ポリッシング装置および方法
【課題】 研磨の不均一性を容易に補正することができるポリッシング装置及び方法、更に研磨面の狙った一部の領域の研磨量を増減するように研磨することができるポリッシング装置及び方法を提供する。
【解決手段】 上面に研磨布６を貼ったターンテーブル５とトップリング１とを有し、ターンテーブル５とトップリング１との間に半導体ウエハ４を介在させて所定の力で押圧することによって半導体ウエハ４を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、トップリング１が半導体ウエハ４を保持する保持面に、圧縮空気が噴出可能な複数の開口を設け、複数の開口を複数の領域に分割し、領域毎に圧縮空気を供給可能にした。
【解決手段】 上面に研磨布６を貼ったターンテーブル５とトップリング１とを有し、ターンテーブル５とトップリング１との間に半導体ウエハ４を介在させて所定の力で押圧することによって半導体ウエハ４を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、トップリング１が半導体ウエハ４を保持する保持面に、圧縮空気が噴出可能な複数の開口を設け、複数の開口を複数の領域に分割し、領域毎に圧縮空気を供給可能にした。
【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及び方法に係り、特に半導体ウエハなどのポリッシング対象物の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積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。特に、０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点間深度が浅くなるためステッパの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により研磨することが行われている。従来、この種のポリッシング装置は、各々独立した回転数で回転するターンテーブルとトップリングとを有し、トップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブル上の砥液を含んだ研磨布とトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて該ポリッシング対象物を保持して研磨していた。
【０００３】上述したポリッシング装置の性能として、ポリッシング後のポリッシング対象物の高精度な平坦度が要求される。そのために、ポリッシング時に半導体ウエハを保持する保持面、すなわちトップリングの下端面、および半導体ウエハに接する研磨布の接触面、ひいてはターンテーブルの研磨布の貼り付け面は高精度な平坦度を有するものが望ましいと考えられ、用いられてきた。
【０００４】一方、ポリッシング装置の研磨作用におよぼす要因として、トップリングの保持面および研磨布の接触面の形状だけでなく、研磨布と半導体ウエハの相対速度、半導体ウエハの研磨面上の押圧力の分布、研磨布上の砥液の量、研磨布の使用時間等が影響することが知られている。よって、これらの要素を半導体ウエハの研磨面全面で等しくすれば、高精度な平坦度が得られると考えられる。
【０００５】しかし、上記の研磨作用に影響する要素のうちで、研磨面全面で等しくすることが可能な要素と、極めて困難な要素がある。たとえば、研磨布と半導体ウエハの相対速度は、ターンテーブルとトップリングの回転を同一回転数且つ同一方向にすることで均一にできるが、砥液の量は遠心力が働くため均一にすることは困難である。よって、トップリングの下端面のターンテーブル上の研磨布上面を平坦にすることを含めて研磨作用に影響する要素を研磨面全面で等しくするという考え方では、研磨後の研磨面の平坦度に限界があり、必要とする平坦度が得られない場合がある。
【０００６】そこで、より高精度な平坦度を得るための方法として、トップリングの保持面の形状を凹面や凸面に形成することで半導体ウエハの研磨面内での押圧力に圧力の分布をもたせ、砥液の入り込みや研磨布の使用時間のバラツキによる研磨作用の不均一性を補正することが行われていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トップリングの保持面の形状に工夫を施す場合には、トップリングの保持面は常に半導体ウエハに接触しているため、連続的に研磨中の全時間に亘って研磨に影響する。即ち、トップリングの保持面の形状は、研磨作用に敏感に影響を及ぼしすぎるため、トップリングの保持面を意図的に平坦でない形状にして補正することは極めて難しく、与えた意図的な形状がわずかでも不適切であった場合には、かえってウエハ研磨面の平坦度を失ったり、補正が不足し十分なウエハ研磨面の平坦度が得られないという問題点があった。
【０００８】また、トップリング保持面の形状を工夫することで補正を行う場合には、トップリング保持面はウエハ研磨面と略同一の大きさであるため、余りにも狭い範囲で複雑な形状補正を行わなければならず、このことも、トップリングの保持面の形状で研磨作用の補正を行うことを困難にしていた。
【０００９】更に、従来のポリッシング装置、特に半導体ウエハ等の研磨装置においては、ポリッシング対象物の研磨後の研磨面がより平坦であることが追求され、逆に意図的に平坦ではない形状に研磨することや、研磨面の狙った一部の領域の研磨量を増減するように研磨することに関しては、適当な手段や装置が殆どないという問題点があった。
【００１０】本発明は上述した問題点を解決すべくなされたもので、研磨の不均一性を容易に補正することができるポリッシング装置及び方法、更に研磨面の狙った一部の領域の研磨量を増減するように研磨することができるポリッシング装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成するため、本発明の第１の態様は、上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の領域に分割し、前記領域毎に加圧流体を供給可能にしたことを特徴とするものである。
【００１２】また本発明の第２の態様は、上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング方法において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の同心状の領域に分割し、前記同心状の領域毎に加圧流体を供給可能にし、前記加圧流体によるポリッシング対象物の研磨布への押圧力を、ポリッシング対象物の中央部側と外周部側とで変えて研磨することを特徴とするものである。
【００１３】図１は本発明の基本概念を示す図である。図１において、符号１はトップリングであり、トップリング１内には、中央部に位置する円形の第１チャンバＣ1 、第１チャンバＣ1 の外周側に位置する環状の第２チャンバＣ2 及び第２チャンバＣ2 の外周側に位置する環状の第３チャンバＣ3 が形成されている。第１チャンバＣ1 はバルブＶ1 を介して加圧流体源に接続され、第２チャンバＣ2 はバルブＶ2 を介して加圧流体源に接続され、第３チャンバＣ3 はバルブＶ3 を介して加圧流体源に接続されている。トップリング１はポリッシング対象物である半導体ウエハ４を収容する凹部１ａを有している。トップリング１の下面には弾性マット２が貼着されている。
【００１４】トップリング１及び弾性マット２は、それぞれ位置合わせされた複数の開口１O ，２O を有しており、各開口１O ，２O は前記第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3のいずれかのチャンバに連通している。即ち、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハを保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口１O ，２O が設けられ、これら複数の開口１O ，２O は、それぞれ第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 のいずれかのチャンバに連通することにより、３つの同心状の環状領域に分割され、これら領域毎に加圧流体が供給可能になっている。
【００１５】またトップリング１の外周部には押圧リング３が配置されている。この押圧リング３はトップリング１に対して上下動自在になっている。またトップリング１の下方には、上面に研磨布６を貼ったターンテーブル５が設置されている。
【００１６】上述の構成において、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に所定の押圧力Ｆ1 （単位面積当りの圧力ｇｆ／ｃｍ2）で押圧し、半導体ウエハ４を研磨する。この押圧力Ｆ1 は可変になっている。そして、研磨中に圧縮空気等の加圧流体を第１〜第３チャンバＣ1〜Ｃ3 に適宜供給すると、加圧流体は開口１O ，２O から弾性マット２の下面、即ち、トップリング１の保持面と、半導体ウエハ４の上面との間に噴出する。
