JPH09300209A

JPH09300209A - 化学機械研磨装置および方法

Info

Publication number: JPH09300209A
Application number: JP14370996A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Miyazaki; 恭一宮崎; Junji Takashita; 順治高下; Minokichi Ban; 箕▲吉▼ 伴; Masaru Chichii; 勝乳井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-25

Abstract

(57)【要約】【課題】被加工物の被研磨面に縁だれ現象を発生させ
ることなく高速かつ高精度に研磨できるようにする。【解決手段】回転テーブル回転駆動機構４によって回
転される回転テーブル１は揺動機構６に支持されてお
り、制御装置２０によってその揺動が制御される。研磨
工具２は回転テーブル１に対してオーバーハングさせて
配設されており研磨工具回転駆動機構７によって回転さ
れるとともに研磨工具側加圧機構８により軸方向へ移動
され、所定の加工圧を与えた状態で回転テーブル１に保
持された基板Ｗに研磨パッド３が当接される。制御装置
２０は研磨加工中において検出装置１２により検出され
た基板Ｗの面形状と予め設定部２１で設定された目標面
形状の差分値に基づいて揺動機構６の揺動幅および揺動
位置を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ等の基板を
高精度に研磨するための化学機械研磨装置および方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体ディバイスの超微細化や高
段差化が進み、これに伴なってＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ
等の半導体ウエハ等の基板の表面を高精度に平坦化する
ことが求められているが、このウエハ等の基板の表面を
高精度に平坦化するための加工手段として次に説明する
化学機械研磨装置が知られている。

【０００３】この従来の化学機械研磨装置は、図６に示
すように、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体ウエハ等
の基板１０４を図示下面に着脱自在に保持することがで
きる被加工物回転テーブル１０３と、被加工物回転テー
ブル１０３の図示下方に対向して配設された基板１０４
の口径に比較して口径の非常に大きな研磨パッド１０２
が一体的に設けられた研磨工具回転テーブル１０１と、
研磨パッド１０２の上面に研磨剤（研磨スラリー）１０
７を供給するための研磨剤（研磨スラリー）の供給ノズ
ル１０６を備え、矢印Ａ方向へ回転される研磨工具回転
テーブル１０１に一体的に設けられた研磨パッド１０２
の上面に研磨剤（研磨スラリー）１０７を供給しつつ、
基板１０４を保持した被加工物回転テーブル１０３の回
転軸１０５に白抜き矢印で示す軸方向への加工圧を与え
て基板１０４を研磨パッド１０２に押付けた状態で基板
１０４を保持した被加工物回転テーブル１０３に矢印Ｂ
で示す回転運動と矢印Ｃで示す揺動運動を与えて研磨す
るように構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術では、研磨パッドが一体的に設けられた研磨工具
回転テーブルの口径が基板の口径に比較して非常に大き
いため、次に記載するような未解決の課題がある。

【０００５】（１）研磨工具回転テーブルを含めた研
磨装置全体が大型となり、研磨工具回転テーブルを高速
回転させると振動が発生して被加工物である基板の被研
磨面を高精度に研磨できなくなるため、研磨工具回転テ
ーブルを高速回転させることができない。その結果、研
磨速度（単位時間当りの除去量）を高くすることができ
ない。

【０００６】（２）被加工物である基板の被研磨面を
均一な平坦面に研磨するためには被加工物回転テーブル
の回転速度と研磨工具の回転速度を等しくしなければな
らず、両者の回転速度が異なると基板の外周縁部が中央
部よりも多く除去されて薄くなるいわゆる縁だれ現象が
発生する。

