JP3959173B2 - 研磨装置及び研磨加工方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハを平面且つ鏡面状に研磨する研磨装置及び研磨加工方法、特にポリッシング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体ウエハの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く、且つ多層化する傾向にある。このため、半導体ウエハと配線膜の平坦化が必要とされており、この平坦化を能率良く行う方法として、CMP(化学機械研磨)法による研磨が適用されている。
【0003】
図4は、CMP法による研磨を実施するための研磨装置として用いられるポリッシング装置1の概略図である。
【0004】
ポリッシング装置1は半導体ウエハなどのワーク2を保持するキャリア3と、このキャリア3を回転駆動させる不図示の駆動モータと、キャリア3及び駆動モータを後述するテーブル5に対して押圧するためのエアシリンダ6と、キャリア3に対向配置されたテーブル5と、このテーブル5の上面に設けられた不織布や発泡ポリウレタンを材料とする研磨布7と、テーブル5を回転駆動させる駆動モータ8とを備えている。
【0005】
この研磨布7とワーク2の間の研磨面となる部分には、適宜砥粒と薬液とからなる研磨液が供給され、それによって所望の加工精度にワーク2の研磨加工を行うように構成されている。
【0006】
上記テーブル5の上面に対向して設けられているキャリア3は、そのテーブル5に対向する側の面でワーク2を保持している。ワーク2の外周には、研磨加工途中でこのワーク2がキャリア3から位置ずれして外れないようにするためのガイドリング8が設けられている。
【0007】
このキャリア3へのワーク2の保持は、種々の方式があり、例えばキャリア3に真空吸着させる方式、キャリア3にワックスを塗布し、このワックスにより貼付される方式、キャリア3に軟質のフィルムを設けて、このフィルム上にワーク2を水貼して固定する方式等がある。この状態で、キャリア3とテーブル5をそれぞれ駆動モータで回転させ、さらにワーク2に対してエアシリンダ6によって押圧力を付加することで、研磨液中の砥粒による物理的及び研磨液に含まれる薬液による化学的の両者の作用によってワーク2の研磨面の凹凸を除去しながら平坦面へと仕上げる加工を行う。
【0008】
ここで、研磨布7や研磨液等の研磨環境に変動を生じなければ、研磨除去量は研磨圧力とワーク2及び研磨布7の間の相対速度、それと研磨時間により定められる。したがって、ワーク2内に部分的な平坦性の悪い凹凸部分があれば、凸部へのみ局所的に圧力を増加させるか、或いは研磨布7との間の相対速度を高めるか、若しくは研磨時間を長くする必要がある。
【0009】
しかしながら、研磨布7や研磨液等の研磨環境は一定とはなっていなく、特に研磨布7はその研磨時間や研磨回数に応じて消耗してゆき、それによって研磨除去速度や圧力等に影響する弾性係数や砥粒保持能力等の特性が変化してしまう。そのため、このポリッシング装置1においては、研磨滞在時間が最も長いワーク2中心部を通る回転軌跡の研磨布7消耗が最も大きなものとなっている。このため、ある特定の条件で一義的に決定されたキャリア形状を適用しても、研磨環境が変化してしまう以上は、ワーク2を厳密に平坦化する研磨加工を行うことができなくなっている。
【0010】
そのために、研磨中のワーク2の平坦度をモニタリングしてその研磨環境の変化に応じて研磨中にその研磨条件を変化させる方法や、研磨中にキャリア3の形状を研磨の状況に応じて変化させて寸法の補正を行う方法が提案されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如く研磨環境の変化に対応させて研磨条件やキャリア3の形状を変化させても、未だワーク2の縁だれ(ワーク2のエッジ部の厚みが薄くなってしまう現象)が発生して、ワーク2の平坦度が低下してしまうといった不具合が生じ得る。
【0012】
上述の如く、ワーク2の縁以外の内面側ではワーク2に付与される押圧力を変化させるため、キャリア形状を最適化することによって改善できたが、上記の縁だれについては、ワーク2の内面側ではなくワーク2の境界側での圧力分布が問題となるため、キャリア形状を最適化するのみでは補正できないものとなっている。
