JP2001015467A

JP2001015467A - 研磨終点検出装置

Info

Publication number: JP2001015467A
Application number: JP18526599A
Authority: JP
Inventors: Michiaki Watabe; 道明渡部; Shigeo Yoshida; 成夫吉田; Hiroshi Naka; 浩中; Katsuhisa Okawa; 勝久大川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-01-19
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP3292243B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＭＰ研磨における研磨工程の能率および処
理能力を向上させることのできる研磨終点検出装置を提
供する。【解決手段】回転する研磨テーブル１上には研磨パッ
ド３が貼着されており、この研磨パッド３上に研磨液４
が供給される。ウェハ５は研磨ヘッド６に保持された状
態で回転し、ウェハ５の表面は研磨パッド３に所定の加
圧力で接触する。研磨パッド３上の研磨液４の液に浸さ
れるようにして、かつ振動等が伝達され難くして音響測
定器８が支持部材９及び装置本体部１０を用いて位置決
めされる。音響測定器８による研磨パッド３とウェハ５
の接触による研磨音は、音響測定器８で検出され、アン
プ１１で増幅の後、信号処理部１２へ送られる。信号処
理部１２は、音響測定器８の出力信号に基づいてウェハ
表面の凹凸の消滅を検出し、その後は、研磨必要量と研
磨速度から研磨時間を求め、その時間を経過した時を研
磨研磨プロセスの終了と判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨終点検出装置
に関し、特に、化学的機械的研磨（Chemical Mechanica
l Polishing ：以下、ＣＭＰという）による研磨の終点
を把握するための研磨終点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩ技術の進展により多層化・
微細化が求められており、多層に重ねるときにステッパ
ーの焦点深度余裕の問題から、ウェハ表面の平坦化が重
要である。この平坦化には、化学的機械的に研磨するＣ
ＭＰ装置が用いられる。

【０００３】ＣＭＰ装置では、研磨パッドや研磨液であ
るスラリーの劣化等に伴い研磨速度が変化することと、
研磨中にリアルタイムに膜厚を測定することができない
ため、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）の研磨
量を直接制御できない。このために、研磨プロセス前の
ウェハの膜厚を膜厚測定器で測定し、研磨プロセス後に
再度膜厚測定器を使用して研磨したウェハが目標通りの
膜厚となっているかを確認する必要がある。確認の結果
が研磨不足であれば再度研磨プロセスを通過させること
が必要となり、研磨過多であれば、前の工程に戻して膜
を成長させた後に再度研磨プロセスを実施するなどの無
駄な工程を追加する必要があるため、研磨量を正しく制
御することが求められている。

【０００４】ＣＭＰ装置で、製品個別に必要となる研磨
量を確保し、研磨プロセス後の残膜厚を適正範囲にする
手段としては、予め配線パターンの無い所に膜を成長さ
せたウェハを一定時間研磨し、研磨プロセス前後の膜厚
の量を測定して研磨速度を求めておき、その研磨速度と
製品別に必要となる研磨量から研磨時間を算出して、そ
の時間の間だけ研磨を行うという時間管理研磨方法があ
る。また、ウェハの研磨プロセスの実施方法を２段階に
分けて、最初に研磨速度を上げてウェハを粗く研磨した
後、膜厚測定器により残りの研磨量を確認して、研磨速
度を下げてゆっくりとウェハを細かく研磨する２段階の
研磨方法がある。

【０００５】ＣＭＰ装置は、装置を構成する研磨パッ
ド、研磨液の劣化や、ウェハのパターンが変化すること
により、同一装置に同じ動作条件を設定しても、研磨量
が一定にならず、研磨過多や研磨不足を生じる。このた
め、生産現場では、これらの研磨不良製品の膜成長を再
度行ったり、再研磨を行う必要が生じる。この結果、Ｃ
ＭＰ工程の能率や処理能力が低下する。そこで、研磨量
を所定の範囲に保つために、研磨の終点を検出する必要
がある。

【０００６】一方、機械加工分野では、加工時の加工音
を検出し、その変化から加工状態を知ることが可能であ
ることが知られているが、同様の研磨方法を半導体ウェ
ハの研磨に用いた例が知られている。例えば、特開平６
−４５２９９号公報においては、研磨すべき材料部分が
除去されて窒化シリコン等のストッパ層に至ったとき、
大気中に設けられた集音マイクでモニタ音が変化するこ
とを検出して研磨の終点を判定する研磨終点検出装置が
提案されている。また、特開平６−３４２７７８号公報
においては、表面に凹凸部を有する半導体ウェハの研磨
時に発生する機械的振動を圧電素子と周波数分析装置に
よってモニタし、機械的振動音の変化から凹凸部が平坦
化されたことを検出する研磨装置が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来からよく
行われている時間管理研磨では、突出部の面積割合に応
じて研磨速度が異なるため、研磨過多や研磨不足が生じ
るとともに、膜厚の測定、再研磨や再膜成長回数が増加
して、装置の能率や工程処理能力を低下させることにな
る。このとき、研磨速度が長時間一定となるように、研
磨布、研磨パッド、研磨液等の研磨装置の運転において
必要となる部材の安定性を向上させたとしても、突出部
の面積割合は仕様に応じて異なるため、装置の能率や工
程処理能力を上げることができない。

