JP2001009700A - ポリシング装置の研磨布寿命検出方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 研磨布の状態を定量的に検知し、その判断に
より研磨布の寿命を決定する方法および装置を提供す
る。 【解決手段】 ポリシング装置にトルク検出手段と研磨
布４寿命判定手段を付加するもので、トルク検出手段と
してポリシングヘッド１の駆動用電動機の電流を検出
し、その電流を処理することにより低周波成分を抽出
し、研磨布４の寿命判定手段として、その低周波成分の
変動幅が予め設定した値を超えた時、研磨布４の寿命と
判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＣＭＰ（Chemic
al Mechanical Polishing）に用いられるポリシング装
置に係り、特に研磨布の寿命を検出する方法および装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来から用いられている、シリコンの
熱酸化膜を堆積させたシリコンウエーハのＣＭＰ加工用
のポリシング装置を図５で説明すると、回転駆動源を有
するポリシングヘッド１にウエーハ２をチャックし、上
面に研磨布４を貼付した回転定盤３上に搬送した後、ス
ラリー５を回転定盤３上に供給し、ポリシングヘッド１
を研磨布４に押し付けながら共に回転させて、ウエーハ
２上に形成された層間絶縁膜や金属膜のポリシング加工
を行う。

【０００３】また、研磨布４の目詰まりによる研磨能率
の低下を防止するため、回転定盤３に対しポリシングヘ
ッド１の反対位置にドレスコラム７を設け、ドレスコラ
ム７に設けたドレスヘッド６を回転定盤３の上面に向
け、回転する研磨布４にドレスヘッド６を回転させなが
ら押圧し、前記研磨加工と同時或いは研磨加工終了時に
研磨布４のドレッシングを行い、常に目詰まりなど問題
の無い研磨布表面での加工が行える様になっている。
尚、ドレスヘッド６の加工面は、金属ベース上に、シリ
コンやスラリー５中の砥粒より硬い、例えばダイヤモン
ド等の砥粒を付着させたものである。

【０００４】ところで従来使用されてきたＣＭＰ用の研
磨布４は、ウエーハ全面の均一な研磨加工を行なうた
め、図６（ａ）の様にウエーハ２の中心近傍へのスラリ
ー５の回り込みを考慮して設けられた格子状の溝８や、
図示しないが螺旋状の溝や穴加工が施されており、更に
同時にシリコンウエーハ上に形成されたデバイス表面
の、微少な段差を除去する局所的な平坦化を行なうた
め、図６（ｂ）に示される様に、研磨布の加工面を硬質
層９とし裏面を軟質層１０とする２層になっている。

【０００５】この研磨布４をドレッサー６によりドレッ
シングを行なうと、硬質層９の表面が１μｍ／ｍｉｎ以
下の微少量ではあるが徐々に削り取られて摩耗してゆく
ため、研磨布４に設けた溝８や穴の深さが徐々に減少
し、ある深さ以下になると、スラリー５がウエーハ２の
中心近傍へ到達する量が減少したり、また研磨屑の排出
が悪化する等により、加工能率の低下や加工量の均一性
の悪化があった。

【０００６】また、複合的な要因として、ドレッシング
により研磨布４の硬質層９が薄くなると、硬質層９と軟
質層１０の厚さのバランスがくずれるため研磨布４全体
の剛性が変化し、加工したウエーハ２の平坦性や均一性
が著しく悪化することもあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記研磨布４の摩耗の
他、研磨布４の製造上および材料の不均一性、即ち厚
さ、硬さ或いは溝深さ等のバラツキや、更にはスラリー
５の流量変化やポリシングヘッド１の押圧力の変化等不
確定要素が加わり、従って研磨布４の交換時期を、ドレ
ッシングの総加算量や総加算時間だけで判断することが
非常に困難であった。このため実際にはウエーハの除去
加工量の低下や均一性の悪化から、大凡の判断で研磨布
４の寿命を決め、交換を行なっていた。

