KR102511252B1 - 연마 장치 및 연마 방법 - Google Patents

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아키히코 오가와
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은, 연마 공정의 진행 상황의 측정 정밀도를 향상시킨 연마 장치 및 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
연마 장치(100)는, 연마 대상물(102)을 연마 패드(108)에 압착시켜, 연마 대상물(102)의 연마를 행한다. 와전류 센서(210)는, 연마 대상물(102)의 막 두께의 변화에 따라 변화 가능한 임피던스를, 연마 대상물(102)의 복수의 위치에서 측정하여, 측정 신호를 출력한다. 차분 산출부(222)는, 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응하는 데이터를 생성한다. 또한, 차분 산출부(222)는, 연마 대상물(102)의 중심(CW)에 있어서, 상이한 시각에 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호에 기초하여, 상이한 시각의 데이터 사이의 차분을 산출한다. 종점 검출부(224)는, 차분 산출부(222)가 산출한 차분에 기초하여, 연마의 종료를 나타내는 연마 종점을 검출한다.

Description

연마 장치 및 연마 방법{POLISHING APPARATUS AND POLISHING METHOD}
본 발명은, 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것으로, 특히, 연마 종점의 검출에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 고집적화·고밀도화에 따라, 회로의 배선이 점점 더 미세화하고, 다층 배선의 층수도 증가하고 있다. 회로의 미세화를 도모하면서 다층 배선을 실현하기 위해서는 반도체 디바이스 표면을 정밀도 좋게 평탄화 처리할 필요가 있다.
반도체 디바이스 표면의 평탄화 기술로서, 화학적 기계 연마[CMP(Chemical Mechanical Polishing)]가 알려져 있다. CMP를 행하기 위한 연마 장치는, 연마 패드가 붙여진 연마 테이블과, 연마 대상물(예컨대 반도체 웨이퍼 등의 기판, 또는, 기판의 표면에 형성된 금속막, 배리어막 등의 각종 막)을 유지하기 위한 톱링을 구비하고 있다. 연마 장치는, 연마 테이블을 회전시키면서, 연마 패드에 연마 지액(砥液; 슬러리)을 공급하고, 톱링에 유지된 연마 대상물을 연마 패드에 압착시킴으로써 연마 대상물을 연마시킨다.
연마 장치에서는, 일반적으로, 연마 대상물을 원하는 두께로 연마하기 위해서, 연마 종점의 결정이 행해지고 있다. 예컨대, 종래 기술에서는, 와전류식 막 두께 센서를 이용한 도전성막의 두께 검출이 행해지고 있다. 그러나, 목표 두께에 도달한 시점에서 연마 프로세스를 즉시 종료하기는 어렵다. 이것은, 막 두께를 검출할 때에 검출 지연 시간이 발생하는 것 그리고 도전성막의 연마를 실제로 정지시키기 위해 어느 정도의 시간이 걸리는 것 등이 원인이다. 따라서, 종래의 연마 프로세스에 있어서는, 연마 속도를 산출하고, 실제로 연마를 정지하고자 하는 목표 두께에 미리 정해진 오프셋값을 더한 가상의 종점 막 두께를 연마 속도부터 산출한다. 이 가상의 종점 막 두께를 검출한 후, 미리 정해진 연마 시간만큼 도전성막을 연마하도록 하고 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2015-076449호
그러나, 종래 기술은, 연마 공정의 진행 상황의 측정 정밀도가 불충분한 경우가 있었다. 예컨대, 금속막만을 정확히 제거하고 싶을 때에, 가상의 종점 막 두께를 연마 속도로부터 산출하는 방법에서는, 정밀도가 불충분하였다. 즉, 종래 기술에서는, 막 두께를 검출할 때에 검출 지연 시간이 발생하고, 검출 지연 시간에 기인하는 불충분한 정밀도 때문에, 금속막을 완전히 제거하고 싶을 때에 문제가 발생하고 있었다. 금속막의 제거가 불충분할 때에는, 예컨대, 전기적인 쇼트가 발생하고, 쇼트를 막기 위해 지나치게 연마하면, 금속막의 하층에 있는 절연막을 지나치게 연마하게 된다. 본 발명의 일 형태는, 이러한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은, 연마 공정의 진행 상황의 측정 정밀도를 향상시킨 연마 장치 및 연마 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 제1 형태에서는, 연마 대상물을 연마하기 위한 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키면서, 상기 연마 대상물을 상기 연마 패드에 압착시켜, 상기 연마 대상물의 연마를 행하는 연마 장치에 있어서, 상기 연마 대상물의 막 두께의 변화에 따라 변화 가능한 물리량을 측정하여, 측정 신호를 출력하는 센서와, 상기 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응하는 데이터를 생성하고, 상기 연마 대상물의 미리 정해진 위치에서, 상이한 시각에 상기 센서가 출력하는 상기 측정 신호에 기초하여, 상기 상이한 시각의 상기 데이터 사이의 차분을 산출하는 차분 산출부와, 상기 차분 산출부가 산출한 상기 차분에 기초하여, 상기 연마의 종료를 나타내는 연마 종점을 검출하는 종점 검출부를 갖는 연마 장치라고 하는 구성을 채용하고 있다.
