JP3045232B2

JP3045232B2 - Wafer polishing apparatus and polishing amount detection method

Info

Publication number: JP3045232B2
Application number: JP29571998A
Authority: JP
Inventors: 実沼本; 高男稲葉
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2000-05-29
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000117626A

Description

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェーハ研磨装置
及びそこでの研磨量検出方法に関し、特にウェーハ上に
ＩＣパターンを形成する工程の途中で表面を平坦化する
のに使用される化学的機械研磨(Chemicla Mechanical P
olishing:CMP) 法によるウェーハ研磨装置及び研磨量検
出方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wafer polishing apparatus and a polishing amount detection method therefor, and more particularly to a chemical mechanical polishing used for flattening a surface during a process of forming an IC pattern on a wafer. (Chemicla Mechanical P
The present invention relates to a wafer polishing apparatus and a polishing amount detection method using an olishing (CMP) method.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、ＩＣの微細加工が進んでおり、多
層に渡ってＩＣパターンを形成することが行われてい
る。パターンを形成した層の表面にはある程度の凹凸が
生じるのが避けられない。従来は、そのまま次の層のパ
ターンを形成していたが、層数が増加すると共に線やホ
ールの幅が小さくなると良好なパターンを形成するのが
難しく、欠陥などが生じ易くなっていた。そこで、パタ
ーンを形成した層の表面を研磨して表面を平坦にした
後、次の層のパターンを形成することが行われている。
このようなＩＣパターンを形成する工程の途中でウェー
ハを研磨するのには、ＣＭＰ法によるウェーハ研磨装置
（ＣＭＰ装置）が使用される。2. Description of the Related Art In recent years, microfabrication of ICs has been advanced, and IC patterns have been formed over multiple layers. It is inevitable that a certain degree of unevenness occurs on the surface of the layer on which the pattern is formed. Conventionally, the pattern of the next layer is formed as it is. However, when the number of layers increases and the width of a line or hole decreases, it is difficult to form a good pattern, and defects and the like are likely to occur. Therefore, after the surface of a layer on which a pattern is formed is polished to flatten the surface, a pattern of the next layer is formed.
A wafer polishing apparatus (CMP apparatus) using a CMP method is used to polish the wafer during the process of forming such an IC pattern.

【０００３】図１は、ＩＣの製造工程におけるＣＭＰ法
による加工を説明する図であり、（１）は層間絶縁膜の
表面を研磨して平坦化する処理を、（２）は穴の部分の
メタル層のみが残るように表面を研磨する処理を示す。
図１の（１）に示すように、基板１上にメタル層などの
パターン２を形成した後層間絶縁膜３を形成すると、パ
ターン２の部分が他の部分よりも高くなり、表面に凹凸
が生じる。そこで、ＣＭＰ装置で表面を研磨し、右側の
ような状態にした後次のパターンを形成する。また、層
間を接続するメタル層を形成する場合には、（２）に示
すように、下層のパターン２の上に接続穴を形成した
後、メッキなどでメタル層４を全面に形成する。その
後、ＣＭＰ装置で表面のメタル層４がすべて除去される
まで研磨する。FIGS. 1A and 1B are views for explaining processing by a CMP method in an IC manufacturing process. FIG. 1A shows a process for polishing and flattening the surface of an interlayer insulating film, and FIG. This shows a process of polishing the surface so that only the metal layer remains.
As shown in FIG. 1A, when an interlayer insulating film 3 is formed after a pattern 2 such as a metal layer is formed on a substrate 1, a portion of the pattern 2 becomes higher than other portions, and the surface has irregularities. Occurs. Therefore, the surface is polished by a CMP apparatus to make the state as shown on the right side, and then the next pattern is formed. In the case of forming a metal layer for connecting the layers, as shown in (2), after forming a connection hole on the lower layer pattern 2, a metal layer 4 is formed on the entire surface by plating or the like. Thereafter, polishing is performed by a CMP apparatus until all of the metal layer 4 on the surface is removed.

【０００４】図２は、ＣＭＰ装置の基本構成を示す概略
図である。図示のように、ＣＭＰ装置は、研磨定盤１１
とウェーハ保持ヘッド２０とを有する。研磨定盤１１の
表面には、弾性がある研磨布１４が貼り付けられてい
る。研磨定盤１１は、スピンドル１２を介してモータ１
３に連結されており、図の矢印の方向に回転する。回転
する研磨定盤１１の研磨布１４上には、図示していない
ノズルから研磨材であるスラリが供給される。上記の研
磨布１４には、スラリのウェーハとの接触面への供給を
容易にするために溝が設けられる場合もある。ウェーハ
保持ヘッド２０は、研磨するウェーハを保持して研磨布
１４に所定の圧力で押し付けながら回転する。これによ
り、保持されたウェーハの表面が研磨される。図ではウ
ェーハ保持ヘッド２０が１個の場合を示したが、１個の
研磨定盤に複数個のウェーハ保持ヘッド２０が設けられ
る場合もある。FIG. 2 is a schematic diagram showing a basic configuration of a CMP apparatus. As shown in the figure, the CMP apparatus has a polishing platen 11
And a wafer holding head 20. An elastic polishing cloth 14 is attached to the surface of the polishing platen 11. The polishing platen 11 is connected to the motor 1 via a spindle 12.
3 and rotates in the direction of the arrow in the figure. A slurry, which is an abrasive, is supplied from a nozzle (not shown) onto the polishing cloth 14 of the rotating polishing table 11. The polishing pad 14 may be provided with a groove to facilitate supply of the slurry to the contact surface with the wafer. The wafer holding head 20 rotates while holding the wafer to be polished and pressing it against the polishing pad 14 with a predetermined pressure. Thereby, the surface of the held wafer is polished. Although the figure shows a case where there is one wafer holding head 20, a plurality of wafer holding heads 20 may be provided on one polishing platen.

【０００５】ウェーハ保持ヘッド２０のウェーハ保持機
構は各種ある。例えば、特開平6-79618 号公報、特開平
8-229808号公報及び特開平10-175161 号公報は、吸着な
どによりウェーハをキャリアに密着して保持し、キャリ
アを押すことによりウェーハを研磨布に押し付けるウェ
ーハ研磨装置を開示している。また、ＣＭＰ装置ではな
くラップ装置ではあるが、特開昭51-90095号公報も接着
剤や両面テープなどでウェーハをキャリアに貼り付けて
保持し、キャリアを押すことによりウェーハを研磨布に
押し付けるラップ装置を開示している。このような装置
は、研磨中のウェーハの保持が確実に行えるが、キャリ
アとウェーハの裏面との間にごみなどの異物があると、
キャリアからの押圧力をウェーハ全面に均一に伝達する
ことができず、ウェーハ全面を均一に研磨するのが難し
いという問題がある。このような問題を解決するため、
特開平1-188265号公報は、キャリアに空気の吹き出し口
を設け、ウェーハの裏面から空気圧を印加して定盤に押
し付け、キャリアとウェーハを非接触に保ちながら研磨
するラップ装置を開示している。また、本出願人は、特
願平9-138925号で、空気の吹き出し口を設けたキャリア
を押圧するエアーバックを設けることにより、ウェーハ
を非接触で研磨布に押し付ける圧力の調整を容易にした
ウェーハ研磨装置を開示している。There are various types of wafer holding mechanisms of the wafer holding head 20. For example, JP-A-6-79618,
JP-A-8-229808 and JP-A-10-175161 disclose a wafer polishing apparatus in which a wafer is held in close contact with a carrier by suction or the like, and the wafer is pressed against a polishing cloth by pressing the carrier. In addition, although it is not a CMP apparatus but a lapping apparatus, JP-A-51-90095 also discloses a lapping method in which a wafer is attached to a carrier with an adhesive or a double-sided tape, and the wafer is pressed against a polishing cloth by pressing the carrier. An apparatus is disclosed. Such an apparatus can reliably hold the wafer during polishing, but if there is foreign matter such as dust between the carrier and the back surface of the wafer,
There is a problem that the pressing force from the carrier cannot be uniformly transmitted to the entire surface of the wafer, and it is difficult to uniformly polish the entire surface of the wafer. To solve these problems,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-188265 discloses a lapping device that provides an air outlet for a carrier, applies air pressure from the back surface of a wafer, presses against a surface plate, and polishes while keeping the carrier and the wafer in non-contact. . In addition, the applicant has disclosed in Japanese Patent Application No. 9-138925, by providing an air bag that presses a carrier provided with an air outlet, facilitated adjustment of pressure for pressing a wafer against a polishing cloth in a non-contact manner. A wafer polishing apparatus is disclosed.

