JP2003019657A

JP2003019657A - ドレッシング方法及び研磨装置

Info

Publication number: JP2003019657A
Application number: JP2001205946A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakuta; 茂佐久田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ドレッサの交換時期を適確に検出することが
でき、また、ドレッサ使用時間に応じて、研磨速度の推
定値の高精度化ができる研磨方法と研磨装置を提供する
こと。【解決手段】ドレッサ１６の交換を、ドレッシング時
における研磨パッド１０が設けられた定盤９を回転駆動
している定盤駆動モータ７の電流平均値に基づいて行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ウエハャ液晶
表示装置用ガラス基板等の被研磨体を平坦化する研磨方
法と研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩの製造
プロセスで用いられている露光機の焦点深度が年々小さ
くなっている。それに伴い、露光マージンが減少してい
る。このため、被研磨体である例えば半導体ウエハ上に
形成された膜の平坦度も低減する必要があり、平坦化の
手法としてＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉ
ｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置が導入されている。

【０００３】図７は、ＣＭＰ装置の一例を示す模式平面
図である。ＣＭＰ装置は、大別すると、被研磨体（不図
示）を研磨する研磨部４６と、研磨された被研磨体を洗
浄する洗浄部４７と、被研磨体の厚さを測定する膜厚測
定器４８とを備えている。

【０００４】図８は研磨部４６の概要を示す模式斜視図
である。発泡ポリウレタンをベースとした研磨パッド５
１が上面に固定された定盤５２を回転させ、この研磨パ
ッド５１に対面して設けられたウエハキャリア５３に半
導体ウエハ５４を固定した状態で、研磨パッド５１の表
面にシリカ砥粒を混濁させた研磨スラリー５５を滴下し
ながら、半導体ウエハ５４を研磨パッド５１に所定荷重
で押しつけて研磨する。研磨中あるいは研磨前にドレッ
シング機構５６に設けられたドレッサ（ダイヤモンドを
電着した砥石）５６ａを用いて研磨パッド５１の表面を
削り取り毛羽立てて、ドレッシングを行っている。

【０００５】このドレッサ５６による研磨パッド５１の
ドレッシングは、研磨能力の安定化のために行っている
もので、常に、研磨パッド５１の表面が研磨に適した、
毛羽立った良好な状態を維持するために行っている。研
磨加工では、研磨パッド５１のドレッシング不良の場合
には、研磨能力の変動が生じる。その結果、半導体ウエ
ハ５４の面内で膜厚のばらつきが生じる。それらが半導
体製造プロセスの後の工程でのオーバーエッチングやコ
ンタクト不良を生じる原因になる。

【０００６】このドレッシングに用いるドレッサ５６ａ
は、使用し続けると目詰まり等により研磨能力が低下し
ドレッサ寿命となる。そのため、適切なタイミングで交
換する必要がある。ドレッサ５６ａを交換するタイミン
グは、ドレッサ使用時間に基づいていた。

【０００７】また、研磨装置での研磨レートは、研磨前
後に被研磨体を膜厚測定器を用いて直接測定するか、あ
るいは、研磨時の被研磨体を装着している定盤を回転さ
せているモータ平均電流により研磨速度を推定してい
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ドレッ
サには個体差があるため、まだ使用可能なドレッサを交
換してしまうような事態が発生していた。

【０００９】また、研磨レートの測定について膜厚測定
器を用いて測定しているため、例えば、明らかに研磨速
度が規定値をはずれているような場合の膜厚測定のよう
に無駄な測定が発生し、スループットを損ねていた。

【００１０】また、研磨中の定盤を回転させているモー
タ電流平均値からの研磨速度の推定は、ある程度は推定
できるが、推定精度が不充分であった。

【００１１】本発明はこれらの事情にもとづいてなされ
たもので、ドレッサの交換時期を適確に検出することが
でき、また、ドレッサ使用時間に応じて、研磨速度の推
定値の高精度化ができる研磨方法と研磨装置を提供する
ことを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、研磨パッドをドレッサによりドレッシング
するドレッシング方法において、前記ドレッサの交換
を、ドレッシング時における前記研磨パッドが設けられ
た定盤を回転駆動している定盤駆動モータの電流平均値
に基づいて行うことを特徴とするドレッシング方法であ
る。

