JP2001298008A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

研磨方法および研磨装置

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JP2001298008A
JP2001298008A JP2000118558A JP2000118558A JP2001298008A JP 2001298008 A JP2001298008 A JP 2001298008A JP 2000118558 A JP2000118558 A JP 2000118558A JP 2000118558 A JP2000118558 A JP 2000118558A JP 2001298008 A JP2001298008 A JP 2001298008A
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polishing
polished
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cuts
axis
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Shuzo Sato
修三 佐藤
Takashi Suzuki
孝 鈴木
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】作業者の技能により左右されることなく、安定
して高い加工精度を得るこができる研磨方法および研磨
装置を提供する。 【解決手段】理論的（理想的）な除去量を求め、その実
際にＣＭＰ加工した場合のプロファイルとの比較から比
例定数ｋを求めてその値を固定値とし、その後、切削回
数、具体的には、適正な研磨時間ｔを求め、この他のパ
ラメータとともにコントローラ２００に入力し、コント
ローラ２００によりたとえば制御信号ＣＴＬ１をＸ軸サ
ーボモータ１５５に供給しウェハ１０１のＸ軸方向の速
度制御を行い、制御信号ＣＴＬ２を主軸スピンドルモー
タ１７１に供給しえその回転数を制御し、制御信号ＣＴ
Ｌ３をＺ軸サーボモータ１７７に供給して加工ヘッド１
６０のＺ軸方向の位置決め制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばウェハの
表面に形成されたメッキ膜や絶縁膜を平坦に研磨する研
磨方法および研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の高集積化、小型化に伴い、
配線の微細化、配線ピッチの縮小化および配線の多層化
が進んでおり、半導体装置の製造プロセスにおける多層
配線技術の重要性が増大している。一方、従来、多層配
線構造の半導体装置の配線材料としてアルミニウムが多
用されてきたが、近年の０．１８μｍルール以下のデザ
インルールにおいて、信号の伝搬遅延を抑制するため
に、配線材料をアルミニウムから銅に代えた配線プロセ
スの開発が盛んに行われている。銅を配線に使用する
と、低抵抗と高エレクトロマイグレーション耐性を両立
できるというメリットがある。
【０００３】たとえば銅を配線に使用するプロセスで
は、あらかじめ層間絶縁膜に形成した溝状の配線パター
ンに金属を埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Po
lishing : 化学機械研磨) 法によって余分な金属膜を除
去して配線を形成する、ダマシン（damascene ）法と呼
ばれる配線プロセスが有力となっている。このダマシン
法は、配線のエッチングが不要であり、さらに上層の層
間絶縁膜も自ずと平坦なものになるので、工程を簡略化
できるという利点がある。さらに、層間絶縁膜に配線用
溝だけでなく、コンタクトホールも溝として開け、配線
用溝とコンタクトホールを同時に金属で埋め込むデュア
ルダマシン（dualdamascene）法では、さらに大幅な配
線工程の削減が可能となる。
【０００４】ここで、上記のデュアルダマシン法による
配線形成プロセスの一例について下記の図を参照して、
説明する。なお、配線材料として銅を用いた場合につい
て説明する。まず、図３９（ａ）に示すように、たとえ
ば、不図示の不純物拡散領域が適宜形成されているシリ
コン等の半導体基板１上に、たとえば酸化シリコンから
なる層間絶縁膜２を、たとえば減圧ＣＶＤ（Chemical V
apor Deposition ）法により形成する。
【０００５】次に、図３９（ｂ）に示すように、半導体
基板１の不純物拡散領域に通じるコンタクトホールＣ
Ｈ、および半導体基板１の不純物拡散領域と電気的に接
続される所定のパターンの配線が形成される溝Ｍを公知
のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用
いて形成する。
【０００６】次に、図３９（ｃ）に示すように、バリア
膜４を層間絶縁膜２の表面、コンタクトホールＣＨおよ
び溝Ｍ内に形成する。このバリア膜４は、たとえば、Ｔ
ａ、Ｔｉ、ＴａＮ、ＴｉＮ等の材料を公知のスパッタ法
により、形成する。バリア膜４は、配線を構成する材料
が銅で層間絶縁膜２が酸化シリコンで構成されている場
合には、銅は酸化シリコンへの拡散係数が大きく、酸化
されやすいため、これを防止するために設けられる。
【０００７】次に、図４０（ｄ）に示すように、バリア
膜４上に、銅を公知のスパッタ法により、所定の膜厚で
堆積させ、シード膜５を形成する。次に、図４０（ｅ）
に示すように、コンタクトホールＣＨおよび溝Ｍを銅で
埋め込むように、銅膜６を形成する。銅膜６は、たとえ
ば、メッキ法、ＣＶＤ法、スパッタ法等により形成す
る。
【０００８】次に、図４０（ｆ）に示すように、層間絶
縁膜２上の余分な銅膜６およびバリア膜４をＣＭＰ法に
よって除去し、平坦化する。以上の工程により、銅配線
７およびコンタクト８とが形成される。上記したプロセ
スを配線７上で繰り返し行うことにより、多層配線を形
成することができる。
【０００９】上述した研磨工程においては、平坦化研磨
装置が用いられる。図４１は、従来の平坦化研磨装置の
概略を示す斜視図である。この平坦化研磨装置２０は、
研磨布２１が上面に貼られた回転可能な円盤状の定盤２
２と、ウェハ１０を下面で保持する回転可能であって、
上下動（Ｚ方向）可能な円盤状のマウント板２３と、研
磨布２１上に研磨液Ｐを供給するノズル２４を備えてい
る。
【００１０】このような構成において、先ず、積層配線
パターン用銅膜６が形成されているウェハ１０の表面を
下に向けて、ウェハ１０の裏面をマウント板２３の下面
に接着あるいは真空吸着させる。次に、定盤２２とマウ
ント板２３を回転させると共に、ノズル２４から研磨布
２１上に研磨液Ｐを供給する。そして、マウント板２３
を下降させて、ウェハ１０の表面を研磨布２１上に押し
付け、ウェハ１の表面に形成されている積層配線パター
ン用銅膜６を研磨する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の平坦化
研磨装置２０による積層配線パターン用銅膜６の研磨量
は、時間管理されているため不安定であり、研磨終了後
でないと正確な研磨量が判らないという欠点がある。ま
た、研磨精度も、研磨布２１の状態等により変化するの
で不安定であり、作業者の経験や勘を頼りにしなければ
ならないという問題がある。
【００１２】それに加えて、層間絶縁膜２と、銅膜６お
よびバリア膜４との除去性能が異なることから、配線７
にディッシング、エロージョン（シンニング）、リセス
等が発生しやすいという問題がある。
【００１３】ディッシングは、図４２（ａ）に示すよう
に、たとえば、０．１８μｍルールのデザインルールに
おいて、たとえば、１００μｍ程度のような幅の広い配
線７が存在した場合に、当該配線の中央部が過剰に除去
され、へこんでしまう現象であり、このディッシングが
発生すると配線７の断面積が不足するため、配線抵抗値
不良等の原因となる。このディッシングは、配線材料に
比較的軟質の銅やアルミニウムを用いた場合に発生しや
すい。
【００１４】エロージョンは、図４２（ｂ）に示すよう
に、たとえば、３０００μｍの範囲に１．０μｍの幅の
配線が５０パーセントの密度で形成されているようなパ
ターン密度の高い部分が過剰に除去されてしまう現象で
あり、エロージョンが発生すると、配線の断面積が不足
するため、配線抵抗値不良等の原因となる。
【００１５】リセスは、図４２（ｃ）に示すように、層
間絶縁膜２と配線７との境界で配線７が低くなり段差が
できてしまう現象であり、この場合にも配線の断面積が
不足するため、配線抵抗値の不良等の原因となる。
【００１６】一方、特にダマシン法またはデュアルダマ
