(57)【要約】【課題】単純な作業手順で研磨条件を決定し、研磨対象物の被研磨面を均一に平坦化することができるとともに、効率よく被研磨面を所望の面形状に仕上げることができる研磨方法を提供することを目的とする。【解決手段】ＳｉＯ2膜が形成された半導体ウェハ２ｂの被研磨面と研磨パッド１５とを当接させた状態で両者を相対移動させ、半導体ウェハ２ｂの被研磨面を研磨した時の研磨レート（研磨除去量の変化）を求めるステップと、求められた研磨レート（研磨除去量の変化）からＳｉＯ2からなるガラス板２ａを研磨する時の研磨条件を求めるステップと、求められた研磨条件に基づいてガラス板２ａの研磨を行うステップとを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の材料からなる研磨対象物と研磨パッドとを当接させた状態で両者を相対移動させて前記研磨対象物を研磨する研磨方法であって、
前記材料からなる膜が形成された研磨除去量測定用部材の被研磨面と前記研磨パッドとを当接させた状態で両者を相対移動させ、前記被研磨面を研磨した時の研磨除去量の変化を求めるステップと、
前記求められた研磨除去量の変化から前記研磨対象物を研磨する時の研磨条件を求めるステップと、
前記求められた研磨条件に基づいて前記研磨対象物の研磨を行うステップとを備えることを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
前記研磨除去量の変化を求めるステップは、前記被研磨面を前記研磨パッドを用いて研磨するとともに前記膜の厚さを測定し、前記測定された膜の厚さから前記研磨除去量の変化を求めることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
【請求項３】
前記研磨対象物は、ＳｉＯ2からなる矩形状ガラス板であり、前記研磨除去量測定用部材は、前記被研磨面にＳｉＯ2膜が形成された半導体ウェハであることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハやガラス板等の研磨対象物の表面を研磨する研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハやガラス板等の研磨対象物の研磨技術として、大きなエリアの効率的な平坦化技術として注目を集めているのが、化学的機械的研磨である。これは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）と呼ばれる研磨工程である。このＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用を併用して、研磨対象物の表面を研磨していく工程で、グローバル平坦化のための重要な技術である。具体的には、酸、アルカリ、酸化剤などの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリーと呼ばれる研磨剤を用い、更に、研磨パッドで研磨対象物の表面を加圧し、相対運動で摩擦することにより研磨を進行させる。
【０００３】
従来、ＣＭＰを行う研磨装置において、研磨対象物よりかなり大きい径を持つ研磨パッドを用いる大径パッド方式では、研磨対象物が研磨パッドよりも小さく、研磨対象物の全面が常に研磨パッドに接触しているため、研磨対象物の一部の領域を他の領域に対して優先的に研磨することが極めて困難であり、研磨対象物の表面を均一に平坦化することが非常に困難であった。そこで最近では、研磨対象物と略同じかそれより小さい径を持つ研磨パッドを用いる小径パッド方式の研磨装置が開発され使用されている。小径パッド方式では、研磨対象物の表面上の各部分における研磨パッドの存在確率を変えることにより、自在に研磨プロファイルを変えることが可能である。よって、研磨対象物の表面を均一に平坦化することができる（特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】国際公開第０４／０７５２７６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、小径パッドを用いた研磨において自在に研磨プロファイルを変えることが可能であるということは、研磨条件をより細かく決定しなければならないことを意味する。すなわち、研磨対象物の表面上おける研磨パッドの存在確率を変えるために、研磨パッドの往復動及び接触圧を変化させる制御を行うなど、研磨条件の種類が増えると同時に複雑化し、研磨条件の決定回数が増えるとともに一つの研磨条件を決定するためにより多くの時間を有することになる。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、単純な作業手順で研磨条件を決定し、研磨対象物の被研磨面を均一に平坦化することができるとともに、効率よく被研磨面を所望の面形状に仕上げることができる研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決して目的を達成するため、本発明に係る研磨方法は、所定の材料からなる研磨対象物と研磨パッドとを当接させた状態で両者を相対移動させて前記研磨対象物を研磨する研磨方法であって、前記材料からなる膜が形成された研磨除去量測定用部材の被研磨面と前記研磨パッドとを当接させた状態で両者を相対移動させ、前記被研磨面を研磨した時の研磨除去量の変化を求めるステップと、前記求められた研磨除去量の変化から前記研磨対象物を研磨する時の研磨条件を求めるステップと、前記求められた研磨条件に基づいて前記研磨対象物の研磨を行うステップとを備える。
