(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨材を収容する収容部と、
前記収容部からほぼ平行に延びる少なくとも２つのライン上にそれぞれ洗浄ユニット及び研磨ユニットが配置された少なくとも２つの研磨処理ラインと、
前記洗浄ユニットと前記研磨ユニットの間に配置された前記２つの研磨処理ライン共用の仮置き台とを有し、
前記仮置き台、研磨ユニット及び洗浄ユニットとの間で被研磨材を搬送可能なロボット手段を前記各研磨処理ラインのそれぞれに設け、
前記研磨ユニットは、ターンテーブル、トップリング装置及び被研磨材を前記ロボット手段との間で授受するプッシャを有し、
前記トップリング装置は、前記プッシャと前記ターンテーブルにそれぞれ配置可能な２つのトップリングと、これらの２つのトップリングを水平に回転可能に支持する旋回アームとを有し、
前記プッシャの上方に位置する前記トップリングにより把持された被研磨材の上に成膜された薄膜の厚さを測定する膜厚測定センサを設け、該膜厚測定センサにより測定した薄膜の厚さを基にして研磨量を求め、次の被研磨材の研磨時間を調整するようにフィードバック制御するようにしたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】
前記研磨ユニットには、小径のバフ研磨テーブルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリッシング装置に係り、特に、半導体ウエハ等の被研磨材を平坦かつ鏡面状に研磨するポリッシング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、回転するターンテーブル上に貼付した研磨布に砥粒を含む研磨液を供給しながら、キャリアで保持した半導体ウエハを研磨布に押しつけて研磨する化学機械的研磨が行われている。
【０００３】
図８は、特開平９−１１７８５７号に開示されたポリッシング装置であり、全体が長方形をなす床上のスペースの一端側に一対の研磨ユニット１０１ａ，１０１ｂが左右に対向して配置され、他端側にそれぞれ半導体ウエハ収納用カセット１０２ａ，１０２ｂを載置する一対のロード・アンロードユニットが配置されている。そして、研磨ユニットとロード・アンロードユニットを結ぶ線上に走行レール１０３が敷設され、この走行レール１０３の両側に、それぞれ１台の反転機１０５，１０６とこれの両隣の２台の洗浄機１０７ａ，１０７ｂ，１０８ａ，１０８ｂが配置されている。
【０００４】
このように、搬送ラインの両側に１対の研磨処理ラインが構成されたポリッシング装置によれば、通常の１段研磨はそれぞれの研磨処理ラインでパラレルに行って能率を向上させ、化合物半導体などにおいて研磨液を変えて２段階で研磨する２段階研磨を行う場合には、一方の研磨ユニット１０１ａで研磨した後に一端洗浄工程を行ってから他の研磨ユニット１０１ｂに移動して２次研磨を行なう。従って、１つの装置によって、２段階研磨を行うシリーズ処理と、１段研磨をパラレルに行うパラレル処理とを選択的に行うことができる。
【０００５】
このポリッシング装置のパラレル処理においては、被研磨材は以下のように搬送される。すなわち、研磨ユニット１０１ａ，１０１ｂにおける被研磨材の研磨処理が終わった後、トップリング１１０が回転してプッシャ１１２上に移動して処理済みの被研磨材を渡す。これを第２のロボット１０４ｂが洗浄機１０７ａ、又は１０７ｂに搬送してから未処理の被研磨材を反転機１０５，１０６より受け取り、これをプッシャ１１２に渡す。トップリング１１０はこれをプッシャから受け取ってターンテーブル１０９上に移動して研磨を再開する。１１１はターンテーブル１０９上の研磨面の再生をするためのドレッサーである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のポリッシング装置においてスループットを上げるには、律速段階となる研磨工程を行なうターンテーブル１０９の稼動率を向上させる必要がある。しかしながら、上記の従来の技術では、２つのプッシャ１１２からの処理済みの被研磨材の除去と未処理の被研磨材の供給を１基のロボット１０４ｂで行っているために時間を要し、ターンテーブルのアイドルタイムが生じてしまっていた。
