JP2008049448A - 研磨装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 研磨パッドにおける温度分布を均一化し、安定的な研磨を可能にする。
【解決手段】 上定盤3に保持された被研磨物Wと、下定盤2上に装着された研磨パッド1とを接触加圧した状態で、供給ノズル4からスラリーを供給しながら、被研磨物Wと研磨パッド1とを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、研磨パッド1の径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサ11と、供給ノズル4からのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段5と、制御部6とを備える。制御部6は、複数の温度センサ11の検出信号を入力し、これら温度センサ11により検出される各位置の温度差に対応して供給位置変更手段5を動作させて供給ノズル4によるスラリー供給位置を変更する。
【選択図】 図1
【解決手段】 上定盤3に保持された被研磨物Wと、下定盤2上に装着された研磨パッド1とを接触加圧した状態で、供給ノズル4からスラリーを供給しながら、被研磨物Wと研磨パッド1とを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、研磨パッド1の径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサ11と、供給ノズル4からのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段5と、制御部6とを備える。制御部6は、複数の温度センサ11の検出信号を入力し、これら温度センサ11により検出される各位置の温度差に対応して供給位置変更手段5を動作させて供給ノズル4によるスラリー供給位置を変更する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、主としてシリコンウェハなどの半導体ウェハを研磨パッドにより研磨する研磨装置に関する。
一般に半導体ウェハの表面は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)方式の研磨装置により研磨される。
同研磨装置では、ウェハが保持された上定盤を、研磨パッドを装着した下定盤上に置き、ウェハと研磨パッドとを加圧した状態で、その間にスラリーを供給しながら、ウェハと研磨パッドとを相対的に摺動させることで研磨を行う(例えば、特許文献1参照)。
ところで、上記のような研磨装置によるウェハの研磨では、研磨パッドとスラリー中の砥粒と被研磨物であるウェハとの摩擦熱、およびスラリーの化学反応による発熱等により、ウェハの温度が上昇する傾向にある。そして、ウェハの全体の温度が高温となったり、あるいは温度分布が不均一になったりすると、研磨を安定的に行うことが難しくなる。
そのため、ウェハの温度を検出する必要があるが、研磨中、ウェハは研磨パッドと接触した状態にあり、その温度を直接的に測定することは非常に困難である。
そこで、従来は、研磨パッドの上方に放射温度計を配置して、この放射温度計により、研磨パッド表面の温度を測定し、この研磨パッドの表面温度からウェハの温度を推定するようにしている。
しかしながら、上記の方式で測定されるのは、研磨パッドの表面各部分のうち、研磨中で実際にウェハに接触している部分の温度ではなく、ウェハから外れた位置にある研磨前もしくは研磨後の部分の温度である。
しかも、放射温度計では、広い範囲の平均的な温度を測定できるにとどまり、研磨パッドの局部的な温度変化、温度分布を測定することができなかった。
そのため、従来では、研磨中のウェハの温度を的確にモニターすることができず、研磨を安定的に行う上で、研磨条件を適正に調整するのが難しかった。
特開2003−37089号公報
上記従来の問題に対して、本件発明者は、研磨パッドに温度センサを設けて、研磨パッドの表面各部分の温度を直接検出しうるようにしたものを発明し、その発明を既に出願している(特願2005−141205号)。この出願に係る発明によれば、研磨パッドの表面各部分のうち、ウェハに接触する部分の温度を直接検出することで、研磨中のウェハの実際の温度に極めて近似した温度を測定することができる。
発明者が上記の発明を利用して、実際に研磨を行いながら、研磨パッドの温度を測定したところ、研磨パッドの温度上昇には、研磨パッドに対するウェハの加圧力や、研磨速度、スラリーの種類や温度等、各種の研磨条件が関係するが、特に、研磨パッドの温度分布を均一化するには、供給ノズルからのスラリー供給位置の変化が大きく影響するという知見を得た。
