JP2003285266A

JP2003285266A - 研磨方法および研磨装置

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Publication number: JP2003285266A
Application number: JP2002088819A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakuta; 茂佐久田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-07
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP3834521B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来は別々に測定されていた研磨量測定と終
点検出を簡便に同時に行え、また、研磨中に異常種別を
報知する機能も備え、さらに研磨量・終点検出を各ウエ
ハ、トップリングおよび研磨布によっても行なえるよう
に変位計の姿勢も制御可能とした研磨方法と研磨装置を
提供すること。【解決手段】トップリング２に設けられた被加工体１
の裏面を観察可能な透光性の窓１８を介して非接触変位
計１１により、被加工体１の裏面位置を測定し、その結
果により研磨加工を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被加工体を平坦化する研磨方法と研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩの製造
プロセスで用いられている露光機の焦点深度が年々小さ
くなっている。それに伴い、露光マージンが減少してい
る。このため、被加工体である例えば半導体ウエハ（以
下、単にウエハという）の上に形成された膜の平坦度も
より高精度にする必要がある。

【０００３】研磨に用いられる平坦化の手法としてＣＭ
Ｐ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌ
ｉｓｈｉｎｇ）装置が用いられている。

【０００４】図１２は、ＣＭＰ装置の研磨部４６の概要
を示す模式斜視図である。発泡ポリウレタンをベースと
した研磨パッド（研磨布）５１が上面に固定された定盤
５２を回転させ、この研磨パッド５１に対向して設けら
れたトップリング５３に半導体ウエハ５４を固定した状
態で、研磨パッド５１の表面にシリカ砥粒を混濁させた
研磨スラリー５５を滴下しながら、半導体ウエハ５４を
研磨パッド５１に所定荷重で押圧して研磨終点まで研磨
し、所定の研磨量の研磨を行っていた。

【０００５】なお、特開２０００−２２３４４８号公報
には、研磨中に一定の研磨速度を得るために、研磨布の
凹部の深さを変位計で測定し、その結果により研磨速度
を一定の速度に制御する技術が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＭＰ装置では、研磨終点をトップリング振動幅、ある
いは定盤モータ電流値などから求めていたため、被加工
体の状態を直接測定しているものでないので、高精度な
終点検出は困難であった。なお、特開２０００−２２３
４４８号公報に開示されている技術も、被加工体の状態
を直接測定しているものでないので、高精度な検出とは
言いがたい。

【０００７】また、非接触あるいは接触変位計を用いて
研磨量を求めていたが、研磨量測定と終点検出を同時に
行なう機構は実現していなかった。

【０００８】また、従来は研磨中に研磨の異常種別を報
知する機能はなかった。

【０００９】本発明は、これらの事情にもとづいてなさ
れたもので、従来は別々に測定されていた研磨量測定と
終点検出を簡便に同時に行え、また、研磨中に異常種別
を報知する機能も備え、さらに研磨量・終点検出を各ウ
エハ、トップリングおよび研磨布によっても行なえるよ
うに変位計の姿勢も制御可能とした研磨方法と研磨装置
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、研磨布が取り付けられた定盤と対向して設
けられたトップリングにより被加工体を保持し、前記被
加工体を回転させながら前記研磨布に押圧して研磨する
研磨方法において、前記トップリングに設けられた前記
被加工体の裏面を観察可能な透光性の窓を介して非接触
変位計により前記被加工体の裏面位置を測定し、測定結
果に基づいて研磨中の前記被加工体の研磨量を検出する
ことを特徴とする研磨方法である。

【００１１】また請求項２の発明による手段によれば、
前記被加工体の裏面測定位置は、前記被加工体の複数の
同心円上であることを特徴とする研磨方法である。

【００１２】また請求項３の発明による手段によれば、
前記被加工体の裏面位置を測定は、前記定盤の形状誤
差、或いは前記被加工体の形状誤差に起因するうねりの
近似線を用いることを特徴とする研磨方法である。

