CN111644975B - 研磨方法及研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加强氙气闪光灯等闪光光源的光的强度，从而正确地测定晶片等基板的膜厚的研磨方法。该研磨方法为，在光学传感器头(7)横跨基板(W)地移动的期间，使闪光光源(44)在光检测器(48)的曝光时间E1内多次发光，使光通过光学传感器头(7)而引导至基板(W)，且使来自基板(W)的反射光通过光学传感器头(7)而导入至光检测器(48)，而且使闪光光源(44)在光检测器(48)的曝光时间E2内多次发光，使光通过光学传感器头(7)而引导至基板(W)，且使来自基板(W)的反射光通过光学传感器头(7)而导入至光检测器(48)，生成反射光的光谱，根据光谱来检测基板(W)的表面状态。

Description

研磨方法及研磨装置
技术领域
本发明涉及研磨晶片等基板的研磨方法及研磨装置，特别涉及一边用光学式表面监视系统测定基板的膜厚，一边研磨基板的研磨方法及研磨装置。
背景技术
半导体器件的制造过程包括研磨SiO2等绝缘膜的工序、或研磨铜、钨等金属膜的工序等的各种的工序。使用研磨装置进行晶片的研磨。一般来说，研磨装置具备：研磨工作台，其支承研磨垫；研磨头，其将晶片按压于研磨垫；以及浆液供给喷嘴，其将浆液供给至研磨垫上。一边使研磨工作台旋转，一边向研磨工作台上的研磨垫供给浆液，研磨头将晶片按压于研磨垫。晶片在浆液存在的情况下与研磨垫滑动接触。利用浆液的化学性作用和浆液中包含的研磨粒的机械作用的组合使晶片的表面更平坦化。
晶片的研磨在构成其表面的膜(绝缘膜、金属膜以及硅层等)的厚度达到规定的目标值后结束。为了测定绝缘膜或硅层等非金属膜的厚度，一般来说，研磨装置具备光学式表面监视系统。该光学式表面监视系统构成为，将从光源发出的光引导至晶片的表面，用分光器测定来自晶片的反射光的强度，并解析反射光的光谱，由此来检测晶片的表面状态(例如，测定晶片的膜厚、或对构成晶片的表面的膜的去除进行检测)(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2009-233853号公报
最近，存在使用氙气闪光灯作为光源的趋势。该氙气闪光灯是具有数微秒量级的点亮时间的脉冲点亮光源。图5是表示氙气闪光灯的光的强度与波长的关系的光谱的图。氙气闪光灯能够发出约200nm～1100nm的多波长的光。
然而，如图5所示，在200nm～250nm的波长范围内的光的强度较低。因此，光学式表面监视系统难以有效地进行利用短波长的光的膜厚的测定。
发明内容
因此，本发明提供一种能够加强氙气闪光灯等闪光光源的光的强度，从而正确地测定晶片等基板的膜厚的研磨方法及研磨装置。
在一个形态中，提供一种研磨方法，该研磨方法用于研磨基板，其中，使研磨工作台同与光检测器及闪光光源光学地耦合的光学传感器头一起旋转，一边使上述光学传感器头横跨基板地移动，一边将上述基板按压于上述研磨工作台上的研磨垫来研磨上述基板，在上述光学传感器头横跨上述基板地移动的期间，使上述闪光光源在上述光检测器的第一曝光时间内多次发光，使光通过上述光学传感器头而引导至上述基板，且使来自上述基板的反射光通过上述光学传感器头而导入至上述光检测器，而且使上述闪光光源在上述光检测器的第二曝光时间内多次发光，使光通过上述光学传感器头而引导至上述基板，且使来自上述基板的反射光通过上述光学传感器头而导入至述光检测器，生成上述反射光的光谱，根据上述光谱来检测上述基板的表面状态。
在一个形态中，在上述第一曝光时间内上述闪光光源发光的次数与在上述第二曝光时间内上述闪光光源发光的次数相同。
在一个形态中，上述第二曝光时间比上述第一曝光时间长。
