KR100846685B1 - 가공 형상의 예측 방법, 가공 조건의 결정 방법, 가공방법, 가공 시스템, 반도체 디바이스의 제조 방법, 계산기프로그램, 및 계산기 프로그램 기억 매체 - Google Patents

Abstract

연마 조건 결정 수단에는 미리 요소가 되는 연마 조건과 그것에 의하여 얻어지는 가공 형상(연마량)의 관계가 피연마 대상물의 종류, 상기 피연마 대상물을 연마하는 데 공통에 사용되는 연마 조건(불변인 연마 조건)과 함께 입력되어 있다. 연마 조건 결정 수단은 이들 조건에 기초하여 연마 조건을 결정한다. 즉, 상기 요소가 되는 연마 조건을 시계열적으로 부여하거나, 상기 요소가 되는 연마 조건의 조합을 연마체의 요동 속도의 변화로 변환하여 요동 위치에 대응하는 요동 속도를 결정한다. 연마 장치 제어 수단은 연마 조건 결정 수단에 의해서 결정된 연마 조건을 입력하여, 그것이 실현되도록 연마 장치를 제어한다. 이에 따라, 가공 장치에 있어서 소정의 가공 형상을 얻기 위한 가공 조건을 정확하고 또한 간단히 결정할 수 있다.

Description

가공 형상의 예측 방법, 가공 조건의 결정 방법, 가공 방법, 가공 시스템, 반도체 디바이스의 제조 방법, 계산기 프로그램, 및 계산기 프로그램 기억 매체{WORKING SHAPE PREDICTION METHOD, WORKING REQUIREMENT DETERMINATION METHOD, WORKING METHOD, WORKING SYSTEM, METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE, COMPUTER PROGRAM, AND COMPUTER PROGRAM STORAGE MEDIUM}

본 발명은 가공물을 가공하는 경우에 얻어지는 가공 형상을 예측하는 방법, 가공물을 가공하는 가공 조건의 결정 방법, 가공물을 가공하는 가공 방법, 가공물을 가공하는 가공 시스템, 이 가공 방법 또는 이 가공 시스템을 이용한 반도체 디바이스의 제조 방법, 가공 조건의 결정 방법을 실시하는 계산기 프로그램, 및 이 계산기 프로그램을 기억한 계산기 프로그램 기억 매체에 관한 것이다. 또, 본 명세서 및 청구의 범위 중에서 말하는 가공이란 연마, 연삭 등의 기계 가공을 의미한다.

반도체 집적 회로의 고집적화, 미세화에 따라 반도체 제조 프로세스의 공정은 증가하여 복잡해지고 있다. 이에 따라, 반도체 디바이스의 표면은 반드시 평탄하다고는 말할 수 없다. 반도체 디바이스의 표면에서의 단차의 존재는 배선의 단절, 국소적인 저항의 증대 등을 초래하여, 단선이나 전기 용량의 저하를 가져온다. 또한, 절연막에서는 내전압 열화나 누설의 발생으로도 이어진다.

한편, 반도체 집적 회로의 고집적화, 미세화에 따라 광리소그래피에 이용되는 반도체 노광 장치의 광원 파장은 짧아지고, 반도체 노광 장치의 투영 렌즈의 개구수, 소위 NA는 커지고 있다. 이에 따라, 반도체 노광 장치의 투영 렌즈의 초점 심도는 실질적으로 낮아지고 있다. 초점 심도가 낮아지는 것에 대응하기 위해서는 지금까지 이상으로 반도체 디바이스의 표면의 평탄화가 요구되고 있다.

구체적으로 나타내면, 반도체 프로세스에 있어서는 도 11에 도시한 바와 같은 평탄화 기술이 필수가 되고 있다. 웨이퍼(11) 상에 반도체 디바이스(14), SiO2로 이루어지는 층간 절연막(12), Al로 이루어지는 금속막(13)이 형성되어 있다. 도 11a는 반도체 디바이스의 표면의 층간 절연막(12)을 평탄화하는 예이다. 도 11b는 반도체 디바이스의 표면의 금속막(13)을 연마하여, 소위 다마신(damascene)을 형성하는 예이다.

이러한 반도체 디바이스 표면을 평탄화하는 방법으로서는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing 또는 Chemical Mechanical Planarization, 이하에서는 CMP라 칭함) 기술이 널리 행해지고 있다. 현재, CMP 기술은 웨이퍼의 전면을 평탄화할 수 있는 유일한 방법이다.

CMP는 웨이퍼의 경면(鏡面) 연마법을 기초로 발전하고 있다. 도 12는 CMP에 이용하는 연마(평탄화) 장치의 개략 구성도이다. 연마 장치는 연마 부재(15), 연마 대상물 유지부(이하, 연마 헤드라 칭하는 경우가 있음)(16), 및 연마제 공급부(18)로 구성되어 있다. 그리고, 연마 헤드(16)에는 연마 대상물인 웨이퍼(17)가 부착되 고, 연마제 공급부(18)는 연마제(슬러리)(19)를 공급한다. 연마 부재(15)는 정반(定盤)(20)의 위에 연마체(이하, 연마 패드라 칭하는 경우가 있음)(21)를 접착한 것이다.

웨이퍼(17)는 연마 헤드(16)에 의해 유지되어, 회전되면서 요동하여 연마 부재(15)의 연마체(21)에 소정의 압력으로 압박된다. 연마 부재(15)도 회전시켜, 웨이퍼(17)와의 사이에서 상대 운동을 하게 한다. 이 상태에서 연마제(19)가 연마제 공급부(18)로부터 연마체(21) 상에 공급되어, 연마제(19)는 연마체(21) 상에서 확산하고, 연마 부재(15)와 웨이퍼(17)의 상대 운동에 따라 연마체(21)와 웨이퍼(17)의 사이에 들어가, 웨이퍼(17)의 연마면을 연마한다. 즉, 연마 부재(15)와 웨이퍼(17)의 상대 운동에 의한 기계적 연마와, 연마제(19)의 화학적 작용이 상승적으로 작용하여 양호한 연마가 행해진다.

도 13은 별도의 연마 장치를 도시하는 개요도이다. 본 연마 장치에 있어서는 연마 헤드(16)가 하측에 있고, 그 위에 웨이퍼(17)가 척으로 고정되어 있다. 그리고, 연마체(21)는 웨이퍼(17)보다 작은 직경이며, 상측에 설치된 연마 정반(20)에 접착되어 있다. 즉, 연마체(21)는 연마 정반(20)과 같이 회전되면서 요동하여, 웨이퍼(17)에 소정의 압력으로 압박된다. 연마 헤드(16)와 웨이퍼(17)도 회전되어, 연마체(21)와의 사이에서 상대 운동을 하게 한다. 이 상태에서 연마제(19)가 연마제 공급부(18)로부터 웨이퍼(17) 상에 공급되어, 연마제(19)는 웨이퍼(17) 상에서 확산하고, 연마 부재(15)와 웨이퍼(17)의 상대 운동에 따라 연마체(21)와 웨이퍼(17)의 사이에 들어가, 웨이퍼(17)의 연마면을 연마한다.

그런데, 연마하여야 할 웨이퍼의 종류는 매우 많아, 각각의 종류에 따른 독자의 연마 조건(레시피)을 설정하지 않으면 않된다.

예를 들면, Cu 다마신 등의 복수의 층구조에 걸친 연마에 대해서는 통상 1차 연마로 Cu를 연마하고, 2차 연마로 Ta를 연마한다. 이 때는 연마제와 연마 대상물의 차이에 의해 동일 연마 조건이라도 그 균일성은 크게 변한다. 따라서, 그 때마다 연마 조건을 준비해야 한다고 하는 번거로움을 가지고 있다. 특히, 메탈 연마의 경우에는, 연마제 이외에 과산화수소수와 같은 산화제를 첨가해야 하지만, 동일 연마제에 대해서도 그 첨가제의 양에 의해 연마 프로파일이 변화하기 때문에, 이들 연마제의 종류, 첨가제, 연마 대상물이 변하면 모든 경우에 관해서 연마 조건을 바꿔야 한다.

