CN102601719A - 研磨方法和研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种研磨方法和研磨装置，所述研磨方法能够以足够的研磨速率对衬底的表面(待研磨面)进行研磨，并且能够得到所希望的研磨轮廓，而且能够防止未研磨部在研磨后残留在衬底的表面。所述研磨方法一边通过向研磨垫喷射气体以控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨。所述研磨方法包括：一边对所述气体的流量或喷射方向进行PID控制一边在研磨期间监视所述待研磨衬底的研磨状态；并且当达到所述被研磨膜的预定膜厚时，改变所述研磨垫的控制温度。

Description

研磨方法和研磨装置
技术领域
本发明涉及研磨方法及研磨装置，其通过将衬底的表面按压在研磨垫的研磨面上并使衬底的表面与研磨面彼此相对运动来研磨诸如半导体晶片的衬底的表面(待研磨面)。
背景技术
已知一种化学机械研磨(CMP：Chemical Mechanical Polishing)装置，其通过如下方法将诸如半导体晶片的衬底的待研磨面研磨成平坦面，所述方法包括：一边将被研磨头(衬底保持机构)保持的衬底的表面按压在贴附于研磨台的上表面的研磨垫的研磨面上，一边使研磨台和研磨头旋转以使衬底的表面与研磨面彼此相对运动，并向研磨面供给研磨液。
在CMP技术中，已知随着研磨的进行，研磨垫的温度会随时间变化，并且该研磨垫的温度变化会影响研磨速率、研磨后的研磨轮廓(profile)等。
因此，提出有各种方法，包括：将研磨垫的表面温度控制在不高于大约50℃的温度、例如44℃以减少变形(参照日本特开2001-308040号公报)的方法；以及监视研磨布的表面温度并根据研磨布的表面温度的变化来控制供给到研磨布的第二化学药品的量(参照日本特开2007-115886号公报)。
本申请人提出有如下方法：利用流体吹出机构向研磨面吹出气体、例如压缩空气，并根据研磨面的温度分布的测量结果来控制该流体吹出机构，以使得研磨面成为规定的温度分布(参照日本特开2007-181910号公报)。
然而，想要以足够的研磨速率来研磨衬底表面(待研磨面)并获得所希望的研磨轮廓而不会在研磨后的衬底表面上残留未研磨部分通常是很难的。例如，当为了获得足够的研磨速率而一边将研磨垫的温度控制成恒定温度一边对形成于衬底表面上的铜膜进行研磨时，该铜膜不会被完全研磨除去。因此，相当大量的未研磨铜膜会以分散的状态残留在研磨后的衬底表面上。
发明内容
本发明正是鉴于上述情况而作发出的。因此，本发明的目的在于提供一种研磨方法和研磨装置，其能够以足够的研磨速率对衬底的表面(待研磨面)进行研磨，并且能够防止未研磨部分残留在研磨后的衬底的表面上，从而能够获得所希望的研磨轮廓。
为了实现上述目的，本发明提供一种研磨方法，用于一边通过向研磨垫喷射气体来控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨。所述研磨方法包括：一边对所述气体的流量或喷射方向进行PID控制一边在研磨期间监视所述待研磨面的研磨状态；并且当达到被研磨膜的预定膜厚时，改变所述研磨垫的控制温度。
所述待研磨面的所述研磨状态例如是被研磨膜的膜厚。本发明的一个优选方面是，控制所述研磨垫的温度，使得在达到被研磨膜的预定膜厚之前，例如在达到所述待研磨面的表面层差被除去的膜厚之前，能够达到最大研磨速率；并且在达到预定膜厚之后，控制所述研磨垫的温度，以使所述待研磨面的表面层差、缺陷数量或者未研磨金属的量能够最少。这能够在不使研磨速率过分下降的情况下，防止未研磨部分以分散状态残留在研磨后的衬底的表面上。
优选的是，在达到所述预定膜厚之前，采用干燥气体作为所述气体；在达到所述预定膜厚之后，采用水雾作为所述气体。
可以通过从冷却喷嘴向所述研磨垫喷射作为干燥气体的压缩空气来将所述干燥气体供给到所述研磨垫，或者通过使冷却风扇旋转向所述研磨垫吹送作为干燥气体的空气来将所述干燥气体供给到所述研磨垫。采用水雾以控制所述研磨垫的温度能够提高冷却所述研磨垫的效果。
优选的是，在达到所述预定膜厚之前以第一研磨压力进行研磨；在达到所述预定膜厚之后，以低于所述第一研磨压力的第二研磨压力进行研磨。
这种研磨方式能够在达到预定膜厚之前的研磨期间提高研磨速率。
可以利用涡流传感器、光学传感器或者扭矩电流传感器在研磨期间对所述待研磨面进行监视。
