JP4041107B2 - 研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、パッドの上面にスラリを供給しながら被研磨対象物をパッドに押圧して研磨する研磨方法に関する。

化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法では、スラリを研磨パッド上に供給しながら、ターンテーブルを回転させて被研磨対象物の研磨を行う（特許文献１参照）。研磨前のスラリのｐＨ値等は、スラリの供給タンクの状態を測定することで把握できる。ところが、研磨パッド上にスラリを供給して研磨を行う場合、研磨パッド上のスラリの濃度、ｐＨ値および流量などにより、研磨の速度や品質が影響を受ける。また、複数のスラリ成分を混合して研磨を行う場合、これらスラリ成分の混ざり具合によっても、研磨の速度や品質が影響を受ける。

研磨中のスラリの特性を直接モニタするには、研磨パッドの近傍に測定機器を設置する必要があるが、研磨を停止せずにモニタする有効な手段が従来はなかった。このため、研磨に影響を与えることなく、研磨中にスラリの特性を測定するには、専用の測定機器を開発しなければならず、製造コストが高くなってしまう。さらには、このような専用の測定機器を設置する場所を確保しなければならず、生産性が低下するおそれがあった。
特開２０００−２２５５５８公報

本発明の目的は、研磨中のスラリのイオン濃度を精度よく測定可能な研磨方法を提供することにある。

本発明の一態様の研磨方法によれば、ターンテーブルを回転させながら、該ターンテーブル上に配設されたパッドの上面にスラリを供給して、前記パッドの上面に配設された被研磨対象物を前記パッドに押圧して研磨し、研磨中に、前記パッド上のスラリに含まれる特定イオンのイオン濃度をイオン試験紙で検出することを特徴としている。

本発明によれば、研磨中のスラリのイオン濃度を精度よく測定できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る研磨方法を採用する研磨装置の一例を示す上面図、図２は図１の研磨装置のＡ−Ａ線断面図である。

図１の研磨装置は、中心軸の周りを回転可能なターンテーブル１上に配設されるパッド２と、このパッド２の上方に配設され砥粒を含有するスラリ３を供給するノズル４ａと、同じくパッド２の上方に配設される酸化剤５を供給するノズル４ｂと、パッド２上に被研磨対象物６を押圧して研磨するキャリア７とを備えている。以下では、被研磨対象物６としてウエハ６を研磨する例を説明する。

ノズル４ａ，４ｂの数には特に制限はない。すなわち、複数種類のスラリ成分を用いる場合に、適宜それぞれ別個のノズルでスラリ成分を供給して、パッド２上でスラリ成分を混合することができる。また、例えば溶媒としての水を別個のノズルで供給して、パッド２上でスラリ３を希釈してもよい。スラリ３の材料も特に制限はない。研磨すべき材料に合わせて最適な材料を選択すればよい。Ｃｕを研磨する場合には、例えばシリカ砥粒、キナルジン酸および界面活性剤からなるスラリ３が用いられる。この場合、酸化剤５を供給するノズル４ｂからは、例えば過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）が供給される。これらスラリ３と酸化剤５は、パッド２上で直接混合される。

Ｃｕを研磨する場合のスラリ３は通常ｐＨ１１程度、ＡＰＳはｐＨ５程度であり、両者を混合するとｐＨ９程度になるように調整される。スラリ３とＡＰＳを予め混合しておかないのは、スラリ３がＡＰＳにより酸化されるためである。また、ＡＰＳ水溶液は、不図示の砥液供給装置内で循環して徐々に酸性側にシフトする。

このように、ｐＨ値が変動する要因は多数存在するため、混合滴下後のｐＨ値をモニタすることが望まれる。パッド２上で混合されたスラリ３のｐＨ値が研磨に与える影響としては、例えばｐＨ値が下がるとＣｕの研磨速度が低下し、逆にｐＨ値が上がるとＣｕのバリアメタルの研磨速度が上昇し、エロージョンが大きくなることが挙げられる。このことからも、ｐＨ値のモニタを行って、ｐＨ値の変化をいち早く検知することが望まれる。

