JP2001009699A

JP2001009699A - 平面研磨装置

Info

Publication number: JP2001009699A
Application number: JP18991699A
Authority: JP
Inventors: Kiichi Yoshino; 喜一吉野; Naohiro Furuyama; 尚宏古山; Nobuhiro Nagamoto; 信裕永元; Uichi Sato; 右一佐藤; Masanari Mihashi; 眞成三橋
Original assignee: NEC Corp; Nichiden Machinery Ltd
Current assignee: NEC Corp; Canon Machinery Inc
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2001-01-16
Also published as: KR20010015184A; KR100351695B1; TW480204B; CN1279506A

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェーハを平坦に、かつ所望量研磨すること
ができる平面研磨装置を提供する。【解決手段】数種類の材料が積層されたウェーハ１０
の研磨の際中に、プラテン１１に設けられた単数の光透
過窓ＷＴを介して。ウェーハ１０の研磨面からの反射光
量を、光検出器２９で常時、また複数個の光透過窓Ｗｎ
がウェーハ１０の下面を通過中には複数個の光学式セン
サＳｎでそれぞれ検出する。それら光量に基づいて、ヘ
ッド部１４内部に環状領域毎に設けられた複数個の加圧
室の押圧力を制御し、環状領域毎にウェーハ１０を押付
ける力を適当に設定しながら研磨する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は平面研磨装置に係
り、特に半導体ウェーハ（以後ウェーハと呼ぶ）の表面
を平坦かつ鏡面に研磨する平面研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積が進むに
つれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くな
っている。その中のウェーハの製造プロセスの１例を、
図１１に示すウェーハの断面図を用いて説明する。

【０００３】エッチング等により溝加工が施された下地
シリコン１の表面に、バリアメタル層２（例えばＴａ
Ｎ）と配線材料層３（例えばＣｕ）を順次スパッタリン
グ等で積層した（図１１（ａ））後、配線材料層３を溝
内にだけ残すように除去することで、溝内に残った配線
材料層３が回路の配線となり、ウェーハ上に狭ピッチの
配線を形成させる（図１１（ｂ））ものである。この
時、各配線は電気抵抗を大きく違えないように、それら
断面積を均一にしなければならず、深さを均一にし、配
線部４表面（研磨面）のだれの発生（ディッシング）を
抑える必要がある。（図１２（ａ）参照）

【０００４】上述したウェーハ表面上のバリアメタル層
２と配線材料層３を除去する方法として、研磨が用いら
れる。従来、この種の平面研磨装置は、各々独立した回
転数で回転するプラテンとヘッド部とを有し、ヘッド部
が一定の圧力をプラテンに与え、プラテン上のスラリー
を含んだ研磨パッドとヘッド部との間にウェーハを挟み
込んで、該ウェーハを保持しながら研磨パッドとウェー
ハの間にスラリーを介在させて一定時間研磨していた。

【０００５】上述した平面研磨装置の性能として、研磨
後のウェーハの高精度な平坦度のみならず、ウェーハ表
面上のバリアメタル層２と配線材料層３のみを除去し、
配線材料層３が埋め込まれた溝は一定深さで残さなけれ
ばならないため、研磨量自体も高精度で制御できること
が要求される。

【０００６】その中で、ウェーハの平坦度を向上させる
ために、研磨時に半導体ウェーハを保持する保持面、す
なわちヘッド部の下端面、および半導体ウェーハに接す
る研磨パッドの接触面、ひいてはプラテンの研磨パッド
の貼り付け面に高精度な平坦度を有するものが用いられ
てきたり、半導体ウェーハの研磨面上の押圧力の分布を
調整する工夫がなされてきた。

【０００７】また、前述した研磨面上の押圧力の分布を
調整する工夫の一つとして、図１３に示すごとくヘッド
部の構造がある。ヘッド部内部に各々独立した２個の環
状の空気室を持ち、それら空気室からはウェーハ保持面
に開口孔５が複数個あけられる構造である。これは、ウ
ェーハが研磨される際、ウェーハ中心部に研磨液が入り
難いために、ウェーハ中心部の研磨量が少なくなるのを
防止するためのものである。研磨中に中心部の空気室に
は、周縁部の空気室と比較して高い圧力の圧縮空気を供
給することで、上記不具合を防いでいる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構造のヘッド部を用いてウェーハを研磨して、研磨後
のウェーハの平坦度は改善されたとしても、その研磨量
の制御はできず、積層された配線材料層３の厚みもウェ
ーハ間及び前の製造工程におけるロット間でばらつくこ
ともあり、場合によって配線材料層３が厚く積層されて
いれば、或る条件で一定時間研磨するだけでは、配線材
料層３もしくはバリアメタル層２が除去されないままウ
ェーハ表面に残ってしまい、ウェーハ表面に配線パター
ンが形成されないという問題点があった。

【０００９】また、逆に配線材料層３もしくはバリアメ
タル層２が除去されないままウェーハ表面に残ってしま
うことを嫌って、長時間研磨を施すと、バリアメタル層
２が除去された後下地シリコン１と配線部４表面を長時
間研磨し続けることになり、この結果、シリコンより研
磨され易いＣｕからなる配線部４表面がだれてしまい
（ディッシング）、各配線の電気抵抗をばらつかせるこ
ととなった。（図１２（ａ）参照）

【００１０】さらに、上述した構造のヘッド部を用いて
或る条件で一定時間ウェーハを研磨しても、各空気室に
供給する圧縮空気の圧力の適正値は、これまでに行われ
た何度かの研磨結果から経験的に予測して設定せざるを
得ず、まさに現在研磨中のウェーハに対する適性値をリ
アルタイムに決めたり、変更していくことは不可能であ
った。このため、往々にして研磨後のウェーハ表面は平
坦とならず、ウェーハ周縁部が多目に研磨され、周縁部
の配線溝深さが内周部に比べて浅くなってしまい（シン
ニング）、これまた各配線の電気抵抗をばらつかせるこ
ととなっていた。（図１２（ｂ）参照）

