JPH10264017A - ウェーハの研磨終点検出装置及びウェーハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハ表面を構成する膜層にかかる研磨終
点の精度を向上すべく、膜層の研磨工程中において膜層
の厚さを好適に測定する。 【解決手段】 洗浄液４５が満たされ、洗浄液４５にウ
ェーハ２０が浸漬されることで、ウェーハ表面２０ａを
洗浄する共に、液状研磨剤の化学作用による腐食を停止
させる洗浄槽４４と、ウェーハ２０を研磨工程中にウェ
ーハ２０を保持し、洗浄槽４４の洗浄液中へ浸漬するウ
ェーハのハンドリング装置４６と、洗浄槽４４の内部
に、光ファイバー３１の一方の端面３１ａが前記洗浄液
に浸漬されたウェーハ表面２０ａに対向する位置に配さ
れ、光ファイバーの他端３１ｂが洗浄槽４４の外部に配
された本体２１ａに連結され、光学的非破壊測定方法に
よってウェーハ表面２０ａを構成する膜層の厚さを検出
する膜厚検出装置２１とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェーハの研磨終
点検出装置及びその検出方法に関する。半導体ＶＬＳＩ
デバイスは、高集積化及び微細化の進展と共に多層化が
なされ、より複雑な構造になってきている。このデバイ
スの製造工程においては、ウェーハ表面上に形成され、
その表面を構成する膜層を、全面的に非常に高い精度で
精密研磨して、その膜層の表面を平坦化（プラナリゼー
ション）する技術の確立が切望されている。なお、ウェ
ーハ表面上に形成される膜層としては、酸化膜（ＳｉＯ
₂ ）或いは金属膜等がある。この平坦化技術は、メカノ
ケミカルポリシング、或いはＣＭＰ(Chemical & Mechan
ical Polishing) と称され、この技術にかかるウェーハ
のポリッシング装置の開発がなされてきている。

【０００２】ウェーハのポリッシング装置の基本的な構
成は、ウェーハの保持部、そのウェーハの保持部に対向
して配されウェーハ表面（被研磨面）を研磨する研磨面
を有する研磨定盤、ウェーハ表面を前記研磨面に当接さ
せるべくウェーハの保持部と研磨定盤とを接離動させる
接離動機構、ウェーハの保持部に保持されたウェーハを
前記研磨面に所定の押圧力で押圧する押圧機構、ウェー
ハが前記研磨面に当接・押圧された状態で該ウェーハと
研磨定盤とを回転及び／または往復動によって相対的に
運動させる駆動機構、エッチング液及び超微粒研磨材等
を含有する液状の研磨剤（スラリー）の供給機構等を備
えている。研磨定盤は、金属板またはセラミックス板か
らなる定盤の表面上に、布もしくはフェルト状のクロ
ス、またはスポンジもしくは短毛刷子状の部材が固定さ
れて構成される。

【０００３】

【従来の技術】上記のウェーハのポリッシング装置で
は、ウェーハ表面を構成する膜層を研磨する程度、言い
換えればその膜層が研磨されて残される厚さは、研磨す
る時間によって調整していた。すなわち、研磨終点が研
磨時間で割り出されていた。なお、この場合は、ウェー
ハを研磨定盤の研磨面（以下、単に「定盤面」と記すこ
とがある）へ押圧する研磨圧、研磨剤等の条件が一定で
あると想定して研磨していることになる。そして、研磨
の工程が終了後に、ウェーハの保持部から排出されたウ
ェーハについて、その表面に形成された膜層の厚さを光
学的非破壊試験によって検査していた。すなわち、従
来、研磨工程中に膜層の厚さを測定する手段は、実用化
されていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにウェーハの研磨終点を設定し、その研磨工程後に
検査をする方法では、研磨終点の精度を向上できないと
いう課題がある。これは、膜層をオーバー研磨して不良
品にすることを防止するために、膜層の当初の研磨量を
最小限程度に設定すること、そして、膜層の厚さが厚過
ぎた場合に再度研磨する際は、一旦研磨工程が終了した
後にウェーハを再度保持して研磨することになり、保持
条件等の研磨条件が変化するなどのためである。また、
研磨時間によって研磨量を制御することは、研磨条件が
一定であるという前提の上に成り立つ。しかし、実際に
は、定盤面の状態のように一定条件を常に維持すること
が難しいものも多くあり、高い精度で研磨量を制御する
ことは困難である。

【０００５】また、製品として精度が必要なのは、ウェ
ーハ表面上に積層された膜層の厚さを所定の厚さにする
ことであり、研磨量ではない。研磨量を制御するので
は、膜層の厚さを直接的に調整できず、結果的に研磨終
点の精度を向上できない。このため、ウェーハ表面上に
形成された膜層の厚さを、その膜層の研磨工程中に、好
適に測定できればよい。しかし、膜層が研磨されている
最中は、ウェーハ表面が研磨剤液（スラリー）に浸され
た状態にあり、従来は、その膜層の厚さを測定する好適
な検出装置及びその検出方法が提案されていない。

