JP3942282B2

JP3942282B2 - ポリッシング方法及び装置

Info

Publication number: JP3942282B2
Application number: JP23499598A
Authority: JP
Inventors: 勇蔵森; 憲雄木村; 充彦白樫; 康當間; 明福永
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: JP2000052235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリッシング方法及び装置に関し、特に、半導体ウエハ、金属、セラミックス等の被研磨材を平坦かつ鏡面状に研磨するのに用いるポリッシング方法及び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、図５に示すように、上面に研磨クロス（研磨布）１０を貼り付けた研磨テーブル１２と、基板（半導体ウエハ）Ｗを保持しつつ研磨テーブル１２に押しつけるトップリング１４とを具備した化学・機械的研磨装置（ＣＭＰ）が用いられている。
【０００３】
このような構成の研磨装置において、トップリング１４の下面に基板Ｗを保持し、基板Ｗを回転している研磨テーブル１２の上面の研磨クロス１０に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル１６から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨クロス１０に研磨砥液Ｑが保持され、基板Ｗの研磨される面（下面）と研磨クロス１０の間に研磨砥液Ｑが存在する状態で研磨が行われる。スラリーとしては、例えばシリコンウエハを研磨する場合には、ＫＯＨ等でｐＨを調整したケミカル溶液中にシリカの微粒子等を分散させたものが用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の技術においては、研磨後のウエハの後洗浄を充分に行わなければならない、あるいは、スラリーや洗浄液の排液処理のための負荷が大きい等の課題があった。
【０００５】
本発明は、ケミカルの使用を抑制しつつ、研磨後のウエハの洗浄や排液処理の負荷を減少させ、かつ効率的に研磨を行なう方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被研磨材の被研磨面と、少なくとも一部にイオン交換体を含む通水性を有する研磨部材の研磨面との間に超純水、又は砥粒を懸濁させた純水を供給しつつ、前記被研磨面の近傍に所定の電界を形成して水中のイオンを前記被研磨面の近傍に偏在させながら前記被研磨面と前記研磨面を互いに接触させつつ相対移動させることにより、前記被研磨面を化学機械的に研磨することを特徴とするポリッシング方法である。
【０００７】
これにより、超純水中のＯＨ^-イオン又はＨ⁺イオンを前記被研磨面の近傍に偏在させ、ケミカルを用いることなしに、化学・機械的研磨を行なうことができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記イオン交換体は、水の解離を促進して前記被研磨面近傍のイオンを増加させることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング方法である。
【００１０】
研磨部材を、イオン交換膜と通常の研磨パッドで構成してもよいし、イオン交換不織布のようなイオン交換体を含む素材やイオン交換体からなる素材で形成してもよく、もしくはイオン交換膜の上にイオン交換不織布を取り付けることによりイオン交換膜のイオン偏在化作用をさらに助長するようにしても良い。このような素材は、研磨部材中のイオンの移動性を高めるので、イオンの移動に必要な電圧を大幅に低下させることができる。イオン交換不織布はそれ自身がＯＨ⁻イオン又はＨ^＋イオンを保持する機能を有するので、被研磨材面の近くに偏在したイオンを維持して処理速度を高める作用をも有する。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、研磨面を有し、少なくとも一部にイオン交換体を含む通水性を有する研磨部材と、被研磨材を把持し、被研磨材の被研磨面を前記研磨面に接触させる把持装置と、前記研磨部材及び把持装置を前記被研磨面と前記研磨面とを互いに接触させつつ相対移動させる移動手段と、前記研磨部材の研磨面及び前記被研磨部材の被研磨面の間に超純水、又は砥粒を懸濁させた純水を供給する超純水供給装置と、前記被研磨面の近傍の水中のイオンを偏在させる電界を形成する電界形成手段とを有することを特徴とするポリッシング装置である。
請求項４に記載の発明は、前記電界形成手段は、電圧を制御することにより前記被研磨面の近傍における水中のイオンの濃度を調整することを特徴とする請求項３記載のポリッシング装置である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記研磨部材は、イオン交換体からなる素材と、イオン交換膜が積層されていることを特徴とする請求項３又は４記載のポリッシング装置である。
【００１４】
【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１ないし図４に基づいて説明する。このポリッシング装置は、表面に研磨クロスを貼付したターンテーブル１２と、これに対向して配置されたトップリング（基板把持装置）１４とを有する点は図５に示す従来のポリッシング装置と同様である。
【００１５】
ターンテーブル１２及びトップリング１４にはこれらをそれぞれのシャフト周りに水平面内で回転させる駆動装置が設けられ、トップリング１４には真空吸着等の方法で基板を下面に保持する保持機構と、被研磨材である基板Ｗの下側被研磨面をターンテーブル１２の研磨クロス１０の面上に押し付ける押圧機構が設けられている。
【００１６】
ターンテーブル１２とトップリング１４の間には、トップリング１４側を正とする所定の電圧を付加する直流電源２０が設けられている。電源２０からの配線は、それぞれ摺動端子や内部配線を介してトップリング１４の基板取付面及びターンテーブル１２の工具取付面を形成する定盤２２に接続されている。定盤２２の工具取付面には、水の解離を促進する触媒としてイオン交換膜２４が貼付され、さらにその上面に研磨クロス１０が貼付されている。これらのイオン交換膜２４とクロス１０で研磨部材が構成されている。
【００１７】
イオン交換膜２４としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれをも用いることができる。素材としては周知の任意のものを採用することができるが、厚さ、気孔率、強度、弾性等の特性は研磨クロス１０の裏面に配するのに好適なように設定することが望ましい。
【００１８】
このポリッシング装置は、図５のものと異なり、研磨クロス１０と基板Ｗの間に研磨液をターンテーブル１２内部から供給する内部給水方式を採っている。すなわち、定盤２２には複数の給水溝（又は孔）２６と排水溝（又は孔）２８が設けられ、定盤２２の裏面側にはこれらの給水又は排水溝（又は孔）に連通する給水・排水マニホールド３０が形成されている。この給水・排水マニホールド３０はそれぞれシャフト１２ａを貫通する内部流路３２，３４及び流体継手等を介して外部の給水・排水配管に連絡されている。
【００１９】
以下、この実施の形態のポリッシング装置による研磨工程を説明する。給水配管より、超純水を研磨液としてターンテーブル１２のマニホールド３０に供給すると、この研磨液は、図２に示すように定盤２２の給水溝からイオン交換膜２４へと供給され、通水性の研磨クロス１０を介して研磨クロスと基板Ｗの被研磨面の間に供給される。
【００２０】
ここで、トップリング１４とターンテーブル１２の間にトップリング１４が正となる所定の電圧を印加すると研磨液中に電界が形成され、これによって超純水中のＨ⁺イオン及びＯＨ^-イオンが移動する。この結果、図２に示すように、基板Ｗ面近傍ではＯＨ^-イオンが濃化し、定盤２２近傍ではＨ⁺イオンが濃化する。基板Ｗ近傍のＯＨ^-イオンの濃度は、基板Ｗの材質やその他の研磨条件によって適宜選択され、その濃度は電源電圧を制御することにより調整される。
【００２１】
このようなイオンの分離は、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜の存在によって促進される。すなわち、図３（ａ）に示すように陽イオン交換膜を用いた場合には、水のイオン化が促進され、基板Ｗ側のＨ⁺イオンのみが定盤２２側に移動し、図３（ｂ）に示すように陰イオン交換膜を用いた場合には、定盤２２側のＯＨ^-イオンのみが基板Ｗ側に移動し、それぞれ基板Ｗ近傍にＯＨ^-イオンが局在化しやすくなる。なお、強酸性イオン交換膜の一例としては、ナフィオン１１７（Dupont社製）のものが挙げられる。
【００２２】
図４に、純水中でイオン交換膜を用いて所定の電圧をかけた場合のイオン偏在化効果を、用いない場合と比較して示す。図４では、試料、電極に各々白金（Ｐｔ）を用い、イオン交換膜は厚さ２００μｍのナフィオン１１７（Dupont社製）を用いた。図４から分かるように、イオン交換膜を使用した方が電流が多く流れ、即ち水の解離が多く起こっていることが分かる。また、イオン交換膜に加えてさらにイオン交換繊維をも用いた場合には、より多くの電流が流れることも分かっている。
【００２３】
超純水中でイオン交換膜を用いて所定の電圧をかけてイオンを偏在させ、これによって金属（銅）板の表面の加工を行った結果を、表１に示す。ここでは、容器内に満たした超純水中に、陰極となる白金電極板と陽極となる銅製の試料を一定のギャップを保持して浸漬するとともに、両電極間に陽イオン交換膜（ナフィオン１１７）を配設し、前記容器の全体を気密容器内に収容して、その内部をＡｒガスでパージする構造である。これにより、超純水中でイオン交換膜を用いてイオンを偏在させることで、加工が可能であることが分かる。
【００２４】
【表１】

