(57)【要約】【課題】  研磨加工中の状態変化を、研磨加工時に発生する研磨剤の変化を捉えて検出することに基づいて研磨を行うＣＭＰ装置を提供する。【解決手段】  研磨パッド３とウェハ５とを相対回転させて、研磨パッド３とウェハ５との間に供給された研磨剤によりこのウェハ５を研磨加工するＣＭＰ装置（研磨部１等）を、研磨加工に用いられた研磨剤を供給する研磨剤供給器１１と、研磨剤供給器１１により供給された研磨剤の粘性及びずり量を計測する粘度検出器１４と、検出された粘性及びずり量から研磨加工中の研磨剤の状態変化を検出する状態監視ユニット１６とを有するように構成する。【選択図】  図１
2005311063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドと被研磨部材とを回転させて、前記研磨パッドと前記被研磨部材との間に供給された研磨剤により前記被研磨部材を研磨加工するＣＭＰ装置において、
前記研磨加工に用いられた前記研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、
前記研磨剤供給手段により供給された前記研磨剤の粘性及びずり量を計測する検出手段と、
検出された前記粘性及び前記ずり量から前記研磨加工中の状態変化を検出する状態変化検出手段とを有することを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項２】
研磨パッドと被研磨部材とを回転させて、前記研磨パッドと前記被研磨部材との間に供給された研磨剤により前記被研磨部材を研磨加工するＣＭＰ装置において、
前記研磨加工に用いられた前記研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、
前記研磨剤供給手段により供給された前記研磨剤の粘性及びずり量を計測する検出手段と、
検出された前記粘性及び前記ずり量から前記研磨剤の特性変化、若しくは、前記研磨剤の状態変化を検出することにより前記研磨加工中の状態変化を検出する状態変化検出手段とを有することを特徴とするＣＭＰ装置。
【請求項３】
前記検出手段が、前記研磨剤の粘性指度値、ずり速度、粘性、ずり応力、及び、回転数を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＣＭＰ装置。
【請求項４】
研磨剤を配合して供給する研磨剤配合供給装置を有し、
前記状態変化検出手段が、検出した前記状態変化に基づいて前記研磨剤の配合の最適化を行い最適化した配合の前記研磨剤を前記研磨剤配合供給装置により供給するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＣＭＰ装置。
【請求項５】
前記研磨パッドを回転、加圧及び揺動させる駆動装置を有し、
前記状態変化検出手段が、検出した前記状態変換に基づいて前記駆動装置により前記研磨パッドの回転、加圧及び揺動を制御するように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＣＭＰ装置。
【請求項６】
前記駆動装置が前記研磨パッドを回転させる駆動部と、前記駆動部を制御する駆動制御部と、前記研磨パッドの前記被研磨部材に対する圧力を変化させる加圧機構部と、前記研磨パットを揺動させる揺動機構部と、前記駆動部に対する位置指令に基づいて前記駆動制御部に速度指令を出力し、前記加圧機構部に対して圧力指令を出力し、前記揺動機構部に揺動指令を出力する駆動指令部とから構成され、
前記状態変化検出手段が、前記状態変化に基づいて前記駆動指令部に前記位置指令、前記圧力指令及び前記揺動指令を出力するとともに、前記駆動制御部に前記速度指令を出力して前記研磨パッドの回転、加圧及び揺動を制御するように構成されたことを特徴とする請求項５に記載のＣＭＰ装置。
【請求項７】
前記状態変化検出手段が、前記研磨剤の前記ずり量の初期ずれ量を求め、前記初期ずれ量により状態変化の開始を確認し、その後の前記ずり速度及び前記ずり応力より研磨条件を任意に設定開始させるように構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＣＭＰ装置。
【請求項８】