【０００６】そこで、本発明の目的は、ウェーハ表面を
構成する膜層にかかる研磨終点の精度を向上すべく、膜
層の研磨工程中において膜層の厚さを好適に測定するこ
とができるウェーハの研磨終点検出装置及びその検出方
法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は次の構成を備える。すなわち、本発明は、
被研磨面であるウェーハ表面を研磨定盤の研磨面へ所定
の押圧力で当接させると共に、前記ウェーハ表面と前記
研磨面とを相対的に運動させ、液状研磨剤の化学作用に
よる腐食と機械的研磨作用によって前記ウェーハ表面を
構成する膜層を研磨する際に用いるウェーハの研磨終点
検出装置おいて、洗浄液が満たされ、該洗浄液に前記ウ
ェーハが浸漬されることで、前記ウェーハ表面を洗浄す
る共に、前記液状研磨剤の化学作用による腐食を停止さ
せる洗浄槽と、ウェーハを研磨工程中に該ウェーハを保
持し、前記洗浄槽の洗浄液中へ浸漬するウェーハのハン
ドリング装置と、前記洗浄槽の内部に、光ファイバーの
一方の端面が前記洗浄液に浸漬されたウェーハ表面に対
向する位置に配され、該光ファイバーの他端が洗浄槽の
外部に配された本体に連結され、光学的非破壊測定方法
によってウェーハ表面を構成する膜層の厚さを検出する
膜厚検出装置とを具備する。

【０００８】また、前記ウェーハのハンドリング装置
は、ウェーハを保持し、前記ウェーハ表面を前記研磨定
盤の研磨面へ所定の押圧力で当接させるウェーハの保持
部と、該ウェーハの保持部を前記研磨定盤と前記洗浄槽
との間で往復可能に移動させる保持部移動装置とを備え
ることで、研磨装置の基本構成を好適に兼用でき、装置
を簡略化できる。

【０００９】また、前記光ファイバーの前記一方の端面
を有する光ファイバーヘッドが、前記ウェーハ表面と相
対的に移動して該ウェーハ表面の任意の位置に対向でき
るよう、前記光ファイバーヘッドとウェーハ表面とを、
該ウェーハ表面と平行な平面内で相対的に移動させる検
出部移動機構を備えることで、複数の検出位置について
膜厚を検出でき、測定精度を向上できる。また、コンピ
ュータでその複数の測定データを解析すれば、そのウェ
ーハ表面全面の研磨傾向を把握でき、そのデータを基に
最適な研磨条件を選択でき、最終的に膜厚精度を向上で
きる。

【００１０】また、前記検出部移動機構は、前記ウェー
ハのハンドリング装置に設けられたウェーハを保持する
部分を回転させる回転機構を備えること、及び該ウェー
ハを保持する部分が設けられたベース部材を回動させて
移動させることで、前記光ファイバーヘッドをウェーハ
の半径方向へ相対的に移動させる回動機構を備えること
で、研磨工程に利用されるウェーハの保持部の回転機構
及び回動機構を好適に利用でき、その構成を簡略化でき
る。

【００１１】また、前記検出部移動機構は、光ファイバ
ーヘッドを、前記ウェーハ表面に対して、該ウェーハ表
面と平行な平面内で運動させる２次元運動機構であるこ
とで、一般的なロボット装置を好適に利用できる。ま
た、独立した制御機構を利用して作動させればよく、複
雑なプログラムを要しない。

【００１２】また、前記研磨定盤を該研磨定盤の研磨面
に直交する軸線を中心に回転可能に支持する支持台部
と、該支持台部に装着され支持台部に対して前記研磨定
盤を前記軸線を中心として回転させる回転駆動手段と、
前記支持台部を支持する基台と、該基台に対して前記支
持台部を前記研磨面と平行な面内で自転しない円運動を
させる円運動装置とを具備することで、研磨にかかる運
動を複雑且つ滑らかな運動にでき、高い精度の平坦化の
ための研磨を行うことができる。

【００１３】また、本発明は、被研磨面であるウェーハ
表面を研磨定盤の研磨面へ所定の押圧力で当接させると
共に、前記ウェーハ表面と前記研磨面とを相対的に運動
させ、液状研磨剤の化学作用による腐食と機械的研磨作
用によって前記ウェーハ表面を構成する膜層を研磨する
ウェーハの研磨方法において、ウェーハの研磨工程中
に、ウェーハのハンドリング装置によってウェーハを保
持した状態で、前記ウェーハ表面を洗浄槽内に満たされ
た洗浄液へ浸漬し、ウェーハ表面を洗浄する共に、前記
液状研磨剤の化学作用による腐食を停止させ、前記洗浄
槽の内部に、光ファイバーの一方の端面が前記洗浄液に
浸漬されたウェーハ表面に対向する位置に配され、該光
ファイバーの他端が洗浄槽の外部に配された本体に連結
されて成る光学的非破壊測定方法を利用した膜厚検出装
置によって、ウェーハ表面を構成する膜層の厚さを検出
し、検出した膜層の厚さが所定厚さ以上である場合は前
記ウェーハの保持部を前記研磨定盤の研磨面上へ移動さ
せて再度研磨を行い、検出した膜層の厚さが所定厚さの
範囲以内に達した際には研磨工程を終了させることを特
徴とするウェーハの研磨方法にもある。

【００１４】また、前記膜厚検出装置によって膜層の厚
さを検出する前に、前記ウェーハのハンドリング装置に
設けられた回転機構によってウェーハを回転させ、ウェ
ーハのオリエンテーションフラット又はノッチを検出す
る検出手段によってウェーハの角度位置を特定し、膜層
の厚さを検出する検出位置を特定することで、膜厚精度
をより向させることが可能である。すなわち、特定され
た検査位置にかかる測定データをコンピュータで解析す
ることが可能となるため、ウェーハ表面全面の研磨傾向
を、個別或いは全体集合的に詳細に把握でき、そのデー
タをフィードバックすることで最適な研磨条件を選択で
きる。これにより、研磨精度を向上させ、膜厚精度を向
上させることが可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例を添
付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明にかか
るウェーハの研磨終点検出装置の一実施例を示す模式的
な断面図である。図２はウェーハが洗浄槽内に位置され
る状況を説明する平面図である。図３は図１の実施例の
設置状態を模式的に説明する平面図である。ウェーハの
研磨終点検出装置は、ウェーハの研磨装置によって、被
研磨面であるウェーハ表面２０ａを研磨定盤１０の研磨
面１０ａ（定盤面１０ａ）へ所定の押圧力で当接させる
と共に、ウェーハ表面２０ａと研磨面１０ａとを相対的
に運動させ、液状研磨剤の化学作用による腐食と機械的
研磨作用によってウェーハ表面２０ａを構成する膜層を
研磨する際に用いられる。