【００１３】請求項２の発明による手段によれば、研磨
パッドをドレッサによりドレッシングするドレッシング
方法において、ドレッサの交換を前記研磨パッドを交換
後に行うシーズニング時の前記研磨パッドが設けられた
定盤を回転駆動する定盤駆動モータの電流平均値に基づ
いて行うことを特徴とするドレッシング方法である。

【００１４】また請求項３の発明による手段によれば、
保持した被研磨体を研磨する研磨パッドが取付けられた
定盤と、前記研磨パッドをドレッシングするためのドレ
ッサとを有する研磨装置において、前記定盤を回転駆動
する定盤駆動モータと、前記定盤駆動モータの電流平均
値を検出する検出手段と、検出した電平均値の基づいて
ドレッサの交換の要否を判断する判断機構を有すること
を特徴とする研磨装置である。

【００１５】また請求項４の発明による手段によれば、
前記ドレッサは、ドレッシング時の定盤駆動モータの電
流平均値よりドレッサ使用時間を推定し、このドレッサ
使用時間に応じて前記研磨パッドで被研磨体を研磨する
際の定盤駆動モータの電流平均値と研磨速度との相関係
数を補正していることを特徴とする研磨装置である。

【００１６】また請求項５の発明による手段によれば、
前記ドレッサの使用時間はシーズニング時の定盤駆動モ
ータの電流平均値により推定し、この推定した該ドレッ
サの使用時間に応じて前記研磨パッドで被研磨体を研磨
する際の定盤駆動モータの電流平均値と研磨速度との相
関係数を補正していることを特徴とする請求項３記載の
研磨装置である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１８】図１（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態
によるＣＭＰ装置の研磨部の模式図で、図１（ａ）は正
面図で、図１（ｂ）は平面図である。

【００１９】ＣＭＰ装置の研磨部は、被研磨体である例
えば半導体ウエハ１を保持するウエハキャリア２が、軸
Ａ_１を中心に駆動モータ３により矢印４で示した方向に
連続して回転するように取付けられる。ウエハキャリア
２は、矢印５で示した力で半導体ウエハ１を後述する研
磨パッド１０に押し付けられるように構成している。ま
た、研磨部は、軸Ａ_２を中心に定盤駆動モータ７により
矢印８で示した方向に連続して回転するように取付けら
れた定盤９を備えている。定盤９の表面にはインフレー
ト、ポリウレタン等の材料から成る研磨パッド１０が取
付けられている。なお、研磨パッド１０は寿命がくると
交換され、交換後は後述するドレッサ１６によって一定
時間ドレッシング（以下、シーズニング；Ｓｅａｓｏｎ
ｉｎｇと称す）されて、研磨が良好に行えるように表面
が毛羽立てられる。

【００２０】この研磨パッド１０の表面には塩基性また
は酸性の溶液中に懸濁されたシリカまたはアルミナ研磨
粒子等の研磨液体を含んだ研磨スラリー（不図示）が、
溜め１１から導管１２を介して供給される。

【００２１】また、ドレッシング機構１５は、ダイヤモ
ンドを電着するなどしたドレッサ１６が取付けられる保
持具１７を備えている。この保持具１７は、軸Ａ_３を中
心に駆動モータ１８により矢印１９で示した方向に連続
して回転し、更に、矢印２０で示した力でドレッサ１６
を研磨パッド１０に押し付けられるように構成してい
る。

【００２２】図２は、ドレッサ１６の交換時期の検出に
関するブロック図である。表面に研磨パッド１０が取付
けられた定盤９は、定盤駆動モータ７により例えば１０
０ｒｐｍ程度で回転駆動される。定盤駆動モータ７は制
御器３０からの制御信号を受けたドライバ３１により駆
動される。また、定盤駆動モータ７にはモータ電流検知
回路３２が接続されており、定盤駆動モータ７ａの電流
値が検知されている。このモータ電流検知回路３２は出
力側が制御器３０に接続されている。つまり、制御器３
０では、モータ電流検知回路３２からの出力信号を受
け、制御信号をドライバ３１に送り定盤駆動モータ７を
制御している。

