JPH10551A - 化学機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の研磨ヘッドを用いて、全ての研磨パッ
ドに均一な圧力を同時に加えて、被加工物の研磨面を高
速で高精度に均一な研磨を可能にする。 【解決手段】 複数の研磨ヘッド１０、１０は、それぞ
れ水または空気等の圧力流体を受けて圧力流体チャンバ
ー２０を形成する弾性薄膜２１を有し、この弾性薄膜２
１の下面側に研磨パッド１５を保持する。各圧力流体チ
ャンバー２０は圧力流体チャンバー２０よりも大きな容
量を有する固体チャンバー２２を介して互いに連通す
る。弾性薄膜２１に保持された研磨パッド１５を被加工
物Ｗに当接させることによって、各研磨パッド１５は、
その研磨面のイコライズが自動的になされ、かつ等分布
圧力が加えられるとともに、全ての研磨パッド１５に同
一の圧力が同時に加えられ、複数の研磨パッド１５の研
磨面が均一な加工圧で被加工物を研磨し、平坦化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ等の基板を
高精度に研磨するための化学機械研磨装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの超微細化や高段
差化が進み、これに伴って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表面を高精度
に平坦化することが求められている。このウエハ等の基
板の表面を高精度に平坦化するための加工手段として、
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。

【０００３】この従来の化学機械研磨装置は、図３に示
すように、ウエハ等の基板１０４を下面に着脱自在に保
持する被加工物保持体１０３と、被加工物保持体１０３
の下方に対向して配設された基板１０４の口径に比して
口径の大きな研磨パッド１０２が一体的に取り付けられ
た研磨工具回転テーブル１０１と、研磨パッド１０２上
に研磨剤（研磨スラリー）１０７を供給するための研磨
剤供給ノズル１０６を備え、研磨パッド１０２を上面に
一体的に取り付けた研磨工具回転テーブル１０１を矢印
Ａで示すように回転させ、基板１０４を保持した被加工
物保持体１０３の回転軸１０５に軸方向への加工圧を与
えて基板１０４を研磨パッド１０２に押し付けた状態
で、被加工物保持体１０３に矢印Ｂで示す回転運動や径
方向の直線運動を与え、かつ研磨パッド１０２と基板１
０４との間に研磨剤（研磨スラリー）を供給しつつ化学
機械研磨を行なうように構成されている。

【０００４】また、被加工物保持体については、基板の
被研磨面全面の加工圧を均等にし、被研磨面を均一に研
磨することが可能なＡｉｒ／Ｗａｔｅｒ ｂａｃｋ方式
のものが知られている。すなわち、図４に図示するＡｉ
ｒ／Ｗａｔｅｒ ｂａｃｋ方式の被加工物保持体は、内
部に空気または水等の圧力流体を密封した弾性体１１２
と、この弾性体１１２を下方へ押し付けるおもり１１０
とからなり、回転テーブル１０１上に取り付けた研磨パ
ッド１０２の上面に当接された基板１０４に弾性体１１
２を当てると、弾性体１１２の上面側のおもり１１０の
自重により基板１０４の被研磨面が研磨パッド１０２に
押圧され、この状態で被加工物保持体の自転および公
転、ならびに回転テーブル１０１の回転や直線運動を生
じさせて、化学機械研磨を行なうように構成されてい
る。基板１０４は、圧力流体が密封された弾性体１１２
を介して研磨パッド１０２に押圧されるために、基板の
被研磨面全面が均一に加圧されることとなり、基板の被
研磨面の平行度や平坦度が不充分であっても、均一な研
磨が可能であり、平坦化できるものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、研磨パッドが一体的に取り付けられた研
磨工具回転テーブルの口径が基板の口径に比較して大き
く、かつ被加工物保持体が単一であるために、次に記載
するように未解決の課題があった。

【０００６】（１） 研磨工具回転テーブルを含めた研
磨装置全体が大型となり、研磨工具回転テーブルを高速
回転させると振動が発生して被加工物である基板の被研
磨面を高精度に研磨できなくなるため、研磨工具回転テ
ーブルを高速回転させることができない。その結果、研
磨速度（単位時間当りの除去量）を高くすることができ
ない。

