JP7659490B2

JP7659490B2 - 音響センサの較正方法

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Publication number: JP7659490B2
Application number: JP2021207690A
Authority: JP
Inventors: 佑多鈴木; 太郎高橋
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2025-04-09
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: JP2023092579A; TW202326846A; CN116337209A; US20230194477A1; KR20230095832A

Description

本発明は、音響センサの較正方法に関し、特に、研磨装置に配置された音響センサの較正方法に関する。

ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置は、半導体デバイスの製造において、ウエハなどの基板の表面を研磨する研磨装置である。ＣＭＰ装置は、基板を研磨ヘッドで保持して基板を回転させ、さらに回転する研磨テーブル上の研磨パッドに基板を押し付けて基板の表面を研磨する。研磨中、研磨パッドには研磨液（スラリー）が供給され、基板の表面は、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により平坦化される。

このような研磨装置では、基板の研磨状態を検知するために、音響センサ（例えば、超音波センサ、ＡＥセンサ）を使用することがある。音響センサが検知する基板の研磨状態の例としては、基板の研磨の終点、基板の研磨異常などが挙げられる。音響センサは、例えば、研磨テーブルが配置される研磨室内に配置され、基板が研磨される際に発生する研磨音を収集する。研磨装置は、収集された研磨音に基づいて、基板の研磨状態（例えば、基板の研磨の終点）を判断する。

特開２０１７－１６３１００号公報

音響センサの使用を開始してからある程度時間が経過すると、音響センサの測定値（すなわち、音響センサの出力値）がずれていってしまうことがある。また、各研磨装置における音響センサの設置状態（例えば、設置位置など）の違いで、音響センサの出力値が相違することもある。そのため、音響センサを定期的に較正することが求められている。

そこで、本発明は、研磨装置に配置された音響センサを正確に較正することが可能な方法を提供することを目的とする。

一態様では、基板保持装置に保持された基板を、研磨テーブルに取り付けられた研磨パッドに押し付けて、該基板を研磨する研磨装置に設けられた音響センサを較正する方法であって、前記音響センサを用いて、前記基板の研磨音を取得し、前記取得された研磨音から、特徴周波数を有する少なくとも２つの特徴音を抽出し、前記研磨テーブル、前記音響センサ、および前記基板保持装置のいずれかに連結された音源から前記少なくとも２つの特徴音を出力して、前記少なくとも２つの特徴音を前記音響センサに入力し、前記少なくとも２つの特徴音に対する前記音響センサの出力値が許容範囲に入るように、前記音響センサの出力値を較正する、方法が提供される。

一態様では、前記音響センサは、前記研磨テーブルに取り付けられたＡＥセンサであり、前記音源は、前記研磨パッドまたは前記研磨テーブルにおける前記基板の研磨位置に対応する位置に配置される。
一態様では、前記音源は、前記ＡＥセンサと同一の構成を有する音源用ＡＥセンサである。
一態様では、前記音源は、前記ＡＥセンサの直上に配置される。

一態様では、前記音響センサは、前記基板保持装置を支持するアームに連結された超音波センサであり、前記音源は、前記研磨パッドまたは前記研磨テーブルにおける前記基板の研磨位置に対応する位置に配置される。
一態様では、前記音響センサは、前記基板保持装置を支持するアームに連結された超音波センサであり、前記音源は、前記音響センサに連結される。

一態様では、前記音響センサは、前記基板保持装置に取り付けられており、前記音源は、前記基板保持装置に取り付けられる。
一態様では、前記音響センサは、ＡＥセンサである。
一態様では、前記音源は、前記ＡＥセンサと同一の構成を有する音源用ＡＥセンサである。
一参考例では、前記少なくとも２つの特徴音を前記音響センサに入力する工程は、前記基板を前記基板保持装置に保持させた状態で行われる。