【００１７】この際、加圧流体を供給するチャンバを適宜選択し、加圧流体が噴出する環状領域を適宜選択する。例えば、第１チャンバＣ1 のみに加圧流体を供給し、第２，第３チャンバＣ2，Ｃ3 には加圧流体を供給しないようにすると、半導体ウエハ４は加圧流体によって中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布６に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ４の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように加圧流体の押圧作用を利用して、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００１８】一方、半導体ウエハ４の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、逆に、第３チャンバＣ3 のみに加圧流体を供給し、第１，第２チャンバＣ1，Ｃ2には加圧流体を供給しないようにする。これによって、半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側の研磨圧力より高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ４の全面を均一に研磨することができる。
【００１９】さらに、第１チャンバＣ1 、第２チャンバＣ2 及び第３チャンバＣ3 に供給する加圧流体の圧力をそれぞれ変えて、第１チャンバＣ1 には圧力ｐ1 ｇｆ／ｃｍ2 、第２チャンバＣ2 には圧力ｐ2 ｇｆ／ｃｍ2 、第３チャンバＣ3 には圧力ｐ3 ｇｆ／ｃｍ2 の加圧流体を供給する。これによって、トップリング１の保持面と半導体ウエハ４の上面との間に介在する流体に中央領域から外周部領域に向かって順次高くなるか又は低くなるような圧力勾配をもたせ、半導体ウエハ４を研磨布６に押し付ける力に勾配をもたせる。これによって、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の局部的な研磨量の過不足を補正することができる。
【００２０】また本発明においては、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変とし、また押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変としている。そして、押圧力Ｆ1 と押圧力Ｆ2 とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 をトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 に応じて変更することができる。
【００２１】この場合、理論的には、トップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 と押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 とを等しくすれば、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ４の外側にある押圧リング３の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００２２】図２はトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1と押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2との関係を変えた場合の模式図であり、図２（ａ）はＦ1＞Ｆ2の場合を示し、図２（ｂ）はＦ1≒Ｆ2の場合を示し、図２（ｃ）はＦ1＜Ｆ2の場合を示す。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、押圧リング３に押圧力Ｆ2を加えた場合、研磨布６が圧縮され、半導体ウエハ４の周縁部に対する研磨布６の接触状態が変化していく。このため、Ｆ1とＦ2との関係を変更することにより半導体ウエハ４の研磨圧力の分布を内部側と周縁部とで種々に変えることができる。
【００２３】図２から明らかなように、Ｆ1＞Ｆ2の場合には半導体ウエハ４の周縁部の研磨圧力が内部より高くなり、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部の研磨量より多くすることができる。Ｆ1≒Ｆ2の場合には半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには押圧リングの外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になり、半導体ウエハ４は中心部から周縁部まで均一な研磨量が得られる。Ｆ1＜Ｆ2の場合には半導体ウエハ４の周縁部の研磨圧力が内部より低くなり、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部の研磨量より少なくすることができる。
【００２４】以上のように本発明によれば、トップリング１の保持面に加圧流体を噴出させ、この際に、加圧流体が噴出する領域を適宜選択して、加圧流体による半導体ウエハ４の研磨布６への押圧力を、半導体ウエハ４の中央部側と外周部側とで変えて研磨する。
【００２５】上記工程と並行して、トップリング１の外周部にある押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 に基づいて決定し、決定された押圧力Ｆ2 で研磨布６を押圧しながら研磨する。そして、前記押圧力Ｆ2 を加圧流体による半導体ウエハ４の研磨布６への押圧力の傾向に基づいて決定し、加圧流体の作用と押圧リング３の作用の協働作用により半導体ウエハ４を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。この場合、加圧流体により半導体ウエハ４の中央部の研磨圧力を外周部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より大きくする。逆に、加圧流体により半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より小さくする。
【００２６】図３は本発明の加圧流体の供給を制御する基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。半導体ウエハは８インチのものを使用し、トップリングによる半導体ウエハに加わる押圧力（研磨圧力）は４００ｇf/cm2 で一定であり、加圧流体の供給を制御したものである。図３（ａ）は加圧流体を供給しない場合であり、図３（ｂ）は図１において、第１チャンバＣ1のみに加圧流体を供給した場合であり、図３（ｃ）は第３チャンバＣ3のみに加圧流体を供給した場合である。なお、加圧流体の圧力は２００ｇf/cm2である。各図において横軸は半導体ウエハの中心からの距離（mm）、縦軸は研磨量（オングストローム）を示す。
【００２７】図３から明らかなように、加圧流体の供給を制御することによって、半導体ウエハの半径方向位置の研磨量が影響を受けていることがわかる。即ち、加圧流体を供給しない場合（図３（ａ））には、半導体ウエハの周縁部で縁だれが生じており、第１チャンバＣ1のみに加圧流体を供給し、加圧流体によって半導体ウエハの中心部のみ加圧した場合（図３（ｂ））には、半導体ウエハの周縁部の縁だれが少なくかつ半導体ウエハの中心部の研磨量が多く、さらに第３チャンバＣ3のみに加圧流体を供給し、加圧流体によって半導体ウエハの外周部のみ加圧した場合（図３（ｃ））には、半導体ウエハの外周部の研磨量が多く中心部に研磨不足が生じている。
【００２８】以上のように、実験結果から加圧流体の供給を制御することにより、ポリッシング対象物の局部的な研磨量の過不足を調整できることが裏付けられた。
【００２９】図４は本発明の押圧リングの押圧力を制御する基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。半導体ウエハは８インチのものを使用し、トップリングによる半導体ウエハに加わる押圧力（研磨圧力）は４００ｇf/cm2 で一定であり、押圧リングの押圧力は６００〜２００ｇf/cm2 まで変更したものである。図４（ａ）は押圧リングの押圧力を６００ｇf/cm2 、図４（ｂ）は同押圧力を５００ｇf/cm2 、図４（ｃ）は同押圧力を４００ｇf/cm2 、図４（ｄ）は同押圧力を３００ｇf/cm2 、図４（ｅ）は同押圧力を２００ｇｆ／cm2 としたものである。各図において横軸は半導体ウエハの中心からの距離（mm）、縦軸は研磨量（オングストローム）を示す。
【００３０】図４から明らかなように、押圧リングの押圧力を変えることによって、半導体ウエハの半径方向位置の研磨量が影響を受けていることがわかる。即ち、押圧リングの押圧力が２００〜３００ｇf/ｃｍ2 の場合（図４（ｄ），図４（ｅ））には、半導体ウエハの周縁部で縁だれが生じており、同押圧力が４００〜５００ｇf/cm2 の場合（図４（ｂ），図４（ｃ））には半導体ウエハの周縁部の縁だれが少なく、さらに同押圧力が６００ｇf/ｃｍ2 の場合（図３（ａ））には半導体ウエハの周縁部が研磨不足が生じている。
【００３１】以上のように、実験結果から押圧リングの押圧力をトップリングの押圧力とは独立に変更することにより、ポリッシング対象物の周縁部における研磨量の過不足を調整できることが裏付けられた。理論的には押圧リングの押圧力はトップリングの押圧力と等しい場合がポリッシング対象物の周縁部の研磨結果は良くなるはずであるが、ポリッシング対象物や研磨条件によって一概には云いきれないため、本発明においてはポリッシング対象物や研磨条件によって、押圧リングの押圧力をトップリングの押圧力に基づいて最適な値に選択する。
