JP4379556B2 - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は研磨方法および研磨装置に係り、とくに加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面を粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法および研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−２８８９０６号公報に開示されているように、半導体ウエハ基板の平坦化工程において、従来からＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリシング Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工方法が広く用いられている。
【０００３】
従来のＣＭＰ加工方法は図１に示すように、回転するポリシングプレート１１上に弾性体のポリシングパッド１２を接着固定する。これに対してシリコンウエハ１３を研磨ヘッド１４の端面に固定する。そしてシリコンウエハ１３の被研磨面を下向きにしてポリシングパッド１２に圧着させる。このような状態においてスラリー１５を供給し、ポリシングプレート１１を回転させるとともに研磨ヘッド１４をも回転させ、これによってシリコンウエハ１３の表面を研磨する。
【０００４】
このときにポリシングパッド１２とシリコンウエハ１３とは互いに圧力が作用した状態で接触しているために、スラリー１５は研磨部分に十分に流入せず、研磨状態が不安定になりがちだった。これを防止するためにポリシングパッド１２の表面をダイヤモンド工具等でドレッシングし、比較的大きな凹凸を形成してスラリー溜りを形成していた。このために弾性体であるポリシングパッド１２の表面には、スラリー溜りの凹凸とドレッシング工具の引掻きにより形成された毛羽立ちが生じていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示すようなＣＭＰ加工法によって研磨されるシリコンウエハ１３は図２に示すように、その表面層において配線パターン等の規則的な凹凸２１と、その上面に被覆された絶縁膜としての薄膜層２２とを有し、薄膜層２２の表面が配線パターン２１の凹凸の影響によって表面凹凸２３を生ずる。ＣＭＰ加工法による平坦化工程においては、その薄膜層２２の表面凹凸２３の凸部のみを選択的に研磨することによって平坦化が達成される。
【０００６】
このためにポリシングパッド１２の弾性率を高めるなどして、シリコンウエハ１３の凸部のみに接触させて研磨をしようとする試みがなされていたが、実際には図３に示すように、ポリシングパッド１２の表面は圧力下で変形する弾性体から構成されておりしかもこのポリシングパッド１２の表面が毛羽立ちを生じた形状になっているために、ポリシングパッド１２の表面は必ずしも薄膜層２２の凸部２３ばかりでなく凹部にも接触する。すなわち凸部２３のみを選択的に研磨することができない。
【０００７】
このために図４において除去部分２４で示すように、凸部２３の部分のみを大きく除去することによって、凸部２３を選択的に除去するという理想的な平坦化プロセスの実現が困難であった。すなわち現実的には図５に示すように除去部分２４は凹凸２３に関係なくほぼ一定の厚みになり、研磨が進行してもシリコンウエハ１３の表面に形成された薄膜層２２の凹凸２３はほぼ一様に研磨が進み、平坦化はなかなか進行しないという問題があった。
【０００８】
このような現象は非球面レンズの加工においても見られている。すなわち通常高精度研削加工によって求める非球面形状を創成し、その後に表面ダメージ層を除去すると同時に、光学素子としての表面粗さを確保する研磨工程が実行されている。
【０００９】
しかるにその研磨工程では、事前測定により研磨位置とそこでの除去量を計算したとしても、研磨加工による除去形状はある面積をもつために、周辺も同時に加工してしまうことになり、この結果意図した部分以外の領域をも加工してしまうことになり、研磨加工が研削工程で達成されていた精度をかえって悪化させる結果になっていた。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決することを目的としてなされたものであって、凹凸を有する被加工面を研磨する際にとくにその凸部の研磨除去量を相対的に増大させるようにし、これによって加工目標とする平面または曲面を得るようにした研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
研磨方法に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法において、
選択的に大きな研磨除去量を得たい位置にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象により前記スラリー中の粒子を捕捉集合させることにより該位置の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする研磨方法に関するものである。
【００１２】
ここで被加工面上の凹凸の形状に応じてレーザ光束の移動経路を決定して走査することにより、被加工面上のレーザ光照射部分の研磨除去量を相対的に増大させるようにしてよい。また被加工面上の凹凸の形状に応じた遮光マスクをレーザ光路中に配置し、該遮光マスクを通して露光した露光部分である被加工面上のレーザ光の照射部分の研磨除去量を相対的に増大させるようにしてよい。
【００１３】
