JPH09102475A

JPH09102475A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH09102475A
Application number: JP25592095A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kimura; 剛木村; Yuichiro Taguma; 祐一郎田熊; Hidefumi Ito; 秀文伊藤; Nobuhiro Konishi; 信博小西; Shinichiro Mitani; 真一郎三谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-03
Filing date: 1995-10-03
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨液の使用効率を向上できる研磨装置を提
供する。【解決手段】中心軸回りに回転する研磨定盤と、この
研磨定盤に貼り付けられた研磨パッド３と、研磨パッド
３上に研磨液を供給するノズルと、研磨パッド３に半導
体ウエハ４を加圧した状態でこれを研磨パッド３と相対
運動させ、研磨材を取り込んで半導体ウエハ４の表面を
研磨する研磨ヘッドとを有する研磨装置である。研磨パ
ッド３には、研磨面側の外周部から中心部に集まる複数
本の円弧状溝３ａが形成され、円弧状溝３ａの凹部側が
回転方向前方となって回転するようになっている。ノズ
ルは研磨パッド３の外周部に配置され、研磨パッド３の
中心部には集まった研磨液を回収するための回収孔３ｂ
が開口されている。

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関し、特
に、半導体ウエハの表面研磨における研磨液の使用効率
の向上に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】高密度半導体集積回路素子の形成プロセ
スにおいては、堆積した絶縁膜や金属膜のパターン形成
等によって半導体ウエハの表面には複雑な凹凸が生ず
る。この凹凸をそのままにして引き続きその上にパター
ン形成を行うと、リソグラフィプロセスでのパターン転
写で焦点深度外になる部分が発生して解像度不足になっ
たり、凹凸の段差部分での膜厚が不足して金属配線膜が
欠損したりするために、所望の集積度を有する半導体集
積回路が作成できない場合がある。

【０００３】このような問題点を解決するための手段と
して、たとえば、株式会社工業調査会発行、「電子材
料」1993年 6月号（平成 5年 6月 1日発行）、 P58〜 P
62に記載されているように、研磨パッドの貼り付けられ
た研磨定盤に半導体ウエハを押し付けた状態で両者を相
対運動させることによって表面に形成された凹凸を研磨
し平坦にするＣＭＰ（化学的機械的研磨）技術が採用さ
れ始めている。このＣＭＰ技術による場合、研磨パッド
と半導体ウエハの界面に微細なシリカ砥粒を混ぜた研磨
液を介在させて半導体ウエハの凹凸を研磨するが、前記
刊行物にも記載されているように、この研磨液は研磨パ
ッドの表面にノズルにより供給される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記した技術
によれば、研磨パッド上に供給された研磨液のうち、実
際に研磨パッドと半導体ウエハの界面に入り込んで半導
体ウエハの研磨に供される量はごく僅かであり、その殆
どは遠心力により回転する研磨定盤の外周部から飛散流
失することになる。この研磨液は比較的高価であり、本
発明者の調査したところによれば研磨にかかる総コスト
の３割強を占めている。

【０００５】したがって、研磨に供されることなく飛散
する研磨液をできるだけ減少させて消費量を抑制するこ
とができれば、研磨コストを大幅に削減することができ
る。

【０００６】そこで、本発明の目的は、研磨装置におい
て用いられる研磨液の使用効率を向上させることのでき
る技術を提供することにある。

【０００７】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。

【０００９】すなわち、本発明による研磨装置は、中心
軸回りに回転する研磨定盤と、この研磨定盤に貼り付け
られた研磨パッドと、研磨パッド上に研磨液を供給する
ノズルと、研磨パッドに板状ワークを加圧した状態でこ
れを研磨パッドと相対運動させ、研磨材を取り込んで板
状ワークの表面を研磨する研磨ヘッドとを有するもので
ある。研磨パッドには、研磨面側の外周部から中心部に
集まる湾曲溝が形成されている。この場合において、研
磨定盤は湾曲溝の凹部側が回転方向前方となる方向に回
転するようにし、ノズルは研磨パッドの外周部に配置す
ることが望ましい。湾曲溝としては、複数本の円弧状
溝、あるいは１または複数本の渦巻き状溝を適用するこ
とができる。そして、研磨パッドの中心部には、集まっ
た研磨液を回収するための回収孔を開口することができ
る。