【０００６】ＣＭＰ装置では、ＩＣパターンの表面を所
定量だけ正確に研磨することが要求される。研磨量を正
確に管理するため各種の方法が行われ提案されている。
もっとも正確に管理する方法には、研磨量を測定しなが
ら少しずつ研磨するプロセス制御方法がある。この方法
は、必要な膜厚にするために、数秒研磨しては残る膜厚
を測定し、研磨量が不足であれば再度研磨することを繰
り返す。しかし、これでは生産性が非常に低く、量産に
適用するのは難しいという問題があった。研磨量を管理
する別の方法は、研磨プロセスを安定させて時間管理す
る方法である。しかし、研磨プロセスのばらつきのため
研磨量を高精度に管理するのは難しく、研磨時間と研磨
量の関係をモニタするためにダミーウェーハを使用する
ので、スループットが低下するといった問題があった。
他に、酸化膜下のメタル配線層との容量を検出する方式
や、研磨に必要なトルクが層の種類によって異なること
を利用してトルクの変化を検出する方式などが提案され
ている。しかし、適用できる範囲が制限されることや、
検出精度の点などで十分とはいえないのが現状である。In a CMP apparatus, it is required that the surface of an IC pattern be accurately polished by a predetermined amount. Various methods have been proposed and proposed to accurately control the polishing amount.
The most accurate control method is a process control method of gradually polishing while measuring a polishing amount. This method, in order to required film thickness, and polished a few seconds to measure the film thickness <br/> The remaining amount of polishing repeated to polish again if insufficient. However, this has a problem that productivity is very low and it is difficult to apply it to mass production. Another method of controlling the polishing amount is a method of stabilizing the polishing process and controlling the time. However, it is difficult to control the polishing amount with high accuracy due to variations in the polishing process, and there is a problem that the throughput is reduced because a dummy wafer is used to monitor the relationship between the polishing time and the polishing amount.
Other proposals include a method of detecting a capacitance with a metal wiring layer below an oxide film, and a method of detecting a change in torque by utilizing the fact that the torque required for polishing varies depending on the type of layer. However, the range of applicability is limited,
At present, it cannot be said that detection accuracy is sufficient.

【０００７】そこで、研磨中のウェーハの厚さを直接測
定してその変化から研磨量を算出して管理するのが望ま
しいが、研磨中のウェーハの厚さを直接測定するには難
しい。そこで、ウェーハの厚さの変化に相当する量を測
定する各種の方法が提案されている。例えば、前述の特
開昭51-90095号公報は、ラップ定盤上に配置される試料
保持具に電気マイクロメータなどの検出器を構成する部
品の一方を設け、ワークを貼り付けた試料保持枠に他方
の部品を設けてワーク厚の変化を検出するラップ装置を
開示している。試料保持具はワークと同様にラップ定盤
に接触しており、試料保持枠の変位を検出すれば研磨量
が検出できる。しかし、このラップ装置では、試料保持
枠をラップ定盤に押し付けるように試料保持具から付勢
しており、試料保持具と試料保持枠の間でラップ定盤の
回転や試料保持枠の回転に伴う相互力が働き、ワークの
ラップ定盤への押し付け力が変動するという問題があ
る。特に、ＣＭＰ装置の場合定盤の表面には弾性のある
研磨布が設けられており、回転に伴う試料保持具の振動
が大きくなるという問題を生じる。Therefore, it is desirable to directly measure the thickness of the wafer being polished and calculate and manage the amount of polishing from the change, but it is difficult to directly measure the thickness of the wafer being polished. Therefore, various methods have been proposed for measuring an amount corresponding to a change in the thickness of the wafer. For example, the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 51-90095 discloses a sample holding frame in which one of components constituting a detector such as an electric micrometer is provided on a sample holding device arranged on a lap surface plate, and a workpiece is attached thereto. Discloses a lapping device for detecting a change in work thickness by providing the other part. The sample holder is in contact with the lap surface plate like the work, and the amount of polishing can be detected by detecting the displacement of the sample holding frame. However, in this lapping apparatus, the sample holding frame is urged from the sample holding tool so as to press the sample holding frame against the lap surface plate, and the rotation of the lap surface plate and the rotation of the sample holding frame between the sample holding device and the sample holding frame. There is a problem that the resulting mutual force acts and the force of pressing the work against the lap surface plate fluctuates. In particular, in the case of the CMP apparatus, an elastic polishing cloth is provided on the surface of the surface plate, which causes a problem that the vibration of the sample holder accompanying the rotation increases.

【０００８】上記のような問題を解決するため、前述の
特開平8-229808号公報及び特開平10-175161 号公報は、
ウェーハの周囲に研磨面調整リングを設けて、その内部
での研磨布の変動を低減してウェーハの縁への研磨圧力
の偏在を抑制する構成を開示している。特に、特開平10
-175161 号公報は、電気マイクロメータなどの検出器を
構成する部品の一方をウェーハを保持するキャリアに設
け、他方の部品をウェーハと研磨面調整リングの間の研
磨布と接触して変位する部材に設けて、ワーク厚の変化
を検出するＣＭＰ装置を開示している。この装置であれ
ば、キャリアと研磨布と接触して変位する部材の間の相
互の付勢力はほとんど無視でき、部材が研磨布と接触す
る位置も研磨面調整リングの内側の比較的変動の少ない
部分であり、正確な測定が可能なはずである。しかし、
この装置では、ウェーハ保持ヘッド及びキャリアの回転
に伴う周期的な変動がそのまま測定結果に影響するた
め、実際には信号処理が難しいという問題があった。In order to solve the above-mentioned problems, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 8-229808 and Hei 10-175161 describe the following.
A configuration is disclosed in which a polishing surface adjustment ring is provided around a wafer to reduce fluctuations in the polishing cloth inside the ring and to suppress uneven distribution of polishing pressure to the edge of the wafer. In particular,
Japanese Patent Application Publication No. 175161 discloses that one of components constituting a detector such as an electric micrometer is provided on a carrier holding a wafer, and the other component is displaced in contact with a polishing cloth between the wafer and a polishing surface adjusting ring. Discloses a CMP apparatus for detecting a change in work thickness. With this device, the mutual biasing force between the carrier and the member displaced by contact with the polishing cloth can be almost neglected, and the position at which the member contacts the polishing cloth also has relatively little fluctuation inside the polishing surface adjusting ring. Part and should be capable of accurate measurement. But,
In this apparatus, there is a problem in that signal processing is difficult in practice because periodic fluctuations caused by rotation of the wafer holding head and the carrier directly affect measurement results.

【０００９】そこで、本出願人は、特願平10-189039 号
で、研磨面調整リング又は研磨面調整リングの内側にリ
ング状のパッドにキャリアの中心部を通過するアームを
設け、このアームとキャリアの中心部との上下方向の変
位を検出する検出器を設けることにより、ウェーハ保持
ヘッド及びキャリアの回転に伴う周期的な変動の影響を
低減したウェーハ研磨装置を開示している。In view of this, the present applicant has disclosed in Japanese Patent Application No. 10-189039 a polished surface adjusting ring or a ring-shaped pad provided inside a polished surface adjusting ring, with an arm passing through the center of the carrier. Disclosed is a wafer polishing apparatus in which a detector for detecting a vertical displacement with respect to a center portion of a carrier is provided to reduce an influence of a periodic fluctuation accompanying rotation of a wafer holding head and a carrier.

【００１０】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の特願平
10-189039 号に開示されたウェーハ研磨装置でウェーハ
厚の変化を検出する場合であっても、その検出信号は非
常に変動が激しく、この検出信号から正確な研磨量を算
出して必要な研磨量だけ研磨されるように制御するのは
非常に難しかった。However, the above-mentioned Japanese Patent Application No.
Even when a change in wafer thickness is detected by the wafer polishing apparatus disclosed in No. 10-189039, the detection signal fluctuates extremely. It was very difficult to control to be polished by the amount.

【００１１】本発明はこのような問題を解決するための
もので、ウェーハ研磨装置における研磨量を正確に検出
できるようにすることを目的とする。An object of the present invention is to solve such a problem, and it is an object of the present invention to accurately detect a polishing amount in a wafer polishing apparatus.

【００１２】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明のウェーハ研磨装置及びそこでの研磨量検出
方法では、研磨定盤の１回転中のサンプリング回数が複
数回になるサンプリング周期で検出器の検出信号をサン
プリングし、１回転のサンプリング回数の整数倍のサン
プリングデータを平均して移動平均データを算出し、こ
の移動平均データより研磨量を演算する。In order to achieve the above object, a wafer polishing apparatus and a polishing amount detecting method according to the present invention detect a wafer at a sampling cycle in which the number of times of sampling during one rotation of a polishing table is plural. The moving average data is calculated by averaging sampling data of an integral multiple of the number of times of sampling for one rotation to calculate moving average data, and the polishing amount is calculated from the moving average data.

