JP2004273502A - ウェハの研磨方法及びその装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バフ研磨工程前の洗浄工程を、バフ研磨用のプラテン上に水を溜めて行うことにより、ウェハ面上に発生する欠陥の抑制と処理能力の向上を両立する。
【解決手段】第1プラテン上でウェハの研磨を行う工程と、第1のプラテン上で研磨を行った後、第2プラテン上でバフ研磨を行う工程とを備える研磨方法において、第2プラテン2上で、前記ウェハ7の洗浄を行うことを特徴とする、研磨方法を提供する。その結果、バフ研磨前にバフ2及びウェハ7上のパーティクル等を除去することが出来る。また、この除去工程をバフプラテン2上で行うことが出来るため、ウェハ7の表面欠陥の抑制と処理能力向上の両立を可能にする半導体装置の製造方法を提供することが出来る。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨工程中の仕上げ(バフ)研磨に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、ウェハ面内におけるグローバルな平坦性が要求されている。そこでCMPプロセスが用いられ、さまざまなスラリーを用いてウェハの研磨が行われている。
【0003】
しかしこのCMPプロセスにおいて、スラリー成分が原因となって、スクラッチやパーティクルなどがウェハ上に発生する欠陥が問題となっている。
【0004】
そこで、通常CMPプロセス後のウェハに対して薬液洗浄を施し、発生したスクラッチやパーティクルを除去する。更に、スラリー中の砥粒が凝集したような大きなパーティクルやウェハに付着したスラリーの添加剤等は薬液洗浄を阻害する場合があるため、CMPプロセス中においても大きなパーティクル等の除去が行われている。
【0005】
例えばこの方法として、メイン研磨直後にウェハと垂直に純水を噴射し大きなパーティクルを除去する方法や、仕上げ研磨としてBuff(バフ)研磨と呼ばれる研磨により除去する方法がある。この時の問題点として、純水洗浄の場合は、装置の処理能力を落とすこと、バフ研磨の場合は、凝集した砥粒がウェハから離れる前に研磨が行われるため、スクラッチなどを引き起こすことが上げられる。またスラリー中の添加剤がウェハ上に付着した状態で研磨を行うと、ウェハ内のパターンに過剰なストレスをかけることになり、パターン欠損を引き起こす可能性もある。
【0006】
具体的には、特許文献1に記載されているような方法がある。以下、図面を参照しながら説明する。
【0007】
まず、図9(a)の段階200の工程において、図8(a)に示す研磨パッド120a上にスラリーを供給しながら研磨パッド120aの表面に半導体基板130の表面を密着回転させることによって半導体基板130の表面を研磨する。この時、研磨効率を上げるために研磨パッド120aも共に回転させる。
【0008】
次に、図9(b)の段階220の工程において、半導体基板130を研磨パッド120aから隔離した後にコンディショナ150を研磨パッド120aに密着回転させることによって研磨パッド120aの表面を削って新しい表面を露出させるコンディショニング段階を行う。
【0009】
その後、図9(c)の段階240の工程において、コンディショニング段階以後に研磨パッド120a上に存在する粒子及び研磨粒子塊りを除去するために研磨パッドブラシ170で前記研磨パッド120aの表面をブラッシングする。ここで研磨パッド120aの表面に洗浄液を供給しながらブラッシング段階を進行する、若しくは研磨パッドブラシ170を回転させながらブラッシング段階を進行することによってブラッシングの効率を増加させることが出来る。
【0010】
続いて、図9(d)の段階260の工程において、半導体基板130をクリーニング部に移送し、補助パッド120bの表面に洗浄液を供給しながら半導体基板130を補助パッド120bに密着回転させることにより、半導体基板130の表面をクリーニングする。
