JP6327958B2 - 研磨装置 - Google Patents

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Description

本発明は、研磨装置に関するものである。
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。そこで、研磨対象物である半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段として研磨装置により研磨(ポリッシング)することが行われている。
従来、研磨装置は、研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、研磨対象物を保持して研磨パッドに押圧するためにトップリングを備える。研磨テーブルとトップリングはそれぞれ、駆動部(例えばモータ)によって回転駆動される。研磨剤を含む液体(スラリー)を研磨パッド上に流し、そこにトップリングに保持された研磨対象物を押し当てることにより、研磨対象物は研磨される。
研磨装置では、研磨対象物の研磨が不十分であると回路間の絶縁がとれずショートするおそれが生じ、また、過研磨となった場合は、配線の断面積が減ることによる抵抗値の上昇、又は配線自体が完全に除去され回路自体が形成されないなどの問題が生じる。このため、研磨装置では、最適な研磨終点の検出することが求められる。
研磨終点検出手段の1つとして、研磨が異材質の物質へ移行した際の研磨摩擦力の変化を検出する方法が知られている。研磨対象物である半導体ウエハは、半導体、導体、絶縁体の異なる材質からなる積層構造を有しており、異材質層間で摩擦係数が異なる。このため、研磨が異材質層へ移行することによって生じる研磨摩擦力の変化を検知する方法である。この方法によれば、研磨が異材質層に達した時が研磨の終点となる。
また、研磨装置は、研磨対象物の研磨表面が平坦ではない状態から平坦になった際の研磨摩擦力の変化を検出することにより、研磨終点を検出することもできる。
ここで、研磨対象物を研磨する際に生じる研磨摩擦力は、駆動部の駆動負荷として現れる。例えば、駆動部が電動モータの場合には、駆動負荷(トルク)はモータに流れる電流として測定することができる。このため、モータ電流を電流センサで検出し、検出したモータ電流の変化に基づいて研磨の終点を検出することができる。
特開平10−202523号
しかしながら、従来技術は、研磨終点検出の精度を向上させることは考慮されていない。
すなわち、研磨装置には、研磨テーブル又はトップリングに冷却水などを供給する目的でロータリジョイントが設けられる場合がある。ロータリジョイントは、研磨テーブル又はトップリングを駆動する駆動部によって回転駆動される回転体と、回転体の周囲に設けられたハウジングと、回転体とハウジングの間に設けられ回転体の回転を支持する軸受と
、回転体とハウジングとの間をシールするシール部などを有する。シール部は、回転体とハウジングとの間のメカニカルシール、オイルシールなどを含む。シール部には、回転体とハウジングによる摺動抵抗が発生し、この摺動抵抗は、回転体を駆動する駆動部の駆動負荷となる。
したがって、電流センサによって検出されるモータ電流には、研磨摩擦力による駆動負荷のみならず、ロータリジョイントにおけるシール部の摺動抵抗による駆動負荷も含まれる。何らかの原因によりシール部の摺動抵抗による駆動負荷に変動が生じた場合、この変動がそのままモータ電流に反映され、研磨終点を誤検出するおそれがある。
そこで、本発明の一形態は、研磨終点検出の精度を向上させることを課題とする。
本願発明の研磨装置の一形態は、上記課題に鑑みなされたもので、研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転駆動する第1の駆動部と、前記第1の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第1のロータリジョイントと、前記第1の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、前記第1のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、を備える。
また本願発明の研磨装置の一形態は、上記課題に鑑みなされたもので、研磨対象物を保持して前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドへ押圧するための基板保持部と、前記保持部を回転駆動する第2の駆動部と、前記第2の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第2のロータリジョイントと、前記第2の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、前記第2のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、を備える。
