JP2002357520A

JP2002357520A - 粘弾性測定装置

Info

Publication number: JP2002357520A
Application number: JP2001164407A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Isogai; 宏道磯貝; Katsuyoshi Kojima; 勝義小島; Takayuki Masunaga; 孝幸益永
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; Toshiba Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-12-13
Also published as: KR100824190B1; KR20020092163A; US6668662B2; US20020178795A1

Abstract

(57)【要約】【課題】試料に対して、所望の変位プロファイルを与
えることができ、実際の使用条件に近い条件下で、粘弾
性挙動を測定することができる粘弾性測定装置を提供す
る。【解決手段】試料３に対して変位を与える圧子４と、
前記圧子に変位を伝達するロッド５と、前記ロッドの上
端部と当接すると共に移動することによりロッドに所定
の変位を与える制御ジグ９と、試料に作用する応力を検
出するために試料に加わる荷重を検出するロードセル６
と、試料の変位量を検出するための変位センサ１３を備
え、試料３に与える変位を規定する形状を前記制御ジグ
９に形成すると共に、前記制御ジグ９が前記ロッド５の
軸線に対して垂直面内で移動するように構成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は粘弾性特性を測定す
る粘弾性測定装置に関し、特に試料に与える変位プロフ
ァイルを、試料を押圧する圧子に与えることにより粘弾
性特性を測定する粘弾性測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から粘弾性特性を測定する方法とし
て、種々行われている。例えば、静的粘弾性測定する方
法として、試料に一定の歪を与え、応力の状態変化を測
定する応力緩和測定、また試料に一定の応力を与え、歪
の状態変化を測定するクリープ測定、更に試料に一定の
歪速度を与える応力・歪み測定がある。また、動的粘弾
性を測定する方法としては、自由減衰ねじり振動法（IS
O6721part2, JIS K7213）、強制振動法（ISO6721 part
3）、非共振強制振動法（ISO6721 part4〜7）がある。

【０００３】これら測定は、半導体像の製造分野にも用
いられており、例えば半導体ウエハ等の研磨に使用され
る研磨布の粘弾性特性の測定にも用いられている。前記
した半導体ウエハ等の研磨に使用される研磨布は、一般
的に高分子材料が用いられ、その材質および構造は多様
で、ポリエステル不織布や発泡ポリウレタンシートなど
が用いられている。これら研磨布の力学的特性、特に粘
弾性挙動は、被研磨材料（半導体ウエハ）に加わる圧力
分布に大きな影響を与えるため、研磨布の材質、構造お
よび劣化等による粘弾性特性が、被研磨材料の研磨精度
に影響することが知られている。そのため、これまでに
多種多様な研磨布の粘弾性測定が行われている。

【０００４】ところで、半導体ウエハ等の研磨に使用さ
れる研磨布の粘弾性測定には、一定荷重下における研磨
布の変形量の時間変化、すなわちクリープ変形の測定
が、従来から一般的に行われていた。しかし、例えば、
静的測定において、極めて短時間に強制変位を与える条
件および極めて短時間で与えた変位を除去する条件、動
的測定において一定振動でない繰り返し負荷による測定
などは、前記したクリープ変形の測定では行うことがで
きなかった。一方、実際の研磨時に見られる研磨布の挙
動は、強制変位、回復といった現象が繰り返されてお
り、実際の研磨過程における研磨布の挙動にできるだけ
近い条件下で、研磨布の粘弾性挙動を測定する手法が望
まれていた。

【０００５】この半導体ウエハ等の研磨に使用される研
磨布の測定手法について、強制変位測定法を用いること
が考えられる。この強制変位測定法を用いて測定した場
合について図５に基づいて説明する。なお、図５は、従
来の測定装置の概略構成を示した図である。図中、符号
２１は、上下動可能に構成され、試料２２をその上面に
載置するステージである。また、前記試料２２の上方に
は上端部が固定されたロッド２３が配置され、前記ロッ
ド２３の下端面にはロードセル２４が取り付けられてい
る。また、試料２２の上面に載置され、該試料２２を押
圧するため圧子２５が設けられ、圧子２５の上端部は前
記ロードセル２４とに接するように配置されている。更
に、前記ステージ２１には、スタンド２６が取り付け
れ、該スタンド２６の先端部には、圧子２５の移動量を
計測することにより、試料２２の変位量を計測するレー
ザ変位計２７が取り付けられている。