【０００８】
上記研磨方法において、前記研磨除去量の変化を求めるステップは、前記被研磨面を前記研磨パッドを用いて研磨するとともに前記膜の厚さを測定し、前記測定された膜の厚さから前記研磨除去量の変化を求めることが好ましい。
【０００９】
上記研磨方法において、前記研磨対象物は、ＳｉＯ2からなる矩形状ガラス板であり、前記研磨除去量測定用部材は、前記被研磨面にＳｉＯ2膜が形成された半導体ウェハであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る研磨方法によれば、所定材料からなる膜が形成された研磨量測定用部材の被研磨面を研磨した時の研磨除去量の変化を求め、この研磨除去量の変化から該所定材料からなる研磨対象物を研磨する時の研磨条件が求められるので、この研磨条件に基づいて研磨対象物の被研磨面の研磨を行い、被研磨面を均一に平坦化することができるとともに、効率よく被研磨面を所望の面形状に仕上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。図１は本発明に係る研磨装置の代表例であるＣＭＰ装置１の概略構成を示している。このＣＭＰ装置１は、研磨対象物２の表面研磨を行う研磨装置１０と、研磨対象物２の被研磨面が研磨装置１０と対向するように研磨対象物２を保持する対象物保持装置２０とを備えて構成されている。
【００１２】
これら研磨装置１０及び対象物保持装置２０は支持フレーム３０に支持されている。支持フレーム３０は、水平な基台３１と、この基台３１上にＹ方向（紙面に垂直な方向でこれを前後方向とする）に延びて設けられたレール（図示せず）上をＹ方向に移動自在に設けられた第１ステージ３２と、この第１ステージ３２から垂直（Ｚ方向；紙面における上下方向）に延びるように設けられた垂直フレーム３３と、この垂直フレーム３３上をＺ方向に移動自在に設けられた第２ステージ３４と、この第２ステージ３４から水平（Ｘ方向；紙面における左右方向）に延びるように設けられた水平フレーム３５と、この水平フレーム３５上をＸ方向に移動自在に設けられた第３ステージ３６とを有して構成されている。
【００１３】
第１ステージ３２内には電動モータ等を駆動源とする第１駆動機構Ｄ１が設けられており、この第１駆動機構Ｄ１により第１ステージ３２を上記レールに沿ってＹ方向に移動させることができる。また、第２ステージ３４内には第２駆動機構Ｄ２が設けられており、この第２駆動機構Ｄ２により第２ステージ３４を垂直フレーム３３に沿ってＺ方向に移動させることができる。さらに、第３ステージ３６内には第３駆動機構Ｄ３が設けられており、この第３駆動機構により第３ステージ３６を水平フレーム３５に沿ってＸ方向に移動させることができる。このため、駆動機構Ｄ１，Ｄ３の駆動制御を行ってそれぞれの動作を組み合わせることにより、第３ステージ３６を対象物保持装置２０上方の任意のＸＹ位置（水平位置）に移動させることが可能である。また、第２駆動機構Ｄ２の駆動制御を行うことにより、第３ステージ３６を任意のＺ位置（対象物保持装置２０の上方の高さ位置）に移動させることが可能である。なお、駆動機構Ｄ２，Ｄ３は、第１駆動機構Ｄ１と同様に電動モータ等を駆動源として構成される。
【００１４】
研磨装置１０は、第３ステージ３６から下方に延びて設けられた研磨ヘッド回転軸１１と、この研磨ヘッド回転軸１１の下端部に取り付けられた研磨ヘッド１２とから構成されている。この研磨ヘッド１２の下面には、両面接着テープ等を用いて研磨パッド１５が下面に貼り付けられた円盤状の支持プレート１３が真空吸着されて取り付けられている。このため、真空吸着を解除して、研磨パッド１５を支持プレート１３とともに研磨ヘッド１２から取り外して交換可能になっている。
【００１５】
研磨パッド１５は、発泡性のポリウレタン等の発泡体樹脂材料を用いて支持プレート１３とほぼ同じ外径を有する円盤状、もしくは中央に穴の開いた薄厚のドーナツ型等に形成されている。本実施形態では研磨パッド１５は薄厚のドーナツ型である。研磨パッド１５の研磨面には、格子状の溝が縦横にほぼ等間隔で形成されており、研磨加工の際に研磨剤（スラリー）の拡散が促進されるようになっている。
【００１６】
