(57)【要約】【課題】ベルト式ＣＭＰ装置による研磨において、基板の表面凹凸を緩和することを目的とする。【解決手段】ベルト式ＣＭＰ装置による研磨において、研磨布１の溝方向と、研磨布１の溝方向に対して被研磨半導体基板８が相対的に移動する方向とに一定の角度の差を持たせることにより、半導体基板内の位置と研磨剤寄与率との関係が一定となり、半導体基板全面で研磨レートが一定となるので、半導体基板表面の凹凸を抑制することができる。【選択図】図１
2009233816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に多数の微小幅の溝が一定の間隔を持って互いに平行に形成された研磨布を貼り付けたベルトを走行させることにより、前記研磨布に押し付けられた被研磨基板の表面を研磨する基板研磨方法であって、
前記研磨布の溝の長さ方向と、前記研磨布の溝の長さ方向に対して前記被研磨基板が相対的に移動する方向との間に一定の角度の差を持たせて前記被研磨基板の表面を研磨することを特徴とする基板研磨方法。
【請求項２】
前記角度の差を持たせるために、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向が異なるように前記研磨布を前記ベルトに貼り付けることを特徴とする請求項１記載の基板研磨方法。
【請求項３】
前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向とがなす角度が１°〜５°であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の基板研磨方法。
【請求項４】
前記角度の差を持たせるために、前記研磨布の溝の長さ方向と異なる方向に前記被研磨基板を往復運動させながら前記被研磨基板の表面を研磨することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の基板研磨方法。
【請求項５】
前記角度の差を持たせるために、前記ベルトを前記ベルト上の１点を中心に円弧状に揺動させながら前記被研磨基板の表面を研磨することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の基板研磨方法。
【請求項６】
前記揺動の速度を前記ベルト中の位置に応じて可変可能とすることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の基板研磨方法。
【請求項７】
研磨布が貼り付けられたベルトを走行させることにより、前記研磨布に押し付けられた被研磨基板の表面を研磨する基板研磨装置であって、
前記研磨布の表面には多数の微小幅の溝が一定の間隔を持って互いに平行に形成され、
前記研磨布の溝の長さ方向と、前記研磨布の溝の長さ方向に対して前記被研磨基板が相対的に移動する方向との間に一定の角度の差を持つ構造であることを特徴とする基板研磨装置。
【請求項８】
前記角度の差を持たせるために、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向が異なるように前記研磨布が前記ベルトに貼り付けられることを特徴とする請求項７記載の基板研磨装置。
【請求項９】
前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向とがなす角度が１°〜５°であることを特徴とする請求項８記載の基板研磨装置。
【請求項１０】
前記研磨布の長さ方向と前記研磨布の溝の長さ方向が平行になるように前記研磨布の溝が形成され、前記ベルト上に前記ベルトの走行方向と異なる方向に直線状に並べられた複数の位置決めピンが設けられ、前記複数の位置決めピンに沿って前記研磨布を前記ベルト貼り付けることにより、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向との間に前記一定の角度の差を持つようにすることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載の基板研磨装置。
【請求項１１】
前記研磨布の長さ方向と前記研磨布の溝の長さ方向が平行になるように前記研磨布の溝が形成され、前記ベルト上に前記ベルトの走行方向と異なる方向に形成された当て板が設けられ、前記当て板に沿って前記研磨布を前記ベルトに貼り付けることにより、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向との間に前記一定の角度の差を持つようにすることを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれかに記載の基板研磨装置。
【請求項１２】
前記角度の差を持たせるために、前記研磨布の溝の長さ方向と異なる方向に前記被研磨基板を往復運動させるリニアガイドを備えることを特徴とする請求項７〜請求項１１のいずれかに記載の基板研磨装置。
【請求項１３】
前記角度の差を持たせるために、前記ベルトが前記ベルト上の１点を中心に円弧状に揺動することを特徴とする請求項７〜請求項１１のいずれかに記載の基板研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体基板、液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディスプレイ用ガラス基板等よりなる基板の表面を平坦化処理するため、被研磨基板を研磨布（研磨パッド）に押し付けて研磨する基板研磨方法（化学機械研磨（ＣＭＰ）法）および基板研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１９９０年以降、半導体基板や液晶基板に対する化学機械研磨（ＣＭＰ）においては、基板が大型化しており、特に半導体基板では直径が２０ｃｍから３０ｃｍへと大口径化するとともに研磨が枚葉処理化される傾向にある。また、半導体基板を研磨する場合には、半導体基板に形成される集積回路パターンのサイズが非常に微細化しているために、半導体基板の全面に亘って、さらに一層均一な研磨が要求されるようになってきた。ＣＭＰ装置を用いる化学機械研磨プロセスにおいてさまざまな膜質，膜構造が対象となるが、トランジスタゲート寸法１００ｎｍ以下の微細プロセスに用いられるＣｕデュアルダマシン構造における研磨が主流となる中、研磨開始時から終了時まで同一の材質を研磨し、研磨終了時に凹凸をなくし、適切な膜厚を確保する必要性のあるＩＬＤ（層間絶縁膜：ＩｎｔｅｒＬａｙｅｒ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）研磨においても、まだまだ平坦化要望がある。
