KR101197826B1 - 연마 패드 표면 형상 측정 장치, 연마 패드 표면 형상 측정장치의 사용 방법, 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법,연마 패드의 홈 깊이 측정 방법, ｃｍｐ 연마 장치 및반도체 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

연마 패드 표면 형상 측정 장치, 연마 패드 표면 형상 측정장치의 사용 방법, 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법,연마 패드의 홈 깊이 측정 방법, ｃｍｐ 연마 장치 및반도체 디바이스의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

메인 센서(15)는 패드(2a)의 표면까지의 거리 Lm을 측정하고 서브 센서(16) 는 기준 블록(12)의 표면까지의 거리 Ls를 측정한다. 실제로 측정치가 되는 것은(Lm + Ls)의 값이다. 기준 블록(12)은 패드(2a)의 표면 위치를 측정하기 위한 기준 위치를 부여하기 위해서 사용되고, 이를 위해서 예컨대 안내 유지판(7)이나 안내(8)의 변형에 의해 가동자(9)의 위치가 변동되더라도 정확한 측정이 행하여지게 된다. 모터(11)를 회전시키면 볼스크류(10)가 회전하여 가동자(9)가 좌우로 이동하고 패드(2a)까지의 거리를 측정한다. 이 거리의 측정 데이터로부터 패드(2a)의 원추 꼭지각, 홈 깊이, 두께 등을 구한다.
Figure R1020067012990
연마 패드, 기준 블록

Description

연마 패드 표면 형상 측정 장치, 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 사용 방법, 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법, 연마 패드의 홈 깊이 측정 방법, ＣＭＰ 연마 장치 및 반도체 디바이스의 제조 방법{POLISHING PAD SURFACE SHAPE MEASURING INSTRUMENT, METHOD OF USING POLISHING PAD SURFACE SHAPE MEASURING INSTRUMENT, METHOD OF MEASURING APEX ANGLE OF CONE OF POLISHING PAD, METHOD OF MEASURING DEPTH OF GROOVE OF POLISHING PAD, CMP POLISHER, AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 CMP 연마 장치 등에 사용되는 연마 패드의 표면 형상 측정 장치, 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 사용 방법, 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법, 연마 패드의 홈 깊이 측정 방법, CMP 연마 장치 및 반도체 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 집적 회로의 고집적화, 미세화에 따라 반도체 제조 프로세스의 공정이 증가하여 복잡해지고 있다. 이에 따라 반도체 디바이스의 표면 상태가 반드시 평탄해지지는 않는다. 표면에서의 단차의 존재는 배선의 절단, 국소적인 저항치의 증대 등을 초래하고, 단선이나 전류 용량의 저하 등을 초래한다. 또한, 절연막에서는 내압 열화나 누설의 발생에도 연관이 있다.
한편, 반도체 집적 회로의 고집적화, 미세화에 따라 광 리소그래피의 광원 파장은 짧아지고 개구수 소위 NA가 커짐에 따라 반도체 노광 장치의 초점 심도가 실질적으로 얕아지고 있다. 초점 심도가 얕아지는 것에 대응하기 위해서는 지금까지 이상으로 디바이스 표면의 평탄화가 요구된다.
이러한 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하는 방법으로서는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing 또는 Chemical Mechanical Planarization, 이하에서는 CMP라고 칭한다) 기술이 널리 행해지고 있다. 현재, CMP 기술은 실리콘 웨이퍼의 전체면을 평탄화할 수 있는 유일한 방법이다.
CMP는 실리콘 웨이퍼의 경면(鏡面) 연마법을 기초로 발전하고 있어 도 18에 도시한 바와 같은 CMP 장치를 이용하여 행해진다. 헤드부(65)는 연마 대상물인 웨이퍼(66)를 유지하면서 회전을 부여하는 헤드부이며 회전 구동 장치(67)를 갖고 있다. 이 헤드부(65)에 대면하여 연마 패드(68)가 접착된 회전 플래턴(69) 및 그 회전 구동 장치(70)가 있고, 이들 연마 패드(68), 회전 플래턴(69), 회전 구동 장치(70)는 회전식 요동 아암(71)에 의해 요동이 부여되고 상하 방향으로 구동된다.
이러한 CMP 연마 장치를 사용하여 연마를 할 때는 웨이퍼(66) 및 연마 패드(68)를 고속 회전시켜 회전식 요동 아암(71)을 도시되어 있지 않은 상하 구동 장치에 의해 하강시켜 연마 패드(68)에 의해 웨이퍼(66)를 가압한다. 그리고, 연마 패드(68)와 웨이퍼(66) 사이에 연마제인 슬러리를 공급한다. 또한, 회전식 요동 아암(71)을 도시되어 있지 않은 요동 구동 장치에 의해 파선 화살표로 나타낸 바와 같이 요동시킨다. 그렇게 하면, 연마 패드(68)와 웨이퍼(66)의 상대 회전 및 요동에 의해 웨이퍼(66)의 연마가 행하여져 표면이 평탄화된다. 즉, 연마 패드(68)와 웨이퍼(66)의 상대 운동에 의한 기계적 연마와, 슬러리에 의한 화학적 연마의 상승 작용에 의해 양호한 연마가 행하여진다.
이러한 CMP 연마 장치에 있어서 웨이퍼(66)를 연마함에 따라 연마 패드(68)도 마모한다. 그 때문에 연마 패드(68)의 표면 형상 및 마모(두께의 감소), 연마 패드(68)에 형성되는 홈 깊이의 감소를 측정하여 연마 패드(68) 그 자체의 연마(드레싱)를 행하거나 연마 패드(68)를 교환 해야 한다.
종래의 CMP 장치 연마실 내부 구성을 도 19에 도시한다. 이 연마실(41)내에는 연마 스테이션(42), 드레스 스테이션(43), 패드 교환 스테이션(44)이 설치된다.
회전식 요동 아암(46)에 유지된 연마 패드(48)는 회전식 요동 아암(46)의 회전에 의해 연마 스테이션(42), 드레스 스테이션(43), 패드 교환 스테이션(44) 외의 위에 위치할 수 있게 되어 있다.
웨이퍼의 연마를 소정 횟수 종료한 경우 회전식 요동 아암(46)은 연마 패드(48)를 연마 스테이션(42)에서 드레스 스테이션(43)으로 이동하여 연마 패드(48)의 드레싱을 행한다. 드레싱 종료 후 연마 패드(48)는 제거되고 도시 생략하는 측정 장치에 의해서 형상이 측정된 후 다시 회전 플래턴에 부착되고 측정 결과가 양호하면 그대로 연마에 사용된다. 형상이 양호하지 않은 경우에는 재드레싱이 행해진다. 이와 같이 종래는 CMP 장치내에서 연마 패드의 표면을 관측하는 수단이 없고, 일단 연마 패드를 연마실에서 벗겨서 형상을 계측하였다.
그러나, 연마 패드의 형상 측정을 위해 일일이 연마 패드를 회전식 요동 아암(46)으로부터 벗기는 것은 시간이 걸려 작업 처리량을 저하시킬 뿐만 아니라, 다시 연마 패드를 회전 플래턴에 장착했을 때 그 장착 상태가 제거전과 다르고, 그 때문에 새롭게 왜곡이 발생하거나 평탄성이 악화되어 목적하는 연마를 할 수 없는 경우가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, CMP 연마 장치 본체내에 설치 가능하고 연마 패드를 제거하지 않더라도 측정이 가능한 연마 패드의 표면 형상 측정 장치, 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 사용 방법, 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법, 연마 패드의 홈 깊이 측정 방법, 상기 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 구비한 CMP 연마 장치 및 이 CMP 연마 장치를 사용한 반도체 디바이스의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제1 발명은 연마 패드의 표면까지의 거리를 계측하는 제1 검출기와, 기준 평면도를 갖는 기준 부재의 표면까지의 거리를 계측하는 제2 검출기와, 안내 기구를 따라서 미끄럼 이동하고 상기 제1 검출기와 상기 제2 검출기를 적재하는 가동자와, 상기 연마 패드의 직경 방향으로 상기 가동자를 구동시키는 구동부와, 상기 가동자의 상기 연마 패드의 직경 방향 위치를 검출하는 위치 검출 수단과, 상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력과 상기 가동자의 연마 패드 직경 방향 위치 출력을 이용하여 상기 연마 패드 표면이 이루는 원추 꼭지각, 홈 깊이 및 패드 두께 중 하나 이상을 계측하는 계측 수단을 갖는 표면 형상 측정 장치로서 상기 기준 부재는 적어도 그 일단이 상기 가동자의 구동 방향의 변위 및 그 방향의 굽힘이 가능한 기구에 의해 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치이다.
본 발명에 따르면 기준 평면으로부터 연마 패드까지의 거리를 측정함으로써 그 측정 결과에 기초하여 연마 패드 표면이 이루는 원추 꼭지각 및 홈 깊이 및 패드 두께 중 하나 이상을 자동 계측하는 것이 가능해진다.
기준 부재가 적어도 그 일단이 상기 가동자의 구동 방향의 변위 및 그 방향의 굽힘이 가능한 기구에 의해 유지되어 있기 때문에 특히 온도 변화의 영향으로 기준 부재를 부착하고 있는 부재가 변형된 경우나, 진동을 받는 경우에도 기준 부재에는 변형이나 진동이 전해지기 어려워 측정의 기준 제도를 유지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제2 발명은 상기 제1 발명으로서 적어도 상기 제1 검출기, 상기 제2 검출기, 상기 기준 부재, 상기 안내 기구, 상기 가동자, 상기 구동부의 일부, 상기 위치 검출 수단을 수납하는 방수 커버를 가지고, 상기 방수 커버에는 상기 연마 패드를 관측하기 위한 창부가 설치되고, 이 창부를 개폐하는 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 측정부의 주요부가 연마액이나 세정액으로 더럽혀지는 일이 적어지고 측정시에만 창을 열어 측정하면 되기 때문에 더욱 더 오염을 방지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제3 발명은 연마 패드에 접촉 가능한 측정자와, 연마 패드 표면까지의 거리 또는 상기 측정자까지의 거리를 비접촉으로 계측하는 제1 검출기와, 기준 평면도를 갖는 기준 부재의 표면까지의 거리를 계측하는 제2 검출기와, 안내 기구에 따라 미끄럼 이동하고 상기 측정자, 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기를 적재하는 가동자와, 상기 연마 패드의 직경 방향으로 상기 가동자를 구동시키는 구동부와, 상기 가동자의 상기 연마 패드의 직경 방향의 위치를 검출하는 위치 검출 수단과, 상기 측정자를 연마 패드에 접촉시킨 상태로 측정자까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태와, 상기 측정자를 연마 패드로부터 이격시킨 상태로 연마 패드의 표면까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태를 전환하는 수단과, 상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력과 상기 가동자의 연마 패드 직경 방향 위치 출력을 이용하여 상기 연마 패드 표면이 이루는 원추 꼭지각, 홈 깊이 및 패드 두께 중 적어도 하나를 계측하는 계측 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치이다.