前記状態変化検出手段が、前記粘性、前記ずり速度及び前記ずり応力より前記粘性の微小変化値を求めるとともに、前記粘性からせん断応力を求めて前記研磨剤の状態変化を確認し、及び、前記粘性から前記研磨剤の濃度を求めて、前記研磨剤配合供給装置に前記研磨剤の配合指令を出力するとともに、前記駆動装置に前記位置指令、前記速度指令、前記圧力指令及び前記揺動指令を出力するように構成されたことを特徴とする請求項６または７に記載のＣＭＰ装置。
【請求項９】
前記状態変化検出手段が、前記ずり応力及び前記ずり速度からギャップソン流動方程式による前記研磨剤の降状値を求め、前記研磨剤の粒子構造破壊を監視し、前記研磨剤配合供給装置に前記研磨剤の流量制御指令を出力するとともに、前記駆動装置に前記位置指令、前記速度指令、前記圧力指令及び前記揺動指令を出力するように構成されたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のＣＭＰ装置。
【請求項１０】
前記状態変化検出手段が、前記粘性及び前記ずり量から前記研磨剤のヒステリシスを求め、前記研磨剤の粒子構造破壊を確認するとともに、前記研磨剤配合供給装置に研磨剤選択指令を出力するように構成されたことを特徴とする請求項４〜９のいずれかに記載のＣＭＰ装置。
【請求項１１】
前記研磨加工に供給される直前の前記研磨剤の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記研磨剤配合供給装置が、供給する前記研磨剤の温度を調整する温度調整手段を有し、
前記状態変化検出手段が、前記粘性から前記加工中の前記研磨剤の温度を求め、
前記温度検出手段で検出した前記温度と前記加工中の前記温度とから前記研磨剤配合供給装置に温度指令を出力して、前記温度調整手段により前記加工中の前記研磨剤の前記温度を所定の値に制御するように構成されたことを特徴とする請求項４〜１０に記載のＣＭＰ装置。
【請求項１２】
前記研磨剤配合供給装置が、研磨剤を配合する配合手段と、前記研磨剤の供給を制御する供給制御手段とを有し、
前記状態変化検出手段が、前記温度検出手段で検出した前記温度、前記配合手段にある前記研磨剤の温度及び前記供給制御手段にある前記研磨剤の温度により前記温度指令を出力するように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載のＣＭＰ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェハ製造装置におけるデバイスの超精密加工に関し、特に詳細には研磨剤を使用した化学機械研磨における研磨剤の状態変化を検出してこの状態変化に基づいて研磨を行うＣＭＰ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨装置は、ガラスや石英基板あるいは半導体ウェハ等の被研磨部材の表面を研磨加工するために用いられており、例えば、半導体ウェハにおける層間絶縁膜上の金属膜を化学機械研磨法（ＣＭＰ法）で精密に研磨加工する研磨装置（「ＣＭＰ装置」と称される）が知られている。このＣＭＰ装置で被研磨部材の表面を研磨するには、研磨パッドを被研磨部材の表面に密接させ、研磨パッドと被研磨部材の表面との間に研磨剤を供給して、研磨パッドと被研磨部材とを回転させて行われる。このため、被研磨部材の研磨加工精度には、研磨中の研磨剤の状態を捉えてそれを研磨作業に反映する必要があるが、上述の通り、ＣＭＰ装置の加工原理及び構造により研磨中の研磨剤の状態を捉えたり観察したりすることは非常に困難である。
【０００３】
このため、従来のＣＭＰ装置では、位置検出器及び終点検出器で研磨中の半導体ウェハの状態を観察して加工制御にフィードバックする方法や、被研磨部材の研磨加工の結果を基に、目標値との比較評価を行い、次回の研磨時の加工条件として研磨剤や研磨パッド仕様の見直し、加圧、回転数、稼働時間、回転方向、揺動等の加工条件の見直しを図ることが一般的であった。あるいは、研磨作業に用いられる前の研磨剤の化学的・物理的状態を観測して、研磨剤の状態を制御することにより、この研磨剤を用いてＣＭＰ装置における加工精度を向上させる方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０８９５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、研磨加工中の研磨剤の状態変化を直接捉えられないことを補う技術が無く、化学機械研磨精度の確立が困難であるという課題があった。