【００１１】そこで、本発明は上述した問題点を解決す
べくなされたもので、ウェーハを平坦に、かつ所望量研
磨ができる平面研磨装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明は、上面に研磨パッドが貼り付けられたプ
ラテンと、その上方にヘッド部とを有し、前記プラテン
とヘッド部との間に研磨対象物を挟んで所定の押圧を加
えながら前記プラテンとヘッド部が回転し、前記研磨パ
ッドと研磨対象物の間にスラリーを介在させて研磨対象
物を研磨し、前記ヘッド部が研磨対象物を保持する面
に、加圧流体が噴出可能で、前記ヘッド部に分割された
複数の同心状の環状の領域に複数の開口孔を設け、前記
領域毎に加圧流体を供給可能とし、前記プラテンには上
面に貼り付けられた研磨パッドとともに貫通する単数の
光透過窓を有し、前記光透過窓には光の透過型材料がは
め込まれ、前記プラテンの下面には、前記単数の光透過
窓の周辺とプラテンの回転中心とに反射ミラーが取り付
けられ、前記プラテンの回転中心の下面に取り付けられ
た反射ミラーの下方には光源と光検出器とを配する平面
研磨装置において、前記光源から発せられた光が前記２
個の反射ミラーを介して前記単数の光透過窓を通して研
磨対象物に投光され、研磨対象物からの反射光となり前
述の同経路で戻る光を受光する前記光検出器の受光量に
応じて、前記領域毎に加圧流体の圧力がそれぞれ変更で
きる制御部を有することを特徴としたものである。

【００１３】また、本発明は、上面に研磨パッドが貼り
付けられたプラテンと、その上方にヘッド部とを有し、
前記プラテンとヘッド部との間に研磨対象物を挟んで所
定の押圧を加えながら前記プラテンとヘッド部が回転
し、前記研磨パッドと研磨対象物の間にスラリーを介在
させて研磨対象物を研磨し、前記ヘッド部が研磨対象物
を保持する面に、加圧流体が噴出可能で、前記ヘッド部
に分割された複数の同心状の環状の領域に複数の開口孔
を設け、前記領域毎に加圧流体を供給可能とした平面研
磨装置において、前記プラテンには上面に貼り付けられ
た研磨パッドとともに貫通する複数個の光透過窓を有
し、前記複数個の光透過窓には光の透過型材料が各々は
め込まれ、前記プラテンの下方に複数個の光学式センサ
が配されたことを特徴とする。

【００１４】ここで、前記複数個の光学式センサは、そ
れらがその上に配置された同心円となる線分の中点に研
磨対象物の中心を重ねて置いた場合、いずれの光学式セ
ンサも研磨対象物からはみ出すことのない範囲に等間隔
で設けられ、前記ヘッド部の回転中心を通る前記プラテ
ンの同心円を下方に平行移動した線上に配される。一
方、前記複数個の光透過窓は、前記光学式センサと同数
個あって、全ての光透過窓が前記全ての光学式センサの
直上に合致する位置関係を有している。

【００１５】なお、前記光学式センサより研磨対象物に
投光され研磨対象物からの反射光となる光を前記光学式
センサで受光し、その受光量に応じて、前記領域毎に加
圧流体の圧力がそれぞれ変更できるもので、研磨中、前
記プラテンの回転に伴って、前記複数個の各光透過窓が
前記複数個の各光学式センサの直上を通過した時に得ら
れる研磨対象物からの反射受光量を前記複数個の光学式
センサが全て記憶し、研磨対象物が通過中に、前記複数
個の光透過窓の個数と同じ回数前記各光学式センサが得
た反射受光量を、前記記憶された反射受光量の中から異
常値を除いた値の総和の平均値とすることを特徴として
いる。

【００１６】さらに、本発明は、上述した２種類の構成
及び制御部を併せ持っており、プラテン上面に貼り付け
られた研磨パッドとともに貫通する単数の光透過窓は、
同じくプラテン上に設けられた複数個の光透過窓がその
上に配置された前記プラテンの同心円上の線分の中点か
ら前記プラテンの回転中心を通過する線分上で、前記回
転中心を通過した位置に配置される。

【００１７】この結果、研磨中、前記プラテンの回転に
伴って前記２つの制御を順次行い、前記プラテンが１回
転する間に合計２回、前記領域毎に加圧流体の圧力がそ
れぞれ変更できることを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】本発明の平面研磨装置は上述した構成であり、
まず、プラテン上には、研磨パッドとともに貫通する単
数の光透過窓を有しており、プラテンの下面には、前記
光透過窓の周辺とプラテンの回転中心とに反射ミラーが
取り付けられ、プラテンの回転中心の下面に取り付けら
れた反射ミラーの下方には光源と光検出器とを配置して
いる。

【００１９】先の反射ミラーは両者ともプラテンの下面
に取り付けられており、プラテンの回転にかかわらず常
に、光源から発せられた光がハーフミラー及び２個の反
射ミラーを介して単数の光透過窓を通過し、また光透過
窓の上に反射物があった場合はそれに反射した光が先に
述べた同経路を逆に戻って、光検出器に入ることができ
る配置となっている。

【００２０】つまり、ウェーハを研磨をする最中におい
て、プラテンの回転に伴って光透過窓がウェーハの下を
一定時間通過する間、光検出器はウェーハ研磨面からの
反射光を取り込むことができる。なお、光透過窓には光
の透過型材料がはめ込まれており、光は通過するがスラ
リーは光透過窓から漏れ出ないため、漏れ出たスラリー
が反射ミラーの反射面を汚すなどの不具合は発生しな
い。

【００２１】ここで、光透過窓がプラテンの回転に伴っ
てウェーハの下を通過する間に、光検出器はウェーハか
らの反射光を連続的に取り込むことが可能である。勿論
取り込む個所を、ウェーハ上の異なったいくつかの同心
円になるような複数個所とすることもできる。

【００２２】光検出器の受光量は、ウェーハ研磨面の素
材及びその上に積層された材料毎に異なり、それに伴っ
て光検出器が発生する出力電圧もしくは出力電流が異な
る。即ち、ウェーハの一端から多端まで連続的に、研磨
されているウェーハの研磨面の材料を知ることができ
る。また、ウェーハはそれ自体回転しながら研磨される
ため、回転中にその周速が同じである同心円上において
は同等の研磨スピードで研磨され、研磨面の状態（材
料）は同心円毎に異なるといってよい。