【００１６】なお、ウェーハの研磨装置としては、図６
に示すように、研磨定盤１０を定盤面１０ａに直交する
軸線を中心に回転可能に支持する支持台部２２と、支持
台部２２に装着され支持台部２２に対して研磨定盤１０
を軸線を中心として回転させる回転駆動手段２５と、支
持台部２２を支持する基台３０と、基台３０に対して支
持台部２２を定盤面１０ａと平行な面内で自転しない円
運動をさせる円運動装置３２とを具備するものを好適に
利用できる。詳細は後述する。

【００１７】４４は洗浄槽であり、洗浄液である超純水
４５が満たされ、超純水４５にウェーハ２０が浸漬され
ることで、ウェーハ表面２０ａを洗浄する共に、前記液
状研磨剤の化学成分による腐食を停止させる。ウェーハ
２０が超純水４５に全面的に浸漬されるため、特に化学
成分による腐食の進行を均一に停止させることができ
る。４６はウェーハのハンドリング装置であり、ウェー
ハ２０を研磨工程中に該ウェーハを保持し、前記洗浄槽
の洗浄液中へ浸漬ける。

【００１８】４２はウェーハの保持部であり、ウェーハ
のハンドリング装置４６の構成要素として設けられ、ウ
ェーハ２０を保持し、ウェーハ表面２０ａを定盤面１０
ａへ所定の押圧力で当接させる。従って、このウェーハ
の保持部４２は、ウェーハの研磨装置の構成要素として
言うと、後述するウェーハの押圧装置４０（図８参照）
の一部を構成する要素でもある。４８は保持部移動装置
であり、ウェーハの保持部４２を研磨定盤１０と洗浄槽
４４との間で往復可能に移動させる。本実施例では、ウ
ェーハの保持部４２の装着されたベース部材６６が、軸
心４８ａを中心に回動できるように設けられている。

【００１９】２１は膜厚検出装置であり、洗浄槽４４の
内部に、光ファイバー３１の一方の端面３１ａが超純水
４５に浸漬されたウェーハ表面２０ａに対向する位置に
配され、光ファイバー３１の他端３１ｂが洗浄槽４４の
外部に配された本体２１ａに連結されている。この膜厚
検出装置２１は、例えば、干渉色膜厚計があり、光学的
非破壊測定方法によってウェーハ表面２０ａを構成する
膜層の厚さを検出する。光学的非破壊測定方法として
は、干渉色による解析法の他に、楕円偏光解析（エリプ
ソメトリ）法等の公知の光学的測定方法を利用できる。
なお、光ファイバー３１の一方の端面３１ａを有する光
ファイバーヘッド３３は、ウェーハ表面２０ａと相対的
に移動してウェーハ表面２０ａの任意の位置に対向でき
るよう、後述する検出部移動機構によって、光ファイバ
ーヘッド３３とウェーハ表面２０ａとが、ウェーハ表面
２０ａと平行な平面内で相対的に移動される。

【００２０】次に、ウェーハ表面２０ａと、前記光ファ
イバーヘッド３３とを相対的に移動させる検出部移動機
構にかかる実施例を図２〜４に基づいて説明する。図１
〜３に示す実施例の検出部移動機構５１は、前記ウェー
ハの保持部４２及び保持部移動装置４８によって構成さ
れている。ウェーハの保持部４２は、回転機構によって
回転されるように設けられている。詳細は後述のウェー
ハの研磨装置の実施例で示す。また、保持部移動装置４
８は、ウェーハの保持部が設けられたベース部材６６を
回動させて移動させることで、光ファイバーヘッド３３
をウェーハ２０の半径方向へ相対的に移動させる回動機
構から構成されている。

【００２１】以上の構成によって、図２に明らかなよう
に、光ファイバーヘッド３３を、ウェーハ表面２０ａの
任意の位置に対向できるように移動できる。すなわち、
回動機構による首振りθと、回転機構によるウェーハ２
０の回転Ｎとによって、ウェーハ表面２０ａの任意の位
置の膜厚を測定可能になる。これにより、複数の検出位
置について膜厚を検出でき、測定精度を向上できる。ま
た、コンピュータでその複数の測定データを解析すれ
ば、そのウェーハ表面２０ａ全面の研磨傾向を把握で
き、そのデータを基に最適な研磨条件を選択でき、最終
的に膜厚精度を向上できる。そして、研磨工程に利用さ
れるウェーハの保持部の回転機構を、光ファイバー移動
機構の一部として好適に利用でき、その構成を簡略化で
きる。なお、図１及び図３に示すように、ウェーハの保
持部４２に保持されたウェーハ２０は、ベース部材６６
を回動させる回動機構（保持部移送装置４８）によっ
て、定盤面１０ａ上、膜厚検出装置２１、ウェーハの給
排部６１、保管部６３のそれぞれのポジションに移動で
きるように設けられている。

