JP2012011518A - 研磨装置、研磨パッドおよび研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く基板を研磨する研磨装置を提供すること。
【解決手段】研磨装置が、研磨パッドと、ターンテーブルと、供給ノズルと、振動供給部と、壁面部と、を備えている。研磨パッドは、被加工基板の被研磨面が押し当てられて前記被研磨面の化学的機械的研磨を行う。ターンテーブルは、前記研磨パッドを載置する。供給ノズルは、前記研磨パッド上に研磨剤を滴下する。振動供給部は、前記研磨パッドに振動エネルギを与える。壁面部は、前記研磨パッドの外周部に立設され、前記研磨パッドの上面よりも高い高さの壁面で前記研磨パッドの側面を囲う。
【選択図】図３

Description

本発明の実施の形態は、研磨装置、研磨パッドおよび研磨方法に関する。

ウエハなどの基板上に半導体装置を製造する際の製造工程の１つにＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程がある、このＣＭＰ工程は、ウエハの被研磨面（表面または裏面）を平坦にすることを目的として行われる工程であり、ＣＭＰ装置に配設されたパッド、及びスラリ（研磨剤）によってウエハ上の表面が研磨される工程である。

ＣＭＰ装置では、スラリをパッド上に滴下しながら、ウエハ上の表面を研磨している。しかしながら、パッド上には、ウエハの研磨に用いられた使用後のスラリ（化学成分が低下したスラリや研磨時に発生する研磨粉等を含むスラリ）などが存在する。この使用後のスラリはパッド表面から深く浸透し研磨レート低下やスクラッチの発生原因になることから速やかに取り除き、新たに供給するスラリを用いた良効率のウエハ研磨が望まれている。

特開平１０−３１５１２２号公報

本発明の実施の形態は、効率良く基板を研磨する研磨装置、研磨パッドおよび研磨方法を提供することを目的とする。

実施の形態によれば、研磨装置が、研磨パッドと、ターンテーブルと、供給ノズルと、振動供給部と、壁面部と、を備えている。研磨パッドは、被加工基板の被研磨面が押し当てられて前記被研磨面の化学的機械的研磨を行う。ターンテーブルは、前記研磨パッドを載置する。供給ノズルは、前記研磨パッド上に研磨剤を滴下する。振動供給部は、前記研磨パッドに振動エネルギを与える。壁面部は、前記研磨パッドの外周部に立設され、前記研磨パッドの上面よりも高い高さの壁面で前記研磨パッドの側面を囲う。

図１は、実施の形態に係るＣＭＰ装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態に係るＣＭＰ装置が備える研磨部の構成を示す図である。 図３は、研磨部の構成を示す断面図である。 図４は、使用前スラリと使用後スラリの置換効率を説明するための図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る研磨装置、研磨パッドおよび研磨方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係るＣＭＰ装置の全体構成を示すブロック図である。ＣＭＰ装置１００は、ポリッシング装置（研磨装置）の一例であり、ウエハＷＡなどの基板上に半導体装置（半導体回路）を製造する際のＣＭＰ（化学的機械的研磨）工程で用いられる。

ＣＭＰ装置１００は、研磨部１、洗浄部２、乾燥部３を含んで構成されている。研磨部１は、後述するパッド（研磨パッド）１３を備えた研磨チャンバであり、パッド１３上でウエハＷＡへの化学的機械的研磨を行うＣＭＰ装置の主要部である。洗浄部２は、研磨部１で研磨されたウエハＷＡに対し、ロールスポンジやペンシルスポンジなどを用いて洗浄を行う。乾燥部３は、洗浄部２で洗浄されたウエハＷＡをスピン乾燥などによって乾燥させる。

ウエハＷＡの研磨を行う際には、ウエハＷＡは、ＣＭＰ装置１００内に搬入される。ウエハＷＡは、まず、研磨部１に搬送されて、研磨部１で研磨される。本実施の形態では、研磨部１が備えるパッド１３の外周部（円形の外枠部分）を、所定の高さを有した壁面（後述の防スラリ堤）２０で囲っておく。また、パッド１３の下部側からパッド１３に振動エネルギを供給し、このパッド１３を介してスラリ（研磨剤）などに均一に振動エネルギを与える。これにより、パッド１３上のスラリを所定量だけ溜め込みながら、振動エネルギによってスラリを撹拌しつつ、ウエハＷＡの研磨を行う。