종래, 막 두께를 검출할 때에 검출 지연 시간이 발생한 원인의 하나는, 센서가 출력하는 측정 신호를, 시간적으로 이동 평균하고 있었던 것에 있다. 시간적으로 이동 평균하는 이유는, 센서가 출력하는 측정 신호에 이상값(異常値)이 발생했을 때에, 이상값의 영향을 줄이기 위함이다. 본 실시형태에서, 차분 산출부는, 센서가 출력하는 측정 신호를 시간적으로 이동 평균하는 것을 행하지 않는다. 차분 산출부는, 연마 대상물의 미리 정해진 위치에서, 상이한 시각에 센서가 출력하는 측정 신호의 차분을 산출한다. 이 때문에, 막 두께를 검출할 때에, 이동 평균에 기인하는 검출 지연 시간이 발생하지 않는다. 연마 공정의 진행 상황의 측정 정밀도를 향상시킨 연마 장치를 제공할 수 있다.
제2 형태에서, 상기 미리 정해진 위치는, 상기 연마 대상물의 중심이라고 하는 구성을 채용하고 있다. 제3 형태에서, 상기 미리 정해진 위치는, 상기 연마 대상물의 중심 근방이라고 하는 구성을 채용하고 있다. 연마 대상물의 중심 및 그 근방은 연마 대상물의 주변부에 비하여, 막 두께의 편차가 적기 때문에, 정밀도 좋게 막 두께를 측정할 수 있다. 연마 대상물의 중심 근방이란, 예컨대, (1) 연마 프로파일이 안정되는 범위 혹은 (2) 센서의 스폿 직경 내의, 전체가 평균화되는 범위이다. 연마 프로파일이 안정되는 범위란, 연마 시에 있어서, 연마 표면에 요철이 생기지 않는 실질적으로 평탄하다고 생각되는 범위이다. 이 범위는, 연마 조건(즉, 연마 대상물의 재질, 연마 시간, 연마 시의 압력 분포 등)에 의존한다. 센서의 스폿 직경 내의, 전체가 평균화되는 범위란, 센서의 스폿 직경에 따른 제약에 의해, 특정 크기보다 작은 범위에 있어서의 연마 표면의 요철을 검출할 수 없어, 평균적인 연마 상태를 검출하는 범위이다.
제4 형태에서, 상기 상이한 시각은, 상기 연마 테이블이 1회전 또는 복수회만큼 회전하기 위해 필요로 하는 시간만큼 상이한 시각이라고 하는 구성을 채용하고 있다. 연마 테이블이 1회전 또는 복수 회만큼 회전하기 위해 필요한 시간만큼 상이한 시각인 경우, 연마 대상물의 동일 위치를 측정할 수 있다. 연마 대상물의 동일 위치에서 측정하는 경우, 위치의 차이에 따른 막 두께의 변동이 없기 때문에, 정밀도 좋게 막 두께를 측정할 수 있다.
제5 형태에서는, 상기 센서를 복수로 갖는다고 하는 구성을 채용하고 있다. 이 경우, 상기 연마 테이블이 1회전하는 동안에, 상기 연마 대상물의 미리 정해진 위치에 대해서, 복수 회 측정할 수 있다. 그 때문에, 상기 상이한 시각을, 상기 연마 테이블이 1회전하기 위해 필요한 시간보다도 짧은 시간으로 설정할 수 있다.
제6 형태에서, 상기 미리 정해진 위치는, 상이한 복수의 위치라고 하는 구성을 채용하고 있다. 제7 형태에서, 상기 종점 검출부는, 상기 차분 산출부가 산출한 복수의 차분을 평균하여, 상기 연마 종점을 검출한다고 하는 구성을 채용하고 있다.
제8 형태에서는, 연마 대상물을 연마하는 연마 방법에 있어서, 연마 대상물을 연마하기 위한 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키면서, 상기 연마 대상물을 상기 연마 패드에 압착시켜, 상기 연마 대상물의 연마를 행하고, 상기 연마 대상물의 막 두께의 변화에 따라 변화 가능한 물리량을 측정하여, 측정 신호를 출력하며, 상기 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응하는 데이터를 생성하고, 상기 연마 대상물의 미리 정해진 위치에서, 상이한 시각에 출력되는 상기 측정 신호에 기초하여, 상기 상이한 시각의 상기 데이터 사이의 차분을 산출하며, 산출된 상기 차분에 기초하여, 상기 연마의 종료를 나타내는 연마 종점을 검출하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이라는 구성을 채용하고 있다.
