(57)【要約】  【課題】安価な部品を用いて簡素な構成でウェーハの飛び出し検出機構を形成するとともに、検出精度を高くして研磨異常状態を早期に検出できるようにする。  【解決手段】研磨ヘッド３０に保持されたウェーハＷを、回転するプラテン２０上の研磨パッド２２に押圧するとともに、研磨パッド２２にスラリを供給して前記ウェーハＷを研磨する研磨装置１０であって、前記研磨ヘッド３０は、研磨パッド２２に対向配置されて回転駆動されるヘッド本体３２と、ヘッド本体３２に上下方向移動自在に支持されたキャリア３３と、ヘッド本体３２に上下方向移動自在に支持され、かつ研磨時にウェーハＷの周囲を包囲して研磨パッド２２に接触するリテーナリング３４とからなる研磨装置において、前記リテーナリング３４に加速度センサ６０を組み込み、加速度センサ６０の検出信号からリテーナリング３４の傾斜の変化を監視する傾斜検出制御部６１を設けた。【選択図】図２
2009095910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して前記ウェーハを研磨する研磨装置であって、
前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、
前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリアと、
前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するウェーハ支持部と、からなる研磨装置において、
前記ウェーハ支持部に加速度センサを組み込み、該加速度センサの検出信号から前記ウェーハ支持部の傾斜の変化を監視する制御手段を設けたことを特徴とする研磨装置のウェーハ飛び出し検出機構。
【請求項２】
上記加速度センサは、上記ウェーハ支持部の同一円周上に等間隔で複数個配置されたことを特徴とする請求項１記載の研磨装置のウェーハ飛び出し検出機構。
【請求項３】
研磨ヘッドのキャリアに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、前記ウェーハの周囲を研磨ヘッドのウェーハ支持部で包囲して、研磨パッドにスラリを供給しながら前記ウェーハを研磨する研磨方法において、
前記ウェーハ支持部に組み込まれた加速度センサの検出信号を読み取り、該加速度センサの検出信号の変化が予め設定された所定値を超えたときは、上記ウェーハ支持部の傾斜の変化が大きくなってウェーハ支持部からウェーハが飛び出すと判定することを特徴とする研磨装置のウェーハ飛び出し検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は研磨装置のウェーハ飛び出し検出機構および検出方法に関するものであり、特に、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）において、研磨ヘッドに設けられているリテーナリングなどのウェーハ支持部の傾斜を監視して、その傾斜の変化からウェーハの飛び出しを判定する検出機構および検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体の微細加工が進んでおり、多層に亘って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が避けられない。従来は、そのまま次の層のパターンを形成していたが、層数が増加するとともに線やホールの幅が小さくなるほど良好なパターンを形成するのが困難となり、欠陥などが生じ易くなっていた。
【０００３】
このため、パターンを形成した層の表面を研磨して平坦にした後に、次の層のパターンを形成することが行われている。このように、半導体などのウェーハ表面を研磨するには、ＣＭＰ工程による研磨装置が使用されている。此種研磨装置は、研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して該ウェーハを研磨する構成が一般的である。
【０００４】
ところで、ウェーハは周囲をリテーナリングなどのウェーハ支持部に包囲された状態で研磨パッドに押し付けられているが、加工中になんらかの拍子に、ウェーハがリテーナリングから飛び出してしまうことがある。このような場合は、ウェーハの飛び出しを早期に検出して直ちに加工を停止する必要がある。
