JP3307854B2

JP3307854B2 - 研磨装置、研磨材及び研磨方法

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Publication number: JP3307854B2
Application number: JP15373897A
Authority: JP
Inventors: 修三佐藤; 英大鳥居
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 2002-07-24
Anticipated expiration: 2017-06-11
Also published as: JPH1131671A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨装置、研磨材
及び研磨方法に関し、例えば半導体製造工程においてウ
ェハ表面を平坦化する場合に適用することができる。本
発明は、研磨領域を加工面上で順次変位させて加工面を
研磨する際に、研磨領域においては、研磨面の各部を加
工面に対して所定の基準速度以上で変位させ、また加工
面に対しては研磨領域を基準速度以下で変位させること
により、配線パターン等によるウェハ表面の微小な凹凸
を、従来に比して格段的に低減できるようにする。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程においては、必要
に応じて半導体ウェハの表面を平坦化することにより、
半導体ウェハ上に微細な構造を精度良く形成するように
なされている。

【０００３】すなわち図３８に示すように、半導体製造
工程では、種々の処理工程を経た半導体ウェハＷ上に配
線パターン２等を形成した後、酸化膜による絶縁層３を
堆積する。半導体製造工程では、この絶縁層３の表面を
研磨装置により平坦化し、これにより続く配線パターン
等の露光工程において所望のパターンを精度良く露光で
きるようにする。

【０００４】図３９は、この研磨装置の概略構成を示す
斜視図である。この研磨装置５は、半導体ウェハＷを所
定のテーブルＴに保持して回転駆動した状態で、例えば
スラリーを供給しながら、回転する研磨パッドＰを半導
体ウェハＷの表面に押圧する。研磨パッドＰは、比較的
柔軟な樹脂材料により形成され、これにより図４０に示
すように、半導体ウェハＷにおける表面の微細な凹凸に
応動して変形すると共に、この変形の程度に応じて半導
体ウェハＷの表面を押圧し、これにより半導体ウェハＷ
の表面を平坦化するようになされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで配線パターン
等をさらに一段と微細に形成するためには、この配線パ
ターン等の作成に供する露光の精度を向上することが必
要になることから、半導体ウェハの表面をさらに一段と
平坦に研磨することが求められる。また半導体ウェハの
ウェハ径を大きくする場合にも、同様に半導体ウェハの
表面をさらに一段と平坦に研磨することが求められる。

【０００６】このようなことから研磨の程度を検証した
ところ、従来の研磨装置における研磨手法によっては、
０．２５〔μｍ〕世代以降の半導体製造に求められる程
度の、精度の高い平坦度を確保できないことが分かっ
た。

【０００７】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、半導体ウェハ等の表面を高い精度により平坦化する
ことができる研磨装置、研磨材及び研磨方法を提案しよ
うとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、加工対象の加工面に研磨材の研磨
面が接触してなる研磨領域において、研磨面の各部を加
工面に対して所定の基準速度以上で変位させ、加工面上
において、研磨領域を基準速度以下で変位させる。

【０００９】このとき基準速度が、研磨材及び加工対象
間における機械的伝達関数の基本の共振周波数に対応す
る速度でなるようにし、加工面の凸部又は凹部が研磨面
に与える応力の周波数が、この共振周波数以上になるよ
うに研磨面の変位速度を設定することにより、研磨面の
各部を加工面に対して基準速度以上で変位させ、加工面
のうねりが研磨面に与える応力の周波数が、この共振周
波数以下になるように変位速度を設定することにより、
研磨領域を基準速度以下で変位させる。

【００１０】所定の回転軸により回転駆動された状態
で、回転する加工対象の加工面に部分的に押圧されて、
前記加工面を研磨する研磨材において、加工対象に対す
る機械的伝達関数の基本共振周波数が、加工対象の回転
周波数の１０倍以上の周波数になるように硬度を設定す
る。

【００１１】またこのとき微細な空孔を有する樹脂に固
定砥粒が分散混入して形成する。

【００１２】研磨領域において、研磨面の各部を加工面
に対して所定の基準速度以上で変位させれば、この基準
速度の設定如何により、この研磨領域においては、微細
な凸部については、効率良く研磨することができる。ま
た加工面上において、研磨領域を基準速度以下で変位さ
せれば、同様に、基準速度の設定如何により、加工面に
おけるうねりに対してはこのうねりに沿って全体を研磨
することができる。これにより微細な凹凸を研磨して加
工面を平坦化することができる。

【００１３】より技術的な限定を付加するならば、基準
速度が、研磨材及び加工対象間における機械的伝達関数
の基本の共振周波数に対応する速度でなるようにし、加
工面の凸部又は凹部が研磨面に与える応力の周波数が、
この共振周波数以上になるように研磨面の変位速度を設
定することにより、研磨面の各部を加工面に対して所定
の基準速度以上で変位させれば、この凸部又は凹部によ
る応力に対して、ほぼ１８０度の位相差をもって研磨面
の各部が変位することになる。すなわちこの応力により
変位方向とは逆方向に変位するように凸部等を押圧して
研磨することになり、凸部が低減するように、積極的に
研磨することができる。また加工面のうねりが研磨面に
与える応力の周波数が、この共振周波数以下になるよう
に変位速度を設定することにより、研磨領域を基準速度
以下で変位させれば、このうねりに対応した研磨部材の
弾性変形による押圧力だけで研磨することになり、ほぼ
うねりに沿った加工面を形成することができる。

【００１４】同様の原理により、所定の回転軸により回
転駆動された状態で、回転する加工対象の加工面に部分
的に押圧されて、この加工面を研磨する研磨材におい
て、加工対象に対する機械的伝達関数の基本共振周波数
が、加工対象の回転周波数の１０倍以上の周波数になる
ように硬度を設定すれば、研磨領域の変位速度等の設定
により実用に供する速度で研磨加工しても、十分な余裕
をもって、微細な凹凸を平坦化するように加工対象を研
磨することができる。

【００１５】またこのとき微細な空孔を有する樹脂に固
定砥粒を分散混入して研磨材を形成すれば、遊離砥粒と
併せて使用して、研磨速度の低下を有効に回避すること
ができ、効率良く研磨することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、適宜図面を参照しながら本
発明の実施の形態を詳述する。

【００１７】（１）実施の形態の研磨原理図２は、本発明の実施の形態に係る研磨装置の基本的な
構成を示す略線図である。この実施の形態において、研
磨装置１０は、半導体ウェハ６を比較的低速度により回
転させた状態で、高速度で回転する研磨パッド１１を半
導体ウェハ６に押圧する。ここで研磨パッド１１は、回
転軸より所定距離だけ半径方向に離間した領域で半導体
ウェハ６と接触するように（以下半導体ウェハ６上にお
いて、この研磨パッド１１が接触する領域を研磨領域と
呼ぶ）、リング状に形成される。

【００１８】これにより研磨装置１０では、研磨領域に
おいて、半導体ウェハ６の表面に対して所定の速度以上
で研磨パッド１１の研磨面を変位させる。また半導体ウ
ェハ６を比較的低速度により回転させることにより、半
導体ウェハ６上においてこの研磨領域を所定速度以下で
変位させる。

【００１９】さらに研磨パッド１１は、結合材でなる樹
脂に砥粒を分散させて形成され、研磨パッド１１の回転
速度及び研磨領域の変位速度に対応する所定の弾性を有
するように形成される。これにより研磨装置１０では、
半導体ウェハの表面を従来に比して格段的に平坦化でき
るようになされている。

【００２０】すなわち図１に示すように、半導体ウェハ
６に対して研磨パッド１１を変位させ、このとき半導体
ウェハ６の表面に微小な凸部が現れると、この凸部は、
研磨パッド１１の砥粒を変位させる押圧力を発生する。
この押圧力に対して砥粒が速やかに変位すれば、研磨パ
ッド１１は、この変位により変化する樹脂の弾性力によ
ってのみ、凸部を研磨することになる。

【００２１】このような砥粒の変位は、結合材による弾
性変形によるものであり、このような弾性変形は、外力
の印加に対して所定の時間遅れを伴う。この時間遅れを
位相関数で表して、凸部により発生する外力に対して１
８０度程度の位相遅れを生じるように条件を設定すれ
ば、砥粒においては、凸部による押圧力に対してこの押
圧力の向きと逆方向に変位するように凸部を押圧して研
磨することになる。すなわち半導体ウェハ６の表面に対
して所定の線速度以上で研磨パッド１１の研磨面を変位
させることにより、従来に比して格段的に効率良く凸部
の高さを低減することができる。

【００２２】これに対して半導体ウェハ６においては、
表面が大きくうねっていることにより、このうねりによ
る砥粒の変位に対しては、時間遅れによる位相変化が小
さくなるように条件を設定すれば、この表面のうねりに
沿って砥粒を変位させることになり、この表面のうねり
に沿って全体を研磨することができる。すなわち半導体
ウェハ６を比較的低速度により回転させて、半導体ウェ
ハ６上においてこの研磨領域を所定速度以下で変位させ
ることにより、半導体ウェハ６の表面のうねりに沿って
全体を研磨することができる。