【００３２】また半導体ウエハ等のポリッシング対象物によっては、ポリッシング対象物の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多く又は逆に少なくしたいという要請があるため、この要請に対しても押圧リングの押圧力をトップリングの押圧力に基づいて最適な値に選択することによりポリッシング対象物の周縁部の研磨量を意図的に増減することができる。
【００３３】
【実施例】以下、本発明に係るポリッシング装置および方法の一実施例を図５乃至図７を参照して説明する。図５R>５はポリッシング装置の全体構成を示す断面図であり、図６はポリッシング装置の要部構成を示す断面図であり、図７は図６のVII−VII線断面図である。
【００３４】図５および図６において、符号１はトップリングであり、トップリング１内には、中央部に位置する円形の第１チャンバＣ1 、第１チャンバＣ1 の外周側に位置する環状の第２チャンバＣ2 及び第２チャンバＣ2 の外周側に位置する環状の第３チャンバＣ3 が形成されている。第１チャンバＣ1 はバルブＶ1 、レギュレータＲ1 を介して加圧流体源である圧縮空気源２４に接続され、第２チャンバＣ2 はバルブＶ2 、レギュレータＲ2 を介して圧縮空気源２４に接続され、第３チャンバＣ3 はバルブＶ3 、レギュレータＲ3 を介して圧縮空気源２４に接続されている。トップリング１はポリッシング対象物である半導体ウエハ４を収容する凹部１ａを有している。トップリング１の下面には弾性マット２が貼着されている。
【００３５】トップリング１及び弾性マット２は、それぞれ位置合わせされた複数の開口１O ，２O を有しており、各開口１O ，２O は前記第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3のいずれかのチャンバに連通している。即ち、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハを保持する保持面に、加圧流体である圧縮空気が噴出可能な複数の開口１O ，２O が設けられ、これら複数の開口１O ，２O は、それぞれ第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 のいずれかのチャンバに連通することにより、図７に示すように３つの環状領域Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 に分割され、これら領域毎に圧縮空気が供給可能になっている。
【００３６】またトップリング１の外周部には押圧リング３が配置されている。またトップリング１の下方には、上面に研磨布６を貼ったターンテーブル５が設置されている。
【００３７】前記トップリング１はボール７を介してトップリングシャフト８に接続されており、このトップリングシャフト８はトップリングヘッド９に固定されたトップリング用エアシリンダ１０に連結されており、このトップリング用エアシリンダ１０によってトップリングシャフト８は上下動し、トップリング１の下端面に保持された半導体ウエハ４をターンテーブル５に押圧するようになっている。トップリングシャフト８内には、圧縮空気を第１〜第３チャンバＣ1〜Ｃ3に供給するための流路が形成されている。
【００３８】また、トップリングシャフト８はキー（図示せず）を介して回転筒１１に連結されており、この回転筒１１はその外周部にタイミングプーリ１２を有している。そして、タイミングプーリ１２は、タイミングベルト１３を介して、トップリングヘッド９に固定されたトップリング用モータ１４に設けられたタイミングプーリ１５に接続されている。したがって、トップリング用モータ１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１５、タイミングベルト１３およびタイミングプーリ１２を介して回転筒１１及びトップリングシャフト８が一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリングヘッド９は、フレーム（図示せず）に固定支持されたトップリングヘッドシャフト１６によって支持されている。
【００３９】一方、押圧リング３はキー１８を介してトップリング１に連結されており、押圧リング３はトップリング１に対して上下動自在であるとともにトップリング１と一体に回転可能になっている。そして、押圧リング３はベアリング１９を保持したベアリング押え２０およびシャフト２１を介して押圧リング用エアシリンダ２２に連結されている。押圧リング用エアシリンダ２２はトップリングヘッド９に固定されている。押圧リング用エアシリンダ２２は円周上に複数個（本実施例では３個）配設されている。
【００４０】トップリング用エアシリンダ１０及び押圧リング用エアシリンダ２２は、それぞれレギュレータＲ4 ，Ｒ5 を介して圧縮空気源２４に接続されている。そして、レギュレータＲ4 によってトップリング用エアシリンダ１０へ供給する空気圧を調整することによりトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ5 によって押圧リング用エアシリンダ２２へ供給する空気圧を調整することにより押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力を調整することができる。
【００４１】また、ターンテーブル５の上方には砥液供給ノズル２５が設置されており、砥液供給ノズル２５によってターンテーブル５上の研磨布６上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００４２】上記構成のポリッシング装置において、トップリング１の下面に半導体ウエハ４を保持させ、トップリング用エアシリンダ１０を作動させてトップリング１をターンテーブル５に向かって押圧し、回転しているターンテーブル５の上面の研磨布６に半導体ウエハ４を押圧する。一方、砥液供給ノズル２５から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布６に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ４の研磨される面（下面）と研磨布６の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００４３】そして、研磨中に圧縮空気源２４から圧縮空気を第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 に適宜供給すると、圧縮空気は開口１O ，２O から弾性マット２の下面、即ち、トップリング１の保持面と、半導体ウエハ４の上面との間に噴出する。
【００４４】この際、圧縮空気を供給するチャンバを適宜選択し、圧縮空気が噴出する環状領域Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 を適宜選択する。例えば、第１チャンバＣ1 のみに圧縮空気を供給し、第２，第３チャンバＣ2，Ｃ3 には圧縮空気を供給しないようにすると、半導体ウエハ４は圧縮空気によって中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布６に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ４の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように圧縮空気の作用により、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００４５】一方、半導体ウエハ４の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、逆に、第３チャンバＣ3 のみに圧縮空気を供給し、第１，第２チャンバＣ1，Ｃ2には圧縮空気を供給しないようにする。これによって、半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側の研磨圧力より高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ４の全面を均一に研磨することができる。
【００４６】さらに、第１チャンバＣ1 、第２チャンバＣ2 及び第３チャンバＣ3 に供給する圧縮空気の圧力をそれぞれ変えて、第１チャンバＣ1 には圧力ｐ1 ｇｆ／ｃｍ2 、第２チャンバＣ2 には圧力ｐ2 ｇｆ／ｃｍ2 、第３チャンバＣ3 には圧力ｐ3 ｇｆ／ｃｍ2 の圧縮空気を供給する。これによって、トップリング１の保持面と半導体ウエハ４の上面との間に介在する流体に、中央の環状領域Ａ1 から外周部側の環状領域Ａ3 に向かって順次高くなるか又は低くなるような圧力勾配をもたせ、半導体ウエハ４を研磨布６に押し付ける力に勾配をもたせる。これによって、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の局部的な研磨量の過不足を補正することができる。
【００４７】また本発明においては、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変とし、また押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変としている。そして、押圧力Ｆ1 と押圧力Ｆ2 とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 をトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 に応じて変更することができる。