연마 조건으로서는 연마액의 종류나, 연마 패드의 종류, 및 연마 헤드와 연마 부재의 회전 속도, 연마 헤드의 요동 속도, 연마 헤드의 압박 압력 등이 있으며, 연마 헤드와 연마 부재의 회전 속도, 연마 헤드의 요동 속도, 연마 헤드의 압박 압력에 대해서는 시간의 함수가 되거나, 연마 헤드 위치의 함수가 된다.

웨이퍼의 종류에 따른 연마 조건을 설정하는 방법으로서, 종래는 경험에 기초하여 시행 착오에 의한 시험적 연마를 행함으로써 원하는 가공 형상을 얻을 수 있는 연마 조건을 찾아내는 방법을 채용하고 있어, 이 시험적 연마에 다수의 웨이퍼를 사용하여, 장시간에 걸쳐 연마 조건의 결정을 행하고 있었다.

또, 웨이퍼의 종류가 특정되어, 표준 연마 조건을 찾아낼 수 있었다고 해도, 실제로 연마되는 웨이퍼의 연마 전의 표면 형상은 제작 로트마다 다르다. 그 때문 에, 제작 로트마다 추가로 시험적 연마를 행하여, 연마 조건의 미조정(微調整)을 행할 필요가 있다. 그러나, 이와 같이 제작 로트마다의 미조정을 행하더라도 로트 내에서의 변동에는 대응할 수 없다고 하는 문제점이 남는다.

종래의 연마되는 웨이퍼보다 연마체쪽이 큰 연마 장치는 웨이퍼 직경의 증대에 따라 장치 자체가 커진다고 하는 문제가 있으며, 또한, 연마 패드 등과 같이 교환이 필요한 소모 부품의 교환 작업이 그 크기에 따라서 매우 곤란하다고 하는 결점을 가지고 있었다. 또한, 연마 전의 웨이퍼의 표면에 성막 불균일에 기초하는 요철이 있는 경우에, 이들에 적절히 대응하여 표면을 평탄하게 연마하는 것은 매우 곤란했다. 또한, 초기 막두께 형상이 성막 프로세스에 의해서 M자형이나 W자형 등으로 되어 있는 웨이퍼에 있어서, 잔류막을 균일한 형상으로 연마하는 요구가 생기는 경우가 있다. 종래의 연마 장치에서는 이러한 요구에 대응하는 것이 곤란했다.

이러한 연마 장치 문제점을 해결하는 연마 장치로서, 최근, 연마 웨이퍼보다도 작은 연마체에 의한 연마 장치가 개발되어 사용되고 있다. 이 연마 장치는 연마체가 소형이기 때문에 연마 장치에서의 연마부를 소형화할 수 있다고 하는 이점을 가지고 있다. 또한, 소모 부품의 교환에 관해서도 소형이기 때문에 작업 자체는 매우 쉬워진다.

그리고, 이 연마 웨이퍼보다도 작은 연마체에 의한 연마 장치에 있어서는 웨이퍼 상의 각 부분에 있어서의 연마체의 존재 확률을 변경함으로써, 자유자재로 연마 프로파일을 바꾸는 것이 가능하다. 따라서, 연마 전의 웨이퍼의 표면에 요철이 있는 경우에 대응할 수 있다.

그러나, 이러한 미세한 조정이 가능하다라는 것은, 연마 조건을 보다 미세하게 결정해야 하는 것을 의미한다. 즉, 연마 조건의 종류가 증가하는 동시에 복잡해져, 연마 조건의 결정 횟수가 증가하는 동시에, 하나의 연마 조건을 결정하기 위해서 보다 많은 웨이퍼와 시간이 필요하게 된다. 또, 미세한 조정이 필요하지 않은 경우에 있어서도 연마체가 작기 때문에, 종래의 큰 연마체를 사용한 연마 장치에 비교해서 연마 조건이 복잡해진다고 하는 상태에는 변함이 없다.

즉, 작은 직경의 패드를 이용한 연마의 경우에는 회전 이외에 패드의 웨이퍼면 상에서의 존재 확률을 바꾸기 위해서 가변속의 요동을 가하거나, 웨이퍼 엣지에 있어서의 연마 속도의 상승을 억제하기 위해서 하중을 저하시킨 하중 제어를 할 필요가 있다. 따라서, 이들 제어가 가해지는 것에 의해 연마 조건이 비약적으로 복잡해지는 것이다.

이와 같이, 연마 조건을 결정하는 데 장시간을 요하는 것에 대한 하나의 해결책으로서, 시뮬레이션에 의해 연마 조건을 결정하는 방법이 개발되고 있다. 그러나, 연마 공정에서는 연마체가 탄성 변형하거나, 또한 연마체와 연마 대상물 사이의 연마제의 흐름이 복잡하거나, 또 연마시 마찰열이 발생하기 때문에 전체의 연마 공정을 수식화하는 것이 곤란하며, 범용성이 있는 수식 모델을 얻을 수 없는 것이 현재의 상황이다.

발명의 개시

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연마 장치를 비롯한 가 공 장치에 있어서 소정의 가공 조건으로 가공을 한 경우에 얻어지는 가공 형상을 정확하고 또한 간단히 예측할 수 있는 가공 형상의 예측 방법, 가공 장치에 있어서 소정의 가공 형상을 얻기 위한 가공 조건을 정확하고 또한 간단히 결정할 수 있는 가공 조건의 결정 방법, 가공 장치에 있어서 소정의 가공 형상을 얻기 위한 가공 방법, 예정의 가공 형상을 용이하게 얻을 수 있는 가공 시스템, 이 가공 시스템을 사용한 반도체 디바이스의 제조 방법, 및 상기 가공 조건의 결정 방법을 실현하는 계산기 프로그램과 상기 계산기 프로그램을 기억한 계산기 프로그램 기억 매체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1의 발명은 공구와 피가공물 사이에 지립(砥粒)을 개재시킨 상태에서 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시키는 것에 의해 상기 피가공물을 가공하는 경우에 얻어지는 가공 형상을 예측하는 방법으로서, 요소가 되는 가공 조건과 상기 가공 조건에서 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상 요소의 관계를 미리 구해두고, 소정의 가공 조건이 주어졌을 때 상기 가공 조건을 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합으로 분해하여, 상기 조합에 의해서 얻어지는 가공 형상 요소의 합을 상기 소정의 가공 조건에 의해서 가공을 행했을 때에 얻어지는 예상 가공 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 형상의 예측 방법이다.

본 발명에 있어서는 단순한 가공 조건을 하나의 요소로서 이 가공 조건으로 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상 요소를 미리 구해둔다. 이 가공 형상 요소는 실측에 의해서 구해도 좋고, 시뮬레이션 계산에 의해서 구해도 좋다. 이러한 요소가 되는 가공 조건을 복수 개 준비해 둔다. 그리고, 소정의 가공 조건이 주어졌 을 때 그 가공 조건을 상기 요소가 되는 가공 조건의 복수의 조합으로 분해하여, 그 조합의 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상, 즉, 가공 형상 요소의 합을 선택된 요소가 되는 가공 조건의 복수의 조합에 의해서 얻어지는 가공 형상이라고 예상한다.

즉, 복잡한 가공 조건을 단순한 가공 조건의 조합이라고 간주하고, 가공 형상을 예측한다. 따라서, 복잡한 가공 조건에 의해서 얻어지는 가공 형상을 간단히 예측할 수 있다. 특히, 요소가 되는 가공 조건에 의해서 얻어지는 가공 형상이 실측에 의해서 얻어지고 있는 경우에는 보다 정확한 가공 형상의 예측이 가능해진다.