【００１３】また請求項４の発明による手段によれば、
研磨布が取り付けられた定盤と対向して設けられたトッ
プリングにより被加工体を保持し、前記被加工体を回転
させながら前記研磨布に押圧して研磨する研磨方法にお
いて、前記トップリングの裏面の鉛直方向の振動状態を
非接触変位計により測定し、測定結果に基づいて研磨状
態を検出することを特徴とする研磨方法である。

【００１４】また請求項５の発明による手段によれば、
研磨布が取り付けられた定盤と、該研磨布と対向するよ
うに被加工体を保持可能で、前記被加工体を回転しなが
ら前記研磨布に押圧可能に設けられたトップリングとを
有する研磨装置において、前記トップリングには、前記
被加工体の裏面を観察可能な透光性の窓が設けられ、前
記窓の回転軌跡と対向する位置には、非接触変位計が設
けられていることを特徴とする研磨装置である。

【００１５】また請求項６の発明による手段によれば、
前記窓は、前記被加工体の複数の同心円上に設けられて
いることを特徴とする研磨装置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００１７】図１は、本発明のＣＭＰ装置の研磨部とそ
の制御部の構成を示す模式図である。

【００１８】ＣＭＰ装置の研磨部は、被加工体である例
えばウエハ１を保持するトップリング２が、軸Ａ_１を中
心にトップリング回転機構３の駆動源により矢印Ａ方向
に連続して回転するように取付けられる。トップリング
２は、所定の力でウエハ１を後述する研磨布４に押し付
けられるように構成されている。また、トップリング２
の下面と対向する位置には、軸Ａ_２を中心に定盤回転機
構５により連続して矢印Ｂ方向に回転するように取付け
られた定盤６を備えている。定盤６の表面には例えば、
ポリウレタン等の材料から成る研磨布４が取付けられて
いる。

【００１９】また、トップリング２の上面と対向する位
置には、変位測定モジュール７として、トップリング回
転機構３の固定保持部８に固定されている各６自由度微
動ステージ９を介して各非接触センサである非接触変位
計１１（例えば、レーザ変位計）が配設されている。

【００２０】図２にトップリング２の断面図を示すよう
に、トップリング２は、ＳＵＳ製のプレート１２とセラ
ミックス製の架台１３が組合わさって平面度が確保され
た中空円盤体１４を形成している。この中空円盤体１４
の下面側にウエハ１を案内する例えばポリカーボネイト
製のガイドリング１５が設けられている。中空円盤体１
４には真空ポンプ等の研磨圧制御手段（不図示）に接続
されている研磨圧制御用孔１６が設けられている。ま
た、架台１３の下面側が形成したリング状の内部にはウ
エハ１を吸着する緩衝材１７が設けられている。さら
に、中空円盤体１４と緩衝材１７をＺ軸方向に貫通した
透光材で形成された複数の透光性の窓１８が形成されて
いる。この窓１８は、図１に示したように、例えば、半
径が１５ｍｍピッチ毎の同心円上に、４５度の角度でφ
２ｍｍの窓１８が配置されている。したがって、各窓１
８の回転軌跡である同心円上に対向して設けられている
非接触変位計１１により、窓１８を通してトップリング
２で保持して加工中のウエハ１の裏面位置を精度よく観
察して測定することができる。

【００２１】図３（ａ）に斜視模式図を、図３（ｂ）横
断面図を示すように、各６自由度微動ステージ９は、３
本の圧電チューブアクチュエータ１９Ａ、１９Ｂ、１９
Ｃが配置的には正三角形の頂点に位置するようにトップ
リング回転機構３の固定保持部８に設けられている。ま
た、各圧電チューブアクチュエータ１９Ａ、１９Ｂ、１
９Ｃの先端にはステージ２１に設けられた凹状の鋼球受
け２２に係合する鋼球２３が設けられている。