研磨ヘッド回転軸１１は、第３ステージ３６内に設けられた電動モータ等を駆動源とする第４駆動機構Ｄ４によって回転し、これにより研磨ヘッド１２を回転させて研磨パッド１５の研磨面をＸＹ面（水平面）内で回転させることができる。また、第３ステージ３６には、エアシリンダ（図示せず）が内蔵されており、このエアシリンダにより研磨ヘッド回転軸１１を介して研磨ヘッド１２を上下動させて研磨パッド１５の研磨面を研磨対象物２の被研磨面に所定の接触圧で押圧させることができる。
【００１７】
対象物保持装置２０は、基台３１上に設けられた回転台支持部２１と、回転台支持部２１から上方に垂直に延びて設けられたチャック回転軸２２と、チャック回転軸２２の上端部に水平に取り付けられたチャック回転台２３と、チャック回転台２３上に設けられてガラス板２を上面側に保持する真空チャック２４とを備えて構成されている。
【００１８】
真空チャック２４内には図示しない真空吸着チャック機構が設けられており、この真空吸着チャック機構により研磨対象物２を着脱自在に吸着保持するようになっている。回転台支持部２１内には電動モータ等を駆動源とする第５駆動機構Ｄ５が設けられており、回転台支持部２１から延びて設けられたチャック回転軸２２は、この第５駆動機構Ｄ５によって回転し、これによりチャック回転台２３を回転させることができる。
【００１９】
次に、以上のように構成されたＣＭＰ装置１（研磨装置１０）において、研磨対象となるＳｉＯ2からなる矩形状のガラス板２ａの表面を研磨する研磨方法についてフローチャートを参照して説明する。
【００２０】
研磨装置１０を用いてガラス板２ａの表面を研磨する研磨方法を図２のフローチャートに示しており、ここでは、まずステップＳ１において、研磨装置１０を用いて研磨除去量測定用部材である半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の研磨を行う。なお、半導体ウェハ２ｂは被研磨面にＳｉＯ2からなる酸化膜が形成されており、このＳｉＯ2膜はガラス板２ａと物性的に同様の組成であり、ＣＭＰに対しても同様の研磨特性を示す。
【００２１】
具体的には、対象物保持装置２０における真空チャック２４の上面に半導体ウェハ２ｂを吸着して取り付ける。そして、第５駆動機構Ｄ５によりチャック回転軸２２を介してチャック回転台２３を回転させる。すなわち、第５駆動機構Ｄ５によりチャック回転台２３を回転させ、チャック回転台２３上に設けられた真空チャック２４及び真空チャック２４に吸着保持された半導体ウェハ２ｂを回転させる。
【００２２】
次に、駆動機構Ｄ１，Ｄ３により第３ステージ３６を移動させて研磨ヘッド１２を半導体ウェハ２ｂの上方に位置させ、第４駆動機構Ｄ４により研磨ヘッド回転軸１１を介して研磨ヘッド１２を回転させる。そして、第２駆動機構Ｄ２により第２ステージ３４をＺ方向に移動させて研磨パッド１５の研磨面を半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜（被研磨面）と近接するように位置させ、第３ステージ３６に内蔵されたエアシリンダ（図示せず）を用いて研磨ヘッド１２を降下させ、研磨パッド１５の研磨面を半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜に所定の接触圧で押圧させる。その後、第３駆動機構Ｄ３により第３ステージ３６を水平フレーム３５に沿って往復動させる。すなわち研磨ヘッド１２（研磨パッド１５の研磨面）をＸ方向に往復動させる。このとき、図示しない研磨剤供給装置から研磨剤を圧送し、研磨パッド１５の研磨面の下面側に研磨剤を供給させる。これにより、半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜は、研磨剤の供給を受けつつ半導体ウェハ２ｂ自体の回転運動と研磨ヘッド１２（研磨パッド１５）の回転及び往復動とにより研磨される。
【００２３】
ステップＳ１において所定時間毎に半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の研磨を中止して、半導体ウェハ２ｂの被研磨面でのＳｉＯ2膜の膜厚を測定する（ステップＳ２）。具体的には、光学的測定器（干渉型の膜厚測定器）を半導体ウェハ２ｂの被研磨面で走査させながら、ＳｉＯ2膜に光を照射し、ＳｉＯ2膜の上下面（ＳｉＯ2膜の表面及び基板表面）で反射した反射光量を測定する。この反射光は、ＳｉＯ2膜による干渉効果によりＳｉＯ2膜の膜厚に依存して強度が変わる。このため、反射光の強度を測定することで半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の膜厚の測定をすることができる。例えば、前記特許文献１に記載されるように、研磨装置１０を構成する研磨ヘッド回転軸１１、研磨ヘッド１２、支持プレート１３及び研磨パッド１５の中心部に空洞を形成し、この空洞に光学的測定器につながった光ファイバーを設ける。駆動機構Ｄ１，Ｄ３により研磨装置１０を半導体ウェハ２ｂの上方においてＸＹ面内で移動させることにより、光学的測定器で半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜上を走査し、半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の膜厚を測定することができる。なお、光学的測定器は研磨装置１０と別に設けても構わない。
