JPH11291166A

JPH11291166A - 研磨装置及び研磨方法

Info

Publication number: JPH11291166A
Application number: JP9414098A
Authority: JP
Inventors: Eiji Matsukawa; 英二松川; Akira Miyaji; 章宮地
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 1999-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のＣＭＰ研磨装置は大型で、且つ重量
が重いために設置費用が高いという問題、被研磨面が下
向きのためウェハ反転機構が必要であるという問題、研
磨パッドのドレッシングに複雑な操作が必要という問
題、ウェハの被研磨面の各点で研磨膜厚の均一性を確保
することが困難であるという問題があった。【解決手段】ウェハの被研磨面に、研磨パッドを固定し
た小さな軽い研磨パッド保持体を対向させ研磨するよう
にした。しかも研磨パッドを保持した研磨パッド保持体
には従来のプラテンで行っていたような回転運動ではな
く、小振幅であるが高速な振動運動をさせるようにし、
ウェハにはゆっくり回転運動をさせるようにした。そし
て研磨パッドの振動による平均速度がウェハの回転速度
よりも速くなるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】半導体プロセスに於いて、ウ
エハ上の半導体デバイスの平坦化のための研磨装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ウエハ上に半導体デバイスを形成する半
導体プロセスでは、パターン形成された電極層、電極層
の層間絶縁膜としての誘電体層が積層されるので、表面
層には必ず下部パターン層の影響である段差を生じ、こ
の段差の存在は続く露光工程、等の半導体プロセスの障
害となるので、この段差を平坦化する要求は半導体デバ
イスパターンの高精細化に伴いますます高まっている。
さらに、金属電極層の埋め込みであるいわゆる象嵌（プ
ラグ、ダマシン）の要求も高く、この場合、金属層の積
層後の余分な金属層の除去及び平坦化が不可欠な工程と
なる。

【０００３】半導体デバイス表面を平坦化する方法とし
ては、化学的機械的研磨（ChemicalMechanical Polishi
ng 又はChemical Mechanical Planarization ）（以後
ＣＭＰと呼ぶ）技術が有望な方法と考えられている。Ｃ
ＭＰの一般的な方法は、研磨定盤の上に研磨布または高
分子材料を有する研磨パッドを貼り付け、スラリー状の
研磨剤を滴下しながら研磨定盤と被研磨物であるウェハ
を保持した研磨ヘッドを回転、揺動させ、プロセス中途
の半導体デバイス表面層を研磨する方法であった。

【０００４】図８（ａ）は従来のＣＭＰ研磨装置を示
す。１００はプラテンと呼ばれる研磨定盤であり、１０
１は研磨パッドであり、１０２はウェハ、１０３はウェ
ハを保持するための研磨ヘッド、１０４はスラリー供給
機構である。この研磨装置はウェハの被研磨面に荷重Ｐ
を加えながらプラテンと研磨ヘッドを同じ方向にほぼ同
一回転速度で回転させ、更に揺動を加え、ウェハ上の半
導体デバイス表面を研磨する装置である。図８（ｂ）は
図８（ａ）のＣＭＰ装置を上から見た図で斜線で描いた
部分が研磨時に使用される研磨パッドの領域を示してい
る。図９の従来技術は研磨パッド１０５がベルト状であ
り、ベルトを一方向に直線状に移動させると共に、被研
磨部材を固定した研磨パッドを回転させる研磨方法であ
る。研磨パッド１０５は直線状に移動し、揺動に対応す
る動きとなっている。図１０の従来技術は研磨パッド１
０１を回転させながらその回転中心を楕円運動（遊星回
転）させ、被研磨部材（ウェハ）１０２を取り付けた研
磨ヘッドを回転させるタイプの研磨装置である。ウエハ
の揺動を研磨パッドの遊星回転で行う方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＣＭＰ研磨装置
には以下に示す問題点があった。従来の図８（ａ）と図
９のＣＭＰ研磨装置は、図から容易に理解できるよう
に、ウェハ面積に対する研磨パッドの面積が広い、即ち
研磨パッド面に研磨に使われない部分が無視できない程
度に有るという問題があった。これは研磨装置のスペー
スの無駄であり、研磨装置の寸法が極めて大型になると
いう問題があった。この問題は半導体プロセスのウェハ
の直径が８インチを超えて、１２インチ、１５インチと
大型化する一方である業界にあって、更に半導体プロセ
スの研磨装置は設備費用が極めて高価なクリーンルーム
に設置しなければならないので、製造原価アップの原因
となり、製造上の極めて深刻な問題であった。

