JP2002273653A - 基板の研磨終点検出 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦力や光の反射率とは異なる原理を用いて
研磨終点を検出することのできる技術を提供する。 【解決手段】 基板の研磨対象表面の２次元画像を取得
し、その２次元画像を解析することによって、２次元画
像のエントロピＨ１，Ｈ２を算出する。そして、このエ
ントロピＨ１，Ｈ２を利用して基板の研磨終点を判定す
る。エントロピＨ１，Ｈ２の代わりに、画像の差分統計
量のような他の画像特徴量を利用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体ウェハや
液晶表示装置用のガラス基板などの各種の基板の上に形
成された薄膜の研磨工程において、その研磨工程の適切
な終点を検出するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスや液晶パネルの製造の際
には、基板の上に薄膜を形成する膜形成工程と、その薄
膜を研磨して適正な膜厚を得るための研磨工程とが頻繁
に利用される。研磨工程では、研磨によって適切な膜厚
が得られた時点で研磨を停止することが要求される。こ
のため、従来から、研磨の終点を検出するための種々の
技術が提案されている。なお、この明細書においては、
薄膜が形成された基板全体を指して、単に「基板」と表
現する場合がある。

【０００３】例えば、特開平９−１３１６６３号公報に
は、摩擦力に基づく研磨終点の検出技術が開示されてい
る。この技術では、研磨が進行して薄膜の下地層が出現
すると、基板と研磨パッドの摩擦力が変化して基板の回
転に要するトルクが変化するので、これを回転モータの
電流変化として検知して研磨終点を検知する。

【０００４】また、特許第３００１０５１号には、光の
反射率に基づく研磨終点の検出技術が開示されている。
この技術では、基板表面にレーザ光を照射し、反射率の
変化を測定することによって、研磨終点を検知する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、摩擦力に基づ
く研磨終点の検出技術では、基板の表面全体による摩擦
力を平均的に評価するので、基板表面の種々の場所にお
ける研磨の不均一性を検知することができないという問
題があった。また、光の反射率に基づく終点検出技術に
おいては、光スポットが当たる微少な位置の状態を検出
しているので、広い面積における研磨状態を検出するの
が困難であるという問題があった。

【０００６】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、摩擦力や光の反射率とは異
なる原理を用いて研磨終点を検出することのできる技術
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明の装置は、基板の研磨
終点を検出する装置であって、前記基板の研磨対象表面
の２次元画像を取得する撮像部と、前記２次元画像を解
析することによって、前記２次元画像に関する所定の特
徴量を算出する画像特徴量算出部と、前記画像特徴量を
利用して前記基板の研磨終点を判定する研磨終点判定部
と、を備えることを特徴とする。

【０００８】この装置では、基板表面において撮像され
た２次元画像は、研磨状態に応じて変化する。従って、
その画像特徴量を利用すれば、適切な研磨終点を検出す
ることが可能である。

【０００９】なお、前記画像特徴量としては、前記２次
元画像の情報量を示すエントロピを実質的に表すエント
ロピ指標値を用いることができ、あるいは、前記２次元
画像の画素値同士の差分に関する統計量を実質的に表す
差分統計量指標値を用いることができる。

【００１０】これらの特徴量を利用すれば、研磨終点を
かなり正確に検出することが可能である。

【００１１】また、前記研磨終点判定部は、前記画像特
徴量が所定のしきい値に達した時点を前記研磨終点であ
ると判定してもよい。あるいは、前記画像特徴量が所定
のしきい値に達した第１の時点を判定するとともに、前
記第１の時点から所定の時間だけ研磨を継続した後の第
２の時点を前記研磨終点であると判定するようにしても
よい。

【００１２】このような判定方法を用いることによっ
て、基板の研磨方法に応じた適切な研磨終点を検出する
ことが可能である。

【００１３】なお、本発明は、種々の態様で実現するこ
とが可能であり、例えば、基板の研磨終点の検出方法お
よび装置、それを用いた研磨方法および装置、それらの
各種の方法または装置の機能を実現するためのコンピュ
ータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録し
た記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波
内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。 Ａ．装置の構成： Ｂ．実施例の処理手順： Ｃ．変形例：

