JP3788810B2 - Polishing equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、LSIの多層化された金属配線構造の形成に必要となる層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、および埋め込み金属配線の形成に用いられる研磨装置および研磨方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSIの高集積化、高性能化のために様々な微細加工技術が研究、開発されている。この研究・開発において、化学的機械的研磨方法(ケミカルメカニカルポリッシング、以下CMPと省略する)が注目されている。CMPは、研磨剤と被研磨体との間の化学的作用と、研磨剤中の研磨粒子の機械的作用とを複合化させた研磨技術であり、被研磨面に形成される変質層が小さく、研磨速度が速いという特徴を有することから、半導体装置製造プロセス、特に、多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み金属配線形成において必須の技術となっている。
【0003】
以下、現在CMPに一般的に用いられている研磨装置および研磨方法について説明する。従来から、研磨装置には、シリコン基板の鏡面研磨等に用いられている研磨装置をLSIプロセスに適用できるように、例えば、基板の洗浄装置、研磨粒子がクリーンルーム内に飛散しないようにする気流制御装置、スループットを向上させるための搬送機構を備えたものが使用されている。
【0004】
図1は研磨装置を示す概略図である。図中1は被研磨体保持手段であるトップリングを示す。このトップリング1は図示しないモータ等の駆動機構に接続されており、この駆動機構により上下方向に移動可能であり、また回転可能になっている。また、トップリング1には、トップリング1に荷重Wを付加するエアシリンダ機構(図示せず)が設けられている。トップリング1には、真空チャックによりゴム等の弾性部材3を介して被研磨体2が保持されている。トップリング1の下方には、研磨定盤4が配置されており、研磨定盤4の上面には、弾性を有する研磨パッド5が貼着されている。この研磨定盤4は駆動機構(図示せず)により回転可能になっており、冷却水を循環させる冷却機構が設けられている。また、研磨定盤4よりも上方には、研磨剤6を研磨パッド5上に供給する研磨剤供給管7が設置されている。なお、研磨パッド5の材料としては、一般的に弾性がある不織布、発泡ポリウレタン等が用いられている。
【0005】
上記構成を有する研磨装置において、被研磨体2をトップリング1で保持し、駆動機構によりトップリング1および研磨定盤4を回転させ、トップリング1を下方に降下させて、弾性部材3を介して被研磨体2を研磨パッド5に一定の荷重Wで押し付ける。この状態で研磨剤供給管7の吐出部8から研磨剤6を研磨パッド5上に供給することにより研磨が行われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した研磨装置および研磨方法を層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み金属配線形成等のLSIプロセスに適用する場合、被研磨体の面内均一性、平面精度等が不充分である。また、装置管理に費やす時間が長く、非効率的である。
【0007】
例えば、上述した構造のトップリング、研磨パッドでは、研磨中に発生する摩擦熱を良好に逃がすことができず、被研磨体の温度が上昇してディッシング(埋め込み金属配線形成の際の溝中の金属配線の厚さ減少)やシニング(層間絶縁膜の平坦化の際の層間絶縁膜の過剰な削り込み)が生じる問題がある。特に、CMPは、研磨において化学的作用を利用しているので摩擦熱により被研磨体の温度が上昇すると研磨速度が非常に速くなり、ディシング、シニングの発生が顕著になり、研磨プロセスを制御することができなくなる恐れがある。特に、被研磨体を連続して多数研磨した場合、摩擦熱が蓄積するために研磨速度の変化、ディッシング量、シニング量が大きくなる。このように研磨プロセスにおいて、ディッシングやシニングが起こると、被研磨体の面内均一性が悪くなり、研磨にバラツキが生じる。これにより、歩留りが悪くなる。
【0008】
一方、上述したような弾性を有する研磨パッドにおいては、研磨の際に弾性変形を起こし、被研磨体にディッシングやシニングが生じることがある。また、弾性を有する研磨パッドでは、研磨剤中の研磨粒子の保持にバラツキが生じ、これにより研磨速度にバラツキが生じる。したがって、被研磨体の面内均一性が悪くなり、研磨にバラツキが生じ、歩留りが悪くなる。
【0009】
近年、硬質プラスチック等を用いた比較的硬い材料からなる研磨パッドを使用することが検討されているが、この研磨パッドでは、弾性変形が小さいために被研磨体の厚さのバラツキを許容できず、被研磨体の厚さ分布のバラツキが被研磨体の面内荷重分布のバラツキに直結し、研磨速度の面内均一性をさらに悪化させる問題がある。さらに、この研磨パッドは、比較的硬いので、研磨粒子を充分に保持することができず、研磨速度が非常に遅くなる問題がある。また、この研磨パッドに使用される硬質プラスチックは、熱伝導率が非常に低く、硬度が高いので、摩擦熱の放熱や被研磨体の傷付きの防止の点においても不利である。
【0010】
一方、研磨プロセスにおける終点は、研磨パッドの状態で変わるので、多数の被研磨体を研磨する間に終点検出が非常に難しくなる。したがって、被研磨体間で研磨のバラツキが起こるという問題がある。このような場合に、研磨プロセスの終点を正確に検出できる方法や研磨パッドの交換時期を確認する方法等が望まれる。
【0011】
上述した問題があると、多数の被研磨体に対する研磨プロセスを安定化させることができない。
【0012】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、研磨プロセスを安定化させる研磨装置および安定して研磨を行うことができる研磨方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の第1の発明は、研磨パッドが取り付けられる研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記被研磨体保持手段は、この被研磨体保持手段に流体を循環させるように構成された流体供給手段および流体排出手段と、被研磨体保持手段からの流体の漏洩を防止するシール部材とを有することを特徴とする研磨装置を提供する。
【0014】
第1の発明において、流体を循環させるように構成された流体供給手段および流体排出手段としては、例えば、被研磨体保持手段の被研磨体収容部と連通した流体供給管および流体排出管が挙げられる。
【0015】
第1の発明によれば、流体供給手段から供給された流体が被研磨体を均一に押圧することにより、被研磨体を研磨パッドに均一に押圧することができ、これにより、研磨における被研磨体の面内均一性が向上する。さらに、流体を循環させることにより、研磨中に被研磨体を冷却することができ、被研磨体の温度を制御(温度維持)することができる。これにより、研磨速度を安定化させることができる。
【0016】
本発明の第2の発明は、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドに押圧されて接触するダミー被研磨体と、前記研磨パッドと前記ダミー被研磨体を相対的に動かすように前記ダミー被研磨体を支持する支持手段と、前記支持手段に加わる負荷もしくは前記支持手段に通電される電流を監視する監視手段とを具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【0017】
また、本発明の第2の発明は、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤により前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドの劣化状況を監視する手段と、前記研磨剤の温度、前記研磨剤のpH、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷を監視する手段と、前記研磨パッドの劣化状況に対応する研磨速度の情報と、監視された前記研磨剤の温度、前記研磨剤のpH、前記被研磨体を前記研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または前記研磨定盤もしくは前記被研磨体保持手段の相対的運動における負荷の情報とを用いて演算を行う演算手段と、前記演算手段により得られた情報に基づいて研磨処理を制御する制御手段とを具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【0018】
第2の発明の研磨装置において、ダミー被研磨体の材料としては、被研磨体と同種の材料であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜の平坦化の場合には、ダミー被研磨体の材料として層間絶縁膜と同一の材料であるSiO2 あるいはポリイミド等の高分子材料を用いることができる。また、層間絶縁膜の材料が硼素(B)あるいは弗素(F)等を不純物として含むSiO2 の場合には、ダミー被研磨体の材料として同一の材料または溶融石英等を用いことができる。一方、埋め込み金属配線形成の場合には、ダミー被研磨体の材料として金属配線材料と同一の金属、その金属を主成分とする合金、金属配線材料と層間絶縁膜材料との化合物や混合物、あるいは金属配線材料とほぼ同一の硬度を有する他の金属材料等を用いることができる。なお、ダミー被研磨体の材料は、被研磨体の材料を主成分としなくてもよく、実際に研磨パッドの劣化を検知するために適切な材質であり、しかも被研磨体の研磨速度と研磨パッド等の冶具の監視値とを関連づけられるものであればよい。
【0019】
このダミー被研磨体に加える荷重および回転数は、研磨パッドの状況変化が詳細に把握できる条件を選択する。したがって、被研磨体を保持する被研磨体保持手段に加える荷重および回転数と同じに設定する必要はない。また、ダミー被研磨体の大きさも被研磨体と同じに設定する必要はなく、研磨パッドの状況変化がトルクや通電電流の変化により詳細に把握することができれば特に制限はないが、ダミー被研磨体の研磨により研磨パッドが劣化しないように、できるだけ被研磨体よりも小さいことが望ましい。
【0020】
第2の発明において、ダミー被研磨体の監視は、被研磨体が研磨パッドと実際に接触する部分で行われる必要があり、被研磨体保持手段が揺動するタイプの場合には、この揺動範囲内で研磨中常時監視してもよく、被研磨体の交換時に定期的に行ってもよい。この監視は、ダミー被研磨体を回転させる回転手段に加わる負荷(荷重)もしくは回転手段に通電される電流について行う。なお、ダミー被研磨体を支持しながら回転させる回転手段としては、被研磨体保持手段に採用される機構等を用いることができる。また、回転手段に加わる負荷(荷重)や回転手段に通電される電流を監視する監視手段としては、ロードセルや通常の電流計等を挙げることができる。
【0021】
このようなダミー被研磨体を用いた監視機構を設けることにより、研磨パッドの劣化による被研磨体保持手段あるいは研磨定盤のトルクの変動が、実際の研磨終点に起因するものであるか、研磨パッドの劣化に起因するものであるかを正確に知ることができ、研磨終点の検知を容易にすることができる。これにより、製品の歩留りを向上させることができ、研磨パッドの交換時期あるいはドレッシング時期を正確に決定することができる。
【0022】
また、第2の発明の研磨装置において、研磨剤の温度、研磨剤のpH、被研磨体を研磨パッド上に押圧する際の押圧力、または定盤もしくは被研磨体保持手段の回転における負荷を監視し、その値があらかじめ設定された値を超えたときに被研磨体の研磨を終了させる場合には、例えば研磨定盤や被研磨体保持手段の駆動機構や被研磨体保持手段に負荷を加える機構と電気的に接続された制御手段を設け、監視された研磨剤の温度・pH、押圧力、または回転負荷の情報に基づいて研磨を制御する。研磨を制御する場合、研磨パッドあるいは研磨剤の温度、研磨剤のpH、押圧力、または回転負荷と研磨速度との間の関係をあらかじめ求めておき、時間積分の形で研磨終点までの値を演算し、この値と、研磨パッドあるいは研磨剤の温度、研磨剤のpH、押圧力、または回転負荷が変化したときまでの時間とを比較して被研磨体が所望の厚さまで研磨されたかどうかを判断する。このような制御をすることにより、正確な研磨終点を決定することができ、歩留りを向上させることができる。
【0023】
さらに、上記制御においては、ダミー被研磨体を用いた監視機構を組み合わせて行ってもよい。すなわち、あらかじめ研磨パッドの劣化による被研磨体保持手段あるいは研磨定盤のトルクの変動と研磨速度との関係を求めておき、研磨パッドの劣化の状況を考慮しながら上記制御を行ってもよい。このようにすることにより、安定した研磨を実現すると共に、非常に正確な終点検出が可能となり、CMPにおける製品の歩留りを向上させることができる。
【0024】
なお、本発明の第1および第2の発明においては、研磨パッドは、弾性を有するいわゆる軟質研磨パッドを用いてもよく、硬質プラスチック等からなるいわゆる硬質研磨パッドを用いてもよい。
【0025】
本発明の第3の発明は、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッド中もしくが前記研磨パッドと前記研磨定盤との間に流体を通流させる流体通流手段を有し、前記流体により前記研磨パッドの温度を制御することを特徴とする研磨装置を提供する。
【0026】
第3の発明において、流体通流手段としては、流体を循環させるように構成された流体供給手段および流体排出手段、例えば、研磨パッドに設けられた流体供給管および流体排出管が挙げられる。
【0027】
このような研磨パッドとしては、上下に貫通する孔あるいは溝により流体供給管および流体排出管を形成する一体成形型研磨パッド、または溝を有する複数の分割された部材を有し、溝部を組み合わせることにより流体供給管および流体排出管を形成する分割型研磨パッド等を用いることができる。
【0028】
第3の発明においては、研磨パッドと研磨定盤との間および研磨パッド内の少なくとも1箇所に研磨パッドの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からなる部材を介在させることが好ましい。
【0029】
第3の発明によれば、研磨パッド内に流体を循環させることにより、研磨中に研磨パッドを冷却することができ、被研磨体の温度を制御(温度維持)することができる。これにより、研磨速度を安定化させることができる。また、研磨パッドの材料よりも高い熱伝導率を有する材料からなる部材を介在させることにより、研磨による摩擦熱を良好に研磨定盤に逃がすことができ、ディッシングの抑制、研磨速度の安定化を促進することができる。
【0030】
本発明の第4の発明は、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを具備し、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、前記研磨パッドの研磨面には凹凸が加工形成されており、そのエッジ部が曲面で構成されることを特徴とする研磨装置を提供する。
【0031】
第4の発明において、被研磨体と接触するエッジ部が曲面で構成されるとは、完全に曲面である必要はなく、被研磨体に傷をつけるような鋭角部を有しないことを意味する。
【0032】
また、研磨パッドは、研磨剤中に含まれる研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物を含まないことが好ましい。これは、研磨パッドに研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物が含まれていると、被研磨体表面に傷が発生するからである。また、研磨パッドは、研磨の前に金属除去処理が施されていることが好ましい。この金属除去処理は、被研磨体表面に傷を生じる原因となる金属片の除去のために行うものであり、例えば塩酸/過酸化水素水溶液による処理が挙げられる。
【0033】
また、研磨パッドは、貫通孔を有しており、貫通孔を通して研磨面に研磨剤を供給する構成を有していてもよい。このような構成にすることにより、研磨剤を冷却媒体としても用いることができるので、装置構造を簡単にすることができる。さらに、研磨パッドの研磨面は、研磨面側が比較的硬いもの(例えば硬質プラスチック)であり、非研磨面側が比較的軟らかいもの(例えばゴム等の弾性体)である二層構造である複数の独立した部材から構成されていることが好ましい。このような構成にすることにより、研磨パッドの研磨面が被研磨体の動きに良く追従し、研磨速度の面内不均一性を小さくすることができる。
【0034】
第4の発明によれば、研磨パッドの研磨面が被研磨体と接触するエッジ部が曲面である凹凸部を有するので、曲面であるエッジ部が被研磨体に傷をつけることを防止し、しかも凹部により研磨粒子を保持して研磨速度の低下を防止する。
【0035】
また、第4の発明においては、研磨パッドが、研磨剤中に含まれる研磨粒子の平均粒径よりも大きな不純物を含まないこと、研磨パッドが、研磨の前に金属除去処理が施されていることにより、被研磨体に傷をつけることをさらに防止することができる。
【0036】
また、第4の発明においては、研磨パッドが、貫通孔を有しており、貫通孔を通して研磨面に研磨剤を供給する構成を有していることにより、研磨速度を向上させることができる。さらに、研磨パッドの研磨面が、研磨面側が比較的硬く、非研磨面側が比較的軟らかい二層構造である複数の独立した部材から構成されていることにより、研磨面に存在する突起部分による異常研磨を抑制して、研磨速度の不均一性を小さくすることができる。
【0037】
