JP6643258B2 - バフ研磨処理における研磨量のシミュレーション方法およびバフ研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、バフ研磨処理における研磨量のシミュレーション方法に関し、より詳細には、バフ研磨処理における研磨量のシミュレーションにおける圧力補正値の算出方法に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて、回路の配線が微細化し、集積されるデバイスの寸法もより微細化されつつある。そこで、表面に例えば金属等の膜が形成された半導体ウェハを研磨して、半導体ウェハの表面を平坦化する工程が必要となっている。この平坦化法の一つとして、化学機械研磨（ＣＭＰ）装置による研磨がある。化学機械研磨装置は、研磨部材（研磨布、研磨パッド等）と、半導体ウェハ等の研磨対象物を保持する保持部（トップリング、研磨ヘッド、チャック等）とを有している。そして、研磨対象物の表面（被研磨面）を研磨部材の表面に押当て、研磨部材と研磨対象物との間に研磨助剤（砥液、薬液、スラリー、純水等）を供給しつつ、研磨部材と研磨対象物とを相対運動させることにより、研磨対象物の表面を平坦に研磨するようにしている。化学機械研磨装置による研磨では、化学的研磨作用と機械的研磨作用により、良好な研磨が行われることが知られている。

一般的なＣＭＰ研磨においては、トップリングによって保持される基板の被研磨面を、基板よりも径の大きな研磨面に押しつけ、研磨面に研磨液としてのスラリーを供給しながら、研磨テーブルとトップリングとを回転させる。これによって、研磨面と被研磨面とが摺動的に相対移動され、被研磨面が研磨される。

ＣＭＰを含む平坦化技術については、近年、被研磨材料が多岐に渡り、またその研磨性能（例えば平坦性や研磨ダメージ、更には生産性）に対する要求が厳しくなってきており、また、半導体装置の微細化により、研磨性能および清浄度への要求が高まってきている。 このような状況のなかで、ＣＭＰ装置において、処理される基板よりも寸法の小さなサイズのバフパッドを用いて基板をバフ研磨処理することがある。一般に、処理される基板よりも寸法の小さなサイズのバフパッドは、基板に局所的に生じた凹凸を平坦化したり、基板の特定の部分だけを研磨したり、基板の位置に応じて研磨量を調整したりでき、コントロール性に優れる。

ＣＭＰ研磨工程の工程効率化と平坦性の精度の向上を図る上で、研磨量を精度良く予測して、その予測結果に基づいて効率良く研磨条件（研磨装置の制御パラメータ等）の最適化を図ることが、重要である。このため、従来からＣＭＰに関するシミュレーションが提案されている。

研磨に関するシミュレーションにおいては、研磨量の予測が基礎をなしている。そして、従来から提供されてきた研磨に関する種々のシミュレーションでは、研磨量の予測は、プレストン（Preston）の式 ｈ∝ｐｖｔにしたがってなされている。かかるプレストンの式において、ｈは研磨対象物（被研磨物）の研磨速度（研磨量）、ｐは荷重（研磨対象物にかかる圧力）、ｖは研磨体と研磨対象物との接触相対速度（研磨量を求めようとしている部分領域の接触相対速度）、ｔは研磨時間である。つまり、研磨量は、圧力ｐ、接触相対速度ｖ、および研磨時間ｔの積に比例する。なお、本明細書において、「研磨量」という語は、研磨対象物の各位置における研磨量であることも含み、研磨プロファイルと称することもある。

バフ研磨される半導体ウェハのような基板の径よりも小さなバフパッドを用いてバフ研磨する場合、バフパッドの全面が基板の内側にあるときは、バフパッドから基板へ付与される圧力は略一定となる。しかし、バフパッドが基板からオーバーハングする場合、すなわち、バフパッドの一部が基板からはみ出る場合、基板のエッジ付近に圧力集中が生じることが知られている。そのため、上述のプレストンの式により、バフ研磨量をシミュレーションする場合、オーバーハング時に基板のエッジ付近に生じる圧力集中の影響を考慮する必要がある。

そこで、本願発明は、小径のバフパッドが被研磨基板からオーバーハングした時に基板のエッジ付近に生じる圧力集中を考慮してバフ研磨量のシミュレーションを行うことを１つの課題としている。また、本願発明は、バフ研磨量のシミュレーションを利用して最適なバフ研磨条件を決定することを１つの課題としている。

第１の形態によれば、研磨対象物よりも寸法の小さな研磨パッドを使用して研磨対象物をバフ研磨する場合の研磨量をシミュレーションする方法が提供され、係る方法は、研磨対象物に対する研磨パッドのオーバーハング量に応じた、前記研磨パッドから研磨対象物に付与される圧力分布を、圧力センサを用いて測定するステップと、研磨量のシミュレーションに用いられる圧力を、オーバーハング量および測定された圧力分布に基づいて補正するステップ、を有する。

第２の形態によれば、第１の形態による方法において、研磨対象物に対する研磨パッドのオーバーハング量ごとに、測定された研磨対象物に付与される圧力分布を数値化するステップと、数値化された圧力分布を研磨対象物の半径方向に沿ってオーバーハング量ごとに一次元化するステップと、各オーバーハング量の一次元化された圧力分布を、研磨対象物の対応する半径方向において合計するステップと、研磨対象物の対応する半径方向位置における研磨パッドの圧力分布合計を、研磨パッドの研磨対象物に対する研磨パッドの滞在する距離で割ることにより圧力補正値を決定するステップと、を有する。

