JP2778593B2 - 研磨終点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば研磨装置に
よって半導体ウエハを研磨する場合に使用して好適な研
磨終点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の研磨終点検出装置は、特
開平６−３１５８５０号公報に開示されているように、
研磨プレートを回転させる第１回転軸および被研磨物を
回転させる第２回転軸のうち少なくとも一方の回転軸の
トルクを計測し、この計測されたトルク値またはトルク
の時間微分値が予め設定された規定値以上に変化したこ
とを判定して研磨終点検出が行なわれていた。

【０００３】このような研磨終点検出装置につき、図５
を用いて説明する。同図において、符号５１で示す研磨
終点検出装置は、トルク計測機構５２とコントローラ
（終点判定部）５３とを備えている。トルク計測機構５
２は、研磨プレート回転軸駆動機構５４中の電動機に流
れる電流を測定することにより研磨プレート回転軸５５
のトルクが計測される。

【０００４】コントローラ５３は、トルク計測機構５２
から得られたトルク計測信号またはトルク計測信号の時
間微分値が予め与えられた設定値以上に変化したことを
判定して研磨終了とし、研磨停止信号をキャリア回転軸
駆動機構５６および研磨プレート回転軸駆動機構５４に
出力し、研磨を終了させる。

【０００５】５７は研磨プレート回転軸５５の先端部に
取り付けられ被研磨物５８を研磨する研磨プレート、５
９はキャリア回転軸駆動機構５６によって回転するキャ
リア回転軸、６０はこのキャリア回転軸５９の先端部に
取り付けられ被研磨物５８を保持するキャリアである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の研磨
終点検出装置においては、キャリア回転軸駆動機構５６
あるいは研磨プレート回転軸駆動機構５４のトルク値あ
るいはトルク値の時間微分値が予め設定された規定値以
上であるか否かで研磨終点を検出するものであるため、
被研磨物５８を研磨プレート５７上で揺動させながら研
磨した場合にはコントローラ５３によって検出されるト
ルク値およびトルク値の時間微分値の変化が各々微少と
なり、被研磨物５８に対する研磨終点の検出が不安定に
なるという問題があった。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、被研磨物を研磨プレート上で揺動させながら研
磨する場合に検出される測定値が微少であっても安定し
た研磨終点の検出結果を得ることができる研磨終点検出
装置の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の研磨終点検出装置は、研磨
プレート回転モータによって回転する研磨プレートと、
この研磨プレートに相対して配設されプレート面方向に
揺動するアームと、このアーム側に保持されホルダー回
転モータによって回転する被研磨物ホルダーとを備えた
研磨装置において、ホルダー回転モータのモータ電流を
測定すると共に、温度センサによって検出した研磨プレ
ートのプレート温度を測定する測定部と、この測定部に
よって測定されたモータ電流およびプレート温度に対応
する２つの信号をアームが研磨プレートの内周部と外周
部との間を揺動する周期で平均化し、これら平均化され
た両信号の相関を求め研磨終点を判定して研磨停止信号
を出力する判定部とを備えた構成としてある。したがっ
て、測定部が被研磨物回転モータのモータ電流を測定す
ると共に、温度センサによって検出した研磨プレートの
プレート温度を測定して被研磨物の研磨状態を検出し、
判定部がモータ電流およびプレート温度に対応する２つ
の信号をアームの揺動周期で平均化し、これら平均化し
た２つの信号の相関を求めて研磨終点を判定する。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の研
磨終点検出装置において、測定部による各測定値が予め
設定された閾値以下に変化したときに判定部が研磨終点
と判定する構成としてある。

