(57)【要約】  【課題】  同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるようにする。  【解決手段】  ＣＭＰ装置は、ウェハ１００を保持するためのヘッド１０３と、ヘッド１０３が取り付けられ且つウェハ１００に圧力を印加するためのシリンダー１０４と、シリンダー１０４に接続されたエアーライン１０５とを備えている。エアーライン１０５は、シリンダー１０４内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーライン１０５ａと、シリンダー１０４内に第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーライン１０５ｂとを有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一装置内において同一ウェハに対して、第１の研磨圧力を用いた高圧研磨ステップと、前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を用いた低圧研磨ステップとを連続して行うことを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＭＰ装置において、
前記第１の研磨圧力は３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上であり、
前記第２の研磨圧力は３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満であることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＣＭＰ装置において、
前記第１の研磨圧力は±０．１ｐｓｉ（０．１×６．８９５ｋＰａ）と同等か又はそれを上回る圧力誤差を有し、
前記第２の研磨圧力は±０．０５ｐｓｉ（０．０５×６．８９５ｋＰａ）と同等か又はそれを下回る圧力誤差を有することを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項４】
ウェハを保持するためのヘッドと、
前記ヘッドが取り付けられ且つ前記ウェハに圧力を印加するためのシリンダーと、
前記シリンダーに接続されたエアーラインとを備え、
前記エアーラインは、前記シリンダー内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーラインと、前記シリンダー内に前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーラインとを有することを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のＣＭＰ装置において、
前記ヘッドは、前記ウェハが開口面に配置される凹部を有すると共に前記シリンダーの内部と前記凹部とを接続する孔を有しており、
前記凹部内には弾性体が配置されており、
前記シリンダー内の圧力は前記弾性体を介して前記ウェハに印加されることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項６】
請求項４に記載のＣＭＰ装置において、
前記シリンダー内には移動可能なピストンが配置されており、
前記シリンダー内における前記ピストンにより区画された上室及び下室にそれぞれ前記エアーライン及び他のエアーラインが接続されており、
前記シリンダー内の圧力は前記ピストン及び前記ヘッドを介して前記ウェハに印加されることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載のＣＭＰ装置において、
前記エアーラインは、その上流において前記高圧エアーラインと前記低圧エアーラインとに分岐することを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のＣＭＰ装置において、
前記高圧エアーラインに高圧用電空レギュレータ及び第１の電磁弁が接続されており、
前記低圧エアーラインに低圧用電空レギュレータ及び第２の電磁弁が接続されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項９】
ウェハを保持するための第１のヘッドと、
前記ウェハを保持するための第２のヘッドと、
前記第１のヘッドが取り付けられ且つ前記ウェハに圧力を印加するための第１のシリンダーと、
前記第２のヘッドが取り付けられ且つ前記ウェハに圧力を印加するための第２のシリンダーと、
前記第１のシリンダーに接続され、前記第１のシリンダー内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーラインと、
前記第２のシリンダーに接続され、前記第２のシリンダー内に前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーラインとを備えていることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のＣＭＰ装置において、
前記第１のヘッドは、前記ウェハが開口面に配置される第１の凹部を有すると共に前記第１のシリンダーの内部と前記第１の凹部とを接続する第１の孔を有しており、
前記第１の凹部内には第１の弾性体が配置されており、
前記第１のシリンダー内の圧力は前記第１の弾性体を介して前記ウェハに印加され、
前記第２のヘッドは、前記ウェハが開口面に配置される第２の凹部を有すると共に前記第２のシリンダーの内部と前記第２の凹部とを接続する第２の孔を有しており、
前記第２の凹部内には第２の弾性体が配置されており、
前記第２のシリンダー内の圧力は前記第２の弾性体を介して前記ウェハに印加されることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１１】
請求項９に記載のＣＭＰ装置において、
前記第１のシリンダー内には移動可能な第１のピストンが配置されており、
前記第１のシリンダー内における前記第１のピストンにより区画された第１の上室及び第１の下室にそれぞれ前記高圧エアーライン及び第１の下室用エアーラインが接続されており、
前記第１のシリンダー内の圧力は前記第１のピストン及び前記第１のヘッドを介して前記ウェハに印加され、
前記第２のシリンダー内には移動可能な第２のピストンが配置されており、
前記第２のシリンダー内における前記第２のピストンにより区画された第２の上室及び第２の下室にそれぞれ前記低圧エアーライン及び第２の下室用エアーラインが接続されており、
前記第２のシリンダー内の圧力は前記第２のピストン及び前記第２のヘッドを介して前記ウェハに印加されることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１項に記載のＣＭＰ装置において、
前記第１のヘッドと前記第２のヘッドとは前記第１のシリンダーと前記第２のシリンダーとに対して着脱可能な同一のヘッドであることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載のＣＭＰ装置において、
前記高圧エアーラインに高圧用電空レギュレータが接続されており、
前記低圧エアーラインに低圧用電空レギュレータが接続されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載のＣＭＰ装置において、
前記高圧エアーラインに高圧用電空レギュレータが接続されており、
前記低圧エアーライン、前記第１の下室用エアーライン及び前記第２の下室用エアーラインのそれぞれに低圧用電空レギュレータが接続されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載のＣＭＰ装置において、
前記高圧エアーライン及び前記第１の下室用エアーラインのそれぞれに高圧用電空レギュレータが接続されており、
前記低圧エアーライン及び前記第２の下室用エアーラインのそれぞれに低圧用電空レギュレータが接続されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項１６】
同一装置内において、ウェハ上の下地層上に形成された被研磨層に対して、多段階で研磨を行う研磨方法であって、
前記被研磨層に対して、３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の第１の研磨圧力を用いた高圧研磨を行う第１の工程と、
前記第１の工程に引き続いて、前記被研磨層に対して、３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の第２の研磨圧力を用いた低圧研磨を行う第２の工程とを備え、
前記第１の研磨圧力は±０．１ｐｓｉ（０．１×６．８９５ｋＰａ）と同等か又はそれを上回る圧力誤差を有し、
前記第２の研磨圧力は±０．０５ｐｓｉ（０．０５×６．８９５ｋＰａ）と同等か又はそれを下回る圧力誤差を有することを特徴とする研磨方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の研磨方法において、
前記下地層の一部分が前記ウェハ面内で露出し始めた際に、前記第１の工程を終了して前記第２の工程を開始することを特徴とする研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路の製造工程等において用いられるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）装置及びそれを使った研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来のＣＭＰ装置における研磨圧力の印加方法を示している。
【０００３】
図７に示すように、エアーライン７００を通ってきた高圧エアーは電空レギュレータ７０１によって所望の圧力に制御された後、当該エアーは、シリンダー７０２と、シリンダー７０２に連結されたヘッド７０３の内部に印加される。ヘッド７０３の内部には、メンブレンと呼ばれる弾性体７０４が、ウェハ７０５の裏面に接するように取り付けられており、ヘッド７０３に設けられた穴を介してシリンダー７０２から送られてきたエアーによってメンブレン７０４を膨張させ、それによってウェハ７０５を、定盤７０６上に貼付された研磨パッド７０７に押接する。同時に、研磨パッド７０７上にスラリーを滴下し、定盤７０６及びヘッド７０３を回転させることによって研磨が進行する。このような加圧方式をメンブレン加圧方式と呼ぶ。
【０００４】
図８は、上記メンブレン加圧方式以外の加圧方法を示している。
【０００５】
図８に示すＣＭＰ装置においては、ヘッド８００、及びシリンダー８０１内を上下に移動するピストン８０２は、両方で数１０ｋｇ以上の自重があるため、通常、ピストン８０２の下側から力を加えることによって当該自重を相殺し、その上で、ピストン８０２に上側から力を加えることによってウェハ８０３に荷重をかける方法が用いられている。詳しくは、エアーライン８０４Ａを通ってきた高圧エアーは電空レギュレータ８０５によって所望の圧力に制御された後、当該エアーは、シリンダー８０１内におけるピストン８０２の下側（シリンダー下室８０６）に送り込まれる。これによって、ピストン８０２が上方向に押される結果、ヘッド８００及びピストン８０２の自重を相殺することができる。次に、別のエアーライン８０４Ｂを通ってきた高圧エアーが電空レギュレータ８０７によって所望の圧力に制御された後、当該エアーは、シリンダー８０１内のピストン８０２の上側（シリンダー上室８０８）に送り込まれる。その結果、ピストン８０２が下方向に押され、当該下方向の力は、ピストン８０２に固定されたヘッド８００を通じてウェハ８０３に伝達される。尚、図示していないが、ヘッド８００におけるウェハ８０３の裏面と接する部分には、研磨の面内均一性を向上させるために、通常、バッキングパッドが貼付される。以上のように、ウェハ８０３が、定盤８０９上に貼付された研磨パッド８１０に押し付けられた状態で、研磨パッド８１０上にスラリーを滴下すると共に定盤８０９及びヘッド８００を回転させることによって研磨が進行する。このような加圧方式をバッキングパッド加圧方式と呼ぶ（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