例えば、研磨加工時の研磨剤粒子変化において、粒子の化学及び物性変化特性を検出する方法が開発されていなかったため、スティックスリップ動作（研磨剤を活用した化学機械研磨が行われているが、瞬時、研磨対象となる半導体ウェハと研磨パッドにおいては、研磨剤を介さず直接面が接触し、研磨する状態が繰り返される動作）を含む、研磨加工部の研磨動作把握が困難であり、研磨加工精度の向上に支障を与えていた。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、研磨加工中の状態変化を、研磨加工時に発生する研磨剤の変化を捉えて検出することに基づいて研磨を行うＣＭＰ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、第１の本発明に係るＣＭＰ装置（例えば、実施形態における研磨部１）は、研磨パッドと被研磨部材（例えば、実施形態におけるウェハ５）とを回転させて、研磨パッドと被研磨部材との間に供給された研磨剤により被研磨部材を研磨加工するものであり、研磨加工に用いられた研磨剤を供給する研磨剤供給手段（例えば、実施形態における研磨剤供給器１１）と、研磨剤供給手段により供給された研磨剤の粘性及びずり量を計測する検出手段（例えば、実施形態における粘度検出器１４）と、検出された粘性及びずり量から研磨加工中の状態変化を検出する状態変化検出手段（例えば、実施形態における状態監視ユニット１６）とを有して構成される。
【０００８】
また、第２の本発明に係るＣＭＰ装置は、研磨パッドと被研磨部材とを回転させて、研磨パッドと被研磨部材との間に供給された研磨剤により被研磨部材を研磨加工するものであり、研磨加工に用いられた研磨剤を供給する研磨剤供給手段と、研磨剤供給手段により供給された研磨剤の粘性及びずり量を計測する検出手段と、検出された粘性及びずり量から研磨剤の特性変化、若しくは、研磨剤の状態変化を検出することにより研磨加工中の状態変化を検出する状態変化検出手段とを有して構成される。
【０００９】
なお、第１及び第２の本発明に係るＣＭＰ装置において、検出手段が、研磨剤の粘性指度値、ずり速度、粘性、ずり応力及び回転数を検出するように構成することが好ましい。
【００１０】
このようなＣＭＰ装置は、研磨剤を配合して供給する研磨剤配合供給装置を有し、状態検出手段が、検出した状態変化に基づいて研磨剤の配合の最適化を行い、最適化した配合の研磨剤を研磨剤配合供給装置により供給するように構成されることが好ましい。
【００１１】
また、このようなＣＭＰ装置は、研磨パッドを回転、加圧及び揺動させる駆動装置（例えば、実施形態における研磨ヘッド駆動制御装置２０）を有し、状態変化検出手段が、検出した状態変化に基づいて駆動装置により研磨パッドの回転、加圧及び揺動を制御するように構成されることが好ましい。そして、この駆動装置を、研磨パッドを回転させる駆動部（例えば、実施形態におけるサーボモータ２１）と、この駆動部を制御する駆動制御部と、研磨パッドの被研磨部材に対する圧力を変化させる加圧機構部と、研磨パッドを揺動させる揺動機構部と、駆動部に対する位置指令に基づいて駆動制御部に速度指令を出す駆動指令部（例えば、実施形態におけるサーボ制御ユニット２３）とから構成し、状態変化検出手段が、状態変化に基づいて駆動指令部に位置指令、圧力指令及び揺動指令を出力するとともに、駆動制御部に速度指令を出力して研磨パッドの回転、加圧及び揺動を制御するように構成されることが好ましい。
【００１２】
また、このようなＣＭＰ装置は、状態変換検出手段が、研磨剤のずり量の初期ずれ量を求め、この初期ずれ量により状態変化の開始を確認し、その後のずり速度及びずり応力より研磨条件を任意に設定開始させるように構成されることが好ましい。
【００１３】
また、状態変化検出手段が、粘性、ずり速度及びずり応力より粘性の微小変化値を求めるとともに、粘性からせん断応力を求めて研磨剤の状態変化を確認し、及び、粘性から研磨剤の濃度を求めて、研磨剤配合供給装置に研磨剤の配合指令を出力するとともに、駆動装置に位置指令、速度指令、圧力指令及び揺動指令を出力するように構成されることが好ましい。
【００１４】
