JP5878607B2 - 研磨装置 - Google Patents
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Description
メンブレン自体に伸び易さの個体差が存在すると、消耗品であるメンブレンを交換した際に研磨特性が変わってしまい、研磨性能の安定性を損なう要因となる。この不安定性は基板の外周部で顕著に見られ、予め不安定性を見込んだ研磨圧力の設定を行うか、部品の選別を行うことで対処する必要があるが、前者は不安定性を根本的に解決できるわけではなく、後者は消耗品のコストが高くなるという問題が生ずる。また、メンブレンの伸び易さに応じて研磨レシピを再度チューニングする方法も考えられるが、その方法では生産性が著しく低下してしまうことになる。
本発明で用いるメンブレンではメンブレン最外周の側壁には縦方向の伸びやすさに配慮した折り返しが設けられるが、それでもこの縦方向の伸び易さには個体差があり、1個の個体の中でも周方向にばらつきが存在する。この側壁は大気圧と研磨圧力の境界であることから横方向力を受けなければならず、縦方向の伸び易さのみを優先することができなくなる。これは横方向へ伸びてしまうと縦方向への伸び易さが阻害されるからである。
同じ壁でも加圧エリアを分割している隔壁の場合、その両側に圧力室があり、この二つの圧力室の力で隔壁を伸ばすことになるので、相対的に伸び易さの影響を受けにくい。
基板の研磨レートを制御する上で、もっとも難しい領域が基板の外周縁部である。いわゆるエッジエリアと呼ばれるこの領域では、メンブレン側壁の伸び量のばらつきがそのまま研磨レートのばらつきとして反映されてしまうことになる。エッジエリアの研磨レート制御が難しい理由には、リテーナリングによるパッドのリバウンド量制御が難しい、研磨部と非研磨部との境界面であることによる温度やスラリー(研磨剤)の分布の変化が大きい、ということもある。
本発明によれば、測定器により測定されたメンブレンの伸び量を制御部に入力すると、制御部はメンブレンの伸び量に合わせて研磨条件を変更する。メンブレンは長時間使用していると経時的に伸び量が変化していくが、伸び量を都度もしくは定期的に測定することで、測定された伸び量に合わせて研磨条件を補正することができる。したがって、メンブレンの伸び量に合わせた最適な研磨条件で基板を常に研磨することができる。
また、本発明の一態様は、前記メンブレンは側壁および隔壁を有し、前記メンブレンの縦方向の伸び量は、メンブレンの前記側壁および/または前記隔壁に設けられた折り返し部の伸び量であることを特徴とする。
(1)予め測定されたメンブレンの特性に合わせて研磨条件を変更する構成であるため、メンブレンの特性に合わせた最適な研磨条件で基板を研磨することができる。したがって、メンブレンを交換した場合に、メンブレンの個体差があってもその個体差を補正することができ、再現性に優れた研磨レートを得ることができる。
(2)測定器により測定されたメンブレンの伸び量に合わせて研磨条件を変更する構成であるため、メンブレンの長時間使用により経時的に伸び量が変化しても、伸び量を都度もしくは定期的に測定し、測定された伸び量に合わせた最適な研磨条件で基板を研磨することができる。
(3)メンブレンの円周方向に伸び量のばらつきがあっても、メンブレンをトップリングに取り付ける際に伸び量の少ない範囲が研磨面に対して近づくように傾けて取り付けることにより、基板に加わる研磨圧力が円周方向で均一になり、円周方向で均一な研磨プロファイルを確保することが可能である。
(4)メンブレンの円周方向に伸び量のばらつきがあっても、リテーナリングの面圧分布を円周方向で変化させることにより、基板に加わる研磨圧力が円周方向で均一になり、円周方向で均一な研磨プロファイルを確保することが可能である。
研磨テーブル100は、その下方に配置されるテーブル回転モータ103に連結されており、その軸心の周りに回転可能になっている。研磨テーブル100の上面には研磨パッド101が貼付されており、研磨パッド101の表面101aが半導体ウエハWを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル100の上方には研磨液供給ノズル(図示せず)が設置されており、この研磨液供給ノズルによって研磨テーブル100上の研磨パッド101上に研磨液(スラリー)が供給されるようになっている。
