JP2006026897A

JP2006026897A - 研磨装置及び研磨方法

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Publication number: JP2006026897A
Application number: JP2005298383A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Kawamoto; 孝善川本; Norio Kimura; 憲雄木村; Hiroshi Yoshida; 博吉田; Hozumi Yasuda; 穂積安田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JP4275125B2

Abstract

【課題】被研磨材間あるいは１つの被研磨材における厚さの不均一性を改善し、かつ研磨の終点制御を容易にすることができる研磨装置及び方法を提供する。
【解決手段】被研磨物を研磨するための研磨室３６と制御装置３４とを有する研磨装置であって、前記研磨室には、前記研磨室内の雰囲気の温度を測定する温度センサ４８と、研磨面１０を有する研磨テーブル１２と、前記研磨面に研磨液を供給するノズル１６とが設けられ、前記制御装置に入力された被研磨物と研磨面との接触面の温度に対する研磨目標温度の値と前記温度センサ４８により測定された値に基づいて前記研磨液の温度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨装置及び研磨方法に係り、特に、半導体ウエハ等の被研磨材を平坦かつ鏡面状に研磨する研磨装置及び研磨方法に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。これに伴い、光リソグラフィなどで回路形成を行なう場合に焦点深度が浅くなるので、ステッパの結像面のより高い平坦度を必要とする。

半導体ウエハの表面を平坦化する手段として、研磨工具（例えば、研磨クロスを有する研磨テーブル）と、該研磨テーブルに対して被研磨材を把持してその研磨面を押圧する把持部材とを有し、これらの接触面間に研磨液を供給しながら工具と研磨面を相対的に摺動させることにより研磨を行なう研磨装置が知られている。このような装置は、研磨液として砥液を用いて機械的な研磨を行なうだけでなく、場合によりアルカリ性や酸性の研磨液を用いて化学的作用を伴う研磨を行なう。

このような研磨装置において、被研磨材の表層の除去速度（研磨速度）を支配する要因としては、ウエハの研磨工具（研磨クロス）への押し付け圧力、摺動速度等の他、研磨面の温度（研磨温度）も影響することが指摘されている。このような研磨速度を一定に制御することは、平坦度を向上させるだけでなく、研磨の終了時点を確認する終点検出のためにも重要なことである。

従って、一枚のウエハの中での平坦度を向上させること、ウエハとウエハの間での平坦度のバラツキを小さくすること、研磨の終点検出を的確に行うためには、研磨面の温度を意図した温度に制御することが必要である。ウエハとウエハの間での平坦度のバラツキを小さくすることは、複数のウエハを順次研磨する場合に再現性を良くすることができるので、特に意味のあることである。

さらに、この研磨温度は、例えば、酸化膜と窒化膜、あるいは、タングステン膜、チタン膜、チタンナイトライドと酸化膜等のメタル膜とバリヤメタル膜のように素材の異なる成膜を同時に研磨する場合にその選択比を規定する要因ともなる。

研磨温度は、研磨に伴い発生する摩擦熱と、研磨面に供給されるスラリーによってもたらされあるいは除去される熱と、ウエハ保持部及び研磨工具を介して除去される熱等のバランスで決まることが予想される。従って、供給スラリー温度を一定に制御したり、研磨テーブルを一定温度に維持するための冷却流路を設けたりすることが行われている。

しかしながら、上述のように供給スラリー温度や研磨テーブルの温度を制御しても、これらの手段のみで研磨面そのものの温度を、目標とする温度に維持することは困難であった。これにより、複数の被研磨材間の厚さのバラツキ、あるいは１つの被研磨材における面内不均一性が発生した。このようなバラツキは、予定厚さにおいて研磨を終了する終点制御を難しくする。

この発明は、前記の課題に鑑みてなされたもので、被研磨材間あるいは１つの被研磨材における厚さの不均一性を改善し、かつ研磨の終点制御を容易にすることができる研磨装置及び方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、被研磨物を研磨するための研磨室と制御装置とを有する研磨装置であって、前記研磨室には、前記研磨室内の雰囲気の温度を測定する温度センサと、研磨面を有する研磨テーブルと、前記研磨面に研磨液を供給するノズルとが設けられ、前記制御装置に入力された被研磨物と研磨面との接触面の温度に対する研磨目標温度の値と前記温度センサにより測定された値に基づいて前記研磨液の温度を制御することを特徴とする研磨装置である。