【００１０】請求項３記載の研磨終点検出装置は、研磨
プレート回転モータによって回転する研磨プレートと、
この研磨プレートに相対して配設されプレート面方向に
揺動するアームと、このアーム側に保持されホルダー回
転モータによって回転する被研磨物ホルダーとを備えた
研磨装置において、ホルダー回転モータのモータ電流を
測定すると共に、加速度センサによって検出したアーム
の振動を測定するデータサンプリング部と、このデータ
サンプリング部によって測定されたホルダー回転モータ
のモータ電流およびアームの振動に対応する２つの信号
をアームが研磨プレートの内周部と外周部との間を揺動
する周期で平均化する平均化処理部と、この平均化処理
部によって平均化された両信号の相関を求め研磨終点を
判定して研磨停止信号を出力するデータ解析部とを備え
た構成としてある。したがって、データサンプリング部
が被研磨物回転モータのモータ電流を測定すると共に、
アームの振動を測定して被研磨物の研磨状態を検出し、
平均化処理部が被研磨物回転モータのモータ電流および
アームの振動に対応する２つの信号をアームの揺動周期
で平均化し、データ解析部がこれら平均化された２つの
信号の相関を求めて研磨終点を判定する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につき、
図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態
に係る研磨終点検出装置の接続状態を示すブロック図で
ある。同図において、符号１で示す研磨終点検出装置
は、研磨装置２に接続されており、測定部３と判定部４
とを備えている。

【００１２】研磨装置２は、研磨プレート５とアーム６
と被研磨物ホルダー７とを有している。研磨プレート５
は研磨プレート回転モータ８によって回転し、上方には
ノズル９および温度センサ１０が配設されている。ノズ
ル９は、研磨プレート５に対して被研磨物１１の研磨を
促進させるための砥粒１２が供給される。温度センサ１
０は、研磨プレート５のプレート温度を検出し、測定部
３に接続されている。

【００１３】アーム６は、研磨プレート５のプレート面
方向すなわち矢印ｍ方向に揺動し、研磨プレート５に相
対して配設されている。被研磨物ホルダー（パッド）７
は、ホルダー回転モータ１３によって回転し、アーム６
にホルダー回転モータ１３を介して取り付けられてい
る。ホルダー回転モータ１３は、アーム６に固定され、
かつ測定部３に接続されている。

【００１４】測定部３は、判定部４に接続されており、
これによりホルダー回転モータ１３のモータ電流１４が
測定されると共に、温度センサ１０によって検出した研
磨プレート５のプレート温度１５が測定される。

【００１５】判定部４は、測定部３によって測定された
モータ電流１４とプレート温度１５に対応する２つの信
号をアーム６が研磨プレート５の内周部と外周部との間
を揺動する周期で平均化し、これら平均化された両信号
の相関を求め研磨終点を判定して研磨終点判定時に研磨
装置２に対し研磨停止信号１６を出力する。

【００１６】このような研磨装置による研磨は、被研磨
物１１を回転させながら回転中の研磨プレート５に押し
付け、さらに均一性向上のために研磨プレート５上にお
いて内周部と外周部との間でアーム６によって揺動させ
ることにより行なう。被研磨物１１の表面に凹凸がある
場合、研磨プレート５と被研磨物１１との間の摩擦抵抗
は、研磨初期時には被研磨物１１の表面の凹凸が大きい
ため高いが、平均化が進むにつれて凹凸が小さくなるた
め低くなる。

【００１７】したがって、ホルダー回転モータ１３のモ
ータ電流１４と研磨プレート５のプレート温度１５は、
被研磨物１１の表面状態によって変化する。例えば被研
磨物１１中に異質の膜が積層されている場合、上層の膜
が研磨され異質の膜が被研磨物１１の表面に露呈する
と、砥粒１２と被研磨物１１間の摩擦抵抗と化学反応の
変化によってモータ電流１４およびプレート温度１５は
変化する。

【００１８】この場合、アーム６を揺動させると、研磨
プレート５の内周部と外周部では被研磨物１１と研磨プ
レート５の相対回転速度が異なることから摩擦抵抗が変
化し、このためアーム６に振動が発生し、モータ電流１
４およびプレート温度１５が図２に示すように変化す
る。

【００１９】そこで、アーム６の振動による研磨終点判
定の悪影響を除去するために、揺動周期でモータ電流１
４およびプレート温度１５に対応する信号を平均化する
と、図３に示すような特性図が得られる。研磨が進む
と、被研磨物１１の表面段差の変化が小さくなるため、
モータ電流１４およびプレート温度１５が小さくなる。

【００２０】よって、研磨中にホルダー回転モータ１３
に流れるモータ電流１４と研磨プレート５の表面におけ
るプレート温度１５を測定部３で同時計測することによ
り、各信号変化が微少であった場合にも、これら両信号
の波形変化の相関を求め、予め設定された閾値と比較し
て研磨終点が判定される。この後、判定部４は研磨装置
２に対して研磨停止信号１６を出力し、研磨が終了す
る。

