(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を研磨するための半導体研磨装置であって、
研磨布と、前記半導体基板の前記研磨布への荷重を制御するための荷重制御回路とを有し、
前記荷重制御回路は、制御用の第１の信号線と、前記第１の信号線から分岐され且つ前記第１の信号線へのフィードバック回路を有さない第２の信号線と、前記第２の信号線に挿入されたノイズ除去回路と、前記第２の信号線に設けられた荷重測定用の端子と、
を有することを特徴とする半導体研磨装置。
【請求項２】
予め設定した周波数帯域を通過するバンドパスフィルター回路が前記第２の信号線に挿入されていることを特徴とする請求項１記載の半導体研磨装置。
【請求項３】
前記第２の信号線から得られた信号をフーリエ変換処理するためのデータ処理部を有することを特徴とする請求項１記載の半導体研磨装置。
【請求項４】
前記データ処理部においてフーリエ変換処理されたデータにおける予め設定した周波数の強度と規格値とを照合するためのデータ判定部と、前記予め設定した周波数の強度が前記規格値を超えると警報を出力する機能とを有することを特徴とする請求項３記載の半導体研磨装置。
【請求項５】
半導体研磨装置により半導体基板を研磨する方法であって、
前記半導体研磨装置に備えられた荷重制御回路により前記半導体基板の研磨布への荷重を制御しながら前記半導体基板を研磨する工程と、
前記荷重の値をモニタする工程とを備え、
前記荷重制御回路は、制御用の第１の信号線と、前記第１の信号線から分岐され且つ前記第１の信号線へのフィードバック回路を有さない第２の信号線と、前記第２の信号線に挿入されたノイズ除去回路と、前記第２の信号線に設けられた荷重測定用の端子とを有し、
前記モニタする工程は、前記荷重測定用の端子から前記荷重の値をモニタする工程を含むことを特徴とする半導体基板の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体研磨装置におけるモニタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化に伴い、半導体製造工程中で半導体素子構造を高精度に研磨して平坦化する技術が近年重要になっている。平坦化技術の中で、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）技術はグローバルな平坦化を実現できる優れた方法であり、層間絶縁膜の平坦化や素子分離形成時に基板上に残された余剰の酸化膜の研磨等で用いられている。
【０００３】
図９にＣＭＰによる平坦化の基本原理と装置構成を示す。
【０００４】
１はロードセル、２はサーボバルブ、１４はベルドバッド、１５は半導体基板、１６はスラリーノズル、１７はコンディショナー、１８は研磨ヘッド、１９は荷重制御回路である。ＣＭＰ装置は相互に摩擦しあう研磨ヘッド１８とテーブルという組み合わせから成り立ち、半導体基板１１を取り付けた研磨ヘッド１８と研磨布（ベルドパッド１４）を取り付けたテーブルの間に、研磨剤を分散させた溶液（スラリー）をスラリーノズル１６より供給しながら、コンディショナー１７によりベルドパッド１４表面を活性化させながら、研磨ヘッド１８とテーブルがそれぞれ独立に回転して、機械的研磨と化学作用の兼ね合いにより、半導体基板の表面の研磨が行われる。
【０００５】
ＣＭＰ中の研磨状態は、研磨布と基板の機械的接触状態に強く依存する。従って半導体基板を全面にわたり高精度に研磨するためには、非研磨部分の研磨布への押し付け圧力（荷重）やスラリー供給流量等の装置パラメーターの制御が不可欠である。
【０００６】
近年、半導体研磨装置の装置パラメーターのモニタリングは、装置のモニター画面の表示値を製造オペレータが週に１度あるいは月に１度の頻度での目視確認から装置パラメーターを電気的にモニタリングする方法に移行されつつある。このような新しいモニタリング方法を用いることで、長期間に渡った連続的なモニタリングが可能になり、研磨特性の変動や経時変化に対し迅速な監視が可能になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の半導体研磨装置およびそのモニタリング装置は、市販のデーターロガーや半導体研磨装置に付随する装置パラメーターの収集機能をそのまま活用することが大半であり、データーロガーへ接続するプローブの接触不良や半導体研磨装置自身のシステムノイズの影響により、モニタリングした信号と実際に装置が用いている制御信号と異なり正確なモニタリングができないといった問題がある。