【０００６】また、従来の研磨装置はプラテンの回転軸
と研磨ヘッドの加圧軸とが大きく偏心しているので、研
磨ヘッドの加圧によってプラテン面従って研磨パッド面
が変形してしまう問題があった。更にまた、従来の図８
（ａ）と図９と図１０のＣＭＰ研磨装置は、図から分か
るように、ウェハの被研磨面を下向きにして研磨され
る。通常ウェハは前工程から被研磨面を上向きにして搬
送されてくる。従って、これらの研磨装置で研磨するた
めには事前にウェハを反転する必要があり、このための
反転機構を装備する必要があることを意味する。このこ
とは反転機構の設備費用とそれの設置面積の必要性から
生じる製造原価のアップの原因となる。また、ウェハ反
転機構の存在は反転機構自体の故障によるのみならず、
反転機構から生じる塵埃、等による歩留り低下の原因と
なっていた。

【０００７】更にまた、従来のＣＭＰ研磨装置は、図８
（ｂ）の図から分かるように研磨パッドを貼るプラテン
の平面寸法が大きいため、また被研磨部材（ウェハ）へ
の加圧で生じるプラテンの変形を減らしプラテン表面の
平坦度を保つため、また静圧軸受け、等の使用のため必
然的に重くならざるをえなかった。このためＣＭＰ研磨
装置は総重量が２ｔ〜４ｔにも及び、ＣＭＰ研磨装置設
置のためには耐床荷重の大きな建物を必要とし、これは
製造原価のアップの原因になる。

【０００８】更にまた、従来の図８（ａ）のＣＭＰ研磨
装置では図８（ｂ）に示すように、研磨パッド面の各位
置での、ウェハの滞在時間が異なるため、研磨パッドの
表面の消耗が不均一となり、連続研磨を行う段階で、研
磨パッドのドレッシング操作（複雑なドレッシングで）
で表面状態を維持する必要があった。一般にドレッシン
グ工程は、ダイアモンド砥粒が使用され、ドレッシング
中に砥粒の落下によりウェハ表面に傷が発生し、歩留り
低下の原因となるため、またドレッシングにより研磨パ
ッドが削り取られるため、研磨パッドの減耗が早まり、
研磨パッドの交換期間が短くなるため、製造原価のアッ
プの原因であった。

【０００９】更にまた、従来のＣＭＰ研磨装置は図８か
ら分かるように、ウェハの被研磨面と研磨パッドとの相
対速度が、ウェハの被研磨面の各位置で異なり、しかも
時間と共に変化する。被研磨面の研磨速度はこの相対速
度に比例する。研磨の均一性を確保するためにはウェハ
全面で研磨速度の時間平均を均一にしなければならず、
これは極めて困難であった。

【００１０】本発明は以上の問題を解決するためのＣＭ
Ｐ研磨装置を提供する事を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の問題点を解決する
ために本発明は発想を転換した。従来の研磨装置は研磨
パッドを固定した大きな重いプラテンの上に、ウェハを
乗せ、研磨していた。これを逆転し、ウェハの被研磨面
に、研磨パッドを固定した小さな軽い研磨パッド保持体
を対向させ、研磨するようにした。しかも研磨パッドを
保持した研磨パッド保持体には従来のプラテンで行って
いたような回転運動ではなく、小振幅であるが高速な振
動運動をさせるようにし、ウェハにはゆっくりとした回
転運動をさせるようにした。そして研磨パッドの平均速
度がウェハの回転速度よりも速くなるようにした。そし
て振動方向の研磨パッドのサイズはウェハの寸法に研磨
パッドの振動振幅の２倍を加えた寸法にした。

【００１２】このため本発明は第一に、「研磨パッド部
と被研磨部材保持部とを具え被研磨部材を研磨する研磨
装置であって、前記研磨パッド部が前記被研磨部材の寸
法に研磨パッドの振動振幅の２倍を加えたサイズの研磨
パッドを保持するための研磨パッド保持体と、前記研磨
パッドに振動を与えるための研磨パッド振動機構とを具
えることを特徴とする研磨装置（請求項１）」を提供す
る。

【００１３】第二に、「前記被研磨部材保持部が被研磨
部材の回転を与えるための被研磨部材回転機構を具える
ことを特徴とする請求項１記載の研磨装置（請求項
２）」を提供する。第三に、「前記研磨パッドに周波数
３０Ｈｚ以上１０ＫＨｚ以下の一次元振動が与えられ、
前記被研磨部材に１０ｒｐｍ以下の回転が与えられるこ
とを特徴とする請求項２記載の研磨装置（請求項３）」
を提供する。

【００１４】第四に、「前記研磨パッド保持体が研磨剤
供給のための孔を有することを特徴とする請求項１〜３
何れか１項記載の研磨装置（請求項４）」を提供する。
第五に、「前記研磨パッド保持体が光学式終点検出のた
めの孔を有することを特徴とする請求項４記載の研磨装
置（請求項５）」を提供する。第六に、「前記研磨パッ
ド保持体がＡｓｋｅｒＣ硬度７０以上９８以下で、格子
溝または螺旋溝または同心円溝から選ばれた一種類以上
の溝を有し、前記溝の交点に研磨剤供給または終点検出
の少なくとも一つのための孔を有することを特徴とする
請求項４、５何れか１項記載の研磨装置（請求項６）」
を提供する。

