CN104511838B - 研磨方法 - Google Patents
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Abstract
一种研磨方法，使对研磨垫(10)进行支承的研磨台(30)旋转，将表面形成有导电性膜的基板(W)按压到研磨垫上而对导电性膜进行研磨，在对导电性膜的研磨中，通过配置在研磨台(30)内部的涡电流式膜厚传感器(60)获取随所述导电性膜的厚度而变化的膜厚信号，基于膜厚信号确定研磨垫的厚度，确定与研磨垫(10)的厚度对应的导电性膜的研磨速率，算出以该研磨速率对导电性膜研磨了规定研磨时间(Tb)时的预计研磨量，在导电性膜的目标厚度上加上预计研磨量而算出临时的终点膜厚，当从导电性膜的厚度到达临时的终点膜厚的时刻经过了规定研磨时间时，结束对导电性膜的研磨。采用本发明，可将导电性膜更高精度地研磨至目标厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种对形成在晶片等基板上的金属膜等的导电性膜进行研磨的研磨方法，尤其涉及一种采用涡电流式膜厚传感器检测导电性膜的厚度，并且高精度地对该导电性膜进行研磨的研磨方法。
背景技术
在半导体器件的制造工序中，进行对形成在基板上的金属膜等的导电性膜进行研磨的研磨工序。例如，在金属配线形成工序中，在形成有配线图形的基板表面上成形金属膜后，进行化学机械研磨(CMP)，并通过去除多余的金属膜而形成金属配线。在该研磨工序中，为了检测出到达所需的目标厚度的时刻即研磨终点，而使用涡电流式膜厚传感器，对形成在基板上的导电性膜的厚度进行检测(参照专利文献1)。
涡电流式膜厚传感器配置在构成为可旋转的研磨台内部，与为了对基板进行研磨而旋转的研磨台一起旋转。在规定的高频交流电流向涡电流式膜厚传感器、且该涡电流式膜厚传感器经过基板附近时，形成在基板上的导电性膜受高频交流电的影响而产生涡电流。受该产生的涡电流的磁力线的影响，涡电流式膜厚传感器的电路的阻抗会变化，基于根据该阻抗变化中得到的膜厚信号从而能够检测出导电性膜的厚度。
如此，以往采用涡电流式膜厚传感器对导电性膜进行厚度检测，但实际上，难以在到达目标厚度的时刻立即结束研磨程序。其原因是：当对膜厚进行检测时，会产生检测延迟时间；以及使导电性膜的研磨实际上停止需要花费一定程度的时间等。因此，在以往的研磨程序中，预先设定一个在实际想要停止研磨的目标厚度上加上规定的补偿值后的临时的终点膜厚，在检测出该临时的终点膜厚之后，对导电性膜进行规定研磨时间的研磨。
发明所要解决的课题
这种采用补偿值的方法，只要导电性膜的研磨速率始终一定就没有问题，但实际上研磨速率会根据研磨垫的厚度等的研磨垫状态而变化。因此，若研磨速率比通常高，则会研磨至比目标厚度薄的膜厚，若研磨速率比通常低，则会在比目标厚度厚的膜厚研磨就结束。因此，存在下述问题：研磨后膜厚依赖于垫厚度等的研磨垫状态，相对于目标厚度有误差。
另外，如上所述，由于涡电流式膜厚传感器研磨台每旋转一次获取膜厚信号一次，因此，不能获得研磨台每旋转一次的研磨量以下的研磨精度。
专利文献1：日本专利特开2005-121616号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供一种研磨方法，可更高精度地将导电性膜研磨至目标厚度。
用于解决课题的手段