第３の形態によれば、研磨対象物よりも寸法の小さな研磨パッドを使用して研磨対象物をバフ研磨する場合の研磨量をシミュレーションする方法が提供され、かかる方法は、バフ研磨中に前記研磨パッドの一部が前記研磨対象物を越えて搖動する場合の研磨量をシミュレーションする。

第４の形態によれば、第３の形態による方法において、前記研磨パッドが前記研磨対象物を越えて搖動するときに生じる圧力集中の影響を補正する圧力補正値を用いて研磨量を計算する。

第５の形態によれば、第３の形態または第４の形態による方法であって、与えられた目標とする研磨量を達成するために必要なバフ研磨条件を計算する。

第６の形態によれば、第５の形態による方法において、計算される前記バフ研磨条件は、前記研磨パッドの搖動速度である。

第７の形態によれば、第３の形態から第６の形態のいずれか１つの形態のシミュレーションを実行するための命令を含むコンピュータプログラムが提供される。

第８の形態によれば、第７の形態によるコンピュータプログラムを格納する記憶媒体が提供される。

第９の形態によれば、研磨対象物よりも寸法の小さな研磨パッドを使用して研磨対象物をバフ研磨するためのバフ研磨装置が提供され、かかるバフ研磨装置において、前記バフ研磨装置は、バフ研磨中に前記研磨パッドの一部が前記研磨対象物を越えて搖動するように構成され、前記バフ研磨装置は、与えられたバフ研磨条件において、研磨対象物の研磨量をシミュレーションするように構成されるシミュレーション部を有する。

第１０の形態によれば、第９の形態のバフ研磨装置において、前記シミュレーション部は、前記研磨パッドが前記研磨対象物を越えて搖動するときに生じる圧力集中の影響を補正する圧力補正を行う。

第１１の形態によれば、第９の形態または第１０の形態のバフ研磨装置において、前記シミュレーション部は、与えられた目標とする研磨量を達成するために必要とされるバフ研磨条件を計算する。

第１２の形態によれば、第１１の形態のバフ研磨装置において、計算される前記バフ研磨条件は、前記研磨パッドの搖動速度である。

第１３の形態によれば、第１１の形態または第１２の形態によるバフ研磨装置において、研磨対象物の研磨量を測定するためのセンサを有し、前記シミュレーション部は、前記計算されたバフ研磨条件でバフ研磨された研磨対象物に関して測定された研磨量と、前記目標とする研磨量とを比較し、前記目標とする研磨量を達成していない場合に、前記測定された研磨量および前記目標とする研磨量に基づいて、必要とされるバフ研磨条件を計算する。

第１４の形態によれば、研磨対象物よりも寸法の小さな研磨パッドを使用して研磨対象物をバフ研磨する場合の研磨量をシミュレーションする場合に用いる、研磨パッドから研磨対象物に付与される圧力の補正値を決定する方法が提供され、研磨対象物に対する研磨パッドのオーバーハング量に応じた、前記研磨パッドから研磨対象物に付与される圧力分布を、圧力センサを用いて測定するステップと、前記圧力の補正値を、オーバーハング量および測定された圧力分布に基づいて決定するステップ、を有する。

第１５の形態によれば、第１４の形態による方法において、研磨対象物に対する研磨パッドのオーバーハング量ごとに、測定された研磨対象物に付与される圧力分布を数値化するステップと、数値化された圧力分布を研磨対象物の半径方向に沿ってオーバーハング量ごとに一次元化するステップと、各オーバーハング量の一次元化された圧力分布を、研磨対象物の対応する半径方向において合計するステップと、研磨対象物の対応する半径方向位置における研磨パッドの圧力分布合計を、研磨パッドの研磨対象物に対する研磨パッドの滞在する距離で割ることにより圧力の補正値を決定するステップと、を有する。

ウェハＷをバフパッドでバフ研磨するときの様子を側面から見た図であり、ウェハ位置に対する摺動距離のグラフを同時に示す図である。 ウェハＷをバフパッドでバフ研磨するときのウェハエッジ部分に生じる圧力集中を示す図である。 バフパッドからウェハＷに付与される圧力分を測定する際の配置を示す図である。 図３に示される圧力測定の結果を概略的に示す図である。 バフパッドからウェハＷに付与される圧力分を数値化した図である。 バフパッドからウェハＷに付与される圧力分を数値化した図である。 各オーバーハング量における、ウェハ位置に対する圧力比を示すグラフである。 各使用圧力において、ウェハ位置に対する圧力比を示すグラフである。 ウェハ上におけるバフパッドの中心位置を横軸、ウェハ位置を縦軸として、圧力比のマップを示す図である。 各ウェハ位置における、ウェハ上におけるバフパッドの中心位置に対する圧力比を示すグラフである。 圧力補正値の一例を示すグラフである。 オーバーハング時の圧力補正を考慮した研磨プロファイルの一例を示すグラフである。 異なる圧力Ａ、Ｂ、Ｃを用い、それ以外は同一の条件で実際にバフ研磨した時の研磨量を表すグラフである。 図１３に示される各圧力Ａ、Ｂ、Ｃにおける圧力係数を示すグラフである。 目標とするウェハの研磨プロファイルの例を示す図である。 ウェハの中心からエッジに向かうバフパッドの搖動区間を等間隔に８分割した状態を示し、さらに、圧力補正区間および搖動速度補正区間を示す図である。 一実施形態による搖動速度補正値を算出する方法を示す概略図である。 一実施形態による搖動速度補正値を算出する方法を示す概略図である。 一実施形態によるバフ研磨装置を示す概略図である。 一実施形態によるバフ研磨シミュレーションを行う手順を示すフローチャートである。 一実施形態による、バフ研磨シミュレーションを利用したバフ研磨を行う手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係るバフ研磨量のシミュレーション方法の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

