JPH1034528A

JPH1034528A - 研磨装置と研磨方法

Info

Publication number: JPH1034528A
Application number: JP18082096A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Sato; 修三佐藤; Suguru Otorii; 英大鳥居; Yoshiaki Komuro; 善昭小室; Hideaki Hayakawa; 秀明早川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1998-02-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェーハなどのような被研磨対象の表面の平
坦性と、被研磨対象面内での研磨量の均一性とを同時に
満足させることができる研磨装置および研磨方法を提供
すること。【解決手段】ウェーハ２を保持するテーブル６と、ウ
ェーハ２の表面に、回転しながら摺接するリング状端面
を持つリング状研磨パッド８とを有する研磨装置。研磨
パッド８の中心と定盤３４の回転中心とがオフセットし
て偏心状態となるようにしてある。研磨パッド８を１０
００ｒｐｍ以上の高速で回転し、ウェーハ２を１０ｒｐ
ｍ以下の低速で回転させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばウェーハ
などの被研磨対象の表面を良好に研磨することができる
研磨方法と研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばＬＳＩの製造プロセスでは、層間
絶縁膜あるいはその他の膜の平坦化が重要である。平坦
化のための技術としては、種々の手段が提案されている
が、近年、シリコンウェーハのミラーポリシング技術を
応用したＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing：化学
的機械研磨）法が注目され、これを利用して平坦化を図
る方法が開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＭＰ法を用いたウェーハの平坦化技術は、ラッピング
技術の延長上にあるものであった。すなわち、ウェーハ
に対して研磨パッドの面積がかなり大きく、研磨パッド
の回転速度が遅い装置構成となっていた。このため、ウ
ェーハの表面の平坦性、ウェーハ面内での研磨量の均一
性および研磨レートの安定性などの精度面において、不
十分であるという問題がある。また、スループットが遅
いという課題も有する。

【０００４】これらを改善するために、種々の方法が提
案されているが、ウェーハ表面の平坦性と、ウェーハ面
内での研磨量の均一性とを同時に満足させることができ
る研磨装置および研磨方法は、未だ実用化されていない
のが実状である。本発明は、このような実状に鑑みてな
され、ウェーハなどのような被研磨対象の表面の平坦性
と、被研磨対象面内での研磨量の均一性とを同時に満足
させることができる研磨装置および研磨方法を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の観点に係る研磨装置は、被研磨対象
を保持する保持手段と、前記保持手段で保持された被研
磨対象の表面に、回転しながら摺接するリング状端面を
持つリング状研磨パッドと、を有する。

【０００６】本発明において、リング状研磨パッドの端
面の幅ｄは、研磨パッドの外径Ｄに対して、ｄ／Ｄが、
好ましくは研磨量の均一性の要求値程度以下、即ち、±
５％以下の場合ｄ／Ｄ＝０．１程度、さらに好ましくは
ｄ／Ｄ＝０であるが、ｄ＝０では研磨が行われないの
で、実際に加工できる範囲で限りなく０に近いほうが望
ましい。

【０００７】本発明の第１の観点に係る研磨方法は、被
研磨対象の表面に、回転するリング状研磨パッドの端面
を摺接させて、被研磨対象の表面を研磨することを特徴
とする。本発明では、リング状研磨パッドを用いて研磨
を行うことで、径方向のパッド面（端面）の長さが短く
なり、パッド面内での研磨能力のばらつきを小さくする
ことができる。したがって、研磨量の均一性が向上す
る。なお、従来では、円盤状の研磨パッドであったた
め、径方向のパッド面の長さが長く、パッド面内での研
磨能力のばらつきが生じ易かった。すなわち、円盤状研
磨パッドの場合には、パッド面の全面を均等に被研磨対
象に接触させて加工に寄与させることは非常に困難であ
り、スラリー流量、パッドの回転数、接触圧力、パッド
面形状精度（平面度）などにより、半径方向に研磨能力
のばらつきが生じ、結果として、研磨量のばらつきが生
じるおそれが大きかった。

【０００８】また、本発明では、リング状研磨パッドを
用いることで、研磨による平坦性も向上する。従来で
は、円盤状の研磨パッドの内周側と外周側とで、パッド
の周速度差が大きいため、それらの部分で加工される段
差による加振力の周波数差が大きくなっていた。このた
め、たとえば内周側で都合良く段差を加工できる程度の
研磨パッド回転速度であるとすると、外周側では、段差
の加工残りが大きくなるおそれがあった。本発明では、
リング状研磨パッドを用いることで、内外周における周
速度の差を小さくすることができ、研磨能力の均一性が
向上し、結果として得られる平面の平坦性が向上する。

【０００９】本発明において、回転する前記リング状研
磨パッドを、前記被研磨対象の表面に沿って、被研磨対
象の半径方向に相対的に往復移動（トラバース）させる
往復移動手段をさらに有することが好ましい。トラバー
スさせることで、被研磨対象の表面の研磨量のばらつき
を、さらに抑制することができ、面内均一性がさらに向
上すると共に、平坦性もさらに向上する。