【０００７】本発明は、上記従来の技術の有する未解決
の課題に鑑みてなされたものであって、被加工物の被研
磨面に上述した縁だれ現象を発生させることなく高速か
つ高精度に研磨することができる化学機械研磨装置およ
び方法を実現することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の化学機械研磨装置は、被加工物の被研磨面
と、前記被研磨面に所定の加工圧を与えた状態で当接さ
れた研磨工具の研磨面との間に研磨剤を供給しつつ研磨
を行なう化学機械研磨装置において、回転テーブル回転
駆動機構により回転される前記被加工物を保持するため
の回転テーブルと、前記回転テーブルに対してオーバー
ハングさせて配設された研磨工具回転駆動機構により回
転される研磨工具と、前記回転テーブルおよび前記研磨
工具のうちの少なくとも一方を軸方向へ移動させて前記
所定の加工圧を与えるための加圧機構と、前記回転テー
ブルおよび前記研磨工具のうちのいずれか一方を支持し
て揺動させる揺動機構と、前記被加工物の被研磨面のう
ちの前記研磨工具の研磨面に当接していない非研磨領域
に対向して設けられ、研磨中における前記被加工物の被
研磨面の面形状を検出するための検出装置と、前記検出
装置により検出された前記被研磨面の面形状が予め設定
した前記被研磨面の目標面形状になるように前記揺動機
構を制御するための制御装置を備えたことを特徴とする
ものである。

【０００９】また、制御装置は、被加工物の被研磨面に
おける目標面形状を設定するための設定部と、検出装置
によって検出された研磨中における被加工物の被研磨面
の面形状と前記設定部より送られた前記目標面形状とを
比較してその差分値を出力する比較部と、前記差分値に
基づいて揺動幅および／または揺動位置を算出し制御信
号を出力する演算部と、前記演算部より送られた前記制
御信号に基づいて、揺動機構の揺動幅および揺動位置を
制御する制御部を備えたものとする。

【００１０】さらに、検出装置は、被加工物の被研磨面
の径方向へ移動自在に設けることができる。

【００１１】加えて、被加工物の被研磨面のうち研磨工
具の研磨面に当接していない非研磨領域に向けて研磨剤
を供給するノズルが配設されているとよい。

【００１２】本発明の化学機械研磨方法は、被加工物の
被研磨面と、前記被研磨面に所定の加工圧を与えた状態
で当接された研磨工具の研磨面との間に研磨剤を供給し
つつ研磨を行なう化学機械研磨方法において、前記被加
工物に対してオーバーハングさせて前記研磨工具を配置
し、前記被加工物および前記研磨工具を回転させるとと
もに前記被加工物および前記研磨工具の少なくともいず
れか一方を揺動させ、研磨中における前記被加工物の被
研磨面の面形状を前記被加工物の被研磨面のうち前記研
磨工具の研磨面に当接していない非研磨領域に配設され
た検出装置により検出し、該検出装置の検出結果に応じ
て前記揺動を制御することを特徴とするものである。

【００１３】上記化学機械研磨方法において、非研磨領
域に対向して配設されたノズルから研磨剤を供給すると
よい。

【００１４】また、被加工物は、半導体や、表面に絶縁
膜および／または金属膜が形成された被研磨面を有する
ものであってもよい。

【００１５】さらに、被研磨面に微粒子を含むアルカリ
性の液体を供給することができる。

【００１６】

【作用】本発明の作用を原理的に説明する。

【００１７】図２の（ａ）に示すように、被加工物の被
研磨面Ｗ₀ のハッチングを付した輪帯部４０ａで囲まれ
た中心部の小円部３０ａにおける研磨工具側の外周縁部
に研磨工具の研磨面Ｐ₀ の外周縁部が接する部位と、被
加工物の被研磨面Ｗ₀ の研磨工具側の外周縁部に接する
部位との間の長さＬ₁ 、つまり被加工物の被研磨面Ｗ₀
の半径よりも短い揺動幅で揺動されている場合、小円部
３０ａで囲まれた部分を除去せず、輪帯部４０ａの部分
のみを除去することができる。