シン法では、配線用溝、または配線用溝およびコンタク
トホールを同時に銅で埋め込むため、余分な銅膜６の膜
厚が大きく、かつ銅膜表面には埋め込みによって生じた
凹凸があることから、余分な銅膜６をＣＭＰ法によっ
て、効率的に除去しつつ、当該初期段差を緩和する必要
がある。したがって、単位時間当たりの除去量である研
磨レートは、たとえば、５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となる
ように要求されており、この研磨レートを稼ぐために
は、ウェーハに対する加工圧力を大きくしたり、エッチ
ング力の強い薬液を用いたり、研磨工具の回転数を上げ
たりすることが考えられるが、いずれの場合でも精度面
では、上記の方法で研磨レートを向上しようとすると、
段差緩和能力（平坦化能力）が低下することが知られて
いる。
【００１７】また、図４３に示すように、配線表面にス
クラッチＳＣやケミカルダメージＣＤが発生しやすくな
り、特に、軟質の銅では発生しやすい。このため、配線
のオープン、ショート、配線抵抗値不良等の不具合の原
因となり、また、上記の方法で研磨レートを向上しよう
とすると、上記のクラック、層間絶縁膜の剥離、ディッ
シング、エロージョンおよびリセスの発生量も大きくな
るという不利益がある。
【００１８】また、研磨布２１の状態等の変化に起因す
る不安定性をなくし、作業者の経験や勘を頼りにする部
分を可能な限り少なくするためにＣＭＰ加工において、
その硬質研磨ホイールによる優れた平坦化性能を得、ソ
フトウエア制御によるいわゆるスキルレスな均一性補正
を実現しようとする研磨装置が実現されている。
【００１９】ところが、この装置における均一性補正
は、結局、作業者の経験と勘によるところが大きく、い
わゆるレシピ作成にはかなりの熟練を要しているのが実
状である。これは、円形のウェハに対してリング状のホ
イールを、部分的に接触させて除去するという加工法
が、純粋な部分加工ではなく、ある面積を持ってしまっ
ていることから、除去量を部分的に補正するためのレシ
ピ調整がイメージしにくいことが原因である。
【００２０】加えて、熟練した作業者においても、主軸
の傾斜を変化させたりすると、補正時に現れる結果が予
期せぬ状態であったりということが多く、均一性補正に
関しては、各種入力パラメータに対する除去量の変化
が、未だ定量的に関連付けされていないのが現状であ
る。
【００２１】すなわち、従来の研磨装置では、ウェーハ
連続処理時の均一性の向上、維持に対して、各種加工パ
ラメータは作業者の経験からくる予測などにより変更・
補正を繰り返し行う必要があり、デバイス製造上のプロ
セスマージンが装置システム的に決定されるのではな
く、作業者の技能により左右される。
【００２２】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、作業者の技能により左右される
ことなく、的確にディッシングやエロージョンなどの発
生を防止でき、銅配線などの金属膜を研磨によって平坦
化する際に、初期凹凸の段差緩和能力を維持しつつ、研
磨レートを向上させることができ、安定して高い加工精
度を得るこができる研磨方法および研磨装置を提供する
ことにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明は、
研磨手段と被研磨物の表面を所定方向に相対移動して設
定される切削回数をもって平坦に研磨する研磨方法であ
って、各種加工パラメータの影響により創生される被研
磨物表面の除去量分布を、研磨状態によって定まる比例
定数ｋ、および切削回数で規定するプレストンの式に基
づいて求め、上記求めた除去量分布が一様な平坦性を持
つ比例定数ｋを求め、上記求めた比例定数ｋを固定値と
した除去量分布を求め、上記比例定数ｋを固定値とした
ときの除去量分布が一様な平坦性を持ち得る上記切削回
数を設定する。
【００２４】また、本発明では、上記プレストン式の切
削回数は、加工圧力Ｐ、研磨手段と研磨物の相対速度
ｖ、および研磨時間ｔにより規定され、上記切削回数
は、上記研磨時間ｔを規定することにより設定される。
【００２５】また、本発明では、上記プレストン式の切
削回数は、加工圧力Ｐ、研磨手段と研磨物の相対速度
ｖ、および研磨時間ｔにより規定され、上記切削回数
は、上記相対速度ｖを規定することにより設定される。
【００２６】また、本発明では、上記被研磨物は半導体
のウェハであり、上記ウェハの研磨は、研磨手段により
研磨されるときに規定される研磨方向性のピークを緩和
させ得る方向、または、ウェハ中央部の研磨方向を平均
化させ得る方向をもって行う。
【００２７】また、本発明では、上記被研磨物の表面反
射率の変化を検出し、検出値に基づいて、上記被研磨物
の削り残し部分を認識し、削り残し部分と削り残し以外
の部分の研磨条件を自動的に生成する。
【００２８】また、本発明では、上記被研磨物の膜厚を
測定することにより、除去の必要な部分を検出し、検出
値からその部分を加工する条件を自動的に生成する。
【００２９】また、本発明では、上記被研磨物は銅配線
であり、オフラインでのシート抵抗の変化を測定するこ
とにより除去量補正の必要なパラメータを求め、その条
件を自動補正することで均一性の条件だしを行う。
【００３０】また、本発明は、研磨手段と被研磨物の表
面を所定方向に相対移動して設定される切削回数をもっ
て平坦に研磨する研磨装置であって、上記切削回数は、
研磨状態によって定まる比例定数ｋ、および切削回数で
規定するプレストンの式に基づいて求められた、各種加
工パラメータの影響により創生される被研磨物表面の第
１の除去量分布が一様な平坦性を持つ比例定数ｋを固定
値としたときの、第２の除去量分布が一様な平坦性を持
ち得る値に設定されている。
【００３１】また、本発明では、上記被研磨物の表面反
射率の変化を検出する検出手段と、検出値に基づいて、
上記被研磨物の削り残し部分を認識し、削り残し部分と
削り残し以外の部分の研磨条件を自動的に生成する制御
手段とを有する。
【００３２】本発明によれば、各種加工パラメータの影
響により創生される被研磨物表面の除去量分布が、研磨
状態によって定まる比例定数ｋ、および切削回数で規定
するプレストンの式に基づいて求められる。次に、求め
た除去量分布が一様な平坦性を持つ比例定数ｋが求めら
れる。そして、求めた比例定数ｋを固定値とした除去量
分布が求められ、この除去量分布が一様な平坦性を持ち
得る切削回数が設定される。そして、研磨手段により設
定された切削回数をもって、被研磨物の表面が切削され
る。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明
の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨
の記載がない限り、これらの形態に限られるものではな
い。
【００３４】図１は、本発明に係る研磨方法を採用した
平坦化研磨装置の一実施形態の全体構成を模式的に示す
平面図である。
【００３５】この平坦化研磨装置１００は、研磨対象の
ウェハ１０１が投入されるカセットポート１１０、この
カセットポート１１０から取出されたウェハ１０１を位
置決めするハンドリングシステム１２０、このハンドリ
ングシステム１２０で位置決めされたウェハ１０１を化
学的機械研磨するポリッシングヘッド１３０およびポリ
ッシングヘッド１３０で化学的機械研磨されたウェハ１
０１を洗浄するクリーナ１４０で大略構成されている。
なお、各部間のウェハ１０１の搬送は、図示しないロボ
ットにより行われるようになっている。
【００３６】このような構成において、平坦化研磨装置
１００内における通常の研磨工程について説明する。先
ず、複数枚のウェハ１０１が、カセット１０２内に並列
に収納され、このカセット１０２が、カセットポート１
１０にセットされる。そして、１枚のウェハ１０１が、
カセット１０２から取出されて、ハンドリングシステム
１２０に搬送される。
【００３７】搬送されてきたウェハ１０１は、コンベア
１２１で位置決め部１２２に移送されて、センタリング
およびオリフラ合わせが行われ、再びコンベア１２１で
元の位置まで移送される。再移送されてきたウェハ１０
１は、ポリッシングヘッド１３０に搬送される。搬送さ
れてきたウェハ１０１は、バッファ１３１に一旦投入さ
れた後、加工部１３２にセットされて後述するように研
磨状態が測定されながら化学的機械研磨される。研磨が
完了したウェハ１０１は、ウェットステーション１３３
に一旦取出された後、クリーナ１４０に搬送される。
【００３８】搬送されてきたウェハ１０１は、薬剤を洗
浄するために洗浄部１４１を通された後、洗浄液を乾燥
させるために乾燥部１４２へ移送される。そして、乾燥
が完了したウェハ１０１は、再びハンドリングシステム
