TWI535528B

TWI535528B - Grinding device

Info

Publication number: TWI535528B
Application number: TW101149798A
Authority: TW
Inventors: Ryuichi Kosuge; Tadakazu Sone
Original assignee: Ebara Corp
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2016-06-01
Also published as: TW201332713A; KR101617493B1; KR20130083406A; JP5844163B2; JP2013141735A; US9028297B2; US20130210324A1

Description

研磨裝置

本發明係關於一種研磨裝置，特別是關於將半導體晶圓等被研磨物(基板)研磨成平坦且鏡面狀之研磨裝置。

近年來，隨著半導體機件趨於高積體化，電路配線微細化，配線間距離亦更狹窄。特別是線寬為0.5μm以下之光微影術情況下，因為焦點深度變淺，要求步進機成像面之平坦度。將此種半導體晶圓表面平坦化之一種手段，習知有進行化學性機械研磨(CMP)之研磨裝置。

此種研磨裝置具備上面具有研磨墊之研磨台；及具有上方環形轉盤之研磨頭。而後，使半導體晶圓等之被研磨物介於研磨台與上方環形轉盤之間，在研磨墊之研磨面(表面)供給研磨劑(研磨泥)，同時藉由上方環形轉盤將被研磨物擠壓於研磨墊之研磨面，可將被研磨物之表面研磨成平坦且鏡面狀。

進行被研磨物之研磨時，研磨墊之研磨面上會附著磨粒及研磨屑，此外，研磨墊之特性變化導致研磨性能惡化。因而，隨著反覆研磨被研磨物，研磨速度降低，並發生研磨不均。因此，為了再生惡化之研磨墊的研磨面，通常在研磨裝置中具備鄰接於研磨台，具有修整研磨墊之修整器的修整頭。

此種研磨裝置在腐蝕性藥劑環境下使用時，藥劑之氣體從覆蓋具有上方環形轉盤之研磨頭的構成零件周圍之護蓋間隙進入該護蓋內部，鋁、不鏽鋼或鋼材製等研磨頭構成零件因藥劑而腐蝕。此種情況對於具有修整器之修整頭亦同樣，藉由從覆蓋修整頭構成零件之護蓋間隙進入該護蓋內部的腐蝕性藥劑，造成修整頭構成零件腐蝕。

此外，具備上方環形轉盤用電-氣調壓閥之研磨裝置，高溫之藥劑氣體進入覆蓋上方環形轉盤用電-氣調壓閥周圍之護蓋內部，護蓋內部之溫度因來自上方環形轉盤旋轉馬達等之驅動部的發熱而上升，上方環形轉盤用電-氣調壓閥之溫度偏差，而可能發生壓力變動。

此時，為了減少從裝置排放到周圍大氣中之塵埃(微粒子)量，曾提出一種研磨裝置，係在密閉外周圍之狀態下，並宜在進行積極性排氣，使空氣循環狀態下，配置使研磨頭(上方環形轉盤)旋轉之研磨頭旋轉手段(參照專利文獻1)。此外，專利申請人為了防止從腐蝕性或毒性強之處理液所生成的氣體等飛散到裝置內，曾提出一種研磨裝置，係以膜盒(Capsule)一體覆蓋基板保持機構(研磨頭)及研磨台之外側，依需要具備在覆蓋基板保持機構外側之上方環形轉盤膜盒內導入淨化氣體的淨化機構(參照專利文獻2)。

【先前技術文獻】

【專利文獻】

[專利文獻1]專利第3043578號公報

[專利文獻2]日本特開2008-166709號公報

但是，先前之研磨裝置並未考慮在藥劑環境下使用研磨裝置來研磨被研磨物時，構成研磨頭及修整頭之各構成零件因藥劑而腐蝕，因而，在腐蝕性藥劑環境下使用時，構成研磨頭及修整頭之各構成零件會被藥劑腐蝕。此外，對於具備上方環形轉盤用電-氣調壓閥之研磨裝置，強烈希望減低上方環形轉盤用電-氣調壓閥之溫度偏差，來抑制壓力變動。

本發明係鑑於上述情形者，目的為提供一種研磨裝置，即使在藥劑環境下使用，仍可防止研磨頭之主要構成零件及/或修整頭之主要構成零件因藥劑而腐蝕，且即使具備上方環形轉盤用電-氣調壓閥時，仍可減低上方環形轉盤用電-氣調壓閥之溫度偏差，抑制壓力變動。