【００１５】第七に、「前記被研磨部材の被研磨面が重
力方向に対して上向きであることを特徴とする請求項１
〜６何れか１項記載の研磨装置（請求項７）」を提供す
る。第八に、「前記被研磨部材回転機構の回転軸の直径
が前記被研磨部材の直径に対して１／２^1/2以上である
ことを特徴とする請求項２〜７何れか１項記載の研磨装
置（請求項８）」を提供する。

【００１６】第九に、「少なくとも天井部と床部と左の
壁部と右の壁部とその内部の空間を有し且つ実質的に一
体化された筐体を具え、前記研磨パッド部と前記被研磨
部材保持部とが前記天井部と前記床部と前記左の壁部と
前記右の壁部の何れか一つに各々固定され、前記空間内
に収納されていることを特徴とする請求項１〜８何れか
１項記載の研磨装置（請求項９）」を提供する。

【００１７】第十に、「前記研磨パッド振動機構が超音
波モータまたは電磁モータまたは超音波リニアモータま
たは電磁リニアモータまたはピエゾ素子またはボイスコ
イルから選ばれた一種類以上のアクチュエータを有する
ことを特徴とする請求項１〜９何れか１項記載の研磨装
置（請求項１０）」を提供する。第十一に、「前記被研
磨部材がウェハであることを特徴とする請求項１〜１０
何れか１項記載の研磨装置（請求項１１）」を提供す
る。

【００１８】第十二に、「請求項１〜１１記載の研磨装
置を用いた研磨方法に於いて、被研磨部材の回転を行わ
ず研磨パッドの振動のみで研磨を行う段階と、研磨パッ
ドの振動と合わせて被研磨部材の回転を行う段階とを有
することを特徴とする研磨方法（請求項１２）」を提供
する。第十三に、「請求項２〜１１何れか１項記載の研
磨装置を用いた研磨方法であって、被研磨部材の回転速
度は被研磨部材の最大周速度が研磨パッドの振動による
平均速度以下で行われることを特徴とする研磨方法（請
求項１３）」を提供する。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１をもと
に説明するが、本発明はこの図の例に限定されるもので
はない。本発明のＣＭＰ研磨装置は基本的にはウェハの
被研磨面に、研磨パッドを固定した小さな軽い研磨パッ
ド保持体を対向させ、研磨するようにしている。しかも
研磨パッドには従来のプラテンで行っていたような回転
運動ではなく、小振幅であるが高速な振動運動をさせる
ようにし、ウェハには低速の回転運動をさせるようにし
た。

【００２０】本発明のＣＭＰ研磨装置は被研磨部材であ
るウェハ１を保持するウェハ保持部２と、研磨パッドを
保持し且つ振動する研磨パッド部５と、研磨剤供給機構
（図示されない）とを具える。ウェハ保持部はウェハを
保持するためのウェハ保持体７とウェハ回転機構（回転
軸３以外は図示されない）とを具える。

【００２１】研磨パッド部は研磨パッド４を保持する研
磨パッド保持体９と、振動運動を与えるための研磨パッ
ド振動機構（図示されない）と、研磨パッドを上下させ
るための上下機構（図示されない）と、被研磨面を加圧
するための加圧機構（図示されない）とを具える。研磨
パッド保持体９には研磨剤を供給するための孔が複数開
いているが、この孔は別の形でも良いし、無くても良
い。

【００２２】本発明のＣＭＰ研磨装置で使われる研磨パ
ッドの振動方向のサイズは、ウェハ全面が研磨パッドの
振動の全ての位置で常時研磨されるために、ウェハの寸
法に研磨パッドの振動振幅を加えたサイズにされてい
る。振動振幅は一般に小さくされているので、研磨パッ
ド保持体を含めたサイズはコンパクトで軽量なため高速
の振動運動を行うことができる。

【００２３】本ＣＭＰ研磨装置は以下のように動作す
る。ウェハ保持部にウェハを一枚、被研磨面を上向きに
保持する。また研磨パッド保持体には研磨パッドが保持
されている。次に被研磨面に研磨剤を滴下しながら研磨
パッドをウェハの被研磨面に乗せ、ウェハ保持部をゆっ
くり回転し、且つ研磨パッドで被研磨面を加圧し、且つ
振動運動を与えながら被研磨面を研磨する。研磨パッド
のサイズはウェハの寸法に研磨パッドの振動振幅の２倍
を加えたサイズにされているので、研磨過程に於いて、
ウェハは常時被研磨面全面が研磨されている。

