KR102094274B1 - 연마 방법 및 연마 장치 - Google Patents

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    • B24B37/013—Devices or means for detecting lapping completion

Abstract

본 발명의 과제는 금속막 및 산화막의 양쪽의 연마에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 연마 패드의 전체 수명을 통해, 안정된 연마 성능으로 피연마막을 연마할 수 있도록 하는 것이다.
연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 방법이며, 기지의 연마 패드의 감모량과, 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드로 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간과의 관계로부터 연마 시간 보정용 알고리즘을 미리 작성해 두고, 피연마막의 연마 목표값을 설정하고, 연마에 사용된 연마 패드의 감모량 또는 두께를 측정하고, 측정된 연마 패드의 감모량 또는 두께와 알고리즘으로부터 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 구하고, 구해진 연마 시간으로 피연마막을 연마한다.

Description

연마 방법 및 연마 장치{POLISHING METHOD AND POLISHING APPARATUS}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마 패드에 압박하여, 기판과 연마 패드의 상대 운동에 의해 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 방법 및 연마 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 고집적화ㆍ고밀도화에 수반하여, 회로의 배선이 점점 미세화되어, 다층 배선의 층수도 증가하고 있다. 회로의 미세화를 도모하면서 다층 배선을 실현하려고 하면, 하측의 층의 표면 요철을 답습하면서 단차가 보다 커지므로, 배선층수가 증가하는 것에 따라서, 박막 형성에 있어서의 단차 형상에 대한 막 피복성(스텝 커버리지)이 나빠진다. 따라서, 다층 배선하기 위해서는, 이 스텝 커버리지를 개선하여, 그에 상당하는 과정에서 평탄화 처리해야만 한다. 또한, 광 리소그래피의 미세화와 함께 초점 심도가 얕아지므로, 반도체 디바이스의 표면의 요철 단차가 초점 심도 이하로 억제되도록 반도체 디바이스 표면을 평탄화 처리할 필요가 있다.
따라서, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 디바이스 표면의 평탄화 기술이 점점 중요해지고 있다. 이 평탄화 기술 중, 가장 중요한 기술은 화학적 기계 연마[CMP(Chemical Mechanical Polishing)]이다. 이 화학적 기계 연마는 연마 장치를 사용하여, 실리카(SiO2) 등의 지립을 포함한 연마액을 연마 패드의 연마면 상에 공급하면서 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마면에 미끄럼 접촉시켜 피연마막의 연마를 행하는 것이다.
이러한 종류의 연마 장치는 연마 패드를 갖는 연마 테이블과, 반도체 웨이퍼 등의 기판을 보유 지지하는 톱 링을 구비하고 있다. 일반적으로, 기판의 외주연측에는 연마 패드를 압박하는 리테이너 링이 설치된다. 이와 같은 연마 장치를 사용하여 기판 표면의 피연마막의 연마를 행하는 경우에는, 톱 링에 의해 기판을 보유 지지하면서, 기판을 연마 패드에 대해 소정의 압력으로 압박한다. 이때, 연마 패드에 연마액을 공급하면서, 연마 패드와 톱 링을 상대 운동시킴으로써, 연마액의 존재 하에서 기판 표면의 피연마막이 연마 패드에 미끄럼 접촉하여, 기판 표면의 피연마막이 평탄하고 또한 경면으로 연마된다.
여기에, 예를 들어 IC-1000/SUBA400(2층 크로스)으로 이루어지는 연마 패드를 사용한 연마 프로세스에 있어서는, 연마 패드 상층(IC-1000)의 감모 등에 의한 상태 변화에 의해, 그 연마 성능(연마율이나 연마 프로파일)이 변동되는 경우가 있는 것이 알려져 있다.
도 1은 연마 프로세스에 있어서의 연마 패드(IC-1000)의 두께와 연마율의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 패드의 두께가 얇아지는 것에 따라서 연마율이 상승한다. 또한, 도 2는 50밀(mil), 32밀 및 80밀의 두께가 다른 연마 패드(IC-1000)를 사용하여 기판 표면의 피연마막을 연마했을 때의 기판의 반경 방향 위치에 대한 무차원 연마율의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 연마 패드의 두께가 다르면 연마 프로파일도 다르다.
따라서, 피연마막의 연마량이나 연마 후의 프로파일이 항상 일정하게 유지되도록 하기 위해서는, 예를 들어 연마 패드를 드레서에 의해 드레싱함으로써 연마 패드의 두께가 감소(감모)했을 때에, 연마 패드의 감모량에 맞추어, 연마 시간이나, 연마 압력 등의 연마 조건을 적절하게 바꿀 필요가 있다.
종래, 이와 같은 연마 패드의 상태 변화에 의한 연마 성능의 변동을 캔슬하는 방법으로서, ITM(In-line Thickness Monitor)이나 R-ECM(와전류 모니터)을 사용한 CLC(폐쇄 루프 제어) 등이 널리 사용되고 있다.
그러나, ITM을 사용한 CLC는 반도체 웨이퍼 등의 기판의 표면 상태를 계측할 때마다, 기판을 연마부로부터 취출하여 세정하여 건조시킬 필요가 있고, 이로 인해, 이 일련의 작업에 많은 시간을 필요로 해, 처리량을 저하시키는 요인이 되고 있었다. 또한 R-ECM을 사용한 CLC는 피연마막이 금속막일 때밖에 적용할 수 없고, 예를 들어 기판 표면의 구리막 연마에 있어서의 기판 표면의 구리막을 제거한 후의 2단째의 연마(터치 업)에서는 연마 시간이나 연마 조건을 고정하여 연마를 행하는 블라인드(Blind) 연마가 여전히 행해지고 있다. 이로 인해, 연마 패드의 상태 변화에 의한 연마 성능의 변동이 기판의 연마 결과에 반영되어 생산성의 저하를 일으키고 있었다. 또한 R-ECM을 사용한 CLC를 적용할 수 있는 금속막 연마에 있어서도, 시스템의 도입에는 많은 비용이 필요해진다.
출원인은, 연마 패드 등의 마모 부재의 마모량을 산출하여, 연마 공정이 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 판단하거나, 연마 패드 등의 마모 부재의 마모량과 연마 프로파일의 상관 관계를 나타내는 상관 데이터를 축적함으로써, 연마 조건을 적절하게 제어하도록 한 연마 장치(특허문헌 1 참조)나, 연마 패드의 프로파일의 변화에 맞추어 연마 조건을 변경하도록 한 연마 장치(특허문헌 2 참조)를 제안하고 있다.
또한, 출원인은 연마 패드 교환 직후로부터 다음 회 교환까지의 동안의 연마 속도와 연마 패드의 두께의 관계를 구해 두고, 실제로 측정한 연마 패드의 두께에 기초하여 다음 회 연마하는 기판의 연마 처리 시간을 최적화하도록 한 기판 연마 방법 및 장치를 제안하고 있다(특허문헌 3 참조).
웨이퍼에 대한 웨이퍼 재료 제거 속도를 측정하는 스텝과, 연마 유효성에 대한 툴 상태의 영향, 예를 들어 툴에 대한 마모, 사용에 의한 경년 변화의 영향을 명확하게 하는 모델을 제공하는 스텝을 갖는 반도체 웨이퍼의 표면 평탄화 방법이 제안되어 있다(특허문헌 4 참조).
또한, 연마 패드의 두께를 계측하여, 계측된 값이 소정값 이하로 된 경우에, 연마 패드의 수명이 다하였다고 판단하도록 한 연마 패드의 수명 판단 방법(특허문헌 5 참조)이나, 드레싱 조건을 변화시킴으로써 연마 패드의 프로파일을 컨트롤하도록 한 연마 장치(특허문헌 6 참조)가 제안되어 있다.