用于实现上述目的的本发明的第1技术方案是一种研磨方法，其特点是，使对研磨垫进行支承的研磨台旋转，一边将含有磨料的研磨液供给到所述研磨垫，一边将表面形成有导电性膜的基板按压到所述研磨垫上而对所述导电性膜进行研磨，在对所述导电性膜的研磨中，通过配置在所述研磨台的内部的涡电流式膜厚传感器获取膜厚信号，所述膜厚信号根据所述导电性膜的厚度而变化，在对所述导电性膜的研磨中，基于所述膜厚信号而确定所述研磨垫的厚度，确定与所述研磨垫的厚度对应的所述导电性膜的研磨速率，算出以所述研磨速率对所述导电性膜研磨了规定研磨时间时的预计研磨量，在所述导电性膜的目标厚度加上所述预计研磨量而算出临时的终点膜厚，当从所述导电性膜的厚度到达所述临时的终点膜厚的时刻经过了所述规定研磨时间时，结束对所述导电性膜的研磨。
本发明的第2技术方案是一种研磨方法，其特点是，使对研磨垫进行支承的研磨台旋转，一边将含有磨料的研磨液供给到所述研磨垫，一边将表面形成有导电性膜的基板按压到所述研磨垫上而对所述导电性膜进行研磨，在对所述导电性膜的研磨中，根据配置在所述研磨台的内部的涡电流式膜厚传感器的输出值获取所述导电性膜的膜厚，在对所述导电性膜的研磨中，算出所述研磨台每旋转一次的研磨量，根据所述导电性膜的当前厚度与目标厚度的差值，以及所述研磨量算出增加研磨时间，通过在获取所述当前厚度的当前研磨时间上加上所述增加研磨时间，从而算出目标研磨时间，当到达所述目标研磨时间时，结束对所述导电性膜的研磨。
发明的效果
采用第1技术方案，可基于与研磨垫的厚度对应的研磨速率对导电性膜的研磨终点进行检测，可正确地将导电性膜研磨至目标厚度。
采用第2方式，基于研磨台旋转一次的研磨量，而算出到达目标厚度的时刻即目标研磨时间。即，研磨终点取决于研磨时间，而不是导电性膜的厚度。因此，可获得研磨台旋转一次的研磨量以下的研磨精度。
附图说明
图1是模式表示用于实行本发明的研磨方法的一实施方式的研磨装置的立体图。
图2是表示用于说明涡电流式膜厚传感器的原理的电路的示图。
图3是表示随导电性膜的厚度变化所产生的、阻抗坐标面中的电阻成分(X)与感抗成分(Y)的圆轨迹的曲线图。
图4是使图3的曲线图形逆时针旋转90度、再使其平行移动后的曲线图。
图5是表示坐标X、Y的圆弧轨迹根据与所使用的研磨垫的厚度相当的距离而变化的情况的曲线图。
图6是表示随研磨时间而变化的角度θ的曲线图。
图7是表示到达临时的终点膜厚之后，对导电性膜研磨规定研磨时间而欲获得所需目标厚度时的膜厚变化的曲线图。
图8是表示研磨速率依赖于研磨垫的厚度而变化的状态的曲线图。
图9是对在研磨速率高的情况下，产生过研磨的例子进行说明的曲线图。
图10是角度θ为一定的情况下，垫厚度与根据涡电流式膜厚传感器的输出值X、Y算出的阻抗Z之间关系的曲线图。
图11是表示使临时的终点膜厚变更的状态的曲线图。
符号说明
5 处理部
10 研磨垫
10a 研磨面
16 顶环旋转轴
19 台用电动机
30 研磨台
30a 台轴
31 顶环
60 涡电流式膜厚传感器
61 线圈
W 基板(晶片)
G 涡电流式膜厚传感器的线圈与基板之间的距离
θ 仰角
具体实施方式
下面，参照说明书附图来对本发明的研磨方法进行说明。
图1是模式表示用于实行本发明的研磨方法的一实施方式的研磨装置的立体图。如图1所示，研磨台30通过台轴30a而与配置在其下方的台用电动机19连接，研磨台30通过该台用电动机19而向箭头所示的方向旋转。在该研磨台30的上表面贴附有研磨垫10，研磨垫10的上表面构成对晶片等基板W进行研磨的研磨面10a。顶环31与顶环旋转轴16的下端连接。顶环31构成为，其下表面可通过真空吸附而对基板W进行保持。顶环旋转轴16通过未图示的上下移动机构而进行上下移动。