【０００８】また、特開平６−４５２９９号公報によれ
ば、集音マイクがウェハからの音を大気中で検出してい
るため、集音マイクが研磨装置の回転音や周囲の騒音を
ノイズとして拾ってしまうという問題がある。さらに、
ストッパ層を所定の膜厚の位置に設けなければならない
ため、成膜工程が増えるとともに成膜条件を厳しく管理
しなければならないという問題がある。

【０００９】さらに、特開平６−３４２７７８号公報に
よれば、平坦化のみの検出であり残膜厚量を制御するこ
とができないという問題がある。

【００１０】そこで、本発明の目的は、半導体ウェハの
研磨工程の能率および処理能力を向上させることのでき
る研磨終点検出装置を提供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、突出部の面積割合に
関係なく所定の膜厚に研磨することができる研磨終点検
出装置を提供することにある。

【００１２】さらに、本発明の他の目的は、所定の膜厚
に研磨する精度を高めることによって研磨過多及び研磨
不足を解消し、再度の膜厚測定、再研磨や再膜成長の工
程を減少させることができる研磨終点検出装置を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、研磨パッドと相対的変位を行う研磨ヘッ
ドに半導体ウェハを装着し、前記研磨パッドを前記半導
体ウェハに接触させて前記半導体ウェハを化学的機械的
研磨（ＣＭＰ）によって研磨し、前記半導体ウェハの膜
厚が所定の値に達したとき前記半導体ウェハの研磨を終
了する研磨終点検出装置において、前記研磨パッドに供
給された研磨液に一部が浸漬された浸漬部を有し、その
浸漬部を通して前記半導体ウェハの研磨音を測定する音
響測定器と、前記音響測定器より出力される前記研磨音
の音響パワーの変化に基づいて前記半導体ウェハの突出
部が平坦化されたことを検出し、前記半導体ウェハが平
坦化された後は、予め求められた研磨速度に基づいて前
記半導体ウェハを所定の時間研磨することによって前記
半導体ウェハの膜厚を前記所定の値にする処理手段を備
えたことを特徴とする研磨終点検出装置を提供する。

【００１４】この構成によれば、半導体ウェハと研磨パ
ッドが接触するときの接触音（研磨音）が音響測定器に
よって捉えられ、その測定音に変化が生じ一定になった
とき、半導体ウェハの表面の凹凸が研磨され、平坦化さ
れたことがわかる。以後に続く研磨は、時間当たりの膜
厚変化がほぼ一定であることから、平坦化の検出をもっ
て、予め求められた研磨速度に基づいて半導体ウェハの
研磨を続け、ウェハの膜厚が所定値になったところで研
磨を終了する。このように、半導体ウェハの表面に凹凸
が無くなったことを検出した後、平坦時の研磨速度は一
定であるため、以後の研磨時間を算出することにより、
研磨終点の判定を研磨プロセスの進行中に行うことがで
き、工程処理能力の向上が可能になる。また、突出部の
研磨割合に関係なく所定の膜厚に研磨することができ、
所定の膜厚に研磨する精度を高めることによって研磨過
多及び研磨不足を解消し、膜厚の測定回数及び測定器を
減少させることができる。更に、研磨ヘッドから直接に
音響信号を得る従来構成とは異なり、信号伝達手段であ
るスリップリングや無線による信号伝達を行う必要がな
いので、研磨終点検出装置の構造が簡単になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を基に説明する。（第１の実施の形態）図１は本発明による研磨終点検出
装置の第１の実施の形態を示す。研磨テーブル１は駆動
部２に保持され、駆動部２のモータを駆動源にして回転
する。研磨テーブル１の上には研磨パッド３が貼着され
ており、この研磨パッド３上に不図示の供給手段によっ
て研磨液４が供給される。研磨パッド３の一部には、ウ
ェハ５が接触するように配置され、このウェハ５の裏面
は研磨ヘッド６に取り付けられている。研磨ヘッド６は
固定部７に支持されている。固定部７は研磨ヘッド６を
保持しながら研磨ヘッド６及びウェハ５を研磨パッド３
上で回転及び揺動させ、かつ研磨テーブル１方向に所望
の圧力を付与することができる。研磨テーブル１、駆動
部２、研磨パッド３、研磨ヘッド６、及び固定部７によ
ってＣＭＰ装置が構成される。

