ポリッシング装置及び方法
【課題】半導体ウエハの周縁部における研磨量の過不足を防止し、より平坦度の高い研磨を行うことができ、また半導体ウエハの周縁部の研磨量を意図的に増減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】ポリッシング対象物を保持するトップリング１を回転させる際の軸中心となるトップリングシャフト８の周囲に別個に設けられ、ポリッシング対象物を研磨する際、トップリングシャフト８とは一緒に回転しないよう構成された部材２１を備え、トップリング１の周囲に上下動自在に配置されたガイドリング３に押圧力を与えるための流体圧を調節する第２のレギュレータＲ２からガイドリング押え２０を介してガイドリング３へ行われる押圧力の伝達が、トップリングシャフト８の周囲に別個に設けられた部材２１を介して行われる。
【解決手段】ポリッシング対象物を保持するトップリング１を回転させる際の軸中心となるトップリングシャフト８の周囲に別個に設けられ、ポリッシング対象物を研磨する際、トップリングシャフト８とは一緒に回転しないよう構成された部材２１を備え、トップリング１の周囲に上下動自在に配置されたガイドリング３に押圧力を与えるための流体圧を調節する第２のレギュレータＲ２からガイドリング押え２０を介してガイドリング３へ行われる押圧力の伝達が、トップリングシャフト８の周囲に別個に設けられた部材２１を介して行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウエハ等のポリッシング対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシング装置及び方法に係り、特にポリッシング対象物の周縁部の研磨量を制御する機構を具備したポリッシング装置及び方法に関する。
【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。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパー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１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。
【０００３】
従来、この種のポリッシング装置は、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、砥液を供給しつつ該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００４】
上述したポリッシング装置において、トップリングの半導体ウエハ保持面に弾性を有する、例えばポリウレタン等の弾性マットを貼り、トップリングからポリッシング対象物に印加する押圧力を均一にしようとする試みがなされている。これは押圧力を均一化することで半導体ウエハが局部的に研磨されることを緩和し、ポリッシング対象物の平坦度を向上させることを目的としている。
【０００５】
図９は従来のポリッシング装置の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨布４２を貼った回転するターンテーブル４１と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ４３を保持するトップリング４５と、研磨布４２に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル４８を備えている。トップリング４５はトップリングシャフト４９に連結されており、またトップリング４５はその下面にポリウレタン等の弾性マット４７を備えており、弾性マットに接触させて半導体ウエハ４３を保持する。さらにトップリング４５は、研磨中に半導体ウエハ４３がトップリング４５の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング４６を外周縁部に備えている。ここで、ガイドリング４６はトップリング４５に対して固定されており、その下端面はトップリング４５の保持面から突出するように形成され、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４３が保持面内に保持され、研磨中に研磨布４２との摩擦力によってトップリング外へ飛び出さないようになっている。
【０００６】
半導体ウエハ４３をトップリング４５の下面の弾性マット４７の下部に保持し、ターンテーブル４１上の研磨布４２に半導体ウエハ４３をトップリング４５によって押圧するとともに、ターンテーブル４１およびトップリング４５を回転させて研磨布４２と半導体ウエハ４３を相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズル４８から研磨布４２上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハを研磨する。
【０００７】
図１０は研磨時の半導体ウエハと研磨布と弾性マットの状態を示す拡大断面図である。図１０に示すように、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４３の周縁は、研磨布４２との接触／非接触の境界であると同時に、弾性マット４７との接触／非接触との境界になっている。このため、これらの境界であるポリッシング対象物の周縁において、ポリッシング対象物に加わる研磨圧力が不均一になり、ポリッシング対象物の周縁のみが多く研磨され、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまうという問題点があった。
【０００８】
図１１は半導体ウエハ上に酸化膜（ＳｉＯ2）等の被膜が形成された６インチ半導体ウエハについて有限要素法（finite element method）で求めた半径方向位置と研磨圧力との関係及び半径方向位置と膜厚との関係を示すグラフである。図中、白丸は有限要素法で求めた研磨圧力（ｇｆ／ｃｍ2）の計算値を示し、黒丸は研磨後の膜厚（オングストローム）の測定値を示す。計算で求められた研磨圧力は半導体ウエハの周縁部（７０〜７４mm）で不均一であり、これに応じて膜厚は半導体ウエハの周縁部（７０〜７３．５mm）で不均一になっている。そして、膜厚の実測値から明らかなように半導体ウエハの周縁部が過研磨になって縁だれが生じているのがわかる。
【０００９】
従来、上述した半導体ウエハの縁だれを防止するため、ガイドリングをリング状の重りによって構成し、ガイドリングをトップリングに対して上下動可能とし、ガイドリングの重量によって研磨布を押圧する構造を採用したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、トップリングとガイドリングとの間にバネを介装し、バネ力によってガイドリングを研磨布に押圧する構造を採用したものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５５−１５７４７３号公報
【特許文献２】特公昭５８−１０１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した従来のガイドリングの重量によって研磨布を押圧する構造のものにおいては、ポリッシング対象物や研磨条件に応じて、トップリングがポリッシング対象物である半導体ウエハを研磨布に押圧する押圧力を変更しても、ガイドリングが研磨布を押圧する押圧力は常に一定であり変更することができないため、トップリングの押圧力に比べてガイドリングの研磨布に対する押圧力が低すぎたり高すぎたりする場合があり、半導体ウエハの周縁部のみが多く研磨されたり、逆に研磨量が少なかったりするという問題点があった。
【００１２】
また、上述したバネ力によってガイドリングを研磨布に押圧する構造のものにおいては、使用するバネによって押圧力が決定されてしまい、上述と同様に、ポリッシング対象物や研磨条件に応じて、トップリングがポリッシング対象物である半導体ウエハを研磨布に押圧する押圧力を変更しても、ガイドリングが研磨布を押圧する押圧力は変更することができないため、トップリングの押圧力に比べてガイドリングの研磨布に対する押圧力が低すぎたり高すぎたりする場合があり、半導体ウエハの周縁部のみが多く研磨されたり、逆に研磨量が少なかったりするという問題点があった。
【００１３】
本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、ポリッシング対象物や研磨条件に応じてガイドリングが研磨布に最適な押圧力を与えるように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防止し、より平坦度の高い研磨を行う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。
【００１４】