【００１３】すなわち、本発明のウェーハ研磨装置は、
表面に研磨布が設けられた回転する研磨定盤と、研磨定
盤の回転軸に平行な異なる回転軸で回転し、ウェーハを
前記研磨布に所定の圧力で接触させるキャリアと、研磨
布に所定の圧力で接触するようにウェーハの周囲に設け
られるパッドと、ウェーハの裏面又はキャリアとパッド
との相対位置の変化を検出する検出器と、検出器の検出
信号を処理して研磨量を演算する演算手段と、演算され
た研磨量に応じて研磨動作を制御する制御手段とを備え
るウェーハ研磨装置であって、演算手段は、研磨定盤の
１回転中のサンプリング回数が複数回になるサンプリン
グ周期で検出器の検出信号をサンプリングするサンプリ
ング手段と、１回転のサンプリング回数の整数倍のサン
プリングデータを平均して移動平均データを算出する移
動平均算出手段と、移動平均データより研磨量を演算す
る研磨量演算手段とを備えることを特徴とする。That is, the wafer polishing apparatus of the present invention comprises:
A rotating polishing table provided with a polishing cloth on its surface; a carrier rotating on a different rotation axis parallel to the rotation axis of the polishing table to bring the wafer into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure; A pad provided around the wafer so as to be in contact with the pressure of the wafer, a detector for detecting a change in the relative position between the back surface of the wafer or the carrier and the pad, and processing a detection signal of the detector to calculate a polishing amount. What is claimed is: 1. A wafer polishing apparatus comprising: a calculating means; and a control means for controlling a polishing operation according to the calculated polishing amount, wherein the calculating means comprises a sampling cycle in which the number of times of sampling during one rotation of the polishing table is plural. Sampling means for sampling the detection signal of the detector at a time, and moving average calculation means for calculating moving average data by averaging sampling data of an integral multiple of the number of times of one rotation. Characterized in that it comprises a polishing amount calculating means for calculating a polishing amount than the moving average data.

【００１４】ウェーハ研磨装置では、研磨定盤とキャリ
ア（ウェーハ保持ヘッド）はそれぞれの周期で回転す
る。研磨定盤とキャリアは、それぞれ若干の傾きやうね
りがあるので、ウェーハ厚が一定であっても検出器の検
出信号は研磨定盤とキャリアの回転周期に応じて変化す
る。具体的には、検出信号は、２つの周期の最小公倍数
の周期で変化する。従って、２つの回転周期が同一であ
ればその周期で繰り返し同じように変化し、一方の回転
周期が他方の回転周期の整数倍であれば大きな方の周期
で繰り返し同じように変化し、２つの回転周期が若干異
なるか又は一方の周期の整数倍が他方の周期と若干異な
る場合にはうねるように変化する。通常は、研磨定盤と
キャリアの回転周期を同じに設定するか、研磨定盤の回
転周期の方がキャリアの回転周期より長く、整数倍に設
定するので、研磨定盤の１回転毎に同じような変化をす
る。本発明のウェーハ研磨装置及びそこでの研磨量検出
方法では、研磨定盤の１回転中に複数回サンプリング
し、１回転のサンプリング回数の整数倍のサンプリング
データを平均して移動平均データを算出するので、変動
の少ない実際のウェーハ厚の変化に近いデータが得られ
る。In the wafer polishing apparatus, the polishing platen and the carrier (wafer holding head) rotate at respective periods. Since the polishing platen and the carrier each have a slight inclination and undulation, the detection signal of the detector changes according to the rotation cycle of the polishing platen and the carrier even when the wafer thickness is constant. Specifically, the detection signal changes in a cycle of the least common multiple of the two cycles. Therefore, if the two rotation periods are the same, the same change is repeated in the same period. If one rotation period is an integral multiple of the other rotation period, the same change is repeated in the larger period. When the rotation period is slightly different or the integral multiple of one period is slightly different from the other period, the rotation is changed in a undulating manner. Normally, the rotation period of the polishing platen and the carrier is set to be the same, or the rotation period of the polishing platen is longer than the rotation period of the carrier and set to an integral multiple. Make such changes. In the wafer polishing apparatus and the polishing amount detection method according to the present invention, the moving average data is calculated by sampling a plurality of times during one rotation of the polishing platen and averaging sampling data of an integral multiple of the number of times of one rotation. And data close to the actual change in the wafer thickness with little fluctuation can be obtained.

【００１５】しかし、上記のような移動平均データを算
出しても、研磨開始からある程度の時間までは、全面に
渡るスラリの供給が安定せず、研磨による熱の発生が始
まるので、データは安定せず、不規則に変動する。そこ
で、研磨開始から所定時間経過するまでのデータは使用
せず、所定時間経過後のデータにより研磨量を演算する
ことが望ましい。However, even if the above-mentioned moving average data is calculated, the supply of slurry over the entire surface is not stable until a certain period of time from the start of polishing, and heat is generated by polishing, so that the data is stable. Without, it fluctuates irregularly. Therefore, it is desirable not to use data until a predetermined time has elapsed from the start of polishing, and to calculate the polishing amount based on data after the predetermined time has elapsed.

【００１６】更に、研磨による熱の発生は研磨の間行わ
れるので、検出器を支持するキャリアやパッド及びアー
ムなどの各部の温度分布が変化して熱膨張量が変化する
ので、検出器の相対位置を変化させる。これにより検出
信号が変化する。また、検出器自体にも温度特性がある
ので、検出器の部分の温度が変化すれば検出信号が変化
する。このような要因による検出信号の変化は、研磨の
開始から繰り返し同じように発生する。研磨量演算手段
に、サンプル用ウェーハを研磨した時の演算した研磨量
と、研磨の前後でそのサンプル用ウェーハの厚さを別の
測定器で実際に測定した実測値とから算出した補正デー
タを記憶した補正データ記憶手段と、研磨量演算手段の
演算した研磨量を補正データに基づいて補正し、研磨量
として出力する補正手段とを設けることが望ましい。Further, since heat is generated during polishing during polishing, the temperature distribution of each part such as a carrier, a pad and an arm for supporting the detector changes, and the amount of thermal expansion changes. Change position. As a result, the detection signal changes. Further, since the detector itself has a temperature characteristic, if the temperature of the detector changes, the detection signal changes. A change in the detection signal due to such a factor repeatedly occurs in the same manner from the start of polishing. The polishing amount calculation means calculates the polishing amount calculated when the sample wafer is polished, and the correction data calculated from the actual measurement value obtained by actually measuring the thickness of the sample wafer before and after polishing with another measuring device. It is desirable to provide a stored correction data storage unit and a correction unit that corrects the polishing amount calculated by the polishing amount calculation unit based on the correction data and outputs the result as the polishing amount.

【００１７】本発明は、キャリアにウェーハを固定して
研磨する研磨装置でも有効であるが、ウェーハの裏面と
の間に圧力流体層を形成する圧力流体層形成手段をキャ
リアに設けて、圧力流体層によりウェーハを研磨布に押
し付ける構成にも適用可能である。圧力流体層によりウ
ェーハを研磨布に押し付ける構成のウェーハ研磨装置の
場合、図１の（２）に示したような絶縁材料層上に形成
したメタル層を研磨して除去する処理については、メタ
ル層が除去されて表面の一部に絶縁材料層が現れた時点
で検出信号が急激に減少し、表面のメタル層が除去され
た時点で検出信号が再び増加することが分かった。従っ
て、絶縁材料層上に形成したメタル層を研磨して除去す
る場合には、検出信号の変化を観察することで、表面の
メタル層が除去された時点が分かるので、例えば、検出
信号が急激に減少した後、再び増加を開始した時点から
若干余分に研磨すれば、図１の（２）に示すようなメタ
ル層の除去が正確に行える。The present invention is also effective in a polishing apparatus in which a wafer is fixed on a carrier and polished. However, a pressure fluid layer forming means for forming a pressure fluid layer between the carrier and the back surface of the wafer is provided on the carrier, and the pressure fluid is formed. The present invention is also applicable to a configuration in which a wafer is pressed against a polishing pad by a layer. In the case of a wafer polishing apparatus having a configuration in which a wafer is pressed against a polishing cloth by a pressure fluid layer, a process of polishing and removing a metal layer formed on an insulating material layer as shown in FIG. It was found that the detection signal sharply decreased when the insulating material layer appeared on a part of the surface due to the removal of, and the detection signal increased again when the surface metal layer was removed. Therefore, when the metal layer formed on the insulating material layer is polished and removed, the change in the detection signal can be observed to determine when the metal layer on the surface has been removed. After the decrease, the metal layer can be accurately removed as shown in FIG.

