JP4206318B2 - 研磨パッドのドレッシング方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＭＰにおける研磨パッドのドレッシング方法に関し、特に、ドレッシングのエンドポイントの検出方法、及びその方法を実施するための製造装置に関する。

従来より、ウェハの平坦化プロセスなどに用いられている研磨技術として、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が知られている。ＣＭＰは、機械的な研磨によるウェハの損傷を防ぐため、スラリー状の化学的な研磨剤混合液を用いて行う研磨方法である。

ＣＭＰによるウェハの研磨は、ウェハを研磨するための研磨パッドが装着された研磨テーブルを回転させると共に、その研磨テーブル上に、ウェハを圧着して回転させることにより行う。

しかし、研磨するウェハの処理枚数が増加するのに伴い、研磨パッド表面の凹凸の減少や、研磨屑の上記凹凸への混入により、研磨パッド上で研磨剤を保持できなくなる。これにより、次のウェハ研磨時のポリッシングレート（研磨レート）が低下して、ウェハの面内均一性が低下する。

そこで、研磨パッド表面の凹凸を所定の粗さに回復させるためのドレッシングが行われる。ドレッシングは、研磨パッドが装着された研磨テーブルを回転させると共に、その研磨テーブル上に、ダイアモンド砥粒を有するドレッサーを圧着して回転させることにより行う。その際、ドレッシング不足を回避すべく、研磨パッドの凹凸を回復させるのに最低限必要な時間を超えてドレッシングが行われていた。そのような過剰ドレッシングが行われることによって、研磨パッドの寿命が本来のパッド寿命以下に低下していた。

そこで、そのような過剰なドレッシングを防ぐため、研磨パッド表面の状態を評価することにより、最適なドレッシング時間のエンドポイントを求めていた。

研磨パッド表面の評価方法としては、例えば以下に示すような方法がある。その１つとして、接触式表面変位測定が挙げられる。この計測方法は、研磨パッド表面の凹凸を感知し得る接触式センサを、研磨パッド表面に接触させながら行うものである。また、その他の方法として、研磨パッドの一部を切り出して行う破壊検査などが挙げられる。この破壊検査は、切り出した研磨パッドの一部の表面の状態を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等により目視検査するものである。

なお、関連する技術文献としては、例えば、以下の特許文献がある。
特許第２８５１８３９号公報 特開２００３−１００６８３号公報

しかしながら、従来例における接触式表面変位測定による研磨パッドの評価方法では、パッド表面に損傷を与えてしまうという問題があった。また、研磨パッドの一部を切り出してＳＥＭ等により観察する破壊検査では、研磨パッドの評価後に新たな研磨パッドを再装着する必要があるため、ドレッシングに要するコストが増大し、かつ研磨パッドの交換のための時間的な損失が生じていた。

そこで、本発明は、非破壊的な研磨パッド評価方法によって、最適なドレッシングのエンドポイントを定量的に検出する方法を提供するものである。

本発明の研磨パッドのドレッシング方法は、上述の課題に鑑みて為されたものであり、研磨パッドを所定時間ドレッシングし、その後該研磨パッドの表面粗さを光学的測定手段により測定する。そして、以上の工程を繰り返し、研磨パッドの表面粗さのドレッシング時間に対する特性曲線の傾きが、所定の傾きに達した時に、ドレッシングを終了することを特徴とするものである。

また、本発明の研磨パッドのドレッシング方法は上記工程において、光学的測定手段を、研磨パッド上において移動させながら、表面粗さの測定を行うものである。

また、本発明の研磨パッドのドレッシング方法は上記工程において、光学的測定手段が、レーザーフォーカス変位計であることを特徴とするものである。

また、本発明の研磨パッドのドレッシング方法は上記工程において、研磨パッドの表面粗さは、該研磨パッドの表面の凹凸の最大振幅値であることを特徴とするものである。

また、本発明の製造装置は、研磨テーブルと、該研磨テーブル上に装着された研磨パッドと、そのパッドをドレッシングするドレッサーと、研磨パッドの表面粗さを測定するための光学的測定手段と、その光学的測定手段を、パッド上の所定位置まで移動させる移動装置と、を有することを特徴としたＣＭＰ装置である。