本発明の第5の発明は、研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、前記被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段とを備え、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨剤を供給することにより前記被研磨体に研磨処理を施す研磨装置であって、少なくとも前記被研磨体の前記被研磨面が前記研磨剤により被覆された状態に保持されるように前記研磨剤を収容する研磨剤収容手段を具備することを特徴とする研磨装置を提供する。
【0038】
第5の発明において、被研磨体の被研磨面が研磨剤により被覆された状態とは、少なくとも被研磨体の被研磨面が研磨剤中にあることを意味する。
【0039】
第5の発明によれば、被研磨体を研磨剤中で研磨することにより、研磨パッドに研磨粒子を保持することができ、研磨速度を向上させることができる。
【0040】
ここで、本発明の第1〜第5の発明において、被研磨体保持手段としては、いわゆるトップリングと呼ばれる回転体等を用いることができる。研磨剤供給手段としては、研磨剤供給タンクから研磨剤供給管を介して研磨剤を輸送する機構等を挙げることができる。あるいは、研磨剤を保持した砥石を研磨定盤として用いることもできる。被研磨体としては、シリコン基板、TFT−LCD用のガラス基板、GaAs等の化合物半導体からなる基板等を用いることができる。
【0041】
本発明の第1〜第5の発明においては、研磨パッドは、少なくとも1GPaのヤング率を有する高分子材料により形成されていることが好ましい
【0042】
このような材料としては、例えばウレタンゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴム等の硬質ゴム;PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PVdF(ポリフッ化ビニリデン)等のフッ素樹脂;ポリ塩化ビニル、PVdC(ポリ塩化ビニリデン)、PVAC(ポリ酢酸ビニル)、PVA(ポリビニルアルコール)等のビニル系樹脂;ポリアミド;ポリアセタール;ポリフェニレンオキシド;ポリカーボネート;アイオノマー;ポリウレタン;ポリエステルエラストマー;ポリスチレン;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂;ポリ−4−メチルペンテン;ポリメタクリレート;酢酸セルロース等を用いることができる。また、前記樹脂材料は、安定剤、可塑剤等の通常の添加剤が加えられていてもよい。
【0043】
また、本発明の第1〜第5の発明において、いわゆる硬質研磨パッドは研磨剤を保持した砥石(研磨粒子をフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を結合材として固めて焼結してなるもの)であってもよい。これは、ヤング率が高いので、砥石としても同様な効果が実現できるからである。
【0044】
本発明の第1〜第5の発明において、研磨パッドは、被研磨体保持手段を許容する溝部を有することが好ましい。このような構成にすることにより、研磨パッドの凹部に研磨粒子を供給することが可能になり、安定した研磨速度を提供できる。
【0045】
本発明の第1〜第5の発明においては、研磨定盤と被研磨体保持手段を相対的に動かして研磨処理を行う。したがって、研磨処理の際に、研磨定盤と被研磨体保持手段を共に動かしてもよく、研磨定盤と被研磨体保持手段のいずれか一方を固定し、他方のみを動かしてもよい。また、研磨定盤および/または被研磨体保持手段を動かす場合、回転運動させてもよく、揺動運動させてもよい。特に、回転運動させる場合には、その軌道は円でもよく、楕円のような偏心した円でもよい。
【0046】
なお、本発明の第1〜第5の発明は、適宜組み合わせて実施することができる。
【0047】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して具体的に説明する。実施例の説明において、図1に示す研磨装置と同様の概略構成についてはその説明を省略する。
【0048】
(実施例1)
本実施例は、本発明の第1の発明にかかる実施例である。
【0049】
図2(A)は本発明の第1の発明に係る研磨装置のトップリングを示す断面図であり、図2(B)は図2(A)のトップリングの被研磨体保持面側から見た平面図である。図中11はSUS製のトップリングを示す。トップリング11は、トップリングを昇降させる駆動機構、トップリング11に荷重を加えるエアシリンダ機構と連結した回転軸部11aと、被研磨体を保持する保持部11bとから主に構成されている。なお、回転軸部11aと保持部11bは一体的に形成されている。保持部11bの内部には、空隙部12が設けられており、冷却水や冷却ガスを供給する冷媒供給管13およびトップリング内を流れた流体を排出する冷媒排出管14と連通している。保持部11bには、被研磨体を収容する収容部15が設けられており、収容部の底面には、空隙部12と連通する連通孔16が形成されている。この連通孔16は、図2(B)に示すように、収容部15の底面の中央部において3方に延出した形状である被研磨体加圧用の長孔16aと、長孔16aを取り囲むように形成された冷媒循環用の複数の丸孔16bとから構成されている。また、図3に示すように、収容部15と被研磨体17との間から冷媒が漏洩しないようにゴム製のシールリング18を設けてもよい。
【0050】
冷媒は、トップリング21、真空源22、温度調整機(チラー)23、冷媒圧源24(ポンプ)、および圧力調整機25を図4(A)に示すように連結することにより循環させる。なお、トップリング21、真空源22、温度調整機(チラー)23、冷媒圧源24(ポンプ)、および圧力調整機25を図4(B)に示すように連結してもよい。
【0051】
次に、上記トップリングを有する研磨装置を用いてCuの埋め込み配線を形成する方法について説明する。
【0052】
試料としては、図5(A)に示すように、シリコン基板31上に厚さ1μmのシリコン酸化膜32を形成し、このシリコン酸化膜32の表面に幅0.4〜100μm、深さ0.4μmの配線用の溝33を通常のフォトリソグラフィー工程および反応性イオンエッチング工程により形成した後、直流マグネトロンスパッタリング法により厚さ600nmのCu膜34を形成してなるものを用いた。
【0053】
まず、トップリングの冷媒供給管14から収容部15を減圧することにより、被研磨体17である上記試料をトップリング11に保持させた後、トップリング11と研磨定盤を互いに回転させた。次いで、トップリング11を降下させて研磨パッド上に試料を接触させた。
【0054】
次いで、温度調整機(図示せず)により14℃±1℃に温度制御された水を冷媒供給管13から注入し、同時にトップリング内を流れた水を冷媒排出管14から排出して図4(A)または図4(B)に示す順で水を循環させた。さらに、冷媒排出管14に設けた圧力調整弁(図示せず)を調整して、半導体ウエハを280gf/cm2 の面荷重Wで研磨パッドに押圧した。このとき、トップリングの収容部15の底面に形成された長孔16aは、3方に延出した形状であるので半導体ウエハを面内において均等に押圧することができる。このようにして研磨を開始する。このとき、水がトップリングを押し上げる圧力よりも、トップリングに加える荷重を高くしておくことにより、トップリングから漏れる水を少なくすることができる。この研磨においては、半導体ウエハの表面温度を14℃±3℃に制御することができる。この状態で研磨剤を供給することにより研磨を行った。
【0055】
なお、研磨パッドは、硬質樹脂(熱伝導率が0.08〜0.34であるポリ塩化ビニル)製であり、研磨面には深さ1mm、幅2mmの溝が格子状に設けられたものを用いた。また、研磨剤には、グリシン/過酸化水素/ベンゾトリアゾール水溶液とコロイダルシリカとを混合したものを用いた。研磨定盤は、その内部に冷媒を循環させる機構が設けられており、冷媒(水)を循環させることにより14℃±1℃に維持した。また、研磨パッドも冷却できるように冷却機構を設けた。
【0056】
上記のように研磨を行った試料は、図5(B)に示すように、100μm幅の広い凹部でのCuのディッシング量が50nmに抑制できた。一方、比較のため、トップリングに冷媒を循環させないで上記試料を研磨した場合、図5(C)に示すように、100μm幅の広い凹部でのCuのディッシング量が300nm(d)であった。
【0057】
図6は、本発明の第1の発明に係る研磨装置を用いて上記試料を研磨した時のディッシング量を配線幅依存性および研磨速度の面内均一性(最大速度−最小速度)/(最大速度+最小速度)を示すグラフである。図6から分かるように、トップリングの温度制御を行うことにより、ディッシング量が抑制でき、研磨速度の面内均一性が向上する。トップリングの温度制御に加えて研磨パッドの温度制御を行うことにより、さらに、ディッシング量が抑制でき、研磨速度の面内均一性が向上する。このように、本発明の第1の発明によれば、研磨速度の経時変化がなく安定したCMPが可能となる。
【0058】
本実施例においては被研磨体としてCuを用いているが、少量の不純物が含まれているCuや、Cu以外の金属、例えばAg、Al、Wやこれらの合金、またはシリコン酸化物、B、P、F等の不純物を含むシリコン酸化物を被研磨体として使用しても同様に優れた効果が得られた。また、研磨粒子として、コロイダルシリカ以外の研磨粒子、例えばアルミナ、酸化セリウム等を用いても上記と同様の効果が得られた。また、研磨パッドの代わりに、シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウム粒子を保持した砥石を用いても同様の効果が得られた。
【0059】
また、本実施例においてはトップリングの収容部で直接被研磨体を保持しているが、上記収容部の底面に弾性体を介して被研磨体を保持するようにしてもよい。さらに、本実施例においては被研磨体を真空チャックを用いてトップリングに保持させているが、ワックス等を用いて被研磨体を接着して保持してもよい。また、本実施例においてはトップリング内にポンプにより冷媒を循環させているが、トップリング内に温度制御機構を設けることにより、冷媒を循環させる機構を省略することもできる。
【0060】
さらに、本実施例においては、トップリングと研磨パッドを互いに回転させて研磨を行っているが、図7に示すように、被研磨体41を真空チャック42を用いて温度制御機構43を有する研磨定盤44に固定し、冷媒を循環させる機構を有するトップリング45で研磨パッドを保持してトップリング45だけを回転、移動させて被研磨体を研磨してもよい。
【0061】
(実施例2)
実施例2および3は、本発明の第2の発明にかかる実施例である。
【0062】
図8は本発明の第2の発明に係る研磨装置を示す概略図である。図中51は回転可能な研磨定盤を示す。研磨定盤51上には研磨パッド52が取り付けられている。この研磨定盤51の上方には、被研磨体53を支持したトップリング54が配置されている。このトップリング54には、トップリング54を昇降させ、回転させるモータ等の駆動手段59が接続されている。また、トップリング54には、研磨の際に荷重W1 が加えられて被研磨体53を研磨パッド52上に押圧するように構成されている。
【0063】
また、トップリング54の側方であって研磨定盤51の上方には、ダミー被研磨体であるCu塊55が配置されている。このCu塊55には、Cu塊55を昇降させ、回転させるモータ等の駆動手段58が接続されている。また、Cu塊55には、研磨の際に荷重W2 が加えられてCu塊55を研磨パッド52上に押圧するように構成されている。なお、この駆動手段58には、回転トルクを監視できるトルクモニタ56および駆動手段58に通電される電流を監視できる電流モニタ57が内蔵されている。さらに、研磨剤を研磨パッド52上に供給するための研磨剤供給管60が配置されている。
【0064】
上記構成を有する研磨装置において、シリコン基板上にスパッタリングにより成膜した厚さ8000オングストロームのCu膜を用いて、Cu膜を研磨しながら研磨パッドの状態に応じたトルク変動および通電電流変動とCu膜の研磨速度との関係を詳細に調べた。なお、Cu膜の研磨は、以下の条件で行った。
【0065】
研磨圧力 :300g/cm2
トップリング回転数:60rpm
研磨定盤回転数 :60rpm
研磨温度 :25℃
研磨剤供給量 :50cc/分
また、研磨剤としては、グリシン0.2g、過酸化水素(35%)40ml、純水110ml、コロイダルシリカ(平均粒径30nm)8.8gを混合してなるものを用いた。研磨パッドとしては、SUBA800(ロデール社製、商品名)を用いた。
【0066】
一方、Cu塊55にW2 として300g/cm2 の荷重を加え、回転数を一定に保つために必要な電流値(トルク)を測定した。また、図9に示すように、研磨定盤51上の研磨パッド52にCu塊55をW3 として300g/cm2 の荷重を加えて、研磨定盤51の回転のほぼ接線方向に摺動できるようにし、このCu塊55に研磨中に作用する動摩擦力を摩擦力モニタ61により測定した。なお、Cu塊としては、直径5cm、厚さ3cmのものを用いた。この電流値(トルク)および動摩擦力を研磨パッドの状態を監視する基準とした。
【0067】
この研磨条件でのCu膜の研磨速度は約350オングストローム/分であった。一つのシリコン基板につき10分間研磨を行った後、シリコン基板を取り替えて上記と同様にCu膜の研磨を続けた。研磨パッドの劣化による電流値(トルク)および動摩擦力の変化に基づく研磨速度の変化が生じた時に、必要により研磨パッドの回転ブラシによるドレッシングを行った。
【0068】
図10は、研磨回数に対する、研磨パッドの劣化の検知のために監視した電流値(トルク)および動摩擦力、並びに研磨後のCuの残った膜厚から求めた研磨速度の関係を示すグラフである。また、図11は、これらの測定結果から求めた電流値(トルク)とCu膜の研磨速度との関係を示すグラフである。図10および図11から分かるように、Cu膜の加工に起因する研磨パッドの劣化により電流値(トルク)および動摩擦力は低下する。また、この電流値(トルク)および動摩擦力の低下と共にCu膜の研磨速度も低下し、しかも研磨パッドの劣化に伴ってCu膜の研磨速度のバラツキが大きくなる。
【0069】
(実施例3)
上記関係をCu膜の研磨の際に利用してCu膜に対する研磨の終点を検出する場合について説明する。なお、本実施例におけるCu膜の研磨条件は実施例2における条件と同じである。
【0070】
Cu膜の研磨中において、電流値(トルク)および動摩擦力の測定値をコンピュータで1秒ごとにサンプリングし、図11に示す電流値(トルク)あるいは動摩擦力と研磨速度との関係を用いて、サンプリング時間内に研磨されたCu膜の量を計算(積分)することにより、Cu膜の研磨されている膜厚を推定した。この推定値が加工目標値である4000オングストロームを超えた時に研磨終点として研磨を停止した。その後、シリコン基板上に残存したCu膜の膜厚から得られた実際の加工膜厚を求めて加工目標値と比較した。この場合、シリコン基板中の研磨速度にはバラツキがあるため、シリコン基板上の特定の点で評価した。
【0071】
図12は、上記の結果により得られた、研磨回数に対する、研磨パッドの劣化の検知のために監視した電流値および最終Cu膜加工厚の関係を示すグラフであり、図12から分かるように、上記制御を行うことにより、高い精度でCu膜を研磨できる。また、上記制御を行うことにより、研磨パッドの劣化による研磨速度の変化が研磨中に生じても、研磨終点を充分に予測することができる。さらに、第2の発明による監視機構を他の終点検出方法と併用することにより、より高い精度で終点を検出することが可能になる。
【0072】
(実施例4)
実施例4および5は、本発明の第3の発明にかかる実施例である。
【0073】
図13は、本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。図中71は回転可能なSUS製の研磨定盤を示す。研磨定盤71上には硬質プラスチック(ポリ塩化ビニル:熱伝導率0.08〜0.34)からなる直径約60cmの円盤状の研磨パッド72が取り付けられている。研磨パッド72の研磨面には、深さ1mm、幅2mmの複数の溝73が格子状に形成されている。また、研磨定盤71および研磨パッド72には、冷媒循環路74が内挿されており、冷却水等の冷媒(流体)を循環させることにより、研磨パッドの温度調節(温度維持)が可能となっている。この研磨定盤71に対して、被研磨体を保持したトップリングを下降させることにより被研磨体が研磨パッド72上に押圧される。
【0074】
上記構成を有する研磨装置を用いて、Cu埋め込み配線におけるCMPを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨パッド72および研磨定盤71は、冷媒循環路74に冷却水を通流させることにより14℃±1℃に保った。その結果、Cu配線のディッシングは、図17に示すような研磨定盤のみを冷却し、研磨パッドを冷却しない従来の研磨装置と比較して大幅に改善された。具体的には、図19に示すように、10μm幅配線のディッシングは、従来の約150nmに対して約25nmまで減少した。
【0075】
第3の発明に係る研磨装置としては、図14〜図16に示すような構成であってもよい。すなわち、図14に示すように、冷媒循環路74が少なくとも研磨定盤71と研磨パッド72との間の界面部分に設けられていてもよい。また、図15および図16に示すように、研磨パッド72と研磨定盤71との間に高い熱伝導率を有する材料からなる部材75を介在させてもよい。例えば、図15に示すように、研磨パッド72が表面に露出するようにして部材75に研磨パッド72を埋設してもよく、図16に示すように、研磨パッド72に研磨定盤71に達するスリットを設け、そこに部材75を嵌め込んでもよい。少なくとも、研磨中に研磨剤と接するような構造になっていることが望ましい。これにより、熱伝導性を向上させて、研磨面を効率よく温度制御することができる。
【0076】
この場合、高い熱伝導率を有する材料としては、研磨パッド72として用いる材料、例えばウレタンゴム、フッ素ゴム、テフロン、ダイフロン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド等よりも高い熱伝導率を有する材料であればよく、例えば、Al、Cu、Si、鉄、ステンレス、グラファイト、非晶質カーボン、アルミナ、石英、ガラス等を用いることができる。また、部材75は、研磨パッド72として用いる材料よりも高い熱伝導率を有する液体(例えば、純水:熱伝導率約0.6前後)を含有したものでもよく、このような液体を含有しやすい多孔性物質やスポンジ状の物で構成してもよい。
