JP2000331971A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャリアの回転トルクのみを常時検出するこ
とで、研磨量の終点を正確に検出することができる。 【解決手段】 本発明のウェーハ研磨装置においては、
ウェーハ保持ヘッド２のヘッド本体２１とキャリア２２
とを連結し、ヘッド本体からの回転力をキャリアに伝達
する連結バー４０に、その中心軸に対して対称する位置
に一対のトルク検出手段である差動トランス４６を設け
る。この差動トランスのコア部４６Ａは、連結バーの基
部４０Ａに固定され、ボビン部４６Ｂは、連結バーの連
結部４０Ｃに固定されている。この一対のトルク検出手
段からの信号を加算することで、キャリアの回転トルク
を常時検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はウェーハ研磨装置に
係り、特に化学的機械研磨法（ＣＭＰ：ChemicalMechan
ical Polishing ）による半導体ウェーハの研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化、高性能化のた
めに微細加工技術が進んでおり、多層に渡ってＩＣパタ
ーンを形成することが行われている。パターンを形成し
た層の表面にはある程度の凹凸が生じるのは避けられな
い。従来はそのまま次の層のパターンを形成していた
が、層数が増加すると共に線やホールの幅が小さくなる
と良好なパターンを形成するのが難しく、欠陥などが生
じ易くなっていた。そこでパターンを形成した層の表面
を研磨して表面を平坦にした後、次の層のパターンを形
成することが行われている。また、層間を接続するメタ
ル層を形成するため、穴を形成した後メッキなどでメタ
ル層を形成し、表面のメタル層を研磨して除去すること
で穴の部分のメタル層を残すことも行われている。この
ようなＩＣパターンを形成する工程の途中でウェーハを
研磨するのに、ＣＭＰ法によるウェーハ研磨が使用され
ている。

【０００３】ところが、配線層であるメタル層、例え
ば、Ｃｕ層、と多層配線間の層間絶縁膜であるＳｉＯ₂
層とでは、研磨特性が異なり、加工状態や加工時間に影
響を及ぼすので、それぞれの研磨処理において研磨剤で
あるスラリーを変える必要がある。また、上記層の過剰
な削り込みを防止するためには、微妙な研磨量のコント
ロールが要求されている。そこで、このような研磨量を
コントロールする装置として、即ち、研磨量の終点を検
出する装置として、ウェーハ保持ヘッドの回転トルクを
検出し、この回転トルクによって研磨量終点を検出する
装置が提案されている。

【０００４】即ち、Ｃｕ層とＳｉＯ₂ 層では摩擦力が異
なり、その回転抵抗も異なる点に着目し、研磨量が終点
に近づくに従ってウェーハの回転抵抗が変化するのを利
用し、その変化点が現われるウェーハ保持ヘッドの回転
トルクを検出することにより、終点を検出していた。そ
して、この終端を検出する装置は、ウェーハ保持ヘッド
を回転させるモータのトルク変動により変化する電流値
を検出することにより、この回転トルクを検出してい
た。

【０００５】しかしながら、前記モータの電流値の変化
でウェーハ保持ヘッドの回転トルクを検出する装置で
は、モータの出力軸とウェーハ保持ヘッドとを連結する
減速機構の回転抵抗を含んだ回転トルクを検出するの
で、ウェーハ保持ヘッドのみの回転トルクを検出するこ
とができず、これによって研磨量終点を正確に検出する
ことができないという欠点があった。

