(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨材をその研磨面と対向配置されテーブル上面に取付けられた研磨布に押圧して研磨加工を行う研磨装置において、
回転軸を有し、被研磨材の研磨面を露出させて保持する保持手段と、
上記保持手段を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、この保持手段を上記回転軸を介して回転駆動させる第１の駆動手段と、
上記保持手段の少なくとも周方向を覆うと共に、この保持手段の外周側にこの保持手段の回転駆動とは非従属的に設けられ、下端で上記研磨布と接触するガイドリング体と、
上記ガイドリング体の上部に設けられ、このガイドリング体を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、このガイドリング体を上記保持手段とは独立して回転駆動させる第２の駆動手段と、
を具備することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
上記ガイドリング体は、その下端が間欠的に上記研磨布と接触する構成であることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】
保持手段に保持された被研磨材をその被研磨材と対向配置された研磨布に押圧し、この研磨布に対して保持手段を相対的に回転駆動させて研磨加工を行う研磨加工方法において、
上記保持手段の外周側にこの保持手段とは非従属的に押圧及び回転駆動する下端が間欠的に上記研磨布と接触するガイドリング体が上記保持手段の回転数よりも大きな回転数で回転駆動することを特徴とする研磨加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハを平面且つ鏡面状に研磨する研磨装置及び研磨加工方法、特にポリッシング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ウエハ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、且つ多層化する傾向にある。このため、半導体ウエハと配線膜の平坦化が必要とされており、この平坦化を能率良く行う方法として、ＣＭＰ（化学機械研磨）法による研磨が適用されている。
【０００３】
図４は、ＣＭＰ法による研磨を実施するための研磨装置として用いられるポリッシング装置１の概略図である。
【０００４】
ポリッシング装置１は半導体ウエハなどのワーク２を保持するキャリア３と、このキャリア３を回転駆動させる不図示の駆動モータと、キャリア３及び駆動モータを後述するテーブル５に対して押圧するためのエアシリンダ６と、キャリア３に対向配置されたテーブル５と、このテーブル５の上面に設けられた不織布や発泡ポリウレタンを材料とする研磨布７と、テーブル５を回転駆動させる駆動モータ８とを備えている。
【０００５】
この研磨布７とワーク２の間の研磨面となる部分には、適宜砥粒と薬液とからなる研磨液が供給され、それによって所望の加工精度にワーク２の研磨加工を行うように構成されている。
【０００６】
上記テーブル５の上面に対向して設けられているキャリア３は、そのテーブル５に対向する側の面でワーク２を保持している。ワーク２の外周には、研磨加工途中でこのワーク２がキャリア３から位置ずれして外れないようにするためのガイドリング８が設けられている。
【０００７】
このキャリア３へのワーク２の保持は、種々の方式があり、例えばキャリア３に真空吸着させる方式、キャリア３にワックスを塗布し、このワックスにより貼付される方式、キャリア３に軟質のフィルムを設けて、このフィルム上にワーク２を水貼して固定する方式等がある。この状態で、キャリア３とテーブル５をそれぞれ駆動モータで回転させ、さらにワーク２に対してエアシリンダ６によって押圧力を付加することで、研磨液中の砥粒による物理的及び研磨液に含まれる薬液による化学的の両者の作用によってワーク２の研磨面の凹凸を除去しながら平坦面へと仕上げる加工を行う。
【０００８】
ここで、研磨布７や研磨液等の研磨環境に変動を生じなければ、研磨除去量は研磨圧力とワーク２及び研磨布７の間の相対速度、それと研磨時間により定められる。したがって、ワーク２内に部分的な平坦性の悪い凹凸部分があれば、凸部へのみ局所的に圧力を増加させるか、或いは研磨布７との間の相対速度を高めるか、若しくは研磨時間を長くする必要がある。