また、研磨装置の一形態において、前記ハウジングに固定された第1の回転止め部材、及び、前記第1の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第2の回転止め部材をさらに備え、前記抵抗検出部は、前記第1の回転止め部材及び前記第2の回転止め部材の互いの接触力を検出する力検出部を含む、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記力検出部は、前記第1の回転止め部材及び前記第2の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方に設けられた、ロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子の少なくとも1つを含む、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記ハウジングに固定された第1の回転止め部材、及び、前記第1の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第2の回転止め部材をさらに備え、前記抵抗検出部は、前記第1の回転止め部材の変位に起因する物理量を検出する動き検出部を含む、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記動き検出部は、前記第1の回転止め部材に設けられた、変位センサ、速度センサ、及び加速度センサ、の少なくとも1つを含む、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記第1の回転止め部材及び前記第2の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方には、互いの接触に応じて弾性変形する弾性部材が設けられていてもよい。
また、研磨装置の一形態において、前記終点検出装置は、前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点の検出用の信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部によって生成された研磨終点の検出用の信号に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出部と、を備える、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記研磨終点の検出用の信号の出力を停止する、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第1信号と、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第2信号と、の差分を前記研磨終点の検出用の信号とする、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第2信号における、所定の周波数成分を除去するバンドエリミネートフィルタを含み、前記バンドエリミネートフィルタによって所定の周波数成分が除去された第2信号と、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第1信号と、に基づいて、前記研磨終点の検出用の信号を出力する、ことができる。
また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記第1又は第2のロータリジョイントに異常が生じていることを示す信号を出力する異常検出機能を含む、ことができる。
本願発明によれば、研磨終点検出の精度を向上させることができる。
図1は、本実施形態に係る研磨装置の基本構成を示す図である。 図2は、2相‐3相変換器の処理内容を説明するための図である。 図3は、第1実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。 図4は、第2実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。 図5は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。 図6は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。 図7は、研磨の終点の検出態様の一例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係る研磨装置を図面に基づいて説明する。始めに、研磨装置の基本構成について説明し、その後、研磨対象物の研磨終点の検出について説明する。
<基本構成>
図1は、本実施形態に係る研磨装置の基本構成を示す図である。研磨装置は、研磨パッ
ド10を上面に取付け可能な研磨テーブル12と、研磨テーブル12を回転駆動する第1の電動モータ(第1の駆動部)14と、第1の電動モータの回転位置を検出する位置検出センサ16と、半導体ウエハ18を保持可能なトップリング(基板保持部)20と、トップリング20を回転駆動する第2の電動モータ(第2の駆動部)22と、を備えている。
トップリング20は、図示しない保持装置により、研磨テーブル12に近づけたり遠ざけたりすることができるようになっている。半導体ウエハ18を研磨するときは、トップリング20を研磨テーブル12に近づけることにより、トップリング20に保持された半導体ウエハ18を、研磨テーブル12に取り付けられた研磨パッド10に当接させる。
