JP5273524B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウェハ等の基板を研磨する研磨装置に関する。
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（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００６−３１９２４９号公報
しかしながら、上述のような研磨装置においては、スラリーに含まれる砥粒の流動性が高いため、研磨パッドの表面における砥粒の定着性が低く、研磨速度が低下する一因となっていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨速度を高めた研磨装置および研磨方法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、本発明に係る研磨装置は、基板を保持する保持機構と、前記基板を研磨可能な研磨部材とを備え、前記研磨部材の表面を前記保持機構に保持された前記基板の表面に当接させながら相対移動させて前記基板の表面を研磨するように構成された研磨装置において、前記研磨部材の表面に前記研磨を行うための砥粒を含んだ研磨液を供給する研磨液供給装置を備え、前記研磨液供給装置は、前記研磨を行う前に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする成分を有した付着用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面に付着させ、前記研磨を行うときに、前記砥粒を含んだ研磨液を前記研磨部材と前記基板との当接部分に供給し、前記研磨を行った後に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする成分を有した離脱用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面から離脱させるように構成される。
また、本発明に係る研磨方法は、基板を保持する保持機構と、前記基板を研磨可能な研磨部材とを備えた研磨装置を用いて、前記研磨部材の表面を前記保持機構に保持された前記基板の表面に当接させながら相対移動させるとともに、前記研磨部材と前記基板との当接部分に砥粒を含んだ研磨液を供給して前記基板の表面を研磨する研磨方法であって、前記研磨を行う前に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする成分を有した付着用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面に付着させる砥粒付着工程と、前記砥粒付着工程において前記砥粒が付着された前記研磨部材を前記基板に当接させて相対移動させるとともに、前記研磨部材と前記基板との当接部分に前記砥粒を含んだ研磨液を供給して前記研磨を行う研磨工程と、前記研磨工程の後に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする成分を有した離脱用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面から離脱させる砥粒離脱工程とを有している。
本発明によれば、より高い研磨速度を得ることができる。
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の表面にスラリーを供給するスラリー供給装置４０と、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を変化させる液体をスラリーに添加する液体供給装置４５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。
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、スラリー供給装置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（表面）を基板Ｗの被研磨面（表面）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。
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基板Ｗに対して研磨パッド２３を水平揺動可能に構成される。
スラリー供給装置４０は、研磨ヘッド２１のスラリー供給構造を介して、研磨パッド２３の中心部に研磨液であるスラリーを供給する。スラリーは、純水を主成分とし、基板Ｗの研磨を行うための研磨砥粒４９（図２を参照）や、調整剤等を含んでいる。また、研磨砥粒４９の材料として、例えばセリア（CeO2）が使用される。