가공 형상을 결정하는 파라미터로서는 가공량, 가공량의 균일성, 잔류막 두께의 균일성, 목표 형상과의 유사도, 목표 형상과의 차분의 제곱합, 목표 형상과의 차분에 위치에 의한 가중치를 붙여 위치에 대하여 적분한 값 등이 있으며, 또한, 이들 몇 개를 조합시켜 평가해도 좋다.

제1의 발명에 있어서, 상기 가공 형상 요소를 푸리에 변환하여, 상기 조합에 의해서 구하는 가공 형상 요소의 합을 상기 조합에 대한 푸리에 변환된 함수의 합으로서 구하여, 그것을 역푸리에 변환함으로써 예상 가공 형상으로 하는 것이 바람직하다.

가공 형상 요소는 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 대하여 주기성을 갖는 경우가 많다. 따라서, 이것을 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 관해서 푸리에 변환하면, 간단한 형태가 되는 경우가 많다. 따라서, 가공 형상 요소를 일단 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 관해서 푸리에 변환하여, 가공 형상 요소의 조합에 따라서 그 푸리에 변환된 함수를 조합시켜(구체적으로는 요소가 되는 가공 조건에 따라서 가중치를 붙여 가산하여), 그 합을 역푸리에 변환함으로써 예상 형상을 구하면, 간단하고 정확히 예상 형상을 구할 수 있다.

또, 상기 공구보다 상기 피가공물이 큰 경우, 본 발명을 적용하면 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.

즉, 전술한 바와 같이 공구보다 피가공물이 큰 가공 장치에 있어서는 가공 조건이 복잡해지고, 얻어지는 가공 형상의 예측이 보다 곤란해진다. 따라서, 본 발명을 적용함으로써 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.

제2의 발명은 공구와 피가공물과의 사이에 지립을 개재시킨 상태에서 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 가공 장치에 있어서, 상기 피가공물을 소정의 형상으로 가공하는 가공 조건을 결정하는 방법으로서, 요소가 되는 가공 조건과 상기 가공 조건으로 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상 요소의 관계를 미리 구해두고, 상기 가공 형상 요소의 조합이 상기 소정의 형상에 가까워지는, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그 조합을 가공 조건으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법이다.

본 발명에 있어서는 제1의 발명과 동일하게, 단순한 가공 조건을 하나의 요소로서 이 가공 조건으로 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상 요소를 미리 구해두고, 이러한 요소가 되는 가공 조건을 복수 개 준비해 둔다. 그리고, 목표로 하는 가공 형상이 주어졌을 때 그것을 상기 가공 형상 요소의 조합으로 분해하여, 상기 조합에 의해서 얻어지는 가공 형상이 상기 목적으로 하는 가공 형상에 가까워지 는 가공 형상 요소의 조합을 구한다.

여기서, 「가공 형상에 가까워진다」라는 것은 가공 형상의 허용 오차 범위 내에 들어가는 것을 말한다. 또, 「가공 형상」이란 최종적으로 얻어지는 가공 형상만을 가리키는 것이 아니라, 어떠한 초기 형상으로부터 어떠한 최종 형상으로 가공하는가 라는(즉, 어느 위치를 어느 정도 연마하는가 라는), 초기 형상과 최종 형상의 조합을 포함하는 개념이며, 피가공물 위치마다의 가공량에 대응하는 양이다.

가공 조건을 결정하는 파라미터로서는 가공량, 가공량의 균일성, 잔류막 두께의 균일성, 목표 형상과의 유사도, 목표 형상과의 차분의 제곱합, 목표 형상과의 차분에 위치에 의한 가중치를 붙여, 위치에 대하여 적분한 값 등이 있으며, 또한, 이들 몇 개를 조합시켜 평가해도 좋다.

가공 형상 요소의 조합이 목적으로 하는 가공 형상에 가까워지는 조합을 구하는 방법으로서는, 예컨대, 난수를 발생시켜, 그것에 기초하여 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하고, 그 가공 조건의 조합에 의해서 얻어지는 가공 형상 요소의 조합(부가된 합)에 의해 전체로서의 가공 형상을 구하고, 가공 형상이 허용 오차 내에 들어가는 조합이 얻어지면 그것을 채용하도록 하는 방법이 생각된다. 또, 요소가 되는 가공 조건에 의해서 얻어지는 가공 형상 요소를 함수화해 두고, 최소 제곱법을 이용하여 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하더라도 좋다.

본 발명에 따르면 목표로 하는 가공 형상이 복잡한 것이라도 요소가 되는 단순한 가공 형상의 조합으로서 대응하는 가공 조건을 결정할 수 있기 때문에, 종래와 같은 인간의 감에 의지하여 시행 착오에 의해 가공 조건을 결정하는 방법에 비 하여, 간단한 시뮬레이션에 의해 가공 조건을 구할 수 있으며, 따라서, 시험 가공에 필요한 피가공물의 수가 적어지는 동시에, 조정 시간을 대폭 단축할 수 있다. 또, 복잡한 가공 형상을 필요로 하는 경우에 있어서도 가공 조건을 적절히 결정할 수 있기 때문에 가공 정밀도가 향상한다.

본 발명에 있어서도 상기 가공 형상 요소를 푸리에 변환하는 동시에, 상기 소정의 형상을 푸리에 변환하여, 가공 형상 요소의 푸리에 변환치의 조합이 상기 소정의 형상의 푸리에 변환치에 가까워지는, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여 그 조합을 가공 조건으로 하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 가공 형상 요소는 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 대하여 주기성을 갖는 경우가 많다. 따라서, 이것을 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 관해서 푸리에 변환하면 간단한 형태가 되는 경우가 많다. 또한, 상기 소정의 형상도 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 대하여 주기성을 갖는 경우가 많고, 이것을 피가공물의 위치, 또는 공구의 위치에 관해서 푸리에 변환하면 간단한 형태가 되는 경우가 많다. 따라서, 양자를 푸리에 변환해 두고, 가공 형상 요소의 푸리에 변환치의 조합이 상기 소정의 형상의 푸리에 변환치에 가까워지는, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그 조합을 가공 조건으로 하도록 하면, 간단하며 또한 정확히 가공 조건을 결정할 수 있다. 여기서, 「가까워지는」이라고 하는 것은 가공 형상의 허용 오차 범위 내에 들어가는 것을 말한다.

본 발명에 있어서는 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합이 각각의 요소가 되는 가공 조건을 시계열적으로 조합한 것으로 하는 것이 바람직하다.

즉, 각각의 요소가 되는 가공 조건을 시계열적으로 조합하여 전체로서의 가공 조건을 결정한다. 예컨대, 제1의 요소가 되는 가공 조건인 시간 가공을 행한 후, 제3의 요소가 되는 가공 조건인 시간 가공을 하며, 또한 제8의 요소가 되는 가공 조건인 시간 가공을 한다고 하는 것과 같이, 시계열화한 요소가 되는 가공 조건의 조합에 의하여 목적으로 하는 가공 형상을 얻는다. 본 수단에 있어서는 실제의 가공에 있어서도 간단한 가공 조건의 조합에 의하여 목적으로 하는 가공 형상을 얻을 수 있도록 할 수 있다. 또, 이 경우 반드시 하나의 요소가 되는 가공 조건을 한번에 적용할 필요는 없고, 복수 회 나누어서 적용하여도 좋다.

또, 본 발명에 있어서는 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합에 의해서 얻어지는 가공 조건이 각각의 요소가 되는 가공 조건을 부가하여 조합한 것이도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 각각의 요소가 되는 가공 조건을 부가하여 조합하여 단일의 가공 조건을 얻는다. 예컨대, 제i의 가공 조건을 g(i)만 실시했을 때에, 그 조합에 의하여 목표로 하는 가공 형상을 얻을 수 있다고 하는 결과를 얻을 수 있었다고 한다. 상기 제6의 수단에서는 g(i)를 시간으로서 배분함으로써 가공 조건의 시계열적인 배열을 얻었지만, 본 수단에 있어서는 이것을 공간적으로 배분한다.