本发明提供另一种研磨方法，用于一边通过向研磨垫喷射气体来控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨。所述研磨方法包括：第一研磨步骤，根据所述研磨垫的弹性模量与所述研磨垫的温度之间的相关性数据、所述研磨垫的弹性模量与研磨速率之间的相关性数据、或者所述研磨垫的弹性模量与平面度、缺陷数量和未研磨金属量中的至少一个之间的相关性数据，一边将所述研磨垫的温度控制成与能够得到最大研磨速率的所述研磨垫的弹性模量相对应的温度，一边对所述待研磨面进行研磨；和第二研磨步骤，一边根据所述相关性数据将所述研磨垫的温度控制成与能够得到所希望的平面度的所述研磨垫的弹性模量相对应的温度，一边对所述待研磨面进行研磨。
本发明提供又一种研磨方法，用于一边通过向研磨垫喷射气体来控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨。所述研磨方法包括：在研磨期间监视所述待研磨面的研磨状态，并在达到被研磨膜的预定厚度时预测研磨结束时刻；并且控制所述气体的喷射，使得所述研磨垫的温度在所述研磨结束时刻达到预定温度。
本发明还提供一种用于对衬底进行研磨的研磨装置，其具有：气体喷射部，用于向研磨垫喷射气体以控制所述研磨垫的温度；控制器，用于对从所述气体喷射部喷射的气体的流量或喷射方向进行PID控制；和监视器，用于监视待研磨面的研磨状态。在所述控制器中存储有表示所述研磨垫的控制温度与被研磨膜的膜厚之间的关系的规则，并且，所述控制器和所述监视器被构成为根据所述规则进行操作，并根据膜厚改变所述研磨垫的控制温度。
优选的是，所述研磨装置还具有用于清洗所述气体喷射部的清洗工具。
所述清洗工具能够清洗所述气体喷射部以从所述气体喷射部上除去污物、诸如研磨液，因此，能够防止附着在所述气体喷射部上的污垢对下一衬底产生不良影响。
优选的是，所述冷却装置包括：至少一个冷却喷嘴，用于向所述研磨垫喷射干燥气体；冷却风扇，用于向所述研磨垫吹送所述干燥气体。
优选的是，研磨装置还可以具有：温度传感器，用于检测所述研磨垫的温度；温度控制器，根据所述温度传感器的检测值控制从所述气体喷射部供给到所述研磨垫的所述干燥气体的量。
本发明还提供一种研磨方法，用于通过使衬底与研磨垫滑动接触而对所述衬底进行研磨。所述研磨方法包括：使保持有所述研磨垫的研磨台旋转；将所述衬底的表面按压在所述研磨垫上；向所述研磨垫供给研磨液；一边对气体的流量或喷射方向进行PID控制，一边向所述研磨垫喷射所述气体，以使得所述研磨垫的温度成为第一控制温度；监视所述衬底的研磨状态；并且一边对气体的流量或喷射方向进行PID控制，一边向所述研磨垫喷射所述气体，以使得所述研磨垫的温度在所述研磨状态被检测到成为预定状态后成为第二控制温度。
本发明能够以足够的研磨速率对衬底的表面(待研磨面)进行研磨，并且能够得到所希望的研磨轮廓，而且能够防止未研磨部残留在研磨后的衬底的表面上。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的研磨装置的示意图。
图2是图1所示的研磨装置中的冷却喷嘴及其周边部的放大图。
图3是表示图1所示的研磨装置所设有的研磨头和研磨头清洗喷嘴的图。
图4是安装有防风板的研磨液供给喷嘴的示意图。
图5是根据本发明的另一个实施方式的研磨装置的示意图。
图6是根据本发明的又一个实施方式的研磨装置的俯视示意图。
图7是表示研磨垫温度与研磨速率之间的关系的一例的图表。
图8是表示将通过本发明的研磨装置研磨的衬底的一例的剖视图。
图9是表示将通过本发明的研磨装置研磨的衬底的另一例的剖视图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的优选实施方式。在所有的附图和描述中，将对相同或相当的构件、部件等标注相同的附图标记，并省略重复说明。
图1示意地示出根据本发明的一个实施方式的研磨装置的整体结构。如图1所示，研磨装置10具有：能够旋转的研磨台12；研磨垫14，贴附于研磨台12的上表面，并且该研磨垫14的上表面作为研磨面14a；作为衬底保持机构的研磨头16，用于保持衬底、诸如半导体晶片，并将衬底按压在研磨面14a上；以及研磨液供给喷嘴20，配置在研磨垫14的上方，用于向研磨垫14供给研磨液18。研磨装置10构成为，一边将衬底(未图示)的表面按压在研磨垫14的研磨面14a上，一边使研磨台12和在下表面保持着衬底的研磨头16旋转以使衬底与研磨垫14的研磨面14a彼此相对运动，并且从研磨液供给喷嘴20向研磨垫14供给作为研磨液的研磨液18，由此对衬底的表面(待研磨面)进行研磨。