尚、特許文献１に開示されたＣＭＰ装置においては、ピストン下側に小径のサブピストンを取り付けて、当該サブピストンを上方向に押す圧力をも制御することによって、研磨圧力の微調整を可能としている。
【０００７】
また、特許文献２には、低研磨圧力の制御性を向上させるために、ヘッドの上方にロードセルを設けて、当該ロードセルによって測定された実際の荷重と所望の荷重との差を見ながら、エアー圧力を制御する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平１０−１３８１２１号公報
【特許文献２】特表２００５−５１４７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、同一研磨装置内でＣｕ（銅）−ＣＭＰ、Ｗ（タングステン）−ＣＭＰ又はＳＴＩ（shallow trench isolation）−ＣＭＰ等のマルチステップ研磨を行う場合、各研磨ステップ毎にスラリーの種類は変更するものの、研磨圧力等の装置仕様の変更までは行われていない。例えばＷ−ＣＭＰ又はＳＴＩ−ＣＭＰにおいては、通常、どの研磨ステップでも高圧仕様で対応する。また、Ｃｕ−ＣＭＰにおいては、層間絶縁間として用いられるＬｏｗ−Ｋ膜の機械強度が弱いため、通常、どの研磨ステップでも低圧条件が使用される。すなわち、Ｃｕ−ＣＭＰに用いられる研磨装置の仕様は低圧仕様のみである。
【０００９】
しかしながら、今後、素子がますます微細化していった場合、例えばＷ−ＣＭＰ又はＳＴＩ−ＣＭＰ等では、ディッシングやエロージョンといったパターン依存性を一層低減させる必要があるので、研磨の最終ステップとして高精度な低圧研磨が必須となる。
【００１０】
ところで、前述の従来技術におけるエアー圧力の制御においては、全て電空レギュレータを用いているが、高圧用の電空レギュレータの精度はフルスパン（制御範囲）の±１％程度である。通常用いられる電空レギュレータのフルスパンは０〜０．１ＭＰａつまり０〜１４．５ｐｓｉであり、１４．５ｐｓｉの±１％は±０．１５ｐｓｉに相当する。この±０．１５ｐｓｉの誤差は３ｐｓｉ以上の高圧研磨では許容範囲であるが、３ｐｓｉ未満の低圧研磨では許容できなくなり、特に、極低圧である０．５ｐｓｉ付近では当該誤差は致命的となる。
【００１１】
従って、高精度な低圧研磨を行う場合には、メンブレン加圧方式及びバッキングパッド加圧方式のいずれにおいても、低圧用の電空レギュレータを使用する必要がある。例えば、フルスパンの上限が３ｐｓｉ未満の電空レギュレータを使用すれば、フルスパンの±１％の誤差は±０．０３ｐｓｉであり、研磨精度を大幅に向上させることができる。
【００１２】
尚、特許文献１に開示されたＣＭＰ装置においては、荷重の微調整用に小径のサブピストンを設けているが、これによって、高圧研磨及び高精度な低圧研磨の両方に対応可能とはならない。すなわち、当該装置においても、結局のところ、使用する研磨圧力帯に応じて、ピストンに印加するエアー圧力を制御する電空レギュレータを変更する（付け替える）必要がある。
【００１３】
また、特許文献２に開示されたＣＭＰ装置においても、フィードバックするエアー圧力の精度が低い場合には低研磨圧力の制御性をほとんど向上させることができない。すなわち、当該装置においても、高圧研磨を行う場合と高精度な低圧研磨を行う場合とで電空レギュレータを変更する（付け替える）必要がある。
【００１４】
前記に鑑み、本発明は、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、前記の目的を達成するために、本願発明者が発明した、高圧研磨と高精度な低圧研磨とを１つの装置によって実現するための装置構成及びそれを用いた研磨方法について説明する。
【００１６】
本願発明者は、１つの研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを行うために、圧力を制御する電空（Ｅ／Ｐ）レギュレータ（変換器）を高圧用と低圧用とで使い分けられるようにすることに着想した。
【００１７】
具体的には、本願発明者が発明した第１のＣＭＰ装置においては、ヘッドに圧力を印加するためエアーラインを高圧用及び高精度低圧用の２系統取り付けると共に各エアーラインを電磁弁等によって切り替えて使用する。この場合、ウェハを１つのヘッドに保持したまま、言い換えると、ウェハを他のヘッドに移し替えることなく、高圧研磨と高精度な低圧研磨とを行うことができるので、スループットの低下を防止することができる。
【００１８】
本願発明者が発明した第２のＣＭＰ装置においては、高圧用のエアーラインに接続されるヘッドと低圧用のエアーラインに接続されるヘッドとを別々に設けると共に両ヘッド間でウェハの移し替えを行うことによって、高圧研磨及び高精度低圧研磨を行う。この場合、エアーラインが複雑化することがないので、装置の安定性の低下を防止することができる。
【００１９】
本願発明者が発明した第３のＣＭＰ装置においては、高圧用のエアーラインに接続されたシリンダーと、低圧用のエアーラインに接続されたシリンダーとを設けると共にウェハを保持した状態のヘッドを両シリンダーに対して脱着可能にすることによって、高圧研磨及び高精度低圧研磨を行う。この場合も、エアーラインが複雑化することがないので、装置の安定性の低下を防止することができる。また、ヘッドに対するウェハの脱着と、シリンダーに対するヘッドの脱着とでは、ウェハの脱着の方がトラブルを起こし易い。すなわち、ヘッドについてはシリンダーに対して脱着しやすい構造を採用することができるが、ウェハについてはヘッドに対して脱着しやすい構造を採用することは不可能であり、ヘッドに対する脱着の際にウェハに力を加えすぎると、ウェハに割れ等が生じてしまう。従って、シリンダーに対してヘッドを脱着可能にすることによって、各研磨ステップ間におけるウェハ搬送の安定性を向上させることができる。
【００２０】
尚、本発明の各ＣＭＰ装置において、研磨定盤の個数は１個でもよいし又は複数個でもよい。装置のフットプリントを小さくするためには定盤数は少ない方がよいが、スループットの向上を図りたい場合又は研磨中にスラリーを変更する場合には複数個の研磨定盤を配置する。
【００２１】
また、本発明の各ＣＭＰ装置において、ウェハへの加圧方式としては、メンブレン加圧方式又はバッキングパッド加圧方式のいずれを採用してもよい。
【００２２】
ところで、コストは増大するが、高圧研磨と高精度な低圧研磨とを、高圧研磨用及び低圧研磨用の２台のＣＭＰ設備を用いて実施するという考え方もある。しかしながら、研磨中に２台のＣＭＰ設備間でのウェハの搬送を行う場合、後で使用されるＣＭＰ設備においては室温レベルのウェハ温度で研磨が開始されることになる。この場合、研磨開始段階では、機械研磨の要素が支配的になるため、言い換えると、機械研磨と化学研磨との間のバランスが崩れているため、スクラッチ等の欠陥がウェハに生じやすい。従って、本発明の各ＣＭＰ装置のように、同一装置内において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを連続して行える方が好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置及びそれを用いた研磨方法について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面構成を示している。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態のＣＭＰ装置は、研磨パッド１０２が上面に貼り付けられた研磨定盤１０１と、ウェハ１００を保持するためのヘッド１０３と、ヘッド１０３が取り付けられ且つウェハ１００に圧力を印加するためのシリンダー１０４と、シリンダー１０４に接続されたエアーライン１０５とを備えている。ヘッド１０３は、ウェハ１００が開口面に配置される凹部を有すると共にシリンダー１０４の内部と前記凹部とを接続する孔（図示省略）を有する。また、ヘッド１０３の前記凹部には、ウェハ１００の裏面（研磨面の反対面）と対向するように弾性体（メンブレン）１０６が取り付けられている。これにより、シリンダー１０４にエアー（例えば空気又は窒素等）を供給すると、ヘッド１０３の前記孔を通じて前記凹部（具体的にはメンブレン１０６とヘッド１０３とにより囲まれた領域）にエアーが送り込まれ、その結果、メンブレン１０６がウェハ１００方向に膨張する。
【００２７】
シリンダー１０４に接続されたエアーライン１０５は、その上流において、シリンダー１０４内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーライン１０５ａと、シリンダー１０４内に前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーライン１０５ｂとに分岐している。尚、高圧エアーライン１０５ａと低圧エアーライン１０５ｂとの切り替えは本実施形態では電磁弁１０７（具体的には高圧エアーライン１０５ａに接続された第１の電磁弁及び低圧エアーライン１０５ｂに接続された第２の電磁弁）によって行う。
【００２８】
高圧エアーライン１０５ａを流れる高圧エアーの圧力制御は、高圧エアーライン１０５ａに接続された高圧用の電空（Ｅ／Ｐ）レギュレータ（変換器）１０８によって行われる。高圧用電空レギュレータ１０８の圧力レンジは例えば０〜０．１ＭＰａ（０〜１４．５ｐｓｉ）である。高圧用電空レギュレータ１０８の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、高圧用電空レギュレータ１０８の設定圧力には±０．１ｐｓｉ（±０．１×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを上回る誤差、具体的には±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差が存在する。
【００２９】
一方、低圧エアーライン１０５ｂを流れる低圧エアーの圧力制御は、低圧エアーライン１０５ｂに接続された低圧用電空レギュレータ１０９によって行われる。低圧用電空レギュレータ１０９の圧力レンジは例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。低圧用電空レギュレータ１０９の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、低圧用電空レギュレータ１０９の設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【００３０】
次に、本実施形態のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。
【００３１】
まず、ウェハ１００をヘッド１０３に保持した後、当該ヘッド１０３を、定盤１０１の上面に貼付された研磨パッド１０２上に移動させ、その後、ヘッド１０３を研磨パッド１０２に向けて下降させる。このとき、ヘッド１０３は、上下方向に動かないように所定の位置に固定される。尚、図示はしていないが、ウェハ１００上には下地層を介して被研磨層が形成されているものとする。
【００３２】
次に、高圧エアーライン１０５ａに接続された電磁弁１０７を開けて、シリンダー１０４内に例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧エアーを満たす。当該高圧エアーは、シリンダー１０４からヘッド１０３の前記孔を通ってメンブレン１０６を膨張させ、それによってウェハ１００は研磨パッド１０２に押し付けられる。ここで、ヘッド１０３の高さ位置を固定させているのは、メンブレン１０６の膨張の反作用によってヘッド１０３が浮き上がらないようにするためである。尚、以上のようにウェハ１００を研磨パッド１０２に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を研磨パッド１０２上に滴下すると共に研磨定盤１０１及びヘッド１０３を回転させる。これにより、ウェハ１００に対して高圧研磨を実施することができる。本実施形態では、当該高圧研磨における研磨圧力（第１の研磨圧力）を例えば５ｐｓｉ（５×６．８９５ｋＰａ）に設定する。
