JPH11333677A

JPH11333677A - 基板の研磨装置

Info

Publication number: JPH11333677A
Application number: JP8478799A
Authority: JP
Inventors: Hirokuni Hiyama; 浩國檜山; Taketaka Wada; 雄高和田; Kazuto Hirokawa; 一人廣川; Naonori Matsuo; 尚典松尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 1999-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】小型・軽量で取り扱いやすく、平坦性の高い
研磨が行えるとともに、被研磨面に汚染物質等が付着し
ないようにした基板の研磨装置を提供する。【解決手段】砥石２１の研磨面と基板４の被研磨面と
を摺動させることで、基板４の被研磨面を平坦且つ鏡面
状に研磨する基板の研磨装置において、砥石２１はリン
グ状をなしており、且つその研磨面を上向きに配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板等の基
板表面を平坦且つ鏡面状に研磨する砥石を用いた研磨装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が進む
につれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く
なりつつある。特に線幅が微細になると光リソグラフィ
の場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパー
の結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体基板の
表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の
１手段として基板の研磨装置により研磨することが行わ
れている。

【０００３】従来、この種の基板の研磨装置は、研磨布
を貼設したターンテーブルとトップリングとを有し、ト
ップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ター
ンテーブルとトップリングとの間に研磨対象物を介在さ
せて、砥液を供給しつつ該研磨対象物の表面を平坦且つ
鏡面に研磨している。

【０００４】図７は、従来の基板の研磨装置の一例の主
要部を示す図である。基板の研磨装置は、上面に研磨布
６を貼った回転するターンテーブル５と、回転および押
圧可能に研磨対象物である半導体基板４を保持するトッ
プリング１と、研磨布６に砥液Ｑを供給する砥液供給ノ
ズル９とを備えている。トップリング１はトップリング
駆動軸８に連結されており、またトップリング１はその
下面にポリウレタン等の弾性マット２を備えており、弾
性マットに接触させて半導体基板４を保持する。さらに
トップリング１は、研磨中に半導体基板４がトップリン
グ１の下面から外れないようにするため、円筒状のガイ
ドリング３を外周縁部に備えている。ここで、ガイドリ
ング３はトップリング１に対して円周方向に固定されて
おり、その下端面はトップリング１の保持面から突出す
るように形成され、研磨対象物である半導体基板４が保
持面内に保持され、研磨中に研磨布６との摩擦力によっ
てトップリング外へ飛び出さないようになっている。

【０００５】半導体基板４をトップリング１の下面の弾
性マット２の下部に保持し、ターンテーブル５上の研磨
布６に半導体基板４をトップリング１によって押圧する
とともに、ターンテーブル５およびトップリング１をそ
れぞれ独立に回転させて研磨布６と半導体基板４を相対
運動させて摺動することにより研磨する。このとき、砥
液供給ノズル９から研磨布６上に砥液Ｑを供給する。砥
液は、例えばアルカリ溶液にシリカ等の微粒子からなる
砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨
作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用である
化学・機械的研磨によって半導体基板を研磨する。

【０００６】しかしながら、係る従来の研磨布に砥粒を
多量に含むスラリ状の砥液を供給しつつ化学・機械的研
磨を行う方法には、以下に述べる２つの問題点がある。

【０００７】第１の問題点は、研磨初期は凸部が優先的
に研磨されるが、次第に凹部も削られるようになる。こ
のため、凹凸の段差がなかなか解消されない。これは、
研磨が比較的柔らかい研磨布を用いて、且つ遊離砥粒を
多量に含むスラリ状の砥液により研磨を行うため、化学
・機械的研磨が半導体基板表面上の凸部のみならず凹部
にも作用するためと考えられる。即ち、図８は従来の化
学・機械的研磨による研磨特性を示し、横軸は相対時間
であり、縦軸は凸部及び凹部の膜厚の段差部の高さを示
している。図９（ａ）は段差部の研磨初期の段階を示
し、（ｂ）は研磨中期の段階を示し、（ｃ）は研磨終期
の段階を示す。図示するように凸部と共に凹部も研磨さ
れるため、段差の完全な解消が困難であり、又は時間が
かかるという問題がある。

