JP2014172161A - 基板割れ検知装置およびこれを備えた研磨装置並びに基板割れ検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨工程中あるいはその前後で基板の割れを検知する検知装置を提供する。
【解決手段】基板Ｗを保持する基板保持具Ｔの内部に配置される音センサ若しくは振動センサ１０と、前記音センサ若しくは振動センサ１０からの出力信号を常時受信する制御部１３と、前記基板Ｗに割れが無い状態での研磨時の音若しくは振動を基準値として記憶する記憶部１５とを備え、前記制御部１３は、受信される音及び振動の少なくとも何れか一方の値と前記記憶部１５の基準値とを比較することで、前記基板Ｗの割れを検知する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板（例えば、基板）などを研磨する研磨装置および研磨方法に係り、特に、基板の研磨時に基板の割れを瞬時に検知できる基板割れ検知装置およびこれを備えた研磨装置並びに基板割れ検知方法に関する。
に関する。

半導体基板は、シリコン単結晶インゴットをスライシングし、その後、ラッピング、エッチングなどの加工を行い、最終的に表面研磨工程及び洗浄工程を経て完成する。ここで、表面研磨工程は、基板表面の凹凸を無くし、平坦度の高い鏡面仕上げを行うために、ＣＭＰ（化学機械研磨）が施される。ＣＭＰ処理を施すための研磨装置は、基板を研磨パッドに押し付けながら、研磨液を研磨パッド上に滴下して基板の表面を研磨する。研磨工程においては、基板を研磨パッドに押し付ける力の大きさによって、研磨量や研磨速度が異なる。一般的に、押し付け力が大きければ研磨量および研磨速度が大きくなり、生産性が向上する。そのため、近年では比較的大きな力で基板を研磨パッドに押し付ける傾向にある。

しかし、大きな力で基板を研磨パッドへ押し付けた場合、基板には不均一な力が作用して、変形やひずみが生じる。その理由は、研磨パッドは弾性体であって、それ自体が変形してしまうからである。このような理由に起因し、製造工程が進むに従って、基板には大きなひずみや応力が残留する。このため、小さな力が基板に作用しただけでも、その力の加わり方によっては、基板はその力に耐えられずに割れてしまう場合がある。

基板の研磨中に基板自体に割れが生じると、その基板の割れに伴って発生する基板の破片によって、研磨装置に損傷を与えてしまい、正常に復旧させるために多大な時間を要することとなる。また、研磨パッド上に基板の破片が残っている状態で次の新しい基板を研磨した場合、その新しい基板にも傷がつき、不良品となってしまう。このため、基板の割れは、生産性や歩留まりを大きく低下させてしまう。研磨工程中に、基板の割れを瞬時に検知できれば、その後適切な処理を行なうことができ、生産性および歩留まり低下を最小限に抑えることができる。

基板の割れを検知する手法としては、いくつかが提案されている。例えば、図１３（Ａ）に示すように、基板保持具Ｔで基板Ｗを吸着するための吸着機構３１を備える研磨装置がある。すなわち、吸着機構３１で基板Ｗを吸着した場合に、基板Ｗに割れがあると真空圧が規定の値（正しい減圧値）まで降下しないため、これをもって基板Ｗの割れとして検知できる。また、図１３（Ｂ）に示すように、光センサ５４によって検出できる場合もある。すなわち、基板Ｗを収納しておく基板ステーション５５、や、基板Ｗを移動させるためのプッシャ５６などに基板Ｗが置かれたときに、基板Ｗを挟んで複数個の光源５３から複数個の光センサ５４に向けて光を照射する。このとき、全ての光センサ５４が光を検出しなければ、基板Ｗの割れが無いと判断でき、一方、１個でも光センサ５４が光を検出した場合には、基板Ｗに割れありと判断できる。

上記のような、吸着機構３１や光センサ５４を用いた基板割れ検知装置の他に、図１４に示すような、基板の割れによって生じる音を検出して、これをもって基板の割れを検知しようとするものも提案されている（特許文献１）。これは、上下部砥石１２５、１２６の近傍に集音マイク１０１を設け、研磨中に上下部砥石１２５、１２６から発せられる音を分析して、基板の割れを検知するものである。具体的には以下の通りである。

下記（１）〜（２）の工程により決定される監視基準周波数付近のみを通過させるバンドパスフィルタ通過の音信号によって、被加工材（基板）より発生する異常音を検出して割れが発生するか否かを予知する（特許文献１の請求項１参照）。
（１）被加工材（基板）に割れ発生のない正常な加工時における発生音のスペクトル（以下「定常音スペクトル」とする）と被加工材に割れが発生した時の発生音のスペクトル（以下「異常音スペクトル」とする）を対比し、仮基準周波数を決定する。
（２）被加工材に割れが発生した時の発生音をバンドパスフィルタを通過させ、バンドパスフィルタ通過周波数を前記仮基準周波数付近で変化させて調整し、異常音スペクトルの振幅が大きな周波数を加工時の監視基準周波数として決定する。

