JP5234403B2

JP5234403B2 - 研磨方法および研磨装置

Info

Publication number: JP5234403B2
Application number: JP2008009820A
Authority: JP
Inventors: 進星野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP2009166215A

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の基板を研磨する研磨方法および研磨装置に関する。

基板表面を研磨する研磨装置としてＣＭＰ装置が例示される。ＣＭＰ装置は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により基板表面を超精密に研磨加工する技術として、半導体ウェーハやガラス基板等の基板の研磨加工に広く利用されている。このような研磨装置では、チャックに保持された基板と研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させて押接し、基板と研磨パッドとの当接部に研磨内容に応じたスラリー（Slurry）を供給して化学的・機械的な研磨作用を生じさせ、基板表面を平坦に研磨加工する。

このような研磨装置は、主として基板と研磨パッドの大小関係から、研磨パッドの直径が基板の直径よりも大きなタイプと、研磨パッドの直径が基板の直径よりも小さいタイプの２種類に大別される。研磨パッドの直径が基板の直径よりも小さいタイプの研磨装置では、基板全面を均一に研磨加工するため、一般的に、基板に対して研磨パッド（研磨ヘッド）を相対揺動させる揺動機構が設けられている（例えば、特許文献１を参照）。

上記のように、研磨パッドの直径が基板の直径よりも小さく揺動機構により基盤と研磨パッドとを相対移動させる研磨装置では、研磨加工中において、研磨パッドと当接して研磨作用を受ける領域と、研磨パッドが離隔して研磨作用を受けない領域とが、（基板の回転角度位置と基板に対する研磨パッドの位置に応じて）瞬時に変化する。そのため、研磨加工を行う際に設定する基板の回転速度や研磨パッドの回転速度、基板に対する研磨パッドの相対揺動速度などの加工条件の組み合わせ（研磨レシピと称される）によって、基板表面（被研磨面）の研磨レートが領域ごとに異なって研磨量分布に非対称性（被研磨面における研磨量分布が被研磨面の回転中心（基板の中心軸）に対し径方向で非対称になる状態）が生じ、所望の平面度が得られない場合が発生する。

これに対し、従来の研磨装置においては、研磨レシピにより研磨量分布に非対称性が生じるのを防止するため、専用解析ソフトを用いて、同一半径上の円周方向における研磨量分布の不均一性を表すポーラー均一性（Polar Range）を算出し、ポーラー均一性が所定値以下となるように基板の回転速度および研磨ヘッドの揺動速度を最適化している。
特開２００６−３１９２４９号公報

しかしながら、このような専用解析ソフトを用いた計算では、研磨レシピによって、（基板の）回転速度および（研磨ヘッドの）揺動速度の最適化計算に時間が掛かる場合があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡便な方法で研磨量分布に非対称性が生じるのを防止可能な研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨方法は、基板を回転可能に保持する保持機構と、前記保持機構と対向するように設けられた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに回転可能に保持された研磨パッドと、前記研磨ヘッドを前記保持機構に対して相対揺動させる揺動機構とを備えた研磨装置を用いて、前記研磨ヘッドに回転保持された前記研磨パッドの研磨面を前記保持機構に回転保持された前記基板の被研磨面に当接させながら前記揺動機構により相対揺動させて前記基板の研磨加工を行う研磨方法であって、前記研磨加工における加工条件から、前記被研磨面における研磨量分布が前記被研磨面の回転中心に対し非対称性を有するか否かを判定するためのパラメータを算出するパラメータ算出工程と、前記パラメータ算出工程で算出した前記パラメータに基づいて前記加工条件を補正する補正工程とを有し、前記パラメータ算出工程において、前記パラメータとして非対称性係数κｔが算出され、前記非対称性係数κｔは、前記揺動機構による前記研磨ヘッドの一方向への揺動時間をｔ１とし、前記保持機構による前記基板の１回転あたりの回転時間をｔ２としたとき、次式 κｔ＝ｔ１／ｔ２で定義され、前記加工条件における前記揺動時間および前記回転時間から、前記式を用いて前記非対称性係数を算出することを特徴とする。

