特開 2024-148104 研磨装置及び温度制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024148104

(43)【公開日】2024-10-17

(54)【発明の名称】研磨装置及び温度制御システム

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/015 20120101AFI20241009BHJP

   B24B 49/14 20060101ALI20241009BHJP

   B24B 37/10 20120101ALI20241009BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20241009BHJP

   H01L 21/683 20060101ALI20241009BHJP

【ＦＩ】

B24B37/015

B24B49/14

B24B37/10

H01L21/304 622R

H01L21/68 N

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023061035

(22)【出願日】2023-04-04

(71)【出願人】

【識別番号】523318796

【氏名又は名称】無錫奥特維捷芯科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】Ｗｕｘｉ Ａｕｔｏｗｅｌｌ Ｊｉｅｘｉｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．３ Ｘｉｎｈｕａ Ｒｏａｄ， Ｘｉｎｗｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ，Ｗｕｘｉ，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100160587

【弁理士】

【氏名又は名称】石村 貴志

(72)【発明者】

【氏名】岸田 文樹

【テーマコード（参考）】

3C034

3C158

5F057

5F131

【Ｆターム（参考）】

3C034AA19

3C034BB92

3C034CA19

3C034CB20

3C034DD20

3C158AA07

3C158AC02

3C158BA08

3C158BC03

3C158CB01

3C158DA12

3C158DA17

3C158EA11

3C158EB02

3C158EB04

3C158ED00

5F057AA20

5F057AA39

5F057BA15

5F057BA21

5F057BB03

5F057BB06

5F057BB09

5F057CA12

5F057DA03

5F057FA45

5F057FA46

5F057GB07

5F057GB40

5F131AA02

5F131BA43

5F131CA02

5F131EA05

5F131EB02

5F131EB78

5F131EB81

(57)【要約】

【課題】装置の複雑化とコストの増加を抑えつつウェーハ面内温度の均一化を図れる研磨装置及びＣＭＰプロセス中のポリッシングプレートの研磨面やウェーハ面の面内温度の均一化を図ることのできるＣＭＰプロセス温度制御システムを提供する。
【解決手段】円盤状の冷却対象物を冷却するための冷却媒体循環用プレートにおいて、冷却対象物の中央領域と周辺領域ごとに冷却媒体を循環させる経路を分離する。また冷却対象の領域の面積に対する、経路に流れる冷却媒体が冷却媒体循環プレートへ接触する面積の比率を、周辺領域に対応する経路の方を中央領域に対応する経路よりも大きくする。またウェーハ研磨中に冷却対象物の温度をモニターし、温度モニター情報に基づき、冷却対象物の面内の温度ばらつきを均一化させるよう温度を制御する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円盤状の冷却対象物を冷却するための冷却媒体循環用プレートを備えたウェーハ研磨装置であって、
前記冷却媒体循環用プレートは、
前記冷却対象物の中央領域に対応し、前記中央領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第１の経路が形成された円盤状の第１の部分と
前記冷却対象物の周辺領域に対応し、前記周辺領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第２の経路が形成された円環状の第２の部分を備え、
前記第１の経路と前記第２の経路は分離されていることを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項2】

請求項１に記載のウェーハ研磨装置であって、
前記第２の経路は複数の分離された経路で構成されることを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項3】

請求項１乃至２に記載のウェーハ研磨装置であって、
前記周辺領域の面積に対する、前記第２の経路に流れる冷却媒体が前記冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率が、前記中央領域の面積に対する、前記第１の経路に流れる冷却媒体が前記冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きいことを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項4】

請求項１乃至２に記載のウェーハ研磨装置であって、前記第１の経路及び前記第２の経路のそれぞれに対して、独立した冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることを特徴とする研磨装置。

【請求項5】

請求項３に記載のウェーハ研磨装置であって、前記第１の経路及び前記第２の経路に対して、共通の冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項6】

請求項１に記載のウェーハ研磨装置と、
ウェーハ研磨中に前記冷却対象物の温度をモニターする温度モニターと、
前記温度モニターから出力される温度モニター情報に基づき、前記冷却対象物の面内の温度ばらつきを均一化させるように、前記ウェーハ研磨装置を制御する制御ユニットを備える、温度制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はＣＭＰ加工を行う研磨装置及びそれを用いたＣＭＰプロセス温度制御システムに関する。特に半導体ウェーハ等を研磨対象物とする研磨装置であって冷却媒体循環用プレートを備えた研磨装置及びそれを用いたＣＭＰプロセス温度制御システムに関する。

【0002】

シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などの各種半導体ウェーハ表面にトランジスタ等の素子構造や配線構造を形成する際、露光装置を使用してウェーハ上に素子構造や配線構造の領域を定めるパターンを転写する。

【0003】

この際、ウェーハ表面が平坦でないとパターンの転写が正確に行われず、最終的に形成された素子構造や配線構造に異常が生じる。そのためウェーハ表面の平坦化を実現するためにＣＭＰ（化学的機械研磨）装置が使用されている。

【0004】

また半導体デバイスの製造工程においてウェーハ表面上にトランジスタ素子や配線等の構造が積層されることがあるが、この積層構造を形成する過程においてもＣＭＰ加工による研磨プロセスが実施される。