예컨대, 제i의 가공 조건에 있어서는 피가공물의 위치(x)에서의 가공 시간(그 위치에 있어서의 공구의 존재 시간)이 t(x)였다고 하면,

피가공물의 위치(x)에서의 가공 시간이

가 되도록 공구의 요동 속도와 요동 횟수를 결정한다. 이와 같이 하면, 가공 장치의 제어는 복잡해지지만, 연속적인 가공에 의해 목적으로 하는 가공 형상을 얻을 수 있도록 할 수 있다. 또, 이 방법은 외관상 가공 조건을 심플하게 하여 장치 운용상 외란에 대해서도 강하다고 하는 특징을 갖는다.

또, 이 때, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합에 의해서 얻어지는 가공 조건이 상기 공구 또는 상기 피가공물의 요동 위치의 함수로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 상기 공구 또는 상기 피가공물의 요동 위치의 함수로서 나타내는 것에 의해 가공 장치의 제어를 용이하게 할 수 있다.

또, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합이 각각의 요소가 되는 가공 조건을 시계열적으로 조합한 것과, 각각의 요소가 되는 가공 조건을 가중치를 붙여 조합한 것의 조합으로 이루어지도록 하는 것이 보다 바람직하다.

즉, 전술한 2개의 바람직한 방법을 조합시켜 이용함으로써 양자의 특징을 활용하여 보다 정확히 가공 조건을 결정할 수 있다.

또, 상기 가공 형상 요소의 조합이 상기 소정의 형상에 가까워지는 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그 조합을 가공 조건으로서 가공을 하고, 실제의 가공 형상과 상기 소정의 형상과의 오차를 구하여, 그 오차를 보충하는 가 공 형상 요소의 조합을 상기 가공 형상 요소의 조합에 추가한 것을 새롭게 가공 조건으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하면, 결정된 가공 조건으로 실제로 가공하여 목표인 소정의 형상과 실제의 가공 형상의 오차를 구한다. 그리고, 그 오차분을 가공하도록 하는, 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그것을 원래의 가공 조건에 추가하여 새로운 가공 조건의 조합을 구한다. 이와 같이 피드백을 행하는 것에 의해 가공 조건의 예측의 오차를 수정하여 정확한 가공 조건을 결정할 수 있다. 또, 이러한 피드백을 반복 행하는 것에 의해 보다 정확한 가공 조건에 수렴시켜 가는 것도 가능하다.

또, 전술한 바와 같이 공구보다 피가공물이 큰 가공 장치에 있어서는 가공 조건이 복잡해져, 얻어지는 가공 형상의 예측이 보다 곤란해진다. 따라서, 본 발명을 이러한 가공 장치에 적용함으로써 보다 큰 효과를 얻을 수 있다.

제3의 발명은 공구와 피가공물과의 사이에 지립을 개재시킨 상태에서 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 가공 방법으로서, 가공 조건을 제2의 발명 또는 그 양호한 형태에 기초하여 결정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

제4의 발명은 공구와 피가공물과의 사이에 지립을 개재시킨 상태에서 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 가공 장치를 이용한 가공 시스템으로서, 가공 전의 상기 피가공물의 표면 형상과, 가공 후의 상기 피가공물의 목표 표면 형상을 입력하는 수단과, 제2의 발명 또는 그 양호한 형태에 의해 가공 조건을 결정하는 수단과, 결정된 가공 조건을 따르도록 상기 가 공 장치를 제어하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 있어서는 가공 전의 피가공물의 표면 형상과, 가공 후의 피가공물의 목표 표면 형상을 입력 수단에 의해 입력 가능하다. 가공 전의 피가공물의 표면 형상입력 수단은 표면 형상을 계측하여 자동 입력하는 것이라도 좋고, 상위 계산기로부터 입력되는 것이라도 좋고, 수동 입력하는 것이라도 좋다. 가공 후의 피가공물의 목표 표면 형상은 통상 수동 입력되거나, 상위 계산기로부터 주어진다. 이들의 입력이 행해지면 가공 조건을 결정하는 수단이 제2의 발명에 의한 가공 조건의 결정 방법을 알고리즘화 한 것을 사용하여, 자동적으로 가공 조건의 결정을 행한다. 이 때, 이 가공 조건을 결정하는 수단에는 피가공물의 종류, 이용하는 슬러리 등 변화하지 않는 가공 조건이 수동 입력되거나 상위 계산기로부터 주어지고 있다. 가공 장치를 제어하는 수단은 결정된 가공 조건을 따르도록 가공 장치를 제어한다.

제5의 발명은 제3 발명인 가공 방법, 또는 제4의 발명인 가공 시스템을 사용하여 웨이퍼를 가공하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법이다.

본 발명에 있어서는 조정을 위해 사용되는 웨이퍼의 수가 적어지기 때문에 수율이 향상되는 동시에, 가공 시간이 줄어들기 때문에 작업 처리량이 향상한다. 또한, 가공 정밀도가 향상하기 때문에 정밀한 웨이퍼를 제조할 수 있어, 노광 전사 프로세스에 있어서의 수율이 향상한다.

제6의 발명은 제2의 발명 또는 그 양호한 형태인 가공 조건의 결정 방법을 기술한 계산기 프로그램이다.

제7의 발명은 제6의 발명인 계산기 프로그램을 기억한 계산기 프로그램 기억 매체이다.

이들 제6의 발명, 제7의 발명을 이용하면 제2의 발명 또는 그 양호한 형태를, 계산기를 이용하여 행할 수 있어, 가공 조건을 신속히 결정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 일례인 연마 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 일례인 반도체 디바이스 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 제1의 요소 연마 조건으로 연마를 한 경우에 얻어진 연마 프로파일을 도시한 도면이다.(샘플 No.1, 스타트 위치 23 mm, 스트로크 15 mm)

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서의 제2의 요소 연마 조건으로 연마를 한 경우에 얻어진 연마 프로파일을 도시한 도면이다.(샘플 No.2, 스타트 위치 38 mm, 스트로크 15 mm)

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 제3의 요소 연마 조건으로 연마를 한 경우에 얻어진 연마 프로파일을 도시한 도면이다.(샘플 No.3, 스타트 위치 53 mm, 스트로크 15 mm)

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서의 제4의 요소 연마 조건으로 연마를 한 경우에 얻어진 연마 프로파일을 도시한 도면이다.(샘플 No.4, 스타트 위치 23 mm, 스트로크 30 mm)

도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 제5의 요소 연마 조건으로 연마를 한 경우에 얻어진 연마 프로파일을 도시한 도면이다.(샘플 No.5, 스타트 위치 38 mm, 스트로크 30 mm)

도 8은 본 발명의 실시예에 있어서의 제6의 요소 연마 조건으로 연마를 한 경우에 얻어진 연마 프로파일을 도시한 도면이다.(샘플 No.6, 스타트 위치 23 mm, 스트로크 45 mm)

도 9는 발명의 실시예의 일례인 연마 조건의 결정 방법을 이용하여 계산에 의해 요구한 연마 조건에 의해 연마를 한 경우의 예상 연마 프로파일의 예를 도시하는 도면이다.

도 10은 선택된 요소 연마 조건의 조합을 하나의 요동 패턴(오실레이션 패턴)으로 변환한 결과의 예를 도시하는 도면이다.

도 11은 반도체 프로세스에 있어서의 평탄화 기술의 예를 도시하는 도면이다.

도 12는 CMP에 이용하는 연마(평탄화) 장치의 개략 구성도이다.

도 13은 CMP에 이용하는 다른 연마(평탄화) 장치의 개략 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시예 중, 최량이라고 생각되는 것과 실시예에 관해서 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들 설명의 내용에 의해서 제한되는 것이 아니다.

