(57)【要約】  デバイスウエハの導電体層のウエハ面内均一性を改善し、長期間安定した電気化学的機械的研磨ができるデバイスウエハ用の研磨パッドを提供する。  内径側から外径側までの全ての電解液収容部Ｆを、電解液収容部Ｆの開口部の径方向の長さをｗ（ｍｍ）、電解液収容部Ｆの最大設置半径をＲ（ｍｍ）とした場合に、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足するように、研磨パッド６０に配置する。
2008149937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液を収容する複数の電解液収容部及び前記電解液収容部の底部に形成されたカソード電極を有し、デバイスウエハの導電体層を前記電解液収容部の前記電解液の液面に接触させ、前記カソード電極と前記導電体層に対して電気的又は電気化学的に接続されるアノード電極とに電圧を印加することにより複数の電解セルを形成し、前記導電体層を電気化学的機械的に研磨する研磨パッドにおいて、
合成樹脂により形成され、前記導電体層に接触した状態で前記導電体層に対して相対的に回転移動される研磨表層を備え、
内径側から外径側までの全ての前記電解液収容部は、前記電解液収容部の開口部の径方向の長さをｗ（ｍｍ）、前記電解液収容部の最大設置半径をＲ（ｍｍ）とした場合に、径方向の長さをｗが、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足すること、
を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッド。
【請求項２】
請求項１に記載の研磨パッドにおいて、
前記複数の電解液収容部は、研磨面を法線方向から見たときに、開口部が研磨面における１本以上の極座標の式ｒ（θ）＝ａ・θで定義される一様螺旋に沿って形成され、螺旋線の径方向の線間距離が５ｍｍ〜２２．５ｍｍであること、
を特徴とする研磨パッド。
【請求項３】
請求項１及び２に記載のデバイスウエハの研磨パッドにおいて、
前記研磨表層の表面に、その幅が前記電解液収容部と同等かそれ以下であり、その深さが前記電解液収容部よりも浅く、前記複数の電解液収容部間を連結するように設けられた溝部を備えること、
を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッド。
【請求項４】
請求項１及び２に記載のデバイスウエハの研磨パッドにおいて、
前記研磨表層は、ポリウレタン、又は発泡ポリウレタンから形成されること、
を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッド。
【請求項５】
請求項１及び２に記載のデバイスウエハの研磨パッドにおいて、
前記カソード電極が、金、白金、チタン合金、ステンレス鋼、又はカーボンから形成されること、
を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッド。
【請求項６】
デバイスウエハの導電体層に対して相対移動するテーブルに設置され、合成樹脂により形成された研磨表層と、電解液を収容する複数の電解液収容部及び前記電解液収容部の底部に形成されたカソード電極とを有し、前記カソード電極と前記導電体層に対して電気的又は電気化学的に接続されるアノード電極とに電圧を印加することにより複数の電解セルを形成し、前記導電体層を電気化学的機械的に研磨する研磨パッドを用いて前記導電体層を電気化学的機械的に研磨する研磨方法であって、
前記研磨表層の研磨面に前記電解液を供給して、前記複数の電解液収容部に前記電解液を満たし、
前記研磨表層及び前記アノード電極が前記導電体層に電気的又は電気化学的に接続した状態で、前記カソード電極及び前記アノード電極に電力を供給することにより電解セルを形成し、
前記研磨パッドと前記導電体層とを相対移動すること、
内径側から外径側までの全ての前記電解液収容部は、前記電解液収容部の開口部の径方向の長さをｗ（ｍｍ）、前記電解液収容部の最大設置半径をＲ（ｍｍ）とした場合に、径方向の長さをｗが、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足すること、
を特徴とするデバイスウエハの研磨方法。
【請求項７】
請求項６に記載の研磨方法において、
前記デバイスウエハの前記導電体層の研磨後又は研磨前に、前記研磨パッドを１００（回転／ｍｉｎ）以上の回転速度で回転し、前記電解液収容部に収容された前記電解液又はリンス水を排出する工程を有すること、
を特徴とするデバイスウエハの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ上に形成された導電体層を電気化学的機械的に研磨するデバイスウエハ用の研磨パッド及び研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置（半導体デバイス）は、低消費電力化および高速化の目的で、層間絶縁膜に低誘電率材料（いわゆるＬｏｗ−ｋ材料）の導入が検討されている。この低誘電率材料は、機械的強度や化学的安定性に乏しく、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）における回転数や研磨圧力に依存する摩擦力によって、銅配線材が層間絶縁膜から剥離してしまうという問題があり、研磨圧力を極端に低下させて研磨する超低圧研磨方法（超低圧ＣＭＰ）が採用されてきた。【０００３】
しかし、超低圧ＣＭＰは、研磨レートの低下とウエハ面内均一性の劣化の問題があるため、ＣＭＰに代わって、以下のような装置を用いた電気化学的機械的研磨方法及び研磨パッドが提案されている。【０００４】