【０００９】
しかしながら、研磨布７や研磨液等の研磨環境は一定とはなっていなく、特に研磨布７はその研磨時間や研磨回数に応じて消耗してゆき、それによって研磨除去速度や圧力等に影響する弾性係数や砥粒保持能力等の特性が変化してしまう。そのため、このポリッシング装置１においては、研磨滞在時間が最も長いワーク２中心部を通る回転軌跡の研磨布７消耗が最も大きなものとなっている。このため、ある特定の条件で一義的に決定されたキャリア形状を適用しても、研磨環境が変化してしまう以上は、ワーク２を厳密に平坦化する研磨加工を行うことができなくなっている。
【００１０】
そのために、研磨中のワーク２の平坦度をモニタリングしてその研磨環境の変化に応じて研磨中にその研磨条件を変化させる方法や、研磨中にキャリア３の形状を研磨の状況に応じて変化させて寸法の補正を行う方法が提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如く研磨環境の変化に対応させて研磨条件やキャリア３の形状を変化させても、未だワーク２の縁だれ（ワーク２のエッジ部の厚みが薄くなってしまう現象）が発生して、ワーク２の平坦度が低下してしまうといった不具合が生じ得る。
【００１２】
上述の如く、ワーク２の縁以外の内面側ではワーク２に付与される押圧力を変化させるため、キャリア形状を最適化することによって改善できたが、上記の縁だれについては、ワーク２の内面側ではなくワーク２の境界側での圧力分布が問題となるため、キャリア形状を最適化するのみでは補正できないものとなっている。
【００１３】
ここで、ワーク２の境界部分における圧力の発生の状況を図５でモデル的に示す。ワーク２の境界部分では、このワーク２を研磨布に押し付けたことによる押圧力、ワーク２と研磨布７とが相対運動（テーブル５の回転、及びポリッシング装置１に保持されたワーク２を回転させた運動の合成された運動）をすることにより生じる圧力（以下、これを動圧と称する）の合成された圧力が発生する。
【００１４】
このため、ワーク２の外周部分には、このワーク２の境界部分での動圧を抑制するため、ワーク２が外れるのを防止するガイドリング８を用いて調整を行っている。ここで、動圧を抑制するためには、このガイドリング８の高さを最適化すれば良いが、上述のキャリア形状と同様に、研磨環境が変化してしまうので、このガイドリング８の高さ調整のみでは最適な効果が維持できないといった不具合が発生している。
【００１５】
このため、ガイドリング８の研磨布７への押し付け荷重をキャリア３とは別個に可変設定し、そしてガイドリング８の押し付け荷重をキャリア３よりも大きくして研磨する方法が特開平９−１６８９６４によって提案されている。
【００１６】
しかしながら、ガイドリング８の押し付け荷重を高めると、このガイドリング８で遮断されることにより研磨液のワーク２の研磨を行っている部位への供給量が減少してしまう。そのため、研磨除去レートが低下し、ワーク２の生産性が低下してしまうといった欠点が生じている。
【００１７】
また、キャリア３に保持されたワーク２への研磨液の供給を良好に行うための構成として、ガイドリング８に間欠的な溝を形成する構成が特開平８−１１０５５によって提案されている。しかしながら、この提案ではワーク２を保持する保持部とガイドリング８とが一体的な構成であり、そのためワーク２に対する溝の相対的な位置が変化しない構成となっている。そのため、ワーク２の外周側境界部分では、溝を形成したことによる凹凸部分の有無により、押圧力に変動を来たし、そのためワーク２に対してその押圧力が影響を及ぼし、このワーク２の外周側境界部分で平坦なワーク２の加工を実現できないものとなっている。
【００１８】