【０００６】そこで本出願人は、先に第５図に概略で示
されるような終端検出装置を提案している。この装置に
は、図示されていないヘッド本体ＧにキャリアＡを吊り
下げ支持する部材である連結バーＢを、ウェーハ保持ヘ
ッドの中心軸と同軸上に配置すると共に、この連結バー
Ｂには平行バネＣとそのバネ内の検出器Ｄとが設けられ
ている。検出器Ｄは差動トランスであって、平行バネＣ
の下面に固定されたコアＥと、同じく平行バネＣの上面
に固定されたコイル体Ｆとで構成されている。この終端
検出装置においては、その出力信号におけるウェーハ保
持ヘッドの回転トルクは、サインカーブで示され、摩擦
力の大きさは、サインカーブの振幅で検出することがで
き、モータの出力軸とウェーハ保持ヘッドとの連結機構
の回転抵抗をひろうことがないので、或る程度の改善が
なされた。

【０００７】しかしながら、ウェーハ保持ヘッドは一般
には３０〜６０rpm 程度で回転しており、回転速度が遅
く前記のように１個の検出器では１回転当り１回の検出
しかできず、１秒又は２秒に１回の割でしか、回転トル
クを検出できない。一方、正確な研磨量を知るには、即
ち過剰な削り込みを防ぐには、０．４〜０．１秒でこの
回転トルクを検出して、その終端を検出する必要があ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、この
ような課題に鑑み、研磨中のウェーハの研磨量の終点を
正確に検出できると共に、ウェーハ保持ヘッドが受ける
横方向の力をも常時監視できるようにしたウェーハ研磨
装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に
記載されたウェーハ研磨装置を提供する。請求項１に記
載のウェーハ研磨装置においては、ヘッド本体とキャリ
アとを連結し、ヘッド本体からの回転力をキャリアに伝
達する連結部材に、その中心軸に対して対称する位置に
それぞれトルク検出手段を設けることで、ウェーハの保
持ヘッドのキャリアの回転トルクを常時監視でき、研磨
量の終点を正確に検出できる。またキャリアの横方向
（水平方向）の力に対しても、それぞれのトルク検出手
段から得られる個々の出力信号を監視することにより、
常時監視できる。請求項２に記載のウェーハ研磨装置に
おいては、前記トルク検出手段として差動トランスを用
いたものであり、実質的に請求項１の装置と同様の効果
を奏するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に図面に従って本発明の実施
の形態であるウェーハ研磨装置について説明する。ウェ
ーハ研磨装置が、ウェーハ１を保持するウェーハ保持ヘ
ッド２と、この保持ヘッド２に対して相対移動させられ
る研磨布３を有する研磨定盤４とを具備している基本構
成は、従来と同様である。

【００１１】図１は、本発明のウェーハ研磨装置のウェ
ーハ保持ヘッド２の構造を示す縦断面図である。ウェー
ハ保持ヘッド２は、ヘッド本体２１、キャリア２２、ガ
イドリング２３、リテーナリング２４、及びゴムシート
２５等から構成される。ヘッド本体２１は円盤状に形成
され、その上面には回転軸２６がヘッド本体２１の中心
軸と同軸上に固定されている。この回転軸２６は、図示
されていないモータの出力軸に連結され、このモータの
駆動力によってヘッド本体２１は矢印Ｂ方向に回転され
る。また、ヘッド本体２１にはエア供給路２７，２８が
形成されている。エア供給路２７，２８はそれぞれウェ
ーハ保持ヘッド２の外部に延設され、レギュレータＲを
介してポンプＰに接続されている。

【００１２】キャリア２２は、略円柱状に形成されてヘ
ッド本体２１の下部にヘッド本体２１と同軸上に配置さ
れている。キャリア２２の下面には凹部２９が形成さ
れ、この凹部に通気性を有する多孔質板３０が収納され
ている。多孔質板３０の上方には空気室３１が形成さ
れ、この空気室にはキャリア２２に形成されたエア路３
２に連通され、エア路３２はウェーハ保持ヘッド２の外
部に延設され、レギュレータＲを介してポンプＰに接続
されている。したがって、ポンプＰを駆動してポンプＰ
からの圧縮エアをエア路３２、空気室３１及び多孔質板
３０を介して、多孔質板３０とウェーハ１との間の空間
に吹き出すと、この空間に圧力エア層が形成され、この
圧力エア層を介してキャリアの押圧力がウェーハ１に伝
達される。ウェーハ１は、この圧力エア層を介して伝達
される押圧力によって研磨布３に押し付けられて研磨さ
れる。また、前記エア路３２には、切換バルブ３３を介
してサクションポンプＳＰが接続されている。したがっ
て、切換バルブ３３を切り換えてサクションポンプＳＰ
を駆動すると、ウェーハ１が多孔質板３０に吸引されて
これに吸着保持される。なお、多孔質板３０は、内部に
多数の通気路を有するものであり、例えば、セラミック
材料の焼結体よりなるものが用いられている。