また被加工面上のレーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させ、レーザ光照射部分の近傍のスラリー中の粒子の集中度を局部的に上昇させ、被加工面上の研磨除去量を増大させるようにしてよい。また被加工面上のレーザ光の照射部分にレーザ光のエネルギにより被加工面とスラリー液との化学反応により化学反応層を形成し、該化学反応層をスラリー中の粒子により研磨除去し、被加工面上の研磨除去量を増大させるようにしてよい。また被加工面上のレーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させ、レーザ光照射部分の近傍のスラリー中の粒子の集中度を局部的に上昇させ、かつ被加工面上のレーザ光の照射部分にレーザ光のエネルギにより被加工面とスラリー液との化学反応により化学反応層を形成し、該化学反応層をスラリー中の粒子により研磨除去し、被加工面上の研磨除去量を増大させるようにしてよい。
【００１４】
また研磨加工前または研磨加工中に被加工面上の研磨すべき部分の表面形状を測定して記憶し、その測定データからレーザ光照射位置、レーザ光照射条件、および研磨条件を算出し、その算出結果に従ってレーザ光の照射および研磨加工を行なうようにしてよい。
【００１５】
研磨装置に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨装置において、
レーザ光を投影照射するレーザ光学系と、
軸線方向の押圧と回転運動とを行なう研磨工具系と、
を有し、前記レーザ光学系および前記研磨工具系が被加工面との間で相対的な運動を行なうことにより、被加工面上の同一位置でレーザ光の照射および研磨を同時にまたは逐次行なうとともに、前記レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象により前記スラリー中の粒子を捕捉集合させて該部分の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする研磨装置に関するものである。
【００１６】
ここで研磨加工前または研磨加工中に被加工面上の研磨予定部分の表面形状を形状測定手段によって測定し、測定された形状を記憶手段によって記憶し、記憶された測定データからレーザ光の照射位置、照射条件、および研磨条件を算出し、該算出結果に基いて前記レーザ光学系がレーザ照射を行ない、あるいは前記研磨工具系が研磨を行なうようにしてよい。またレーザ光学系の光路中に遮光マスクが配置され、該遮光マスクによって被加工面上の凹凸の形状に応じて選択的なレーザ光の照射が行なわれるようにしてよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本実施の形態は、例えば図２に示すように、配線層２１および絶縁層２２がその上に形成されたシリコンウエハ１３を図１に示すようなＣＭＰ加工法によって研磨する際に、図５に示すように凹凸２３がある部分もない部分もほぼ均一な除去量２４を得る加工法ではなく、図４に示すように、凸部２３がある部分の研磨量を相対的に増大させ、これによって表面が加工目標とする平坦な面にするものである。
【００１８】
図２に示すシリコンウエハ１３の層間絶縁被膜２２は、層間絶縁被膜下面の配線層２１の凹凸の影響によって、例えば４００〜５００ｎｍ程度の段差による微小な凹凸を有し、その間隔は数１００ｎｍ〜数１００μｍである。このときの層間絶縁被膜２２の平坦化を進めるためには、図４に示すような理想的な形態に研磨すればよい。理想的な形態とは、表面の凹凸の内の凸部のみを相対的にかつ選択的に研磨すればよい。ところが上述の如く、従来の方法によっては図３に示すように、凸部２３のみに選択的に接触させて研磨することはできず、このために凸部のみを選択的に研磨することが極めて困難であって、図５に示すような研磨しか行なえなかった。
【００１９】
この実施の形態は、層間絶縁被膜２２の表面の凹凸の内の凸部２３のみを選択的に研磨する方法として、被加工物の表面の相対的な大きな除去量を得たい領域にレーザ光を照射し、その照射部分を研磨用微小粒子を含むスラリー１５を用いて研磨し、レーザ光照射部分の研磨除去量の増大を図るようにしたものである。
【００２０】
図６はこのような研磨方法を実現するための装置の概要を示している。この装置はフレーム２９とステー３０とを備えるとともに、その下部がベース３１から構成されている。そしてベース３１上にはＸ−Ｙテーブルから成る移動台３２が配されている。移動台３２上には吸着固定装置３３が備えられ、この吸着固定装置３３によってシリコンウエハ１３を吸着保持するようにしている。
【００２１】
上記吸着固定装置３３の斜め上方位置には膜厚測定装置３５が配されている。またこの装置はＹＡＧレーザ３７を備えるとともに、光ファイバ３８によってＹＡＧレーザ３７がレーザ光投影光学系３９に接続されている。またこの光学系３９の側部には研磨工具４０が配されるとともに、研磨工具４０は空気圧シリンダ４１に連結されて取付けられている。また空気圧シリンダ４１の出力側には電動モータ４２が配されている。また研磨工具４０の側部にはスラリー供給装置１６が取付けられており、この装置によってスラリー１５が供給されるようになっている。
【００２２】
上記膜厚測定装置３５は膜厚測定データ処理回路４４に接続されている。また膜厚測定データ処理回路４４は演算制御ユニット４５に接続されている。さらに上記演算制御ユニット４５がＸ−Ｙテーブル制御回路４６と接続されており、この制御回路４６によってＸ−Ｙテーブルから成る移動台３２の駆動制御を行なうようにしている。
【００２３】
次にこのような装置による研磨の動作について説明する。被加工物であるシリコンウエハ１３は水平平面内のＸ−Ｙ方向に移動可能なＸ−Ｙテーブルから成る移動台３２上に吸着固定装置３３を介して真空吸着されて取付けられる。
【００２４】
