駆動系」が構成されている。

【００２１】さらに、研磨パッド１４上には、研磨剤を
吐出させる研磨剤供給装置２２が設けられている。

【００２２】次に、作用について説明する。

【００２３】まず、ホルダー１５に保持されたウエハ１
６を、研磨パッド１４に接触させる。この状態で、ホル
ダー１５に上方から荷重をかけながら、このホルダー１
５をホルダー駆動装置１７により回転させる。一方、制
御装置２１からの信号により、モータ２０を駆動させ
て、第２リンク１９を回転させることにより、第１リン
ク１８を介して定盤１３を任意の振幅Ｌｏ，角速度ω
ｏ，位相φで往復直線運動させる。かかる動作と共に、
研磨剤供給装置２２から研磨剤を研磨パッド１４上に吐
出させることにより、ウエハ１６の研磨層が研磨され
る。

【００２４】このように定盤１３を往復直線運動させる
ことにより、従来の図６に示すように定盤１を回転させ
るものと比較すると、定盤１３の大きさを小さくでき
る。すなわち、高い均一性で研磨速度を上げてスループ
ットを向上させるためには、従来の回転式の定盤１で
は、定盤１とウエハ４との相対速度を確保すべく、この
定盤１の半径はウエハ４の直径と同程度以上の大きさが
必要であった。これに対して、この実施の形態１では、
定盤１３を往復直線運動させることにより、定盤１３の
速度はどの位置でも同じであることから、定盤１３の大
きさを従来のように大きくすることなく、幅Ｂは最低
限、ウエハ１６の径Ｄと略等しく、長さＬは最低限、ウ
エハ１６の径Ｄに振幅Ｌｏを加算した長さであれば良
い。してみれば、この振幅Ｌｏはウエハ１６の径Ｄより
小さくできることから、従来の回転式の定盤１より、こ
の実施の形態１の定盤１３の方が小型化でき、ひいて
は、研磨装置１１自体の小型化にもつながる。

【００２５】このように定盤１３を小型化できるため、
従来よりも、ウエハ１６との相対速度Ｖｏを速くするこ
とができる。つまり、従来のように定盤１が大きいと重
量が重くなり、相対速度Ｖｏを速くするためには、定盤
１の運動エネルギーが大きくなってしまうことから、こ
れに耐え得るだけの構造が必要となり、装置の重量増加
やコスト高等を招くので、それ程、定盤１の角速度ωｏ
を大きくできず、相対速度Ｖｏを大きくできない。これ
に対して、この実施の形態の定盤１３は、上記のように
小型化できるため、重量も軽くなることから、運動エネ
ルギーを従来と同じにすると、従来よりも相対速度Ｖｏ
を大きくできる。

【００２６】また、図７に示す従来例では、ドラム９を
用いているのに対し、この発明の実施の形態では、かか
るドラム９は不要であることから、研磨装置１１の小型
化を図ることができる。

【００２７】さらに、従来の循環式のベルト８を用いた
ものでは、ドラム９に巻回するのに柔軟性を持たせる必
要があるのに対し、この発明のように定盤１３を往復直
線運動させることにより、ドラム９に巻回するため曲げ
る必要がないことから、定盤１３に剛体を使用すること
ができる。従って、ウエハ１６の全面の、研磨パッド１
４への接触圧力が均一となり、結果として研磨均一性が
向上し、歩留まりが向上することとなる。

【００２８】［発明の実施の形態２］図３乃至図５に
は、この発明の実施の形態２を示す。

【００２９】この実施の形態２は、ウエハ１６を保持す
るホルダー２４が、定盤１３移動方向と直交する方向に
往復直線運動する点で実施の形態１と相違している。

【００３０】すなわち、支柱２５の上部から水平方向に
向けて支持部材２６が突設され、図４に示すように、こ
の支持部材２６に鳩尾形状のレール溝２６ａが形成さ
れ、このレール溝２６ａに、ホルダー２４の上端部に設
けられたガイド部２４ａが往復直線運動方向にスライド
自在に嵌合されている。このガイド部２４ａには、第１
リンク２９の一端部が回動自在に連結されると共に、こ
の第１リンク２９の他端部が第２リンク３０の先端部に
回動自在に連結され、この第２リンク３０の基端部がモ
ータ３１に連結されている。

【００３１】このモータ３１を駆動させることにより、
第２リンク３０が回転されて、第１リンク２９を介して
レール溝２６ａに案内されてホルダー２４が往復直線運
動されるようになっている。これら第１，第２リンク２
９，３０及びモータ３１等で、ホルダー２４を平面内
で、且つ、前記定盤１３の移動方向（図５中Ｙ方向）と
異なる方向（図５中Ｘ方向）に往復直線運動をさせる
「ホルダー駆動系」が構成されている。

【００３２】そして、そのモータ３１は、制御装置２１
に接続されている。

【００３３】このようにして定盤１３がＹ方向に、ウエ
ハ１６がＸ方向にそれぞれ往復直線運動されるように構
成され、更に、制御装置２１により、Ｙ方向，Ｘ方向に
それぞれ同じ振幅Ｌｏ，角速度ωｏ，位相φ、つまり、
定盤１３とウエハ１６とが同期して往復直線運動される
ようになっている。

【００３４】このように定盤１３をＹ方向にＹ＝Ｌoy×
sin（ωoy×ｔ＋φy）で、又、ウエハ１６をＸ方向にＸ
＝Ｌox×sin（ωox×ｔ＋φx）で、それぞれ単振動を同
期させて行わせることにより、相対速度Ｖｏは、振幅…
Ｌoy＝Ｌox＝Ｌo 角速度…ωoy＝ωox＝ωo 位相…φ
y＝φx＝φoとすると、 Ｖｏ＝Ｌｏ×ωｏ…（１） となり、定盤１３とウエハ１６とを同期させて往復直線
運動させることにより、研磨の時間変化及び方向依存性
も少なく研磨均一性がよい。

