JP5170642B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の基板を研磨する研磨装置に関する。

基板表面を研磨する研磨装置としてＣＭＰ装置が例示される。ＣＭＰ装置は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により基板表面を超精密に研磨加工する技術として、半導体ウェーハやガラス基板等の基板の研磨加工に広く利用されている。このような研磨装置では、チャックに保持された基板と研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させて押接し、基板と研磨パッドとの当接部に研磨内容に応じたスラリー（Slurry）を供給して化学的・機械的な研磨作用を生じさせ、基板表面を平坦に研磨加工する（例えば、特許文献１を参照）。なお、研磨パッドは、発泡ポリウレタン等の独立発泡体で構成される。
特開２００６−３１９２４９号公報

しかしながら、上述のような研磨装置においては、同一の研磨レシピ（加工条件）を用いる場合でも、研磨パッドの密度によって研磨量プロファイル（研磨量分布）が変動してしまうという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨パッドの密度に応じた研磨量プロファイルの変動を補正できる研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、基板を保持する保持機構と、独立発泡体で構成されて前記基板を研磨可能な研磨面を有する研磨パッドと、前記保持機構に保持された前記基板と対向するように前記研磨パッドを保持する研磨ヘッドとを備え、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドを前記研磨面内で回転可能に保持し、前記研磨ヘッドに保持されて回転する前記研磨パッドの研磨面を前記保持機構に保持された前記基板の被研磨面に当接させながら相対移動させて前記基板の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、前記研磨パッドの密度が入力される入力部と、前記入力部で入力された前記研磨パッドの密度に応じて、前記研磨加工後の前記被研磨面が平坦化されるように前記研磨加工における加工条件を補正する補正部とを有し、前記補正部により補正された前記加工条件で前記研磨加工を行うように構成されており、前記補正部は、前記入力部で入力された前記研磨パッドの密度に応じて、前記研磨加工後の前記被研磨面が平坦化されるように前記加工条件である前記研磨パッドの回転速度を補正するようになっている。

さらに、上述の発明において、前記補正された前記研磨パッドの回転速度は、前記研磨パッドの密度を変数とする一次方程式を用いて求められることが好ましい。

本発明によれば、研磨パッドの密度に応じた研磨量プロファイルの変動を補正することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。研磨装置１は、半導体ウェーハ等の基板Ｗを回転可能に保持する保持機構１０と、研磨パッド２３が装着された研磨ヘッド２１を回転させるパッド回転機構２０と、基板Ｗに対して研磨パッド２３を昇降および相対揺動させるヘッド移動機構３０と、研磨パッド２３の中心部にスラリーを供給するスラリー供給機構４０と、基板Ｗや研磨パッド２３の回転、基板Ｗに対する研磨パッド２３の昇降および揺動、研磨加工部へのスラリーの供給等、研磨装置１の作動を制御する制御装置５０とを主体に構成される。

保持機構１０は、円盤状のチャック１１と、このチャック１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１４と、スピンドル１４に回転駆動力を伝達してチャック１１を水平面内で回転させるチャック駆動モータ１５等を有して構成される。チャック１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成されたチャックプレート１２と、このチャックプレート１２の上面に貼られた吸着パッド１３とを有して構成される。チャックプレート１２の内部に基板Ｗの下面を真空吸着する真空チャック構造が設けられて基板Ｗを着脱可能に構成されるとともに、チャック上部が加工テーブルＴから露出して配設されており、チャック１１に吸着保持された基板Ｗの研磨対象面（すなわち被研磨面）が上向きの水平姿勢で保持される。

チャック駆動モータ１５の作動は制御装置５０により制御され、チャック１１に吸着保持された基板Ｗの回転・停止、回転方向、および回転速度等が、加工プログラムに基づいて制御装置５０により制御される。また、保持機構１０と隣接して、ヘッド移動機構３０が設けられており、ヘッド移動機構３０を構成する研磨アーム３２の先端にパッド回転機構２０が設けられる。

パッド回転機構２０は、円盤状の研磨ヘッド２１と、研磨ヘッド２１の上部から鉛直上方に延びるスピンドル２４と、スピンドル２４に回転駆動力を伝達して研磨ヘッド２１を水平面内で回転させるパッド駆動モータ２５等を有して構成される。

研磨ヘッド２１は、チャック１１と同様の高剛性材料を用いて平面度の高い円盤状に形成されたポリッシングプレート２２と、このポリッシングプレート２２の下面に貼られた研磨パッド２３とを有して構成される。研磨パッド２３は、外径が研磨対象である基板Ｗの直径よりも幾分小さい（８０〜９５％程度の）円環状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ポリッシングプレート２２の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持される。

