特許 7264039 研磨ヘッド、化学的機械的研磨装置、および、化学的機械的研磨方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-17

(45)【発行日】2023-04-25

(54)【発明の名称】研磨ヘッド、化学的機械的研磨装置、および、化学的機械的研磨方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/015 20120101AFI20230418BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20230418BHJP

   B24B 37/30 20120101ALI20230418BHJP

【ＦＩ】

B24B37/015

H01L21/304 622H

H01L21/304 622R

B24B37/30 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019229378

(22)【出願日】2019-12-19

(65)【公開番号】P2021094678

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2021-12-24

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 勝利

【審査官】須中 栄治

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－００５３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３３２５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２６５２６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２４Ｂ３７／００－３７／３４

Ｈ０１Ｌ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

化学的機械的研磨装置に用いられる研磨ヘッドであって、
ウェーハを保持するウェーハ保持部材と、
前記ウェーハ保持部材における前記ウェーハ側の面に固定されたバッキングパッドと、
前記ウェーハ保持部材と前記バッキングパッドとの間に設けられ、前記バッキングパッドを介した前記ウェーハの温度を測定する温度測定手段とを備えていることを特徴する研磨ヘッド。

【請求項2】

請求項１に記載の研磨ヘッドにおいて、
前記温度測定手段は、前記ウェーハの径方向に異なる位置に配置された複数の熱電対を備えていることを特徴とする研磨ヘッド。

【請求項3】

研磨パッドが設けられた定盤と、
請求項１または請求項２に記載の研磨ヘッドと、
前記定盤と前記研磨ヘッドとを相対的に回転させる回転駆動手段とを備えていることを特徴とする化学的機械的研磨装置。

【請求項4】

請求項３に記載の化学的機械的研磨装置において、
前記温度測定手段の温度測定結果に基づいて、前記ウェーハの面内温度分布が均一に近づくように研磨条件を制御する研磨制御手段を備えていることを特徴とする化学的機械的研磨装置。

【請求項5】

請求項４に記載の化学的機械的研磨装置において、
前記研磨制御手段は、前記温度測定手段の温度測定結果に基づいて、前記研磨パッドに供給される研磨スラリーの温度、前記研磨ヘッドと前記定盤との相対的な回転速度、前記研磨ヘッドによる前記ウェーハの押圧力、および、前記定盤の温度のうち少なくともいずれか１つを制御することを特徴とする化学的機械的研磨装置。

【請求項6】

研磨パッドが設けられた定盤と、ウェーハを保持するウェーハ保持部材、および、前記ウェーハ保持部材における前記ウェーハ側の面に固定されたバッキングパッドを有する研磨ヘッドとを相対的に回転させ、前記研磨パッドに供給された研磨スラリーを用いて前記ウェーハを研磨する化学的機械的研磨方法であって、
前記ウェーハ保持部材と前記バッキングパッドとの間に設けられた温度測定手段で前記バッキングパッドを介した前記ウェーハの温度を測定する温度測定工程と、
前記温度測定工程での温度測定結果に基づいて、前記ウェーハの面内温度分布が均一に近づくように研磨条件を制御する研磨制御工程とを備えていることを特徴とする化学的機械的研磨方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、研磨ヘッド、化学的機械的研磨装置、および、化学的機械的研磨方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ウェーハの表面を研磨する方法としては、シリカ粒子などの砥粒をアルカリ性水溶液中に含有させた研磨スラリーを供給しながら、ウェーハと、定盤上の研磨パッドとを相対的に回転させて行うＣＭＰ（化学的機械的研磨）が知られている。ＣＭＰは、砥粒による機械的研磨作用と、アルカリ性水溶液による化学的研磨作用とを複合させた技術である。これら２つの研磨作用を複合させることで、ウェーハ表面の平坦度を高めることができる。

