JP3027551B2 - 基板保持装置ならびに該基板保持装置を用いた研磨方法および研磨装置 - Google Patents
基板保持装置ならびに該基板保持装置を用いた研磨方法および研磨装置Info
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Description
InP等の半導体ウエハあるいは表面上に複数の島状の
半導体領域が形成された石英やガラス基板等の基板を保
持するための基板保持装置ならびに該基板保持装置を用
いた研磨方法および研磨装置に関するものである。
が進み、Si、GaAs、InP等の半導体ウエハある
いは表面上に複数の島状の半導体領域が形成された石英
やガラス基板等の基板の外表面を高精度に平坦化するこ
とが求められている。さらに、SOIウエハの出現や3
次元集積化の必要性からも基板の外表面のグローバル平
坦化が望まれている。
ろんミクロな平坦化も可能な平坦化技術として、例えば
次に説明するような化学機械研磨(CMP)装置が知ら
れている。
クロス102が貼着された定盤101と、内部に圧力流
体112が密封された弾性体111を有するトップリン
グ110とを備え、定盤101の研磨クロス102上に
載置したウエハ103をトップリング110の弾性体1
11により均一な押圧力(加工圧)で押圧し、研磨砥液
(不図示)を供給しつつ定盤101を自転を伴なわない
円運動させてウエハ103のデバイス面を研磨するよう
に構成された化学機械研磨装置(特開平5−74749
号公報参照)。
トップリング210とターンテーブル201とを備え、
ターンテーブル201とトップリング210との間に半
導体ウエハ203を介在させ、ノズル220より研磨砥
液221を供給しつつ所定の加工圧を与えて半導体ウエ
ハ203の表面を研磨する研磨装置において、トップリ
ング210の外周部に突設されたガイドリング213の
内径部に半導体ウエハ203を嵌合し、同心状に設けら
れた複数の突出部212a,212b,212cの図示
下方への突出量を中心部の突出部212aが最大になる
ように段階的に変化させることにより、半導体ウエハ2
03を凸面状に変形させた状態で押圧して研磨するよう
に構成された化学機械研磨装置(特開平8−25790
1号公報参照)。
は、いずれも研磨中に基板がトップリングから外れ易い
という問題点がある。
着脱が難しく、一方(ロ)は、基板の被研磨面が研磨工
具であるターンテーブルの研磨面(加工面)にならわ
ず、例えば層間絶縁膜の厚みがICチップ内の位置によ
り異なってしまうという問題点がある。
に鑑みてなされたものであって、研磨中に基板が外れる
おそれがなく、しかも基板の着脱を容易に行なうことが
できる基板保持装置を実現することを第1の目的とす
る。
そりやうねりに応じて自動的にイコライズが行なわれ、
基板の被研磨面を高精度に平坦化することができる基板
保持装置ならびに該基板保持装置を用いた研磨方法およ
び研磨装置を実現することである。
に、本発明の基板保持装置は、基板保持面側が解放され
た凹所を有する枠体と、前記凹所内に同心状に設けられ
た複数の流体室と、前記流体室の内圧を個別に増減する
ことができる加圧流体給排手段を備え、前記流体室の少
なくとも前記基板保持面側の壁面が変形自在な弾性体膜
で構成されていることを特徴とするものである。
基板を着脱自在に嵌合できる形状としたり、保持される
基板が着脱自在に嵌合できる形状の内周面を有するガイ
ドリングを、最外側の流体室の弾性体膜の外面上に配設
する。
の外面上に変形自在なバッキング材を配設する。
ずれか1項記載の基板保持装置を用い、前記基板保持装
置によって保持した基板の被研磨面と、前記被研磨面に
所定の加工圧を与えた状態で当接された研磨工具の研磨
面との間に研磨剤を供給しつつ研磨を行なったのち、研
磨済の前記基板を離脱させる際に、前記基板保持装置の
複数の流体室のうちの凹所中心部の流体室の内圧を増大
させることによりその弾性体膜を突出変形させて前記基
