(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の表面を研磨する研磨方法であって、
研磨材で前記加工物の表面を研磨する研磨ステップと、
前記研磨材の反射率を測定するステップと、前記測定した前記研磨材の反射率に基づいて、前記研磨材で研磨した場合の前記加工物の研磨能率を定量化する定量化ステップと、を含む、繰返し実行される測定ステップと、
前記測定ステップで繰返し実行される前記定量化ステップにおいて定量化された前記各研磨能率を用いて前記加工物の表面の総研磨量を算出する研磨量算出ステップと、
前記研磨量算出ステップにおいて算出された前記総研磨量が所望の値に到達した場合に前記研磨ステップを終了するステップと、
を有することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の研磨方法であって、
前記測定ステップは、前記研磨ステップの実行中にも実行されることを特徴とする研磨方法。
【請求項３】
請求項１記載の研磨方法であって、
前記測定ステップには、さらに、
前記定量化ステップで定量化された前記研磨能率が所定の基準よりも低いか否かを判定する判定ステップが含まれ、
当該研磨方法は、
前記測定ステップで前記研磨能率が前記所定の基準よりも低いと判定された場合に、前記研磨材にドレッシング処理を施すドレッシングステップを有することを特徴とする研磨方法。
【請求項４】
請求項３記載の研磨方法であって、
前記ドレッシングステップにおいて前記測定ステップを実行し、
当該測定ステップで前記研磨能率が前記所定の基準よりも低いと判定されなくなる迄、前記研磨材に前記ドレッシング処理を施すことを特徴とする研磨方法。
【請求項５】
研磨材と加工物とに相対的な運動を与えて前記加工物の表面を研磨する研磨装置であって、
前記研磨材と前記加工物とをそれぞれ保持し、前記研磨材と前記加工物とに前記相対的な運動を与える駆動手段と、
前記駆動手段に保持された前記研磨材の反射率を測定する測定手段と、
研磨材の反射率と、当該反射率を有する研磨材によって研磨された際の前記加工物の研磨能率とを対応付ける情報を記憶する記憶手段と、
前記測定手段が測定した、前記研磨材の反射率に対応付けられる前記研磨能率を、前記記憶手段が記憶した前記情報から求める定量化手段と、
前記定量化手段が求めた前記研磨能率を用いて、前記加工物の総研磨量を算出する算出手段と、
前記算出手段が算出した前記総研磨量が所望の値に到達した場合に前記駆動手段を停止する停止手段と、
を備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
請求項５記載の研磨装置であって、
前記定量化手段が求めた前記研磨能率、または、前記算出手段が算出した、前記加工物の総研磨量を出力する出力手段を備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
請求項５記載の研磨装置であって、
前記定量化手段が求めた前記研磨能率が前記所定の基準よりも低いか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が、前記研磨能率が前記所定の基準よりも低いと判定した場合に、前記研磨材にドレッシング処理を施す研磨手段と、
を備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項８】
請求項７記載の研磨装置であって、
