JP3824345B2 - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハ、石英基板、ガラス基板などの平面状基板、特にＬＳＩ作製工程途中のシリコンウエハを研磨する研磨装置における研磨パッドの交換時期を判定する研磨方法に関する。また、研磨パッドの交換時期を判定することが可能な研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
研磨装置における研磨パッドは、所定の操業時間が経過すると交換される。これは、研磨パッドの摩耗状態により研磨レートが変化し、研磨パッドの厚さが所定量以上減少すると急速に研磨レートが低下するからである。この研磨レートの変化は、例えば表面に溝が形成されている研磨パッドでは、操業時間の経過につれて、研磨パッドの表面が摩耗して溝の深さが減少し、この溝を通るスラリー状の研磨剤の量が減少し、研磨効率が落ちるために起こると考えられている。ただし、表面に溝がない研磨パッドにおいても同様の現象が生じることも知られている。
【０００３】
従来、研磨パッドの交換は、上述のように操業経験に基づき定められた操業時間が経過した段階で実施されており、研磨パッドの摩耗状態と関係なく行われてきた。そのため、研磨パッドの摩耗度合いにばらつきが大きく、使用可能な研磨パッドまで交換していたばかりでなく、摩耗度合いの大きい研磨パッドで研磨を行うことによるウエハの研磨不足などの問題も生じていた。
【０００４】
半導体製造装置については、メインテナンス時期を判定する方法として、種々の条件での処理に対して予め処理強度を定義してテーブル化しておき、装置のモニタリングにより処理条件を求め、その処理条件に対する処理強度を積算することによってメインテナンス時期を判定する方法が提案されている（特開昭63-102333号公報）。
【０００５】
しかしながら、この方法では、処理条件を求めるため、装置から出される信号を常時モニタリングしなければならず、信号処理装置に対する負荷が非常に大きい。また、処理強度を積算してメインテナンス時期を判定するため、精度良くメインテナンス時期を判定するには、処理強度を精度良くテーブル化する必要がある。しかし、このテーブル化が実際には難しい。
【０００６】
したがって、この方法を研磨パッドの交換時期の判定に適用しようとすると、装置制御用のコンピュータには、パッドの摩耗量を累積計算するためのデータを蓄積した上に、さらにそこから得られた研磨パッドの摩耗量の推定値を保存する必要があり、装置制御用のコンピュータにかかる負荷が大きい。また、研磨パッドの摩耗量を精度良くテーブル化しておく必要があるが、このテーブル化が困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解決することを目的としてなされたものであり、装置を常時モニタリングする必要がなく、研磨パッドの摩耗状態に応じて研磨パッドの交換時期を判定できる研磨方法を提供するものである。また、研磨パッドの交換時期を判定することが可能な研磨装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の研磨方法は、試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨方法であって、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さから研磨パッドの交換時期を判定することを特徴としている。
【０００９】
研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御するとは、研磨パッドの摩耗状態の変化に伴い研磨パッドにかかる圧力が変化するので、これを経時的に一定となるように研磨パッドの高さを変化させて制御するの意味である。ただし、この制御は、連続して常時行う必要はなく、研磨パッドの交換時期を判定する際、行えば良い。
さらに、本発明は、研磨パッドの高さ及び研磨パッドの厚さの関係より研磨パッドの使用限界高さを演算し、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御し、研磨パッドの高さを測定し、測定した研磨パッドの高さと演算した使用限界高さとの比較を行い、測定した研磨パッドの高さが演算した使用限界高さ未満となった場合、研磨パッド交換指示を出すことが好適となる。
【００１０】
また、本発明の研磨方法は、研磨パッド高さを一定となるように制御したときに研磨パッドにかかる圧力から研磨パッド交換時期を判定することを特徴としている。
【００１１】
研磨パッド高さが一定となるように制御するとは、経時的に一定となるように制御するの意味である。ただし、この制御は、連続して常時行う必要はなく、研磨パッドの交換時期を判定する際、行えば良い。
また、本発明は、研磨パッドにかかる圧力及び研磨パッドの厚さの関係より研磨パッドの使用限界圧力を演算し、研磨パッドの高さが一定となるように制御し、研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定し、測定した研磨パッド圧力と演算した使用限界圧力との比較を行い、測定した研磨パッド圧力が演算した使用限界圧力未満となった場合、研磨パッド交換指示を出すことが好適となる。
さらに、本発明は、研磨パッドが交換時期にあると判定されたとき、操業の区切りに研磨パッドの交換を実施することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の研磨装置は、試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨装置であって、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドの高さを測定する研磨パッド高さ測定手段と、測定された研磨パッドの高さに基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の研磨装置は、研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド高さの閾値が記憶される閾値設定部と、前記閾値と測定された研磨パッドの高さとの比較を行う比較手段とを更に備え、前記研磨パッド交換指示手段は、前記比較手段の比較により、測定された研磨パッドの高さが前記閾値未満となった場合、前記研磨パッド交換指示を行う手段を備えることを特徴とする。
さらに、また、本発明の研磨装置は、研磨パッドの厚さに対する研磨パッド高さの関係より前記閾値を演算する手段を更に備え、前記閾値設定部は演算された閾値を記憶する構成にしてあることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の研磨装置は、試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨装置であって、研磨パッドの高さを一定に制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定する研磨パッド圧力測定手段と、測定された研磨パッド圧力に基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の研磨装置は、研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド圧力の閾値が記憶される閾値設定部と、前記閾値と測定された研磨パッド圧力との比較を行う比較手段とを更に備え、前記研磨パッド交換指示手段は、前記比較手段の比較により、測定された研磨パッド圧力が前記閾値未満となった場合、前記研磨パッド交換指示を行う手段を備えることを特徴とする。
さらに、また、本発明の研磨装置は、研磨パッドの厚さに対する研磨パッド圧力の関係より前記閾値を演算する手段を更に備え、前記閾値設定部は演算された閾値を記憶する構成にしてあることを特徴とする。
なお、研磨パッドにかかる圧力とは、試料に研磨パッドを押し当てた状態での圧力をいう。
【００１４】
研磨パッドの高さは、研磨パッドの摩耗されない部分、例えば研磨パッドの裏面位置などを基準として決めれば良く、また研磨パッドと位置関係が一定に保たれる研磨定盤の位置などを用いても良い。また、その高さは、試料台上の試料からの距離が基本であるが、試料と位置関係が一定に保たれる位置であれば、そこからの距離で代用することができ、例えば試料台上の試料の位置が床から一定に保たれる場合には、床からの距離で代用できる。
【００１５】
図１０は、研磨パッドの厚さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。研磨パッドの厚さが所定の厚さｄthより薄くなると、研磨レートが急激に減少する。この研磨パッドの厚さの変化は、研磨パッドの高さの変化や研磨パッドにかかる圧力の変化としてとらえることができる。