一態様では、前記少なくとも２つの特徴音に対する前記音響センサの出力値が上限しきい値または下限しきい値を超えている場合に、警報を発する。

本発明によれば、基板の研磨中に発生する研磨音に基づいて、音響センサが較正される。その結果、音響センサを実際の研磨音に基づいて正確に較正することができる。

図１は、一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図２は、音響センサによって取得された研磨音の一例を示すグラフである。図３は、一実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。図４は、他の実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。図５は、さらに他の実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。図６は、さらに他の実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、基板の一例であるウエハＷを保持して、研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド（基板保持装置）１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上にスラリーなどの研磨液を供給するための研磨液供給ノズル５と、研磨装置の動作を制御するための制御装置９を備えている。研磨パッド２の上面は、ウエハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。

研磨ヘッド１はヘッドシャフト１０に連結されており、ヘッドシャフト１０は、ベルト等の連結手段を介して図示しない研磨ヘッドモータに連結されている。研磨ヘッドモータは、研磨ヘッド１をヘッドシャフト１０とともに矢印で示す方向に回転させる。研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、テーブルモータ６は研磨テーブル３および研磨パッド２を矢印で示す方向に回転させるように構成されている。研磨ヘッド１および研磨テーブル３の回転方向は、本実施形態に限定されない。一実施形態では、研磨ヘッド１および研磨テーブル３は、図１の矢印で示す方向と逆方向に回転するように構成されていてもよい。

ウエハＷは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ウエハＷは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態でウエハＷは研磨ヘッド１によって研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。ウエハＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。

図１に示す研磨装置は、ウエハＷの研磨状態を検知するための音響センサ４４を有している。この種の音響センサ４４は、例えば、超音波センサまたはＡＥ（Acoustic Emission）センサである。音響センサ４４は、上記した研磨ヘッド１、研磨テーブル３などが配置される研磨室に配置され、ウエハＷが研磨される際に発生する研磨音を収集する。

音響センサ４４は、制御装置９に音処理装置４９を介して接続される。音処理装置４９は、音響センサ４４が収集した音信号を増幅するアンプ４９ａと、アンプ４９ａで増幅された音信号のノイズを除去するフィルタ４９ｂと、を備えている。制御装置９は、音響センサ４４が収集し、音処理装置４９で処理された音信号を受信可能に構成されている。さらに、制御装置９は、ウエハＷの研磨中に発生するウエハＷの研磨音に基づいて、ウエハＷの研磨の終点、および／または研磨異常などのウエハＷの研磨状態を判断するように構成されている。以下では、この音響センサ４４の較正方法が説明される。

音響センサ４４の較正では、制御装置９は、最初に、音響センサ４４を用いて、ウエハＷの研磨音を取得し、取得された研磨音から、特徴周波数を有する少なくとも２つの特徴音を抽出する。本明細書において、特徴音とは、音響センサ４４によって取得された研磨音のうち特徴的なピークを有する周波数の音である。ウエハＷの研磨音を取得する際には、制御装置９は、例えば、所定の時間の間、音響センサ４４の出力値を蓄積し、音響センサ４４の周波数ごとの出力値を平均することでウエハＷの研磨音を決定する。

図２は、音響センサによって取得された研磨音の一例を示すグラフである。図２において、縦軸は音圧を表し、横軸は周波数を表す。図２に示すように、音響センサ４４によって取得された研磨音は、複数の特徴的なピークＰｋを有する。制御装置は、これらピークＰｋの中から少なくとも２つのピークＰｋを選択し、選択されたピークＰｋに対応する周波数の音を特徴音に決定する。さらに、制御装置９は、特徴音の周波数と、この周波数に対応する音圧とを記憶する。

次いで、研磨テーブル３、音響センサ４４、および研磨ヘッド１のいずれかに音源を連結する。さらに、この音源から上記した少なくとも２つの特徴音を出力して、これら少なくとも２つの特徴音を音響センサ４４に収集（入力）させる。制御装置９は、特徴音を入力された音響センサ４４の出力値を取得し、これら出力値の全てが所定の許容範囲に入るように音響センサの出力値を較正する。制御装置９は、所定の許容範囲を予め記憶している。

図３は、一実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。図３に示す音響センサ４４は、研磨テーブル３の下面に取り付けられたＡＥセンサである。本実施形態では、音響センサ４４は、ウエハＷの研磨中に研磨テーブル３とともに回転しながら、ウエハＷの研磨音を収集する。一実施形態では、音響センサ４４を研磨テーブル３に埋設してもよい。

