(57)【要約】【課題】  研磨中の被研磨物の実際の温度により近い温度を、モニターできるようにする。【解決手段】  本発明の研磨パッド１は、その厚み内に熱電対のような温度センサ９が設けられている。研磨パッド１の裏面側には、例えば、中心部から外周縁にかけて径方向に延びる溝状の収容部１２が形成されて、その内部に温度センサ９とそのリード線９ａが収容固定される。温度センサ９のセンサ信号は、回転コネクタ１１などを介して外部に取り出す。【選択図】  図１
2006315137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨物を研磨する研磨パッドにおいて、
研磨面に近接するように、温度センサの収容部が形成され、該収容部に、温度センサが配置されることを特徴とする研磨パッド。
【請求項２】
前記収容部は、当該研磨パッドの裏面側に、中心側から外径側に延びる溝状に形成され、前記収容部内に前記温度センサが収容固定される請求項１に記載の研磨パッド。
【請求項３】
単一の溝状の前記収容部内に、複数の温度センサが互いに径方向に間隔をおいて収容固定される請求項２に記載の研磨パッド。
【請求項４】
前記温度センサの信号線は、当該研磨パッドの研磨面側に配置される回転コネクタに接続される請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨パッド。
【請求項５】
前記温度センサの信号線は、当該研磨パッドが装着される定盤に設けられた回転コネクタに接続される請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨パッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェハなどの半導体ウェハの研磨に使用される研磨パッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体ウェハの表面は、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)方式の研磨装置により研磨される。同研磨装置では、ウェハが保持された上定盤を、研磨パッドを装着した下定盤上に置き、ウェハと研磨パッドとを加圧した状態で、その間にスラリーを供給しながら、ウェハと研磨パッドとを相対的に摺動させることで研磨を行う（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３７０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のようなウェハの研磨では、研磨パッドやスラリー中の砥粒と、被研磨物であるウェハとの摩擦、およびスラリーの化学反応による発熱等により、ウェハの温度が上昇する。ウェハの全体の温度が高温となったり、あるいは温度分布が不均一になったりすると、研磨を安定的に行うことが難しくなる。
【０００４】
そのため、ウェハの温度を検出する必要があるが、研磨中、ウェハは研磨パッドと接触した状態にあり、その温度を直接的に測定することは非常に困難である。
【０００５】
そこで、従来は、研磨パッドの上方に放射温度計を配置して、この放射温度計により、研磨パッドの研磨面(表面)の温度を測定し、この研磨パッドの研磨面の温度からウェハの温度を推定するようにしている。
【０００６】
しかしながら、上記の方式で測定されるのは、研磨パッドの研磨面各部分のうち、研磨中で実際にウェハに接触している部分の温度ではなく、ウェハから外れた位置にある研磨前もしくは研磨後の部分の温度である。特に、研磨パッドの研磨前の部分は、新しく供給されたスラリーにより冷却されており、その温度は、研磨中の部分の温度よりかなり低下しているはずである。
【０００７】
しかも、放射温度計では、広い範囲の平均的な温度を測定できるにとどまり、研磨パッドの局部的な温度変化、温度分布を測定することができなかった。
【０００８】
そのため、従来では、研磨中のウェハの温度を的確にモニターすることができず、研磨を安定的に行う上で、研磨条件を適正に調整するのが難しかった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑み、研磨中のウェハ等の被研磨物の実際の温度により近い温度を、研磨パッドを介してモニターできるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、被研磨物を研磨する研磨パッドにおいて、研磨面に近接するように、温度センサの収容部が形成され、該収容部に、温度センサが配置されることを特徴としている。