液体供給装置４５は、スラリー供給装置４０と研磨ヘッド２１のスラリー供給構造とを繋ぐ管路に接続され、スラリー供給装置４０から供給されるスラリーに酸性または塩基性（アルカリ性）の液体を添加して、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を変化させることができるようになっている。液体供給装置４５から供給される酸性の液体として、例えば塩酸（HCl水溶液）が使用され、液体供給装置４５から供給される塩基性の液体として、例えばアンモニア水（NH4OH水溶液）が使用される。
ところで、研磨パッド２３の材料として用いられるポリウレタンは、アルコールとイソシアネートから合成されるが、当該アルコールに、カルボキシル基を導入するためにヒドロキシカルボン酸を用いるとともに、アミノ基を導入するためにヒドロキシアミンおよびその脱水物であるラクトンを用いることにより、カルボキシル基またはアミノ基を導入したポリウレタンを合成することが可能である。ポリウレタン等の高分子の表面電位は、含有する酸性基(例えば、カルボキシル基)と塩基性基(例えば、アミノ基)の量により制御され、その等電位点ｐＨ0も様々に制御される。例えば、本実施形態において、ポリウレタンからなる研磨パッド２３の等電位点を約ｐＨ４にすることが可能である。
また、研磨砥粒４９（図２を参照）に用いられるセリア（CeO2）の等電位点は、約ｐＨ７である。そのため、研磨パッド２３の等電位点を約ｐＨ４としたとき、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）をｐＨ４〜ｐＨ７にすることにより、図２（ｂ）に示すように、研磨パッド２３の表面電位が正（＋）の表面電位となるとともに、研磨砥粒４９の表面電位が負（−）の表面電位となって、研磨パッド２３と研磨砥粒４９の表面電位は互いに正負が異なる表面電位となり、研磨パッド２３と研磨砥粒４９とが互いに引きつけ合って、研磨パッド２３の研磨面（表面）２３ａに研磨砥粒４９を付着させることができる。また、研磨パッド２３は独立発泡構造を有しており、研磨パッド２３の研磨面（表面）２３ａに形成される小孔２３ｂにも、より多くの研磨砥粒４９を定着させることができる。
一方、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）をｐＨ４より小さくするか、ｐＨ７より大きくすることにより、研磨パッド２３と研磨砥粒４９の表面電位は互いに正負が同じ表面電位となり、研磨パッド２３と研磨砥粒４９とが互いに反発して、研磨パッド２３の研磨面（表面）２３ａから研磨砥粒４９を離脱させることができる。例えば、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）がｐＨ４より小さい場合、図２（ａ）に示すように、研磨パッド２３の表面電位が負（−）の表面電位となるとともに、研磨砥粒４９の表面電位が負（−）の表面電位となる。また、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）がｐＨ７より大きい場合、研磨パッド２３の表面電位が正（＋）の表面電位となるとともに、研磨砥粒４９の表面電位が正（＋）の表面電位となる。
なお、スラリー供給装置４０および液体供給装置４５と研磨ヘッド２１のスラリー供給構造との間の管路には、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を測定するｐＨ計４６が配設され、ｐＨ計４６による測定信号が制御装置５０に入力される。そして、スラリー供給装置４０および液体供給装置４５の作動は、研磨装置１の作動状態に応じて、保持機構１０、ヘッド回転機構２０、およびヘッド移動機構３０とともに制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、研磨装置１に予め設定記憶された制御プログラム、および研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて、スラリー供給装置４０および液体供給装置４５に、予め設定した水素イオン濃度（ｐＨ）のスラリーを研磨パッド２３の中心部へ供給させ、詳細は後述する研磨砥粒の着脱や、基板Ｗの研磨加工を行わせる。
以上のように構成される研磨装置１を用いた基板Ｗの研磨方法について、図３に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、スラリー供給装置４０によるスラリーの供給を開始する（ステップＳ１０１）。このスラリー供給工程において、スラリー供給装置４０は、研磨ヘッド２１のスラリー供給構造を介して研磨パッド２３の中心部へスラリーの供給を開始する。