【００２３】このような時間遅れは、研磨パッド１１と
ウェハ６間の機械的伝達関数により判断できる。これに
よりこの実施の形態においては、研磨パッド１１側に加
振源を、ウェハ６側にピックアップを配置し、加振源よ
り発した振動の伝搬をピックアップにより検出すること
により、図３に示すような機械的伝達関数よる振幅特性
を検出した（図３（Ａ））。このような振幅特性は、共
振周波数以上の周波数において、位相特性が約１８０度
変化することになる。これによりこの振幅特性を解析
し、半導体ウェハ６の表面のうねりによる周波数が基本
共振周波数ｆ₀ 以下になるように、また半導体ウェハ６
の表面の微小な凸部による周波数がこの基本共振周波数
ｆ₀ 以上になるように条件を設定した。

【００２４】すなわち半導体ウェハ６においては、この
ようなうねりによる大きな凸部が１〜２箇所形成される
ことから、半導体ウェハ６の回転速度をＮ〔Ｈｚ〕とす
ると、このうねりによる周波数は最大で２Ｎ程度にな
る。これによりこの実施の形態では、基本共振周波数ｆ
₀ が２００〔Ｈｚ〕程度になるように研磨パッド１１の
弾性を設定し、研磨パッド１１を高速度で回転駆動して
も、半導体ウェハ６のうねりによる周波数が基本共振周
波数ｆ₀ 以下になるように設定する。また研磨パッド１
１の回転速度により、半導体ウェハ６上の微小な凸部に
よる周波数を基本共振周波数ｆ₀ 以上に設定する。さら
に研磨パッド１１については、凸部による周波数が十分
に高い周波数になるように設定して、研磨速度を向上す
る。

【００２５】なおこの基本共振周波数ｆ₀ は、研磨パッ
ド１１の磨耗、押圧力、接触の程度等によって変化す
る。また半導体ウェハ６の研磨速度は、後述するように
半導体ウェハ６の回転周波数によって大きく変化する。
従ってこの実施の形態では、半導体ウェハ６の回転速度
を３０〔ｒ／ｍｉｎ〕（０．５〔Ｈｚ〕）に設定し、半
導体ウェハ６のうねりによる周波数０．５〜１〔Ｈｚ〕
に対して基本共振周波数ｆ₀ を２００倍以上に設定す
る。これにより研磨の条件が種々に変化しても、基本共
振周波数ｆ₀ に対する半導体ウェハ６のうねりによる周
波数の関係を十分な余裕をもって維持したまま、半導体
ウェハ６を研磨できるようにする。実験した結果によれ
ば、半導体ウェハ６の回転周波数に対して基本共振周波
数ｆ₀ を１０倍程度以上に設定すれば、研磨条件が種々
に変化しても、半導体ウェハ６のうねりに沿って表面を
研磨し、また表面の微細な凹凸を平坦化することがで
き、これにより実用に供する程度に研磨できることが分
かった。

【００２６】（２）第１の実施の形態の構成（２−１）基本構成図４は、第１の実施の形態に係る研磨装置を示す斜視図
である。この研磨装置１０は、半導体製造工程におい
て、ウェハカセット１２により半導体ウェハ６の供給を
受け、この半導体ウェハ６の表面を研磨した後、同様の
ウェハカセット１２に収納して次工程に供給する。

【００２７】この研磨装置１０は、図面にて奥側より手
前側中央に突出するように加工部１３が形成され、この
加工部１３の突出部を間に挟んで、それぞれ左右にロー
ドバッファ１４及びアンロードバッファ１５が形成され
る。さらにこれらロードバッファ１４及びアンロードバ
ッファ１５の上部に、ウェハ搬送機構１６が形成され、
アンロードバッファ１５の排出側にウェハ洗浄ブラシ１
７が配置される。

【００２８】ここでロードバッファ１４は、加工部１３
に供給する半導体ウェハ６を一時待機させるバッファエ
リアであり、図示しない搬送機構により、ウェハカセッ
ト１２から未研磨の半導体ウェハ６を順次取り出して保
持する。アンロードバッファ１５は、加工部１３により
研磨加工の完了した半導体ウェハ６を一時待機させるバ
ッファエリアであり、図示しない搬送機構により、半導
体ウェハ６をウェハカセット１２に収納する。ウェハ洗
浄ブラシ１７は、アンロードバッファ１５からウェハカ
セット１２に搬送される半導体ウェハ６を洗浄する。

【００２９】ウェハ搬送機構１６は、ローダーチャック
１９及びアンローダーチャック２０を保持し、このロー
ダーチャック１９及びアンローダーチャック２０を連動
して動作させて半導体ウェハ６を搬送する。すなわちウ
ェハ搬送機構１６は、それぞれローダーチャック１９及
びアンローダーチャック２０によりロードバッファ１
４、加工部１３の半導体ウェハ６を吸着して上方へ退避
した後、各半導体ウェハ６をそれぞれ加工部１３、アン
ロードバッファ１５の上部へ可動し、下方に移動して半
導体ウェハ６の吸着を解除する。これにより研磨装置１
０では、未研磨の半導体ウェハ６をロードバッファ１４
に供給し、この半導体ウェハ６を加工部１３により研磨
加工した後、アンロードバッファ１５よりウェハカセッ
ト１２に排出するようになされている。

【００３０】加工部１３は、開口１３Ａを介してローダ
ーチャック１９により半導体ウェハ６の供給を受け、こ
の半導体ウェハ６の表面を研磨する。ここで加工部１３
は、奥側左右にコラム２２Ｌ及び２２Ｒが配置され、こ
のコラム２２Ｌ及び２２Ｒの前面側に、Ｚ軸ガイド２３
Ｌ及び２３Ｒが形成される。さらに加工部１３は、この
Ｚ軸ガイド２３Ｌ及び２３Ｒによりガイドされて、Ｚ軸
スライダ２４が上下方向に可動し得るように配置され、
このＺ軸スライダ２４に研磨パッドが配置され、またこ
の研磨パッドに対して開口１３Ａより供給された半導体
ウェハ６がＸ軸テーブルにより搬送される。

【００３１】すなわち図５は、加工部１３を示す平面図
及び側面図である。この加工部１３において、Ｘ軸テー
ブル２６は、開口１３Ａの下部において、半導体ウェハ
６が載置されるのを待機し、半導体ウェハ６が載置され
ると、矢印Ａにより示すように、この半導体ウェハ６を
吸着保持して所定の研磨位置まで搬送する。さらにこの
研磨位置にて半導体ウェハ６を所定の回転速度で回転駆
動した状態で、矢印Ｂにより示すように、Ｘ軸方向に半
導体ウェハ６を往復させ、研磨が完了すると、半導体ウ
ェハ６の回転を停止して開口１３Ａの下部まで搬送す
る。

【００３２】このためＸ軸テーブル２６は、図示しない
レールに沿ってＸ軸方向に移動し得るように構成され、
比較的低速回転なモータ、プーリ又はベルト等により回
転駆動されるようになされている。またＸ軸テーブル２
６は、半導体ウェハ６を回転駆動して上方より研磨する
のに十分な、半導体ウェハ６の直径に対応した例えば直
径約２００〔ｍｍ〕の円盤状に、多孔質部材により構成
され、所定の真空引き用通路を介して真空引きすること
で、半導体ウェハ６を吸着する。

【００３３】加工部１３は、コラム２２Ｌ、２２Ｒを跨
ぐように所定の基準保持部材２８が配置される。この基
準保持部材２８には、Ｚ軸サーボモータ２９が配置さ
れ、加工部１３は、このＺ軸サーボモータ２９の駆動に
より、研磨位置に配置された半導体ウェハ６に対して研
磨パッド１１を上下させる。

【００３４】すなわちＺ軸サーボモータ２９は、回転軸
がＺ軸方向になるように配置され、カップリング３１を
介して、その回転軸にボールネジ３２が接続される。こ
のボールネジ３２は、サブスライダ３３にねじ込まれ、
サブスライダ３３は、両側面に形成されたサブスライダ
ガイド３３Ｌ、３３Ｒによりガイドされて、Ｚ軸方向に
可動自在に保持される。これによりサブスライダ３３
は、Ｚ軸サーボモータ２９により駆動されて、矢印Ｃに
より示すように、Ｚ軸方向に上下するようになされてい
る。

【００３５】サブスライダ３３は、先端側に、１対のロ
ードセル３５Ｌ、３５Ｒが配置され、このロードセル３
５Ｌ、３５Ｒを介してＺ軸スライダ２４が接続される。
このＺ軸スライダ２４は、コラム２２Ｌ、２２Ｒの前面
側に形成されたＺ軸ガイド２３Ｌ及び２３Ｒによりガイ
ドされて、Ｚ軸方向に可動自在に形成される。これによ
りＺ軸スライダ２４は、Ｚ軸サーボモータ２９により駆
動されて、サブスライダ３３と共にＺ軸方向に上下する
ようになされ、またロードセル３５Ｌ、３５Ｒを介して
加重が検出されるようになされている。

【００３６】さらに図６に示すように、Ｚ軸スライダ２
４の上面左右には、それぞれワイヤ３７Ｌ、３７Ｒが接
続され、このワイヤ３７Ｌ、３７Ｒの他端に、プーリ３
８を介してカウンタウエイト３９が吊り下げられるよう
になされている。これによりＺ軸スライダ２４は、小型
のＺ軸サーボモータ２９により上下に駆動できるように
形成され、またロードセル３５Ｌ、３５Ｒに加わる加重
を、このロードセル３５Ｌ、３５Ｒにより検出可能な範
囲に軽減する。