본 수단에서는 측정자를 연마 패드에 접촉시켜 그 위치를 제1 검출기에 의해 측정함으로써 연마 패드의 표면 형상을 측정하는 방법과, 제1 검출기로 직접 연마 패드의 표면 형상을 측정하는 방법을 전환하여 이용할 수 있기 때문에 서로의 특색을 살려서 연마 패드의 표면 형상을 정확히 측정할 수 있다.
즉, 연마 패드의 표면 보풀이 측정 정밀도에 영향을 줄 가능성이 있는 경우에는, 측정자에 의해 연마 패드의 표면 형상을 측정함으로써 보풀의 영향이 적은 상태에서 연마 패드의 원추 꼭지각이나 연마 패드 두께를 측정할 수 있다. 보풀이 측정 정밀도에 영향을 주지 않는 상태에서는 제1 검출기로 직접 연마 패드의 표면 형상을 측정함으로써 비접촉 측정이 가능하다. 또한, 홈 깊이는 제1 검출기로 직접 연마 패드의 표면 형상을 측정함으로써 구할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 제4 발명은 상기 제3 발명으로서, 상기 기준 부재가 적어도 그 일단이 상기 가동자의 구동 방향의 변위 및 그 방향의 굽힘이 가능한 기구에 의해 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 수단에서는 기준 부재가 적어도 그 일단이 상기 가동자의 구동 방향의 변위 및 그 방향의 굽힘이 가능한 기구에 의해 유지되어 있기 때문에 특히 온도 변화의 영향으로 기준 부재를 부착하고 있는 부재가 변형된 경우나 진동을 받는 경우에도 기준 부재에는 변형이나 진동이 전해지기 어려워 측정의 기준 제도를 유지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제5 발명은 상기 제3 발명 또는 제4 발명으로서, 적어도 상기 제1 검출기, 상기 제2 검출기, 상기 측정자, 상기 기준 부재, 상기 안내 기구, 상기 가동자, 상기 구동부의 일부, 상기 위치 검출 수단을 수납하는 방수 커버를 가지고, 이 방수 커버에는 상기 연마 패드를 관측하기 위한 창부가 설치되고, 이 창부를 개폐하는 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 측정부의 주요부가 연마액이나 세정액으로 더럽혀지는 일이 적어지고, 측정시에만 창을 열어 측정하면 되기 때문에 더욱 더 오염을 방지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제6 발명은 상기 제1 발명 내지 제5 발명 중 어느 하나로서, 상기 제1 검출기가 광학적 거리 검출기인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 제1 검출기로서 광학식인 것을 이용하고 있기 때문에 매우 작은 피측정 부분을 정밀하게 검사할 수 있다. 따라서, 표면에 홈이 형성되어 있는 경우에도 그 홈의 내부까지의 거리도 측정하는 것이 가능해진다.
상기 목적을 달성하기 위한 제7 발명은 상기 제6 발명으로서 상기 제1 검출기의 투광부와 수광부를 기체 블로우(blow)하는 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 투수광기를 기체 블로우할 수 있기 때문에 이들 광학계가 연마액이나 세정액으로 더럽혀지는 것을 적게 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제8 발명은 상기 제1 발명 내지 제7 발명 중 어느 하나로서 측정 중에 상기 연마 패드 표면의 측정 개소를 기체 블로하는 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면 연마 패드 표면의 측정 개소를 기체 블로우하고 있기 때문에 연마 패드 표면에 연마액이나 세정액이 잔류하고 있는 경우에도, 이들을 블로우하여 정확한 측정을 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제9 발명은 상기 제1 발명 내지 제8 발명 중 어느 하나로서 상기 가동자의 상기 기준 부재에 대한 기울기를 검출하는 경사 검출기를 가지며, 상기 계측 수단은 상기 경사 검출기의 출력을 사용하여 상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력을 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
가동자가 기울면 그 만큼 측정 거리에 오차가 발생한다. 본 발명에서는 가동자의 기준 부재에 대한 기울기를 검출하는 경사 검출기의 출력에 의해 거리 보정을 행하고 있기 때문에 가동자가 기울더라도 오차의 발생을 억제할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제10 발명은 상기 제1 발명 내지 제9 발명 중 어느 하나로서 상기 안내 기구의 온도 검출기를 가지고, 상기 계측 수단은 상기 온도 검출기의 출력을 사용하여 원추 꼭지각의 측정치를 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 안내 기구의 온도 검출기의 출력에 의해 구한 원추 꼭지각의 값을 보정하고 있기 때문에, 바이메탈 효과에 의한 안내 기구의 변형 등에 의해 오차가 발생하더라도 그것을 보정하여 정확한 측정을 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제11 발명은 상기 제1 발명 내지 제10 발명 중 어느 하나로서, 상기 기준 부재가 그 일단을 1 자유도 변위가 가능한 탄성체에 의해 다른 일단을 2 자유도 변위가 가능한 탄성체에 의해 각각 연마 패드 표면 형상 측정 장치에 유지되고 그에 따라 상기 기준 부재의 가동자 구동 방향의 신장과, 그 방향 굽힘의 유지 강성이 작아지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 기준 부재는 합계 3 자유도 변위가 가능한 유지 부재에 의해 유지되어 있는 것이 되고, 다른 부분이 변형된 경우에도, 기준 부재에 발생하는 변형을 경감할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제12 발명은 연마 패드에 접촉 가능한 측정자와, 연마 패드 표면까지의 거리 또는 상기 측정자까지의 거리를 비접촉으로 계측하는 제1 검출기와, 상기 측정자를 연마 패드에 접촉시킨 상태로 측정자까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태와, 상기 측정자를 연마 패드로부터 이격시킨 상태로 연마 패드의 표면까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태를 전환하는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치이다.
본 수단에서는 측정자를 연마 패드에 접촉시켜 그 위치를 제1 검출기에 의해 측정함으로써 연마 패드의 표면 형상을 측정하는 방법과, 제1 검출기로 직접 연마 패드의 표면 형상을 측정하는 방법을 전환하여 이용할 수 있기 때문에 서로의 특색을 살려 연마 패드의 표면 형상을 정확히 측정할 수 있다.
즉, 연마 패드 표면의 보풀이 측정 정밀도에 영향을 줄 가능성이 있는 경우에는, 측정자에 의해 연마 패드의 표면 형상을 측정함으로써 보풀의 영향이 적은 상태에서 연마 패드의 원추 꼭지각이나 연마 패드 두께를 측정할 수 있다. 보풀이 측정 정밀도에 영향을 주지 않는 상태에서는 제1 검출기로 직접 연마 패드의 표면 형상을 측정함으로써, 비접촉 측정이 가능하다. 또한 홈 깊이는 제1 검출기로 직접 연마 패드의 표면 형상을 측정함으로써 구할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제13 발명은 상기 제1 발명 내지 제12 발명 중 어느 하나의 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 이용하고, 게다가 상기 연마 패드를 회전시켜 각각의 회전 위치에서 측정을 하여 복수개의 원추 꼭지각을 구하고, 그 통계적 처리치에 기초하여 상기 연마 패드의 드레스 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면 원주 방향 전체에 걸쳐 소정의 피치로 측정하여 그 통계적 처리치(예를 들면 평균치)에 기초하여 연마 패드의 드레스 위치를 결정하도록 하고 있기 때문에 연마 패드를 전체적으로 적당한 형상으로 드레싱할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제14 발명은 상기 제1 발명 내지 제12 발명 중 어느 하나의 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 이용하고 또한 상기 연마 패드를 회전시켜 각각의 회전 위치에서 측정을 하여 복수개의 상기 홈 깊이를 구하고, 그 통계적 처리치에 기초하여 연마 패드를 교환하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면 원주 방향 전체에 걸쳐 소정의 피치로 측정하여 그 통계적 처리치(예를 들면 평균치)에 기초하여 복수개의 상기 홈 깊이를 구하여 그 평균치에 기초하여 연마 패드의 교환을 행하도록 하고 있기 때문에, 연마 패드를 적당한 시기에 교환할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제15 발명은 상기 제1 발명 내지 제12 발명 중 어느 하나의 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 이용하고, 또한 상기 연마 패드를 회전시켜 각각의 회전 위치에서 측정을 하여 복수개의 상기 연마 패드 두께를 계측하여, 그 통계적 처리치(예를 들면 평균치)에 기초하여 드레스 장치의 컨디셔너를 교환하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는 연마 패드 전체의 패드 두께를 구하고, 예컨대 전회의 드레싱시와 두께의 변화가 그다지 없으면, 드레스 장치의 컨디셔너가 열화된 것으로서 교환을 할 수 있기 때문에 적당한 시기에 패드 컨디셔너를 교환할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제16 발명은 기준면으로부터 연마 패드 표면까지의 거리를 상기 연마 패드의 중심 근방을 통하는 직선 또는 곡선에 따라서 측정하여 상기 연마 패드의 연마 유효면에서의 데이터로부터 상기 연마 패드의 중심 양측의 상기 연마 패드의 표면을 나타내는 2개의 직선을 회귀 계산에 의해서 구하고, 상기 2개의 직선 교각으로부터 상기 연마 패드의 원추 꼭지각을 구하는 방법으로서, 각각의 직선을 구할 때, 처음에는 하나의 직선을 결정하기 위한 데이터의 최대, 최소, 또는 평균치 중 어느 하나로부터 소정 거리 범위내에 있는 데이터를 사용하여 회귀계산을 하여 회귀 직선과 표준 편차를 구하고, 다음에 상기 회귀 직선으로부터 상기 표준 편차에 계수를 곱한 값만큼 먼 곳에 떨어진 데이터까지를 사용하여 회귀 계산을 하여 새로운 회귀 직선과 새로운 표준 편차를 구하는 조작을 적어도 2회 이상 또는 상기 새로운 표준 편차가 소정치 이하가 될 때까지 반복하고, 소정 횟수 경과 또는 상기 새로운 표준 편차가 소정치 이하가 되었을 때의 회귀 직선을 상기 하나의 직선으로 하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법이다.
측정되는 데이터에는 패드의 표면 데이터 외에 홈부의 데이터도 포함되어 있기 때문에, 정확히 표면 형상을 측정하기 위해서는 홈부의 데이터를 배제해야 한다. 그러나, 어디가 홈부이고 어디가 표면부인지를 즉시 데이터로부터 식별하는 것은 곤란하다. 따라서, 본 발명에서는 회귀 직선을 구하는 것을 반복 행하고, 그 때, 구한 회귀 직선으로부터 어느 정도 떨어진 데이터를 배제하고 남은 데이터로 새로운 회귀 직선을 구하고 있다. 이와 같이 하면, 특이점인 홈부의 데이터가 순차 배제되어 행해지고 정확한 표면 형상을 나타내는 회귀 직선을 구할 수 있다. 그리고, 이 정확한 회귀 직선에 기초하여 원추 꼭지각을 구하고 있다.