【００２３】従って、先に光検出器が受光した、ウェー
ハの一端から多端に渡る反射量を基に、ヘッド部に分割
された複数の同心上の環状の領域対して、研磨状態に合
った加圧流体を個別の圧力で供給すれば、研磨対象物を
平坦に、かつ所望量研磨することができる。

【００２４】次に、本発明の平面研磨装置は、上述の光
学・制御手段の他に以下の別な光学・制御手段を併せ持
つ。ヘッド部の下方でプラテンの直下に複数個の光学式
センサが配置され、同時にそれらはいずれの光学式セン
サもウェーハからはみ出すことのない範囲に等間隔で設
けられ、またヘッド部の回転中心を通るプラテンの同心
円を下方に平行移動した線上に配置される。また、プラ
テン上には、研磨パッドとともに貫通する光学式センサ
と同数個の光透過窓を有しており、それらの光透過窓
は、全ての光透過窓が前記全ての光学式センサの直上に
合致する位置関係になっている。

【００２５】ここで、複数個の光透過窓がプラテンの回
転に伴ってウェーハの下を通過する間に、各光学式セン
サは、光透過窓の個数と同じ回数ウェーハ研磨面からの
反射光を受光する。つまり各光学式センサについては、
ウェーハ研磨面の或る同じ同心円上から、複数回の反射
光を受光する。また、光学式センサの設置された位置に
より先の同心円の大きさは異なり、結果的に、ウェーハ
研磨面における複数の同心円に対して、各々複数回反射
光を受光することになる。

【００２６】なお、本発明の制御部は、先に得た反射受
光量を記憶し、各光学式センサ毎にその平均値とする
が、その際は得られた受光量の中の異常値を除くことが
できる。即ち、ウェーハ研磨面の或る同心円からの反射
受光量を、複数回取り込んだ反射光の中から異常値を除
いた受光量の総和の平均値としている。

【００２７】このように、最初に述べた、プラテンに設
けられた単数の光透過窓と光検出器による光学・制御手
段の場合と同様に、今回も、各光学式センサ毎の反射受
光量に基づいて、ヘッド部に分割された複数の同心上の
環状の領域対して、研磨状態に合った加圧流体を個別の
圧力で供給すれば、研磨対象物を平坦に、かつ所望量研
磨することができる。

【００２８】またこれらに加えて、本発明の制御部は上
の２つの光学・制御手段を併せ持っており、それらが個
々に有する、プラテン上の単数の光透過窓と複数個の光
透過窓は、以下の位置関係で配置される。複数個の光透
過窓がその上に配置されたプラテンの同心円上の線分の
中点からプラテンの回転中心を通過する線分上で、その
回転中心を通過した位置に、プラテン上面に貼り付けら
れた研磨パッドとともに貫通する単数の光透過窓が配置
されている。つまり、プラテン上の単数の光透過窓と複
数個の光透過窓は、プラテンの回転中心を挟んで１８０
度対向した位置にある訳である。

【００２９】この結果原理的には、研磨中に、プラテン
の回転に伴って上の２つの制御を順次行い、プラテンが
１回転する間に合計２回、ヘッド部に分割された複数の
同心上の環状の領域に対して、それら領域毎に加圧流体
の圧力がそれぞれ設定できることになる。もちろん実際
には、上記加圧流体の圧力設定をプラテンの１回転毎に
行わずして、定期的に行ってもよい。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下添付図面にしたがって、本発
明に係る平面研磨装置の好ましい形態について詳説す
る。図１は、本発明の基本概念を示す平面研磨装置の構
成図であり、研磨パッド１３とともに貫通するプラテン
１１に単数の光透過窓ＷＴと複数個の光透過窓Ｗｎが設
けられた部分、それにプラテン主軸１２の一部が断面図
で表わされている。

【００３１】プラテン１１に設けられた全ての光透過窓
には石英板ＣＤがはめ込まれ、研磨パッド１３に設けら
れた全ての光透過窓には半透明のポリウレタンゴム板Ｃ
Ｕがはめ込まれており、ポリウレタンゴム板ＣＵの上面
は研磨パッドの上面と同一以下となっており、研磨中に
ポリウレタンゴム板ＣＵは容易にウェーハ研磨面に当た
らない位置関係を保っている。

【００３２】まず第１の光学手段を成す、光源２８から
光検出器２９に至る光路に関して説明すると、プラテン
１１の下面には、単数の光透過窓ＷＴの周囲に反射ミラ
ー２６とプラテン１１の回転中心に反射ミラー２７とが
取り付けられており、反射ミラー２７の下方には、プラ
テン主軸１２の内部に光源２８と光検出器２９及びハー
フミラー３０とが固定配置されている。それらは、光源
２８から発せられた光がハーフミラー３０及び２個の反
射ミラー２６，２７を介して単数の光透過窓ＷＴを通過
し、また光透過窓の上に反射物があった場合はそれに反
射した光が先に述べた同経路を逆に戻って、光検出器２
９に入ることができる配置となっている。（なお図１で
は分かりやすいように、光源２８から発せられた光が単
数の光透過窓ＷＴを通過する光路だけではなく、光透過
窓ＷＴの上に反射物がないにもかかわらず、反射物から
光検出器２９に戻る光路も同時に描かれている。）

【００３３】なお２個の反射ミラー２６，２７は、プラ
テン１１の回転にかかわらず、光透過窓ＷＴの上に反射
物があれば、常に、光源２８から発せられた光がハーフ
ミラー３０に戻るよう配置されており、両反射ミラーを
結ぶ光路及びハーフミラー３０から光検出器２９に入る
光路については、プラテン主軸１２に適当な光透過孔３
１が設けられており、この光透過孔３１が上記光路の一
部となる。

【００３４】次に第２の光学手段として、複数個の光学
式センサＳｎがプラテン１１の直下に配置されており、
その配置は、図２（ａ）に示すように、ヘッド部１４
（ウェーハ）の回転中心を通るプラテン１１の同心円上
にあって、同時にそれらはいずれの光学式センサＳｎも
ウェーハからはみ出すことのない範囲に等間隔で設けら
れている。また光透過窓の個数は５個であり、両端のＳ
１とＳ５はウェーハの周縁部に位置し、その一つずつ内
側のＳ２とＳ４はウェーハの中程部分に位置し、Ｓ３は
ウェーハの中心部に位置している。

