JPH11156711A

JPH11156711A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH11156711A
Application number: JP33201997A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hayashi; 喜宏林; Takahiro Onodera; 貴弘小野寺; Kazuo Kobayashi; 一雄小林
Original assignee: Okamoto Machine Tool Works Ltd; NEC Corp
Current assignee: Okamoto Machine Tool Works Ltd; NEC Corp
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1999-06-15
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: KR100315722B1; JP3076291B2; KR19990062699A; US6165056A; GB2331948B; GB9826497D0; GB2331948A

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハの表面を高平坦性、高均一性を保って
研磨し、研磨中に研磨形状の修正を可能とする。【解決手段】インデックステーブルとポリッシングヘ
ッド１８との組合せを有している。インデックステーブ
ルは、研磨すべきウエハを吸着して上向きに保持して研
磨ステーションへ向けて転回送りを与える。ポリッシン
グヘッド１８は、加圧シリンダ２１とベースプレート２
２との組合せであり、加圧シリンダ２１はキャリアに一
定姿勢で与えられ、ベースプレート２２は研磨布２４を
支えて加圧シリンダ２１に三次元方向に揺動可能に組付
けられているものである。研磨布２４はウエハ上に接触
し、高速回転してウエハ表面を研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板、特に半導体
デバイスパターンが形成された半導体ウエハの表面を平
坦化処理する研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】デバイスの形成された半導体ウエハの表
面層を平坦化処理する研磨装置として特開平８−３３０
２６１号公報には、回転テーブル（プラテン）上に研磨
布を貼付け、その上方にウエハ保持部を配置し、その下
面に半導体ウエハを吸着させ、これを回転テーブル上の
研磨布に押しつけ、回転テーブルおよびウエハ保持部の
双方を回転させつつ半導体ウエハの表面層を研磨する装
置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記装置
によるときには、回転テーブル上の研磨布に、ウエハ保
持部の下面に保持させた半導体ウエハを押し付けて研磨
を行うため、半導体ウエハの研磨面を直接視認できない
という問題がある。また、研磨液を回転テーブルの研磨
布上に供給するため、その大部分が回転による遠心力で
飛散して研磨液を有効利用することができない。

【０００４】ところで、昨今の情報化時代の到来ととも
に電子機器の需要は、高い水準を保っている。なかで
も、パーソナルコンピュータの需要は、今後、最も期待
できるものの一つである。半導体産業はこれに伴って、
次世代のウエハ製造プロセスへと移行してゆくものと考
えられる。来るべき３００ｍｍ（４００ｍｍ）ウエハに
形成されるデバイスの表面層を平坦化処理するＣＭＰ装
置の開発と、ペアシリコンウエハの研磨装置に対する対
応が急務である。

【０００５】ＣＭＰでは膜厚みの均一性や面あらさ、ペ
アシリコンウエハでは形状精度（平坦度）が、品質特性
の第１の条件であると考えられる。

【０００６】大口径ウエハを従来の研磨方法で研磨した
場合に、従来の研磨剤（スラリ）供給方法ではウエハの
中心と、外側との研磨剤供給の均一性の確保が難しく、
また、ウエハのうねりに対す追随性を磨布の粘弾性特性
だけに依存しても実際のウエハ表面のうねりに追従させ
るのは困難である。

【０００７】また、現行の研磨装置では、研磨作業中に
ウエハの形状特性を把握することが難しいという問題が
ある。従来より、研磨中のウエハの形状特性を知る方法
として、テーブル又は研磨ヘッドを駆動するモータの負
荷変動を測定する方式、研磨定盤に孔をあけて膜厚みを
測定する方式などが提案されているが、未だいずれの方
式も実用化には到っていない。

【０００８】大口径ウエハは高価であり、１枚毎に形状
を把握し、しかもそのデータをもとに、形状を修正し
て、目的とする形状に加工する必要があり、このために
も研磨形状の制御は不可欠である。

【０００９】さらに現行の研磨作業において、研磨剤
（スラリ）の変動費に占める割合が大きく、実に変動費
に占める割合は３割に達しているといわれている。しか
も、スラリコストの低減は、廃液処理の観点でみれば環
境問題に重大な影響を及ぼす。大定盤上にスラリを供給
する方式では、スラリの利用効率に限界があり、スラリ
コストの低減は急務である。

【００１０】最後の問題として、ウエハの研磨加工はク
リーンルーム内で行われる。クリーンルームの清浄度に
は高い清浄度が要求され、高清浄度のクリーンルーム内
での単位面積当りのコストは当然に高くなり、クリーン
ルーム内に持ち込まれる装置は必然的にコンパクト化が
要求される。

【００１１】本発明の目的は、小径の研磨パッドで基板
の表面の修正を可能とし、研磨剤を研磨パッド全面に供
給して研磨効率を高め、しかも装置のコンパクト化を実
現しうる研磨装置を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、研磨治具の送り機構
の機械精度、周速の違い、ウエハの表面性状に左右され
ずにウエハ全面について均一に研磨しうる研磨装置を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による研磨装置においては、テーブルと、ポ
リッシングヘッドとを有する研磨装置であって、テーブ
ルは、研磨すべき基板を定位置に上向きに保持するもの
であり、ポリッシングヘッドは、下面の少なくとも一部
に研磨面を有し、研磨面は、テーブル上の基板を研磨す
る面であり、研磨パッドが貼付けられ、三次元方向に揺
動可能である。