在一个形态中，上述第一曝光时间为上述光学传感器头横跨上述基板的边缘部地移动时的曝光时间。
在一个形态中，上述第二曝光时间为上述光学传感器头横跨上述基板的中心部地移动时的曝光时间。
在一个形态中，提供一种研磨装置，该研磨装置用于研磨基板，其中，上述研磨装置具备：研磨工作台，其用于支承研磨垫；工作台马达，其使上述研磨工作台旋转；光学传感器头，其设置于上述研磨工作台内；闪光光源及光检测器，该闪光光源及光检测器与上述光学传感器头光学地耦合；研磨头，其用于将基板按压于上述研磨垫来研磨该基板；以及动作控制部，其控制上述闪光光源及上述光检测器的动作，上述动作控制部构成为，在上述光学传感器头横跨上述基板地移动的期间，对上述闪光光源发出指令，使上述闪光光源在上述光检测器的第一曝光时间内多次发光，且对上述光检测器发出指令使来自上述基板的反射光通过上述光学传感器头而导入至上述光检测器，而且对上述闪光光源发出指令，使上述闪光光源在上述光检测器的第二曝光时间内多次发光，且对上述光检测器发出指令，使来自上述基板的反射光通过上述光学传感器头而导入至上述光检测器，生成上述反射光的光谱，根据上述光谱来检测上述基板的表面状态。
在一个形态中，在上述第一曝光时间内上述闪光光源发光的次数与在上述第二曝光时间内上述闪光光源发光的次数相同。
在一个形态中，上述第二曝光时间比上述第一曝光时间长。
在一个形态中，上述第一曝光时间为上述光学传感器头横跨上述基板的边缘部地移动时的曝光时间。
在一个形态中，上述第二曝光时间为上述光学传感器头横跨上述基板的中心部地移动时的曝光时间。
根据本发明，在光检测器的各曝光时间内闪光光源多次发光。因此，光检测器在一个曝光时间内多次导入来自基板的反射光。反射光的强度在光检测器内被叠加，在各曝光时间内的反射光的强度增加。根据本发明，在闪光光源的光的强度较低的波长范围内的反射光的强度被加强，其结果能够实现膜厚的正确的测定。
附图说明
图1是表示研磨装置的一个实施方式的示意图。
图2是表示图1所示的研磨装置的详细的构成的一个实施方式的剖视图。
图3是表示闪光光源的发光定时和光检测器的光检测定时的一个实施方式的图。
图4是表示闪光光源的发光定时和光检测器的光检测定时的其他实施方式的图。
图5是表示氙气闪光灯的光的强度与波长的关系的光谱的图。
附图标记说明
1...研磨头；2...研磨垫；3...研磨工作台；5...浆液供给喷嘴；6...工作台马达；7...光学传感器头；9...动作控制部；10...头轴；17...连结单元；18...研磨头马达；19...旋转接头；31...投光用光纤线缆；32...受光用光纤线缆；40...光学表面监视系统；44...闪光光源；47...分光器；48...光检测器；50A...第一孔；50B...第二孔；51...通孔；53...液体供给管线；54...排出管线；68...开闭阀。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。图1是表示研磨装置的一个实施方式的示意图。如图1所示，研磨装置具备：研磨工作台3，其支承研磨垫2；研磨头1，其把作为基板的一个例子的晶片W按压于研磨垫2；工作台马达6，其使研磨工作台3旋转；以及浆液供给喷嘴5，其用于向研磨垫2上供给浆液。
研磨头1与头轴10连结，研磨头1同头轴10一起沿箭头表示的方向旋转。研磨工作台3与工作台马达6连结，工作台马达6构成为使研磨工作台3及研磨垫2沿箭头表示的方向旋转。研磨装置具备检测研磨工作台3的旋转角度的旋转编码器11。旋转编码器11与工作台马达6连结。
