JP2001071261A - 超平坦化・高精度制御研磨装置および超平坦化・高精度制御研磨方法 - Google Patents

超平坦化・高精度制御研磨装置および超平坦化・高精度制御研磨方法

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JP2001071261A
JP2001071261A JP2000105494A JP2000105494A JP2001071261A JP 2001071261 A JP2001071261 A JP 2001071261A JP 2000105494 A JP2000105494 A JP 2000105494A JP 2000105494 A JP2000105494 A JP 2000105494A JP 2001071261 A JP2001071261 A JP 2001071261A
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mechanical polishing
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隆之 大場
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細構造物もしくは光学構造物の段差もしく
は欠陥を伴う構造表面の平坦化の処理、または微細構造
物もしくは光学構造物の積層構造の任意界面までの化学
的機械的研磨の処理を高速かつ高均一に実行できる超平
坦化・高精度制御研磨装置および超平坦化・高精度制御
研磨方法を得る。 【解決手段】 被研磨構造体である微細構造物や光学構
造物の上下および被研磨構造体である微細構造物や光学
構造物と接触する位置に設置した少なくとも１つ以上の
弾性波検出素子により研磨過程で生じる弾性波をモニタ
ーし、化学的機械的研磨終点および均一化学的機械的研
磨となる化学的機械的研磨条件を設定し、段差もしくは
欠陥を伴う構造表面の平坦化および積層構造の任意界面
までの化学的機械的研磨を行うように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、超平坦化・高精
度制御研磨技術に係り、特に半導体素子やマイクロマシ
ンなどの微細構造物もしくはフッ化カルシウム（ＣａＦ
2）などの光学材料を材料とする光学構造物の段差もし
くは欠陥を伴う構造表面の平坦化の処理、またはこのよ
うな微細構造物もしくは光学構造物の積層構造の任意界
面までの化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）の処理を高速
かつ高均一に実行できる超平坦化・高精度制御研磨装置
および超平坦化・高精度制御研磨方法に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】図８は従来の一般的な化学的機械研磨装
置の動作説明図である。図８を参照すると、従来の一般
的な化学的機械研磨装置（従来技術）は、半導体素子や
マイクロマシンなどの微細構造物もしくはフッ化カルシ
ウム（ＣａＦ2）などの光学材料を材料とする光学構造
物の平坦化および任意境界までの化学的機械的研磨（Ｃ
ＭＰ）を行う装置であって、ヘッド８３に装着されたシ
リコンウェハー８５の研磨表面を任意加重８６でパッド
８２に接触させた状態で、砥粒が混在する薬液８４をテ
ーブル８１上に所定量流しながらヘッド８３を自転させ
ると同時にテーブル８１を公転させて任意の化学的機械
的研磨を実行していた。
【０００３】工業的および機能的観点から、半導体素子
やマイクロマシンなどの微細構造物もしくはフッ化カル
シウム（ＣａＦ2）などの光学材料を材料とする光学構
造物の微細化は著しく、近年ミクロン（μｍ：１００万
分の１メートル）オーダからナノメータ（ｎｍ：１０億
分の１メートル）オーダの設計ルールが適用され始めて
いる。例えば、半導体素子に関しては、ザ・ナショナル
・テクノロジ・ロードマップ・フォー・セミコンダクタ
ーズ・テクノロジ・ニーズ、１９９７年度版、ＳＩＡ発
行（Ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｅｅｄｓ， ＳＩＡ，
１９９７ ｅｄｉｔｉｏｎ）にこのような化学的機械
的研磨技術が紹介されている。
【０００４】図９は半導体の層間絶縁膜の平坦化のため
の研磨過程を示す素子断面図、図１０は半導体の金属膜
を化学的機械的研磨および平坦化して埋め込み配線を作
成する処理過程を示す素子断面図である。前述したよう
に、ミクロンオーダからナノメータオーダの設計ルール
が適用される半導体素子では配線が高密度となり、図９
に示すように、シリコン基板９４上の酸化シリコン膜９
３上に積層されたアルミニウム配線９１を埋め込むよう
に形成されている酸化シリコン膜９２に対して化学的機
械的研磨（ＣＭＰ）を実行し、図９に示すような平坦化
（図中でＰｏｌｉｓｈｅｄ−ｏｆｆと表記）を行う技術
が要求されている。同様に、ミクロンオーダからナノメ
ータオーダの設計ルールが適用される半導体素子では配
線が高密度となり、図１０に示すようなＴｉＮ／Ｔｉ膜
１０１とタングステンＣＶＤ膜１０２（化学的気相成長
薄膜形成で作成された薄膜）でできた配線に対して化学
的機械的研磨（ＣＭＰ）を利用してシリコン基板１０４
上の酸化シリコン膜１０３への埋め込み配線を形成する
ために、超平坦化や高速研磨の技術が求められている。
【０００５】同様にマイクロマシンでは、上記半導体素
子に求められる技術要求に加えてさらに高い設計精度の
加工技術が要求されている。また光学材料でも同様に、
結晶方位面また結晶欠陥に対する原子レベルの精度の加
工技術が要求されている。
【０００６】このような技術背景を踏まえて従来の平坦
化処理では、化学的機械的研磨後の状態から算出した化
学的機械的研磨時間（ＣＭＰ時間）、または「その場」
観察に基づく膜厚測定の測定値から算出した化学的機械
的研磨時間を用いていた。一方、従来の金属埋め込みで
は、化学的機械的研磨過程で例えば金属から絶縁膜研磨
に変わる際に発生する摩擦力変化や振動変化を図８に示
すような化学的機械的研磨装置のヘッド８３やテーブル
８１のテーブル軸の回転歪み変化としてモニターして生
成した化学的機械的研磨時間を用いていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術には以下に掲げる問題点があった。まず第１の問題点
は、製品に寄与しないシリコンウェハー８５が消費さ
れ、同時に生産にとりかかるまで時間が浪費されること
である。その理由は、パッド８２の交換や薬液８４の交
換を行うとこれに伴って化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ
速度）が変化してしまい、化学的機械的研磨速度（ＣＭ
Ｐ速度）の安定化を図り設定研磨量を知るためには、実
際に化学的機械的研磨を繰り返してそのときの化学的機
械的研磨状態を確認し、確認結果の化学的機械的研磨の
処理へのフィードバックを所望の状態となるまで継続す
る作業工程が必要となるためである。そして、第２の問
題点は、微細な研磨変化や基板面内での研磨分布が発生
しても、これらをその場で補正することが難しく、化学
的機械的研磨の精度の低下を招くことである。その理由
は、化学的機械的研磨状態を知るために参照する回転歪
みの原信号はヘッド８３やテーブル８１を介在して伝達
されるため、回転歪みの原信号が平均化また変形（具体
的には、平均化）されて検出箇所で観測されるからであ
る。
【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、微細構造物もしくは光学構造物
の段差もしくは欠陥を伴う構造表面の平坦化の処理、ま
たは微細構造物もしくは光学構造物の積層構造の任意界
面までの化学的機械的研磨の処理を高速かつ高均一に実
行できる超平坦化・高精度制御研磨装置および超平坦化
・高精度制御研磨方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１にかかる超平坦
化・高精度制御研磨装置は、被研磨構造体と接触する位
置に配設された２つ以上の弾性波検出素子と、当該被研
磨構造体の化学的機械的研磨の過程で化学的機械的研磨
破壊に起因して発生する弾性波を当該２つ以上の弾性波
検出素子を用いてモニターする手段と、当該２つ以上の
弾性波検出素子のモニターに基づき当該化学的機械的研
磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条件を設定して当
該被研磨構造体の構造表面の平坦化の処理を実行する手
段とを有することを特徴とするものである。
【００１０】請求項２にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、積層構造の被研磨構造体と接触する位置に配
設された２つ以上の弾性波検出素子と、当該被研磨構造
体の化学的機械的研磨の過程で化学的機械的研磨破壊に
起因して発生する弾性波を当該２つ以上の弾性波検出素
子を用いてモニターする手段と、当該２つ以上の弾性波
検出素子のモニターに基づき当該化学的機械的研磨の終
点を設定して積層構造の任意界面までの化学的機械的研
磨の処理を実行する手段とを有することを特徴とするも
のである。