【００２１】図４は判定部４の動作を示すフローチャー
トである。判定部４が動作するために、記憶装置（図示
せず）にホルダー回転モータ１３のモータ電流値１４お
よび研磨プレート５のプレート温度１５においてアーム
６の一揺動移動周期分を記憶するための領域（アドレス
０〜Ｎの領域とする）を予め確保しておく。ステップＳ
１では、アドレス０〜Ｎの領域の内容を全て０にしてお
く。

【００２２】ステップＳ２で終点判定するための閾値を
モータ電流とプレート温度用に設定する。ステップＳ３
では、アドレスレジスタに格納されるアドレスＡおよび
アドレスＢを０にする。ステップＳ４では、測定部３か
らモータ電流１４をアドレスＡに入力し、プレート温度
１５をアドレスＢに入力する。

【００２３】ステップＳ５で記憶装置（図示せず）から
アドレスＡおよびアドレスＢの内容を０〜Ｎまでを平均
化し、ステップＳ６でアドレスＡを平均化したデータの
時間微分値と予め設定した閾値とを比較する。

【００２４】ステップＳ６で閾値以上であればステップ
Ｓ４に戻る。ステップＳ６で閾値以下であれば、ステッ
プＳ７でアドレスＢを平均化したデータの時間微分値と
予め設定した閾値とを比較する。ステップＳ７で閾値以
上であればステップＳ４に戻る。

【００２５】ステップＳ７で閾値以下となり、モータ電
流１４とプレート温度１５の両方が条件を満たしたと
き、ステップＳ８で研磨停止信号１４を研磨装置２に対
し出力して研磨を終了させる。

【００２６】次に、第２実施形態につき、図面を参照し
て説明する。図５は本発明の第２実施形態に係る研磨終
点検出装置の接続状態を示すブロック図である。

【００２７】同図において、符号２１で示す研磨終点検
出装置は、研磨装置２２に接続されており、データサン
プリング部２３と平均化処置部２４とデータ解析部２５
とを備えている。

【００２８】研磨装置２２は、研磨プレート２６とアー
ム２７と被研磨物ホルダー２８とを有している。研磨プ
レート２６は研磨プレート回転モータ２９によって回転
し、上方には研磨プレート２６に対して研磨促進用の砥
粒（図示せず）を供給するためのノズル（図示せず）が
配設されている。

【００２９】アーム２７は、研磨プレート２６のプレー
ト面方向すなわち矢印ｍ方向に揺動し、研磨プレート２
６に相対して配設されている。アーム２７には、研磨時
の被研磨物３１における表面状態の変化によって生じる
アーム振動を検出する加速度センサ（図示せず）が配設
されている。

【００３０】被研磨物ホルダー（パッド）２８は、ホル
ダー回転モータ３０によって回転し、アーム２７にホル
ダー回転モータ３０を介して取り付けられている。ホル
ダー回転モータ３０は、アーム２７に固定され、かつデ
ータサンプリング部２３に接続されている。

【００３１】データサンプリング部２３は、平均化処理
部２４に接続されており、これによりホルダー回転モー
タ３０のモータ電流３２が測定されると共に、加速度セ
ンサ（図示せず）によって検出したアーム２７のアーム
加速度（振動振幅）３３が測定される。

【００３２】平均化処理部２４は、データ解析部２５に
接続されており、これによりデータサンプリング部２３
において測定されたモータ電流３４と振動振幅３５に対
応する２つの信号をアーム２７が研磨プレート２６の内
周部と外周部との間を揺動する周期で平均化する。

【００３３】この平均化処理部２４においては、図６
（ａ）に示すようにモータ電流３６にアーム２７の揺動
周期に同期した大きな周期成分が含まれていることか
ら、或る時刻から揺動周期分だけ前後した分のデータを
平均してその値を当該時刻のモータ電流値とし、次の時
刻分のデータにおいても同様の処理を施すという、いわ
ゆる移動平均の処理を施して同図（ｂ）に示すように揺
動周期分の成分を除去したデータを得る。