【００１６】さらに、研磨パッド２とウェハ３の摩擦音
（研磨音）を測定するための音響測定器８が、その浸漬
部を研磨液５に浸すようにして配置されている。音響測
定器８は、支持部材９に取り付けられており、この支持
部材９は装置振動等の影響を軽減する機構を介して装置
本体部１０に取り付けられている。音響測定器８には、
測定信号を増幅するアンプ１１が接続され、このアンプ
１１には増幅出力を処理するための信号処理部１２が接
続されている。

【００１７】音響測定器８は、研磨パッド３に接触しな
いようにして研磨液４に浸され、かつ研磨ヘッド６に接
触しない範囲で、研磨音が減衰しないように可能な限り
研磨ヘッド６の近くに設置する。音響測定器８は研磨液
４に浸されるだけでなく、表面張力により研磨液４の液
面から離れることなく常に接触し、かつ、研磨パッド３
上の研磨液４は途切れることなく供給されているので音
響測定器８は常に研磨液に接触している。

【００１８】図１の構成において、研磨プロセスの実施
中には、研磨テーブル１は回転し、研磨パッド３上には
適量の研磨液４が常時供給される。研磨ヘッド６は、研
磨パッド３上を直線的に左右に揺動しながら、研磨ヘッ
ド６に取り付けられたウェハ５を研磨テーブル１方向に
加圧及び回転を行う。この過程で、ウェハ５は研磨液４
により化学的機械的研磨が行われる。

【００１９】ＣＭＰプロセス中において、音響測定器８
は、研磨パッド３と接触しない状態で研磨液４に浸され
るように設置され、研磨液４の中を伝搬するウェハ５と
研磨パッド３の摩擦音（研磨音）を測定する。この音響
測定器８による測定は、研磨装置自身の機械動作音によ
る影響を大きく受ける数ＫＨｚ以下の周波数領域を含ま
ず数ＫＨｚから１０数ＫＨｚの周波数領域が出力される
ようにする。

【００２０】音響測定器８で得られるＣＭＰプロセス中
の音響信号は、計測位置を一定周期で走査したり、計７
測位置は同一であるが研磨を行うＣＭＰ装置側に周期的
な動作があることにより、周期的な変化を有する信号と
なる。研磨プロセスの進行状態は、この周期的な変化
と、機械動作音や振動等の低周波数領域の信号を除去し
た信号変化として測定される。音響測定器８の出力信号
は微弱な電気信号であるため、アンプ１１により増幅し
て信号処理部１２へ出力する。信号処理部１２には、予
め配線パターンが無い状態で膜を成長させて表面に凹凸
の無いウェハを一定時間研磨して得た膜厚データと、そ
の研磨時間から求めた研磨速度とが記憶されている。

【００２１】装置振動音を軽減する機構としては、例え
ば、音響測定器８と研磨テーブル１周辺で研磨プロセス
時に動作しない装置固定部分に取り付け金具を接続する
際に、装置固定部分と取り付け金具の間に、装置振動音
を伝えにくくするゴム等の制振材料を使用する。

【００２２】研磨を行う前のウェハ５は、前工程におい
て、配線パターンが形成され、この配線パターン上に膜
を成長させているため、配線パターンに起因した凹凸が
ウェハ表面に存在している。研磨プロセス進行時の研磨
音は、ウェハ５が研磨パッド３と接触を開始してウェハ
表面の凹凸が残っている間と、表面の凹凸がなくなり
（研磨され）平坦化されてからとでは異なった信号にな
る。ウェハ５の表面の凹凸がなくなった後では、ＣＭＰ
装置は一定の研磨速度で研磨プロセスを行うことができ
るので、研磨量は研磨時間で決まる。そこで、音響測定
器８を使用して研磨開始からウェハ５表面が平坦化され
た時点（ウェハ表面の凹凸が消滅した時点）を検出す
る。研磨開始から平坦化が終了するまでの膜厚量の変化
は、ほぼ一定値であることがわかっている。そこで、ウ
ェハ５の表面の平坦化された時点を検出した後、ウェハ
５の研磨必要膜厚量（平坦化以後に研磨すべき膜厚量）
から、研磨開始から平坦化までに研磨した研磨膜厚量を
引いて（研磨必要膜厚量−研磨膜厚量）算出される残膜
厚（ウェハ５上に確保されるべき膜厚値）と、平坦化さ
れた以降の研磨速度（予め求めてある）から研磨時間を
算出し、求めた研磨時間が経過したときを研磨プロセス
の終点と判定する。ここで、平坦化までの研磨膜厚量
は、ウェハにより大きく変わることはなく、ウェハによ
らず一定値であるので、予め測定しておいた値を使用す
る。