【0011】
次に、図9(e)の段階280の工程において、上記のような補助研磨作業を行う場合にも半導体基板130の表面にスクラッチが発生し、更に半導体基板130表面が不均一に研磨される問題が発生するため、図8(b)に示す装置を用いてクリーニング段階以後または補助研磨作業以後に補助パッドブラシ180で補助パッド120bをブラッシングする。この際、クリーニング効率を増大させるために補助パッド120b表面に洗浄液を供給しながらブラッシングを行うことが望ましい。
【0012】
以上の方法により、ウェハ上の残留粒子及び研磨粒子塊をブラシにより効果的に除去し、基板表面でのスクラッチの発生と不均一な研磨を防止する。
【0013】
【特許文献1】
特開平10−202507号公報(段落番号[0024]〜[0036])
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来方法における図9(d)の工程において、水や薬液を供給しながら基板と補助パッドを密着させた状態でクリーニングを行うと、凝集した砥粒がウェハから離れる前に研磨が行われるため、スクラッチなどを引き起こす。またスラリー中の添加剤がウェハ上に付着した状態で研磨を行われるため、ウェハ内のパターンに過剰なストレスをかけることとなり、パターン欠損を引き起こす可能性もある。
【0015】
そこで本発明は、バフ研磨工程前の洗浄工程を、バフ研磨用のプラテン上に水を溜めて行うことにより、ウェハ面上に発生する欠陥の抑制と処理能力の向上を両立することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明において、第1プラテン上でウェハの研磨を行う工程と、第1プラテン上で研磨を行った後、第2プラテン上でバフ研磨を行う工程とを備える研磨方法において、第2プラテン上で、ウェハの洗浄を行うことを特徴とする、研磨方法を提供する。
【0017】
その結果、バフ研磨前にバフ及びウェハ上のパーティクル等を除去出来ると共に、この除去工程をバフプラテン上で行うことが出来るため、ウェハ表面欠陥の抑制と処理能力向上の両立を可能にする半導体装置の製造方法を提供することが出来る。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下図面を参照しながら説明する。
【0019】
(第1の実施形態)
まず、図1(a)に示すように、ウェハ搬送時にプラテン回転数を減速させてバフプラテン2上に純水を溜める。例えば、プラテン回転数は0〜20rpm程度が望ましい。このように、遅い速度でバフプラテン2を回転させることにより、溶液供給アーム3より供給された溶液、例えば純水4を、純水の表面張力によりバフプラテン2上に溜めることが出来る。なお、この際の純水流量は、例えば5.0l/min程度が望ましい。
【0020】
次に、図1(b)に示すように、バフ研磨工程中で洗浄を行う。この工程が、本発明の特徴となる工程であり、後程詳述する。
【0021】
その後、図1(c)に示す工程においてバフ研磨を行う。ここでウェハ7は、図3(b)に示すように、エアーバッグ用圧力6が加圧されることによって、バフプラテン2に密着された状態にある。この際エアーバッグ用圧力6は1〜1.5PSI、ヘッド回転数は80〜10rpm、ヘッド用圧力5は1.5〜2PSI、バフプラテン回転数は80〜120rpmが望ましい。また、バフプラテン2の研磨時間としては、例えば2秒〜40秒程度で行う。
【0022】
ここで、本実施形態の特徴である、図1(b)に示すバフプラテン2上での洗浄工程について説明する。
【0023】