【００２２】ところで、図２の検出部移動機構５１で
は、光ファイバーヘッド３３をウェーハ２０の半径方向
へ相対的に移動させるために、回動機構として保持部移
動装置４８を用いたが、これに代えて、光ファイバーヘ
ッド３３をウェーハ２０の半径方向へ移動させる直線移
動機構を利用することも可能である。また、図４に示す
ように、検出部移動機構として、光ファイバーヘッド３
３を、ウェーハ表面２０ａに対して、ウェーハ表面２０
ａと平行な平面内でＸ及びＹ方向へ運動させる２次元運
動機構を用いることができる。２次元運動機構として
は、市販のアームロボットを利用することも可能であ
る。このように一般的なロボット装置を好適に利用でき
るため、独立した制御機構を利用して作動させればよ
く、複雑なプログラムを要しない。

【００２３】次に、以上の構成から成るウェーハの研磨
終点検出装置を用いたウェーハの研磨方法について説明
する。先ず、ウェーハ２０を保持するウェーハの保持部
４２で、被研磨面であるウェーハ表面２０ａを定盤面１
０ａへ所定の押圧力で当接させると共に、ウェーハ表面
２０ａと定盤面１０ａとを相対的に運動させる。この際
に投入されている液状研磨剤の化学成分による腐食と、
機械的研磨の作用によってウェーハ表面２０ａを構成す
る膜層を研磨する。次に、ウェーハの保持部４２を超純
水４５が満たされた洗浄槽４４上へ移動させ、ウェーハ
の保持部４２でウェーハ２０を保持した状態でウェーハ
表面２０ａを超純水４５へ浸漬する。これにより、ウェ
ーハ表面２０ａを洗浄できる共に、液状研磨剤の化学成
分による腐食を停止できる。なお、ウェーハ表面２０ａ
に新鮮な超純水４５が好適に供給されるように洗浄槽４
４が構成されている。次に、洗浄槽４４の内部に、前記
膜厚検出装置２１によって、ウェーハ表面２０ａを構成
する膜層の厚さを検出する。そして、検出した膜層の厚
さが所定厚さ以上である場合は前記ウェーハの保持部４
２を定盤面１０ａ上へ移動させて再度研磨を行い、ま
た、検出した膜層の厚さが所定厚さの範囲以内に達した
際には研磨工程を終了させる。

【００２４】このウェーハの研磨方法によれば、研磨工
程中のウェーハを洗浄液（超純水４５）に浸漬すること
で、汚れを取ると共に、研磨剤の化学成分による腐食を
停止できる。また、光ファイバー３１を利用すること
で、超純水４５に浸漬されたウェーハに好適に近接で
き、そのウェーハの全表面を好適に測定できる。これに
より、膜厚検出装置２１による膜層の厚さの測定を、イ
ンプロセスで適切に行うことができる。

【００２５】また、膜厚検出装置２１によって膜層の厚
さを検出する前に、ウェーハの保持部４２に設けられた
回転機構によってウェーハ２０を回転させ、ウェーハ２
０のオリエンテーションフラット又はノッチを検出する
検出手段によってウェーハ２０の角度位置を特定し、膜
層の厚さを検出する検出位置を特定することで、膜厚精
度をより向させることが可能である。すなわち、特定さ
れた検査位置にかかる測定データをコンピュータで解析
することが可能となるため、ウェーハ表面全面の研磨傾
向を、個別或いは全体集合的に詳細に把握でき、そのデ
ータをフィードバックすることで最適な研磨条件を選択
できる。これにより、研磨精度を向上させ、膜厚精度を
向上させることが可能になる。

【００２６】以上の実施例では、ウェーハの保持部４２
が、研磨工程にも利用される運動機構によって移動さ
れ、ウェーハ２０が超純水４５によって洗浄される実施
例を説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、
研磨工程中にウェーハの保持部４２からウェーハ２０を
一旦剥離し、図５に示すようにロボットハンド４９を使
用してそのウェーハを保持してウェーハ表面２０ａの膜
層の厚さを測定してもよい。そして、その測定のデータ
を基に、ウェーハの保持部４２で再度保持して研磨を続
けるようにしてもよい。なお、光ファイバー３１は、ウ
ェーハ２０の上方或いは下方のどちらの方向からも、測
定すべきウェーハ表面２０ａに近接させることができる
のは勿論である。

【００２７】次に、図６〜８に基づいて、本発明にかか
るウェーハの研磨装置の一実施例を説明する。図６は研
磨定盤の駆動機構の実施例を示す模式的な断面図であ
り、図６は図７の実施例の構成を模式的に示した平面図
である。すなわち、この図６及び図７では、被研磨面で
あるウェーハ表面を研磨定盤１０の研磨面１０ａに当接
させ、該ウェーハ２０に所定の荷重を与えつつウェーハ
２０と研磨定盤１０とを相対的に運動させてウェーハ表
面を研磨するウェーハの研磨装置における、研磨定盤１
０を駆動させる運動機構が模式的に示されている。この
ウェーハの研磨装置に本発明にかかるウェーハの研磨終
点検出装置（不図示）が組み込まれる。

【００２８】研磨定盤１０は、定盤受け部１２と、その
定盤受け部１２上に載置される定盤１４とに分割可能に
設けられており、定盤１４は定盤受け部１２に吸着によ
って着脱可能に固定されている。定盤１４は、金属板ま
たはセラミックス板を基体とし、その表面には布もしく
はフェルト状のクロス、またはスポンジもしくは短毛刷
子状の部材等が固定されて構成される。また、定盤受け
部１２の定盤１４を受ける側と反対面の方向には軸部１
６が一体に突設されている。