또한, 연마 패드의 드레싱에 의한 컷트율의 변화가 일어났을 때에 드레싱 조건을 변화시킴으로써, 바람직한 연마율이 얻어지도록 한 연마 장치(특허문헌 7∼9 참조)나, 연마 패드의 나머지 두께 등과 연마율의 실측값의 중회귀분석에 의해 작성한 모델식에 연마 패드의 나머지 두께의 측정값 등을 대입하여 연마율의 예측값을 산출하여, 이 연마율의 예측값이 소정 범위 내에 있는지 여부에 의해 프로세스 이상을 판단하도록 한 연마 장치(특허문헌 10 참조)가 제안되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제 2006-255851호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2009-148877호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2005-347568호 공보 일본 특허 출원 공표 제 2005-520317호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2004-25413호 공보 일본 특허 출원 공개 제 2004-47876호 공보 미국 특허 제5,609,718호 명세서 미국 특허 제5,801,066호 명세서 미국 특허 제5,655,951호 명세서 일본 특허 출원 공개 제 2005-342841호 공보
그러나, 상기한 종례예에 있어서는, 예를 들어 연마 패드를 드레싱함으로써 연마 패드의 두께가 감소(감모)했을 때에, 연마 패드의 감모량에 맞추어, 피연마막의 막 두께를 측정하는 일 없이 연마 시간을 적절하게 변경함으로써, 특히 기판 표면의 구리막을 제거한 후의 2단째의 연마(터치 업) 등에 대응할 수 있는, 피드 포워드 제어를 행하도록 한 것이 아니다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, ITM이나 R-ECM을 사용한 CLC에 비해 비교적 저렴하게 도입할 수 있어, 피연마막의 막 두께를 측정하는 일 없이, 특히 기판 표면의 구리막을 제거한 후의 2단째의 연마(터치 업) 등에 대응할 수 있을 뿐만 아니라, ITM을 사용한 CLC와 같이 처리량을 손상시키는 일도 없어, 연마 패드의 전체 수명을 통해, 안정된 연마 성능으로 피연마막을 연마할 수 있도록 한 연마 방법 및 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 연마 방법은 연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 방법이며, 기지의 연마 패드의 감모량 또는 두께와, 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드로 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간의 관계로부터 연마 시간 보정용 알고리즘을 미리 작성해 두고, 피연마막의 연마 목표값을 설정하여, 연마에 사용되는 연마 패드의 감모량 또는 두께를 측정하고, 측정된 연마 패드의 감모량 또는 두께와 상기 알고리즘으로부터 상기 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 구한 후, 상기 연마 시간으로 피연마막을 연마하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 소정의 연마량 또는 소정의 연마 시간이라 함은, 연마 시간 보정식을 구할 때에 사용하는, 기준으로 하는 연마량 또는 연마 시간이다.
본 발명의 다른 연마 방법은 연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 방법이며, 기지의 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과, 당해 기판 연마 처리 매수를 처리한 연마 패드 또는 당해 누적 드레싱 시간만큼 드레싱된 연마 패드로, 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간과의 관계로부터 연마 시간 보정용 알고리즘을 미리 작성해 두고, 피연마막의 연마 목표값을 설정하여, 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간을 계측하여, 계측된 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과 상기 알고리즘으로부터 상기 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 구하고, 상기 연마 시간으로 피연마막을 연마하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연마 장치는 연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 장치에 있어서, 연마에 사용되는 연마 패드의 감모량 또는 두께를 측정하는 연마 패드 측정기와, 상기 연마 패드 측정기로 측정한 연마 패드의 감모량 또는 두께를 기억하는 메모리부와, 기지의 연마 패드의 감모량 또는 두께와, 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드에서, 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간과의 관계로부터 미리 작성한 연마 시간 보정용 알고리즘을 저장하는 저장부와, 상기 연마 패드 측정기로 측정한 연마 패드의 감모량 또는 두께와 상기 연마 시간 보정용 알고리즘으로부터 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 산출하는 연산부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연마 방법 및 연마 장치에 따르면, 예를 들어 연마 패드를 드레싱함으로써 연마 패드의 두께가 감소(감모)했을 때에, 연마 패드의 감모량에 맞추어, 피연마막의 막 두께를 측정하는 일 없이 연마 시간을 적절하게 변경하고, 특히 기판 표면의 구리막을 제거한 후의 2단째의 연마(터치 업) 등에 대응할 수 있는, 피드 포워드 제어를 행할 수 있다. 또한, 본 발명의 연마 방법 및 연마 장치는 ITM이나 R-ECM을 사용한 CLC에 비해 비교적 저렴하게 도입할 수 있어, 금속막 및 산화막의 양쪽의 연마에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, ITM을 사용한 CLC와 같이 처리량을 손상시키는 일도 없어, 연마 패드의 전체 수명을 통해, 안정된 연마 성능으로 피연마막을 연마할 수 있다.
도 1은 연마 프로세스에 있어서의 연마 패드의 두께와 연마율의 관계의 일례를 나타내는 그래프.
도 2는 두께가 다른 연마 패드를 사용하여 기판 표면의 피연마막을 연마했을 때의 기판의 반경 방향 위치에 대한 무차원 연마율의 일례를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 연마 장치를 도시하는 모식도.
도 4는 도 3에 도시하는 톱 링의 구성예를 도시하는 단면도.
도 5는 도 3에 도시하는 톱 링의 구성예를 도시하는 단면도.
도 6은 도 3에 도시하는 톱 링의 구성예를 도시하는 단면도.
도 7은 도 3에 도시하는 톱 링의 구성예를 도시하는 단면도.
도 8은 도 3에 도시하는 리테이너 링의 확대도.
도 9는 연마에 사용되는 연마 패드의 감모량을 실제로 측정하여, 그 정보를 기초로, 연마 시간을 제어하는 피드 포워드 제어의 흐름도.
도 10은 연마에 사용되는 연마 패드의 감모량을 실제로 측정하여, 그 정보를 기초로, 연마 압력 등의 연마 조건을 제어하는 피드 포워드 제어의 흐름도.
도 11은 변위 센서, 타깃 플레이트, 드레서, 연마 패드 및 연마 테이블의 위치 관계를 나타내는 모식도.
도 12는 수직 방향에 있어서의 드레서 위치(연마 패드의 위치)의 측정 방향 및 측정값을 도시하는 모식도.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 연마 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 연마 장치는 연마 테이블(100)과, 연마 대상물인 반도체 웨이퍼 등의 기판(W)을 보유 지지하여 연마 테이블(100) 상의 연마면에 압박하는 톱 링(20)을 구비하고 있다.
연마 테이블(100)은 테이블축(100a)을 통해 그 하방에 배치되는 연마 테이블 회전 모터(도시하지 않음)에 연결되어 있고, 그 테이블축(100a) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 테이블(100)의 상면에는 연마 패드(101)가 부착되어 있고, 연마 패드(101)의 표면(101a)이 기판(W)의 표면의 피연마막을 연마하는 연마면을 구성하고 있다. 연마 테이블(100)의 상방에는 연마액 공급 노즐(도시하지 않음)이 설치되어 있고, 이 연마액 공급 노즐에 의해 연마 테이블(100) 상의 연마 패드(101) 상에 연마액이 공급되도록 되어 있다.
톱 링(20)은 톱 링 샤프트(18)에 접속되어 있고, 이 톱 링 샤프트(18)는 상하 이동 기구(24)에 의해 톱 링 헤드(16)에 대해 상하 이동하도록 되어 있다. 이 톱 링 샤프트(18)의 상하 이동에 의해, 톱 링 헤드(16)에 대해 톱 링(20)의 전체를 상하 이동시켜 위치 결정하도록 되어 있다. 톱 링 샤프트(18)는, 도시하지 않은 톱 링 회전 모터의 구동에 의해 회전하도록 되어 있다. 톱 링 샤프트(18)의 회전에 의해, 톱 링(20)이 톱 링 샤프트(18) 주위로 회전하도록 되어 있다. 또한, 톱 링 샤프트(18)의 상단부에는 로터리 조인트(25)가 설치되어 있다.
또한, 시장에서 입수할 수 있는 연마 패드로서는 다양한 것이 있고, 예를 들어, 로델사제의 SUBA800, IC-1000, IC-1000/SUBA400(2층 크로스), 후지미인코포레이티드사제의 Surfin xxx-5, Surfin 000 등이 있다. SUBA800, Surfin xxx-5, Surfin 000은 섬유를 우레탄 수지로 뭉친 부직포이고, IC-1000은 경질의 발포 폴리우레탄(단층)이다. 발포 폴리우레탄은 포러스(다공질) 상태로 되어 있고, 그 표면에 다수의 미세한 오목부 또는 구멍을 갖고 있다.
톱 링(20)은 그 하면에 반도체 웨이퍼 등의 기판(W)을 보유 지지할 수 있도록 되어 있다. 톱 링 헤드(16)는 지지축(14)을 중심으로 하여 선회 가능하게 구성되어 있고, 하면에 기판(W)을 보유 지지한 톱 링(20)은 톱 링 헤드(16)의 선회에 의해, 기판의 수취 위치로부터 연마 테이블(100)의 상방으로 이동된다. 그리고, 톱 링(20)을 하강시켜 기판(W)을 연마 패드(101)의 표면(연마면)(101a)에 압박한다. 이때, 톱 링(20) 및 연마 테이블(100)을 각각 회전시켜, 연마 테이블(100)의 상방에 설치된 연마액 공급 노즐(도시하지 않음)로부터 연마 패드(101) 상에 연마액을 공급한다. 이와 같이, 기판을 연마 패드(101)의 연마면(101a)에 미끄럼 접촉시켜 기판(W)의 표면의 피연마막을 연마한다.