また、状態変化検出手段が、ずり応力及びずり速度からギャップソン流動方程式による研磨剤の降状値を求め、研磨剤の粒子構造破壊を監視し、研磨剤配合供給装置に研磨剤の流量制御指令を出力するとともに、駆動装置に位置指令、速度指令、圧力指令及び揺動指令を出力するように構成されることが好ましい。
【００１５】
また、状態変化検出手段が、粘性及びずり量から研磨剤のヒステリシスを求め、研磨剤の粒子構造破壊を確認するとともに、研磨剤配合供給装置に研磨剤選択指令を出力するように構成されることが好ましい。
【００１６】
さらに、このようなＣＭＰ装置は、研磨加工に供給される直前の研磨剤の温度を検出する温度検出手段（例えば、実施形態における液温度検出点９）を有し、研磨剤配合供給装置が、供給する研磨剤の温度を調整する温度調整手段（例えば、実施形態における冷熱制御機構８）を有し、状態変化検出手段が、粘性から加工中の研磨剤の温度を求め、温度検出手段で検出した温度と加工中の温度とから研磨剤配合供給装置に温度指令を出力して、温度調整手段により加工中の研磨剤の温度を所定の値に制御するように構成されることが好ましい。
【００１７】
このとき、研磨剤配合供給装置が、研磨剤を配合する配合手段（例えば、実施形態における研磨剤配合ユニット４４）と、研磨剤の供給を制御する供給制御手段（例えば、実施形態における緊急投入切り換え器４９）とを有し、状態変化検出手段が、温度検出手段で検出した温度、配合手段にある研磨剤の温度及び供給制御手段にある研磨剤の温度により温度指令を出力するように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＣＭＰ装置を以上のように構成すると、研磨剤供給手段により供給された研磨加工に用いられた研磨剤の粘性及びずり量、特に、粘性指度値、ずり速度、粘性、ずり応力及び回転数を検出することにより、従来の装置においては開発が困難であった研磨剤の特性変化若しくは研磨剤の状態変化を検出することにより研磨加工中の状態変化を検出することができる。
【００１９】
また、このように検出した粘性及びずり量から研磨剤の配合を最適化して供給するように構成することや、研磨ヘッド（研磨パッド）の回転、加圧及び揺動を制御するように構成することができるため、検出された研磨剤の特性変化や状態変化に応じてＣＭＰ装置を制御することができ加工精度の向上を図ることができる。特に、研磨パッドの回転制御においては、駆動指令部に位置指令を出すだけでなく駆動制御部に速度指令を出力するように構成することにより、研磨剤の状態を速やかに研磨パッドの回転制御に反映させることができ、また、研磨剤の粘性及びずり量から、さらに、初期ずれ量、せん断応力及びヒステリシスを用いて研磨剤の配合や研磨ヘッドの回転、加圧及び揺動制御をすることができ、加工精度をより向上させることができる。さらに、研磨加工に供給される研磨剤の温度を制御することによっても、加工精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いてＣＭＰ装置について説明する。なお、ＣＭＰ装置はその研磨工程に従って、カセットインデックス部、ウェハ洗浄部及び研磨部等から構成されているが、本実施例では研磨部のみを説明する。このＣＭＰ装置の研磨部１は、研磨ヘッド２、研磨パッド３、ウェハチャック４とから構成される。
【００２１】
ウェハチャック４は、ウェハ５を裏面から吸着保持するように構成されている。このウェハチャック４は水平面内で回転自在に支持されており、図示しない電動モータ等の駆動手段により回転される。
【００２２】
研磨ヘッド２は、ウェハチャック４に対して水平方向に揺動可能で、且つ、鉛直方向に上下動可能に構成された研磨アームの揺動端部に取り付けられており、その下端面にウェハ５と近接してウェハ５の表面を平坦に研磨する研磨パッド３を有している。この研磨パッド３は、研磨ヘッド２に対して交換可能であり、研磨ヘッド２にプレートを介して真空吸着で保持される。この研磨ヘッド２は、研磨アーム内に配設された後述する回転駆動機構（図２に示す研磨ヘッド駆動制御装置２０）により駆動されて、水平面内で高速回転自在に取り付けられている。また、研磨アームには研磨ヘッド２を上下に揺動して研磨パッド３のウェハ５に対する圧力を調整する加圧機構部や研磨ヘッド２を揺動させる揺動機構部を備えている（加圧機構部及び揺動機構部については後述する）。このため、研磨ヘッド２を上述のウェハチャック４の回転方向と逆方向に回転駆動することにより、研磨パッド３とウェハ５が相対回転し、上下動して加圧され、また、研磨アームに研磨パッド３（研磨ヘッド２）が揺動されてウェハ５の表面が研磨される。
