JP6113326B2 - ドレッシングプロセスの監視方法および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハを研磨する研磨パッドのドレッシングプロセスを監視する方法および研磨装置に関する。

ＣＭＰ装置に代表される研磨装置は、研磨テーブルに貼り付けられた研磨パッド上に研磨液を供給しながら、研磨パッドと基板の表面とを相対移動させることにより、基板の表面を研磨する。研磨パッドの研磨性能を維持するためには、ドレッサーにより研磨パッドの研磨面を定期的にドレッシング（コンディショニングともいう）することが必要とされる。

ドレッサーは、ダイヤモンド粒子が全面に固定されたドレッシング面を有している。ドレッサーは着脱可能なドレスディスクを有しており、このドレスディスクの下面がドレッシング面となっている。ドレッサーは、その軸心を中心に回転しながら、研磨パッドの研磨面を押圧し、この状態で研磨面上を移動する。回転するドレッサーは研磨パッドの研磨面を僅かに削り取り、これにより研磨パッドの研磨面が再生される。

ドレッサーにより単位時間当たりに削り取られる研磨パッドの量（厚さ）は、カットレートと呼ばれる。このカットレートは、研磨パッドの研磨面の全体において均一であることが望ましい。理想的な研磨面を得るためには、パッドドレッシングのレシピチューニングを行うことが必要とされる。このレシピチューニングでは、ドレッサーの回転速度および移動速度、ドレッサーの研磨パッドに対する荷重（以下、ドレッシング荷重という）などが調整される。

ドレッサーによりドレッシングされた研磨パッドの表面状態を評価するためには、研磨パッドを研磨テーブルから剥がしてその厚さを測定する必要がある。さらに、ウェハを実際に研磨しなければ研磨パッドの表面状態は分からない。このため、パッドドレッシングのレシピチューニングには多くの枚数の研磨パッドと時間が費やされている。

カットレートやドレッシング荷重などを測定することにより、ドレッシングプロセスを評価する方法もいくつか提案されている。しかしながら、これらの方法は、ドレッシングの結果およびドレッシング荷重から実際のドレッシングプロセスを推定するというものであり、ドレッシングプロセス自体を監視することはできなかった。

特開２００６−２５５８５１号公報 特開２００８−２０７３２０号公報 特開２００９−１４８８７７号公報

そこで、本発明は、研磨パッドへのドレッサーの仕事を数値化し、パッドドレッシング（パッドコンディショニング）を研磨パッドのドレッシング中に監視することができる方法および研磨装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させながら、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付けて前記研磨パッドをドレッシングし、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離から前記ドレッサーの仕事率を算出し、前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨パッドのドレッシングの監視方法である。

本発明の他の態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させながら、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付けて前記研磨パッドをドレッシングし、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の所定の時間幅での移動平均から前記ドレッサーの仕事率を算出し、前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨パッドのドレッシングの監視方法である。

本発明の好ましい態様は、前記仕事量は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離との積から算出し、前記仕事率は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離との積から算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ドレッサーの残存寿命をＴｅｎｄ、前記ドレッサーの許容総仕事量をＷ０、前記ドレッサーの仕事量の累積値をＷ１、前記仕事率をＰとすると、前記ドレッサーの残存寿命は、Ｔｅｎｄ＝（Ｗ０−Ｗ１）／Ｐで表されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記移動距離は、前記研磨テーブルの中心からの前記ドレッサーの距離と前記研磨テーブルの回転速度から算出されることを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、前記研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、前記ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させる旋回モータと、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付ける押圧機構と、前記研磨パッドのドレッシングを監視するパッド監視装置とを備え、前記パッド監視装置は、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離から前記ドレッサーの仕事率を算出し、前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨装置である。

本発明のさらに他の態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、前記研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、前記ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させる旋回モータと、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付ける押圧機構と、前記研磨パッドのドレッシングを監視するパッド監視装置とを備え、前記パッド監視装置は、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の所定の時間幅での移動平均から前記ドレッサーの仕事率を算出し、前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨装置である。

本発明の好ましい態様は、前記仕事量は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離との積から算出し、前記仕事率は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離との積から算出することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ドレッサーの残存寿命をＴｅｎｄ、前記ドレッサーの許容総仕事量をＷ０、前記ドレッサーの仕事量の累積値をＷ１、前記仕事率をＰとすると、前記ドレッサーの残存寿命は、Ｔｅｎｄ＝（Ｗ０−Ｗ１）／Ｐで表されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記移動距離は、前記研磨テーブルの中心からの前記ドレッサーの距離と前記研磨テーブルの回転速度から算出されることを特徴とする。

本発明の一参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させながら、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付けて前記研磨パッドをドレッシングし、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーと前記研磨パッドとの間に働く摩擦力と前記押し付け力との比を示す仕事係数を算出し、前記仕事係数に基づいて、前記ドレッサーの残存寿命を決定し、前記ドレッサーの残存寿命をＴｅｎｄ、初期仕事係数をＺ０、使用限界仕事係数をＺｅｎｄ、単位時間当たりの仕事係数の変化量をｄＺ／ｄｔとすると、前記ドレッサーの残存寿命は、Ｔｅｎｄ＝（Ｚ０−Ｚｅｎｄ）／（ｄＺ／ｄｔ）で表されることを特徴とする研磨パッドのドレッシングの監視方法である。