バフ研磨処理において、一定の回転速度でウェハＷ（基板）およびバフパッド５０２をそれぞれ回転させながら、バフパッド５０２をウェハＷに対して一定の速度で搖動させてバフ研磨を行う場合、バフパッド５０２とウェハＷとの摺動距離は図１にようになる。

図１は、バフパッド５０２がウェハＷ上を搖動しながらウェハＷをバフ研磨するときの様子を側面から見た概略図であり、その下にウェハＷの位置に対するバフパッド５０２とウェハＷとの摺動距離を表すグラフを示している。図１に示されるように、バフパッド５０２がウェハＷに対してオーバーハングすると、ウェハＷのエッジに向かって摺動距離が減少する。

摺動距離は、バフパッド５０２とウェハＷとの接触相対速度と処理時間との積なので、摺動距離にバフパッド５０２からウェハＷに付与される圧力を掛算することで、プレストンの式より研磨量が算出される。

バフパッド５０２がウェハＷ内にある場合は、バフパッド５０２の圧力は略一定であると考えられるが、バフパッド５０２がウェハＷからオーバーハングした場合は、図２に示されているようにウェハＷのエッジ付近に圧力集中が生じる。

図２は、バフパッド５０２がウェハＷ上を搖動しながらウェハＷをバフ研磨するときの様子を側面から見た概略図である。図中の矢印は圧力を示しており、矢印が長いほど大きな圧力であることを表している。図中の実線で示されるバフパッド５０２の位置の場合、バフパッド５０２は、完全にウェハＷ内にあるので、圧力は実線の矢印で示されるように略一定である。しかし、破線の位置までバフパッド５０２が搖動すると、バフパッド５０２はウェハＷからオーバーハングし、図中の破線の矢印で示されるように圧力集中が生じる。

そのため、プレストンの式を用いて精度よく研磨量をシミュレーションするためには、圧力集中を考慮する必要がある。

本発明の一実施形態において、バフパッド５０２のオーバーハング時の圧力分布を測定して、圧力補正値を以下のように算出する。

まず、バフテーブル４００上にウェハＷを配置し、シート型圧力センサ１０００（タクタイルセンサ）を挟んで、バフパッド５０２をウェハＷに所定の力Ｆで押圧して、ウェハＷに作用する圧力を測定する。図３は、ウェハＷに作用する圧力を測定する際の、バフテーブル４００、バフパッド５０２、シート型圧力センサ１０００、バフパッドの配置を表す側面図である。バフパッド５０２のウェハＷに対する位置を変更することで、オーバーハング量を変えて、オーバーハング量ごとに圧力分布を測定する。

図４は、シート型圧力センサで測定した圧力分布を概略的に示す図である。図４は、一例として、オーバーハング量が０％、２０％、および４０％のそれぞれの場合の圧力分布を概略的に示している。なお、ここでいるオーバーハング量のパーセンテージは、バフパッド５０２の直径がウェハＷからオーバーハングしている割合である。たとえば、オーバーハング量が２０％であるとは、バフパッド５０２の直径の２０％が、ウェハＷの外側にあるということである。バフパッドの直径が１００ｍｍであるなら、バフパッドの直径の２０ｍｍがウェハＷの外側に飛び出しているということである。図中の実線の円は、バフパッドの領域を示している。図中の破線の弧は、ウェハＷのエッジの一部を示している。

図示のように、オーバーハング量が０％である場合（図４Ａ）、バフパッド４０２からウェハＷに付与される圧力は略一定である。オーバーハング量が２０％の場合（図４Ｂ）は、ウェハＷのエッジ付近で圧力が大きくなり、ウェハＷの内側に向かうほど圧力が小さくなる。オーバーハング量が４０％の場合（図４Ｃ）も同様に、ウェハＷのエッジ付近で圧力が大きくなり、ウェハＷの内側に向かうほど圧力が小さくなる。図中の「大」、「中」、「小」は、圧力の相対的な大きさを表している。なお、オーバーハング量が４０％のときの方が、オーバーハング量が２０％の場合よりも圧力の変化が大きくなる。

バフパッド５０２からウェハＷに付与される圧力の二次元分布を測定したら、次に、測定領域を複数の領域に分割して、分割領域ごとに測定圧力を数値化する。

図５、図６は、一例として、図４のオーバーハング量が０％および４０％である場合の圧力分布を数値化したものであり、数値の大小をグレースケールで表現している。図中でグレーが濃いほど大きな数値であることを示している。また、図中の破線の弧はウェハＷの境界を示している。

図５に示されるように、オーバーハング量が０％の場合は、圧力分布は略一定となるので、バフパッド５０２下の領域は、一定の数値、たとえば１．０になり、図示のように同一の濃度のグレーで示されている。

図６は、オーバーハング量が４０％である場合の圧力分布を数値化したものであり、ウェハＷの境界に圧力集中が生じて、ウェハＷの境界での圧力が大きくなり、ウェハＷの内側に向かって圧力が小さくなっていることが分かる。

