JP2005056987A

JP2005056987A - 研磨装置および研磨方法

Info

Publication number: JP2005056987A
Application number: JP2003284961A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Matsumura; 義之松村
Original assignee: Nitta Haas Inc
Current assignee: Nitta DuPont Inc
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】定盤に固定する研磨パッド表面の温度変化、不均一性を線形性良く研磨要求性能に反映させ、研磨対象物の研磨レートの制御及び研磨均一性、研磨表面段差の改善、研磨欠陥を改善し生産安定性、生産効率を向上させる。
【解決手段】研磨用定盤１の表面に研磨パッド３を張設し、研磨パッド３の研磨面に対して摺接可能に配置した被研磨物４の表面を化学機械研磨法により研磨する研磨装置において、研磨パッド３の研磨面の温度を検出する温度センサ９と、研磨パッド３の研磨面に対して表面側から温度調整可能な温度調整手段１０と、温度センサ９の検出結果に基づいて、研磨パッド３の研磨面の温度を温度調整手段１０による温度調整によって所定温度に制御する制御部１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造、ＬＣＤガラス、及び磁気ヘッド製造工程等に使用される研磨装置および研磨方法に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化を図るため、シリコン基板上に回路を積み上げる多層形成技術が導入されている。多層形成では、基板上の回路形成面となる絶縁層の上面に凹凸が生じやすく、その凹凸によりフォトリソグラフィ工程において光の焦点が結びにくくなるため、回路形成面を平坦化する必要がある。この平坦化するためにＣＭＰ法による基板の表面研磨処理が提案されている。ＣＭＰ法はスラリー（研磨剤の水性分散体）によって基板の表面を化学的および機械的に研磨し、形成面の平坦化を図る技術である。

図５に代表的なＣＭＰ装置の概略図を示す。このＣＭＰ装置は、水平方向に回転可能な研磨用定盤としての下部研磨用定盤１と、この定盤１上に回転可能に配置される上部研磨用定盤２とを有し、該下部研磨用定盤１上には研磨パッド３が貼着などにより張り付けた状態で配置され、該上部研磨用定盤２の下面に基板４を保持するための機構５（本明細書中でウェハキャリアと呼ぶ）が配置されている。

基板４は表面を下向きにしてウェハキャリア５に保持され、下部研磨用定盤１へ均一に荷重がかけられる。下部研磨用定盤１とウェハキャリア５はそれぞれ軸心Ｐ１，Ｐ２周りで相対的に回転移動され、同時にウェハキャリア５の近傍位置に配置されたノズル６より下部研磨用定盤１上にスラリー７を流すことによって、研磨パッド３による機械的要因と化学的要因で基板８の表面が平坦に研磨される。

この研磨処理に当たって、研磨パッド３の研磨面の温度は適正な一定温度に保たれていることが望ましい。適正温度よりも研磨面温度が高いと、化学的研磨作用が促進され易いので、必要以上に研磨レートが高くなるという問題がある。逆に適正温度よりも研磨面温度が低いと、研磨レートが低くなり、作業効率が低下するという問題がある。また、研磨パッドにおける研磨作業箇所での温度分布が一様でなく局所的なばらつきが大きいと、被研磨物の研磨の均一性が損なわれるおそれが高く、それによって、品質のばらつきなど様々な弊害が生じることになる。

このような問題を解決するために、研磨パッドを張設する定盤内にヒータなどの温度調整手段を装備し、その温度調整手段で定盤の温度を調整することによって、研磨パッドに対する温度調整を図ることが従来提案されている。

また、研磨パッドに対する赤外線ランプによる赤外線放射で研磨パッド温度を所望温度に設定することも従来提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−１６２５１７号公報

ところで、研磨工程においては研磨に関して機械的な要素、化学的な要素が含まれるため、前者の従来技術の場合、研磨パッドの表面温度に基づくフィードバック制御による温度調整を行うものでない。したがって、この場合、研磨パッドの表面温度を正確且つ線形性（リニア）良くコントロールすることは難しい。また、断熱効果の高い研磨パッドが多いため、定盤を介して行う温度調整では、研磨中のリニアな温度変化、バラツキを研磨パッド全面において補正し、研磨パッド表面全体を均一にすることは困難である。

結果的に研磨パッド表面の全体もしくは局所的な温度変化、ばらつきによって、研磨レートの変動、研磨対象物の研磨均一性の悪化、研磨粒子の凝集等による研磨キズを発生させる原因となる。