【０００３】
例えば、複数の画素部を含む画素領域と、画素部を駆動させる周辺回路を含む周辺回路領域とを備えたイメージセンサにおけるデバイス構造での層間膜平坦化である。チップ中央に画素セルを数百万個配置しているために画素領域の層間絶縁膜表面が周辺領域より高くなり、画素領域と周辺回路領域の層間膜の研磨体積が異なるためグローバル段差がより大きくなったり、画素領域の大きさにグローバル段差が依存してしまう。グローバル段差が発生すると、層間膜上に形成するマイクロレンズからの入射光の斜入射特性、感度特性が劣化してしまう。また、近年においては画素のセルサイズの微細化に伴い、斜入射特性、感度特性を維持するために、層間膜の薄膜化，層間膜の膜厚ばらつきの制御が問われている。
【０００４】
ＣＭＰの中でも特に研磨パッドがベルト状になったベルト式研磨装置は、平坦化研磨能力が高いと一般に言われており、以下、ベルト式化学機械研磨方式の半導体用研磨装置および半導体基板の研磨方法について図１４〜図１８を参照しながら説明することとする。
【０００５】
図１４は従来のベルト式ＣＭＰ装置の主要構成を示す概略図であり、図１４（ａ）はベルトの研磨面を示す平面図、図１４（ｂ）は側面図である。図１５は従来のベルト式ＣＭＰ装置で処理した半導体基板の表面の緩衝縞模様を示す図、図１６は従来のベルト式ＣＭＰ装置で研磨処理した後の膜厚分布図である。図１７は従来のベルト式ＣＭＰ装置における研磨布溝構造を示す概略図であり、図１７（ａ）は研磨面の平面図、図１７（ｂ）は断面図である。図１８は従来のベルト式ＣＭＰ装置における半導体基板の位置と研磨の状況との関係を説明する図であり、図１８（ａ）はは研磨面の平面図、図１８（ｂ）は断面図である。
【０００６】
図１４において、ベルト２は薄い板（例えば、薄い鉄板）に独立気泡型ポリウレタン樹脂や不織布等からなる研磨布（研磨パッド）１を貼り付けたものである。ベルト２を回転ドラム４にかけ、回転軸３を回転させる事により貼りつけた研磨布（パッド）１も回転する。研磨布１の上では研磨中に研磨剤供給装置９から研磨剤（スラリー）１０が所定量づつ供給されるようになっている。研磨布１の上方では、回転機構部５を持つ研磨ヘッド６が研磨ヘッド上下移載機構１１より駆動される。研磨ヘッド６は半導体基板８を吸着するための吸着機構、研磨ヘッド６の下面に貼られた緩衝剤（バッキングフィルム）７、基板の飛び出し防止の為のガイドリングで主に構成される。
【０００７】
ベルト式ＣＭＰ装置は定盤式ＣＭＰ装置と比較して次のような利点を有している。ＣＭＰに用いられる研磨布の構造として、単層の研磨布と単層研磨布にウレタンフォームを組み合わせる積層の研磨布があり、各々研磨布の硬度（圧縮率）が異なる。定盤式ＣＭＰ装置において、積層の研磨布より単層の研磨布を用いると硬度が高い（圧縮率が低い）ためにチップ内のグローバル平坦度は良化するが、研磨レートの面内均一性は半導体基板に対する研磨パッドの弾性力が小さくなるため基板外周部で悪化すると言うトレードオフの関係がある。ベルト式ＣＭＰ装置では柔軟性を有するベルトを用いるため、単層研磨布を用いても量産研磨工程が許容される研磨レートの面内均一性の規格内に抑えることが可能であり、かつベルトの高移動速度による半導体基板と研磨布との相対速度が早いことからチップ内の高グローバル平坦度を維持することができる。
【０００８】
次に研磨の方法を説明する。半導体基板８を緩衝材７に真空吸着保持し、研磨ヘッド上下移載機構１１より研磨ヘッド６全体を研磨布１の直上に移動する。その後、半導体基板８の真空による吸着を停止し、純水によって湿潤された緩衝材７による純水の表面張力によって半導体基板８を緩衝材７に保持する。その際、半導体基板８自身が有する反り及び半導体基板８の厚みバラツキは緩衝材７がある程度の柔軟性を有するので、その変形によって吸収される。次に、研磨ヘッド６に対して下向きの押圧力を加えると共に、砥粒を含んだ研磨剤１０を研磨剤供給装置９から研磨布（パッド）１の上に滴下しながらベルト２と研磨ヘッド６を回転させ、相対速度を与える。これにより、半導体基板８の研磨面は研磨布１と摺接するので、半導体基板８の表面の凹凸は研磨によって緩和され平坦化することができる。
【０００９】
この方法により、研磨ヘッド６を通じて半導体基板８裏面側から十分な圧力を均等に押し付けることによって半導体基板８の面内に働く圧力分布を均一化すると共に、研磨布１表面と半導体基板８表面とを十分な平行度を保ちながらベルト２の移動速度を上昇すると半導体基板８と研磨布１との相対速度が上昇し、その結果として半導体基板８表面の集積回路パターンによる凹凸をほぼ完全に平坦化することができる。
【００１０】
ＣＭＰを用いて例えば多層配線の層間絶縁膜表面を平坦化する加工においては、表面の凹凸をなくすように研磨することはもちろん、研磨して平坦化を終了した後の層間絶縁膜膜厚を設計どおりの膜厚にする必要があり、この意味で研磨レートおよびその均一性が重要である。従来から研磨レートの半導体基板面内均一性は以下の式（１）が使用されてきた。
【００１１】
【数１】
2009233816.tif 000003
ここで分母の研磨レートは半導体基板内の各点の研磨レートの平均値である。
