JP4169432B2 - 被加工物の保持具、研磨装置及び研磨方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物を研磨する際に被加工物を保持する被加工物の保持具、被加工物を研磨する研磨装置、被加工物を研磨する研磨方法に関し、特に半導体デバイスの製造工程においてウエハを研磨する際にウエハを保持するウエハ保持具、ウエハを研磨する研磨装置、及びウエハを研磨する研磨方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程におけるウエハの研磨は、通常、回転する研磨パッドをウエハ表面に接触させることによって行われている。研磨されるウエハは、研磨装置のウエハ保持具によって保持されるが、研磨パッドの回転運動による大きな衝撃に対抗できるよう、ウエハはウエハ保持具に確実に保持されなければならない。また、ウエハの被研磨面は精度良く仕上げなければならず、特に良好な平面度が要求される。
【0003】
ウエハをウエハ保持具の表面に確実に保持し、また、ウエハ面内で均一に研磨できるようにするため、ウエハ保持具に設けたリング状のリテーナに包囲されるように内嵌させることが行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図5に示すように、以上のような研磨装置に取り付けられたウエハ保持具42によれば、吸着板49に載置したウエハ43をウエハ保持具42のリング状のリテーナ50に包囲されるように内嵌させている。このときリテーナ50とウエハ43との間には数mm幅の環状の溝54があり、研磨パッド44に荷重をかけてウエハ43に押しつけて研磨加工をすると研磨パッド44のだれ44Aが生じる場合がある。この場合、ウエハ43の外周部43Bには、他の部分に較べて大きい応力がかかり、ウエハ43の外周部43Bは研磨レートが高くなり、ウエハ43の加工面の研磨の均一性が悪化する。なお、図5において、研磨パッド44の下面のだれ44Aの撓みは理解を容易にするため、実際より大きく描いてある(図2、図3において同様)。
【0005】
そこで本発明は、ウエハ等の被加工物の加工面の研磨の均一性を改善することのできる被加工物保持具、この被加工物保持具を備えた研磨装置、被加工物の加工面の平面度を改善することのできる被加工物の研磨方法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】
上記目的を達成するために、本発明の被加工物の保持具は、リテーナで溝を介して囲まれた部分に被加工物の保持部を備える被加工物の保持具であって、前記保持部の中央部の内側領域として真空排気装置に接続される真空ラインに連通する複数の孔が中央及び中央周辺に設けられた保持部中央部は保持部肩面より鉛直方向上方に突出しており、前記保持部の周辺部の環状領域としての保持部外周部は、前記保持部中央部よりも弾性係数の低い材料から構成され、前記保持部中央部上及び保持部外周部上に取り付けられ、前記保持部中央部真上に複数吸引溝が形成され該吸引溝の底部に前記保持部中央部の前記孔に対応して孔が設けられた吸着板を備えることを特徴とする。
【0007】
被加工物の保持部の周辺部の環状領域の剛性が中央部の内側領域の剛性よりも小さくなるよう形成されているので、リテーナと被加工物との間の溝のために、研磨パッドに面だれが生じて被加工物の外周部に加わる圧力が高くなる場合であっても、この領域は剛性が小さく(弾性が大きく)圧縮力がかかると変形するので、この圧力の増加を吸収し、被加工物の外周部が過剰に研磨されることを抑えることができる。
【0008】
ここでいう剛性の大小は、被加工物の保持部が複数層で形成されているときは、それらの全体的な剛性(弾性)から決定される。
【0010】
被加工物の保持部の周辺部の環状領域を外側に傾斜して形成しているので、リテーナと被加工物との間の溝のために、研磨パッドに面だれが生じて被加工物の外周部に加わる圧力が高くなる場合、この領域の傾斜に合わせて被加工物は撓むことができ、この圧力の増加を吸収し、被加工物の外周部が過剰に研磨されることを抑えることができる。