【0077】
本実施例においては、被研磨体としてCu膜を用いているが、少量の不純物を含んでいるCu膜や、Cu以外の金属、例えばAg、Al、W等からなる膜やこれらを主成分とした膜、あるいはTEOSガスを原料として形成されたプラズマCVD膜、BPSG膜、フッ素添加SiO2 膜、熱酸化膜等のシリコン酸化膜を用いてもよい。
【0078】
また、本実施例においては、研磨パッド72としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも1GPa以上のヤング率を有していれば、研磨パッド72の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径30nmのシリカ粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0079】
(実施例5)
図18は、本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。この回転可能なSUS製の研磨定盤71においては、研磨剤を収容する部分が設けられており、その収容部の底面上に研磨面に深さ1mm、幅2mmの複数の溝部73を有する研磨パッド72が載置されている。研磨パッド72は、硬質プラスチック(ポリ塩化ビニル:熱伝導率0.08〜0.34)からなり、直径約60cmの円盤状である。また、研磨パッド72の少なくとも研磨面には、研磨剤78により特性が劣化しないようにテフロンコーティングが施されている。さらに収容部には、被研磨体が研磨の際に研磨剤に浸漬されるように研磨剤78が貯留されている。また、研磨剤供給管76が収容部の研磨パッド72近傍まで延出しており、研磨剤排出管77が収容部中央の上方に延出している。この研磨剤供給管76および研磨剤排出管77により研磨剤78を循環する構成となっている。この研磨定盤71に対して、被研磨体を保持したトップリングを下降させることにより被研磨体が研磨剤78に浸漬され、さらに研磨パッド72上に押圧される。
【0080】
上記構成を有する研磨装置を用いて、Cu埋め込み配線におけるCMPを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨パッド72および研磨定盤71は、研磨剤供給管76および研磨剤排出管77に冷却した研磨剤78を通流させて収容部に貯留された研磨剤78を循環させることにより14℃±1℃に保った。その結果、Cu配線のディッシングは、図17に示すような研磨定盤のみを冷却し、研磨パッドを冷却しない従来の研磨装置と比較して大幅に改善された。具体的には、10μm幅配線のディッシングは、従来の約150nmに対して約25nmまで減少した。
【0081】
また、本実施例においては、研磨パッド72としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも1GPa以上のヤング率を有していれば、研磨パッド72の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径30nmのシリカ粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0082】
(実施例6)
実施例6〜10、比較例1〜3は、本発明の第4の発明にかかるものである。
【0083】
本実施例は、実施例4における図13の研磨定盤部において、研磨パッドの凹凸に関するものである。硬質プラスチックからなる研磨パッド81は、図20に示すように、複数の溝部84を有しており、研磨面82と溝部84の側壁面が曲面で連結されている、すなわち研磨面82を構成する凸部が曲面である。このような形状は、R形状を有するエンドミルを用いた切削加工により形成した。
【0084】
このように、研磨面に鋭角部を有しない研磨パッドを備えた研磨装置を用いて、Cu埋め込み配線におけるCMPを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。研磨中、研磨パッドおよび研磨定盤は、冷媒循環路に冷却水を通流させることにより14℃±1℃に保った。その結果、Cu配線の被研磨面には、深さ20nm以上の傷はまったく確認されなかった。
【0085】
また、本実施例においては、研磨パッド72としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドとして、平均粒径30nmのシリカ粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0086】
(比較例1)
図20に示す研磨パッドの代わりに、幅1mm、深さ1mmの断面矩形状の溝をピッチ1cmで形成した塩化ビニル製研磨パッドを用いること以外は実施例6と同様にしてCu埋め込み配線におけるCMPを行った。その結果、Cu配線の被研磨面には、深さ1μm以上の傷が確認された。
【0087】
(実施例7)
研磨パッドとして、粒径0.7μm以上の不純物をほとんど含まないポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いて、TEOSガスを原料としたプラズマCVD法により形成したシリコン酸化膜における平坦化CMPを行った。研磨剤としては、平均粒径0.7μmの酸化セリウム粒子を1重量%含む水溶液を用いた。その結果、シリコン酸化膜上には、深さあるいは幅0.1μm以上の傷はまったく確認されなかった。
【0088】
また、本実施例においては、研磨パッド72としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドとして、平均粒径600nmの酸化セリウム粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、傷の抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0089】
(比較例2)
実施例7で使用したポリ塩化ビニル製研磨パッドの代わりに、粒径0.7μm以上の不純物を含む研磨パッドを用いること以外は実施例7と同様にしてシリコン酸化膜における平坦化CMPを行った。その結果、シリコン酸化膜上に研磨粒子の平均粒径以上の深さあるいは幅の傷が多数確認された。
【0090】
(実施例8)
研磨パッドとして、塩酸/過酸化水素混合水溶液処理による金属除去処理を施したポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いて、TEOSガスを原料としたプラズマCVD法により形成したシリコン酸化膜における平坦化CMPを行った。研磨剤としては、平均粒径0.7μmの酸化セリウム粒子を1重量%含む水溶液を用いた。その結果、シリコン酸化膜上には、深さ0.1μm以上の傷は確認されなかった。
【0091】
また、本実施例においては、研磨パッド72としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、研磨パッドとして、平均粒径600nmの酸化セリウム粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、傷の抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0092】
(比較例3)
実施例8で使用したポリ塩化ビニル製研磨パッドの代わりに、金属除去処理を施さない研磨パッドを用いること以外は実施例8と同様にしてシリコン酸化膜における平坦化CMPを行った。その結果、シリコン酸化膜上に研磨粒子の平均粒径以上の深さあるいは幅の傷が多数確認された。
【0093】
(実施例9)
図21は、本発明の第4の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図である。図中91は回転可能なSUS製の研磨定盤を示す。研磨定盤71上には硬質プラスチック(ポリ塩化ビニル:熱伝導率0.08〜0.34)からなる直径約60cmの円盤状の研磨パッド92が取り付けられている。研磨パッド92の研磨面には、深さ1mm、幅2mmの複数の溝93が格子状に形成されている。また、研磨定盤91および研磨パッド92の界面には、冷媒循環路94が内挿されており、冷却水等の冷媒(流体)を循環させることにより、研磨パッドの温度調節(温度維持)が可能となっている。また、研磨定盤91および研磨パッド92には互いに連通する排出口93aが設けられており、研磨パッド92の排出口93aは外部に開口している。この排出口93aにより、冷媒循環路94を通流する冷媒の一部を循環させ、一部を研磨パッド92上に排出することができるように構成されている。
【0094】
この研磨定盤91に対して、被研磨体を保持したトップリングを下降させることにより被研磨体が研磨パッド92上に押圧される。
【0095】
上記研磨装置を用いて、Cu埋め込み配線におけるCMPを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、およびコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。この研磨剤を冷却することにより冷媒として用い、これを冷媒循環路94に通流させることにより14℃±1℃に保った。さらに、研磨剤の一部を排出口93aから研磨パッド92上に排出させた。その結果、研磨速度は、約500nm/分でCMPに充分な速度となり、Cu配線の被研磨面には、深さ20nm以上の傷はまったく確認されなかった。
【0096】
また、本実施例においては、研磨パッド92としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも1GPa以上のヤング率を有していれば、研磨パッド92の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径30nmのシリカ粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、研磨速度および傷の抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0097】
(実施例10)
研磨パッドとして、研磨面としてポリ塩化ビニルからなる層と、その研磨定盤側にゴム、織布、不織布等からなる弾性材料からなる層とを積層してなる複数の独立した部分からなる研磨パッドを用いて、Cu埋め込み配線におけるCMPを行った。研磨剤としては、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、および平均粒径70μmのコロイダルシリカを混合してなるものを用いた。その結果、研磨速度は約50nm/分でCMPとして充分な速度であった。また、研磨面の突起部分に起因する被研磨面の局部的な異常研磨は確認されなかった。
【0098】
上記実施例においては、被研磨体としてCu膜を用いているが、少量の不純物を含んでいるCu膜や、Cu以外の金属、例えばAg、Al、W等からなる膜やこれらを主成分とした膜、あるいはTEOSガスを原料として形成されたプラズマCVD膜、BPSG膜、フッ素添加SiO2 膜、熱酸化膜等のシリコン酸化膜を用いてもよい。
【0099】
また、本実施例においては、研磨パッド92としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも1GPa以上のヤング率を有していれば、研磨パッド92の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径30nmのシリカ粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、ディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0100】
(実施例11)
実施例11は、本発明の第5の発明にかかる実施例である。
【0101】
図22(A)は本発明の第5の発明に係る研磨装置を示す概略図であり、図22(B)は図22(A)に示す研磨装置の平面図である。図中101はSUS製のトップリングを示す。トップリング101は、トップリングを昇降させる駆動機構(図示せず)、トップリング101に流体により荷重を加えるシリンダ機構と連結されている。このシリンダ機構により被研磨体102を研磨パッド103に押圧するようになっている。
【0102】
研磨パッド103は、ポリ塩化ビニル製であり、SUS製の研磨定盤104上にに貼着されている。この研磨パッド103の表面には、被研磨体102を収容する深さ3mm、幅15.2cmの同心円状の第1の溝105が形成されており、さらに第1の溝の底面、すなわち被研磨体との接触面には、深さ1mm、幅2mmの格子状の第2の溝25が形成されている。
【0103】
次に、上記トップリングを有する研磨装置を用いてCuの埋め込み配線を形成する方法について説明する。
【0104】
試料としては、シリコン基板上に形成したシリコン酸化膜に溝(幅0.4〜100μm、深さ0.4μm)を形成し、その上にスパッタリングにより厚さ600nmのCu膜を形成してなるものを用いた。
【0105】
まず、トップリング101が備えている真空チャック機構(図示せず)により被研磨体102をトップリング101に保持させた後、トップリング101と研磨定盤104とを互いに回転させた。次いで、トップリング101を降下させて研磨パッド103上に試料を接触させ、シリンダ機構により280gf/cm2 の面荷重(図中の矢印)をトップリング101に加えて、試料を研磨パッドに押圧した。
【0106】
この状態で研磨剤を供給することにより研磨を行った。このとき、被研磨体の被研磨面は研磨剤中に存在した状態であった。研磨が終了した後、トップリング101および研磨定盤104の回転を停止し、被研磨体102を研磨パッド103から剥がした後、被研磨体102を洗浄した。
【0107】
なお、研磨剤には、グリシン、過酸化水素、ベンゾトリアゾール水溶液、コロイダルシリカとを混合し、その温度を14℃±1℃に制御したものを用いた。
【0108】
上記のように研磨を行った試料は、100μm幅の広い凹部でのCuのディッシング量が50nmに抑制できた。また、研磨速度は、3000オングストローム/分であり、CMPとして充分な速度であった。一方、比較のため、第1の溝105を設けない研磨パッド102を用いて上記試料を研磨した場合、Cuのディッシング量は抑制されたが、研磨速度としては満足できるものではなかった。
【0109】
また、第5の発明の研磨装置では、被研磨体を落し込む第1の溝105として深さ3mmの溝を形成しているが、溝の深さは被研磨体の研磨面が研磨剤中に存在するならば深くて浅くても問題はない。また、図23(A)および(B)に示すように、第1の溝105を被研磨体102を支持したトップリング101を収容するように形成した場合でも上記と同様な効果が得られた。
【0110】
さらに、第5の発明においては、図24に示すように、トップリング101、研磨パッド103を有する研磨定盤104の周囲にポリ塩化ビニル製の研磨剤受け109を設け、被研磨体102および研磨パッド103が研磨剤107に浸漬する構造としてもよく、あるいは、図25に示すように、研磨パッド103の外周端部に研磨剤受け109を設け、被研磨体102および研磨パッド103が研磨剤107に浸漬する構造としてもよい。ただし、これらの構造の場合、研磨剤107の循環効率が図22および図23に示す構造に比べて遅いので、研磨剤107の温度変化や研磨剤107の凝集による二次粒子の形成に起因する研磨速度の変化が生じる場合がある。これを防止するために、研磨剤107の温度調整する温度調整装置110や二次粒子を除去するフィルター111を設けて、研磨剤107を循環させることが好ましい。
【0111】
本実施例においては被研磨体としてCuを用いているが、少量の不純物が含まれているCuや、Cu以外の金属、例えばAg、Al、Wやこれらの合金、またはシリコン酸化物、B、P、F等の不純物を含むシリコン酸化物を被研磨体として使用しても同様に優れた効果が得られた。また、研磨粒子として、コロイダルシリカ以外の研磨粒子、例えばアルミナ、酸化セリウム等を用いても上記と同様の効果が得られた。また、研磨パッドの代わりに、シリカ粒子、アルミナ粒子、酸化セリウム粒子を保持した砥石を用いても同様の効果が得られた。
【0112】
また、本実施例においては、研磨パッド103としてポリ塩化ビニル製研磨パッドを使用し、研磨剤を供給しながら研磨処理を行っているが、少なくとも1GPa以上のヤング率を有していれば、研磨パッド103の代わり、いわゆる砥石を用いても上記と同様な効果が得られることが分かった。具体的には、研磨パッドとして、平均粒径30nmのシリカ粒子をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂)を結合材として固めて焼結してなるものを用い、グリシン、過酸化水素水、およびベンゾトリアゾールの混合水溶液を研磨パッド上に供給しながら研磨を行ったところ、研磨速度およびディッシングの抑制において、ポリ塩化ビニル製研磨パッドを用いた場合と同等な効果が得られた。
【0113】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明の研磨装置は、研磨の際に発生する摩擦熱によるディッシングの大幅な抑制、研磨速度の面内均一性の向上、研磨速度の安定性の向上が可能である。また、研磨中の被研磨体に対する傷を極めて少なくすることができる。したがって、LSIの多層配線形成工程における層間絶縁膜の平坦化、金属プラグ形成、埋め込み金属配線形成において、高い信頼性で安定して研磨処理を行うことができる。
【0114】
また、本発明の研磨装置は、研磨の際に発生する摩擦熱によるディッシングの大幅な抑制、研磨速度の面内均一性の向上、研磨速度の安定性の向上を可能にすることができる。さらに、研磨パッドの張り替え時期あるいはドレッシング時期を検知することができ、材料の効率的な使用が可能となる。また、正確な研磨終点を予測することが可能となり、半導体製造プロセスにおける加工の正確さを向上でき、さらに歩留りを著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】研磨装置の概略構成を示す図。
