(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に研磨部又は研磨工具取付部を有し、前記表面に沿って熱媒体流路が形成された研磨テーブルと、該研磨テーブルに向けて被研磨材を押し付ける基板保持手段とを備えた研磨装置において、
前記熱媒体流路は、研磨テーブルの径方向に沿って複数の温度調整流路に分割され、２つの温度の異なる熱媒体を混合して前記複数の温度調整流路のそれぞれに供給する２つの熱媒体供給経路を有し、
前記表面側部分の温度を測定する複数のセンサを前記複数の温度調整流路に対応する位置に設け、
前記複数のセンサの検出値と、前記複数のセンサに対応する温度調整流路に対して個別に設定された制御目標値との比較に基づいて前記複数の温度調整流路における熱媒体の流れを個別に制御し、前記温度調整流路に供給される前記２つの熱媒体の混合比を制御する制御装置を設けたことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記温度調整流路の流量をそれぞれ個別に制御する流量調整弁を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
少なくとも前記研磨テーブルの前記表面側部分が高熱伝導率素材により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨装置に係り、特に、半導体ウエハ等の被研磨材を平坦かつ鏡面状に研磨するのに用いる研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。これに伴い、光リソグラフィなどで回路形成を行なう場合に焦点深度が浅くなるので、ステッパの結像面のより高い平坦度を必要とする。半導体ウエハの表面を平坦化する手段として、回転する研磨テーブル上に貼付した研磨布に砥粒を含む研磨液を供給しながら、キャリアで保持した半導体ウエハを研磨布に押しつけて研磨する化学機械的研磨が行われている。
【０００３】
従来の研磨装置として、図９に示すように、上面にクロス（研磨布）１０を貼り付けた研磨テーブル１２と、半導体ウエハＷを保持しつつ研磨テーブル１２に押しつけるトップリング１４とを具備した装置が用いられている。このような構成の研磨装置においては、トップリング１４の下面に半導体ウエハＷを保持し、半導体ウエハＷを回転している研磨テーブル１２の上面の研磨布１０に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液ノズル１６から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布１０に研磨砥液Ｑが保持され、半導体ウエハＷの研磨される面（下面）と研磨布１０の間に研磨砥液Ｑが存在する状態で研磨が行われる。
【０００４】
このような研磨を行なうと摩擦熱が発生し、これの一部は砥液により運ばれ、他は、トップリング１４と研磨テーブル１２に伝達され、これらの冷却機構によって除去される。研磨テーブル１２は、通常、ステンレス鋼等から作成された円板の内部に図１０に示すような螺旋状の熱媒体流路１８を形成し、これにシャフト２０に形成した二重管路２２，２４から熱媒体を流すようにしたものが用いられている。二重管路２２，２４と外部供給源の間での熱媒体の授受はロータリー継手を用いている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、研磨装置においては、特に酸やアルカリの研磨液を用いていわゆる化学機械研磨を行なう場合に研磨速度が研磨温度に大きく依存する。従って、被研磨材Ｗの面内の研磨量の均一性を向上させるために、例えば、研磨テーブル１２の熱媒体流路１８へ供給する熱媒体の流量を制御して研磨温度を均一にする、あるいは所定の意図したパターンにするように制御することが望まれる。
【０００６】
しかしながら、上記の従来の装置では、研磨テーブル１２の材質であるステンレス鋼の熱伝導率が小さいので、研磨テーブル１２の温度を意図したように応答性良く制御することは困難であり、また、研磨テーブル１２の冷却用の熱媒体流路１８の経路が単純なものであったので、研磨テーブル１２の中心部と外周部で熱の伝達にタイムラグが生じており、また、各部の温度をその研磨条件に適合するように個別に制御することもできなかった。
【０００７】
本発明は、研磨テーブルの温度制御を精密に行って研磨量の制御を厳密に行うことができる研磨装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、表面に研磨部又は研磨工具取付部を有し、前記表面に沿って熱媒体流路が形成された研磨テーブルと、該研磨テーブルに向けて被研磨材を押し付ける基板保持手段とを備えた研磨装置において、前記熱媒体流路は、研磨テーブルの径方向に沿って複数の温度調整流路に分割され、２つの温度の異なる熱媒体を混合して前記複数の温度調整流路のそれぞれに供給する２つの熱媒体供給経路を有し、前記表面側部分の温度を測定する複数のセンサを前記複数の温度調整流路に対応する位置に設け、前記複数のセンサの検出値と、前記複数のセンサに対応する温度調整流路に対して個別に設定された制御目標値との比較に基づいて前記複数の温度調整流路における熱媒体の流れを個別に制御し、前記温度調整流路に供給される前記２つの熱媒体の混合比を制御する制御装置を設けたことを特徴とする研磨装置である。