【０００６】そして、この装置を用いて粘弾性特性を求
めるには、まずステージ２１上に試料２２を載置し、更
に該試料２２に圧子２５を載置する。また、圧子２５の
上端部が前記ロードセル２４とに接するように配置す
る。この状態において、レーザ変位計２７の原点補正を
行い、かかる位置を原点とする。その後、ステージ２１
を上下動させ試料に変位を加え、測定を開始する。試料
２２の変位量は、レーザ変位計２７で計測する。またこ
の変位によって圧子２５から試料２２に加えられる荷重
は、ロードセル２４で測定する。

【０００７】そして、前記変位量を求めると共に、その
ときの荷重から試料に作用する応力を求める。具体的
に、図５に示した装置を用いて、半導体ウエハの研磨加
工に使用される研磨布の粘弾性特性を測定した結果を図
６に示す。この図６からわかるように、研磨布の粘弾性
特性にあっては、変位量が増加するにつれて応力が増大
し、応力が零になっても、変位は零にならない挙動を示
している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示し
た装置において試料（研磨布）を圧縮する場合、ステー
ジの上下機構を使用しているため、ステージ上下動の速
度制御および位置制御の精度の問題から、荷重が加えら
れた瞬間に、直ちに変位しないという課題があった。特
に図６に示すように、該圧縮（変位）を受けたときの応
力の増加は僅かしか発生しないため、実際の使用条件下
における粘弾性特性と異なるという技術的課題があっ
た。

【０００９】このように、該装置にあっては実際の使用
条件下と同等の変位プロファイルが得られず、実際の使
用条件下に近い条件下における粘弾性特性を測定するこ
とができなという技術的課題があった。

【００１０】本発明は、上記技術的課題を解決するため
になされたものであり、試料に対して、所望の変位プロ
ファイルを与えることができ、実際の使用条件に近い条
件下で、粘弾性挙動を測定することができる粘弾性測定
装置を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる粘弾性測
定装置は、試料に所定の変位を与えて、そのときの変位
量と応力を測定する粘弾性測定装置において、試料に対
して変位を与える圧子と、前記圧子に変位を伝達するロ
ッドと、前記ロッドの上端部と当接すると共に移動する
ことによりロッドに所定の変位を与える制御ジグと、試
料に作用する応力を検出するために試料に加わる荷重を
検出するロードセルと、試料の変位量を検出するための
変位センサを備え、試料に与える変位を、前記制御ジグ
の形状と該制御ジグの移動方向で規定することを特徴と
している。

【００１２】このように、試料に与える変位を、前記制
御ジグの形状と該制御ジグの移動方向で規定しているた
め、制御ジグを移動させることによって、変位プロファ
イルを試料に与えることができる。したがって、従来の
場合のようにステージを上下動させていないため、慣性
力の影響を極力抑制でき、速度制御および位置制御を高
精度に行うことができる。その結果、試料に対して所望
の変位を与えることができ、実際の使用条件に近い条件
下で、粘弾性挙動を測定することができる。

【００１３】ここで、試料に与える変位を規定する形状
を前記制御ジグで形成すると共に、前記制御ジグが前記
ロッドの軸線に対して垂直面内で、所定の移動速度もっ
て移動することによって、試料に所定の変位が与えられ
ることが望ましい。制御ジグを同一形状としても、その
移動速度によって試料に与える変位プロファイルは異な
ったものとなる。したがって、所定の変位プロファイル
を試料に与えるためには、制御ジグの形状のみならず、
移動速度を規定するのが好ましい。例えば、制御ジグを
早い速度で移動させることにより、極めて短時間に強制
変位を与える条件、あるいは極めて短時間で与えた変位
を除去する条件における粘弾性特性を測定することがで
きる。

【００１４】また、前記制御ジグが往復運動可能に形成
され、該制御ジグの往復運動によって強制変位および除
荷を繰り返して、試料に与えるのが好ましい。このよう
に、制御ジグが往復運動可能に形成され、繰り返し荷重
を試料に与えることができるため、繰り返し変位を与え
る条件における粘弾性特性を測定することができる。