【００２３】
ウェハ５の研磨において、ウェハ５の上面と研磨パッド３の下面との間に形成される化学機械研磨加工帯６には、後述する研磨剤配合供給装置４０（図３に示す）から供給される研磨剤が研磨剤流入口７を通って供給されてウェハ５の研磨に用いられる。すなわち、研磨ヘッド２の回転、加圧及び揺動に導かれた研磨剤により、ウェハ５の表面に対して研磨パッド３を用いて化学機械研磨加工動作が行われる。
【００２４】
なお、研磨剤流入口７より供給された研磨剤は、後述する冷熱制御機構８で所定の温度に調整されて化学機械研磨加工帯６に供給されるが、この化学機械研磨加工帯６に供給される直前の液温度検出点９でその研磨剤の温度を検出するように構成されている。また、ウェハチャック４に吸着保持されたウェハ５の上方には図示しない終点検出器が設けられており、研磨中のウェハ５を上方より観察し、ウェハ５の表面に照射した光の反射光を計測することにより研磨の進行状況をモニタしている。
【００２５】
それでは、化学機械研磨加工帯６にある研磨剤の状態変化を検出する状態変化検出機構１０について説明する。上述のように、ウェハ５の研磨においては、研磨ヘッド２とウェハチャック４を回転させているため、化学機械研磨加工帯６にある研磨剤は遠心分離の原理により側方に飛散する。このウェハチャック４の周囲（化学機械研磨加工帯６の半周円）には少なくとも１つ以上の研磨剤供給器１１が設けられており（図１においては、三箇所）、研磨パッド３の回転、揺動及び加圧に伴い、回転数、加圧や研磨時間に合わせた研磨済みの研磨剤を研磨剤供給器１１で受けて後述する粘度検出器１４への供給が最適に行えるように構成されている。
【００２６】
研磨剤供給器１１により供給された研磨済みの研磨剤は、圧力を加えるとその組成が変化してしまうため、自重で収集管１２ａを通って下方に落下して研磨剤収集箱１３に集められる。この研磨済みの研磨剤には、ウェハ５の表面剥離物や研磨パッド３の切片が含まれており、また、研磨剤の凝集、吸収、分散による劣化物等が含まれている。そのため、研磨剤収集箱１３では、これらの劣化物等を滞留沈降させて取り除いた研磨剤のみが、自重で収集管１２ｂを通って下方に落下して粘度検出器１４に送られる。
【００２７】
粘度検出器１４は、収集管１２ｂから流入した研磨剤の粘性分析を行いこの研磨剤の粘性及びずり量を粘性量として出力するように構成されている。この粘度検出器１４は、例えばコマ式の粘度検出器であれば、回転するコマを有する検出部に被検物（この実施例の場合、上述の研磨剤）を投入し、コマと被検物との摩擦力をトルクに変換して電流信号に変換し出力するように構成される。この粘度検出器１４から出力される粘性量としては、被検物の粘性指度値（粘性を１００％で表示した指度値）、ずり速度、粘性、ずり応力及びコマの回転数である。そして、この粘性量は、トランスジューサ１５により状態監視ユニット１６に伝送される。
【００２８】
なお、粘度検出器１４には校正用研磨剤の投入口１８が設けられており、この粘度検出器１４の検出値の校正を行うことができる。また、検出器浄化機構１９により純水による粘度検出器１４の洗浄が可能に構成されており、粘度が検出された研磨剤や校正用研磨剤及び洗浄に用いられた純水が排出弁１７により外部に排出されるように構成されている。
【００２９】
状態監視ユニット１６は、以上のようにして検出された粘性量（粘性及びずり量）から初期ずれ量、ずり応力、粘性、ずり速度、せん断応力、ヒステリシスの各特性解析を行い、研磨剤の状態変化の監視を行う。なお、ヒステリシスは、粘度検出器１４で得られる粘性指度値から求められる。この状態監視ユニット１６で研磨剤の状態変化が検出されると、アルゴリズム処理が行われて、研磨ヘッド２の駆動が制御される。
【００３０】
ここで、研磨ヘッド２を回転駆動するサーボモータの制御システムについて図２を用いて説明する。研磨ヘッド駆動制御装置２０は、研磨ヘッド２を駆動するサーボモータ２１、加圧、回転数、回転方向、回転時間等を含む研磨加工の設定を行う操作卓２２、操作卓２２で設定された研磨加工の設定値によりサーボモータ２１に対する速度指令を出力するサーボ制御ユニット２３、速度指令に基づいてサーボモータ２１を駆動する駆動制御部２４、サーボモータ２１の位置を検出して駆動制御部２４にフィードバックする位置検出器２５、及び、速度指令に対する確認回路であって目標値に対する現在値の差分を時間領域で確認する制御カウンター回路２６から構成される。
