(57)【要約】【課題】効率的な冷却が可能であり、かつ、冷却に際して研磨に悪影響を及ぼさない研磨装置、研磨部材、および研磨方法を提供する。【解決手段】研磨装置１の保持ヘッド５によりウェハSを保持し、研磨定盤２に研磨パッド３を貼着し、ウェハSの被研磨面Saと研磨パッド３の研磨面Sbとを接触させ、保持ヘッド５と研磨定盤２との相対運動による被研磨面Saの研磨において、研磨パッド３を、研磨面Sbを除いて研磨パッド３の冷媒流路１５内の冷媒を用いて直接的に冷却する。【選択図】  図１
2004202666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨物を保持する保持手段と、当該被研磨物を研磨する研磨部材を備える研磨手段とを有し、前記被研磨物の被研磨面と前記研磨部材の研磨面とを接触させ、前記保持手段と前記研磨手段との相対運動により前記被研磨面を研磨する研磨装置であって、
前記研磨部材を、前記研磨面を除いて冷媒を用いて直接的に冷却する冷却手段
を有する研磨装置。
【請求項２】
前記冷却手段は、
前記研磨面を除く領域において前記冷媒を流す冷媒流路と、
前記冷媒流路に前記冷媒を強制的に供給する供給手段と
を有する請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記研磨部材の冷却に用いた前記冷媒を循環させて再利用する回収手段をさらに有する
請求項２に記載の研磨装置。
【請求項４】
被研磨物を研磨面により研磨する研磨部材であって、
前記研磨面を除く領域を、冷媒を用いて直接的に冷却する冷却部
を有する研磨部材。
【請求項５】
前記冷却部は、前記研磨面を除く領域において前記冷媒を流す冷媒流路を有する
請求項４に記載の研磨部材。
【請求項６】
被研磨物を研磨面により研磨する研磨層と、
前記研磨層を支持する支持層と
を有し、
前記支持層に、前記研磨層を冷却する冷媒を流す溝を設けた
研磨部材。
【請求項７】
被研磨物を研磨面により研磨する研磨層と、
前記研磨層を支持する支持層と
を有し、
前記研磨層における前記研磨面を除く領域に、当該研磨層を冷却する冷媒を流す溝を設けた
研磨部材。
【請求項８】
前記溝は、前記支持層から連続して、前記研磨面を除いた前記研磨層の領域まで設けられている
請求項６に記載の研磨部材。
【請求項９】
前記支持層は、前記溝に前記冷媒を供給するための供給孔を有する
請求項６〜８のいずれかに記載の研磨部材。
【請求項１０】
前記溝は、前記供給孔に連通して、当該供給孔から放射状に設けられている
請求項９に記載の研磨部材。
【請求項１１】
前記溝の幅は５mmより小さい
請求項６〜８のいずれかに記載の研磨部材。
【請求項１２】
前記溝は、所定ピッチで格子状に複数設けられている
請求項６〜８のいずれかに記載の研磨部材。
【請求項１３】
複数の前記溝間の前記ピッチは、１０mmよりも大きい
請求項１２に記載の研磨部材。
【請求項１４】
被研磨物と、当該被研磨物を研磨する研磨部材とを接触させ、前記被研磨物の被研磨面と前記研磨部材の研磨面との相対運動により前記被研磨面を研磨する研磨方法であって、
前記研磨部材を、冷媒を用いて冷却する冷却手段を用意し、
前記研磨部材を、前記研磨面を除いて冷媒を用いて直接的に冷却して前記被研磨物の前記被研磨面を研磨する
研磨方法。
【請求項１５】
前記冷却手段を用意するに際し、前記研磨面を除く領域において前記冷媒を流す冷媒流路を前記冷却手段に設け、
前記被研磨面の研磨において、前記冷媒流路に前記冷媒を強制的に供給して前記研磨面を冷却する
請求項１４に記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被研磨物を研磨する研磨装置と、そこに用いられる研磨部材および研磨方法に関する。
特定的には、本発明は、研磨面を除く領域において研磨部材を直接的に冷却する研磨装置、研磨部材、および研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被研磨物と研磨部材とを接触させて被研磨物を研磨する研磨装置は、たとえば、半導体装置の製造工程におけるCMP（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）や、液晶表示装置用ガラス板、樹脂の研磨に用いられている。
このような研磨装置においては、被研磨物を研磨する研磨部材の研磨面に、研磨により熱が発生する。
研磨部材として、たとえば、ポリウレタン製の研磨パッドが用いられているが、研磨パッドの熱伝導性は悪かった。このため、被研磨物および研磨パッドの研磨面の研磨中の温度上昇を抑制することは困難であった。
被研磨物および研磨面の温度上昇は、研磨速度や研磨特性の変化につながる。
【０００３】
従来は、研磨中の温度上昇を抑制するために、たとえば、研磨パッド表面に気体を直接噴射していた（たとえば、特許文献１参照）。
また、研磨パッドを設置する定盤を冷却することも知られている（たとえば、特許文献２参照）。
さらには、研磨に用いるスラリーと呼ばれる研磨剤を、冷却して研磨面に供給することも知られている（たとえば、特許文献３参照）。
【０００４】
研磨特性の変動を抑制するために、研磨に用いる硬質層と、この硬質層を支持する軟質層との複層構造を有する研磨パッドにおいて、硬質層に溝を設けた研磨パッドも知られている（たとえば、特許文献４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９９３４９７号公報
【特許文献２】
特許第２８３８０２１号公報
【特許文献３】
特許第３２６０５４２号公報
【特許文献４】
