JP2003165050A - Ｃｍｐ装置及びｃｍｐ装置による研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラリー状研磨剤に懸濁されている研磨粒子
の射出方向を制御したり、射出速度を加速させることに
より、薄板状被研磨物の表面を高平坦化する。 【解決手段】 半導体ウェーハ３の研磨時には、シリン
ダ６と研磨ヘッド５とにより半導体ウェーハ３を回転さ
せ、研磨パッド２の表面で摺動させる。また、研磨流体
用溝１２より研磨粒子とイオン粒子とを混合した研磨流
体１３を流す。さらに、半導体ウェーハ３の平面に垂直
方向に電界Ｙを印加し、平面に平行方向に磁界Ｘを印加
する。電界Ｙと磁界Ｘにより、フレミングの左手の法則
に従って研磨流体用溝１２、つまり半導体ウェーハ３の
平面方向にローレンツ力Ｚが働き、イオン粒子の方向が
規制されると共に加速される。このイオン粒子が研磨流
体１３中の研磨粒子に衝突するので研磨粒子も方向規制
され、加速される。よって、この研磨粒子が半導体ウェ
ーハ３の凸部に衝突するので高平坦化が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スラリー状の研磨
剤をパッド表面に供給して薄板状被研磨物の表面を研磨
する化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical
Polish）装置及びＣＭＰ装置による研磨方法に関し、よ
り詳細には、半導体ウェーハやＬＣＤ用ガラス板などの
薄板状被研磨物の被研磨面に化学的機械的な研磨処理を
施すＣＭＰ装置及びＣＭＰ装置による研磨方法に関する
ものであり、さらに詳細には、研磨面内の研磨剤分布を
制御して薄板状被研磨物の表面を高平坦化すると共に、
研磨状況を検知することのできるＣＭＰ装置及びＣＭＰ
装置による研磨方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体ウェーハなどの薄板状
被研磨物に表面研磨を行うためにはＣＭＰ装置が広く利
用されている。このＣＭＰ装置は、ＫＯＨ水溶液などの
アルカリ性溶液にシリカやアルミナやセリア系化合物な
どを懸濁した研磨液（以下、スラリー状研磨剤と云う）
を研磨パッドの表面に滴下して、半導体ウェーハを研磨
パッドに押し付けながら相対運動させて、化学的機械的
に半導体ウェーハの表面研磨を行っている。図７は、従
来のＣＭＰ装置における研磨ユニットの概略構成を示す
断面図である。同図において、研磨ユニット１１は、回
転機構を有する定盤１の上に研磨パッド２が両面粘着テ
ープなどで固定されている。さらに、研磨パッド２の上
部には被研磨物である半導体ウェーハ３を保持・押圧す
るための研磨ヘッド５が設置されている。また、研磨ヘ
ッド５の下面には、半導体ウェーハ３を吸着保持するた
め及び緩衝材として吸着フイルム１０が固着されてい
る。さらに、研磨ヘッド５と共に半導体ウェーハ３を回
転させるときに半導体ウェーハ３が研磨ヘッド５から飛
び出さないように、研磨ヘッド５の外周部にはリテーナ
リング７が具備されている。

【０００３】半導体ウェーハ３の研磨時には、研磨ヘッ
ド５及び常盤１をそれぞれ独立して回転させながら、研
磨ヘッド５をシリンダ６によって降下させる。そして、
半導体ウェーハ３が研磨パッド２に接した後に、さらに
加圧して半導体ウェーハ３を研磨加工する。さらに、研
磨加工時には、研磨剤供給ホース８によりスラリー状研
磨剤９を研磨パッド２上に供給する。スラリー状研磨剤
９はシリカ（ＳＩＯ₂）などの砥粒が懸濁された研磨溶
液である。したがって、この研磨溶液の化学的機械的な
研磨作用によって半導体ウェーハ３の研磨を行う。この
ため、研磨屑や研磨溶液中のシリカの塊などによって荒
れた研磨パッド２の表面をならすために、パッドコンデ
ィショナ４が具備されている。パッドコンディショナ４
は、半導体ウェーハ３の研磨時や単独動作時において、
シリンダ６’によって研磨パッド２上を加圧・回転させ
ながら、研磨パッド２の表面に付着した研磨屑やシリカ
の塊などを除去してコンディショニングを行う。

【０００４】ところで、半導体ウェーハ３の高集積化及
び高性能化が進むにつれて、半導体ウェーハ３の製造加
工が微細化されて行く。例えば、半導体製造の露光工程
において、解像可能な最小線幅が細くなる程その焦点深
度が浅くなって解像がし難くなるので、その分、半導体
ウェーハ３の面粗度の高平坦化が要求される。そのた
め、近年のように、配線パターンの最小線幅が０.１８
μｍ程度にまで細くなると、ＣＭＰ処理によって半導体
ウェーハの下地膜を極めて高いレベルで平坦化して、露
光工程におけるパターンを高精度に解像する必要があ
る。また、絶縁膜にＲＩＥ(Reactive Ion Etching)を用
いて溝を形成し、その上に金属膜を成膜して溝以外の部
分に成膜された金属膜を除去して溝配線を行う工程にお
いても、高精度なＣＭＰ処理を行う必要がある。さら
に、浅い溝による素子分離（ＳＴＩ：Shallow Trench I
solation）の形成や、層間配線接続用のタングステンプ
ラグの形成などにおいても、高精度なＣＭＰ処理による
高平坦化が必要となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、現在の
半導体製造プロセスにおいてＣＭＰ処理は必要不可欠と
なってきているが、高集積化及び高性能化された次世代
の半導体デバイスへ適用するためには、現在のＣＭＰ処
理技術ではまだ能力不足である。例えば、半導体ウェー
ハの表面の平坦化技術において、通常のＣＭＰ装置は、
図７に示すように、定盤１の上に研磨パッド２を張り付
け、半導体ウェーハ３と研磨パッド２との間にスラリー
状研磨剤９を流し込みながら半導体ウェーハ３の表面を
研磨パッド２に擦り付けながら研磨を行っている。