【００２３】研磨パッド１０の対向位置に設けられてい
るウエハキャリア２は、外径がφ２００ｍｍ程度で、被
研磨体である半導体ウエハ１を保持してモータＡ３によ
り１００ｒｐｍ程度で回転駆動され、モータＡ３は制御
器３０からの信号を受けたドライバ３３により駆動制御
されている。また、ウエハキャリア２とモータＡ３は一
体となった状態で、ウエハキャリア上下機構３４により
上下方向に移動して定盤９上の研磨パッド１０に対して
接離動作を行う。研磨加工時にはウエハキャリア２が保
持している半導体ウエハ１が研磨パッド１０に、所定の
研磨圧力で例えば１２０ｓｅｃ程度研磨する。研磨が終
了するとウエハキャリア２はウエハキャリア上下機構３
４により上方向に移動して研磨パッド１０から離反す
る。ウエハキャリア上下機構３４はエアーシリンダなど
の直線移動機構である。

【００２４】また、ウエハキャリア上下機構３４は制御
器３０からの信号を受けたドライバＢ３５により駆動さ
れる。つまり、ウエハキャリア２の回転と研磨パッド１
０への接触は、予め定められたタイミングにより制御器
３０で制御されて作動する。

【００２５】また、研磨パッド１０の対向位置に設けら
れたドレッシング機構１５は、外径がφ２００ｍｍ程度
の保持具１７を有し、その下面側にドレッサ１６が固着
され、モータＢ１８により２０ｒｐｍ程度で回転駆動さ
れ、モータＢ１８は制御器３０からの信号を受けたドラ
イバＣ３６により駆動制御される。また、ドレッシング
機構１５とモータＢ１８は一体となった状態で、ドレッ
サ上下機構３７により上下方向に移動して研磨パッド１
０に対してドレッサ１６の接離動作を行う。研磨パッド
１０をドレッサ１６でドレッシングする際には、研磨パ
ッド１０に対してドレッサ１６を接触させた状態で、約
１０〜１００ｒｐｍの回転で２０秒程度約０．０７０３
１〜０．７０３１ｋｇｆ／ｃｍ^２（約１〜１０ｐｓｉ）
の圧力をかけてドレッシングを行い研磨パッド１０の表
面を毛羽立てる。

【００２６】なお、研磨パッド１０のドレッシング中
は、ウエハキャリア２は研磨パッド１０から離反してお
り、半導体ウエハ１は研磨パッド１０とは接触しない。
また、研磨パッド１０のドレッシング中は、研磨パッド
１０は約１０〜１００ｒｐｍで回転している。

【００２７】ドレッシングが終了するとドレッサ上下機
構３７によりドレッシング機構１５は上方向に移動して
研磨パッド１０からドレッサ１６を離反する。ドレッサ
上下機構３７はエアーシリンダ等である。また、ドレッ
サ上下機構３７は制御器３０からの信号を受けたドライ
バＤ３８により上下方向に駆動される。つまり、ドレッ
シング機構１５の回転と研磨パッド１０へのドレッサ１
６の接触は、予め定められたタイミングにより制御器３
０で制御されて作動する。

【００２８】なお、研磨パッド１０のドレッシング中
に、ウエハキャリアを研磨パッドから離反させずに、半
導体ウエハ１の研磨とドレッシングを同時に並行して行
うこともできる上述のような半導体ウエハの研磨加工の
際に、研磨パッド１０と、半導体ウエハ１とが研磨スラ
リー（不図示）という媒体を介して摺動する。研磨スラ
リーには粒径約３０〜５０ｎｍの球状のシリカ砥粒が含
まれており、半導体ウエハ１と研磨パッド１０の摺動部
分に介在するそれらのシリカ砥粒が研磨に関与して、研
磨パッド１０の表面は、半導体ウエハ１との接触摺動に
より押しつぶされて変形し平滑化する。また、研磨によ
る生成物、研磨スラリーが付着する等によりダメージを
受ける。

【００２９】このようなダメージが生じると研磨能力が
低下するため、ダイヤモンド砥粒を電着するなどした砥
石を用いたドレッサ１６で研磨パッド１０の表面を削り
取って毛羽立ててダメージを回復している。

【００３０】なお、研磨パッドの表面が平滑化し、研磨
能率が低下する要因としては、研磨による目詰まりが、
ドレッシングの効果よりも大きいために研磨量が低下す
るためと考えられる。したがって、ドレッサ１６の作用
は、研磨により研磨パッド１０が受けたダメージよりも
ドレッシングの効果が大きいように設定する必要があ
る。