【００１５】更に、試料に与える変位を規定する前記制
御ジグの形状に、前記ロッドを上下動させない部位が設
けられていることが望ましい。このように、前記ロッド
を上下動させない部位を設けることにより、ロッドが制
御ジグ形状の途中で止まることがなく、ロッドの変位量
を正確に繰り返すことができる。即ち、ロッドを上下動
させない部位において、除荷状態あるいは（及び）最大
荷重状態とすれば、正確な前記状態を作り出すことがで
きる。

【００１６】ここで、前記ロッドを上下動させない部位
は、試料に与える変位を規定する制御ジグの形状の両端
部に、かつ制御ジグの移動方向と平行な面に形成されて
いることが望ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明にかかる粘弾性測定装置の
一実施形態を図１に基づいて説明する。なお、図１はか
かる装置の概略構成図である。図中、符号１は、基台２
上に上下動可能に構成され、試料３をその上面に載置す
るステージである。また、前記試料３の上方には、試料
に変位を与える圧子４が設けられている。この圧子４は
試料に当接する頭部４ａと、前記頭部４ａに立設された
軸部４ｂとを備えている。また、圧子４の上方位置に
は、ロッド５が配置されている。このロッド５は、一端
部にロードセル６が取り付けられた軸部５ａと、該軸部
５ａの他端部に形成された半球状の摺動部５ｂと、該軸
部５ａの軸線と直角方向に突出した鍔部５ｃとを備えて
いる。

【００１８】また、前記ロッド５の軸部５ａは、基台１
に設けられた支持部材７の貫通孔７ａによって上下動可
能に保持されている。また、前記ロッド５の鍔部５ｃの
下面と支持部材７の上面との間にばね８を設け、前記ロ
ッド５を上方に付勢している。

【００１９】更に、前記ロッド５の摺動部５ｂの上方
に、該摺動部５ｂに当接して制御ジグ９が設けられてい
る。この制御ジグ９はガイド軸１０に案内されて、ロッ
ド５の軸線と垂直な面内を移動可能に構成されている。
即ち、ガイド軸１０はロッド５の軸線に対して直角に延
設されている。具体的には、図面の左右方向に制御ジグ
９が、移動可能に構成されている。

【００２０】前記制御ジグ９の移動（駆動）は、制御ジ
グ９に取り付けられたエアーシリンダ１１のピストンが
突没することによってなされる。このエアーシリンダ１
１の突没は、コンピュータ１５からの制御信号に基づい
て、駆動源１４が制御されることによってなされる。

【００２１】また、この制御ジグ９の外周面（ロッド５
の摺動部５ａが接する面）には、変位が形成されてお
り、制御ジグ９が左右に移動することにより、圧子４の
頭部４ａに所望の変位プロファイルが生ずるように構成
されている。また、前記ステージ１には、スタンド１２
が取り付けれ、該スタンド１２の先端部には、圧子４の
変位量を計測するレーザ変位計１３が取り付けられてい
る。

【００２２】前記したレーザ変位計１３からの変位量デ
ータ、ロードセル６からの荷重データは、コンピュータ
１５に入力可能なデータ形式にインターフェイスを介し
て変換され、コンピュータ１５に入力される。このコン
ピュータ１５において、応力、変位量が演算され、その
演算結果がプリンタ１６に出力され、該プリンタ１６に
よって応力、変位線図が描かれるように構成されてい
る。また図示しないが、ＣＲＴに画像として表示しても
良い。

【００２３】なお、変位計１３は、接触式の変位計であ
っても良い。また、制御ジグ９の駆動は、パルスモータ
を用いて速度制御を行うようにするのが良い。この場
合、ねじ軸をガイド軸１０に並設して形成し、該ねじ軸
に制御ジグ９を螺合させる。そして、かかるねじ軸をパ
ルスモータで回転させることにより、制御ジグ９を移動
させるように構成される。

【００２４】また、前記ロッド５は、ばね８によって常
に制御ジグ９に接触する状態が保たれているが、ばね８
の代わりにエアーシリンダによって常に制御ジグに接触
する状態が保たれるように構成しても良い。