【００３１】
サーボ制御ユニット２３から出力された速度指令は、駆動制御部２４の位置制御部２７で位置情報が加算され、速度制御部２８で電流指令値に変換され、電流指令値が駆動電流制御部２９で電流値に変換された後、パワーアンプ部３０によりサーボモータ２１が駆動されるように構成されている。なお、パワーアンプ部３０とサーボモータ２１との間には電流検出器３１が設けられており、この電流検出器３１で検出された電流値が電流制御部２９に対してフィードバックされるように構成されている。また、位置検出器２５で検出された位置情報は位置制御部２８と、微分されて速度制御部２９にフィードバックされるように構成されている。
【００３２】
以上のようにして、操作卓２２からの設定値に基づいてサーボ制御ユニット２３はサーボモータ２１を制御するが、この制御に上述の状態監視ユニット１６で検出された研磨剤の状態変化に対する制御が加えられる。すなわち、状態監視ユニット１６は、研磨ヘッド２の回転制御を行うための速度指令信号として、粘性及びずり量をアルゴリズム処理して図３における駆動制御部２４の電流制御部２９に電流信号として加える。また、同時に状態監視ユニット１６は研磨ヘッド２の応答制御に対応するために位置指令信号をサーボ制御ユニット２３に出力する。ここで、研磨剤の状態変化をサーボ制御ユニット２３にだけ出力してサーボモータ２１を制御すると、２次遅れが発生して研磨剤の状態変化を適切にサーボモータ２１の制御に反映できないため、同時に、駆動制御部２４の電流制御部２９に電流指令値として加えてサーボモータ２１を制御するように構成されている。このように、状態監視ユニット１６により、操作卓２２の設定値に対して、研磨剤の状態変化分の補正量を加算することにより、化学機械研磨加工帯６にて発生する非安定な研磨加工についての状態変量を研磨ヘッド２の制御系に対して取入れることができる。
【００３３】
一方、状態監視ユニット１６の信号を活用した制御システムが図３及び図４に示す加圧機構部５９及び揺動機構部６３にあり、これらを包括したシステムにより、研磨時の状態変化信号を活用し、回転、加圧、揺動の各動作を最適化した研磨加工を行う。
【００３４】
図３は、本実施例における加圧機構部５９を示している。加圧機構部５９は、ＣＭＰ装置のヘッド機構部に実装されており、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器６０、電空レギュレータ６１及び圧力センサ６２から構成される。状態監視ユニット１６で研磨時の状態変化をサーボ制御ユニット２３に圧力指令信号として伝送し、その指令値で研磨パッド３の高さ位置を取り決め、ウェハ５に対する加圧値を取り決める。研磨パッド３のウェハ５に対する加圧は、サーボ制御ユニット２３からの指令信号がＤ／Ａ変換器６０を介して電空レギュレータ６１に伝達され研磨ヘッド２の上下動が行われることにより制御される。なお、加圧値は、圧力センサ６２でモニタを行う。また、電空レギュレータ６１はその内部に原点出し（復帰基準）機能、及び、上下の駆動ストロークを制限するリミッタ機能を備え、電源投入時の状態では原点位置でスタートし、状態変化の情報に伴い、上下のストローク移動を行い加圧値を取り決める。このストロークの指令信号は、サーボ制御ユニット２３内部において、後述する揺動機構部６３等と連携し、最適な制御が行われる。
【００３５】
図４は、本実施例における揺動機構部６３を示している。揺動機構部６３は、制御アンプ６４、検出器６５、モータ６６で構成される。状態監視ユニット１６よりサーボ制御ユニット２３を通して揺動指令信号を制御アンプ６４で受け、モータ６６により設定された揺動範囲を指定速度で揺動動作を行う。揺動区間内の位置の確認及びコンスタントな稼働速度（レート）を達成するため、検出器６５を設けており、上記動作のフィードバック、モニタを行っている。電源投入時のスタートは、検出器６５でモニタされた原点出し位置を認識した後、制御アンプ６４を通してモータ６６の揺動範囲を制御する。揺動のストローク制限の範囲は検出器６５で認識される制御範囲となる。