【００１８】他方、図２の（ｂ）に示すように、被加工
物の被研磨面Ｗ₀ のハッチングを付した中心部の小円部
３０ｂの反研磨工具側の外周縁に研磨工具の研磨面Ｐ₀
の外周縁部が接する部位と中心部の小円部３０ｂにおけ
る研磨工具側の外周縁部に研磨工具の研磨面Ｐ₀ の外周
縁部に接する部位の間の長さＬ₂ 、つまり被加工物の被
研磨面Ｗ₀ の半径よりも長い揺動幅で揺動されている場
合、中心部３０ｂに研磨パッド３が摺擦されている時間
を長くすることができこの中心部３０ｂの除去量を輪帯
部４０ｂの部分の除去量より多くすることができる。

【００１９】つまり、図２の場合、揺動幅が被加工物の
被研磨面Ｗ₀ の半径よりも短い場合は、被加工物の被研
磨面Ｗ₀ の中心部より外周部を選択的に除去でき、揺動
幅が被加工物の被研磨面Ｗ₀ の半径よりも長い場合は、
被加工物の被加工物の被研磨面Ｗ₀ の外周部の除去量よ
りも中心部の除去量を多くすることができる。このた
め、被加工物と研磨工具との相対的な揺動幅を適宜変化
させることで被加工物の被研磨面を均一にあるいは任意
の形状に研磨することができる。

【００２０】次に、揺動幅が一定の場合について述べ
る。

【００２１】図３は、基板の回転中心が、常に研磨工具
の研磨面の外に位置した状態で揺動する場合を説明する
ための模式図である。

【００２２】基板Ｗは、揺動幅Ｌ₃ をもって繰返し揺動
するため、中心部３０ａの除去量はその外周部５０ａの
除去より少ない。また、外周部５０ａの外側の周辺部４
０ａの除去量は外周部５０ａの除去量より多い。

【００２３】図４は、基板の中心が研磨面内に位置した
状態で揺動する場合を説明するための模式図である。

【００２４】図４の揺動幅Ｌ₃ は図３の揺動幅Ｌ₃ と同
じである。この場合は、中心部３０ｂ、周辺部４０ｂ、
外周部５０ａそれぞれにおける除去量の大小関係は図３
と逆になる。

【００２５】ただし、図３、図４いずれの場合も周辺部
４０ａと外周部５０ａとの間で除去量は連続的に変化す
る。

【００２６】このように、揺動幅や揺動の中心位置等、
揺動を制御することにより所望の面形状を得ることがで
きる。

【００２７】また、本発明においては、図２ないし図４
の被加工物の被研磨面Ｗ₀ と研磨工具の研磨面Ｐ₀ とが
重なっていない領域（非研磨領域）において、面形状を
検出するので、検出のための装置構成を複雑にすること
なく、ほぼリアルタイムで研磨中の面形状を検出するこ
とができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００２９】本発明の化学機械研磨装置の一実施例につ
いて説明する。

【００３０】本実施例の化学機械研磨装置は、図１の
（ａ）に示すように、被加工物であるウエハ等の基板Ｗ
を着脱自在に保持して回転させるとともに径方向へ揺動
させるための研磨ステーションＥ₁ と、研磨ステーショ
ンＥ₁ の図示上方に配設された研磨ヘッドＥ₂ と、前記
研磨ステーションＥ₁ の図示上方に前記研磨ヘッドＥ₂
と並んで配設されたガイド１１に案内されて前記基板Ｗ
の径方向（矢印方向および反矢印方向）へ移動自在な検
出装置１２と、研磨剤（研磨スラリー）の供給タンク９
より研磨剤（研磨スラリー）を基板Ｗ上に供給するため
のノズル１０を備えている。

【００３１】研磨ステーションＥ₁ は、回転テーブル１
を支持してその径方向へ揺動させるための揺動機構６
と、回転テーブル１を回転させるための回転テーブル回
転駆動機構４および回転テーブル１をその軸方向へ移動
させるための基板側加圧機構５を備え、回転テーブル１
の上面に基板Ｗを着脱自在に保持して回転させるととも
に、径方向へ所定の揺動幅で揺動させ得るように構成さ
れている。