【図2】(A)は本発明の第1の発明に係る研磨装置のトップリングの一例を示す断面図、(B)は(A)に示すトップリングの平面図。
【図3】本発明の第1の発明に係る研磨装置のトップリングの他の例を示す断面図。
【図4】(A)および(B)はトップリングの冷媒循環を説明するための概略図。
【図5】(A)および(B)は本発明の第1の発明に係る研磨装置を用いてCMPを行う工程を説明する断面図、(C)は従来の研磨装置を用いてCMPを行った場合を説明する断面図。
【図6】ディッシング量と配線幅との関係を示すグラフ。
【図7】本発明の第1の発明に係る研磨装置のトップリングの他の例を示す断面図。
【図8】本発明の第2の発明に係る研磨装置を示す概略図。
【図9】図8に示す研磨装置の一部を示す概略図。
【図10】研磨回数に対する、監視した電流値(トルク)および動摩擦力、並びに研磨速度の関係を示すグラフ。
【図11】電流値(トルク)とCu膜の研磨速度との関係を示すグラフ。
【図12】研磨回数に対する、監視した電流値および最終Cu膜加工厚の関係を示すグラフ。
【図13】本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図14】本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図15】本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図16】本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図17】従来の研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図18】本発明の第3の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図19】配線幅とディッシング量との関係を示すグラフ。
【図20】本発明の第4の発明に係る研磨装置の研磨パッド表面の状態を示す概略図。
【図21】本発明の第4の発明に係る研磨装置の研磨定盤部分を示す概略図。
【図22】(A)は本発明の第5の発明に係る研磨装置を示す概略図、(B)は(A)に示す研磨装置の平面図。
【図23】(A)は本発明の第5の発明に係る研磨装置を示す概略図、(B)は(A)に示す研磨装置の平面図。
【図24】本発明の第5の発明に係る研磨装置を示す概略図。
【図25】本発明の第5の発明に係る研磨装置を示す概略図。
【符号の説明】
1,11,21,45,54,101…トップリング、2,17,41,53,102…被研磨体、3…弾性部材、4,44,51,71,91,104…研磨定盤、5,52,72,81,92,103…研磨パッド、6,107…研磨剤、7,60…研磨剤供給管、8…吐出部、11a…回転軸部、11b…保持部、12…空隙部、13…冷媒供給管、14…冷媒排出管、15…収容部、16…連通孔、16a…長孔、16b…丸孔、18…シールリング、22…真空源、23…温度調整機、24…冷媒圧源、25…圧力調整機、31…シリコン基板、32…シリコン酸化膜、33…配線用の溝、34…Cu膜、42…真空チャック、43…温度制御機構、55…Cu塊、56…トルクモニタ、57…電流モニタ、58,59…駆動手段、61…摩擦力モニタ、73,93…溝、74,94…冷媒循環路、75…部材、76…研磨剤供給管、77…研磨剤排出管、78…研磨剤、82…研磨面、84…溝部、93a…排出口、105…第1の溝、106…第2の溝、109…研磨剤受け、110…温度調整装置、111…フィルター。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a polishing apparatus and a polishing method used for planarizing an interlayer insulating film, forming a metal plug, and forming a buried metal wiring, which are necessary for forming a multilayered metal wiring structure of an LSI.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various fine processing techniques have been researched and developed for higher integration and higher performance of LSIs. In this research and development, a chemical mechanical polishing method (chemical mechanical polishing, hereinafter abbreviated as CMP) has attracted attention. CMP is a polishing technique in which the chemical action between the abrasive and the object to be polished and the mechanical action of the abrasive particles in the abrasive are combined, and the altered layer formed on the surface to be polished is small. Because of its high polishing rate, it has become an indispensable technique in semiconductor device manufacturing processes, particularly in planarization of interlayer insulating films, formation of metal plugs, and formation of embedded metal wiring in a multilayer wiring formation process.
[0003]
Hereinafter, a polishing apparatus and a polishing method that are currently generally used in CMP will be described. Conventionally, polishing equipment used for mirror polishing of silicon substrates can be applied to LSI processes, for example, substrate cleaning equipment, air flow control to prevent abrasive particles from scattering in the clean room A device equipped with a transport mechanism for improving throughput is used.
[0004]
FIG. 1 is a schematic view showing a polishing apparatus. In the figure, reference numeral 1 denotes a top ring which is a member to be polished. The top ring 1 is connected to a drive mechanism such as a motor (not shown), and can be moved up and down by the drive mechanism and can be rotated. The top ring 1 is provided with an air cylinder mechanism (not shown) that applies a load W to the top ring 1. On the top ring 1, an object to be polished 2 is held by an elastic member 3 such as rubber by a vacuum chuck. A polishing surface plate 4 is disposed below the top ring 1, and a polishing pad 5 having elasticity is attached to the upper surface of the polishing surface plate 4. The polishing surface plate 4 can be rotated by a drive mechanism (not shown), and a cooling mechanism for circulating cooling water is provided. Further, an abrasive supply pipe 7 for supplying the abrasive 6 onto the polishing pad 5 is installed above the polishing surface plate 4. In addition, as a material of the polishing pad 5, generally elastic nonwoven fabric, foamed polyurethane, or the like is used.
[0005]
In the polishing apparatus having the above-described configuration, the object to be polished 2 is held by the top ring 1, the top ring 1 and the polishing surface plate 4 are rotated by the drive mechanism, and the top ring 1 is lowered downward, via the elastic member 3. The object 2 is pressed against the polishing pad 5 with a constant load W. In this state, polishing is performed by supplying the polishing agent 6 onto the polishing pad 5 from the discharge portion 8 of the polishing agent supply pipe 7.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when applying the above-described polishing apparatus and polishing method to an LSI process such as planarization of an interlayer insulating film, formation of a metal plug, formation of a buried metal wiring, etc., the in-plane uniformity and planar accuracy of the object to be polished are insufficient. is there. In addition, the time required for device management is long and inefficient.
[0007]
For example, in the top ring and polishing pad having the above-described structure, the frictional heat generated during polishing cannot be released well, and the temperature of the object to be polished rises and dishing (in the groove during the formation of the embedded metal wiring) There is a problem in that metal wiring thickness reduction and thinning (excessive cutting of the interlayer insulating film when the interlayer insulating film is planarized) occur. In particular, since CMP uses a chemical action in polishing, if the temperature of the object to be polished rises due to frictional heat, the polishing rate becomes very fast, and the occurrence of dishing and thinning becomes significant, thereby controlling the polishing process. There is a risk that you will not be able to. In particular, when a large number of objects to be polished are polished continuously, frictional heat accumulates, so that a change in polishing rate, a dishing amount, and a thinning amount increase. As described above, when dishing or thinning occurs in the polishing process, the in-plane uniformity of the object to be polished is deteriorated, resulting in variations in polishing. As a result, the yield decreases.
[0008]
On the other hand, in the polishing pad having elasticity as described above, elastic deformation may occur during polishing, and dishing or thinning may occur in the object to be polished. In addition, in the polishing pad having elasticity, the holding of the abrasive particles in the polishing agent varies, and thereby the polishing rate varies. Therefore, the in-plane uniformity of the object to be polished is deteriorated, the polishing is varied, and the yield is deteriorated.
[0009]
In recent years, it has been studied to use a polishing pad made of a relatively hard material using hard plastic or the like. However, since this elastic pad has a small elastic deformation, the thickness variation of an object to be polished cannot be allowed. The variation in the thickness distribution of the object to be polished is directly connected to the variation in the in-plane load distribution of the object to be polished, which further deteriorates the in-plane uniformity of the polishing rate. Further, since this polishing pad is relatively hard, there is a problem that the polishing particles cannot be held sufficiently and the polishing rate becomes very slow. Further, the hard plastic used for this polishing pad has a very low thermal conductivity and high hardness, which is disadvantageous in terms of heat dissipation of frictional heat and prevention of scratches on the object to be polished.