特許第３３２４６４３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、研磨パッド表面に気体を噴射する手法においては、被研磨物の表面は直接冷却されないため、冷却効果が弱い。また、スラリーの蒸発等の条件変化により、研磨に悪影響を及ぼす可能性がある。
定盤を冷却する場合には、研磨パッドを介して被研磨物を冷却することになり、冷却効果が弱い。
スラリーを冷却する手法においては、冷却によりスラリーの凝集や沈降が発生する可能性がある。また、スラリーが不可逆な反応を起こして変質し、研磨に悪影響を及ぼす可能性もある。
【０００７】
また、従来の、研磨パッドに溝を設ける手法においては、溝によって、研磨パッドへの半導体ウェハの吸着を抑制することや、硬質層を部分的に変形させて研磨の均一性を制御することは可能であっても、半導体ウェハを冷却することは考慮されていなかった。
さらに、従来は硬質層にのみ、その表面に溝が設けられていたため、研磨に用いて変質したスラリーが研磨パッドに溜り易く、研磨に悪影響を及ぼす可能性もあった。
【０００８】
このように、従来の冷却手法にはいずれも不都合な点が存在していた。
本発明の第１の目的は、研磨部材を効率的に冷却することができ、かつ、研磨に悪影響を及ぼさない研磨装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、効率的な冷却が可能であり、かつ、冷却に際して研磨に悪影響を及ぼさない研磨部材を提供することにある。
本発明の第３の目的は、研磨部材を効率的に冷却することができ、かつ、研磨に悪影響を及ぼさない研磨方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る研磨装置は、被研磨物を保持する保持手段と、当該被研磨物を研磨する研磨部材を備える研磨手段とを有し、前記被研磨物の被研磨面と前記研磨部材の研磨面とを接触させ、前記保持手段と前記研磨手段との相対運動により前記被研磨面を研磨する研磨装置であって、前記研磨部材を、前記研磨面を除いて冷媒を用いて直接的に冷却する冷却手段を有する研磨装置である。
【００１０】
本発明に係る研磨部材は、被研磨物を研磨面により研磨する研磨部材であって、前記研磨面を除く領域を、冷媒を用いて直接的に冷却する冷却部を有する研磨部材である。
【００１１】
また、本発明に係る研磨部材は、被研磨物を研磨面により研磨する研磨層と、前記研磨層を支持する支持層とを有し、前記支持層に、前記研磨層を冷却する冷媒を流す溝を設けた研磨部材、の構成を採用することも可能である。
さらにまた、前記溝は、前記支持層ではなく、前記研磨層のうちの、前記研磨面を除く領域に設けてもよい。
【００１２】
本発明に係る研磨方法は、被研磨物と、当該被研磨物を研磨する研磨部材とを接触させ、前記被研磨物の被研磨面と前記研磨部材の研磨面との相対運動により前記被研磨面を研磨する研磨方法であって、前記研磨部材を、冷媒を用いて冷却する冷却手段を用意し、前記研磨部材を、前記研磨面を除いて冷媒を用いて直接的に冷却して前記被研磨物の前記被研磨面を研磨する研磨方法である。
【００１３】
本発明においては、保持手段が被研磨物を保持し、研磨手段が備える研磨部材と対向するように被研磨物を位置させる。研磨において、保持手段と研磨手段は、被研磨物の被研磨面と研磨部材の研磨面とを所定の圧力で接触させて配置される。
被研磨面と研磨面とが接触した状態において、保持手段と研磨手段とが相対運動を行なうことにより、研磨面によって被研磨面が研磨される。
冷却手段は、研磨において、冷媒によって、研磨面を除いて研磨部材を直接的に冷却する。
これにより、研磨面および被研磨面を含めた被研磨物に悪影響を与えることなく、研磨部材および被研磨物が冷却される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら述べる。
まず、本発明に係る研磨装置の一実施形態について述べる。
以下では、本発明に係る研磨装置により金属配線が形成された半導体ウェハ（以下、単にウェハと称する）のCMPを行なう場合を例にとり説明するが、本発明はCMP以外の研磨にも適用可能である。
【００１５】
図１が、本発明に係る研磨装置の一実施形態の構成概念図である。
図１に示す研磨装置１は、研磨定盤２と、研磨定盤２に設けられた冷媒供給部７０と、冷媒供給部７０に接続されるポンプ８０と、研磨パッド３と、研磨パッド３に設けられた冷媒流路１５と、保持ヘッド５とを有している。
研磨定盤２が本発明における研磨手段の一実施態様に相当し、研磨パッド３が本発明における研磨部材の一実施態様に相当し、保持ヘッド５が本発明における保持手段の一実施態様に相当している。また、ポンプ８０および冷媒供給部７０が、本発明における供給手段の一実施態様に相当している。
【００１６】
保持ヘッド５は、例えば所定の厚みを有する円盤状をしており、バッキング材８とリテーナリング９とを有している。
バッキング材８は、図１に図解のように、保持ヘッド５の一端面に配置されている。バッキング材８は、たとえば吸着によりウェハSを保持する。
保持ヘッド５およびバッキング材８の外側に、環状のリテーナリング９が、その内径を保持ヘッド５の外径に嵌合させて装着、固定されている。リテーナリング９は、バッキング材８によって保持されるウェハSの、保持ヘッド５からの飛び出しを防ぐためのものである。
ウェハSが、本発明における被研磨物の一実施態様に相当する。
【００１７】
保持ヘッド５は、バッキング材８が装着されている端面とは反対側の端面に連結されている回転軸６を介して、モーター６０により回転軸６を中心として回転可能になっている。
回転軸６は、支持アーム７により支持されている。
【００１８】
研磨定盤２は、研磨パッド３を保持するための研磨パッド保持面を備えており、図１に示すように、研磨パッド保持面を保持ヘッド５に対向させて配置されている。研磨定盤２は、研磨パッド保持面とは反対側の面に連結されている回転軸４を介して、図示しないモーターにより回転軸４まわりに回転可能になっている。