これにより、研磨液の温度を、例えば、研磨目標温度に合わせて制御して正確な研磨温度制御を行なうことができ、研磨厚さのバラツキのない、良好な品質の研磨を行なうことができる。なお、ここでいう「研磨装置を収容する空間」とは、研磨装置を、半導体製造工程が行われるクリーンルームや清浄な被研磨材が収容される空間から壁体等で仕切る程度の小さい空間、あるいはそのように区画していない研磨装置を収容する任意の空間を言う。通常、空間に給気手段と排気手段とを設け、給気手段に温度制御手段を設けて空間の温度を制御する。

請求項２に記載の発明は、前記制御装置には、許容範囲の温度が入力されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置である。

請求項３に記載の発明は、前記研磨テーブルには、内部に保温媒体を流通させる保温媒体空間を有することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置である。

請求項４に記載の発明は、前記制御装置は、前記研磨目標温度および前記研磨室内の雰囲気の温度に基づき、研磨液温度および保温媒体温度の目標値を算出することを特徴とする請求項３記載の研磨装置である。

請求項５に記載の発明は、前記制御装置は、前記研磨液温度と該研磨液温度の目標値および前記保温媒体温度と該保温媒体温度の目標値とを比較し、前記許容範囲内であるか否かを基に研磨の開始を定めることを特徴とする請求項４記載の研磨装置である。

請求項６に記載の発明は、前記研磨装置は、前記研磨面の温度を測定する赤外線センサを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の研磨装置である。

研磨装置は、通常、被研磨材の保持手段と、被研磨材の研磨面に押圧される研磨工具面を有する研磨工具と、これらの接触面間に研磨液を供給する研磨液供給手段とを有する。研磨装置を収容する空間は、通常、壁体で仕切り、被研磨材を出し入れする開口部（ドア）を設ける。

研磨温度制御装置は、前記空間温度センサの測定温度に基づいて、例えば、研磨工具の温度や研磨液の温度を制御することにより、接触面における研磨温度を制御する。ここで、さらに空間の温度自体を制御してもよく、また、接触面における温度計測手段を設けて、この測定温度を基に研磨温度を制御してもよい。接触面の温度計測手段としては、研磨工具面の表面温度を測るものでも、被研磨材の表面温度を直接測るものでもよい。

請求項７に記載の発明は、研磨装置に設けられた研磨室内にて被研磨物を研磨する研磨方法であって、前記研磨装置に設けられた制御装置に被研磨物と研磨面との接触面の温度の目標値である研磨目標温度および許容範囲の温度を入力し、前記研磨目標温度と前記研磨室内の温度を基に研磨液温度を制御することを特徴とする研磨方法である。

請求項８に記載の発明は、研磨装置に設けられた研磨室内にて被研磨物を研磨する研磨方法であって、前記研磨装置に設けられた制御装置に被研磨物と研磨面との接触面の温度の目標値である研磨目標温度を入力し、前記研磨目標温度を基に研磨液温度の目標値および研磨面を有する研磨テーブル内部に設けられた保温媒体温度の目標値を算出し、前記研磨液温度と該研磨液温度の目標値との差および前記保温媒体温度と該保温媒体温度の目標値との差が前記許容範囲の温度の範囲内にあることを検知して研磨を開始することを特徴とする研磨方法である。

この発明の研磨装置及び研磨方法によれば、研磨温度をより正確に制御して、研磨温度のバラツキに起因する被研磨材間の研磨厚さのバラツキ、あるいは同一被研磨材の面内厚さのバラツキを減少させることができ、製品の歩留まりの向上及び高品質の研磨を行わせることができる。

以下、本発明に係る研磨装置の実施の形態を図１に基づいて説明する。この研磨装置は、上面にクロス（研磨布）１０を取り付けた研磨テーブル１２と、下面に半導体ウエハＷを保持しつつクロス１０に押しつけるトップリング１４と、研磨布１０に研磨砥液Ｑを供給する砥液ノズル１６とを具備している。

図示されていないが、研磨テーブル１２とトップリング１４にはそれぞれを独立に回転させる駆動装置が設けられ、また、トップリング１４を研磨テーブル１２に対して押し付ける押圧手段（例えば、エアシリンダ）が設けられている。また、研磨液ノズル１６に配管１８を介して研磨液Ｑを供給する研磨液供給系が設けられ、これの所定位置には、供給研磨液の温度を検出する温度センサ２０と、研磨液を加熱又は冷却する研磨液温度調整手段２２が設けられている。