【００１１】
ここで、近接とは、近くにあることをいい、当該研磨パッドの研磨面(表面)近くに収容部が形成されることをいい、研磨性能に影響を与えない範囲で可及的に近接して形成されるのが好ましい。この収容部は、研磨パッドの厚みを利用して、研磨パッドの内部あるいは裏面側に、形成されるのが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、研磨面に近接して配置された温度センサにより、研磨中の研磨パッドの研磨面各部分のうち、ウェハ等の被研磨物が圧接されている領域の温度を測定することができる。
【００１３】
この場合、温度センサが設けられている部分の温度を局部的に検出することができ、この局部的な温度検出を複数個所で行うことにより、研磨パッドの温度分布の測定が可能になる。
【００１４】
しかも、温度センサは、研磨パッドの表層のごく薄い部分を介して間接的に被研磨物の表面に接することになるから、被研磨物の実際の温度に極めて近似した温度をモニターすることができる。
【００１５】
上記構成中、温度センサとしては、熱電対やサーミスタ等の接触式の温度センサが好適である。接触式温度センサではほかに、白金測温抵抗体、銅測温抵抗体、ＩＣ化温度センサ、水晶温度計等がある。
【００１６】
上記構成の研磨パッドにおいて、前記収容部は、当該研磨パッドの裏面側に、中心側から外径側に延びる溝状に形成され、前記収容部内に前記温度センサが収容固定されるのが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、温度センサを容易に設けることができるばかりでなく、温度センサの信号線を研磨パッドの中心側に導いて、他の電子部材、例えば、研磨パッドの研磨面側あるいは定盤に配置される回転コネクタに接続することにより、温度センサのセンサ信号を常時、継続的に外部に取り出せるようになる。
【００１８】
前記溝状の収容部は単数でも複数でもよいが、単一の溝状の収容部内に、複数の温度センサが互いに径方向に間隔をおいて収容固定されていることが好ましい。このように、単一の収容部内に複数の温度センサが配列されていると、同一径方向の複数個所の温度を一度に測定することができ、正確な温度分布の測定に役立つ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、研磨パッドの各部分のうち、被研磨物に接している部分の温度を検出し、研磨中の被研磨物の実際の温度に極めて近似した温度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の最良の実施の形態を、図を参照して説明する。図１は、最良の実施の形態に係る研磨パッドを装着した研磨装置の概略構成図である。
【００２１】
図１において、研磨装置は、上面に本発明の研磨パッド１が装着される下定盤２と、下面に被研磨物であるウェハＷが保持される上定盤３とを備えている。
【００２２】
下定盤２は縦軸周りに回転するもので、その軸部２ａは、ベルト４等の伝動手段を介して下定盤２用のモータ５に連動連結している。この下定盤２上には、研磨用スラリーを供給するノズル６が配設されている。上定盤３は、下定盤２の上側に設けられており、その軸部３ａは、ベルト７等の伝動手段を介して上定盤３用のモータ８に連動連結している。
【００２３】
研磨パッド１には、研磨面(表面)側とは反対側である裏面側(図では下面側)に熱電対のような接触式の温度センサ９が、研磨パッド１の厚み内に収まるよう埋設されている。一方、研磨パッド１の研磨面側の中央部には、前記温度センサ９のセンサ信号の取り出しのために、回転コネクタ１１が配置されている。温度センサ９と回転コネクタ１１との接続構造は後述する。
【００２４】
次に、図２および図３に基づいて研磨パッド１の構造を説明する。図２は研磨パッド１の要部の裏面図、図３は、同要部を下側から見た斜視図である。
【００２５】