톱 링 샤프트(18) 및 톱 링(20)을 상하 이동시키는 상하 이동 기구(24)는 베어링(26)을 통해 톱 링 샤프트(18)를 회전 가능하게 지지하는 브리지(28)와, 브리지(28)에 설치된 볼 나사(32)와, 지주(30)에 의해 지지된 지지대(29)와, 지지대(29) 상에 설치된 AC 서보 모터(38)를 구비하고 있다. 서보 모터(38)를 지지하는 지지대(29)는 지주(30)를 통해 톱 링 헤드(16)에 고정되어 있다.
볼 나사(32)는 서보 모터(38)에 연결된 나사축(32a)과, 이 나사축(32a)이 나사 결합하는 너트(32b)를 구비하고 있다. 톱 링 샤프트(18)는 브리지(28)와 일체로 되어 상하 이동하도록 되어 있다. 따라서, 서보 모터(38)를 구동하면, 볼 나사(32)를 통해 브리지(28)가 상하 이동하고, 이에 의해 톱 링 샤프트(18) 및 톱 링(20)이 상하 이동한다. 연마 장치는 브리지(28)의 하면까지의 거리, 즉 브리지(28)의 위치를 검출하는 위치 검출부로서의 측거 센서(70)를 구비하고 있다. 이 측거 센서(70)에 의해 브리지(28)의 위치를 검출함으로써, 톱 링(20)의 위치를 검출할 수 있도록 되어 있다. 측거 센서(70)는 볼 나사(32), 서보 모터(38)와 함께 상하 이동 기구(24)를 구성하고 있다.
또한, 측거 센서(70)는 레이저식 센서, 초음파 센서, 과전류식 센서, 혹은 리니어 스케일식 센서여도 된다. 또한, 연마 장치는 측거 센서(70), 서보 모터(38)를 비롯한 장치 내의 각 기기를 제어하는 제어부(47)를 구비하고 있다. 제어부(47)는 메모리부(47a), 저장부(47b) 및 연산부(47c)를 갖고 있다.
이 연마 장치는 연마 패드(101)의 연마면(101a)을 드레싱하는 드레싱 유닛(40)을 구비하고 있다. 이 드레싱 유닛(40)은 연마 패드(101)의 연마면(101a)에 미끄럼 접촉되는 드레서(50)와, 드레서(50)가 연결되는 드레서 샤프트(51)와, 드레서 샤프트(51)의 상단부에 설치된 에어 실린더(53)와, 드레서 샤프트(51)를 회전 가능하게 지지하는 요동 아암(55)을 구비하고 있다. 드레서(50)의 하부는 드레싱 부재(50a)에 의해 구성되고, 이 드레싱 부재(50a)의 하면에는 침 형상의 다이아몬드 입자가 부착되어 있다. 에어 실린더(53)는 지주(56)에 의해 지지된 지지대(57) 상에 배치되어 있고, 이들 지주(56)는 요동 아암(55)에 고정되어 있다.
요동 아암(55)은 도시하지 않은 모터에 구동되어, 지지축(58)을 중심으로 하여 선회하도록 구성되어 있다. 드레서 샤프트(51)는 도시하지 않은 모터의 구동에 의해 회전하고, 이 드레서 샤프트(51)의 회전에 의해, 드레서(50)가 드레서 샤프트(51) 주위로 회전하도록 되어 있다. 에어 실린더(53)는 드레서 샤프트(51)를 통해 드레서(50)를 상하 이동시켜, 드레서(50)를 소정의 압박력으로 연마 패드(101)의 연마면(101a)에 압박한다.
연마 패드(101)의 연마면(101a)의 드레싱은 다음과 같이 하여 행해진다. 드레서(50)는 에어 실린더(53)에 의해 연마면(101a)에 압박되고, 이것과 동시에 도시하지 않은 순수 공급 노즐로부터 순수가 연마면(101a)에 공급된다. 이 상태에서, 드레서(50)가 드레서 샤프트(51) 주위로 회전하여, 드레싱 부재(50a)의 하면(다이아몬드 입자)을 연마면(101a)에 미끄럼 접촉시킨다. 이와 같이 하여, 드레서(50)에 의해 연마 패드(101)가 깎여, 연마면(101a)이 드레싱된다. 이와 같이, 연마면(101a)이 드레싱되면, 연마 패드(101)의 두께가 감소(감모)한다.
이 연마 장치에는 이 드레서(50)를 이용하여 연마 패드(101)의 감모량을 측정하는, 연마 패드 측정기로서의 변위 센서(60)가 구비되어 있다. 즉, 변위 센서(연마 패드 측정기)(60)는 드레싱 유닛(40)의 요동 아암(55)의 상면에 설치되어, 드레서(50)의 변위를 측정한다. 드레서 샤프트(51)에는 타깃 플레이트(61)가 고정되어 있고, 드레서(50)의 상하 이동에 수반하여, 타깃 플레이트(61)가 상하 이동하도록 되어 있다. 변위 센서(60)는 이 타깃 플레이트(61)를 삽입 관통하도록 배치되어 있고, 타깃 플레이트(61)의 변위를 측정함으로써 드레서(50)의 변위를 측정한다. 또한, 변위 센서(60)로서는, 리니어 스케일, 레이저식 센서, 초음파 센서, 혹은 와전류식 센서 등의 모든 타입의 센서가 사용된다.
도 11의 (a) 및 도 11의 (b)는 변위 센서(60), 타깃 플레이트(61), 드레서(50), 연마 패드(101) 및 연마 테이블(100)의 위치 관계를 나타내는 모식도이다. 도 11의 (a)는 변위 센서(60)가 타깃 플레이트(61)보다도 상방에 설치되어 있는 경우를 도시하는 도면이고, 도 11의 (b)는 변위 센서(60)가 타깃 플레이트(61)보다도 하방에 설치되어 있는 경우를 도시하는 도면이다.
도 12의 (a) 및 도 12의 (b)는 수직 방향에 있어서의 드레서 위치(연마 패드의 위치)의 측정 방향 및 측정값을 도시하는 모식도이다.
도 12의 (a)는 변위 센서(60) 및 타깃 플레이트(61)가 도 11의 (a)에 도시하는 위치 관계에 있는 경우이고, 도 12의 (b)는 변위 센서(60) 및 타깃 플레이트(61)가 도 11의 (b)에 도시하는 위치 관계에 있는 경우이다.
도 12의 (a)에 도시한 바와 같이, 변위 센서(60)가 타깃 플레이트(61)보다도 상방에 설치되어 있는 경우에는, 수직 방향에 있어서의 드레서 위치(연마 패드의 위치)의 측정 방향은 하향의 화살표로 나타낸다. 드레서의 기준 위치 a는 연마 테이블(100) 상에 연마 패드(101)가 없을 때의 타깃 플레이트(61)의 위치이고, 드레서의 초기 위치 t0(연마 패드의 초기 위치 t0)은 연마 패드(101)의 사용 개시 시의 타깃 플레이트(61)의 위치이고, 드레서의 위치 t(연마 패드의 위치 t)는 연마 패드(101)의 사용 중의 타깃 플레이트(61)의 위치이다. 연마 패드의 감모량은 (t－t0)으로 나타내고, 연마 패드의 초기 두께는 (a－t0)으로 나타내고, 연마 패드의 두께는 (a－t)로 나타낸다.
도 12의 (b)에 도시한 바와 같이, 변위 센서(60)가 타깃 플레이트(61)보다도 하방에 설치되어 있는 경우에는, 수직 방향에 있어서의 드레서 위치(연마 패드의 위치)의 측정 방향은 상향의 화살표로 나타낸다. 드레서의 기준 위치 a는 연마 테이블(100) 상에 연마 패드(101)가 없을 때의 타깃 플레이트(61)의 위치이고, 드레서의 초기 위치 t0(연마 패드의 초기 위치 t0)은 연마 패드(101)의 사용 개시 시의 타깃 플레이트(61)의 위치이고, 드레서의 위치 t(연마 패드의 위치 t)는 연마 패드(101)의 사용 중의 타깃 플레이트(61)의 위치이다. 연마 패드의 감모량은 (t0－t)로 나타내고, 연마 패드의 초기 두께는 (t0－a)로 나타내고, 연마 패드의 두께는 (t－a)로 나타낸다.
