JP3663348B2

JP3663348B2 - 研磨装置及び研磨方法

Info

Publication number: JP3663348B2
Application number: JP2000291728A
Authority: JP
Inventors: 真松尾; 克尚竹原; 道男長田
Original assignee: Towa Corp
Current assignee: Towa Corp
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: US20020037685A1; EP1193032A2; JP2002103211A; EP1193032A3; US6712674B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学的機械研磨）によって、シリコン基板等の被研磨基板を研磨する、研磨装置及び研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板等の半導体基板（以下、基板という。）において、埋込み配線や層間絶縁膜が形成された状態では、基板表面に凹凸が存在している。近年のパターンの微細化に伴い、基板表面に凹凸が存在したまま工程を進めると、段差による上層配線のパターン切れや、レジストパターン形成の際の露光工程におけるデフォーカス（焦点ぼけ）が発生して、歩留りが著しく低下する。そこで、従来、これらの問題を防止するために、基板表面を平坦化する目的でＣＭＰと呼ばれる研磨方式が使用されている。
この方式を、図４を参照して説明する。図４（１）〜（３）は、従来の研磨装置及び研磨方法によって基板が研磨される際における研磨パッドと基板との間の位置関係を、単位時間の経過とともに時系列的に示す平面図である。図４において、定盤（図示なし）に固定された研磨パッド１００は、定盤用軸心Ａを中心にして回転する。研磨パッド１００の上面には、シリカ等の砥粒を含有するスラリーと呼ばれる液体（図示なし）が供給されている。そして、吸着等によって保持された基板１０１を、基板用軸心Ｂを中心にして回転させながら研磨パッド１００に押圧することによって、基板表面の被研磨物を研磨する。ＣＭＰでは、それぞれスラリーに含まれる、ＫＯＨ水溶液等の薬液による化学反応と砥粒による機械的研磨とを併用することによって、基板表面の平坦化を図っている。なお、通常、研磨パッド１００の回転数を、基板１０１の回転数よりも大きくなるように設定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の研磨においては、平坦化する際の研磨速度を増加させること、すなわち、単位時間あたりに除去される被研磨物の厚さを大きくすることが困難である。以下、図４に示された基板１０１の表面における微小領域Ｑを例にとって説明する。
【０００４】
この研磨速度は、基板１０１の表面に形成された膜の材質に対する薬液及び砥粒の特性と、微小領域Ｑと研磨パッド１００とが単位時間あたりに接触する面積（以下、「接触面積」という。）とに依存する。したがって、それぞれ研磨パッド１００及び基板１０１の回転数を増加させれば、接触面積が大きくなるので、研磨速度は増加する。
ところで、研磨パッド１００の特定の砥粒に着目すると、基板１０１の回転方向に対してその砥粒が接触する方向は限定されている。例えば、研磨パッド１００の外周に近い仮想的な円弧１０２上に存在する砥粒は、基板１０１の回転方向に対して、５時方向（矢印Ｒに対して矢印Ｓの方向），６時方向，７時方向（矢印Ｔに対して矢印Ｕの方向）のように振れながらこれらの方向から接触する。また、同様に、研磨パッド１００の外周と中心との中間の仮想的な円弧１０３上に存在する砥粒は、４時方向（矢印Ｖに対して矢印Ｗの方向），６時方向，８時方向のように振れながらこれらの方向から接触する。また、同様に、研磨パッド１００の中心に近い仮想的な円弧１０４上に存在する砥粒は、２時方向（矢印Ｘに対して矢印Ｙの方向），１２時方向，１０時方向のように振れながらこれらの方向から接触する。このように各砥粒は、基板１０１の回転方向に対してそれぞれ特定の範囲の方向からしか接触しない。言い換えれば、研磨パッド１００の仮想的な円弧１０２，１０３，１０４上に存在する砥粒の各々は、基板１０１の各微小領域によって一定の範囲の方向から接触される。したがって、個々の砥粒が偏摩耗しやすいので、それぞれ研磨パッド１００及び基板１０１の回転数を増加させても、研磨速度はやがて増加しなくなる。
【０００５】
