JPH10552A - 化学機械研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の被加工物保持体を用いて、全ての被加
工物に均一な圧力を同時に加えて、複数の被加工物の均
一な研磨を可能にする。 【解決手段】 複数の被加工物保持体６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
１４を形成する弾性薄膜１３を有し、弾性薄膜１３の下
面側に被加工物Ｗを保持する。各圧力流体チャンバー１
４は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１６を介して互いに連通する。弾性薄膜１３
に保持された被加工物Ｗを研磨パッド５に当接させるこ
とによって、各被加工物Ｗは、その被加工物Ｗの被研磨
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、全ての被加工物に同一の圧力が同時
に加えられ、複数の被加工物の被研磨面は均一な加工圧
で研磨され、平坦化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のウエハ等の
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、比較的大径の研磨パッド１０２が一体的に取
り付けられた研磨パッド回転テーブル１０１と、被加工
物であるウエハ等の基板１０４を下面に着脱自在に保持
する被加工物保持体１０３と、研磨パッド１０２上に研
磨スラリー（研磨剤）１０７を供給するための研磨スラ
リー供給ノズル１０６を備え、基板１０４を研磨パッド
１０２に当接させて、所定の加工圧を与えるように研磨
パッド１０２に押し付けた状態で、研磨パッド回転テー
ブル１０１を回転させるとともに、被加工物保持体１０
３をも回転や直線移動させて、さらに同時に研磨パッド
１０２と基板１０４との間に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、基板の被研磨面を均
一に研磨することが可能なＡｉｒ／Ｗａｔｅｒ ｂａｃ
ｋ方式のものが知られている。すなわち、図４に示すＡ
ｉｒ／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１１
２と、この弾性体を下方に押し付けるおもり１１０とか
らなり、研磨パッド回転テーブル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１１２を当てると、弾性体１１２の上面側のおもり１
１０の自重により基板１０４の被研磨面が研磨パッド１
０２に押圧され、この状態で被加工物保持体１０３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を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、次に記載するような問題点があった。

【０００６】被加工物である基板に比して口径の大きい
研磨パッドに対して、一個の被加工物保持体を設けて研
磨するために生産性や効率上の面で好ましくなく、ま
た、Ａｉｒ／Ｗａｔｅｒ ｂａｃｋ方式の被加工物保持
体の特性を利用すべく、一個の研磨パッドに対して複数
の被加工物保持体を配設するとしても、従来のＡｉｒ／
Ｗａｔｅｒ ｂａｃｋ方式の被加工物保持体において
は、弾性体内部に圧力流体を充填密封しており、個々に
独立した弾性体により加工圧が形成されているために、
被加工物保持体は個々の基板の被研磨面に対しては全面
均等に加圧するけれども、複数の基板において、全ての
基板の被研磨面の加工圧を同一に維持することは、困難
であった。

【０００７】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、被加工
物の被研磨面のイコライズが個々に自動的になされ、か
つ複数の被加工物に同一の加工圧を同時に与えることが
でき、複数の被加工物の被研磨面全面を均一に研磨する
ことができる化学機械研磨装置を提供することを目的と
する。

【０００８】

【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、被加工物保持体によ
り保持された被加工物の被研磨面を研磨パッドに所定の
加工圧を与えた状態で当接させ、前記被研磨面と前記研
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、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
の下面側に被加工物を保持する被加工物保持体を複数具
備し、複数の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。

【０００９】さらに、本発明の化学機械研磨装置は、研
磨パッド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、被加工物を着
脱自在に保持する複数の被加工物保持体と、該複数の被
加工物保持体を回転自在にかつ軸方向へ移動自在に支持
し、被加工物保持体を公転させる公転テーブルと、複数
の被加工物保持体をそれぞれ自転させる手段と、複数の
被加工物保持体を軸方向へ移動させるための手段とを備
え、前記被加工物保持体により保持された被加工物の被
研磨面を前記研磨パッドに所定の加工圧を与えた状態で
当接させ、前記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、前記被加工物保持体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、該
弾性薄膜の下面側に被加工物を保持してなり、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。

【００１０】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。

【００１１】また、本発明の化学機械研磨装置におい
て、複数の被加工物保持体の圧力流体チャンバーと固体
の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。

【００１２】

【作用】複数の被加工物保持体のそれぞれが、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被加
工物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、各被加工物保持体において、被加工物を等
分布圧力で押圧し、かつ被加工物の被研磨面のイコライ
ズが自動的になさされる。また、複数の被加工物保持体
において被加工物全てに同一圧力を加えることができ、
複数の被加工物の被研磨面を均一な加工圧で研磨するこ
とができ、平坦化することができる。