如以下这样地研磨晶片W。一边使研磨工作台3及研磨头1沿图1的箭头表示的方向旋转，一边从浆液供给喷嘴5向研磨工作台3上的研磨垫2的研磨面2a供给浆液。一边通过研磨头1使晶片W旋转，一边在浆液存在于研磨垫2上的状态下将晶片W按压于研磨垫2的研磨面2a。利用浆液的化学性作用和浆液中所包含的研磨粒的机械作用来研磨晶片W的表面。
研磨装置具备检测晶片W的表面状态的光学表面监视系统40。光学表面监视系统40具备光学传感器头7、闪光光源44、分光器47以及动作控制部9。光学传感器头7、闪光光源44以及分光器47安装于研磨工作台3，并同研磨工作台3及研磨垫2一起一体地旋转。光学传感器头7的位置为研磨工作台3及研磨垫2每旋转一次横跨研磨垫2上的晶片W的表面的位置。
图2是表示图1所示的研磨装置的详细的构成的一个实施方式的剖视图。头轴10经由传动带等连结单元17与研磨头马达18连结从而进行旋转。通过该头轴10的旋转，使研磨头1沿箭头表示的方向旋转。
分光器47具备光检测器48。在一个实施方式中，光检测器48为CCD或CMOS等图像传感器。光学传感器头7与闪光光源44及光检测器48光学地耦合。光检测器48与动作控制部9电连接。
光学表面监视系统40还具备：投光用光纤线缆31，其将从闪光光源44发出的光引导至晶片W的表面；和受光用光纤线缆32，其接收来自晶片W的反射光，并将反射光发送至分光器47。投光用光纤线缆31的前端及受光用光纤线缆32的前端位于研磨工作台3内。
投光用光纤线缆31的前端及受光用光纤线缆32的前端构成光学传感器头7，该光学传感器头7将光引导至晶片W的表面，且接收来自晶片W的反射光。投光用光纤线缆31的另一端与闪光光源44连接，受光用光纤线缆32的另一端与分光器47连接。分光器47构成为根据波长分解来自晶片W的反射光，并遍及规定的波长范围来测定反射光的强度。
闪光光源44通过投光用光纤线缆31将光发送至光学传感器头7，光学传感器头7朝向晶片W放射光。来自晶片W的反射光被光学传感器头7接收，并通过受光用光纤线缆32被发送至分光器47。分光器47根据其波长分解反射光，并对在各波长下的反射光的强度进行测定。分光器47将反射光的强度的测定数据发送至动作控制部9。
动作控制部9根据反射光的强度的测定数据来生成反射光的光谱。该光谱表示反射光的强度与波长的关系，光谱的形状随着晶片W的膜厚而变化。动作控制部9根据反射光的光谱来决定晶片W的膜厚。在根据反射光的光谱决定晶片W的膜厚的方法中可使用公知的技术。例如，对反射光的光谱执行傅立叶变换，并根据所得到的频谱来决定膜厚。
在晶片W的研磨中，研磨工作台3每旋转一次，光学传感器头7一边横跨研磨垫2上的晶片W的表面，一边向晶片W上的多个测定点照射光，且接收来自晶片W的反射光。动作控制部9根据反射光的强度的测定数据决定晶片W的膜厚，并基于膜厚来控制晶片W的研磨动作。例如，动作控制部9决定晶片W的膜厚达到目标膜厚的时刻亦即研磨终点。
在一个实施方式中，动作控制部9也可以根据反射光的光谱的变化来对构成的晶片W的表面的膜被去除的状态进行检查。在该情况下，动作控制部9决定构成晶片W的表面的膜被除去的时刻亦即研磨终点。动作控制部9也可以不根据反射光的光谱决定晶片W的膜厚。
在研磨工作台3具有在其上表面开口的第一孔50A及第二孔50B。另外，在研磨垫2中在与上述孔50A、50B对应的位置形成有通孔51。孔50A、50B与通孔51连通，通孔51在研磨面2a开口。第一孔50A与液体供给管线53连结，第二孔50B与排出管线54连结。由投光用光纤线缆31的前端及受光用光纤线缆32的前端构成的光学传感器头7配置于第一孔50A，且位于通孔51的下方。