板を突き出すことを特徴とするものである。
された基板の被研磨面と、前記被研磨面に所定の加工圧
を与えた状態で当接された研磨工具の研磨面との間に研
磨剤を供給しつつ研磨を行なう研磨装置において、前記
基板保持手段が、請求項1ないし請求項5いずれか1項
記載の基板保持装置を備えたことを特徴とするものであ
る。
の実施の形態を図面に基づいて説明する。
す説明図である。この基板保持装置E1 は、基板保持面
側が解放された凹所1aを有する枠体1と、凹所1aの
中心部に設けられた筒状の第1の流体室2と、第1の流
体室2の外側に順次同心状に設けられた環状の第2の流
体室3および第3の流体室4を備え、各流体室2〜4の
少なくとも前記基板保持面側の壁面が変形自在な弾性体
膜2a〜4aで構成され、前記基板保持面側に露出する
前記弾性体膜2a〜4aの外面上には変形自在なバッキ
ング材5が配設されている。
別に増減できる加圧流体給排手段として、制御弁7a〜
9aを有する第1ないし第3の供給路7〜9を介して加
圧流体供給手段13が接続されているとともに、制御弁
10a〜12aを有する第1ないし第3の排出路10〜
12を介して減圧手段14が接続されている。
内に導入する加圧流体の流量等を各供給路7〜9に介在
された各制御弁7a〜9aによって個別に制御して各流
体室2〜4の内圧を個別に増圧することにより、各弾性
体膜2a〜4aの基板保持面側への突出変形量を変化さ
せることができるとともに、各流体室2〜4内から排出
する加圧流体の流量等を各排出路10〜12に介在され
た各制御弁10a〜12aによって個別に制御して各流
体室2〜4の内圧を個別に減圧することにより各弾性体
膜2a〜4aの反基板保持面側への窪み変形量を変化さ
せることができる。
流体室2〜4の内圧を個別に調節して、凹所1aの解放
側内周面に基板Wをその図示上面が枠体1の周縁部上端
面1bよりもわずかに突き出した状態で着脱自在に嵌合
させて保持した際に、基板Wの裏面がバッキング材5の
外面に密着するように各流体室2〜4の弾性体膜2a〜
4aの突出変形量にすることができる。
摩擦係数の大きな材料から構成すると、基板Wとの密着
性を高めることができる。
は、図2に示すように、凹所1aの中心部に設けられた
第1の流体室2内に導入される加圧流体の流量等を増大
させてその内圧を増圧し、その弾性体膜2aとともにバ
ッキング材5の中央部を図示上方へ向けて凸面状に突出
変形させることにより、基板Wを突き出して簡単に離脱
させることができる。逆に、第1の流体室2の内圧を減
圧して弾性体膜2aを凹面状に窪み変形させることによ
り基板Wを吸着することもできる。また、第2の流体室
3の内圧を増大させて弾性体膜3aをドーナツ状に突出
変形させることによって基板Wを吸着させることも可能
である。
示す説明図である。この基板保持装置E2 は、第3の流
体室4の基板保持面側の弾性体膜4aの外面にガイドリ
ング6を配設し、基板保持面側に露出している第1およ
び第2の流体室2,3の基板保持面側の弾性体膜2a,
3aの外面には変形自在なバッキング材15が配設され
ている。
保持装置E1 と同様でよいのでその説明は省略する。
1ないし第3の流体室2〜4内に導入される加圧流体の
流量等を個別に制御することによって、第3の流体室4
の弾性体膜4aを基板保持面側へより多く突出変形さ
せ、ガイドリング6の上面が枠体1の周縁部上端面1b
および第1および第2の流体室2,3の弾性体膜2a,
3a上のバッキング材15の外面よりわずかに突出(例
えば、保持される基板Wの厚み程度)させた状態にして
おき、ガイドリング6の内径面6bに基板Wを着脱自在
に嵌合させることにより、基板Wの裏面にバッキング材
15が当接した状態で保持させることができる。
は、図4に示すように、第1の流体室2内へ導入する加
圧流体の流量等を増加してその内圧を増圧させることに
より、その弾性体膜2aとともにバッキング材15の中
央部を凸面状に突出変形させて基板Wを突き出し、簡単
に離脱させることができる。
について説明する。