【００２４】ここでウェハ保持部によるウェハの回転は
ゆっくり行われるのが好ましく、その回転速度は最大で
もウェハの最外側での周速度が研磨パッドの振動による
平均速度を超えないよう決定される。また、研磨パッド
の振動の周波数と振幅と波型は、研磨パッドの振動によ
る平均速度（Ｖ_AVE）をウェハの回転による最外側の周
速度以上にするよう設定される。この条件はウェハ全面
が均一研磨され、且つ研磨パッドが均一に減耗するため
の必要条件である。この条件を式で表すと、以下のよう
になる。

【００２５】Ｖ_AVE≧２πＲｋ／６０（１）ここでウェハの回転速度：ｋ（ｒｐｍ）ウェハの半径：Ｒウェハ（被研磨面）の最外側の周速度：２πＲｋ／６０（／ｓｅｃ）研磨パッドの振動の周波数：ｆ（／ｓｅｃ）研磨パッドの振動の角周波数：ω＝２πｆ（／ｓｅｃ）研磨パッドの振動の振幅：±ａ研磨パッドの振動の変位：ａＵ( ωt) ；ｔは時間Ｕ( ωt)は±１内で振動する周期関数研磨パッドの振動の速度：ａωＵ'(ωt)；Ｕ’は時間微分研磨パッドの振動による平均速度：ａωｕ_RMS；ｕ_RMSはＵ'(ωt) ＝Ｖ_AVE の平均自乗である。

【００２６】研磨パッドの振動の平均自乗振幅は、研磨
パッドの振動の中心点から測った、振動の振幅を二乗
し、時間平均を取った値の平方根となる。振動が正弦的
である時は、研磨パッドの振動の平均自乗振幅はａ／２
^1/2となるので、（１）式は（２）式のように変わる。ａω／２^1/2≧２πＲｋ／６０（２）ここでウェハの回転速度はウェハの最外側に於ける周速
度が研磨パッドの振動による平均速度を限度として、こ
れを超えてはならない理由を図１、図７を用いて詳しく
説明する。ここでの議論では研磨パッドの振動により時
間的に変化する速度を平均速度で置き換えて行ったが、
平均速度を用いても一般性を失うことはない。

【００２７】周速度（２πＲｋ／６０）が研磨パッドの
振動による平均速度（Ｖ_AVE）に等しいとき、ウェハ被
研磨面の最外側Ａ、Ｄ点に於ける研磨パッドの相対速度
の大きさは、研磨パッドの振動の速度ベクトルと周速度
の速度ベクトルとが互いに研磨パッドの振動の半周期毎
に平行と反平行とを繰り返すので、半周期毎に２
Ｖ_AV _E、０、２Ｖ_AVE、０、２Ｖ_AVE、０、・・・・・
を繰り返す。故に平均相対速度はＶ_AVEであり、直線Ａ
Ｄ上の全ての点で平均相対速度は等しい。研磨速度は研
磨パッドの相対速度に比例するので、研磨速度はウェハ
被研磨面上の直線ＡＤに於いて常に均一であり、これが
最大周速度がＶ_AVEまでは最大周速度に依存しないの
で、均一研磨条件となる。最大周速度がＶ_AVEを超える
と、相対速度が最大周速度に依存するようになり、直線
ＡＤ上で相対速度の不均一性、即ち研磨速度の不均一性
が生じるようになる。ウェハ被研磨面の最外側Ｂ、Ｄ点
に於ける研磨パッドの相対速度の大きさは、研磨パッド
の振動の速度ベクトルと周速度の速度ベクトルとは振動
のなす角度が半周期毎に互いに４５度と−４５度を繰り
返すので、半周期毎に２^1/2Ｖ_AVE、２^1/2Ｖ_AVE、２
^1/2Ｖ_AVE、２^1/2Ｖ_AVE、・・・・であり、周速度の
影響を受けるが、２^1/2Ｖ_AVE＝１．４Ｖ_AVE程度であ
り、この位置は周速度の影響を最も大きく受ける位置で
あり、他の研磨点では研磨パッドの相対速度はＶ_AVEと
１．４Ｖ_AVEとの間の値に入るので、相対速度即ち研磨
速度の不均一性としてはギリギリ許容できる範囲であ
る。