【００３４】そして、データ解析部２５に対してモータ
電流３６と振動振幅３７に対応する２つの信号が出力さ
れる。これら両信号は、図７に示すように或る一定の経
過時間に各々特定の曲線を描くように変化する。同図に
おいて、振動振幅データは研磨時間が１００〜１５０間
で大きな変化が生じ、研磨状態が変化したことが理解さ
れる。また、モータ電流データは研磨時間１５０〜２０
０間に大きな変化が生じ、同じく研磨状態が変化したこ
とが理解される。

【００３５】データ解析部２５は、平均化処理部２４に
おいて平均化されたモータ電流３６と振動振幅３７に対
応する両信号の相関を求めて（両信号の特徴を抽出し
て）研磨終点を解析し、研磨終点判定時に研磨装置２２
に対し研磨停止信号３８を出力する。

【００３６】図８（ａ）はホルダー回転モータ３０にお
けるモータ電流の変化状態を示し、同図（ｂ）はそのモ
ータ電流の時間微分値の変化状態を示す。このうち時間
微分値の変化を見ると、モータ電流データが大きく変化
する部分においてモータ電流の時間微分値の極性が先ず
「−（マイナス）」から「＋（プラス）」に転じ、その
後一定時間一定値以上「＋」の値となる。データ解析部
２５においては、モータ電流の時間微分値を算出し、一
定時間（終点判別経過基準時間），一定値以上「＋」の
値となることを確認し、この条件が満たされない場合に
モータ電流が変化し、研磨状態が大きく変化したことを
判断する。

【００３７】図９（ａ）はアーム２７における振動振幅
の変化状態を示し、同図（ｂ）はその振動振幅の時間微
分値を示す。このうち時間微分値の変化を見ると、振動
振幅が大きく変化する部分において時間微分値の極性が
変化する。データ解析部２５においては、振動振幅量の
時間微分値を算出し、その極性が「−（マイナス）」か
ら「＋（プラス）」に転じ、その後一定時間（終点判別
経過基準時間２），一定値以上（終点判別閾値）「＋」
の値となった後で極性が「＋」から「−」に再度転じ、
その後一定時間（終点判別経過基準時間３）そのまま極
性を保持することを確認し、この条件が満たされない場
合にモータ電流が変化し、研磨状態が大きく変化したこ
とを判断する。

【００３８】なお、終点判別の際には、前述したモータ
電流と振動振幅の２つの測定要因について、各々設定し
た判断基準を満たし、さらに条件を満たした際の経験値
による時間のずれ量を考慮し、最適な研磨終点一をデー
タ解析部２５において判定する。

【００３９】このような研磨装置による研磨は、第１実
施形態の場合と同様にして行なわれる。すなわち、被研
磨物３１を回転させながら回転中の研磨プレート２６に
押し付け、さらに均一性向上のために研磨プレート２６
上において内周部と外周部との間でアーム２７によって
揺動させることにより行なう。

【００４０】したがって、研磨中にホルダー回転モータ
３０に流れるモータ電流３２とアーム２７に生じるアー
ム加速度３３に対応する２つの信号をデータサンプリン
グ部２３で同時計測することにより、これら両信号を平
均化処理部２４で平均化し、これら平均化されたモータ
電流３４と振動振幅３５に対応する各信号の変化が微少
であっても両信号の波形変化の相関をデータ解析部２５
で求め、予め設定された閾値と比較して研磨終点が判定
される。この後、データ解析部２５は研磨装置２２に対
して研磨停止信号３４を出力し、研磨が終了する。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、測
定部が被研磨物回転モータのモータ電流を測定すると共
に、温度センサによって検出した研磨プレートのプレー
ト温度を測定して被研磨物の研磨状態を検出し、判定部
がモータ電流およびプレート温度に対応する２つの信号
をアームの揺動周期で平均化し、これら平均化した２つ
の信号の相関を求めて研磨終点を判定するので、またデ
ータサンプリング部が被研磨物回転モータのモータ電流
を測定すると共に、アームの振動を測定して被研磨物の
研磨状態を検出し、平均化処理部が被研磨物回転モータ
のモータ電流およびアームの振動に対応する２つの信号
をアームの揺動周期で平均化し、データ解析部がこれら
平均化された２つの信号の相関を求めて研磨終点を判定
するので、被研磨物を研磨プレート上で揺動させながら
研磨する場合に検出される測定値が微少であっても安定
した研磨終点の検出結果を得ることができる。

【００４２】また、研磨終点検出を判断するためのデー
タ要因が増加するから、研磨装置における研磨終点検出
の精度を高めることができ、品質上の信頼性を向上させ
ることができる。

