JPH11277414A - 研磨装置及び研磨加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハの外周側の境界部分の研磨面に
おける縁だれの発生を防止して平坦な研磨面とすること
が可能な研磨装置及び研磨加工方法を提供すること。 【解決手段】 被研磨材２４をその研磨面と対向配置さ
れた研磨布２３に押圧して研磨加工を行う研磨装置２０
において、被研磨材２４の研磨面を露出させて保持する
保持手段３３と、保持手段３３を研磨布２３にその押圧
力を調整自在として押圧すると共に回転駆動させる第１
の駆動手段３７，３９と、保持手段３３の外周側にこの
保持手段３３の回転駆動とは非従属的に設けられ、下端
で研磨布２３と接触するガイドリング体４３と、ガイド
リング体４３を研磨布２３にその押圧力を調整自在とし
て押圧すると共に、このガイドリング体４３を保持手段
３３とは独立して回転駆動させる第２の駆動手段４６，
５０と、を具備することを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハを平
面且つ鏡面状に研磨する研磨装置及び研磨加工方法、特
にポリッシング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体ウエハの高集積化が進むに
つれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く、
且つ多層化する傾向にある。このため、半導体ウエハと
配線膜の平坦化が必要とされており、この平坦化を能率
良く行う方法として、ＣＭＰ（化学機械研磨）法による
研磨が適用されている。

【０００３】図４は、ＣＭＰ法による研磨を実施するた
めの研磨装置として用いられるポリッシング装置１の概
略図である。

【０００４】ポリッシング装置１は半導体ウエハなどの
ワーク２を保持するキャリア３と、このキャリア３を回
転駆動させる不図示の駆動モータと、キャリア３及び駆
動モータ４を後述するテーブル５に対して押圧するため
のエアシリンダ６と、キャリア３に対向配置されたテー
ブル５と、このテーブル５の上面に設けられた不織布や
発砲ポリウレタンを材料とする研磨布７と、テーブル５
を回転駆動させる駆動モータ８とを備えている。

【０００５】この研磨布７とワーク２の間の研磨面とな
る部分には、適宜砥粒と薬液とからなる研磨液が供給さ
れ、それによって所望の加工精度にワーク２の研磨加工
を行うように構成されている。

【０００６】上記テーブル５の上面に対向して設けられ
ているキャリア３は、そのテーブル５に対向する側の面
でワーク２を保持している。ワーク２の外周には、研磨
加工途中でこのワーク２がキャリア３から位置ずれして
外れないようにするためのガイドリング８が設けられて
いる。

【０００７】このキャリア３へのワーク２の保持は、種
々の方式があり、例えばキャリア３に真空吸着させる方
式、キャリア３にワックスを塗布し、このワックスによ
り貼付される方式、キャリア３に軟質のフィルムを設け
て、このフィルム上にワーク２を水貼して固定する方式
等がある。この状態で、キャリア３とテーブル５をそれ
ぞれ駆動モータ８で回転させ、さらにワーク２に対して
エアシリンダ６によって押圧力を付加することで、研磨
液中の砥粒による物理的及び研磨液に含まれる薬液によ
る化学的の両者の作用によってワーク２の研磨面の凹凸
を除去しながら平坦面へと仕上げる加工を行う。

【０００８】ここで、研磨布７や研磨液等の研磨環境に
変動を生じなければ、研磨除去量は研磨圧力とワーク２
及び研磨布７の間の相対速度、それと研磨時間により定
められる。したがって、ワーク２内に部分的な平坦性の
悪い凹凸部分があれば、凸部へのみ局所的に圧力を増加
させるか、或いは研磨布７との間の相対速度を高める
か、若しくは研磨時間を長くする必要がある。

【０００９】しかしながら、研磨布７や研磨液等の研磨
環境は一定とはなっていなく、特に研磨布７はその研磨
時間や研磨回数に応じて消耗してゆき、それによって研
磨除去速度や圧力等に影響する弾性係数や砥粒保持能力
等の特性が変化してしまう。そのため、このポリッシン
グ装置１においては、研磨滞在時間が最も長いワーク２
中心部を通る回転軌跡の研磨布７消耗が最も大きなもの
となっている。このため、ある特定の条件で一義的に決
定されたキャリア形状を適用しても、研磨環境が変化し
てしまう以上は、ワーク２を厳密に平坦化する研磨加工
を行うことができなくなっている。

