CN109290940A - 研磨装置及研磨方法 - Google Patents

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Abstract

提供能够高精度地测定膜厚而不影响晶片的研磨率的研磨装置及研磨方法。研磨装置具备：研磨头(5)，用于将晶片(W)按压于研磨垫；投光光纤(34)，具有顶端(34a)，并且连接于光源(30)，所述顶端配置在研磨台(3)内的流路(7)内；分光仪(26)，根据波长分解来自晶片的反射光并对各波长的反射光的强度进行测定；受光光纤(50)，具有顶端(50a)，并且连接于分光仪，所述顶端配置在流路内；处理部(27)，确定晶片的膜厚；液体供给线路(62)，与流路连通；气体供给线路(63)，与流路连通；液体供给阀(65)，安装于液体供给线路；气体供给阀(67)，安装于气体供给线路；以及动作控制部(71)，控制液体供给阀及气体供给阀的动作。

Description

研磨装置及研磨方法
技术领域
本发明涉及一种对表面形成有膜的晶片进行研磨的研磨装置及研磨方法，特別是涉及一边通过分析来自晶片的反射光中包含的光学信息来检测晶片的膜厚，一边对晶片进行研磨的研磨装置和研磨方法。
背景技术
在半导体元件的制造过程中，包含研磨SiO2等的绝缘膜的工序和研磨铜、钨等的金属膜的工序等的各种工序。在背照式CMOS传感器及硅穿孔电极(TSV)的制造工序中，除了绝缘膜和金属膜的研磨工序外，还包括研磨硅层(硅晶片)的工序。在构成晶片的表面的膜(绝缘膜、金属膜、硅层等)的厚度达到规定的目标值时，晶片的研磨结束。
晶片的研磨使用研磨装置进行。为了测定绝缘膜、硅层等的非金属膜的膜厚，研磨装置通常具备光学式膜厚测定装置。该光学式膜厚测定装置构成为，将光从由光纤的顶端构成的光传感器引导至晶片表面，并且用光传感器接收来自晶片的反射光，然后通过分析反射光的光谱从而检测晶片的膜厚。为了防止浆液附着于光传感器，在晶片研磨过程中将光传感器放置于纯水的流动中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-302577号公报
专利文献2：日本特开2017-5014号公报
但是，在晶片的研磨过程中，用纯水稀释浆液，会局部降低晶片的研磨率。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种能够高精度地测定膜厚而不影响晶片的研磨率的研磨装置及研磨方法。
为了达成上述目的，本发明一种方式的研磨装置的特征在于：具备：研磨台，该研磨台用于支承研磨垫；研磨头，该研磨头用于将晶片按压于所述研磨垫；光源，该光源发出光；投光光纤，该投光光纤具有顶端，并且连接于所述光源，所述顶端配置在所述研磨台内的流路内；分光仪，该分光仪根据波长分解来自晶片的反射光并对各波长的反射光的强度进行测定；受光光纤，该受光光纤具有顶端，并且连接于所述分光仪，所述顶端配置在所述流路内；处理部，该处理部基于分光波形确定晶片的膜厚，所述分光波形表示所述反射光的强度和波长之间的关系；液体供给线路，该液体供给线路与所述流路连通；气体供给线路，该气体供给线路与所述流路连通；液体供给阀，该液体供给阀安装于所述液体供给线路；气体供给阀，该气体供给阀安装于所述气体供给线路；以及动作控制部，该动作控制部对所述液体供给阀及所述气体供给阀的动作进行控制。
本发明较佳方式的特征在于：进一步具备：超声波振子，该超声波振子配置在所述流路内。
本发明一种方式的研磨方法的特征在于：使支承研磨垫的研磨台旋转，一边向所述研磨垫上供给浆液，一边将晶片按压于所述研磨垫并对该晶片进行研磨，在所述晶片的研磨过程中，将光从投光光纤引导至所述晶片，并且用受光光纤接收来自所述晶片的反射光，所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于所述研磨台内的流路内，基于表示所述反射光的强度和波长之间的关系的分光波形确定晶片的膜厚，在所述晶片的研磨过程中，使液体及气体交替地与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触。
本发明较佳方式的特征在于：在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于晶片的下方时，使所述气体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触，在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端不位于晶片的下方时，使所述液体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触。
本发明较佳方式的特征在于：在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端不位于晶片的下方时，使所述气体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触，在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于晶片的下方时，使所述液体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触。