また、本発明に係る研磨装置は、基板を回転可能に保持する保持機構と、前記保持機構と対向するように設けられた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに回転可能に保持された研磨パッドと、前記研磨ヘッドを前記保持機構に対して相対揺動させる揺動機構とを備え、前記研磨ヘッドに回転保持された前記研磨パッドの研磨面を前記保持機構に回転保持された前記基板の被研磨面に当接させながら前記揺動機構により相対揺動させて前記基板の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、前記研磨加工における加工条件から、前記被研磨面における研磨量分布が前記被研磨面の回転中心に対し非対称性を有するか否かを判定するためのパラメータを算出するパラメータ算出部と、前記パラメータ算出部で算出された前記パラメータに基づいて前記加工条件を補正する補正部とを有し、前記パラメータ算出部は、前記パラメータとして非対称性係数κｔを算出するように構成され、前記非対称性係数κｔは、前記揺動機構による前記研磨ヘッドの一方向への揺動時間をｔ１とし、前記保持機構による前記基板の１回転あたりの回転時間をｔ２としたとき、次式 κｔ＝ｔ１／ｔ２で定義され、前記加工条件における前記揺動時間および前記回転時間から、前記式を用いて前記非対称性係数が算出されることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な方法で研磨量分布に非対称性が生じるのを防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。研磨装置１は、半導体ウェーハ等の基板Ｗを回転可能に保持する保持機構１０と、研磨パッド２３が装着された研磨ヘッド２１を回転させるパッド回転機構２０と、基板Ｗに対して研磨パッド２３を昇降および相対揺動させるヘッド移動機構３０と、研磨パッド２３の中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構４０と、基板Ｗや研磨パッド２３の回転、基板Ｗに対する研磨パッド２３の昇降および揺動、研磨加工部へのスラリーの供給等、研磨装置１の作動を制御する制御装置５０とを主体に構成される。

保持機構１０は、円盤状のチャック１１と、このチャック１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１４と、スピンドル１４に回転駆動力を伝達してチャック１１を水平面内で回転させるチャック駆動モータ１５等を有して構成される。チャック１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成されたチャックプレート１２と、このチャックプレート１２の上面に貼られた吸着パッド１３とを有して構成される。チャックプレート１２の内部に基板Ｗの下面を真空吸着する真空チャック構造が設けられて基板Ｗを着脱可能に構成されるとともに、チャック上部が加工テーブルＴから露出して配設されており、チャック１１に吸着保持された基板Ｗの研磨対象面（すなわち被研磨面）が上向きの水平姿勢で保持される。

チャック駆動モータ１５の作動は制御装置５０により制御され、チャック１１に吸着保持された基板Ｗの回転・停止、回転方向、および回転速度等が、加工プログラムに基づいて制御装置５０により制御される。また、保持機構１０と隣接して、ヘッド移動機構３０が設けられており、ヘッド移動機構３０を構成する研磨アーム３２の先端にパッド回転機構２０が設けられる。

パッド回転機構２０は、円盤状の研磨ヘッド２１と、研磨ヘッド２１の上部から鉛直上方に延びるスピンドル２４と、スピンドル２４に回転駆動力を伝達して研磨ヘッド２１を水平面内で回転させるパッド駆動モータ２５等を有して構成される。

研磨ヘッド２１は、チャック１１と同様の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成されたポリッシングプレート２２と、このポリッシングプレート２２の下面に貼られた研磨パッド２３とを有して構成される。研磨パッド２３は、外径が研磨対象である基板Ｗの直径よりも幾分小さい（８０〜９５％程度の）円環状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ポリッシングプレート２２の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持される。

研磨ヘッド２１の中心部に、スラリー供給機構４０により供給されるスラリーを研磨パッド２３の中心部に供給するためのスラリー供給構造が、ポリッシングプレート２２の中心を上下に貫通して設けられている。また、研磨ヘッド２１の内部に形成された加圧室にエアの供給を受けてポリッシングプレート２２を下向きに加圧する、いわゆるエアバッグ式のパッド加圧機構が設けられており、研磨パッド２３の研磨面を基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、基板Ｗと研磨パッド２３との当接圧力、すなわち研磨圧力を制御可能になっている。

パッド駆動モータ２５の作動および加圧室の圧力は制御装置５０によって制御され、研磨ヘッド２１に装着された研磨パッド２３の回転・停止、回転方向、回転速度、および研磨圧力等が、加工プログラムに基づいて制御装置５０により制御される。

ヘッド移動機構３０は、加工テーブルＴから上方に突出する基部３１と、この基部３１から水平に延びる研磨アーム３２と、基部３１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨アーム３２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述したパッド回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。ヘッド移動機構３０は、アーム揺動機構３５により研磨アーム３２を水平揺動させたときの研磨ヘッド２１の揺動軌跡上に保持機構１０が位置するように構成されており、研磨ヘッド２１をチャック１１と対向させた状態で研磨アーム３２全体を昇降させ、研磨ヘッド２１に回転保持された研磨パッド２３の研磨面をチャック１１に回転保持された基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で、基板Ｗに対して研磨パッド２３（研磨ヘッド２１）を水平揺動可能に構成される。