[0010]
On the other hand, since the end point in the polishing process varies depending on the state of the polishing pad, it is very difficult to detect the end point while polishing a large number of objects to be polished. Therefore, there is a problem that the polishing varies between the objects to be polished. In such a case, a method that can accurately detect the end point of the polishing process, a method that confirms the replacement time of the polishing pad, and the like are desired.
[0011]
If there is the above-mentioned problem, the polishing process for a large number of objects to be polished cannot be stabilized.
[0012]
This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the grinding | polishing apparatus which stabilizes a grinding | polishing process, and the grinding | polishing method which can grind | polish stably.
[0013]
[Means and Actions for Solving the Problems]
  In the first aspect of the present invention, the polishing pad is attached.BeA polishing surface plate;Object to be polishedA polishing body holding means for holding the polishing body so that the polishing surface of the polishing pad faces the polishing pad, and the polishing surface plate and the polishing body holding means are relatively moved to move the polishing target. A polishing apparatus for performing a polishing process on a body, wherein the object holding means isA fluid supply unit and a fluid discharge unit configured to circulate a fluid to the polished body holding unit, and a seal member that prevents leakage of fluid from the polished body holding unit.A polishing apparatus is provided.
[0014]
  In the first invention,Examples of the fluid supply means and the fluid discharge means configured to circulate the fluid include a fluid supply pipe and a fluid discharge pipe that are in communication with the polished object housing portion of the polished object holding means.
[0015]
According to the first invention, the fluid supplied from the fluid supply means uniformly presses the object to be polished, so that the object to be polished can be pressed uniformly against the polishing pad. The in-plane uniformity of the body is improved. Furthermore, by circulating the fluid, the object to be polished can be cooled during polishing, and the temperature of the object to be polished can be controlled (temperature maintenance). Thereby, the polishing rate can be stabilized.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a polishing surface plate to which a polishing pad is attached, and an object to be polished holding means for holding the object to be polished so that the surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad. A polishing apparatus that performs a polishing process on the object to be polished by relatively moving the polishing surface plate and the object to be polished holding means, and a dummy object to be pressed that comes into contact with the polishing pad, Support means for supporting the dummy object to be moved relative to the polishing pad and the dummy object, and monitoring means for monitoring a load applied to the support means or a current applied to the support means. A polishing apparatus is provided.
[0017]
A second aspect of the present invention is a polishing surface plate to which a polishing pad is attached, and an object to be polished that holds the object to be polished so that the surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad. A polishing apparatus that moves the polishing platen and the object holding means relative to each other and polishes the object to be polished with an abrasive, and monitors the deterioration state of the polishing pad. And the temperature of the abrasive, the pH of the abrasive, the pressing force when pressing the object to be polished onto the polishing pad, or the load on the relative movement of the polishing surface plate or the object holding means. Means for monitoring, information on the polishing rate corresponding to the deterioration state of the polishing pad, the temperature of the monitored abrasive, the pH of the abrasive, and the pressure when pressing the object to be polished onto the polishing pad Pressure or the polishing surface plate Or a calculation means for performing calculation using information on a load in relative movement of the object holding means, and a control means for controlling a polishing process based on the information obtained by the calculation means. A polishing apparatus is provided.
[0018]
In the polishing apparatus of the second invention, the material of the dummy object to be polished is preferably the same type of material as the object to be polished. For example, in the case of planarization of an interlayer insulating film, SiO2 which is the same material as the interlayer insulating film as a material of the dummy polished body2Alternatively, a polymer material such as polyimide can be used. Further, the material of the interlayer insulating film is SiO containing boron (B) or fluorine (F) as impurities.2In this case, the same material or fused quartz can be used as the material of the dummy object to be polished. On the other hand, in the case of embedded metal wiring formation, the same material as the metal wiring material as the material of the dummy object to be polished, an alloy mainly composed of the metal, a compound or mixture of the metal wiring material and the interlayer insulating film material, or Other metal materials having substantially the same hardness as the metal wiring material can be used. The material of the dummy object to be polished does not have to be mainly composed of the material of the object to be polished, and is an appropriate material for actually detecting the deterioration of the polishing pad. What is necessary is just to associate with the monitoring value of jigs, such as a pad.
[0019]
The load and the number of rotations applied to the dummy object to be polished are selected so that the change in the condition of the polishing pad can be grasped in detail. Therefore, it is not necessary to set the load and the number of rotations applied to the polished object holding means for holding the polished object. The size of the dummy object to be polished need not be set to be the same as that of the object to be polished, and there is no particular limitation as long as the change in the condition of the polishing pad can be grasped in detail by the change in the torque and the energization current. It is desirable that the polishing pad is smaller than the object to be polished as much as possible so that the polishing pad is not deteriorated by polishing the body.
[0020]
In the second invention, monitoring of the dummy object to be polished needs to be performed at a portion where the object to be polished is actually in contact with the polishing pad. It may be constantly monitored during polishing within the moving range, or may be periodically performed when the object to be polished is replaced. This monitoring is performed with respect to a load (load) applied to the rotating means for rotating the dummy workpiece or a current supplied to the rotating means. As the rotating means for rotating while supporting the dummy object, a mechanism or the like employed for the object holding means can be used. Examples of the monitoring means for monitoring the load (load) applied to the rotating means and the current supplied to the rotating means include a load cell and a normal ammeter.
[0021]
By providing such a monitoring mechanism using a dummy object to be polished, whether the torque fluctuation of the object holding means or the polishing platen due to the deterioration of the polishing pad is caused by the actual polishing end point, or polishing. It is possible to know exactly whether or not it is caused by the deterioration of the pad, and it is possible to easily detect the polishing end point. As a result, the product yield can be improved, and the polishing pad replacement time or dressing time can be accurately determined.
[0022]
In the polishing apparatus of the second invention, the temperature of the polishing agent, the pH of the polishing agent, the pressing force when pressing the object to be polished onto the polishing pad, or the load in the rotation of the surface plate or the object holding means holding means When monitoring and ending the polishing of the object when the value exceeds a preset value, for example, a load is applied to the polishing surface plate, the driving mechanism of the object holding means, and the object holding means. Control means electrically connected to the adding mechanism is provided, and polishing is controlled based on the monitored temperature / pH, pressing force, or rotational load information of the abrasive. When controlling the polishing, the temperature between the polishing pad or the polishing agent, the pH of the polishing agent, the pressing force, or the relationship between the rotational load and the polishing rate is obtained in advance, and the value up to the polishing end point is calculated in the form of time integration. Calculate and compare this value with the temperature of the polishing pad or polishing agent, the pH of the polishing agent, the pressing force, or the time until the rotational load changes, and whether the object to be polished has been polished to the desired thickness Judging. By performing such control, an accurate polishing end point can be determined, and the yield can be improved.
[0023]
Furthermore, the above control may be performed in combination with a monitoring mechanism using a dummy object to be polished. That is, the above control may be performed in consideration of the state of deterioration of the polishing pad by obtaining in advance the relationship between the torque variation of the workpiece holding means or polishing surface plate due to the deterioration of the polishing pad and the polishing speed. In this way, stable polishing can be realized, and very accurate end point detection can be performed, and the yield of products in CMP can be improved.
[0024]
In the first and second inventions of the present invention, the polishing pad may be a so-called soft polishing pad having elasticity or a so-called hard polishing pad made of hard plastic or the like.
[0025]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a polishing surface plate to which a polishing pad is attached, and an object to be polished holding means for holding the object to be polished so that the surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad. A polishing apparatus that relatively moves the polishing surface plate and the polished body holding means to perform a polishing process on the polished body, wherein the polishing pad or the polishing pad and the polishing surface are fixed. There is provided a polishing apparatus having fluid flow means for allowing a fluid to flow between a disk and a temperature of the polishing pad controlled by the fluid.
[0026]
In the third invention, examples of the fluid flow means include a fluid supply means and a fluid discharge means configured to circulate a fluid, for example, a fluid supply pipe and a fluid discharge pipe provided in the polishing pad.
[0027]
As such a polishing pad, it has an integrally molded polishing pad in which a fluid supply pipe and a fluid discharge pipe are formed by holes or grooves penetrating vertically, or a plurality of divided members having grooves, and the grooves are combined. Therefore, it is possible to use a split type polishing pad that forms a fluid supply pipe and a fluid discharge pipe.
[0028]
In the third invention, it is preferable that a member made of a material having a higher thermal conductivity than the material of the polishing pad is interposed between the polishing pad and the polishing surface plate and at least one place in the polishing pad.
[0029]
According to the third invention, by circulating a fluid in the polishing pad, the polishing pad can be cooled during polishing, and the temperature of the object to be polished can be controlled (temperature maintenance). Thereby, the polishing rate can be stabilized. In addition, by interposing a member made of a material having a higher thermal conductivity than the material of the polishing pad, the frictional heat due to polishing can be released to the polishing platen satisfactorily, suppressing dishing and stabilizing the polishing rate. Can be promoted.
[0030]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a polishing surface plate to which a polishing pad is attached, and an object to be polished holding means for holding the object to be polished so that the surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad. A polishing apparatus that performs a polishing process on the object by moving the polishing surface plate and the object holding means relative to each other, wherein the polishing surface of the polishing pad is formed with irregularities. And a polishing apparatus characterized in that the edge portion is formed of a curved surface.
[0031]
In the fourth invention, the fact that the edge portion that comes into contact with the object to be polished is a curved surface does not need to be a completely curved surface, and does not have an acute angle part that damages the object to be polished. .
[0032]
Moreover, it is preferable that a polishing pad does not contain the impurity larger than the average particle diameter of the abrasive particle contained in an abrasive | polishing agent. This is because if the polishing pad contains impurities larger than the average particle diameter of the abrasive particles, the surface of the object to be polished will be damaged. Further, the polishing pad is preferably subjected to a metal removal treatment before polishing. This metal removal treatment is performed for removing metal pieces that cause scratches on the surface of the object to be polished, and includes, for example, treatment with a hydrochloric acid / hydrogen peroxide solution.
[0033]
In addition, the polishing pad may have a through hole, and supply a polishing agent to the polishing surface through the through hole. With such a configuration, the abrasive can be used as a cooling medium, so that the structure of the apparatus can be simplified. Further, the polishing surface of the polishing pad is a plurality of independent layers having a two-layer structure in which the polishing surface side is relatively hard (for example, hard plastic) and the non-polishing surface side is relatively soft (for example, an elastic body such as rubber). It is preferable that it is comprised from the member which did. With such a configuration, the polishing surface of the polishing pad can follow the movement of the object to be polished well, and the in-plane non-uniformity of the polishing rate can be reduced.
[0034]
According to the fourth invention, since the edge portion where the polishing surface of the polishing pad comes into contact with the object to be polished has the uneven portion which is a curved surface, the edge portion which is a curved surface is prevented from scratching the object to be polished, In addition, the abrasive particles are held by the recesses to prevent a reduction in the polishing rate.
[0035]
In the fourth invention, the polishing pad does not contain impurities larger than the average particle diameter of the abrasive particles contained in the abrasive, and the polishing pad is subjected to metal removal treatment before polishing. As a result, the object to be polished can be further prevented from being damaged.
[0036]
In the fourth invention, the polishing pad has a through-hole, and the polishing rate can be improved by having a configuration in which the abrasive is supplied to the polishing surface through the through-hole. Furthermore, because the polishing surface of the polishing pad is composed of a plurality of independent members having a two-layer structure in which the polishing surface side is relatively hard and the non-polishing surface side is relatively soft, abnormalities due to protrusions existing on the polishing surface are caused. Polishing can be suppressed and non-uniformity in the polishing rate can be reduced.
[0037]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a polishing surface plate to which a polishing pad is attached, and an object holding means for holding the object to be polished so that a surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad. A polishing apparatus that performs a polishing process on the object to be polished by supplying an abrasive by relatively moving the polishing surface plate and the object to be polished holding means, and comprising at least the object to be polished of the object to be polished There is provided a polishing apparatus comprising: an abrasive containing means for containing the abrasive such that a polishing surface is held in a state covered with the abrasive.
[0038]
In the fifth aspect of the invention, the state where the surface to be polished of the object to be polished is coated with the abrasive means that at least the surface to be polished of the object to be polished is in the abrasive.
[0039]
According to the fifth aspect, by polishing the object to be polished in the abrasive, the polishing particles can be held on the polishing pad, and the polishing rate can be improved.
[0040]
Here, in the first to fifth inventions of the present invention, a so-called top ring rotating body or the like can be used as the object to be polished holding means. Examples of the abrasive supply means include a mechanism for transporting the abrasive from the abrasive supply tank via the abrasive supply pipe. Alternatively, a grindstone holding an abrasive can be used as a polishing surface plate. As the object to be polished, a silicon substrate, a glass substrate for TFT-LCD, a substrate made of a compound semiconductor such as GaAs, or the like can be used.
[0041]
  In the first to fifth inventions of the present invention, the polishing pad is made of a polymer material having a Young's modulus of at least 1 GPa.Preferably formed.
[0042]
Examples of such materials include hard rubbers such as urethane rubber, fluorine rubber, and chloroprene rubber; PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer), PFA (tetrafluoroethylene-par Fluororesins such as fluoroalkoxyethylene copolymer), ETFE (tetrafluoroethylene-ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PVdF (polyvinylidene fluoride); polyvinyl chloride, PVdC (polyvinylidene chloride) , PVAC (polyvinyl acetate), PVA (polyvinyl alcohol) and other vinyl resins; polyamides; polyacetals; polyphenylene oxides; polycarbonates; ionomers; polyurethanes; Styrene, polyethylene, polyolefin resins such as polypropylene; poly-4-methylpentene; polymethacrylates; cellulose acetate or the like can be used. The resin material may be added with usual additives such as a stabilizer and a plasticizer.