【０００８】従って、本発明の目的は、研磨布の状態を
定量的に検知し、その判断により研磨布の寿命を決定す
る方法および装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第一の発明は、被加工物を保持して回転するポリシン
グヘッドと、同ポリシングヘッドに対向して配置され、
表面に研磨布を貼付した回転定盤とを接触押圧させ、回
転運動を行いながらポリシングを行うポリシング工程
中、前記ポリシングヘッドの回転トルクを検出し、前記
回転トルクの変動幅が予め設定した値を超えたとき、前
記研磨布の寿命到来と判定することを特徴とするポリシ
ング装置の研磨布寿命検出方法にある。

【００１０】この発明の特徴は、加工条件を一定とする
と、ポリシングヘッドの回転トルクの値が、研磨布が新
しい時は変動幅が小さく、研磨布を使い込んでくるとそ
の変動幅が次第に大きくなる傾向が有り、従って研磨布
が使用出来なくなった時の変動幅のデータを採ってお
き、その最低値を超えた時を研磨布の寿命到来とするも
のである。

【００１１】第二の発明は、前記回転トルクの検出を、
ポリシングヘッドの回転駆動用電動機の電流で行うこと
を特徴とする請求項１記載のポリシング装置の研磨布寿
命検出方法にある。電動機の電流値は負荷のトルクに比
例するので、実際の処理は電流で行なう方が後処理に都
合が良い。

【００１２】第三の発明は、被加工物を保持して回転す
るポリシングヘッドと同ポリシングヘッドに対向して配
置され、表面に研磨布を貼付した回転定盤とを備えるポ
リシング装置において、前記ポリシングヘッドの回転ト
ルク検出手段と、同回転トルクの変動を用いて前記研磨
布の寿命を判定する寿命判定手段とを設けたことを特徴
とするポリシング装置にある。

【００１３】これは、研磨布が使用限度を超えると、ポ
リシングヘッドの回転トルクの変動が大きくなることを
利用し、研磨布の寿命検知を、ポリシングヘッドの回転
トルク検出手段と研磨布の寿命判定手段とを設けて可能
にするものである。

【００１４】第四の発明は、前記回転トルク検出手段
が、前記ポリシングヘッドの回転駆動用電動機における
電流検出手段であることを特徴とする請求項３記載のポ
リシング装置にある。これは回転トルク検出手段とし
て、回転トルクと駆動用電動機における電流が比例関係
にあることを利用し、トルクより電流の方が処理をし易
いためである。ただし電動機の電流にはノイズ等の高周
波が多いので、高周波を除去した後の状態で処理するこ
とが好ましい。

【００１５】第五の発明は、前記寿命判定手段が、前記
研磨布を使用し加工中の前記ポリシングヘッドの回転駆
動用電動機における電流の変動幅と、予め設定した変動
幅とを比較する研磨布寿命判断回路と、前記電動機にお
ける電流の変動幅が前記予め設定した変動幅より大きく
なった時、研磨布の寿命到来と決定する寿命判定回路と
から成ることを特徴とする請求項３および請求項４のい
ずれか一つに記載のポリシング装置にある。即ち、ポリ
シングヘッドの回転トルクの値が、研磨布が新しい時は
変動が小さく、研磨布を使い込んでくるとその変動が次
第に大きくなる傾向が有り、従って回転トルクを電動機
の電流幅に置き換え、その変動幅が設定電流幅をこえた
ときに、研磨布の寿命と判定する手段を設けるものであ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を例示
して説明する。図１は、ポリシング装置における本発明
の研磨布寿命を判定する装置のブロック図である。

【００１７】即ち、図１の構成を説明すると、トルク検
出手段２０は、ポリッシングヘッドの駆動用電動機２１
と、その電動機２１の電流検出回路２２と、同検出電流
をサンプリングするサンプリング回路２３と、そのサン
プリング波形から必要な信号を取り出す信号処理回路２
４とから成っている。また、研磨布寿命判定手段３０
は、寿命―トルク入力回路３１と、トルク―電流変換回
路３２と、研磨布寿命判断回路３３と、寿命判定回路３
４とから成っている。

