JP4943800B2 - 研磨状況モニタシステム - Google Patents

Description

本発明は、主としてシリコンウェハなどの半導体ウェハを研磨パッドにより研磨する場合の研磨状況をモニタするシステムに関する。

一般に半導体ウェハの表面は、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)方式の研磨装置により研磨される。

同研磨装置では、ウェハが保持された上定盤を、研磨パッドを装着した下定盤上に置き、ウェハと研磨パッドとを加圧した状態で、その間にスラリーを供給しながら、ウェハと研磨パッドとを相対的に摺動させることで研磨を行う（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上記のような研磨装置によるウェハの研磨では、研磨パッドとスラリー中の砥粒と被研磨物であるウェハとの摩擦熱、およびスラリーの化学反応による発熱等により、ウェハの温度が上昇する傾向にある。そして、ウェハの全体の温度が高温となったり、あるいは温度分布が不均一になったりすると、研磨を安定的に行うことが難しくなる。

そのため、ウェハの温度を検出する必要があるが、研磨中、ウェハは研磨パッドと接触した状態にあり、その温度を直接的に測定することは非常に困難である。

そこで、従来は、研磨パッドの上方に放射温度計を配置して、この放射温度計により、研磨パッド表面の温度を測定し、この研磨パッドの表面温度からウェハの温度を推定するようにしている。

しかしながら、上記の方式で測定されるのは、研磨パッドの表面各部分のうち、研磨中で実際にウェハに接触している部分の温度ではなく、ウェハから外れた位置にある研磨前もしくは研磨後の部分の温度である。

しかも、放射温度計では、広い範囲の平均的な温度を測定できるにとどまり、研磨パッドの局部的な温度変化、温度分布を測定することができなかった。
特開２００３−３７０８９号公報

上記従来の問題に対して、本件発明者は、研磨パッドに温度センサを設けて、研磨パッドの表面各部分の温度を直接検出しうるようにしたものを発明し、その発明を既に出願している（特願２００５−１４１２０５号）。この出願に係る発明によれば、研磨パッドの表面各部分のうち、ウェハに接触する部分の温度を直接検出することで、研磨中のウェハの実際の温度に極めて近似した温度を測定することができる。

発明者が上記の発明を利用して、実際に研磨を行いながら、研磨パッドの温度を測定したところ、研磨パッドの温度の均一性と研磨の均一性との間には、相関関係があるという知見を得た。

従来、研磨の均一性は、研磨前のウェハ上の膜厚と、研磨後のウェハ上の残膜厚とをウェハ面内の複数点で測定し、研磨レートを算出することにより、モニタしており、研磨中において、研磨の均一性をモニタするのは、困難であった。

本発明は、上記知見を利用して、研磨中に研磨の均一性をモニタできるようにすることを目的とする。

本発明は、上定盤の下面に保持された被研磨物と、下定盤上に装着された研磨パッドとを接触加圧した状態で、供給ノズルから前記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、前記被研磨物と前記研磨パッドとを相対的に摺動させて行なう研磨の状況をモニタするシステムであり、前記研磨パッドの温度を検出する温度センサの出力に基づいて、研磨の均一性をモニタするシステムであって、前記温度センサの出力は、前記研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して入力されるものである。

前記温度センサを複数とし、各温度センサを、前記研磨パッドの径方向互いに異なる位置に配置するのが好ましいが、単一の温度センサによって研磨パッドの異なる位置の温度を検出するようにしてもよい。

前記温度センサの出力から得られる前記研磨パッドの温度の均一性と、研磨の均一性との相関関係に基づいて、前記研磨の均一性をモニタするのが好ましい。

研磨の均一性は、研磨レートの均一性であるのが好ましい。

上記構成によれば、研磨中の研磨パッドの温度を温度センサで検出することにより、研磨パッドの温度の均一性と研磨の均一性との相関関係から、研磨中の研磨の均一性をモニタすることができる。

このように研磨中に研磨の均一性をモニタできるので、研磨が不均一になったときには、それを報知して適宜の措置をとることが可能となり、あるいは、研磨の均一性が維持されるように、研磨条件、例えば、スラリー供給位置、荷重、定盤回転数、スラリー流量等を調整するといったことが可能となる。

温度センサとしては、熱電対やサーミスタ等の接触式の温度センサが好適である。接触式温度センサではほかに、白金測温抵抗体、銅測温抵抗体、ＩＣ化温度センサ、水晶温度計等がある。接触式の温度センサでは、研磨パッドの配置された部分の温度を局部的に正確に検出することができる。