前記研磨手段は、前記ドレッシング処理を定義したプログラムに従って、前記研磨材に前記ドレッシング処理を施すことを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工物の表面の研磨加工に係り、特に、半導体製造プロセスにおけるＳｉウエハ表面の平坦化処理に適した研磨方法及び研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウエハ製造プロセスの各工程で生じたＳｉウエハ表面の微細な凹凸は、リソグラフィによるパターン転写時の解像度不足や金属配線膜の欠損等の原因となりやすくいため、配線の微細化と多層化にあいまって最終製品であるＬＳＩの信頼性の低下をもたらす主な要因とされるようになった。そこで、ウエハ製造プロセスには、最終段階の一工程として、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）等によるＳｉウエハ表面の鏡面研磨工程が導入されている。尚、ここでいうＣＭＰとは、加工物との固相反応性に富み且つ加工物よりも軟質の砥粒によって加工接触点に生じた微小反応部分を除去する研磨加工のことであり、これには、一般に、通常のラッピングやポリッシング等と同形式の研磨装置が使用されている。即ち、研磨対象であるＳｉウエハと研磨パッドとの間に上記砥粒を含んだスラリーを供給しながら、研磨パッドを貼付した研磨定盤を回転させてることにより、一定の研磨圧下でＳｉウエハと研磨パッドとを摺動させるようになっている。尚、研磨パッドの作業面には、スラリーを適度に保持することができるように、微細な凹凸やピット等が形成されている。
【０００３】
さて、ＣＭＰ等による上記Ｓｉウエハの鏡面研磨工程においては、通常、研磨加工の進行に伴って推移する研磨パッドの研磨性能を把握するために、所定枚数のＳｉウエハを研磨する毎にダミー基板の研磨が試験的に実行されている。即ち、研磨パッドの研磨性能を表す指標として、研磨パッドの研磨能率（研磨パッドの単位時間当たりの研磨量）が定期的に測定されている。具体的には、研磨時間Ｔに対する、研磨開始前と研磨終了後のダミー基板の表面のＳｉ酸化膜の厚さの差分ｔの比（ｔ／Ｔ）を、研磨パッドの研磨能率として算出している。尚、ダミー基板の表面のＳｉ酸化膜の厚さを測定する装置の一例としては、（米）Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｘ社製の薄膜厚さ計Ｎａｎｏｓｐｅｃ４１００等が挙げられる。その結果、例えば、以下に示すような研磨条件の研磨加工において、厚さ約２μｍのＳｉ酸化膜が形成されたＳｉウエハ（直径１５０ｍｍ）を研磨する、圧縮弾性率１００Ｍｐａの発泡ポリウレタンを主成分とする研磨パッド（厚さ１ｍｍ）の研磨能率は、研磨の進行と共に、図９のように推移することが確認される。
【０００４】
（１）スラリー：ＳｉＯ２砥粒含有率３％の水溶液
（２）スラリー供給速度：１００ｍｌ／ｍｉｎ
（３）研磨圧：５００ｇ／ｃｍ２
（４）研磨定盤の回転速度：２５０ｍｍ／ｓ
（５）Ｓｉウエハの回転角速度：１２ｒａｄ／ｍｉｎ
そして、その結果に基づいて、研磨パッドの作業面にドッシング処理（ダイアモンド砥石等を用いて、磨滅等により平滑化された研磨パッドを修正する処理）を施すタイミング（例えば、研磨能率が所定値ｍを下回った時）が決定されると共に、当初に設定された研磨時間が適宜補正される。
【０００５】
その結果、研磨加工中、研磨パッドの研磨能率が大きく変動することなく、且つ、サブミクロンオーダで研磨量が制御されるので、全Ｓｉウエハについて、約２μｍの平坦度を達成することができる。即ち、ＣＭＰ等によるＳｉウエハ表面の鏡面研磨工程をウエハ製造プロセスの一工程に導入することにより、Ｓｉウエハの品質を一定レベルに保持することができる。
【０００６】
尚、以下、ここで説明した研磨加工を、従来の研磨加工と呼ぶ。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の研磨加工中に採用されている研磨能率の測定方法には、研磨加工の進行と共に推移する研磨パッドの研磨能率をリアルタイムに測定することができないという欠点がある。従って、研磨パッドの修正処理や研磨時間の補正処理を実行する最適タイミングを逃す可能性がある。また、ダミー基板による測定プロセスを経なければならないので、Ｓｉウエハの製造効率が低下するという欠点もある。