【００２９】また、定盤受け部１２は、二層の平板部１
２ａ、１２ｂによって構成されている。平板部１２ｂ
が、軸部１６と一体に形成され、平板部１２ａとの間に
冷却水が循環できる循環水路１３が形成されている。循
環水路１３は軸部１６を貫通する冷却水供給路１３ａと
冷却水排出路１３ｂに連通しており、不図示の冷却水供
給源によって冷却水が供給循環される。また、平板部１
２ａの定盤１４が載置される表面には、定盤１４を真空
吸着するための真空通路１５が形成されている。なお、
真空通路１５は平板部１２ａの上面全面に連通してお
り、軸部の通路１５ａを通って真空源（不図示）に連通
される。さらに、１２ｃは平板部１２ａに固定されたピ
ンであり、定盤１４に設けられた凹部１４ａに嵌入され
る。このピン１２ｃと凹部１４ａとは複数設けられてお
り、定盤受け部１２に対する定盤１４の位置決めとして
用いられる。

【００３０】２２は支持台部であり、研磨定盤１０をそ
の研磨面１０ａに直交する軸線を中心に回転可能に支持
する。支持台部２２の中央に貫通された貫通孔２２ａに
研磨定盤１０の軸部１６が挿通されており、スラスト軸
受２３及びラジアル軸受１８、１８、１９、１９によっ
て、研磨定盤１０が支持台部２２に対して、その軸線を
中心に回転可能に軸受けされている。

【００３１】２５は回転駆動手段であり、支持台部２２
に搭載され、その支持台部２２に対して研磨定盤１０を
前記軸線を中心として回転させる。この回転駆動手段２
５は、例えば本実施例のように、支持台部２２に固定さ
れた回転用駆動モータ２４（図７参照）と、その回転用
駆動モータ２４の出力軸に固定されたウォームギア２６
と、ウォームギア２６に歯合し、研磨定盤１０側に固定
されたウォームホイール２７とからなる。なお、ウォー
ムホイール２７は前記軸部１６とキー２８によって一体
に回転するように連結・固定されている。また、２９は
ディストリビュータ部であり、後述するウェーハの押圧
装置４０のディストリビュータ部９２と略同様な機構に
よって、軸部１６が回転しても、冷却水を循環水路１３
に対して給排できると共に、真空源が真空通路１５に連
通するように設けられている。

【００３２】３０は基台であり、支持台部２２を支持す
る。図６に図示した基台３０は装置本体のフレームの一
部であり、実際には支柱フレーム（不図示）によって、
基礎面上に固定されている。３２は円運動装置であり、
基台３０に対して支持台部２２を研磨面１０ａと平行な
面内で自転しない円運動をさせる。この円運動装置３２
は、例えば本実施例のように、偏心アーム３４と円運動
用モータ３６からなる。

【００３３】偏心アーム３４は、研磨定盤１０の軸線に
平行な軸線を中心に基台３０に回転可能に設けられた基
台側の軸３５と、その基台側の軸３５に平行であると共
に所定の距離偏心した軸線を中心に支持台部２２に回転
可能に設けられた支持台部側の軸３８とがクランク状に
一体に形成されている。そして、基台側の軸３５と支持
台部側の軸３８との偏心距離Ｌが同一である同一形状の
偏心アーム３４が、基台３０と支持台部２２の間に、図
７に示すように３ヵ所に配されている。なお、本実施例
では偏心アーム３４を３ヵ所に配した場合を説明した
が、本実施例はこれに限らず、支持台部２２をバランス
良く基台３０上に支持するために４ヵ所以上に配しても
よいのは勿論である。

【００３４】円運動用モータ３６は、少なくとも３ヵ所
に配された偏心アーム３４を同期させて回転運動させ、
支持台部２２を基台３０に対して自転しない円運動させ
る円運動駆動手段として作動する。円運動用モータ３６
は、各偏心アーム３４に対応してそれぞれ配されてお
り、基台３０に固定されている。

【００３５】次に、図８に基づいて、ウェーハの押圧装
置４０について説明する。ウェーハの押圧装置４０は、
研磨定盤１０の上方に位置し、ウェーハ表面を研磨定盤
１０の研磨面１０ａに当接させるようにウェーハ２０を
保持し、ウェーハ２０を研磨定盤１０の研磨面１０ａに
押圧する。５０は保持部材であり、表面５０ａにウェー
ハ２０を水等の液体（本実施例では水）の表面張力によ
って保持できる。この保持部材５０は、セラミックプレ
ートを基材とし、そのセラミックプレートの表面に弾性
材であってウェーハ２０を吸着する吸着性の優れたバッ
キング材が接着等によって付着されて形成されている。
バッキング材の材質は、ポリウレタンを主体とする高分
子材料の微孔質シートであり、その弾性によってウェー
ハ２０に好適に馴染んで密着し易い。

【００３６】また、保持部材５０の表面には、テンプレ
ート５２が接着によって装着されている。このテンプレ
ート５２は、リング状に形成されており、ウェーハ２０
の周囲を取り囲んでウェーハ２０の滑り移動を防止して
いる。テンプレート５２の内径は、ウェーハ２０の横滑
りを抑え、ウェーハ２０が容易に内嵌するように設定さ
れている。また、ウェーハ２０の厚さの３分の２程度の
厚さに設定されている。なお、テンプレート５２は嵌め
込み式に装着されていてもよい。

