JPH11156712A

JPH11156712A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH11156712A
Application number: JP34712997A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Osawa; 博之大澤; Seiji Katsuoka; 誠司勝岡; Manabu Tsujimura; 学辻村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 1999-06-15

Abstract

(57)【要約】【課題】高度の平坦化と清浄化をコンパクトな装置で
効率良く行うことができる研磨装置を提供する。【解決手段】円形の被研磨材Ｗと研磨テーブルとをそ
れぞれ回転させながら、被研磨材の被研磨面と研磨テー
ブルの研磨面とを互いに押し付けて研磨を行なう研磨装
置において、研磨面の半径が被研磨面の直径より大きく
設定された１次研磨テーブル３８と、研磨面の半径
（Ｒ）が前記被研磨面の直径（２ｒ）より小さくかつそ
の半径（ｒ）より大きく設定された２次研磨テーブル４
２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置に係り、
特に、半導体ウエハ等の被研磨材を平坦かつ鏡面状に研
磨する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
なりつつある。これに伴い、光リソグラフィなどで回路
形成を行なう場合に焦点深度が浅くなるので、ステッパ
の結像面のより高い平坦度を必要とする。半導体ウエハ
の表面を平坦化する手段として、回転する研磨テーブル
上に貼付した研磨布に砥粒を含む研磨液を供給しなが
ら、キャリアで保持した半導体ウエハを研磨布に押しつ
けて研磨する化学機械的研磨が行われている。

【０００３】従来の研磨装置として、図１０に示すよう
に、上面にクロス（研磨布）１１１を貼り付けたターン
テーブル１１２と、半導体ウエハＷを保持しつつターン
テーブル１１２に押しつけるトップリング１１３とを具
備しているものがある。これにより、半導体ウエハＷを
回転しているターンテーブル１１２の上面の研磨布１１
１にトップリング１１３により押圧する。一方、研磨砥
液ノズル１１４から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨
布１１１に研磨砥液Ｑが保持され、半導体ウエハＷの研
磨される面（下面）と研磨布１１１の間に研磨砥液Ｑが
存在した状態で研磨が行われる。

【０００４】この装置では、ターンテーブル１１２とト
ップリング１１３はそれぞれが独立の回転数で回転して
おり、トップリング１１３は、ウエハＷの縁部がターン
テーブル１１２の中心及び縁から所定距離ａ，ｂだけ離
れた位置に来るようにウエハＷを保持し、これにより、
ウエハＷの全面が均一にかつ高速度で研磨される。従っ
て、ターンテーブル１１２の径Ｄは、次式に示すように
ウエハＷの径ｄの２倍以上に設定されている。Ｄ＝２（ｄ＋ａ＋ｂ）

【０００５】研磨されたウエハＷは、洗浄装置において
１ないし数次の洗浄工程と乾燥工程を経て、ウエハ搬送
用カセットに収容される。ウエハＷを洗浄する方法とし
ては、ナイロン、モヘア等のブラシや、ＰＶＡ（ポリビ
ニルアルコール）スポンジによって表面を擦るスクラブ
洗浄が行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来の研
磨装置においては、ターンテーブル１１２とトップリン
グ１１３の相対的な変位が大きく、またその相対速度も
大きいため効率的な研磨がなされ、平坦度も充分に得ら
れるが、砥粒によりウエハ表面にマイクロスクラッチが
形成される。

【０００７】これを防止するために、２台のターンテー
ブル１１２を設置して、研磨布１１１の材質、硬さ、タ
ーンテーブル１１２の回転速度、研磨液を変えて研磨を
行なうことも考えられる。しかしながら、上述したよう
にターンテーブル１１２の径はウエハＷの２倍以上と大
きく、大きな面積を占有するとともに、装置コストも大
きくなる。この欠点は、半導体ウエハの大径化の傾向に
伴って一層顕著となる。

【０００８】一方、１つのターンテーブルで、例えば、
研磨液を替えたり、回転速度を落として研磨を行なうこ
とも考えられるが、異なる研磨液の混合による性能劣化
や、研磨時間が長引くことによる効率の低下をもたら
す。

【０００９】また、清浄化に関しても、前記のように研
磨材を用いた研磨の後にスクラブ洗浄を行なう場合に
は、サブミクロンレベルのパーティクルの除去が難し
い、あるいはウエハとパーティクルの結合力が強い場合
に洗浄効果が現れないという問題点があった。