また、後者の従来技術の場合、特許文献１として提示したように、赤外線ヒータで研磨パッドを所定温度となるように赤外線を研磨パッドに照射するものであるが、研磨パッド表面の温度検出を行わずに単に赤外線照射を行う場合、あらかじめ所定温度となるように照射量を設定して赤外線照射しても、摩擦熱などにより所定温度よりも高温になるおそれがあり、精度良く所定温度に調節することは困難である。

さらに、単一の赤外線ヒータによる加熱は、きめ細かく研磨パッド表面の情況に応じて温度調整できるものでないから、研磨パッド表面の温度バラツキを助長することにもなりかねない。

本発明は、定盤に固定する研磨パッド表面の温度変化、不均一性を線形性良く研磨要求性能に反映させ、研磨対象物の研磨レートの制御及び研磨均一性、研磨表面段差の改善、研磨欠陥を改善し生産安定性、生産効率を向上させることを課題とする。また、本発明は、生産時のスループットにも影響が高い初期研磨レートの低さを解決し、研磨レートの立ち上がり及び安定した研磨レートを得ることを解決しようとする課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、研磨用定盤の表面に研磨パッドを張設し、研磨パッドの研磨面に対して摺接可能に配置した被研磨物の表面を化学機械研磨法により研磨する研磨装置において、研磨パッドの研磨面の温度を検出するための温度検出手段と、温度検出結果により研磨パッドの研磨面の温度をその表面側から調整するための温度調整手段とを備えることを特徴とする。

ここで、温度調整手段は、研磨パッドの研磨面に対して温度調整するため熱を与える、または、奪うことによって研磨面の温度を制御することができるものであって、熱を与える機能のみ、熱を奪う機能のみを備えていてもよいし、両機能を備えるものでもよい。熱を与える機能を有する温度調整手段としては、例えば、熱風を研磨パッドに吹き付ける機構、赤外線照射などにより放射熱を研磨パッドに与える機構などがある。また、熱を奪う機能を有する温度調整手段としては、例えば、冷却風を研磨パッドに吹き付ける機構がある。

温度検出手段や温度調整手段は、それぞれ、少なくとも１つ以上備えられていればよく、それぞれ複数個備えられていれば、研磨パッドの研磨面をきめ細かく温度制御できる点で好ましい。

本発明に係る研磨装置によれば、温度検出手段によって、研磨パッドの研磨面における温度を精度良く把握することができるとともに、その温度検出手段で検出された温度情報に基づいて、研磨パッドの研磨面の温度を所定温度に制御することになるから、研磨するうえで最適な温度に研磨面を設定できることになり、研磨レートを最適なものとすることができて、効率の良い研磨作業が行えるとともに、研磨不良の発生を抑制できることになる。

本発明に係る研磨装置として、温度検出手段は、研磨パッドにおける被研磨物の研磨直後の研磨面温度を検出することが好ましい。この場合、実際に研磨作業が行われた直後の研磨パッドの研磨面温度を検出しているから、その研磨面温度の検出精度は非常に高いものとなり、その検出結果に基づいて温度制御を行うと、研磨面の温度を精度良く所定温度に制御することができる。

また、本発明に係る研磨装置として、温度調整手段は、研磨パッドの研磨面に対して輻射により熱伝導可能な手段や所望温度の気体を前記研磨面に吹き付けることが可能な手段であることが好ましい。この場合、輻射による熱伝導可能な手段や、または、所望温度の気体を研磨面に吹き付けるものに構成しているから、研磨パッドの温度調整を行うのに、研磨面に対する熱の与奪を遠隔的に操作して行うことができるのであって、定盤側に温度調整を行う機構を設けるものよりも構造簡単であるとともに、研磨パッドの所望面に集中して熱的な変動を与える調整が行えるので、研磨面の温度分布のばらつきも抑制できる。

また、本発明に係る研磨装置は、研磨用定盤はその中心軸周りで被研磨物と相対的に回転自在に構成されるとともに、温度検出手段および前記温度調整手段は対となる組に構成されて、その組となったものが複数個、中心軸から径方向に沿って並設されていることが好ましい。この場合、径方向に沿って並設された温度検出手段と温度調整手段の各組がその温度検出手段の設置位置における研磨面の温度を検出し、その検出結果に基づいて、研磨面の比較的小さい領域ごとに対応するきめの細かい温度調整が温度調整手段によって行えるから、研磨パッドの研磨面に対して、より一層ばらつきなく所定温度とする温度制御を行うことができる。

また、本発明に係る研磨方法は、研磨用定盤の表面に研磨パッドを張設し、研磨パッドの研磨面に対して摺接可能に配置した被研磨物の表面を化学機械研磨法により研磨する研磨装置を用いる研磨方法において、研磨パッドの研磨面の温度を温度検出手段で検出し、この検出結果に基づいて、研磨パッドの研磨面の温度を、その研磨面の表面側から温度調整手段によって所定温度に制御する、ことを特徴とする。

