JPH08174417A

JPH08174417A - 研磨装置及び研磨量制御方法

Info

Publication number: JPH08174417A
Application number: JP32314794A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fujita; 隆藤田; Toshiyasu Beppu; 敏保別府; Shunichi Shibuki; 俊一渋木
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-09

Abstract

(57)【要約】【目的】研磨量を安定させることが可能な研磨装置及
び研磨量制御方法を提供すること。【構成】ウエハ受け台４にはウエハ６の上面に純水を
供給するためのノズル５がその先端部分を回動可能に取
り付けられており、またウエハ受け台４上の受け皿７に
はウエハ６の下面に純水を供給するための孔がその中央
に取り付けられている。搬送ベルト８の他端側には膜厚
を測定する際、及びウエハ６を乾燥する際にウエハ６を
保持する測定用保持部23が設けられている。測定用保持
部23の上方には測定用保持部23上に保持されたウエハ６
の膜厚を測定する光学干渉式の膜厚測定器10が設置され
ている。膜厚測定器10から得られる膜厚データは研磨条
件制御ユニット９へ与えられ、研磨条件制御ユニット９
にて研磨定盤駆動部24を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、研磨量を制御しながら
ウエハ等の平板状試料を研磨する研磨装置及び研磨量制
御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ウエハの研磨量を制御する方法として
は、まず研磨速度を予め測定しておき、その研磨速度に
基づいて研磨時間を見積って全てのウエハの研磨を実施
する方法が一般的である。この方法は、研磨の再現性が
保証されており、研磨パッドの経時変化がほとんどない
という前提の元で行われている。

【０００３】しかしながら研磨量の安定性を重視する場
合は、研磨パッドの経時変化，研磨液の経時変化を考慮
する必要がある。また研磨パッド及び研磨液の交換時期
は積算研磨時間から算出して管理されているので、研磨
パッド及び研磨液の品質のばらつき等の原因により所要
の研磨量を確保することは困難である。以上より上述の
制御方法は適切な方法とはいえない。

【０００４】そこで従来より種々の制御方法が開示され
ている。特開昭62−101034号公報には、表面に凹凸を有
するシリコン酸化膜を研磨する場合、研磨の終点である
谷の部分にシリコン酸化膜よりも研磨速度が低いSi₃Ｎ
₄層を形成しておき、このSi ₃Ｎ₄層を研磨のストップ
膜として作用させることにより、研磨量を制御する制御
方法が開示されている。

【０００５】また特開昭64-27855号公報には、基板上に
形成された薄膜を研磨する場合、研磨と平行して膜厚を
測定する方法が開示されている。この方法は、研磨加工
前の膜厚を予め測定しておき、また研磨加工の途中に所
定時間間隔で膜厚を測定する。そして前回の膜厚と今回
の膜厚との差から研磨量を算出し、研磨加工前の膜厚か
ら該研磨量を差し引くことにより、現在の膜厚を求め
る。この膜厚が設定値に達すると研磨を終了する。

【０００６】研磨加工中に膜厚を測定すると、研磨液，
加工屑がウエハ表面に存在することが多いので膜厚を正
確に測定することが困難であるが、この方法は、差分処
理を行うのみで複雑な補正演算を行うことなく研磨量を
測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開昭62−101034号に
よる制御方法は、通常の研磨工程の前にSi₃Ｎ₄層を成
膜するための工程を挿入するため、工程数が増加する。
このことはコストの上昇及び処理能力の低下を招来す
る。また研磨液，加工屑の厚みが常に一定であるとは限
らないので、特開昭64-27855号による方法で研磨途中の
膜厚を正確に測定することは非常に困難である。

【０００８】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、研磨量の測定結果に基づいて研磨条件の設
定、又は研磨材の交換を制御することにより、研磨量を
安定させることが可能な研磨装置及び研磨量制御方法を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る研磨装置
は、研磨定盤の回転数，研磨時間，又は研磨圧力等の研
磨条件を制御して複数の平板状試料を逐次研磨する研磨
装置において、研磨後の平板状試料を洗浄する手段と、
洗浄された平板状試料を乾燥する手段と、研磨量測定の
ために平板状試料を位置決めする手段と、平板状試料の
所定箇所の厚みを測定する測定手段と、該測定手段によ
る結果に基づいて研磨条件を変更する条件変更手段とを
備えることを特徴とする。