【０００９】
これにより、個々の流路が短くなり、熱媒体がこれを通過する時間が短縮されるので、温度変化を迅速に行なうことができ、装置の立ち上がり速度や制御の応答性が向上する。また、研磨テーブルの面の領域毎に熱媒体の流れを制御することができるので、各部の研磨条件やその変動に対応したよりきめ細かい温度制御を行なうことができる。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、前記熱媒体流路は、研磨テーブルの中心と縁部の間に配置された流入口から、それぞれ研磨テーブルの中心及び縁部へ向けて延びる２つの温度調整流路を有する。
【００１１】
これにより、流路が二分されて短くなり、熱媒体がこれを通過する時間が短縮されるので、温度変化を迅速に行なうことができ、装置の立ち上がり速度や制御の応答性が向上する。また、研磨を行なう領域に熱媒体が流入するので、この部分の温度制御が迅速に行われる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記温度調整流路の流量をそれぞれ個別に制御する流量調整弁を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、少なくとも前記研磨テーブルの前記表面側部分が高熱伝導率素材により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置である。これにより、熱媒体流路から表面側部分への熱伝導速度が大きくなって、制御遅れが少ない応答性の高い研磨面温度制御を行なうことができる。高熱伝導率素材の熱伝導率としては、例えばＳｉＣのような０．０６cal/cm/sec/℃以上の素材が好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る研磨装置の第１の実施の形態を、図１及び図２に基づいて説明する。この実施の形態の研磨テーブル１２は、表面に研磨クロス１０が貼付される上定盤３０、表面側に螺旋溝状の温度調整流路３２が形成された第２定盤３４、及びシャフト２０の二重管路２２，２４と連通する往復の流路４０，４２が径方向に延びて形成された下定盤４４とから構成されている。第２定盤３４には、第２定盤３４の温度調整流路３２と下定盤４４の流路４０，４２を連絡する３つの連絡流路４６ａ，４６ｂ，４６ｃが形成されている。
【００１７】
往路の連絡流路４６ａは、螺旋状の温度調整流路３２に、研磨テーブル１２の径方向の中心部と縁部のほぼ中間の位置において接続されている。すなわち、連絡流路４６ａは、図１に示すように研磨動作を行なう時に被研磨材Ｗが載る箇所の下側の位置に開口している。また、復路の連絡流路４６ｂ，４６ｃは、一方が研磨テーブル１２の温度調整流路３２の内端部に接続され、他方が温度調整流路３２の外端部に接続されている。
【００１８】
従って、熱媒体流路は、下定盤４４において二重管路の中央流路２２から往流路４０に沿って径方向に延び、第２定盤３４の往路の連絡流路４６ａを経由して温度調整流路３２に合流し、そこで内外に分岐する。そして、温度調整流路３２の内端部から流路４６ｃを経由し、温度調整流路３２の外端部から流路４６ｂを経由して二重管路の外側流路２４に戻る。
【００１９】
このような構成の研磨テーブル１２においては、温度調整流路３２を分割して個々の流路を短くしているので、熱媒体が流路を循環する時間が短縮される。従って、研磨作業の開始時の立ち上がりや、温度の制御の際の温度変化を迅速に行なうことができる。また、この例では、被研磨材Ｗの研磨位置に対応する位置に流路が開口しているので、最も制御が必要な箇所で迅速な応答ができる利点がある。
【００２０】
また、上記実施の形態に加え、さらに上定盤の表面の温度を均一にするためには、上定盤単位面積当たりの熱媒体の流量を一定にすればよい。そのために温度調整流路３２の外側流路（４６ｂ側）、内側流路（４６ｃ側）で流量がそれぞれ一定になるように流路の断面積を変えたり、また、流路３２の復路の連絡流路４６ｂ，４６ｃに流量調整手段としてバルブを設け、連絡流路４６ｂ，４６ｃでの流量を上定盤単位面積当たり一定に保つようにする。
【００２１】
また、下定盤の下側を断熱材で覆うことにより、さらに上定盤の温度調整が迅速にでき、温度調整の際のタイムラグが減少し、上定盤の均一な温度を得ることができる。
【００２２】
なお、上記の実施の形態では、熱媒体を１ヶ所から供給して２ヶ所の出口から戻しているが、場合によっては、複数の入口から供給して出口側で合流させることによって、複数の温度調整流路を設けて、同じ主旨の効果を得るようにすることも可能である。
【００２３】