具体的には、研磨パッドの外周側や中心部に近い位置にスラりー供給位置を設定すると、研磨パッド各部分の温度差が大きいが、スラリー供給位置を研磨パッドの中間径位置に設定すると、各部分の温度差が小さくなるという知見を得た。
本発明は、上記知見を利用して、供給ノズルからのスラリー供給位置を調整することで、研磨パッドにおける温度分布を均一化し、安定的な研磨を可能にすることを課題とする。
本発明は、上定盤の下面に保持された被研磨物と、下定盤上に装着された研磨パッドとを接触加圧した状態で、供給ノズルから上記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、上記被研磨物と上記研磨パッドとを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、上記研磨パッドの径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサと、上記供給ノズルからのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段と、少なくとも上記供給位置変更手段の動作を制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記複数の温度センサの検出信号を入力し、これら温度センサにより検出される各位置の温度差に対応して、上記供給位置変更手段を動作させて上記供給ノズルによるスラリー供給位置を変更することを特徴とする。
上記発明によれば、供給ノズルによるスラリー供給位置を変更調整することで、研磨パッドの各部分の温度差を減少させて温度分布を均一化することができ、このように均一化した温度分布の状態で、安定した研磨を行うことができる。
上記構成の研磨装置において、供給位置変更手段は、供給ノズルを研磨パッドの径方向に移動させるものであることが好ましい。実際の研磨では、研磨パッドの径方向各部分の間で温度のばらつきを生じやすいのであるが、上記のように供給ノズルを研磨パッドの径方向に移動させて、スラリー供給位置を径方向に変化させることで、研磨パッドの径方向各部分の間の温度のばらつきを、効果的に解消させることができる。
上記構成中、温度センサとしては、熱電対やサーミスタ等の接触式の温度センサが好適である。接触式温度センサではほかに、白金測温抵抗体、銅測温抵抗体、IC化温度センサ、水晶温度計等がある。接触式の温度センサでは、研磨パッドの配置された部分の温度を局部的に正確に検出することができる。
上記構成の研磨装置において、温度センサは、研磨に影響を与えない状態で研磨パッドに設けられていればよいが、その配置の仕方については、研磨パッドの裏面側に収容部が形成され、この収容部に温度センサが収容固定されていることが好ましい。
上記のように、研磨パッドの裏面側の収容部に温度センサが設けられていると、温度センサと被研磨物との間には、必ず、研磨パッドの表面(研磨面)側の表層部分が介在するから、研磨に対する影響がなく、しかも、研磨パッドのごく薄い表層部分を介して、ウェハ等の被研磨物の温度が検出されることになり、被研磨物のより実際の温度に近似した温度を検出することができる。
上記収容部は、研磨パッドの中心部から径方向外径側に延びる溝状に形成され、この溝状の収容部に複数の温度センサが互いに間隔をおいて収容固定されていることが好ましい。
この構成によれば、収容部に沿って各温度センサのリード線を研磨パッドの中心側に導いて、他の電子部材、例えば、中心部に設けられた回転コネクタに接続することができ、複数の温度センサの配置が容易である。また、同一径方向の複数個所の温度を一度に測定することができるので、同一径方向に沿った温度分布の正確な測定に役立つ。
さらに、上記構成の研磨装置において、温度センサの検出信号は、研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して制御部に入力されることが望ましい。この構成によれば、リアルタイムで研磨パッドの各部分の温度を検出して、研磨状態に即応したスラリー供給位置の調整を行うことができる。
このほか、温度センサの検出信号は、無線もしくは光信号によりワイヤレスで制御部に入力されるようにすることもできる。
本発明によれば、研磨パッドの各部分の温度分布を均一化した状態で、安定した研磨を行うことができる。
以下、本発明の最良の実施の形態を、図を参照して説明する。図1は、最良の実施の形態に係る研磨装置の構成図、図2は、上記研磨装置に含まれる研磨パッドの要部の裏面図、図3は、上記研磨装置に含まれる回転コネクタの一部破断した側面図である。
図1に示すように、本実施形態の研磨装置は、上面に研磨パッド1が装着される下定盤2と、下面に被研磨物であるウェハWが保持される上定盤3と、スラリーの供給ノズル4と、この供給ノズル4によるスラリー供給位置の変更手段としての移動機構5と、制御部6とを備えている。