【００３５】また、プラテン１１に設けられた複数個の
光透過窓Ｗｎは、前の光学式センサＳｎと同じ同心円上
に設けられ、なおかつ等間隔であり、それらの光透過窓
は、全ての光透過窓が前記全ての光学式センサＳｎの直
上に合致する位置関係になっている。合致した状態が図
３（ｃ）に示されており、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
の状態に複数個の光透過窓Ｗｎがある時に、それぞれの
光学式センサＳｎはウェーハ研磨面からの反射光を受光
する。ここで図１に戻るが、光学式センサＳｎは自ら投
光ならびに受光の両機能を持ち合わせており、自ら投光
してウェーハ研磨面で反射した光を受光するものであ
る。

【００３６】ところで、第１の光学手段に用いられる単
数の光透過窓ＷＴと、第２の光学手段に用いられる複数
個の光透過窓Ｗｎとの位置関係は、図２（ａ）、図３，
図４（ｂ）に示すように、それらがその上に位置する同
心円の大きさが多少異なっている。これは、プラテン１
１下面に取り付けられた反射ミラー２６が、プラテン１
１の回転に伴って回転するために、プラテン１１下方に
設置された光学式センサＳｎと衝突するのを避けるため
であって、例えば両者の衝突を避けるために光学式セン
サＳｎをより下方に配置して光学式センサＳｎの受光が
可能であれば、両光学手段用に設けられた光透過窓は同
一な同心円上にあってもさしつかえない。

【００３７】さらに、両光学手段用に設けられた光透過
窓は、図２（ａ）、図３、図４（ｂ）に示すようにプラ
テン１１上、プラテン１１の回転中心を挟んで１８０度
対向した位置に設けられている。また、両光学手段の光
検出器２９及び光学式センサが得た受光量に伴って発生
する出力電圧もしくは出力電流は、制御部で記憶・処理
される。

【００３８】なお、両光学手段の光検出器２９及び光学
式センサで受光をするタイミングに関して言及すれば、
プラテン１１にタイミング発生用のセンサを取り付け
て、そのセンサの入力信号をトリガーとしても良いし、
プラテン主軸回転モータのエンコーダ信号をトリガーと
しても良い。または、プラテン１１下面の反射率はウェ
ーハ研磨面の反射率に比べて格段に低いために、常時受
光しながら、受光量にあるしきい値を設定し、そのしき
い値を越えた時をトリガーとして、ウェーハ研磨面から
の反射光としても良い。

【００３９】一方ヘッド部１４に関しては、図５、６を
用いて説明する。図５はヘッド部１４の内部構造を部分
断面で表わす側面図であり、図６は図５のＡ−Ａ’断面
に沿った横断面を表わす平面図である。ウェーハ保持面
には複数の開口孔１８，１９，２０があり、それらの開
口孔１８，１９，２０はそれぞれ、ウェーハの中心部、
中程部分それに周縁部の別々に同心上の環状の領域に当
たる個所に設けられる。ここで、中心部に開けられた複
数の開口孔１８はヘッド部１４内部の中心部用空気室Ｃ
Ｂ０につながり、一方中程部分に開けられた複数の開口
孔１９は中程部分用空気室ＣＢ１につながり、また周縁
部に開けられた複数の開口孔２０はヘッド部１４内部の
周縁部用空気室ＣＢ２につながっている。前記独立した
空気室ＣＢ０〜ＣＢ２に対しては、図１に示すように、
それぞれ別のエアー回路０〜２からＰ０〜Ｐ２なる圧力
のエアーが供給される。

【００４０】従って、プラテン１１とヘッド部１４との
間に挟まれて研磨されるウェーハ１０に対しては、ウェ
ーハ１０の中心部においてはＦ０（＝Ｐ０×ＣＢ０に設
けられた開口孔１８の総断面積）なる押圧力が、ウェー
ハの中程部分においてはＦ１（＝Ｐ１×ＣＢ１に設けら
れた開口孔１９の総断面積）なる押圧力が、またウェー
ハ１０の周縁部においてはＦ２（＝Ｐ２×ＣＢ２に設け
られた開口孔２０の総断面積）なる押圧力が加わる。こ
こで、先に延べた第１の光学手段に用いられる、光学式
センサのＳ３は上記Ｆ０なる押圧力が加わる下方に、Ｓ
２とＳ４は上記Ｆ１なる押圧力が加わる下方に、またＳ
１とＳ５については上記Ｆ２なる押圧力が加わる下方に
それぞれ位置している。

【００４１】供給される高圧エアーについては、図１に
示すように、個々のエアー回路に設けられた、電気的に
エアー圧力を調整が可能な精密レギュレータＲ０、Ｒ
１、Ｒ２を介して、前記各空気室に供給される。また、
前記精密レギュレータＲ０、Ｒ１、Ｒ２は、前記制御部
４０によりそれらのエアー圧力を設定できる。同時に、
前に述べた２つの光学手段、光検出器２９及び光学式セ
ンサＳｎの受光量に応じて発生する出力電圧もしくは出
力電流に基づいて、エアー圧力を設定することができ
る。

【００４２】なお、光検出器２９及び光学式センサＳｎ
の受光量、即ちウェーハ研磨面の反射光量は、研磨面の
表面材料により異なる。ウェーハ最外郭に積層された配
線材料層３を形成する主な材料Ｃｕの反射光はオレンジ
色を呈しており、それからの反射光量は大きい。一つ内
層のバリアメタル層２は主に材料ＴａＮで構成され研磨
面は灰色を呈しており、反射光量は配線材料層３より小
さくなる。また下地シリコンになると、研磨面は一般的
に紫色を呈し、それからの反射光量は一層小さくなる。
その様子を図８にイメージで示す。