【００１４】また、テーブル又はポリッシングヘッドの
少なくとも一方は回転駆動され、ポリッシングヘッド
は、テーブル上を直線方向の移動送りが与えられるもの
である。

【００１５】また、レールを有し、レールは、テーブル
上の基板に対する研磨位置と、テーブルから離れた退避
位置との間でポリッシングヘッドを往復動させるガイド
である。

【００１６】また、レールは、機体に組付けられた機枠
に吊下げてテーブルの上方空間に配置されたものであ
る。

【００１７】また、送り駆動機構を有し、送り駆動機構
は、レールに沿ってポリッシングヘッドに往復移動送り
を与えると共に、テーブル上に保持されて回転する基板
の研磨位置に応じてポリッシングヘッドの送り速度を制
御するものである。

【００１８】また、ポリッシングヘッドは、レールに沿
って移動送りが与えられるキャリアにセットされ、キャ
リアは、上下駆動機構と、回転駆動機構とを装備し、上
下駆動機構は、キャリアを上下動させるものであり、回
転駆動機構は、ポリッシングヘッドを回転駆動するもの
である。

【００１９】また、ポリッシングヘッドは、給液管を有
し、給液管は、ポリッシングヘッドの回転中心を通して
外部から供給された研磨剤を研磨パッドに給液する給液
孔を有するものである。

【００２０】また、ポリッシングヘッドは、加圧シリン
ダと、ベースプレートとの組合せを有し、加圧シリンダ
は、キャリアに一定角度姿勢で支えられたものであり、
ベースプレートは、研磨パッドを支えて加圧シリンダに
三次元方向に揺動可能に取付けられたものである。

【００２１】また、摩耗した研磨パッドは、パッドコン
ディショナ手段のディスクに押し付けて目立てされるも
のであり、目立ての際には、クランプされ、揺動を停止
するものである。

【００２２】また、加圧シリンダは、高圧空気の送気孔
を有し、送気孔を通して圧入された高圧空気の圧力を作
用させてベースプレートを固定させるものである。

【００２３】また、パッドコンディショナ手段は、退避
位置に設置されたものである。

【００２４】また、加圧シリンダと、ベースプレートと
はダイアフラムと、ドライブプレートとを介して結合さ
れ、ダイアフラムは、加圧シリンダとベースプレート間
の気密を保持するものであり、ドライブプレートは、ベ
ースプレートの変位に追従させるとともにベースプレー
トの支持強度を与えるものである。

【００２５】また、研磨面の揺動の程度は、加圧シリン
ダ内に圧入される高圧空気の圧入量によって制御される
ものである。

【００２６】また、研磨パッドは、研磨布であり、拡散
溝を有し、拡散溝は、供給された研磨剤を研磨面に分散
させる溝である。

【００２７】また、研磨布は、円形帯状をなし、拡散溝
は、研磨布の内周に開放され、外周には開放されずに研
磨布の範囲内似形成された溝である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に本発明による自動研磨装置
を、半導体ウエハの一次研磨と、二次研磨との二段階研
磨によって表面を平坦化処理する装置に適用した例につ
いてその実施形態を説明する。

【００２９】図１に本発明を適用した自動研磨装置の正
面図、図２にその平面図を示す。図３は、自動研磨装置
の構造を略示的に示す平面図、図４は斜視図である。以
下図３、４を用いて本発明を適用した自動研磨装置の基
本的構成を説明する。

【００３０】図３，４において、自動研磨装置において
は、ウエハ保持用のテーブルとしてインデックステーブ
ル１を有し、インデックステーブル１の周上にローディ
ングステーションＳ₁と、一次研磨ステーションＳ₂と、
二次研磨ステーションＳ₃と、アンローディングステー
ションＳ₄とが設定されたものである。インデックステ
ーブル１は、ウエハを保持させる複数のホルダ２を同心
上に有し、各ステーションＳ₁〜Ｓ₄に順次転回送りが与
えられ、各ステーションＳ₁〜Ｓ₄は、インデックステー
ブル１の停止位置に割り付けられたものである。

【００３１】ローディングステーションＳ₁は、インデ
ックステーブル１上にウエハを搬入する領域であり、ア
ンローディングステーションＳ₄は、テーブル１上から
ウエハを搬出する領域である。この実施形態において、
一次研磨ステーションＳ₂は、インデックステーブル１
上に搬入されたウエハの表面を平坦化処理する領域であ
り、二次研磨ステーションＳ₃は、平坦化処理後のウエ
ハの表面を仕上げ処理する領域である。

【００３２】ローディングステーションＳ₁において
は、ウエハキャリア１０内に保管されているウエハＷが
１枚ずつロボットアーム７によってピンクランプ１１上
に取り出され、その裏面がウエハ裏面洗浄手段８で洗浄
された後、ウエハ・チャック７ａを用いて洗浄後のウエ
ハＷは、ローディングステーションＳ₁のホルダ２上に
搬入され、バキュームチャック４で吸着保持してインデ
ックステーブル１の９０°転回送りにより、ホルダ２上
のウエハＷは、一次研磨ステーションＳ₂に搬入され
る。もっとも、ウエハ表面洗浄手段８で洗浄した後、前
記ロボットアーム７を用いてウエハＷをローディングス
テーションＳ₁のホルダ２上に搬入することもできる。