【００１６】
図１１（ａ）は、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御して研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドの高さの一般的な関係を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、同じ制御をしたときの、研磨パッドの高さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。研磨パッドの高さは、床からの高さで表している。
【００１７】
図１１（ａ）に示すように、研磨パッドの使用とともに研磨パッドの厚さが薄くなるので、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように制御すると研磨パッドの高さが低くなってくる。
【００１８】
また、図１１（ｂ）に示すように、研磨パッドの高さが所定の高さｈthより低くなると、研磨レートが急激に減少する。これは、研磨パッド厚さが、所定の厚さｄthより薄くなったためである。
【００１９】
図１２（ａ）は、研磨パッド高さを一定として研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドにかかる圧力の一般的な関係を示すグラフであり、図１２（ｂ）は、同じ条件で研磨するときの、研磨パッドにかかる圧力と研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【００２０】
図１２（ａ）に示すように、研磨パッドの使用とともに研磨パッドの厚さが薄くなるので、研磨パッド高さが一定となるように制御すると研磨パッドにかかる圧力が減少してくる。
【００２１】
また、図１２（ｂ）に示すように、研磨パッドにかかる圧力が所定の圧力Ｐthより低くなると、研磨レートが急激に減少する。これは、研磨パッド厚さが所定の厚さｄthより薄くなったためである。
【００２２】
したがって、研磨パッドにかかる圧力または研磨パッド高さが一定となるように制御したとき、それぞれ研磨パッドの高さまたは研磨パッドにかかる圧力から研磨パッドの交換時期を判定することができる。
【００２３】
また、その時点での研磨パッドの摩耗量を推定し研磨パッドの交換時期を判定するので、研磨パッドの摩耗量の推定値を累積計算する必要がなく、また装置を常時モニタリングする必要もない。
【００２４】
また、本発明の装置によれば、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドの高さを測定する研磨パッド高さ測定手段と、測定された研磨パッドの高さに基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えるので、上記の方法により、研磨パッドの交換時期を判定することができる。
さらに、本発明の装置によれば、研磨パッドの高さを一定に制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定する研磨パッド圧力測定手段と、測定された研磨パッド圧力に基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えるので、上記の方法により、研磨パッドの交換時期を判定することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨方法における研磨パッドの交換時期の判定方法および研磨装置の例について説明する。
【００２６】
（本発明の装置の例）
図１は、本発明の研磨装置のブロック図である。この研磨装置は、研磨パッド２とウエハ（試料）１との間にスラリー状の研磨剤を供給しながら、ウエハ１と研磨パッド２とを接触回転させてウエハ１を研磨する装置である。研磨パッド２は研磨定盤４に取り付けられ、ウエハ１は試料台３上に保持されている。研磨定盤４および試料台３は、どちらかあるいは双方が研磨定盤あるいは試料台の中心軸を中心に回転可能に構成される。研磨パッド２をウエハ１に所定の圧力で押しつけるため、例えば高加圧と低加圧の２つのエアシリンダ（図示せず）により、研磨定盤４が支点（図示せず）を介して押し下げられるように構成される。
【００２７】
研磨パッド圧力測定手段６により、研磨パッド２をウエハ１に押しつけたときの研磨パッドにかかる圧力（研磨定盤に加えられる圧力）が測定される。例えば、上述のように２つのエアシリンダにより研磨定盤への加圧がなされる場合、この２つのエアシリンダの圧力値の信号を取り込めば良い。
【００２８】
研磨パッド高さ測定手段７により、研磨パッド２の高さ（例えば、研磨パッド２の裏面高さまたは研磨定盤の所定の位置の高さ）が測定される。この研磨パッド高さ測定手段７として、例えばレーザー外径計などの光学手段を用いれば良い。
【００２９】
装置制御用計算機８は、装置の動作全てを管理する装置制御部９を備えており、例えば研磨パッド圧力測定手段６により測定された研磨パッドにかかる圧力を用いて、研磨定盤４を研磨定盤駆動装置５により上下駆動させて、研磨パッドにかかる圧力を一定に保ち試料を研磨することができる。また、研磨パッド高さ測定手段７により測定された研磨パッド高さの値を用いて、研磨定盤４を研磨定盤駆動装置５により上下駆動させて、研磨パッド高さを一定に保ち試料を研磨することもできる。
【００３０】
装置制御用計算機８には、さらに研磨パッド交換指示部１０と閾値設定部１１が設けられ、これらにより、研磨パッド交換指示手段が構成されている。閾値設定部１１には、研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド高さおよび／または研磨パッド圧力の閾値が入力され記憶される。研磨パッド交換指示部１０では、閾値設定部１１に記憶されている閾値と研磨パッド圧力測定手段６または研磨パッド高さ測定手段７により測定される測定値とを比較して、研磨パッドの交換時期か否かが判定され、指示が出される。
【００３１】
（本発明方法の第１の例）
図２は、本発明方法の第１の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。この第１の例は、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さから研磨パッド交換時期を判定するものである。前述したように、研磨パッドの高さが所定の高さより低くなると、研磨レートが急激に減少することを利用して、研磨パッド交換時期を判定するのである。
【００３２】
以下、このフローチャートに基づいて装置制御用計算機８から研磨パッドの交換時期がきたことを示す指示が出されるまでの手順を示す。
【００３３】
▲１▼あらかじめ装置で使用する研磨パッドについて、研磨パッド高さに対する研磨レートを測定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて測定する（ステップＳ１）。
【００３４】
▲２▼研磨パッド高さに対する研磨レートの測定結果から、研磨レートが急激に低下し装置性能に影響を及ぼす研磨パッド高さ（以下研磨パッド使用限界高さと呼ぶ）を決定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて決定する。
【００３５】
この研磨パッド使用限界高さは、それまでの操業経験に基づいて決定しても良いし、研磨パッド高さに対する研磨レートのグラフの傾きが所定値以上（例えばｄｙ／ｄｘ≧ａ、ただしｙ：研磨レート、ｘ：研磨パッド高さ）となる研磨パッド高さとする方法で決定しても良い（ステップＳ２）。
【００３６】
▲３▼使用する研磨パッド使用限界高さを閾値設定部１１に設定する。この設定は、各研磨パッドごとの使用限界高さを表形式で事前に入力しておき、使用時に研磨パッドの種類で特定する方法でも、使用するパッドの使用限界高さを直接指定する方法でも、どちらでもかまわない（ステップＳ３）。
【００３７】
▲４▼研磨装置を起動させる。研磨パッドを試料に押しつけたとき研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御し、研磨パッド高さ測定手段７により研磨パッド高さを測定する（ステップＳ６）。
【００３８】
▲５▼研磨パッド交換指示部１０において、測定された研磨パッド高さと閾値設定部１１に記憶されている研磨パッド使用限界高さと比較する（ステップＳ７）。研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより高いとき、研磨パッド交換は不要と判定し、試料を研磨する工程を進める。