【００４８】即ち、トップリング用エアシリンダ１０によるトップリング１の押圧力に応じて押圧リング用エアシリンダ２２による押圧リング３の研磨布６への押圧力を適宜調整して半導体ウエハ４の研磨を行う。研磨中にレギュレータＲ4 によってトップリング１が半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 を変更でき、レギュレータＲ5 によって押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 を変更できる（図１参照）。したがって、研磨中に、押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 を、トップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 に応じて変更することができる。この押圧力Ｆ1 に対する押圧力Ｆ2 を適宜調整することにより、半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ４の外側にある押圧リング３の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、半導体ウエハ４の周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００４９】また半導体ウエハ４の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多くし又は逆に少なくしたい場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2をトップリングの押圧力Ｆ1に基づいて最適な値に選択することにより、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を意図的に増減できる。
【００５０】即ち、前記各チャンバＣ1 〜Ｃ3 に供給する圧縮空気を制御することにより圧縮空気による押圧作用と、押圧リング３の押圧作用の協働作用により半導体ウエハ４を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。また、半導体ウエハ４の局部（例えば、中央部、外周部等）を意図的に研磨量を多くし、または逆に少なくすることができる。この場合、圧縮空気により半導体ウエハ４の中央部の研磨圧力を外周部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より大きくする。逆に、圧縮空気により半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より小さくする。
【００５１】本実施例においては、トップリング１は半導体ウエハ４を収容する凹部１ａを有しているため、押圧リング３がトップリング１に対して上下動する際に、半導体ウエハ４の外周面をこすることがない。そのため、半導体ウエハ４の研磨中に押圧リング３の上下動により生ずる研磨性能への影響を避けることができる。
【００５２】図８はトップリングの変形例を示す図である。トップリング５１は、トップリング本体５２と、トップリング本体５２の下部外周部にボルト５３によって着脱可能に固定されたリング状部材５４とからなり、半導体ウエハ４を収容する凹部５１ａはトップリング本体５２の下面とリング状部材５４によって形成されている。そして、トップリング本体５２の下面によって半導体ウエハ４の上面を保持し、リング状部材５４によって半導体ウエハ４の外周部を保持している。押圧リング３はトップリング５１の周囲に上下動可能に設けられている。
【００５３】また、トップリング本体５２は内部に環状の第１〜第３チャンバＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 を有し、これらチャンバＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 内に圧縮空気が供給できるようになっていることは図５乃至図７に示す例と同様である。トップリング本体５２は第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 と連通して下面に開口する多数の開口５２O を有している。弾性マット２も同様に前記連通孔５２O に対応した位置に開口２O を有している。これによって、半導体ウエハ４の上面に圧縮空気を供給できるようになっている。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように本発明のポリッシング装置および方法によれば、ポリッシングに際してポリッシング対象物の周縁部における押圧力分布が不均一になることを防止して研磨圧力をポリッシング対象物の全面に亘って均一にし、ポリッシング対象物の周縁部の研磨量が過不足となることを防止することができる。従って、ポリッシング対象物の全面を平坦かつ鏡面に研磨することができる。そして、半導体製造工程等に用いてより質の高いポリッシングを行うことができ、また半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与するものである。
【００５５】また本発明によれば、半導体ウエハ等のポリッシング対象物によってはポリッシング対象物の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多く又は逆に少なくしたいという要請があるため、この要請にも答えることができるようにポリッシング対象物の周縁部の研磨量を意図的に増減することができる。さらに、ポリッシング対象物の周縁部のみならず、研磨面の狙った一部の領域（例えば、中央部、外周部等）の研磨量を増減するように研磨することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明する説明図である。
【図２】トップリングの押圧力と押圧リングの押圧力の関係を変更した場合の挙動を説明する説明図である。
【図３】本発明の基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。
【図４】本発明の基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係るポリッシング装置の第１実施例の全体構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係るポリッシング装置の第１実施例の要部構成を示す断面図である。
【図７】図６のVII−VII線断面図である。
【図８】本発明に係るポリッシング装置のトップリングの変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ 弾性マット
３ 押圧リング
４ 半導体ウエハ
５ ターンテーブル
６ 研磨布
７ ボール
８ トップリングシャフト
９ トップリングヘッド
１０ トップリング用エアシリンダ
１８ キー
１９ ベアリング
２０ ベアリング押え
２２ 押圧リング用エアシリンダ
２４ 圧縮空気源
２５ 砥液供給ノズル
２６ 押圧リング押え
Ｒ1〜Ｒ5 レギュレータ
Ｃ1〜Ｃ3 第１〜第３チャンバ
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はポリッシング装置及び方法に係り、特に半導体ウエハなどのポリッシング対象物の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積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。特に、０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点間深度が浅くなるためステッパの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により研磨することが行われている。従来、この種のポリッシング装置は、各々独立した回転数で回転するターンテーブルとトップリングとを有し、トップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブル上の砥液を含んだ研磨布とトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて該ポリッシング対象物を保持して研磨していた。
【０００３】上述したポリッシング装置の性能として、ポリッシング後のポリッシング対象物の高精度な平坦度が要求される。そのために、ポリッシング時に半導体ウエハを保持する保持面、すなわちトップリングの下端面、および半導体ウエハに接する研磨布の接触面、ひいてはターンテーブルの研磨布の貼り付け面は高精度な平坦度を有するものが望ましいと考えられ、用いられてきた。
【０００４】一方、ポリッシング装置の研磨作用におよぼす要因として、トップリングの保持面および研磨布の接触面の形状だけでなく、研磨布と半導体ウエハの相対速度、半導体ウエハの研磨面上の押圧力の分布、研磨布上の砥液の量、研磨布の使用時間等が影響することが知られている。よって、これらの要素を半導体ウエハの研磨面全面で等しくすれば、高精度な平坦度が得られると考えられる。
【０００５】しかし、上記の研磨作用に影響する要素のうちで、研磨面全面で等しくすることが可能な要素と、極めて困難な要素がある。たとえば、研磨布と半導体ウエハの相対速度は、ターンテーブルとトップリングの回転を同一回転数且つ同一方向にすることで均一にできるが、砥液の量は遠心力が働くため均一にすることは困難である。よって、トップリングの下端面のターンテーブル上の研磨布上面を平坦にすることを含めて研磨作用に影響する要素を研磨面全面で等しくするという考え方では、研磨後の研磨面の平坦度に限界があり、必要とする平坦度が得られない場合がある。