【0005】

ＣＭＰ装置を用いてＣＭＰ加工を行う場合、研磨パッドに研磨剤（ＣＭＰスラリー）を含浸させ、ウェーハが保持された研磨ヘッドをポリッシングプレートに押し付け、研磨ヘッドとポリッシングプレートをそれぞれ回転させながら互いに摺動させる。これにより機械研磨の効果と研磨剤（ＣＭＰスラリー）による化学反応の双方を利用してウェーハ表面の平坦化を実現する。

【0006】

一方でＣＭＰ装置による研磨中、ウェーハとポリッシングプレートの摩擦により熱が発生する。ウェーハとポリッシングプレートは共に円盤状であり、それぞれの中心を軸に回転する。よって研磨時、ウェーハとポリッシングプレートの面内では径方向外側に向かうにつれて速さが大きくなり、大きな摩擦熱が発生する。

【0007】

これに対して従来から研磨による発熱を抑えるために、ポリッシングプレートの裏面に冷却水を流すことで摩擦熱によるウェーハやポリッシングプレートの温度上昇を防ぐことが行われてきた。

【0008】

しかしながらウェーハとポリッシングプレートの間の摩擦力は研磨中に様々な要因で変動する。例えばその要因の一つとして研磨ヘッド及び研磨ヘッドに固定されたウェーハとポリッシングプレートとは直径が異なり、ＣＭＰ動作時にウェーハとポリッシングプレートの相対速度が常に変動していることなどがある。そのため研磨加工中のウェーハやポリッシングプレートの面内の温度を均一にすることは困難であった。そしてウェーハやポリッシングプレートの面内の温度の不均一はウェーハ表面の平坦度の悪化の大きな要因であった。

【0009】

このような課題を解決するために、例えば特許文献１では、ポリッシングプレートの領域を、ウェーハの中央部に対応する領域と、ウェーハの周辺部に対応する領域に分け、両領域を別々の温度に制御する研磨装置が開示されている。

【0010】

具体的にはポリッシングプレートの研磨面と反対側の面に設けられたベースプレート内において、ウェーハ中央部に対応する領域には２０℃の高温冷却水を流通させるとともに、ウェーハの周辺部に対応する領域には４℃の低温冷却水を流通させ、ウェーハ周辺部をウェーハ中央部よりも低い温度の冷却水で冷却することによりウェーハ面内の温度を均一化させる研磨装置が開示されている。

【0011】

また特許文献２では、ＣＭＰプロセス中のウェーハ等の温度をモニターし、その温度に基づいた信号に従ってＣＭＰプロセス中のポリッシングプレートの温度を制御するシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２００２－３７３８７５号公報

【特許文献2】特許第７０１４９０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、特許文献１においては、ウェーハ中央部に対応する領域およびウェーハの周辺部に対応する領域にそれぞれ所定の温度の冷却水を流通させることについては開示されているものの、ウェーハやポリッシングプレートの面内の経時的な温度の変動に応じて冷却水の温度を制御することについては開示が無い。

【0014】

また特許文献１に開示の発明においては、高温冷却水と低温冷却水の２系統の冷却水を給水装置から、ポリッシングプレートの回転軸を経由してベースプレートに供給し、また給水装置に循環させる必要があり、温度の異なる２種類の冷却水を循環させるために２系統の冷却水の循環路を研磨装置内に設けなければならず、装置の複雑化と製造コスト増大を招く。

【0015】

また特許文献２においては、ＣＭＰプロセス中のウェーハ等の温度をモニターし、その温度に基づいた信号に従ってＣＭＰプロセス中のポリッシングプレートの温度を制御するシステムは開示されているものの、ポリッシングプレートの面内の温度ばらつきに応じて領域ごとに温度を制御することについての開示は無い。

【0016】

本発明は上記事情に鑑み、ＣＭＰプロセス中、ポリッシングプレートの研磨面やウェーハ面の経時的な温度変動を抑えるとともに、これらの面内における温度のばらつきを抑え、面内温度の均一化を図ることのできる研磨装置及びそれを用いたＣＭＰプロセス温度制御システムを提供する。また更には冷却媒体循環装置から研磨装置への冷却媒体循環通路の複雑化と装置製造コストの増加を抑え、かつ、ウェーハ面内温度の均一化を図れる研磨装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明に係るウェーハ研磨装置は、
円盤状の冷却対象物を冷却するための冷却媒体循環用プレートを備えたウェーハ研磨装置であって、
前記冷却媒体循環用プレートは、
前記冷却対象物の中央領域に対応し、前記中央領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第１の経路が形成された円盤状の第１の部分と
前記冷却対象物の周辺領域に対応し、前記周辺領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第２の経路が形成された円環状の第２の部分を備え、
前記第１の経路と前記第２の経路は分離されていることを特徴とする。

【0018】

また、本発明に係るウェーハ研磨装置は、
前記第２の経路は更に複数の分離された経路で構成されることを特徴とする。

【0019】

また、本発明に係るウェーハ研磨装置は、
前記周辺領域の面積に対する、前記第２の経路に流れる冷却媒体が前記冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率が、前記中央領域の面積に対する、前記第１の経路に流れる冷却媒体が前記冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きいことを特徴とする。

【0020】

また、本発明に係るウェーハ研磨装置は、
前記第１の経路及び前記第２の経路のそれぞれに対して、独立した冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることを特徴とする。