在本实施方式中，使用氙气闪光灯作为闪光光源44。投光用光纤线缆31为将通过闪光光源44发出的光引导至晶片W的表面的光传送部。投光用光纤线缆31及受光用光纤线缆32的前端位于第一孔50A内，且位于晶片W的被研磨面的附近。由投光用光纤线缆31及受光用光纤线缆32的各前端构成的光学传感器头7朝向被保持于研磨头1的晶片W地配置。每当研磨工作台3旋转时向晶片W的多个测定点照射光。在本实施方式中，仅设置有一个光学传感器头7，但也可以设置多个光学传感器头7。
在晶片W的研磨中，研磨工作台3每旋转一次，光学传感器头7就横跨晶片W地移动。在光学传感器头7处于晶片W的下方时，闪光光源44以规定的间隔发出光。光通过投光用光纤线缆31被引导至晶片W的表面(被研磨面)，来自晶片W的反射光通过受光用光纤线缆32被分光器47接收，从而被光检测器48导入。光检测器48遍及规定的波长范围对在各波长下的反射光的强度进行测定，并将得到的测定数据向动作控制部9发送。该测定数据为随着晶片W的膜厚而变化的膜厚信号。动作控制部9根据测定数据生成表示每个波长的光的强度的反射光的光谱，并根据反射光的光谱进一步决定晶片W的膜厚。
在晶片W的研磨中，纯水作为冲洗液经由液体供给管线53被供给至第一孔50A，并且通过第一孔50A被供给至通孔51。纯水填满晶片W的表面(被研磨面)与光学传感器头7之间的空间。纯水流入第二孔50B，并通过排出管线54排出。在第一孔50A及通孔51内流动的纯水防止浆液浸入到第一孔50A，由此确保光路。
液体供给管线53及排出管线54与旋转接头19连接，并且在研磨工作台3内延伸。液体供给管线53的一端与第一孔50A连接。液体供给管线53的另一端与未图示的纯水供给源连接。纯水通过液体供给管线53被供给至第一孔50A，并且通过第一孔50A被供给至通孔51。
排出管线54的一端与第二孔50B连接。供给至通孔51的纯水在第二孔50B中流动，并且通过排出管线54被排出至研磨装置的外部。在液体供给管线53安装有开闭阀68。开闭阀68为电磁阀或电动阀。开闭阀68与动作控制部9电连接。在晶片W的研磨中动作控制部9与研磨工作台3的旋转同步地周期性地对开闭阀68进行开闭。具体而言，在晶片W不处于通孔51上时，动作控制部9关闭开闭阀68，在晶片W处于通孔51上时，动作控制部9打开开闭阀68。
旋转编码器11与动作控制部9电连接，旋转编码器11的输出信号(即，研磨工作台3的旋转角度的检测值)被发送至动作控制部9。动作控制部9根据旋转编码器11的输出信号，即研磨工作台3的旋转角度，决定光学传感器头7相对于研磨头1的相对位置，基于光学传感器头7的相对位置，控制闪光光源44的发光定时及光检测器48的光检测定时。动作控制部9至少由1台计算机构成。动作控制部9具备储存程序的存储装置和根据程序中包含的命令执行运算的运算装置。存储装置具备RAM等主存储装置、和硬盘驱动器(HDD)、固态硬盘(SSD)等辅助存储装置。作为运算装置的例子可列举CPU(中央处理装置)、GPU(图形处理器)。但是，动作控制部9的具体的构成并不限定于本实施方式。
在晶片W的研磨中动作控制部9对闪光光源44及光检测器48发出指令，来控制闪光光源44的发光动作及光检测器48的光检测动作。即，在光学传感器头7处于晶片W的下方时，动作控制部9将发光触发信号发送至闪光光源44，且将光检测触发信号发送至光检测器48。若闪光光源44接收发光触发信号，则瞬间地发出光。对于光检测器48而言，若接收光检测触发信号，则开始反射光的导入，若光检测触发信号的发送被停止，则停止反射光的导入。
动作控制部9生成彼此同步的发光触发信号及光检测触发信号。在光学传感器头7横跨晶片W地移动时，闪光光源44接收多个发光触发信号从而多次发光，同时光检测器48接收多个光检测触发信号从而多次导入来自晶片W的反射光。在光学传感器头7横跨晶片W地移动时，闪光光源44收到的发光触发信号的数量比光检测器48收到的光检测触发信号的数量多。即，在光学传感器头7横跨晶片W地移动时闪光光源44发光的次数比光检测器48导入反射光的次数多。