【００１９】
研磨パッド保持面は、例えば、ウェハSの直径の２倍以上の直径を有する円形状をしている。
また、研磨定盤２は、後述する冷媒によって変質しない材料によって構成されることが好ましい。研磨定盤２の材料としては、たとえばステンレスやセラミックスを用いる。
【００２０】
ウェハSを研磨するための研磨パッド３は、例えば、弾性を有するポリウレタンにより形成されており、図１に示すように、研磨定盤２の研磨パッド保持面のほぼ全面に、例えば、両面接着テープ等の接着手段により貼着、固定される。
【００２１】
冷媒供給部７０およびポンプの機能については後述する。
以下では、上記構成の研磨装置１を用いて、金属配線が形成されたウェハSに対して研磨処理を行なう場合の動作について述べる。
例えば、層間絶縁膜に、配線用溝に加えてコンタクトホールも溝として開け、配線用溝とコンタクトホールを同時に金属で埋め込んで金属配線を形成するデュアルダマシン（dual damascene）法においてCMPを用いる段階においては、ウェハSは図２（ａ）の断面図に示すように構成される。
図２（ａ）においては、例えば、図示しない不純物拡散領域が適宜形成されているシリコン等の半導体基板１０上に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２０が形成されている。
この層間絶縁膜２０には、バリア膜２５の、将来、コンタクトおよび金属配線となる所定のパターンが溝状に形成されている。
バリア膜２５は、例えば配線を構成する材料が銅であり、層間絶縁膜が酸化シリコンで形成されている場合に、銅が酸化シリコンへの拡散係数が大きく、酸化されやすいため、これを防止するために設けられる。
【００２２】
バリア膜２５上には、バリア膜２５による溝を埋め込むように、例えばメッキ法、CVD（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法等の手法により形成された、例えば銅膜３０が形成されている。
【００２３】
上記構成のウェハSを研磨するにあたっては、ウェハSを、その被研磨面Saを研磨可能なように外側に向けて、バッキング材８にたとえば水吸着させる。これにより、ウェハSがバッキング材８に保持される。
ウェハSをバッキング材８により保持した保持ヘッド５は、回転軸６および支持アーム７を介して図１中の矢印Z方向に移動され、ウェハSの被研磨面Saを研磨パッド３の研磨面Sbに所定の圧力で接触させる。
図１においてウェハSはその被研磨面Saを図中下向きにして保持されているため、図２においては、矢印Zは図中上向きになる。
【００２４】
上記接触状態において、研磨剤供給管１３から研磨剤（スラリー）Lを、研磨パッド３の研磨面Sbおよび被研磨面Saとの界面に供給しながら、研磨定盤２および保持ヘッド５をそれぞれ、例えば図１中の矢印Ra，Rb方向に所定回転数で回転させる。
以上により、図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２０上の余分な銅膜３０およびバリア膜２５が化学的機械研磨され、銅配線３５およびコンタクト４０とが形成される。
【００２５】
以上のようなCMP等の研磨においては、研磨面Sbと被研磨面Saとの接触状態における相対運動により、研磨パッド３および被研磨物に熱が発生する。
研磨パッド３および被研磨物に熱が発生すると、研磨速度や研磨特性の変化につながる。これにより、ウェハSの研磨の場合には、ディッシングやエロージョン、リセスと呼ばれる研磨の不均一が発生する。特に、配線材料に銅やアルミニウム等の比較的軟質の材料を用いた場合には、図２（b）に示したような、配線３５表面の中央部付近が過剰に除去されて窪むディッシングが発生し易い。ディッシングが発生すると、配線３５の断面積が不足するため、配線抵抗値不足等の不良の原因となる。
【００２６】
本実施形態においては、研磨中の研磨パッド３およびウェハSの発熱を抑制し、ウェハSの被研磨面Saの不均一な研磨を防止して高品質なウェハSを得るために、研磨パッド３およびウェハSを冷却する冷却手段を有している。
以下で、冷却手段について詳細に述べる。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態においては、研磨パッド３に、冷媒が供給される溝１５を設けている。溝１５には、溝１５内に冷媒が単に入っているように冷媒を供給することもできるし、冷媒を強制的に供給して溝１５を流れるようにすることもできる。
溝１５に冷媒を単に供給するだけの場合には、溝１５自体が本発明における冷却手段の一実施態様に相当し、溝１５に冷媒を強制的に供給して流す場合には、溝１５は本発明における冷媒流路の一実施態様に相当する。
【００２８】
冷媒が研磨面Sbに現われてスラリーLの濃度や組成等の条件が変化して研磨に悪影響を及ぼさないように、溝１５は、研磨面Sbを除く領域に設ける。一例として、溝１５は、研磨パッド３における研磨面Sbとは反対側の面に設ける。
溝１５は、研磨パッド３の製造時に同時に形成してもよいし、研磨パッド３を円盤状に形成した後にたとえば切削により形成してもよい。
溝１５の形状や分布状態については後述する。
【００２９】
上記のように、研磨パッド３の研磨面Sbとは反対側の研磨定盤２側の面に溝１５を設けた場合には、溝１５の部分において研磨パッド３が薄くなる。このため、溝１５内に自然に入り込む空気によって裏側から研磨面Sbが冷却される。
この場合には、溝１５内に入り込む、研磨パッド３に発生する熱の温度よりも低い温度の空気が、本発明における冷媒に相当することになる。
【００３０】
溝１５内に空気を強制的に供給すると、冷却効果がさらに向上する。