そして、バンドパスフィルタ通過の監視基準周波数の音信号エネルギー又は音信号電圧が所定のしきい値を超えたことを検出して、被加工材割れが発生したと判断する（請求項２参照）。そして、被加工材の割れが検知されると、被加工材の加工が即座に停止される。

特開平１１−２２１７６０号公報（特に、請求項１、図１０）

研磨中に基板の割れが発生した場合には、研磨装置を損傷させてしまう場合がある。この研磨装置の損傷を防ぎ、研磨工程での歩留まり向上のためには、研磨中に基板の割れを瞬間を検知する必要がある。

しかしながら、上記各従来技術は、それぞれ個別の問題点を有していた。先ず、基板吸着機構３１で基板の割れを検知する場合、基板保持具Ｔやその内部の押圧部材には複数の吸着穴が設けられ、これらの吸着穴によって基板Ｗとの間を減圧するが、この吸着穴以外の位置で割れが発生した場合には、割れが発生していない場合と同様に正常な減圧値まで圧力が降下してしまう。このため、基板Ｗの割れを検知することはできない。また、基板Ｗの吸着動作時までは基板Ｗの割れを検知することはできない。

また、基板ステーション５５やプッシャ５６での検知の場合、これら基板ステーション５５やプッシャ５６に基板Ｗが置かれるまでは、基板Ｗの割れを検知することはできない。加えて、光源５３と光センサ５４を用いた検知装置の場合には、光源５３と光センサ５４とを結ぶ光軸以外の部分で基板Ｗの割れが発生すると、割れを検知することはできない。

更に、集音マイク１０１で基板が割れるときの音を集音して検知する場合も、以下のような問題点があった。すなわち、上下部砥石１２５、１２６の近傍の空間内に集音マイク１０１が設けられているため、研磨に伴って発生する様々な音をすべて集音してしまう。このため、基板の割れに伴う音だけを抽出するために、集音した音に対して非常に複雑な信号処理を施さなければならない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、第１の手段では、基板を保持する基板保持具の内部に配置される音センサ若しくは振動センサと、前記音センサ若しくは振動センサからの出力信号を受信する制御部と、前記基板に割れが無い状態での研磨時の音若しくは振動を基準値として記憶する記憶部とを備え、前記制御部は、受信した音及び振
動の少なくとも何れか一方の値と前記記憶部の基準値とを比較することで、前記基板の割れを検知する、という構成を採っている。

また、第２の手段では、前記割れ検知装置は更に、前記基板における渦電流の変化を検知できる、渦電流センサを備えている、という構成を採っている。

また、第３の手段では、前記割れ検知装置は更に、前記基板の静電容量の変化を検知できる、静電容量センサを備えている、という構成を採っている。

また、第４の手段では、前記割れ検知装置は更に、基板保持具内に設けられて、超音波の伝達時間及び超音波の強度の変化の少なくとも何れかを検出できる超音波送受信機を備えている、という構成を採っている。

また、第５の手段では、前記制御部は、前記基準値を超える信号を受信した場合に、基板の割れが発生したと判断する、という構成を採っている。

また、第６の手段では、前記制御部は、前記渦電流、静電容量及び超音波伝達状態の少なくとも一つの変化量が所定値を超えた場合に、基板の割れが発生したと判断する、という構成を採っている。

また、第７の手段では、前記制御部は、基板の割れが検知された場合に、前記基板保持具の動作を割れ対応動作モードに変更する、という構成を採っている。

また、第８の手段では、前記割れ対応動作モードにおいては、前記基板保持具の回転が停止すると共に、割れた基板が取り外された後の前記基板保持具及び前記研磨パッドの少なくとも何れか一方が洗浄される、という構成を採っている。

また、第９の手段では、基板を保持する基板保持具と、前記基板を研磨するための研磨パッドを担持するターンテーブルと、前記基板保持具内に設けられる上記割れ検知装置と、を備えた研磨装置、という構成を採っている。

また、第１０の手段では、基板の割れを検知するための割れ検知方法であって、前記基板を基板保持具で保持し、前記基板保持具内に設けられた音センサもしくは振動センサによって研磨中の音及び振動の少なくとも何れか一方を検出し、検出された音若しくは振動を、基板に割れが無いときの正常時の音若しくは振動の基準値と比較し、前記比較の結果、基準値を超える音若しくは振動が検出された場合に、基板に割れが生じたと判断する、という構成を採っている。