【００２５】さらに、図１に示した制御ジグ９の変位プ
ロファイルは、テーパ形状になされたものを示したが、
特にこれに限定されるもではなく、様々な変位プロファ
イルを得るため、波形および円弧などの形状にしても良
い。また図４に示すように、試料に与える変位を規定す
る前記制御ジグ９の形状に、前記ロッドを上下動させな
い部位９ｂ、９ｃをテーパ形状部位９ａの両側、即ち制
御ジグ９の形状の両端部に形成されているのが好まし
い。また、前記ロッドを上下動させない部位９ｂ、９ｃ
は、制御ジグ９の移動方向と平行な面に形成されてい
る。このように、前記ロッド５を上下動させない部位９
ｂ、９ｃを設けることにより、ロッド５が制御ジグ形状
の途中で止まることがなく、ロッド５の変位量を正確に
繰り返すことができる。即ち、ロッド５を上下動させな
い部位９ｂにおいて除荷状態を、ロッド５を上下動させ
ない部位９ｃにおいて最大荷重状態を、正確に作り出す
ことができる。

【００２６】以上説明したように、本装置は、試料を圧
縮（変位）させる圧子４の変位を、あらかじめ変位プロ
ファイルが形成された制御ジグ９で与えるように構成さ
れている点に特徴がある。

【００２７】次に、かかる装置の操作手順について説明
する。初めに、試料３に加える変位量、変位速度、荷重
保持時間および荷重開放速度などの測定条件を決定し、
制御ジグ９の形状を選定する。また、制御ジグ９を移動
させるスライド速度をコンピュータ１５に入力する。

【００２８】続いて、ステージ１に試料３を設置し、所
望の表面形状を持つ圧子４を載せる。そして、制御ジグ
９で任意の高さに設定されたロッド５下面に該圧子４が
接触する高さに、ステージ１の高さを調節する。圧子４
とロッド５の接触は、ロッド軸５ａに取り付けられたロ
ードセル６の出力から検出でき、接触した位置において
ステージ１に取り付けられた変位センサ１３の原点を補
正する。

【００２９】そして、事前に設定した条件に基づいて制
御ジグ９を左右にスライドさせ、測定を開始する。図１
中で、制御ジグ９を左に移動させると、その移動速度お
よびジグの下面形状に応じて、ロッド５が下降する速度
が決まり、試料３を圧縮する変位プロファイルが決ま
る。また、制御ジグ９を右へ移動させると、その移動速
度およびジグの下面形状に応じて、ロッド５が上昇する
速度が決まり、圧縮されていた試料３が除荷され、開放
される。

【００３０】なお、制御ジグ９の左右への移動速度およ
び下面形状を変えることにより、極短時間での強制変
位、微小量の強制変位、繰り返し強制変位等の条件下に
おける試料の粘弾性挙動を測定することができる。

【００３１】そして、その過程における応力および変位
の変化が、それぞれロードセル６および変位センサ１３
により測定され、そのデータはコンピュータ１５へ出力
され、コンピュータ１５において、応力、変位量が演算
処理される。この演算結果は、プリンタ１６に出力さ
れ、該プリンタ１６によって応力、変位線図が描かれ
る。またＣＲＴに画像として表示される。

【００３２】

【実施例】「実施例１」本発明にかかる装置を用いて、
半導体ウエハ等の研磨に使用される研磨布の粘弾性特性
を測定した。まず、図２に基づいて、実際の研磨の状況
について説明する。図に示す研磨布３０の１点Ｐに着目
すると、加圧されたウエハ３１が繰り返し点Ｐを通過し
ていく。例えば、研磨ヘッド３２の回転数が５０ｒｐ
ｍ、プラテン３３の回転数が５０ｒｐｍ、研磨ヘッド３
２の揺動はなく、ウエハ３１と研磨布３０との相対速度
１０００ｍｍ／ｓｅｃ場合、ウエハ３１が一度通過する
時に研磨布３０が圧縮を受けている時間は０．２〔ｓｅ
ｃ〕程度であり、その圧縮される瞬間および圧縮から開
放される瞬間の時間はわずか０．５〔ｍｓｅｃ〕程度で
ある。