また本発明は、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で内部側より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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するため、本発明のポリッシング装置の第１の態様は、上面に研磨布を貼ったテーブルと、ポリッシング対象物を保持するトップリングと、前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節する第１のレギュレータと、前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されたガイドリングと、前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節する第２のレギュレータと、前記トップリングを回転させる際の軸中心となるトップリングシャフトと、該ガイドリングを保持するガイドリング押えと、前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられ、ポリッシング対象物を研磨する際、前記トップリングシャフトとは一緒に回転しないよう構成された部材を備え、前記第２のレギュレータからガイドリング押えを介してガイドリングへ行われる押圧力の伝達が、前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられた部材を介して行われることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のポリッシング装置の第２の態様は、上面に研磨布を貼ったテーブルと、ポリッシング対象物を保持するトップリングと、弾性を有し前記ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する弾性体と、前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節するための第１の流体圧調節機構と、前記トップリングの周囲に上下動自在に配置される前記研磨布を押圧するためのガイドリングと、前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節するための第２の流体圧調節機構と、前記ガイドリングに押圧力を与えるために該ガイドリングと前記第２の流体圧調節機構との間に設けられたガイドリング押えとを有することを特徴とするものである。
本発明の一態様は、前記第１の流体圧調節機構及び第２の流体圧調節機構に接続される流体源を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のポリッシング装置の第３の態様は、上面に研磨布を貼ったテーブルと、酸化膜を有するポリッシング対象物を保持するトップリングと、前記ポリッシング対象物に押圧力Ｆ1を与えるための第１の流体圧を調整する第１のレギュレータと、前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されて前記研磨布を押圧するガイドリングと、前記ガイドリングに押圧力Ｆ2を与えるための第２の流体圧を調整する第２のレギュレータを備え、前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記第１の流体圧と前記第２の流体圧は、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりも前記ガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すように前記第１のレギュレータと前記第２のレギュレータにより調整されることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のポリッシング方法の第１の態様は、上面に研磨布を貼った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押圧し、研磨するポリッシング方法であって、前記トップリングに前記ポリッシング対象物を保持したまま該トップリングをトップリングシャフトの軸中心に回転させ、調節された第１の流体圧を第１の押圧機構に供給してポリッシング対象物を前記研磨布に対して押圧し、前記第１の流体圧と独立に調整された第２の流体圧を第２の押圧機構に供給し、該第２の押圧機構と前記ガイドリングとの間に設けられたガイドリング押えを介して、ガイドリングを前記研磨布に対して押圧することを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のポリッシング方法の第２の態様は、上下動自在に配置されたガイドリングの内側に配置され、ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する、弾性を有する弾性マットを有し、ガイドリング押えを介して前記ガイドリングを前記研磨布に対して押圧する押圧手段とは独立に、研磨布に対して押圧する押圧手段によって下方に押圧されるようにされたトップリングを用いてポリッシング対象物をポリッシングする方法において、前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりもガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、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押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨するポリッシング装置において、前記ポリッシング対象物を保持するガイドリングをトップリングの周囲にトップリングに対して上下動自在に配置し、前記ガイドリングを押圧する押圧手段が前記トップリングを支持するトップリングヘッドに固定されており、前記押圧手段による押圧力が可変である。
【００２１】
本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、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押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨するポリッシング装置において、前記ポリッシング対象物を保持するガイドリングをトップリングの周囲に上下動可能且つトップリングと一体に回転可能に配置し、前記ガイドリングを押圧する押圧手段は、ベアリングを保持したベアリング押えを介して前記ガイドリングを押圧する。
本発明の一態様は、前記押圧手段はトップリングを支持するトップリングヘッドに固定されている。
【００２２】
本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、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、前記ポリッシング対象物を前記トップリングの下端面内に保持するガイドリングをトップリングの周囲に上下動自在に配置し、前記ガイド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。
【００２３】
また本発明のポリッシング方法の好ましい態様は、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、前記トップリングの周囲にガイド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、ガイドリングによりトップリングの押圧力に基づいて決定された押圧力で押圧しながら研磨する。
【００２４】
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の下面には弾性マット２が貼着されている。またトップリング１の外周部にはガイドリング３が配置されている。このガイドリング３はトップリング１に対して上下動自在になっている。
【００２５】
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、またガイドリング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、ガイドリング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。
【００２６】
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とガイドリング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の外側にあるガイドリング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。
【００２７】