本实施方式中使用的研磨垫14的弹性模量在0℃到80℃的温度范围内从10GPa变化到10MPa。例如，树脂研磨垫通常在被冷却时其硬度增加，所以通过使研磨垫冷却来提高平面度。因此，对于待研磨的膜来说，能够预先确定研磨垫的温度与研磨垫的弹性模量之间的关系、以及研磨垫的弹性模量与平面度、缺陷数量、未研磨金属(膜)的量或者研磨速率之间的关系，并能够根据待研磨的膜(根据相应的研磨步骤)和研磨的预期目的对研磨垫设置最佳弹性模量。当根据研磨的进行状况调整研磨垫的温度来控制研磨垫的弹性模量时，能够进行预期的膜的研磨。
研磨头16连结在未图示的能够上下运动的枢转臂(pivot arm)的自由端，并且被形成为能够在研磨台12的上方的研磨位置与衬底交接位置之间水平移动，在衬底交接位置，与例如直线型输送机的推料器进行衬底的交接。
在研磨垫14的上方配置有喷嘴支承臂22，该喷嘴支承臂22与研磨垫14的研磨面14a平行且大致沿着研磨垫14的径向延伸。如图2所示，在喷嘴支承臂22的下部安装有作为冷却装置的冷却喷嘴24，该冷却喷嘴24与喷嘴支承臂22的内部连通，并通过向研磨垫14喷出作为干燥气体的压缩空气来冷却研磨垫14。每一个冷却喷嘴24有一个具有规定开口角度α的喷嘴开口24a，以便压缩空气能够朝着研磨面14a的衬底所通过的所有区域喷出，从而使该区域的温度均匀。冷却喷嘴24的数量、位置等可以根据工艺条件等任意设置。
喷嘴支承臂22连接在从压缩空气供给源延伸的压缩空气供给管线26上。压力控制阀28和流量计30夹设在压缩空气供给管线26中。因此，当压缩空气(干燥气体)通过压力控制阀28时，其压力得到控制，并且当压缩空气通过流量计30时，其流量被测量。在通过压力控制阀28和流量计30之后，压缩空气流入喷嘴支承臂22并从冷却喷嘴24的喷嘴开口24a被喷向研磨垫14。喷嘴支承臂22通过伺服电动机31能够绕着其自身的轴旋转。从冷却喷嘴24的喷嘴开口24a喷出的压缩空气(干燥气体)的喷出方向能够通过旋转喷嘴支承臂22来进行调整。
在研磨垫14的上方设置有用于检测研磨垫14的温度的温度计32、例如辐射温度计。该温度计32连接在用于设置研磨垫14的目标温度(即、控制温度)的温度控制器34上。该温度控制器34连接在压力控制阀28和伺服电动机31，从而压力控制阀28和伺服电动机31能够被来自温度控制器34的输出信号进行PID控制。
特别是，在温度控制器34中存储有多种PID参数。根据在温度控制器34中设置的研磨垫14的设置温度(即、控制温度)与温度计32所检测到的研磨垫14的实际温度之间的差，从多种PID参数中选择特定的PID参数，并且，根据温度计32所检测到的研磨垫14的温度信息，通过电动气动调节器(未图示)控制压力控制阀28的阀位置和伺服电动机31的旋转角度，以使得研磨垫14成为规定的温度(也即、控制温度)。控制压力控制阀28的阀位置，以使得从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的流量成为例如50至1000L/min。可以事先设定至少一个规定的PID参数。
喷嘴支承臂22通过伺服电动机31的旋转而旋转。对伺服电动机31的旋转角度进行PID控制，从而能够调整从冷却喷嘴24的喷嘴开口24a喷出的压缩空气(干燥气体)的喷出方向。例如，当研磨垫14的实际温度高于目标温度时，对伺服电动机31的旋转角度进行PID控制，使得从冷却喷嘴24的喷嘴开口24a喷出的压缩空气(干燥气体)的喷出方向相对于研磨垫14的平面之间的角度变大以提高冷却效果。相反地，当研磨垫14的实际温度低于目标温度时，对伺服电动机31的旋转角度进行PID控制，使得压缩空气的喷出方向相对于研磨垫14的平面之间的角度变小以降低冷却效果。
虽然在本实施方式中对压力控制阀28的阀位置和伺服电动机31的旋转角度这两者都进行PID控制，但是也可以仅对压力控制阀28的阀位置和伺服电动机31的旋转角度中的一方进行PID控制。这一情况也适用于下述实施方式。在下述实施方式中省略伺服电动机31。