更に、第１１の手段では、上記第１０の手段に加え、基板の割れを検知する際に、基板における渦電流の変化量、基板の静電容量の変化量及び基板の超音波伝達時間の変化量の少なくとも何れか１つが所定値を超えた場合に、基板の割れと判断する、という構成を採っている。

基板保持具の構造と洗浄プロセスを説明する図であり、図１（Ａ）は基板保持具と基板を洗浄している時の断面図であり、図１（Ｂ）は基板保持具に基板を吸着している状態の断面図であり、図１（Ｃ）は基板保持具と基板外縁とのシール機構を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る、音若しくは振動を利用する検知装置を説明する図であり、図２（Ａ）は検知装置を備える基板保持具を示す断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に開示した検知装置による割れ検知のフローチャートである。 図２に開示した検知装置による音波信号を示す図である、図３（Ａ）は処理を施していない信号であり、図３（Ｂ）は回転成分のノイズを除去した後の信号であり、図３（Ｃ）は割れが発生したときの信号をそれぞれ示す。 割れを検知した後の動作を説明するフローチャートである。 渦電流による割れ検知を説明するための図であり、図５（Ａ）は渦電流センサを具備する検知装置の断面図であり、図５（Ｂ）は割れが発生した場合の渦電流センサの検出信号を示すグラフである。 静電容量による割れ検知を説明するための図であり、図６（Ａ）は静電容量センサを具備する検知装置の断面図であり、図６（Ｂ）は割れが発生した場合の静電容量センサの検出信号を示すグラフである。 超音波による割れ検知を説明するための図であり、図７（Ａ）は超音波送受信機を具備する検知装置の断面図であり、図７（Ｂ）は割れが発生していない場合の超音波の伝達状態を示す断面図である。 割れの有無を判断するための信号波形のグラフである。 基板に割れが生じた場合の超音波の伝達状態を示す断面図であり、 図７に開示した超音波送受信機による割れ検知において、様々な種類の割れによる超音波の伝達状態を説明するための図であり、図１０（Ａ）は割れが生じている基板の断面図であり、図１０（Ｂ）は送信される超音波の信号波形のグラフであり、図１０（Ｃ）は受信される超音波の信号波形のグラフである。 図１０（Ａ）に開示した基板について受信された超音波の信号波形を示すグラフであり、図１１（Ａ）は図１０（Ａ）の割れＸ，Ｙによる信号波形の変形を示し、図１１（Ｂ）は図１０（Ａ）の割れＺによる信号波形の変形を示す。 図１０（Ａ）に示す各割れＸ，Ｙ，Ｚが発生している場合の、超音波強度の微分値を示すグラフである。 従来の割れ検知装置を示す図であり、図１２（Ａ）は吸着機構による検知装置の断面図であり、図１２（Ｂ）は光源と光センサによる検知装置の断面図である。 集音マイクを用いて割れ検知を行う研磨装置を示す断面図である。

［検知装置の概要］
本発明の一実施形態に係る割れ検知装置は、基板の割れやひびを各種センサを使って検知する。検知手法は、例えば次の４種類がある。
１．基板保持具に音・振動検出用のセンサを搭載し、常時信号をモニタリングする手法である。正常時の基準値を超える音又は振動を検出したときに、基板の割れと判断する。
２．基板保持具に渦電流検出センサを搭載し、常時渦電流をモニタリングする手法である。通常よりも大きな渦電流量変化を検出したときに基板割れと判断する。
３．基板保持具に静電容量検出センサを搭載し、常時基板の静電容量をモニタリングする手法である。通常よりも大きな静電容量変化を検出したときに割れと判断する。
４．基板保持具に超音波送信機と受信機を設置し、超音波が到達する時間（伝達時間）及び受信した超音波の強度をモニタリングする手法である。超音波の伝達時間の変化量が通常より大きくなった場合、或いは受信した超音波の強度が通常よりも小さい場合に、基板割れや内部クラックが発生したと判断する。

［研磨装置］
本実施形態に係る検知装置や基板保持具は、半導体基板を研磨する研磨装置で用いられる。そこで、研磨装置の概要について説明する。ここで用いられる研磨装置は、化学機械研磨（ＣＭＰ）装置である。まず、研磨装置は、大きく分けると、被加工物としての基板を研磨して平滑化する研磨系、研磨系に含まれる電動モータを駆動する駆動系、及び基板の研磨の終点を検出する研磨終点検出系を備える。研磨装置は更に、上記各構成要素の動
作を制御する制御部と、割れの検知のための信号の基準値を記憶する記憶部を有している。