【００４３】なおヘッド部１４は、図５に示すように、
上部固定部１６と下部回転部１５とに大きく分けられ
る。上部固定部１６は、その周囲に前記各空気室にエア
ーを供給するためのエアー導入口１７が設けられ、その
円筒状の内部にはめ込まれた下部回転部１５はその内部
に前記エアー導入口１７から各空気室につながるエアー
配管２５を有する。同時に、図示しないが上方に設置さ
れた回転モータにつながられた下部回転部１５は、振れ
ることなく回転可能なように、また前記エアー導入口１
７から各空気室に至るエアー回路が回転研磨中に途切れ
ることがないように、前記円筒状の摺りあわせ部にＯリ
ングを有する構造となっている。また、上部固定部１６
は、内部にはめ込まれた前記下部回転部１５ともども上
下動が可能なように構成されている。

【００４４】また、上面に研磨パッドが貼り付けられた
プラテン１１は、プラテン主軸１２と一体構造で、図示
はしないが、モータにつなげられたプラテン主軸１２を
回転させることにより回転し、同時に回転中上面の振れ
を極力抑えた精密研磨を可能にする軸受等の構造を有す
るものである。

【００４５】

【実施例１】次に図９を用いて、ウェーハを平坦にかつ
一定量研磨するに際して、ウェーハ研磨面の研磨状態
（研磨が進行するに伴ってウェーハ周縁部がテーパ状に
ダレが発生した場合）に応じた、パッド部からウェーハ
中心部、中程部分及び周縁部に加える押圧力それぞれＦ
０〜Ｆ２の基本的な設定の仕方を説明する。

【００４６】まず研磨初期状態の図９（ａ）において
は、ウェーハ各部分にＦ０＝Ｆ１＝Ｆ２なる関係の均一
な押圧力を加えながら研磨をする。この時、光検出器２
９と全ての光学式センサが受光するのは、両者ともウェ
ーハ最外郭に積層された配線材料層３の反射光である。

【００４７】研磨を続けると図９（ｂ）に示すように、
ウェーハ周縁部がテーパ状にダレが発生し、周縁部では
ウェーハ最外郭に積層された配線材料層３が除去されて
全面にバリアメタル層２が露出しているが、中心部では
まだ配線材料層３が全面に残っており、中程部分におい
てはところどころバリアメタル層２が露出し始める。こ
の時、第１の光学手段では、図３（ａ）及び図４（ｂ）
に示す状態、即ち、単数の光透過窓ＷＴがウェーハの下
を通過する間に、ウェーハ研磨面からの反射光を受光す
る。その受光量は、図４（ａ）のごとく、反射率の高い
配線材料層３が残る中心部で最も高く、バリアメタル層
２が露出している周縁部では低いなだらかなカーブとな
る。つまり、ウェーハの一端から多端まで連続的に、研
磨されているウェーハの研磨面の反射強度を知ることが
できる。

【００４８】一方この時、第２の光学手段では、図３
（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、複数個の光透過窓Ｗ
ｎが順次ウェーハの下を通過する間に、各光学式センサ
で各光透過窓に対して反射量が計測される。その計測結
果のイメージが、図２（ｂ）である。センサ３はウェー
ハの中心部に、Ｓ２とＳ４はウェーハの中程部分に、Ｓ
１とＳ５はウェーハの周縁部に配置されるため、各セン
サが受光する反射量は、先の第１の光学手段で得たのと
同様に、中心部で最も高く周縁部では低いものとなる。
また、図２（ｂ）の中には、異常値が３個所記録されて
いる。しかし制御部４０では、各センサ毎に、異常値を
除いた受光量の平均値を各センサの受光量とするため、
受光量は図７に示す通りとなる。即ち、ウェーハ周縁部
がテーパ状にダレが発生していることがわかる。

【００４９】そこで次には、図９（ｃ）に示すごとく、
ウェーハ中心部を周縁部より多く研磨させるように、ウ
ェーハの各部分にかける押圧力Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２を、Ｆ
０＞Ｆ１＞Ｆ２となるように設定しながら研磨を続ける
ことにより、ウェーハ周縁部は研磨を滞らせ、中心部の
配線材料層３を研磨していき、ウェーハ周縁部及び中心
部両方の研磨面に、配線材料層３とバリアメタル層２が
混在する程度にする。この時、各部分にかける押圧力を
イメージしたものが図７である。

【００５０】最後の仕上は、図９（ｄ）のように、ウェ
ーハ中心部と中程部分及び周縁部にかける押圧力Ｆ０、
Ｆ１、Ｆ２を、Ｆ０＝Ｆ１＝Ｆ２の関係に戻して一定時
間研磨を続け、ウェーハ研磨面に残ったバリアメタル層
２を完全に除去する。するとウェーハ研磨面は、下地シ
リコン１の中に、配線パターンを形成する配線材料層３
が部分的に残った状態になる。この時、図で説明はしな
いが、ウェーハ研磨面は全体に前に述べた構成材料特有
の反射強度を有する。また、この過程では、図９（ｃ）
の時点でウェーハ研磨面を平坦にした後一定時間研磨す
るため、研磨時間を適当に設定すれば、ウェーハ内の配
線パターンの深さも均一にでき、研磨され易い配線部４
表面だけがだれる（ディッシング、図１２（ａ）参照）
こともない。

【００５１】以上ウェーハを研磨する時の、押圧力Ｆ０
〜Ｆ２の基本的な設定の仕方について述べたが、ここ
で、押圧力Ｆ０〜Ｆ２を変化させるタイミングに関し
て、以下のことを付記する。実施例１で述べたように、
プラテンが１回転する間に合計２回２つの光学手段から
ウェーハ研磨面の構成材料を知り、それにより押圧力Ｆ
０〜Ｆ２を制御することができる訳だが、それだけ頻繁
（例えばプラテン回転数が６０ｒｐｍの場合、１秒／回
転）に制御しなくても、充分平坦にかつ所望量の研磨が
できる場合も往々にして考えられる。その場合、次の方
法を採ればよい。