또한, 소정 횟수를 무한대로 가깝게 하면 새로운 표준 편차가 소정치 이하가 될 때까지 반복하는 것만이 조건이 되고, 표준 편차의 소정치를 0에 가깝게 하면 실질적으로 소정 횟수 반복하는 것만이 조건이 되기 때문에, 본 발명은 이러한 하나의 조건만으로 결정되는 것도 포함하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제17 발명은 기준면으로부터 연마 패드 표면까지의 거리를 상기 연마 패드의 중심 근방을 통하는 직선 또는 곡선을 따라서 측정하여 상기 연마 패드의 연마 유효면에서의 데이터로부터 연마 패드에 형성된 홈의 깊이를 측정하는 방법으로서, 상기 연마 패드의 중심 양측 데이터의 각각에 대하여 처음에는 데이터 중 최대, 최소 또는 평균치 중 어느 하나로부터 소정 거리에 있는 데이터를 이용하여 그 거리와 상기 연마 패드의 반경 방향 위치에서 형성되는 데이터의 2차원 무게 중심 위치를 구하고, 한편, 측정한 데이터 전부를 사용하여 구한 회귀 직선의 기울기 또는 상기 제16 발명에 의해서 구한 연마 패드의 표면을 나타내는 직선의 기울기를 이용하여 그 기울기를 가지고 상기 무게 중심 위치를 통하는 직선을 구하고, 그것을 연마 패드 홈 저부 직선으로 하여 상기 제16 발명에 의해서 구한 연마 패드 표면을 나타내는 직선과의 상대 거리를 상기 연마 패드의 홈 깊이로 하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 홈 깊이 측정 방법이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제18 발명은 상기 제1 발명 내지 제12 발명 중 어느 하나의 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 장치내에 내장한 CMP 연마 장치이다.
장치에 따르면 연마, 드레싱, 패드 교환, 패드의 측정 동작을 하나의 장치 중에서 행할 수 있어 전체의 연마 공정을 낭비하는 시간 없이 수행할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 제19 발명은 상기 제18 발명인 CMP 연마 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법이다.
본 발명에 따르면 반도체 디바이스를 적당한 작업 처리량으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명 실시예의 제1 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 전체 개요도이다.
도 2는 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부의 주요부 상세도이다.
도 3은 도 2에서의 A-A 단면도이다.
도 4는 제1 유지 부재와 제2 유지 부재의 역할을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 유지 구조의 효과를 계산한 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 제2 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 주요부의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예의 제3 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 주요부의 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예의 제4 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 주요부의 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 설치한 연마실의 개요를 도시한 도면이다.
도 10은 드레싱의 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 패드의 형상을 도시하는 파라미터를 도시한 도면이다.
도 12는 원추 꼭지각 보각을 이용한 온도 테이블의 예를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예의 제5 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 구성을 도시한 전체 개요도이다.
도 14는 도 13에 도시되는 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)의 주요부의 상세도이다.
도 15는 도 13에 도시된 실시예의 도 3에 대응하는 도면이다.
도 16은 접촉 계측과 비접촉 계측의 비교를 도시한 도면이다.
도 17은 기준 블록(12)의 지지 방법에 관한 변형예를 도시한 도면이다.
도 18은 종래의 CMP 연마 장치의 개요를 도시한 도면이다.
도 19는 종래의 CMP 장치 연마실 내부 구성을 도시한 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 관해서 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 본 발명 실시예의 제1 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 전체 개요도이다. 연마 헤드(1)에는 연마 패드(2)가 진공 흡착 등에 의해 부착되어 있다. 연마 패드(2)는 금속성의 패드 플레이트에 발포성 폴리우레탄 등의 패드라고 불리는 연마 천을 접착한 것이다. 연마 패드(2)는 회전 가능한 축 선단에 진공 흡착 등으로 유지된다. 이 연마 패드 회전 유지를 하는 기구를 연마 헤드(1)라고 부른다. 패드라고 불리는 연마 천은 일반적으로 격자형의 홈을 지니고, 연마시에 연마액의 확산이 촉진되도록 되어 있다. 홈 폭은 대략 1 mm, 깊이도 1 mm 정도이다.
연마 패드(2)의 표면 형상을 측정하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)는 방수 커버를 부착한 상자체(4) 내에 수납되고, 상자체(4)에는 앞블록(5)과 뒤블록(6)이 부착되어 있다. 앞블록(5)과 뒤블록(6) 사이에는 오스테나이트계 스테인레스로 이루어지는 안내부 유지판(7)이 부착되어 있고, 안내부 유지판(7)에는 슬라이드 블록의 한쪽을 구성하는 안내부(8)가 부착되어 있다. 가동자(9)는 나중에 도시하는 바와 같이 슬라이드 블록의 다른 한 쪽을 구성하는 부재에 부착되고, 그로 인해 안내부(8)에 따라서 미끄럼 이동 가능하도록 되어 있다. 또한, 안내부 유지판(7)에는 볼스크류(110)가 부착되고, 나중에 설명하는 바와 같이 가동자(9)에 부착된 스크류 너트와 나사 결합하여, 볼스크류(10)의 회전에 의해 가동자(9)를 구동하도록 되어 있다.
뒤블록(6)에는 모터 유지 부재(11A)를 통해 모터(11)가 부착되고, 이 모터에 의해 볼스크류(10)가 회전하도록 되어 있다. 또한, 기준 블록(12)이 제1 유지 부재(13), 제2 유지 부재(14)를 통해 각각 앞블록(5)과 뒤블록(6)에 유지되어 있다.
가동자(9)의 상부에는 메인 센서(15)가 설치되고, 연마 패드(2)의 표면과의 거리를 측정하도록 되어 있다. 또한, 가동자(9)의 하부에는 서브 센서(16)가 설치되고, 기준 블록(12)과의 거리를 측정하도록 되어 있다. 나중에 설명하는 바와 같이 상자체(4)의 연마 패드(2)와 대면하는 쪽에게는 창이 설치되고, 이 창은 측정을 할 때만 개방이 되도록 되어 있다. 이 창을 개폐하기 위해서 에어 실린더(17)가 설치되고, 이 에어 실린더를 제어하기 위해서 전자 밸브(18)와 스피콘(19)이 설치 된다. 또한, 창의 개폐를 검지하기 위해서 이 전자 밸브(18) 또는 창에는 창 개폐 센서가 설치된다. 창의 개폐에는 에어 실린더 이외에도 예컨대 전자 액츄에이터를 이용할 수 있다.
또한, 가동자(9)의 폭주를 검출하여 비상 정지를 하기 위한 OT 센서(20)가 안내부(8) 양측에 설치되며, 가동자(9)의 원점 위치를 검출하기 위한 원점 센서(21)가 안내부(8)에 설치된다. 또, 안내부(8)의 온도를 검출하기 위한 온도 센서(22)가 안내부 유지판(7)에 부착된다.
연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)는 제어 기판(24)을 통해 제어 장치(23)에 의해 제어된다. 제어 장치(23)는 CMP 장치 제어 장치(25)와 신호 교환을 행한다. 제어 기판(24)과 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)내에 설치된 각 장치ㆍ부재 사이에는 도시한 바와 같은 신호의 교환이 행하여지지만, 이 중 메인 센서(15)로부터의 신호는 메인 센서 증폭기(26), 서브 센서(16)로부터의 신호는 서브 센서 증폭기(27)를 각각 통해 제어 기판(24)에 입력된다. 또, 모터(11)로부터의 모터 엔코더 신호(펄스 신호)는 모터 드라이버(28)를 통해 제어 기판(24)에 입력되고, 모터 드라이브 신호는 모터 드라이버(28)를 통해 제어 기판(24)으로부터 모터(11)에 출력된다.
또한, 상자체(4)의 방수 커버의 재질은 PVC을 사용하고 있다. 방수 커버의 재질은 연마실내의 습기가 많은 분위기, 슬러리 분위기에 내성을 갖는 재질이면 좋다. 또, 물의 침입이 있더라도, 바닥으로 배수할 수 있는 드레인 구조를 갖도록 한다. 연마 패드 표면 관측기 기구부 전체를 덮기 위해서 방수 커버는 하부 커버 와 덮개부 커버로 나뉘어져 있다. 덮개부 커버에는 상술한 바와 같이 창이 설치된다.
도 2에, 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)의 주요부의 상세도를 도시한다. 또, 이하의 도면에서는 본란에 있어서의 전출(前出)의 도면에 도시된 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략하는 것이 있다. 연마 패드(2)의 표면에는 패드(2a)가 부착되어 있어 실제로 측정되는 것은 이 패드(2a)의 형상, 홈 깊이, 두께 등이다. 메인 센서(15)는 패드(2a)의 표면까지의 거리 Lm을 측정하고, 서브 센서(16)는 기준 블록(12)의 표면까지의 거리 Ls를 측정한다. 가동자 (9)가 패드에 근접하면 Lm이 작아지고 Ls가 커지는 극성에서 실제로 측정치가 되는 것은 (Lm + Ls)의 값이다. 한편, 즉 기준 블록(12)은 패드(2a)의 표면 위치를 측정하기 위한 기준 위치를 부여하기 위해서 사용되고 있고, 이 때문에 예컨대 안내부 유지판(7)이나 안내부(8)의 변형에 의해 가동자(9)의 위치가 변동하더라도 올바른 측정이 행하여지게 되어 있다. 또, 나중에 설명하는 바와 같이 기준 블록(12)이 응력에 의해 변형되지 않도록 이것을 유지하는 제1 유지 부재(13)와 제2 유지 부재(14)에 특별한 고안이 이루어진다.
측정 위치에 있어서, 패드(2a)의 중심 근방이 메인 센서(15)에 의한 측정선을 통하게 되어 있고, 가동자(9)가 볼스크류(10)의 회전에 의해 도면의 좌우 방향으로 이동함으로써, 패드(2a)의 중심 근방을 통하는 선에 따라서 그 표면까지의 거리를 측정할 수 있다. 이에 따라, 패드(2a)의 중심 근방을 통하는 선에 따른 패드(2a)의 표면 형상을 측정할 수 있다. 또한, 연마 헤드(1)를 회전시킴으로써 패드(2a)의 중심 근방을 통하는 복수의 선에 따른 패드(2a)의 표면 형상을 측정할 수 있다. 또, 측정 위치는 패드(2a)의 중심에 한정되지 않고 중심 근방이면 된다. 본 실시예로서 각 도면에 도시하는 거리 측정 장치는 직선 운동을 하는 것이지만, 거리 측정 장치로서 센서부를 지지하는 아암을 어떤 회전축을 중심으로 회전하는 것과 같은 것을 사용해도 되고, 이 경우에는 측정 위치는 패드(2a)의 중심 또는 그 근방을 통하는 원호 형상의 위치가 된다.