【００２５】
図２の状態で、トップリング１４により基板Ｗを研磨クロス１０面上に押し付けながら、トップリング１４及びターンテーブル１２を各々水平面内で回転させて研磨を行なう。基板Ｗの近傍にはＯＨ^-イオンが所定の濃度で濃化しているので、基板Ｗ上のシリコンやシリコン酸化膜の溶解が促進され、化学的・機械的研磨がケミカルによるｐＨ調整を行わずに達成できる。
【００２６】
給水溝２６から供給された研磨液の多くの部分は、上述したように研磨クロス１０の表面に供給され、研磨作用を行った後にターンテーブル１２の回転に伴う遠心力によって、研磨屑を同伴しつつ研磨クロス１０の周辺側に流れ、縁部から飛散する。イオン交換膜２４の裏面側の研磨液にはＨ⁺イオンが濃化するが、これは給水溝２６と交互に配置された排水溝２８から排出される。
【００２７】
Ｈ⁺イオンが濃化した研磨液は、ターンテーブル１２から飛散した研磨液と合流させることにより、それに含まれるＯＨ^-イオンと中和してしまうので、特別な処理をする必要が無い。以上のように、この化学的・機械的研磨工程では、ｐＨ調整のためのケミカルを用いていないので、研磨後の基板Ｗの洗浄や、ケミカルを含む排液の処理の手間が軽減される。
【００２８】
研磨クロス１０は、従来から用いられている通常の研磨クロスを用いても良いが、本実施の形態では、例えばイオン交換不織布のようなイオン交換体を含む素材やイオン交換体からなる素材で形成している。これにより、イオン交換膜２４のイオン偏在化作用をさらに助長することができ、水の解離を促進する触媒としての役割を有する。イオン交換不織布は、例えば−Ｎ（ＣＨ_３）_３ＯＨのような強塩基性の官能基を有するイオン交換体を含む繊維であり、グラフト重合法、放射線グラフト重合法によって作製する。このような素材は、研磨部材中のイオンの移動性を高めるので、イオンの移動に必要な電圧を大幅に低下させることができる。さらに、イオン交換不織布はそれ自身がＯＨ⁻イオン又はＨ^＋イオンを保持する機能を有するので、基板Ｗの被研磨面近傍に偏在したイオンを維持して処理速度を高める作用をも有する。
【００２９】
上記においては、研磨クロス１０とイオン交換膜２４を別体としたが、これを一体に形成してもよい。これにより、研磨部材としての高い機能性を有するより特化した研磨クロスを提供することができ、現場で２層構造を形成する必要もないので作業性も良い。また、イオン交換膜を用いず、研磨部材をイオン交換不織布のみで構成してもよい。
【００３０】
また、上記においては、研磨液をターンテーブル１２側から供給する内部給水方式を採用し、砥粒は用いていないが、図５に示すような研磨砥液ノズル１６からの外部給水方式も研磨条件に応じて採用することができ、この場合は砥粒を用いても良い。砥粒を用いる場合も、従来のようなＫＯＨベースのスラリーは用いずに、純水中にＳｉＯ₂粒子などの砥粒を懸濁させたものを用いる。砥粒を介在させることにより、機械的作用が促進され、研磨速度が増す。
【００３１】
この場合、Ｈ⁺イオンが濃化した研磨液は、先の実施の形態のように定盤２２に排水溝２８を設けて排水してもよく、また、遠心力により定盤２２の縁部から排出するようにしてもよい。後者の場合には、定盤２２の中心から縁部に向かう排水促進溝を形成してもよい。また、内部給水方式と外部給水方式を併用してもよい。
【００３２】
なお、上記においては、ＯＨ^-イオンを基板側に濃化させる例を説明したが、銅配線などの金属を研磨する場合には、Ｈ⁺イオンを基板側に濃化させるように電極や、陰イオン交換膜を配置する。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、超純水中のＯＨ^-イオン又はＨ⁺イオンを前記被研磨面の近傍に偏在させることにより、ケミカルを用いることなしに、化学・機械的研磨を行なうことができる。従って、ケミカルの使用を抑制しつつ、研磨後のウエハの洗浄や排液処理の負荷を減少させ、かつ効率的に研磨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１つの実施の形態のポリッシング装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す図である。
【図３】図１のポリッシング装置の作用を説明する模式図である。
【図４】イオン交換膜を用いた場合のイオン偏在化効果を、用いない場合と比較して示す図である。
【図５】従来のポリッシング装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０研磨クロス
１２ターンテーブル
１４トップリング
２０電源
２２定盤
２４イオン交換膜
２６給水溝
２８排水溝
３０マニホールド
Ｗ基板（半導体ウエハ）