【００１０】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、高度の平坦化と清浄化をコンパクトな装置で効率良
く行うことができる研磨装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、円形の被研磨材と研磨テーブルとをそれぞれ回転さ
せながら、被研磨材の被研磨面と研磨テーブルの研磨面
とを互いに押し付けて研磨を行なう研磨装置において、
研磨面の半径が被研磨面の直径より大きく設定された１
次研磨テーブルと、研磨面の半径が前記被研磨面の直径
より小さくかつその半径より大きく設定され設定された
２次研磨テーブルとを有することを特徴とする研磨装置
である。

【００１２】このように構成された研磨装置において
は、１次研磨テーブルによって従来と同様に高い研磨速
度で不要部の研削や表面の平坦化を行い、２次研磨テー
ブルによって、マイクロスクラッチの除去や予備洗浄を
行なう。２次研磨テーブルでは、被研磨材の一部が研磨
面の中心に来たり、あるいは被研磨面の外に来るので、
ある時点では被研磨材の全面が同時に研磨されている訳
ではないが、被研磨材自体が回転しているので、各点の
研磨量を平均化させることができる。被研磨材の被研磨
面が傾かないように、被研磨材の軸心は常に研磨面上に
有るようにするのがよい。２次研磨テーブルの寸法は、
１次研磨テーブルが被研磨材の径の２倍以上、面積で４
倍以上となるのに対して、大幅に縮小される。

【００１３】請求項２に記載の発明は、被研磨材を保持
する保持手段は、前記１次研磨テーブルと２次研磨テー
ブルの両方に前記被研磨材を搬送可能であることを特徴
とする請求項１に記載の研磨装置である。通常は、保持
手段は所定の軸周りに揺動して研磨テーブルと被研磨材
授受位置の間を動くので、その揺動軌跡上に２次研磨テ
ーブルを配置する。

【００１４】請求項３に記載の発明は、円形の被研磨材
と研磨テーブルとをそれぞれ回転させながら、被研磨材
の被研磨面と研磨テーブルの研磨面とを互いに押し付け
て研磨を行なう研磨装置において、前記研磨面の半径
は、前記被研磨面の直径より小さくかつその半径より大
きく設定され、前記被研磨面の軸心が前記研磨面上にあ
り、かつ前記被研磨面の軸心と前記研磨面のエッジとの
距離が該被研磨面の半径よりも小さいことを特徴とする
研磨装置である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る研磨装置の実
施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の
研磨装置の第１の実施の形態を説明する図であり、この
装置は、全体が長方形をなす設置床Ｆ上のスペースに、
構成要素が設置床の中心線Ｃに対して左右対称に配置さ
れて構成されている。すなわち、設置床の一端側に一対
の研磨ユニット１０ａ，１０ｂが左右に対向して配置さ
れ、他端側にそれぞれ半導体ウエハ収納用カセット１２
ａ，１２ｂを載置する一対のロード・アンロードユニッ
トが配置され、さらにこれらの間にロード・アンロード
ユニット側から順に１対の２次洗浄機１４ａ，１４ｂ、
１対の反転機１６ａ，１６ｂ、１対の１次洗浄機１８
ａ，１８ｂ、１基の仮置き台２０が設けられている。１
対の１次及び２次洗浄機１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８
ｂ、反転機１６ａ，１６ｂは、互いに中心線を挟んで対
向して配置され、その間の中心線上の位置には関節で結
合されたアームを有する固定型のロボット２２，２４が
配置されている。また、仮置き台２０の左右には１対の
固定ロボット２６ａ，２６ｂが設けられている。

【００１６】各研磨ユニット１０ａ，１０ｂは、図２及
び図３に示すように、被研磨材Ｗを授受するプッシャ３
０と、２基のトップリング３２，３４を有するトップリ
ング装置３６と、表面に研磨工具面を有するターンテー
ブル（１次研磨テーブル）３８と、研磨工具面の目立て
を行なうドレッサ４０とがほぼ前記中心線に平行に配置
されている。また、この例ではトップリング装置３６の
脇にバフ研磨（２次研磨）を行なう研磨テーブル（２次
研磨テーブル）４２が設けられている。

【００１７】トップリング装置３６は、ターンテーブル
３８のベース４４より側方に突出するブラケット４６に
取り付けられた基台４８により回転自在に支持された鉛
直方向に延びる支柱５０と、この支柱５０の先端に水平
方向に延びて取り付けられた旋回アーム５２と、この旋
回アーム５２の先端にそれぞれ取り付けられた１対のト
ップリング３２，３４とを備えている。トップリング３
２，３４は、各々の下面に被研磨材を吸着する機能を有
し、それぞれ独立に駆動モータ５６により水平面内で回
転可能かつエアシリンダ５８により昇降可能となってい
る。