【００３３】一次研磨ステーションＳ₂において、ウエ
ハＷは、ポリッシングヘッド１８による平坦化処理を受
け、次いで二次研磨ステーションＳ₃に移され、ポリッ
シングヘッド３５による表面仕上げ処理を受けた後、ア
ンローディングステーションＳ₄に移され、次いでウエ
ハＷは、ウエハの研磨面が、ウエハ表面洗浄手段３８に
よって洗浄される。

【００３４】洗浄後、ウエハＷは、ウエハ・チャック３
９ａによって、ホルダ２上からピンクランプ４０上に移
され、ウエハ裏面はウエハ裏面洗浄手段４２で洗浄され
る。あるいは、洗浄後、ロボットアーム３９を用いてウ
エハＷをピンクランプ４０上に移し、ウエハ表面はウエ
ハ表面洗浄手段４２で洗浄し、次いで、ロボットアーム
３９でコンベア４１上に移すこともできる。次いで、ロ
ボットアーム３９でピンクランプ４０上からコンベア４
１上に移され、次工程に搬出される。

【００３５】一方、インデックステーブル１は一定角度
転回し、ウエハＷが取外されたホルダ２をローディング
ステーションＳ₁に移し、次のウエハの搬入に備える。
本発明において、一次研磨ステーションＳ₂には、図５
に示すようにポリッシングヘッド１８と、パッドコンデ
ィショナ手段１９と、パッドクリーニング手段２０とを
装備している。

【００３６】ポリッシングヘッド１８は、図６に示すよ
うに、加圧シリンダ２１と、ベースプレート２２と、研
磨布張り付板２３との組立体からなり、研磨面に研磨パ
ッドとして硬質の円形研磨布２４を有し、加圧シリンダ
２１を支えるスピンドル１７によって上方から垂下さ
れ、図５に示すように退避位置から一次研磨ステーショ
ンＳ₂のバキュームチャック４上に進出し、図７に示す
ようにバキュームチャック４上に吸着されたウエハＷ上
に下降し、研磨布２４をウエハＷの表面に押し付け、粗
研磨によって平坦化処理する。粗研削工程は、ウエハＷ
を保持するホルダ２を回転させ、ポリッシングヘッド１
８を一方向に回転駆動し、研磨剤供給ポンプより圧送し
た研磨剤（スラリ）を回転中心の給液孔１８ａより、研
磨布２に供給しつつ行う。これによって研磨剤は、研磨
布２４の外周方向に一様に分散し、ホルダ２の高速回転
が可能となる。また、研磨剤を軸心から供給するに際
し、研磨液を圧送することは、研磨剤を研磨布全面に均
一に供給するうえに極めて重要である。圧送の圧力は
０．０１ｋｇ／ｃｍ²〜０．１ｋｇ／ｃｍ²とした。

【００３７】図９において、研磨布２４の布面には、給
液孔１８ａに通ずる拡散溝３２が刻まれている。拡散溝
３２は、給液孔１８ａから送出された研磨剤（スラリ）
を研磨布２４の外周方向に導いて研磨面に均一に分散さ
せる溝であり、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、給液
孔１８ａを中心として研磨布２４の布面に放射状、螺旋
状あるいは中心から外縁に向けた任意の曲線状の溝によ
って形成されたものである。

【００３８】研磨布の材質は発泡ポリウレタン等の硬質
高分子膜が最適である。（例えば研磨布としてロデール
・ニッタ社製のＩＣ−１０００がある。）研磨布２４の直径に制限はないが、研磨するウエハの直
径の半分程度、例えば８インチウエハ（２００ｍｍ）の
場合では１１０ｍｍ〜９０ｍｍ程度である。研磨液を効
率よく分散させる拡散溝の幅は０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度
が適当である。また、必ずしも研磨布２４の形状は円板
状である必要はなく、図１０に示すように、研磨布張り
付け板２３に円板の中心部をくりぬいた円形帯状の研磨
布２４としても良い。

【００３９】この研磨布２４にも研磨液を分散させる拡
散溝３２を設けているが、拡散溝３２は、研磨布２４の
内周に解放され、外周縁には解放されずに研磨布の範囲
内に形成された溝であってもよい。拡散溝３２の終点が
研磨布の範囲内に形成されていることによって、研磨剤
が研磨パッド外へ放出されてしまうのを抑制し、すなわ
ち研磨布内に研磨剤が滞留する時間を長くすることがで
きる。研磨布の外径は、ウエハ径と同等からその半分程
度であり、その帯幅は５ｍｍから５０ｍｍ程度である。
例えば、８インチウエハ（２００ｍｍ）の場合では、研
磨布２４の外径は１５０ｍｍで帯幅３０ｍｍ、拡散溝の
幅２ｍｍである。ここでは、拡散溝を十文字状に４本配
置したが、その本数や配置形状に制限はない。また研磨
布としてポリエステル繊維型研磨布（ロデール・ニッタ
社製：ＳＵＢ４００）上に発泡ポリウレタン研磨布を積
層したものを用いても良い。なお、円形帯状の研磨布を
用いた場合、研磨布張り付け板２３の表面に研磨液が接
触することになるため、その材質としてはアルミナ焼結
板やステンレス板表面にアルミナ焼結板を張り合わせた
合板として、耐薬品性を高める必要がある。