Claims

被研磨材の被研磨面と、少なくとも一部にイオン交換体を含む通水性を有する研磨部材の研磨面との間に超純水、又は砥粒を懸濁させた純水を供給しつつ、前記被研磨面の近傍に所定の電界を形成して水中のイオンを前記被研磨面の近傍に偏在させながら前記被研磨面と前記研磨面を互いに接触させつつ相対移動させることにより、前記被研磨面を化学機械的に研磨することを特徴とするポリッシング方法。
前記イオン交換体は、水の解離を促進して前記被研磨面近傍のイオンを増加させることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング方法。
研磨面を有し、少なくとも一部にイオン交換体を含む通水性を有する研磨部材と、
被研磨材を把持し、被研磨材の被研磨面を前記研磨面に接触させる把持装置と、
前記研磨部材及び把持装置を前記被研磨面と前記研磨面とを互いに接触させつつ相対移動させる移動手段と、
前記研磨部材の研磨面及び前記被研磨部材の被研磨面の間に超純水、又は砥粒を懸濁させた純水を供給する超純水供給装置と、
前記被研磨面の近傍の水中のイオンを偏在させる電界を形成する電界形成手段とを有することを特徴とするポリッシング装置。
前記電界形成手段は、電圧を制御することにより前記被研磨面の近傍における水中のイオンの濃度を調整することを特徴とする請求項３記載のポリッシング装置。
前記研磨部材は、イオン交換体からなる素材と、イオン交換膜が積層されていることを特徴とする請求項３又は４記載のポリッシング装置。