JP2004195629A

JP2004195629A - 研磨装置

Info

Publication number: JP2004195629A
Application number: JP2002370858A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tada; 光男多田; Kazuo Shimizu; 一男清水
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Also published as: US20040166773A1; US7258595B2

Abstract

【課題】被研磨物保持機構からの被研磨物の離脱を短時間に検出し、速やかに適切な処置をとることができる研磨装置を提供すること。
【解決手段】研磨面を有する研磨テーブル１と、被研磨基板Ｗを保持するトップリング４を具備し、該トップリング４で保持した被研磨基板Ｗを研磨テーブル１の研磨面に押し当て研磨する研磨装置において、トップリング４の近傍の１ヶ所又は複数箇所にセンサと研磨テーブル表面との間の静電容量の変化により被研磨基板Ｗの離脱を検出する静電容量式センサ、センサと研磨テーブル表面間の電気抵抗の変化により被研磨基板Ｗの離脱を検出する渦電流式センサのいずれか又は２つを組み合わせたセンサ８、９、１０を設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウエハ等の被研磨物を研磨する研磨装置に関し、特に研磨中に被研磨物の被研磨物保持機構からの離脱・飛び出しを検知する機能を有する研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの微細化と高集積化が進み、回路の配線間距離が狭くなりつつある。特に０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合は、焦点深度が浅くなるため露光装置の結像面の平坦度を必要とする。この平坦度を実現するために研磨装置による研磨が広く採用されている。
【０００３】
この種の研磨装置として、各々独立した回転数で回転する上面に研磨布を貼ったターンテーブルとトップリング本体とを有し、ターンテーブルの研磨面にトップリング本体に保持した被研磨基板を押圧し、該研磨面に砥液を供給しつつ該被研磨基板の表面を平坦且つ鏡面に研磨する研磨装置がある。そして研磨終了後は被研磨基板をトップリング本体から離脱させ、被研磨基板を次の処理、例えば洗浄処理に移している。
【０００４】
上記のような研磨装置において、研磨中に被研磨基板が割れてしまい、研磨布上に破片が散らばることがあった。このように被研磨基板の破片の散らばった研磨布を再使用した場合に、被研磨基板の表面に傷を与えてしまうので、割れる毎に研磨布を交換しなければならなかった。また、被研磨基板が割れなくとも、該被研磨基板がトップリング本体から飛び出してしまうことがあった。このとき、飛び出した被研磨基板が半導体シリコンウエハ等の脆性材料で構成されている場合、ターンテーブルを覆うケーシングの壁面等に衝突して被研磨基板の外周部にチッピング等の破損を生じる場合がある。この破損した被研磨基板を再度研磨するときには、前記破損箇所の付近に軽く力が加わっただけでも、容易に割れ易くなる。
【０００５】
上記問題に対処するため特許文献１では、トップリングの外側に設置され、ターンテーブル表面までの距離を測定する超音波式センサを設け、該超音波式センサによるターンテーブル表面までの測定距離がターンテーブル表面上に被研磨基板が介在することで変化したときに、これを研磨異常又は被研磨基板の飛び出しと検出している。また、トップリングに保持された被研磨基板の両側を挟むように電極板を設置してなるコンデンサー又はトップリングの外部に飛び出した被研磨基板を挟む位置に電極板を設置してなるコンデンサーを設け、該コンデンサーに一定電圧を印加し該コンデンサーから流れる電流により、研磨異常又は被研磨基板の飛び出しと検出している。また、トップリングの下面又はその周囲でターンテーブルに接触子を接触させこの接触子とターンテーブル表面間に電流を流し、該電流の変化により研磨異常又は被研磨基板の飛び出しと検出している。
【０００６】