【００３７】さらにＺ軸スライダ２４は、主軸スピンド
ル４０を保持し、この主軸スピンドル４０は、回転軸に
研磨パッド１１が配置される。このＺ軸スライダ２４
は、主軸スピンドル４０、研磨パッド１１等が取り付け
られ、さらにカウンタウエイト３９によりロードセル３
５Ｌ、３５Ｒに加わる加重が軽減された実際の加工の状
態において、主軸スピンドル４０の回転中心軸Ｏ上に、
重心が位置するように形成され、またこの回転中心軸Ｏ
と、ロードセル３５Ｌ、３５Ｒに対する作用点Ｐとが、
同一平面上に位置するように形成される。さらにこの平
面が研磨位置における半導体ウェハ６の表面に略直交す
るように形成される。これによりＺ軸スライダ２４は、
研磨パッド１１を半導体ウェハ６に押圧した際に、研磨
パッド１１による押圧力をロードセル３５Ｌ、３５Ｒで
正しく検出できるようになされている。

【００３８】これにより加工部１３は、Ｘ軸テーブル２
６により半導体ウェハ６が所定の研磨位置に配置される
と、主軸スピンドル４０により研磨パッド１１を回転駆
動した状態で、Ｚ軸サーボモータ２９により主軸スピン
ドル４０を降下させて研磨パッド１１を半導体ウェハ６
に押圧し、半導体ウェハ６の表面を研磨するようになさ
れている。またこのときロードセル３５Ｌ、３５Ｒによ
り押圧力を監視し、さらにはＸ軸テーブル２６により半
導体ウェハ６をＸ軸方向に往復運動させるようになされ
ている。

【００３９】図７は、研磨パッド１１の取り付け部を示
す断面図であり、図８は、研磨パッド側より見た底面図
である。なおこの図７においては、後述する傾斜角度調
整機構については記載を省略する。主軸スピンドル４０
は、回転軸でなる主軸４２と、この主軸４２の周囲を囲
む主軸ハウジング４３を有し、主軸４２の下部に定盤４
１が取付固定される。

【００４０】主軸スピンドル４０は、主軸４２より定盤
４１まで延長するようにノズル穴４４が形成され、この
ノズル穴４４にノズル管４５が配置される。主軸スピン
ドル４０は、このノズル管４５により研磨液としてのス
ラリーが研磨パッド１１に供給される。

【００４１】定盤４１は、接着等により半導体ウェハ６
側の下面に研磨パッド１１を保持する。さらに定盤４１
は、下側端面に、放射状に溝４６Ａが形成される。さら
に定盤４１は、溝４６Ａとノズル穴４４との接続部にス
ラリー分配用の端板４７が配置される。これにより定盤
４１は、回転による遠心力によりスラリーを研磨パッド
１１に供給する際に、端板４７及び放射状の溝４６Ａに
より供給量の偏りを有効に回避する。なおスラリーは、
所定のノズルにより研磨パッド１１の外周側にも別途供
給される。

【００４２】研磨パッド１１は、外径Ｄが半導体ウェハ
６の外形と等しい２００〔ｍｍ〕により、また半径方向
の幅ｄが２０〔ｍｍ〕により形成される。これにより研
磨パッド１１は、半導体ウェハ６上に上述の研磨領域を
形成し、この研磨領域内において、半導体ウェハ６の表
面に対して研磨面の全てが上述の所定速度以上で変位す
るようになされている。

【００４３】さらに研磨パッド１１は、ウレタン樹脂及
びメラミン樹脂をベースに、ＣｅＯ₂ による砥粒が分散
混入して形成され、このベースに所定の割り合いで微細
な空孔が形成されるようになされている。研磨パッド１
１は、このようにして形成される際に上述した弾性率が
得られるように、樹脂の配合比等が選定されるようにな
されている。因みに、このように設定されることによ
り、研磨パッド１１の表面硬度は、発砲ポリウレタン系
研磨パッドの表面硬度に比して十分に高い値に保持され
る。

【００４４】さらに研磨パッド１１は、気孔率が３７．
４〔％〕に設定され、砥粒の粒径が約３．５〔μｍ〕に
設定される。

【００４５】これに対してスラリーは、フィラーとして
ＣｅＯ₂ による砥粒が２４．５〔Ｗｔ％〕分散混入され
た水溶液が使用される。ここでフィラーは、研磨パッド
１１の砥粒粒径に対して、粒径が１／６〜１／３の範囲
で適宜実用に供することができ、この実施の形態では粒
径が０．５〔μｍ〕に選定されるようになされている。

【００４６】これにより研磨パッド１１は、図１との対
比により図９に示すように、研磨パッド１１に保持した
固定砥粒に加えて、スラリーにより供給される遊離砥粒
により半導体ウェハ６を研磨し、研磨能力が向上され
る。また研磨パッド１１は、スラリーにより潤滑されて
研磨パッド１１の砥粒により、また遊離砥粒により半導
体ウェハ６の表面を研磨しながら、研磨により脱落した
固定砥粒、さらには半導体ウェハ６の研磨かすを空孔に
逃がし、これにより研磨能力の低下を有効に回避する。
また遊離砥粒により、このように空孔に逃がした研磨か
す等による空孔の目詰まりを防止し、これによっても研
磨能力の低下を有効に回避する。

【００４７】図１０は、テスト用の半導体ウェハを実際
に研磨した結果を示す特性曲線図である。この研磨にお
いては、符号Ｌ１により示すように、スラリーを供給し
て研磨パッド１１により研磨した研磨速度、符号Ｌ２に
より示すように、研磨パッド１１だけで研磨した研磨速
度、符号Ｌ３により示すように、ＣｅＯ₂ による砥粒に
代えてＳｉＯ₂ による砥粒による研磨パッドだけで研磨
した研磨速度を測定した。この測定結果によれば、十分
な研磨速度により半導体ウェハを研磨できることがわか
る。

【００４８】また図１１は、半導体ウェハを繰り返し研
磨した場合における研磨速度の変化を示す特性曲線図で
ある。この測定では、各半導体ウェハを約１２０〔μ
ｍ〕づつ研磨した。この測定結果によれば、スラリーを
併用して研磨速度の変化を十分に小さな値に保持できる
ことが分かり、半導体製造工程に適用して量産に適用で
きることがわかる。

【００４９】図１２は、この研磨装置１０による平坦化
の判定に使用したテスト用半導体ウェハの断面を示す断
面図である。このテスト用半導体ウェハは、１００〔μ
ｍ〕幅のパターンを０．４〔μｍ〕間隔で形成し、また
０．４〔μｍ〕幅のパターンを２〔ｍｍ〕間隔で形成
し、このパターン上から酸化シリコンの絶縁膜を形成し
た。測定では、半導体ウェハの表面で、最も突出してな
る箇所の研磨量（符号Ａにより示す膜厚の低減量でな
る）を基準にして、この最も突出した箇所と最も膜厚の
薄い箇所との段差（Ａ−Ｂ）を測定した。

【００５０】研磨開始前においては、この段差は１２０
〔μｍ〕あり、これにより半導体ウェハの凸部のみを理
想的に研磨できた場合、符号Ａにより示す膜厚が１２０
〔μｍ〕低減すると、この段差は値０になる。図１３
は、この測定結果を示す特性曲線図であり、この研磨装
置１０では、１２０〔μｍ〕研磨して、段差の残量が２
００〔ｎｍ〕以下になることを確認することができた。
ちなみに、従来の研磨装置によってこのテスト用半導体
ウェハを研磨したところ、５００〜７００〔ｎｍ〕の範
囲で段差が低下しなくなり、これにより従来に比して半
導体ウェハの表面を１／３以上平坦化できることが分か
った。なおこれらの測定においては、レーザー光を用い
た光学的手法により膜厚を測定して研磨量等を測定し
た。

【００５１】図１４は、研磨パッド１１と半導体ウェハ
６の関係を示す断面図及び平面図である。研磨パッド１
１は、半導体ウェハ６側面が平面とすると、上述した関
係により半導体ウェハ６の表面に、略円弧形状に研磨領
域を形成し、この研磨領域において半導体ウェハ６の表
面を研磨する。

【００５２】このとき図１５に示すように、この実施の
形態では、Ｘ軸テーブルが往復運動することにより、ま
た半導体ウェハ６の回転により、研磨領域がゆっくりと
した速度で変化する。この実施の形態において、Ｘ軸テ
ーブル２６の移動速度は、６０〜１４０（ｍｍ／ｍｉ
ｎ）の範囲に設定され、２００〔ｍｍ〕の範囲が往復運
動の範囲に設定される。なお以下において、図１５
（Ａ）に示すように、研磨パッド１１の最外周が半導体
ウェハ６に表面に接触を開始したＸ軸方向の位置をＸ＝
０〔ｍｍ〕の位置とし、図１５（Ｃ）に示すように、研
磨パッド１１の最外周が半導体ウェハ６の回転中心まで
移動した位置をＸ＝２００〔ｍｍ〕の位置とする。