本发明较佳方式的特征在于：在所述流路被液体充满时，使配置在所述流路内的超声波振子振动。
本发明一种方式的研磨方法的特征在于：使支承研磨垫的研磨台旋转，一边向所述研磨垫上供给浆液，一边将晶片按压于所述研磨垫并对该晶片进行研磨，在所述晶片的研磨过程中，将光从投光光纤引导至所述晶片，并且用受光光纤接收来自所述晶片的反射光，所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端在所述研磨台内的流路内，基于表示所述反射光的强度和波长之间的关系的分光波形确定晶片的膜厚，在所述晶片的研磨过程中，使具有比水高的折射率的液体与所述受光光纤的顶端接触。
根据本发明，能够在晶片的研磨过程中在气体和液体之间进行切换。由于气体不稀释浆液，所以研磨装置能够高精度地测定膜厚而不降低晶片的研磨率。
附图说明
图1是表示本发明的一种实施方式的研磨装置的图。
图2是表示研磨垫及研磨台的俯视图。
图3是表示研磨装置的其他的实施方式的图。
图4是表示研磨装置的其他的实施方式的图。
图5是表示在研磨垫的通孔嵌入有透明窗的一种实施方式的图。
图6是用于说明光学式膜厚测定器的原理的示意图。
图7是表示分光波形的一个例子的曲线图。
图8是表示对图7所示的分光波形进行傅里叶变换处理而得到的频谱的曲线图。
符号说明
1 研磨垫
3 研磨台
5 研磨头
7 流路
10 浆液供给喷嘴
12 研磨控制部
16 研磨头轴杆
19 台马达
25 光学式膜厚测定器(膜厚测定装置)
26 分光仪
27 处理部
30 光源
34 投光光纤
50 受光光纤
56 联轴
61 光传感器
62 液体供给线路
63 气体供给线路
65 液体供给阀
67 气体供给阀
71 动作控制部
73 流体排出线路
80 超声波振子
85 液体供给线路
88 透明窗
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的一种实施方式的研磨装置的图。如图1所示，研磨装置具备：支承研磨垫1的研磨台3；保持晶片W并将晶片W按压于研磨台3上的研磨垫1的研磨头5；用于向研磨垫1供给浆液的浆液供给喷嘴10；以及控制晶片W的研磨的研磨控制部12。
研磨台3经由台轴3a连结有配置在其下方的台马达19，通过该台马达19使研磨台3沿箭头所示方向旋转。在该研磨台3的上表面贴合有研磨垫1，研磨垫1的上表面构成研磨晶片W的研磨面1a。研磨头5连结有研磨头轴杆16的下端。研磨头5构成为能够通过真空吸引在其下表面保持晶片W。研磨头轴杆16能够通过未图示的上下运动机构上下运动。
晶片W的研磨以如下方式进行。使研磨头5及研磨台3分别沿箭头所示的方向旋转，从浆液供给喷嘴10向研磨垫1上供给浆液。在该状态下，研磨头5将晶片W按压于研磨垫1的研磨面1a。晶片W的表面通过浆液的化学性作用和浆液中包含的研磨粒的机械性作用被研磨。
研磨装置具备测定晶片W的膜厚的光学式膜厚测定器(膜厚测定装置)25。该光学式膜厚测定器25具备：发出光的光源30；具有配置在研磨台3内的规定位置的顶端34a的投光光纤34；具有配置在研磨台3内的所述规定位置的顶端50a的受光光纤50；根据波长分解来自晶片W的反射光并对各波长的反射光的强度进行测定的分光仪26；以及生成表示反射光的强度和波长之间的关系的分光波形，基于分光波形确定晶片的膜厚的处理部27。分光仪26电连接于处理部27，处理部27电连接于研磨控制部12。
投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a配置在形成于研磨台3内的流路7内。投光光纤34的顶端34a和受光光纤50的顶端50a彼此邻接，这些顶端34a、50a构成光传感器61。研磨垫1具有位于光传感器61上方的通孔1b，光传感器61通过通孔1b能够将光引导至研磨垫1上的晶片W，并且接收来自晶片W的反射光。
在一种实施方式中，投光光纤34可以具有配置在研磨台3内的不同位置的多个顶端，同样地受光光纤50也可以分别具有配置在研磨台3内的所述不同位置的多个顶端。在这种情况下，投光光纤34的顶端34a和受光光纤50的顶端彼此邻接配置，投光光纤34的顶端和受光光纤50的顶端构成将光引导至研磨垫1上的晶片W，并且接收来自晶片W的反射光的多个光传感器。
图2是表示研磨垫1及研磨台3的俯视图。每当研磨台3旋转一周，光传感器61就横穿晶片W。在本实施方式中，从研磨台3的中心到光传感器61的距离与从研磨台3的中心到研磨头5的中心的距离相等。因此，每当研磨台3旋转一周，光传感器61就横穿晶片W的中心，同时将光引导至晶片W，并且接收来自晶片W的反射光。
返回图1，膜厚测量器25进一步具备：与流路7连通的液体供给线路62；与流路7连通的气体供给线路63；安装于液体供给线路62的液体供给阀65；以及安装于气体供给线路63的气体供给阀67。液体供给线路62连接有作为设置研磨装置的车间所具备的实用供给源的液体供给源(未图示)，气体供给线路63连接有作为上述车间所具备的实用供给源的洁净空气供给源或氮气供给源等的气体供给源(未图示)。在一种实施方式中，液体供给线路62是用于供给纯水的纯水供给线路。