【０００７】（２） 被加工物である基板の被研磨面の
全面が研磨パッドの研磨面に当接された状態で研磨され
るために、基板の被研磨面に局部的なキズがある場合、
このような局部的なキズを効率的に除去することが困難
である。

【０００８】（３） 被加工物である基板の被研磨面の
全面の加工圧を均等にし、均一な研磨を行ないうる従来
のＡｉｒ／Ｗａｔｅｒ ｂａｃｋ方式の被加工物保持体
においては、個々の弾性体内部に圧力流体を充填密封し
ており、個々の独立した弾性体により加工圧が形成され
るために、複数の被加工物保持体を用いる場合に、被加
工物保持体を全て同一の圧力で押圧するように調整する
ことが困難であった。

【０００９】そこで、本発明は、上記従来の技術の有す
る未解決の課題に鑑みてなされたものであって、複数の
口径の小さい研磨パッドを均一な圧力で被加工物の被研
磨面に当接させ、被加工物の被研磨面を高速でかつ高精
度に均一に研磨することができる化学機械研磨装置を実
現することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の化学機械研磨装置は、研磨ヘッドにより
保持された研磨パッドを被加工物の被研磨面に所定の加
工圧を与えた状態で当接させ、前記研磨パッドと前記被
研磨面の間に研磨剤を供給しつつ、研磨を行なう化学機
械研磨装置において、圧力流体の供給を受けて圧力流体
チャンバーを形成する弾性薄膜を有し、該弾性薄膜の下
面側に研磨パッドを保持する研磨ヘッドを複数具備し、
前記圧力流体チャンバーは、該圧力流体チャンバーより
も大きな容量を有する固体のチャンバーを介して互いに
連通していることを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明の化学機械研磨装置は、被
加工物を着脱自在に保持して回転する回転テーブルと、
該回転テーブルに対向して配設され、研磨パッドを着脱
自在に保持する複数の研磨ヘッドと、該複数の研磨ヘッ
ドを回転自在にかつ軸方向へ移動自在に支持して研磨ヘ
ッドを公転させる公転テーブルと、前記研磨ヘッドを自
転させる手段と、前記研磨ヘッドを軸方向へ移動させる
手段とを備え、前記研磨ヘッドに保持された研磨パッド
を前記被加工物の被研磨面に所定の加工圧を与えた状態
で当接させ、前記被加工物の被研磨面と前記研磨パッド
との間に研磨剤を供給しつつ、研磨を行なう化学機械研
磨装置において、前記研磨ヘッドは、それぞれ、圧力流
体の供給を受けて圧力流体チャンバーを形成する弾性薄
膜を有して、該弾性薄膜の下面側に研磨パッドを保持
し、前記圧力流体チャンバーは、該圧力流体チャンバー
よりも大きな容量を有する固体チャンバーを介して互い
に連通していることを特徴とする。

【００１２】また、本発明の弾性薄膜によって形成され
る圧力流体チャンバーに供給される圧力流体が、気体ま
たは液体であることが好ましい。

【００１３】また、本発明の化学機械研磨装置におい
て、複数の研磨ヘッドの圧力流体チャンバーと固体チャ
ンバーとを連通するそれぞれの配管に各々個別に調整可
能な流体抵抗器を配設することが好ましい。

【００１４】

【作用】複数の研磨ヘッドのそれぞれが、液体または気
体の圧力流体の供給を受けて圧力流体チャンバーを形成
する弾性薄膜を有し、この弾性薄膜の下面側に研磨パッ
ドを保持するように構成され、各圧力流体チャンバーを
容量の大きな固体チャンバーを介して互いに連通するこ
とにより、各研磨ヘッドにおいて、研磨パッドを等分布
圧力で押圧し、かつ研磨パッドの研磨面のイコライズが
自動的になされる。そして、複数の研磨ヘッドにおい
て、研磨パッド全てに同一圧力を同時に加えることがで
き、複数の研磨パッドの研磨面が均一な加工圧で被加工
物の被研磨面を研磨することができ、平坦化することが
できる。