【００５３】さらにこの実施の形態において、研磨パッ
ド１１は、３００〔ｒ／ｍｉｎ〕の回転速度Ｎｐにより
回転駆動され、また半導体ウェハ６は、３０〔ｒ／ｍｉ
ｎ〕の回転速度Ｎｗにより回転駆動される。

【００５４】（２−２）主軸の傾斜角度調整機構図１６は、主軸スピンドル４０の保持機構を示す正面図
である。主軸スピンドル４０は、主軸取付座４９を介し
てＺ軸スライダ２４に保持され、これによりＺ軸サーボ
モータ２９よりＺ軸スライダ２４と共にＺ軸方向に可動
する。さらに主軸スピンドル４０は、主軸の傾斜角度調
整機構により回転中心軸の傾きが微小角度範囲で調整で
きるようになされ、これにより研磨装置１０では、必要
に応じてこの傾きを調整して最適な研磨条件に設定でき
るようになされている。

【００５５】すなわち主軸スピンドル４０は、主軸フラ
ンジ４８、テーパーリング５０及び５１を介して主軸取
付座４９に固定される。ここでテーパーリング５０及び
５１は、リング状に形成され、主軸取付座４９に積層さ
れて配置され、その上部に主軸フランジ４８が配置され
る。さらにテーパーリング５０及び５１は、主軸スピン
ドル４０の回転軸に対してほぼ同軸状に配置され、この
回転軸をほぼ回転中心軸にして回動し得るように、主軸
フランジ４８により主軸取付座４９に押圧されて保持さ
れる。かくするにつき主軸スピンドル４０は、主軸フラ
ンジ４８を介して主軸取付座４９に固定され、この主軸
フランジ４８間に回動自在にテーパーリング５０及び５
１が配置されることになる。

【００５６】さらにテーパーリング５０及び５１は、横
方向より見たとき、接触面が中心軸に対して斜めに傾い
たテーパー面５０ａ及び５１ａを形成するように作成さ
れる。これにより図１７に示すように、主軸スピンドル
４０は、テーパーリング５０及び５１を回動させて、主
軸の回転中心軸Ｏを種々の方向に傾けることができるよ
うになされている。

【００５７】ここでテーパーリング５０及び５１は、こ
のテーパー面５０ａ及び５１ａにより横方向から見た厚
さが最大で５〔μｍ〕変化するように形成され、これに
よりこの実施の形態では、この回転中心軸Ｏを微小角度
範囲で調整できるようになされている。またＸ軸に沿っ
た方向についてだけ主軸の回転中心軸Ｏを傾けることが
できるように形成され、これにより回転中心軸Ｏを傾け
ても、この回転中心軸Ｏと、ロードセル３５Ｌ、３５Ｒ
に対する作用点Ｐとを同一平面上に保持し、ロードセル
３５Ｌ、３５Ｒによる検出精度の低下を有効に回避する
ようになされている。

【００５８】なおテーパーリング５０及び５１が、互い
のテーパー面５０ａ及び５１ａで接触していることか
ら、研磨装置１０においては、テーパーリング５０及び
５１を介在させても主軸スピンドル４０及び主軸取付座
４９間の機械剛性の低下を有効に回避することができ
る。これにより研磨装置１０では、主軸スピンドル４０
及び主軸取付座４９間の機械系の固有周波数の低下を有
効に回避し、主軸４２を高速回転できるようになされて
いる。

【００５９】図１８、図１９及び図２０は、このような
回転中心軸Ｏの傾きによる研磨パッド１１と半導体ウェ
ハ６との関係を示す図である。すなわち研磨パッド１１
においては、回転中心軸Ｏの傾きに応じて押圧力Ｆによ
り弾性変形による形状が変化し、半導体ウェハ６上に形
成する研磨領域の大きさが種々に変化する。すなわち傾
きが大きい場合は、研磨領域が小面積化し、傾きが大き
くなると研磨領域が増大する。これによりこの実施の形
態では、適宜傾きを選定して研磨領域の大きさを調整
し、最適な条件により研磨できるようになされている。

【００６０】すなわち上述した研磨パッド１１及び半導
体ウェハ６間の機械的伝達関数は、単に研磨パッド１１
の弾性だけでなく、半導体ウェハ６のウェハ径等によっ
ても変化し、研磨領域の面積によっても種々に変化す
る。従って傾きθの調整により、半導体ウェハ６の微小
な凸部を選択的に研磨する為に必要な条件を細かく調整
することができる。

【００６１】さらにこの研磨領域の大きさは１枚の半導
体ウェハ６の研磨に要する研磨時間にも大きく影響を与
え、これにより単位時間当たりの研磨量も細かく調整す
ることができる。またこの調整によりスラリーの分布を
均一化することもでき、これにより研磨速度の変動を低
減することができる。

【００６２】なおこのようにして微小角度θだけ回転中
心軸を傾ける場合、研磨パッド１１においては、この傾
きに応じたフェーシングが必要となる。

【００６３】（２−３）研磨圧力の偏り補正機構ところでこの実施の形態においては、図５について説明
したように、回転中心軸Ｏと、ロードセル３５Ｌ、３５
Ｒに対する作用点Ｐとを同一平面上に保持していること
により、単に研磨パッド１１に対してＸ軸テーブル２６
を往復運動させたのでは、研磨領域における押圧力の分
布がＸ軸テーブル２６の位置に応じて変化することにな
る。

【００６４】すなわち図２１に示すように、回転中心軸
Ｏを傾けないとして、研磨パッド１１と半導体ウェハ６
とが完全に重なり合っている場合（図２１（Ａ）及び
（Ｂ））、研磨領域においては、均一な圧力分布により
研磨パッド１１が半導体ウェハ６を押圧することにな
る。ところが図２２及び図２３に示すように、Ｘ軸テー
ブル２６が研磨装置１０の手前側に変位すれば、その分
研磨領域が回転中心軸Ｏより手前側に変位することによ
り、圧力分布が不均一化する。

【００６５】この場合、回転中心軸Ｏに近い半導体ウェ
ハ６の外周側程高い押圧力により研磨パッド１１が押圧
されることにより、他の部分に比してこれらの部分で研
磨速度が増大することになる。このような回転中心軸Ｏ
側に偏るような押圧力の不均一な分布に対して、半導体
ウェハ６は、回転中心軸Ｏより手前側に偏って往復運動
することになる。これによりこれを放置したのでは、こ
の押圧力の不均一により半導体ウェハ６の各部で研磨量
が不均一となる。

【００６６】この場合図２４に示すように、半導体ウェ
ハ６の往復運動方向でなるＸ軸の手前側、例えば主軸ス
ピンドル４０の上部に、重りでなるデッドウエイト５４
を配置すれば、回転中心軸Ｏより手前側に偏った半導体
ウェハ６の往復運動に対応するように、このような回転
中心軸Ｏ側に偏った押圧力の分布を回転中心軸Ｏより手
前側に偏らせることができる（図２４（Ａ）及び
（Ｄ））。

【００６７】また図２４（Ｂ）に示すように、同様にし
て例えば主軸スピンドル４０の上部より手前側に、アー
ムによりデッドウエイト５４を保持すれば、回転中心軸
Ｏより手前側に偏った半導体ウェハ６の往復運動に対応
するように、このような回転中心軸Ｏ側に偏った押圧力
の分布を回転中心軸Ｏより手前側に偏らせることができ
る（図２４（Ｂ）及び（Ｄ））。またＺ軸スライダ２４
による主軸スピンドル４０の保持位置を回転中心軸Ｏよ
り手前側に偏らせるようにしても、同様に押圧力の分布
を回転中心軸Ｏより手前側に偏らせることができる（図
２４（Ｃ）及び（Ｄ））かくするにつき、この実施の形態において、研磨装置１
０は、上述した主軸の傾きと共に、このデッドウエイト
５４の配置位置を適宜調整できるようになされ、これに
より必要に応じて押圧力の偏りを適宜調整して、適切な
条件により研磨できるようになされている。

【００６８】（２−４）Ｘ軸テーブルの速度制御図２５（Ａ）に示すように、研磨装置１０において、半
導体ウェハ６と研磨パッド１１が完全に重なり合った場
合、半導体ウェハ６の周辺部分だけ研磨されることにな
る。またこのとき半導体ウェハ６の外周側程、半導体ウ
ェハ６に対して研磨パッド１１の線速度が高いことによ
り、外周側程研磨速度が増大する。

【００６９】これに対して図２５（Ｂ）に示すように、
図２５（Ａ）の状態よりＸ軸テーブルが１００〔ｍｍ〕
変位した状態では、半導体ウェハ６の中心から半径±２
０〔ｍｍ〕の範囲では研磨量が多く、その他の部分の研
磨量は少なくなる。これにより単にＸ軸テーブルを等速
度により往復移動させ、また一定の押圧力により研磨パ
ッド１１を押圧し、さらに半導体ウェハ６、研磨パッド
１１を一定の速度で回転駆動したのでは、半導体ウェハ
６の全面を均一に研磨することが困難になる。