スラリー供給装置４０によるスラリーの供給を開始すると、スラリーに含まれる研磨砥粒を研磨パッド２３の研磨面（表面）に付着させる（ステップＳ１０２）。この砥粒付着工程において、制御装置５０は、液体供給装置４５により塩酸もしくはアンモニア水をスラリーに添加して、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を例えばｐＨ６になるように制御し、研磨パッド２３および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする（図２（ｂ）を参照）。これと同時に、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る。このとき、基板Ｗの形状を模して形成した石英からなるスラリー定着板Ｗｄをチャック１１上に吸着させておき、当該スラリー定着板Ｗｄの表面に研磨パッド２３の研磨面（表面）を当接させて摺動させる。これにより、研磨パッド２３の中心部から研磨パッド２３の研磨面（表面）とスラリー定着板Ｗｄの表面との間にスラリーが供給され、スラリー定着板Ｗｄに対する研磨パッド２３の摺動により、研磨パッド２３と正負の異なる表面電位を有する研磨砥粒４９が確実に研磨パッド２３の研磨面（表面）に付着する。すなわち、液体供給装置４５やスラリー定着板Ｗｄ等が、スラリーに含まれる研磨砥粒４９を研磨パッド２３の表面に付着させる砥粒付着装置を構成する。
このようにしてスラリーに含まれる研磨砥粒４９を研磨パッド２３の研磨面（表面）に付着させると、スラリー定着板Ｗｄに代えて研磨対象である基板Ｗをチャック１１上に吸着させ、基板Ｗの研磨加工を行う（ステップＳ１０３）。この研磨工程において、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の研磨面（表面）を基板Ｗの被研磨面（表面）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、スラリー供給装置４０および液体供給装置４５を用いて、前述の水素イオン濃度（ｐＨ６）に調整された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（研磨パッド２３の表面）に供給する。
このようにして基板Ｗの研磨加工を行うと、次のステップＳ１０４において、基板Ｗの研磨加工を続行するか否かを判定する。研磨加工を続行する場合（判定がＹｅｓの場合）、ステップＳ１０３へ戻り、他の基板Ｗについて研磨加工を行う。研磨加工を終了する場合（判定がＮｏの場合）、ステップＳ１０５へ進み、研磨砥粒を研磨パッド２３の研磨面（表面）から離脱させて処理を終了する。
ステップＳ１０５の砥粒離脱工程において、制御装置５０は、液体供給装置４５により塩酸をスラリーに添加して、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を例えばｐＨ２になるように制御し、研磨パッド２３および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする（図２（ａ）を参照）。これと同時に、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る。このとき、基板Ｗに代えてスラリー定着板Ｗｄをチャック１１上に吸着させ、当該スラリー定着板Ｗｄの表面に研磨パッド２３の研磨面（表面）を当接させて摺動させる。これにより、研磨パッド２３の中心部から研磨パッド２３の研磨面（表面）とスラリー定着板Ｗｄの表面との間にスラリーが供給され、スラリー定着板Ｗｄに対する研磨パッド２３の摺動により、研磨パッド２３の表面電位と正負が同じになった研磨砥粒４９が確実に研磨パッド２３の研磨面（表面）から離脱する。すなわち、液体供給装置４５やスラリー定着板Ｗｄ等が、研磨砥粒４９を研磨パッド２３の表面から離脱させる砥粒離脱装置を構成する。
なお、研磨加工を続行する場合に、このような砥粒離脱工程を行ってから、前述の砥粒付着工程（ステップＳ１０２）を再び行い、新しい研磨砥粒４９を研磨パッド２３の研磨面（表面）に付着させた状態で研磨工程（ステップＳ１０３）を行うようにしてもよい。
このように、本実施形態によれば、スラリー供給装置４０から供給されるスラリーを利用して研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にすることにより、研磨砥粒４９を研磨パッド２３の表面に付着させるため、研磨砥粒の定着性が高くなることから、より高い研磨速度を得ることができる。また、研磨砥粒４９が確実に研磨パッド２３の表面に付着するため、スラリーに含まれる研磨砥粒の流動性が高いことに起因する、研磨砥粒の濃度変動等といった研磨特性変動が軽減されることから、研磨ムラを低減（研磨プロファイルを平坦化）させることができる。
なおこのとき、液体供給装置４５により塩酸もしくはアンモニア水をスラリーに添加してスラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を制御することにより、研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にすれば、簡便な構成で研磨砥粒４９を研磨パッド２３の表面に付着させることができる。
一方、スラリー供給装置４０から供給されるスラリーを利用して研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることにより、研磨砥粒４９を研磨パッド２３の表面から離脱させている。このようにすれば、研磨パッド２３に対する研磨砥粒４９の着脱が可能になるため、常に新しい研磨砥粒４９を用いて研磨加工を行えることから、安定した研磨が可能になり、さらには、研磨パッド２３に対するドレッシングを低減させる（もしくは無くす）ことが期待できる。また、研磨パッド２３に対する研磨砥粒４９の付着量を制御することが可能になるため、研磨速度や研磨プロファイルの制御を行うことが可能になる。