【００３３】このような実際の使用条件を考慮して、図
１に示した装置を用いて、研磨布の粘弾性挙動を測定し
た。即ち、ウエハの端面の形状と等しい形状の圧縮量
（変位量）を有する制御ジグを用いて、制御ジグの移動
速度を実際の研磨におけるウエハと研磨布との相対速度
に等しく設定した。これにより、実際の研磨条件下にお
ける研磨布の挙動と同等の強制変位および回復現象を再
現した。

【００３４】この測定で得られた変位と荷重の関係を図
３に示す。図３に示されるように、この時の研磨布の応
力は、圧縮を受けた瞬間に高く、保持時間の間に低下し
ていく様子が認められると共に、圧縮回数が２回、３回
と繰り返されるに従い、圧縮時に発生する応力は次第に
低下していく様子が認められた。即ち、図３からわかる
ように荷重が加えられた瞬間、直ちに変位し、該圧縮
（変位）を受けたときの応力の増加が認められ、実際の
使用条件下に近い粘弾性特性であることが認められた。
言い換えれば、強制変位プロファイルが制御ジグ形状と
そのスライド速度で決まり、容易に狙いどおりの変位プ
ロファイルが得られていることが確認できた。

【００３５】

【発明の効果】本発明にかかる粘弾性測定装置によれ
ば、試料に対して所望の変位プロファイルを与えること
ができ、実際の使用条件に近い条件下で、粘弾性挙動を
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施形態を示した粘弾性測
定装置の概略構成図である。

【図２】図２は、研磨布の実際の使用条件を説明するた
めの図であって、研磨装置の平面及び側面を示した図で
ある。

【図３】図３は、本発明の一実施形態を示した粘弾性測
定装置により測定した結果を示した図である。

【図４】図４は、制御ジグの変形例を示す側面図であ
る。

【図５】図５は、強制変位測定法に用いられる装置の概
略構成図である。

【図６】図６は、図５に示した装置を用いて粘弾性を測
定した結果を示した図である。

【符号の説明】

１ステージ２基台３試料４圧子５ロッド６ロードセル７支持部材８ばね９制御ジグ９ａテーパ形状部位９ｂロッドを上下動させない部位９ｃロッドを上下動させない部位１０ガイド軸１１エアーシリンダ１２スタンド１３レーザ変位計（変位センサ）１４駆動源１５コンピュータ１６プリンタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小島勝義新潟県北蒲原郡聖籠町東港６丁目861番５号新潟東芝セラミックス株式会社内 (72)発明者益永孝幸神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内Ｆターム(参考） 2G061 AA02 AB04 AB05 BA19 DA00 DA12 EA01 EA02 EB05 EB07 EC03 EC05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に所定の変位を与えて、そのときの
変位量と応力を測定する粘弾性測定装置において、試料に対して変位を与える圧子と、前記圧子に変位を伝
達するロッドと、前記ロッドの上端部と当接すると共に
移動することによりロッドに所定の変位を与える制御ジ
グと、試料に作用する応力を検出するために試料に加わ
る荷重を検出するロードセルと、試料の変位量を検出す
るための変位センサを備え、試料に与える変位を、前記制御ジグの形状と該制御ジグ
の移動方向で規定することを特徴とする粘弾性測定装
置。
【請求項２】試料に与える変位を規定する形状を前記
制御ジグで形成すると共に、前記制御ジグが前記ロッド
の軸線に対して垂直面内で、所定の移動速度もって移動
することによって、試料に所定の変位が与えられること
を特徴とする請求項１に記載された粘弾性測定装置。
【請求項３】前記制御ジグが往復運動可能に形成さ
れ、該制御ジグの往復運動によって、試料に強制変位お
よび除荷を繰り返して与えることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載された粘弾性測定装置。
【請求項４】試料に与える変位を規定する前記制御ジ
グの形状に、前記ロッドを上下動させない部位が設けら
れていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
れかに記載された粘弾性測定装置。
【請求項５】前記ロッドを上下動させない部位は、試
料に与える変位を規定する制御ジグの形状の両端部に、
かつ制御ジグの移動方向と平行な面に形成されているこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
された粘弾性測定装置。