【０００８】
そこで、本発明は、研磨加工プロセスにおいて、使用中の研磨パッドの研磨性能をリアルタイムに自動測定することができる測定システムを備えた研磨装置を提供し、研磨加工の効率化を図ることを一つの目的とする。更に、こうした測定システムにより測定される研磨パッドの研磨性能に基づいて研磨条件の最適化を図ることを一つの目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は
加工物の表面を研磨する研磨方法であって、
研磨材で前記加工物の表面を研磨する研磨ステップと、
前記研磨材の反射率を測定するステップと、前記測定した前記研磨材の反射率に基づいて、前記研磨材で研磨した場合の前記加工物の研磨能率を定量化する定量化ステップと、を含む、繰返し実行される測定ステップと、
前記測定ステップで繰返し実行される前記定量化ステップにおいて定量化された前記各研磨能率を用いて前記加工物の表面の総研磨量を算出する研磨量算出ステップと、
前記研磨量算出ステップにおいて算出された前記総研磨量が所望の値に到達した場合に前記研磨ステップを終了するステップと、
を有することを特徴とする研磨方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は、
研磨材と加工物とに相対的な運動を与えて前記加工物の表面を研磨する研磨装置であって、
前記研磨材と前記加工物とをそれぞれ保持し、前記研磨材と前記加工物とに前記相対的な運動を与える駆動手段と、
前記駆動手段に保持された前記研磨材の反射率を測定する測定手段と、
研磨材の反射率と、当該反射率を有する研磨材によって研磨された際の前記加工物の研磨能率とを対応付ける情報を記憶する記憶手段と、
前記測定手段が測定した前記研磨材の反射率に対応付けられる前記研磨能率を、前記記憶手段が記憶した前記情報から求める定量化手段と、
前記定量化手段が求めた前記研磨能率を用いて、前記加工物の総研磨量を算出する算出手段と、
前記算出手段が算出した前記総研磨量が所望の値に到達した場合に前記駆動手段を停止する停止手段と、
を備えることを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る一実施の形態について説明する。
【００１３】
最初に、図１により、本実施の形態に係る研磨装置の基本構成について大まかに説明しておく。尚、本実施の形態では、従来技術の欄で説明したＣＭＰ等を行う研磨装置と同形式の研磨装置（即ち、研磨パッド６を貼付した研磨定盤７をモータ８で回転させることにより、任意の研磨圧で加工物と研磨パッド６とを摺動させる研磨装置）を用いることとし、ここでは、本研磨装置の特徴とする構成を中心に説明することにする。
【００１４】
本研磨装置は、研磨装置としての周知の基本構成に加えて、更に、研磨定盤７に貼付された研磨パッド６の表面６ａで反射した光の光量を測定するセンサ９と、後述の研磨パッド６の研磨性能の評価処理や本装置全体の制御等を実行する情報処理装置１１と、研磨定盤７に貼付された研磨パッド６の研磨性能を回復させる修正部Ａと、研磨定盤７を回転させるモータ８を制御するコントローラ１３と、研磨パッド６の研磨性能の評価結果等を表示する表示装置１２とを備える。尚、研磨パッド６の表面６ａに向かって空気を噴射するノズル（不図示）が取付けられており、センサ９から照射された光の反射を妨げる原因となる、研磨パッド６の表面６ａに付着しているスラリー等の異物を排除することができるようになっている。
【００１５】
以下、図１に示した本研磨装置が備える各構成について、それぞれ、詳しく説明する。
【００１６】
まず、図３により、センサ１１の光学系について説明する。
【００１７】