またこのとき、液体供給装置４５により塩酸もしくはアンモニア水をスラリーに添加してスラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を制御することにより、研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすれば、簡便な構成で研磨砥粒４９を研磨パッド２３の表面から離脱させることができる。
なお、本願の発明者は、等電位点が約ｐＨ４の研磨パッド２３を用意し、本実施形態に関する実験を行っている。第１の実験として、まず、セリア（CeO2）からなる２ｗｔ％の研磨砥粒４９を純水に分散させた約ｐＨ６のスラリー（以下、研磨スラリーＡと称する）と、研磨スラリーＡに塩酸を添加した約ｐＨ２のスラリー（以下、研磨スラリーＢと称する）と、研磨スラリーＡにアンモニア水を添加した約ｐＨ１０のスラリー（以下、研磨スラリーＣと称する）を作製した。
前述したように、研磨砥粒に用いられるセリア（CeO2）の等電位点は、約ｐＨ７である。そのため、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）をｐＨ４〜ｐＨ７にすることにより、研磨パッド２３と研磨砥粒４９の表面電位は互いに正負が異なる表面電位となり、研磨パッド２３と研磨砥粒４９とが互いに引きつけ合う。一方、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）をｐＨ４より小さくするか、ｐＨ７より大きくすることにより、研磨パッド２３と研磨砥粒４９の表面電位は互いに正負が同じ表面電位となり、研磨パッド２３と研磨砥粒４９とが互いに反発する。
次に、上述の実施形態の場合（ステップＳ１０２の砥粒付着工程）と同様にして、研磨砥粒４９を研磨パッド２３の研磨面（表面）に付着させるスラリー定着処理を行った。このときのスラリー定着条件を次に示す。
研磨パッド回転数 ：１０ｒｐｍ
スラリー定着板回転数：１０ｒｐｍ
揺動開始位置 ：研磨パッド／スラリー定着板の中心間距離７.５ｍｍ
揺動幅 ：５ｍｍ
揺動速度 ：１ｍｍ／ｓｅｃ
荷重 ：２．０ｐｓｉ
研磨スラリー ：研磨スラリーＡ、又はＢ、又はＣ
研磨スラリー流量 ：２００ｍｌ／ｍｉｎ
定着処理時間 ：６０ｍｉｎ
スラリー定着板回転数：１０ｒｐｍ
揺動開始位置 ：研磨パッド／スラリー定着板の中心間距離７.５ｍｍ
揺動幅 ：５ｍｍ
揺動速度 ：１ｍｍ／ｓｅｃ
荷重 ：２．０ｐｓｉ
研磨スラリー ：研磨スラリーＡ、又はＢ、又はＣ
研磨スラリー流量 ：２００ｍｌ／ｍｉｎ
定着処理時間 ：６０ｍｉｎ
続いて、研磨パッド２３の研磨面（表面）に付着した研磨砥粒４９の量をＣｅの蛍光Ｘ線強度により測定した。図４は、研磨スラリーＡ〜Ｃを適用してスラリー定着処理を行なった研磨パッド２３のＣｅの蛍光Ｘ線強度を示している。図４からわかるように、研磨スラリーのｐＨを制御し、研磨パッド２３と研磨砥粒４９の表面電位を異符号にすることにより、研磨パッド２３上への研磨砥粒４９の定着を効率的に行うことができる。
第２の実験として、まず、研磨スラリーＡを適用してスラリー定着処理を行い、スラリー定着処理時間の異なる３種類の研磨パッドを作製した。次に、スラリー定着処理を行なった研磨パッドのＣｅの蛍光Ｘ線強度測定を行い、研磨パッド上に付着した研磨砥粒の量を測定した。続いて、これらの研磨パッドを用いて、基板Ｗであるシリコンウェハ上に成膜されたp-TEOS膜の研磨を行い、研磨前後の膜厚変化より平均研磨量を求めた。なお、このときの研磨条件を次に示す。
研磨パッド回転数 ：１００ｒｐｍ
シリコンウェハ回転数 ：１０１ｒｐｍ
揺動開始位置 ：研磨パッド／スラリー定着板の中心間距離０ｍｍ
揺動幅 ：２５ｍｍ
揺動速度 ：１０ｍｍ／ｓｅｃ
荷重 ：３．０ｐｓｉ
研磨スラリー ：研磨スラリーＡ
研磨スラリー流量 ：２００ｍｌ／ｍｉｎ
研磨時間 ：６０ｓｅｃ
シリコンウェハ回転数 ：１０１ｒｐｍ
揺動開始位置 ：研磨パッド／スラリー定着板の中心間距離０ｍｍ
揺動幅 ：２５ｍｍ
揺動速度 ：１０ｍｍ／ｓｅｃ
荷重 ：３．０ｐｓｉ
研磨スラリー ：研磨スラリーＡ
研磨スラリー流量 ：２００ｍｌ／ｍｉｎ
研磨時間 ：６０ｓｅｃ
図５は、スラリー定着処理時間の異なる研磨パッドを用いたp-TEOS研磨の結果を示している。図５からわかるように、研磨パッド上への研磨砥粒の定着量を増大させることにより、大きな研磨量（すなわち、より高い研磨速度）を得ることができる。
第３の実験として、まず、シリカ（SiO2）からなる１２ｗｔ％の研磨砥粒を約ｐＨ１１の水酸化カリウム（KOH）水溶液に分散させたスラリー（以下、研磨スラリーＤと称する）を作製した。ここで、研磨砥粒に用いられるシリカ（SiO2）の等電位点は、約ｐＨ２である。そのため、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を約ｐＨ１１とすることにより、研磨パッドと研磨砥粒の表面電位は互いに正負が同じ表面電位となり、研磨パッドと研磨砥粒とが互いに反発する。すなわち、研磨スラリーＤを適用した研磨では、研磨パッド上に研磨砥粒が定着し難く、遊動砥粒の比率が高い研磨となる。