【０００６】しかし、このような研磨方法では、半導体
ウェーハで平坦化を行いたい部分のみならず、既に平坦
化されている部分や平坦化が終了した部分にも多少の押
圧がかかるために研磨が進行してしまう。そのため、幅
広パターンが形成されているディッシングや、微細パタ
ーンが形成されているエロージョンといったパターン配
置が粗密なチップ内部分に、部分的に過研磨現象が発生
するおそれがある。したがって、このような部分的に過
研磨現象を防止するためにダミー配線パターンを挿入し
なければならないなど、半導体製造プロセスが複雑化し
てくる。特に、ダミー配線パターンの挿入は、パターン
の設計時にかなり大きな面積を必要とするだけでなく、
ダミー配線の配線間容量を増大させるためにデバイス性
能を低下させる要因ともなる。

【０００７】また、半導体ウェーハ３の研磨面内におけ
るスラリー状研磨剤９の分布に関しては、従来のような
研磨パッド２を用いた研磨では、研磨粒子の分布を均一
にするために、半導体ウェーハ３の外周部や半導体ウェ
ーハ３の飛び出し防止用のリテーナリング７で局所的な
加圧をして、研磨粒子の分布調整を行っている。しか
し、研磨パッド２自体が面状をなしているために、半導
体ウェーハ３やリテーナリング７で加圧された部分の周
辺に研磨粒子が集積して、研磨粒子の分布が不均一にな
ってしまうことがある。このため、半導体ウェーハ３の
表面を高平坦化することができない。また、研磨パッド
２自体が弾力性を有しているために、半導体ウェーハ３
やリテーナリング７によって研磨パッド２が押される
と、その反動によるリバウンド効果によって、半導体ウ
ェーハ３の端部において研磨粒子の分布が不均一になる
ことがある。このようなことから、従来のＣＭＰ処理で
は、研磨面内のスラリー状研磨剤９の分布を均一に制御
することは困難であり、結果として、半導体ウェーハ３
の表面を高精度に平坦化することはできない。

【０００８】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、スラリー状研磨剤に懸
濁されている研磨粒子の射出方向を制御したり射出速度
を加速させることによって、半導体ウェーハなどの薄板
状被研磨物の表面を高平坦化すると共に、研磨状況を検
知することのできるＣＭＰ装置及びＣＭＰ装置による研
磨方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研磨物が研磨パッ
ドに対して相対移動するように載置され、スラリー状研
磨剤に含まれる研磨粒子を薄板状被研磨物の被研磨面に
衝突させることにより、薄板状被研磨物の被研磨面を化
学的機械的な処理により研磨するＣＭＰ装置において、
薄板状被研磨物の表面に対して、垂直方向に電界を発生
させる電界発生手段と、電界発生手段が発生させた電界
の方向に対して直交する方向に磁界を発生させる磁界発
生手段とを備え、電界と磁界とによって発生するローレ
ンツ力により研磨粒子の射出方向及び射出速度を制御し
て、薄板状被研磨物の被研磨面を研磨することを特徴と
する。

【００１０】また、本発明のＣＭＰ装置は、スラリー状
研磨剤にはガス分子がイオン化されたイオン粒子が混入
され、研磨粒子に衝突するイオン粒子に作用するローレ
ンツ力を制御することによって研磨粒子の射出方向及び
射出速度が制御されることを特徴とする。

【００１１】また、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研
磨物の被研磨面に形成され、イオン粒子に対して反応性
を示す酸化膜にイオン粒子が衝突することにより被研磨
面の研磨を行うことを特徴とする。

【００１２】また、本発明のＣＭＰ装置は、スラリー状
研磨剤に懸濁されている研磨粒子は電界中を通過するこ
とにより帯電され、帯電された研磨粒子に作用するロー
レンツ力によって研磨粒子の射出方向及び射出速度が制
御されることを特徴とする。

【００１３】また、本発明のＣＭＰ装置は、研磨パッド
には、スラリー状研磨剤を通過させ、且つ、薄板状被研
磨物の被研磨面に対して開口した流体溝が複数本形成さ
れ、複数本の流体溝はローレンツ力が作用する方向に形
成されていることを特徴とする。

【００１４】また、本発明のＣＭＰ装置は、複数の流体
溝が、それぞれ、研磨粒子の射出速度を個別に制御する
ように構成されていることを特徴とする。

【００１５】また、本発明のＣＭＰ装置は、誘電体を介
して薄板状被研磨物と対向する電極板と、電界印加手段
が発生させた電界によって電極板に帯電された電荷量を
測定する電荷量測定手段とを備え、電荷量測定手段が測
定した電荷量に基づいて薄板状被研磨物の被研磨面の研
磨量が検知されることを特徴とする。