第１は、研磨部材が載置された回転定盤を、電解液で満たされた容器（ベジン）内に設置し、容器底部に設置したカソードと回転定盤とを対峙させて、アノード電極及び研磨部材をデバイスウエハのＣｕ膜に押圧させ、Ｃｕ膜を電気化学的機械的に研磨する装置である（例えば、特許文献１）。
しかし、この研磨装置は、電気化学的機械的研磨専用の装置であるため、Ｃｕ膜の電気化学的機械的研磨の後に、バリアメタルＣＭＰを行うためのＣＭＰ装置が別途必要となり、研磨装置全体が高価になるという問題があった。
第２は、従来のＣＭＰ装置のプラテンに搭載し、Ｃｕ膜を電気化学的機械的に研磨するための研磨パッドで、研磨表面又はその近傍にアノードとカソードとを有する研磨パッドである（例えば、特許文献２）。
しかし、このパッドは、電解液を研磨パッド表面を覆うようにして供給するため、プラテンの回転数を上げることにより、遠心力の作用で電解液が飛散してしまい、ウエハ面内均一性が劣化する等、安定した研磨ができないという問題があった。
【特許文献１】特表２００４−５３１８８５号公報
【特許文献２】ＵＳＰ６，８９３，３２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、デバイスウエハの導電体層のウエハ面内均一性を改善し、長期間安定した電気化学的機械的研磨ができるデバイスウエハ用の研磨パッドを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。【０００７】
第１の発明は、電解液（Ｅ）を収容する複数の電解液収容部（Ｆ）及び前記電解液収容部の底部に形成されたカソード電極（６６）を有し、デバイスウエハ（Ｄ）の導電体層（Ｄ１）を前記電解液収容部の前記電解液の液面に接触させ、前記カソード電極と前記導電体層に対して電気的又は電気化学的に接続されるアノード電極（６３）とに電圧を印加することにより複数の電解セル（Ｃ）を形成し、前記導電体層を電気化学的機械的に研磨する研磨パッドにおいて、合成樹脂により形成され、前記導電体層に接触した状態で前記導電体層に対して相対的に回転移動される研磨表層（６２）を備え、内径側から外径側までの全ての前記電解液収容部は、前記電解液収容部の開口部の径方向の長さをｗ（ｍｍ）、前記電解液収容部の最大設置半径をＲ（ｍｍ）とした場合に、径方向の長さをｗが、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足すること、を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッドである。【０００８】
第２の発明は、第１の発明の研磨パッドにおいて、前記複数の電解液収容部（Ｆ）は、研磨面を法線方向から見たときに、開口部が研磨面における１本以上の極座標の式ｒ（θ）＝ａ・θで定義される仮想の一様螺旋に沿って形成され、螺旋線の線間距離が５ｍｍ〜２２．５ｍｍであること、を特徴とする研磨パッドである。
第３の発明は、第１及び第２の発明のデバイスウエハの研磨パッドにおいて、前記研磨表層（６２）の表面に、その幅が前記電解液収容部（Ｆ）と同等かそれ以下であり、その深さが前記電解液収容部よりも浅く、前記複数の電解液収容部間を連結するように設けられた溝部を備えること、を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッドである。
第４の発明は、第１及び第２の発明のデバイスウエハの研磨パッドにおいて、前記研磨表層は、ポリウレタン、又は発泡ポリウレタンから形成されること、を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッドである。
第５の発明は、第１及び第２の発明のデバイスウエハの研磨パッドにおいて、前記カソード電極（６６）が、金、白金、チタン合金、ステンレス鋼、又はカーボンから形成されること、を特徴とするデバイスウエハ用の研磨パッドである。【０００９】
第６の発明は、デバイスウエハ（Ｄ）の導電体層（Ｄ１）に対して相対移動するテーブ（５１）ルに設置され、合成樹脂により形成された研磨表層（６２）と、電解液（Ｅ）を収容する複数の電解液収容部（Ｆ）及び前記電解液収容部の底部に形成されたカソード電極（６６）とを有し、前記カソード電極と前記導電体層に対して電気的又は電気化学的に接続されるアノード電極（６３）とに電圧を印加することにより複数の電解セル（Ｃ）を形成し、前記導電体層を電気化学的機械的に研磨する研磨パッド（６０）を用いて前記導電体層を電気化学的機械的に研磨する研磨方法であって、前記研磨表層の研磨面に前記電解液を供給して、前記複数の電解液収容部に前記電解液を満たし、前記研磨表層及び前記アノード電極が前記導電体層に電気的又は電気化学的に接続した状態で、前記カソード電極及び前記アノード電極に電力を供給することにより電解セルを形成し、前記研磨パッドと前記導電体層とを相対移動すること、内径側から外径側までの全ての前記電解液収容部は、前記電解液収容部の開口部の径方向の長さをｗ（ｍｍ）、前記電解液収容部の最大設置半径をＲ（ｍｍ）とした場合に、径方向の長さをｗが、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足すること、を特徴とするデバイスウエハの研磨方法である。
