JP2008049448A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨パッドにおける温度分布を均一化し、安定的な研磨を可能にする。
【解決手段】 上定盤３に保持された被研磨物Ｗと、下定盤２上に装着された研磨パッド１とを接触加圧した状態で、供給ノズル４からスラリーを供給しながら、被研磨物Ｗと研磨パッド１とを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、研磨パッド１の径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサ１１と、供給ノズル４からのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段５と、制御部６とを備える。制御部６は、複数の温度センサ１１の検出信号を入力し、これら温度センサ１１により検出される各位置の温度差に対応して供給位置変更手段５を動作させて供給ノズル４によるスラリー供給位置を変更する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主としてシリコンウェハなどの半導体ウェハを研磨パッドにより研磨する研磨装置に関する。

一般に半導体ウェハの表面は、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)方式の研磨装置により研磨される。

同研磨装置では、ウェハが保持された上定盤を、研磨パッドを装着した下定盤上に置き、ウェハと研磨パッドとを加圧した状態で、その間にスラリーを供給しながら、ウェハと研磨パッドとを相対的に摺動させることで研磨を行う（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上記のような研磨装置によるウェハの研磨では、研磨パッドとスラリー中の砥粒と被研磨物であるウェハとの摩擦熱、およびスラリーの化学反応による発熱等により、ウェハの温度が上昇する傾向にある。そして、ウェハの全体の温度が高温となったり、あるいは温度分布が不均一になったりすると、研磨を安定的に行うことが難しくなる。

そのため、ウェハの温度を検出する必要があるが、研磨中、ウェハは研磨パッドと接触した状態にあり、その温度を直接的に測定することは非常に困難である。

そこで、従来は、研磨パッドの上方に放射温度計を配置して、この放射温度計により、研磨パッド表面の温度を測定し、この研磨パッドの表面温度からウェハの温度を推定するようにしている。

しかしながら、上記の方式で測定されるのは、研磨パッドの表面各部分のうち、研磨中で実際にウェハに接触している部分の温度ではなく、ウェハから外れた位置にある研磨前もしくは研磨後の部分の温度である。

しかも、放射温度計では、広い範囲の平均的な温度を測定できるにとどまり、研磨パッドの局部的な温度変化、温度分布を測定することができなかった。

そのため、従来では、研磨中のウェハの温度を的確にモニターすることができず、研磨を安定的に行う上で、研磨条件を適正に調整するのが難しかった。
特開２００３−３７０８９号公報

上記従来の問題に対して、本件発明者は、研磨パッドに温度センサを設けて、研磨パッドの表面各部分の温度を直接検出しうるようにしたものを発明し、その発明を既に出願している（特願２００５−１４１２０５号）。この出願に係る発明によれば、研磨パッドの表面各部分のうち、ウェハに接触する部分の温度を直接検出することで、研磨中のウェハの実際の温度に極めて近似した温度を測定することができる。

発明者が上記の発明を利用して、実際に研磨を行いながら、研磨パッドの温度を測定したところ、研磨パッドの温度上昇には、研磨パッドに対するウェハの加圧力や、研磨速度、スラリーの種類や温度等、各種の研磨条件が関係するが、特に、研磨パッドの温度分布を均一化するには、供給ノズルからのスラリー供給位置の変化が大きく影響するという知見を得た。

具体的には、研磨パッドの外周側や中心部に近い位置にスラりー供給位置を設定すると、研磨パッド各部分の温度差が大きいが、スラリー供給位置を研磨パッドの中間径位置に設定すると、各部分の温度差が小さくなるという知見を得た。

本発明は、上記知見を利用して、供給ノズルからのスラリー供給位置を調整することで、研磨パッドにおける温度分布を均一化し、安定的な研磨を可能にすることを課題とする。

本発明は、上定盤の下面に保持された被研磨物と、下定盤上に装着された研磨パッドとを接触加圧した状態で、供給ノズルから上記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、上記被研磨物と上記研磨パッドとを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、上記研磨パッドの径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサと、上記供給ノズルからのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段と、少なくとも上記供給位置変更手段の動作を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記複数の温度センサの検出信号を入力し、これら温度センサにより検出される各位置の温度差に対応して、上記供給位置変更手段を動作させて上記供給ノズルによるスラリー供給位置を変更することを特徴とする。

上記発明によれば、供給ノズルによるスラリー供給位置を変更調整することで、研磨パッドの各部分の温度差を減少させて温度分布を均一化することができ、このように均一化した温度分布の状態で、安定した研磨を行うことができる。