【００２８】今、具体的に、Ｒを４インチ、ｂを１ｍｍ
とすると、ウェハの回転数を１０ｒｐｍ以下、研磨パッ
ドの振動の周波数を３０Ｈｚ以上、１０ＫＨｚ以下の範
囲で研磨することにより好ましい結果が得られた。振動
の振幅は研磨パッドの寸法と比較すると小さいことが好
ましい。こうすることにより研磨パッドの使用率（研磨
パッドの全面積に占める、研磨パッドに接触している被
研磨面の面積の割合）が向上し、且つ研磨パッドが小
型、軽量化する（何故ならば、研磨パッドの寸法はウェ
ハの寸法に振動の振幅を加えた寸法であるからであ
る。）ので、研磨パッドをより安定に振動させることが
できるからである。しかし余り小さ過ぎても好ましくな
い。その理由は、余り振幅が小さいと、研磨パッドの平
均速度をウェハ（被研磨面）の最外側の周速度以上に上
げるためには振動の周波数を過度に上げねばならず、あ
まりにも高周波では振動のアクチュエータの動きに対す
る研磨パッドの動きの追随性が悪くなるからである。こ
の意味で振動の振幅は好ましくは１０μｍ以上３ｍｍ以
下である。

【００２９】この振幅の上限３ｍｍで用いられる研磨パ
ッドのサイズは最も小サイズに属する４インチウェハ
（１００ｍｍ）のとき１００＋３×２＝１０６ｍｍが好
ましい。従って、一般に好ましい研磨パッドサイズはウ
ェハサイズと実質的に同サイズとも言える。研磨パッド
の振動の周波数は余り低すぎると、研磨パッドの平均速
度をウェハ（被研磨面）の最外側の周速度以上に上げる
ことが困難となり、逆に余り高過ぎると、研磨パッドの
振動運動の動きが不安定になる。この意味で研磨パッド
の振動の周波数は好ましくは３０Ｈｚ以上１０ＫＨｚ以
下である。

【００３０】研磨パッドの振動機構としては超音波モー
タ、電磁モータ、超音波リニアモータ、電磁リニアモー
タ、ピエゾ素子、ボイスコイルが好ましく使用される。
ウェハの回転速度は、余り速過ぎると被研磨面全面に渡
ってウェハと研磨パッドとの相対速度をほぼ同じにでき
ない。また余り遅過ぎると、回転方向の研磨膜厚が不均
一となる。この意味でウェハの回転速度は、好ましくは
０〜１０ｒｐｍであるが、特に研磨速度のウェハの半径
方向の均一性が必要な場合はウェハを回転させないこと
もある。

【００３１】スラリー状研磨剤（以下研磨剤と呼ぶ）の
供給は研磨パッド側から行われる。研磨パッドはＡｓｋ
ｅｒＣ硬度７０〜９８に調整され、格子溝が切られてい
る。この格子溝の交点を研磨剤供給口とした。更に研磨
剤供給孔を光学式終点検出部が研磨状況をモニターする
ための測定光が通過するための通過孔として利用する。
ＣＭＰ研磨装置全体を小さく且つ軽くするために、ウェ
ハ保持部と研磨ヘッド部を一体化した構造物とすること
が好ましい。

【００３２】また研磨パッドの加圧によるウェハ保持体
の歪みを避けるためにウェハ保持部の回転軸の直径をウ
ェハの直径の１／２^1/2以上とすることが好ましい。本
発明のＣＭＰ研磨装置は研磨パッドとウェハのサイズが
ほぼ同じであり、ウェハの被研磨面全面に渡ってウェハ
と研磨パッドとの相対速度がほぼ均一であるので、被研
磨面全面に渡って研磨膜厚がほぼ均一である。また研磨
パッド全面に渡って研磨パッドとウェハとの相対速度が
ほぼ均一であるので、研磨パッドの減耗が均一に行わ
れ、ドレッシングによりパッド面を部分的に均一化する
操作の必要はなくなる。硬質で溝構造を持つ研磨パッド
の場合には、ダイヤモンド砥粒によるドレッシングの必
要はなくなる。

【００３３】更に、研磨パッドをＣＭＰ研磨装置の上方
に設置することが可能となり、ウェハの被研磨面を重力
方向に対して上向きに配置することが可能となる。通常
のＣＭＰ装置では研磨パッドが大きいため、このような
配置は困難であった。通常半導体プロセスでは、ＣＭＰ
研磨工程の直前の工程でウェハは被研磨面が上向き状態
で処理が完了する。従来はＣＭＰ研磨のために事前に反
転機構で被研磨面を下向きに変える必要があった。本Ｃ
ＭＰ研磨装置では被研磨面を上向きにしたままで研磨で
きるので、反転機構が不要になり、反転機構でのウェハ
の落下事故、等のトラブル、また発生する塵埃、等によ
る生産歩留りの低下を避けることができる。

【００３４】本発明によれば研磨パッドのサイズを小さ
くすることにより、加圧中心とウェハの回転中心の偏心
の減少により撓みが小さく出来る。剛性が高く、軽くな
り、サイズは小さくなる。この為、従来の研磨は回転と
揺動の組み合わせで行っていたが、軽くなったことによ
りヘッドを高速振動させることが可能となる。基本的に
はヘッドの揺動（振動）のみで研磨することが考えられ
る。研磨パッド（プラテン）サイズは被研磨部材ウェハ
のサイズより振動の振幅分だけ大きくすれば、研磨中に
おいて研磨パッドはウェハに常に接触できる。被研磨部
材保持部は回転のみを行い、研磨パッドは振動のみで研
磨を行うが、ウェハ面の全てのポイントで相対速度を同
じくするためには、出来るだけ回転を遅くするか、無く
すことが望ましい。