【００１０】本発明において、前記リング状研磨パッド
を保持する定盤の中央部に、研磨液を吐出するノズルが
設けてあり、前記定盤の表面には、前記ノズルからリン
グ状研磨パッドの内周面に向けて研磨液を案内する放射
状溝が形成してあることが好ましい。研磨液としては、
化学機械研磨を実現することができる研磨液を用いるこ
とが好ましい。本発明において、放射状溝を定盤に形成
することで、研磨液が、リング状研磨パッドまで良好に
安定的に供給される。

【００１１】本発明の第２の観点に係る研磨装置は、被
研磨対象を保持する保持手段と、前記保持手段で保持さ
れた被研磨対象の表面に、回転しながら摺接する端面を
持つ研磨パッドと、前記研磨パッドに回転力を伝達し、
しかも研磨パッドの中心と定盤の回転中心とがオフセッ
トして偏心状態となるように、前記研磨パッドが取り付
けられる定盤と、を有する。

【００１２】本発明の第２の観点に係る研磨方法は、研
磨パッドの中心と定盤の回転中心とがオフセット状態と
なるように前記研磨パッドが取り付けられた定盤を回転
駆動することにより、前記研磨パッドを回転させ、被研
磨対象の表面を研磨する。本発明では、研磨パッドを定
盤に対して偏心して取り付けてあるので、定盤が回転す
ると、研磨パッドは、それと同じ回転速度で回転する。
しかも、中心が偏心してあるので、定盤の回転中心に対
して、研磨パッドは、回転しながらトラバース移動する
ことと等価の動きをすることになる。研磨パッドを回転
しながらトラバース移動させることで、平坦性と研磨量
の均一性とを同時に向上させることができる。たとえ
ば、従来の回転研磨では、被研磨対象のワーク中心が特
異点（オーバー加工または加工不足）になりがちであっ
たが、本発明では、このような特異点をなくすことがで
きる。また、従来では、研磨パッドのエッジ部の影響に
よるオーバー研磨（加工）が生じ易かったが、本発明で
は、このようなオーバー研磨をなくすことができる。

【００１３】しかも本発明では、トラバース移動のため
の特別の機構を必要としない。本発明において、前記研
磨パッドは、通常の円盤状でも、リング状でも良いが、
リング状であることが好ましい。上記したリング状研磨
パッドの作用効果が相乗されるからである。

【００１４】本発明において、回転する前記研磨パッド
を、前記被研磨対象の表面に沿って、被研磨対象の半径
方向に相対的に往復移動（トラバース）させる往復移動
手段をさらに有することが好ましい。偏心した研磨パッ
ドを、さらにトラバース移動させることで、被研磨対象
の表面の研磨量のばらつきを、さらに抑制することがで
き、面内均一性がさらに向上すると共に、平坦性もさら
に向上する。

【００１５】本発明において、前記定盤の中央部に、研
磨液を吐出するノズルが設けてあり、前記定盤の表面に
は、前記ノズルからリング状研磨パッドの内周面に向け
て研磨液を案内する放射状溝が形成してあることが好ま
しい。研磨液としては、化学機械研磨を実現することが
できる研磨液を用いることが好ましい。本発明におい
て、放射状溝を定盤に形成することで、研磨液が、リン
グ状研磨パッドまで良好に安定的に供給される。

【００１６】本発明の第３の観点に係る研磨方法は、被
研磨対象の表面に研磨パッドを摺接させ、被研磨対象を
停止または回転させると共に、研磨パッドを回転させ
て、被研磨対象の表面の研磨を行う研磨方法であって、
研磨パッドを含む研磨装置の相対加振力による動コンプ
ライアンス特性から共振点を求め、被研磨対象の表面の
微小段差による相対加振の周波数成分が、前記共振点よ
りも大きくなるように、前記研磨パッドを高速で回転
し、被研磨対象の表面の大きなうねりによる相対加振の
周波数成分が、前記共振点よりも小さくなるように、前
記被研磨対象を停止または低速で回転することを特徴と
する。

【００１７】本発明の第３の観点に係る研磨方法では、
いわゆるクリープフィードポリシング（ＣＦＰ）の考え
方を利用している。たとえば、ウェーハなどの被研磨対
象の表面全体のうねりをＴＴＶ（通常約５μm ）とし、
１mm以下のピッチで被研磨対象の表面にある微小段差
（突起）をδ（通常約１μm ）とする。

【００１８】研磨装置のパッドを回転させる主軸の回転
と、被研磨対象を支持するテーブルの回転と、主軸のＺ
軸下降移動とにより与えられる相対加振力（加圧力）と
は、ＴＴＶおよびδに依存して、各軸の回転数により任
意の周波数成分となって与えられる。すなわちＴＴＶに
依る加振力はテーブル回転数に依存した周波数成分とな
って現れ、δによる加振力は主軸回転数に依存した周波
数成分となって現れる。

【００１９】一方、研磨装置の相対加振力による動コン
プライアンス特性は、ある共振点（１次）を持ち、位相
角の急変する周波数がある。この時、共振点よりはるか
に低い周波数成分に対しては、加振に対して位相が変化
することなく追従するが、共振点付近あるいはそれ以上
の周波数成分の加振力に対しては、位相の変化を伴いほ
ぼランダムな相対加振力を与えることになる。