上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数は、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータのトルクと、前記ドレッサーの前記研磨パッドに対する押し付け力と、前記研磨テーブルの回転中心から前記ドレッサーまでの距離とから算出することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数をＺ、ドレッシング中の前記テーブルモータのトルクをＴｔ、前記ドレッサーが前記研磨パッドに接触する前の前記テーブルモータの初期トルクをＴｔ０、前記押し付け力をＤＦ、前記ドレッサーと前記研磨テーブルの中心との距離をＳｔとすると、前記仕事係数は、Ｚ＝（Ｔｔ−Ｔｔ０）／（ＤＦ＊Ｓｔ）で表されることを特徴とする。

上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数は、ある時間幅での仕事係数の移動平均であり、前記単位時間当たりの仕事係数の変化量は、前記仕事係数の移動平均から算出されることを特徴とする。
本発明の他の参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させながら、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付けて前記研磨パッドをドレッシングし、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーと前記研磨パッドとの間に働く摩擦力と前記押し付け力との比を示す仕事係数を算出し、単位時間当たりの前記仕事係数の変化量と所定のしきい値との比較により、前記研磨パッドのドレッシングの異常を検知することを特徴とする研磨パッドのドレッシングの監視方法である。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数の変化量が前記所定のしきい値を超えたときの前記ドレッサーの位置を、前記研磨パッド上に定義された二次元平面上に表示することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数は、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータのトルクと、前記ドレッサーの前記研磨パッドに対する押し付け力と、前記研磨テーブルの回転中心から前記ドレッサーまでの距離とから算出することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数をＺ、ドレッシング中の前記テーブルモータのトルクをＴｔ、前記ドレッサーが前記研磨パッドに接触する前の前記テーブルモータの初期トルクをＴｔ０、前記押し付け力をＤＦ、前記ドレッサーと前記研磨テーブルの中心との距離をＳｔとすると、前記仕事係数は、Ｚ＝（Ｔｔ−Ｔｔ_０）／（ＤＦ＊Ｓｔ）で表されることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数と所定のしきい値との比較により、前記研磨パッドのドレッシングの異常を検知することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数が所定のしきい値を超えたときの前記ドレッサーの位置を、前記研磨パッド上に定義された二次元平面上に表示することを特徴とする。

本発明の他の参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、前記ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させる旋回モータと、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付ける押圧機構と、前記研磨パッドのドレッシングを監視するパッド監視装置とを備え、前記パッド監視装置は、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーと前記研磨パッドとの間に働く摩擦力と前記押し付け力との比を示す仕事係数を算出し、前記仕事係数に基づいて、前記ドレッサーの残存寿命を決定し、前記ドレッサーの残存寿命をＴｅｎｄ、初期仕事係数をＺ０、使用限界仕事係数をＺｅｎｄ、単位時間当たりの仕事係数の変化量をｄＺ／ｄｔとすると、前記ドレッサーの残存寿命は、Ｔｅｎｄ＝（Ｚ０−Ｚｅｎｄ）／（ｄＺ／ｄｔ）で表されることを特徴とする研磨装置である。

上記参考例の好ましい態様は、前記パッド監視装置は、前記テーブルモータのトルクと、前記ドレッサーの前記研磨パッドに対する押し付け力と、前記研磨テーブルの回転中心から前記ドレッサーまでの距離とから前記仕事係数を算出することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数をＺ、ドレッシング中の前記テーブルモータのトルクをＴｔ、前記ドレッサーが前記研磨パッドに接触する前の前記テーブルモータの初期トルクをＴｔ０、前記押し付け力をＤＦ、前記ドレッサーと前記研磨テーブルの中心との距離をＳｔとすると、前記仕事係数は、Ｚ＝（Ｔｔ−Ｔｔ０）／（ＤＦ＊Ｓｔ）で表されることを特徴とする。

上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数は、ある時間幅での仕事係数の移動平均であり、前記単位時間当たりの仕事係数の変化量は、前記仕事係数の移動平均から算出されることを特徴とする。
本発明のさらに他の参考例は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、前記ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させる旋回モータと、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付ける押圧機構と、前記研磨パッドのドレッシングを監視するパッド監視装置とを備え、前記パッド監視装置は、前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーと前記研磨パッドとの間に働く摩擦力と前記押し付け力との比を示す仕事係数を算出し、単位時間当たりの前記仕事係数の変化量と所定のしきい値との比較により、前記研磨パッドのドレッシングの異常を検知することを特徴とする研磨装置である。
上記参考例の好ましい態様は、前記パッド監視装置は、前記仕事係数の変化量が前記所定のしきい値を超えたときの前記ドレッサーの位置を、前記研磨パッド上に定義された二次元平面上に表示することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記パッド監視装置は、前記テーブルモータのトルクと、前記ドレッサーの前記研磨パッドに対する押し付け力と、前記研磨テーブルの回転中心から前記ドレッサーまでの距離とから前記仕事係数を算出することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記仕事係数をＺ、ドレッシング中の前記テーブルモータのトルクをＴｔ、前記ドレッサーが前記研磨パッドに接触する前の前記テーブルモータの初期トルクをＴｔ０、前記押し付け力をＤＦ、前記ドレッサーと前記研磨テーブルの中心との距離をＳｔとすると、前記仕事係数は、Ｚ＝（Ｔｔ−Ｔｔ０）／（ＤＦ＊Ｓｔ）で表されることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記パッド監視装置は、前記仕事係数と所定のしきい値との比較により、前記研磨パッドのドレッシングの異常を検知することを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記パッド監視装置は、前記仕事係数が所定のしきい値を超えたときの前記ドレッサーの位置を、前記研磨パッド上に定義された二次元平面上に表示することを特徴とする。