도 1은 연마 장치의 전체 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 와전류 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 와전류 센서에 있어서 이용되고 있는 센서 코일의 구성예를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태와 비교하기 위한 비교예의 출력의 설명도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태의 출력의 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 각 실시형태에 있어서, 동일하거나 또는 상응하는 부재에는 동일 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연마 장치(100)는, 연마 대상물[예컨대, 반도체 웨이퍼 등의 기판, 또는 기판의 표면에 형성된 금속막, 배리어 메탈(barrier metal) 등의 각종 막](102)을 연마하기 위한 연마 패드(108)를 상면에 부착 가능한 연마 테이블(110)과, 연마 테이블(110)을 회전 구동하는 제1 전동 모터(112)와, 연마 대상물(102)을 유지 가능한 톱링(116)과, 톱링(116)을 회전 구동하는 제2 전동 모터(118)를 구비한다.
또한, 연마 장치(100)는, 연마 패드(108)의 상면에 연마 지립(연마제)을 포함하는 연마 지액을 공급하는 슬러리 라인(120)을 구비한다. 연마 장치(100)는, 연마 대상물(102)을 연마하기 위한 연마 패드(108)를 지지하는 연마 테이블(110)을 회전시키면서, 연마 대상물(102)을 연마 패드(108)에 압착시켜, 연마 대상물(102)의 연마를 행한다. 연마 장치(100)는, 연마 장치(100)에 관한 각종 제어 신호를 출력하는 연마 장치 제어부(140)를 구비한다.
연마 장치(100)는, 연마 대상물(102)을 연마할 때에는, 연마 지립을 포함하는 연마 지액을 슬러리 라인(120)으로부터 연마 패드(108)의 상면으로 공급하고, 제1 전동 모터(112)에 의해 연마 테이블(110)을 회전 구동시킨다. 그리고, 연마 장치(100)는, 톱링(116)을, 연마 테이블(110)의 회전축과는 편심되는 회전축 둘레로 회전시킨 상태에서, 톱링(116)에 유지된 연마 대상물(102)을 연마 패드(108)에 압박한다. 이에 따라, 연마 대상물(102)은, 연마 지액을 유지한 연마 패드(108)에 의해 연마되어, 평탄화된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연마 장치(100)는, 센서인 와전류 센서(210)와, 로터리 조인트·커넥터(160, 170)를 통해 와전류 센서(210)와 접속된 차분 산출부(222)와, 종점 검출부(224)를 구비한다. 와전류 센서(210)는, 연마 대상물의 막 두께의 변화에 따라 변화 가능한 물리량을, 연마 대상물의 복수의 위치에서 측정하여, 측정 신호를 출력한다. 본 실시형태에서, 물리량은, 연마 대상물(102)의 저항과, 자기 인덕턴스이다. 또한, 본 실시형태에서는, 와전류 센서(210)를 이용하는 예를 나타내지만, 이것에는 한정되지 않고, 광의 반사를 이용한 광학식 센서여도 좋다.
차분 산출부(222)는, 연마 대상물(102)의 중심(미리 정해진 위치)에서의 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응한 데이터를 생성한다. 차분 산출부(222)는, 연마 대상물(102)의 미리 정해진 위치에서, 상이한 시각에 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호에 기초하여, 상이한 시각의 데이터 사이의 차분을 산출한다. 본 실시형태에서는, 차분 산출부(222)는, 측정 신호에 관하여, 후술하는 바와 같은 이동 평균은 행하지 않는다. 종점 검출부(224)는, 차분 산출부(222)가 산출한 차분에 기초하여, 연마의 종료를 나타내는 연마 종점을 검출한다. 미리 정해진 위치는, 본 실시형태에서는, 연마 대상물(102)의 중심이다.
또한, 미리 정해진 위치는, 연마 대상물(102)의 중심에 한정되지 않고, 연마 대상물(102)의 중심 근방이라도 좋다. 또한, 미리 정해진 위치는, 1개 지점에 한정되지 않고, 복수의 지점이라도 좋다. 미리 정해진 위치가 복수의 위치인 경우, 종점 검출부(224)는, 차분 산출부(222)가 산출한 복수의 차분을 평균하여, 연마 종점을 검출한다. 혹은, 차분 산출부(222)는, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호를 평균한 후에, 평균값의 차분을 구하여도 좋다. 종점 검출부(224)는, 차분 산출부(222)가 산출한 차분에 기초하여, 연마 종점을 검출한다. 상이한 시각은, 본 실시형태에서는, 연마 테이블(110)이 1회전하기 위해 필요한 시간만큼 상이한 시각이다. 상이한 시각은, 연마 테이블(110)이 복수 회만큼 회전하기 위해 필요한 시간만큼 상이한 시각이라도 좋다.