【００１１】請求項３にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、積層構造の被研磨構造体と接触する位置に配
設された２つ以上の弾性波検出素子と、当該被研磨構造
体の化学的機械的研磨の過程で化学的機械的研磨破壊に
起因して発生する弾性波を当該２つ以上の弾性波検出素
子を用いてモニターする手段と、当該２つ以上の弾性波
検出素子のモニターに基づき当該化学的機械的研磨が均
一研磨となる化学的機械的研磨条件および当該化学的機
械的研磨の終点を設定して当該被研磨構造体の平坦化の
処理を実行するとともに、当該積層構造の任意界面まで
の化学的機械的研磨の処理を実行する手段とを有するこ
とを特徴とするものである。
【００１２】請求項４にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のものにお
いて、化学的機械的研磨箇所から発生した弾性波である
ＡＥ波を検出する前記弾性波検出素子としての第１のプ
ローブおよび第２のプローブを有することを特徴とする
ものである。
【００１３】請求項５にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、請求項４に記載のものにおいて、化学的機械
的研磨箇所から発生した前記ＡＥ波を前記第１のプロー
ブおよび前記第２のプローブでそれぞれ観測し、前記第
１のプローブおよび前記第２のプローブで観測された前
記ＡＥ波の固有スペクトルを解析して当該化学的機械的
研磨に起因して発生する破壊における事象規模および／
または事象形態を判別するように構成されていることを
特徴とするものである。
【００１４】請求項６にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、請求項４または５に記載のものにおいて、前
記被研磨構造体が構造が一様な固体である場合、前記第
１のプローブおよび前記第２のプローブのそれぞれを用
いて事象の発生時刻から遅延時間をそれぞれ計測すると
ともに、当該遅延時間を基に当該事象の発生箇所を同定
するように構成されていることを特徴とするものであ
る。
【００１５】請求項７にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、請求項４乃至６のいずれかに記載のものにお
いて、前記第１のプローブおよび前記第２のプローブの
それぞれが、前記ＡＥ波を受信して電気信号に変換する
圧電素子を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】請求項８にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、被研磨構造体と接触する位置に配設された
（当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノンを照射す
る）超音波発信素子と、当該被研磨構造体と接触する位
置に配設された２つ以上の弾性波検出素子と、当該被研
磨構造体の化学的機械的研磨の過程で、当該超音波発信
素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノンを
照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノンエ
コーを当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニター
する手段と、当該２つ以上の弾性波検出素子のモニター
に基づき当該化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的
機械的研磨条件を設定して当該被研磨構造体の構造表面
の平坦化の処理を実行する手段とを有することを特徴と
するものである。
【００１７】請求項９にかかる超平坦化・高精度制御研
磨装置は、積層構造の被研磨構造体と接触する位置に配
設された超音波発信素子と、当該被研磨構造体と接触す
る位置に配設された２つ以上の弾性波検出素子と、当該
被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で、当該超音波
発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノ
ンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノ
ンエコーを当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニ
ターする手段と、当該２つ以上の弾性波検出素子のモニ
ターに基づき当該化学的機械的研磨の終点を設定して積
層構造の任意界面までの化学的機械的研磨の処理を実行
する手段とを有することを特徴とするものである。
【００１８】請求項１０にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、積層構造の被研磨構造体と接触する位置に
配設された超音波発信素子と、当該被研磨構造体と接触
する位置に配設された２つ以上の弾性波検出素子と、当
該被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で、当該超音
波発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォ
ノンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォ
ノンエコーを当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモ
ニターする手段と、当該２つ以上の弾性波検出素子のモ
ニターに基づき当該化学的機械的研磨が均一研磨となる
化学的機械的研磨条件および当該化学的機械的研磨の終
点を設定して当該被研磨構造体の平坦化の処理を実行す
るとともに当該積層構造の任意界面までの化学的機械的
研磨の処理を実行する手段とを有することを特徴とする
ものである。
【００１９】請求項１１にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、請求項８乃至１０のいずれかに記載のもの
において、前記被研磨構造体の格子振動箇所にフォノン
を照射する前記超音波発信素子と当該格子振動箇所から
生成されるフォノンエコーを検出する前記弾性波検出素
子とを備えた第３のプローブと、当該格子振動箇所から
生成されるフォノンエコーを検出する前記弾性波検出素
子としての第４のプローブとを有することを特徴とする
ものである。
【００２０】請求項１２にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、請求項１１に記載のものにおいて、原子レ
ベルまたは原子群レベルでの化学的機械的研磨過程で発
生する前記被研磨構造体の格子振動箇所に前記第３のプ
ローブの前記超音波発信素子が生成・出力する超音波で
ある基準パルスを照射し、当該被研磨構造体の格子振動
箇所からの前記フォノンエコーを前記弾性波検出素子に
より検出し、当該検出した前記フォノンエコーを基に化
学的機械的研磨状態を観測するように構成されているこ
とを特徴とするものである。
【００２１】請求項１３にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、請求項１１または１２に記載のものにおい
て、化学的機械的研磨箇所から発生した前記フォノンエ
コーを前記第３のプローブおよび前記第４のプローブで
それぞれ観測し、前記第３のプローブおよび前記第４の
プローブで観測された前記フォノンエコーの固有スペク
トルを解析して当該化学的機械的研磨に起因して発生す
る破壊における事象規模および／または事象形態を判別
するように構成されていることを特徴とするものであ
る。
【００２２】請求項１４にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、請求項１１乃至１３のいずれかに記載のも
のにおいて、前記被研磨構造体が構造が一様な固体であ
る場合、前記第３のプローブおよび前記第４のプローブ
のそれぞれを用いて事象の発生時刻から遅延時間をそれ
ぞれ計測するとともに、当該遅延時間を基に当該事象の
発生箇所を同定するように構成されていることを特徴と
するものである。
【００２３】請求項１５にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、請求項１１乃至１４のいずれかに記載のも
のにおいて、前記第３のプローブが前記被研磨構造体の
格子振動箇所にフォノンを照射する超音波発信素子とし
ての圧電素子と当該格子振動箇所から生成される前記フ
ォノンエコーを受信して電気信号に変換する前記超音波
発信素子と一体または別体の圧電素子を備え、前記第４
のプローブが前記格子振動箇所から生成される前記フォ
ノンエコーを受信して電気信号に変換する圧電素子を備
えていることを特徴とするものである。
【００２４】請求項１６にかかる超平坦化・高精度制御
研磨装置は、請求項１乃至１５のいずれかに記載のもの
において、前記弾性波検出素子が、前記弾性波を受信し
て電気信号に変換するチタン酸バリウムまたはポリフッ
化ビニリデンを主成分とする圧電素子を備えていること
を特徴とするものである。
【００２５】請求項１７にかかる超平坦化・高精度制御