【００３６】
なお、以上の実施例においては、状態監視ユニット１６により研磨ヘッド２の回転、加圧及び揺動を行って研磨加工中の状態変化に応じた加工の制御を行う場合について説明したが、状態監視ユニット１６によりウェハチャック４の回転制御や加圧制御を行うことや、研磨ヘッド２とウェハチャック４の両方を制御するように構成することも可能である。
【００３７】
この状態変化監視ユニット１６で検出された研磨剤の状態変化は、研磨加工に用いられる研磨剤の選択及び供給制御にも用いられる。次に、本実施例に係る研磨部１に研磨剤を供給する研磨剤配合供給装置４０について図５を用いて説明する。研磨剤配合供給装置４０は、研磨剤供給タンク４１、純水タンク４２、添加剤タンク４３、これらのタンク４１〜４３から供給される研磨剤、純水及び添加剤を配合する研磨剤配合ユニット４４、及び、配合された研磨剤を研磨部１の研磨剤流入口７へ供給する供給管４５から構成されている。なお、研磨剤供給タンク４１は、研磨加工に用いる研磨剤の種類に応じて設けることができ、この図５においては２種類の研磨剤のためのタンク４１ａ，４１ｂを設けた場合を示している。
【００３８】
また、この研磨剤配合供給装置４０は、研磨部１の近傍に研磨剤補助タンク４６及び配合用純水タンク４７、配合用純水タンク４７から供給される純水の量を調整する配合キャブレーター４８及び緊急投入切り換え器４９からなる緊急投入機構５０を有している。この研磨剤補助タンク４６及び配合用純水タンク４７から供給される研磨剤及び純水は、供給管４５の研磨部１の近傍に設けられている緊急投入切り換え器４９で切り換えられて研磨剤流入口７へ供給される。
【００３９】
この研磨剤配合供給装置４０は、研磨剤供給コントローラ５１により制御されており、研磨剤の配合制御は制御線５２，５３でタンク４１〜４３，４６，４７及び配合キャブレーター４８が制御されて行われる。通常の研磨加工では研磨剤タンク４１（４１ａ，４１ｂ）、純水タンク４２及び添加剤タンク４３から所定の量を供給し、研磨剤配合ユニット４４で配合して研磨剤流入口７に供給されるが、この供給機構で応答供給が困難な場合は緊急供給を目的として、緊急投入機構５０を作動させる。すると、緊急投入切り換え器４９を介して研磨剤及び純水が研磨剤流入口７に供給される。
【００４０】
なお、上述の冷熱制御機構８は、通過する研磨剤を冷却する冷却部８ａと加熱する加熱部８ｂとから構成されており、それぞれペルチェユニット５４及びスパイラルヒータユニット５５から構成されている。そして、研磨剤配給コントローラ５１が有する温度制御部５６により、制御線５７，５８でペルチェユニット５４及びスパイラルヒータユニット５５が制御されて冷熱制御機構８を通過する研磨剤を所望の温度にして化学機械研磨帯６に供給することができる。この研磨剤配合供給装置４０は、状態変化監視ユニット１６からの指令信号（後述する、配合指令、流量制御指令、選択指令、及び、温度指令）を研磨剤配給コントローラ５１で受けて、研磨剤の選択、配合及び温度制御が行われる。
【００４１】
なお、本実施例に係るＣＭＰ装置においては、研磨作業開始時は、研磨剤の選択及び配合をメーカ仕様値及び経験値より選択した値を用いて研磨加工が行われる。しかしながら、このＣＭＰ装置に対する研磨剤供給の応答は、研磨剤配合供給装置４０から研磨加工位置までの直送を１秒で確保できる装置機能を持つため、研磨加工時の状態変化に影響を与えることなく、研磨剤の再選択及び再配合における供給を可能とする。
【００４２】
それでは、研磨剤の状態変化に基づいて状態変化監視ユニット１６で、初期ずれ量、ずり応力、粘性、ずり速度、せん断応力及びヒステリシスの特性解析から研磨ヘッド駆動制御装置２０及び研磨剤配合供給装置４０に制御指令を出力する方法について説明する。
【００４３】
まず、研磨剤のずり量の初期ずれ量値から研磨剤の粘性変化値を常時監視し、この初期ずれ量の経過を確認することにより、ラインレベルの「平常」及び「状態変化開始」の判定を行う。そして、この判定結果によりその後のずり速度及びずり応力からＣＭＰ装置の研磨条件を任意に設定開始させる。
【００４４】