図２および図３に示すように、研磨パッド１の裏面には、中心部から外周縁にかけて径方向に延びる溝状の収容部１２が形成されており、中心部には、温度センサ９のリード線９ａを研磨面側に引き出すための透孔１３が形成されている。温度センサ９とそのリード線(信号線)９ａは、収容部１２の内部に収容されて、図示省略した接着剤もしくは充填樹脂により収容部１２内に固定されている。
【００２６】
単一の収容部１２に収容固定される温度センサ９は、一つでも複数でもよいが、図示の実施形態では、単一の収容部１２内に３個の温度センサ９，９，９が互いに径方向に間隔をおいて配列されている。
【００２７】
これら温度センサ９の径方向位置は、研磨パッド１に対するウェハＷの圧接位置に応じて設定されており、研磨パッド１の中心から該中心寄りの温度センサ９までの径方向距離Ｄ１は、ウェハＷの最内側の圧接位置に対応している。研磨パッド１の径方向中間位置に設けられる温度センサ９までの径方向距離Ｄ２は、ウェハＷの中心部の圧接位置に対応している。研磨パッド１の外径側に設けられる温度センサ９までの径方向距離Ｄ３は、ウェハＷの最外側の圧接位置に対応している。これら温度センサ９のリード線９ａは、収容部１２から中心側の凹部１３に導出されている。
【００２８】
上記実施形態の図では、研磨パッド１の研磨側である表面側は平坦面としているが、スラリーを保持するための溝、もしくは凹部が形成されていてもよい。
【００２９】
研磨パッド１は、特に図示しないが、この実施の形態では、層構造を有し、概略、表面側の研磨層と、その裏面側に貼り付けられる下地層とからなる。
【００３０】
表面側の研磨層は、ポリウレタン等の発泡性樹脂を発泡硬化して得られた樹脂層である。この樹脂層を構成するウレタン重合体としては、ポリエーテル系ウレタン樹脂、ポリエステル系ウレタン樹脂、ポリエステルエーテル系ウレタン樹脂、ポリカーボネート系ウレタン樹脂のいずれも使用することができる。各ウレタン樹脂の製造に使用されるポリオール成分としては、例えば、ポリオキシエチレングリコール、ポリオキシプロピレングリコール、ポリオキシテトラメチレングリコール、ポリエチレンアジペート、ポリプロピレンアジペート、ポリオキシテトラメチレンアジペート等が挙げられる。また、イソシアネート成分としては、例えば、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート等が挙げられる。
【００３１】
研磨パッドの下地層は、ウレタンを含浸させた不織布タイプの軟質層、もしくはフォームタイプの軟質層である。この軟質層としては、例えば、ウレタン重合体とジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。もしくは、ウレタン重合体と、塩化ビニル重合体、塩化ビニル−酢酸共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−ビニルアルコール三元共重合体等のビニル重合体と、ジメチルホルムアミドとを含有する組成物を用い、湿式凝固法により発泡体としたものを用いることができる。この発泡体の外面、特に研磨層側の表面に形成されるスキン層はバフ加工して、表面に発泡構造が現れるようにするのがよい。
【００３２】
次に、図４に基づいて回転コネクタ１１の構造を説明する。図４は、回転コネクタ１１装着部分の縦断側面図である。
【００３３】
研磨パッド１の研磨面側には、前記したように、中央に透孔１３が形成されており、この透孔１３内に、温度センサ９のリード線９ａ、もしくはこれらリード線９ａに接続された接続ケーブル１４が引き込まれている。
【００３４】
回転コネクタ１１は、研磨パッド１の研磨面側に透孔１３と同心位置に取付けられている。この回転コネクタ１１は、スリップリングを利用したもので、下側に開いた配線空間１０を有する装着筒２２と、この装着筒２２の外周に固着される絶縁体からなる回転筒１６と、この回転筒１６の外周側で装着筒２２に軸受１７を介して取り付けられる固定ケース１８とからなる。装着筒２２は、研磨パッド１の研磨面に接着剤等により固定される。装着筒２２内の配線空間１０は、周方向の一部に開口１５を有する。回転筒１６には、導電性に優れた金属からなる複数(図示例では３つ)のリング１９が一体に設けられており、これらリング１９の周方向一部分は、配線空間１０の開口１５に臨むよう内周側に露出している。そして、これらリング１９の内周側への露出部に接続ケーブル１４(もしくは温度センサ９のリード線９ａ)が接続されている。固定ケース１８には、リング１９に対応して複数の端子２０が設けられ、各端子２０には、リング１９に摺接するブラシ２１が接続されている。これにより、各温度センサ９のリード線９ａは、常時、回転コネクタ１１の対応する端子２０に接続されており、温度センサ９のセンサ信号は、回転コネクタ１１の端子２０から取り出せるように構成されてい。