パッド２は、ターンテーブル１と一体に回転する。図２に示すように、パッド２は２層構造になっており、ターンテーブル１上に両面テープ１５を介して接合される下層パッド８と、下層パッド８上に両面テープ９を介して接合される上層パッド１０とを有する。上層パッド１０には、上層パッド１０の底面まで貫通する孔１１が形成されている。孔１１の底面にはｐＨ試験紙１２が挟み込まれている。ターンテーブル１は高速回転するため、ｐＨ試験紙１２を接着剤等で下層パッド８上に接合してもよい。その場合、ｐＨ値に影響を及ぼさない接着剤等を選ぶのが望ましい。

パッド２上で混合されたスラリ３の一部は、孔１１の中に入り込み、孔１１の底面に配置されたｐＨ試験紙１２に接触する。スラリ３のｐＨ値により、ｐＨ試験紙１２の色が変化する。

孔１１のサイズや数には特に制限はないが、研磨の邪魔にならない程度のサイズおよび数に設定すればよい。上層パッド１０の中心軸に孔１１を設けた場合、ターンテーブル１を回転させた際にウエハ６とパッド２が対向する軌道から孔１１が外れるので、孔１１を設けたことによる研磨への影響を回避することができる。

また、複数の孔１１を設ける場合には、各孔１１を上層パッド１０の中心軸から互いに異なる距離に配設するのが望ましい。このとき、ノズル４ａ，４ｂに近い孔１１では、スラリ３の滴下直後に混合されたスラリ３のｐＨ値を検出できるのに対し、外周側の孔１１では研磨で消費された後のスラリ３のｐＨ値を検出できる。

パッド２には、スラリ３の流れをよくするための孔を設けることが多いため、このような孔を孔１１として代用してもよい。これにより、ｐＨ測定用に新たな孔を形成しなくて済む。

孔１１の上方には、ｐＨ試験紙１２の色を撮像するための撮像装置１３（例えば、ＣＣＤカメラ）が配設されている。撮像装置１３による撮像画像は例えばＰＣ１４に送られて、分析される。

研磨中のスラリ３のｐＨ値をリアルタイムに測定できるように、ターンテーブル１を回転させながら孔１１内のｐＨ試験紙１２を撮像装置１３が撮像する。仮に、上層パッド１０の中心軸に孔１１が形成されている場合には、ターンテーブル１が回転しても孔位置は移動しないため、撮像装置１３は特にターンテーブル１の回転に同期させて撮像を行う必要はない。一方、中心軸とは異なる位置に形成された孔１１内のｐＨ試験紙１２を撮像するには、ターンテーブル１の回転に同期させて撮像装置１３の撮像タイミングを制御する必要がある。より具体的には、ターンテーブル１の回転量を検出する不図示のエンコーダを設け、エンコーダの出力を撮像装置１３に送って、ターンテーブル１の回転と撮像装置１３の撮像タイミングとを同期化させる。なお、ターンテーブル１が高速回転している場合には、撮像画像がぶれないようにシャッタ速度を十分に速くする。

図３は第１の実施形態による処理手順を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに従って、第１の実施形態による研磨方法を説明する。以下では、キナルジン酸を含むスラリ３を用いて、ウエハ６上に形成されたＣｕ層を研磨する例について説明する。また、パッド２の上層パッド１０には複数の孔１１が形成されているものとする。