研磨系は、研磨パッドを上面に取付け可能なターンテーブル（研磨テーブル）と、ターンテーブルをギヤなどを介することなく直接的に回転駆動する第１の電動モータと、基板を保持可能な基板保持具（基板保持部）と、基板保持具を回転駆動する第２の電動モータとを備えている。

研磨装置は、第１の電動モータによりターンテーブルを回転させると共に、第２の電動モータにより基板保持具を回転させて、基板保持具により基板を保持しつつ、ターンテーブルに基板を押圧して基板の表面を研磨し、平坦化できるようになっている。

基板保持具は、図示しない昇降機構により、ターンテーブルに近づけたり遠ざけたりすることができるようになっている。基板を研磨するときは、基板保持具をターンテーブルに近づけることにより、基板保持具に保持された基板を、ターンテーブルに取り付けられた研磨パッドに当接させる。なお、本実施形態においては、ターンテーブルを直接的に回転駆動する第１の電動モータのトルクを検出して、基板の研磨状態の終点を検出する例を示すが、基板保持具を回転駆動する第２の電動モータのトルクを検出して、基板の研磨状態の終点を検出するようにしてもよい。

半導体基板を研磨するときは、上面に研磨パッドを張り付けたターンテーブルが、第１の電動モータによって回転駆動された状態で、研磨対象物である基板を保持した基板保持具により、基板が研磨パッドに押圧される。また、基板保持具は、ターンテーブルの回転軸とは偏心した軸線の回りに回転する。研磨する際は、研磨材を含む研磨砥液が、研磨材供給装置から研磨パッドの上面に供給され、そこに、基板保持具に保持された基板が押圧される。第１の電動モータのロータは、モータシャフトに接続されており、モータシャフトによりターンテーブルが回転駆動される。

次に、駆動系について説明する。駆動系は、第１の電動モータを回転駆動するモータドライバと、第１の電動モータの回転位置を検出する位置検出センサと、キーボートやタッチパネルなどの入力インターフェースを介してオペレータから第１の電動モータの回転速度の指令信号を受け付け、受け付けた指令信号をモータドライバに入力する入力部とを備えている。以上のような構成を持つ研磨装置によって基板が研磨される。研磨が終了すると、昇降機構によって基板保持具が上昇して研磨パッドから離れる。

［研磨プロセス概要］
次に、図１に基づいて、実際の研磨プロセス及び基板保持具の構造について説明する。研磨に先立って、先ず基板保持具Ｔ及び基板Ｗが、純水ノズル１９から噴射される純水で洗浄される（図１（Ａ）参照）。これは、基板保持具Ｔや基板Ｗに埃などが付着していると、研磨プロセスによって基板Ｗに傷をつけてしまうからである。純水による洗浄の後に、基板保持具Ｔと基板Ｗに対して、窒素ガスノズル２１から窒素ガスが噴射され、基板保持具Ｔや基板から水滴を吹き飛ばす（ブロー工程）。なお、基板保持具Ｔの洗浄及びブローは、基板保持具Ｔを回転させながら行われる。

次に、基板Ｗを基板保持具Ｔの吸着機構１１で吸着する（図１（Ｂ）参照）。基板Ｗの吸着に関して、基板保持具Ｔには基板Ｗとの境界部（基板外周部の近傍）にシール機構１４が設けられている（図１（Ｃ）参照）。シール機構１４は、基板保持具Ｔの押圧部材内に設けられた漏斗状部材であり、この漏斗状部材を真空引きすることで、研磨中に砥液（スラリー）等の異物が基板保持具Ｔの内部への侵入を防止できる。但し、シール機構１４は任意であって、必須の構成要素ではない。

基板Ｗが基板保持具Ｔに吸着された状態で、基板Ｗがターンテーブル上の研磨パッド（共に図示略）に押圧される。その状態でターンテーブルが回転すると共に、基板保持具Ｔも回転する。この時、基板保持具Ｔはターンテーブルの中心からずれた位置に位置決めされている。これにより、基板Ｗの表面が均一に研磨される。

研磨が終了すると、吸着機構１１の穴から基板Ｗに向けて、窒素ガス或いは純水が供給される。これは、基板保持具Ｔの押圧部材から基板Ｗを剥がすためである。但し、窒素ガスと純水とを混合した流体を供給するようにしてもよい。基板Ｗを基板保持具Ｔから剥がすという目的からは、同様の作用を得られるからである。