【特許文献１】特表２００１−５１１７１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記のようなＣＭＰ装置を用いる平坦化研磨工程において、局部的な研磨レートのばらつきが示唆するものとして、本発明者らは以下の事実があることを発見した。ＣＭＰ装置の工程管理として、装置の研磨布交換等のメンテ後及び一定のロット数の処理後、処理間の空いた時間に応じ研磨レート測定が実施できるが、研磨レートの測定には事前に金属配線なしの層間絶縁膜を積層した凹凸なしの基板（以下、モニタ−基板）を用いて行った。その結果、層間絶縁膜研磨後、モニター基板の表面には図１５に示すように幅の狭い同心円状の緩衝縞模様３０が多く見受けられ、層間絶縁膜の膜厚が研磨によって薄くなるほど顕著であることが観察された。
【００１３】
図１６は、直径２００ｍｍで層間絶縁膜が形成されたモニタ−基板研磨後の層間絶縁膜膜厚の面内分布を示す図である。横軸に半導体基板の中心からの距離、縦軸に研磨後の膜厚を示している。膜厚測定間隔は０．５ｍｍである。層間絶縁膜膜厚の面内分布には一定周期があることと、周期内で膜厚の高低差があることから、同心円状の緩衝縞模様はこれが原因であると推定された。更に研磨量が多くなるにつれて周期内の膜厚差が徐々に拡大されることも推定された。
【００１４】
本発明者らはこのような周期的膜厚分布発生原因について検討した。図１７はベルト式ＣＭＰ装置の研磨布を示す平面図および断面図であるが、研磨布１は独立気泡ポリウレタン樹脂や不織布等からなり、多数の微細なる穴（ポア）が埋め込まれた構造をしている。研磨布の溝３１は研磨中における研磨剤の供給、保持、排出を容易にする目的で加工され、溝３１と溝３１の間の研磨布上で流れる研磨剤が研磨布上の微細な穴を介して基板の研磨に寄与する。ベルト式ＣＭＰ装置ではベルトの進行方向に研磨剤を流す必要があるため必然的に直線方向に溝を加工する直線溝となる。そこで膜厚変動の周期が研磨布の溝の周期と一致していると想定し、研磨布の溝幅３３を固定し、溝間隔３２を変更して実験を行った結果、研磨布の溝幅３３、溝間隔３２に応じて、同心円状の縞模様が発生することを確認した。このような研磨布の溝を反映した研磨不均一性による層間膜の膜厚ばらつきは、最近の焦点深度が浅く高解像度のリソ工程でのパターン寸法ばらつき、ウエハ面内のビア抵抗のばらつきを招き、イメージセンサにおいては画素エリアにおける画像光斜入射特性、感度特性のばらつきの原因となるため半導体集積回路製造において問題である。
【００１５】
図１８は研磨された層間絶縁膜膜厚の周期的高低差が発生する原因を説明する図である。ベルト式研磨装置の研磨布１上においては、研磨布上に滴下された研磨剤１０は研磨布１の溝３１に沿って直線状に流れ、溝３１内部にある研磨剤１０は半導体基板８の研磨に直接には寄与しない。研磨布１の溝３１内部には研磨ヘッド６からの一定の圧力がかからず、また、研磨剤１０が研磨布１に形成された空孔を介して研磨剤１０を半導体基板８の被研磨面に供給できないためである。又、研磨布１に供給される研磨剤１０を半導体基板８の中心が通過する線上に滴下した場合、研磨布上の半導体基板８の中心が通過する線上には常に研磨剤１０が最大量供給されるが、半導体基板８が研磨布１に対して相対的に運動する中心線からの距離が大きくなるほど供給量が徐々に少なくなる。以上のことを考慮すると被研磨基板に対する研磨剤１０の寄与する研磨布上の箇所３４は溝３１に挟まれ、被研磨基板に直接接触する凸部となる。
【００１６】
３５は半導体基板上のある一点が半導体基板８の回転によって描く半導体基板上に固定された座標から見た軌跡を表すが、この軌跡は半導体基板８が１回転することによって研磨剤１０の寄与する箇所３４を４カ所通過することがわかる。また、軌跡３６は研磨剤１０の寄与する箇所３４を６カ所通過することがわかり、このように半導体基板上の位置によって場所３４を通過する回数が異なる。実際の研磨中に半導体基板のある１点が１回転する間に研磨剤１０の寄与する箇所３４を通過する長さは、通過回数とともに、ベルト２が直線運動することによる長さが加わる。こうして全体として半導体基板８のある１点が研磨剤１０の寄与する箇所３４を通過する長さはその点の半導体基板上での位置によって異なり、したがってその点での研磨量が異なるため層間絶縁膜の膜厚の周期的分布が生じるという結論に至った。そして、研磨剤１０は研磨布１の研磨剤１０が滴下される中心から端に行くに連れ供給量は少なくなるため、場所３４上の研磨剤１０の寄与度は必然的に少なくなって研磨レートが低下するので、図１６に示すように基板の端部の研磨後膜厚は厚くなると考えられる。
【００１７】
したがって、ベルト式ＣＭＰ装置による研磨において、基板の表面凹凸を緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の基板研磨方法は、表面に多数の微小幅の溝が一定の間隔を持って互いに平行に形成された研磨布を貼り付けたベルトを走行させることにより、前記研磨布に押し付けられた被研磨基板の表面を研磨する基板研磨方法であって、前記研磨布の溝の長さ方向と、前記研磨布の溝の長さ方向に対して前記被研磨基板が相対的に移動する方向との間に一定の角度の差を持たせて前記被研磨基板の表面を研磨することを特徴とする。
【００１９】
請求項２記載の基板研磨方法は、請求項１記載の基板研磨方法において、前記角度の差を持たせるために、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向が異なるように前記研磨布を前記ベルトに貼り付けることを特徴とする。
【００２０】
請求項３記載の基板研磨方法は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の基板研磨方法において、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向とがなす角度が１°〜５°であることを特徴とする。
【００２１】