【００１０】第２発明に係る研磨装置は、第１発明にお
いて、前記測定手段による結果に基づいて研磨条件の変
更か、又は研磨材の交換かを判断する判断手段と、該判
断手段が研磨材の交換と判断した場合にその旨指示する
指示手段とを備え、該判断手段が研磨条件の変更と判断
した場合に前記条件変更手段が研磨条件を変更するよう
になしてあることを特徴とする。

【００１１】第３発明に係る研磨量制御方法は、複数の
平板状試料を回転する研磨定盤により逐次研磨する際に
研磨量を制御する方法において、各平板状試料の研磨後
の研磨量を測定し、この測定結果に基づいて研磨条件を
変更して次の平板状試料を研磨することを特徴とする。

【００１２】第４発明に係る研磨量制御方法は、第３発
明において、前記測定結果に基づいて研磨条件の変更
か、又は研磨材の交換かを判断し、研磨材の交換と判断
した場合はその旨指示し、研磨条件の変更と判断した場
合は研磨条件を変更することを特徴とする。

【００１３】

【作用】第１，３発明にあっては、研磨後の平板状試料
を洗浄，乾燥して研磨量を測定するので、研磨液，加工
屑等のパーティクルの厚みに影響されることなく正確に
研磨量を測定することができる。またこの測定結果に基
づいて研磨条件の設定、又は研磨材の交換を制御するの
で研磨量が安定する。さらに研磨量測定のための位置決
め手段を備えるので、平板状試料上に測定専用部分を設
けてその部分を測定する場合に、測定専用部分を正確に
測定することができる。そして研磨量の測定結果に基づ
いて研磨条件を変更する条件変更手段を備えるので、研
磨材の材質，品質にばらつきがあっても所定の研磨量を
確保することができる。

【００１４】第２，４発明にあっては、判断手段が、測
定手段の結果に基づいて研磨条件の変更，又は研磨材の
交換のいずれを行うかを判断し、研磨条件の変更と判断
した場合は前記条件変更手段が研磨条件を変更し、研磨
材の交換と判断した場合は研磨パッド又は研磨液等の研
磨材の交換を所定装置又はユーザに指示する。これによ
りそのときの研磨状態に則した制御を行うことが可能で
ある。

【００１５】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
き具体的に説明する。図１は、本発明に係る研磨装置及
びその周辺を示す模式的平面図であり、図２はこの側面
図である。図中８は、基板上に薄膜を積層してなる多数
のチップが並設されたウエハ６をウエハ受け台４上に載
置して、ウエハ６を矢符方向へ搬送する搬送ベルトであ
る。この搬送ベルト８の一端側の側部には、研磨を行う
際に、ウエハ６をウエハチャック台２にて保持する保持
プレート１が配設されており、保持プレート１の上方に
は保持プレート１と略同径であり、研磨定盤駆動部24に
より駆動される研磨定盤25が設置されている。搬送ベル
ト８と保持プレート１との間には、これらの間でウエハ
６を搬送する真空吸着式のウエハハンドラー３が設置さ
れている。

【００１６】ウエハ受け台４にはウエハ６の上面に純水
を供給するためのノズル５がその先端部分を回動可能に
取り付けられており、またウエハ受け台４上の受け皿７
にはウエハ６の下面に純水を供給するための孔がその中
央に取り付けられている。この上下両方向からの純水噴
射によりウエハ６の両面を純水で簡易洗浄することがで
きる。

【００１７】搬送ベルト８の他端側には膜厚を測定する
際、及びウエハ６を乾燥する際にウエハ６を保持する測
定用保持部23が設けられている。測定用保持部23の上方
には測定用保持部23上に保持されたウエハ６の膜厚を測
定する光学干渉式の膜厚測定器10が設置されている。膜
厚測定器10から得られる膜厚データは研磨条件制御ユニ
ット９へ与えられ、研磨条件制御ユニット９にて研磨定
盤駆動部24を制御するようになっている。搬送ベルト
８，測定用保持部23間におけるウエハ６の授受は、ウエ
ハハンドラー３と同様のウエハハンドラー13にて行うよ
うになっている。