まず、ヘッド用圧力5を加圧状態にすることにより、ヘッド1をバフプラテン2上に設置させる。例えば、ヘッド圧力5は0.5PSI程度が望ましい。またこの時、エアーバッグ用圧力6は減圧状態にしておき、ウェハ7がバフプラテン2と接しないようにする。ここでヘッドの回転数は20〜70rpm、プラテンの回転数は20〜70rpmが望ましい。またバフプラテン2とヘッド1の回転数の割合は、バフプラテン回転数/ヘッド回転数が1.0〜1.3程度であることが望ましい。なお、本工程に要する時間は、20秒程度とする。
【0024】
ここで、バフ研磨工程で洗浄中のウェハの状態についてより詳細に説明する。先に述べたように、ヘッド用圧力5、エアーバッグ用圧力6、ヘッドの回転数とバフプラテンの回転数を調整すると、バフプラテン2上にあるウェハ7の状態も変化する。図3は、ウェハ7を保持しているヘッド部分の断面図である。図3(a)に示すように、ヘッド用圧力5とエアーバッグ用圧力6を減圧状態にすると、ヘッド1のガイドリング8はプラテン上に設置されるが、エアーバッグ9はエアーバッグ用圧力6が減圧になっているために、ウェハ7がヘッド1上部に吸い付けられ、ウェハ7とバフプラテン2が離れた状態を形成する。その結果、ガイドリング8に囲まれた部分、つまりウェハ7とバフプラテン2の間に空間が形成され、先の図1(a)に示す工程においてバフプラテン2上には純水4が溜められているため、ウェハ7とバフプラテン2の間の空間は純水4で満たされた状態となる。本工程では、ウェハ7とバフプラテン2の間の空間に純水4が満たされた状態でヘッド1とバフプラテン2を回転させることにより、ウェハ7表面の洗浄を行うことが出来る。
【0025】
次に、この洗浄時の様子について説明する。
【0026】
具体的には、図4に示すように、ヘッド1で保持されたウェハ7のガイドリング8の底部は、ウェハ7の中心部からウェハ7の外側に向かって放射線状に溝10が存在する。図3(a)に示すように、ウェハ7とバフプラテン2の間の空間に保持された溶液(純水)は、溝10を伝ってガイドリング8の外側と内側を循環し、ウェハ7表面の洗浄が行われる。なお、ウェハ7を保持しているヘッド1と純水4を溜めているバフプラテン2を共に回転させると、純水がウェハ7とバフプラテン2の間の空間内をより速く循環し、ウェハ7表面の不純物が効果的に除去される。
【0027】
以上本実施形態によると、バフ研磨前にバフプラテン上でウェハ洗浄を行い、ウェハ上に残留しているパーティクル及びスラリー起因の不純物等を予め除去することが出来るため、バフ研磨を行った際に発生するウェハ表面欠陥を抑制することが出来る。
【0028】
(第2の実施形態)
まず、図2(a)に示すように、第1の実施形態と同様にしてウェハ搬送時にバフプラテン回転数を減速させ、溶液供給アームより供給された溶液、例えば純水4を表面張力によりバフプラテン2上に溜める。ここでは、純水流量は5.0l/min程度、バフプラテン回転数は0〜20rpm程度が望ましい。
【0029】
次に、図2(b)に示すように、ヘッド用圧力5を大気開放し、ヘッド1をヘッド1自体の重さによりゆっくりとバフプラテン2上に接地しながら、洗浄を行う。この工程が本実施形態の特徴となる工程であり、後程詳述する。
【0030】
その後、図2(c)に示すように、バフ研磨を行う。ここでは、エアーバッグ用圧力6を加圧しウェハ7をバフプラテン2に密着させる。この際、例えば、エアーバッグ用圧力6は1.0〜1.5PSI、ヘッド回転数は80〜10rpm、ヘッド用圧力5は1.5〜2PSIの範囲で設定することが望ましい。また、バフプラテン回転数は80〜120rpm、本工程における研磨時間は2秒〜40秒程度とする。
【0031】
ここで、本実施形態の特徴である、図2(b)に示すバフプラテン2上での洗浄工程について説明する。
【0032】