温度センサは、研磨に影響を与えない状態で研磨パッドに設けられていればよいが、その配置の仕方については、研磨パッドの裏面側に収容部が形成され、この収容部に温度センサが収容固定されていることが好ましい。

研磨パッドの裏面側の収容部に温度センサが設けられていると、温度センサと被研磨物との間には、必ず、研磨パッドの表面（研磨面）側の表層部分が介在するから、研磨に対する影響がなく、しかも、研磨パッドのごく薄い表層部分を介して、ウェハ等の被研磨物の温度が検出されることになり、被研磨物のより実際の温度に近似した温度を検出することができる。

前記収容部は、研磨パッドの中心部から径方向外径側に延びる溝状に形成され、この溝状の収容部に複数の温度センサが互いに間隔をおいて収容固定されていることが好ましい。

この構成によれば、収容部に沿って各温度センサのリード線を研磨パッドの中心側に導いて、他の電子部材、例えば、中心部に設けられた回転コネクタに接続することができ、複数の温度センサの配置が容易である。また、同一径方向の複数個所の温度を一度に測定することができるので、同一径方向に沿った温度分布の正確な測定に役立つ。

さらに、温度センサの出力は、研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して入力される。
この構成によれば、リアルタイムで研磨パッドの各部分の温度を検出して、研磨の均一性をモニタすることができる。

このほか、温度センサの出力は、無線もしくは光信号によりワイヤレスでモニタ部に入力されるようにすることもできる。

本発明によれば、研磨中の研磨パッドの温度を温度センサによって検出して研磨パッドの温度の均一性を求め、この研磨パッドの温度の均一性と研磨の均一性との相関関係に基づいて、研磨の均一性をモニタすることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態を、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る研磨状況モニタシステムを備える研磨装置の構成図、図２は、上記研磨装置に含まれる研磨パッドの要部の裏面図、図３は、上記研磨装置に含まれる回転コネクタの一部破断した側面図である。

図１に示すように、この研磨装置は、上面に研磨パッド１が装着される下定盤２と、下面に被研磨物であるウェハＷが保持される上定盤３と、スラリーの供給ノズル４と、この供給ノズル４によるスラリー供給位置の移動機構５と、制御部６とを備えるとともに、本発明に係る研磨状況モニタシステム３０を備えている。

下定盤２は縦軸周りに回転するもので、その軸部２ａは、ベルト７等の伝動手段を介して下定盤２用のモータ８に連動連結している。この下定盤２に装着された研磨パッド１上に、供給ノズル４が位置している。供給ノズル４は、移動機構５の駆動により、研磨パッド１上を径方向（イ方向）に移動して、スラリー供給位置を変更するようになっている。なお、図１では、供給ノズル４は、図示の都合上、研磨パッド１の表面各部分のうち、ウェハＷと接触する部分から比較的離れた部分の上に設けられているが、ウェハＷと接触する手前の部分の上に設けられることが望ましい。

上定盤３は、下定盤２の上側に設けられており、その軸部３ａは、ベルト９等の伝動手段を介して上定盤３用のモータ１０に連動連結している。

この実施形態の研磨状況モニタシステム３０は、研磨中に、研磨の均一性をモニタするものであり、研磨パッド１の温度を検出し、後述のように、研磨パッド１の温度の均一性と研磨レートの面内均一性との相関関係に基づいて研磨の均一性をモニタするものである。

このため、研磨パッド１の温度を検出するために、次のように構成している。 すなわち、研磨パッド１は、図面上、上面を研磨面としており、裏面側(下面側)に複数（図示例では3個の）の温度センサ１１，１１，１１が設けられている。これらの温度センサ１１の配置位置は、研磨パッド１の径方向異なる位置に設定されている。温度センサ１１としては、接触式のもの、例えば、熱電対が使用される。

一方、研磨パッド１の研磨面側の中心部には、温度センサ１１の検出信号の取り出しのために、回転コネクタ１２が設けられている。この回転コネクタ１２を介して、温度センサ１１の検出信号が研磨状況モニタシステム３０に入力される。回転コネクタ１２の構造は後述する。