【００１６】また、本発明のＣＭＰ装置は、誘電体を介
して薄板状被研磨物と対向する電極板と、薄板状被研磨
物と電極板との間の静電容量を測定する静電容量計とを
備え、静電容量計が測定した静電容量に基づいて薄板状
被研磨物の被研磨面の研磨量が検知されることを特徴と
する。

【００１７】また、本発明のＣＭＰ装置は、薄板状被研
磨物は半導体ウェーハであることを特徴とする。

【００１８】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、薄板状被研磨物が研磨パッドに対して相対移動する
ように載置され、スラリー状研磨剤に含まれる研磨粒子
を薄板状被研磨物の被研磨面に衝突させることにより、
薄板状被研磨物の被研磨面を化学的機械的な処理により
研磨を行うＣＭＰ装置による研磨方法において、薄板状
被研磨物の表面に対して、垂直方向に電界を印加し、そ
の電界に直交するように磁界を印加し、電界と磁界とに
よって発生するローレンツ力によって研磨粒子の射出方
向及び射出速度を制御し、薄板状被研磨物の被研磨面を
研磨することを特徴とする。

【００１９】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、スラリー状研磨剤にはガス分子がイオン化されたイ
オン粒子が混入され、研磨粒子に衝突するイオン粒子に
作用するローレンツ力を制御することによって研磨粒子
の射出方向及び射出速度が制御されることを特徴とす
る。

【００２０】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、薄板状被研磨物の被研磨面にはイオン粒子に対して
反応性を示す酸化膜に、該イオン粒子が衝突することに
より被研磨面の研磨を行うことを特徴とする。

【００２１】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、スラリー状研磨剤に懸濁されている研磨粒子は電界
中を通過することにより帯電され、帯電された研磨粒子
に作用するローレンツ力によって研磨粒子の射出方向及
び射出速度が制御されることを特徴とする。

【００２２】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、研磨パッドには、スラリー状研磨剤を通過させ、且
つ、薄板状被研磨物の被研磨面に対して開口した流体溝
が複数本形成され、複数本の流体溝はローレンツ力が作
用する方向に形成されていることを特徴とする。

【００２３】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
においては、複数の流体溝は、それぞれ、研磨粒子の射
出速度を個別に制御することを特徴とする。

【００２４】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、薄板状被研磨物と電極板とを誘電体を介して対向さ
せ、電極板に帯電された電荷量を測定することにより、
薄板状被研磨物の被研磨面の研磨量を検知することを特
徴とする。

【００２５】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
は、薄板状被研磨物と電極板とを誘電体を介して対向さ
せ、薄板状被研磨物と電極板との間の静電容量を測定す
ることによって薄板状被研磨物の被研磨面の研磨量を検
知することを特徴とする。

【００２６】また、本発明のＣＭＰ装置による研磨方法
においては、薄板状被研磨物は半導体ウェーハであるこ
とを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明におけ
るＣＭＰ装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、
本発明の一実施の形態におけるＣＭＰ装置の斜視図であ
る。但し、この図では、研磨パッド２に付着した研磨屑
などを除去するためのパッドコンディショナ、及び研磨
パッド２を下部から支持するための定盤は、本発明とは
直接関係ないので省略してある。つまり、図１は、研磨
流体１３の流れの方向や速度を制御して、半導体ウェー
ハ３の下面を高平坦化するための構成に限定して図示し
てある。

【００２８】研磨パッド２は、表面が平坦な弾性体など
によって構成され、裏面部分には研磨流体用溝１２が形
成されている。この研磨流体用溝１２には、詳細は後述
するが、スラリー状研磨剤とアルゴンガスが電離して生
成されたイオン粒子とが混合された研磨流体１３が流入
する。さらに、図１では図示されないが、研磨流体用溝
１２は、半導体ウェーハ３の下面部分に対向する部分が
開口している。

【００２９】研磨パッド２の上部には被研磨物である半
導体ウェーハ３が置かれ、その上には、半導体ウェーハ
３を保持・押圧するための研磨ヘッド５及びシリンダ６
が設置されている。さらに、研磨ヘッド５と共に半導体
ウェーハ３を回転させるときに、半導体ウェーハ３が研
磨ヘッド５から飛び出さないように、研磨ヘッド５の外
周部にはリテーナリング７が具備されている。但し、こ
の図では、半導体ウェーハ３を表示するためにリテーナ
リング７は研磨ヘッド５の両側にのみ描かれている。

【００３０】半導体ウェーハ３の研磨時には、シリンダ
６によって、研磨ヘッド５と共に半導体ウェーハ３を回
転させながら降下させる。このとき、研磨流体用溝１２
より、スラリー状研磨剤とイオン粒子との混合流体であ
る研磨流体１３を流し込む。そして、半導体ウェーハ３
が研磨パッド２に接触した後に、さらに半導体ウェーハ
３を加圧して回転摺動しながら研磨加工を行う。これに
よって、半導体ウェーハ３の裏面部分に研磨流体１３が
均一に供給されて、半導体ウェーハ３の裏面部分に平坦
な研磨が施される。なお、スラリー状研磨剤はシリカ
（ＳＩＯ₂）などの砥粒が懸濁された研磨溶液であり、
この研磨溶液の化学的機械的な研磨作用によって半導体
ウェーハ３の研磨が行われる。また、イオン粒子は、例
えば、アルゴンガスに電界をかけて電離作用を起こさせ
てイオン化したものである。