請求項４記載の基板研磨方法は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の基板研磨方法において、前記角度の差を持たせるために、前記研磨布の溝の長さ方向と異なる方向に前記被研磨基板を往復運動させながら前記被研磨基板の表面を研磨することを特徴とする。
【００２２】
請求項５記載の基板研磨方法は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の基板研磨方法において、前記角度の差を持たせるために、前記ベルトを前記ベルト上の１点を中心に円弧状に揺動させながら前記被研磨基板の表面を研磨することを特徴とする。
【００２３】
請求項６記載の基板研磨方法は、請求項４または請求項５のいずれかに記載の基板研磨方法において、前記揺動の速度を前記ベルト中の位置に応じて可変可能とすることを特徴とする。
【００２４】
請求項７記載の基板研磨装置は、研磨布が貼り付けられたベルトを走行させることにより、前記研磨布に押し付けられた被研磨基板の表面を研磨する基板研磨装置であって、前記研磨布の表面には多数の微小幅の溝が一定の間隔を持って互いに平行に形成され、前記研磨布の溝の長さ方向と、前記研磨布の溝の長さ方向に対して前記被研磨基板が相対的に移動する方向との間に一定の角度の差を持つ構造であることを特徴とする。
【００２５】
請求項８記載の基板研磨装置は、請求項７記載の基板研磨装置において、前記角度の差を持たせるために、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向が異なるように前記研磨布が前記ベルトに貼り付けられることを特徴とする。
【００２６】
請求項９記載の基板研磨装置は、請求項８記載の基板研磨装置において、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向とがなす角度が１°〜５°であることを特徴とする。
【００２７】
請求項１０記載の基板研磨装置は、請求項７〜請求項９のいずれかに記載の基板研磨装置において、前記研磨布の長さ方向と前記研磨布の溝の長さ方向が平行になるように前記研磨布の溝が形成され、前記ベルト上に前記ベルトの走行方向と異なる方向に直線状に並べられた複数の位置決めピンが設けられ、前記複数の位置決めピンに沿って前記研磨布を前記ベルト貼り付けることにより、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向との間に前記一定の角度の差を持つようにすることを特徴とする。
【００２８】
請求項１１記載の基板研磨装置は、請求項７〜請求項９のいずれかに記載の基板研磨装置において、前記研磨布の長さ方向と前記研磨布の溝の長さ方向が平行になるように前記研磨布の溝が形成され、前記ベルト上に前記ベルトの走行方向と異なる方向に形成された当て板が設けられ、前記当て板に沿って前記研磨布を前記ベルトに貼り付けることにより、前記ベルトの走行方向と前記研磨布の溝の長さ方向との間に前記一定の角度の差を持つようにすることを特徴とする。
【００２９】
請求項１２記載の基板研磨装置は、請求項７〜請求項１１のいずれかに記載の基板研磨装置において、前記角度の差を持たせるために、前記研磨布の溝の長さ方向と異なる方向に前記被研磨基板を往復運動させるリニアガイドを備えることを特徴とする。
【００３０】
請求項１３記載の基板研磨装置は、請求項７〜請求項１１のいずれかに記載の基板研磨装置において、前記角度の差を持たせるために、前記ベルトが前記ベルト上の１点を中心に円弧状に揺動することを特徴とする。
【００３１】
以上により、ベルト式ＣＭＰ装置による研磨において、基板の表面凹凸を緩和することができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ベルト式ＣＭＰ装置による研磨において、研磨布の溝方向と、研磨布の溝方向に対して被研磨基板が相対的に移動する方向とに一定の角度の差を持たせることにより、基板内の位置と研磨剤寄与率との関係が一定となり、基板全面で研磨レートが一定となるので、基板表面の凹凸を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る基板研磨方法について図１〜図７に基づいて説明する。
【００３４】
図１は第１の実施形態におけるＣＭＰ装置の基本形態を説明する図であり、図１（ａ）は概略斜視図、図１（ｂ）は第１の実施形態におけるＣＭＰ装置の研磨面を示す平面図、図１（ｃ）は従来のＣＭＰ装置の研磨面を示す平面図である。図２は第１の実施形態における研磨軌跡を示す図であり、図２（ａ）は半径２５ｍｍの半導体基板における研磨軌跡を示す図、図２（ｂ）は半径５０ｍｍの半導体基板における研磨軌跡を示す図、図２（ｃ）は半径１００ｍｍの半導体基板における研磨軌跡を示す図である。図３は従来の半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図であり、図３（ａ）は半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図、図３（ｂ）はさらに半導体基板を回転させた状態でのシミュレーション結果である。図４は第１の実施形態における半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図であり、図４（ａ）は半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図、図４（ｂ）は角度を１°とした場合のシミュレーション結果、図４（ｃ）は角度を５°とした場合のシミュレーション結果である。図５は第１の実施形態における半導体基板内位置と研磨レートの関係を示す図である。図６は従来の研磨剤の供給位置をＹ軸方向にオフセットを持たせた場合の半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図であり、図６（ａ）は半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図、図６（ｂ）はシミュレーション結果である。図７は第１の実施形態における研磨布の装着状態を説明する図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は位置止めピンを用いて研磨布を貼り付けた場合のベルトを示す断面図、図７（ｃ）は当て板を用いて研磨布を貼り付けた場合のベルトを示す断面図である。