下定盤2は縦軸周りに回転するもので、その軸部2aは、ベルト7等の伝動手段を介して下定盤2用のモータ8に連動連結している。この下定盤2に装着された研磨パッド1上に、供給ノズル4が位置している。供給ノズル4は、移動機構5の駆動により、研磨パッド1上を径方向(イ方向)に移動して、スラリー供給位置を変更するようになっている。なお、図1では、供給ノズル4は、図示の都合上、研磨パッド1の表面各部分のうち、ウェハWと接触する部分から比較的離れた部分の上に設けられているが、ウェハWと接触する手前の部分の上に設けられることが望ましい。
上定盤3は、下定盤2の上側に設けられており、その軸部3aは、ベルト9等の伝動手段を介して上定盤3用のモータ10に連動連結している。
研磨パッド1は、図面上、上面を研磨面としており、裏面側(下面側)に複数(図示例では3個の)の温度センサ11,11,11が設けられている。これらの温度センサ11の配置位置は、研磨パッド1の径方向異なる位置に設定されている。温度センサ11としては、接触式のもの、例えば、熱電対が使用される。
一方、研磨パッド1の研磨面側の中心部には、温度センサ11の検出信号の取り出しのために、回転コネクタ12が設けられている。この回転コネクタ12を介して、温度センサ11の検出信号が制御部6に入力する。回転コネクタ12の構造は後述する。
図2に基づいて研磨パッド1の構造を、さらに詳細に説明する。研磨パッド1の裏面には、中心部から外周縁にかけて径方向に延びる溝状の収容部13が形成されており、中心部には、温度センサ11のリード線11aを研磨面側に引き出すための透孔14が形成されている。温度センサ11とそのリード線11aは、収容部13の内部に収容されて、図示省略した接着剤もしくは充填樹脂により収容部13内に固定されている。
単一の収容部13に収容固定される温度センサ11は、一つでも複数でもよいが、図示の実施形態では、単一の収容部13内に3個の温度センサ11,11,11が互いに径方向に間隔をおいて配列されている。
これら温度センサ11の径方向位置は、研磨パッド1に対するウェハWの接触位置に応じて設定されており、研磨パッド1中心から内径側の温度センサ11までの径方向距離D1はウェハWの最内側の接触位置に対応し、径方向中間位置の温度センサ11までの径方向距離D2はウェハWの中心部の接触位置に対応し、外径側の温度センサ11までの径方向距離D3はウェハWの最外側の接触位置に対応している。これら温度センサ11のリード線11aは、収容部13から透孔14に導出されている。
上記実施形態において、研磨パッド1の研磨面は平坦面とされるが、スラリーを保持するための溝、もしくは凹部が形成されていてもよい。
また、研磨パッド1は、特に図示しないが、層構造を有し、概略、表面側の研磨層と、その裏面側に貼り付けられる下地層とからなる。
表面側の研磨層は、ポリウレタン等の発泡性樹脂を発泡硬化して得られた樹脂層である。この樹脂層を構成するウレタン重合体としては、ポリエーテル系ウレタン樹脂、ポリエステル系ウレタン樹脂、ポリエステルエーテル系ウレタン樹脂、ポリカーボネート系ウレタン樹脂のいずれも使用することができる。各ウレタン樹脂の製造に使用されるポリオール成分としては、例えば、ポリオキシエチレングリコール、ポリオキシプロピレングリコール、ポリオキシテトラメチレングリコール、ポリエチレンアジペート、ポリプロピレンアジペート、ポリオキシテトラメチレンアジペート等が挙げられる。また、イソシアネート成分としては、例えば、4,4'−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート等が挙げられる。
研磨パッドの下地層は、ウレタンを含浸させた不織布タイプの軟質層、もしくはフォームタイプの軟質層である。この軟質層としては、例えば、ウレタン重合体とジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。もしくは、ウレタン重合体と、塩化ビニル重合体、塩化ビニル−酢酸共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−ビニルアルコール三元共重合体等のビニル重合体と、ジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。この発泡体の外面、特に研磨層側の表面に形成されるスキン層はバフ加工して、表面に発泡構造が現れるようにするのがよい。
次に、図3に基づいて回転コネクタ12の構造を説明する。研磨パッド1の中心部には、上記したように、透孔14が形成されており、この透孔14内に温度センサ11のリード線11aが引き込まれている。研磨パッド1の研磨面側で上記透孔14と同心位置に回転コネクタ12が取り付けられている。
この回転コネクタ12は、スリップリングを利用したもので、研磨パッド1側(図面では下側)に開いた配線空間15を有する装着筒16と、この装着筒16の外周に固着される絶縁体からなる回転筒17と、この回転筒17の外周側で装着筒16に軸受18を介して相対回転可能に取り付けられる固定ケース19とからなる。