しかしながら上記何れの研磨異常又は被研磨基板の飛び出し検出方法も、ノイズ等の影響を受け易く誤検知が多く、信頼性が得られないという問題がある。また、信号処理してこの処理した信号から研磨異常又は被研磨基板が飛び出しか否かを判断し、検出するのに時間がかかり、トップリングやターンテーブル等の停止等の適切処置をとる間に被研磨基板が例えばターンテーブルを囲むケーシングの壁面に衝突してしまうという問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−９６４５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、被研磨物保持機構からの被研磨物の離脱を短時間に検出し、速やかに適切な処置をとることができる研磨装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、被研磨物を保持する被研磨物保持機構を具備し、該被研磨物保持機構で保持した被研磨物を研磨テーブルの研磨面に押し当て、該被研磨物保持機構で保持された被研磨物と研磨テーブルの研磨面の相対的運動により、被研磨物を研磨する研磨装置において、被研磨物保持機構の被研磨物保持部近傍の１ヶ所又は複数箇所にセンサと研磨テーブル表面との間の静電容量の変化により被研磨物の離脱を検出する静電容量式センサ、センサと研磨テーブル表面間の電気抵抗の変化により被研磨物の離脱を検出する渦電流式センサのいずれか又は２つを組み合わせたセンサを設けたことを特徴とする。
【００１０】
上記のように被研磨物保持部近傍の１ヶ所又は複数箇所にセンサと研磨テーブル表面間の静電容量の変化により被研磨物の離脱を検出する静電容量式センサ、センサと研磨テーブル表面間の電気抵抗の変化により被研磨物の離脱を検出する渦電流式センサのいずれか又は２つを組み合わせたセンサを設けたことにより、後に詳述するように、被研磨物の被研磨物保持機構からの離脱・飛び出しを速やかに（短時間で）検出できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の研磨装置において、静電容量式センサ及び／又は渦電流式センサを被研磨物保持機構を支持し揺動する揺動アームに取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
上記のように静電容量式センサ及び／又は渦電流式センサを揺動アームに取り付けたことにより、被研磨物保持機構の揺動中でも被研磨物の離脱を速やかに検出できる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の研磨装置において、静電容量式センサ及び渦電流式センサは略円弧状の１個又は複数個のセンサ電極を具備し、該センサ電極を被研磨物保持機構の被研磨物保持部近傍の周辺に配置したことを特徴とする。
【００１４】
上記のように被研磨物保持機構の被研磨物保持部近傍の周辺に略円弧状の１個又は複数個のセンサ電極を具備する静電容量式センサ又は渦電流センサを設けることにより、被研磨物の広範囲からの離脱を速やかに検知できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る研磨装置の概略構成例を示す図で、図１（ａ）はトップリングと研磨テーブルの配置を示す平面図、図１（ｂ）は研磨装置の側面図である。図において、１は研磨テーブル（ターンテーブル）であり、該研磨テーブル１の上面には研磨布（研磨パッド）２が貼り付けられ、回転軸３に支持され矢印Ａ方向に回転するようになっている。４は下面に半導体ウエハ等の被研磨基板Ｗを保持するトップリング（被研磨物保持機構）であり、該トップリング４はトップリング回転軸５の下端に枢着され、該トップリング回転軸５はトップリング揺動アーム６に矢印Ｂ方向に回転自在に支持されている。また、トップリング４はトップリング回転軸５と共に、図示しない昇降手段により、研磨テーブル１の研磨面、即ち研磨布２に対して下降して被研磨基板Ｗを所定の圧力で加圧、及び上昇して離間できるように構成されている。
【００１６】
上記トップリング揺動アーム６は揺動軸７に固定され、該揺動軸７により矢印Ｃ方向に揺動（旋回）できるようになっている。８、９、１０はトップリング４の被研磨基板保持部の周辺に設けた被研磨基板Ｗの離脱・飛び出しを検出するためのセンサであり、該センサ８、９、１０はそれぞれトップリング揺動アーム６に取り付けられている。１１は研磨テーブル１の研磨布２の上面にスラリー等の砥液１２を供給するための砥液供給ノズルである。