우선, 와전류 센서(210)에 대해서 설명한다. 연마 테이블(110)에는, 와전류 센서(210)를 연마 테이블(110)의 이면측으로부터 삽입할 수 있는 구멍이 형성되어 있다. 와전류 센서(210)는, 연마 테이블(110)에 형성된 구멍에 삽입된다.
와전류 센서(210)는, 톱링(116)에 유지되어 연마 중인 연마 대상물(102)의 중심(CW)을 통과하는 위치에 설치되어 있다. 부호 CT는 연마 테이블(110)의 회전 중심이다.
연마 대상물(102)은, 중심(CW)을 축으로 회전한다. 한편, 연마 테이블(110)의 회전에 따라, 와전류 센서(210)는, 중심(CT)을 회전 중심으로 하여 회전한다. 그 결과, 연마 대상물(102)을 연마하는 연마 공정에는, 와전류 센서(210)가 연마 대상물(102)의 아래쪽을 통과하고 있지 않아 와전류 센서(210)와 연마 대상물(102)이 대향하지 않는 제1 상태가 포함된다. 또한, 연마 공정에는, 와전류 센서(210)가 연마 대상물(102)의 아래쪽을 통과함으로써 와전류 센서(210)와 연마 대상물(102)이 대향하는 제2 상태가 포함된다. 제1 상태와 제2 상태는, 연마 테이블(110)의 회전에 따라 교대로 출현한다.
또한, 연마 지액은, 연마 패드(108) 상에 공급되며, 연마 테이블(110)의 회전에 의한 원심력을 받아 연마 패드(108)의 외측을 향해 이동함과 더불어, 연마 테이블(110)의 회전에 따라 회전 이동한다.
도 2는 와전류 센서(210)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 2a는 와전류 센서(210)의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2b는 와전류 센서(210)의 등가 회로도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 와전류 센서(210)는, 검출 대상인 금속막 등 연마 대상물(102)의 근방에 배치되는 센서 코일(260)을 구비한다. 센서 코일(260)에는, 교류 신호원(262)이 접속된다. 여기서, 검출 대상인 연마 대상물(102)은, 예컨대 반도체 웨이퍼 상에 형성된 Cu, Al, Au, W 등의 박막이다. 센서 코일(260)은, 검출 대상인 연마 대상물(102)에 대하여, 예컨대 0.5∼5.0 ㎜ 정도의 근방에 배치된다.
와전류 센서(210)에는, 연마 대상물(102)에 와전류가 생기는 것에 기인하는, 교류 신호원(262)의 발진 주파수의 변화에 기초하여 도전막을 검출하는 주파수 타입이 있다. 또한, 와전류 센서(210)에는, 연마 대상물(102)에 와전류가 생기는 것에 기인하는, 교류 신호원(262)으로부터 본 임피던스의 변화에 기초하여 도전막을 검출하는 임피던스 타입이 있다. 즉, 주파수 타입에서는, 도 2b에 도시된 등가 회로에 있어서, 와전류 I2가 변화됨으로써, 임피던스 Z가 변화되고, 그 결과, 교류 신호원(가변 주파수 발진기)(262)의 발진 주파수가 변화된다. 와전류 센서(210)는, 검파 회로(264)로 이 발진 주파수의 변화를 검출하고, 도전막의 변화를 검출할 수 있다. 임피던스 타입에서는, 도 2b에 도시된 등가 회로에 있어서, 와전류 I2가 변화됨으로써, 임피던스 Z가 변화되고, 그 결과, 교류 신호원(고정 주파수 발진기)(262)으로부터 본 임피던스 Z가 변화된다. 와전류 센서(210)는, 검파 회로(264)로 이 임피던스 Z의 변화를 검출하고, 도전막의 변화를 검출할 수 있다.
임피던스 타입의 와전류 센서에서는, 임피던스 Z의 실수부, 허수부인 신호 출력 X, Y, 임피던스 Z의 위상, 임피던스 Z의 절대값이 취출된다. 주파수 F, 또는 신호 출력 X, Y 등으로부터, 도전막의 측정 정보를 얻을 수 있다. 와전류 센서(210)는, 도 1에 도시된 바와 같이 연마 테이블(110) 내부의 표면 부근의 위치에 내장될 수 있다. 와전류 센서(210)는, 연마 대상물(102)에 대하여 연마 패드를 통해 대향하도록 위치하고 있는 동안에는 연마 대상물(102)에 흐르는 와전류로부터 도전막의 변화를 검출할 수 있다.