如图2所示，在喷嘴支承臂22上通过托架42安装有作为清洗工具的清洗喷嘴40，该清洗喷嘴40通过将清洗液喷射到冷却喷嘴24上来清洗冷却喷嘴24。每个清洗喷嘴(清洗工具)40有一个具有规定的开口角度β的喷嘴开口40a，以便能够将清洗液喷射到喷嘴开口24a的整个区域和各冷却喷嘴24的周边。因此，通过从各清洗喷嘴40喷出的清洗液，主要对喷嘴开口24a的整个区域和各冷却喷嘴24的周边进行清洗。
如图3所示，在研磨头16的旁边配置有2个清洗喷嘴44，这2个清洗喷嘴44配置在清洗头16的上方和下方，并通过从上方和下方向研磨头16的外周端面喷射清洗液来清洗研磨头16。当压缩空气被从冷却喷嘴24喷向研磨垫14时，已被供给到研磨垫14上的研磨液18被压缩空气吹走而附着于研磨头16的外周端面。根据本实施方式，通过从研磨头清洗喷嘴44向研磨头16的外周端面喷射清洗液，能够除去附着在研磨头16的外周端面上的研磨液。
虽未图示，但研磨装置具有转矩电流监视器，用于监视研磨台12的转矩或电流以便监视被研磨膜的研磨状态、诸如膜厚。也可以取代监视研磨台12的扭矩或电流的扭矩电流监视器而采用监视研磨头16的扭矩或电流的扭矩电流监视器。还可以通过涡流传感器或光学传感器监视被研磨膜的研磨状态、诸如膜厚。
如图4所示，优选在冷却喷嘴24与研磨液供给喷嘴20之间配置防风板46。这能够防止因压缩空气被从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的影响而导致的、在从研磨液供给喷嘴20供给到研磨垫14的研磨液18的分布中产生变动，因此能够防止研磨性能产生变动。
图5示意地示出根据本发明的另一个实施方式的研磨装置的整体构造。本实施方式与图1至图3所示的实施方式的不同点在于，在研磨台12的上方配置有作为冷却装置的冷却风扇50，该冷却风扇50用于向研磨垫14吹送作为干燥气体的空气，从而能够通过从冷却风扇50吹送的空气进一步冷却研磨垫14。
除了冷却喷嘴24还具有冷却风扇50，由此能够提高研磨垫14的冷却效果。也可以仅设置冷却风扇50。
图6是根据本发明的又一个实施方式的研磨装置的俯视示意图。本实施方式的研磨装置构成为，能够在一个研磨台12上同时研磨两个衬底。本实施方式的研磨装置包括：在上表面贴附有研磨垫14的研磨台12；和两个研磨头16。在研磨垫14的上方，沿着与研磨台12的旋转方向相反的方向依次配置有两组具有冷却喷嘴24的喷嘴支承臂22、温度计32和研磨液供给喷嘴20。在开始从研磨液供给喷嘴20供给研磨液18并利用温度计32测量研磨垫14的温度、以及开始通过从冷却喷嘴24喷出的压缩空气冷却研磨垫14之后，研磨垫14开始与被研磨头16保持的两个衬底的表面(待研磨面)接触。当然，各组中的具有冷却喷嘴24的喷嘴支承臂22、温度计32、以及研磨液供给喷嘴20之间的位置关系不限于本实施方式。
图7表示研磨垫温度与研磨速率之间的关系的一例。从图7可知，存在一个特定温度(研磨最快温度)带来最大研磨速率，随着研磨垫的温度从研磨最快温度降低或增加，研磨速率从最大研磨速率减小。
通过图1至图3所示的研磨装置对衬底的表面(待研磨面)的研磨将在下面3种情况中进行说明。
[情况一]
准备衬底W，如图8所示，该衬底W包括：具有导通孔904和沟槽905的绝缘膜902、903；形成于该绝缘膜902、903上的阻挡膜906；和形成于该阻挡膜906上的金属膜907。金属膜907中的、埋入在导通孔904和沟槽905中的部分构成金属互连。在情况一中，金属膜是铜膜，金属互连是铜互连。
首先，确认供给到冷却喷嘴24的压缩空气的供给压力。当该供给压力小于规定压力时，发出警告，并停止衬底的后续处理。当该供给压力不低于规定压力时，位于衬底交接位置的研磨头16例如从推料器接收衬底W并通过吸附来保持该衬底W。然后，被研磨头16保持的衬底W从衬底交接位置被水平地移动到研磨台12的正上方的研磨位置。
接下来，开始通过温度计32监视研磨垫14的温度。即使研磨垫14的温度高于设定温度，为了防止研磨头16所保持的衬底W在与研磨垫14接触之前被压缩空气直吹，也不会开始从冷却喷嘴24向研磨垫14喷出压缩空气。
在从研磨液供给喷嘴20向研磨垫14供给研磨液18时，使研磨头16旋转并下降，以使被研磨头16保持的衬底W的表面(待研磨面)与正在旋转的研磨台12上的研磨垫14的研磨面14a接触。此后，解除研磨头16对衬底W的吸附，并且衬底W的表面被以第一研磨压力按压在研磨面14a上。由此，开始对图8所示的金属膜(铜膜)907进行研磨(第一研磨步骤)。