[0043]
In the first to fifth inventions of the present invention, the so-called hard polishing pad is a grindstone that holds an abrasive (the abrasive particles are sintered by hardening a thermosetting resin such as a phenol resin with a binder). It may be. This is because since the Young's modulus is high, the same effect can be realized as a grindstone.
[0044]
In the first to fifth inventions of the present invention, it is preferable that the polishing pad has a groove portion that allows the object holding means to be polished. With such a configuration, it becomes possible to supply abrasive particles to the recesses of the polishing pad, and a stable polishing rate can be provided.
[0045]
In the first to fifth inventions of the present invention, the polishing is performed by relatively moving the polishing platen and the object holding means. Therefore, during the polishing process, the polishing platen and the object holding means may be moved together, or one of the polishing table and the object holding means may be fixed and only the other may be moved. In addition, when moving the polishing surface plate and / or the object holding means, it may be rotated or oscillated. In particular, when rotating, the trajectory may be a circle or an eccentric circle such as an ellipse.
[0046]
In addition, the 1st-5th invention of this invention can be implemented in combination as appropriate.
[0047]
【Example】
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. In the description of the embodiment, the description of the schematic configuration similar to that of the polishing apparatus shown in FIG. 1 is omitted.
[0048]
(Example 1)
The present embodiment is an embodiment according to the first invention of the present invention.
[0049]
FIG. 2A is a cross-sectional view showing the top ring of the polishing apparatus according to the first aspect of the present invention, and FIG. 2B is a view of the top ring of FIG. FIG. In the figure, 11 indicates a SUS top ring. The top ring 11 is mainly composed of a drive mechanism for raising and lowering the top ring, a rotating shaft part 11a connected to an air cylinder mechanism for applying a load to the top ring 11, and a holding part 11b for holding the object to be polished. The rotating shaft portion 11a and the holding portion 11b are integrally formed. A gap 12 is provided inside the holding part 11b, and communicates with a refrigerant supply pipe 13 that supplies cooling water and a cooling gas and a refrigerant discharge pipe 14 that discharges the fluid that has flowed through the top ring. The holding portion 11b is provided with a housing portion 15 for housing the object to be polished, and a communication hole 16 communicating with the gap portion 12 is formed on the bottom surface of the housing portion. As shown in FIG. 2B, the communication hole 16 surrounds the elongated hole 16a for pressing the object to be polished and extending in three directions at the center of the bottom surface of the accommodating portion 15, and the elongated hole 16a. And a plurality of circular holes 16b for circulating the refrigerant formed as described above. In addition, as shown in FIG. 3, a rubber seal ring 18 may be provided so that the refrigerant does not leak from between the accommodating portion 15 and the object to be polished 17.
[0050]
The refrigerant is circulated by connecting the top ring 21, the vacuum source 22, the temperature regulator (chiller) 23, the refrigerant pressure source 24 (pump), and the pressure regulator 25 as shown in FIG. In addition, you may connect the top ring 21, the vacuum source 22, the temperature regulator (chiller) 23, the refrigerant | coolant pressure source 24 (pump), and the pressure regulator 25 as shown in FIG. 4 (B).
[0051]
Next, a method of forming a Cu buried wiring using the polishing apparatus having the top ring will be described.
[0052]
As a sample, as shown in FIG. 5A, a silicon oxide film 32 having a thickness of 1 μm is formed on a silicon substrate 31, and the surface of the silicon oxide film 32 has a width of 0.4 to 100 μm and a depth of 0. After forming a groove 33 for wiring having a thickness of 4 μm by a normal photolithography process and a reactive ion etching process, a Cu film 34 having a thickness of 600 nm was formed by a direct current magnetron sputtering method.
[0053]
First, the accommodating portion 15 was depressurized from the refrigerant supply pipe 14 of the top ring to hold the sample as the object to be polished 17 on the top ring 11, and then the top ring 11 and the polishing surface plate were rotated with respect to each other. Next, the top ring 11 was lowered to bring the sample into contact with the polishing pad.
[0054]
Next, water whose temperature is controlled to 14 ° C. ± 1 ° C. by a temperature controller (not shown) is injected from the refrigerant supply pipe 13, and at the same time, the water flowing in the top ring is discharged from the refrigerant discharge pipe 14. Water was circulated in the order shown in (A) or FIG. Furthermore, a semiconductor wafer is 280 gf / cm by adjusting a pressure regulating valve (not shown) provided in the refrigerant discharge pipe 14.2It pressed against the polishing pad with the surface load W. At this time, since the elongated hole 16a formed in the bottom surface of the top ring accommodating portion 15 has a shape extending in three directions, the semiconductor wafer can be evenly pressed in the plane. In this way, polishing is started. At this time, water leaking from the top ring can be reduced by setting a load applied to the top ring higher than the pressure with which the water pushes up the top ring. In this polishing, the surface temperature of the semiconductor wafer can be controlled to 14 ° C. ± 3 ° C. Polishing was performed by supplying an abrasive in this state.
[0055]
The polishing pad is made of hard resin (polyvinyl chloride having a thermal conductivity of 0.08 to 0.34), and the polishing surface is provided with grooves having a depth of 1 mm and a width of 2 mm in a lattice shape. Was used. As the abrasive, a mixture of glycine / hydrogen peroxide / benzotriazole aqueous solution and colloidal silica was used. The polishing platen was provided with a mechanism for circulating the refrigerant therein, and was maintained at 14 ° C. ± 1 ° C. by circulating the refrigerant (water). A cooling mechanism was also provided so that the polishing pad could be cooled.
[0056]
As shown in FIG. 5B, the sample polished as described above was able to suppress the dishing amount of Cu at a wide concave portion having a width of 100 μm to 50 nm. On the other hand, for comparison, when the above sample was polished without circulating the coolant through the top ring, as shown in FIG. 5C, the amount of Cu dishing in a wide recess of 100 μm was 300 nm (d). .
[0057]
FIG. 6 shows the dishing amount when the sample is polished by using the polishing apparatus according to the first aspect of the present invention, the wiring width dependency and the in-plane uniformity of the polishing rate (maximum speed-minimum speed) / (maximum (Speed + minimum speed). As can be seen from FIG. 6, by controlling the temperature of the top ring, the dishing amount can be suppressed, and the in-plane uniformity of the polishing rate is improved. By controlling the temperature of the polishing pad in addition to the temperature control of the top ring, the dishing amount can be further suppressed and the in-plane uniformity of the polishing rate is improved. As described above, according to the first aspect of the present invention, stable CMP can be performed without a change in the polishing rate with time.
[0058]
In this embodiment, Cu is used as an object to be polished, but Cu containing a small amount of impurities, metals other than Cu, such as Ag, Al, W, alloys thereof, silicon oxide, B, Even when silicon oxide containing impurities such as P and F was used as an object to be polished, the same excellent effect was obtained. Moreover, the same effects as described above were obtained even when abrasive particles other than colloidal silica, such as alumina or cerium oxide, were used as the abrasive particles. Moreover, the same effect was acquired even if it used the grindstone holding the silica particle, the alumina particle, and the cerium oxide particle instead of the polishing pad.
[0059]
Further, in this embodiment, the object to be polished is directly held by the housing portion of the top ring, but the object to be polished may be held on the bottom surface of the housing portion via an elastic body. Furthermore, in the present embodiment, the object to be polished is held on the top ring using a vacuum chuck, but the object to be polished may be held by bonding using wax or the like. In the present embodiment, the refrigerant is circulated by a pump in the top ring, but a mechanism for circulating the refrigerant can be omitted by providing a temperature control mechanism in the top ring.
[0060]
Further, in this embodiment, the top ring and the polishing pad are rotated with respect to each other to perform polishing. However, as shown in FIG. 7, the object to be polished 41 is polished using a vacuum chuck 42 and having a temperature control mechanism 43. The object to be polished may be polished by holding the polishing pad with a top ring 45 fixed to the surface plate 44 and having a mechanism for circulating the coolant, and rotating and moving only the top ring 45.
[0061]
(Example 2)
Examples 2 and 3 are examples according to the second invention of the present invention.
[0062]
FIG. 8 is a schematic view showing a polishing apparatus according to the second aspect of the present invention. In the figure, 51 indicates a rotatable polishing platen. A polishing pad 52 is attached on the polishing surface plate 51. A top ring 54 that supports the object to be polished 53 is disposed above the polishing surface plate 51. A driving means 59 such as a motor for moving the top ring 54 up and down and rotating is connected to the top ring 54. The top ring 54 has a load W during polishing.1Is added to press the object 53 to be polished onto the polishing pad 52.
[0063]
Further, a Cu lump 55 that is a dummy object to be polished is disposed on the side of the top ring 54 and above the polishing surface plate 51. A driving means 58 such as a motor for moving the Cu lump 55 up and down and rotating is connected to the Cu lump 55. The Cu lump 55 has a load W during polishing.2Is added to press the Cu lump 55 onto the polishing pad 52. The drive means 58 includes a torque monitor 56 that can monitor the rotational torque and a current monitor 57 that can monitor the current supplied to the drive means 58. Further, an abrasive supply pipe 60 for supplying the abrasive onto the polishing pad 52 is disposed.
[0064]
In the polishing apparatus having the above-described configuration, using a Cu film having a thickness of 8000 angstroms formed by sputtering on a silicon substrate, torque fluctuation and current fluctuation according to the state of the polishing pad and Cu film are polished while polishing the Cu film. The relationship with the polishing rate was investigated in detail. The Cu film was polished under the following conditions.
[0065]
Polishing pressure: 300 g / cm2
Top ring rotation speed: 60rpm
Polishing surface plate rotation speed: 60 rpm
Polishing temperature: 25 ° C
Abrasive supply amount: 50 cc / min
As the abrasive, 0.2 g of glycine, 40 ml of hydrogen peroxide (35%), 110 ml of pure water, and 8.8 g of colloidal silica (average particle size 30 nm) were used. As the polishing pad, SUBA800 (trade name, manufactured by Rodel) was used.
[0066]
On the other hand, the Cu lump 55 has W2As 300g / cm2The current value (torque) necessary to keep the rotational speed constant was measured. Further, as shown in FIG. 9, a Cu lump 55 is placed on the polishing pad 52 on the polishing surface plate 51.ThreeAs 300g / cm2Thus, the polishing surface plate 51 was allowed to slide substantially in the tangential direction, and the dynamic friction force acting on the Cu lump 55 during polishing was measured by the friction force monitor 61. As the Cu lump, one having a diameter of 5 cm and a thickness of 3 cm was used. The current value (torque) and dynamic friction force were used as a reference for monitoring the state of the polishing pad.
[0067]
The polishing rate of the Cu film under these polishing conditions was about 350 angstroms / minute. After polishing for 10 minutes per silicon substrate, the silicon substrate was replaced and polishing of the Cu film was continued in the same manner as described above. When a change in the polishing rate based on a change in current value (torque) and dynamic friction force due to deterioration of the polishing pad occurred, dressing with a rotating brush of the polishing pad was performed as necessary.
[0068]
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the current value (torque) and kinetic friction force monitored for detection of deterioration of the polishing pad and the polishing rate obtained from the remaining film thickness of Cu after polishing with respect to the number of polishing times. . FIG. 11 is a graph showing the relationship between the current value (torque) obtained from these measurement results and the polishing rate of the Cu film. As can be seen from FIGS. 10 and 11, the current value (torque) and the dynamic friction force decrease due to the deterioration of the polishing pad due to the processing of the Cu film. In addition, the Cu film polishing rate decreases as the current value (torque) and dynamic friction force decrease, and the polishing rate variation of the Cu film increases as the polishing pad deteriorates.
[0069]
(Example 3)
A case will be described in which the above relationship is used for polishing a Cu film to detect the polishing end point for the Cu film. The polishing conditions for the Cu film in this example are the same as those in Example 2.
[0070]
During polishing of the Cu film, the current value (torque) and the measured value of the dynamic friction force are sampled by the computer every second, and the relationship between the current value (torque) or the dynamic friction force and the polishing speed shown in FIG. The thickness of the polished Cu film was estimated by calculating (integrating) the amount of Cu film polished within the sampling time. When this estimated value exceeded the processing target value of 4000 angstroms, polishing was stopped as a polishing end point. Thereafter, the actual processed film thickness obtained from the film thickness of the Cu film remaining on the silicon substrate was obtained and compared with the processing target value. In this case, since the polishing rate in the silicon substrate varies, it was evaluated at a specific point on the silicon substrate.
[0071]
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the current value monitored for the detection of the deterioration of the polishing pad and the final Cu film processing thickness with respect to the number of polishing times obtained from the above results, as can be seen from FIG. By performing the above control, the Cu film can be polished with high accuracy. In addition, by performing the above control, the polishing end point can be sufficiently predicted even if a change in the polishing rate due to deterioration of the polishing pad occurs during polishing. Further, the end point can be detected with higher accuracy by using the monitoring mechanism according to the second invention in combination with another end point detection method.
[0072]
(Example 4)
Examples 4 and 5 are examples according to the third invention of the present invention.
[0073]
FIG. 13 is a schematic view showing a polishing surface plate portion of a polishing apparatus according to the third aspect of the present invention. In the figure, reference numeral 71 denotes a rotatable SUS polishing surface plate. A disc-shaped polishing pad 72 made of hard plastic (polyvinyl chloride: thermal conductivity 0.08 to 0.34) and having a diameter of about 60 cm is attached on the polishing surface plate 71. On the polishing surface of the polishing pad 72, a plurality of grooves 73 having a depth of 1 mm and a width of 2 mm are formed in a lattice shape. In addition, a coolant circulation path 74 is inserted in the polishing surface plate 71 and the polishing pad 72, and the temperature of the polishing pad (temperature maintenance) can be adjusted by circulating a coolant (fluid) such as cooling water. It has become. The object to be polished is pressed onto the polishing pad 72 by lowering the top ring holding the object to be polished against the polishing surface plate 71.