【００４３】この他、リアルタイムに研磨終点検出を行
なうことができるから、研磨途中で研磨装置を一旦停止
して被研磨物の表面研磨状態を検査する時間が不要とな
り、生産性を高めることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る研磨終点検出装置
を示すブロック図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る研磨終点検出装置
のアームを揺動させて研磨した場合にモータ電流，プレ
ート温度が揺動周期毎にほぼ一定の曲線をもって変化す
ることを示す特性図である。

【図３】本発明の第１実施形態に係る研磨終点検出装置
のアームを揺動させて研磨した場合のモータ電流，プレ
ート温度と研磨時間との関係を示す特性図である。

【図４】本発明の第１実施形態に係る研磨終点検出装置
の判定部の動作を示すフローチャートである。

【図５】本発明の第２実施形態に係る研磨終点検出装置
を示すブロック図である。

【図６】（ａ）および（ｂ）は本発明の第２実施形態に
係る研磨終点検出装置の平均化処理前と平均化処理後に
おけるモータ電流と研磨時間との関係を示す特性図であ
る。

【図７】本発明の第２実施形態に係る研磨終点検出装置
のモータ電流，振動振幅と研磨時間との関係を示す特性
図である。

【図８】（ａ）および（ｂ）は本発明の第２実施形態に
係る研磨終点検出装置のモータ電流と研磨時間，モータ
電流微分値と研磨時間との関係を示す特性図である。

【図９】（ａ）および（ｂ）は本発明の第２実施形態に
係る研磨終点検出装置の振動振幅と研磨時間，振動振幅
微分値と研磨時間との関係を示す特性図である。

【図１０】従来の研磨終点検出装置を示すブロック図で
ある。

【図１１】従来における研磨終点検出装置のモータ電流
と研磨時間との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ 研磨終点検出装置 ２ 研磨装置 ３ 測定部 ４ 判定部 ５ 研磨プレート ６ アーム ７ 被研磨物ホルダー ８ 研磨プレート回転モータ １０ 温度センサ １１ 被研磨物 １３ ホルダー回転モータ １４ モータ電流 １５ プレート電流 １６ 研磨停止信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−29620（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−330261（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−148281（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−227867（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−78369（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−99350（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−197377（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−135190（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−126751（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B24B 49/14 B24B 49/16 B24B 37/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨プレート回転モータによって回転す
   る研磨プレートと、この研磨プレートに相対して配設さ
   れプレート面方向に揺動するアームと、このアーム側に
   保持されホルダー回転モータによって回転する被研磨物
   ホルダーとを備えた研磨装置において、 前記ホルダー回転モータのモータ電流を測定すると共
   に、温度センサによって検出した前記研磨プレートのプ
   レート温度を測定する測定部と、 この測定部によって測定された前記モータ電流および前
   記プレート温度に対応する２つの信号を前記アームが前
   記研磨プレートの内周部と外周部との間を揺動する周期
   で平均化し、これら平均化された両信号の相関を求め研
   磨終点を判定して研磨停止信号を出力する判定部とを備
   えたことを特徴とする研磨終点検出装置。
2. 【請求項２】 前記判定部は、前記測定部による各測定
   値が予め設定された閾値以下に変化したときに研磨終点
   と判定する判定部であることを特徴とする請求項１記載
   の研磨終点検出装置。
3. 【請求項３】 研磨プレート回転モータによって回転す
   る研磨プレートと、この研磨プレートに相対して配設さ
   れプレート面方向に揺動するアームと、このアーム側に
   保持されホルダー回転モータによって回転する被研磨物
   ホルダーとを備えた研磨装置において、 前記ホルダー回転モータのモータ電流を測定すると共
   に、加速度センサによって検出した前記アームの振動を
   測定するデータサンプリング部と、 このデータサンプリング部によって測定された前記ホル
   ダー回転モータのモータ電流および前記アームの振動に
   対応する２つの信号を前記アームが前記研磨プレートの
   内周部と外周部との間を揺動する周期で平均化する平均
   化処理部と、 この平均化処理部によって平均化された両信号の相関を
   求め研磨終点を判定して研磨停止信号を出力するデータ
   解析部とを備えたことを特徴とする研磨終点検出装置。