液体供给阀65及气体供给阀67是电磁阀、电动阀、或气控式阀等的致动器驱动型阀。液体供给阀65及气体供给阀67的动作由动作控制部71控制。当动作控制部71向液体供给阀65发出指令而打开该液体供给阀65时，液体(例如纯水)通过液体供给线路62流入流路7，与位于流路7内的投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触。同样地，当动作控制部71向气体供给阀67发出指令而打开该气体供给阀67时，气体(洁净空气或氮气)通过气体供给线路63流入流路7，与位于流路7内的投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触。动作控制部71和处理部27可以构成为一体。
膜厚测定器25进一步具有与流路7连接的流体排出线路73。供给到流路7的液体及气体与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触后，通过流体排出线路73从流路7排出。液体供给线路62、气体供给线路63及流体排出线路73通过联轴56延伸。
在晶片W的研磨中，动作控制部71对液体供给阀65及气体供给阀67进行操作，向流路7交替地供给液体和气体。更具体地，在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a来到晶片W的下方位置之前，动作控制部71打开气体供给阀67，并且关闭液体供给阀65。当投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a位于晶片W的下方时，气体供给阀67维持打开状态，并且液体供给阀65维持关闭状态。气体通过气体供给线路63向流路7供给，与投光光纤34的顶端34a、受光光纤50的顶端50a及晶片W的表面接触。气体充满流路7，然后通过流体排出线路73从流路7排出。
流路7内的气体的流动防止浆液与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触。由于气体不稀释浆液，所以膜厚测定器25能够高精度地测定膜厚而不降低晶片W的研磨率。
在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a通过晶片W后，动作控制部71关闭气体供给阀67，并且打开液体供给阀65。液体通过液体供给线路62向流路7供给，并且与投光光纤34的顶端34a和受光光纤50的顶端50a接触。液体充满流路7，然后通过流体排出线路73从流路7排出。液体对侵入流路7内的浆液进行冲洗，且防止研磨垫1上的浆液干燥。流路7内由于液体的流动而维持洁净。进一步，在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a来到晶片W的下方位置之前，动作控制部71打开气体供给阀67，并且关闭液体供给阀65。
根据本实施方式，在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a位于晶片W的下方时，气体与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触，在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a不位于晶片W的下方时，液体与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触。这样一来，在晶片W的研磨过程中，液体及气体交替地与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触，光的传输和流路7的内部清洗交替进行。
在一种实施方式中，在晶片W的研磨过程中，动作控制部71可以对液体供给阀65及气体供给阀67进行操作，以使在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a不位于晶片W的下方时，气体与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触，在投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a位于晶片的下方时，液体与投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a接触。
图3是表示研磨装置的其他的实施方式的图。没有进行特别说明的本实施方式的结构由于与图1所示的实施方式相同，所以省略其重复的说明。在本实施方式中，流路7内配置有超声波振子80。超声波振子80电连接于动作控制部71，并且超声波振子80的动作由动作控制部71控制。