이하의 실시예에 있어서는 연마 대상물(피가공물)인 웨이퍼의 연마(가공)를 웨이퍼보다 작은 직경의 연마체(공구)를 이용하여 행하는 것으로 하고, 간단화하기 위해, 조작하는 양으로서는 웨이퍼 상에서의 연마체의 요동의 개시 위치와 요동 스트로크만을 생각한다. 실제로 조작 가능한 양으로서는 이 외에 웨이퍼 및 연마체의 회전 속도, 연마체의 압박 압력, 요동 속도 등이 있다. 이들의 양을 조작하는 경우에 어떠한 수법을 취하면 좋은지는 이하에 설명하는 예를 고려하면 당업자가 용이하게 결정할 수 있을 것이다.

대상으로 하는 연마 장치로서는 연마체가 연마 대상물보다도 큰 도 12에 도시한 바와 같은 연마 장치뿐만 아니라, 연마체가 연마 대상물보다도 작은 도 13에 도시한 바와 같은 연마 장치를 사용할 수 있다. 본 발명은 특히 후자에 대하여 효과가 큰 것은 전술한 바와 같다.

지금, N개의 요소로 이루어지는 연마 조건을 생각하려고 한다. 즉, 웨이퍼 상의 위치를 x로 하고, 연마체의 중심 위치를 y로 한다. 연마 개시 위치의 y가 A(i)이며, 요동 스트로크가 B(i),(i=1∼N)인 N개의 요소 연마 조건을 설정하고, 그 조건으로 단위 시간 연마를 행했을 때의 웨이퍼의 연마량(가공량)이 f(x, i)였다고 한다. f(x, i)는 시뮬레이션에 의해 구할 수 있지만, 실측에 의한 쪽이 정확하기 때문에 바람직하다.

이와 같이 하여 각 연마 조건에 대응하는 연마량이 구해지면, 제i번째의 연마 조건으로 z_i 단위 시간 연마를 행했을 때의 연마량 F₁(x)는,

로 표시된다.

본 발명의 제1의 실시예는 연마 조건이 주어졌을 때 그것에 의하여 얻어지는 가공 형상(연마량에 대응함)을 예측하는 것이다. 이 실시예에 있어서는 연마 조건이 주어졌을 때 그것을 요소 연마 조건의 조합으로 분해한다. 그리고, 수학식 2에 의해 얻어지는 가공 형상을 계산한다.

본 발명의 제2의 실시예는 목적으로 하는 가공 형상이 주어졌을 때 그것을 실현하는 연마 조건을 결정하는 방법이다. 이 방법에 있어서도 x, f(x, i)는 전술한 바와 같이 정의한다.

목적으로 하는 가공 형상을 연마량으로 환산하여, x에 관해서 적분 가능한 함수 G(x)로 나타내거나 근사하는 것으로 한다. 그리고, f(x, i)도 각각 x에 관해서 적분이 가능한 함수이도록 나타내거나 근사한다. 그리고, c_i를 각 요소 연마 조건에 대한 가중치라고 하여,

가 최소가 되도록 c_i(i=1∼N)을 결정한다. 다만, 수학식 3의 적분 범위는 웨이퍼의 연마하여야 할 영역 범위로 한다. 이것은 최소 제곱법이며, 연립방정식

을 푸는 것에 의해 결정할 수 있다. 이 방정식이 해석적으로 풀리지 않는 경우는 수치 계산법에 의해 풀면 된다.

이와 같이 하여, c_i(i=1∼N)가 구해진 경우에는 제i번째의 연마 조건으로 c_i 단위 시간씩 연마를 행함으로써 원하는 가공 형상을 얻을 수 있다. 다만, N이 큰 값 일 때는 연마의 종류가 많아질 가능성이 있다. 이 때는, c_i의 값이 작은 것에 관해서, 그 조건에서는 연마를 하지 않도록 하여 원하는 가공 형상을 계산한다. 즉, 이러한 것에 관해서는 c_i=0으로 하여,

를 계산한다. 그리고 G(x)와 F₂(x)의 차가 허용치 이내이면 그 연마 조건의 조합을 채용하도록 한다. 이와 같이 하여 가공 조건을 단순화하는 것이 가능하다.

이상의 설명만으로서는 요소가 되는 연마 조건을 매우 많이 가져야 하는 것처럼 생각되지만, 실제로는 연마 대상물의 종류가 결정되면 하나의 연마 대상물에 대한 그 최종 표면 형상의 종류는 그만큼 많지 않고, 변화되는 것은 연마 전의 연 마 대상물의 형상이 주된 것이기 때문에, 연마 대상물과 최종 표면 형상의 종류마다 요소가 되는 연마 조건을 결정해 두고, 연마 전의 연마 대상물의 형상의 변화에 따라서 요소가 되는 연마 조건의 조합을 바꾸는 경우가 많다. 따라서, 연마 대상물과 최종 표면 형상의 종류마다의 요소가 되는 연마 조건은 그만큼 많이 필요하지 않고, 수종류라도 괜찮은 경우가 많다.

목적으로 하는 가공 형상(연마량)이나, 요소가 되는 연마 조건에서의 연마량(가공량) f(x, i)를 적분 가능한 형태의 함수로 나타낼 수 없는 경우에는, 통계적인 수법을 이용하여 요소가 되는 연마 조건의 조합을 구할 수 있다. 예컨대, x를 Δx를 단위로 한 이산적인 값을 취함으로써 f(x, i)의 값을 구해둔다. 그리고, c_i도 Δc_i를 단위로 한 이산적인 값을 취함으로써 이러한 조건 하에서 모든 x, i, c_i의 조합에 관해서 수학식 3에 대응하는

를 구한다. 최초의 시그마의 범위는 연마 대상이 되는 x의 범위로 한다.

그리고, S가 최소가 되는 c_i의 조합을 구하고, 그 후는 전술한 바와 같은 처리에 따라서 요소가 되는 연마 조건을 조합시킨다.

이와 같이 하면 계산 횟수가 많아진다. 이것이 문제가 되는 경우는, Δc_i를 단위로 하는 이산적인 c_i를 난수로서 발생시켜 G(x)와 상기 수학식 5에서 주어지는 F₂(x)를 Δx를 단위로 하는 이산적인 x마다 비교하여, 모든 x에 관해서 G(x)와 F₂(x)의 값이 허용치 이내에 들어가는 것이 발견된 경우는 그것을 c_i의 조합과 채용하도록 해도 좋다.

인간이 결정에 관여하는 경우는, G(x)와 f(x, i)의 형상을 비교하여 그 결과에 의해 c_i의 난수로서의 발생 확률을 결정하도록 해도 좋다.

이상의 연마 조건에 있어서는 모두 요소가 되는 연마 조건을 어느 정도의 시간 적용을 할 것인가를 문제로 하고 있다. 적용 시간이 결정되면, 이 적용 시간을 어떠한 시계열로 배분할 것인가라는 것은 자유롭게 결정할 수 있다. 예컨대, 제1의 요소가 되는 연마 조건을 3분간, 제2의 요소가 되는 연마 조건을 2분간 적용하는 경우에, 처음의 3분간 제1의 요소가 되는 연마 조건을 적용하고, 다음 2분간 제2의 요소가 되는 연마 조건을 적용해도 좋고, 제1→ 제2→ 제1→ 제2→ 제1과 같이, 1분 걸러서 제1의 요소가 되는 연마 조건과 제2의 요소가 되는 연마 조건을 적용하여도 좋다.

이상의 예에 있어서는 모두 요소가 되는 연마 조건을 그대로 적용하고 있지만, 이들 요소가 되는 연마 조건을 조합시킨 별도의 연마 조건에 의해 연마를 할 수 있다. 그 예에 관해서 이하에 설명한다.