【００３９】
研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより低いとき、研磨パッドを交換するように指示を出す（ステップＳ８）。
【００４０】
▲７▼操業の区切りの都合なども考え、パッド交換を実施するか否かを判断する（ステップＳ９）。
【００４１】
▲８▼パッド交換を実施する場合、新しい研磨パッドの使用限界高さを閾値設定部への設定（ステップＳ３）から上記のステップを繰り返す。
【００４２】
例えば、研磨実施時の研磨パッドの高さを、研磨パッドにかかる圧力が一定になるように制御している装置では、研磨回数の増加にともなう研磨パッドの摩耗によって、研磨実施時の研磨パッドの高さはだんだんと低くなっていく。
【００４３】
そこで、この第１の例のようにして、研磨パッド使用限界高さ以下の値を示した時点で研磨パッドを交換するように指示を出すことにより、研磨パッドの摩耗状態に応じた適切なタイミングで交換を行うことができる。
【００４４】
（本発明方法の第２の例）
図３は、本発明方法の第２の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。この第２の例は、研磨パッド高さが一定となるように制御したときの研磨パッドにかかる圧力から研磨パッド交換時期を判定するものである。前述したように、研磨パッドにかかる圧力が所定の値より小さくなると、研磨レートが急激に減少することを利用して、研磨パッド交換時期を判定する。このフローチャートは、図２に示したフローチャートに比べて、研磨パッド高さを研磨パッド圧力に置きかえた点のみ異なるものであり、このフローチャートの手順の説明は省略する。
【００４５】
例えば、研磨実施時の研磨パッドの高さをその摩耗程度によらず一定の高さとしている装置では、研磨高さへパッドを移動した際に研磨パッドにかかる圧力が研磨を行った回数が増すごとに低下していく。
【００４６】
そこで、この第２の例のようにして、研磨パッド圧力が研磨パッド使用限界圧力以下の値を示した時点で研磨パッドを交換するように指示を出すことにより、研磨パッドの摩耗状態に応じた適切なタイミングで交換を行うことができる。
【００４７】
（本発明方法の第３の例）
図４は、本発明の第３の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。この第３の例は、本来の研磨レートの経時変化の原因である研磨パッドの厚さに対して使用限界厚さを設定するものである。
【００４８】
あらかじめ、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さと研磨パッドの厚さとの関係、および研磨パッド高さが一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドにかかる圧力と研磨パッドの厚さとの関係を測定する。この関係を、装置制御用計算機８の閾値設定部１１に記憶させておく。
【００４９】
以下このフローチャートに基づいて、装置制御用計算機８から研磨パッドの交換時期がきた事を示す指示が出されるまでの手順を示す。
【００５０】
▲１▼装置で使用する研磨パッドについて、あらかじめ研磨パッド厚さに対する研磨レートを測定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて測定する（ステップＳ１）。
【００５１】
▲２▼研磨パッド厚さに対する研磨レートの測定結果から、研磨レートが急激に低下し装置性能に影響を及ぼす研磨パッド厚さ（以下研磨パッド使用限界厚さと呼ぶ）を決定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて決定する。
【００５２】
この研磨パッド使用限界厚さは、それまでの操業経験に基づいて決定しても良いし、研磨パッド厚さに対する研磨レートのグラフの傾きが所定値以上（例えばｄｙ／ｄｘ≧ｂ、ただしｙ：研磨レート、ｘ：研磨パッド厚さ）となる研磨パッド厚さとする方法で決定しても良い（ステップＳ２）。
【００５３】
▲３▼使用する研磨パッド使用限界厚さを閾値設定部１１に設定する。この設定は、各研磨パッドごとの使用限界厚さを表形式で事前に入力しておき、使用時に研磨パッドの種類で特定する方法でも、使用するパッドの使用限界厚さを直接指定する方法でも、どちらでもかまわない（ステップＳ３）。
【００５４】
▲４▼研磨装置を起動させる。使用する研磨パッドの使用限界高さと使用限界圧力が、あらかじめ同じく閾値設定部１１に記憶されている研磨パッドの高さと研磨パッドの厚さとの関係および研磨パッドにかかる圧力と研磨パッドの厚さとの関係から演算される（ステップＳ４）。
【００５５】
▲５▼研磨パッド高さで判定するか、それとも研磨パッド圧力で判定するか、判定方法を選択する（ステップＳ５）。例えば、研磨実施時の研磨パッドの高さを研磨パッドにかかる圧力が一定になるように制御している装置では、研磨パッド高さで判定する方を選択し、研磨実施時の研磨パッドの高さを一定の高さとしている装置では、研磨パッド圧力で判定する方を選択すれば良い。
【００５６】
▲６▼研磨パッド高さで判定する場合、研磨パッド圧力が一定となるように研磨パッドの高さを決め、そのとき研磨パッドの高さを測定する（ステップＳ６Ａ）。
【００５７】
研磨パッド交換指示部１０において、研磨パッド高さを研磨パッド使用限界高さと比較する（ステップＳ７）。
【００５８】
研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより高いとき、研磨パッド交換は不要と判定し、研磨の工程を進める。
【００５９】
研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより低いとき、研磨パッドを交換するように指示を出す（ステップＳ８）。
【００６０】
▲６▼’研磨パッド圧力で判定する場合、研磨パッドの高さを一定の高さとし、研磨高さへパッドを移動した際に研磨パッドにかかる圧力を測定する（ステップＳ６Ｂ）。
【００６１】
研磨パッド交換指示部１０において、研磨パッドにかかる圧力を研磨パッド使用限界圧力と比較する（ステップＳ７）。
【００６２】
研磨パッド圧力が研磨パッド使用限界圧力より大きいとき、研磨パッド交換は不要と判定し、研磨の工程を進める。
【００６３】
研磨パッド圧力が研磨パッド使用限界圧力より小さいとき、研磨パッドを交換するように指示を出す（ステップＳ８）。
【００６４】
▲７▼操業の区切りの都合なども考え、パッド交換を実施するか否かを判断する（ステップＳ９）。
【００６５】
▲８▼パッド交換を実施する場合、新しい研磨パッドの使用限界高さを閾値設定部への設定（ステップＳ３）から上記のステップを繰り返す。
【００６６】
この第３の例によれば、研磨レート低下の原因となる研磨パッドの使用限界厚さを設定することにより、研磨パッドの交換時期を判定できる。また、研磨パッド圧力および研磨パッド高さから選択して、研磨パッドの交換時期の判定に用いることができる。
【００６７】
なお、上述した第１の例〜第３の例において、ステップＳ６、Ｓ６Ａ、Ｓ６Ｂの測定は、研磨開始直前に行うのが好ましいが、研磨時であればいつでも良い。
【００６８】
また、ステップＳ７の判定を実施するのは、研磨終了後の方が好ましいが、研磨開始前でも良い。
【００６９】
上述した判定は、研磨パッドの交換直後から実施する必要はなく、所定の操業時間後に開始しても良い。また、試料の交換毎に実施する必要もなく、試料交換の所定間隔毎に実施するなどとしても良い
【００７０】
【実施例】
本発明の実施例について説明する。本実施例の装置は、図１に示す研磨装置であり、シリコンウエハ上に成膜されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）を化学機械研磨する装置（ＣＭＰ装置）である。研磨定盤４への加圧は、高加圧と低加圧の２つのエアシリンダ（図示せず）により、支点（図示せず）を介して行った。本実施例の判定方法のフローチャートは図４に示すものである。
【００７１】
本実施例の装置では、研磨パッド圧力測定手段６は、２つのエアシリンダの圧力値を示す信号を取り込む部分であり、このエアシリンダの圧力値から研磨定盤４へかかる圧力を評価した。研磨パッド高さ測定手段７として、レーザー外径計を用い、研磨定盤を支持する部位に水平に棒状の測定基準を設け、この測定基準の高さを測定し、この測定基準の高さから研磨パッドの高さを求めた。
【００７２】
