JP2002273649A

JP2002273649A - ドレッサ−を有する研磨装置

Info

Publication number: JP2002273649A
Application number: JP2001073550A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Shimokawa; 公明下川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2002-09-25
Also published as: US20020132562A1; US6682405B2

Abstract

(57)【要約】【目的】研磨装置における研磨パッドの研磨量の偏り
を減少させ、研磨パッドの交換周期を長くすることがで
き、そして、研磨装置の稼働率の向上させる。【構成】本発明は、ドレッサーの研磨粒子面に勾配を
もたせるようにし、また、ドレッサーの研磨面に加える
圧力に勾配を持たせるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
装置における、化学機械的研磨（Chemical Mechanical
Polish：CMP）装置に関するものであり、特にドレッサ
ーによる研磨パッドの研磨調整に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、従来技術の説明をするための図
である。研磨パッド１０２をパッドドレッシングする様
子を示している。定盤１０１の上に貼られた研磨パッド
１０２に、ドレッサ−１０３が配置されている。ドレッ
サ−１０３に圧力が加えられ、ドレッサ−１０３の周囲
に形成されたダイヤモンド粒子面１０３Aにより、研磨
パッド１０２の表面が研削され、研磨パッド１０２表面
は常に磨かれた研磨面を得ることができる（図９
（a））。一般的に、ドレッシング時は、研磨パッドに
研磨剤または純水が供給される。半導体素子の製造にお
ける、平坦化工程等において研磨が実施されるが、研磨
の際、研磨パッド１０２の表面は研磨剤や研磨屑などで
目詰まりが起こり、安定した研磨ができなくなる。その
ため、ドレッサ−１０３により研磨パッド１０２をドレ
ッシングして研削することは、研磨が安定して可能であ
るために必要となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、以下に述べる問題点がある。図９（ｂ）
において、定盤の回転中心からの距離Rtにおける、研磨
パッド１０２が研削される量は、ドレッサ−１０３のダ
イヤモンド粒子面１０３Aに接触する長さに比例する
が、その長さLは、簡単な計算により (数１)L=2*Rt*(ACOS((Rt²＋Rx²−R1²)/(2*Rt*Rx))−ACO
S((Rt²＋Rx²−R2²)/(2*Rt*Rx))) で与えられる。ここで,図９（ｂ）に示されているよう
に、 Rx：ドレッサ−１０３中心の定盤１０１中心からの距離 R1：ドレッサ−ダイヤモンド粒子面１０３A 外周の直径 R2：ドレッサ−ダイヤモンド粒子面１０３A 内周の直径である。

【０００４】例えば、Rx=17cm、R1=16cm、R2=15.5cmの
時、各直径における、研磨パッド表面がダイヤモンド粒
子面１０３Aに接触する長さLの、定盤中心からの距離に
対する依存性を図１１に示す。長さLは研磨パッド内部
の範囲において大きくばらついていることが分かる。つ
まり、研磨パッドが研削される量は、長さLに比例する
から、研磨パッド１０２が研削される量がばらつくこと
になり、その結果として、研磨に必要な研磨パッドの平
坦な表面が得られないことになる。良好な研磨の状態を
得るために必要な最低限のパッドの研削量は決まってい
るため、前述のLの最低地点でも、その必要最低限の研
削量は確保しなければならない。したがって、その作用
として、Lが大きい地点では、必要以上に研磨パッドが
研削されることになる。

【０００５】上記のように、定盤の外側（定盤中心か
ら29.0cmの地点）と内側（定盤中心から1.5cmの地点）
でLが大きくなり、研磨パッドの研削量も大きくなる。
定盤の外側で研磨パッドの研削量が大きくなる問題につ
いては、ドレッサ−103の直径を大きくすることによっ
て回避できる。図１２にドレッサ−103の直径を大きく
したときの長さLを示す。Rx=20cm、R1=19cm、R2=18.5cm
とした場合、この図１２からわかるように、定盤の中心
から29cmの地点では長さLが1.47cmとなり、図１１にお
ける2.1cmより少なくなっている。しかしながら、有効
範囲の内側では、定盤の中心から1.5cmの地点で最高と
なり、長さLは、2.44cmで図１１の場合と殆ど変化せ
ず、全く改善されない。

【０００６】このように、研磨パッドの研削量が異なる
と、研磨パッドの使用寿命に重大な影響を与える。これ
を模式化したものが図１０である。研磨パッドのドレッ
シングは、半導体ウエハの研磨枚数に対応して実施さ
れ、これにより、研削されるが、この研削の様子を示し
ている。図１０において、研磨定盤101の上に貼付され
た研磨パッド102の研削表面102Aを示しており、上記に
示した、最も研削量が多い箇所（定盤中心から1.5cmの
地点）を102A1、最も研削量が少ない箇所（定盤中心か
ら6.9cmの地点）を102A2、及び研磨有効範囲の最も外側
（定盤中心から29.0cmの地点）を102A3として示してい
る。