次に、第１の実験と同様のスラリー定着処理条件で、研磨スラリーＤを適用してスラリー定着処理を行なった。続いて、第２の実験と同様の研磨条件で、研磨スラリーＤを適用してp-TEOS膜の研磨を行い、研磨前後の膜厚変化より研磨量を求めた。
図６は、研磨スラリーＤを適用したp-TEOS膜の研磨量のプロファイルを、第２の実験に示す研磨条件より計算されるウェハ直径上の摺動距離と比較して示している。また、図７は、研磨スラリーＡに関して、同様の比較データを示している。図６および図７からわかるように、遊動砥粒の比率が高い研磨では、摺動距離に基づく理論計算（プレストンの式）との乖離が大きい。
なお、上述の実施形態において、研磨砥粒４９の材料としてセリア（CeO2）を使用しているが、これに限られるものではなく、例えば、前述のようにシリカ（SiO2）を使用するようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、石英を用いてスラリー定着板Ｗｄを作成しているが、これに限られるものではなく、例えば、シリコンウェハを用いるようにしてもよく、アルミナやジルコニア等のセラミックスプレートを用いるようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、研磨パッド２３および研磨砥粒４９の表面電位を制御するために、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を測定するｐＨ計４６を設けているが、これに限られるものではなく、ゼータ電位測定装置を用いて研磨砥粒４９や研磨パッド２３の表面電位（ゼータ電位）を直接測定するようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、液体供給装置４５により塩酸をスラリーに添加して、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を例えばｐＨ２になるように制御し、研磨パッド２３および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にしているが、これに限られるものではなく、液体供給装置４５によりアンモニア水をスラリーに添加して、スラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を例えばｐＨ１１になるように制御し、研磨パッド２３および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にするようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、液体供給装置４５により塩酸もしくはアンモニア水をスラリーに添加してスラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を制御しているが、これに限られるものではない。例えば、スラリーに添加する酸として、硝酸（HNO3）や硫酸（H2SO4）等の無機酸を使用するようにてもよく、蟻酸（HCOOH）や酢酸（CH3COOH）等の有機酸を使用するようにしてもよい。また例えば、スラリーに添加する塩基（アルカリ）として、水酸化ナトリウム（NaOH）や水酸化カリウム（KOH）等のアルカリ金属水酸化物を使用するようにしてもよく、アミン等の非金属化合物からなるアルカリを使用するようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、スラリー供給装置４０から供給されるスラリーに液体供給装置４５が塩酸もしくはアンモニア水を添加しているが、これに限られるものではなく、予め塩酸もしくはアンモニア水を添加して水素イオン濃度（ｐＨ）を調整したスラリーをスラリー供給装置４０により供給するようにしてもよい。なお、本実施形態のように、スラリー供給装置４０から供給されるスラリーに液体供給装置４５が塩酸もしくはアンモニア水を添加する２液混合の方式を採用することにより、研磨中においても研磨パッド２３および研磨砥粒４９の表面電位を所望の値に制御することができ、また、酸または塩基（アルカリ）の添加により比較的短時間で性能劣化するスラリーにも適用することができる。
また、上述の実施形態において、液体供給装置４５により塩酸もしくはアンモニア水をスラリーに添加してスラリーの水素イオン濃度（ｐＨ）を制御することにより、研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ、もしくは正負が異なる表面電位にしているが、これに限られるものではない。例えば、液体供給装置４５により界面活性剤をスラリーに添加してスラリーに含まれる界面活性剤の濃度を制御することにより、研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ、もしくは正負が異なる表面電位にするようにしてもよい。このようにしても、上述の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
