JP6921527B2

JP6921527B2 - 研磨装置

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Publication number: JP6921527B2
Application number: JP2016254114A
Authority: JP
Inventors: 伏勇室; 曲啓明大; 安正輝冨
Original assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: TW201741071A; JP2017140693A; TWI623379B; KR101985585B1; KR20170093733A

Description

本発明は、研磨装置に関する。

従来より、半導体材料からなるウェハの表面等を研磨する研磨装置として、例えば国際公開２０１３／０３８５７３号（特許文献１）に記載されているような、回転駆動される研磨パッドを用いる研磨装置が知られている。一般に、研磨パッドは、回転軸の先端に設けられており、回転機構及び回転軸を含む研磨パッドが弾性機構を介してヘッドに支持されている。ヘッドは、駆動機構を介して装置本体に支持されている。

駆動機構の制御方法としては、例えば特開昭５９−２１９１５２号公報（特許文献２）に記載されているような、位置制御と荷重制御とを組み合わせた方法が採用され得る。この制御方法は、研磨パッドがウェハに接触して研磨時の目標荷重が達成されるまでは、当該研磨パッドの位置（座標）に基づいて駆動機構を制御（位置制御）し、前記目標荷重が達成された後は、研磨パッドとウェハとの接触面に生じる圧力に基づいて駆動機構を制御（荷重制御）する、という方法である。研磨時の目標荷重が達成される時のヘッドの位置（Ｚ座標）は、研磨パッドの研磨面の面積と弾性機構のバネ定数とに基づいて決定される。

研磨パッドに加わる荷重は、例えば、研磨パッドの回転軸の上方に設けられたロードセルによって測定され得る。測定の手順は次の通りである。すなわち、Ｚ座標軸（鉛直方向軸）に沿ってヘッドが下降（ウェハに近接する方向に移動）され、研磨パッドの研磨面がウェハに押し当てられる。これに伴って、弾性機構（コイルバネ）が変形し、ヘッドに対して研磨パッド及び回転軸が上方に相対移動される。これにより、回転軸の上端部がロードセルに押し付けられる。そして、ロードセル内のひずみゲージが変形し、回転軸の上端部がひずみゲージを押す力が測定される。そして、ロードセルによって測定される力が目標荷重となるように、ヘッドのＺ座標値が調整される。

以上のような研磨装置においては、荷重制御が行われている際に、微小な突起や異物が存在している場所を研磨体が通過すると、研磨パッドは急激に上方に移動され（押し上げられ）、ロードセルの測定値が急激に上昇する。このような急激な荷重の変化に追従して高精度な荷重制御を行うことは、一般に困難である。

更に、このような研磨装置においては、位置制御から荷重制御に切り替わる際に、弾性体の伸縮に起因して研磨時の目標荷重に対するオーバーシュートが生じる場合がある。オーバーシュートが発生すると、ウェハの切込量（研磨深さ）にずれが生じ、結果としてウェハの研磨精度が低下してしまう。荷重制御を行う研磨装置において、目標荷重に対するオーバーシュートを低減する技術に関しては、例えば特開２００３−９４３２８号公報（特許文献３）、特開２００３−３２６４５６号公報（特許文献４）、特表２００５−５１４７８０号公報（特許文献５）、特開２００７−１８１８９５号公報（特許文献６）及び特開２０１５−３６１６５号公報（特許文献７）に記載されている。しかしながら、いずれの文献においても、弾性機構の伸縮に起因するオーバーシュートを低減する方法については何ら検討されていない。

国際公開２０１３／０３８５７３号特開昭５９−２１９１５２号公報特開２００３−９４３２８号公報特開２００３−３２６４５６号公報特表２００５−５１４７８０号公報特開２００７−１８１８９５号公報特開２０１５−３６１６５号公報

本件発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、研磨パッドの回転軸とロードセルとの間に弾性機構を設けることが有効であることを知見した。

また、本件発明者は、弾性機構のバネ定数に基づいて、オーバーシュートが発生しない位置にて位置制御から荷重制御に切り替えることにより、当該オーバーシュートを解消できることを知見した。