【００１０】研磨パッドに回収孔を開口した場合には、
回収した研磨液をフィルタを通して濾過し、これに研磨
液の原液または希釈液を補充した後に当該研磨液を研磨
パッド上に戻す研磨液再生ユニットを取り付けることが
できる。この場合、研磨液の粘度、光透過率および光反
射率のうちの少なくとも１つならびに電気陰性度の検知
機能を有するセンサと、そのセンサの検知数値に基づい
て研磨液の原液または希釈液の補充量を制御する制御部
を設けるようにすることができる。

【００１１】これらの場合において、板状ワークとして
は、表面に絶縁膜または金属膜が堆積された半導体ウエ
ハとすることができる。

【００１２】そして、このような研磨装置によれば、研
磨パッドの研磨面側に外周部から中心部に集まる湾曲溝
が形成されているので、研磨液は湾曲溝に案内される長
い時間にわたって研磨パッド上に留まることになるので
必然的に半導体ウエハに作用して研磨に供される量が増
加し、研磨液の使用効率を向上させることが可能にな
る。

【００１３】また、湾曲溝の凹部側が回転方向前方とな
る方向に研磨定盤を回転することで研磨液は研磨パッド
の中心部に集められるようになるので、研磨液の回収が
容易になる。これにより、使用後の研磨液を研磨パッド
の中心部に開口した回収孔から回収して研磨液再生ユニ
ットで再生して再び研磨パッド上に供給することがで
き、研磨液の再利用率がアップして使用効率を向上させ
ることが可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施の形態による研磨装
置の概略図、図２は図１の研磨装置における研磨パッド
を示す平面図である。

【００１６】図１に示すように、本発明の実施の形態に
おける研磨装置では、温度コントロールされてモータ１
により中心軸回りに回転する研磨定盤２を有している。
この研磨定盤２には発泡ポリウレタンからなるたとえば
ロデールニッタ株式会社製、品番：IC1000の研磨パッド
３が貼り付けられており、研磨パッド３には、図２に示
すように、研磨面側の外周部から中心部に集まる複数本
の円弧状溝（湾曲溝）３ａが形成されている。円弧状溝
３ａの寸法はたとえば幅 2mm、深さ 1mmでその断面形状
は矩形となっており、曲率半径は 300mmとされている。
また、そのピッチは、図２において二点鎖線で示す半導
体ウエハ（板状ワーク）４の中心の移動軌跡が直径 500
mmの場合における円周上で約22mmとされている。そし
て、研磨パッド３は、形成された円弧状溝３ａの凹部側
が回転方向前方となる方向に回転される。なお、研磨パ
ッド３は前記製品に限定されるものではなく、さらに、
発泡ポリウレタン以外であってもよい。

【００１７】このような研磨パッド３に対向して、半導
体ウエハ４を研磨パッド３に加圧するための研磨ヘッド
５が設けられている。この研磨ヘッド５は、真空吸着さ
れたマウンティングパッド（図示せず）を介して半導体
ウエハ４を押圧しており、また、モータ６によって自ら
研磨定盤２と同一方向に略同一回転速度で回転するよう
になっている。したがって、研磨ヘッド５に保持された
半導体ウエハ４は研磨ヘッド５および研磨定盤２の回転
によって研磨パッド３との間で相対運動される。ここ
で、研磨される半導体ウエハ４は、その表面にシリコン
酸化膜（ＳｉＯ₂膜）などの絶縁膜、あるいはアルミニ
ウムなどの金属膜が堆積された半導体集積回路素子の形
成プロセスにあるもので、堆積により生じた複雑な凹凸
を研磨により平坦化するものである。なお、研磨ヘッド
５は、図１においては１台しか表されていないが、複数
台設置してあってもよい。

【００１８】研磨パッド３の外周部には、この研磨パッ
ド３上に研磨液７を供給するノズル８が配置されてい
る。ここで用いられている研磨液７は、たとえば粒径が
数百乃至数千オングストロームの二酸化ケイ素（ＳｉＯ
₂）からなる研磨砥粒が純水に対して 5〜10重量％程度
含有されたものである。但し、ノズル８を純水供給用と
研磨砥粒供給用とに分離してこれらを別系統で供給し、
研磨パッド３上で撹拌混合するようにしてもよい。