まずヘッド用圧力5を大気開放すると、ヘッド1自体がその自重によりゆっくりバフプラテン2上に降下する。ここで、ヘッド1がバフプラテン2上に接地するまでにかかる時間は、およそ10〜20秒程度である。またこの際エアーバッグ用圧力6は減圧状態を保持しておき、ウェハ7がバフプラテン2と接触しないようにする。これにより、ウェハ7がヘッド1に吸い付けられた状態にあるので、ガイドリング8に囲まれた部分には空間が生じ、その空間部分に先にバフプラテン2上に溜めておいた純水4が流入する。つまり、ガイドリング8に囲まれた空間には、図4に示すガイドリング8に形成された溝10からだけでなく、バフプラテン2とガイドリング8の隙間からも純水4が流入し、より多くの純水4がウェハ7表面及びパフプラテン2上を循環することになる。その結果、ウェハ7表面上やバフプラテン2上に残留していたパーティクルやスラリー粒子がより効果的に除去され、次のバフ研磨工程で傷等の発生を防ぐことが出来る。
【0033】
なお、バフプラテン2上にウェハ7を接面させるまでの間に、バフプラテン2が回転と停止を繰り返すよう動作させると、洗浄効果を向上させることが出来る。この際バフプラテン2の回転数は20〜40rpm、ヘッド1の回転数は20〜70rpmが望ましい。
【0034】
以上本実施形態によると、バフ研磨前にバフプラテン上でウェハ洗浄を行い、ウェハ上に残留しているパーティクル及び先の研磨工程におけるスラリー起因の不純物等を予め除去することが出来るため、バフ研磨を行った際に発生するウェハ表面欠陥を抑制することが出来る。
【0035】
以上の2つの実施形態に関して、本発明は特に不溶解性スラリーを用いた研磨工程を備える場合に特に有効である。以下、その理由を詳述する。
【0036】
不溶解性スラリーは、図5(a)に示すように、主に砥粒11と水溶性化合物12から構成され、CMP工程において削りたい部分は削りやすく、削りたくない部分は削れにくくという、比較的選択性を持たせて研磨出来る性質を有するスラリーである。例えば、図5(b)に示すように、削る必要のない絶縁膜13表面には不溶解性スラリー中の水溶性化合物12が配位してごく薄い保護膜14を形成し、本来削りたいCu膜15表面には水溶性化合物12は殆ど配位しない。よって、水溶性化合物12が外れた砥粒11は、保護膜14の形成されていない膜表面の方をより速く研磨するため、選択性を持たせた研磨を行うことが出来る。
【0037】
しかし、研磨終了後のウェハ16表面に残った不溶解性スラリー18は、他の種類のスラリーと比較して除去しにくいという問題がある。これは、図5(c)に示すように、水溶性化合物12がバフプラテン17やウェハ16表面上に部分的に配位し、ウェハ16上に残りやすくなるためである。また、図5(d)に示すように、砥粒11の周りにある水溶性化合物12は、水溶性化合物12同士で分子間力が働き、凝集して粒子が大きくなり、バフ研磨時の傷及びパーティクル増加の原因となる場合もある。
【0038】
そこで、本発明においては、先に溶液、例えば純水でウェハ7表面及びバフプラテン17上を洗浄し、スラリーの水溶性化合物12を砥粒11よりも優先的に除去する。その結果、スラリーがウェハ16表面やバフプラテン17上に配位しにくくなり、除去効率が向上すると共に、スラリー同士が凝集しにくく粒子が大きく成長しにくいため、バフ研磨時の傷の発生、及びパーティクルの増加を防ぐことが出来る。
【0039】
(発明の研磨装置)
本発明のバフ研磨装置、及びバフ研磨装置を含む研磨システムについて説明する。
【0040】
図6(a)は、バフ研磨装置の断面図であり、図6(b)はバフ研磨装置を上から見た図である。本発明のバフ研磨装置は、図6(a)に示すように、ウェハ104を保持するヘッド101と、その下にバフ研磨を行うバフプラテン102を備え、ヘッド101は、ウェハ104を着脱するためのエアーバッグ107と、ウェハ104を支えるガイドリング108とを備え、ヘッド101はヘッド101自体を上下に移動する機構(図示せず)と上部で接続されている。このエアーバッグ107を調整することによりウェハ104をヘッド101に吸着し、ウェハ104表面とバフプラテン102の間に空間を形成することが出来るため、バフ研磨直前にバフプラテン102上で洗浄を行うことが可能となる。また、図6(b)から、ウェハを保持するヘッド101部分はバフプラテン102よりもずっと面積が小さく、異なった軌跡での回転が可能であり、より偏り無く研磨することが出来る。更に、純水供給アーム103は供給口を複数備えることが可能であり、同時により広い範囲へ純水を供給することが出来る。