이하에, 임피던스 타입의 와전류 센서에 대해서 구체적으로 설명한다. 교류 신호원(262)은, 1∼50 MHz 정도의 고정 주파수의 발진기로서, 예컨대 수정 발진기가 이용된다. 그리고, 교류 신호원(262)에 의해 공급되는 교류 전압에 의해, 센서 코일(260)에 전류 I1이 흐른다. 연마 대상물(102) 근방에 배치된 센서 코일(260)에 전류가 흐름으로써, 센서 코일(260)로부터 발생하는 자속이 연마 대상물(102)과 쇄교(鎖交)한다. 그 결과, 센서 코일(260)과 연마 대상물(102) 사이에 상호 인덕턴스(M)가 형성되고, 연마 대상물(102)에 와전류 I2가 흐른다. 여기서 R1은 센서 코일(260)을 포함하는 1차측의 저항이고, L1은 마찬가지로 센서 코일(260)을 포함하는 1차측의 자기 인덕턴스이다. 연마 대상물(102)측에서, R2는 와전류손에 해당하는 저항이고, L2는 연마 대상물(102)의 자기 인덕턴스이다. 교류 신호원(262)의 단자(a, b)로부터 센서 코일(260)측을 본 임피던스 Z는, 와전류 I2에 의해 발생하는 자력선의 영향으로 변화된다.
도 3은 와전류 센서에 있어서 이용되고 있는 센서 코일의 구성예를 나타낸 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 와전류 센서의 센서 코일(260)은, 보빈(270)에 권취된 3개의 코일(272, 273, 274)을 구비한다. 코일(272)은, 교류 신호원(262)에 접속되는 여자 코일이다. 여자 코일(272)은, 교류 신호원(262)으로부터 공급되는 교류 전류에 의해 여자되고, 근방에 배치되는 연마 대상물(102)에 와전류를 형성한다. 보빈(270)의 연마 대상물(102)측에는, 검출 코일(273)이 배치되고, 연마 대상물(102)에 형성되는 와전류에 기인하여 발생되는 자계를 검출한다. 여자 코일(272)을 사이에 두고 검출 코일(273)의 반대측에는 밸런스 코일(274)이 배치되어 있다.
연마 대상물(102)이 검출 코일(273) 근방에 존재하면, 연마 대상물(102)에 형성되는 와전류에 의해 생기는 자속이 검출 코일(273)과 밸런스 코일(274)에 쇄교한다. 이때, 검출 코일(273) 쪽이 도전막에 가까운 위치에 배치되어 있기 때문에, 양 코일(273, 274)에 생기는 유기 전압의 밸런스가 무너지고, 이에 따라 도전막의 와전류에 의해 형성되는 쇄교 자속을 검출할 수 있다.
다음에, 연마 종점의 검출에 대해서, 도 4, 도 5를 통해 설명한다. 도 4는 본 실시형태와 비교하기 위한 비교예를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)의 횡축은 시간이며, 종축은, 예컨대, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호로부터 얻어진 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값(20)이다. 도 4의 (b)의 횡축은 시간이며, 종축은, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호로부터 얻어진 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값을 차분한 값이다. 비교예에서는, 임피던스의 절대값(20)을, 연마 테이블(110)이 2회전하는 기간(22)에 걸쳐 이동 평균한다.
연마 테이블(110)이 1회전하는 기간에는, 이미 설명한 제1 상태와 제2 상태가 있다. 제1 상태에서는, 와전류 센서(210)로부터 연마 대상물의 측정 신호 출력은 없고, 제2 상태에 있어서만, 와전류 센서(210)로부터 연마 대상물로부터의 측정 신호가 출력된다. 이동 평균을 구할 때에는, 제1 상태에 있어서의 보간 데이터로서, 더미 데이터(dummy data; 24)를 이용한다. 더미 데이터(24)는, 예컨대, 더미 데이터(24)의 직전에 존재하는 제2 상태에 있어서의 절대값(20)의 평균값이다. 따라서, 더미 데이터(24)는, 본 비교예에서는, 연마 테이블(110)이 1회전하는 기간 중의 제1 상태, 즉, 1회전 중의 제1 상태에 있어서 일정한 값이다.
