JP2001110762A - 研磨パッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学的に研磨の終点検知が可能で、かつ、研
磨の均一性が良好な研磨パッド、それを用いた研磨の終
点検知方法、およびそれを備えた研磨装置を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 ケミカルメカニカル研磨装置に用いられ
る研磨パッドにおいて、該研磨パッドの研磨層が気泡を
有する研磨領域と気泡を有する光透過領域を有し、か
つ、研磨領域の垂直方向に存在する気泡数（ｎ１）と光
透過領域の垂直方向に存在する気泡数（ｎ２）の関係
を、ｎ１＞ｎ２＞０とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ表面の凹凸
をケミカルメカニカル研磨で平坦化する際に使用される
研磨パッドに関し、詳しくは、研磨状況等を光学的手段
により検知するための窓を有する研磨パッド、それを用
いた研磨の終点検知方法、およびそれを備えた研磨装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置を製造する際には、ウエハ表
面に導電性膜を形成し、フォトリソグラフィー、エッチ
ング等をすることにより配線層を形成する形成する工程
や、配線層の上に層間絶縁膜を形成する工程等が行わ
れ、これらの工程によってウエハ表面に金属等の導電体
や絶縁体からなる凹凸が生じる。近年、半導体集積回路
の高密度化を目的として配線の微細化や多層配線化が進
んでいるが、これに伴い、ウエハ表面の凹凸を平坦化す
る技術が重要となってきた。

【０００３】ウエハ表面の凹凸を平坦化する方法として
は、従来、ケミカルメカニカル研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下Ｃ
ＭＰという）法が採用されている。ＣＭＰ法は、ウエハ
の被研磨面を研磨パッドの研磨面に押し付けた状態で、
砥粒が分散されたスラリー状の研磨剤（以下スラリとい
う）を用いて研磨する技術である。ＣＭＰ法で使用する
研磨装置は、例えば、図１に示すように、研磨パッド１
を支持する研磨定盤２と、被研磨材（ウエハ）５を支持
する支持台（ポリシングヘッド）６と、研磨剤の供給機
構を備えている。研磨パッド１は、例えば、両面テープ
（図示せず）で貼り付けることにより、研磨定盤２に装
着される。研磨定盤２と支持台６とは、それぞれに支持
された研磨パッド１と被研磨材５が対向するように配置
され、それぞれに回転軸８、９を備えている。また、支
持台６側には、被研磨材５を研磨パッド１に押し付ける
ための加圧機構が設けてある。

【０００４】このようなＣＭＰプロセスを行う上で、ウ
エハ表面の平坦度の判定の問題がある。すなわち、希望
の表面特性や平面状態に到達した時点を検知する必要が
ある。このような検知については、様々な方法が用いら
れているが、ＣＭＰプロセス時に、その場で、希望の表
面特性や厚さが得られた時点を検出できる方法が望まれ
ている。その中で代表的なものとしては、光学的検知手
段、具体的には、光ビームを研磨パッド越しにウエハに
照射して、その反射によって発生する干渉信号をモニタ
することによる研磨の終点を検知する方法が挙げられ
る。

【０００５】このような方法では、ウエハの表面層の厚
さの変化をモニターして、表面凹凸の近似的な深さを知
ることによって、終点が決定される。このような厚さの
変化が凹凸の深さに等しくなった時点で、ＣＭＰプロセ
スを終了させる。また、このような光学的手段による研
磨の終点検知法およびその方法に用いられる研磨パッド
については、ＵＳＰ５，６０５，７６０号、及びＵＳＰ
５，８９３，７９６号に記載されたものが提案されてき
た。

【０００６】ＵＳＰ５，６０５，７６０号では、固体で
均質な１９０ｎｍから３９００ｎｍの光を透過する透明
なポリマーシートを少なくとも一部分に有する研磨パッ
ドが、また、ＵＳＰ５，８９３，７９６号では段付の透
明プラグが挿入された研磨パッドが開示されている。い
ずれも終点検知用の窓として用いることが開示されてお
り、研磨中のスラリーによる光の散乱を抑制するため、
透明シート、及びプラグの表面の位置（高さ）は研磨面
とほぼ同じ位置（高さ）になるように構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
窓付き研磨パッドは、本質的に窓部と研磨領域の構造が
異なるため、窓部と研磨領域では研磨性能が異なり、研
磨の均一性が損なわれる恐れもある。また、窓部が硬質
材料で有れば、スクラッチ発生の原因にもなりかねな
い。本発明は、光学的に研磨の終点検知が可能で、か
つ、研磨の均一性が良好な研磨パッド、それを用いた研
磨の終点検知方法、およびそれを備えた研磨装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願は以下の発明を提供する。 （１） ケミカルメカニカル研磨装置に用いられる研磨
パッドにおいて、該研磨パッドの研磨層が気泡を有する
研磨領域と気泡を有する光透過領域を有し、かつ、研磨
領域の垂直方向に存在する気泡数（ｎ１）と光透過領域
の垂直方向に存在する気泡数（ｎ２）の関係が、ｎ１＞
ｎ２＞０である事を特徴とする研磨パッド。 （２） 光透過領域が光透過型支持層により支持されて
いることを特徴とする（１）記載の研磨パッド。