１２０に搬送され、カセット１０２の空き部分に収納さ
れる。収納している全ウェハ１０１について以上の工程
が終了したカセット１０２は、カセットポート１１０か
ら取出され、次工程へ搬送される。
【００３９】図２は、図１の平坦化研磨装置１００にお
ける加工部１３２の詳細を示す一部断面側面図である。
この加工部１３２は、加工テーブル１５０と加工ヘッド
１６０と研磨状態測定部２００を主構成要素として有し
ている。
【００４０】加工テーブル１５０は、ウェハ１０１を載
置固定して回転させると共にＸ方向に移動させる機能を
有する。台盤１５１の上面には、ウェハ１０１を真空吸
着するウェハチャック１５２が配設され、台盤１５１の
下面には、Ｘ軸ボールナット１５３を有する支持部１５
４が配設されている。
【００４１】そして、Ｘ軸ボールナット１５３には、Ｘ
軸サーボモータ１５５が連結され、Ｘ方向に伸びるＸ軸
ボールネジ１５６が螺合されている。また、台盤１５１
の上方には、研磨液を供給するためのノズル１５７が配
設されている。なお、図示していないが、台盤１５１に
は、ウェハチャック１５２を回転させる機構が内蔵され
ている。
【００４２】加工ヘッド１６０は、Ｚ方向に移動して、
加工テーブル１５０に固定されているウェハ１０１を２
段階で化学的機械研磨する機能を有する。ウェハ１０１
と略同径の円盤状のバフ１６１と、このバフ１６１の径
より大きい内径を有する円環状のホイール１６２が、同
軸、即ち同心円状に配設されている。そして、バフ１６
１は、円環状のメタル定盤１６３の下面に接着固定さ
れ、ホイール１６２は、円環状のメタルツールフランジ
１６４の下面に接着固定されている。
【００４３】メタル定盤１６３の中央孔には、シャフト
１６５の一端が、軸受１６６を有するフランジ１６７を
介して固定されている。このフランジ１６７は、外周面
がテーパ形状に形成されており、同様のテーパ形状に形
成されているメタル定盤１６３の中央部の穴の内周面に
嵌合して固定されている。メタルツールフランジ１６４
の上面側には、等角度間隔で座ぐり１６８が設けられて
いる。
【００４４】この座ぐり１６８の内部には、バネ１６９
を有するピン１７０が、メタルツールフランジ１６４の
下面側へ突き抜けるように挿入されている。そして、ピ
ン１７０の先端は、メタル定盤１６３の上面に螺合され
ている。メタルツールフランジ１６４の上面には、主軸
スピンドルモータ１７１を有する主軸スピンドル１７２
が固定され、さらに主軸スピンドルモータ１７１の上部
には、エアシリンダ１７３が固定されている。
【００４５】シャフト１６５は、メタルツールフランジ
１６４の中央孔から主軸スピンドル１７２、主軸スピン
ドルモータ１７１およびエアシリンダ１７３の中央部を
通って突き抜けるように配設されている。そして、シャ
フト１６５の他端には、エアシリンダ１７３のピストン
１７３ａが固定されている。そして、シャフト１６５
は、研磨液を供給するために中空円筒状に形成されてい
る。
【００４６】主軸スピンドルモータ１７１の外周面に
は、Ｚ軸ボールナット１７４を有する支持部１７５が配
設されている。そして、支持部１７５は、Ｚ軸ガイド１
７６に係止されており、Ｚ軸ボールナット１７４には、
Ｚ軸サーボモータ１７７に連結され、Ｚ方向に伸びるＺ
軸ボールネジ１７８が螺合されている。
【００４７】そして、Ｘ軸サーボモータ１５５はコント
ローラ２００による制御信号によりウェハ１０１のＸ軸
方向の速度制御が行われ、主軸スピンドルモータ１７１
はコントローラ２００による制御信号により回転数が制
御され、Ｚ軸サーボモータ１７７はコントローラ２００
による制御信号により加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位
置決め制御が行われる。
【００４８】なお、図３は、加工ヘッド１６０が位置決
め制御されて下降し、研磨状態になっている場合を示す
図である。
【００４９】このとき、メタル定盤１６３は、バネ１６
９を圧縮し、バフ１６１の研磨面は、ホイール１６２の
研磨面よりも突き出た状態となる。そして、バフ１６１
の研磨面をウェハ１０１の表面に押しつけ、Ｘ軸サーボ
モータ１５５を駆動してＸ軸ボールネジ１５６を回転さ
せ、支持部１５４を介して台盤１５１を往復移動させ、
ウェハ１０１を化学的機械研磨する。なお、このときの
研磨量の絶対値は、主にエアシリンダ１７３の圧力とバ
フ１６１のウェハ１０１に対する通過速度で制御するこ
とができる。
【００５０】コントローラ２００は、研磨装置全体を制
御する機能を有し、特に、上述したように、制御信号Ｃ
ＴＬ１をＸ軸サーボモータ１５５に供給してウェハ１０
１のＸ軸方向の速度制御を行い、制御信号ＣＴＬ２を主
軸スピンドルモータ１７１に供給してその回転数を制御
し、制御信号ＣＴＬ３をＺ軸サーボモータ１７７に供給
して加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位置決め制御を行
う。なお、加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位置決め制御
は、換言すれば加工ヘッド１６０におけるバフ１６１の
ウェハ１０１の表面に対する押しつけ力（押し圧力；加
工圧力）を制御するものである。
【００５１】コントローラ２００に接続されたコントロ
ールパネル２０１は、オペレータが各種加工パラメー
タ、すなわちウェハ１０１のＸ軸方向の速度データ、主
軸スピンドルモータ１７１の回転数データ、加工ヘッド
１６０のＺ軸方向の位置決めデータ（加工圧力データ）
等を入力したり、モニタ用データを表示する。
【００５２】本実施形態では、各種加工パラメータの影
響により創生されるウェーハ表面の除去量分布を後記す
るプレストンの式に基づいて計算し、得られた加工結果
から各種加工パラメータを最適化・自動補正して均一性
補正を行う。すなわち、本実施形態では、均一性補正
を、定量的に、スキルレスに行えるように、プレストン
の式に基づいてＣＭＰ加工のシミュレーションを行い、
その結果から各種加工パラメータを最適化する。以下
に、本発明に係る平坦化研磨方法について、図面に関連
付けながら順を追って説明する。
【００５３】本予測方法（シミュレーション方法）は、
第一段階として、ウェハ１０１とウエハとホイール（バ
フを含む）の幾何的形状と、プレストンの研磨法則から
理論的に得られる除去量をシミュレーションし、各種入
力パラメータに対する、均一性変化状態を、理論上から
定量的に関連付けるのが目的である。
【００５４】Ａ）プレストンの式 遊離砥粒による研磨加工においては、その除去量はプレ
ストンの式より、次の（１）式で表される。
【００５５】
【数１】 Ｍ＝ｋＰｖｔ …（１）
【００５６】ここで、Ｍ：除去量、ｋ：研磨状態によっ
て定まる比例定数、Ｐ：加工圧力、ｖ：工具、被加工物
間の相対速度、ｔ：研磨時間を示している。
【００５７】本方法は、この式をもとに除去量Ｍを計算
する。すなわち、本方法は、まず理論的（理想的）な除
去量を求め、その実際にＣＭＰ加工した場合のプロファ
イルとの比較から比例定数ｋを求めてその値を固定値と
し、その後、切削回数、具体的には、適正な研磨時間ｔ
を求める。さらに具体的には、各種加工パラメータの影
響により創生される被研磨物表面の除去量分布を、研磨
状態によって定まる比例定数ｋ、および切削回数で規定
するプレストンの式に基づいて求め、求めた除去量分布
が一様な平坦性を持つ比例定数ｋを求め、その値を固定
値とした除去量分布を求め、このときの除去量分布が一
様な平坦性を持ち得る切削回数、具体的は、適正な研磨
時間ｔを求める。
【００５８】Ｂ）シミュレーションにおける仮定 Ｂ−１ 圧力成分 本研磨装置１００の研磨時は、たとえば外径２００ｍ
ｍ、内径１６０ｍｍのドーナツ状の硬質パッドホイール
を垂直軸（主軸）に対し、数十ミクロン傾斜させてウエ
ハに接触させている。このときの、ホイールとウエハの
接触状態は幾何学的には、図４に示す通りである。
【００５９】図４において、Ｈは実際のカットイン（Ｃ
ＵＴ ＩＮ）の値（砥石変形量）、ｄｈｘはｘ軸方向の
傾斜量、ｄｈｙはｙ軸方向の傾斜量、ｒは砥石のあるポ
イントの半径を示している。そして、これらのパラメー
タＨ、ｄｈｘ、ｄｈｙと傾斜角θとは次の関係が成り立
つ。
【００６０】
【数２】 Ｈ（ｒ，θ）＝CUTIN −ｒ（１−ｃｏｓβ）・ｔａｎθ−ｒｓｉｎβｔａｎα …（２）
【００６１】
【数３】 ｔａｎθ＝ｄｈｘ／２００ｍｍ …（３）
【００６２】
【数４】 ｔａｎα＝ｄｈｙ／２００ｍｍ …（４）
【００６３】ここで、シミュレーションをするうえで、
図５〜図７に示すように、３つの仮定をする。
【００６４】第１に、図５に示すように、砥石は実際に
は連続的な弾性体であるが、ここでは独立して鉛直方向
にのみ上下動する微小弾性体の集合体と仮定する。第２