この後Ｘ−Ｙテーブル制御回路４６の指令に基いて移動台３２が図中左方、すなわち膜厚測定装置３５の下方に移動し、被加工物１３の上方に設置された多重干渉計から成る膜厚測定装置３５によって被加工物１３の表面の膜厚が測定される。そしてこのような膜厚のデータは、移動台３２のＸ−Ｙ平面上における座標値とともに膜厚測定データ処理回路４４に送られ、この処理回路４４で処理された後演算制御ユニット４５に送られてここで記憶される。このような膜厚の測定を、被加工物１３の表面の全体にわたって微小間隔で行なうことにより、被加工物１３の表面の凹凸形状を測定することになる。
【００２５】
次にスラリー供給装置１６によって被加工物１３の表面に研磨用微小粒子および研磨用薬液を含むスラリー１５を供給する。この後に制御回路４６の指示に基いて移動台３２がレーザ光投影光学系３９の下方に移動される。そしてＹＡＧレーザ３７から射出されたレーザ光束は光ファイバ３８を通過し、被加工物１３の上方に設置された投影光学系３９を経由して被加工物１３の表面に照射される。
【００２６】
このときに予め測定された被加工物１３の表面形状に応じて、レーザ光は図２に示すシリコンウエハ１３の配線２１の上部の表面の凸部２３のみに照射される。この光は単一光束として照射され、移動台３２の移動によって被加工物１３の表面の走査を行なうようにして照射が行なわれる。なお投影光学系に走査光学系を組込むようにしてもよい。
【００２７】
この後に移動台３２がＸ−Ｙテーブル制御回路４６の出力信号に基いて、研磨工具４０の下方に移動し、研磨工具４０が空気圧シリンダ４１および電動モータ４２の作用によって同時に圧力と回転運動とを作用させながら移動台３２の送り運動により研磨を進めることになる。
【００２８】
このときに図７に示すように被加工物１３の表面に対してレーザ光の照射を行なうことによって、被加工物１３の表面においてレーザトラッピング現象によりスラリー１５中の微粒子５１が凸部２３の上部に凝集して堆積する。
【００２９】
微粒子５１を含むスラリー１５にレーザ光を照射すると、その光放射圧によって微粒子５１がレーザ光束に捕捉される現象はレーザトラッピングとして知られている。このときスラリー１５が供給されたシリコンウエハ１３の表面をレーザ光束により走査すると、図７に示すように走査軌跡上に微粒子５１が集積して固化する現象が見られる。この現象がレーザトラッピング現象である。このような微粒子５１の集積痕をシリコンウエハ１３の凸部２３上に形成した後に研磨を行なうことにより、微粒子５１の集積痕跡周辺のみが局部的に研磨され、微細パターン２１と対応する表面凸部２３のみが除去加工される。
【００３０】
同時に薄膜層２２とスラリー中の薬液との化学反応によって、被加工物１３の表面に比較的軟質の化学反応層５２が図７に示すように形成され、とくにレーザ光照射部分においては活発な化学反応によって急速な化学反応層５２が形成される。
【００３１】
すなわちスラリー１５が供給されたシリコンウエハ１３にレーザ光束を照射すると、その照射部分の温度上昇等によって表面に化学反応層が活発に形成される。この化学反応層５２は水和層と考えられる。そしてレーザ光の照射によって活発な水和層の形成を行なった後に、この水和層を除去するスラリー１５による研磨加工によってとくに表面の凸部２３の除去速度が増大される。
【００３２】
なおここで研磨に用いられるスラリー１５の組成としては、次のような組合わせのものが利用可能である。
【００３３】
レーザ光投影光学系３９はレーザ光束を容易に凹凸パターン２１の幅寸法程度に絞込むことが可能であるために、微小幅の凸部２１に関しても選択的研磨が可能になる。このような過程を辿ることによって、微細な凹凸形状を有するシリコンウエハ１３上の層間絶縁膜２２等において、高精度の平坦化加工が可能になり、図４において２４で示す選択的な除去量をもった薄膜層２２の除去が可能になり、これによって極めて高い平坦度をもった理想的な研磨加工が行なわれるようになる。
【００３４】
なお本加工法はシリコンウエハ１３上の層間絶縁被膜２２ばかりでなく、シリコンウエハ１３上に形成される金属膜、例えばデュアルダマシン工程における銅等の金属膜においても同様の作用によって高精度の平坦化を実現することができる。また非球面レンズの研磨のように、被加工物の特定位置を小型研磨工具で研磨する場合においても、同様に適用可能であって、加工面内における位置分解能が向上することによって、高精度加工が実現されるようになる。
【００３５】
本実施の形態のとくに図６に示す装置およびこの装置によって行なわれる研磨加工方法によれば、シリコンウエハ１３等の被加工物の特定位置を小型工具１５により研磨する場合に、高精度の位置分解能で研磨加工が行なわれる。また半導体プロセスでの微小な凹凸面に対するＣＭＰ平坦化加工において、凸部２３の選択的な研磨が可能になる。このために図４に示すような理想的な高度の平坦度が得られる。
【００３６】
このような研磨装置および研磨方法は上述の如く、ＳｉＯ2 系材料を主材料としたシリコンウエハ１３上の層間絶縁被膜の平坦化を可能にするものである。さらにＣｕ等の金属膜の平坦化をも可能にする。また非球面レンズ等の表面研磨に用いると、高精度の研磨が可能になる。
【００３７】
上記実施の形態においてはレーザ光学系３９がレーザ光を絞ってシリコンウエハ１３の薄膜層２２上の凸部２３に選択的にレーザ光を照射している。この場合にはＸ−Ｙテーブル３２を用いて走査しながらレーザ光の照射が行なわれる。このような構成に代えて、走査を行なうことなくしかもレーザ光の照射を行なうために遮光マスク５８を用いてよい。
【００３８】
図８はこのような装置を示しており、エキスパンダレンズ５６、集束レンズ５７、遮光マスク５８、集束レンズ５９、、および凹レンズ６０をレーザ光学系中に配する。
【００３９】