【００３７】５３は凹部であり、下方に向けて開放して
いる。５４は板状の弾性部材であり、例えば硬質のゴム
板材によってドーナツ形の平板状に形成され、外周部が
凹部５３の内上面の外周段部に固定されると共に内周部
が保持部材５０の上面に固定されており、保持部材５０
を上下方向及び水平方向への移動を微小範囲内で許容可
能に吊持する。５５は圧力室であり、前記凹部５３を保
持部材５０及び板状の弾性部材５４によって画成して設
けられている。この圧力室５５内に所定圧力の流体が、
流体の供給手段（図示せず）によって供給できる。

【００３８】また、６２は主軸であり、筒状に形成され
ており、その筒内に高圧流体源である圧縮空気源（図示
せず）に連通する管６４が挿入されている。この管６４
は前記圧力室５５に連通しており、ウェーハ２０の表面
を研磨定盤１０の研磨面１０ａ（図６参照）に当接させ
た際に、この圧力室５５内に圧縮空気が導入されると、
保持部材５０の上面の略全面に均一な圧力が負荷され
る。これにより、所望の圧力によってウェーハ２０の表
面をその全面に均等な荷重を負荷しつつ、研磨面１０ａ
に押圧することができる。このとき、圧力室５５に充填
された圧縮空気は流体（本実施例では空気）であるた
め、保持部材５０の全面を均等に押圧し、ウェーハ２０
の表面を研磨面１０ａの傾斜に素早く追随させることが
できる。

【００３９】６６はベース部材であり、保持部材５０に
よって保持されるウェーハ２０を研磨面１０ａ上へ供給
すると共にその研磨面１０ａ上から排出するべく移動可
能に設けられている。また、主軸６２の先端に固定され
たウェーハの保持部４２を主軸６２等を介して回転可能
に支持している。

【００４０】６８は係止部であり、主軸６２の上部に設
けられ、下側よりも小径に形成されている。この係止部
６８は、シリンダ装置７０のロッド７２に固定されたア
ーム部７４に、回転及びスラスト方向の両方向に軸受け
する軸受部７６、７６を介して係止されている。また、
ウェーハの保持部４２と一体に設けられた主軸６２は、
ベース部材６６に対して回転軸受７８、７８を介して回
転可能に設けられた回転伝達部材８０内に挿入されてい
る。回転軸受７８、７８はベース部材６６に一体に固定
された立設筒部８２内に装着されている。この回転伝達
部材８０と主軸６２とは、主軸６２側に固定されたキー
８４が、回転伝達部材８０側に設けられたキー溝８１内
に臨むことで連繋されている。このため、回転伝達部材
８０と主軸６２とは一体的に回転動する。また、キー溝
８１が長手方向である軸線方向に長く設けられているた
め、主軸６２は、シリンダ装置７０によって所定の範囲
内でベース部材６６に対して上下方向に移動できる。な
お、図８では、ウェーハの保持部４２はシリンダ装置７
０によって上方に移動した状態にある。８６は駆動モー
タであり、ピニオンギア８８及び従動ギア９０を介し
て、その従動ギア９０がキー９１によって連結された回
転伝達部材８０を回転させる。なお、この回転伝達部材
８０は、ベース部材６６との間に配設された回転軸受７
８、７８によって、ベース部材６６に対して回転可能に
設けられている。

【００４１】９２はディストリビュータ部であり、圧縮
空気源と連通するための連結ポート部である。このディ
ストリビュータ部９２に内嵌した主軸６２の先端部６２
ａを、その先端部６２ａが回転できるように受けてい
る。９４は連通路であり、管６４に連通している。ま
た、９６はシール部材であり、このシール部材９６、９
６にシールされて全周のリング状の空間９７が形成され
ており、そのリング状の空間９７に連通して高圧源連結
ポート９８が設けられている。このため、先端部６２ａ
が回転しても、圧縮空気源は、高圧源連結ポート９８、
リング状の空間９７、連通路９４、管６４を通して常に
圧力室５５に連通できる。また、１００はエンコーダ装
置であり、主軸６２の回転位置を検知し、ウェーハの保
持部４２を所定の位置で停止させる定位置停止装置の検
知装置として作用する。

【００４２】次に以上の構成からなるウェーハの研磨装
置に関して、その作動状態について説明する。研磨面１
０ａには、スラリー等を含む液状研磨剤が供給され、保
持部材５０の下面に保持されたウェーハ２０の表面がそ
の研磨面１０ａに所定の荷重を与えられつつ当接・押圧
されると共に、ウェーハ２０と研磨定盤１０とを相対的
に運動させることでウェーハ２０の表面を鏡面研磨する
ことができる。このとき、研磨定盤１０は、複数の偏心
アーム３４による支持台部２２を自転しないで円運動
（この自転しない円運動のことを、以下では単に円運動
という。）させる運動と、支持台部２２に対して回転
（自転）する運動とが合成された運動をする。また、ウ
ェーハの押圧装置４０の側では、ウェーハ２０を回転
（自転）させるよう、ウェーハの保持部４２が運動す
る。円運動は回転運動と異なり、研磨定盤１０上のいか
なる点も同一の速度を発生させる運動であり、ウェーハ
２０のいかなる点も同一の条件で研磨することができ
る。従って、ウェーハ２０の表面を非常に均一に精度よ
く研磨することができる。他の条件を同一にした場合、
従来のウェーハの研磨装置では８インチのシリコンウェ
ーハで０．５μｍだった平坦度が、本発明のウェーハの
研磨装置によれば０．２μｍ以下の平坦度が容易に得ら
れるようになった。また、このように均一に研磨できる
ので、研磨定盤１０の研磨面を構成するクロス等自体の
磨耗が均一化し、研磨定盤１０の調整作業等が簡略化で
き、研磨作業を効率化できる。なお、揺動運動でも同一
速度を得られるが、この場合は、折り返しの際に急激な
速度変化を生じ、円運動のような滑らかな運動とならな
い。このため、従来のウェーハの研磨装置では、ウェー
ハの平坦度の向上には限界があったのである。