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とガイドリング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、ガイドリング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。
【００２８】
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、さらにはガイド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。
【００２９】
図３は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。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、ガイドリングの押圧力は６００〜２００ｇf/cm2まで変更したものである。図３（ａ）はガイドリングの押圧力を６００ｇf/cm2、図３（ｂ）は同押圧力を５００ｇf/cm2、図３（ｃ）は同押圧力を４００ｇf/cm2、図３（ｄ）は同押圧力を３００ｇf/cm2、図３（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３から明らかなように、ガイド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、ガイドリングの押圧力が２００〜３００ｇf/cm2の場合（図３（ｄ），図３（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３（ｂ），図３（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で研磨不足が生じている。
【００３１】
以上のように、実験結果からガイド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。理論的にはガイド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、ガイド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ガイド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。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のポリッシング装置及び方法によれば、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。
【００３４】
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で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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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ガイド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５】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６】本発明に係るポリッシング装置の第２実施例の要部構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係るポリッシング装置の第３実施例の要部構成を示す断面図である。
【図８】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少なくする場合の例を示す説明図である。
【図９】従来のポリッシング装置の概略構造を示す断面図である。
【図１０】従来のポリッシング装置における半導体ウエハと研磨布と弾性マットとの状態を示す拡大断面図である。
【図１１】半導体ウエハの半径方向位置と研磨圧力との関係及び半径方向位置と膜厚との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係るポリッシング装置の一実施例を図４及び図５を参照して説明する。図４はポリッシング装置の全体構成を示す断面図であり、図５はポリッシング装置の要部構成を示す断面図である。
図４および図５において、符号１はトップリングであり、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。またトップリング１の外周部にはガイドリング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。
【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、ガイドリング３はキー１８を介してトップリング１に連結されており、ガイドリング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、ガイドリング３はベアリング１９を保持したガイドリング押え２０およびシャフト２１を介してガイドリング用エアシリンダ２２に連結されている。ガイド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。ガイド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及びガイドリング用エアシリンダ２２は、それぞれレギュレータＲ１，Ｒ２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Ｒ１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Ｒ２によってガイド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ガイドリング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】
トップリング用エアシリンダ１０によるトップリング１の押圧力に応じてガイドリング用エアシリンダ２２によるガイドリング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Ｒ１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Ｒ２によってガイドリング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、ガイドリング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の外側にあるガイドリング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。
【００４４】
また半導体ウエハ４の周縁部で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、ガイドリングリングの押圧力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。
【００４５】
図６は本発明のポリッシング装置の第２実施例を示す図である。
本実施例においては、トップリング１の外周部にあるガイドリング３はガイドリング押え２６により保持されており、ガイドリング押え２６は複数のローラ２７により押圧されるようになっている。ローラ２７はシャフト２８を介してトップリングヘッド９に固定されたガイドリング用エアシリンダ２２に連結されている。ガイドリング３がトップリング１に対して上下動自在でトップリング１とともに回転できることは、図４及び図５に示す実施例と同様である。
【００４６】
本実施例においては、トップリング１の回転中にローラ２７はガイドリング押え２６と摺接して自身の軸心回わりに回転し、ガイドリング３はローラ２７によってガイドリング押え２６を介して下方に押圧される。その結果、ガイドリング３は研磨布６を所定の押圧力で押圧する。その他の構成は図４および図５に示す実施例と同様である。また作用効果も図４および図５に示す実施例と同様である。
上述のように、第１実施例及び第２実施例においては、トップリングシャフト８の周囲に別個に設けられ、トップリングシャフト８と一緒に回転することはしない部材２１及び２８を介してガイドリング押圧力が伝達されるので、研磨中すなわちトップリングが回転中であっても、ガイドリング押圧力を変更することが可能である。
【００４７】
図７は本発明のポリッシング装置の第３実施例を示す図である。
本実施例においては、トップリング１の外周部にあるガイドリング３は、トップリング１に固定されたガイドリング用エアシリンダ３１に連結されている。ガイドリング用エアシリンダ３１はトップリングシャフト８内の連通路８ａ、ロータリージョイント３２、レギュレータＲ２を介して圧縮空気源２４に接続されている。
【００４８】