溝１５に供給する冷媒としては、空気だけでなく、一例として、窒素ガス、水、アルコール等の流体を用いることもできる。好適には、冷媒と研磨定盤２とが接触する場合に、研磨定盤２を変質させない冷媒を用いる。
【００３１】
溝１５に冷媒を強制的に供給する場合には、たとえば、図１に示すように、研磨定盤２および研磨パッド３を研磨定盤２に貼着する図示しない貼着層を通過する冷媒供給部７０を設ける。冷媒供給部７０としては、たとえば、中空の配管を用いる。冷媒供給部７０は、その一端が溝１５に連通するようにしておく。冷媒供給部７０と溝１５とは、回転軸４の回転中心軸上において連通させることが、溝１５への冷媒の供給の利便性の点から好ましい。
冷媒供給部７０の他端は、たとえばロータリージョイントによって、ポンプ８０に連結している配管に接続する。
以上の構成により、ポンプ８０によって冷媒供給部７０を介して溝１５に供給することができる。溝１５に供給して冷却に用いた冷媒は、溝１５の一部を研磨パッド３の外部に開放しておき、開放した部分から研磨パッド３の外部に排出されるようにしておけばよい。
冷媒を強制的に供給する場合には、溝１５、冷媒供給部７０、およびポンプ８０を含めた冷媒供給機構が本発明における冷却手段の一実施態様に相当する。
【００３２】
溝１５に供給した冷媒を回収して再利用することもできる。このような場合には、図１に示すように、たとえば研磨定盤２に通路状の冷媒回収部７５を設けておく。冷媒回収部７５の一端は、溝１５のうちの冷媒供給部７０との連通部とは異なる部分に連通させる。冷媒回収部７５の他端は、たとえば回転軸４およびロータリージョイントを介して冷媒冷却機５０に連結している配管に接続する。
冷媒冷却機５０はさらに、ポンプ８０に接続しておく。
この場合、冷媒回収部７５および冷媒冷却機５０が、本発明における回収手段の一実施態様に相当する。
【００３３】
以上のような構成により、ポンプ８０の吸引または吐出により、冷媒供給部７０を介して溝１５に冷媒が供給される。
冷却効果の高い冷媒が溝１５を流れることによって、研磨パッド３が直接的に冷却され、研磨面Sbにおける研磨に悪影響を及ぼすことなく、研磨面Sbが冷却される。
溝１５には冷媒が強制的に供給されることから、冷却に用いられた冷媒は新たな冷媒によって排出され、冷媒回収部７５を通って回収されて冷媒冷却機５０に送られる。
冷媒冷却機５０においては、冷却に用いられて温度が上昇した冷媒を、冷却に適した温度に再び冷却する。
冷媒冷却機５０によって冷却された冷媒は、再びポンプ８０によって冷媒供給部７０へと送られる。
【００３４】
上記の構成により、冷媒を循環利用することができる。冷媒を循環利用するための構成は上述の構成に限らないが、図１に示すように、研磨パッド３および研磨定盤２の外部に冷媒が現われないようにしておけば、冷媒がスラリーLや外気と混じることがなく、回収が容易になり、再利用の効率も上昇する。
【００３５】
研磨パッド３による冷却効果は、溝１５の形状や分布等の条件によって大きく変動する。したがって、以下において本発明に係る研磨部材の実施形態をさらに詳細に述べる。
【００３６】
研磨部材の第１実施形態
図３（a）〜（c）が、本発明に係る研磨部材の第１実施形態を示す図である。なお、図５を除く以下の図３〜９において、（a）が研磨部材の研磨面Sb側からみた平面図を示しており、（b）が（a）に示す平面図の部分拡大図を示しており、（c）が（b）に示す部分の側面図を示している。
以下においても、研磨部材の一実施態様として、たとえば図１に図解の研磨装置１に用いられる研磨パッドを例に挙げて述べる。
【００３７】
図３に示す研磨パッド１００は、図３（b），（c）に図解のように、一例として幅w、深さhの断面矩形状の複数の溝１００aを有している。溝１００aが、図１における溝１５に相当する。
溝１００aは、研磨パッド１００の研磨面Sbとは反対側の研磨定盤２の研磨パッド保持面への貼着面Scにおいて、研磨面Sbおよび貼着面Scに平行なある一方向に、ピッチdで互いにほぼ平行に形成されている。
溝１００aは、前述の溝１５と同様に、冷媒を流す。
溝１００aの深さhが深いほど冷却効果は大きくなるが、冷却による熱分布の不均一や研磨面Sbの変形等の不都合が生じる可能性がある。本実施形態においては、深さhは研磨面Sbまでは達しないものとする。
【００３８】
本第１実施形態のように溝１００aを設けて研磨パッド１００を冷媒によって直接的に冷却することによって、研磨パッド１００の断熱性が高く研磨定盤２の冷却によって研磨面Sbを効率的に冷却することが困難な場合にも、研磨面Sbを効率的に冷却することができる。
また、その際に冷媒が研磨面Sbに現われないため、研磨に悪影響を及ぼすことがない。
その結果、研磨精度の向上にも寄与し、ウェハSの品質を向上させることもできる。
溝１００aに冷媒を強制的に供給せず、溝１００aに自然に入り込む空気を冷媒とした場合には、特別な冷却機構を用いることなく研磨パッド１００およびウェハSを冷却することができる。したがって、研磨装置１のコスト、および研磨におけるランニングコストの上昇を抑制することができる。また、研磨装置１の大型化を防止することも可能である。
【００３９】
研磨部材の第２実施形態
図４（a）〜（c）が、本発明に係る研磨部材の第２実施形態を示す図である。
図４に示す研磨パッド１１０は、第１実施形態の場合よりも冷却効果を高めるための研磨パッドである。
研磨パッド１１０は、溝１００のかわりに、格子状の溝１１０aを設けた点が、第１実施形態の研磨パッド１００とは異なっている。それ以外の、溝１１０aの断面形状や機能等の点は第１実施形態の場合と同じであるため、詳細な記述は省略する。
【００４０】
格子状の溝１１０aのピッチは、一例として図４においては互いに直交する両方向において同じピッチdとしたが、溝１１０aのピッチは、各方向において異なる大きさであってもよい。