【００１８】次に、図１の作用について説明すると、ト
ルク検出手段２０は、ポリシングヘッドの回転トルクが
その駆動用電動機２１の電流に比例することから、先ず
電動機２１の電流検出回路２２を設け、前記回転トルク
を電流として検知し、次にサンプリング回路２３で元の
電動機電流のアナログ値をディジタル値に変換し複数個
を平均化すると、電動機２１の電流に多く含まれるノイ
ズ等の高周波成分が除去され、この電動機電流の実効値
を抽出出来る。

【００１９】この電動機電流の実効値が前記トルクに対
応し、研磨布４が摩耗してゆくと前記トルクの変動幅が
大きくなってゆくので、前記電動機電流の実効値の変動
幅も大きくなってゆくから、信号処理回路２４では電動
機電流の実効値の変動幅を抽出する。この変動幅の抽出
は、先ずサンプリング回路２３で除去仕切れなかったノ
イズ等を除去して波形を成形した後、例えば単位時間内
におけるトルク変動の最大値と最小値の差、或いは前記
電動機電流の実効値の波形を更にサンプリングし、その
平均値との差による平均二乗法等で行なう。

【００２０】次に図1の研磨布寿命判定手段３０につい
て説明すると、研磨布４の寿命に対応するトルクの変動
幅を入力する寿命―トルク入力回路３１では、前記抽出
方法に対応し、データを基に設定された研磨布寿命に対
応するトルク変動幅の入力値は、次のトルク―電流変換
回路３２で電流変動幅に変換され、次の研磨布寿命判断
回路３３でトルク検出手段２０からの出力である前記電
動機電流の実効値の変動幅と比較される。

【００２１】ここで電動機電流の実効値の変動幅が、ト
ルク―電流変換回路３２での電流幅の値より大きくなる
と、次の寿命判定回路３４により研磨布寿命として指示
がでる。以上が研磨布寿命を検知するブロック図におけ
る各工程の説明であるが、これらの工程における作用と
実際の現象について、以下実験結果を基に説明する。

【００２２】図２は多数のシリコンウエーハに１μｍの
厚さの酸化膜を形成した後、同じ研磨布を用い、同じ加
工条件で前記シリコンウエーハをそれぞれ２分間ポリシ
ング加工し、それぞれのウエーハについて除去厚さを光
学式のプローブで各数十点測定し、その平均値を縦軸に
除去厚さ、横軸に加工したウエーハ枚数を１０枚毎にデ
ータ採取しグラフ上にプロットしたものである。

【００２３】図３（ａ）は、図２の７０枚目のウエーハ
に関し図１に示したトルク検出手段における電流検出回
路の実際の出力波形を示しており、縦軸はポリシングヘ
ッド用電動機の電流をトルクに換算したものであり、横
軸は時間で１目盛りが２０秒である。図３（ｂ）は、図
２の１３０枚目のウエーハに関する同様な出力波形を示
す。

【００２４】図４（ａ）は、図２の７０枚目のウエーハ
に関し図１に示したトルク検出手段におけるサンプリン
グ回路の出力波形を示しており、縦軸はポリシングヘッ
ド用電動機の電流をトルクに換算したものであり、横軸
は時間で１目盛りが２０秒である。図４（ｂ）は、図２
の１３０枚目のウエーハに関する同様な出力波形を示
す。

【００２５】この結果、図２に示される様に、ポリシン
グの初期と除去厚さが殆ど変わらない７０枚目の図４
（ａ）では殆どトルクの変動幅（ｄ１）は小さいが、ポ
リシングの初期に対し除去厚さが低下してきた１３０枚
目の図４（ｂ）では、周期が約２０秒の超低周波の振
幅、即ちトルクの変動幅（ｄ２）が大きく生じている。