半導体ウエハ18を研磨するときは、研磨テーブル12が、第1の電動モータ14によって回転駆動された状態で、半導体ウエハ18を保持したトップリング20により、半導体ウエハ18が研磨パッド10に押圧される。また、トップリング20は、第2の電動モータ22によって、研磨テーブル12の回転軸13とは偏心した軸線21の回りに回転駆動される。半導体ウエハ18を研磨する際は、研磨材を含む研磨砥液が、研磨材供給装置24から研磨パッド10の上面に供給される。トップリング20にセットされた半導体ウエハ18は、トップリング20が第2の電動モータ22によって回転駆動されている状態で、研磨砥液が供給された研磨パッド10に押圧される。
第1の電動モータ14は、少なくともU相とV相とW相の3相の巻線を備えた同期式又は誘導式のACサーボモータであることが好ましい。第1の電動モータ14は、本実施形態においては、3相の巻線を備えたACサーボモータを含む。3相の巻線は、120度位相のずれた電流を第1の電動モータ14内のロータ周辺に設けられた界磁巻線に流し、これにより、ロータが回転駆動されるようになっている。第1の電動モータ14のロータは、モータシャフト15に接続されており、モータシャフト15により研磨テーブル12が回転駆動される。
第2の電動モータ22は、少なくともU相とV相とW相の3相の巻線を備えた同期式又は誘導式のACサーボモータであることが好ましい。第2の電動モータ22は、本実施形態においては、3相の巻線を備えたACサーボモータを含む。3相の巻線は、120度位相のずれた電流を第2の電動モータ22内のロータ周辺に設けられた界磁巻線に流し、これにより、ロータが回転駆動されるようになっている。第2の電動モータ22のロータは、モータシャフト23に接続されており、モータシャフト23によりトップリング20が回転駆動される。
また、研磨装置は、第1の電動モータ14を回転駆動するモータドライバ100と、キーボートやタッチパネルなどの入力インターフェースを介してオペレータから第1の電動モータ14の回転速度の指令信号を受け付ける入力部200と、を備える。入力部200は、受け付けた指令信号をモータドライバ100に入力する。なお、図1は、第1の電動モータ14を回転駆動するモータドライバ100について説明するが、図4に示すように第2の電動モータ22にも同様のモータドライバ100が接続される。
モータドライバ100は、微分器102と、速度補償器104と、2相‐3相変換器106と、電気角信号生成器108と、U相電流補償器110と、U相PWM変調回路112と、V相電流補償器114と、V相PWM変調回路116と、W相電流補償器118と、W相PWM変調回路120と、パワーアンプ130と、電流センサ132,134とを備えている。
微分器102は、位置検出センサ16によって検出された回転位置信号を微分することによって第1の電動モータ14の実際の回転速度に相当する実速度信号を生成する。すな
わち、微分器102は、第1の電動モータ14の回転位置の検出値に基づいて第1の電動モータ14の回転速度を求める演算器である。
速度補償器104は、入力部200を介して入力された回転速度の指令信号(目標値)と微分器102によって生成された実速度信号との偏差に相当する速度偏差信号に基づいて、第1の電動モータ14の回転速度の補償を行う。すなわち、速度補償器104は、入力インターフェース(入力部200)を介して入力された第1の電動モータ14の回転速度の指令値と微分器102によって求められた第1の電動モータ14の回転速度との偏差に基づいて、第1の電動モータ14へ供給する電流の指令信号を生成する。
速度補償器104は、例えばPID制御器で構成することができる。この場合、速度補償器104は、比例制御と、積分制御と、微分制御とを行い、補償された回転速度に相当する電流指令信号を生成する。比例制御は、入力部200から入力された回転速度の指令信号と第1の電動モータの実速度信号との偏差に比例させて操作量を変える。積分制御は、その偏差を足していきその値に比例して操作量を変える。微分制御は、偏差の変化率(つまり偏差が変化する速度)を捉えこれに比例した操作量を出力する。なお、速度補償器104は、PI制御器で構成することもできる。
電気角信号生成器108は、位置検出センサ16によって検出された回転位置信号に基づいて電気角信号を生成する。2相‐3相変換器106は、速度補償器104によって生成された電流指令信号と、電気角信号生成器108によって生成された電気角信号とに基づいて、U相電流指令信号、及びV相電流指令信号を生成する。すなわち、2相‐3相変換器106は、第1の電動モータ14の回転位置の検出値に基づいて生成された電気角信号と速度補償器104によって生成された電流の指令信号とに基づいて、各相のうちの少なくとも2つの相の電流指令値を生成する変換器である。
ここで、2相‐3相変換器106の処理について詳細に説明する。図2は、2相‐3相変換器の処理内容を説明するための図である。2相‐3相変換器106には、速度補償器104から図2に示すような電流指令信号Icが入力される。また、2相‐3相変換器106には、電気角信号生成器108から図2に示すようなU相の電気角信号Sinφuが入力される。なお、図2において図示は省略したが、2相‐3相変換器106には、V相の電気角信号Sinφvも入力される。
