JP3816297B2

JP3816297B2 - 研磨装置

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Publication number: JP3816297B2
Application number: JP2000123891A
Authority: JP
Inventors: 憲雄木村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-04-25
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2020-04-25
Also published as: JP2001310257A; US6443820B2; US20010034198A1

Description

【０００１】
本発明は、半導体ウエハ等を研磨するための研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高集積回路装置や光学装置等の製造においては、それら装置の要素である半導体ウエハや光学レンズ等を、全体的に極めて均一に研磨することが要求される。このような要求を満たすため、例えば半導体ウエハの研磨においては、近年、化学的機械的研磨（CMP：chemical mechanical polishing）と称される研磨技術が一般的に用いられている。この研磨技術では、トップリングまたはキャリアと呼ばれるウエハ保持手段によって、半導体ウエハを保持し、これをターンテーブルの研磨面に摺動係合させることにより、当該半導体ウエハを機械的に研磨すると共に、ターンテーブルの研磨パッド上に酸又はアルカリ性の研磨液を供給して、化学的研磨をも併せて行うことにより、高精度の研磨を可能にしている。
【０００３】
しかし、この研磨装置においては、半導体ウエハは、キャリアのターンテーブルに面する保持面上に保持されるようになっており、当該半導体ウエハを全体的に均一に研磨するためには、該半導体ウエハを研磨面に押し付ける保持面が極めて高度な平坦面とされることが必要とされるが、そのような要求を満足することは困難であった。
【０００４】
これを解決する１つの方法として、上記保持面をメンブレンで覆い、半導体ウエハをこのメンブレン上に保持すると共に、メンブレンと保持面との間に、加圧流体を供給してメンブレンを研磨面に向けて押圧し、当該メンブレンを介して半導体ウエハを研磨面に押し付けることにより、同半導体ウエハの全面にわたって均一な押圧力をかける方法が開発されている。この方法においては、半導体ウエハをキャリアに保持して研磨面上まで動かしたり、研磨した半導体ウエハを研磨面から外すときには、当該メンブレンを研磨面から離れる方向で凸状に変形し、これにより、ウエハを該メンブレンに湾曲吸着して保持し行っていた。しかし、半導体ウエハは、研磨前に種々の処理工程を通されているので、研磨処理が行われるまでには、破損までは行かないが、微小な傷が付いていることが多く、上記の如く湾曲すると、それにより当該半導体ウエハが割れる場合が生じる場合があり、この点の改善が求められていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような点に鑑み、研磨時には半導体ウエハ等の被研磨面全体に均一な押圧力の付与を行うことができるようにすると共に、研磨後に半導体ウエハ等の被研磨物を研磨面から取り外すに当たっては、上記の如き当該被研磨物の破損等の虞れ無く、確実にキャリアに吸着保持することができるようにした研磨装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る研磨装置においては、半導体ウエハ等の被研磨物を保持するキャリアが、研磨面に面する保持面、及び、該保持面に形成された凹所を有するキャリア本体と、該保持面にほぼ接するようにして同保持面全体を覆うように設定された無孔性の内側シート状部材と、該内側シート状部材にほぼ接するようにして同内側シート状部材全体を覆うように設定された有孔性の外側シート状部材と、内側シート状部材及びキャリアの保持面の間に所要の圧力の圧力を供給する圧力供給装置とを有することを特徴とする。
【０００７】
具体的には、圧力供給装置は、負圧を前記保持面と内側シート状部材との間に供給して前記内側シート状部材を前記保持面に引き付け且つその一部を前記凹所内に引き込み、引き込まれた部分と外側シート状部材との間に空隙を形成して、同空隙内に形成される負圧を当該外側シート状部材の孔を通して同外側シート状部材の表面に伝え、該表面上に前記被研磨物への吸引力を生じるとともに、正圧を前記保持面と内側シート状部材との間に供給して前記内側シート状部材を外側シート状部材に押圧し、外側シート状部材に保持されている被研磨物を前記研磨面に押圧するようになされる。