研磨部１で研磨されたウエハＷＡは、洗浄部２に搬送され、洗浄部２で洗浄される。そして、洗浄部２で洗浄されたウエハＷＡは、乾燥部３に搬送され、乾燥部３で乾燥される。ウエハＷＡは、乾燥部３で乾燥された後、ＣＭＰ装置１００から搬出される。

図２は、実施の形態に係るＣＭＰ装置が備える研磨部の構成を示す図である。研磨部１は、スラリ供給ノズル１１Ａと、薬液供給ノズル１１Ｂと、純水供給ノズル１１Ｃと、ターンテーブル１０と、研磨ヘッド１５と、パッド（研磨クロス）１３と、壁面２０と、を備えている。

ターンテーブル１０は、プラテン（常盤）を含んで構成されている。ターンテーブル１０は、概略円板状をなしており、ウエハＷＡを研磨する際に、中心部を軸として回転する。ターンテーブル１０の上面には、パッド１３が載置されており、パッド１３の上側に、ウエハＷＡの被研磨面が押し当てられる。本実施の形態のターンテーブル１０は、パッド１３上に供給されるスラリ１４などに振動エネルギを与える機能（後述の振動供給部５）を備えている。

パッド１３は、上面に所定の厚みをもった部材（パッド表面部）が配置され、ウエハＷＡと接するパッド１３の表面には微小な高さを有する多数の凸部が面内に一様に形成されている。ウエハＷＡを研磨する際には、研磨ヘッド１５が、パッド表面部にウエハＷＡを押し当てる。ウエハＷＡを研磨する際には、前記のパッド１３が、ターンテーブル１０とともに回転させられる。

研磨ヘッド１５は、ウエハＷＡの主面と略同じ大きさの円板状の先端部と、この先端部を保持する軸部（研磨ヘッド軸部）と、を備えており、円板状の先端部にウエハＷＡが取り付けられる。円板状の先端部へは、ウエハＷＡの被研磨面とは反対側の面が、円板状の先端部の底面と当接するよう、ウエハＷＡが取り付けられる。研磨ヘッド１５は、ウエハＷＡの被研磨面をパッド１３に押し付けながら、ウエハＷＡの被研磨面を研磨する。研磨ヘッド１５がウエハＷＡを研磨する際には、研磨ヘッド１５およびウエハＷＡは、研磨ヘッド軸部を中心に回転する。

スラリ供給ノズル１１Ａは、パッド１３上にスラリ（研磨剤）１４を供給するノズルである。スラリ１４は、物理成分（アルミナやシリカなど）と、化学成分と、を含んで構成されている。薬液供給ノズル１１Ｂは、パッド１３上に薬液を供給するノズルである。純水供給ノズル１１Ｃは、パッド１３上に純水を供給するノズルである。

研磨ヘッド１５によってウエハＷＡを研磨する際には、スラリ供給ノズル１１Ａ、薬液供給ノズル１１Ｂ、純水供給ノズル１１Ｃから、それぞれパッド１３上に、スラリ１４、薬液、純水が供給される。なお、以下の説明では、スラリ１４、薬液、純水をまとめて研磨液という場合がある。

防スラリ堤２０は、ターンテーブル１０上でパッド１３の側面を囲うように設けられた壁面（防壁）であり、研磨時に、パッド１３上に供給される研磨液の不必要な流出を防ぎ、所定量溜めることを可能とする。壁面（防スラリ堤）２０は、上部側から見た場合に、概略円環状をなしており、円環状の内側に研磨液が溜められるようになっている。

図３は、研磨部の構成を示す断面図である。同図に示すように、壁面（防スラリ堤）２０は、所定の高さ（例えばパッド１３の研磨面から５ｍｍの高さ）を有しており、パッド１３の側面と、パッド１３の表面よりも高い位置と、を囲うよう、パッド１３の表面に対して立設されている。これにより、壁面（防スラリ堤）２０は、パッド１３上に供給された研磨液を、壁面（防スラリ堤）２０の高さに応じた分量だけ溜めておくことができる。

また、ターンテーブル１０内には、スラリ１４などに振動エネルギを与える振動供給部５が配置されている。振動供給部５は、ｋＨｚ〜ＭＨｚの振動エネルギを発生させる機能を有している。振動供給部５は、例えば圧電アクチュエータ、機械的アクチュエータ、メガソニックトランスデューサ共振器、超音波トランスデューサ共振器などである。振動の与え方も、振動エネルギの強弱、異なる振動周期、及びこれらの組合せ等、複数パターン用意することにより、ＣＭＰの様々な研磨条件にも対応可能とすることができる。