本発明は、以上の知見に基づいている。すなわち、本発明の目的は、ロードセルが実質的に定常時の安定した荷重のみを計測可能な研磨装置を提供することである。

更に、本発明の他の目的は、位置制御から荷重制御に切り替わる際に生じる研磨時の目標荷重に対するオーバーシュートを回避できる研磨装置を提供することである。

本発明は、被研磨材を保持する保持部と、前記保持部に保持された被研磨材を研磨する研磨体と、弾性機構を介して前記研磨体を支持するヘッドと、前記ヘッドをＺ座標方向に移動させる駆動機構と、前記駆動機構に接続され、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、前記ヘッドに、前記研磨体に加わる荷重を測定する荷重測定装置が取り付けられ、前記荷重測定装置は、前記弾性機構を介して前記研磨体に連結され、前記制御部は、前記駆動機構によって前記ヘッドを下降させる際、はじめに位置制御によって前記駆動機構を制御し、目標荷重時のＺ座標となる位置よりも手前の、目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを抑制可能な予め求めた位置から荷重制御に切り換えて、前記駆動機構を制御することを特徴とする研磨装置である。

本発明によれば、ウェハの表面に微小な突起や異物が存在している場所を研磨パッドが通過しても、弾性機構の存在により、荷重測定装置（ロードセル）が実質的に定常時の安定した荷重のみを計測可能な研磨装置を提供することができる。

以上のような研磨装置において、前記制御部は、前記駆動機構によって前記ヘッドを下降させる際、はじめに位置制御によって前記駆動機構を制御し、目標荷重時のＺ座標となる位置よりも手前の位置から荷重制御に切り換えて、前記駆動機構を制御することが好ましい。

この場合、位置制御から荷重制御に切り替わる際に生じる、研磨時の目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを回避可能な研磨装置を提供することができる。

好ましくは、前記弾性機構は、コイルバネを有している。この場合、低コストで弾性機構を実現することができる。

あるいは、本発明は、被研磨材を保持する保持部と、前記保持部に保持された被研磨材を研磨する研磨体と、弾性機構を介して前記研磨体を支持するヘッドと、前記ヘッドをＺ座標方向に移動させる駆動機構と、前記駆動機構に接続され、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記駆動機構によって前記ヘッドを下降させる際、はじめに位置制御によって前記駆動機構を制御し、目標荷重時のＺ座標となる位置よりも手前の位置の、目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを抑制可能な予め求めた位置から荷重制御に切り換えて、前記駆動機構を制御することを特徴とする研磨装置である。

本発明によれば、位置制御から荷重制御に切り替わる際に生じる、研磨時の目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを回避できる研磨装置を提供することができる。

また、本発明によれば、位置制御から荷重制御に切り替わる際に生じる、研磨時の目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを回避できる研磨装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態による研磨装置を示す概略斜視図である。図１に示す研磨装置のヘッドの内部構造を示す概略斜視図である。図１に示す研磨装置のヘッドを、図２の左上方から見た場合の概略側面図である。図３の紙面に平行でスピンドルの軸心を通過する平面における、図３のヘッドの概略断面図である。図１に示す研磨装置の制御装置を概略的に示すブロック図である。従来の研磨装置において研磨体に加わる荷重を示すグラフである。本実施の形態による研磨装置において研磨体に加わる荷重を示すグラフである。

以下に、添付の図面を参照して本発明の一実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による研磨装置１００を示す概略斜視図である。図１に示すように、本実施の形態による研磨装置１００は、ベッド７０と、ベッド７０上に設けられ、被研磨材（ウェハＷ）を保持する保持部としてのテーブル６０と、テーブル６０に保持された被研磨材を研磨する研磨体１０と、弾性機構３２（図２参照）を介して研磨体１０を支持するヘッド３０と、ヘッド３０を装置本体２０に対してＺ座標方向（図１における上下方向）に移動させる駆動機構２４と、駆動機構２４に接続され、当該駆動機構２４を制御する制御部５０とを備えている。