【００３５】以上図４を基に本発明の実施の形態を説明
したが、本発明の範囲は、ウェハが保持体が下方のみな
らず、上方、横方向の場合、ウエハの回転機構を有しな
い場合、も含む。また振動の波形は正弦的のみならず、
鋸歯状、等の場合も本発明に含まれる。更に以上では本
発明の研磨装置を被研磨部材がウェハであるときのＣＭ
Ｐ研磨装置として説明したが、本発明は被研磨部材が、
他の部材、例えば光学部品用の光学素子である場合の研
磨装置にも好ましく適用出来ることは言う迄もない。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。［実施例１］図５に本実施例のＣＭＰ研磨装置の断面図
を示す。φ１６０ｍｍのエポキシ樹脂をベースとして
０．５ｍｍピッチの螺旋の溝と１０ｍｍピッチの格子溝
８を有する研磨パッド４の格子溝の交点に径２ｍｍの孔
６を開け、研磨パッド保持体である基盤９に取り付け、
研磨パッド４の孔６から研磨剤または水が供給されるよ
うにした。研磨パッド４の硬度はＡｓｋｅｒＣで９０で
あった。基盤９には７０ｋｇの荷重を加えた。これはウ
ェハ面上で３５０ｇ／ｃｍ²に相当する。更に研磨パッ
ド基盤を磁気力で往復運動させるためウェハ振動機構に
ボイスコイルを用いた。被研磨部材１として６インチの
ウェハに熱酸化膜を１μｍ形成したものを用いた。ウェ
ハの保持方法はバッキングフィルムを用い、水貼りとし
た。研磨条件はウェハ面での荷重は３５０ｇ／ｃｍ²、
研磨パッドの振動の振幅は±１ｍｍで振動数は３５０Ｈ
ｚとした。研磨での相対速度は、１．６ｍ／ｓになるよ
うにした。ウェハの回転速度は０．１０ｒｐｍ、研磨剤
としてはCabot 社のＳＳ１２を５０ｍｌ／分で供給し
た。３００ｎｍ／分の研磨速度が得られ、±５％以内の
研磨膜厚均一性が得られた。

【００３７】この研磨装置で連続して多数のウェハを研
磨し、ウェハの研磨枚数に対する研磨パッドの表面の面
形状の変化、ウェハの研磨膜厚の均一性の変化、研磨速
度の変化を測定したところ、殆ど変化が無いことが分か
った。このことから、ウェハ、研磨パッド共に均一に研
磨されていると言える。［実施例２］実施例１と同様に、φ１６０ｍｍのエポキ
シ樹脂をベースとして０．５ｍｍピッチの螺旋の溝と１
０ｍｍピッチの格子溝を有する研磨パッドの格子溝８の
交点に径２ｍｍの孔６を開け、研磨パッド保持体である
基盤に取り付け、研磨パッドの孔から研磨剤または水が
供給されるようにした。研磨パッドの硬度はＡｓｋｅｒ
Ｃで９０であった。基盤には７０ｋｇの荷重を加えた。
これはウェハ面上で３５０ｇ／ｃｍ²に相当する。更に
基盤を往復運動させるためウェハ振動機構にピエゾ素子
を用いた。被研磨部材として６インチのウェハに熱酸化
膜を１μｍ付けたものを用いた。ウェハの保持には京セ
ラ製のビーズチャックを用い、真空引きとした。

【００３８】研磨条件はウェハ面での荷重を３５０ｇ／
ｃｍ²、研磨パッドの振動の振幅を±０．１ｍｍで振動
数を３．５ＫＨｚとした。研磨での相対速度は、実施例
１と同様に１．６ｍ／ｓになるようにした。ウェハは研
磨の初め１．５分間は回転させず、後半の３０秒間だけ
回転数０．１０ｒｐｍで回転させた。研磨剤としてCabo
t 社のＳＳ１２を５０ｍｌ／分で供給した。３００ｎｍ
／分の研磨速度が得られ、±５％以内の研磨膜厚均一性
が得られた。