またトップリング用エアシリンダ１０は図４の実施例と同様にレギュレータＲ１を介して圧縮空気源２４に接続されている。またレギュレータＲ１，Ｒ２は演算器３３に接続されている。
【００４９】
本実施例においても、半導体ウエハ４はトップリング用エアシリンダ１０によるトップリング１の押圧力によって研磨布６に押圧されて研磨される。またガイドリング３はガイドリング用エアシリンダ３１によって研磨布６に押圧される。ガイドリング３を研磨布６に押圧すると、ガイドリング３は反力を受けて、トップリング１の押圧力に影響を与えることになる。そのため、本実施例においては、トップリング１の押圧力とガイドリング３の押圧力の設定値を演算器３３に入力し、演算器３３によってトップリング用エアシリンダ１０およびガイドリング用エアシリンダ３１に与える空気圧を演算し、レギュレータＲ１，Ｒ２を調整して、所定の空気圧のエアをトップリング用エアシリンダ１０およびガイドリング用エアシリンダ３１にそれぞれ供給する。これによってトップリング１の押圧力とガイドリング３の押圧力としてそれぞれ所望の値が得られるようになっている。即ち、トップリング１の押圧力とガイドリング３の押圧力は、研磨中にそれぞれ影響を受けることなく独立に変更可能になっている。その他の構成は図４および図５に示す実施例と同様である。また作用効果も図４および図５に示す実施例と同様である。この第３実施例においても、ロータリージョイントを介して圧縮空気を供給しているので、研磨中すなわちトップリングが回転中であっても、ガイドリング押圧力を変更することができる。
【００５０】
図８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少なくする場合の例を示す説明図である。
図８に示す例では、半導体デバイスは、シリコンからなる基材４０と、基材４０上の酸化膜４１と、酸化膜４１上の金属膜４２と、金属膜４２上の酸化膜４３とから構成されている。図８（ａ）は研磨前の状態を示し、図８（ｂ）は研磨後の状態を示す。研磨後には、半導体デバイスの周縁部で金属膜４２が露出している。研磨後に薬液洗浄すると、図８（ｃ）に示すように金属膜４２が薬液によって侵される。金属膜４２を薬液に侵されないようにするためには、図８（ｄ）に示すように周縁部の研磨量を内部側より少なくして周縁部の酸化膜４３を厚く残すことが好ましい。このような要請に本発明は好適である。
【００５１】
なお、以上の実施例はポリッシング対象物として半導体ウエハを用いた例について説明したが、ポリッシング対象物としてはガラス製品、液晶板、或いはセラミック製品等にも適用可能であるのは勿論である。またトップリング１およびガイドリング３の押圧手段としてエアシリンダを説明したが、液体圧シリンダでも勿論よい。さらにガイドリングの押圧手段として機械的手段を説明したが、ピエゾ素子や電磁気力を使用した電気的手段であってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ トップリング
２ 弾性マット
３ ガイドリング
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 ガイドリング押え
２２ ガイド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 ガイドリング押え
２７ ローラ
３１ ガイドリング用エアシリンダ
３２ ロータリージョイント
３３ 演算器
Ｒ１，Ｒ２ レギュレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウエハ等のポリッシング対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシング装置及び方法に係り、特にポリッシング対象物の周縁部の研磨量を制御する機構を具備したポリッシング装置及び方法に関する。
【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。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパー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１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。
【０００３】
従来、この種のポリッシング装置は、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、砥液を供給しつつ該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００４】
上述したポリッシング装置において、トップリングの半導体ウエハ保持面に弾性を有する、例えばポリウレタン等の弾性マットを貼り、トップリングからポリッシング対象物に印加する押圧力を均一にしようとする試みがなされている。これは押圧力を均一化することで半導体ウエハが局部的に研磨されることを緩和し、ポリッシング対象物の平坦度を向上させることを目的としている。
【０００５】
図９は従来のポリッシング装置の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨布４２を貼った回転するターンテーブル４１と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ４３を保持するトップリング４５と、研磨布４２に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル４８を備えている。トップリング４５はトップリングシャフト４９に連結されており、またトップリング４５はその下面にポリウレタン等の弾性マット４７を備えており、弾性マットに接触させて半導体ウエハ４３を保持する。さらにトップリング４５は、研磨中に半導体ウエハ４３がトップリング４５の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング４６を外周縁部に備えている。ここで、ガイドリング４６はトップリング４５に対して固定されており、その下端面はトップリング４５の保持面から突出するように形成され、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４３が保持面内に保持され、研磨中に研磨布４２との摩擦力によってトップリング外へ飛び出さないようになっている。
【０００６】
半導体ウエハ４３をトップリング４５の下面の弾性マット４７の下部に保持し、ターンテーブル４１上の研磨布４２に半導体ウエハ４３をトップリング４５によって押圧するとともに、ターンテーブル４１およびトップリング４５を回転させて研磨布４２と半導体ウエハ４３を相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズル４８から研磨布４２上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハを研磨する。
【０００７】
図１０は研磨時の半導体ウエハと研磨布と弾性マットの状態を示す拡大断面図である。図１０に示すように、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４３の周縁は、研磨布４２との接触／非接触の境界であると同時に、弾性マット４７との接触／非接触との境界になっている。このため、これらの境界であるポリッシング対象物の周縁において、ポリッシング対象物に加わる研磨圧力が不均一になり、ポリッシング対象物の周縁のみが多く研磨され、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまうという問題点があった。
【０００８】
図１１は半導体ウエハ上に酸化膜（ＳｉＯ2）等の被膜が形成された６インチ半導体ウエハについて有限要素法（finite element method）で求めた半径方向位置と研磨圧力との関係及び半径方向位置と膜厚との関係を示すグラフである。図中、白丸は有限要素法で求めた研磨圧力（ｇｆ／ｃｍ2）の計算値を示し、黒丸は研磨後の膜厚（オングストローム）の測定値を示す。計算で求められた研磨圧力は半導体ウエハの周縁部（７０〜７４mm）で不均一であり、これに応じて膜厚は半導体ウエハの周縁部（７０〜７３．５mm）で不均一になっている。そして、膜厚の実測値から明らかなように半導体ウエハの周縁部が過研磨になって縁だれが生じているのがわかる。
【０００９】
従来、上述した半導体ウエハの縁だれを防止するため、ガイドリングをリング状の重りによって構成し、ガイドリングをトップリングに対して上下動可能とし、ガイドリングの重量によって研磨布を押圧する構造を採用したものがある（例えば、特許文献１参照）。また、トップリングとガイドリングとの間にバネを介装し、バネ力によってガイドリングを研磨布に押圧する構造を採用したものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５５−１５７４７３号公報