【００４０】ウエハＷは、図７に示すようにバキューム
チャック４の吸着孔２６にクランプされているが、バキ
ュームチャック４には、吸着孔２６の開口領域の外側
に、環状溝として上面に開口された水シール室２７を有
し、水シール室２７は、バキュームチャック４の側面に
開口した通水溝２８に通じ、通水溝２８は、インデック
ステーブル側すなわち、固定側であるシールリング２９
の内壁に開口した給水孔３０に連通させ、給水孔３０内
に洗浄水を圧入し、これを水シール室２７より溢流させ
ている。これによって研磨液がウエハＷの下面に回り込
んで研磨中にウエハ保持面に固着するのを防いでいる。
あわせて、バキュームチャック４の吸着孔２６への研磨
液の進入は防止される。

【００４１】ポリッシングヘッド１８は、加圧シリンダ
２１と、ベースプレート２２と、研磨布張り付板２３と
の組立体であるが、図８に示すように、加圧シリンダ２
１とベースプレート２２との間には、ドライブプレート
３と、ダイアフラム５とを介在させ、その積層の周縁部
分をフランジ６で支え、加圧シリンダ２１の下縁にボル
ト１２で緊締している。フランジ６は環状で内周縁に張
り出し縁６ａを有し、張り出し縁６ａ上にベースプレー
ト２２を支持している。

【００４２】ダイアフラム５は、加圧シリンダ２１内と
ベースプレート２２間の気密を保持するものであり、ド
ライブプレート３は、ベースプレート２２の三次元方向
の変位に追従させるとともにベースプレート２２の支持
強度を与えるものである。

【００４３】ダイアフラム５の材質としては合成ゴムや
天然ゴム、バイトン樹脂，ベークライト樹脂が最適であ
るが、その材質に制限があるのでなく、加圧シリンダ２
１内とベースプレート２２間の機密を保つ機能と３次元
方向に微動できる機能を有している物質であればよい。

【００４４】この実施形態においては、ドライブプレー
ト３として金属板の板面に円弧状の透孔９ａ，９ｂ，９
ｃ…を開口し、板面に可撓性、屈撓性を付与した例を示
している。加圧シリンダ２１と、ベースプレート２２と
の間にドライブプレート３と、ダイヤフラム５との積層
を介装することにより、加圧シリンダ２１に対し、ベー
スプレート２２は三次元方向に揺動可能となる。

【００４５】ドライブプレート３は、スピンドル１７の
回転をベースプレートに伝える機能を有するとともに、
三次元方向（ここでは、特に上下方向）に微動できる機
能を有している必要がある。従って、厚さ０．５ｍｍ〜
３ｍｍ程度の金属板に、円弧状の透孔９を形成してあ
る。ここでは、同心円半径の異なる３段構造の透孔９
ａ，９ｂ，９ｃを形成した。透孔の幅は３ｍｍ〜３０ｍ
ｍ程度であり、最外輪に位置する透孔９ａと最内輪に位
置する透孔９ｃとをドライブプレート３内の同一中心線
上に設置し、透孔９ｂを別の中心線上に設置すること
で、回転方向には剛性を保ちつつ三次元方向（上下方
向）に微動できる性質を可能ならしめているのである。

【００４６】ポリッシングヘッド１８の揺動による三次
元方向の微動機能は、本発明による研磨装置において極
めて重要である。すなわち、ポリッシングヘッド１８は
図５に示すように、キャリア１３に支えられ、キャリア
１３は、図１に示すように機枠５０に吊下げてインデッ
クステーブル１の上方に設置されたレール１４をガイド
とし、インデックステーブル１の一次研磨ステーション
Ｓ₂におけるホルダ２上と、インデックステーブル１か
ら離れた退避位置との間を往復移動するわけであるが、
ポリッシングヘッド１８が完全剛体で構成されている
と、ウエハ表面とレール１４とに完全平行性が要求され
る。

【００４７】もし、この平行性が崩れていた場合、レー
ル１４に沿ってポリッシングヘッド１８に移動送りを与
えてゆくと、ポリッシングヘッド１８の送りとともに研
磨圧力が変化し、ウエハ面内で研磨量が不均一になって
しまう。本発明においては、ポリッシングヘッド１８に
三次元方向の構造的遊びをもたせてレール１４の機械的
精度又はウエハ表面の凹凸などの形状の不同に起因して
生ずる研磨圧力の変化を補償しているのである。ポリッ
シングヘッド１８の微動機能は、加圧シリンダ２１内の
圧力調整によって制御することができる。また、レール
１４を機枠５０から吊下げることによって、インデック
ステーブルの上方空間を有効利用し、省スペース化を図
っている。機枠５０は、研磨装置の機体に組つけて機体
の上方空間に設置されたものである。