【０００５】
ウェーハの飛び出し検出に関しては、ヘッド本体に位置センサや圧力センサなどの検出手段を設け、研磨パッドに対するリテーナリングの上下方向の相対位置を検出する位置センサの出力信号、あるいはリテーナリングに作用する半径方向の圧力を検出する圧力センサの出力信号などにより、ウェーハがキャリアから滑り出したか否かを判断する滑り判断手段を備えたウェーハ研磨装置が知られている。前記位置センサとしては例えば静電容量式のセンサが用いられ、圧力センサとしてはピエゾ抵抗効果を測定する半導体素子が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、本願出願人は、ＣＭＰ工程による研磨方法において、予め設定された基準位置からのキャリアの変位量を検出し、その変位量がウェーハの厚さ分になると、前記キャリアにウェーハが保持されていないと判定するウェーハ研磨方法を提案している（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
上記特許文献２の研磨装置は、主としてヘッド本体、キャリア、リテーナリング、キャリア連結駆動機構、キャリア押圧機構、リテーナリング押圧機構、キャリア変位検出器で、研磨ヘッドが構成されている。前記キャリア変位検出器は差動トランスと制御装置とで構成され、ヘッド本体に対するキャリアの変位を検出し、キャリアの変位量からウェーハの有無を判定する。すなわち、ウェーハがリテーナリングから飛び出してキャリアの下部からなくなると、キャリアはウェーハの厚み分だけ下方へ変位するので、この変位量を検出してウェーハの有無を判定するものである。
【特許文献１】特開平１１−０００８６０号公報
【特許文献２】特開２００２−３０７２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１記載の発明は、静電容量式の位置センサやピエゾ抵抗効果を測定する半導体素子の圧力センサでリテーナリングの変化を検出するものである。このほか、光電式センサを用いて研磨パッド上面を監視する構成も知られており、何れも比較的安価な部品を用いてウェーハの滑り出しを検出しようとするものであるが、外乱に対して誤動作するおそれがあったりして検出精度があまり良好ではない。
【０００９】
特許文献２記載の発明は、差動トランスによってキャリアの変位量を検出するものであり、これも比較的安価な部品を用いて低コストでウェーハの飛び出しを検出することができる。しかし、差動トランスからのノイズを拾う場合があり、検出信号のＳＮ比が悪くなると検出精度が低下する。
【００１０】
一方、ＣＣＤなどで撮影した画像をコンピュータ処理してウェーハの割れを検出するシステムも存在しており、検出精度はきわめて高いが、いまのところ画像処理ユニットが高価であるためコスト的な問題が大きい。
【００１１】
そこで、安価な部品を用いて簡素な構成でウェーハの飛び出し検出機構を形成するとともに、検出精度を高くして研磨異常状態を早期に検出できるようにするために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して前記ウェーハを研磨する研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリアと、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するウェーハ支持部と、からなる研磨装置において、前記ウェーハ支持部に加速度センサを組み込み、該加速度センサの検出信号から前記ウェーハ支持部の傾斜の変化を監視する制御手段を設けたことを特徴とする研磨装置のウェーハ飛び出し検出機構を提供する。
【００１３】
この構成によれば、ウェーハ支持部に組み込まれた加速度センサの検出信号を制御手段が読み取り、この検出信号からウェーハ支持部の傾斜の変化を監視する。そして、加速度センサの検出信号の変化が予め設定された所定値を超えたときは、ウェーハ支持部の傾斜の変化が大きくなってウェーハ支持部からウェーハが飛び出すと制御手段が判定する。
【００１４】
請求項２記載の発明は、上記加速度センサは、上記ウェーハ支持部の同一円周上に等間隔で複数個配置されたことを特徴とする請求項１記載の研磨装置のウェーハ飛び出し検出機構を提供する。