【００７０】ここで研磨パッド１１の回転数をＮｐ、半
導体ウェハ６の回転数をＮｗとおき、この回転速度Ｎｐ
及びＮｗに対応する研磨パッド１１及び半導体ウェハ６
における所定位置の線速度をＶｐ及びＶｗとおくと、図
２６に示すように、研磨領域の所定位置Ｐにおいては、
線速度Ｖｐ及びＶｗのベクトル合成により研磨パッド１
１及び半導体ウェハ６間の相対速度Ｖｘを表すことがで
きる。

【００７１】この相対速度Ｖｘを用いて、Ｘ軸テーブル
を所定位置に保持した場合における時間ｔの研磨量Ｈ
（ｘ）は、次式により表すことができる。なおここでＫ
ｐは、比例定数、Ｐx は、研磨圧力である。

【００７２】

【数１】

【００７３】また研磨圧力Ｐx は次式で表される。なお
Ｆは、研磨パッド１１による全体の押圧力を示し、Ａ
は、研磨パッド１１及び半導体ウェハ６とが接触してな
る研磨領域の面積である。

【００７４】

【数２】

【００７５】これにより回転速度Ｎｐ、Ｎｗの制御によ
り相対速度Ｖｘを変化させて、また研磨パッド１１の押
圧力Ｆ、Ｘ軸テーブルの移動速度の制御により時間ｔを
変化させて、半導体ウェハ６の各部における研磨量を制
御できることがわかる。

【００７６】図２７は、この関係式より、Ｘ軸テーブル
を等速度により往復移動させ、研磨圧力Ｐx 、研磨パッ
ド１１の回転数Ｎｐ、半導体ウェハ６の回転数Ｎｗを一
定値に保持して研磨した場合の研磨量Ｈ（ｘ）の計算結
果を示す特性曲線図である。図２７（Ａ）は、半導体ウ
ェハ６の移動範囲（トラバース範囲）をＸ軸座標位置１
〔ｍｍ〕から１０８〔ｍｍ〕とした場合であり、図２７
（Ｂ）は、このトラバース範囲を６８〔ｍｍ〕から１９
１〔ｍｍ〕とした場合である。何れの場合でも、半導体
ウェハ６の半径に対して研磨量がばらついていることが
わかる。

【００７７】これに対して（１）式及び（２）式の関係
式より、Ｘ軸テーブルの可動範囲を１０〔ｍｍ〕単位で
区切り、半導体ウェハ６の半径に対して研磨量のばらつ
きが所定値以下になるように計算した結果を表１に示
す。なおここでは、半導体ウェハ６及び研磨パッド１１
の回転速度は、図２７と同一条件に設定した。

【００７８】

【表１】

【００７９】図２８は、この表１の条件による研磨量分
布の計算結果を示す特性曲線図であり、図２７に示した
研磨量の分布に比べて研磨量の均一性が飛躍的に向上す
るのがわかる。

【００８０】この実施の形態において、実際の研磨にお
いては、上述したように半導体ウェハ６の回転速度を３
０〔ｒ／ｍｉｎ〕、研磨パッド１１の回転速度を３００
〔ｒ／ｍｉｎ〕に設定し、研磨領域を調整し、Ｘ軸テー
ブルの送り速度を選定した。図２９（Ａ）は、等速度に
よりＸ軸テーブルを移動させた場合の研磨量のばらつき
を示す特性曲線図であり、図２９（Ｂ）は、半径約５０
〔ｍｍ〕より外周側だけを研磨する場合に（Ｘ軸位置が
１５０〔ｍｍ〕以上の場合である）、Ｘ軸テーブルの送
り速度を２０〔％〕低減した場合である。この測定結果
によれば、等速度によりＸ軸テーブルを移動させた場
合、標準偏差δによりばらつきを表して１１．７〔％〕
のばらつきがあったものを、４．３〔％〕に低減するこ
とができた。なおこの測定は、連続して研磨した１００
枚の半導体ウェハのうちの、５１枚目（ｎ＝５１）と６
１枚目（ｎ＝６１）の測定結果である。

【００８１】図３０は、８インチの半導体ウェハ上を用
いて研磨量のばらつきを測定した結果である。この場
合、連続して研磨した１００枚のうちの、１枚目（ｎ＝
１）と５０枚目（ｎ＝５０）の測定結果であり、半導体
ウェハ上にらせん状に設定した４９点の研磨量である。
この図３０によっても半導体ウェハを平坦化できること
が分かる。また図３１は、このようにして設定した４９
点の測定点を用いた標準偏差δによるばらつきを、連続
する１００枚の半導体ウェハについて測定した結果であ
る。なお縦軸は、標準偏差の平均値により正規化して示
す。この図３１による特性によれば、１００枚程度の研
磨でも平坦に研磨できることが分かる。

【００８２】（２−５）研磨装置の制御図３２は、研磨装置１０の制御系を示すブロック図であ
る。この研磨装置１０の制御系は、コンピュータ構成の
主制御装置６０と、この主制御装置６０により出力され
る制御信号により各種モータを駆動するドライバとによ
り構成される。

【００８３】主軸ドライバ６１は、主制御装置６０より
出力される制御信号により主軸スピンドル４０を回転駆
動する。このとき主軸ドライバ６１は、フィードバック
ループを形成して主軸スピンドル４０の負荷変動に応動
して負荷電流を変化させることにより、制御信号に応じ
た一定速度により主軸スピンドル４０を回転駆動する。
さらに主軸ドライバ６１は、この負荷電流を電流電圧変
換処理して主軸スピンドル４０の負荷検出信号を生成
し、この負荷検出信号Ｓ１を主制御装置６０に出力す
る。これにより主軸ドライバ６１は、主制御装置６０に
おいて負荷変動を検出できるようになされている。

【００８４】Ｚ軸ドライバ６２は、主制御装置６０より
出力される制御信号によりＺ軸サーボモータ２９を回転
駆動し、これにより研磨パッド１１を上下に可動し、ま
た半導体ウェハ６に押圧する。

【００８５】テーブル軸ドライバ６３は、主制御装置６
０より出力される制御信号により、Ｘ軸テーブル２６に
配置されたテーブル軸サーボモータ６９（図３３）を回
転駆動し、これにより半導体ウェハ６を所定の回転速度
により回転駆動する。

【００８６】Ｘ軸ドライバ６４は、主制御装置６０より
出力される制御信号によりＸ軸サーボモータ６５を回転
駆動し、Ｘ軸テーブル２６を移動させる。ここでＸ軸サ
ーボモータ６５は、回転軸にボールネジ６６が取り付け
られ、このボールネジ６６がＸ軸テーブル２６に取り付
けられた部材にねじ込まれるようになされている。これ
によりＸ軸ドライバ６４は、ボールネジ６６を回転させ
てＸ軸テーブル２６を移動させる。

【００８７】操作パネル６８は、オペレータにより研磨
装置３０の操作を受け付ける。

【００８８】図３３は、主制御装置を中心にこの研磨装
置３０の制御系を示すブロック図である。主制御装置６
０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８０にワーク
エリアを確保して外部記憶装置８１、リードオンリメモ
リ８４に記録された処理手順を中央処理ユニット８２に
より実行することにより、この研磨装置３０全体の動作
を制御する。

【００８９】すなわち中央処理ユニット８２は、ウェハ
カセット１２が配置されて操作パネル６８が操作される
と、所定のインターフェース（Ｉ／Ｆ）８３を介してオ
ペレータの操作を検出し、ウェハ搬送機構１６を駆動す
る。さらにこのウェハ搬送機構１６の駆動により半導体
ウェハ６がＸ軸テーブル２６にセットされると、ディジ
タルアナログ変換回路（Ｄ／Ａ）８５〜８６を介して各
ドライバ６１〜６４に制御信号を出力し、加工部１３を
駆動する。

【００９０】この加工部１３の駆動において、中央処理
ユニット８２は、Ｘ軸テーブル２６を駆動して半導体ウ
ェハ６を研磨位置に移動した後、半導体ウェハ６を回転
駆動し、また研磨パッド１１を回転駆動する。さらに研
磨パッド１１を半導体ウェハ６に押圧して半導体ウェハ
６を往復運動させ、所定量だけ半導体ウェハ６を研磨す
ると、研磨パッド１１を退避させて半導体ウェハ６を排
出する。

【００９１】この研磨の際に、中央処理ユニット８２
は、アナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）８９及び９
０を介して、主軸スピンドル４０の負荷変動、ロードセ
ル３５Ｒ、３５Ｌによる押圧力の検出結果Ｓ２をモニタ
し、一定の条件により主軸スピンドル４０等を駆動す
る。

【００９２】図３４は、Ｘ軸テーブル２６の送り速度制
御を示す中央処理ユニット８２の機能ブロック図であ
る。中央処理ユニット８２は、Ｘ軸サーボモータ６５の
周辺構成よりＸ軸テーブル２６の位置検出信号Ｓ３を受
け、この位置検出信号Ｓ３を図示しないアナログディジ
タル変換回路により位置検出データに変換して入力す
る。中央処理ユニット８２は、ウェハ位置換算部８２Ａ
により、この位置検出データから研磨パッド１１に対す
る半導体ウェハ６の位置を検出する。さらにＸ軸速度指
令設定部８２Ｂにおいて、このウェハ位置換算部８２Ａ
による位置検出結果より対応する速度制御データを生成
し、この速度制御データによる制御信号をＸ軸ドライバ
６４に出力する。なおこの速度制御データは、操作パネ
ル６８を介して事前に設定される。