使用した研磨パッドは、１種類であり、その材質は発砲ポリウレタンであり、その使用前の厚さは１．２７ｍｍである。表面には、幅３ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝が縦横に７ｍｍ間隔で設けられている。研磨の対象は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が成膜されたシリコンウエハである。用いた研磨剤は、ヒュームドシリカ（粒径０．０３μｍのＳｉＯ2 ）の懸濁液である。
【００７３】
この研磨装置を用いて、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように制御して、研磨パッド厚さに対して研磨パッド高さを測定した。このときの研磨パッド圧力は、３５０ｇｆ／ｃｍ2（＝５ＰＳＩ）とした。また、研磨パッド高さが一定となるように制御して、研磨パッド厚さに対して研磨パッドにかかる圧力を測定した。このときの研磨パッド高さは、研磨定盤の研磨パッド側の面を基準とし、その床からの高さとした。これらの測定には、研磨で摩耗した研磨パッドを用いた。
【００７４】
図５は、研磨パッド厚さに対する研磨パッド高さの測定結果を示すグラフである。研磨パッド厚さと研磨パッド高さは、ほぼ比例していた。
【００７５】
図６は、研磨パッド厚さに対する研磨パッド圧力の測定結果を示すグラフである。研磨パッド厚さと研磨パッド圧力も、ほぼ比例していた。
【００７６】
図５および図６の測定結果を、研磨パッド厚さと研磨パッド高さの関係および研磨パッド厚さと研磨パッド圧力の関係として、装置制御用計算機８の閾値設定部１１に記憶させた。
【００７７】
この研磨パッドについて、研磨パッドの厚さに対する研磨レートを測定した（ステップＳ１）。
【００７８】
図７は、研磨パッドの厚さに対する研磨レートの測定結果を示すグラフである。この研磨パッドでは７５０μｍ以下の厚さになると急速に研磨レートが低下した。図７の結果から、この研磨パッドの使用限界厚さを７５０μｍと決定した（ステップＳ２）。
【００７９】
この研磨パッドの使用限界厚さを装置制御用計算機８の閾値設定部１１に設定した（ステップＳ３）。
【００８０】
その後、研磨パッドの圧力一定となるように研磨パッド高さを制御して、シリコンウエハ上のシリコン酸化膜を研磨した。研磨パッド交換時期の判定方法として研磨パッド高さから判定する方を選択し、フローチャートに従いステップＳ５〜ステップＳ６のループで研磨パッドの交換時期を判定した。そして、研磨パッドの交換指示が出る（ステップＳ８）と、できるだけすぐにパッド交換を実施した。ただし、実際には、操業の区切りの都合で交換指示の出たタイミングでの研磨パッドの交換を行っていない場合もあった。
【００８１】
図８は、本発明方法の研磨パッドの交換時期の判定方法を用いた結果であり、研磨パッド交換時の研磨パッド摩耗量を示すグラフである。研磨パッドの交換回数は９４回であり、９４個の研磨パッドについてその摩耗量を測定した。
【００８２】
図９は、研磨パッドの交換時期を操業時間のみで決定していた従来法に基づく研磨パッド交換時の研磨パッドの摩耗量を示すグラフである。研磨パッドの交換回数は同じく９４回であり、同じく９４個の研磨パッドについてその摩耗量を測定した。
【００８３】
本発明方法により、従来よりも研磨パッド交換時の摩耗量のばらつきが低減した。
【００８４】
従来法では、図９に示したように、研磨されるウエハの材質によって研磨パッドの摩耗量が異なるため、特定の研磨時間におけるパッドの摩耗量が特定の値とはなり得ず、パッド交換時点でのパッド摩耗量のばらつきを押さえることはできなかった。さらに、研磨パッドを複数種類用いる場合は、ばらつきが大きくなった。
【００８５】
それに対して、本発明方法では、研磨パッドが研磨位置に移動したときに研磨パッドの摩耗量を推定するので、研磨パッドの摩耗状態に応じて研磨パッドの交換時期を判定できた。しかも、装置信号を常時モニタリングしデータを蓄積することも不要であった。
【００８６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の研磨方法および研磨装置によれば、装置を常時モニタリングする必要がなく、研磨パッドの摩耗状態に応じて研磨パッドの交換時期を判定できる。
【００８７】
その結果、従来問題であった使用可能なパッドを必要以上に早く交換してしまうという事態を避けることができ、また摩耗度合いの大きいパッドによる研磨不足の事態も避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨装置のブロック図である。
【図２】本発明方法の第１の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。
【図３】本発明方法の第２の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。
【図４】本発明方法の第３の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。
【図５】研磨パッド厚さに対する研磨パッド高さの測定結果を示すグラフである。
【図６】研磨パッド厚さに対する研磨パッド圧力の測定結果を示すグラフである。
【図７】研磨パッドの厚さに対する研磨レートの測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明方法の研磨パッドの交換時期の判定方法を用いた結果であり、研磨パッド交換時の研磨パッド摩耗量を示すグラフである。
【図９】従来法に基づく研磨パッド交換時の研磨パッドの摩耗量を示すグラフである。
【図１０】研磨パッドの厚さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御して研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドの高さの一般的な関係を示すグラフであり、また（ｂ）は、同じ制御をしたときの、研磨パッドの高さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、研磨パッド高さを一定として研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドにかかる圧力の一般的な関係を示すグラフであり、また（ｂ）は、同じ制御をしたときの、研磨パッドにかかる圧力と研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 試料（ウエハ）
２ 研磨パッド
３ 試料台
４ 研磨定盤
５ 研磨定盤駆動装置
６ 研磨パッド圧力測定部
７ 研磨パッド高さ測定手段
８ 装置制御用計算機
９ 装置制御部
１０ 研磨パッド交換指示部
１１ 閾値設定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハ、石英基板、ガラス基板などの平面状基板、特にＬＳＩ作製工程途中のシリコンウエハを研磨する研磨装置における研磨パッドの交換時期を判定する研磨方法に関する。また、研磨パッドの交換時期を判定することが可能な研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
研磨装置における研磨パッドは、所定の操業時間が経過すると交換される。これは、研磨パッドの摩耗状態により研磨レートが変化し、研磨パッドの厚さが所定量以上減少すると急速に研磨レートが低下するからである。この研磨レートの変化は、例えば表面に溝が形成されている研磨パッドでは、操業時間の経過につれて、研磨パッドの表面が摩耗して溝の深さが減少し、この溝を通るスラリー状の研磨剤の量が減少し、研磨効率が落ちるために起こると考えられている。ただし、表面に溝がない研磨パッドにおいても同様の現象が生じることも知られている。
【０００３】
従来、研磨パッドの交換は、上述のように操業経験に基づき定められた操業時間が経過した段階で実施されており、研磨パッドの摩耗状態と関係なく行われてきた。そのため、研磨パッドの摩耗度合いにばらつきが大きく、使用可能な研磨パッドまで交換していたばかりでなく、摩耗度合いの大きい研磨パッドで研磨を行うことによるウエハの研磨不足などの問題も生じていた。
【０００４】
半導体製造装置については、メインテナンス時期を判定する方法として、種々の条件での処理に対して予め処理強度を定義してテーブル化しておき、装置のモニタリングにより処理条件を求め、その処理条件に対する処理強度を積算することによってメインテナンス時期を判定する方法が提案されている（特開昭63-102333号公報）。
【０００５】
しかしながら、この方法では、処理条件を求めるため、装置から出される信号を常時モニタリングしなければならず、信号処理装置に対する負荷が非常に大きい。また、処理強度を積算してメインテナンス時期を判定するため、精度良くメインテナンス時期を判定するには、処理強度を精度良くテーブル化する必要がある。しかし、このテーブル化が実際には難しい。
