JPH11138426A - 研磨装置 - Google Patents
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Abstract
コントロールを行なうことができる研磨装置を提供す
る。 【解決手段】 被研磨体Wを保持しつつ回転する回転載
置台14と、直径が前記回転載置台の直径よりも小さく
なされて表面に研磨層30が設けられた回転研磨板28
と、前記研磨層を前記被研磨体へ圧接しつつ前記回転研
磨板を前記回転載置台の半径方向へ相対的に移動させる
走査機構26と、前記被研磨体の表面に研磨液を供給す
る研磨液供給手段46を備えるように研磨装置を構成す
る。これより、装置の小型化を達成でき、研磨量の部分
的なコントロールを行なうようにする。
Description
被研磨体を表面研磨する研磨装置に関する。
いては、半導体ウエハ表面に形成された成膜の凹凸を平
坦化するためにCMP(Chemical Mecha
nical Polishing)と称される研磨プロ
セスが含まれる。この研磨プロセスは、例えば研磨布の
表面に機械的研磨粒子及び化学的研磨粒子を含む研磨液
を滴下し、この研磨布をウエハの表面に押し付けて自転
或いは公転運動させることによってウエハ表面の一部を
削り取って平坦化するものである。このような研磨プロ
セスは、各層配線形成工程中におけるSiO2 層間絶縁
層のエッチバック処理、ホール埋め込みプラグ金属膜の
平坦化処理、或いはCuメタルダマシン金属膜の平坦化
処理等の各種金属膜の平坦化処理に用いられる。
研磨装置について説明する。例えば図8に示すCMP装
置において、表面に研磨層である研磨布2が形成された
大型の回転テーブル4に、ウエハ保持機構6に保持させ
たウエハ10をフェースダウンで圧接させ、ノズル8か
ら研磨液を前記研磨布2の表面に供給しながら、回転テ
ーブル4を回転させると共にウエハ保持機構6をモータ
10により回転させて、こうして半導体ウエハWを回転
テーブル4上で自転させ且つ相対的に公転させることに
よってウエハWの表面を研磨して表面を平坦化させてい
た。
程度の厚さの発泡ウレタン樹脂等の発泡樹脂が用いら
れ、研磨液としては、機械的研磨粒子でありるシリカ
(SiO2 )及び化学的研磨粒子を溶液に分散させたス
ラリ状のものが用いられている。このようなCMP研磨
プロセスでは、発泡樹脂の表面に形成された凹部に機械
的研磨粒子が入り込み、この凹部に捕捉された機械的研
磨粒子による摩擦という機械的な研磨作用が得られてお
り、この機械的研磨作用と化学的研磨作用との複合効果
により効率的な研磨が行なわれる。
来の装置にあっては、ウエハWの表面全体を研磨布2に
圧接する構造であるために、回転テーブル4の直径サイ
ズがかなり大きくなって占有スペースが広くなり過ぎる
という問題があった。特に、ウエハサイズが6インチサ
イズから8インチ、12インチ(略30cm)へと更に
大型化する傾向にある状況下においては、回転テーブル
4の直径は、ウエハサイズが12インチの場合には略6
0cmにもなり、サイズの小型化が望まれている。ま
た、この従来装置では、ウエハの研磨面全体が研磨布に
常に圧接されていることから、ウエハ自体の反りや変形
等に対応して部分的に研磨したい場合でも、この要請に
対応することができず、微妙な部分的な研磨量コントロ
ールを行なうことが困難であり、面内の平坦度を高い精
度で向上させることが難しい。
力により回転テーブル4の周辺部に溜り易く、このた
め、ウエハ周辺部と中心部とで研磨条件が異なって研磨
液の多くなるウエハWの周辺部が早く研磨され、研磨液
の侵入し難いウエハ面内中心部の研磨が遅くなるという
問題があるばかりか、回転テーブルの加工軌跡がウエハ
面に発生する場合もあった。また、研磨液は、面積の広
い研磨布2の全体に行き渡るように供給しなければなら
ないことから、使用する研磨液の量も多量となる。しか
も、一般的な研磨プロセスでは例えば荒削り加工や仕上
げ加工等のように研磨液を変えて複数の研磨プロセスを
行なうが、荒削り加工後に同じ装置で仕上げ加工を行お
うとすると、研磨布2に染み込んでいる荒削り用の研磨
液を十分に洗い流さなければならないが、上述のように
