JP2003179021A - 化学機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨スラリが乾燥して凝集した砥粒や塵に起
因するウエハ表面のスクラッチの発生が少ない研磨装置
を提供する。 【解決手段】 研磨ヘッドに取り付けられた被研磨物を
研磨パッドで研磨する化学機械研磨装置において、研磨
パッドの上面より高い位置に位置する化学機械研磨装置
の各構成部品の表面を、疎水処理する。この疎水処理
は、各構成部品の表面にフッ素を含有する樹脂をコーテ
ィングし、各構成部品の表面にフッ素で終端処理された
撥水フィルムを貼付しまたは各構成部品の表面にフロロ
カーボン系の撥水塗料を塗布し、乾燥させた後に熱処理
をしてフロロカーボン系ポリマーを形成することによっ
て行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等を
研磨する化学機械研磨装置に関するものであり、より詳
細には、半導体ウエハ（以下、ウエハという）の化学機
械研磨工程において、研磨されるウエハ表面に、研磨ス
ラリの塊によるスクラッチ（傷）が発生することなく研
磨することができる研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化によりその内部配線の
微細化、多層化が進んでおり、これに伴い平坦化技術が
重要な課題となっている。例えば、絶縁膜の平坦化工程
や金属配線の形成工程などの一部の半導体素子製造工程
において、ウエハの表面を研磨する処理が施されるよう
になってきている。この平坦化の問題解決手段のひとつ
として、化学機械研磨法（Chemical Mechanical Polis
h、以降ＣＭＰと記述）が利用されている。このＣＭＰに
よる平坦化は、定盤上に発泡ウレタン樹脂を貼り付けた
研磨パッドの上に研磨スラリ（シリカなどの研磨剤を含
んだ水溶液）を滴下し、研磨ヘッドに取りつけたウエハ
を研磨パッドに押し当て、研磨パッドとウエハのいずれ
か一方または両方を回転させ、ウエハの表面を研磨する
ことにより行われる。

【０００３】図９は従来の研磨装置を斜めから見た概略
構成図である。図１０は従来の研磨装置を側面から見た
概略構成図である。図９、図１０においては、研磨装置
は、ウエハを吸着して回転する研磨ヘッド３およびその
アーム部４、前記ウエハを研磨する研磨パッド５、前記
パッド５が貼り付けられて回転する定盤６、前記研磨パ
ッド５の上面をドレッシングするコンディショナーディ
スク７およびそのアーム部８、研磨スラリ１４を研磨パ
ッド５上に塗布する研磨スラリ供給管９およびそのアー
ム部１０、研磨スラリを排出する排出溝１１、および前
記排出溝を構成する研磨部カバー１２、研磨装置１に空
気を吸入する吸気手段、研磨装置１から空気を排出する
排気手段を備えている。研磨装置１において、ウエハ研
磨時に飛散する研磨スラリ１４の凝集を防止するには、
研磨室を高湿度に保持する必要がある。従って、研磨装
置１は、乾燥による研磨スラリ１４の凝集を抑えるた
め、水蒸気発生器や霧発生器のような加湿手段をさらに
備え、研磨装置内の雰囲気を高湿度に保持することによ
り、乾燥した研磨スラリ１４の凝集によるスクラッチの
発生をより低減させている。

【０００４】しかし、研磨装置は、研磨装置が設置され
ているクリーンルームを汚染することがないように、研
磨装置内の空気を排気することにより研磨装置内を負圧
にしているため、研磨装置内へ装置周辺の空気が引き込
まれる。この空気が、フィルタを通して微粒子（パーテ
ィクル）を充分に取り除いた清浄な空気であっても、こ
の空気が研磨装置の壁面や周囲に付着または堆積してい
る塵を巻き上げてしまうことがある。そして、この塵が
研磨パッド５上に付着すると、研磨スラリ１４の凝集し
た砥粒と同様、ウエハ表面にスクラッチを生じる。ま
た、研磨装置内の湿度は１００％が好ましいが、この湿
度を維持管理することはかなり難しい。

【０００５】また、研磨スラリをウエハ表面に付着させ
ないようにする例が種々報告されている。例えば、特開
平１０−５０６４１号公報には、絶縁膜の平坦化工程や
金属配線の形成工程などの一部の半導体素子製造工程に
おいて、ウエハ表面を研磨する研磨装置および研磨方法
が開示されている。特に、研磨装置内への空気の流れを
作ることにより、研磨スラリが乾燥によって凝集した砥
粒および外部から研磨装置内へ引き込まれた塵に起因し
たウエハ表面のスクラッチの発生を減少させることがで
きる。