【0021】

また、本発明に係るウェーハ研磨装置は、
前記第１の経路及び前記第２の経路に対して、共通の冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることを特徴とする。

【0022】

また、本発明に係る温度制御システムは、
前記ウェーハ研磨装置と、
ウェーハ研磨中に前記冷却対象物の温度をモニターする温度モニターと、
前記温度モニターから出力される温度モニター情報に基づき、前記冷却対象物の面内の温度ばらつきを均一化させるように、前記ウェーハ研磨装置を制御する制御ユニットを備える。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、冷却媒体循環装置から研磨装置への冷却媒体循環通路の複雑化と装置製造コストの増加を抑え、かつ、ウェーハ面内温度の均一化を図れる研磨装置を提供できる。またＣＭＰプロセス中、ポリッシングプレートの研磨面やウェーハ面の経時的な温度変動を抑えるとともに、これらの面内における温度のばらつきを抑え、面内温度の均一化を図ることのできる研磨装置及びそれを用いたＣＭＰプロセス温度制御システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施の形態に係る研磨装置を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る冷却媒体循環用プレートの平面図を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る別の冷却媒体循環用プレートの平面図を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態に係るＣＭＰプロセス温度制御システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１は本発明の実施の形態に係る研磨装置１を示している。研磨装置１は半導体ウェーハのＣＭＰ（化学的機械研磨）に用いられる。研磨装置１は研磨ヘッドユニット２及びポリッシングプレートユニット３から構成される。

【0026】

研磨ヘッドユニット２は研磨動作中にウェーハを保持し、ウェーハをポリッシングプレート上の研磨パッドに対して押圧するとともに、ウェーハを回転、更には揺動させるためのユニットである。ポリッシングプレートユニット３はポリッシングプレートを回転させることによりポリッシングプレート上の研磨パッドでウェーハを研磨するためのユニットである。

【0027】

まず研磨ヘッドユニット２の詳細について説明する。研磨ヘッドユニット２は、研磨ヘッド１０、ウェーハ保持部１１、リテーナーリング１２、ウェーハを冷却するための第１の冷却媒体循環用プレート１３から構成される。

【0028】

研磨ヘッド１０は研磨ヘッドユニット２の本体となる部分である。研磨ヘッド１０はその上部において研磨ヘッド回転用スピンドルを備える。研磨ヘッド回転用スピンドル内部には研磨ヘッド１０を回転させるための駆動軸を備え、駆動軸はモータによって駆動される。

【0029】

研磨ヘッドユニット２の下方部にはウェーハを保持するための機構であるウェーハ保持部１１が備えられている。ウェーハ保持部１１にはウェーハを保持するための部材として例えばガラスプレートやパッキングパッドが用いられる。

【0030】

ウェーハ保持部１１にガラスプレートが用いられる場合は、ワックス等の接着剤をウェーハの研磨面の反対側に塗布し、ガラスプレートに張り付けてウェーハを保持する。パッキングパッドを用いる場合はワックスを用いること無く、ウェーハをパッキングパッドに吸着させて保持する。

【0031】

ウェーハ保持部１１はさらに、ガラスプレート又はパッキングパッドの上側に可撓性を有する部材、例えばメンブレンを備える。これにより研磨ヘッド１０内部のチャンバによって加えられた圧力を吸収し、調整することができる。

【0032】

ウェーハ保持部１１の下面のウェーハの周囲位置には環状のリテーナーリング１２が備えられる。リテーナーリング１２は研磨対象物であるウェーハの周囲を取り囲んで保持する。

【0033】

研磨ヘッド１０とウェーハ保持部１１の間には、ウェーハを冷却するために第１の冷却媒体循環用プレート１３が設けられている。第１の冷却媒体循環用プレート１３は、その内部に冷却媒体を循環させるための複数の経路を構成する構造を有する。冷却媒体は外部の冷却媒体循環装置によって循環させられる。冷却媒体は例えば水であるがその他の液体でも良い。冷却媒体循環用プレート１３の構造については後述する。また研磨ヘッド内部には第１の冷却媒体循環用プレート１３と冷却媒体循環装置との間をつなぎ、冷却媒体を循環させるための通路（例えばロータリージョイント等）が設けられる。

【0034】

次にポリッシングプレートユニット３の詳細について説明する。ポリッシングプレートユニット３は、ポリッシングプレート１４、ポリッシングプレート１４を冷却するための第２の冷却媒体循環用プレート１５、ポリッシングプレート回転用スピンドル１６から構成される。

【0035】

ポリッシングプレート１４は、研磨ヘッド１０によって押圧されたウェーハを研磨するための円盤状の定盤である。ポリッシングプレート１４の上面、すなわちウェーハを研磨する面には研磨パッドが取り付けられる。研磨パッドには例えば、ポリウレタンパッド、不織布系パッド、スウェード系パッドなどが用いられる。

【0036】

ポリッシングプレート１４の下面、すなわち研磨パッドとは反対側の面側にはポリッシングプレート１４を冷却するための第２の冷却媒体循環用プレート１５が設けられる。第２の冷却媒体循環用プレート１５は、その内部に冷却媒体を循環させるための複数の経路を構成する構造を有する。冷却媒体は冷却媒体循環装置から供給される。冷却媒体は例えば水であるがその他の液体でも良い。第２の冷却媒体循環用プレート１１５の構造については後述する。