图3是表示闪光光源44的发光定时和光检测器48的光检测定时的一个实施方式的图。在图3所示的实施方式中，在光学传感器头7横跨晶片W地移动时，闪光光源44发光27次，光检测器48执行9次导入反射光的动作。由图3可知，光检测触发信号与发光触发信号同步。
在本说明书中将进行一次光检测器48导入反射光的动作的时间称为曝光时间。在曝光时间的期间，光检测器48继续导入反射光(继续检测反射光)。光检测器48具有电子快门功能。即，对于光检测器48而言，若接收光检测触发信号，则电子快门打开，若光检测触发信号的发送被停止，则电子快门关闭。从电子快门打开的时刻起，到电子快门关闭的时刻为止的时间为曝光时间。
在图3所示的实施方式中，在光学传感器头7横跨晶片W地移动的时间(以下，称为一次扫描时间)内存在9个曝光时间E1～E9。上述9个曝光时间E1～E9彼此长度相同。9个曝光时间E1～E9为在光学传感器头7横跨晶片W上的9个区域R1～R9地移动时的曝光时间。区域R1、R9为晶片W的边缘部，区域R4、R5、R6为晶片W的中心部，区域R2、R3、R7、R8为位于晶片W的边缘部与中心部之间的中间部。
在曝光时间E1～E9的每一个中，闪光光源44发光的次数彼此相同。在本实施方式中，在一个曝光时间内，闪光光源44发光3次。因此，光检测器48在一个曝光时间内3次导入反射光。反射光的强度在光检测器48内叠加，在各曝光时间内的反射光的强度增加。根据本实施方式，在闪光光源44的光的强度较低的波长范围内的反射光的强度被加强，其结果，能够实现膜厚的正确的测定。
根据本实施方式，在一个曝光时间内检测的多个反射光中所包含的膜厚信息叠加。在各曝光时间内检测的多个反射光的强度的偏差较小，因此不会实质性地降低决定膜厚的精度。另外，根据本实施方式，多个反射光的强度被叠加，因此能够得到与使反射光的强度平均化的效果同等的效果。
在本实施方式中，在光学传感器头7的一次扫描时间内，存在9个曝光时间E1～E9，但本发明不限定于本实施方式。在一个实施方式中，也可以在光学传感器头7的一次扫描时间内存在8个以下的曝光时间，在其他的实施方式中，也可以在光学传感器头7的一次扫描时间内存在10个及以上的曝光时间。
图4是表示闪光光源44的发光定时和光检测器48的光检测定时的其他实施方式的图。特别是未说明的本实施方式的详细内容与参照图3说明的实施方式相同，因次省略其重复的说明。在图4所示的实施方式中，在光学传感器头的一次扫描时间内，存在7个曝光时间E1～E7。7个曝光时间E1～E7为光学传感器头7横跨晶片W上的7个区域R1～R7地移动时的曝光时间。区域R1、R7为晶片W的边缘部，区域R4为晶片W的中心部，区域R2、R3、R5、R6为位于晶片W的边缘部与中心部之间的中间部。
在曝光时间E1～E7的每一个中，闪光光源44发光的次数彼此相同，但曝光时间E4比其他曝光时间E1、E2、E3、E5、E6、E7的每一个更长。
曝光时间E4为光学传感器头7横跨晶片W的中心部R4地移动时的曝光时间。一般来说，晶片W的膜厚轮廓在晶片W的中心部R4中大体恒定。因此，即使与晶片W的中心部R4对应的曝光时间E4比其他曝光时间长，对晶片W的膜厚轮廓的控制也几乎没有影响。根据本实施方式，光学传感器头7的一次扫描时间内的闪光光源44的发光次数减少，因此闪光光源44的寿命延长。并且，光学传感器头7的一次扫描时间内所取得的膜厚数据量减少，因此能够降低动作控制部9的处理负荷。
上述实施方式，是以本发明所属技术领域中具有通常知识者能实施本发明为目的来记载的方式。上述实施方式的各种的变形例是本领域技术人员必然能够完成的变形例，本发明的技术的思想也适用于其他实施方式。因此，本发明并不限定于所记载的实施方式，而是根据权利要求书所定义的技术思想解释的最大范围的实施方式。