トップリングシャフト111およびトップリング1を上下動させる上下動機構124は、軸受126を介してトップリングシャフト111を回転可能に支持するブリッジ128と、ブリッジ128に取り付けられたボールねじ132と、支柱130により支持された支持台129と、支持台129上に設けられたトップリング昇降モータ138とを備えている。トップリング昇降モータ138は、ACサーボモータから構成されている。トップリング昇降モータ138を支持する支持台129は、支柱130を介して揺動アーム110に固定されている。
図2に示すように、トップリング1は、半導体ウエハWを研磨面101aに対して押圧するトップリング本体2と、研磨面101aを直接押圧するリテーナリング3とから基本的に構成されている。トップリング本体2は、上部にあるトップリングフランジ21と、中間部にあるトップリングスペーサ22と、下部にあるキャリア23とからなっている。トップリング本体2は、エンジニアリングプラスティック(例えば、PEEK)などの樹脂やステンレス材などにより形成されている。トップリング本体2の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜(メンブレン)4が取り付けられている。弾性膜(メンブレン)4は、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
トップリング1は基板受渡し装置から半導体ウエハWを受け取り真空吸着により保持する。弾性膜(メンブレン)4には半導体ウエハWを真空吸着するための複数の孔(図示せず)が設けられており、これらの孔は真空源(図示せず)に連通されている。半導体ウエハWを真空吸着により保持したトップリング1は、予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降する。この研磨時設定位置では、リテーナリング3は研磨パッド101の表面(研磨面)101aに接地しているが、研磨前は、トップリング1で半導体ウエハWを吸着保持しているので、半導体ウエハWの下面(被研磨面)と研磨パッド101の表面(研磨面)101aとの間には、わずかな間隙(例えば、約1mm)がある。このとき、研磨テーブル100およびトップリング1は、ともに回転駆動されている。この状態で、圧力室に圧力流体を供給して半導体ウエハの裏面側にある弾性膜(メンブレン)4を膨らませ、半導体ウエハの下面(被研磨面)を研磨パッド101の表面(研磨面)に当接させ、研磨テーブル100とトップリング1とを相対運動させることにより、半導体ウエハの研磨を開始する。そして、各圧力室5,6,7,9に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウエハWを研磨パッド101に押圧する押圧力を半導体ウエハの領域毎に調整し、かつリテーナリング3が研磨パッド101を押圧する押圧力を調整し、半導体ウエハの表面が所定の状態(例えば、所定の膜厚)になるまで研磨する。
図3(a)は、第1圧力室5と第2圧力室6に圧力流体を供給したときのメンブレン4の隔壁4kの挙動を示す模式図である。図3(a)の上の図に示すように、第1圧力室5と第2圧力室6に圧力流体を供給すると、メンブレン4に下方への圧力がかかり、図3(a)の下の図に示すように、隔壁4kの折り返しが上下に伸びてメンブレン4の下面が下方に膨らむ。このとき、隔壁4kの両側面に第1圧力室5と第2圧力室6の圧力が作用するのでバランスがとれ、隔壁4kの「く」の字状の折り返しの形がくずれることなく折り返しの挟角が開くことにより隔壁4kが伸びる。図3(a)においては、第1圧力室5と第2圧力室6の間の隔壁4kの挙動を示したが、第2圧力室6と第3圧力室7の間の隔壁4kの場合も同様である。
図4(a)は、いずれの圧力室にも圧力流体を供給していないときのメンブレン4の状態を示す図である。図4(a)に示すように、圧力室に圧力流体が供給されていない場合には、メンブレン4の下面はキャリア23に近接した状態にある。
図4(b)は、第3圧力室7に圧力流体を供給したときのメンブレン4の状態を示す図である。図4(b)に示すように、メンブレン4の下面をフリーの状態にして第3圧力室7に圧力流体を供給してメンブレン4の最外周のエリアを加圧すると、メンブレン4の最外周のエリアAeは均一には伸びていないことが分かる。