【００２２】図４（ａ）に構造説明図を示すように、圧
電チューブアクチュエータ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ（例
えば、ＳｔａｖｅｌｙＳｅｎｓｏｒＩｎｃ．ＥＢＬ
＃２）は、４個の電極ＥI、ＥII、ＥIII、ＥIV（＋Ｘ、
−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ）を有しており、アクチュエータドラ
イバ（不図示）によって電極ＥI、ＥII、ＥIII、ＥIVへ
の電圧の印加の組み合わせ方と電圧値が制御され、それ
によって、上下（Ｚ）および水平面内（Ｘ，Ｙ）に変位
するようになっている。例えば、＋Ｘ電極ＥＩにＶ
［Ｖ］、−Ｘ電極ＥIIに−Ｖ［Ｖ］の電圧が印加される
と、＋Ｘ電極ＥＩ部分の圧電素子は伸び、−Ｘ電極ＥII
部分の圧電素子は縮み、その結果として圧電チューブア
クチュエータ１９の先端部分が＋Ｘ方向に変位する（Ｓ
ｔｌｖｅｌｙＳｅｎｓｏｒｓＩｎｃ．ＥＢＬ＃２では
その変位は１６×ＶI［ｎｍ］となる）。図４（ｂ）に
は、電極ＥI、ＥII、ＥIII、ＥIVへの印加電圧と運動方
向との関係を表示している。

【００２３】また、図５の表示は、圧電チューブアクチ
ュエータ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃの各電極ＥI、ＥII、
ＥIII、ＥIVに電圧を印加して圧電チューブアクチュエ
ータ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃの先端を変位させ、鋼球２
３と鋼球受け２２を介して圧電チューブアクチュエータ
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃに固定されたステージ２１が６
自由度で位置制御（姿勢制御）する際の、各電極ＥI、
ＥII、ＥIII、ＥIVへの印加電圧とステージ２１の運動
方向を示している。

【００２４】また、図６はステージ２１をＸ軸回りに回
動させる場合の一例を示したもので、各電極ＥI、ＥI
I、ＥIII、ＥIVに、図６中の太枠部内の各電圧を印加す
ることにより、圧電チューブアクチュエータ１９Ａ、１
９Ｂを伸び、圧電チューブアクチュエータ１９Ｃは縮
む。その結果、ステージ２１はＸ軸回りに回動する。

【００２５】制御部は図１に示したように、制御器２５
によりＣＭＰ装置の各部を制御するように構成されてい
る。したがって、制御器２５には以下のものがそれぞれ
接続されている。トップリング２の圧力を検出するため
の圧力センサ２６、６自由度微動ステージ９を制御する
ための微動ステージアンプ２７、非接触変位計１１を制
御する変位計アンプ２８、定盤回転機構５を制御するた
めのアンプ２９とＩ−Ｖ変換器３１、および、研磨液・
薬液の流量を検出する流量センサ３２である。

【００２６】次に本発明の動作について説明する。

【００２７】ＣＭＰ装置では、高精度の研磨を行うため
に、まず、ウエハ１の取付け状態を正確に把握する必要
があり、それに対して非接触変位計１１を適応させなけ
ればならない。そのために、研磨加工の前にトップリン
グ２の窓１８を介して各非接触変位計１１を用いてウエ
ハ位置を測定して、それらが設定値になるように、それ
ぞれ、圧電チューブアクチュエータ１９Ａ、１９Ｂ、１
９Ｃを作動させて、非接触変位計１１を保持している６
自由度微動ステージ９を調整し、非接触変位計１１の位
置と姿勢を調整する。

【００２８】ＣＭＰ装置の動作の基本は回転する定盤６
の表面に貼られた研磨布４に対して研磨液や薬液を吐出
しながら、トップリング２に保持されたウエハ１を回転
させながら押さえ付けてウエハ１の表面に成膜されてい
る薄膜を化学機械的に研磨する。研磨布４はその後ドレ
ッシングをおこなって初期化し、その後また研磨するこ
との繰返しである。

【００２９】図７は研磨の際の研磨量・終点検出測定に
ついての説明図である。なお、研磨量はウエハ１に形成
されている薄膜の研磨量であり、ウエハ１に形成されて
いる薄膜の研磨前の厚さは分かっているので、研磨量が
分かることは、加工されているウエハ１の薄膜の厚さも
同時に検出されていることを意味している。また、以下
の説明では、説明を簡単にするため定盤６の形状誤差と
トップリング２の形状誤差に起因するうねりは無視して
いる。また、定盤６の形状の誤差とウエハ１の形状の誤
差に起因するうねりも無視している。