［音若しくは振動を検出する手法］
次に、図２に基づいて、基板割れの検知装置について説明する。本実施形態は、基板保持具Ｔに音若しくは振動検出用のセンサ１０を搭載し、常時信号をモニタリングする手法である。後述する基準値を超える音若しくは振動を検出したときに、基板Ｗの割れが発生したと判断する。但し、研磨テーブル（図示略）や基板保持具Ｔは研磨時には回転しており、この回転に起因する音や振動が発生している。このため、回転成分をフィルタリングで取り除いた信号から、ある基準値を超える信号（異常信号）を検出した時点で割れと判断する。以下、具体的に説明する。

図２（Ａ）は、本実施形態に係る割れ検知装置を備えた、半導体基板保持用の基板保持具Ｔである。基板保持具Ｔ内には、音若しくは振動を検出するための音センサ若しくは振動センサ１０が設けられている。これら音及び振動に関する情報は、割れ検知のためにそれぞれ個別に利用してもよいし、同時に利用してもよい。すなわち、音の情報だけで基板Ｗの割れを検知できるのであれば音の情報だけを用い、一方、振動の情報だけで基板Ｗの割れを検知できるのであれば、振動の情報だけを用いるということである。仮に、音と振動の両方の情報を同時に使用することで検知精度が向上するのであれば、両方の情報を割れ検知に利用する。

音センサ若しくは振動センサ３の設置場所は、基板保持具Ｔの内部であって、できる限り外部の環境音や環境振動が入らない領域である。これは、検出した音や振動の信号に含まれるノイズが少なければ、ノイズを除去するための信号処理が容易になるからである。具体的には、図２（Ｂ）に示すように、音センサもしくは振動センサ１０で音若しくは振動検出し（ステップＳ１）、検出した信号をアンプ（図示略）で増幅する（ステップＳ２）。この増幅された信号が図３（Ａ）に示されている。

ここで、研磨工程においては上述のように、基板保持具Ｔやターンテーブルは所定の回転数で回転している。このため、これら基板保持具Ｔやターンテーブルの回転に起因する音若しくは振動が、音センサもしくは振動センサ１０によって検出される。従って、図３（Ａ）に示されている信号波形には、基板保持具Ｔやターンテーブルの回転成分が含まれている。割れを正確に検知するために、基板Ｗの割れとは無関係な、回転成分に起因する音若しくは振動の信号（ノイズ）を、フィルタリング（図２（Ｂ）のステップＳ３）で除去する。

図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、上述の回転成分を除去した後の音若しくは振動の信号波形を示すグラフである。基板Ｗに割れが発生していない場合には、図３（Ｂ）に示すように、信号は常に所定の基準値以下の値を示す。一方、研磨工程の途中で割れが発生すると、図３（Ｃ）に示すように、一瞬だけ音若しくは振動の信号が基準値を超える。図２（Ａ）に示す制御部１３は、記憶部１５に記憶されている基準値と実際に検出された信号とを比較して、基板Ｗの割れを検知している。なお、本実施形態の音センサ又は振動センサは
、基板Ｗとは直接接触していないが、直接接触させるようにしてもよい。また、基準値は、予め所定の基準値を記憶しておいてもよいし、研磨中に音若しくは振動の信号から基準値を生成して、常時更新を繰り返しながら記憶部に記憶するようにしてもよい。こうすることで、予め基準値を記憶しておかなくても、自動的に基準値が生成されて記憶部に記憶されるからである。更に、本実施形態では、基板Ｗを基板保持具Ｔで上面を吸着して、下面を研磨するような構造である。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、基板などの基板をその下面で保持手段などによって保持して、上面を研磨するような場合にも適用可能である。この場合、各種センサは基板の下面の近傍に配置されることとなる。

［基板の割れを検知した後の処理］
基板Ｗの割れを検出した後の処置については以下の通りである。すなわち、制御部によって基板の割れが発生したと判断されると、割れ対応動作モードに切り替わり、図４に示すように、制御部は直ちに研磨工程を停止させる。具体的には、昇降機構・電動モータに指令を送信して基板保持具Ｔを上昇させてターンテーブルから引き離す。それと同時に基板保持具Ｔ及びターンテーブル用の電動モータの回転を停止させる。基板Ｗは基板保持具Ｔの吸着機構１１によって吸着される（以上、ステップＳ６）。