【０００６】そこで、より高精度な平坦度を得るための方法として、トップリングの保持面の形状を凹面や凸面に形成することで半導体ウエハの研磨面内での押圧力に圧力の分布をもたせ、砥液の入り込みや研磨布の使用時間のバラツキによる研磨作用の不均一性を補正することが行われていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トップリングの保持面の形状に工夫を施す場合には、トップリングの保持面は常に半導体ウエハに接触しているため、連続的に研磨中の全時間に亘って研磨に影響する。即ち、トップリングの保持面の形状は、研磨作用に敏感に影響を及ぼしすぎるため、トップリングの保持面を意図的に平坦でない形状にして補正することは極めて難しく、与えた意図的な形状がわずかでも不適切であった場合には、かえってウエハ研磨面の平坦度を失ったり、補正が不足し十分なウエハ研磨面の平坦度が得られないという問題点があった。
【０００８】また、トップリング保持面の形状を工夫することで補正を行う場合には、トップリング保持面はウエハ研磨面と略同一の大きさであるため、余りにも狭い範囲で複雑な形状補正を行わなければならず、このことも、トップリングの保持面の形状で研磨作用の補正を行うことを困難にしていた。
【０００９】更に、従来のポリッシング装置、特に半導体ウエハ等の研磨装置においては、ポリッシング対象物の研磨後の研磨面がより平坦であることが追求され、逆に意図的に平坦ではない形状に研磨することや、研磨面の狙った一部の領域の研磨量を増減するように研磨することに関しては、適当な手段や装置が殆どないという問題点があった。
【００１０】本発明は上述した問題点を解決すべくなされたもので、研磨の不均一性を容易に補正することができるポリッシング装置及び方法、更に研磨面の狙った一部の領域の研磨量を増減するように研磨することができるポリッシング装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成するため、本発明の第１の態様は、上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の領域に分割し、前記領域毎に加圧流体を供給可能にしたことを特徴とするものである。
【００１２】また本発明の第２の態様は、上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング方法において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の同心状の領域に分割し、前記同心状の領域毎に加圧流体を供給可能にし、前記加圧流体によるポリッシング対象物の研磨布への押圧力を、ポリッシング対象物の中央部側と外周部側とで変えて研磨することを特徴とするものである。
【００１３】図１は本発明の基本概念を示す図である。図１において、符号１はトップリングであり、トップリング１内には、中央部に位置する円形の第１チャンバＣ1 、第１チャンバＣ1 の外周側に位置する環状の第２チャンバＣ2 及び第２チャンバＣ2 の外周側に位置する環状の第３チャンバＣ3 が形成されている。第１チャンバＣ1 はバルブＶ1 を介して加圧流体源に接続され、第２チャンバＣ2 はバルブＶ2 を介して加圧流体源に接続され、第３チャンバＣ3 はバルブＶ3 を介して加圧流体源に接続されている。トップリング１はポリッシング対象物である半導体ウエハ４を収容する凹部１ａを有している。トップリング１の下面には弾性マット２が貼着されている。
【００１４】トップリング１及び弾性マット２は、それぞれ位置合わせされた複数の開口１O ，２O を有しており、各開口１O ，２O は前記第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3のいずれかのチャンバに連通している。即ち、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハを保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口１O ，２O が設けられ、これら複数の開口１O ，２O は、それぞれ第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 のいずれかのチャンバに連通することにより、３つの同心状の環状領域に分割され、これら領域毎に加圧流体が供給可能になっている。
【００１５】またトップリング１の外周部には押圧リング３が配置されている。この押圧リング３はトップリング１に対して上下動自在になっている。またトップリング１の下方には、上面に研磨布６を貼ったターンテーブル５が設置されている。
【００１６】上述の構成において、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に所定の押圧力Ｆ1 （単位面積当りの圧力ｇｆ／ｃｍ2）で押圧し、半導体ウエハ４を研磨する。この押圧力Ｆ1 は可変になっている。そして、研磨中に圧縮空気等の加圧流体を第１〜第３チャンバＣ1〜Ｃ3 に適宜供給すると、加圧流体は開口１O ，２O から弾性マット２の下面、即ち、トップリング１の保持面と、半導体ウエハ４の上面との間に噴出する。
【００１７】この際、加圧流体を供給するチャンバを適宜選択し、加圧流体が噴出する環状領域を適宜選択する。例えば、第１チャンバＣ1 のみに加圧流体を供給し、第２，第３チャンバＣ2，Ｃ3 には加圧流体を供給しないようにすると、半導体ウエハ４は加圧流体によって中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布６に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ４の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように加圧流体の押圧作用を利用して、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００１８】一方、半導体ウエハ４の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、逆に、第３チャンバＣ3 のみに加圧流体を供給し、第１，第２チャンバＣ1，Ｃ2には加圧流体を供給しないようにする。これによって、半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側の研磨圧力より高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ４の全面を均一に研磨することができる。
【００１９】さらに、第１チャンバＣ1 、第２チャンバＣ2 及び第３チャンバＣ3 に供給する加圧流体の圧力をそれぞれ変えて、第１チャンバＣ1 には圧力ｐ1 ｇｆ／ｃｍ2 、第２チャンバＣ2 には圧力ｐ2 ｇｆ／ｃｍ2 、第３チャンバＣ3 には圧力ｐ3 ｇｆ／ｃｍ2 の加圧流体を供給する。これによって、トップリング１の保持面と半導体ウエハ４の上面との間に介在する流体に中央領域から外周部領域に向かって順次高くなるか又は低くなるような圧力勾配をもたせ、半導体ウエハ４を研磨布６に押し付ける力に勾配をもたせる。これによって、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の局部的な研磨量の過不足を補正することができる。
【００２０】また本発明においては、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変とし、また押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変としている。そして、押圧力Ｆ1 と押圧力Ｆ2 とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 をトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 に応じて変更することができる。
【００２１】この場合、理論的には、トップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 と押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 とを等しくすれば、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ４の外側にある押圧リング３の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００２２】図２はトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1と押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2との関係を変えた場合の模式図であり、図２（ａ）はＦ1＞Ｆ2の場合を示し、図２（ｂ）はＦ1≒Ｆ2の場合を示し、図２（ｃ）はＦ1＜Ｆ2の場合を示す。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、押圧リング３に押圧力Ｆ2を加えた場合、研磨布６が圧縮され、半導体ウエハ４の周縁部に対する研磨布６の接触状態が変化していく。このため、Ｆ1とＦ2との関係を変更することにより半導体ウエハ４の研磨圧力の分布を内部側と周縁部とで種々に変えることができる。