ターンテーブル１０の上面には、振動エネルギを緩和させる水など（振動エネルギ緩和部１７）が溜められ、パッド１３は、この振動エネルギ緩和部１７の上に配置される。ウエハＷＡの被研磨面２５を研磨する際に、振動供給部５が振動エネルギを発生させると、この振動エネルギは、振動エネルギ緩和部１７とパッド１３を介して、ウエハＷＡの研磨に用いられた後の古いスラリ１４（後述の使用後スラリ４Ａ）、ウエハＷＡの研磨に用いられる前の新しいスラリ１４（後述の使用前スラリ４Ｂ）などに伝わる。

使用後スラリ４Ａ、スクラッチ起因で発生したゴミ（ウエハＷＡの削りかすなど）、及び使用前スラリ４Ｂは、それぞれ、振動エネルギによって撹拌される。これにより、使用後の古いスラリ４Ａが、パッド１３上に滞留することなく、効率良く排出することが可能となる（排出機構については後述する）。このように使用後スラリ４Ａが排出されることにより、使用前の新しいスラリ４Ｂがパッド１３表面上の、特に多数の凸部の間隙まで置換することができる。換言すると、パッド１３（使用前スラリ４Ｂ、使用後スラリ４Ａ）に振動エネルギを与えることにより、パッド１３の細部に浸透した使用後スラリ４Ａを使用前スラリ４Ｂに置換できる。さらに、使用後スラリ４Ａを、スラリ液面上に浮上させることができ、新旧スラリの置換を行なえる。この結果、新しいスラリ４Ｂを効率良くウエハＷＡの被研磨面２５に供給することが可能となる。

図４は、使用前スラリと使用後スラリの置換効率を説明するための図である。図４の（ａ）では、ターンテーブル１０上に防スラリ堤２０を設けず、且つパッド１３上に振動エネルギを与えない場合の使用前スラリ４Ｂおよび使用後スラリ４Ａを示している。また、図４の（ｂ）では、ターンテーブル１０上に防スラリ堤２０を設け、且つパッド１３上に振動エネルギを与える場合の使用前スラリ４Ｂおよび使用後スラリ４Ａを示している。なお、ここでは使用前スラリ４Ｂおよび使用後スラリ４Ａを、粒状の部材として図示しているが、使用前スラリ４Ｂおよび使用後スラリ４Ａは、物理成分と化学成分を含んでいるので、使用前スラリ４Ｂおよび使用後スラリ４Ａは、固体粒子が液体中に分散した懸濁液となっている。

図４の（ａ）に示すように、パッド１３上に振動エネルギを与えない場合、以前のＣＭＰ工程で使用された後の古いスラリ４Ａは、パッド１３表面の凸部５０の近傍に滞留する。このため、新たに供給される使用前スラリ４Ｂは、パッド１３表面の凸部５０の近傍まで到達しにくい。また、ターンテーブル１０上に防スラリ堤２０が設けられていないので、パッド１３上に供給された使用前スラリ４Ｂは、パッド１３上でほとんど滞留することなく、パッド１３の外周部からパッド１３の外側に排出される。したがって、使用後スラリ４Ａを効率良く新しい使用前スラリ４Ｂに置換することができない。この結果、使用前スラリ４Ｂを効率良くウエハＷＡの被研磨面２５に供給することができない。

一方、図４の（ｂ）に示すように、パッド１３上に振動エネルギを与えた場合、使用後スラリ４Ａ（化学反応生成物など）は、凸部５０の近傍に滞留することなく、研磨液の上部側に移動してくる。このため、新たに供給される使用前スラリ４Ｂは、凸部５０の近傍まで到達しやすくなる。また、ターンテーブル１０上に防スラリ堤２０が設けられていない場合でも振動によって使用後の古いスラリの滞留は低減できるが、置換のために供給した新しいスラリはパッド上に長くは滞留できないため効率が悪い。しかしながら、本実施形態では、壁面（防スラリ堤）２０が設けられているので、パッド１３上に供給された使用前スラリ４Ｂは、パッド１３上で、これをまた新しい使用前スラリに置換するまでの間、比較的長時間に渡って使用可能である。したがって、使用後スラリ４Ａを効率良く使用前スラリ４Ｂに置換できる。この結果、使用前スラリ４Ｂを効率良くウエハＷＡの被研磨面２５に供給することができる。また、使用前スラリ４ＢとウエハＷＡの被研磨面２５との衝突確率、衝突エネルギが向上する。

