JP2000354958A - ワーク研磨装置、ワーク研磨方法及び半導体装置製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウエハの保持を安定的に行え、かつ、ウエハ
の研磨を高精度かつ均一に行なうことができる研磨装置
を提供する。 【解決手段】 ワーク（２）を保持するワーク保持治具
（１０）と、このワーク（２）の変形状態を検出する変
形状態検出手段（２０、２１、２２）と、前記ワーク保
持治具（１０）に外力を作用させ、前記ワーク（２）の
変形を補正する変形補正手段（１８）と、前記ワーク保
持治具（１０）に保持されたワーク（２）と摺接しこの
ワーク（２）を研磨する研磨工具（４）とを有すること
を特徴とするワーク研磨装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ワークの一主面
を全体的に均一に平坦化する研磨装置に関し、例えば、
半導体ウエハの主面に形成された層間絶縁膜の表面を化
学的機械研磨によって平坦化する研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体装置の製造工程において
は、半導体ウエハに被着された配線層膜や層間絶縁膜の
表面を均一に研磨し平坦化するために、ウエハの主面を
研磨材に摺接させ研磨する研磨装置が用いられる。

【０００３】半導体製造工程に適用される研磨装置にお
いては、ウエハの主面を高精度かつ均一に研磨すること
が要求される。特にウエハに被着された層間絶縁膜につ
いては、０．１μm以下の膜厚分布精度で研磨すること
が要求される。このような要求に応える研磨装置として
は、従来、特開平9−７９８４号公報に開示されたもの
が知られている。

【０００４】この公報に開示された装置は、ウエハの裏
面に対し、エア（空気圧）を直接かつ略均等に印加する
ことで、このウエハの表面を回転する研磨材面に押圧す
るようにし、このことで、ウエハに対する研磨量を全面
に亘って略均一にするようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た装置においては、ウエハの裏面に直接印加するように
しているため、ウエハを安定的に保持できない場合があ
り、場合によっては研磨加工中にウエハが振動（踊って
しまう）することが考えられる。

【０００６】また、エア圧をかけすぎると、ウエハの保
持状態がさらに不安定になるため、印加できる圧力には
限界がある。

【０００７】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたものであり、ウエハの保持を安定的に行え、かつ、
ウエハの研磨を高精度かつ均一に行なうことができる研
磨装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の主要な観点によれば、ワーク（２）を保
持するワーク保持治具（１０）と、このワーク（２）の
変形状態を検出する変形状態検出手段（２０、２１、２
２）と、前記ワーク保持治具（１０）に外力を作用さ
せ、前記ワーク（２）の変形を補正する変形補正手段
（１８）と、前記ワーク保持治具（１０）に保持された
ワーク（２）を研磨する研磨工具（４）と、前記ワーク
（２）の研磨中に、前記変形検出手段（２０、２１、２
２）の検出に基づいて前記変形補正手段（１８）を作動
させ、研磨中の前記ワーク保持治具（１０）の変形を補
償する制御部（１９）とを有するワーク研磨装置が提供
される。

【０００９】このような構成によれば、ワークの研磨加
工中に生じるワーク保持治具（トップリング）の例えば
熱変形を補正しながら加工を行うことができる。

【００１０】一の実施形態によれば、前記変形状態検出
手段（２０、２１、２２）は、前記ワーク保持治具（１
０）の温度分布を検出する温度検出器（２０、２１）を
含む。この場合、前記温度検出器によるワーク保持治具
の温度と前記変形補正手段により印加する外力との関係
を記憶する記憶部と、前記温度検出手段により検出した
温度分布と前記記憶部に記憶された関係とから前記変形
補正手段により印可する外力を決定する制御部を有する
ことが好ましい。

【００１１】一の実施形態によれば、前記ワーク保持治
具は、その内部に中空部を有し、この中空部内に印加さ
れる圧力に応じて変形するものであり、前記補正手段
は、変形に応じて印加する圧力を制御する中空室圧制御
手段である。

【００１２】また、この発明の別の観点によれば、ワー
クを保持するワーク保持治具と、このワークの変形状態
を検出する変形状態検出手段と、前記ワーク保持治具に
外力を作用させ、前記ワークの変形を補正する変形補正
手段と、前記ワーク保持治具に保持されたワークを研磨
する研磨工具とを有するワーク研磨装置を用いてワーク
の研磨を行うワーク研磨方法であって、前記ワークの研
磨中に、前記変形検出手段の検出に基づいて前記変形補
正手段を作動させ、研磨中の前記ワーク保持治具の変形
を補償する工程を有することを特徴とするワーク研磨方
法が提供される。