【0011】
本発明の研磨装置は、上述の被加工物の保持具と、前記保持具に保持された被加工物を研磨する研磨パッドと、前記被加工物の保持具と前記研磨パッドとを相対的に回転させる回転駆動部と、前記研磨パッドを前記保持部に保持された被加工物に対して相対的に押し当てる押当駆動部と、前記保持部に保持された被加工物と前記研磨パッドとの間に研磨スラリを供給する研磨スラリ供給部とを備えることを特徴とする。
【0012】
本発明の被加工物の保持具を備えているので、被加工物の外周部の過剰研磨を防止することができ、被加工物を均一に研磨することができる。被加工物の保持具と研磨パッドとを相対的に回転させるとあるが、被加工物が載置されている被加工物の保持具と研磨パッドのいずれか一方または両方を回転させることを意味している。
【0013】
本発明の研磨方法は、上述の被加工物の保持具に、研磨すべき被研磨面が研磨パッドと対面するように被加工物を保持し、前記研磨パッドと前記被加工物との間に研磨スラリを供給し、前記研磨パッドを前記被加工物に押し当てつつ相対的に回転し前記被研磨面を前記研磨パッドで研磨することを特徴とする。
【0014】
本発明の被加工物の保持具を備えているので、被加工物の外周部の過剰研磨を防止することができ、被加工物を均一に研磨することができる。
【0016】
被研磨面の中央部をほぼ平坦に保持しつつ、被研磨面の周辺部が研磨パッドから離れる方向に被研磨物を撓ませるので、リテーナと被加工物との間の溝のために、研磨パッドに面だれが生じて被加工物の外周部に加わる圧力が高くなる場合であっても、この撓みにより圧力の増加を吸収し、被加工物の外周部が過剰に研磨されるのを抑えることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、ここでは被加工物が8インチウエハの場合を例として説明するが、6インチや12インチなど、ウエハサイズが異なれば、それに合わせて保持具のサイズを変更すればよい。
【0018】
図1は、本発明による被加工物の保持具としてのウエハ保持具の第1の実施の形態を示す模式図である。図1(A)は、ウエハ3を載置した状態を示すウエハ保持具2の模式的断面図であり、図1(B)、はウエハ3を載置していない状態を示すウエハ保持具2の模式的平面図である。また、図1(A)は、図1(B)のI−I線における断面図である。
【0019】
ウエハ保持具2は、アルミナ等のセラミックス、又はステンレス鋼等の金属からなり、円の直径が240mmから260mmの略円柱形状を有する。
ウエハ保持具2の上面には、上面を形成する外周円と中心を同じくして直径200mmの保持部5が形成され、保持部肩面5Aより約5mmほど鉛直方向上方に突出している。保持部5の周辺部の環状領域としての保持部外周部6は、保持部の中央部の内側領域としての保持部中央部7より弾性係数の低い材料から製作されているので剛性が低い。この材料として、硬度を40から90度(JIS−K6301に準拠した硬度)の範囲で自由に変えられるシリコンゴム、ポリウレタンゴム等を使用すればよい。なお、保持部中央部7は前述のウエハ保持具2の材料から形成されている。円環状の保持部外周部の幅は10mm以下であることが望ましい。ウエハ保持具の保持面とは、ウエハ保持具の保持部のウエハと接触する面をいう。但し、後述のように吸着板が取り付けられている場合は、吸着板のウエハと接触する面をいう。
【0020】
保持部を0.5mmから3mm幅の溝14を介して包囲するように、Al2O3(アルミナ)、SiO2(石英)、SiC等の材料からなるリング状のリテーナ10が、設けられている。リテーナ10は鉛直方向上下の表面をラッピング仕上げ、又は研削仕上げされており、真空吸着、ネジ固定、ストッパ固定等の方法によりウエハ保持具2の保持部肩面5A上に取り付けられる。
【0021】