例えばU相電流指令信号Iucを生成する場合を考える。この場合、2相‐3相変換器106は、ある時刻tiのときの電流指令信号Ic(i)とU相の電気角信号Sinφu(i)とを乗算することにより、U相電流指令信号Iuc(i)を生成する。すなわち、Iuc(i)=Ic(i)×Sinφu(i)となる。また、2相‐3相変換器106は、U相の場合と同様に、ある時刻tiのときの電流指令信号Ic(i)とV相の電気角信号Sinφv(i)とを乗算することにより、V相電流指令信号Ivc(i)を生成する。すなわち、Ivc(i)=Ic(i)×Sinφv(i)となる。
電流センサ132は、パワーアンプ130のU相出力ラインに設けられ、パワーアンプ130から出力されたU相の電流を検出する。U相電流補償器110は、2相‐3相変換器106から出力されたU相電流指令信号Iucと、電流センサ132によって検出されてフィードバックされたU相検出電流Iu*との偏差に相当するU相電流偏差信号に基づいて、U相の電流補償を行う。U相電流補償器110は、例えばPI制御器、又はPID制御器で構成することができる。U相電流補償器110は、PI制御又はPID制御を用いてU相電流の補償を行い、補償された電流に相当するU相電流信号を生成する。
U相PWM変調回路112は、U相電流補償器110によって生成されたU相電流信号
に基づいてパルス幅変調を行う。U相PWM変調回路112は、パルス幅変調を行うことによって、U相電流信号に応じた2系統のパルス信号を生成する。
電流センサ134は、パワーアンプ130のV相出力ラインに設けられ、パワーアンプ130から出力されたV相の電流を検出する。V相電流補償器114は、2相‐3相変換器106から出力されたV相電流指令信号Ivcと、電流センサ134によって検出されてフィードバックされたV相検出電流Iv*との偏差に相当するV相電流偏差信号に基づいてV相の電流補償を行う。V相電流補償器114は、例えばPI制御器、又はPID制御器で構成することができる。V相電流補償器114は、PI制御又はPID制御を用いてV相電流の補償を行い、補償された電流に相当するV相電流信号を生成する。
V相PWM変調回路116は、V相電流補償器114によって生成されたV相電流信号に基づいてパルス幅変調を行う。V相PWM変調回路114は、パルス幅変調を行うことによって、V相電流信号に応じた2系統のパルス信号を生成する。
W相電流補償器118は、2相‐3相変換器106から出力されたU相電流指令信号Iuc及びV相電流指令信号Ivcに基づいて生成されたW相電流指令信号Iwcと、電流センサ132,134によって検出されてフィードバックされたU相検出電流Iu*及びV相検出電流Iv*との偏差に相当するW相電流偏差信号に基づいてW相の電流補償を行う。W相電流補償器118は、例えばPI制御器、又はPID制御器で構成することができる。W相電流補償器118は、PI制御又はPID制御を用いてW相電流の補償を行い、補償された電流に相当するW相電流信号を生成する。
W相PWM変調回路120は、W相電流補償器118によって生成されたW相電流信号に基づいてパルス幅変調を行う。W相PWM変調回路118は、パルス幅変調を行うことによって、W相電流信号に応じた2系統のパルス信号を生成する。
パワーアンプ130には、U相PWM変調回路112、V相PWM変調回路116、及びW相PWM変調回路120によって生成された2系統のパルス信号が印加される。パワーアンプ130は、印加された各パルス信号に応じて、パワーアンプ130に内蔵されているインバータ部の各トランジスタを駆動する。これにより、パワーアンプ130は、U相、V相、W相それぞれについて交流電力を出力し、この3相交流電力によって第1の電動モータ14を回転駆動する。
<終点検出>
次に、研磨対象物の研磨終点の検出について説明する。図3は、第1実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。図4は、第2実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。図3,図4に示すように、研磨装置は、研磨テーブル12を回転駆動する第1の電動モータ14側に第1のロータリジョイント40を備え、トップリング20を回転駆動する第2の電動モータ22側に第2のロータリジョイント40´を備える。すなわち、本願発明は、第1のロータリジョイント40、及び、第2のロータリジョイント40´のいずれに対しても適用することができる。なお、第1のロータリジョイント40、及び、第2のロータリジョイント40´は、同様の構成である。このため、第1のロータリジョイント40、及び、第2のロータリジョイント40´の構成部品については、第1実施形態及び第2実施形態において同様の符号を用いてまとめて説明する。
図3,図4に示すように、U相、V相、W相のうちのいずれか1相(第1,第2実施形態ではV相)には、第2の電流センサ(電流検出部)31が設けられている。第2の電流センサ31は、モータドライバ100と第1の電動モータ14との間のV相の電流路、又
はモータドライバ100と第2の電動モータ22との間のV相の電流路、に設けられている。第2の電流センサ31は、V相の電流を検出し、終点検出装置60へ出力する。
また、図3に示すように、第1実施形態の研磨装置は、冷却水を研磨テーブル12へ供給するために第1のロータリジョイント40を備える。図4に示すように、第2実施形態の研磨装置は、冷却水をトップリング20へ供給するために第2のロータリジョイント40´を備える。第1,第2のロータリジョイント40,40´は、第1の電動モータ14又は第2の電動モータ22によって回転駆動される回転体41と、回転体41の周囲に設けられたハウジング42と、回転体41とハウジング42との間に設けられ、回転体41の回転を支持する軸受43と、回転体41とハウジング42との間をシールするシール部44と、を備える。