本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、半導体ウエハの外周側の境界部分の研磨面における縁だれの発生を防止して平坦な研磨面とすることが可能な研磨装置及び研磨加工方法を提供しようとするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、被研磨材をその研磨面と対向配置されテーブル上面に取付けられた研磨布に押圧して研磨加工を行う研磨装置において、回転軸を有し、被研磨材の研磨面を露出させて保持する保持手段と、上記保持手段を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、この保持手段を上記回転軸を介して回転駆動させる第１の駆動手段と、上記保持手段の少なくとも周方向を覆うと共に、この保持手段の外周側にこの保持手段の回転駆動とは非従属的に設けられ、下端で上記研磨布と接触するガイドリング体と、上記ガイドリング体の上部に設けられ、このガイドリング体を上記研磨布にその押圧力を調整自在として押圧すると共に、このガイドリング体を上記保持手段とは独立して回転駆動させる第２の駆動手段と、を具備することを特徴とする研磨装置である。
【００２０】
請求項２記載の発明は、上記ガイドリング体は、その下端が間欠的に上記研磨布と接触する構成であることを特徴とする請求項１記載の研磨装置である。
【００２１】
請求項３記載の発明は、保持手段に保持された被研磨材をその被研磨材と対向配置された研磨布に押圧し、この研磨布に対して保持手段を相対的に回転駆動させて研磨加工を行う研磨加工方法において、上記保持手段の外周側にこの保持手段とは非従属的に押圧及び回転駆動されると共に、下端が間欠的に上記研磨布と接触するガイドリング体を設け、このガイドリング体が上記保持手段の回転数よりも大きな回転数で回転駆動されることを特徴とする研磨加工方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図１ないし図３に基づいて説明する。
【００２３】
図１に示す研磨装置としてのポリッシング装置２０は、テーブル２１が設けられている。このテーブル２１は、上面が平坦面に形成されていて、さらにその径中心の下面側にはこのテーブル２１を回転駆動させるための回転軸２２が一体的に取り付けられている。そして、この回転軸２２は、不図示の駆動源に連結されていて、それによってこのテーブル２１の上面に貼付された研磨布２３を回転駆動させ、ワーク２４の研磨を行える構成としている。
【００２４】
上記テーブル２１の上面には、ワーク２４としての半導体ウエハを研磨加工する研磨布２３が貼付されその研磨布２３上面はワーク２４を精度良く研磨加工する必要から精度良く平坦化されている。
【００２５】
そして、この研磨布２３の上方にはこの研磨布２３の径よりも小さい回転径を有するワーク回転駆動装置３０が配置されている。このワーク回転駆動装置３０は、ワーク２４を保持して回転駆動させるキャリア機構部３１と、このキャリア機構部３１の外周側に位置して回転駆動されるガイドリング機構部３２とから構成されている。
【００２６】
キャリア機構部３１は、ワーク２４の研磨面を研磨布２３に対向させた状態で保持するキャリア３３を有していて、そのキャリア３３の上方側には、軸受３４を介して回転軸３５が取り付けられている。そして、この回転軸３５の上端には、回転駆動ギヤ３６が取り付けられており、その回転駆動ギヤ３６は駆動モータ３７の駆動軸３７ａに取り付けられた駆動ギヤ３８と噛合している。それによって、駆動モータ３７から発生した駆動力が回転軸３５に伝達する仕組みとなっている。
【００２７】
上記回転軸３５の駆動ギヤ３８よりも上方側には、キャリア３３に取り付けられたワーク２４を押圧するためのエアシリンダ３９が取り付けられている。このエアシリンダ３９は、シリンダ体４０とロッド体４１から構成されていて、エアの圧力を付加することによって回転軸３５に対して押圧力を付加する構成となっている。この押圧力が回転軸３５に付加された場合には、それによって回転軸３５が下方に向かい駆動され、それに伴ってワーク２４に対して押圧力が付与される。
【００２８】
上記駆動モータ３７及びエアシリンダ３９は、共に支持アーム４２に取り付けられている。この支持アーム４２は、例えば棒状部材や板状部材などから構成され、上述の駆動モータ３７及びエアシリンダ３９が並列されて駆動力及び押圧力を付与し易い構成としている。
【００２９】
このようなキャリア機構部３１の外部を覆うように、ガイドリング機構部３２が設けられている。ガイドリング機構部３２は、円筒筐体形状のガイドリング４３を有しており、このガイドリング４３が上記キャリア３３及び回転軸３５を覆う構成となっている。このガイドリング４３は、回転軸３５のキャリア３３側の位置に軸受４４を有していて、この軸受４４で軸支される構成となっている。