【００４３】次に研磨工程を工程順に詳細に説明する。
先ず、所定の位置に載置されたウェーハ２０の上方から
ウェーハの保持部４２をシリンダ装置７０によって下降
させ、保持部材５０の表面に水の表面張力によって吸着
させる。次に、ベース部材６６を移動させることにより
ウェーハ２０を研磨定盤１０の上方まで搬送し、さら
に、シリンダ装置７０によって、ウェーハの保持部４２
を下方に下げることにより、ウェーハ２０の表面を研磨
面１０ａに当接させる。

【００４４】次に、所定の圧力の圧縮空気を圧力室５５
に導入することによって、ウェーハ２０の表面を研磨面
１０ａに所望の圧力で押圧することができる。このと
き、圧縮空気は流体であるから保持部材５０の全面を均
等に押圧して、シリコンウェーハ２０の表面を研磨面１
０ａの傾斜に素早く追随させることができる。また、圧
縮空気によって保持部材５０の上面全面に均等な圧力を
負荷することができる。このため、シリコンウェーハ２
０の表面が研磨面１０ａの傾斜に追随した状態において
も、シリコンウェーハ２０の表面全面を研磨面１０ａに
均等な圧力で押圧することができる。そして、上記の如
く好適にシリコンウェーハ２０に荷重が負荷された状態
で、研磨面１０ａ上にスラリーを供給しつつ、ウェーハ
２０と研磨定盤１０とが上記のように相対的に運動され
て、ウェーハ２０が鏡面研磨される。

【００４５】以上に説明してきたウェーハの研磨装置
は、ウェーハの押圧装置のセラミックプレートとしてバ
ッキング材を接着させた保持部材５０を利用している。
これは、セラミックスは、金属材に比べ線膨張係数の小
さく、変形しにくいため、ウェーハ２０を均一に精度よ
く研磨するために有効であることによるが、セラミック
プレートに代えて、金属材または樹脂材からなるプレー
トを利用してもよいのは勿論である。また、保持部材と
しては、変形しにくいプレート状の形態を備えているも
のに限らず、弾性部材によって形成された薄膜状のもの
も含まれる。そのような保持部材でも、ウェーハ２０を
液体圧を介して研磨面１０ａに均一な圧力で当接させる
ことが可能である。

【００４６】また、ウェーハの保持部４２は、ウェーハ
２０を水貼りで保持部材５０に貼ることで保持するが、
これに限らず、他の構成からなるものでもよい。例え
ば、ウェーハ２０を吸着して保持して供給排出を行い、
実際に研磨をする際には吸着しない状態でウェーハ２０
を押圧するウェーハの保持部４２でもよい。また、以上
に説明してきた実施例では、圧縮空気によって保持部材
５０を介してウェーハ２０を研磨面に押圧する場合を説
明したが、他の流体圧例えば水圧または油圧を利用する
こともできる。また、前記保持部材５０が複数のウェー
ハ２０を保持可能なように大型に設けられた場合には、
テンプレート５２に、ウェーハ２０が内嵌される複数の
穴を設け、複数のウェーハ２０を同時に研磨することが
できる。

【００４７】なお、従来のポリッシング装置では、ウェ
ーハ２０と研磨定盤１０とを相対的に移動させて研磨す
る際に、研磨定盤１０は、その中心軸を中心に回転運動
すると共に、ウェーハ２０の研磨むらを防止するためと
研磨定盤１０の上記クロス等の磨耗を均一にするため、
直線往復運動（揺動運動）も合わせて行っている。この
従来のポリッシング装置等にも、本発明のウェーハの研
磨終点検出装置を好適に適用できるのは勿論である。以
上、本発明の好適な実施例について種々述べてきたが、
本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の
精神を逸脱しない範囲内でさらに多くの改変を施し得る
のは勿論のことである。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、研磨工程中のウェーハ
を洗浄液に浸漬することで、汚れを取ると共に、液状研
磨剤の化学作用による腐食を停止できる。また、光ファ
イバーを利用することで、光学的非破壊測定方法による
膜厚検出装置の検出部を、洗浄液に浸漬されたウェーハ
に好適に近接できる。従って、その膜厚検出装置によっ
て、ウェーハの全表面を構成する膜層の厚さを、インプ
ロセスで好適に測定でき、これにより、その膜層にかか
る研磨終点の精度を向上できるという著効を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を模式的に説明する断面図で
ある。

【図２】図１の実施例の要部を模式的に説明する平面図
である。

【図３】図１の実施例の設置状態を模式的に説明する平
面図である。

【図４】本発明の他の実施例を模式的に説明する断面図
である。

【図５】本発明の他の実施例を模式的に説明する断面図
である。

【図６】ウェーハの研磨装置の一実施例を示す断面図で
ある。

【図７】図６の実施例の模式的な平面図である。

【図８】図６の実施例に用いられるウェーハの押圧装置
の断面図である。

【符号の説明】

１０ 研磨定盤 １０ａ 研磨定盤の研磨面（定盤面） ２０ ウェーハ ２０ａ ウェーハの表面 ２１ 膜厚検出装置 ２２ 支持台部 ２５ 回転駆動手段 ３０ 基台 ３１ 光ファイバー ３２ 円運動装置 ３３ 光ファイバーヘッド ４０ ウェーハの押圧装置 ４２ ウェーハの保持部 ４４ 洗浄槽 ４５ 超純水 ４６ ハンドリング装置 ４８ 保持部移動装置 ５１ 検出部移動装置 ６１ ウェーハの給排部 ６３ 保管部 ６６ ベース部材