保持部中央部7上及び保持部外周部6上には、保持部中央部7の真上に対応する部分に同心円状や放射状に多数の吸引溝8が形成されたアクリル等の樹脂からなる吸着板9が接着剤にて取り付けられている。吸引溝8は螺旋状に形成されている。但し、吸引溝8の最外周部は円環形状をしており、溝を構成する空間は水平方向に閉じた構造になっている。吸引溝8は、ウエハ3のオリフラよりも内側に相当する部分、すなわち前述のように保持部中央部の真上に対応する部分に設けられている。これによりウエハ3を吸着板9上に載置した場合に、吸引溝8全体がウエハ3により上から蓋をされた状態になり、真空吸着した際に真空がリークせずウエハ3が安定して保持される。
【0022】
また吸着板9の中央及び中央周辺の吸引溝8の底部に複数(図1(B)では合計5個)の孔11が設けられており、この孔11はウエハ保持具2に設けられた真空ライン12と連通している。真空ライン12は図示しない真空排気装置に接続されている。
【0023】
以上のごとく構成されたウエハ保持具2にウエハ3を載置し、真空ライン12から排気を行うとウエハ3は吸着板9に真空吸着される。そして研磨パッド4とウエハ3の間に研磨スラリを供給しつつ研磨パッド4及び被加工物保持具2を相互に回転させながら、研磨パッド4をウエハ3に押し当てる。そうすると研磨パッド4はウエハ3及びリテーナ10と接触した状態で、研磨パッド4がウエハ3を研磨する。
【0024】
図2は、本実施の形態において研磨パッド4が押し当てられたときのウエハ保持具2の保持部外周部6を示す模式図である。
【0025】
リテーナ10の上面と、保持部5に載置されたウエハ3の上面に押し当てられた研磨パッド4は、リテーナ10と保持部5との間の溝14のためこの部分でだれを生じ、鉛直方向下方に撓もうとするが、ウエハの外周部3B及び保持部外周部6は保持部中央部7より弾性係数の低い材料から製作されているので、ウエハの外周部3B及び保持部外周部6が研磨パッド4の押圧に従って容易に撓むことができ、前述のだれを吸収し、研磨パッド下面4Bがウエハ3に密着し外周部3Bが過剰に研磨されるのが防止される。
【0026】
なお、保持部外周部6の剛性は研磨パッド4が押し当てられたとき、吸着板の表面が最外周部において数μmから数十μmの撓みを生じるように決定することが望ましい。
また、前述の第1の実施の形態において、保持部5の上面に、吸引溝を加工した吸着板9を取り付けることなく、保持部5に吸引溝を直接加工するようにしてもよい。
【0027】
図3は、本発明による被加工物の保持具としてのウエハ保持具の第2の実施の形態を示すウエハ保持具の部分断面図である。保持部中央部7が水平で平坦な面を有し図示しない吸引溝が形成されているエリアであり、保持部外周部6には外側に向かう傾斜が一様に形成されており、吸引溝が形成されていないエリアであるウエハ保持部2を説明する。本実施の形態では、保持部5の上に吸着板は取り付けられていないが、吸着板を取り付けることも可能である。この場合、吸着板の保持部外周部6の真上に対応する部分には保持部外周部6に傾斜を設けてもよいし、また、吸着板が所定の弾性を有する場合、保持部外周部6のみに傾斜を設けることにしてもよい。
【0028】
前述の傾斜の形状は、研磨パッド下面4Bがウエハ3に密着し研磨パッドによる押し付け圧力が一定になるように決められる。よって、リテーナ10とウエハ3の外周縁部3A間の溝14により研磨パッド下面4Bのだれが生じても、保持部外周部6の傾斜により吸収され、研磨パッド下面4Bがウエハ3の外周部3Bに密着させることで研磨レートを一定にすることができる。傾斜の水平方向の幅は数mmとし、保持部外周部6の最外周部において数μmから数十μm沈む形状とすることが望ましい。
本第2の実施の形態のウエハ保持具2は、上述以外は第1の実施の形態のウエハ保持具と同様である。
【0029】
上述した本発明の実施の形態のウエハ保持具を備えた研磨装置及びそれを用いた研磨方法を説明する。図4は、第1の実施の形態のウエハ保持具2を備えた研磨装置1を示す模式図である。
【0030】
研磨パッド4を被着する円盤状の研磨定盤20が、被着面を鉛直方向下に向けて、またその円盤の中心で円盤の鉛直方向上方に円盤に垂直に設けられた回転軸23の回りに回転駆動部としての第1の回転駆動部26Aによって駆動され回転するように構成されている。研磨定盤20の研磨パッド4を被着する面は、回転軸23の回転軸線を中心とする円環状の平面になっており、その面に密着させて円環状の弾性体24が搭載され、弾性体24をはさんで研磨布である研磨パッド4が被着されている。