제2 상태에서, 와전류 센서(210)는, 복수의 측정 신호, 예컨대, 100개의 측정 신호를 출력한다. 연마 테이블(110)이 1회전하는 기간 중에, 제1 상태의 기간의 길이는, 제2 상태의 기간의 길이의 수배에서 10배 정도이다. 도 4에 있어서, 제2 상태에 있어서의 복수의 절대값(20)은, 명료화를 위해, 하나의 검은 동그라미로 나타내지만, 실제로는, 100개의 절대값(20)의 집합이다. 제1 상태에 있어서의 더미 데이터(24)는, 명료화를 위해, 3개의 점선 동그라미로 나타내지만, 실제로는, 수백 개 이상의 더미 데이터(24)의 집합이다.
이동 평균을 구할 때에는, 이들의 절대값(20)과 더미 데이터(24)를 기간(22)에 걸쳐 평균한다. 기간(22)은, 연마 테이블(110)이 2회전하는 기간(22)이다. 기간(22)은, 도 4의 (a)와 도 4의 (b)에 있어서, 동일한 길이로 하고 있지만, 반드시 동일한 길이일 필요는 없다. 이동 평균은, 와전류 센서(210)에 의해 측정이 행해진 시각으로부터, 기간(22)의 길이만큼의 과거의 절대값(20)과 더미 데이터(24)를 이용하여 행해진다. 이 때문에, 기간(22) 내에는, 검은 동그라미가 2개, 점선 동그라미가 6개 도시되어 있다. 기간(22)을, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 조금씩 어긋나게 하면서, 평균을 산출하는 처리를 행한다. 얻어진 평균값(28)은, 연마 종점에 도달할 때까지는, 도 4의 비교예의 경우, 우측으로 내려가는 직선(30) 상에 있다.
이동 평균을 구하는 처리를 위해, 와전류 센서(210)에 의해 측정이 행해진 시각과, 이동 평균을 얻을 수 있는 시각 사이에, 지연 시간(32)이 발생한다. 도시하는 지연 시간(32)은, 금속막이 완전히 제거된 시각(34)과, 시각(34)에 측정된 절대값(20)을 이용하여, 이동 평균을 구하는 처리가 종료된 시각(36)과의 차이다.
도 4의 (b)는, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호로부터 얻어진 평균값(28)을 차분한 차분값(38)과, 차분값(38)을 이동 평균하여 얻어진 평균값(40)을 나타낸다. 차분값(38)은, 어느 시점의 평균값(28)과, 그 시점보다도 연마 테이블(110)이 1회전하는 기간만큼 앞선 평균값(28)과의 차이다. 평균값(40)은, 평균값(28)을 구하는 기간(22)과 동일한 길이의 기간에 걸쳐, 차분값(38)을 이동 평균하여 산출한다.
비교예의 경우, 이들 처리에 의해 이하의 검출 지연 시간이 발생한다. 여기서, 검출 지연 시간이란, 실제의 연마 종점 시각인 시각(34)과, 차분의 평균값(40)을 얻을 수 있어 연마 종점이 검지된 시각(58)과의 차이다. 검출 지연 시간에는, 평균값(28)을 구하는 이동 평균 처리에 의한 지연 시간(32), 차분값(38)을 구하는 차분 처리에 의한 지연 시간(42), 차분이 연마 테이블(110)의 1회전 기간만큼의 차인 것에 기인하는 지연 시간(46) 및 평균값(40)을 구하는 이동 평균 처리에 의한 지연 시간(44)이 포함된다. 이들 시간의 합계인 검출 지연 시간(48)은, 비교예의 경우, 연마 테이블(110)이 3회전하는 기간에 해당한다.
비교예의 경우, 더미 데이터(24)를 사용하는 이유는, 연마 테이블(110)이 1회전할 때에 얻어지는 와전류 센서(210)의 출력 데이터가 적고(즉, 제1 상태의 기간의 길이는, 제2 상태의 기간의 길이의 수배에서 10배 정도임), 또한, 출력 데이터에 이상값(異常値)이 발생했을 때에 보정을 가하기 위함이다. 연마 테이블(110)이 1회전하는 동안에 더미 데이터(24)를 넣어, 이미 설명한 바와 같이, 평균값(28) 및 평균값(40)을 구할 때에, 이동 평균함으로써, 이상값의 영향이 저감된다.
비교예의 경우, 평균값(28)에 의해 잔막량을 검출할 수 있다. 또한, 미분값이라고 생각되는 평균값(40)이 「0」인지 여부에 따라, 금속막이 전부 제거되었는지 여부를, 즉, 메탈 클리어(metal clear)인지 여부를 검출할 수 있다.