研磨パッドへのドレッサーの仕事がドレッシング中に仕事係数として数値化される。したがって、仕事係数から研磨パッドのドレッシングプロセスを監視し、評価することができる。

ウェハなどの基板を研磨する研磨装置を示す模式図である。 研磨パッドとドレッサーを模式的に示す平面図である。 研磨パッドをドレッシングしているときのドレッサーに作用する力を説明するためのドレッサーを示す模式図である。 研磨パッドが速度Ｖで移動しているときに、ドレッサーから研磨パッドに作用する下向きの力の分布を示す模式図である。 ドレッシング面上に分布する不均一な力が研磨パッド上の一点に集中すると仮定したときに、ドレッサーに作用する力のモーメントを説明するための図である。 研磨パッドのドレッシング中に取得された各種データを示す図である。 研磨パッドとドレッサーを模式的に示す平面図である。 仕事係数分布を示す図である。 Ｘ−Ｙ回転座標系上に定義された複数の領域を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２２を支持する研磨テーブル１２と、研磨パッド２２上に研磨液を供給する研磨液供給ノズル５と、ウェハＷを研磨するための研磨ユニット１と、ウェハＷの研磨に使用される研磨パッド２２をドレッシング（コンディショニング）するドレッシングユニット２とを備えている。研磨ユニット１およびドレッシングユニット２は、ベース３上に設置されている。

研磨ユニット１は、トップリングシャフト１８の下端に連結されたトップリング２０を備えている。トップリング２０は、その下面にウェハＷを真空吸着により保持するように構成されている。トップリングシャフト１８は、図示しないモータの駆動により回転し、このトップリングシャフト１８の回転により、トップリング２０およびウェハＷが回転する。トップリングシャフト１８は、図示しない上下動機構（例えば、サーボモータおよびボールねじなどから構成される）により研磨パッド２２に対して上下動するようになっている。

研磨テーブル１２は、その下方に配置されるテーブルモータ１３に連結されている。研磨テーブル１２は、その軸心まわりにテーブルモータ１３によって回転される。研磨テーブル１２の上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の上面がウェハＷを研磨する研磨面２２ａを構成している。

研磨装置は、テーブルモータ１３に電流を供給するモータドライバ１５と、テーブルモータ１３に供給される電流を測定するモータ電流測定器１４と、ドレッサーによる研磨パッド２２のドレッシングを監視するパッド監視装置６０とをさらに備えている。モータ電流測定器１４はパッド監視装置６０に接続されており、電流の測定値はパッド監視装置６０に送られるようになっている。

テーブルモータ１３は、研磨テーブル１２を予め設定された一定の速度で回転させるように制御される。したがって、ドレッサー５０と研磨パッド２２との間に作用する摩擦力が変化すると、テーブルモータ１３に流れる電流、すなわちトルク電流が変化する。より具体的には、摩擦力が大きくなると、研磨テーブル１２により大きなトルクを与えるためにトルク電流が増え、摩擦力が小さくなると、研磨テーブル１２に与えるトルクを小さくするためにトルク電流が下がる。しがって、テーブルモータ１３に供給される電流の値から、ドレッサー５０と研磨パッド２２との間に発生している摩擦力を推定することができる。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨パッド２２上に研磨液を供給する。この状態で、ウェハＷを保持したトップリング２０を下降させ、ウェハＷを研磨パッド２２の研磨面２２ａに押し付ける。ウェハＷと研磨パッド２２とは研磨液の存在下で互いに摺接され、これによりウェハＷの表面が研磨され、平坦化される。

ドレッシングユニット２は、研磨パッド２２の研磨面２２ａに接触するドレッサー５０と、ドレッサー５０に連結されたドレッサーシャフト５１と、ドレッサーシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサーシャフト５１を回転自在に支持するドレッサーアーム５５とを備えている。ドレッサー５０の下部はドレスディスク５０ａにより構成され、このドレスディスク５０ａの下面にはダイヤモンド粒子が固定されている。

ドレッサーシャフト５１およびドレッサー５０は、ドレッサーアーム５５に対して上下動可能となっている。エアシリンダ５３は、研磨パッド２２へのドレッシング荷重をドレッサー５０に付与する押圧機構である。ドレッシング荷重は、エアシリンダ５３に供給される気体の圧力により調整することができる。エアシリンダ５３に供給される気体の圧力は、圧力センサ１６によって測定される。ドレッサーシャフト５１には、ドレッシング荷重を測定するロードセル（荷重測定器）１７が組み込まれている。ドレッシング荷重はロードセル１７によって測定することも可能であるが、圧力センサ１６によって測定される気体圧とエアシリンダ５３の受圧面積とから計算により求めることも可能である。