【００３９】この研磨装置で連続して多数のウェハを研
磨し、ウェハの研磨枚数に対する研磨パッドの表面の面
形状の変化、ウェハの研磨膜厚の均一性の変化、研磨速
度の変化を測定したところ、殆ど変化が無いことが分か
った。このことから、ウェハ、研磨パッド共に均一に研
磨されていると言える。［実施例３］実施例３の図６のＣＭＰ研磨装置は実施例
１の図５のＣＭＰ研磨装置とは、複数の研磨剤供給管の
内２本以上が除かれ、空いた孔に光ファイバー２０が置
き替わって差込まれている点で異なる。図６に示すよう
に光ファイバのもう一方の先は光学モニター２１に連結
されている。光学モニターは研磨中に被研磨面に測定光
を光ファイバを通して照射するとともに光学的情報を光
ファイバを通して受け、膜厚の変化と共に得られる波形
が変わることにより、研磨の終点検出を行う。

【００４０】この研磨装置で連続して多数のウェハを研
磨し、ウェハの研磨枚数に対する研磨パッドの表面の面
形状の変化、ウェハの研磨膜厚の均一性の変化、研磨速
度の変化を測定したところ、殆ど変化が無いことが分か
った。このことから、ウェハ、研磨パッド共に均一に研
磨されていると言える。［実施例４］ウェハ保持体７の回転軸３の直径をウェハ
１の直径の１／２^1/2以上とする以外は全て実施例１、
２、３のＣＭＰ研磨装置と同じにした。加圧Ｐによるウ
ェハ保持体の変形を最小にでき、研磨の結果３００ｎｍ
／分の研磨速度が得られ、±５％以内の研磨膜厚均一性
が安定して得られた。

【００４１】この研磨装置で連続して多数のウェハを研
磨し、ウェハの研磨枚数に対する研磨パッドの表面の面
形状の変化、ウェハの研磨膜厚の均一性の変化、研磨速
度の変化を測定したところ、殆ど変化が無いことが分か
った。このことから、ウェハ、研磨パッド共に均一に研
磨されていると言える。［実施例５］図２は本発明に用いる研磨パッドと研磨パ
ッド保持体の構造を示す図であり、研磨パッドは研磨剤
の流動性と保持性を確保するための格子溝８を有し、格
子溝８の交点の孔６から研磨パッド保持体にまで貫通さ
れた研磨剤供給用の孔を有す。溝の形状はこの格子溝の
他に、螺旋溝、同心円溝、等を用いても良く、これらの
溝を組み合わせても良い。研磨剤は研磨剤槽からこれら
の孔を通って研磨パッドに供給される。［実施例６］図３は本発明に用いる、図２のような研磨
パッドと研磨パッド保持体に研磨剤を供給する研磨剤供
給機構３０を示す。研磨剤供給機構は水槽３４と研磨剤
槽３３と供給槽３１と複数の供給管３２とを具え、供給
槽は研磨中は研磨剤槽から研磨剤の供給を受け、洗浄に
当たっては水槽から水の供給を受け、また研磨剤の濃度
調整の必要な時は両方の供給を受ける。複数の供給管は
研磨剤と水を供給槽から研磨パッド保持体そして研磨パ
ッドに送り込む。［実施例７］図４に一体構造とした本発明のＣＭＰ研磨
装置の実施例を示す。天井部４１と床部４２と左の壁部
４３と右の壁部４４とを有し、これらの内部に空間４５
を有し、実質的に一体化された筐体４０の空間内に研磨
パッド部が天井部に、またウェハ保持部が床に各々、ウ
ェハ面と研磨パッド面とを平行に対向させて固定されて
いる。一体化して研磨パッドに加圧力を加えられるの
で、装置全体の軽量化、小型化が出来る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＣＭＰ研
磨装置はウェハの被研磨面に、ほぼ同じ寸法の研磨パッ
ドを固定した小さな軽い研磨パッド保持体を対向させ、
ウェハには低速回転運動をさせ、研磨パッドには高速振
動をさせて研磨する。従来のＣＭＰ研磨装置のような大
型プラテンを用いないので、小型軽量で装置の設置費用
が安い。また、研磨パッドとウエハの面積がほぼ同じで
常時ほぼ重なった状態で研磨されるので、研磨パッドの
使用効率が高く、従って設備、従って設置面積に対する
使用効率が高い。更にまた、ウェハを上向きに研磨する
ことができるので、ウェハ反転機構が不要なため歩留り
向上が図れる。更にまた、ウェハ全面にわたってウェハ
と研磨パッドの相対速度がほぼ均一なので、ウェハ面で
の研磨膜厚の均一性が良好である。更にまた、研磨パッ
ド全面に渡って研磨パッドとウェハとの相対速度がほぼ
均一なので、研磨パッドが研磨パッド面全面に渡ってほ
ぼ均一に減耗するので、面出しを行うドレッシング操作
無しでも研磨パッドの長寿命化をはかることができる。
更にまた、研磨パッドのサイズが小さいため交換のため
のメンテナンスが容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明図である。