【００２３】以上のように、本発明の研磨終点検出装置
は、ウェハ５と研磨パッド３が接触する際の研磨音を音
響測定器８により計測すれば、研磨プロセス開始からウ
ェハ５の表面に凹凸が無くなり、平坦化された時点を検
出することができる。そして、この時点より以後の研磨
時間を残膜厚と研磨速度により算出することにより、研
磨プロセスの実施中に研磨終点を判定することができ
る。ここで、前工程で配線パターンが形成されていない
表面に膜を成長させ、この表面に凹凸の無いウェハを研
磨することによって、表面に凹凸のない部分の研磨速度
を予め算出することができる。これを用いて、上記した
ように研磨時間を求め、この研磨時間が経過した時を研
磨終点として判断すれば、時間管理を行うことが可能に
なる。

【００２４】したがって、本発明によれば、ウェハのＣ
ＭＰ工程において、研磨不足や研磨過多を減らすことが
可能になり、再度の研磨プロセスを実施することや、前
工程に戻して膜の成長をやり直した後に再度研磨プロセ
スを実施する事態を減らすことができる。

【００２５】また、本発明によれば、研磨量を指定する
ことにより、研磨終点を求めることができるため、膜厚
測定プロセスをロット内の全ウェハの検査、ロット内の
サンプルウェハの検査、一定単位毎のロット内のウェハ
検査、と順次検査である膜厚測定プロセスを減らすこと
が可能となり、膜厚測定器の台数を減らすことができ
る。

【００２６】また、研磨プロセスの実施方法を２段階に
分けて、最初に研磨速度を上げてウェハを粗く研磨した
後、膜厚測定器により残りの研磨量を確認して、研磨ス
ピードを下げてゆっくりとウェハを細かく研磨する方法
にあっては、本発明により、研磨プロセスを１回で終了
させることが可能になり、研磨プロセスと膜厚測定プロ
セスをそれぞれ１つずつ減らすことができる結果、研磨
工程の能率や処理能力を向上させることができる。

【００２７】図１の構成において、研磨プロセスの進行
に伴い測定信号は、計測位置を一定周期で走査したり、
計測位置は同一であるが研磨プロセスを行うＣＭＰ装置
側に周期的な動作があれば、音響測定器８からは周期的
な変化を有する信号が得られる。研磨プロセスの進行状
態は、この周期的な変化を除去した信号変化に現れる。
信号処理部１２においては、周波数フィルタにより周期
的な信号をカットしたり、周期的な変化と同じ周期で平
均化を行って周期的な研磨音の変化を除去する。そし
て、ウェハ表面の凹凸がウェハ５に残っている間と、ウ
ェハ５の表面に凹凸が無くなって平坦化された後とで
は、異なった信号になるため、この変化から信号処理部
１２は平坦化の終了点（ウェハ表面の凹凸が無くなった
時点）を検出することができる。なお、信号処理部１２
による研磨プロセスの終点検出（終点判定）は、上記し
た通りである。

【００２８】図２は音響測定器８の第１の詳細構成を示
す。金属製の治具８１には、マイクロフォン８２が取り
付けられている。この治具８１は、Ｌ字形の本体部８１
ａと、この一端に形成された板状の取付部８１ｂを備え
ている。取付部８１ｂには浸漬部８３ａが取り付けら
れ、この下面と側面が研磨音の検出面８３ｂになる。浸
漬部８３ａは研磨液中に浸漬される部分であり、機能的
には保護部材及び音響伝導部材としての性質を有してい
る。治具８１は、マイクロフォン８２の受音面が研磨液
４の液面に対して垂直になるように位置決めされ、浸漬
部８３ａのみが研磨液中に浸漬される。マイクロフォン
８２の姿勢を研磨液４の液面に対して垂直にした理由
は、研磨液４内を伝わる研磨音が縦波であることに着目
し、少しでもマイクロフォン８２に研磨音が捉えられる
ようにとの配慮によるものである。治具８１の下部に形
成された浸漬部８３は、研磨液４の深さを越えない高さ
（研磨パッド３に検出面８３ｂが接触しない高さ）に設
定される。

【００２９】図２及び図１において、研磨プロセスの実
行中、ウェハ５と研磨パッド３の接触により発生した研
磨音は、研磨液４の中を伝達して治具８１の浸漬部８３
ａに到達する。浸漬部８３ａに収集された研磨音は、浸
漬部８３→取付部８１ｂ→本体部８１ａの経路をたど
り、マイクロフォン８２に音響信号として伝わる。マイ
クロフォン８２は、受けた音響信号を電気信号に変換し
てアンプ１１に伝える。アンプ１１は、微弱な音響信号
を所望のレベルに増幅して信号処理部１２に伝える。信
号処理部１２では、アンプ１１の出力信号の変化からウ
ェハ５の凹凸の消滅（平坦化の完了）を検出でき、上記
した処理の実行により、研磨プロセスの終点を判断でき
る。

【００３０】図２の構成によれば、ウェハ５と研磨パッ
ド３の接触音（研磨音）が研磨液４の中を伝わり、治具
８１の他端に接着されているマイクロフォン８２に伝え
ることが可能になり、微少な音響信号であっても、マイ
クロフォン８２によって検出することが可能になる。