図２に基づいて研磨パッド１の構造および温度センサ１１の配置について、さらに詳細に説明する。研磨パッド１の裏面には、中心部から外周縁にかけて径方向に延びる溝状の収容部１３が形成されており、中心部には、温度センサ１１のリード線１１ａを研磨面側に引き出すための透孔１４が形成されている。温度センサ１１とそのリード線１１ａは、収容部１３の内部に収容されて、図示省略した接着剤もしくは充填樹脂により収容部１３内に固定されている。

単一の収容部１３に収容固定される温度センサ１１は、一つでも複数でもよいが、図示の実施形態では、単一の収容部１３内に３個の温度センサ１１，１１，１１が互いに径方向に間隔をおいて配列されている。

これら温度センサ１１の径方向位置は、研磨パッド１に対するウェハＷの接触位置に応じて設定されており、研磨パッド１中心から内径側の温度センサ１１までの径方向距離Ｄ１はウェハＷの最内側の接触位置に対応し、径方向中間位置の温度センサ１１までの径方向距離Ｄ２はウェハＷの中心部の接触位置に対応し、外径側の温度センサ１１までの径方向距離Ｄ３はウェハＷの最外側の接触位置に対応している。これら温度センサ１１のリード線１１ａは、収容部１３から透孔１４に導出されている。

上記実施形態において、研磨パッド１の研磨面は平坦面とされるが、スラリーを保持するための溝、もしくは凹部が形成されていてもよい。

また、研磨パッド１は、特に図示しないが、層構造を有し、概略、表面側の研磨層と、その裏面側に貼り付けられる下地層とからなる。表面側の研磨層は、ポリウレタン等の発泡性樹脂を発泡硬化して得られた樹脂層であり、下地層は、ウレタンを含浸させた不織布タイプの軟質層、もしくはフォームタイプの軟質層である。

次に、図３に基づいて回転コネクタ１２の構造を説明する。研磨パッド１の中心部には、上記したように、透孔１４が形成されており、この透孔１４内に温度センサ１１のリード線１１ａが引き込まれている。研磨パッド１の研磨面側で上記透孔１４と同心位置に回転コネクタ１２が取り付けられている。

この回転コネクタ１２は、スリップリングを利用したもので、研磨パッド１側（図面では下側）に開いた配線空間１５を有する装着筒１６と、この装着筒１６の外周に固着される絶縁体からなる回転筒１７と、この回転筒１７の外周側で装着筒１６に軸受１８を介して相対回転可能に取り付けられる固定ケース１９とからなる。

装着筒１６は、研磨パッド１の研磨面に接着剤等により固定される。装着筒１６内の配線空間１５は、周方向の一部に開口１５ａを有する。回転筒１７には、導電性に優れた金属からなる複数(図示例では３つ)のリング２０が一体に設けられており、これらリング２０の周方向一部分は、配線空間１５の開口１５ａから内周側に露出している。そして、これらリング２０の内周側への露出部に、温度センサ１１のリード線１１ａが接続されている。固定ケース１９には、リング２０に対応して複数の端子２１が設けられ、各端子２１には、リング２０に摺接するブラシ２２が取り付けられている。これにより、各温度センサ１１のリード線１１ａは、常時、回転コネクタ１２の対応する端子２１に接続されている。図３において、２３は引き出し線、２４はカバーである。

研磨状況モニタシステム３０は、温度センサ１１の検出信号に基づいて、後述のように研磨レートの均一性をモニタするものであり、この実施形態では、研磨状況モニタシステム３０の出力が、制御部６に与えられるように構成されている。

制御部６は、下定盤２や上定盤３等の動作を制御するとともに、研磨状況モニタシステム３０のモニタ出力に基づいて、例えば、スラリー供給位置を可変する移動機構５の動作を制御するものである。移動機構５は、供給ノズル４を研磨パッド１の径方向に移動させるものであるが、供給ノズル４によるスラリー供給位置が研磨パッド１の中心部分から外周部分までの間を移動すればよく、円弧運動等の非直線運動をするものでもよい。

上記構成において、研磨に当たっては、温度センサ１１および回転コネクタ１２が取り付けられた研磨パッド１が、下定盤２の上面に接着剤により装着される。

一方、上定盤３の下面にはウェハＷが保持され、このウェハＷが下定盤２側の研磨パッド１に押し付けられる。この状態で、下定盤２と上定盤３とがそれぞれ回転駆動されるとともに、研磨パッド１上に供給ノズル６からスラリーが供給され、研磨が行われる。