更に、図４（１）から図４（３）に至るまでに、微小領域Ｑは研磨パッド１００に対して、基板用軸心Ｂを中心とした単純な円弧を描いて、緩やかに移動するにすぎない。言い換えれば、研磨パッド１００上において、基板１０１の各微小領域が円弧状の軌道を描いて緩やかに移動することになる。したがって、研磨パッド１００の上面において、その面から脱落した砥粒の破片や、基板１０１の表面から除去された破片等により目詰まりが発生した場合には、基板１０１の各微小領域が円弧状に移動することから、その目詰まりが除去されにくくなる。これにより、研磨速度の増加が困難になる。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、研磨速度を増加させる研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の技術的課題を解決するために、本発明に係る研磨装置は、定盤用回転軸によって回転する研磨パッドの上面にスラリーが供給された状態で、基板用回転軸によって回転する被研磨基板を研磨パッドに所定の圧力で押圧することにより被研磨基板の表面を研磨する研磨装置であって、定盤用回転軸の定盤用軸心と基板用回転軸の基板用軸心との少なくともいずれか一方を、各々対応する所定の偏心軸心の回りに回転させる回転機構を備えるとともに、偏心軸心の回りを回転する角速度が被研磨基板が回転する角速度よりも大きくなるように設定され、かつ、被研磨基板において平面視した場合における軌跡がらせん状になる領域が存在することを特徴とする。
【０００８】
これによれば、研磨パッド上において、被研磨基板が有する微小領域の移動距離、ひいては微小領域と研磨パッドとの接触面積が増加する。
また、研磨パッドが有する各砥粒は、被研磨基板が有する微小領域によって、従来の研磨よりも様々な方向から接触される。これにより、まず、各砥粒の偏摩耗が防止される。次に、研磨パッドの上面において、その面から脱落した砥粒の破片や、被研磨基板の表面から除去された破片等により発生した目詰まりが、除去されやすくなる。
また、基板用軸心を中心とした自転よりも大きい角速度で、研磨パッドと被研磨基板との少なくとも一方が、偏心軸心を中心として公転することにより、被研磨基板において平面視した場合における軌跡がらせん状になる領域が存在するようにする。したがって、研磨パッドと被研磨基板との間において、スラリーが効率よくかつ一様に拡散される。
【０００９】
上述の技術的課題を解決するために、本発明に係る切断方法は、定盤用回転軸によって回転する研磨パッドの上面にスラリーを供給し、基板用回転軸によって被研磨基板を回転させるとともに、該被研磨基板を研磨パッドに所定の圧力で押圧することにより被研磨基板の表面を研磨する研磨方法であって、定盤用回転軸の定盤用軸心と基板用回転軸の基板用軸心との少なくともいずれか一方を、各々対応する所定の偏心軸心の回りに回転させる工程を備えるとともに、偏心軸心の回りを回転する角速度を被研磨基板が回転する角速度よりも大きくし、かつ、被研磨基板において平面視した場合における軌跡がらせん状になる領域を設けることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、研磨パッド上において、被研磨基板が有する微小領域の移動距離、ひいては微小領域と研磨パッドとの接触面積を増加させることができる。
また、研磨パッドが有する各砥粒に、被研磨基板が有する微小領域を、従来の研磨よりも様々な方向から接触させることになる。これにより、まず、各砥粒の偏摩耗を防止することができる。次に、研磨パッドの上面において、その面から脱落した砥粒の破片や、被研磨基板の表面から除去された破片等により発生した目詰まりを、除去しやすくなる。
また、基板用軸心を中心とした自転よりも大きい角速度で、研磨パッドと被研磨基板との少なくとも一方を、偏心軸心を中心として公転させることにより、被研磨基板において平面視した場合における軌跡がらせん状になる領域を設ける。したがって、研磨パッドと被研磨基板との間において、スラリーを効率よくかつ一様に拡散させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る研磨装置及び研磨方法を、図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明に係る研磨装置の構成を示す斜視図である。図１において、定盤１の上には、研磨パッド２が貼付されている。そして、定盤１は、定盤用軸心Ａを中心として回転する定盤用回転軸３によって回転する。スラリー用配管４は、スラリー５を研磨パッド２上に滴下する。基板保持機構６は、例えば吸着によって基板７を保持するとともに、基板用回転軸８によって基板用軸心Ｂを中心として回転する。回転機構９は、基板用軸心Ｂを中心として基板用回転軸８を回転させるとともに、偏心軸心Ｃを中心として基板用軸心Ｂ自体を回転させる。