在第一研磨步骤中，当衬底W开始接触研磨面14a时，开始通过冷却喷嘴24控制研磨垫14的温度。当采用在研磨台12不旋转的情况下使衬底W与研磨面14a接触的方法时，在旋转台12的旋转开始的同时，开始通过冷却喷嘴24控制研磨垫14的温度。
特别是，根据研磨垫14的设定温度与实际温度之间的差，对流量和从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的喷出方向进行PID控制，以将研磨垫14的温度控制成能够获得最大研磨速率的预先确定的第一温度。第一研磨步骤是通过将使用高研磨压力与对研磨垫14进行冷却相组合以谋求缩短研磨总时间。研磨垫14的控制温度设定在例如50℃。若研磨垫14的温度没有被冷却，则会上升到例如60℃。当如图8的假想线A所示，金属膜(铜膜)907的表面层差被除去且位于金属膜907之下的阻挡膜906开始露出时，例如当扭矩电流监视器检测到金属膜(铜膜)907的厚度达到规定值、例如100nm到300nm时，第一研磨步骤结束。
接下来，根据研磨垫14的设定温度与实际温度之间的差，对流量和从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的喷出方向进行PID控制，以将研磨垫14的温度控制在预先确定的第二温度，在该第二温度下，能够得到衬底表面的最佳平面度、或者能够得到最小数量的缺陷或最少量的未研磨膜，一边这样控制研磨垫14的温度一边继续研磨(第二研磨步骤)。在第二研磨步骤中，主要是为了提高平面度，根据需要，可以通过以比第一研磨压力低的第二研磨压力将衬底W的表面按压在研磨面14a上，以低压研磨方式实施研磨。此外，可以对研磨垫14进行最大可能的冷却，例如以0℃的设定温度进行冷却。如图8的假想线B所示，当扭矩电流监视器检测到位于沟槽905外面的多余的金属膜(铜膜)907被研磨除去且下面的阻挡膜906的表面完全露出时，第二研磨步骤结束。
对研磨垫14的温度可以以如下方式控制，即：在阻挡膜906的表面完全露出的时刻使研磨垫14的温度达到所希望的温度。在例示的方法中，通过对研磨状态(研磨速率、研磨量、残留膜的膜厚等)进行原位(in-situ)监视来检测出第一研磨步骤结束，并且在研磨移至第二研磨步骤之后，由监视值计算出至到研磨结束的剩余研磨时间。然后，控制研磨垫14的温度，以使研磨垫14的当前温度逐渐变化并在剩余研磨时间之后达到所希望的温度。这能够降低研磨垫14的急剧的温度变化对研磨的影响。
在通过例如涡流传感器或光学传感器检测到的膜厚达到目标膜厚时，从第一研磨步骤移至第二研磨步骤。因此，第二研磨步骤开始时的膜厚是已知的。而且，通过在适当的时间(大约数秒)内监视残留膜的膜厚随时间的变化并对该变化进行微分，能够确定第二步骤中的研磨速率。根据研磨速率和残留膜的膜厚能够确定剩余研磨时间。
为了在预先确定的时间量后使研磨垫14的温度成为预先确定的温度，需要准备不使PID控制温度为恒定而是能够输入随时间变化的目标温度的软件程序。例如，将程序设计成能够在第二研磨步骤开始和结束时输入目标温度。另一方面，如上所述，能够确定剩余研磨时间。一旦知道第二研磨步骤开始和结束时的温度、以及从第二研磨步骤开始到结束的时间，就能够容易地计算出温度与时间之间的线性关系。因此，通过将程序设计成具有根据所计算出的关系随时间改变PID目标温度的功能，能够使研磨垫14在预定的时间量之后成为预定温度。随时间变化的PID目标温度的数量和PID目标温度之间的时间间隔可以任意设定。
在停止从冷却喷嘴24喷出压缩空气并停止从研磨液供给喷嘴20供给研磨液之后，通过向研磨垫14供给纯水来进行衬底W的水研磨。
在为了防止压缩空气冲击衬底W而继续停止从冷却喷嘴24喷出压缩空气时，研磨头16在研磨后吸附衬底W并将其从研磨面14a分离。在衬底W位于研磨台12上方的期间，为了防止压缩空气冲击并干燥位于研磨台12的上方的衬底W的表面，继续停止从冷却喷嘴24喷出压缩空气。
然后，保持着衬底W的研磨头16上升，并随后从研磨位置水平移动到衬底交接位置，在衬底交接位置，研磨后的衬底W被交接到例如推料器。
另一方面，通过从清洗喷嘴40将清洗液(水)喷射到冷却喷嘴24上、特别是喷嘴开口24a及其周边部来进行冷却喷嘴24的自清洗。在自清洗期间，为了防止从冷却喷嘴24落到研磨台12上的污物、例如研磨液残留在研磨台12(研磨面14a)上而对下一衬底的处理产生不良影响，可以使清洗液急速地喷向研磨台12。