【００１９】前述のように、研磨パッド３は円弧状溝３
ａの凹部側が回転方向前方となる方向に回転するので、
研磨パッド３に供給された研磨液７は当初は遠心力によ
って径方向外方に流動するが、その後、掻き集められる
ように円弧状溝３ａに入り込む。円弧状溝３ａに入り込
んだ研磨液７は、研磨定盤２の回転に伴って生ずる空気
の粘性力および半導体ウエハ４が研磨パッド３と相対運
動することによって生ずる摩擦力により遠心力に打ち勝
ち、研磨パッド３の円弧状溝３ａに案内されて外周部か
ら長い距離を通り中心部に集められる。したがって、研
磨液７は円弧状溝３ａにより長時間にわたって研磨パッ
ド３上に存在するようになる。そして、このようにして
集まった研磨液７を回収するため、研磨パッド３の中心
部には回収孔３ｂが開口されている。

【００２０】この回収孔３ｂには研磨液再生ユニット１
０が取り付けられており、再生された研磨液７はノズル
９から研磨パッド３上に再供給される。

【００２１】すなわち、回収孔３ｂには回収槽１１が接
続されており、研磨液７は回収孔３ｂを通って回収槽１
１に溜められるようになっている。この回収槽１１には
撹拌スクリュ１２が設置されており、塊状に結合した研
磨砥粒を破砕するために研磨液７はこの撹拌スクリュ１
２により常時撹拌されている。

【００２２】回収槽１１の流出側にはフィルタ１３が設
置されており、研磨液７はフィルタ１３に通されること
で液中の異物や研磨砥粒の塊が除去される。

【００２３】このようなフィルタ１３を介し、回収槽１
１には再生槽１４が接続されており、フィルタ１３で濾
過された研磨液７は再生槽１４に送られる。この再生槽
１４にはセンサ１５が設置され、研磨液７の粘度および
電気陰性度が計測されるようになっている。センサ１５
は補充タンク１６から再生槽１４に向かう配管１７に設
置されたバルブ１８の開閉を行う制御部１９に接続され
ている。そして、制御部１９ではセンサ１５での測定値
を適正値と比較して過不足の判定を行い、この判定に基
づいて研磨液７の原液または希釈液を補充タンク１６よ
り供給追加して研磨液７の再生を行うようになってい
る。再生槽１４にも撹拌スクリュ２０が取り付けられて
おり、補充後の研磨液７が均質化される。なお、純水に
対して研磨砥粒がごく僅かしか含有していないことから
粘度計測が困難な場合が想定されるが、このような場合
には、研磨液７の光透過率や光反射率を検知するように
してもよい。また、回収槽１１に研磨液７の粘度を計測
するセンサを設け、回収槽１１の段階で希釈液を必要量
供給するようにしてもよい。

【００２４】再生槽１４の流出側には研磨パッド３の外
周位置に配置されたノズル９が接続されている。したが
って、このような構造の研磨液再生ユニット１０により
再生された研磨液７は、前述のようにノズル９を通して
研磨パッド３上に再び供給される。なお、再生した研磨
液７と未使用の新しい研磨液７との経路を集合化し、一
つのノズルから研磨パッド３上に供給するようにしても
よい。

【００２５】このような研磨装置により、表面に絶縁膜
や金属膜の堆積された半導体ウエハ４は次のようにして
平坦化される。

【００２６】先ず、たとえば２μｍ厚のシリコン酸化膜
の形成された半導体ウエハ４を研磨ヘッド５に設置して
これを圧力500g/cm ²で研磨パッド３の貼り付けられた
研磨定盤２へ加圧し、毎分 0.2リッタの割合で研磨パッ
ド３の外周部に研磨液７を供給しながら研磨定盤２と研
磨ヘッド５とを回転させる。研磨定盤２の回転数は 20r
pm、研磨ヘッド５の回転数 20rpmとし、研磨時間は約７
分とする。前述のように、研磨定盤２の回転方向は、こ
れに貼り付けられた研磨パッド３の円弧状溝３ａの凹部
側が回転方向前方となる方向であり、研磨ヘッド５の回
転方向はこれと同一方向である。この場合、研磨ヘッド
５の外径は研磨定盤２の外径より小さいため、該半導体
ウエハ４はどの位置においても研磨定盤２の回転を制止
するように研磨パッド５を摺動する。但し、研磨条件は
これらの数値に限定されるものではなく、上記条件を満
たす範囲において自由に設定することができる。また、
絶縁膜の膜種もシリコン酸化膜に限定されるものではな
く、膜厚も２μｍ程度である必要はない。なお、研磨対
象は金属膜でもよいことは勿論である。

