JP2005034992A

JP2005034992A - ポリッシングの終点検知方法

Info

Publication number: JP2005034992A
Application number: JP2004315995A
Authority: JP
Inventors: Norio Kimura; 憲雄木村; Fumihiko Sakata; 文彦坂田; Yoshimizu Takahashi; 圭瑞高橋
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【目的】ポリッシング中にトップリングに往復運動させることによって困難となるポリッシングの終点の検知を可能にする一方法を提供する。
【構成】回転するターンテーブル１２上面に貼設した研磨布１１上にポリッシング対象物１４を保持したトップリング１３を押圧することで、ポリッシング対象物１４を平坦且つ鏡面に研磨するポリッシングにおいて、トップリング１３を揺動機構によりターンテーブル１２上を往復運動させてポリッシングを行い、往復運動するトップリングのターンテーブル１２回転中心からの距離が同一である所定位置において、ターンテーブル駆動モータ１６の電流値を検出し、過去に検出した前記位置における電流値の平均値と比較し、研磨摩擦力の変化を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明はポリッシング（鏡面研磨）に係わり、特に半導体ウエハ等のポリッシング対象物を平坦かつ鏡面状に研磨するポリッシングの終点検知方法に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。
そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により研磨（ポリッシング）することが行われている。

従来、この種のポリッシング装置は、各々独立した回転数で回転する、上面にクロス（研磨布）を貼り付けたターンテーブルと、トップリングとを有し、トップリングが所定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。

上述したポリッシング装置のポリッシングの終点検出手段の１つとして、研磨が異材質の物質へ移行した際の研磨摩擦力の変化を検知する方法が、例えばUSP5036015号公報等により知られている。詳しくは、ポリッシング対象物である半導体ウエハは、半導体、導体、絶縁体の異なる材質からなる積層構造を有しており、異材質間で摩擦係数が異なるため、研磨が異材質へ移行することによって生じる研磨摩擦力の変化を検知する方法である。この方法によれば、研磨が異材質に達した時がポリッシングの終点となる。

ここで、研磨摩擦力の変化は次のように検出される。研磨摩擦力はターンテーブル回転中心から偏心した位置に作用するため、回転するターンテーブルには負荷トルクとして作用する。このため、研磨摩擦力はターンテーブルに働くトルクとして検出することができる。ターンテーブルを回転駆動させる手段が電動モータの場合には、トルクはモータに流れる電流として測定することができるため、電流を電流計でモニタし、適当な信号処理を施すことによってポリッシングの終点が検知される。

また、この種のポリッシング装置はポリッシング性能や生産性向上等の観点から、研磨中にトップリングはウエハを保持して回転運動とは別に、研磨布上で往復運動を行う場合がある。これは研磨布を広範囲で使用することにより研磨布の局部的な摩耗を防止し、研磨布の寿命を長くする目的と同時に、研磨布の使用頻度が局部的に多くなることに伴うウエハ平坦度の劣化を防止する目的を有する。

しかしながら、上述したトップリングの往復運動は、ポリッシング終点の検知に問題を生じさせる。それは、研磨摩擦力が作用するターンテーブル上の位置が変動するため、ターンテーブルに働くトルクが摩擦力の作用する位置の変動に伴って変動してしまうことである。つまり、ターンテーブル中心から研磨摩擦力が作用する距離と摩擦力の積がトルクであるから、距離が変動すると、トルクを検出しても摩擦力が一意に決定されないのである。

本発明は上述した問題点に鑑みなされたもので、ポリッシング中にトップリングに往復運動させることによって困難となるポリッシングの終点の検知を可能にする一方法を提供することを目的とする。

本発明のポリッシングの終点検知方法は、回転するターンテーブル上面に貼設した研磨布上にポリッシング対象物を保持したトップリングを押圧することで、前記ポリッシング対象物を平坦且つ鏡面に研磨するポリッシングにおいて、前記トップリングを揺動機構によりターンテーブル上を往復運動させてポリッシングを行い、往復運動するトップリングのターンテーブル回転中心からの距離が同一である所定位置において、ターンテーブル駆動モータの電流値を検出し、過去に検出した前記位置における電流値の平均値と比較し、研磨摩擦力の変化を検知することを特徴とする。