【００１５】さらに、各圧力流体チャンバーと固体チャ
ンバーを連通するそれぞれの支管に各々個別に調整可能
な流体抵抗器を配設することによって、各圧力流体チャ
ンバー内の圧力流体の変動や圧力を一時的に調整するこ
とができ、研磨パッドの研磨面や被加工物の状態に応じ
て最適な加工圧を設定することができ、そして最終的に
被加工物を均一な加工圧で研磨し、平坦化することがで
きる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１７】本発明の化学機械研磨装置は、図１に示す
ように、被加工物であるウエハ等の基板Ｗを着脱自在に
保持して回転ならびに径方向へ水平移動させる被加工物
保持ステーションと、被加工物保持ステーションの上方
部位に配設された複数の研磨ヘッド１０、１０を支持し
て公転および自転させるための研磨ヘッドステーション
とを備えている。

【００１８】被加工物保持ステーションは、図１に示す
ように、基台１上に一体的に設けられたガイドテーブル
３の上面上において、回転テーブル５を支持して径方向
へ移動させるためのスライダ４と、スライダ４を移動さ
せるための図示しない直線駆動機構と、スライダ４に軸
受を介してその回転軸６が回転自在に支持された回転テ
ーブル５と、回転テーブル５を回転させるための図示し
ない回転駆動機構を備え、回転テーブル５の上面に基板
Ｗを着脱自在に保持して回転させるとともに、径方向へ
移動させ得るように構成されている。

【００１９】研磨ヘッドステーションは、基台１上に立
設された支持部材２の被加工物保持ステーションの上方
へ張り出した下ヨーク２ａに軸受を介して回転自在に支
持された公転テーブル８と、支持部材２の上ヨーク２ｂ
に支持され、公転テーブル８を所定の回転速度で回転さ
せる公転テーブル回転駆動機構７と、公転テーブル８に
軸部１１が回転自在にかつ軸方向へ移動自在に支持され
た複数の研磨ヘッド１０と、研磨ヘッド１０を自転させ
かつ軸方向へ移動させるための軸部１１の上端側に連結
された回転駆動機構兼直線駆動機構１２とを備え、下面
に研磨パッド１５を保持する研磨ヘッド１０を、回転駆
動機構兼直線駆動機構１２によって、高速で自転させる
ことができるとともに軸方向へ直線移動させて研磨パッ
ド１５を基板Ｗの被研磨面に当接させたり、または基板
Ｗの被研磨面から離間させることができる。そして、公
転テーブル回転駆動機構７によって公転テーブル８を回
転させることにより、研磨ヘッド１０を公転させること
ができる。

【００２０】複数の研磨ヘッド１０は、同一構造を有す
るものであって、図２に示すように、軸部１１に取り付
けられた円筒状の枠体１７内には、圧力流体チャンバー
２０を形成する弾性薄膜２１が配置され、圧力流体チャ
ンバー２０は、圧力流体供給用の支管２４を介して、後
述する容量の大きな固体のチャンバー２２に連通され、
空気等の気体あるいは水等の液体の圧力流体が供給され
る。圧力流体チャンバー２０を形成する弾性薄膜２１の
下面側には、研磨パッド保持部材１６を介して研磨パッ
ド１５が取り付けられ、そして弾性薄膜２１の上面側に
は、弾性薄膜２１の上面を押え、上方への移動を抑止す
る抑止部材１８が円筒状の枠体１７内に配設される。こ
の抑止部材１８は、枠体１７に一体的に固定された固定
部材であってもよく、あるいは圧力流体チャンバー２０
内に圧力流体が供給された弾性薄膜２１を下方へ押し付
けて研磨パッドを押圧するおもり部材として構成するこ
ともできる。

【００２１】各研磨ヘッド１０に配置された弾性薄膜２
１によって形成される圧力流体チャンバー２０は、それ
ぞれ、圧力流体供給用の支管２４を介して、圧力流体チ
ャンバー２０の容量より大きな容量を有する固体チャン
バー２２に連通し、複数の圧力流体チャンバー２０、２
０は固体チャンバー２２を介して全て連通される。固体
チャンバー２２は、基台あるいは公転テーブル８に載置
され、主管２３を介して圧力流体供給源に連通されてい
る。