【００３１】図３は音響測定器８の第２の詳細構成を示
す。この音響測定器８は、治具を用いずにマイクロフォ
ン８２により研磨音を検出できるようにした構成に特徴
がある。すなわち、マイクロフォン８２の受音面に浸漬
部８３ａを取り付け、この浸漬部８３ａの部分を研磨液
に浸漬する構成にしている。浸漬部８３ａは、その検出
面８３ｂが研磨液４の液面に対して水平になるように位
置決めして浸漬される。さらに、マイクロフォン８２に
は、測定時に、金属カバー８４を介してマイクロフォン
８２にマイクロフォン８２の周囲環境音が伝わり難くな
るように、遮音部材又は吸音材を設けている。この遮音
部材又は吸音材は、金属カバー８４と、マイクロフォン
８２の間に充填した樹脂８５からなる。遮音部材又は吸
音材は、樹脂材に限定されるものではなく、遮音又は吸
音特性を有する材料であれば何でもよい。

【００３２】図３において、ウェハ５と研磨パッド３の
擦れ（接触）から発生する研磨音は、研磨液４の中を伝
達して浸漬部８３に到達して集音され、そのままマイク
ロフォン８２に音響信号として伝達され、マイクロフォ
ン８２により電気信号に変換された後、アンプ１１に所
定のレベルに増幅される。アンプ１１の出力信号は、信
号処理部１２へ送出される。

【００３３】図３の音響測定器８においては、治具等を
介することなくマイクロフォン８２の検出面８３ｂが研
磨液４の液面に対して水平になるようにして浸漬され
る。そして、金属カバー８４内のマイクロフォン８２の
背部に樹脂８５を充填して周囲音の遮音を図っている。
このため、音響測定器８の周辺の環境音をマイクロフォ
ン８２に伝わり難くすることができ、ウェハ５と研磨パ
ッド３とが接触することにより発生する研磨音が捉えや
すくなる。この結果、Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）を上
げることができる。

【００３４】図４は音響測定器８の第３の詳細構成を示
す。この音響測定器８は、ＣＭＰ装置に固定したとき、
マイクロフォン８２を支持している部分を通して外部の
音がマイクロフォン８２に伝わり難くする工夫が施され
ている。すなわち、マイクロフォン８２の躯体部分と金
属カバー８４の間にバネ８６を設け、このバネ８６によ
ってマイクロフォン８２が自由に動けるようにしてい
る。バネ８６の使用本数は、金属カバー８４に対してマ
イクロフォン８２の空間上の位置と姿勢を特定できるよ
うにするには、３本以上が必要である。なお、図３で設
けていた樹脂８５の充填を行うと、この樹脂８５を介し
て支持部材９から僅かに伝わる装置振動や外部からの振
動（音響）がマイクロフォン８２に伝わりやすくなるの
で、図４の音響測定器８においては樹脂の充填は行わ
ず、中空にしている。

【００３５】図４において、音響測定器８は、研磨液４
の面に対して検出面８３ｂが水平になるようにして浸漬
部８３が浸漬される。このとき、カバー８４に対するマ
イクロフォン８２の空間上の位置と姿勢の設定をバネ８
６で調節して行うことにより、マイクロフォン８２の検
出面８３ｂの高さを設定できる。この音響測定器８は、
図３と同様に、治具等を介することなくマイクロフォン
８２の検出面８３ｂを研磨液４の液面に対して水平状態
にしたまま、浸漬部８３を研磨液４に浸漬して測定し、
かつ、マイクロフォン８２はカバー８４との間にバネ８
６を介して取り付けられているため、カバー８４を伝達
する周囲環境音はマイクロフォン８２に伝わり難くな
る。この結果、ウェハ５と研磨パッド３とが接触するこ
とにより発生する研磨音を捉えやすくなり、測定能力を
向上させることができる。

【００３６】（第２の実施の形態）図５は、本発明によ
る研磨終点検出装置の第２の実施の形態を示す。図中、
図１に示したと同一であるものには、同一引用数字を用
いたので、以下においては重複する説明を省略する。本
実施の形態は、固定部７に支持部材１３を介して音響測
定器１４を取り付けた構成に特徴がある。音響測定器１
４は、図２〜図４に示した音響測定器８と同一構成であ
る。この場合、音響測定器１４は、支持部材１３を介し
て固定部７に固定されるので、研磨ヘッド６の装置振動
音の影響を軽減する機構を介して取り付けられる。或い
は、音響測定器１４に装置振動音の影響を軽減する機構
を内蔵させる。