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決するもので、研磨特性の変動や経時変化を迅速かつ正確に監視することができ、製造歩留りおよび生産性向上することが可能な半導体研磨装置のモニタリング装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明の請求項１に記載する半導体研磨装置において、制御用の第１の信号線と、第１の信号線から分岐され且つ第１の信号線へのフィードバック回路を有さない第２の信号線と、第２の信号線に挿入されたノイズ除去回路と、第２の信号線に設けられた荷重測定用の端子とを有することを特徴としているので、ホストコンピューターに起因するシステムノイズの除去が可能であるために、装置パラメーターを高精度にモニタリングすることが可能である。また、本発明の請求項５に記載する半導体基板の研磨方法は、半導体研磨装置により半導体基板を研磨する方法であって、半導体研磨装置に備えられた荷重制御回路により半導体基板の研磨布への荷重を制御しながら半導体基板を研磨する工程と、荷重の値をモニタする工程とを備え、荷重制御回路は、制御用の第１の信号線と、第１の信号線から分岐され且つ第１の信号線へのフィードバック回路を有さない第２の信号線と、第２の信号線に挿入されたノイズ除去回路と、第２の信号線に設けられた荷重測定用の端子とを有し、モニタする工程は、荷重測定用の端子から荷重の値をモニタする工程を含むことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の半導体研磨装置において、予め設定した周波数帯域を通過するバンドパスフィルター回路が第２の信号線に挿入されていることを特徴としているので研磨パッドの剥がれおよびベルトモーターの振動などの監視が可能である。
【００１１】
請求項３記載の半導体研磨装置において、第２の信号線から得られた信号をフーリエ変換処理するためのデータ処理部を備えているため、ノイズが存在する場合に迅速に原因究明することが可能であり、半導体装置の製造ロス低減および半導体研磨装置の生産性向上についても可能である。
【００１２】
請求項４記載の半導体研磨装置において、データ処理部においてフーリエ変換処理されたデータにおける予め設定した周波数の強度と規格値とを照合するためのデータ判定部と、予め設定した周波数の強度が規格値を超えると警報を出力する機能を備えているため、装置異常を迅速に捕らえることが可能であるため、半導体装置の製造ロスを未然に防ぐことが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明は半導体研磨装置の荷重制御回路のノイズ対策に関するものである。
【００１４】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態に関する半導体研磨装置の荷重制御回路を示す。図１において、１はロードセル、２はサーボバルブ、３は制御信号線、４はアンプ１、５は測定端子、６はホストコンピュータ、７はアンプ２、８はアンプ３、９はノイズ除去用コンデンサーである。
【００１６】
まず最初にロードセル１の荷重値を制御する回路について説明する。荷重値はホストコンピュータ６から設定値が入力され、アンプ２（７）により設定値の増幅を行う。ロードセル１から荷重を電圧に変換された値（：電圧値）をアンプ１（４）にて設定値と比較して、その差をサーボバルブ２へフィードバックし、設定値とロードセル１からのデータの差がゼロになるように、サーボアンプで増幅を行いながら荷重値が設定値になるように制御を行う。このようなフィードバック回路はノイズの影響を受けやすいため、荷重値のモニタリングはアンプ３（８）より制御信号線から分岐した信号線で制御信号線３へのフィードバック回路を有さない信号線から荷重の測定端子５を設けてモニタリングを実施しなければならない。そうしないと、モニタリング装置系でノイズなどの異常が発生すると、制御回路に影響を与えてしまい、研磨処理にトラブルが発生する。
【００１７】
図２に制御信号線から分岐した信号線で制御信号線へのフィードバック回路を有さない信号線にノイズ除去コンデンサー挿入の有無による荷重値の波形の時間変化を示す。図２（ａ）はノイズ除去用コンデンサーを挿入しない場合の荷重値の波形（従来の場合）、図２（ｂ）はノイズ除去用コンデンサー０．１μＦを挿入時の荷重値の波形、図２（ｃ）はノイズ除去用コンデンサー１．０μＦを挿入時の荷重値の波形、図２（ｄ）は制御信号線から取り出した荷重値の波形である。ここで、荷重値の平均値をそれぞれＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１として比較すると、
Ａ１＝−０．５３８、  Ｂ１＝−０．５３３、
Ｃ１＝−０．５５６、  Ｄ１＝０．５８０