また、本発明の製造装置は、上記構成において、光学的測定手段が、レーザーフォーカス変位計であることを特徴とするＣＭＰ装置である。

本発明のドレッシングのエンドポイント検出方法は、研磨パッドの評価の際に、研磨パッド表面の凹凸を光学的に実測可能なレーザーフォーカス変位計を、光学的測定装置として用いた。これにより、研磨パッドの状態を非破壊的に評価することができる。

また、上記研磨パッドの評価における表面粗さの測定結果に基づいて最適なドレッシング時間を定量的に把握できるため、ドレッシングを極力短期間に完了することが可能となる。これにより、研磨パッドの寿命を伸ばすことが可能となるため、ドレッシングに要するコストを削減することができる。

また、本発明のＣＭＰ装置は、研磨パッド上の任意の位置における表面粗さを測定可能な光学的測定装置を有しているため、測定値のサンプル数を増やすことが可能となる。これにより、研磨パッドの評価における測定精度を向上することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「本実施形態」と略称する）について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るＣＭＰ装置の構成を説明する図である。

図１（ａ）は、本実施形態に係るＣＭＰ装置の概略斜視図である。図１（ａ）に示すように、回転式の研磨テーブル１０上に、円状の研磨パッド１１が装着されている。また、研磨パッド１１上には、研磨パッドをドレッシングするためのドレッサー１２が設けられている。ドレッシングとは、研磨パッド１１の表面に所定の粗さの凹凸を形成する工程である。ドレッサー１２は、ドレッシングを行う際に、研磨パッド１１上に圧着して回転する。ドレッシングが行われない期間においては、ドレッサー１２は、研磨パッド１１上から離間される。

そして、研磨パッド１１上には、研磨パッド１１の表面の凹凸（以下、「表面粗さ」と略称する）を測定し得る光学的測定装置２０が設けられている。光学的測定装置２０は、研磨パッド１１の表面に対して平行に設けられた移動装置３０に、研磨パッド１１に対向して装着されている。この移動装置３０は、光学的測定装置２０を、研磨パッド１１の弦（円周上の２点を結ぶ線）に沿って移動させると共に、上記弦と直交する方向に対しても移動させ得るものである。例えば、移動装置３０自体が、研磨パッド１１上の所定箇所を含む弦上に移動し、その後、光学的測定装置２０は、移動装置３０の長手方向に沿って、上記弦上の所定箇所に移動される。もしくは、移動装置３０は、所定の位置に固定され、その状態で、光学的測定装置２０を、移動装置３０の長手方向に沿って、上記弦上の所定箇所に移動してもよい。ただし、移動装置３０が固定される場合、研磨パッド１１上の任意の位置を測定するためには、研磨テーブル１０を所定の角度の範囲で回転させる必要がある。

光学的測定装置２０は、移動装置３０により、研磨パッド１１の所定箇所に移動された後、その箇所での所定の微小区間（以下、「走査区間」と略称する）を走査することで表面粗さを測定する。走査区間は、例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度であってもよいが、これには限定されず、その他の所定の距離であってもよい。測定の際は、光学的測定装置２０は、例えば、移動装置３０の長手方向に直交する方向に移動して走査を行う。

上記表面粗さの測定においては、上述した光学的測定装置２０は、例えばレーザーフォーカス変位計であることが好ましい。レーザーフォーカス変位計は、以下に説明する共焦点の原理を用いた高精度の変位計である。このレーザーフォーカス変位計によれば、７μｍ程度の極小スポットの測定が可能となる。即ち、本実施形態では、研磨パッド１１上の７μｍ程度のスポット測定が可能であることから、その表面粗さ（凹凸）の実測が可能となる。