【００１５】Ａ．装置の構成：図１は、本発明の一実施
例としての研磨装置１００の構成を示す説明図である。
この研磨装置１００は、研磨パッド１０と、研磨パッド
１０を回転させるための第１のモータ１２と、半導体ウ
ェハＷＦを保持して研磨パッド１０上に押し当てるため
のウェハ保持部２０と、ウェハ保持部２０を回転させる
ための第２のモータ２２とを備えている。また、研磨装
置１００は、ウェハ表面の画像を撮影するための撮像部
３０と、ウェハ表面を照明するための単色光源３２と、
装置全体の制御を行うためのコンピュータ４０とを備え
ている。コンピュータ４０には、画像データやコンピュ
ータプログラムを格納するための外部記憶装置５０が接
続されている。

【００１６】コンピュータ４０は、画像特徴量算出部４
２と、研磨終点判定部４４と、の機能を有している。こ
れらの各部の機能は、外部記憶装置５０に格納されたコ
ンピュータプログラムをコンピュータ４０が実行するこ
とによって実現される。なお、撮像部３０とコンピュー
タ４０とは、研磨終点検出装置を構成している。

【００１７】ウェハ表面の画像を撮像する場合には、ウ
ェハ保持部２０に保持されたウェハＷＦが、図示しない
移動機構によって所定の撮像位置に移動する。また、研
磨を行う場合には、同じ移動機構によってウェハＷＦが
研磨位置まで移動する。

【００１８】図２は、本実施例における２段階の研磨工
程を示す説明図である。図２（Ａ）では、半導体ウェハ
の酸化物層上に、比較的薄いＴａＮ層が形成されてい
る。また、このＴａＮ層の上に、比較的厚いＣｕ層（配
線層）が形成されている。なお、酸化物層には、配線溝
が形成されている。ＴａＮ層は、Ｃｕ（配線金属）が酸
化物層に拡散するのを防止するストッパ膜としての機能
を有している。

【００１９】第１の研磨工程では、所定の第１の化学研
磨剤を用いてＣｕ層を研磨する。この第１の研磨工程
は、ＴａＮ層の表面が現れるまで行われる。第２の研磨
工程では、第１の研磨工程とは異なる第２の化学研磨剤
を用いてＴａＮ層を研磨する。この第２の研磨工程は、
酸化物層の表面が現れるまで行われる。この結果、酸化
物層に形成された配線溝の中にのみＣｕ層が存在するよ
うな配線パターンが得られる。

【００２０】このような２つの研磨工程は、いずれも化
学研磨剤を用いるので、ＣＭＰ（Chemical Mechanical
Polishing）と呼ばれている。なお、２つの研磨工程に
は、異なる研磨剤が用いられるので、通常は、別々の研
磨装置が使用される。以下に説明する本実施例の研磨終
点の検出処理は、これらの２つの研磨工程のそれぞれに
おいて実行される。但し、これらの２つの研磨工程の一
方においてのみ、本実施例を適用してもよい。

【００２１】Ｂ．実施例の処理手順：図３は、実施例の
処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で
は、図２（Ａ）に示すように薄膜（ＴａＮ層，Ｃｕ層）
を形成する。ステップＳ２では、研磨装置１００（図
１）を用いて一定時間研磨を行う。ステップＳ３では、
半導体ウェハＷＦを撮像位置に移動させ（図１）、撮像
部３０によって２次元の多階調モノクロ画像（以下、単
に「グレー画像」と呼ぶ）を読取る。グレー画像を読取
る際には、ウェハＷＦの表面が単色光源３２で照明され
る。単色光源３２としては、研磨工程が進行するにつれ
て、グレー画像のコントラストが明瞭に変化するような
波長の光源が利用される。この単色光源３２の光の波長
は、ウェハ表面の薄膜の光学定数や厚みを考慮して実験
的に決定される。