このように格子状の溝１１０aを設けた場合には、溝のピッチdが同じであれば、研磨パッドに対する冷媒の接触面積が第１実施形態よりも大きくなり、第１実施形態よりも冷却能力が向上する。
また、研磨パッド１１０に対して冷媒が均等に供給され易くなるために、研磨面Sbにおける熱分布が均一化し、研磨精度の向上も期待できる。
【００４１】
研磨部材の第３実施形態
図５（a）〜（d）が、本発明に係る研磨部材の第３実施形態を示す図である。図５（a）が、研磨部材の第３実施形態に係る研磨パッド１２０の研磨面Sb側から見た平面図を示しており、図５（b）が、図５（a）における断面I−Iから見た断面図を示している。また、図５（c）が図５（a）の部分拡大図を示しており、図５（d）が、図５（c）に示す部分の側面図を示している。
【００４２】
図５に示すように、研磨パッド１２０は、溝１５として、研磨パッド１２０における中心部の供給孔１２１に連通しており、研磨パッド１２０の外周部に向かう螺旋状の溝１２０aを有している点が、これまでの実施形態の場合と異なっている。
溝１２０aの断面形状や機能等の他の点はこれまでの実施形態と同じであるため、詳細な記述は省略する。
図５（b）に示すように、螺旋状の溝１２０aのピッチdは、一例として、研磨面Sbの半径方向において一定であるとしたが、場所に応じてピッチを変化させてもよい。
【００４３】
供給孔１２１は、研磨面Sbから見た場合にたとえば円形状をなし、研磨パッド１２０の貼着面Scから、研磨面Sbへ達しない深さまで形成される。供給孔１２１は図１に示す冷媒供給部７０に連結され、冷媒供給部７０からの冷媒は供給孔１２１を介して溝１２０aに供給される。
以上のことから、冷媒は供給孔１２１から溝１２０aに沿って研磨パッド１２０を螺旋状に通って研磨パッド１２０の外周部まで到達するため、研磨パッド１２０における冷媒の滞留時間が長くなる。したがって冷媒を有効利用することになり、第１、第２実施形態の場合と比較して冷媒のコストを削減することができる。
また、本第３実施形態においても、第１、第２実施形態の場合と同様に、従来よりも効率的に研磨パッド１２０およびウェハSを冷却することができる。
【００４４】
研磨部材の第４実施形態
図６（a）〜（c）が、本発明に係る研磨部材の第４実施形態を示す図である。
図６に示す研磨パッド１３０も、第１、第２実施形態の場合よりも冷却効果を高めるための研磨パッドである。
研磨パッド１３０は、溝１２０aのかわりに、供給孔１２１から放射状に伸びる複数の溝１３０aを設けた点が、第３実施形態の研磨パッド１２０とは異なっている。それ以外の、溝１３０aの断面形状や機能等の点は第３実施形態の場合と同じであるため、詳細な記述は省略する。
【００４５】
複数の溝１３０aは、第３実施形態の場合と同じ供給孔１２１に連通しており、この供給孔１２１から、一例として均等に放射状に伸びている。したがって、冷媒は研磨パッド１３０の半径に相当する距離を流れた時点で研磨パッド１３０の外周部に到達する。これにより、特に溝１３０aに強制的に冷媒を供給する場合には、研磨パッド１３０における冷媒の滞留時間を短くすることができる。
冷媒の滞留時間が短くなることから、研磨時に、冷媒の温度上昇が起こる前に温度の低い新たな冷媒を溝１３０aに供給させ易くなり、第１、第２実施形態の場合よりも冷却効率が上昇する。
【００４６】
研磨部材の第５実施形態
図７（a）〜（c）が、本発明に係る研磨部材の第５実施形態を示す図である。
図７に示す研磨パッド１４０は、積層構造の研磨パッドの一例を示したものである。
研磨パッド１４０は、一例として、研磨に用いる研磨層１４１と、研磨層１４１の研磨面Sbとは反対側の面にたとえば貼着される支持層１４２との２つの層を有している。
【００４７】
研磨層１４１は、これまでの単層の研磨パッドと同様に、たとえばポリウレタンによって形成される。
支持層１４２には、ある程度の弾性を有し研磨層１４１に用いられる材料よりも軟質の材料を用いる。支持層１４２は、研磨の際には、研磨層１４１と研磨定盤２の研磨パッド保持面との間に配置され、研磨層１４１を支持する。
比較的軟質の支持層１４２で研磨層１４１を支持することによって、被研磨面Saと研磨面Sbとを所定の圧力で接触させた場合に、支持層１４２が適宜変形して、被研磨面Saと研磨面Sbとを均一に接触させることができるようになる。
【００４８】
本実施形態においては、支持層１４２に、第４実施形態と同様に供給孔１２１から放射状に伸びる溝１４０aが設けられている。
本実施形態においては、溝１４０aの深さhは、最大でも支持層１４２の厚さと同じであるとする。
その他の、溝１４０aの断面形状や機能等の点は第４実施形態の場合と同じであるため、詳細な記述は省略する。
【００４９】
本実施形態においては、弾性を持たせるために支持層１４２の密度が小さく研磨層１４１よりもさらに支持層１４２の断熱性が高い場合であっても、支持層１４２に溝１４０aを設けることによって、研磨層１４１を介して研磨面Sbを冷却することができる。
また、支持層１４２にのみ溝１４０aを形成するのであれば、溝１４０aの成形加工が容易であり、溝１４０aの形成後に支持層１４２を研磨層１４１に貼り合わせることにより、溝１４０a付の研磨パッドを容易に製造することができ、コスト上昇も抑制可能である。
【００５０】
研磨部材の第６実施形態
図８（a）〜（c）が、本発明に係る研磨部材の第６実施形態を示す図である。
図８に示す研磨パッド１５０は、第５実施形態に係る研磨パッド１４０よりも冷却効果の向上を図ったものであり、研磨パッド１５０に設けた溝１５０aの深さhが、研磨層１４１にまで達している点が、研磨パッド１４０とは異なっている。ただし、これまでの実施形態と同じく、溝１５０aは研磨面Sbまでは達しない深さにする。