【0037】

ポリッシングプレート１４及び第２の冷却媒体循環用プレート１５はポリッシングプレート回転用スピンドルユニット１６によって支持されている。ポリッシングプレート回転用スピンドルユニット１６は内部にポリッシングプレート１４及び第２の冷却媒体循環用プレート１５を回転させるための駆動軸を備え、駆動軸はモータによって駆動される。ポリッシングプレート回転用スピンドルユニット１６内部には第２の冷却媒体循環用プレート１５と冷却媒体供給装置との間で冷却媒体を循環させるための通路（例えばロータリージョイント等）が設けられる。

【0038】

なお、本発明の実施の形態では研磨ヘッドユニット２とポリッシングプレートユニット３のいずれにも冷却媒体循環用プレートを備えた研磨装置１を示しているが、本発明に係る研磨装置は、研磨ヘッドユニット２とポリッシングプレートユニット３のいずれか一方のみに冷却媒体循環用プレートを含む構成であっても良い。すなわち本発明に係る研磨装置は円盤状の冷却対象物を冷却するための冷却媒体循環用プレートを少なくとも１つ備えていれば良い。

【0039】

図２は本発明の実施の形態の第１の冷却媒体循環用プレート１３及び第２の冷却媒体循環用プレート１５の平面図を示している。本発明の実施の形態に係る冷却媒体循環用プレート１３及び１５は、円盤状の冷却対象物（ウェーハ又はポリッシングプレート）の中央領域に対応する円盤状の第１の部分２１と周辺領域に対応する円環状の第２の部分２２を有する。

【0040】

図２において、第１の部分２１は一点鎖線２３の中で囲まれた部分であり、第２の部分２２は一点鎖線２３と一点鎖線２４の間の部分である。第１の部分２１には冷却対象物の中央領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第１の経路２０１が、第２の部分２２には冷却対象物の周辺領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第２の経路２０２が設けられる。第１の経路２０１と第２の経路２０２は分離されており、これらに流れる冷却媒体は合流しない。

【0041】

第１の経路２０１は内側円環経路２４１、外側円環経路２４２と、これら２つの円環経路を連結する径方向に延びた複数の経路から構成される。また第１の経路２０１には冷却媒体が注入される注入口２４３と、冷却媒体が排出される排出口２４４が設けられている。

【0042】

図２に示す冷却媒体循環用プレートには第１の経路２０１上に注入口及び排出口がそれぞれ１つ設けられているが、それぞれ任意の個数設けても良い。また設置個所も第１の経路２０１の任意の箇所であって良い。なお注入口及び排出口をそれぞれ複数設ける場合、第１の経路２０１上に均等な間隔で配置することで、より均一な温度分布を達成しやすくなる。また注入口を内側円環経路２４１上に配置することで遠心力を利用して冷却媒体の流れを速くすることができ、より冷却効率を高めることができる。

【0043】

第２の経路２０２は、径方向に並んだ複数の同心円２５１に沿った複数の経路と、それら同心円２５１上の複数の経路の間を連結する径方向に延びた複数の経路から構成されている。また第２の経路２０１には、冷却媒体が注入される注入口２５３と、冷却媒体を排出するための排出口２５４が設けられている。冷却媒体循環用プレートが回転すると冷却媒体に対して径方向外側に向かって遠心力がかかるが、同心円２５１に沿った複数の経路がストッパとなり冷却媒体が径方向外側にすぐに移動してしまうのを防止する。冷却媒体は同心円２５１に沿った経路上を周方向に移動し、その後に径方向に延びた複数の経路に沿って径方向に移動する構造となっている。

【0044】

図２に示す冷却媒体循環用プレートには第２の経路２０２上に注入口２５３が２つ、排出口２５４が４つ設けられているが、それぞれ任意の個数設けても良い。また設置個所も第２の経路２０２の任意の箇所であって良い。なお注入口２５３及び排出口２５４をそれぞれ複数設ける場合、第２の経路２０２上に均等な間隔で配置することで、より均一な温度分布を達成しやすくなる。また注入口を最も内側の同心円２５１に沿った経路上に配置することで遠心力を利用して冷却媒体の流れを速くすることができ、より冷却効率を高めることができる。

【0045】

第１の経路２０１と第２の経路２０２は分離されている。そのため第１の経路２０１と第２の経路２０２に流す冷却媒体の温度や流速等を独立して制御することにより、冷却対象物の中央領域と周辺領域に対する冷却効率を自在に調整することができる。

【0046】

例えば複数の冷却媒体循環装置（例えばチラー水循環装置）を用意し、ポリッシングプレート回転用スピンドルユニット１６や研磨ヘッド１０の内部に第１の経路２０１と第２の経路２０２に対応した独立した複数の冷却媒体循環通路を設け、それぞれに対して独立した冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることにより実現できる。

【0047】

また本発明における実施の形態に係る第１の冷却媒体循環用プレート１３及び第２の冷却媒体循環用プレート１５に関して、冷却対象物の周辺領域の面積に対する、第２の経路２０２に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率が、冷却対象物の中央領域の面積に対する、第１の経路２０１に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きくなるような構造としても良い。