在研磨台30的内部配置有获取膜厚信号的涡电流式膜厚传感器60，该膜厚信号随形成在基板W的表面上的导电性膜的厚度而变化。该涡电流式膜厚传感器60如记号A所示那样与研磨台30一体旋转，并获取被顶环31保持的基板W的导电性膜的厚度信号。涡电流式膜厚传感器60与处理部5连接，涡电流式膜厚传感器60获取的这些膜厚信号被送到处理部5。处理部5根据膜厚信号生成直接或间接表示基板W的导电性膜的厚度的膜厚指标值。
基板W的研磨如下那样进行。使顶环31及研磨台30分别向箭头所示的方向旋转，从研磨液供给机构32将研磨液(浆料)供给到研磨垫10上。在该状态下，下表面保持有基板W的顶环31通过顶环旋转轴16而下降并将基板W按压到研磨垫10的研磨面10a上。基板W的表面通过研磨液所含的磨料的机械作用和研磨液的化学作用而被研磨。
接着，对由上述的涡电流式膜厚传感器60对导电性膜的厚度检测进行说明。涡电流式膜厚传感器60构成为，其线圈流过高频的交流电而使形成在基板W的表面上的导电性膜感应涡电流，并根据该涡电流的磁场所引起的阻抗的变化检测导电性膜的厚度。图2是表示用于说明涡电流式膜厚传感器60的原理的电路的示图。当高频的交流电I1从交流电源S(电压E[V])流向涡电流式膜厚传感器60的线圈61时，感应在线圈61上磁力线就会在基板的导电性膜中通过。由此，传感器侧电路与导电性膜侧电路之间相互产生电磁感应，涡电流I2在导电性膜流过。该涡电流I2产生磁力线，使传感器侧电路的阻抗变化。涡电流式膜厚传感器60根据该传感器侧电路的阻抗变化检测出导电性膜的厚度。
对于图2所示的传感器侧电路和导电性膜侧电路，下式分别成立。
R1I1+L1dI1/dt+MdI2/dt＝E (1)
R2I2+L2dI2/dt+MdI1/dt＝0 (2)
这里，M是互感系数，R1是包含涡电流式膜厚传感器60的线圈61的传感器侧电路的等效电阻，L1是包含线圈61的传感器侧电路的自感系数。R2是感应涡电流的导电性膜的等效电阻，L2是流过涡电流的导电性膜的自感系数。
这里，当设成In＝Anejωt(正弦波)，则上述式(1)、(2)表示如下。
(R1+jωL1)I1+jωMI2＝E (3)
(R2+jωL2)I2+jωMI1＝0 (4)
根据这些式(3)、(4)可以导出如下式(5)
I1＝E(R2+jωL2)/{(R1+jωL1)(R2+jωL2)+ω2M2}
＝E/{(R1+jωL1)+ω2M2/(R2+jωL2)} (5)
因此，传感器侧电路的阻抗Φ可用下式(6)表示
Φ＝E/I1＝{(R1+ω2M2R2/(R2 2+ω2L2 2)}+jω{L1-ω2L2M2/(R2 2+ω2L2 2)} (6)
这里，分别将Φ的实部(电阻成分)、虚部(感抗成分)设成X、Y，则上述式(6)为如下：
Φ＝X+jωY (7)
涡电流式膜厚传感器60输出，包含该涡电流式膜厚传感器60的线圈61在内的电路的阻抗的电阻成分X及感抗成分Y。这些电阻成分X及感抗成分Y是反映了膜厚的膜厚信号，随基板上的导电性膜的厚度而变化。
图3是表示将与导电性膜的厚度一起变化的X、Y描绘在XY坐标系上而画出的曲线图的示图。点T∞的坐标，是当膜厚为无限大时即R2为0时的X、Y，点T0的坐标，是若基板的导电率可忽视则膜厚为0时即R2为无限大时的X、Y。由X、Y值定位的点Tn，随着导电性膜的厚度减小，而一边画出圆弧状的轨迹一边向点T0前进。另外，图3所示的记号k是结合系数，其满足下面的关系式(8)。