【００３７】図５において、研磨プロセスの実施中、研
磨により発生するウェハ５と研磨パッド３の接触音を計
測しながら、研磨プロセスの進行状況を把握していく必
要がある。研磨プロセスの進行と共に入って来る測定信
号に基づいて、信号処理部１２は、計測位置を一定周期
で走査したり、計測位置は同一であるが研磨プロセスを
行うＣＭＰ装置側に周期的な動作があることから、周期
的な変化の信号成分を除去した方が測定信号の変化がわ
かり易くなる。そこで、音響測定器８が、音源であるウ
ェハ５を吸着している研磨ヘッド６と一体に研磨パッド
３上を揺動するので、研磨ヘッド６が研磨パッド３の上
で直線上に揺動するときの周期的な変化を予め信号処理
部１２で除去し、検出処理が容易になるようにしてい
る。

【００３８】（第３の実施の形態）図６は、本発明によ
る研磨終点検出装置の第３の実施の形態を示す。この研
磨終点検出装置は、図１に示した構成と図５に示した構
成の両方を組み合わせた構成にしたものである。すなわ
ち、図１の音響測定器８、支持部材９、及び装置本体部
１０と、図５の支持部材１３及び音響測定器１４を組み
合わせ、音響測定器１４にはアンプ１５を接続し、この
アンプ１５及びアンプ１１で増幅した各信号を解析して
研磨終点を判定する信号処理部１６を接続している。音
響測定器８は、図１で説明したように、研磨テーブル１
の周囲の固定部分から装置振動音の影響を軽減する機構
を介して接続され、同様に、音響測定器１４も固定部７
から装置振動音の影響を軽減する機構を介して接続され
ている。なお、ＣＭＰ装置の構成は、図１及び図５と同
じである。

【００３９】図６において、研磨プロセスが開始する
と、研磨液４中を伝わる研磨音は音響測定器８で測定さ
れ、その微小な出力信号はアンプ１１で増幅された後、
信号処理部１６へ出力される。音響測定器１４は、研磨
ヘッド６の揺動に伴って一体に研磨パッド３の上を左右
に動くので、研磨液４中を伝わる研磨音は研磨ヘッド６
の周期的動作の影響を受けることなく、マイクロフォン
１０を介して測定され、アンプ１５で増幅された後、信
号処理部１６へ出力される。

【００４０】音響測定器８と音響測定器１４の相違は、
音響測定器８が研磨プロセス中に固定のまま１カ所で計
測するのに対し、音響測定器１４は音源であるウェハ５
を保持した研磨ヘッド６と一体に動くことである。信号
処理部１６は、音響測定器８で測定した装置や環境から
の音（ノイズ分）を除くため、音響測定器１４と音響測
定器８で収集した音の差から、ウェハ５と研磨パッド３
が接触するときに発生する研磨音の信号を取り出す。こ
のとき研磨に起因する音は、音響測定器１４により計測
されるものの方が音響測定器８により計測されるものよ
りウェハまでの距離の差の分だけ小さくなる。一方、装
置や環境からの音は、音響測定器８及び１４に同等に捉
えられるため、音響測定器８の出力と１４の出力との差
から、研磨に起因する音響信号を抽出することができ
る。ウェハの平坦化が検出された後の信号処理部１６に
よる研磨プロセス終点の判断方法は、上記各実施の形態
における信号処理部１２と同じであるので、説明は省略
する。

【００４１】図６の構成によれば、音響測定器８と１４
の２つの音響測定器を設けたことにより、ウェハ５と研
磨パッド３が接触する際の微小な音響信号を捉えること
ができ、音響測定器１４は音源（ウェハ５）の近傍で、
かつ固定部７すなわち研磨ヘッド６に固定した状態で計
測できるため、揺動の影響を受けずに装置が持っている
バックグラウンドノイズを除いて研磨状態を把握するこ
とが可能になる。

【００４２】（第４の実施の形態）図７は、本発明によ
る研磨終点検出装置の第４の実施の形態を示す。本実施
の形態においても、上記各実施の形態に示したと同一で
あるものには、同一引用数字を用いたので、ここでは重
複する説明を省略する。本実施の形態は、図１の研磨終
点検出装置にあって、音響測定器８として、同一構成の
音響測定器８Ａと８Ｂを並列的に設置したところに特徴
がある。音響測定器８Ａは研磨テーブル１の周辺近傍に
設置され、音響測定器８Ｂは、音響測定器８Ａよりも研
磨テーブル１の中心寄りに取り付けられ、研磨ヘッド６
が研磨パッド３の上を直線上に揺動する際に接触しない
範囲で、かつ可能な限り研磨ヘッド６に近い位置に設置
する。

【００４３】図７において、研磨プロセス中、音響測定
器８Ａと８Ｂは固定位置で研磨液４中を伝わる研磨音を
内蔵のマイクロフォンで拾われ、その音響信号は微小電
気信号であるために、アンプ１１，１５でそれぞれ増幅
される。各増幅信号は、信号処理部１６に入力され、図
６と同様の処理が施される。音響測定器８Ａと８Ｂの相
違は、音源（ウェハ５）からの距離にある。伝搬音は伝
達距離に影響を受けるので、信号処理部１６は、音響測
定器８Ａで収集した音響信号と音響測定器８Ｂで収集し
た音響信号との差から、ウェハ５と研磨パッド３が接触
するときに発生する研磨音信号を生成する。ウェハ５の
平坦化が検出された後の研磨プロセスの終点を判断する
方法は、上記した第１の実施の形態と同じである。