【００１７】
上記構成の研磨装置において、回転している研磨テーブル１の研磨布２の上面（研磨面）にトップリング回転軸５を中心に回転するトップリング４の下端面に保持された被研磨基板Ｗを押し当て、砥液供給ノズル１１から砥液１２を供給しながら、被研磨基板Ｗを研磨する。この研磨中に被研磨基板Ｗがトップリング４から離脱・飛び出すと、センサ８、９、１０のいずれかの下端と研磨布２の表面の間に侵入するから、センサ８、９、１０のいずれかはそれを検出する。
【００１８】
なお、ここではトップリング４の被研磨基板保持部の周辺の３箇所にそれぞれ被研磨基板Ｗを検出するためのセンサ８、９、１０を設けているから、離脱・飛び出した被研磨基板Ｗがどの方向に飛び出してもそれをセンサ８、９、１０の何れかで検出できるが、被研磨基板Ｗが離脱して飛び出す方向は例えば研磨テーブルの回転方向から見てトップリングより下流方向などの様に略決まっているから、その方向の周辺の１ヶ所個又は数個所にそれぞれセンサを設けてもよい。
【００１９】
上記センサ８、９、１０としては、静電容量式センサ、渦電流式センサ、該静電容量式センサと渦電流式センサを組み合わせたセンサを用いる。図２は静電容量式センサを説明するための図であり、図２（ａ）は被研磨基板Ｗがトップリング４の下面に正常に保持されて研磨されている状態を、図２（ｂ）は被研磨基板Ｗがトップリング４の下面から離脱・飛び出した状態をそれぞれ示す。図２（ａ）に示すように、被研磨基板Ｗがトップリング４の下面に正常に保持されている状態では、センサ８下面と研磨布２表面の間のギャップＧ１と研磨布２の厚みＧ２で形成される容量を測定し、その値を基準値Ｃｒとする。また、被研磨基板Ｗが図２（ｂ）に示すようにトップリング４の下面から離脱・飛び出してセンサ８下面と研磨布２表面間のギャップＧ１に侵入したときのセンサ８下面と研磨布２表面間のギャップＧ１と研磨布２の厚みＧ２で形成される合成容量をＣｃとすると、センサ８下面と研磨テーブル１上面の静電容量の変化ΔＣはΔＣ＝Ｃｃ―Ｃｒとして求められ、被研磨基板Ｗの離脱・飛び出しを速やかに（短時間に）検出できる。
【００２０】
図３は静電容量式センサを用いた静電容量測定系の概略構成を示す図である。
ここでセンサ８の対応する面積をＡ、センサ８下面と研磨テーブル１上面の間隙をＧ１＋Ｇ２、センサ８下面と研磨テーブル１上面の間に存在する物質の誘電率をεとすると、センサ８下面と研磨テーブル１上面の間隙Ｇ１＋Ｇ２、センサ８下面と研磨テーブル１の間の静電容量は、
Ｃ＝（Ａ×ε）／（Ｇ１＋Ｇ２）
となる。即ち、センサ８下面と研磨テーブル１の間に空気とは誘電率εの異なる被研磨基板Ｗが介在することにより上記静電容量Ｃが変化するから、制御部１３でこの静電容量Ｃの変化を検出することにより、被研磨基板Ｗの離脱を検出できる。
【００２１】
図４は静電容量式のセンサ８を用いて静電容量の変化を検知するための回路構成例を示す図である。検出部２０は、発振器（水晶発振器等）２１、抵抗器２２、増幅器２３、整流平滑器２４、Ａ／Ｄ変換器２５及び容量値変換器２６を具備する構成である。発振器２１からの発振信号（高周波信号）をセンサ８に供給し、研磨テーブル１からの信号を増幅器２３で増幅し、整流平滑器２４で直流信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器２５でデジタル信号に変換し、容量値変換器２６で静電容量値に対応する出力電圧Ｖｃに変換する。センサ８下面と研磨テーブル１の間の静電容量Ｃが変化するとセンサ８から研磨テーブル１に流れる信号電流が変化し、出力電圧Ｖｃも変化するから、この出力電圧の変化より、被研磨基板Ｗのトップリング４からの離脱・飛出しが検出できる。
【００２２】
図５は渦電流式センサを説明するための図であり、図５（ａ）は被研磨基板Ｗがトップリング４の下面に正常に保持されて研磨されている状態を、図５（ｂ）は被研磨基板Ｗがトップリング４の下面から離脱した状態をそれぞれ示す。図５（ａ）に示すように、被研磨基板Ｗがトップリング４の下面に正常に保持されている状態で、センサ８の電気抵抗（センサ下面と研磨テーブル間の電気抵抗）を測定し、その測定値を基準値Ｒｒとする。また、被研磨基板Ｗが図５（ｂ）に示すようにトップリング４の下面から離脱し、離脱してセンサ８下面と研磨布２表面の間に侵入したときのセンサ８の電気抵抗を測定しその値をＲｓとする。この測定値Ｒｓと上記基準値Ｒｒとを比較し、その差ΔＲ＝Ｒｒ−Ｒｓを捉えることにより、被研磨基板Ｗの離脱を速やかに検知することができる。