【０００９】（３） 光透過型支持層が、お互いに異な
る少なくとも２種の材料から構成される複合シートから
形成されており、その複合シートの水平断面が、海部に
複数の光透過性を有し、光伝送路を担う島部が配置され
た構造であって、パッドの下面から光透過領域下面にわ
たって海部と島部の境界面が垂直に形成されており、島
部の材料の屈折率（ｎ１）と、海部と島部の境界部分の
屈折率（ｎ２）の関係がｎ１＞ｎ２であることを特徴と
する（１）または（２）に記載の研磨パッド。 （４） （１）ないし（３）のいずれかに記載の研磨パ
ッドの光透過領域を研磨終点の検知用窓に用いることを
特徴とする、ケミカルメカニカル研磨における研磨終点
の検知方法。 （５） （１）ないし（３）のいずれかに記載の研磨パ
ッドを備えたケミカルメカニカル研磨装置以下、本発明
を詳細に説明する。

【００１０】本発明の研磨パッドは、レーザ光が透過可
能な気泡含有光透過領域を有している。光透過領域は研
磨領域と同様に気泡を有するため、表面にスラリーを保
持し、研磨面として作用する機能を有する。このため、
気泡の存在しない透明シートの窓と比べて、研磨領域と
光透過領域の研磨性能の差が小さくなり、研磨均一性が
向上する。また、光透過領域が研磨領域と同様に多孔性
で有れば、気泡の存在しない透明シートの窓と比べて、
スクラッチの発生も抑制可能である。

【００１１】本来、研磨層として用いられるような多孔
性（気泡含有）シートは、その中に存在する気泡によっ
て光の散乱が生じるために、白色化している、すなわ
ち、透明性において透明シートよりも劣るのが通常であ
る。そのため、光透過領域において、研磨の均一性の要
求と光の透過性の要求は相反するものとなっている。し
かしながら、本発明者らは、上記で述べた本発明の構成
を採用することにより、気泡を有する光透過領域を用い
たとしても、レーザ光を透過させることができることを
見出した。

【００１２】この場合重要なことは、光透過領域の垂直
方向（厚み方向）に存在する気泡の数である。研磨領域
と光透過領域が同一の気泡径であっても、垂直方向に存
在する気泡の数が少なければ、気泡によるレーザ光の散
乱を抑制できる。本発明では、研磨の終点検知が十分透
過できるような気泡含有光透過領域を、垂直方向に存在
する気泡数によって規定している。本発明において、光
透過領域の垂直方向に存在する気泡数の好ましい範囲
は、１個以上３０個以下であり、より好ましくは２個以
上２０個以下であり、さらに好ましくは、３個以上１０
個である。

【００１３】本発明に用いられる気泡を有する光透過領
域の作成方法としては、種々の方法が考えられるが、具
体的な例を以下に説明する。まず一つの例は、図２に示
すように、同一の両面テープ７４上に、研磨領域７１に
用いられる発泡体よりは気泡の大きい発泡体を光透過領
域７２として貼り合わせることである。また別の具体例
としては、図３に示すように、該研磨パッドの裏面の所
望の位置に、所望のサイズで、切削加工を行うことで、
垂直方向に存在する気泡の数を減少させた光透過領域７
２を作成する事ができる。この場合、研磨パッドの研磨
面には、研磨領域７１と光透過領域７２が同一材料で、
同一面に、切れ目無く形成されているため、研磨中にス
ラリーが研磨パッド裏面に浸透することはなく、両面テ
ープの劣化や研磨の均一性の低下を抑制することが可能
となる。更に、光透過領域の気泡径は研磨領域のものと
同等となるため、さらなる研磨の均一性の向上が図れ
る。前述の切削加工方法の具体例としては、旋盤やフラ
イスによる一般的な加工方法を用いることができる。

【００１４】また、図３に示すように、両面テープと光
透過領域の間で中空部分が形成されるため、必要に応じ
て、図４のように光透過領域の下層に光透過型の材料
で、所望の圧縮特性を持つ支持層を形成させることがで
きる。本発明の研磨パッドの光透過領域、研磨領域に用
いられる材料の例としては、熱可塑性、熱硬化性どちら
の樹脂でも作成可能である。また、熱可塑性樹脂の場
合、架橋体も含まれる。中でも、オレフィン系樹脂、フ
ッ素系樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ナ
イロン樹脂、ポリウレタン樹脂、エチレン−酢酸ビニル
共重合体、フェノール樹脂等から選ばれた１種または２
種以上の混合物を母材とした発泡体が挙げられる。