【００１８】上記のように、研磨による熱で各部に温度
分布を生じるので、検出器の付近の温度を検出する温度
検出器を設けて検出器の温度特性に従って補正したり、
検出器が相対位置を検出する部分からウェーハの裏面又
はキャリアのウェーハに面する部分の間の部材の少なく
とも一部の温度を検出する温度検出器と、検出器が相対
位置を検出する部分からパッドの研磨布に面する部分ま
での部材の少なくとも一部の温度を検出する温度検出器
を設けて、これらの温度検出器で検出した温度に基づい
て関係する部分における熱膨張量の差を算出して熱膨張
量の差分だけ検出信号を補正するようにすれば、検出精
度が向上する。As described above, since the heat generated by polishing causes a temperature distribution in each part, a temperature detector for detecting the temperature near the detector is provided to correct the temperature in accordance with the temperature characteristics of the detector.
A temperature detector for detecting the temperature of at least a part of the member between the portion where the detector detects the relative position and the back surface of the wafer or a portion of the carrier facing the wafer; and a pad for detecting the relative position. A temperature detector for detecting the temperature of at least a part of the member up to the portion facing the polishing cloth is provided, and the difference in the amount of thermal expansion in the relevant portion is calculated based on the temperatures detected by these temperature detectors. If the detection signal is corrected by the difference in the amount of thermal expansion, the detection accuracy is improved.

【００１９】キャリアが保持されるウェーハ保持ヘッド
は回転するので、検出器の検出信号や各温度検出器の検
出信号を伝達するため、ウェーハ保持ヘッドの回転軸の
内部に電気信号を伝達経路が収容されたスリップリング
を設けることが望ましい。この時、検出信号のアナログ
処理回路とその出力をデジタルデータに変換するＡＤ変
換回路をウェーハ保持ヘッドに設け、デジタルデータを
スリップリングを介して外部に設けたデータ処理回路に
伝送することが望ましい。Since the wafer holding head holding the carrier rotates, an electric signal transmission path is accommodated inside the rotating shaft of the wafer holding head for transmitting the detection signal of the detector and the detection signal of each temperature detector. It is desirable to provide a designed slip ring. At this time, it is preferable to provide an analog processing circuit for the detection signal and an AD conversion circuit for converting the output of the detection signal into digital data in the wafer holding head, and transmit the digital data to a data processing circuit provided outside via a slip ring.

【００２０】[0020]

【発明の実施の形態】図３は本発明の実施例のウェーハ
保持ヘッドの断面図である。図３に示すように、ウェー
ハ保持ヘッド２０はヘッド本体２１と、ガイドリング２
２と、ゴムシート２３と、研磨面調整リング３０と、キ
ャリア部材４１と、リテーナーリング４３と、基準パッ
ドリング６１と、基準パッドリング６１に取り付けられ
るアーム６２と、差動トランスを構成するボビン５１と
コア（鉄心）５２などで構成される。FIG. 3 is a sectional view of a wafer holding head according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the wafer holding head 20 includes a head body 21 and a guide ring 2.
2, a rubber sheet 23, a polishing surface adjustment ring 30, a carrier member 41, a retainer ring 43, a reference pad ring 61, an arm 62 attached to the reference pad ring 61, and a bobbin 51 constituting a differential transformer. And a core (iron core) 52.

【００２１】ヘッド本体２１は円板状で、上面は回転軸
９１が固定され、図示していないモータにより回転され
る。また、ヘッド本体２１には気体供給路２６、２７が
形成されている。気体供給路２６、２７は、図３で一点
鎖線で示すように、ウェーハ保持ヘッド２０の外部まで
延び、レギュレータ７２、７３を介して気体ポンプ７１
に接続される。The head main body 21 has a disk shape, and a rotating shaft 91 is fixed on the upper surface, and is rotated by a motor (not shown). Further, gas supply paths 26 and 27 are formed in the head main body 21. Gas supply passage 26, 27, as shown by a chain line in FIG. 3, extend to the outside of the wafer holding head 20, the gas pump 71 via a regulator 72, 73
Connected to.

【００２２】キャリア部材４１は、ほぼ円柱状で、ヘッ
ド本体２１の下部に配置される。キャリア部材４１の上
にはアーム６２を避けるように部材４２が取り付けられ
ており、キャリア部材４１の上面の中心には、差動トラ
ンスを構成するコア５２がポール５４により支持されて
いる。キャリア部材４１の下面には凹部４６が形成さ
れ、ここにウェーハ１００が保持される。凹部４６の周
囲にはウェーハ１００の飛び出しを防止してウェーハ１
００の位置を規制するリテーナーリング４３が設けられ
ている。更に、キャリア部材４１の下面の周辺部には、
気体供給路４４が形成されている。気体供給路４４は、
図３で一点鎖線で示すように、ウェーハ保持ヘッド２０
の外部まで延び、レギュレータ７４を介して気体ポンプ
７１に接続される。気体供給路４４に気体を供給する
と、凹部４６に圧力気体層が形成され、この圧力気体層
を介してウェーハ１００が研磨布１４に押し付けられ
る。気体供給路４４からは同じ圧力の気体が吹き出すの
で中心方向には気体の流れは形成されず、気体供給路４
４の内側の圧力気体層の圧力は一様である。なお、図示
していないが、キャリア部材４１が未研磨のウェーハを
ローダから取り上げて保持しながら研磨布１４上に移動
し、研磨済みのウェーハをアンローダに戻すために、一
時的にウェーハを吸着するためのサクション用吸気経路
と気体ポンプが設けられているが、ここでは図示を省略
している。The carrier member 41 has a substantially cylindrical shape and is arranged below the head body 21. A member 42 is attached on the carrier member 41 so as to avoid the arm 62, and a core 52 constituting a differential transformer is supported by a pole 54 at the center of the upper surface of the carrier member 41. A concave portion 46 is formed on the lower surface of the carrier member 41, and the wafer 100 is held here. The protrusion of the wafer 100 is prevented around the recess 46 by preventing the wafer 100 from jumping out.
A retainer ring 43 for regulating the position of 00 is provided. Further, in the peripheral portion on the lower surface of the carrier member 41,
A gas supply path 44 is formed. The gas supply path 44 is
As in Figure 3 indicated by a dashed line, the wafer holding head 20
And connected to the gas pump 71 via the regulator 74. When gas is supplied to the gas supply path 44, a pressure gas layer is formed in the concave portion 46, and the wafer 100 is pressed against the polishing pad 14 via the pressure gas layer. Since gas of the same pressure blows out from the gas supply path 44, no gas flow is formed in the center direction, and the gas supply path 4
The pressure of the pressurized gas layer inside 4 is uniform. Although not shown, the carrier member 41 moves onto the polishing pad 14 while picking up and holding the unpolished wafer from the loader, and temporarily sucks the wafer to return the polished wafer to the unloader. For this purpose, a suction suction path and a gas pump are provided, but are not shown here.

【００２３】基準パッドリング６１は、キャリア部材４
１の外側の環状の部材で、アーム６２が３箇所で固定さ
れている。アーム６２の中心、すなわちウェーハ１００
の中心軸上の部分には、穴５５が設けられ、その穴に入
るように取付け部材５３により差動トランスを構成する
ボビン５１が固定されている。上記のコア５２は、ボビ
ン５１内に位置し、差動トランスを構成する。The reference pad ring 61 includes the carrier member 4
The arm 62 is fixed at three places by an outer annular member 1. The center of the arm 62, ie, the wafer 100
A hole 55 is provided in a portion on the center axis of the bobbin, and a bobbin 51 constituting a differential transformer is fixed by an attachment member 53 so as to enter the hole. The core 52 is located in the bobbin 51 and forms a differential transformer.