센서 성능의 향상이나 연마 중 프로세스의 안정 등에 의해, 출력 데이터에 이상값이 발생할 가능성이 낮은 경우, 또는, 출력 데이터에 이상값이 발생하여도 그 영향이 적은 경우 등에 있어서는, 이동 평균함에 따른 지연 시간은 바람직하지 않다. 비교예의 경우, 2개의 계산 지점에서 지연 시간이 발생한다. 즉, 평균값(28)을 구하는 이동 평균 처리에 의한 지연 시간(32) 및 평균값(40)을 구하는 이동 평균 처리에 의한 지연 시간(44)이다. 이들 지연 시간에 의해, 과연마(파임, 침식 등)가 생기기 때문에, 이 시간을 단축시키는 것이 바람직하다. 특히, 연마 후의 잔막 두께에 높은 정밀도를 구하는 메탈 클리어에 있어서, 이들 지연 시간은 바람직하지 않다.
도 5에 도시된 본 발명의 일 실시형태에서는, 와전류 센서(210)의 측정값에 대해서, 어느 시점의 측정값과, 그 시점으로부터, 연마 테이블(110)의 1회전 전의 측정값과의 비교(차분)를 행하여, 얻어진 차분의 절대값이 일정값 이하가 되었을 경우에, 메탈 클리어로 한다. 이에 따라, 이동 평균을 행하지 않고, 종점 검출이 가능해진다.
또한, 차분을 행하지 않으며 이동 평균을 행하지 않고, 연마 테이블(110)의 1회전마다 취득되는 웨이퍼 중심부의 데이터를 평균하여(또는 중심부 근방의 1점만을 사용하여), 얻어진 데이터로부터, 연마 종점을 검출하여도 좋다.
도 5에 도시된 실시형태에 대해서, 이하에 설명한다. 도 5의 (a)의 횡축은 시간이며, 종축은, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호로부터 얻어진 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값(20)이다. 도 5의 (b)의 횡축은 시간이며, 종축은, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호로부터 얻어진 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값을 차분한 차분값(54)이다. 본 실시형태에서는, 이동 평균을 행하지 않는다. 연마 테이블(110)의 1회전마다 취득되는 연마 대상물(102)의 중심 데이터만, 즉, 연마 대상물(102)의 한 지점에 대해서 얻어진 데이터만을 사용하여, 얻어진 데이터로부터, 메탈 클리어를 검출한다.
차분 산출부(222)는, 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응하는 데이터인 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값(50)을 생성한다. 절대값(50)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상이한 시각마다 생성된다. 상이한 시각이란, 연마 테이블(110)이 1회전하기 위해 필요한 시간(52)만큼 상이한 시각이다. 차분 산출부(222)는, 절대값(50)을 이동 평균하지 않고, 상이한 시각에 와전류 센서(210)가 출력하는 측정 신호에 기초하여, 상이한 시각의 데이터 사이의 차분값(54)을 산출한다. 본 실시형태에서는, 비교예와 대비했을 때에, 이동 평균에 기인하는 지연 시간(32) 및 지연 시간(44)이 발생하지 않는다. 이 때문에, 메탈 클리어 등의 연마 종점의 검지 정밀도가 향상된다. 본 실시형태에서는, 차분이 연마 테이블(110)의 1회전 기간만큼의 차인 것에 기인하는, 연마 테이블(110)이 1회전하기 위해 필요한 시간(52)만큼의 지연이 발생한다.
시간(52)을 더욱 단축하는 방법으로서, 연마 테이블(110) 내에 복수의 와전류 센서(210)를 배치하는 방법이 있다. 복수의 와전류 센서(210)를, 연마 대상물(102)의 중심(CW)을 통과하는 위치에 배치한다. 예컨대, 도 1에 도시된 와전류 센서(210)와, 회전 중심(CT)에 대해서 점대칭인 위치에 배치한다. 이와 같이, 연마 테이블(110) 내에 2개의 와전류 센서(210)를 배치하면, 연마 테이블(110)이 반회전할 때, 다음 측정 신호를 얻을 수 있다. 이 실시형태에서, 차분은, 연마 테이블(110)의 반회전 기간만큼의 차이로 할 수 있다. 따라서, 차분이 연마 테이블(110)의 반회전 기간만큼의 차이인 것에 기인하는 지연 시간은, 도 5에 도시된 시간(52)과 비교하여 반감된다. 지연 시간이 반감됨으로써, 종점 검출의 정밀도가 향상된다.
종점 검출부(224)는, 차분 산출부(222)가 산출한 차분값(54)에 기초하여, 연마의 종료를 나타내는 연마 종점에 대응하는 차분값(56)을 검출한다. 종점 검출부(224)는, 연마 대상물(102)의 연마 종점을 검출하면, 그 취지를 나타내는 신호를 연마 장치 제어부(140)로 출력한다. 연마 장치 제어부(140)는, 종점 검출부(224)로부터, 연마 종점을 나타내는 신호를 수신하면, 연마 장치(100)에 의한 연마를 종료시킨다.
