JPH02199832A - ウエーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は研磨時における研磨布表面の温度の制御及びそ
の分布の均一さを実現し、よって半導体ウェーハ表面を
高平坦度に鏡面仕上げを行う為の研磨装置に係り、特に
研磨剤を介して前記ウェーハ表面を摺擦する研磨布表面
の冷却のための冷却手段又は／および加熱手段を配した
研磨装置に関する。

「従来の技術」 従来より、ダイオード、トランジスタ、ＩＣ（集積回路
）、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体装置を製造す
る為の基体となるべき半導体ウェーハは、シリコン、ゲ
ルマニウム等の半導体単結晶インボッＦをスライスして
ウェーハ化した後、更にラッピング並びにエツチングを
行い、次いでその少なくとも一側表面をいわゆるメカノ
ケミカルボリジング法と呼ばれる研磨方法（Ｉｌ械的研
磨と化学研磨を組み合わせた研磨方法）に基づいて鏡面
研磨する事により形成される。

かかる研磨装置は例えば第１図に示す（第１図に示す装
置は本発明の実施例であるが、従来技術を説明する為に
参考的に利用するものである。）ように、研磨布２が貼
設され外部よりの駆動力を受けて回転するターンテーブ
ルｌと、研磨布２を介して該テーブルｌ上に位置し、下
面に−又は複数の半導体ウェーハ５を固定させたプレー
ト３と、該プレート３の上面側より押圧力を付勢するヘ
ッド部４とからなり、スラリー管５とターンテーブルｌ
の回転により生じる遠心力を利用して前記研磨布２上に
５ｉ０２等の砥粒を含む液状化学研磨剤７を分散させな
がら、半導体ウェーハ５と研磨布２　（研磨剤７）間の
摺擦運動によりメカノケミカルボリジングを行うように
構成しているが、前記ウェーハ５を精度よくボリシング
する為には、前記テーブル１の平面度、ウェーハ５の品
質、研磨＄２の物性等に影響を与える加工温度を一定に
する必要がある。

この為公知の装置においては、前記ターンテーブルｌ内
に内部通路Ｂを設け、該通路内に流量及び温度制御され
た冷却液６ａを還流させつつ、前記研磨布面上に分散さ
れる研磨剤７の温度を制御する車により前記加工時にお
ける温度変動を極力抑制するとともに、更に前記テーブ
ル１表面の高平坦度化と内部通路６の形成の容易化を図
る為に。

該テーブルｌを前記内部通路８形成位置を境にして高平
坦な上面を有する定盤８と該定盤８を剛性的に支持する
定盤受８とから構成し、両者を螺子等により一体的に固
定させている。

そして前記定盤受８と定盤８とは熱歪による平坦度不良
を極力防止する為に熱膨張率がほぼ一致する材料で形成
するとともに、該定盤８の上面形状は、冷却液８ａ温度
とほぼ同等な常温下においては僅かに凸或いは凹面状に
なるように構成し、前記ウェーハ５の摺擦による摩擦熱
によりほぼ加工温度まで上昇した際に上面形状が平坦に
なるように構成している。

「発明が解決しようとする問題点」 さて前記研磨布２はウェーハ５により全面均一に摺擦さ
れるのではなく、研磨負荷が不均等であるため加工熱の
蓄積量従って研磨布表面の温度分布が不均一となり、結
果としてウェーハ平坦度不良の原因となる。

したがってチップ上に形成される半導体素子の微細化、
高集積化に伴い、ウェーハ５３表面の平坦度、平行度等
の表面仕上げ精度がサブミクロン以下に設定されつつあ
る現況下においては、前記のような微小な平坦不良まで
考慮して研磨装置の設計を行う必要がある。

従来より、加工熱を除去するため前記定９１８を熱伝導
率の大なる材料で形成したり、又前記定盤８背面側を貫
流する冷却液６ａの奪熱エネルギー量（流量又は加工温
度との温度差）を大にする等の手段で前記欠点の解消を
計る試みがなされているが、下記の理由により必ずしも
好ましい結果が得られていない。

即ち前者の方法では定盤８自体の均熱化は達成されるが
、定盤８表面に貼設されている研磨布２は不織布又は樹
脂系材料で形成され１而も該研磨布２に微小空隙が多数
内蔵されている為に断熱効果が大であり、前記欠点の解
消にはつながらない。

更に、ウェー／１５を保持するプレート３の背面側より
冷却液８ａ等により熱除去を行う、いわゆる加工熱が発
生する部分のみを局所的に冷却する装置も存在するが、
かかる装置においても前記欠点の解決は出来ない。