메인 센서(15)로서 이 실시예에 있어서는 광학식의 변위 센서를 이용하고 있다. 측정 대상 표면은 전술한 패드(2a)이기 때문에 발포체 수지가 된다. 발포체의 빈 구멍 직경이 20~30 ㎛ 이기 때문에 광학식 센서 스폿으로서는 이 빈 구멍 면적보다도 큰 것이 바람직하다. 홈 폭으로서는 1OOO ㎛ 정도이기 때문에 스폿 직경은 홈 폭보다도 작은 것이 바람직하다. 접촉식의 픽 센서 경우는, 프로브 선단이 직경 1 mm 이상이기 때문에 홈부의 깊이를 검출할 수 없다. 와전류식이나 초음파식도 측정 범위가 직경 5 mm 정도이기 때문에 마찬가지로 홈부 검출을 할 수 없다.
서브 센서(16)로서 이 실시예에서는 와전류식의 변위 센서를 이용하고 있다. 측정 감도를 올려 노이즈의 영향을 적게 하기 위해서 기준 블록(12)은 철계 재료나 마루텐사이트계 스테인레스를 이용한다. 특히 정밀도를 필요로 하지 않는 경우는 알루미늄, 구리계 등의 각종 금속이라도 상관없다. 기준 블록(12)의 표면은 평탄하게 정밀 가공되어 있지만, 직경 수 mm 정도 범위의 평균적인 거리를 산출할 수 있는 와전류식의 변위 센서를 사용하는 것이 바람직하다.
메인 센서(15)의 측정점과 서브 센서(16)의 측정점은 가동자(9)의 구동점과 동축상에 배치하여 가동자(9)의 구동 방향에 대하여 3점을 연결한 축이 직교해 있다. 이러한 배치라면 가동자(9)의 상하 요동, 롤링에 의한 측정점의 계측 방향 변동을 2차 미소항으로서 무시할 수 있다.
모터(11)는 AC 모터, DC 모터, 스텟핑 모터 어느 것이라도 상관없다. 로터리 인코더를 내장하여 가동자의 위치를 검출하도록 하고 있다. 원점 위치에 관해서는 안내부(8)에 원점 센서(21)를 부착하여 가동자(9)가 이 위치를 통과할 때에 원점 리셋 동작을 행하도록 하고 있다. 로터리 인코더가 절대치형이며, 또한 볼스크류를 포함하는 기계계의 정밀도가 충분히 있는 경우에는, 원점 센서(21)는 불필요하다. 또한, 리니어 모터와 리니어 인코더의 조합이라도 상관없다. 모터축으로부터는 기어 기구와 벨트 등을 통해 토크를 볼스크류(10)에 전달하는 기구로 되어 있다.
도 3은 도 2에 있어서의 A-A 단면도이다. 상자체에 부착된 부착용 베어링대(29)에는 앞블록(5)이 부착되고, 앞블록(5)에는 안내부 유지판(7)이 부착되어 유지된다. 그리고, 안내부 유지판(7)에 안내부(8)가 체결되어 있다. 안내부(8)에는 슬라이드 테이블(8A)이 미끄럼 이동 가능하게 끼워 맞추어져 있고, 안내부(8)와 슬라이드 테이블(8A)이 슬라이드 블록을 형성하고 있다. 슬라이드 테이블(8A)에는 스크류 너트가 끼워 넣어져 있고, 이 스크류 너트에 볼스크류(10)가 나사 결합해 있다. 가동자(9)는 슬라이드 테이블(8A)에 체결되어 있고, 볼스크류(10)의 회전에 의해 슬라이드 테이블(8A)과 같이 안내부(8)에 따라서 미끄럼 이동한다. 가동자(9)에는 도면에 도시한 바와 같이 메인 센서(15)와 서브 센서(16)가 체결되어 있다.
도 4는 제1 유지 부재(13)와 제2 유지 부재(14)의 역할을 설명하기 위한 도이다. 제1 유지 부재(13)와 제2 유지 부재(14)는 (a)에 도시한 바와 같이 기준 블록(12)을 유지하는 것이며, 제1 유지 부재(13)는 판 스프링으로 구성되어 있다. 그리고, 도면에 도시한 바와 같은 x-y-z 직교 좌표계에 있어서 기준 블록(12)을 도면에서의 x 방향의 변위와 y 축 주위의 비틀어짐에 대하여 자유도를 갖도록 유지하고 있다. 즉, 제1 유지 부재(13)는 2차원의 자유도가 있는 유지 부재로 되어 있다.
제2 유지 부재(14)는 강체부(14a)와 판 스프링부(14b)로 구성되어 있고, 판 스프링부(14b)의 작용에 의해 기준 블록(12)을 z 방향의 변위에 대하여 자유도가 있도록 유지하고 있다. 즉, 제2 유지 부재(14)는 1차원의 자유도가 있는 유지 부재로 되어 있다.
기준 블록(12)의 양끝을 제1 유지 부재(13)와 제2 유지 부재(14)로 유지함으로써, 예컨대 (b)에 도시한 바와 같이 안내 부분에 모멘트 M이 걸려 안내부(8)가 도면에 도시한 바와 같이 변형되었다고 해도, 제1 유지 부재(13), 제2 유지 부재(14)가 모멘트로 인한 변형을 담당하기 때문에 기준 블록(12)에 굽힘이 발생하지 않는다. 따라서, 기준 블록(12)의 직선성이 확보되어 연마 패드의 원추 꼭지각을 정확하게 계측할 수 있게 된다.
또, (a)에서의 제2 유지 부재(14)를 제1 유지 부재(13)로 바꿔서 기준 블록(12)을 양측에서 제1 유지 부재(13)를 통해 유지하도록 해도 된다.
도 5에 본 유지 구조의 효과를 계산한 결과를 도시한다. 도 5에 있어서 횡축은 안내부(8)의 위치, 종축은 변형량이다. 도면에 도시한 바와 같이 굽힘 모우먼트에 의해 안내부(8)에는 굽힘이 발생하고 있지만, 기준 블록(12)에는 굽힘이 발생하지 않는다.
도 6은 본 발명의 실시예의 제2 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 주요부의 구성을 도시한 도면이다. 이 실시예는 제1 실시예와는 도 2와 도 6을 비교하면 알 수 있도록 서브 센서를 기준 블록(12)의 길이 방향으로 16a, 16b로 도시된 바와 같이 2개 갖고 있는 부분만이 다를 뿐이기 때문에, 도 2와 동일한 부분은 설명을 생략하고 다른 부분만을 설명한다.
서브 센서(16a)와 서브 센서(16b)의 출력을 비교함으로써, 가동자(9)가 기준 블록(12)의 길이 방향으로 어느 정도 경사져 있는지, 즉 가동자(9)의 상하 요동량을 알 수 있다. 이 상하 요동량을 v 라고 할 때, 실제로 측정된 거리에 cos v를 곱한 것이 진짜 거리가 되기 때문에, 이로 인해 예컨대 안내부(8)의 만곡에 따른 상하 요동 오차를 보정할 수 있다.
도 7은 본 발명 실시예의 제3 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 주요부의 구성을 도시한 도면이다. 이 실시예는 제1 실시예와는 도 3과 도 7을 비교하면 알 수 있도록 서브 센서를 기준 블록(12)의 폭 방향으로 16c, 16d로 도시된 바와 같이 2개 갖고 있는 것만이 다를 뿐이기 때문에, 도 2와 동일한 부분은 설명을 생략하고, 다른 부분만을 설명한다.
서브 센서(16c)와 서브 센서(16d)의 출력을 비교함으로써 가동자(9)가 기준 블록(12)의 폭 방향으로 어느 정도 경사져 있는지, 즉 가동자(9)의 롤링량을 알 수 있다. 이 롤링량을 ω 라고 할 때, 실제로 측정된 거리에 cosω를 곱한 것이 진짜 거리가 되기 때문에 이로 인해 예컨대 안내부(8)의 만곡에 따른 롤링 오차를 보정할 수 있다.
도 8은 본 발명 실시예의 제4 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 주요부의 구성을 도시한 도면이다. 이 실시예는 제1 실시예와는 도 2와 도 8을 비교하면 알 수 있도록, 측정면의 에어브로 기구가 붙어 있는 부분만이기 때문에, 도 2와 동일한 부분은 설명을 생략하고 다른 부분만을 설명한다.
이 실시예에서는 가동자(9)에 에어 배관(30)을 부착하고, 에어 배관(30)의 선단에 에어 노즐(31)을 설치하여 에어 노즐(31)로부터 에어(32)를 패드(2a)의 측정면에 분무한다. 이에 따라, 패드(2a)의 표면에 잔류하는 수분 그 외의 액체를 퍼지하여 정확한 측정을 할 수 있다. 에어를 대신해서 질소 등의 건조 기체를 사용해도 되고, 블로우 유량으로서는 물방울을 불어서 날려버리는 정도가 바람직하다. 또, 도면에 있어서 에어 노즐(31)은 가동자(9)의 이동 방향 전후에 붙어 있다. 이것은 가동자(9)가 왕복 운동하는 경우가 있기 때문에, 어느 쪽 방향으로 이동하더라도 측정점에 맞닿은 장소를 미리 에어 블로우할 수 있도록 하기 위해서이다.
도 9는 본 발명의 실시예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 설치한 연마실의 개요를 도시한 도면이다. 이 연마실(41)내에는 종래와 동일하게 연마 스테이션(42), 드레스 스테이션(43), 패드 교환 스테이션(44)이 설치되지만, 이에 더하여 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)가 부착 베어링대(45)의 위에 설치된다.
회전식 요동 아암(46)에 유지된 연마 패드(2)는 회전식 요동 아암(46)의 회전에 의해 연마 스테이션(42), 드레스 스테이션(43), 패드 교환 스테이션(44) 외에 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)의 위에도 위치할 수 있게 되어 있다.
웨이퍼의 연마를 소정 횟수 종료한 경우에, 회전식 요동 아암(46)은 연마 패드(2)를 연마 스테이션(42)으로부터 드레스 스테이션(43)으로 이동하여 연마 패드(2)의 드레싱을 행한다. 드레싱 종료 후, 회전식 요동 아암(46)은 연마 패드(2)를 드레스 스테이션(43)으로부터 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)의 위치로 이동시켜 연마 패드(2)의 표면 형상(원추 꼭지각, 홈 깊이)과 패드 두께의 계측을 행한다. 만약 패드 두께나 홈 깊이가 규정의 값 이하로 되어 있는 경우는, 연마 패드(2)를 패드 교환 스테이션(44)에 이동시켜 연마 패드(2)의 교환을 하고, 또한 연마 패드(2)를 연마 스테이션(42)에 이동시켜 새롭게 웨이퍼의 연마를 한다.