さらに研磨テーブル１２には、内部に冷却媒体（保温媒体）Ｃを流通させる保温媒体空間２４が形成され、これは研磨テーブル１２を支持する回転軸２６を介して外部の保温媒体供給配管２８に接続されている。この保温媒体供給系にも供給保温媒体Ｃの温度を検出する温度センサ３０と、研磨液Ｑを加熱又は冷却する保温媒体温度調整手段３２が設けられている。これらの温度センサ２０，３０の出力は制御装置３４に入力され、また、温度調整手段２２，３２には制御装置３４からの制御信号が出力されるようになっている。

この研磨装置は、仕切壁３６により周囲空間から区画して構成された研磨室（研磨空間）３８に収容され、この空間には、外部から空気を取り入れて、フィルタにより塵埃を除去し、さらに温度、湿度を調整して研磨室３８の上部から複数の噴き出し口４０より均一に分散して供給する空調装置４２が設けられている。また、下部の排気口４４からミストや研磨粒子を含む空気を排気する排気ポンプ４６が設けられている。

このような構成により、研磨室３８内に均一な清浄空気の下降流が形成され、砥液や研磨により発生した粒子がこの下降流に沿って流れるので、これらを巻き上げて被研磨材を汚染することが防止される。なお、ここでは、下部からの排気を外部系に排出しているが、排気の一部あるいは全部を循環して使用したり、場合により給気と排気の熱交換を行って熱の効率利用を図ってもよい。

この例では、この研磨室３８の圧力を、研磨装置に隣接するユニット、例えば、研磨済みの被研磨材Ｗを洗浄する洗浄ユニットや、未研磨又は研磨済みの被研磨材を収容する収容ユニットが配置された研磨室３８の圧力よりも小さく設定している。これは、これらの部屋のうちでこの研磨装置を含む研磨室３８が最も清浄度が低い空間であるからで、前記の構成により、研磨装置に隣接するこれらの空間等に研磨装置から粒子等を含む空気が流出しないようになっている。

研磨室３８には、所定の箇所に室温を検知する温度センサ４８が取り付けられ、その出力も制御装置３４に入力されている。制御装置３４はこの検出温度と、予め入力した設定研磨温度Ｔoの値に基づいて空調装置４２に制御信号を送り、空調装置４２の給気の温度制御を行なう。温度センサ４８は、研磨室３８内の雰囲気温度の代表値を測定するものが好ましく、必要に応じて複数を配置して平均値を採用するのがよい。

なお、この例では、１つの制御装置３４が温度調整装置２２，３２及び空調装置４２を制御するようにしているが、それぞれの温度調整装置、空調装置に制御装置及びセンサを設け、それらを統括して制御する機能を別のあるいはこれらの一部の制御装置に持たせるようにしてもよい。

以下に、この研磨装置における研磨温度の制御方法を具体的に説明する。この発明では、研磨液Ｑ、研磨工具温度調整用の保温媒体Ｃのそれぞれの温度の他、さらに研磨空間３８の温度を考慮して研磨温度を調整する。ここで「研磨温度」とは、研磨されているウエハの表面（被研磨面）と、研磨する側のテーブルの表面又はテーブル上に設けられた研磨クロスの表面が接触している接触面の温度のことである。制御方法としては、測定するパラメータ及び制御する対象を選択し、これらを組み合わせることで種々の方式が考えられる。ここでは、代表的な例をいくつか示す。

図２は、この発明の研磨温度の制御の第１の方式を示すもので、ここでは、研磨室３８、研磨液Ｑ、研磨工具保温媒体Ｃの温度が目標温度にほぼ到達したことを確認してから、研磨を開始するように制御するものである。まず、ステップ１において、コンピュータ（制御装置）３４に研磨目標温度Ｔoを入力する。この研磨目標温度Ｔoは、研磨対象や、研磨工具、研磨液、研磨速度等の条件に合わせて予め試験等を行い、最適な値Ｔoを求めておく。

予め、研磨液Ｑや保温媒体Ｃの温度がそれぞれ目標値に近くなるように予熱しておいてもよい。次に、ステップ２においてそれぞれの温度センサ４８，３０，２０が、室温Ｔr、研磨液温度Ｔq、テーブル保温媒体温度Ｔcを測定する。ステップ３においてコンピュータ３４がそれぞれの測定温度が目標値に対して許容範囲内であるか否かを判断する。