【００１８】以上の如く構成された研磨装置において
は、搬送ベルト８上のウエハ６をウエハハンドラー３に
て保持し、ウエハ受け台４上の受け皿７上へウエハ６を
移動させ載置する。そして研磨定盤25を下降させ回転さ
せてウエハ６の研磨を行う。研磨が終了したウエハ６は
再度ウエハハンドラー３にて保持し、搬送ベルト８上へ
移動させウエハ受け台４に載置する。搬送ベルト８にて
ウエハ６が搬送される間にウエハ６は簡易洗浄される。
ウエハ６が搬送ベルト８の他端側まで達すると、ウエハ
６をウエハハンドラー13にて測定用保持部23に載置す
る。そして測定用保持部23上にて乾燥及び研磨量の測定
を行い、他のウエハハンドラーにて所定の処理装置へ移
動させる。

【００１９】測定用保持部23及び膜厚測定器10の詳細な
側面図を図３に示す。図４は測定用保持部23の平面図で
ある。測定用保持部23は、回転スピンドル19上に取り付
けられた昇降式のウエハ真空チャック台11と、位置決め
リング保持台20に保持された４個の位置決めリング12,1
2,12,12 とを備える。位置決めリング保持台20は、回転
スピンドル19を囲僥し、その上端部において直交する２
直径方向にフランジを有する態様で設けられている。位
置決めリング12はこのフランジ上にその中心を軸とした
水平方向の回転及びウエハ６の半径方向への移動が可能
なように取り付けられている。位置決めリング12の側面
はウエハ６の側面形状に対応するように凹んでいる。

【００２０】また前記フランジにはウエハ６のオリエン
テーションフラット部を検出するための検出器14, 14が
取り付けられている。検出器14, 14は、発光部14a, 14a
及び受光部14b, 14bを有する透過光式センサである。さ
らにウエハ６の膜厚の測定部分に空気を噴射するエアガ
ン16がウエハ真空チャック台11上に臨ませてある。

【００２１】膜厚測定器10は、顕微鏡の対物レンズと同
様に複数のレンズを有する対物レンズ15と、発光部10a
と、受光部10b と、ハーフミラー10c とを備える。そし
て発光部10a から発せられるレーザー光の光学的干渉を
使用している。多重干渉式のものとして例えば大日本ス
クリーン（株）製のラムダエース（商品名）が挙げられ
る。

【００２２】図５は、例えば層間絶縁膜の膜厚を正確に
測定するために本発明方法で使用するウエハ６を示す模
式図である。測定用の複数のパターンで層間絶縁膜が形
成されたパッドを有するチップＡを図５(a) に示す如く
ウエハ６内に１つ以上設けてある。図５(b) はチップＡ
を示す拡大図であり、図５(c) は図５(b) のＢ−Ｂ線に
おける断面図である。測定用のパターンは、複数層に設
けられた金属配線31と、金属配線31間に設けられた層間
絶縁膜32とで形成されている。最上層の金属配線31が存
在する部分の表面は他の部分より表面位置が高くなって
いる。

【００２３】測定用保持部23及び膜厚測定器10を使用し
た膜厚の測定手順について説明する。まずウエハ６をウ
エハハンドラー13にて測定用保持部23に載置し、測定用
保持部23にてウエハ６を真空吸着する。ウエハ６を全面
乾燥する場合は、ここで回転スピンドル19を高速回転(1
000rpm以上）させてウエハ６上の水分を吹き飛ばす。そ
して位置決めリング12,12,12,12 を外側から内側（ウエ
ハ６）へ向けて移動させ、位置決めリング12,12,12,12
にてウエハ６を挟む。これにより水平面内のＸ，Ｙ方向
におけるウエハ６のアライメント調整が行える。

【００２４】検出器14は、発光部14a,受光部14b 間にお
いて光を遮断するものがあるか否かをセンシングする。
２つの検出器14, 14の間にオリエンテーションフラット
部が存在すると光が透過し、オリエンテーションフラッ
ト部の位置がずれていると発光部14a,受光部14b 間で光
が遮断される。光が遮断されている場合は、ウエハ真空
チャック台11を回転させて位置合わせを行う。これによ
り水平面におけるウエハ６の角度調整が行える。

【００２５】そして膜厚測定器10の発光部10a から光を
発しハーフミラー10c にて反射させ、さらに適当な対物
レンズ15を介してウエハ６表面の適宜位置へ光を照射す
る。ウエハ６表面による反射光を受光部10b にて受光
し、そのデータを研磨条件制御ユニット９へ与える。研
磨条件制御ユニット９では、光学干渉の原理を利用して
研磨量を算出し、研磨定盤25の回転速度, 研磨圧力, 研
磨時間等の条件を設定して適宜信号を研磨定盤駆動部24
へ与える。研磨条件制御ユニット９は、ウエハハンドラ
ー13等の所定装置へも適宜制御信号を与える。