また、前記往復運動するトップリングのターンテーブル回転中心からの距離が同一である位置を複数箇所に設定したことを特徴とする。

また、前記往復運動するトップリングのターンテーブル回転中心からの距離が同一である位置におけるターンテーブルに働くトルクを、トップリングの移動方向がターンテーブルの回転方向に対して順方向と逆方向とに分けて、前記トルクを検出することを特徴とする。

また、前記トップリングの往復運動を電流検出時に所定時間停止させて行うことを特徴とする。

前述した構成からなる本発明によれば、ターンテーブル駆動モータの電流をトップリングの往復運動中のターンテーブル中心からの距離が同一である点で断続的に検出するため、ターンテーブル上のトップリング位置の変動に伴うトルクの変動、ひいてはターンテーブル駆動モータの電流値の変動を無視することができる。

また、ターンテーブル中心からの同一である位置を複数ケ所設定することにより、終点検知の機会が増すため、早期に終点を検知することができる。また、ある箇所での検知に失敗しても他の箇所で検知することができるため、終点決定の信頼性が向上する。

また、検出する電流値をトップリングの往復運動がターンテーブル回転方向に対し順方向と逆方向とに分けて検出することにより、往復運動の方向に伴うトルクの変動を無視して終点検知を行うことができる。

さらに、トップリングの往復運動を電流検出時に所定時間停止させるため、トップリングの往復運動の方向によるターンテーブルに働く研磨摩擦力の方向を考慮せずにポリッシングの終点検知が可能となる。

本発明によれば、トップリングをターンテーブル上で往復運動させる形式のポリッシング装置においても、半導体ウエハ等の各種表面被膜のポリッシングの終点を確実に検出できる。

以下、本発明に係るポリッシング装置の一実施例を図１乃至図９に基づいて説明する。
図１は本発明のポリッシング装置の全体構成を示す図、図２はターンテーブルの上面図、図３はポリッシング時間中に検出したターンテーブルに流れる電流値を示すグラフである。尚、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

ポリッシング装置はクロス１１を上面に貼設したターンテーブル１２、半導体ウエハ１４を保持しクロスに当接して回転するトップリング１３、トップリングをターンテーブル上で往復運動させる揺動機構１５、ターンテーブル駆動モータ１６の電流を検出し信号処理する装置１７からなる。

上述した構成からなるポリッシング装置のポリッシング動作を説明する。上面にクロス１１を張り付けたターンテーブル１２は駆動モータ１６によってベルトを介して回転される。ポリッシング対象物である半導体ウエハ１４を保持したトップリング１３は半導体ウエハ１４をクロス１１に押圧するとともに、ターンテーブル回転軸とは偏心した軸回りに回転する。上記動作に合わせてクロス上面に研磨砥液が供給され、半導体ウエハ１４を研磨する。

また、トップリング１３は回転運動と同時に研磨布上を揺動機構１５により往復運動するようになっている。この往復運動は研磨布を広範囲で使用することにより研磨布の局部的な摩耗を防止し、研磨布の寿命を長くする目的と同時に、研磨布の使用頻度が局部的に多くなることに伴うウエハ平坦度の劣化を防止する目的を有する。
さらに、ポリッシング装置にはターンテーブル駆動モータ１６の電流およびトップリング１３の位置信号を検出し、ポリッシングの終点を決定する信号処理装置１７を有する。

トップリングの往復運動を図２に基づいて説明する。図２において、トップリング１３に保持されたウエハ１４は揺動機構１５により、円（１）の位置から円（２）、円（３）へ移動し、再び円（２）、円（１）・・・へ等速で移動する。移動方向はターンテーブル１２の半径方向である。
このような往復運動中のトップリング中心がターンテーブル中心から同一の距離にある位置で、ターンテーブル駆動モータの電流を検出する。図２において、円（１）で示すトップリング中心はターンテーブル中心からの距離がｒ₁の位置にあり、往復運動中にこの位置にあるときのみモータ１６の電流値を検出する。
したがって、検出した電流値は断続的なものとなる。断続的に検出した電流値を時系列的に表現したグラフを図３に示す。