【００１３】この発明のさらなる別の観点によれば、ウ
エハをウエハ保持治具に保持する工程と、前記ウエハ保
持治具に保持されたウエハの表面を研磨工具に押し付
け、このワークを研磨する工程と、前記ウエハの研磨中
に、前記ウエハ保持治具の温度を検出する工程と、前記
ウエハの研磨中に、保持治具の温度検出に基づいて前記
ウエハ保持治具の熱変形を補償する工程とを有すること
を特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態を図
面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態であ
る半導体装置の製造方法に使用されるウエハ研磨装置１
の要部を示すものである。

【００１５】本実施形態の研磨装置は、ワークとしての
半導体ウエハ（図に２で示す）の主面（下面）に形成さ
れた絶縁膜や金属膜の表面を化学的機械研磨（Chemical
Mechanical Polishing：以下「ＣＭＰ」という）する
ことによってその表面の凹凸を平坦化するものである。
研磨する半導体ウエハ２には、図示しないが、外周の一
部にオリエンテーションフラットが形成されていると共
に、その表側領域には半導体素子（例えばメモリ等）が
作り込まれている。そして、このメモリーの表側面上に
は配線層膜（金属膜）から形成された配線および層間絶
縁膜（絶縁膜）がそれぞれ設けられている。

【００１６】ここで、前記配線は厚さを有する線分によ
って形成されているため、その上に被着された層間絶縁
膜の表側面には凹凸部が下層の配線の凹凸に倣って形成
されている。そこで、本実施形態においては、この層間
絶縁膜の凸部の一部をウエハ研磨装置１によって研磨し
て除去することにより、層間絶縁膜の表面を平坦化す
る。

【００１７】図１に示すように、前記研磨装置１は、そ
の上面に研磨パッド４（研磨クロス）を保持する工具保
持部５と、ウエハ２の主面を前記研磨パッド４に対向さ
せた状態で保持するヘッド７とを有する。

【００１８】まず、前記工具保持部５は、ウエハ２の直
径よりも充分に大きい半径を有する円盤形状に形成され
たベースプレート８（定盤）を備えている。このベース
プレート８は水平面内において垂直軸線Ｌ回りに回転自
在に支持されている。そして、このベースプレート８の
上面には前記研磨パッド４が全体に亘って均一な厚さで
貼着されている。この研磨パッド４は、例えば、ポア構
造の表面を有する合成樹脂のクロス（布）にコロイダル
シリカ等の微細な砥粒が抱え込まれた研磨材である。

【００１９】なお、この研磨パッド４による研磨作業に
際しては、エッチング液（スラリと称される研磨溶液。
以下「スラリ」という。）が用いられることにより、機
械的な研磨（ポリシング）に加えてそのポリシング効果
を高めるメカノケミカルポリシング（mechanochemical
polishing）が実施される。したがって、この研磨パッ
ド４の中心の直上にはスラリを供給するための図示しな
いスラリ供給ノズルが配設されている。

【００２０】一方、ヘッド７は、ウエハ２が層間絶縁膜
側を下向きにした状態で貼り付けられるトップリング１
０と、このトップリング１０をエアバック１５を介して
保持するトップリング保持部１１と、このトップリング
保持部１１を保持するヘッド軸１２とを有している。

【００２１】前記トップリング１０は、ウエハ２の直径
よりも若干大きい直径を有する底板１０ａと、この底板
１０ａと略同径に形成された天板１０ｂと、この底板１
０ａと天板１０ｂの周縁部を連結しこれらの間に空気室
１４を区画する周壁１０ｃとを有する。このトップリン
グ１０は、前記トップリング保持部１１に、前記エアバ
ック１５を区画するダイヤフラム１６を介して上下方向
に弾性的に保持されている。そして、このトップリング
１０の天板１０ｂの中央部には、このトップリング１０
の空気室１４内に空気を導入するための空気導入管１７
が接続されている。

【００２２】この空気導入管１７は、トップリング空気
圧制御部１８に接続されている。このトップリング空気
圧制御部１８は、例えばステッピングモータで駆動され
るポンプ及び空気圧を制御するためのレギュレータであ
る。そして、このトップリング空気圧制御部１８は、図
に１９で示す中央制御部からの指令によって前記トップ
リング１０内の空気圧を連続可変的に制御することで前
記トップリング１０の底板１０ａの下面の曲率を制御す
ることができるようになっている。

