JP2013244575A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工処理対象のワークを効率的に研磨するための研磨装置及び研磨方法を提供する。
【解決手段】研磨装置２０は、複数の研磨パッドを備えた研磨ヘッド２６を備えている。研磨装置２０の制御部２１は、研磨対象領域の表面の凹凸を測定して得られた凹凸状態マップを用いて、凹凸分布領域を特定し、この凹凸分布領域の大きさが終了判定基準値を超えているか否かを判定する。ここで、凹凸分布領域の大きさが終了判定基準値を超えている場合、各パッドの研磨条件の設定処理を実行し、研磨実行処理を実行する。そして、再び、研磨対象領域の表面の凹凸を測定し、この結果を用いて凹凸分布領域を特定し、凹凸分布領域の大きさが終了判定基準値を超えているか否か繰り返して判定する。凹凸分布領域の大きさが終了判定基準値以下の場合、研磨処理を終了する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象のワークを研磨するための研磨装置及び研磨方法に関する。

半導体ウェハ等の製造や半導体ウェハの薄膜化のために研磨装置が用いられる。特に、大口径化する半導体ウェハにおいて極薄化が望まれるとともに、加工後の平坦精度が求められている。このため、研磨により凹凸の発生したウェハの凸部を部分的に再研磨することにより、必要なウェハの平坦度精度の範囲にするための技術も検討されている（例えば、特許文献１参照。）。この文献に記載された技術においては、平坦度の規格に達しないウェハを再研磨により規格内に収める。具体的には、研磨されたウェハの面内凹凸を測定する凹凸測定装置と、測定された凹凸データから再研磨の必要な研磨位置、研磨量及び研磨範囲からなる部分研磨情報を決定する部分研磨情報決定手段と、部分研磨情報に基づいてウェハを部分的に研磨する部分研磨機を用いる。

特開平１１−２６５８６０号公報（第１頁、図２）

しかし、ウェハの凹凸状態は基板によって異なるため、部分研磨すべき場所が異なるとともに、その研磨量も異なる。特に、表面内に構造物を設けたウェハにおいて部分研磨を行なう場合には、この構造物を考慮して研磨を行なう必要がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、加工処理対象のワークを効率的に研磨するための研磨装置及び研磨方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、加工対象のワークの研磨を制御する制御部を備えた研磨装置であって、前記ワーク表面における研磨対象領域を、個別に回転して研磨する複数の研磨パッドを備えたパッド支持体を設けたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の研磨装置において、前記研磨パッド毎に、基板に対する押圧を個別に調整する機構を設けたことを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の研磨装置において、前記制御部は、前記研磨対象領域の膜厚むらを評価し、前記膜厚むらに基づいて、各研磨パッドの押圧を調整することを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨装置において、前記支持体の回転機構を更に設けたことを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、加工対象のワークを研磨するために、研磨処理を制御する制御部を備えた研磨装置を用いた研磨方法であって、パッド支持体に設けられた、個別に回転して研磨する複数の研磨パッドを制御することにより、前記ワーク表面における研磨対象領域を研磨処理することを要旨とする。

（作用）
請求項１、５に記載の発明によれば、個別に回転して研磨する複数の研磨パッドを用いて研磨処理を行なう。これにより、複数の各パッドを、対応するワークの部分を区分けして研磨させることができるため、膜厚のばらつきを減らすことができ、研磨時間の短縮化を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、研磨パッド毎に、基板に対する押圧を個別に調整する。これにより、各部分に適した押圧で研磨することができるので、より短時間で、膜厚のばらつきを減らすことができる。

請求項３に記載の発明によれば、研磨対象領域の膜厚むらを評価し、膜厚むらに基づいて、各研磨パッドの押圧を調整する。これにより、膜厚むらに応じて研磨パッドの押圧を調整することができる。

請求項４に記載の発明によれば、支持体を回転させることにより、複数の研磨パッドと、これら研磨パッドが設けられた支持体とを回転させることにより、より短時間で膜厚のばらつきを減らすことができる。

本発明によれば、加工処理対象のワークを効率的に研磨するための研磨装置及び研磨方法を提供することができる。

本開示の実施形態の研磨装置の概略構成の説明図。 本開示の実施形態のワークとヘッドの関係の説明図であって、（ａ）は研磨パッドの側面図、（ｂ）は研磨パッドの上面図。 本開示の実施形態の処理手順の説明図。