【００２６】図６は、本発明装置を使用した研磨量制御
の処理手順を示すフローチャートである。まず研磨前の
層間絶縁膜の膜厚を測定しておく（ステップＳ１）。そ
して研磨定盤駆動部24の研磨条件を研磨条件制御ユニッ
ト９にて初期値に設定し（ステップＳ２）、この値を研
磨定盤駆動部24が読み込んで（ステップＳ３）研磨定盤
25を駆動させてウエハ６を研磨し、その後搬送ベルト８
で搬送しながらウエハ受け台４で簡易洗浄する（ステッ
プＳ４）。そして測定用保持部23でウエハ６を保持し位
置合わせをして膜厚測定器10で膜厚を測定する（ステッ
プＳ５）。

【００２７】研磨条件制御ユニット９が、予め測定して
おいた研磨前の膜厚からこの測定データに基づく膜厚デ
ータを差し引くことによって研磨量を算出する（ステッ
プＳ６）。この研磨量測定は各ウエハ６について行い、
そのデータは各バッチにつき一枚読み込む。算出された
研磨量が許容範囲内にあるか否かを判断し（ステップＳ
７）、許容範囲内にある場合はステップＳ４へ戻り次の
ウエハの研磨及び洗浄を行う。許容範囲内にない場合は
研磨パッドを交換する必要があるか否かを判断し（ステ
ップＳ８）、交換する必要がないと判断した場合は研磨
条件を変更し（ステップＳ９）、ステップＳ３へ戻る。
交換する必要があると判断した場合は、研磨条件制御ユ
ニット９が所定装置にその旨告知せしめ、これに従って
ユーザが研磨パッドを交換する（ステップＳ10）。そし
て試運転を行った（ステップＳ11）後、ステップＳ２へ
戻り研磨条件の初期値を設定する。

【００２８】次にステップＳ７における判断の方法につ
いて説明する。研磨量の目標値及びその上限値，下限値
を予め設定して許容範囲を設定し、さらに研磨量がある
一定の割合で変化することを計算して下限値より少し大
きい値の研磨条件変化点を設定しておく。ステップＳ７
では研磨量がこの研磨条件変化点を下回ると許容範囲内
にはないと判断するようになしてある。

【００２９】研磨条件変化点の設定方法は以下のとおり
である。研磨量が減少してこの研磨条件変化点に達する
と、その次に処理されるウエハの研磨条件が変化するよ
うにフィードバック信号が研磨定盤駆動部24へ与えられ
る。従ってこのとき処理中のウエハは変更後の研磨条件
では研磨されない。従ってこのウエハの研磨量が下限値
より小さくならないように研磨条件変化点を設定する必
要がある。これにより安定して研磨量を許容範囲内とす
ることができる。

【００３０】図７は従来方法と本発明方法とにおける研
磨量を研磨回数に対応させて示すグラフである。例えば
研磨量の目標値が５分で 10000Å（研磨速度2000Å／
分）である場合について述べる。ここで連続するプロセ
スにおけるばらつきの許容範囲を５％とすると、研磨量
の上限値は 10500Å、下限値は9500Åとなる。そして研
磨条件変化点は、目標値と下限値との差(500Å) の２割
(100Å) を下限値に加えた9600Åとしている。従来装置
による研磨量は図７に△で示す如く徐々に少なくなって
いる。本発明装置による研磨量も略一定の割合で減少し
ているが、研磨条件変化点を下回ると上限値近くまで上
昇している。本発明では研磨条件を変更する等して上限
値近くに上昇するまでの時間ｔを計測している。この時
間ｔはある時点まで除々に短くなっていることが判る。
時間ｔが所定値より長い場合は研磨条件の変更を行い、
その後、短くなったときにはパッド交換警告を発し研磨
条件の変更を行う。その次に研磨条件変化点を下回ると
研磨パッドを交換する。

【００３１】図７において初回に研磨条件変化点を下回
ったときは時間ｔが所定値よりも長いので研磨条件の変
更（Ｉ）を行っている。その次も時間ｔが所定値よりも
長いので研磨条件の変更（Ｉ）を行っており、３回目は
時間ｔが所定値よりも短くなったのでパッド交換警告を
発し研磨条件の変更を行っている（II）。４回目に研磨
条件変化点を下回ったときは当然時間ｔが所定値よりも
短く、またパッド交換警告を発っせられた後であるので
研磨パッドを交換する(III) 。５回目に研磨条件変化点
を下回ったときは、研磨パッドが交換された直後である
ので、再び時間ｔが所定値よりも長くなっており研磨条
件の変更（Ｉ）のみを行っている。