막 두께 센서에 의해 검출된 연마 대상물(102)의 막 두께 또는 막 두께에 상응하는 신호를 상위의 호스트 컴퓨터(복수의 반도체 제조 장치와 접속하여, 관리하고 있는 컴퓨터)에 송신하고, 호스트 컴퓨터에 축적하여도 좋다. 그리고, 연마 장치 측에서 송신된 연마 대상물(102)의 막 두께 또는 막 두께에 상응하는 신호에 따라, 호스트 컴퓨터로, 상이한 시각의 데이터 사이의 차분값(54)을 산출하고 차분값(54)에 기초하여 연마 대상물(102)의 연마 종점을 검출했을 때에, 그 취지를 나타내는 신호를 상기 연마 장치의 제어부(140)에 송신하여도 좋다.
이상, 본 발명의 실시 형태의 예에 대해서 설명하였지만, 전술한 발명의 실시형태는, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지를 일탈하지 않으면서, 변경, 개량될 수 있음과 더불어, 본 발명에는, 그 균등물이 포함되는 것은 물론이다. 또한, 전술한 과제의 적어도 일부를 해결할 수 있는 범위, 또는, 효과의 적어도 일부를 발휘하는 범위에 있어서, 특허청구범위 및 명세서에 기재된 각 구성 요소의 임의의 조합, 또는, 생략이 가능하다.
100 : 연마 장치 102 : 연마 대상물
108 : 연마 패드 110 : 연마 테이블
112 : 제1 전동 모터 116 : 톱링
118 : 제2 전동 모터 120 : 슬러리 라인
140 : 연마 장치 제어부 160 : 로터리 조인트·커넥터
210 : 와전류 센서 222 : 차분 산출부
224 : 종점 검출부

Claims (8)

  1. 연마 대상물을 연마하기 위한 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키면서, 상기 연마 대상물을 상기 연마 패드에 압착시켜, 상기 연마 대상물의 연마를 행하는 연마 장치에 있어서,
    상기 연마 대상물의 미리 정해진 위치에서 상기 연마 대상물의 막 두께의 변화에 따라 변화 가능한 물리량을 측정하여, 측정 신호를 출력하는 센서와,
    상기 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응하는 데이터인 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값을 생성하고, 상기 연마 테이블이 회전할 때, 상기 연마 대상물의 상기 미리 정해진 위치에서 상이한 복수의 시각에 상기 센서가 출력하는 상기 측정 신호에 기초하여, 상기 상이한 복수의 시각의 상기 데이터 사이의 차분을 산출하는 차분 산출부와,
    상기 차분 산출부가 산출한 상기 차분에 기초하여, 상기 연마의 종료를 나타내는 연마 종점을 검출하는 종점 검출부
    를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 위치는, 상기 연마 대상물의 중심인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 위치는, 연마 시에 연마 표면에 요철이 생기지 않는 평탄한 범위 또는 센서의 스폿 직경에 따른 제약에 의해, 특정 크기보다 작은 범위에 있어서의 연마 표면의 요철을 검출할 수 없어, 평균적인 연마 상태를 검출하는 범위인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상이한 시각은, 상기 연마 테이블이 1회전 또는 복수 회만큼 회전하기 위해 필요한 시간만큼 상이한 시각인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서를 복수로 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 미리 정해진 위치는, 상이한 복수의 위치인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 종점 검출부는, 상기 차분 산출부가 산출한 복수의 차분을 평균하여, 상기 연마 종점을 검출하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  8. 연마 대상물을 연마하는 연마 방법에 있어서,
    연마 대상물을 연마하기 위한 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키면서, 상기 연마 대상물을 상기 연마 패드에 압착시켜, 상기 연마 대상물의 연마를 행하고,
    상기 연마 대상물의 미리 정해진 위치에서 상기 연마 대상물의 막 두께의 변화에 따라 변화 가능한 물리량을 측정하여, 측정 신호를 출력하며,
    상기 측정 신호에 기초하여, 막 두께에 대응하는 데이터인 막 두께에 상응하는 임피던스의 절대값을 생성하고, 상기 연마 테이블이 회전할 때, 상기 연마 대상물의 상기 미리 정해진 위치에서 상이한 복수의 시각에 출력되는 상기 측정 신호에 기초하여, 상기 상이한 복수의 시각의 상기 데이터 사이의 차분을 산출하며,
    산출된 상기 차분에 기초하여, 상기 연마의 종료를 나타내는 연마 종점을 검출하는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
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