為了達成上述目的，本發明之研磨裝置具備：研磨台，其係支撐研磨墊；研磨頭，其係具有使被研磨物旋轉，並擠壓於前述研磨墊之上方環形轉盤；及修整頭，其係具有修整前述研磨墊之修整器；其特徵為具有：淨化氣體導入部，其係導入淨化氣體至內部；及排出部，其係將內部排氣；並設有頭護蓋，其係設定成內部壓力比外部壓力稍高之壓力，並將前述研磨頭及前述修整頭之至少一方的主要部分收容於前述頭護蓋內。

藉此，藉由導入淨化氣體至收容研磨頭及修整頭之至少一方的主要部分之頭護蓋內部，同時將頭護蓋之內部排氣，將頭護蓋之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力，即使在藥劑環境下使用，仍可防止藥劑之氣體進入頭護蓋內部。且藉由通過排氣部隨時將頭護蓋之內部排氣，即使將頭護蓋之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力，仍可防止頭護蓋內之微粒子從排氣部以外之部位流出到頭護蓋之外。再者，可防止頭護蓋之內部溫度上升，藉此，可減低收容於頭護蓋內之上方環形轉盤用電-氣調壓閥的溫度偏差，抑制壓力變動。

研磨頭之主要部分包含上方環形轉盤搖動支臂、上方環形轉盤用旋轉馬達及上方環形轉盤升降機構。修整頭之主要部分包含主修整器搖動支臂及修整器用旋轉馬達。

導入前述頭護蓋內之淨化氣體壓力宜為0.15~0.25MPa，流量宜為40~60L/min。

例如，淨化氣體使用氮氣(N₂)，以壓力0.2MPa，將流量50L/min之氮氣(淨化氣體)導入頭護蓋內，可將頭護蓋之內部壓力調整成比外部壓力稍高之壓力。稍高之壓力宜為0.040~0.149MPa。

前述頭護蓋接合複數個板狀部材形成中空盒狀，在各部材之接合部宜介有密閉密封件(Seal)。密閉密封件例如係獨立氣泡構造之NOROO Seal(一種氣密密封件)。

如此，藉由各部材之接合部介有NOROO Seal等密閉密封件而構成頭護蓋，可進一步提高頭護蓋內部之密閉性。

本發明之研磨裝置即使在藥劑環境下使用，仍可防止藥劑之氣體進入頭護蓋內部，研磨頭及修整頭之構成零件被藥劑氣體腐蝕。且藉由通過排氣部，隨時將頭護蓋內部排氣，可防止頭護蓋內之微粒子從排氣部以外之部位流出頭護蓋之外，進一步減低收容於頭護蓋內之上方環形轉盤用電-氣調壓閥的溫度偏差，抑制壓力變動。