【００９３】これにより中央処理ユニット８２は、図２
９について説明したように、Ｘ軸テーブル２６の移動速
度を制御する。

【００９４】図３５は、研磨パッド１１の押圧力Ｆの制
御構成を示す中央処理ユニット８２の機能ブロック図で
ある。中央処理ユニット８２は、オペレータの操作によ
り、主軸ドライバ６１（図３２）を介して得られる負荷
検出信号Ｓ１を基準にして、又はロードセル３５Ｒ、３
５Ｌより得られる検出結果Ｓ２を基準にしてこの一連の
制御を実行する。

【００９５】すなわち中央処理ユニット８２は、押圧力
算出部８２Ｃにおいて負荷検出信号Ｓ１又は検出結果Ｓ
２より研磨パッド１１の押圧力Ｆを算出する。さらに中
央処理ユニット８２は、続く研磨圧力算出部８２Ｄにお
いて、押圧力算出部８２Ｃにより算出された押圧力Ｆを
研磨領域の面積で割り算し、これにより研磨パッド１１
の単位面積当たりの押圧力を計算する。

【００９６】中央処理ユニット８２は、事前に設定され
た押圧力を研磨圧力設定部８２Ｅより受け、続く減算部
８２Ｆにおいて、研磨圧力算出部８２Ｄで算出された押
圧力との間の誤差値を検出する。移動量変換部８２Ｇ
は、この誤差値が値０に収束するように、制御データを
出力してＺ軸サーボモータ２９を駆動する。これにより
中央処理ユニット８２は、単位面積当たりの押圧力が一
定値になるように、研磨パッド１１を押圧して半導体ウ
ェハ６を研磨する。

【００９７】（３）第１の実施の形態の動作以上の構成において、研磨装置１０では（図４）、未研
磨の半導体ウェハ６がウェハカセット１２に収納され、
このウェハカセット１２がロードバッファ１４側に配置
される。またアンロードバッファ１５側に空のウェハカ
セット１２が配置される。

【００９８】この状態でオペレータが操作パネルを操作
して研磨装置１０の動作を開始すると、ウェハカセット
１２より半導体ウェハ６がロードバッファ１４にセット
され、この半導体ウェハ６が搬送機構１６により加工部
１３に搬送されてこの加工部１３で研磨される。また半
導体ウェハ６が加工部１３に搬送されると、続く半導体
ウェハ６がウェハカセット１２よりロードバッファ１４
にセットされる。さらに研磨が完了すると、半導体ウェ
ハ６が加工部１３よりアンロードバッファ１５に搬送さ
れると共に、続く研磨対象が加工部１３に搬送される。

【００９９】このようにしてウェハカセット１２に収納
された半導体ウェハ６を順次加工部１３において研磨す
る際に、研磨装置１０では（図５）、開口１３Ａの下で
Ｘ軸テーブル２６が待機し、このＸ軸テーブル２６に半
導体ウェハ６が載置されると、Ｘ軸テーブル２６が可動
して半導体ウェハ６が研磨位置に移動される。さらにこ
のときＸ軸テーブル２６が半導体ウェハ６の回転を開始
し、研磨位置にて半導体ウェハ６を搭載して往復運動す
る。

【０１００】研磨位置の上部では、研磨パッド１１が待
機し、半導体ウェハ６が研磨位置に移動すると、この研
磨パッド１１が回転を開始した後、Ｚ軸サーボモータ２
９の駆動によりこの研磨パッド１１が降下して半導体ウ
ェハ６の表面を押圧する。これにより研磨装置１０で
は、回転する研磨パッド１１が半導体ウェハ６の表面に
接触して研磨領域が形成され、研磨パッド１１の回転に
より、この研磨領域において半導体ウェハ６上の微小な
凸部が研磨される。

【０１０１】この研磨において、研磨装置１０は、研磨
パッド１１及び半導体ウェハ６間の機械的伝達関数の基
本共振周波数に対して（図１〜図３）、半導体ウェハ６
の凸部による周波数が高い周波数になるように、高速度
（３００〔ｒ／ｍｉｎ〕）により回転駆動される。また
研磨パッド１１がリング状に形成されて、半導体ウェハ
６の凸部による周波数との関係が研磨領域の全領域にお
いて維持される。これにより研磨パッド１１は、この微
小な凸部に対して、この凸部による押圧力に反して砥粒
が変位するように凸部を押圧し、これによりこの凸部を
積極的に研磨する。

【０１０２】また半導体ウェハ６の回転及び往復運動に
より、この研磨領域が徐々に半導体ウェハ６上で変位
し、これによりこの凸部の積極的な研磨が半導体ウェハ
６の表面全体で実行される。このとき研磨パッド１１の
弾性（硬度）との関係で、半導体ウェハ６の回転速度に
おいては、半導体ウェハ６のうねりによる周波数が研磨
パッド１１の機械的伝達関数の基本共振周波数より十分
に低くなるように設定されていることにより、研磨パッ
ド１１においては、この半導体ウェハ６のうねりに対し
ては、このうねりに沿って弾性変形して半導体ウェハ６
の表面を均一に研磨する。

【０１０３】これによりこの研磨装置１０では、半導体
ウェハ６の表面に形成された大きなうねりは維持したま
ま、微細な凹凸を平坦化する（図１３）。

【０１０４】このとき研磨装置１０では、研磨パッド１
１に含まれる固定砥粒に対して、粒径が１／６〜１／３
の範囲に設定された遊離砥粒がスラリーにより供給さ
れ、これにより研磨領域が潤滑され、固定砥粒と遊離砥
粒とにより半導体ウェハ６の表面を効率良く研磨する。

【０１０５】またこのとき脱落した固定砥粒、半導体ウ
ェハ６の研磨かすが、研磨パッド１１に形成された空孔
に逃げるようにして半導体ウェハ６の表面が研磨され、
また遊離砥粒によりこのような空孔の目詰まりが防止さ
れ、これにより数百枚半導体ウェハを連続して研磨する
場合でも、当初の研磨能力によりこれら半導体ウェハ６
が研磨される。

【０１０６】このようにして半導体ウェハ６を研磨する
につき、研磨装置１０では、研磨パッド１１を回転駆動
する主軸スピンドル４０の回転中心軸Ｏが、テーパーリ
ング５０及び５１の調整により微小角度傾けることがで
きるように形成され、この回転中心軸Ｏが傾けられる
と、その分研磨パッド１１も半導体ウェハ６に対して傾
いて接触する。研磨装置１０では、この回転中心軸Ｏの
傾きに対応して、研磨パッド１１がフェーシングされて
おり、研磨パッド１１が押圧されて半導体ウェハ６に接
触してなる研磨領域の大きさがこの傾きに応じて変化す
ることになる（図１６〜２０）。

【０１０７】これにより研磨装置１０では、この傾きを
適切に選定して研磨領域の大きさについても種々に変更
することができるようになされている。

【０１０８】また研磨装置１０では、ロードセル３５
Ｌ、３５Ｒにより、又は主軸スピンドル４０の負荷変動
により、半導体ウェハ６に対する押圧力がモニタされな
がら、Ｚ軸サーボモータ２９の制御により、単位面積当
たりの押圧力が所定の設定値に維持されて、研磨パッド
１１が主軸スピンドル４０により回転駆動される。この
とき半導体ウェハ６は、所定の回転速度で回転駆動され
た状態で、Ｘ軸テーブル２６により研磨パッド１１の回
転中心軸から手前側に偏って往復運動する。

【０１０９】この偏った往復運動に対応するように、研
磨装置１０では、主軸スピンドル４０の手前側に、デッ
ドウエイト５４が配置されることにより、偏った往復運
動による押圧力の偏りが補正される（図２１〜図２
４）。

【０１１０】またこの往復運動におけるＸ軸テーブルの
送り速度が、研磨領域の位置に応じて制御され、これに
より半導体ウェハ６は、全体が一定の研磨量により平坦
に研磨される。

【０１１１】（４）第１の実施の効果以上の構成によれば、リング状の研磨パッド１１を半導
体ウェハに押圧して研磨領域を形成し、この研磨領域に
おいて、半導体ウェハの微細な凸部による周波数が研磨
パッド１１及び半導体ウェハ６間の機械的伝達関数の基
本共振周波数以上になるように研磨パッドを回転させる
ことにより、この微細な凸部による変位方向に対してこ
れとは逆方向に変位するように凸部を押圧して研磨する
ことができ、これにより半導体ウェハ６の表面を平坦す
ることができる。また半導体ウェハ６のうねりによる周
波数が基本共振周波数より十分に低い周波数になるよう
に、研磨領域を変位させることにより、半導体ウェハ６
全体として、半導体ウェハ６のうねりに沿って研磨する
ことができる。これらにより半導体ウェハの表面を高い
精度により研磨することができる。

【０１１２】またこのとき研磨パッドの固定砥粒と、ス
ラリーによる遊離砥粒により半導体ウェハを研磨するこ
とにより、さらにはこの遊離砥粒の粒径を固定砥粒の１
／６〜１／３の範囲に選定したことにより、効率良く半
導体ウェハを研磨することができる。