に、図６に示すように、砥石の変位と圧力は比例するも
のとする。第３に、図７に示すように、圧力と除去量は
完全に比例するものとする。
【００６５】Ｂ−２ 速度成分 圧力成分同様、ウエハとホイールの相対速度は、幾何学
的に図８に示すようになる。
【００６６】図８において、Ｒをウェハ半径、ｒをホイ
ールの半径、ωｗはウェハ角速度、ωｔをホイール角速
度とすると、次の関係が成り立つ。
【００６７】
【数５】 Ｖ（Ｒ，γ，ｒ，β）＝ ｛Ｖｔ2 ＋Ｖw2−２Ｖｔ・Ｖw ・ｃｏｓ（γ＋β）｝1/2 …（５）
【００６８】
【数６】 Ｖw ＝Ｒ・ωｗ …（６）
【００６９】
【数７】 Ｖt ＝Ｒ・ωｔ …（６） ここで、研磨量と速度の関係は図９のように完全に比例
するものとする。加えて、砥石の研磨能力は１枚加工中
に劣化しないものと仮定する。さらに、ウエハは完全に
フラットな平面、スラリーは均等に供給されるものとす
る。以上の仮定により、ウエハの各点の研磨量の比は次
式のようになる。
【００７０】
【数８】 Ｍ＝∫Ｈ・Ｖｄｔ …（８）
【００７１】これに実験から比例定数ｋを求め、乗算す
ればウエハの実除去量を計算できることになる。
【００７２】Ｃ）シミュレーションソフト Ｃ−１ ２次元面内除去量シミュレーションソフト 本実施形態に係るシミュレーションソフトは、図１０に
示すように、主軸の回転数と、各ポジションにおけるＸ
軸の送り速度、ＣＵＴＩＮ、およびテーブル回転数に加
えて、メカセッティング値のＸおよびＹ方向の主軸の傾
斜量を入力するようになっている。そして、離散時間系
で計算する。そのため、そのサンプリング時間（短いほ
ど計算結果の精度が向上する）を入力し、図１１に示す
ように、面内の除去量の状態を視覚的に表現するように
なっている。なお、図１１は、テーブル回転を固定し、
Ｚ軸を切り込んだ時に形成される“刃型”と呼ばれる研
磨量分布を計算したものである。
【００７３】面内の分割は、たとえば半径方向に２ｍｍ
ピッチで５０ポイント、角度分割はそれぞれ、 ０− ２０ｍｍ：５度ピッチ ２０− ４０ｍｍ：４度ピッチ ４０− ６０ｍｍ：３度ピッチ ６０−１００ｍｍ：２度ピッチ で、合計６３００ポイントの除去量を計算するようにな
っている。
【００７４】Ｃ−２ １次元面内除去量シミュレーショ
ンソフト ２次元面内除去量シミュレーションソフトにおいては、
テーブルの回転数や、送りの速度、あるいは、系の振動
などにより、１周内の除去量が不均一になる場合の解析
に有効であるが、実際の加工では、これらの成分はかな
り小さいため、周内の除去量は一定とみなすことができ
る。そこで、除去量の分布を半径方向のみに計算するこ
とにより、計算時間を短縮することが可能である。これ
を実現例を図１２に示す。
【００７５】このソフトには、あるレシピにより得られ
た研磨状態から、Ｘ軸送り速度を変化させることによ
り、自動で均一性が得られるレシピを検索する機能を付
加している。
【００７６】Ｄ）実験値との比較 Ｄ−１ レシピ上のＣＵＴＩＮ値と実切り込み値の比較 本実施形態に係るレシピエディタにおいては、ＣＵＴＩ
Ｎ値をμ単位で３桁入力できるようになっている。たと
えば熱酸化膜を５０００オングストローム除去する際
に、ＣＵＴＩＮの指令値は、約５０〜９０μ程度の値を
入力している。ところが、実際に砥石が押し込まれる量
というのは、図１３に示すように。ＳＵＢ−Ｚ軸がたわ
むために、指令値よりも小さくなってしまう。そこで、
実際に砥石が押し込まれている量を、図１４に示すよう
な手順にて測定した。
【００７７】すなわち、ＣＵＴＩＮの値は０〜７０μ、
背色面積の違いによる差異を計るために、ウエハのポジ
ションを、砥石の幅の中心で３０ｍｍ、９０ｍｍ、１５
０ｍｍの位置にて計測した。図１５は、その計測結果を
示す図である。
【００７８】図１５に示すように、接触面積の違いによ
り砥石の押し込み量が変化している。図１５からわかる
ように、接触面積の小さな領域では、砥石は強く押し込
まれ、接触面積が増加するにしたがって、砥石の変形量
は小さくなってゆく。これにより外周部においては、同
じＣＵＴ ＩＮ指令値においても、反力の総和は、中央
部よりも小さいものの、砥石の変形により部分的にウェ
ハ上の面圧が上がっていることが推測される。段差緩和
能力が外周部において低いのは、これが原因の可能性が
ある。
【００７９】Ｄ−２ 主軸傾斜１３μ、Ｆ１００等速送
り加工 熱酸化膜ウェハにおいて、切り込み一定、送り速度一
定、定寸切り込み加工における、実際の加工結果と、シ
ミュレーション結果を比較した。この際、ＣＵＴＩＮは
実際の指令値に対し、図１５に示す通り変化してゆく
が、簡便のため、それぞれ代表値として、 として計算し、また計算により得られる値は、各ポイン
トにおける研磨量の比であるため、すなわちプレストン
の式における比例定数ｋが定まらないので、実際に加工
して得られた研磨量の最大値を基準としてその研磨比を
求めた。
【００８０】図１６はＣＵＴＩＮ値７０μのときの実際
に加工して得られた研磨量の最大値を基準とした場合の
研磨比の結果を示す図であり、図１７はＣＵＴＩＮ値５
０μのときの実際に加工して得られた研磨量の最大値を
基準とした場合の研磨比の結果を示す図であり、図１８
はＣＵＴＩＮ値３０μのときの実際に加工して得られた
研磨量の最大値を基準とした場合の研磨比の結果を示す
図である。
【００８１】図１６〜図１８に示すように、過剰研磨が
生じるエッジ部を除き、非常に実験値に近い計算結果が
得られている。
【００８２】Ｅ）各種検討 エッジ部を除いて、計算結果がわりと実験値と一致する
ことが確かめられたうえで、以下の各種検討を計算によ
り行った。
【００８３】Ｅ−１ 大径ホイールを用いた等速送り加
工の可能性について ウェハよりも大きなサイズのホイールにて、等速で研磨
すると、均一性が得られるということで、実験、検討が
行われているが、それについて、考察する。
【００８４】図１９に、送り速度一定：Ｆ２００、実切
り込み１０μの全面研磨において、主軸の傾斜量を５０
μ〜１０μまで変化させたときに得られる除去パターン
を示す。図１９からわかるように、これから同じレシピ
を入力しても、主軸の傾斜量によって得られる除去パタ
ーンは大きく変化することがわかる。傾きが大きいとき
は、中心部の除去量が多くなり、傾きが減少するにつれ
て、外周部の除去量が増加する。
【００８５】ここで、注目すべきは、傾き２０μの場合
の除去パターンである。直径φ１６０ｍｍ以内の部分が
ほぼ均一に除去されている。ということは、６インチウ
エハの除去においては、傾斜を２０μ前後（計算上は実
ＣＵＴＩＮ１０μ、Ｆ２００全面等速送りで、主軸傾斜
２３μでほぼ完全にフラットになる）に固定し、等速に
送ることによって均一性が得られることになる。８イン
チウェハにおいては、図２０に示すように、φ２５０ｍ
ｍ程度の外径のホイールを用いれば、レシピを細かく設
定することなく、基本的に等速送りで均一性が得られる
はずである。
【００８６】ところが、図２１に示したように、ＣＵＴ
ＩＮ値を変化させてしまうと、いわゆる“刃型”の形状
が変化してしまうので、大径ホイール等速加工において
も均一性が得られなくなってしまう。したがって、平坦
性のレベルをどこかで固定する必要がある。
【００８７】Ｅ−２ “刃型”の形状と主軸傾きとの関
係 いわゆるホイール部分のウェハとの接触面には、所定形
状の溝が形成されている。具体的には、図２２に示すよ
うな網目溝、または図２３で示すようなスラリー吹き出
し溝、または図２４に示すようなスラリー吸い込み溝が
形成される。本実施形態においては、たとえば図２４に
示すようなスラリー吸い込み溝が形成される。
【００８８】図２５は、溝形状が網目形状で主軸傾きが
１３μｍの場合の残膜パターンを示し、図２６は、溝形
状が網目形状で主軸傾きが５０μｍの場合の残膜パター
ンを示し、図２７は、溝形状が吸い込み形状で主軸傾き
が１３μｍの場合の残膜パターンを示している。図に示
すように、溝形状が網目形状であると、主軸傾きが１３
μｍの場合には良好な残膜パターンが得られ、５０μｍ
の場合には中央部が凹状の残膜パターンが得られる。そ
して、溝形状が吸い込み形状の場合には、主軸傾きが小
さいにもかかわらず、網目形状で主軸傾きが大きい場合
と同様の残膜パターンが得られる。この結果から、本実
施形態のように溝形状が吸い込み形状の場合には、主軸
傾きをさらに小さく設定することにより、図２５に示す
ような良好な残膜パターンが得られることが予測可能で
ある。
【００８９】また、図示していないが、溝形状が吹き出
し形状の場合には、吸い込み形状の場合と逆で、中央部
が凸状の残膜パターンが得られる。したがって、溝形状
が吹き出し形状の場合には、主軸傾きを大きくすれば図
２５に示すような良好な残膜パターンを得ることが可能
である。
【００９０】このように、溝形状によって主軸傾きを適