可以将喷嘴支承臂22设置成能够移动到位于研磨台12旁边的待机位置，并在待机位置通过清洗喷嘴40实施冷却喷嘴24的清洗。这能够防止附在冷却喷嘴24上的污物、诸如研磨液落到研磨台12上。
在衬底W通过水平移动而离开研磨头16并被交接给例如推料器后，从研磨头清洗喷嘴44向研磨头16的外周端面喷出清洗液(水)，以清洗除去附在研磨头16的外周端面上的污垢、诸如研磨液。
在情况一中，对从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的流量和喷出方向均进行PID控制。也可以仅对压缩空气的流量和喷出方向中的一方进行PID控制。这也同样适用于下述情况二和情况三。
[情况二]
如图8所示，准备与上述情况一的衬底W相似的衬底W。在情况二中，金属膜907是钨膜，金属互连是钨互连。
首先，与上述情况一同样地，确定供给到冷却喷嘴24的压缩空气的供给压力。当该供给压力不低于规定压力时，研磨头16在衬底交接位置从例如推料器接收衬底W，并通过吸附保持该衬底W。然后，被研磨头16保持的衬底W从衬底交接位置水平地移动到位于研磨台12的正上方的研磨位置。
接下来，开始通过温度计32监视研磨垫14的温度。与情况一同样，还没有开始从冷却喷嘴24向研磨垫14喷出压缩空气。
一边从研磨液供给喷嘴20向研磨垫14供给研磨液18，一边使研磨头16旋转并下降，使得被研磨头16保持的衬底W的表面(待研磨面)与正在旋转的研磨台12上的研磨垫14的研磨面14a接触。此后，解除研磨头16对衬底W的吸附，并且衬底W的表面被以第一研磨压力按压在研磨面14a上。由此，开始对图8所示的金属膜(钨膜)907进行研磨(第一研磨步骤)。
在第一研磨步骤中，当衬底W开始接触研磨面14a时，开始通过冷却喷嘴24控制研磨垫14的温度。当采用在研磨台12不旋转的情况下使衬底W与研磨面14a接触的方法时，在旋转台12的旋转开始的同时，开始通过冷却喷嘴24控制研磨垫14的温度。
特别是，根据研磨垫14的设定温度与实际温度之间的差，对流量和从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的喷出方向进行PID控制，以将研磨垫14的温度控制成能够获得最大研磨速率的预先确定的第一温度。第一研磨步骤是通过将使用高研磨压力与对研磨垫14进行冷却相组合以谋求缩短研磨总时间。研磨垫14的控制温度被设定在例如0℃，从而对研磨垫14进行最大可能的冷却。若研磨垫14的温度没有被冷却，则会上升到例如70℃。当如图8的假想线A所示，金属膜(钨膜)907的表面层差被除去且位于金属膜907之下的阻挡膜906开始露出时，例如当扭矩电流监视器检测到达到了金属膜(钨膜)907的规定厚度例如100nm到300nm时，第一研磨步骤结束。
接下来，根据研磨垫14的设定温度与实际温度之间的差，对流量和从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的喷出方向进行PID控制，以将研磨垫14的温度控制在预先确定的第二温度，在该第二温度下，能够最好地去除表面层差、或者能够得到最小数量的缺陷或最少量的未研磨膜，一边这样控制研磨垫14的温度一边继续研磨(第二研磨步骤)。在第二研磨步骤中，主要是为了提高平面度，根据需要，可以通过以比第一研磨压力低的第二研磨压力将衬底W的表面按压在研磨面14a上，以低压研磨方式实施研磨。此外，可以对研磨垫14进行最大可能的冷却，例如以0℃的设定温度进行冷却。如图8的假想线B所示，当扭矩电流监视器检测到位于沟槽905外面的多余的金属膜(钨膜)907被研磨除去且下面的阻挡膜906的表面完全露出时，第二研磨步骤结束。
接下来的操作与上述情况一相同。
[情况三]
情况三适用于STI(浅沟槽隔离)处理、多晶硅去除处理、阻挡膜去除处理等。在是STI处理的情况下，例如，准备图9所示的衬底W。该衬底W包括：具有沟槽的硅晶片100；覆盖硅晶片100的表面的垫氧化膜104；形成在垫氧化膜104上并位于沟槽的外面的SiN膜103；填充硅晶片100的沟槽并覆盖衬底W的整个表面的作为绝缘膜的SiO2膜102。
首先，与上述情况一同样地，确定供给到冷却喷嘴24的压缩空气的供给压力。当该供给压力不低于规定压力时，研磨头16在衬底交接位置从例如推料器接收衬底W，并通过吸附保持该衬底W。然后，被研磨头16保持的衬底W从衬底交接位置水平地移动到位于研磨台12的正上方的研磨位置。