研磨方法は、被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で
化学的機械的研磨破壊に起因して発生する弾性波を、当
該被研磨構造体と接触する位置に配設された２つ以上の
弾性波検出素子を用いてモニターし、当該２つ以上の弾
性波検出素子のモニターに基づき当該化学的機械的研磨
が均一研磨となる化学的機械的研磨条件を設定して当該
被研磨構造体の構造表面の平坦化の処理を実行すること
を特徴とするものである。
【００２６】請求項１８にかかる超平坦化・高精度制御
研磨方法は、被研磨構造体と接触する位置に配設された
２つ以上の弾性波検出素子を用いて、当該被研磨構造体
の化学的機械的研磨の過程で化学的機械的研磨破壊に起
因して発生する弾性波を当該２つ以上の弾性波検出素子
を用いてモニターし、当該弾性波の有する固有周波数の
変化の違いおよび周波数特性、または当該弾性波の強度
の違いを基に、一方の研磨部位からの弾性波特性を他方
の研磨部位からの弾性波特性と一致するように当該化学
的機械的研磨の条件を制御して一様な研磨を実行するこ
とを特徴とするものである。
【００２７】請求項１９にかかる超平坦化・高精度制御
研磨方法は、被研磨構造体と接触する位置に配設された
２つ以上の弾性波検出素子を用いて、化学的機械的研磨
の過程で化学的機械的研磨破壊に起因して発生する弾性
波を当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニター
し、当該被研磨構造体に対する負荷重を含む機械的研磨
要因、および温度ならびにスラリーを含む化学的研磨要
因を制御して当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモ
ニターして得た化学的機械的研磨速度の違いを補正して
一様な研磨を実行することを特徴とするものである。
【００２８】請求項２０にかかる超平坦化・高精度制御
研磨方法は、被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程
で、被研磨構造体と接触する位置に配設された超音波発
信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノン
を照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノン
エコーを当該被研磨構造体と接触する位置に配設された
２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、当該２
つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該化学的
機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条件を設
定して当該被研磨構造体の構造表面の平坦化の処理を実
行することを特徴とするものである。
【００２９】請求項２１にかかる超平坦化・高精度制御
研磨方法は、被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程
で、被研磨構造体と接触する位置に配設された超音波発
信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノン
を照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノン
エコーを当該被研磨構造体と接触する位置に配設された
２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、当該弾
性波の有する固有周波数の変化の違いおよび周波数特
性、または当該弾性波の強度の違いを基に、一方の研磨
部位からの弾性波特性を他方の研磨部位からの弾性波特
性と一致するように当該化学的機械的研磨の条件を制御
して一様な研磨を実行することを特徴とするものであ
る。
【００３０】請求項２２にかかる超平坦化・高精度制御
研磨方法は、被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程
で、被研磨構造体と接触する位置に配設された超音波発
信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノン
を照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノン
エコーを当該被研磨構造体と接触する位置に配設された
２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、当該被
研磨構造体に対する負荷重を含む機械的研磨要因、およ
び温度ならびにスラリーを含む化学的研磨要因を制御し
て当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターして
得た化学的機械的研磨速度の違いを補正して一様な研磨
を実行することを特徴とするものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下に示す各実施の形態の特徴
は、被研磨構造体である微細構造物や光学構造物と接触
する位置または当該被研磨構造体（微細構造物や光学構
造物）の上下に２つ以上の弾性波検出素子を配設し、当
該化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）の過程で生じる弾性
波を当該弾性波検出素子を用いてモニターし、当該化学
的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条件ま
たは当該化学的機械的研磨の終点を設定し、当該被研磨
構造体（微細構造物や光学構造物）の段差もしくは欠陥
を伴う構造表面の平坦化の処理、または積層構造の任意
界面までの化学的機械的研磨の処理を行うように構成す
ることにより、微細構造物もしくは光学構造物の段差も
しくは欠陥を伴う構造表面の平坦化の処理、または微細
構造物もしくは光学構造物の積層構造の任意界面までの
化学的機械的研磨の処理を高速かつ高均一に実行できる
ことにある。以下、本発明の実施の形態を図面に基づい
て詳細に説明する。なお、各図において、同一構成要素
には同一符号を付している。
【００３２】実施の形態１．以下、この発明の実施の形
態１を図面に基づいて詳細に説明する。図１はＡＥ波検
出を利用した本発明の超平坦化・高精度制御研磨装置１
０および超平坦化・高精度制御研磨方法の原理概略図で
ある。図１において、１０は超平坦化・高精度制御研磨
装置、１１は第１のプローブ（弾性波検出素子）、１２
は第２のプローブ（弾性波検出素子）、１４１，１４２
は弾性波としてのＡＥ波（アコースティックエミッショ
ン（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＥ）
波）、１５はヘッド、１６はテーブル、１７はウェハー
（被研磨構造体）、ｔ1，ｔ2は遅延時間である。図１を
参照すると、本実施の形態の超平坦化・高精度制御研磨
装置１０は、図８に示した化学的機械研磨装置と同様の
基本構造に加えて、ヘッド１５の部分に設けられた複数
個の弾性波検出素子をテーブル１６上のウェハー１７
（被研磨構造体）に接触させて配置、すなわち、第１の
プローブ１１（弾性波検出素子）および第２のプローブ
１２（弾性波検出素子）をウェハー１７（被研磨構造
体）に接触させて配置するように構成されている点に特
徴を有している。なお、、第１のプローブ１１（弾性波
検出素子）および第２のプローブ１２（弾性波検出素
子）を、弾性波が伝播する被研磨構造体１７に接触させ
て配置する要件が満たされれば、これらは被研磨構造体
１７の同一側面に配置しても、たとえば上下のように対
向側面に配置させてもよい。また、一つのプローブの中
に、二つの弾性波検出素子を位置を離して収納し、これ
を被研磨構造体１７に接触させるようにしてもよい。
【００３３】次に、図面に基づき実施の形態１の動作を
説明する。図１を参照すると、化学的機械的研磨箇所か
ら発生したＡＥ波１４１，１４２（弾性波）は、第１の
プローブ１１（弾性波検出素子）および第２のプローブ
１２（弾性波検出素子）でそれぞれ観測される。化学的
機械的研磨に起因して発生する破壊（ＣＭＰ破壊）にお
ける事象規模や事象形態は、第１のプローブ１１（弾性
波検出素子）および第２のプローブ１２（弾性波検出素
子）で観測されたＡＥ波１４１，１４２（弾性波）の固
有スペクトルに反映されるので、当該ＡＥ波１４１，１
４２（弾性波）の固有スペクトルを解析して事象を判別
している。構造が一様な固体（弾性体、本実施の形態で
は、ウェハー１７（被研磨構造体））を伝播するＡＥ波
１４１，１４２（弾性波）の伝搬速度は一定であること
から、第１のプローブ１１（弾性波検出素子）および第
２のプローブ１２（弾性波検出素子）のそれぞれを用い
て事象の発生時刻からの遅延時間ｔ1，ｔ2を計測し、当
該遅延時間ｔ1，ｔ2を基に当該事象の発生箇所を同定す
る。
【００３４】実施の形態２．以下、この発明の実施の形
態２を図面に基づいて詳細に説明する。図２はフォノン
エコーを利用した本発明の超平坦化・高精度制御研磨装
置１０および超平坦化・高精度制御研磨方法の原理概略
図である。図２において、１０は超平坦化・高精度制御