次に、図５、図６のように数値化した面内圧力の二次元分布をウェハＷの半径方向に沿って一次元化する。具体的には、図５、図６の行方向（横方向）、いわゆるウェハ円周上の数値の平均値を算出してウェハＷの半径方向（図５、図６中の矢印の方向）に圧力分布を一次元化して、ウェハＷの半径方向に対する圧力比を算出する。

図７は、オーバーハング（ＯＨ）量が０％から４０％までの、ウェハＷの半径方向に対する圧力比を示すグラフである。横軸はウェハＷの半径方向位置であり、ウェハＷの直径は３００ｍｍである。つまり、ウェハＷ位置１５０ｍｍはウェハＷのエッジ位置である。図７に示すように、オーバーハング量が大きくなるとウェハＷのエッジに向かって圧力比が大きくなる。

上述の工程を、バフパッド５０２からウェハＷに付与される圧力を、実際に使用される圧力範囲内で変えて繰り返すことで、各使用圧力におけるウェハＷ位置に対する圧力比が得られる。

図８は、一例として、３つの使用圧力におけるウェハＷ位置に対する圧力比を表すグラフであり、オーバーハング（ＯＨ）量が２０％の場合を示している。図８から分かるように、使用圧力を変更しても、各オーバーハング量におけるウェハＷ位置に対する圧力比はあまり変わらない。そのため、使用圧力によらず同一の圧力比を使用してもよい。

次に、各使用圧力におけるウェハＷ位置に対する圧力比から１つの近似式を求める。近似式は多項式関数、指数関数など任意のものを使用することができる。

次に、近似式から、ウェハＷ位置およびウェハＷ上のバフパッドの位置に関する圧力比のマップを作成する。図９は、ウェハＷ位置およびウェハＷ上のバフパッドの中心位置に関する圧力比のマップを示している。横軸は、ウェハＷ上におけるバフパッドの位置であり右に行くほどウェハＷのエッジに近づく。縦軸はウェハＷの位置を示し、上端がウェハＷの中心であり、下端がウェハＷのエッジである。図９において、圧力比はグレースケールの濃度で表されており、濃いほど圧力比が大きいことを示している。なお、ウェハＷ上でバフパッド５０２が存在しない領域の圧力比は０（ゼロ）であり、バフパッド５０２の全面がウェハＷ上にあるとき（オーバーハングが０％）の圧力比は１．０である。

次に、ウェハＷ上の各バフパッド中心位置における圧力比を、対応するウェハＷ位置ごとに合計する。すなわち、図９に示される圧力比を横方向に合計する。ウェハＷ位置ごとに合計した圧力比を、バフパッドの直径（ただし、圧力比がゼロでない箇所のみ）で割り算して、各ウェハ位置における圧力補正値とする。

図１０は、一例として、ウェハ位置１００ｍｍ、１２０ｍｍ、１４１ｍｍ、１４８ｍｍの箇所の、ウェハＷ上におけるバフパッドの中心位置に対する圧力比のグラフを示している。各ウェハ位置における圧力補正値は、各ウェハ位置ごとに図１０に示されるグラフの面積を計算して、その面積をバフパッドの直径（ただし、圧力比がゼロでない箇所のみ）で割り算することで算出できる。一例として、図１０にウェハ位置１００ｍｍの場合の面積を斜線で示し、バフパッドの直径を矢印で示している。

図１１は、図１０で説明した方法により算出した各ウェハ位置における圧力補正値を示すグラフである。図１１に示されるように、ウェハのエッジにいくほど圧力補正値が大きくなる。

以上のように各ウェハＷ位置における圧力補正値を決定したので、プレストンの式 ｈ∝ｐｖｔの圧力ｐに圧力補正値を適用することができる。図１に示す摺動距離は、摺動速度と研磨時間の積となる。この摺動距離に圧力ｐを掛算することで研磨量を算出できる。バフパッド５０２がウェハＷからオーバーハングしないときの略一定の圧力ｐに、ウェハ位置ごとの圧力補正値を掛算することで、バフパッド５０２のオーバーハングを考慮した研磨量を計算することができる。より具体的には、図１に示される摺動距離と、略一定の圧力ｐおよび図１１に示される圧力補正値を掛算することで、ウェハの研磨量、つまりウェハの研磨プロファイルをシミュレーションすることができる。図１２は、一定の搖動速度、一定の圧力を用いて、オーバーハング時の圧力補正を考慮した研磨プロファイルの一例を示すグラフである。

このように、本願発明においては、バフパッドのオーバーハングを考慮したウェハの研磨量をシミュレーションすることができるので、かかるシミュレーションを使用して、バフ処理装置の様々な設計パラメータの見積り、最適化を行うことができる。たとえば、バフパッド径の最適化、ウェハおよびバフパッドの回転数・回転数比の最適化、ウェハ上でのバフパッドの搖動エリアの最適化、バフパッドの搖動速度分布の最適化、などに利用することができる。なお、本開示による、圧力測定に関する技術は、上述した実施形態に限定されるものではなく、加工対象物よりも寸法な小さなパッドを加工対象物に押圧する場合にも適用することができる。