シール部44は、回転体41とハウジング42との間で接触摺動するメカニカルシール、及び、オイルシールを含んでいる。メカニカルシールの接触面力は、メカニカルシールに作用する内/外の流体力による差圧力、スプリングによるばね力、及び、メカニカルシールのフローティングシール部と固定壁間にあるOリングのつぶれ反力による動きを妨げる力などが考えられる。これらによって発生する接触面の力と摺動界面の状態(例えば、摩擦係数)の関係で摺動抵抗が発生する。また、ストライベックカーブで知られるように相対速度の影響も受ける。これらのいずれが変動しても第1,第2のロータリジョイント40,40´の摺動抵抗力は変動する。また、これらのいずれも摺動界面の状態によって、回転方向の力に変換される。この状態は、接触面の表面粗さと濡れ具合によって決まるとされている。
また、研磨装置は、第1,第2のロータリジョイント40,40´それぞれについて、ハウジング42に固定された第1の回転止め部材45、及び、第1の回転止め部材45と接触してハウジング42の回転を止める第2の回転止め部材46、を備える。第1の回転止め部材45は、ハウジング42の外面から外方に突出する棒状に形成されたステーである。第2の回転止め部材46は、第1の電動モータ14の下面から下方に突出する棒状に形成されたステー、又は第2の電動モータ22の上面から上方に突出する棒状に形成されたステー、である。第1の電動モータ14又は第2の電動モータ22の駆動によって回転体41は回転する。回転体41の回転力はシール部44を介してハウジング42に伝達されるが、ハウジング42は第1の回転止め部材45及び第2の回転止め部材46の接触によって回転が妨げられて静止している。これにより、シール部44は、回転体41とハウジング42との間で接触摺動する。シール部44の摺動抵抗は、回転体41を駆動する第1の電動モータ14又は第2の電動モータ22の駆動負荷となる。
したがって、第2の電流センサ31によって検出されるモータ電流には、半導体ウエハ18を研磨する際に発生する研磨摩擦力による駆動負荷のみならず、第1,第2のロータリジョイント40,40´におけるシール部44の摺動抵抗による駆動負荷も含まれる。何らかの原因によりシール部44の摺動抵抗による駆動負荷に変動が生じた場合、この変動がそのままモータ電流に反映され、研磨終点を誤検出するおそれがある。
このため、研磨装置は、第1,第2のロータリジョイント40,40´のシール部44における摺動抵抗を検出する抵抗検出部50を備える。また、研磨装置は、第2の電流センサ31によって検出された電流、及び抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に基づいて、半導体ウエハ18の研磨終点を検出する終点検出装置60を備える。
<抵抗検出部>
次に、抵抗検出部50の詳細について説明する。図5は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。
図3〜図5に示すように、抵抗検出部50は、第1の回転止め部材45、及び、第2の回転止め部材46の、互いの接触力を検出する力検出部52を含む。図5の例では、力検出部52は、第2の回転止め部材46の第1の回転止め部材45との接触面46aに設けられたロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子の少なくとも1つである。すなわち、第1の電動モータ14又は第2の電動モータ22によって回転駆動される回転体41の回転中心から力検出部52までの距離と、力検出部52によって検出された接触力と、に基づいてトルクが求められる。回転体41の回転中心から力検出部52までの距離は一定であるので、シール部44における摺動抵抗は、第1の回転止め部材45及び第2の回転止め部材46の接触力に相関する。例えば、シール部44における摺動抵抗が増加すると、第1の回転止め部材45及び第2の回転止め部材46の接触力(力検出部52によって検出される接触力)は増加し、シール部44における摺動抵抗が減少すると、第1の回転止め部材45及び第2の回転止め部材46の接触力(力検出部52によって検出される接触力)は減少する。
ロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子はいずれも、第1の回転止め部材45と第2の回転止め部材46との接触により生じる力を検出する。なお、力検出部52は、第1の回転止め部材45の第2の回転止め部材46との接触面45aに設けられていてもよい。また、力検出部52は、接触面45a及び接触面46aの少なくとも一方に設けられていればよい。