【００１８】ターンテーブル３８は、基本的に図１０に
示す従来のものと同じであり、その上面に研磨面を形成
する研磨クロスが貼付された自転可能なテーブルで、研
磨テーブルを安定に支持する支持部と、高速で回転駆動
する回転駆動装置が設けられ、上部には所定位置に砥液
供給ノズルが開口して設けられている。

【００１９】バフ研磨テーブル４２は、図４及び図５に
示すように、基本的にターンテーブル３８と同じよう
に、上面にバフ研磨面を形成する研磨クロス８０が貼付
された自転可能な小径のテーブル８２であり、ハウジン
グ８４内に設けられた駆動機構８６により回転駆動され
る。近傍に、回転機構８８、揺動機構９０及びエアシリ
ンダ９３を備えた昇降機構９２を有するドレッサ９４が
設置されている。バフ研磨テーブル４２の寸法は、その
研磨面の半径Ｒが被研磨材の直径２ｒより小さく、また
その半径ｒより大きく設定されている。

【００２０】バフ研磨テーブル４２では、ターンテーブ
ル３８によって１次研磨が行われたウエハＷについて２
次研磨を行なう。これは、砥粒を含む砥液を用いる仕上
げ研磨又は純水を用いた水ポリッシュ（２次研磨）であ
る。ここでは、被研磨材の軸心が研磨面の外縁から所定
の距離ｅだけ内側に来るようにして仕上げ研磨兼洗浄を
行う。このｅは、被研磨材の半径ｒに比べて充分小さい
値であり、従って、図６に示すように、被研磨面が最大
幅（ｒ−ｅ）の三日月状に研磨テーブルの外に露出す
る。

【００２１】この場合、研磨面の内で大きな研磨力を有
するのは、回転速度が大きく、被研磨面に対する摺動距
離も大きい外周側の部分（有効研磨帯Ｅｐ）であり、内
側に向かうに従って研磨力が小さくなる。一方、被研磨
材も自転しているので被研磨面の各部は順次有効研磨帯
Ｅｐに接することになり、結果的に被研磨面の各部の研
磨量は平均化される。

【００２２】勿論、平均化の精度をより高めるために、
距離ｅを適宜設定し、研磨テーブル及び被研磨材のそれ
ぞれの回転速度、研磨時間等を適宜制御するとよい。ま
た、１枚の被研磨材Ｗを研磨する工程中に、トップリン
グ３２，３４のアーム５２を揺動させて距離ｅを調整す
ることで修正研磨を行っても良い。

【００２３】プッシャ３０は、支柱５０に対してターン
テーブル３８と反対側に位置しており、一方のトップリ
ング３２（３４）がターンテーブル３８上の研磨位置に
あるときには、他方のトップリング３４（３２）がプッ
シャ３０の直上にあるようになっている。プッシャ３０
は昇降可能な被研磨材載置台６０を備えており、トップ
リング３２，３４とロボット２６ａ，２６ｂの間での被
研磨材の授受を補助する。また、ターンテーブル３８の
ベース４４のトップリング装置３６とは反対側に突出す
るブラケット６２には、ドレッサ４０の支柱６４が回転
自在に支持されている。

【００２４】仮置き台２０は、図７に示すように上下２
段に構成され、上側は乾燥した被研磨材を置くドライス
テーション２０Ａ、下側は濡れた状態の被研磨材を乾燥
を防止しながら置くウエットステーション２０Ｂであ
る。ドライステーション２０Ａはオープンであるが、ウ
エットステーション２０Ｂは被研磨材の上下に配置され
たスプレーノズル６６を有するために箱体６８に覆われ
たクローズタイプであり、側面に設けられた開閉ゲート
７０から被研磨材Ｗの出し入れを行なう。

【００２５】洗浄機１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８ｂの
形式は任意であるが、例えば、研磨ユニット１０ａ，１
０ｂ側の１次洗浄機１８ａ，１８ｂがスポンジ付きのロ
ーラで半導体ウエハ表裏両面を拭う形式であり、カセッ
ト１２ａ，１２ｂ側の２次洗浄機１４ａ，１４ｂが半導
体ウエハのエッジを把持して水平面内で回転させながら
洗浄液を供給する形式である。後者は、遠心脱水して乾
燥させる乾燥機としての機能をも持つ。

【００２６】反転機１６ａ，１６ｂは、この実施の形態
では、カセット１２ａ，１２ｂの収納方式やロボットの
把持機構との関係で必要であるが、常に半導体ウエハの
研磨面が下向きの状態で移送されるような場合には必要
ではない。また、ロボットに反転機能を持たせるような
構造の場合も必要ではない。この実施の形態では、２つ
の反転機１６ａ，１６ｂをドライな半導体ウエハを扱う
ものと、ウエットな半導体ウエハを扱うものと使い分け
ている。