【００２４】
ステップＳ２において所定時間毎の半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の膜厚の測定が終了するとステップＳ３に進み、得られた測定データから半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レート（研磨除去量の変化）を算出する。半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レートは、時間経過に対して測定された半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の膜厚から算出することができ、この研磨レートを時間積分することで研磨除去量が算出される。また、半導体ウェハ２ｂの被研磨面上の各点で測定された膜厚を比較することによって被研磨面の平坦度を知ることができる。
【００２５】
ステップＳ３における半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レートが算出されるとステップＳ４に進み、算出された半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レートからガラス板２ａの被研磨面を研磨するときの研磨条件を得る。上述したようにＳｉＯ2膜はガラス板２ａと物性的に同様の組成であり、ＣＭＰに対しても同様の研磨特性を示すので、上記半導体ウェハ２ｂと同様の研磨条件（接触圧、研磨パッド１５と被研磨面との相対速度など）におけるガラス板２ａの被研磨面での研磨レートと半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レートとはほぼ等しいとみなすことができる。
【００２６】
次に、ステップＳ５において、半導体ウェハ２ｂと同様に、対象物保持装置２０における真空チャック２４の上面にガラス板２ａを吸着して取り付け，ステップＳ４で得られた研磨条件（研磨レート）に基づいてガラス板２ａの表面研磨を行う。このようにして、半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レートからガラス板２ａの被研磨面を研磨するときの研磨条件、すなわちガラス板２ａの被研磨面での研磨レートを得ることができ、この研磨条件に基づいてガラス板２ａの被研磨面を研磨するので、被研磨面を均一に平坦化することができるとともに、効率よく被研磨面を所望の面形状に仕上げることができる。
【００２７】
なお、ステップＳ１において、所定時間毎に半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の研磨を中止して、半導体ウェハ２ｂの被研磨面でのＳｉＯ2膜の膜厚を測定しているが、半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜の研磨と同時にＳｉＯ2膜の膜厚を測定しても構わない。ただし、この場合は、測定時刻にタイムラグが生じないように、すなわち同一時刻で被研磨面の膜厚が測定できるように光学的測定器を設ける必要がある。
【００２８】
図３は、研磨装置１０を用いて半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜を研磨したときの、半導体ウェハ２ｂの半径方向の研磨レートを示す実験データであり、横軸に半導体ウェハ２ｂの中心を０とする半導体ウェハ２ｂ（ＳｉＯ2膜）上の半径方向の位置、縦軸に研磨レートをとり、半導体ウェハ２ｂ上の半径方向の位置毎の研磨レートをプロットしたグラフである。
【００２９】
なお、図３では直径200mmで、厚み0.725mmのＳｉ基板の表面に厚み１umのＳｉＯ2膜が形成された半導体ウェハ２ｂの研磨を行った。研磨パッド１５は、直径が170mmで中心部に直径54mmの穴の開いたドーナツ型パッドを使用し、研磨パッド１５の研磨面を半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜に0.25psiの接触圧で押圧させた。また、図３(ａ)では半導体ウェハ２ｂの回転数は251rpm、研磨パッド１５の回転数は51rpmで半導体ウェハ２ｂと研磨パッド１５とは同じ方向に回転し、研磨パッド１５の往復動速度は60mm/sec、往復動範囲は半導体ウェハ２ｂの中心から25〜40ｍｍの範囲とした。図３(ｂ)では半導体ウェハ２ｂの回転数は100rpm、研磨パッド１５の回転数は101rpmで半導体ウェハ２ｂと研磨パッド１５とは逆方向に回転し、研磨パッド１５の往復動速度は60mm/sec、往復動範囲は半導体ウェハ２ｂの中心から28〜50ｍｍの範囲とした。