これら従来の技術では、温度分布が均一とならないばか
りではなく、加工熱の除去を定盤あるいはプレート背面
を冷却して行っているため、それらを貫いて熱流を生じ
せしめるため表面と裏面の温度は異なり、この温度差に
起因して熱的歪を生じる。定盤並びにプレートは平坦な
ウェーハを得るときの基準面であるので、この基準面が
歪めば平坦なつ゛ニー八は得られない。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、定盤表面上及び
定盤表面上に貼設された研磨布の表面熱分布の不均一性
に起因する平坦度不良を防止し。

サブミクロン単位の仕上げ精度を実現し得る研磨装置を
提供する事を目的とする。

本発明の他の目的とする所は、簡単な構成にて極めて高
精度なウェーハの平坦度加工が可能な研磨装置を提供す
る事にある。

「問題点を解決しようとする手段」 請求項１）に記載の本第１発明は、前記従来技術のよう
に定盤８又はプレート３の背面側より研磨布２上に蓄積
された加工熱を除去せんとするものではなく、又定盤Ｂ
全体を冷却又は加熱せんとするものではなく、研磨布の
表面自体を直接冷却するとともに′、更に該研磨布の表
面の内、加工熱が発生した部位のみを局所的に冷却する
本により、前記目的を達成せんとするもので、その特徴
とする所は第１図波歪第３図に示すように、■前記研磨
布２上のウェーハが摺擦される部位上に直接奪熱エネル
ギが作用可能に研磨布上の所定個所に冷却手段２１，２
５．２８を配した点、■これにより前記研磨布上におけ
るウェーハ摺擦や前記冷却手段２１，２５．２８よりの
摺擦等に起因する加工熱の除去を図り、研磨布表面の温
度分布の不均一性を極力低減させた点 を構成要件とするものである。

このような構成は、例えば回転可能な円板定盤に研磨布
が貼設されている場合において、その研磨布上に配置さ
れる。ウェーハを保持する研磨ステーション３０と、該
ウェーハ研磨時に発生する加工熱を除去する冷却ステー
ション２０を、定盤の回転軸を中心としてその周方向の
対称位置に配置する事により容易に達成される。

かかる構成によれば、加工熱が発生した部位２Ａのみを
直接的に冷却する為に熱除去効果が高く、速やかに加工
熱を除去する事が可能であり、この結果定盤表面上に貼
設された研磨布表面の温度分布が均一となるため、該研
磨布の局所的な熱分布差から起因するうねり等高平坦度
研磨を妨げる要因を防止出来、高平坦度の研磨加工が可
能である。

この際好ましくは、前記冷却ステーション２０より研磨
布上に付与される除熱効果が、研磨圧、回転速度その他
の研磨条件の変動に対応して可変可能に構成する事によ
り前記効果が一層向上する。

更に前記冷却２１，２５．２８の冷却媒体には、培体、
又は気体のいずれを用いてもよいが、例えば前記冷却手
段２１の冷却媒体に圧力気体を用いる場合は、該気体を
研磨体上に噴射させながら、研磨布中に湿潤している液
状研磨剤中の水分を蒸発させ、この時奪われる蒸発潜熱
により冷却し、温度制御を行う。

尚、前記冷却手段２Ｂの冷却媒体として、加工温度に冷
却した液状研磨剤７を用いる場合は、研磨剤を噴流状で
研磨布表面に吹きつけ、研磨布空隙に保持されている加
工熱により高温となった研磨剤を冷却された研磨剤で置
換することにより冷却を行う、この方法では、常にフレ
ッシュな研磨剤によりウェーハの研磨ができる゛という
付随効果もある。

さて前記第１発明は、圧力気体中の不純物により研磨剤
が汚染されることの防止のため、圧力気体の浄化が必要
であること、あるいは液状研磨剤が研磨布に吹きつけら
れる際発生する飛沫に起因する作業環境汚染防止が必要
である等の不都合がある。

かかる欠点がなく、前記発明と同じ効果、即ち研磨で発
生する加工熱による研磨布表面温度分布の不均一性を無
くすために、研磨布表面の低温域を加熱手段から熱輻射
で加熱する車を特徴とする研磨装置を請求項２）にて提
案する。これを第２の発明とする。

この場合前記加熱手段も４０の加熱領域や熱量も調整可
能に構成するのがよく、例えばヒータの輻射熱加熱コン
トロール板を介して研磨布上に照射可能に構成する事に
より温度分布差の改善を一層進める事が出来、これによ
り一暦高精度なウェーハの平坦度加工が可能となる。