ターンテーブル１を回転させながら、ノズル４ａ，４ｂからスラリ３とＡＰＳをそれぞれ滴下し、回転が安定化して、スラリ３とＡＰＳがパッド２上で十分に混合するまで待機する。その後、研磨対象のウエハ６をキャリア７に載置してパッド２上に押圧し、研磨を開始する。そして、研磨中に孔１１の内部のｐＨ試験紙１２を撮像装置１３にて定期的に撮像し、ＰＣ１４にてｐＨ試験紙１２の色の変化を分析する（ステップＳ１）。色の変化の分析手法は特に問わないが、例えば、スペクトル分析を行う。色の変化の分析は完全に自動化してもよいし、人間がＰＣ１４の画面を目視で見て、色の変化を検出してもよい。

次に、ｐＨ測定結果に基づいて、スラリ３のｐＨ値が異常か否かを判定する（ステップＳ２）。異常の場合には所定の警報処理を行う（ステップＳ３）。ここで、警報処理とは、例えばアラーム音の鳴動や不図示のモニタ画面への警報表示などである。警報処理を設けるのは、スラリ３のｐＨ試験紙１２の色が、予め想定される色とはまったく異なる色になった場合、正常に研磨を行えない可能性が高いことから、即座に研磨を停止するなどの処理を行うためである。

ステップＳ２で異常でないと判定された場合は処理を終了するが、ステップＳ１〜Ｓ３の処理は研磨中、定期的に行われる。

上述したステップＳ２の処理の変形例として、ｐＨ試験紙１２の色の変化により、研磨が終了したか否かを判断してもよい。この場合、パッド２の中心軸からの距離が互いに異なる複数の孔１１に置かれたｐＨ試験紙１２の色がほぼ同じか否かを判定し、複数の孔１１でのｐＨ試験紙１２の色に違いがあればステップＳ１の処理を継続して行い、複数の孔１１でのｐＨ試験紙１２の色がほぼ同じになると、ウエハ上の研磨すべき物質がすでに消失したと考えられることから、研磨を終了する。

例えば、Ｃｕを研磨している場合、ＡＰＳ中の過硫酸の分解とアンモニア成分の消費が起こって酸性側に傾くが、研磨が進行して研磨されるべきＣｕがなくなると、ＡＰＳ中の過硫酸の分解とアンモニア成分の消費が起きなくなり、パッド２の中央付近の孔１１のｐＨ値とパッド２の外周付近の孔１１のｐＨ値との差が小さくなる。すなわち、両孔１１のｐＨ試験紙１２の色がほぼ同じになる。このため、ステップＳ２では、Ｃｕの研磨が終了したか否かを容易かつ正確に判断できる。

このように、第１の実施形態では、パッド２の上層パッド１０に孔１１を形成して、この孔１１の内部にｐＨ試験紙１２を配置し、スラリ３をパッド２上に供給して研磨を行っている間に孔１１に流れ込んだスラリ３によるｐＨ試験紙１２の色の変化を検出するため、研磨中のスラリ３のｐＨ値をリアルタイムに分析でき、スラリ３の成分に異常がないかどうかを迅速に把握できる。また、上層パッド１０の中心軸から互いに異なる距離に複数の孔１１を設けて、各孔１１にｐＨ試験紙１２を配置すれば、スラリ３を滴下直後のスラリ３のｐＨ値と、研磨により一部の材料が消費された後のスラリ３のｐＨ値とを検出でき、両ｐＨ値を比較することで、研磨が終了したか否かを簡易かつ正確に判断することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態とは異なる場所にｐＨ試験紙１２を配置するものである。

図４は本発明の第２の実施形態に係る研磨方法を採用する研磨装置の一例を示す上面図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図である。

図５に示すように、第２の実施形態の研磨装置は、パッド２の形状が図２とは異なっている。パッド２は、ターンテーブル１上に両面テープ１５を介して接合される下層パッド８と、下層パッド８上に両面テープ９を介して接合される上層パッド１０とを有する。下層パッド８の外縁の一部には、ターンテーブル１から突出した突出部２１が形成されている。この突出部２１は、ｐＨ試験紙１２と予め定めた基準色の色見本部材２２とを取り付けるだけの広さを持ち、突出部２１の上面（上層パッド１０と略同一面）にｐＨ試験紙１２と色見本部材２２が取り付けられる。ｐＨ試験紙１２は、着脱可能であり、突出部２１に取り付ける際は、研磨中に剥がれないように両面接着剤で接着してもよいが、ｐＨ値に影響を与えない両面接着剤を選択するのが望ましい。