【０００８】
この研磨装置においては、研磨後に半導体ウエハ等の被研磨物を研磨面から取り外すなどするときには、被研磨物は、内側及び外側シート状部材を介して保持面上に吸着されるものであり、前述の従来の装置における如く、半導体ウエハに変形が生じることは無く、当該被研磨物の変形による破損の発生する虞は無い。前記間隙は、キャリア本体の保持面に形成された凹所内への内側シート状部材変形によって、外側シート状部材との間に形成されるものであり、そのことだけでも、当該空隙には負圧、すなわち吸引力が生じるが、同空隙に真空をかける手段を別途設けることもできる。
【０００９】
更に、前記キャリアの外周に、研磨面を押圧するための押圧リングを、当該キャリアとは独立に上下動することができるように設けることができる。該押圧リングは、研磨面のウエハの周囲の部分を押し下げておき、当該研磨面とウエハとの相対的摺動によって、その押し下げられた研磨面の部分が当該ウエハに係合する状態になるときに、同ウエハの周縁に過剰な摩擦力をかけないようにするものである。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、本発明に係る研磨装置の実施形態につき説明する。
【００１１】
図示の研磨装置１０は、半導体ウエハWの研磨装置であり、ターンテーブル１４と、ウエハWを保持してターンテーブル上面に設けられた研磨パッド１６に係合させるウエハキャリア２０とを有している。
【００１２】
研磨作業時には、ターンテーブル１４及びウエハキャリア２０が、それぞれの回転駆動軸２２、２４により回転されて、ウエハWと研磨パッド１６とが相対的に摺動され、同時に、アルカリ性研磨液が（図示しない）ノズルから研磨パッド１６上に供給されて、上記摺動と研磨液とによる当該ウエハの化学的機械的研磨が行われる。
【００１３】
ウエハキャリア２０は、図１に示す通り、回転駆動軸２４に連結されて回転される円盤状のキャリア本体２６と、該キャリア本体のウエハ保持面すなわちターンテーブルに面する下面３０にほぼ接するようにして同保持面全体を覆うように設定された伸展性のある無孔性の内側シート状部材３２と、該内側シート状部材にほぼ接するようにして同可撓性シート状部材全体を覆うように設定された有孔性の外側シート状部材３４とを有している。
【００１４】
回転駆動軸２４及びキャリア本体２６には、流体通路３８が形成されており、その一端はウエハ保持面３０に開口しており、他端は（図示しない）流体圧源に連通されている。図１及び図２に示すように、ウエハ保持面３０には、その中心に設けられて流体通路３８に連通されている円形凹所４０と、該円形凹所と同心円状にされた複数の円形流体通路溝または円環状凹所４２と、円形凹所４０から半径方向に延びて、該円形凹所４０及び円形流体通路溝４２を連通する放射状流体通路溝４４とからなる流体通路溝４８が設けられている。
【００１５】
図示の実施形態においては、キャリア本体26の外周には、リテーナリング保持部材５４が固定されており、その下端縁にリテーナリング５６が設けられており、研磨中にウエハＷがキャリアから外れて外部に飛び出すのを防止している。内側及び外側シート状部材３２，３４は、その周縁部分がキャリア本体２６の周面とリテーナリング保持部材との間に挟まれ、当該キャリア本体に固定されている。
【００１６】
この研磨装置において、ウエハWの研磨を行うためにウエハWをターンテーブル１４の研磨パッド１６上に設定したり、研磨後のウエハWを同研磨パッド１６から取り上げたりする場合には、（図示しない）流体圧源から流体通路３８及びキャリア本体２６の保持面３０中央の円形凹所４０を通して、キャリアの保持面３０と、内側シート状部材３２との間に真空をかける。斯様にして真空がかけられると、内側シート状部材３２は保持面３０に引き付けられ且つ（図３に示すように）その一部が流体通路溝４８内に引き込まれ、引き込まれた部分と外側シート状部材との間に空隙Cが形成され、同間隙内に発生する負圧が当該外側シート状部材３４の孔を通して同外側シート状部材３４の表面に伝えられ、該表面上のウエハに対する吸引力を生じるようにする。負圧を通す外側シート状部材３４の孔は、当該外側シート状部材を多孔性の材料で作り、その微細な孔とすることもできるが、図４に示すように、流体通路溝４８に沿った適当個所に、例えば２０個程度、当該外側シート状部材の上面から下面に貫通するように設ける。
【００１７】