以下、図１〜図３を用いて、本開示の研磨装置について説明する。本実施形態では、半導体ウェハ（ワーク）の所定の領域のみを研磨する部分研磨を行なう場合を想定する。
図１は、本発明の実施の形態における研磨装置２０の概略構成を示すブロック図である。この研磨装置２０において、被研磨ウェハであるワーク１０の表面を研磨する。研磨装置２０は、ワーク１０を設置する保持テーブル２５、研磨パッドが張りつけられた研磨ヘッド２６を備えている。

保持テーブル２５は、載置されたワーク１０を吸着して固定する固定部が設けられている。
更に、保持テーブル２５は、回転機構としてのテーブル回転駆動部２７４により回転する。

研磨ヘッド２６は、アーム（支持体）によって支持されたパッド支持体であって、このアームには水平駆動部２７１が設けられている。この水平駆動部２７１は、ワーク１０の表面に対する水平面内において研磨ヘッド２６を移動させることができる。

更に、円形状の研磨ヘッド２６には、複数の研磨パッド２６１がそれぞれ独立して回転可能に取り付けられている。本実施形態では、各研磨パッド２６１の研磨面は同形状とする。図２（ａ）は研磨パッドの側面図、図２（ｂ）は研磨パッドの上面図である。研磨ヘッド２６と各研磨パッド２６１との間には、図１に示すように、パッド制御部２７２が設けられている。このパッド制御部２７２は、各研磨パッド２６１の回転と垂直方向の位置（高さ）とを制御する。具体的には、パッド制御部２７２は、所定の研磨条件で、研磨材を保持させた研磨パッドを回転させる。また、パッド制御部２７２は、研磨パッド２６１とワーク１０との間隔を調整することにより、ワーク１０から各研磨パッド２６１を離したり、所定の研磨条件に基づいて、研磨パッド２６１をワーク１０に押し付ける圧力を調整したりする。

また、研磨装置２０には、研磨スラリーをワーク１０の研磨領域上に滴下させるスラリーノズルが設けられている。
更に、研磨装置２０は、制御部２１、プロセス情報記憶部２２、マッピング記憶部２３、センサ２８を備えている。

制御部２１は、領域特定部２１１、研磨制御部２１２を備える。
領域特定部２１１は、部分研磨を行なう研磨対象領域を特定する処理を実行する。本実施形態では、プロセス情報記憶部２２及びセンサ２８を用いて、研磨対象領域を特定する。

研磨制御部２１２は、研磨対象領域における研磨を制御する処理を実行する。具体的には、各パッド制御部２７２の回転制御及び垂直方向の位置制御と、研磨ヘッド２６の水平駆動部２７１の制御と、テーブル回転駆動部２７４の制御を行なう。

プロセス情報記憶部２２は、研磨条件記憶部として機能し、保持テーブル２５や研磨ヘッド２６の駆動を制御するためのプロセスデータを記憶している。具体的には、ワーク１０の表面において、平坦化を行なう研磨対象領域を特定するための座標情報が記録されている。この研磨対象領域は、例えば、ワーク１０の表面上に構造物が生成されている場合には、この構造物を除いた領域が研磨対象領域となる。

更に、各研磨パッド２６１を用いての研磨処理における研磨条件（ヘッド回転速度、低圧力条件及び高圧力条件における各研磨パッド２６１の押し付け圧力、テーブル回転速度、研磨時間等）に関するデータが記録される。

更に、研磨パッド２６１による研磨の終了を判定するための終了判定基準値が記録される。この終了判定基準値は、ワーク１０の表面上の凹凸（むら）の凹凸高さやむら面積の基準値から構成されている。測定された凹凸高さやむら面積が、終了判定基準値より大きい場合には、研磨継続と判定される。

マッピング記憶部２３には、センサ２８によって測定された研磨対象領域におけるワーク表面の凹凸分布に関するデータが記憶される。
センサ２８は、ワーク１０表面の凹凸の状況を測定する。このセンサ２８を、ワーク１０の水平面においてスキャンさせることにより、ワーク１０の全面の凹凸分布に関する情報を取得することができる。

（研磨装置２０の動作）
次に、図３を用いて、研磨装置２０の動作を説明する。
まず、研磨装置２０の制御部２１は、研磨領域の特定処理を実行する（ステップＳ１−１）。具体的には、制御部２１の領域特定部２１１は、プロセス情報記憶部２２におけるワーク１０における研磨対象領域の座標情報を取得する。