10‧‧‧研磨墊

10a‧‧‧研磨面

12‧‧‧研磨台

14‧‧‧上方環形轉盤

16‧‧‧研磨頭

20‧‧‧修整器

22‧‧‧修整頭

24,24a‧‧‧研磨頭護蓋

26‧‧‧研磨頭搖動軸

28‧‧‧上方環形轉盤驅動軸

30‧‧‧修整頭護蓋

32‧‧‧修整頭搖動軸

34‧‧‧旋轉軸

36‧‧‧輔助修整器搖動支臂

38‧‧‧修整器驅動軸

40‧‧‧輔助護蓋

42‧‧‧液體供給機構

44‧‧‧上方環形轉盤搖動支臂

46‧‧‧上方環形轉盤用旋轉馬達

48‧‧‧上方環形轉盤升降機構

50‧‧‧側板

52‧‧‧端板

52a‧‧‧上端板

52b‧‧‧下端板

54‧‧‧底板

56‧‧‧頂板

58a,58b,58c,58d,58e,58f‧‧‧密閉密封件

60‧‧‧天花板壁

62‧‧‧支撐具

63‧‧‧填充材

64‧‧‧淨化氣體導入部

66‧‧‧排氣部

68‧‧‧淨化氣體導入管

70‧‧‧排氣管

72‧‧‧淨化氣體導入管線

72a‧‧‧分歧管線

74‧‧‧調壓閥

76,76a‧‧‧流量計

78,78a‧‧‧排氣管線

80‧‧‧側板

82‧‧‧底板

84‧‧‧頂板

86‧‧‧主修整器搖動支臂

88‧‧‧淨化氣體導入部

90‧‧‧排氣部

92‧‧‧淨化氣體導入管

94‧‧‧半管導管

96‧‧‧排氣路

第一圖係顯示本發明實施形態之研磨裝置概要的斜視圖。

第二圖係與研磨頭概要一起顯示第一圖所示之研磨裝置的研磨頭護蓋概要之剖面圖。

第三圖係顯示第一圖所示之研磨裝置的研磨頭護蓋各構成部材與密閉密封件之關係的概要圖。

第四圖係顯示淨化氣體導入管線、排氣管線及研磨頭護蓋之關係圖。

第五圖係與修整頭概要一起顯示第一圖所示之研磨裝置的修整頭護蓋概要之剖面圖。

以下，參照圖式說明本發明之實施形態。

第一圖係顯示本發明實施形態之研磨裝置概要的斜視圖。如第一圖所示，該研磨裝置具備：上面為研磨面10a之研磨墊10；在上面安裝了研磨墊10之研磨台12；具有使半導體晶圓等基板(被研磨物)滑接於研磨墊10之研磨面(上面)10a而研磨的上方環形轉盤14之研磨頭16；及具有進行研磨墊10之研磨面10a的修整(Dressing)之修整器20的修整頭22。研磨台12連結於無圖示之馬達，研磨台12及研磨墊10藉由該馬達在箭頭所示之方向旋轉。

研磨頭16之主要部分收容於研磨頭護蓋24的內部，並連結於貫穿研磨頭護蓋24之底板而延伸於上方的自由旋轉之研磨頭搖動軸26的上端。上方環形轉盤14連結於貫穿研磨頭護蓋24之底板而延伸於下方的上方環形轉盤驅動軸28之下端，上方環形轉盤14之下面構成藉由真空吸著等而保持基板的基板保持面。

修整頭22之主要部分收容於修整頭護蓋30的內部，並連結於貫穿修整頭護蓋30之底板而延伸於上方的自由旋轉之修整頭搖動軸32的上端。修整頭22具有貫穿修整頭護蓋30之底板而延伸於下方的旋轉軸34；及在該旋轉軸34下端連結一端之延伸於水平方向的輔助修整器搖動支臂36；在該輔助修整器搖動支臂36之另一端具備在內部收容使修整器驅動軸38升降及旋轉之驅動機構的輔助護蓋40。修整器20連結於修整器驅動軸38之下端。

鄰接於研磨台12而配置有將研磨液及修整液供給至研磨墊10之研磨面10a的液體供給機構42。液體供給機構42具備複數個供給噴嘴，研磨液及修整液從該供給噴嘴供給至研磨墊10之研磨面10a。該液體供給機構42兼用作將研磨液供給至研磨墊10之研磨液供給機構、及將修整液(例如純水)供給至研磨墊10之修整液供給機構。另外，亦可另行設置研磨液供給機構與修整液供給機構。

如第二圖所示，研磨頭16具有連結於研磨頭搖動軸26之上端，伴隨研磨頭搖動軸26之旋轉而搖動的上方環形轉盤搖動支臂44；經由無圖示之皮帶傳達機構等，使上方環形轉盤驅動軸28旋轉之上方環形轉盤用旋轉馬達46；及使上方環形轉盤驅動軸28升降之例如由汽缸構成的上方環形轉盤升降機構48。藉此，上方環形轉盤14在第一圖之箭頭所示的方向，以上方環形轉盤驅動軸28為中心旋轉，並經由上方環形轉盤升降機構48而升降。

基板之研磨進行如下。在上方環形轉盤14之下面保持基板，並旋轉上方環形轉盤14及研磨台12。在該狀態下，供給研磨液至研磨墊10之研磨面10a，藉由上方環形轉盤14將基板擠壓於研磨墊10之研磨面10a。藉此，藉由研磨液中包含之磨粒的機械性研磨作用與研磨液之化學性研磨作用來研磨基板之表面(下面)。研磨頭搖動軸26位於研磨墊10之徑方向外側，上方環形轉盤14藉由研磨頭搖動軸26之旋轉，而在研磨墊10上方之研磨位置與研磨墊10外方的待機位置之間移動。

研磨頭護蓋24在本例係由一對平板狀之側板50及一對彎曲之端板52，以及平板狀之底板54及頂板56構成中空盒狀，在該內部收容有研磨頭16之上方環形轉盤搖動支臂44、上方環形轉盤用旋轉馬達46、上方環形轉盤升降機構48等主要部分。研磨頭搖動軸26與上方環形轉盤驅動軸28貫穿底板54而延伸於下方。