宜選定することにより、良好な残膜パターンを得ること
が可能である。逆に、主軸傾きが固定されている場合に
は、傾きに応じた溝形状を選定することにより良好な残
膜パターンを得ることが可能である。
【００９１】Ｅ−３ 自動レシピ検索機能 なお、１次元シミュレーションソフトには、あるレシピ
により得られた研磨パターンから、ＰＣ上でＸ軸の送り
速度を変化させることにより、自動で均一性レシピを計
算する機能を有している。その状態を図２８に示す。図
２８から、計算上でのはなしであるが、実際との相違を
定量化することにより、各種条件（特に主軸の傾斜を変
化させたとき）に応じて、レシピのラフ調整ぐらいはで
きる。
【００９２】さらに、ウェハの面内において、膜質の不
均一等により、被研磨性が異なる場合など、それに応じ
てレシピを調整する必要があるが、その際ウェハ上の各
ポイントの被研磨性を理論値との比較から算出し、その
分を加味したレシピを自動的に計算することにより、均
一性の補正が簡略化できる。
【００９３】研磨状態測定部３００は、検出装置１８０
およびこの検出装置１８０に電気的に接続された制御装
置１９０を備えている。検出装置１８０は、ウェハ１０
１の表面反射率の変化を検出する装置であり、受発光部
１８１およびこの受発光部１８１に接続された光ファイ
バ１８２を備えている。
【００９４】受発光部１８１は、制御装置１９０から入
力した駆動信号をその大きさに対応した光に変換して発
光し光ファイバ１８２を伝搬させ、また光ファイバ１８
２を伝搬してきた光をその強度に対応したセンサ信号に
変換して制御装置１９０に出力する、たとえば波長が３
９０ｎｍの発光ダイオード（ＬＥＤ）およびフォトディ
テクタを有するアナログ出力付きのフォトセンサが使用
される。光ファイバ１８２は、２芯のファイバであり、
ファイバ先端が、加工ヘッド１６０の隣接位置であっ
て、ウェハ１０１のＸ方向の中心線上の供えば５０ｍｍ
〜１００ｍｍ上方の位置に、ウェハ１０１の表面に向か
って固定されている。
【００９５】制御装置１９０は、検出装置１８０からの
検出値に基づいて、ウェハ１０１の削り残し部分を認識
し、この削り残し部分と削り残し以外の部分の研磨条件
を自動的に生成してフィードバックする装置である。
【００９６】図２９は、制御装置１９０の詳細構成を示
すブロック図である。制御装置１９０は、センサ駆動部
１９１、センサ信号入力部１９２、研磨物位置認識部１
９３、削り残し位置認識部１９４およびＸ軸サーボモー
タ駆動制御部１９５を備えている。
【００９７】センサ駆動部１９１およびセンサ信号入力
部１９２は、受発光部１８１に電気的に接続されてい
る。センサ駆動部１９１は、研磨物位置認識部１９３に
電気的に接続されている。センサ信号入力部１９２は、
削り残し位置認識部１９４に電気的に接続されている。
研磨物位置認識部１９３、削り残し位置認識部１９４お
よびＸ軸サーボモータ駆動制御部１９５は、相互にルー
プ接続されている。Ｘ軸サーボモータ駆動制御部１９５
は、Ｘ軸サーボモータ１５５に電気的に接続されてい
る。
【００９８】このような構成のセンサ駆動部１９１は、
研磨物位置認識部１９３からのウェハ１０１のＸ軸上の
位置信号に従って、所定の駆動信号を受発光部１８１に
出力する。センサ信号入力部１９２は、受発光部１８１
からのセンサ信号を入力して削り残し位置認識部１９４
に出力する。研磨物位置認識部１９３は、Ｘ軸サーボモ
ータ駆動制御部１９５からの駆動信号に基づいて、ウェ
ハ１０１のＸ軸上の位置を認識してセンサ駆動部１９１
および削り残し位置認識部１９４に出力する。
【００９９】削り残し位置認識部１９４は、センサ信号
入力部１９２からのセンサ信号および研磨物位置認識部
１９３からのウェハ１０１のＸ軸上の位置信号に基づい
て、ウェハ１０１上の削り残し部分のＸ軸上の位置を認
識してＸ軸サーボモータ駆動制御部１９５に出力する。
Ｘ軸サーボモータ駆動制御部１９５は、削り残し位置認
識部１９４からのウェハ１０１上の削り残し部分のＸ軸
上の位置信号に基づいて、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆
動制御する。これにより、加工テーブル１５０に固定さ
れているウェハ１０１は、加工テーブル１５０の駆動の
みにより、加工ヘッド１６０での研磨工程後、直に研磨
状態測定部２００での測定工程に入ることができる。
【０１００】ここで、先ず、ウェハ１０１の表面反射率
とウェハ１０１の研磨状態（削り残し部分および削り残
し以外の部分）の関係について説明する。図３０は、研
磨後のウェハ１０１の表面状態の一例を示す斜視図であ
る。ウェハ１０１は、加工テーブル１５０で回転させら
れながら、回転している加工ヘッド１６０で研磨される
ので、図に示すように、銅（Ｃｕ）で成る積層配線パタ
ーン用銅膜の削り残し部分１０１ａ、タンタル（Ｔａ）
で成るバリヤ膜の削り残し部１０１ｂおよび二酸化珪素
（ＳｉＯ2 ）で成る絶縁膜（酸化膜）の削り残し以外の
部分１０１ｃは略同心円状に形成される。
【０１０１】このため、ウェハ１０１を加工テーブル１
５０で回転させながら、ウェハ１０１の中心から外周に
向かってＸ方向に表面反射率を測定することにより、ウ
ェハ１０１のＸ軸上の位置に対応した平均化された表面
反射率を得ることができる。つまり、図３１に示すよう
に、研磨して純水洗浄した状態のウェハ１０１、即ちウ
ェットコンディションのウェハ１０１を３０ｒｐｍで回
転させながらＸ方向に移動させたときに測定されるウェ
ハ１０１の表面反射率（図では受発光部１８１のセンサ
信号Ｖ（ｍＶ）で表す）は、ウェハ１０１の中心（ｘ＝
０ｍｍ）からｘ＝１８ｍｍ程度までの円形部１０１ａ
が、約６０％〜８０％程度と最も高く、ｘ＝１８ｍｍ、
からｘ＝２８ｍｍ程度までのリング部１０１ｂが、約２
０％〜４０％程度と次いで高く、ｘ＝２８ｍｍからｘ＝
７８ｍｍ程度までのリング部１０１ｃが、約２０％〜３
０％程度と最も低くなる。
【０１０２】以上のことから、ウェハ１０１の表面反射
率をウェハ１０１のＸ軸上の位置と関係させながら測定
することにより、ウェハ１０１の研磨状態、即ち銅（Ｃ
ｕ）で成る積層配線パターン用銅膜やタンタル（Ｔａ）
で成るバリヤ膜が残っている部分と、二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）で成る絶縁膜（酸化膜）が露出した削り終わった
部分のＸ軸上の位置を認識することができる。
【０１０３】次に、ウェハ１０１の削り残し部分と削り
残し以外の部分の研磨条件の生成について説明する。上
述したウェハ１０１の研磨状態のＸ軸上の位置を認識し
たら、過去の研磨条件である暫定レシピまたは前回の研
磨条件であるレシピの中から加工テーブル１５０のＸ方
向の送り速度パターン、即ちウェハ１０１の半径位置ｘ
（ｍｍ）の送り速度Ｆｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）を読みだし
て、上記認識結果に基づいてオーバライド補正する。
【０１０４】このオーバライド補正とは、研磨除去量の
過不足分をウェハ１０１の半径位置ｘ（ｍｍ）の送り速
度Ｆｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）に掛けることで補正する処理で
ある。たとえば、研磨除去量の不足分を５０％とした場
合、補正された送り速度Ｆ’ｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、元
の送り速度Ｆｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）の０．５倍となる。従
って、ウェハ１０１の半径位置ｘ（ｍｍ）での通過時間
は２倍となり、研磨除去量も２倍となる。
【０１０５】逆に、研磨除去量の過分を２００％とした
場合、補正された送り速度Ｆ’ｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、
元の送り速度Ｆｘ（ｍｍ／ｍｉｎ）の２倍となる。従っ
て、ウェハ１０１の半径位置ｘ（ｍｍ）での通過時間は
０．５倍となり、研磨除去量も０．５倍となる。
【０１０６】上記例の場合、たとえばチップ全体の記録
密度を５０％としたとき、反射率６０％以上（銅（Ｃ
ｕ）で成る積層配線パターン用膜７の部分に相当）の部
分は、オーバライド５０％（２倍の研磨除去量）とし、
反射率４０％〜６０％（銅（Ｃｕ）で成る積層配線パタ
ーン用銅膜７とタンタル（Ｔａ）で成るバリヤ膜５が混
合した部分に相当）の部分は、オーバライド８０％
（１．２倍の研磨除去量）とし、反射率４０％以下（タ
ンタル（Ｔａ）で成るバリヤ膜５と二酸化珪素（ＳｉＯ
2 ）で成る絶縁膜（酸化膜）３が混合した部分に相当）
の部分は、オーバライド２００％（０．５倍の研磨除去