【００３０】研磨中のウエハ１に対して、回転している
トップリング２の背面から複数の各窓１８を通して非接
触変位計１１を用いてウエハ１の裏面位置を測定するこ
とによって研磨中のウエハ１の膜厚変化を測定してい
る。また、トップリング２の背面の窓１８以外の場所の
測定値（＝トップリング２背面の位置情報）からトップ
リング２の鉛直方向の振動状態を測定し、この振幅値か
ら研磨終点検出を判断する。例えば層間膜研磨の場合、
振動が有る場合は終点未検出とし、振動が規定値以下に
なった場合に終点検出とする。

【００３１】また、複数の非接触変位計１１を用いて、
一つの非接触変位計１１から得られるウエハ１の同心円
上の研磨量情報を合成することによって、ウエハ１の全
面にわたる研磨量分布も測定可能である。なお、トップ
リング２が研磨布４に着地直後の研磨布４粘弾性による
トップリング２変位を考慮して、トップリング２着地直
後のデータは研磨量測定データ計算から省いている。

【００３２】また、図８に示すように、定盤６の形状誤
差やトップリング２の形状誤差に起因するうねり、ある
いは定盤６の形状誤差やウエハ１の形状誤差に起因する
うねりが観測された場合は、うねりを近似し（例えば最
小２乗平均線形近似線）、その近似線より研磨量の概値
を求めることができる。それにより、研磨量が研磨中に
測定可能となるとともに、研磨終点検出後のオーバポリ
ッシュ量を正確に定めることができる。次に、図９に
説明図を示したように異常状態の検出について説明す
る。なお、各部の構成については図1を参照している。

【００３３】研磨中の研磨速度と定盤６のモータの電流
の関係より、圧力異常、研磨液の流量異常、モータ異常
および異常研磨（原因不明異常）等の異常種別を報知す
る。

【００３４】圧力異常は圧力センサ２６の出力値をモニ
タして、領域II時の異常研磨と圧力異常を区別する。す
なわち、圧力センサ２６の値が高い値で異常時に領域II
であれば圧力異常であり、圧力センサ２６の値が通常時
で領域IIならば異常研磨とする。

【００３５】同様に研磨液や薬液の流量異常は、流量セ
ンサ３２の出力値をモニタして、領域III時の異常研磨
と流量異常を区別する。すなわち、流量センサ３２の値
が高めで異常時に領域IIIであれば流量異常とし、流量
センサ３２の値が通常時で、かつ圧力センサ２６の値が
低い時に領域IIIならば圧力異常とする。流量センサ３
２の値が通常時で、かつ、圧力センサ２６の値が通常時
に領域IIIならば異常研磨とする。

【００３６】ちなみに、各圧力センサ２６や流量センサ
３２は加工点から離れたところの圧力・流量のモニタを
行なっているため、各センサ単独で異常報知器として採
用することは信頼性に乏しい。そのため第９図に示した
ように、定盤６のモータの電流・研磨速度の関係とセン
サモニタ値を考え合わせて異常種別を判断している。な
お、第９図中Ｖｔ値は、一例を挙げれば、層間膜研磨で
は約１０アンペアとなる。

【００３７】次に、本発明の変形例について説明する。

【００３８】上述の実施の形態では、トップリング２に
透光性の窓１８を設けたが、図１０に模式図を示したよ
うに、トップリング２の背面に孔がない場合の膜厚測定
兼終点検出機構の概観である。なお、図１と同一機能部
には同一符号を付して個々の説明を省略する。この場合
は、トップリング２の背面の位置を非接触変位計１１で
検出している。

【００３９】この場合、図１１に説明図を示すように、
トップリング２の背面に窓１８がない場合の研磨量・終
点検出は、トップリング２の背面の位置情報から研磨量
検出と終点検出を同時に行なうことができる。但し、こ
の場合は、トップリング２の全体の動きを検出している
ので、ウエハ１の面内の研磨量分布は測定できない。

【００４０】以上に説明したように、上述の各実施の形
態によれば、研磨装置の研磨布の形状やウエハの形状が
変わっても、常にトップリングやウエハの裏面が測定で
きるように、圧電チューブアクチュエータを複数用いた
６自由度ステージを実現することができる。