而後，在研磨頭護蓋24之構成部材的各接合部，亦即側板50與端板52之各接合部、側板50及端板52與底板54之接合部、以及側板50及端板52與頂板56之接合部，為了進一步提高研磨頭護蓋24內部之密閉性，而如第三圖模式顯示，分別介有密閉密封件58a,58b,58c。本例之密閉密封件58a,58b,58c係使用以低壓縮發揮極高密封效果之以聚氯乙烯為基底的獨立氣泡構造之密封環材料的NOROO Seal，藉由將NOROO Seal安裝壓入各接合部可提高密閉性。

另外，本例係以上端板52a與下端板52b構成一方之端板52，該上端板52a與下端板52b之接合時，例如亦可介有由NOROO Seal構成之密閉密封件58d。

研磨頭護蓋24經由安裝於劃分將研磨裝置設置於內部之設置空間的天花板壁60的圓筒狀之支撐具62，而垂下支撐於天花板壁60。該支撐具62之下端插通設於研磨頭護蓋24之頂板56的貫穿孔而到達研磨頭護蓋24之內部，上端插通設於天花板壁60之貫穿孔而到達天花板壁60之上方。在支撐具62之上部填充有填充材63。無圖示之上方環形轉盤用電-氣調壓閥收容於研磨頭護蓋24之內部。

再者，研磨頭護蓋24中設有將氮氣等淨化氣體導入該內部之淨化氣體導入部64及將內部排氣之排氣部66。淨化氣體導入部64具有通過支撐具62之內部，到達研磨頭護蓋24之內部下方而直角彎曲的淨化氣體導入管68，排氣部66具有通過支撐具62之內部，而到達研磨頭護蓋24內部之排氣管70。

淨化氣體導入管68連接於第四圖所示之淨化氣體導入管線72，該淨化氣體導入管線72中介有調整流入該內部之氮氣等淨化氣體壓力的調壓閥74、及計測流入該內部之氮氣等淨化氣體流量作調整的流量計76(質量流控制器)。另外，排氣管70連接於第四圖所示之排氣管線78。

研磨頭護蓋24之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力。換言之，以研磨頭護蓋24之內部壓力成為比外部壓力稍高之壓力的方式，在研磨頭護蓋24之內部，通過淨化氣體導入部64以指定流量導入指定壓力之氮氣等淨化氣體，並通過排氣部66，將研磨頭護蓋24之內部排氣。

導入該研磨頭護蓋24內之淨化氣體的壓力例如為0.15~0.25MPa，流量例如為40~60L/min。例如藉由將壓力0.2MPa，流量50L/min之氮氣(淨化氣體)導入研磨頭護蓋24內，可將研磨頭護蓋24之內部壓力調整成比外部壓力稍高之壓力。淨化氣體之溫度為室溫，例如20℃。

如此，藉由將研磨頭護蓋24之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力，即使在藥劑環境下使用研磨裝置，仍可防止藥劑之氣體進入研磨頭護蓋24內部，藉此防止研磨頭16之構成零件被藥劑之氣體腐蝕。而且，藉由將研磨頭護蓋24之內部通過排氣部66隨時排氣至外部，即使將研磨頭護蓋24之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力，仍可防止研磨頭護蓋24內之微粒子從排氣部66以外之部位流出研磨頭護蓋24之外，本例可通過排氣管線78排氣於研磨裝置設置空間之外部。再者，由於可將上方環形轉盤用旋轉馬達46等驅動部等產生之發熱環境，以比其更低之一定溫度(室溫)的淨化氣體替換，因此可防止研磨頭護蓋24之內部溫度上升，藉此，可減低收容於研磨頭護蓋24內之上方環形轉盤用電-氣調壓閥的溫度偏差，抑制壓力變動。另外，使內部壓力比外部壓力稍高(不致高達需要程度以上)，係內部壓力只須為防止藥劑之氣體進入研磨頭護蓋24內部的充分壓力即可，例如當然是為了保持在避免過高壓力對研磨頭16之主要部分及頭護蓋造成影響的範圍，或是為了避免無謂消耗能源。

另外，除了研磨頭護蓋24之外，還具有與該研磨頭護蓋24相同構成之其他研磨頭護蓋24a情況下，如第四圖所示，亦可在淨化氣體導入管線72之調壓閥74與流量計(質量流控制器)76之間分歧的分歧管線72a上設置流量計76a，在該分歧管線72a上連接研磨頭護蓋24a之淨化氣體導入管，而使從研磨頭護蓋24a之排氣管延伸的排氣管線78a與從研磨頭護蓋24之排氣管70延伸的排氣管線78合流。