以下、本発明に係る研磨装置の第２の実施の形態を、図３ないし図６に基づいて説明する。この実施の形態の研磨テーブル１２は、表面に研磨クロス１０が貼付される上定盤３０、表面側に複数（図示例では５本）の円弧溝状の温度調整流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅが形成された第２定盤３４、所定の位置に空間３６が形成された第３定盤３８、及びシャフト２０の二重管路２２，２４と連通する往復の流路４０，４２が径方向に延びて形成された下定盤４４とから構成されている。第３定盤３８の空間３６は、図５に示すように第２定盤３４と下定盤４４の流路どうしを連絡する連絡管４６と、この連絡管に設けられた流量調整弁４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ，４８ｅ及びその駆動機構等を収容するため、及び後述する制御ユニット（ＣＰＵ）５０やその付属装置を収容するために設けられている。
【００２４】
この実施の形態では、熱媒体流路は以下のように形成されている。すなわち、下定盤４４において二重管路の中央流路２２から往流路４０に沿って径方向に延び、第２定盤３４の各温度調整流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅとの交差箇所で連絡管４６を介してこれと連通し、各温度調整流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅを半周する。そして、復流路４２に沿って径方向に戻り、連絡管４６を介して二重管路の外側流路２４に連通する。
【００２５】
上定盤３０の所定箇所の表面側位置には、各温度調整流路に対応する位置に測温用の熱電対５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅが設けられ、これの出力ケーブルは、この例では第３定盤３８の中央の空間に配置された制御ユニット（ＣＰＵ）５０に接続されている。この制御ユニット５０は、予めインプットされた所定のプログラムに沿って、熱電対５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅの測定出力に応じた開度調整信号を各温度調整流路の流量調整弁４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ，４８ｅの駆動機構に出力するもので、この例では内部電源を備えた独立型のものとしているが、適当な配線経路を設けて外部のコンピュータで制御するようにしてもよい。流量調整弁４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ，４８ｅの駆動機構としては、モータ駆動のもの、あるいはエアー源を用いるもの等が適宜に採用される。
【００２６】
この実施の形態では、研磨テーブル１２を構成する各定盤３０，３４，３８，４４のうち、上側の２つの定盤、すなわち、上定盤３０及び第２定盤３４をＳｉＣのような熱伝導性の良い素材で構成し、研磨面の温度制御の応答性を向上させている。ＳｉＣは、熱伝導率が０．０７cal/cm/sec/℃で、ステンレス鋼の約２倍である。第３定盤３８及び下定盤４４は、特に熱伝導率を高くする必要が無く、むしろ熱媒体の温度変化を防ぐために低熱伝導率のステンレス鋼が好ましい。
【００２７】
以下、上記の構成の研磨テーブルの作用を、図６のフロー図を参照して説明する。予め外部の熱媒体供給装置において熱媒体（ここでは冷却水）を所定の温度に維持しておく。また、制御ユニット５０に、各温度調整流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅの制御目標値Ｔｎ（ｎ＝ａ，ｂ，・・・ｅ）を設定しておく（ステップ１）。研磨クロス１０の面上にノズル１６より砥液Ｑを供給しながらトップリング１４と研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、トップリング１４に把持された被研磨材Ｗを研磨テーブル１２に押し付けることにより研磨を行なう（ステップ２）。これにより、摩擦による入熱や砥液が持ち去る出熱のバランスで研磨面の温度が変化する。
【００２８】
研磨工程中、所定の時間ピッチで各部の測温を行い（ステップ３）、熱電対５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅは測温値ｔｎを制御ユニット５０に出力する。制御ユニット５０は、測温値ｔｎと目標値Ｔｎを比較して（ステップ４）、Ｔｎ＝ｔｎ（所定の許容範囲を含む）であれば研磨をそのまま継続し、ステップ３以降を繰り返す。Ｔｎ＞ｔｎの時は、該当する調整弁４８ｎの開度を減少させ（ステップ５）、Ｔｎ＜ｔｎの時は、該当する調整弁４８ｎの開度を増加させ（ステップ６）、さらにステップ３以降を繰り返して研磨を継続する。
【００２９】