上記構成の研磨装置において、供給位置変更手段は、供給ノズルを研磨パッドの径方向に移動させるものであることが好ましい。実際の研磨では、研磨パッドの径方向各部分の間で温度のばらつきを生じやすいのであるが、上記のように供給ノズルを研磨パッドの径方向に移動させて、スラリー供給位置を径方向に変化させることで、研磨パッドの径方向各部分の間の温度のばらつきを、効果的に解消させることができる。

上記構成中、温度センサとしては、熱電対やサーミスタ等の接触式の温度センサが好適である。接触式温度センサではほかに、白金測温抵抗体、銅測温抵抗体、ＩＣ化温度センサ、水晶温度計等がある。接触式の温度センサでは、研磨パッドの配置された部分の温度を局部的に正確に検出することができる。

上記構成の研磨装置において、温度センサは、研磨に影響を与えない状態で研磨パッドに設けられていればよいが、その配置の仕方については、研磨パッドの裏面側に収容部が形成され、この収容部に温度センサが収容固定されていることが好ましい。

上記のように、研磨パッドの裏面側の収容部に温度センサが設けられていると、温度センサと被研磨物との間には、必ず、研磨パッドの表面（研磨面）側の表層部分が介在するから、研磨に対する影響がなく、しかも、研磨パッドのごく薄い表層部分を介して、ウェハ等の被研磨物の温度が検出されることになり、被研磨物のより実際の温度に近似した温度を検出することができる。

上記収容部は、研磨パッドの中心部から径方向外径側に延びる溝状に形成され、この溝状の収容部に複数の温度センサが互いに間隔をおいて収容固定されていることが好ましい。

この構成によれば、収容部に沿って各温度センサのリード線を研磨パッドの中心側に導いて、他の電子部材、例えば、中心部に設けられた回転コネクタに接続することができ、複数の温度センサの配置が容易である。また、同一径方向の複数個所の温度を一度に測定することができるので、同一径方向に沿った温度分布の正確な測定に役立つ。

さらに、上記構成の研磨装置において、温度センサの検出信号は、研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して制御部に入力されることが望ましい。この構成によれば、リアルタイムで研磨パッドの各部分の温度を検出して、研磨状態に即応したスラリー供給位置の調整を行うことができる。

このほか、温度センサの検出信号は、無線もしくは光信号によりワイヤレスで制御部に入力されるようにすることもできる。

本発明によれば、研磨パッドの各部分の温度分布を均一化した状態で、安定した研磨を行うことができる。

以下、本発明の最良の実施の形態を、図を参照して説明する。図１は、最良の実施の形態に係る研磨装置の構成図、図２は、上記研磨装置に含まれる研磨パッドの要部の裏面図、図３は、上記研磨装置に含まれる回転コネクタの一部破断した側面図である。

図１に示すように、本実施形態の研磨装置は、上面に研磨パッド１が装着される下定盤２と、下面に被研磨物であるウェハＷが保持される上定盤３と、スラリーの供給ノズル４と、この供給ノズル４によるスラリー供給位置の変更手段としての移動機構５と、制御部６とを備えている。

下定盤２は縦軸周りに回転するもので、その軸部２ａは、ベルト７等の伝動手段を介して下定盤２用のモータ８に連動連結している。この下定盤２に装着された研磨パッド１上に、供給ノズル４が位置している。供給ノズル４は、移動機構５の駆動により、研磨パッド１上を径方向（イ方向）に移動して、スラリー供給位置を変更するようになっている。なお、図１では、供給ノズル４は、図示の都合上、研磨パッド１の表面各部分のうち、ウェハＷと接触する部分から比較的離れた部分の上に設けられているが、ウェハＷと接触する手前の部分の上に設けられることが望ましい。

上定盤３は、下定盤２の上側に設けられており、その軸部３ａは、ベルト９等の伝動手段を介して上定盤３用のモータ１０に連動連結している。

研磨パッド１は、図面上、上面を研磨面としており、裏面側(下面側)に複数（図示例では3個の）の温度センサ１１，１１，１１が設けられている。これらの温度センサ１１の配置位置は、研磨パッド１の径方向異なる位置に設定されている。温度センサ１１としては、接触式のもの、例えば、熱電対が使用される。