第７の発明は、第６の発明の研磨方法において、前記デバイスウエハ（Ｄ）の前記導電体層（Ｄ１）の研磨後又は研磨前に、前記研磨パッド（６０）を１００（回転／ｍｉｎ）以上の回転速度で回転し、前記電解液収容部（Ｆ）に収容された前記電解液又はリンス水を排出する工程を有すること、を特徴とするデバイスウエハの研磨方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本発明は、電解液収容部の開口部の形状が、研磨面を法線方向から見たときに、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足する。これにより、研磨時に、プラテン（研磨パッド）の回転数を６０（回転／ｍｉｎ）〜９０（回転／ｍｉｎ）にすることにより、電解液を研磨液収容部に保持して安定した電気化学的機械的研磨を行うことができる（ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の条件）。一方、研磨後又は研磨前（ウエハ交換時）に、プラテン（研磨パッド）の回転数を１００（回転／ｍｉｎ）以上にすることにより、各電解液収容部の電解液を遠心力により飛散させることができる（４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗの条件）。このため、電解液収容部に残留している電解液やリンス液（高圧水流洗浄用の洗浄水）を排出し、１枚の研磨パッドで複数のデバイスウエハを安定して連続研磨することができる。【００１１】
（２）本発明は、電解液収容部の開口部が一様螺旋に沿って形成され、一様螺旋の螺旋線の線間距離が５ｍｍ〜２２．５ｍｍである。これにより各電解液収容部の開口部の径方向の長さを増加させずに、電解液収容部の電解液とデバイスウエハの導電体層の被研磨面とを、被研磨面全面にわたって均一に当接することができ、ウエハ面内均一性を改善することができる。また、複数の一様螺旋に沿って電解液収容部を形成することより、電解液収容部の開口面積の合計をより大きくし、研磨効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用した研磨パッドの実施例を取り付けた研磨装置の斜視図である。
【図２】本実施例の研磨装置５０及び研磨パッド６０の断面図（図１のII−II部矢視断面図）である。
【図３】本実施例の研磨装置５０及び研磨パッド６０を拡大した断面図である。
【図４】電解液収容部の１つを研磨部材層６２の研磨面の法線方向から見た場合の拡大図である。
【図５】実験に利用した研磨パッド２６０を示す図である。
【図６】プラテンを各回転数で回転させた後に、電解液が保持されている各電解液収容部の径と最大設置半径の関係をまとめた表である。
【図７】設置半径と電解液が保持されている電解液収容部の径との関係を示すグラフである。
【図８】図７のグラフをＤ＝Ａ／ＳＱＲＴ（ｒ）に近似した場合の比例定数（Ａ）を示す表である。
【図９】本実施例の研磨パッド６０の電解液等の排出工程の有無による面内均一性の比較実験結果を示すグラフである。
【図１０】本実施例の研磨パッド６０を研磨面の法線方向から見たときの図である。
【符号の説明】
【００１３】
５０    研磨装置
５１    プラテン
５２    研磨ヘッド
５３    電源
５６    ノズル
６０    研磨パッド
６２    研磨部材層
６３    アノード電極
６６    カソード電極
Ｃ    電解セル
Ｄ    デバイスウエハ
Ｄ１    導電体層
Ｅ    電解液
Ｆ    電解液収容部
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、デバイスウエハの導電体層のウエハ面内均一性を改善し、長期間安定した電気化学的機械的研磨ができるデバイスウエハ用の研磨パッドを提供するという目的を、内径側から外径側までの全ての電解液収容部を、電解液収容部の開口部の径方向の長さをｗ（ｍｍ）、電解液収容部の最大設置半径をＲ（ｍｍ）とした場合に、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）の関係式を満足するように配置することによって実現した。
【実施例】
【００１５】
次に、図面等を参照しながら、本発明による研磨パッドの実施例を説明する。
最初に、本実施例の研磨パッド６０が取り付けられた研磨装置５０の概略について説明する。
図１は、本実施例の研磨パッド６０が取り付けられた研磨装置５０を示す斜視図である。
研磨装置５０は、プラテン・ロータリー型の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行なう研磨装置である。研磨装置５０は、プラテン５１（定盤）と、研磨ヘッド５２と、電源５３と、装置側マイナス電極５４と、装置側プラス電極５５と、ノズル５６とを備えている。【００１６】
プラテン５１は、研磨パッド６０を載置して、鉛直方向の軸Ｚ１回り（矢印θ１方向）に回転する円盤状の部材である。
研磨ヘッド５２は、その下面に、デバイスウエハＤを装着し、鉛直方向の軸Ｚ２回り（矢印θ２方向）に回転する円盤状の部材である。研磨ヘッド５２には、導電体層Ｄ１が下側になるように、デバイスウエハＤが装着される。【００１７】
電源５３は、電解セル（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ−ｃｅｌｌ）を形成するための電力を供給する装置である。電源５３は、後述するように、デバイスウエハＤの導電体層Ｄ１にアノードを形成し、研磨パッド６０のカソード電極６６（後述する）にカソードを形成する。供給する電力は、一般的には直流電力であるが、電力波形は、パルス状であってもよい。また、供給する電力は、直流成分があればプラスとマイナスに変動する交流電力であってもよい。
装置側マイナス電極５４は、配線を介して電源５３のマイナス端子に電気的に接続されており、また、プラテン５１に摺接することにより、プラテンを介して研磨パッド６０のカソード電極６６（後述する）に電気的に導通される。【００１８】
装置側プラス電極５５は、配線を介して電源５３のプラス端子に電気的に接続されており、また、研磨パッド６０のアノード電極６３に接触することにより、アノード電極６３に対して電気的に導通される。装置側プラス電極５５は、アノード電極６３に対して接触する接触面が、アノード電極６３と同一の材料であることが望ましく、また、回転しているアノード電極６３に対して安定して電気的に接触するために、耐磨耗性を有することが望ましい。