アーム揺動機構３５およびアーム昇降機構の作動は、制御装置５０によって制御され、チャック１１に保持された基板Ｗに対する研磨パッド２３の揺動開始点（研磨アーム３２の揺動開始角度位置）、揺動ストローク（研磨アーム３２の揺動角度範囲）、揺動速度等が、加工プログラムに基づいて制御装置５０により制御される。

制御装置５０は、データ入力部６０より入力された加工プログラムから研磨レシピ（研磨加工の加工条件）を読み出す。加工プログラムには、研磨レシピとして、研磨パッド２３の回転速度、基板Ｗの回転速度、基板Ｗに対する研磨パッド２３の揺動開始点、揺動ストローク、研磨パッド２３（研磨ヘッド２１）の揺動速度、研磨圧力、スラリーの種別、スラリーの供給流量等の条件値が含まれている。そして、制御装置５０は、研磨レシピに応じた研磨装置１の作動を制御する。

以上のように構成された研磨装置１による基板Ｗの研磨方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、データ入力部６０より加工プログラム（研磨レシピ）の入力を行う（ステップＳ１０１）。この入力工程において、データの入力は、所定のキー操作であってもよく、外部からのデータ転送であってもよい。

データ入力部６０より加工プログラムが入力されると、制御装置５０は、加工プログラムから研磨レシピを読み出し、読み出した研磨レシピから、基板Ｗの被研磨面における研磨量分布が被研磨面の回転中心に対し非対称性（前述のように、被研磨面における研磨量分布が被研磨面の回転中心（基板Ｗの中心軸）に対し径方向で非対称になる状態）を有するか否かを判定するための非対称係数κｔを算出する（ステップＳ１０２）。このパラメータ算出工程で算出される非対称係数κｔは、アーム揺動機構３５による研磨ヘッド２１の一方向への揺動時間（Oscillation One-Way Time）をｔ１とし、保持機構１０による基板Ｗの１回転あたりの回転時間（Wafer One Rotation Time）をｔ２としたとき、次の（１）式で定義される。

κｔ＝ｔ１／ｔ２ …（１）

なおここで、揺動時間（Oscillation One-Way Time）ｔ１は、揺動ストローク（Oscillation Stroke）をＳｔとし、研磨ヘッド２１の揺動速度（Oscillation Speed）をＳｐとし、所定の遅れ時間（Oscillation Delay Offset Time）をｔ０としたとき、次の（２）式で表わされる。

ｔ１＝Ｓｔ／Ｓｐ＋ｔ０ …（２）

またここで、回転時間（Wafer One Rotation Time）ｔ２は、基板の回転速度（Wafer Rotation Speed）をω（単位：rpm）としたとき、次の（３）式で表わされる。

ｔ２＝６０／ω …（３）

そして、制御装置５０は、研磨レシピにおける、基板Ｗの回転速度、揺動ストローク、および揺動速度より、（１）〜（３）式を用いて非対称係数κｔを算出する。本発明の発明者は、このように算出した非対称係数κｔが次の（４）式で表わされる条件を満足する場合に、ポーラー均一性（Polar Range）が極大となるピーク値が現れることを発見した。

κｔ＝Ｎ×０．５ …（４）

なお、（４）式において、Ｎは整数である。また、ポーラー均一性（Polar Range）は、同一半径上の円周方向の研磨量分布における、平均研磨量（Average Removal）、最大研磨量（Max Removal）および最小研磨量（Min Removal）から、次の（５）式のように定義される。

Polar
Range＝（Max
Removal−Min
Removal）／Average
Removal …（５）

ここで、実際に基板Ｗ（半導体ウェーハ）の研磨を行った場合における、（異なる半径毎に算出したポーラー均一性の中での）ポーラー均一性の最大値（Max Polar Range）と非対称係数κｔとの関係を図３〜図５に示す。図３〜図５からわかるように、同一の研磨レシピにおいて研磨時間だけを変えた場合でも、上記（４）式で表わされる条件を満足する場合に、ポーラー均一性の最大値が極大となるピーク値が現れている。

そこで、制御装置５０は、非対称係数κｔを算出すると、非対称係数κｔが次の（６）式で表わされる条件を満足するか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