【特許文献２】特公昭５８−１０１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した従来のガイドリングの重量によって研磨布を押圧する構造のものにおいては、ポリッシング対象物や研磨条件に応じて、トップリングがポリッシング対象物である半導体ウエハを研磨布に押圧する押圧力を変更しても、ガイドリングが研磨布を押圧する押圧力は常に一定であり変更することができないため、トップリングの押圧力に比べてガイドリングの研磨布に対する押圧力が低すぎたり高すぎたりする場合があり、半導体ウエハの周縁部のみが多く研磨されたり、逆に研磨量が少なかったりするという問題点があった。
【００１２】
また、上述したバネ力によってガイドリングを研磨布に押圧する構造のものにおいては、使用するバネによって押圧力が決定されてしまい、上述と同様に、ポリッシング対象物や研磨条件に応じて、トップリングがポリッシング対象物である半導体ウエハを研磨布に押圧する押圧力を変更しても、ガイドリングが研磨布を押圧する押圧力は変更することができないため、トップリングの押圧力に比べてガイドリングの研磨布に対する押圧力が低すぎたり高すぎたりする場合があり、半導体ウエハの周縁部のみが多く研磨されたり、逆に研磨量が少なかったりするという問題点があった。
【００１３】
本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、ポリッシング対象物や研磨条件に応じてガイドリングが研磨布に最適な押圧力を与えるように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防止し、より平坦度の高い研磨を行う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。
【００１４】
また本発明は、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で内部側より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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的を達成するため、本発明のポリッシング装置の第１の態様は、上面に研磨布を貼ったテーブルと、ポリッシング対象物を保持するトップリングと、前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節する第１のレギュレータと、前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されたガイドリングと、前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節する第２のレギュレータと、前記トップリングを回転させる際の軸中心となるトップリングシャフトと、該ガイドリングを保持するガイドリング押えと、前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられ、ポリッシング対象物を研磨する際、前記トップリングシャフトとは一緒に回転しないよう構成された部材を備え、前記第２のレギュレータからガイドリング押えを介してガイドリングへ行われる押圧力の伝達が、前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられた部材を介して行われることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のポリッシング装置の第２の態様は、上面に研磨布を貼ったテーブルと、ポリッシング対象物を保持するトップリングと、弾性を有し前記ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する弾性体と、前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節するための第１の流体圧調節機構と、前記トップリングの周囲に上下動自在に配置される前記研磨布を押圧するためのガイドリングと、前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節するための第２の流体圧調節機構と、前記ガイドリングに押圧力を与えるために該ガイドリングと前記第２の流体圧調節機構との間に設けられたガイドリング押えとを有することを特徴とするものである。
本発明の一態様は、前記第１の流体圧調節機構及び第２の流体圧調節機構に接続される流体源を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のポリッシング装置の第３の態様は、上面に研磨布を貼ったテーブルと、酸化膜を有するポリッシング対象物を保持するトップリングと、前記ポリッシング対象物に押圧力Ｆ1を与えるための第１の流体圧を調整する第１のレギュレータと、前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されて前記研磨布を押圧するガイドリングと、前記ガイドリングに押圧力Ｆ2を与えるための第２の流体圧を調整する第２のレギュレータを備え、前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記第１の流体圧と前記第２の流体圧は、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりも前記ガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すように前記第１のレギュレータと前記第２のレギュレータにより調整されることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のポリッシング方法の第１の態様は、上面に研磨布を貼った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押圧し、研磨するポリッシング方法であって、前記トップリングに前記ポリッシング対象物を保持したまま該トップリングをトップリングシャフトの軸中心に回転させ、調節された第１の流体圧を第１の押圧機構に供給してポリッシング対象物を前記研磨布に対して押圧し、前記第１の流体圧と独立に調整された第２の流体圧を第２の押圧機構に供給し、該第２の押圧機構と前記ガイドリングとの間に設けられたガイドリング押えを介して、ガイドリングを前記研磨布に対して押圧することを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のポリッシング方法の第２の態様は、上下動自在に配置されたガイドリングの内側に配置され、ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する、弾性を有する弾性マットを有し、ガイドリング押えを介して前記ガイドリングを前記研磨布に対して押圧する押圧手段とは独立に、研磨布に対して押圧する押圧手段によって下方に押圧されるようにされたトップリングを用いてポリッシング対象物をポリッシングする方法において、前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりもガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すようにしたことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、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押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨するポリッシング装置において、前記ポリッシング対象物を保持するガイドリングをトップリングの周囲にトップリングに対して上下動自在に配置し、前記ガイドリングを押圧する押圧手段が前記トップリングを支持するトップリングヘッドに固定されており、前記押圧手段による押圧力が可変である。
【００２１】
本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、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押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨するポリッシング装置において、前記ポリッシング対象物を保持するガイドリングをトップリングの周囲に上下動可能且つトップリングと一体に回転可能に配置し、前記ガイドリングを押圧する押圧手段は、ベアリングを保持したベアリング押えを介して前記ガイドリングを押圧する。
本発明の一態様は、前記押圧手段はトップリングを支持するトップリングヘッドに固定されている。
【００２２】