装着筒16は、研磨パッド1の研磨面に接着剤等により固定される。装着筒16内の配線空間15は、周方向の一部に開口15aを有する。回転筒17には、導電性に優れた金属からなる複数(図示例では3つ)のリング20が一体に設けられており、これらリング20の周方向一部分は、配線空間15の開口15aから内周側に露出している。そして、これらリング20の内周側への露出部に、温度センサ11のリード線11aが接続されている。固定ケース19には、リング20に対応して複数の端子21が設けられ、各端子21には、リング20に摺接するブラシ22が取り付けられている。これにより、各温度センサ11のリード線11aは、常時、回転コネクタ12の対応する端子21に接続されている。図3において、23は引き出し線、24はカバーである。
制御部6は、下定盤2や上定盤3等の動作を制御するものであるが、本実施形態では、少なくとも温度センサ11の検出信号に基づいて移動機構5の動作を制御するものであればよい。移動機構5は、本実施形態では、供給ノズル4を研磨パッド1の径方向に移動させるものであるが、供給ノズル4によるスラリー供給位置が研磨パッド1の中心部分から外周部分までの間を移動すればよく、円弧運動等の非直線運動をするものでもよい。制御部6には、温度センサ11の検出信号が回転コネクタ12を介して入力する。そして、制御部6は、これら温度センサ11により検出される各位置の温度差が小さくなるよう、移動機構5を動作させて供給ノズル4によるスラリー供給位置を変更する。
上記構成において、研磨に当たっては、温度センサ11および回転コネクタ12が取り付けられた研磨パッド1が、下定盤2の上面に接着剤により装着される。
一方、上定盤3の下面にはウェハWが保持され、このウェハWが下定盤2側の研磨パッド1に押し付けられる。この状態で、下定盤2と上定盤3とがそれぞれ回転駆動されるとともに、研磨パッド1上に供給ノズル6からスラリーが供給され、研磨が行われる。
上記の研磨動作中、温度センサ11の検出信号は、回転コネクタ12を介して、制御部6に入力する。この場合、温度センサ11は、研磨パッド1の収容部13内で表面部の温度を検出しており、図1のように、温度センサ11が設けられている部分の上にウェハWが位置している場合は、ウェハWと接触している状態の研磨パッド1表面部の温度が測定される。また、温度センサ11は、ウェハWに極めて近接しており、ウェハWとの間に研磨パッド1表面のごく薄い部分を介在させているにすぎないから、ウェハWの実際の温度に近似した温度が測定されることになる。
さらに、各温度センサ11の検出信号を、温度センサ11の位置と関連付けて処理することで、研磨パッド1表面部の温度分布が得られる。
本件発明者は、上記温度センサ11により、研磨中に生じる研磨パッド1表面部の温度分布、具体的には、各温度センサ11で検出される研磨パッド1の表面各部分の温度のばらつきを測定し、この温度のばらつきが、供給ノズル4によるスラリー供給位置に関係するという事実を見出している。
実験では、スラリー供給位置を研磨パッド1の径方向に変えて、研磨パッド各部分の温度を測定し、図4の(A)、(B)、(C)に示すような結果を得た。
スラリー供給位置を研磨パッド1の中心部に近い位置に設定すると、図4の(A)に示すように、D1の温度センサ11により検出される研磨パッド1中心部寄りの部分の温度と、D2の温度センサ11により検出される中間径部分の温度との間に大きな温度差はないが、D3の温度センサ11により検出される研磨パッド1外周側の部分の温度は、上記2部分の温度より低く、上記2部分との間にかなりの温度差があることが分かる。
逆に、スラリー供給装置を研磨パッド1の外周側に設定すると、図4の(B)に示すように、外周側の部分(D3の部分)の温度と、中間径部分(D2の部分)の温度との間に大きな温度差はないが、中心部寄りの部分(D3の部分)の温度は上記2部分の温度より低く、上記2部分との間にかなりの温度差があることが分かる。
さらに、スラリー供給位置を研磨パッド1の中間径位置(ウェハの中心部に相当する位置)に設定すると、図4の(C)に示すように、D1、D2、D3の各部分の温度差は、(A)、(B)の場合より小さくなることが分かる。
上記の実験結果からは、スラリーの供給位置がウェハWの中心部に相当する、研磨パッド1の中間径位置に近づくと、研磨パッド1各部分の間の温度差が減少する傾向にあることが分かるが、スラリー供給位置がウェハWの中心部に相当する径方向位置になることで、常に各部分の間の温度差が最小となるわけではなく、他の研磨条件(研磨パッド1に対するウェハWの加圧力、研磨速度、スラリーの種類や温度等)により、温度差が充分に小さくならないことがあり、そのような場合は、スラリー供給位置が、ウェハWの中心部に相当する位置から径方向内方もしくは外方に若干外れた位置になった時に各部分の間の温度差が最小になる。