【００２２】かくして、複数の研磨ヘッド１０、１０の
圧力流体チャンバー２０に固体チャンバー２２を介して
圧力流体が供給され、弾性薄膜２１の下面側に取り付け
られた研磨パッド１５を基板Ｗに当接させると、圧力流
体チャンバー２０を形成する各弾性薄膜２１には同一の
圧力が同時に加えられ、各研磨ヘッド１０においては、
研磨パッド１５を等分布圧力で押圧し、かつ研磨パッド
１５の研磨面のイコライズが自動的になされる。そし
て、複数の研磨ヘッド１０、１０においては、同一の圧
力が同時に加えられて、全ての研磨パッド１５、１５を
均一に押圧する。

【００２３】また、弾性薄膜２１により形成された複数
の圧力流体チャンバー２０は容量の大きな固体チャンバ
ー２２に介して互いに連通しているために、いずれか一
つの研磨ヘッド１０に基板の被研磨面からなんらかの急
激な外力が作用しても、その他の研磨ヘッドに直ちに影
響を及ぼすことがなく、研磨加工に悪影響を与えること
なく研磨加工を行なうことができる。

【００２４】さらに、固体チャンバー２２と各研磨ヘッ
ドの圧力流体チャンバー２０間のそれぞれの支管２４、
２４に各々個別に調整可能な流体抵抗器を配設すること
により、圧力流体チャンバー内の圧力流体の変動および
圧力を一時的に調節することが可能となり、複数の研磨
パッドにおいて、研磨パッドの研磨面の高さや基板Ｗの
被研磨面の高さに応じて、最適な加工圧を設定すること
ができる。

【００２５】次に本実施例の動作について説明する。

【００２６】回転テーブル５の上面に基板Ｗを保持さ
せ、ついでスライダ４を径方向へ移動させて、基板Ｗを
全ての研磨ヘッド１０が当接される位置へ位置決めす
る。

【００２７】その後、研磨ヘッド１０を基板Ｗに向けて
軸方向下方へ移動させる。その際に、直線移動駆動装置
１２により下降させるとともに、圧力流体チャンバー２
０への圧力流体の供給により、所定の加工圧を与えるよ
うに研磨ヘッド１０の研磨パッド１５を基板Ｗの被研磨
面に当接させる。

【００２８】そして図示しない研磨剤（研磨スラリー）
供給手段から研磨剤（研磨スラリー）を供給しつつ、研
磨ヘッドを公転させるとともに高速で自転させ、同時に
回転テーブル５を回転させかつ径方向に短いストローク
で移動させて化学機械研磨を行なう。

【００２９】このように、各研磨ヘッドの研磨パッド１
５は、互いに連通した圧力流体チャンバー２０、２０を
形成する弾性薄膜２１、２１により加圧されているため
に、複数の研磨パッド１５に同一の圧力を同時に加える
ことができ、また各研磨ヘッド１０の研磨パッド１５は
弾性薄膜２１に取り付けられているために各研磨パッド
１５の研磨面のイコライズが自動的になされ、複数の研
磨パッド１５の全面を均一な圧力で基板Ｗの被研磨面に
当接させることができ、基板Ｗの表面に平行度や平坦度
に不均一があったとしても、基板全面を均一に研磨する
ことができる。

【００３０】なお、本発明の研磨装置により研磨するに
好適な被加工物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｉｎ
Ｐ等の半導体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が挙げられ、い
ずれも、フォトリソグラフィーによりパターニングされ
た配線や絶縁領域を形成するために、平坦な面が要求さ
れるものであり、被研磨面は、絶縁膜または金属膜ある
いはそれらが混在した面になっている。

【００３１】そして研磨ヘッドに付設される研磨パッド
としては、不織布、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。

【００３２】研磨剤としては、微粒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（ＳｉＯ
₂ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、酸化マンガン（ＭｎＯ
₂ ）、酸化セリウム（ＣｅＯ）等が挙げられ、液体とし
てはＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｈ₂ Ｏ₂等が挙げられる。微粒
子の粒径は８ｎｍ〜５０ｎｍが好ましく、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。

【００３３】半導体表面の研磨の際には、シリカ分散水
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、またタ
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。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、上述のように構成されている
ので、以下に記載するような効果を奏する。

【００３５】互いに連通する圧力流体チャンバーを形成
する弾性薄膜を介して研磨パッドを保持する研磨ヘッド
を複数用いたことにより、個々の研磨ヘッドは、その研
磨パッドの研磨面のイコライズが自動的になされるとと
もに、複数の研磨パッドを同一の圧力で同時に基板に当
接させることができ、複数の研磨パッドをその全面を均
一な加工圧で基板に当接し、均一な研磨が可能である。