【0041】
次に、研磨システムについて説明する。
【0042】
本発明の研磨システムは、図7(a)に示すように、メインの研磨を行う部分である第1プラテン112aと第2プラテン112b、バフ研磨を行うバフプラテン102、研磨前と研磨終了後のウェハを着脱するウェハ着脱部110の4つのパートから構成される。
【0043】
まず図7(a)に示すように、1枚目のウェハ104が、ウェハ着脱部110でヘッドA101aに吸着される。
【0044】
次に、1枚目のウェハ104は第1プラテン112a上へ移動し、スラリー供給アーム114からスラリーを供給しながらメイン研磨が行われると同時に、2枚目のウェハBが、ウェハ着脱部110で吸着される。
【0045】
続いて、図7(b)に示すように、1枚目のウェハ104が第2プラテン112b上へ移動する過程において、第1プラテン112aと第2プラテン112bの間にあるウェハ洗浄ノズル111により1枚目のウェハ104表面の洗浄を行う。この間、研磨直前のヘッドA101aと研磨後のヘッドD101dに装着されたウェハ104は待機状態であり、洗浄時間が長くなるほどヘッドA101aとヘッドD101dの待機時間も長くなる。
【0046】
次に、図7(a)に示すように1枚目のウェハ104が第2プラテン112bへ移動し引き続きメイン研磨が行われると同時に、2枚目のウェハ104は第1プラテン112aへ、3枚目のウェハ104はウェハ着脱部110で吸着される。
【0047】
続いて、図7(b)に示すように、1枚目のウェハ104はバフプラテン102上へ移動する過程において、再びウェハ洗浄ノズル111により1枚目ウェハ104の洗浄が行われる。ここで、2枚目のウェハ104も洗浄工程に移行するが、先ほどと同様ヘッドA101a、ヘッドD101dに装着されたウェハ104は次工程への待機状態になり、研磨処理が停滞するウェハが2枚発生する。
【0048】
その後、図7(a)に示すように、1枚目のウェハはバフプラテン102へ移動しバフ研磨が行われると同時に、2枚目のウェハは第2プラテン112bへ、3枚目のウェハは第1プラテン112aへ、4枚目のウェハが着脱部110において新しくヘッドA101aに吸着される。
【0049】
このように、順にウェハがヘッドに吸着され、回転しながら同時進行で複数枚のウェハが研磨されていく。
【0050】
しかし、第1プラテン112aと第2プラテン112b、第2プラテン112bとバフプラテン102の間にあるウェハ洗浄ノズル111を用いて洗浄を行う工程が長くなるほど、ヘッドA101a,ヘッドD101dに装着されているウェハ104の待機時間が長くなり全体の処理効率が低下する。
【0051】
本発明によると、バフプラテン102上で洗浄及び研磨を共に行うことが出来るため、ウェハ洗浄ノズル111を用いた洗浄時間を短縮、もしくは省略することが出来る。その結果、洗浄工程にあるウェハの洗浄が終了するまで待機させる必要がなく、つまり処理待ちのウェハを直ちに次のプラテンへ移行し処理することが出来るため、研磨装置の処理能力を向上させることが出来る。
【0052】
【発明の効果】
本発明によると、バフ研磨前にバフプラテン上でウェハ洗浄を行い、ウェハ上に残留しているパーティクル及びスラリー起因の不純物等を予め除去することが出来るため、バフ研磨を行った際に発生するウェハ表面欠陥を抑制することが出来る。
【0053】
またプラテン間での洗浄工程を用いず、バフプラテン上で洗浄工程を行うことが出来るため、ウェハの処理能力を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態を示す図
