JP2004276190A

JP2004276190A - 研磨装置及び研磨方法

Info

Publication number: JP2004276190A
Application number: JP2003072998A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakuta; 茂佐久田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】研磨装置において、研磨クロスの交換時期を自動的かつ新たな投資をせずに検出するようにする。
【解決手段】研磨装置において、従来から設けられてあるモータによりドレッシング中に検出された電流値とドレッサの使用時間とに基づいて研磨クロスの交換時期を判定する。ドレッサの累計使用時間に応じた、研磨クロスの限界使用時におけるドレッシング中の定盤モータのモータ電流平均値の関係を予め求めておき、電流値が境界線を下回ったら使用限界を超えたと判断して研磨クロスの交換タイミングとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板に形成された薄膜を研磨する研磨装置及び研磨方法に係り、特に化学的機械的研磨法（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）による研磨装置及び研磨方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばロジックＬＳＩ製造プロセスにおいて、ウエハ上のトランジスタ形成後の配線工程は、多層化が発展している。通常の多層配線の製造プロセスは、成膜（膜を作る）→研磨（例えば酸化膜表面を削って表面を平らにする、Ｍｅｔａｌ膜を削って埋め込み配線やプラグ（垂直孔）を作る）→露光（レジストを塗って、パターンを焼き付ける）→現像（レジストの露光部（或いは未露光部）を薬液等で除去する）→エッチング（レジストをマスクとして酸化膜やＭｅｔａｌ膜を掘り下げる）→アッシング（レジストを除去する）などの各工程の繰り返しである（熱処理、洗浄は省略）。
上記研磨中で用いられる研磨方法としてＣＭＰがある。以下に半導体基板や液晶用ガラス基板などの基板を平坦かつ鏡面状に研磨する研磨装置について図６、図７を参照しながら説明する。
図６は、研磨装置の概要を示す構成図、図７は被研磨基板を保持するトップリングの断面図である。図６に示すように表面が平坦な円盤状の定盤９の平坦な面（図６中上面）には、被研磨基板表面を研磨するための研磨クロス１が貼着されている。
定盤９は、定盤回転機構１１を介して定盤モータ８の回転軸に連結されており，貼着された研磨クロス１を回転可能としている。
【０００３】
定盤９の研磨クロス１と対向する位置には、被研磨基板である半導体基板５の被研磨面を研磨クロス１と対向するように保持するトップリング３が設置されている。このトップリング３はトップリングモータ６により保持した半導体基板５を回転可能としている。トップリング３の構造について図７を参照しながら記述すると、トップリング３の内部はポンプ３１と連通した中空部を有しており、半導体基板５を保持する側の面には外部と連通する孔３ｂが面内に均一に穿孔されている。孔３ｂが形成された面の外周部はリング状の凸部３ｃが設けられており、このリング状凸部３ｃにより形成された空間には多孔質部材２１が配置されている。さらに、リング状凸部３ｃ上（図７中では下面）には、保持する半導体基板５の厚みより薄く、且つ、研磨時に半導体基板５が外れないようにリング状のガイドリング２３が設けられている。
ガイドリング２３の内周に位置した半導体基板５は、搬送時はポンプ３１の吸引により孔３ｂ、多孔質部材２１を介して吸引保持され、研磨時は逆にポンプ３１からエアを供給することにより孔３ｂ，多孔質部材２１を介して吸引保持され，研磨時は逆にポンプ３１からエアを供給することにより孔３ｂ，多孔質部材２１を介して研磨クロス１に対して所定の圧力で均一に押し付けられ、各々回転する定盤９とトップリング３の相対運動により半導体基板の被研磨面をばらつきなく研磨できている。