【００３３】
次に、前記高圧研磨によって前記被研磨層に対する研磨が進行し、その結果、例えば前記下地層の一部がウェハ１００面内で露出し始めた段階で、高圧エアーライン１０５ａに接続された電磁弁１０７を切ると同時に、例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の範囲の低圧力制御を行うために、低圧エアーライン１０５ｂに接続された電磁弁１０７を開ける。このとき、シリンダー１０４内部は高圧となっているため、本実施形態では、エアーの逃がし口を例えばシリンダー１０４に設けておく。シリンダー１０４の内部が低圧になると、言い換えると、シリンダー１０４内に例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧エアーを満たすと、メンブレン１０６とヘッド１０３とにより囲まれた領域内の圧力も低圧となり、それによってウェハ１００は研磨パッド１０２に低圧力で押し付けられる。これにより、前記高圧研磨から低圧条件での研磨に切り替わる。ここで、スラリーの滴下並びに研磨定盤１０１及びヘッド１０３の回転については高圧研磨から継続的に実施してもよいし又は一旦中断してもよい。また、本実施形態では、低圧研磨における研磨圧力（第２の研磨圧力）を例えば０．５ｐｓｉ（０．５×６．８９５ｋＰａ）に設定する。
【００３４】
以上に説明したように、本実施形態によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。また、ウェハ１００を１つのヘッド１０３に保持したまま、言い換えると、ウェハ１００を他のヘッドに移し替えることなく、高圧研磨と高精度な低圧研磨とを行うことができるので、スループットの低下を防止することができる。
【００３５】
尚、本実施形態において、高圧研磨から低圧研磨に切り替えるタイミング、つまり前記下地層の一部分がウェハ１００面内で露出し始める時点については、例えば定盤１０１若しくはヘッド１０３のモーター回転トルク電流等の変化、又はウェハ１００表面へ光を照射した際の光反射強度の変化等に基づいて検出することができる。或いは、前述のような終点検出を使用せずに高圧研磨及び低圧研磨をそれぞれ時間固定で行ってもよい。
【００３６】
また、本実施形態において、シリンダー１０４に接続されたエアーライン１０５を、その上流において高圧エアーライン１０５ａと低圧エアーライン１０５ｂとに分岐させたが、高圧エアーラインと低圧エアーラインとをそれぞれシリンダー１０４に直結してもよい。
【００３７】
また、本実施形態において、ヘッド１０３に取り付けたメンブレン１０６を介してシリンダー１０４内の圧力をウェハ１００に印加した。しかし、これに代えて、ヘッド１０３に固定されていない剛性板を介してシリンダー１０４内の圧力をウェハ１００に印加してもよいし、又は弾性体若しくは剛性板等を設けずにシリンダー１０４内の圧力をヘッド１０３の前記孔を通じてウェハ１００に直接印加してもよい。
【００３８】
また、本実施形態において、メンブレン１０６を膨張させるエアーについては必ずしも密閉状態に保つ必要はなく、例えばヘッド１０３の側部又はメンブレン１０６に人為的に設けた隙間からエアーをリークさせてもよい。
【００３９】
また、本実施形態において、定盤１０１を１つ設けているが（図１参照）、複数個の定盤を設けてもよい。すなわち、高圧研磨と低圧研磨とを同一定盤上で行うと、スループットが低下するため、低圧研磨を、同一装置内に配置された他の定盤（高圧研磨とは異なる定盤）上で行い、それによってスループットを向上させてもよい。この場合には、高圧研磨から低圧研磨に切り替える際にスラリーを容易に切り替えることができる。
【００４０】
また、本実施形態において、高圧研磨に続いて低圧研磨を実施したが、これに代えて、低圧研磨を先に実施し、続いて高圧研磨を実施してもよい。また、研磨圧力を変えた３段階以上のマルチステップ研磨に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【００４１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置及びそれを用いた研磨方法について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図２は、第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面構成を示している。
【００４３】
図２に示すように、本実施形態のＣＭＰ装置の特徴は、図１に示す第１の実施形態に係るＣＭＰ装置と同様のウェハへの圧力印加機構を複数（例えば２つ）備えていることである。具体的には、第１の研磨パッド２０２が上面に貼り付けられた第１の研磨定盤２０１と、第２の研磨パッド２０２’が上面に貼り付けられた第２の研磨定盤２０１’と、ウェハ２００を保持するための第１のヘッド２０３と、ウェハ２００を保持するための第２のヘッド２０３’と、第１のヘッド２０３が取り付けられ且つウェハ２００に圧力を印加するための第１のシリンダー２０４と、第２のヘッド２０３’が取り付けられ且つウェハ２００に圧力を印加するための第２のシリンダー２０４’と、第１のシリンダー２０４に接続され且つ第１のシリンダー２０４内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーライン２０５と、第２のシリンダー２０４’に接続され且つ第２のシリンダー２０４’内に前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーライン２０５’とを備えている。
【００４４】
第１のヘッド２０３は、ウェハ２００が開口面に配置される凹部を有すると共に第１のシリンダー２０４の内部と前記凹部とを接続する孔（図示省略）を有する。また、第１のヘッド２０３の前記凹部には、ウェハ２００の裏面（研磨面の反対面）と対向するように第１の弾性体（メンブレン）２０６が取り付けられている。これにより、第１のシリンダー２０４にエアー（例えば空気又は窒素等）を供給すると、第１のヘッド２０３の前記孔を通じて前記凹部（具体的には第１のメンブレン２０６と第１のヘッド２０３とにより囲まれた領域）にエアーが送り込まれ、その結果、第１のメンブレン２０６がウェハ２００方向に膨張する。
【００４５】
第２のヘッド２０３’は、ウェハ２００が開口面に配置される凹部を有すると共に第２のシリンダー２０４’の内部と前記凹部とを接続する孔（図示省略）を有する。また、第２のヘッド２０３’の前記凹部には、ウェハ２００の裏面（研磨面の反対面）と対向するように第２の弾性体（メンブレン）２０６’が取り付けられている。これにより、第２のシリンダー２０４’にエアーを供給すると、第２のヘッド２０３’の前記孔を通じて前記凹部（具体的には第２のメンブレン２０６’と第２のヘッド２０３’とにより囲まれた領域）にエアーが送り込まれ、その結果、第２のメンブレン２０６’がウェハ２００方向に膨張する。
【００４６】
高圧エアーライン２０５を流れる高圧エアーの圧力制御は、高圧エアーライン２０５に接続された高圧用の電空（Ｅ／Ｐ）レギュレータ（変換器）２０７によって行われる。高圧用電空レギュレータ２０７の圧力レンジは例えば０〜０．１ＭＰａ（０〜１４．５ｐｓｉ）である。高圧用電空レギュレータ２０７の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、高圧用電空レギュレータ２０７の設定圧力には±０．１ｐｓｉ（±０．１×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを上回る誤差、具体的には±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差が存在する。
【００４７】
一方、低圧エアーライン２０５’を流れる低圧エアーの圧力制御は、低圧エアーライン２０５’に接続された低圧用電空レギュレータ２０８によって行われる。低圧用電空レギュレータ２０８の圧力レンジは例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。低圧用電空レギュレータ２０８の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、低圧用電空レギュレータ２０８の設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【００４８】
次に、本実施形態のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。
【００４９】
まず、ウェハ２００を、第１のヘッド（高圧用電空レギュレータ２０７を有する圧力印加機構のヘッド）２０３に保持した後、当該第１のヘッド２０３を、第１の定盤２０１の上面に貼付された第１の研磨パッド２０２上に移動させ、その後、第１のヘッド２０３を第１の研磨パッド２０２に向けて下降させる。このとき、第１のヘッド２０３は、上下方向に動かないように所定の位置に固定される。尚、図示はしていないが、ウェハ２００上には下地層を介して被研磨層が形成されているものとする。
【００５０】
次に、高圧エアーライン２０５を通じて第１のシリンダー２０４内に例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧エアーを満たす。当該高圧エアーは、第１のシリンダー２０４から第１のヘッド２０３の前記孔を通って第１のメンブレン２０６を膨張させ、それによってウェハ２００は第１の研磨パッド２０２に押し付けられる。ここで、第１のヘッド２０３の高さ位置を固定させているのは、第１のメンブレン２０６の膨張の反作用によって第１のヘッド２０３が浮き上がらないようにするためである。尚、以上のようにウェハ２００を第１の研磨パッド２０２に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第１の研磨パッド２０２上に滴下すると共に第１の研磨定盤２０１及び第１のヘッド２０３を回転させる。これにより、ウェハ２００に対して高圧研磨を実施することができる。本実施形態では、当該高圧研磨における研磨圧力（第１の研磨圧力）を例えば５ｐｓｉ（５×６．８９５ｋＰａ）に設定する。
【００５１】
次に、前記高圧研磨によって前記被研磨層に対する研磨が進行し、その結果、例えば前記下地層の一部がウェハ２００面内で露出し始めた段階で、第１の研磨定盤２０１上での高圧研磨を終了する。続いて、ウェハ２００を第１のヘッド２０３から取り外して第２のヘッド（低圧用電空レギュレータ２０８を有する圧力印加機構のヘッド）２０３’に取り付けると共に、第２の研磨定盤２０１’の上面に貼付された第２の研磨パッド２０２‘にウェハ２００を押し当てる。このとき、第２のヘッド２０３’の高さ位置を固定する。
【００５２】
次に、低圧エアーライン２０５’を通じて第２のシリンダー２０４’内に例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧エアーを満たす。当該低圧エアーは、第２のシリンダー２０４’から第２のヘッド２０３’の前記孔を通って第２のメンブレン２０６’を膨張させ、それによってウェハ２００は第２の研磨パッド２０２’に押し付けられる。ここで、第２のヘッド２０３’の高さ位置を固定させているのは、第２のメンブレン２０６’の膨張の反作用によって第２のヘッド２０３’が浮き上がらないようにするためである。尚、以上のようにウェハ２００を第２の研磨パッド２０２’に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第２の研磨パッド２０２’上に滴下すると共に第２の研磨定盤２０１’及び第２のヘッド２０３’を回転させる。これにより、ウェハ２００に対して低圧研磨を実施することができる。本実施形態では、当該低圧研磨における研磨圧力（第２の研磨圧力）を例えば０．５ｐｓｉ（０．５×６．８９５ｋＰａ）に設定する。
【００５３】
以上に説明したように、本実施形態によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。また、高圧エアーライン２０５に接続される第１のヘッド２０３と低圧エアーライン２０５’に接続される第２のヘッド２０３’とを別々に設けると共に両ヘッド間でウェハ２００の移し替えを行うことによって、高圧研磨及び高精度低圧研磨を行うため、エアーラインが複雑化することがないので、装置の安定性の低下を防止することができる。