【００２０】したがって、たとえば主軸の回転数を２０
００ｒｐｍ、テーブルの回転数を１０ｒｐｍ、共振点１
００Ｈｚの系では、ＴＴＶ成分は変位に応じた加圧力が
与えられ、ＴＴＶのうねりを残したままの加工が進行す
る。他方、δ成分はδの変位とは無関係のランダムな加
圧力が与えられ、δとは無関係の加工、すなわちδの段
差（突起）を除去してしまう加工が進行する。

【００２１】さらに、ＴＴＶおよびδは初期値は、その
表面の形状であるから、回転数に無関係な振幅一定の加
振力である。この場合、その周波数と加圧力すなわち加
振加速度には、次式のように、たとえば振幅一定の加振
では、周波数が高いほど大きな加振力すなわち除去加工
の速度が早いといえる関係がある。

【００２２】

【数１】変位ＸはＸ＝Ａ×ｓｉｎωｔ；ｔ時間加速度Ｘ”はＸ”＝−Ａω² ｓｉｎωｔしたがって、グローバル平坦化の目的から微少段差を除
去し、大きなうねりは無視する（残す）ためには、ＴＴ
Ｖ成分とδ成分をできるだけきれいに分離し、ＴＴＶ周
波数を小さく（テーブル回転数を遅く）、δ周波数を大
きく（研磨パッド主軸回転数を速く）することが最も有
効である。

【００２３】なお、共振点については、一般に高剛性研
削盤で１００〜数百Ｈｚ以下、低剛性なラップ盤系では
数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度以下である。たとえば研磨装置の
動コンプライアンス特性の結果、共振点２１５Ｈｚであ
る場合には、δ成分を共振点以上とするためには、研磨
パッドの主軸の回転数は、５００ｒｐｍ以上が好まし
く、ＴＴＶ成分を共振点以下とするため、被研磨対象を
保持するテーブルの回転数は、２０ｒｐｍ以下が好まし
い。実際に、これらの条件で研磨することで、良好な結
果が得られた。

【００２４】また、研磨パッドの表面硬度（縦弾性係
数）によっても同一変位量に対する加圧力は変化する。
つまり、表面硬度の高い研磨パッドにすることは、共振
点の高い系と等価である。本発明において用いることが
できる研磨パッドとしては、特に限定されないが、ＣＭ
Ｐで一般的に用いられるＩＣ１０００（ロデールニッタ
株製）などが好ましく用いられる。

【００２５】本発明の第３の観点に係る研磨方法では、
前記研磨パッドがリング状であることが好ましい。ま
た、研磨パッドが定盤に対して偏心して取り付けてある
ことが好ましい。本発明の第４の観点に係る研磨方法
は、前記ＣＦＰの考え方を採用した変形の態様であり、
被研磨対象の表面に研磨パッドを摺接させ、被研磨対象
を停止または回転させると共に、研磨パッドを回転させ
て、被研磨対象の表面の研磨を行う研磨方法であって、
前記研磨パッドを１０００ｒｐｍ以上の高速で回転し、
前記被研磨対象を１０ｒｐｍ以下の低速で回転させるこ
とを特徴とする。

【００２６】本発明の方法では、上記のような回転速度
に設定することで、被研磨対象の表面のうねりは吸収
し、微小段差を除去することができる。たとえば被研磨
対象として、ウェーハの表面を考える。ウェーハ面内で
の研磨量の均一性、すなわち、ウェーハ表面の加工量の
むらやばらつきは、おもに、ウェーハ表面の平面度が出
ていないことに起因する。ウェーハチャッキングの誤差
などを除くと、ウェーハの厚さのばらつきなどによるう
ねり（ＴＴＶ）が大きな要因である。回転式の研磨の場
合、うねりと微小段差とを持つウェーハの表面を研磨す
る際に、その加工量に比例する実効研磨圧力は、相対加
振力により与えられる。相対加振力の周波数は、うねり
による加振力の周波数と、微小段差による加振力の周波
数とに分離することができる。うねりの場合には、うね
りの形状を考慮すると、ウェーハの１回転当り１〜２回
の周波数であり、微小段差の場合には、微小段差の形成
ピッチを考慮すると、パッドの１回転当り数百〜数千回
の周波数である。

【００２７】ウェーハの表面の研磨量の面内均一性を考
慮すると、ウェーハの大きなうねりに対しては、研磨量
差を作らずに均等に研磨を行うことが好ましい。また、
ウェーハの表面の平坦性を考慮すると、微小段差に対し
ては、その凸部と凹部との研磨量差を大きくして段差を
除去することが好ましい。すなわち、うねりによる実効
研磨圧力は下げて、研磨量差を作らずに均等に研磨を行
い、微小段差による実効研磨圧力は挙げて、段差を除去
するように研磨を行うことが好ましい。