【００３２】研磨ヘッドＥ₂ は、図示しない基台上に立
設された支持部材に回転テーブル１に対して径方向へオ
ーバーハングさせて支持された回転テーブル１よりも口
径の大きな研磨工具２と、研磨工具２を回転させるため
の研磨工具回転駆動機構７および研磨工具２を軸方向へ
移動させるための研磨工具側加圧機構８を備え、研磨工
具２の図示下面に研磨パッド３が一体的に取付けられた
ものであって、研磨工具２と一体に研磨パッド３を回転
させることができるとともに軸方向へ直線移動させて研
磨パッド３を基板Ｗの被研磨面に当接させて所定の加工
圧を与えたり、基板Ｗから離間させることができるよう
に構成されている。

【００３３】また、制御装置２０は、研磨中における検
出装置１２により検出された基板Ｗの被研磨面の面形状
が、予め設定した基板Ｗの被研磨面の目標面形状になる
ように、例えば図２ないし図４のように、揺動機構６の
揺動を制御するものであって、基板Ｗの被研磨面におけ
る目標面形状を設定できるとともに設定された目標面形
状を比較部２２へ送る設定部２１と、設定部２１から送
られた前記目標面形状と検出装置１２によって検出され
た被研磨面の面形状とを比較してその差分値を出力する
比較部２２と、比較部２２から送られた前記差分値に基
づいて揺動機構６の揺動幅および／または揺動位置を制
御するための揺動制御信号を算出して該揺動制御信号を
出力する演算部２３と、演算部２３から送られた前記揺
動制御信号に基づいて揺動機構６の揺動幅および揺動位
置を制御するための制御部２４を備えている。

【００３４】本実施例において、研磨工具回転駆動機構
７および回転テーブル回転駆動機構４をそれぞれ回転速
度を可変のものとすることにより、両者またはいずれか
一方を被加工物の被研磨面の種類や材質に対応した適正
回転速度で回転させることができる。

【００３５】また、加圧機構として、研磨工具側加圧機
構８および基板側加圧機構５を設けたものを示したが、
これに限らず加圧機構は、いずれか一方に設けられてい
ればよい。そして、両者またはいずれか一方の加圧機構
を用いて被加工物の被研磨面の種類や材質に対応した適
性加工圧を与えることができる。

【００３６】検出装置１２としては、電気的または光学
的に基板の部分的な厚みを検出する厚み測定装置や、電
気的また光学的に研磨の最終点を検出する終点検出装置
が用いられる。そして、基板の径方向において互いに異
なる多数の部位の厚みや設定された終点を検出すること
により、基板の面形状を検出することができる。

【００３７】次に本実施例の動作について説明する。

【００３８】設定部２１によって基板Ｗの被研磨面
の目標面形状を設定し、回転テーブル１の上面に基板Ｗ
を着脱自在に保持させ、ついで研磨工具側加圧機構８を
起動して研磨工具２を基板Ｗに向けて軸方向へ移動させ
ることにより所定の加工圧を与えた状態で研磨パッド３
を基板Ｗの被研磨面に当接させる。

【００３９】上記ののち、研磨剤（研磨スラリ
ー）の供給タンク９よりノズル１０を介して研磨剤（研
磨スラリー）を基板Ｗの被研磨面と研磨パッド３の基板
Ｗに当接する面、つまり研磨工具の研磨面、との間に供
給しつつ、基板Ｗを保持した回転テーブル１および研磨
工具２を回転させるとともに揺動機構６を揺動させるこ
とにより、回転テーブル１に保持された基板Ｗを所定の
ストローク（揺動幅）で揺動させて化学機械研磨を開始
する。

【００４０】上記ののち、検出装置１２がガイド
１１に沿って基板Ｗの径方向へ走査されて基板Ｗの被研
磨面の面形状が逐次検出され、制御装置２０によって上
述した如く揺動機構６の揺動が制御されて均一に研磨さ
れ、被研磨面の面形状が前記目標面形状になった時点で
研磨を終える。