【０００６】また、特開平７−１１４８７７号公報に
は、カラー受像管の蛍光面形成方法において、カラー受
像管の光吸収層の形成後に行われる蛍光体スラリ塗布工
程の前に、後工程で蛍光体スラリを除去する必要のある
カラー受像管のスカート部の内面に撥水性物質を塗布す
ることにより、このスカート部の内面に蛍光体スラリが
付着しにくくする技術が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように研磨装置内へ空気を引き込み研磨室内に空気の流
れを作ると、研磨装置内が減圧されることになり、研磨
スラリの水分が気化しやすくなる。そのため、研磨スラ
リ中の粒子（砥粒）が凝集し研磨装置の各構成部品の表
面に付着した凝集物が、研磨動作の振動などにより研磨
パッド上に落下する。この落下した凝集物がウエハ表面
に巻き込まれ、ウエハ表面にスクラッチ（ひっかき疵）
を生じさせることになる。

【０００８】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、研磨スラリや砥粒の乾
燥による凝集物や塵に起因するウエハ表面のスクラッチ
の発生が少ない研磨装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、研磨ヘッドに取り付けられた被研磨物を
研磨パッドで研磨する化学機械研磨装置において、研磨
パッドの上面より高い位置に位置する化学機械研磨装置
の各構成部品の表面を、疎水処理することを特徴とす
る。

【００１０】また、本発明の疎水処理は、各構成部品の
表面にフッ素を含有する樹脂をコーティングすることに
よって行われることを特徴とする。

【００１１】また、本発明の疎水処理は、各構成部品の
表面にフッ素で終端処理された撥水フィルムを貼付する
ことによって行われることを特徴とする。

【００１２】また、本発明の疎水処理は、各構成部品の
表面にフロロカーボン系の撥水塗料を塗布し、乾燥させ
た後に熱処理をしてフロロカーボン系ポリマーを形成す
ることによって行われることを特徴とする。

【００１３】また、本発明の被研磨物は、半導体ウエハ
であることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】実施の形態１ 図１は、本発明の一実施の形態の研磨装置の構成を示す
概略図である。図１における研磨装置１は、ウエハ２を
吸着して回転する研磨ヘッド３およびそのアーム部４、
前記ウエハを研磨する研磨パッド５、前記研磨パッドが
その上面に貼り付けられて回転する定盤６、前記研磨パ
ッド５の上面をドレッシングするコンディショナーディ
スク７およびそのアーム部８、研磨スラリ１４を研磨パ
ッド５上に供給する研磨スラリ供給管９およびそのアー
ム部１０、研磨スラリ１４を排出する排出溝１１、およ
び前記排出溝１１を構成する研磨部カバー１２などから
構成される。この研磨装置１において、研磨スラリ１４
が付着する可能性のある構成部品の表面には、疎水処理
膜１３が施されている。

【００１５】図２は、疎水処理膜として、撥水フィルム
を構成部品に貼り付けた様子を示す断面図である。図２
（ａ）、（ｂ）は、研磨装置内の各構成部品の表面に厚
さ約１０μｍ程度の撥水フィルム２１を貼り付けてい
る。図３は、撥水性フィルムのシロキサン結合の様子を
示す図である。図３において、この撥水フィルム２１
は、ＯＨ基を含んだフィルム材の表面に、フッ化炭素基
を含む化学吸着分子膜がＯＨ基の酸素分子（Ｏ）を介し
てシロキサン結合で形成されている。ここで、注目すべ
きは、この撥水フィルム２１を貼付した時には、研磨ス
ラリに触れる研磨装置の各構成部品の表面がフッ素で終
端されているので、研磨スラリ中のシリカが脱水反応に
よって撥水フィルム２１の表面に固着しないことであ
る。

【００１６】図１の研磨装置１において、研磨パッド５
が貼着された定盤６が回転を始めると、研磨スラリ供給
管９から研磨スラリ１４が滴下される。このとき、研磨
スラリ供給管９は、研磨スラリ１４を研磨パッド５上に
滴下すると共に揺動を始める。この揺動は、定盤６の略
中心と外周辺との間を半円弧状に揺動する。このよう
に、定盤６の研磨パッド５上に研磨スラリ１４が一様に
滴下されて、研磨パッド５上の全面を覆った状態になる
と、ウエハ２を真空吸着した研磨ヘッド３が回転しなが
らウエハ２の表面を研磨パッド５に押し当てる。このと
き、研磨ヘッド３に吸着されたウエハ２のウエハ表面
は、研磨パッド５上を定盤６の上面を平行に揺動して、
万遍なく研磨される。