量）としてオーバライド補正する。
【０１０７】次に、上記構成による研磨装置の動作を図
３、図３２、図３３、および図３４のフローチャートに
関連付けて説明する。ここでは、以上のようにウェハ１
０１とウェハとホイール（バフを含む）の幾何的形状
と、プレストンの研磨法則から理論的に得られる除去量
をシミュレーションし、各種入力パラメータに対する、
均一性変化状態を、理論上から定量的に関連付けたデー
タがコントロールパネル２０１からコントローラ２００
に対して入力される。具体的には、理論的（理想的）な
除去量を求め、その実際にＣＭＰ加工した場合のプロフ
ァイルとの比較から比例定数ｋを求めてその値を固定値
とし、その後、切削回数、具体的には、適正な研磨時間
ｔが求られて、他のパラメータとともに入力される。な
お、装置においては主軸傾きは所定の傾きに設定されて
いる。
【０１０８】コントローラ２００では、たとえば制御信
号ＣＴＬ１がＸ軸サーボモータ１５５に供給されてウェ
ハ１０１のＸ軸方向の速度制御が行われ、制御信号ＣＴ
Ｌ２が主軸スピンドルモータ１７１に供給されその回転
数を制御され、制御信号ＣＴＬ３がＺ軸サーボモータ１
７７に供給されて加工ヘッド１６０のＺ軸方向の位置決
め制御が行われる。
【０１０９】ここで、バフ１６１としては、たとえば軟
質バフ、その研磨液としては、たとえば硝酸（ＨＮ
Ｏ3 ）等のエッチャントの薬液が使用される。また、ホ
イール１６２としては、たとえば硬質アルミナ砥粒（γ
−Ａｌ2 ０3 、粒子径０．３５μｍ、比重１．６１）が
固定化された硬質ホイール、その研磨液としては、たと
えば１０ｗｔ％のアルミナ砥粒（Ａｌ2 ０3 、粒子径
０．１６μｍ、モース硬度８．０）を３％の過酸化水素
（Ｈ2 Ｏ2 ）で分散させたスラリ（ｐｈ４．８ ）が使
用される。なお、このホイール１６２とスラリによる研
磨によると、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、二酸化珪
素（ＳｉＯ2 ）の各研磨速度は、１２００Å／ｍｉｎ、
１３０Å／ｍｉｎ、６０Å／ｍｉｎ以下となる。
【０１１０】最初に、バフ１６１を用いた研磨を行い
（図３参照）、その後に、研磨状態測定部１７０での測
定を行い（図３１参照）、その測定結果に基づいて、ホ
イール１６２を用いた研磨を行う（図３２参照）。
【０１１１】先ず、ウェハチャック１５２にウェハ１０
１を真空吸着させたら、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動
してＸ軸ボールネジ１５６回転させ、ウェハ１０１が所
定の研磨開始位置になるまで、支持部１５４を介して台
盤１５１を移動させる。そして、台盤１５１に内蔵され
ている回転機構を駆動してウェハチャック１５２を介し
てウェハ１０１を回転させる。同時に、主軸スピンドル
モータ１７１を駆動して主軸スピンドル１７２を介して
ホイール１６２を回転させ、さらにピン１７０を介して
バフ１６１を回転させる。
【０１１２】次に、Ｚ軸サーボモータ１７７を駆動して
Ｚ軸ボールネジ１７８を回転させ、ホイール１６２の研
磨面が、ウェハチャック１５２に真空吸着されているウ
ェハ１０１の表面から所定の間隔を開けた状態になるま
で、支持部１７５をＺ軸ガイド１７６に沿って下降させ
る。そして、薬液を図示しない供給装置からシャフト１
６５の中空部およびメタル定盤１６３の溝１６３ａを介
してバフ１６１へ供給する。同時に、エアシリンダ１７
３のシリンダ１７３ｂに設けられている加圧側供給口１
７３ｃにエアーを供給し、ピストン１７３ａおよびシャ
フト１６５を介してメタル定盤１６３を下降させる。
【０１１３】このとき、メタル定盤１６３は、バネ１６
９を圧縮し、バフ１６１の研磨面は、ホイール１６２の
研磨面よりも突き出た状態となる。そして、バフ１６１
の研磨面をウェハ１０１の表面に押しつけ、Ｘ軸サーボ
モータ１５５を駆動してＸ軸ボールネジ１５６を回転さ
せ、支持部１５４を介して台盤１５１を往復移動させ、
ウェハ１０１を化学的機械研磨する。なお、このときの
研磨量の絶対値は、主にエアシリンダ１７３の圧力とバ
フ１６１のウェハ１０１に対する通過速度で制御するこ
とができる（ＳＴＰ１）。
【０１１４】この研磨終了後は、薬液の供給を停止し、
図示しないノズルを介してウェハ１０１の表面に純水お
よび薬液を供給し、ウェハ１０１の表面に残存している
研磨液やパーティクルを洗浄除去してリンスおよび酸化
防止する（ＳＴＰ２）。
【０１１５】続いて、エアシリンダ１７３のシリンダ１
７３ｂに設けられている退避側供給口１７３ｄにエアー
を供給し、ピストン１７３ａおよびシャフト１６５を介
してメタル定盤１６３を上昇させ、バフ１６１の研磨面
をウェハ１０１の表面から離す。このとき、メタル定盤
１６３の上面は、メタルツールフランジ１６４の下面に
バネ１６９の復元力により押しつけられており、バフ１
６１の研磨面は、ホイール１６２の研磨面よりも引っ込
んた状態となる。
【０１１６】そして、ウェハ１０１の研磨状態を測定す
るために、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動してＸ軸ボー
ルネジ１５６を回転させ、ウェハ１０１の中心（ｘ＝０
ｍｍ）が光ファイバ１８２の直下の位置になるまで、支
持部１５４を介して台盤１５１を移動させる。この位置
決め完了後、受発光部１８１で発光させた光を光ファイ
バ１８２を介してウェハ１０１の表面に照射し、その反
射光を光ファイバ１８２を介して受残光部１８１で受光
して、ウェハ１０１の表面反射率を検出する。
【０１１７】同時に、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動し
てＸ軸ボールネジ１５６を回転させ、支持部１５４を介
して台盤１５１をウェハ１０１の半径分だけ移動させ
る。これにより、ウェハ１０１の表面反射率をウェハ１
０１のＸ軸上の位置と関係させながら測定し、この測定
結果に基づいてＸ軸サーボモータ１５５によるウェハ１
０１の送り速度パターンを補正する（ＳＴＰ３〜５）。
【０１１８】次に、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動して
Ｘ軸ボールネジ１５６を回転させ、ウェハ１０１が所定
の研磨開始位置になるまで、支持部１５４を介して台盤
１５１を移動させる。そして、スラリを図示しない供給
装置からノズル１５７を介してウェハ１０１の表面へ供
給する。同時に、Ｚ軸サーボモータ１７７を先程とは逆
方向に駆動してＺ軸ボールネジ１７８を回載させて、支
持部１７５をＺ軸ガイド１７６に沿って下降させる。
【０１１９】そして、ホイール１６２の研磨面をウェハ
１０１の表面に押しつけ、上述の補正した送り速度パタ
ーンに基づいて、Ｘ軸サーボモータ１５５を駆動してＸ
軸ボールネジ１５６を回転させ、支持部１５４を介して
台盤１５１を往復移動させ、ウェハ１０１を化学的機械
研磨する（ＳＴＰ６）。
【０１２０】この研磨終了後、スラリの供給を停止し、
図示しないノズルを介してウェハ１０１の表面に純水を
供給してウェハ１０１の表面に残存しているスラリやバ
ーティクルを洗浄除去し、ステップＳＴＰ３に戻ってウ
ェハ１０１の研磨状態を再測定する。この結果、ウェハ
１０１に削り残しが有るときは（ＳＴＰ４）、ステップ
ＳＴＰ５に進んで再研磨する。一方、ウェハ１０１に削
り残しが無いときは（ＳＴＰ４）、図示しないノズルを
介してウェハ１０１の表面に純水および薬液を供給し、
ウェハ１０１の表面に残存しているスラリやパーティク
ルを洗浄除去してリンスおよび酸化防止し（ＳＴＰ
７）、全ての研磨工程を終了する。
【０１２１】以上のように、ウェハ１０１の研磨状態を
測定しながら研磨するようにしているので、従来のよう
に時間管理のみでプロセスを組む場合と比べ、ウェハ１
０１全面をアンダーポリッシュが無く、オーバーポリッ
シュを少なくした研磨が可能となり、研磨精度や研磨安
定性を向上させることができる。また、従来はバラツキ
を見越してプロセスを組んであるため、不必要なマージ
ンを設定してあり、前後プロセスヘの要求スペックが厳
しくなることや、十分なデバイス特性が発揮できない等
の弊害があったが、上記実施形態によれば、プロセスマ
ージンの拡大、歩留りの向上、コストダウンを図ること
ができる。また、従来の研磨条件だしのときには熟練し
たオペレータの経験や勘に頼ることが多く、またその作
業も手間が掛かっていたが、上記実施形態によれば、自
動化が可能となり、メンテナンスのスキルレス化が可能
となる。
【０１２２】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、理論的（理想的）な除去量を求め、その実際にＣＭ
Ｐ加工した場合のプロファイルとの比較から比例定数ｋ