本発明のポリッシング装置の好ましい態様は、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、前記ポリッシング対象物を前記トップリングの下端面内に保持するガイドリングをトップリングの周囲に上下動自在に配置し、前記ガイド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。
【００２３】
また本発明のポリッシング方法の好ましい態様は、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、前記トップリングの周囲にガイド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、ガイドリングによりトップリングの押圧力に基づいて決定された押圧力で押圧しながら研磨する。
【００２４】
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の下面には弾性マット２が貼着されている。またトップリング１の外周部にはガイドリング３が配置されている。このガイドリング３はトップリング１に対して上下動自在になっている。
【００２５】
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、またガイドリング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、ガイドリング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。
【００２６】
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とガイドリング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の外側にあるガイドリング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。
【００２７】
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とガイドリング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、ガイドリング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。
【００２８】
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、さらにはガイド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。
【００２９】
図３は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。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、ガイドリングの押圧力は６００〜２００ｇf/cm2まで変更したものである。図３（ａ）はガイドリングの押圧力を６００ｇf/cm2、図３（ｂ）は同押圧力を５００ｇf/cm2、図３（ｃ）は同押圧力を４００ｇf/cm2、図３（ｄ）は同押圧力を３００ｇf/cm2、図３（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３から明らかなように、ガイド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、ガイドリングの押圧力が２００〜３００ｇf/cm2の場合（図３（ｄ），図３（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３（ｂ），図３（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で研磨不足が生じている。
【００３１】
以上のように、実験結果からガイド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。理論的にはガイド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、ガイド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ガイド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。
【発明の効果】
【００３３】
本発明のポリッシング装置及び方法によれば、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。
【００３４】
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で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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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ガイド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５】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６】本発明に係るポリッシング装置の第２実施例の要部構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係るポリッシング装置の第３実施例の要部構成を示す断面図である。
【図８】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少なくする場合の例を示す説明図である。
【図９】従来のポリッシング装置の概略構造を示す断面図である。
【図１０】従来のポリッシング装置における半導体ウエハと研磨布と弾性マットとの状態を示す拡大断面図である。
【図１１】半導体ウエハの半径方向位置と研磨圧力との関係及び半径方向位置と膜厚との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係るポリッシング装置の一実施例を図４及び図５を参照して説明する。図４はポリッシング装置の全体構成を示す断面図であり、図５はポリッシング装置の要部構成を示す断面図である。
図４および図５において、符号１はトップリングであり、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。またトップリング１の外周部にはガイドリング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。
【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、ガイドリング３はキー１８を介してトップリング１に連結されており、ガイドリング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、ガイドリング３はベアリング１９を保持したガイドリング押え２０およびシャフト２１を介してガイドリング用エアシリンダ２２に連結されている。ガイド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。ガイド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及びガイドリング用エアシリンダ２２は、それぞれレギュレータＲ１，Ｒ２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Ｒ１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Ｒ２によってガイド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ガイドリング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】
トップリング用エアシリンダ１０によるトップリング１の押圧力に応じてガイドリング用エアシリンダ２２によるガイドリング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Ｒ１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Ｒ２によってガイドリング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、ガイドリング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の外側にあるガイドリング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。
【００４４】
また半導体ウエハ４の周縁部で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、ガイドリングリングの押圧力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。
