JPH08197417A - ポリッシングの終点検知方法 - Google Patents

ポリッシングの終点検知方法

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JPH08197417A
JPH08197417A JP2481295A JP2481295A JPH08197417A JP H08197417 A JPH08197417 A JP H08197417A JP 2481295 A JP2481295 A JP 2481295A JP 2481295 A JP2481295 A JP 2481295A JP H08197417 A JPH08197417 A JP H08197417A
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ポリッシング中にトップリングに往復運動さ
せることによって困難となるポリッシングの終点の検知
を可能にする一方法を提供する。 【構成】 回転するターンテーブル１２上面に貼設した
研磨布１１上にポリッシング対象物１４を保持したトッ
プリング１３を押圧するとともに、該トップリングをタ
ーンテーブル上を往復運動させてポリッシング対象物を
平坦且つ鏡面に研磨するポリッシングの研磨終点を検知
する方法において、前記往復運動するトップリング１３
のターンテーブル１２回転中心からの距離が同一である
位置におけるターンテーブルに働くトルクを断続的に検
出し、前記ポリッシング対象物１４の研磨が異材質に達
したときに生じる研磨摩擦力の変化を検知することを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はポリッシング（鏡面研
磨）に係わり、特に半導体ウエハ等のポリッシング対象
物を平坦かつ鏡面状に研磨するポリッシングの終点検知
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】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。特に０．５μｍ以下の光リソグラフィの
場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平
坦度を必要とする。そこで、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
てポリッシング装置により研磨（ポリッシング）するこ
とが行われている。
【０００３】従来、この種のポリッシング装置は、各々
独立した回転数で回転する、上面にクロス（研磨布）を
貼り付けたターンテーブルと、トップリングとを有し、
トップリングが所定の圧力をターンテーブルに与え、タ
ーンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象
物を介在させて該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ
鏡面に研磨している。
【０００４】上述したポリッシング装置のポリッシング
の終点検出手段の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知する方法が、例えば
USP5036015号公報等により知られている。詳しくは、ポ
リッシング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、異材質間で摩擦係数が異なるため、研磨が異材質へ
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、研磨が異材質に達し
た時がポリッシングの終点となる。
【０００５】ここで、研磨摩擦力の変化は次のように検
出される。研磨摩擦力はターンテーブル回転中心から偏
心した位置に作用するため、回転するターンテーブルに
は負荷トルクとして作用する。このため、研磨摩擦力は
ターンテーブルに働くトルクとして検出することができ
る。ターンテーブルを回転駆動させる手段が電動モータ
の場合には、トルクはモータに流れる電流として測定す
ることができるため、電流を電流計でモニタし、適当な
信号処理を施すことによってポリッシングの終点が検知
される。
【０００６】また、この種のポリッシング装置はポリッ
シング性能や生産性向上等の観点から、研磨中にトップ
リングはウエハを保持して回転運動とは別に、研磨布上
で往復運動を行う場合がある。これは研磨布を広範囲で
使用することにより研磨布の局部的な摩耗を防止し、研
磨布の寿命を長くする目的と同時に、研磨布の使用頻度
が局部的に多くなることに伴うウエハ平坦度の劣化を防
止する目的を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たトップリングの往復運動は、ポリッシング終点の検知
に問題を生じさせる。それは、研磨摩擦力が作用するタ