研磨装置、１５はヘッド、１６はテーブル、１７はウェ
ハー（被研磨構造体）、２０は基準パルス（超音波）、
２１は第３のプローブ（弾性波検出素子および超音波発
信素子）、２２は第４のプローブ（弾性波検出素子）、
２４１，２４２は弾性波としてのフォノンエコー、
ｔ3，ｔ4は遅延時間である。図２を参照すると、本実施
の形態の超平坦化・高精度制御研磨方法は、原子レベル
または原子群レベルでの化学的機械的研磨過程では固体
（弾性体）の格子振動（フォノン）が発生する物理現象
を応用し、当該固体（弾性体）の格子振動（フォノン）
箇所に超音波を照射し、当該固体（弾性体）の格子振動
（フォノン）箇所からのフォノンエコーを検出し、当該
検出したフォノンエコーを基に化学的機械的研磨状態、
すなわち物質状態を観測する点に特徴を有している。
【００３５】このため、本実施の形態の超平坦化・高精
度制御研磨方法を実行する超平坦化・高精度制御研磨装
置１０は、図８に示した化学的機械研磨装置と同様の基
本構造に加えて、ヘッド１５の部分に設けられた第３の
プローブ２１および第４のプローブ２２をテーブル１６
上のウェハー１７（被研磨構造体）に接触させて配置、
すなわち、弾性波検出素子と超音波発信素子を兼ねる第
３のプローブ２１および弾性波検出素子としての第４の
プローブ２２をウェハー１７（被研磨構造体）に接触さ
せて配置するように構成され、原子レベルまたは原子群
レベルでの化学的機械的研磨過程で発生するウェハー１
７（被研磨構造体）の格子振動（フォノン）箇所に第３
のプローブ２１の超音波発信素子で基準パルス２０（超
音波）を照射し、当該ウェハー１７（被研磨構造体）の
格子振動（フォノン）箇所からのフォノンエコー２４
１，２４２（弾性波）を検出し、当該検出したフォノン
エコー２４１，２４２（弾性波）を基に化学的機械的研
磨状態、すなわち物質状態を観測するように構成されて
いる。なお、、第３のプローブ２１（弾性波検出素子）
および第４のプローブ２２（弾性波検出素子）を、弾性
波が伝播する被研磨構造体１７に接触させて配置する要
件が満たされれば、これらは被研磨構造体１７の同一側
面に配置しても、たとえば上下のように対向側面に配置
させてもよい。また、一つのプローブの中に、二つの弾
性波検出素子を位置を離して収納し、これを被研磨構造
体１７に接触させるようにしてもよい。
【００３６】次に、図面に基づき実施の形態２の動作を
説明する。図２を参照すると、まず、化学的機械的研磨
箇所から発生したフォノンエコー２４１，２４２（弾性
波）は、第３のプローブ２１（弾性波検出素子および超
音波発信素子）および第４のプローブ２２（弾性波検出
素子）でそれぞれ観測される。化学的機械的研磨に起因
して発生する破壊（ＣＭＰ破壊）における事象規模や事
象形態は、第３のプローブ２１（弾性波検出素子および
超音波発信素子）および第４のプローブ２２（弾性波検
出素子）で観測されたフォノンエコー２４１，２４２
（弾性波）の固有スペクトルに反映されるので、当該フ
ォノンエコー２４１，２４２（弾性波）の固有スペクト
ルを解析して事象を判別している。構造が一様な固体
（弾性体）を伝播するフォノンエコー２４１，２４２
（弾性波）の伝搬速度は一定であることから、第３のプ
ローブ２１（弾性波検出素子および超音波発信素子）お
よび第４のプローブ２２（弾性波検出素子）のそれぞれ
を用いて事象の発生時刻からの遅延時間ｔ3，ｔ4を計測
し、当該遅延時間ｔ3，ｔ4を基に当該事象の発生箇所を
同定する。
【００３７】実施の形態３．本実施の形態３は、上記実
施の形態１または実施の形態２の超平坦化・高精度制御
研磨装置１０を用いて均一研磨を行う超平坦化・高精度
制御研磨方法に関する。以下、この発明の実施の形態３
を図面に基づいて詳細に説明する。図３は研磨過程に発
生する弾性波強度Ｅと化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速
度）（荷重Ｐに比例）の関係を示すグラフである。図３
において、横軸は化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速
度）、縦軸は弾性波強度Ｅである。
【００３８】実施の形態１（図１）の超平坦化・高精度
制御研磨装置１０を用いて均一研磨を行う超平坦化・高
精度制御研磨方法では、ウェハー１７（被研磨構造体）
を超平坦化・高精度制御研磨装置１０のヘッド１５に装
着し、第１のプローブ１１（弾性波検出素子）および第
２のプローブ１２（弾性波検出素子）を実施の形態１で
述べたような配列で設置して化学的機械的研磨を行う。
研磨破壊で生じるＡＥ波１４１，１４２（弾性波）の弾
性波強度Ｅは、図３に示すように、一般に化学的機械的
研磨速度（ＣＭＰ速度）（ＰｏｌｉｓｈｉｎｇＲａｔ
ｅ）に比例し、化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）は
化学的機械的研磨条件（ＣＭＰ条件）の一つである荷重
Ｐにより増減する。弾性波強度Ｅと化学的機械的研磨速
度（ＣＭＰ速度）との関係は式１で表すことができる。
【００３９】 Ｅ＝ｆ（化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）） …（式１）
【００４０】ここで、ｆは関数を意味する。化学的機械
的研磨速度（ＣＭＰ速度）は荷重Ｐに比例（∝）する。
実施の形態１で述べたように、任意に発生しウェハー１
７（被研磨構造体）を伝播するＡＥ波１４１，１４２
（弾性波）の伝搬速度は一定であることから、第１のプ
ローブ１１（弾性波検出素子）および第２のプローブ１
２（弾性波検出素子）のそれぞれを用いて事象の発生時
刻からの遅延時間ｔ1，ｔ2を計測し、当該遅延時間
ｔ1，ｔ2を基に当該事象（ＡＥ波１４１，１４２（弾性
波））の発生箇所を同定できる。
【００４１】同様に、実施の形態２の超平坦化・高精度
制御研磨装置１０を用いて均一研磨を行う超平坦化・高
精度制御研磨方法では、まず、ウェハー１７（被研磨構
造体）を超平坦化・高精度制御研磨装置１０のヘッド１
５に装着し、第３のプローブ２１（弾性波検出素子およ
び超音波発信素子）および第４のプローブ２２（弾性波
検出素子）を実施の形態２で述べたような配列で設置し
て化学的機械的研磨を行う。研磨破壊で生じるフォノン
エコー２４１，２４２（弾性波）の弾性波強度Ｅは、図
３に示すように、一般に化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ
速度）（Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｒａｔｅ）に比例し、化
学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）は化学的機械的研磨
条件（ＣＭＰ条件）の一つである荷重Ｐにより増減す
る。弾性波強度Ｅと化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速
度）との関係は式１で表すことができる。実施の形態２
で述べたように、任意に発生しウェハー１７（被研磨構
造体）を伝播するフォノンエコー２４１，２４２（弾性
波）の伝搬速度は一定であることから、第３のプローブ
２１（弾性波検出素子および超音波発信素子）および第
４のプローブ２２（弾性波検出素子）のそれぞれを用い
て事象の発生時刻からの遅延時間ｔ3，ｔ4を計測し、当
該遅延時間ｔ3，ｔ4を基に当該事象（フォノンエコー２
４１，２４２（弾性波））の発生箇所を同定できる。
【００４２】図４は面内均一を図る実施の形態３の超平
坦化・高精度制御研磨装置１０および超平坦化・高精度
制御研磨方法の原理概略図である。図４において、１０
は超平坦化・高精度制御研磨装置、１１は第１のプロー
ブ（弾性波検出素子）、１２は第２のプローブ（弾性波
検出素子）、１５はヘッド、１６はテーブル、１７はウ
ェハー（被研磨構造体）、２１は第３のプローブ（弾性
波検出素子および超音波発信素子）、２２は第４のプロ
ーブ（弾性波検出素子）、Ｅ1，Ｅ2は弾性波強度、
Ｐ1，Ｐ2は荷重である。ここでは、図４にＥ1，Ｅ2で示
す２箇所を、第一のＡＥ波（弾性波）（弾性波強度
Ｅ1）および第二のＡＥ波（弾性波）（弾性波強度Ｅ2）
の発生箇所とし、同箇所に対応したヘッド１５の荷重を
それぞれ荷重Ｐ1および荷重Ｐ2とする。また、その荷重
差をΔＰとする（ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2）。
【００４３】均一研磨は均一破壊の発生に他ならないの
で、この場合、弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2は一致す
る。すなわち、弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度を
ΔＥ（＝弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度差、ΔＥ
＝Ｅ1−Ｅ2）とした場合、ΔＥ（＝弾性波強度Ｅ1と弾
性波強度Ｅ2の強度差）＝０の関係が成立する。したが
って、設定している荷重Ｐ1と荷重Ｐ2は一定（荷重差Δ
Ｐも一定）とすることができる。観測した弾性波強度Ｅ
1と弾性波強度Ｅ2の強度差ΔＥが負（弾性波強度Ｅ1と
弾性波強度Ｅ2の強度差ΔＥ＜０）の場合は、弾性波強
度Ｅ1の化学的機械的研磨が弾性波強度Ｅ2の化学的機械