【００４１】また、６自由度微動ステージを用いて、ウ
エハ、トップリングや研磨布の形状に拘らず非接触変位
計のアライメントを精度よく行うことができ、リアルタ
イムでウエハの正確な研磨量測定と終点検出を行うこと
ができる。

【００４２】また、非接触変位計を用いて研磨量（分
布）測定と終点検出を同時に行なうことが可能となる。
それにより、終点検出後のオーバポリッシュ量を正確に
定めることができる。

【００４３】また、研磨中の研磨状態の異常種別をリア
ルタイムに報知することができるので、研磨状態の異常
が発生した場合でもそれぞれに適切な対応をとることが
できる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、小型で高精度の６自由
度微動ステージが可能になる。

【００４５】また、被加工体を研磨中にリアルタイム
で、高精度に研磨量の測定と終点検出を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＣＭＰ装置の研磨部とその制御部の構
成を示す模式図。

【図２】本発明のトップリングの断面図。

【図３】（ａ）は、本発明の６自由度微動ステージの斜
視模式図、（ｂ）は同横断面図。

【図４】（ａ）は、圧電チューブアクチュエータの構造
説明図、（ｂ）は、電極への印加電圧と運動方向との関
係を示す表。

【図５】圧電チューブアクチュエータの各電極への印加
電圧とステージの運動方向との関係を示す表。

【図６】ステージをＸ軸回りに回動させる場合の、圧電
チューブアクチュエータの各電極への印加電圧を示す
表。

【図７】研磨の際の研磨量・終点検出測定についての説
明図。

【図８】うねりが生じた際の近似線より研磨量の概値を
求める説明図。

【図９】異常状態の検出についての説明図。

【図１０】本発明の別の実施の形態の説明図。

【図１１】本発明の別の実施の形態の研磨量・終点検出
の説明図。

【図１２】従来のＣＭＰ装置の研磨部一例を示す模式平
面図。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…トップリング、３…トップリング回転
機構、４…研磨布、６…定盤、７…変位測定モジュー
ル、９…６自由度微動ステージ、１１…非接触変位計、
１８…窓、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ…圧電チューブアク
チュエータ、２３…鋼球、２５…制御器、ＥI、ＥII、
ＥIII、ＥI５…電極、

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨布が取り付けられた定盤と対向して
設けられたトップリングにより被加工体を保持し、前記
被加工体を回転させながら前記研磨布に押圧して研磨す
る研磨方法において、前記トップリングに設けられた前記被加工体の裏面を観
察可能な透光性の窓を介して非接触変位計により前記被
加工体の裏面位置を測定し、測定結果に基づいて研磨中
の前記被加工体の研磨量を検出することを特徴とする研
磨方法。
【請求項２】前記被加工体の裏面測定位置は、前記被
加工体の複数の同心円上であることを特徴とする請求項
１記載の研磨方法。
【請求項３】前記被加工体の裏面位置を測定は、前記
定盤の形状誤差、或いは前記被加工体の形状誤差に起因
するうねりの近似線を用いることを特徴とする請求項１
或いは２に記載の研磨方法。
【請求項４】研磨布が取り付けられた定盤と対向して
設けられたトップリングにより被加工体を保持し、前記
被加工体を回転させながら前記研磨布に押圧して研磨す
る研磨方法において、前記トップリングの裏面の鉛直方向の振動状態を非接触
変位計により測定し、測定結果に基づいて研磨状態を検
出することを特徴とする研磨方法。
【請求項５】研磨布が取り付けられた定盤と、該研磨
布と対向するように被加工体を保持可能で、前記被加工
体を回転しながら前記研磨布に押圧可能に設けられたト
ップリングとを有する研磨装置において、前記トップリ
ングには、前記被加工体の裏面を観察可能な透光性の窓
が設けられ、前記窓の回転軌跡と対向する位置には、非接触変位計が
設けられていることを特徴とする研磨装置。
【請求項６】前記窓は、前記被加工体の複数の同心円
上に設けられていることを特徴とする請求項５記載の研
磨装置。