【００３０】
この実験データによると、図３(ａ)では、半導体ウェハ２ｂの中心近傍の研磨レートが大きく、半導体ウェハ２ｂの端部（エッジ）に向かって徐々に研磨レートが小さくなっていることが分かる。これは半導体ウェハ２ｂと研磨パッド１５とが同じ方向に回転して研磨を行ったことによるものである。また、図３(ｂ)では、半導体ウェハ２ｂの中心近傍の研磨レートが小さく、半導体ウェハ２ｂの端部（エッジ）に向かって徐々に研磨レートが大きくなっているのが分かる。これは半導体ウェハ２ｂと研磨パッド１５とが逆方向に回転して研磨を行ったことによるものである。すなわち、半導体ウェハ２ｂと研磨パッド１５とを同じ方向に回転させて研磨を行うと、半導体ウェハ２ｂの端部よりも中心近傍の積極的な研磨（センターファスト研磨）が行われる。逆に、半導体ウェハ２ｂと研磨パッド１５とを逆方向に回転させて研磨を行うと、半導体ウェハ２ｂの中心近傍よりも端部の積極的な研磨（エッジファスト研磨）が行われる。
【００３１】
図４は、上記と同じ条件で、研磨装置１０を用いて152mm×152mmの正方形状に形成されたガラス板２ａの被研磨面（被研磨面の外周部５mmを除く）を５min間研磨したときの、ガラス板２ａの対角線方向の形状相対変化を示す実験データであり、横軸にガラス板２ａの一方の頂点を０とするガラス板２ａ上の対角線方向の位置、縦軸に研磨前後の形状相対変化量をとり、ガラス板２ａ上の対角線方向の位置毎の形状相対変化量をプロットしたグラフである。なお、形状相対変化量は、研磨前後にガラス板２ａの被研磨面までの距離測定を行い、得られた距離データから基準平面（形状相対変化量が０の位置）に対する偏差量として求めたものである。
【００３２】
この実験データによると、図４(ａ)では、ガラス板２ａの中心近傍の相対形状変化量が大きく、ガラス板２ａの端部（エッジ）に向かって徐々に相対形状変化量が小さくなっていることが分かる。また、図４(ｂ)では、ガラス板２ａの中心近傍の相対形状変化量が小さく、ガラス板２ａの端部（エッジ）に向かって徐々に相対形状変化が大きくなっているのが分かる。すなわち、ガラス板２ａと研磨パッド１５とを同じ方向に回転させて研磨を行うと、ガラス板２ａの端部よりも中心近傍の積極的な研磨（センターファスト研磨）が行われる。逆に、ガラス板２ａと研磨パッド１５とを逆方向に回転させて研磨を行うと、半導体ウェハ２ｂの中心近傍よりも端部の積極的な研磨（エッジファスト研磨）が行われる。したがって、図３と図４を比較することにより、ガラス板２ａを研磨する際、研磨前後の形状相対変化は、半導体ウェハ２ｂの研磨レート（研磨除去量の変化）の傾向と近いことが分かる。
【００３３】
以上のようにして、研磨装置１０を用いて半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜を研磨するとともに所定時間毎にＳｉＯ2膜の膜厚を測定し、この測定データから半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜での研磨レート（研磨除去量の変化）が算出される。そして、半導体ウェハ２ｂのＳｉＯ2膜とガラス板２ａとが同様の研磨特性を示すことにより、算出されたＳｉＯ2膜での研磨レートからガラス板２ａを研磨するときの研磨条件を得ることができ、この研磨条件に基づいてガラス板２ａの被研磨面を研磨するので、被研磨面を均一に平坦化することができるとともに、効率よく被研磨面を所望の面形状に仕上げることができる。
【００３４】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、研磨対象物及び研磨量測定用部材に形成される膜はＳｉＯ2によって形成されるとは限らなく、両者が同様の研磨特性を示す材料によって形成されていれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る研磨装置の一例であるＣＭＰ装置を示す正面図である。
【図２】上記ＣＭＰ装置を用いてガラス板を研磨する研磨方法を説明するフローチャートである。
【図３】上記ＣＭＰ装置を用いて半導体ウェハのＳｉＯ2膜を研磨したときの半導体ウェハ上の半径方向の位置毎の研磨レートをプロットした実験データを示す図である。
【図４】上記ＣＭＰ装置を用いてガラス板の被研磨面を研磨したときのガラス板上の対角線方向の位置毎の形状相対変化量をプロットした実験データを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      ＣＭＰ装置
２ａ    ガラス板（研磨対象物）
２ｂ    半導体ウェハ（研磨除去量測定用部材）
１０    研磨装置
１５    研磨パッド（研磨パッド）
【図１】
2008307609.tif 000003
【図２】
2008307609.tif 000004
【図３】
2008307609.tif 000005
【図４】
2008307609.tif 000006