【0031】
研磨定盤20の下方に、研磨パッド4の研磨面に対向して、研磨台25が設けられている。研磨台25は研磨定盤20とほぼ同一の直径を有する円盤であり、回転軸22の回りに回転駆動部としての第2の回転駆動部26Bによって駆動され回転できるように構成されている。
また、研磨台25には、研磨パッド4の研磨面に対向するように円盤状のウエハ保持具2が複数(本実施の形態では5個)、回転軸22の回転軸線を中心とするピッチ円状に中心が位置するように設けられている。
【0032】
ウエハ保持具2は第2の回転駆動部26Bによって駆動され各回転軸21を回転中心として研磨台25上で回転できるように構成されている。ウエハ保持具2の上面、即ち研磨パッド4の側には、外径がウエハ保持具2より僅かに小さく、内径が載置すべきウエハ3の外径より僅かに大きく、上面が載置したときのウエハ3の上面とほぼ同一面内となる(典型的にはウエハ上面と同一面かあるいはそれより僅かに上になる)リング状のリテーナ10が、その中心が回転軸21の中心と一致するように設けられ、リテーナ10の円環の内径の中に被研磨物であるウエハ3が載置され保持される。回転軸21、22、23の回転軸線はそれぞれ互いに平行である。研磨定盤20は押当駆動部30に連結されており、研磨に際して、研磨パッド4がウエハ3に押し当てられるように研磨定盤20を駆動する。
【0033】
このような構成において、研磨台3は第2の回転駆動部26Bにより回転軸22の回りに、またウエハ保持具2ひいてはウエハ3は回転軸21の回りに、回転させられるので、研磨台3がその回転軸22の回りに回転(公転)するとともに、ウエハ保持具2もウエハ保持具2の回転軸21の回りに回転(自転)する。また研磨定盤20は、回転軸23の回りに回転させられる。したがって、回転軸22を有する研磨台3と回転軸23を有する研磨定盤20のいずれか一方あるいは双方を回転させれば、研磨台3上のウエハ3と研磨定盤20に被着した研磨パッド4とは、相対的に公転することになる。
【0034】
なお、回転軸22の回転軸線と回転軸23の回転軸線とは同一直線上にあってもよいが、典型的にはある程度、平行にずらして設定される。このことにより、研磨パッド4の研磨面のできるだけ広い範囲を用いて、またウエハ3に対してできるだけ異なる研磨面が当たるように研磨することができ、一様な研磨を可能にする。
【0035】
回転軸23の中心には、研磨スラリ供給孔27が貫通して穿設されており、研磨スラリ供給部28から研磨スラリ供給孔27に接続された研磨スラリ供給管29を通して研磨スラリを供給しながら、研磨パッド4の研磨面とウエハ3の被研磨面とを接触回転させることにより、研磨が行われる。この装置では、ウエハ3は5枚を同時に研磨することができるように構成されている。
【0036】
本実施の形態の研磨装置1は、実施の形態1のウエハ保持具2を備え、ウエハ3を保持するので、研磨パッド4によるウエハ3の研磨レートが均一化され、ウエハ3の被研磨面の平面度が改善される。ウエハ保持具2は第2の実施の形態のものであってもよい。
【0037】
本発明の研磨方法は、層間絶縁膜の平坦化やメタル膜の研磨プロセスなど半導体デバイスの製造方法に好適である。ウエハ3の研磨を行う際に、ウエハ3の中央部を平坦に維持し、ウエハ3の外周部が容易に研磨パッドの研磨面から遠ざかる方向に撓むことができるようにするので、研磨パッドのだれなどに応じてウエハ3の研磨レートを均一にすることができる。こうすることにより、ウエハ3にはウエハ3の表面が研磨パッドの表面にならうので外周部も含めて高精度のパターンを形成することが可能であり、ウエハ3の表面を広い範囲に渡って利用することができる。