在流路7被液体充满时，液体与超声波振子80接触。此时，当动作控制单元71向超声波振子80发出指令而使超声波振子80振动时，超声波传播流路7内的液体来清洗投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a。进一步，超声波还清洗形成流路7的壁表面。根据本实施方式，由于包含投光光纤34的顶端34a及受光光纤50的顶端50a的流路7内维持洁净，所以能够确保准确的膜厚测定。
图4是表示研磨装置的其他的实施方式的图。没有进行特别说明的本实施方式的结构由于与图1所示的实施方式相同，所以省略其重复的说明。在本实施方式中，膜厚测定器25具备向流路7供给具有比水高的折射率的液体的液体供给线路85，来代替液体供给线路62。没有设置气体供给线路63。在晶片W的研磨过程中，液体通过液体供给线路85流入流路7，充满流路7，并且通过流体排出线路73从流路7排出。
具有比水高的折射率的液体具有接近受光光纤50的纤芯的折射率。在这样的液体与受光光纤50的顶端50a接触时，来自晶片W的反射光在受光光纤50内传输而其光量不会减少。其结果是，分光仪26能够准确地测定反射光的强度，并且处理部27能够确定晶片W的准确的膜厚。
具有比水高的折射率的液体作为折射液或接触液能够从株式会社岛津制作所、株式会社MORITEX、Ocean Optics(美国)等获取。根据液体的种类，也存在不宜使液体与晶片W接触的情况。因此，在一种实施方式中，可以在研磨垫1的通孔1b嵌入透明窗。图5是表示在研磨垫1的通孔1b嵌入有透明窗88的一种实施方式的图。没有进行特别说明的本实施方式的结构由于与图1所示的实施方式相同，所以省略其重复的说明。
流路7位于透明窗88的下方。透明窗88由允许光的透过的材料构成。在流路7被从液体供给线路85供给的液体充满时，光从投光光纤34的顶端34a通过液体及透明窗88到达晶片W的表面，来自晶片W的反射光通过透明窗88及液体到达受光光纤50的顶端50a。透明窗88防止浆液向流路7内侵入，同时防止流路7内的液体与晶片W接触。
图3所示的超声波振子80也可以应用于图4所示的实施方式。
在图1～图4所示的实施方式中，在晶片W的研磨过程中，光从投光光纤34照射到晶片W，来自晶片W的反射光被受光光纤50接收。反射光传输到分光仪26。分光仪26根据波长分解反射光并在规定的波长范围内对各波长的反射光的强度进行测定，将得到的光强度数据发送到处理部27。该光强度数据是反映晶片W的膜厚的光学信号，由反射光的强度和对应的波长构成。处理部27根据光强度数据生成代表各波长的光的强度的分光波形。
图6是用于说明光学式膜厚测定器25的原理的示意图。在图6所示的例子中，晶片W具有下层膜及形成于其上方的上层膜。上层膜是例如硅层或绝缘膜等的允许光的透过的膜。照射在晶片W上的光在介质(图6的例子中的水)与上层膜之间的界面以及在上层膜与下层膜之间的界面反射，在这些界面上反射的光的波彼此干扰。这些光的波的干扰的方式根据上层膜的厚度(即光路长度)发生变化。因此，从来自晶片W的反射光中生成的分光波形根据上层膜的厚度发生变化。
分光仪26根据波长分解反射光并按照各波长对反射光的强度进行测定。处理部27根据从分光仪26得到的反射光的强度数据(光学信号)生成分光波形。该分光波形表示为表示光的波长和强度之间的关系的线曲线图。光的强度也能够表示为后述的相对反射率等的相对值。
图7是表示分光波形的一个例子的曲线图。在图7中，纵轴代表表示来自晶片W的反射光的强度的相对反射率，横轴代表反射光的波长。相对反射率是表示反射光的强度的指标值，是光的强度和规定的基准强度的比。在各波长中，通过将光的强度(实测强度)除以规定的基准强度，从而从实测强度中除去装置的光学系统和光源固有的强度的不均匀等的不需要的噪声。
基准强度是对各波长预先测定的光的强度，相对反射率在各波长中算出。具体而言，将各波长的光的强度(实测强度)除以对应的基准强度从而求得相对反射率。基准强度例如通过对从光传感器61发出的光的强度进行直接测定而求得，或者通过将光从光传感器61照射到镜子上，并对来自镜子的反射光的强度进行测定而求得。或者，基准强度也可以是，当在有水存在的基础上在研磨垫1上对未形成有膜的硅晶片(裸晶片)进行水研磨时，或者在上述硅晶片(裸晶片)被放置在研磨垫1上时，分光仪26所测定的来自硅晶片的反射光的强度。在实际的研磨中，从实测强度中减去暗电平(在阻断光的条件下得到的背景强度)而求得修正实测强度，进一步从基准强度中减去上述暗电平而求得修正基准强度，而且，将修正实测强度除以修正基准强度，从而求得相对反射率。具体而言，能够使用下面的算式(1)来求得相对反射率R(λ)。
【算式1】
在此，λ是波长，E(λ)是从晶片反射的光的波长λ的强度，B(λ)是波长λ的基准强度，D(λ)是在阻断光的条件下所测定的波长λ的背景强度(暗电平)。
处理部27对分光波形进行傅立叶变换处理(例如高速傅立叶变换处理)而生成频谱，并且根据频谱确定晶片W的膜厚。图8是表示对图7所示的分光波形进行傅里叶变换处理而得到的频谱的曲线图。在图8中，纵轴代表分光波形中包含的频率成分的强度，横轴代表膜厚。频率成分的强度相当于表示为正弦波的频率成分的振幅。分光波形中包含的频率成分使用规定的关系式转换为膜厚，并且生成表示如图8所示那样的膜厚与频率成分的强度之间的关系的频谱。上述规定的关系式是以频率成分为变量的表示膜厚的线性函数，能够从膜厚的实测结果或光学性膜厚测定模拟实验等求得。