【００２７】これにより、研磨ヘッド５に保持された半
導体ウエハ４は研磨パッド３との界面に研磨液７を取り
込みながら研磨パッド３との間で相対運動を行ってゆ
き、表面の凹凸が研磨されて平坦化される。また、研磨
パッド３上の研磨液７は、前述したメカニズムによって
内側に向かって移動しながらも円弧状溝３ａに案内され
ることで長時間研磨パッド３上に滞留して研磨に供さ
れ、最終的には中心部の回収孔３ｂから回収槽１１に溜
められる。

【００２８】回収槽１１に溜められた研磨液７は撹拌ス
クリュ１２により撹拌され、研磨で塊状に結合した研磨
砥粒が破砕される。次に、フィルタ１３に通されて液中
異物や研磨砥粒の塊が取り除かれる。このようにして濾
過された研磨液７は再生槽１４に送られ、センサ１５に
よって粘度および電気陰性度が計測される。これらの測
定値は制御部１９に送られて過不足の判定がされ、判定
結果に基づいてバルブ１８が開かれて必要量の研磨液７
の原液または希釈液が補充タンク１６より供給追加さ
れ、撹拌スクリュ２０に撹拌されて研磨液７の再生が行
われる。そして、再生された研磨液７はノズル９から再
び研磨パッド３上に供給される。

【００２９】このように、本発明の実施の形態による研
磨装置によれば、研磨パッド３の研磨面側には外周部か
ら中心部に集まる複数本の円弧状溝３ａが形成され、こ
の円弧状溝３ａの凹部側が回転方向前方となる方向に研
磨定盤２が回転するようになっているので、研磨パッド
３の外周部に供給された研磨液７は円弧状溝３ａに入り
込んで中心部に集められる。したがって、研磨液７は中
心部にまで案内される長い時間にわたって研磨パッド３
上に留まることになるので、必然的に半導体ウエハ４に
作用して研磨に供される量が増加し、研磨液７の使用効
率を向上させることが可能になる。

【００３０】また、研磨液７は円弧状溝３ａにより研磨
パッド３の中心部に集められるようになっているので、
遠心力によって研磨パッド３の外側へ飛散してしまう場
合に比べて回収が容易になる。したがって、使用後の研
磨液７を研磨パッド３の中心部に開口した回収孔３ｂか
ら回収して研磨液再生ユニット１０で再生してノズル９
から再び研磨パッド３上に供給することができ、研磨液
７の再利用率がアップして使用効率を向上させることが
可能になる。なお、本発明者が前記した条件で研磨を行
った場合、研磨液７の再生利用率は約３０％向上した。

【００３１】以上、本発明者によってなされた発明をそ
の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前
記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもな
い。

【００３２】たとえば、本発明の実施の形態において
は、湾曲溝としては、外周部から中心部に集まる複数本
の円弧状溝３ａが形成されているが、たとえば図３に示
すように、外周部から中心部に集まる渦巻き状溝２３ａ
を研磨パッド２３に形成するようにしてもよい。この場
合の溝数は複数本でもよいし１本でもよい。なお、図３
における符号２３ｂは、研磨液が回収される回収孔であ
る。

【００３３】また、本発明の実施の形態では、研磨定盤
２は円弧状溝３ａなど湾曲溝の凹部側が回転方向前方と
なる方向に回転させ、これによって研磨液７が中心部に
集まることを考慮してノズルを研磨パッドの外周部に配
置しているが、研磨液７を研磨パッド上にできるだけ長
く留めることだけを考えれば、研磨液７を中心部に供給
して研磨定盤２をこれとは反対方向に回転させ、研磨液
７を外側に向かって流すようにしてもよい。

【００３４】さらに、本発明の実施の形態における研磨
装置は、絶縁膜や金属膜の堆積された半導体ウエハ４の
表面を平坦化するために用いられているが、シリコンイ
ンゴットからスライスされた半導体ウエハの研磨に使用
することもできる。