【００４４】図７の構成によれば、ウェハ５と研磨パッ
ド３の接触に伴い発生する微小な音響信号を捉えるため
に、音響測定器を８Ａと８Ｂの２つを用意し、これらを
支持部材９に共に固定するとともに、音響測定器８Ｂを
音源（ウェハ５）の近傍に設け、研磨ヘッド６の固定部
分からウェハ５と研磨パッド３の接触により発生する研
磨音を音源（ウェハ５）の近傍で計測するため、周囲環
境からバックグラウンドノイズを除いて研磨状態を把握
することが可能にある。

【００４５】（第５の実施の形態）図８は、本発明によ
る研磨終点検出装置の第５の実施の形態を示す。本実施
の形態は、図５に示した音響測定器１４に代えて、同一
構成（同一仕様）の２台の音響測定器１４Ａ，１４Ｂを
支持部材１３に並設したところに特徴がある。音響測定
器１４Ａ，１４Ｂは、固定部７側から装置振動音の影響
を軽減する手段を介して接続されており、音響測定器１
４Ｂは音響測定器１４Ａよりも音源或るウェハ５に近い
位置に配設される。音響測定器１４Ａにはアンプ１１が
接続され、音響測定器１４Ｂにはアンプ１５が接続さ
れ、これらアンプには信号処理部１６が接続されてい
る。

【００４６】図８において、研磨プロセスを実施する
際、音響測定器８Ａと８Ｂにより取得された各音響信号
は、伝達距離に影響を受けている。そこで、信号処理部
１６は、音響測定器８Ａで収集した音響信号と音響測定
器８Ｂで収集した音響信号の差に基づいて、ウェハ５と
研磨パッド３が接触する際の研磨音の信号を生成する。
信号処理部１６により研磨プロセスの終点を判断する処
理は、前記各実施の形態で説明した通りであるので、こ
こでは説明を省略する。

【００４７】図８の構成によれば、ウェハ５と研磨パッ
ド３の接触により発生する微小な音響信号を捉えるため
に、音響測定器を８Ａ，８Ｂの２つにし、両者を研磨パ
ッド３の上で研磨ヘッド６と共に直線上に揺動を行いな
がら測定している。このように、固定部７に固定した音
響測定器８Ａ，８Ｂによって、音源であるウェハ５の近
傍で計測するため、周期的な動作である揺動の影響を受
けず、かつ、ＣＭＰ装置が持っているバックグラウンド
ノイズを除いて研磨状態を把握することが可能になる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の研磨終点検
出装置によれば、研磨を実行中、半導体ウェハと研磨パ
ッドが接触する際に発生する音を測定する音響測定器を
設け、この検出結果によりウェハ表面の凹凸部の平坦化
されたことが判定される。ウェハ表面の凹凸部の研磨は
突出部の面積割合に応じて研磨速度が変化するため、時
間管理が難しいが、平坦化した後は研磨速度を一定と考
えて良いために時間管理がし易い。そこで、平坦化以後
は、予め求めた研磨速度に基づいて半導体ウェハを所定
の時間だけ研磨すれば、半導体ウェハの膜厚は所定の値
にされ、その時点で研磨を終了させることができる。し
たがって、本発明によれば、信号伝達手段であるスリッ
プリングや無線による信号伝達部を持たない簡単な構成
により、研磨終点の判定を研磨プロセスの進行中に行う
ことができ、膜厚測定プロセスや膜厚測定器の低減を図
ることができる。また、研磨過多や研磨不足を解消する
ことができる。この結果、研磨工程の能率及び処理能力
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による研磨終点検出装置の第１の実施の
形態を示す構成図である。