【0013】
ここで、ワーク2の境界部分における圧力の発生の状況を図5でモデル的に示す。ワーク2の境界部分では、このワーク2を研磨布に押し付けたことによる押圧力、ワーク2と研磨布7とが相対運動(テーブル5の回転、及びポリッシング装置1に保持されたワーク2を回転させた運動の合成された運動)をすることにより生じる圧力(以下、これを動圧と称する)の合成された圧力が発生する。
【0014】
このため、ワーク2の外周部分には、このワーク2の境界部分での動圧を抑制するため、ワーク2が外れるのを防止するガイドリング8を用いて調整を行っている。ここで、動圧を抑制するためには、このガイドリング8の高さを最適化すれば良いが、上述のキャリア形状と同様に、研磨環境が変化してしまうので、このガイドリング8の高さ調整のみでは最適な効果が維持できないといった不具合が発生している。
【0015】
このため、ガイドリング8の研磨布7への押し付け荷重をキャリア3とは別個に可変設定し、そしてガイドリング8の押し付け荷重をキャリア3よりも大きくして研磨する方法が特開平9−168964によって提案されている。
【0016】
しかしながら、ガイドリング8の押し付け荷重を高めると、このガイドリング8で遮断されることにより研磨液のワーク2の研磨を行っている部位への供給量が減少してしまう。そのため、研磨除去レートが低下し、ワーク2の生産性が低下してしまうといった欠点が生じている。
【0017】
また、キャリア3に保持されたワーク2への研磨液の供給を良好に行うための構成として、ガイドリング8に間欠的な溝を形成する構成が特開平8−11055によって提案されている。しかしながら、この提案ではワーク2を保持する保持部とガイドリング8とが一体的な構成であり、そのためワーク2に対する溝の相対的な位置が変化しない構成となっている。そのため、ワーク2の外周側境界部分では、溝を形成したことによる凹凸部分の有無により、押圧力に変動を来たし、そのためワーク2に対してその押圧力が影響を及ぼし、このワーク2の外周側境界部分で平坦なワーク2の加工を実現できないものとなっている。
【0018】
本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、半導体ウエハの外周側の境界部分の研磨面における縁だれの発生を防止して平坦な研磨面とすることが可能な研磨装置及び研磨加工方法を提供しようとするものである。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、被研磨材をその研磨面と対向配置されテーブル上面に取付けられた研磨布に押圧して研磨加工を行う研磨装置において、回転軸を有し、被研磨材の研磨面を露出させて保持する保持手段と、上記保持手段を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、この保持手段を上記回転軸を介して回転駆動させる第1の駆動手段と、上記保持手段の少なくとも周方向を覆うと共に、この保持手段の外周側にこの保持手段の回転駆動とは非従属的に設けられ、下端で上記研磨布と接触するガイドリング体と、上記ガイドリング体の上部に設けられ、このガイドリング体を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、このガイドリング体を上記保持手段とは独立して回転駆動させる第2の駆動手段と、を具備することを特徴とする研磨装置である。
【0020】
請求項2記載の発明は、上記ガイドリング体は、その下端が間欠的に上記研磨布と接触する構成であることを特徴とする請求項1記載の研磨装置である。
【0021】
請求項3記載の発明は、保持手段に保持された被研磨材をその被研磨材と対向配置された研磨布に押圧し、この研磨布に対して保持手段を相対的に回転駆動させて研磨加工を行う研磨加工方法において、上記保持手段の外周側にこの保持手段とは非従属的に押圧及び回転駆動されると共に、下端が間欠的に上記研磨布と接触するガイドリング体を設け、このガイドリング体が上記保持手段の回転数よりも大きな回転数で回転駆動されることを特徴とする研磨加工方法である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図1ないし図3に基づいて説明する。