【００３６】さらに口径の小さい研磨ヘッドを基板の被
研磨面に部分的に当接させて研磨するために、研磨ヘッ
ドを高速で回転させることができ、被研磨面の局部的な
キズの有無にかかわらず、高速かつ高精度に研磨するこ
とができる。

【００３７】複数の弾性薄膜によって形成される圧力流
体チャンバーと固体チャンバーとを連通するそれぞれの
支管に各々個別に調整可能な流体抵抗器を配設したこと
により、各圧力流体チャンバー内の圧力流体の変動や圧
力を一時的に調整することができ、基板の状態や研磨パ
ッドの研磨面の状態に応じて加工圧を最適なものとする
ことができ、そして最終的に全ての研磨ヘッドを均一な
加工圧で基板に加圧し、基板を平坦化することができ
る。

【００３８】また、本発明の研磨ヘッドは、研磨パッド
の保持、加圧、イコライズ、高さ調整を、弾性薄膜によ
り形成される圧力流体チャンバーへの圧力流体の供給あ
るいは圧力調整によって行なうことができるために、研
磨ヘッドの機構を簡単化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化学機械研磨装置の一実施例を示す模
式側面図である。

【図２】本発明における研磨ヘッドを示す模式部分断面
図である。

【図３】従来の化学機械研磨装置を示す模式斜視図であ
る。

【図４】従来のＡｉｒ／Ｗａｔｅｒ ｂａｃｋ方式の被
加工物保持体の部分断面図である。

【符号の説明】

５ 回転テーブル ８ 公転テーブル １０ 研磨ヘッド １５ 研磨パッド １７ 枠体 ２０ 圧力流体チャンバー ２１ 弾性薄膜 ２２ 固体チャンバー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨ヘッドにより保持された研磨パッド
   を被加工物の被研磨面に所定の加工圧を与えた状態で当
   接させ、前記研磨パッドと前記被研磨面の間に研磨剤を
   供給しつつ、研磨を行なう化学機械研磨装置において、 圧力流体の供給を受けて圧力流体チャンバーを形成する
   弾性薄膜を有し、該弾性薄膜の下面側に研磨パッドを保
   持する研磨ヘッドを複数具備し、前記圧力流体チャンバ
   ーは、該圧力流体チャンバーよりも大きな容量を有する
   固体のチャンバーを介して互いに連通していることを特
   徴とする化学機械研磨装置。
2. 【請求項２】 被加工物を着脱自在に保持して回転する
   回転テーブルと、該回転テーブルに対向して配設され、
   研磨パッドを着脱自在に保持する複数の研磨ヘッドと、
   該複数の研磨ヘッドを回転自在にかつ軸方向へ移動自在
   に支持して研磨ヘッドを公転させる公転テーブルと、前
   記研磨ヘッドを自転させる手段と、前記研磨ヘッドを軸
   方向へ移動させる手段とを備え、前記研磨ヘッドに保持
   された研磨パッドを前記被加工物の被研磨面に所定の加
   工圧を与えた状態で当接させ、前記被加工物の被研磨面
   と前記研磨パッドとの間に研磨剤を供給しつつ、研磨を
   行なう化学機械研磨装置において、 前記研磨ヘッドは、それぞれ、圧力流体の供給を受けて
   圧力流体チャンバーを形成する弾性薄膜を有して、該弾
   性薄膜の下面側に研磨パッドを保持し、前記圧力流体チ
   ャンバーは、該圧力流体チャンバーよりも大きな容量を
   有する固体チャンバーを介して互いに連通していること
   を特徴とする化学機械研磨装置。
3. 【請求項３】 弾性薄膜によって形成される圧力流体チ
   ャンバーに供給される圧力流体が、気体または液体であ
   ることを特徴とする請求項１または２記載の化学機械研
   磨装置。
4. 【請求項４】 複数の研磨ヘッドの圧力流体チャンバー
   と固体チャンバーとを連通するそれぞれの配管に各々個
   別に調整可能な流体抵抗器を配設したことを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれか１項記載の化学機械研磨装
   置。