M＝k(L1L2)1/2 (8)
图4是表示使图3的曲线图逆时针旋转90度、再使其平行移动后的曲线图的示图。如图4所示，随着膜厚减小，由X、Y值定位的点Tn一边描绘圆弧状的轨迹一边向点T0前进。
涡电流式膜厚传感器60的线圈61与基板W之间的距离G，对应于夹装在它们之间的研磨垫10的厚度而变化。其结果如图5所示，坐标X、Y的圆弧轨迹对应于与所使用的研磨垫10的厚度相当的距离G(G1～G3)而变化。从图5可知，无论线圈61与基板W之间的距离G如何，当将每个膜厚的坐标X、Y用直线(下面称为预测量直线)连接起来，都可取得与该预测量直线所交叉的交点(基准点)P。该预测量直线rn(n：1,2,3，……)相对于规定的基准线(图5中的水平线)H，以与导电性膜的厚度对应的角度θ倾斜。因此，该角度θ可称为表示基板W中的导电性膜的厚度膜厚指标值。当导电性膜的厚度是相同时，即使研磨垫10的厚度不同，角度θ也都相同。
处理部5通过参照表示角度θ与膜厚之间关系的相关数据，从而根据研磨过程中获得的角度θ来确定膜厚。该相关数据是通过研磨与研磨对象的基板相同种类的基板，并测量与各角度θ对应的膜厚而预先获得的。图6是表示随研磨时间而变化的角度θ的曲线图。纵轴表示角度θ，横轴表示研磨时间。如该曲线图所示，角度θ与研磨时间一起增加，在某时刻变为一定。因此，处理部5可在研磨过程中计算角度θ，并根据该角度θ获取当前的导电性膜的厚度。
研磨装置采用这种涡电流式膜厚传感器60一边获取基板W的导电性膜的厚度，一边对基板W的导电性膜进行研磨。但是，实际上在到达所需的目标厚度的时刻难以立即结束研磨程序。其原因是：在对膜厚进行检测时会产生检测延迟时间；以及要使导电性膜的研磨实际上停止，要花费一定程度的时间。因此，在实际的研磨程序中，如图7所示，预先设定在实际上欲停止研磨的目标厚度加上补偿值的临时的终点膜厚，从到达该临时的终点膜厚的时刻，通过研磨规定研磨时间Tb而实现所需的目标厚度。
这种设置补偿值的方法，只要导电性膜的研磨速率始终为一定就没有问题，但实际上，研磨速率根据研磨垫的厚度等的研磨垫状态而变化。因此，若研磨速率比通常高，则研磨至比目标厚度薄的膜厚，若研磨速率比通常低，则在比目标厚度厚的膜厚研磨就结束。图8表示研磨速率依赖于研磨垫10的厚度而变化的状态的曲线图。纵轴表示导电性膜的研磨速率，横轴表示研磨垫的厚度。图8表示具有：研磨速率随着垫厚度减小而上升的情况(类型1)、和随着垫厚度减小而减小的情况(类型2)。研磨速率随着垫厚度的减小是上升还是减小，不仅依赖于研磨垫自身的材质和性质，也依赖于所适用的研磨程序。
如此，研磨速率依赖于研磨垫10的厚度而变化。因此，当从到达临时的终点膜厚的时刻对导电性膜研磨了规定研磨时间Tb时，研磨后膜厚相对于所需的目标厚度会产生误差。图9表示研磨速率变高时产生过研磨的例子的曲线图。从图9可知，在研磨速率变高的情况下，当从到达预先设定的临时的终点膜厚的时刻研磨了规定研磨时间Tb时，就会产生过研磨。
因此，在本实施方式中，处理部5根据涡电流式膜厚传感器60所获取的膜厚信号而确定研磨垫10的厚度，并确定与该确定后的研磨垫10的厚度对应的研磨速率，算出以所确定的研磨速率研磨了规定研磨时间Tb时的预计研磨量，将该算出的预计研磨量作为补偿值而加在目标厚度上，由此设定临时的终点膜厚，并从到达该临时的终点膜厚的时刻经过了所述规定研磨时间Tb时，就使导电性膜的研磨结束。下面对这种研磨方法进行说明。