【0023】
図1に示す研磨装置としてのポリッシング装置20は、テーブル21が設けられている。このテーブル21は、上面が平坦面に形成されていて、さらにその径中心の下面側にはこのテーブル21を回転駆動させるための回転軸22が一体的に取り付けられている。そして、この回転軸22は、不図示の駆動源に連結されていて、それによってこのテーブル21の上面に貼付された研磨布23を回転駆動させ、ワーク24の研磨を行える構成としている。
【0024】
上記テーブル21の上面には、ワーク24としての半導体ウエハを研磨加工する研磨布23が貼付されその研磨布23上面はワーク24を精度良く研磨加工する必要から精度良く平坦化されている。
【0025】
そして、この研磨布23の上方にはこの研磨布23の径よりも小さい回転径を有するワーク回転駆動装置30が配置されている。このワーク回転駆動装置30は、ワーク24を保持して回転駆動させるキャリア機構部31と、このキャリア機構部31の外周側に位置して回転駆動されるガイドリング機構部32とから構成されている。
【0026】
キャリア機構部31は、ワーク24の研磨面を研磨布23に対向させた状態で保持するキャリア33を有していて、そのキャリア33の上方側には、軸受34を介して回転軸35が取り付けられている。そして、この回転軸35の上端には、回転駆動ギヤ36が取り付けられており、その回転駆動ギヤ36は駆動モータ37の駆動軸37aに取り付けられた駆動ギヤ38と噛合している。それによって、駆動モータ37から発生した駆動力が回転軸35に伝達する仕組みとなっている。
【0027】
上記回転軸35の駆動ギヤ38よりも上方側には、キャリア33に取り付けられたワーク24を押圧するためのエアシリンダ39が取り付けられている。このエアシリンダ39は、シリンダ体40とロッド体41から構成されていて、エアの圧力を付加することによって回転軸35に対して押圧力を付加する構成となっている。この押圧力が回転軸35に付加された場合には、それによって回転軸35が下方に向かい駆動され、それに伴ってワーク24に対して押圧力が付与される。
【0028】
上記駆動モータ37及びエアシリンダ39は、共に支持アーム42に取り付けられている。この支持アーム42は、例えば棒状部材や板状部材などから構成され、上述の駆動モータ37及びエアシリンダ39が並列されて駆動力及び押圧力を付与し易い構成としている。
【0029】
このようなキャリア機構部31の外部を覆うように、ガイドリング機構部32が設けられている。ガイドリング機構部32は、円筒筐体形状のガイドリング43を有しており、このガイドリング43が上記キャリア33及び回転軸35を覆う構成となっている。このガイドリング43は、回転軸35のキャリア33側の位置に軸受44を有していて、この軸受44で軸支される構成となっている。
【0030】
そして、このガイドリング43は、キャリア33と非接触でかつ近接対向するように形成されている。このガイドリング43の上端は、回転軸35に対応した外径を有しており、この上端には回転駆動ギヤ45が嵌合されている。そしてこの回転駆動ギヤ45には、駆動モータ46に嵌合された駆動ギヤ47が取り付けられている。この駆動ギヤ47と回転駆動ギヤ45とが噛合することで例えばベベルギヤやかさ歯車等を構成している。
【0031】
なお、駆動モータ46と共に回転駆動ギヤ45には補助回転ギヤ48が噛合している。この補助回転ギヤ48は、回転駆動ギヤ45に対して駆動モータ46を含めて例えば三方向に配置されており、この駆動モータ46及び補助回転ギヤ48を介してガイドリング43に押圧力を付与する構成となっている。
【0032】
ガイドリング43に押圧力を付与するために、上記支持アーム42の分岐アーム部49にはエアシリンダ50が取り付けられている。エアシリンダ50のロッド51下端部には、支持部材52が取り付けられていて、この支持部材52の下端には駆動モータ46及び補助回転ギヤ48が取り付けられている。そのため、エアシリンダ50を作動させて下方への押圧力を付与すると、支持部材52及び駆動モータ46の駆動ギヤ47及び補助回転ギヤ48を介してガイドリング43にその押圧力が付与される構成となっている。