【００３５】
図１に示すように、本発明によるＣＭＰ装置は図１４に示した構造を基本としており、研磨ヘッド６は半導体基板８を保持し、半導体基板８の裏面より研磨ベルト２、研磨布１に向けて圧力を加えて研磨するが、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、半導体基板８に供給される研磨剤１０が研磨布１上で流れる方向、すなわち研磨布１の溝の方向と、被研磨半導体基板８を保持し回転させる研磨ヘッド６と研磨布１との相対的移動方向とのなす角度が０°より大きい傾斜角度に設定されていることに特徴がある。このＣＭＰ装置によると研磨布１を、研磨布１の表面に形成されている溝の方向がベルト２上にベルトの走向方向に対して傾斜角度を有するようにとりつけて（貼り付けて）、半導体基板８を研磨する。以下に従来の研磨方法および本発明の研磨方法の研磨シミュレーション結果、実験結果の比較により本発明の作用効果を説明する。
【００３６】
研磨シミュレーションは以下の条件の下に行った。図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＣＭＰ装置における研磨布１と半導体基板８との位置関係を示す平面図である。ベルト２は図１（ａ）で示すように実際には無端ベルトであるがシミュレーションのためにモデル化し、ベルト長と同一の長さをもつ平板すなわちベルトを平面展開したものとする。半導体基板研磨中、ベルト２はＸ軸方向に移動し、同時に半導体基板８は研磨ヘッド６に固定された点Ｐを中心として反時計回りに回転するものとする。また、研磨布１はベルト２に対して一定の角度で貼り付けられており、ベルト２の進行方向と研磨布１上の溝方向とが一定の角度でずらされている。ＸＹ座標軸はベルト２の一端に固定されている。また、図１においてｒ、ｗ、Ｖｂは、それぞれ、
ｒ：半導体基板８の中心Ｐ（半導体基板８の回転中心）から半導体基板８上の点Ｚ間の距離
ω：半導体基板８の回転角速度
Ｖｂ：ベルト移動速度
θ：半導体基板８の回転位相角
であり、Ｄは研磨布１上に多数平行に形成された溝の方向である。図１（ｂ）の平面図において半導体基板中心Ｐがベルト原点Ｏから−ｘ軸方向にオフセットし、半導体基板８の初期位相角度θを０度としている状態を初期状態とし、半導体基板上の点Ｚの研磨時間ｔを変数とし、ベルト２がＸ軸上で＋方向に動くとすると半時計周りに回転運動している被研磨半導体基板上のある点Ｚの位置は、研磨処理中は下記式（２），式（３）により表すことができる。
【００３７】
Ｚｘ（ｔ）＝−Ｐ−Ｖｂｔ＋ｒｃｏｓ（ωｔ）                （２）
Ｚｙ（ｔ）＝ｒｓｉｎ（ωｔ）                              （３）
また、図１（ｃ）は従来の研磨方法における配置であるが上と同じ式が成立する。
【００３８】
図２はベルト式ＣＭＰ装置を用いた場合の被研半導体磨基板上の１点Ｚが研磨布１上に描く軌跡のシミュレーション結果を示す例であり、半径ｒが２５ｍｍ（図２（ａ））、５０ｍｍ（図２（ｂ））、１００ｍｍ（図２（ｃ））の場合を描いている。
【００３９】
図２では、研磨ヘッドの回転数を２０ｒｐｍ、ベルト移動速度Ｖｂを１ｍ／ｓｅｃ、研磨時間６０ｓｅｃとし、軌跡がベルト左端に到達した場合はベルト１周分移動したことと捕らえ、ベルト左端のＹ座標をベルト右端のＹ座標として軌跡を描くものとする。ベルト式ＣＭＰ装置の特徴であるベルト速度が研磨ヘッドの回転速度より十分に高いため、ベルトの移動方向と研磨ヘッドの回転方向で形成される移動ベクトルの傾きはベルトの移動方向とほぼ同じであり、研磨ヘッドの回転数をある程度変更しても、基板上のＺ点はほぼ同じ領域を通過する。
【００４０】
図２は単に研磨布上に描く軌跡であって、実際の研磨レートなどを求めるためには被研磨半導体基板上のＺ点が研磨布上に描く軌跡における研磨剤１０の寄与率を求める必要がある。研磨布上に描く軌跡上に研磨剤１０があれば全て研磨に寄与するが、実際には図１８に関連して説明したように、研磨布上全てに研磨剤１０が存在するわけではないので、研磨に寄与する箇所と寄与しない箇所が存在する。シミュレーションを行うために、研磨布上に研磨材１０がＹ軸上で滴下され、図１における研磨布１の幅方向であるＹ軸を中心とする３０ｍｍ以内の領域で流れる研磨剤１０はＸ軸方向のどこでも１００％寄与し、Ｙ軸上３０〜５０ｍｍの領域で流れる研磨剤１０はＸ軸方向のどこでも５０％寄与し、Ｙ軸上５０〜７０ｍｍの領域で流れる研磨剤１０はＸ軸方向のどこでも２５％寄与するとする。これを図３（ａ）に示す。また研磨布１の溝幅３３を３ｍｍ、溝間隔３２を３ｍｍとする。
【００４１】
図３（ｂ）は以上のように研磨条件を設定し、図１（ｃ）に示す従来の研磨方法、すなわちベルト２の走向方向と研磨布１に形成された溝の方向を平行にし、さらに被研磨半導体基板８を回転させて研磨した場合の、研磨剤１０の半導体基板研磨に対する寄与率のシミュレーション結果である。横軸は半導体基板中心からの距離である。半導体基板中心からの各点における半導体基板８に対する研磨剤寄与率は、研磨中被研磨半導体基板上の各点が一定時間に研磨布上に描く軌跡長に対する図１８で説明した研磨材１０が研磨に寄与する領域３４にある長さの割合と図３（ａ）の寄与率分布を考慮した量である。半導体基板８に対する研磨剤寄与率が高いことは研磨レートが高いことを意味し、設定した研磨布１の溝間隔３ｍｍに合わせて半導体基板８に対する研磨剤寄与率が周期的に変化することが分かる。このシミュレーション結果は被研磨半導体基板上に高研磨レート、低研磨レートが交互に存在することを意味し、同心円状の緩衝縞が発生する事実と定性的に一致する。