【００２３】
図６は渦電流式のセンサ８を用いてセンサ８下面と研磨テーブル表面との間の抵抗値を検出するための回路構成例を示す図である。センサ８のセンサコイル４１は空芯渦巻状コイルであり、センサコイル４１は被研磨基板Ｗの近傍に配置される。センサコイル４１の両端で検出される電圧は、バンドパスフィルタ４３を通り、ｃｏｓ同期検波器４５及びｓｉｎ同期検波器４６からなる同期検波部により検出信号のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とが取出される。発振部４２からの発振信号は、位相シフト回路４４により信号源の同相成分（０°）と直交成分（９０°）の２つの信号が形成され、それぞれｃｏｓ同期検波器４５とｓｉｎ同期検波器４６に入力され、上記同期検波が行われる。
【００２４】
同期検波された信号は、ローパスフィルタ４７、４８により、信号成分以上の不要な高周波成分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取出される。センサ８下面と研磨テーブル１表面の間に被研磨基板Ｗが侵入するとこの抵抗成分（Ｒ）出力とリアクタンス成分（Ｘ）出力が変化するから、被研磨基板Ｗのトップリング４からの離脱・飛出しが検出できる。
【００２５】
従来の渦電流センサでは被研磨基板Ｗが絶縁物、例えばシリコンウエハであった場合、その有無を検出できなかった。これに対して、ここでは渦電流式のセンサ８の電気抵抗（センサ下面と研磨テーブル１の間の電気抵抗）を測定して、その変化より、被研磨基板の飛び出しを検知するのであるから、短時間（１ｍｓｅｃ以内）で被研磨基板Ｗの離脱・飛び出しを検知でき、トップリング４及び／又は研磨テーブル１の回転を停止、及び又はトップリングを上昇させて被研磨基板Ｗを研磨面から離間させる等の処置が可能となる。
【００２６】
上記例ではトップリング４の周囲の複数ヶ所（図１では３ヶ所）に静電容量式又は渦電流式のセンサ８、９、１０を配置する例を示したが、センサの電極１７を図７に示すように円弧状とし、該電極１７をトップリング４の周囲に配置する構成としてもよい。これにより、複数個の静電容量式又は渦電流式のセンサを用いなくとも被研磨基板Ｗが何処から飛び出ても速やかに検出できる。
【００２７】
従来の電流センサ等によるシリコンウエハ等の被研磨基板の異常検出信号においては信号の平均化、移動平均処理を施さないと信号の安定性、再現性が良くなかった。これらの信号の平均化、移動平均処理を行うと時間遅れが最大３．６ｓｅｃ程度の時間遅れが発生し、異常を検知したときには既に遅く、被研磨基板Ｗがトップリング４から飛出してしまう。センサ８に渦電流式センサを用いた場合は、上記のように抵抗成分（Ｒ）出力とリアクタンス成分（Ｘ）出力のどちらの信号が通常レベルより大きくなったことを検出することで、被検出基板Ｗのトップリング４からの離脱・飛出しを検知することが可能となる。この時の検知時間は１０ｍｓｅｃ以内となる。
【００２８】
なお、上記実施例では研磨テーブルとしてターンテーブルを例に説明したが、研磨テーブルはこれに限定されるものではなく、図８に示すようにベルト状の研磨パッド１６を従動ローラ１４、駆動ローラ１５に懸架し、該駆動ローラ１５の回転により研磨パッド１６が移動するように構成した研磨テーブルでもよい。また、研磨テーブルは自転せずに微小半径で公転するスクロール（並進循環）運動するテーブルや、自転・公転の各々の回転数を独立して制御して制御可能な自転公転テーブルでもよい。
【００２９】
なお、上記実施形態例では、センサに静電容量式センサ又は渦電流式センサ或いはその組み合わたセンサを例に説明したが、センサに静電容量式センサ又は渦電流式センサに、例えば超音波式センサを組み合わせてもよく、さらにはこれら全部を組み合わせたセンサを用いてもよいことは当然である。
【００３０】