次に、レーザーフォーカス変位計の原理の一例について、図面を参照して説明する。図１（ｂ）は、レーザーフォーカス変位計の原理の一例を説明する図である。

図１（ｂ）に示すように、レーザーフォーカス変位計では、レーザー光源２１（例えば半導体レーザー装置）から放射されたレーザー光が、音叉２２によって振動させられる振動レンズ２３と、対物レンズ２４を通り、対象物ＴＧ上に到達する。対象物ＴＧ上で反射したレーザー光は、ハーフミラー２５を介してピンホールＰＨに到達する。ここで、レーザー光が対象物ＴＧ上で焦点を結ぶ場合、ピンホールＰＨの位置でレーザー光が一点に集光される。これを共焦点の原理という。

ピンホールＰＨの位置でレーザー光が一点に集光した場合、その光を受光素子２６が感知する。そして、その時点での音叉２２の振動子間の距離を位置検出センサ２７で検出する。位置検出センサ２７が検出した位置信号は、振動レンズ２３の位置に対応するため、その位置信号から、振動レンズ２３の焦点距離を求めることができる。この振動レンズ２３の焦点距離に基づいて、レーザー光源２１と対象物ＴＧとの間の距離を求めることができる。

次に、上述したレーザーフォーカス変位計から成る光学的測定装置２０により測定した、研磨パッド１１の表面粗さの変化を、図２に示す。図２は、ドレッシング開始前及び完了後における研磨パッド１１の一部上の表面粗さを示す特性図である。なお、図２の特性図の横軸は、測定スポット内（走査区間内）の相対距離[ａ．ｕ．]に対応し、その縦軸は、表面粗さ［μｍ］に対応している。

図２（ａ）は、ドレッシング前の研磨パッドの表面粗さを示す特性図である。図２（ａ）に示すように、ドレッシング前においては、測定スポット内（走査区間内）の表面粗さの最大値と最小値の差（凸部の最大値と凹部の最小値の差）として規定される最大振幅値は、１７μｍ程度である。一方、ドレッシング完了後において同様に求めた最大振幅値は、４２μｍ程度である。即ち、ドレッシング前とドレッシング完了後における表面粗さ（研磨パッド１１の凹凸）の変化を、上記レーザーフォーカス変位計から成る光学的測定装置２０により、定量的に測定して比較することができる。

本発明の発明者らが行った実験によれば、上述した光学的測定装置２０より測定した表面粗さの変化は、ドレッシング時間に依存して、ある時点を越えると定常状態（略一定の値をとり続ける）とうい知見を得るに至った。次に、そのようなドレッシング時間と表面粗さとの関係を、その特性図を参照して説明する。

図３は、ドレッシング時間と、表面粗さ（最大振幅値）との関係を示した特性図である。なお、図３の特性図の横軸は、ドレッシング時間[ｍｉｎ]に対応し、その縦軸は、表面粗さ[μｍ]に対応している。表面粗さは、図２と同様、レーザーフォーカス変位計から成る光学的測定装置２０により測定したものである。

また、Ｐｏｉｎｔ１のプロット及びＰｏｉｎｔ２のプロットは、研磨パッド１１上の異なる位置において測定した表面粗さを示すものである。図３中の各曲線は、上記各プロットから得られた特性曲線である。

図３に示すように、上記いずれの表面粗さのプロットにおいても、ドレッシング時間が４ｍｉｎに至るまでは、上昇を続ける。しかし、４ｍｉｎを超えるドレッシング時間の範囲では、表面粗さが４２μｍ程度で定常状態（略一定の値をとり続ける）となる。表面粗さが定常状態となる場合、ドレッシングを続行しても表面粗さは変化しないため、ドレッシングを停止する必要がある。即ち、表面粗さの変化が飽和し始める時点（本実験では４ｍｉｎ）が、ドレッシング時間の最適なエンドポイントと成り得る。

さらに、発明者らの実験によれば、図３の各ドレッシング時間によってドレッシングされた研磨パッド１１を用いたウェハ研磨時の研磨レート、及びウェハ面内の均一性（以下、「面内均一性」と略称する）は、図３に示した表面粗さの時間変化と対応することが分かった。次に、そのようなドレッシング時間と研磨レート及び面内均一性との関係を、その特性図を参照して説明する。