【０００４】
また、研磨による目詰まりなどにより研磨クロス１の研磨能力が劣化した場合、その研磨面を荒して研磨能力を回復させるためのドレッサ７が、そのドレッサ面を研磨クロス１と対向するように設置されている。このように研磨中に研磨クロス１の研磨作用が衰えた際、ドレッサ７によって研磨面を研磨し、再生・修整を行うことをドレッシングという。このドレッサ７もドレッサモータ４によりそのドレッサ面を回転可能にしている。
トップリング３を回転させるトップリングモータ６、ドレッサ７を回転させるドレッサモータ４、定盤９を回転させる定盤モータ８はそれぞれ制御器２で回転制御されている。また、定盤モータ８と制御器２の間には、研磨クロス１と半導体基板５の摩擦により変動する電流値を検出する検出手段である電流検出器１０が設けられており，研磨工程の終点検出に利用している。
次に，上述した研磨装置を使った研磨プロセスは、半導体基板５に形成された膜を実際に研磨する本研磨、本研磨により出た削りくずや砥液等を洗い流すための水研磨、研磨中に衰えた研磨クロス１の研磨作用を再生・修整するドレッシングへと移行する。
ドレッシングとは研磨クロス１の研磨面を削ることによって再生・修整を行うものであるから、研磨クロス１の消耗を招く。そのため、適正な時期に研磨クロス１を新しいものに交換する必要がある。
【０００５】
従来の研磨クロス交換方法としては、半導体基板の処理枚数の上限を画一的に決めて研磨クロス１を交換していた。
ところが、工程ごとに半導体基板５の処理時間が異なる、研磨クロス１の品質に固体差がある、使用ドレッサの使用時間が考慮されていない、などの理由から研磨クロス１の交換時期が不適正であった。
このような課題を解決するため、研磨中の定盤モータのトルク変化をモータの電流から検出することにより、研磨クロスの交換時期を検知する技術（例えば特許文献１参照）や、研磨クロスの厚さを測定して研磨クロスの交換時期を検知する技術（例えば特許文献２及び特許文献３参照）や、研磨クロスの表面形状を測定することにより、研磨クロスの交換時期を検知する技術（例えば特許文献４参照）、研磨クロスの表面に凹部を形成し、凹部の底にマークを付して、使用に達した時点でマークが表面に露出するようにした手法（例えば特許文献５参照）等が用いられていた。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２８８９１５号公報（第４頁、図１、２）
【特許文献２】
特開２００１−３３４４６１号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献３】
特開平９−２９０３６３号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献４】
特開平１０−１８０６１３号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献５】
特開平１０−１２８６５４号公報（第３−４頁、図１、３，４）
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来上記の研磨装置及び研磨方法では、自動的に研磨クロスの交換時期を検出するための装置を具備しなければならなかったり、研磨時における定盤モータの電流値を検出しているが、ドレッサの劣化による電流値の変化については考慮されず、正確な研磨クロスの状態を把握できない。