【００２２】なお、グレー画像は、半導体ウェハＷＦの
少なくとも１カ所において読取られる。但し、薄膜の形
成状態（厚みや配線パターンなど）の異なる複数箇所に
おいてグレー画像をそれぞれ読取ることが好ましい。

【００２３】ステップＳ４，Ｓ５では、画像特徴量算出
部４２（図１）が、ウェハ表面のグレー画像を解析する
ことによって所定の画像特徴量を算出する。この処理内
容については後述する。ステップＳ５では、研磨終点判
定部４４が、画像特徴量を用いて、所望の研磨終点に達
しているか否かを判定する。こうして、研磨終点に達す
るまでステップＳ２〜Ｓ５が繰り返される。

【００２４】図４は、研磨工程におけるウェハ断面と、
ウェハ表面のグレー画像の変化の様子を示す説明図であ
る。図４（Ａ）の上部に示すように、研磨前にはＣｕ層
が比較的厚く形成されているが、Ｃｕ層の表面にはＴａ
Ｎ層の配線溝の痕跡である小さな溝が残っている。この
ため、図４（Ａ）の下部に示すように、ウェハ表面のグ
レー画像はこの溝の画像部分を含んでいる。

【００２５】研磨を行って図４（Ｂ）に示すようにＣｕ
層が平坦化されると、濃淡の少ないほぼ一様なグレー画
像が撮像される。さらに研磨が進み、Ｃｕ層の厚みが十
分薄くなると、下地にある配線溝の形状（配線パター
ン）が透けて見えようになる。このため、図４（Ｃ）の
下部に示すように、グレー画像の配線パターン部分の明
度と、その他の部分の明度とに差異が現れる。ＴａＮ層
の上にあるＣｕ層がすべて研磨された適正研磨状態で
は、図４（Ｄ）に示すように、グレー画像の配線パター
ン部分がかなり明瞭に現れる。但し、研磨が過剰になる
と、図４（Ｅ）に示すように、グレー画像のコントラス
トが過剰になる傾向にある。

【００２６】画像特徴量算出部４２は、このような研磨
状態とグレー画像との関係を前提として、適正な研磨終
点を検出するための所定の画像特徴量を算出する。画像
特徴量としては、例えば次の（１）式で与えられるグレ
ー画像のエントロピＨ１を使用することができる。

【００２７】

【数１】

【００２８】ここで、ｉはグレー画像の各画素の画素値
（０〜２５５）であり、ｈ（ｉ）は画素値がｉである画
素数の頻度を表すヒストグラムである。また、演算子ln
[]は自然対数を取る演算を意味している。なお、ヒスト
グラムｈ（ｉ）は、その積算値が１になるように規格化
した値（すなわち画素値ｉの出現確率）である。このエ
ントロピＨ１は、グレー画像を情報源と考えたときに、
その情報量を示す指標値である。従って、エントロピＨ
１は、グレー画像内の画素値の変化が大きいほど大きな
値となる傾向にある。適正研磨状態（図４（Ｄ））で
は、グレー画像内の画素値の変化も大きいので、このエ
ントロピＨ１を用いて適正な研磨終点を検出することが
可能である。なお、上記（１）式において、自然対数ln
[]の代わりに、底が２である対数log₂ []を用いてもよ
い。

【００２９】また、上記エントロピＨ１の代わりに、次
の（２ａ），（２ｂ）式で与えられるファジーエントロ
ピＨ２を用いることも可能である。

【００３０】

【数２】

【００３１】なお、Ｍ×Ｎはグレー画像のサイズ（画素
数）である。Ｔｅ（ｉ）はファジー集合を定義するファ
ジーメンバー関数であり、その形状は（２ｂ）式で与え
られる。本実施例では、ファジーメンバー関数Ｔｅ
（ｉ）の形を規定する係数ａ，ｂ，ｃとして、ａ＝０，
ｂ＝１２７．５，ｃ＝２５５を用いる。このファジーエ
ントロピＨ２も、グレー画像の情報量を示す指標値とし
ての意味を有している。