的研磨に比べ低いため、弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2
の強度差ΔＥ＝０の関係が成立するまで、荷重差ΔＰが
大きくなるようにこの事象を荷重Ｐ1またはＰ2へフィー
ドバックすれば、均一な化学的機械的研磨が達成でき
る。
【００４４】同様の主旨で、弾性波強度Ｅ1と弾性波強
度Ｅ2の強度差ΔＥが正（弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ
2の強度差ΔＥ＞０）の場合は、弾性波強度Ｅ1の化学的
機械的研磨が弾性波強度Ｅ2の化学的機械的研磨に比べ
高いため、弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度差ΔＥ
＝０の関係が成立するまで、荷重差ΔＰが小さくなるよ
うにこの事象を荷重Ｐ1またはＰ2へフィードバックすれ
ば、均一な化学的機械的研磨が達成できる。
【００４５】以上説明した実施の形態１〜３の一側面は
次のように記述することができる。この実施の形態の一
側面における研磨装置は、被研磨構造体１７と接触する
位置に配設される２つ以上の弾性波検出素子１１，１２
を有する。また、被研磨構造体１７の化学的機械的研磨
の過程で化学的機械的研磨破壊に起因して発生する弾性
波を２つ以上の弾性波検出素子１１，１２を用いてモニ
ターする手段を有する。さらに、２つ以上の弾性波検出
素子１１，１２のモニターに基づき化学的機械的研磨が
均一研磨となる化学的機械的研磨条件を設定して被研磨
構造体１７の構造表面の平坦化の処理を実行する手段を
有する。
【００４６】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、化学的機械的研磨箇所から発生した弾性
波であるＡＥ波を検出する弾性波検出素子としての第１
のプローブ１１および第２のプローブ１２を有する。
【００４７】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、化学的機械的研磨箇所から発生したＡＥ
波を第１のプローブ１１および第２のプローブ１２でそ
れぞれ観測し、第１のプローブ１１および第２のプロー
ブ１２で観測されたＡＥ波の固有スペクトルを解析して
化学的機械的研磨に起因して発生する破壊における事象
規模および／または事象形態を判別するように構成され
ている。
【００４８】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、被研磨構造体１７が構造が一様な固体で
ある場合、第１のプローブ１１および第２のプローブ１
２のそれぞれを用いて事象の発生時刻から遅延時間をそ
れぞれ計測するとともに、当該遅延時間を基に当該事象
の発生箇所を同定するように構成されている。
【００４９】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、第１のプローブ１１および第２のプロー
ブ１２のそれぞれが、ＡＥ波を受信して電気信号に変換
する圧電素子を備えている。
【００５０】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、弾性波検出素子として、弾性波を受信し
て電気信号に変換するチタン酸バリウムまたはポリフッ
化ビニリデンを主成分とする圧電素子を備えている。
【００５１】次に、図４にＥ1，Ｅ2で示す２箇所を第一
のフォノンエコー（弾性波）（弾性波強度Ｅ1）および
第二のフォノンエコー（弾性波）（弾性波強度Ｅ2）の
発生箇所とし、同箇所に対応したヘッド１５の荷重をそ
れぞれ荷重Ｐ1および荷重Ｐ2とする。また、その荷重差
をΔＰとする（ΔＰ＝Ｐ1−Ｐ2）。均一研磨は均一破壊
の発生に他ならないので、この場合、弾性波強度Ｅ1と
弾性波強度Ｅ2は一致する。すなわち、弾性波強度Ｅ1と
弾性波強度Ｅ2の強度をΔＥ（＝弾性波強度Ｅ1と弾性波
強度Ｅ2の強度差、ΔＥ＝Ｅ1−Ｅ2）とした場合、ΔＥ
（＝弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度差）＝０の関
係が成立する。したがって、設定している荷重Ｐ1と荷
重Ｐ2は一定（荷重差ΔＰも一定）とすることができ
る。
【００５２】観測した弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の
強度差ΔＥが負（弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度
差ΔＥ＜０）の場合は、弾性波強度Ｅ1の化学的機械的
研磨が弾性波強度Ｅ2の化学的機械的研磨に比べ低いた
め、弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度差ΔＥ＝０の
関係が成立するまで、荷重差ΔＰが大きくなるようにこ
の事象を荷重Ｐ1またはＰ2へフィードバックすれば、均
一な化学的機械的研磨が達成できる。
【００５３】同様の主旨で、弾性波強度Ｅ1と弾性波強
度Ｅ2の強度差ΔＥが正（弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ
2の強度差ΔＥ＞０）の場合は、弾性波強度Ｅ1の化学的
機械的研磨が弾性波強度Ｅ2の化学的機械的研磨に比べ
高いため、弾性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2の強度差ΔＥ
＝０の関係が成立するまで、荷重差ΔＰが小さくなるよ
うにこの事象を荷重Ｐ1またはＰ2へフィードバックすれ
ば、均一な化学的機械的研磨が達成できる。
【００５４】以上説明した実施の形態１〜３の一側面
は、また次のように記述することができる。この実施の
形態の一側面における研磨装置は、被研磨構造体１７と
接触する位置に配設された超音波発信素子２１を備えて
いる。また、被研磨構造体１７と接触する位置に配設さ
れた２つ以上の弾性波検出素子２１，２２を備えてい
る。また、被研磨構造体１７の化学的機械的研磨の過程
で、超音波発信素子２１から被研磨構造体１７の格子振
動箇所にフォノンを照射し格子振動箇所から生成される
フォノンエコーを２つ以上の弾性波検出素子２１，２２
を用いてモニターする手段を備えている。また、２つ以
上の弾性波検出素子２１，２２のモニターに基づき化学
的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条件を
設定して被研磨構造体１７の構造表面の平坦化の処理を
実行する手段を備えている。
【００５５】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、被研磨構造体１７の格子振動箇所にフォ
ノンを照射する超音波発信素子と格子振動箇所から生成
されるフォノンエコーを検出する弾性波検出素子とを備
えた第３のプローブ２１を備えている。また、格子振動
箇所から生成されるフォノンエコーを検出する弾性波検
出素子としての第４のプローブ２２を備えている。
【００５６】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、原子レベルまたは原子群レベルでの化学
的機械的研磨過程で発生する被研磨構造体１７の格子振
動箇所に第３のプローブ２１の超音波発信素子が生成・
出力する超音波である基準パルスを照射し、被研磨構造
体１７の格子振動箇所からのフォノンエコーを弾性波検
出素子２１，２２により検出し、検出したフォノンエコ
ーを基に化学的機械的研磨状態を観測するように構成さ
れている。
【００５７】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、化学的機械的研磨箇所から発生したフォ
ノンエコーを第３のプローブ２１および第４のプローブ
２２でそれぞれ観測し、第３のプローブ２１および第４
のプローブ２２で観測されたフォノンエコーの固有スペ
クトルを解析して化学的機械的研磨に起因して発生する
破壊における事象規模および／または事象形態を判別す
るように構成されている。
【００５８】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、被研磨構造体１７が構造が一様な固体で
ある場合、第３のプローブ２１および第４のプローブ２
２のそれぞれを用いて事象の発生時刻から遅延時間をそ
れぞれ計測するとともに、当該遅延時間を基に当該事象
の発生箇所を同定するように構成されている。
【００５９】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、第３のプローブ２１が被研磨構造体１７
の格子振動箇所にフォノンを照射する超音波発信素子と
しての圧電素子と当該格子振動箇所から生成される前記
フォノンエコーを受信して電気信号に変換する前記超音
波発信素子と一体または別体の圧電素子を備えている。
また、第４のプローブ２２が格子振動箇所から生成され
るフォノンエコーを受信して電気信号に変換する圧電素
子を備えている。
【００６０】実施の形態４．本実施の形態は、上記実施
の形態１または実施の形態２の超平坦化・高精度制御研
磨装置１０を用いて任意界面までの均一研磨を行う超平
坦化・高精度制御研磨方法に関する。以下、この発明の
実施の形態４を図面に基づいて詳細に説明する。図５は
金属積層膜の研磨過程で生じる異種金属界面の弾性波変