【００４８】加圧シリンダ２１の加圧室３１内へは、図
１１に示すように外部の送気配管１５からノズル１６を
通してスピンドル１７内へ高圧空気が供給され、加圧シ
リンダ２１内の圧力を調整して三次元方向の微動の程度
を調整できる。なお、前記給液孔１８ａは、図６に示す
ようにスピンドル１７内に挿通された給液管３０に連通
させてある。

【００４９】ポリッシングヘッド１８は、スピンドル１
７に着脱可能に装着してキャリア１３にセットされる。
キャリア１３は、図１、図５に示すように、ポリッシン
グヘッド１８を上下に移動させる上下駆動機構（エアシ
リンダ）４６と、ポリッシングヘッドを回転駆動する回
転駆動機構（モータ）４７とを装備し、レール側に設置
されたキャリア１３の送り駆動機構（モータ）４８の回
転駆動により送りねじ４９が転回し、キャリア１３は退
避位置から、送りねじ４９の転回による送り駆動によ
り、レール１４に沿って移動し、図１１に示すステーシ
ョンＳ₂のホルダ２上へ送られ、次いで上下駆動機構４
８に制御されて、図１２のようにホルダ２上を降下し、
さらにポリッシングヘッド１８は、レール１４に沿って
直線方向の送り移動が与えられつつ回転駆動機構４７に
制御されて回転し、ホルダ２上で回転しているウエハＷ
の研磨を行う。

【００５０】送り駆動機構４８は、キャリア１３にセッ
トされているポリッシングヘッド１８をレールに沿って
往復動させると共に、ウエハＷの研磨に際しては、その
研磨位置に応じて送り速度が制御される。例えば、周速
度のおそいウエハの中心部の研磨時には送り速度を遅
く、周縁の研磨に対しては送り速度を早くしてウエハ全
面を均一に研磨することもできる。上下駆動機構により
加えられる圧力は、０．０５ｋｇ／ｃｍ²〜１ｋｇ／ｃ
ｍ²である。ポリッシングヘッド１８の回転速度は３０
ｒｍｐ〜１０００ｒｍｐ程度であり、ウエハの回転速度
は１０ｒｍｐ〜３００ｒｍｐ程度である。ポリッシング
ヘッド１８の回転は、ウエハ回転と順方向あるいは逆方
向の両方が選択できる。例えば、１０ｒｍｐで時計回り
に回転しているウエハ上に、５００ｒｍｐで反時計回り
に回転しているポリッシングヘッド１８を、１ｃｍ／秒
で往復走査するのである。

【００５１】この際、ポリッシングヘッド１８の走査速
度を常に一定とする必要はない。実際には、本研磨装置
に組み込まれている制御コンピュータに、ウエハの回転
速度、ウエハ内の走査座標とポリッシングヘッドの走査
速度、往復範囲、回転速度および研磨圧力を入力するこ
とで、任意に研磨条件を設定するのである。なお、レー
ル１４、上下駆動機構４６，回転駆動機構４７を含むキ
ャリア１３並びに送りねじ４９などは機枠５０に取り付
けられたカバー５１にて覆い、さらに局部排気を行なっ
てカバー内を負圧とし、レール１４や送りねじ４９の摩
耗によって生ずる粉塵や駆動機構４６、４７などから飛
散するかもしれない油分などが下方に落下するのを阻止
している。

【００５２】スピンドル１７の回転により、回転トルク
は加圧シリンダ２１内のドライブプレート３とダイアフ
ラム５との積層を介してベースプレート２２に伝えられ
る。研磨中、ポンプにより圧送された研磨液は研磨液供
給孔２５より供給管３０に送り込まれ、給液孔１８ａよ
りウエハに供給されるが、研磨終了と同時にバルブが切
り替えられて研磨液供給孔２５に純水が供給されて、給
液管３０内の研磨液を純水に置換するとともに、ウエハ
上の研磨液を純水置換して研磨の進行を停止させる。給
液管３０は内壁がテフロンコーティングされた金属管で
あるが、銅薄膜の研磨に用いる金属に対してエッチング
作用のある研磨液を用いる場合（例えば、ロデール・ニ
ッタ社製：ＱＣＴＴ１０１０）、研磨終了とともに速や
かに給液管３０を純水置換することは、給液管３０の耐
用年数を伸ばすのに極めて重要である。

【００５３】なお、図１２に示すようにポリッシングヘ
ッド１８は、キャリア１３に取付けられたフード３３で
覆われ、ウエハの研磨加工中及び加工完了後は、フード
３３の内面に沿って洗浄水ｆを流し続けることにより、
飛散した研磨液の固化、ひいては研磨液の固形物の落下
によるウエハＷの破損を防止できる。研磨加工中に、ホ
ルダ２の外周部に設置されたシーリング部からも純水が
供給されて、基板裏面への研磨液の回り込みを回避して
いる。