【００１０】そのために、研磨中のワーク２の平坦度を
モニタリングしてその研磨環境の変化に応じて研磨中に
その研磨条件を変化させる方法や、研磨中にキャリア３
の形状を研磨の状況に応じて変化させて寸法の補正を行
う方法が提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如く研磨環境の変化に対応させて研磨条件やキャリア３
の形状を変化させても、未だワーク２の縁だれ（ワーク
２のエッジ部の厚みが薄くなってしまう現象）が発生し
て、ワーク２の平坦度が低下してしまうといった不具合
が生じ得る。

【００１２】上述の如く、ワーク２の縁以外の内面側で
はワーク２に付与される押圧力を変化させるため、キャ
リア形状を最適化することによって改善できたが、上記
の縁だれについては、ワーク２の内面側ではなくワーク
２の境界側での圧力分布が問題となるため、キャリア形
状を最適化するのみでは補正できないものとなってい
る。

【００１３】ここで、ワーク２の境界部分における圧力
の発生の状況を図５でモデル的に示す。ワーク２の境界
部分では、このワーク２を研磨布に押し付けたことによ
る押圧力、ワーク２と研磨布７とが相対運動（テーブル
５の回転、及びポリッシング装置１に保持されたワーク
２を回転させた運動の合成された運動）をすることによ
り生じる圧力（以下、これを動圧と称する）の合成され
た圧力が発生する。

【００１４】このため、ワーク２の外周部分には、この
ワーク２の境界部分での動圧を抑制するため、ワーク２
が外れるのを防止するガイドリング８を用いて調整を行
っている。ここで、動圧を抑制するためには、このガイ
ドリング８の高さを最適化すれば良いが、上述のキャリ
ア形状と同様に、研磨環境が変化してしまうので、この
ガイドリング８の高さ調整のみでは最適な効果が維持で
きないといった不具合が発生している。

【００１５】このため、ガイドリング８の研磨布７への
押し付け荷重をキャリア３とは別個に可変設定し、そし
てガイドリング８の押し付け荷重をキャリア３よりも大
きくして研磨する方法が特開平９−１６８９６４によっ
て提案されている。

【００１６】しかしながら、ガイドリング８の押し付け
荷重を高めると、このガイドリング８で遮断されること
により研磨液のワーク２の研磨を行っている部位への供
給量が減少してしまう。そのため、研磨除去レートが低
下し、ワーク２の生産性が低下してしまうといった欠点
が生じている。

【００１７】また、キャリア３に保持されたワーク２へ
の研磨液の供給を良好に行うための構成として、ガイド
リング８に間欠的な溝を形成する構成が特開平８−１１
０５５によって提案されている。しかしながら、この提
案ではワーク２を保持する保持部とガイドリング８とが
一体的な構成であり、そのためワーク２に対する溝の相
対的な位置が変化しない構成となっている。そのため、
ワーク２の外周側境界部分では、溝を形成したことによ
る凹凸部分の有無により、押圧力に変動を来たし、その
ためワーク２に対してその押圧力が影響を及ぼし、この
ワーク２の外周側境界部分で平坦なワーク２の加工を実
現できないものとなっている。

【００１８】本発明は上記の事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするところは、半導体ウエハの外周側
の境界部分の研磨面における縁だれの発生を防止して平
坦な研磨面とすることが可能な研磨装置及び研磨加工方
法を提供しようとするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、被研磨材をその研磨面と対
向配置されテーブル上面に取付けられた研磨布に押圧し
て研磨加工を行う研磨装置において、被研磨材の研磨面
を露出させて保持する保持手段と、上記保持手段を上記
研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、
この保持手段を回転駆動させる第１の駆動手段と、上記
保持手段の外周側にこの保持手段の回転駆動とは非従属
的に設けられ、下端で上記研磨布と接触するガイドリン
グ体と、上記ガイドリング体を上記研磨布にその押圧力
を調整自在として押圧すると共に、このガイドリング体
を上記保持手段とは独立して回転駆動させる第２の駆動
手段と、を具備することを特徴とする研磨装置である。

【００２０】請求項２記載の発明は、上記ガイドリング
体は、その下端が間欠的に上記研磨布と接触する構成で
あることを特徴とする請求項１記載の研磨装置である。

【００２１】請求項３記載の発明は、保持手段に保持さ
れた被研磨材をその被研磨材と対向配置された研磨布に
押圧し、この研磨布に対して保持手段を相対的に回転駆
動させて研磨加工を行う研磨加工方法において、上記保
持手段の外周側にこの保持手段とは非従属的に押圧及び
回転駆動されると共に、下端が間欠的に上記研磨布と接
触するガイドリング体を設け、このガイドリング体が上
記保持手段の回転数よりも大きな回転数で回転駆動され
ることを特徴とする研磨加工方法である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて、図１ないし図３に基づいて説明する。