이하에 서술하는 제어 방법에 있어서는, 도 11의 (a)에 도시한 바와 같이 변위 센서(60)가 타깃 플레이트(61)보다도 상방에 설치되어 있는 경우에 대해 서술한다.
이하와 같이 하여 연마 패드(101)의 감모량이 측정된다. 우선, 에어 실린더(53)를 구동시켜, 교환 후의 연마 패드(101)의 연마면(101a)에 드레서(50)를 접촉시킨다. 이 상태에서, 변위 센서(60)는 드레서(50)의 초기 위치(연마 패드의 초기 위치 t0)를 검지한다. 드레서(50)의 초기 위치(연마 패드의 초기 위치 t0)는 연마 패드(101)가 연마 테이블(100)에 부착되어 있지 않을 때의 드레서 수직 방향 위치를 기준 위치로 하고 있다. 연마 패드의 초기 위치 t0은 수직 방향에 있어서의 연마 패드(101)의 연마면(101a)의 위치이다. 검지한 드레서의 초기 위치(연마 패드의 초기 위치 t0)를 제어부(47)의 메모리부(47a)에 기억한다. 그리고, 1개의, 또는 복수의 기판의 연마 처리가 종료되어, 드레서(50)에 의해 연마 패드(101)를 드레싱 중, 또는 드레싱 종료 후, 드레서(50)를 연마면(101a)에 접촉시킨 상태에서 드레서(50)의 위치(연마 패드의 위치 t)를 측정한다. 연마 패드의 위치 t는 수직 방향에 있어서의 연마 패드(101)의 연마면(101a)의 위치이다. 드레서(50)의 위치는 연마 패드(101)의 마모량에 따라서 하방으로 변위되므로, 제어부(47)는 드레서(50)의 초기 위치(연마 패드의 초기 위치 t0)와 연마 및 드레싱 후의 드레서(50)의 위치(연마 패드의 위치 t)의 차(t－t0)를 구함으로써, 연마 패드(101)의 감모량을 구할 수 있다. 이와 같이 하여, 드레서(50)의 위치를 변위 센서(60)로 검지함으로써 연마 패드(101)의 감모량이 구해진다[도 12의 (a) 참조].
또한, 이 예에서는 연마 패드(101)의 감모량을 측정하도록 하고 있지만, 연마 패드(101)의 두께를 측정하도록 해도 된다.
연마 패드의 두께는 패드 제조상의 오차에 의해 반드시 균일한 초기 두께를 갖는 것은 아니므로, 패드의 초기 두께의 편차에 의한 영향을 제거하기 위해서도 연마 패드의 두께를 계측하여 피드 포워드 제어를 행하는 것은 바람직하다. 연마 패드(101)의 두께를 측정하기 위해서는, 연마 패드(101)가 부착되어 있지 않은 상태의 연마 테이블(100)의 표면에 드레서(50)를 접촉시켰을 때의 드레서(50)의 수직 방향 위치 a를 변위 센서(60)에 의해 측정한다. 계속해서 상술한 연마 패드의 감모량을 측정하는 경우와 마찬가지로, 연마 패드의 수직 방향 초기 위치 t0 및 연마 패드의 수직 방향 위치 t를 측정한다. 연마 패드의 초기 두께는 (a－t0)으로 나타내고, 연마 패드의 두께는 (a－t)로 나타낸다[도 12의 (a) 참조].
연마 패드(101)의 초기 두께(a－t0)는 제어부(47)의 메모리부(47a)에 기억된다.
다음에, 도 3에 도시하는 톱 링(20)에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도 4 내지 도 7은 톱 링(20)의 단면도로, 복수의 반경 방향을 따라서 절단한 도면이다.
도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 톱 링(20)은 기판을 연마면(101a)에 대해 압박하는 톱 링 본체(200)와, 연마면(101a)을 직접 압박하는 리테이너 링(302)으로 기본적으로 구성되어 있다. 톱 링 본체(200)는 원반 형상의 상부 부재(300)와, 상부 부재(300)의 하면에 설치된 중간 부재(304)와, 중간 부재(304)의 하면에 설치된 하부 부재(306)를 구비하고 있다. 리테이너 링(302)은 상부 부재(300)의 외주부에 설치되어 있다. 상부 부재(300)는 볼트(308)에 의해 톱 링 샤프트(18)에 연결되어 있다. 또한, 중간 부재(304)는 볼트(도시하지 않음)를 통해 상부 부재(300)에 고정되어 있고, 하부 부재(306)는 볼트(도시하지 않음)를 통해 상부 부재(300)에 고정되어 있다. 상부 부재(300), 중간 부재(304) 및 하부 부재(306)로 구성되는 본체부는 엔지니어링 플라스틱(예를 들어, PEEK) 등의 수지에 의해 형성되어 있다.
하부 부재(306)의 하면에는 기판(W)의 이면에 접촉하는 탄성막(314)이 설치되어 있다. 이 탄성막(314)은 외주측에 배치된 환상의 엣지 홀더(316)와, 엣지 홀더(316)의 내측에 배치된 환상의 리플 홀더(318, 319)에 의해 하부 부재(306)의 하면에 설치되어 있다. 탄성막(314)은 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무 등의 강도 및 내구성이 우수한 고무재에 의해 형성되어 있다.
엣지 홀더(316)는 리플 홀더(318)에 의해 보유 지지되고, 리플 홀더(318)는 복수의 스토퍼(320)에 의해 하부 부재(306)의 하면에 설치되어 있다. 리플 홀더(319)는 복수의 스토퍼(322)에 의해 하부 부재(306)의 하면에 설치되어 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 탄성막(314)의 중앙부에는 센터실(360)이 형성되어 있다. 리플 홀더(319)에는 이 센터실(360)에 연통하는 유로(324)가 형성되어 있고, 하부 부재(306)에는 이 유로(324)에 연통하는 유로(325)가 형성되어 있다. 리플 홀더(319)의 유로(324) 및 하부 부재(306)의 유로(325)는 도시하지 않은 유체 공급원에 접속되어 있고, 가압된 유체가 유로(325) 및 유로(324)를 통해 센터실(360)에 공급되도록 되어 있다.
리플 홀더(318)는 탄성막(314)의 리플(314b) 및 엣지(314c)를 각각 갈고리부(318b, 318c)에 의해 하부 부재(306)의 하면에 압박하도록 되어 있고, 리플 홀더(319)는 탄성막(314)의 리플(314a)을 갈고리부(319a)에 의해 하부 부재(306)의 하면에 압박하도록 되어 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 탄성막(314)의 리플(314a)과 리플(314b) 사이에는 환상의 리플실(361)이 형성되어 있다. 탄성막(314)의 리플 홀더(318)와 리플 홀더(319) 사이에는 간극(314f)이 형성되어 있고, 하부 부재(306)에는 이 간극(314f)에 연통하는 유로(342)가 형성되어 있다. 또한, 중간 부재(304)에는 하부 부재(306)의 유로(342)에 연통하는 유로(344)가 형성되어 있다. 하부 부재(306)의 유로(342)와 중간 부재(304)의 유로(344)의 접속 부분에는 환상 홈(347)이 형성되어 있다. 이 하부 부재(306)의 유로(342)는 환상 홈(347) 및 중간 부재(304)의 유로(344)를 통해 도시하지 않은 유체 공급원에 접속되어 있고, 가압된 유체가 이들 유로를 통해 리플실(361)에 공급되도록 되어 있다. 또한, 이 유로(342)는 도시하지 않은 진공 펌프로도 전환 가능하게 접속되어 있고, 진공 펌프의 작동에 의해 탄성막(314)의 하면에 반도체 웨이퍼 등의 기판을 흡착할 수 있도록 되어 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 리플 홀더(318)에는 탄성막(314)의 리플(314b) 및 엣지(314c)에 의해 형성되는 환상의 아우터실(362)에 연통하는 유로(326)가 형성되어 있다. 또한, 하부 부재(306)에는 리플 홀더(318)의 유로(326)에 커넥터(327)를 통해 연통하는 유로(328)가, 중간 부재(304)에는 하부 부재(306)의 유로(328)에 연통하는 유로(329)가 각각 형성되어 있다. 이 리플 홀더(318)의 유로(326)는 하부 부재(306)의 유로(328) 및 중간 부재(304)의 유로(329)를 통해 도시하지 않은 유체 공급원에 접속되어 있고, 가압된 유체가 이들 유로를 통해 아우터실(362)에 공급되도록 되어 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 엣지 홀더(316)는 탄성막(314)의 엣지(314d)를 압박하여 하부 부재(306)의 하면에 보유 지지하도록 되어 있다. 이 엣지 홀더(316)에는 탄성막(314)의 엣지(314c) 및 엣지(314d)에 의해 형성되는 환상의 엣지실(363)에 연통하는 유로(334)가 형성되어 있다. 또한, 하부 부재(306)에는 엣지 홀더(316)의 유로(334)에 연통하는 유로(336)가, 중간 부재(304)에는 하부 부재(306)의 유로(336)에 연통하는 유로(338)가 각각 형성되어 있다. 이 엣지 홀더(316)의 유로(334)는 하부 부재(306)의 유로(336) 및 중간 부재(304)의 유로(338)를 통해 도시하지 않은 유체 공급원에 접속되어 있고, 가압된 유체가 이들 유로를 통해 엣지실(363)에 공급되도록 되어 있다.