それ以外は第５実施形態の場合と同じであるため、詳細な記述は省略する。
【００５１】
本第６実施形態によれば、これまでの実施形態の効果に加えて、第５実施形態の場合よりさらに研磨面Sbに近い位置まで冷媒を供給することができるため、第５実施形態よりも冷却効率を向上させることができる。
【００５２】
研磨部材の第７実施形態
冷媒を流す溝は、必ずしも研磨パッドの貼着面Scに設ける必要はない。
図９（a）〜（c）に、貼着面Sc以外の領域に溝を設けた、研磨部材の第７実施形態を示す。
図９に示す研磨パッド１６０は、冷媒を流すための溝１６０aを、研磨面Sbおよび貼着面Scを除く部分に設けている点が、第６実施形態の場合と異なっている。それ以外の点は第６実施形態の場合と同じであるため、詳細な記述は省略する。
【００５３】
溝１６０aは、一例として、研磨パッド１６０の研磨層１４１において、研磨層１４１と支持層１４２との境界面に設けられる。
しかしながら、溝１６０aは支持層１４２の側に設けてもよいし、研磨層１４１と支持層１４２とにまたがって形成してもよい。
ただし、本第７実施形態においても、これまでと同様に、溝１６０aは研磨面Sbには達しないものとする。
【００５４】
本実施形態によれば、溝１６０aの設計の自由度が向上する。また、研磨層１４１または支持層１４２のいずれか一方に溝１６０aを形成する場合には、研磨層１４１と支持層１４２との位置合わせに高い精度を必要とせず、研磨パッド１６０の製造が容易になる。
【００５５】
研磨部材の第８実施形態
これまでの実施形態においては、研磨面Sbは平坦なままであったが、各種機能を果たすための溝や孔を研磨面Sbに設けてもよい。
図１０（a）に、第８実施形態に係る研磨パッド１７０を、研磨面Sb側から見た平面図を示し、図１０（b）に、図１０（a）の部分拡大図を示す。
また、図１１（a）が図１０（b）に示す部分の側面図であり、図１１（b）が、研磨パッド１７０を２層にした、第８実施形態の変形形態を示す側面図である。
【００５６】
図１０（b）および図１１（a）に示すように、研磨パッド１７０には、その貼着面Scに第２実施形態と同様の格子状の溝１７０aが設けられているとともに、研磨面Sbにも、一例として格子状の溝１７０bが設けられている。
貼着面Scに設けられる溝１７０aは、これまでの実施形態と同様に、冷媒によって研磨パッド１７０を直接的に冷却するための溝である。格子状の溝１７０aは、一例として、第２実施形態と同じく互いに直交する両方向において同じピッチdで設けるものとする。
【００５７】
一方、研磨面Sbに設けられる溝１７０bは、溝１７０aと同じ格子状の溝であるが、ウェハSの研磨面Sbへの吸着防止やスラリーLの保持等の、研磨パッド１７０の冷却とは異なる目的のための溝である。
したがって、溝１７０bの互いに直交する両方向のピッチduは、溝１７０aのピッチdと同じであってもよいが、ピッチdとは異なっていることが、互いに異なる機能を果たすという点から好ましい。
溝１７０bの幅wuおよび深さhuも、機能の違いから、溝１７０aの幅wと深さhとは異なっていることが好ましい。
【００５８】
本実施形態においては、溝１７０aと溝１７０bとを、研磨パッド１７０の剛性や冷却効率を考慮して、互いに連通しないように、図１０（b）に示すように互いにピッチをずらして形成している。しかし、溝１７０aの深さhと溝１７０bの深さhuとが、互いに連通しない大きさであれば、溝１７０aと溝１７０bとを研磨面Sbから見て重ねて形成してもよい。
これら以外の点はこれまでの実施形態の場合と同じであるため、詳細な記述は省略する。
【００５９】
本実施形態によれば、研磨パッドの冷却に加えて、ウェハSの吸着防止やスラリーLの保持など、他の機能を研磨パッドに持たせることが可能になる。
【００６０】
なお、研磨パッド１７０を複層構造にすることもできる。図１１（b）には一例として、第５〜第７実施形態のように、研磨パッド１７０を、研磨層１７１と支持層１７２とを有する２層構造にした場合が示されている。
溝１７０a，１７０bの構成や機能は、単層構造の研磨パッド１７０の場合と同じである。
冷却用の溝１７０aを設けることにより、研磨パッドを複層構造にした場合にも、研磨パッド１７０を直接的に冷却することが可能になる。
【００６１】
研磨部材の第９実施形態
スラリーLの保持のためには、第８実施形態に示したような格子状の溝１７０bではなく、スラリーLが入り込み、流動しないような孔を設けることが好ましい。図１２には、このような孔１８０bを有する研磨パッド１８０が示されている。
第８実施形態と同様に、図１２（a）が、研磨面Sb側から見た研磨パッド１８０の平面図を示しており、図１２（b）が、図１２（a）の部分拡大図を示している。また、図１３（a）が図１２（b）に示す部分の側面図であり、図１３（b）が、研磨パッド１８０を２層にした、第９実施形態の変形形態を示す側面図である。
【００６２】
図１２（b）および図１３（a）に示すように、研磨パッド１８０の研磨面Sbには、一例として断面円形の孔１８０bが、研磨面Sbに直交するように複数個、所定のピッチで設けられている。
また、研磨パッド１８０の貼着面Scには、一例として、第８実施形態の場合と同じ格子状の溝１７０aが設けられている。
図１２（b）および図１３（a）に示すように、溝１７０aと孔１８０bとは、互いに連通しないように配置される。
【００６３】
研磨においては、研磨面Sbに供給されたスラリーLが孔１８０bに入り込む。孔１８０bはある程度の深さがあり、互いに独立しているため、孔１８０bに入り込んだスラリーLはその場に留まり易くなり、研磨面Sbの他の領域へ流動しにくくなる。
このため研磨面Sbの濡れ性が向上し、研磨における被研磨面Saと研磨面Sbとの界面におけるスラリーLの供給が確保される。
【００６４】