ここで、古いスラリを排出する壁面（防スラリ堤）２０の機構として、以下のようなものが考えられる。例えば、壁面２０が上下に昇降可能な機構を備えることにより、古いスラリを速やかに排出・除去できるようにしてもよい。そのような機構として、新旧スラリの置換時に、壁面（防スラリ堤）２０を、パッド１３の研磨面かそれ以下まで降下させターンテーブル内に収容するようにして（図３の点線部分２０ａ）、古いスラリを排出・除去した後に壁面２０を上昇させ、新しい使用前スラリを供給するようにしてもよい。また、本実施の形態では、壁面（防スラリ堤）２０の形状を、パッド１３の側面全体を囲う形状（円環状）としたが、壁面２０は、円環状（側壁）の一部を開放した形状としてもよい。その開放部は一箇所でも複数個所でもよく、古いスラリの排出効率と新しいスラリへの置換効率の両方を考慮すれば開放部のトータルの大きさは、パッド１３外周の周縁部長さに対し５％〜５０％程度とし、それ以外の周縁部に壁面２０が形成されている構成とするのが望ましい。このような壁面２０の機構とすることにより、スラリの置換やパッドクリーニングなどの時間が短縮でき、製造コスト低減に繋げることができる。

このように、使用前スラリ４Ｂを効率良くウエハＷＡの被研磨面２５に供給することができるので、ウエハＷＡを短時間で研磨できるとともに、スラリ１４の利用効率が向上する。したがって、半導体装置の生産性が向上するとともに、スラリ１４の使用量を削減することができる。

また、パッド１３上に振動エネルギを与えた場合、スクラッチ起因で発生したゴミなど（図示せず）は、粒径が大きいので、研磨液の上部側に移動してくる。このため、スクラッチ起因で発生したゴミは、パッド１３の外周部からパッド１３の外側に排出されやすくなる。したがって、スクラッチ起因で発生したゴミによってウエハＷＡが削られることを防止できる。

なお、パッド１３上に供給する振動エネルギの大きさ（周波数）や、防スラリ堤２０の高さは、ウエハＷＡの研磨条件、ウエハＷＡに形成されているパターンのレイアウト（疎密）などに応じて変更してもよい。ウエハＷＡの研磨条件は、例えば被研磨膜のレイヤ、被研磨膜の種類、被研磨膜の下層に成膜されている下層膜の種類、被研磨膜の膜厚、被研磨膜への研磨厚さなどに基づいて決定される条件（研磨圧や研磨時間など）である。

また、ウエハＷＡの研磨条件やウエハＷＡに形成されているパターンのレイアウト（疎密）などに基づいて、ウエハＷＡの研磨中に、振動エネルギの大きさを変化させてもよいし、防スラリ堤２０の高さを変化させてもよい。

例えば、研磨の第１段階では、小さな周波数で振動エネルギの供給を行い、これによりウエハＷＡの機械研磨率を向上させる。そして、研磨の第２段階では、大きな周波数で振動エネルギの供給を行い、これによりウエハＷＡの被研磨面２５と研磨液との化学反応を向上させる。これらの振動周波数の制御により、研磨の第１段階では、機械研磨率が向上するのでウエハＷＡの荒削りが行われ、研磨の第２段階では、化学反応が向上するのでウエハＷＡの仕上げが行われる。

また、ウエハＷＡの研磨中に、振動エネルギの供給と停止を制御してもよい。例えば、研磨の第１段階では、振動エネルギの供給を行い、これによりウエハＷＡの高速研磨（荒削り）を行う。そして、研磨の第２段階では、振動エネルギの供給を停止し、これによりウエハＷＡの低速研磨（仕上げ）を行う。

また、振動供給部５からの振動エネルギの大きさや、防スラリ堤２０の高さなどに基づいて、研磨液（スラリなど）の供給量、ウエハＷＡの研磨条件（研磨圧や研磨時間など）を制御してもよい。

これにより、ウエハＷＡの研磨条件やウエハＷＡに形成されているパターンのレイアウトに応じた研磨を行うことが可能となる。したがって、パターンのレイアウトに依存する研磨のばらつき（被研磨膜の凹みなど）を解消することが可能となる。