【００１５】上記のオレフィン系樹脂としては、例え
ば、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、及び線
状低密度ポリエチレンなどのポリエチレン、エチレンプ
ロピレン共重合体、ポリプロピレン、ポリ−４−メチル
−ペンテン、アイオノマー樹脂が挙げられる。上記のフ
ッ素樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニル、ポリフ
ッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエ
チレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプ
ロピレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン
共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプ
ロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフル
オロメチル−パーフルオロビニルエーテル共重合体、テ
トラフルオロエチレン−パーフルオロエチル−パーフル
オロビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン
−パーフルオロプロピル−パーフルオロビニルエーテル
共重合体等が挙げられる。

【００１６】これらの中でも、研磨性能、耐久性の観点
からフッ素系樹脂の発泡体を用いることが好ましい。前
述の光透過領域の下層に用いられる支持層としては、レ
ーザ光の散乱を抑制できる透明なシートが用いられる。
これらの材料としては、無機系、有機系どちらの材料
も、レーザ光の散乱に影響がない範囲で用いることが可
能である。無機系では石英やガラスを用いることができ
るし、有機系の樹脂材料では研磨領域、光透過領域の発
泡体に用いる材料の他、研磨の均一性を考慮して、適度
な弾性を持つ透明ゴムシートとして、例えば、フッ素ゴ
ム、シリコンゴム、ポリウレタンエラストマー等も用い
ることができる。

【００１７】また、光透過型支持層として、お互いに異
なる少なくとも２種の材料から構成される複合シートか
ら形成されており、その複合シートの水平断面が、海部
に複数の光透過性を有し、光伝送路を担う島部が配置さ
れた構造であって、パッドの下面から光透過量域下面に
わたって海部と島部の境界面が垂直に形成されており、
島部の材料の屈折率（ｎ１）と、海部と島部の境界部分
の屈折率（ｎ２）の関係がｎ１＞ｎ２である複合材料を
用いることもできる。

【００１８】このような複合材料の具体例として、無機
やプラスチック系の光ファイバを接着剤、もしくはクラ
ッド層を利用して束ねて、スライスした物を用いること
も可能である。この場合、マルチコア型プラスチック光
ファイバを用いることは本発明の好ましい実施形態の一
つである。また、支持層として、多孔体中の気泡に、屈
折率が同等の液体を充填させた透明の多孔体シート、例
えば、セルロースアセテート多孔膜にグリセリンを含浸
させたものや、非常に微細な気泡を持つ透明の多孔体シ
ートを用いても可能である。

【００１９】光透過領域の研磨パッドへの固定方法とし
ては、光透過領域と研磨パッドの接合面を接着剤で固定
する方法や、定盤に研磨パッドを貼り付ける両面テープ
を利用する方法、具体的には、研磨パッドに設けた開口
部に相対する両面テープ上に、光透過領域をそのまま貼
り付ける方法や、両面テープに研磨パッド開口部より小
さい開口部を形成し、その部分にシートを固着させる方
法が挙げられる。もちろん、パッド裏面の一部を切削加
工によって光透過領域を作成した場合は、研磨領域と一
体物であるので、特別の固定作業を行う必要はない。

【００２０】次に、本発明の研磨パッドを用いた研磨の
終点検知方法を図５、図６を参照して説明する。図５
は、本発明の終点検出装置を有するＣＭＰ研磨装置の一
例を示す概略側面図である。光透過領域７２が定盤の孔
と相対する位置にセットされ、ポリシングヘッド６の並
進運動に関わらず、研磨中にウエハ５が見える様に位置
決めされている。レーザー干渉計３は定盤の窓の下に設
置され、レーザー干渉計３から発振されたレーザー光４
が定盤の孔及び、光透過領域７２を通り、スラリー（図
示せず）を介してウエハ５の表面に当たる。

【００２１】例えば、ウエハはシリコン基板の上に酸化
物層が形成されたものである場合は、ウエハ５の表面に
当たったレーザー光は一部酸化物層表面で反射し、第１
の反射レーザー光を形成する。入射光の一部は酸化物層
を透過し、酸化物層とシリコン基板の界面で反射し、第
２の反射レーザー光を形成する。第１と第２の反射光が
合成される際、位相関係が酸化物層の厚みの関数として
表される。この干渉光が干渉計３に入射し研磨状態が解
析できる。図６はビームスプリッターを用い干渉計の位
置を変えた例である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
の例を示す。