【００３１】一方、半導体ウェーハ３の上方より下方に
向けて電界を発生させる。つまり、図の上下の矢印の方
向に電界Ｙを発生させる。電界の発生方法としては、例
えば、半導体ウェーハ３の上部に陽極板を配置し、研磨
パッド２の裏面側に陰極板を配置して、陽極板と陰極板
の間に高電圧を印加すれば図の矢印のように電界Ｙを発
生させることができる。さらに、電界Ｙに対して直角方
向であり、かつ半導体ウェーハ３の表面に対して平行な
方向に磁界を発生させる。つまり、図の左右の矢印の方
向に磁界Ｘを発生させる。磁界の発生方法としては、例
えば、研磨パッド２の右側にＮ極、研磨パッド２の左側
にＳ極となるような、一対の希土類磁石などを配置する
か、あるいは、希土類磁石と同じ磁気極性となるよう
に、研磨パッド２の左右に電磁石を配置すれば、図の矢
印のように磁界Ｘを発生させることができる。

【００３２】つまり、電界Ｙと磁界Ｘによって、フレミ
ングの左手の法則にしたがって、図の矢印の方向にロー
レンツ力Ｚが働く。すなわち、電界Ｙが研磨パッド２の
平面に対して垂直方向であり、磁界Ｘが研磨パッド２の
平面に対して平行方向であれば、ローレンツ力Ｚは、磁
界Ｘと直角であって研磨パッド２の平面に対して平行方
向、つまり研磨流体用溝１２に沿った方向に働く。

【００３３】すなわち、磁界Ｘの方向に対して直角な方
向に研磨流体１３を流すための研磨流体用溝１２を、研
磨パッド２の複数箇所に亘って設けておき、かつ、半導
体ウェーハ３が研磨パッド２と接触する部分のみ、研磨
流体用溝１２の上部を解放しておく。そして、半導体ウ
ェーハ３の研磨時には、研磨パッド２に研磨ヘッド５を
押しつけながら研磨ヘッド５と共に半導体ウェーハ３を
回転させる。このとき、研磨流体用溝１２には、スラリ
ー状研磨剤とイオン粒子との混合流体である研磨流体１
３を流し込む。

【００３４】ここで、イオン粒子はローレンツ力Ｚによ
って進行方向が制御されるので、イオン粒子は研磨流体
用溝１２に沿った方向に流れる。さらに、スラリー状研
磨剤の研磨粒子は、イオン粒子に衝突されて、加速しな
がらイオン粒子と同一方向へ流れる。この結果、研磨流
体１３はローレンツ力に制御されて研磨流体用溝１２に
沿った方向に流れる。したがって、研磨流体１３は半導
体ウェーハ３の表面層と平行に流れるので、半導体ウェ
ーハ３の凸部に集中的に研磨流体１３が衝突する。これ
によって、凸部が優先的に研磨されるので、半導体ウェ
ーハ３の表面層の高平坦化を行うことができる。なお、
部分的に研磨量を変えるような研磨分布の制御を行う場
合は、例えば、研磨流体用溝１２の幅を変えるなどし
て、研磨流体用溝１２ごとの研磨流体１３の流速を調整
すればよい。

【００３５】図２は、図１に示す研磨ユニットのＡ−Ａ
断面図である。つまり、図２は、研磨ユニット１１を一
つの研磨流体用溝１２に沿って平行に切断した場合の断
面図である。図２において、半導体ウェーハ３は、シリ
ンダ６と研磨ヘッド５によって研磨パッド２の表面に押
圧され、さらに、リテーナリング７によって外部への飛
び出しが防止されている。また、研磨パッド２の下部に
設けられた研磨流体用溝１２は、半導体ウェーハ３の下
面部分に対向する部分が開口している。なお、研磨ヘッ
ド５の下面と半導体ウェーハ３の上面との間には上部電
極１６が介在され、さらに、研磨パッド下部２ａにおい
て、上部電極１６に対向する部分に下部電極１７が形成
されている。なお、上部電極１６と下部電極１７の詳細
については後述する。

【００３６】また、半導体ウェーハ３の平面に垂直に研
磨ヘッド４の方向から半導体ウェーハ３の方向へ電界Ｙ
が印加され、さらに、半導体ウェーハ３の下部部分にお
ける研磨流体用溝１２の付近が最大磁束となるように、
紙表から紙裏の方向に向けて磁界Ｘが印加されている。
これによって、研磨流体用溝１２の内部において、図の
左方から右方へローレンツ力Ｚが働くような電気的雰囲
気になっている。

【００３７】このような電気的雰囲気において、半導体
ウェーハ３が、研磨ヘッド５によって研磨パッド２の表
面に押圧されて摺動しているとき、スラリー状研磨剤９
とイオン粒子１４とが混合された研磨流体１３が研磨流
体用溝１２内を図の左方から右方へ流れている。イオン
粒子１４は、図示しないアルゴンガスの雰囲気中で電界
を加え、アルゴンガスを電離してイオン化させることに
より発生されたものである。

【００３８】研磨流体用溝１２内を流れるイオン粒子１
４は、ローレンツ力Ｚによって流れの方向が規制される
ので、研磨流体用溝１２の方向に沿って図の左方から右
方に流れる。さらに、スリラー状研磨剤９の研磨粒子
は、イオン粒子１４に衝突されて後方から押されるの
で、スリラー状研磨剤９の研磨粒子も研磨流体用溝１２
の方向に沿って流れる。これにより、スリラー状研磨剤
９及びイオン粒子１４からなる研磨流体１３が研磨流体
用溝１２の方向に沿って流れるので、つまり、半導体ウ
ェーハ３の面の沿って流れるので、半導体ウェーハ３の
凸部３ａのみが優先的に研磨流体１３によって研磨され
る。