【００５４】
尚、本実施形態において、高圧研磨から低圧研磨に切り替えるタイミング、つまり前記下地層の一部分がウェハ２００面内で露出し始める時点については、例えば第１の定盤２０１若しくは第１のヘッド２０３のモーター回転トルク電流等の変化、又はウェハ２００表面へ光を照射した際の光反射強度の変化等に基づいて検出することができる。或いは、前述のような終点検出を使用せずに高圧研磨及び低圧研磨をそれぞれ時間固定で行ってもよい。
【００５５】
また、本実施形態において、ヘッド２０３及び２０３’に取り付けたメンブレン２０６及び２０６’を介してシリンダー２０４及び２０４’内の圧力をウェハ２００に印加した。しかし、これに代えて、ヘッド２０３及び２０３’に固定されていない剛性板を介してシリンダー２０４及び２０４’内の圧力をウェハ２００に印加してもよいし、又は弾性体若しくは剛性板等を設けずにシリンダー２０４及び２０４’内の圧力をヘッド２０３及び２０３’のそれぞれの孔を通じてウェハ２００に直接印加してもよい。
【００５６】
また、本実施形態において、メンブレン２０６及び２０６’を膨張させるエアーについては必ずしも密閉状態に保つ必要はなく、例えばヘッド２０３及び２０３’のそれぞれの側部又はメンブレン２０６及び２０６’に人為的に設けた隙間からエアーをリークさせてもよい。
【００５７】
また、本実施形態において、２つのヘッド２０３及び２０３’に対応させて２つの定盤２０１及び２０１’を設けているが、これに代えて、装置のフットプリントを小さくできること等を目的として、２つのヘッド２０３及び２０３’に対して単一の定盤を用いてもよい。
【００５８】
また、本実施形態において、高圧研磨に続いて低圧研磨を実施したが、これに代えて、低圧研磨を先に実施し、続いて高圧研磨を実施してもよい。また、研磨圧力を変えた３段階以上のマルチステップ研磨に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【００５９】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係るＣＭＰ装置及びそれを用いた研磨方法について図面を参照しながら説明する。
【００６０】
図３は、第３の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面構成を示している。
【００６１】
図３に示すように、本実施形態のＣＭＰ装置の特徴は、図１に示す第１の実施形態に係るＣＭＰ装置と同様のウェハへの圧力印加機構をヘッド部分を除いて複数（例えば２つ）備えていることである。具体的には、第１の研磨パッド３０２が上面に貼り付けられた第１の研磨定盤３０１と、第２の研磨パッド３０２’が上面に貼り付けられた第２の研磨定盤３０１’と、ウェハ３００を保持するためのヘッド３０３と、ヘッド３０３が取り付けられ且つウェハ３００に圧力を印加するための第１のシリンダー３０４と、ヘッド３０３が取り付けられ且つウェハ３００に圧力を印加するための第２のシリンダー３０４’と、第１のシリンダー３０４に接続され且つ第１のシリンダー３０４内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーライン３０５と、第２のシリンダー３０４’に接続され且つ第２のシリンダー３０４’内に前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーライン３０５’とを備えている。尚、ヘッド３０３は、ウェハ３００を保持した状態で第１のシリンダー３０４と第２のシリンダー３０４’とに対して着脱可能となっている。
【００６２】
ヘッド３０３は、ウェハ３００が開口面に配置される凹部を有すると共にシリンダー３０４又は３０４’の内部と前記凹部とを接続する孔（図示省略）を有する。また、ヘッド３０３の前記凹部には、ウェハ３００の裏面（研磨面の反対面）と対向するように弾性体（メンブレン）３０６が取り付けられている。これにより、シリンダー３０４又は３０４’にエアー（例えば空気又は窒素等）を供給すると、ヘッド３０３の前記孔を通じて前記凹部（具体的にはメンブレン３０６とヘッド３０３とにより囲まれた領域）にエアーが送り込まれ、その結果、メンブレン３０６がウェハ３００方向に膨張する。
【００６３】
高圧エアーライン３０５を流れる高圧エアーの圧力制御は、高圧エアーライン３０５に接続された高圧用の電空（Ｅ／Ｐ）レギュレータ（変換器）３０７によって行われる。高圧用電空レギュレータ３０７の圧力レンジは例えば０〜０．１ＭＰａ（０〜１４．５ｐｓｉ）である。高圧用電空レギュレータ３０７の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、高圧用電空レギュレータ３０７の設定圧力には±０．１ｐｓｉ（±０．１×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを上回る誤差、具体的には±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差が存在する。
【００６４】
一方、低圧エアーライン３０５’を流れる低圧エアーの圧力制御は、低圧エアーライン３０５’に接続された低圧用電空レギュレータ３０８によって行われる。低圧用電空レギュレータ３０８の圧力レンジは例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。低圧用電空レギュレータ３０８の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、低圧用電空レギュレータ３０８の設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【００６５】
次に、本実施形態のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。
【００６６】
まず、ウェハ３００を保持したヘッド３０３に第１のシリンダー（高圧用電空レギュレータ３０７を有する圧力印加機構のシリンダー）３０４を取り付けた後、当該ヘッド３０３を、第１の定盤３０１の上面に貼付された第１の研磨パッド３０２上に移動させ、その後、ヘッド３０３を第１の研磨パッド３０２に向けて下降させる。このとき、ヘッド３０３は、上下方向に動かないように所定の位置に固定される。尚、図示はしていないが、ウェハ３００上には下地層を介して被研磨層が形成されているものとする。
【００６７】
次に、高圧エアーライン３０５を通じて第１のシリンダー３０４内に例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧エアーを満たす。当該高圧エアーは、第１のシリンダー３０４からヘッド３０３の前記孔を通ってメンブレン３０６を膨張させ、それによってウェハ３００は第１の研磨パッド３０２に押し付けられる。ここで、ヘッド３０３の高さ位置を固定させているのは、メンブレン３０６の膨張の反作用によってヘッド３０３が浮き上がらないようにするためである。尚、以上のようにウェハ３００を第１の研磨パッド３０２に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第１の研磨パッド３０２上に滴下すると共に第１の研磨定盤３０１及びヘッド３０３を回転させる。これにより、ウェハ３００に対して高圧研磨を実施することができる。本実施形態では、当該高圧研磨における研磨圧力（第１の研磨圧力）を例えば５ｐｓｉ（５×６．８９５ｋＰａ）に設定する。
【００６８】
次に、前記高圧研磨によって前記被研磨層に対する研磨が進行し、その結果、例えば前記下地層の一部がウェハ３００面内で露出し始めた段階で、第１の研磨定盤３０１上での高圧研磨を終了する。続いて、ウェハ３００を保持したままヘッド３０３を第１のシリンダー３０４から取り外して第２のシリンダー３０４’（低圧用電空レギュレータ３０８を有する圧力印加機構のシリンダー）に取り付けると共に、第２の研磨定盤３０１’の上面に貼付された第２の研磨パッド３０２‘にウェハ３００を押し当てる。このとき、ヘッド３０３の高さ位置を固定する。
【００６９】
次に、低圧エアーライン３０５’を通じて第２のシリンダー３０４’内に例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧エアーを満たす。当該低圧エアーは、第２のシリンダー３０４’からヘッド３０３の前記孔を通ってメンブレン３０６を膨張させ、それによってウェハ３００は第２の研磨パッド３０２’に押し付けられる。ここで、ヘッド３０３の高さ位置を固定させているのは、メンブレン３０６の膨張の反作用によってヘッド３０３が浮き上がらないようにするためである。尚、以上のようにウェハ３００を第２の研磨パッド３０２’に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第２の研磨パッド３０２’上に滴下すると共に第２の研磨定盤３０１’及びヘッド３０３を回転させる。これにより、ウェハ３００に対して低圧研磨を実施することができる。本実施形態では、当該低圧研磨における研磨圧力（第２の研磨圧力）を例えば０．５ｐｓｉ（０．５×６．８９５ｋＰａ）に設定する。
【００７０】
以上に説明したように、本実施形態によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。また、高圧エアーライン３０５に接続された第１のシリンダー３０４と、低圧エアーライン３０５’に接続された第２のシリンダー３０４’とを設けると共にウェハ３００を保持した状態のヘッド３０３を両シリンダーに対して脱着可能にすることによって、高圧研磨及び高精度低圧研磨を行うため、エアーラインが複雑化することがないので、装置の安定性の低下を防止することができる。また、一般に、ヘッドに対するウェハの脱着と、シリンダーに対するヘッドの脱着とを比較すると、ウェハの脱着においては、ウェハの厚さが薄いこと、ウェハに負荷がかかると割れやすいこと、及びウェハの裏面又は側面しかヘッドと接触しないこと等の理由によって、メカニカルトラブルが発生しやすい。また、ヘッドについてはシリンダーに対して脱着しやすい構造を採用することができるが、ウェハについてはヘッドに対して脱着しやすい構造を採用することは不可能である。それに対して、本実施形態によると、シリンダー３０４及び３０４’に対してヘッド３０３を脱着可能にすることによって、各研磨ステップ間におけるウェハ搬送の安定性を向上させることができる。
【００７１】
尚、本実施形態において、高圧研磨から低圧研磨に切り替えるタイミング、つまり前記下地層の一部分がウェハ３００面内で露出し始める時点については、例えば第１の定盤３０１若しくはヘッド３０３のモーター回転トルク電流等の変化、又はウェハ３００表面へ光を照射した際の光反射強度の変化等に基づいて検出することができる。或いは、前述のような終点検出を使用せずに高圧研磨及び低圧研磨をそれぞれ時間固定で行ってもよい。
【００７２】
また、本実施形態において、ヘッド３０３に取り付けたメンブレン３０６を介してシリンダー３０４及び３０４’内の圧力をウェハ３００に印加した。しかし、これに代えて、ヘッド３０３に固定されていない剛性板を介してシリンダー３０４及び３０４’内の圧力をウェハ３００に印加してもよいし、又は弾性体若しくは剛性板等を設けずにシリンダー３０４及び３０４’内の圧力をヘッド３０３の孔を通じてウェハ３００に直接印加してもよい。
【００７３】
また、本実施形態において、メンブレン３０６を膨張させるエアーについては必ずしも密閉状態に保つ必要はなく、例えばヘッド３０３の側部又はメンブレン３０６に人為的に設けた隙間からエアーをリークさせてもよい。
【００７４】
また、本実施形態において、２つのシリンダー３０４及び３０４’に対応させて２つの定盤３０１及び３０１’を設けているが、これに代えて、装置のフットプリントを小さくできること等を目的として、２つのシリンダー３０４及び３０４’に対して単一の定盤を用いてもよい。
【００７５】