【００３２】図５は、研磨実験を行って得られた２種類
のエントロピＨ１，Ｈ２の時間変化を示すグラフであ
る。エントロピＨ１は、時刻ｔ０において最大値Ｈ１ｍ
ａｘに達した。また、ファジーエントロピＨ２も、時刻
ｔ０において最大値Ｈ２ｍａｘに達した。適正な研磨状
態は、それから時間Δｔ１だけ経過した後の時刻ｔ１で
あった。

【００３３】このような実験結果から、以下のようない
くつかの方法に従って適正な研磨状態を判定することが
可能である。

【００３４】（Ｃ１）エントロピＨ１（またはＨ２）が
その最大値に達した時点ｔ０から所定の時間Δｔ１だけ
経過した後に、適正な研磨状態に達するものと判定す
る。 （Ｃ２）エントロピＨ１（またはＨ２）がその最大値に
達した時点でほぼ適正な研磨状態に達したものと判定す
る。

【００３５】ところで、最大値Ｈ１ｍａｘに達したか否
かは、エントロピＨ１の値が最大値よりも小さくなった
ときに初めて解る。そこで、上記の判定基準（Ｃ１），
（Ｃ２）の判定方法の代わりに、次の判定基準（Ｃ
３），（Ｃ４）を採用することが可能である。

【００３６】（Ｃ３）エントロピＨ１（またはＨ２）が
所定のしきい値に達した時点から所定の時間Δｔ１だけ
経過した後に、適正な研磨状態に達するものと判定す
る。 （Ｃ４）エントロピＨ１（またはＨ２）が所定のしきい
値に達した時点でほぼ適正な研磨状態に達したものと判
定する。

【００３７】なお、エントロピＨ１，Ｈ２に関する所定
のしきい値や経過時間Δｔ１は、実際の判定対象となる
ウェハと同じ薄膜パターンを有するテスト用ウェハを用
いた研磨実験を行うことよって決定することが可能であ
る。

【００３８】上述のようないずれかの判定基準に従え
ば、グレー画像の解析で得られたエントロピＨ１または
Ｈ２を用いて適正な研磨終点を精度良く容易に検出する
ことが可能である。

【００３９】また、エントロピＨ１、Ｈ２の代わりに、
次の（３ａ）〜（３ｄ）式のいずれかで与えられる差分
統計量Ｆ１〜Ｆ４を用いることも可能である。

【００４０】

【数３】

【００４１】図６は、グレー画像の差分統計量の計算に
使用されるヒストグラムＧ（ｉ），Ｐ（ｉ）の計算方法
を示す説明図である。ヒストグラムＧ（ｉ） は、所定
の変位量（ＮＸ，ＮＹ）だけ離れた２つの画素の画素値
Ｄの差の絶対値がｉである確率を意味している。また、
上記（３ａ）〜（３ｄ）式で用いられている変数Ｐ
（ｉ）は、Ｐ（ｉ）＝Ｇ（ｉ＋１）で与えられるヒスト
グラムである。変位量（ＮＸ，ＮＹ）としては任意の値
を使用可能であるが、本実施例では（１，１），（１，
０），（１，−１），（０，−１），（−１，−１），
（−１，０），（−１，１），（０，１）の８方向につ
いて計算し、それらの平均値を用いている。

【００４２】上記（３ａ）式で与えられる第１の差分統
計量Ｆ１は、画素値の差分ｉの２乗にそのヒストグラム
Ｐ（ｉ）を乗じた値の和であり、画素値の差分ｉの分散
に相当する。この第１の差分統計量Ｆ１を、以下では
「差分統計量コントラスト」とも呼ぶ。

【００４３】上記（３ｂ）式で与えられる第２の差分統
計量Ｆ２は、画素値の差分ｉのヒストグラムＰ（ｉ）の
２乗和である。この第２の差分統計量Ｆ２を、以下では
「差分統計量角度別２次モーメント」とも呼ぶ。