【００５２】ウェーハの研磨面全体が配線材料層の間
は、押圧力をＦ０＝Ｆ１＝Ｆ２として研磨を続ける。次
に、研磨面の一部分がバリアメタル層に変化しても、そ
のままの押圧力Ｆ０＝Ｆ１＝Ｆ２で、更に一定時間研磨
を続ける。一定時間経過後研磨面全体がバリアメタル層
に変化していれば、更にその後も押圧力Ｆ０＝Ｆ１＝Ｆ
２の状態で研磨を続行する。もし、一定時間経過後も、
研磨面の状態が変化せず、今そのバリアメタル層である
部分がウェーハ中心部であったとすると、押圧力の設定
をＦ０＜Ｆ１＜Ｆ２として更に一定時間研磨を行う。

【００５３】そこで、一定時間経過後研磨面全体がバリ
アメタル層に変化していれば、押圧力をＦ０＝Ｆ１＝Ｆ
２に戻して研磨を続ければよい。逆に、研磨面の状態に
まだ変化がないと、押圧力の設定をＦ０＜Ｆ１＜Ｆ２の
まま、もしくは３者間により多くの差を設けたＦ０＜＜
Ｆ１＜＜Ｆ２なる設定で研磨を行う。これを繰り返し
て、ウェーハの研磨面全体がバリアメタル層に変化した
ところで、押圧力をＦ０＝Ｆ１＝Ｆ２に戻して研磨を続
ける。

【００５４】なお、一定時間とは、厳密に決定されるも
のではないが、ウェーハの研磨の場合、例えば５秒〜１
０秒程度が妥当であろう。つまり、許される範囲内で、
一定時間毎に研磨面の構成材料を知って、それに基づい
て各押圧力Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２を変化させるか、また場合
によっては変化させずとも、ウェーハを充分平坦にかつ
所望量の研磨ができる訳である。

【００５５】なおこれまで、本発明の平面研磨装置を用
いた研磨の方法を説明したが、研磨パッドが貼り付けら
れたプラテンの表面は、定期的（例えば１回／１ウェー
ハの研磨後）に洗浄もしくは交換されるのが望ましい。
それは主に、光学式センサからウェーハ研磨面に投光さ
れる光やウェーハ研磨面からの反射光の光路となる、研
磨パッドにはめ込まれたポリウレタンゴム板上にスラリ
ーが付着してしまうのを防止するためである。また、プ
ラテンの下面は、例えば艶消しされた黒色状とし反射光
の光量を低く抑えて、ウェーハの研磨面からの反射光の
光量と明確な差を設けておくことも考慮に入れるとよ
い。

【００５６】

【実施例２】引き続き、図１０を用いて、異なった構造
を有する下部回転部１５を用いた平面研磨装置の例を述
べる。図１０は、部分断面で示す下部回転部１５の側面
図である。これは外枠５２に固定されていないフローテ
ィング部５０をエアーバッグ５５で下方に押し付ける方
式であって、フローティング部５０には実施例１で説明
したと同様に、複数の空気室が設けられている。以下に
構造と機能を説明する。

【００５７】概要として、外枠５２の下側が円筒状にく
り貫かれ、その中にエアーバッグ５５とフローティング
部５０が順次収納されたものである。フローティング部
５０の周囲にはピン５１が複数個設けられ、外枠５２は
それらピン５１が挿入されるばか穴を有する。また、図
１０のごとくフローティング部５０が外枠５２内にはめ
込まれた時、フローティング部５０は外周方向及び上下
方向に多少移動でき、またその下面が任意の方向に多少
傾くことも可能な状態である。従って、外枠５２が上下
動もしくは回転すると、ピン５１がばか穴に引っかけら
れて、フローティング部５０も上下動もしくは回転動作
をする。なお、フローティング部５０は、金属もしくは
セラミック等剛性の高い材質で、その下面は平坦で、下
面と研磨パッドの間にウェーハ１０を挟んでウェーハ１
０を研磨するものである。

【００５８】また、空気室に至るフローティング部５０
内部のエアー配管は、フレキシブルチューブ５３を介し
て外枠５２内部のエアー配管に繋がっており、詳細な図
示は省略するが、空気室ＣＢ０〜ＣＢ２に対してＰ０〜
Ｐ２の圧力の高圧エアーがそれぞれ供給される。ここ
で、フレキシブルチューブ５３は、上述したごとく、フ
ローティング部５０が外枠５２内にはめ込まれた時、フ
ローティング部５０が外周方向及び上下方向に多少移動
したり、その下面が任意の方向に多少傾くに十分な柔軟
性を持っている。

【００５９】次に、その原形は上面が開放された円筒状
を呈したエアーバッグ５５は、上の開口端が折り返され
全周に渡って、外枠５２の円筒状にくり貫かれた底面
に、バッグ取付け板５７で密着されている。なお、ねじ
５８を複数箇所締め付けることで、エアーバッグ５５は
密着され、高圧エアーＰＡが供給されると、高圧エアー
ＰＡは漏れることなく密閉室５６に充満する。かくし
て、エアーバッグ５５は、その底面がフローティング部
５０の上面に面接触し、接触面前面に渡って常に一定の
押圧力を加える。

【００６０】従って、本構成の下部回転部１５であれ
ば、フローティング部５０はその下面は常に研磨パッド
の上面に容易に習いながら、下面でウェーハ１０を挟み
ながら回転し、ウェーハ１０を研磨することが可能であ
る。本来ウェーハ１０を平坦に研磨するためには、例え
ば図１を引用するならば、ヘッド部１４の下面（ウェー
ハ１０押圧面）とプラテン１１の上面は平行であること
が理想である。しかし、それらを平行に保って装置を組
立てることは困難を極め、仮に許される範囲内に組立て
られても、研磨中に研磨パッド１３が多少のうねりを生
じてくると、ヘッド部１４の下面を研磨パッド１３の上
面と平行関係を維持するのは不可能に近い。本構成はこ
の問題を解決してくれる。

【００６１】更に図１０に示す下部回転部１５において
は、上述したエアーバッグのみならず、実施例１以前で
詳述したごとく、フローティング部５０の内部には別々
の同心上の環状の領域に複数個の空気室ＣＢ０〜ＣＢ２
が設けられ、それら空気室からはフローティング部５０
の下面にそれぞれ複数の開口孔１８〜２０が貫通してい
る。また、上記空気室ＣＢ０〜ＣＢ２にはそれぞれ別の
エアー回路からＰ０〜Ｐ２なる圧力のエアーが供給され
る。なおそれらエアーは、実施例１以前で詳述したと同
様、図示はしないが、装置が有する２つの光学手段とそ
れらが得たデータを基に、適当な圧力として各空気室に
供給される。