【００３１】これらの構成によるＣＭＰ装置の作用を図
２を参照して説明すると、被研磨体である半導体ウエハ
１は、膜厚測定器（不図示）で研磨加工前の初期の厚さ
を測定した後、ウエハキャリア２に保持され、定盤駆動
モータ７により回転している定盤９の上に張られた研磨
パッド１０に押圧して研磨スラリーを介して研磨され
る。なお、研磨パッド１０は研磨後にドレッサ１６によ
りドレッシングされて再生される。半導体ウエハ１は、
再び膜厚測定器で厚さを測定し、研磨前後の厚さの差と
研磨時間から研磨速度（削れ量）が求められる。

【００３２】図３は、ドレッサ１６による研磨パッド１
０のドレッシング時の定盤駆動モータ７のモータ平均電
流と、そのドレッシングされた研磨パッド１０を用いて
研磨した際の研磨速度（削れ量）との関係とを実験デー
タからプロットして合成したグラフである。

【００３３】ドレッサ１６による研磨パッド１０に対す
るドレッシング時の定盤駆動モータ７の平均電流と研磨
速度との関係を対比したデータによると、群とＢ群との
２極化の傾向がある。ドレッサ１６の使用時間の経過と
ともに矢印Ｅで示すように群からＢ群へと移行する。使
用時間の長いドレッサ１６で研磨パッド１０をドレッシ
ングし、その研磨パッド１０を用いて研磨したの方が研
磨速度は上昇している。これは、使用時間の長いドレッ
サ１６によるドレッシングでは、研磨パッド１０の面を
均一に毛羽立てられなくなり、部分的に毛羽立てられた
研磨パッド１０が形成される。それにより被研磨体を研
磨した結果、部分的な研磨が増進して進行したためと考
えられる。

【００３４】これらの実験データの結果から、例えば単
位時間当たりの削れ量（＝研磨速度）が予め設定された
値（図３中のＶｐ）を超えたときの研磨直前のドレッシ
ング時の定盤駆動モータ７の電流平均値を収集して、こ
のドレッシング時の定盤駆動モータ７の電流平均値が所
定値（Ｖｍ）に達したときにドレッサ１６の交換を報知
すればよいことがわかる。

【００３５】図４は、ドレッサで研磨パッドをドレッシ
ングした際の、定盤駆動モータの平均電流の経時変化を
示したグラフである。

【００３６】鋸歯状の勾配と頂点（ドレッシング時の定
盤駆動モータ７の平均電流の規定値）の間隔がそれぞれ
異なっている。これは、ドレッサ１６によるドレッシン
グ時の定盤駆動モータ７の平均電流が規定値に達する時
期は、ドレッサ１６によって固体差があるためである。

【００３７】また、ドレッシング時の定盤駆動モータ７
の平均電流と研磨速度の間には図３に示すような関係が
成立していることから、ドレッサ１６の消耗（寿命：研
磨速度が高めに規定値に達する時期）は固体差があって
一律にドレッサ１６の寿命を定めることには無理がある
ことがわかる。

【００３８】図５は、研磨パッド１０を張替えた際のド
レッサ１６によるシーズニング時の定盤駆動モータ７の
平均電流と、その研磨パッド１０を用いてシーズニング
後の１回目の研磨を行った際の研磨速度の関係をプロッ
トして対比したグラフである。

【００３９】ドレッサ１６の使用時間の経過に従って、
プロット位置は矢印Ｆ方向へ進んで、定盤駆動モータ７
のシーズニング時電流は低下する。すなわち、研磨速度
の規定値の上限をＶｍｘとすると、シーズニング時の定
盤モータ平均電流が予め設定された値（例えば図４中の
Ｖｓ）に達した際に、ドレッサ１５交換を報知すればよ
いことになる。

【００４０】図６（ａ）および（ｂ）は、ドレッサ１６
の消耗具合（＝ドレッサ使用時間）と対比して、そのド
レッサ１６でドレッシングされた研磨パッドを用いて被
研磨体を研磨した際の定盤駆動モータの平均電流値と研
磨速度の関係をプロットして示したグラフである。

【００４１】図６（ａ）は、ドレッサ１６が新しく、ま
だ消耗が進行していない状態である。一方、図６（ｂ）
は、ドレッサ１６が古くなり、消耗が進行した状態であ
る。

【００４２】プロットしたデータの両者を比較すると、
全体の傾向を示す直線Ｇと直線Ｈでは勾配が異なる。こ
れにより、ドレッサ１６の使用時間の経過によって定盤
駆動モータ７平均電流と研磨速度の相関係数に変化が見
られることがわかる。