第１の実施形態と異なり、第２の実施形態のｐＨ試験紙１２は着脱可能であるため、ｐＨ値の測定を繰り返してｐＨ試験紙１２が劣化した場合に、パッド２やターンテーブル１を分解せずに、ｐＨ試験紙１２を簡易に交換することができる。

パッド２の上方には、ｐＨ試験紙１２の色の変化を検出するために撮像装置１３（例えば、ＣＣＤカメラ）が配設される。この撮像装置１３の撮像画像は、例えばＰＣ１４に送られて分析される。撮像装置１３は、ｐＨ試験紙１２と色見本部材２２の両方を撮像可能な位置に配設される。

色見本部材２２は、ｐＨ試験紙１２の色を判断する際の基準色として用いる。基準色の色調データを予め所持していれば、色見本部材２２はなくてもｐＨ試験紙１２の色を判断できるが、研磨装置周辺の環境条件、照明の種類、撮像装置１３の撮像特性等により、撮像結果が実際の色と完全に同じになるとは限らない。そこで、第２の実施形態では、色見本部材２２をｐＨ試験紙１２の近くに配置して、撮像条件をできるだけ同じにして両者を撮像し、両者の色調データを比較する。

ｐＨ試験紙１２と色見本部材２２が配置される突出部２１は、パッド２の所定箇所のみに設けられるため、これらは、ターンテーブル１の回転に同期させて撮像される。より具体的には、ターンテーブル１の回転量を検知する不図示のエンコーダからの信号を撮像装置１３に送って、撮像装置１３が撮像可能な位置にｐＨ試験紙１２と色見本部材２２が来たときに、撮像を行う。

第１の実施形態と異なり、ｐＨ試験紙１２は、パッド２の外縁にしか設けられていないため、スラリ３を滴下直後のｐＨ値を測定することはできないが、スラリ３は研磨中に遠心力により外周側に均等に飛散するため、外縁にｐＨ試験紙１２を設けても、パッド２上のスラリ３のｐＨ値を正しく測定することができる。

図６は第２の実施形態による処理手順を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに従って、第２の実施形態による研磨方法を説明する。

スラリ３をパッド２上に滴下して、キャリア７により被研磨対象物６をパッド２に押圧して研磨を開始し、撮像装置１３にて色見本部材２２を撮像して参照画像を取得する（ステップＳ２１）。ｐＨ試験紙１２を撮像する場合と撮像条件をできるだけ同じにするために、色見本部材２２を撮像する際も、ターンテーブル１を回転させて実際に研磨を行っている最中に、ターンテーブル１の回転に同期させて色見本部材２２を撮像するのが望ましい。

次に、取得した参照画像の色調を数値化した色調データを生成する（ステップＳ２２）。例えば、色調データとして、赤（Ｒ）成分、緑（Ｇ）成分および青（Ｂ）成分ごとに２５６階調のデータ（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）を生成する。生成したデータは、不図示の記憶装置に保存しておく。

次に、研磨中にｐＨ試験紙１２を撮像装置１３にて撮像する（ステップＳ２３）。この場合も、ターンテーブル１の回転に同期して撮像を行う。

次に、撮像したｐＨ試験紙１２の撮像画像の色調を数値化した色調データ（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２）を生成する（ステップＳ２４）。