【００３０】
そして、このガイドリング４３は、キャリア３３と非接触でかつ近接対向するように形成されている。このガイドリング４３の上端は、回転軸３５に対応した外径を有しており、この上端には回転駆動ギヤ４５が嵌合されている。そしてこの回転駆動ギヤ４５には、駆動モータ４６に嵌合された駆動ギヤ４７が取り付けられている。この駆動ギヤ４７と回転駆動ギヤ４５とが噛合することで例えばベベルギヤやかさ歯車等を構成している。
【００３１】
なお、駆動モータ４６と共に回転駆動ギヤ４５には補助回転ギヤ４８が噛合している。この補助回転ギヤ４８は、回転駆動ギヤ４５に対して駆動モータ４６を含めて例えば三方向に配置されており、この駆動モータ４６及び補助回転ギヤ４８を介してガイドリング４３に押圧力を付与する構成となっている。
【００３２】
ガイドリング４３に押圧力を付与するために、上記支持アーム４２の分岐アーム部４９にはエアシリンダ５０が取り付けられている。エアシリンダ５０のロッド５１下端部には、支持部材５２が取り付けられていて、この支持部材５２の下端には駆動モータ４６及び補助回転ギヤ４８が取り付けられている。そのため、エアシリンダ５０を作動させて下方への押圧力を付与すると、支持部材５２及び駆動モータ４６の駆動ギヤ４７及び補助回転ギヤ４８を介してガイドリング４３にその押圧力が付与される構成となっている。
【００３３】
上記ガイドリング４３の研磨布２３と接触する下端面は、図２に示すように隙間５３を有するように間欠的に形成されている。その隙間５３は、例えばガイドリング４３の下端面が略円周曲線状に形成されることによって存するように構成されている。
【００３４】
なお、テーブル２１上の研磨布２３に対して研磨液を供給するために、供給ノズル５４が研磨布２３の上方に配置されている。
【００３５】
以上のような構成を有するポリッシング装置２０を用いてワーク２４の研磨加工を行う場合の作用について、以下に説明する。
【００３６】
ワーク２４をキャリア３３に対して例えば真空吸着等により保持させた後に、このワーク２４をテーブル２１の研磨布２３に対して適宜の圧力で押圧する。そして、供給ノズル５４から研磨液の供給を行い、テーブル２１を回転駆動させると共にワーク２４を保持しているキャリア３３を回転駆動させ、さらにガイドリング４３もキャリア３３とは別に独立した回転駆動をさせながらワーク２４の研磨加工を行う。
【００３７】
この場合、ガイドリング４３の回転速度は、キャリア３３の回転速度よりも速くなるように設定する。また、ガイドリング４３の研磨布２３に対する押圧力は、キャリア３３の研磨布２３に対する押圧力よりも大きくなるように設定する。
【００３８】
この場合の研磨加工の様子を図３に示す。
【００３９】
図３（ａ）はガイドリング４３の押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ2 ，回転数７０ｒｐｍに設定したとき、図３（ｂ）はガイドリング４３の押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ2 ，回転数１００ｒｐｍに設定したとき、図３（ｃ）はガイドリング４３の押圧力を３５０ｇｆ／ｃｍ2 ，回転数１００ｒｐｍに設定したときの夫々のワーク２４の中心からの距離と研磨除去速度との関係を示すグラフである。
【００４０】
なお、いずれの場合にも、キャリア３３の押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ2 ，回転数を７０ｒｐｍとしている。
【００４１】
これらのグラフによると、図３（ａ）に示すようにガイドリング４３の回転速度を７０ｒｐｍとすると、ワーク２４の外周側境界部分の研磨除去速度は、ワーク２４の内周側と比較して大きくなる。すなわち、ガイドリング４３の回転速度が遅い場合には、研磨布２３の弾性回復速度もそれに伴って遅くなるため、ワーク２４のエッジ部分に作用する押圧力も大きく作用し、それによって研磨除去速度は、ワーク２４のエッジ部分で大きくなっている。このため、ワーク２４の内周側とエッジ部分とでは均一な研磨加工を行えないものとなっている。
【００４２】