【0003】

ＣＭＰにおいて、化学的研磨作用が温度に依存するため、研磨レートは、研磨パッドの表面温度に依存する。研磨レートは、ウェーハ表面の品質に影響を与える。そこで、所望の研磨レートでウェーハを研磨するための検討がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、研磨パッドの上方に位置するパッド温度測定器で表面温度分布を測定し、この測定結果に基づいて、研磨パッドの温度を調整することで、所望の研磨レートでウェーハを研磨できることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－３０１８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の構成では、研磨パッドにおけるウェーハと接触していない部分を測定しているため、研磨スラリーや外気で冷却された研磨パッドの温度や、研磨パッド自体ではなく研磨スラリーの温度を測定しているおそれがある。このような温度の測定結果に基づき研磨パッドの温度を調整しても、実際に研磨されているウェーハの研磨レートを所望のレートに制御できないおそれがある。

【0006】

本発明の目的は、ウェーハの研磨レートを適切に制御できる研磨ヘッド、化学的機械的研磨装置、および、化学的機械的研磨方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の研磨ヘッドは、化学的機械的研磨装置に用いられる研磨ヘッドであって、ウェーハを保持するウェーハ保持部材と、前記ウェーハ保持部材における前記ウェーハ側に設けられたバッキングパッドと、前記ウェーハ保持部材と前記バッキングパッドとの間に設けられ、前記バッキングパッドを介した前記ウェーハの温度を測定する温度測定手段とを備えていることを特徴する。

【0008】

本発明によれば、ウェーハ保持部材とバッキングパッドとの間に設けられた温度測定手段で、バッキングパッドを介したウェーハの温度を測定する。バッキングパッドは、ウェーハに接触しているため、温度測定手段の測定結果は、特許文献１の構成と比べて、実際に研磨されているウェーハの温度に近くなる。したがって、この温度測定手段の測定結果に基づいて、ウェーハの面内温度分布が均一に近づくように、研磨条件を制御することで、実際に研磨されているウェーハの研磨レートが適切に制御される。

【0009】

本発明の研磨ヘッドにおいて、前記温度測定手段は、前記ウェーハの径方向に異なる位置に配置された複数の熱電対を備えていることが好ましい。
本発明によれば、一般的に入手が容易な複数の熱電対を配置するだけの簡単な方法で、ウェーハの研磨レートを適切に制御できる。

【0010】

本発明の化学的機械的研磨装置は、研磨パッドが設けられた定盤と、上述の研磨ヘッドと、前記定盤と前記研磨ヘッドとを相対的に回転させる回転駆動手段とを備えていることを特徴とする。
本発明の化学的機械的研磨装置において、前記温度測定手段の温度測定結果に基づいて、前記ウェーハの面内温度分布が均一に近づくように研磨条件を制御する研磨制御手段を備えていることが好ましい。
本発明の化学的機械的研磨装置において、前記研磨制御手段は、前記温度測定手段の温度測定結果に基づいて、前記研磨パッドに供給される研磨スラリーの温度、前記研磨ヘッドと前記定盤との相対的な回転速度、前記研磨ヘッドによる前記ウェーハの押圧力、および、前記定盤の温度のうち少なくともいずれか１つを制御することが好ましい。

【0011】

本発明の化学的機械的研磨方法は、研磨パッドが設けられた定盤と、ウェーハを保持するウェーハ保持部材、および、前記ウェーハ保持部材における前記ウェーハ側に設けられたバッキングパッドを有する研磨ヘッドとを相対的に回転させ、前記研磨パッドに供給された研磨スラリーを用いて前記ウェーハを研磨する化学的機械的研磨方法であって、前記ウェーハ保持部材と前記バッキングパッドとの間に設けられた温度測定手段で前記バッキングパッドを介した前記ウェーハの温度を測定する温度測定工程と、前記温度測定工程での温度測定結果に基づいて、前記ウェーハの面内温度分布が均一に近づくように研磨条件を制御する研磨制御工程とを備えていることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る化学的機械的研磨装置（ＣＭＰ研磨装置）の概略構成を示す模式図。

【図2】前記化学的機械的研磨装置の概略構成を示すブロック図。

【図3】前記化学的機械的研磨装置を構成する研磨ヘッドの断面図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態について説明する。
〔化学的機械的研磨装置（ＣＭＰ研磨装置）の構成〕
図１および図２に示すように、ＣＭＰ研磨装置１は、１個の定盤１０と、定盤駆動手段２０と、定盤温度調整手段３０と、複数の研磨ヘッド４０と、複数のヘッド駆動手段５０と、スラリー供給手段６０と、ウェーハ加圧力調整手段７０と、研磨制御手段８０とを備えている。定盤駆動手段２０とヘッド駆動手段５０とは、回転駆動手段９０を構成している。