ノズル５６は、研磨パッド６０の上方に配置され、電解液Ｅを供給する部材である。電解液Ｅには、保護膜形成剤や研磨砥粒、酸化剤等を含ませることができる。【００１９】
上述のような構成によって、研磨装置５０は、電解液Ｅを供給しながら、デバイスウエハＤと研磨パッド６０とを接触させ、これらを相対移動させることにより、デバイスウエハＤの導電体層Ｄ１の表層に電気化学的な保護膜を形成すると同時に、保護膜を機械的に除去し、導電体層Ｄ１を電気化学的に溶解除去する。すなわち、研磨装置５０は、ＣＭＰ用の研磨装置でありながら、研磨パッド６０を取り付けることにより、導電体層Ｄ１の電気化学的機械的研磨（ＥＣＭＰ）を行なうことができる。【００２０】
次に、研磨パッド６０の構成等について説明する。
図２は、本実施例の研磨装置５０及び研磨パッド６０の断面図（図１のII−II部矢視断面図）である。
図３は、本実施例の研磨装置５０及び研磨パッド６０を拡大した断面図である。
なお、各図は、研磨パッド６０の各層の構成を分かりやすくするために、厚みを強調して示す。
図２、図３に示すように、研磨パッド６０は、電解液Ｅを収容するための複数の電解液収容部Ｆが設けられた円盤状のパッドである。研磨パッド６０は、研磨部材層６２（研磨表層）と、アノード電極６３（電力伝達部）と、カソード電極６６とを備えている。【００２１】
研磨部材層６２は、デバイスウエハＤの導電体層Ｄ１に押圧された状態で相対移動することにより、導電体層Ｄ１の表面に形成された保護膜を機械的に研磨、除去するための部材である。研磨部材層６２は、研磨装置５０のプラテン５１と研磨ヘッド５２（図１参照）とが回転運動することにより、デバイスウエハＤに対して相対移動することができる。研磨部材層６２は、円盤状の部材であり、電解液収容部Ｆを形成するための貫通孔が設けられている。【００２２】
研磨部材層６２は、非金属であり絶縁性のあるウレタン系の材料（溝付発泡構造のポリウレタン材、クッション層を有する発泡構造のポリウレタン材等）、又は、シリカ（酸化シリコン）砥粒が固定された固定砥粒研磨部材等から形成される。研磨部材層６２の材料は、前述した非金属材料に熱硬化性樹脂又はエラストマ材を含浸させたものを使用することもできる。この場合、熱硬化性樹脂又はエラストマ材は、研磨砥粒を分散させて使用するのが、導電体層Ｄ１の表面粗さを減少させ、鏡面に研磨できることから好ましい。研磨部材層６２は、単一材料からなる単層構造である必要はなく、合成樹脂性の支持体やアノード電極６３を弾性的に支持するために発泡樹脂などによるクッション材との積層構造体であってもよい。【００２３】
また、研磨部材層６２は、前述した非金属材と研磨砥粒を含有するシートとを、研磨面に垂直に交互に配列するようにしてもよい。この砥粒は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化亜鉛、炭化ケイ素、炭化ホウ素及び合成ダイヤモンド粉体の単独若しくは２種類以上を使用することができる。
さらに、研磨部材層６２の表面には、図２に示すように、その幅が電解液収容部Ｆの幅と同等かそれ以下の幅で、その深さが電解液収容部Ｆよりも浅い０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度のｘｙを設けてもよい。これにより、研磨部材層６２は、導電体層Ｄ１との接触圧が大きくなるので、導電体層Ｄ１との摩擦力が増大するため機械的研磨の効率を向上することができ、また、電解液収容部Ｆ間をｘｙ溝で連結することにより、電解液Ｅの供給、排出を円滑に行なうことができる。なお、この溝は、ｘｙ溝に限らず、例えば、同心円状の溝でもよい。
なお、研磨部材層６２は、絶縁性を有する絶縁材より形成されるので、アノード電極６３とカソード電極６６との間を電気的に絶縁する絶縁層としても機能する。【００２４】
アノード電極６３は、研磨装置５０の装置側プラス電極５５（図１参照）とデバイスウエハＤの導電体層Ｄ１とを導通させるための円盤状の部材である。アノード電極６３は、導電体層Ｄ１に電力を伝達し、導電体層Ｄ１にアノードを形成する。アノード電極６３は、研磨部材層６２の中央部の表面に配置されている。図３に示すように、アノード電極６３は、その表面６３ａが、研磨部材層６２の表面と同等あるいは、研磨部材層６２の表面から突出するように設けられ、導電体層Ｄ１底面の外周部及び装置側プラス電極５５に接触することにより、装置側プラス電極５５と導電体層Ｄ１とを導通させ、電源５３の電力を導電体層Ｄ１に供給可能にする。アノード電極６３は、導電体層Ｄ１底面の外周部のみに当接するので、導電体層Ｄ１底面の内側の範囲（すなわち、導電体層Ｄ１底面のうち、アノード電極６３に接触していない範囲）の損傷（ダメージ）を低減することができ、また、導電体層Ｄ１の底面に対して面接触するので、点接触よりも接触面の電流密度を適切にすることができる。【００２５】
アノード電極６３は、金属等の低抵抗材料（金、銅、白金、チタン合金、ステンレス鋼、カーボン等）、又は炭素素材（カーボンを主成分としたアモルファスカーボン、炭素繊維、黒鉛繊維、黒鉛、合成樹脂との複合炭素材、合成樹脂との複合炭素材、合成樹脂との複合黒鉛の内いずれか１つ、又はそれらの組み合わせ等）等から形成される。【００２６】
図２に示すように、カソード電極６６は、円盤状に形成され、研磨部材層６２の下層に積層され、プラテン５１上に載置されている。カソード電極６６は、電解液収容部Ｆの底部を形成する。カソード電極６６は、電性粘着テープ６７によりプラテン５１に貼付されており、プラテン５１を介して、直流電源５３（図１参照）に電気的に接続される。これにより、研磨パッド６０は、ＣＭＰ用の研磨装置であっても、電解セルＣを形成し、導電体層Ｄ１の電気化学的機械的研磨を行うことができる。また、研磨パッド６０は、アノードに対向してカソードを形成するため、電解セルＣを安定して形成することができる。【００２７】