以下は、上述のバフパッドのオーバーハング時の圧力補正値を用いた研磨量のシミュレーションおよび研磨条件の作成について説明する。

まず、バフパッドのオーバーハング時の圧力補正値を用いた研磨量のシミュレーションを説明する。上述のように、研磨量は基本的にはプレストン（Preston）の式 ｈ∝ｐｖｔにしたがって計算することができる。かかるプレストンの式において、ｈは研磨対象物（被研磨物）の研磨速度（研磨量）、ｐは荷重（研磨対象物にかかる圧力）、ｖは研磨体と研磨対象物との接触相対速度（研磨量を求めようとしている部分領域の接触相対速度）、ｔは研磨時間である。ｖｔは研磨対象物（ウェハ）と研磨パッド（バフパッド）との摺動距離である。研磨量は基本的に摺動距離と圧力とに比例するが、実際の研磨量は様々な条件により異なる。そのため、実際に様々な条件でバフ研磨を実施した経験値をパラメータ係数として使用して研磨量のシミュレーション精度を向上させる。そこで、研磨量は、摺動距離×圧力×圧力補正値×パラメータ係数から算出する。

本実施形態では、バフパッドを回転させながら回転するウェハに押し当ててウェハを研磨することを想定している。このときバフパッドをウェハ上で搖動させてウェハの全面を研磨する。摺動距離は、別途市販のソフトウェアをベースとしたシミュレータで計算することができる。前出の図１のグラフは、一定速度で回転するバフパッドを、一定速度で回転するウェハ上で搖動させた場合の摺動距離を示している。

パラメータ係数は、バフ研磨条件や、使用するドレス、スラリー、バフパッドの種類などから算出する。たとえば、パラメータ係数の１つとなり得る圧力係数として、研磨量／圧力の割合により決定することができる。図１３は、異なる圧力Ａ、Ｂ、Ｃを用い、それ以外は同一の条件で実際にバフ研磨した時の研磨量を表すグラフである。図１３に示される研磨量を圧力で除すことで圧力係数を算出する。図１４は、各圧力Ａ、Ｂ、Ｃにおける圧力係数を示している。同様に、バフ研磨に使用するスラリー流量や希釈倍率、ドレッサーやバフパッドの種類などから各種パラメータ係数を決定することができる。実際のパラメータ係数の値としては、所定のベースライン条件（たとえば、圧力１ｐｓｉ、スラリー流量０．３Ｌ／ｍｉｎ、ウェハとの接触面に縦横溝が形成されたバフパッド）の場合の係数を「１」として、それ以外の条件のときの研磨量の変化分を各種のパラメータ係数とすることができる。これらのパラメータ係数は予め実験により求めておき、データベースに格納する。

バフパッドのオーバーハング時の圧力補正値を用いると、研磨量は、摺動距離×圧力×圧力補正値×パラメータ係数により算出することができる。上述の図１２は、このような方法により算出された研磨量（研磨プロファイルとも称する）の一例を示している。

次に、研磨量のシミュレーションを使用して、所望の研磨プロファイルを得るための研磨条件を決定する方法を説明する。ここでは、バフパッドの回転速度、ウェハの回転速度、バフパッドのウェハへの押し当て圧力は、ユーザーが設定する所与の値として、所望の研磨プロファイルを得るための研磨条件としてバフパッドの搖動速度を決定することを考える。

図１５は、目標とするウェハの研磨プロファイルの例を示している。図１５は、ウェハの全面が平坦な研磨プロファイル、ウェハのエッジ部分にいくほど研磨量が少なくなる研磨プロファイル、およびウェハのエッジ部分にいくほど研磨量を大きくなる研磨プロファイルを示している。以下、目標とするウェハのプロファイルとしてウェハ全面を平坦に研磨するためのバフパッドの搖動速度を決定することを想定して説明する。

まず、ユーザーが設定する研磨条件（バフパッドの回転速度、ウェハの回転速度、バフパッドのウェハへの押し当て圧力など）で、等速の搖動速度での研磨プロファイルを上述の方法で算出する。そうすると、上述のようにオーバーハング時の圧力集中、および摺動距離の分布により、図１２のようにウェハのエッジ付近では平坦な研磨プロファイルが得られない。そこで、バフパッドがウェハ上に滞在する時間を調整してウェハの全面が平坦になるような搖動速度分布を求める。

バフパッドの搖動速度分布を求めるために、ウェハの中心からエッジに向かってウェハ位置を分割する。本実施形態では、ウェハの全面が平坦に研磨されるように、各分割領域ごとに搖動速度が決定される。図１６は、一例として、ウェハの中心からエッジに向かうバフパッドの搖動区間を等間隔に８分割した図を示している。他の実施形態として、分割数は８でなくそれ以上でも以下でもよい。また各分割領域は等間隔でなくてもよく、たとえばウェハのエッジ付近でより細かく分割してもよい。

バフパッドは一定の面積を備えているので、搖動速度を補正する区間は、上述のようなオーバーハングを考慮した圧力補正をする圧力補正区間とは異なる。具体的には、図１６に示されるように、バフパッドが中心からエッジに向かって搖動して圧力補正区間にバフパッドが入るところから搖動速度補正区間が始まる。

次に、図１７、図１８を参照して、搖動速度補正区間の補正値の算出方法を説明する。図１７において、バフパッドがウェハの中心からエッジに向かって搖動するとき、のバフパッドにおけるＩ、ＩＩ、ＩＩＩの位置における圧力補正した研磨プロファイルは、図１７の下側に示すようになる。図１７のＩ、ＩＩ、ＩＩＩの間の曲線は、バフパッドのＩ、ＩＩ、ＩＩＩの間の位置における圧力補正した研磨プロファイルに対応する。以下で説明するように、これらの軌跡を合成することで搖動区間の補正値を算出することができる。