エキスパンダレンズ５６によってレーザ光を拡散させ、集束レンズ５７によって拡散されたレーザ光を平行光に変換し、平行光になったレーザ光を遮光マスク５８中を透過させ、この後に集束レンズ５９で絞り、凹レンズ６０で平行光にしてシリコンウエハ１３の表面に投射する。このようなレーザ光の投射によれば、遮光マスク５８のパターン形状に応じてシリコンウエハ１３の表面にレーザ光の照射が行なわれる。従ってＸ−Ｙテーブル３２とレーザ光投影光学系３９とを用いた走査によるレーザ照射を行なうことなくしかもシリコンウエハ１３の表面の薄膜層２２のとくに表面凸部２３のみに選択的にレーザ光を照射することが可能になる。
【００４０】
【発明の効果】
加工方法に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法において、選択的に大きな研磨除去量を得たい位置にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させることにより該位置の研磨除去量を相対的に増大させるようにしたものである。
【００４１】
従ってレーザ光が照射される部分がとくに他の部分に比べて相対的な大きな研磨量で研磨が行なわれることになり、選択的に研磨量を調整できるとともに、表面の凹凸の内の凸部の領域にレーザ光を予め照射しておくことによって凸部の選択的な研磨が可能になる。
【００４２】
研磨装置に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨装置において、レーザ光を投影照射するレーザ光学系と、軸線方向の押圧と回転運動とを行なう研磨工具系と、を有し、レーザ光学系および研磨工具系が被加工面との間で相対的な運動を行なうことにより、被加工面上の同一位置でレーザ光の照射および研磨を同時にまたは逐次行なうとともに、レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させて該部分の研磨除去量を相対的に増大させるようにしたものである。
【００４３】
従ってこのような研磨装置によれば、被加工面の所定の位置にレーザ光を照射するとともに研磨を同時にまたは逐次的に行なうことが可能になり、これによって被加工面上の所定の領域の選択的な研磨を行なうことが可能な研磨装置を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＰ加工方法を示す正面図である。
【図２】表面に配線パターンと絶縁薄膜層とが形成されたシリコンウエハの要部拡大断面図である。
【図３】シリコンウエハの薄膜層の研磨を示す要部拡大断面図である。
【図４】理想的な薄膜層の研磨を示すシリコンウエハの要部拡大断面図である。
【図５】従来の薄膜層の研磨を示すシリコンウエハの要部拡大断面図である。
【図６】研磨装置の正面図である。
【図７】シリコンウエハ上の薄膜層にレーザ光を照射している状態を示す拡大断面図である。
【図８】遮光マスクを用いたレーザ光学系の要部断面図である。
【符号の説明】
１１‥‥ポリシングプレート、１２‥‥ポリシングパッド、１３‥‥シリコンウエハ、１４‥‥研磨ヘッド、１５‥‥スラリー、１６‥‥スラリー供給装置、２１‥‥凹凸（配線パターン）、２２‥‥薄膜層（絶縁膜）、２３‥‥表面凹凸、２４‥‥除去部分（研磨部分）、２９‥‥フレーム、３０‥‥ステー、３１‥‥ベース、３２‥‥移動台（Ｘ−Ｙテーブル）、３３‥‥吸着固定装置、３５‥‥膜厚測定装置、３７‥‥ＹＡＧレーザ、３８‥‥光ファイバ、３９‥‥レーザ光投影光学系、４０‥‥研磨工具、４１‥‥空気圧シリンダ、４２‥‥電動モータ、４４‥‥膜厚測定データ処理回路、４５‥‥演算制御ユニット、４６‥‥Ｘ−Ｙテーブル制御回路、５１‥‥微粒子、５２‥‥化学反応層、５６‥‥エキスパンダレンズ、５７‥‥集束レンズ、５８‥‥遮光マスク、５９‥‥集束レンズ、６０‥‥凹レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は研磨方法および研磨装置に係り、とくに加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面を粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法および研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−２８８９０６号公報に開示されているように、半導体ウエハ基板の平坦化工程において、従来からＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリシング Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工方法が広く用いられている。
【０００３】
従来のＣＭＰ加工方法は図１に示すように、回転するポリシングプレート１１上に弾性体のポリシングパッド１２を接着固定する。これに対してシリコンウエハ１３を研磨ヘッド１４の端面に固定する。そしてシリコンウエハ１３の被研磨面を下向きにしてポリシングパッド１２に圧着させる。このような状態においてスラリー１５を供給し、ポリシングプレート１１を回転させるとともに研磨ヘッド１４をも回転させ、これによってシリコンウエハ１３の表面を研磨する。
【０００４】