【図２】実施例５の研磨パッド保持体を示す図である。

【図３】実施例６の研磨剤供給機構を示す図である。

【図４】実施例７の一体型ＣＭＰ研磨装置を示す図であ
る。

【図５】実施例１、２の研磨パッド部の構造を示す図で
ある。

【図６】実施例３の研磨パッド部の構造を示す図であ
る。

【図７】ウェハの最大周速度が研磨パッドの振動による
平均速度を超えてはならないことを説明する図。

【図８】従来のＣＭＰ研磨装置を示す図である。（ａ）
従来の研磨装置の図（ｂ）従来の研磨装置における研磨
パッドの使用される領域を説明する図

【図９】ベルト状研磨パッドの従来のＣＭＰ研磨装置を
示す図である。

【図１０】偏心、回転タイプの従来のＣＭＰ研磨装置を
示す図である。

【符号の説明】１被研磨部部材であるウェハ２ウェハ保持部３ウェハ回転機構の回転軸４研磨パッド５研磨パッド部６研磨剤を供給するための孔７ウェハ保持体８格子溝９研磨パッド保持体１０研磨パッド振動機構の振動方向２０光ファイバ２１光学モニタ３０研磨剤供給機構３１供給槽３２供給管３３研磨剤槽３４水槽４０筐体４１天井部４２床部４３左の壁部４４右の壁部１００プラテン１０１研磨パッド１０２ウェハ１０３ウェハを保持するための研磨ヘッド１０４研磨剤供給機構１０５ベルト状研磨パッドＰ研磨パッドへの加圧を示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄウェハ上の図１、図７に対応する位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨パッド部と被研磨部材保持部とを具え
被研磨部材を研磨する研磨装置であって、前記研磨パッ
ド部が前記被研磨部材の寸法に研磨パッドの振動振幅の
２倍を加えたサイズの研磨パッドを保持するための研磨
パッド保持体と、前記研磨パッドに振動を与えるための
研磨パッド振動機構とを具えることを特徴とする研磨装
置。
【請求項２】前記被研磨部材保持部が被研磨部材の回転
を与えるための被研磨部材回転機構を具えることを特徴
とする請求項１記載の研磨装置。
【請求項３】前記研磨パッドに周波数３０Ｈｚ以上１０
ＫＨｚ以下の一次元振動が与えられ、前記被研磨部材に
１０ｒｐｍ以下の回転が与えられることを特徴とする請
求項２記載の研磨装置。
【請求項４】前記研磨パッド保持体が研磨剤供給のため
の孔を有することを特徴とする請求項１〜３何れか１項
記載の研磨装置。
【請求項５】前記研磨パッド保持体が光学式終点検出の
ための孔を有することを特徴とする請求項４記載の研磨
装置。
【請求項６】前記研磨パッド保持体がＡｓｋｅｒＣ硬度
７０以上９８以下で、格子溝または螺旋溝または同心円
溝から選ばれた一種類以上の溝を有し、前記溝の交点に
研磨剤供給または終点検出の少なくとも一つのための孔
を有することを特徴とする請求項４、５何れか１項記載
の研磨装置。
【請求項７】前記被研磨部材の被研磨面が重力方向に対
して上向きであることを特徴とする請求項１〜６何れか
１項記載の研磨装置。
【請求項８】前記ウェハ回転機構の回転軸の直径が前記
被研磨部材の直径に対して１／２^1/2以上であることを
特徴とする請求項２〜７何れか１項記載の研磨装置。
【請求項９】少なくとも天井部と床部と左の壁部と右の
壁部とその内部の空間を有し且つ実質的に一体化された
筐体を具え、前記研磨パッド部と前記被研磨部材保持部
とが前記天井部と前記床部と前記左の壁部と前記右の壁
部の何れか一つに各々固定され、前記空間内に収納され
ていることを特徴とする請求項１〜８何れか１項記載の
研磨装置。
【請求項１０】前記研磨パッド振動機構が超音波モータ
または電磁モータまたは超音波リニアモータまたは電磁
リニアモータまたはピエゾ素子またはボイスコイルから
選ばれた一種類以上のアクチュエータを有することを特
徴とする請求項１〜９何れか１項記載の研磨装置。
【請求項１１】前記被研磨部材がウェハであることを特
徴とする請求項１〜１０何れか１項記載の研磨装置。
【請求項１２】請求項１〜１１記載の研磨装置を用いた
研磨方法に於いて、被研磨部材の回転を行わず研磨パッ
ドの振動のみで研磨を行う段階と、研磨パッドの振動と
合わせて被研磨部材の回転を行う段階とを有することを
特徴とする研磨方法。
【請求項１３】請求項２〜１１何れか１項記載の研磨装
置を用いた研磨方法であって、被研磨部材の回転速度は
被研磨部材の最大周速度が研磨パッドの振動による平均
速度以下で行われることを特徴とする研磨方法。