ドレッサーアーム５５は旋回モータ５６に駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサーシャフト５１は、ドレッサーアーム５５内に設置された図示しないモータにより回転し、このドレッサーシャフト５１の回転により、ドレッサー５０がその軸心まわりに回転する。エアシリンダ５３は、ドレッサーシャフト５１を介してドレッサー５０を所定の荷重で研磨パッド２２の研磨面２２ａに押圧する。

研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。研磨テーブル１２および研磨パッド２２をテーブルモータ１３により回転させ、図示しないドレッシング液供給ノズルからドレッシング液（例えば、純水）を研磨パッド２２の研磨面２２ａに供給する。さらに、ドレッサー５０をその軸心まわりに回転させる。ドレッサー５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、ドレスディスク５０ａの下面を研磨面２２ａに摺接させる。この状態で、ドレッサーアーム５５を旋回させ、研磨パッド２２上のドレッサー５０を研磨パッド２２の略半径方向に揺動させる。研磨パッド２２は、回転するドレッサー５０により削り取られ、これにより研磨面２２ａのドレッシングが行われる。

研磨装置は、研磨テーブル１２および研磨パッド２２の回転角度を測定するテーブルロータリエンコーダ３１と、ドレッサー５０の旋回角度を測定するドレッサーロータリエンコーダ３２とを備えている。これらテーブルロータリエンコーダ３１およびドレッサーロータリエンコーダ３２は、角度の絶対値を測定するアブソリュートエンコーダである。

図２は、研磨パッド２２とドレッサー５０を模式的に示す平面図である。研磨テーブル１２およびその上の研磨パッド２２は原点Ｏを中心として回転する。ドレッサーアーム５５は所定の点Ｃを中心として所定の角度だけ回転し（すなわち、旋回し）、ドレッサー５０は研磨パッド２２の半径方向に揺動する。この点Ｃの位置は図１に示す支軸５８の中心位置に相当する。点Ｃを中心とするドレッサーアーム５５の旋回角度θはドレッサーロータリエンコーダ３２により計測される。

ドレッサー５０と旋回中心点Ｃとの距離Ｌは、研磨装置の設計から定まる既知の値である。ドレッサー５０の中心の位置は、点Ｃの位置と、距離Ｌと、角度θとから決定することができる。テーブルロータリエンコーダ３１およびドレッサーロータリエンコーダ３２はパッド監視装置６０に接続されており、研磨テーブル１２の回転角度αの測定値およびドレッサー５０（ドレッサーアーム５５）の旋回角度θの測定値はパッド監視装置６０に送られるようになっている。パッド監視装置６０には、上述したドレッサー５０と点Ｃとの距離Ｌおよび研磨テーブル１２に対する支軸５８の相対位置が予め記憶されている。符号Ｓｔは、ドレッサー５０の研磨テーブル１２の中心からの距離であり、ドレッサー５０の揺動にしたがって変わる。

図３は、研磨パッド２２をドレッシングしているときのドレッサー５０に作用する力を説明するためのドレッサー５０を示す模式図である。図３に示すように、ドレッサー５０は、自在軸受５２により傾動自在にドレッサーシャフト５１に連結されている。この自在軸受５２としては、球面軸受、板ばねなどが使用される。研磨パッド２２のドレッシング中、ドレッサーシャフト５１はドレッサー５０に下向きの力ＤＦを与える。回転する研磨テーブル１２上の研磨パッド２２の表面は、ドレッサー５０に対して速度Ｖで移動する。この研磨パッド２２の移動によりドレッサー５０には水平方向の力Ｆｘが作用する。この力Ｆｘは、ドレッサー５０が研磨パッド２２の表面を削り取るときにドレッサー５０の下面（以下、ドレッシング面という）と研磨パッド２２の表面２２ａとの間に生じる摩擦力に相当する。

図４は、研磨パッド２２が速度Ｖで移動しているときに、ドレッサー５０から研磨パッド２２に作用する下向きの力の分布を示す模式図である。研磨パッド２２はドレッサー５０に対して相対的に速度Ｖで移動しているために、下向きの力ＤＦは研磨パッド２２の表面に対して不均一に作用する。結果として、ドレッサー５０には、自在軸受５２まわりにドレッサー５０を反時計方向に回転させる反力が作用する。ドレッシング面上に分布する不均一な力が、図５に示すように研磨パッド２２上の一点に集中すると仮定すると、自在軸受５２まわりの反時計方向の力のモーメントＭ^＋は次の式で表される。
Ｍ^＋＝Ｑ＊Ｒ＊ＤＦ （１）
ここで、Ｒはドレッシング面の半径であり、Ｑはドレッシング面上に分布する不均一な力が研磨パッド２２上の一点に集中すると仮定したときの力の作用点とドレッシング面の中心との距離を半径Ｒを用いて表すための変換係数である。変換係数Ｑは、１よりも小さい数値である。