首先，如上所述，涡电流式膜厚传感器60输出反映了导电性膜的厚度的电阻成分X及感抗成分Y，处理部5根据该电阻成分X及感抗成分Y获取角度θ。该角度θ如图5所示，是将由坐标X、Y确定的XY坐标系上的点Tn和基准点P连接起来的线的、相对水平线H的角度。点Tn随着膜厚减小一边描绘半圆一边移动。随着该移动，角度θ也变化。该角度θ根据膜厚而变化，但不随垫厚度变化而变化。
在膜厚为一定的条件下(即，在角度θ为一定的条件下)，阻抗Z(＝X2+Y2)1/2)与垫厚度成反比例地变化。具体来说，阻抗Z即从原点0至点Tn(参照图5)的距离随着垫厚度减小而增加。图10表示作为在角度θ为一定条件下取得的、表示垫厚度与阻抗Z之间的关系的垫厚度数据的曲线图。图10的纵轴表示垫厚度，横轴表示阻抗Z(＝X2+Y2)1/2)。若预先准备与至少一个角度θ相关的这种垫厚度数据，则在获得角度θ、传感器输出值X、Y的阶段，可确定垫厚度。图10所示的垫厚度数据，是根据研磨垫的不同厚度、和由对应的传感器输出值算出的阻抗Z中预先取得的，并存放在处理部5内。
接着，处理部5确定与所确定的研磨垫10的厚度对应的研磨速率。预先准备图8所示的研磨垫10的厚度与研磨速率的关系式作为研磨速率数据，能够采用该关系式根据研磨垫10的厚度求出研磨速率。作为表示研磨垫10的厚度与研磨速率之间的关系的研磨速率数据，也可使用存放了垫厚度、和所对应的研磨速率的表格。研磨速率数据是在使用厚度不同的多个研磨垫对导电性膜进行研磨时，根据研磨速率的实测值预先取得，并存放在处理部5内的。
接着，处理部5用确定的研磨速率来算出在规定研磨时间Tb的期间被研磨的导电性膜的预计研磨量。该预计研磨量是通过对确定的研磨速率乘上研磨时间Tb而算出的。然后，处理部5通过将该算出的预计研磨量作为补偿值并加在规定的目标厚度上而设定临时的终点膜厚。图11表示在因图9所示的研磨速率变高而产生过研磨的情况下，通过提高临时的终点膜厚而可防止过研磨的例子。如此，处理部5如上所述那样地确定研磨垫10的厚度，并根据研磨垫10的厚度确定研磨速率，将规定研磨时间Tb乘上研磨速率而算出补偿值，通过将补偿值加在目标厚度上而设定临时的终点膜厚，当从到达该临时的终点膜厚的时刻经过了规定研磨时间Tb时，就使基板的研磨结束。
采用这种研磨方法，由于基于与研磨垫的厚度对应的研磨速率来设定临时的终点膜厚，因此，可根据实际的研磨速率对导电性膜的研磨终点进行检测，可更高精度地将导电性膜研磨至目标厚度。
下面对其它实施方式的研磨方法进行说明。在该方法中，首先，处理部5取得研磨台30的第n次旋转中的基板W的导电性膜的厚度FT(n)。膜厚的检测采用应用了先前陈述的角度θ的膜厚检测方式。处理部5对研磨开始后的研磨台30的旋转总数进行计数，此外，对导电性膜的研磨时间进行计数。进一步，处理部5获取研磨台30的第n+1次旋转中的基板W的导电性膜的厚度FT(n+1)。该第n+1次旋转是例如最新的旋转。根据该研磨台30的第n次旋转的导电性膜的厚度、与第n+1次旋转的导电性膜的厚度的差值，可算出研磨台30的旋转一次的研磨量。
具体来说，处理部5采用下式(9)来算出研磨台30的旋转一次的研磨量。
旋转一次的研磨量＝(FT(n)-FT(n+1)) (9)
若算出研磨台30的旋转一次的研磨量，则可根据导电性膜的当前厚度、规定的目标厚度以及研磨台30的旋转速度算出用于实现该目标厚度的目标研磨时间。具体来说，处理部5采用如下的式(10)来算出目标研磨时间。
目标研磨时间＝当前研磨时间+增加研磨时间
＝当前研磨时间+
(当前的厚度-目标厚度)/(旋转一次的研磨量×TS) (10)