【0033】
上記ガイドリング43の研磨布23と接触する下端面は、図2に示すように隙間53を有するように間欠的に形成されている。その隙間53は、例えばガイドリング43の下端面が略円周曲線状に形成されることによって存するように構成されている。
【0034】
なお、テーブル21上の研磨布23に対して研磨液を供給するために、供給ノズル54が研磨布23の上方に配置されている。
【0035】
以上のような構成を有するポリッシング装置20を用いてワーク24の研磨加工を行う場合の作用について、以下に説明する。
【0036】
ワーク24をキャリア33に対して例えば真空吸着等により保持させた後に、このワーク24をテーブル21の研磨布23に対して適宜の圧力で押圧する。そして、供給ノズル54から研磨液の供給を行い、テーブル21を回転駆動させると共にワーク24を保持しているキャリア33を回転駆動させ、さらにガイドリング43もキャリア33とは別に独立した回転駆動をさせながらワーク24の研磨加工を行う。
【0037】
この場合、ガイドリング43の回転速度は、キャリア33の回転速度よりも速くなるように設定する。また、ガイドリング43の研磨布23に対する押圧力は、キャリア33の研磨布23に対する押圧力よりも大きくなるように設定する。
【0038】
この場合の研磨加工の様子を図3に示す。
【0039】
図3(a)はガイドリング43の押圧力を300gf/cm2 ,回転数70rpmに設定したとき、図3(b)はガイドリング43の押圧力を300gf/cm2 ,回転数100rpmに設定したとき、図3(c)はガイドリング43の押圧力を350gf/cm2 ,回転数100rpmに設定したときの夫々のワーク24の中心からの距離と研磨除去速度との関係を示すグラフである。
【0040】
なお、いずれの場合にも、キャリア33の押圧力を300gf/cm2 ,回転数を70rpmとしている。
【0041】
これらのグラフによると、図3(a)に示すようにガイドリング43の回転速度を70rpmとすると、ワーク24の外周側境界部分の研磨除去速度は、ワーク24の内周側と比較して大きくなる。すなわち、ガイドリング43の回転速度が遅い場合には、研磨布23の弾性回復速度もそれに伴って遅くなるため、ワーク24のエッジ部分に作用する押圧力も大きく作用し、それによって研磨除去速度は、ワーク24のエッジ部分で大きくなっている。このため、ワーク24の内周側とエッジ部分とでは均一な研磨加工を行えないものとなっている。
【0042】
また、図3(c)に示すように、ガイドリング43の押圧力を350gf/cm2 にすると、ワーク24のエッジ部分の研磨除去速度は、ワーク24の内周側と比較して小さくなり、よってこの場合にもワーク24の内周側とエッジ部分とでは均一な研摩加工を行えないものとなっている。
【0043】
これより、ガイドリング43の押圧力は、図3(c)の場合、すなわちワーク24の内周側とエッジ部分とに均一な押圧力が作用するように押圧力を調整し、またキャリア33の回転数よりもガイドリング43の回転数が大きくした所定の回転数に調整する。これによって、ワーク24に作用する押圧力の調整が図られ、ワーク24の研磨面を平坦化して加工を行うことができる。
【0044】
このような構成のポリッシング装置20によると、キャリア33には駆動モータ37及びエアシリンダ39により夫々駆動力及び押圧力が与えられ、ガイドリング43には駆動モータ46及びエアシリンダ50により夫々駆動力及び押圧力が与えられ、これらの駆動力及び押圧力が独立して与えられる構成であるので、ワーク24の内周側とエッジ部分とで均一な押圧力が作用するように夫々押圧力を調整し、さらにキャリア33とガイドリング43の回転数を夫々調整すれば、厚みむらをなくしてワーク24の内周側とエッジ部分とで均一な平坦化を実現でき、縁だれの発生を防止することができる。
【0045】
また、ガイドリング43の下端には、略円周曲線状の隙間53が形成されているので、この隙間よりワーク24の研磨面に対して研磨液の供給を維持できる。これにより、ワークの研磨除去レートが低下せず、ワーク24の研磨の作業能率を低下させることがない。よってワーク24の生産性を高めることができる。