【００２８】本発明では、ウェーハなどの被研磨対象の
回転速度を低速（１０ｒｐｍ以下）にすることにより、
うねりによる加振力を下げ、研磨量差を作らずに均等に
研磨を行うことができる。また、研磨パッドの回転数を
高速（１０００ｒｐｍ以上）にすることにより、段差に
よる加振力を大きくし、段差を除去するように研磨を行
うことができる。すなわち、本発明では、平坦性と均一
性とを同時に満足することができる研磨特性を得ること
ができる。

【００２９】本発明の方法では、前記研磨パッドがリン
グ状であることが好ましい。研磨パッドをリング状にす
ることで、上記したリング状の研磨パッドの作用効果が
相乗される。本発明の方法では、前記研磨パッドが定盤
に対して偏心して取り付けてあることが好ましい。研磨
パッドを偏心して取り付けることで、上記した偏心研磨
パッドによる作用効果を相乗させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る研磨装置およ
び研磨方法を、図面に示す実施形態に基づき、詳細に説
明する。第１実施形態図１は本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体斜視
図、図２はその要部断面図、図３は図２に示すパッドの
底面図、図４（Ａ）は実施形態のリング状研磨パッドと
ウェーハのうねりおよび微小段差との関係を示す概略
図、同図（Ｂ）は研磨加工時の周波数と加振力との関係
を示すグラフ、図５（Ａ），（Ｂ）は偏心による効果を
示す概略図、図６（Ａ）〜（Ｃ）は偏心による効果を示
す概略図、図７（Ａ），（Ｂ）はリング状研磨パッドの
研磨速度分布を示す概略図、図８（Ａ），（Ｂ）は従来
の研磨パッドの研磨速度分布を示す概略図、図９
（Ａ），（Ｂ）は従来の研磨パッドの研磨速度分布を示
す概略図である。

【００３１】図１〜３に示すように、本実施形態に係る
研磨装置３０は、被研磨対象としてのウェーハ２の表面
を研磨するための装置である。図１に示すように、この
研磨装置３０は、研磨パッド８を回転させる主軸スピン
ドル３２と、ウェーハ２を保持する保持手段としてのテ
ーブル６とを有する。

【００３２】テーブル６は、レール５０に沿ってＸ軸方
向に移動自在に設けられたスライダ５２（往復移動手段
またはトラバース移動手段）の上に回転自在に装着して
ある。テーブル６は、比較的低速回転なので、モータ、
プーリおよび平ベルトなどにより回転駆動される。

【００３３】テーブル６の大きさは、特に限定されない
が、たとえば直径約２００ｍｍの円盤状をしている。テ
ーブル６の上部には、多孔質部材などで構成されるチャ
ックが装着してある。テーブル６を回転させる回転軸に
は、その軸芯に沿って真空引き用通路が形成してある。
この通路を通して真空引きすることで、ウェーハ２がテ
ーブル６の表面に真空吸着されるようになっている。

【００３４】主軸スピンドル３２は、図２に示すよう
に、主軸３６と主軸ハウジング３８とを有する。主軸３
６の下部には、定盤３４が取付固定してある。定盤３４
の中心部には、ノズル孔４２が形成してあり、このノズ
ル孔４２に、ノズル管４０の下端部が接触しないように
挿入されるようになっている。ノズル管４０からは、研
磨液としてのスラリーが吐出するようになっている。ノ
ズル管４０は、回転せず、定盤３４が主軸３６により回
転可能になっている。主軸３６は、図示省略してあるモ
ータにより回転駆動される。ノズル管４０から供給され
るスラリーとしては、化学機械研磨を可能とする研磨ス
ラリーが用いられ、例えば粉状の酸化シリコン(ＳｉＯ₂
)と水酸化カリウム(ＫＯＨ) との水溶液などが用いら
れる。

【００３５】図２，３に示すように、本実施形態では、
ノズル孔４２は、その下部にスラリー分配用端板４６が
残されるように、定盤３４に形成してある。しかも、定
盤３４の下面には、放射状溝４４が形成してあり、その
放射状溝４４の中心部が、ノズル孔４２に対して連通す
るようになっている。

【００３６】また、本実施形態では、図３に示すよう
に、定盤３４の下面の外周に、リング状研磨パッド８が
接着などで取り付けてある。この研磨パッド８は、発泡
ポリウレタンなどの多孔質粘弾性材で構成される。この
研磨パッド８の外径Ｄは、ウェーハ２の外径と略同じま
たはそれよりも小さい外径である。

【００３７】本実施形態では、この研磨パッド８は、研
磨パッド８の中心と定盤３４の回転中心とがオフセット
して偏心状態となるように、定盤３４の下面に取り付け
てある。その偏心量ｅは、特に限定されないが、本実施
形態では、２．５〜５mmである。前述した放射状溝４４
は、リング状研磨パッド８の内周面まで延びるように形
成してある。

【００３８】リング状研磨パッド８の半径方向幅ｄは、
本実施形態では、２０mmである。また、定盤３４の外径
（Ｄ＋ｅ）は、２００mmである。次に、本実施形態に係
る研磨装置の動作について説明する。先ず、テーブル６
の吸引装置が吸引を開始し、その表面に吸引力が生じ
る。この状態で、図１に示すように、研磨対象面を図中
上にして、テーブル６の上にウェーハ２を載置し、ウェ
ーハ２をテーブル６に吸着させる。

