JP2914166B2 - 研磨布の表面処理方法および研磨装置 - Google Patents

研磨布の表面処理方法および研磨装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は平坦化ポリッシング（研
磨）の方法に関するものであり、詳しくは研磨布の目詰
まりを回避する方法とそれに使う研磨布表面処理用無機
材料板および研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】配線層が立体的に配置された多層配線層
を有する半導体集積回路を形成するには、多層配線間の
層間絶縁膜（シリコン酸化膜）の表面を平坦にする必要
がある。すなわち、第１層目（最下層）のアルミ配線を
形成した後、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を成膜する
と、配線層の存在によりシリコン酸化膜表面に凹凸が生
じてしまう。フォトリソグラフィーおよびドライエッチ
ング工程で、この凹凸の存在する酸化膜上に第２のアル
ミ配線層を形成しようとすると、凹凸部でレジストパタ
ーニングの露光焦点が合わない、あるいは段差部にドラ
イエッチング残りが生じる等の不具合が生じる。このた
め、ポリッシングにより層間絶縁膜表面の凹凸を取り除
いて平坦にしている（特願平４−９４６７７号明細
書）。すなわち、回転研磨定盤上の研磨布に加工液を滴
下し、この研磨布にシリコン基板を押し当てることによ
り、層間絶縁膜表面の凹凸を取り除いている。シリコン
酸化膜のポリッシングは、酸化シリコンの化学的エッチ
ング作用と研磨剤粒子との摩擦による機械的作用により
進行し、通常、加工液には粒径２０nm程度のシリカ粒子
（研磨剤粒子）を、アンモニア水溶液に１０〜３０ｗｔ
％程度分散させた加工液が使われている（特願平４−７
５３３８号明細書）。
【０００３】ところで、表面の微小な凹凸を取り除くこ
とを目的とした研磨布としては、硬くかつ平坦な表面特
性を有している必要がある。研磨布としては、合成繊維
を固めた繊維型研磨布（たとえば、ポリウレタン含浸ポ
リエステル繊維布）と高分子を発泡させた発泡型研磨布
（たとえば、発泡ポリウレタン）がある。
【０００４】繊維型研磨布には、繊維間に微小な隙間が
あり、研磨布全面にこの隙間がチャネル状につながって
いる。したがって、加工液に含まれるシリカ粒子や層間
絶縁膜の加工削りくず等が隙間を通って研磨布外周部か
ら排出され、研磨布表面が目詰まりすることは少ない。
しかしながら、この連続した隙間がある故に、研磨布自
体の硬さが減少し、層間絶縁膜の平坦化ポリッシングに
はあまり適さない。
【０００５】一方、発泡型研磨布では、発泡による球状
ポアーの密度を少なくすれば硬くかつ表面の平坦な研磨
布となり、平坦化ポリシングには適している。しかしな
がら、複数枚連続してポリッシングを行うと、表面付近
に存在するポアー内に研磨剤（シリカ粒子）や加工削り
くずがたまり、層間絶縁膜表面にスクラッチ（傷）を発
生させたり、また層間膜の加工速度を低下させてしまう
といった欠点がある。
【０００６】そこで、この発泡型研磨布の目詰まりを回
避するため、ポリッシングを行う度に研磨布の極表面層
を削りとって目詰まりのない研磨布面を出させる工程、
すなわち研磨布表面コンディショニング工程を行ってい
る。図７に示すように、従来の方法では、このコンディ
ショニング工程は、１〜１００μm のダイアモンド粒子
１６をステンレス円盤１４に電着させたダイアモンド電
着層１５を、純水あるいは加工液を加えながら発泡型研
磨布７に押し付けている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この従来の
研磨布表面処理法であるところのダイアモンド治具の回