このときにポリシングパッド１２とシリコンウエハ１３とは互いに圧力が作用した状態で接触しているために、スラリー１５は研磨部分に十分に流入せず、研磨状態が不安定になりがちだった。これを防止するためにポリシングパッド１２の表面をダイヤモンド工具等でドレッシングし、比較的大きな凹凸を形成してスラリー溜りを形成していた。このために弾性体であるポリシングパッド１２の表面には、スラリー溜りの凹凸とドレッシング工具の引掻きにより形成された毛羽立ちが生じていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示すようなＣＭＰ加工法によって研磨されるシリコンウエハ１３は図２に示すように、その表面層において配線パターン等の規則的な凹凸２１と、その上面に被覆された絶縁膜としての薄膜層２２とを有し、薄膜層２２の表面が配線パターン２１の凹凸の影響によって表面凹凸２３を生ずる。ＣＭＰ加工法による平坦化工程においては、その薄膜層２２の表面凹凸２３の凸部のみを選択的に研磨することによって平坦化が達成される。
【０００６】
このためにポリシングパッド１２の弾性率を高めるなどして、シリコンウエハ１３の凸部のみに接触させて研磨をしようとする試みがなされていたが、実際には図３に示すように、ポリシングパッド１２の表面は圧力下で変形する弾性体から構成されておりしかもこのポリシングパッド１２の表面が毛羽立ちを生じた形状になっているために、ポリシングパッド１２の表面は必ずしも薄膜層２２の凸部２３ばかりでなく凹部にも接触する。すなわち凸部２３のみを選択的に研磨することができない。
【０００７】
このために図４において除去部分２４で示すように、凸部２３の部分のみを大きく除去することによって、凸部２３を選択的に除去するという理想的な平坦化プロセスの実現が困難であった。すなわち現実的には図５に示すように除去部分２４は凹凸２３に関係なくほぼ一定の厚みになり、研磨が進行してもシリコンウエハ１３の表面に形成された薄膜層２２の凹凸２３はほぼ一様に研磨が進み、平坦化はなかなか進行しないという問題があった。
【０００８】
このような現象は非球面レンズの加工においても見られている。すなわち通常高精度研削加工によって求める非球面形状を創成し、その後に表面ダメージ層を除去すると同時に、光学素子としての表面粗さを確保する研磨工程が実行されている。
【０００９】
しかるにその研磨工程では、事前測定により研磨位置とそこでの除去量を計算したとしても、研磨加工による除去形状はある面積をもつために、周辺も同時に加工してしまうことになり、この結果意図した部分以外の領域をも加工してしまうことになり、研磨加工が研削工程で達成されていた精度をかえって悪化させる結果になっていた。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決することを目的としてなされたものであって、凹凸を有する被加工面を研磨する際にとくにその凸部の研磨除去量を相対的に増大させるようにし、これによって加工目標とする平面または曲面を得るようにした研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
研磨方法に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法において、
選択的に大きな研磨除去量を得たい位置にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象により前記スラリー中の粒子を捕捉集合させることにより該位置の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする研磨方法に関するものである。
【００１２】
ここで被加工面上の凹凸の形状に応じてレーザ光束の移動経路を決定して走査することにより、被加工面上のレーザ光照射部分の研磨除去量を相対的に増大させるようにしてよい。また被加工面上の凹凸の形状に応じた遮光マスクをレーザ光路中に配置し、該遮光マスクを通して露光した露光部分である被加工面上のレーザ光の照射部分の研磨除去量を相対的に増大させるようにしてよい。
【００１３】
また被加工面上のレーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させ、レーザ光照射部分の近傍のスラリー中の粒子の集中度を局部的に上昇させ、被加工面上の研磨除去量を増大させるようにしてよい。また被加工面上のレーザ光の照射部分にレーザ光のエネルギにより被加工面とスラリー液との化学反応により化学反応層を形成し、該化学反応層をスラリー中の粒子により研磨除去し、被加工面上の研磨除去量を増大させるようにしてよい。また被加工面上のレーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させ、レーザ光照射部分の近傍のスラリー中の粒子の集中度を局部的に上昇させ、かつ被加工面上のレーザ光の照射部分にレーザ光のエネルギにより被加工面とスラリー液との化学反応により化学反応層を形成し、該化学反応層をスラリー中の粒子により研磨除去し、被加工面上の研磨除去量を増大させるようにしてよい。
【００１４】
また研磨加工前または研磨加工中に被加工面上の研磨すべき部分の表面形状を測定して記憶し、その測定データからレーザ光照射位置、レーザ光照射条件、および研磨条件を算出し、その算出結果に従ってレーザ光の照射および研磨加工を行なうようにしてよい。
【００１５】
研磨装置に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨装置において、
レーザ光を投影照射するレーザ光学系と、
軸線方向の押圧と回転運動とを行なう研磨工具系と、
を有し、前記レーザ光学系および前記研磨工具系が被加工面との間で相対的な運動を行なうことにより、被加工面上の同一位置でレーザ光の照射および研磨を同時にまたは逐次行なうとともに、前記レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象により前記スラリー中の粒子を捕捉集合させて該部分の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする研磨装置に関するものである。
【００１６】