【００２３】

【実施例１】（１）パッドの作成 ポリフッ化ビニリデン（融点１６８℃、ＭＦＲ２．９
（２３０℃、１２．５ｋｇ））を、加熱押し出し成形に
よって、１．１ｍｍ厚みのシートを成形する。該シート
を５００ＫＶの電子線照射機を用いて、１５Ｍｒａｄで
電子線を照射して、架橋させる。該架橋済シートを圧力
容器に入れ、発泡剤としてテトラフルオロエタンを圧入
し、７０℃で３０時間保持する。該発泡剤含浸済シート
を、遠赤外線ヒーターを備えた温度２００℃の加熱炉中
に保持して、該シートを発泡させる。該発泡シートを＃
２４０のベルトサンダーで、両面バフ研磨し、所望の大
きさに切り出し、該研磨パッドに同心円形状の溝（溝幅
０．２ｍｍ、溝深さ０．５ｍｍ、溝ピッチ１．５ｍｍ）
を切削加工によって、厚み１．４ｍｍの溝付研磨パッド
を作成する。この研磨パッド（研磨領域）の垂直方向に
存在する気泡数は、３３個である。

【００２４】（２）光透過領域の作成 上記（１）で得られる研磨パッド裏面の所望の位置に、
横５．１ｃｍ、縦１．２ｃｍ、深さ０．７ｍｍでフライ
スによる切削加工を行い、光透過領域を作成する。この
光透過領域の垂直方向に存在する気泡数は、１５個であ
る。

【００２５】（３）ウエハ研磨，終点検知 上記（２）で得られる光透過領域を有する研磨パッドを
アプライドマテリアルズ社製Ｍｉｒｒａに、定盤の孔と
光透過領域の位置が合うように研磨パッドの両面テープ
を用いて定盤に貼り付ける。スラリーにはロデール社製
ＩＬＤ−１２００を用いて、ＴＥＯＳ（テトラエチルオ
ルソシリケート）膜が最表面にあるウエハーを研磨する
と、研磨中に膜厚の測定が可能であり、それによって終
点検知が可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明の研磨パッドを用いてＣＭＰ研磨
を行うと、終点検知が可能で、光透過領域でもスラリー
を表面に保持して、ウエハの研磨を行う事ができる。従
って、研磨の均一性が十分に維持されるという効果があ
る。また、本発明の研磨パッドを用いれば、スクラッチ
の発生も抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＭＰ研磨で使用する従来の研磨装置の一例を
示す概略構成図。

【図２】本発明の気泡を有する光透過領域の一例を示す
概略断面図

【図３】本発明の気泡を有する光透過領域の一例を示す
概略断面図

【図４】本発明の気泡を有する光透過領域の一例を示す
概略断面図

【図５】本発明の終点検出装置を有するＣＭＰ研磨装置
の一例を示す概略側面図。

【図６】図５の装置の窓部分の断面略図であって、レー
ザ干渉計がレーザービームを照射して反射干渉ビームを
検出する状態を示す図。

【符号の説明】

１ 研磨パッド ２ 定盤 ３ レーザ干渉計 ４ レーザビーム ５ 被研磨材（ウエハ） ６ 被研磨材（ウエハ）支持台［ポリシングヘッド］ ７１ 研磨領域 ７２ 光透過領域 ７３ 気泡 ７４ 両面テープ ７５ 支持層 ８，９ 回転軸 １０ 検出器 １１ 研磨剤（スラリー） １２ ビームスプリッター

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケミカルメカニカル研磨装置に用いられ
   る研磨パッドにおいて、該研磨パッドの研磨層が気泡を
   有する研磨領域と気泡を有する光透過領域を有し、か
   つ、研磨領域の垂直方向に存在する気泡数（ｎ１）と光
   透過領域の垂直方向に存在する気泡数（ｎ２）の関係
   が、ｎ１＞ｎ２＞０である事を特徴とする研磨パッド。
2. 【請求項２】 光透過領域が光透過型支持層により支持
   されていることを特徴とする請求項１記載の研磨パッ
   ド。
3. 【請求項３】 光透過型支持層が、お互いに異なる少な
   くとも２種の材料から構成される複合シートから形成さ
   れており、その複合シートの水平断面が、海部に複数の
   光透過性を有し、光伝送路を担う島部が配置された構造
   であって、パッドの下面から光透過領域下面にわたって
   海部と島部の境界面が垂直に形成されており、島部の材
   料の屈折率（ｎ１）と、海部と島部の境界部分の屈折率
   （ｎ２）の関係がｎ１＞ｎ２であることを特徴とする請
   求項１または２に記載の研磨パッド。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の研
   磨パッドの光透過領域を研磨終点の検知用窓に用いるこ
   とを特徴とする、ケミカルメカニカル研磨における研磨
   終点の検知方法。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載の研
   磨パッドを備えたケミカルメカニカル研磨装置