【００１３】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、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、そして最終的に均一な加工圧で研磨
し、平坦化することができる。

【００１４】

【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。

【００１５】本発明の化学機械研磨装置は、図１に示す
ように、研磨パッド５を着脱可能に取り付けた回転テー
ブル１は、図示しない基台に対して径方向の移動可能な
スライド３に軸受を介して回転自在に支持された回転軸
２を経て、図示しない回転駆動機構に連結されており、
回転テーブル１上に取り付けた研磨パッド５は回転とと
もに径方向へ移動しうるように構成されている。

【００１６】回転テーブル１の上方には図示しない基台
に一体的に設けられた支持アーム４が張り出し、この支
持アーム４に軸受を介して回転自在に支持された公転テ
ーブル８が配設されている。公転テーブル８は支持アー
ム４に固定された図示しない公転テーブル回転駆動機構
により駆動される。

【００１７】また、公転テーブル８は、複数の被加工物
保持体６，６を回転自在にかつ軸方向へ上下動自在に支
持する軸部７を軸受を介して支持する。被加工物保持体
６の軸部７は、自転用駆動機構９により歯車伝動系１０
を介して回転駆動され、そして、その上端に上下動駆動
機構１１が取り付けられている。

【００１８】このように、下面に被加工物である基板Ｗ
を保持する被加工物保持体６は、上下動駆動機構１１に
よって軸方向に上下動し、基板Ｗを回転テーブル１上の
研磨パッド５に対して接近して当接させ、あるいは基板
Ｗを研磨パッド５から離間する。そして複数の被加工物
保持体６は、自転用駆動機構９の駆動によって、それぞ
れ高速で自転し、さらに公転テーブル８の回転に応じて
公転する。

【００１９】複数の被加工物保持体６，６は同一構造を
有するものであって、図１および２に示すように、軸部
７に取り付けられた円筒状の枠体１２内には、圧力流体
チャンバー１４を形成する弾性薄膜１３が配置され、そ
の上面側には、弾性薄膜１３を抑え、上方への移動を抑
止する抑止部材１５が配設される。抑止部材１５は、円
筒状の枠体１２に一体的に固着された固定抑止部材であ
ってもよく、あるいは圧力流体チャンバー１４内に圧力
流体が供給された弾性薄膜１３を下方へ押しつけるよう
なおもり体として構成することもできる。そして弾性薄
膜１３の下面側には、吸着等の保持部材を介して、基板
Ｗを保持するように構成されている。

【００２０】各被加工物保持体６の弾性薄膜１３により
形成される圧力流体チャンバー１４は、空気や水等の気
体または液体の圧力流体を供給するための支管１７が設
けられ、その支管１７を介して圧力流体チャンバー１４
よりも大きな容量に形成された固体のチャンバー１６に
連通する。固体チャンバー１６は、図示しない基台ある
いは公転テーブル８に載置され、主管１８を介して圧力
流体供給源に連通されている。

【００２１】かくして複数の圧力流体チャンバー１４，
１４は、それぞれの支管１７を通して、大容量の固体の
チャンバー１６に連通しており、複数の圧力流体チャン
バー１４，１４は固体チャンバー１６を介して互いに連
通する。被加工物保持体６の弾性薄膜１３により形成さ
れる圧力流体チャンバー１４は、固体のチャンバー１６
を介して圧力流体が供給され、弾性薄膜１３の下面側に
保持された基板Ｗを研磨パッド５に当接させると、圧力
流体チャンバー１４を形成するそれぞれの弾性薄膜１３
に同時に同一の圧力が加えられ、各被加工物保持体６に
おいて、基板Ｗを等分布圧力で押圧し、かつ基板Ｗの被
研磨面のイコライズが自動的になされるとともに、複数
の被加工物保持体６の間においても同一の圧力が加えら
れているので、全ての基板の被研磨面を均一な圧力で押
圧する。また、研磨加工中においていずれか一つの被加
工物保持体６の圧力流体チャンバー１４に急激な外力が
作用しても、圧力流体チャンバー１４間には大容量の固
体チャンバー１６が介在しているために、他の圧力流体
チャンバー１４に直ちに影響を与えることなく、研磨加
工を行ないうるように構成されている。