また、図３（ｃ）に示すように、ガイドリング４３の押圧力を３５０ｇｆ／ｃｍ2 にすると、ワーク２４のエッジ部分の研磨除去速度は、ワーク２４の内周側と比較して小さくなり、よってこの場合にもワーク２４の内周側とエッジ部分とでは均一な研摩加工を行えないものとなっている。
【００４３】
これより、ガイドリング４３の押圧力は、図３（ｃ）の場合、すなわちワーク２４の内周側とエッジ部分とに均一な押圧力が作用するように押圧力を調整し、またキャリア３３の回転数よりもガイドリング４３の回転数が大きくした所定の回転数に調整する。これによって、ワーク２４に作用する押圧力の調整が図られ、ワーク２４の研磨面を平坦化して加工を行うことができる。
【００４４】
このような構成のポリッシング装置２０によると、キャリア３３には駆動モータ３７及びエアシリンダ３９により夫々駆動力及び押圧力が与えられ、ガイドリング４３には駆動モータ４６及びエアシリンダ５０により夫々駆動力及び押圧力が与えられ、これらの駆動力及び押圧力が独立して与えられる構成であるので、ワーク２４の内周側とエッジ部分とで均一な押圧力が作用するように夫々押圧力を調整し、さらにキャリア３３とガイドリング４３の回転数を夫々調整すれば、厚みむらをなくしてワーク２４の内周側とエッジ部分とで均一な平坦化を実現でき、縁だれの発生を防止することができる。
【００４５】
また、ガイドリング４３の下端には、略円周曲線状の隙間５３が形成されているので、この隙間よりワーク２４の研磨面に対して研磨液の供給を維持できる。これにより、ワークの研磨除去レートが低下せず、ワーク２４の研磨の作業能率を低下させることがない。よってワーク２４の生産性を高めることができる。
【００４６】
更に、ガイドリング４３の回転数をキャリア３３の回転数よりも大きくすることにより、研磨布２３が弾性回復してワーク２４のエッジ部分に縁だれなどの影響を及ぼすのを防止することができる。
【００４７】
また、回転数を大きくすることで、その分隙間５３の間隔を大きくする構成を採用することもでき、その場合には十分な供給量の研磨液を確保できる。
【００４８】
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。以下それについて述べる。
【００４９】
上記実施の形態では、隙間５３が略円周曲線状に形成されたガイドリング４３の下端面の形状により形成されているが、この隙間５３を形成するためには、ガイドリング４３の下端の形状は特に限定されず、例えば波曲線状など、どのような形状であっても構わない。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ガイドリング体が保持手段とは非従属的に設けられ第２の駆動手段によって保持手段とは独立して押圧力の調整及び回転駆動が為されるので、ガイドリング体へのそれら押圧力及び回転駆動を適宜に調整すれば、被研磨材のエッジ部分に生じる縁だれの発生を防止して被研磨材を精度良く平坦化させることが可能となる。
【００５１】
また、ガイドリング体の下端が間欠的に形成されることで、研磨液の供給を維持でき、研磨除去レートを低下させることがない。この場合、ガイドリング体の回転数を保持手段の回転数より大きくすることで、研磨布の弾性回復による被研磨材のエッジ部分への影響を低減化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係わるポリッシング装置の構成を示す側断面図。
【図２】同実施の形態に係わるガイドリングの形状を示す図。
【図３】同実施の形態に係わるワークの中心からの距離と研磨除去速度との関係を示すグラフ。
【図４】従来のポリッシング装置の構成を示す側断面図。
【図５】従来のポリッシング装置によるワークの研磨状態を示す図。
【符号の説明】
２０…ポリッシング装置
２１…テーブル
２３…研磨布
２４…ワーク
３０…ワーク回転駆動装置
３１…キャリア機構部
３２…ガイドリング機構部
３３…キャリア
３７…駆動モータ
３９…エアシリンダ
４２…支持アーム
４３…ガイドリング
４５…回転駆動ギヤ
４６…駆動モータ
４７…駆動ギヤ
４８…補助回転ギヤ
５０…エアシリンダ
５３…隙間
【図１】
0003959173.tif 000002
【図２】
0003959173.tif 000003
【図３】
0003959173.tif 000004
【図４】
0003959173.tif 000005
【図５】
0003959173.tif 000006