転している研磨布への押し付けを行った場合、図７
（ｂ）に示すようにダイアモンド粒子１６の一部が脱落
して研磨布７に食い込み、このダイアモンド粒子１６に
よって層間絶縁膜表面に傷（スクラッチ）が発生すると
いう問題があった。また、ステンレス等の金属板１４に
ダイアモンド粒子１６を電着しているため、研磨布７が
金属汚染されるといった問題もあった。ステンレス板へ
のダイアモンド電着にはＮｉを用いている。そのため、
ダイアモンド粒子が脱落するとＮｉが加工液に溶解し半
導体基板を汚染する。またステンレス板の下面にダイア
モンド粒子が電着されているためステンレス板側面から
の金属の溶解あるいは剥離でも半導体基板が汚染され
る。
【０００８】本発明の目的は、粒子による傷の発生と金
属汚染の少ない、研磨布の表面処理方法および研磨装置
を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の研磨布の表面処
理は、一部あるいは全面に微小な凹凸のある石英、サフ
ァイアなどの無機材料板を、目詰まりした研磨布に押し
当て、目詰まり部分を除去することを特徴とする方法で
ある。この無機材料板には排出物の外部への通路となる
溝が形成されていてもよい。また、研磨布と無機材料板
との間に洗浄水を流しながら目詰まり部分を除去する
際、洗浄水として電解イオン水を使ってもよい。
【００１０】また、研磨布の表面処理機能を具備する研
磨装置において、無機材料板を自転させた状態で回転し
ている研磨布に押し当てる機能と、自転する無機材料板
が研磨布面に対して常に平行となるように無機材料板の
自転軸に自由度があることを特徴とする研磨装置であ
る。さらに、前記研磨装置において、前記研磨布表面処
理時に板の中心部より水を供給する機能を有する研磨装
置である。
【００１１】
【作用】本発明では、ダイアモンド電着粒子のような角
張った粒子の集合体面で研磨布のコンディショニングを
行うのでなく、微小凹凸のある石英、サファイア等の硬
質無機材料板で行うので、研磨布に硬い微粒子が落ちる
ことはない。その結果コンディショニング後層間絶縁膜
をポリッシングしても、傷が発生することはない。ま
た、硬質無機材料を研磨布に押し当てているため、当然
のことながら研磨布が金属汚染されることはない。
【００１２】また、研磨定盤の回転速度と同じ速度で硬
質無機材料板を自転させることにより、無機材料板と研
磨布との相対速度が無機材料板面内で位置によらず一定
とすることができ、さらに無機材料板が研磨布面に対し
て平行となるように回転軸に自由度を持たせてあること
で、研磨布全面に対して均一に表面処理が可能であり、
その結果層間膜の加工面内均一性が向上する。
【００１３】またコンディショニング時に無機材料板の
中心部から水を供給することにより、研磨布表面に付着
していた削りくずやシリカ粒子が速やかに無機材料板の
外部に流れ出してゆくため、研磨布のコンディショニン
グを効率よく行える。
【００１４】また無機材料板には溝が彫られているた
め、この溝を通して無機材料板全面に洗浄水がよく行き
渡るとともに、溝がない場合に比べ削りくずやシリカ粒
子が外部に排出される時間を少し短くすることができ
る。従ってコンディショニングに要する時間を少し短縮
できる。ただし溝がなくても無機材料板全面に微小凹凸
があれば充分コンディショニングはできる。
【００１５】さらに、本発明の洗浄装置では、コンディ
ショニング後に無機材料板表面をすぐに洗浄する機構を
備えているため、削りくずやシリカ粒子が無機材料板表
面へ固着するのを防止し、無機材料板の研磨布表面処理
の能力が処理工程回数の増加に伴って劣化することを抑
制できる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。図１は、本発明による研磨布表面処理用の高