粘性値、ずり速度値及びずり応力より粘性の微小変化値と、粘性値からせん断応力値の動向を把握することで状態変化の開始を確認する。また、研磨剤の粘性と濃度との直線性の関係から、粘性の上昇により濃度の上昇を確認できる特性を利用する。そしてこれらの値をアルゴリズム処理することにより、研磨剤に対する配合指令を研磨剤配給コントローラ５１に出力し、速度指令を駆動制御部２４に出力し、位置指令、圧力指令及び揺動指令をサーボ制御ユニット２３に出力する。研磨剤はゼータ電位が小さくなると、粒子間の引力が大きくなって凝集現象が生じやすくなるため、ｐＨ値が調整されて一定値以上のゼータ電位が得られるよう制御する必要がある。そのため、従来のＣＭＰ装置ではｐＨ計を設置する必要があった。しかしながら、このように粘性値から濃度を得ることができるため、このＣＭＰ装置に別途ｐＨ計を配設する必要がなくなり、ｐＨ計の計測に要する時間を短縮することができるため、系の応答改善が図られている。
【００４５】
ずり応力とずり速度から、ギャップソン流動方程式による研磨剤の降状値を把握し、研磨剤の粒子構造破壊を監視するとともに、研磨剤の流量制御指令を研磨剤配給コントローラ５１に出力し、速度指令、位置指令、圧力指令及び揺動指令を駆動制御部２４及びサーボ制御ユニット２３に出力する。
【００４６】
さらに、粘性指度値からヒステリシスを把握し、研磨剤の粒子構造破壊を確認し、研磨剤の選択指令を研磨剤配給コントローラ５１に出力して研磨剤を選択する。
【００４７】
また、研磨剤の温度上昇においても、粘性と温度特性が直線性を有する関係にあることを活用し、温度指令を研磨剤配給コントローラ５１に出力して化学機械研磨帯６における研磨剤の温度を制御する。なお、本実施例においては、上述の液温度検出点９での温度計測に加えて、研磨剤配合ユニット４４と緊急投入切り換え器４９での３点計測を行い冷熱制御機構８で温度制御が行われるように構成されている。
【００４８】
以上より、本実施例に係るＣＭＰ装置によると、従来の装置では困難であった研磨剤の流体性、化学物性変化特性を見極め、研磨加工時の状態変化を検出することにより制御系に対し研磨加工の状態変量フィードバックを果たすことができる。そのため、今までの開発技術では達成することができなかった、状態方程式が成立し得ない不安定要素の状態変化量を制御できる方式を実現することができた。
【００４９】
これらにより、研磨剤の劣化管理の確立が可能となり、また、研磨加工時の状態変化検出において最適な研磨剤の選択見直し、及び、配合比の見直しができる。また、研磨剤の初期ずれ量値検出から、研磨剤素性の平常及び状態変化開始の判定を行うことができ、粘性及びずり量から研磨ヘッド駆動制御装置２０及び研磨剤配合供給装置４０に制御指令を出力することができる。そして、研磨剤の状態変化の検出及び評価機能にあった研磨パッド仕様の確立、それに合わせてのドレス構造の確立を行い、本実施例に係るＣＭＰ装置での加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るＣＭＰ装置の研磨部及び状態変化検出機構を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るＣＭＰ装置の研磨ヘッド駆動制御装置を示すブロック図である。
【図３】本発明に係るＣＭＰ装置の加圧機構部を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るＣＭＰ装置の揺動機構部を示すブロック図である。
【図５】本発明に係るＣＭＰ装置の研磨剤配合供給装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  研磨部（ＣＭＰ装置）
３  研磨パッド
５  ウェハ（被研磨部材）
８  冷熱制御機構（温度調整手段）
９  液温度検出点（温度検出手段）
１１  研磨剤供給器（研磨剤供給手段）
１４  粘度検出器（検出手段）
１６  状態監視ユニット（状態変化検出手段）
２０  研磨ヘッド駆動制御装置（駆動装置）
２１  サーボモータ（駆動部）
２３  サーボ制御ユニット（駆動指令部）
２４  駆動制御部
４０  研磨剤配合供給装置
５９  加圧機構部
６３  揺動機構部
【図１】
2005311063.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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