【００６２】即ち、本構成の下部回転部１５を有する平
面研磨装置であれば、フローティング部５０の下面が常
に研磨パッドの上面に習いながらウェーハ１０を研磨で
き、かつ研磨中には、プラテンの回転に伴って２つの光
学手段に係る２つの制御を順次行い、プラテンが１回転
する間に合計２回、ヘッド部に分割された複数の同心上
の環状の領域対して、それら領域毎に加圧流体の圧力が
それぞれ設定できるため、より平坦度の高いウェーハ１
０の研磨が可能になるとともに、研磨量をより精密に制
御することも可能となる。

【００６３】なお、これまでの実施例では、研磨中のウ
ェーハに対して個別に押圧力を設定できる環状の領域
を、ウェーハ中心部と中程部分及び周縁部の３つとした
が、領域をもっと増やして、各領域毎に光学式センサ、
高圧エアーの精密レギュレータを配することで、より細
分化された領域毎に押圧力を設定することは可能であ
る。

【００６４】それに、第２の光学手段を構成する光学式
センサの数を５個としたが、これは研磨パッドの光透過
窓にはめ込むポリウレタンゴム板部分は研磨に寄与せ
ず、多すぎると研磨能力の低下を招くことを懸念したこ
とによるが、光学式センサの数を更に増やし、また同時
にヘッド部に分割された複数の同心上の環状の領域も増
やせば、より細分化した加圧制御が可能になる。

【００６５】また、実施例は押圧力を高圧エアーを用い
て発生させているが、使用する高圧流体は高圧エアーに
止まらず、高圧Ｎ２ガスまたは気体に限らず高圧の液体
でもよい。ところで、使用する高圧流体に高圧の液体を
選択した場合次の機能を持たせることは多少困難であろ
うが、研磨中のウェーハに対して個別に押圧力を設定で
きる環状の領域のウェーハ保持面に開けられた複数の開
口孔を、押圧力を加えるのみならず、図示はしないが高
圧エアーの供給回路を真空回路に電磁弁等を用いて切り
替えることで、逆に真空吸引用の孔としてヘッド部にウ
ェーハを吸引して研磨パッド上に搬送する機能を持たせ
ることも可能である。

【００６６】更に付け加えると、本実施例は一つのヘッ
ド部だけを有するシステムであったが、同様の構造を有
する複数のヘッド部を配置することも可能である。この
場合、新たにヘッド部が配されるプラテンの下方に第１
の光学手段である複数個の光学式センサを設置すればよ
く、それらが反射光を受光するタイミングを新たに設定
するだけで、本実施例で使用された複数個の光透過窓を
そのまま用いることができ、プラテンに新たに光透過窓
を設ける必要はない。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の平面研磨装
置によれば、数種類の材料が積層される研磨対象物の研
磨に際し、２種類の光学手段を用いて、その研磨中プラ
テンが１回転する間に交互に合計２回、研磨対象物研磨
面に残された材料が何かを研磨対象物の複数の環状領域
毎に知ることができ、またそれら複数の環状領域毎に研
磨パッドが研磨対象物を押し付ける力を設定することが
できるため、研磨面の材料変化に迅速に対応した研磨が
でき、研磨面をテーパ状とせず平坦な面に、かつ所望量
研磨をすることができる。これは、プラテンを低速回転
で研磨する場合に一層効果を発揮する。

【００６８】また上の効果は、ウェーハが大型化すると
更に顕著となり、大型ウェーハに対しても研磨面を平坦
にかつ所望量研磨でき、研磨後のウェーハ表面に設けら
れた配線パターンは、それら溝深さが均一となり、各配
線抵抗が一定の高品質な研磨対象物の研磨が可能とな
る。従って今後の大型ウェーハに対して、良品率の向上
に大いに貢献する。

【００６９】さらに２種類の光学手段の一つは、研磨面
の同一部に対する情報を、複数回の情報を取り込んだ中
での異常値を除いた平均値とするために、より正確な研
磨面の状態が把握できる。このことも大型ウェーハの良
品率向上につながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念を示す平面研磨装置の構成
図。