ここで研磨加工前または研磨加工中に被加工面上の研磨予定部分の表面形状を形状測定手段によって測定し、測定された形状を記憶手段によって記憶し、記憶された測定データからレーザ光の照射位置、照射条件、および研磨条件を算出し、該算出結果に基いて前記レーザ光学系がレーザ照射を行ない、あるいは前記研磨工具系が研磨を行なうようにしてよい。またレーザ光学系の光路中に遮光マスクが配置され、該遮光マスクによって被加工面上の凹凸の形状に応じて選択的なレーザ光の照射が行なわれるようにしてよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本実施の形態は、例えば図２に示すように、配線層２１および絶縁層２２がその上に形成されたシリコンウエハ１３を図１に示すようなＣＭＰ加工法によって研磨する際に、図５に示すように凹凸２３がある部分もない部分もほぼ均一な除去量２４を得る加工法ではなく、図４に示すように、凸部２３がある部分の研磨量を相対的に増大させ、これによって表面が加工目標とする平坦な面にするものである。
【００１８】
図２に示すシリコンウエハ１３の層間絶縁被膜２２は、層間絶縁被膜下面の配線層２１の凹凸の影響によって、例えば４００〜５００ｎｍ程度の段差による微小な凹凸を有し、その間隔は数１００ｎｍ〜数１００μｍである。このときの層間絶縁被膜２２の平坦化を進めるためには、図４に示すような理想的な形態に研磨すればよい。理想的な形態とは、表面の凹凸の内の凸部のみを相対的にかつ選択的に研磨すればよい。ところが上述の如く、従来の方法によっては図３に示すように、凸部２３のみに選択的に接触させて研磨することはできず、このために凸部のみを選択的に研磨することが極めて困難であって、図５に示すような研磨しか行なえなかった。
【００１９】
この実施の形態は、層間絶縁被膜２２の表面の凹凸の内の凸部２３のみを選択的に研磨する方法として、被加工物の表面の相対的な大きな除去量を得たい領域にレーザ光を照射し、その照射部分を研磨用微小粒子を含むスラリー１５を用いて研磨し、レーザ光照射部分の研磨除去量の増大を図るようにしたものである。
【００２０】
図６はこのような研磨方法を実現するための装置の概要を示している。この装置はフレーム２９とステー３０とを備えるとともに、その下部がベース３１から構成されている。そしてベース３１上にはＸ−Ｙテーブルから成る移動台３２が配されている。移動台３２上には吸着固定装置３３が備えられ、この吸着固定装置３３によってシリコンウエハ１３を吸着保持するようにしている。
【００２１】
上記吸着固定装置３３の斜め上方位置には膜厚測定装置３５が配されている。またこの装置はＹＡＧレーザ３７を備えるとともに、光ファイバ３８によってＹＡＧレーザ３７がレーザ光投影光学系３９に接続されている。またこの光学系３９の側部には研磨工具４０が配されるとともに、研磨工具４０は空気圧シリンダ４１に連結されて取付けられている。また空気圧シリンダ４１の出力側には電動モータ４２が配されている。また研磨工具４０の側部にはスラリー供給装置１６が取付けられており、この装置によってスラリー１５が供給されるようになっている。
【００２２】
上記膜厚測定装置３５は膜厚測定データ処理回路４４に接続されている。また膜厚測定データ処理回路４４は演算制御ユニット４５に接続されている。さらに上記演算制御ユニット４５がＸ−Ｙテーブル制御回路４６と接続されており、この制御回路４６によってＸ−Ｙテーブルから成る移動台３２の駆動制御を行なうようにしている。
【００２３】
次にこのような装置による研磨の動作について説明する。被加工物であるシリコンウエハ１３は水平平面内のＸ−Ｙ方向に移動可能なＸ−Ｙテーブルから成る移動台３２上に吸着固定装置３３を介して真空吸着されて取付けられる。
【００２４】
この後Ｘ−Ｙテーブル制御回路４６の指令に基いて移動台３２が図中左方、すなわち膜厚測定装置３５の下方に移動し、被加工物１３の上方に設置された多重干渉計から成る膜厚測定装置３５によって被加工物１３の表面の膜厚が測定される。そしてこのような膜厚のデータは、移動台３２のＸ−Ｙ平面上における座標値とともに膜厚測定データ処理回路４４に送られ、この処理回路４４で処理された後演算制御ユニット４５に送られてここで記憶される。このような膜厚の測定を、被加工物１３の表面の全体にわたって微小間隔で行なうことにより、被加工物１３の表面の凹凸形状を測定することになる。
【００２５】
次にスラリー供給装置１６によって被加工物１３の表面に研磨用微小粒子および研磨用薬液を含むスラリー１５を供給する。この後に制御回路４６の指示に基いて移動台３２がレーザ光投影光学系３９の下方に移動される。そしてＹＡＧレーザ３７から射出されたレーザ光束は光ファイバ３８を通過し、被加工物１３の上方に設置された投影光学系３９を経由して被加工物１３の表面に照射される。
【００２６】
このときに予め測定された被加工物１３の表面形状に応じて、レーザ光は図２に示すシリコンウエハ１３の配線２１の上部の表面の凸部２３のみに照射される。この光は単一光束として照射され、移動台３２の移動によって被加工物１３の表面の走査を行なうようにして照射が行なわれる。なお投影光学系に走査光学系を組込むようにしてもよい。
【００２７】
この後に移動台３２がＸ−Ｙテーブル制御回路４６の出力信号に基いて、研磨工具４０の下方に移動し、研磨工具４０が空気圧シリンダ４１および電動モータ４２の作用によって同時に圧力と回転運動とを作用させながら移動台３２の送り運動により研磨を進めることになる。
【００２８】
このときに図７に示すように被加工物１３の表面に対してレーザ光の照射を行なうことによって、被加工物１３の表面においてレーザトラッピング現象によりスラリー１５中の微粒子５１が凸部２３の上部に凝集して堆積する。
【００２９】