这里，TS是研磨台30的旋转速度(min-1)，表示一分钟的转数。
当前研磨时间，是基板的研磨开始后、至获取了式(10)的导电性膜的当前膜厚的时刻的时间。该当前研磨时间如先前陈述那样，由处理部5来计数。或者也可根据研磨台30的旋转总数通过如下的式(11)来算出。
当前研磨时间＝(研磨台的旋转总数)×(60/TS) (11)
研磨台30的旋转总数，是导电性膜的研磨开始后至当前的研磨台30的旋转次数。
导电性膜的研磨是在到达上述目标研磨时间的时刻，即从获取了导电性膜的当前厚度的时刻经过了增加研磨时间时才结束。如此，研磨终点取决于研磨时间，而与导电性膜的厚度无关。因此，可获得研磨台旋转一次的研磨量以下的研磨精度。在不用这种研磨方法的情况下，由于涡电流式膜厚传感器60研磨台每旋转一次获取一次膜厚信号，因此，难以获得研磨台30旋转一次所研磨的研磨量以下的研磨精度。采用上述的本实施方式，由于算出研磨至目标厚度所需要的目标研磨时间，因此，能以比旋转一次所研磨掉的研磨量还精细的精度对基板W的导电性膜进行研磨。
以上对的本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，在权利要求书及说明书和附图所记载的技术思想的范围内，可进行各种变更。
Claims (4)
1.一种研磨方法，其特征在于，
使对研磨垫进行支承的研磨台旋转，
一边将含有磨料的研磨液供给到所述研磨垫，一边将表面形成有导电性膜的基板按压到所述研磨垫上而对所述导电性膜进行研磨，
在对所述导电性膜的研磨中，通过配置在所述研磨台的内部的涡电流式膜厚传感器获取膜厚信号，所述膜厚信号根据所述导电性膜的厚度而变化，
在对所述导电性膜的研磨中，基于所述膜厚信号而确定所述研磨垫的厚度，
确定与所述研磨垫的厚度对应的所述导电性膜的研磨速率，
算出以所述研磨速率对所述导电性膜研磨了规定研磨时间时的预计研磨量，
在所述导电性膜的目标厚度加上所述预计研磨量而算出临时的终点膜厚，
当从所述导电性膜的厚度到达所述临时的终点膜厚的时刻经过了所述规定研磨时间时，结束对所述导电性膜的研磨。
2.如权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，所述研磨速率根据研磨速率数据来确定，所述研磨速率数据表示所述研磨垫的厚度和所对应的研磨速率之间的关系。
3.如权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，所述膜厚信号，是所述涡电流式膜厚传感器的电路的电阻成分及感抗成分，
所述研磨垫的厚度是根据表示阻抗与所述研磨垫的厚度之间的关系的垫厚度数据而确定的，所述阻抗是根据所述电阻成分及所述感抗成分而算出的。
4.一种研磨方法，其特征在于，
使对研磨垫进行支承的研磨台旋转，
一边将含有磨料的研磨液供给到所述研磨垫，一边将表面形成有导电性膜的基板按压到所述研磨垫上而对所述导电性膜进行研磨，
在对所述导电性膜的研磨中，根据配置在所述研磨台的内部的涡电流式膜厚传感器的输出值获取所述导电性膜的膜厚，
在对所述导电性膜的研磨中，算出所述研磨台每旋转一次的研磨量，
根据所述导电性膜的当前厚度与目标厚度的差值，以及所述研磨量算出增加研磨时间，
通过在获取所述当前厚度的当前研磨时间上加上所述增加研磨时间，从而算出目标研磨时间，
当到达所述目标研磨时间时，结束对所述导电性膜的研磨。
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