研磨布2の面積が広いことから研磨液の洗浄に多くの時
間を要してスループットが低下してしまう。そのため、
これを防ぐために、従来においては、複数、例えば荒削
り用装置と仕上げ加工用装置の2台の研磨装置を設置し
なければならず、コスト高を招来している。
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、装置の小型化を達成でき、研磨量の部分的な
コントロールを行なうことができる研磨装置を提供する
ことにある。
解決するために、被研磨体を保持しつつ回転する回転載
置台と、直径が前記回転載置台の直径よりも小さくなさ
れて表面に研磨層が設けられた回転研磨板と、前記研磨
層を前記被研磨体へ圧接しつつ前記回転研磨板を前記回
転載置台の半径方向へ相対的に移動させる走査機構と、
前記被研磨体の表面に研磨液を供給する研磨液供給手段
を備えるように構成したものである。これにより、被研
磨体は、これと略同径の回転載置台に保持されて回転
し、この被研磨体の表面に被研磨体よりも小径になされ
た回転研磨板の研磨層を圧接して回転する。この回転研
磨板は走査機構により被研磨体の半径方向へ走査されつ
つ自転して被研磨体の表面を研磨することになる。
同じサイズにできるので、装置の大幅な小型化が可能と
なるばかりでなく、回転研磨板を被研磨体の直径サイズ
よりも小さくしているので、回転研磨板の滞留時間を変
えるなどして部分的に研磨量をコントロールすることが
可能となる。この場合、回転研磨板の直径を、回転載置
台の直径の1/2以下に設定することにより、部分滴な
研磨量を更に微妙にコントロールすることができる。ま
た、走査機構に、圧接力を検出する圧接力検知手段と、
この検知手段の検出値に基づいて圧接力を調整する圧接
力調整手段を設けることにより、研磨に最適な圧接力を
設定することができ、また、必要に応じて研磨途中にて
圧接力を変更することもできる。更には、研磨液供給手
段を、走査機構に取り付けておくことにより、回転研磨
板が移動する位置に常時追従させて研磨液を供給するこ
とができる。
機構と、研磨液供給手段を複数組み設けてそれぞれに異
ならせた研磨精度を持たせることにより、例えば荒削り
加工と仕上げ加工を一台の装置で連続的に行なうことが
できる。この場合、洗浄液供給手段を設けておくことに
より、前工程、例えば荒削り加工で用いた研磨液を洗浄
液で迅速に流し去ることができる。更には、スクラバー
機構を設けておくことにより、例えば仕上げ加工後に被
研磨体の表面加工屑を取るスクラビング操作も連続的に
行なうことができる。
施例を添付図面に基づいて詳述する。図1は本発明の研
磨装置を示す全体構成図、図2は図1に示す装置の上面
図、図3は図1に示す装置の部分斜視図、図4は回転載
置台を示す斜視図である。図1に示すように、この研磨
装置12は、例えばステンレススチール製の回転載置台
14を有しており、この回転載置台14は、中央部より
下方に延びる回転軸16を介してモータ18に接続され
て、回転可能になされている。この回転載置台14の上
面には、例えばテフロン等よりなる硬質樹脂20が貼着
されており、この上面に吸着する被研磨体としての半導
体ウエハWの裏面を傷つけず、且つ後述する回転研磨板
からの圧接力を均等に負荷し得るようになっている。
直径と略同じか、これよりも僅かに大きく設定されてお
り、非常にサイズが小型化されている。また、この回転
載置台14の上面中央部には、吸引口22(図4参照)
が設けられ、これに連通される吸引通路24を真空引き
することにより、上記硬質樹脂14上にウエハWをバキ
ューム吸着して保持し得るようになっている。一方、こ
の回転載置台14の上方には、走査機構26に指示され
た回転研磨板28が回転載置台14の半径方向へ走査可
能に設けられる。この回転研磨板28は、例えばステン
レス製の円板よりなり、その直径L1は上記回転載置台
14の直径L2の1/2以下、好ましくは1/4程度に
設定されている。この回転研磨板28の表面、すなわち
図1中において下面には研磨層として例えば研磨布30
が貼着されている。この研磨布30としては、例えば
1.2mm程度の厚さの発泡ウレタン樹脂等の発泡樹脂
を用いることができる。
の一部を構成する旋回アーム32の先端に設けたモータ