本センサ１１の光学系は、研磨パッド６の表面６ａに対して任意の入射角θ（本実施の形態では、約１５°）で照明光ｅを照射する光源２１と、２つのフォトダイオード２４ａ，２４ｂとにより構成されている。詳細には、光源２１から照射された照明光ｅは、コリメータレンズ２２を透過し、ビームスプリッタ２５で２方向に分割された後、その内の一方の光ｅ１が集光レンズ２６によって一方のフォトダイオード２４ａへと導かれ、他方の光ｅ２が研磨パッド６の表面６ａで反射した後、集光レンズ２３によって他方のフォトダイオード２４ｂへと導かれるようになっている。
【００１８】
そして、これら２つのフォトダイオード２４ａ，２４ｂの出力は、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器１０でデジタル変換された後、情報処理装置１１へと入力されるようになっている（図１参照）。
【００１９】
次に、情報処理装置１１の機能的な構成について説明する。
【００２０】
本情報処理装置１１は、研磨パッドの研磨性能を評価する性能評価部１１ａと、研磨量を算出する研磨量算出部１１ｂと、修正部Ａとコントローラ１３を制御する制御部１１ｃとを備える。尚、ここでいう性能評価部１１ａ、研磨量算出部１１ｂ、制御部１１ｃとは、実際には、ＣＰＵ（不図示）と、メモリ１１ｃに格納されたデータとにより実現されるプロセスのことである。以下、各部１１ｂ，１１ｃで実行される処理について説明する。
【００２１】
性能評価部１１ａは、センサ１１の出力（即ち、フォトダイオード２４ａで検出された光ｅ１の光量ｍ１と、フォトダイオード２４ｂで検出された光ｅ２の光量ｍ２）を用いて、研磨パッド６の反射率（ｍ２／ｍ１）を算出する。
【００２２】
その後、上記センサ１１の出力から算出した研磨パッド６の反射率（ｍ２／ｍ１）と、研磨パッドの反射率と研磨能率を関係付ける関数ｆとを用いて、研磨パッド６の研磨能率を算出する。その結果、例えば、従来技術の欄で述べた研磨条件と同様な研磨条件で使用される研磨パッド６の反射率（ｍ２／ｍ１）は、研磨加工の進行に伴って、図５に示すように推移することが確認される。これは、研磨開始前またはドレッシング処理直後の研磨パッド６の表面６ａでは、図２（ａ）に示すように、光ｅ２が微細な凹凸で乱反射しやすく、研磨加工の進行に伴って平滑化された研磨パッド６の表面６ａでは、図２（ｂ）に示すように、光ｅ２が正反射しやすいためである。
【００２３】
尚、ここでいう研磨パッドの反射率と研磨能率とを関係付ける関数ｆとは、実験データに基づいて予め作成しておいた関数のことである。即ち、研磨の進行と共に従来技術と同様な測定方法によって研磨パッドの研磨能率ｋ（ｔ）を逐次測定し、これを上記研磨パッド６の反射率（ｍ２／ｍ１）とを対応付けて表示すると、図６に示すように、おおむね両者の値を一意に対応付けることができる関数（ｋ（ｔ）＝ｆ（ｍ２／ｍ１））が存在することが判る。この関数（ｋ（ｔ）＝ｆ（ｍ２／ｍ１））が、ここでいう研磨パッドの反射率と研磨能率とを関係付ける関数ｆである。
【００２４】
そして、逐次算出される研磨パッドの研磨能率ｋ（ｔ）に基づいて、研磨加工中の研磨パッドの研磨性能の優劣を評価する。尚、本実施の形態では、上記研磨パッドの研磨能率ｋが所定の値を下回った時点で、研磨パッドの研磨性能が劣化したと判定する。また、上記研磨パッドの研磨能率ｋが所定の値を上回った時点で、研磨パッドの研磨性能が回復したと判定する。
【００２５】
更に、逐次算出された研磨パッドの研磨能率ｋ（ｔ）を用いて、研磨加工開始から現時点に到る迄のＳｉウエハの研磨量（Σ∫ｋ（ｔ）ｄｔ）を算出する。尚、研磨パッドの研磨能率と、Ｓｉウエハの研磨量は、それぞれ、表示装置１２に表示される。
【００２６】
一方、制御部１１ｂは、性能評価部１１ａが研磨パッドの研磨性能の劣化を判定した場合には、後述の修正部Ａのバルブ３に対して動作指令を与え、性能評価部１１ａが研磨パッドの研磨性能の回復を判定した場合には、後述の修正部Ａのバルブ３とコントローラ１３とに対して停止指令を与える。更に、性能評価部１１ａが算出したＳｉウエハの研磨量が目標研磨量に達した場合には、後述のコントローラ１３に対して停止指令を与える。