本発明に係る研磨方法によれば、温度検出手段によって、研磨パッドの研磨面における温度を精度良く把握することができるとともに、その温度検出手段で検出された温度情報に基づいて、研磨パッドの研磨面の温度を所定温度に制御することになるから、研磨するうえで最適な温度に研磨面を設定できることになり、研磨レートを最適なものとすることができて、効率の良い研磨作業が行えるとともに、研磨不良の発生を抑制できることになる。

また、本発明に係る研磨方法は、研磨パッドの研磨面の温度をほぼ所定温度としたうえで、研磨を開始することが好ましい。この場合、研磨パッドの表面温度を予めほぼ所定温度となるように上昇もしくは下降させることによって、研磨開始時の低い研磨レートを最小限に抑え初期の研磨レート立ち上がりを速くすることが可能である。

本発明に係る研磨装置によれば、研磨中の研磨パッド表面温度の正確なコントロールによって、研磨レート、研磨均一性、研磨欠陥等の変動を良好に補正できる。部分的な研磨パッド円周上の温度コントロールによって、任意に研磨均一性を修正できる。研磨パッド表面温度のコントロールによって、研磨表面の段差や粗さ、欠陥を修正できる。長時間の研磨時に起こり得る研磨レートの変動を研磨パッド表面温度を調整することで安定にすることが可能である。研磨パッド表面温度を予め所定温度となるように上昇もしくは下降させることによって、研磨開始時の低い研磨レートを最小限に抑え初期の研磨レート立ち上がりを速くすることが可能である。研磨開始直後より最大研磨レートを得ることによって、生産効率、安定処理を可能にできる。

本発明に係る研磨装置の実施の形態を図１ないし図３に示して説明する。図１は、研磨装置の概略を側面視で示す説明図、図２は、図１の研磨装置の平面図、図３は、図１に示す研磨装置による研磨時間と、研磨面の温度及び銅研磨速度との関係の測定結果を示すグラフである。

図１，図２に研磨装置としてのＣＭＰ装置を概略的に示している。このＣＭＰ装置は、垂直な軸心Ｐ１周りで水平方向で回転可能な下部研磨用定盤１と、この定盤１上に垂直な軸心Ｐ２周りで回転可能に配置される上部研磨用定盤２とを有し、下部研磨用定盤１の上面には研磨パッド３が貼着により張設された状態で配置され、該上部研磨用定盤２の下面に被研磨物としての基板４を保持するためのウェハキャリア５が配置されている。

シリコンウェハなどの基板４は表面を下向きにしてウェハキャリア５に保持され、下部研磨用定盤１へ向けて下向きの荷重が均一にかけられる。下部研磨用定盤１とウェハキャリア５はそれぞれ相対的に回転移動され、同時にウェハキャリア５の近傍位置に配置されたノズル６より研磨パッド３上にスラリー７を流すことによって、機械的要因と化学的要因で基板４の表面が平坦に研磨される。

そして、研磨パッド３における基板４に対する研磨を行う研磨面での温度を所定温度に制御する温度制御機構８が設けられている。この温度制御機構８は、研磨パッド３における研磨面の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ９と、この温度センサ９の検出結果に基づいて、研磨パッド３における研磨面に対して赤外線を照射して熱を与える温度調整手段としての赤外線ランプ１０とからなる。さらに、温度制御機構８には、温度センサ９の検出結果に基づいて、赤外線ランプ１０の駆動制御を行う制御装置１１が設けられている。

詳述すると、温度センサ９は同じ性能の８個の赤外線センサ９_１〜９_８が並設されて構成されているのであって、それぞれの赤外線センサ９_１〜９_８は、研磨パッド３における基板４の研磨位置より軸心Ｐ１周りでの回転方向で下手側個所に、研磨パッド３の軸心Ｐ１を中心とする径方向に沿って等間隔に並設されている。各赤外線センサ９_１〜９_８は、研磨パッド３との対向間隔を所定間隔で一定にしている。したがって、各赤外線センサ９_１〜９_８は、基板４の研磨を行った直後の研磨パッド３の表面温度を検出することになる。各赤外線センサ９_１〜９_８の検出信号は、制御装置１１に入力される。各赤外線センサ９_１〜９_８と対になって、各赤外線センサ９_１〜９_８の軸心Ｐ１周りでの回転方向の下手側に位置させて同じ性能の８個の赤外線ランプ１０_１〜１０_８が固定配置されている。また、各赤外線ランプ１０_１〜１０_８は、研磨パッド３との対向間隔を所定間隔で一定にしている。図示しないが各赤外線センサ９_１〜９_８と赤外線ランプ１０_１〜１０_８は１つの支持部材に取り付け支持されている。赤外線センサ９_１〜９_８の設置範囲は、図２に示すように、研磨パッド３のほぼ半径と同じ範囲、すなわち基板４の直径分の範囲にわたっているから、その範囲内での研磨パッド３の研磨面の温度を各赤外線センサ９_１〜９_８の検出領域について検出できるものとなっている。ここで、赤外線センサ９_１〜９_８および赤外線ランプ１０_１〜１０_８の各符号の添え字となっている１〜８の数字は、径方向外側から内側へ向かう順序で各センサ、各ランプごとに付した番号である。