【0014】

定盤１０は、円板状に形成されている。定盤１０の上面には、研磨パッド１１が設けられている。

【0015】

定盤駆動手段２０は、定盤１０の下面に接続された定盤回転軸部材２１を回転させる。

【0016】

定盤温度調整手段３０は、流体供給手段３１と、定盤１０内部に形成された流体流路３２と、流体流路３２の一端と流体供給手段３１とを接続する供給管３３と、流体流路３２の他端と流体供給手段３１とを接続する排出管３４とを備えている。流体流路３２は、定盤１０内で屈曲しており、定盤１０のほぼ全体に流体を流すように構成されている。流体供給手段３１は、所望の温度に調整された流体を供給管３３と、流体流路３２と排出管３４とで循環させることで、定盤１０の温度を調整する。流体は、水などの液体であってもよいし、気体であってもよい。

【0017】

研磨ヘッド４０は、図３に示すように、シャフト４１と、回転フレーム４２と、リテーナリング４３と、ウェーハ保持部材４４と、ダイヤフラム４５と、バッキングパッド４６と、温度測定手段４７とを備えている。

【0018】

回転フレーム４２は、略円板状に形成されている。回転フレーム４２の上面の中心は、シャフト４１の下端に接続されている。

【0019】

リテーナリング４３は、リング状に形成されている。リテーナリング４３の軸方向の上端は、回転フレーム４２の下面の外周部に接続されている。

【0020】

ウェーハ保持部材４４は、外径がリテーナリング４３の内径と等しい略円板状に形成されている。ウェーハ保持部材４４は、リテーナリング４３の内部に配置されている。ウェーハ保持部材４４は、その下面に設けられたバッキングパッド４６を介して、ウェーハＷを保持する。ウェーハ保持部材４４によるウェーハＷの保持は、ウェーハ保持部材４４に吸引孔を設けて吸引吸着で行ってもよいし、バッキングパッド４６に水を含ませて水吸着で行ってもよい。

【0021】

ダイヤフラム４５は、リング板状に形成されている。ダイヤフラム４５の外縁は、回転フレーム４２とリテーナリング４３との接続部分に固定されている。ダイヤフラム４５の内縁は、ウェーハ保持部材４４の上面に固定されている。このような構成によって、回転フレーム４２と、ウェーハ保持部材４４と、ダイヤフラム４５とで区画される加圧空間４８が形成される。

【0022】

バッキングパッド４６は、例えば多孔質の材料によって、直径がウェーハ保持部材４４の下面の直径と略等しい円板状に形成されている。バッキングパッド４６は、ウェーハ保持部材４４の下面に固定されている。

【0023】

温度測定手段４７は、ウェーハ保持部材４４とバッキングパッド４６との間に設けられた複数の熱電対４７１を備えている。熱電対４７１は、ウェーハＷの径方向の異なる位置に配置されている。熱電対４７１の個数は、特に限定されないが、研磨中のバッキングパッド４６の面内温度分布を精度よく測定する観点から、径方向に並ぶ個数が多い方が好ましい。本実施形態では、複数の熱電対４７１がバッキングパッド４６の中心と外縁とを結ぶ直線上に等間隔で設けられている。そのうち１個はバッキングパッド４６の中心に配置され、他の１個はバッキングパッド４６の外縁近傍に配置されている。なお、熱電対４７１は、さらに、バッキングパッド４６の周方向に並んで設けられていてもよいし、直線上に並ばずに周方向にずれていてもよい。熱電対４７１は、無線または有線で、測定結果を研磨制御手段８０に送信可能に構成されている。

【0024】

複数のヘッド駆動手段５０は、それぞれ１体の研磨ヘッド４０のシャフト４１をそれぞれ回転させる。複数のヘッド駆動手段５０は、１個の支持体５１で支持されている。支持体５１は、図示しない支持体移動手段の駆動によって昇降する。

【0025】

スラリー供給手段６０は、研磨パッド１１の上方に配置されたノズル６１に接続されている。スラリー供給手段６０は、シリカ砥粒を含むアルカリ性の研磨スラリーＰ_Sの温度と供給量を調整し、ノズル６１を介して研磨パッド１１に供給する。