このうちテーブル（保持部）６０は、被研磨材としての円盤状のウェハＷを保持するものである。テーブル６０は、ベッド７０上に配置された直方体状の支持ブロック６１により支持されている。

また、研磨体１０は、テーブル６０に保持されたウェハＷを研磨するものである。この研磨体１０は、図１に示すように、スピンドル１１と、当該スピンドル１１の一端部（図１の下端部）に取り付けられた研磨パッド１２と、を有している。本実施の形態の研磨パッド１２には、直径が１０ｍｍの円盤状のものが採用されている。

本実施の形態の装置本体２０は、ヘッド３０をウェハＷに対して相対移動させる駆動機構２４を介して当該ヘッド３０を支持するものである。装置本体２０は、図１に示すように、直方体状のコラム２１と、コラム２１の一側面２１ａ上に駆動機構２４を介して一端が支持された円柱状のアーム２２と、コラム２１を上面２３ａにおいて支持する直方体状のベース２３と、を有している。アーム２２の他端にはヘッド３０が取り付けられており、駆動機構２４によってアーム２２がコラム２１の前記一側面２１ａ上を鉛直方向（図１のＺ座標方向）に移動されるようになっている。これにより、ヘッド３０のＺ座標方向の位置決めが行われるようになっている。

また、本実施の形態のコラム２１は、既知の駆動機構によって、ベース２３上をアーム２２の長さ方向（図１のＸ座標方向）に移動されるようになっており、これにより、ヘッド３０のＸ座標方向の位置決めが行われるようになっている。

また、図１に示すように、ベッド７０は、テーブル６０の支持ブロック６１及び装置本体２０を支持するものである。具体的には、テーブル６０及び支持ブロック６１は、ベッド７０の上面において、研磨体１０に対応する位置に配置されている。本実施の形態では、支持ブロック６１の下面には、ベッド７０上に図１のＹ座標方向に沿って刻まれた２本の平行溝７１に係合する突条６２が設けられており、当該支持ブロック６１は当該２本の平行溝７１に沿って移動され得るようになっている。これにより、テーブル６０のＹ座標方向の位置決め、すなわち、テーブル６０に対するヘッド３０のＹ座標方向の位置決めが行われるようになっている。本実施の形態のテーブル６０は、例えば直径が２００ｍｍの載置面６０ａを有している。

次に、ヘッド３０の構成について更に説明する。図２は、図１に示す研磨装置１００のヘッド３０の内部構造を示す概略斜視図であり、図３は、図１に示す研磨装置１００のヘッド３０を、図２の左上方から見た場合の概略側面図であり、図４は、図３の紙面に平行でスピンドル１１の軸心を通過する平面における、図３のヘッド３０の概略断面図である。

図２乃至図４に示すように、本実施の形態のヘッド３０は、研磨体１０を支持するものである。このヘッド３０は、弾性機構３２を介して支持され、研磨体１０のスピンドル１１を支持する研磨体支持部材３１を有している。研磨体支持部材３１の内部には、スピンドル１１を回転駆動する既知の駆動機構（不図示）が設けられており、所望の回転速度で研磨体１０を回転させるようになっている。研磨体支持部材３１は、図４に示すように、側面上にフランジ部３１ａを有する円柱状であり、当該フランジ部３１ａの上方には、アーム２２に固定され、研磨体支持部材３１を取り囲むカバー３５が設けられている。カバー３５の外形は、図２に示すように、八角柱状である。カバー３５には、上下方向に貫通孔３５ａが形成され、この貫通孔３５ａ内で研磨体支持部材３１が上下方向に移動可能となっている。

また、図２に示すように、本実施の形態の弾性機構３２は、研磨体支持部材３１と共に研磨体１０を下方に加圧する１つの加圧スプリング３２ａと、研磨体支持部材３１の自重を支持する２つのバランス用スプリング３２ｂ、３２ｃと、によって構成されている。加圧スプリング３２ａは、研磨体支持部材３１の上端に設置されており、研磨体１０のスピンドル１１の軸心に沿って弾発力を発生させるようになっている。また、バランス用スプリング３２ｂ、３２ｃは、加圧スプリング３２ａのＹ軸方向両側において、当該加圧スプリング３２ａと並列にカバー３５の上面に設けられている。本実施の形態では、加圧スプリング３２ａの上端がロードセル（荷重測定装置）３３に連結されており、当該加圧スプリング３２ａを介して、研磨体１０に加わる荷重が測定されるようになっている。