34の回転軸36に連結されており、高速回転できるよ
うになっている。この旋回アーム32は、その基端部に
おいて旋回昇降軸38に連結されており、この旋回昇降
軸38は油圧或いは空気圧等によって上記旋回昇降軸3
8を昇降させたり、或いはこれを回転させる旋回昇降駆
動部39に連結されている。また、この旋回アーム32
の途中には、圧接力検知手段として例えばロードセル4
0が介在されており、このアーム32に加わる荷重すな
わちウエハ表面に対する回転研磨板28の圧接力を検知
し得るようになっている。このロードセル40の出力
は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御部42
に入力される。この制御部42にはその一部に上記検知
した圧接力が所望の圧接力となるように所定の演算等を
行なう圧接力調整手段44が含まれており、この出力を
上記旋回昇降駆動部39に向けて出力するようになって
いる。尚、上記制御部42は、各モータ18、34の制
御及び上記旋回昇降軸38の回転の制御も併せて行な
う。
供給するための研磨液供給手段46が併せて設けられて
いる。具体的には、この研磨液供給手段46は、上記旋
回アーム32に沿って設けた研磨液供給管48を有して
おり、その先端に設けた研磨液ノズル50をアーム32
の先端から下方に向けて、ウエハW上に流量制御された
研磨液52を供給できるようになっている。この研磨液
52には、機械的研磨粒子としては、SiO2 、CeO
2 、Al2 O3 等の粒子を用い、化学的研磨粒子として
はフッ素化合物やキレート化合物等の粒子を用いること
ができる。特に、荒削り加工用には削り量の大きいCe
O2 粒子を、仕上げ加工用には傷が付きにくいSiO2
粒子を用いるのが好ましい。尚、走査機構は単に一例を
示したにすぎず、上記したような旋回アーム32を用い
ないで、回転載置台の上方に水平バーを設け、これに沿
って回転研磨板28を移動させることによって走査を行
なうようにしてもよい。
の動作について説明する。まず、半導体ウエハWを、そ
の研磨面を上方に向けて回転載置台14上に載置し、吸
引通路24から真空引きすることによりウエハWを真空
吸着させる。この状態で、回転載置台14を所定の回転
数で回転させながらこの上方に設けた回転研磨板28も
所定の回転数で回転させ、この研磨布30をウエハWの
上面である研磨面に所定の圧力で圧接し、表面研磨を行
なう。この時、研磨液供給手段46の研磨液ノズル50
からは所定の研磨液52を制御された流量でウエハ面上
に滴下する。これにより、ウエハWは自転しつつその上
面で回転研磨板28も自転し、更に走査機構26を駆動
することによって、旋回アーム32を図2中の矢印54
に示すように往復揺動させることにより、回転研磨板2
8はウエハWの半径方向へ揺動し、ウエハWの全面を研
磨することになる。加工条件にもよるが、この時、回転
載置台14及び回転研磨板28の回転数は、それぞれ例
えば50〜500rpm程度の範囲内である。
28の圧接力は、圧接力検知手段であるロードセル40
により検出されており、この検出値は圧力調整手段44
に伝達されて予め設定されている基準値と比較され、こ
れが基準値を維持するように旋回昇降駆動部39を制御
して旋回アーム32の上下動の微調整を行なう。この時
の圧接力は、研磨進度にもよるが、0.2〜2kg/c
m2 程度の範囲内であり、特に、仕上げ加工の場合には
略0.3kg/cm2 程度であり、荒削り加工の場合に
は略500g/cm2 程度である。本実施例と従来装置
の研磨液52の使用量を比較した結果、同じ研磨時間、
例えば4〜5分間で同じ1μmの厚みを削り取るため
に、従来装置では全体で略800cc程度の研磨液を必
要としたが、本実施例では略200cc程度の研磨液で
済み、使用量を1/4程度まで減らすことができた。
段44により、圧接力を部分的に変化させることがで
き、しかも、旋回アーム32の揺動速度を変えたり、或
いはこれを停止したりすることができるので、ウエハの
歪みや変形状態に応じて圧接力を部分的にコントロール
できるのみならず、回転研磨板28の滞留時間もコント
ロールでき、研磨量を部分的にきめ細かに制御すること
ができる。従って、高い精度でウエハ表面に均一削り加