【０００８】又、第２の問題点としてコスト及び環境の
問題がある。これは、砥液としては例えば微粉末シリカ
の懸濁液等の研磨スラリが用いられているが、平坦度の
面内均一性の高い研磨を行うためには、研磨布上に充分
に潤沢に砥液が供給されねばならない。しかしながら、
供給された砥液の大半は実際の加工に寄与することな
く、廃液として排出されてしまうことになる。一般に高
精密度の半導体の加工に用いられる砥液のコストは高い
ので、研磨工程のコストの問題を生じることになる。
又、上述の砥液は例えばシリカ等の砥粒を多量に含むス
ラリ状であるため、その廃液による作業環境の維持が大
変である。即ち、装置の砥液の供給系及び廃液の排出系
等に対する汚染が極めて著しく、更に廃液自体の処理も
極めて難度の高いものが要求されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで研磨布にスラリ
状の砥液を供給する従来の研磨方法に変えて、砥石を用
いて研磨する方法が知られている。これは例えばシリカ
等の砥粒を樹脂材等のバインダを用いて結合させて平板
状に加工した砥石を用いて、これをターンテーブル上に
貼設し、トップリングに保持された半導体基板を押圧、
摺動することにより研磨を行うものである。

【００１０】係る研磨方法によれば、砥石は研磨布と比
較して硬質であるため、半導体基板上の凹凸の凸部のみ
が研磨される。これにより、従来の化学・機械的研磨方
法による凸部のみならず凹部も研磨され、平坦化するこ
とが困難であり、又時間がかかるという問題点が解消さ
れる。又、砥粒を多量に含むスラリ状の砥液を用いない
ため、その処理コストが低減し、又、廃液処理の負荷も
低減するという利点がある。

【００１１】しかしながら、このような研磨布に代えて
ターンテーブルに砥石を貼設した場合には、かなり大き
な径の砥石を製作する必要があり、特に大径の半導体基
板の研磨では、砥石を貼設した定盤が大きくなり過ぎ、
その取り扱いに難があり、装置が大型化・重量化すると
いう問題点がある。このため、研磨対象の半導体基板の
被研磨面を上側に向けて、上からリング状の砥石などで
基板の被研磨面を研磨するカップ型の研磨装置が用いら
れている。

【００１２】図１０は、従来のカップ型の砥石を用いた
研磨装置の一例を示す。基板ホルダ１１には、研磨対象
物である半導体基板４がその被研磨面を上側にして保持
される。そして、基板４の上側に、カップ型の砥石（リ
ング状の砥石）１２が砥石ホルダ１３に固定され、砥石
１２の下側の研磨面が基板４の被研磨面と摺動すること
により研磨が進行する。砥石ホルダ１３は、砥石１２の
研磨面で基板４を押圧しつつ、その軸１３ａの周りに回
転するとともに、その軸１３ａに垂直な面内で平行運動
又は回転運動を行うことにより、基板４の全面を研磨す
る。

【００１３】このようなカップ型の研磨装置の場合に
は、砥石及び砥石の摺動機構は比較的小さくて済む利点
がある。しかしながら、被研磨物が半導体基板などの微
細な凹凸構造を表面に有するものである場合には、その
被研磨面が上向きで研磨が行われるため、被研磨面の凹
部に自生した砥粒や研磨に伴う２次生成物が入り込み、
段差の解消が不十分となったり、又凹部に汚染物質が付
着しやすくなるなどの問題点がある。

【００１４】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、小型・軽量で取り扱いやすく、平坦性の高い研磨
が行えるとともに、被研磨面に汚染物質等が付着しない
ようにした基板の研磨装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、砥石の研磨面と基板の被研磨面とを摺動させること
で、前記基板の被研磨面を平坦且つ鏡面状に研磨する基
板の研磨装置において、前記砥石はリング状をなしてお
り、且つその研磨面を上向きに配置したことを特徴とす
る基板の研磨装置である。

【００１６】上記発明によれば、砥石はリング状をなし
ており、且つその研磨面が上向きに配置されているの
で、研磨対象物である基板の被研磨面は研磨中は下向き
に配置される。そして研磨対象となる基板を上からリン
グ状の砥石の研磨面に押しつけ、砥石と基板との相対運
動により摺動することで被研磨面を研磨する。

【００１７】又、上側から半導体基板の被研磨面を砥石
の研磨面に押し付けつつ、砥石及び基板をそれぞれ回転
させながら水平方向に移動させて基板全面の研磨を行う
ことができる。これにより装置構成を小型・軽量化する
とともに、砥石により平坦度の高い研磨が行え、且つ、
基板の被研磨面が下向きであるので、ここに研磨の２次
生成物質等が付着しにくい。

【００１８】請求項２に記載の発明は、前記リング状砥
石の内周に、前記砥石の研磨面と基板の被研磨面との摺
動面に供給する液体の供給手段を備えたことを特徴とす
る。これにより、リング状の砥石の内周から砥石の研磨
面と基板の被研磨面との間の摺動面に常に新しい液体を
供給することができる。供給された液体はリング状の砥
石の外周に向かって流出するので、これにより砥石の研
磨により生じる自生砥流や加工による２次生成物質も、
摺動面に遺留することなく排出され、基板の被研磨面に
汚染物質が付着することが防止される。