例えば特許文献１では、研磨中の研磨抵抗における電流値を検出するだけで、ドレッサの劣化における電流値の変化が考慮されていない。特許文献２では、削れ量を測定するための検知手段を別途設ける必要がある。特許文献３では、研磨クロスの高さを制御する制御手段とその測定結果に基づいて研磨クロス交換指示を行う研磨クロス交換指示手段を別途設ける必要がある。特許文献４では表面形状を測定する表面形状測定手段（自動測定可能）を別途設ける必要がある。特許文献５では研磨クロス表面に凹部を形成し、使用限界検出部を別途設ける必要がある。従って、自動判定ではなく目視による判定が必要である。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、目的とするところは研磨クロスの交換時期を研磨クロス及びドレッサの使用状況によって自動的、かつコストを抑えて検出できる研磨装置及び研磨方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の研磨装置は、被研磨基板を保持するトップリングと、前記トップリングの被研磨基板保持面と対向する面に研磨クロスが貼着され定盤モータにより回転可能に設けられた定盤と、前記研磨クロスの研磨面をドレッシングするドレッサと、ドレッシング時の前記定盤モータのモータ電流値を検出する検出手段と、検出した前記定盤モータのモータ電流値と前記ドレッサの使用時間とに基づき前記研磨クロスの交換の要否を判定する制御器とを備えたことを特徴とする。
また、本発明の研磨方法は、トップリングに保持された被研磨基板と定盤モータにより回転可能に設けられた定盤に貼着された研磨クロスとを相対的に駆動させて前記被研磨基板を研磨する研磨工程と、前記研磨クロスの研磨面の研磨作用を再生するドレッシング工程と、ドレッシング時における前記定盤モータのモータ電流値を検出する検出工程と、前記検出工程において検出したモータ電流値に基づき前記研磨クロスの交換の要否を判定する判定工程とを備えたことを特徴とする。
上記発明によれば、研磨装置の研磨クロスの交換時期を使用状況に応じて、かつコストを抑えて検出することが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図７を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態としての研磨装置の構成を示す構成図である。図２は研磨プロセスのフローチャート図、図３はドレッシング時における定盤モータのモータ電流平均値と時間の関係を示すグラフ、図４は研磨クロス限界使用時のドレッシング中における定盤モータのモータ電流平均値と時間の関係を示すグラフである。図４は請求項５における限界値データの蓄積手段により示されたものである。図５は複数ある図４の中から状況に合わせたグラフの選び方を示したものである。尚、研磨装置の構成において、従来の技術と同様の構成については同一の符号を付すことで説明は省略する。
研磨装置の制御器２には、研磨クロスの交換タイミングを判定する判定手段２ａ、後述する限界値データを蓄積する蓄積手段２ｂ、ドレッサの使用時間を計測する計測器２ｃ、判定手段２ａの結果に従い研磨クロス１の交換タイミングを報知する報知手段２ｄ、各モータ４、６、８を駆動するためのモータ駆動手段２ｅ、さらには砥液及び純水の供給を制御する液供給手段２ｆとを備えている。また、研磨装置は、定盤９に貼着された研磨クロス１上に砥液と純水を供給するための供給手段１２を具備している。供給手段１２は二股になっていて一方は砥液用の砥液供給用配管１３に、他方は純水用の純水供給用配管１５に接続されている。後述にするように、本研磨においては砥液が、水研磨においては純水が供給される。どちらの液体をどれだけ出すかについては、制御器２に設けられた液供給手段２ｆによって制御されている。
【００１０】
次に、研磨プロセスについて、図２に示す研磨プロセスのフローチャートを参照しながら説明する。
研磨プロセスは、大きく分けて研磨工程とドレッシング工程に分かれる。以下、研磨工程について説明する。ここでは半導体基板を例に挙げて説明するが、基板は半導体基板に限定されるものではない。