【０００７】
本発明は、並列配置された２つの研磨処理ラインを有するポリッシング装置において、ターンテーブルのアイドルタイムを最小限に抑えてスループットを上げたパラレル処理を行なうことができるポリッシング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】
請求項１に記載の発明は、被研磨材を収容する収容部と、前記収容部からほぼ平行に延びる少なくとも２つのライン上にそれぞれ洗浄ユニット及び研磨ユニットが配置された少なくとも２つの研磨処理ラインと、前記洗浄ユニットと前記研磨ユニットの間に配置された前記２つの研磨処理ライン共用の仮置き台とを有し、前記仮置き台、研磨ユニット及び洗浄ユニットとの間で被研磨材を搬送可能なロボット手段を前記各研磨処理ラインのそれぞれに設け、前記研磨ユニットは、ターンテーブル、トップリング装置及び被研磨材を前記ロボット手段との間で授受するプッシャを有し、前記トップリング装置は、前記プッシャと前記ターンテーブルにそれぞれ配置可能な２つのトップリングと、これらの２つのトップリングを水平に回転可能に支持する旋回アームとを有し、前記プッシャの上方に位置する前記トップリングにより把持された被研磨材の上に成膜された薄膜の厚さを測定する膜厚測定センサを設け、該膜厚測定センサにより測定した薄膜の厚さを基にして研磨量を求め、次の被研磨材の研磨時間を調整するようにフィードバック制御するようにしたことを特徴とするポリッシング装置である。
【０００９】
このような構成により、それぞれのロボット手段は仮置き台にある未研磨の被研磨材を研磨ユニットに供給し、研磨ユニットの研磨済みの被研磨材はこれを直接洗浄ユニットに送るので、研磨ユニットの研磨済みの被研磨材を未研磨の被研磨材と迅速に交換することができる。従って、ポリッシング装置の律速段階である研磨ユニットの被研磨材待ちによる非稼動時間を最小限に抑え、ポリッシング装置のスループットを大幅に向上させることができる。
【００１１】
これにより、一方のトップリングをターンテーブル上に位置させて研磨工程を行なう間に、他方のトップリングの被研磨材の交換を行なうことができるので、ターンテーブルの非稼動時間が減少して、スループットが向上する。
【００１２】
これにより、研磨量の算出を行い、この測定値に基づいてよりきめ細かい研磨量制御を行なうことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記研磨ユニットには、小径のバフ研磨テーブルが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のポリッシング装置の第１の実施の形態を説明する図であり、この装置は、全体が長方形をなす設置床１０上のスペースに、構成要素が設置床の中心線Ｃに対して左右対称に配置されて構成されている。すなわち、設置床の一端側に一対の研磨ユニット１０ａ，１０ｂが左右に対向して配置され、他端側にそれぞれ半導体ウエハ収納用カセット１２ａ，１２ｂを載置する一対のロード・アンロードユニットが配置され、さらにこれらの間にロード・アンロードユニット側から順に１対の２次洗浄機１４ａ，１４ｂ、１対の反転機１６ａ，１６ｂ、１対の１次洗浄機１８ａ，１８ｂ、１基の仮置き台２０が設けられている。１対の１次及び２次洗浄機１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８ｂ、反転機１６ａ，１６ｂは、互いに中心線を挟んで対向して配置され、その間の中心線上の位置には関節で結合されたアームを有する固定型のロボット２２，２４が配置されている。また、仮置き台２０の左右には１対の固定ロボット２６ａ，２６ｂが設けられている。
【００１６】
各研磨ユニット１０ａ，１０ｂは、被研磨材Ｗを授受するプッシャ３０と、２基のトップリング３２，３４を有するトップリング装置３６と、表面に研磨工具面を有するターンテーブル３８と、研磨工具面の目立てを行なうドレッサ４０とがほぼ前記中心線に平行に配置されている。また、この例ではトップリング装置３６の脇にバフ研磨を行なう小径のバフ研磨テーブル４２が設けられている。
【００１７】