工を施すことが可能となり、この平坦度を向上させるこ
とができる。このように本実施例では、回転載置台14
の直径は、従来装置とは異なり、略ウエハWの直径と同
一サイズで済むので装置の大幅な小型化を推進すること
が可能となる。尚、研磨処理が終了したならば、旋回ア
ーム32を上昇させることによって研磨布30をウエハ
表面から離間させて、更に旋回アーム32を揺動させて
これをウエハWの上方からその外側へ退避させる。
上記実施例では、回転研磨板28、走査機構26及び研
磨液供給手段46を1組み設けた場合を例にとって説明
したが、この変形例ではこれらを複数組、例えば2組設
け、更に、スクラバー機構も設けた場合を例にとって説
明する。図5は本発明の変形例を示す要部構成図、図6
は図5に示す装置の概略平面図、図7はスクラバー機構
の要部を示す部分断面図である。尚、先の実施例と同一
構成部分については同一符号を用いて説明を省略する。
ここでは、前述した回転研磨板28、走査機構26及び
研磨液供給手段46の他に、第2の研磨板28A、第2
の走査機構26A及び第2の研磨液供給手段46Aを回
転載置台14の外周に設けている。そして、更に、この
回転載置台14の外周に、ウエハWをスクラビングする
スクラバー機構56も設けている。
構26及び研磨液供給手段46は、例えば荒削り加工に
用い、これに対して第2の回転研磨板28A、第2の走
査機構26A及び第2の研磨液供給手段46Aは、例え
ば仕上げ加工に用いる。そのため、両者の基本的構成は
同じであるが、両研磨液供給手段46、46Aから供給
する研磨液52、52Aは異ならせており、荒削り用の
研磨液52としては例えばCeO2 粒子含有の研磨液を
用い、仕上げ加工用の研磨液52AとしてはSiO2 粒
子含有の研磨液を用いる。また、スクラバー機構56
は、図7にも示すようにモータ58の回転軸60に連結
された回転ブラシ62を有しており、この内部にウエハ
表面に洗浄液を供給する洗浄液供給手段として洗浄液通
路64が設けられている。洗浄液としては、純水或いは
純水に0.5%程度のフッ酸またはアンモニア水を加え
たものを用いることができる。尚、この洗浄液供給手段
64を回転載置台14の中心部上方に別個独立に固定的
に設けるようにしてもよい。上記モータ58は、スクラ
バー用旋回アーム68の先端に設けられており、この旋
回アーム68は、スクラバー用旋回昇降軸70を介して
スクラバー用旋回昇降駆動部72に連結されて昇降移動
及びウエハWの半径方向へ揺動可能になされている。
る。まず、先の実施例で説明したように、最初の回転研
磨板28、走査機構26及び研磨液供給手段46を用い
てウエハWの表面の荒削り加工を行なう。この場合、研
磨液52としては当然のこととして削り量が多くなるよ
うに荒削り加工用のものを用い、更に、圧接力は例えば
1kg/cm2 程度に高く設定して単位時間当たりの削
り量を多くする。
たならば、この回転研磨板28をウエハWの上方から外
周側へ退避し、次に、今まで退避していたスクラバー機
構56を駆動して、この回転ブラシ62をウエハWの上
面に当接し、これを回転しつつ洗浄液供給通路64から
所定の洗浄液をウエハ面に供給し、これをスクラビング
して残留する荒削り用研磨液を洗い流す。この時、回転
載置台14も回転させているのは勿論である。この場
合、回転載置台14の面積は、従来装置と比較して遥か
に小さいので、これに付着している荒削り加工用の研磨
液を迅速に且つ短時間で洗い流すことができ、スループ
ットの低下をほとんど生ずることはない。
スクラバー用旋回アーム68を旋回させてこの回転ブラ
シ62をウエハWの上面より外周側へ退避し、次に、仕
上げ削り加工を行なうために第2の走査機構26Aを駆
動することによって第2の回転研磨板28AをウエハW
の表面に圧接し、これを回転させながら第2の研磨液供
給手段46Aより仕上げ削り加工用の研磨液52Aをウ
エハ上に滴下し、仕上げ研磨を行なう。この時の圧接力
は、先の荒削り加工時よりも小さい例えば0.3kg/
cm2 程度に設定する。このようにして所定時間の仕上
げ削り加工を行なったならば、この第2の回転研磨板2
8AをウエハWの上面からその外周側へ退避させ、次
に、前述したと同様にスクラバー機構56を駆動して、