【００２７】
次に、修正部Ａとコントローラ１３とについて説明する。
【００２８】
情報処理装置１１の制御部１１ｂから停止指令が与えられると、コントローラ１３は、研磨パッド６を貼付した研磨定盤７を回転させるモータ８を停止させて、現在研磨中のＳｉウエハに対する研磨加工を終了させる。
【００２９】
一方、情報処理装置１１の制御部１１ｂから動作指令が与えられると、修正部Ａのバルブ３は、エアコンプレッサ４とエアシリンダ１の１ａとの間の流路１４ａとシリンダ１の１ｂと外界との間の流路１４ｂとを開放する。その結果、研磨パッド６の表面６ａには、モータ（不図示）が回転させているダイアモンド砥石５により、ドレッシング処理が施される。尚、このときの研磨圧は、圧力レギュレータ２によって制御されている。
【００３０】
また、こうしたドレッシング処理の最中に、情報処理装置１１の制御部１１ｂから停止指令が与えられると、修正部Ａのバルブ３は、現在開放している流路１４ａ，１４ｂを閉鎖してから、エアシリンダ１の１ａと外界との間の流路１５ａと、エアコンプレッサ４とエアシリンダ１の１ｂとの間の流路１５ｂとを開放する。その結果、ダイアモンド砥石５が引き上げられて、研磨パッド６の表面６ａに対するドレッシング処理が終了する。
【００３１】
以上で、本研磨装置が備える各構成についての説明を終る。
【００３２】
尚、本実施の形態では、情報処理装置１１がコントローラ８と修正部Ａのバルブ３を制御するようにしているあが、必ずしもこのようにする必要はなく、表示装置１２の表示を監視する作業者に、ドレッシング処理のタイミングと研磨加工終了のタイミングを判断させて、必要に応じて、コントローラ８と修正部Ａのバルブ３を手動で操作させるようにしても構わない。
【００３３】
また、一旦研磨定盤７の回転を止めてから、センサ１１からの光ｅ２が照射される研磨パッド６の表面６ａ上の位置にプリズム２６を配置し、プリズム２６と研磨パッド６との境界面の反射率を測定するようにしてもよい。このようにすれば、多少の時間的なロスはあるが、研磨パッド６の表面６ａに付着したスラリー等を除去することができ、且つ、大気中に浮遊する異物が研磨パッド６の表面６ａに付着することがないので、より正確な研磨パッド６の反射率を求めることができる。尚、プリズム２６は、入射光及び出射光に対して垂直な側面２６ａ，２６ｂを有する形状であることが望ましい。また、プリズム２６よる光の吸収等の影響を考慮するならば、研磨パッドの反射率と研磨能率を関係付ける関数ｆに補正項を加えればよい。
【００３４】
ここで、ウエハ製造プロセスにおける鏡面研磨工程に本研磨装置を採用することにより得られる効果についてまとめておく。
【００３５】
研磨加工の進行と共に推移する研磨パッドの研磨能率をリアルタイムに自動測定することができるので、時間と手間をかけることなく、研磨加工の進行に伴って推移する研磨パッドの研磨性能を正確に把握することができる。このような効果は、以下に示すような効果を派生させ、最終製品であるＬＳＩの信頼性を一層向上させる。
【００３６】
（１）研磨パッドのドレッシング処理の最適タイミングを逃さないため、研磨パッドの研磨性能を常に一定レベルに保持することができる。
【００３７】
（２）より正確な研磨量を推定することができるので、より適正な研磨加工をＳｉウエハに施すことができる。
【００３８】
また、研磨工程ラインを止めずに研磨パッドの研磨能率を測定することができるので、Ｓｉウエハの製造効率が低下しないという第二の効果もある。
【００３９】
尚、本実施の形態では、Ｓｉウエハを研磨対象としているが、これ以外の加工物を研磨対象としても、これと同様な効果が達成される。
【００４０】
【実施例】
以下、図１に示した研磨装置を用いた研磨加工の実施例について、従来の研磨加工の実施例と比較しながら説明する。尚、本実施例では、従来技術の欄で述べた研磨条件と同様な研磨条件を設定する。また、研磨対象とするＳｉウエハの目標研磨量は１μｍである。
【００４１】