ーンテーブル上の位置が変動するため、ターンテーブル
に働くトルクが摩擦力の作用する位置の変動に伴って変
動してしまうことである。つまり、ターンテーブル中心
から研磨摩擦力が作用する距離と摩擦力の積がトルクで
あるから、距離が変動すると、トルクを検出しても摩擦
力が一意に決定されないのである。
【０００８】本発明は上述した問題点に鑑みなされたも
ので、ポリッシング中にトップリングに往復運動させる
ことによって困難となるポリッシングの終点の検知を可
能にする一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】本発明のポリッシングの
終点検知方法は、回転するターンテーブル上面に貼設し
た研磨布上にポリッシング対象物を保持したトップリン
グを押圧するとともに、トップリングをターンテーブル
上を往復運動させてポリッシング対象物を平坦且つ鏡面
に研磨するポリッシングの研磨終点を検知する方法にお
いて、前記往復運動するトップリングのターンテーブル
回転中心からの距離が同一である位置におけるターンテ
ーブルに働くトルクを断続的に検出し、ポリッシング対
象物の研磨が異材質に達したときに生じる研磨摩擦力の
変化を検知することを特徴とする。
【００１０】また、前記往復運動するトップリングのタ
ーンテーブル回転中心からの距離が同一である位置を複
数箇所に設定したことを特徴とする。
【００１１】また、前記往復運動するトップリングのタ
ーンテーブル回転中心からの距離が同一である位置にお
けるターンテーブルに働くトルクを、トップリングの移
動方向がターンテーブルの回転方向に対して順方向と逆
方向とに分けて、前記トルクを検出することを特徴とす
る。
【００１２】また、前記トップリングの往復運動を電流
検出時に所定時間停止させて行うことを特徴とする。
【００１３】
【作用】前述した構成からなる本発明によれば、ターン
テーブル駆動モータの電流をトップリングの往復運動中
のターンテーブル中心からの距離が同一である点で断続
的に検出するため、ターンテーブル上のトップリング位
置の変動に伴うトルクの変動、ひいてはターンテーブル
駆動モータの電流値の変動を無視することができる。
【００１４】また、ターンテーブル中心からの同一であ
る位置を複数ケ所設定することにより、終点検知の機会
が増すため、早期に終点を検知することができる。ま
た、ある箇所での検知に失敗しても他の箇所で検知する
ことができるため、終点決定の信頼性が向上する。
【００１５】また、検出する電流値をトップリングの往
復運動がターンテーブル回転方向に対し順方向と逆方向
とに分けて検出することにより、往復運動の方向に伴う
トルクの変動を無視して終点検知を行うことができる。
【００１６】さらに、トップリングの往復運動を電流検
出時に所定時間停止させるため、トップリングの往復運
動の方向によるターンテーブルに働く研磨摩擦力の方向
を考慮せずにポリッシングの終点検知が可能となる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明に係るポリッシング装置の一実
施例を図１乃至図９に基づいて説明する。図１は本発明
のポリッシング装置の全体構成を示す図、図２はターン
テーブルの上面図、図３はポリッシング時間中に検出し
たターンテーブルに流れる電流値を示すグラフである。
尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１８】ポリッシング装置はクロス１１を上面に貼
設したターンテーブル１２、半導体ウエハ１４を保持し
クロスに当接して回転するトップリング１３、トップリ
ングをターンテーブル上で往復運動させる揺動機構１
５、ターンテーブル駆動モータ１６の電流を検出し信号
処理する装置１７からなる。
【００１９】上述した構成からなるポリッシング装置の
ポリッシング動作を説明する。上面にクロス１１を張り
付けたターンテーブル１２は駆動モータ１６によってベ
ルトを介して回転される。ポリッシング対象物である半
導体ウエハ１４を保持したトップリング１３は半導体ウ
エハ１４をクロス１１に押圧するとともに、ターンテー
ブル回転軸とは偏心した軸回りに回転する。上記動作に
合わせてクロス上面に研磨砥液が供給され、半導体ウエ
ハ１４を研磨する。
【００２０】また、トップリング１３は回転運動と同時
に研磨布上を揺動機構１５により往復運動するようにな
っている。この往復運動は研磨布を広範囲で使用するこ
とにより研磨布の局部的な摩耗を防止し、研磨布の寿命
を長くする目的と同時に、研磨布の使用頻度が局部的に
多くなることに伴うウエハ平坦度の劣化を防止する目的
を有する。さらに、ポリッシング装置にはターンテーブ
ル駆動モータ１６の電流およびトップリング１３の位置
信号を検出し、ポリッシングの終点を決定する信号処理
装置１７を有する。
【００２１】トップリングの往復運動を図２に基づいて
説明する。図２において、トップリング１３に保持され
たウエハ１４は揺動機構１５により、円（１）の位置か