【００４２】
これに対する、本発明による研磨方法を用いた場合の研磨シミュレーション結果を図４に示す。シミュレーションにおける研磨布１の溝幅３３は３ｍｍ、溝間隔３２は３ｍｍであり、図３の場合と同一である。本発明においては、研磨中のベルト２の走向方向と研磨布１に形成された溝の方向とのなす角度が０°より大きい角度となっているので、図１（ｂ）に示す配置を参照すると、研磨布１のＹ軸の負領域では研磨材寄与率が高い領域が広くなり、Ｙ軸の正領域では研磨材寄与率が小さい領域が広くなると言う非対称性を示す。従来の研磨方法によると、図３のように研磨布１に対する研磨剤寄与度は被研磨半導体基板８の直径方向に対し研磨材の研磨に対する寄与が大きい領域と小さい領域とが交互にできていたが、研磨剤の流れ方向、溝の方向と研磨布走向方向に角度を設けることによって被研磨半導体基板８の直径方向に対し研磨材１０の寄与率が均一化していることが分かる。
【００４３】
図４（ｂ）は角度を１度にした場合であり、図４（ｃ）は角度を５度とした場合である。このように角度を大きくすることによって被研磨半導体基板面内での研磨剤寄与率の周期性がくずれ、半導体基板中心からの各点の近傍をみると研磨剤寄与率はほぼ同等となる。特に半導体基板中心からの距離５０ｍｍ以降の研磨剤寄与率は基板中心部の研磨剤寄与率に近づく。
【００４４】
図５は、上記角度を１°に設定して半導体基板８を研磨したときの研磨レートを示すグラフで、横軸は被研磨半導体基板中心からの距離、縦軸は研磨レート、研磨布１に形成された溝間隔Ａ＜Ｂである。図５のように、研磨シミュレーション同様に研磨レートの周期的変動は見られないことがわかる。
【００４５】
図６は本発明のような角度をつけずに（０°）、図１（ｃ）に示すように研磨剤１０の供給位置をＹ軸＋方向にずらせた場合の研磨剤寄与度と半導体基板内位置との関係であり、図６（ａ）のように研磨布１に対する研磨材寄与度は左右対象な分布をしているがＹ軸に関してオフセットしている。図６（ｂ）に示すようにオフセットの変更だけでは半導体基板８に対する研磨の研磨剤寄与率の周期性を無くすことはできない。
【００４６】
ベルト式ＣＭＰ装置を用いる本発明の研磨方法は、図７に示すようにして具体的に実施することができる。すなわち、ＣＭＰ装置のベルト２の走向方向に対して研磨布１に形成された溝の方向が平行とはならない角度をなすように傾斜をもって貼り付けるようにする（図７（ａ））。研磨布１の裏面３９はテープ構造となっており、研磨布１の端をベルト２にベルトの走行方向と異なる方向に直線状に並べて固定された複数の位置決めピン４０に沿ってベルト２上に貼ることによって、傾斜をもって貼ることが可能である（図７（ｂ））。位置決めピン４０はベルト２に圧入して埋め込まれており、ベルト２の全長、研磨布の溝幅にもよるが、上記シミュレーション結果を踏まえて少なくとも１度以上の角度をもつように貼り付ける。研磨布１を貼る角度が大きければ大きい程、被研半導体磨基板に対し研磨剤１０が被研磨半導体基板面内に均一に寄与することが可能であるが、角度は１°〜５°とするのが望ましい。５°以上にしても５°のときとほぼ同じ寄与率であり、研磨布の角度を有する貼り付けかたはベルト幅を増やさなければならず、設備のフットプリントの大型化を招く。位置決めピン４０の代わりにベルトの走行方向と異なる方向に形成された研磨布１の厚み以下の当て板４１を貼り付けても同様の効果が得られる。つまり、図７（ｃ）に示すように、当て板４１は、例えばベルト２と同材質で長方形の板であり、ベルト２と溶接にて貼り付けられており、位置決めピン４０と同様、当て板４１に沿って研磨布１をベルト２に貼ることが可能である。
【００４７】
以上のように、ベルトの走行方向と研磨布の溝方向とに角度を持たせて研磨することにより、ベルトの１回転毎に半導体基板の任意の点と研磨布との接点がずれていくため、半導体基板内の位置と研磨剤寄与率との関係が一定となり、半導体基板全面で研磨レートが一定となるので、半導体基板表面の凹凸を抑制することができる。また、高グローバル平坦度、研磨レートの面内均一性が優れるベルト式ＣＭＰ装置による研磨を提供することにより、電子デバイスの品質を安定させることができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態におけるＣＭＰ装置による研磨について図８〜図１３を用いて説明する。
【００４８】
図８は第２の実施形態におけるＣＭＰ装置の基本形態を説明する図であり、本発明の研磨方法を実施するための第２の実施形態に使用されるＣＭＰ装置の概略図である。図８において研磨ヘッド６は半導体基板８を保持し、半導体基板８の裏面より研磨ベルト２、研磨布１に向けて圧力を加えて研磨するが、研磨ヘッド６が研磨布１に形成された溝と平行とはならない一定の角度を有しながら揺動する機構を備えていることが特徴である。研磨ヘッド上下移載機構１１はリニアガイド５１に設置され、サーボモータ５２により５３、５４方向に往復運動を繰り返すことが可能である。これ以外の図１４に示したものと同様の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００４９】
このように、ベルト２の走行方向と研磨布１の溝の方向が同一であっても、研磨ヘッド６を溝の方向と同一でない方向で往復運動を繰り返すことにより、第１の実施形態と同様に、ベルトの１回転毎に半導体基板８の任意の点と研磨布１との接点がずれていくため、半導体基板内の位置と研磨剤寄与率との関係が一定となり、半導体基板全面で研磨レートが一定となるので、半導体基板表面の凹凸を抑制することができる。
【００５０】