以上のように、この研磨装置では、研磨テーブル１２の研磨クロス１０側の面を環状の複数の領域に分割して、それぞれの領域に独立した温度調整流路３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅを形成しているので、それぞれの温度調整流路における熱媒体の流量を個別に調整することができる。従って、研磨表面での局所的な条件の変化に対応することができ、各領域の温度をきめ細かく制御して研磨面の温度をより均一に保つことができる。また、この実施の形態では、上側の定盤３０を熱伝導率の高い素材であるＳｉＣで形成しているので、熱媒体流量を制御した結果を研磨面に迅速に反映させることができ、制御の応答速度が大きい。
【００３０】
図７及び図８は、この発明の他の実施の形態を示すもので、この実施の形態では、外部から研磨テーブル１２へ向かう熱媒体供給経路４０ａ，４０ｂを２つ設けている。そして、個々の温度調整流路３２ａ，３２ｂ，・・・３２ｅと熱媒体供給経路とをそれぞれ流量調整弁４８を介して連絡し、２つの熱媒体の混合比を変えることにより温度調整流路３２ａ，３２ｂ，・・・３２ｅへ流す熱媒体の温度自体を変えることができるように構成している。なお、この実施の形態では、個々の温度調整流路は、同心に配置された複数の独立した流路として構成され、図７（ｂ）に示すように、一箇所が途切れた円弧の両端に入口と出口を有する構成となっている。２つの熱媒体供給経路４０ａ，４０ｂの間には熱伝導を防ぐ断熱構造が形成されている。
【００３１】
この実施の形態の制御の工程を、図８に示す。図６の場合の制御の方式と異なるのは、ステップ５及びステップ６における調整の対象が、図６においては熱媒体の流量であるのに対して図８では第１の熱媒体と第２の熱媒体の混合比であることである。すなわち、計測された温度が目標温度より低い場合には温水の比率を増加し（ステップ５）、逆に計測された温度が目標温度より高い場合には冷水の比率を増加する（ステップ６）。勿論、同時に流量を制御するようにしてもよい。
【００３２】
この実施の形態では、２つの温度の異なる熱媒体を用いているので、先の実施の形態に比較して温度を変化させる速度が大きく、従って、応答性の高い制御を行なうことができる。また、温度の制御範囲も、温水の温度から冷水の温度まで広く採ることができる。なお、上記の実施の形態では、研磨面の温度を均一に制御するようにしたが、逆に、意図的に温度設定を領域によって変えるように制御してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、研磨位置の下方位置に熱媒体の往路入口を設けたので、研磨テーブルの温度調整が迅速に行える。また、研磨テーブルの面の領域毎に熱媒体の流れを制御することで、各部の研磨条件やその変動に対応したよりきめ細かい温度制御を行なうことができる。また、研磨テーブルの少なくとも前記表面側部分を高熱伝導率素材により形成することにより、熱媒体流路から表面側部分への熱伝導速度が大きくなり、制御遅れが少ない応答性の高い研磨面温度制御を行なうことができる。従って、いずれの場合においても、局所的な偏りの無い良好な研磨を行なうことができ、高集積度の半導体素子の作成に重要な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態の研磨テーブルの構造を模式的に示す断面図である。
【図２】図１のII矢視図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態の研磨テーブルの構造を模式的に示す断面図である。
【図４】図３のIV矢視図である。
【図５】図３の要部を拡大して示す断面図である。
【図６】図３の実施の形態の制御工程を示すフロー図である。
【図７】この発明の第３の実施の形態の研磨テーブルの構造を模式的に示す断面図である。
【図８】図７の実施の形態の制御工程を示すフロー図である。
【図９】従来の研磨テーブルの構造を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９のＸ矢視図である。
【符号の説明】
１０    研磨クロス
１２    研磨テーブル
１４    トップリング
３０，３４，３８，４４    定盤
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ    温度調整流路
４６    連絡管
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ，４８ｅ    流量調整弁
５０    制御ユニット（ＣＰＵ）
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ    熱電対
【図１】
0003693483.tif 000002
【図２】
0003693483.tif 000003
【図３】
0003693483.tif 000004
【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】
0003693483.tif 000009
【図９】
0003693483.tif 000010
【図１０】
0003693483.tif 000011