異の模式図である。図５において、横軸は金属積層膜の
厚み、あるいは、研磨時間を示し、１０１は下層側の窒
化チタンＣＶＤ膜、１０２は上層側のタングステンＣＶ
Ｄ膜、ｔ p1，ｔp2，ｔp3，ｔp4，ｔp5，ｔp6は研磨時刻
である。図６は面内分布のある異種金属界面の化学的機
械的研磨時に発生する事象変異を示す弾性波形である。
図６において、Ｅ1，Ｅ2は異なった個所からの弾性波強
度、ｔconvは遅延時間である。
【００６１】上記実施の形態１（図１）の超平坦化・高
精度制御研磨装置１０を用いて任意界面までの均一研磨
を行う研磨方法では、例えば図１０に示すように、ウェ
ハー１７（被研磨構造体）として、シリコン基板１０４
の上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）１０３をパターニン
グした表面へ金属膜を積層させたものを対象として説明
する。以下では、現在工業的に利用されているタングス
テンＣＶＤ膜１０２と窒化チタンＣＶＤ膜１０１の積層
膜を例として説明を進める。
【００６２】ウェハー１７（被研磨構造体）を超平坦化
・高精度制御研磨装置１０のヘッド１５に装着し、第１
のプローブ１１（弾性波検出素子）および第２のプロー
ブ１２（弾性波検出素子）を実施の形態１で述べたよう
な配列で設置して化学的機械的研磨を行う。化学的機械
的研磨で生じるＡＥ波（弾性波）は被研磨構造体の材料
（本実施の形態では金属材料）の種類で異なり、この違
いは固有周波数または弾性波強度の強度差として知るこ
とができる。
【００６３】この場合、タングステンＣＶＤ膜１０２か
ら窒化チタンＣＶＤ膜１０１へ化学的機械的研磨が進む
（研磨時刻ｔp1→研磨時刻ｔp6）と、図５に示すような
ＡＥ波（弾性波）の変異点がタングステンＣＶＤ膜１０
２／窒化チタンＣＶＤ膜１０１境界（研磨時刻ｔp5）で
発生する。これから厚さ方向の化学的機械的研磨の位置
が特定できる。
【００６４】タングステンＣＶＤ膜１０２の膜厚や化学
的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）がウェハー１７（被研
磨構造体）内で異なった状態であるときは、化学的機械
的研磨が窒化チタンＣＶＤ膜１０１へ進むと、図６に示
すような事象の遅延、すなわち、異なった個所からの弾
性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2との遅延（遅延時間
ｔco nv）として観測される。これがすなわち化学的機械
的研磨分布である。この状態で化学的機械的研磨を継続
すると、下地酸化膜の過剰研磨やスクラッチなどの欠陥
が発生する。
【００６５】図７は本発明の超平坦化・高精度制御研磨
装置１０および超平坦化・高精度制御研磨方法を用いた
場合に生じる弾性波形である。図７において、Ｅ1，Ｅ2
は異なった個所からの弾性波強度、ｔimprは遅延時間で
ある。実施の形態１の超平坦化・高精度制御研磨装置を
用いて、第一のＡＥ波（弾性波）の最初の事象の発生に
より、同箇所の例えば荷重Ｐ1による化学的機械的研磨
速度（ＣＭＰ速度）を小さくすると同時に、第二のＡＥ
波（弾性波）の他の事象の発生個所の荷重（荷重Ｐ2）
についても相対した操作を行うと、異なる事象を生じた
個所の化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）が増減され
るため、図７に示すように、事象遅延（遅延時間
ｔimpr）の短縮（遅延時間ｔimpr＜遅延時間ｔconv）と
して観測される。
【００６６】また、被研磨構造体の材料（本実施の形態
では金属材料）差から生じる事象の違いは、金属から絶
縁膜に達した過程（例えば、窒化チタンＣＶＤ膜１０１
から絶縁膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）に達し
た過程）でも同様に生じる。したがって、実施の形態１
の超平坦化・高精度制御研磨装置を用いれば化学的機械
的研磨の終点検出として利用することができる。
【００６７】次に、上記実施の形態２（図２）の超平坦
化・高精度制御研磨装置１０を用いて任意界面までの均
一研磨を行う研磨方法では、例えば図１０に示すよう
に、ウェハー１７（被研磨構造体）として、シリコン基
板１０４の上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）１０３をパ
ターニングした表面へ金属膜を積層させたものを対象と
して説明する。以下では、現在工業的に利用されている
タングステンＣＶＤ膜１０２と窒化チタンＣＶＤ膜１０
１の積層膜を例として説明を進める。
【００６８】ウェハー１７（被研磨構造体）を超平坦化
・高精度制御研磨装置１０のヘッド１５に装着し、第３
のプローブ２１（弾性波検出素子および超音波発信素
子）および第４のプローブ２２（弾性波検出素子）を実
施の形態１で述べたような配列で設置して化学的機械的
研磨を行う。化学的機械的研磨で生じるフォノンエコー
（弾性波）は被研磨構造体の材料（本実施の形態では金
属材料）の種類で異なり、この違いは固有周波数または
弾性波強度の強度差として知ることができる。
【００６９】この場合、タングステンＣＶＤ膜１０２か
ら窒化チタンＣＶＤ膜１０１へ化学的機械的研磨が進む
（研磨時刻ｔp1→研磨時刻ｔp6）と、図５に示すような
フォノンエコー（弾性波）の変異点がタングステンＣＶ
Ｄ膜１０２／窒化チタンＣＶＤ膜１０１境界（研磨時刻
ｔp5）で発生する。これから厚さ方向の化学的機械的研
磨の位置が特定できる。
【００７０】タングステンＣＶＤ膜１０２の膜厚や化学
的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）がウェハー１７（被研
磨構造体）内で異なった状態であるときは、化学的機械
的研磨が窒化チタンＣＶＤ膜１０１へ進むと、図６に示
すような事象の遅延、すなわち、異なった個所からの弾
性波強度Ｅ1と弾性波強度Ｅ2との遅延（遅延時間
ｔco nv）として観測される。これがすなわち化学的機械
的研磨分布である。この状態で化学的機械的研磨を継続
すると、下地酸化膜の過剰研磨やスクラッチなどの欠陥
が発生する。
【００７１】以上説明したこの実施の形態の一側面は次
のように記述することができる。この実施の形態の一側
面における研磨装置は、積層構造の被研磨構造体１７と
接触する位置に配設された２つ以上の弾性波検出素子１
１，１２を備えている。また、被研磨構造体１７の化学
的機械的研磨の過程で化学的機械的研磨破壊に起因して
発生する弾性波を２つ以上の弾性波検出素子１１，１２
を用いてモニターする手段を備えている。また、２つ以
上の弾性波検出素子１１，１２のモニターに基づき化学
的機械的研磨の終点を設定して積層構造の任意界面まで
の化学的機械的研磨の処理を実行する手段を備えてい
る。
【００７２】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、２つ以上の弾性波検出素子１１，１２の
モニターに基づき化学的機械的研磨が均一研磨となる化
学的機械的研磨条件および化学的機械的研磨の終点を設
定して被研磨構造体１７の平坦化の処理を実行するとと
もに、積層構造の任意界面までの化学的機械的研磨の処
理を実行する手段を備えている。
【００７３】図７は本発明の超平坦化・高精度制御研磨
装置１０および超平坦化・高精度制御研磨方法を用いた
場合に生じる弾性波形である。実施の形態１の超平坦化
・高精度制御研磨方法を用いて、第一のフォノンエコー
（弾性波）の最初の事象の発生により、同箇所の例えば
荷重Ｐ1による化学的機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）を
小さくすると同時に、第二のフォノンエコー（弾性波）
の他の事象の発生個所の荷重（荷重Ｐ2）についても相
対した操作を行うと、異なる事象を生じた個所の化学的
機械的研磨速度（ＣＭＰ速度）が増減されるため、図７
に示すように、事象遅延（遅延時間ｔimpr）の短縮（遅
延時間ｔimpr＜遅延時間ｔconv）として観測される。
【００７４】また、被研磨構造体の材料（本実施の形態
では金属材料）差から生じる事象の違いは、金属から絶
縁膜に達した過程（例えば、窒化チタンＣＶＤ膜１０１
から絶縁膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）に達し
た過程）でも同様に生じる。したがって、実施の形態２
の超平坦化・高精度制御研磨装置を用いれば化学的機械
的研磨の終点検出として利用することができる。
【００７５】以上説明したこの実施の形態一側面は次の
ように記述することができる。この実施の形態の一側面
における研磨装置は、積層構造の被研磨構造体１７と接
触する位置に配設された超音波発信素子２１，２２を備
えている。また、被研磨構造体１７と接触する位置に配
設される２つ以上の弾性波検出素子２１，２２を備えて
いる。また、被研磨構造体１７の化学的機械的研磨の過
程で、超音波発信素子２１から被研磨構造体１７の格子
振動箇所にフォノンを照射し当該格子振動箇所から生成
されるフォノンエコーを２つ以上の弾性波検出素子２
１，２２を用いてモニターする手段を備えている。さら
に、２つ以上の弾性波検出素子２１，２２のモニターに
基づき化学的機械的研磨の終点を設定して積層構造の任