カソード電極６６は、導電性を有し、電解液Ｅに対して不溶性の材料であれば金属、非金属を問わず使用することができる。このような材料としては、金、白金、チタン合金等も使用できるが、経済的見地から、カーボン、黒鉛、ステンレス、銅等が好ましい。【００２８】
次に、研磨パッド６０が電解セルＣを形成して、デバイスウエハＤの導電体層Ｄ１を研磨する原理について説明する。
図３に示すように、研磨時において、電解液収容部Ｆは、その内部が電解液Ｅによって満たされ、また、その開口部がデバイスウエハＤの導電体層Ｄ１によって蓋をされた状態になるので、電解液Ｅの液面と導電体層Ｄ１とが接触する。導電体層Ｄ１は、電源５３（図１参照）のプラス端子に対して、電気的に接続されているため、電圧が印加されるとアノードとなる。一方、カソード電極６６は、電源５３のマイナス端子に対して、電気的に接続されているため、電圧が印加されるとカソードとなる。これにより、アノード及びカソードと、電解液収容部Ｆに満たされた電解液Ｅとによって、電解セルＣが形成される。
導電体層Ｄ１がアノードとなることにより、導電体層Ｄ１を形成する銅は、「Ｃｕ→Ｃｕ２＋＋２ｅ−」による電気化学反応によって溶解、除去される。導電体層Ｄ１の溶解、除去が進行すると、導電体層Ｄ１に保護膜、すなわち、不働態皮膜が形成されるが、この不働態皮膜は、研磨部材層６２により瞬時に機械的に除去される。
導電体層Ｄ１は、以上説明した表層の溶解、除去と、不働態皮膜の形成と、不働態皮膜の機械的除去とが、瞬時に繰り返し行なわれることにより、電気化学的機械的に研磨される。【００２９】
次に、電解液収容部の形状と遠心力による液圧との関係について詳細に説明する。
図４は、電解液収容部の１つを研磨部材層６２の研磨面の法線方向から見た場合の拡大図である。
電解液収容部の電解液が電解液収容部内に保持されるためには、遠心力による液圧とつり合う保持力が必要であり、この保持力には電解液の流動抵抗や表面張力等がある。本発明の発明者は、各種の実験結果に基づいて電解液収容部を以下の関係式（１），（２）を満足するように配置することにより、研磨中に電解液が電解液収容部内に保持され、電解液収容部内の電解液とデバイスウエハの導電体層とが安定して接触できることを確認した。
４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）・・・・・  （１）
ｗ（ｍｍ）＝ｒ１−ｒ２  ・・・・・  （２）
ここで、
ｗ（ｍｍ）：電解液収容部の開口部の径方向の長さ
ｒ１（ｍｍ）：電解液収容部の開口部のプラテン（又はパッド）の中心から最も遠い距離
ｒ２（ｍｍ）：電解液収容部の開口部のプラテン（又はパッド）の中心から最も近い距離
Ｒ（ｍｍ）：最も外周側に設置された電解液収容部の設置半径
但し、設置半径ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２【００３０】
なお、図４及び上記式から分かるように、電解液収容部の径方向の長さ（ｗ）は、開口部の一般的な幅（ｗ０）ではなく、電解液収容部の開口部のプラテン（又はパッド）の中心から最も遠い距離（ｒ１）と最も近い距離（ｒ２）との差（ｒ１−ｒ２）である。
また、図４に示すように、電解液収容部Ｆの長手方向の長辺は、螺旋線状であるが、これに限らず、例えば図中破線で示すように直線にして長穴状の電解液収容部としてもよい。
以下、実験結果等に基づいて、上記関係式（１），（２）について説明する。【００３１】
最初に、表面張力による保持圧が遠心力による液圧よりも大きくなることにより、電解液収容部内の液が保持されることについて、実験結果等に基づいて説明する。
（実験用パッドの説明）
図５は、実験に利用した研磨パッド２６０を示す図である。
研磨パッド２６０は、発泡ポリウレタンにより形成され、２層構造、厚さ２．７ｍｍのパッドであり、中心線で８等分し、８本の等分線上に同じ直径の円形の貫通孔を、設置半径２０ｍｍから２４０ｍｍまでの範囲に１０ｍｍの間隔で設置した。貫通孔の直径は、等分線毎に、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、３．５ｍｍ、４ｍｍ、４．５ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍとした。
その後、電解液が貼付面から漏出しないように、研磨パッドの裏面に厚さ１００μｍのステンレス製のシートを貼付して貫通孔を塞ぐことにより電解液収容部を形成した。
なお、図５は、各電解液収容部を分かりやすく図示するために実際よりも拡大して示す。【００３２】
（実験方法）
実験用の研磨パッド２６０をプラテン・ロータリー型研磨装置のプラテンに設置し、電解液を供給して、各電解液収容部が全て電解液で満たされていることを確認し、それぞれ８０，１００，１２０，１３０（回転／ｍｉｎ）の回転数で２０〜３０秒間回転させ、プラテンが静止した後に電解液の充填されている様子を目視により観察した。【００３３】
（実験結果）
図６は、プラテンを各回転数で回転させた後に、電解液が保持されている各電解液収容部の径の内最大のものと最大設置半径との関係をまとめた表である。
図７は、設置半径と電解液が保持されている電解液収容部の径との関係をグラフである。
図８は、図７のグラフをＤ＝Ａ／ＳＱＲＴ（ｒ）に近似した場合の比例定数（Ａ）を示す表である。
図８より、設置半径（ｒ）と電解液が保持されている貫通孔の径（Ｄ）との関係式として、累乗数を−０．５に近似すれば以下の式（Ａ）が得られる。
Ｄ＝Ａ／ＳＱＲＴ（ｒ）  ・・・・・  （Ａ）
ここで、Ｄ：電解液を保持できる電解液収容部の直径（ｍｍ）
Ａ：比例定数
ｒ：電解液収容部の設置半径（ｍｍ）
である。また、回転数と比例定数の近似関係式として、以下の式（Ｂ）が得られる。