이 경우도 처음에 적용하여야 할 요소가 되는 연마 조건의 조합하여 방법을 전술한 바와 같은 방법으로 결정한다. 그런데 각 요소가 되는 연마 조건은 전술한 바와 같이 웨이퍼 상에서의 연마체의 요동의 개시 위치와 요동 스트로크로 결정되기 때문에, 이제부터 웨이퍼 상의 각 위치에서의 연마체의 중심축의 존재 시간이 계산 가능하다. 즉, i번째의 요소가 되는 연마 조건은 연마체의 중심 위치 y가 어느 위치에 존재하는 시간이 q(y, i)인 것이라고 생각할 수 있다.

이와 같이 생각하면, 구한 연마 조건은 연마체의 중심축의 존재 시간 Q(y)이 상기 방법으로 구한 c_i를 사용하여

로 나타내는 것으로 생각된다. 따라서, 이 Q(y)가 실현되는 연마 방법을 생각하면 좋다. 구체적인 방법의 예로서는, 웨이퍼 상의 각 위치에서의 연마체 요동 속도를 바꾸는 것에 의해 1요동 시간 내에서 연마체의 중심축이 y에 존재하는 시간이 Q(y)에 비례하도록 한다. 즉, Q(y)가 큰 위치에서는 요동 속도를 느리게 하고, Q(y)가 작은 위치에서는 요동 속도를 느리게 함으로써, 이러한 것이 실현된다. 그리고, 필요 횟수 요동을 반복하는 것에 의해 Q(y)를 실현할 수 있다.

이와 같이 하여 연마 조건이 결정되면 이것에 따른 연마를 하는 것에 의해 목적으로 하는 가공 형상을 얻을 수 있다.

이와 같이, 목적으로 하는 가공 형상이 주어졌을 때에 그것을 실현하는 연마 조건을 결정하는 수단이 실현되면, 그것을 사용한 연마 시스템을 구축할 수 있다. 도 1에 그 예를 도시한다.

형상 입력 수단은 연마 전의 연마 대상물의 표면 형상과 목표 표면 형상을 입력한다. 목표 표면 형상은 수동 입력에 의해 주어지거나, 상위 계산기로부터 주어진다. 연마 전의 연마 대상물의 표면 형상은 측정 장치에 의해 측정된 값이 입력되거나, 수동 입력에 의해 주어지거나, 상위 계산기로부터 주어진다. 목표 표면 형상은 연마 대상물의 종류마다 주어진다. 연마 전의 연마 대상물의 표면 형상은 연마 대상물마다, 또는 그 로트마다 주어진다. 형상 입력 수단은 이들의 입력값을 연마 조건 결정 수단에 부여한다.

연마 조건 결정 수단에는 미리 요소가 되는 연마 조건과 그것에 의하여 얻어지는 가공 형상(연마량)의 관계가 피연마 대상물의 종류, 상기 피연마 대상물을 연마하는 데 공통으로 사용되는 연마 조건(불변인 연마 조건)과 함께 입력되어 있다. 연마 조건 결정 수단은 이들 조건에 기초하여 본 발명의 연마 조건의 결정 방법을 사용하여 연마 조건을 결정한다.

즉, 상기 요소가 되는 연마 조건을 시계열적으로 부여하거나, 상기 요소가 되는 연마 조건의 조합을 연마체의 요동 속도의 변화에 변환하여(이에 따라, 연마체의 중심축의 존재 시간을 제어함), 요동 위치에 대응하는 요동 속도를 결정한다.

연마 장치 제어 수단은 연마 조건 결정 수단에 의해서 결정된 연마 조건을 입력하여, 그것이 실현되도록 연마 장치를 제어한다.

본 발명의 연마 조건의 결정 방법은 전술한 바와 같은 알고리즘을 사용하면 계산기에 의해 실행할 수 있다. 이 경우, 연마 조건의 결정 방법은 계산기 프로그 램으로서 기술할 수 있다. 이 프로그램을 계산기 프로그램 기억 매체에 기억해 두면, 퍼스널 컴퓨터 등을 사용하여 연마 조건을 결정할 수 있기 때문에, 그것을 사용하여 인간이 연마 장치에 지령을 부여하여 목표로 하는 연마를 할 수 있다. 또, 도 1에 있어서의 연마 조건 결정 수단을 계산기로 구성할 수 있어, 그 때는 그 계산기의 프로그램 기억 매체에 이러한 프로그램을 기억시켜 둘 수 있다.

이하, 본 발명의 연마 방법을 사용한 반도체 디바이스의 제조 방법에 관해서 설명한다. 도 2는 반도체 디바이스 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 반도체 디바이스 제조 프로세스를 스타트하여, 우선 단계(S200)에서, 다음에 예를 드는 단계들(S201∼S204) 중에서 적절한 처리 공정을 선택한다. 선택에 따라서 단계들(S201∼S204) 중 어느 하나로 진행한다.

단계(S201) 웨이퍼의 표면을 산화시키는 산화 공정이다. 단계(S202)는 CVD 등에 의해 웨이퍼 표면에 절연막을 형성하는 CVD 공정이다. 단계(S203)는 웨이퍼 상에 전극을 증착 등의 공정으로 형성하는 전극 형성 공정이다. 단계(S204)는 웨이퍼에 이온을 주입하는 이온 주입 공정이다.

CVD 공정 또는 전극 형성 공정 다음에, 단계(S205)로 진행한다. 단계(S205)는 CMP 공정이다. CMP 공정에서는 본 발명에 의한 연마 장치에 의해 층간 절연막의 평탄화나, 반도체 디바이스의 표면의 금속막의 연마에 의한 다마신(damascene)의 형성 등이 행해진다.

CMP 공정 또는 산화 공정 다음에, 단계(S206)로 진행한다. 단계(S206)는 포토리소그래피 공정이다. 포토리소그래피 공정에서는 웨이퍼에 대한 레지스트의 도 포, 노광 장치를 이용한 노광에 의한 웨이퍼에 대한 회로 패턴의 베이킹, 노광한 웨이퍼의 현상이 행해진다. 특히 다음의 단계(S207)는 현상한 레지스트상 이외의 부분을 에칭에 의해 깎아, 그 후 레지스트 박리가 행해져, 에칭이 끝나 불필요해진 레지스트를 제거하는 에칭 공정이다.

다음에 단계(S208)에서 필요한 전공정을 완료했는 지를 판단하여, 완료하지 않고 있으면 단계(S200)로 되돌아가, 앞의 단계를 반복하여 웨이퍼 상에 회로 패턴이 형성된다. 단계(S208)에서 전공정을 완료했다고 판단하면 끝난다.

본 발명의 실시예인 반도체 디바이스의 제조 방법에서는 CMP 공정에서 본 발명에 의한 연마 방법을 이용하고 있기 때문에 목적으로 하는 표면 형상을 갖는 웨이퍼를 수율 좋게, 또한 단시간에 제조할 수 있다. 이에 따라, 종래의 반도체 디바이스 제조 방법에 비교해서 저비용으로 반도체 디바이스를 제조할 수 있다고 하는 효과가 있다.

(실시예 1)

웨이퍼보다도 연마 패드가 작은 연마 장치를 이용하여 Cu의 패턴을 내부에 갖는 직경이 200 mmφ 웨이퍼의 연마를 행하였다. 이 연마는 헤드 회전수 400 rpm, 웨이퍼 회전수 200 rpm, 연마 시간 60 sec, 슬러리 100 ml(RD98052, FUJIMI Corporated)이라는 조건으로, 외경 150 mmφ, 내경 50 mm의 원환형 연마 패드를 이용하여 행하였다. 웨이퍼는 막 두께 1.5 ㎛로, 초기 막 두께는 매우 균일한 것이다.

요동 조건(연마 개시 위치, 요동량)의 조합에 의하여 결정되는 다른 연마 조 건으로 6매의 웨이퍼의 연마를 행하여, 요소가 되는 연마 조건과 가공 형상의 관계를 6개 구하였다. 연마 시간은 6 개의 조건 모두 60초이다. 그 요동 조건과 얻어진 가공 형상(연마량)의 관계를 도 3∼도 8에 도시한다. 도 3∼도 8에 있어서 횡축은 웨이퍼 위치를 도시하고, 종축은 그 위치에서의 연마량을 도시한다. 도면의 간단한 설명의 란에는 샘플 No.(요소가 되는 연마 조건의 번호), 스타트(연마 개시 위치), 스트로크(요동량)를 도시한다.