自在軸受５２まわりの時計方向の力のモーメントＭ⁻は次の式で表される。
Ｍ⁻＝Ｆｘ＊ｈ （２）
ここで、ｈはドレッサー５０のドレッシング面と自在軸受５２との距離である。
水平方向の力Ｆｘは、ドレッサー５０と研磨パッド２２との摩擦力に相当する。したがって、水平方向の力Ｆｘと下向きの力ＤＦとの間には、基本的に相関関係がある。水平方向の力Ｆｘと下向きの力ＤＦとの関係は、係数Ｚを用いて次の式で表される。
Ｆｘ＝Ｚ＊ＤＦ （３）
以下、本明細書では、係数Ｚを仕事係数と称する。

自在軸受５２まわりの力のモーメントＭは、
Ｍ＝Ｍ^＋−Ｍ⁻
＝Ｑ＊Ｒ＊ＤＦ−ｈ＊Ｚ＊ＤＦ
＝（Ｑ＊Ｒ−ｈ＊Ｚ）＊ＤＦ （４）
となる。

時計方向の力のモーメントＭ⁻が反時計方向の力のモーメントＭ^＋よりも大きいと、ドレッサー５０は研磨パッド２２に引っ掛かり（つまずき）、ドレッサー５０の姿勢が不安定となる。したがって、自在軸受５２まわりのドレッサー５０の傾き運動の安定条件は、上記式（４）の括弧内の値が正の値であることである。具体的には、安定条件は次の通りである。
Ｑ＊Ｒ−ｈ＊Ｚ＞０ （５）
Ｑは予め決定された変換係数である。Ｒおよびｈはドレッサー５０の寸法から一意に決定される固定値である。したがって、仕事係数Ｚを研磨中に取得することにより、ドレッシングプロセスの安定性を監視することができる。

次に、仕事係数Ｚを取得する方法について説明する。水平方向の力Ｆｘは、研磨テーブル１２を回転させるテーブルモータ１３のトルクと、ドレッサー５０の研磨テーブル１２の中心からの距離Ｓｔ（図２参照）から、次のように算出することができる。
Ｆｘ＝（Ｔｔ−Ｔｔ_０）／Ｓｔ （６）
ここで、Ｔｔはドレッシング中のテーブルモータ１３のトルクであり、Ｔｔ_０はドレッサー５０を研磨パッド２２に接触させる前のテーブルモータ１３の初期トルクである。

テーブルモータ１３のトルクは、テーブルモータ１３に供給される電流に比例する。したがって、トルクＴｔ，Ｔｔ_０は、電流とトルク定数［Ｎｍ／Ａ］とを掛けることにより求めることができる。トルク定数はテーブルモータ１３に固有の定数であり、そのテーブルモータ１３の仕様データから取得することができる。モータドライバ１５からテーブルモータ１３に供給される電流は、モータ電流測定器１４により計測することができる。

ドレッシング中のドレッサー５０は、研磨テーブル１２の半径方向に揺動する。したがって、ドレッサー５０と研磨テーブル１２の中心との距離Ｓｔは、ドレッシング時間とともに周期的に変動する。距離Ｓｔは、ドレッサー５０の旋回中心点Ｃと研磨テーブル１２の中心Ｏとの相対位置、ドレッサー５０と点Ｃとの距離Ｌ、ドレッサーアーム５５の旋回角度θなどから計算することができる。

仕事係数Ｚは、上記式（３）および式（６）から次のように与えられる。
Ｚ＝Ｆｘ／ＤＦ
＝（Ｔｔ−Ｔｔ_０）／（ＤＦ＊Ｓｔ） （７）
上記式（７）から分かるように、仕事係数Ｚは、ドレッサー５０から研磨パッド２２に作用する、研磨パッド２２の表面２２ａと平行な力Ｆｘと、ドレッサー５０から研磨パッド２２に作用する、研磨パッド２２の表面２２ａに対して垂直に作用する力ＤＦとの比である。

パッド監視装置６０は、ドレッシング中のテーブルモータ１３のトルクＴｔと、テーブルモータ１３の初期トルクＴｔ_０と、ドレッサー５０に作用する下向きの力ＤＦと、ドレッサー５０と研磨テーブル１２の中心との距離Ｓｔとから、仕事係数Ｚを上記式（７）を用いて算出する。下向きの力ＤＦは、ドレッサーシャフト５１に組み込まれたロードセル１７により測定することができる。これに代えて、エアシリンダ５３内の気体の圧力値にエアシリンダ５３のピストンの受圧面積を掛けることにより下向きの力ＤＦを算出してもよい。

ドレッシング面の半径Ｒをｋ＊ｈ（ｋは例えば２〜１０）、変換係数Ｑを０．５と仮定すると、式（５）から、仕事係数Ｚが０．５ｋよりも大きいときにドレッサー５０が不安定になることが分かる。パッド監視装置６０は、研磨パッド２２のドレッシング中に仕事係数Ｚを算出し、この仕事係数Ｚに基づいてドレッシングが正常に行われているか否かを監視する。