図３に示すように、研磨テーブル３の下面に取り付けられた（または研磨テーブル３に埋設された）ＡＥセンサである音響センサ４４を較正するときは、音源４５が研磨テーブル３に支持された研磨パッド２の研磨面２ａに配置される。この操作により、音源４５が研磨パッド２を介して研磨テーブル３に連結される。

一実施形態では、研磨パッド２を取り除いて、音源４５を研磨テーブル３の上面に直接連結してもよい。研磨パッド２は消耗品であり、定期的にメンテナンスまたは交換される部材である。研磨パッド２のメンテナンスまたは交換作業中に、音響センサ４４の較正プロセスを実施することにより、研磨装置のダウンタイムを削減することができる。

音源４５を研磨テーブル３に連結する位置は任意である。例えば、音源４５を保持するためのホルダ（図示せず）を研磨テーブル３の側面または下面に固定し、該ホルダに音源４５を保持させてもよいし、音源４５を直接研磨テーブル３の側面または下面に取り付けてもよい。

音源４５には、特徴音を音源４５から出力させるための信号発生器４６が接続されており、信号発生器４６は、制御装置９に接続されている。上述したように、制御装置９は、信号発生器４６から音源４５に取得した特徴音に対応する信号を入力させることで、特徴音を取得した音圧で音源４５から出力させる。信号発生器４６から音源４５に入力される信号の例としては、ＳＩＮ波、矩形波、ＢＵＲＳＴ波などが挙げられる。

音響センサ４４は、音源４５から出力された特徴音を収集する。すなわち、音響センサ４４には、音源４５から出力された特徴音が入力され、制御装置９には、該特徴音に対する音響センサ４４の出力値（音圧）が入力される。制御装置９には、音響センサ４４の出力値に対する許容範囲が予め入力されており、制御装置９は、特徴音が入力された音響センサ４４の全ての出力値を許容範囲と比較する。許容範囲から逸脱する出力値がない場合は、制御装置９は、音響センサ４４の較正プロセスを終了する。

許容範囲を逸脱する出力値が１つでもある場合は、制御装置９は、全ての出力値が許容範囲に入るように、音響センサ４４の出力値に対する補正用の換算式を算出する。補正用の換算式は、例えば、特徴音の周波数に対する音響センサ４４の出力値（音圧）に基づいて最小自乗法により決定された近似直線である。制御装置９は、音響センサ４４の全ての出力値が許容範囲に収まるように、近似直線である補正用の換算式の傾きとオフセット値を変更する。オフセット値は、縦軸（ｙ軸）を音響センサ４４の出力値とし、横軸（ｘ軸）を周波数としたグラフに近似直線を描いたときのｙ切片に相当する。

制御装置９が２つの特徴音を選択する場合、上記補正用の換算式は、２つの特徴音の出力値を通過する直線で表される。この場合、制御装置９は、音響センサ４４の２つの出力値が特徴音の音圧に一致するように、補正用の換算式の傾きとオフセット値を変更する。

このような較正プロセスによれば、ウエハＷの研磨中に発生する研磨音に基づいて、音響センサ４４が較正される。その結果、音響センサ４４を実際の研磨音に基づいて正確に較正することができる。

制御装置９は、上記許容範囲よりも広い範囲に設定された上限しきい値および下限しきい値を予め記憶していてもよい。この場合、制御装置９は、音響センサ４４の出力値のうちの１つでも上限しきい値または下限しきい値を超えた場合に、警報を発するように構成される。この警報によって、音響センサ４４および／または音源４５の取付不良または故障をいち早く作業者に認識させることができる。

一実施形態では、較正プロセスが終了した後で、制御装置９に確認動作を実行させてもよい。確認動作は、音響センサ４４の較正が確実に行われたか否かを確認するプロセスである。具体的には、音源４５から再度特徴音を出力させ、音響センサ４４からこの特徴音に対する出力値を出力させる。制御装置９は、較正後の換算式に音響センサ４４からの出力値を入力して較正後の音響センサ４４の出力値を取得する。さらに、制御装置９は、較正後の音響センサ４４の出力値が許容範囲に収まっているか否かを確認する。許容範囲を逸脱する特徴音がある場合、制御装置９は、警報を発してもよい。