この場合、好ましくは、外側シート状部材３４と内側シート状部材３２との間に生じる空隙Ｃにも真空圧をかけるようにするが、そのための真空通路が図２及び図６に示すように、キャリア本体２６の外周面には、９０度間隔で上下方向に延びる通路６０が放射状流体通路４４に連通するように設けられている。図６に示すように、キャリア本体の上部周縁には、同周縁に沿って段状部分６２が設けられており、通路６０は該段状部分６２まで延びている。キャリア本体２６の外周面に沿って上方に延びた内側及び外側シート状部材３２、３４が、該段状部分６２まで延びており、内側シート状部材３２は段状部分の段部６４上に曲げられ、外側シート状部材は曲げられずに上方へ延びている。段状部分には、シート固定部材４７が嵌合固定されて、キャリア本体２６との間で内側シート状部材３２を固定し、リテーナリング５４との間で外側シート状部材３４を固定している。シート固定部材６７には上下に延びる通路６８が設けられており、その下端は、通路６０に対応する位置とされ、上端は真空源に連通されている。前述のように、ウエハをキャリアに吸着するために内側シート状部材３２とキャリア本体２６の下面との間に通路３８、円形凹所４０、放射状流体通路溝４４を介して真空をかけると、その真空は通路６０にも伝えられ、キャリア本体２６の外周面上の内側シート状部材３２は、一点鎖線で示すように、該通路６０内にも吸引され、内側及び外側シート状部材３２，３４との間に通路Ｃが形成され、真空源からの真空がシート固定部材の通路６８を介して当該内側及び外側シート状部材との間にかけられるようになる。真空としては、‐５０ｋｐａ〜‐９０ｐｋａ程度とされる。
【００１８】
研磨作業を行う場合には、キャリア２０の保持面３０と内側シート状部材３２との間に、流体圧源から加圧流体を供給し、図５に示すように、内側シート状部材３２を外側シート状部材３４に押圧し、該外側シート状部材３４と研磨パッド１６との間に置かれたウエハWを研磨パッドに均等に押圧する。加圧力としては、４．９kpa〜４９kpa（５０〜５００g/cm²）程度とされる。
【００１９】
上記内側シート状部材３２は、上記の如く真空をかけた場合に、流体通路溝４８内に変形し易くするように伸展性のある材料で作ることが好ましく、また、外側シート状部材３４は、内側シート状部材３２がそのように変形した場合でも、それに追随せずに、内側シート状部材３２との間に上記空隙Cを形成することができるようある程度の剛性のあるものとされる。また、外側シート状部材の伸展を可能とするためには、当該外側シート状部材の周囲部分に襞を形成しておき、その襞が伸展するようにすることもできる。内側シート状部材としては、例えば、ポリウレタンやラテックスが、また、外側シート状部材としては、例えば、ネオプレーンゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム等が用いられ、また、内側シート状部材は薄い材料が、外側シート状部材は厚い材料（または、内側シート部材よりも変形しにくい材料）が適している。
【００２０】
図７には、本発明の他の実施形態に係る研磨装置の全体概要が、図８には同装置の要部が示されている。
【００２１】
すなわち、この装置は、基本的には、上記実施形態のものと同じく、ターンテーブル１４の研磨パッド１４に面するウエハキャリア２０の保持面３０に流体通路溝４８を有しており、該保持面にほぼ接するようにして設けられ、同保持面全体を覆うように設定された伸展性のある無孔性の内側シート状部材３２と、該内側シート状部材にほぼ接するようにして、同内側シート状部材全体を覆うように設定された外側シート状部材３４と、内側シート状部材３２及びウエハキャリアの保持面３０の間に所要の圧力を供給する圧力供給装置７０とを有する。該圧力供給装置７０は、負圧を保持面３０と内側シート状部材３２との間に供給して内側シート状部材３２を保持面に引き付け且つその一部を流体通路４８内に引き込み、引き込まれた部分と外側シート状部材３４との間に空隙を形成して、同空隙内に形成される負圧を当該外側シート状部材３４の孔を通して同外側シート状部材の表面に伝え、該表面上にウエハへの吸引力を生じるとともに、加圧流体を保持面３０と内側シート状部材３２との間に供給して内側シート状部材３２を外側シート状部材３４に押圧し、外側シート状部材３４に保持されているウエハＷを研磨パッド１６に押圧するようになされている。負圧を保持面３０と内側シート状部材３２との間に供給することにより、内側シート状部材３２と外側シート状部材３４との間に前記空隙Ｃが形成される場合、該空隙に、バルブＲ１を介して接続されている真空源にから真空をかけてウエハを吸引することもできる。内側シート状部材３２と外側シート状部材３４とのウエハキャリアに対する取付けは、詳細には示していないが、前述の実施形態のものと同様にして行われる。図６において、参照番号７６は、キャリアヘッド７７に取付けられたモータであり、ベルト駆動装置７８を介して、ウエハキャリの回転駆動軸２４を駆動するようになっており、８０は、同キャリアヘッドに取り付けられたアクチュエータ装置であり、回転駆動軸２４及びウエハキャリア２０を昇降する作用をなす。