研磨パッド１８０は、第８実施形態の場合と同様に、複層構造にすることも可能である。図１３（b）には一例として、図１１（b）に示す研磨パッド１７０と同じ研磨層１７１と支持層１７２を有する２層構造の研磨パッド１８０が示されている。
溝１７０a，および孔１８０bの構成や機能は、単層構造の研磨パッド１８０の場合と同じである。
冷却用の溝１７０aを設けることにより、研磨パッドを複層構造にした場合にも、研磨パッド１８０を直接的に冷却することが可能になる。
【００６５】
なお、孔１８０bの深さを、図１３（a）に示す単層構造の場合には、研磨パッド１８０を貫通する大きさとし、図１３（b）に示す２層構造にした場合には、研磨層１７１の厚さと同じ大きさとした。しかしながら、孔１８０bならびに溝１７０aの形状や配置は、溝１７０a内の冷媒が研磨面Sbに現われない限りは、適宜変更することができる。
【００６６】
以上、冷媒を用いて直接的に冷却可能な研磨パッドを示したが、冷媒による冷却効果は、研磨パッドに設ける溝の形状や配置によって変化する。
以下では、最適な溝形状およびその配置を求めるための実験について述べる。
【００６７】
前述の研磨パッド１００，１１０，１３０，１４０，１５０を作成し、図１に示す研磨装置１を用いて研磨を行ない、各研磨パッドの温度測定を行った。
測定には放射温度計を用い、ＳｉウェハSを６０sec研磨した時の最高上昇温度を調べた。
なお、ＳｉウェハSは、図２に示すＣｕ膜３０の膜厚Fが１．５μmであり、Ｔａバリア膜２５の膜厚が２０nmであり、ＳｉＯ２の層間絶縁膜２０を有する構造であるとした。
また、研磨条件は、
加工圧：３００HPa
スラリーL：ＳｉＯ２系スラリー（ＪＳＲ製ＣＭＳ７３０１）
回転数：ウェハSに対する研磨パッドの周速を６０ｍ／ｍｉｎに規定
とした。
【００６８】
研磨パッドとしては、単層の研磨パッド１００，１１０および１３０には、ローデルニッタ製のＩＣ１０００（ポリウレタン製。厚さT0＝１．２mm）を用いた。
また、２層の研磨パッド１４０，１５０においては、研磨層１４１としてローデルニッタ製のＩＣ１０００（ポリウレタン製。厚さT1＝１．２mm）を、支持層１４２としてローデルニッタ製のＳＵＢＡ４００（ポリウレタン製。厚さT2＝１．２mm）を用いた。
また、各研磨パッドにおいて、溝幅wは２mmとした。溝深さhについては、単層の研磨パッド１００，１１０，１３０においては０．４mmに固定し、２層の研磨パッド１４０，１５０においてはそれぞれ０．４mm，１．２mm，１．６mmの３種類に変化させた。放射状の溝については、図に示すように、供給孔１２１周りに研磨パッドを１２等分するように形成した。
研磨パッド１００，１１０においては、ピッチdを１５mmとした。
【００６９】
さらに、比較例として、研磨面Sbにも貼着面Scにも溝の形成されていない研磨パッドを、単層のものと２層のものを、以下のように１種類ずつ用意し、同様の実験を行なった。
比較例１：ローデルニッタ製ＩＣ１０００（ポリウレタン製単層）
比較例２：ローデルニッタ製ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００（ポリウレタン製２層）
【００７０】
放射状の溝を有する研磨パッド１３０（単層、溝深さh＝０．４mm）および研磨パッド１５０（２層、溝深さh＝１．６mm）に対しては、溝１３０a，１５０aに強制的に空気または水を流し、その流量と温度を変えて、同様の実験を行った。
また、研磨パッド１００，１１０については、研磨パッドの溝幅ｗ（mm）、溝深さh（mm）、溝ピッチd（mm）を変えて、図２に示す配線形成用パターンウェハ（Ｃｕ膜３０の膜厚F＝５００nm、Ｔａ膜２５の膜厚２０nm、ＳｉＯ２の層間絶縁層パターン２０）を、配線３５以外のＳｉＯ２上部のＣｕが完全に無くなるまで研磨し、１００μmパッド部のディッシングDを段差計にて調べた。
以上の条件における、冷媒を強制的に供給しない場合の実験結果を以下の表１に、空気または水を強制的に供給した場合の実験結果を表２および表３に、溝形状と配置を変化させた場合の実験結果を表４にそれぞれ示す。
【００７１】
【表１】
実験結果１
2004202666.tif 000003
【００７２】
【表２】
実験結果２
2004202666.tif 000004
【００７３】
【表３】
実験結果３
2004202666.tif 000005
【００７４】
【表４】
実験結果４
2004202666.tif 000006
【００７５】
表４における(※1)は実験番号３と同じ条件であり、(※2)は実験番号４と同じ条件である。従って結果も同じになる。
特に実験結果１から、これまで述べてきた実施形態のように研磨パッドに冷却用の溝を設けると、冷媒を強制的に供給しない場合であっても、従来よりも冷却効果が向上することが分かる。
研磨パッドを積層構造にした場合にも、研磨面Sbにまで達しない程度の深さhの溝を設けることにより、研磨面Sbの温度を下げることができる。
【００７６】
また、特に実験結果２から、冷媒として空気等の気体を用いた場合には、気体の温度が０℃以上２０℃以下であり、気体の流量が１０００cm3/min以上であることが望ましいことが分かった。
気体の温度が０°以下になると結露が生じる可能性が高い。また、実験結果から、気体の温度が２０°以上の場合であってもある程度の冷却効果は認められるが、気体の温度が、研磨装置１を設置している場所の室温以上になると、冷却効果は低くなると考えられる。以上のことと、実験結果２から、気体の温度が０℃以上２０℃以下の場合に、特に顕著な効果が得られることが言える。
また、実験結果２から、気体の流量については、１０００cm3/min以上の場合に、特に顕著な効果が得られるといえる。
【００７７】