【００１２】
図２は、図１の研磨装置について、特に回転機構の構成を示す正面図である。図２において、基板用回転軸８は、ユニバーサルジョイント１０を介して、基板回転用モータＭ１の回転軸に接続されている。プーリーＰ１は基板用回転軸８に偏心して固定され、プーリーＰ２は偏心回転用モータＭ２の回転軸に中心を合わされた状態で固定されている。プーリーＰ１とプーリーＰ２とは、ベルト１１を介して連結されている。プーリーＰ１，プーリーＰ２，ユニバーサルジョイント１０，ベルト１１，基板回転用モータＭ１，偏心回転用モータＭ２は、回転機構９を構成する。
【００１３】
図２の研磨装置の動作を説明する。基板回転用モータＭ１の回転軸が回転するのに伴い、ユニバーサルジョイント１０を介して、基板用回転軸８が基板用軸心Ｂを中心として回転する。このことにより、基板保持機構６に保持された基板７が、基板用軸心Ｂを中心として回転する。
一方、偏心回転用モータＭ２の回転軸が回転するのに伴い、プーリーＰ２，ベルト１１を順次介して、プーリーＰ１が偏心軸心Ｃを中心として回転する。このことにより、基板用回転軸８の基板用軸心Ｂは、偏心軸心Ｃを中心として回転する。ここで、基板用軸心Ｂが偏心軸心Ｃを中心として回転する際の角速度は、基板用回転軸８が基板用軸心Ｂを中心として回転する際の角速度よりも大きくなるように設定されている。したがって、基板保持機構６に保持された基板７は、基板用軸心Ｂを中心として自転しながら、その自転よりも大きい角速度で偏心軸心Ｃを中心として公転することになる。
【００１４】
図３（１）〜（６）は、本発明に係る研磨装置及び研磨方法によって基板が研磨される際における研磨パッドと基板との間の位置関係を、単位時間の経過とともに時系列的に示す平面図である。図３（１）に示されるように、研磨パッド２は定盤用軸心Ａを中心として回転する。ここで、符号Ｐは、研磨パッド２が回転している状況を示すために付された、仮想的な符号である。
【００１５】
以下、図３（１）〜（６）を参照して、単位時間の経過とともに、基板７における微小領域Ｑが移動する状況を説明する。ここで、研磨パッド２は、単位時間あたりに、定盤用軸心Ａを中心としてπ／４ｒａｄ（＝４５°）だけ回転するように設定されている。また、基板７は、それぞれ単位時間あたりに、基板用軸心Ｂを中心としてπ／１２ｒａｄ（＝１５°）だけ回転するとともに、偏心軸心Ｃを中心としてπ／２ｒａｄ（＝９０°）だけ回転するように設定されている。
【００１６】
まず、図３（１）から図３（２）に移行する間に、基板７における微小領域Ｑは、図３（２）に示された太い破線のように移動する。以下、微小領域Ｑは順次移動して、図３（６）に移行するまでには、図３（６）に示された太い破線のようにらせん状に移動する。
【００１７】
ここで、図３（１）の状態から、基板７が偏心軸心Ｃを中心として１回転だけ公転した時点、すなわち図３（５）に示された時点において、微小領域Ｑの軌跡を考える。本発明によれば、微小領域Ｑは、図３（５）の太い破線のように移動する。その後に、微小領域Ｑは、図３（６）に示された太い破線のようにらせん状に移動する。一方、従来の研磨、すなわち基板７が基板用軸心Ｂを中心とした自転のみを行う場合には、微小領域Ｑは、図３（５）の細い矢印のように円弧状に移動する。これらの太い破線と細い矢印とを比較すれば明らかなように、本発明によれば次のような特徴がある。
第１に、微小領域Ｑの移動距離、ひいては、微小領域Ｑと研磨パッド２との接触面積が増加する。したがって、研磨速度が増加する。
第２に、微小領域Ｑは、研磨パッド２が有する各砥粒に対して、従来の研磨よりも様々な方向から接触する。このことにより、まず、各砥粒の偏摩耗が防止される。次に、研磨パッド２の上面において、その面から脱落した砥粒の破片や、基板７の表面から除去された破片等により発生した目詰まりが、除去されやすくなる。したがって、研磨パッド２の上面において、砥粒の偏摩耗が防止されるとともに目詰まりが抑制されるので、研磨速度が増加する。
第３に、研磨パッド２の上において、基板用軸心Ｂを中心とした自転よりも大きい角速度で偏心軸心Ｃを中心として公転する基板７の微小領域Ｑが、図３（６）に示された太い破線のようにらせん状に移動する。このことにより、スラリー５を効率よくかつ一様に拡散させる。したがって、基板７の各領域に新しい砥粒と薬液とが効率よく供給されるので、研磨速度が増加する。