音響センサ４４の較正プロセスでは、音源４５を用いて研磨音を模擬させる。そのため、本実施形態では、音源４５は、好ましくは、音響センサ４４と同一の構成を有するＡＥセンサである。これにより、音源４５が出力する特徴音を、音響センサ４４が収集する特徴音により正確に模擬させることができる。

さらに、音源４５をウエハＷの実際の研磨位置に対応する位置に配置するのが好ましい。具体的には、音源４５を、研磨パッド２または研磨テーブル３上で、研磨ヘッド１の中心の直下に配置するのが好ましい。

音源４５をできるだけ音響センサ４４に近づけることで、較正プロセス中に音響センサ４４が余計な雑音を収集してしまうことが防止される。そのため、音源４５を、研磨パッド２または研磨テーブル３上で、音響センサ４４の直上に対応する位置（図３の２点鎖線参照）に配置してもよい。

図４は、他の実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、上述した実施形態の構成を同様であるため、その重複する説明を省略する。

音響センサ４４は、正確な研磨音を収集するために、ウエハＷの研磨位置近傍に配置するのが好ましい。図４に示す実施形態では、音響センサ４４は、研磨ヘッド１が連結されるヘッドシャフト１０を支持するヘッドアーム１５に連結されている。具体的には、音響センサ４４は、ヘッドアーム１５から延びるセンサアーム４８の先端に取り付けられている。このような構成によって、音響センサ４４をウエハＷの研磨位置の近傍に配置させることができ、さらに、音響センサ４４とウエハＷの研磨位置との間の距離を一定に保つことができる。さらに、音響センサ４４をヘッドアーム１５に連結されたセンサアーム４８に取り付けることで、省スペースが達成されるとともに、研磨パッド２などのメンテナンス時に、音響センサ４４が作業員の邪魔になることが防止される。

このような音響センサ４４は、例えば、超音波センサである。超音波センサである音響センサ４４の較正プロセスも、上述したＡＥセンサである音響センサ４４の較正プロセスと同様である。すなわち、制御装置９は、最初に、超音波センサである音響センサ４４を用いて、ウエハＷの研磨音を取得し、取得された研磨音から少なくとも２つの特徴音を抽出する。次いで、音源４５を研磨テーブル３に連結する。音源４５は、研磨パッド２を介して研磨テーブル３に連結されてもよいし、研磨テーブル３に直接連結されてもよい。

さらに、この音源４５から少なくとも２つの特徴音を出力して、これら少なくとも２つの特徴音を音響センサ４４に収集（入力）させる。制御装置９は、特徴音を入力された音響センサ４４の出力値を取得し、これら出力値の全てが所定の許容範囲に入るように音響センサ４４の出力値を較正する。音響センサ４４の出力値を較正する際には、制御装置９は、音響センサ４４の出力値に対する補正用の換算式を算出し、該補正用の換算式の傾きとオフセット値を変更する。

本実施形態でも、音源４５をウエハＷの実際の研磨位置に対応する位置に配置するのが好ましい。具体的には、音源４５を、研磨パッド２または研磨テーブル３上で、研磨ヘッド１の中心の直下に配置するのが好ましい。

図５は、さらに他の実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、上述した実施形態の構成を同様であるため、その重複する説明を省略する。図５に示す実施形態は、図４に示す実施形態の変形例である。

図５に示す実施形態では、音源４５はＡＥセンサであり、音響センサ４４にブラケット５０を介して連結されている。この場合、ウエハＷの研磨中も音源４５を音響センサ４４から取り外す必要がない。そのため、ウエハＷの実際の研磨状況とほぼ同一の状態で、音響センサ４４の較正プロセスを実施することができる。

図６は、さらに他の実施形態に係る音響センサの較正方法を説明するための模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、上述した実施形態の構成を同様であるため、その重複する説明を省略する。

図６に示す実施形態では、音響センサ４４は、研磨ヘッド１に取り付けられている。図６では、音響センサ４４が研磨ヘッド１の外面に取り付けられた例が示されている。一実施形態では、音響センサ４４を研磨ヘッド１に埋設してもよい。音響センサ４４は、例えば、超音波センサであってもよいし、ＡＥセンサであってもよい。

