JPH11156711A - 研磨装置 - Google Patents

研磨装置

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JPH11156711A
JPH11156711A JP33201997A JP33201997A JPH11156711A JP H11156711 A JPH11156711 A JP H11156711A JP 33201997 A JP33201997 A JP 33201997A JP 33201997 A JP33201997 A JP 33201997A JP H11156711 A JPH11156711 A JP H11156711A
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polishing
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Yoshihiro Hayashi
Kazuo Kobayashi
Takahiro Onodera
一雄 小林
貴弘 小野寺
喜宏 林
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Nec Corp
Okamoto Machine Tool Works Ltd
日本電気株式会社
株式会社岡本工作機械製作所
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B41/00Component parts such as frames, beds, carriages, headstocks
    • B24B41/06Work supports, e.g. adjustable steadies
    • B24B41/068Table-like supports for panels, sheets or the like

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
2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
2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
3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 (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
  11. 【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。
  12. 【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。
  13. 【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。
  14. 【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。
  15. 【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。
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