이와 같이, 이 예에 있어서의 톱 링(20)에 있어서는, 탄성막(314)과 하부 부재(306) 사이에 형성되는 압력실, 즉 센터실(360), 리플실(361), 아우터실(362) 및 엣지실(363)에 공급하는 유체의 압력을 조정함으로써, 기판을 연마 패드(101)에 압박하는 압박력을 기판의 부분마다 조정할 수 있도록 되어 있다.
도 8은 도 4에 도시하는 리테이너 링(302)의 확대도이다. 리테이너 링(302)은 기판의 외주연을 보유 지지하는 것으로, 도 8에 도시한 바와 같이 상부가 폐색된 원통 형상의 실린더(400)와, 실린더(400)의 상부에 설치된 보유 지지 부재(402)와, 보유 지지 부재(402)에 의해 실린더(400) 내에 보유 지지되는 탄성막(404)과, 탄성막(404)의 하단부에 접속된 피스톤(406)과, 피스톤(406)에 의해 하방으로 압박되는 링 부재(408)를 구비하고 있다. 링 부재(408)의 외주면과 실린더(400)의 하단부 사이에는 상하 방향으로 신축 가능한 접속 시트(420)가 설치되어 있다. 이 접속 시트(420)는 링 부재(408)와 실린더(400) 사이의 간극을 메움으로써 연마액(슬러리)의 침입을 방지하는 역할을 갖고 있다.
탄성막(314)의 엣지(외주연)(314d)에는 탄성막(314)과 리테이너 링(302)을 접속하는, 상방으로 굴곡된 형상의 시일 부재(422)가 형성되어 있다. 이 시일 부재(422)는 탄성막(314)과 링 부재(408)의 간극을 메우도록 배치되어 있고, 변형되기 쉬운 재료로 형성되어 있다. 시일 부재(422)는 톱 링 본체(200)와 리테이너 링(302)의 상대 이동을 허용하면서, 탄성막(314)과 리테이너 링(302)의 간극에 연마액이 침입해 버리는 것을 방지하기 위해 설치되어 있다. 이 예에서는, 시일 부재(422)는 탄성막(314)의 엣지(314d)에 일체적으로 형성되어 있고, 단면 U자형의 형상을 갖고 있다.
여기서, 접속 시트(420)나 시일 부재(422)를 설치하지 않는 경우에는, 연마액이 톱 링(20) 내에 침입해 버려, 톱 링(20)을 구성하는 톱 링 본체(200)나 리테이너 링(302)의 정상적인 동작을 저해해 버린다. 이 예에 따르면, 접속 시트(420)나 시일 부재(422)에 의해 연마액의 톱 링(20)으로의 침입을 방지할 수 있고, 이에 의해 톱 링(20)을 정상적으로 동작시킬 수 있다. 또한, 탄성막(404), 접속 시트(420) 및 시일 부재(422)는 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무, 실리콘 고무 등의 강도 및 내구성이 우수한 고무재에 의해 형성되어 있다.
링 부재(408)는 피스톤(406)에 접촉하는 상부 링 부재(408a)와, 연마면(101a)에 접촉하는 하부 링 부재(408b)로 분할되어 있다. 이 상부 링 부재(408a)의 외주면 및 하부 링 부재(408b)의 외주면에는 둘레 방향으로 연장되는 플랜지부가 각각 형성되어 있다. 이들 플랜지부는 클램프(430)에 의해 파지되어 있고, 이에 의해 상부 링 부재(408a)와 하부 링 부재(408b)가 체결되어 있다. 이 클램프(430)는 휘기 쉬운 재료로 구성되어 있다. 클램프(430)의 초기 형상은 대략 직선 형상이고, 클램프(430)를 링 부재(408)의 플랜지부에 설치함으로써, 일부에 절결부가 형성된 대략 환상으로 된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 보유 지지 부재(402)에는 탄성막(404)에 의해 형성되는 실(410)에 연통하는 유로(412)가 형성되어 있다. 또한, 실린더(400)의 상부에는 보유 지지 부재(402)의 유로(412)에 연통하는 유로(414)가 형성되고, 상부 부재(300)에는 실린더(400)의 유로(414)에 연통하는 유로(416)가 형성되어 있다. 이 보유 지지 부재(402)의 유로(412)는, 실린더(400)의 유로(414) 및 상부 부재(300)의 유로(416)를 통해 도시하지 않은 유체 공급원에 접속되어 있고, 가압된 유체가 이들 유로를 통해 실(410)에 공급되도록 되어 있다. 따라서, 실(410)에 공급하는 유체의 압력을 조정함으로써, 탄성막(404)을 신축시켜 피스톤(406)을 상하 이동시켜, 리테이너 링(302)의 링 부재(408)를 원하는 압력으로 연마 패드(101)에 압박할 수 있다.
도시한 예에서는, 탄성막(404)으로서 롤링 다이어프램을 사용하고 있다. 롤링 다이어프램은 굴곡된 부분을 갖는 탄성막으로 이루어지는 것으로, 롤링 다이어프램으로 구획하는 실의 내부 압력의 변화 등에 의해, 그 굴곡부가 구름 이동함으로써 실의 공간을 넓힐 수 있는 것이다. 실이 넓어질 때에 다이어프램이 외측의 부재와 미끄럼 이동하지 않아, 거의 신축되지 않으므로, 미끄럼 이동 마찰이 극히 적어져, 다이어프램을 장수명화할 수 있고, 또한 리테이너 링(302)이 연마 패드(101)에 부여하는 압박력을 고정밀도로 조정할 수 있다는 이점이 있다.
이와 같은 구성에 의해, 리테이너 링(302)의 링 부재(408)만을 하강시킬 수 있다. 따라서, 리테이너 링(302)의 링 부재(408)가 감모되어도, 하부 부재(306)와 연마 패드(101)의 거리를 일정하게 유지하는 것이 가능해진다. 또한, 연마 패드(101)에 접촉하는 링 부재(408)와 실린더(400)는 변형 가능한 탄성막(404)으로 접속되어 있으므로, 하중점의 오프셋에 의한 굽힘 모멘트가 발생하지 않는다. 이로 인해, 리테이너 링(302)에 의한 면압을 균일하게 할 수 있어, 연마 패드(101)에 대한 추종성도 향상된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 상부 링 부재(408a)의 내측면에는 종방향으로 연장되는 V자 형상 홈(418)이 균등하게 복수 형성되어 있다. 또한, 하부 부재(306)의 외주부에는 외측으로 돌출되는 복수의 핀(349)이 설치되어 있고, 이 핀(349)이 링 부재(408)의 V자 형상 홈(418)에 결합하도록 되어 있다. V자 형상 홈(418) 내에서 링 부재(408)와 핀(349)이 상대적으로 상하 방향으로 슬라이드 가능하게 되어 있는 동시에, 이 핀(349)에 의해 상부 부재(300) 및 하부 부재(306)를 통해 톱 링 본체(200)의 회전이 리테이너 링(302)으로 전달되고, 톱 링 본체(200)와 리테이너 링(302)은 일체로 되어 회전한다. 이와 같은 구성에 의해, 탄성막(롤링 다이어프램)(404)의 비틀림을 방지하여, 연마 중에 링 부재(408)를 연마면(101a)에 대해 원활하고 균일하게 압박할 수 있다. 또한 탄성막의 수명을 길게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 탄성막(314)의 센터실(360), 리플실(361), 아우터실(362) 및 엣지실(363)에 공급하는 압력에 의해 기판에 대한 압박력을 제어하므로, 연마 중에는 하부 부재(306)는 연마 패드(101)로부터 상방으로 이격된 위치로 할 필요가 있다. 그러나, 리테이너 링(302)이 감모되면, 기판과 하부 부재(306) 사이의 거리가 변화되고, 탄성막(314)의 변형의 방법도 바뀌므로, 기판에 대한 면압 분포도 변화되게 된다. 이와 같은 면압 분포의 변화는 프로파일이 불안정해지는 요인이 되고 있었다.