少なくとも１つの測定温度が目標値に対して許容範囲外である場合には、ステップ４においてその該当する温度調整装置２２，３２又は空調装置４２を動作させて温度を調整し、ステップ２に戻って再度測定を行なう。これらの温度が全て許容範囲内である場合、あるいはなった場合には、ステップ５において研磨を開始する。研磨開始後、さらにステップ２に戻って再度測定を行ない、ステップ２，３，４→２、又はステップ２，３，５→２のループでそれぞれの温度が全て許容範囲内となるように制御を行なう。

この方式では、研磨目標温度Ｔoを例えば１６℃、許容範囲ｔを２℃と設定すれば、供給する研磨液Ｑの温度、研磨テーブル１２の保温媒体Ｃの温度、及び研磨室３８内の温度自体が全て１６±２℃に維持される。これにより、研磨液Ｑや研磨テーブル１２と空間の温度は基本的に同じ温度となるので、これらから空間に熱が移動することがないから、温度が正確に制御され、従って、それぞれの研磨対象に適合した均一な研磨速度と適正な面内均一性が得られる。

以下に、この発明の効果を示すために行った研磨温度測定の結果を示す。ここでは、研磨液Ｑの温度、研磨テーブル保温媒体Ｃの温度及び研磨室３８温度を全て制御した場合（本発明）と、前二者のみを制御した場合（従来）における研磨温度つまり研磨クロス１０の表面温度を示す。

本発明(1) 本発明(2) 従来
研磨液温度１５４０１５
テーブル保温媒体温度１５４０１５
研磨室温度１６３９２３
研磨温度１７３９２３
研磨目標温度１６４０１６

このように、研磨液Ｑや研磨テーブル１２の温度のみでなく、研磨室３８の温度を制御することによって研磨温度を正確に制御することが分かった。研磨室３８自体の温度の制御は、これに供給する空気の温度を制御すればよく、これは図１に示すような通常の空調装置４２で行なうことが可能である。

この第１の方法は、研磨液Ｑ、研磨テーブル保温媒体Ｃ及び研磨室３８の温度を個々に設定して制御すればよいので、制御の方式としては簡単であり、実用性が高い。なお、上記の例では、いずれかの温度が過度に低下したときに、研磨の中止や警報の発生等の措置を用意していないが、そのような工程を組み込んでも良い。

次に、この発明の研磨温度の制御の第２の方式を説明する。これは、研磨空間の温度自体を制御するのではなく、これを測定パラメータとしてこれをもとに他のパラメータである研磨液Ｑの温度や研磨テーブル１２温度を制御するものである。すなわち、研磨室３８の温度が研磨目標温度Ｔoより高い場合には、研磨温度は研磨液Ｑや研磨テーブル保温媒体温度よりも高くなる。従って、この場合は研磨空間温度の影響で昇温する部分を見込んで研磨液Ｑや研磨テーブル保温媒体Ｃの温度を低く設定する。

この方式は、研磨装置が図１のように仕切壁に区画された小さい研磨空間ではなく、通常のクリーンルームやその他のより広い部屋に配置されており、研磨装置の都合だけで空間の温度を変えるのが好ましくないような場合、あるいは、研磨空間の気密度が低く、研磨空間の温度制御が困難であるような場合に採用される。

図３は、第２の方式の制御を示すもので、まず、ステップ１において、コンピュータ（制御装置）３４に研磨目標温度Ｔoを入力し、ステップ２においてそれぞれの温度センサ４８，３０，２０が、室温Ｔr、研磨液温度Ｔq、テーブル保温媒体温度Ｔcを測定し、ステップ３においてコンピュータ３４がこの測定値をもとに、研磨液温度Ｔq、テーブル保温媒体温度Ｔcの目標値である、Ｔqo，Ｔcoを、例えば、
Ｔqo＝Ｔo−ｋ₁ΔＴ，Ｔco＝Ｔo−ｋ₂ΔＴ
の式に基づいて算出する。但し、ΔＴ＝Ｔr−Ｔoであり、ｋ₁，ｋ₂は実験的に求める定数である。

ステップ４において、測定された研磨液温度Ｔq、テーブル保温媒体温度Ｔcと、それらの目標値Ｔqo，Ｔcoを比較し、許容範囲内でなければ、ステップ５においてその該当する温度調整装置２２，３２を動作させて温度を調整し、ステップ２に戻って再度測定を行なう。これらの温度が全て許容範囲内である場合、あるいはなった場合には、ステップ６において研磨を開始する。研磨開始後、さらにステップ２に戻って再度測定を行ない、ステップ２，３，４，５→２又はステップ２，３，４，６→２のループでそれぞれの温度が許容範囲内となるように制御を行なう。