Ａ＝４４０５／Ｎ  ・・・・・  （Ｂ）
ここで、Ｎ：プラテン回転数（回転／ｍｉｎ）【００３４】
（実験式（Ａ）、（Ｂ）の検討）
一方、図４に示すように、本実施例の電解液収容部Ｆは、研磨パッド６０を研磨面の法線方向からみたときに螺旋線に沿って配置されており、開口部の長辺が螺旋線状であり、開口部の径方向に平行な幅がｗ０であり、最大長さが長手方向の長さＬである。
一般的に、設置半径（ｒ）に設置された電解液収容部内の電解液に生じる液圧の勾配は、プラテン（又はパッド）の回転による遠心力に等しいので、以下の式（Ｃ）が得られる。
ｄＰ／ｄｒ＝ρ・ω２・ｒ  ・・・・・  （Ｃ）
ここで、ｄＰ／ｄｒ：径方向の液圧の勾配
ρ：電解液の単位体積当りの質量
ω：プラテン（又はパッド）の回転角速度
式（Ｃ）をｒ１からｒ２まで積分することにより、電解液収容部内の電解液が収容部からあふれ出るように作用する圧力（Ｐ）は、以下の式（Ｄ）で表わせる。
Ｐ＝（１／２）ρ・ω２・（ｒ１２−ｒ２２）
＝ρ・ω２・（ｒ１−ｒ２）・（ｒ１＋ｒ２）／２
＝ρ・ω２・ｗ・ｒ  ・・・・・  （Ｄ）
ここで、ｗ＝ｒ１−ｒ２
ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２
ｗは、開口部のプラテン（又はパッド）の中心から最も遠い距離（ｒ１）と最も近い距離（ｒ２）との差であり、電解液収容部の開口部の径方向の長さ（ｗ）に等しい。また、（ｒ１＋ｒ２）／２は、設置半径（ｒ）である。
式（Ａ）と式（Ｄ）とから、式（Ｄ）の圧力Ｐにつり合う圧力として、電解液の表面張力による保持圧力が類推できる。
一般に、細孔での液の表面張力による保持圧力は、孔の形状が円形の場合、以下の式（Ｅ）により表すことができる。
ＰＮ＝Ｋ／ｄ  ・・・・・  （Ｅ）
ここで、ＰＮ：液の表面張力による保持圧力
Ｋ：液の表面張力と液の壁面に対する濡れ性で決まる定数
ｄ：細孔の直径
式（Ｄ）と（式）Ｅとから、式（Ｆ）を導くことができる。
ρ・ω２・ｗ・ｒ＝Ｋ／ｄ  ・・・・・  （Ｆ）
螺旋形等の電解液収容部の場合、式（Ｆ）の細孔の直径ｄを幅ｗ０に置き換えればよい。また、図４に示す電解液収容部の場合、幅（ｗ０）と径方向の長さ（ｗ）との差が小さいので、幅（ｗ０）を径方向の長さ（ｗ）に近似することができる。従って、以下の式（Ｇ）を導くことができる。
ρ・ω２・ｗ・ｒ＝Ｋ／ｗ
ｗ２＝Ｋ／（ρ・ω２・ｒ）
ｗ＝Ｋ１／ＳＱＲＴ（ｒ）  ・・・・・  （Ｇ）
ここで、Ｋ１＝ＳＱＲＴ（Ｋ／ρ）／ω  ・・・・・  （Ｈ）  
前述した円形の電解液収容部内の電解液の保持するための関係式（Ａ）と、螺旋形等の電解液収容部内の電解液を保持するための関係式（Ｇ）とを比較すると、両者は、同様に取り扱うことができる。
すなわち、図６から図８に示す実験から求められた式（Ａ）及び式（Ｂ）によって定められる円形の電解液収容部の条件を、そのまま螺旋形の電解液収容部の設置条件として用いてもよいと考えられる。従って、実験によって得られた近似式（Ａ）、（Ｂ）は、プラテンの回転によって各電解液収容部内の電解液に作用する遠心圧力と電解液収容部の細孔によって作用する表面張力とが等しいとの仮定で説明できる。【００３５】
（４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）とする理由）
次に、径方向の長さ（ｗ）を、ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）とする理由について説明する。
ウエハ面内均一性を維持してデバイスウエハの導電体層を電気化学的機械的に研磨するためには、アノードとなるデバイスウエハの導電体層と電解液とカソード電極とで電解セルを安定して形成する必要がある。電解セルを安定して形成するためには、本実施例のプラテン・ロータリー型の研磨装置及び研磨パッドを用いた電気化学的機械的研磨方法では、研磨パッドの各電解液収容部に満たされている電解液とデバイスウエハの導電体層とを安定して接触させることが重要である。【００３６】
遠心力による液圧は、最も外周側に配置された電解液収容部が最も大きい。最も外周側に配置された電解液収容部の電解液が保持されるためには、上記式（Ｇ）より以下の式（Ｈ）を満たすことが条件であり、内径側から外径側までの全ての電解液収容部の径方向の長さ（ｗ）が式（Ｈ）を満たせば、パッドに設置された全ての電解液収容部の電解液が保持される。
ｗ＜Ｋ１／ＳＱＲＴ（Ｒ）  ・・・・・  （Ｉ）
ここで、Ｒ（ｍｍ）：最も外周側に設置された電解液収容部の設置半径つまり電解液収容部の最大設置半径である。【００３７】
本実施例の研磨パッド６０を使用する場合、プラテン回転数が６０〜９０（回転／ｍｉｎ）で使用するのが好適である。プラテン回転数が６０（回転／ｍｉｎ）で使用する場合、式（Ａ）、（Ｂ）にＮ＝６０を代入すると次式が得られる。
ｗ＝Ａ／ＳＱＲＴ（Ｒ）＝７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）
さらに、プラテン回転数が６０（回転／ｍｉｎ）以上で使用する場合は、Ａ＜７３とする必要がある。【００３８】
次に、径方向の長さ（ｗ）を、４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗとする理由について説明する。
デバイスウエハの研磨工程においては、デバイスウエハを交換することにより、１つの研磨パッドで複数のデバイスウエハを研磨する。各デバイスウエハの各導電体層をバラツキなく研磨してウエハ間均一性を向上するためには、各デバイスウエハの研磨条件を同一にすること、特に電解液の性状を同一にすることが重要である。そのためには、一枚のデバイスウエハの研磨が終了した後、次のデバイスウエハを配置する時（以下、ウエハ交換時）に、電解液収容部に残留している電解液を排出し、また研磨面の表面に残留する研磨屑等をパッドコンディショニングや高圧水流洗浄等で除去する必要がある。