なお、スラリーに添加する界面活性剤として、例えば、親水基としてカルボン酸、スルホン酸、あるいはリン酸構造を有するアニオン系界面活性剤や、親水基としてアルキルアンモニウム基を有するカチオン系界面活性剤を用いることができる。また、スラリーに添加する界面活性剤として、アルキルグリコシド、ポリエチレングリコール、あるいはポリビニルアルコールのような非電解質の親水性部分を有するノニオン系界面活性剤を用いることもできる。
また例えば、液体供給装置４５により電解液をスラリーに添加してスラリーに含まれる電解液の濃度を制御することにより、研磨パッド２３の表面電位および研磨砥粒４９の表面電位を互いに正負が同じ、もしくは正負が異なる表面電位にするようにしてもよい。このようにしても、上述の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。なお、スラリーに添加する電解液として、例えば、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム等のアンモニウム塩や、塩化ナトリウム、塩化カリウム等の中性塩を用いることができる。
また、研磨パッド２３の材料に含まれる酸性基(例えば、カルボキシル基)と塩基性基(例えば、アミノ基)の量を変えることにより、研磨パッド２３の表面電位（等電位点）を制御することも可能である。
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（研磨部材）
４０ スラリー供給装置（研磨液供給装置）
４５ 液体供給装置（液体供給部もしくは界面活性剤供給部）
４９ 研磨砥粒 ５０ 制御装置
１ 研磨装置 １０ 保持機構
２１ 研磨ヘッド ２３ 研磨パッド（研磨部材）
４０ スラリー供給装置（研磨液供給装置）
４５ 液体供給装置（液体供給部もしくは界面活性剤供給部）
４９ 研磨砥粒 ５０ 制御装置
Claims (14)
- 基板を保持する保持機構と、前記基板を研磨可能な研磨部材とを備え、前記研磨部材の表面を前記保持機構に保持された前記基板の表面に当接させながら相対移動させて前記基板の表面を研磨するように構成された研磨装置において、
前記研磨部材の表面に前記研磨を行うための砥粒を含んだ研磨液を供給する研磨液供給装置を備え、
前記研磨液供給装置は、
前記研磨を行う前に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする成分を有した付着用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面に付着させ、
前記研磨を行うときに、前記砥粒を含んだ研磨液を前記研磨部材と前記基板との当接部分に供給し、
前記研磨を行った後に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする成分を有した離脱用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面から離脱させるように構成されたことを特徴とする研磨装置。 - 前記研磨液供給装置は、前記研磨を行う前に、電気絶縁性を備えた材料を用いて形成されたスラリー定着板を、前記基板に代えて前記保持機構により保持し、前記スラリー定着板を前記研磨部材に当接させた状態で両者を相対移動させながら前記研磨部材との当接部分に前記付着用の研磨液を供給して、前記砥粒を前記研磨部材の表面に付着させるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
- 前記研磨液供給装置は、前記研磨を行った後に、電気絶縁性を備えた材料を用いて形成されたスラリー定着板を、前記基板に代えて前記保持機構により保持し、前記スラリー定着板を前記研磨部材に当接させた状態で両者を相対移動させながら前記研磨部材との当接部分に前記離脱用の研磨液を供給して、前記砥粒を前記研磨部材の表面から離脱させるように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
- 前記研磨液供給装置は、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする水素イオン濃度とする付着用の液体を添加する液体供給部を有し、前記研磨を行う前に、前記液体供給部により前記砥粒を含んだ研磨液に前記付着用の液体を添加して、前記付着用の研磨液を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨装置。
- 前記研磨液供給装置は、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする界面活性剤濃度とする付着用の界面活性剤を添加する界面活性剤供給部を有し、前記研磨を行う前に、前記界面活性剤供給部により前記砥粒を含んだ研磨液に前記付着用の界面活性剤を添加して、前記付着用の研磨液を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨装置。