一方、研磨パッド１の研磨面側の中心部には、温度センサ１１の検出信号の取り出しのために、回転コネクタ１２が設けられている。この回転コネクタ１２を介して、温度センサ１１の検出信号が制御部６に入力する。回転コネクタ１２の構造は後述する。

図２に基づいて研磨パッド１の構造を、さらに詳細に説明する。研磨パッド１の裏面には、中心部から外周縁にかけて径方向に延びる溝状の収容部１３が形成されており、中心部には、温度センサ１１のリード線１１ａを研磨面側に引き出すための透孔１４が形成されている。温度センサ１１とそのリード線１１ａは、収容部１３の内部に収容されて、図示省略した接着剤もしくは充填樹脂により収容部１３内に固定されている。

単一の収容部１３に収容固定される温度センサ１１は、一つでも複数でもよいが、図示の実施形態では、単一の収容部１３内に３個の温度センサ１１，１１，１１が互いに径方向に間隔をおいて配列されている。

これら温度センサ１１の径方向位置は、研磨パッド１に対するウェハＷの接触位置に応じて設定されており、研磨パッド１中心から内径側の温度センサ１１までの径方向距離Ｄ１はウェハＷの最内側の接触位置に対応し、径方向中間位置の温度センサ１１までの径方向距離Ｄ２はウェハＷの中心部の接触位置に対応し、外径側の温度センサ１１までの径方向距離Ｄ３はウェハＷの最外側の接触位置に対応している。これら温度センサ１１のリード線１１ａは、収容部１３から透孔１４に導出されている。

上記実施形態において、研磨パッド１の研磨面は平坦面とされるが、スラリーを保持するための溝、もしくは凹部が形成されていてもよい。

また、研磨パッド１は、特に図示しないが、層構造を有し、概略、表面側の研磨層と、その裏面側に貼り付けられる下地層とからなる。

表面側の研磨層は、ポリウレタン等の発泡性樹脂を発泡硬化して得られた樹脂層である。この樹脂層を構成するウレタン重合体としては、ポリエーテル系ウレタン樹脂、ポリエステル系ウレタン樹脂、ポリエステルエーテル系ウレタン樹脂、ポリカーボネート系ウレタン樹脂のいずれも使用することができる。各ウレタン樹脂の製造に使用されるポリオール成分としては、例えば、ポリオキシエチレングリコール、ポリオキシプロピレングリコール、ポリオキシテトラメチレングリコール、ポリエチレンアジペート、ポリプロピレンアジペート、ポリオキシテトラメチレンアジペート等が挙げられる。また、イソシアネート成分としては、例えば、４，４'−ジフェニルメタンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート等が挙げられる。

研磨パッドの下地層は、ウレタンを含浸させた不織布タイプの軟質層、もしくはフォームタイプの軟質層である。この軟質層としては、例えば、ウレタン重合体とジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。もしくは、ウレタン重合体と、塩化ビニル重合体、塩化ビニル−酢酸共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−ビニルアルコール三元共重合体等のビニル重合体と、ジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。この発泡体の外面、特に研磨層側の表面に形成されるスキン層はバフ加工して、表面に発泡構造が現れるようにするのがよい。

次に、図３に基づいて回転コネクタ１２の構造を説明する。研磨パッド１の中心部には、上記したように、透孔１４が形成されており、この透孔１４内に温度センサ１１のリード線１１ａが引き込まれている。研磨パッド１の研磨面側で上記透孔１４と同心位置に回転コネクタ１２が取り付けられている。

この回転コネクタ１２は、スリップリングを利用したもので、研磨パッド１側（図面では下側）に開いた配線空間１５を有する装着筒１６と、この装着筒１６の外周に固着される絶縁体からなる回転筒１７と、この回転筒１７の外周側で装着筒１６に軸受１８を介して相対回転可能に取り付けられる固定ケース１９とからなる。

装着筒１６は、研磨パッド１の研磨面に接着剤等により固定される。装着筒１６内の配線空間１５は、周方向の一部に開口１５ａを有する。回転筒１７には、導電性に優れた金属からなる複数(図示例では３つ)のリング２０が一体に設けられており、これらリング２０の周方向一部分は、配線空間１５の開口１５ａから内周側に露出している。そして、これらリング２０の内周側への露出部に、温度センサ１１のリード線１１ａが接続されている。固定ケース１９には、リング２０に対応して複数の端子２１が設けられ、各端子２１には、リング２０に摺接するブラシ２２が取り付けられている。これにより、各温度センサ１１のリード線１１ａは、常時、回転コネクタ１２の対応する端子２１に接続されている。図３において、２３は引き出し線、２４はカバーである。