【００５４】一方、図５において、ウエハＷの研磨によ
ってポリッシングヘッド１８の研磨布２４に生ずる目づ
まり、目の不揃いは、ポリッシングヘッド１８を退避位
置に戻してパッドコンディショナ手段１９によって修正
する。パッドコンディショナ手段１９は、回転するパッ
ドコンディショニングディスク３４を有し、図１３に示
したようにこのディスクを回転させながらポリッシング
ヘッド１８の研磨布２４に押し付けて目立て（ドレスア
ップ）を行う。この際、研磨液供給孔２５には純水が供
給され、給液孔１８ａより排出する純水で研磨布２４の
表面を水洗する。

【００５５】通常、パッドコンディショニングディスク
３４は１０μｍ〜５００μｍのダイヤモンド粒子の電着
板を用いるが、研磨布の目立ての際にダイヤモンド粒子
が離脱する場合がある。本研磨装置の場合、研磨布２４
が下向きになっているため、離脱ダイヤモンド粒子が研
磨布に付着しにくいよう配慮されているのである。

【００５６】なお、研磨布２４を目立てするときには、
図６において、加圧シリンダ２１の加圧室３１内にさら
に高圧空気を圧入し、ダイヤフラム５を通じてベースプ
レート２２の張出し縁２２ａをフランジ６の張り出し縁
６ａにポリッシング圧力より強い所定圧で圧着すれば、
研磨布２４を取り付けたベースプレート２２は、加圧シ
リンダ２１にクランプされて研磨布２４が安定する。研
磨布２４の目立て後は、パットクリーニング手段２０と
してのブラシを回転しつつ進退動させ、研磨布２４の表
面に付着している脱落砥粒や研磨粉などを除去して次の
ウエハの粗研磨に備え、インデックステーブル１を一定
角度（９０°）転回させ、粗研磨による平坦化処理が終
了したウエハＷを二次研磨ステーションＳ₃に移行させ
る。

【００５７】図３，４において、二次研磨ステーション
Ｓ₃においては、一次研磨による平坦化処理されたウエ
ハ表面の面粗度をさらに小さくすることを目的として研
磨処理が行われる。研磨液は、一次研磨処理に用いた研
磨液とは異なり、仕上げ研磨処理に適したものが用いる
のが一般的である。

【００５８】例えば、開口部の形成された層間絶縁膜上
の銅薄膜を研磨して除去して前記開口部に銅を埋め込む
場合、一次研磨処理にはｐＨ＝１〜２程度の酸性シリカ
スラリーを用いて銅のエッチング作用の大きい研磨液を
用い、層間絶縁膜が現れる二次研磨処理にはｐＨ＝４〜
６．５程度の弱酸性シリカスラリーを用いて銅のエッチ
ング作用を抑制し、開口部に埋め込まれた銅のディッシ
ングを回避する。二次研磨ステーションＳ₃においても
一次研磨ステーションＳ₂と同様にポリッシングヘッド
３５のほかにパッドコンディショナ手段３６及びパット
クリーニング手段３７を備えている。

【００５９】二次研磨ステーションＳ₃に移送されてき
たウエハＷは、ポリッシングヘッド３５にて表面仕上げ
処理が行われるほか、パッドコンディショナ手段３６及
びパットクリーニング手段３７によるポリッシングヘッ
ド３５の研磨布のコンディショニング並びにクリーニン
グの処理を行う点は、一次研磨ステーションＳ₂での処
理と、処理の操作としては全く同じである。

【００６０】また、図１１〜１３に示すように、この実
施形態においては、ウエハの一次研磨、二次研磨の処理
中はともにウエハの研磨加工中及びその前後に渡り、洗
浄水を流し続けているが、ウエハの研磨加工中を除い
て、図１１及び図１３に示すように使用された洗浄水
は、水槽４３中に一旦受け止め、排水側バルブ４４を開
いて外部へ排水しているが、研磨加工中においては図１
２に示すように、リサイクル側バルブ４５を開き、ポリ
ッシングヘッドに供給された研磨剤(スラリー）ととも
にリサイクル側管路に回収している。リサイクル側管路
に回収された研磨排液は、純水によって希釈される。従
って、限外フィルターを用いて研磨排液を濃縮した後、
再び研磨液として利用する。その際、必要に応じて研磨
排液中のＣｕ²⁺イオン等を除去する。

【００６１】二次研磨ステーションＳ₃に設置されたポ
リッシングヘッド３５に用いられる研磨パッドとしての
研磨布は、一次研磨ステーションＳ₂のポリッシングヘ
ッド１８に用いられた研磨布の硬度に比して軟質であ
り、仕上げ処理は、平坦化処理よりも長い時間をかけて
研磨加工が行われる場合が一般的である。仕上げ処理用
には、例えばポリウレタン含浸ポリエステル繊維型研磨
布（ロデール・ニッタ社製：ＳＵＢＡ８００）である。
一次研磨ステーションと同じく硬質研磨布を用いること
もできる。仕上げ処理が完了すると、インデックステー
ブル１は一定角度転回し、ウエハＷはアンローディング
ステーションＳ₄に移送され、表面が洗浄される。

