(57)【要約】【課題】ケミカルの使用を抑制しつつ、研磨後のウエハの洗浄や排液処理の負荷を減少させ、かつ効率的に研磨を行なう研磨装置を提供する。【解決手段】被研磨材を保持するトップリング１４と、イオン交換体を有する研磨部材１０，２４と、研磨液を供給するための研磨液供給手段３２，３０，２６と、研磨液中に電界を形成するための電源２０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨材を保持するトップリングと、
イオン交換体を有する研磨部材と、
研磨液を供給するための研磨液供給手段と、
研磨液中に電界を形成するための電源を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記トップリングと前記電源が接続されていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
前記研磨装置は、
前記研磨部材を配置するターンテーブルを有し、
前記ターンテーブルと前記電源が接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記研磨液は、超純水であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項５】
前記研磨液供給手段は、前記ターンテーブルに設けられた給水溝と排水溝を有することを特徴とする請求項３又は４記載の研磨装置。
【請求項６】
前記研磨液供給手段は、前記給水溝に連通するマニホールドと、該マニホールドに連通する給水配管を有することを特徴とする請求項５記載の研磨装置。
【請求項７】
研磨部材と、
前記研磨部材が取り付けられる定盤と、
被研磨材を保持し、前記研磨部材に該被研磨材を摺接させ、相対移動により該被研磨材を研磨するためのトップリングと、
前記定盤と前記トップリングの間に電圧を付加するために、該定盤と該トップリングに接続された電源と、
研磨液を供給するための研磨液供給手段を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項８】
前記研磨部材は、通水性を有することを特徴とする請求項７記載の研磨装置。
【請求項９】
前記研磨部材は、イオン交換体を有することを特徴とする請求項７又は８記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記研磨液は、超純水であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置に関し、特に、半導体ウエハ、金属、セラミックス等の被研磨材を平坦かつ鏡面状に研磨するのに用いる研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、図５に示すように、上面に研磨クロス（研磨布）１０を貼り付けたターンテーブル１２と、基板（半導体ウエハ）Ｗを保持しつつターンテーブル１２に押し付けるトップリング１４とを具備した化学・機械的研磨装置（ＣＭＰ）が用いられている。
【０００３】
このような構成の研磨装置において、トップリング１４の下面に基板Ｗを保持し、基板Ｗを回転しているターンテーブル１２の上面の研磨クロス１０に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル１６から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨クロス１０に研磨砥液Ｑが保持され、基板Ｗの研磨される面（下面）と研磨クロス１０の間に研磨砥液Ｑが存在する状態で研磨が行われる。スラリーとしては、例えばシリコンウエハを研磨する場合には、ＫＯＨ等でｐＨを調整したケミカル溶液中にシリカの微粒子等を分散させたものが用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の従来の技術においては、研磨後のウエハの後洗浄を充分に行なければならない、あるいは、スラリーや洗浄液の排液処理のための負荷が大きい等の課題があった。
【０００５】
本発明は、ケミカルの使用を抑制しつつ、研磨後のウエハの洗浄や排液処理の負荷を減少させ、かつ効率的に研磨を行なう研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の研磨装置は、被研磨材を保持するトップリングと、イオン交換体を有する研磨部材と、研磨液を供給するための研磨液供給手段と、研磨液中に電界を形成するための電源を有する。
【０００７】
本発明の他の研磨装置は、研磨部材と、前記研磨部材が取り付けられる定盤と、被研磨材を保持し、前記研磨部材に該被研磨材を摺接させ、相対移動により該被研磨材を研磨するためのトップリングと、前記定盤と前記トップリングの間に電圧を付加するために、該定盤と該トップリングに接続された電源と、研磨液を供給するための研磨液供給手段を有する。
【０００８】
研磨液として純水を使用することで、超純水中のＯＨ−イオン又はＨ＋イオンを前記被研磨面の近傍に偏在させ、ケミカルを用いることなしに、化学・機械的研磨を行なうことができる。
【０００９】