このため、研磨時には、プラテン回転数を６０〜９０（回転／ｍｉｎ）として、研磨パッドに設置された複数の電解液収容部に満たされている電解液を安定に保持させ、一方、ウエハ交換時には、プラテン回転数を１００（回転／ｍｉｎ）以上の高速回転にして、電解液収容部に残留している電解液や高圧水流洗浄用の洗浄水（リンス水）を排出することが望ましい。【００３９】
図９は、研磨パッド６０の電解液等の排出工程の有無による面内均一性の比較実験結果を示すグラフである。
図９に示す実験では、１つの研磨パッド６０を用いて、デバイスウエハ２５枚を同じ条件で研磨を行った。電解液等を排出する場合には、１００（回転／ｍｉｎ）でプラテンを高速回転し、電解液等を排出しない場合には、ウエハ交換時のプラテンの回転を研磨と同じ８０（回転／ｍｉｎ）とした。
この実験結果から、電解液等の排出工程を有する場合には、複数のデバイスウエハを研磨しても、各デバイスウエハの面内均一性が同等になることが確認できる。
一方、電解液等の排出工程がない場合、電解液収容部内の電解液の残留の影響により、各デバイスウエハの面内均一性が研磨数増加にともない悪化していることが確認できる。この場合、研磨速度も同様に低下する。【００４０】
電解液等を排出する際のプラテン回転数を、１００（回転／ｍｉｎ）としても、デバイスウエハの面内均一性の悪化がないことが確認できたため、式（Ａ）、（Ｂ）にＮ＝１００を代入すると、次式が得られる。
ｗ＝Ａ／ＳＱＲＴ（Ｒ）＝４４／ＳＱＲＴ（Ｒ）
従って、電解液等を排出する際のプラテン回転数を１００（回転／ｍｉｎ）以上にするためには、ｗ＝４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）（つまり４５＜Ａ）の条件を満足する必要がある。
径方向の長さ（ｗ）を４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）以下とすると、研磨時には、各電解液収容部の電解液は保持されるが、一方、ウエハ交換時には、プラテンの高速回転に対して、外周側つまり設置半径の大きい電解液収容部の電解液が排出されるだけで、内周側つまり設置半径の小さい電解液収容部内には電解液や洗浄水が残留するためにウエハ間の研磨均一性が悪化する。【００４１】
以上から、研磨時における電解液収容部の電解液の保持と、ウエハ交換時における電解液収容部の電解液及び洗浄水の排出との両方を満足するには、以下の式（Ｊ）（すなわち前述した式（１））を満足すればよいと考えられる。
４５／ＳＱＲＴ（Ｒ）＜ｗ＜７３／ＳＱＲＴ（Ｒ）  ・・・・・  （Ｊ）【００４２】
（電解液収容部の螺旋配置による研磨速度のウエハ面内均一性の向上）
次に、電解液収容部を螺旋線に沿って配置することにより、研磨速度のウエハ面内均一性を向上できる理由について説明する。
図１０は、本実施例の研磨パッド６０を研磨面の法線方向から見たときの図である。
本実施例の電気化学的機械的研磨は、プラテンの回転（矢印θ１参照）及びデバイスウエハ自身の回転（矢印θ２参照）により、複数の電解液収容部に収容された電解液とデバイスウエハの導電体層Ｄ１とが接触、非接触を繰り返す。従って、デバイスウエハの導電体層Ｄ１は、中央部ではほぼ同じ設置半径の電解液収容部に収容された電解液に接触し、中央部から外周部に至る程、研磨パッドのより内側及びより外側の電解液収容部に収容された電解液に接触する。
ウエハ面内均一性を向上するためには、研磨時に、導電体層の被研磨面が通過する電解液収容部の開口部の面積を内外周において均一にすることにより、導電体層と電解液収容部の電解液との接触時間とを内外周において均一にする必要がある。
本実施例の研磨パッド６０は、電解液収容部を螺旋に沿って配置することにより、内外周における導電体層と電解液収容部の電解液との接触を均一にし、面内均一性を向上している。
以下、研磨パッド６０の面内均一性の優位性を、比較例の同心円パッドＢの面内均一性と比較することにより示す。【００４３】
（実験用パッドの説明）
（１）研磨パッド６０
図１０に示すように、研磨パッド６０は、４本の一様螺旋線（均等螺旋線）に沿って電解液収容部が配置されている。電解液収容部の配置は、以下の通りである。
パッド直径：７４０ｍｍ
最大設置半径（Ｒ）＝３５０ｍｍ
電解液収容部の形状：
幅        ｗ０＝３．０ｍｍ
長さ      Ｌ＝２５ｍｍ
使用螺旋  ｒ＝（４８／２π）・（θ−２π・ｍ／ｎ）
ここで、螺旋本数（ｎ）：ｎ＝４、ｍ＝０，１，２，３
設置間隔  ｄ＝３ｍｍ
（２）同心円パッドＢ
同心円パッドＢは、パッド中心を中心とする複数の同心円に沿って、電解液収容部が配置されている。電解液収容部の配置は、以下の通りである。
パッド直径：７４０ｍｍ、最大設置半径：３５０ｍｍ
電解液収容部の形状
幅        ｗ０＝３．０ｍｍ
長さ      Ｌ＝２５ｍｍ
同心円形状    同心円の径方向ピッチ  １２ｍｍ
設置間隔  ｄ＝３ｍｍ【００４４】
（実験方法）
研磨条件
ウエハ          ：外径；φ３００ｍｍ、Ｃｕ膜厚；１μｍ（面内均一性：２．１％）
プラテン回転数  ：８０  （回転／ｍｉｎ）
ヘッド回転数    ：８１  （回転／ｍｉｎ）
ヘッド圧力      ：０．２  ｐｓｉ（１４ｇｆ／ｃｍ２＝１４０Ｐａ）
ヘッドオシレーション：無し
電解液流量      ：４５０  ｍＬ／ｍｉｎ
電流            ：２０  Ａ
研磨時間        ：１  ｍｉｎ【００４５】
（研磨結果）
研磨パッド６０による面内均一性：２．９〜３．３％
同心円パッドＢによる面内均一性：８．６〜９．５％
ただし、ウエハ面内均一性の測定条件として、エッジエックスクルーション（測定範囲外とする導電体層の外形からの長さ）を７ｍｍとし、測定ポイント数を径方向１２１ポイントとして、研磨速度の面内均一性を算出した。