図４はポリッシング対象物である半導体ウエハの拡大断面図である。半導体ウエハ１４は、シリコン基板２０上に金属配線２１を設け、その上に二酸化シリコンからなる絶縁膜２２を形成したウエハを想定している。符号２３は研磨面を示している。図４（ａ）は研磨前、図４（ｂ）は研磨が金属配線２１に達したときの半導体ウエハを示す。最上層の絶縁膜２２を研磨していくと、研磨は金属配線２１の領域に達するため、これらの材料の差異による研磨係数の違いが研磨摩擦力の変化を生じさせる。

図５にモータ電流の検出方法の流れ図を示す。モータ電流Ｓ₁は電流計によって電圧値信号Ｓ₂に変換される。検出された信号Ｓ₁は一般的に雑音を含み、その雑音の周波数は高周波域にあるため、これをフィルタリングし雑音が除去された信号Ｓ₃となる。したがって、ここでのフィルタは低域通過特性を有するものである。次に、トップリングの往復機構中に備えた位置信号発生装置が往復運動中の所定位置で位置信号Ｓ₄を発生し、この信号と同期して連続的に信号処理されている電流値信号Ｓ₃を取り込む。したがって、Ｓ₃までは連続信号であるがＳ₅は断続的な信号となる。トップリングの往復運動中に位置信号Ｓ₄を発生することはリミットスイッチを用いて簡単に行うことができる。ここで発生した信号Ｓ₄はサンプリング時刻の決定に用いると同時に、サンプリングした電流値信号がトップリングがどの位置にあるときのものかを対応させるため、次の終点判断のステップにも送られる。

図６はポリッシング終点を決定する手順を示す流れ図であり、図５における終点判断のステップに対応する。まず、信号処置装置１７の初期設定において、すべての変数を初期化する。次に、トップリングが往復運動中に所定位置に来たときのターンテーブル駆動モータの電流を検出して信号Ｓ₅を信号処理装置に取り込む。なお、ｎは断続的に検出した電流値信号の検出順を表す自然数である。この検出した電流値信号Ｓ₅を過去に検出した電流値の平均値と比較し、その変化を検知するため、第３ステップにおいてデータの数が所定数ｎ₀までの平均値を計算する。次の第４ステップにおいて、過去の信号Ｓ₅の平均値と現在の電流値信号Ｓ₅との差の絶対値を計算し、所定以上の差を生じた場合に研磨終点と判定する。

第４ステップ（終点判断）において研磨終点が検知された場合、ポリッシング装置全体を制御する制御装置に研磨終点である信号を送る。これによりポリッシング装置の制御装置（図示せず）はターンテーブル及びトップリングの回転を停止する等の処理を行う。

次に、本発明の他の実施例を図２および図７に基づいて説明する。図７はトップリングの位置がターンテーブル中心からの距離が同一である箇所を３箇所設定し、それぞれの位置で検出した電流値を示すグラフである。

図２において、ウエハ１４が円（１）、円（２）、および円（３）の位置での電流をそれぞれ独立に検出する。それぞれの位置での検出電流を図７に示す。図２におけるウエハが円（１）で示す位置で電流を検知し、次に円（２）、円（３）、円（２）、円（１）…の順でモータ１６の電流を検知する。各位置ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃での電流値は図７に示すように独立に扱われる。図７において１、２、３…は検出順を表す。独立して扱うのは各検出位置での摩擦力が作用する位置のターンテーブル中心からの距離が異なるため、距離の変動による影響を排除するためである。ここで、トップリングは円（２）で示される位置ｒ₂を往復運動の１サイクル中に２回通過するため、円（１）および円（３）で示す位置ｒ₁，ｒ₃より１サイクル中に検出する回数が多い。また、各位置での検出時刻は図示するように異なる。このように検出された電流値から、各位置ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃での電流変化をそれぞれ独立に評価する。変化を検出する方法は第一実施例と同様であり、図５及び図６の流れに従がって過去の平均値と現在の電流値とを比較する。