κｔ＝Ｎ×０．５±Ｅ …（６）

なお、（６）式において、Ｎは整数である。また、ＥはＮによって決まる係数（０≦Ｅ≦０．１）であり、研磨時間が３０秒の場合、次の（７）式で表わされる。なお、（７）式におけるＥの最大値は０．１とする。

Ｅ＝−0.0009×Ｎ²＋0.0154×Ｎ＋0.0337 …（７）

また、研磨時間が６０秒の場合、Ｅは次の（８）式で表わされる。なお、（８）式におけるＥの最大値は０．０６５とする。

Ｅ＝−0.0011×Ｎ²＋0.0128×Ｎ＋0.0296 …（８）

また、研磨時間が１２０秒の場合、Ｅは次の（９）式で表わされる。なお、（９）式におけるＥの最大値は０．０４とする。

Ｅ＝−0.0004×Ｎ²＋0.0047×Ｎ＋0.0266 …（９）

非対称係数κｔが（６）式で表わされる条件を満足する（判定がＹｅｓである）場合、ポーラー均一性（Max Polar Range）のピーク値を示す領域に入っていると判断してステップＳ１０４へ進み、非対称係数κｔが（６）式で表わされる条件を満足しない（判定がＮｏである）場合、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０４では、研磨レシピの補正を行う。この補正工程において、制御装置５０は、図示しないモニタ等を用いて、ステップＳ１０２で算出した非対称係数κｔが（６）式で表わされる条件を満足する旨、すなわち、研磨レシピがポーラー均一性（Max Polar Range）のピーク値を示す条件である旨を報知するとともに、（６）式で表わされる条件から外れるように揺動時間（Oscillation One-Way Time）および回転時間（Wafer One Rotation Time）を補正する。なお、ポーラー均一性（Max Polar Range）が小さくなる（具体的には、ポーラー均一性が５％未満となる）非対称係数κｔの範囲は、例えば、“３．１〜３．４”、“３．６〜３．９”、“４．１〜４．４”の範囲となる。また、揺動時間（Oscillation One-Way Time）および回転時間（Wafer One Rotation Time）の補正は、自動に限らず、オペレータが手動で（データ入力部６０からの手入力で）行うようにしてもよい。

そして、次のステップＳ１０５において、制御装置５０は、研磨レシピに応じて研磨装置１の作動を制御し、研磨装置１による基板Ｗの研磨加工が行われることになる。なお、基板Ｗの研磨加工を行うには、ヘッド移動機構３０により研磨アーム３２を揺動させて研磨ヘッド２１をチャック１１の上方に対向して位置させ、チャック１１および研磨ヘッド２１をともに回転させながら研磨ヘッド２１を研磨位置に下降させて研磨パッド２３を基板Ｗに当接させ、研磨ヘッド２１に設けられた加圧機構により研磨パッド２３を所定の研磨圧力で基板Ｗに押圧させる。このとき、スラリー供給機構４０を用いて、スラリーを研磨パッド２３の中心部から基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に供給するとともに、研磨ヘッド２１に回転保持された研磨パッド２３の研磨面をチャック１１に回転保持された基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で、アーム揺動機構３５により研磨パッド２３（研磨ヘッド２１）を基板Ｗに対して水平揺動させる。

このように、本実施形態の研磨装置１および研磨方法によれば、揺動時間（Oscillation One-Way Time）および回転時間（Wafer One Rotation Time）から、（１）式を用いて簡便に非対称係数κｔを算出するため、専用の解析ソフトを用いてポーラー均一性（Polar Range）を算出しなくても、簡便な方法でポーラー均一性を小さくして、研磨量分布に非対称性が生じるのを防止することができる。

またこのとき、（６）式で表わされる条件から外れるように揺動時間（Oscillation One-Way Time）および回転時間（Wafer One Rotation Time）を補正するため、研磨レシピの補正を容易に行うことができる。

なお、上述の実施形態において、ポーラー均一性が５％未満となる非対称係数κｔの範囲を、非対称係数κｔの許容範囲としているが、これに限定されるものではなく、研磨装置１がポーラー均一性（Polar Range）を算出可能な専用解析ソフト（装置）を備えている場合には、例えば、ポーラー均一性が２％未満となる非対称係数κｔの範囲を、非対称係数κｔの許容範囲とし、さらに精密なポーラー均一性の判定を専用解析ソフト（装置）により行うようにしてもよい。