【００３５】そして、以上の説明では、主として本発明
者によってなされた発明をその属する技術分野である半
導体製造における研磨装置に適用した場合について説明
したが、それに限定されるものではなく、研磨液を用い
た他の種々の板状ワークの研磨分野に適用することが可
能である。

【００３６】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。

【００３７】(1).すなわち、本発明の研磨パッドによれ
ば、研磨パッドの研磨面側に外周部から中心部に集まる
湾曲溝が形成されているので、研磨液は湾曲溝に案内さ
れる長い時間にわたって研磨パッド上に留まることにな
るので必然的に半導体ウエハに作用して研磨に供される
量が増加し、研磨液の使用効率を向上させることが可能
になる。

【００３８】(2).また、湾曲溝の凹部側が回転方向前方
となる方向に研磨定盤を回転することで研磨液は研磨パ
ッドの中心部に集められるようになるので、研磨液の回
収が容易になる。したがって、使用後の研磨液を研磨パ
ッドの中心部に開口した回収孔から回収して研磨液再生
ユニットで再生して再び研磨パッド上に供給することが
でき、研磨液の再利用率がアップして使用効率を向上さ
せることが可能になる。

【００３９】(3).さらに、研磨液再生ユニットにより、
粘度調整や異物除去など必要な特性管理が常に行われて
研磨液が研磨パッドに再供給されるので、欠陥の少ない
安定した品質の研磨を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による研磨装置の概略図
である。

【図２】図１の研磨装置における研磨パッドを示す平面
図である。

【図３】本発明の他の実施の形態による研磨装置の研磨
パッドを示す平面図である。

【符号の説明】

１モータ２研磨定盤３研磨パッド３ａ円弧状溝（湾曲溝）３ｂ回収孔４半導体ウエハ（板状ワーク）５研磨ヘッド６モータ７研磨液８ノズル９ノズル１０研磨液再生ユニット１１回収槽１２撹拌スクリュ１３フィルタ１４再生槽１５センサ１６補充タンク１７配管１８バルブ１９制御部２０撹拌スクリュ２３研磨パッド２３ａ渦巻き状溝（湾曲溝）２３ｂ回収孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小西信博東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者三谷真一郎東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心軸回りに回転する研磨定盤と、研磨面側の外周部から中心部に集まる湾曲溝が形成され
て前記研磨定盤に貼り付けられた研磨パッドと、前記研磨パッド上に研磨液を供給するノズルと、前記研磨パッドに板状ワークを加圧した状態でこれを前
記研磨パッドと相対運動させ、研磨材を取り込んで前記
板状ワークの表面を研磨する研磨ヘッドとを有すること
を特徴とする研磨装置。
【請求項２】請求項１記載の研磨装置において、前記
研磨定盤は前記湾曲溝の凹部側が回転方向前方となる方
向に回転し、前記ノズルは前記研磨パッドの外周部に配
置されていることを特徴とする研磨装置。
【請求項３】請求項１または２記載の研磨装置におい
て、前記湾曲溝は複数本の円弧状溝であることを特徴と
する研磨装置。
【請求項４】請求項１または２記載の研磨装置におい
て、前記湾曲溝は１または複数本の渦巻き状溝であるこ
とを特徴とする研磨装置。
【請求項５】請求項２、３または４記載の研磨装置に
おいて、前記研磨パッドの中心部には、集まった前記研
磨液が回収される回収孔が開口されていることを特徴と
する研磨装置。
【請求項６】請求項５記載の研磨装置において、前記
回収孔から回収した前記研磨液をフィルタを通して濾過
し、これに研磨液の原液または希釈液を補充した後に当
該研磨液を前記研磨パッド上に戻す研磨液再生ユニット
が取り付けられていることを特徴とする研磨装置。
【請求項７】請求項６記載の研磨装置において、前記
研磨液再生ユニットには、研磨液の粘度、光透過率およ
び光反射率のうちの少なくとも１つならびに電気陰性度
の検知機能を有するセンサと、そのセンサの検知数値に
基づいて前記研磨液の原液または希釈液の補充量を制御
する制御部が設けられていることを特徴とする研磨装
置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか一項に記載の研
磨装置において、前記板状ワークは、表面に絶縁膜また
は金属膜が堆積された半導体ウエハであることを特徴と
する研磨装置。