とＤ１が若干、大きいものの大差は見られない。ちなみにＡ１、Ｂ１、Ｃ１は図１に示すアンプ３（８）により極性が反転しているもののホストコンピュータ６へ戻るため、荷重制御への影響は無い。
【００１８】
次に荷重値のバラつき（３σ）をそれぞれＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２として比較すると、
Ａ２＝０．３４３、  Ｂ２＝０．１１９、
Ｃ２＝０．０９２、  Ｄ２＝０．０９３
とＡ２はＢ２、Ｃ２、Ｄ２の３倍以上も大きいことがわかる。これはノイズ除去用コンデンサーの挿入しなかったために、ホストコンピューターからのシステムノイズの影響を受けて、研磨処理時の荷重値のバラつきが大きくなり、正確な装置状態の把握が困難である。また挿入するコンデンサーの値を１０μＦまで大きくすることで荷重値のバラつきは小さくなり、制御信号線から取り出した値と同等である。この時、コンデンサーの容量値の上限は、信号の遅延時間で決まる。遅延時間は容量値と抵抗の積になり、本発明の第１の実施形態では、抵抗値として１０ｋΩを用いるので１００μFにおける遅延時間は１秒になる。荷重値のサンプリング時間が１秒なので、この遅延時間を上限と考えることができる。従って好ましくは１０μＦのコンデンサーが最適である。なお、コンデンサーの容量値は様々な場合があるため、１００μＦ以下には限らない。
【００１９】
従って、荷重値などのモニタリングを実施する場合は、制御信号線と分岐して、かつ制御信号線へフィードバックしない箇所にコンデンサーなどのノイズ除去回路を挿入して信号を取り出すことで、制御信号線から取り出した値と同等で、正確な装置状態の把握が可能となる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は半導体研磨装置のモニタリング方法における機械的な振動のモニタリングに関するものである。
図３は本発明のモニタリング方法における荷重値の波形を示す。Ｅ１、Ｅ２は正常な研磨処理時の荷重値および荷重値に対するバラつきを示す。Ｆ１、Ｆ２は研磨パッド剥がれが起きた研磨処理時の荷重値の波形および荷重値に対するバラつきを示す。研磨処理時の荷重値Ｅ１、Ｆ１はそれぞれ、
Ｅ１＝４．６１ＰＳｉ、    Ｆ１＝４．６５ＰＳｉ
と特に差は見られないが、荷重値に対するバラつき（３σ）Ｅ２、Ｆ２は
Ｅ２＝０．１１ＰＳｉ、    Ｆ２＝０．３５ＰＳｉ
とＥ２はＦ２の３倍以上のバラつきが見られる。
【００２１】
ここで本発明の第１の実施形態で述べたように、制御信号線から分岐した信号線で制御信号線３へのフィードバック回路を有さない信号線にノイズ除去回路を挿入しているため、ホストコンピューターからのシステムノイズの除去を行っているにもかかわらず、研磨パッド剥がれ時には図３に示す荷重値の波形に脈動が見られる。この波形の脈動は機械的な振動によるものである。
【００２２】
図４は本発明によってモニタリングした荷重値をフーリエ変換した図である。
【００２３】
図４（ａ）はバンドパスフィルター適用前のフーリエ変換図、図４（ｂ）はバンドパスフィルター適用後のフーリエ変換図である。例えば低周波帯域にノイズが存在する図４（ａ）にて、研磨パッド剥がれ時の荷重値の信号は３０ＭＨｚ以上であるため、３０ＭＨｚ以上の信号のみを通過させるフィルターを取り付け、逆に３０ＭＨｚ以下の信号は減衰させると、図４（ｂ）のように低周波帯域での信号は通過しないので、ノイズの少ない高精度なモニタリングが可能である。従って本発明では、制御信号線から分岐した信号線で制御信号線３へのフィードバック回路を有さない信号線にバンドパスフィルターを挿入することにより、出力信号を任意の周波数帯域のみの通過が可能であるため、システムノイズを除去して研磨パッド剥がれやベルトモーターの振動といった機械的な振動を迅速にモニタリングすることが可能である。
【００２４】
（第３の実施の形態）
本発明はモニタリングした荷重値を迅速にフーリエ変換する機能を持たせたものである。なお半導体研磨装置のトラブルには特定周波数のパターンがあり、本発明の第２の実施形態でも述べたように、研磨パッド剥がれ時には荷重値の信号が３０ＭＨｚ以上あることがわかり、従来のアナログ信号だけではノイズの発生状況の確認のモニタリングが困難であるため、フーリエ変換処理の機能を追加した。
【００２５】
本発明における第３の実施の形態について図を用いて説明する。
【００２６】
図５に本モニタリング方法におけるフーリエ変換機能を備えた接続構成図を示す。１０はデータロガー、１１はデータ格納部、１２はデータ処理部、である。データロガー１０により、サンプリングした装置パラメーターの結果をデータ格納部１１に自動転送し、データ処理部１２にて、測定した荷重値のフーリエ変換処理を実施する。その後にフーリエ変換した結果を、ホストコンピュータ６へ転送する。なお荷重値のフーリエ変換機能を持たせるためには、既存の装置構成ではフーリエ変換処理機能と演算処理部および設定値の指示などをホストコンピュータ６で一括してしまうと装置の各動作や設定値の指示の誤動作を起こす可能性があり、また迅速な処理が困難である。従って本発明ではフーリエ変換機能専用のデータ処理部１２、データ格納部１１を設ける必要が有ると判断して、図５に示す構成図にしている。