【００４１】上記実施例では、回転テーブル１を揺動機
構６によって支持することによって基板Ｗを揺動させて
いるが、これとは逆に図３に示す変形例のように研磨工
具２を揺動機構１６で支持して研磨パッド３を揺動させ
たり、回転テーブル１および研磨工具２をそれぞれ揺動
機構によって支持して両者を揺動させることができる。

【００４２】なお、これ以外は上記実施例と同様でよい
ので説明は省略する。

【００４３】本発明の研磨方法により研磨するに好適な
被加工物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の
半導体ウエハ、または、表面上に複数の島状の半導体領
域が形成された石英やガラス基板が挙げられる。

【００４４】いずれも、フォトリソグラフィーによりパ
ターニングされた配線や絶縁領域を形成するために、平
坦な面が要求されるものである。よって、被研磨面は、
絶縁膜または金属膜あるいはそれらが混在した面になっ
ている。

【００４５】本発明の研磨工具の研磨面としては、不織
布、発泡ポリウレタン等のパッドの表面を利用すること
が望ましい。

【００４６】本発明に用いられる研磨剤としては、微粒
子を含む液体が望ましく、具体的には、微粒子としては
シリカ（ＳｉＯ₂ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、酸化マ
ンガン（ＭｎＯ₂ ）、酸化セリウム（ＣｅＯ）等が挙げ
られ、液体としてはＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｈ₂ Ｏ₂ 等が挙
げられる。

【００４７】微粒子の粒径は８ｎｍ〜５０ｎｍが好まし
く、例えば、ＫＯＨのｐＨを変化させることで粒子の凝
集の度合いを制御できる。

【００４８】半導体表面の研磨の際には、シリカ分散水
酸化ナトリウム溶液が好ましく、絶縁膜の研磨の際には
シリカ分散水酸化カリウム溶液が好ましく、タングステ
ン等の金属膜の研磨の際にはアルミナや酸化マンガン分
散の過酸化水素水が好ましいものである。

【００４９】例えば、半導体表面の研磨の場合、研磨剤
としてシリカ分散ＮａＯＨ水溶液を用いると、シリコン
表面がＮａＯＨと反応し反応生成分であるＮａ₂ ＳｉＯ
₃ 層を作る。これをシリカと研磨布による機械的研磨に
より除去し、新たなシリコン表面を露出させることで、
反応が進行する。このようなメカニズムが化学機械研磨
と呼ばれる由縁である。

【００５０】

【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているの
で、次に記載するような効果を奏する。

【００５１】被加工物の被研磨面を上述した縁だれ現象
を発生させることなく均一に除去することができる。ま
た、被加工物を支持して回転させる回転テーブルの回転
速度に対して研磨工具の回転速度を等しくする必要がな
いため、被加工物の種類や被研磨面の材質等に対応して
研磨工具の回転速度を任意に設定することが可能となり
効率的な研磨ができるようになる。さらに、面形状の検
出が非研磨領域においてなされるために、装置構成を複
雑にすることなく、ほぼリアルタイムで研磨中に被研磨
面の面形状を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化学機械研磨装置の一実施例を示し、
（ａ）はその模式斜視図、（ｂ）は制御装置のブロック
図である。