【０１１３】さらにこの研磨パッドに微細な空孔を形成
することにより、脱落した固定砥粒等による研磨能力の
低下を有効に回避することができる。

【０１１４】さらに単位面積当たりの押圧力を一定値に
保持した状態で、研磨パッド１１及び半導体ウェハ６を
一定の速度により回転駆動すると共に、半導体ウェハ６
を往復運動させ、この往復運動の送り速度を変化させて
研磨領域の位置に応じて研磨領域の変位速度を変化させ
ることにより、半導体ウェハ６の全面を均一に研磨する
ことができる。

【０１１５】さらに研磨パッド１１を傾けて押圧できる
ことにより、必要に応じて研磨領域の大きさを種々に選
定して最適な条件により研磨することができる。

【０１１６】また研磨パッドに対して偏った半導体ウェ
ハの往復運動に対応して、主軸スピンドル４０の手前側
に重りを配置することにより、偏った往復運動による押
圧力の偏りを補正して均一に研磨することができる。

【０１１７】（５）他の実施の形態なお上述の実施の形態においては、Ｘ軸テーブルの送り
速度の制御により研磨領域の位置に応じて研磨領域の変
位速度を可変する場合について述べたが、本発明はこれ
に限らず、半導体ウェハ６の回転速度の制御により研磨
領域の位置に応じて研磨領域の変位速度を可変し、これ
により半導体ウェハの各部における研磨量を均一化して
もよい。

【０１１８】また研磨領域の変位速度に代えて、研磨パ
ッドの押圧力、研磨パッドの回転速度を可変して半導体
ウェハの各部における研磨量を均一化してもよく、また
これらの制御を組み合わせて実行して研磨量を均一化し
てもよい。

【０１１９】図３６は、この半導体ウェハ６の回転速度
を制御する場合の、中央処理ユニットの構成を示す機能
ブロック図である。この図３６に示す構成においては、
研磨領域における半導体ウェハ６と研磨パッド１１の相
対速度を基準にして半導体ウェハ６の回転速度を制御す
る。

【０１２０】すなわち中央処理ユニット８２は、Ｘ軸サ
ーボモータ６５の回転量より、相対速度算出部８２Ｉに
おいて、半導体ウェハ６及び研磨パッド１１の各回転中
心軸を基準にして、研磨領域の位置を検出する。

【０１２１】相対速度算出部８２Ｉは、この計算した研
磨領域の位置及びテーブル軸サーボモータ６９の回転速
度から、研磨領域における半導体ウェハ６の線速度を計
算する。また同様にして相対速度算出部８２Ｉは、この
計算した研磨領域の位置及び主軸スピンドル４０の回転
速度より、研磨領域における研磨パッド１１の線速度を
計算する。さらにこの計算した２つの線速度を加算し、
これにより相対速度を算出する。

【０１２２】中央処理ユニット８２は、続く減算部８２
Ｋにおいて、相対速度設定部８２Ｊに保持された相対速
度との間で、計算した相対速度の誤差値を計算し、続く
速度指令計算部８２Ｌにおいて、この誤差値が０になる
ように制御データを生成する。このようにすれば、単に
研磨量を均一化するだけでなく、半導体ウェハのダメー
ジも低減することができる。

【０１２３】すなわちこのようにして計算される相対速
度が大きい場合、相対速度が小さい場合に比して、微小
な凸部が速やかに研磨される。また半導体ウェハの全体
を見ても研磨速度が増大する。しかしながら半導体ウェ
ハの研磨面に残る残留応力、内部歪みにおいては、相対
速度に伴い増大する。従ってこのように相対速度を制御
基準に設定して、半導体ウェハの回転速度を制御するこ
とにより、また併せて押圧力等の制御により研磨量を均
一化して、ダメージの少ない研磨処理を実行することが
できる。

【０１２４】また上述の実施の形態においては、Ｘ軸テ
ーブルの送り速度の制御により研磨領域の位置に応じて
研磨速度を可変する場合について述べたが、本発明はこ
れに限らず、ロードセルの出力電圧により、又は主軸ス
ピンドルの負荷電流により、研磨パッドの負荷を検出
し、この負荷により研磨速度を可変することにより、半
導体ウェハの各部における研磨量を均一化してもよい。

【０１２５】さらに上述の実施の形態においては、事前
の設定に従って研磨速度を制御する場合について述べた
が、本発明はこれに限らず、例えば図３７に示す研磨装
置１１０のように、膜厚検出センサ１１１により膜厚を
測定し、この測定結果よりリアルタイムで研磨目標を設
定すると共に、この研磨目標に対応した研磨速度を設定
するようにしてもよい。

【０１２６】また上述の実施の形態においては、主軸ス
ピンドル４０の負荷により研磨速度を制御する場合につ
いて述べたが、本発明はこれに限らず、併せてこの負荷
を監視することにより、研磨パッド１１の目詰まり、ス
ラリーの過不足、半導体ウェハ６の破損等を検知しても
よい。

【０１２７】また上述の実施の形態においては、研磨パ
ッド１１に対する押圧力を主軸スピンドル４０の負荷又
はロードセルにより検出する場合について述べたが、本
発明はこれに限らず、例えばエアシリンダによって、研
磨パッド１１を半導体ウェハに押圧する研磨装置の場合
には、シリンダ圧力から直接押圧力を検出してもよい。
またＺ軸サーボモータの駆動トルクから押圧力を検出し
てもよい。

【０１２８】さらに上述の実施の形態においては、研磨
パッドに対して半導体ウェハを偏よらせて往復運動させ
る場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例え
ば上述の実施の形態の２倍のストロークにより研磨パッ
ドに対して対称に半導体ウェハを往復運動させてもよ
い。なおこのようにすれば、デッドウェイトの配置を省
略することもできる。

【０１２９】また上述の実施の形態においては、デッド
ウェイトを固定した１箇所に配置する場合について述べ
たが、本発明はこれに限らず、半導体ウェハの往復運動
に伴ってデッドウェイトの位置を変位させて、単位面積
当たりの押圧力が常に均一になるようにしてもよい。

【０１３０】さらに上述の実施の形態においては、集積
回路製造工程において半導体ウェハを研磨する場合につ
いて述べたが、本発明はこれに限らず、例えば光学部品
の製造工程においてレンズ等を研磨する場合等にも広く
適用することができる。

【０１３１】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、研磨領域
を加工面上で順次変位させて加工面を研磨する際に、研
磨領域においては、研磨面の各部を加工面に対して所定
の基準速度以上で変位させ、また加工面に対しては研磨
領域を基準速度以下で変位させることにより、配線パタ
ーン等による加工面の微小な凹凸を、従来に比して格段
的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の研磨原理
の説明に供する断面図である。

【図２】図１の説明に供する研磨装置の基本構成を示す
斜視図である。

【図３】機械的伝達関数を示す特性曲線図である。

【図４】研磨装置の全体構成を示す斜視図である。

【図５】図４の研磨装置の加工部を示す平面図及び側面
図である。

【図６】図５の正面図である。

【図７】研磨パッドの取付けを示す断面図である。

【図８】図７の底面図である。

【図９】研磨パッドによる研磨の説明に供する断面図で
ある。

【図１０】図４の研磨装置による研磨速度を示す特性曲
線図である。

【図１１】研磨枚数と研磨速度との関係を示す特性曲線
図である。

【図１２】研磨のテストに使用した半導体ウェハを示す
断面図である。

【図１３】凸部の研磨能力の説明に供する特性曲線図で
ある。

【図１４】半導体ウェハと研磨パッドとの関係を示す断
面図である。

【図１５】半導体ウェハにおける研磨領域の変位を示す
略線図である。

【図１６】主軸の傾き調整機構を示す側面図である。

【図１７】傾き調整機構の動作の説明に供する略線図で
ある。

【図１８】傾き調整機構による研磨パッドの傾きを示す
略線図である。

【図１９】図１８の断面図である。

【図２０】研磨パッドの傾きと研磨領域との関係を示す
略線図である。

【図２１】研磨パッド及び半導体ウェハが重なり合った
場合における押圧力の分布の説明に供する略線図であ
る。

【図２２】図２１に対して半導体ウェハが変位した場合
における押圧力の分布の説明に供する略線図である。

【図２３】図２２に対して半導体ウェハがさらに変位し
た場合における押圧力の分布の説明に供する略線図であ
る。

【図２４】デッドウエイトの説明に供する略線図であ
る。

【図２５】研磨パッドに対する研磨速度の分布を示す特
性曲線図である。

【図２６】研磨パッドの回転速度と半導体ウェハの回転
速度との関係を示す略線図である。

【図２７】半導体ウェハの往復運動と研磨量との関係を
示す特性曲線図である。

【図２８】半導体ウェハの送り速度の補正結果を示す特
性曲線図である。

【図２９】実際の実施の形態に係る半導体ウェハの送り
速度の補正の説明に供する特性曲線図である。

【図３０】１枚の半導体ウェハ中における研磨量の測定
結果を示す特性曲線図である。

【図３１】連続して半導体ウェハを研磨した場合におけ
る平坦度の変化を示す特性曲線図である。

【図３２】図４の研磨装置の制御系を示すブロック図で
ある。

【図３３】図３２の主制御装置を周辺構成と共に示すブ
ロック図である。

【図３４】半導体ウェハの送り制御について、図３４の
中央処理ユニットを周辺構成と共に示す機能ブロック図
である。

【図３５】押圧力の制御について、図３４の中央処理ユ
ニットを周辺構成と共に示す機能ブロック図である。

【図３６】他の実施の形態に係る研磨装置の中央処理ユ
ニットについて、他の周辺構成と共に半導体ウェハの回
転速度の制御系を示す機能ブロック図である。

【図３７】他の実施の形態に係る研磨装置の基本構成を
示す斜視図である。

【図３８】半導体ウェハの断面図である。

【図３９】従来の研磨装置の基本構成を示す斜視図であ
る。

【図４０】図３９の研磨装置による研磨原理の説明に供
する断面図である。

【符号の説明】

５、１０、１１０……研磨装置、６、Ｗ……半導体ウェ
ハ、１１、Ｐ……研磨パッド、１３……加工部、１６…
…ウェハ搬送機構、２４……Ｚ軸スライダ、２６……Ｘ
軸テーブル、２９……Ｚ軸サーボモータ、３５Ｌ、３５
Ｒ……ロードセル、４０……主軸スピンドル、４２……
主軸、６０……主制御装置