次に、参照画像の色調データ（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）とｐＨ試験紙１２の撮像画像の色調データ（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２）との差分がそれぞれ予め定めた所定値（Ｒ３，Ｇ３，Ｂ３）未満か否かを判定する（ステップＳ２５）。所定値未満と判定された場合には特に問題がないと判断して処理を終了する。一方、所定値以上と判定された場合、研磨がすでに終了した場合など、スラリのｐＨ値が変化したと考えられるため、所定の警報処理を行う（ステップＳ２６）。ここで、警報処理は、例えば、アラーム音を鳴動したり、あるいは不図示の表示装置にスラリのｐＨ値が変化したことを表示する。

ステップＳ２５とは逆に、参照画像の色調データ（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）とｐＨ試験紙１２の撮像画像の色調データ（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２）との差分が所定値未満と判定された場合に警報処理を行ってもよい。例えば、研磨が終了すると、スラリが研磨物により消費されなくなるが、そのときのスラリのｐＨ試験紙１２の色を予め色見本部材２２として用意しておけば、ｐＨ試験紙１２の色と色見本部材２２の色との差がなくなった時点で、研磨が終了したと判断できる。

このように、第２の実施形態では、パッド２の外縁に設けた突出部２１にｐＨ試験紙１２を配置してｐＨ値の測定を行うため、測定の繰り返しによりｐＨ試験紙１２が劣化した場合には、簡易にｐＨ試験紙１２を交換でき、作業性がよくなる。

また、ｐＨ試験紙１２に隣接して色見本部材２２を配置し、色見本部材２２を撮像して得られた参照画像をｐＨ試験紙１２の撮像画像と比較するため、研磨装置の周囲の環境条件や撮像装置１３の撮像特性に依存せずに、ｐＨ試験紙１２の色を判断でき、ｐＨ値の測定精度を向上できる。

（その他の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態では、ｐＨ試験紙１２を用いてスラリのｐＨ値を測定した。ｐＨ測定は、物質中の水素イオン濃度を測定するものであるが、イオン濃度を測定する手段は、必ずしもｐＨ測定に限らない。

したがって、本発明は、ｐＨ試験紙１２以外の各種のイオン試験紙を用いてスラリの特定のイオン濃度を測定する場合にも適用可能である。例えば、Ｃｕイオンの濃度を測定するには、カッパーチェック用のイオン試験紙を用いればよい。

本発明の第１の実施形態に係る研磨方法を採用する研磨装置の一例を示す上面図。 図１の研磨装置のＡ−Ａ線断面図。 第１の実施形態による処理手順を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る研磨方法を採用する研磨装置の一例を示す上面図。 図４のＡ−Ａ線断面図。 第２の実施形態による処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１ ターンテーブル
２ パッド
３ スラリ
４ａ，４ｂ ノズル
６ ウエハ
８ 下層パッド
１０ 上層パッド
１１ 孔
１２ ｐＨ試験紙
１３ 撮像装置

Claims (5)

1. ターンテーブルを回転させながら、該ターンテーブル上に配設されたパッドの上面にスラリを供給して、前記パッドの上面に配設された被研磨対象物を前記パッドに押圧して研磨し、
   研磨中に、前記パッド上のスラリに含まれる特定イオンのイオン濃度をイオン試験紙で検出することを特徴とする研磨方法。
2. 前記パッドには、前記ターンテーブル上に配設される第１層と、この第１層上に配設され少なくとも１箇所に下面まで貫通する孔が形成された第２層とが形成され、
   前記孔の内部に配設された前記イオン試験紙を撮像装置にて撮像し、
   前記撮像装置による撮像画像に基づいて前記イオン濃度を検出することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記パッドの外縁に配設された突出部に配置された前記イオン試験紙で前記イオン濃度を検出することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
4. 前記イオン試験紙を前記パッドの回転に同期させて撮像装置にて撮像することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の研磨方法。
5. 前記撮像装置による撮像画像の色調値と所定の基準画像の色調値とを比較し、
   前記撮像画像の色調値と前記基準画像の色調値との差分値を所定値と比較した結果に基づいて、警報処理を行うか否かを決定することを特徴とする請求項２または４に記載の研磨方法。

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