【００１９】請求項３に記載の発明は、前記リング状砥
石の内周に、バフ仕上げを行うためのバフを表面に配置
した研磨手段を備えたことを特徴とする。比較的硬質の
砥石による研磨が終了した後に、砥石による研磨痕が発
生する場合がある。このような場合に、バフを表面に配
置した研磨手段を用いてバッフィングを行え、砥石によ
る研磨と同じ装置を用いて仕上げ研磨が行える。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１乃至図６を参照して説明する。

【００２１】図１は、本発明の第１の実施の形態の研磨
装置を示す図である。この研磨装置においては、リング
状の砥石２１を台座２２に貼設し、この台座２２が回転
軸２３に固設され、図示しない回転駆動機構により図中
矢印Ｒ_２で示す方向に回転駆動される。一方で研磨対象
の半導体基板（図示せず）は、基板ホルダ２５に真空吸
着等の手段により保持され、同様にホルダ２５に固設し
た回転軸２６により支持されている。回転軸２６はこれ
を支持する支持部材２７内の図示しない回転駆動機構に
より図中矢印Ｒ_１で示す方向に回転駆動される。支持機
構２７内には、回転軸２６を下方に押圧する手段を備
え、これにより基板ホルダ２５内に保持された半導体基
板の被研磨面が砥石２１の研磨面に押圧され、これと摺
動することにより研磨が進行する。基台２８内には、砥
石２１を支持する回転軸２３の水平面内の直線的な移動
機構を備え、これによりリング状の砥石２１は回転しつ
つ、図中の矢印Ａ方向に並進運動を行う。

【００２２】ここで円盤状の台座２２に固定されたリン
グ状の砥石２１は、その内周側に中空部を有するカップ
状をなしており、このためカップ型の研磨装置と呼ばれ
ている。砥石２１は、研磨により被研磨面の凸部のみが
優先的に研磨され、被研磨面の凹凸の段差が平坦化され
た後は、研磨速度が著しく低下する性質を有している。
砥粒としては、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等の微粉末が
用いられ、砥粒を結合するバインダとしては、フェノー
ル、ポリイミド等の樹脂が用いられている。

【００２３】図２に示すように、台座２２の中心部には
貫通孔３０を備え、この貫通孔３０から水又はアルカリ
溶液等の液体がリング状の砥石２１で囲まれたカップ内
に貯留される。カップ内に貯留された液体Ｗは、砥石２
１と基板４との摺動面を通過してリング状の砥石２１の
上面からオーバフローする。これにより、水又はアルカ
リ等の溶液が摺動面に供給される。この液体Ｗの摺動面
への供給は、摺動面の潤滑と摺動によって生じる熱を除
去する冷却のためであり、水又はアルカリ溶液等の液体
が摺動面に介在することによって研磨が促進されると考
えられ、適量な水分の存在は砥石を用いた研磨には不可
欠である。

【００２４】この研磨装置の動作の概要について、次に
説明する。まず、基板ホルダ２５に真空吸着等の方法に
より研磨対象の半導体基板４を、その被研磨面を下方に
向けて装填する。そして支持機構２７内の図示しない回
転駆動機構により回転軸２６を回転し、これによりホル
ダ２５内に保持された半導体基板４が矢印Ｒ_１方向に回
転しつつ、回転軸２６を下方に下げることにより、半導
体基板４の被研磨面を砥石２１の研磨面に押圧する。砥
石２１は、基台２８内の同様に図示しない回転駆動機構
により、回転軸２３により図中の矢印Ｒ_２で示す方向に
回転している。従って、半導体基板４はホルダ２５に保
持されて回転しつつ、同様に回転しているリング状の砥
石２１の研磨面に摺動するので、これにより基板の下向
きの被研磨面のリング状の砥石２１との摺動部分が研磨
される。同時に、回転軸２３は矢印Ａ方向に並進運動を
行うので、これにより基板の全面が研磨されることにな
る。なお、図２の矢印Ｂのように、砥石２１側を水平方
向に往復並進運動させることにより、基板の全面と砥石
の研磨面とを摺動させてもよい。