【００１７】また、この研磨スラリ１４は、シリカ（Ｓ
ｉＯ₂）などの微小な粒子（砥粒）を水酸化カリウム
（ＫＯＨ）などの水溶液に懸濁させたものである。懸濁
状態では粒子径が０．１μｍ以下であるが、乾燥してく
るとこれらの砥粒が凝集し、１μｍ以上の大きな粉末に
なる。この研磨スラリ１４は、研磨パッド５の上で、研
磨ヘッド３やコンディショナーディスク７、および、定
盤６の回転により、研磨装置１内の全構成部品へ飛び散
り、使用開始時には清浄であった研磨装置１の各構成部
品に、回転する研磨パッド５から飛散した研磨スラリ１
４が付着する。

【００１８】図５は、飛散した研磨スラリに含まれるシ
リカ及び砥粒が固まって、研磨装置の構成部品の表面に
付着し、この付着が繰り返えされ次第に大きな塊４１に
なって行く様子を示す図である。図６は、研磨装置の各
構成部品の表面に付着を繰り返し、塊となった様子を示
す写真である。

【００１９】また、研磨装置内部には可動部分も多く、
研磨装置の動作の振動等で、各構成部品の表面に固着し
た研磨スラリの塊４１がはがれ研磨パッド上に落下する
ことがある。この研磨パッド５上に研磨スラリの塊４１
が落下した状態でウエハを研磨した場合、研磨スラリの
塊４１をウエハの表面に巻き込み、ウエハ表面に大きな
スクラッチ（傷）が発生する。

【００２０】そこで、図６のような乾燥した研磨スラリ
を、実験的にウエハ研磨中の研磨パッド上に落下させス
クラッチの発生状況を検証した。図７は、ウエハ上にス
クラッチが発生した様子を示す図である。図７（ａ）
は、ウエハ上にスクラッチが発生した様子を示す欠陥検
査マップである。図７（ａ）に示すように、欠陥検査装
置のデータから、多くのスクラッチが発生していること
がわかる。図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、スクラッチ
の発生した箇所を光学顕微鏡で撮影した写真である。こ
のように、固着した研磨スラリの塊が製品処理中の研磨
パッド上に落下した場合、致命的なマクロスクラッチが
発生することが、この実験結果から確認できた。

【００２１】また、ウエハ表面にスクラッチ（傷）が発
生した場合、配線間ショートやリークの原因となり、チ
ップの動作不良を引き起こす事は公知の事実である。そ
のため、このような研磨装置の各構成部品の表面に研磨
スラリが付着して塊へと成長しないようにしなければな
らない。ひとつの手段として研磨装置内部の構成部品の
表面に固着した研磨スラリの塊を機械的に擦り取る方法
があるが、この方法では、研磨スラリに含まれる固形分
により、各構成部品の表面に傷が入る恐れがある。ま
た、各構成部品表面に傷が付くことで表面の粗さが増加
し、新たな研磨スラリが固着する可能性が増加する。

【００２２】このような背景から、研磨装置内部への研
磨スラリの固着を防止する技術が求められている。そこ
で、これらの研磨装置の構成部品の表面に撥水フィルム
を貼って疎水処理を施すことにより、飛び散った研磨ス
ラリが付着しないようになる。そのため、研磨スラリが
繰り返し飛散しても、研磨スラリが大きな塊へと成長す
ることはない。

【００２３】図８は、研磨パッドの垂直断面図である。
図８（ａ）は、研磨スラリや砥粒により研磨パッド面が
目詰まりをしている様子を示す断面図である。図８
（ｂ）は、研磨パッドをドレッシングして、目詰まりを
解消した様子を示す図である。図１において、ウエハ２
の研磨を続けると、図８（ａ）のように、研磨パッド５
の表面は、研磨スラリの塊や研磨屑で目詰まりして、砥
石としての役目を果たさなくなる。また、図８（ｂ）に
示されるように、研磨パッド５の内部には、多くの気泡
が含まれており、表面を図８（ａ）のＡＡ面までドレッ
シングすることで内部に含まれる気泡の空間部が表面に
現われ、鋭くエッジを形成して研磨を行うことができ
る。

【００２４】そこで、研磨パッドの表面をドレッシング
するために、図１のように、コンディショナーディスク
７が回転しながら研磨パッド５の面上に押し当てられ、
研磨パッド５の表面をドレッシングしている。このコン
ディショナーディスク７は、定盤６の上面で平行に揺動
しながら、研磨パッド５の上面の全面を均一にドレッシ
ングする。また、このドレッシング動作は、ウエハ２の
研磨中に併用して行っているが、必ずしも、ウエハ研磨
動作中に併用せず、ウエハ表面の研磨状態を見ながら、
適宜行うこともある。このとき、研磨動作中に研磨スラ
リが凝集した砥粒は、回転する定盤６の遠心力で飛ばさ
れ、研磨部カバー１２で受け止められて、排出溝１１か
ら排出される。