【００１３】ゴムシート２５は、均一な厚さで１枚の円
盤状に形成される。このゴムシート２５は、大中小の環
状の止め金３４，３５，３６によってヘッド本体２１の
下面にボルト等により固定され、これらの止め金によっ
てゴムシート２５は外側部２５Ａと内側部２５Ｂとに２
分されている。２分されたゴムシート２５の内側部２５
Ｂは、キャリア２２を押圧し、外側部２５Ａはガイドリ
ング２３を介してリテーナリング２４を押圧する。

【００１４】前記のようにゴムシート２５を２分する
と、ヘッド本体２１の下方にはゴムシート２５の内側部
２５Ｂによって密閉される環状の空間３７と、外側部２
５Ａによって密閉される環状の空間３８とが形成され
る。前記の空間３７には、ヘッド本体２１に設けられた
エア供給路２７が連通されている。したがって、ポンプ
Ｐからの圧縮エアをエア供給路２７から空間３７に供給
すると、ゴムシート２５の内側部２５Ｂはエア圧で膨脹
する。これにより、内側部２５Ｂの下部に位置するキャ
リア２２が、内側部２５Ｂの膨脹によって下方に押圧さ
れる。この押圧力は、前記圧力エア層を介してウェーハ
１に伝達されるので、研磨布３に対するウェーハ１の押
付力が得られる。また、エア圧をレギュレータＲで調整
すれば、研磨布３に対するウェーハ１の押し付け力を制
御することができる。

【００１５】一方、前記空間３８には、同様にヘッド本
体２１に設けられたエア供給路２８が連通されているの
で、ポンプＰからの圧縮エアをエア供給路２８から空間
３８に供給すると、ゴムシート２５の外側部２５Ａをエ
ア圧で膨脹させることができる。これによって、外側部
２５Ａの下部に位置するガイドリング２３が押し下げら
れ、ガイドリング２３の下部に配置されたリテーナリン
グ２４が研磨布３に押し付けられる。またレギュレータ
Ｒでエア圧を調整すれば、リテーナリング２４の押付力
を制御することができる。

【００１６】ガイドリング２３は、円筒状に形成されて
ヘッド本体２１の下部にヘッド本体の中心軸と同軸上に
配置される。また、ガイドリング２３の上部外周にはフ
ランジ２３Ａが形成され、このフランジ２３Ａは、ウェ
ーハ保持ヘッド２を研磨布３から上昇させたときに、止
め金３４の下部内周に形成されたフランジ３４Ａに当接
され、ウェーハ保持ヘッド２からのガイドリング２３の
脱落が防止されている。また、リテーナリング２４は、
研磨中のウェーハ１がウェーハ保持ヘッド２から飛び出
すのを防止するためのリングであり、キャリア２２の下
部外周部にＯリング３９を介して装着されている。