【0048】

すなわち、冷却対象物の中央領域と周辺領域の面積をそれぞれＳＡ１とＳＡ２とし、第１の経路２０１と第２の経路２０２に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積をそれぞれＳＢ１とＳＢ２としたときＳＢ２／ＳＡ２がＳＢ１／ＳＡ１より大きくなるような構造とする。

【0049】

また第１の経路２０１および第２の経路２０２の冷却媒体循環用プレートの厚さ方向の断面の形状が全経路上同一であれば、第１の経路２０１の長さをＬ１、第２の経路２０２の長さをＬ２とした場合に、Ｌ２／ＳＡ２がＬ１／ＳＡ１より大きくなるような構造としても良い。

【0050】

冷却媒体は外部に接触する面積が多いほど外部からより効率的に熱を吸収する。従って、冷却対象物の周辺領域の面積に対する、第２の経路２０２に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率を、冷却対象物の中央領域の面積に対する、第１の経路２０１に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きくなるような構造とすることで、１つの冷却媒体循環装置から第１の経路２０１と第２の経路２０２に共通の冷却媒体を供給した場合であっても、第１の経路２０１と第２の経路２０２に流す冷却媒体の温度や流速等を個別に制御することなく冷却対象物の周辺領域をより効率的に冷却することができる。

【0051】

これにより冷却媒体循環通路の複雑化を抑え、装置の製造コストの増加を抑えた簡便な構成で、かつ、ウェーハ面内温度の均一化を図れる態様で冷却媒体を供給する研磨装置を提供することができる。

【0052】

なお図２に示す冷却媒体循環用プレートは熱膨張係数の少ないセラミックス材を用い、ポリッシングプレートの直下に配置しても良い。これにより熱による形状変化を抑えることができるため、より精度の高い平坦化を実現できる。

【0053】

また第１の部分２１と第２の部分２２を別体として形成し、これらを組み合わせたものを用いても良い。また第１の部分２１と第２の部分２２でそれぞれ別のセラミックス材を用いても良い。第２の部分２２に対してより高い熱伝導係数を持つセラミックス材を用いることで、冷却対象物の周辺領域をより効率的に冷却することができる。またセラミックス材に限らず、第２の部分２２に対してより高い熱伝導係数を持つ材料を用いることで同様の効果を得ることができる。

【0054】

また更に本発明の実施の形態における第１の冷却媒体循環用プレート１３及び第２の冷却媒体循環用プレート１５は図３に示す構造であっても良い。

【0055】

図３に示す構造の第１の冷却媒体循環用プレート１３及び第２の冷却媒体循環用プレート１５は、円盤状の冷却対象物（ウェーハ又はポリッシングプレート）の中央領域に対応する円盤状の第１の部分３１と、周辺領域に対応する円環状の第２の部分３２を有する。また第２の部分３２は、第３の部分３２３、第４の部分３２４、第５の部分３２５からなる。

【0056】

図３において、第１の部分３１は一点鎖線３４の中で囲まれた部分であり、第２の部分３２は一点鎖線３４と一点鎖線３５の間の部分である。第３の部分３２３、第４の部分３２４、第５の部分３２５は、一点鎖線３４と一点鎖線３５の間の部分を部分円環状に３分割した部分のそれぞれである。第３の部分３２３と第４の部分３２４の境界を一点鎖線３６で、第４の部分３２４と第５の部分３２５の境界を一点鎖線３７で、第５の部分３２５と第３の部分３２３の境界を一点鎖線３８でそれぞれ示す。

【0057】

第１の部分３１には冷却対象物の中央領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第１の経路３０１が、第２の部分３２には冷却対象物の周辺領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第２の経路３０２が設けられる。第１の経路３０１と前記第２の経路３０２は分離されており、これらに流れる冷却媒体は合流しない。第２の経路３０２は更に複数の分離された経路で構成される。具体的には第２の経路３０２は、第３の部分３２３に設けられた第３の経路３３３、第４の部分３２４設けられた第４の経路３３４、第５の部分３２５に設けられた第５の経路３３５からなる。なお図３では円環状の第２の部分３２は部分円環状の３つの部分に分けられ、第２の経路３０２はその部分円環状の部分ごとに３つ経路に分割されているが、分割される部分円環、及び経路の数は２以上であればよく、３つに限られるものではない。

【0058】

第１の経路３０１は同心円状の３つの円環経路３４１と、これら円環経路を連結する径方向に延びた２つの経路から構成される。また第１の経路３０１には、冷却媒体が注入される注入口３４３と、冷却媒体を排出するための排出口３４４が設けられている。

【0059】

図３に示す冷却媒体循環用プレートには第１の経路３０１上に注入口及び排出口がそれぞれ１つ設けられているが、それぞれ任意の個数設けても良い。また設置個所も第１の経路３０１の任意の箇所であって良い。なお注入口及び排出口をそれぞれ複数設ける場合、第３の経路３０１上に均等な間隔で配置することで、より均一な温度分布を達成しやすくなる。また注入口を内側の円環経路上に配置することで遠心力を利用して冷却媒体の流れを速くすることができ、より冷却効率を高めることができる。