【００４５】
図６は本発明のポリッシング装置の第２実施例を示す図である。
本実施例においては、トップリング１の外周部にあるガイドリング３はガイドリング押え２６により保持されており、ガイドリング押え２６は複数のローラ２７により押圧されるようになっている。ローラ２７はシャフト２８を介してトップリングヘッド９に固定されたガイドリング用エアシリンダ２２に連結されている。ガイドリング３がトップリング１に対して上下動自在でトップリング１とともに回転できることは、図４及び図５に示す実施例と同様である。
【００４６】
本実施例においては、トップリング１の回転中にローラ２７はガイドリング押え２６と摺接して自身の軸心回わりに回転し、ガイドリング３はローラ２７によってガイドリング押え２６を介して下方に押圧される。その結果、ガイドリング３は研磨布６を所定の押圧力で押圧する。その他の構成は図４および図５に示す実施例と同様である。また作用効果も図４および図５に示す実施例と同様である。
上述のように、第１実施例及び第２実施例においては、トップリングシャフト８の周囲に別個に設けられ、トップリングシャフト８と一緒に回転することはしない部材２１及び２８を介してガイドリング押圧力が伝達されるので、研磨中すなわちトップリングが回転中であっても、ガイドリング押圧力を変更することが可能である。
【００４７】
図７は本発明のポリッシング装置の第３実施例を示す図である。
本実施例においては、トップリング１の外周部にあるガイドリング３は、トップリング１に固定されたガイドリング用エアシリンダ３１に連結されている。ガイドリング用エアシリンダ３１はトップリングシャフト８内の連通路８ａ、ロータリージョイント３２、レギュレータＲ２を介して圧縮空気源２４に接続されている。
【００４８】
またトップリング用エアシリンダ１０は図４の実施例と同様にレギュレータＲ１を介して圧縮空気源２４に接続されている。またレギュレータＲ１，Ｒ２は演算器３３に接続されている。
【００４９】
本実施例においても、半導体ウエハ４はトップリング用エアシリンダ１０によるトップリング１の押圧力によって研磨布６に押圧されて研磨される。またガイドリング３はガイドリング用エアシリンダ３１によって研磨布６に押圧される。ガイドリング３を研磨布６に押圧すると、ガイドリング３は反力を受けて、トップリング１の押圧力に影響を与えることになる。そのため、本実施例においては、トップリング１の押圧力とガイドリング３の押圧力の設定値を演算器３３に入力し、演算器３３によってトップリング用エアシリンダ１０およびガイドリング用エアシリンダ３１に与える空気圧を演算し、レギュレータＲ１，Ｒ２を調整して、所定の空気圧のエアをトップリング用エアシリンダ１０およびガイドリング用エアシリンダ３１にそれぞれ供給する。これによってトップリング１の押圧力とガイドリング３の押圧力としてそれぞれ所望の値が得られるようになっている。即ち、トップリング１の押圧力とガイドリング３の押圧力は、研磨中にそれぞれ影響を受けることなく独立に変更可能になっている。その他の構成は図４および図５に示す実施例と同様である。また作用効果も図４および図５に示す実施例と同様である。この第３実施例においても、ロータリージョイントを介して圧縮空気を供給しているので、研磨中すなわちトップリングが回転中であっても、ガイドリング押圧力を変更することができる。
【００５０】
図８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少なくする場合の例を示す説明図である。
図８に示す例では、半導体デバイスは、シリコンからなる基材４０と、基材４０上の酸化膜４１と、酸化膜４１上の金属膜４２と、金属膜４２上の酸化膜４３とから構成されている。図８（ａ）は研磨前の状態を示し、図８（ｂ）は研磨後の状態を示す。研磨後には、半導体デバイスの周縁部で金属膜４２が露出している。研磨後に薬液洗浄すると、図８（ｃ）に示すように金属膜４２が薬液によって侵される。金属膜４２を薬液に侵されないようにするためには、図８（ｄ）に示すように周縁部の研磨量を内部側より少なくして周縁部の酸化膜４３を厚く残すことが好ましい。このような要請に本発明は好適である。
【００５１】
なお、以上の実施例はポリッシング対象物として半導体ウエハを用いた例について説明したが、ポリッシング対象物としてはガラス製品、液晶板、或いはセラミック製品等にも適用可能であるのは勿論である。またトップリング１およびガイドリング３の押圧手段としてエアシリンダを説明したが、液体圧シリンダでも勿論よい。さらにガイドリングの押圧手段として機械的手段を説明したが、ピエゾ素子や電磁気力を使用した電気的手段であってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ トップリング
２ 弾性マット
３ ガイドリング
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 ガイドリング押え
２２ ガイド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 ガイドリング押え
２７ ローラ
３１ ガイドリング用エアシリンダ
３２ ロータリージョイント
３３ 演算器
Ｒ１，Ｒ２ レギュレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に研磨布を貼ったテーブルと、
ポリッシング対象物を保持するトップリングと、
前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節する第１のレギュレータと、
前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されたガイドリングと、
前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節する第２のレギュレータと、
前記トップリングを回転させる際の軸中心となるトップリングシャフトと、
該ガイドリングを保持するガイドリング押えと、
前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられ、ポリッシング対象物を研磨する際、前記トップリングシャフトとは一緒に回転しないよう構成された部材を備え、
前記第２のレギュレータからガイドリング押えを介してガイドリングへ行われる押圧力の伝達が、前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられた部材を介して行われることを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】
上面に研磨布を貼ったテーブルと、
ポリッシング対象物を保持するトップリングと、
弾性を有し前記ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する弾性体と、
前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節するための第１の流体圧調節機構と、
前記トップリングの周囲に上下動自在に配置される前記研磨布を押圧するためのガイドリングと、
前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節するための第２の流体圧調節機構と、
前記ガイドリングに押圧力を与えるために該ガイドリングと前記第２の流体圧調節機構との間に設けられたガイドリング押えとを有することを特徴とするポリッシング装置。
【請求項３】
前記第１の流体圧調節機構及び第２の流体圧調節機構に接続される流体源を有することを特徴とする請求項２記載のポリッシング装置。
【請求項４】
上面に研磨布を貼ったテーブルと、
酸化膜を有するポリッシング対象物を保持するトップリングと、
前記ポリッシング対象物に押圧力Ｆ1を与えるための第１の流体圧を調整する第１のレギュレータと、
前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されて前記研磨布を押圧するガイドリングと、
前記ガイドリングに押圧力Ｆ2を与えるための第２の流体圧を調整する第２のレギュレータを備え、
前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記第１の流体圧と前記第２の流体圧は、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりも前記ガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すように前記第１のレギュレータと前記第２のレギュレータにより調整されることを特徴とするポリッシング装置。
【請求項５】
上面に研磨布を貼った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押圧し、研磨するポリッシング方法であって、