만약에 패드 두께나 홈 깊이가 규정의 값 이상이기는 하지만, 패드의 원추 꼭지각이 규정치에 들어가지 않는 경우는, 연마 패드(2)를 드레스 스테이션(43)에 복귀하여 드레싱 조건을 변경하여 드레싱을 재시도하고, 그 후 다시 연마 패드(2)의 표면 형상의 측정을 행하는 동작을 반복한다.
패드 두께나 홈 깊이가 규정값 이상이며, 패드의 원추 꼭지각이 규정값에 들어 간 경우는, 연마 패드(2)를 연마 스테이션(42)에 복귀시켜 새로운 웨이퍼의 연마를 시작한다.
이하, 이상 설명한 본 발명의 실시예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 계측 동작과 원추 꼭지각 산출, 홈 깊이 산출, 패드 두께 산출까지의 시퀀스를 설명한다.
(단계 1) 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 초기화 전원 투입과 동시에, CPU의 초기화, 모터(11)의 초기화가 행하여진다. 모터 초기화는 일정 회전 방향(가동자(9)의 구동 좌표로 설명하면 X축의 단일 방향)에 일정 회전수(가동자에서는 일정 속도)로 구동한다. 가동자(9)는 그 이동 중에 안내부(8) 부근에 설치되어 있는 원점 센서(21)를 통과한다. 통과의 타이밍으로 모터 인코더의 카운터를 0 리셋함으로써, 원점으로부터의 X 좌표가 확정되고 가동자(9)의 X 방향의 위치검출이 가능해진다. CPU는 제어 기판(24)에 있는 제어용 CPU, 제어 장치(23)에 있는 컨트롤 CPU 등을 의미한다. 일반적으로는 CMP 장치의 전원 투입에 맞추어 연마 패드 표면 관측기의 초기화가 행해진다.
(단계 2) CMP 장치측은 n 매의 웨이퍼 연마 종료의 타이밍을 가늠하고, 패드 표면계측을 위한 연마 패드의 드레스를 시작한다. 이 드레스 조건은 웨이퍼 연마 중인 동일한 드레스 위치로, 또한 연마 잔존물과 슬러리 성분의 제거를 주목적으로 한 드레스 시간이 된다.
(단계 3) 물방울은 광학식 센서에 있어서는 계측 오차의 요인이 될 수 있다. 그 때문에, 드레스로 이용한 연마수의 물방울 부착 제거를 위해 헤드의 최고 회전수 근방에서 물방울 날리기를 행한다. 이에 따라, 패드의 셀들을 세정한 이후의 패드 표면에 균일한 보수층(保水層)을 얻을 수 있다. 물 비산 위치는 드레스 스테이션 부근에서도 상관없다.
(단계 4) 패드 표면의 물방울 날리기가 종료한 시점에서 CMP 장치 제어 장치(25)는 제어 장치(23)에 대하여 관측 창을 열기 위한 창 개방 커맨드를 송신한다. 커맨드를 받은 제어 장치(23)는 제어 기판(24)을 통하여 창을 열기 위한 전자 밸브 제어 신호를 전자 밸브(18)에 보낸다. 이에 따라, 밸브가 전환되어 에어 실린더(17)가 동작한다. 에어 실린더(17)는 창에 연결된 부재를 소정 위치까지 구동하여 창을 개방한다. 에어 실린더(17)에 내장된 센서에 의해 개방 종점을 검지하여 창 개방 동작을 완료한다. 제어 장치(23)는 창 개방 커맨드 실행 종료를 CMP 장치 제어 장치(25)측에 통지한다.
(단계 5) CMP 장치 제어 장치(25)는 단계 4의 창 개방 커맨드 송신과 동시에 연마헤드(1)의 관측점으로의 이동을 한다. 이동 중과 동시이거나 혹은 이동 종료 후에 연마 헤드(1)의 회전 위치를 초기 위치(연마 헤드의 회전 초기화 위치)에 맞춘다. 단계 4 및 본 단계가 느린 쪽의 완료를 가지고 패드의 관측 위치 결정을 종료한다.
(단계 6) CMP 장치 제어 장치(25)는 제어 장치(23)에 대하여 측정 커맨드를 송신한다. 제어 장치(23)는 제어 기판(24)으로 측정 지령을 이송하고, 제어 기판(24)은 모터 드라이버(28)에 구동 지령을 내고, 가동자(9)가 움직이기 시작한다. 엔코더로 얻어지는 X 축 위치 정보로부터 소정의 샘플 피치로 메인 센서(15), 서브 센서(16)의 Z 축 방향 거리 계측치를 받아들인다. 이 때, X 축 방향의 계측 개시점과 종료점은 사전에 파라메터 셋트되어 놓은 것으로 한다. 기준 워크의 면을 기준면으로 하기 때문에 메인 센서 출력 Lm, 서브 센서 출력 Ls로 하고, 가동자(9)가 연마 패드(2)에 근접하면 Lm이 작아지는 출력, Ls가 커지는 출력을 얻는 구성이었다고 하면, 기준면으로부터의 패드 표면까지의 상대 거리 L은 L = (Lm + Ls)로 얻 어진다.
원추 꼭지각, 홈 깊이, 연마 패드 두께의 측정 방법은 나중에 상세히 설명한다. 이들 값이 구해졌을 때에 제어 장치(23)는 CMP 장치 제어 장치(25)에 계측 커맨드 종료 신호를 보낸다.
(단계 7) 계측 커맨드 종료를 수취한 CMP 장치 제어 장치(25)는 연마 헤드(1)를 소정 각도 회전시킨다. 회전각 회동후, CMP 장치 제어 장치(25)는 제어 장치(23)에 다시 계측 커맨드를 송신한다. 그리고, 연마 패드(2) 전체의 면을 스캔할 때까지, 연마 헤드 회전과 계측을 반복한다. 예컨대, 10도 피치이라면, 18회의 왕복 스캔 동작으로 전면(全面) 계측할 수 있다.
(단계 8) 데이터 처리의 전제 조건으로서, CMP 장치 제어 장치(25)는 계측시에 이용한 연마 패드(2)와 패드 컨디셔너(드레서)(47)의 식별 정보를 갖고 있어야만 한다. 이것은 초기 부착 시에 혹은 교환 시에 식별 No를 CMP 장치 제어 장치(25)에 입력하는 것과 같은 형태로 행해진다. 단계 7의 예와 같이 18회의 측정이 행하여 졌다고 가정한다.
예컨대 연마 패드(2)의 식별자를 pad001, 패드 컨디셔너(47)의 식별자를 pcn001로 한다. 원추 꼭지각 보각 θ은 18개의 데이터 중 최대, 최소치를 제외하는 16개의 데이터 평균을 산출하여 pad001의 원추 꼭지각 보각 평균치 θm으로서 메모리에 남긴다. 마찬가지로 홈 깊이 dfe 도 평균 잡아서 padOO1의 홈 깊이 평균치 dfem 으로서 메모리에 남긴다. 패드 두께 pad_t(n)는 전회 계측한 pad_t(n-1) 과 계측 사이의 드레스 적산 시간 tdsum을 이용하여 pcnOO1의 드레스 레이트 Rpcn=(pad_t(n)-pad_t(n-1))/tdsum을 산출하여 메모리에 남긴다.
CMP 장치 제어 장치(25)는 드레스 위치 변경이나 연마 패드(2)의 교환이나 패드 컨디셔너(47) 교환의 목표가 되는 기준치를 갖고 있고, 그 기준치와 계측 결과를 비교하여 드레스 위치 변경이나 연마 패드(2)의 교환이나 패드 컨디셔너(47)의 교환을 위한 경고 정보 등을 작성 보고한다. 보고 후 CMP 장치 제어 장치(25)가 자동적으로 위치 변경 동작이나 패드 교환이나 패드 컨디셔너 교환을 하더라도 좋다. 또한, 연마 도중에 연마 패드(2)나 패드 컨디셔너(47)가 경고전으로 교환되어 다시 장착된 경우라도 식별자마다의 이력을 메모리로 보유하고 있기 때문에 계속하여 관리할 수 있다.
앞에서 서술한 드레스 위치 변경이나 연마 패드(2)의 교환이나 패드 컨디셔너(47) 교환의 목표가 되는 기준치이지만, 세부사항을 도 10의 드레스 위치를 이용하여 이하에 서술한다.
드레스 위치 변경에 대해서는 원추 꼭지각 α, 혹은 보각 θ, 혹은 요철 변위 δ로 기준치를 보유한다. 예컨대 현재의 드레스 위치 pos1로 계측된 보각 θm이 목표치보다 + 측에 있는 경우, 보각 θ가 - 가 되는 드레스 위치 pos3으로 드레스 위치를 변경한다. 덧붙여서 말하면 드레스 위치는 패드 컨디셔너 회전 중심과 패드 회전 중심 사이의 거리를 의미한다. 드레스 시간에 관해서는 θm 과 목표치 θt의 차분 및 드레스 위치 pos3 와의 관계로 결정되는 값으로 셋트하여 이 드레스 위치와 드레스 시간으로 보정 드레스를 행한다. 보정 드레스후에 상기 재차 단계 3에서 단계 7의 시퀀스를 행하여 기준치에 들어 갈 때까지 혹은 소정 횟수분 반복한다.
기준치는 하한의 θ Llim, 상한의 θ Hlim 이 보유되어, θ Llim < = θ m - θ t < = θ Hlim 이 기준치에 들어간다는 의미이다. 기준치에 들어간 뒤의 연마를 행하는 드레스 위치에 관해서는 초기의 POS1에 복귀하거나, 혹은 POS1 로부터 보정 드레스 조건으로 얻은 결과로부터 약간 POS3 으로 변경하더라도 상관없다.
패드(2)의 교환에 관해서는 패드 홈 깊이 dfem 에서 기준치를 보유한다. 기준치는 하한의 dfelim 이 보유되고, dfem < dfelim 이 된 경우에 패드 교환 경고를 발한다.
패드 컨디셔너(47)의 교환에 관해서는 드레스 레이트 Rpcn에서 기준치를 보유한다. 기준치는 하한의 Rpcnlim 이 보유되고, Rpcn < Ppcnlim 이 된 경우에 패드 컨디셔너 교환 경고를 발한다.
이하, 패드(2a)의 원추 꼭지각을 측정하는 방법에 관해서 설명하는데, 그에 앞서서 원추 꼭지각을 결정하는 방법에 관해서 도 10을 이용하여 설명한다. 도 10은 드레싱의 상태를 도시하는 것으로, 연마 패드(2)의 패드(2a)를 패드 컨디셔너(47)를 이용하여 연마하여 드레싱을 행하고 있는 상태를 나타내고 있다.