【００２３】図２から明らかなように、Ｆ1＞Ｆ2の場合には半導体ウエハ４の周縁部の研磨圧力が内部より高くなり、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部の研磨量より多くすることができる。Ｆ1≒Ｆ2の場合には半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには押圧リングの外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になり、半導体ウエハ４は中心部から周縁部まで均一な研磨量が得られる。Ｆ1＜Ｆ2の場合には半導体ウエハ４の周縁部の研磨圧力が内部より低くなり、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部の研磨量より少なくすることができる。
【００２４】以上のように本発明によれば、トップリング１の保持面に加圧流体を噴出させ、この際に、加圧流体が噴出する領域を適宜選択して、加圧流体による半導体ウエハ４の研磨布６への押圧力を、半導体ウエハ４の中央部側と外周部側とで変えて研磨する。
【００２５】上記工程と並行して、トップリング１の外周部にある押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 に基づいて決定し、決定された押圧力Ｆ2 で研磨布６を押圧しながら研磨する。そして、前記押圧力Ｆ2 を加圧流体による半導体ウエハ４の研磨布６への押圧力の傾向に基づいて決定し、加圧流体の作用と押圧リング３の作用の協働作用により半導体ウエハ４を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。この場合、加圧流体により半導体ウエハ４の中央部の研磨圧力を外周部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より大きくする。逆に、加圧流体により半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より小さくする。
【００２６】図３は本発明の加圧流体の供給を制御する基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。半導体ウエハは８インチのものを使用し、トップリングによる半導体ウエハに加わる押圧力（研磨圧力）は４００ｇf/cm2 で一定であり、加圧流体の供給を制御したものである。図３（ａ）は加圧流体を供給しない場合であり、図３（ｂ）は図１において、第１チャンバＣ1のみに加圧流体を供給した場合であり、図３（ｃ）は第３チャンバＣ3のみに加圧流体を供給した場合である。なお、加圧流体の圧力は２００ｇf/cm2である。各図において横軸は半導体ウエハの中心からの距離（mm）、縦軸は研磨量（オングストローム）を示す。
【００２７】図３から明らかなように、加圧流体の供給を制御することによって、半導体ウエハの半径方向位置の研磨量が影響を受けていることがわかる。即ち、加圧流体を供給しない場合（図３（ａ））には、半導体ウエハの周縁部で縁だれが生じており、第１チャンバＣ1のみに加圧流体を供給し、加圧流体によって半導体ウエハの中心部のみ加圧した場合（図３（ｂ））には、半導体ウエハの周縁部の縁だれが少なくかつ半導体ウエハの中心部の研磨量が多く、さらに第３チャンバＣ3のみに加圧流体を供給し、加圧流体によって半導体ウエハの外周部のみ加圧した場合（図３（ｃ））には、半導体ウエハの外周部の研磨量が多く中心部に研磨不足が生じている。
【００２８】以上のように、実験結果から加圧流体の供給を制御することにより、ポリッシング対象物の局部的な研磨量の過不足を調整できることが裏付けられた。
【００２９】図４は本発明の押圧リングの押圧力を制御する基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。半導体ウエハは８インチのものを使用し、トップリングによる半導体ウエハに加わる押圧力（研磨圧力）は４００ｇf/cm2 で一定であり、押圧リングの押圧力は６００〜２００ｇf/cm2 まで変更したものである。図４（ａ）は押圧リングの押圧力を６００ｇf/cm2 、図４（ｂ）は同押圧力を５００ｇf/cm2 、図４（ｃ）は同押圧力を４００ｇf/cm2 、図４（ｄ）は同押圧力を３００ｇf/cm2 、図４（ｅ）は同押圧力を２００ｇｆ／cm2 としたものである。各図において横軸は半導体ウエハの中心からの距離（mm）、縦軸は研磨量（オングストローム）を示す。
【００３０】図４から明らかなように、押圧リングの押圧力を変えることによって、半導体ウエハの半径方向位置の研磨量が影響を受けていることがわかる。即ち、押圧リングの押圧力が２００〜３００ｇf/ｃｍ2 の場合（図４（ｄ），図４（ｅ））には、半導体ウエハの周縁部で縁だれが生じており、同押圧力が４００〜５００ｇf/cm2 の場合（図４（ｂ），図４（ｃ））には半導体ウエハの周縁部の縁だれが少なく、さらに同押圧力が６００ｇf/ｃｍ2 の場合（図３（ａ））には半導体ウエハの周縁部が研磨不足が生じている。
【００３１】以上のように、実験結果から押圧リングの押圧力をトップリングの押圧力とは独立に変更することにより、ポリッシング対象物の周縁部における研磨量の過不足を調整できることが裏付けられた。理論的には押圧リングの押圧力はトップリングの押圧力と等しい場合がポリッシング対象物の周縁部の研磨結果は良くなるはずであるが、ポリッシング対象物や研磨条件によって一概には云いきれないため、本発明においてはポリッシング対象物や研磨条件によって、押圧リングの押圧力をトップリングの押圧力に基づいて最適な値に選択する。
【００３２】また半導体ウエハ等のポリッシング対象物によっては、ポリッシング対象物の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多く又は逆に少なくしたいという要請があるため、この要請に対しても押圧リングの押圧力をトップリングの押圧力に基づいて最適な値に選択することによりポリッシング対象物の周縁部の研磨量を意図的に増減することができる。
【００３３】
【実施例】以下、本発明に係るポリッシング装置および方法の一実施例を図５乃至図７を参照して説明する。図５R>５はポリッシング装置の全体構成を示す断面図であり、図６はポリッシング装置の要部構成を示す断面図であり、図７は図６のVII−VII線断面図である。
【００３４】図５および図６において、符号１はトップリングであり、トップリング１内には、中央部に位置する円形の第１チャンバＣ1 、第１チャンバＣ1 の外周側に位置する環状の第２チャンバＣ2 及び第２チャンバＣ2 の外周側に位置する環状の第３チャンバＣ3 が形成されている。第１チャンバＣ1 はバルブＶ1 、レギュレータＲ1 を介して加圧流体源である圧縮空気源２４に接続され、第２チャンバＣ2 はバルブＶ2 、レギュレータＲ2 を介して圧縮空気源２４に接続され、第３チャンバＣ3 はバルブＶ3 、レギュレータＲ3 を介して圧縮空気源２４に接続されている。トップリング１はポリッシング対象物である半導体ウエハ４を収容する凹部１ａを有している。トップリング１の下面には弾性マット２が貼着されている。
【００３５】トップリング１及び弾性マット２は、それぞれ位置合わせされた複数の開口１O ，２O を有しており、各開口１O ，２O は前記第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3のいずれかのチャンバに連通している。即ち、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハを保持する保持面に、加圧流体である圧縮空気が噴出可能な複数の開口１O ，２O が設けられ、これら複数の開口１O ，２O は、それぞれ第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 のいずれかのチャンバに連通することにより、図７に示すように３つの環状領域Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 に分割され、これら領域毎に圧縮空気が供給可能になっている。
【００３６】またトップリング１の外周部には押圧リング３が配置されている。またトップリング１の下方には、上面に研磨布６を貼ったターンテーブル５が設置されている。
【００３７】前記トップリング１はボール７を介してトップリングシャフト８に接続されており、このトップリングシャフト８はトップリングヘッド９に固定されたトップリング用エアシリンダ１０に連結されており、このトップリング用エアシリンダ１０によってトップリングシャフト８は上下動し、トップリング１の下端面に保持された半導体ウエハ４をターンテーブル５に押圧するようになっている。トップリングシャフト８内には、圧縮空気を第１〜第３チャンバＣ1〜Ｃ3に供給するための流路が形成されている。
【００３８】また、トップリングシャフト８はキー（図示せず）を介して回転筒１１に連結されており、この回転筒１１はその外周部にタイミングプーリ１２を有している。そして、タイミングプーリ１２は、タイミングベルト１３を介して、トップリングヘッド９に固定されたトップリング用モータ１４に設けられたタイミングプーリ１５に接続されている。したがって、トップリング用モータ１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１５、タイミングベルト１３およびタイミングプーリ１２を介して回転筒１１及びトップリングシャフト８が一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリングヘッド９は、フレーム（図示せず）に固定支持されたトップリングヘッドシャフト１６によって支持されている。