【0026】

ウェーハ加圧力調整手段７０は、シャフト４１および回転フレーム４２を貫通する圧力調整管７１を備えている。圧力調整管７１の一端は、ウェーハ加圧力調整手段７０に接続されている。圧力調整管７１の他端の開口は、加圧空間４８に露出している。ウェーハ加圧力調整手段７０は、圧力調整管７１を介して気体を加圧空間４８に導入したり、加圧空間４８から排出したりすることで、ウェーハＷを研磨パッド１１に押圧する圧力を調整する。

【0027】

研磨制御手段８０は、図２に示すように、温度測定手段４７の熱電対４７１からの温度測定結果を取得し、定盤駆動手段２０、定盤温度調整手段３０、ヘッド駆動手段５０、スラリー供給手段６０およびウェーハ加圧力調整手段７０のうち少なくとも１つを制御して、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づくように研磨条件を制御する。

【0028】

〔化学的機械的研磨方法〕
次に、ＣＭＰ研磨装置１を用いた化学的機械的研磨方法について説明する。
まず、ＣＭＰ研磨装置１の研磨制御手段８０は、ウェーハＷの研磨を開始する旨の指令が設定入力されると、あらかじめ設定された条件で定盤駆動手段２０、定盤温度調整手段３０、ヘッド駆動手段５０、スラリー供給手段６０、ウェーハ加圧力調整手段７０を制御して、ウェーハＷの研磨を開始する。

【0029】

すなわち、定盤温度調整手段３０の流体供給手段３１によって、流体流路３２に供給する流体の温度と流体の流量とを調整して、定盤１０の温度を制御する。さらに、スラリー供給手段６０によって、研磨スラリーＰ_Sの温度を調整して、所定量を定盤１０の研磨パッド１１上に供給する。
そして、ウェーハＷを保持した研磨ヘッド４０をヘッド駆動手段５０の駆動によって回転させながら下降させ、定盤駆動手段２０の駆動によって回転している定盤１０の研磨パッド１１上にウェーハＷを接触させる。その後、ウェーハ加圧力調整手段７０がウェーハＷを研磨パッド１１に押圧する圧力を調整して、ウェーハＷの研磨が開始される。

【0030】

このウェーハＷの研磨中、まず、研磨スラリーＰ_Sの砥粒による機械的研磨作用によって、Ｗ表面に形成された自然酸化膜の除去が行われる。このとき、ウェーハＷと研磨パッド１１との摩擦抵抗が増加し、その結果、ウェーハＷの温度は、急峻に上昇する。
自然酸化膜の除去が終了すると、ウェーハＷのベア面が露出する。ベア面が露出すると、研磨スラリーＰ_Sのアルカリ成分による化学的研磨作用によって、エッチングが行われる。このエッチングによってＷ表面が滑らかになり、ウェーハＷと研磨パッド１１との摩擦抵抗が減少するが、研磨が継続されているため、ウェーハＷの温度は、滑らかだが上昇し続ける。

【0031】

ウェーハＷの研磨中、ウェーハ中心部の温度がウェーハ外周部の温度よりも早く上昇し、ウェーハＷの面内温度分布が不均一になる。化学的研磨作用が温度に依存するため、ウェーハ中心部の研磨レートがウェーハ外周部よりも高くなってしまう。
そこで、ウェーハＷの研磨中、温度測定手段４７の熱電対４７１は、バッキングパッド４６を介したウェーハＷの温度を定期的に測定する（温度測定工程）。そして、研磨制御手段８０は、熱電対４７１の測定結果に基づきウェーハの面内温度分布を検出して、この面内温度分布における最大温度と最小温度との温度差が閾値以上か否かを判断する。この後、研磨制御手段８０は、温度差が閾値以上であると判断した場合、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づくように、以下の回転速度制御、定盤温度制御、スラリー温度制御、スラリー供給量制御、および押圧力制御のうち、少なくとも１つの制御を行う（研磨制御工程）。閾値としては、特に限定されないが、研磨スラリーＰ_Sの粘度などの物性を安定させるという観点から１０℃以上であることが好ましい。