図4(c)は、第1圧力室5、第2圧力室6および第3圧力室7に圧力流体を供給したときのメンブレン4の状態を示す図である。図4(c)に示すように、メンブレン4の下面に半導体ウエハWを保持し、第1圧力室5、第2圧力室6および第3圧力室7に圧力流体を供給すると、メンブレン4は膨らみ、半導体ウエハWの下面を研磨パッド101に押圧する。この場合、メンブレン4の最外周のエリアAeの伸びは、他のエリアの伸びに比べてわずかに小さい。メンブレン4の最外周のエリアAeの伸び具合は、ウエハの加圧分布に影響を与える。図4(c)においては、メンブレン4の最外周のエリアAeとウエハとの間に隙間が生じているように図示されているが、実際には隙間が生じなくても、加圧力の損失は生じる。
以下に、メンブレンの膨らみを直接測定する方法について説明するが、伸び易さに関係する要素であれば、それを下記方法に置き換えることができる。
メンブレンの伸び易さには個体差がある。そこで、製造されたメンブレンを出荷する前、もしくはユーザーが装置に取り付ける前などに、ある一定の加圧条件下における膨らみを測定する。この時、メンブレンの表面には何の障害物も無い状態で加圧するのがよく、圧力を加える為にメンブレンをセットする治具、常に等しい圧力を加える為の制御機器、正確に測定するためのセンサ類(接触式または非接触式)、等配で測定する為の回転治具、などの各種機器類を用意する。
膨らんでいない状態、もしくは取付治具の位置を原点として、メンブレン内部に圧力を加えて膨らませた時の変化量を測定する。図5では、トップリングと同様の構造を有する取付治具51にメンブレン4を取り付け、最外周の圧力室7に圧力流体を供給することによりメンブレン4を膨らませ、原点からのメンブレンの伸び量(ΔL)を接触式測距離センサ52で測定する。測定箇所は一箇所でも良いが、測定のばらつきや特異点の影響を排除するために、等配で複数、もしくは全周をスキャンする形で平均値を出しても良い。研磨レートのばらつきは基板の外周縁部に発生することが多いので、伸びの測定もメンブレン外周縁部を集中的に測定するのが良いが、それは管理したいばらつきがどこに存在するのかで決めることになる。但し、メンブレンの構造によっては、ばらつきの発生する部分以外を測定した方が伸び易さの傾向をより確実に把握できる場合も考えられる。
例えば、メンブレンの最外周の範囲(エリア)で測定したメンブレンの伸び量をX1、半径方向やや内方の範囲(エリア)で測定したメンブレンの伸び量をX2、より内方の範囲(エリア)で測定したメンブレンの伸び量をX3とする。それぞれの測定結果X1、X2、X3に対する重み付け係数をa、b、cとする。ここでは、最外周部の測定結果に対する重み付け係数aが最も大きな数値に設定されている。重み付けした結果のメンブレンの平均伸び量は、(aX1+bX2+cX3)/(a+b+c)で求められる。
被測定部はメンブレン表面がもっとも研磨レートとの相関を取りやすいが、側壁自体の伸び、もしくは側壁の横方向伸びを測ってもよい。
図7(a)〜(c)は、メンブレンの伸び測定結果と研磨レートとの関係を示すグラフ、研磨圧力と研磨レートとの関係を示すグラフ、およびメンブレンの伸び測定結果と補正後の研磨圧力の関係を示すグラフである。
ここでは、簡略化して説明するが、例えば100hPaの圧力で加圧した際のメンブレンの膨らみを測定したら、伸びが4.5mm、5.5mm、5.0mmという測定結果が出たとする。この伸びが最小の個体である4.5mm品、中間の5mm品、最大の5.5mm品、さらにその間を埋める個体について、それぞれ面圧200hPaで研磨テストを実施して、研磨レートを測定する。図7(a)に示すように、4.5mm品のエッジエリア(例えば最外周2〜3mm)の研磨レートの平均が450nm/min、5mm品が500nm/min、5.5mm品が550nm/minという結果が出て、その間にも比例関係が成り立っているとする。更に、このエッジエリアの研磨レートを±50nm/minさせるのに必要な圧力変化が200±20hPaだったとする。この場合、基本的に圧力が高い方が研磨レートは大きい。すなわち、図7(b)に示すように、圧力が180hPaのとき、研磨レートは450nm/min、200hPaのとき500nm/min、220hPaのとき550nm/minということができる。
(1)補正後の研磨圧力(hPa)=−40(hPa/mm)×伸び測定結果値(mm)+400(hPa)
となる(図7(c)参照)。
また、上記研磨テストの結果を図7(a)に示すように、研磨圧力200hPa時の伸びと研磨レートの関係式は、