【００４４】上記（３ｃ）式で与えられる第３の差分統
計量Ｆ３は、ヒストグラムＰ（ｉ）のエントロピに相当
する値である。この第３の差分統計量Ｆ３を、「差分統
計量エントロピ」とも呼ぶ。

【００４５】上記（３ｄ）式で与えられる第４の差分統
計量Ｆ４は、画素値の差分ｉの平均値に相当する値であ
る。この第４の差分統計量Ｆ４を、「差分統計量平均」
とも呼ぶ。

【００４６】図７は、図５と同じ研磨実験における差分
統計量コントラストＦ１の時間変化を示すグラフであ
る。差分統計量コントラストＦ１は、時刻ｔ０’におい
て最小値Ｆ１ｍｉｎに達している。適正な研磨終点は、
それから時間Δｔ２だけ経過した後の時刻ｔ１である。

【００４７】差分統計量コントラストＦ１を用いた場合
には、上記判定基準（Ｃ１）〜（Ｃ４）と同様な以下の
判定基準（Ｃ１’）〜（Ｃ４’）に従って適正な研磨状
態を判定することが可能である。

【００４８】（Ｃ１’）差分統計量コントラストＦ１が
最小値に達した時点ｔ０’から所定の時間Δｔ２だけ経
過した後に、適正な研磨状態に達するものと判定する。 （Ｃ２’）差分統計量コントラストＦ１が最小値に達し
た時点でほぼ適正な研磨状態に達したものと判定する。 （Ｃ３’）差分統計量コントラストＦ１が所定のしきい
値に達した時点から所定の時間Δｔ１だけ経過した後
に、適正な研磨状態に達するものと判定する。 （Ｃ４’）差分統計量コントラストＦ１が所定のしきい
値に達した時点でほぼ適正な研磨状態に達したものと判
定する。

【００４９】なお、差分統計量コントラストＦ１の代わ
りに、上述した他の差分統計量Ｆ２〜Ｆ４を用いた場合
も同様である。

【００５０】上述したように、本実施例によれば、グレ
ー画像を解析することによってエントロピＨ１，Ｈ２や
差分統計量Ｆ１〜Ｆ４などの所定の画像特徴量を算出
し、その値を用いて研磨終点を検出するので、比較的簡
単な構成によって適正な研磨終点を正確に検出すること
が可能である。

【００５１】なお、上記実施例を利用して、ウェハの複
数の検査対象箇所においてグレー画像を撮像し、複数の
検査対象箇所における画像特徴量を用いて研磨終点を検
出するようにすることも可能である。このようにすれ
ば、例えば、複数の検査対象箇所における研磨状態か
ら、研磨が不均一であるか否かを判定することができ
る。また、研磨が不均一な場合にも、特に重要な検査対
象箇所について十分な研磨が行われるまで研磨を継続す
ることも可能である。

【００５２】また、撮影部３０に関しては、ウェハ回転
に同期して画像を取り込むため、ストロブ照明を利用す
るか、あるいは、シャッター付きカメラで撮像すること
が好ましい。

【００５３】Ｃ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様において実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００５４】Ｃ１．変形例１：上記実施例は、半導体ウ
ェハの研磨工程に適用していたが、本発明は、半導体ウ
ェハに限らず、液晶表示装置用ガラス基板や、フォトマ
スク用ガラス基板、光ディスク用基板などの種々の基板
の研磨工程に適用することが可能である。また、本発明
は、ＣＭＰ以外の任意の種類の研磨工程に適用可能であ
る。

【００５５】Ｃ２．変形例２：上記実施例では、２次元
画像として多階調モノクロ画像を撮像していたが、この
代わりに多階調カラー画像を撮像するようにしてもよ
い。この場合には、カラー画像からグレー階調値を求め
て画像特徴量を算出することができる。あるいは、カラ
ー画像の各色成分毎に画像特徴量を算出し、それらの画
像特徴量を用いて研磨終点を検出するようにしてもよ
い。