【０００７】前にも述べたように、安定した研磨を実施
するには、ドレッシングにおける必要最低限の研磨パッ
ド研削量は確保しなければならない。これは、研削量が
最も少ない地点102A2（定盤中心から6.9cmの地点）で
も、もちろん同様であり、本条件の場合、ウエハ１枚あ
たり、0.67μmである。しかし、結局この作用として最
も研削量が多い地点102A1（定盤中心から1.5cmの地点）
では、ウエハ１枚あたり1.63μm研削されることにな
る。研磨パッド102の寿命は、ドレッシングによる研削
量により左右されるので、研磨パッド102を過剰にドレ
ッシングしてしまうと、研磨定盤101表面まで研削しま
いかねず、研磨定盤表面を傷つけてしまい、研磨定盤10
1を交換しなければならなくなることも起こり得る。

【０００８】以上のように、研磨有効範囲では、研磨パ
ッド102の厚さは十分に残っているにもかかわらず、そ
の有効範囲の内側で研削量が大きくなるため、半導体製
造における必要部材の中では比較的高価な研磨パッド10
2を早期に交換しなければならなくなってしまう。この
ことは、半導体製造コストにおける観点から大きな損失
となる。また、研磨パッドの交換時には、通常１時間〜
1.5時間を要する。この時間においては、CMP装置は半導
体を製造することができず、すなわち稼働率を低下させ
ることになる。研磨パッド102の寿命が短くなること
は、交換頻度が大きくなることであり、これがそのまま
装置稼働率を低減させることにつながる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、研磨パッ
ドと研磨パッドを研磨調整するための研磨粒子面を備え
たドレッサーを有する研磨装置において、研磨粒子面に
勾配をもたせるようにする。また、第２の発明において
は、研磨粒子面に研磨調整用の圧力が加えられるように
した。

【００１０】

【発明の実施の形態】図1に第1の実施例の形態を示す。
図1（a）に示したドレッサ−リング3が、従来技術と同
様に配置され、ドレッシングが実施される。本発明にお
けるドレッサ−リング3の図1（a）における断面 A−A′
を示す断面図を、図1（ｂ）、図1（ｃ）にそれぞれ示
す。図1（a）は図1（ｂ）の拡大断面図である。第１の
実施例の形態では、図1（ｂ）、及び図1（ｃ）に示すよ
うに、ドレッサ−リング3におけるダイヤモンド粒子面3
Aの表面を、研磨パッド表面に対して、勾配をもたせて
いる。このように勾配を持たせたために、ドレッサ−リ
ング3を一定の力で研磨パッドに押し付けた場合、図1
（ｃ）の3A1〜3A2において、押し付けられた研磨パッド
の変位量が異なり、その作用としてそれぞれの点での押
し付け圧力が異なる。

【００１１】その結果、研磨パッドの各点でドレッシン
グによる研削速度が異なることになる。すなわち、ドレ
ッサ−リングの直径方向に、研削速度の制御された分布
を持つことになる。本実施の形態では、図1（ｃ）3A2の
直径における研磨パッド研削速度が、3A1の直径におけ
る研削速度の5倍になるように図１（ｃ)のDを求めて、
前述の勾配を決定した。具体的には、従来技術と同様の
ドレッサ−リング103（図９）を使用して、ドレッサ−
リング103の研磨パッド102に対する押し付け圧力と、そ
の圧力に対する研削速度との関係を求める。これで得ら
れた、圧力と研削速度の関係が、例えば図2のようにな
ったとすれば、所望している5倍の研削速度の違いが得
られ、圧力P1、P2が求められる。

【００１２】次に、研磨パッドの押し付け圧力と研磨パ
ッドの変位量の関係を求める。例えば、図3のようであ
れば。図３から圧力P1、P2に対する研磨パッドの変位量
D1、D2を求めて、前記 Dの値はD=D2−D1として決定す
る。ここにおいて、研磨パッドの押し付け圧力と研磨パ
ッドの変位量の関係は以下のようにして求められる。図
4の研磨装置において、研磨パッド２上に第１の荷重負
荷４及び第2の荷重負荷５が載せられ、この時の研磨パ
ッドの変位量ｄを第1の荷重負荷4 表面の位置ｆの変化
を調べることにより求める。位置ｆは、レ−ザ−変位計
６によって容易に測定される。同様に、第2の荷重負荷5
の重さを変えることにより、圧力と研磨パッド変位量ｄ
の関係が図3のように得られる。