타겟 연마량을 0.44 ㎛으로 하여, 가공 형상이 평평한 형상을 실현하는 조건을 이 6개의 요소가 되는 연마 조건의 조합에 의하여 구하였다. 구체적으로는, 우선 상기 6개의 요소가 되는 연마 조건 각각에 관하여 연마 시간 60초의 실제의 연마에서 얻어진 조건을 기초로 하여, 연마 시간을 3초, 6초, …, 57초의 3초 피치(실제의 가공 조건을 얻었을 때의 연마 시간인 60초의 5% 피치)로 했을 때에 얻어지는 가공 형상을 각각 구하였다. 이에 따라, 1개의 요소가 되는 연마 조건으로부터, 이상의 계산에 의해 얻어진 3초 피치의 연마 시간에 대응하는 가공 형상, 및 이것에 연마 시간이 0초인 연마 전의 초기 형상, 및 연마 시간이 60초일 때의 가공 형상을 가하여, 21개의 가중치가 붙여진 연마 조건과 그 때의 가공 형상을 얻을 수 있었다.

그 후, 상기 6개의 요소가 되는 연마 조건을 조합시켜 연마했을 때의 연마 시간의 총합이 60초가 되도록 각 요소가 되는 연마 조건에서의 연마 시간을, 각 요소가 되는 연마 조건마다 상기 21개 중에서 선택하여, 이들 연마 조건의 모든 조합(예컨대, 조건 1에서 9초, 조건 2에서 0초, 조건 3에서 18초, 조건 4에서 9초, 조건 5에서 9초, 조건 6에서 15초 연마를 한다고 하는 조합의 전부)으로 얻어지는 가공 형상을 구하여, 구한 가공 형상과 원하는 가공 형상과의 차의 제곱합이 최소가 되는 연마 조건의 조합을 발견하였다.

그 결과 조건 1에서 12초, 조건 3에서 12초, 조건 4에서 6초, 조건 6에서 30초의 연마를 행하면, 가공 형상이 평평하고 0.44 ㎛인 연마를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그 계산 결과에 의해서 얻어진 연마 프로파일을 도 9에 도시한다. 도 9에 있어서, 횡축은 웨이퍼상의 위치, 종축은 계산에 의해서 얻어진 예측 연마량이다. 타겟 연마량을 직선으로, 계산치를 흑삼각인으로 도시한다.

이 결과에 기초하여 각 조건에 의한 연마를 시계열적으로 행한 바, 타겟과 매우 일치한 가공 형상을 얻을 수 있었다. 이 균일성은 1σ에서 2.4%였다.

이 때에, 연마 조건을 결정하기 위해서 필요한 웨이퍼는 상기한 바와 같이 6매이며, 종래 기술과 비교해서 각별히 조건을 제시하기 위해 사용하는 웨이퍼를 적게 하는 것이 가능하였다. 일련의 작업의 시간에 있어서는 준비, 연마, 측정을 포함해서 1시간이었다.

(실시예 2)

실시예 1에서 조건으로서 선택한 4 개 조건의 조합을 연마 패드 중심의 존재 확률로부터 하나의 요동 패턴으로 변환하였다. 도 10에 그 결과를 도시한다. 도 10에 있어서, 횡축은 헤드 중심 좌표(웨이퍼 위치에 대응), 종축은 요동 속도를 가리킨다. △인은 계산치이며, 소정의 헤드 중심 좌표에 있어서 그것에 대응하는 요동 속도에 요동을 행하는 것을 나타낸다. 도 10의 패턴은 헤드 중심 좌표가 23 mm∼38 mm의 사이에서는 364 mm/min의 요동 속도로, 헤드 중심 좌표가 38 mm∼53 mm의 사이에서는 1092 mm/min의 요동 속도로, 헤드 중심 좌표가 53 mm∼68 mm의 사이에서는 401 mm/min의 요동 속도로 각각 요동을 하는 것을 나타낸다.

그 조건으로 연마한 결과, 7왕복의 요동으로 실시예 1과 거의 동일한 연마 결과를 얻을 수 있었다. 이 때의 균일성은 1σ에서 2.5%였다.

(실시예 3)

웨이퍼보다도 연마 패드가 작은 연마 장치를 이용하여 Cu의 패턴이 내부에 형성된 직경 200 mmφ의 웨이퍼의 연마를 행하였다. 이 실시예의 연마에서는 실시예 1과는 웨이퍼 로트가 다른 Cu 웨이퍼를 이용하였다. 이 로트의 웨이퍼는 웨이퍼의 막 두께가 웨이퍼 중심 부분에서 1.6 ㎛, 엣지 부분에서 1.45 ㎛인 볼록 형상의 웨이퍼이다.

이 볼록형의 막 두께 분포를 갖는 웨이퍼에 관해서, 타겟 잔존 막 두께를 0.9 ㎛로 하여, 가공 형상이 평평한 형상을 실현하는 조건을 실시예 1에서 사용한 6개의 요소가 되는 연마 조건의 조합에 의하여 구하였다. 시뮬레이션 방법은 실시예 1과 동일하다. 그 결과, 조건 1에서 24초, 조건 3에서 6초, 조건 4에서 30초의 연마를 하면 되는 것을 알 수 있었다. 이 조건으로 연마한 결과, 잔류막 두께가 0.9 ㎛로, 잔류막 균일성이 매우 높은 연마가 가능하였다. 잔류막의 균일성은 1σ에서 2.5%였다. 일련의 연마에 있어서는 시뮬레이션, 준비, 연마, 계측에 관한 시간은 20분이었다.

(실시예 4)

실시예 1에 있어서, 편평한 형상을 목표 형상으로서 연마한 것에 관계없이, 실제로 연마된 후의 형상은 도 9에 도시한 바와 같이 되었기 때문에, 웨이퍼 각 위치에서의 목표 형상으로부터의 어긋남을 계산하여, 실시예 1에서 도시한 6개의 연마 조건 요소를 조합시켜, 그 조합의 결과 얻어지는 연마 형상이 이 오차분에 해당하는 조합을 구하였다. 그리고, 그 조합을 실시예 1에 있어서 얻어진 조합에 가한 새로운 연마 조건 요소의 조합으로부터 실시예 2와 동일하게 연마 패드 중심의 존재 확률을 구하여, 그 존재 확률로부터 요동 속도를 구하였다.

그 결과, 헤드 중심 좌표가 23 mm∼38 mm의 사이에서는 414 mm/min의 요동 속도로, 헤드 중심 좌표가 38 mm∼53 mm의 사이에서는 1092 mm/min의 요동 속도로, 헤드 중심 좌표가 53 mm∼68 mm의 사이에서는 351 mm/min의 요동 속도로 각각 요동을 한다고 하는 조건을 얻을 수 있었다. 이 조건에서 7요동의 연마를 한 결과 균일성은 1σ에서 1.7%로 감소하였다.

(실시예 5)

실시예 3에 도시한 바와 같은 연마를 행하는 연마 조건을 결정할 때에, 실시예 1에서 사용한 6개의 연마 조건 요소를 각각 푸리에 변환하는 동시에, 잔류 막 두께를 0.9 ㎛로 한 경우의 웨이퍼의 각 부분에 있어서의 연마량을 구하여, 그 연마량도 푸리에 변환하였다. 그리고, 6개의 연마 조건 요소를 각각 푸리에 변환한 것에 가중치를 붙여 가산한 것이 연마량을 푸리에 변환한 것에 가장 가까워지도록 최소 2 승법을 이용하여 가중치를 결정하였다. 그 결과, 실시예 1에 있어서의 조건 1에서 25초, 조건 3에서 5초, 조건 4에서 30초간의 연마를 각각 행한다고 하는 가 공 조건을 얻을 수 있었다. 이 조건으로 연마를 한 결과, 잔류막 두께의 평균치는 0.9 ㎛이며, 잔류막 두께의 균일성은 1σ에서 2.0%였다. 이 연마에 의해 초기의 웨이퍼 두께 불균일을 충분히 수정할 수 있었다.