【００２３】図１に示す研磨装置としてのポリッシング
装置２０は、テーブル２１が設けられている。このテー
ブル２１は、上面が平坦面に形成されていて、さらにそ
の径中心の下面側にはこのテーブル２１を回転駆動させ
るための回転軸２２が一体的に取り付けられている。そ
して、この回転軸２２は、不図示の駆動源に連結されて
いて、それによってこのテーブル２１の上面に貼付され
た研磨布２３を回転駆動させ、ワーク２４の研磨を行え
る構成としている。

【００２４】上記テーブル２１の上面には、ワーク２４
としての半導体ウエハを研磨加工する研磨布２３が貼付
されその研磨布２３上面はワーク２４を精度良く研磨加
工する必要から精度良く平坦化されている。

【００２５】そして、この研磨布２３の上方にはこの研
磨布２３の径よりも小さい回転径を有するワーク回転駆
動装置３０が配置されている。このワーク回転駆動装置
３０は、ワーク２４を保持して回転駆動させるキャリア
機構部３１と、このキャリア機構部３１の外周側に位置
して回転駆動されるガイドリング機構部３２とから構成
されている。

【００２６】キャリア機構部３１は、ワーク２４の研磨
面を研磨布２３に対向させた状態で保持するキャリア３
３を有していて、そのキャリア３３の上方側には、軸受
３４を介して回転軸３５が取り付けられている。そし
て、この回転軸３５の上端には、回転駆動ギヤ３６が取
り付けられており、その回転駆動ギヤ３６は駆動モータ
３７の駆動軸３７ａに取り付けられた駆動ギヤ３８と噛
合している。それによって、駆動モータ３７から発生し
た駆動力が回転軸３５に伝達する仕組みとなっている。

【００２７】上記回転軸３５の駆動ギヤ３８よりも上方
側には、キャリア３３に取り付けられたワーク２４を押
圧するためのエアシリンダ３９が取り付けられている。
このエアシリンダ３９は、シリンダ体４０とロッド体４
１から構成されていて、エアの圧力を付加することによ
って回転軸３５に対して押圧力を付加する構成となって
いる。この押圧力が回転軸３５に付加された場合には、
それによって回転軸３５が下方に向かい駆動され、それ
に伴ってワーク２４に対して押圧力が付与される。

【００２８】上記駆動モータ３７及びエアシリンダ３９
は、共に支持アーム４２に取り付けられている。この支
持アーム４２は、例えば棒状部材や板状部材などから構
成され、上述の駆動モータ３７及びエアシリンダ３９が
並列されて駆動力及び押圧力を付与し易い構成としてい
る。

【００２９】このようなキャリア機構部３１の外部を覆
うように、ガイドリング機構部３２が設けられている。
ガイドリング機構部３２は、円筒筐体形状のガイドリン
グ４３を有しており、このガイドリング４３が上記キャ
リア３３及び回転軸３５を覆う構成となっている。この
ガイドリング４３は、回転軸３５のキャリア３３側の位
置に軸受４４を有していて、この軸受４４で軸支される
構成となっている。

【００３０】そして、このガイドリング４３は、キャリ
ア３３と非接触でかつ近接対向するように形成されてい
る。このガイドリング４３の上端は、回転軸３５に対応
した外径を有しており、この上端には回転駆動ギヤ４５
が嵌合されている。そしてこの回転駆動ギヤ４５には、
駆動モータ４６に嵌合された駆動ギヤ４７が取り付けら
れている。この駆動ギヤ４７と回転駆動ギヤ４５とが噛
合することで例えばベベルギヤやかさ歯車等を構成して
いる。

【００３１】なお、駆動モータ４６と共に回転駆動ギヤ
４５には補助回転ギヤ４８が噛合している。この補助回
転ギヤ４８は、回転駆動ギヤ４５に対して駆動モータ４
６を含めて例えば三方向に配置されており、この駆動モ
ータ４６及び補助回転ギヤ４８を介してガイドリング４
３に押圧力を付与する構成となっている。