意界面までの化学的機械的研磨の処理を実行する手段を
備えている。
【００７６】また、この実施の形態の他の一側面におけ
る研磨装置は、２つ以上の弾性波検出素子２１，２２の
モニターに基づき化学的機械的研磨が均一研磨となる化
学的機械的研磨条件および化学的機械的研磨の終点を設
定して被研磨構造体１７の平坦化の処理を実行するとと
もに積層構造の任意界面までの化学的機械的研磨の処理
を実行する手段を備えている。
【００７７】以上説明したように各実施の形態によれ
ば、半導体素子やマイクロマシンなどの微細構造物もし
くはフッ化カルシウム（ＣａＦ2）などの光学材料を材
料とする光学構造物の段差もしくは欠陥を伴う構造表面
の平坦化の処理、またはこのような微細構造物もしくは
光学構造物の積層構造の任意界面までの化学的機械的研
磨（ＣＭＰ）の処理を、弾性波（ＡＥ波またはフォノン
エコー）を検出することによって高速かつ高均一に実行
できるようになるといった効果を奏する。
【００７８】なお、本発明が上記各実施の形態に限定さ
れず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形
態は適宜変更され得ることは明らかである。また上記構
成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定され
ず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にす
ることができる。
【００７９】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、半導体素子やマイクロマシンなどの微細構造物もし
くはフッ化カルシウム（ＣａＦ2）などの光学材料を材
料とする光学構造物の段差もしくは欠陥を伴う構造表面
の平坦化の処理、またはこのような微細構造物もしくは
光学構造物の積層構造の任意界面までの化学的機械的研
磨（ＣＭＰ）の処理を、弾性波（ＡＥ波またはフォノン
エコー）を検出することによって高速かつ高均一に実行
できるようになるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＡＥ波検出を利用した本発明の超平坦化・高
精度制御研磨装置および超平坦化・高精度制御研磨方法
の原理概略図。
【図２】 フォノンエコーを利用した本発明の超平坦化
・高精度制御研磨装置および超平坦化・高精度制御研磨
方法の原理概略図。
【図３】 研磨過程に発生する弾性波強度と化学的機械
的研磨速度の関係を示すグラフ。
【図４】 面内均一を図る本発明の超平坦化・高精度制
御研磨装置および超平坦化・高精度制御研磨方法の原理
概略図。
【図５】 金属積層膜の研磨過程で生じる異種金属界面
の弾性波変異の模式図。
【図６】 面内分布のある異種金属界面の化学的機械的
研磨時に発生する事象変異を示す弾性波形。
【図７】 本発明の超平坦化・高精度制御研磨装置およ
び超平坦化・高精度制御研磨方法を用いた場合に生じる
弾性波形。
【図８】 従来の一般的な化学的機械研磨装置の動作説
明図。
【図９】 半導体の層間絶縁膜の平坦化のための研磨過
程を示す素子断面図。
【図１０】 半導体の金属膜を化学的機械的研磨および
平坦化して埋め込み配線を作成する処理過程を示す素子
断面図。
【符号の説明】
１０…超平坦化・高精度制御研磨装置 １１…第１のプローブ（弾性波検出素子） １２…第２のプローブ（弾性波検出素子） １４１，１４２…ＡＥ波（弾性波） １５…ヘッド １６…テーブル １７…ウェハー（被研磨構造体） ２０…基準パルス（超音波） ２１…第３のプローブ（弾性波検出素子および超音波発
信素子） ２２…第４のプローブ（弾性波検出素子） ２４１，２４２…フォノンエコー（弾性波） １０１…窒化チタンＣＶＤ膜 １０２…タングステンＣＶＤ膜 ΔＥ…弾性波強度の差 Ｅ1，Ｅ2…弾性波強度 Ｐ1，Ｐ2…荷重 ｔ1，ｔ2，ｔ3，ｔ4，ｔconv，ｔimpr…遅延時間 ｔp1，ｔp2，ｔp3，ｔp4，ｔp5，ｔp6…研磨時刻

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被研磨構造体と接触する位置に配設され
    た２つ以上の弾性波検出素子と、 当該被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で化学的機
    械的研磨破壊に起因して発生する弾性波を当該２つ以上
    の弾性波検出素子を用いてモニターする手段と、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条
    件を設定して当該被研磨構造体の構造表面の平坦化の処
    理を実行する手段とを有することを特徴とする超平坦化
    ・高精度制御研磨装置。
  2. 【請求項２】 積層構造の被研磨構造体と接触する位置
    に配設された２つ以上の弾性波検出素子と、 当該被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で化学的機
    械的研磨破壊に起因して発生する弾性波を当該２つ以上
    の弾性波検出素子を用いてモニターする手段と、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨の終点を設定して積層構造の任意界面
    までの化学的機械的研磨の処理を実行する手段とを有す
    ることを特徴とする超平坦化・高精度制御研磨装置。
  3. 【請求項３】 積層構造の被研磨構造体と接触する位置
    に配設された２つ以上の弾性波検出素子と、 当該被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で化学的機
    械的研磨破壊に起因して発生する弾性波を当該２つ以上
    の弾性波検出素子を用いてモニターする手段と、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条
    件および当該化学的機械的研磨の終点を設定して当該被
    研磨構造体の平坦化の処理を実行するとともに、当該積
    層構造の任意界面までの化学的機械的研磨の処理を実行
    する手段とを有することを特徴とする超平坦化・高精度
    制御研磨装置。
  4. 【請求項４】 化学的機械的研磨箇所から発生した弾性
    波であるＡＥ波を検出する前記弾性波検出素子としての
    第１のプローブおよび第２のプローブを有することを特
    徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超平坦化・
    高精度制御研磨装置。
  5. 【請求項５】 化学的機械的研磨箇所から発生した前記
    ＡＥ波を前記第１のプローブおよび前記第２のプローブ
    でそれぞれ観測し、前記第１のプローブおよび前記第２
    のプローブで観測された前記ＡＥ波の固有スペクトルを
    解析して当該化学的機械的研磨に起因して発生する破壊
    における事象規模および／または事象形態を判別するよ
    うに構成されていることを特徴とする請求項４に記載の
    超平坦化・高精度制御研磨装置。
  6. 【請求項６】 前記被研磨構造体が構造が一様な固体で
    ある場合、前記第１のプローブおよび前記第２のプロー
    ブのそれぞれを用いて事象の発生時刻から遅延時間をそ
    れぞれ計測するとともに、当該遅延時間を基に当該事象
    の発生箇所を同定するように構成されていることを特徴
    とする請求項４または５に記載の超平坦化・高精度制御
    研磨装置。
  7. 【請求項７】 前記第１のプローブおよび前記第２のプ
    ローブのそれぞれが、前記ＡＥ波を受信して電気信号に
    変換する圧電素子を備えていることを特徴とする請求項
    ４乃至６のいずれかに記載の超平坦化・高精度制御研磨
    装置。
  8. 【請求項８】 被研磨構造体と接触する位置に配設され
    た超音波発信素子と、 当該被研磨構造体と接触する位置に配設された２つ以上
    の弾性波検出素子と、 当該被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で、当該超
    音波発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフ
    ォノンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフ
    ォノンエコーを当該２つ以上の弾性波検出素子を用いて
    モニターする手段と、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条
    件を設定して当該被研磨構造体の構造表面の平坦化の処
    理を実行する手段とを有することを特徴とする超平坦化
    ・高精度制御研磨装置。
  9. 【請求項９】 積層構造の被研磨構造体と接触する位置
    に配設された超音波発信素子と、 当該被研磨構造体と接触する位置に配設された２つ以上
    の弾性波検出素子と、当該被研磨構造体の化学的機械的
    研磨の過程で、当該超音波発信素子から当該被研磨構造
    体の格子振動箇所にフォノンを照射し当該当該格子振動
    箇所から生成されるフォノンエコーを当該２つ以上の弾