【図２】図１に示す化学機械研磨装置における作用を原
理的に示す説明図である。

【図３】図１に示す化学機械研磨装置において、基板の
回転中心が研磨工具の研磨面の外に位置した状態で揺動
する場合を説明するための模式図である。

【図４】図１に示す化学機械研磨装置において、基板の
中心が研磨面内に位置した状態で揺動する場合を説明す
るための模式図である。

【図５】本発明の化学機械研磨装置の一変形例を示す模
式斜視図である。

【図６】従来の化学機械研磨装置の一例を示す模式斜視
図である。

【符号の説明】

１回転テーブル２研磨工具３研磨パッド４回転テーブル回転駆動機構５基板側加圧機構６，１６揺動機構７研磨工具回転駆動機構８研磨工具側加圧機構９供給タンク１０ノズル１１ガイド１２検出装置２０制御装置２１設定部２２比較部２３演算部２４制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者乳井勝東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物の被研磨面と、前記被研磨面に
所定の加工圧を与えた状態で当接された研磨工具の研磨
面との間に研磨剤を供給しつつ研磨を行なう化学機械研
磨装置において、回転テーブル回転駆動機構により回転される前記被加工
物を保持するための回転テーブルと、前記回転テーブル
に対してオーバーハングさせて配設された研磨工具回転
駆動機構により回転される研磨工具と、前記回転テーブ
ルおよび前記研磨工具のうちの少なくとも一方を軸方向
へ移動させて前記所定の加工圧を与えるための加圧機構
と、前記回転テーブルおよび前記研磨工具のうちのいず
れか一方を支持して揺動させる揺動機構と、前記被加工
物の被研磨面のうちの前記研磨工具の研磨面に当接して
いない非研磨領域に対向して設けられ、研磨中における
前記被加工物の被研磨面の面形状を検出するための検出
装置と、前記検出装置により検出された前記被研磨面の
面形状が予め設定した前記被研磨面の目標面形状になる
ように前記揺動機構を制御するための制御装置を備えた
ことを特徴とする化学機械研磨装置。
【請求項２】制御装置は、被加工物の被研磨面におけ
る目標面形状を設定するための設定部と、検出装置によ
って検出された研磨中における被加工物の被研磨面の面
形状と前記設定部より送られた前記目標面形状とを比較
してその差分値を出力する比較部と、前記差分値に基づ
いて揺動幅および／または揺動位置を算出し制御信号を
出力する演算部と、前記演算部より送られた前記制御信
号に基づいて、揺動機構の揺動幅および揺動位置を制御
する制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載の化
学機械研磨装置。
【請求項３】研磨工具が揺動機構に支持されているこ
とを特徴とする請求項１または２記載の化学機械研磨装
置。
【請求項４】回転テーブルが揺動機構に支持されてい
ることを特徴とする請求項１または２記載の化学機械研
磨装置。
【請求項５】検出装置は、被加工物の被研磨面の径方
向へ移動自在に設けられていることを特徴とする請求項
１ないし４いずれか１項記載の化学機械研磨装置。
【請求項６】被加工物の被研磨面のうち研磨工具の研
磨面に当接していない非研磨領域に向けて研磨剤を供給
するノズルが配設されていることを特徴とする請求項１
ないし５いずれか１項記載の化学機械研磨装置。
【請求項７】被加工物の被研磨面と、前記被研磨面に
所定の加工圧を与えた状態で当接された研磨工具の研磨
面との間に研磨剤を供給しつつ研磨を行なう化学機械研
磨方法において、前記被加工物に対してオーバーハングさせて前記研磨工
具を配置し、前記被加工物および前記研磨工具を回転さ
せるとともに前記被加工物および前記研磨工具の少なく
ともいずれか一方を揺動させ、研磨中における前記被加
工物の被研磨面の面形状を前記被加工物の被研磨面のう
ち前記研磨工具の研磨面に当接していない非研磨領域に
配設された検出装置により検出し、該検出装置の検出結
果に応じて前記揺動を制御することを特徴とする化学機
械研磨方法。
【請求項８】非研磨領域に対向して配設されたノズル
から研磨剤を供給することを特徴とする請求項７記載の
化学機械研磨方法。
【請求項９】被加工物は、半導体であることを特徴と
する請求項７記載の化学機械研磨方法。
【請求項１０】被加工物は、表面に絶縁膜および／ま
たは金属膜が形成された被研磨面を有することを特徴と
する請求項７記載の化学機械研磨方法。
【請求項１１】被研磨面に微粒子を含むアルカリ性の
液体を供給することを特徴とする請求項７ないし１０い
ずれか１項記載の化学機械研磨方法。