基板保持具Ｔは、基板排出エリア（図示略）へ移動する（ステップＳ７）。基板排出エリアにおいて、基板Ｗは基板保持具Ｔから離脱する。離脱した基板Ｗは、そのまま廃棄プロセスに送られる。一方、基板保持具Ｔは図示しない上述の純水ノズル１９（図１（Ａ）参照）によって洗浄される（以上、ステップＳ８）。これは、基板Ｗの割れによって生じた異物が、基板保持具Ｔに付着している場合があるからである。基板保持具Ｔに異物が付着していると、これが原因で次の研磨プロセスの基板Ｗに傷をつけてしまうことが考えられる。同様の理由から、ターンテーブルも洗浄ノズル（図示略）から純水等の洗浄液を供給することによって洗浄を行なう。

基板保持具Ｔとターンテーブルを十分洗浄した後で、基板保持具Ｔはプッシャ（基板受渡しエリア）へ移動し（ステップＳ９）、次の基板Ｗを受け取って吸着する（ステップＳ１０）。そして、基板保持具Ｔはターンテーブルの上方に移動し、ターンテーブルの表面に貼り付けられている研磨パッドに基板Ｗを押し付けて、研磨工程を再開する。

［渦電流を検知する実施形態］
次に、上述の音センサ若しくは振動センサ１０に代えて、或いは音センサ若しくは振動センサ１０に加えて、渦電流検出センサ３１を設けた場合の実施形態を説明する。すなわち、図５（Ａ）に示すように、基板保持具Ｔに渦電流検出センサ３１を搭載する。そして、この渦電流検出センサ３１で常に渦電流を監視する手法である。渦電流の変化量が所定値を超えた場合に、基板Ｗの割れと判断する。

具体的に説明すると、渦電流センサ３１から発生する磁界によって、検知対象である基板Ｗには渦電流が発生する。その渦電流の大きさを渦電流検出センサ３１で検出する。基板Ｗが割れた場合、図５（Ｂ）に示すように、割れた瞬間に渦電流の大きさが階段状に減少する。これは、基板Ｗの割れによって渦電流が生じる面積が小さくなり、その結果として渦電流量が減少するからである。但し、この渦電流センサ３１を用いる検知手法は、基板Ｗの表面に金属膜が形成されている場合に限られる。

［静電容量を検知する実施形態］
次に、図６に基づいて、静電容量センサ４１を用いる実施形態について説明する。当該実施形態では、基板保持具Ｔに静電容量センサ４１を搭載し、常時基板Ｗの静電容量をモニタリングする。静電容量の変化量が所定値を超えた場合に、基板Ｗの割れが発生したと
判断する。静電容量センサ４１と基板Ｗの間の静電容量の変化を利用して割れを検知するのである。静電容量は以下に式で算出される。
静電容量＝誘電率×面積／距離

ここで、「誘電率」は基板の誘電率であり、「面積」は静電容量に影響を及ぼす基板の面積であり、「距離」は静電容量センサと基板との距離である。基板Ｗの研磨時は、静電容量センサ４１と基板Ｗとの距離は一定なので、上記式から明らかなように、静電容量は基板Ｗの面積に比例することとなる。従って、基板Ｗの割れが発生して、静電容量に影響を及ぼす基板Ｗの面積が小さくなり、その結果として静電容量も減少する。以上のような原理から、静電容量の変化量で割れを検知することができる。ただし、単純に静電容量センサ４１を設置するだけでは、基板Ｗとの間に異物（水など）が入った場合に、測定値にばらつきが生じる。そこで、基板Ｗの受渡し時に、基板Ｗと基板保持具Ｔとの間に異物が入らない構造・運用にする必要がある。上述の図１（Ｃ）に係るシール機構１４はその一例である。

［超音波の伝達時間の変化を検知する実施形態］
次に、図７〜図１１に基づいて、超音波送受信機を用いた割れ検知装置の実施形態について説明する。この実施形態では、図７（Ａ）に示すように、基板保持具Ｔにの超音波送信機５１と受信機５２を設置し、送信機５１を出た超音波Ｕ１，Ｕ２が受信機５２に到達する時間をモニタリングする。送受信機は、複数組設けてもよい。超音波の伝達時間が通常よりも長くなれば、基板Ｗに割れやクラックが発生していると判断する。具体的には以下の通りである。

図７（Ｂ）に示すように、送信機５１から送信された超音波は、基板Ｗの表面を伝わる超音波Ｕ１と、基板Ｗの内部を伝わる超音波Ｕ２に分けられる。基板Ｗに割れが発生していなければ、受信機５２で受信する超音波強度−時間の信号波形は、図８に示すような形状となる。この図では、横軸の原点（時刻ｔ₀）で送信機５１から超音波を送信している。超音波のうち基板Ｗの表面を伝わる超音波Ｕ１は、内部を伝わる超音波Ｕ２よりも早く受信機に到達する。伝達経路が基板Ｕの内部よりも短いからである。このため、表面を伝わった超音波Ｕ１は、時刻ｔ₁で受信され、超音波強度が急激に大きくなる。