ら円（２）、円（３）へ移動し、再び円（２）、円
（１）・・・へ等速で移動する。移動方向はターンテー
ブル１２の半径方向である。このような往復運動中のト
ップリング中心がターンテーブル中心から同一の距離に
ある位置で、ターンテーブル駆動モータの電流を検出す
る。図２において、円（１）で示すトップリング中心は
ターンテーブル中心からの距離がｒ1 の位置にあり、往
復運動中にこの位置にあるときのみモータ１６の電流値
を検出する。したがって、検出した電流値は断続的なも
のとなる。断続的に検出した電流値を時系列的に表現し
たグラフを図３に示す。
【００２２】図４はポリッシング対象物である半導体ウ
エハの拡大断面図である。半導体ウエハ１４は、シリコ
ン基板２０上に金属配線２１を設け、その上に二酸化シ
リコンからなる絶縁膜２２を形成したウエハを想定して
いる。符号２３は研磨面を示している。図４（ａ）は研
磨前、図４（ｂ）は研磨が金属配線２１に達したときの
半導体ウエハを示す。最上層の絶縁膜２２を研磨してい
くと、研磨は金属配線２１の領域に達するため、これら
の材料の差異による研磨係数の違いが研磨摩擦力の変化
を生じさせる。
【００２３】図５にモータ電流の検出方法の流れ図を示
す。モータ電流Ｓ1 は電流計によって電圧値信号Ｓ2 に
変換される。検出された信号Ｓ1 は一般的に雑音を含
み、その雑音の周波数は高周波域にあるため、これをフ
ィルタリングし雑音が除去された信号Ｓ3 となる。した
がって、ここでのフィルタは低域通過特性を有するもの
である。次に、トップリングの往復機構中に備えた位置
信号発生装置が往復運動中の所定位置で位置信号Ｓ4 を
発生し、この信号と同期して連続的に信号処理されてい
る電流値信号Ｓ3 を取り込む。したがって、Ｓ3 までは
連続信号であるがＳ5 は断続的な信号となる。トップリ
ングの往復運動中に位置信号Ｓ4 を発生することはリミ
ットスイッチを用いて簡単に行うことができる。ここで
発生した信号Ｓ4 はサンプリング時刻の決定に用いると
同時に、サンプリングした電流値信号がトップリングが
どの位置にあるときのものかを対応させるため、次の終
点判断のステップにも送られる。
【００２４】図６はポリッシング終点を決定する手順を
示す流れ図であり、図５における終点判断のステップに
対応する。まず、信号処置装置１７の初期設定におい
て、すべての変数を初期化する。次に、トップリングが
往復運動中に所定位置に来たときのターンテーブル駆動
モータの電流を検出して信号Ｓ5 を信号処理装置に取り
込む。なお、ｎは断続的に検出した電流値信号の検出順
を表す自然数である。この検出した電流値信号Ｓ5 を過
去に検出した電流値の平均値と比較し、その変化を検知
するため、第３ステップにおいてデータの数が所定数ｎ
0 までの平均値を計算する。次の第４ステップにおい
て、過去の信号Ｓ5 の平均値と現在の電流値信号Ｓ5 と
の差の絶対値を計算し、所定以上の差を生じた場合に研
磨終点と判定する。
【００２５】第４ステップ（終点判断）において研磨終
点が検知された場合、ポリッシング装置全体を制御する
制御装置に研磨終点である信号を送る。これによりポリ
ッシング装置の制御装置（図示せず）はターンテーブル
及びトップリングの回転を停止する等の処理を行う。
【００２６】次に、本発明の他の実施例を図２および図
７に基づいて説明する。図７はトップリングの位置がタ
ーンテーブル中心からの距離が同一である箇所を３箇所
設定し、それぞれの位置で検出した電流値を示すグラフ
である。
【００２７】図２において、ウエハ１４が円（１）、円
（２）、および円（３）の位置での電流をそれぞれ独立
に検出する。それぞれの位置での検出電流を図７に示
す。図２におけるウエハが円（１）で示す位置で電流を
検知し、次に円（２）、円（３）、円（２）、円（１）
…の順でモータ１６の電流を検知する。各位置ｒ1 ，ｒ
2 ，ｒ3 での電流値は図７に示すように独立に扱われ
る。図７において、、…は検出順を表す。独立し
て扱うのは各検出位置での摩擦力が作用する位置のター
ンテーブル中心からの距離が異なるため、距離の変動に
よる影響を排除するためである。ここで、トップリング
は円（２）で示される位置ｒ2 を往復運動の１サイクル
中に２回通過するため、円（１）および円（３）で示す
位置ｒ1 ，ｒ3 より１サイクル中に検出する回数が多
い。また、各位置での検出時刻は図示するように異な
る。このように検出された電流値から、各位置ｒ1 ，ｒ
2 ，ｒ3 での電流変化をそれぞれ独立に評価する。変化
を検出する方法は第一実施例と同様であり、図５及び図
６の流れに従がって過去の平均値と現在の電流値とを比
較する。
【００２８】次に、さらに他の実施例を図８および図９
に基づいて説明する。図８および図９は、図１における
トップリング１３が第一実施例と異なる往復運動を行う
ポリッシング装置のターンテーブルの上面図を示す図で
ある。ここで図８はトップリングが点Ｃを中心とした揺