この方式では、研磨目標温度Ｔoを例えば１６℃、許容範囲ｔを２℃と設定すれば、供給する研磨液Ｑの温度、研磨テーブル１２の保温媒体Ｃの温度は、研磨空間と目標温度Ｔoの差を補うような値に維持される。これにより、研磨温度は目標温度Ｔoとなり、温度が正確に制御され、従って、それぞれの研磨対象に適合した均一な研磨速度と適正な面内均一性が得られる。以下に、この第２の方式の場合の発明の効果を示すために行った研磨温度測定の結果を示す。

本発明(3) 本発明(4) 従来
研磨液温度１０４８１５
テーブル保温媒体温度１０４７１５
研磨室温度２３２３２３
研磨温度１７３９２３
研磨目標温度１６４０１６

なお、この実施例では、研磨室３８の温度を１つの測定パラメータとしてのみ用い、これを制御しなかったが、他の条件が許す範囲で研磨空間温度を調整するようにしてもよいことは勿論である。

また、研磨温度つまり研磨中の研磨クロス１０又は被研磨材Ｗの温度を適宜の方法で測定してこれをもとに研磨空間の温度を含む制御パラメータを制御するようにしていもよい。このようなセンサとしては、ターンテーブル１２やトップリング１４に温度計を埋め込むもの、あるいは赤外線センサのように外部から非接触で研磨クロスの面の温度を測定する放射温度計タイプを用いるもの等がある。

この発明の研磨装置の全体の構成を模式的に示す断面図である。この発明の研磨装置における制御方法を示すフロー図である。この発明の研磨装置における他の制御方法を示すフロー図である。

符号の説明

１０研磨クロス
１２研磨テーブル
１４トップリング
１６研磨液ノズル
１８保温媒体配管
２０，３０，４８温度センサ
２２，３２温度調整装置
３４制御装置
３８研磨空間
４２空調装置
Ｃ保温媒体
Ｑ研磨液
Ｗ被研磨材

Claims

被研磨物を研磨するための研磨室と制御装置とを有する研磨装置であって、
前記研磨室には、
前記研磨室内の雰囲気の温度を測定する温度センサと、
研磨面を有する研磨テーブルと、
前記研磨面に研磨液を供給するノズルとが設けられ、
前記制御装置に入力された被研磨物と研磨面との接触面の温度に対する研磨目標温度の値と前記温度センサにより測定された値に基づいて前記研磨液の温度を制御することを特徴とする研磨装置。
前記制御装置には、許容範囲の温度が入力されることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記研磨テーブルには、内部に保温媒体を流通させる保温媒体空間を有することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
前記制御装置は、前記研磨目標温度および前記研磨室内の雰囲気の温度に基づき、研磨液温度および保温媒体温度の目標値を算出することを特徴とする請求項３記載の研磨装置。
前記制御装置は、前記研磨液温度と該研磨液温度の目標値および前記保温媒体温度と該保温媒体温度の目標値とを比較し、前記許容範囲内であるか否かを基に研磨の開始を定めることを特徴とする請求項４記載の研磨装置。
前記研磨装置は、前記研磨面の温度を測定する赤外線センサを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の研磨装置。
研磨装置に設けられた研磨室内にて被研磨物を研磨する研磨方法であって、
前記研磨装置に設けられた制御装置に被研磨物と研磨面との接触面の温度の目標値である研磨目標温度および許容範囲の温度を入力し、
前記研磨目標温度と前記研磨室内の温度を基に研磨液温度を制御することを特徴とする研磨方法。
研磨装置に設けられた研磨室内にて被研磨物を研磨する研磨方法であって、
前記研磨装置に設けられた制御装置に被研磨物と研磨面との接触面の温度の目標値である研磨目標温度を入力し、
前記研磨目標温度を基に研磨液温度の目標値および研磨面を有する研磨テーブル内部に設けられた保温媒体温度の目標値を算出し、
前記研磨液温度と該研磨液温度の目標値との差および前記保温媒体温度と該保温媒体温度の目標値との差が前記許容範囲の温度の範囲内にあることを検知して研磨を開始することを特徴とする研磨方法。