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 1/04 B24B 37/00 B24B 37/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加工対象の加工面に研磨材の研磨面が接触
してなる研磨領域を、前記加工面上で順次変位させて前
記加工面を研磨する研磨装置において、前記研磨領域において、前記研磨面の各部を前記加工面
に対して所定の基準速度以上で変位させ、前記加工面上において、前記研磨領域を前記基準速度以
下で変位させ、前記基準速度は、前記研磨材及び前記加工対象間における機械的伝達関数
の基本の共振周波数に対応する速度でなり、前記加工面の凸部又は凹部が前記研磨面に与える応力の
周波数が、前記共振周波数以上になるように前記研磨面
の変位速度を設定することにより、前記研磨面の各部を
前記加工面に対して前記基準速度以上で変位させ、前記加工面のうねりが前記研磨面に与える応力の周波数
が、前記共振周波数以下になるように変位速度を設定す
ることにより、前記研磨領域を前記基準速度以下で変位
させることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】前記加工面上における研磨領域の位置に応
じて、前記加工面に対する前記研磨面の押圧力を可変す
ることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】前記加工面上における前記研磨領域の位置
に応じて、前記加工面に対する前記研磨面の変位の速度
を可変することを特徴とする請求項１に記載の研磨装
置。
【請求項４】前記加工面上における研磨領域の位置に応
じて、前記研磨領域の変位の速度を可変することを特徴
とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項５】前記研磨材を駆動する際の負荷に応じて、
前記加工面に対する前記研磨面の押圧力を可変すること
を特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項６】前記研磨材を駆動する際の負荷に応じて、
前記加工面に対する前記研磨面の変位の速度を可変する
ことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項７】前記研磨材を駆動する際の負荷に応じて、
前記研磨領域の変位の速度を可変することを特徴とする
請求項１に記載の研磨装置。
【請求項８】前記加工面の膜厚に応じて、前記加工面に
対する前記研磨面の押圧力を可変することを特徴とする
請求項１に記載の研磨装置。
【請求項９】前記加工面の膜厚に応じて、前記加工面に
対する前記研磨面の変位の速度を可変することを特徴と
する請求項１に記載の研磨装置。
【請求項１０】前記加工面の膜厚に応じて、前記研磨領
域の変位の速度を可変することを特徴とする請求項１に
記載の研磨装置。
【請求項１１】前記研磨対象を回転駆動して前記研磨領
域を変位させ、前記研磨対象の回転速度を可変することにより、前記研
磨領域の変位の速度を可変することを特徴とする請求項
４に記載の研磨装置。
【請求項１２】前記研磨対象を回転駆動して、前記研磨
領域を変位させ、前記研磨対象の回転速度を可変することにより、前記研
磨領域の変位の速度を可変することを特徴とする請求項
７に記載の研磨装置。
【請求項１３】前記研磨対象を回転駆動して、前記研磨
領域を変位させ、前記研磨対象の回転速度を可変することにより、前記研
磨領域の変位の速度を可変することを特徴とする請求項
１０に記載の研磨装置。
【請求項１４】前記研磨材に対して前記研磨対象を移動
させることにより、前記研磨領域を変位させ、又は前記研磨対象に対して前記研磨材を移動させること
により、前記研磨領域を変位させ、前記加工対象又は前記研磨材の移動の速度を可変するこ
とにより、前記研磨領域の変位の速度を可変することを
特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項１５】前記研磨材に対して前記研磨対象を移動
させることにより、前記研磨領域を変位させ、又は前記研磨対象に対して前記研磨材を移動させること
により、前記研磨領域を変位させ、前記加工対象又は前記研磨材の移動の速度を可変するこ
とにより、前記研磨領域の変位の速度を可変することを
特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項１６】前記研磨材に対して前記研磨対象を移動
させることにより、前記研磨領域を変位させ、又は前記研磨対象に対して前記研磨材を移動させること
により、前記研磨領域を変位させ、前記加工対象又は前記研磨材の移動の速度を可変するこ
とにより、前記研磨領域の変位の速度を可変することを
特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
【請求項１７】前記研磨材の研磨面が前記加工面を押圧
する押圧力を検出し、前記押圧力を制御することを特徴とする請求項１に記載
の研磨装置。
【請求項１８】前記研磨材を回転駆動して、前記研磨材
を部分的に前記加工面に接触させることにより、前記研
磨領域を設定し、前記加工面に対する前記回転駆動の軸の傾きが調整可能
に保持されたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装
置。
【請求項１９】前記研磨材を回転駆動して、前記研磨材
を部分的に前記加工面に接触させることにより、前記研
磨領域を設定し、回転軸に対する前記研磨領域の偏りが補正可能に設定さ
れたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項２０】前記研磨領域に遊離砥粒を供給すること
を特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項２１】前記研磨領域に、前記研磨材に含まれる
固定砥粒に対して、粒径が１／６〜１／３の遊離砥粒を
供給することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項２２】所定の回転軸により回転駆動された状態
で、回転する加工対象の加工面に部分的に押圧されて、
前記加工面を研磨する研磨材において、前記加工対象に対する機械的伝達関数の基本共振周波数
が、前記加工対象の回転周波数の１０倍以上の周波数に
なるように、硬度が設定されたことを特徴とする研磨
材。
【請求項２３】微細な空孔を有する樹脂に固定砥粒が分
散混入されて形成されたことを特徴とする請求項２２に
記載の研磨材。
【請求項２４】加工対象の加工面に研磨材の研磨面が接
触してなる研磨領域を形成し、前記研磨領域において、前記研磨面の各部を前記加工面
に対して所定の基準速度以上で変位させ、前記加工面上において、前記研磨領域を前記基準速度以
下で変位させ、前記基準速度は、前記研磨材及び前記加工対象間における機械的伝達関数
の基本の共振周波数に対応する速度でなり、前記加工面の凸部又は凹部が前記研磨面に与える応力の
周波数が、前記共振周波数以上になるように前記研磨面
の変位速度を設定することにより、前記研磨面の各部を
前記加工面に対して前記基準速度以上で変位させ、前記加工面のうねりが前記研磨面に与える応力の周波数
が、前記共振周波数以下になるように変位速度を設定す
ることにより、前記研磨領域を前記基準速度以下で変位
させることを特徴とする研磨方法。
【請求項２５】微細な空孔を有する樹脂に固定砥粒を分
散混入して前記研磨材を形成し、前記研磨領域に遊離砥粒を供給することを特徴とする請
求項２４に記載の研磨方法。
【請求項２６】前記固定砥粒の粒径に対して、前記遊離
砥粒の粒径を１／６〜１／３に設定したことを特徴とす
る請求項２５に記載の研磨方法。
【請求項２７】前記加工面上における研磨領域の位置に
応じて、前記加工面に対する前記研磨面の押圧力を可変
することを特徴とする請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項２８】前記加工面上における前記研磨領域の位
置に応じて、前記加工面に対する前記研磨面の変位の速
度を可変することを特徴とする請求項２４に記載の研磨
方法。
【請求項２９】前記加工面上における研磨領域の位置に
応じて、前記研磨領域の変位の速度を可変することを特
徴とする請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項３０】前記研磨材を駆動する際の負荷に応じ
て、前記加工面に対する前記研磨面の押圧力を可変する
ことを特徴とする請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項３１】前記研磨材を駆動する際の負荷に応じ
て、前記加工面に対する前記研磨面の変位の速度を可変
することを特徴とする請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項３２】前記研磨材を駆動する際の負荷に応じ
て、前記研磨領域の変位の速度を可変することを特徴と
する請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項３３】前記加工面の膜厚に応じて、前記加工面
に対する前記研磨面の押圧力を可変することを特徴とす
る請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項３４】前記加工面の膜厚に応じて、前記加工面
に対する前記研磨面の変位の速度を可変することを特徴
とする請求項２４に記載の研磨方法。
【請求項３５】前記加工面の膜厚に応じて、前記研磨領
域の変位の速度を可変することを特徴とする請求項２４
に記載の研磨方法。