【００３９】次に、スピンドルモータなどの駆動によっ
て、定盤３４を回転速度約１０００〜３０００ｒｐｍで
回転させる。また、モータの駆動によってテーブル６を
ウェーハ２と共に、回転速度約１０ｒｐｍ以下で回転さ
せる。このように、回転速度に差をつけることは、後述
するようなＣＦＰの概念を利用するためである。

【００４０】また、ウェーハ２の上方に研磨パッド８が
位置するように、図１に示すスライダ５２をレール５０
に沿ってＸ軸方向に移動する。このとき、図２に示すノ
ズル管４０を介して、スラリー供給装置からのスラリー
が、ノズル孔４２から吐出され、回転による遠心力で、
放射状４４を通して、リング状研磨パッド８の内周側に
供給される。

【００４１】そして、図示しない駆動装置により主軸３
６がＺ軸方向に下降し、所定の研磨圧力で、ウェーハ２
の研磨対象面にリング状研磨パッド８を押し付ける。本
実施形態では、ウェーハ２の研磨対象面にリング状研磨
パッド８が押し付けられた状態で、図示しない駆動装置
からの駆動力によって、図１に示すスライダ５２がレー
ル５０に沿って所定の周期および振幅で往復運動を行
い、ウェーハ２が研磨パッド８に対してトラバース運動
（回転半径方向に往復移動）を行う。尚、このトラバー
ス運動の速度は、例えば５〜４００（ｍｍ／分）であ
る。このトラバース運動に際して、研磨パッド８および
ウェーハ２は共に回転する。

【００４２】このような研磨により、ウェーハ２の研磨
対象面は、スラリー中のアルカリ成分による化学的研磨
作用と、直径約０．１μｍ程度のシリカなどの研磨粒子
による機械的研磨作用と、さらにこれらの相乗研磨作用
により、メカノケミカル研磨（ＣＭＰ）が良好に行われ
る。

【００４３】本実施形態では、研磨パッド８を１０００
ｒｐｍ以上の高速で回転し、ウェーハ２を１０ｒｐｍ以
下の低速で回転させることで、ＣＦＰの考え方に基づ
き、ウェーハ２の表面のうねりは吸収し、微小段差を除
去することができる。たとえばウェーハ面内での研磨量
の均一性、すなわち、ウェーハ表面の加工量のむらやば
らつきは、おもに、ウェーハ表面の平面度が出ていない
ことに起因する。ウェーハチャッキングの誤差などを除
くと、図４（Ａ）に示すように、ウェーハ２の厚さのば
らつきなどによるうねり（ＴＴＶ）が大きな要因であ
る。回転式の研磨の場合、うねりＴＴＶと微小段差Ｓと
を持つウェーハ２の表面を研磨する際に、その加工量に
比例する実効研磨圧力は、相対加振力により与えられ
る。図４（Ｂ）に示すように、相対加振力の周波数は、
うねりＴＴＶによる加振力の周波数と、微小段差Ｓによ
る加振力の周波数とに分離することができる。図４
（Ａ），（Ｂ）に示すように、うねりＴＴＶの場合に
は、うねりＴＴＶの形状を考慮すると、ウェーハ２の１
回転当り１〜２回の周波数であり、微小段差Ｓの場合に
は、微小段差Ｓの形成ピッチＰを考慮すると、パッド８
の１回転当り数百〜数千回の周波数である。

【００４４】ウェーハ２の表面の研磨量の面内均一性を
考慮すると、ウェーハ２の大きなうねりＴＴＶに対して
は、研磨量差を作らずに均等に研磨を行うことが好まし
い。また、ウェーハ２の表面の平坦性を考慮すると、微
小段差Ｓに対しては、その凸部と凹部との研磨量差を大
きくして段差を除去することが好ましい。すなわち、う
ねりＴＴＶによる実効研磨圧力は下げて、研磨量差を作
らずに均等に研磨を行い、微小段差による実効研磨圧力
は挙げて、段差を除去するように研磨を行うことが好ま
しい。

【００４５】本実施形態では、ウェーハ２の回転速度を
低速（１０ｒｐｍ以下）にすることにより、うねりによ
る加振力を下げ、研磨量差を作らずに均等に研磨を行う
ことができる。また、研磨パッド８の回転数を高速（１
０００ｒｐｍ以上）にすることにより、段差による加振
力を大きくし、段差を除去するように研磨を行うことが
できる。すなわち、本実施形態では、平坦性と均一性と
を同時に満足することができる研磨特性を得ることがで
きる。