次に、研磨装置２０の制御部２１は、マッピング処理を実行する（ステップＳ１−２）。具体的には、制御部２１の領域特定部２１１は、センサ２８を駆動して、ステップＳ１−１において特定した研磨対象領域の表面の凹凸を測定する。そして、領域特定部２１１は、特定した結果（凹凸状態マップ）をマッピング記憶部２３に記録する。

次に、研磨装置２０の制御部２１は、研磨状態の評価処理を実行する（ステップＳ１−３）。具体的には、制御部２１の研磨制御部２１２は、マッピング記憶部２３に記録された凹凸状態マップを用いて、平坦化が十分でないため、凹凸が生じている領域（凹凸分布領域）を特定する。

次に、研磨装置２０の制御部２１は、終了条件を満たすか否かについての判定処理を実行する（ステップＳ１−４）。具体的には、制御部２１の研磨制御部２１２は、プロセス情報記憶部２２に記録されている終了判定基準値と凹凸分布領域の大きさとを比較する。
ここで、凹凸分布領域の大きさが終了判定基準値以下の場合（ステップＳ１−４において「ＹＥＳ」の場合）、研磨装置２０の制御部２１は、研磨処理を終了する。

一方、凹凸分布領域の大きさが終了判定基準値を超えている場合（ステップＳ１−４において「ＮＯ」の場合）、研磨装置２０の制御部２１は、各パッドの研磨条件の設定処理を実行する（ステップＳ１−５）。具体的には、制御部２１の研磨制御部２１２は、凹凸分布領域における凹凸差に対応した研磨条件をプロセス情報記憶部２２から取得する。ここでは、凹凸差が小さい部分に配置される研磨パッド２６１の垂直位置を調節して、凹凸分布領域が小さい部分の研磨パッド２６１の圧力を低くする低圧力条件を取得する。一方、凹凸差が大きい部分に配置される研磨パッド２６１の垂直位置を調節して、凹凸分布領域が大きい部分の研磨パッド２６１の圧力を高くする高圧力条件を取得する。

次に、研磨装置２０の制御部２１は、研磨実行処理を実行する（ステップＳ１−６）。具体的には、制御部２１の研磨制御部２１２は、プロセス情報記憶部２２に記録されている研磨条件に基づいて、テーブル回転駆動部２７４を動作させて、ワーク１０が載置された保持テーブル２５を回転させる。

更に、研磨制御部２１２は、各研磨パッド２６１を装着したヘッドについて、パッド制御部２７２を用いて、各研磨パッド２６１を回転させる。次に、研磨制御部２１２は、マッピング記憶部２３に記録されている凹凸分布領域を研磨するように水平駆動部２７１を動作させる。そして、研磨制御部２１２は、凹凸差が小さい部分に配置される研磨パッド２６１については低圧力条件、凹凸差が大きい部分に配置される研磨パッド２６１については高圧力条件により、垂直位置を調節する。この場合、保持テーブル２５は回転するため、各研磨パッド２６１とワーク１０との相対位置を予測し、凹凸状態マップ上で、この相対位置における凹凸差に応じて研磨条件を調節する。そして、研磨制御部２１２は、研磨条件の研磨時間の研磨を行なう。研磨時間が経過した場合には、パッド制御部２７２により研磨ヘッド２６をワーク１０から離すとともに、保持テーブル２５、研磨ヘッド２６の回転を停止する。
次に、研磨装置２０の制御部２１は、マッピング処理（ステップＳ１−２）に戻り、これ以降の処理を繰り返して実行する。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、研磨ヘッド２６に複数の研磨パッド２６１を用いてワーク１０を研磨する研磨処理を実行する（ステップＳ１−６）。これにより、複数の各研磨パッド２６１を、対応するワークの部分を区分けして研磨させることができるため、膜厚のばらつきを減らすことができ、研磨時間の短縮化を図ることができる。

（２）本実施形態では、研磨装置２０の制御部２１は、研磨領域の特定処理を実行する（ステップＳ１−１）。これにより、ワーク１０において所定の領域のみを研磨することができる。従って、ワーク１０の表面全体を研磨する必要がない場合には、効率的に研磨を行なうことができる。

（３）本実施形態では、研磨装置２０の制御部２１は、マッピング処理（ステップＳ１−２）をした後、凹凸分布領域の大きさが終了条件を満足しない場合（ステップＳ１−４において「ＮＯ」の場合）、各研磨パッドの研磨条件の設定処理及び研磨処理を繰り返す（ステップＳ１−５、Ｓ１−６）。これにより、研磨後の凹凸分布に応じて研磨条件を調整するので、効率的に研磨することができる。