【０００６】
したがって、この方法を研磨パッドの交換時期の判定に適用しようとすると、装置制御用のコンピュータには、パッドの摩耗量を累積計算するためのデータを蓄積した上に、さらにそこから得られた研磨パッドの摩耗量の推定値を保存する必要があり、装置制御用のコンピュータにかかる負荷が大きい。また、研磨パッドの摩耗量を精度良くテーブル化しておく必要があるが、このテーブル化が困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解決することを目的としてなされたものであり、装置を常時モニタリングする必要がなく、研磨パッドの摩耗状態に応じて研磨パッドの交換時期を判定できる研磨方法を提供するものである。また、研磨パッドの交換時期を判定することが可能な研磨装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の研磨方法は、試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨方法であって、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さから研磨パッドの交換時期を判定することを特徴としている。
【０００９】
研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御するとは、研磨パッドの摩耗状態の変化に伴い研磨パッドにかかる圧力が変化するので、これを経時的に一定となるように研磨パッドの高さを変化させて制御するの意味である。ただし、この制御は、連続して常時行う必要はなく、研磨パッドの交換時期を判定する際、行えば良い。
さらに、本発明は、研磨パッドの高さ及び研磨パッドの厚さの関係より研磨パッドの使用限界高さを演算し、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御し、研磨パッドの高さを測定し、測定した研磨パッドの高さと演算した使用限界高さとの比較を行い、測定した研磨パッドの高さが演算した使用限界高さ未満となった場合、研磨パッド交換指示を出すことが好適となる。
【００１０】
また、本発明の研磨方法は、研磨パッド高さを一定となるように制御したときに研磨パッドにかかる圧力から研磨パッド交換時期を判定することを特徴としている。
【００１１】
研磨パッド高さが一定となるように制御するとは、経時的に一定となるように制御するの意味である。ただし、この制御は、連続して常時行う必要はなく、研磨パッドの交換時期を判定する際、行えば良い。
また、本発明は、研磨パッドにかかる圧力及び研磨パッドの厚さの関係より研磨パッドの使用限界圧力を演算し、研磨パッドの高さが一定となるように制御し、研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定し、測定した研磨パッド圧力と演算した使用限界圧力との比較を行い、測定した研磨パッド圧力が演算した使用限界圧力未満となった場合、研磨パッド交換指示を出すことが好適となる。
さらに、本発明は、研磨パッドが交換時期にあると判定されたとき、操業の区切りに研磨パッドの交換を実施することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の研磨装置は、試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨装置であって、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドの高さを測定する研磨パッド高さ測定手段と、測定された研磨パッドの高さに基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の研磨装置は、研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド高さの閾値が記憶される閾値設定部と、前記閾値と測定された研磨パッドの高さとの比較を行う比較手段とを更に備え、前記研磨パッド交換指示手段は、前記比較手段の比較により、測定された研磨パッドの高さが前記閾値未満となった場合、前記研磨パッド交換指示を行う手段を備えることを特徴とする。
さらに、また、本発明の研磨装置は、研磨パッドの厚さに対する研磨パッド高さの関係より前記閾値を演算する手段を更に備え、前記閾値設定部は演算された閾値を記憶する構成にしてあることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の研磨装置は、試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨装置であって、研磨パッドの高さを一定に制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定する研磨パッド圧力測定手段と、測定された研磨パッド圧力に基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の研磨装置は、研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド圧力の閾値が記憶される閾値設定部と、前記閾値と測定された研磨パッド圧力との比較を行う比較手段とを更に備え、前記研磨パッド交換指示手段は、前記比較手段の比較により、測定された研磨パッド圧力が前記閾値未満となった場合、前記研磨パッド交換指示を行う手段を備えることを特徴とする。
さらに、また、本発明の研磨装置は、研磨パッドの厚さに対する研磨パッド圧力の関係より前記閾値を演算する手段を更に備え、前記閾値設定部は演算された閾値を記憶する構成にしてあることを特徴とする。
なお、研磨パッドにかかる圧力とは、試料に研磨パッドを押し当てた状態での圧力をいう。
【００１４】
研磨パッドの高さは、研磨パッドの摩耗されない部分、例えば研磨パッドの裏面位置などを基準として決めれば良く、また研磨パッドと位置関係が一定に保たれる研磨定盤の位置などを用いても良い。また、その高さは、試料台上の試料からの距離が基本であるが、試料と位置関係が一定に保たれる位置であれば、そこからの距離で代用することができ、例えば試料台上の試料の位置が床から一定に保たれる場合には、床からの距離で代用できる。
【００１５】
図１０は、研磨パッドの厚さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。研磨パッドの厚さが所定の厚さｄthより薄くなると、研磨レートが急激に減少する。この研磨パッドの厚さの変化は、研磨パッドの高さの変化や研磨パッドにかかる圧力の変化としてとらえることができる。
【００１６】
図１１（ａ）は、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御して研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドの高さの一般的な関係を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、同じ制御をしたときの、研磨パッドの高さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。研磨パッドの高さは、床からの高さで表している。
【００１７】
図１１（ａ）に示すように、研磨パッドの使用とともに研磨パッドの厚さが薄くなるので、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように制御すると研磨パッドの高さが低くなってくる。
【００１８】
また、図１１（ｂ）に示すように、研磨パッドの高さが所定の高さｈthより低くなると、研磨レートが急激に減少する。これは、研磨パッド厚さが、所定の厚さｄthより薄くなったためである。
【００１９】
図１２（ａ）は、研磨パッド高さを一定として研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドにかかる圧力の一般的な関係を示すグラフであり、図１２（ｂ）は、同じ条件で研磨するときの、研磨パッドにかかる圧力と研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【００２０】
図１２（ａ）に示すように、研磨パッドの使用とともに研磨パッドの厚さが薄くなるので、研磨パッド高さが一定となるように制御すると研磨パッドにかかる圧力が減少してくる。
【００２１】
また、図１２（ｂ）に示すように、研磨パッドにかかる圧力が所定の圧力Ｐthより低くなると、研磨レートが急激に減少する。これは、研磨パッド厚さが所定の厚さｄthより薄くなったためである。
【００２２】