[0074]
Using the polishing apparatus having the above configuration, CMP was performed on the Cu embedded wiring. As the abrasive, a mixture of glycine, hydrogen peroxide, benzotriazole aqueous solution, and colloidal silica was used. During polishing, the polishing pad 72 and the polishing surface plate 71 were kept at 14 ° C. ± 1 ° C. by passing cooling water through the coolant circulation path 74. As a result, dishing of the Cu wiring was greatly improved as compared with a conventional polishing apparatus that only cooled the polishing surface plate as shown in FIG. 17 and did not cool the polishing pad. Specifically, as shown in FIG. 19, the dishing of the 10 μm wide wiring has been reduced to about 25 nm compared to the conventional about 150 nm.
[0075]
  The polishing apparatus according to the third invention may be configured as shown in FIGS. That is, as shown in FIG. 14, the coolant circulation path 74 may be provided at least at the interface portion between the polishing surface plate 71 and the polishing pad 72. Further, as shown in FIGS. 15 and 16, a member 75 made of a material having high thermal conductivity may be interposed between the polishing pad 72 and the polishing surface plate 71. For example, as shown in FIG. 15, the polishing pad 72 is embedded in the member 75 so that the polishing pad 72 is exposed on the surface.MayAs shown in FIG. 16, a slit reaching the polishing surface plate 71 may be provided in the polishing pad 72, and the member 75 may be fitted therein. It is desirable that at least the structure be in contact with the abrasive during polishing. Thereby, the thermal conductivity can be improved and the temperature of the polished surface can be controlled efficiently.
[0076]
In this case, the material having a high thermal conductivity may be any material having a higher thermal conductivity than the material used as the polishing pad 72, such as urethane rubber, fluororubber, Teflon, Daiflon, polyvinyl chloride, polyamide, or the like. For example, Al, Cu, Si, iron, stainless steel, graphite, amorphous carbon, alumina, quartz, glass, or the like can be used. Further, the member 75 may contain a liquid having a higher thermal conductivity than the material used as the polishing pad 72 (for example, pure water: a thermal conductivity of about 0.6), and contains such a liquid. You may comprise with an easily porous substance and sponge-like thing.
[0077]
In this embodiment, a Cu film is used as an object to be polished, but a Cu film containing a small amount of impurities, a film made of a metal other than Cu, such as Ag, Al, W, or the like, and these as a main component. Plasma CVD film, BPSG film, fluorine-added SiO film formed using TEOS gas as a raw material2A silicon oxide film such as a film or a thermal oxide film may be used.
[0078]
Further, in this embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 72, and polishing is performed while supplying an abrasive. If the Young's modulus is at least 1 GPa, polishing is performed. It has been found that the same effect as described above can be obtained by using a so-called grindstone instead of the pad 72. Specifically, as a polishing pad, silica particles having an average particle size of 30 nm are sintered with phenol resin (thermosetting resin) as a binder, glycine, hydrogen peroxide solution, and benzotriazole When the polishing was performed while supplying the mixed aqueous solution onto the polishing pad, the same effect as in the case of using the polishing pad made of polyvinyl chloride was obtained in suppressing dishing.
[0079]
(Example 5)
FIG. 18 is a schematic view showing a polishing platen portion of a polishing apparatus according to the third invention of the present invention. This rotatable SUS polishing surface plate 71 is provided with a portion for storing an abrasive, and a polishing surface having a plurality of grooves 73 having a depth of 1 mm and a width of 2 mm on the polishing surface on the bottom surface of the storage portion. A pad 72 is placed. The polishing pad 72 is made of hard plastic (polyvinyl chloride: thermal conductivity 0.08 to 0.34) and has a disk shape with a diameter of about 60 cm. Further, at least the polishing surface of the polishing pad 72 is provided with a Teflon coating so that the characteristics are not deteriorated by the polishing agent 78. Further, an abrasive 78 is stored in the container so that the object to be polished is immersed in the abrasive during polishing. Further, the abrasive supply pipe 76 extends to the vicinity of the polishing pad 72 of the accommodating portion, and the abrasive discharge pipe 77 extends above the center of the accommodating portion. The abrasive 78 is circulated by the abrasive supply pipe 76 and the abrasive discharge pipe 77. By lowering the top ring holding the object to be polished against the polishing surface plate 71, the object to be polished is immersed in the abrasive 78 and further pressed onto the polishing pad 72.
[0080]
Using the polishing apparatus having the above configuration, CMP was performed on the Cu embedded wiring. As the abrasive, a mixture of glycine, hydrogen peroxide, benzotriazole aqueous solution, and colloidal silica was used. During polishing, the polishing pad 72 and the polishing surface plate 71 cause the cooled polishing agent 78 to flow through the polishing agent supply pipe 76 and the polishing agent discharge pipe 77 to circulate the polishing agent 78 stored in the accommodating portion. The temperature was kept at ± 1 ° C. As a result, dishing of the Cu wiring was greatly improved as compared with a conventional polishing apparatus that only cooled the polishing surface plate as shown in FIG. 17 and did not cool the polishing pad. Specifically, the dishing of the 10 μm wide wiring is reduced to about 25 nm compared to the conventional about 150 nm.
[0081]
Further, in this embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 72, and polishing is performed while supplying an abrasive. If the Young's modulus is at least 1 GPa, polishing is performed. It has been found that the same effect as described above can be obtained by using a so-called grindstone instead of the pad 72. Specifically, as a polishing pad, silica particles having an average particle size of 30 nm are sintered with phenol resin (thermosetting resin) as a binder, glycine, hydrogen peroxide solution, and benzotriazole When the polishing was performed while supplying the mixed aqueous solution onto the polishing pad, the same effect as in the case of using the polishing pad made of polyvinyl chloride was obtained in suppressing dishing.
[0082]
(Example 6)
Examples 6 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 relate to the fourth invention of the present invention.
[0083]
The present embodiment relates to the unevenness of the polishing pad in the polishing surface plate portion of FIG. As shown in FIG. 20, the polishing pad 81 made of hard plastic has a plurality of grooves 84, and the polishing surface 82 and the side wall surface of the grooves 84 are connected by a curved surface, that is, constitutes the polishing surface 82. The convex part is a curved surface. Such a shape was formed by cutting using an end mill having an R shape.
[0084]
As described above, the CMP in the Cu embedded wiring was performed using the polishing apparatus provided with the polishing pad having no sharp angle portion on the polishing surface. As the abrasive, a mixture of glycine, hydrogen peroxide, benzotriazole aqueous solution, and colloidal silica was used. During polishing, the polishing pad and the polishing surface plate were kept at 14 ° C. ± 1 ° C. by passing cooling water through the refrigerant circuit. As a result, no scratches with a depth of 20 nm or more were found on the polished surface of the Cu wiring.
[0085]
In this embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 72, and polishing is performed while supplying an abrasive. As the polishing pad, silica particles having an average particle size of 30 nm are phenol resin. Using a product obtained by hardening (thermosetting resin) as a binder and sintering it, polishing was performed while supplying a mixed aqueous solution of glycine, hydrogen peroxide, and benzotriazole onto the polishing pad. In the suppression, the same effect as that obtained when a polyvinyl chloride polishing pad was used was obtained.
[0086]
(Comparative Example 1)
In place of the polishing pad shown in FIG. 20, a CMP in Cu embedded wiring is performed in the same manner as in Example 6 except that a polishing pad made of vinyl chloride in which grooves having a rectangular cross section with a width of 1 mm and a depth of 1 mm are formed with a pitch of 1 cm is used. Went. As a result, scratches having a depth of 1 μm or more were confirmed on the polished surface of the Cu wiring.
[0087]
(Example 7)
As a polishing pad, a polishing pad made of polyvinyl chloride containing almost no impurities having a particle size of 0.7 μm or more was used, and planarization CMP was performed on a silicon oxide film formed by a plasma CVD method using TEOS gas as a raw material. As the abrasive, an aqueous solution containing 1% by weight of cerium oxide particles having an average particle diameter of 0.7 μm was used. As a result, no scratches having a depth or width of 0.1 μm or more were found on the silicon oxide film.
[0088]
In this embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 72 and polishing is performed while supplying an abrasive. As the polishing pad, cerium oxide particles having an average particle diameter of 600 nm are used as phenol. When a resin (thermosetting resin) is hardened and sintered as a binder, polishing is performed while supplying a mixed aqueous solution of glycine, hydrogen peroxide, and benzotriazole onto the polishing pad. As a result, the same effect as that obtained when a polyvinyl chloride polishing pad was used was obtained.
[0089]
(Comparative Example 2)
In place of the polyvinyl chloride polishing pad used in Example 7, a polishing pad containing impurities having a particle size of 0.7 μm or more was used, and planarization CMP was performed on the silicon oxide film in the same manner as in Example 7. . As a result, many scratches having a depth or width greater than the average particle diameter of the abrasive particles were confirmed on the silicon oxide film.
[0090]
(Example 8)
A polishing pad made of polyvinyl chloride that has been subjected to metal removal treatment with a hydrochloric acid / hydrogen peroxide mixed aqueous solution treatment is used as a polishing pad, and planarization CMP is performed on a silicon oxide film formed by a plasma CVD method using TEOS gas as a raw material. It was. As the abrasive, an aqueous solution containing 1% by weight of cerium oxide particles having an average particle diameter of 0.7 μm was used. As a result, no scratch having a depth of 0.1 μm or more was observed on the silicon oxide film.
[0091]
In this embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 72 and polishing is performed while supplying an abrasive. As the polishing pad, cerium oxide particles having an average particle diameter of 600 nm are used as phenol. When a resin (thermosetting resin) is hardened and sintered as a binder, polishing is performed while supplying a mixed aqueous solution of glycine, hydrogen peroxide, and benzotriazole onto the polishing pad. As a result, the same effect as that obtained when a polyvinyl chloride polishing pad was used was obtained.
[0092]
(Comparative Example 3)
Flattening CMP was performed on the silicon oxide film in the same manner as in Example 8 except that a polishing pad not subjected to metal removal treatment was used instead of the polyvinyl chloride polishing pad used in Example 8. As a result, many scratches having a depth or width greater than the average particle diameter of the abrasive particles were confirmed on the silicon oxide film.
[0093]
Example 9
FIG. 21 is a schematic view showing a polishing surface plate portion of a polishing apparatus according to the fourth aspect of the present invention. In the figure, reference numeral 91 denotes a rotatable SUS polishing platen. A disc-shaped polishing pad 92 made of hard plastic (polyvinyl chloride: thermal conductivity 0.08 to 0.34) and having a diameter of about 60 cm is attached on the polishing surface plate 71. A plurality of grooves 93 having a depth of 1 mm and a width of 2 mm are formed in a lattice shape on the polishing surface of the polishing pad 92. In addition, a coolant circulation path 94 is inserted at the interface between the polishing surface plate 91 and the polishing pad 92, and the coolant (fluid) such as cooling water is circulated to adjust the temperature (maintenance) of the polishing pad. It is possible. Further, the polishing surface plate 91 and the polishing pad 92 are provided with a discharge port 93a communicating with each other, and the discharge port 93a of the polishing pad 92 opens to the outside. The discharge port 93 a is configured to circulate a part of the refrigerant flowing through the refrigerant circulation path 94 and discharge a part of the refrigerant onto the polishing pad 92.
[0094]
The object to be polished is pressed onto the polishing pad 92 by lowering the top ring holding the object to be polished against the polishing surface plate 91.
[0095]
Using the polishing apparatus, CMP was performed on the Cu embedded wiring. As the abrasive, a mixture of glycine, hydrogen peroxide, benzotriazole aqueous solution, and colloidal silica was used. The abrasive was used as a refrigerant by cooling, and kept at 14 ° C. ± 1 ° C. by passing it through the refrigerant circuit 94. Further, a part of the abrasive was discharged onto the polishing pad 92 from the discharge port 93a. As a result, the polishing rate was about 500 nm / min, which was sufficient for CMP, and no scratches with a depth of 20 nm or more were found on the polished surface of the Cu wiring.
[0096]
In the present embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 92, and the polishing process is performed while supplying the abrasive. If the Young's modulus is at least 1 GPa, the polishing is performed. It has been found that the same effect as described above can be obtained by using a so-called grindstone instead of the pad 92. Specifically, as a polishing pad, silica particles having an average particle size of 30 nm are sintered with phenol resin (thermosetting resin) as a binder, and glycine, hydrogen peroxide solution, and benzotriazole are used. Polishing was performed while supplying the mixed aqueous solution onto the polishing pad. As a result, the same effect as in the case of using the polyvinyl chloride polishing pad was obtained in terms of polishing rate and suppression of scratches.
[0097]
(Example 10)
As a polishing pad, a polishing pad comprising a plurality of independent parts formed by laminating a layer made of polyvinyl chloride as a polishing surface and a layer made of an elastic material made of rubber, woven fabric, nonwoven fabric or the like on the polishing surface plate side. The CMP was performed on the Cu embedded wiring. As an abrasive, a mixture of glycine, hydrogen peroxide, a benzotriazole aqueous solution, and colloidal silica having an average particle size of 70 μm was used. As a result, the polishing rate was about 50 nm / min, which was a sufficient rate for CMP. Further, local abnormal polishing of the surface to be polished due to the protruding portion of the polishing surface was not confirmed.