【0060】

第２の経路３０２を構成する第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５は、いずれも径方向に並んだ複数の同心円３５１に沿った複数の経路と、それら同心円３５１上の複数の経路の間を連結する径方向に延びた複数の経路から構成されている。第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に流れる冷却媒体は他のいずれの経路に流れる冷却媒体と経路上で合流しない。つまり第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５は分離されている。また第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５のそれぞれに対して冷却媒体を注入するための注入口３５３と、冷却媒体を排出するための排出口３５４が設けられる。冷却媒体循環用プレートが回転すると冷却媒体に対して径方向外側に向かって遠心力がかかるが、同心円３５１に沿った複数の経路がストッパとなり冷却媒体が径方向外側にすぐに移動してしまうのを防止する。冷却媒体は同心円３５１に沿った経路上を周方向に移動し、その後に径方向に延びた複数の経路に沿って径方向に移動する構造となっている。

【0061】

図３に示す冷却媒体循環用プレートには第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５上にそれぞれ注入口が１つ、排出口が１つ設けられているが、それぞれ任意の個数設けても良い。また設置個所も第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５上の任意の箇所であって良い。なお注入口及び排出口をそれぞれ複数設ける場合、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５の経路上に均等な間隔で配置することで、より均一な温度分布を達成しやすくなる。また注入口を内側の円環経路上に配置することで遠心力を利用して冷却媒体の流れを速くすることができ、より冷却効率を高めることができる。

【0062】

第１の経路３０１、第２の経路３０２は分離されており、第２の経路３０２を構成する、第３の経路３０３、第４の経路３０４、第５の経路３０５も分離されているため、第１の経路３０１、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に流す冷却媒体の温度や流速等を独立して制御することでこれらの経路の冷却効率を独立して調整することができる。

【0063】

例えば複数の冷却媒体循環装置（例えばチラー水循環装置）を用意し、ポリッシングプレート回転用スピンドルユニット１６や研磨ヘッド１０の内部に第１の経路３０１、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に対応した独立した冷却媒体循環通路を設け、それぞれに対して独立した冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることにより実現できる。

【0064】

すなわち、研磨時、冷却対象物であるウェーハやポリッシングプレートの外周側の温度が高くなる傾向にあるため、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に循環させる冷却媒体の温度を第１の経路３０１に循環させる冷却媒体の温度よりも低く設定することで、温度が高くなる傾向にある冷却対象物の外周側を効率的に冷却することができる。第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に循環させる冷却媒体の流速を第１の経路３０１に循環させる冷却媒体の流速よりも速く設定することでも同様に温度が高くなる傾向にある冷却対象物の外周側を効率的に冷却することができる。このことにより、ウェーハ面内の温度分布の均一化が図れ、ウェーハの平坦性の向上に繋がることとなる。

【0065】

また本発明における実施の形態に係る第１の冷却媒体循環用プレート１３及び第２の冷却媒体循環用プレート１５に関して、冷却対象物の周辺領域の面積に対する、第２の経路３０２に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率が、冷却対象物の中央領域の面積に対する、第１の経路３０１に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きくなるような構造としても良い。

【0066】

すなわち、冷却対象物の中央領域と周辺領域の面積をそれぞれＳＡ１とＳＡ２とし、第１の経路３０１と第２の経路３０２に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積をそれぞれＳＢ１とＳＢ２としたときＳＢ２／ＳＡ２がＳＢ１／ＳＡ１より大きくなるような構造とする。

【0067】

また第１の経路３０１および第２の経路３０２の冷却媒体循環用プレートの厚さ方向の断面の形状が全経路上同一であれば、第１の経路３０１の長さをＬ１、第２の経路３０２の長さをＬ２とした場合に、Ｌ２／ＳＡ２がＬ１／ＳＡ１より大きくなるような構造としても良い。

【0068】

また冷却対象物の周辺領域のうち第３の部分３２３に対応する領域、第４の部分３２４に対応する領域、第５の部分３２５に対応する領域の面積に対する、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積のそれぞれの比率が、第１の領域３０１の面積に対する第１の経路３０１に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きくなるような構造としても良い。

【0069】

すなわち冷却対象物の周辺領域のうち第３の部分３２３に対応する領域、第４の部分３２４に対応する領域、第５の部分３２５に対応する領域の面積をそれぞれＳＡ３、ＳＡ４、ＳＡ５とし、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５を流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積をそれぞれＳＢ３、ＳＢ４、ＳＢ５としたときＳＢ３／ＳＡ３、ＳＢ４／ＳＡ４、ＳＢ５／ＳＡ５がＳＢ１／ＳＡ１より大きくなるような構造とする。

【0070】

また第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５の冷却媒体循環用プレートの厚さ方向の断面の形状が全経路上同一であれば、第３の経路３３３の長さをＬ３、第４の経路３３４の長さをＬ４、第５の経路３３５の長さをＬ５とした場合に、Ｌ３／ＳＡ３、Ｌ４／ＳＡ４、Ｌ５／ＳＡ５がＬ１／ＳＡ１より大きくなるような構造としても良い。

【0071】

冷却媒体は外部に接触する面積が多いほど外部からより効率的に熱を吸収する。従って、冷却対象物の周辺領域のうち第３の部分３２３に対応する領域、第４の部分３２４に対応する領域、第５の部分３２５に対応する領域の面積に対する、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積のそれぞれの比率が、第１の領域３０１の面積に対する、第１の経路３０１に流れる冷却媒体が冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きくなるような構造とすることで、１つの冷却媒体循環装置から第１の経路３０１、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に共通の冷却媒体を供給した場合であっても、第１の経路３０１、第３の経路３３３、第４の経路３３４、第５の経路３３５に流す冷却媒体の温度や流速等を個別に制御することなく第３の部分３２３、第４の部分３２３、第５の部分３２５に対応する冷却対象物の周辺領域をより効率的に冷却することができる。