【００２５】実施の形態２ 実施の形態１では、疎水処理膜として撥水フイルムを貼
り付けた構成が供給されたが、実施の形態２では、疎水
処理膜として撥水塗料を塗布した他の構成が供給され
る。実施の形態２における研磨装置の構成は、実施の形
態１の研磨装置と同様であるから再度の説明は省略す
る。なお、図４は、研磨装置１内の構成部品に撥水塗料
３１を塗布した様子を示す断面図である。この研磨装置
の研磨装置の構成部品に、研磨スラリが付着する可能性
のある構成部品の表面にフロロカーボン系塗料を膜厚約
１０μｍで塗布し、乾燥させた後に４００℃の温度で１
時間の熱処理をすることでフロロカーボン系ポリマーを
構成部品の表面に形成して疎水処理を施している。この
ような疎水処理を施すことにより、研磨スラリの砥粒が
研磨装置の構成部品の表面に付着せず、さらに定盤の回
転により研磨スラリが飛散を繰り返しても砥粒は大きな
塊となることもない。したがって、ウエハ表面にスクラ
ッチが発生することなくウエハ研磨が行われる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の研磨装置
は、研磨装置の研磨装置にある構成部品の表面に撥水フ
ィルムの貼着や撥水塗料の塗布などの疎水処理を施すこ
とによって、研磨動作中に飛散した研磨スラリが構成部
品の表面に付着することがなくなる。したがって、研磨
装置内の構成部品の表面に固着し凝集した砥粒の脱落に
起因するウエハ表面のスクラッチの発生を低減させるこ
とができる。

【００２７】また、研磨装置の構成部品の表面に撥水フ
ィルムや撥水塗料により疎水処理をすることにより、研
磨装置の各構成部品の表面に研磨スラリが付着すること
がないため、従来のように、各構成部品に固着した研磨
スラリを機械的に除去する必要がなくなる。したがっ
て、研磨装置内の各構成部品の表面を傷つけることがな
くなり、各構成部品の表面の傷に起因して、さらに研磨
スラリが各構成部品の表面に付着することを防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の研磨装置の概略構成図である。

【図２】 本発明の実施の形態１の撥水性フィルムを貼
り付けた図である。

【図３】 撥水性フィルムのシロキサン結合の様子を示
す図である。

【図４】 本発明の実施の形態２の撥水性塗料を塗布し
た図である。

【図５】 研磨スラリが固まって塊となった様子を示す
図である。

【図６】 図５に示す研磨スラリの塊の写真である。

【図７】 乾燥した研磨スラリを研磨パッド上に落下さ
せた状態で研磨したウエハの欠陥検査マップおよびスク
ラッチの光学顕微鏡写真である。

【図８】 本発明を説明する研磨パッドを示した断面図
である。

【図９】 従来の研磨装置を斜めから見た概略構成図で
ある。

【図１０】 従来の研磨装置の側面から見た概略構成図
である。

【符号の説明】

１…研磨装置、 ２…ウエハ、 ３…研磨ヘッド、 ４
…研磨ヘッドのアーム部、 ５…研磨パッド、 ６…定
盤、 ７…コンディショナーディスク、 ８…コンディ
ショナーディスクのアーム部、 ９…研磨スラリ供給
管、 １０…研磨スラリ供給管のアーム部、 １１…排
出溝、 １２…研磨部カバー、 １３…疎水処理膜、
１４…研磨スラリ、 ２１…撥水フィルム、 ３１…撥
水塗料

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨ヘッドに取り付けられた被研磨物を
   研磨パッドで研磨する化学機械研磨装置において、前記
   研磨パッドの上面より高い位置に位置する化学機械研磨
   装置の各構成部品の表面を、疎水処理することを特徴と
   する化学機械研磨装置。
2. 【請求項２】 前記疎水処理は、各構成部品の表面にフ
   ッ素を含有する樹脂をコーティングすることによって行
   われることを特徴とする請求項１記載の化学機械研磨装
   置。
3. 【請求項３】 前記疎水処理は、各構成部品の表面にフ
   ッ素で終端処理された撥水フィルムを貼付することによ
   って行われることを特徴とする請求項１記載の化学機械
   研磨装置。
4. 【請求項４】 前記疎水処理は、各構成部品の表面にフ
   ロロカーボン系の撥水塗料を塗布し、乾燥させた後に熱
   処理をしてフロロカーボン系ポリマーを形成することに
   よって行われることを特徴とする請求項１記載の化学機
   械研磨装置。
5. 【請求項５】 前記被研磨物は、半導体ウエハであるこ
   とを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の化学
   機械研磨装置。