上記の研磨動作中、温度センサ１１の検出信号は、回転コネクタ１２を介して、研磨状況モニタシステム３０に入力する。この場合、温度センサ１１は、研磨パッド１の収容部１３内で表面部の温度を検出しており、図１のように、温度センサ１１が設けられている部分の上にウェハＷが位置している場合は、ウェハＷと接触している状態の研磨パッド１表面部の温度が測定される。また、温度センサ１１は、ウェハＷに極めて近接しており、ウェハＷとの間に研磨パッド１表面のごく薄い部分を介在させているにすぎないから、ウェハＷの実際の温度に近似した温度が測定されることになる。

本件発明者は、研磨レートの均一性と各温度センサ１１によって検出される研磨パッド１の温度の均一性との間には、相関関係があるという事実を見出した。

以下、この相関関係について、説明する。

研磨レートの均一性を意図的に変化させるために、スラリー供給位置を研磨パッド１の径方向に変えて８インチウェハの研磨をそれぞれ行い、研磨パッド各部分の温度を各温度センサ１１で測定するとともに、研磨レートを測定した。

スラリー供給位置は、研磨パッド１の中心部に近い位置と、研磨パッド１の外周側の位置と、研磨パッド１の中間径位置（ウェハの中心部に相当する位置）とした。

研磨レートの測定では、８インチウェハのウェハ面内に４９点の測定点を設定した（ウェハの中心１点、半径２５ｍｍの位置４点、半径５０ｍｍの位置８点、半径７５ｍｍの位置１６点、周辺から５ｍｍの内側の位置２０点）。そして、研磨前後に上記測定点で測定し、その前後の差を「研磨された膜厚」とした。

図４は、各スラリー供給位置における研磨パッド１の各部分の温度変化を示すものであり、図４（Ａ）は研磨パッド１の中心部に近い位置、図４（Ｂ）は研磨パッド１の外周側の位置、図４（Ｃ）は研磨パッド１の中間径位置に、スラリー供給位置を設定した場合をそれぞれ示している。

スラリー供給位置を研磨パッド１の中心部に近い位置に設定すると、図４（Ａ）に示すように、Ｄ１の温度センサ１１により検出される研磨パッド１中心部寄りの部分の温度と、Ｄ２の温度センサ１１により検出される中間径部分の温度との間に大きな温度差はないが、Ｄ３の温度センサ１１により検出される研磨パッド１外周側の部分の温度は、上記２部分の温度より低く、上記２部分との間にかなりの温度差があることが分かる。

逆に、スラリー供給装置を研磨パッド１の外周側に設定すると、図４（Ｂ）に示すように、外周側の部分（Ｄ３の部分）の温度と、中間径部分（Ｄ２の部分）の温度との間に大きな温度差はないが、中心部寄りの部分（Ｄ３の部分）の温度は上記２部分の温度より低く、上記２部分との間にかなりの温度差があることが分かる。

さらに、スラリー供給位置を研磨パッド１の中間径位置（ウェハの中心部に相当する位置）に設定すると、図４（Ｃ）に示すように、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の各部分の温度差は、（Ａ）、（Ｂ）の場合より小さくなることが分かる。

図５は、上記各スラリー供給位置と、ウェハの研磨レートおよび下記（１）式より算出される研磨レートの面内均一性との関係を示す図である。図５において、横軸は、上記スラリー供給位置を、左縦軸は、研磨レートを、右縦軸は、研磨レートの面内均一性をそれぞれ示している。

研磨レートの面内均一性は、上記測定点４９点での研磨された膜厚の平均値Ｆｍｎ、最大値Ｆｍａｘ、最小値Ｆｍｉｎとから、下記式（１）により算出した。

研磨レートの面内均一性
＝{（Ｆｍａｘ−Ｆｍｉｎ）／２×Ｆｍｎ}×１００（％） …（１）
図５に示すように、研磨パッドの各部分の温度差が小さいスラリー供給位置、すなわち、スラリー供給位置が研磨パッド１の中間径位置（ウェハの中心部に相当する位置）では、研磨レートも高く、研磨レートの面内均一性も良好である。

これに対して、研磨パッドに部分的な温度差が生じるスラリー供給位置、すなわち、スラリー供給位置が研磨パッド１の中心部に近い位置、あるいは、研磨パッド１の外周側の位置では、研磨レートが低下するとともに、研磨レートの面内均一性が低下していることが分かる。