以上の実験から、電解液収容部を螺旋線に沿って配列した研磨パッド６０は、良好なウエハ面内均一性を示した。これは、電解液収容部を螺旋線に沿って配置することにより、導電体層と電解液収容部の電解液との接触を、内外周間で均一にできたためであると考えられる。【００４６】
（螺旋の種類の説明）
図６に示すように、本実施例の電解液収容部Ｆは、一様螺旋線に沿って配置されている。
なお、一般的に螺旋の種類には、一様螺旋と対数螺旋とがあり、それぞれ以下の極座標の式で表せる。
一様螺旋    ｒ（θ）＝ａ・θ  ・・・・・  （Ｋ）
対数螺旋    ｒ（θ）＝ａ・ｅｘｐ（ｂ・θ）  ・・・・・  （Ｌ）
ここで、ａ，ｂは螺旋の形状を決める定数である。
式（Ｌ）で表される対数螺旋に沿って電解液収容部を配置する場合には、θの値が大きくなる程、ｒ４が指数関数に従って大きくなり、設置半径が大きい程、径方向に対する傾斜が大きくなる。このため、電解液収容部の径方向の長さ（ｗ）を一定に保つためには、電解液収容部の開口部を小さく設定する必要がある。この場合、電解液収容部の開口部への電解液の供給が困難となり、研磨時に電解液収容部内に保持するためには不適である。
一方、式（Ｋ）に示す一様螺旋線に沿って電解液収容部を設置する場合には、設置半径にかかわらず一定の径方向の傾斜を示すので、電解液収容部の径方向の長さ（ｗ）を一定に保つことができる。【００４７】
導電体層の研磨効率を向上するためには、電解液収容部の総開口面積（電解液収容部の面積の合計値）をより大きくすることが重要である。これは、研磨時に、導電体層と電解液収容部の電解液とをより多く接触させる必要があるからである。電解液収容部の総開口面積とパッドの面積との比は、１０％〜５０％で、好ましくは２０％〜３０％である。
図４に示すように、研磨パッド６０は、電解液収容部が螺旋線に沿うように、つまり電解液収容部の幅（ｗ０）方向の中央が一様螺旋線に一致するように、設置半径（ｒ＝（ｒ１＋ｒ２）／２）に設置されている。
式（Ｋ）の螺旋定数（ａ）は、以下の式で与えられる。
ａ＝ｐ／２π
ここで、ｐ：同一の一様螺旋線における径方向のピッチ【００４８】
また、電解液収容部の幅（ｗ０）で一様に螺旋線に沿って溝状に連続的に設置されていると仮定した場合、１つの電解液収容部の開口部の面積（ｓ）及び研磨パッドの研磨面の全面積（Ｓ）は、以下の式で与えられる。
ｓ＝Ｌ１・ｗ０
Ｓ＝π・Ｒ２
ここで、Ｌ１：径方向内側の始点から径方向外側の最終端（半径Ｒに達する螺旋の端部）までの螺旋線の全長であり、Ｌ１＝πＲ２／ｐである。
電解液収容部の開口部の面積の合計値とパッドの面積との比（ｋ）は、
ｋ＝ｓ／Ｓ＝ｎ・ｗ０／ｐ    ・・・・・  （Ｍ）
ここで、ｎ：螺旋線の本数
ｐ／ｎ＝ｗ０／ｋ    ・・・・・  （Ｎ）
ここで、ｐ／ｎ：螺旋線が複数（ｎ≧２）設けられている場合には、隣り合う螺旋線の径方向の線間距離（ピッチ）
で与えられる。
なお、実際の研磨パッド６０は、電解液収容部の径方向の長さ（ｗ）となる条件（つまり式（Ｊ）を満足する条件）により、図４に示す電解液開口部の長さ（Ｌ）で区切られ、それぞれ独立して設置される。このため、式（Ｍ）による面積比（ｋ）は、実際の研磨パッド６０の面積比よりも大きな値になる（つまり、実際の研磨パッド６０の面積比は、式（Ｍ）による面積比（ｋ）よりも小さな値になる）。【００４９】
直径３００ｍｍのデバイスウエハの導電体層を研磨する場合、最外周に配置された電解液収容部の設置半径（Ｒ）をＲ＝３５０ｍｍとしたときには、径方向の長さ（ｗ）は、２．５ｍｍ＜ｗ＜３．８ｍｍの範囲となる。
また、直径２００ｍｍのデバイスウエハの導電体層を研磨する場合、最外周に配置された電解液収容部の設置半径（Ｒ）をＲ＝２５０ｍｍとした場合、径方向の長さ（ｗ）は、３ｍｍ＜ｗ＜４．５ｍｍの範囲となる。【００５０】
（螺旋線の径方向の線間距離（ｐ／ｎ）を５ｍｍ〜２２．５ｍｍにする理由）
以上の条件から、径方向の長さ（ｗ）が、２．５ｍｍ＜ｗ＜４．５ｍｍである場合の一様螺旋線の螺旋線の線間距離の範囲を検討する。
電解液収容部の幅（ｗ０）は、径方向の長さ（ｗ）より小さいため、幅（ｗ０）を４．５ｍｍとした場合、式（Ｎ）より、電解液収容部の面積の合計値と研磨パッドの面積との比（ｋ）を０．２（２０％）以上にするためには、螺旋線の線間距離（ｐ／ｎ）が２２．５ｍｍ以下である必要がある。
反対に、幅（ｗ０）を２．５ｍｍとした場合、電解液収容部の総開口面積と研磨パッドの面積との比（ｋ）を０．５（５０％）以下にするためには、螺旋線の線間距離（ｐ／ｎ）が５ｍｍ以上である必要がある。
以上より、研磨パッドは、螺旋線の径方向の線間距離（ｐ／ｎ）を５ｍｍ〜２２．５ｍｍにする必要がある。【００５１】
なお、螺旋の径方向の線間距離は、螺旋定数（ａ）及び螺旋本数（ｎ）に応じて異なる。
例えば、
ａ＝５／２π、螺旋線１本の場合：径方向の線間距離５ｍｍ
ａ＝４８／２π、螺旋線４本の場合：径方向の線間距離１２（＝４８／４）ｍｍ
ａ＝１２０／２π、螺旋線１０本の場合：径方向の線間距離１２（＝１２０／１０）ｍｍ
となる。
螺旋定数（ａ）を大きくすると、パッド全面に対する電解液収容部の総開口面積が低下するため、研磨効率が低下する。このような場合は、螺旋本数（ｎ）を増やし、総開口面積を増やすことにより、研磨効率の低下を防止することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008149937.tif 000010
【図９】
2008149937.tif 000011
【図１０】
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【国際調査報告】
2008149937.tif 000013
2008149937.tif 000014