(2)研磨レート(nm/min)=100(nm/(min×mm))×伸び測定結果値(mm)
さらに、図7(b)に示すように、伸び測定結果5mmのメンブレンを使用した際の研磨圧力と研磨レートの関係式は、
(3)研磨レート(nm/min)=2.5(nm/(min×hPa))×(研磨圧力(hPa)
となり、(1)の式は(2)と(3)の関係から導かれるものである。
尚、これらの式が適用できるのは上記式で近似される範囲のみとなる。
そこで、装置には伸び易さの測定結果をmm単位、もしくは数値化された値(伸び易さを表すパラメータで、硬度(度数)と伸び量(mm)などから導かれる)を入力することによって、装置が研磨レシピを自動的に補正するようなソフトを導入する。この場合、上記式は中心圧力が200hPaの場合であるが、伸び易さの影響度合いは研磨圧力が低い程高く、研磨圧力が高くなればその影響は相対的に低くなる。
研磨圧力=レシピ設定圧+
(レシピ設定圧/5)(1.6−レシピ設定圧×0.003)(5−伸び測定結果値)
で表現される。
すなわち、上記の例では補正要素として、メンブレンの伸び5mmを基準とした場合の伸び1mm当たりのレシピ設定圧の値(レシピ設定圧/5)、影響度合い(1.6−レシピ設定圧×0.003)および測定したメンブレンの伸びが基準の5mmよりどれだけ伸びているか短いか(5−伸び測定結果値)を加味している。ここで、影響度合いは、面圧100hPaから300hPaの間の影響度合いからレシピ設定圧に相当する影響度合い(レシピ設定圧×0.003)を引いている。
この例ではメンブレンに合わせた研磨圧力を求めることを前提としたが、他の伸び易さを補えるような要素、例えばメンブレンの位置(トップリングの高さ)を上げ下げすれば、より直接的に補正が可能となる。もちろん単純に考えれば伸びない量をそのまま補えば良い場合もあると考えられるが、研磨対象物の有無(膨らみの自由度)もあるので、やはり何らかの換算式が必要になる。
更にメンブレンの個体差も長期使用によって変化していくので、処理枚数や総研磨時間に合わせて上記影響度合いを変化させていくなどとしてもよい。
図8において左側の図は、メンブレンの伸び易さの補正なしの場合の圧力コントローラの制御方法を示す図である。同図に示すように、研磨レシピを入力すると、装置コントローラ(制御部)は、レシピ通りに指令値を算出し、算出された指令値をDAコンバータに出力して圧力コントローラを制御し、トップリング1の各圧力室の圧力を制御する。
図8において右側の図は、メンブレンの伸び易さの補正有りの場合の圧力コントローラの制御方法を示す図である。同図に示すように、研磨レシピを入力すると、装置コントローラ(制御部)は、入力されたメンブレンの伸び易さを考慮した指令値を算出し、算出された指令値をDAコンバータに出力して圧力コントローラを制御し、トップリング1の各圧力室の圧力を制御する。したがって、メンブレンの伸び易さを考慮して最適な研磨圧力で研磨することができる。
図9において右側の図は、メンブレンの伸び易さの補正有りの場合の操作手順を示す図である。同図に示すように、メンブレン製造時に伸び量、材料特性を測定する。そして、測定結果から伸び易さを指数化する。装置にメンブレンを装着する際に、メンブレン固有の伸び易さの指数を装置に入力する。装置はその数値に基づいて、レシピを補正して研磨する。したがって、メンブレンを替えても、研磨プロファイルは変化しない。
図10に示すように、メンブレンの伸び量を測定する測距離センサ55は、研磨テーブル100に隣接して研磨テーブル100の側方に設置されている。測距離センサ55は接触式又は非接触式センサからなっている。また、トップリング1が揺動する範囲であってトップリング1の下方には、洗浄ノズル56が設置されている。洗浄ノズル56は、純水、圧縮空気、N2を噴射することができるようになっている。洗浄ノズル56から噴射される純水、圧縮空気、N2は、必要に応じて使い分けることができるようになっている。例えば、研磨後にメンブレン4の伸び量を測定したい場合には、洗浄ノズル56から純水を噴射してメンブレン4を洗浄してメンブレン4からスラリーを除去し、洗浄後に圧縮空気又はN2をメンブレン4に吹きつけてメンブレン4から水分を除去し、その後、測距離センサ55によりメンブレン4の伸び量を測定する。なお、図10には、研磨液(スラリー)を研磨パッド101上に供給する研磨液供給ノズル102が図示されている。