以下、研磨ユニット１０ａ，１０ｂの実体的な構成を、図２を参照して説明する。トップリング装置３６は、ターンテーブル３８のベース４４より側方に突出するブラケット４６に取り付けられた基台４８により回転自在に支持された鉛直方向に延びる支柱５０と、この支柱５０の先端に水平方向に延びて取り付けられた旋回アーム５２と、この旋回アーム５２の先端にそれぞれ取り付けられた１対のトップリング３２，３４とを備えている。トップリング３２，３４は、各々の下面に被研磨材を吸着する機能を有し、それぞれ独立に駆動モータ５６により水平面内で回転可能かつエアシリンダ５８により昇降可能となっている。ターンテーブルの上面には所定位置に砥液供給ノズルが開口して設けられている。
【００１８】
プッシャ３０は、支柱５０に対してターンテーブル３８と反対側に位置しており、一方のトップリング３２（３４）がターンテーブル３８上の研磨位置にあるときには、他方のトップリング３４（３２）がプッシャ３０の直上にあるようになっている。プッシャ３０は昇降可能な被研磨材載置台６０を備えており、トップリング３２，３４とロボット２６ａ，２６ｂの間での被研磨材の授受を補助する。また、ターンテーブル３８のベース４４のトップリング装置３６とは反対側に突出するブラケット６２には、ドレッサ４０の支柱６４が回転自在に支持されている。
【００１９】
小径のバフ研磨テーブル４２は、図３に示すように被研磨材とほぼ同じ大きさであり、トップリング装置３６の支柱５０の中心に対してプッシャ３０あるいはターンテーブル３８の研磨位置とほぼ同じ距離にある。ここでは、通常は、砥粒を含む砥液を用いた仕上げ研磨又は純水を用いて仕上げ研磨兼洗浄を行う。バフ研磨テーブル４２は被研磨材とほぼ同じ大きさなので、旋回アーム５２を揺動させて互いの中心を適宜にずらした状態で研磨を行なうが、被研磨材の姿勢を安定させるために、被研磨材の中心がバフ研磨テーブル４２の面から外れないように制御するのが好ましい。
【００２０】
仮置き台２０は、図４に示すように上下２段に構成され、上側は乾燥した被研磨材を置くドライステーション２０Ａ、下側は濡れた状態の被研磨材を乾燥を防止しながら置くウエットステーション２０Ｂである。ドライステーション２０Ａはオープンであるが、ウエットステーション２０Ｂは被研磨材の上下に配置されたスプレーノズル６６を有するために箱体６８に覆われたクローズタイプであり、側面に設けられた開閉ゲート７０から被研磨材Ｗの出し入れを行なう。
【００２１】
洗浄機１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８ｂの形式は任意であるが、例えば、研磨ユニット１０ａ，１０ｂ側の１次洗浄機１８ａ，１８ｂがスポンジ付きのローラで半導体ウエハ表裏両面を拭う形式であり、カセット１２ａ，１２ｂ側の２次洗浄機１４ａ，１４ｂが半導体ウエハのエッジを把持して水平面内で回転させながら洗浄液を供給する形式である。後者は、遠心脱水して乾燥させる乾燥機としての機能をも持つ。
【００２２】
反転機１６ａ，１６ｂは、この実施の形態では、カセット１２ａ，１２ｂの収納方式やロボットの把持機構との関係で必要であるが、常に半導体ウエハの研磨面が下向きの状態で移送されるような場合には必要ではない。また、ロボットに反転機能を持たせるような構造の場合も必要ではない。この実施の形態では、２つの反転機１６ａ，１６ｂをドライな半導体ウエハを扱うものと、ウエットな半導体ウエハを扱うものと使い分けている。
【００２３】
ロボット２２，２４，２６ａ，２６ｂは、この実施の形態では４基が設けられ、それぞれ固定式で、先端にハンドを有する関節アームが動く形式のものである。第１のロボット２２は、それぞれ１対のカセット、２次洗浄機１４ａ，１４ｂ，反転機１６ａ，１６ｂの間で被研磨材の搬送を行なう。第２のロボット２４は、それぞれ１対の反転機１６ａ，１６ｂ、１次洗浄機１８ａ，１８ｂ、及び仮置き台２０の間で被研磨材の授受を行なう。また、第３及び第４のロボット２６ａ，２６ｂは、仮置き台２０、いずれかの１次洗浄機１８ａ，１８ｂ、いずれかのプッシャ３０の間で被研磨材の授受を行なう。
【００２４】