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、微小領域Ｑと研磨パッド２との接触面積が増加する。また、研磨パッド２上の砥粒の偏摩耗が防止される。また、研磨パッド２の目詰まりが抑制される。更に、基板７の各領域に新しい砥粒と薬液とが効率よく供給される。これらのことによって、研磨速度を増加させることができる。
【００１９】
なお、ここまでの説明では、基板用回転軸８の軸心である基板用軸心Ｂを、偏心軸心Ｃの回りに回転させた。これに代えて、定盤用回転軸３の軸心である定盤用軸心Ａを所定の偏心軸心の回りに回転させてもよい。また、基板用軸心Ｂと定盤用軸心Ａとの双方を、それぞれ対応する偏心軸心の回りに回転させることもできる。いずれの場合においても、研磨速度を増加させるという効果を奏する。
【００２０】
また、被加工物は、埋込み配線や層間絶縁膜が形成されたシリコン基板に限らず、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、化合物半導体基板、ガラス基板、セラミック基板等であってもよい。更に、埋込み配線や層間絶縁膜等の膜が形成される以前の上述の基板類に対して、本発明を適用することもできる。
【００２１】
また、偏心軸心の回りの回転運動を真円回転としたが、これに限らず、楕円回転でもよい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、研磨パッド上において、被研磨基板が有する微小領域の移動距離、ひいては微小領域と研磨パッドとの接触面積が増加する。
また、被研磨基板が有する微小領域は、研磨パッドに対して、従来の研磨よりも様々な方向から接触する。これにより、研磨パッドの上面において、砥粒の偏摩耗が防止されるとともに、研磨パッドの上面から脱落した砥粒の破片や、被研磨基板の表面から除去された破片等により発生した目詰まりが、除去されやすくなる。
また、基板用軸心を中心とした自転よりも大きい角速度で、研磨パッドと被研磨基板との少なくとも一方が、偏心軸心を中心として公転する。したがって、研磨パッドと被研磨基板との間において、スラリーが効率よくかつ一様に拡散される。
これらのことにより、本発明は、研磨速度を増加させる研磨装置及び研磨方法を提供できるという、優れた実用的な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る研磨装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の研磨装置について、特に回転機構の構成を示す正面図である。
【図３】（１）〜（６）は、本発明に係る研磨装置及び研磨方法によって基板が研磨される際における研磨パッドと基板との間の位置関係を、単位時間の経過とともに時系列的に示す平面図である。
【図４】（１）〜（３）は、従来の研磨装置及び研磨方法によって基板が研磨される際における研磨パッドと基板との間の位置関係を、単位時間の経過とともに時系列的に示す平面図である。
【符号の説明】
１定盤
２研磨パッド
３定盤用回転軸
４スラリー用配管
５スラリー
６基板保持機構
７基板（被研磨基板）
８基板用回転軸
９回転機構
１０ユニバーサルジョイント
１１ベルト
Ａ定盤用軸心
Ｂ基板用軸心
Ｃ偏心軸心
Ｍ１基板回転用モータ
Ｍ２偏心回転用モータ
Ｐ１，Ｐ２プーリー
Ｑ微小領域

Claims

定盤用回転軸によって回転する研磨パッドの上面にスラリーが供給された状態で、基板用回転軸によって回転する被研磨基板を前記研磨パッドに所定の圧力で押圧することにより前記被研磨基板の表面を研磨する研磨装置であって、
前記定盤用回転軸の定盤用軸心と前記基板用回転軸の基板用軸心との少なくとも一方を、各々対応する所定の偏心軸心の回りに回転させる回転機構を備えるとともに、
前記偏心軸心の回りを回転する角速度が前記被研磨基板が回転する角速度よりも大きくなるように設定され、かつ、前記被研磨基板において平面視した場合における軌跡がらせん状になる領域が存在することを特徴とする研磨装置。
定盤用回転軸によって回転する研磨パッドの上面にスラリーを供給し、基板用回転軸によって被研磨基板を回転させるとともに、該被研磨基板を前記研磨パッドに所定の圧力で押圧することにより前記被研磨基板の表面を研磨する研磨方法であって、
前記定盤用回転軸の定盤用軸心と前記基板用回転軸の基板用軸心との少なくとも一方を、各々対応する所定の偏心軸心の回りに回転させる工程を備えるとともに、
前記偏心軸心の回りを回転する角速度を前記被研磨基板が回転する角速度よりも大きくし、かつ、前記被研磨基板において平面視した場合における軌跡がらせん状になる領域を設けることを特徴とする研磨方法。