また、図6は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。図6に示すように、抵抗検出部50は、第1の回転止め部材45の変位に起因する物理量を検出する動き検出部54を含む。図6の例では、動き検出部54は、第1の回転止め部材45に設けられた変位センサ、速度センサ、及び加速度センサ、の少なくとも1つである。すなわち、シール部44における摺動抵抗は、第1の回転止め部材45の変位、速度、及び加速度に相関する。例えば、シール部44における摺動抵抗が増加すると、第1の回転止め部材45が第2の回転止め部材46の方向に向かう変位、速度、及び加速度(動き検出部54によって検出される物理量)は増加し、シール部44における摺動抵抗が減少すると、第1の回転止め部材45が第2の回転止め部材46の方向に向かう変位、速度、及び加速度(動き検出部54によって検出される物理量)は減少する。
また、図6の例では、第2の回転止め部材46の第1の回転止め部材45との接触面46aに弾性部材56が設けられる。弾性部材56は、例えばゴムなどで形成され、第1の回転止め部材45及び第2の回転止め部材46の互いの接触に応じて弾性変形する部材である。なお、弾性部材56は、第1の回転止め部材45の第2の回転止め部材46との接触面45aに設けられていてもよい。また、弾性部材56は、接触面45a及び接触面46aの少なくとも一方に設けられていればよい。弾性部材56は、第1の回転止め部材45と第2の回転止め部材46とが接触した状態で、第1の回転止め部材45がさらに第2の回転止め部材46を押圧した場合に、この押圧力による第1の回転止め部材45の変位を生じさせるために設けられる。
<終点検出装置>
次に、終点検出装置60の詳細を説明する。図3,4に示すように、終点検出装置60は、信号処理部62と、終点検出部64と、を備える。
信号処理部62は、第2の電流センサ(電流検出部)31によって検出された電流、及び抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に基づいて、半導体ウエハ18の研磨終点の検出用の信号を生成する。
例えば、信号処理部62は、抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、研磨終点の検出用の信号の出力を停止することができる。すなわち、抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれるということは、何らかの原因によりシール部44の摺動抵抗に変動が生じたということである。このような場合、第2の電流センサ(電流検出部)31によって検出された電流に相関する第1信号に、シール部44の摺動抵抗の変動が重畳され、その結果、半導体ウエハ18の研磨終点を誤検出するおそれがある。そこで、このような場合には、研磨終点の検出用の信号の出力を停止することによって、誤検出が生じるのを抑制することができる。
また、例えば、信号処理部62は、第2の電流センサ31によって検出された電流に相関する第1信号と、抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に相関する第2信号と、の差分を研磨終点の検出用の信号として出力することができる。すなわち、第1信号には、半導体ウエハ18を研磨する際の研磨摩擦力による駆動負荷と、第1,第2のロータリジョイント40,40´におけるシール部44の摺動抵抗による駆動負荷と、が含まれる。そこで、信号処理部62は、第1信号から第2信号を減算することによって、第1,第2のロータリジョイント40,40´のシール部44の摺動抵抗による駆動負荷の影響を排除することができる。その結果、研磨終点の誤検出が生じるのを抑制することができる。
また、例えば、信号処理部62は、抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に相関する第2信号における、所定の周波数成分を除去するバンドエリミネートフィルタを含んでいてもよい。この場合、信号処理部62は、バンドエリミネートフィルタによって所定の周波数成分が除去された第2信号と、第2の電流センサ31によって検出された電流に相関する第1信号と、に基づいて、研磨終点の検出用の信号を出力することができる。すなわち、何らかの原因によりシール部44の摺動抵抗に変動が生じる場合には、第2信号に固有の周波数帯域が含まれる場合があり得る。そこで、あらかじめ固有の周波数帯域が分かっている場合には、信号処理部62は、その周波数帯域を除去するバンドエリミネートフィルタによって、摺動抵抗の変動による信号を除去する。その結果、研磨終点の誤検出が生じるのを抑制することができる。
また、例えば、信号処理部62は、抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、第1,第2のロータリジョイント40,40´に異常が生じていることを示す信号を出力する異常検出機能を含むことができる。すなわち、抵抗検出部50によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれるということは、何らかの原因によりシール部44の摺動抵抗に変動が生じたということである。このような場合、第1,第2のロータリジョイント40,40´に異常が生じているおそれがあるので、ディスプレイ又はスピーカなどの出力インターフェースを介して警報を出力することができる。
終点検出部64は、信号処理部62によって生成された研磨終点の検出用の信号に基づいて、半導体ウエハ18の研磨終点を検出する。具体的には、終点検出部64は、信号処理部62から出力された研磨終点の検出用の信号の変化に基づいて半導体ウエハ18の研磨の終点を判定する。