    性波検出素子を用いてモニターする手段と、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨の終点を設定して積層構造の任意界面
    までの化学的機械的研磨の処理を実行する手段とを有す
    ることを特徴とする超平坦化・高精度制御研磨装置。
  10. 【請求項１０】 積層構造の被研磨構造体と接触する位
    置に配設された超音波発信素子と、 当該被研磨構造体と接触する位置に配設された２つ以上
    の弾性波検出素子と、 当該被研磨構造体の化学的機械的研磨の過程で、当該超
    音波発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフ
    ォノンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフ
    ォノンエコーを当該２つ以上の弾性波検出素子を用いて
    モニターする手段と、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条
    件および当該化学的機械的研磨の終点を設定して当該被
    研磨構造体の平坦化の処理を実行するとともに当該積層
    構造の任意界面までの化学的機械的研磨の処理を実行す
    る手段とを有することを特徴とする超平坦化・高精度制
    御研磨装置。
  11. 【請求項１１】 前記被研磨構造体の格子振動箇所にフ
    ォノンを照射する前記超音波発信素子と当該格子振動箇
    所から生成されるフォノンエコーを検出する前記弾性波
    検出素子とを備えた第３のプローブと、 当該格子振動箇所から生成されるフォノンエコーを検出
    する前記弾性波検出素子としての第４のプローブとを有
    することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記
    載の超平坦化・高精度制御研磨装置。
  12. 【請求項１２】 原子レベルまたは原子群レベルでの化
    学的機械的研磨過程で発生する前記被研磨構造体の格子
    振動箇所に前記第３のプローブの前記超音波発信素子が
    生成・出力する超音波である基準パルスを照射し、当該
    被研磨構造体の格子振動箇所からの前記フォノンエコー
    を前記弾性波検出素子により検出し、当該検出した前記
    フォノンエコーを基に化学的機械的研磨状態を観測する
    ように構成されていることを特徴とする請求項１１に記
    載の超平坦化・高精度制御研磨装置。
  13. 【請求項１３】 化学的機械的研磨箇所から発生した前
    記フォノンエコーを前記第３のプローブおよび前記第４
    のプローブでそれぞれ観測し、前記第３のプローブおよ
    び前記第４のプローブで観測された前記フォノンエコー
    の固有スペクトルを解析して当該化学的機械的研磨に起
    因して発生する破壊における事象規模および／または事
    象形態を判別するように構成されていることを特徴とす
    る請求項１１または１２に記載の超平坦化・高精度制御
    研磨装置。
  14. 【請求項１４】 前記被研磨構造体が構造が一様な固体
    である場合、前記第３のプローブおよび前記第４のプロ
    ーブのそれぞれを用いて事象の発生時刻から遅延時間を
    それぞれ計測するとともに、当該遅延時間を基に当該事
    象の発生箇所を同定するように構成されていることを特
    徴とする請求項１１乃至１３のいずれかに記載の超平坦
    化・高精度制御研磨装置。
  15. 【請求項１５】 前記第３のプローブが前記被研磨構造
    体の格子振動箇所にフォノンを照射する超音波発信素子
    としての圧電素子と当該格子振動箇所から生成される前
    記フォノンエコーを受信して電気信号に変換する前記超
    音波発信素子と一体または別体の圧電素子を備え、 前記第４のプローブが前記格子振動箇所から生成される
    前記フォノンエコーを受信して電気信号に変換する圧電
    素子を備えていることを特徴とする請求項１１乃至１４
    のいずれかに記載の超平坦化・高精度制御研磨装置。
  16. 【請求項１６】 前記弾性波検出素子が、前記弾性波を
    受信して電気信号に変換するチタン酸バリウムまたはポ
    リフッ化ビニリデンを主成分とする圧電素子を備えてい
    ることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載
    の超平坦化・高精度制御研磨装置。
  17. 【請求項１７】 被研磨構造体の化学的機械的研磨の過
    程で化学的機械的研磨破壊に起因して発生する弾性波
    を、当該被研磨構造体と接触する位置に配設された２つ
    以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条
    件を設定して当該被研磨構造体の構造表面の平坦化の処
    理を実行することを特徴とする超平坦化・高精度制御研
    磨方法。
  18. 【請求項１８】 被研磨構造体と接触する位置に配設さ
    れた２つ以上の弾性波検出素子を用いて、当該被研磨構
    造体の化学的機械的研磨の過程で化学的機械的研磨破壊
    に起因して発生する弾性波を当該２つ以上の弾性波検出
    素子を用いてモニターし、当該弾性波の有する固有周波
    数の変化の違いおよび周波数特性、または当該弾性波の
    強度の違いを基に、一方の研磨部位からの弾性波特性を
    他方の研磨部位からの弾性波特性と一致するように当該
    化学的機械的研磨の条件を制御して一様な研磨を実行す
    ることを特徴とする超平坦化・高精度制御研磨方法。
  19. 【請求項１９】 被研磨構造体と接触する位置に配設さ
    れた２つ以上の弾性波検出素子を用いて、化学的機械的
    研磨の過程で化学的機械的研磨破壊に起因して発生する
    弾性波を当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニタ
    ーし、当該被研磨構造体に対する負荷重を含む機械的研
    磨要因、および温度ならびにスラリーを含む化学的研磨
    要因を制御して当該２つ以上の弾性波検出素子を用いて
    モニターして得た化学的機械的研磨速度の違いを補正し
    て一様な研磨を実行することを特徴とする超平坦化・高
    精度制御研磨方法。
  20. 【請求項２０】 被研磨構造体の化学的機械的研磨の過
    程で、被研磨構造体と接触する位置に配設された超音波
    発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノ
    ンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノ
    ンエコーを当該被研磨構造体と接触する位置に配設され
    た２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、 当該２つ以上の弾性波検出素子のモニターに基づき当該
    化学的機械的研磨が均一研磨となる化学的機械的研磨条
    件を設定して当該被研磨構造体の構造表面の平坦化の処
    理を実行することを特徴とする超平坦化・高精度制御研
    磨方法。
  21. 【請求項２１】 被研磨構造体の化学的機械的研磨の過
    程で、被研磨構造体と接触する位置に配設された超音波
    発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノ
    ンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノ
    ンエコーを当該被研磨構造体と接触する位置に配設され
    た２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、 当該弾性波の有する固有周波数の変化の違いおよび周波
    数特性、または当該弾性波の強度の違いを基に、一方の
    研磨部位からの弾性波特性を他方の研磨部位からの弾性
    波特性と一致するように当該化学的機械的研磨の条件を
    制御して一様な研磨を実行することを特徴とする超平坦
    化・高精度制御研磨方法。
  22. 【請求項２２】 被研磨構造体の化学的機械的研磨の過
    程で、被研磨構造体と接触する位置に配設された超音波
    発信素子から当該被研磨構造体の格子振動箇所にフォノ
    ンを照射し当該当該格子振動箇所から生成されるフォノ
    ンエコーを当該被研磨構造体と接触する位置に配設され
    た２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニターし、 当該被研磨構造体に対する負荷重を含む機械的研磨要
    因、および温度ならびにスラリーを含む化学的研磨要因
    を制御して当該２つ以上の弾性波検出素子を用いてモニ
    ターして得た化学的機械的研磨速度の違いを補正して一
    様な研磨を実行することを特徴とする超平坦化・高精度
    制御研磨方法。
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