図５は、図１に示す研磨装置１００に接続されている制御装置５０の概略的なブロック図である。本実施の形態の制御装置５０は、図５に示すように、研磨体１０のスピンドル１１の軸心とテーブル６０の回転の中心との相対位置関係を検出する検出部５１と、位置制御から荷重制御へ切り替える時の研磨体支持部材３１のＺ座標を記憶している記憶部５２と、研磨体支持部材３１が前記Ｚ座標に到達したか否かを判定する判定部５３と、検出部５１によって検出された相対位置関係に基づいて研磨パッド１２とウェハＷとの接触面積を評価し、当該接触面積とロードセル３３の測定値とに基づいて当該ウェハＷに加わる圧力が適切か否かを評価する圧力評価部５４と、を有している。

なお、前述の通り、本実施の形態のヘッド３０は、弾性機構３２を介して、研磨体支持部材３１を支持している。この弾性機構３２によって反発力が生じることに起因して、予め設定された目標荷重がウェハＷに加わる位置まで研磨体支持部材３１を移動させると、前述の通り、当該目標荷重に対するオーバーシュート（行き過ぎ、入り過ぎ）が生じてしまう。このオーバーシュートの挙動は、従来の研磨装置において研磨体１０に加わる荷重を示す図６のグラフから読み取ることができる。このグラフは、研磨体１０をウェハＷの縁部から他方の縁部までＸ座標方向に沿って直線状に移動させて研磨する工程を３回繰り返した場合の、研磨体１０に加わる荷重を時系列で示している。本実施の形態においては、予め設定された目標荷重がウェハＷに加わる位置まで研磨体支持部材３１を移動させるとどの程度のオーバーシュートが発生するかが予め実験によって測定され、記憶部５２に記憶されている。

具体的には、図１に示す研磨装置１００において、仮に研磨時の目標荷重が達成されるまで位置制御を行った場合を想定する。この場合、図６に示すように、当該目標荷重に対して約０．４Ｎのオーバーシュートが発生してしまう。このオーバーシュートを抑制するため、研磨装置１００においては、目標荷重時が達成される時の位置（Ｚ座標）よりも手前の位置から荷重制御に切り換えて駆動機構２４が制御されるようになっている。手前の位置とは、例えば、（目標荷重が達成されるまで位置制御を行った場合のオーバーシュート量（Ｎ））÷（弾性機構３２の総バネ定数（Ｎ／ｍｍ））で計算される。本実施の形態のヘッド３０に採用されている弾性機構３２の総バネ定数は、２０Ｎ／ｍｍである。従って、目標荷重が達成される際のＺ座標に対して０．４（Ｎ）／２０（Ｎ／ｍｍ）＝２０（μｍ）だけ手前で位置制御から荷重制御に切り替えれば良い。この２０μｍという数値は、予め記憶部５２に記憶されている。

次に、本実施の形態による研磨装置１００の作用について説明する。

まず、研磨加工に先立ち、図１に示すように、テーブル６０の回転の中心と研磨体１０のスピンドル１１における軸心とがＹ軸方向において一致するように、テーブル６０が、ベッド７０上に刻まれた２本の平行溝７１に沿って位置決めされる。当該テーブル６０には、被研磨材としてのウェハＷが、研磨対象の面を上方にして載置される。そして、ユーザにより研磨装置１００が起動されると、テーブル６０の回転の中心と研磨体１０のスピンドル１１の軸心とが図１のＸ軸方向において一致するまで、コラム２１がベース２３上を移動させられる。なお、この時に研磨体１０の研磨パッド１２がテーブル６０の縁部と干渉しないよう、初期状態において、ヘッド３０は十分な高さに退避されている。