【００６２】その後、図４に示したようにウエハはロボ
ットアーム３９でコンベア４１でスクラブ洗浄装置へと
移送される。移送中のウエハ表面には純水が噴霧されて
乾燥を防止している。スクラブ洗浄装置（図示せず）で
は、第１処理室でウエハ表面と裏面とを同時にブラシ洗
浄を行い、研磨剤粒子を除去する。ここでは、洗浄液と
しては電解水を用いた。第２処理室では、直径１０ｍｍ
〜２０ｍｍのピンブラシでウエハ表面を洗浄する。銅を
埋め込んだウエハ表面の洗浄にはクエン酸あるいは０．
０１％〜０．１％程度のフッ化水素水と過酸化水素水
（１％〜２０％）を添加した弱酸性洗浄液あるいは電解
水を用いた。

【００６３】第３処理室では、ウエハを高速回転した状
態でウエハ表面には純水を供給し、一方ウエハ裏面には
０．１％〜５％程度のフッ化水素水と過酸化水素水（１
％〜２０％）の混合液を供給してスピン洗浄し、ウエハ
両面に純水を供給して洗浄を行った後スピン乾燥する。
かかる一連のスクラブ洗浄装置内での処理より、研磨剤
粒子を完全に除去するとともに、ウエハ表面の層間絶縁
膜表面およびウエハ裏面から銅等の金属を除去して、Ｌ
ＳＩ製造ラインへとウエハを移送するのである。

【００６４】以上、実施形態においては、ローディング
ステーションＳ₁にウエハを搬入し、以後、インデック
ステーブルを一定角度（９０°）づつ転回させてウエハ
を順次一次研磨ステーションＳ₂、二次研磨ステーショ
ンＳ₃を経由させて平坦化処理、仕上げ処理を行い、ア
ンローディングステーションから外部へ搬出しつつ次々
に搬入されたウエハの平坦化処理と仕上げ処理を同じイ
ンデックステーブル上で行う例を示した。しかし、本発
明は、このような実施の形態に限らず、テーブル上に保
持させたウエハその他基板類の研磨処理に広く利用する
ことができる。

【００６５】

【発明の効果】以上のように本発明によるときには、基
板の研磨面を上向きに保持し、その上方から研磨を行
い、また、基板表面に押し付ける研磨布は三次元方向の
揺動による微動が可能であり、揺動の程度は調整でき、
さらに研磨布に直接スラリを給液しつつ研磨を行うもの
であるために以下に述べる効果がある。

【００６６】（１）基板の研磨面を上方から観察してそ
の形状の測定が可能であり、研磨作業を中断することな
く研磨面の形状を修正できる。

【００６７】（２）ポリッシングヘッドに基板径より小
径のディスクを用いて高速回転させつつ研磨を行うこと
が可能となる。ポリッシングヘッドに取付ける研磨布
は、研磨中に粘弾性変形をするが、短時間（０．１秒）
以内の変形挙動では、その変形は時間に比例する。した
がって基板と研磨布間の相対速度を上げれば、研磨布
は、見かけ上硬くなり、研磨布が硬くなれば、基板への
研磨面の転写性がよくなり、基板面の研磨精度を向上で
きる。

【００６８】（３）基板全面についての研磨の均一性に
関して、従来は、研磨精度は専ら研磨布の粘弾性特性に
依存しており、操作のパラメータが限られていたが、本
発明においては、基板の外径より小径のディスクのポリ
ッシングヘッドを用いて基板の表面に形成されているう
ねりに追従させることができる。また、部分的な研磨の
均一性に関しては、研磨布と基板との相対速度が早いた
め、研磨布が見かけ上硬質化し、極めて均一な平坦化加
工が可能となる。

【００６９】（４）研磨面をモニタして研磨面形状、研
磨面厚み、研磨温度を研磨作業中に計測が可能のため、
研磨面情報から形状修正パターンを算出して研磨状況に
応じた研磨条件を設定できる。

【００７０】（５）研磨におけるランニングコストは研
磨剤（スラリ）と研磨布の使用量が大半を占めている。
研磨布を貼り付けたプラテン上に研磨剤を供給したとき
には、その殆どの研磨剤は基板の研磨に使用されないま
まに排水されるが、本発明においては、研磨剤はスピン
ドルを通して研磨布と基板との間に圧入されるために、
ウエハの研磨に対する使用効率は高い。また、研磨布の
全面が基板に接触するために研磨布の全面が均等に使用
され、ひいては研磨布に無駄が生じない。

【００７１】（６）基板の研磨によって研磨布に生じた
目づまりは、目立てを行うことによって再生でき、研磨
布をパットコンディショニングディスクに押しつけて目
立てを行うに際しては、加圧シリンダ内に高圧空気を圧
入してベースプレートを固定し、研磨布に振れ止めを施
した状態で目立てを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す正面図である。