【００２４】研磨面調整リング３０は、基準パッドリン
グ６１の外側に設けられる環状の部材である。更に、研
磨面調整リング３０の外側にはヘッド本体２１の下側に
固定されるガイドリング２２が設けられ、その間にゴム
シート２３が挟みこまれて固定されている。ゴムシート
２３は、均一な厚さで円板状に形成され、環状の止め金
２３１及びガイドリング２２によりヘッド本体２１に固
定され、円形の第１気体室（エアーバック）２４と、そ
の回りの環状の第２気体室２５が形成される。気体供給
路２６と２７はそれぞれ第１気体室２４と第２気体室２
５につながっており、気体供給路２６と２７に気体を供
給することにより第１気体室２４と第２気体室２５が膨
らむ。第１気体室２４はキャリア部材４１に固定される
部材４２の上にあり、気体供給路２６に供給する気体の
圧力を高めると第１気体室２４が膨らみキャリア部材４
１を下に付勢する。この付勢力は、凹部４６の圧力気体
層を介してウェーハ１００の押圧力を高める。従って、
気体供給路２６に供給する気体の圧力を調整すること
で、ウェーハ１００の研磨布１４への押圧力を設定でき
る。また、第２気体室２５は研磨面調整リング３０の上
にあり、気体供給路２７に供給する気体の圧力を高める
と第２気体室２５が膨らみ研磨面調整リング３０を研磨
布１４に押し付ける。従って、気体供給路２７に供給す
る気体の圧力を調整することで、研磨面調整リング３０
の研磨布１４への押圧力を設定できる。なお、本実施例
では、基準パッドリング６１はアーム６２を含めた自重
で研磨布１４に当接するが、研磨面調整リング３０と同
様にゴムシートによるエアーバックを利用して所定の押
圧力で研磨布１４へ押し付けるようにしてもよい。The polishing surface adjusting ring 30 is an annular member provided outside the reference pad ring 61. Further, a guide ring 22 fixed to the lower side of the head body 21 is provided outside the polishing surface adjusting ring 30, and a rubber sheet 23 is sandwiched and fixed between them. The rubber sheet 23 is formed in a disk shape with a uniform thickness, is fixed to the head main body 21 by an annular stopper 231 and a guide ring 22, and has a circular first gas chamber (air bag) 24 and its surroundings. An annular second gas chamber 25 is formed. The gas supply paths 26 and 27 are respectively connected to the first gas chamber 24 and the second gas chamber 2.
The first gas chamber 24 and the second gas chamber 25 are expanded by supplying gas to the gas supply paths 26 and 27. The first gas chamber 24 is on a member 42 fixed to the carrier member 41, and when the pressure of the gas supplied to the gas supply passage 26 is increased, the first gas chamber 24 expands and the carrier member 4
Push 1 down. This urging force increases the pressing force of the wafer 100 via the pressurized gas layer of the concave portion 46. Therefore,
By adjusting the pressure of the gas supplied to the gas supply path 26, the pressing force of the wafer 100 against the polishing pad 14 can be set. The second gas chamber 25 is located on the polishing surface adjusting ring 30. When the pressure of the gas supplied to the gas supply path 27 is increased, the second gas chamber 25 expands and presses the polishing surface adjusting ring 30 against the polishing pad 14. Therefore, by adjusting the pressure of the gas supplied to the gas supply path 27, the polishing surface adjustment ring 30 is adjusted.
Pressing force on the polishing cloth 14 can be set. In this embodiment, the reference pad ring 61 abuts against the polishing pad 14 by its own weight including the arm 62. However, similar to the polishing surface adjusting ring 30, the polishing is performed with a predetermined pressing force using an air bag made of a rubber sheet. You may make it press on the cloth 14.

【００２５】ガイドリング２２はヘッド本体２１に固定
されているが、キャリア部材４１、基準パッドリング６
１及び研磨面調整リング３０は固定されていない。キャ
リア部材４１は、キャリア部材４１に固定された３個の
連結部材４５とガイドリング２２に設けたピン２８によ
り、ガイドリング２２に対して狭い範囲で移動可能なよ
うに位置が規制されている。同様に、研磨面調整リング
３０は研磨面調整リング３０に固定された連結部材とガ
イドリング２２に設けたピンにより、ガイドリング２２
に対して位置が規制され、基準パッドリング６１は研磨
面調整リング３０に設けたピン３１により、研磨面調整
リング３０に対して位置が規制されている。The guide ring 22 is fixed to the head main body 21. The carrier member 41, the reference pad ring 6
1 and the polishing surface adjustment ring 30 are not fixed. The position of the carrier member 41 is regulated by three connecting members 45 fixed to the carrier member 41 and a pin 28 provided on the guide ring 22 so that the carrier member 41 can move in a narrow range with respect to the guide ring 22. Similarly, the polishing surface adjusting ring 30 is formed by a connecting member fixed to the polishing surface adjusting ring 30 and a pin provided on the guide ring 22.
The position of the reference pad ring 61 is regulated with respect to the polishing surface adjustment ring 30 by the pins 31 provided on the polishing surface adjustment ring 30.

【００２６】図４は、実施例の相対位置の測定に関係す
る各部及び電気信号に関係する部分の構成を示す図であ
る。図４に示したように、ウェーハ保持ヘッド２０には
電気マイクロメータを構成するボビン５１とコア５２が
設けられる。更に、図示の位置に温度を検出するための
サーミスタ７２〜７４が設けられる。また、凹部４６の
圧力気体層の厚さを検出するためのセンサ７１が設けら
れる。センサ７１は、例えば、渦電流センサである。な
お、気体供給路４４に供給する気体の圧力を一定にすれ
ば圧力気体層の厚さはほぼ一定であり、センサ７１を省
くことも可能である。FIG. 4 is a diagram showing the configuration of each part relating to measurement of relative position and a part relating to electric signals in the embodiment. As shown in FIG. 4, the wafer holding head 20 is provided with a bobbin 51 and a core 52 constituting an electric micrometer. Further, thermistors 72 to 74 for detecting the temperature are provided at the positions shown in the figure. Further, a sensor 71 for detecting the thickness of the pressurized gas layer of the concave portion 46 is provided. The sensor 71 is, for example, an eddy current sensor. If the pressure of the gas supplied to the gas supply path 44 is kept constant, the thickness of the pressure gas layer is substantially constant, and the sensor 71 can be omitted.

【００２７】電気マイクロメータを構成するボビン５１
はアーム６２に固定され、コア５２はキャリア部材４１
に固定されているので、コア５２のボビン５１に対する
変位、すなわち電気マイクロメータの出力変化はウェー
ハ１００の表面と裏面の位置の差、すなわちウェーハ１
００の厚さの変化を示す。実際には、キャリア部材４１
とウェーハ１００の裏面との間には圧力流体層があるの
で、圧力流体層の変化分を差し引けば、ウェーハ１００
の厚さの変化が得られる。この変化量が研磨量である。Bobbin 51 constituting electric micrometer
Is fixed to the arm 62, and the core 52 is
, The displacement of the core 52 with respect to the bobbin 51, that is, the change in the output of the electric micrometer is the difference between the positions of the front and back surfaces of the wafer 100, that is, the wafer 1
9 shows a change in thickness of 00. In practice, the carrier member 41
There is a pressure fluid layer between the pressure fluid layer and the back surface of the wafer 100.
Is obtained. The amount of change is the amount of polishing.

【００２８】ボビン５１はアーム６２に固定されてお
り、研磨布１４の表面からは基準パッドリング６１とア
ーム６２の分だけ離れている。従って、基準パッドリン
グ６１とアーム６２が熱膨張により伸縮するとその伸縮
分は研磨量の誤差になる。同様に、コア５２はポール５
４に固定されており、キャリア部材４１の底面からはキ
ャリア部材４１とそれに固定された部材５６とポール５
４の分だけ離れており、これらが熱膨張により伸縮する
とその伸縮分は研磨量の誤差になる。研磨時には摩擦の
ため熱が発生し、これらの部分の温度が上昇するので、
高精度の研磨量検出をする上ではこの温度上昇による誤
差が無視できない。そこで、本実施例では、熱膨張が検
出結果に影響する部分には、アンバー材のような熱膨張
率の小さな材料を使用している。研磨布１４に接触する
部分はセラミック材で構成する必要があるので、キャリ
ア部材４１に相当する部材４１１はセラミック材で構成
し、図４に示すように中心部分にはアンバー材の部材５
６を埋め込み、ポール５４はチタン材で構成している。
また、基準パッドリング６１は、研磨布１４に接触する
下側部分６１１をセラミック材で構成し、その上の部分
６１２をアンバー材で構成し、アーム６２もアンバー材
で構成している。アンバー材の熱膨張率はセラミック材
にくらべて１桁小さく、このような構成により熱膨張に
起因する誤差は大幅に低減できる。The bobbin 51 is fixed to the arm 62, and is separated from the surface of the polishing pad 14 by the distance between the reference pad ring 61 and the arm 62. Therefore, when the reference pad ring 61 and the arm 62 expand and contract due to thermal expansion, the expansion and contraction causes an error in the polishing amount. Similarly, core 52 is pole 5
4, the carrier member 41, the member 56 fixed thereto, and the pole 5
When they expand and contract due to thermal expansion, the expansion and contraction causes an error in the polishing amount. During polishing, heat is generated due to friction, and the temperature of these parts rises,
In detecting the polishing amount with high accuracy, the error due to the temperature rise cannot be ignored. Therefore, in the present embodiment, a material having a small coefficient of thermal expansion such as an amber material is used in a portion where the thermal expansion affects the detection result. Since the portion that comes into contact with the polishing cloth 14 needs to be made of a ceramic material, the member 411 corresponding to the carrier member 41 is made of a ceramic material, and as shown in FIG.
6 is embedded, and the pole 54 is made of a titanium material.
In the reference pad ring 61, the lower portion 611 that contacts the polishing pad 14 is made of a ceramic material, the upper portion 612 is made of an invar material, and the arm 62 is also made of an invar material. The thermal expansion coefficient of the amber material is one order of magnitude smaller than that of the ceramic material, and such a configuration can significantly reduce errors caused by thermal expansion.