【００２３】すなわち、例えば研磨中の摩擦熱により底
板１０ａに熱膨張が生じた場合、これにより底板１０ａ
がその底面の曲率を小さくする方向に変形しようとす
る。このような場合に、前記空気室１４内の空気圧を制
御することで前記底板１０ａに対して前記変形を補償す
るような圧力を作用させ、そして、この底板１０ａの曲
率が常に略無限大、すなわち、底板１０ａの下面が常に
高い平坦度に保たれるようにする。

【００２４】また、前記トップリング１０の天板１０ｂ
と底板１０ａには、温度分布を測定するための熱電対２
０，２１が配設されている。この熱電対２０，２１から
の出力はトップリング温度検出部２２に入力されて温度
信号に変換され、中央制御部１９に入力される。この中
央制御部１９には、前記熱電対２０，２１により測定さ
れた温度分布と、前記トップリング１０の底板１０ａの
平坦度を保持するために印加するべき空気圧の関係を格
納した制御テーブル２３が接続されており、この中央制
御部１９は、前記トップリング温度検出部２２から受け
取った温度分布に基づいてトップリング１０に印加する
空気圧を決定する。

【００２５】すなわち、トップリング１０の底板１０ａ
の変形は、主に研磨中の摩擦熱によって生じるこのトッ
プリング１０自体の熱膨張及び天板１０ｂと底板１０ａ
の熱膨張差によるものである。したがって、予め、例え
ば実験により、所定の温度においてトップリング１０の
底板１０ａの平坦度を保つために必要な空気圧を求めて
おき、これを前記制御テーブル２３に格納しておく。

【００２６】このことで、この中央制御部１９は、前記
ウエハ２の研磨中に生じた摩擦熱によるトップリング１
０の底板１０ａの熱変形を補償し、この底板１０ａの下
面が常に平坦に保たれるようにトップリング１０内の空
気圧を制御することができる。

【００２７】なお、前記トップリング１０は、前記底板
１０ａと周壁１０ｃの一体成形品に対して天板１０ｂを
固定することで組み立てられるものであることが好まし
い。また、前記トップリング１０の少なくとも底板１０
ａの材質として好ましいのはアルミニウム材であるが、
天板１０ｂは、この底板１０ａと同じ材料で形成されて
いても良いし、底板１０ａよりも熱膨張率が小さい材料
で形成されていても良い。

【００２８】また、前記底板１０ａの熱膨張による変形
方向は凸方向若しくは凹方向のどちらか一方に規制され
ていることが好ましい。例えば、前記空気室１４内が大
気圧の状態においては、図２（ａ）に示すように、前記
底板１０ａが凹方向に湾曲する形状に形成しておき、初
期状態においては、図２（ｂ）に示すように前記空気室
１４内に圧縮空気を導入して底板１０ａの下面を凸方向
に変形させて略平坦に成形するようにしておく。この場
合には、前記底板１０ａが熱膨張した場合には常に凹方
向に変形することになるから、前記空気室１４内の圧力
を高めることで対応することができる。

【００２９】このようにすることで、研磨加工中のトッ
プリング１０の剛性を向上させることができるととも
に、変形による振幅の中心を、底板１０ａが平坦である
ように設定することも可能になり、熱変形が生じた場合
にも下面の平坦度を安定的に高精度に保つことができ
る。

【００３０】また、図１に示すように、このトップリン
グ１０を保持するトップリング保持部１１には、前記エ
アバック１５内の空気圧を制御する空気度入孔２５が接
続されており、この空気孔２５はエアバック空気圧制御
部２６に接続されている。このエアバック空気圧制御部
２６は例えばポンプとレギュレータとからなる。

【００３１】図３は、以上説明したこの発明の要部を含
む研磨装置の全体構成図である。前記ヘッド７は、この
ヘッド７をＺ方向に駆動するＺ駆動機構２９及びＸ方向
に駆動するリニア駆動テーブル３０に保持されており、
前記中央制御部１９からの指令によってＸＺ方向に駆動
されるようになっている。

【００３２】また、前記ベースプレート８は回転駆動部
３２に保持されている。この回転駆動部３２は、図示し
ない軸受けを介して回転自在に保持された回転軸３３
と、この回転軸３３をプーリ３４及びベルト３５からな
る減速機構を介して駆動するための駆動モータ３６とか
らなる。

【００３３】前記ヘッド７は、この回転軸３３の中心軸
からオフセットした位置に設けられ、この回転軸３３を
回転させることで、前記研磨パッド４を前記ウエハ２の
下面に摺接させることができる。