また、本実施形態において、高圧研磨に続いて低圧研磨を実施したが、これに代えて、低圧研磨を先に実施し、続いて高圧研磨を実施してもよい。また、研磨圧力を変えた３段階以上のマルチステップ研磨に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【００７６】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係るＣＭＰ装置及びそれを用いた研磨方法について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図４は、第４の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面構成を示している。
【００７８】
図４に示すように、本実施形態のＣＭＰ装置は、研磨パッド４０２が上面に貼り付けられた研磨定盤４０１と、ウェハ４００を保持するためのヘッド４０３と、ヘッド４０３が取り付けられ且つウェハ４００に圧力を印加するためのシリンダー４０４と、シリンダー４０４内に配置され且つ上下方向に移動可能なピストン４０６と、シリンダー４０４内におけるピストン４０６により区画された上室４０７及び下室４１１にそれぞれ接続された上室用エアーライン４０５及び下室用エアーライン４１３とを備えている。尚、ピストン４０６の下端はヘッド４０３に接続されている。また、図示していないが、ウェハ４００の裏面は、ヘッド４０３に貼り付けられたバッキングパッドと呼ばれる軟質材に接触する。
【００７９】
上記の本実施形態のＣＭＰ装置においては、シリンダー４０４内の圧力はピストン４０６及びヘッド４０３を介してウェハ４００に印加される。
【００８０】
シリンダー上室４０７に接続された上室用エアーライン４０５は、その上流において、シリンダー４０４内に第１の研磨圧力を生成するための高圧エアーライン４０５ａと、シリンダー４０４内に前記第１の研磨圧力よりも小さい第２の研磨圧力を生成するための低圧エアーライン４０５ｂとに分岐している。尚、高圧エアーライン４０５ａと低圧エアーライン４０５ｂとの切り替えは本実施形態では電磁弁４０８（具体的には高圧エアーライン４０５ａに接続された第１の電磁弁及び低圧エアーライン４０５ｂに接続された第２の電磁弁）によって行う。
【００８１】
高圧エアーライン４０５ａを流れる高圧エアーの圧力制御は、高圧エアーライン４０５ａに接続された高圧用の電空（Ｅ／Ｐ）レギュレータ（変換器）４０９によって行われる。高圧用電空レギュレータ４０９の圧力レンジは例えば０〜０．１ＭＰａ（０〜１４．５ｐｓｉ）である。高圧用電空レギュレータ４０９の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、高圧用電空レギュレータ４０９の設定圧力には±０．１ｐｓｉ（±０．１×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを上回る誤差、具体的には±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差が存在する。
【００８２】
一方、低圧エアーライン４０５ｂを流れる低圧エアーの圧力制御は、低圧エアーライン４０５ｂに接続された低圧用電空レギュレータ４１０によって行われる。低圧用電空レギュレータ４１０の圧力レンジは例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。低圧用電空レギュレータ４１０の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、低圧用電空レギュレータ４１０の設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【００８３】
シリンダー下室４１１に接続された下室用エアーライン４１３は、本実施形態では低圧エアーラインとなっており、下室用エアーライン４１３を流れるエアーの圧力制御は、下室用エアーライン４１３に接続された電空レギュレータ４１２によって行われる。電空レギュレータ４１２の圧力レンジは例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。電空レギュレータ４１２の精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、電空レギュレータ４１２の設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【００８４】
尚、本実施形態では、シリンダー上室４０７へのエアー圧力印加及びシリンダー下室４１１へのエアー圧力印加によってシリンダー４０４が上下に動かないようにシリンダー４０４を固定しておく。
【００８５】
次に、本実施形態のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。
【００８６】
まず、ヘッド４０３及びピストン４０６にはそれぞれ自重があるため、シリンダー下室４１１にエアーを供給することによって、ピストン４０６つまりヘッド４０３を上方向に押し、それによって当該自重を相殺する。さらに、この状態においてピストン４０６に対して上方向に若干力を加えることによって、ウェハ４００を保持したヘッド４０３を持ち上げた状態にした後、当該ヘッド４０３を、定盤４０１の上面に貼付された研磨パッド４０２上に移動させる。その後、ピストン４０６に対する上方向の力を減じることにより、ヘッド４０３を研磨パッド４０２に向けて下降させる。
【００８７】
尚、図示はしていないが、ウェハ４００上には下地層を介して被研磨層が形成されているものとする。
【００８８】
また、本実施形態の研磨方法において、ウェハ４００への研磨圧力Ｐは下記の式によって得られる。
【００８９】
Ｐ＝（Ａ×Ｓ１−Ｂ×Ｓ１＋Ｔ）／Ｓ２
ここで、Ａはシリンダー上室４０７のエアー圧力、Ｂはシリンダー下室４１１のエアー圧力、Ｔはヘッド４０３及びピストン４０６の合計自重、Ｓ１はピストン４０６の面積、Ｓ２はウェハ４００の面積である。
【００９０】
前述のように、ウェハ４００を保持したヘッド４０３を研磨パッド４０２に押し当てた後、低圧用の電空レギュレータ４１２を用いてシリンダー下室４１１に下室用エアーライン４１３を通じてエアーを印加する。すなわち、ピストン４０６を持ち上げる方向に力を加える。そして、これによって、ヘッド４０３及びピストン４０６のそれぞれの自重を打ち消す。同時に、高圧エアーライン４０５ａに接続された電磁弁４０８を開けて、シリンダー上室４０７内に少なくとも３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧エアーを満たす。このとき、ヘッド４０３及びピストン４０６のそれぞれの自重は打ち消されているため、シリンダー上室４０７からピストン４０６への圧力の印加がそのままウェハ４００に印加される荷重となる。具体的には、上式の、ＴとＢ×Ｓ１とが相殺されて０になるため、ウェハ４００に印加される圧力（研磨圧力Ｐ）はＡ×Ｓ１／Ｓ２となる。従って、例えばウェハ４００にかかる圧力を３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）にするためには、ウェハ４００の直径が例えば２００ｍｍ、ピストン４０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、シリンダー上室４０７のエアー圧力Ａとして１２ｐｓｉ（１２×６．８９５ｋＰａ）の高圧力が必要となる。一方、ヘッド４０３及びピストン４０６の合計自重Ｔが例えば１５ｋｇｆ（１５×９．８Ｎ）、ピストン４０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、合計自重Ｔを打ち消すために必要なシリンダー下室４１１のエアー圧力Ｂは２．７ｐｓｉ（２．７×６．８９５ｋＰａ）の低圧力でよい。
【００９１】
尚、以上のようにウェハ４００を研磨パッド４０２に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を研磨パッド４０２上に滴下すると共に研磨定盤４０１及びヘッド４０３を回転させる。これにより、ウェハ４００に対して高圧研磨を実施することができる。
【００９２】
また、上記高圧研磨においてウェハ４００へかかる圧力（研磨圧力）の誤差は、シリンダー上室４０７のエアー（高圧エアー）圧力Ａの誤差±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）と、シリンダー下室４１１のエアー（低圧エアー）圧力Ｂの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）との合計±０．１８ｐｓｉ（±０．１８×６．８９５ｋＰａ）となり、研磨圧力が３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧研磨においては許容範囲内である。
【００９３】
次に、前記高圧研磨によって前記被研磨層に対する研磨が進行し、その結果、例えば前記下地層の一部がウェハ４００面内で露出し始めた段階で、高圧エアーライン４０５ａに接続された電磁弁４０８を切ると同時に、低圧エアーライン４０５ｂに接続された電磁弁４０８を開け、例えば３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧力エアーをシリンダー上室４０７に印加する。これにより、前記高圧研磨から低圧条件での研磨に切り替わる。ここで、例えばウェハ４００にかかる圧力を０．５ｐｓｉ（０．５×６．８９５ｋＰａ）にするためには、ウェハ４００の直径が例えば２００ｍｍ、ピストン４０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、シリンダー上室４０７のエアー圧力Ａとして２ｐｓｉ（２×６．８９５ｋＰａ）の低圧力が必要となる。
【００９４】
尚、シリンダー下室４１１のエアー圧力Ｂについては、高圧研磨時の状態、つまりヘッド４０３及びピストン４０６の合計自重を打ち消す圧力を維持する。
【００９５】
また、上記低圧研磨においてウェハ４００へかかる圧力（研磨圧力）の誤差は、シリンダー上室４０７のエアー（低圧エアー）圧力Ａの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）と、シリンダー下室４１１のエアー（低圧エアー）圧力Ｂの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）との合計±０．０６ｐｓｉ（±０．０６×６．８９５ｋＰａ）となり、研磨圧力が３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧研磨の圧力精度を向上させることができる。
【００９６】
尚、本実施形態においては、高圧研磨から低圧研磨に切り替える際に、スラリーの滴下並びに研磨定盤４０１及びヘッド４０３の回転については高圧研磨から継続的に実施してもよいし又は一旦中断してもよい。
【００９７】
以上に説明したように、本実施形態によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。また、ウェハ４００を１つのヘッド４０３に保持したまま、言い換えると、ウェハ４００を他のヘッドに移し替えることなく、高圧研磨と高精度な低圧研磨とを行うことができるので、スループットの低下を防止することができる。
【００９８】
尚、本実施形態において、シリンダー下室４１１への加圧によってヘッド４０３及びピストン４０６の合計自重を打ち消したが、これに代えて、シリンダー上室４０７へ印加する圧力を、その精度を劣化させることなく大きくすることができる場合には、シリンダー下室４１１への加圧によってヘッド４０３及びピストン４０６の合計自重を完全に相殺しなくてもよい。
【００９９】
また、本実施形態において、シリンダー下室４１１に接続された下室用エアーライン４１３を流れるエアーの圧力制御に低圧用の電空レギュレータ４１２を使用した。しかし、高圧研磨時の圧力制御には高精度は要求されないため、上記構成に代えて、シリンダー下室４１１に接続された下室用エアーライン４１３を、その上流において上室用エアーライン４０５と同様に高圧エアーラインと低圧エアーラインとに分岐させ、高圧エアーラインには高圧用の電空レギュレータを使用すると共に低圧エアーラインには低圧用の電空レギュレータを使用してもよい。この場合、高圧研磨時の圧力制御には高圧用の電空レギュレータを使用することができる。