【００３９】図３は、本発明のＣＭＰ装置における研磨
流体の流れを示す模式図である。つまり、この図は、半
導体ウェーハ３の裏面の凸部３ａが強調して表示され、
研磨流体用溝の内部を流れる研磨粒子１８とイオン粒子
１４とによって半導体ウェーハ３の凸部３ａが優先的に
研磨される状態を示している。研磨粒子１８とイオン粒
子１４は図１及び図２における研磨流体１３である。図
３において、電界Ｙが図の上部から下部へ半導体ウェー
ハ３の平面に垂直に印加され、磁界Ｘが紙表から紙裏へ
半導体ウェーハ３の平面に平行かつ研磨流体１３の進行
方向に対して垂直方向に印加されている。したがって、
ローレンツ力Ｚが、図の左方から右方へ半導体ウェーハ
３の平面と平行に働いている。

【００４０】このような電磁雰囲気状態で、研磨流体１
３を、つまり研磨粒子１８とイオント粒子１４とを、半
導体ウェーハ３の裏面の水平面に向けて上方に角度をつ
けて射出する。このとき、照射されたイオン粒子１４は
かなり大量に存在するので、殆どの研磨粒子１８はイオ
ン粒子１４に衝突されて加速されると共に、イオン粒子
１４に働くローレンツ力によって射出方向が規制され
る。なお、単独で飛散するイオン粒子１４もある。

【００４１】電荷を持つイオン粒子１４は、ローレンツ
力を受けて電界Ｙと磁界Ｘの双方に対して垂直な方向に
加速されるので、半導体ウェーハ３の裏面に近づくにし
たがってローレンツ力に規制されて、半導体ウェーハ３
の面と平行な方向に流れる。また、イオン粒子１４に衝
突された研磨粒子１８も、イオン粒子１４によってロー
レンツ力に規制されて、半導体ウェーハ３の裏面に近づ
くにしたがって半導体ウェーハ３の裏面と平行な方向に
流れる。このようにして、イオン粒子１４や研磨粒子１
８が半導体ウェーハ３の裏面に衝突する瞬間には、イオ
ン粒子１４や研磨粒子１８は半導体ウェーハ３の裏面に
対して水平に進行して、凸部３ａに衝突する。

【００４２】このように、全ての研磨粒子１８及びイオ
ン粒子１４は、ローレンツ力に規制されて加速しながら
水平方向に流れるので、研磨粒子１８やイオン粒子１４
は、半導体ウェーハ３の裏面の平面部に衝突することな
く、半導体ウェーハ３の凸部３ａに集中的に衝突する。
これによって、半導体ウェーハ３の凸部３ａの研磨が優
先的に進行するので高平坦化が可能となる

【００４３】半導体ウェーハ３の凸部３ａの研磨は、主
に、表面に凹凸形状のある研磨粒子１８によって行われ
る。しかし、半導体ウェーハ３上の被研磨膜がイオン粒
子１４に対して反応性を有する材料、例えば酸化膜であ
れば、イオン粒子１４の衝突によって半導体ウェーハ３
の凸部３ａを軟化させ、さらに、研磨粒子１８の衝突に
よって研磨を行うことにより、一層速度に研磨処理を行
うことができる。

【００４４】次に、半導体ウェーハ３の研磨状況検知機
能について説明する。半導体ウェーハ３の研磨状況を検
知するには、研磨を一時中止して静電容量を測定する方
法と、研磨時に電界を印加しながら電荷量を測定する方
法との２通りの方法がある。図４は、本発明のＣＭＰ装
置における研磨状況検知機能を説明するための概念図で
あり、研磨状況検知機構の断面図を示している。また、
図５は、静電容量によって研磨状況を検知するための等
価回路であり、図６は、電界印加時の電荷量によって研
磨状況を検知するための等価回路である。

【００４５】先ず、コンデンサにおける静電容量の測定
原理を利用して、半導体ウェーハ３の研磨状況を検知す
る方法について説明する。図４に示すように、半導体ウ
ェーハ３は、上部電極１６の下部に固着されていて、下
面にある凸部３ａが研磨されて平坦化されてゆく。そし
て、平坦化が終了した時点、あるいは研磨工程中の任意
の時点で、研磨流体用溝１２に流れている研磨流体の流
路を遮断し、図示しない静電容量計によって上部電極１
６と下部電極１７との間の静電容量を測定することによ
って研磨状況のチェックを行うことができる。

【００４６】つまり、上部電極１６と下部電極１７の位
置は固定されており、さらに、研磨流体用溝１２の部分
と半導体ウェーハ３の下面の凸部３ａが存在しない部分
は、比誘電率εの誘電体となっている。この比誘電率ε
は、流路が遮断された後に研磨流体用溝１２に残留して
いる研磨流体によって決まる値であって一定値である。
また、半導体ウェーハ３は上部電極１６と同電位である
ので、半導体ウェーハ３は上部電極１６の一部と見なす
ことができる。