【００２５】この研磨に際して、台座２２の中心部に設
けた貫通孔３０より水又はアルカリ等の溶液Ｗがカップ
内に一旦貯留されて、その後オーバフローすることによ
り砥石上面の摺動面に供給される。これにより研磨が円
滑に進行することは上述したとおりである。このような
液体の供給方法によれば、砥石の研磨面と基板の被研磨
面との間の摺動面には常に新しい液体が供給される。そ
してこの液体は砥石の外周側に向かって流出するので、
砥石から自生した砥粒や研磨加工による二次生成物質
も、摺動面に遺留することなく排出される。そして、基
板の被研磨面が上側にあり、砥石の研磨面が下側に位置
するので、基板の被研磨面の表面の凹凸に遺留物が付着
するという問題が生じ難い。

【００２６】図３は、本発明の第２の実施の形態の基板
の研磨装置を示す。この基板の研磨装置においても、砥
石はリング状をなしており且つその研磨面を上向きに配
置して、下向きに被研磨面を配置した半導体基板と摺動
することにより研磨を行うことは第１の実施の形態と同
様である。この実施の形態においては、リング状の砥石
２１の内周にバフ仕上げを行うためのバフを表面に配置
した研磨手段を備えている。即ち、バフ仕上げ用パッド
３３を表面に配設した台座３２が、上下方向に移動自在
に砥石２１の内周面の中空部（カップ内）に配設されて
いる。従って、バフ仕上げを行う際には、台座３２は上
昇して図示する位置となり、研磨対象の半導体基板の被
研磨面に接触することによりバフ仕上げ研磨を行う。

【００２７】そして、バフ仕上げ研磨時以外は、台座３
２に貼着されたバフ仕上げ用パッド３３の表面は、砥石
２１の研磨面よりも下がった位置となり、砥石２１の内
周の中空部（カップ内）に位置する。これにより、基板
ホルダ２５が研磨対象の半導体基板を保持して、砥石２
１の研磨面に摺動することにより、通常の砥石による研
磨が行える。台座３２の中央部には、研磨液流路３５が
配設され、回転軸３６内に設けられた貫通孔３７ｂから
研磨スラリ等の砥液がバフ仕上げ用パッド３３に供給さ
れる。そして基板４とバフ仕上げ用パッド３３とがそれ
ぞれ独立に回転して摺動することから、基板４の被研磨
面のバフ仕上げが行われる。

【００２８】半導体基板の被研磨面が比較的軟質の材料
で構成されている場合には、比較的硬質の砥石を用いた
研磨においては、研磨痕が生じる場合がある。この研磨
痕をなくして、表面を平坦且つ鏡面状に研磨するために
は、砥石による研磨後にバフによる研磨を実施する必要
がある。この研磨装置によれば、砥石による研磨とバフ
仕上げ研磨が、同じ装置内で研磨対象の基板４を基板ホ
ルダ２５から取り外すことなく連続して行うことができ
る。

【００２９】この実施の形態においては、管路３７ａか
ら圧力室３８に流体圧力が供給され、これによりバフ仕
上げ用台座３２が上下方向に移動する。符号３９は、摺
動シールであり、回転する回転軸３６を固定側に対して
シールすると共に、圧力室３８内の圧力流体を封止して
いる。又、符号４０は、バフ仕上げ用台座３２の下部に
設けられ、水平方向に伸びる回転伝達用ピンである。砥
石台座２２の内側面の一部には、回転伝達用ピン４０を
上下動自在に受け入れる溝部４２が設けられており、さ
らに回転伝達用ピン４０が溝部４２と係合することによ
り、砥石台座２２の回転力がバフ仕上げ用台座３２に伝
達され、バフ仕上げ用台座３２を回転するようにしてい
る。

【００３０】又、砥石と半導体基板の摺動面への水又は
アルカリ溶液の供給は、砥液供給用の貫通孔３５，３７
ｂを用いてリング状の砥石２１のカップ内に一旦貯留し
て、そこからオーバフローさせて摺動面に供給する。し
かしながら、液体の供給はこの方法に限定するものでは
なく、例えば専用の液体供給用のノズルを用いてもよ
く、又、噴霧装置又はシャワー装置を用いて砥石の研磨
面に供給するようにしてもよい。

【００３１】図４及び図５は、本発明の第３の実施の形
態の基板の研磨装置を示す。この装置は、図３に示す装
置と比較して、バフ仕上げ用パッド３３を固定した台座
３２が半導体基板４のサイズよりも小径に構成されてい
る。その他の構成は、図３に示す装置と同様である。こ
の装置によれば、大径の半導体ウエハのカップ方式によ
る研磨が行え、且つバフによる仕上げ研磨を行うことが
できる。即ち、バフ仕上げ用パッド３３が半導体基板４
のサイズよりも小さいため、半導体基板４が大口径化し
た場合でも、研磨装置の小型化が維持できる。