在图8所示的曲线图中，频率成分的强度的峰值出现在膜厚t1。换言之，在膜厚t1，频率成分的强度为最大。也就是说，该频谱表示膜厚是t1。这样一来，处理部27确定与频率成分的强度的峰值对应的膜厚。
处理部27将膜厚t1作为膜厚测定值向研磨控制部12输出。研磨控制部12基于从处理部27送来的膜厚t1控制研磨动作(例如研磨结束动作)。例如，在膜厚t1达到预先设定的目标值时，研磨控制部12结束晶片W的研磨。
可以将表示膜厚测定器25所检测出的晶片W的膜厚的信号发送到上位的主计算机(连接多个半导体制造装置，并且进行管理的计算机)，并且用主计算机存储。而且，也可以根据从研磨装置发送的表示晶片W的膜厚的信号，在检测出晶片W的研磨终点时，用主计算机将表示该研磨终点的信号发送到该研磨装置的研磨控制部12。
上述实施方式是以具有本发明所属技术领域中常规知识的人员可实施本发明为目的而记载的。本领域技术人员当然可完成上述实施方式的各种变形例，本发明的技术思想也可应用于其他实施方式。因此，本发明不限定于所记载的实施方式，而应解释成按照通过要求保护的范围所定义的技术性思想的最广范围。

Claims (7)

1.一种研磨装置，其特征在于，具备：
研磨台，该研磨台用于支承研磨垫；
研磨头，该研磨头用于将晶片按压于所述研磨垫；
光源，该光源发出光；
投光光纤，该投光光纤具有顶端，并且连接于所述光源，所述顶端配置在所述研磨台内的流路内；
分光仪，该分光仪根据波长分解来自晶片的反射光，并对各波长的反射光的强度进行测定；
受光光纤，该受光光纤具有顶端，并且连接于所述分光仪，所述顶端配置在所述流路内；
处理部，该处理部基于分光波形确定晶片的膜厚，所述分光波形表示所述反射光的强度和波长之间的关系；
液体供给线路，该液体供给线路与所述流路连通；
气体供给线路，该气体供给线路与所述流路连通；
液体供给阀，该液体供给阀安装于所述液体供给线路；
气体供给阀，该气体供给阀安装于所述气体供给线路；以及
动作控制部，该动作控制部对所述液体供给阀及所述气体供给阀的动作进行控制。
2.如权利要求1所述的研磨装置，其特征在于，进一步具备：
超声波振子，该超声波振子配置在所述流路内。
3.一种研磨方法，其特征在于，
使支承研磨垫的研磨台旋转，
一边向所述研磨垫上供给浆液，一边将晶片按压于所述研磨垫而对该晶片进行研磨，
在所述晶片的研磨过程中，将光从投光光纤引导至所述晶片，并且用受光光纤接收来自所述晶片的反射光，所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于所述研磨台内的流路内，
基于表示所述反射光的强度和波长之间的关系的分光波形来确定晶片的膜厚，
在所述晶片的研磨过程中，使液体及气体交替地与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触。
4.如权利要求3所述的研磨方法，其特征在于，
在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于晶片的下方时，使所述气体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触，
在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端不位于晶片的下方时，使所述液体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触。
5.如权利要求3所述的研磨方法，其特征在于，
在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端不位于晶片的下方时，使所述气体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触，
在所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于晶片的下方时，使所述液体与所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端接触。
6.如权利要求3至5中任一项所述的研磨方法，其特征在于，在所述流路被液体充满时，使配置在所述流路内的超声波振子振动。
7.一种研磨方法，其特征在于：
使支承研磨垫的研磨台旋转，
一边向所述研磨垫上供给浆液，一边将晶片按压于所述研磨垫而对该晶片进行研磨，
在所述晶片的研磨过程中，将光从投光光纤引导至所述晶片，并且用受光光纤接收来自所述晶片的反射光，所述投光光纤的顶端及所述受光光纤的顶端位于所述研磨台内的流路内，
基于表示所述反射光的强度和波长之间的关系的分光波形来确定晶片的膜厚，
在所述晶片的研磨过程中，使具有比水高的折射率的液体与所述受光光纤的顶端接触。
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