【００４７】研磨状態が進行しない状態、つまり、未だ
凸部３ａが大きい状態では電極間距離ｄの値は小さい。
そして、研磨が進行して凸部３ａが小さくなるにしたが
って電極間距離ｄの値は大きくなって行く。つまり、凸
部３ａが大きくで電極間距離ｄが小さいときは静電容量
が大きく、凸部３ａが研磨されて平坦化されて電極間距
離ｄが大きくなると静電容量は小さくなりある値に飽和
する。よって、電極間距離ｄの大きさに反比例する静電
容量を測定すれば、半導体ウェーハ３の研磨状況を検知
することができる。

【００４８】図４の研磨状況検知機構の断面図を、図５
の等価回路と比較しながら説明する。図５に示すよう
に、上部電極１６と半導体ウェーハ３が一方の電極であ
り、下部電極１７が他方の電極であって、この間に比誘
電率εの誘電体１９が介在されている。誘電体１９の厚
さ、つまり電極間距離ｄは、半導体ウェーハ３の研磨が
進行するにしたがって大きくなって行く。また、上部電
極１６及び下部電極１７の面積Ｓは予め決められていて
一定値である。

【００４９】したがって、上部電極１６と下部電極１７
との間に静電容量計２０を接続すれば、静電容量Ｃは次
の式（１）によって測定することができる。 Ｃ＝ε・ε₀・Ｓ/ｄ （１） ただし、Ｃ：静電容量、ε：比誘電率、ε₀：真空誘電
率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間距離

【００５０】つまり、式（１）において、比誘電率εと
真空誘電率ε₀と電極面積Ｓは一定であるので、静電容
量Ｃは電極間距離ｄによって一義的に決まる。電極間距
離ｄと静電容量Ｃとの関係を予めテーブルにしておき、
半導体ウェーハ３の研磨の工程中に、適宜、静電容量Ｃ
を測定し、静電容量Ｃが予め定めた値より小さくなった
ら、半導体ウェーハ３の凸部３ａが無くなったものと見
なして半導体ウェーハ３の研磨を終了する。

【００５１】次に、図４及び図６を用いて、研磨中にお
ける電界印加時の電荷量によって研磨状況を検知する方
法について説明する。前述したように、本発明のＣＭＰ
装置における研磨方式は、研磨粒子の速度や方向を制御
するのにローレンツ力を利用している。したがって、こ
のローレンツ力を得るために、研磨工程中において、研
磨ヘッドの裏面より半導体ウェーハ３に垂直に電界を発
生させる必要がある。つまり、図４において、研磨中に
半導体ウェーハ３の表面から裏面に向けて電界を発生さ
せるためには、上部電極１６と下部電極１７との間に電
圧を印加しておく必要がある。

【００５２】すなわち、研磨中は、図６に示すような等
価回路となっていて、上部電極１６と半導体ウェーハ３
が一方の電極となり、下部電極１７が他方の電極となっ
て、外部の直流電源２１によって電圧Ｅが印加されてい
る。これによって下部電極１７には電荷量ｑが蓄えられ
る。ここで蓄えられる電荷量ｑは、両電極間の誘電体１
９の厚さｄにより変化する。つまり、被研磨膜の厚さ
（つまり、誘電体１９の厚さ）ｄに変化が生じると電荷
量ｑも変化する。例えば、研磨が進行して凸部３ａが小
さくなると誘電体１９の厚さｄが大きくなって電荷量ｑ
が小さくなる。したがって、電荷量ｑの変化を観察する
ことによって研磨の状況を検知することができる。

【００５３】つまり、前述の式（１）とｑ＝ＣＥとによ
って、下部電極１７に蓄えられる電荷量ｑは、次の式
（２）によって求められる。 ｑ＝Ｅ・ε・ε₀・Ｓ/ｄ （２） ここで、Ｅは、上部電極１６と下部電極１７に印加する
電圧であって一定値である。さらに、前述のように、比
誘電率εと真空誘電率ε₀と電極面積Ｓは一定である。
したがって、下部電極１７に帯電する電荷量ｑは、電極
間距離ｄから一義的に求めることができる。よって、所
定値の電荷量ｑが検出されたときの電極間距離ｄが研磨
終了であることを予め知っておけば、電荷量ｑを検出す
ることによって研磨状況を検知することができる。

【００５４】以上述べた実施の形態は本発明を説明する
ための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定
されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が
可能である。例えば、上記の実施の形態では、アルゴン
ガスの雰囲気に電界をかけて電離させることによってイ
オン粒子を生成し、このイオン粒子のローレンツ力によ
って研磨粒子を加速させながら射出方向を規制して半導
体ウェーハの研磨を行ったが、イオン粒子を用いなくて
も高平坦化の研磨を実現することができる。例えば、ス
ラリー状研磨剤の流れる流路に高電圧を印加して、シリ
カなどの研磨粒子を帯電させても、ローレンツ力によっ
て研磨粒子を加速させたり、研磨粒子の流れる方向を規
制することができる。つまり、研磨粒子を半導体ウェー
ハの裏面と平行な方向に加速して流すことができるの
で、半導体ウェーハの凸部のみを優先的に研磨すること
ができる。