【0046】
更に、ガイドリング43の回転数をキャリア33の回転数よりも大きくすることにより、研磨布23が弾性回復してワーク24のエッジ部分に縁だれなどの影響を及ぼすのを防止することができる。
【0047】
また、回転数を大きくすることで、その分隙間53の間隔を大きくする構成を採用することもでき、その場合には十分な供給量の研磨液を確保できる。
【0048】
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。以下それについて述べる。
【0049】
上記実施の形態では、隙間53が略円周曲線状に形成されたガイドリング43の下端面の形状により形成されているが、この隙間53を形成するためには、ガイドリング43の下端の形状は特に限定されず、例えば波曲線状など、どのような形状であっても構わない。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ガイドリング体が保持手段とは非従属的に設けられ第2の駆動手段によって保持手段とは独立して押圧力の調整及び回転駆動が為されるので、ガイドリング体へのそれら押圧力及び回転駆動を適宜に調整すれば、被研磨材のエッジ部分に生じる縁だれの発生を防止して被研磨材を精度良く平坦化させることが可能となる。
【0051】
また、ガイドリング体の下端が間欠的に形成されることで、研磨液の供給を維持でき、研磨除去レートを低下させることがない。この場合、ガイドリング体の回転数を保持手段の回転数より大きくすることで、研磨布の弾性回復による被研磨材のエッジ部分への影響を低減化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係わるポリッシング装置の構成を示す側断面図。
【図2】同実施の形態に係わるガイドリングの形状を示す図。
【図3】同実施の形態に係わるワークの中心からの距離と研磨除去速度との関係を示すグラフ。
【図4】従来のポリッシング装置の構成を示す側断面図。
【図5】従来のポリッシング装置によるワークの研磨状態を示す図。
【符号の説明】
20…ポリッシング装置
21…テーブル
23…研磨布
24…ワーク
30…ワーク回転駆動装置
31…キャリア機構部
32…ガイドリング機構部
33…キャリア
37…駆動モータ
39…エアシリンダ
42…支持アーム
43…ガイドリング
45…回転駆動ギヤ
46…駆動モータ
47…駆動ギヤ
48…補助回転ギヤ
50…エアシリンダ
53…隙間
Claims (3)
- 被研磨材をその研磨面と対向配置されテーブル上面に取付けられた研磨布に押圧して研磨加工を行う研磨装置において、
回転軸を有し、被研磨材の研磨面を露出させて保持する保持手段と、
上記保持手段を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、この保持手段を上記回転軸を介して回転駆動させる第1の駆動手段と、
上記保持手段の少なくとも周方向を覆うと共に、この保持手段の外周側にこの保持手段の回転駆動とは非従属的に設けられ、下端で上記研磨布と接触するガイドリング体と、
上記ガイドリング体の上部に設けられ、このガイドリング体を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、このガイドリング体を上記保持手段とは独立して回転駆動させる第2の駆動手段と、
を具備することを特徴とする研磨装置。 - 上記ガイドリング体は、その下端が間欠的に上記研磨布と接触する構成であることを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
- 保持手段に保持された被研磨材をその被研磨材と対向配置された研磨布に押圧し、この研磨布に対して保持手段を相対的に回転駆動させて研磨加工を行う研磨加工方法において、
上記保持手段の外周側にこの保持手段とは非従属的に押圧及び回転駆動する下端が間欠的に上記研磨布と接触するガイドリング体が上記保持手段の回転数よりも大きな回転数で回転駆動することを特徴とする研磨加工方法。
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