また、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 上記実施形態においては、研磨装置２０の制御部２１は、マッピング処理（ステップＳ１−２）、研磨状態の評価処理を実行する（ステップＳ１−３）。これに代えて、予め凹凸分布領域についての情報をプロセス情報記憶部２２に記録しておき、この情報に基づいて研磨処理を実行するようにしてもよい。

・ 上記実施形態においては、研磨装置２０の制御部２１は、凹凸分布領域の大きさが終了条件を満足しない場合（ステップＳ１−４において「ＮＯ」の場合）、各パッドの研磨条件の設定処理及び研磨処理を繰り返す（ステップＳ１−５、Ｓ１−６）。この場合の研磨処理として、複数段階の研磨処理を行なってもよい。具体的には、大口径の第１研磨パッドを用いた第１研磨処理と、小口径の第２研磨パッドを用いた第２研磨処理とを実行するようにしてもよい。この場合、第１研磨処理、第２研磨処理の少なくともいずれかで複数個の研磨パッドを用いる。このために、第１研磨処理及び第２研磨処理における研磨条件をプロセス情報記憶部２２に記憶させておく。

そして、研磨装置２０の制御部２１は、マッピング処理により研磨する範囲を特定した後、第１研磨パッドの研磨条件の設定処理を行ない、これらを用いた第１研磨処理を実行する。再度、マッピング処理を行ない、研磨状態の第１評価処理を実行する。ここで、凹凸分布領域の大きさが第１基準値以下の場合には研磨を終了する。

一方、凹凸分布領域の大きさが第１基準値を超えている場合には、制御部２１は、第１基準値よりも小さい第２基準値以下かどうかについての判定処理を実行する。ここで、凹凸分布領域の大きさが第２基準値を超えている場合には、制御部２１は、第１研磨処理を実行する。一方、凹凸分布領域の大きさが第２基準値以下の場合には、制御部２１は、凹凸分布領域を研磨するように第２研磨パッドの研磨条件の設定処理を行ない、これらを用いた第２研磨処理を実行する。

第２研磨処理が終了すると、マッピング処理を行ない研磨状態の第２評価処理を実行する。ここで、凹凸分布領域の大きさが第２基準値以下の場合には、制御部２１は、研磨を終了する。一方、凹凸分布領域の大きさが第２基準値を超えている場合には、再度、第２研磨パッドの研磨条件の設定処理を行ない、これらを用いた第２研磨処理を実行し、研磨状態の第２評価処理以降の処理を繰り返して実行する。これにより、広い面積を大口径の研磨パッド（第１研磨パッド）を用いて、効率的に研磨することができる。更に、第１研磨において、研磨しきれなかった領域については、第２研磨パッドを用いた第２研磨により研磨することができる。従って、第１研磨パッド及び第２研磨パッドを使い分けることにより、効率よく対象領域を研磨することができる。

・ 上記実施形態においては、テーブル回転駆動部２７４を動作させて、ワーク１０が載置された保持テーブル２５を回転させる。ここで、凹凸分布領域の大きさに応じて、保持テーブルの回転を制御するようにしてもよい。例えば、凹凸分布領域がワーク１０全体に広がっている場合には、テーブルを回転させる。一方、凹凸分布領域に偏りがある場合には、保持テーブル２５を回転させず、この凹凸分布領域のみを研磨するようにしてもよい。

・ 上記実施形態においては、研磨装置２０は、研磨スラリーをワーク１０の研磨領域上に滴下させるスラリーノズルを備えている。ここで、部分研磨を行なう場合、研磨スラリーの滴下領域や流れを制御するようにしてもよい。例えば、研磨対象外の領域には研磨スラリーが停留しないように、噴流等により吹き飛ばすように流動させる。

・ 上記実施形態においては、研磨装置２０の制御部２１は、プロセス情報記憶部２２に記録されている研磨条件と凹凸分布領域とを用いて各パッドの研磨条件の設定処理を実行し、研磨実行処理を実行する（ステップＳ１−５、Ｓ１−６）。これに代えて、研磨状態に応じて研磨条件を変更するようにしてもよい。例えば、凹凸の高さや凹凸分布領域の大きさに応じて、研磨時間等の研磨条件を変更してもよい。また、複数の研磨パッド２６１が研磨する領域を考慮して、各パッドの研磨条件を変更してもよい。