【００５５】また、上記の実施の形態では、半導体ウェ
ーハのＣＭＰ処理について説明したが、これに限定され
るものではない。例えば、ＬＣＤやその他の半導体薄膜
を載置するガラス板などの薄板状被研磨物の表面を化学
的機械的研磨によって高平坦化する場合についても、本
発明のＣＭＰ装置を適用することができるのはいうまで
もない。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＣＭＰ装
置によれば、薄板状被研磨物の表面に対して電界と磁界
とを直交させて印加することによりローレンツ力を発生
させ、このローレンツ力によって、研磨粒子の射出方向
を規制したり研磨粒子を加速したりすることができる。
したがって、半導体ウェーハなどの薄板状被研磨物の表
面に平行方向に研磨粒子を射出させることができるの
で、薄板状被研磨物の凸部のみを優先的に研磨して表面
の高平坦化を実現することができる。さらには、研磨面
を部分的に厚くしたり薄くしたりするような、研磨面分
布の制御についても、部分的に研磨粒子の速度制御を行
うことによって容易に実現することができる。

【００５７】また、本発明のＣＭＰ装置によれば、スラ
リー状研磨剤にイオン粒子を混入し、このイオン粒子を
研磨粒子に衝突させることによって、イオン粒子に作用
するローレンツ力によって研磨粒子の射出方向を制御し
たり射出速度を加速させることができる。したがって、
薄板状被研磨物の被研磨面を効率よく研磨することがで
きると共に、被研磨面を高い精度で平坦化することがで
きる。さらに、イオン粒子に対して反応性を示す酸化膜
を被研磨面に形成しておけば、イオン粒子が薄板状被研
磨物の酸化膜に衝突することによって被研磨面の研磨を
行うことができるので、より効率的に研磨を行うことが
できる。さらに、本発明のＣＭＰ装置によれば、スラリ
ー状研磨剤に懸濁されている研磨粒子を電界中に通過さ
せて帯電させれば、帯電された研磨粒子に作用するロー
レンツ力によって研磨粒子の射出方向及び射出速度を制
御することができる。

【００５８】また、従来のＣＭＰ装置においては、研磨
パッド上に研削屑が発生したり、研磨パッド目立て用の
ドレツサーのダイアモンド片が脱落したりしたが、本発
明のＣＭＰ装置によれば、研磨パッドの裏面から研磨流
体を流して研磨処理を行うので、研磨パッドの表面に発
生する研削屑の量も一段と少なくなり、またドレツサー
のダイアモンド片が脱落したりするおそれも少なくな
る。したがって、このような効果が相俟って使用中の研
磨砥液の汚れがかなり軽減させるので、使用済みの研磨
砥液を再利用することもできる。

【００５９】さらに、本発明のＣＭＰ装置によれば、電
界の印加中に発生した電荷量や電極間の静電容量を測定
することによって、被研磨膜の研磨量を測定することが
できる。つまり、被研磨膜が所望の厚さになった状態を
コンデンサの測定原理によって測定すれば、研磨状態の
終了を検知することができる。したがって、このような
研磨終点検知機構をＣＭＰ装置に用いることによって、
半導体ウェーハの研磨工程中における研磨膜の管理を行
うことができるので、半導体ウェーハの歩留りが向上
し、生産性の向上に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態におけるＣＭＰ装置の
斜視図である。

【図２】 図１に示す研磨ユニットのＡ−Ａ断面図であ
る。

【図３】 本発明のＣＭＰ装置における研磨流体の流れ
を示す模式図である。

【図４】 本発明のＣＭＰ装置における研磨状況検知機
能を説明するための概念図である。

【図５】 静電容量によって研磨状況を検知するための
等価回路である。

【図６】 電界印加時の電荷量によって研磨状況を検知
するための等価回路である。

【図７】 従来のＣＭＰ装置における研磨ユニットの概
略構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１…定盤、２…研磨パッド、３…半導体ウェーハ、３ａ
…凸部、４…パッドコンディショナ、５…研磨ヘッド、
６，６’…シリンダ、７…リテーナリング、８…研磨剤
供給ホース、９…スラリー状研磨剤、１０…吸着フィル
ム、１１…研磨ユニット、１２…研磨流体用溝、１３…
研磨流体、１４…イオン粒子、１６…上部電極、１７…
下部電極、１８…研磨粒子、１９…誘電体、２０…静電
容量計、Ｓ…電極面積、ｄ…電極間距離

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０ Ｃ０９Ｋ 3/14 ５５０Ｃ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２１ Ｈ０１Ｌ 21/304 ６２１Ｄ ６２２ ６２２Ｒ Ｆターム(参考） 3C034 AA19 BB92 CA02 CB01 DD10 3C047 FF08 FF13 GG20 3C058 AA07 AA09 AC02 AC04 CB01 DA02 DA12 DA17