【0032】

例えば、研磨制御手段８０は、定盤駆動手段２０およびヘッド駆動手段５０を制御して、研磨ヘッド４０と定盤１０との相対的な回転速度を速くする（回転速度制御）。この回転速度制御によって、ウェーハＷと研磨パッド１１の研磨面との間に、研磨スラリーＰ_Sが介在しやすくなる。その結果、ウェーハ中心部の温度が下がり、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づく。

【0033】

また、例えば、研磨制御手段８０は、定盤温度調整手段３０を制御して、定盤１０の温度を下げる（定盤温度制御）。この定盤温度制御によって、ウェーハＷと研磨パッド１１の研磨面の摩擦熱が抜熱される。その結果、ウェーハ中心部の温度が上がりにくくなり、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づく。

【0034】

また、例えば、研磨制御手段８０は、スラリー供給手段６０を制御して、研磨スラリーＰ_Sの温度を下げたり（スラリー温度制御）供給量を多くしたり（スラリー供給量制御）することによって、研磨パッド１１上の研磨スラリーＰ_Sの温度を下げる。このスラリー温度制御によって、定盤温度制御と同様に、ウェーハＷと研磨パッド１１の研磨面の摩擦熱が抜熱される結果、ウェーハ中心部の温度が上がりにくくなり、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づく。

【0035】

また、例えば、研磨制御手段８０は、ウェーハ加圧力調整手段７０を制御して、研磨ヘッド４０によるウェーハＷの押圧力を小さくする（押圧力制御）。この押圧力制御によって、ウェーハＷの摩擦による発熱が抑制される。その結果、ウェーハ中心部の温度が上がりにくくなり、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づく。

【0036】

［実施形態の作用効果］
上記実施形態によれば、ウェーハ保持部材４４とバッキングパッド４６との間に設けられた温度測定手段４７で、バッキングパッド４６を介したウェーハＷの面内温度分布を測定する。このため、特許文献１の構成と比べて、ウェーハＷの面内温度分布に近い測定結果を得ることができる。したがって、この測定結果に基づいて、ウェーハＷの面内温度分布が均一に近づくように研磨条件を制御することで、実際に研磨されているウェーハＷの研磨レートを適切に制御できる。また、温度測定手段４７をウェーハ保持部材４４とバッキングパッド４６との間に設けることによって、温度測定手段４７が研磨されてしまうことがないため、ウェーハＷ、研磨スラリーＰ_S、研磨パッド１１の状態で時々刻々と変わる研磨パッド１１の研磨面の状態に合わせて、タイムリーに研磨条件が制御できるようになる。

【0037】

［変形例］
なお、本発明は上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。
例えば、温度測定手段４７としては、熱電対４７１に代えてまたは併用して、面状温度センサを適用してもよい。面状温度センサは、バッキングパッド４６と同じ大きさのものを１個配置してもよいし、バッキングパッド４６より小さいものを複数配置してもよい。
ウェーハＷの中心部および外周部の温度の相関があらかじめわかっている場合には、温度測定手段４７で中心部または外周部のみの温度を測定し、研磨制御手段８０が温度測定手段４７の測定結果と上記相関とに基づいて、ウェーハＷの面内温度分布を推定して、研磨条件を制御してもよい。
ウェーハ加圧力調整手段７０として、加圧空間４８の気体の量を調整する構成を例示したが、このような構成に限定されない。例えば、ウェーハ保持部材４４が回転フレーム４２に固定された研磨ヘッドを用い、ウェーハ加圧力調整手段７０で研磨ヘッド全体あるいは回転フレーム４２を昇降させることで、ウェーハＷの加圧力を調整してもよい。
研磨制御手段８０を設けずに、作業者が温度測定手段４７の測定結果に基づいて、研磨条件を制御してもよい。

【符号の説明】

【0038】

１…ＣＭＰ研磨装置（化学的機械的研磨装置）、１０…定盤、１１…研磨パッド、４０…研磨ヘッド、４４…ウェーハ保持部材、４６…バッキングパッド、４７…温度測定手段、４７１…熱電対、８０…研磨制御手段、９０…回転駆動手段、Ｗ…ウェーハ。

【図1】

【図2】

【図3】