【００１５】
この構成によれば、ウェーハ支持部の同一円周上に等間隔で複数個の加速度センサが配置されており、ウェーハ支持部の回転状態を正確に検出でき、ウェーハ支持部の傾斜の変化からウェーハの飛び出しを早期に検出できる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、研磨ヘッドのキャリアに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、前記ウェーハの周囲を研磨ヘッドのウェーハ支持部で包囲して、研磨パッドにスラリを供給しながら前記ウェーハを研磨する研磨方法において、前記ウェーハ支持部に組み込まれた加速度センサの検出信号を読み取り、該加速度センサの検出信号の変化が予め設定された所定値を超えたときは、上記ウェーハ支持部の傾斜の変化が大きくなってウェーハ支持部からウェーハが飛び出すと判定することを特徴とする研磨装置のウェーハ飛び出し検出方法を提供する。
【００１７】
この構成によれば、ウェーハ支持部に組み込まれた加速度センサの検出信号を制御手段が読み取り、この検出信号からウェーハ支持部の傾斜の変化を監視する。そして、加速度センサの検出信号の変化が予め設定された所定値を超えたときは、ウェーハ支持部の傾斜の変化が大きくなってウェーハ支持部からウェーハが飛び出すと制御手段が判定する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明は、ウェーハ支持部に加速度センサを組み込み、この検出信号を制御手段が読み取ってウェーハ支持部の傾斜の変化を監視するので、加速度センサの検出信号の変化から、研磨状態に異常が起きたか否かを早期に検出することができ、ウェーハの飛び出し後のウェーハ割れによる二次災害を防止することができ、あるいは飛び出す前に加工を停止させて飛び出しを未然に防止することも可能である。また、加速度センサは比較的安価であるため、低コストで精度の高い検出装置を形成することができる。
【００１９】
請求項２記載の発明は、ウェーハ支持部の同一円周上に等間隔で複数個の加速度センサが配置されているので、請求項１記載の発明の効果に加えて、ウェーハ支持部の回転状態を正確に検出でき、ウェーハ支持部の傾斜の変化からウェーハの飛び出しを未然に検出することも可能である。
【００２０】
請求項３記載の発明は、ウェーハ支持部に組み込まれた加速度センサの検出信号を制御手段が読み取り、この検出信号からウェーハ支持部の傾斜の変化を監視するので、ウェーハ支持部の傾斜の変化から研磨異常状態を早期に検出することができ、ウェーハの飛び出し後のウェーハ割れを防止でき、あるいはウェーハの飛び出しを未然に防止することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る研磨装置のウェーハ飛び出し検出機構および検出方法について、好適な実施例をあげて説明する。安価な部品を用いて簡素な構成でウェーハの飛び出し検出機構を形成するとともに、検出精度を高くして研磨異常状態を早期に検出できるようにするという目的を達成するために、本発明は研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して前記ウェーハを研磨する研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリアと、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するウェーハ支持部と、からなる研磨装置において、前記ウェーハ支持部に加速度センサを組み込み、該加速度センサの検出信号から前記ウェーハ支持部の傾斜の変化を監視する制御手段を設けたことにより実現した。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明に係るＣＭＰ式の研磨装置の全体斜視図であり、図２は研磨ヘッドの縦断面図である。研磨装置１０は、主としてプラテン２０と研磨ヘッド３０で構成されている。前記プラテン２０は円盤状に形成され、その下面中央部に回転軸２１が連結されており、モータ２２の駆動によって矢印Ａ方向へ回転する。前記プラテン２０の上面には研磨パッド２２が貼着されており、図示しないノズルから研磨パッド２２上に研磨剤を含んだスラリが供給される。