明図である。この研磨装置P1 は、図3に示した基板保
持装置E2 を用いたものであって、回転兼直線駆動機構
27によって回転かつ直線移動される中空の軸部材26
の自由端側に基板保持装置E2 の枠体1を固着し、各供
給路7〜9および各排出路10〜12が、軸部材26の
回転を許す継手25を介して軸部材26内に配設された
各延長供給路7b〜9bおよび各延長排出路10b〜1
2bにそれぞれ連通されている。
口径の2倍以上の大きな口径を有するとともに基板保持
装置E2 の基板保持面側に対向する研磨面が研磨パッド
22からなる研磨工具21と、研磨パッド22上に研磨
剤23を供給するための供給手段であるノズル24を備
え、研磨工具21が図示しない揺動テーブルに回転自在
に支持されたものであって、図示しない駆動機構によっ
て研磨工具21を回転軸線Oのまわりに回転させるとと
もに径方向へ揺動させることができるように構成されて
いる。
説明図である。この研磨装置P2 は、図3に示した基板
保持装置E2 を不動のものとし、口径が基板Wの口径の
1〜2倍の範囲以内の口径の研磨工具31を備えた研磨
ステーション30を備えている。
2 の基板保持面側に対向する研磨面が研磨パッド32か
らなるとともに中心部に研磨剤供給路33が設けられた
研磨工具31を備え、研磨工具31が図示しない揺動テ
ーブルに回転かつ軸方向へ移動自在に支持されたもので
あって、図示しない駆動機構により、研磨工具21を直
線移動させて所定の加工圧を与えた状態で矢印方向また
は反矢印方向へ回転させるとともに径方向へ揺動させる
ことができるように構成されている。
形態について、図6に示した研磨装置P2 を用いた場合
を例に挙げて説明する。
4へ導入される加圧流体の流量を個別に制御してガイド
リング6の図示上面がバッキング材15の図示上面より
もわずかに突出した状態にし、ガイドリング6の内径部
6aに基板Wを嵌合することにより、基板Wの裏面がバ
ッキング材15の上面に当接した状態で基板Wの外表面
(被研磨面)がガイドリング6の図示上面より若干高く
なるように保持させる。
を所定の加工圧を与えた状態で研磨パッド32を基板W
の被研磨面に当接させ、研磨剤供給路33を介して研磨
剤を供給しつつ研磨工具31を所定の回転数にて回転さ
せる。
の回転数を上げるとともに径方向へ揺動させて所定時間
の間化学機械研磨を行なう。
を基板Wから離間させ、基板Wの被研磨面の表面形状を
測定する。
板Wの被研磨面が所定の面形状にまで研磨されていない
場合には上記(2)および(3)の工程と同様の化学機
械研磨を行なう。
同様の工程を基板Wの被研磨面が所定の面形状になるま
で繰り返し行ない、所定の面形状が得られた時点で、研
磨工具31を基板Wから離間させて研磨を終了する。
2内へ導入される加圧流体の流入量を増大させることに
より、図4に示したように、その弾性体膜2aとともに
バッキング材15の中心部をガイドリング6の図示上面
よりも突出するように突出変形させることにより基板W
を突き出して離脱させる。
配設された流体室の数は、上述した3個に限らず、2個
あるいは4個以上とすることができる。
i,Ge,GaAs,GaAlAs,InP等の半導体
からなるウエハ、絶縁性表面上に半導体の層を有するS
OIウエハや絶縁性基板があり、抵抗、容量、ダイオー
ド、トランジスタ等の機能素子を作製する前であって
も、作製中であっても作製後であってもよい。
わち被研磨面は、半導体表面であったり、絶縁性表面で
あったり、導電性表面であったり、これら3つのうちの
少なくとも2つが混在する面であり得る。とりわけ本発
明は、1つの基板上においてほぼ同じ厚さの膜が必要と
なる多層配線の絶縁膜および/または導電体膜の研磨に
好適である。
布、発泡ポリウレタン等のパッドの表面を利用すること
が望ましい。
子を含む液体が望ましく、具体的には、微粒子としては
シリカ(SiO2 )、アルミナ(Al2 O3 )、酸化マ
ンガン(MnO2 )、酸化セリウム(CeO)等が挙げ
られ、液体としては水酸化ナトリウム(NaOH)溶