動運動を行う場合であり、図９はターンテーブルの半径
方向に対して垂直方向に往復運動を行うものである。
【００２９】図８及び図９に示す構成のポリッシング装
置が第一実施例と異なるのは、往復運動の方向がターン
テーブルのトルクに影響する点である。トップリングが
このような半径方向以外の往復運動をする場合には、ト
ップリングの位置がターンテーブル中心から同一の距離
である位置であってもその位置を通過するトップリング
の方向によってターンテーブルに働くトルクが変動して
しまう。例えば図８において、円（３）の位置を時計回
りに通過するか反時計回りに通過するかによって、摩擦
力はターンテーブルに対して回転力を付与し、または回
転力に対して反力として作用する。したがって、トップ
リングの往復運動の方向を考慮しなければならない。
【００３０】そこで、トップリング１３にターンテーブ
ル１２の半径方向と直交するような往復運動をさせる場
合、テーブル中心からの距離が同一の位置であっても、
往復運動の方向によって検出した電流値信号を別々に扱
うようにする必要がある。すなわち、図８において、円
（２）乃至円（４）を通過する時に検出した信号は、ト
ップリングの揺動が時計回りと反時計回りの場合に分け
て扱う必要がある。トップリングの移動方向によって分
けて検出した電流値信号はそれぞれ独立に、第一実施例
と同様の図５及び図６に示す信号処理を施すことによっ
て研磨終点が検知される。
【００３１】また、トップリングにターンテーブルの半
径方向と直交するような往復運動をさせる場合、各検出
位置で検出する時間だけトップリングの往復運動を停止
させることにより、往復運動の方向によるトルクの変動
を考慮せずに終点を検知することができる。この場合、
トップリングが停止している間の電流値信号は連続値と
して検出し、この連続値をトップリングの往復運動に従
って断続的に検出すればよい。
【００３２】尚、以上の説明は半導体ウエハのポリッシ
ングについて行ったが、本発明の趣旨は微細な加工を必
要とするポリッシング一般に適用できるものであること
は言う迄もない。
【００３３】
【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
トップリングをターンテーブル上で往復運動させる形式
のポリッシング装置においても、半導体ウエハ等の各種
表面被膜のポリッシングの終点を確実に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のポリッシング装置の全体構
成を示す説明図。
【図２】ターンテーブルの上面を示す説明図。
【図３】ポリッシング時間と検出された電流値との関係
を示す線図。
【図４】半導体ウエハの表面を示す拡大断面図で、
（Ａ）は研磨前、（Ｂ）は研磨終了時を示す。
【図５】電流値検出の流れ図。
【図６】ポリッシングの終点検出の流れ図。
【図７】ポリッシング時間と異なる位置で検出された電
流値との関係を示す線図。
【図８】ターンテーブルの上面を示す説明図。
【図９】ターンテーブルの上面を示す説明図。
【符号の説明】
１２ ターンテーブル １３ トップリング １４ ウエハ ｒ1，ｒ2，ｒ3 ターンテーブル中心からの距離

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転するターンテーブル上面に貼設した
    研磨布上にポリッシング対象物を保持したトップリング
    を押圧するとともに、該トップリングをターンテーブル
    上を往復運動させてポリッシング対象物を平坦且つ鏡面
    に研磨するポリッシングの研磨終点を検知する方法にお
    いて、前記往復運動するトップリングのターンテーブル
    回転中心からの距離が同一である位置におけるターンテ
    ーブルに働くトルクを断続的に検出し、前記ポリッシン
    グ対象物の研磨が異材質に達したときに生じる研磨摩擦
    力の変化を検知することを特徴とするポリッシングの終
    点検知方法。
  2. 【請求項２】 前記往復運動するトップリングのターン
    テーブル回転中心からの距離が同一である位置を複数箇
    所に設定したことを特徴とする請求項１記載のポリッシ
    ングの終点検知方法。
  3. 【請求項３】 前記往復運動するトップリングのターン
    テーブル回転中心からの距離が同一である位置における
    ターンテーブルに働くトルクを、トップリングの移動方
    向がターンテーブルの回転方向に対して順方向と逆方向
    とに分けて、前記トルクを検出することを特徴とする請
    求項１又は２記載のポリッシングの終点検知方法。
  4. 【請求項４】 前記トップリングの往復運動を電流検出
    時に所定時間停止させて行うことを特徴とする請求項１
    又は２記載のポリッシングの終点検知方法。
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