【図２】本発明の一実施形態を示す平面図である。

【図３】本発明の一実施形態を略示的に示す平面図であ
る。

【図４】本発明の一実施形態を示す図である。

【図５】一次研磨ステーションの設備を示す図である。

【図６】ポリッシングヘッドを示す図である。

【図７】バキュームチャックの構造を示す図である。

【図８】ポリッシングヘッドの分解図である。

【図９】研磨布に付された研磨剤の誘導用の溝の例を示
す図である。

【図１０】（ａ）は研磨布の設置例を示す断面図，
（ｂ）は底面図である。

【図１１】ポリッシングヘッドによるウエハの研磨開始
時の状況を示す図である。

【図１２】ウエハの研磨作業中の状況を示す図である。

【図１３】ポリッシングヘッドの研磨布の目立てを行な
っている状況を示す図である。

【符号の説明】

１インデックステーブル２ホルダ３ドライブプレート４バキュームチャック５ダイアフラム６フランジ７ロボットアーム７ａウエハ・チャック９透孔１０ウエハキャリア１１ピンクランプ１２ボルト１３キャリア１４レール１５送気配管１６ノズル１７スピンドル１８ポリッシングヘッド１８ａ給液孔１９パッドコンディショナ手段２０パッドクリーニング手段２１加圧シリンダ２１ａ鍔部分２２ベースプレート２２ａ張出し縁２３研磨布張り付板２４研磨布２５研磨液供給口２６吸着孔２７水シール室２８通水溝２９シールリング３０給液管３１加圧室３２拡散溝３３フード３４パッドコンディショニングディスク３５ポリッシングヘッド３６パッドコンディショナ手段３７パッドクリーニング手段３８ウエハ表面洗浄手段３９ロボットアーム３９ａウエハ・チャック４０ピンクランプ４１コンベア４２ウエハ裏面洗浄手段４３水槽４４排水側バルブ４５リサイクル側バルブ４６上下駆動機構４７回転駆動機構４８キャリアの送り駆動機構４９送りねじ５０機枠５１カバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小野寺貴弘東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者小林一雄神奈川県厚木市上依知3009番地株式会社岡本工作機械製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】テーブルと、ポリッシングヘッドとを有
する研磨装置であって、テーブルは、研磨すべき基板を定位置に上向きに保持す
るものであり、ポリッシングヘッドは、下面の少なくとも一部に研磨面
を有し、研磨面は、テーブル上の基板を研磨する面であり、研磨
パッドが貼付けられ、三次元方向に揺動可能であること
を特徴とする研磨装置。
【請求項２】テーブル又はポリッシングヘッドの少な
くとも一方は回転駆動され、ポリッシングヘッドは、テ
ーブル上方を直線方向の移動送りが与えられるものであ
ることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】レールを有し、レールは、テーブル上の
基板に対する研磨位置と、テーブルから離れた退避位置
との間でポリッシングヘッドを往復動させるガイドであ
ることを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
【請求項４】レールは、機体に組付けられた機枠に吊
下げてテーブルの上方空間に配置されたものであること
を特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
【請求項５】送り駆動機構を有し、送り駆動機構は、
レールに沿ってポリッシングヘッドに往復移動送りを与
えると共に、テーブル上に保持されて回転する基板の研
磨位置に応じてポリッシングヘッドの送り速度を制御す
るものであることを特徴とする請求項２、３または４に
記載の研磨装置。
【請求項６】ポリッシングヘッドは、レールに沿って
移動送りが与えられるキャリアにセットされ、キャリアは、上下駆動機構と、回転駆動機構とを装備
し、上下駆動機構は、キャリアを上下動させるものであり、回転駆動機構は、ポリッシングヘッドを回転駆動するも
のであることを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項７】ポリッシングヘッドは、給液管を有し、給液管は、ポリッシングヘッドの回転中心を通して外部
から供給された研磨剤を研磨パッドに給液する給液孔を
有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記
載の研磨装置。
【請求項８】ポリッシングヘッドは、加圧シリンダ
と、ベースプレートとの組合せを有し、加圧シリンダは、キャリアに一定角度姿勢で支えられた
ものであり、ベースプレートは、研磨パッドを支えて加圧シリンダに
三次元方向に揺動可能に取付けられたものであることを
特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。
【請求項９】摩耗した研磨パッドは、パッドコンディ
ショナ手段のディスクに押し付けて目立てされるもので
あり、目立ての際には、クランプされ、揺動を停止する
ものであることを特徴とする請求項６に記載の研磨装
置。
【請求項１０】パッドコンディショナ手段は、退避位
置に設置されたものであることを特徴とする請求項３又
は９に記載の研磨装置。
【請求項１１】加圧シリンダは、高圧空気の送気孔を
有し、送気孔を通して圧入された高圧空気の圧力を作用
させてベースプレートを固定させることを特徴とする請
求項９に記載の研磨装置。
【請求項１２】加圧シリンダと、ベースプレートとは
ダイアフラムと、ドライブプレートとを介して結合さ
れ、ダイアフラムは、加圧シリンダとベースプレート間の気
密を保持するものであり、ドライブプレートは、ベースプレートの変位に追従させ
るとともにベースプレートの支持強度を与えるものであ
ることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
【請求項１３】研磨面の揺動の程度は、加圧シリンダ
内に圧入される高圧空気の圧入量によって制御されるも
のであることを特徴とする請求項８、１１又は１２に記
載の研磨装置。
【請求項１４】研磨パッドは、研磨布であり、拡散溝
を有し、拡散溝は、供給された研磨剤を研磨面に分散させる溝で
あることを特徴とする請求項１又は７に記載の研磨装
置。
【請求項１５】研磨布は、円形帯状をなし、拡散溝
は、研磨布の内周に開放され、外周には開放されずに研
磨布の範囲内に形成された溝であることを特徴とする請
求項１４に記載の研磨装置。