なお、スラリー供給位置の違いにより研磨パッド1各部分の温度差が生じるのは、スラリーが研磨パッド1上に供給されてから実際にウェハWとの間に入り込んで研磨に関与するまでの間に温度低下をきたすためと考えられ、スラリー供給装置位置から研磨に関与する位置までの移動距離の長さに左右されるものと思われる。
制御部6は、研磨パッド1の表面各部の温度のばらつきを検出しながら、これらの温度差が最小となるよう、移動機構5を動作させて供給ノズル4によるスラリー供給位置を変更する。
温度センサ11の検出信号に基づいてスラリー供給位置が変更調整された後は、研磨パッド1の表面各部分の温度差が最小となり、温度分布が均一化した状態で安定した研磨がなされる。
研磨パッド1の温度分布が均一化した状態で安定した研磨を行うことで、均一な研磨がなされる。
本件発明者は、研磨パッド1の温度分布が均一化した状態で、ウェハの研磨を行ったのち、そのウェハの研磨の均一性を測定した。
その測定には、8インチウェハでは、ウェハ面内に49点の測定点を設定した(ウェハの中心1点、半径25mmの位置4点、半径50mmの位置8点、半径75mmの位置16点、周辺から5mmの内側の位置20点)。そして、研磨前後に上記測定点で測定し、その前後の差を「研磨された膜厚」とした。
上記測定点49点での研磨された膜厚の平均値Tmn、最大値Tmax、最小値Tminとから、次式(イ)により研磨の均一度を%で算出した。
[(Tmax−Tmin)/2×Tmn]×100=研磨の均一度(%)…(イ)
上記のように研磨の均一度を算出したところ、本発明装置により研磨したウェハでは、その研磨の均一度は10.02%であった。
上記のように研磨の均一度を算出したところ、本発明装置により研磨したウェハでは、その研磨の均一度は10.02%であった。
また、研磨後のウェハの膜厚については、金属膜の測定になるので、4本の接触針を有する四探針計を用いた。
上記四探針計では、4本の接触針のうち、2本の間に電圧をかけ、残り2本で電流を測定し、ホームの法則から、4本の接触針が接触したエリアの抵抗値(シート抵抗)を計算した。金属膜は、一般的に比抵抗値が物理定数として決まっており、
比抵抗値=シート抵抗×膜厚 ………(ロ)
なので、膜厚は下記式(ハ)、
膜厚=比抵抗値/シート抵抗 ………(ハ)
から算出される。
比抵抗値=シート抵抗×膜厚 ………(ロ)
なので、膜厚は下記式(ハ)、
膜厚=比抵抗値/シート抵抗 ………(ハ)
から算出される。
本発明の装置により研磨したウェハについて、その研磨後の膜厚を上記した測定方法で測定したところ、適応範囲の膜厚であった。
1 研磨パッド
2 下定盤
3 上定盤
4 供給ノズル
5 移動機構(供給位置変更手段)
6 制御部
11 温度センサ
12 回転コネクタ
13 収容部
W ウェハ(被研磨物)
2 下定盤
3 上定盤
4 供給ノズル
5 移動機構(供給位置変更手段)
6 制御部
11 温度センサ
12 回転コネクタ
13 収容部
W ウェハ(被研磨物)
Claims (5)
- 上定盤の下面に保持された被研磨物と、下定盤上に装着された研磨パッドとを接触加圧した状態で、供給ノズルから上記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、上記被研磨物と上記研磨パッドとを相対的に摺動させて研磨を行う研磨装置であって、
上記研磨パッドの径方向互いに異なる位置に配置された複数の温度センサと、
上記供給ノズルからのスラリー供給位置を変更するための供給位置変更手段と、
少なくとも上記供給位置変更手段の動作を制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記複数の温度センサの検出信号を入力し、これら温度センサにより検出される各位置の温度差に対応して、上記供給位置変更手段を動作させて上記供給ノズルによるスラリー供給位置を変更する、ことを特徴とする研磨装置。 - 上記供給位置変更手段は、上記供給ノズルを上記研磨パッドの径方向に移動させるものである、請求項1に記載の研磨装置。
- 上記研磨パッドの裏面側に収容部が形成され、この収容部に上記温度センサが収容固定されている、請求項1または2に記載の研磨装置。
- 上記収容部は、上記研磨パッドの中心部から径方向外径側に延びる溝状に形成され、この溝状の収容部に上記複数の温度センサが互いに間隔をおいて収容固定されている、請求項3に記載の研磨装置。
- 上記温度センサの検出信号は、上記研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して上記制御部に入力される、請求項1ないし4のいずれかに記載の研磨装置。
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