そして、ユーザの指示に基づいて、研磨体１０のスピンドル１１及びテーブル６０の駆動機構がそれぞれ起動され、研磨体１０及びテーブル６０が所望の速度で回転される。すなわち、研磨パッド１２とウェハＷとが、それぞれ所望の速度で回転される。この状態で、ヘッド３０が、コラム２１に設けられた駆動機構２４によって、アーム２２と共に下方に移動され、ウェハＷに研磨パッド１２が押し当てられる。本実施の形態では、円滑な研磨加工を行うため、ウェハＷに研磨パッド１２が押し当てられる前に、ウェハＷの研磨対象の面に研磨液が供給される。

本実施の形態による研磨装置１００において、ウェハＷに研磨パッド１２が押し当てられるまでのヘッド３０の移動は、位置制御、すなわち、ヘッド３０の位置（Ｚ座標）に基づく制御である。そして、ウェハＷに研磨パッド１２が押し当てられ、研磨時の目標荷重が達成される前に、荷重制御に切り替えられる。具体的には、目標荷重が達成される際のヘッド３０の位置（Ｚ座標）よりも所定の距離だけ手前（上方）で位置制御から荷重制御に切り替えられる。この所定の距離は、予め測定によって求められ、記憶部５２に記憶されており、図６に示す例では２０μｍである。本実施の形態の荷重制御では、ウェハＷと研磨パッド１２との接触面に加わる圧力（面圧）が一定となるように、研磨体１０に加わる荷重、すなわちロードセル３３により測定される荷重が、ヘッド３０の位置（Ｚ座標）を調節することによって、制御される。

荷重制御に切り替えられた後、圧力評価部５４は、ウェハＷと研磨パッド１２との接触面に加わる圧力（面圧）をリアルタイムで監視する。この圧力は、加圧スプリング３２ａを介してロードセル３３によって測定される荷重と、研磨体１０のスピンドル１１の軸心とテーブル６０との相対位置関係に基づいて評価される研磨パッド１２とウェハＷとの接触面積と、に基づく。本実施の形態では、研磨パッド１２は、ウェハＷの上方から次第に当該ウェハＷに近接し、同時に、ウェハＷの径方向外側から径方向内側に向けて移動される。そして、研磨パッド１２の一部がウェハＷに押し当てられて当該ウェハＷの研磨が開始される。研磨パッド１２は、次第にウェハＷの径方向内側に移動される。これに伴って、研磨パッド１２の研磨面とウェハＷとの接触面積は次第に増大し、最終的に当該研磨面の全てがウェハＷに接触して接触面積は一定となる。本実施の形態においては、研磨パッド１２とウェハＷとの接触面に加わる圧力（面圧）が一定となるようにヘッド３０の位置（Ｚ座標）が制御されるため、ロードセル３３が測定する荷重は、次第に増大しその後一定となる。

ウェハＷの研磨時には、コラム２１がベース２３上を移動させられることにより、研磨体１０がウェハＷの一方の周縁部から他方の周縁部までＸ座標方向に沿って直線状に移動される。この研磨の過程において、ウェハＷの表面に微小な突起や異物が存在している場所を研磨体１０が通過すると、研磨体１０は急激に上方に移動される（押し上げられる）。この時、仮に弾性機構３２が存在せずに研磨体支持部材３１がロードセル３３に直接連結されているならば、ロードセル３３の測定値が急激に上昇することになる。このような急激な荷重の変化に追従して高精度に荷重制御を行うことは、一般に困難である。

これに対して、本実施の形態による研磨装置１００においては、研磨体支持部材３１とロードセル３３との間に加圧スプリング３２ａが取り付けられているため、この加圧スプリング３２ａがダンパーとして機能する。このことにより、ロードセル３３が検出する荷重が急激に上昇することがない。

ウェハＷの研磨加工に伴って当該ウェハＷの厚みが減少し、研磨体１０に加わる荷重が減少した場合には、ヘッド３０が、コラム２１に設けられた駆動機構２４によってアーム２２と共に下方に移動される。この移動により、研磨体１０がウェハＷに対してより強く押し当てられるため、研磨体１０に加わる荷重が増大すると共に、加圧スプリング３２ａが圧縮される。そして、ロードセル３３によって、研磨装置１００内に予め登録された研磨体１０に加わる最適な荷重が回復されたことが検出されると、移動は停止される。