メンブレンの個体差は長期使用によって変化していくので、同様に処理枚数や総研磨時間に合わせて上記影響度合いを変化させていくなどとしてもよいが、都度もしくは周期的に測定をすることで確実に補正をすることも可能である。
また、メンブレンと基板との距離を一定に保つことが研磨の安定性確保には望ましい。これはリテーナリングがトップリング本体から上下に独立して動作できる機構とトップリング本体が研磨面に対して距離を一定にできる機構が備わっていれば可能である。よって、望ましい形態としては、この様な構成でメンブレンの必要な伸び量と伸び易さを一定にするか、本発明のように把握された伸び易さからレシピを補正する。
図13(a),(b),(c)は、リテーナリング圧力室を3分割または6分割した例を示す図である。図13(a)は、3個のリテーナリングエアバックを設けることにより3個のリテーナリング圧力室9a,9b,9cを形成している。図13(b)は、6個のリテーナリングエアバックを設けることにより6個のリテーナリング圧力室9a,9b,9c,9d,9e,9fを形成している。なお、リテーナリング3も圧力室に対応して3分割又は6分割されていることは勿論である。
図13(c)は、分割されたリテーナリング圧力室およびリテーナリングを備えたトップリング1を示す断面図の例である。図13(c)に示すように、各リテーナリング圧力室を構成するリテーナリングエアバックは、図2と同様に弾性膜(メンブレン)8によって形成されている。
また、各リテーナリング圧力室9a〜9c(図13(a)),9a〜9f(図13(b))は、個別の流路15a〜15c(図13(a)),15a〜15f(図13(b))を介して加圧ライン(図示せず)に接続されている。
2 トップリング本体
3 リテーナリング
4 弾性膜(メンブレン)
4k 隔壁
4s 側壁
5 第1圧力室
6 第2圧力室
7 第3圧力室
8 弾性膜(メンブレン)
9 リテーナリング圧力室
11,12,13,15 流路
21 トップリングフランジ
22 トップリングスペーサ
22g,23g スペーサ溝
23 キャリア
24 シリンダ
25 リテーナリングガイド
50 制御部
51 取付治具
52 接触式測距離センサ
53 非接触式測距離センサ
55 測距離センサ
56 洗浄ノズル
60 スペーサ
100 研磨テーブル
101 研磨パッド
101a 研磨面
102 研磨液供給ノズル
103 テーブル回転モータ
110 揺動アーム
111 トップリングシャフト
112 回転筒
113 タイミングプーリ
114 トップリング回転モータ
115 タイミングベルト
116 タイミングプーリ
117 トップリング揺動シャフト
118 トップリング揺動モータ
124 上下動機構
125 ロータリージョイント
126 軸受
128 ブリッジ
129 支持台
130 支柱
132 ボールねじ
132a ねじ軸
132b ナット
138 トップリング昇降モータ
Claims (4)
- 研磨面を有した研磨テーブルと、
圧力流体が供給される圧力室を形成する弾性膜であるメンブレンと、該メンブレンを保持するトップリング本体とを有し、基板を保持しつつ圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を研磨面に押圧するトップリングと、
前記トップリングが基板を保持していない状態で前記メンブレンの縦方向の伸び量を測定する測定器と、
研磨装置内の各機器を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記測定器により測定されたメンブレンの縦方向の伸び量に合わせて研磨条件を変更し、
研磨装置は、変更された研磨条件で基板を研磨することを特徴とする研磨装置。 - 前記メンブレンは側壁および隔壁を有し、前記メンブレンの縦方向の伸び量は、メンブレンの前記側壁および/または前記隔壁の伸び量であることを特徴とする請求項1に記載の研磨装置。
- 前記メンブレンは側壁および隔壁を有し、前記メンブレンの縦方向の伸び量は、メンブレンの前記側壁および/または前記隔壁に設けられた折り返し部の伸び量であることを特徴とする請求項1に記載の研磨装置。
- 前記研磨条件を変更するとは、前記測定器により測定されたメンブレンの縦方向の伸び量と研磨レートとの関係をもとに研磨レシピを補正することである請求項1乃至3のいずれか1項に記載の研磨装置。
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