ＣＭＰ装置１００を用いたパッド１３のドレッシングやウエハＷＡの研磨は、半導体製造工程のうちの何れのレイヤで行ってもよい。半導体装置を製造する際には、ウエハＷＡ上への成膜処理、ＣＭＰ装置１００を用いたウエハＷＡの研磨、ウエハＷＡへの露光処理、現像処理、エッチング処理などがレイヤ毎に繰り返される。

なお、本実施の形態では、防スラリ堤２０とパッド１３とを別々の構成としたが、防スラリ堤２０とパッド１３とを一体として形成しておいてもよい。例えば、防スラリ堤２０をパッド１３の部材で形成するとともに、防スラリ堤２０とパッド１３とを一体として形成しておく。この場合、パッド１３の形状を、概略円板状の主面部（研磨面）と、この主面部の外周部に所定の高さを有した円環状の円環部（壁面）と、で構成された凹形状としておく。

また、本実施の形態では、パッド１３とターンテーブル１０との間に、振動エネルギ緩和部１７を配置したが、振動エネルギ緩和部１７は無くてもよい。この場合、ターンテーブル１０の上面にパッド１３が配置される。

また、ターンテーブル１０が振動供給部５を備える構成としてもよいし、振動供給部５とターンテーブル１０とを別々の構成としてもよい。

このように実施の形態によれば、パッド１３の周囲を防スラリ堤２０によって囲うとともに、振動供給部５によって研磨液に振動エネルギを与えているので、効率良くウエハＷＡなどの基板を研磨することが可能となる。

また、パッド１３に振動エネルギを与えてウエハＷＡの研磨を行っているので、パッド１３の凸部５０の近傍（パッド１３の底面近傍）に、スクラッチ起因で発生したゴミが溜まりにくくなる。このため、パッド１３のドレッシングが不要になる。したがって、ドレッシング用のヘッド（ドレッサー）が不要となり、簡易な構成の研磨部１でウエハＷＡを研磨することが可能となる。また、パッド１３へのドレッシングが不要になるので、パッド１３の磨耗を減らすことができ、この結果、パッド１３を長期間に渡って使用することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…研磨部、２…洗浄部、３…乾燥部、４Ａ…使用後スラリ、４Ｂ…使用前スラリ、５…振動供給部、１０…ターンテーブル、１３…パッド、１４…スラリ、１５…研磨ヘッド、２０…壁面、１００…ＣＭＰ装置、ＷＡ…ウエハ。

Claims (9)

1. 被加工基板の被研磨面が押し当てられて前記被研磨面の化学的機械的研磨を行うための研磨パッドと、
   前記研磨パッドを載置するターンテーブルと、
   前記研磨パッド上に研磨剤を滴下するための供給ノズルと、
   前記研磨パッドに振動エネルギを与える振動供給部と、
   前記研磨パッドの外周部に立設され、前記研磨パッドの上面よりも高い高さの壁面で前記研磨パッドの側面を囲う壁面部と、
   を備えることを特徴とする研磨装置。
2. 前記壁面部は、前記研磨パッドと同じ部材であり、前記壁面部と前記研磨パッドとは、一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記壁面部は、前記研磨パッドの側面の全部を囲う環状の壁面を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記壁面部は、昇降可能であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
5. 供給される研磨剤に振動エネルギを与える振動供給部上に配置されるとともに、被加工基板の被研磨面が押し当てられて前記被研磨面の化学的機械的研磨を行なう研磨面部と、
   前記研磨面部の外周部に立設され、前記研磨面部の上面よりも高い壁面で前記研磨面部の側面を囲う壁面部と、
   を備えることを特徴とする研磨パッド。
6. 前記壁面部は、前記研磨面部の側面の全部を囲う環状の壁面を有していることを特徴とする請求項５に記載の研磨パッド。
7. 被加工基板の被研磨面が押し当てられて前記被研磨面の化学的機械的研磨を行なう研磨面部と、前記研磨面部の外周部に立設され、前記研磨面部の上面よりも高い壁面で前記研磨面部の側面を囲う壁面部と、を備える研磨パッド上に研磨剤を供給しながら前記基板の被研磨面を前記研磨パッドに押し当てて研磨する際に、前記研磨パッドに振動エネルギを与えることを特徴とする研磨方法。
8. 前記壁面部は、前記研磨パッドと同じ部材であり、前記壁面部と前記研磨パッドとは、一体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
9. 前記壁面部は、前記研磨パッドの側面の全部を囲う環状の壁面を有していることを特徴とする請求項７または８に記載の研磨方法。

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