図９は第２の実施形態におけるベルトに対する半導体基板の相対位置移動の様子を示す図であり、図８のＣＭＰ装置に取り付けた研磨布１と半導体基板８との研磨中における位置関係を示す平面図である。被研磨半導体基板８の研磨に際して、ベルト２はＸ軸方向に移動し、研磨ヘッド６は被研磨半導体基板８の中心を軸として被研磨半導体基板８を回転運動させ、さらにＹ軸と角度α（α≠９０°）で被研磨半導体基板８に揺動運動が与えられる。図９において、ｒは半導体基板中心Ｐ（半導体基板８の回転中心）から半導体基板上の点Ｚまでの距離、ωは半導体基板８の回転各速度、Ｖｂはベルト移動速度、αは半導体基板８の揺動角度、Ｉは半導体基板８の揺動距離、Ｖｃは半導体基板８の揺動速度である。半導体基板８の揺動距離Ｉは研磨ヘッド上下移載機構１１に設置した研磨ヘッド６が水平方向に移動する距離であり、片道の移動距離の値である。
【００５１】
半導体基板中心Ｐがベルト原点Ｏから−ｘ軸方向にオフセットし、半導体基板８の初期位相角度を０度としている状態を初期状態とし、ベルト２に固定されたＸＹ座標系における半導体基板上の点Ｚの研磨時間ｔを変数とすると、半導体基板研磨中の被研磨半導体基板上における点Ｚの位置は下記式（４），式（５）により表せる。
【００５２】
Ｚｘ（ｔ）＝−Ｐ−Ｖｂｔ＋ｒｃｏｓ（ωｔ）＋Ｖｃｓｉｎα・ｔ        （４）
Ｚｙ（ｔ）＝ｒｓｉｎ（ωｔ）−Ｖｃｓｉｎα・ｔ                      （５）
図１０は第２の実施形態における研磨軌跡を示す図であり、図９で示すベルト式ＣＭＰ装置を用いて研磨する場合、被研磨半導体基板上の１点Ｚが研磨布上に描く軌跡のシミュレーションを第１の実施形態と同様にして行った例を示す。図１０（ａ）は被研磨基板中心から半径２５ｍｍにある点、図１０（ｂ）は５０ｍｍ、図１０（ｃ）は１００ｍｍにある点に対する結果である。このシミュレーションでは研磨ヘッドの回転数を２０ｒｐｍ、ベルト移動速度Ｖｂを１ｍ／ｓｅｃ、半導体基板８の揺動角度αを０°、半導体基板８の揺動距離Ｉを２０ｍｍ、半導体基板８の揺動速度Ｖｃを１ｍｍ／ｓｅｃ、研磨時間６０ｓｅｃと設定し、軌跡はベルト左端に到達した場合はベルト左端のＹ座標をベルト右端のＹ座標として描く。被研磨半導体基板８に揺動運動を与えることによって第１の実施形態のように被研磨半導体基板を揺動させない場合の軌跡を示す図２と比較して、被研磨半導体基板上の点Ｚが研磨パッド上で描く軌跡の範囲はＹ軸方向に広がる。また、図２の軌跡では丸で囲んだ領域のように点Ｚが通過する軌跡の密度が小さくなる領域が生じるが、揺動運動を行うことによって、基板中心からの距離がどの位置でも軌跡密度がより均一になるため、当然、研磨剤寄与率も等しくなり、第１の実施形態より更に研磨レートの面内均一性の向上が見込まれる。
【００５３】
図１１は第２の実施形態における半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図であり、第１の実施形態と同様にして図１０の軌跡と、研磨布１のＹ＝０上に研磨剤１０を滴下したときの研磨布１に対する研磨剤寄与率に基づき研磨シミュレーションを行った結果を示す図であり、半導体基板８の揺動距離１ｍｍ（図１１（ａ））、１０ｍｍ（図１１（ｃ））、２０ｍｍ（図１１（ｃ））について被研磨半導体基板８の研磨における研磨剤寄与率と、被研磨半導体基板８の中心からの距離との関係を示すものである。半導体基板８の揺動距離を大きくすることによって研磨剤寄与率変動周期性がなくなり、半導体基板外周部、半導体基板中心部に係わらず研磨剤寄与率が均一になることがわかる。
【００５４】
図１２は第２の実施形態における半導体基板内位置と研磨レートの関係を示す図であり、第２の実施形態による研磨法で半導体基板８を実際に研磨した時の、研磨レートと半導体基板中心からの距離との関係を示す図である。研磨布上に形成された溝間隔はＡ＜Ｂである。図１１のシミュレーション結果で得られたとおり、研磨レートの周期的変動がない。さらに、第１の実施形態による研磨結果を示す図５と比較して、半導体基板中心より約８０ｍｍ以上の周辺部における研磨レート分布もより均一となる。本実施形態では半導体基板８の揺動角度α＝０°としたが、α＞０°とすることによって研磨布１の幅以内でＸ軸方向に揺動距離を大きく設定できるメリットがある。また、設備設計上、半導体基板８の揺動距離を長くとれない場合には、例えばベルト中心に位置する場合は揺動速度を速く、ベルト端部に位置する場合は揺動速度を遅くするといった、半導体基板８の揺動速度を随時変更することによって研磨剤寄与率を半導体基板中心、外周部において等しくすることが可能である。
【００５５】
以上に述べた第２に実施の形態による研磨方法を行うためのＣＭＰ装置の例を図８に示したが、研磨ヘッド６を揺動させる機構を装置上部側に配置する設計が難しい場合がある。図１３は第２の実施形態における研磨布を揺動させるＣＭＰ装置の基本形態を説明する図であり、図８に代わり被研磨半導体基板８を保持する研磨ヘッド６を固定して研磨布１を揺動させることによって、半導体基板８を揺動させるのと同じ効果を得ることができるＣＭＰ装置を提供するものである。図１３において研磨ヘッド６は半導体基板８を保持し、半導体基板８の裏面より研磨ベルト２、研磨布１に向けて圧力を加えて研磨するが、ベルト２の進行方向が研磨ヘッド６あるいは半導体基板８に対して常時同一方向にならないようにベルト２を揺動する機構を有する。
【００５６】
ベルト２は薄い板（例えば、薄い鉄板）に独立気泡型ポリウレタン樹脂や不織布等からなる研磨布１をとりつけた（貼り付けた）ものである。薄い板を回転ドラム４ａ，４ｂにかけて回転軸３が回転する事により貼りつけた研磨布１も回転する。回転ドラム４ａの回転軸３はモータ駆動機構部１２からタイミングベルト１３等を介して回転する。回転ドラム４ｂは回転ドラム４ａの駆動に追従して回転するのと同時にベルト２の張力を張る役割を担っている。さらに、回転ドラム４ａの直下の軸１４はモータ駆動機構部１５からタイミングベルト１６等を介して回転することによって、ベルト２と連結している各部（モータ駆動機構部１２等）は軸１４を支点として円弧運動が得られるリニアガイド１８を用いて円弧上に移動する。モータ駆動機構部１５の回転方向の切り換え動作によって、方向２１、方向２２に向かって、ベルト２が円弧上に揺動する。その他の図１４に示したのと同様の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００５７】