次に、さらに他の実施例を図８および図９に基づいて説明する。図８および図９は、図１におけるトップリング１３が第一実施例と異なる往復運動を行うポリッシング装置のターンテーブルの上面図を示す図である。ここで図８はトップリングが点Ｃを中心とした揺動運動を行う場合であり、図９はターンテーブルの半径方向に対して垂直方向に往復運動を行うものである。

図８及び図９に示す構成のポリッシング装置が第一実施例と異なるのは、往復運動の方向がターンテーブルのトルクに影響する点である。トップリングがこのような半径方向以外の往復運動をする場合には、トップリングの位置がターンテーブル中心から同一の距離である位置であってもその位置を通過するトップリングの方向によってターンテーブルに働くトルクが変動してしまう。例えば図８において、円（３）の位置を時計回りに通過するか反時計回りに通過するかによって、摩擦力はターンテーブルに対して回転力を付与し、または回転力に対して反力として作用する。したがって、トップリングの往復運動の方向を考慮しなければならない。

そこで、トップリング１３にターンテーブル１２の半径方向と直交するような往復運動をさせる場合、テーブル中心からの距離が同一の位置であっても、往復運動の方向によって検出した電流値信号を別々に扱うようにする必要がある。すなわち、図８において、円（２）乃至円（４）を通過する時に検出した信号は、トップリングの揺動が時計回りと反時計回りの場合に分けて扱う必要がある。トップリングの移動方向によって分けて検出した電流値信号はそれぞれ独立に、第一実施例と同様の図５及び図６に示す信号処理を施すことによって研磨終点が検知される。

また、トップリングにターンテーブルの半径方向と直交するような往復運動をさせる場合、各検出位置で検出する時間だけトップリングの往復運動を停止させることにより、往復運動の方向によるトルクの変動を考慮せずに終点を検知することができる。この場合、トップリングが停止している間の電流値信号は連続値として検出し、この連続値をトップリングの往復運動に従って断続的に検出すればよい。

尚、以上の説明は半導体ウエハのポリッシングについて行ったが、本発明の趣旨は微細な加工を必要とするポリッシング一般に適用できるものであることは言う迄もない。

本発明の一実施例のポリッシング装置の全体構成を示す説明図。ターンテーブルの上面を示す説明図。ポリッシング時間と検出された電流値との関係を示す線図。半導体ウエハの表面を示す拡大断面図で、（Ａ）は研磨前、（Ｂ）は研磨終了時を示す。電流値検出の流れ図。ポリッシングの終点検出の流れ図。ポリッシング時間と異なる位置で検出された電流値との関係を示す線図。ターンテーブルの上面を示す説明図。ターンテーブルの上面を示す説明図。

符号の説明

１２ターンテーブル
１３トップリング
１４ウエハ
ｒ₁，ｒ₂，ｒ₃ ターンテーブル中心からの距離

Claims

回転するターンテーブル上面に貼設した研磨布上にポリッシング対象物を保持したトップリングを押圧することで、前記ポリッシング対象物を平坦且つ鏡面に研磨するポリッシングにおいて、
前記トップリングを揺動機構によりターンテーブル上を往復運動させてポリッシングを行い、往復運動するトップリングのターンテーブル回転中心からの距離が同一である所定位置において、ターンテーブル駆動モータの電流値を検出し、過去に検出した前記位置における電流値の平均値と比較し、研磨摩擦力の変化を検知することを特徴とするポリッシングの終点検知方法。
前記電流値を検出するトップリングのターンテーブル回転中心からの距離が同一である位置を、複数箇所に設定したことを特徴とする請求項１記載のポリッシングの終点検知方法。
前記移動するトップリングのターンテーブル回転中心からの距離が同一である位置における前記電流値を、トップリングの移動方向がターンテーブルの回転方向に対して順方向と逆方向とに分けて、前記電流値を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のポリッシングの終点検知方法。
前記トップリングの移動を電流値の検出時に所定時間停止させて行うことを特徴とする請求項１又は２記載のポリッシングの終点検知方法。