【図２】図１の音響測定器の第１の詳細構成を示す正面
断面図である。

【図３】図１の音響測定器の第２の詳細構成を示す正面
断面図である。

【図４】図１の音響測定器の第３の詳細構成を示す正面
断面図である。

【図５】本発明による研磨終点検出装置の第２の実施の
形態を示す構成図である。

【図６】本発明による研磨終点検出装置の第３の実施の
形態を示す構成図である。

【図７】本発明による研磨終点検出装置の第４の実施の
形態を示す構成図である。

【図８】本発明による研磨終点検出装置の第５の実施の
形態を示す構成図である。

【符号の説明】

１研磨テーブル３研磨パッド４研磨液５ウェハ６研磨ヘッド７固定部８，８Ａ，８Ｂ，１４，１４Ａ，１４Ｂ音響測定器９，１３支持部材１０装置本体部１１，１５アンプ１２，１６信号処理部８１治具８１ａ本体部８１ｂ取付部８２マイクロフォン８３ａ浸漬部８３ｂ検出面８４金属カバー８５樹脂８６バネ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中浩東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者大川勝久東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 3C034 AA13 AA17 BB91 CA15 CA24 CB03 CB13 DD20 3C058 AA07 AC01 BA09 BB01 BC03 CB01 CB03 DA12 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨パッドと相対的変位を行う研磨ヘッ
ドに半導体ウェハを装着し、前記研磨パッドを前記半導
体ウェハに接触させて前記半導体ウェハを化学的機械的
研磨（ＣＭＰ）によって研磨し、前記半導体ウェハの膜
厚が所定の値に達したとき前記半導体ウェハの研磨を終
了する研磨終点検出装置において、前記研磨パッドに供給された研磨液に一部が浸漬された
浸漬部を有し、その浸漬部を通して前記半導体ウェハの
研磨音を測定する音響測定器と、前記音響測定器より出力される前記研磨音の音響パワー
の変化に基づいて前記半導体ウェハの突出部が平坦化さ
れたことを検出し、前記半導体ウェハが平坦化された後
は、予め求められた研磨速度に基づいて前記半導体ウェ
ハを所定の時間研磨することによって前記半導体ウェハ
の膜厚を前記所定の値にする処理手段を備えたことを特
徴とする研磨終点検出装置。
【請求項２】前記処理手段は、前記突出部が平坦化さ
れたことを検出した後、前記半導体ウェハで研磨すべき
膜厚量を算出し、前記膜厚量と前記研磨速度とに基づい
て前記所定の研磨時間を算出し、前記所定の研磨時間が
経過したときをもって研磨プロセスの終点を判定するこ
とを特徴とする請求項１記載の研磨終点検出装置。
【請求項３】前記音響測定器は、前記研磨音を電気信
号に変換するマイクロフォンと、前記研磨パッド上の前記研磨液の液面に対して垂直にな
るように加工された一端の垂直加工面に前記マイクロフ
ォンを取り付け、前記研磨液の液面に対して水平になる
ように加工された他端の水平加工面に前記浸漬部を形成
した金属製の治具を備えることを特徴とする請求項１記
載の研磨終点検出装置。
【請求項４】前記治具は、全体がＬ字形を成している
ことを特徴とする請求項３記載の研磨終点検出装置。
【請求項５】前記音響測定器は、前記研磨音を電気信
号に変換するマイクロフォンと、前記マイクロフォンの背部を包囲する筐体と、前記筐体と前記マイクロフォンの背部の間に充填されて
遮音又は吸音を行う減音材と、前記マイクロフォンの受音面に装着され、前記浸漬部と
して機能する保護・音響伝導部材を備えることを特徴と
する請求項１記載の研磨終点検出装置。
【請求項６】前記音響測定器は、前記研磨音を電気信
号に変換するマイクロフォンと、前記マイクロフォンの背部を包囲する筐体と、前記マイクロフォンを前記筐体に揺動可能に支持する複
数の弾性部材と、前記マイクロフォンの受音面に装着され、前記浸漬部と
して機能する保護・音響伝導部材を備えることを特徴と
する請求項１記載の研磨終点検出装置。
【請求項７】前記マイクロフォンは、その受音面が前
記研磨液の液面に対して平行になるようにして取り付け
られていることを特徴とする請求項５又は６記載の研磨
終点検出装置。
【請求項８】前記音響測定器は、前記マイクロフォン
に伝搬する研磨装置の振動及び周囲から発する振動音が
低減されるように保持する支持手段によって支持される
ことを特徴とする請求項３，５，又は６記載の研磨終点
検出装置。
【請求項９】前記支持手段は、研磨装置の研磨テーブ
ルの近傍に設けられた固定部材に取り付けられて装置の
振動が伝わらない様な機構を介していることを特徴とす
る請求項８記載の研磨終点検出装置。
【請求項１０】前記支持手段は、前記研磨パッド上の
水平方向に移動させる固定部に前記研磨ヘッドが取り付
けられていることを特徴とする請求項８記載の研磨終点
検出装置。
【請求項１１】前記音響測定器は、第１及び第２の２
つの音響測定器を備え、これらは同一の支持部材に所定
の間隔をもって装着され、前記第１及び第２の音響測定
器の出力信号間の差信号が測定信号として前記処理手段
に印加されることを特徴とする請求項１記載の研磨終点
検出装置。
【請求項１２】前記音響測定器は、第１及び第２の２
つの音響測定器を備え、一方が研磨装置の研磨テーブル
の近傍に設けられた固定部材に支持され、他方が前記研
磨ヘッドを前記研磨パッド上で水平方向に移動させる固
定部に取り付けられ、前記第１及び第２の音響測定器の
出力信号間の差信号が測定信号として前記処理手段に印
加されることを特徴とする請求項１記載の研磨終点検出
装置。