【００４６】また、本実施形態では、研磨パッド８を定
盤３４に対して偏心して取り付けてあるので、定盤３４
が回転すると、研磨パッド８は、それと同じ回転速度で
回転する。しかも、中心が偏心してあるので、図５
（Ａ），（Ｂ）に示すように、定盤の回転中心に対し
て、研磨パッド８は、回転しながら、偏心量ｅに相当す
る距離でトラバース移動することと等価の動きをするこ
とになる。研磨パッド８を回転しながらトラバース移動
させることで、平坦性と研磨量の均一性とを同時に向上
させることができる。たとえば、従来の回転研磨では、
図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、ウェーハ２のワーク
中心が特異点（オーバー加工または加工不足）になりが
ちであったが、本実施形態では、図６（Ｃ）に示すよう
に、このような特異点をなくすことができる。また、従
来では、研磨パッドのエッジ部の影響によるオーバー研
磨（加工）が生じ易かったが、本実施形態では、このよ
うなオーバー研磨をなくすことができる。

【００４７】さらに、本実施形態では、リング状研磨パ
ッド８を用いて研磨を行うことで、図７（Ａ），（Ｂ）
に示すように、径方向のパッド面（端面）の長さが短く
なり、パッド面内での研磨能力のばらつきを小さくする
ことができる。したがって、研磨量の均一性が向上す
る。なお、従来では、図８（Ａ），９（Ａ）に示すよう
に、円盤状の研磨パッド８ａ，８ｂであったため、径方
向のパッド面の長さが長く、パッド面内での研磨能力の
ばらつきが生じ易かった。すなわち、円盤状研磨パッド
８ａ，８ｂの場合には、パッド面の全面を均等に被研磨
対象に接触させて加工に寄与させることは非常に困難で
あり、スラリー流量、パッドの回転数、接触圧力、パッ
ド面形状精度（平面度）などにより、半径方向に研磨能
力のばらつきが生じ、結果として、研磨量のばらつきが
生じるおそれが大きかった。たとえば図８（Ｂ）に示す
ように、パッドの内周側で研磨速度が早い場合や、図９
（Ｂ）に示すように、外周側で研磨速度が早くなるなど
のように、研磨量のばらつきが生じるおそれが大きかっ
た。

【００４８】本実施形態では、リング状研磨パッド８を
用いるので、図７（Ｂ）に示すように、研磨量のばらつ
きが少ない。また、本実施形態では、リング状研磨パッ
ド８を用いることで、研磨による平坦性も向上する。従
来では、円盤状の研磨パッドの内周側と外周側とで、パ
ッドの周速度差が大きいため、それらの部分で加工され
る段差による加振力の周波数差が大きくなっていた。こ
のため、たとえば内周側で都合良く段差を加工できる程
度の研磨パッド回転速度であるとすると、外周側では、
段差の加工残りが大きくなるおそれがあった。本実施形
態では、リング状研磨パッド８を用いることで、内外周
における周速度の差を小さくすることができ、研磨能力
の均一性が向上し、結果として得られる平面の平坦性が
向上する。

【００４９】第２実施形態本実施形態では、前記第１実施形態でも述べたＣＦＰの
考え方に関して、捕捉説明を行う。たとえば、ウェーハ
２の表面全体のうねりをＴＴＶ（通常約５μm ）とし、
１mm以下のピッチで被研磨対象の表面にある微小段差
（突起）をδ（通常約１μm）とする。

【００５０】研磨装置のパッドを回転させる主軸の回転
と、被研磨対象を支持するテーブルの回転と、主軸のＺ
軸下降移動とにより与えられる相対加振力（加圧力）と
は、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＴＴＶおよび
δに依存して、各軸の回転数により任意の周波数成分と
なって与えられる。すなわち、ＴＴＶに依る加振力はテ
ーブル回転数に依存した周波数成分となって現れ、δに
よる加振力は主軸回転数に依存した周波数成分となって
現れる。

【００５１】一方、研磨装置の相対加振力による動コン
プライアンス特性は、図１０，１１に示すように、ある
共振点（１次）を持ち、位相角の急変する周波数があ
る。この時、共振点よりはるかに低い周波数成分に対し
ては、加振に対して位相が変化することなく追従する
が、共振点付近あるいはそれ以上の周波数成分の加振力
に対しては、位相の変化を伴いほぼランダムな相対加振
力を与えることになる。したがって、たとえば主軸の回
転数を２０００ｒｐｍ、テーブルの回転数を１０ｒｐ
ｍ、共振点１００Ｈｚの系では、ＴＴＶ成分は変位に応
じた加圧力が与えられ、ＴＴＶのうねりを残したままの
加工が進行する。他方、δ成分はδの変位とは無関係の
ランダムな加圧力が与えられ、δとは無関係の加工、す
なわちδの段差（突起）を除去してしまう加工が進行す
る。

【００５２】さらに、ＴＴＶおよびδは初期値は、その
表面の形状であるから、回転数に無関係な振幅一定の加
振力である。この場合、その周波数と加圧力すなわち加
振加速度には、次式のように、たとえば振幅一定の加振
では、周波数が高いほど大きな加振力すなわち除去加工
の速度が早いといえる関係がある。