【００４３】このことは、この性質を用いてドレッサ１
６の消耗具合に応じて研磨中に定盤駆動モータ７の平均
電流と研磨速度間の相関係数を補正すれば、定盤モータ
電流平均値からの研磨速度の推定精度を向上させること
ができることになる。また、ドレッサ１６の消耗具合
は、ドレッシング時モータ平均電流と研磨速度の関係
（図３）、あるいは、シーズニング時モ−タ平均電流の
経時変化（図５）から推定することができる。

【００４４】以上に説明したように、上述の実施の形態
によれば、ドレッサの寿命が近づくと、そのドレッサで
ドレッシングされた研磨パッドを用いて研磨した際に、
研磨速度に比して定盤駆動モータの平均電流が低くな
る。

【００４５】また、ドレッサが古くなるとシーズニング
の際の定盤駆動モータのシーズニング時電流は低下す
る。それらの性質を利用することにより、研磨速度とド
レッサ時における定盤モータの平均電流からドレッサの
交換時期を適確に判断することができる。

【００４６】また、ドレッサ使用時間に応じて定盤駆動
モータの平均電流と研磨速度の相関関数を補正すること
によって、研磨速度の推定精度を向上させることができ
る。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、ドレッサの交換時期を
適確に検出することができる。

【００４８】また、ドレッサ使用時間に応じて、研磨速
度の推定値の高精度化ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の方法を用いた
ＣＭＰ装置の研磨部の模式図。

【図２】ドレッサの交換時期の検出に関するブロック
図。

【図３】ドレッサによる研磨パッドのドレッシング時の
定盤駆動モータのモータ平均電流と、研磨速度（削れ
量）との関係とを実験データからプロットして合成した
グラフ。

【図４】ドレッサで研磨パッドをドレッシングした際
の、定盤駆動モータの平均電流の経時変化を示したグラ
フ。

【図５】シーズニング時の定盤駆動モータの平均電流
と、シーズニング後の１回目の研磨を行った際の研磨速
度の関係をプロットして対比したグラフ。

【図６】（ａ）および（ｂ）は、ドレッサの消耗具合と
対比した、定盤駆動モータの平均電流値と研磨速度の関
係をプロットして示したグラフ。

【図７】ＣＭＰ装置の模式平面図。

【図８】研磨部の概要を示す模式斜視図。

【符号の説明】

１…半導体ウエハ（被研磨体）、２…ウエハキャリア、
７…定盤駆動モータ、９…定盤、１０…研磨パッド、１
６…ドレッサ、３０…制御器、３２…モータ電流検知回
路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨パッドをドレッサによりドレッシン
グするドレッシング方法において、前記ドレッサの交換
を、ドレッシング時における前記研磨パッドが設けられ
た定盤を回転駆動している定盤駆動モータの電流平均値
に基づいて行うことを特徴とするドレッシング方法。
【請求項２】研磨パッドをドレッサによりドレッシン
グするドレッシング方法において、ドレッサの交換を前
記研磨パッドを交換後に行うシーズニング時の前記研磨
パッドが設けられた定盤を回転駆動する定盤駆動モータ
の電流平均値に基づいて行うことを特徴とするドレッシ
ング方法。
【請求項３】保持した被研磨体を研磨する研磨パッド
が取付けられた定盤と、前記研磨パッドをドレッシング
するためのドレッサとを有する研磨装置において、前記定盤を回転駆動する定盤駆動モータと、前記定盤駆
動モータの電流平均値を検出する検出手段と、検出した
電平均値の基づいてドレッサの交換の要否を判断する判
断機構を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項４】前記ドレッサは、ドレッシング時の定盤
駆動モータの電流平均値よりドレッサ使用時間を推定
し、このドレッサ使用時間に応じて前記研磨パッドで被
研磨体を研磨する際の定盤駆動モータの電流平均値と研
磨速度との相関係数を補正していることを特徴とする請
求項３記載の研磨装置。
【請求項５】前記ドレッサの使用時間はシーズニング
時の定盤駆動モータの電流平均値により推定し、この推
定した該ドレッサの使用時間に応じて前記研磨パッドで
被研磨体を研磨する際の定盤駆動モータの電流平均値と
研磨速度との相関係数を補正していることを特徴とする
請求項３記載の研磨装置。