【００２６】従って、初期の除去厚さに対し許容除去厚
さを設定すると、前記一連のポリシングテストから大凡
の研磨布寿命に対する前記変動幅が設定出来、更に初期
の変動幅について、前記一連のポリシングテスト結果
と、新条件におけるテスト結果とを比較することで、更
に詳細な研磨布寿命に対する前記変動幅を設定すること
が出来る。

【００２７】尚、図４（ａ）と図４（ｂ）のトルク平均
値の比較では、図４（ｂ）の方が低くなっており、この
原因が研磨布４の摩耗による抵抗の減少と考えられ、従
って前記ポリシングヘッドのトルク変動に、このトルク
平均値の比較を加味すれば、更に正確な研磨布の寿命を
知ることが出来る。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば最適な
交換時期がわかるので、研磨布の早期交換における無駄
の排除および研磨布の遅過ぎる交換による製品不良の低
減を図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の処理工程を示すブロック図。

【図２】同一研磨布を用いウエーハにポリシングを行っ
た時、単位時間におけるウエーハの除去量と枚数との関
係を示す図。

【図３】図２のウエーハ加工時におけるトルクの変動を
示す図であって、（ａ）は７０枚目のウエーハ、（ｂ）
は１３０枚目のウエーハにそれぞれ対応する図。

【図４】図３のトルクの変動を示す波形にサンプリング
処理をした図であって、（ａ）は図３（ａ）に対応し、
（ｂ）は図３（ｂ）に対応する図。

【図５】従来のポリシング装置構成図。

【図６】研磨布の加工面における溝の一例を示す図であ
って、（ａ）は全体を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の
拡大断面斜視図。

【符号の説明】

１ ポリシングヘッド ２ ウエーハ ３ 回転定盤 ４ 研磨布 ５ スラリー ６ ドレスヘッド ７ ドレスコラム ８ 溝 ９ 硬質層 １０ 軟質層 ２０ トルク検出手段 ２１ ポリッシングヘッドの駆動用電動機 ２２ 電流検出回路 ２３ サンプリング回路 ２４ 信号処理回路 ３０ 研磨布寿命判定手段 ３１ 寿命―トルク入力回路 ３２ トルク―電流変換回路 ３３ 研磨布寿命判断回路 ３４ 寿命判定回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物を保持して回転するポリシング
   ヘッドと、同ポリシングヘッドに対向して配置され、表
   面に研磨布を貼付した回転定盤とを接触押圧させ、回転
   運動を行いながらポリシングを行うポリシング工程中、
   前記ポリシングヘッドの回転トルクを検出し、前記回転
   トルクの変動幅が予め設定した値を超えたとき、前記研
   磨布の寿命到来と判定することを特徴とするポリシング
   装置の研磨布寿命検出方法。
2. 【請求項２】 前記回転トルクの検出は、前記ポリシン
   グヘッドの回転駆動用電動機の電流で行うことを特徴と
   する請求項１記載のポリシング装置の研磨布寿命検出方
   法。
3. 【請求項３】 被加工物を保持して回転するポリシング
   ヘッドと同ポリシングヘッドに対向して配置され、表面
   に研磨布を貼付した回転定盤とを備えるポリシング装置
   において、前記ポリシングヘッドの回転トルク検出手段
   と、同回転トルクの変動を用いて前記研磨布の寿命到来
   を判定する寿命判定手段とを設けたことを特徴とするポ
   リシング装置。
4. 【請求項４】 前記回転トルク検出手段は、前記ポリシ
   ングヘッドの回転駆動用電動機における電流検出手段で
   あることを特徴とする請求項３記載のポリシング装置。
5. 【請求項５】 前記寿命判定手段は、前記研磨布を使用
   し加工中の前記ポリシングヘッドの回転駆動用電動機に
   おける電流の変動幅と、予め設定した変動幅とを比較す
   る研磨布寿命判断回路と、前記電動機における電流の変
   動幅が前記予め設定した変動幅より大きくなった時、研
   磨布の寿命到来と決定する寿命判定回路とから成ること
   を特徴とする請求項３または４記載のポリシング装置。