を求めてその値を固定値とし、その後、切削回数、具体
的には、適正な研磨時間ｔを求め、この他のパラメータ
とともにコントローラ２００に入力し、コントローラ２
００によりたとえば制御信号ＣＴＬ１をＸ軸サーボモー
タ１５５に供給しウェハ１０１のＸ軸方向の速度制御を
行い、制御信号ＣＴＬ２を主軸スピンドルモータ１７１
に供給しえその回転数を制御し、制御信号ＣＴＬ３をＺ
軸サーボモータ１７７に供給して加工ヘッド１６０のＺ
軸方向の位置決め制御を行うにようにしたので、作業者
の技能により左右されることなく、的確にディッシング
やエロージョンなどの発生を防止でき、銅配線などの金
属膜を研磨によって平坦化する際に、初期凹凸の段差緩
和能力を維持しつつ、研磨レートを向上させることがで
き、安定して高い加工精度を得るこができる。
【０１２３】なお、本実施形態では、機内で表面反対率
の分布測定をすることにより除去の必要な部分を機上で
測定し、その結果からその部分を加工する条件を自動で
作成することで、銅ＣＭＰの寸法停止精度を補正向上さ
せるシステムについて説明したが、たとえば、ＩＬＤの
ＣＭＰでは機内で膜厚の光学測定をすることにより除去
の必要な部分を機上で測定し、その結果からその部分を
加工する条件を自動でフィードバックすることで、ＣＭ
Ｐのグローバルな加工精度、安定性を補正向上させるシ
ステムとすることも可能である。また、銅配線のＣＭＰ
条件だしではオフラインでのシート抵抗の変化を測定す
ることにより除去量補正の必要なパラメータを計算し、
その条件を自動補正することで均一性の条件だしを行う
システムとすることも可能である。
【０１２４】また、研磨装置１００において、ウェハ１
０１を研磨する際には、図３５に示すようは方向θを下
記（９）式により求め、その方向に研磨を行うことによ
り、図３６に示すように、研磨方向性にピークが生じる
という不利益を、図３７に示すように、研磨方向性のピ
ークを緩和させ、あるいは、図３８に示すように、ウェ
ハ中央部の研磨方向を平均化させることができる。
【０１２５】
【数９】 θ＝π／２−ｃｏｓ-1（Ｖt2＋Ｖt ・Ｖw ｃｏｓ（α＋β）／Ｖt ／（Ｖw2＋Ｖt2＋２Ｖt ・Ｖw ｃｏｓ（α＋β）＋α）1/2 …（９）
【０１２６】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
作業者の技能により左右されることなく、的確にディッ
シングやエロージョンなどの発生を防止でき、銅配線な
どの金属膜を研磨によって平坦化する際に、初期凹凸の
段差緩和能力を維持しつつ、研磨レートを向上させるこ
とができ、安定して高い加工精度を得るこができる利点
がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る平坦化研磨装置の実施形態の全体
構成を示す平面図である。
【図２】図１の平坦化研磨装置における加工部の詳細を
示す一部断面側面図である。
【図３】図１の平坦化研磨装置の動作例を示す断面側面
図である。
【図４】ホイールとウェハの接触状態を幾何学的に示す
図である。
【図５】シミュレーションをするうえでの第１の仮定を
示す図である。
【図６】シミュレーションをするうえでの第２の仮定を
示す図である。
【図７】シミュレーションをするうえでの第２の仮定を
示す図である。
【図８】ウェハとホイールの相対速度を幾何学的に示す
図である。
【図９】シミュレーションをするうえでの研磨量と速度
の関係を示す図である。図２の加工部の制御装置の詳細
を示すブロック図。
【図１０】本発明に係るシミュレーションソフトを説明
するための図であって、レシピ入力画面を示す図であ
る。
【図１１】本発明に係るシミュレーションソフトを説明
するための図であって、計算結果出力画面を示す図であ
る。
【図１２】本発明に係るシミュレーションソフトを説明
するための図であって、１次元シミュレーション画面を
示す図である。
【図１３】実際に砥石が押し込まれる量についての説明
図である。
【図１４】実切り込み測定方法についての説明図であ
る。
【図１５】ＣＵＴＩＮ指令値と実切り込み値との関係を
示す図である。
【図１６】ＣＵＴＩＮ値７０μのときの実際に加工して
得られた研磨量の最大値を基準とした場合の研磨比の結
果を示す図である。
【図１７】ＣＵＴＩＮ値５０μのときの実際に加工して
得られた研磨量の最大値を基準とした場合の研磨比の結
果を示す図である。
【図１８】ＣＵＴＩＮ値３０μのときの実際に加工して
得られた研磨量の最大値を基準とした場合の研磨比の結
果を示す図である。
【図１９】送り速度一定：Ｆ２００、実切り込み１０μ
の全面研磨において、主軸の傾斜量を５０μ〜１０μま
で変化させたときに得られる除去パターンを示図であ
る。
【図２０】大径ホイールによると右側全面加工について
の説明図である。
【図２１】主軸傾斜および送り速度一定：Ｆ２００を固
定した全面加工時のＣＵＴＩＮ依存性を説明するための
図である。
【図２２】ホイール部分のウェハとの接触面に形成され
る網目溝を示す図である。
【図２３】ホイール部分のウェハとの接触面に形成され
るスラリー吹き出し溝を示す図である。
【図２４】ホイール部分のウェハとの接触面に形成され
るスラリー吸い込み溝を示す図である。
【図２５】溝形状が網目形状で主軸傾きが１３μｍの場
合の残膜パターンを示す図である。
【図２６】溝形状が網目形状で主軸傾きが５０μｍの場
合の残膜パターンを示す図である。
【図２７】溝形状が吸い込み形状で主軸傾きが１３μｍ
の場合の残膜パターンを示す図である。
【図２８】自動レシピ検索機能についての説明図であ
る。
【図２９】研磨状態測定部の制御装置の詳細構成を示す
ブロック図である。
【図３０】研磨後のウェハの表面状態の一例を示す斜視
図である。
【図３１】図３０のウェハの半径位置における表面反射
率を示す図である。
【図３２】図１の平坦化研磨装置の動作例を示す第２の
断面側面図。
【図３３】図１の平坦化研磨装置の動作例を示す第３の
断面側面図。
【図３４】図１の平坦化研磨装置の動作例を示すフロー
チャート図。
【図３５】好適な研磨方向についての説明図である。
【図３６】不敵な研磨方向についての説明図である。
【図３７】好適な研磨方向についての説明図である。
【図３８】好適な研磨方向についての説明図である。
【図３９】従来例に係るデュアルダマシン法による銅配
線の形成方法を説明するための断面図である。
【図４０】従来例に係るデュアルダマシン法による銅配
線の形成方法を説明するための断面図である。
【図４１】従来の平坦化研磨装置の概略を示す斜視図。
【図４２】ＣＭＰ法による銅膜研磨構成における課題を
説明するための図である。
【図４３】ＣＭＰ法による銅膜研磨構成において発生す
るスクラッチおよびケミカルダメージを説明するための
図である。
【符号の説明】
１００…研磨装置、１０１…ウェハ、１１０…カセット
ポート、１２０…ハンドリングシステム、１３０…ポリ
シングヘッド、１３２…加工部、１４０…クリーナ、１
５０…加工テーブル、１５１…台盤、１５２…ウェハチ
ャック、１５３…Ｘ軸ボールナット、１５４…支持部、
１５５…Ｘ軸サーボモータ、１５６…Ｘ軸ボールネジ、
１５７…ノズル、１６０…加工ヘッド、１６１…バフ、
１６２…ホイール、１６３…メタル定盤、１６４…メタ
ルツールフランジ、１６５…シャフト、１６７…フラン
ジ、１６８…座ぐり、１６９…ネジ、１７０…ピン、１
７１…主軸スピンドルモータ、１７２…主軸スピンド
ル、１７３…エアシリンダ、１７４…Ｚ軸ボールナッ
ト、１７５…支持部、１７６…Ｚ軸ガイド、１７７…Ｚ
軸サーボモータ、１７８…Ｚ軸ボールネジ、１８０…検
出装置、１８１…受発光部、１８２…光ファイバ、１９
０…制御装置、２００…コントローラ、３００…研磨状
態測定部。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１０月４日（２０００．１０．
４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図６】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図７】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正内容】
【図９】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１０】
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１２】
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１３】