【００２７】
図６に本発明のモニタリング方法による荷重値をフーリエ変換した結果を示す。図６（ａ）は荷重値の波形、図６（ｂ）は図６（ａ）をフーリエ変換した結果である。このように迅速にフーリエ変換処理を実施することで、ノイズの定量的な確認が可能になるため、装置異常を迅速に把握することが可能である。
【００２８】
（第４の実施の形態）
本発明はモニタリングした荷重値をフーリエ変換した結果より半導体研磨装置を正常あるいは異常を判断する手段を提供するものである。本発明における第４の実施の形態について図を用いて説明する。
【００２９】
図７に本モニタリング方法におけるフーリエ変換機能を備えた接続構成図を示す。１３はデータ判定部である。本発明により荷重値をモニタリングしてフーリエ変換の実施方法は第３の実施の形態と同様である。データ処理部１２にて測定した荷重値のフーリエ変換処理を実施する。その後にデータ判定部１３において、予め設定しておいた周波数の強度の規格値に照合して、正常あるいは異常の判定を行い、その結果をホストコンピュータ６へ転送するとともに、異常の場合は警報の出力を行う。
【００３０】
図８にモニタリングした荷重値のフーリエ変換に基づいたノイズ異常による装置の警報出力のフローチャートを示す。
【００３１】
研磨処理時にデータロガー１０により、荷重値のモニタリングを行い、収集した結果はデータ格納部１１に保存するし、データ処理部１２にてフーリエ変換処理を行う。データ判定部１３では予め設定した周波数の強度の規格値と照合を行い、正常な場合はホストコンピュータ７へ判定結果を転送し、次のウェーハの処理を行う。異常な場合も同様にホストコンピュータ７へ判定結果を転送するものの、異常を知らせるために警報を出力する。以上のような機能を半導体研磨装置内に備えることで装置異常を迅速に把握することが可能であり、半導体装置の製造ロス低減や生産性向上させることができる。
【００３２】
なお上述の第１乃至第４の実施の形態は、半導体研磨装置について説明したが、それ以外のプラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、洗浄装置、イオン注入装置などの半導体基板処理装置に適用できるのは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、半導体研磨装置において、制御信号線から分岐した信号線で制御信号線へのフィードバック回路を有さない信号線にノイズ除去回路を挿入することでホストコンピューターなどのシステムノイズの低減が図れるため、制御信号と同等以上の精度での装置パラメーターのモニタリングが可能になるため、半導体装置の歩留り向上、半導体製造装置の異常の早期発見や半導体製造装置の生産性向上に多大の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における半導体研磨装置の荷重制御回路図
【図２】本発明における半導体研磨装置の荷重値のモニタリング波形を示す図
【図３】本発明における半導体研磨装置の荷重値のモニタリング波形を示す図
【図４】本発明における半導体研磨装置の荷重値のモニタリング波形を示す図
【図５】本発明における半導体研磨装置のモニタリング方法におけるフーリエ変換機能を備えた接続構成図
【図６】本発明における半導体研磨装置の荷重値のフーリエ解析波形を示す図
【図７】本発明における半導体研磨装置のモニタリング方法におけるフーリエ変換機能を備えた接続構成図
【図８】本発明における半導体研磨装置のモニタリング方法におけるフーリエ変換実施のフローチャート
【図９】従来における半導体研磨装置の構成図
【符号の説明】
１  ロードセル
２  サーボバルブ
３  制御信号線
４  アンプ１
５  測定端子
６  ホストコンピュータ
７  アンプ２
８  アンプ３
９  ノイズ除去用コンデンサー
１０  データーロガー
１１  データー格納部
１２  データー処理部
１３  データー判定部
１４  ベルトパッド
１５  半導体基板
１６  スラリーノズル
１７  コンディショナー
１８  研磨ヘッド
１９  荷重制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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