【００２７】ロボット２２，２４，２６ａ，２６ｂは、
この実施の形態では４基が設けられ、それぞれ固定式
で、先端にハンドを有する関節アームが動く形式のもの
である。第１のロボット２２は、それぞれ１対のカセッ
ト、２次洗浄機１４ａ，１４ｂ，反転機１６ａ，１６ｂ
の間で被研磨材の搬送を行なう。第２のロボット２４
は、それぞれ１対の反転機１６ａ，１６ｂ、１次洗浄機
１８ａ，１８ｂ、及び仮置き台２０の間で被研磨材の授
受を行なう。また、第３及び第４のロボット２６ａ，２
６ｂは、仮置き台２０、いずれかの１次洗浄機１８ａ，
１８ｂ、いずれかのプッシャ３０の間で被研磨材の授受
を行なう。

【００２８】このような構成の研磨装置においては、シ
リーズ処理とパラレル処理の双方が行われる。図１で
は、ロード・アンロードユニットにおいて１つのカセッ
トを用いてパラレル処理を行なう場合の半導体ウエハの
流れが示されている。なお、この説明では、中心線Ｃを
挟んで１対設けられている要素については、それぞれ図
１において上側に位置するものを右、下側に位置するも
のを左として表記する。

【００２９】右側研磨処理ラインのパラレル処理におけ
る被研磨材（半導体ウエハ）の流れは、以下のようにな
る。右カセット１２ａ→第１のロボット２２→ドライ反
転機１６ａ→第２のロボット２４→ドライステーション
２０Ａ→第３のロボット２６ａ→右研磨ユニット１０ａ
のプッシャ３０→トップリング３２又は３４→ターンテ
ーブル３８での研磨→バフ研磨テーブル４２でのバフ研
磨→プッシャ３０→第３のロボット２６ａ→１次洗浄機
１８ａ→第２のロボット２４→ウェット反転機１６ｂ→
第１のロボット２２→２次洗浄機１４ａ，１４ｂ→右カ
セット１２ａ

【００３０】各研磨ユニット１０ａ，１０ｂにおける処
理の流れを、図８を参照して説明する。プッシャ３０に
は既に第３のロボット２６ａ（又は第４のロボット２６
ｂ）により新たな未研磨のウエハが用意されている。同
図（ａ）に示すように、研磨は、トップリング３２でウ
エハを把持して行われ、その間、他方のトップリング３
４はプッシャ３０上に有り未処理ウエハをプッシャ３０
から受け取る。ターンテーブル３８で本研磨処理が終わ
ると、トップリング３２は、同図（ｂ）に示すように、
旋回アーム５２の旋回によりバフ研磨テーブル４２上に
移動し、ここで仕上げ研磨兼洗浄の水ポリッシングを行
なうことができる。もちろん、本研磨処理後ただちにプ
ッシャ３０に受け渡すことも可能である。

【００３１】水ポリッシングが終わると、同図（ｃ）に
示すように、トップリング装置３６が動作して旋回アー
ム５２を旋回させ、トップリング３２をプッシャ３０の
直上に移動させる。そして、トップリング３２が下降す
るか又はプッシャ３０が上昇して、研磨済みのウエハを
プッシャ３０に渡す。研磨済みのウエハは第３のロボッ
ト２６ａ（又は第４のロボット２６ｂ）により新たな未
研磨のウエハに交換される。この間に他方のトップリン
グ３４はターンテーブル３８上の研磨位置に移動し、タ
ーンテーブル３８による研磨が行われ、同図（ｄ）に示
すように、旋回アーム５２の旋回によりバフ研磨テーブ
ル４２上に移動し、ここで仕上げ研磨兼洗浄の水ポリッ
シングを行ない、再度同図（ａ）の工程に戻る。

【００３２】この工程において、研磨ユニット１０ａ，
１０ｂに対して被研磨材を出し入れするためのロボット
２６ａ，２６ｂが各研磨処理ライン毎に設けられている
ので、プッシャ３０の既処理被研磨材は迅速に未処理被
研磨材と交換される。従って、トップリング３２，３４
が次の被研磨材の到着を待機する必要がなく、ターンテ
ーブル３８が研磨作業をしていないアイドルタイムが減
少する。

【００３３】また、この実施の形態では、各トップリン
グ装置３６が旋回アーム５２の両端に搭載された２基の
トップリング３２，３４を有しているので、研磨処理中
に他方のトップリング３２，３４の被研磨材を未処理の
ものに交換しておくことにより、トップリング３２，３
４への被研磨材の取り付けのためのアイドルタイムも生
じない。従って、ターンテーブル３８の稼動効率が高
い、高スループットのパラレル処理を行なうことができ
る。