研磨ヘッド２１の中心部に、スラリー供給機構４０により供給されるスラリーを研磨パッド２３の中心部に供給するためのスラリー供給構造が、ポリッシングプレート２２の中心を上下に貫通して設けられている。また、研磨ヘッド２１の内部に形成された加圧室にエアの供給を受けてポリッシングプレート２２を下向きに加圧する、いわゆるエアバッグ式のパッド加圧機構が設けられており、研磨パッド２３の研磨面を基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、基板Ｗと研磨パッド２３との当接圧力、すなわち研磨圧力を制御可能になっている。

パッド駆動モータ２５の作動および加圧室の圧力は制御装置５０によって制御され、研磨ヘッド２１に装着された研磨パッド２３の回転・停止、回転方向、回転速度、および研磨圧力等が、加工プログラムに基づいて制御装置５０により制御される。

ヘッド移動機構３０は、加工テーブルＴから上方に突出する基部３１と、この基部３１から水平に延びる研磨アーム３２と、基部３１を通って上下に延びる揺動軸を中心として研磨アーム３２を水平揺動させるアーム揺動機構３５と、研磨アーム３２全体を垂直昇降させるアーム昇降機構（図示せず）等を有して構成され、上述したパッド回転機構２０が研磨アーム３２の先端部に設けられている。ヘッド移動機構３０は、アーム揺動機構３５により研磨アーム３２を水平揺動させたときの研磨ヘッド２１の揺動軌跡上に保持機構１０が位置するように構成されており、研磨ヘッド２１をチャック１１と対向させた状態で研磨アーム３２全体を昇降させ、研磨パッド２３の研磨面を基板Ｗの被研磨面に当接させた状態で基板Ｗに対して研磨パッド２３を水平揺動可能に構成される。

アーム揺動機構３５およびアーム昇降機構の作動は、制御装置５０によって制御され、チャック１１に保持された基板Ｗに対する研磨パッド２３の揺動開始点（研磨アーム３２の揺動開始角度位置）、揺動ストローク（研磨アーム３２の揺動角度範囲）、揺動速度等が、加工プログラムに基づいて制御装置５０により制御される。

制御装置５０は、データ入力部６０より入力された加工プログラムから研磨レシピ（研磨加工の加工条件）を読み出す。加工プログラムには、研磨レシピとして、研磨パッド２３の回転速度、基板Ｗの回転速度、基板Ｗに対する研磨パッド２３の揺動開始点、揺動ストローク、研磨パッド２３の揺動速度、研磨圧力、スラリーの種別、スラリーの供給流量等の条件値が含まれている。

また、データ入力部６０は、研磨パッド２３の密度を（キー操作、もしくは外部からのデータ転送等により）入力可能に構成されており、制御装置５０は、データ入力部５１で入力された研磨パッド２３の密度に応じて、研磨プロファイルが平坦化される（すなわち、研磨加工後の被研磨面が平坦化される）ように加工プログラムにおける研磨パッド２３の回転速度を補正し、補正後の加工プログラムに基づいて研磨装置１の作動を制御する。

図２に、研磨量プロファイルの一例を示す。図２において、グラフの縦軸は研磨量（Removal）であり、グラフの横軸は基板Ｗであるウェーハ上の直径方向位置（Wafer Diameter）である。この図２において、中心部の研磨量（Center Removal）、左端部の研磨量（Left Edge Removal）および右端部の研磨量（Right Edge Removal）から、研磨形状係数を次の（１）式のように定義する。

研磨形状係数＝
Center Removal／｛（Left Edge Removal＋Right Edge Removal）／2｝ …（１）

また、図２において、平均研磨量（Average Removal）、最大研磨量（Max Removal）および最小研磨量（Min Removal）から、研磨均一性（Range）を次の（２）式のように定義する。

Range＝（Max Removal−Min Removal）／Average Removal …（２）

ここで、研磨均一性（Range）と研磨形状係数との相関を図３に示す。この図３から、研磨形状係数が１である場合に、研磨均一性（Range）が最小になることがわかる。なお、（１）式より、研磨形状係数が１より大きい場合は、センター・ファーストの状態（中心部の方が端部より研磨量が大きい状態）であり、研磨形状係数が１より小さい場合は、センター・スローの状態（中心部の方が端部より研磨量が小さい状態）である。

また、研磨パッド２３の密度と研磨形状係数との相関を図４に示す。この図からわかるように、研磨パッド２３の密度と研磨形状係数との間に高い相関が認められ、研磨パッド２３の密度ρ（ｇ／ｃｍ^３）と研磨形状係数Ｙ1との相関式は、最小二乗法等を用いて次の（３）式で表わされる。なお、図４の場合における研磨パッド２３の回転速度は、１１０ｒｐｍである。

Ｙ1＝1.9798×ρ−0.5803 …（３）

さらに、研磨パッド２３の回転速度と研磨形状係数との相関を図５に示す。この図からわかるように、研磨パッド２３の回転速度と研磨形状係数との間に高い相関が認められ、研磨パッド２３の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）と研磨形状係数Ｙ2との相関式は、最小二乗法等を用いて次の（４）式で表わされる。なお、図５の場合における研磨パッド２３の密度は、０．７７６ｇ／ｃｍ^３である。