図６は、研磨パッド２２のドレッシング中に取得された各種データを示す図である。図６の左側の縦軸は、ドレッサー５０の研磨テーブル１２の中心からの距離Ｓｔ［ｍｍ］、下向きの力ＤＦ［Ｎ］、水平方向の力Ｆｘ［Ｎ］、トルク差分Ｔｔ−Ｔｔ０［Ｎｍ］を表し、右側の縦軸は仕事係数Ｚを表し、横軸はドレッシング時間を表している。ドレッサー５０の研磨テーブル１２の半径方向の揺動は、ドレッサー５０の研磨テーブル１２の中心からの距離Ｓｔによって最もよく示されている。このドレッサー５０の揺動に同期して、仕事係数Ｚが変化していることが図６から分かる。より具体的には、ドレッサー５０が研磨パッド２２（研磨テーブル１２）のエッジ部から中心部に移動するに従って仕事係数Ｚおよび水平方向の力Ｆｘが大きくなり、ドレッサー５０が研磨パッド２２の中心部に位置しているときに、仕事係数Ｚおよび水平方向の力Ｆｘが最も大きくなる。これは、研磨パッド２２のエッジ部から中心部に向かって移動しているドレッサー５０のベクトルは、研磨テーブル１２の回転方向と反対の方向の成分を持つためである。図６に示されるように、仕事係数Ｚは、ドレッシング中に変化しうる変数である。

図６に示すように、ドレッシング総時間を通じた水平方向の力Ｆｘの平均は、概ね下向きの力ＤＦと同じとなっている。ドレッサー５０が研磨パッド２２上を滑っている場合、すなわちドレッサー５０が研磨パッド２２を削り取っていない場合、仕事係数Ｚは０となる。図６に示す例では、仕事係数Ｚは概ね１を示し、その最大値は研磨テーブル１２の中心での１．７である。このことは、ドレッサー５０は研磨パッド２２上を滑っていない、すなわち研磨パッド２２を削り取っていることを示している。仕事係数Ｚが大きいドレッシングプロセスは、ドレッサー５０が研磨パッド２２を大きく削り取っているプロセスであり、この場合は、ドレッサー５０の残存寿命が短くなると予想される。

パッド監視装置６０は、仕事係数Ｚが予め定められた範囲内にない場合には、ドレッシングが正しく行われていないと判断することができる。好ましくは、パッド監視装置６０は、１回または複数回のドレッシング工程での仕事係数Ｚの平均が予め定められた範囲内にない場合には、ドレッシングが正しく行われていないと判断してもよい。

水平方向の力Ｆｘとドレッサー５０の研磨パッド２２の周方向の移動距離Ｓとの積は、ドレッサー５０の仕事量Ｗ［Ｊ］を表す。移動距離Ｓは、研磨テーブル１２（研磨パッド２２）の中心からのドレッサー５０の距離と、研磨テーブル１２の回転速度とから算出することができる。
Ｗ＝Ｆｘ＊Ｓ［Ｊ］ （８）
さらに、水平方向の力Ｆｘとドレッサー５０の研磨パッド２２の周方向の単位時間当たりの移動距離ｄＳ／ｄｔとの積は、ドレッサー５０の仕事率Ｐ［Ｊ／ｓ］を表す。
Ｐ＝Ｆｘ＊（ｄＳ／ｄｔ）［Ｊ／ｓ］ （９）
ドレッサー５０の仕事量Ｗ［Ｊ］および仕事率Ｐ［Ｊ／ｓ］は、どちらも、消耗品であるドレッサー５０の残存寿命の予測に好適な指標となる。

次に、消耗品であるドレッサー５０の残存寿命を予測する方法について説明する。ドレッサー５０の許容総仕事量をＷ０［Ｊ］、ドレッサー５０の仕事量の累積値をＷ１［Ｊ］、単位時間当たりの仕事量（すなわち仕事率）をＰ［Ｊ／ｓ］とすると、ドレッサー５０の残存寿命Ｔｅｎｄは次の式から求めることができる。
Ｔｅｎｄ［ｓ］＝（Ｗ０−Ｗ１）／Ｐ （１０）
仕事率Ｐは、単位時間当たりの最新の仕事量である。この仕事率Ｐは、ある時間幅での移動平均であってもよい。

式（３）から分かるように、仕事係数Ｚが０であるとき、下向きの力ＤＦが研磨パッド２２に作用しているにもかかわらず、水平方向の力Ｆｘは０である。これは、ドレッサー５０が研磨パッド２２を削り取っていないことを意味する。ドレッサー５０の砥粒が長時間の使用により摩耗してくると、ドレッサー５０は研磨パッド２２を削り取る能力を失っていく。したがって、仕事係数Ｚから、ドレッサー５０の交換時期を決定することが可能である。

次に、仕事係数Ｚを用いてドレッサー５０の残存寿命を予測する方法について説明する。初期仕事係数をＺ０、使用限界仕事係数をＺｅｎｄ、単位時間当たりの仕事係数の変化量をｄＺ／ｄｔとすると、ドレッサー５０の残存寿命Ｔｅｎｄは次の式から求めることができる。
Ｔｅｎｄ［ｓ］＝（Ｚ０−Ｚｅｎｄ）／（ｄＺ／ｄｔ） （１１）
この場合も、仕事係数Ｚは、ある時間幅での移動平均であってもよく、単位時間当たりの仕事係数の変化量ｄＺ／ｄｔは、仕事係数Ｚの移動平均から算出してもよい。