【０１００】
また、本実施形態において、高圧研磨から低圧研磨に切り替えるタイミング、つまり前記下地層の一部分がウェハ４００面内で露出し始める時点については、例えば定盤４０１若しくはヘッド４０３のモーター回転トルク電流等の変化、又はウェハ４００表面へ光を照射した際の光反射強度の変化等に基づいて検出することができる。或いは、前述のような終点検出を使用せずに高圧研磨及び低圧研磨をそれぞれ時間固定で行ってもよい。
【０１０１】
また、本実施形態において、シリンダー上室４０７に接続された上室用エアーライン４０５を、その上流において高圧エアーライン４０５ａと低圧エアーライン４０５ｂとに分岐させたが、高圧エアーラインと低圧エアーラインとをそれぞれシリンダー上室４０７に直結してもよい。
【０１０２】
また、本実施形態において、定盤４０１を１つ設けているが（図４参照）、複数個の定盤を設けてもよい。すなわち、高圧研磨と低圧研磨とを同一定盤上で行うと、スループットが低下するため、低圧研磨を、同一装置内に配置された他の定盤（高圧研磨とは異なる定盤）上で行い、それによってスループットを向上させてもよい。この場合には、高圧研磨から低圧研磨に切り替える際にスラリーを容易に切り替えることができる。
【０１０３】
また、本実施形態において、高圧研磨に続いて低圧研磨を実施したが、これに代えて、低圧研磨を先に実施し、続いて高圧研磨を実施してもよい。また、研磨圧力を変えた３段階以上のマルチステップ研磨に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【０１０４】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係るＣＭＰ装置及びそれを用いた研磨方法について図面を参照しながら説明する。
【０１０５】
図５は、第５の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面構成を示している。
【０１０６】
図５に示すように、本実施形態のＣＭＰ装置の特徴は、図４に示す第４の実施形態に係るＣＭＰ装置と同様のウェハへの圧力印加機構を複数（例えば２つ）備えていることである。具体的には、第１の研磨パッド５０２が上面に貼り付けられた第１の研磨定盤５０１と、第２の研磨パッド５０２’が上面に貼り付けられた第２の研磨定盤５０１’と、ウェハ５００を保持するための第１のヘッド５０３と、ウェハ５００を保持するための第２のヘッド５０３’と、第１のヘッド５０３が取り付けられ且つウェハ５００に圧力を印加するための第１のシリンダー５０４と、第２のヘッド５０３’が取り付けられ且つウェハ５００に圧力を印加するための第２のシリンダー５０４’と、第１のシリンダー５０４内に配置され且つ上下方向に移動可能な第１のピストン５０６と、第２のシリンダー５０４’内に配置され且つ上下方向に移動可能な第２のピストン５０６’と、第１のシリンダー５０４内における第１のピストン５０６により区画された上室５０７及び下室５１０にそれぞれ接続された第１の上室用エアーライン５０５ａ及び第１の下室用エアーライン５０５ｂと、第２のシリンダー５０４’内における第２のピストン５０６’により区画された上室５０７’及び下室５１０’にそれぞれ接続された第２の上室用エアーライン５０５ａ’及び第２の下室用エアーライン５０５ｂ’とを備えている。尚、第１のピストン５０６の下端は第１のヘッド５０３に接続されていると共に第２のピストン５０６’の下端は第２のヘッド５０３’に接続されている。また、図示していないが、ウェハ５００の裏面は、第１のヘッド５０３及び第２のヘッド５０３’に貼り付けられたバッキングパッドと呼ばれる軟質材に接触する。
【０１０７】
上記の本実施形態のＣＭＰ装置においては、第１のシリンダー５０４内の圧力は第１のピストン５０６及び第１のヘッド５０３を介してウェハ５００に印加されると共に第２のシリンダー５０４’内の圧力は第２のピストン５０６’及び第２のヘッド５０３’を介してウェハ５００に印加される。
【０１０８】
第１のシリンダー上室５０７に接続された第１の上室用エアーライン５０５ａには高圧用の電空レギュレータ５０８が接続されており、第１のシリンダー下室５１０に接続された第１の下室用エアーライン５０５ｂには高圧用又は低圧用の電空レギュレータ５１２が接続されている。
【０１０９】
第２のシリンダー上室５０７’に接続された第２の上室用エアーライン５０５ａ’には低圧用の電空レギュレータ５０９が接続されており、第２のシリンダー下室５１０’に接続された第２の下室用エアーライン５０５ｂ’には低圧用の電空レギュレータ５１１が接続されている。
【０１１０】
高圧用の電空レギュレータ５０８の圧力レンジ（場合によっては電空レギュレータ５１２の圧力レンジも）は例えば０〜０．１ＭＰａ（０〜１４．５ｐｓｉ）である。高圧用電空レギュレータの精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、高圧用電空レギュレータの設定圧力には±０．１ｐｓｉ（±０．１×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを上回る誤差、具体的には±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差が存在する。
【０１１１】
低圧用の電空レギュレータ５０９及び５１１の圧力レンジ（場合によっては電空レギュレータ５１２の圧力レンジも）は例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。低圧用電空レギュレータの精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、低圧用電空レギュレータの設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【０１１２】
尚、本実施形態では、第１のシリンダー上室５０７へのエアー圧力印加及び第１のシリンダー下室５１０へのエアー圧力印加によって第１のシリンダー５０４が上下に動かないように第１のシリンダー５０４を固定しておくと共に、第２のシリンダー上室５０７’へのエアー圧力印加及び第２のシリンダー下室５１０’へのエアー圧力印加によって第２のシリンダー５０４’が上下に動かないように第２のシリンダー５０４’を固定しておく。
【０１１３】
次に、本実施形態のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。
【０１１４】
まず、ウェハ５００を保持した第１のヘッド５０３を第１のシリンダー５０４及び第１のピストン５０６に取り付けた後、第１のヘッド５０３及び第１のピストン５０６にはそれぞれ自重があるため、第１のシリンダー下室５１０に第１の下室用エアーライン５０５ｂを通じてエアーを供給することによって、第１のピストン５０６つまり第１のヘッド５０３を上方向に押し、それによって当該自重を相殺する。さらに、この状態において第１のピストン５０６に対して上方向に若干力を加えることによって、ウェハ５００を保持した第１のヘッド５０３を持ち上げた状態にした後、当該第１のヘッド５０３を、第１の定盤５０１の上面に貼付された第１の研磨パッド５０２上に移動させる。その後、第１のピストン５０６に対する上方向の力を減じることにより、第１のヘッド５０３を第１の研磨パッド５０２に向けて下降させる。
【０１１５】
尚、図示はしていないが、ウェハ５００上には下地層を介して被研磨層が形成されているものとする。
【０１１６】
また、本実施形態の研磨方法において、ウェハ５００への研磨圧力Ｐは下記の式によって得られる。
【０１１７】
Ｐ＝（Ａ×Ｓ１−Ｂ×Ｓ１＋Ｔ）／Ｓ２
ここで、Ａはシリンダー上室５０７又は５０７’のエアー圧力、Ｂはシリンダー下室５１０又は５１０’のエアー圧力、Ｔはヘッド５０３又は５０３’及びピストン５０６又は５０６’の合計自重、Ｓ１はピストン５０６又は５０６’の面積、Ｓ２はウェハ５００の面積である。
【０１１８】
前述のように、ウェハ５００を保持した第１のヘッド５０３を第１の研磨パッド５０２に押し当てた後、例えば低圧用の電空レギュレータ５１２を用いて第１のシリンダー下室５１０に第１の下室用エアーライン５０５ｂを通じてエアーを印加する。すなわち、第１のピストン５０６を持ち上げる方向に力を加える。そして、これによって、第１のヘッド５０３及び第１のピストン５０６のそれぞれの自重を打ち消す。同時に、高圧エアーラインである第１の上室用エアーライン５０５ａを通じて、第１のシリンダー上室５０７内に少なくとも３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧エアーを満たす。このとき、第１のヘッド５０３及び第１のピストン５０６のそれぞれの自重は打ち消されているため、第１のシリンダー上室５０７から第１のピストン５０６への圧力の印加がそのままウェハ５００に印加される荷重となる。具体的には、上式の、ＴとＢ×Ｓ１とが相殺されて０になるため、ウェハ５００に印加される圧力（研磨圧力Ｐ）はＡ×Ｓ１／Ｓ２となる。従って、例えばウェハ５００にかかる圧力を３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）にするためには、ウェハ５００の直径が例えば２００ｍｍ、第１のピストン５０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、第１のシリンダー上室５０７のエアー圧力Ａとして１２ｐｓｉ（１２×６．８９５ｋＰａ）の高圧力が必要となる。一方、第１のヘッド５０３及び第１のピストン５０６の合計自重Ｔが例えば１５ｋｇｆ（１５×９．８Ｎ）、第１のピストン５０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、合計自重Ｔを打ち消すために必要な第１のシリンダー下室５１０のエアー圧力Ｂは２．７ｐｓｉ（２．７×６．８９５ｋＰａ）の低圧力でよい。
【０１１９】
尚、以上のようにウェハ５００を第１の研磨パッド５０２に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第１の研磨パッド５０２上に滴下すると共に第１の研磨定盤５０１及び第１のヘッド５０３を回転させる。これにより、ウェハ５００に対して高圧研磨を実施することができる。
【０１２０】
また、上記高圧研磨においてウェハ５００へかかる圧力（研磨圧力）の誤差は、第１のシリンダー上室５０７のエアー（高圧エアー）圧力Ａの誤差±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）と、第１のシリンダー下室５１０のエアー（低圧エアー）圧力Ｂの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）との合計±０．１８ｐｓｉ（±０．１８×６．８９５ｋＰａ）となり、研磨圧力が３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧研磨においては許容範囲内である。
【０１２１】
次に、前記高圧研磨によって前記被研磨層に対する研磨が進行し、その結果、例えば前記下地層の一部がウェハ５００面内で露出し始めた段階で、第１の研磨定盤５０１上での高圧研磨を終了する。続いて、ウェハ５００を第１のヘッド５０３から取り外して第２のヘッド（低圧用の電空レギュレータ５０９を有する圧力印加機構のヘッド）５０３’に取り付ける。その後、第２の下室用エアーライン５０５ｂ’を通じて第２のシリンダー下室５１０’に３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧力エアーを印加する。これにより、第２のピストン５０６’を持ち上げる方向に力を加えて第２のヘッド５０３’及び第２のピストン５０６’の合計自重を打ち消し、その後、ウェハ５００を保持した第２のヘッド５０３’を第２の定盤５０１’上に移動させる。
【０１２２】