図４は、ドレッシング時間と、各ドレッシング時間によってドレッシングされた研磨パッド１１によるウェハ研磨時の諸特性（研磨レート及び面内均一性）の関係を示す特性図である。なお、図４の横軸は、ドレッシング時間［ｍｉｎ］に対応する。図４の第１の縦軸は、各ドレッシング時間によってドレッシングされた研磨パッド１１により、ウェハを研磨した場合の研磨レート[ｎｍ／ｍｉｎ]に対応する。また、図４の第２の縦軸は、ウェハの面内均一性[％ １σ]に対応する。また、本実験において、研磨パッド１１を用いて研磨するウェハは、Ｐ−ＴＥＯＳ（プラズマ・テオス）から成るものである。

図４に示すように、ドレッシング時間（ウェハ研磨後の研磨パッド１１のドレッシングに要する時間）が４ｍｉｎに至るまでは、ウェハ研磨時の研磨レート及び面内均一性は変動するものの、４ｍｉｎを超えた範囲では変動幅が小さくなり、定常状態に近づく傾向を示している。

また、図４の測定結果より、研磨パッド１１の表面粗さと面内均一性の相関性を検証することが可能である。上記相関性について、次に示す相関図を参照して説明する。図５は、表面粗さと面内均一性の相関図である。ここで、図５の横軸は表面粗さ[μｍ]に対応し、その縦軸は面内均一性[％ １σ]に対応するものである。

図５のプロットに示されるように、表面粗さの変化が定常状態になる４２μｍ付近（図３参照）では、その表面粗さを有する研磨パッド１１で研磨したウェハの面内均一性も、３〜４％１σ付近に集中していることが分かる。

以上に示した図３、図４、図５から分かるように、研磨パッド１１の表面粗さを測定して観察することで、最適なドレッシングのエンドポイントを知ることができる。また、上記ドレッシング時間は、ウェハ研磨時の諸特性（研磨レートもしくは面内均一性）の変化にも対応するため、ドレッシング時間を調整することで、所望の特性（研磨レートもしくは面内均一性）を有したウェハ研磨を行うことが可能となる。

次に、上述したドレッシングのエンドポイントを検出する手順について、フローチャートを参照して説明する。図６は、ドレッシングのエンドポイント検出方法を示すフローチャートである。なお、図６は、研磨パッド１１が研磨テーブル１０上に初期装着された後、もしくは、あるウェハの研磨が完了した後に行われるドレッシング工程を示すものである。

図６に示すように、ドレッシングのエンドポイントの検出は、以下のステップを経る。

最初に、ステップ５０において、研磨パッド１１を所定時間（例えば１ｍｉｎ）にわたってドレッシングする。

ステップ５０のドレッシングが終了した後、ステップ５１では、レーザーフォーカス変位計から成る光学的測定装置２０により、研磨パッド１１の表面粗さの測定を行う。ここで、表面粗さの測定は、研磨パッド１１上の所定の一箇所もしくは複数箇所において行う。光学的測定装置２０の上記所定箇所への移動は、移動装置３０の所定の動作により行う。そして、所定箇所での走査区間において測定が行われ、その測定値の最大値及び最小値から求めた最大振幅値を、当該所定箇所（１走査区間内）の表面粗さとする。

次に、ステップ５２では、ステップ５１で求めた表面粗さから、ドレッシング時間と表面粗さの特性曲線（直線である場合も含む）を取得する。ここで、時間軸の単位時間（時間間隔）は、ステップ５０の所定時間とする。

次に、ステップ５３では、ステップ５２で求めたドレッシング時間と表面粗さの特性曲線の傾きを求める。傾きを求める方法としては、例えば、上記特性曲線を時間微分する方法が挙げられる。ただし、本発明のエンドポイント検出方法は、これに限定されず、上記特性曲線の傾きが得られるものであれば、その他の方法を用いてもよい。例えば、図３の特性曲線上の２点を結ぶ線分の傾きを、その特性曲線の傾きとして用いてもよい。