研磨部材の少なくとも一部を、イオン交換体を含む又はイオン交換体からなる通水性を有する素材で形成するようにしてもよい。例えば、研磨部材を、イオン交換膜と通常の研磨パッドで構成してもよいし、イオン交換体不織布のようなイオン交換体を含む素材やイオン交換体からなる素材で形成してもよく、もしくはイオン交換膜の上にイオン交換体不織布を取り付けることによりイオン交換膜のイオン偏在化作用をさらに助長するようにしても良い。このような素材は、研磨部材中のイオンの移動性を高めるので、イオンの移動に必要な電圧を大幅に低下させることができる。イオン交換体不織布はそれ自身がＯＨ−イオン又はＨ＋イオンを保持する機能を有するので、被研磨材面の近くに偏在したイオンを維持して処理速度を高める作用を有する。
このような素材としては、例えば、グラフト重合、放射線グラフト重合等の方法で繊維状に作製されたイオン交換体不織布が好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、ケミカルを用いることなしに、化学・機械的研磨を行なうことができる。従って、ケミカルの使用を抑制しつつ、研磨後のウエハの洗浄や排液処理の負荷を減少させ、かつ効率的に研磨を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る研磨装置の実施の形態を、図１ないし図４に基づいて説明する。この研磨装置は、表面に研磨クロス１０を貼付したターンテーブル１２と、これに対向して配置されたトップリング（基板把持装置）１４とを有する点は、図５に示す従来の研磨装置と同様である。
【００１２】
ターンテーブル１２及びトップリング１４にはこれらをそれぞれのシャフト周りに水平面内で回転させる駆動装置が設けられ、トップリング１４には真空吸着等の方法で基板を下面に保持する保持機構と、被研磨材である基板Ｗの下側被研磨面をターンテーブル１２の研磨クロス１０の面上に押し付ける押圧機構が設けられている。
【００１３】
ターンテーブル１２とトップリング１４の間には、トップリング１４側を正とする所定の電圧を付加する直流電源２０が設けられている。電源２０からの配線は、それぞれ摺動端子や内部配線を介して、トップリング１４の基板取付面及びターンテーブル１２の工具取付面を形成する定盤２２に接続されている。定盤２２の工具取付面には、水の解離を促進する触媒としてイオン交換膜２４が貼付され、さらにその上面に研磨クロス１０が貼付されている。これらのイオン交換膜２４と研磨クロス１０で研磨部材が構成されている。
【００１４】
イオン交換膜２４としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれをも用いることができる。素材としては周知の任意のものを採用することができるが、厚さ、気孔率、強度、弾性等の特性は、研磨クロス１０の裏面に配するのに好適なように設定することが望ましい。
【００１５】
この研磨装置は、図５のものと異なり、研磨クロス１０と基板Ｗの間に研磨液をターンテーブル１２内部から供給する内部給水方式を採っている。すなわち、定盤２２には複数の給水溝（又は孔）２６と排水溝（又は孔）２８が設けられ、定盤２２の裏面側にはこれらの給水又は排水溝（又は孔）に連通する給水・排水マニホールド３０が形成されている。この給水・排水マニホールド３０は、それぞれシャフト１２ａを貫通する内部流路３２，３４及び流体継手等を介して外部の給水・排水配管に連絡されている。
【００１６】
以下、この実施の形態の研磨装置による研磨工程を説明する。給水配管より、超純水を研磨液としてターンテーブル１２のマニホールド３０に供給すると、この研磨液は、図２に示すように、定盤２２の給水溝２６からイオン交換膜２４へと供給され、通水性の研磨クロス１０を介して研磨クロス１０と基板Ｗの被研磨面の間に供給される。
【００１７】
ここで、トップリング１４とターンテーブル１２の間にトップリング１４が正となる所定の電圧を印加すると研磨液中に電界が形成され、これによって超純水中のＨ＋イオン及びＯＨ−イオンが移動する。この結果、図２に示すように、基板Ｗ面近傍ではＯＨ−イオンが濃化し、定盤２２近傍ではＨ＋イオンが濃化する。基板Ｗ近傍のＯＨ−イオンの濃度は、基板Ｗの材質やその他の研磨条件によって適宜選択され、その濃度は電源電圧を制御することにより調整される。
【００１８】
このようなイオンの分離は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜の存在によって促進される。すなわち、図３（ａ）に示すように、陽イオン交換膜を用いた場合には、水のイオン化が促進され、基板Ｗ側のＨ＋イオンのみが定盤２２側に移動し、図３（ｂ）に示すように、陰イオン交換膜を用いた場合には、定盤２２側のＯＨ−イオンのみが基板Ｗ側に移動し、それぞれ基板Ｗ近傍にＯＨ−イオンが局在化しやすくなる。なお、強酸性イオン交換膜の一例としては、ナフィオン１１７（Dupont社製）のものが挙げられる。
【００１９】
図４に、純水中でイオン交換膜を用いて所定の電圧をかけた場合のイオン偏在化効果を、用いない場合と比較して示す。図４では、試料、電極に各々白金（Ｐｔ）を用い、イオン交換膜は、厚さ２００μｍのナフィオン１１７（Dupont社製）を用いた。図４から分かるように、イオン交換膜を使用した方が電流が多く流れ、即ち水の解離が多く起こっていることが分かる。また、イオン交換膜に加えて、さらにイオン交換繊維をも用いた場合には、より多くの電流が流れることも分かっている。