【0072】

これにより冷却媒体循環通路の複雑化を抑え、装置の製造コストの増加を抑えた簡便な構成で、かつ、ウェーハ面内温度の均一化を図れる態様で、ポリッシングプレートの裏面又は研磨ヘッドに冷却媒体を供給する研磨装置を提供することができる。

【0073】

なお図３に示す冷却媒体循環用プレートは熱膨張係数の少ないセラミックス材を用い、ポリッシングプレートの直下に配置しても良い。これにより熱による形状変化を抑えることができるため、より精度の高い研磨を実現できる。

【0074】

また第１の部分３０１と第２の部分３０２を別体として形成し、これらを組み合わせたものを用いても良い。例えば第１の部分３０１と、第２の部分３０２で、別のセラミックス材を用いても良い。第２の部分３０２に対して、より高い熱伝導係数を持つセラミックス材を用いることで、冷却対象物の周辺領域をより効率的に冷却することができる。またセラミックス材に限らず、第２の部分３０２に対してより高い熱伝導係数を持つ材料を用いることで同様の効果を得ることができる。

【0075】

図４は本発明の実施の形態における研磨装置を用いたＣＭＰプロセス温度制御システム４を示す。ＣＭＰプロセス温度制御システム４は、研磨装置１、冷却媒体循環装置４４、制御ユニット４８、温度モニター４７から構成される。

【0076】

研磨装置１は既に説明した研磨ヘッドユニット２とポリッシングプレートユニット３を備える。駆動軸４２はポリッシングプレート回転用スピンドル１６の駆動軸でありポリッシングプレート１４の回転軸となる。モータ４３は駆動軸４２を回転駆動させるための動力源である。駆動軸４１は研磨ヘッド１０の駆動軸であり、研磨ヘッド１０の回転軸となる。モータ４０は駆動軸４１を回転駆動させるための動力源である。

【0077】

冷却媒体循環装置４４は第１の冷却媒体循環用プレート１３及び第２の冷却媒体循環用プレート１５に冷却媒体を循環させるための装置である。冷却媒体循環装置４４は１つの装置で、第１の冷却媒体循環用プレート１３と第２の冷却媒体循環用プレート１５に冷却媒体を循環させてよい。またそれぞれの冷却媒体循環用プレートに対して個別に冷却媒体を循環させるために複数の装置を備えても良い。また冷却媒体循環用プレート内の分離された複数の経路に対して共通の装置によって冷却媒体を循環させても良く、それぞれの経路に対して個別に冷却媒体を循環させるために複数の装置を備えても良い。

【0078】

冷却媒体循環通路４６は第１の冷却媒体循環用プレート１３と冷却媒体循環装置４４の間で冷却媒体を循環させるための通路である。また冷却媒体循環通路４５は第２の冷却媒体循環用プレート１５と冷却媒体循環装置４４の間で冷却媒体を循環させるための通路である。

【0079】

温度モニター４７は例えば赤外放射温度計であって、ポリッシングプレートの上方に設置され、ＣＭＰプロセス中のポリッシングプレートの研磨面の温度をモニターする。また温度モニターを研磨ヘッドユニット２内に設けてウェーハ面の温度をモニターしても良い。温度のモニターはＣＭＰプロセス中、常時行っても良く、また間欠的に行っても良い。温度モニター４７はポリッシングプレートの研磨面又はウェーハ面の面内の温度ばらつきに関する情報である温度モニター情報を制御ユニット４６に送信する。

【0080】

制御ユニット４８は研磨装置１の制御全般を行う装置であり、モータ４０及び４３、冷却媒体循環装置４４、温度モニター４７との間で信号の送受信を行う。例えば、温度モニター４７から送られてきたポリッシングプレートの研磨面の面内の温度ばらつきに関する情報に基づき、ポリッシングプレートの研磨面又はウェーハ面の面内の温度ばらつきを均一化させるための信号を冷却媒体循環装置４４に送り、冷却媒体の温度や流速を制御する。モータ４０及び４３に信号を送り、ポリッシングプレートや研磨ヘッドの回線速度を制御しても良い。

【0081】

制御ユニット４８はコンピュータハードウェア、またはコンピュータハードウェアとソフトウェアの組合せによって実現することができる。ソフトウェアは所定の処理を実行するためのプログラムとして非一時的な記憶媒体に記憶され、コンピュータハードウェア内のＣＰＵによって実行されても良い。