そして、ステップ５４では、ステップ５３で求めたドレッシング時間と表面粗さの特性曲線の傾きが、予め定めた所定の傾き（例えば傾き率が零）であるか否かを判定する。ここで、上記特性曲線の傾きが、予め定めた所定の傾きと一致しない場合、ステップ５０からステップ５３を繰り返し実行する。一方、上記特性曲線の傾きが、予め定めた所定の傾きと一致する場合、ステップ５０のドレッシングは必要ないものとして、ドレッシングを停止する。即ち、上記特性曲線の傾きが、予め定めた所定の傾きと一致する時点が、ドレッシングのエンドポイントとなる。そして、図示しないが、次のウェハ研磨工程に移行する。

以上に示した光学的測定装置２０によるドレッシングのエンドポイント検出方法により、過剰ドレッシングを極力回避することができる。従って、研磨パッド１１の寿命の低下を抑えることが可能となるため、ドレッシングに要するコストの増大や、ドレッシングの時間的損失を抑えることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、光学的測定装置２０としてレーザーフォーカス変位計を用いたが、本発明はこれに限定されない。即ち、光学的測定装置２０は、研磨パッド１１の凹凸を定量的かつ非破壊的（もしくは非接触的）に実測可能なものであれば、その他の光学的測定装置であってもよい。

また、上述した実施形態における移動装置３０は、光学的測定装置２０を、研磨パッド１１の円周の弦に沿って移動させると共に、上記弦と直交する方向に対しても移動させ得るものとしたが、本発明は、これに限定されない。即ち、光学的測定装置２０を、研磨パッド１１上の任意の位置に移動させ得るものであれば、移動装置は、上記実施形態以外の構成および動作を有したものであってもよい。

本発明を実施するための最良の形態に係るＣＭＰ装置の構成を説明する図である。 ドレッシング開始前及び完了後における研磨パッドの一部上の表面粗さを示す特性図である。 ドレッシング時間と表面粗さとの関係を示した特性図である。 ドレッシング時間とウェハ研磨時の諸特性（研磨レート及び面内均一性）の関係を示す特性図である。 表面粗さと面内均一性の相関図である。 ドレッシングのエンドポイント検出方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 研磨テーブル １１ 研磨パッド １２ ドレッサー
２０ 光学的測定装置 ２１ レーザー光源 ２２ 音叉
２３ 振動レンズ ２４ 対物レンズ ２５ ハーフミラー
２６ 受光素子 ２７ 位置検出センサ ３０ 移動装置
ＴＧ 対象物 ＰＨ ピンホール

Claims (6)

1. 研磨テーブルに装着された研磨パッドを所定時間ドレッシングし、その後、該研磨パッドの表面粗さを、前記研磨パッドの円周の弦に沿って移動すると共に前記弦と直交する方向に対しても移動する光学的測定手段により測定する工程を繰り返し、
   前記研磨パッドの表面粗さのドレッシング時間に対する特性曲線の傾きが、所定の傾きに達した時に、ドレッシングを終了することを特徴とする研磨パッドのドレッシング方法。
2. 前記光学的測定手段を、前記研磨パッド上において移動させながら、表面粗さの測定を行うことを特徴とする請求項１記載の研磨パッドのドレッシング方法。
3. 前記光学的測定手段は、レーザーフォーカス変位計であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研磨パッドのドレッシング方法。
4. 前記研磨パッドの表面粗さは、該研磨パッドの表面の凹凸の最大振幅値であることを特徴とする請求項１，２，３のいずれかに記載の研磨パッドのドレッシング方法。
5. 研磨パッドがその上に装着される研磨テーブルと、
   前記研磨テーブル上に装着された研磨パッドをドレッシングするドレッサーと、
   前記研磨パッドの表面粗さを測定するための光学的測定手段と、
   前記光学的測定手段を、前記研磨パッド上の所定位置まで移動させる移動装置と、を有し、
   前記移動装置は、前記光学的測定手段を、前記研磨パッドの円周の弦に沿って移動させると共に、前記弦と直交する方向に対しても移動させることを特徴とした製造装置。
6. 前記光学的測定手段は、レーザーフォーカス変位計であることを特徴とする請求項５記載の製造装置。

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