드레싱은 연마 패드(2)와 패드 컨디셔너(47)를 회전시키면서, 패드 컨디셔너(47)에 의해 패드(2a)를 연마함으로써 행한다. 그 때, 패드 컨디셔너(47)의 회전 중심이 연마 패드(2)의 회전 중심으로부터 먼 위치에 있으면 (a)에 도시된 바와 같이 패드(2a)의 중심이 두텁고, 주변이 얇은 상태로 패드(2a)가 연마된다. 반대로 패드 컨디셔너(47)의 회전 중심이 연마 패드(2)의 회전 중심으로부터 가까운 위 치에 있으면 (c)에 도시된 바와 같이 패드(2a)의 중심이 얇고, 주변이 두꺼운 상태로 패드(2a)가 연마된다. 패드 컨디셔너(47)의 중심이 (a)의 상태와 (c)의 상태의 중간 위치에 있으면 (b)에 도시된 바와 같이 패드(2a)의 표면이 평탄하게 되도록 연마된다.
(a)에 도시한 바와 같이 원추 꼭지각 α이 α<π인 경우를 볼록형 패드, (c)와 같이 α>π를 오목형 패드, (b)와 같이 α=π의 경우를 평탄 패드로 정의한다. 도면에 도시하는 원추 꼭지각 α의 보각 θ는 (π-α)으로 나타내므로 보각 θ에 착안하면 α= O 인 경우가 평탄 패드, θ > O 인 경우가 볼록형 패드, α< O 인 경우가 오목형 패드이다. 이러한 관계로부터 원추 꼭지각을 구하기 위해서는 α나 θ의 어느 쪽인가가 구해지면 된다.
도 11은 패드(2a)의 형상을 도시하는 파라미터를 도시한 것이지만, 도 11에 도시한 바와 같이 패드(2a)의 외주부와 내주부의 높이 차를 요철 변위 δ로 정의하고 Rm = (패드 외부 지름 - 패드 내부 지름)/2 로 한 경우, 측정 대상의 보각 θ는 미소하기 때문에, 항상 δ= Rm * θ/2 이 성립한다. 상술한 극성의 정의에 적응하여 볼록형 패드인 경우의 δ의 극성은 +, 오목형 패드인 경우의 δ의 극성은 - 로 한다.
도 11에 있어서 거리 측정기에 의한 패드(2a)까지의 거리 측정을 좌측으로부터 우측으로 행하는 것으로 하고, 패드(2a)의 중심을 경계로 도면의 좌측을 프론트측, 우측을 엔드측이라고 부르기로 한다. 그리고, 도면의 좌우 방향으로 x 좌표, 상하 방향으로 z 좌표를 취한 x-z 직교 좌표계를 생각한다.
측정 개시점의 x 좌표를 Xs, 측정 종료점을 Xe 로 한다. 통상 Xs와 Xe는 패드(2a) 의 중심에 대하여 대칭의 위치에 있다. 패드(2a)의 중심부에는 구멍(2b)이 개방되어 있고, 이 부분에는 패드(2a)가 설치되지 않는다. 이 직경(패드(2a)의 내경)을 2 Roff로 한다. 그렇게 하면, 프론트측의 유효 측정 영역은 XS ~ {(Xs + Xe)/2-Roff}의 영역이며, 엔드측의 유효 측정 영역은 {(XS + Xe)/2 + Roff}~Xe 의 영역이 된다.
이러한 상태에서 도 11에 있어서의 패드(2a)의 프론트측 표면을 직선으로 근사하고, 그 직선을 구하는 방법을 이하에 설명한다. 엔드측의 직선을 구하는 방법도 마찬가지이기 때문에 엔드측의 직선을 구하는 방법에 관하여는 설명을 생략한다.
거리 측정기에 의해서 측정되는 점은 패드(2a) 표면의 점뿐만 아니라, 홈부 점의 데이터도 포함하고 있다. 만약에 홈부가 이상적인 형상을 하고 있으면, 홈의 하부 점과 패드(2a) 표면의 점 사이에는 거리의 교차(較差)가 있기 때문에, 소정의 임계치 이상의 거리 점을 제외하면, 홈부 점의 데이터를 제외할 수 있다. 그러나, 실제로는 홈부가 경사를 갖은 측면을 갖고 있기 때문에, 단지 임계치를 설치하는 것에 의해 홈부의 점과 패드(2a)의 표면 점을 구별할 수 없고, 이들을 구별하기 위해서는 특별한 고안이 필요하다.
따라서, 본 실시예에서는 이 점을 이하와 같이 하여 해결하고 있다. 우선, 잠정적으로 계산에 사용하는 데이터를 추출하기 위해서 예비 트랜케이션 폭 trw를 설정한다. 그리고, 유효 측정 영역에서 측정된 거리 데이터 중 최소의 것을 hmin, 최대의 것을 hmax 로 한다.
그리고, 이들 데이터에 기초하여 예비 트랜케이션 레벨 trunc1을 설정한다. 이것은 이하와 같이 하여 정한다.
(hmax-hmin)≤ 2*trw 일 때
trunc1=(hmax-hmin)/2
(hmax-hmin)> 2*trw 일 때
trunc1=hmin+trw
로 한다. 그리고, 유효 측정 범위의 데이터 중 거리가 예비 트랜케이션 레벨 trunc1 이하의 데이터 평균치를 구하고, 그것을 ave 로 한다. 그리고, 트랜케이션 폭 trw2를 적당히 정하고, (ave + trw2) 이하의 거리 데이터를 이용하여 회귀 계산을 하여 회귀 직선을 구한다. 이 회귀 직선을
z=a1*x+bl (a1, b1은 상수)
로 한다. 단지, x 좌표의 원점을 패드(2a)의 중심으로 잡고, z 좌표의 원점은 적당히 정한 값으로 한다(이하 동일하지만, 이하의 계산에서도 본 계산과 각 원점은 동일하게 한다). 그리고, 이 회귀의 표준 편차를 σ1로 한다.
다음에, 신뢰 구간 계수 m을 적당히 정하고, 트랜케이션 폭을 (m*σ1)로 한다. 그리고, 거리 데이터 z가
a1*x+bl-m*σ1≤ z≤ a1*x+b1+m*σ1
이 되는 데이터를 이용하여 다시 회귀 계산을 하여 회귀 직선을 구한다. 이 회귀직선을
z=a2*x+b2 (a2, b2는 상수)
로 한다. 그리고, 이 σ2를 이용하여 다음 트랜케이션 폭(m*σ2)을 결정한다. 그리고, 거리 데이터 z가
a2*x+b2-m*σ2≤ z≤ a2*x+b2+m*σ2
가 되는 데이터를 이용하여 다시 회귀 계산을 하는 조작을 소정 횟수 반복한다. 또는 회귀에 의한 표준 편차가 소정치 이내가 될 때까지 반복하도록 해도 좋다. 게다가 어느 쪽인가의 조건이 성립했을 때에 중단하도록 해도 좋다.
이와 같이 하여 프론트측 표면의 회귀 직선
z=a*x+b …(1)(a, b는 상수)
를 구하고, 마찬가지로 하여 엔드측 표면의 회귀 직선을 구한다. 양쪽 회귀 직선이 구해지면 그 교차각으로부터 패드(2a)의 원추 꼭지각을 구할 수 있다. 또, 프론트측의 회귀 직선의 경사와 엔드측의 회귀 직선의 경사의 차로부터 패드(2a)의 부착 기울기를 구할 수 있다.
다음에 홈 깊이를 구하는 방법에 관해서 설명한다. 홈 깊이에 대해서도 프론트측과 엔드측에 대해서 따로따로 구하지만, 그 구하는 방법은 동일하기 때문에, 프론트측에 관해서만 설명한다.
우선, 계산에 사용하는 무게 중심 결정용 데이터를 선택하는데, 이들 무게 중심 결정용 데이터는 x 방향에 대하여 유효 측정 범위보다 조금 좁은 범위의 데이터로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 예비 트랜케이션 폭 mtrw1을 적당히 정한다. 그리고 계산에 사용하는 무게 중심 결정용 데이터 중에서 거리 데이터가 최대인 것을 hmax’라고 하면, 예비 트랜케이션 레벨 mtrunc1을
mtrunc1 = hmax’- mtrw1
로서 정한다. 예비 트랜케이션 폭 mtrw1은 예비 트랜케이션 레벨 mtrunc1 이상의 거리 데이터에 되도록이면 표면 근방의 데이터가 포함되지 않도록 정한다.
그리고, 무게 중심 결정용 데이터 중에 거리가 예비 트랜케이션 레벨 mtrunc1 보다 큰 것의 거리 데이터의 평균치를 구하고 그것을 mave로 한다.
다음에, 홈부 영역 트랜케이션 레벨 mtrunc2 를 적당히 정한다. 그리고, (mave-mtrunc2) 이상의 거리를 갖는 데이터에 관해서 그 무게 중심(X, Z)을 구한다. 홈부 영역 트랜케이션 레벨 mtrunc2는 (mave-mtrunc2) 이상의 거리를 갖는 데이터가 되도록 표면 근방의 데이터가 포함되지 않도록 정한다.
한편, 전체 측정 데이터에 대해서 직선
z= c*x+d
인 직선(c, d는 계수)에 적용시키도록 회귀 분석을 하고, c와 d의 값을 구하고 이 중 경사 c만을 사용하여,
z=c(x-X)+Z ‥‥ (2)
를 홈의 바닥면을 나타내는 직선으로 한다.
그리고 무게 중심 결정용 데이터 중 x 방향의 값이 최대인 것과 최소인 것의 중심치 XM을 구하여 x가 XM인 위치에서의 표면을 나타내는 (1)식과, 홈의 바닥면을 나타내는 (2)식과의 z 방향의 거리를 홈 깊이로 한다. 즉 홈 깊이 =(c-a)XM-CX+(Z-b) 로 표시된다. 또, 홈 바닥면을 나타내는 직선의 기울기 c 로서 (1)식의 a를 이용할 수도 있다. 그 경우는,
홈 깊이 = -aX+(Z-b)로 표시된다.
이상의 계산을 프론트측과 엔드측에 대해서 행하고 양자의 평균을 최종적인 홈 깊이로 한다.
다음에, 패드 두께를 구하는 방법에 관해서 설명한다. 우선 프론트측과 엔드측에서 (1)식에 의해 표면의 측정 유효 영역의 x 방향 중심에서의 패드 표면 위치를 구하고, 그것을 프론트측과 엔드측으로 평균한 (더하여 2로 나눈) 값을 패드 중심 표면 위치로 한다. 한편, 도 11에 도시한 바와 같이 연마 패드(2)의 중심에는 구멍(2b)이 내부분이 있기 때문에 이 부분의 저면까지의 거리를 구하고 이 거리와 상기 패드 중심 표면 위치의 z 방향 거리와의 차를 패드 두께로 한다.