このような構成のポリッシング装置においては、シリーズ処理とパラレル処理の双方が行われる。図１では、ロード・アンロードユニットにおいて１つのカセットを用いてパラレル処理を行なう場合の半導体ウエハの流れが示されている。なお、この説明では、中心線Ｃを挟んで１対設けられている要素については、それぞれ図１において上側に位置するものを右、下側に位置するものを左として表記する。
【００２５】
右側研磨処理ラインのパラレル処理における被研磨材（半導体ウエハ）の流れは、以下のようになる。
右カセット１２ａ→第１のロボット２２→ドライ反転機１６ａ→第２のロボット２４→ドライステーション２０Ａ→第３のロボット２６ａ→右研磨ユニット１０ａのプッシャ３０→トップリング３２又は３４→ターンテーブル３８での研磨→（バフ研磨テーブル４２でのバフ研磨）→プッシャ３０→第３のロボット２６ａ→１次洗浄機１８ａ→第２のロボット２４→ウェット反転機１６ｂ→第１のロボット２２→２次洗浄機１４ａ，１４ｂ→右カセット１２ａ
【００２６】
各研磨ユニット１０ａ，１０ｂにおける処理の流れを、図５を参照して説明する。プッシャ３０には既に第３のロボット２６ａ（又は第４のロボット２６ｂ）により新たな未研磨のウエハが用意されている。同図（ａ）に示すように、研磨は、トップリング３２でウエハを把持して行われ、その間、他方のトップリング３４はプッシャ３０上に有り未処理ウエハをプッシャ３０から受け取る。ターンテーブル３８で本研磨処理が終わると、トップリング３２は、同図（ｂ）に示すように、旋回アーム５２の旋回によりバフ研磨テーブル４２上に移動し、ここで仕上げ研磨兼洗浄の水ポリッシングを行なうことができる。もちろん、本研磨処理後ただちにプッシャ３０に受け渡すことも可能である。
【００２７】
水ポリッシングが終わると、同図（ｃ）に示すように、トップリング装置３６が動作して旋回アーム５２を旋回させ、トップリング３２をプッシャ３０の直上に移動させる。そして、トップリング３２が下降するか又はプッシャ３０が上昇して、研磨済みのウエハをプッシャ３０に渡す。研磨済みのウエハは第３のロボット２６ａ（又は第４のロボット２６ｂ）により新たな未研磨のウエハに交換される。この間に他方のトップリング３４はターンテーブル３８上の研磨位置に移動し、ターンテーブル３８による研磨が行われ、同図（ｄ）に示すように、旋回アーム５２の旋回によりバフ研磨テーブル４２上に移動し、ここで仕上げ研磨兼洗浄の水ポリッシングを行ない、再度同図（ａ）の工程に戻る。
【００２８】
この工程において、研磨ユニット１０ａ，１０ｂに対して被研磨材を出し入れするためのロボット２６ａ，２６ｂが各研磨処理ライン毎に設けられているので、プッシャ３０の既処理被研磨材は迅速に未処理被研磨材と交換される。従って、トップリング３２，３４が次の被研磨材の到着を待機する必要がなく、ターンテーブル３８が研磨作業をしていないアイドルタイムが減少する。
【００２９】
また、この実施の形態では、各トップリング装置３６が旋回アーム５２の両端に搭載された２基のトップリング３２，３４を有しているので、研磨処理中に他方のトップリング３２，３４の被研磨材を未処理のものに交換しておくことにより、トップリング３２，３４への被研磨材の取り付けのためのアイドルタイムも生じない。従って、ターンテーブル３８の稼動効率が高い、高スループットのパラレル処理を行なうことができる。
【００３０】
図１の装置によるパラレル処理のスループットを図８に示す従来の場合と比較して示す。ここでは、１枚当たりの研磨時間を２分とし、洗浄は１次と２次の両方を順次行なう２段洗浄とした。従来の場合では時間当たり４０枚であったのに対して、本発明の場合には５３枚であった。また、装置全体に対する単位床面積当たりのスループットを比較すると、従来の場合が７．４枚／ｍ2・時間であるのに対して、本発明では７．９枚／ｍ2・時間であった。
【００３１】
図６は、上記実施の形態のポリッシング装置を用いて２段研磨を行なう場合、すなわち、シリーズ処理を行なう場合の被研磨材の流れを説明している。流れの概略は以下の通りである。
右カセット１２ａ→第１のロボット２２→ドライ反転機１６ａ→第２のロボット２４→ドライステーション２０Ａ→第３のロボット２６ａ→第１研磨ユニット１０ａ→第３のロボット２６ａ→右１次洗浄機１８ａ→第２のロボット２４→ウエットステーション２０Ｂ→第３のロボット２６ｂ→２次研磨ユニット１０ｂ→第３のロボット２６ｂ→左１次洗浄機１８ｂ→第２のロボット２４→ウェット反転機１６ｂ→第１のロボット２２→左２次洗浄機１４ｂ→第１のロボット２２→右カセット１２ａ