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄板状被研磨物が研磨パッドに対して相
   対移動するように載置され、スラリー状研磨剤に含まれ
   る研磨粒子を前記薄板状被研磨物の被研磨面に衝突させ
   ることにより、該薄板状被研磨物の被研磨面を化学的機
   械的な処理により研磨するＣＭＰ装置において、 前記薄板状被研磨物の表面に対して、垂直方向に電界を
   発生させる電界発生手段と、 前記電界発生手段が発生させた電界の方向に対して直交
   する方向に磁界を発生させる磁界発生手段とを備え、 前記電界と前記磁界とによって発生するローレンツ力に
   より、前記研磨粒子の射出方向及び射出速度を制御し
   て、該薄板状被研磨物の被研磨面を研磨することを特徴
   とするＣＭＰ装置。
2. 【請求項２】 前記スラリー状研磨剤にはガス分子がイ
   オン化されたイオン粒子が混入され、前記研磨粒子に衝
   突するイオン粒子に作用するローレンツ力を制御するこ
   とによって、前記研磨粒子の射出方向及び射出速度が制
   御されることを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰ装
   置。
3. 【請求項３】 前記薄板状被研磨物の被研磨面に形成さ
   れ、前記イオン粒子に対して反応性を示す酸化膜に、該
   イオン粒子が衝突することにより、前記被研磨面の研磨
   を行うことを特徴とする請求項２に記載のＣＭＰ装置。
4. 【請求項４】 前記スラリー状研磨剤に懸濁されている
   研磨粒子は、電界中を通過することにより帯電され、 帯電された前記研磨粒子に作用するローレンツ力によっ
   て、該研磨粒子の射出方向及び射出速度が制御されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のＣＭＰ装置。
5. 【請求項５】 前記研磨パッドは、前記スラリー状研磨
   剤を通過させ、且つ、前記薄板状被研磨物の被研磨面に
   対して開口した流体溝が複数本形成され、 前記複数本の流体溝は、ローレンツ力が作用する方向に
   形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４
   の何れかに記載のＣＭＰ装置。
6. 【請求項６】 前記複数の流体溝は、それぞれ、前記研
   磨粒子の射出速度を個別に制御するように構成されてい
   ることを特徴とする請求項５に記載のＣＭＰ装置。
7. 【請求項７】 誘電体を介して前記薄板状被研磨物と対
   向する電極板と、 前記電界印加手段が発生させた電界によって前記電極板
   に帯電された電荷量を測定する電荷量測定手段とを備
   え、 前記電荷量測定手段が測定した電荷量に基づいて前記薄
   板状被研磨物の被研磨面の研磨量が検知されることを特
   徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載のＣＭＰ
   装置。
8. 【請求項８】 誘電体を介して前記薄板状被研磨物と対
   向する電極板と、 前記薄板状被研磨物と前記電極板との間の静電容量を測
   定する静電容量計とを備え、 前記静電容量計が測定した静電容量に基づいて前記薄板
   状被研磨物の被研磨面の研磨量が検知されることを特徴
   とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載のＣＭＰ装
   置。
9. 【請求項９】 前記薄板状被研磨物は半導体ウェーハで
   あることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れかに
   記載のＣＭＰ装置。
10. 【請求項１０】 薄板状被研磨物が研磨パッドに対して
    相対移動するように載置され、スラリー状研磨剤に含ま
    れる研磨粒子を前記薄板状被研磨物の被研磨面に衝突さ
    せることにより、該薄板状被研磨物の被研磨面を化学的
    機械的な処理により研磨を行うＣＭＰ装置による研磨方
    法において、 前記薄板状被研磨物の表面に対して、垂直方向に電界を
    印加し、その電界に直交するように磁界を印加し、前記
    電界と前記磁界とによって発生するローレンツ力によっ
    て、前記研磨粒子の射出方向及び射出速度を制御して、
    該薄板状被研磨物の被研磨面を研磨することを特徴とす
    るＣＭＰ装置による研磨方法。
11. 【請求項１１】 前記スラリー状研磨剤にはガス分子が
    イオン化されたイオン粒子が混入され、前記研磨粒子に
    衝突するイオン粒子に作用するローレンツ力を制御する
    ことによって、前記研磨粒子の射出方向及び射出速度が
    制御されることを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＰ
    装置による研磨方法。
12. 【請求項１２】 前記薄板状被研磨物の被研磨面に形成
    され、前記イオン粒子に対して反応性を示す酸化膜に、
    該イオン粒子が衝突することにより、前記被研磨面の研
    磨を行うことを特徴とする請求項１１に記載のＣＭＰ装
    置による研磨方法。
13. 【請求項１３】 前記スラリー状研磨剤に懸濁されてい
    る研磨粒子は、電界中を通過することにより帯電され、 帯電された前記研磨粒子に作用するローレンツ力によっ
    て、該研磨粒子の射出方向及び射出速度が制御されるこ
    とを特徴とする請求項１０に記載のＣＭＰ装置による研
    磨方法。
14. 【請求項１４】 前記研磨パッドは、前記スラリー状研
    磨剤を通過させ、且つ、前記薄板状被研磨物の被研磨面
    に対して開口した流体溝が複数本形成され、 前記複数本の流体溝は、ローレンツ力が作用する方向に
    形成されていることを特徴とする請求項１０乃至請求項
    １３の何れかに記載のＣＭＰ装置による研磨方法。
15. 【請求項１５】 前記複数の流体溝は、それぞれ、前記
    研磨粒子の射出速度を個別に制御することを特徴とする
    請求項１４に記載のＣＭＰ装置による研磨方法。
16. 【請求項１６】 前記薄板状被研磨物と電極板とを誘電
    体を介して対向させ、 該電極板に帯電された電荷量を測定することにより、前
    記薄板状被研磨物の被研磨面の研磨量を検知することを
    特徴とする請求項１０乃至請求項１５の何れかに記載の
    ＣＭＰ装置による研磨方法。
17. 【請求項１７】 前記薄板状被研磨物と電極板とを誘電
    体を介して対向させ、 前記薄板状被研磨物と前記電極板との間の静電容量を測
    定することによって、前記薄板状被研磨物の被研磨面の
    研磨量を検知することを特徴とする請求項１０乃至請求
    項１５の何れかに記載のＣＭＰ装置による研磨方法。
18. 【請求項１８】 前記薄板状被研磨物は半導体ウェーハ
    であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１７の何
    れかに記載のＣＭＰ装置による研磨方法。