【００１７】ヘッド本体２１とキャリア２２とは、連結
部材である連結バー４０で連結されており、ヘッド本体
２１の回転をキャリア２２に伝達するようになってい
る。連結バー４０は、ウェーハ保持ヘッド２の中心軸と
同軸上に配置されており、基部４０Ａ、中間軸部４０Ｂ
及び連結部４０Ｃとから構成されている。基部４０Ａ
は、ヘッド本体２１に図示されていないボルト等により
固定され、連結部４０Ｃはキャリア２２の上面に形成さ
れた円筒状の凹部４１に挿入されている。連結部４０Ｃ
は、円板状をしていて、図３に示されるようにその周囲
に等間隔で数個の、例えば３つの半円状の切欠部４２が
設けられており、キャリアの上面に形成された凹部４１
の内側面に形成された３つの半円状溝４３とで円状の空
間を形成し、ここにピン４４を挿入することによって、
連結バー４０とキャリア２２とが連結されている。これ
によってキャリア２２は、ヘッド本体２１に対して回り
止めされた状態で連結された状態になる。なお、連結部
４０Ｃは、キャリア２２にボルトで固定された抜け止め
リング４５によって、キャリア２２からの脱落が防止さ
れている。またピン４４に代えてボールを使用すること
も可能であるのは当然である。

【００１８】更にこの連結バー４０には、キャリア２２
の回転トルクを検出するための一対のトルク検出手段が
設けられている。このトルク検出手段は、図２と３に示
されるように連結バー４０の中心軸に対して、対称的か
つ平行に設けられた一対の差動トランス４６である。こ
の差動トランス４６は、コア部４６Ａとボビン部４６Ｂ
とから構成されると共に、この一対の差動トランス４６
から出力される出力信号に基づいて前記回転トルクを演
算する制御装置４７が設けられている。なお、この差動
トランス４６のコア部４６Ａは、ボビンホルダ４８によ
って連結バー４０の連結部４０Ｃの上面に固定され、ボ
ビン部４６Ｂはコアホルダ４９によって連結バー４０の
基部４０Ａの下面に固定されている。この両者のコア部
４６Ａは、それぞれ対向する方向に設けられている。

【００１９】このように構成されたトルク検出手段にお
いては、図４に示すように一方の差動トランス４６から
の出力信号Ａは、ウェーハ１の摩擦の変化として中心か
ら偏位した形の略サインカーブで表われ、他方の差動ト
ランス４６からの出力信号Ｂは、前記出力信号Ａの１８
０°位相がずれた同様のサインカーブで表われる。した
がって、この両方の出力信号Ａ，Ｂを加算することによ
ってキャリア２２の回転トルクはほぼ直線状に現われ、
これを常時監視することができる。こうして研磨定盤４
の回転方向の力による出力をキャンセルして、ウェーハ
保持ヘッド２の回転力のみ検出できる。またそれぞれの
出力信号Ａ，Ｂの振幅は、研磨布回転による連結バー４
０の歪み、即ち摩擦の大きさを示しており、これらを監
視することにより、キャリア２２が受ける横方向の力を
も監視できる。したがって、本発明のウェーハ研磨装置
のトルク検出手段によれば、従来のウェーハ保持ヘッド
２を回転させるモータの電流値でキャリア２２の回転ト
ルクを検出する検出手段に比べて、キャリア２２の回転
トルクを正確に検出でき、更にまた従来の１回転当り１
回の回転トルクの検出手段に比べて、キャリア２２の回
転トルクを常時監視でき、ウェーハ１の研磨量の終点を
正確に検出できる。

【００２０】次に、前記のように構成された本発明のウ
ェーハ研磨装置の作用について説明する。まず研磨対象
のウェーハ１を多孔質板３０で吸着保持し、この状態で
ウェーハ保持ヘッド２を研磨布３上の所定の位置させ、
ウェーハ１の吸着保持を解除して、ウェーハ１を研磨布
３上に載置する。次に、切換バルブ３３を切換え、ポン
プＰを駆動して、圧縮エアをエア路３２から空気室３１
を通り多孔質板３０からキャリア２２とウェーハ１との
間に噴射し、その間に圧力エア層を形成する。同時に、
ポンプＰからの圧縮エアをエア供給路２７を介して空間
３７に供給し、ゴムシート２５の内側部２５Ｂを内部エ
ア圧により膨脹させてキャリア２２を押圧する。これに
よって、ウェーハ１は、圧力エア層を介して伝達される
キャリア２２の押圧力によって研磨布３に押し付けられ
る。そして、レギュレータＲでエア圧を調整して内部エ
ア圧力を所望の圧力に制御し、研磨布３に対するウェー
ハ１の押付力を一定にする。