仕事係数Ｚおよび単位時間当たりの仕事係数の変化量ｄＺ／ｄｔは、ドレッシング異常の検知に用いることができる。例えば、パッド監視装置６０は、仕事係数Ｚおよび／または変化量ｄＺ／ｄｔが所定のしきい値に達したときは、ドレッシングプロセスの異常が発生したと判断するようにしてもよい。また、パッド監視装置６０は、仕事係数Ｚまたはそのドレッシング工程を通じた平均が使用限界仕事係数Ｚｅｎｄに達したときは、ドレッサー５０の交換時期に達した、またはドレッサー５０が故障したと判断するようにしてもよい。さらに、パッド監視装置６０は、算出したドレッサー５０の残存寿命が所定のしきい値に達したときには、ドレッサー５０の交換を促す信号を発するようにしてもよい。

このように、パッド監視装置６０は、ドレッシング中に取得される仕事係数Ｚに基づいて、ドレッシングプロセスを監視し、さらにドレッサー５０の残存寿命を監視することができる。さらに、仕事係数Ｚを用いたドレッシングプロセスの評価に基づいて、最適なドレッシングレシピを作成することが可能となる。

パッド監視装置６０は、ドレッシング時間全体を通じて仕事係数Ｚを算出し、ドレッシング中の各時点に対応する仕事係数Ｚを決定する。仕事係数Ｚが決定されたときのドレッサー５０の研磨パッド２２上の位置は、研磨装置の寸法およびドレッサー５０の動作パラメータから特定することが可能である。したがって、決定された仕事係数Ｚと特定された研磨パッド２２上のドレッサー５０の位置から、研磨パッド２２上の仕事係数Ｚの分布図を作成する事が可能である。

パッド監視装置６０は、次のようにして研磨パッド２２上の仕事係数Ｚの分布図を作成する。図７は、研磨パッド２２とドレッサー５０を模式的に示す平面図である。図７において、ｘ−ｙ座標系はベース３（図１参照）上に定義された固定座標系であり、Ｘ−Ｙ座標系は研磨パッド２２の研磨面２２ａ上に定義された回転座標系である。図７に示すように、研磨テーブル１２およびその上の研磨パッド２２はｘ−ｙ固定座標系の原点Ｏを中心として回転する。一方、ドレッサー５０はｘ−ｙ固定座標系上の所定の点Ｃを中心として所定の角度だけ旋回する。

研磨テーブル１２と支軸５８の相対位置は固定であるから、ｘ−ｙ固定座標系上の点Ｃの座標は必然的に決定される。点Ｃを中心とするドレッサー５０の旋回角度θは、ドレッサーアーム５５の旋回角度であり、この旋回角度θはドレッサー５０ロータリエンコーダ３２により計測される。研磨パッド２２（研磨テーブル１２）の回転角度αは、ｘ−ｙ固定座標系の座標軸とＸ−Ｙ回転座標系の座標軸とがなす角度であり、この回転角度αはテーブルロータリエンコーダ３１により計測される。

ｘ−ｙ固定座標系上のドレッサー５０の中心の座標は、点Ｃの座標と、距離Ｌと、角度θとから決定することができる。さらに、Ｘ−Ｙ回転座標系上のドレッサー５０の中心の座標は、ｘ−ｙ固定座標系上のドレッサー５０の中心の座標と、研磨パッド２２の回転角度αとから決定することができる。固定座標系上の座標から回転座標系上の座標への変換は、公知の三角関数と四則演算を用いて行うことができる。

パッド監視装置６０は、回転角度αおよび旋回角度θから上述のようにしてＸ−Ｙ回転座標系上のドレッサー５０の中心の座標を算出する。Ｘ−Ｙ回転座標系は、研磨面２２ａ上に定義された二次元平面である。すなわち、Ｘ−Ｙ回転座標系上のドレッサー５０の座標は、研磨面２２ａに対するドレッサー５０の相対位置を示す。このように、ドレッサー５０の位置は、研磨面２２ａに定義された二次元平面上の位置として表される。

パッド監視装置６０は、仕事係数Ｚを計算により取得するたびに、その仕事係数Ｚを取得したＸ−Ｙ回転座標系上の座標を特定する。この座標は、取得した仕事係数Ｚに対応するドレッサー５０の位置を示している。さらに、パッド監視装置６０は、仕事係数Ｚを対応するＸ−Ｙ回転座標系上の座標と関連付ける。各仕事係数および関連付けられた座標は、パッド監視装置６０に記憶される。

ドレッサー５０のエッジ部が研磨パッド２２の研磨面２２ａに引っ掛かると、研磨パッド２２がドレッサー５０により局所的に削られてしまい、研磨面２２ａの平坦度が失われてしまう。仕事係数Ｚが大きくなると、ドレッサー５０は研磨パッド２２に引っ掛かりやすくなることが式（５）から分かる。そこで、パッド監視装置６０は、算出された仕事係数Ｚに基づいて、研磨面２２ａが平坦であるか否か、すなわち研磨パッド２２のドレッシングが正しく行われているか否かを監視する。すなわち、パッド監視装置６０は、所定のしきい値を超えた仕事係数Ｚを異常点として、研磨パッド２２上に定義されたＸ−Ｙ回転座標系上にプロット（表示）し、図８に示すような仕事係数分布を生成する。