【００３５】
上記構成において、研磨に当たっては、温度センサ９および回転コネクタ１１が取付けられた研磨パッド１が、下定盤２の上面に接着により装着される。
【００３６】
上定盤３の下面にはウェハＷが保持され、このウェハＷが下定盤２側の研磨パッド１に押し付けられる。この状態で、下定盤２と上定盤３とがそれぞれ回転駆動されるとともに、研磨パッド１上にノズル６からスラリーが供給され、研磨が行われる。
【００３７】
上記の研磨動作中、温度センサ９のセンサ信号は、回転コネクタ１１を介して、外部の接続機器であるモニター装置、もしくは研磨装置の制御部等に入力する。この場合、温度センサ９は、研磨パッド１の収容部１２内で表面部の温度を検出しており、図１のように、温度センサ９が設けられている部分の上にウェハＷが位置している場合は、ウェハＷと接触している状態の研磨パッド１の表面部の温度が測定される。また、温度センサ９は、表面(研磨面)に近接して配置されており、ウェハＷとの間に研磨パッド１表面のごく薄い部分を介在させているにすぎないから、ウェハＷの実際の温度に近似した温度が測定されることになる。
【００３８】
さらに、実施形態のように、複数の温度センサ９が互いに異なる位置に設けられている場合は、各温度センサ９のセンサ信号を、温度センサ９の位置と関連付けて処理することで、研磨パッド１の表面部の温度分布が得られる。
【００３９】
本発明の研磨パッド１を用いて、実際に研磨を行いながら、各温度センサ９により温度測定をすることで、図５に示すような結果を得た。図５は、研磨時の温度変化図である。
【００４０】
なお、研磨装置の下定盤２の直径は２００ｍｍであり、したがって、研磨パッド１も直径２００ｍｍである。研磨パッド１には、上記したように中心から径方向距離Ｄ１の位置と、径方向距離Ｄ２の位置と、径方向距離Ｄ３の位置とに、それぞれ温度センサ９として熱電対が設けられている。研磨は約２分間継続した。
【００４１】
図５に示す測定結果では、各温度センサ９の検出温度は、研磨が進む毎に同様の上昇傾向を示すが、Ｄ２の温度センサ９の検出温度が最も高く、Ｄ１の温度センサ９の検出温度が最も低い。これは、Ｄ１の温度センサ９は研磨パッド１の中心寄りで、ウェハＷとの相対的な摺接速度が低いために、温度が上昇せず、Ｄ２の温度センサ９では、他の位置より周方向に広い範囲でウェハＷと接触するために、温度が上昇するため、と考えられる。
【００４２】
図５に示す測定結果からは、各温度センサ９は、それぞれが設けられている部分の温度を局部的に精確に検出していることが分かる。したがって、各温度センサ９の検出温度のデータを、各温度センサ９の位置と関連付けて処理することで、研磨パッド１表面部の温度分布が得られる。
【００４３】
図６は、研磨の終点を示すための温度変化図である。この実験では、図５の場合よりも長い時間にわたって研磨を行った。測定結果では、研磨を始めて３０秒から５０秒までの間に、温度上昇が緩やかになる状態が現れるが、ほぼ９０秒の時点Ｔ０で、温度変化に変曲点が現れ、そこから温度の上昇勾配が急になる。これは、研磨の当初、ウェハＷ表面の酸化膜（ＳｉＯ２）を研磨するため温度はさほど上がらないが、９０秒を過ぎると、酸化膜が研磨により消失してシリコンの素地が露出し、研磨する表面状態が変わり、摩擦抵抗が増すことで、温度が急に上昇するためと考えられる。
【００４４】
このように、検出温度が緩やかな上昇勾配から急な上昇勾配に移る時点で、酸化膜が消失したと判断することができ、検出温度の変化から、研磨の終点を検出することができる。
【００４５】
従来、このような研磨の終点を検出するには、研磨パッドに予め窓孔を形成しておいて、この窓孔を通じてウェハの表面状態を、反射を利用して検査したり、あるいは、下定盤を駆動するモータのトルク変化を検査していた。本発明では、研磨パッド１の表面部の精確な温度測定により、温度勾配の変曲点が明確に現れるので、これにより、研磨の終点を検出することができる。
【００４６】