接下来，开始通过温度计32监视研磨垫14的温度。与情况一同样，还没有开始从冷却喷嘴24向研磨垫14喷出压缩空气。
一边从研磨液供给喷嘴20向研磨垫14供给研磨液18，一边使研磨头16旋转并下降，使得被研磨头16保持的衬底W的表面(待研磨面)与正在旋转的研磨台12上的研磨垫14的研磨面14a接触。此后，解除研磨头16对衬底W的吸附，并且衬底W的表面被以第一研磨压力按压在研磨面14a上。由此，开始对图9所示的SiO2膜(绝缘膜)907进行研磨(第一研磨步骤)。
在第一研磨步骤中，当衬底W开始接触研磨面14a时，开始通过冷却喷嘴24控制研磨垫14的温度。当采用在研磨台12不旋转的情况下使衬底W与研磨面14a接触的方法时，在旋转台12的旋转开始的同时，开始通过冷却喷嘴24控制研磨垫14的温度。
特别是，根据研磨垫14的设定温度与实际温度之间的差，对流量和从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的喷出方向进行PID控制，以将研磨垫14的温度控制成能够获得最大研磨速率的预先确定的第一温度。第一研磨步骤是通过将使用高研磨压力与对研磨垫14进行冷却相组合以谋求缩短研磨总时间。研磨垫14的控制温度被设定在例如50℃。若研磨垫14的温度没有被冷却，则会上升到例如60℃。当如图9的假想线C所示，扭矩电流监视器检测到SiO2膜102的表面层差被除去时，第一研磨步骤结束。
接下来，根据研磨垫14的设定温度与实际温度之间的差，对流量和从冷却喷嘴24喷向研磨垫14的压缩空气的喷出方向进行PID控制，以将研磨垫14的温度控制在能够最好地去除表面层差的预先确定的第二温度，一边这样控制研磨垫14的温度一边继续研磨(第二研磨步骤)。在第二研磨步骤中，采用低添加剂流量以提高对SiO2膜102的研磨速率。此外，可以例如以0℃的设定温度对研磨垫14进行最大可能的冷却以提高平面度。
第二研磨步骤中的对研磨垫14的冷却可能会降低研磨速率。但是，通过采用能够提高研磨速率的低添加剂流量能够避免总研磨时间的延长。当如图9的假想线D所示，扭矩电流监视器检测到位于沟槽外面的多余的SiO2膜102已被研磨去除且下面的SiN膜103的表面完全露出时，第二研磨步骤结束。
接下来的操作与情况一相同。
虽然在上述实施方式中，是在第二研磨步骤中通过向研磨垫14供给诸如压缩空气的干燥气体来调整研磨垫14的温度，但也可以通过向研磨垫14供给水雾来调整研磨垫14的温度。用于对研磨垫14的温度进行调整的水雾能够提高研磨垫14的冷却效果。
虽然在上述实施方式中，是在第二研磨步骤中利用PID控制来调整研磨垫14的温度，但也可以不使用PID控制而是例如通过使可以在第一研磨步骤中被PID控制的电动气动调节器的阀位置最大来对研磨垫14进行最大可能的冷却。
虽然在上述实施方式中，是在第一研磨步骤中控制(冷却)研磨垫14的温度，但也可以在不对研磨垫14的温度进行控制(冷却)的情况下执行第一研磨步骤，并在第二研磨步骤中将研磨垫14冷却到预定温度以下。
根据在研磨期间所采用的、供给到研磨垫的研磨液的种类，存在如下情况：在研磨期间研磨垫的温度增加，并在达到某一温度之后，研磨垫的温度自然下降。在这种情况下，可以在不对研磨垫进行温度调整的情况下开始研磨，并在达到被研磨膜的预定膜厚时开始冷却研磨垫。这种方式能够在不使研磨速率过分下降的情况下有效地防止膜的未研磨部分以分散状态残留在基底层的表面。
虽然在上述实施方式中，研磨垫14的控制(冷却)温度在第一研磨步骤与第二研磨步骤之间变化，但是也可以以使研磨垫14的温度在第一研磨步骤和第二研磨步骤中保持恒定的方式来冷却研磨垫14。例如，也可以在第一研磨步骤中设定第二研磨步骤中的目标控制温度。这可能导致第一研磨步骤中的研磨速率下降。但是，由于不存在研磨垫控制温度改变所导致的研磨垫温度的时间延迟，所以能够提高第二研磨步骤中的研磨效率。
尽管参照优选实施方式对本发明进行了说明，但应当理解为本发明不限于上述实施方式的说明，而是包括落入所说明的发明构思范畴内的各种改变和变形。

Claims (14)

1.一种研磨方法，用于一边通过向研磨垫喷射气体来控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨，所述研磨方法包括：
一边对所述气体的流量或喷射方向进行PID控制一边在研磨期间监视所述待研磨面的研磨状态；并且