【0082】

以上により、半導体ウェーハのＣＭＰプロセスの進行に伴って変化する温度変動をより綿密に制御して温度管理を行うことができる。

【符号の説明】

【0083】

１ 研磨装置
２ 研磨ヘッドユニット
３ ポリッシングプレートユニット
４ CMPプロセス温度制御ユニット
１０ 研磨ヘッド
１１ ウェーハ保持部
１２ リテーナーリング
１３ 第１の冷却媒体循環用プレート
１４ ポリッシングプレート
１５ 第２の冷却媒体循環用プレート
１６ ポリッシングプレート回転用スピンドル
２１、３１ 第１の部分
２２、３２ 第２の部分
２３、２４、３４、３５、３６、３７、３８ 一点鎖線
４７ 温度モニター
４８ 制御ユニット
４４ 冷却媒体循環装置
４０、４３ モータ
４１、４２ 駆動軸
４５、４６ 冷却媒体循環通路
２０１、３０１ 第１の経路
２０２、３０２ 第２の経路
２４１ 内側円環路
２４２ 外側円環路
２４３、２５３、３４３、３５３ 注入口
２４４、２５４、３４４、３５４ 排出口
２５１、３５１ 同心円
３２３ 第３の部分
３２４ 第４の部分
３２５ 第５の部分
３３３ 第３の経路
３３４ 第４の経路
３３５ 第５の経路
３４１ 円環経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-19

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

下方部でウェーハを保持する研磨ヘッドユニットと、前記研磨ヘッドユニットによって保持されたウェーハを研磨するためのポリッシングプレートを有するポリッシングプレートユニットを備えたウェーハ研磨装置であって、
前記ポリッシングプレートユニットがその下面に円盤状の冷却対象物である前記ポリシングプレートを冷却するための冷却媒体循環用プレートを備え、
前記冷却媒体循環用プレートは、
前記冷却対象物の中央領域に対応し、前記中央領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第１の経路が形成された円盤状の第１の部分と
前記冷却対象物の周辺領域に対応し、前記周辺領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第２の経路が形成された円環状の第２の部分を備え、
前記第１の経路は径方向に並んだ複数の同心円のそれぞれに沿った複数の経路と、それら複数の経路を連結する径方向の経路を含み、
前記第２の経路は径方向に並んだ複数の同心円のそれぞれに沿った複数の経路と、それら複数の経路を連結する径方向の経路を含み、
前記第１の経路と前記第２の経路は分離されており、
前記第１の経路が沿っている複数の同心円の内、最も外側の円と、前記第２の経路が沿っている複数の同心円の内、最も内側の円の間に所定の円を定義した場合に、
前記第１の部分は前記所定の円よりも内側の領域であり、
前記第２の部分は前記所定の円よりも外側の領域であり、
前記第２の経路の温度が前記第１の経路の温度よりも低いことを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項2】

請求項１に記載のウェーハ研磨装置であって、
前記第２の部分は複数の部分円環状に分けられ、
前記第２の経路は前記部分円環状の部分ごとに設けられた複数の分離された経路で構成されることを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項3】

請求項１乃至２に記載のウェーハ研磨装置であって、
前記周辺領域の面積に対する、前記第２の経路に流れる冷却媒体が前記冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率が、前記中央領域の面積に対する、前記第１の経路に流れる冷却媒体が前記冷却媒体循環用プレートへ接触する面積の比率よりも大きいことを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項4】

請求項１乃至２に記載のウェーハ研磨装置であって、前記第１の経路及び前記第２の経路のそれぞれに対して、独立した冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることを特徴とする研磨装置。

【請求項5】

請求項３に記載のウェーハ研磨装置であって、前記第１の経路及び前記第２の経路に対して、共通の冷却媒体循環装置を用いて冷却媒体を循環させることを特徴とするウェーハ研磨装置。

【請求項6】

請求項１に記載のウェーハ研磨装置と、
ウェーハ研磨中に前記冷却対象物の温度をモニターする温度モニターと、
前記温度モニターから出力される温度モニター情報に基づき、前記冷却対象物の面内の温度ばらつきを均一化させるように、前記ウェーハ研磨装置を制御する制御ユニットを備える、温度制御システム。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0017】

本発明に係るウェーハ研磨装置は、
下方部でウェーハを保持する研磨ヘッドユニットと、前記研磨ヘッドユニットによって保持されたウェーハを研磨するためのポリッシングプレートを有するポリッシングプレートユニットを備えたウェーハ研磨装置であって、
前記ポリッシングプレートユニットがその下面に円盤状の冷却対象物である前記ポリシングプレートを冷却するための冷却媒体循環用プレートを備え、
前記冷却媒体循環用プレートは、
前記冷却対象物の中央領域に対応し、前記中央領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第１の経路が形成された円盤状の第１の部分と
前記冷却対象物の周辺領域に対応し、前記周辺領域を冷却するための冷却媒体を循環させる第２の経路が形成された円環状の第２の部分を備え、
前記第１の経路は径方向に並んだ複数の同心円のそれぞれに沿った複数の経路と、それら複数の経路を連結する径方向の経路を含み、
前記第２の経路は径方向に並んだ複数の同心円のそれぞれに沿った複数の経路と、それら複数の経路を連結する径方向の経路を含み、
前記第１の経路と前記第２の経路は分離されており、
前記第１の経路が沿っている複数の同心円の内、最も外側の円と、前記第２の経路が沿っている複数の同心円の内、最も内側の円の間に所定の円を定義した場合に、
前記第１の部分は前記所定の円よりも内側の領域であり、
前記第２の部分は前記所定の円よりも外側の領域であり、
前記第２の経路の温度が前記第１の経路の温度よりも低いことを特徴とする。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0018】

また、本発明に係るウェーハ研磨装置は、
前記第２の部分は複数の部分円環状に分けられ、
前記第２の経路は前記部分円環状の部分ごとに設けられた複数の分離された経路で構成されることを特徴とする。