したがって、研磨パッドにかかる圧力または研磨パッド高さが一定となるように制御したとき、それぞれ研磨パッドの高さまたは研磨パッドにかかる圧力から研磨パッドの交換時期を判定することができる。
【００２３】
また、その時点での研磨パッドの摩耗量を推定し研磨パッドの交換時期を判定するので、研磨パッドの摩耗量の推定値を累積計算する必要がなく、また装置を常時モニタリングする必要もない。
【００２４】
また、本発明の装置によれば、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドの高さを測定する研磨パッド高さ測定手段と、測定された研磨パッドの高さに基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えるので、上記の方法により、研磨パッドの交換時期を判定することができる。
さらに、本発明の装置によれば、研磨パッドの高さを一定に制御する研磨パッド高さ制御手段と、研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定する研磨パッド圧力測定手段と、測定された研磨パッド圧力に基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段とを備えるので、上記の方法により、研磨パッドの交換時期を判定することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の研磨方法における研磨パッドの交換時期の判定方法および研磨装置の例について説明する。
【００２６】
（本発明の装置の例）
図１は、本発明の研磨装置のブロック図である。この研磨装置は、研磨パッド２とウエハ（試料）１との間にスラリー状の研磨剤を供給しながら、ウエハ１と研磨パッド２とを接触回転させてウエハ１を研磨する装置である。研磨パッド２は研磨定盤４に取り付けられ、ウエハ１は試料台３上に保持されている。研磨定盤４および試料台３は、どちらかあるいは双方が研磨定盤あるいは試料台の中心軸を中心に回転可能に構成される。研磨パッド２をウエハ１に所定の圧力で押しつけるため、例えば高加圧と低加圧の２つのエアシリンダ（図示せず）により、研磨定盤４が支点（図示せず）を介して押し下げられるように構成される。
【００２７】
研磨パッド圧力測定手段６により、研磨パッド２をウエハ１に押しつけたときの研磨パッドにかかる圧力（研磨定盤に加えられる圧力）が測定される。例えば、上述のように２つのエアシリンダにより研磨定盤への加圧がなされる場合、この２つのエアシリンダの圧力値の信号を取り込めば良い。
【００２８】
研磨パッド高さ測定手段７により、研磨パッド２の高さ（例えば、研磨パッド２の裏面高さまたは研磨定盤の所定の位置の高さ）が測定される。この研磨パッド高さ測定手段７として、例えばレーザー外径計などの光学手段を用いれば良い。
【００２９】
装置制御用計算機８は、装置の動作全てを管理する装置制御部９を備えており、例えば研磨パッド圧力測定手段６により測定された研磨パッドにかかる圧力を用いて、研磨定盤４を研磨定盤駆動装置５により上下駆動させて、研磨パッドにかかる圧力を一定に保ち試料を研磨することができる。また、研磨パッド高さ測定手段７により測定された研磨パッド高さの値を用いて、研磨定盤４を研磨定盤駆動装置５により上下駆動させて、研磨パッド高さを一定に保ち試料を研磨することもできる。
【００３０】
装置制御用計算機８には、さらに研磨パッド交換指示部１０と閾値設定部１１が設けられ、これらにより、研磨パッド交換指示手段が構成されている。閾値設定部１１には、研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド高さおよび／または研磨パッド圧力の閾値が入力され記憶される。研磨パッド交換指示部１０では、閾値設定部１１に記憶されている閾値と研磨パッド圧力測定手段６または研磨パッド高さ測定手段７により測定される測定値とを比較して、研磨パッドの交換時期か否かが判定され、指示が出される。
【００３１】
（本発明方法の第１の例）
図２は、本発明方法の第１の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。この第１の例は、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さから研磨パッド交換時期を判定するものである。前述したように、研磨パッドの高さが所定の高さより低くなると、研磨レートが急激に減少することを利用して、研磨パッド交換時期を判定するのである。
【００３２】
以下、このフローチャートに基づいて装置制御用計算機８から研磨パッドの交換時期がきたことを示す指示が出されるまでの手順を示す。
【００３３】
▲１▼あらかじめ装置で使用する研磨パッドについて、研磨パッド高さに対する研磨レートを測定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて測定する（ステップＳ１）。
【００３４】
▲２▼研磨パッド高さに対する研磨レートの測定結果から、研磨レートが急激に低下し装置性能に影響を及ぼす研磨パッド高さ（以下研磨パッド使用限界高さと呼ぶ）を決定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて決定する。
【００３５】
この研磨パッド使用限界高さは、それまでの操業経験に基づいて決定しても良いし、研磨パッド高さに対する研磨レートのグラフの傾きが所定値以上（例えばｄｙ／ｄｘ≧ａ、ただしｙ：研磨レート、ｘ：研磨パッド高さ）となる研磨パッド高さとする方法で決定しても良い（ステップＳ２）。
【００３６】
▲３▼使用する研磨パッド使用限界高さを閾値設定部１１に設定する。この設定は、各研磨パッドごとの使用限界高さを表形式で事前に入力しておき、使用時に研磨パッドの種類で特定する方法でも、使用するパッドの使用限界高さを直接指定する方法でも、どちらでもかまわない（ステップＳ３）。
【００３７】
▲４▼研磨装置を起動させる。研磨パッドを試料に押しつけたとき研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御し、研磨パッド高さ測定手段７により研磨パッド高さを測定する（ステップＳ６）。
【００３８】
▲５▼研磨パッド交換指示部１０において、測定された研磨パッド高さと閾値設定部１１に記憶されている研磨パッド使用限界高さと比較する（ステップＳ７）。研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより高いとき、研磨パッド交換は不要と判定し、試料を研磨する工程を進める。
【００３９】
研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより低いとき、研磨パッドを交換するように指示を出す（ステップＳ８）。
【００４０】
▲７▼操業の区切りの都合なども考え、パッド交換を実施するか否かを判断する（ステップＳ９）。
【００４１】
▲８▼パッド交換を実施する場合、新しい研磨パッドの使用限界高さを閾値設定部への設定（ステップＳ３）から上記のステップを繰り返す。
【００４２】
例えば、研磨実施時の研磨パッドの高さを、研磨パッドにかかる圧力が一定になるように制御している装置では、研磨回数の増加にともなう研磨パッドの摩耗によって、研磨実施時の研磨パッドの高さはだんだんと低くなっていく。
【００４３】
そこで、この第１の例のようにして、研磨パッド使用限界高さ以下の値を示した時点で研磨パッドを交換するように指示を出すことにより、研磨パッドの摩耗状態に応じた適切なタイミングで交換を行うことができる。
【００４４】
（本発明方法の第２の例）
図３は、本発明方法の第２の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。この第２の例は、研磨パッド高さが一定となるように制御したときの研磨パッドにかかる圧力から研磨パッド交換時期を判定するものである。前述したように、研磨パッドにかかる圧力が所定の値より小さくなると、研磨レートが急激に減少することを利用して、研磨パッド交換時期を判定する。このフローチャートは、図２に示したフローチャートに比べて、研磨パッド高さを研磨パッド圧力に置きかえた点のみ異なるものであり、このフローチャートの手順の説明は省略する。
【００４５】
例えば、研磨実施時の研磨パッドの高さをその摩耗程度によらず一定の高さとしている装置では、研磨高さへパッドを移動した際に研磨パッドにかかる圧力が研磨を行った回数が増すごとに低下していく。
【００４６】
そこで、この第２の例のようにして、研磨パッド圧力が研磨パッド使用限界圧力以下の値を示した時点で研磨パッドを交換するように指示を出すことにより、研磨パッドの摩耗状態に応じた適切なタイミングで交換を行うことができる。