【００２１】同様にポンプＰからの圧縮エアをエア供給
路２８を介して空間３８に供給し、ゴムシート２５の外
側部２５Ａを内部エア圧により膨脹させてリテーナリン
グ２４をガイドリング２３を介して押圧し、リテーナリ
ング２４を研磨布３に押し付ける。そして、レギュレー
タＲでエア圧を調整して内部エア圧力を所望の圧力に制
御し、研磨布３に対するリテーナリング２４の押付力を
一定に保持する。

【００２２】この状態で、ウェーハ保持ヘッド２と研磨
定盤４とを回転させてウェーハ１の研磨を開始する。こ
の研磨中において、ウェーハ１はその外周部がリテーナ
リング２４の内周部に当接することによって、ウェーハ
保持ヘッド２からの飛び出しが防止された状態で研磨さ
れる。

【００２３】一方、ウェーハ研磨中におけるウェーハ１
の研磨量は、トルク検出手段と制御装置４７とでキャリ
ア２２の回転トルクを常時検出することで監視され、こ
の検出された回転トルクが急激に変化した時点で、研磨
量が終点に達したとしてウェーハ１の研磨を終了する。
その後、研磨終了したウェーハ１を、多孔質板３０で吸
着保持し、ウェーハ保持ヘッド２のアンロード動作によ
って次の工程に向けて搬送される。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明のウェーハ研
磨装置によれば、保持ヘッドを構成するヘッド本体とキ
ャリアとを連結部材で連結し、この連結バーにその軸に
対称に１組のトルク検出手段を設け、このトルク検出手
段でキャリアの回転のみを常時検出できるようにしてい
るので、研磨量の終点を迅速に、かつ正確に検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のウェーハ研磨装置のウェ
ーハ保持ヘッドの縦断面図である。

【図２】ウェーハ保持ヘッドに本発明のトルク検出手段
を取り付けた状態を拡大して示した縦断面図である。

【図３】図２に示されたトルク検出手段の取り付け状態
の横断面図である。

【図４】本発明のトルク検出手段により検出される時間
とトルクの関係を示すグラフである。

【図５】従来のトルク検出手段を示す部分拡大縦断面図
である。

【符号の説明】

１…ウェーハ ２…保持ヘッド ３…研磨布 ４…研磨定盤 ２１…ヘッド本体 ２２…キャリア ４０…連結バー ４４…ピン ４６…差動トランス ４８…ボビンホルダ ４９…コアホルダ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェーハを保持ヘッドに保持し、回転す
   る研磨定盤上の研磨布に押し付けてウェーハを研磨する
   研磨装置において、 前記保持ヘッドは、 回転されると共に前記研磨定盤に対向配置されるヘッド
   本体と、 前記ヘッド本体の下方に配置され、前記ウェーハを保持
   するキャリアと、 前記ヘッド本体と前記キャリアとを連結し、ヘッド本体
   からの回転力をキャリアに伝達する連結部材と、とから
   構成されると共に、 前記連結部材に、その中心軸に対して対称する位置にそ
   れぞれトルク検出手段を設けて、前記キャリアから連結
   部材にかかるキャリアの回転トルクをそれぞれ検出し、
   この検出された回転トルクに基づいて、ウェーハの研磨
   量の終点を検出することを特徴とするウェーハ研磨装
   置。
2. 【請求項２】 前記トルク検出手段が差動トランスであ
   ることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ研磨装
   置。