이 예에서는, 리테이너 링(302)을 하부 부재(306)와는 독립하여 상하 이동시킬 수 있으므로, 리테이너 링(302)의 링 부재(408)가 감모되어도, 기판과 하부 부재(306) 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 연마 후의 기판의 프로파일을 안정화시킬 수 있다.
또한, 상술한 예에서는, 기판의 대략 전체면에 탄성막(314)이 배치되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니고, 탄성막(314)은 기판의 적어도 일부에 접촉하는 것이면 된다.
드레서(50)는 드레서의 하면에 부착된 침 형상의 다이아몬드 입자를 연마 패드(101)에 미끄럼 접촉시킴으로써 연마 패드(101)의 연마면(101a)을 깎기 때문에, 경시적으로 다이아몬드 입자가 감모된다. 다이아몬드 입자가 어느 정도 감모되면, 연마면(101a)의 바람직한 표면 거칠기가 얻어지지 않는다. 그 결과, 연마면(101a)에 보유 지지되는 지립의 양이 적어져, 정상적인 연마 공정을 행할 수 없게 된다.
여기에, 단위 시간당으로 드레서(50)에 의해 깎이는 연마 패드(101)의 양(이하, 컷트율이라고 함)은 드레서(50)의 연마면(101a)에 대한 압박력 및 다이아몬드 입자의 형상에 의존한다. 따라서, 드레서(50)의 압박력이 일정한 조건 하에서는, 다이아몬드 입자가 감모함에 따라서, 컷트율이 적어진다. 이 예에서는, 상술한 변위 센서(60)를 사용하여, 컷트율[즉, 단위 시간당의 연마면(101a)의 변위]이 측정된다.
제어부(47)에서는 변위 센서(60)로부터의 출력 신호(측정값)에 기초하여, 연마 패드(101)의 컷트율, 즉 단위 시간당의 연마면(101a)의 변위[연마 패드(101)의 감모량]가 산출된다.
다음에, 도 9를 참조하여, 연마에 사용되는 연마 패드(101)의 감모량을 실제로 측정하여, 그 정보를 기초로 연마 시간을 제어하는 피드 포워드 제어에 대해 설명한다. 또한, 이하의 예에서는, 연마 시간 보정용 알고리즘으로서, 연마 패드의 실제의 감모량을 변수로 하는 2차 다항식을 사용한 예를 나타내고 있다. 연마 시간 보정용 알고리즘으로서, 연마 패드의 실제의 감모량을 변수로 하는 1차 다항식, 3차 이상의 다항식, 혹은 연마 패드의 실제의 감모량과 (예정) 연마 시간의 관계를 나타낸 표를 사용해도 된다.
우선, 사전 작업으로서, 연마에 사용하는 연마 패드와 동종의 연마 패드를 사용하여 피연마막의 연마를 행하여 연마 후의 연마 패드를 드레싱하여, 연마 패드의 감모량을 측정한다. 또한 감모량 측정 후의 연마 패드에서 피연마막을 소정의 연마량만큼 연마하는 데 필요로 한 연마 시간, 또는 피연마막을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때의 연마량을 측정한다. 이와 같이 하여, 연마 패드의 감모량, 연마량 및 연마 시간을 기지의 데이터로 하여 적어도 3세트를 준비한다. 여기서, 소정의 연마량 또는 소정의 연마 시간이라 함은, 연마 시간 보정식을 구할 때에 사용하는, 기준으로 하는 연마량 또는 연마 시간이다. 이들 데이터로부터, 연마 패드의 감모량을 변수로 하는 연마 시간 보정식을 구한다(스텝 1). 이 기지의 데이터로서의 연마 패드의 감모량은 연마 패드의 교환 직후의 초기 위치 t0과 연마 및 드레싱 후의 연마 패드의 위치 t의 차(t－t0)(기지값)이다. 기지의 데이터로서의 막의 연마량은, 예를 들어 피연마막의 초기 막 두께 THKj와 연마 후의 최종 막 두께 THKf의 차(THKj－THKf)이고, 기지의 데이터로서의 연마 시간은 피연마막을 최종 막 두께까지 연마하는 데 필요로 하는 시간이다.
즉, 연마율 PR과, 연마 패드의 감모량(t－t0) 사이에는 이하의 수학식 1의 관계가 있고, 연마 시간 PT와 연마량 PQ 사이에는 이하의 수학식 2의 관계가 있다.
Figure 112013051706108-pat00001
Figure 112013051706108-pat00002
따라서, 적어도 3세트의 기지의 연마 패드의 감모량과, 기지의 연마량 및 기지의 연마 시간의 데이터로부터, 수학식 1의 상수 A, B 및 C를 구함으로써, 연마 패드의 감모량(t－t0)을 변수로 하는 연마 시간 보정식(수학식 2)을 미리 구하고, 이를 제어부(47)의 저장부(47b)에 저장해 둔다.
다음에, 피연마막의 연마 목표값을 설정하여(스텝 2), 이 연마 목표값을 제어부(47)의 메모리부(47a)에 기억해 둔다. 이 예에서는, 연마 목표값으로서, 연마량 PQ(설정값)를 직접 설정하도록 하고 있다. 연마 후의 피연마막의 최종 막 두께를 연마 목표값으로 해도 되고, 이 경우, 피연마막의 초기 막 두께로부터 최종 막 두께를 뺌으로써 연마량을 구할 수 있다. 피연마막의 초기 막 두께는 연마 장치에 설치한 막 두께 센서(도시하지 않음)로 측정하거나, 또는 외부에서 미리 측정한 데이터를 도입함으로써 얻어진다. 이 단계에서 사전 준비가 완료된다.
한편, 연마 장치에 있어서는, 전술한 바와 같이 드레서(50)의 초기 위치를 측정함으로써, 교환 직후의 연마 패드(101)의 초기 위치 t0(실측값)을 측정하고, 이 연마 패드(101)의 초기 위치 t0(실측값)을 제어부(47)의 메모리부(47a)에 기억해 둔다. 그리고, 실제로 기판을 연마하여, 드레서(50)에 의해 연마 패드(101)를 드레싱 중, 또는 드레싱 종료 후, 연마 패드(101)의 위치 t(실측값)를, 예를 들어 일정 주기로 측정하고, 메모리부(47a)에 기억해 둔 연마 패드(101)의 초기 위치 t0(실측값)과의 차로부터 연마 패드(101)의 감모량(t－t0)(실측값)을 측정한다(스텝 3).
다음에, 미리 상수 A, B 및 C를 구하여 저장부(47b)에 저장해 둔, 전술한 연마 시간 보정식(수학식 2)을 연산부(47c)에 인출하여, 이 수학식 2에 연마 목표값으로서의 연마량 PQ(설정값)와, 실제로 측정한 연마 패드의 감모량(t－t0)(실측값)을 각각 대입하여, 연마 시간 PT를 구한다(스텝 4).
그리고, 스텝 4에서 얻어진 연마 시간 PT를 반영시켜 연마 장치에 의한 피연마막의 연마를 행한다(스텝 5). 이에 의해, 연마 패드(101)를 드레싱함으로써 연마 패드(101)의 두께가 감소(감모)했을 때에, 연마 패드(101)의 감모량에 맞추어 연마 시간을 적절하게 변경하는 피드 포워드 제어를 행할 수 있다.
그리고, 연마 패드의 감모의 한계량을 tlimit로 하면, (t－t0)<tlimit의 상태인 동안, 상기 스텝 3으로부터 스텝 5의 조작을 반복하여, 연마 패드의 감모량이 한계량 tlimit에 도달했을 때에, 사용 완료된 연마 패드를 새로운 연마 패드로 교환한다.
연마 패드(101)를 드레서(50)로 드레싱하는 드레싱 시간으로부터 연마 패드(101)의 드레싱에 의한 컷트율을 구하고, 이 연마 패드(101)의 컷트율을 연마 시간에 반영시킴으로써, 연마 시간의 예측 정밀도를 향상시키도록 해도 된다.
또한, 기판(W)을 연마 패드(101)에 압박하여 피연마막을 연마할 때에 기판(W)의 주위를 포위하여 연마 패드(101)에 압박하는 리테이너 링(302)의 연마 패드(101)로의 압박력을 연마 시간에 반영시킴으로써, 연마 시간의 예측 정밀도를 향상시키도록 해도 된다.
또한, 어떤 주기로 피드 포워드 제어의 결과(연마 패드의 감모량, 연마량 및 연마 시간)를 측정하여, 연마 시간 보정용 알고리즘에 수정을 가하는 셀프 수정 기능을 갖도록 해도 된다.