【００４７】
（本発明方法の第３の例）
図４は、本発明の第３の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。この第３の例は、本来の研磨レートの経時変化の原因である研磨パッドの厚さに対して使用限界厚さを設定するものである。
【００４８】
あらかじめ、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さと研磨パッドの厚さとの関係、および研磨パッド高さが一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドにかかる圧力と研磨パッドの厚さとの関係を測定する。この関係を、装置制御用計算機８の閾値設定部１１に記憶させておく。
【００４９】
以下このフローチャートに基づいて、装置制御用計算機８から研磨パッドの交換時期がきた事を示す指示が出されるまでの手順を示す。
【００５０】
▲１▼装置で使用する研磨パッドについて、あらかじめ研磨パッド厚さに対する研磨レートを測定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて測定する（ステップＳ１）。
【００５１】
▲２▼研磨パッド厚さに対する研磨レートの測定結果から、研磨レートが急激に低下し装置性能に影響を及ぼす研磨パッド厚さ（以下研磨パッド使用限界厚さと呼ぶ）を決定する。複数の種類の研磨パッドを使用する場合は、それぞれの研磨パッドについて決定する。
【００５２】
この研磨パッド使用限界厚さは、それまでの操業経験に基づいて決定しても良いし、研磨パッド厚さに対する研磨レートのグラフの傾きが所定値以上（例えばｄｙ／ｄｘ≧ｂ、ただしｙ：研磨レート、ｘ：研磨パッド厚さ）となる研磨パッド厚さとする方法で決定しても良い（ステップＳ２）。
【００５３】
▲３▼使用する研磨パッド使用限界厚さを閾値設定部１１に設定する。この設定は、各研磨パッドごとの使用限界厚さを表形式で事前に入力しておき、使用時に研磨パッドの種類で特定する方法でも、使用するパッドの使用限界厚さを直接指定する方法でも、どちらでもかまわない（ステップＳ３）。
【００５４】
▲４▼研磨装置を起動させる。使用する研磨パッドの使用限界高さと使用限界圧力が、あらかじめ同じく閾値設定部１１に記憶されている研磨パッドの高さと研磨パッドの厚さとの関係および研磨パッドにかかる圧力と研磨パッドの厚さとの関係から演算される（ステップＳ４）。
【００５５】
▲５▼研磨パッド高さで判定するか、それとも研磨パッド圧力で判定するか、判定方法を選択する（ステップＳ５）。例えば、研磨実施時の研磨パッドの高さを研磨パッドにかかる圧力が一定になるように制御している装置では、研磨パッド高さで判定する方を選択し、研磨実施時の研磨パッドの高さを一定の高さとしている装置では、研磨パッド圧力で判定する方を選択すれば良い。
【００５６】
▲６▼研磨パッド高さで判定する場合、研磨パッド圧力が一定となるように研磨パッドの高さを決め、そのとき研磨パッドの高さを測定する（ステップＳ６Ａ）。
【００５７】
研磨パッド交換指示部１０において、研磨パッド高さを研磨パッド使用限界高さと比較する（ステップＳ７）。
【００５８】
研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより高いとき、研磨パッド交換は不要と判定し、研磨の工程を進める。
【００５９】
研磨パッド高さが研磨パッド使用限界高さより低いとき、研磨パッドを交換するように指示を出す（ステップＳ８）。
【００６０】
▲６▼’研磨パッド圧力で判定する場合、研磨パッドの高さを一定の高さとし、研磨高さへパッドを移動した際に研磨パッドにかかる圧力を測定する（ステップＳ６Ｂ）。
【００６１】
研磨パッド交換指示部１０において、研磨パッドにかかる圧力を研磨パッド使用限界圧力と比較する（ステップＳ７）。
【００６２】
研磨パッド圧力が研磨パッド使用限界圧力より大きいとき、研磨パッド交換は不要と判定し、研磨の工程を進める。
【００６３】
研磨パッド圧力が研磨パッド使用限界圧力より小さいとき、研磨パッドを交換するように指示を出す（ステップＳ８）。
【００６４】
▲７▼操業の区切りの都合なども考え、パッド交換を実施するか否かを判断する（ステップＳ９）。
【００６５】
▲８▼パッド交換を実施する場合、新しい研磨パッドの使用限界高さを閾値設定部への設定（ステップＳ３）から上記のステップを繰り返す。
【００６６】
この第３の例によれば、研磨レート低下の原因となる研磨パッドの使用限界厚さを設定することにより、研磨パッドの交換時期を判定できる。また、研磨パッド圧力および研磨パッド高さから選択して、研磨パッドの交換時期の判定に用いることができる。
【００６７】
なお、上述した第１の例〜第３の例において、ステップＳ６、Ｓ６Ａ、Ｓ６Ｂの測定は、研磨開始直前に行うのが好ましいが、研磨時であればいつでも良い。
【００６８】
また、ステップＳ７の判定を実施するのは、研磨終了後の方が好ましいが、研磨開始前でも良い。
【００６９】
上述した判定は、研磨パッドの交換直後から実施する必要はなく、所定の操業時間後に開始しても良い。また、試料の交換毎に実施する必要もなく、試料交換の所定間隔毎に実施するなどとしても良い
【００７０】
【実施例】
本発明の実施例について説明する。本実施例の装置は、図１に示す研磨装置であり、シリコンウエハ上に成膜されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）を化学機械研磨する装置（ＣＭＰ装置）である。研磨定盤４への加圧は、高加圧と低加圧の２つのエアシリンダ（図示せず）により、支点（図示せず）を介して行った。本実施例の判定方法のフローチャートは図４に示すものである。
【００７１】
本実施例の装置では、研磨パッド圧力測定手段６は、２つのエアシリンダの圧力値を示す信号を取り込む部分であり、このエアシリンダの圧力値から研磨定盤４へかかる圧力を評価した。研磨パッド高さ測定手段７として、レーザー外径計を用い、研磨定盤を支持する部位に水平に棒状の測定基準を設け、この測定基準の高さを測定し、この測定基準の高さから研磨パッドの高さを求めた。
【００７２】
使用した研磨パッドは、１種類であり、その材質は発砲ポリウレタンであり、その使用前の厚さは１．２７ｍｍである。表面には、幅３ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝が縦横に７ｍｍ間隔で設けられている。研磨の対象は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が成膜されたシリコンウエハである。用いた研磨剤は、ヒュームドシリカ（粒径０．０３μｍのＳｉＯ2 ）の懸濁液である。
【００７３】
この研磨装置を用いて、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように制御して、研磨パッド厚さに対して研磨パッド高さを測定した。このときの研磨パッド圧力は、３５０ｇｆ／ｃｍ2（＝５ＰＳＩ）とした。また、研磨パッド高さが一定となるように制御して、研磨パッド厚さに対して研磨パッドにかかる圧力を測定した。このときの研磨パッド高さは、研磨定盤の研磨パッド側の面を基準とし、その床からの高さとした。これらの測定には、研磨で摩耗した研磨パッドを用いた。
【００７４】
図５は、研磨パッド厚さに対する研磨パッド高さの測定結果を示すグラフである。研磨パッド厚さと研磨パッド高さは、ほぼ比例していた。
【００７５】
図６は、研磨パッド厚さに対する研磨パッド圧力の測定結果を示すグラフである。研磨パッド厚さと研磨パッド圧力も、ほぼ比例していた。
【００７６】
図５および図６の測定結果を、研磨パッド厚さと研磨パッド高さの関係および研磨パッド厚さと研磨パッド圧力の関係として、装置制御用計算機８の閾値設定部１１に記憶させた。
【００７７】
この研磨パッドについて、研磨パッドの厚さに対する研磨レートを測定した（ステップＳ１）。
【００７８】
図７は、研磨パッドの厚さに対する研磨レートの測定結果を示すグラフである。この研磨パッドでは７５０μｍ以下の厚さになると急速に研磨レートが低下した。図７の結果から、この研磨パッドの使用限界厚さを７５０μｍと決定した（ステップＳ２）。
【００７９】
この研磨パッドの使用限界厚さを装置制御用計算機８の閾値設定部１１に設定した（ステップＳ３）。
【００８０】
その後、研磨パッドの圧力一定となるように研磨パッド高さを制御して、シリコンウエハ上のシリコン酸化膜を研磨した。研磨パッド交換時期の判定方法として研磨パッド高さから判定する方を選択し、フローチャートに従いステップＳ５〜ステップＳ６のループで研磨パッドの交換時期を判定した。そして、研磨パッドの交換指示が出る（ステップＳ８）と、できるだけすぐにパッド交換を実施した。ただし、実際には、操業の区切りの都合で交換指示の出たタイミングでの研磨パッドの交換を行っていない場合もあった。