如第五圖所示，修整頭護蓋30與前述之研磨頭護蓋24大致同樣地，由彎曲成厚度薄圓筒狀的側板80，以及平板狀之底板82及頂板84構成中空盒狀，在側板80與底板82之接合部，及側板80與頂板84之接合部，分別介有NOROO Seal等之密閉密封件58e,58f。另外，與前述之研磨頭護蓋24同樣地，亦可取代彎曲成厚度薄圓筒狀之側板80，而使用經使用一對平板狀之側板，在該側板上分別接合一對端板而形成圓筒狀者。在該修整頭護蓋30之內部，收容有修整頭22之主要部分的主修整器搖動支臂86；以及經由無圖示之皮帶傳達機構等而使前述旋轉軸34旋轉的修整器用旋轉馬達(無圖示)，修整頭搖動軸32與旋轉軸34貫穿底板82而延伸於下方。

修整研磨墊10之研磨面10a時，使修整頭搖動軸32旋轉，並使在退開位置之主修整器搖動支臂86在修整位置搖動。其次，經由收容於輔助護蓋40內部之驅動機構，使修整器20在第一圖之箭頭所示方向旋轉並下降，而使修整器20之修整面滑接於旋轉之研磨墊10的研磨面10a。在該狀態下，使收容於修整頭護蓋30內部之修整器用旋轉馬達正反交互旋轉，使旋轉軸34正反交互旋轉，藉此使輔助修整器搖動支臂36往返搖動，使修整器20往返移動於研磨墊10之概略徑方向。藉由該旋轉之修整器20的移動(搖動)，除去附著於研磨墊10之研磨面10a的研磨屑等，且再生研磨面10a。修整中，藉由液體供給機構42供給修整液(例如純水)至研磨墊10之研磨面10a上。

在修整頭護蓋30中設有導入氮氣等淨化氣體至該內部之淨化氣體導入部88、及將內部排氣之排氣部90。淨化氣體導入部88具有貫穿修整頭搖動軸32內部延伸於上方，並到達修整頭護蓋30內部之主修整器搖動支臂86上方的淨化氣體導入管92，該淨化氣體導入管92連接於第四圖所示之具有調壓閥74與流量計(質量流控制器)76的淨化氣體導入管線72。排氣部90在本例係由與設於頂板84之貫穿孔84a連通，形成於修整頭護蓋30與安裝於該修整頭護蓋30之半管導管94之間的排氣路96而構成。該排氣路96在修整頭護蓋30之頂板84上，沿著其長度方向延伸而到達側板80，並沿著側板80進一步延伸於下方而到達側板80之下部。

修整頭護蓋30之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力。換言之，以修整頭護蓋30之內部壓力成為比外部壓力稍高之壓力的方式，在修整頭護蓋30之內部，通過淨化氣體導入部88，以指定流量導入指定壓力之氮氣等淨化氣體，並通過排氣部90，將修整頭護蓋30之內部排氣。

如此，藉由將修整頭護蓋30之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力，與前述之研磨頭護蓋24同樣地，即使在藥劑環境下使用研磨裝置，仍可防止藥劑之氣體進入修整頭護蓋30內部，藉此防止修整頭22之構成零件被藥劑之氣體腐蝕。而且，藉由將修整頭護蓋30之內部通過排氣部90隨時向外部排氣，即使將修整頭護蓋30之內部壓力設定成比外部壓力稍高之壓力，仍可防止修整頭護蓋30內之微粒子從排氣部90以外之部位流出修整頭護蓋30之外，本例藉由微粒子存在於研磨頭16之外方，可導入不影響研磨之場所。此外，由於本例係將排氣部90之排氣口配置成位於研磨台12之外側，因此可將從排氣口排氣之微粒子導入不影響研磨之場所(進行研磨之研磨台12表面的外側)。

另外，上述之例係顯示在研磨頭16與修整頭22兩方設有頭護蓋之例，不過，亦可在研磨頭16與修整頭22之任何一方設置頭護蓋。

上述之實施形態係具有本發明所屬技術領域中之一般知識者，可實施本發明為目的而記載者。熟悉本技術之業者當然可形成上述實施形態之各種變形例，本發明之技術性思想亦適用於其他實施形態。因此，本發明不限定於所記載之實施形態，而應包含按照藉由申請專利範圍所定義之技術性思想的最廣範圍。