- 前記研磨液供給装置は、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする水素イオン濃度とする離脱用の液体を添加する液体供給部を有し、前記研磨を行った後に、前記液体供給部により前記砥粒を含んだ研磨液に前記離脱用の液体を添加して、前記離脱用の研磨液を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨装置。
- 前記研磨液供給装置は、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする界面活性剤濃度とする離脱用の界面活性剤を添加する界面活性剤供給部を有し、前記研磨を行った後に、前記界面活性剤供給部により前記砥粒を含んだ研磨液に前記離脱用の界面活性剤を添加して、前記離脱用の研磨液を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の研磨装置。
- 基板を保持する保持機構と、前記基板を研磨可能な研磨部材とを備えた研磨装置を用いて、前記研磨部材の表面を前記保持機構に保持された前記基板の表面に当接させながら相対移動させるとともに、前記研磨部材と前記基板との当接部分に砥粒を含んだ研磨液を供給して前記基板の表面を研磨する研磨方法であって、
前記研磨を行う前に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする成分を有した付着用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面に付着させる砥粒付着工程と、
前記砥粒付着工程において前記砥粒が付着された前記研磨部材を前記基板に当接させて相対移動させるとともに、前記研磨部材と前記基板との当接部分に前記砥粒を含んだ研磨液を供給して前記研磨を行う研磨工程と、
前記研磨工程の後に、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする成分を有した離脱用の研磨液を供給して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にすることで、前記砥粒を前記研磨部材の表面から離脱させる砥粒離脱工程とを有することを特徴とする研磨方法。 - 前記砥粒付着工程において、電気絶縁性を備えた材料を用いて形成されたスラリー定着板を、前記基板に代えて前記保持機構により保持し、前記スラリー定着板を前記研磨部材に当接させた状態で両者を相対移動させながら前記研磨部材との当接部分に前記付着用の研磨液を供給して、前記砥粒を前記研磨部材の表面に付着させることを特徴とする請求項８に記載の研磨方法。
- 前記砥粒離脱工程において、電気絶縁性を備えた材料を用いて形成されたスラリー定着板を、前記基板に代えて前記保持機構により保持し、前記スラリー定着板を前記研磨部材に当接させた状態で両者を相対移動させながら前記研磨部材との当接部分に前記離脱用の研磨液を供給して、前記砥粒を前記研磨部材の表面から離脱させることを特徴とする請求項８または９に記載の研磨方法。
- 前記砥粒付着工程において、前記砥粒を含んだ研磨液に対して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする水素イオン濃度とする付着用の液体を添加して、前記付着用の研磨液を生成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の研磨方法。
- 前記砥粒付着工程において、前記砥粒を含んだ研磨液に対して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が異なる表面電位にする界面活性剤濃度とする付着用の界面活性剤を添加して、前記付着用の研磨液を生成することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の研磨方法。
- 前記砥粒離脱工程において、前記砥粒を含んだ研磨液に対して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする水素イオン濃度とする離脱用の液体を添加して、前記離脱用の研磨液を生成することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の研磨方法。
- 前記砥粒離脱工程において、前記砥粒を含んだ研磨液に対して、前記研磨部材の表面電位および前記砥粒の表面電位を互いに正負が同じ表面電位にする界面活性剤濃度とする離脱用の界面活性剤を添加して、前記離脱用の研磨液を生成することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の研磨方法。
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