【００２２】さらに、固体チャンバー１６と各被加工物
保持体６の圧力流体チャンバー１４間のそれぞれの支管
１７，１７に各々個別に調整可能な流体抵抗器を配設す
ることもでき、これらの流体抵抗器を配設することによ
り、また流体抵抗器を個々に調整することにより、個々
の圧力流体チャンバーの圧力流体の変動や圧力を調節す
ることが可能となり、例えば、研磨加工の初期段階にお
いて、複数の基板において、基板の被研磨面の高さが相
違している際に、高さの高い被研磨面に対しては、他の
ものよりも高い加工圧を一時的に付与することができ、
その状態で研磨加工し、そして最終的には同一の加工圧
によって全ての基板の被研磨面を均一に研磨するように
することができる。

【００２３】次に本実施例の動作について説明する。

【００２４】研磨パッド５を取り付けた回転テーブル１
を、スライダ３を径方向へ移動させることにより、複数
の被加工物保持体６の下方へ移動させて位置決めする。
その後に、被加工物保持体６に保持されている基板Ｗを
回転テーブル１上の研磨パッド５に当接させるべく下方
へ移動させる。本発明においては、上下動駆動機構１
１，１１によって複数の被加工物保持体６を下降させる
とともに、圧力流体チャンバー１４，１４へ圧力流体の
供給による圧力調整によって、所望の加工圧を容易に設
定することができる。

【００２５】所望の加工圧をもって複数の基板Ｗを研磨
パッド５に当接させた際に、図示しない研磨剤（研磨ス
ラリー）の供給手段から研磨剤（研磨スラリー）を供給
しつつ、被加工物保持体６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１を回転させかつ径方向
へ短かいストロークで移動させて化学機械研磨を行な
う。

【００２６】このように、各基体Ｗは、圧力流体チャン
バー１４を形成する弾性薄膜１３に保持された状態で、
研磨パッド５に押圧されているために、それぞれの基体
Ｗの被研磨面のイコライズが自動的になされ、均一な研
磨加工が行なわれるとともに、複数の基板Ｗは、互いに
連通した圧力流体チャンバー１４，１４により、同一の
圧力が同時に加えられるために複数の基板Ｗの被研磨面
全面を均一な圧力で研磨加工ができる。

【００２７】また、固体チャンバー１６と各圧力流体チ
ャンバー１４との間の支管１２に各々個別に調整可能な
流体制御器を配設することによって、各圧力流体チャン
バー１４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、加工する基板Ｗの状態に応じて加工圧を一
時的に変化させて、最適な研磨加工を得ることができ
る。

【００２８】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等の半導体ウエハ、また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が挙げられる。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、絶縁膜又は金属膜或いは
それらが混在した面になっている。

【００２９】本発明の研磨パッドとしては、不織布、発
砲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。

【００３０】そして、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（Ｓ
ｉＯ₂ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、酸化マンガン（Ｍ
ｎＯ₂ ）、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Ｋ
ＯＨ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。

【００３１】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、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。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、個々の被加工物の被研磨面に対して等分布の圧力
で均一に加圧できるとともに、各被加工物の被研磨面の
イコライズが自動的になされ、そして複数の被加工物に
対して同一の圧力を同時に加えることができるので、基
板の被研磨面の高さが相違していても、複数の被加工物
の全ての被研磨面を均一な加工圧で研磨することがで
き、複数の被加工物を均一に研磨し、平坦化することが
できる。

【００３３】さらに、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の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
て最終的に均一な加工圧で平坦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
式断面図である。

【図２】本発明の被加工物保持体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】

１ 回転テーブル ５ 研磨パッド ６，６ 被加工物保持体 ８ 公転テーブル １３，１３ 弾性薄膜 １４，１４ 圧力流体チャンバー １５，１５ 抑止部材 １６ 固体チャンバー １７，１７ 支管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物保持体により保持された被加工
   物の被研磨面を研磨パッドに所定の加工圧を与えた状態
   で当接させ、前記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、 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被加工物を保持
   する被加工物保持体を複数具備し、複数の圧力流体チャ
   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】 研磨パッド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、被加工物を着脱自在に保持する複数の被加工物保持
   体と、該複数の被加工物保持体を回転自在にかつ軸方向
   へ移動自在に支持し、被加工物保持体を公転させる公転
   テーブルと、複数の被加工物保持体をそれぞれ自転させ
   る手段と、複数の被加工物保持体を軸方向へ移動させる
   ための手段とを備え、前記被加工物保持体により保持さ
   れた被加工物の被研磨面を前記研磨パッドに所定の加工
   圧を与えた状態で当接させ、前記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、 前記被加工物保持体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、該弾性
   薄膜の下面側に被加工物を保持してなり、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。
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】 複数の被加工物保持体の圧力流体チャン
   バーと固体の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。