【００５３】

【数２】変位ＸはＸ＝Ａ×ｓｉｎωｔ；ｔ時間加速度Ｘ”はＸ”＝−Ａω² ｓｉｎωｔしたがって、グローバル平坦化の目的から微少段差を除
去し、大きなうねりは無視する（残す）ためには、図１
２（Ｂ）に示すように、ＴＴＶ成分とδ成分をできるだ
けきれいに分離し、ＴＴＶ周波数を小さく（テーブル回
転数を遅く）、δ周波数を大きく（研磨パッド主軸回転
数を速く）することが最も有効である。

【００５４】なお、共振点については、一般に高剛性研
削盤で１００〜数百Ｈｚ以下、低剛性なラップ盤系では
数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度以下である。たとえば研磨装置の
動コンプライアンス特性の結果、共振点２１５Ｈｚであ
る場合には、δ成分を共振点以上とするためには、研磨
パッドの主軸の回転数は、５００ｒｐｍ以上が好まし
く、ＴＴＶ成分を共振点以下とするため、被研磨対象を
保持するテーブルの回転数は、２０ｒｐｍ以下が好まし
い。実際に、これらの条件で研磨することで、良好な結
果が得られた。

【００５５】また、研磨パッドの表面硬度（縦弾性係
数）によっても同一変位量に対する加圧力は変化する。
つまり、表面硬度の高い研磨パッドにすることは、共振
点の高い系と等価である。本実施形態において用いるこ
とができる研磨パッドとしては、特に限定されないが、
ＣＭＰで一般的に用いられるＩＣ１０００（ロデールニ
ッタ株製）などが好ましく用いられる。

【００５６】しかも、本実施形態では、前記実施形態と
同様に、リング状の研磨パッド８を用いている。なお、
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではな
く、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

【００５７】たとえば、上記実施形態では、往復移動手
段として、図１に示すスライダ５２を用い、このスライ
ダ５２をＸ方向に移動させることで、ウェーハ２を研磨
パッド８に対して往復移動させたが、研磨パッド８を保
持する主軸スピンドル３２をウェーハに対して往復移動
させても良い。ただし、スピンドル３２の方が高速回転
なので、テーブル６を往復移動させる方が、回転安定性
の観点からは好ましい。

【００５８】また、本実施形態では、リンク状研磨パッ
ド８が定盤３４に対して偏心して取り付けてあり、トラ
バース移動（往復移動）と同じ動きを実現することがで
きるので、必ずしもテーブル６を往復移動させる必要も
ない。ただし、テーブル６を往復移動させた方が、研磨
による平坦性および面内均一性は向上する。

【００５９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、リング状研磨パッドを用いて研磨を行うことで、径
方向のパッド面（端面）の長さが短くなり、パッド面内
での研磨能力のばらつきを小さくすることができる。し
たがって、研磨量の均一性が向上する。

【００６０】また、本発明では、リング状研磨パッドを
用いることで、研磨による平坦性も向上する。従来で
は、円盤状の研磨パッドの内周側と外周側とで、パッド
の周速度差が大きいため、それらの部分で加工される段
差による加振力の周波数差が大きくなっていた。このた
め、たとえば内周側で都合良く段差を加工できる程度の
研磨パッド回転速度であるとすると、外周側では、段差
の加工残りが大きくなるおそれがあった。本発明では、
リング状研磨パッドを用いることで、内外周における周
速度の差を小さくすることができ、研磨能力の均一性が
向上し、結果として得られる平面の平坦性が向上する。

【００６１】本発明では、研磨パッドを定盤に対して偏
心して取り付けることで、定盤の回転中心に対して、研
磨パッドは、回転しながらトラバース移動することと等
価の動きをすることになる。研磨パッドを回転しながら
トラバース移動させることで、平坦性と研磨量の均一性
とを同時に向上させることができる。たとえば、従来の
回転研磨では、被研磨対象のワーク中心が特異点（オー
バー加工または加工不足）になりがちであったが、本発
明では、このような特異点をなくすことができる。ま
た、従来では、研磨パッドのエッジ部の影響によるオー
バー研磨（加工）が生じ易かったが、本発明では、この
ようなオーバー研磨をなくすことができる。

【００６２】しかも本発明では、トラバース移動のため
の特別の機構を必要としない。本発明では、ウェーハな
どの被研磨対象の回転速度を低速（２０ｒｐｍ以下、好
ましくは１０ｒｐｍ以下）にすることにより、うねりに
よる加振力を下げ、研磨量差を作らずに均等に研磨を行
うことができる。また、研磨パッドの回転数を高速（５
００ｒｐｍ以上、好ましくは１０００ｒｐｍ以上）にす
ることにより、段差による加振力を大きくし、段差を除
去するように研磨を行うことができる。すなわち、本発
明では、平坦性と均一性とを同時に満足することができ
る研磨特性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施形態に係る研磨装置の全
体斜視図である。

【図２】図２はその要部断面図である。

【図３】図３は図２に示すパッドの底面図である。

【図４】図４（Ａ）は実施形態のリング状研磨パッドと
ウェーハのうねりおよび微小段差との関係を示す概略
図、同図（Ｂ）は研磨加工時の周波数と加振力との関係
を示すグラフである。