純度石英板の上面図と断面図である。石英板１表面には
格子状に溝２が形成され、溝部以外の突起部３領域表面
には微小な凹凸４が形成されている。研磨布はここでは
発泡ポリウレタンを使った。
【００１７】石英板１の直径に特に制限はないが、研磨
定盤の直径の半分よりやや小さい程度が適当である。例
えば研磨定盤の径がΦ４８０mmの場合、石英板１の径は
Φ２３０mmである。また、その厚さは３０〜４０mm程度
であれば機械的強度は十分である。溝２の幅やピッチに
も制限はないが、例えば幅１〜１０mm、ピッチ１０〜２
０mm程度が適当である。石英突起部３表面には段差０．
５〜３mm程度の微小な凹凸４が多数形成されている。
【００１８】石英板は次のように作製する。
【００１９】まず微小な凹凸４を作った後溝２を形成す
る。微小な凹凸を作るには、Ｖ字型のダイアモンドカッ
タ−で、石英あるいはサファイア表面に切り込みを入れ
る。切り込みの深さは０．５〜３mm程度で、その幅は２
〜５mm程度である。このＶ字型カッターで格子状に切り
込み、四角錐状の微小な凹凸を形成する。また横方向に
のみ連続して切り込みを入れれば、三角刃状の微細な凹
凸が形成される。この切り込みをある部分一方向だけに
し他の部分を格子状にしたりすることで、三角刃状と四
角錐状とが混合した微細凹凸のある石英あるいはサファ
イア面ができる。またある領域をＶ字型カッターで切り
込まなければ、局部的な凹凸のない平面部を残すことも
できる。
【００２０】次に、通常のダイアモンドカッターで深さ
３〜１０mm程度、幅１〜１０mm程度の溝２をピッチ１０
〜２０mm程度に形成する。この溝以外の領域が突起部３
となる。突起部３の表面には最初に作った四角錐状ある
いは三角刃状の微小凹凸が形成されている。
【００２１】なお、図２（ａ）に示すように、石英板１
の外周部にだけ微小凹凸４のある突起部を形成させても
よいし、さらに図２（ｂ）に示すように突起部のうち、
微小凹凸のない平坦な突起部５を混在させてもよい。微
小凹凸部４で研磨布の表面層の一部が削り取られる際に
研磨布表面が毛羽だってしまった場合、平坦な突起部５
はその毛羽を押し倒して平面にする作用がある。研磨布
の性質により、平面突起５と微小凹凸突起４との存在割
合を調整する必要があるが、特に硬い発泡型研磨布の場
合、すべて表面に三角刃状あるいは四角錐状の微細凹凸
のある突起であってもさしつかえない。
【００２２】図３に示すがごとく、まず石英板１を円形
ステンレス板１９に固定する。この円形ステンレス板１
９にはトルク伝達部１０の凹部とＬ字型ステンレス板２
１が取り付けてある。モータ８からモータ回転軸９の側
面にはＬ字型ステンレス板２１を挟み込むようなコの字
型ステンレス板２０を取り付けてある。モータ８が回転
すると、コの字型ステンレス板２０に挟まれたＬ字型ス
テンレス板２１を介して円形板１９と石英板１とが回転
する。
【００２３】なお、回転軸９を介して円形板１９と石英
板１には荷重がかかるが、この装置では、回転軸９と円
形板１９と石英板１とは球面トルク伝達部１０を介して
接続されているため、研磨布面７に対して常に平行とな
るように追従できる自由度を持っている。石英板の圧力
は石英板表面に形成した微小凹凸４の大きさやその密度
によるが、０．０５〜０．５Ｋｇ／ｃｍ2 程度である。
この際、１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ程度の純水を純水
供給部１２から加える。石英板と研磨布（研磨定盤）の
回転速度は同じであることが望ましく、例えば２０〜１
００ｒｐｍ程度が適当であるが、どちらかの回転速度が
相対的に異なるように設定してもよい。
【００２４】この工程により、研磨布７の表面層の一部