【００２９】しかし、より高精度の検出を行うために、
本実施例では実際の温度を検出して熱膨張による誤差を
補正している。キャリア部材４１１とアンバー材の部材
５６の部分にサーミスタ７３を配置してこの部分の温度
を検出できるようにしている。更に、基準パッドリング
６１のアンバー材で構成した上側部分６１２にもサーミ
スタ７４を配置して温度を測定できるようにしている。
各部分の（ウェーハに垂直な方向の）長さと材料の熱膨
張率及び検出した温度からボビン５１とコア５２の熱膨
張による位置変化を算出し、検出結果をその分だけ補正
すれば誤差が低減できる。However, in order to perform more accurate detection,
In this embodiment, the actual temperature is detected and the error due to thermal expansion is corrected. The thermistor 73 is arranged on the portion of the carrier member 411 and the member 56 made of amber material so that the temperature of this portion can be detected. Further, the thermistor 74 is also arranged on the upper portion 612 of the reference pad ring 61 made of amber so that the temperature can be measured.
The position change due to the thermal expansion of the bobbin 51 and the core 52 is calculated from the length of each portion (in the direction perpendicular to the wafer), the coefficient of thermal expansion of the material, and the detected temperature, and the detection result is corrected by that amount to reduce errors. it can.

【００３０】また、ボビン５１とコア５２で構成される
電気マイクロメータの検出信号も温度により変化する。
そこで、ボビン５１を固定する部材５３にサーミスタ７
２を設けてボビン５１の温度を検出して、あらかじめ測
定した電気マイクロメータの温度特性に基づいて補正し
ている。上記の電気マイクロメータ、センサ７１及びサ
ーミスタ７２〜７４は、回転軸９１により回転する部分
に設けられる。そこで、検出信号、センサ７１の出力信
号及びサーミスタ７２〜７４の信号を外部に伝達するた
め、回転軸９１の内部にはスリップリングが設けられて
いる。更に、検出信号、センサ７１の出力信号及びサー
ミスタ７２〜７４の信号は微少な信号であり、雑音など
の影響を受けやすい。そこで、本実施例では、検出信
号、センサ７１の出力信号及びサーミスタ７２〜７４の
信号を処理するアナログ処理回路８１とアナログ処理回
路８１の出力をサンプリングしてデジタル信号に変換す
るサンプリング・ＡＤ変換回路８２をウェーハ保持ヘッ
ド２０内に設け、変換したデジタル信号をスリップリン
グを介して外部のデータ処理手段８３に伝達している。
データ処理手段８３は、例えばコンピュータであり、上
記の電気マイクロメータの温度特性を補正する検出器温
度特性補正手段８４や熱膨張による誤差を補正する熱膨
張補正手段８５などの処理プロセスがソフトウエアで実
現されている。The detection signal of the electric micrometer composed of the bobbin 51 and the core 52 also changes with temperature.
Therefore, the thermistor 7 is attached to the member 53 for fixing the bobbin 51.
2, the temperature of the bobbin 51 is detected and corrected based on the temperature characteristic of the electric micrometer measured in advance. The electric micrometer, the sensor 71 and the thermistors 72 to 74 are provided in a portion that is rotated by the rotation shaft 91. In order to transmit the detection signal, the output signal of the sensor 71, and the signals of the thermistors 72 to 74 to the outside, a slip ring is provided inside the rotating shaft 91. Further, the detection signal, the output signal of the sensor 71, and the signals of the thermistors 72 to 74 are minute signals and are easily affected by noise and the like. Therefore, in this embodiment, an analog processing circuit 81 that processes the detection signal, the output signal of the sensor 71, and the signals of the thermistors 72 to 74, and a sampling / AD conversion circuit that samples the output of the analog processing circuit 81 and converts the output into a digital signal. 82 is provided in the wafer holding head 20, and the converted digital signal is transmitted to the external data processing means 83 via the slip ring.
The data processing unit 83 is, for example, a computer, and the processing processes of the detector temperature characteristic correcting unit 84 for correcting the temperature characteristics of the electric micrometer and the thermal expansion correcting unit 85 for correcting an error due to thermal expansion are performed by software. Has been realized.

【００３１】以下、アナログ処理回路８１、サンプリン
グ・ＡＤ変換回路８２及びデータ処理手段８３における
信号処理及びデータ処理について説明する。図５は、研
磨動作中に実際に得られる電気マイクロメータの検出信
号を模式的に示した図である。図５の（１）に示すよう
に、検出信号は激しく変動するので、ウェーハ厚の変化
を示すデータを得るには検出信号を処理することが必要
である。ここに示した信号は、研磨定盤１１とウェーハ
保持ヘッド２０が同じ周期で回転する場合の例であり、
検出信号は回転周期で激しく振動している。そこで、本
実施例では、サンプリング・ＡＤ変換回路８２により、
研磨定盤１１の１回転中に１０回サンプリングし、１０
回のサンプリングデータを平均して、図５の（２）に示
すような移動平均データを算出している。具体的には、
最初の１０回のデータを平均して１回目の移動平均デー
タとし、２回目から１１回目のデータを平均して２回目
の移動平均データとするといった処理を繰り返す。従っ
て、最初の検出結果が得られるのは１回転後である。通
常、研磨定盤１は３０ｒｐｍから１２０ｒｐｍで回転
し、研磨に要する時間が２分程度であるので、最初のデ
ータが１回転後に得られても特に問題はない。但し、研
磨の終了の判定は、１回転前のデータであること、すな
わち１回転分だけ研磨が進んでいることを考慮して行う
必要がある。なお、移動平均データの算出を、１回転の
サンプリング回数の２倍以上の整数倍の回数のデータを
平均して行ってもよい。Hereinafter, signal processing and data processing in the analog processing circuit 81, the sampling / AD conversion circuit 82 and the data processing means 83 will be described. FIG. 5 is a diagram schematically showing a detection signal of the electric micrometer actually obtained during the polishing operation. As shown in FIG. 5A, since the detection signal fluctuates drastically, it is necessary to process the detection signal to obtain data indicating a change in the wafer thickness. The signal shown here is an example when the polishing platen 11 and the wafer holding head 20 rotate at the same cycle,
The detection signal vibrates violently in the rotation cycle. Therefore, in this embodiment, the sampling / AD conversion circuit 82
Sampling is performed 10 times during one rotation of the polishing platen 11, and 10
The moving average data as shown in (2) of FIG. 5 is calculated by averaging the sampling data of the times. In particular,
The process of averaging the first ten data and setting the first moving average data and averaging the second to eleventh data and setting the second moving average data is repeated. Therefore, the first detection result is obtained after one rotation. Usually, the polishing table 1 rotates at 30 rpm to 120 rpm, and the time required for polishing is about 2 minutes. Therefore, there is no particular problem even if the first data is obtained after one rotation. However, it is necessary to determine the end of the polishing in consideration of the fact that the data is one rotation before, that is, that the polishing is advanced by one rotation. The calculation of the moving average data may be performed by averaging data of an integral multiple of twice or more the number of times of one rotation.