Claims (10)

1.一种研磨方法，是用于研磨基板的研磨方法，其特征在于，
使研磨工作台同与具有电子快门功能的光检测器及闪光光源光学地耦合的光学传感器头一起旋转，
一边使所述光学传感器头横跨基板地移动，一边将所述基板按压于所述研磨工作台上的研磨垫来研磨所述基板，
在所述光学传感器头横跨所述基板地移动的期间，使所述闪光光源在所述光检测器的第一曝光时间内多次发光，使光通过所述光学传感器头而引导至所述基板，且使来自所述基板的反射光通过所述光学传感器头而导入至所述光检测器，而且使所述闪光光源在所述光检测器的第二曝光时间内多次发光，使光通过所述光学传感器头而引导至所述基板，且使来自所述基板的反射光通过所述光学传感器头而导入至所述光检测器，
生成所述第一曝光时间内的所述反射光的光谱和所述第二曝光时间内的所述反射光的光谱，并且所述光检测器的所述第一曝光时间与所述光检测器的所述第二曝光时间根据所述电子快门功能而相同或不同，
根据所述第一曝光时间内的所述光谱和所述第二曝光时间内的所述光谱来检测所述基板的表面状态。
2.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，
在所述第一曝光时间内所述闪光光源发光的次数与在所述第二曝光时间内所述闪光光源发光的次数相同。
3.根据权利要求1或2所述的研磨方法，其特征在于，
所述第二曝光时间比所述第一曝光时间长。
4.根据权利要求3所述的研磨方法，其特征在于，
所述第一曝光时间为所述光学传感器头横跨所述基板的边缘部地移动时的曝光时间。
5.根据权利要求3所述的研磨方法，其特征在于，
所述第二曝光时间为所述光学传感器头横跨所述基板的中心部地移动时的曝光时间。
6.一种研磨装置，是用于研磨基板，其特征在于，
所述研磨装置具备：
研磨工作台，用于支承研磨垫；
工作台马达，使所述研磨工作台旋转；
光学传感器头，设置于所述研磨工作台内；
闪光光源及具有电子快门功能的光检测器，与所述光学传感器头光学地耦合；
研磨头，用于将基板按压于所述研磨垫来研磨该基板；以及
动作控制部，控制所述闪光光源及所述光检测器的动作，
所述动作控制部被构成为，
在所述光学传感器头横跨所述基板地移动的期间，对所述闪光光源发出指令，使所述闪光光源在所述光检测器的第一曝光时间内多次发光，且对所述光检测器发出指令，使来自所述基板反射光通过所述光学传感器头而导入至所述光检测器，而且对所述闪光光源发出指令，使所述闪光光源在所述光检测器的第二曝光时间内多次发光，且对所述光检测器发出指令使来自所述基板的反射光通过所述光学传感器头而导入至所述光检测器，
生成所述第一曝光时间内的所述反射光的光谱和所述第二曝光时间内的所述反射光的光谱，并且所述光检测器的所述第一曝光时间与所述光检测器的所述第二曝光时间根据所述电子快门功能而相同或不同，
根据所述第一曝光时间内的所述光谱和所述第二曝光时间内的所述光谱来检测所述基板的表面状态。
7.根据权利要求6所述的研磨装置，其特征在于，
在所述第一曝光时间内所述闪光光源发光的次数与在所述第二曝光时间内所述闪光光源发光的次数相同。
8.根据权利要求6或7所述的研磨装置，其特征在于，
所述第二曝光时间比所述第一曝光时间长。
9.根据权利要求8所述的研磨装置，其特征在于，
所述第一曝光时间为所述光学传感器头横跨所述基板的边缘部地移动时的曝光时间。
10.根据权利要求8所述的研磨装置，其特征在于，
所述第二曝光时间为所述光学传感器头横跨所述基板的中心部地移动时的曝光时间。
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