本実施の形態による研磨装置１００において研磨体１０に加わる荷重を示すグラフが図７に示されている。図７に示すように、本実施の形態による研磨装置１００においては、図６に示す場合と比較して荷重が突出して上昇する箇所が無く、確かにオーバーシュートが回避されていることが確認される。

そして、所望の研磨加工が達成されると、研磨液の供給が停止されると共に、ヘッド３０が、駆動機構２４によってアーム２２と共に上方に移動される。そして、ユーザの指示に基づいて、研磨体１０及びテーブル６０の回転が停止され、ウェハＷがテーブル６０から取り外される。この時、必要に応じて、コラム２１がベース２３上を図１のＸ座標の負の方向に移動させられて、ヘッド３０が退避される。

以上のような本実施の形態によれば、ウェハＷの表面に微小な突起や異物が存在している場所を研磨パッド１２が通過しても、弾性機構３２の存在により、ロードセル３３が実質的に定常時の安定した荷重のみを計測可能な研磨装置１００を提供することができる。
換言すれば、駆動機構２４によるヘッド３０位置の検出の分解能に対する、荷重の検出の分解能を大幅に向上させることができる。

また、弾性機構３２は、コイルバネ（加圧スプリング３２ａ及びバランス用スプリング３２ｂ、３２ｃ）を有しているため、低コストで当該弾性機構３２を実現することができる。

更に、本発明によれば、位置制御から荷重制御に切り替わる際に生じる、研磨時の目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを回避できる研磨装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態では、研磨体１０は、スピンドル１１を介して研磨体支持部材３１に回転可能に支持されているが、当該研磨体１０は必ずしも回転可能に支持されている必要はない。

１０研磨体
１１スピンドル
１２研磨パッド
２０装置本体
２１コラム
２１ａコラムの一側面
２２アーム
２３ベース
２３ａベースの上面
３０ヘッド
３１研磨体支持部材
３１ａフランジ部
３２弾性機構
３２ａ加圧スプリング
３２ｂ、３２ｃバランス用スプリング
３３ロードセル
３５カバー
５０制御装置
５１検出部
５２記憶部
５３判定部
５４圧力評価部
６０テーブル
６０ａ載置面
６１支持ブロック
６２突条
７０ベッド
７１平行溝
１００研磨装置
Ｗウェハ

Claims

被研磨材を保持する保持部と、
前記保持部に保持された被研磨材を研磨する研磨体と、
弾性機構を介して前記研磨体を支持するヘッドと、
前記ヘッドをＺ座標方向に移動させる駆動機構と、
前記駆動機構に接続され、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記ヘッドに、前記研磨体に加わる荷重を測定する荷重測定装置が取り付けられ、
前記荷重測定装置は、前記弾性機構を介して前記研磨体に連結され、
前記制御部は、前記駆動機構によって前記ヘッドを下降させる際、はじめに位置制御によって前記駆動機構を制御し、目標荷重時のＺ座標となる位置よりも手前の、目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを抑制可能な予め求めた位置から荷重制御に切り換えて、前記駆動機構を制御する
ことを特徴とする研磨装置。
前記手前の、オーバーシュートを抑制可能な位置は、目標荷重が達成されるまで位置制御を行ったとした場合のオーバーシュート量に基づき算出されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記弾性機構は、コイルバネを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
被研磨材を保持する保持部と、
前記保持部に保持された被研磨材を研磨する研磨体と、
弾性機構を介して前記研磨体を支持するヘッドと、
前記ヘッドをＺ座標方向に移動させる駆動機構と、
前記駆動機構に接続され、前記駆動機構を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記駆動機構によって前記ヘッドを下降させる際、はじめに位置制御によって前記駆動機構を制御し、目標荷重時のＺ座標となる位置よりも手前の位置の、目標荷重に対する荷重のオーバーシュートを抑制可能な予め求めた位置から荷重制御に切り換えて、前記駆動機構を制御することを特徴とする研磨装置。