および表面に付着しているシリカ粒子や発泡による研磨
布内ポアー内に堆積した削りかす等が排除される。この
際、石英板の溝２が純水１１および排除物の通路とな
る。
【００２５】また、溝がないと、コンディショニング終
了後石英板と研磨布との間に作用する水の表面張力によ
り、石英板１を研磨布７から引き離すことが困難であっ
たが、溝２の存在により水の表面張力は作用しなくな
る。従って、この発明による装置で研磨布７のコンディ
ショニングをして研磨布７の目詰まり等を除去すること
で、たとえ発泡型研磨布を用いた場合であっても、研磨
布の使用時間の経過とともに層間絶縁膜の加工速度が低
下することはない。さらに、ダイアモンド電着治具１５
を用いた際に認められたスクラッチも認められない。当
然のことながら、金属汚染もない。
【００２６】なお、上述した実施例では、石英板１に格
子状の溝パターンを形成したが、溝パターン形状には関
係なく、例えば同心円状と放射状を組み合わせたもの、
放射状のみ、渦巻き状、ランダム状などでも目的とする
効果が得られる。
【００２７】図４は、Φ４７０mmの研磨布をコンディシ
ョニングするために使用した石英コンディショニング治
具の実施例を示す。この場合、治具の径は２３０mmとし
ている。まず、Φ２３０mmの石英板１（厚さ：４０mm）
のΦ１４０mm内部を深さ５mm程度ざぐり取る。次にＶ字
型カッターを縦横に操作して表面に四角錐状の凹凸４を
形成する。ここでは高さ２mm、幅３．３mmとした。その
後深さ５mm、幅１mmの溝２を格子状に形成する。これら
一連の工程で、石英板外周部に微小凹凸４（この場合四
角錐状）と排水路である溝２を形成する。なお、このよ
うに大口径の石英板をつかったとしても、微小凹凸を外
周部にのみ形成する場合は排水路用溝２の効果は少な
く、必ずしも溝を必要とするものではない。
【００２８】図５は、サファイアをコンディショニング
治具として使った場合の実施例である。サファイアは石
英よりも硬く、コンディショニング治具の材料として好
ましいが、大口径のものは非常に高価である。そこで、
小口径のサファイア板１８（例えばΦ２０から３０mm、
厚さ５〜１０mm程度）の表面に三角錐状、四角錐状ある
いは三角刃状の微小凹凸４を形成し、複数の小口径サフ
ァイア板を大口径の石英板１（例えばΦ２３０mm）また
はガラス板に敷き詰めるように張り込む。この場合小口
径サファイア板間に多少の隙間があるため、台座となる
石英板に排水用の溝をあえて作る必要はない。ここで
は、小口径サファイア表面に四角錐状の微小凹凸を設け
たもの（図中のサファイア板Ａ）と、三角刃状の凹凸を
設けたもの（図中のサファイア板Ｂ）とで構成される２
種類を張り込んでいる。特に、三角刃状の凹凸の長手方
向を石英板の中心方向に向ける、即ち三角刃の長手方向
が放射状あるいはそれに近い方向に設定されている。こ
れは研磨布とは点接触する四角錐状の凹凸で研磨布表面
を荒削りし、線接触する三角刃状凹凸で仕上げるという
効果がある。発泡ポリウレタン等の硬い研磨布では、点
接触させる四角錐状凹凸の形成されたサファイア板の割
合を多くしたり、また繊維状ポリエステル等の比較的柔
らかい研磨布では、線接触させる三角刃状凹凸の割合を
多くする。当然のことながら、すべて四角錐状でも、す
べて三角刃状でもよい。また小型サファイア板１８の形
状は、円、四角あるいはその他の多角形でもよく、また
台座となる石英板全面に敷き詰めるように張り込んでも
よい。またサファイア板を張り込む方法として、小口径
のサファイア板を石英板１に張り込んだ後、サファイア
板１８表面に微小凹凸を設けてもよい。この場合、サフ
ァイア板を張り込んだ後、サファイア板を研磨して描く
サファイア板の石英板からの突出量を一定させることが
できる。後工程でサファイア板に微小凹凸を形成するこ