尚２請求項３）に記載した発明は、主として前記第１発
明と第２発明を組み合わせたものであり、前記両発明の
作用効果を有する。この場合（冷）熱エネルギとは冷却
、加熱の両エネルギを含むものである。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に
詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている
構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に
特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

第１図は本発明の第１実施例に係る研磨装置を示す正面
断面図である。

ターンテーブルｌは前記したように高平坦な上面に研磨
布２が貼設された定盤８と該定盤８を剛性的に支持する
定盤受８とを螺子等により一体的に固定させて構成する
とともに、該定盤受９の下方軸線上に設けた回転軸１１
を中心として外部駆動により回転可能に構成している。

そして前記定ｆｆ１８と定盤受ｅは熱伝導率が良好で且
つ熱膨張率の類似する金属材料で形成するとともに、前
記定ｇ１８の背面側に、回転軸ｌｌ側部に設けた冷却液
８ａ導入出口１２．１３を介して冷却液６ａを環流させ
る内部通路Ｂを形成し、前記定盤８の背面側より熱除去
を行っている。

又前記ターンテーブル！の軸線上には研磨布２１面に開
口するスラリー管５が貫設され、該テーブルｌの回転に
より遠心力の作用によりスラリー管５より導入された液
状研磨剤７が研磨布２上に分散可能に構成する。尚前記
研磨剤７にはアルカリ水溶液にシリカを懸濁したものを
用いている′。

一方前記ターンテーブル！上面には、ウェーハ５を保持
する研磨ステーション３０と、前記ウェーハ５研磨時に
発生する加工熱を除去する冷却ステージ、ン２０を、定
ｆ１１８の回転軸１１を中心としてその周方向の対称位
置に配置している。

研磨ステージ票ン３０は前記したように、ウェーハ５を
高平坦状に保持するプレート３と該プレート３の背面側
に取付けられたマウントヘッド４よりなり、該ヘッド塩
は上方より所定押圧力を付勢しながら回転軸１１を介し
て前記定盤８と同期させて同一回転数で回転可能に構成
するとともに、プレート３の背面側に１通路を介して冷
却液が循環する内部空隙４０を設は研磨時に発生した熱
除去するように構成している。

冷却ステージ重ン２０は、研磨布２上方に位置するエア
ーノズル２１と該ノズル２１に供給する圧力空気の圧力
を調整する調整弁２２と、該調整弁２２の下流側に位置
し、所定圧力に調整された圧力空気を所定温度に冷却制
御する冷却器２３．研磨圧、回転速変更には研磨ステー
ション３０通過後の研磨布の表面温度に対応させて、前
記調整弁２２の開閉度を制御するマイクロプロセッサ−
２４及び圧力源２８から構成する。

そして前記エアーノズル２１より研磨圧や回転速度に対
応させて圧力調整され、且つ所定温度に冷却制御された
圧力空気を研磨布２面に向は噴射する事により該圧力空
気による顕熱冷却とともに２該圧力空気が研磨布２上に
湿潤している研磨剤中の水分を蒸発させ、その時奪われ
る蒸発潜熱により加工熱の除去を行うよう構成している
。

そして本発明者は上記構成の装置を用いて未発明の確認
実験を行ってみた所、エアーノズル２１より圧力空気を
吹き付けた場合と吹き付けない場合とでは、第４図に示
すように平坦度が大幅へ向上する事が確認された。

本実施例では、研磨布表面に吹き付けられた空気は、室
温で且つその流量は１８０１　／ｗｉｎであった。エア
ーノズル２１のノズル位置は研磨布から１０ｃｍの高さ
に置かれ、噴射空気は直径１５ｃ■の範囲で均一に拡が
るようノズルの形状を工夫した。研磨布表面上の温度分
布は、空気吹き付けによって温度分布が著しく改善され
ることがわかった。これを図に示す、この温度分布改善
の効果は、上述の第４図の研磨ウェーハの平坦度の大巾
向上と密接な関連がある。

尚、前記冷却ステーション２０には、前記エアーノズル
２１の他に、第２図に示すように内部に冷却液２５ａが
環流する金属製の筒体２５を直接研磨布２面上に当接さ
せて冷却させるよう構成してもよい。

更には、研磨布２上方に赤外線ランプを配して、研磨布
表面の低温度域に熱を付与してもよい。

この場合、前記定５１８との間に赤外線ランプ４０より
の輻射熱の加熱領域を任意に調整可能な加熱領域コント
ロール位！ｔ４１を介在させる事、或いは電気的に赤外
線の強度を制御することにより、前記温度分布差の緩和
を一層進める事が出来、これにより一層高精度なウェー
ハ５の平坦度加工が可能となる。