【００２０】
超純水中でイオン交換膜を用いて所定の電圧をかけてイオンを偏在させ、これによって金属（銅）板の表面の加工を行った結果を、表１に示す。ここでは、容器内に満たした超純水中に、陰極となる白金電極板と陽極となる銅製の試料を一定のギャップを保持して浸漬するとともに、両電極間に陽イオン交換膜（ナフィオン１１７）を配設し、前記容器の全体を気密容器内に収容して、その内部をＡｒガスでパージする構造である。これにより、超純水中でイオン交換膜を用いてイオンを偏在させることで、加工が可能であることが分かる。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
図２の状態で、トップリング１４により基板Ｗを研磨クロス１０面上に押し付けながら、トップリング１４及びターンテーブル１２を各々水平面内で回転させて研磨を行なう。基板Ｗの近傍にはＯＨ−イオンが所定の濃度で濃化しているので、基板Ｗ上のシリコンやシリコン酸化膜の溶解が促進され、化学的・機械的研磨がケミカルによるｐＨ調整を行うことなく達成できる。
【００２３】
給水溝２６から供給された研磨液の多くの部分は、上述したように研磨クロス１０の表面に供給され、研磨作用を行った後にターンテーブル１２の回転に伴う遠心力によって、研磨屑を同伴しつつ研磨クロス１０の周辺側に流れ、縁部から飛散する。イオン交換膜２４の裏面側の研磨液にはＨ＋イオンが濃化するが、これは給水溝２６と交互に配置された排水溝２８から排出される。
【００２４】
Ｈ＋イオンが濃化した研磨液は、ターンテーブル１２から飛散した研磨液と合流させることにより、それに含まれるＯＨ−イオンと中和してしまうので、特別な処理をする必要が無い。以上のように、この化学的・機械的研磨工程では、ｐＨ調整のためのケミカルを用いていないので、研磨後の基板Ｗの洗浄や、ケミカルを含む排液の処理の手間が軽減される。
【００２５】
研磨クロス１０は、従来から用いられている通常の研磨クロスを用いても良いが、本実施の形態では、例えばイオン交換不織布のようなイオン交換体を含む素材やイオン交換体からなる素材で形成している。これにより、イオン交換膜２４のイオン偏在化作用をさらに助長することができ、水の解離を促進する触媒としての役割を有する。イオン交換体不織布は、例えば−Ｎ（ＣＨ３）３ＯＨのような強塩基性の官能基を有するイオン交換体を含む繊維であり、グラフト重合法、放射線グラフト重合法によって作製する。このような素材は、研磨部材中のイオンの移動性を高めるので、イオンの移動に必要な電圧を大幅に低下させることができる。さらに、イオン交換体不織布は、それ自身がＯＨ−イオン又はＨ＋イオンを保持する機能を有するので、基板Ｗの被研磨面近傍に偏在したイオンを維持して処理速度を高める作用をも有する。
【００２６】
上記においては、研磨クロス１０とイオン交換膜２４を別体としたが、これを一体に形成してもよい。これにより、研磨部材としての高い機能性を有するより特化した研磨クロスを提供することができ、現場で２層構造を形成する必要もないので作業性も良い。また、イオン交換膜を用いず、研磨部材をイオン交換体不織布のみで構成してもよい。
【００２７】
また、上記においては、研磨液をターンテーブル１２側から供給する内部給水方式を採用し、砥粒は用いていないが、図５に示すような研磨砥液ノズル１６からの外部給水方式も研磨条件に応じて採用することができ、この場合は、砥粒を用いても良い。砥粒を用いる場合も、従来のようなＫＯＨベースのスラリーは用いずに、純水中にＳｉＯ２粒子などの砥粒を懸濁させたものを用いる。砥粒を介在させることにより、機械的作用が促進され、研磨速度が増す。
【００２８】
この場合、Ｈ＋イオンが濃化した研磨液は、先の実施の形態のように、定盤２２に排水溝２８を設けて排水してもよく、また、遠心力により定盤２２の縁部から排出するようにしてもよい。後者の場合には、定盤２２の中心から縁部に向かう排水促進溝を形成してもよい。また、内部給水方式と外部給水方式を併用してもよい。
【００２９】
なお、上記においては、ＯＨ−イオンを基板側に濃化させる例を説明したが、銅配線などの金属を研磨する場合には、Ｈ＋イオンを基板側に濃化させるように、電極や陰イオン交換膜を配置する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の１つの実施の形態の研磨装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す図である。
【図３】図１の研磨装置の作用を説明する模式図である。
【図４】イオン交換膜を用いた場合のイオン偏在化効果を、用いない場合と比較して示す図である。
【図５】従来の研磨装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    研磨クロス
１２    ターンテーブル
１４    トップリング
２０    電源
２２    定盤
２４    イオン交換膜
２６    給水溝
２８    排水溝
３０    マニホールド
Ｗ    基板（半導体ウエハ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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