【００３２】上記のようにして算出した移動平均データ
に基づいて、データ処理手段８３の研磨量演算手段８５
が研磨量を算出する。図６の（１）は、図１の（１）に
示したような絶縁膜材料層３を研磨した時の移動平均を
示す図である。図示のように、研磨を開始してからある
時間経過するまでの期間Ａでは、移動平均が激しく変動
している。研磨を行っているので、移動平均が増加する
ことは考えられず、このような変動は、研磨開始からあ
る程度の時間までは、全面に渡るスラリの供給が安定せ
ず、研磨による熱の発生が始まるなどの要因によると思
われる。この期間は同じ研磨条件であれば、比較的一定
であり、この期間を経過すれば移動平均データは安定す
るので、本実施例では、研磨量演算手段８５は、研磨開
始から期間Ａの間のデータは使用せず、期間Ｂのデータ
のみを使用して研磨量を算出する。Based on the moving average data calculated as described above, the polishing amount calculating means 85 of the data processing means 83
Calculates the polishing amount. FIG. 6A is a diagram showing a moving average when the insulating film material layer 3 as shown in FIG. 1A is polished. As shown in the figure, in the period A from the start of polishing until a certain time elapses, the moving average fluctuates drastically. Since polishing is performed, it is not expected that the moving average will increase, and such fluctuations are caused by the fact that the supply of slurry over the entire surface is not stable until a certain time from the start of polishing, and heat generated by polishing is not generated. It seems to be due to factors such as the start. This period is relatively constant under the same polishing conditions, and the moving average data becomes stable after this period. Therefore, in this embodiment, the polishing amount calculating unit 85 determines the period between the polishing start and the period A. The data is not used, and the polishing amount is calculated using only the data in the period B.

【００３３】更に、図６の（１）に示すようなデータを
示す条件で研磨を行い、各種の研磨時間で研磨を停止
し、研磨の前後でウェーハの厚さ又は絶縁膜材料層の厚
さを測定した結果から、図６の（１）に示すようなデー
タを示す場合、研磨量の実測値は図６の（２）に示すよ
うな変化を示すことが分かった。このような差が生じる
のは、研磨による熱の発生は研磨の間行われるので、検
出器を支持するキャリアやパッド及びアームなどの各部
の温度分布が変化して熱膨張量が変化し、検出器の相対
位置を変化させるためと予想される。また、検出器自体
にも温度特性があるので、検出器の部分の温度が変化す
れば検出信号が変化する。このような移動平均データと
実測値の差は、研磨の条件が同じであれば、同じように
発生した。そこで、図６の（１）と（２）の差を算出し
て（３）のような補正値を算出して、補正手段８６の補
正データ記憶手段８７に記憶しておき、補正手段８６が
研磨量演算手段８５の算出した研磨量から上記の補正値
を減算して補正データを算出するようにした。Further, the polishing is performed under the conditions showing the data as shown in FIG. 6A, the polishing is stopped at various polishing times, and the thickness of the wafer or the thickness of the insulating film material layer before and after the polishing. It was found from the measurement results that when the data shown in (1) of FIG. 6 is shown, the measured value of the polishing amount shows a change as shown in (2) of FIG. Such a difference occurs because the heat generated by polishing is generated during polishing, so that the temperature distribution of each part such as a carrier, a pad and an arm supporting the detector changes, and the amount of thermal expansion changes, and the detection is performed. It is expected to change the relative position of the vessel. Further, since the detector itself has a temperature characteristic, if the temperature of the detector changes, the detection signal changes. Such a difference between the moving average data and the actually measured value occurred similarly under the same polishing conditions. Therefore, the difference between (1) and (2) in FIG. 6 is calculated to calculate the correction value as shown in (3), and the correction value is stored in the correction data storage unit 87 of the correction unit 86. Correction data is calculated by subtracting the above correction value from the polishing amount calculated by the polishing amount calculating means 85.

【００３４】上記の補正は、図１の（２）に示すような
メタル層を研磨する場合にも適用可能である。また、本
実施例で、メタル層を研磨した場合の移動平均データを
観察したところ、特異な変化を示した。図７は、層間接
続ホールを形成する実際の層構造の例を示す図である。
下部の電極層２の上に絶縁材料層３を形成し、層間接続
ホールに相当する穴をフォトリソグラフィとエッチング
で形成し、その上に非常に薄く窒化チタニウム（Ｔｉ
Ｎ）層５を形成し、その上に層間接続ホールを埋めるの
に必要な厚さの銅（Ｃｕ）層４を形成する。このような
層が形成されたウェーハを研磨すると、移動平均データ
は図８に示すような変化を示した。The above correction can be applied to a case where a metal layer is polished as shown in FIG. Further, in this example, when the moving average data when the metal layer was polished was observed, a unique change was shown. FIG. 7 is a diagram showing an example of an actual layer structure for forming interlayer connection holes.
An insulating material layer 3 is formed on the lower electrode layer 2, holes corresponding to interlayer connection holes are formed by photolithography and etching, and a very thin titanium nitride (Ti) is formed thereon.
An N) layer 5 is formed, and a copper (Cu) layer 4 having a thickness necessary to fill an interlayer connection hole is formed thereon. When the wafer on which such a layer was formed was polished, the moving average data changed as shown in FIG.

【００３５】図８に示すように、移動平均データは、研
磨開始後しばらくの期間は厚さが増加するという変化を
示した。このようなことはあり得ないので、前述のよう
に、この部分の移動平均データは除外する。このような
不安定な期間が終了すると、多少の変動はあるが移動平
均データは徐々に減少する。そしてＣで示す時点から減
少率が急激に大きくなる。この時点が、Ｃｕ層４の一部
がなくなりＴｉＮ層５や絶縁材料層３が現れた時である
ことが分かった。更に研磨すると、Ｄで示す時点から減
少率が増加に転じる。この時点が、表面のＴｉＮ層５が
なくなった時点である。従って、この時点から若干研磨
を続行して、Ｅで示す時点で研磨を停止すれば、各層間
接続ホールの間にはＣｕ層４及びＴｉＮ層５がない絶縁
された状態になる。この状態で研磨を停止することが望
ましい。As shown in FIG. 8, the moving average data shows that the thickness increases for a period of time after the start of polishing. Since this is not possible, the moving average data of this portion is excluded as described above. When such an unstable period ends, the moving average data gradually decreases with some fluctuations. Then, the reduction rate sharply increases from the point indicated by C. It was found that this time was a time when a part of the Cu layer 4 disappeared and the TiN layer 5 and the insulating material layer 3 appeared. When the polishing is further performed, the decrease rate starts to increase from the point indicated by D. This time is the time when the surface TiN layer 5 has disappeared. Therefore, if the polishing is slightly continued from this point and the polishing is stopped at a point indicated by E, the Cu layer 4 and the TiN layer 5 are insulated without any inter-layer connection holes. It is desirable to stop polishing in this state.

【００３６】上記の実施例では、研磨定盤とウェーハ保
持ヘッド（キャリア）は同じ周期で回転したが、同じ周
期でない場合もある。そのような場合には、検出信号
は、２つの周期の最小公倍数の周期で変化する。従っ
て、移動平均データを算出する時には、この２つの周期
の最小公倍数の周期の間のサンプリング数分で移動平均
を算出することが好ましい。In the above embodiment, the polishing platen and the wafer holding head (carrier) are rotated at the same cycle, but may not be at the same cycle. In such a case, the detection signal changes at a cycle of the least common multiple of the two cycles. Therefore, when calculating the moving average data, it is preferable to calculate the moving average by the number of samplings between the periods of the least common multiple of these two periods.

【００３７】但し、ウェーハの破損防止のために研磨定
盤１とウェーハ保持ヘッド１０の回転周期を若干異なら
せたり、一方の周期の整数倍が他方の周期と若干異なる
ようにする場合があり、それそれの回転周期で変化する
成分の大きさが近い場合には、検出信号はうねるように
変化する。しかし、実際のウェーハ研磨装置では、検出
信号の変動は、研磨定盤１の回転周期で変化する成分の
方が大きいので、研磨定盤１の１回転のサンプリング回
数の整数倍で移動平均を算出すれば、大きな変動成分は
かなり除去することが可能である。However, in order to prevent breakage of the wafer, the rotation cycle of the polishing table 1 and the wafer holding head 10 may be slightly different, or an integral multiple of one cycle may be slightly different from the other cycle. If the magnitude of the component that changes in each rotation cycle is close, the detection signal changes undulatingly. However, in an actual wafer polishing apparatus, the fluctuation of the detection signal is larger in a component that changes in the rotation cycle of the polishing table 1, so that the moving average is calculated by an integral multiple of the number of times of sampling in one rotation of the polishing table 1. Then, a large fluctuation component can be considerably removed.