当达到被研磨膜的预定膜厚时，改变所述研磨垫的控制温度。
2.如权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，
在达到所述预定膜厚之前，采用干燥气体作为所述气体；在达到所述预定膜厚之后，采用水雾作为所述气体。
3.如权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，
在达到所述预定膜厚之前，以第一研磨压力进行研磨；在达到所述预定膜厚之后，以低于所述第一研磨压力的第二研磨压力进行研磨。
4.如权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，
利用涡流传感器、光学传感器或者扭矩电流传感器在研磨期间对所述待研磨面进行监视。
5.一种研磨方法，用于一边通过向研磨垫喷射气体来控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨，所述研磨方法包括：
第一研磨步骤，根据所述研磨垫的弹性模量与所述研磨垫的温度之间的相关性数据、所述研磨垫的弹性模量与研磨速率之间的相关性数据、或者所述研磨垫的弹性模量与平面度、缺陷数量和未研磨金属量中的至少一个之间的相关性数据，一边将所述研磨垫的温度控制成与能够得到最大研磨速率的所述研磨垫的弹性模量相对应的温度，一边对所述待研磨面进行研磨；和
第二研磨步骤，一边根据所述相关性数据将所述研磨垫的温度控制成与能够得到所希望的平面度的所述研磨垫的弹性模量相对应的温度，一边对所述待研磨面进行研磨。
6.一种研磨方法，用于一边通过向研磨垫喷射气体来控制所述研磨垫的温度一边通过所述研磨垫对待研磨面进行研磨，所述研磨方法包括：
在研磨期间监视所述待研磨面的研磨状态，并在达到被研磨膜的预定厚度时预测研磨结束时刻；并且
控制所述气体的喷射，使得所述研磨垫的温度在所述研磨结束时刻达到预定温度。
7.一种研磨装置，用于对衬底进行研磨，具有：
气体喷射部，用于向研磨垫喷射气体以控制所述研磨垫的温度；
控制器，用于对从所述气体喷射部喷射的气体的流量或喷射方向进行PID控制；和
监视器，用于监视待研磨面的研磨状态，
其中，在所述控制器中存储有表示所述研磨垫的控制温度与被研磨膜的膜厚之间的关系的规则，并且
其中，所述控制器和所述监视器被构成为根据所述规则进行操作，并根据膜厚改变所述研磨垫的控制温度。
8.如权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，
还具有用于清洗所述气体喷射部的清洗工具。
9.如权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，
其中，所述气体喷射部包括：至少一个冷却喷嘴，用于向所述研磨垫喷射干燥气体；冷却风扇，用于向所述研磨垫吹送所述干燥气体。
10.如权利要求7所述的研磨装置，其特征在于，还具有：
温度传感器，用于检测所述研磨垫的温度；
温度控制器，根据所述温度传感器的检测值控制从所述气体喷射部供给到所述研磨垫的所述干燥气体的量。
11.一种研磨方法，用于通过使衬底与研磨垫滑动接触而对所述衬底进行研磨，所述研磨方法包括：
使保持有所述研磨垫的研磨台旋转；
将所述衬底的表面按压在所述研磨垫上；
向所述研磨垫供给研磨液；
一边对气体的流量或喷射方向进行PID控制，一边向所述研磨垫喷射所述气体，以使得所述研磨垫的温度成为第一控制温度；
监视所述衬底的研磨状态；并且
一边对气体的流量或喷射方向进行PID控制，一边向所述研磨垫喷射所述气体，以使得在所述研磨状态被检测到成为预定状态后所述研磨垫的温度成为第二控制温度。
12.如权利要求11所述的研磨方法，其特征在于，
其中，在所述研磨状态被检测到成为所述预定状态之前，采用干燥气体作为气体；在所述研磨状态被检测到成为所述预定状态之后，采用水雾作为气体。
13.如权利要求11所述的研磨方法，其特征在于，
其中，在所述研磨状态被检测到成为所述预定状态之前，以第一研磨压力进行研磨；在所述研磨状态被检测到成为所述预定状态之后，以低于所述第一研磨压力的第二研磨压力进行研磨。
14.如权利要求11所述的研磨方法，其特征在于，
其中，利用涡流传感器、光学传感器或者扭矩电流传感器对所述衬底的所述研磨状态的进行监视。
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