第３図は研磨剤自体を冷却媒体として利用した他の実施
例である。

本実施例においては、前記定盤８中心軸上にスラリー管
５を設置すずに、前記冷却ステーション２゜と対応する
定盤８上方位置に研磨剤の噴出ノズル２８を取付け、該
噴出ノズル２８を利用して所定温度に冷却した研磨剤７
を直接研磨布２上に噴出させて衝突させるように構成し
ている。

かかる実施例によれば、研磨剤７自体の噴出圧力により
研磨布２内に空隙に保持されている加工熱により温度の
上昇した研磨剤が冷却されたフレッシュな研磨剤により
置換されることにより、加工熱の除去が行われる。又、
本実施例は冷却媒体として機能する圧力流体に液状研磨
剤７自体を用いている為に、該圧力流体を直接研磨布２
上に噴出させた場合でも研磨剤７の組成比が変化する事
なく好ましい。

尚前記研磨剤の置換を容易にするには２前記研磨布２と
して多孔質シートを用いるのが有利であり、このような
研磨布２としては不織布、高分子エラストマーを主体と
して微小連続気泡を形成した樹脂バット等を用いる事が
出来る。

「発明の効果」 以上記載した如く本発明によれば研磨布上の所定個所に
直接（冷）熱エネルギを作用する事により該研磨布表面
の温度分布の不均一性を極力低減させる事が出来、特に
研磨布自体を直接冷却する事により、モして該研磨布の
内、加工熱が発生した部位のみを局所的に冷却する事に
より、定盤及び定盤表面上に貼設された研磨布の局所的
な熱分布差に起因する平坦度不良を防止し、高精度なウ
ェーハの平坦度加工が可能となる為に、サブミクロン単
位の仕上げ精度を実現し得る研磨装置を提供する事が出
来る等の種々の効果を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）　（Ｂ）及び第２図（Ａ）　（Ｂ）は請求
項２）に記載した発明の実施例に係る研磨装置を示す概
略断面図と平面図である、又第３図は請求項３）に記載
した発明の実施例に係る研磨装置を示す概略図である。 第４図（Ａ）ＣＢ）は本発明の効果を確認する為のグラ
フ図で（Ａ）は温度分布、ＣＢ）はウェーハの平坦度状
況を示す。 特許出願人：信越半導体株式会社 第 図 （／Ｊ 第 図 第 図 （Ａ） 第４　図 （Ｂ） つｆ−ハ上の（立置［ｍ′ｒＩＬ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）研磨布上を周期的に相対移動させながらその摺擦運
   動により半導体ウェーハの研磨を行う研磨装置において
   、前記研磨布のウェーハが摺擦される部位において奪熱
   可能に研磨布上の所定個所に冷却手段を配し、これによ
   り研磨布上の高温域を直接奪熱しながら該研磨布表面の
   温度分布の 不均一性を極力低減させた事を特徴とする研磨装置 ２）研磨布上を周期的に相対移動させながらその摺擦運
   動により半導体ウェーハの研磨を行う研磨装置において
   、前記研磨布上の所定個所に加熱手段を配し、これによ
   り研磨布上の低温域に直接熱付与しながら該研磨布表面
   の温度分布の不均一性を極力低減させた事を特徴とする
   研磨装置 ３）研磨布上を周期的に相対移動させながらその摺擦運
   動により半導体ウェーハの研磨を行う研磨装置において
   、前記研磨布上の所定個所に、冷却手段と加熱手段を配
   し、研磨布のウェーハが摺擦される部位又はその近傍で
   冷却または加熱を可能に構成した事を特徴とする研磨装
   置。 ４）前記冷却手段及び加熱手段より研磨布上に付与又は
   除去される熱エネルギー量が、研磨圧、回転速度その他
   の研磨条件の変動に対応して可変可能に構成された請求
   項１）、２）又は３）項記載の研磨装置。 ５）前記冷却手段の冷却作用が液状研磨剤を用いて行わ
   れ、該研磨剤を研磨布上に噴出させ研磨布空隙に保持さ
   れている研磨剤を置換する事を特徴とする請求項１）又
   は３）項記載の研磨装置。 ６）前記冷却手段の冷却作用媒体として圧力気体を用い
   、該気体を研磨布上に噴出させながら、研磨布中に含浸
   している液状研磨剤の蒸発潜熱により冷却することを特
   徴とする請求項１）又は３）項記載の研磨装置。 ７）前記加熱手段にヒータを用い、該ヒータの輻射熱が
   加熱領域コントロール板を介して研磨布上に照射可能に
   構成した請求項２）又は３）項記載の研磨装置。