또한, 상기한 예에서는, 기지의 데이터로서 구한 연마 패드의 감모량과 연마량 및 연마 시간의 데이터로부터, 연마 패드의 감모량을 변수로 하는 연마 시간 보정식을 미리 구하도록 하고 있지만, 연마 패드의 감모량 대신에, 기지의 데이터로서 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간을 사용할 수 있다. 기지의 데이터로서의 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과, 기지의 기판 연마 처리 매수를 처리한 연마 패드 또는 기지의 누적 드레싱 시간만큼 드레싱된 연마 패드로 피연마막을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 소정의 연마량, 또는 피연마막을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 소정의 연마 시간과의 관계로부터 연마 시간 보정용 알고리즘(예를 들어, 연마 시간 보정식)을 미리 구하도록 해도 된다. 여기서, 소정의 연마량 또는 소정의 연마 시간이라 함은, 연마 시간 보정식을 구할 때에 사용하는, 기준으로 하는 연마량 또는 연마 시간이다.
이 경우에는, 피연마막의 연마 목표값(예를 들어, 연마량)을 설정하여, 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간을 실제로 계측하고, 계측된 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과 상기 연마 시간 보정용 알고리즘(예를 들어, 연마 시간 보정식)으로부터 상기 연마 목표값(예를 들어, 연마량)에 최적인 연마 시간을 구하고, 이 연마 시간을 반영시켜 연마 장치에 의한 피연마막의 연마를 행한다. 이 경우에 있어서도, 연마 패드를 드레싱함으로써 연마 패드의 두께가 감소(감모)했을 때에, 연마 패드의 감모량에 맞추어 연마 시간을 적절하게 변경하는 피드 포워드 제어를 행할 수 있다. 또한, 이 경우, 예를 들어 변위 센서(60) 등의 연마 패드 측정기를 생략할 수 있다.
연마 패드의 감모량 대신에, 연마 패드(101)의 두께를 실제로 측정하여, 그 정보를 기초로 연마 시간을 제어하는 피드 포워드 제어를 행하는 것도 가능하다. 연마 시간 보정용 알고리즘으로서, 연마 패드의 실제의 두께를 변수로 하는 다항식 또는 연마 패드의 실제의 두께와 (예정) 연마 시간의 관계를 나타낸 표를 사용할 수 있다.
다음에, 도 10을 참조하여, 연마에 사용되는 연마 패드(101)의 감모량을 실제로 측정하여, 그 정보를 기초로, 연마 압력 등의 연마 조건을 제어하는 피드 포워드 제어에 대해 설명한다. 이하의 예에서는, 연마 조건 보정용 알고리즘으로서, 연마 패드의 실제의 감모량을 변수로 하는 2차 다항식을 사용한 예를 나타내고 있지만, 연마 패드의 실제의 감모량을 변수로 하는 1차 다항식, 3차 이상의 다항식, 혹은 연마 패드의 실제의 감모량과 (예정) 연마 시간의 관계를 나타낸 표를 사용해도 되는 것은 전술한 것과 마찬가지이다.
이 예에서는, 기판(W)을 연마 패드(101)에 압박하여 피연마막을 연마할 때의 연마 조건의 연마 파라미터로서, 이하의 6개의 파라미터를 사용하고 있다. 이들 연마 파라미터 중 임의의 연마 파라미터만을 제어해도 되는 것은 물론이다.
(1) RRP:기판(W)의 주위를 포위하는 리테이너 링(302)의 연마 패드(101)로의 압박력인 리테이너 링 압력
(2) CAP:기판(W)의 탄성막(314)의 중앙부에 형성된 센터실(360)에 대응하는 위치를 압박하는 센터실 압력
(3) RAP:기판(W)의 탄성막(314)의 리플(314a)과 리플(314b) 사이에 형성된 환상의 리플실(361)에 대응하는 위치를 압박하는 리플실 압력
(4) OAP:기판(W)의 탄성막(314)의 리플(314b) 및 엣지(314c)에 의해 형성되는 환상의 아우터실(362)에 대응하는 위치를 압박하는 아우터실 압력
(5) EAP:기판(W)의 탄성막(314)의 엣지(314c) 및 엣지(314d)에 의해 형성되는 환상의 엣지실(363)에 대응하는 위치를 압박하는 엣지실 압력
(6) MH:탄성막(314)에 의해 기판(W)이 흡착되어 있는 상태에 있어서 상기 기판(W)과 연마면(101a) 사이의 간극으로서 정의되는 탄성막 높이(헤드 높이)
예를 들어, 적어도 3세트의 기지의 연마 패드의 감모량에 있어서의 각 연마 파라미터 최적값을 실험 또는 시뮬레이션에 의해 결정하고(스텝 1), 이들 각 연마 파라미터 최적값에 의해, 기지의 연마 패드 감모량에 대한 각 연마 파라미터 최적값의 관계식(연마 조건 보정식)을 작성한다(스텝 2). 이 기지의 연마 패드의 감모량은, 전술한 것과 마찬가지로, 연마 패드의 교환 직후의 초기 위치 t0과, 기판을 연마하여, 드레서(50)에 의해 연마 패드(101)를 드레싱 중, 또는 드레싱 종료 후의 연마 패드의 위치 t의 차(t－t0)(기지값)이다.
즉, 기지의 연마 패드의 감모량(t－t0)(기지값)에 있어서의 리테이너 링 압력 RRP(t－t0), 센터실 압력 CAP(t－t0), 리플실 압력 RAP(t－t0), 아우터실 압력 OAP(t－t0), 엣지실 압력 EAP(t－t0) 및 탄성막 높이 MH(t－t0)는 연마 패드의 감모량(t－t0)을 변수로 한, 이하의 관계식(연마 조건 보정식)으로 나타낼 수 있다.
RRP(t－t0)＝A×(t－t0)2＋B×(t－t0)＋C
CAP(t－t0)＝D×(t－t0)2＋E×(t－t0)＋F
RAP(t－t0)＝G×(t－t0)2＋H×(t－t0)＋I
OAP(t－t0)＝J×(t－t0)2＋K×(t－t0)＋L
EAP(t－t0)＝M×(t－t0)2＋N×(t－t0)＋O
MH(t－t0)＝P×(t－t0)2＋Q×(t－t0)＋R
따라서, 상기 각 관계식에, 스텝 1에서 얻어진 실험 또는 시뮬레이션에 의해 결정한 각 연마 파라미터 최적값을 대입함으로써, 상수 A∼R을 구한다. 이와 같이 하여 구한 관계식을 제어부(47)의 저장부(47b)에 저장해 둔다.
한편, 연마 장치에 있어서는, 전술한 바와 같이, 드레서(50)의 초기 위치를 측정함으로써, 교환 직후의 연마 패드(101)의 초기 위치 t0(실측값)을 측정하여, 이 연마 패드(101)의 초기 위치 t0(실측값)을 제어부(47)의 메모리부(47a)에 기억해 둔다. 그리고, 실제로 기판을 연마하여, 드레서(50)에 의해 연마 패드(101)를 드레싱 중에, 또는 드레싱 종료 후에 연마 패드(101)의 위치 t(실측값)를, 예를 들어 일정 주기로 측정하고, 메모리부(47a)에 기억해 둔 연마 패드(101)의 초기 위치 t0(실측값)과의 차로부터 연마 패드(101)의 감모량(t－t0)(실측값)을 측정한다(스텝 3).
다음에, 미리 상수 A∼R을 구하여 저장부(47b)에 저장해 둔, 전술한 관계식(연마 조건 보정식)을 연산부(47c)에 인출하고, 이 관계식에 전술한 실제로 측정한 연마 패드의 감모량(t－t0)(실측값)을 각각 대입하고, 연마 패드의 감모량(t－t0)(실측값)에 대한 최적의 각 연마 파라미터값을 산출한다. 즉, 최적의 리테이너 링 압력 RRP(t－t0), 센터실 압력 CAP(t－t0), 리플실 압력 RAP(t－t0), 아우터실 압력 OAP(t－t0), 엣지실 압력 EAP(t－t0) 및 탄성막 높이 MH(t－t0)를 구한다(스텝 4).
그리고, 스텝 4에서 얻어진 최적의 각 연마 파라미터값, 즉 최적의 연마 조건을 후속의 연마에 반영시킨다(스텝 5). 이에 의해, 연마 패드(101)를 드레싱함으로써 연마 패드(101)의 두께가 감소(감모)되었을 때에, 연마 패드(101)의 감모량에 맞추어 연마 조건을 적절하게 변경하는 피드 포워드 제어를 행할 수 있다.