【００２２】
この装置において、前述の研磨装置と相違する点は、前述の研磨装置ではキャリア２０の外周に、固定されていたリテーナリングの代わりに、研磨面を押圧するための押圧リング８４が、当該キャリア２０とは独立に上下動することができるように設けられていることことである。この押圧リングはキャリア本体内２６に設けられて、流体圧源７０に連通されたベロース式の押圧部材８６によって、ウエハＷ周囲の研磨パッド１６を押し下げるようになされており、研磨中にウエハと研磨面との相対的摺動によって該研磨面のウエハ周囲の部分が係合されるようになるときに、該部分がウエハの周縁に過剰な摩擦力をかけないようにするものである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る研磨装置は上記の如く構成されるものであり、研磨に際しては、被研磨物を、内側及び外側シート状部材を介して流体圧により、全体的に均一に押圧することができ、また、当該被研磨物をキャリアに保持するときには、外側シート状部材を介してかけられる負圧によってキャリアの保持面上に吸引するようにしているので、当該被研磨物が吸引によって湾曲されるということが無く、従って、従来装置において生じていた如き吸引時の変形による被研磨物の破損といった問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る研磨装置の主要部分を示す側部断面図である。
【図２】図２は、図１に示す研磨装置におけるキャリア本体の下面を示す図である。
【図３】図３は、同研磨装置において、研磨後などにウエハをキャリア本体に吸着保持するときの内側及び外側シート状部材とウエハとの関係を示す図である。
【図４】図４は、外側シート状部材の底面図である。
【図５】図５は、同研磨装置において研磨作業を行うときの、内側及び外側シート状部材とウエハとの関係を示す図である。
【図６】図６は、内側及び外側シート状部材の取付け状態、及び両シート状部材の間に真空をかけるための通路を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明に係る研磨装置の他の実施形態の全体を示す概略図である。
【図８】図８は、同装置の要部拡大断面図である。Ｗウエハ
Ｃ空隙
１０研磨装置
１４ターンテーブル
１６研磨パッド
２０ウエハキャリア
２２，２４回転駆動軸
２６キャリア本体
３０保持面
３２内側シート状部材
３４外側シート状部材
３８流体通路
４０円形凹所
４２円形流体溝
４４放射状流体通路
４８流体通路溝
５０湾曲部分
５４リテーナリング保持部材
５６リテーナリング

Claims

被研磨物を研磨面に摺動させて研磨を行う研磨装置において、被研磨物を保持して、前記研磨面に係合させるキャリアを有し、該キャリアが、前記研磨面に面する保持面、及び、該保持面に形成された凹所を有するキャリア本体と、該保持面にほぼ接するようにして、同保持面全体を覆うように設定された無孔性の内側シート状部材と、該内側シート状部材にほぼ接するようにして、同内側シート状部材全体を覆うように設定された有孔性の外側シート状部材と、前記内側シート状部材及び前記キャリアの保持面の間に所要の圧力の圧力を供給する圧力供給装置と、を有する研磨装置。
前記圧力供給装置が、負圧を前記保持面と内側シート状部材との間に供給して前記内側シート状部材を前記保持面に引き付け且つその一部を前記凹所内に引き込み、引き込まれた部分と外側シート状部材との間に空隙を形成して、同空隙内に形成される負圧を当該外側シート状部材の孔を通して同外側シート状部材の表面に伝え、該表面上に前記被研磨物への吸引力を生じるとともに、正圧を前記保持面と内側シート状部材との間に供給して前記内側シート状部材を外側シート状部材に押圧し、外側シート状部材に保持されている被研磨物を前記研磨面に押圧するようにな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。
前記内側シート状部材と外側シート状部材との間に形成される前記空隙に負圧を供給する負圧供給装置を有する請求項２に記載の研磨装置。
更に、前記キャリアの外周に、研磨面を押圧するための押圧リングが、当該キャリアとは独立に上下動することができるように設けられていることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の研磨装置。