この回転ブラシ62をウエハWの上面に当接し、これを
回転しつつ洗浄液供給通路64から所定の洗浄液をウエ
ハ面上に供給し、これをスクラビングして仕上げ加工用
の研磨液を洗い流す。
らば、この回転ブラシ62をウエハ面上からその外周側
へ退避させ、回転載置台14を高速回転することによっ
てウエハWに付着する洗浄液を振り切り、これをスピン
ドライすることによって処理を完了する。このように、
この変形例によれば、前記した実施例の効果に加え、一
台の研磨装置において複数の研磨工程、例えば荒削り加
工工程と、仕上げ加工工程を行なうことができ、しか
も、ウエハWを保持する回転載置台14のサイズが小さ
いので、この上面に残留する先の工程の研磨液を迅速且
つ短時間で洗い流すことができるので、スループットを
ほとんど低下させることもない。
の工程を一台の装置で行なう場合を例にとって説明した
が、更に回転研磨板を設けることにより、一台の装置で
できる工程数を更に増加するようにしてもよい。尚、各
実施例で説明した数値例は単に一例を示したに過ぎず、
加工条件等によって種々変更されて最適条件で行なうの
は勿論である。また、ここでは被研磨体として半導体ウ
エハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラ
ス基板、LCD基板等にも適用できるのは勿論である。
によれば、次のように優れた作用効果を発揮することが
できる。被研磨体を保持する回転載置台を自転させつつ
これよりもサイズの小さい回転研磨板の研磨層を被研磨
体に圧接させてこれを回転揺動しつつ研磨を行なうよう
にしたので、装置自体のサイズを非常に小型化すること
ができる。また、回転研磨板の面積が小さいことから、
使用する研磨液の量も削減することができる。更に、圧
接力を検知する圧接力検知手段を設けてこの値をコント
ロールすることにより、部分的に圧接力を変えることが
でき、従って、被研磨体の歪みやゆがみ等に対応させて
圧接力を微妙にコントロールして研磨量を調整すること
ができるので、面内の平坦度を向上させることができ
る。また、走査機構に洗浄液供給手段を設けることによ
り、研磨位置に的確に洗浄液を供給することができる。
更に、研磨精度の異なる複数の回転研磨板やスクラバ機
構等を設けることにより、スループットをほとんど低下
させることなく複数の研磨工程を一台の装置で行なうこ
とができ、大幅なコストの削減を図ることができる。
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 被研磨体を保持しつつ回転する回転載置
台と、直径が前記回転載置台の直径よりも小さくなされ
て表面に研磨層が設けられた回転研磨板と、前記研磨層
を前記被研磨体へ圧接しつつ前記回転研磨板を前記回転
載置台の半径方向へ相対的に移動させる走査機構と、前
記被研磨体の表面に研磨液を供給する研磨液供給手段を
備えたことを特徴とする研磨装置。 - 【請求項2】 前記回転研磨板の直径は、前記回転載置
台の直径の1/2以下に設定されていることを特徴とす
る請求項1記載の研磨装置。 - 【請求項3】 前記走査機構には、前記圧接力を検出す
る圧接力検知手段と、この圧接力検知手段の検出値に基
づいて前記圧接力を調整する圧接力調整手段が設けられ
ることを特徴とする請求項1または2記載の研磨装置。 - 【請求項4】 前記研磨液供給手段は、前記走査機構に
取り付けられていることを特徴とする請求項1乃至3の
いずれかに記載の研磨装置。 - 【請求項5】 前記回転研磨板と前記走査機構と前記研
磨液供給手段は、研磨精度を異ならせるためにそれぞれ
複数組み設けられることを特徴とする請求項1乃至4の
いずれかに記載の研磨装置。 - 【請求項6】 前記被研磨体の表面に洗浄液を供給する
洗浄液供給手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至
5のいずれかに記載の研磨装置。 - 【請求項7】 前記被研磨体をスクラビングするスクラ
バー機構を設けたことを特徴とする請求項1乃至6のい
ずれかに記載の研磨装置。
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