Ｙ2＝0.0116×Ｎ−0.3172 …（４）

本実施形態において、研磨形状係数のターゲットは１であるので、次の（５）式を利用することで、常に研磨形状係数が１となるような、研磨パッド２３の回転速度Ｎ（ｒｐｍ）と研磨パッド２３の密度ρ（ｇ／ｃｍ^３）との相関式を求めることができる。

Ｙ1−１＝−（Ｙ2−１） …（５）

この（５）式に（３）式および（４）式を代入すると、次の（６）式が得られる。

Ｎ＝−１７１×ρ＋２５０ …（６）

本実施形態において、制御装置５０は、研磨パッド２３の密度ρがデータ入力部５１から入力されると、この（６）式（すなわち、研磨パッド２３の密度ρを変数とする一次方程式）を用いて、補正する研磨パッド２３の回転速度Ｎを求める。例えば、ρ＝０．７５ｇ／ｃｍ^３が入力された場合、Ｎ＝１２２ｒｐｍとなる。そして、制御装置５０は、このように研磨パッド２３の回転速度を補正した加工プログラムに基づいて、研磨装置１の作動を制御し、研磨装置１による基板Ｗの研磨加工が行われることになる。なお、基板Ｗの研磨加工を行うには、ヘッド移動機構３０により研磨アーム３２を揺動させて研磨ヘッド２１をチャック１１の上方に対向して位置させ、チャック１１および研磨ヘッド２１をともに回転させながら研磨ヘッド２１を研磨位置に下降させて研磨パッド２３を基板Ｗに当接させ、研磨ヘッド２１に設けられた加圧機構により研磨パッド２３を所定の研磨圧力で基板Ｗに押圧させる。このとき、スラリー供給機構４０を用いて、スラリーを研磨パッド２３の中心部から基板Ｗと研磨パッド２３との当接部に供給する。

このように、本実施形態の研磨装置１によれば、制御装置５０が、データ入力部５１で入力された研磨パッド２３の密度に応じて、研磨プロファイルが平坦化される（すなわち、研磨加工後の被研磨面が平坦化される）ように研磨パッド２３の回転速度（加工条件）を補正することで、研磨パッド２３の密度に応じた研磨量プロファイルの変動を補正することができる。なお、研磨パッド２３の密度に応じた研磨量プロファイルの変動を補正することができるので、従来なら用いなかった比較的幅広い密度範囲の研磨パッド２３を使用することが可能になる。

またこのとき、補正する研磨パッド２３の回転速度を、研磨パッド２３の密度を変数とする一次方程式（（６）式）を用いて求めるようにすれば、研磨パッド２３の回転速度を簡便に補正することができる。

なお、上述の実施形態において、研磨パッド２３の回転速度を求める一次方程式は、（６）式に限定されるものではなく、Ｎ＝ａ×ρ＋ｂで表わされる一次方程式の各係数ａ，ｂは、基板Ｗの種類や他の加工条件によって異なる。

本発明に係る研磨装置の概略図である。 研磨量プロファイルの一例を示す図である。 研磨均一性と研磨形状係数との相関を示す図である。 研磨パッドの密度と研磨形状係数との相関を示す図である。 研磨パッドの回転速度と研磨形状係数との相関を示す図である。

符号の説明

Ｗ 基板
１ 研磨装置 １０ 保持機構
２１ 研磨ヘッド ２３ 研磨パッド
５０ 制御装置（補正部） ６０ データ入力部

Claims (2)

1. 基板を保持する保持機構と、独立発泡体で構成されて前記基板を研磨可能な研磨面を有する研磨パッドと、前記保持機構に保持された前記基板と対向するように前記研磨パッドを保持する研磨ヘッドとを備え、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドを前記研磨面内で回転可能に保持し、前記研磨ヘッドに保持されて回転する前記研磨パッドの研磨面を前記保持機構に保持された前記基板の被研磨面に当接させながら相対移動させて前記基板の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、
   前記研磨パッドの密度が入力される入力部と、
   前記入力部で入力された前記研磨パッドの密度に応じて、前記研磨加工後の前記被研磨面が平坦化されるように前記研磨加工における加工条件を補正する補正部とを有し、
   前記補正部により補正された前記加工条件で前記研磨加工を行うように構成されており、
   前記補正部は、前記入力部で入力された前記研磨パッドの密度に応じて、前記研磨加工後の前記被研磨面が平坦化されるように前記加工条件である前記研磨パッドの回転速度を補正することを特徴とする研磨装置。
2. 前記補正された前記研磨パッドの回転速度は、前記研磨パッドの密度を変数とする一次方程式を用いて求められることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

Images