【００３２】ガイドリング４３に押圧力を付与するため
に、上記支持アーム４２の分岐アーム部４９にはエアシ
リンダ５０が取り付けられている。エアシリンダ５０の
ロッド５１下端部には、支持部材５２が取り付けられて
いて、この支持部材５２の下端には駆動モータ４６及び
補助回転ギヤ４８が取り付けられている。そのため、エ
アシリンダ５０を作動させて下方への押圧力を付与する
と、支持部材５２及び駆動モータ４６の駆動ギヤ４７及
び補助回転ギヤ４８を介してガイドリング４３にその押
圧力が付与される構成となっている。

【００３３】上記ガイドリング４３の研磨布２３と接触
する下端面は、図２に示すように隙間５３を有するよう
に間欠的に形成されている。その隙間５３は、例えばガ
イドリング４３の下端面が略円周曲線状に形成されるこ
とによって存するように構成されている。

【００３４】なお、テーブル２１上の研磨布２３に対し
て研磨液を供給するために、供給ノズル５４が研磨布２
３の上方に配置されている。

【００３５】以上のような構成を有するポリッシング装
置２０を用いてワーク２４の研磨加工を行う場合の作用
について、以下に説明する。

【００３６】ワーク２４をキャリア３３に対して例えば
真空吸着等により保持させた後に、このワーク２４をテ
ーブル２１の研磨布２３に対して適宜の圧力で押圧す
る。そして、供給ノズル５４から研磨液の供給を行い、
テーブル２１を回転駆動させると共にワーク２４を保持
しているキャリア３３を回転駆動させ、さらにガイドリ
ング４３もキャリア３３とは別に独立した回転駆動をさ
せながらワーク２４の研磨加工を行う。

【００３７】この場合、ガイドリング４３の回転速度
は、キャリア３３の回転速度よりも速くなるように設定
する。また、ガイドリング４３の研磨布２３に対する押
圧力は、キャリア３３の研磨布２３に対する押圧力より
も大きくなるように設定する。

【００３８】この場合の研磨加工の様子を図３に示す。

【００３９】図３（ａ）はガイドリング４３の押圧力を
３００ｇｆ／ｃｍ² ，回転数７０ｒｐｍに設定したと
き、図３（ｂ）はガイドリング４３の押圧力を３００ｇ
ｆ／ｃｍ² ，回転数１００ｒｐｍに設定したとき、図３
（ｃ）はガイドリング４３の押圧力を３５０ｇｆ／ｃｍ
² ，回転数１００ｒｐｍに設定したときの夫々のワーク
２４の中心からの距離と研磨除去速度との関係を示すグ
ラフである。

【００４０】なお、いずれの場合にも、キャリア３３の
押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ² ，回転数を７０ｒｐｍとし
ている。

【００４１】これらのグラフによると、図３（ａ）に示
すようにガイドリング４３の回転速度を７０ｒｐｍとす
ると、ワーク２４の外周側境界部分の研磨除去速度は、
ワーク２４の内周側と比較して大きくなる。すなわち、
ガイドリング４３の回転速度が遅い場合には、研磨布２
３の弾性回復速度もそれに伴って遅くなるため、ワーク
２４のエッジ部分に作用する押圧力も大きく作用し、そ
れによって研磨除去速度は、ワーク２４のエッジ部分で
大きくなっている。このため、ワーク２４の内周側とエ
ッジ部分とでは均一な研磨加工を行えないものとなって
いる。

【００４２】また、図３（ｃ）に示すように、ガイドリ
ング４３の押圧力を３５０ｇｆ／ｃｍ² にすると、ワー
ク２４のエッジ部分の研磨除去速度は、ワーク２４の内
周側と比較して小さくなり、よってこの場合にもワーク
２４の内周側とエッジ部分とでは均一な研摩加工を行え
ないものとなっている。

【００４３】これより、ガイドリング４３の押圧力は、
図３（ｃ）の場合、すなわちワーク２４の内周側とエッ
ジ部分とに均一な押圧力が作用するように押圧力を調整
し、またキャリア３３の回転数よりもガイドリング４３
の回転数が大きくした所定の回転数に調整する。これに
よって、ワーク２４に作用する押圧力の調整が図られ、
ワーク２４の研磨面を平坦化して加工を行うことができ
る。

【００４４】このような構成のポリッシング装置２０に
よると、キャリア３３には駆動モータ３７及びエアシリ
ンダ３９により夫々駆動力及び押圧力が与えられ、ガイ
ドリング４３には駆動モータ４６及びエアシリンダ５０
により夫々駆動力及び押圧力が与えられ、これらの駆動
力及び押圧力が独立して与えられる構成であるので、ワ
ーク２４の内周側とエッジ部分とで均一な押圧力が作用
するように夫々押圧力を調整し、さらにキャリア３３と
ガイドリング４３の回転数を夫々調整すれば、厚みむら
をなくしてワーク２４の内周側とエッジ部分とで均一な
平坦化を実現でき、縁だれの発生を防止することができ
る。