【００３４】また、このヘッド７から前記中心軸Ｌ回り
に１８０度ずれた位置には、前記研磨パッド４の表面を
ドレッシングして、この研磨パッド４の研磨力を回復さ
せるためのドレッサ３８が設けられている。このドレッ
サ３８は前記リニア駆動テーブル３０及びＺ駆動機構３
９によって保持されており、所定時間毎に作動すること
で研磨パッド４のドレッシングを行う。

【００３５】次に、この装置の動作について説明する。

【００３６】まず、前記中央制御部１９は、前記トップ
リング１０の空気室１４内に圧縮空気を導入し、このト
ップリング１０の底板１０ａの下面を略平坦に保持する
（図２（ｂ）参照）。この状態で、前記リニア駆動テー
ブル３０及びＺ駆動機構２９が作動し、前記ヘッド７
を、ウエハ２を１枚ずつ払い出すローディングステーシ
ョン（図示せず）に移動させ、前記底板１０ａの下面に
ウエハ２を貼着させる。

【００３７】ついで、このウエハ２を前記研磨パッド４
の表面に対向させる。そして、前記モータ３６によって
前記回転軸３３を介して研磨パッド４を回転させた状態
で、前記ヘッド７を下降駆動し、前記ウエハ２の主面を
前記研磨パッド４に接触させる。このことで、ウエハ２
の研磨が開始される。

【００３８】研磨加工中のウエハ２の研磨工具に対する
押し付け力は前記中央制御部１９がエアバック１５中の
空気圧を制御することで行う。また、前述した図示しな
いスラリ供給ノズルからスラリが研磨面に供給されるこ
とにより、機械的な研磨（ポリシング）に加えてそのポ
リシング効果を高めるメカノケミカルポリシングが実施
される。

【００３９】このような研磨加工中には、摩擦熱が発生
し、この熱がウエハ２を介してヘッド７側のトップリン
グ１０に伝導する。このことで、このトップリング１０
は熱膨張をし、この熱膨張量及び天板１０ｂと底板１０
ａとの熱膨張差によってウエハ２を保持している底板１
０ａに変形が生じようとする。前記中央制御部１９は、
前記熱電対２０、２１を介し、一定の周期で熱電対２
０、２１の出力をサンプリングすることで前記トップリ
ング１０の温度分布を監視している。

【００４０】そして、この中央中央制御部１９は、この
温度分布情報を前記制御テーブル２３に照らし合わせる
ことで、前記底板２０ａの下面の平坦度を回復させるた
めの空気圧を求め、これに基づいて前記トップリング空
気圧制御部１８を制御する。

【００４１】これにより、ウエハ２の主面は研磨パッド
４に垂直かつ均一に押接された状態になるため、その研
磨量は全体にわたって均一になる。その結果、ウエハ２
の前記層間絶縁膜の表面部は全体に亘って均等に研磨さ
れることになるため、凹凸部が全体にわたって除去され
るとともに、全体にわたって均一な厚さを呈する層間絶
縁膜が形成され、きわめて良好な平坦化を実現すること
ができる。

【００４２】すなわち、この発明によれば、研磨中にリ
アルタイムでトップリングの下面の平坦度を制御するこ
とができるから、より高精度の研磨が行える効果があ
る。

【００４３】なお、この発明は上記一実施形態に限定さ
れるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々
変形可能である。

【００４４】たとえば、ヘッド７を上側に研磨パッド４
を下側に配置するに限らず、ヘッド７を下側に研磨パッ
ド４を上側に配置してもよい。また、ヘッド７側を下降
させるように構成するに限らず、研磨パッド４側を上昇
させるように構成してもよい。さらに、ヘッド７と研磨
パッド４とは上下方向に不動とし、ウエハの被研磨面と
研磨パッド４の研磨材面とを相対的に水平方向に移動さ
せて単に擦り合わせるように構成してもよい。

【００４５】また、研磨装置のワークは、表面に金属膜
および絶縁膜が被着されたウエハ２に限らず、加工前の
ウエハ２であってもよい。すなわち、ウエハ研磨装置
は、ウエハの研削装置やポリシング装置等として使用す
ることができる。

【００４６】一方、前記一実施形態においては、トップ
リング１０の変形状態検出手段として熱電対を用いた
が、これに限定されるものではなく、直接変位測定器を
用いて測定しても良い。また、トップリングの変形を補
正するために空気圧を利用するようにしているが、これ
に限定されるものではなく、例えば前記空間部１４内に
水等の流体を封入するようにし、この流体に印加する圧
力により前記トップリング１０を変形させてもよい。