まず、上記（２）の効果を確認する。
【００４２】
両研磨加工によって、それぞれ、２５枚のＳｉウエハに連続して研磨した後、各Ｓｉウエハの研磨量を測定する。尚、ここでは、両研磨加工とも、研磨加工中に研磨パッド６に対してドレッシング処理を施さないこととする。また、従来の研磨加工においては、１０枚のＳｉウエハを研磨する毎に研磨能率を測定し直して研磨時間を補正することとする。
【００４３】
その結果、従来の研磨加工によれば、Ｓｉウエハの研磨量に約±０．２μｍのばらつきが生じるのに対して、本研磨装置を用いた研磨加工によれば、Ｓｉウエハの研磨量のばらつきが約±０．０５μｍに抑制されることが確認された（図７参照）。
【００４４】
以上の結果から、上記（２）の効果が達成されていることが確認された。
【００４５】
次に、上記（１）の効果を確認する。
【００４６】
両研磨加工によって、それぞれ、１００枚のＳｉウエハに連続して研磨した後、各Ｓｉウエハの研磨量を測定する。尚、このときには、両研磨加工とも、研磨パッド６の研磨能率が所定の値より低下した場合に、研磨パッド６に対してドレシング処理を施すこととする。
【００４７】
その結果、従来の研磨加工によれば、Ｓｉウエハの研磨量に約±０．１μｍのばらつきが生じるのに対して、本研磨装置を用いた研磨加工によれば、Ｓｉウエハの研磨量のばらつきが約±０．０３μｍに抑制されることが確認された（図８参照）。
【００４８】
以上の結果から、上記（１）の効果が達成されていることが確認された。
【００４９】
尚、１００枚のＳｉウエハを研磨するための所要時間は、従来の方法を利用した研磨加工では約１７００分であったのに対し、本研磨装置による研磨加工ではその半分の約９００分であった。すなわち、上記第二の効果が達成されていることが確認された。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る研磨方法及び研磨装置によれば、研磨加工プロセスにおいて、使用中の研磨パッドの研磨性能をリアルタイムに自動測定することができる。従って、従来研磨パッドの研磨性能の測定に費やされていた時間と手間を削減することができる。また、研磨加工の進行に伴って推移する研磨パッドの研磨性能を正確に把握することができるので、より最適な研磨加工を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の基本構成を示した図である。
【図２】研磨パッドの表面での光の反射具合を示した図である。
【図３】研磨パッドの反射率の測定原理を説明するための図である。
【図４】研磨パッドの反射率の測定原理を説明するための図である。
【図５】研磨パッドの反射率を、Ｓｉウエハの研磨総数に対応付けて表示した図である。
【図６】研磨パッドの反射率と研磨能率との関係を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る研磨装置を使用することにより得られる効果を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る研磨装置を使用することにより得られる効果を説明するための図である。
【図９】従来の方法により測定した研磨パッドの研磨能率を、Ｓｉウエハの研磨総数に対応付けて表示した図である。
【符号の説明】
１…エアシリンダ
２…圧力レギュレータ
３…バルブ
４…エアコンプレッサ
５…ダイアモンド砥石
６…研磨パッド
７…研磨定盤
８…モータ
９…センサ
１０…Ａ／Ｄ変換器
１１…情報処理装置
１２…表示装置
１３…コントローラ
【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】
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【図９】
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