【図２】（ａ）複数個の光学式センサの配置を部分断
面で表わす、研磨パッドの平面図。（ｂ）複数個の各光学式センサが、各光透過窓から得る
受光量のイメージ図。

【図３】研磨パッドの回転に伴う、光透過窓とウェー
ハ研磨位置との関係を表わす斜視図。

【図４】（ａ）単数の光透過窓がウェーハの下を通過
中に、光検出器が得る受光量を示す図。（ｂ）単数の光透過窓がウェーハの下に入った時の、研
磨パッドの平面図。

【図５】本発明のヘッド部の内部構造を部分断面で表
わす側面図。

【図６】本発明のヘッド部の内部構造を示すＡ−Ａ’
線に沿った横断面図。

【図７】複数個の光学式センサがある条件で得た受光
量の平均値を表わすイメージ図と、センサ配置部分にか
ける押圧力をイメージしたヘッド部の部分断面図。

【図８】ウェーハ構成材料の違いによる反射率の違い
を表わすイメージ図。

【図９】本発明の平面研磨装置を用いて研磨される過
程のウェーハの断面図。

【図１０】本発明の別な実施例で、ヘッド部の下部回
転部の内部構造を部分断面で表わす側面図。

【図１１】ウェーハの製造プロセスを表わす、ウェー
ハの断面図。

【図１２】不具合な研磨面の状態を表わす、ウェーハ
の断面図。

【図１３】内部に環状の空気室を持った従来のヘッド
部を表わす、側面図及び断面図。

【符号の説明】

１０ウェーハ１１プラテン１２プラテン主軸１３研磨パッド１４ヘッド部１５下部回転部１６上部固定部１７エアー導入口１８ＣＢ０用開口孔１９ＣＢ１用開口孔２０ＣＢ２用開口孔２５エアー配管２６、２７反射ミラー２８光源２９光検出器３０ハーフミラー３１光透過孔４０制御部５０フローティング部５１ピン５２外枠５３フレキシブルチューブ５５エアーバッグ５６密閉室５７バッグ取付け板５８ねじＳｎ光学式センサＷＴ単数の光透過窓Ｗｎ複数個の光透過窓ＣＤ石英板ＣＵポリウレタンゴム板ＣＢ０中心部用空気室ＣＢ１中程部分用空気室ＣＢ２周縁部用空気室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永元信裕滋賀県大津市晴嵐２丁目９番１号ニチデン機械株式会社内 (72)発明者佐藤右一東京都港区芝５丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者三橋眞成東京都港区芝５丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 3C034 AA13 AA17 BB93 CA02 CA22 CB04 DD10 3C058 AA07 AA09 AA12 AC02 AC04 BA01 BA02 BA07 BA09 BA14 BB01 BB04 BB09 CB01 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上面に研磨パッドが貼り付けられたプラテ
ンと、その上方にヘッド部とを有し、前記プラテンとヘ
ッド部との間に研磨対象物を挟んで所定の押圧を加えな
がら前記プラテンとヘッド部が回転し、前記研磨パッド
と研磨対象物の間にスラリーを介在させて研磨対象物を
研磨し、前記ヘッド部が研磨対象物を保持する面に、加
圧流体が噴出可能で、前記ヘッド部に分割された複数の
同心状の環状の領域に複数の開口孔を設け、前記領域毎
に加圧流体を供給可能とし、前記プラテンには上面に貼
り付けられた研磨パッドとともに貫通する単数の光透過
窓を有し、前記光透過窓には光の透過型材料がはめ込ま
れ、前記プラテンの下面には、前記単数の光透過窓の周
辺とプラテンの回転中心とに反射ミラーが取り付けら
れ、前記プラテンの回転中心の下面に取り付けられた反
射ミラーの下方には光源と光検出器とを配する平面研磨
装置において、前記光源から発せられた光が前記２個の
反射ミラーを介して前記単数の光透過窓を通して研磨対
象物に投光され、研磨対象物からの反射光となり前述の
同経路で戻る光を受光する前記光検出器の受光量に応じ
て、前記領域毎に加圧流体の圧力がそれぞれ変更できる
制御部を有することを特徴とする平面研磨装置。
【請求項２】研磨中、前記単数の光透過窓が前記プラテ
ンの回転に伴って研磨対象物の下を通過する間に、前記
光検出器が連続的に受光する研磨対象物からの反射光を
受光した前記光検出器の受光量に応じて、前記領域毎に
加圧流体の圧力がそれぞれ変更できる制御部を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の平面研磨装置。
【請求項３】上面に研磨パッドが貼り付けられたプラテ
ンと、その上方にヘッド部とを有し、前記プラテンとヘ
ッド部との間に研磨対象物を挟んで所定の押圧を加えな
がら前記プラテンとヘッド部が回転し、前記研磨パッド
と研磨対象物の間にスラリーを介在させて研磨対象物を
研磨し、前記ヘッド部が研磨対象物を保持する面に、加
圧流体が噴出可能で、前記ヘッド部に分割された複数の
同心状の環状の領域に複数の開口孔を設け、前記領域毎
に加圧流体を供給可能とした平面研磨装置において、前
記プラテンには上面に貼り付けられた研磨パッドととも
に貫通する複数個の光透過窓を有し、前記複数個の光透
過窓には光の透過型材料が各々はめ込まれ、前記プラテ
ンの下方に複数個の光学式センサが配されたことを特徴
とする平面研磨装置。
【請求項４】前記複数個の光学式センサは、前記ヘッド
部の回転中心を通る前記プラテンの同心円を下方に平行
移動した線上に配され、前記複数個の光透過窓は、前記
光学式センサと同数個あって、全ての光透過窓が前記全
ての光学式センサの直上に合致する位置関係を有するこ
とを特徴とする請求項３に記載の平面研磨装置。
【請求項５】前記複数個の光学式センサは、それらがそ
の上に配置された同心円となる線分の中点に研磨対象物
の中心を重ねて置いた場合いずれの光学式センサも研磨
対象物からはみ出すことのない範囲に等間隔で設けられ
たことを特徴とする請求項４に記載の平面研磨装置。
【請求項６】前記光学式センサより研磨対象物に投光さ
れ研磨対象物からの反射光となる光を前記光学式センサ
で受光し、その受光量に応じて、前記領域毎に加圧流体
の圧力がそれぞれ変更できる制御部を有することを特徴
とする請求項５に記載の平面研磨装置。
【請求項７】研磨中、前記プラテンの回転に伴って、前
記複数個の各光透過窓が前記複数個の各光学式センサの
直上を通過した時に得られる研磨対象物からの反射受光
量を前記複数個の光学式センサが全て記憶し、研磨対象
物が通過中に、前記複数個の光透過窓の個数と同じ回数
前記各光学式センサが得た反射受光量を、前記記憶され
た反射受光量の中から異常値を除いた値の総和の平均値
とすることを特徴とする請求項６に記載の平面研磨装
置。
【請求項８】請求項５に記載の平面研磨装置において、
前記プラテンには、前記複数個の光透過窓がその上に配
置された前記プラテンの同心円上の線分の中点から前記
プラテンの回転中心を通過する線分上で、前記回転中心
を通過した位置に、前記プラテン上面に貼り付けられた
研磨パッドとともに貫通する単数の光透過窓を有し、前
記プラテンの下面には、前記単数の光透過窓の周辺とプ
ラテンの回転中心とに反射ミラーが取り付けられ、前記
プラテンの回転中心の下面に取り付けられた反射ミラー
の下方には光源と光検出器とを配したことを特徴とする
平面研磨装置。
【請求項９】請求項８に記載の平面研磨装置において、
前記複数の光学式センサに対しては請求項６に記載され
る制御部を、前記光検出器に対しては請求項２に記載さ
れる制御部を併せ持ち、研磨中、前記プラテンの回転に
伴って前記２つの制御を順次行い、前記プラテンが１回
転する間に合計２回、前記領域毎に加圧流体の圧力がそ
れぞれ変更できることを特徴とする平面研磨装置。