本発明に係る研磨装置の概略図である。本発明に係る研磨方法を示すフローチャートである。研磨時間が３０秒の場合のポーラー均一性と非対称係数との関係を示す図である。研磨時間が６０秒の場合のポーラー均一性と非対称係数との関係を示す図である。研磨時間が１２０秒の場合のポーラー均一性と非対称係数との関係を示す図である。

符号の説明

Ｗ基板
１研磨装置１０保持機構
２１研磨ヘッド２３研磨パッド
３５アーム揺動機構
５０制御装置（パラメータ算出部および補正部）

Claims

基板を回転可能に保持する保持機構と、前記保持機構と対向するように設けられた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに回転可能に保持された研磨パッドと、前記研磨ヘッドを前記保持機構に対して相対揺動させる揺動機構とを備えた研磨装置を用いて、前記研磨ヘッドに回転保持された前記研磨パッドの研磨面を前記保持機構に回転保持された前記基板の被研磨面に当接させながら前記揺動機構により相対揺動させて前記基板の研磨加工を行う研磨方法であって、
前記研磨加工における加工条件から、前記被研磨面における研磨量分布が前記被研磨面の回転中心に対し非対称性を有するか否かを判定するためのパラメータを算出するパラメータ算出工程と、
前記パラメータ算出工程で算出した前記パラメータに基づいて前記加工条件を補正する補正工程とを有し、
前記パラメータ算出工程において、前記パラメータとして非対称性係数κｔが算出され、
前記非対称性係数κｔは、前記揺動機構による前記研磨ヘッドの一方向への揺動時間をｔ１とし、前記保持機構による前記基板の１回転あたりの回転時間をｔ２としたとき、次式
κｔ＝ｔ１／ｔ２
で定義され、
前記加工条件における前記揺動時間および前記回転時間から、前記式を用いて前記非対称性係数を算出することを特徴とする研磨方法。
前記補正工程において、前記パラメータ算出工程で算出された前記非対称性係数κｔに基づいて、前記加工条件としての、前記揺動機構により前記研磨ヘッドを前記保持機構に対して相対揺動させるときの揺動ストロークおよび揺動速度並びに前記保持機構により前記基板を回転させるときの前記基板の回転速度のうちの少なくともいずれかを補正することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
前記補正工程において、Ｎを整数とし、Ｅを０以上０．１以下の小数としたとき、前記パラメータ算出工程で算出した前記非対称性係数が次式
κｔ＝Ｎ×０．５±Ｅ
で表わされる条件を満足する場合に、前記条件から外れるように前記揺動時間および前記回転時間を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
基板を回転可能に保持する保持機構と、前記保持機構と対向するように設けられた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに回転可能に保持された研磨パッドと、前記研磨ヘッドを前記保持機構に対して相対揺動させる揺動機構とを備え、前記研磨ヘッドに回転保持された前記研磨パッドの研磨面を前記保持機構に回転保持された前記基板の被研磨面に当接させながら前記揺動機構により相対揺動させて前記基板の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、
前記研磨加工における加工条件から、前記被研磨面における研磨量分布が前記被研磨面の回転中心に対し非対称性を有するか否かを判定するためのパラメータを算出するパラメータ算出部と、
前記パラメータ算出部で算出された前記パラメータに基づいて前記加工条件を補正する補正部とを有し、
前記パラメータ算出部は、前記パラメータとして非対称性係数κｔを算出するように構成され、
前記非対称性係数κｔは、前記揺動機構による前記研磨ヘッドの一方向への揺動時間をｔ１とし、前記保持機構による前記基板の１回転あたりの回転時間をｔ２としたとき、次式
κｔ＝ｔ１／ｔ２
で定義され、
前記加工条件における前記揺動時間および前記回転時間から、前記式を用いて前記非対称性係数が算出されることを特徴とする研磨装置。
前記補正部において、前記パラメータ算出部で算出された前記非対称性係数κｔに基づいて、前記加工条件としての、前記揺動機構により前記研磨ヘッドを前記保持機構に対して相対揺動させるときの揺動ストロークおよび揺動速度並びに前記保持機構により前記基板を回転させるときの前記基板の回転速度のうちの少なくともいずれかを補正することを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
前記補正部は、Ｎを整数とし、Ｅを０以上０．１以下の小数としたとき、前記パラメータ算出部に算出された前記非対称性係数が次式
κｔ＝Ｎ×０．５±Ｅ
で表わされる条件を満足する場合に、前記条件から外れるように前記揺動時間および前記回転時間を補正することを特徴とする請求項４または５に記載の研磨装置。