이하, 원추 꼭지각의 온도 보정에 관해서 설명을 한다. 본 발명의 청구항 6의 설명을 한다. 안내부(8)는 온도 변화가 있으면 바이메탈 효과에 의해 변형이 현저히 나타나고 이에 따라 상하 요동, 롤링 변동에 해당하는 가동자(9)의 움직임을 유발한다. 그 때문에 상술한 바와 같이 가동자(9)의 상하 요동, 롤링을 검출하여 거리 보정을 행할 수도 있지만, 본 실시예에서는 그에 더하여 안내부 유지판(7)의 온도를 검출하고, 그에 따라서 측정된 원추 꼭지각의 보정도 행하도록 하고 있다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이 안내부 유지판(7)의 중앙부 부근에 온도 센서(22)를 부착하고 그 신호를 제어 기판(24)에 받아들여 원추 꼭지각을 보정한다. 사전 준비로서는 제어 기판(24)내 또는 제어 장치(23)내에 온도마다의 계측한 원추 꼭지각의 테이블을 작성해 둔다. 테이블 작성의 작성을 위해서는 측정 장치 전체를 항온조 등에 넣어 온도 제어를 하면서 온도를 가변한다. 그리고, 소정 온도마다 패드형의 기준 평면에 대해서 원추 꼭지각의 측정을 한다. 패드형의 기준 평면은 거의 평탄하고 요철dl O 이다. 이 조작으로 온도와 원추 꼭지각의 관계를 나타내는 테이블을 작성하는 것이 가능하다.
CMP 장치에 본 측정 장치가 탑재되는 경우, 연마 패드의 계측을 전술의 앞 단계 3 에서 단계 7까지의 시퀀스로 행한다. 이 때, 제어 기판(24)은 온도 센서(22)의 출력 값을 항상 얻고 있다. 제어 기판(24)은 계측시의 온도에 대응하는 원추 꼭지각의 보정치를 테이블로부터 판독하고, 계측치에 보정분을 가감산한다. 이상에 의해 온도 변동이 있더라도 연마 패드의 원추 꼭지각을 정밀하게 관측할 수 있다. 상기 원추 꼭지각은 보각, 요철 변위의 테이블이라도 상관없다.
도 12에 원추 꼭지각 보각을 이용한 온도 테이블의 예를 그래프로서 도시한다. 예컨대 20℃인 경우의 보정치는 -0.27 mrad 이다. 연마 패드를 20℃일 때에 계측한 값이 0.1mrad 였다고 하면 0.1-(-0.27)= 0.37 mrad가 본래의 원추 꼭지각 보각이 된다.
또, 이상의 설명은 측정을 패드(2a)의 중심 근방을 통하는 직선에 따라서 행하고 있지만, 상술한 바와 같이 거리 측정 장치로서 센서부를 지지하는 아암을 어느 회전축을 중심으로 하여 회전하는 것을 사용하는 경우에는, 회전 각도와 측정 거리와의 관계를 나타내는 선은 직선이 안 되고, 패드 표면을 도시하는 원추면과, 센서가 회전하는 곡면을 나타내는 원통면과의 교선으로 표시되는 곡선이 된다. 이 중, 센서가 회전하는 곡면을 나타내는 원통면은 측정 장치에 의해서 결정되기 때문에 패드 표면을 나타내는 원추면을 가정하고 이들 교선을 나타내는 곡선을 가정한다. 그리고, 측정 데이터에 기초하여 회귀 계산에 의해 이 곡선의 계수를 정하고 결정하여 이제부터 원추 꼭지각을 구하도록 한다. 이 때의 회귀 계산에 이용하는 수법은 전술한 직선 회귀에 이용한 수법과 동일하게 단계적으로 회귀 계산을 반복하는 방법을 채용한다.
도 13은 본 발명 실시예의 제5 예인 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 전체 개요도이며, 도 1에 대응하는 것이다. 단지, 도 13에 도시되는 연마 패드 표면 형상 측정 장치도 창 개폐용의 에어 실린더(17), 전자 밸브(18), 스피콘(19)을 갖지만, 도시 관계상 이들 구성 요소의 도시를 생략하고 있다.
도 1에 도시하는 실시예와 도 13에 도시하는 실시예와의 차이는 도 13에 도시하는 실시예에서는 측정자(81), 측정자 구동 장치(82), 측정자 구동용 전자 밸브(83), 스피콘(84)이 설치되어 있는 것뿐이다. 도 13에 도시하는 실시예는 도 1에 도시하는 구성 요소를 전부 필요로 하고 있고 이들 구성 요소의 작용은 도 1에 도시하는 실시예와 동일하기 때문에 그 설명을 생략한다.
도 14에 도 13에 도시되는 연마 패드 표면 형상 측정 장치 본체부(3)의 주요부 상세도를 도시한다. 이것은 도 2에 대응하는 것이다. 도 14의 (a)에 있어서 측정자 구동 장치(82)는 공기 압력 로터리 액츄에이터(82a), 제1 링크 부재(82b), 제2 링크 부재(82c)를 갖고 있다.
공기 압력 로터리 액츄에이터(82a)는 도 13에 도시하는 측정자 구동용 전자 밸브(83)의 전환에 의하여 제1 링크 부재(82b)와 그것에 부착된 부재를 회전시켜 도 14의 (a)에 도시하는 실선의 위치와 파선의 위치 중 어딘가에 위치시킨다. 제1 링크 부재(82b)와 제2 링크 부재(82c)는 도 14의 (b)에 도시한 바와 같은 링크 기구로 결합되어 있고 제2 링크 부재(82c)의 선단부에는 측정자(81)가 부착되어 있다.
도 14의 (b)를 참조하면 알 수 있는 바와 같이 제1 링크 부재(82b)와 제2 링크 부재(82c)는 회동 핀(82d)으로 상호 회동 가능하도록 결합되어 있다. 그리고, 회동 핀(82d)에는 스프링(82g)이 휘감겨지고, 그 양단부가 볼록부(82e, 82f)에 접촉하여 스프링(82g)의 압박력에 의해 제1 링크 부재(82b)와 제2 링크 부재(82c) 사이의 각도가 개방되는 방향(즉, 도에 있어서 제2 링크 부재(82c)가 반시계 방향으로 향하는 방향)으로 압박되어 있다. 단지, 제1 링크 부재(82b)와 제2 링크 부재(82c)와의 각도가 지나치게 개방되지 않도록 스토퍼(82h)가 제1 링크 부재(82b)의 선단부에 부착되어 있다.
측정자 구동용 전자 밸브(83)의 전환에 의하여 제1 링크 부재(82b)가 파선의 위치로부터 실선의 위치로 회동하면 측정자(81)의 상부 표면이 패드(2a)에 접촉한다. 이 상태로 가동자(9)를 도면의 좌우 방향으로 이동시키면 측정자(81)는 패드(2a)의 표면에 따라서 미끄럼 이동한다. 스프링(82g)의 압박력은 측정자(81)가 패드(2a)의 표면에 접촉하고, 또한 패드(2a)의 표면에 형성된 보풀을 억지로 없애기에는 충분하지만, 패드(2a) 본체를 강압력에 의해 크게 변형시키지 않는 것이 된 다.
이상 설명한 부분 이외의 도 14에 도시된 구성 요소는 도 2에 도시된 것과 동일하며, 그 작용도 도 2에 도시된 것과 동일하기 때문에 그 설명을 생략한다.
도 15는 도 13에 도시된 실시예의 도 3에 대응하는 도면이다. 이 도면에서 측정자(81)는 패드(2a)에 접촉해 있는 위치에 있다. 측정자(81)의 이면에는 반사판(81a)이 부착되어 있다. 반사판(81a)은 경면 형상의 반사면을 갖는 것이라도, 반대로 빛을 확산하는 반사면을 갖는 것이라도 좋다. 또한, 반사판(81a)은 측정자(81)와 동일 부재라도 좋다. 이 상태에서는 메인 센서(15)는 반사판(81a)까지의 거리를 측정한다. 즉, 메인 센서(15)는 도 14에 있어서 제1 링크 부재(82b)와 그것에 부착된 제2 링크 부재(82c), 측정자(81)가 파선의 위치에 있을 때는 연마 패드(2)의 표면(즉, 패드(2a)의 표면)까지의 거리를 측정하고, 제1 링크 부재(82b)와 그것에 부착된 제2 링크 부재(82c), 측정자(81)가 실선의 위치에 있을 때는 도 15에 도시한 바와 같이 반사판(81a)까지의 거리를 측정한다.
어느 쪽을 측정할지는 측정자 구동용 전자 밸브(83)에 의해 전환된다. 이하, 메인 센서(15)가 연마 패드(2)의 표면까지의 거리를 측정하는 경우를 비접촉 계측, 메인 센서(15)가 반사판(81a)까지의 거리를 측정하여 간접적으로 연마 패드(2)의 표면까지의 거리를 측정하는 경우를 접촉 계측이라고 부른다.
도 16에 접촉 계측과 비접촉 계측의 비교를 도시한다. 접촉 계측의 경우는, (a)에 도시한 바와 같이 패드(2a)의 표면에 보풀(85)이 있는 경우라도, 측정자(81)에 의해서 그것이 억지로 없애어지기 때문에 보풀(85)의 영향을 받지 않고서 패 드(2a)의 표면 형상을 측정할 수 있는 반면, 측정자(81)가 홈부에 들어갈 수 없기 때문에, 홈 깊이를 측정하는 것은 불가능하다.
비접촉 계측의 경우는, (b)에 도시한 바와 같이 홈 깊이를 측정하는 것이 가능하지만 표면 보풀(85)의 영향을 받아서 패드(2a)의 표면 형상을 정확하게 측정할 수 없는 경우가 있다.
이와 같이, 접촉 계측과 비접촉 계측에는 일장일단이 있기 때문에, 측정 대상 및 패드(2a) 표면의 보풀(85)의 상태로 합쳐서 양쪽을 구별해서 쓰는 것이 바람직하다. 즉, 보풀(85)이 적고, 비접촉 계측이라도 충분히 패드(2a)의 표면 상태가 측정 가능하다고 생각될 때에는 모든 계측을 비접촉 계측만으로 행할 수 있다.
보풀(85)의 상태가 비접촉 계측에서는 오차가 생길 우려가 있을 때는, 패드(2a)의 표면 형상의 측정만을 접촉 계측으로 행하고, 이 데이터에 기초하여 원추 꼭지각, 패드 두께를 측정하도록 하고, 홈 깊이를 측정하는 경우에는 홈의 바닥면 위치를 비접촉 계측으로 측정하여 그 데이터와 접촉 계측으로 측정한 패드(2a)의 표면 형상의 데이터로부터 홈 깊이를 산출하도록 하면 된다.
접촉 계측에 의해 원추 꼭지각 산출과 패드 두께를 산출하는 시퀀스는 단계 1 ~ 단계 8에서 설명한 전술의 방법과 다르지 않다. 이 방법에서는, 홈 깊이도 동시에 산출되어 버리지만, 이 산출 결과는 신뢰성이 없기 때문에 산출된 홈 깊이는 사용하지 않도록 한다.