各赤外線ランプ１０_１〜１０_８は対を成す各赤外線センサ９_１〜９_８の研磨パッド３における検出領域と同じ領域に対して赤外線を照射できるものとなっている。その赤外線照射の制御は、制御装置１１が各赤外線センサ９_１〜９_８の検出結果に基づいて、予め定められた所定温度、例えば２０℃との温度差がどの程度であるか判断し、その温度差をなくすように各領域ごとに対応する赤外線ランプ１０_１〜１０_８による赤外線照射が個別に独立して行われる。この場合は、所定温度になるように加熱を行う制御となっている。したがって、所定温度となっていることから加熱の必要のない領域については赤外線ランプによる研磨パッド３の赤外線照射は行われない。一方、所定温度より所定温度差（例えば０．２℃の温度差）以上低い温度であることが検出された領域については、その領域に対して赤外線照射可能な赤外線ランプをその温度差に応じた所定時間または所定出力で作動させて所定温度となるようにフィードバック制御されて、その領域の研磨パッド３の表面を加熱することになる。このように加熱制御が行われることによって、加熱された研磨パッド３の表面は、その軸心Ｐ１周りでの回転により再び基板４の研磨を行う際には所定温度に近い状態で研磨が行われることになる。

また、この温度制御が行われる状態で研磨作業を開始するに当たって、実際の研磨作業が開始される以前から予め赤外線センサによって研磨パッドの研磨面の温度を検出し、その検出結果に基づいて所望研磨温度となるよう赤外線ランプによる赤外線照射を研磨パッドの研磨面に対して行い、研磨開始時にはその研磨面の温度が所定温度で一定となっているようにしてもよい。

このように予め研磨パッドを予め加熱しておき、かつ、研磨作業を開始してからの温度を温度センサの検出結果に基づいて所定温度（この場合２０℃）に維持する制御を行った結果を図３のグラフに示す。この図３のグラフは、研磨の経過時間と研磨パッド表面温度との関係、および、研磨の経過時間と研磨レートとの関係を示している。この場合、縦軸の研磨レートとしては、研磨パッド表面温度と、研磨レートとしての銅研磨速度である。この図３に示すグラフでは、横軸を時間軸としており、研磨パッド３の研磨面の温度を予め所定温度となるようにした状態から研磨作業を開始しているので、その開始時から研磨パッド３の研磨面温度が所定温度に近いものとなっていて、立ち上がり遅れがないから、研磨レートについても研磨開始時からただちに良好な研磨レートとなっている。さらに、研磨レートの立ち上がりが比較的迅速なものとなっているから、研磨開始から良好な研磨レートに達する時間がきわめて短いものとなり、作業効率が高い、すなわち生産性（スループット）が高いものとなっている。また、研磨レートは所定の研磨レートを維持するものとなっており、経時的な研磨レートの変動がほとんどない。

本発明の温度調整手段として、赤外線ランプによる赤外線照射によって研磨パッドの研磨面を所定の温度に良好に維持しようとするものを示したが、例えば、熱を付与するものとして、所定温度に暖められた空気を研磨面に吹き付ける方法、赤外線にかえて、例えば紫外線、Ｘ線、可視光線などの輻射線を照射したり、あるいは所定温度に加熱した窒素ガスなどを吹きつけたりすることになる。

また、逆に研磨パッドの研磨面の温度を低下させることができるように、研磨パッド３の検出表面温度よりも低い温度に設定された空気や窒素ガスなどのガスを研磨パッドの研磨面に冷風として吹き付ける構成としてもよい。また、温度調整手段としては、研磨パッドの研磨面に対して熱を付与する機構と熱を奪う機構とを適宜組み合わせた構成としてもよい。