(비교예 1)

웨이퍼보다도 연마 패드가 작은 연마 장치를 이용하여, Cu의 패턴이 내부에 형성된 직경이 200 mmφ의 웨이퍼의 연마를 행하였다. 이 연마는 헤드 회전수 400 rpm, 웨이퍼 회전수 200 rpm, 연마 시간 60 sec, 슬러리 100 ml(RD98052, FUJIMI Corporated)라는 조건으로, 외경 150 mmφ, 내경 50 mmφ의 원환형 연마 패드를 이용하여 행하였다. 이것은 실시예 1과 동일한 조건이다. 웨이퍼의 초기 막 두께는 매우 균일성이 높은 것이었다. 이 웨이퍼를 이용하여 가공 형상이 평평한 형상을 실현하는 연마를 1단계의 연마로 실현하는 연마 조건을 시행 착오에 의해 결정하였다. 이 조건을 제시하기 위해서는 20 매의 웨이퍼가 필요했다. 조건의 결정을 위해 4시간이 필요했다.

(비교예 2)

웨이퍼보다도 연마 패드가 작은 것을 특징으로 하는 연마 장치를 이용하여, Cu의 패턴이 내부에 형성된 직경이 200 mmφ의 웨이퍼의 연마를 행하였다. 이 연마는 헤드 회전수 400 rpm, 웨이퍼 회전수 200 rpm, 연마 시간 60 sec, 슬러리 100 ml(RD98052, FUJIMI Corporated)라는 조건으로, 외경 150 mmφ, 내경 50 mmφ의 원환형 연마 패드를 이용하여 행하였다. 이것은 실시예 1과 동일한 조건이다.

이 때에 사용한 웨이퍼의 초기 막 두께는 중심 형상의 막 두께가 두꺼운 볼 록 형상인 것이었다. 이 웨이퍼를 이용하여 잔류막 두께가 균일한 연마를 실현하는 연마 조건을 시행 착오에 의해 결정하였다. 이 조건을 제시하기 위해서는 20매의 웨이퍼가 필요했다. 조건의 결정을 위해 6시간이 필요했다.

이상의 실시예 1, 실시예 2로부터도 알 수 있는 것처럼, 동일한 연마 대상물, 동일한 슬러리의 조건에 있어서는 대부분의 경우 가공하여야 할 형상이 변화되더라도 처음에 기본 조건으로서 준비한 요소가 되는 연마 조건을 공통으로 사용하여 시뮬레이션에 의해 그 조합을 결정하여, 실제의 연마 조건을 결정할 수 있다. 따라서, 새로운 가공 형상이 필요해진 경우에도 시행 착오에 의해 연마 조건을 그 때마다 결정할 필요가 없다.

한편, 비교예 1, 비교예 2로부터 알 수 있는 것처럼, 종래 방법에 있어서는 동일한 연마 대상물, 동일한 슬러리의 조건에 있어서도 웨이퍼에 의해서 가공 조건이 변할 때마다 그 연마 조건을 시행 착오에 의해서 결정해야 하고, 필요한 웨이퍼는 방대한 양이 되어, 비용적, 프로세스 운용적으로 매우 낭비가 많아지게 된다.

본 발명은 연마, 연삭 등의 기계 가공을 행할 때에, 가공 형상을 예측하거나 가공 조건을 결정하거나 실제로 가공을 하거나 하기 위해서 이용할 수 있다.

Claims (17)

1. 공구와 피가공물과의 사이에 지립(砥粒)을 개재시킨 상태에서 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 경우에 얻어지는 가공 형상을 예측하는 방법에 있어서,

   요소가 되는 가공 조건과 상기 가공 조건으로 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상 요소의 관계를 미리 구해두고, 소정의 가공 조건이 주어졌을 때, 상기 가공 조건을 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합으로 분해하여, 상기 조합에 의해서 얻어지는 가공 형상 요소의 합을 상기 소정의 가공 조건에 의해서 가공을 행했을 때에 얻어지는 예상 가공 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 형상의 예측 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가공 형상 요소를 푸리에 변환하여, 상기 조합에 의해서 구하는 가공 형상 요소의 합을 상기 조합에 대한 푸리에 변환된 함수의 합으로서 구하여, 그것을 역푸리에 변환함으로써 예상 가공 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 형상의 예측 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공구보다 상기 피가공물이 큰 것을 특징으로 하는 가공 형상의 예측 방법.
4. 공구와 피가공물과의 사이에 지립을 개재시킨 상태로, 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 가공 장치에 있어서,

   상기 피가공물을 소정의 형상으로 가공하는 가공 조건을 결정하는 방법으로서, 요소가 되는 가공 조건과 상기 가공 조건으로 가공을 행했을 때에 얻어지는 가공 형상 요소의 관계를 미리 구해두고, 상기 가공 형상 요소의 조합이 상기 소정의 형상에 가까워지는, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그 조합을 가공 조건으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 가공 형상 요소를 푸리에 변환하는 동시에, 상기 소정의 형상을 푸리에 변환하여, 가공 형상 요소의 푸리에 변환치의 조합이 상기 소정의 형상의 푸리에 변환치에 가까워지는, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그 조합을 가공 조건으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합이 각각의 요소가 되는 가공 조건을 시계열적으로 조합한 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합에 의해서 얻어지는 가공 조건은 각각의 요소가 되는 가공 조건에 가중치를 붙여 조합한 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합에 의해서 얻어지는 가공 조건이 상기 공구 또는 상기 피가공물의 요동 위치의 함수로 되어 있는 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
9. 제4항에 있어서, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합이 각각의 요소가 되는 가공 조건을 시계열적으로 조합한 것과, 각각의 요소가 되는 가공 조건에 가중치를 붙여 조합한 것과의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
10. 제4항에 있어서, 상기 가공 형상 요소의 조합이 상기 소정의 형상에 가까워지는, 상기 요소가 되는 가공 조건의 조합을 구하여, 그 조합을 가공 조건으로서 가공을 하여, 실제의 가공 형상과 상기 소정의 형상과의 오차를 구하고, 그 오차를 보충하는 가공 형상 요소의 조합을 상기 가공 형상 요소의 조합에 추가된 것을 새롭게 가공 조건으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
11. 제4항에 있어서, 상기 공구보다 상기 피가공물이 큰 것을 특징으로 하는 가공 조건의 결정 방법.
12. 공구와 피가공물과의 사이에 지립을 개재시킨 상태로, 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 방법에 있어서,

    가공 조건을 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재한 가공 조건의 결정 방법에 의해서 결정하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
13. 공구와 피가공물과의 사이에 지립을 개재시킨 상태로, 상기 공구와 상기 피가공물을 상대 이동시킴으로써 상기 피가공물을 가공하는 가공 장치를 이용한 가공 시스템에 있어서,

    가공 전의 상기 피가공물의 표면 형상과,

    가공 후의 상기 피가공물의 목표 표면 형상을 입력하는 수단과,

    제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재한 가공 조건의 결정 방법에 의해 가공 조건을 결정하는 수단과,

    결정된 가공 조건을 따르도록 상기 가공 장치를 제어하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 가공 시스템.
14. 제12항에 기재한 가공 방법을 사용하여 웨이퍼를 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.
15. 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재한 가공 조건의 결정 방법을 기술한 계산기 프로그램을 기록한 계산기 판독 가능한 기록 매체.
16. 삭제
17. 제13항에 기재한 가공 시스템을 사용하여 웨이퍼를 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.

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