【００３２】この基板の研磨装置は、バフ仕上げ用パッ
ド３３及びその台座３２を、リング状砥石２１の研磨面
よりも低い位置及び高い位置となるように上下動自在に
配置されている。そして、バフ仕上げ用パッド及び台座
の中央部の貫通孔３５，３７ｂからは、砥石による研磨
の場合には、水又はアルカリ溶液等の液体を供給できる
ようにして、バフ研磨の場合には、スラリ等の供給にそ
の供給源を切り換える機構を備えている。従って、この
基板の研磨装置によれば、図４に示すようにバフ仕上げ
用パッド３３及びその台座３２を下げた状態で、貫通孔
３５，３７より砥石による研磨に必要な水又はアルカリ
溶液をリング状砥石２１により囲まれたカップ内に供給
し、そのカップ内からオーバフローさせつつ、半導体基
板４の研磨を行うことができる。そして、砥石による研
磨の終了後は、図示しないドレインからカップ内の水又
は溶液を排出し、貫通孔３７ａより圧力流体を供給しバ
フ仕上げ用パッド３３及び台座３２を上昇させる。そし
て、図５に示すように、貫通孔３５，３７ｂよりスラリ
を供給して、半導体基板４を押圧しつつ台座３２を回転
させることにより、半導体基板４のバフ仕上げ用パッド
３３によるバフ研磨を行うことができる。

【００３３】図６は、本発明の第４の実施の形態の基板
の研磨装置を示すもので、リング状砥石２の外周側にリ
ング状のバフ仕上げ用パッド３３及びその台座３２を配
置している。即ち、図２に示すようにリング状砥石の内
周側からカップ内の溶液Ｗをオーバフローさせつつ基板
の研磨を行うことができる。そして、リング状砥石２１
の研磨面をバフ仕上げ用パッド３３の研磨面よりも低い
位置に下げることで、外周側に配置したバフ仕上げ用パ
ッド３３を用いて仕上げ研磨としてのバフ研磨を行うこ
とができる。尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を
示している。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、砥
石の研磨面を上向きに、基板の被研磨面を下向きにして
研磨することにより、２次生成物等が基板に付着するこ
となく研磨が行える。これにより砥石による良好な平坦
化特性を維持しつつ、且つ汚染物質の基板面への付着が
防止される。更に本発明によれば、水又は溶液を砥石の
研磨面にオーバフローさせつつ研磨を行うことができ
る。又、バフ研磨を砥石による研磨に連続して行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の基板の研磨装置の
斜視図である。

【図２】図１の縦断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の基板の研磨装置の
概要を示す断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の基板の研磨装置の
砥石による研磨を示す断面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態の基板の研磨装置の
バフによる仕上げ研磨を示す断面図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態の基板の研磨装置の
概要を示す断面図である。

【図７】従来の基板の研磨装置の概要を示す図である。

【図８】図７の研磨装置による研磨特性を示す図であ
る。

【図９】図８の研磨特性による被研磨面の段差の状態を
示す図である。

【図１０】従来の砥石を用いたカップ型の研磨装置の説
明図である。

【符号の説明】

２１リング状の砥石２２砥石保持用の台座２３，２６，３６回転軸２５基板ホルダ２７支持機構２８基台３０，３５，３７ｂ液体供給用貫通孔３２バフ仕上げ用台座３３バフ仕上げ用パッド３５，３７ａ研磨液供給用貫通孔Ｗ水又はアルカリ溶液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松尾尚典神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砥石の研磨面と基板の被研磨面とを摺動
させることで、前記基板の被研磨面を平坦且つ鏡面状に
研磨する基板の研磨装置において、前記砥石はリング状をなしており、且つその研磨面を上
向きに配置したことを特徴とする基板の研磨装置。
【請求項２】前記リング状砥石の内周に、前記砥石の
研磨面と基板の被研磨面との摺動面に供給する液体の供
給手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板
の研磨装置。
【請求項３】前記リング状砥石の内周に、バフ仕上げ
を行うためのバフを表面に配置した研磨手段を備えたこ
とを特徴とする請求項１に記載の基板の研磨装置。
【請求項４】前記バフに前記砥石の研磨面と基板の被
研磨面との摺動面に供給する液体の供給手段を備えたこ
とを特徴する請求項３に記載の基板の研磨装置。
【請求項５】前記リング状砥石の内周に、前記砥石の
研磨面と基板の被研磨面との摺動面に供給する液体の供
給手段を備えると共に、前記リング状砥石の外周に、バ
フ仕上げを行うためのバフを表面に配置した研磨手段を
備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板の研磨装
置。