[0098]
In the above embodiment, a Cu film is used as an object to be polished, but a Cu film containing a small amount of impurities, a film made of a metal other than Cu, such as Ag, Al, W, or the like, and these as a main component. Plasma CVD film, BPSG film, fluorine-added SiO film formed using TEOS gas as a raw material2A silicon oxide film such as a film or a thermal oxide film may be used.
[0099]
In the present embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 92, and the polishing process is performed while supplying the abrasive. If the Young's modulus is at least 1 GPa, the polishing is performed. It has been found that the same effect as described above can be obtained by using a so-called grindstone instead of the pad 92. Specifically, as a polishing pad, silica particles having an average particle size of 30 nm are sintered with phenol resin (thermosetting resin) as a binder, and glycine, hydrogen peroxide solution, and benzotriazole are used. When the polishing was performed while supplying the mixed aqueous solution onto the polishing pad, the same effect as in the case of using the polishing pad made of polyvinyl chloride was obtained in suppressing dishing.
[0100]
(Example 11)
Example 11 is an example according to the fifth aspect of the present invention.
[0101]
22A is a schematic view showing a polishing apparatus according to the fifth aspect of the present invention, and FIG. 22B is a plan view of the polishing apparatus shown in FIG. In the figure, reference numeral 101 denotes a SUS top ring. The top ring 101 is connected to a drive mechanism (not shown) for raising and lowering the top ring and a cylinder mechanism that applies a load to the top ring 101 by a fluid. This cylinder mechanism presses the object to be polished 102 against the polishing pad 103.
[0102]
The polishing pad 103 is made of polyvinyl chloride and is stuck on a polishing surface plate 104 made of SUS. A concentric first groove 105 having a depth of 3 mm and a width of 15.2 cm for accommodating the object to be polished 102 is formed on the surface of the polishing pad 103, and further, the bottom surface of the first groove, that is, the object to be polished is formed. A grid-like second groove 25 having a depth of 1 mm and a width of 2 mm is formed on the contact surface with the body.
[0103]
Next, a method of forming a Cu buried wiring using the polishing apparatus having the top ring will be described.
[0104]
As a sample, a groove (width: 0.4 to 100 μm, depth: 0.4 μm) is formed in a silicon oxide film formed on a silicon substrate, and a Cu film having a thickness of 600 nm is formed thereon by sputtering. Was used.
[0105]
First, the workpiece 102 was held on the top ring 101 by a vacuum chuck mechanism (not shown) provided in the top ring 101, and then the top ring 101 and the polishing surface plate 104 were rotated with respect to each other. Next, the top ring 101 is lowered to bring the sample into contact with the polishing pad 103, and 280 gf / cm by the cylinder mechanism.2The surface load (arrow in the figure) was applied to the top ring 101 to press the sample against the polishing pad.
[0106]
Polishing was performed by supplying an abrasive in this state. At this time, the surface to be polished of the object to be polished was in the state of being present in the abrasive. After the polishing was completed, the rotation of the top ring 101 and the polishing surface plate 104 was stopped, and the object 102 was removed from the polishing pad 103, and then the object 102 was cleaned.
[0107]
The abrasive used was a mixture of glycine, hydrogen peroxide, benzotriazole aqueous solution and colloidal silica, and the temperature was controlled at 14 ° C. ± 1 ° C.
[0108]
In the sample polished as described above, the dishing amount of Cu in a wide concave portion having a width of 100 μm could be suppressed to 50 nm. The polishing rate was 3000 angstroms / minute, which was a sufficient rate for CMP. On the other hand, for comparison, when the sample was polished using the polishing pad 102 without the first groove 105, the amount of Cu dishing was suppressed, but the polishing rate was not satisfactory.
[0109]
Further, in the polishing apparatus of the fifth invention, a groove having a depth of 3 mm is formed as the first groove 105 into which the object to be polished is dropped. The depth of the groove is such that the polishing surface of the object to be polished is in the abrasive. There is no problem even if it is deep and shallow. Further, as shown in FIGS. 23A and 23B, even when the first groove 105 is formed so as to accommodate the top ring 101 that supports the object to be polished 102, the same effect as described above is obtained. .
[0110]
Further, in the fifth invention, as shown in FIG. 24, a polishing agent receiver 109 made of polyvinyl chloride is provided around a polishing surface plate 104 having a top ring 101 and a polishing pad 103, and the object to be polished 102 and the polishing target are polished. The pad 103 may be immersed in the abrasive 107 or, as shown in FIG. 25, an abrasive receiver 109 is provided at the outer peripheral end of the polishing pad 103 so that the object 102 and the polishing pad 103 are made of the abrasive 107. It is good also as a structure immersed in. However, in these structures, the circulation efficiency of the abrasive 107 is slower than the structures shown in FIGS. 22 and 23, and this is caused by the temperature change of the abrasive 107 and the formation of secondary particles due to the aggregation of the abrasive 107. Changes in the polishing rate may occur. In order to prevent this, it is preferable to circulate the abrasive 107 by providing a temperature adjusting device 110 for adjusting the temperature of the abrasive 107 and a filter 111 for removing secondary particles.
[0111]
In this embodiment, Cu is used as an object to be polished, but Cu containing a small amount of impurities, metals other than Cu, such as Ag, Al, W, alloys thereof, silicon oxide, B, Even when silicon oxide containing impurities such as P and F was used as an object to be polished, the same excellent effect was obtained. Moreover, the same effects as described above were obtained even when abrasive particles other than colloidal silica, such as alumina or cerium oxide, were used as the abrasive particles. Moreover, the same effect was acquired even if it used the grindstone holding the silica particle, the alumina particle, and the cerium oxide particle instead of the polishing pad.
[0112]
In this embodiment, a polishing pad made of polyvinyl chloride is used as the polishing pad 103, and the polishing process is performed while supplying an abrasive. If the Young's modulus is at least 1 GPa, the polishing is performed. It has been found that the same effect as described above can be obtained even if a so-called grindstone is used instead of the pad 103. Specifically, as a polishing pad, silica particles having an average particle size of 30 nm are sintered with phenol resin (thermosetting resin) as a binder, glycine, hydrogen peroxide solution, and benzotriazole When the polishing was performed while supplying the mixed aqueous solution onto the polishing pad, the same effect as that obtained when the polishing pad made of polyvinyl chloride was used was obtained in suppressing the polishing rate and dishing.
[0113]
【The invention's effect】
As described above, the polishing apparatus of the present invention can greatly suppress dishing due to frictional heat generated during polishing, improve the in-plane uniformity of the polishing rate, and improve the stability of the polishing rate. In addition, scratches on the object to be polished during polishing can be extremely reduced. Therefore, the polishing process can be stably performed with high reliability in the planarization of the interlayer insulating film, the formation of the metal plug, and the formation of the embedded metal wiring in the LSI multilayer wiring forming process.
[0114]
In addition, the polishing apparatus of the present invention can greatly suppress dishing due to frictional heat generated during polishing, improve the in-plane uniformity of the polishing rate, and improve the stability of the polishing rate. Furthermore, it is possible to detect the polishing pad repositioning time or the dressing time, and the material can be used efficiently. In addition, it is possible to predict an accurate polishing end point, so that the processing accuracy in the semiconductor manufacturing process can be improved, and the yield can be remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a polishing apparatus.
2A is a cross-sectional view showing an example of a top ring of the polishing apparatus according to the first aspect of the present invention, and FIG. 2B is a plan view of the top ring shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the top ring of the polishing apparatus according to the first aspect of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are schematic views for explaining refrigerant circulation in the top ring.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views illustrating a process of performing CMP using the polishing apparatus according to the first aspect of the present invention, and FIG. 5C is a cross-sectional view of performing CMP using a conventional polishing apparatus. Sectional drawing explaining the case.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between dishing amount and wiring width.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another example of the top ring of the polishing apparatus according to the first aspect of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view showing a polishing apparatus according to a second invention of the present invention.
9 is a schematic view showing a part of the polishing apparatus shown in FIG.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the monitored current value (torque), dynamic friction force, and polishing rate with respect to the number of polishing times.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the current value (torque) and the polishing rate of the Cu film.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the monitored current value and the final Cu film processing thickness with respect to the number of polishing times.
FIG. 13 is a schematic view showing a polishing surface plate portion of a polishing apparatus according to a third invention of the present invention.
FIG. 14 is a schematic view showing a polishing surface plate portion of a polishing apparatus according to a third invention of the present invention.
FIG. 15 is a schematic view showing a polishing platen portion of a polishing apparatus according to a third invention of the present invention.
FIG. 16 is a schematic view showing a polishing platen part of a polishing apparatus according to a third invention of the present invention.
FIG. 17 is a schematic view showing a polishing surface plate portion of a conventional polishing apparatus.
FIG. 18 is a schematic view showing a polishing platen part of a polishing apparatus according to a third invention of the present invention.
FIG. 19 is a graph showing the relationship between wiring width and dishing amount.
FIG. 20 is a schematic view showing a state of a surface of a polishing pad of a polishing apparatus according to a fourth invention of the present invention.
FIG. 21 is a schematic view showing a polishing surface plate portion of a polishing apparatus according to a fourth invention of the present invention.
22A is a schematic view showing a polishing apparatus according to a fifth aspect of the present invention, and FIG. 22B is a plan view of the polishing apparatus shown in FIG.
23A is a schematic view showing a polishing apparatus according to a fifth aspect of the present invention, and FIG. 23B is a plan view of the polishing apparatus shown in FIG.
FIG. 24 is a schematic view showing a polishing apparatus according to the fifth aspect of the present invention.
FIG. 25 is a schematic view showing a polishing apparatus according to the fifth aspect of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 45, 54, 101 ... top ring, 2, 17, 41, 53, 102 ... polished body, 3 ... elastic member, 4, 44, 51, 71, 91, 104 ... polishing surface plate, 5, 52, 72, 81, 92, 103 ... polishing pad, 6, 107 ... abrasive, 7, 60 ... abrasive supply tube, 8 ... discharge part, 11a ... rotating shaft part, 11b ... holding part, 12 ... gap , 13 ... refrigerant supply pipe, 14 ... refrigerant discharge pipe, 15 ... storage part, 16 ... communication hole, 16a ... long hole, 16b ... round hole, 18 ... seal ring, 22 ... vacuum source, 23 ... temperature controller, 24 ... Refrigerant pressure source, 25 ... Pressure regulator, 31 ... Silicon substrate, 32 ... Silicon oxide film, 33 ... Wiring groove, 34 ... Cu film, 42 ... Vacuum chuck, 43 ... Temperature control mechanism, 55 ... Cu lump 56 ... Torque monitor, 57 ... Current monitor, 58, 59 ... Driving means 61 ... friction force monitor, 73, 93 ... groove, 74, 94 ... refrigerant circulation path, 75 ... member, 76 ... abrasive supply pipe, 77 ... abrasive discharge pipe, 78 ... abrasive, 82 ... polishing surface, 84 ... Groove part, 93a ... outlet, 105 ... first groove, 106 ... second groove, 109 ... abrasive receiver, 110 ... temperature adjusting device, 111 ... filter.

Claims (2)

研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段と、前記研磨定盤に設けられ、前記研磨パッドの温度を制御するための流体を通流させる流体通流手段と、前記研磨定盤と研磨パッドとの間に介在するとともに、その上面の一部が研磨パッドから露出する、前記研磨パッドよりも高い熱伝導率を有する高熱伝導率部材とを具備する研磨装置を用い、前記研磨パッド上に研磨剤を供給しつつ、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨方法であって、
前記研磨処理中に、前記高熱伝導率部材が前記研磨剤と接触し、前記被研磨体の被研磨面の温度を制御することを特徴とする研磨方法。
A polishing surface plate to which a polishing pad is attached; a polishing object holding means for holding the object to be polished so that a surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad; and the polishing surface plate, A fluid flow means for allowing a fluid to control the temperature of the polishing pad, and the polishing pad interposed between the polishing platen and the polishing pad, and a part of the upper surface thereof is exposed from the polishing pad. A polishing apparatus having a high thermal conductivity member having a higher thermal conductivity, and while relatively supplying the abrasive onto the polishing pad, moving the polishing platen and the object holding means relatively A polishing method for polishing the object to be polished,
During the polishing process, the high thermal conductivity member comes into contact with the abrasive and controls the temperature of the surface to be polished of the object to be polished.
研磨パッドが取り付けられた研磨定盤と、被研磨体の被研磨面を前記研磨パッドに対面させるように前記被研磨体を保持する被研磨体保持手段と、前記研磨定盤に設けられ、前記研磨パッドの温度を制御するための流体を通流させる流体通流手段と、前記研磨定盤と研磨パッドとの間に介在するとともに、その上面の一部が研磨パッドから露出する、前記研磨パッドよりも高い熱伝導率を有する液体を含有する高熱伝導率部材とを具備する研磨装置を用い、前記研磨パッド上に研磨剤を供給しつつ、前記研磨定盤と前記被研磨体保持手段を相対的に動かして前記被研磨体に研磨処理を施す研磨方法であって、
前記研磨処理中に、前記高熱伝導率部材が前記研磨剤と接触し、前記被研磨体の被研磨面の温度を制御することを特徴とする研磨方法。
A polishing surface plate to which a polishing pad is attached; a polishing object holding means for holding the object to be polished so that a surface to be polished of the object to be polished faces the polishing pad; and the polishing surface plate, A fluid flow means for allowing a fluid to control the temperature of the polishing pad, and the polishing pad interposed between the polishing platen and the polishing pad, and a part of the upper surface thereof is exposed from the polishing pad. A polishing apparatus comprising a high thermal conductivity member containing a liquid having a higher thermal conductivity than the polishing surface plate and the object holding means relative to each other while supplying an abrasive onto the polishing pad. A polishing method for performing a polishing process on the object to be polished,
During the polishing process, the high thermal conductivity member comes into contact with the abrasive and controls the temperature of the surface to be polished of the object to be polished.
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