微粒子５１を含むスラリー１５にレーザ光を照射すると、その光放射圧によって微粒子５１がレーザ光束に捕捉される現象はレーザトラッピングとして知られている。このときスラリー１５が供給されたシリコンウエハ１３の表面をレーザ光束により走査すると、図７に示すように走査軌跡上に微粒子５１が集積して固化する現象が見られる。この現象がレーザトラッピング現象である。このような微粒子５１の集積痕をシリコンウエハ１３の凸部２３上に形成した後に研磨を行なうことにより、微粒子５１の集積痕跡周辺のみが局部的に研磨され、微細パターン２１と対応する表面凸部２３のみが除去加工される。
【００３０】
同時に薄膜層２２とスラリー中の薬液との化学反応によって、被加工物１３の表面に比較的軟質の化学反応層５２が図７に示すように形成され、とくにレーザ光照射部分においては活発な化学反応によって急速な化学反応層５２が形成される。
【００３１】
すなわちスラリー１５が供給されたシリコンウエハ１３にレーザ光束を照射すると、その照射部分の温度上昇等によって表面に化学反応層が活発に形成される。この化学反応層５２は水和層と考えられる。そしてレーザ光の照射によって活発な水和層の形成を行なった後に、この水和層を除去するスラリー１５による研磨加工によってとくに表面の凸部２３の除去速度が増大される。
【００３２】
なおここで研磨に用いられるスラリー１５の組成としては、次のような組合わせのものが利用可能である。
【００３３】
【００３４】
なお本加工法はシリコンウエハ１３上の層間絶縁被膜２２ばかりでなく、シリコンウエハ１３上に形成される金属膜、例えばデュアルダマシン工程における銅等の金属膜においても同様の作用によって高精度の平坦化を実現することができる。また非球面レンズの研磨のように、被加工物の特定位置を小型研磨工具で研磨する場合においても、同様に適用可能であって、加工面内における位置分解能が向上することによって、高精度加工が実現されるようになる。
【００３５】
本実施の形態のとくに図６に示す装置およびこの装置によって行なわれる研磨加工方法によれば、シリコンウエハ１３等の被加工物の特定位置を小型工具１５により研磨する場合に、高精度の位置分解能で研磨加工が行なわれる。また半導体プロセスでの微小な凹凸面に対するＣＭＰ平坦化加工において、凸部２３の選択的な研磨が可能になる。このために図４に示すような理想的な高度の平坦度が得られる。
【００３６】
このような研磨装置および研磨方法は上述の如く、ＳｉＯ2 系材料を主材料としたシリコンウエハ１３上の層間絶縁被膜の平坦化を可能にするものである。さらにＣｕ等の金属膜の平坦化をも可能にする。また非球面レンズ等の表面研磨に用いると、高精度の研磨が可能になる。
【００３７】
上記実施の形態においてはレーザ光学系３９がレーザ光を絞ってシリコンウエハ１３の薄膜層２２上の凸部２３に選択的にレーザ光を照射している。この場合にはＸ−Ｙテーブル３２を用いて走査しながらレーザ光の照射が行なわれる。このような構成に代えて、走査を行なうことなくしかもレーザ光の照射を行なうために遮光マスク５８を用いてよい。
【００３８】
図８はこのような装置を示しており、エキスパンダレンズ５６、集束レンズ５７、遮光マスク５８、集束レンズ５９、、および凹レンズ６０をレーザ光学系中に配する。
【００３９】
エキスパンダレンズ５６によってレーザ光を拡散させ、集束レンズ５７によって拡散されたレーザ光を平行光に変換し、平行光になったレーザ光を遮光マスク５８中を透過させ、この後に集束レンズ５９で絞り、凹レンズ６０で平行光にしてシリコンウエハ１３の表面に投射する。このようなレーザ光の投射によれば、遮光マスク５８のパターン形状に応じてシリコンウエハ１３の表面にレーザ光の照射が行なわれる。従ってＸ−Ｙテーブル３２とレーザ光投影光学系３９とを用いた走査によるレーザ照射を行なうことなくしかもシリコンウエハ１３の表面の薄膜層２２のとくに表面凸部２３のみに選択的にレーザ光を照射することが可能になる。
【００４０】
【発明の効果】
加工方法に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法において、選択的に大きな研磨除去量を得たい位置にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させることにより該位置の研磨除去量を相対的に増大させるようにしたものである。
【００４１】
従ってレーザ光が照射される部分がとくに他の部分に比べて相対的な大きな研磨量で研磨が行なわれることになり、選択的に研磨量を調整できるとともに、表面の凹凸の内の凸部の領域にレーザ光を予め照射しておくことによって凸部の選択的な研磨が可能になる。
【００４２】
研磨装置に関する主要な発明は、加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨装置において、レーザ光を投影照射するレーザ光学系と、軸線方向の押圧と回転運動とを行なう研磨工具系と、を有し、レーザ光学系および研磨工具系が被加工面との間で相対的な運動を行なうことにより、被加工面上の同一位置でレーザ光の照射および研磨を同時にまたは逐次行なうとともに、レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させて該部分の研磨除去量を相対的に増大させるようにしたものである。
【００４３】
従ってこのような研磨装置によれば、被加工面の所定の位置にレーザ光を照射するとともに研磨を同時にまたは逐次的に行なうことが可能になり、これによって被加工面上の所定の領域の選択的な研磨を行なうことが可能な研磨装置を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＰ加工方法を示す正面図である。
【図２】表面に配線パターンと絶縁薄膜層とが形成されたシリコンウエハの要部拡大断面図である。