【0038】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被加工物保持具の被加工物を保持する保持部は、周辺部の環状領域の剛性が、保持部の中央部の内側領域の剛性よりも小さく形成されているので、例えば相対的に回転する研磨パッドが相対的に被加工物に押し当てられたとき、被加工物保持具の保持部が周辺部の環状領域で圧縮変形し、それに合わせて被加工物の外周部が保持部の変形に対応して撓み、研磨パッドの下面が被加工物の加工面に密着し、研磨パッドの押し付け圧力が均一化し、研磨レートが均一化される。
【0039】
また、被加工物保持具の被加工物を保持する面の中央部の領域を平坦な面で形成し、被加工物を保持する面の周辺部の環状領域が外側に傾斜して形成すれば、例えば相対的に回転する研磨パッドが相対的に被加工物に押し当てられたとき、被加工物の外周部が保持部の周辺部の環状領域の傾斜に対応して撓み、研磨パッドの下面が被加工物の加工面に密着し、研磨パッドの押し付け圧力が均一化し、研磨レートが均一化する。
【0040】
したがって、これらの被加工物の保持具を備える研磨装置及びこれを用いた研磨方法では、ウエハ外周部を含めて高精度のパターンを歩留まりよく形成する半導体デバイスの製造工程が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(A)は、ウエハと研磨パッドを共に示す本発明の第1の実施の形態のウエハ保持具の模式的正面断面図である。図1(B)は、ウエハ保持具の模式的平面図である。
【図2】第1の実施の形態のウエハ保持具の保持部外周部、吸着板、ウエハの外周部、研磨パッドの撓みの状態を示す模式的断面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態のウエハ保持具の模式的拡大部分断面図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態の研磨装置の構成を示す模式的断面図である。
【図5】従来例のウエハ保持具で、研磨パッドのだれが生じている場合を表す模式的断面図である。
【符号の説明】
1 研磨装置
2 ウエハ保持具
3 ウエハ
3A 外周縁部
3B 外周部
3C オリフラ
4 研磨パッド
4A 研磨パッドのだれ
4B 研磨パッド下面
5 保持部
5A 保持部肩面
6 保持部外周部
7 保持部中央部
8 吸引溝
9 吸着板
10 リテーナ
11 孔
12 真空ライン
14 溝
20 研磨定盤
21、 22、 23 回転軸
24 弾性体
25 研磨台
26A 第1の回転駆動部
26B 第2の回転駆動部
27 研磨スラリ供給孔
28 研磨スラリ供給部
29 研磨スラリ供給管
30 押当駆動部
Claims (3)
- リテーナで溝を介して囲まれた部分に被加工物の保持部を備える被加工物の保持具であって、
前記保持部の中央部の内側領域として真空排気装置に接続される真空ラインに連通する複数の孔が中央及び中央周辺に設けられた保持部中央部は保持部肩面より鉛直方向上方に突出しており、前記保持部の周辺部の環状領域としての保持部外周部は、前記保持部中央部よりも弾性係数の低い材料から構成され、
前記保持部中央部上及び保持部外周部上に取り付けられ、前記保持部中央部真上に複数吸引溝が形成され該吸引溝の底部に前記保持部中央部の前記孔に対応して孔が設けられた吸着板を備える
ことを特徴とする被加工物の保持具。 - 請求項1に記載の被加工物の保持具と、
前記保持具に保持された被加工物を研磨する研磨パッドと、
前記被加工物の保持具と前記研磨パッドとを相対的に回転させる回転駆動部と、
前記研磨パッドを前記保持部に保持された被加工物に対して相対的に押し当てる押当駆動部と、
前記保持部に保持された被加工物と前記研磨パッドとの間に研磨スラリを供給する研磨スラリ供給部と
を備えることを特徴とする研磨装置。 - 請求項1に記載の被加工物の保持具に、研磨すべき被研磨面が研磨パッドと対面するように被加工物を保持し、
前記研磨パッドと前記被加工物との間に研磨スラリを供給し、
前記研磨パッドを前記被加工物に押し当てつつ相対的に回転し前記被研磨面を前記研磨パッドで研磨することを特徴とする被加工物の研磨方法。
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