実験結果３からは、冷媒として水等の液体を用いた場合には、液体の温度が０℃以上２０℃以下であり、液体の流量が３００cm3/min以上であることが望ましいことが分かる。
気体の場合と同様に、液体の温度が、０℃以下になると結露が生じる可能性が高く、室温よりも高くなると効果が低くなると考えられる。実験結果３からは、２０℃以上の場合にも冷却効果は認められるものの、０℃以上２０℃以下の場合に、特に顕著な効果が得られることが言える。
また、液体は気体に較べて熱容量が大きいため、少ない量でより多くの熱を吸吸することができる。実験結果３から、液体の流量が３００cm3/min以上であれば、特に顕著な効果が得られることが分かる。
【００７８】
溝幅wが大きくなると、溝部分における変形により、ウェハSの平坦化精度が低下する。
同様に、ピッチdが小さくなってもウェハSの平坦化精度は低下する。
特に実験結果４から、ウェハSのディッシング量に着目すれば、研磨パッドの冷却用の溝としては、溝幅wが０mm＜w＜５mmであり、ピッチdが、研磨パッドに複数の溝が形成される範囲で、１０mmよりも大きいことが好ましいことが分かる。これらの条件のであれば、ウェハSにおいて溝以外の広い断面積を確保することができるため、ウェハSの平坦化精度を落とさず、かつ、十分な冷却効果を得ることができる。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態について述べてきたが、本発明は上記の実施の形態に限定されない。上記実施形態における形状、材質や各種数値等の記載は、本発明を説明するための一例であり、特許請求の範囲内で適宜変更可能である。
たとえば、溝１５の断面形状は矩形に限らず、円形でも半円径でもよい。また、溝１５のかわりに、好ましくは熱伝導性の良い材料で形成した管を埋め込んでもよい。溝１５は、研磨パッド３の側面に設けることや、研磨定盤２に設けることも可能である。
また、本発明は、研磨パッド３が３層以上の場合にも適用可能である。研磨パッドとしても、ポリウレタン製の研磨パッドに限らず、不織布、スエード状研磨パッド、その他樹脂材料製の研磨パッドなど、全ての材質の研磨パッドにおいて同様の効果を得ることができる。固定砥粒が含有されている研磨パッドについても、本発明を適用することができる。
さらに、本発明は、半導体ウェハの研磨だけでなく、研磨パッドを用いるガラスや樹脂等の対象物の研磨一般に広く適用可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、研磨部材を効率的に冷却することができ、かつ、研磨に悪影響を及ぼさない研磨装置を提供することができる。
また、本発明によれば、効率的な冷却が可能であり、かつ、冷却に際して研磨に悪影響を及ぼさない研磨部材を提供することもできる。
さらに、本発明によれば、研磨部材を効率的に冷却することができ、かつ、研磨に悪影響を及ぼさない研磨方法を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る研磨装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】図２は、半導体ウェハの化学的機械研磨の一例を説明するための断面図であり、図２（ａ）は研磨前の状態を、図２（ｂ）は研磨後の状態をそれぞれ示している。
【図３】図３は、本発明に係る研磨部材の第１実施形態を示す図である。
【図４】図４は、本発明に係る研磨部材の第２実施形態を示す図である。
【図５】図５は、本発明に係る研磨部材の第３実施形態を示す図である。
【図６】図６は、本発明に係る研磨部材の第４実施形態を示す図である。
【図７】図７は、本発明に係る研磨部材の第５実施形態を示す図である。
【図８】図８は、本発明に係る研磨部材の第６実施形態を示す図である。
【図９】図９は、本発明に係る研磨部材の第７実施形態を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る研磨部材の第８実施形態を示す平面図およびその部分拡大図である。
【図１１】図１１は、図１０に図解した研磨部材の拡大部分の側面図であり、図１１（a）が１つの実施形態を、図１１（b）が変形形態を示している。
【図１２】図１２は、本発明に係る研磨部材の第９実施形態を示す平面図およびその部分拡大図である。
【図１３】図１３は、図１２に図解した研磨部材の拡大部分の測面図であり、図１３（a）が１つの実施形態を、図１３（b）が変形形態を示している。
【符号の説明】
１…研磨装置、２…研磨定盤、３，１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，１８０…研磨部材（研磨パッド）、５…保持手段（保持ヘッド）、１５，１００a，１１０a，１２０a，１３０a，１４０a，１５０a，１６０a，１７０a…冷媒流路、５０…冷媒冷却機、７０…冷媒供給部、７５…冷媒回収部、８０…ポンプ、S…被研磨物（半導体ウェハ）
【図１】
2004202666.tif 000007
【図２】
2004202666.tif 000008
【図３】
2004202666.tif 000009
【図４】
2004202666.tif 000010
【図５】
2004202666.tif 000011
【図６】
2004202666.tif 000012
【図７】
2004202666.tif 000013
【図８】
2004202666.tif 000014
【図９】
2004202666.tif 000015
【図１０】
2004202666.tif 000016
【図１１】
2004202666.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
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