【００３４】図９は、前記実施の形態の研磨装置を用い
て２段研磨を行なう場合、すなわち、シリーズ処理を行
なう場合の被研磨材の流れを説明している。流れの概略
は以下の通りである。右カセット１２ａ→第１のロボッ
ト２２→ドライ反転機１６ａ→第２のロボット２４→ド
ライステーション２０Ａ→第３のロボット２６ａ→第１
研磨ユニット１０ａ→第３のロボット２６ａ→右１次洗
浄機１８ａ→第２のロボット２４→ウエットステーショ
ン２０Ｂ→第３のロボット２６ｂ→２次研磨ユニット１
０ｂ→第３のロボット２６ｂ→左１次洗浄機１８ｂ→第
２のロボット２４→ウェット反転機１６ｂ→第１のロボ
ット２２→左２次洗浄機１４ｂ→第１のロボット２２→
右カセット１２ａ

【００３５】このシリーズ処理においては、濡れた状態
のウエハを研磨ユニット１０ｂに供給するので、ドライ
ステーション２０Ａとウエットステーション２０Ｂを使
い分けるようにしている。ウエットステーション２０Ｂ
ではノズル６６より被研磨材Ｗの上下面に対してリンス
液が供給されており、被研磨材の乾燥を防止している。
尚、図９では便宜上ドライステーション２０Ａとウェッ
トステーション２０Ｂを別に示したが、これらは図７で
説明したように、実際には上下に重なっている。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１次研磨テーブルによって従来と同様に高い研磨速度で
不要部の研削や表面の平坦化を行い、２次研磨テーブル
によって、マイクロスクラッチの除去や付着微粒子の除
去を行なうので、１つの研磨テーブルで２種類の研磨を
行なう場合に比べ、研磨効率を低下させることなく、高
い仕上げ精度を有する研磨を行なうことができる。２次
研磨テーブルの寸法は、被研磨材の寸法と同じ程度に設
定することができ、１次研磨テーブルに比べて大幅に縮
小されるので、１段の研磨装置を付加しても設置床面積
を大きく増大させることがなく、装置のコンパクト性を
維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の研磨装置と被研磨材の流れを模式的
に示す平面図である。

【図２】この発明の研磨装置の研磨ユニットを示す正面
図である。

【図３】研磨ユニットを示す平面図である。

【図４】（ａ）バフ研磨テーブルの立面図、（ｂ）ドレ
ッサ昇降機構の立面図である。

【図５】バフ研磨テーブルの構成を示す（ａ）平面図、
（ｂ）側面図である。

【図６】バフ研磨テーブルと被研磨材の位置関係を模式
的に示す平面図である。

【図７】仮置き台の構成を示す断面図である。

【図８】研磨ユニットの動作を示す平面図である。

【図９】この発明の研磨装置における被研磨材の別の態
様の流れを模式的に示す平面図である。

【図１０】従来の研磨装置を模式的に示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ研磨ユニット１２ａ，１２ｂ収容部１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８ｂ洗浄ユニット２０仮置き台２６ａ，２６ｂロボット手段３０プッシャ３２，３４トップリング３６トップリング装置３８ターンテーブル（１次研磨テーブル）４２バフ研磨テーブル（２次研磨テーブル）５２旋回アームＷ被研磨材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円形の被研磨材と研磨テーブルとをそれ
ぞれ回転させながら、被研磨材の被研磨面と研磨テーブ
ルの研磨面とを互いに押し付けて研磨を行なう研磨装置
において、研磨面の半径が被研磨面の直径より大きく設定された１
次研磨テーブルと、研磨面の半径が被研磨面の直径より小さくかつその半径
より大きく設定された２次研磨テーブルとを有すること
を特徴とする研磨装置。
【請求項２】被研磨材を保持する保持手段は、前記１
次研磨テーブルと２次研磨テーブルの両方に被研磨材を
搬送可能であることを特徴とする請求項１に記載の研磨
装置。
【請求項３】円形の被研磨材と研磨テーブルとをそれ
ぞれ回転させながら、被研磨材の被研磨面と研磨テーブ
ルの研磨面とを互いに押し付けて研磨を行なう研磨装置
において、前記研磨面の半径は、前記被研磨面の直径より小さくか
つその半径より大きく設定され、前記被研磨面の軸心が前記研磨面上にあり、かつ前記被
研磨面の軸心と前記研磨面のエッジとの距離が該被研磨
面の半径よりも小さいことを特徴とする研磨装置。