なお、温度センサによる温度検出は、所定時間おきに行われ、その所定時間ごとに研磨パッドの表面温度を所定温度に温度調整する制御が行われてもよいし、連続的に温度センサによる温度検出を行って、その検出結果が所定温度より所定以上の差異があることが検出されると温度調整する制御が行われてもよい。

本発明に係る上記実施の形態によれば、研磨パッドにおける研磨面の温度分布が不均一の場合でも予め設定された所定温度で均一な温度分布となるように制御されることになり、基板４全体において研磨レートが一定となるので、研磨表面の部分的な段差や粗さ、欠陥が全面的に均一な平坦面となるように研磨されることになる。

なお、比較例として、図４のグラフを示す。この図４に示すグラフは、温度調整手段８を備えていない従来の研磨装置による研磨時間（横軸）と、研磨パッドの表面温度および研磨レート（縦軸）との関係を示すグラフである。なお、この場合、研磨レートとしては、銅研磨速度である。この比較例の場合、研磨開始時に研磨に適した温度まで研磨パッドの温度が達していないので、立ち上がり時の温度は比較的低く、ある程度温度上昇が遅延するものとなっている。このため、研磨初期での研磨レートが低いので研磨工程全体としての生産性（スループット）が低くなるとともに、研磨面の温度が比較的変動し易いから、研磨レートも変動し易く、その結果、研磨面における平坦性が不十分なものとなるなど問題を有している。

変形実施の形態として、特にメタル系ＣＭＰの場合、温度変化が研磨特性に大きく依存するため、ウェハ中心部が削れにくくなることがある。このような場合、ウェハ中心の軌道上にある研磨パッド表面のみを数℃上昇させ研磨レートを部分的に修正できる。

すなわち、このように径方向に複数個の温度制御が可能な温度調整手段を配置したものにおいては、ウェハ中心を通る軌道上にある研磨パッドの表面温度を他の領域とは異なる温度に適宜設定することも可能となる。このようにすることによって、表面研磨の平坦性を高めることができる。

上記実施の形態で示した本発明は、一例であって、例えば次のような変形例や応用例も考えられる。
（１）上記実施の形態では、複数個の温度センサや複数個の温度調整手段を設けたものを示したが、単一の温度センサや単一の温度調整手段を設けるだけの構成のものも本願発明に含まれる。

本発明は、半導体製造、ＬＣＤガラス、及び磁気ヘッド製造工程等に使用される研磨装置に利用することができる。

研磨装置の概略を側面視で示す説明図図１の研磨装置の平面図図１に示す研磨装置による研磨時間と、研磨面の温度及び銅研磨速度との関係の測定結果を示すグラフ比較例としての研磨装置による研磨時間と、研磨面の温度及び銅研磨速度との関係の測定結果を示すグラフ従来の研磨装置の概略を側面視で示す説明図

符号の説明

１研磨用定盤
３研磨パッド
４基板（被研磨物）
９温度センサ(温度検出手段)
１０赤外線ランプ（温度調整手段）
１１制御装置（制御手段）

Claims

研磨用定盤の表面に研磨パッドを張設し、研磨パッドの研磨面に対して摺接可能に配置した被研磨物の表面を化学機械研磨法により研磨する研磨装置において、
研磨パッドの研磨面の温度を検出するための温度検出手段と、
温度検出結果により研磨パッドの研磨面の温度をその表面側から調整するための温度調整手段と、
を備える、ことを特徴とする研磨装置。
温度検出手段は、研磨パッドにおける被研磨物の研磨直後の研磨面温度を検出する、請求項１に記載の研磨装置。
温度調整手段は、研磨パッドの研磨面に対する熱輻射により温度調節する請求項１または２に記載の研磨装置。
温度調整手段は、所望温度の気体をその研磨面に吹き付ける、請求項１または２に記載の研磨装置。
研磨用定盤はその中心軸周りで被研磨物と相対的に回転自在に構成されるとともに、温度検出手段および温度調整手段は対となる組に構成されて、その組となったものが複数個、中心軸から径方向に沿って並設されている、請求項１ないし４のいずれかに記載の研磨装置。
研磨用定盤の表面に研磨パッドを張設し、研磨パッドの研磨面に対して摺接可能に配置した被研磨物の表面を化学機械研磨法により研磨する研磨装置を用いる研磨方法において、
研磨パッドの研磨面の温度を温度検出手段で検出し、この検出結果に基づいて、研磨パッドの研磨面の温度を、その研磨面の表面側から温度調整手段によって所定温度に制御する、ことを特徴とする研磨方法。
研磨パッドの研磨面の温度をほぼ所定温度としたうえで、研磨を開始する、請求項６に記載の研磨方法。