図７は、荷重対応の研磨時の温度変化図である。この温度測定では、研磨パッド１に対してウェハにかける荷重（圧力）を種々に変化させて研磨を行い、その場合の所定位置の温度センサ９（ウェハＷの中心部と接触する位置に設けられたＤ２の温度センサ）の検出温度を測定した。この実験結果からは、荷重を高めるほど、高い温度となることが分かるが、また、温度変化の態様と荷重との関係から、どの程度の荷重をかければ、研磨が円滑に進行するか否かが分かる。
【００４７】
上記実施形態では、単一の溝状の収容部１２内に複数の温度センサ９を収容固定したが、研磨パッド１の裏面側に、中心から互いに異なる方向に延びる溝状の収容部を複数形成し、各収容部に一つもしくは複数の温度センサを収容固定するようにしてもよい。このようにして、研磨パッドの裏面の各所に多数の温度センサを設けると、より詳細な温度分布が得られる。
【００４８】
上述の実施の形態では、研磨パッド１の研磨面側に回転コネクタ１１を配置して温度センサ９のセンサ信号を取り出したけれども、本発明の他の実施の形態として、図８および図９に示すように、研磨パッド１の裏面側の下定盤２の軸部２ａに回転コネクタ１１を設けて温度センサ９のセンサ信号を取り出すようにしてもよい。
【００４９】
すなわち、下定盤２には、上面の中央部から軸部２ａの内部にかけて配線空間１０が形成されており、この空間１０内に、温度センサ９のリード線９ａ、もしくはこれらリード線９ａに接続された接続ケーブル１４が引き込まれている。配線空間１０には、周方向一部に開口１５が設けられ、この開口１５を通じて、配線空間１０は軸部２ａの外側と連通している。回転コネクタ１１は、配線空間１０の開口１５と径方向に対応する位置に取り付けられており、その他の構成は、上述の実施の形態と同様であるので、対応する部分に同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
(その他の実施の形態)
温度センサ９のセンサ信号を取り出す手段としては、図示の回転コネクタ１１のほかに、センサ信号を無線で送出する発信機や、センサ信号を一旦記憶するメモリ装置を用いてもよく、これら発信機やメモリ装置を小型化して温度センサと共に、研磨パッドに設けるようにしてもよい。
【００５１】
上述の実施の形態では、研磨パッド１の裏面に、溝状の収容部を形成して温度センサ９を収容したけれども、他の実施の形態として、孔状の収容部を形成して研磨パッドの内部に温度センサを設けてもよい。
【００５２】
温度センサ９からのセンサ信号の内、該温度センサ９が、ウェハＷが圧接される領域に位置したときのセンサ信号のみを取り出すようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、化学的機械研磨に用いる研磨パッドとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の最良の実施の形態に係る研磨パッドを装着した研磨装置の概略構成図。
【図２】上記研磨パッドの要部の裏面図。
【図３】上記研磨パッドの要部を下側から見た斜視図。
【図４】回転コネクタ装着部分の縦断側面図。
【図５】研磨時の温度変化図。
【図６】長時間にわたる温度変化図。
【図７】荷重対応の研磨時の温度変化図。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る研磨パッドを装着した研磨装置の概略構成図。
【図９】図８の実施の形態回転コネクタ装着部分の縦断側面図。
【符号の説明】
【００５５】
１      研磨パッド          ２      下定盤
３      上定盤              ９      温度センサ
９ａ    リード線            １１      回転コネクタ
１２      収容部
【図１】
2006315137.tif 000003
【図２】
2006315137.tif 000004
【図３】
2006315137.tif 000005
【図４】
2006315137.tif 000006
【図５】
2006315137.tif 000007
【図６】
2006315137.tif 000008
【図７】
2006315137.tif 000009
【図８】
2006315137.tif 000010
【図９】
2006315137.tif 000011