이하, 기준 블록(12)의 지지 방법에 관한 변형예를 도 17을 이용하여 설명한다. 도 4에 있어서는, 기준 블록(12)은 제1 유지 부재(13)와 제2 유지 부재(14)에 의해 각각 앞블록(5), 뒤블록(6)에 지지되어 있지만, 이러한 방법만이 아니라 도 17의 (a)에 도시한 바와 같이 기준이 되는 정반(定盤:91)의 위에 지지부(92, 93)를 설치하고, 지지부(92)에 제1 유지 부재(13), 지지부(93)에 제2 유지 부재(14)를 부착하도록 해도 좋다. 이와 같이 하여도, 안내부(8)의 변형이 기준 블록(12)의 위치 변동을 야기하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 17의 (b)에 도시한 바와 같이 기준 블록(12)을 뒤블록(6)에 직접 부착하고, 앞블록(5)에는 기준 블록(12)을 탄성체(94)를 통해 부착함으로써 안내부(8)의 변형이 기준 블록(12)의 위치 변동을 야기하는 것을 방지할 수 있다. 물론, 또한,기준 블록(12)을 탄성체를 통해 뒤블록(6)에 부착하도록 해도 좋다.

Claims (25)

  1. 안내 기구에 따라 미끄럼 이동하는 가동자와,
    연마 패드의 직경 방향으로 상기 가동자를 구동시키는 구동부와,
    상기 가동자에 설치되는 제1 검출기로서, 상기 제1 검출기로부터 연마 패드의 표면까지의 거리를 계측하는 제1 검출기와,
    상기 가동자에 설치되는 제2 검출기로서, 상기 제2 검출기로부터 기준 평면도(平面度)를 갖는 기준 부재의 표면까지의 거리를 계측하는 제2 검출기와,
    상기 가동자의 상기 연마 패드의 직경 방향의 위치를 검출하는 위치 검출 수단과,
    상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력과 상기 가동자의 연마 패드 직경 방향 위치 출력을 이용하여, 상기 연마 패드 표면이 이루는 원추 꼭지각, 홈 깊이 및 패드 두께 중 하나 이상을 계측하는 계측 수단
    을 갖는 표면 형상 측정 장치로서,
    상기 기준 부재는, 상기 가동자의 구동 방향의 변위 및 그 방향의 굽힘이 가능한 기구에 의해 유지되는 단부(端部)를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 상기 제1 검출기, 상기 제2 검출기, 상기 기준 부재, 상기 안내 기구, 상기 가동자, 상기 구동부의 일부, 상기 위치 검출 수단을 수납하는 방수 커버를 가지며, 상기 방수 커버에는 상기 연마 패드를 관측하기 위한 창부(窓部)가 설치되고, 이 창부를 개폐하는 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  3. 안내 기구에 따라 미끄럼 이동하는 가동자와,
    연마 패드의 직경 방향으로 상기 가동자를 구동시키는 구동부와,
    연마 패드에 접촉 가능한 측정자와,
    상기 가동자에 설치되는 제1 검출기로서, 상기 제1 검출기로부터 연마 패드의 표면까지의 거리 또는 상기 제1 검출기로부터 상기 측정자까지의 거리를 비접촉으로 계측하는 제1 검출기와,
    상기 가동자에 설치되는 제2 검출기로서, 상기 제2 검출기로부터 기준 평면도(平面度)를 갖는 기준 부재의 표면까지의 거리를 계측하는 제2 검출기와,
    상기 가동자의 상기 연마 패드의 직경 방향의 위치를 검출하는 위치 검출 수단과,
    상기 측정자를 연마 패드에 접촉시킨 상태로 측정자까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태와, 상기 측정자를 연마 패드로부터 이격시킨 상태로 연마 패드의 표면까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태를 전환하는 수단과,
    상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력과 상기 가동자의 연마 패드의 직경 방향 위치 출력을 이용하여 상기 연마 패드 표면이 이루는 원추 꼭지각, 홈 깊이 및 패드 두께 중 하나 이상을 계측하는 계측 수단
    을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기준 부재는, 상기 가동자의 구동 방향의 변위 및 그 방향의 굽힘이 가능한 기구에 의해 유지되는 단부(端部)를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서, 적어도 상기 제1 검출기, 상기 제2 검출기, 상기 측정자, 상기 기준 부재, 상기 안내 기구, 상기 가동자, 상기 구동부의 일부, 상기 위치 검출 수단을 수납하는 방수 커버를 가지며, 상기 방수 커버에는 상기 연마 패드를 관측하기 위한 창부(窓部)가 설치되고, 이 창부를 개폐하는 기구가 설치되는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 검출기는 광학적 거리 검출기인 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제1 검출기는 광학적 거리 검출기인 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 검출기의 투광부와 수광부를 기체 블로우(air blow)하는 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 검출기의 투광부와 수광부를 기체 블로우하는 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서, 측정 중에 상기 연마 패드 표면의 측정 개소를 기체 블로우하는 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  11. 제3항에 있어서, 측정 중에 상기 연마 패드 표면의 측정 개소를 기체 블로우하는 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가동자의 상기 기준 부재에 대한 기울기를 검출하는 경사 검출기를 가지며, 상기 계측 수단은 상기 경사 검출기의 출력을 사용하여 상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력을 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  13. 제3항에 있어서, 상기 가동자의 상기 기준 부재에 대한 기울기를 검출하는 경사 검출기를 가지며, 상기 계측 수단은 상기 경사 검출기의 출력을 사용하여, 상기 제1 검출기로부터의 거리 출력과 상기 제2 검출기로부터의 거리 출력을 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 안내 기구의 온도 검출기를 가지고, 상기 계측 수단은 상기 온도 검출기의 출력을 사용하여 원추 꼭지각의 측정치를 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  15. 제3항에 있어서, 상기 안내 기구의 온도 검출기를 가지고, 상기 계측 수단은 상기 온도 검출기의 출력을 사용하여 원추 꼭지각의 측정치를 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 기준 부재가 그 일단을 1 자유도 변위가 가능한 탄성체에 의해 다른 일단을 2 자유도 변위가 가능한 탄성체에 의해 각각 연마 패드 표면 형상 측정 장치에 유지되고, 이에 따라 상기 기준 부재의 가동자 구동 방향의 신장과, 그 방향 굽힘의 유지 강성이 작아지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  17. 제3항에 있어서, 상기 기준 부재가 그 일단을 1 자유도 변위가 가능한 탄성체에 의해, 다른 일단을 2 자유도 변위가 가능한 탄성체에 의해 각각 연마 패드 표면 형상 측정 장치에 유지되고, 이에 따라 상기 기준 부재의 가동자 구동 방향의 신장과, 그 방향 굽힘의 유지 강성이 작아지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  18. 연마 패드에 접촉 가능한 측정자와,
    제1 검출기로서, 상기 제1 검출기로부터 연마 패드 표면까지의 거리 또는 상기 제1 검출기로부터 상기 측정자까지의 거리를 비접촉으로 계측하는 제1 검출기와,
    상기 측정자를 연마 패드에 접촉시킨 상태로 측정자까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태와, 상기 측정자를 연마 패드로부터 이격시킨 상태로 연마 패드의 표면까지의 거리를 상기 제1 검출기로 측정하는 상태를 전환하는 수단
    을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 이용하고, 또한, 상기 연마 패드를 회전시켜 각각의 회전 위치에서 측정하여 복수 개의 원추 꼭지각을 구하고 그 통계적 처리치에 기초하여 상기 연마 패드의 드레스 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 사용 방법.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 이용하고, 또한, 상기 연마 패드를 회전시켜 각각의 회전 위치에서 측정하여 복수 개의 상기 홈 깊이를 구하고, 그 통계적 처리치에 기초하여 연마 패드를 교환하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 사용 방법.
  21. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 이용하고, 또한, 상기 연마 패드를 회전시켜 각각의 회전 위치에서 측정하여 복수 개의 상기 연마 패드의 두께를 계측하고 그 통계적 처리치에 기초하여 드레스 장치의 컨디셔너를 교환하는 것을 특징으로 하는 연마 패드 표면 형상 측정 장치의 사용 방법.
  22. 기준면으로부터 연마 패드 표면까지의 거리를 상기 연마 패드의 중심 근방을 통하는 직선 또는 곡선을 따라서 측정하고, 상기 연마 패드의 연마 유효면에서의 데이터로부터 상기 연마 패드의 중심 양측의 상기 연마 패드의 표면을 나타내는 2개의 직선을 회귀 계산에 의해서 구하여 상기 2개의 직선의 교각으로부터 상기 연마 패드의 원추 꼭지각을 구하는 방법으로서, 각각의 직선을 구할 때에 처음에는 하나의 직선을 결정하기 위한 데이터의 최대, 최소 또는 평균치 중 어느 하나로부터 미리 결정된 거리 범위 내에 있는 데이터를 사용하여 회귀 계산을 하여 회귀 직선과 표준 편차를 구하고, 다음에 상기 회귀 직선으로부터 상기 표준 편차에 계수를 곱한 값만큼 먼 곳에 떨어진 데이터까지를 사용하여 회귀 계산을 하여 새로운 회귀 직선과 새로운 표준 편차를 구하는 조작을 적어도 2회 이상 또는 상기 새로운 표준 편차가 미리 결정된 값 이하가 될 때까지 반복하고, 미리 결정된 횟수 경과 또는 상기 새로운 표준 편차가 미리 결정된 값 이하가 되었을 때의 회귀 직선을 상기 하나의 직선으로 하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 원추 꼭지각의 측정 방법.
  23. 기준면으로부터 연마 패드 표면까지의 거리를 상기 연마 패드의 중심 근방을 통하는 직선 또는 곡선에 따라서 측정하고, 상기 연마 패드의 연마 유효면에서의 데이터로부터 연마 패드에 형성된 홈의 깊이를 측정하는 방법으로서, 상기 연마 패드의 중심 양측의 데이터 각각에 대하여 처음에는 데이터 중 최대, 최소 또는 평균치 중 어느 하나로부터 미리 결정된 거리에 있는 데이터를 이용하여 그 거리와 상기 연마 패드의 반경 방향 위치에서 형성되는 데이터의 2차원의 무게 중심 위치를 구하고, 한편 측정한 데이터 전부를 사용하여 구한 회귀 직선의 기울기, 또는 제22항의 발명에 의해서 구한 연마 패드의 표면을 나타내는 직선의 기울기를 이용하여 그 기울기를 가지고 상기 무게 중심 위치를 통하는 직선을 구하고, 그것을 연마 패드 홈 바닥부 직선으로 하고, 제22항에서 구한 연마 패드 표면부를 나타내는 직선과의 평균 상대 거리를 상기 연마 패드의 홈 깊이로 하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 홈 깊이 측정 방법.
  24. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 기재된 연마 패드 표면 형상 측정 장치를 장치 내에 내장한 CMP 연마 장치.
  25. 제24항에 기재된 CMP 연마 장치를 이용하여 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄화하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.
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