研磨ヘッド１に取り付けられた音響センサ４４の較正プロセスを実施する際には、音源４５が研磨ヘッド１に取り付けられる。図示した例では、音源４５を研磨ヘッド１の下面に取り付けている。一実施形態では、音源４５を研磨ヘッド１の側面または上面に取り付けてもよい。この音源４５は、ＡＥセンサであってもよい。

この場合も、制御装置９は、最初に、研磨ヘッド１に取り付けられた音響センサ４４を用いて、ウエハＷの研磨音を取得し、取得された研磨音から少なくとも２つの特徴音を抽出する。次いで、音源４５を研磨ヘッド１に連結する。さらに、この音源４５から少なくとも２つの特徴音を出力して、これら少なくとも２つの特徴音を音響センサ４４に収集（入力）させる。制御装置９は、特徴音を入力された音響センサ４４の出力値を取得し、これら出力値の全てが所定の許容範囲に入るように音響センサ４４の出力値を較正する。音響センサ４４の出力値を較正する際には、制御装置９は、音響センサ４４の出力値に対する補正用の換算式を算出し、該補正用の換算式の傾きとオフセット値を変更する。

このような構成でも、ウエハＷの実際の研磨状況とほぼ同一の状態で、音響センサ４４の較正プロセスを実施することができる。音響センサ４４の較正プロセス時に、ウエハＷの実際の研磨状況をより正確に模擬するために、研磨ヘッド１にウエハＷを保持させることが好ましい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１研磨ヘッド
２研磨パッド
３研磨テーブル
５研磨液供給ノズル
６テーブルモータ
９制御装置
１０ヘッドシャフト
１５ヘッドアーム
４４音響センサ
４５音源
４６信号発生器
４８センサアーム
４９音処理装置
５０ブラケット

Claims

基板保持装置に保持された基板を、研磨テーブルに取り付けられた研磨パッドに押し付けて、該基板を研磨する研磨装置に設けられた音響センサを較正する方法であって、
前記音響センサを用いて、前記基板の研磨音を取得し、
前記取得された研磨音から、特徴周波数を有する少なくとも２つの特徴音を抽出し、
前記研磨テーブル、前記音響センサ、および前記基板保持装置のいずれかに連結された音源から前記少なくとも２つの特徴音を出力して、前記少なくとも２つの特徴音を前記音響センサに入力し、
前記少なくとも２つの特徴音に対する前記音響センサの出力値が許容範囲に入るように、前記音響センサの出力値を較正し、
前記少なくとも２つの特徴音は、前記音響センサによって取得された研磨音のうち特徴的なピークを有する周波数の音である、方法。
前記音響センサは、前記研磨テーブルに取り付けられたＡＥセンサであり、
前記音源は、前記研磨パッドまたは前記研磨テーブルにおける前記基板の研磨位置に対応する位置に配置される、請求項１に記載の方法。
前記音源は、前記ＡＥセンサと同一の構成を有する音源用ＡＥセンサである、請求項２に記載の方法。
前記音源は、前記ＡＥセンサの直上に配置される、請求項２または３に記載の方法。
前記音響センサは、前記基板保持装置を支持するアームに連結された超音波センサであり、
前記音源は、前記研磨パッドまたは前記研磨テーブルにおける前記基板の研磨位置に対応する位置に配置される、請求項１に記載の方法。
前記音響センサは、前記基板保持装置を支持するアームに連結された超音波センサであり、
前記音源は、前記音響センサに連結される、請求項１に記載の方法。
前記音響センサは、前記基板保持装置に取り付けられており、
前記音源は、前記基板保持装置に取り付けられる、請求項１に記載の方法。
前記音響センサは、ＡＥセンサである、請求項７に記載の方法。
前記音源は、前記ＡＥセンサと同一の構成を有する音源用ＡＥセンサである、請求項８に記載の方法。
前記少なくとも２つの特徴音に対する前記音響センサの出力値が上限しきい値または下限しきい値を超えている場合に、警報を発する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。