被研磨基板である半導体基板５は、その被研磨面を研磨クロス１と対向するようにトップリング３に吸着保持される（ＳＴＥＰ１）。次に、定盤９上に貼着された研磨クロス１、及び後述する研磨クロス１をドレッシングするためのドレッサ７の準備ができているかを確認する（ＳＴＥＰ２）。どちらか一方でも準備できていない場合は、研磨は始まらない。研磨クロス１及びドレッサ７の両方が準備できていることが確認されると、砥液供給用配管１３から供給手段１２を介して定盤９上の研磨クロス１の研磨面に液供給手段２ｆにより砥液が供給される（ＳＴＥＰ３）。次に制御器２内に設けられたモータ駆動手段２ｅによりトップリングモータ６及び定盤モータ８を駆動させることによりトップリング３と定盤９を回転させ（ＳＴＥＰ４）、トップリング３を下降させてトップリングと定盤９を相対的に接近させ、（ＳＴＥＰ５）半導体基板５が研磨クロス１に着地する（ＳＴＥＰ６）と、本研磨が開始される（ＳＴＥＰ７）。本研磨では、半導体基板５の被研磨面を研磨クロス１により研磨することで、その表面を平坦かつ鏡面状に研磨する。本研磨が終わると砥液の供給が止められる（ＳＴＥＰ８）。
【００１１】
次に、液供給手段２ｆにより純水が純水供給用配管１５から供給手段１２を介して供給され（ＳＴＥＰ９）、水研磨が開始される（ＳＴＥＰ１０）。水研磨とは、供給手段１２、研磨クロス１上、及び半導体基板５上に残留している砥液等を純水により洗い流す工程である。砥液等が洗い流されて水研磨が終わると、純水の供給をストップし（ＳＴＥＰ１１）、トップリング３を上昇させてトップリング３と定盤９を相対的に離間させ（ＳＴＥＰ１２）、研磨工程を終了する。
研磨工程が終了すると、一方で半導体基板５はトップリング３から取り外され（ＳＴＥＰ１３）、１ロット中の半導体基板５の残りを確認し（ＳＴＥＰ１４）、残りがなければここで終了となり、残っていればトップリング３は次の半導体基板５を保持して待機する（ＳＴＥＰ１に戻る）。
他方、研磨工程を終えた研磨クロス１は、研磨くずなどが目詰まりするなどにより、その性能が衰えているため、その表面を再び荒れた状態に再生・修整を行うためのドレッシング工程に移行する。このドレッシングを行わないと、半導体基板５の研磨効率が阻害されることとなる。ドレッシング工程では、先ずモータ駆動手段２ｅによりドレッサモータ４及び定盤モータ８を駆動することによりドレッサ７と定盤９とを回転させると共に、ドレッサ７を下降させて定盤９とドレッサ７を相対的に接近させ（ＳＴＥＰ１５）、ドレッサ７が研磨クロス１に接地することでドレッシングが開始される（ＳＴＥＰ１６）。検出手段である電流検出器１０はドレッシング中の定盤モータ８のモータ電流値を検出し、判定手段２ａにその信号を送信する。判定手段２ａは、蓄積手段２ｂに格納された図４に示すような限界値データ及び計測手段２ｃにより計測したドレッサ７の使用累積時間により研磨クロスの交換の要否判定を行う。要否判定終了の合図として、制御器２内の報知手段２ｄを用いても良い。ドレッシングが終了すると、ドレッサ７を上昇させてドレッサ７と定盤９を相対的に離間させ（ＳＴＥＰ１７）、ドレッシング工程を終了する。
【００１２】
ここで制御器２における判定手段２ａによって研磨クロス１の交換の要否が検討され（ＳＴＥＰ１８）、必要であれば研磨クロス１が交換され（ＳＴＥＰ１９）、必要なければ次のＳＴＥＰへ移行する。次にドレッサ７の交換の要否が検討され（ＳＴＥＰ２０）、必要であればドレッサ７が交換される（ＳＴＥＰ２１）。研磨クロス１とドレッサ７の交換が終了、或いは継続使用が可能であることが確認されると、ＳＴＥＰ２における判断工程に対して双方使用ＯＫの信号が送られ、待機状態にあった新たな半導体基板５の研磨工程が始まる。
ドレッシングとは研磨クロス１の研磨面を削ることによって再生・修整を行うものであるから、研磨クロス１の消耗を招く。そのため、適正な時期に研磨クロス１を新しいものに交換する必要がある。さらに、ドレッシングによりドレッサ７も消耗を招くため、ある時期においてドレッサ７を交換することも必要である。図３は研磨クロス交換、ドレッサ交換をした時のドレッシング中における定盤モータのモータ電流値を所定時間測定し平均化したモータ電流平均値の時間推移を示したものである。