一方、基板Ｗの内部を伝わる超音波Ｕ２は、上述のように伝達時刻が遅れ且つ強度も減衰する。このため、時間の経過に伴って超音波強度が除々に低下してゆくような波形となる。このような超音波強度の波形が、基板Ｗに割れが無い場合の形状である。

図９は、基板Ｗの表面に割れが発生している場合の、超音波の伝達状態を説明するための図である。この図に示すように、基板Ｗの表面を伝わる超音波は、割れが発生している部位で伝達が遮断される。このため、受信機５２まで到達することはできない。また、基板の内部を伝わる超音波であっても、割れが到達している部位を伝わる超音波は、受信機５２まで到達しにくくなる。更に、割れ以外の部分を伝わる超音波は、伝達経路の長さが表面よりも長くなる。このため、正常な基板Ｗの表面を伝わる超音波の受信時刻ｔ₁よりも、到達時刻が大きく遅れることとなる。このような現象を、図１０に基づいて、具体的な事例を使って以下に説明する。

図１０（Ａ）は、事例として用いる基板Ｗの断面図であり、図１０（Ｂ）は基板Ｗに向けて送信機５１から送信される超音波信号の波形であり、図１０（Ｃ）は割れが発生していない場合の受信機で受信される超音波信号の波形である。図１０（Ａ）に示すように、事例の基板Ｗでは、上面に割れＸ，下面（被研磨面）に割れＺ、そして内部に割れＹが発生している。この基板Ｗには、図１０（Ｂ）に示すような矩形波状の超音波が送信機５１から送信される。そして、基板Ｗに割れが発生していなければ、所定のタイムラグを経て
受信機５２で図１０（Ｃ）に示すような山状の信号を受信する。

図１１は、各割れＸ、Ｙ、Ｚによる受信信号の波形の変形について説明する図である。基板Ｗの上面（送信機５１及び受信機５２が配置されている側の表面）に割れＸが発生している場合には、超音波は基板Ｗの上面を伝わらない。このため、受信機５２で受信される超音波は、基板Ｗの内部或いは基板Ｗの下面に近い部位を伝わる超音波だけである。このため、通常は時刻ｔ₁で表面を伝わった超音波を受信するはずであるが、表面を伝わる超音波が遮断されるため、超音波強度が立ち上がるのが通常よりも遅れることとなる。この遅れを検出することによって、超音波送受信機５１，５２が配置された側の表面に割れが発生していることが検知できる。より詳しく説明すると、送信機からの超音波送信時刻ｔ₀と受信機に超音波を受信した時刻ｔ₁の差分（ｔ₁−ｔ₀）をモニタし、この差分時間が所定の閾値を越えたときに割れありとする。あるいは、割れがあるときは、その割れにより超音波の強度が割れの無いときよりも遮られて小さくなるので、超音波強度のピーク値に所定の閾値を決め、超音波の送信からある決められた時間内にピーク値がその閾値を越えなければ割れありと判断するのである（図１２（Ａ）参照）。

また、基板Ｗの内部に割れＹが形成されている場合には、図１１（Ａ）に示されるように、時刻ｔ₁から所定時間経過した時点で、超音波強度が急激に低下する。これは、基板Ｗの厚さ方向の広い範囲にわたって割れＹが発生しているため、基板Ｗのそれぞれの厚さ方向位置を伝わるべき超音波が遮断され、信号強度が低下しているからである。このことから、超音波信号の強度が除々に減衰する過程で、急激に超音波強度が低下した場合には、内部に割れが発生していると検知できる。より詳しく説明すると、受信機に受信される超音波の強度を時間で微分処理し微分値をモニタリングする。基板に割れが無いとき、超音波を受信した直後の微分値は大きな＋（プラス）値を示し、超音波強度がピークになると微分値は０になり、その後超音波の強度が徐々に小さくなるため微分値は−（マイナス）値を示す。超音波強度の微分値に所定のマイナス閾値と所定のプラス閾値を決め、超音波強度が徐々に減衰する過程で、微分値がそのマイナス閾値を下回り、その後所定時間内にプラス閾値を越えたときに割れありと判断するのである（図１２（Ｂ）参照）。