【００１３】以上のようにして求めたDにより作成した
ドレッサ−リング３を押し付け圧力P0=(P1＋P2)/2で研
磨パッド２に押し付けてドレッシングを実行する。この
ようにすると図1（ｃ） 3A1でP1、3A2でP2の圧力でそれ
ぞれ研磨パッドに押し付けられて、3A2における研磨パ
ッド研削速度は3A1のそれの5倍のものが得られる。本実
施の形態における、研磨パッド２がドレッシングにより
研削速度は、従来技術のそれと異なり、研磨パッドとド
レッサ−の接触長さLだけに依存せず、各接触点で押し
付け圧力が異なるため、各点での圧力の関数となってい
る。

【００１４】すなわち、図5において、研磨定盤１の中
心から距離Rtのところの研磨パッド研削速度は、 (数２)∫K(r)*Rt*dθ （ｒ：ドレッサ−リング中心よ
りの距離）をθ2(直径RtがR2を横切る箇所のθ)からθ1(直径RtがR
1を横切る箇所のθ)まで積分した値である。ここでK(r)
は、図2、図3より (数３)K(r)＝k((r−R2)*4/(R1−R2)＋1) （ｋ：定
数）であり、rはθの関数であるから (数４)K(r)=K(θ)=k((((Rt*COSθ−Rx)²＋Rt²*SIN²θ)
^0.5−R2)*4/(R1−R2)＋1) である。そして、定盤中心から距離Rtの箇所の研磨パッ
ドの研削速度V(Rt)は、 (数５)∫θ2^θ1k((((Rt*COSθ−Rx)²＋Rt²*SIN²θ)^0.5
−R2)*4/(R1−R2)＋1)*Rt*dθ で与えられる。ここに Rx：ドレッサ−３中心の定盤１中心からの距離 R1：ドレッサ−ダイヤモンド粒子面３A 外周の直径 R2：ドレッサ−ダイヤモンド粒子面３A内周の直径であ
る。

【００１５】ここで、Rx=20cm、R1=19cm、R2=18.5cmと
したときの、各直径Rtにおける、研磨パッド表面研削速
度V(Rt)を図6に示す。この図において、従来技術の研削
速度と比較しやすいように、研削速度がもっとも低い地
点が、従来技術と本実施の形態とで同じになるように定
数ｋを決めている。図6からわかるように、研磨有効範
囲の内側で、最も研磨パッド2の研削速度が大きい地点
では、従来技術の研削速度は2.44（相対値）であるのに
対して、本実施の形態では2.03（相対値）となってい
る。以上のように、本実施の形態では、研削速度を制御
することができるため、研磨パッド費用が削減され、そ
して、CMP装置の稼働率が向上する。

【００１６】次に、第2の実施の形態を図７に示す。図7
は、第１の実施の形態と同様に、図1（a）のA−A′断面
を示している。この図７に示すように、第2の実施の形
態では、ドレッサ−リングのダイヤモンド粒子面とそれ
を保持する部分とを3B1，3B2、3B3、3B4、3B5に５分割
している。さらに、そのそれぞれの箇所にP1、P2、P3、
P4、P5と別々の圧力を加えている。圧力の大きさは、以
下のようにして決められている。3B2では、3B1の研削速
度の74％になるようにP1に対するP2を図2より求め、同
様に3B3、3B4、3B5では、それぞれ研削速度が3B1の48
％、39％、30％となるように、P3、P4、P5が決められて
いる。このように、ドレッサ−リングを分割し、それ
ぞれ研削速度に勾配を持たせるように圧力を加えている
ので、そのときの研磨定盤中心からRtの地点での、研磨
パッドの研削速度V(Rt)（相対値）は、以下のように
（数６）のように与えられる。