【図５】図５（Ａ），（Ｂ）は偏心による効果を示す概
略図である。

【図６】図６（Ａ）〜（Ｃ）は偏心による効果を示す概
略図である。

【図７】図７（Ａ），（Ｂ）はリング状研磨パッドの研
磨速度分布を示す概略図である。

【図８】図８（Ａ），（Ｂ）は従来の研磨パッドの研磨
速度分布を示す概略図である。

【図９】図９（Ａ），（Ｂ）は従来の研磨パッドの研磨
速度分布を示す概略図である。

【図１０】図１０は本発明の一実施形態に係る研磨装置
の動コンプライアンスモデルを示す概略図である。

【図１１】図１１は相対加振による動コンプライアンス
の一次共振点を示すグラフである。

【図１２】図１２（Ａ）は相対加振力を時間との関係で
示すグラフ、同図（Ｂ）は相対加振のパワースペクトル
を示すグラフである。

【符号の説明】

２… ウェーハ、６… テーブル、８… リング状
研磨パッド、３０… 研磨装置、３２… 主軸スピン
ドル、３４… 定盤、４０… ノズル管、４２…
ノズル孔、４４… 放射状溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早川秀明東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被研磨対象を保持する保持手段と、前記保持手段で保持された被研磨対象の表面に、回転し
ながら摺接するリング状端面を持つリング状研磨パッド
と、を有する研磨装置。
【請求項２】回転する前記リング状研磨パッドを、前
記被研磨対象の表面に沿って、被研磨対象の半径方向に
相対的に往復移動させる往復移動手段をさらに有する請
求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】前記リング状研磨パッドを保持する定盤
の中央部に、研磨液を吐出するノズルが設けてあり、前
記定盤の表面には、前記ノズルからリング状研磨パッド
の内周面に向けて研磨液を案内する放射状溝が形成して
ある請求項１に記載の研磨装置。
【請求項４】被研磨対象を保持する保持手段と、前記保持手段で保持された被研磨対象の表面に、回転し
ながら摺接する端面を持つ研磨パッドと、前記研磨パッドに回転力を伝達し、しかも研磨パッドの
中心と定盤の回転中心とがオフセットして偏心状態とな
るように、前記研磨パッドが取り付けられる定盤と、を有する研磨装置。
【請求項５】前記研磨パッドがリング状である請求項
４に記載の研磨装置。
【請求項６】回転する前記研磨パッドを、前記被研磨
対象の表面に沿って、被研磨対象の半径方向に相対的に
往復移動させる往復移動手段をさらに有する請求項５に
記載の研磨装置。
【請求項７】前記定盤の中央部に、研磨液を吐出する
ノズルが設けてあり、前記定盤の表面には、前記ノズル
からリング状研磨パッドの内周面に向けて研磨液を案内
する放射状溝が形成してある請求項５に記載の研磨装
置。
【請求項８】被研磨対象の表面に、回転するリング状
研磨パッドの端面を摺接させて、被研磨対象の表面を研
磨する研磨方法。
【請求項９】前記研磨パッドと被研磨対象との間に、
化学機械研磨を生じさせる研磨液を供給しながら研磨を
行う請求項８に記載の研磨方法。
【請求項１０】前記リング状研磨パッドの中心と定盤
の回転中心とがオフセット状態となるように前記研磨パ
ッドが取り付けられた定盤を回転駆動することにより、
前記研磨パッドを回転させる請求項８に記載の研磨方
法。
【請求項１１】被研磨対象の表面に研磨パッドを摺接
させ、被研磨対象を停止または回転させると共に、研磨
パッドを回転させて、被研磨対象の表面の研磨を行う研
磨方法であって、研磨パッドを含む研磨装置の相対加振力による動コンプ
ライアンス特性から共振点を求め、被研磨対象の表面の微小段差による相対加振の周波数成
分が、前記共振点よりも大きくなるように、前記研磨パ
ッドを高速で回転し、被研磨対象の表面の大きなうねりによる相対加振の周波
数成分が、前記共振点よりも小さくなるように、前記被
研磨対象を停止または低速で回転することを特徴とする
研磨方法。
【請求項１２】前記研磨パッドがリング状である請求
項１１に記載の研磨方法。
【請求項１３】前記研磨パッドが定盤に対して偏心し
て取り付けてある請求項１１に記載の研磨方法。
【請求項１４】前記研磨パッドを５００ｒｐｍ以上の
高速で回転し、前記被研磨対象を２０ｒｐｍ以下の低速
で回転させることを特徴とする請求項１１に記載の研磨
方法。
【請求項１５】被研磨対象の表面に研磨パッドを摺接
させ、被研磨対象を停止または回転させると共に、研磨
パッドを回転させて、被研磨対象の表面の研磨を行う研
磨方法であって、前記研磨パッドを１０００ｒｐｍ以上の高速で回転し、
前記被研磨対象を１０ｒｐｍ以下の低速で回転させるこ
とを特徴とする研磨方法。
【請求項１６】前記研磨パッドがリング状である請求
項１５に記載の研磨方法。
【請求項１７】前記研磨パッドが定盤に対して偏心し
て取り付けてある請求項１６に記載の研磨方法。