【００５６】Ｃ３．変形例３：上記実施例ではエントロ
ピＨ１，Ｈ２や差分統計量Ｆ１〜Ｆ４を用いていたが、
画像特徴量として２次元画像の特徴を表す他の値を使用
することも可能である。但し、図５，図７の結果からも
理解できるように、画像のエントロピを実質的に表すエ
ントロピ指標値や、画像の画素値同士の差分に関する統
計量を実質的に表す差分統計量指標値を用いるようにす
れば、研磨終点をかなり正確に検出することができると
いう利点がある。

【００５７】Ｃ４．変形例４：上記実施例では、１つの
画像特徴量を利用して研磨終点を検出するものとしてい
たが、複数種類の異なる画像特徴量を利用して研磨終点
を検出するようにしてもよい。複数種類の画像特徴量を
利用すれば、より正確に研磨終点を検出することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての研磨装置の構成を示
す説明図。

【図２】本実施例における２段階の研磨工程を示す説明
図。

【図３】実施例の処理手順を示すフローチャート。

【図４】研磨工程におけるウェハ断面とウェハ表面のグ
レー画像の変化の様子を示す説明図。

【図５】研磨実験で得られたエントロピＨ１，Ｈ２の時
間変化を示すグラフ。

【図６】グレー画像の差分統計量の計算に使用されるヒ
ストグラムＧ（ｉ），Ｐ（ｉ）の計算方法を示す説明
図。

【図７】図５と同じ研磨実験における差分統計量コント
ラストＦ１の時間変化を示すグラフ。

【符号の説明】

１０…研磨パッド １２…第１のモータ ２０…ウェハ保持部 ２２…第２のモータ ３０…撮像部 ３２…単色光源 ４０…コンピュータ ４２…画像特徴量算出部 ４４…研磨終点判定部 ５０…外部記憶装置 １００…研磨装置

フロントページの続き (72)発明者 藤本 博己 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 (72)発明者 西原 栄治 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 (72)発明者 今村 淳志 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 Ｆターム(参考） 3C034 BB93 CA02 CB01 DD01 3C058 AA07 AC02 BA01 BA09 DA12 DA17 5B057 AA03 BA02 BA30 DA01 DB02 DB05 DB09 DC23 DC30 DC33

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の研磨終点を検出する装置であっ
   て、 前記基板の研磨対象表面の２次元画像を取得する撮像部
   と、 前記２次元画像を解析することによって、前記２次元画
   像に関する所定の特徴量を算出する画像特徴量算出部
   と、 前記画像特徴量を利用して前記基板の研磨終点を判定す
   る研磨終点判定部と、を備えることを特徴とする研磨終
   点検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の研磨終点検出装置であっ
   て、 前記画像特徴量は、前記２次元画像の情報量を示すエン
   トロピを実質的に表すエントロピ指標値である、研磨終
   点検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の研磨終点検出装置であっ
   て、 前記画像特徴量は、前記２次元画像の画素値同士の差分
   に関する統計量を実質的に表す差分統計量指標値であ
   る、研磨終点検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の研
   磨終点検出装置であって、 前記研磨終点判定部は、前記画像特徴量が所定のしきい
   値に達した時点を前記研磨終点であると判定する、研磨
   終点検出装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載の研
   磨終点検出装置であって、 前記研磨終点判定部は、前記画像特徴量が所定のしきい
   値に達した第１の時点を判定するとともに、前記第１の
   時点から所定の時間だけ研磨を継続した後の第２の時点
   を前記研磨終点であると判定する、研磨終点検出装置。
6. 【請求項６】 基板の研磨終点を検出する方法であっ
   て、 前記基板の研磨対象表面の２次元画像を取得する工程
   と、 前記２次元画像を解析することによって、前記２次元画
   像に関する所定の特徴量を算出する工程と、 前記画像特徴量を利用して前記基板の研磨終点を判定す
   る工程と、を備えることを特徴とする研磨終点検出方
   法。