上記実施例では、研磨面として研磨パッドを用いたが、砥粒をバインダーで固めた固定砥粒（砥石又はパッド）でもよい。この場合、研磨液として水（純水）や砥粒の自生量や研磨レートを調節して研磨面に供給するために界面活性剤等の薬液を用いてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００３２】
請求項１に記載の発明によれば、被研磨物保持部近傍の１ヶ所又は複数箇所にセンサと研磨テーブル表面との間の静電容量の変化により被研磨物の離脱を検出する静電容量式センサ、センサと研磨テーブル表面間の電気抵抗の変化により被研磨物の離脱を検出する渦電流式センサのいずれか又は２つを組み合わせたセンサを設けたことにより、被研磨物の被研磨物保持機構からの離脱・飛び出しを速やかに（短時間で）検出できる。
【００３３】
請求項２に記載の発明によれば、静電容量式センサ及び／又は渦電流式センサを揺動アームに取り付けたことにより、被研磨物保持機構の揺動中でも被研磨物の離脱を速やかに検出できる。
【００３４】
請求項３に記載の発明によれば、被研磨物保持機構の被研磨物保持部近傍の周辺に略円弧状の１個又は複数個のセンサ電極を具備する静電容量式センサ又は渦電流センサを設けることにより、被研磨物の広範囲からの離脱を速やかに検知できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る研磨装置の概略構成例を示す図で、図１（ａ）はトップリングと研磨テーブルの配置を示す平面図、図１（ｂ）は研磨装置の側面図である。
【図２】本発明に係る研磨装置の静電容量式センサを説明するための図で、図２（ａ）は被研磨基板がトップリングの下面に正常に保持されて研磨されている状態を、図２（ｂ）は被研磨基板がトップリングの下面から離脱・飛び出した状態を示す図である。
【図３】本発明に係る研磨装置の静電容量測定系の概略構成を示す図である。
【図４】静電容量式のセンサを用いて静電容量の変化を検知するための回路構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る研磨装置の渦電流式センサを説明するための図で、図５（ａ）は被研磨基板がトップリングの下面に正常に保持されて研磨されている状態を、図５（ｂ）は被研磨基板がトップリングの下面から離脱・飛び出した状態を示す図である。
【図６】渦電流式のセンサ８を用いてセンサ下面と研磨テーブル表面との間の抵抗値を検出するための回路構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る研磨装置のセンサ電極の配置構成を示す図である。
【図８】本発明に係る研磨装置の概略構成例を示す図である。
【符号の説明】
１研磨テーブル
２研磨布
３回転軸
４トップリング
５トップリング回転軸
６トップリング揺動アーム
７揺動軸
８センサ
９センサ
１０センサ
１１砥液供給ノズル
１２砥液
１３制御部
１４従動ローラ
１５駆動ローラ
１６研磨パッド
１７電極
２０検出部
２１発振器
２２抵抗器
２３増幅器
２４整流平滑器
２５Ａ／Ｄ変換器
２６容量値変換器
４１センサコイル
４２発振部
４３バンドパスフィルタ
４４位相シフト回路
４５ｃｏｓ同期検波器
４６ｓｉｎ同期検波器
４７ローパスフィルタ
４８ローパスフィルタ

Claims

研磨面を有する研磨テーブルと、被研磨物を保持する被研磨物保持機構を具備し、該被研磨物保持機構で保持した被研磨物を前記研磨テーブルの研磨面に押し当て、該被研磨物保持機構で保持された被研磨物と前記研磨テーブルの研磨面の相対的運動により、被研磨物を研磨する研磨装置において、
前記被研磨物保持機構の被研磨物保持部近傍の１ヶ所又は複数箇所にセンサと前記研磨テーブル表面との間の静電容量の変化により被研磨物の離脱を検出する静電容量式センサ、センサと研磨テーブル表面間の電気抵抗の変化により被研磨物の離脱を検出する渦電流式センサのいずれか又は２つを組み合わせたセンサを設けたことを特徴とする研磨装置。
請求項１に記載の研磨装置において、
前記静電容量式センサ及び／又は渦電流式センサを前記被研磨物保持機構を支持し揺動する揺動アームに取り付けたことを特徴とする研磨装置。
請求項１又は２に記載の研磨装置において、
前記静電容量式センサ及び渦電流式センサは略円弧状の１個又は複数個のセンサ電極を具備し、該センサ電極を前記被研磨物保持機構の被研磨物保持部近傍の周辺に配置したことを特徴とする研磨装置。