【００３８】[0038]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のウェーハ
研磨装置及び研磨量検出方法によれば、研磨中のウェー
ハの厚さの変化（研磨量）が、簡単により高精度に測定
できるようになるので、ＣＭＰ装置における研磨量の管
理がより高精度にスループットを低下させることなしに
行えるようになる。これにより、高集積度のＩＣを高い
歩留りで効率よく生産することが可能になる。As described above, according to the wafer polishing apparatus and the polishing amount detecting method of the present invention, the change (polishing amount) of the thickness of the wafer during polishing can be easily and accurately measured. Therefore, the polishing amount in the CMP apparatus can be managed with higher precision without lowering the throughput. This makes it possible to efficiently produce highly integrated ICs with a high yield.

[Brief description of the drawings]

【図１】ＩＣの製造工程におけるＣＭＰ法による加工を
説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating processing by a CMP method in an IC manufacturing process.

【図２】ウェーハ研磨装置の基本構成を模式的に示す図
である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a basic configuration of a wafer polishing apparatus.

【図３】本発明の実施例のウェーハ研磨装置のウェーハ
保持ヘッドの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a wafer holding head of the wafer polishing apparatus according to the embodiment of the present invention.

【図４】実施例のウェーハ研磨装置の相対位置の測定に
関係する各部及び電気信号に関係する部分の構成を示す
図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of each part related to measurement of a relative position and a part related to an electric signal of the wafer polishing apparatus according to the embodiment.

【図５】本発明の実施例で得られる検出信号とその移動
平均データを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a detection signal and its moving average data obtained in the embodiment of the present invention.

【図６】絶縁材料層を研磨した場合の移動平均データの
変化と、実際の厚さ変化の実測値と、補正データの例を
示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a change in moving average data when polishing an insulating material layer, an actual measured value of an actual thickness change, and correction data.

【図７】研磨するメタル層の構成例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a metal layer to be polished.

【図８】図７のメタル層を研磨した場合の移動平均デー
タの変化例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a change in moving average data when the metal layer of FIG. 7 is polished.

[Explanation of symbols]

１１…研磨定盤１４…研磨布２０…ウェーハ保持ヘッド３０…研磨面調整リング４０…キャリア５０…検出器６０…基準パッド１００…ウェーハ 11 Polishing surface plate 14 Polishing cloth 20 Wafer holding head 30 Polishing surface adjustment ring 40 Carrier 50 Detector 60 Reference pad 100 Wafer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−244371（ＪＰ，Ａ) 特開平10−44035（ＪＰ，Ａ) 特開平10−230454（ＪＰ，Ａ) 特開平10−34529（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 37/04 H01L 21/304 622 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-244371 (JP, A) JP-A-10-44035 (JP, A) JP-A-10-230454 (JP, A) JP-A-10- 34529 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. ⁷ , DB name) B24B 37/04 H01L 21/304 622

Claims

(57) [Claims]

1. A rotating polishing platen provided with a polishing cloth on its surface, and a carrier which rotates on a different rotation axis parallel to the rotation axis of the polishing platen and brings a wafer into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure. A pad provided around the wafer so as to come into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure; a detector for detecting a change in a relative position between the back surface of the wafer or the carrier and the pad; And a control means for controlling a polishing operation in accordance with the calculated polishing amount, wherein the calculating means comprises: the polishing platen. Sampling means for sampling the detection signal of the detector at a sampling cycle in which the number of samplings during one rotation is a plurality of times; A moving average calculation means for calculating a moving average data by averaging the wafer polishing apparatus characterized by comprising a polishing amount calculating means for calculating a polishing amount from the moving average data.

2. The wafer polishing apparatus according to claim 1, wherein the polishing amount calculating means calculates the polishing amount excluding moving average data within a predetermined time from the start of processing.

3. The wafer polishing apparatus according to claim 1, wherein the polishing amount calculating means includes: a polishing amount calculated by the calculating means when the wafer is polished; and a wafer before and after polishing. Correction data storage means storing correction data calculated from the actual measurement value actually measured by another measuring device, and the polishing amount calculated by the polishing amount calculation means is corrected based on the correction data, A wafer polishing apparatus comprising: a correction unit that outputs the polishing amount.

4. The wafer polishing apparatus according to claim 1, wherein the carrier includes a pressure fluid layer forming unit that forms a pressure fluid layer between the carrier and a back surface of the wafer. A wafer polishing apparatus for pressing the wafer against the polishing cloth at a predetermined pressure by the pressure fluid layer.

5. The wafer polishing apparatus according to claim 4, wherein the control unit is configured to remove the wafer having an insulating material layer formed on a surface thereof and a metal layer formed thereon on the insulating material layer. When polishing until the metal layer above is removed, when the moving average data starts increasing after suddenly decreasing compared to the previous change, the metal layer on the insulating material layer is removed. A wafer polishing apparatus that determines that the polishing has been performed, stops polishing after further polishing for a predetermined time.

6. The wafer polishing apparatus according to claim 1, wherein a first temperature detector detects a temperature in the vicinity of the detector.
A wafer polishing apparatus comprising: detector temperature characteristic correction means for correcting a detection signal of the detector with the detected temperature.

7. The wafer polishing apparatus according to claim 1, wherein the detector faces the back surface of the wafer or the wafer of the carrier from a portion where the relative position is detected. A second temperature detector for detecting the temperature of at least a portion of the member between the portions, and at least a portion of the member from a portion where the detector detects the relative position to a portion of the pad facing the polishing pad; Calculating the difference in the amount of thermal expansion between the third temperature detector for detecting the temperature of the second sensor and the temperature detected by the second and third temperature detectors. A wafer polishing apparatus comprising: a thermal expansion correction unit that corrects a detection signal of the detector by a difference between expansion amounts.

8. A rotating polishing table provided with a polishing cloth on its surface, and a carrier which rotates on a different rotation axis parallel to the rotation axis of the polishing table to bring a wafer into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure. A pad provided around the wafer so as to come into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure; a detector for detecting a change in a relative position between the back surface of the wafer or the carrier and the pad; And a control means for controlling a polishing operation in accordance with the calculated polishing amount, wherein a temperature near the detector is detected. A first temperature detector,
A wafer polishing apparatus, comprising: detector temperature characteristic correction means for correcting a detection signal of the detector with the detected temperature.

9. A rotating polishing table provided with a polishing cloth on its surface, and a carrier which rotates on a different rotation axis parallel to the rotation axis of the polishing table and brings a wafer into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure. A pad provided around the wafer so as to come into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure; a detector for detecting a change in a relative position between the back surface of the wafer or the carrier and the pad; And a control means for controlling a polishing operation according to the calculated polishing amount, wherein the detector detects the relative position. A second temperature detector for detecting a temperature of at least a part of a member between a portion to be formed and a rear surface of the wafer or a portion of the carrier facing the wafer, and a unit for detecting the relative position by the detector. A third temperature detector for detecting the temperature of at least a part of the member from the minute to the portion of the pad facing the polishing cloth; and the detector based on the temperatures detected by the second and third temperature detectors. A wafer polishing apparatus comprising: a thermal expansion correction unit that calculates a difference in the amount of thermal expansion in a portion for detecting the relative position and corrects a detection signal of the detector by the difference in the amount of thermal expansion.

10. A rotating polishing platen having a polishing cloth provided on a surface thereof, and a carrier rotating at a different rotation axis parallel to a rotation axis of the polishing platen to bring a wafer into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure. And a pad provided around the wafer so as to come into contact with the polishing cloth at a predetermined pressure; and a wafer polishing apparatus comprising: a detector that detects a change in the relative position between the back surface of the wafer or the carrier and the pad. A method for detecting a polishing amount of an apparatus, comprising: a sampling step of sampling a detection signal of the detector at a sampling cycle in which a number of samplings during one rotation of the polishing platen is a plurality of times; A moving average calculating step of calculating moving average data by averaging the sampling data, and a polishing amount calculating step of calculating a polishing amount from the moving average data; A method for detecting a polishing amount of a wafer polishing apparatus, comprising:

11. The polishing amount detecting method according to claim 10, wherein in the polishing amount calculating step, the polishing amount is calculated excluding moving average data within a predetermined time from the start of processing. .

12. The polishing amount detecting method according to claim 10, wherein in the polishing amount calculating step, the polishing amount calculated beforehand when the wafer is polished, and the thickness of the wafer before and after polishing. Correction data calculated from the actual measurement value measured by another measuring device, and a correction step of correcting the polishing amount calculated in the polishing amount calculation step based on the correction data and outputting as the polishing amount. A polishing amount detection method comprising:

13. The polishing amount detection method according to claim 10, wherein the insulating material layer is formed on a surface, and the metal layer is further formed on the wafer. When polishing until the metal layer is removed, the point at which the moving average data starts increasing after sharply decreasing compared to the previous change is the time when the metal layer on the insulating material layer is removed. Polishing amount detection method for determining