終点検出部64の研磨終点の判定について図7を用いて説明する。図7は、研磨の終点の検出態様の一例を示す図である。図7において横軸は研磨時間の経過を示し、縦軸はトルク電流(I)及びトルク電流の微分値(ΔI/Δt)を示している。
終点検出部64は、例えば図7のようにトルク電流30a(V相のモータ電流)が推移
した場合、トルク電流30aがあらかじめ設定されたしきい値30bより小さくなったら、半導体ウエハ18の研磨が終点に達したと判定する。
また、終点検出部64は、トルク電流30aの微分値30cを求めて、あらかじめ設定された時間しきい値30dと30eとの間の期間において微分値30cの傾きが負から正に転じたことを検出したら、半導体ウエハ18の研磨が終点に達したと判定することもできる。すなわち、時間しきい値30dと30eは、経験則などによって研磨終点になると思われるおおよその期間に設定されており、終点検出部64は、時間しきい値30dと30eとの間の期間において研磨の終点検出を行う。このため、終点検出部64は、時間しきい値30dと30eとの間の期間以外では、たとえ微分値30cの傾きが負から正に転じたとしても、半導体ウエハ18の研磨が終点に達したとは判定しない。これは、例えば研磨の開始直後などに、研磨が安定していない影響によって微分値30cがハンチングして傾きが負から正に転じた場合に、研磨終点であると誤検出されるのを抑制するためである。以下、終点検出部64の研磨終点の判定の具体例を示す。
例えば、半導体ウエハ18が、半導体、導体、絶縁体等の異なる材質で積層されている場合を考える。この場合、異材質層間で摩擦係数が異なるため、研磨が異材質層へ移行した場合に第1の電動モータ14又は第2の電動モータ22のモータトルクが変化する。この変化に応じてV相のモータ電流(検出電流信号)も変化する。終点検出部64は、このモータ電流がしきい値より大きくなった又は小さくなったことを検出することにより半導体ウエハ18の研磨の終点を判定する。また、終点検出部64は、モータ電流の微分値の変化に基づいて半導体ウエハ18の研磨の終点を判定することもできる。
また、例えば半導体ウエハ18の研磨面が平坦ではない状態から研磨によって研磨面が平坦化される場合を考える。この場合、半導体ウエハ18の研磨面が平坦化されると第1の電動モータ14又は第2の電動モータ22のモータトルクが変化する。この変化に応じてV相のモータ電流(検出電流信号)も変化する。終点検出部64は、このモータ電流がしきい値より小さくなったことを検出することにより半導体ウエハ18の研磨の終点を判定する。また、終点検出部64は、モータ電流の微分値の変化に基づいて半導体ウエハ18の研磨の終点を判定することもできる。
以上、第1,第2実施形態によれば、研磨終点検出の精度を向上させることができる。すなわち、第1,第2実施形態は、第2の電流センサ31によって検出された電流には、半導体ウエハ18を研磨する際の研磨摩擦力による駆動負荷の他に、第1,第2のロータリジョイント40,40´におけるシール部44の摺動抵抗による駆動負荷も含まれていることに着目している。そこで、本実施形態は、第1,第2のロータリジョイント40,40´のシール部44における摺動抵抗を検出し、検出された摺動抵抗と、第2の電流センサ31によって検出された電流と、に基づいて、研磨対象物の研磨終点を検出するので、研磨終点検出の精度を向上させることができる。
また、第1,第2実施形態によれば、第2の電流センサ31から出力される信号に含まれるノイズ成分の有無/強弱を判定することができる。これにより、半導体ウエハ18を研磨する際の研磨摩擦力による駆動負荷を適切に判定できる状態か否かを判定することができる。また、信号処理部62の信号処理によって、第2の電流センサ31から出力される信号に含まれるノイズ成分(第1,第2のロータリジョイント40,40´のシール部44の摺動抵抗の変動による駆動負荷の変動)を除去することができる。また、例えば第2の電流センサ31から出力される信号が安定しない場合などに、その異常の発生源が第1,第2のロータリジョイント40,40´であるか否かを判定することができる。以上により、さらなる高分解能化ニーズ、誤検出防止ニーズ、異常検出ニーズに対応した研磨装置を提供することができる。
10 研磨パッド
12 研磨テーブル
14 第1の電動モータ
18 半導体ウエハ
20 トップリング
22 第2の電動モータ
31 第2の電流センサ(電流検出部)
40 第1のロータリジョイント
40´ 第2のロータリジョイント
41 回転体
42 ハウジング
43 軸受
44 シール部
45a 接触面
45 第1の回転止め部材部材
46a 接触面
46 第2の回転止め部材部材
50 抵抗検出部
52 力検出部
54 動き検出部
56 弾性部材
60 終点検出装置
62 信号処理部
64 終点検出部

Claims (12)

  1. 研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、
    前記研磨テーブルを回転駆動する第1の駆動部と、
    前記第1の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第1のロータリジョイントと、
    前記第1の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、