【００４７】さらに、以上の説明では研磨装置をウエハ
の研磨に適用した場合について説明したが、それに限定
されるものではなく、研磨装置はコンパクトディスクや
磁気ディスク、液晶パネル、フォトマスク等の板形物の
表面を研磨する研磨に適用することができる。

【００４８】また、このような構成によれば、トップリ
ングの下面を任意の凸面、凹面形状に変形させることが
できるので、一枚のトップリングで平面研磨のみなら
ず、凹球面、凸球面研磨をも行うことができる。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたような構成によれば、ウエハ
の保持を安定的に行え、かつ、ウエハの研磨を高精度か
つ均一に行なうことができる研磨装置を提供することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態を示す概略構成図。

【図２】トップリングの変形状態を説明するための説明
図。

【図３】一実施形態にかかる研磨装置の全体を示す概略
構成図。

【符号の説明】

１…ウエハ研磨装置 ２…半導体ウエハ（ワーク） ４…研磨パッド（研磨工具） ５…工具保持部 ７…ヘッド ８…ベースプレート １０…トップリング（ワーク保持治具） １０ａ…底板（ワーク保持治具の一面） １０ｂ…天板 １０ｃ…周壁 １１…トップリング保持部 １２…ヘッド軸 １４…空気室（中空部、変形補正手段） １５…エアバック １６…ダイヤフラム １７…空気導入管 １８…トップリング空気圧制御部（変形補正手段） １９…中央制御部 ２０ａ…底板 ２０．２１…熱電対（変形検出手段） ２２…トップリング温度検出部（変形検出手段） ２３…制御テーブル（記憶部） ２５…空気度入孔 ２６…エアバック空気圧制御部 ２９…Ｚ駆動機構 ３０…リニア駆動テーブル ３１…定盤 ３２…回転駆動部 ３３…回転軸 ３４…プーリ ３５…ベルト ３６…駆動モータ ３８…ドレッサ ３９…Ｚ駆動機構

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Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークを保持するワーク保持治具と、 このワークの変形状態を検出する変形状態検出手段と、 前記ワーク保持治具に外力を作用させ、前記ワークの変
   形を補正する変形補正手段と、 前記ワーク保持治具に保持されたワークを研磨する研磨
   工具と 前記ワークの研磨中に、前記変形検出手段の検出に基づ
   いて前記変形補正手段を作動させ、研磨中の前記ワーク
   保持治具の変形を継続的に補償する制御部とを有するこ
   とを特徴とするワーク研磨装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の研磨装置において、 前記変形状態検出手段は、 前記ワーク保持治具の温度を検出する温度検出器を含む
   ことを特徴とするワーク研磨装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の研磨装置において、 前記温度検出器によるワーク保持治具の温度分布と前記
   変形補正手段により印加する外力との関係を記憶する記
   憶部と、 前記温度検出手段により検出した温度分布と前記記憶部
   に記憶された関係とから前記変形補正手段により印可す
   る外力を決定する制御部を有することを特徴とするワー
   ク研磨装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の研磨装置において、 前記ワーク保持治具は、その内部に中空部を有し、この
   中空部内に印加される圧力に応じて変形するものであ
   り、 前記補正手段は、変形に応じて印加する圧力を制御する
   中空室圧制御手段であることを特徴とする研磨装置。
5. 【請求項５】 ワークを保持するワーク保持治具と、こ
   のワークの変形状態を検出する変形状態検出手段と、前
   記ワーク保持治具に外力を作用させ、前記ワークの変形
   を補正する変形補正手段と、前記ワーク保持治具に保持
   されたワークを研磨する研磨工具とを有するワーク研磨
   装置を用いてワークの研磨を行うワーク研磨方法であっ
   て、 前記ワークの研磨中に、前記変形検出手段の検出に基づ
   いて前記変形補正手段を作動させ、研磨中の前記ワーク
   保持治具の変形を補償する工程を有することを特徴とす
   るワーク研磨方法。
6. 【請求項６】 ウエハをウエハ保持治具に保持する工程
   と、 前記ウエハ保持治具に保持されたウエハの表面を研磨工
   具に押し付け、このワークを研磨する工程と、 前記ウエハの研磨中に、前記ウエハ保持治具の温度を検
   出する工程と、 前記ウエハの研磨中に、保持治具の温度検出に基づいて
   前記ウエハ保持治具の熱変形を補償する工程とを有する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。