【００２３】
前記研磨ヘッド３０は、主としてヘッド本体３２、キャリア３３、リテーナリング３４、キャリア連結駆動機構３５、キャリア押圧機構３６、リテーナリング押圧機構３７、キャリア変位検出器３８などで構成されている。ヘッド本体３２は円盤状に形成され、その
上面中央部に回転軸３１が連結されており、図示しないモータの駆動によって矢印Ｂ方向へ回転する。
【００２４】
キャリア３３は円盤状に形成され、ヘッド本体３２の下部中央部に垂設された回転駆動軸３９と同軸上に配置されている。キャリア３３の下面には複数のエア吸引口４０が設けられており、図示しないバキュームポンプによってエア吸引口４０からエアが吸引されることにより、研磨対象物のウェーハＷがキャリア３３の下面に吸着保持される。
【００２５】
リテーナリング３４は環状に形成され、キャリア３３の外周に配置されている。リテーナリング３４はキャリア３３に保持されたウェーハＷの外周を包囲し、かつ、研磨時に研磨パッド２２に接触してウェーハＷの飛び出しを防止する。
【００２６】
キャリア連結駆動機構３５は、ヘッド本体３２の回転をキャリア３３に伝達してキャリア３３を回転駆動させる。前記ヘッド本体３２の下部に垂設された回転駆動軸３９の先端部には、円盤状に形成されたドライブプレート４１が水平に取り付けられている。該ドライブプレート４１は、キャリア３３の上面に形成された円形状の凹部４２内に収容され、この凹部４２内に垂直に立設された一対のピン４３が、ドライブプレート４１の外周部に形成された切欠き４４に嵌合されている。したがって、前記キャリア３３は、ピン４３と切欠き４４をガイドにして上下方向移動自在に支持され、ドライブプレート４１の回転がキャリア３３に伝達される。
【００２７】
キャリア押圧機構３６はキャリア３３を研磨パッド２２に向けて押圧する。前記ヘッド本体３２の下部にはキャリア用エアバッグ４５が設けられている。このキャリア用エアバッグ４５は環状に形成され、その下部にキャリア用押圧部材４６が接続されている。該キャリア用押圧部材４６は円筒状に形成され、その下部に前記キャリア３３が接続されている。前記キャリア用エアバッグ４５は、ヘッド本体３２の下面に形成されたエア供給口４７から圧縮エアが供給されると膨張し、これによりキャリア用押圧部材４６を介してキャリア３３が下方へ押圧される。
【００２８】
リテーナリング押圧機構３７はリテーナリング３４を研磨パッド２２に向けて押圧する。前記ヘッド本体３２の下部には前記キャリア用エアバッグ４５の外側にリテーナリング用エアバッグ４８が設けられている。このリテーナリング用エアバッグ４８は環状に形成され、その下部にリテーナリング用押圧部材４９が接続されている。該リテーナリング用押圧部材４９は円筒状に形成され、その下部に前記リテーナリング３４が接続されている。前記リテーナリング用エアバッグ４８は、ヘッド本体３２の下面に形成されたエア供給口５０から圧縮エアが供給されると膨張し、これによりリテーナリング用押圧部材４９を介してリテーナリング３４が下方へ押圧される。
【００２９】
リテーナリング用エアバッグ４８の外周端部は環状のガイドリング５１で固定されており、このガイドリング５１の下端部にリテーナリング用押圧部材４９の上端部が係合して、リテーナリング３４およびリテーナリング用押圧部材４９が上下方向移動自在に支持されている。
【００３０】
キャリア変位検出器３８はヘッド本体３２に対するキャリア３３の変位を検出し、回転駆動軸３９の中空部５２内に設置されている差動トランス５３と、差動トランス５３から出力される電気信号を受ける変位検出制御部５４とで構成されている。
【００３１】
ここで、前記リテーナリング３４には加速度センサ６０が組み込まれている。後述するように、加速度センサ６０の検出信号を制御手段である傾斜検出制御部６１に読み込み、リテーナリング３４の傾斜の変化を監視して、リテーナリング３４からウェーハＷの飛び出しを検出する。
【００３２】
つぎに、加速度センサ６０の設置位置および設置個数について説明する。設置高さについては、図３に示すように、加速度センサ６０はリテーナリング３４の下部位置（Ｐ１）に組み込むほか、リテーナリング用押圧部材４９の下部位置（Ｐ２）、中部位置（Ｐ３）、上部位置（Ｐ４）など、リテーナリング３４と一体に動く部材であれば任意の位置に組み込むことができるが、検出精度を考慮すれば出来る限り低い位置すなわち（Ｐ１）または（Ｐ２）位置が好ましい。