そこで、研磨パッドの温度の均一性と研磨レートの面内均一性との相関を得るために、研磨パッドの温度の均一性を次式（２）で算出した。

研磨パッドの温度の均一性
＝{（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／２×Ｔｍｎ}×１００（％） …（２）
ここで、Ｔｍａｘは各スラリー供給位置の、各温度センサ１１による温度測定位置３点の最大値、Ｔｍｉｎは３点の最小値、Ｔｍｎは３点の平均値である。

下記表１に、各スラリー供給位置（パッド中間径側、中心側、外周側）における各温度センサ１１の検出温度の最大値、3つの温度センサ１１の検出温度の最大値と最小値との差（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）、３つの温度センサ１１の平均値（Ｍｅａｎ）、上記（２）式による研磨パッドの温度の均一性を示すとともに、上記（１）式による研磨レートの面内均一性を示す。

また、図６に、研磨レートの面内均一性と研磨パッドの温度均一性との関係を示す。

研磨レートの面内均一性Ｙと研磨パッドの温度均一性Ｘとの関係を、直線近似すると、
Ｙ＝１．５６Ｘ＋９．５４ …（３）
となり、係数１．５６を得ることができる。

したがって、研磨中の研磨パッド１の温度を測定し、研磨パッドの温度の均一性Ｘを算出することにより、上記（３）式より、研磨レートの面内均一性Ｙを算出することができ、研磨レートの均一性をモニタすることができる。

この実施形態では、研磨状況モニタシステム３０では、各温度センサ１１からの検出温度から研磨パッドの温度の均一性Ｘを算出し、更に、この温度の均一性Ｘから研磨レートの面内均一性Ｙを算出し、その算出結果を、制御部６に出力する。

制御部６は、研磨レートの面内均一性Ｙが、所定の閾値以下になるように、研磨条件、例えば、スラリー供給位置、荷重、定盤回転数、スラリー流量などを研磨中に調整する。

他の実施形態として、研磨状況モニタシステム３０では、所定の閾値と、算出される研磨レートの均一性Ｙとを比較し、閾値を超えたときには、警報信号を出力して報知するようにしてもよい。

本発明は、半導体ウェハや精密ガラス基板などの研磨の状況のモニタに有用である。

本発明の最良の実施の形態に係る研磨状況モニタシステムを備える研磨装置の構成図。 図１の研磨装置に含まれる研磨パッドの要部の裏面図。 図１の研磨装置に含まれる回転コネクタの一部破断した側面図。 研磨時間と研磨パッド各部分の温度との関係を示す線図で、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は互いに異なる位置にスラリーを供給した場合の関係を示している。 スラリー供給位置に対する研磨レートおよび研磨レートの面内均一性の変化を示す図である。 研磨レート面内均一性と研磨パッドの温度均一性との相関関係を示す図である。

符号の説明

１ 研磨パッド
２ 下定盤
３ 上定盤
４ 供給ノズル
５ 移動機構（供給位置変更手段）
６ 制御部
１１ 温度センサ
１２ 回転コネクタ
１３ 収容部
３０ 研磨状況モニタシステム
Ｗ ウェハ（被研磨物）

Claims (5)

1. 上定盤の下面に保持された被研磨物と、下定盤上に装着された研磨パッドとを接触加圧した状態で、供給ノズルから前記研磨パッド上にスラリーを供給しながら、前記被研磨物と前記研磨パッドとを相対的に摺動させて行なう研磨の状況をモニタするシステムであり、
   前記研磨パッドの温度を検出する温度センサの出力に基づいて、研磨の均一性をモニタするシステムであって、
   前記温度センサの出力は、前記研磨パッドの中心部に設けられた回転コネクタを介して入力される
   ことを特徴とする研磨状況モニタシステム。
2. 前記温度センサが複数であり、各温度センサが、前記研磨パッドの径方向互いに異なる位置に配置される請求項１に記載の研磨状況モニタシステム。
3. 前記温度センサの出力から得られる前記研磨パッドの温度の均一性と、研磨の均一性との相関関係に基づいて、前記研磨の均一性をモニタする請求項２に記載の研磨状況モニタシステム。
4. 前記研磨パッドの裏面側に収容部が形成され、この収容部に前記温度センサが収容固定される請求項２または３に記載の研磨状況モニタシステム。
5. 前記収容部は、前記研磨パッドの中心部から径方向外径側に延びる溝状に形成され、この溝状の収容部に前記複数の温度センサが互いに間隔をおいて収容固定されている請求項４に記載の研磨状況モニタシステム。

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