    前記第1のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、
    前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、
    を備える研磨装置。
  2. 研磨対象物を保持して前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドへ押圧するための基板保持部と、
    前記保持部を回転駆動する第2の駆動部と、
    前記第2の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第2のロータリジョイントと、
    前記第2の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、
    前記第2のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、
    前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、
    を備える研磨装置。
  3. 請求項1又は2の研磨装置において、
    前記ハウジングに固定された第1の回転止め部材、及び、前記第1の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第2の回転止め部材をさらに備え、
    前記抵抗検出部は、前記第1の回転止め部材及び前記第2の回転止め部材の互いの接触力を検出する力検出部を含む、
    ことを特徴とする研磨装置。
  4. 請求項3の研磨装置において、
    前記力検出部は、前記第1の回転止め部材及び前記第2の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方に設けられた、ロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子の少なくとも1つを含む、
    ことを特徴とする研磨装置。
  5. 請求項1又は2の研磨装置において、
    前記ハウジングに固定された第1の回転止め部材、及び、前記第1の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第2の回転止め部材をさらに備え、
    前記抵抗検出部は、前記第1の回転止め部材の変位に起因する物理量を検出する動き検出部を含む、
    ことを特徴とする研磨装置。
  6. 請求項5の研磨装置において、
    前記動き検出部は、前記第1の回転止め部材に設けられた、変位センサ、速度センサ、及び加速度センサ、の少なくとも1つを含む、
    ことを特徴とする研磨装置。
  7. 請求項5又は6の研磨装置において、
    前記第1の回転止め部材及び前記第2の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方には、互いの接触に応じて弾性変形する弾性部材が設けられる、
    ことを特徴とする研磨装置。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項の研磨装置において、
    前記終点検出装置は、
    前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点の検出用の信号を生成する信号処理部と、
    前記信号処理部によって生成された研磨終点の検出用の信号に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出部と、を備える、
    ことを特徴とする研磨装置。
  9. 請求項8の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記研磨終点の検出用の信号の出力を停止する、
    ことを特徴とする研磨装置。
  10. 請求項8又は9の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第1信号と、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第2信号と、の差分を前記研磨終点の検出用の信号とする、
    ことを特徴とする研磨装置。
  11. 請求項8〜10のいずれか1項の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第2信号における、所定の周波数成分を除去するバンドエリミネートフィルタを含み、前記バンドエリミネートフィルタによって所定の周波数成分が除去された第2信号と、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第1信号と、に基づいて、前記研磨終点の検出用の信号を出力する、
    ことを特徴とする研磨装置。
  12. 請求項8〜11のいずれか1項の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記第1又は第2のロータリジョイントに異常が生じていることを示す信号を出力する異常検出機能を含む、
    ことを特徴とする研磨装置。
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