【００３９】一方、押圧リング３はキー１８を介してトップリング１に連結されており、押圧リング３はトップリング１に対して上下動自在であるとともにトップリング１と一体に回転可能になっている。そして、押圧リング３はベアリング１９を保持したベアリング押え２０およびシャフト２１を介して押圧リング用エアシリンダ２２に連結されている。押圧リング用エアシリンダ２２はトップリングヘッド９に固定されている。押圧リング用エアシリンダ２２は円周上に複数個（本実施例では３個）配設されている。
【００４０】トップリング用エアシリンダ１０及び押圧リング用エアシリンダ２２は、それぞれレギュレータＲ4 ，Ｒ5 を介して圧縮空気源２４に接続されている。そして、レギュレータＲ4 によってトップリング用エアシリンダ１０へ供給する空気圧を調整することによりトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ5 によって押圧リング用エアシリンダ２２へ供給する空気圧を調整することにより押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力を調整することができる。
【００４１】また、ターンテーブル５の上方には砥液供給ノズル２５が設置されており、砥液供給ノズル２５によってターンテーブル５上の研磨布６上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００４２】上記構成のポリッシング装置において、トップリング１の下面に半導体ウエハ４を保持させ、トップリング用エアシリンダ１０を作動させてトップリング１をターンテーブル５に向かって押圧し、回転しているターンテーブル５の上面の研磨布６に半導体ウエハ４を押圧する。一方、砥液供給ノズル２５から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布６に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ４の研磨される面（下面）と研磨布６の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００４３】そして、研磨中に圧縮空気源２４から圧縮空気を第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 に適宜供給すると、圧縮空気は開口１O ，２O から弾性マット２の下面、即ち、トップリング１の保持面と、半導体ウエハ４の上面との間に噴出する。
【００４４】この際、圧縮空気を供給するチャンバを適宜選択し、圧縮空気が噴出する環状領域Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 を適宜選択する。例えば、第１チャンバＣ1 のみに圧縮空気を供給し、第２，第３チャンバＣ2，Ｃ3 には圧縮空気を供給しないようにすると、半導体ウエハ４は圧縮空気によって中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布６に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ４の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように圧縮空気の作用により、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００４５】一方、半導体ウエハ４の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、逆に、第３チャンバＣ3 のみに圧縮空気を供給し、第１，第２チャンバＣ1，Ｃ2には圧縮空気を供給しないようにする。これによって、半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側の研磨圧力より高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ４の全面を均一に研磨することができる。
【００４６】さらに、第１チャンバＣ1 、第２チャンバＣ2 及び第３チャンバＣ3 に供給する圧縮空気の圧力をそれぞれ変えて、第１チャンバＣ1 には圧力ｐ1 ｇｆ／ｃｍ2 、第２チャンバＣ2 には圧力ｐ2 ｇｆ／ｃｍ2 、第３チャンバＣ3 には圧力ｐ3 ｇｆ／ｃｍ2 の圧縮空気を供給する。これによって、トップリング１の保持面と半導体ウエハ４の上面との間に介在する流体に、中央の環状領域Ａ1 から外周部側の環状領域Ａ3 に向かって順次高くなるか又は低くなるような圧力勾配をもたせ、半導体ウエハ４を研磨布６に押し付ける力に勾配をもたせる。これによって、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の局部的な研磨量の過不足を補正することができる。
【００４７】また本発明においては、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変とし、また押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2（単位面積当たりの圧力，ｇｆ／ｃｍ2）を可変としている。そして、押圧力Ｆ1 と押圧力Ｆ2 とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 をトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 に応じて変更することができる。
【００４８】即ち、トップリング用エアシリンダ１０によるトップリング１の押圧力に応じて押圧リング用エアシリンダ２２による押圧リング３の研磨布６への押圧力を適宜調整して半導体ウエハ４の研磨を行う。研磨中にレギュレータＲ4 によってトップリング１が半導体ウエハ４をターンテーブル５上の研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 を変更でき、レギュレータＲ5 によって押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 を変更できる（図１参照）。したがって、研磨中に、押圧リング３が研磨布６を押圧する押圧力Ｆ2 を、トップリング１が半導体ウエハ４を研磨布６に押圧する押圧力Ｆ1 に応じて変更することができる。この押圧力Ｆ1 に対する押圧力Ｆ2 を適宜調整することにより、半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ４の外側にある押圧リング３の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、半導体ウエハ４の周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００４９】また半導体ウエハ４の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多くし又は逆に少なくしたい場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2をトップリングの押圧力Ｆ1に基づいて最適な値に選択することにより、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を意図的に増減できる。
【００５０】即ち、前記各チャンバＣ1 〜Ｃ3 に供給する圧縮空気を制御することにより圧縮空気による押圧作用と、押圧リング３の押圧作用の協働作用により半導体ウエハ４を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。また、半導体ウエハ４の局部（例えば、中央部、外周部等）を意図的に研磨量を多くし、または逆に少なくすることができる。この場合、圧縮空気により半導体ウエハ４の中央部の研磨圧力を外周部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より大きくする。逆に、圧縮空気により半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側より高める場合には、押圧リング３の押圧力Ｆ2 をトップリング１の押圧力Ｆ1 より小さくする。
【００５１】本実施例においては、トップリング１は半導体ウエハ４を収容する凹部１ａを有しているため、押圧リング３がトップリング１に対して上下動する際に、半導体ウエハ４の外周面をこすることがない。そのため、半導体ウエハ４の研磨中に押圧リング３の上下動により生ずる研磨性能への影響を避けることができる。
【００５２】図８はトップリングの変形例を示す図である。トップリング５１は、トップリング本体５２と、トップリング本体５２の下部外周部にボルト５３によって着脱可能に固定されたリング状部材５４とからなり、半導体ウエハ４を収容する凹部５１ａはトップリング本体５２の下面とリング状部材５４によって形成されている。そして、トップリング本体５２の下面によって半導体ウエハ４の上面を保持し、リング状部材５４によって半導体ウエハ４の外周部を保持している。押圧リング３はトップリング５１の周囲に上下動可能に設けられている。