更に、図１１（Ｂ）は、割れＺによる影響を受けた信号波形である。割れＺは、基板の下面（被研磨面）に割れ発生しているものである。このため、基板Ｗの上面を伝わる超音波は時刻ｔ₁で受信される。そしてその強度も正常な基板Ｗの場合と同様である。一方、時刻ｔ₁を過ぎると、超音波強度が急激に低下し、その後も強度低下の状態が継続する。これは、基板Ｗの下面付近を伝わる超音波が割れＺで遮断され、超音波強度が著しく低下するからである。このように、時刻ｔ₁経過後に長い時間にわたって超音波強度の低下が検出される場合には、基板Ｗの被研磨面側の割れであると検知できる。すなわち、超音波強度の微分値に所定のマイナス閾値とプラス閾値を決め、超音波強度が徐々に減衰する過程で、微分値がそのマイナス閾値を下回り、かつある一定時間経ってもプラス閾値を越えないときに割れありと判断するのである（図１２（Ｃ）参照）。このように、基板の割れが、初期は割れに発展しないくらいの微小なクラックが進行したものと考えれば、この微小クラックを予め検知できれば、大きな割れに発展する前に適切な処置が可能となる。

［各種情報の組み合わせ］
なお、以上の説明では、それぞれのセンサによる割れ検知を個別に説明した。しかしながら、上記各種センサを一個または複数個設置したり、あるいは異なる種類のセンサを組み合わせて設置することで、基板割れを瞬時に且つ精度良く検出できる場合もある。このため、上記各検知装置の組み合わせは任意である。

本発明は、半導体基板を研磨する研磨装置において、基板の割れを検知する検知装置に
利用することが可能である。

１０ 音センサ又は振動センサ
１１ 吸着機構
１３ 制御部
１５ 記憶部
１７ 昇降機構・電動モータ
１９ 純水ノズル
２１ 窒素ガスノズル
３１ 渦電流検出センサ
４１ 静電容量センサ
５１ 超音波送信機
５２ 超音波受信機
Ｔ 基板保持具
Ｕ１，Ｕ２ 超音波
Ｗ 基板
Ｘ，Ｙ，Ｚ 割れ

Claims (11)

1. 基板を保持する基板保持具の内部に配置される音センサ若しくは振動センサと、前記音センサ若しくは振動センサからの出力信号を受信する制御部と、前記基板に割れが無い状態での研磨時の音若しくは振動を基準値として記憶する記憶部とを備え、
   前記制御部は、受信した音及び振動の少なくとも何れか一方の値と前記記憶部の基準値とを比較することで、前記基板の割れを検知することを特徴とする、割れ検知装置。
2. 前記割れ検知装置は更に、前記基板における渦電流の変化を検知できる、渦電流センサを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の割れ検知装置。
3. 前記割れ検知装置は更に、前記基板の静電容量の変化を検知できる、静電容量センサを備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の割れ検知装置。
4. 前記割れ検知装置は更に、基板保持具内に設けられて、超音波の伝達時間及び超音波の強度の変化の少なくとも何れかを検出できる超音波送受信機を備えていることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の割れ検知装置。
5. 前記制御部は、前記基準値を超える信号を受信した場合に、基板の割れが発生したと判断することを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の割れ検知装置。
6. 前記制御部は、前記渦電流、静電容量及び超音波伝達状態の少なくとも一つの変化量が所定値を超えた場合に、基板の割れが発生したと判断することを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の割れ検知装置。
7. 前記制御部は、基板の割れが検知された場合に、前記基板保持具の動作を割れ対応動作モードに変更することを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の割れ検知装置。
8. 前記割れ対応動作モードにおいては、前記基板保持具の回転が停止すると共に、割れた基板が取り外された後の前記基板保持具及び前記研磨パッドの少なくとも何れか一方が洗浄されることを特徴とする、請求項７に記載の割れ検知装置。
9. 基板を保持する基板保持具と、基板を研磨するための研磨パッドを担持するターンテーブルと、前記基板保持具内に設けられる請求項１〜８の何れか一項に記載の割れ検知装置と、を備えたことを特徴とする研磨装置。
10. 基板の割れを検知するための割れ検知方法であって、
    前記基板を基板保持具で保持し、
    前記基板保持具内に設けられた音センサもしくは振動センサによって研磨中の音及び振動の少なくとも何れか一方を検出し、
    検出された音若しくは振動を、基板に割れが無いときの正常時の音若しくは振動の基準値と比較し、
    前記比較の結果、前記基準値を超える音若しくは振動が検出された場合に、基板に割れが生じたと判断することを特徴とする、割れ検知方法。
11. 基板の割れを検知する際に、基板における渦電流の変化量、基板の静電容量の変化量、基板の超音波伝達時間の変化量及び超音波の強度の変化量の少なくとも何れか１つが所定値を超えた場合に、基板の割れと判断することを特徴とする、請求項１０に記載の割れ検知方法。

Images