【図2】第2の実施形態を示す図
【図3】本発明における研磨時のヘッド断面図
【図4】本発明のヘッド下面図
【図5】本発明のスラリーに関する効果についての説明図
【図6】本発明のヘッド断面図とバフプラテンを示す図
【図7】本発明の処理能力に関する効果についての説明図
【図8】従来の研磨装置の断面図
【図9】従来方法のフローを示す図
【符号の説明】
1 ヘッド
2 バフプラテン
3 純水供給アーム
4 純水
5 ヘッド用圧力
6 エアーバッグ用圧力
7 ウェハ
8 ガイドリング
9 エアーバッグ
10 溝
11 砥粒
12 水溶性化合物
13 絶縁膜
14 保護膜
15 Cu
16 ウェハ
17 バフプラテン
18 不溶解性スラリー
101 ヘッド
101a ヘッドA
101b ヘッドB
101c ヘッドC
101d ヘッドD
102 バフプラテン
103 純水供給アーム
104 ウェハ
105 ヘッド用圧力
106 エアーバッグ用圧力
107 エアーバッグ
108 ガイドリング
109 スラリー
110 ウェハ着脱部
111 ウェハ洗浄ノズル
112a 第1プラテン
112b 第2プラテン
113 純水
114 スラリー供給アーム

Claims (11)

  1. 第1プラテン上でウェハの研磨を行う工程と、
    前記第1プラテン上で研磨を行った後、第2プラテン上でバフ研磨を行う工程とを備える研磨方法において、
    前記第2プラテン上で、前記ウェハの洗浄を行うことを特徴とする、研磨方法。
  2. 前記第2プラテン上で前記ウェハの洗浄を行う工程において、
    前記第2プラテン上に純水を溜めておくことを特徴とする、請求項1記載の研磨方法。
  3. 前記第2プラテン上に純水を溜める際に、
    前記第2プラテンの回転数は0〜20rpmであることを特徴とする、請求項2記載の研磨方法 。
  4. 前記第2プラテン上で前記ウェハの洗浄を行う工程において、
    前記ウェハを保持するヘッドの圧力を減圧しておくことを特徴とする、請求項1記載の研磨方法。
  5. 前記ウェハの洗浄を行う工程において前記ヘッドを前記第2プラテン上に載せる際に、
    前記ヘッドの圧力を大気に開放した状態にしておくことを特徴とする、請求項1記載の研磨方法。
  6. 前記ヘッドを前記第2プラテン上に載せる工程において、
    前記第2プラテンの回転数は20〜40rpmであることを特徴とする、請求項4又は5記載の研磨方法。
  7. 前記ウェハの洗浄を行う工程において前記ヘッドを前記第2プラテン上に載せる際に、
    前記ヘッド、若しくは前記プラテンの回転数は20〜70rpmであることを特徴とする、請求項4又は5記載の研磨方法。
  8. 前記ウェハの洗浄を行う工程において前記ヘッドを前記第2プラテン上に載せる際に、
    前記ヘッドと前記プラテンの回転数の比が、1.0〜1.3であることを特徴とする、請求項4又は5記載の研磨方法。
  9. 前記第2プラテン上で前記ウェハの洗浄を行う工程において、
    前記ウェハを前記第2プラテン上に載せる際に、前記第2プラテンは回転と停止を一定の周期で繰り返すことを特徴とする、請求項1記載の研磨方法。
  10. プラテン上にウェハを保持するヘッドにおいて、
    前記ヘッドに圧力を加える加圧部位と、前記ウェハを保持するガイドリングと、前記ウェハに対して圧力を印加するエアーバッグと、前記エアーバッグの圧力を調整する部位とを備え、
    前記ウェハを前記プラテン上で洗浄する際に、前記プラテンの表面と前記ウェハの間に空間が存在するように構成されていることを特徴とする、研磨装置。
  11. 前記ガイドリングは、前記プラテン側の表面に溝を有していることを特徴とする、請求項10記載の研磨装置。
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