【００３２】
このシリーズ処理においては、濡れた状態のウエハを研磨ユニット１０ｂに供給するので、ドライステーション２０Ａとウエットステーション２０Ｂを使い分けるようにしている。ウエットステーション２０Ｂではノズル６６より被研磨材Ｗの上下面に対してリンス液が供給されており、被研磨材の乾燥を防止している。尚、図６では便宜上ドライステーション２０Ａとウェットステーション２０Ｂを別に示したが、これらは図４で説明したように、実際には上下に重なっている。
【００３３】
図７は、この発明の他の実施の形態を示すもので、この研磨ユニットには、プッシャ３０上に位置するトップリング３４に近接する位置に被研磨材上に成膜された薄膜の厚さを測定する膜厚測定器７２が設けられているものである。この膜厚測定器７２は、例えば、非接触で薄膜の厚さを測定することができる光学ヘッド７４を先端に取り付けたアーム７６と、このアームを被研磨面に沿って走査させるための例えばＸＹテーブルのような位置決め装置７８とを備えている。
【００３４】
このような構成のポリッシング装置では、旋回アーム５２が反転した時に、トップリング３４に把持された研磨済みのウエハに成膜された薄膜の厚さを測定することができる。従って、この測定値を基にして研磨量を知り、次の被研磨材（ウエハ）の研磨時間を調整するようにフィードバック制御したり、あるいは、これが許容値に達していない場合には再度の研磨を行なうように制御することができる。すなわち、一旦研磨の終了したウエハを、プッシャ上部でその研磨量を側ることができ、研磨量測定のためのスペ−スを別途設ける必要がない。第３又は第４のロボット２６ａ，２６ｂが研磨済みのウエハを交換するのに要する時間は、通常、ターンテーブル３８での研磨所要時間より短いので、この時間の差を利用して厚さ測定を行えばダウンタイムの発生も防止される。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ロボット手段により、仮置き台にある未研磨の被研磨材は研磨ユニットに供給され、研磨ユニットの研磨済みの被研磨材は直接洗浄ユニットに送られるので、研磨ユニットの研磨済みの被研磨材を未研磨の被研磨材と迅速に交換することができ、従って、ポリッシング装置の律速段階である研磨ユニットの被研磨材待ちによる非稼動時間を最小限に抑えてスループットを上げたパラレル処理を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のポリッシング装置と被研磨材の流れを模式的に示す平面図である。
【図２】この発明のポリッシング装置の研磨ユニットを示す正面図である。
【図３】研磨ユニットを示す平面図である。
【図４】仮置き台の構成を示す断面図である。
【図５】研磨ユニットの動作を示す平面図である。
【図６】この発明のポリッシング装置における被研磨材の別の態様の流れを模式的に示す平面図である。
【図７】この発明のポリッシング装置の研磨ユニットの他の実施の形態を示す正面図である。
【図８】従来のポリッシング装置を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ    研磨ユニット
１２ａ，１２ｂ    収容部
１４ａ，１４ｂ，１８ａ，１８ｂ    洗浄ユニット
２０    仮置き台
２６ａ，２６ｂ    ロボット手段
３０    プッシャ
３２，３４    トップリング
３６    トップリング装置
３８    ターンテーブル
４２    研磨テーブル
５２    旋回アーム
Ｗ    被研磨材
【図１】
0003979451.tif 000002
【図２】
0003979451.tif 000003
【図３】
0003979451.tif 000004
【図４】
0003979451.tif 000005
【図５】
0003979451.tif 000006
【図６】
0003979451.tif 000007
【図７】
0003979451.tif 000008
【図８】
0003979451.tif 000009