研磨クロス１が劣化するとモータ電流値が低下（グラフ中の研磨クロス交換タイミング間のグラフの傾き）するが、研磨クロス１を新しいものと交換すると、再びモータ電流値が上がっている。
【００１３】
これは、研磨をしていると研磨クロス１が目詰まりするなどして劣化し、研磨クロス１と半導体基板５との摩擦抵抗が小さくなり、モータ電流値が減少すること、及び研磨クロス１が交換されることで摩擦抵抗が高くなり、モータ電流値が増加することを示している。
また、研磨クロス１を交換するとドレッシング中の定盤モータ電流値はある程度回復するが、ドレッサ７の劣化によってもドレッシング中のモータ電流値は減少（グラフ中のドレッサ交換タイミング間の大きな傾き）している。図中において、何度かの研磨クロス交換をしているにもかかわらず、グラフをマクロ的に見ると電流値が下がっていくのはこのためであり、ドレッサ交換を行うことで電流平均値が著しく回復する。よって、ドレッシング中のモータ電流平均値は、図３に示すような鋸歯状の図となる。
本実施の形態は、ドレッサ７の累計使用時間に応じた、研磨クロス１の限界使用時におけるドレッシング中の定盤モータ８のモータ電流平均値の関係（図４）を予め求めておき、電流値が境界線を下回ったら使用限界を超えたと判断して研磨クロス１の交換タイミングとする、というものである。研磨クロス１が使用限界かどうかは、研磨特性、例えば研磨速度（半導体基板の厚みの変化を時間で割ったもの）あるいは変位計を用いた研磨クロス厚さ測定などにより、蓄積手段２ｂに格納した予め測定・設定した限界値データを用いて別途判断し、使用時間の異なったドレッサ７によるドレッシング時の定盤モータ８の電流値データを収集しておく。
【００１４】
そして、実際に研磨プロセスで使用している研磨クロス１のドレッシング時のモータ電流平均値と、その時のドレッサ７の使用時間よりプロットされた点が、図４に示す研磨クロス交換領域にプロットされると、装置側の判定手段２ａより研磨クロス１が使用限界である旨を、スピーカなどによる音やパトランプ等の光源による光による報知、或いはＬＣＤやＣＲＴなどの表示装置からなる報知手段２ｄによる報知により、研磨クロス交換を作業者へ促す。
図４の関係図は研磨クロス種類、砥液種類、ドレッサ圧等が異なると変化するため、複数の種類の研磨を同一の研磨装置で扱う場合、その研磨の種類ごとに準備しておく。
また、図３に示す電流信号のＳ／Ｎ比が良好でない場合、すなわちノイズが多い場合は、ローパスフィルタなどによって高周波ノイズを除去し、波形を整形しておくことが望ましい。
さらに、研磨クロスの製造の際、製品の集合の一単位とされる研磨クロスロット内の品質差（例えば注型時の研磨クロス母材上下で密度が異なるなど）を考慮して、ロット内先頭で作られた研磨クロスと、ロット最後方で作られた研磨クロスを使用する場合の図４に示すような限界値データを抑えておくことにより、使用限界の境界位置を洩れのないように設定できる。
【００１５】
図４中の境界線は近似線を記しているが、実際の研磨クロス使用限界の判断境界は近似線にマージン、すなわち新品研磨クロスと既に使用している研磨クロスの研磨の劣化率やばらつきを考慮して別途、図４中に境界線を設けることとなる。このように、使用される研磨クロスの品質によって、準備すべき限界値データのグラフの数は必然的に多くなる。そこで研磨装置の使用者の使い勝手を考慮した方法を図５に示す。研磨クロスの種類をａ１、ａ２、ａ３…、砥液の種類をｂ１、ｂ２、ｂ３…、ドレッサ圧の種類をｃ１、ｃ２、ｃ３…のようにおく。そこで、例えば研磨クロスをａ１、砥液をｂ３、ドレッサ圧をｃ２とした場合にこれらの組み合わせに合ったグラフが自動的に選ばれる。このように構成すると瞬時にかつ簡単に研磨の種類に適した研磨クロス交換領域を選択、利用することができる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、研磨クロスの交換時期をドレッサの使用状況に応じて、かつ新たな装置を付加することなく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における制御器２の内部図。