制御部６は、下定盤２や上定盤３等の動作を制御するものであるが、本実施形態では、少なくとも温度センサ１１の検出信号に基づいて移動機構５の動作を制御するものであればよい。移動機構５は、本実施形態では、供給ノズル４を研磨パッド１の径方向に移動させるものであるが、供給ノズル４によるスラリー供給位置が研磨パッド１の中心部分から外周部分までの間を移動すればよく、円弧運動等の非直線運動をするものでもよい。制御部６には、温度センサ１１の検出信号が回転コネクタ１２を介して入力する。そして、制御部６は、これら温度センサ１１により検出される各位置の温度差が小さくなるよう、移動機構５を動作させて供給ノズル４によるスラリー供給位置を変更する。

上記構成において、研磨に当たっては、温度センサ１１および回転コネクタ１２が取り付けられた研磨パッド１が、下定盤２の上面に接着剤により装着される。

一方、上定盤３の下面にはウェハＷが保持され、このウェハＷが下定盤２側の研磨パッド１に押し付けられる。この状態で、下定盤２と上定盤３とがそれぞれ回転駆動されるとともに、研磨パッド１上に供給ノズル６からスラリーが供給され、研磨が行われる。

上記の研磨動作中、温度センサ１１の検出信号は、回転コネクタ１２を介して、制御部６に入力する。この場合、温度センサ１１は、研磨パッド１の収容部１３内で表面部の温度を検出しており、図１のように、温度センサ１１が設けられている部分の上にウェハＷが位置している場合は、ウェハＷと接触している状態の研磨パッド１表面部の温度が測定される。また、温度センサ１１は、ウェハＷに極めて近接しており、ウェハＷとの間に研磨パッド１表面のごく薄い部分を介在させているにすぎないから、ウェハＷの実際の温度に近似した温度が測定されることになる。

さらに、各温度センサ１１の検出信号を、温度センサ１１の位置と関連付けて処理することで、研磨パッド１表面部の温度分布が得られる。

本件発明者は、上記温度センサ１１により、研磨中に生じる研磨パッド１表面部の温度分布、具体的には、各温度センサ１１で検出される研磨パッド１の表面各部分の温度のばらつきを測定し、この温度のばらつきが、供給ノズル４によるスラリー供給位置に関係するという事実を見出している。

実験では、スラリー供給位置を研磨パッド１の径方向に変えて、研磨パッド各部分の温度を測定し、図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような結果を得た。

スラリー供給位置を研磨パッド１の中心部に近い位置に設定すると、図４の（Ａ）に示すように、Ｄ１の温度センサ１１により検出される研磨パッド１中心部寄りの部分の温度と、Ｄ２の温度センサ１１により検出される中間径部分の温度との間に大きな温度差はないが、Ｄ３の温度センサ１１により検出される研磨パッド１外周側の部分の温度は、上記２部分の温度より低く、上記２部分との間にかなりの温度差があることが分かる。

逆に、スラリー供給装置を研磨パッド１の外周側に設定すると、図４の（Ｂ）に示すように、外周側の部分（Ｄ３の部分）の温度と、中間径部分（Ｄ２の部分）の温度との間に大きな温度差はないが、中心部寄りの部分（Ｄ３の部分）の温度は上記２部分の温度より低く、上記２部分との間にかなりの温度差があることが分かる。

さらに、スラリー供給位置を研磨パッド１の中間径位置（ウェハの中心部に相当する位置）に設定すると、図４の（Ｃ）に示すように、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の各部分の温度差は、（Ａ）、（Ｂ）の場合より小さくなることが分かる。

上記の実験結果からは、スラリーの供給位置がウェハＷの中心部に相当する、研磨パッド１の中間径位置に近づくと、研磨パッド１各部分の間の温度差が減少する傾向にあることが分かるが、スラリー供給位置がウェハＷの中心部に相当する径方向位置になることで、常に各部分の間の温度差が最小となるわけではなく、他の研磨条件（研磨パッド１に対するウェハＷの加圧力、研磨速度、スラリーの種類や温度等）により、温度差が充分に小さくならないことがあり、そのような場合は、スラリー供給位置が、ウェハＷの中心部に相当する位置から径方向内方もしくは外方に若干外れた位置になった時に各部分の間の温度差が最小になる。