次に、第２の上室用エアーライン５０５ａ’を通じて第２のシリンダー上室５０７’に３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧力エアーを印加する。このとき、第２のヘッド５０３’及び第２のピストン５０６’の合計自重は打ち消されているため、第２のシリンダー上室５０７’から第２のピストン５０６’への圧力の印加がそのままウェハ５００にかかる荷重となる。ここで、ウェハ５００にかかる圧力を例えば０．５ｐｓｉ（０．５×６．８９５ｋＰａ）にするためには、ウェハ５００の直径が例えば２００ｍｍ、第２のピストン５０６’の直径が例えば１００ｍｍとすると、第２のシリンダー上室５０７’のエアー圧力Ａとして２ｐｓｉ（２×６．８９５ｋＰａ）の低圧力が必要となる。一方、第２のヘッド５０３’及び第２のピストン５０６’の合計自重Ｔが例えば１５ｋｇｆ（１５×９．８Ｎ）、第２のピストン５０６’の直径が例えば１００ｍｍとすると、合計自重Ｔを打ち消すために必要な第２のシリンダー下室５１０’のエアー圧力Ｂは２．７ｐｓｉ（２．７×６．８９５ｋＰａ）の低圧力となる。
【０１２３】
尚、以上のようにウェハ５００を第２の研磨パッド５０２’に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第２の研磨パッド５０２’上に滴下すると共に第２の研磨定盤５０１’及び第２のヘッド５０３’を回転させる。これにより、ウェハ５００に対して低圧研磨を実施することができる。
【０１２４】
また、上記低圧研磨においてウェハ５００へかかる圧力（研磨圧力）の誤差は、第２のシリンダー上室５０７’のエアー（低圧エアー）圧力Ａの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）と、第２のシリンダー下室５１０’のエアー（低圧エアー）圧力Ｂの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）との合計±０．０６ｐｓｉ（±０．０６×６．８９５ｋＰａ）となり、研磨圧力が３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧研磨の圧力精度を向上させることができる。
【０１２５】
以上に説明したように、本実施形態によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。また、高圧エアーラインである第１の上室用エアーライン５０５ａに接続される第１のヘッド５０３と、低圧エアーラインである第２の上室用エアーライン５０５ａ’に接続される第２のヘッド５０３’とを別々に設けると共に両ヘッド間でウェハ５００の移し替えを行うことによって、高圧研磨及び高精度低圧研磨を行うため、エアーラインが複雑化することがないので、装置の安定性の低下を防止することができる。
【０１２６】
尚、本実施形態において、シリンダー下室５１０又は５１０’への加圧によってヘッド５０３又は５０３’及びピストン５０６又は５０６’の合計自重を打ち消したが、これに代えて、シリンダー上室５０７又は５０７’へ印加する圧力を、その精度を劣化させることなく大きくすることができる場合には、シリンダー下室５１０又は５１０’への加圧によってヘッド５０３又は５０３’及びピストン５０６又は５０６’の合計自重を完全に相殺しなくてもよい。
【０１２７】
また、本実施形態において、第１のシリンダー下室５１０に接続された第１の下室用エアーライン５０５ｂを流れるエアーの圧力制御に低圧用の電空レギュレータ５１２を使用したが、高圧研磨時の圧力制御には高精度は要求されないため、上記構成に代えて、高圧用の電空レギュレータ５１２を使用してもよい。
【０１２８】
また、本実施形態において、高圧研磨から低圧研磨に切り替えるタイミング、つまり前記下地層の一部分がウェハ５００面内で露出し始める時点については、例えば第１の定盤５０１若しくは第１のヘッド５０３のモーター回転トルク電流等の変化、又はウェハ５００表面へ光を照射した際の光反射強度の変化等に基づいて検出することができる。或いは、前述のような終点検出を使用せずに高圧研磨及び低圧研磨をそれぞれ時間固定で行ってもよい。
【０１２９】
また、本実施形態において、２つのヘッド５０３及び５０３’に対応させて２つの定盤５０１及び５０１’を設けているが、これに代えて、装置のフットプリントを小さくできること等を目的として、２つのヘッド５０３及び５０３’に対して単一の定盤を用いてもよい。
【０１３０】
また、本実施形態において、高圧研磨に続いて低圧研磨を実施したが、これに代えて、低圧研磨を先に実施し、続いて高圧研磨を実施してもよい。また、研磨圧力を変えた３段階以上のマルチステップ研磨に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【０１３１】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態に係るＣＭＰ装置及びそれを用いた研磨方法について図面を参照しながら説明する。
【０１３２】
図６は、第６の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面構成を示している。
【０１３３】
図６に示すように、本実施形態のＣＭＰ装置の特徴は、図４に示す第４の実施形態に係るＣＭＰ装置と同様のウェハへの圧力印加機構をヘッド部分を除いて複数（例えば２つ）備えていることである。具体的には、第１の研磨パッド６０２が上面に貼り付けられた第１の研磨定盤６０１と、第２の研磨パッド６０２’が上面に貼り付けられた第２の研磨定盤６０１’と、ウェハ６００を保持するためのヘッド６０３と、ヘッド６０３が取り付けられ且つウェハ６００に圧力を印加するための第１のシリンダー６０４と、ヘッド６０３が取り付けられ且つウェハ６００に圧力を印加するための第２のシリンダー６０４’と、第１のシリンダー６０４内に配置され且つ上下方向に移動可能な第１のピストン６０６と、第２のシリンダー６０４’内に配置され且つ上下方向に移動可能な第２のピストン６０６’と、第１のシリンダー６０４内における第１のピストン６０６により区画された上室６０７及び下室６１０にそれぞれ接続された第１の上室用エアーライン６０５ａ及び第１の下室用エアーライン６０５ｂと、第２のシリンダー６０４’内における第２のピストン６０６’により区画された上室６０７’及び下室６１０’にそれぞれ接続された第２の上室用エアーライン６０５ａ’及び第２の下室用エアーライン６０５ｂ’とを備えている。尚、ヘッド６０３は、ウェハ６００を保持した状態で、第１のシリンダー６０４及びその内部の第１のピストン６０６並びに第２のシリンダー６０４’及びその内部の第２のピストン６０６’に対して着脱可能となっている。また、図示していないが、ウェハ６００の裏面は、ヘッド６０３に貼り付けられたバッキングパッドと呼ばれる軟質材に接触する。
【０１３４】
上記の本実施形態のＣＭＰ装置においては、第１のシリンダー６０４内の圧力は第１のピストン６０６及びヘッド６０３を介してウェハ６００に印加されると共に第２のシリンダー６０４’内の圧力は第２のピストン６０６’及びヘッド６０３を介してウェハ５００に印加される。
【０１３５】
第１のシリンダー上室６０７に接続された第１の上室用エアーライン６０５ａには高圧用の電空レギュレータ６０８が接続されており、第１のシリンダー下室６１０に接続された第１の下室用エアーライン６０５ｂには高圧用又は低圧用の電空レギュレータ６１２が接続されている。
【０１３６】
第２のシリンダー上室６０７’に接続された第２の上室用エアーライン６０５ａ’には低圧用の電空レギュレータ６０９が接続されており、第２のシリンダー下室６１０’に接続された第２の下室用エアーライン６０５ｂ’には低圧用の電空レギュレータ６１１が接続されている。
【０１３７】
高圧用の電空レギュレータ６０８の圧力レンジ（場合によっては電空レギュレータ６１２の圧力レンジも）は例えば０〜０．１ＭＰａ（０〜１４．５ｐｓｉ）である。高圧用電空レギュレータの精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、高圧用電空レギュレータの設定圧力には±０．１ｐｓｉ（±０．１×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを上回る誤差、具体的には±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差が存在する。
【０１３８】
低圧用の電空レギュレータ６０９及び６１１の圧力レンジ（場合によっては電空レギュレータ６１２の圧力レンジも）は例えば０〜０．０２ＭＰａ（０〜２．９ｐｓｉ）である。低圧用電空レギュレータの精度がフルレンジの±１％程度であるとすると、低圧用電空レギュレータの設定圧力には±０．０５ｐｓｉ（±０．０５×６．８９５ｋＰａ）程度と同等か又はそれを下回る誤差、具体的には±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）程度の誤差しか存在しない。
【０１３９】
尚、本実施形態では、第１のシリンダー上室６０７へのエアー圧力印加及び第１のシリンダー下室６１０へのエアー圧力印加によって第１のシリンダー６０４が上下に動かないように第１のシリンダー６０４を固定しておくと共に、第２のシリンダー上室６０７’へのエアー圧力印加及び第２のシリンダー下室６１０’へのエアー圧力印加によって第２のシリンダー６０４’が上下に動かないように第２のシリンダー６０４’を固定しておく。
【０１４０】
次に、本実施形態のＣＭＰ装置を用いた研磨方法について説明する。
【０１４１】
まず、ウェハ６００を保持したヘッド６０３を第１のシリンダー６０４及び第１のピストン６０６に取り付けた後、ヘッド６０３及び第１のピストン６０６にはそれぞれ自重があるため、第１のシリンダー下室６１０に第１の下室用エアーライン６０５ｂを通じてエアーを供給することによって、第１のピストン６０６つまりヘッド６０３を上方向に押し、それによって当該自重を相殺する。さらに、この状態において第１のピストン６０６に対して上方向に若干力を加えることによって、ウェハ６００を保持したヘッド６０３を持ち上げた状態にした後、当該ヘッド６０３を、第１の定盤６０１の上面に貼付された第１の研磨パッド６０２上に移動させる。その後、第１のピストン６０６に対する上方向の力を減じることにより、ヘッド６０３を第１の研磨パッド６０２に向けて下降させる。
【０１４２】
尚、図示はしていないが、ウェハ６００上には下地層を介して被研磨層が形成されているものとする。
【０１４３】
また、本実施形態の研磨方法において、ウェハ６００への研磨圧力Ｐは下記の式によって得られる。
【０１４４】
Ｐ＝（Ａ×Ｓ１−Ｂ×Ｓ１＋Ｔ）／Ｓ２
ここで、Ａはシリンダー上室６０７又は６０７’のエアー圧力、Ｂはシリンダー下室６１０又は６１０’のエアー圧力、Ｔはヘッド６０３及びピストン６０６又は６０６’の合計自重、Ｓ１はピストン６０６又は６０６’の面積、Ｓ２はウェハ６００の面積である。
【０１４５】
前述のように、ウェハ６００を保持したヘッド６０３を第１の研磨パッド６０２に押し当てた後、例えば低圧用の電空レギュレータ６１２を用いて第１のシリンダー下室６１０に第１の下室用エアーライン６０５ｂを通じてエアーを印加する。すなわち、第１のピストン６０６を持ち上げる方向に力を加える。そして、これによって、ヘッド６０３及び第１のピストン６０６のそれぞれの自重を打ち消す。同時に、高圧エアーラインである第１の上室用エアーライン６０５ａを通じて、第１のシリンダー上室６０７内に少なくとも３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧エアーを満たす。このとき、ヘッド６０３及び第１のピストン６０６のそれぞれの自重は打ち消されているため、第１のシリンダー上室６０７から第１のピストン６０６への圧力の印加がそのままウェハ６００に印加される荷重となる。具体的には、上式の、ＴとＢ×Ｓ１とが相殺されて０になるため、ウェハ６００に印加される圧力（研磨圧力Ｐ）はＡ×Ｓ１／Ｓ２となる。従って、例えばウェハ６００にかかる圧力を３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）にするためには、ウェハ６００の直径が例えば２００ｍｍ、第１のピストン６０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、第１のシリンダー上室６０７のエアー圧力Ａとして１２ｐｓｉ（１２×６．８９５ｋＰａ）の高圧力が必要となる。一方、ヘッド６０３及び第１のピストン６０６の合計自重Ｔが例えば１５ｋｇｆ（１５×９．８Ｎ）、第１のピストン６０６の直径が例えば１００ｍｍとすると、合計自重Ｔを打ち消すために必要な第１のシリンダー下室６１０のエアー圧力Ｂは２．７ｐｓｉ（２．７×６．８９５ｋＰａ）の低圧力でよい。