【００３３】
加速度センサ６０の設置位置は、前記リテーナリング３４およびリテーナリング用押圧部材４９に限らず、このほか、ウェーハＷを支持するためのヘッド部材であるウェーハ支持部の何れの箇所にも取り付けることができる。例えば、前記リテーナリング３４のほかに、キャリア（バックプレート）、ウェーハ保護シートなど、ウェーハが飛び出すときに傾く部位であれば、何れの箇所に取り付けても、加速度センサ６０の検出信号から傾斜の変化によってウェーハの飛び出しを検出することが可能である。また、図示は省略するが、仮に、リテーナリング３４の外周に別のリングを設ける場合などは、加速度センサ６０をそのリングに取り付けてもよい。
【００３４】
また、平面位置については、図４に示すように、リテーナリング３４またはリテーナリング用押圧部材４９の任意の位置に単数個、もしくは、同一円周上に等間隔で複数個配置する。例えば回転中心点Ｐ０を挟んで任意の位置（Ｐ１１）とそれに対向する同一円周上の位置（Ｐ１２）との２箇所に加速度センサ６０を配置する。好ましくは、回転中心点Ｐ０を挟んで任意の位置（Ｐ１１）と同一円周上で１２０度の位置（Ｐ１３）および（Ｐ１４）との３箇所に加速度センサ６０を配置すればよい。
【００３５】
つぎに、本発明に係るウェーハ飛び出し検知方法について説明する。図２〜図４にて説明したように、リテーナリング３４に加速度センサ６０を組み込み、この加速度センサ６０の検出信号が傾斜検出制御部６１に入力され、該傾斜検出制御部６１ではこの検出信号からリテーナリング３４の傾斜の変化を監視する。通常の研磨状態の場合は、図５に示すように、加速度センサ６０の検出信号がほぼ一定の範囲内で変化している。したがって、この場合は、リテーナリング３４が傾斜したりせずに正常な状態であると判定できる。
【００３６】
これに対して、図６に示すように、加速度センサ６０の検出信号が突然大きく変化して、予め設定された所定のしきい値を超えた場合は、図７に示すように、リテーナリング３４の傾斜の変化が大きくなって異常な状態であると判定できる。この状態では、研磨ヘッド３０のキャリア３３に保持されているウェーハＷが、リテーナリング３４から飛び出すため、傾斜検出制御部６１が異常な状態であると判定したときは、直ちに機械を停止して研磨加工を中断する。
【００３７】
このように、リテーナリング３４に組み込まれた加速度センサ６０の検出信号を傾斜検出制御部６１が読み取り、この検出信号からリテーナリング３４の傾斜の変化を監視するので、リテーナリング３４の傾斜の変化から研磨異常状態を早期に検出することができ、ウェーハＷの飛び出し後のウェーハ割れを防止でき、あるいはウェーハＷの飛び出しを未然に防止することも可能となる。
【００３８】
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るＣＭＰ式の研磨装置の全体斜視図。
【図２】本発明に係る研磨ヘッドの縦断面図。
【図３】本発明に係る加速度センサの設置高さの説明図。
【図４】本発明に係る加速度センサの配置位置の説明図。
【図５】本発明に係る加速度センサの正常状態の測定グラフ。
【図６】本発明に係る加速度センサの異常状態の測定グラフ。
【図７】本発明に係るリテーナリングの傾斜状態の説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１０  研磨装置
２０  プラテン
２２  研磨パッド
３０  研磨ヘッド
３２  ヘッド本体
３３  キャリア
３４  リテーナリング
４９  リテーナリング用押圧部材
６０  加速度センサ
６１  傾斜検出制御部（制御手段）
Ｗ  ウェーハ
【図１】
2009095910.tif 000003
【図２】
2009095910.tif 000004
【図３】
2009095910.tif 000005
【図４】
2009095910.tif 000006
【図５】
2009095910.tif 000007
【図６】
2009095910.tif 000008
【図７】
2009095910.tif 000009