搖動速度補正値を算出するために、図１８に示されるように、バフパッドの各位置における圧力補正した研磨プロファイルの搖動始点を一致させる。搖動始点を一致させたバフパッドの各位置における圧力補正した研磨プロファイルの平均が搖動速度の補正値となる。搖動速度補正値のような速度分布となるようにバフパッドをウェハ上で搖動させれば、平坦な研磨プロファイルが得られることになる。バフパッドの搖動速度を搖動速度補正値に一致するように連続的に搖動速度を制御してもよい。本実施形態では、上述のように搖動範囲を８分割しており、分割領域内では一定の速度となるように制御する。そのため、得られた搖動速度補正値から各分割領域ごとの速度を算出する。図１８に示される実施形態においては、各分割領域の搖動速度は、対応する分割領域における搖動速度補正値の平均値としている。

以上のように、ユーザーが設定する研磨条件から目標とする研磨プロファイル（上述の例では全面が平坦となる研磨プロファイル）を達成するためのバフパッドの搖動速度を算出することができる。図１８に示されるように、ユーザーが設定した研磨条件と作成したバフパッドの搖動速度とから、研磨量をシミュレーションすると平坦な研磨プロファイルが得られることが分かる。

次に、上述したようなシミュレーション機能を有するバフ研磨装置を説明する。図１９は、一実施形態によるバフ処理装置３００Ａの概略構成を示す図である。図１９に示されるように、バフ処理装置３００Ａは、ウェハＷが設置されるテーブル４００と、ウェハＷの処理面に処理を行うためのバフパッド５０２が取り付けられたヘッド５００と、ヘッド５００を保持するアーム６００と、を備えている。バフ処理装置３００Ａはさらに、処理液を供給するための処理液供給系統と、バフパッド５０２のコンディショニング（目立て）を行うためのコンディショニング部と、を備えることができる。処理液供給系およびコンディショニング部は図示の明瞭化のために、図１９では省略されている。図１９に示されるバフパッド５０２は、ウェハＷよりも小径である。一例として、ウェハＷの直径が３００ｍｍである場合、バフパッド５０２は好ましくは直径は１００ｍｍ以下、より好ましくは直径が６０〜１００ｍｍであることが望ましい。なお、処理液は、ＤＩＷ（純水）、洗浄薬液、及び、スラリのような研磨液、の少なくとも１つを使用することができる。また、バフパッド５０２は、例えば発泡ポリウレタン系のハードパッド、スウェード系のソフトパッド、又は、スポンジなどで形成される。ここで、ウェハ面内でのバラつき低減のための制御やリワークにおいては、バフパッド５０２とウェハＷとの接触領域が小さいほど、種々のバラつきに対応が可能となる。よってバフパッド径は小径であることが望ましく、具体的には直径が７０ｍｍ以下であり、好ましくは直径が５０ｍｍ以下である。バフパッド５０２の種類は処理対象物の材質や除去すべき汚染物の状態に対して適宜選択すれば良い。例えば汚染物が処理対象物表面に埋まっている場合は、より汚染物に物理力を作用させやすいハードパッド、すなわち硬度や剛性の高いパッドをパッドとして使用しても良い。一方で処理対象物が例えばＬｏｗ−ｋ膜等の機械的強度の小さな材料である場合、被処理面のダメージ低減のために、ソフトパッドを使用しても良い。また、処理液がスラリのような研磨液の場合、処理対象物の除去速度や汚染物の除去効率、ダメージ発生の有無は単にパッドの硬度や剛性だけでは決まらないため、適宜選択しても良い。また、これらのパッドの表面には、例えば同心円状溝やＸＹ溝、渦巻き溝、放射状溝といった溝形状が施されていても良い。更に、パッドを貫通する穴を少なくとも１つ以上パッド内に設け、本穴を通して処理液を供給しても良い。また、パッドを例えばＰＶＡスポンジのような、処理液が浸透可能なスポンジ状の材料を使用しても良い。これらにより、パッド面内での処理液の流れ分布の均一化や処理で除去された汚染物の速やかな排出が可能となる。

テーブル４００は、ウェハＷを吸着する機構を有し、ウェハＷを保持する。また、テーブル４００は、駆動機構４１０によって回転軸Ａ周りに回転できるようになっている。また、テーブル４００は、駆動機構４１０によって、ウェハＷに角度回転運動、又は、スクロール運動をさせるようになっていてもよい。バフパッド５０２は、ヘッド５００のウェハＷに対向する面に取り付けられる。ヘッド５００は、図示していない駆動機構によって回転軸Ｂ周りに回転できるようになっている。また、ヘッド５００は、図示していない駆動機構によってパッド５０２をウェハＷの処理面に押圧できるようになっている。アーム６００は、ヘッド５００を矢印Ｃに示すようにウェハＷの半径もしくは直径の範囲内で搖動可能である。また、アーム６００は、バフパッド５０２が図示しないコンディショニング部に対向する位置までヘッド５００を搖動できるようになっている。

図１９に示すように、バフ処理モジュール３００Ａは、Ｗｅｔ−ＩＴＭ（Ｉｎ−ｌｉｎｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｍｏｎｉｔｏｒ）９１２を備える。Ｗｅｔ−ＩＴＭ９１２は、検出ヘッドがウェハ上に非接触状態にて存在し、ウェハ全面にわたって移動することで、ウェハＷの膜厚分布（又は膜厚に関連する情報の分布）を検出（測定）することができる。なお、ＩＴＭについては、処理実施中における計測においてはＷｅｔ−ＩＴＭが有効であるが、バフ処理後に計測する仕様としてもよい。