【図２】研磨フロー図。
【図３】ドレッシング時の定盤モータ電流平均値を示すグラフ。
【図４】ドレッサの限界使用時におけるドレッシング中の定盤モータ電流平均値を示すグラフ。
【図５】図４でのドレッサの限界使用時におけるドレッシング中の定盤モータ電流平均値を示す複数のグラフからどれを使用すべきかの選択の仕方。
【図６】研磨装置斜視図。
【図７】トップリング断面図。
【符号の説明】
１…研磨クロス，２…制御器，２ａ…判定手段，２ｂ…蓄積手段，２ｃ…計測手段，２ｄ…報知手段，２ｅ…モータ駆動手段，２ｆ…液供給手段，３…トップリング，３ｂ…孔，３ｃ…リング状凸部，４…ドレッサモータ／ドライバ，５…半導体基板，６…トップリングモータ／ドライバ，７…ドレッサ，８…定盤モータ／ドライバ，９…定盤，１０…電流検出器，１１…定盤回転機構，１２…供給手段，１３…砥液供給用配管，１５…純水供給用配管，２１…多孔質部材，２３…ガイドリング，３１…ポンプ

Claims

被研磨基板を保持するトップリングと、
前記トップリングの被研磨基板保持面と対向する面に研磨クロスが貼着され定盤モータにより回転可能に設けられた定盤と、
前記研磨クロスの研磨面をドレッシングするドレッサと、
ドレッシング時の前記定盤モータのモータ電流値を検出する検出手段と、
検出した前記定盤モータのモータ電流値と前記ドレッサの使用時間とに基づき前記研磨クロスの交換の要否を判定する判定手段と
を備えたことを特徴とする研磨装置。
トップリングに保持された被研磨基板と定盤モータにより回転可能に設けられた定盤に貼着された研磨クロスとを相対的に駆動させて前記被研磨基板を研磨する研磨工程と、
前記研磨クロスの研磨面の研磨作用を再生するドレッシング工程と、
ドレッシング工程中の前記定盤モータのモータ電流値を検出する検出工程と、
前記検出工程において検出したモータ電流値に基づき前記研磨クロスの交換の要否を判定する判定工程と
を備えたことを特徴とする研磨方法。
研磨クロスの交換の要否判定に基づき、前記研磨クロスの交換タイミングを報知する報知手段
を備えたことを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
判定工程において前記研磨クロスの交換が必要と判定された場合に研磨クロスの交換タイミングであることを報知する報知工程を有することを特徴とする請求項２記載の研磨方法。
前記研磨クロスの使用限界時における前記ドレッサの使用時間とドレッシング時の前記定盤モータのモータ電流値の関係から予め算出した限界値データを蓄積する蓄積手段を備え、
前記制御器においてドレッシング時の前記定盤モータのモータ電流値と前記限界値データから前記研磨クロスの交換の要否を判定することを特徴とする請求項１または請求項３記載の研磨装置。
前記研磨クロスの交換の要否を判定する判定工程は、前記研磨クロスの使用限界時における前記ドレッサの使用時間とドレッシング時の前記定盤モータのモータ電流値の関係から予め算出した限界値データに基づき行うことを特徴とする請求項２または請求項４記載の研磨方法。
前記報知手段は、音により報知するスピーカ、或いは光により報知する光源、或いは表示により報知する表示装置のうちから選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項３記載の研磨装置。
前記報知工程は、音による報知、或いは光による報知、若しくは表示装置に対する表示により行われることを特徴とする請求項４記載の研磨方法。
前記制御器においてドレッサの使用時間を計測する計測手段を備えたことを特徴とする請求項１の研磨装置。
前記制御器においてドレッサの使用時間を計測する計測工程を有することを特徴とする請求項２の研磨方法。