【図３】シリコンウエハの薄膜層の研磨を示す要部拡大断面図である。
【図４】理想的な薄膜層の研磨を示すシリコンウエハの要部拡大断面図である。
【図５】従来の薄膜層の研磨を示すシリコンウエハの要部拡大断面図である。
【図６】研磨装置の正面図である。
【図７】シリコンウエハ上の薄膜層にレーザ光を照射している状態を示す拡大断面図である。
【図８】遮光マスクを用いたレーザ光学系の要部断面図である。
【符号の説明】
１１‥‥ポリシングプレート、１２‥‥ポリシングパッド、１３‥‥シリコンウエハ、１４‥‥研磨ヘッド、１５‥‥スラリー、１６‥‥スラリー供給装置、２１‥‥凹凸（配線パターン）、２２‥‥薄膜層（絶縁膜）、２３‥‥表面凹凸、２４‥‥除去部分（研磨部分）、２９‥‥フレーム、３０‥‥ステー、３１‥‥ベース、３２‥‥移動台（Ｘ−Ｙテーブル）、３３‥‥吸着固定装置、３５‥‥膜厚測定装置、３７‥‥ＹＡＧレーザ、３８‥‥光ファイバ、３９‥‥レーザ光投影光学系、４０‥‥研磨工具、４１‥‥空気圧シリンダ、４２‥‥電動モータ、４４‥‥膜厚測定データ処理回路、４５‥‥演算制御ユニット、４６‥‥Ｘ−Ｙテーブル制御回路、５１‥‥微粒子、５２‥‥化学反応層、５６‥‥エキスパンダレンズ、５７‥‥集束レンズ、５８‥‥遮光マスク、５９‥‥集束レンズ、６０‥‥凹レンズ
Claims (10)
- 加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨方法において、
選択的に大きな研磨除去量を得たい位置にレーザ光を照射し、該レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象により前記スラリー中の粒子を捕捉集合させることにより該位置の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする研磨方法。 - 被加工面上の凹凸の形状に応じてレーザ光束の移動経路を決定して走査することにより、被加工面上のレーザ光照射部分の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
- 被加工面上の凹凸の形状に応じた遮光マスクをレーザ光路中に配置し、該遮光マスクを通して露光した露光部分である被加工面上のレーザ光の照射部分の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
- 被加工面上のレーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させ、レーザ光照射部分の近傍のスラリー中の粒子の集中度を局部的に上昇させ、被加工面上の研磨除去量を増大させることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の研磨方法。
- 被加工面上のレーザ光の照射部分にレーザ光のエネルギにより被加工面とスラリー液との化学反応により化学反応層を形成し、該化学反応層をスラリー中の粒子により研磨除去し、被加工面上の研磨除去量を増大させることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の研磨方法。
- 被加工面上のレーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象によりスラリー中の粒子を捕捉集合させ、レーザ光照射部分の近傍のスラリー中の粒子の集中度を局部的に上昇させ、かつ被加工面上のレーザ光の照射部分にレーザ光のエネルギにより被加工面とスラリー液との化学反応により化学反応層を形成し、該化学反応層をスラリー中の粒子により研磨除去し、被加工面上の研磨除去量を増大させることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の研磨方法。
- 研磨加工前または研磨加工中に被加工面上の研磨すべき部分の表面形状を測定して記憶し、その測定データからレーザ光照射位置、レーザ光照射条件、および研磨条件を算出し、その算出結果に従ってレーザ光の照射および研磨加工を行なうことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の研磨方法。
- 加工目標とする平面または曲面に対して凹凸を有する被加工面にポリシングパッドを圧着させながら粒子を含むスラリーを用いて研磨する研磨装置において、
レーザ光を投影照射するレーザ光学系と、
軸線方向の押圧と回転運動とを行なう研磨工具系と、
を有し、前記レーザ光学系および前記研磨工具系が被加工面との間で相対的な運動を行なうことにより、被加工面上の同一位置でレーザ光の照射および研磨を同時にまたは逐次行なうとともに、前記レーザ光の照射部分に光放射圧によるレーザトラッピング現象により前記スラリー中の粒子を捕捉集合させて該部分の研磨除去量を相対的に増大させることを特徴とする研磨装置。 - 研磨加工前または研磨加工中に被加工面上の研磨予定部分の表面形状を形状測定手段によって測定し、測定された形状を記憶手段によって記憶し、記憶された測定データからレーザ光の照射位置、照射条件、および研磨条件を算出し、該算出結果に基いて前記レーザ光学系がレーザ照射を行ない、あるいは前記研磨工具系が研磨を行なうことを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
- レーザ光学系の光路中に遮光マスクが配置され、該遮光マスクによって被加工面上の凹凸の形状に応じて選択的なレーザ光の照射が行なわれることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
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