とで、すべての微小凹凸の凸部の先端位置を容易に大口
径石英板内で一定にできるという利点がある。なお、石
英板１表面に彫り込みを形成せず、直接サファイア板１
８を張り込んでも良い。
【００２９】図６は、研磨布表面処理時に石英板１中心
部から純水１１が供給される場合の実施例であり、モー
タ回転軸の内部、球面トルク伝達部１０のフレキシブル
チューブ１３を通って石英板中心部１７から純水１１が
流れ出す。この様な機構の場合、水流は常に石英板１外
周部へと向かうため、研磨布７の表面層に付着している
シリカ粒子や研磨布内ポアー内に堆積した削りかす等の
排除が促進され、コンディショニング工程がより均一に
行える。
【００３０】コンディショニング治具の材質としては、
少なくとも加工液に含まれる研磨剤粒子と同等あるいは
それ以上の硬さの硬質無機材料であればよく、シリカ粒
子を研磨剤として使ったときは、石英板の他にサファイ
ア板、ダイアモンド板、アルミナ焼結体板に微小凹凸を
形成してもよい。
【００３１】また、上述した実施例ではコンディショニ
ング時に純水を用いたが、石英板などを腐食しない水溶
液であればよく、例えば、パーティクル除去性の高い電
解イオン水（１９９３年ＶＬＳＩ技術シンポジュウム、
テクニカルダイジェスト、ｐ１０７）でもよい。この電
解イオン水は、例えば、多孔質の膜で隔てられた水槽に
陰電極および陽電極を設置した連続給水式電界イオン水
生成装置に直流電界を印加して水を電気分解することで
得られる。電解で陰極にＨ+ イオンが引き寄せられて電
子を受け取ってＨ2 ガスとなり放出されるが、Ｈ+ イオ
ンの減少に対応してＯＨ- イオンが残り、陰極水は弱ア
ルカリ性を示す。同様に陽極では酸素ガス放出でＯＨ-
イオンの減少に対応して陽極水は酸性になる。
【００３２】酸化還元電位が−８００ｍＶ（還元側）の
陰極水である弱アルカリ性イオン水を使った場合、研磨
布と研磨剤粒子（シリカ）の表面にＯＨ- 基が吸着し、
研磨布表面と研磨剤表面が負に帯電することで電気的に
反発しあって、研磨布にめり込んだシリカ粒子が浮き出
てきやすくなる。この効果とコンディショニング治具と
の機械的効果とを利用して、さらに効果的に研磨布のコ
ンディショニングをすることができる。
【００３３】なお希アンモニア水、酢酸アンモニア水や
アミン水溶液等化学薬品を純水に添加して弱アルカリ性
とした水溶液を使ってシリカ粒子と研磨布表面にＯＨ-
基吸着させても同様の効果が得られるが、コンディショ
ニング廃液処理時に化学添加物を除去する工程が必要と
なるためコストが大きい。また研磨剤にアルミナ粒子を
用いた場合、陽極イオン水あるいは硝酸等を添加した酸
性水で研磨布とアルミナ粒子にＨ+ 基を吸着させて、コ
ンディショニングを行ってもよい。
【００３４】さらに、炭酸水や希塩酸水、希硫酸水や希
硝酸水などを使った弱酸性水溶液を用いることもでき
る。
【００３５】なお、無機材料板としてアルミナ焼結多結
晶板を使ってもよいが、研磨布処理中にアルミナ焼結粒
子（グレイン）がこぼれ落ち、これら粒子により層間絶
縁膜表面にスクラッチが生じる恐れがあるため望ましく
ない。サファイア単結晶板を使えば前述の実施例と同様
の効果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】以上述べたように、この従来の研磨布表
面処理法であるところの電着ダイアモンド治具の回転し
ている研磨布への押し付けを行った場合、脱落ダイアモ
ンド粒子による層間絶縁膜表面への傷発生、研磨布の金
属汚染といった問題があった。
【００３７】そこで、本発明によるところの加工液に含
まれる研磨剤粒子と同程度あるいはそれ以上の硬さの無
機材料板を研磨布に押し当て、研磨布の目詰まり等を除
去する方法を採用することで、傷や金属汚染なしに層間