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨面であるウェーハ表面を研磨定盤
   の研磨面へ所定の押圧力で当接させると共に、前記ウェ
   ーハ表面と前記研磨面とを相対的に運動させ、液状研磨
   剤の化学作用による腐食と機械的研磨作用によって前記
   ウェーハ表面を構成する膜層を研磨する際に用いるウェ
   ーハの研磨終点検出装置おいて、 洗浄液が満たされ、該洗浄液に前記ウェーハが浸漬され
   ることで、前記ウェーハ表面を洗浄する共に、前記液状
   研磨剤の化学作用による腐食を停止させる洗浄槽と、 ウェーハを研磨工程中に該ウェーハを保持し、前記洗浄
   槽の洗浄液中へ浸漬するウェーハのハンドリング装置
   と、 前記洗浄槽の内部に、光ファイバーの一方の端面が前記
   洗浄液に浸漬されたウェーハ表面に対向する位置に配さ
   れ、該光ファイバーの他端が洗浄槽の外部に配された本
   体に連結され、光学的非破壊測定方法によってウェーハ
   表面を構成する膜層の厚さを検出する膜厚検出装置とを
   具備することを特徴とするウェーハの研磨終点検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記ウェーハのハンドリング装置は、ウ
   ェーハを保持し、前記ウェーハ表面を前記研磨定盤の研
   磨面へ所定の押圧力で当接させるウェーハの保持部と、 該ウェーハの保持部を前記研磨定盤と前記洗浄槽との間
   で往復可能に移動させる保持部移動装置とを備えること
   を特徴とする請求項１のウェーハの研磨終点検出装置。
3. 【請求項３】 前記光ファイバーの前記一方の端面を有
   する光ファイバーヘッドが、前記ウェーハ表面と相対的
   に移動して該ウェーハ表面の任意の位置に対向できるよ
   う、前記光ファイバーヘッドとウェーハ表面とを、該ウ
   ェーハ表面と平行な平面内で相対的に移動させる検出部
   移動機構を備えることを特徴とする請求項１または２記
   載のウェーハの研磨終点検出装置。
4. 【請求項４】 前記検出部移動機構は、前記ウェーハの
   ハンドリング装置に設けられたウェーハを保持する部分
   を回転させる回転機構を備えることを特徴とする請求項
   ３記載のウェーハの研磨終点検出装置。
5. 【請求項５】 前記検出部移動機構は、前記ウェーハの
   ハンドリング装置のウェーハを保持する部分が設けられ
   たベース部材を回動させて移動させることで、前記光フ
   ァイバーヘッドをウェーハの半径方向へ相対的に移動さ
   せる回動機構とを備えることを特徴とする請求項３又は
   ４記載のウェーハの研磨終点検出装置。
6. 【請求項６】 前記検出部移動機構は、光ファイバーヘ
   ッドを、前記ウェーハ表面に対して、該ウェーハ表面と
   平行な平面内で運動させる２次元運動機構であることを
   特徴とする請求項３記載のウェーハの研磨終点検出装
   置。
7. 【請求項７】 前記研磨定盤を該研磨定盤の研磨面に直
   交する軸線を中心に回転可能に支持する支持台部と、 該支持台部に装着され支持台部に対して前記研磨定盤を
   前記軸線を中心として回転させる回転駆動手段と、 前記支持台部を支持する基台と、 該基台に対して前記支持台部を前記研磨面と平行な面内
   で自転しない円運動をさせる円運動装置とを具備するこ
   とを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載
   のウェーハの研磨終点検出装置。
8. 【請求項８】 被研磨面であるウェーハ表面を研磨定盤
   の研磨面へ所定の押圧力で当接させると共に、前記ウェ
   ーハ表面と前記研磨面とを相対的に運動させ、液状研磨
   剤の化学作用による腐食と機械的研磨作用によって前記
   ウェーハ表面を構成する膜層を研磨するウェーハの研磨
   方法において、 ウェーハの研磨工程中に、ウェーハのハンドリング装置
   によってウェーハを保持した状態で、前記ウェーハ表面
   を洗浄槽内に満たされた洗浄液へ浸漬し、ウェーハ表面
   を洗浄する共に、前記液状研磨剤の化学作用による腐食
   を停止させ、 前記洗浄槽の内部に、光ファイバーの一方の端面が前記
   洗浄液に浸漬されたウェーハ表面に対向する位置に配さ
   れ、該光ファイバーの他端が洗浄槽の外部に配された本
   体に連結されて成る光学的非破壊測定方法を利用した膜
   厚検出装置によって、ウェーハ表面を構成する膜層の厚
   さを検出し、 検出した膜層の厚さが所定厚さ以上である場合は前記ウ
   ェーハの保持部を前記研磨定盤の研磨面上へ移動させて
   再度研磨を行い、検出した膜層の厚さが所定厚さの範囲
   以内に達した際には研磨工程を終了させることを特徴と
   するウェーハの研磨方法。
9. 【請求項９】 前記膜厚検出装置によって膜層の厚さを
   検出する前に、前記ウェーハのハンドリング装置に設け
   られた回転機構によってウェーハを回転させ、ウェーハ
   のオリエンテーションフラット又はノッチを検出する検
   出手段によってウェーハの角度位置を特定し、膜層の厚
   さを検出する検出位置を特定することを特徴とする請求
   項５記載のウェーハの研磨方法。