制御部９２０は、バフ処理装置の各種動作を制御することができ、バフパッド５０２のウェハに対する圧力、バフヘッド５００の回転数、バフテーブル４００の回転数、バフヘッド５００の搖動速度、などを制御する。また、制御部９２０は、ＩＴＭ９１２によって検出されたウェハの処理面の膜厚または膜厚に相当する信号を受け取る。さらに、制御部９２０はユーザーインターフェースを備え、ユーザーから入力および／または選択されるバフ処理条件を受け取る。制御部９２０は、上述のようなバフパッドの圧力補正を計算する機能、研磨量のシミュレーション機能、所望の研磨プロファイルを得るための最適なバフパッドの搖動速度分布を計算する機能を備える。なお、制御部９２０は専用のコンピュータまたは汎用のコンピュータから構成することができる。たとえば、汎用コンピュータに上述した各種の制御機能、計算およびシミュレーションを実行するための命令を含むコンピュータプログラムをインストールすることにより制御部９２０を構成することができる。また、これらのコンピュータプログラムは、ハードディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、などの汎用的な記憶媒体に格納することができる。制御部９２０のユーザーインターフェースとして、モニタ、マウス、キーボード、タブレットなどの一般的なユーザーインターフェースを利用することができる。

また、バフ処理モジュール３００Ａは、複数の研磨処理の条件（バフパッド５０２のウェハＷへの圧力、ヘッド５００の回転数、バフパッド５０２のウェハＷへの接触時間）それぞれに対する研磨量があらかじめ格納されたデータベース（記憶部）９３０を備える。また、データベース９３０には、ウェハＷの研磨処理面の目標膜厚分布があらかじめ設定され格納されている。さらに、データベース９３０には、後述する研磨量シミュレーションに必要な各種データが格納されている。

図２０は、バフ処理装置３００Ａにおいて、バフ研磨量のシミュレーションおよび搖動速度の最適化を行う手順を説明するフローチャートである。バフ研磨量のシミュレーションおよび搖動速度の最適化は、制御部９２０で行われる。

図２０に示されるように、まずバフ研磨シミュレーションが開始される（ステップＳ１００）。ここでは、制御部９２０において、シミュレーションに必要なソフトウェアが起動される。

次に、シミュレーションを行うバフ研磨条件を入力する（ステップＳ１０２）。研磨条件は、たとえば、研磨対象物であるウェハの寸法、バフパッド５０２の寸法、バフパッド５０２のウェハに押し付ける圧力、バフヘッド５００の搖動範囲、バフテーブル４００の回転数、バフパッド５０２の回転数、バフヘッド５００の搖動速度、などである。これらの条件の入力は、制御部９２０に設けられるユーザーインターフェースを介して行うことができる。

次に入力された研磨条件から、圧力補正値を計算する（ステップＳ１０４）。圧力補正値は、バフパッド５０２がオーバーハングするときに必要となる圧力補正値であり、上述した方法で計算することができ、例えば図１１に示されるものとなる。使用されるバフパッドのサイズ、およびウェハのサイズごとに、上述した手順により予め圧力補正値を実験により決定しておき、データベース９３０に記憶させておくことで、ステップＳ１０２で入力されたバフ研磨条件に応じて必要な圧力補正値を使用することができる。

次に、ステップＳ１０２で入力されたバフ研磨条件およびステップＳ１０４で計算された圧力補正値から研磨量を計算する（ステップＳ１０６）。研磨量は、上述したようにプレストンの式を用いて、摺動距離×圧力×パラメータ係数から計算することができる。パラメータ係数は、上述したように予め実験などにより決定しておき、データベース９３０に記憶させておくことで、ステップＳ１０２で入力されたバフ研磨条件に応じて必要なパラメータ係数を使用することができる。研磨量は、たとえば図１２に示されるような研磨プロファイルとなる。

次に、目標とする研磨プロファイルとステップ１０６で計算した研磨プロファイルとの差分を計算する（ステップＳ１０８）。この差分は研磨量補正値である。目標とする研磨プロファイルは、ステップＳ１０２で入力してもよいし、ステップＳ１０８の段階で入力してもよい。目標とする研磨プロファイルとして、たとえば図１５に示す研磨プロファイルを選択するようにしてもよい。

次に、目標とする研磨プロファイルを達成するために必要な搖動補正区間および搖動速度補正値を計算する（ステップＳ１１０）。搖動速度補正値は、図１５〜図１８を用いて説明した方法で計算することができる。

次に、ステップＳ１１０で計算した搖動速度補正値に基づいて、ステップＳ１０２で入力した研磨条件を更新する（ステップＳ１１２）。具体的には、搖動速度をステップ１１０で計算した搖動速度で置き換える。

次に、ステップＳ１１２で更新した研磨条件で、再び研磨量を計算する（ステップ１１４）。搖動速度が最適化されているので、目標とする研磨プロファイルが計算される。

最後に、バフ研磨シミュレーションを終了となる（ステップ１１６）。

以下では、上述のバフ研磨シミュレーションを利用したバフ研磨の方法を説明する。図２１は、一実施形態による、バフ研磨シミュレーションを利用したバフ研磨の方法を示すフローチャートである。バフ研磨は、例えば上述の図１９に示されるバフ研磨装置３００Ａを用いて行うことができる。