【００４５】また、ガイドリング４３の下端には、略円
周曲線状の隙間５３が形成されているので、この隙間よ
りワーク２４の研磨面に対して研磨液の供給を維持でき
る。これにより、ワークの研磨除去レートが低下せず、
ワーク２４の研磨の作業能率を低下させることがない。
よってワーク２４の生産性を高めることができる。

【００４６】更に、ガイドリング４３の回転数をキャリ
ア３３の回転数よりも大きくすることにより、研磨布２
３が弾性回復してワーク２４のエッジ部分に縁だれなど
の影響を及ぼすのを防止することができる。

【００４７】また、回転数を大きくすることで、その分
隙間５３の間隔を大きくする構成を採用することもで
き、その場合には十分な供給量の研磨液を確保できる。

【００４８】以上、本発明の一実施の形態について説明
したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となってい
る。以下それについて述べる。

【００４９】上記実施の形態では、隙間５３が略円周曲
線状に形成されたガイドリング４３の下端面の形状によ
り形成されているが、この隙間５３を形成するために
は、ガイドリング４３の下端の形状は特に限定されず、
例えば波曲線状など、どのような形状であっても構わな
い。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ガイドリング体が保持手段とは非従属的に設けられ第２
の駆動手段によって保持手段とは独立して押圧力の調整
及び回転駆動が為されるので、ガイドリング体へのそれ
ら押圧力及び回転駆動を適宜に調整すれば、被研磨材の
エッジ部分に生じる縁だれの発生を防止して被研磨材を
精度良く平坦化させることが可能となる。

【００５１】また、ガイドリング体の下端が間欠的に形
成されることで、研磨液の供給を維持でき、研磨除去レ
ートを低下させることがない。この場合、ガイドリング
体の回転数を保持手段の回転数より大きくすることで、
研磨布の弾性回復による被研磨材のエッジ部分への影響
を低減化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わるポリッシング装
置の構成を示す側断面図。

【図２】同実施の形態に係わるガイドリングの形状を示
す図。

【図３】同実施の形態に係わるワークの中心からの距離
と研磨除去速度との関係を示すグラフ。

【図４】従来のポリッシング装置の構成を示す側断面
図。

【図５】従来のポリッシング装置によるワークの研磨状
態を示す図。

【符号の説明】

２０…ポリッシング装置 ２１…テーブル ２３…研磨布 ２４…ワーク ３０…ワーク回転駆動装置 ３１…キャリア機構部 ３２…ガイドリング機構部 ３３…キャリア ３７…駆動モータ ３９…エアシリンダ ４２…支持アーム ４３…ガイドリング ４５…回転駆動ギヤ ４６…駆動モータ ４７…駆動ギヤ ４８…補助回転ギヤ ５０…エアシリンダ ５３…隙間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被研磨材をその研磨面と対向配置されテ
   ーブル上面に取付けられた研磨布に押圧して研磨加工を
   行う研磨装置において、 被研磨材の研磨面を露出させて保持する保持手段と、 上記保持手段を上記研磨布にその押圧力を調整自在とし
   て押圧すると共に、この保持手段を回転駆動させる第１
   の駆動手段と、 上記保持手段の外周側にこの保持手段の回転駆動とは非
   従属的に設けられ、下端で上記研磨布と接触するガイド
   リング体と、 上記ガイドリング体を上記研磨布にその押圧力を調整自
   在として押圧すると共に、このガイドリング体を上記保
   持手段とは独立して回転駆動させる第２の駆動手段と、 を具備することを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 上記ガイドリング体は、その下端が間欠
   的に上記研磨布と接触する構成であることを特徴とする
   請求項１記載の研磨装置。
3. 【請求項３】 保持手段に保持された被研磨材をその被
   研磨材と対向配置された研磨布に押圧し、この研磨布に
   対して保持手段を相対的に回転駆動させて研磨加工を行
   う研磨加工方法において、 上記保持手段の外周側にこの保持手段とは非従属的に押
   圧及び回転駆動する下端が間欠的に上記研磨布と接触す
   るガイドリング体を上記保持手段の回転数と異なる回転
   数で回転駆動することを特徴とする研磨加工方法。