【００３２】研磨条件の変更例として研磨時間の変更に
ついて具体的に説明する。初期値は研磨量 10000Å，１
枚当たりの研磨時間５分で研磨速度2000Å／分である。
膜厚測定器10による測定結果から得られる研磨量が研磨
条件変化点（9600Å）に達したときは研磨速度は1920Å
／分になっている。そこで１枚当たりの研磨時間を 100
00÷1920により 5.208分に変更してウエハ研磨の連続処
理を再開する。そして研磨量が再度、研磨条件変化点に
達したときは研磨速度は1843Å／分になっている。そこ
で１枚当たりの研磨時間を 10000÷1843により 5.426分
に変更してウエハ研磨の連続処理を再開する。次に研磨
条件変化点に達したときは研磨速度は1769Å／分になっ
ている。このような変更を繰り返し、算出された研磨時
間が６分を越えたときパッド交換警告を発する構成とし
てもよい。研磨パッドの交換した後は初期値５分に戻
す。

【００３３】このような処理手順でウエハを研磨するこ
とにより、ウエハの研磨量を正確に制御することができ
る。なお上述の例では研磨材として研磨パッドの交換に
ついて示し、研磨液の交換については示していないが、
必要に応じて研磨液も交換する構成とすればよい。また
研磨条件として、研磨時間の他、研磨圧力，定盤回転数
を変更してもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明に係る研磨装置及び
研磨量制御方法は、洗浄後に実施された研磨量の測定結
果に基づいて研磨条件の設定、又は研磨材の交換のいず
れを行うかを制御することにより、パーティクルの厚み
に影響されることなく正確に研磨量が測定され、また研
磨量の過不足に対し適切な措置が採られるので、研磨量
を精度よく安定させることが可能である等、本発明は優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研磨装置及びその周辺を示す模式
的平面図である。

【図２】図１に示す研磨装置の模式的側面図である。

【図３】図１，２に示す測定用保持部及び膜厚測定器を
示す模式的側面図である。

【図４】図３に示す測定用保持部の模式的平面図であ
る。

【図５】本発明方法で使用するウエハを示す模式図であ
る。

【図６】本発明装置を使用した研磨量制御の処理手順を
示すフローチャートである。

【図７】従来方法と本発明方法とにおける研磨量を研磨
回数に対応させて示すグラフである。

【符号の説明】

４ウエハ受け台５ノズル６ウエハ７受け皿９研磨条件制御ユニット 10 膜厚測定器 11 ウエハ真空チャック台 12 位置決めリング 14 検出器 16 エアガン 24 研磨定盤駆動部 25 研磨定盤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨定盤の回転数，研磨時間，又は研磨
圧力等の研磨条件を制御して複数の平板状試料を逐次研
磨する研磨装置において、研磨後の平板状試料を洗浄す
る手段と、洗浄された平板状試料を乾燥する手段と、研
磨量測定のために平板状試料を位置決めする手段と、平
板状試料の所定箇所の厚みを測定する測定手段と、該測
定手段による結果に基づいて研磨条件を変更する条件変
更手段とを備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】前記測定手段による結果に基づいて研磨
条件の変更か、又は研磨材の交換かを判断する判断手段
と、該判断手段が研磨材の交換と判断した場合にその旨
指示する指示手段とを備え、該判断手段が研磨条件の変
更と判断した場合に前記条件変更手段が研磨条件を変更
するようになしてあることを特徴とする請求項１記載の
研磨装置。
【請求項３】複数の平板状試料を回転する研磨定盤に
より逐次研磨する際に研磨量を制御する方法において、
各平板状試料の研磨後の研磨量を測定し、この測定結果
に基づいて研磨条件を変更して次の平板状試料を研磨す
ることを特徴とする研磨量制御方法。
【請求項４】前記測定結果に基づいて研磨条件の変更
か、又は研磨材の交換かを判断し、研磨材の交換と判断
した場合はその旨指示し、研磨条件の変更と判断した場
合は研磨条件を変更することを特徴とする請求項３記載
の研磨量制御方法。