・ 上記実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、研磨ヘッド２６に複数の研磨パッド２６１を設けた。複数の研磨パッド２６１の配置を、研磨ヘッド２６、保持テーブル２５の回転に応じた各研磨パッド２６１の角速度を考慮して決定してもよい。例えば、角速度が大きい外側には、研磨パッド２６１が疎らとなるように配置し、角速度が小さい内側には、研磨パッド２６１が密となるように配置する。

・ 上記実施形態においては、研磨装置２０は、ワーク１０の表面の凹凸差が終了判定基準値以下となるように、ワーク１０の表面を研磨した。これに代えて、凹凸状態の目標形態となる参考基板の表面状態を転写するように、ワーク１０の表面を研磨してもよい。具体的には、ワーク１０と同じ大きさで、凹凸状態の目標形態となる参考基板を準備する。そして、研磨ヘッド２６に対応したセンサヘッドを設ける。このセンサヘッドは、各研磨パッド２６１と同じ配置で、各位置での凹凸状態を検出するセンサを備えている。そして、各センサで検知した凹凸状態に応じて、研磨制御部２１２は、各研磨パッド２６１の研磨条件を設定するようにする。すなわち、凹部では高圧力条件、凸部では低圧力条件を用いる。そして、ワーク１０と参考基板とを同期させて回転させて、参考基板の表面状態に倣うように、各研磨パッド２６１の押圧力や研磨条件の設定を変更する。これにより、参考基板の表面状態に研磨することができる。更に、各研磨パッド２６１の研磨条件を、研磨制御部２１２によって設定する代わりに、自動調整機構を用いて設定してもよい。

・ 上記実施形態においては、研磨ヘッド２６には、同形状の複数の研磨パッド２６１がそれぞれ独立して回転可能に取り付けられている。各研磨パッド２６１の研磨面は同形状に限定されるものではなく、異なる形状の研磨パッド２６１を組み合わせるようにしてもよい。この場合には、円形状の研磨ヘッド２６の同心円上に、同じ大きさの研磨パッド２６１を配置する。これにより、同じ大きさの研磨パッド２６１において、同じ角速度を維持することができる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。
（ａ） 前記研磨対象領域内の凹凸分布を測定して、膜厚分布データ記憶部に記録する手段と、前記膜厚分布データ記憶部から凹凸分布を取得し、この凹凸分布に基づいて、各研磨パッドの押圧を調整することを特徴とする研磨装置。
これにより、凹凸分布に応じて研磨パッドの押圧を調整することができる。

（ｂ）ワーク上に設けられた構造物の配置を特定し、この構造物の配置に応じてスラリーを滴下する位置を特定して、スラリーノズルを移動させることを特徴とする研磨装置。
これにより、ワークによって構造物の配置が異なる場合にも、適切な位置にスラリーを滴下して、効率的に研磨することができる。

（ｃ）ワーク上に設けられた構造物の配置を特定し、この構造物の配置に応じて、この構造物の近傍にスラリーが停留しないように流動させることを特徴とする研磨装置。
これにより、構造物に対するスラリーの影響を抑制することができる。

１０…ワーク、２０…研磨装置、２１…制御部、２２…プロセス情報記憶部、２３…マッピング記憶部、２１１…領域特定部、２１２…研磨制御部、２５…保持テーブル、２６…研磨ヘッド、２６１…研磨パッド、２７１…水平駆動部、２７２…パッド制御部、２７４…テーブル回転駆動部、２８…センサ。

Claims (5)

1. 加工対象のワークの研磨を制御する制御部を備えた研磨装置であって、
   前記ワーク表面における研磨対象領域を、個別に回転して研磨する複数の研磨パッドを備えたパッド支持体を設けたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記研磨パッド毎に、基板に対する押圧を個別に調整する機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記制御部は、
   前記研磨対象領域の膜厚むらを評価し、
   前記膜厚むらに基づいて、各研磨パッドの押圧を調整することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記支持体の回転機構を更に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨装置。
5. 加工対象のワークを研磨するために、研磨処理を制御する制御部を備えた研磨装置を用いた研磨方法であって、
   パッド支持体に設けられた、個別に回転して研磨する複数の研磨パッドを制御することにより、前記ワーク表面における研磨対象領域を研磨処理することを特徴とする研磨方法。

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