なお、スラリー供給位置の違いにより研磨パッド１各部分の温度差が生じるのは、スラリーが研磨パッド１上に供給されてから実際にウェハＷとの間に入り込んで研磨に関与するまでの間に温度低下をきたすためと考えられ、スラリー供給装置位置から研磨に関与する位置までの移動距離の長さに左右されるものと思われる。

制御部６は、研磨パッド１の表面各部の温度のばらつきを検出しながら、これらの温度差が最小となるよう、移動機構５を動作させて供給ノズル４によるスラリー供給位置を変更する。

温度センサ１１の検出信号に基づいてスラリー供給位置が変更調整された後は、研磨パッド１の表面各部分の温度差が最小となり、温度分布が均一化した状態で安定した研磨がなされる。

研磨パッド１の温度分布が均一化した状態で安定した研磨を行うことで、均一な研磨がなされる。

本件発明者は、研磨パッド１の温度分布が均一化した状態で、ウェハの研磨を行ったのち、そのウェハの研磨の均一性を測定した。

その測定には、８インチウェハでは、ウェハ面内に４９点の測定点を設定した（ウェハの中心１点、半径２５ｍｍの位置４点、半径５０ｍｍの位置８点、半径７５ｍｍの位置１６点、周辺から５ｍｍの内側の位置２０点）。そして、研磨前後に上記測定点で測定し、その前後の差を「研磨された膜厚」とした。

上記測定点４９点での研磨された膜厚の平均値Ｔｍｎ、最大値Ｔｍａｘ、最小値Ｔｍｉｎとから、次式（イ）により研磨の均一度を％で算出した。

[（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／２×Ｔｍｎ]×１００＝研磨の均一度（％）…（イ）
上記のように研磨の均一度を算出したところ、本発明装置により研磨したウェハでは、その研磨の均一度は１０．０２％であった。

また、研磨後のウェハの膜厚については、金属膜の測定になるので、４本の接触針を有する四探針計を用いた。

上記四探針計では、４本の接触針のうち、２本の間に電圧をかけ、残り２本で電流を測定し、ホームの法則から、４本の接触針が接触したエリアの抵抗値（シート抵抗）を計算した。金属膜は、一般的に比抵抗値が物理定数として決まっており、
比抵抗値＝シート抵抗×膜厚 ………（ロ）
なので、膜厚は下記式（ハ）、
膜厚＝比抵抗値／シート抵抗 ………（ハ）
から算出される。

本発明の装置により研磨したウェハについて、その研磨後の膜厚を上記した測定方法で測定したところ、適応範囲の膜厚であった。

本発明の最良の実施の形態に係る研磨装置の構成図。 図１の研磨装置に含まれる研磨パッドの要部の裏面図。 図１の研磨装置に含まれる回転コネクタの一部破断した側面図。 研磨時間と研磨パッド各部分の温度との関係を示す線図で、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は互いに異なる位置にスラリーを供給した場合の関係を示している。

符号の説明

１ 研磨パッド
２ 下定盤
３ 上定盤
４ 供給ノズル
５ 移動機構（供給位置変更手段）
６ 制御部
１１ 温度センサ
１２ 回転コネクタ
１３ 収容部
Ｗ ウェハ（被研磨物）

Claims (5)

1. 上定盤の下面に保持された被研磨物と、下定盤上に装着された研磨パッドとを接触加圧した状態で、供給ノズルから上記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、上記被研磨物と上記研磨パッドとを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、
   上記研磨パッドの径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサと、
   上記供給ノズルからのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段と、
   少なくとも上記供給位置変更手段の動作を制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記複数の温度センサの検出信号を入力し、これら温度センサにより検出される各位置の温度差に対応して、上記供給位置変更手段を動作させて上記供給ノズルによるスラリー供給位置を変更する、ことを特徴とする研磨装置。
2. 上記供給位置変更手段は、上記供給ノズルを上記研磨パッドの径方向に移動させるものである、請求項１に記載の研磨装置。
3. 上記研磨パッドの裏面側に収容部が形成され、この収容部に上記温度センサが収容固定されている、請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 上記収容部は、上記研磨パッドの中心部から径方向外径側に延びる溝状に形成され、この溝状の収容部に上記複数の温度センサが互いに間隔をおいて収容固定されている、請求項３に記載の研磨装置。
5. 上記温度センサの検出信号は、上記研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して上記制御部に入力される、請求項１ないし４のいずれかに記載の研磨装置。

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