【０１４６】
尚、以上のようにウェハ６００を第１の研磨パッド６０２に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第１の研磨パッド６０２上に滴下すると共に第１の研磨定盤６０１及びヘッド６０３を回転させる。これにより、ウェハ６００に対して高圧研磨を実施することができる。
【０１４７】
また、上記高圧研磨においてウェハ６００へかかる圧力（研磨圧力）の誤差は、第１のシリンダー上室６０７のエアー（高圧エアー）圧力Ａの誤差±０．１５ｐｓｉ（±０．１５×６．８９５ｋＰａ）と、第１のシリンダー下室６１０のエアー（低圧エアー）圧力Ｂの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）との合計±０．１８ｐｓｉ（±０．１８×６．８９５ｋＰａ）となり、研磨圧力が３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）以上の高圧研磨においては許容範囲内である。
【０１４８】
次に、前記高圧研磨によって前記被研磨層に対する研磨が進行し、その結果、例えば前記下地層の一部がウェハ６００面内で露出し始めた段階で、第１の研磨定盤６０１上での高圧研磨を終了する。続いて、ウェハ６００を保持したままヘッド６０３を第１のシリンダー６０４及び第１のピストン６０６から取り外して第２のシリンダー６０４’（低圧用の電空レギュレータ６０９を有する圧力印加機構のシリンダー）及び第２のピストン６０６’に取り付ける。その後、第２の下室用エアーライン６０５ｂ’を通じて第２のシリンダー下室６１０’に３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧力エアーを印加する。これにより、第２のピストン６０６’を持ち上げる方向に力を加えてヘッド６０３及び第２のピストン６０６’の合計自重を打ち消し、その後、ウェハ６００を保持したヘッド６０３を第２の定盤６０１’上に移動させる。
【０１４９】
次に、第２の上室用エアーライン６０５ａ’を通じて第２のシリンダー上室６０７’に３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧力エアーを印加する。このとき、ヘッド６０３及び第２のピストン６０６’の合計自重は打ち消されているため、第２のシリンダー上室６０７’から第２のピストン６０６’への圧力の印加がそのままウェハ６００にかかる荷重となる。ここで、ウェハ６００にかかる圧力を例えば０．５ｐｓｉ（０．５×６．８９５ｋＰａ）にするためには、ウェハ６００の直径が例えば２００ｍｍ、第２のピストン６０６’の直径が例えば１００ｍｍとすると、第２のシリンダー上室６０７’のエアー圧力Ａとして２ｐｓｉ（２×６．８９５ｋＰａ）の低圧力が必要となる。一方、ヘッド６０３及び第２のピストン６０６’の合計自重Ｔが例えば１５ｋｇｆ（１５×９．８Ｎ）、第２のピストン６０６’の直径が例えば１００ｍｍとすると、合計自重Ｔを打ち消すために必要な第２のシリンダー下室６１０’のエアー圧力Ｂは２．７ｐｓｉ（２．７×６．８９５ｋＰａ）の低圧力となる。
【０１５０】
尚、以上のようにウェハ６００を第２の研磨パッド６０２’に押し付けた際に、図示していないが、スラリー（研磨液）を第２の研磨パッド６０２’上に滴下すると共に第２の研磨定盤６０１’及びヘッド６０３を回転させる。これにより、ウェハ６００に対して低圧研磨を実施することができる。
【０１５１】
また、上記低圧研磨においてウェハ６００へかかる圧力（研磨圧力）の誤差は、第２のシリンダー上室６０７’のエアー（低圧エアー）圧力Ａの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）と、第２のシリンダー下室６１０’のエアー（低圧エアー）圧力Ｂの誤差±０．０３ｐｓｉ（±０．０３×６．８９５ｋＰａ）との合計±０．０６ｐｓｉ（±０．０６×６．８９５ｋＰａ）となり、研磨圧力が３ｐｓｉ（３×６．８９５ｋＰａ）未満の低圧研磨の圧力精度を向上させることができる。
【０１５２】
以上に説明したように、本実施形態によると、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施できるので、より微細化されたプロセスにおいても、ディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができる。また、高圧エアーラインである第１の上室用エアーライン６０５ａに接続された第１のシリンダー６０４と、低圧エアーラインである第２の上室用エアーライン６０５ａ’に接続された第２のシリンダー６０４’とを設けると共にウェハ６００を保持した状態のヘッド６０３を両シリンダーに対して脱着可能にすることによって、高圧研磨及び高精度低圧研磨を行うため、エアーラインが複雑化することがないので、装置の安定性の低下を防止することができる。また、一般に、ヘッドに対するウェハの脱着と、シリンダーに対するヘッドの脱着とを比較すると、ウェハの脱着においては、ウェハの厚さが薄いこと、ウェハに負荷がかかると割れやすいこと、及びウェハの裏面又は側面しかヘッドと接触しないこと等の理由によって、メカニカルトラブルが発生しやすい。また、ヘッドについてはシリンダーに対して脱着しやすい構造を採用することができるが、ウェハについてはヘッドに対して脱着しやすい構造を採用することは不可能である。それに対して、本実施形態によると、シリンダー６０４及び６０４’に対してヘッド６０３を脱着可能にすることによって、各研磨ステップ間におけるウェハ搬送の安定性を向上させることができる。
【０１５３】
尚、本実施形態において、シリンダー下室６１０又は６１０’への加圧によってヘッド６０３及びピストン６０６又は６０６’の合計自重を打ち消したが、これに代えて、シリンダー上室６０７又は６０７’へ印加する圧力を、その精度を劣化させることなく大きくすることができる場合には、シリンダー下室６１０又は６１０’への加圧によってヘッド６０３及びピストン６０６又は６０６’の合計自重を完全に相殺しなくてもよい。
【０１５４】
また、本実施形態において、第１のシリンダー下室６１０に接続された第１の下室用エアーライン６０５ｂを流れるエアーの圧力制御に低圧用の電空レギュレータ６１２を使用したが、高圧研磨時の圧力制御には高精度は要求されないため、上記構成に代えて、高圧用の電空レギュレータ６１２を使用してもよい。
【０１５５】
また、本実施形態において、高圧研磨から低圧研磨に切り替えるタイミング、つまり前記下地層の一部分がウェハ６００面内で露出し始める時点については、例えば第１の定盤６０１若しくはヘッド６０３のモーター回転トルク電流等の変化、又はウェハ６００表面へ光を照射した際の光反射強度の変化等に基づいて検出することができる。或いは、前述のような終点検出を使用せずに高圧研磨及び低圧研磨をそれぞれ時間固定で行ってもよい。
【０１５６】
また、本実施形態において、２つのシリンダー６０４及び６０４’に対応させて２つの定盤６０１及び６０１’を設けているが、これに代えて、装置のフットプリントを小さくできること等を目的として、２つのシリンダー６０４及び６０４’に対して単一の定盤を用いてもよい。
【０１５７】
また、本実施形態において、高圧研磨に続いて低圧研磨を実施したが、これに代えて、低圧研磨を先に実施し、続いて高圧研磨を実施してもよい。また、研磨圧力を変えた３段階以上のマルチステップ研磨に本発明を適用してもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明は、半導体集積回路の製造工程等において用いられるＣＭＰ装置及びそれを使った研磨方法に関し、同一研磨装置において高圧研磨と高精度な低圧研磨とを実施することによって、より微細化されたプロセスにおいてもディッシングやエロージョン等を低コストで低減させることができるという効果が得られ、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図３】図３は本発明の第３の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図４】図４は本発明の第４の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図５】図５は本発明の第５の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図６】図６は本発明の第６の実施形態に係るＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図７】図７は従来のＣＭＰ装置の概略断面図である。
【図８】図８は従来のＣＭＰ装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１６０】
１００  ウェハ
１０１  定盤
１０２  研磨パッド
１０３  ヘッド
１０４  シリンダー
１０５  エアーライン
１０５ａ  高圧エアーライン
１０５ｂ  低圧エアーライン
１０６  弾性体（メンブレン
１０７  電磁弁
１０８  高圧用電空レギュレータ
１０９  低圧用電空レギュレータ
２００  ウェハ
２０１、２０１’  定盤
２０２、２０２’  研磨パッド
２０３、２０３’  ヘッド
２０４、２０４’  シリンダー
２０５、２０５’  エアーライン
２０６、２０６’  弾性体（メンブレン）
２０７  高圧用電空レギュレータ
２０８  低圧用電空レギュレータ
３００  ウェハ
３０１、３０１’  定盤
３０２、３０２’  研磨パッド
３０３  ヘッド
３０４、３０４’  シリンダー
３０５、３０５’  エアーライン
３０６  弾性体（メンブレン）
３０７  高圧用電空レギュレータ
３０８  低圧用電空レギュレータ
４００  ウェハ
４０１  定盤
４０２  研磨パッド
４０３  ヘッド
４０４  シリンダー
４０５  エアーライン
４０５ａ  高圧エアーライン
４０５ｂ  低圧エアーライン
４０６  ピストン
４０７  シリンダー上室
４０８  電磁弁
４０９  高圧用電空レギュレータ
４１０  低圧用電空レギュレータ
４１１  シリンダー下室
４１２  電空レギュレータ
４１３  下室用エアーライン
５００  ウェハ
５０１、５０１’  定盤
５０２、５０２’  研磨パッド
５０３、５０３’  ヘッド
５０４、５０４’  シリンダー
５０５ａ、５０５ａ’  上室用エアーライン
５０５ｂ、５０５ｂ’  下室用エアーライン
５０６、５０６’  ピストン
５０７、５０７’  シリンダー上室
５０８  高圧用電空レギュレータ
５０９  低圧用電空レギュレータ
５１０、５１０’  シリンダー下室
５１１  低圧用電空レギュレータ
５１２  電空レギュレータ
６００  ウェハ
６０１、６０１’  定盤
６０２、６０２’  研磨パッド
６０３  ヘッド
６０４、６０４’  シリンダー
６０５ａ、６０５ａ’  上室用エアーライン
６０５ｂ、６０５ｂ’  下室用エアーライン
６０６、６０６’  ピストン
６０７、６０７’  シリンダー上室
６０８  高圧用電空レギュレータ
６０９  低圧用電空レギュレータ
６１０、６１０’  シリンダー下室
６１１  低圧用電空レギュレータ
６１２  電空レギュレータ
【図１】
2007088041.tif 000003
【図２】
2007088041.tif 000004
【図３】
2007088041.tif 000005
【図４】
2007088041.tif 000006
【図５】
2007088041.tif 000007
【図６】
2007088041.tif 000008
【図７】
2007088041.tif 000009
【図８】
2007088041.tif 000010