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１４】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１６】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１７】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１８】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１９】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２０】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２１】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２２】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２３】
【手続補正１８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２４】
【手続補正１９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２５】
【手続補正２０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２６】
【手続補正２１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２７】
【手続補正２２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２８】
【手続補正２３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３２】
【手続補正２４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３６】
【手続補正２５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３７
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３７】
【手続補正２６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３８】
【手続補正２７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３９】
【手続補正２８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４０】
【手続補正２９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４２】
【手続補正３０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４３】

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 研磨手段と被研磨物の表面を所定方向に
    相対移動して設定される切削回数をもって平坦に研磨す
    る研磨方法であって、 各種加工パラメータの影響により創生される被研磨物表
    面の除去量分布を、研磨状態によって定まる比例定数
    ｋ、および切削回数で規定するプレストンの式に基づい
    て求め、 上記求めた除去量分布が一様な平坦性を持つ比例定数ｋ
    を求め、 上記求めた比例定数ｋを固定値とした除去量分布を求
    め、 上記比例定数ｋを固定値としたときの除去量分布が一様
    な平坦性を持ち得る上記切削回数を設定する研磨方法。
  2. 【請求項２】 上記プレストン式の切削回数は、加工圧
    力Ｐ、研磨手段と研磨物の相対速度ｖ、および研磨時間
    ｔにより規定され、 上記切削回数は、上記研磨時間ｔを規定することにより
    設定される請求項１記載の研磨方法。
  3. 【請求項３】 上記プレストン式の切削回数は、加工圧
    力Ｐ、研磨手段と研磨物の相対速度ｖ、および研磨時間
    ｔにより規定され、 上記切削回数は、上記相対速度ｖを規定することにより
    設定される請求項１記載の研磨方法。
  4. 【請求項４】 上記被研磨物は半導体のウェハであり、 上記ウェハの研磨は、研磨手段により研磨されるときに
    規定される研磨方向性のピークを緩和させ得る方向、ま
    たは、ウェハ中央部の研磨方向を平均化させ得る方向を
    もって行う請求項１記載の研磨方法。
  5. 【請求項５】 上記被研磨物は半導体のウェハであり、 上記ウェハの研磨は、研磨手段により研磨されるときに
    規定される研磨方向性のピークを緩和させ得る方向、ま
    たは、ウェハ中央部の研磨方向を平均化させ得る方向を
    もって行う請求項３記載の研磨方法。
  6. 【請求項６】 上記被研磨物は半導体のウェハであり、 上記ウェハの研磨は、研磨手段により研磨されるときに
    規定される研磨方向性のピークを緩和させ得る方向、ま
    たは、ウェハ中央部の研磨方向を平均化させ得る方向を
    もって行う請求項４記載の研磨方法。
  7. 【請求項７】 上記被研磨物の表面反射率の変化を検出
    し、 検出値に基づいて、上記被研磨物の削り残し部分を認識
    し、 削り残し部分と削り残し以外の部分の研磨条件を自動的
    に生成する請求項１記載の研磨方法。
  8. 【請求項８】 上記被研磨物の膜厚を測定することによ
    り、除去の必要な部分を検出し、 検出値からその部分を加工する条件を自動的に生成する
    請求項１記載の研磨方法。
  9. 【請求項９】 上記被研磨物は銅配線であり、 オフラインでのシート抵抗の変化を測定することにより
    除去量補正の必要なパラメータを求め、 その条件を自動補正することで均一性の条件出しを行う
    請求項１記載の研磨方法。
  10. 【請求項１０】 研磨手段と被研磨物の表面を所定方向
    に相対移動して設定される切削回数をもって平坦に研磨
    する研磨装置であって、 上記切削回数は、 研磨状態によって定まる比例定数ｋ、および切削回数で
    規定するプレストンの式に基づいて求められた、各種加
    工パラメータの影響により創生される被研磨物表面の第
    １の除去量分布が一様な平坦性を持つ比例定数ｋを固定
    値としたときの、第２の除去量分布が一様な平坦性を持
    ち得る値に設定されている研磨装置。
  11. 【請求項１１】 上記プレストン式の切削回数は、加工
    圧力Ｐ、研磨手段と研磨物の相対速度ｖ、および研磨時
    間ｔにより規定され、 上記切削回数は、上記研磨時間ｔを規定することにより
    設定されている請求項１０記載の研磨装置。
  12. 【請求項１２】 上記プレストン式の切削回数は、加工
    圧力Ｐ、研磨手段と研磨物の相対速度ｖ、および研磨時
    間ｔにより規定され、 上記切削回数は、上記相対速度ｖを規定することにより
    設定されている請求項１２記載の研磨装置。
  13. 【請求項１３】 上記被研磨物は半導体のウェハであ
    り、 上記研磨手段は、上記ウェハの研磨を、研磨手段により
    研磨されるときに規定される研磨方向性のピークを緩和
    させ得る方向、または、ウェハ中央部の研磨方向を平均
    化させ得る方向をもって行う請求項１０記載の研磨装
    置。
  14. 【請求項１４】 上記被研磨物は半導体のウェハであ
    り、 上記研磨手段は、上記ウェハの研磨を、研磨手段により
    研磨されるときに規定される研磨方向性のピークを緩和
    させ得る方向、または、ウェハ中央部の研磨方向を平均
    化させ得る方向をもって行う請求項１１記載の研磨装
    置。
  15. 【請求項１５】 上記被研磨物は半導体のウェハであ
    り、 上記研磨手段は、上記ウェハの研磨を、研磨手段により
    研磨されるときに規定される研磨方向性のピークを緩和
    させ得る方向、または、ウェハ中央部の研磨方向を平均
    化させ得る方向をもって行う請求項１２記載の研磨装
    置。
  16. 【請求項１６】 上記被研磨物の表面反射率の変化を検
    出する検出手段と、 検出値に基づいて、上記被研磨物の削り残し部分を認識
    し、削り残し部分と削り残し以外の部分の研磨条件を自
    動的に生成する制御手段とを有する請求項１０記載の研
    磨装置。
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