【００３５】一方、図６に示す従来例の装置の相対速度
Ｖは、定盤１の回転中心からウエハ４の中心までの距離
をＬ 定盤１とホルダー３との回転速度が等しくｒ（角速度は
ω＝２πｒ／６０）とすると、 Ｖ＝Ｌ×ω＝Ｌ×２πｒ／６０…（２） となる。

【００３６】そこで、式（１），（２）より、ＬｏがＬ
の１／ｍ倍のとき、ωｏをωのｍ倍以上とすることによ
り、Ｖｏ≧Ｖとなる。

【００３７】すなわち、Ｌｏは極力小さい方が定盤１３
の大きさも小さくなるため望ましいが、このＬｏを小さ
くすると、式（１）より、Ｖｏも小さくなってしまう。
しかし、定盤１３を小型化できるため、運動エネルギー
との関係から従来のものよりωｏを大きくできる。従っ
て、上述のようにＶｏ≧Ｖとすることができるものであ
る。

【００３８】また、ホルダー２４は往復直線運動に加
え、回転運動をさせることもできる。これによれば、定
盤１３とウエハ１６とを同期させなくても、研磨量を平
均化させることができる。

【００３９】さらに、この実施の形態２では、ウエハ１
６を保持するホルダー２４の往復直線運動方向と、定盤
１３の往復直線運動方向とが直交するようになっている
が、これに限らず、交差させる角度は、９０°以外でも
良い。

【００４０】なお、この発明の「定盤駆動系」,「ホル
ダー駆動系」は、上記各実施の形態のものに限らず、往
復直線運動させることができるものであれば、例えば、
クランクシャフトやカム等を用いることもできる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載された発明によれば、定盤を往復直線運動させること
により、従来のように定盤を回転させるものと比較する
と、定盤の大きさを小さくでき、ひいては、研磨装置自
体の小型化にもつながる。また、このように定盤を小型
化できるため、従来よりも、ウエハとの相対速度を速く
することが可能となる。また、図７に示す従来例では、
ドラム９を用いているのに対し、この発明の実施の形態
では、かかるドラム９は不要であることから、研磨装置
の小型化を図ることができる。さらに、従来の循環式の
ベルト８を用いたものでは、ドラム９に巻回するのに柔
軟性を持たせる必要があるのに対し、この発明のように
定盤を往復直線運動させることにより、ドラム９に巻回
するため曲げる必要がないことから、定盤に剛体を使用
することができる。従って、ウエハの全面の、研磨部材
への接触圧力が均一となり、結果として研磨均一性が向
上し、歩留まりを向上させることができる。

【００４２】請求項２に記載された発明によれば、請求
項１に記載の効果に加え、定盤を周期的に移動させるこ
とにより、安定した研磨性を得ることができる。

【００４３】請求項３に記載された発明によれば、請求
項１又は２に記載の効果に加え、定盤の移動方向と異な
る方向にホルダーを往復直線運動させるようにしたた
め、研磨速度をより向上させることができる。

【００４４】請求項４に記載された発明によれば、請求
項３に記載の効果に加え、ホルダーに更に回転運動をさ
せることにより、研磨量をより平均化させることができ
る。

【００４５】請求項５に記載された発明によれば、請求
項３又は４に記載の効果に加え、ホルダーと定盤とを同
期させて往復直線運動させることにより、研磨速度の時
間変化及び方向依存性がなく、研磨均一性を良くでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る研磨装置の概略
正面図である。

【図２】同実施の形態１に係る定盤等の平面図である。

【図３】この発明の実施の形態２に係る研磨装置の概略
正面図である。

【図４】同実施の形態２に係る図１を矢印Ａ方向から見
た図である。

【図５】同実施の形態２に係る定盤等の平面図である。

【図６】従来例を示す図で、（ａ）は研磨装置の概略正
面図、（ｂ）は定盤等の平面図である。

【図７】他の従来例を示す図で、（ａ）は研磨装置の概
略正面図、（ｂ）はベルト等の平面図である。

【符号の説明】

11 研磨装置 13 定盤 14 研磨パッド（研磨部材） 15,24 ホルダー 16 ウエハ（研磨対象物） 定盤駆動系 18 第１リンク 19 第２リンク 20 モータ ホルダー駆動系 29 第１リンク 30 第２リンク 31 モータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 定盤上に研磨部材が設けられる一方、研
   磨対象物がホルダーに保持され、前記研磨部材と研磨対
   象物とを接触させて相対移動させると共に、該両者の間
   に研磨剤を介在させて前記研磨対象物の研磨を行う研磨
   装置において、 前記定盤を平面内で往復直線運動させる定盤駆動系を設
   けたことを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 前記定盤駆動系は、前記定盤を周期的に
   移動させるように設定されたことを特徴とする請求項１
   記載の研磨装置。
3. 【請求項３】 前記ホルダーを平面内で、且つ、前記定
   盤の移動方向と異なる方向に往復直線運動をさせるホル
   ダー駆動系を設けたことを特徴とする請求項１又は２記
   載の研磨装置。
4. 【請求項４】 前記ホルダー駆動系は、前記ホルダーを
   回転させるように設定されたことを特徴とする請求項３
   に記載の研磨装置。
5. 【請求項５】 前記ホルダー駆動系と前記定盤駆動系と
   は、それぞれ前記ホルダーと定盤とを同期させて往復直
   線運動させるように設定されたことを特徴とする請求項
   ３又は４に記載の研磨装置。