【００８１】
図８は、本発明方法の研磨パッドの交換時期の判定方法を用いた結果であり、研磨パッド交換時の研磨パッド摩耗量を示すグラフである。研磨パッドの交換回数は９４回であり、９４個の研磨パッドについてその摩耗量を測定した。
【００８２】
図９は、研磨パッドの交換時期を操業時間のみで決定していた従来法に基づく研磨パッド交換時の研磨パッドの摩耗量を示すグラフである。研磨パッドの交換回数は同じく９４回であり、同じく９４個の研磨パッドについてその摩耗量を測定した。
【００８３】
本発明方法により、従来よりも研磨パッド交換時の摩耗量のばらつきが低減した。
【００８４】
従来法では、図９に示したように、研磨されるウエハの材質によって研磨パッドの摩耗量が異なるため、特定の研磨時間におけるパッドの摩耗量が特定の値とはなり得ず、パッド交換時点でのパッド摩耗量のばらつきを押さえることはできなかった。さらに、研磨パッドを複数種類用いる場合は、ばらつきが大きくなった。
【００８５】
それに対して、本発明方法では、研磨パッドが研磨位置に移動したときに研磨パッドの摩耗量を推定するので、研磨パッドの摩耗状態に応じて研磨パッドの交換時期を判定できた。しかも、装置信号を常時モニタリングしデータを蓄積することも不要であった。
【００８６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の研磨方法および研磨装置によれば、装置を常時モニタリングする必要がなく、研磨パッドの摩耗状態に応じて研磨パッドの交換時期を判定できる。
【００８７】
その結果、従来問題であった使用可能なパッドを必要以上に早く交換してしまうという事態を避けることができ、また摩耗度合いの大きいパッドによる研磨不足の事態も避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨装置のブロック図である。
【図２】本発明方法の第１の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。
【図３】本発明方法の第２の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。
【図４】本発明方法の第３の例の研磨パッドの交換時期を判定するフローチャートである。
【図５】研磨パッド厚さに対する研磨パッド高さの測定結果を示すグラフである。
【図６】研磨パッド厚さに対する研磨パッド圧力の測定結果を示すグラフである。
【図７】研磨パッドの厚さに対する研磨レートの測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明方法の研磨パッドの交換時期の判定方法を用いた結果であり、研磨パッド交換時の研磨パッド摩耗量を示すグラフである。
【図９】従来法に基づく研磨パッド交換時の研磨パッドの摩耗量を示すグラフである。
【図１０】研磨パッドの厚さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は、研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御して研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドの高さの一般的な関係を示すグラフであり、また（ｂ）は、同じ制御をしたときの、研磨パッドの高さと研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、研磨パッド高さを一定として研磨するときの、研磨パッドの使用時間と研磨パッドにかかる圧力の一般的な関係を示すグラフであり、また（ｂ）は、同じ制御をしたときの、研磨パッドにかかる圧力と研磨レートの一般的な関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 試料（ウエハ）
２ 研磨パッド
３ 試料台
４ 研磨定盤
５ 研磨定盤駆動装置
６ 研磨パッド圧力測定部
７ 研磨パッド高さ測定手段
８ 装置制御用計算機
９ 装置制御部
１０ 研磨パッド交換指示部
１１ 閾値設定部
Claims (11)
- 試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨方法であって、
研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御したときの研磨パッドの高さから研磨パッドの交換時期を判定することを特徴とする研磨方法。 - 試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨方法であって、
研磨パッドの高さ及び研磨パッドの厚さの関係より研磨パッドの使用限界高さを演算し、
研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御し、
研磨パッドの高さを測定し、
測定した研磨パッドの高さと演算した使用限界高さとの比較を行い、
測定した研磨パッドの高さが演算した使用限界高さ未満となった場合、研磨パッド交換指示を出すことを特徴とする研磨方法。 - 試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨方法であって、
研磨パッド高さが一定となるように制御したときに研磨パッドにかかる圧力から研磨パッドの交換時期を判定することを特徴とする研磨方法。 - 試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨方法であって、
研磨パッドにかかる圧力及び研磨パッドの厚さの関係より研磨パッドの使用限界圧力を演算し、
研磨パッドの高さが一定となるように制御し、
研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定し、
測定した研磨パッド圧力と演算した使用限界圧力との比較を行い、
測定した研磨パッド圧力が演算した使用限界圧力未満となった場合、研磨パッド交換指示を出すことを特徴とする研磨方法。 - 研磨パッドが交換時期にあると判定されたとき、操業の区切りに研磨パッドの交換を実施することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の研磨方法。
- 試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研磨装置であって、
研磨パッドにかかる圧力が一定となるように研磨パッドの高さを制御する研磨パッド高さ制御手段と、
研磨パッドの高さを測定する研磨パッド高さ測定手段と、
測定された研磨パッドの高さに基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段と
を備えることを特徴とする研磨装置。 - 研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド高さの閾値が記憶される閾値設定部と、
前記閾値と測定された研磨パッドの高さとの比較を行う比較手段と
を更に備え、
前記研磨パッド交換指示手段は、
前記比較手段の比較により、測定された研磨パッドの高さが前記閾値未満となった場合、前記研磨パッド交換指示を行う手段を備える請求項６に記載の研磨装置。 - 研磨パッドの厚さに対する研磨パッド高さの関係より前記閾値を演算する手段を更に備え、
前記閾値設定部は演算された閾値を記憶する構成にしてある請求項７に記載の研磨装置。 - 試料台上に保持された試料に、研磨定盤に被着された研磨パッドを押し当て、試料台および／または研磨定盤を回転させて試料を研磨する研 磨装置であって、
研磨パッドの高さを一定に制御する研磨パッド高さ制御手段と、
研磨パッドにかかる研磨パッド圧力を測定する研磨パッド圧力測定手段と、
測定された研磨パッド圧力に基づいて研磨パッド交換指示を行う研磨パッド交換指示手段と
を備えることを特徴とする研磨装置。 - 研磨パッドの交換時期を判定するための研磨パッド圧力の閾値が記憶される閾値設定部と、
前記閾値と測定された研磨パッド圧力との比較を行う比較手段と
を更に備え、
前記研磨パッド交換指示手段は、
前記比較手段の比較により、測定された研磨パッド圧力が前記閾値未満となった場合、前記研磨パッド交換指示を行う手段を備える請求項９に記載の研磨装置。 - 研磨パッドの厚さに対する研磨パッド圧力の関係より前記閾値を演算する手段を更に備え、
前記閾値設定部は演算された閾値を記憶する構成にしてある請求項１０に記載の研磨装置。
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