バフ研磨が開始されると（ステップＳ２００）、まず、バフ研磨条件が設定される（ステップＳ２０２）。ここで、バフ研磨条件は、図２０とともに説明したバフ研磨シミュレーションを用いて作成された研磨条件が使用される。

次に、ステップＳ２０２のバフ研磨条件によりバフ研磨が開始される（ステップＳ２０４）。

設定されたバフ研磨条件によるバフ研磨が終了すると、膜厚センサ（ＩＴＭ９１２）によりバフ研磨後のウェハの膜厚が測定される（ステップＳ２０６）。

次に、膜厚センサで測定された膜厚分布から得られる研磨プロファイルが目標とする研磨プロファイルを達成しているかどうかを判定する（ステップＳ２０８）。たとえば、バフ研磨シミュレーションにおける目標とする研磨プロファイルと比較し、所定の条件を満たしているかどうかにより判定することができる。

ステップＳ２０８において、目標とする研磨プロファイルが達成されていないと判断されると、バフ搖動条件を最適化して（Ｓ２１０）、再びバフ研磨を行う。バフ搖動条件は、上述のバフ研磨シミュレーションにより実行することができる。より具体的には、上述のバフ研磨シミュレーションに関するステップＳ１０８において、目標とする研磨プロファイルと、ステップＳ２０６で測定した研磨プロファイルとの差分から研磨量補正値を計算し、再び搖動補正区間および搖動速度補正値を計算する。これによって得られた研磨条件で、再びバフ研磨を行う。

ステップＳ２０８において、目標とする研磨プロファイルが達成されていると判断されると、バフ研磨を終了する（ステップＳ２０８）。

なお、他の実施形態として、ステップＳ２０８による判定、およびステップＳ２１０による最適化を行う閉ループ制御は必ずしも実行しなくてもよい。

以上のように、本願発明においては、バフパッドのオーバーハングを考慮したウェハの研磨量をシミュレーションすることができるので、かかるシミュレーションを使用して、バフ処理装置の様々な設計パラメータの見積り、最適化を行うことができる。

４００ バフテーブル
４１０ 駆動機構
５００ バフヘッド
５０２ バフパッド
６００ バフアーム
９１２ ＩＴＭ（膜厚センサ）
９２０ 制御部
９３０ データベース
１０００ シート型圧力センサ
Ｗ ウェハ

Claims (8)

1. 研磨対象物よりも寸法の小さな研磨パッドを使用して研磨対象物をバフ研磨する場合の研磨量をシミュレーションする方法であって、
   研磨対象物に対する研磨パッドのオーバーハング量に応じた、前記研磨パッドから研磨対象物に付与される圧力分布を、圧力センサを用いて測定するステップと、
   研磨量のシミュレーションに用いられる圧力を、オーバーハング量および測定された圧力分布に基づいて補正するステップと、
   研磨対象物に対する研磨パッドのオーバーハング量ごとに、測定された研磨対象物に付与される圧力分布を数値化するステップと、
   数値化された圧力分布を研磨対象物の半径方向に沿ってオーバーハング量ごとに一次元化するステップと、
   各オーバーハング量の一次元化された圧力分布を、研磨対象物の対応する半径方向において合計するステップと、
   研磨対象物の対応する半径方向位置における研磨パッドの圧力分布合計を、研磨パッドの研磨対象物に対する研磨パッドの滞在する距離で割ることにより圧力補正値を決定するステップと、
   を有する、シミュレーション方法。
2. 請求項１に記載のシミュレーション方法であって、
   決定された前記圧力補正値を用いてバフ研磨中に前記研磨パッドの一部が前記研磨対象物を越えて搖動する場合の研磨量をシミュレーションする、
   シミュレーション方法。
3. 請求項１または２に記載のシミュレーション方法であって、
   与えられた目標とする研磨量を達成するために必要なバフ研磨条件を計算する、
   シミュレーション方法。
4. 請求項３に記載のシミュレーション方法であって、
   計算される前記バフ研磨条件は、前記研磨パッドの搖動速度である、
   シミュレーション方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシミュレーションを実行するための命令を含むコンピュータプログラム。
6. 請求項５に記載のコンピュータプログラムを格納する記憶媒体。
7. 研磨対象物よりも寸法の小さな研磨パッドを使用して研磨対象物をバフ研磨するためのバフ研磨装置であって、
   前記バフ研磨装置は、バフ研磨中に前記研磨パッドの一部が前記研磨対象物を越えて搖動するように構成され、
   前記バフ研磨装置は、与えられたバフ研磨条件において、研磨対象物の研磨量をシミュレーションするように構成されるシミュレーション部を有し、
   前記シミュレーション部は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシミュレーション方法により決定された圧力補正値を用いて研磨対象物の研磨量をシミュレーションするように構成される、
   バフ研磨装置。
8. 請求項３を引用する請求項７に記載のバフ研磨装置であって、
   研磨対象物の研磨量を測定するためのセンサを有し、
   前記シミュレーション部は、前記計算されたバフ研磨条件でバフ研磨された研磨対象物に関して測定された研磨量と、前記目標とする研磨量とを比較し、前記目標とする研磨量を達成していない場合に、前記測定された研磨量および前記目標とする研磨量に基づいて、必要とされるバフ研磨条件を計算する、バフ研磨装置。