【００５３】また、トップリング本体５２は内部に環状の第１〜第３チャンバＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 を有し、これらチャンバＣ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 内に圧縮空気が供給できるようになっていることは図５乃至図７に示す例と同様である。トップリング本体５２は第１〜第３チャンバＣ1 〜Ｃ3 と連通して下面に開口する多数の開口５２O を有している。弾性マット２も同様に前記連通孔５２O に対応した位置に開口２O を有している。これによって、半導体ウエハ４の上面に圧縮空気を供給できるようになっている。
【００５４】
【発明の効果】以上説明したように本発明のポリッシング装置および方法によれば、ポリッシングに際してポリッシング対象物の周縁部における押圧力分布が不均一になることを防止して研磨圧力をポリッシング対象物の全面に亘って均一にし、ポリッシング対象物の周縁部の研磨量が過不足となることを防止することができる。従って、ポリッシング対象物の全面を平坦かつ鏡面に研磨することができる。そして、半導体製造工程等に用いてより質の高いポリッシングを行うことができ、また半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与するものである。
【００５５】また本発明によれば、半導体ウエハ等のポリッシング対象物によってはポリッシング対象物の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多く又は逆に少なくしたいという要請があるため、この要請にも答えることができるようにポリッシング対象物の周縁部の研磨量を意図的に増減することができる。さらに、ポリッシング対象物の周縁部のみならず、研磨面の狙った一部の領域（例えば、中央部、外周部等）の研磨量を増減するように研磨することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を説明する説明図である。
【図２】トップリングの押圧力と押圧リングの押圧力の関係を変更した場合の挙動を説明する説明図である。
【図３】本発明の基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。
【図４】本発明の基本概念に基づいて半導体ウエハを研磨した場合の実験結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係るポリッシング装置の第１実施例の全体構成を示す断面図である。
【図６】本発明に係るポリッシング装置の第１実施例の要部構成を示す断面図である。
【図７】図６のVII−VII線断面図である。
【図８】本発明に係るポリッシング装置のトップリングの変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ 弾性マット
３ 押圧リング
４ 半導体ウエハ
５ ターンテーブル
６ 研磨布
７ ボール
８ トップリングシャフト
９ トップリングヘッド
１０ トップリング用エアシリンダ
１８ キー
１９ ベアリング
２０ ベアリング押え
２２ 押圧リング用エアシリンダ
２４ 圧縮空気源
２５ 砥液供給ノズル
２６ 押圧リング押え
Ｒ1〜Ｒ5 レギュレータ
Ｃ1〜Ｃ3 第１〜第３チャンバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の領域に分割し、前記領域毎に加圧流体を供給可能にしたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】 前記複数の領域は同心状の環状の領域からな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。
【請求項３】 前記トップリングがポリッシング対象物に与える押圧力と前記加圧流体の圧力は、それぞれ独立に変更可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリッシング装置。
【請求項４】 前記加圧流体の圧力は、前記領域毎に変更可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポリッシング装置。
【請求項５】 前記トップリングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、前記押圧リングを研磨布に対して押圧する押圧手段を設け、該押圧手段の押圧力を可変にしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポリッシング装置。
【請求項６】 前記トップリングはポリッシング対象物の外周部を保持する保持部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のポリッシング装置。
【請求項７】 上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング方法において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の同心状の領域に分割し、前記同心状の領域毎に加圧流体を供給可能にし、前記加圧流体によるポリッシング対象物の研磨布への押圧力を、ポリッシング対象物の中央部側と外周部側とで変えて研磨することを特徴とするポリッシング方法。
【請求項８】 前記トップリングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、ポリッシング対象物が接触する研磨布の周囲を、押圧リングにより押圧しながら研磨することを特徴とする請求項７記載のポリッシング方法。
【請求項９】 前記押圧リングが研磨布に与える押圧力は、前記加圧流体によるポリッシング対象物の研磨布への押圧力の傾向に基づいて決定することを特徴とする請求項８に記載のポリッシング方法。
【請求項１】 上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の領域に分割し、前記領域毎に加圧流体を供給可能にしたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】 前記複数の領域は同心状の環状の領域からな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。
【請求項３】 前記トップリングがポリッシング対象物に与える押圧力と前記加圧流体の圧力は、それぞれ独立に変更可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のポリッシング装置。
【請求項４】 前記加圧流体の圧力は、前記領域毎に変更可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポリッシング装置。
【請求項５】 前記トップリングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、前記押圧リングを研磨布に対して押圧する押圧手段を設け、該押圧手段の押圧力を可変にしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポリッシング装置。
【請求項６】 前記トップリングはポリッシング対象物の外周部を保持する保持部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のポリッシング装置。
【請求項７】 上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦且つ鏡面化するポリッシング方法において、前記トップリングがポリッシング対象物を保持する保持面に、加圧流体が噴出可能な複数の開口を設け、前記複数の開口を複数の同心状の領域に分割し、前記同心状の領域毎に加圧流体を供給可能にし、前記加圧流体によるポリッシング対象物の研磨布への押圧力を、ポリッシング対象物の中央部側と外周部側とで変えて研磨することを特徴とするポリッシング方法。
【請求項８】 前記トップリングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、ポリッシング対象物が接触する研磨布の周囲を、押圧リングにより押圧しながら研磨することを特徴とする請求項７記載のポリッシング方法。
【請求項９】 前記押圧リングが研磨布に与える押圧力は、前記加圧流体によるポリッシング対象物の研磨布への押圧力の傾向に基づいて決定することを特徴とする請求項８に記載のポリッシング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開平９−２２５８２１
【公開日】平成９年（１９９７）９月２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平８−６５３１５
【出願日】平成８年（１９９６）２月２７日
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【公開日】平成９年（１９９７）９月２日
【国際特許分類】
【出願日】平成８年（１９９６）２月２７日
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
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