JPH10202513A - ポリッシングの終点検知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ポリッシング中にトップリングを往復運動さ
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、容易に可能にする方法を提供する。 【解決手段】 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方法におい
て、前記ターンテーブル１２に働くトルクを連続的に計
測すると共に移動平均し、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前記トルクの変化を検
知することで、研磨終点を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はポリッシング（鏡面
研磨）方法に係わり、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、モータ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すると共に、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化に伴って変
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、トップリングの往復運動に伴いターンテーブ
ル中心からの距離が変動すると、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】このため、トップリングが往復運動するこ
とによるターンテーブルのトルク変動を除去し、終点検
出のための研磨摩擦力の変化を得るため、トップリング
とターンテーブル回転中心の距離により補正演算を行
う、あるいは、トップリングとターンテーブル回転中心
の距離が同一箇所で断続的にトルクを検出することなど
が考えられていた。しかしながら、補正演算を行うにし
ても、あるいは同一箇所を選択して断続的にトルク検出
を行うにしても、トップリングのターンテーブルに対す
る相対的な位置を常に検出する必要があり、その制御が
煩雑になるという問題があった。

【０００９】本発明は上述した問題点に鑑み為されたも
ので、ポリッシング中にトップリングを往復運動させる
ことによって困難となるポリッシングの終点の検知を、
容易に可能にする方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【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、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方法において、前記ターンテ
ーブルに働くトルクを連続的に計測し、前記往復運動す
るトップリングの往復運動周期で計測したトルクを移動
平均し、前記ポリッシング対象物の研磨が異材質に達し
たときに生じる前記トルクの変化を検知することで、研
磨終点を検知することを特徴とする。

【００１１】前述した構成からなる本発明によれば、連
続的に計測したターンテーブルのトルクをトップリング
の往復運動周期で移動平均することにより、ターンテー
ブル上のトップリング位置の往復運動に伴うトルクの変
動を除去することができる。従って、連続的にターンテ
ーブルのトルクの変化、即ちターンテーブル上に生じる
摩擦力の変化を監視することで、容易にポリッシングの
終点を検知することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るポリッシング
装置の一実施形態を図１乃至図４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はトップリングの往復運動の一例を示す図、図３は
本発明の一実施形態の終点検出方法の全体構成を示す
図、図４は半導体ウェハの研磨の一例を示す図である。

【００１３】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、ターンテーブルを回転駆動するモータ１６、ターン
テーブル１２のトルクを検出するトルク計測手段１７等
の装置からなる。

【００１４】トルク計測手段１７は、例えばターンテー
ブル１２のトルクが変化するとモータ１６の電流が変化
することを利用して、モータ１６の電流を計測する手段
であってもよいが、又、ターンテーブル１２の回転軸に
直接トルク計を取り付けるようにしてもよい。

【００１５】上述した構成からなるポリッシング装置の
ポリッシング動作の概要を説明する。上面にクロス１１
を張り付けたターンテーブル１２はモータ１６によって
ベルトを介して回転駆動される。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Ｑが供給され、
半導体ウエハ１４を研磨する。

【００１６】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。

【００１７】トップリングの往復運動の一例を図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。この場合の移動方向
はターンテーブル１２の半径方向である。

【００１８】トルク計測手段１７は、このような往復運
動中のトップリングのもとで、半導体ウェハ１４の研磨
に伴うターンテーブル１２のトルクを連続的に検出す
る。トルクの検出は、トルク計測手段１７によりターン
テーブル駆動モータの電流、または回転軸に取り付けら
れたトルクメータを用いて行う。このようにして検出さ
れたトルクは、中間位置（２）において計測されるトル
クに対して、例えばターンテーブルの最外周（１）にお
いてトルクは最も大きくなり、最内周（３）においてト
ルクは最も小さくなる。従って、トルクは時間の経過と
ともにトップリング往復運動周期で変動する波形とな
る。

【００１９】次に、本発明のポリッシング終点検出方法
の手順について図３を参照しながら説明する。ターンテ
ーブルのトルク計測手段１７により検出されたトルク信
号は、終点検出手段１８に入力される。終点検出手段１
８では、往復運動するトップリングの往復運動周期で計
測されたトルクを移動平均処理する。ポリッシング制御
部より往復運動周期に関する信号が入力され、移動平均
演算時間がこの信号に基づいて演算され算出される。こ
の移動平均演算時間を用いて時間と共に略正弦波状に変
化するトルク信号を移動平均処理する。

【００２０】移動平均処理されたトルク信号は、トップ
リング往復運動周期で変化するトルク変動分が除去され
たものであり、図示するように滑らかな曲線となる。そ
して、この滑らかに変化するトルクが上昇または下降し
た時は、ターンテーブルの移動時間平均のトルクが変化
したことを示すので、この変化が所定値以上の大きさで
ある場合に、ポリッシングの終点を検出することができ
る。この終点検出信号は、ポリッシング制御部に伝達さ
れ、ターンテーブルの回転運動、トップリングの回転運
動及び往復運動を停止し、ポリッシング動作を停止す
る。

【００２１】ポリッシング対象物である半導体ウエハの
拡大断面図を、図４に示す。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、即
ちターンテーブルのトルクの変化を生じさせる。

【００２２】上述した本発明の終点検出方法によれば、
研磨が同一材料を進行中でも、トップリングの往復運動
に伴い変化するが、このトップリングの往復運動に伴う
トルクの変動は移動平均処理を行うことで平坦化され
る。従って、同一材料層を研磨が進行する場合には、移
動平均後のトルクの変化は表れず、上述したように例え
ば研磨層が絶縁膜から金属層に移行する場合には時間的
に変化するトルクを移動平均したトルクも又変化する。
これにより、研磨が異材質層に進行したことを判定でき
る。

【００２３】尚、上記実施形態ではトップリングは半径
方向に等速で往復運動する例について述べたが、トップ
リングの往復運動は半径方向に対して垂直な方向に、或
いは円弧状に行うようにしてもよい。又、往復運動の速
度は等速に限らず、正弦波状等に変化するものであって
も勿論よい。

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
トップリングの往復運動中のトルクの変化を、移動平均
処理することで平坦化することができる。これによりト
ップリングの往復運動に伴うトルクの変動という問題を
避けることができ、連続的に研磨摩擦力の変化を検知す
ることで容易にポリッシングの終点を判定することが可
能となる。係るポリッシングの終点検出方法によれば、
トップリングの往復運動に伴うトップリングの位置の検
出及びこの補正演算処理等が不要となり、簡単な回路構
成でトップリング往復運動中のポリッシングの終点検出
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポリッシング装置の構成を示す図。

【図２】ターンテーブル上のトップリングの往復運動を
示す説明図。

【図３】本発明の一実施形態の終点検出方法の全体構成
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。

【符号の説明】

１２ ターンテーブル １３ トップリング １４ ウエハ １５ 揺動（往復運動）機構 １６ ターンテーブル駆動用モータ １７ トルク検出手段 １８ 終点検出手段 ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃ ターンテーブル中心からの距離

Claims (1)

【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方法において、前記ターンテー
   ブルに働くトルクを連続的に計測し、前記往復運動する
   トップリングの往復運動周期で計測したトルクを移動平
   均し、前記ポリッシング対象物の研磨が異材質に達した
   ときに生じる前記トルクの変化を検知することで、研磨
   終点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。