液、水酸化カリウム(KOH)溶液、過酸化水素水(H
2 O2 )等が挙げられる。
く、例えば、KOHのpHを変化させることで粒子の凝
集の度合いを制御できる。そして、その凝集の度合いに
より研磨量を変えることができる。
酸化ナトリウム溶液が好ましく、絶縁膜の研磨の際には
シリカ分散水酸化カリウム溶液が好ましく、タングステ
ン等の金属膜の研磨の際にはアルミナや酸化マンガン分
散の過酸化水素水が好ましいものである。
としてシリカ分散NaOH水溶液を用いると、シリコン
表面がNaOHと反応し反応生成分であるNa2 SiO
3 層を作る。これをシリカと研磨パッドによる機械的研
磨により除去し、新たなシリコン表面を露出させること
で、反応が進行する。このようなメカニズムが化学機械
研磨と呼ばれる由縁である。
ので、次に記載するような効果を奏する。
できるので、各流体室内の少なくとも基板保持面側の壁
面を構成する弾性体膜の突出変形量を変化させ、基板の
うねりやそり等に柔軟に対応することができる。また、
保持された基板を離脱させる際には、中央部の流体室内
の圧力を増圧してその弾性体膜の突出量を増大させるこ
とにより、基板Wを突き出して簡単に離脱することがで
きる。
す説明図である。
作を示す説明図である。
示す説明図である。
作を示す説明図である。
明図である。
説明図である。
ある。
(a)は全体構成の説明図、(b)はトップリングの動
作状態を示す模式断面図である。
Claims (11)
- 【請求項1】 基板保持面側が解放された凹所を有する
枠体と、前記凹所内に同心状に設けられた複数の流体室
と、前記流体室の内圧を個別に増減することができる加
圧流体給排手段を備え、前記流体室の少なくとも前記基
板保持面側の壁面が変形自在な弾性体膜で構成されてい
ることを特徴とする基板保持装置。 - 【請求項2】 凹所の解放側内周面が、保持される基板
を着脱自在に嵌合できる形状であることを特徴とする請
求項1記載の基板保持装置。 - 【請求項3】 保持される基板が着脱自在に嵌合できる
形状の内周面を有するガイドリングを、最外側の流体室
の弾性体膜の外面上に配設したことを特徴とする請求項
1記載の基板保持装置。 - 【請求項4】 基板保持面側に露出する弾性体膜の外面
上に変形自在なバッキング材を配設したことを特徴とす
る請求項1ないし3いずれか1項記載の基板保持装置。 - 【請求項5】 バッキング材が、弾性体膜よりも摩擦係
数の大きな材料から構成されていることを特徴とする請
求項4記載の基板保持装置。 - 【請求項6】 請求項1ないし5いずれか1項記載の基
板保持装置を用い、前記基板保持装置によって保持した
基板の被研磨面と、前記被研磨面に所定の加工圧を与え
た状態で当接された研磨工具の研磨面との間に研磨剤を
供給しつつ研磨を行なったのち、研磨済の前記基板を離
脱させる際に、前記基板保持装置の複数の流体室のうち
の凹所中心部の流体室の内圧を増大させることによりそ
の弾性体膜を突出変形させて前記基板を突き出すことを
特徴とする研磨方法。 - 【請求項7】 基板が、機能素子の形成中または形成後
の基板であることを特徴とする請求項6記載の研磨方
法。 - 【請求項8】 基板が、半導体であることを特徴とする
請求項6記載の研磨方法。 - 【請求項9】 基板が、絶縁性基板上に半導体膜を形成
したものであることを特徴とする請求項6記載の研磨方
法。 - 【請求項10】 基板が、表面に絶縁膜および/または
金属膜が形成された基板であることを特徴とする請求項
6記載の研磨方法。 - 【請求項11】 基板保持手段に保持された基板の被研
磨面と、前記被研磨面に所定の加工圧を与えた状態で当
接された研磨工具の研磨面との間に研磨剤を供給しつつ
研磨を行なう研磨装置において、 前記基板保持手段が、請求項1ないし請求項5いずれか
1項記載の基板保持装置を備えたことを特徴とする研磨
装置。
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