그리고, 연마 패드의 감모의 한계량을 tlimit로 하면, (t－t0)<tlimit의 상태인 동안, 상기 스텝 3으로부터 스텝 5의 조작을 반복하여, 연마 패드의 감모량이 한계량 tlimit에 도달했을 때에, 사용 완료된 연마 패드를 새로운 연마 패드로 교환한다.
또한, 상기의 예에서는, 기지의 데이터로서 구한 연마 패드의 감모량과 최적 연마 파라미터 설정값으로부터, 연마 패드의 감모량을 변수로 하는 연마 조건 보정식을 미리 구하도록 하고 있지만, 연마 패드의 감모량 대신에, 기지의 데이터로서 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간을 사용할 수 있다. 기지의 데이터로서의 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과, 최적 연마 파라미터 설정값의 관계로부터 연마 조건 보정용 알고리즘(예를 들어, 연마 조건 보정식)을 미리 구하도록 해도 된다.
이 경우에는, 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간을 실제로 계측하여, 계측된 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과 상기 연마 조건 보정용 알고리즘(예를 들어, 연마 조건 보정식)으로부터 최적의 연마 파라미터값을 구하고, 이 연마 파라미터값을 반영시켜 연마 장치에 의한 피연마막의 연마를 행한다. 이 경우에 있어서도, 연마 패드를 드레싱함으로써 연마 패드의 두께가 감소(감모)되었을 때에, 연마 패드의 감모량에 맞추어 연마 조건을 적절하게 변경하는 피드 포워드 제어를 행할 수 있다. 또한, 이 경우, 예를 들어 변위 센서(60) 등의 연마 패드 측정기를 생략할 수 있다.
상술한 연마 시간 보정식 및 연마 조건 보정식에 연마 패드의 탄성률의 요소를 더 추가할 수 있다. 연마 패드의 탄성에 관한 지표로서, 예를 들어 2종류 이상의 드레서 하중으로 드레서를 연마 패드에 압박하고, 그때의 드레서 위치의 변위 차를 사용하도록 해도 된다.
연마 패드의 감모에 의한 연마 프로파일의 변화는 연마 패드의 감모에 의한 연마 패드의 탄성에 관한 물성의 변화가 하나의 영향 인자로 되어 있다. 개체 사이에서 연마 패드의 탄성률이 변동되면, 그것이 연마 시간 보정이나 연마 조건 보정의 정밀도를 저하시킨다. 이로 인해, 연마 패드(101)의 탄성률을 측정하는 측정기를 구비하거나, 혹은 드레서(50)의 제조 로트 사이 편차나 소모도의 영향도 가미하기 위해 드레서의 컷트율을 측정하는 측정기를 구비하여, 연마 패드(101)의 감모량 또는 두께에 맞추어, 이들 정보를 중회귀식 형식으로 반영시킴으로써, 연마 시간이나 최적의 연마 조건의 예측 정밀도를 보다 향상시키도록 해도 된다.
또한, 연마 패드(101)의 감모량 대신에, 연마 패드(101)의 두께를 실제로 측정하여, 그 정보를 기초로, 연마 압력 등의 연마 조건을 제어하는 피드 포워드 제어도 가능하다. 연마 조건 보정용 알고리즘으로서, 연마 패드의 실제의 두께를 변수로 하는 다항식 또는 연마 패드의 실제의 두께와 (예정) 연마 시간의 관계를 나타낸 표를 사용할 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않고, 그 기술적 사상의 범위 내에 있어서 다양한 다른 형태로 실시되어 이루어지는 것은 물론이다.
20 : 톱 링
24 : 상하 이동 기구
32 : 볼 나사
38 : AC 서보 모터
47 : 제어부
47a : 메모리부
47b : 저장부
47c : 연산부
50 : 드레서
60 : 변위 센서(연마 패드 측정기)
101 : 연마 패드
101a : 연마면
302 : 리테이너 링
314, 404 : 탄성막
360 : 센터실
361 : 리플실
362 : 아우터실
363 : 엣지실

Claims (11)

  1. 연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 방법이며,
    미리 구한 데이터로서의 연마 패드의 감모량 또는 두께와, 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드로 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드로 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간과의 관계로부터 연마 시간 보정용 알고리즘을 미리 작성해 두고,
    피연마막의 연마 목표값을 설정하고,
    연마에 사용되는 연마 패드의 감모량 또는 두께를 측정하고,
    연마 패드의 탄성율을 탄성율 측정기에 의해 측정하고,
    측정한 상기 연마 패드의 감모량 또는 두께 및 상기 연마 패드의 탄성율을 기억시키고,
    측정된 연마 패드의 감모량 또는 두께와 상기 알고리즘으로부터 상기 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 구한 후,
    상기 연마 시간으로 피연마막을 연마하고,
    상기 연마 패드의 탄성율을 상기 연마 시간 보정용 알고리즘에 추가하여 상기 연마 시간에 반영하는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연마 시간 보정용 알고리즘은 연마 패드의 감모량 또는 두께를 변수로 한 1차 이상의 다항식, 또는 연마 패드의 감모량 또는 두께와 상기 연마 시간의 관계를 나타낸 표인 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피연마막의 연마 목표값은 피연마막의 연마량인 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 피연마막의 연마 목표값은 연마 후의 피연마막의 최종 막 두께이고,
    피연마막의 초기 막 두께를 구하는 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  5. 제1항에 있어서, 연마 패드를 드레싱하는 드레싱 시간으로부터 연마 패드의 드레싱에 의한 컷트율을 구하여, 이 컷트율을 상기 연마 시간에 반영시키는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  6. 제1항에 있어서, 기판을 연마 패드에 압박하여 피연마막을 연마할 때에 기판의 주위를 포위하여 연마 패드를 압박하는 리테이너 링의 연마 패드로의 압박력을 상기 연마 시간에 반영시키는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  7. 삭제
  8. 연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 방법이며,
    미리 구한 데이터로서의 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과, 당해 기판 연마 처리 매수를 처리한 연마 패드 또는 당해 누적 드레싱 시간만큼 드레싱된 연마 패드로 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 당해 기판 연마 처리 매수를 처리한 연마 패드 또는 당해 누적 드레싱 시간만큼 드레싱된 연마 패드로 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간과의 관계로부터 연마 시간 보정용 알고리즘을 미리 작성해 두고,
    피연마막의 연마 목표값을 설정하고,
    동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간을 계측하고,
    연마 패드의 탄성율을 탄성율 측정기에 의해 측정하고,
    계측한 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간 및 상기 연마 패드의 탄성율을 기억시키고,
    계측된 동일 연마 패드 상의 기판 연마 처리 매수 또는 누적 드레싱 시간과 상기 알고리즘으로부터 상기 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 구하고,
    상기 연마 시간으로 피연마막을 연마하고,
    상기 연마 패드의 탄성율을 상기 연마 시간 보정용 알고리즘에 추가하여 상기 연마 시간에 반영하는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  9. 연마 테이블 상의 연마 패드에 기판을 압박하여 기판 표면의 피연마막을 연마하는 연마 장치에 있어서,
    연마에 사용되는 연마 패드의 감모량 또는 두께를 측정하는 연마 패드 측정기와,
    상기 연마 패드 측정기로 측정한 연마 패드의 감모량 또는 두께 및 연마 패드의 탄성율을 기억하는 메모리부와,
    상기 연마 패드의 탄성율을 측정하여 상기 메모리부에 기억시키는 탄성율 측정기와,
    미리 구한 데이터로서의 연마 패드의 감모량 또는 두께와, 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드로 기판을 소정의 연마량을 연마하는 데 필요로 한 연마 시간 및 당해 소정의 연마량, 또는 당해 감모량 또는 두께의 연마 패드로 기판을 소정의 연마 시간으로 연마했을 때에 얻어진 연마량 및 당해 소정의 연마 시간과의 관계로부터 미리 작성한 연마 시간 보정용 알고리즘을 저장하는 저장부와,
    상기 연마 패드 측정기로 측정한 연마 패드의 감모량 또는 두께와 상기 연마 시간 보정용 알고리즘으로부터 연마 목표값에 최적인 연마 시간을 산출하는 연산부를 갖고,
    상기 연산부는, 상기 연마 패드의 탄성율을 상기 연마 시간 보정용 알고리즘에 추가하여 상기 연마 시간에 반영하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  10. 제9항에 있어서, 기판의 피연마막의 초기 막 두께를 측정하여 상기 메모리부에 기억시키는 막 두께 측정기를 더 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  11. 삭제
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