また、この構成においても、研磨ヘッドを揺動する場合と同様に、ベルトとの沿う他愛位置に対応してベルトの揺動速度を変更させることも可能である。
以上のように、研磨ヘッドを研磨布の溝方向と異なる角度で直線的に揺動させる、または、研磨布を円弧上に揺動させて研磨することにより、第１の実施形態に比べて、半導体基板内の位置に対する研磨剤寄与率の差異がより小さくなり、半導体基板全面で研磨レートが一定となるので、半導体基板表面の凹凸を抑制することができる。また、高グローバル平坦度、研磨レートの面内均一性が優れるベルト式ＣＭＰ装置による研磨を提供することにより、電子デバイスの品質を安定させることができる。さらに、ベルト移動、半導体基板の回転の他に研磨布を一定方向に揺動させることにより研磨剤が基板面内に均一に寄与することから、研磨布の研磨剤を供給するための溝を削減することができ、研磨布の部材コストを削減できる。
【００５８】
第２の実施形態では、研磨布の溝をベルトの走行方向と平行に貼り付けた状態で研磨ヘッドあるいはベルトを移動させる場合について説明したが、第１の実施形態と同様に研磨布の溝の方向とベルトの走行方向とに角度を持たせた状態で研磨ヘッドあるいはベルトを移動させることにより、より半導体基板表面の凹凸を抑制することができる。
【００５９】
以上の各実施形態での説明では、半導体基板を研磨する場合を例に説明したが、液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディスプレイ用ガラス基板等よりなる基板の表面を平坦化処理する研磨の場合にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上説明したように、本発明は、ベルト式ＣＭＰ装置による研磨において、半導体基板の表面凹凸を緩和することができ、半導体基板、液晶表示装置用ガラス基板、プラズマディスプレイ用ガラス基板等よりなる基板の表面を平坦化処理するため、被研磨基板を研磨布（研磨パッド）に押し付けて研磨する基板研磨方法および基板研磨装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１の実施形態におけるＣＭＰ装置の基本形態を説明する図
【図２】第１の実施形態における研磨軌跡を示す図
【図３】従来の半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図
【図４】第１の実施形態における半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図
【図５】第１の実施形態における半導体基板内位置と研磨レートの関係を示す図
【図６】従来の研磨剤の供給位置をＹ軸方向にオフセットを持たせた場合の半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図
【図７】第１の実施形態におけるベルトの装着状態を説明する図
【図８】第２の実施形態におけるＣＭＰ装置の基本形態を説明する図
【図９】第２の実施形態におけるベルトに対する半導体基板の相対位置移動の様子を示す図
【図１０】第２の実施形態における研磨軌跡を示す図
【図１１】第２の実施形態における半導体基板内位置と研磨剤寄与度との関係を示す図
【図１２】第２の実施形態における半導体基板内位置と研磨レートの関係を示す図
【図１３】第２の実施形態における研磨布を揺動させるＣＭＰ装置の基本形態を説明する図
【図１４】従来のベルト式ＣＭＰ装置の主要構成を示す概略図
【図１５】従来のベルト式ＣＭＰ装置で処理した半導体基板の表面の緩衝縞模様を示す図
【図１６】従来のベルト式ＣＭＰ装置で研磨処理した後の膜厚分布図
【図１７】従来のベルト式ＣＭＰ装置における研磨布溝構造を示す概略図
【図１８】従来のベルト式ＣＭＰ装置における半導体基板の位置と研磨の状況との関係を説明する図
【符号の説明】
【００６２】
１    研磨布（パッド）
２    ベルト
３    回転軸
４ａ    回転ドラム
４ｂ    回転ドラム
５    回転機構部
６    研磨ヘッド
７    緩衝材（フィルム）
８    半導体基板
９    研磨剤供給装置
１０    研磨剤（スラリー）
１１    研磨ヘッド上下移載機構
１２    モータ駆動機構部
１３    タイミングベルト
１４    軸
１５    モータ等駆動機構部
１６    タイミングベルト
１８    リニアガイド
２１    方向
２２    方向
３０    縞模様
３１    溝
３２    溝間隔
３３    溝幅
３４    箇所
３５    軌跡
３６    軌跡
３９    裏面
４０    位置決めピン
４１    当て板
５１    リニアガイド
５２    サーボモータ
５３    方向
５４    方向
【図１】
2009233816.tif 000004
【図２】
2009233816.tif 000005
【図３】
2009233816.tif 000006
【図４】
2009233816.tif 000007
【図５】
2009233816.tif 000008
【図６】
2009233816.tif 000009
【図７】
2009233816.tif 000010
【図８】
2009233816.tif 000011
【図９】
2009233816.tif 000012
【図１０】
2009233816.tif 000013
【図１１】
2009233816.tif 000014
【図１２】
2009233816.tif 000015
【図１３】
2009233816.tif 000016
【図１４】
2009233816.tif 000017
【図１５】
2009233816.tif 000018
【図１６】
2009233816.tif 000019
【図１７】
2009233816.tif 000020
【図１８】
2009233816.tif 000021