【００１７】 (数６) V(Rt)=ｋ*Rt*(ACOS((Rt²＋Rx²−R11²)/(2*Rt*Rx))−ACOSS((Rt²＋Rx²−R21²)/(2 *Rt*Rx)))＋0.74*ｋ*Rt*(ACOS((Rt²＋Rx²−R12²)/(2*Rt*Rx))−ACOS((Rt²＋Rx² −R22²)/(2*Rt*Rx)))＋0.48*ｋ*Rt*(ACOS((Rt²＋Rx²−R13²)/(2*Rt*Rx))−ACOS( (Rt²＋Rx²−R23²)/(2*Rt*Rx)))＋0.39*ｋ*Rt*− (ACOS((Rt²＋Rx²−R14²)/(2*Rt *Rx))−ACOS((Rt²＋Rx²−R24²)/(2*Rt*Rx)))＋0.30*ｋ*Rt*(ACOS((Rt²＋Rx²−R1 5²)/(2*Rt*Rx))−ACOS((Rt²＋Rx²−R25²)/(2*Rt*Rx))) ただし、ドレッサ−リングダイヤモンド粒子面の内径
と外形は、従来技術と同一であり、 R11：図7 SB1の外形＝19.0cm、R21：図7 SB1の内径＝1
8.91cm R12：図7 SB2の外形＝18.89cm、R22：図7 SB2の内径＝1
8.81cm R13：図7 SB3の外形＝19.79cm、R23：図7 SB3の内径＝1
8.71cm R14：図7 SB4の外形＝19.69cm、R24：図7 SB4の内径＝1
8.61cm R15：図7 SB5の外形＝19.59cm、R25：図7 SB5の内径＝1
8.50cm 上記を計算した結果を図8に示す。従来技術との比較が
分かりやすいように、研磨速度がもっとも遅くなる箇所
の研磨速度を、従来技術のそれと一致させている。

【００１８】図8からわかるように、研磨有効範囲のう
ち側で、研削速度がもっとも大きな箇所は、従来技術の
2.44（相対値）に対して、本実施例では、2.03であり、
第1の実施の形態と殆ど同じである。したがって、研磨
パッド費用の削減効果も、CMP装置の稼働率向上も、同
じ効果が得られる。本発明によれば、従来技術で使用す
るドレッサ−103において、研磨パッド102に加える圧力
がドレッサ−103の直径方向に、勾配をもてるようにし
たため、研磨有効範囲の研磨パッド研削量に対する、最
大研削量が小さくなる。この結果、半導体ウエハ枚数に
対する研磨パッド102の寿命が長くなり、半導体ウエハ
1枚研磨あたりの、研磨パッド費用が安価になり、CMP装
置の稼働率を向上させることができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、ドレッサーのダイヤモンド粒
子面に勾配をもたせるようにし、また、ドレッサーの研
磨面に加える圧力に勾配を持たせるようにしたため、研
磨パッドの研磨量を均一に制御することができる。その
結果、研磨パッドの交換周期を長くすることができ、Ｃ
ＭＰ装置の稼働率の向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態における、ドレッサーリング
の平面図及び断面図を示す。

【図２】第１の実施の形態における、ドレッサーリング
の押し付け圧力と研磨パッドの研削速度との関係を表す
グラフである。

【図３】第１の実施の形態における、研磨パッドの圧力
と研磨パッドの変位量との関係を表すグラフである。

【図４】第１の実施の形態における、研磨パッドの変位
量を計測するための研磨装置の断面図を示す。

【図５】第１の実施の形態における、研磨パッドの平面
図を示す。

【図６】第１の実施の形態における、研磨パッドの研削
速度の関係を表すグラフである。

【図７】第２の実施の形態における、ドレッサーリング
の断面図を示す。

【図８】第２の実施の形態における、研磨パッドの研削
速度の関係を表すグラフである。

【図９】従来技術における、ドレッサーリングの平面図
及び断面図を示す。

【図１０】従来技術の研磨時における、研磨パッドの断
面図を示す。

【図１１】従来技術における、ドレッサーと研磨パッド
との接触強度を示すグラフである。

【図１２】従来技術におけるドレッサーの直径が大きい
場合の、ドレッサーと研磨パッドとの接触強度を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１，１０１研磨定盤２，１０２研磨パッド３，１０３ドレッサー３Ａ，１０３Ａダイヤモンド粒子面４、５荷重負荷６レーザー変位計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨パッドと研磨パッドを研磨調整する
ための研磨粒子面を備えたドレッサーを有する研磨装置
において、前記研磨粒子面を傾斜させてあることを特徴
とする研磨装置。
【請求項２】前記傾斜は前記研磨粒子面の研磨が一定
になるように形成されていることを特徴とする請求項１
記載の研磨装置。
【請求項３】前記傾斜は直線であることを特徴とする
請求項１記載の研磨装置。
【請求項４】研磨パッドと研磨パッドを研磨調整する
ための研磨粒子面を備えたドレッサーを有する研磨装置
において、前記研磨粒子面に研磨調整用の圧力が加えら
れていることを特徴とする研磨装置。
【請求項５】前記研磨調整用の圧力は前記研磨粒子面
の研磨が一定になるように加えられていることを特徴と
する請求項４記載の研磨装置。
【請求項６】前記研磨調整用の圧力は前記研磨粒子面
の複数点に加えられている特徴とする請求項４記載の研
磨装置。