前記トップリングに前記ポリッシング対象物を保持したまま該トップリングをトップリングシャフトの軸中心に回転させ、調節された第１の流体圧を第１の押圧機構に供給してポリッシング対象物を前記研磨布に対して押圧し、
前記第１の流体圧と独立に調整された第２の流体圧を第２の押圧機構に供給し、該第２の押圧機構と前記ガイドリングとの間に設けられたガイドリング押えを介して、ガイドリングを前記研磨布に対して押圧することを特徴とするポリッシング方法。
【請求項６】
上下動自在に配置されたガイドリングの内側に配置され、ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する、弾性を有する弾性マットを有し、
ガイドリング押えを介して前記ガイドリングを前記研磨布に対して押圧する押圧手段とは独立に、研磨布に対して押圧する押圧手段によって下方に押圧されるようにされたトップリングを用いてポリッシング対象物をポリッシングする方法において、
前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりもガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すようにしたことを特徴とするポリッシング方法。
【請求項７】
上下動自在に配置されたガイドリングの内側に配置され、ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する、弾性を有する弾性マットと、
トップリングを軸中心に回転させるためのトップリングシャフトと、
前記トップリングシャフトと接合するボールとを有し、
前記ガイドリングを前記研磨布に対して押圧する押圧手段とは独立に、研磨布に対して押圧する押圧手段を有するトップリングを用いてポリッシング対象物をポリッシングする方法において、
前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりもガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すようにしたことを特徴とするポリッシング方法。
【請求項８】
前記トップリングと前記ガイドリングとが、一体に上下動および回転することができるように構成されたことを特徴とする請求項６又は７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テーブルと、
ポリッシング対象物を保持するトップリングと、
前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節する第１のレギュレータと、
前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されたガイドリングと、
前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節する第２のレギュレータと、
前記トップリングを回転させる際の軸中心となるトップリングシャフトと、
該ガイドリングを保持するガイドリング押えと、
前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられ、ポリッシング対象物を研磨する際、前記トップリングシャフトとは一緒に回転しないよう構成された部材を備え、
前記第２のレギュレータからガイドリング押えを介してガイドリングへ行われる押圧力の伝達が、前記トップリングシャフトの周囲に別個に設けられた部材を介して行われることを特徴とするポリッシング装置。
【請求項２】
上面に研磨布を貼ったテーブルと、
ポリッシング対象物を保持するトップリングと、
弾性を有し前記ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する弾性体と、
前記ポリッシング対象物に押圧力を与えるための流体圧を調節するための第１の流体圧調節機構と、
前記トップリングの周囲に上下動自在に配置される前記研磨布を押圧するためのガイドリングと、
前記ガイドリングに押圧力を与えるための流体圧を調節するための第２の流体圧調節機構と、
前記ガイドリングに押圧力を与えるために該ガイドリングと前記第２の流体圧調節機構との間に設けられたガイドリング押えとを有することを特徴とするポリッシング装置。
【請求項３】
前記第１の流体圧調節機構及び第２の流体圧調節機構に接続される流体源を有することを特徴とする請求項２記載のポリッシング装置。
【請求項４】
上面に研磨布を貼ったテーブルと、
酸化膜を有するポリッシング対象物を保持するトップリングと、
前記ポリッシング対象物に押圧力Ｆ1を与えるための第１の流体圧を調整する第１のレギュレータと、
前記トップリングの周囲に上下動自在に配置されて前記研磨布を押圧するガイドリングと、
前記ガイドリングに押圧力Ｆ2を与えるための第２の流体圧を調整する第２のレギュレータを備え、
前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記第１の流体圧と前記第２の流体圧は、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりも前記ガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すように前記第１のレギュレータと前記第２のレギュレータにより調整されることを特徴とするポリッシング装置。
【請求項５】
上面に研磨布を貼った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押圧し、研磨するポリッシング方法であって、
前記トップリングに前記ポリッシング対象物を保持したまま該トップリングをトップリングシャフトの軸中心に回転させ、調節された第１の流体圧を第１の押圧機構に供給してポリッシング対象物を前記研磨布に対して押圧し、
前記第１の流体圧と独立に調整された第２の流体圧を第２の押圧機構に供給し、該第２の押圧機構と前記ガイドリングとの間に設けられたガイドリング押えを介して、ガイドリングを前記研磨布に対して押圧することを特徴とするポリッシング方法。
【請求項６】
上下動自在に配置されたガイドリングの内側に配置され、ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する、弾性を有する弾性マットを有し、
ガイドリング押えを介して前記ガイドリングを前記研磨布に対して押圧する押圧手段とは独立に、研磨布に対して押圧する押圧手段によって下方に押圧されるようにされたトップリングを用いてポリッシング対象物をポリッシングする方法において、
前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりもガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すようにしたことを特徴とするポリッシング方法。
【請求項７】
上下動自在に配置されたガイドリングの内側に配置され、ポリッシング対象物の上面と接して該ポリッシング対象物を均一に押圧する、弾性を有する弾性マットと、
トップリングを軸中心に回転させるためのトップリングシャフトと、
前記トップリングシャフトと接合するボールとを有し、
前記ガイドリングを前記研磨布に対して押圧する押圧手段とは独立に、研磨布に対して押圧する押圧手段を有するトップリングを用いてポリッシング対象物をポリッシングする方法において、
前記ポリッシング対象物を研磨する際、前記ポリッシング対象物への押圧力Ｆ1よりもガイドリングへの押圧力Ｆ2を小さくして、前記ポリッシング対象物の周縁部の研磨量を該ポリッシング対象物の内部側より少なくして該ポリッシング対象物の周縁部の酸化膜を厚く残すようにしたことを特徴とするポリッシング方法。
【請求項８】
前記トップリングと前記ガイドリングとが、一体に上下動および回転することができるように構成されたことを特徴とする請求項６又は７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９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２０１０１５（Ｐ２０１１−２０１０１５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５８７９７（Ｐ２０１１−１５８７９７）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【分割の表示】特願２００８−１６１０８１（Ｐ２００８−１６１０８１）の分割
【原出願日】平成８年２月１４日（１９９６．２．１４）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【分割の表示】特願２００８−１６１０８１（Ｐ２００８−１６１０８１）の分割
【原出願日】平成８年２月１４日（１９９６．２．１４）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]