絶縁膜の平坦化が可能となり、たとえ硬い発泡型研磨布
を使用した場合であっても、使用時間の経過とともに層
間絶縁膜の加工速度が低下することはない。その結果、
平坦化ポリッシングの歩留まりや処理時間が著しく向上
し、半導体デバイスの製造コストが大幅に削減されると
いった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による研磨布表面コンディショニング用
の石英板の上面および断面図である。
【図２】本発明による研磨布表面コンディショニング用
の石英板の断面図である。
【図３】本発明によるコンディショニング用石英板を具
備した研磨装置の概略図である。
【図４】本発明による大口径コンディショニング用石英
板である。
【図５】本発明による小口径サファイア板を埋め込んだ
コンディショニング用治具である。
【図６】本発明によるコンディショニング用石英板を具
備した研磨装置の概略図である。
【図７】従来技術を説明する図であり、ステンレス基板
にダイアモンド粒子を電着させた治具を用いた場合の研
磨布コンディショニング工程を示す図である。
【符号の説明】
１ 石英板 ２ 石英板に形成された溝 ３ 石英の突起部 ４ 石英突起部に形成された微小な凹凸 ５ 平坦な石英突起部 ６ 研磨定盤 ７ 研磨布 ８ モーター ９ モータ回転軸 １０ 球面トルク伝達部 １１ 純水 １２ 純水供給部 １３ フレキシブルチューブ １４ 金属板（ステンレス板） １５ ダイアモンド粒子電着層 １６ ダイアモンド粒子 １７ 石英板の中心部 １８ 微小凹凸の形成されたサファイア板 １９ 円形ステンレス板 ２０ コの字型ステンレス板 ２１ Ｌ字型ステンレス板

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】研磨の加工液に含まれる研磨剤粒子と同等
    あるいはそれ以上の硬さの無機材料板を、研磨剤粒子で
    目詰まりした研磨布に押し当て、目詰まり部分を除去す
    る研磨布の表面処理方法において、 前記無機材料板の表面全体あるいは一部に、微小な凹凸
    を有するガラスあるいは高純度石英が設けてあることを
    特徴とする研磨布の表面処理方法。
  2. 【請求項２】無機材料板表面にガラスあるいは高純度石
    英の平坦な部分を設けてある請求項１に記載の研磨布の
    表面処理方法。
  3. 【請求項３】研磨布と無機材料板との間に洗浄水を流し
    ながら目詰まり部分を除去する請求項１または２に記載
    の研磨布の表面処理方法。
  4. 【請求項４】研磨の加工液に含まれる研磨剤粒子と同等
    あるいはそれ以上の硬さの無機材料板を、研磨剤粒子で
    目詰まりした研磨布に押し当て、目詰まり部分を除去す
    る研磨布の表面処理方法において、 前記無機材料板の表面全体あるいは一部に、微小な凹凸
    を有するガラス、単結晶あるいは焼結体が設けてあり、 研磨布と無機材料板との間に電解イオン水を用いた洗浄
    水を流しながら目詰まり部分を除去することを特徴とす
    る研磨布の表面処理方法。
  5. 【請求項５】排出物の外部への通路となる溝が表面に形
    成された高純度石英を用いることを特徴とする研磨布表
    面処理用無機材料板。
  6. 【請求項６】無機材料板を自転させた状態で、回転して
    いる研磨布に押し当てる手段と、自転する無機材料板が
    研磨布面に対して常に平行となるよう無機材料板の自転
    軸に自由度があることを特徴とする研磨装置。
  7. 【請求項７】無機材料板の中心部より洗浄水を供給する
    機能とを有する請求項６に記載の研磨装置。
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