パッド監視装置６０は、二次元平面上に表示された異常点の密度を計算する機能をさらに備えている。パッド監視装置６０は、二次元平面内の複数の領域内において異常点密度を計算し、各領域において異常点密度が所定の値を超えたか否かを決定する。この領域は、研磨面２２ａ上のＸ−Ｙ回転座標系上に予め定義された格子状の領域である。

図９は、Ｘ−Ｙ回転座標系上に定義された複数の領域を示す図である。異常点の密度は、各領域９０での異常点の数を領域９０の面積で割ることにより求めることができる。図９の符号９０’は、異常点の密度が所定の値に達した領域を示している。図９に示すように、異常点の密度が所定の値に達した領域に色を付けることが好ましい。パッド監視装置６０は、少なくとも１つの領域９０において異常点の密度が所定の値を超えたときには、研磨パッド２２のドレッシングが正常に行われていないことを示す信号を出力する。

このように、仕事係数Ｚの異常点を二次元平面上に表すことができるので、研磨面２２ａの平坦度が失われる前に、研磨パッド２２を新たな研磨パッドに交換することができる。したがって、製品の歩留まりの低下を未然に防ぐことができる。さらに、研磨パッド２２のドレッシングが正常に行われているか否かを、研磨パッド２２のドレッシング中に知ることができる。異常点の発生を視覚的に認識しやすくするために、異常点の密度を色の濃淡で表すことが好ましい。仕事係数Ｚに代えて、単位時間あたりの仕事係数Ｚの変化量ｄＺ／ｄｔの異常点を二次元平面上に表ことも可能である。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ 研磨ユニット
２ ドレッシングユニット
３ ベース
５ 研磨液供給ノズル
１２ 研磨テーブル
１３ テーブルモータ
１４ モータ電流測定器
１５ モータドライバ
１６ 圧力センサ
１７ ロードセル
２０ トップリング
２２ 研磨パッド
２２ａ 研磨面
３１ テーブルロータリエンコーダ
３２ ドレッサーロータリエンコーダ
５０ ドレッサー
５２ 自在軸受
５５ ドレッサーアーム
６０ パッド監視装置

Claims (10)

1. 研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
   ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させながら、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付けて前記研磨パッドをドレッシングし、
   前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離から前記ドレッサーの仕事率を算出し、
   前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨パッドのドレッシングの監視方法。
2. 研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
   ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させながら、回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付けて前記研磨パッドをドレッシングし、
   前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の所定の時間幅での移動平均から前記ドレッサーの仕事率を算出し、
   前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨パッドのドレッシングの監視方法。
3. 前記仕事量は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離との積から算出し、
   前記仕事率は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離との積から算出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記ドレッサーの残存寿命をＴｅｎｄ、前記ドレッサーの許容総仕事量をＷ０、前記ドレッサーの仕事量の累積値をＷ１、前記仕事率をＰとすると、
   前記ドレッサーの残存寿命は、
   Ｔｅｎｄ＝（Ｗ０−Ｗ１）／Ｐ
   で表されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記移動距離は、前記研磨テーブルの中心からの前記ドレッサーの距離と前記研磨テーブルの回転速度から算出されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
   前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、
   前記研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、
   前記ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させる旋回モータと、
   回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付ける押圧機構と、
   前記研磨パッドのドレッシングを監視するパッド監視装置とを備え、
   前記パッド監視装置は、
   前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離から前記ドレッサーの仕事率を算出し、
   前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨装置。
7. 研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
   前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、
   前記研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、
   前記ドレッサーを前記研磨パッドの半径方向に揺動させる旋回モータと、
   回転する前記研磨パッドに前記ドレッサーを押し付ける押圧機構と、
   前記研磨パッドのドレッシングを監視するパッド監視装置とを備え、
   前記パッド監視装置は、
   前記研磨パッドのドレッシング中に、前記ドレッサーに作用する水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離から前記ドレッサーの仕事量を算出し、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の所定の時間幅での移動平均から前記ドレッサーの仕事率を算出し、
   前記ドレッサーの仕事量と前記ドレッサーの仕事率から前記ドレッサーの残存寿命を決定することを特徴とする研磨装置。
8. 前記仕事量は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の移動距離との積から算出し、
   前記仕事率は、前記水平方向の力と前記ドレッサーの前記研磨パッドの周方向の単位時間当たりの移動距離との積から算出することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
9. 前記ドレッサーの残存寿命をＴｅｎｄ、前記ドレッサーの許容総仕事量をＷ０、前記ドレッサーの仕事量の累積値をＷ１、前記仕事率をＰとすると、
   前記ドレッサーの残存寿命は、
   Ｔｅｎｄ＝（Ｗ０−Ｗ１）／Ｐ
   で表されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の研磨装置。
10. 前記移動距離は、前記研磨テーブルの中心からの前記ドレッサーの距離と前記研磨テーブルの回転速度から算出されることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の研磨装置。

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