JP2004261960A - ポリッシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウエハをポリッシング装置のトップリングから外すことなく装着したまま、研磨が研磨終了点に達したか否かを検知できるポリッシング装置における研磨終了点の検出装置を提供すること。
【解決手段】ターンテーブル１とトップリング２の間に板状の被研磨物（半導体ウエハＦ）を介在させ、所定の力で該被研磨物を押圧し、該被研磨物の表面を研磨するポリッシング装置において、トップリング２に被研磨物を装着した状態で露出した該研磨面に光を投光する投光部３と、該被研磨物で反射する光を受光する受光部４を設け、該受光部４で受光する反射光から該被研磨物の研磨終了点を検出する研磨終了点検出手段を設け、該研磨終了時点は表面に異材質が露出した時点とする。
【選択図】図１

Description

本発明はポリッシング装置で半導体ウエハ等の被研磨物を研磨する際、被研磨物をトップリングから外すことなく、装着したまま研磨面の研磨終了点を検出することができるポリッシング装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に、０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合は、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段として半導体ウエハの表面をポリッシング装置で研磨することが行なわれている。

この種のポリッシング装置は、対向し各々独立して回転するターンテーブルとトップリングを具備し、トップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブルとトップリングの間に半導体ウエハを介在させて、該半導体ウエハの表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
特開平４−２５５２１８号公報

上記のようなポリッシング装置を用いて半導体ウエハを研磨する場合の問題点は、半導体ウエハの研磨面が所望の平坦度又は厚さに研磨された時点を決定することである。例えば、半導体ウエハ上に蒸着層を形成し、その上に種々の集積回路素子を形成し、酸化物材料の厚さを取り除きたいことがよくある。この酸化物材料の取り除き或いは平坦化する際に、素子のどの部分も取り除くことなく、酸化物を種々の集積回路素子の頂部まで取り除くことが望ましい。

従来、この平坦化のプロセスは、ターンテーブルやトップリングの回転速度、トップリングの他の４ターンテーブルに与える圧力、化学的スラリー及び平坦化プロセスの時間を制御することによって形成されていた。そして研磨面の研磨終了点は、ポリッシング装置から半導体ウエハを機械的に取外し、当該技術分野で公知の方法によって物理的に測定し、研磨した半導体ウエハの寸法及び平坦度に関する特性を確認する。

ここでウエハが仕様に適合しない場合、当該ウエハをポリッシング装置に戻し、更に２度目の平坦化研磨工程を行なっている。つまり、研磨終了点を検出するためには、ポリッシング装置から半導体ウエハを外し、更に研磨不足の場合は再び半導体ウエハをポリッシング装置にセットするという作業の反復が必要となり、この作業に費やす時間及び労力が問題となっていた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、半導体ウエハをポリッシング装置のトップリングから外すことなく装着したまま、研磨が研磨終了点に達したか否かを検知できるポリッシング装置における研磨終了点の検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、対向し各々独立して回転するターンテーブルとトップリングを具備し、該ターンテーブルとトップリングの間に板状の被研磨物を介在させ、所定の力で該被研磨物を押圧し、該被研磨物の表面を研磨するポリッシング装置において、トップリングに被研磨物を装着した状態で露出した該研磨面に光を投光する投光部と、該被研磨物で反射する光を受光する受光部を設け、該受光部で受光する反射光から該被研磨物の研磨終了点を検出する研磨終了点検出手段を設け、該研磨終了時点は表面に異材質が露出した時点とすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のポリッシング装置において、研磨終了点検出手段は、研磨終了点を検出した場合、停止信号を制御部に送り研磨運転を停止することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のポリッシング装置において、研磨終了点検出手段は、研磨終了点を検出しない場合は、停止信号を制御部に出力せず、研磨を継続することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、投光部の投光と反射光の経路と入射・反射角度が全て同一であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、投光部と受光部は、被研磨物の被測定面に対して、投光と反射光が一定の角度をなすように配置されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、投光部と受光部はそれぞれ複数あり、１対１対応の配置関係にあることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のポリッシング装置において、複数の投光部の投光と、複数の受光部が受光する反射光の経路距離と入射・反射角度が同一であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、終了点検出手段は、反射光の強度の変化を酸化膜で反射された反射光強度と、金属部分で反射した反射光強度の変化により研磨終了点を検出することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のポリッシング装置において、研磨終了点検出手段は、酸化膜で反射した反射光強度を初期値として設定することを特徴とする。

各請求項に記載の発明によれば、トップリングに被研磨物を装着した状態で、投光部から該研磨面に光を投射し、該被研磨物で反射する光を受光部で受光し、該受光部で受光する反射光から異材質の露出した時点を研磨終了点とするので、被研磨物が異なる材質の多層膜が形成された物である場合、異材質が露出された時点で該異材質より上部膜層が除去されたことを容易に検知できる。

請求項２に記載の発明によれば、研磨終了点検出手段は、研磨終了点を検出した場合、停止信号を制御部に送り研磨運転を停止するので、過研磨を確実に防止できる。

請求項３に記載の発明によれば、研磨終了点検出手段は、研磨終了点を検出しない場合は、停止信号を制御部に出力せず、研磨を継続するので、従来のように被研磨物の研磨終了点を検出する毎に被研磨物をトップリングから外し、研磨終了点に達していない場合は再び、被研磨物をトップリングに装着して研磨を継続するというようなことはなく、被研磨物をトップリングに一度装着すると、研磨終了点まで脱着する必要がない。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明のポリッシング装置の研磨部及び研磨終了点検出手段の全体概略構成を示すブロック図である。図１において、１はターンテーブル、２はトップリングである。ターンテーブル１は軸１ａで矢印Ａ方向に回転し、トップリング２は軸２ａで矢印Ｂ方向に回転している。トップリング２の下面とターンテーブル１の上面の間に研磨対象物である半導体ウエハＦを介在させ、ターンテーブル１の上面に所定の圧力が加わるようにトップリング２を下方に押し、半導体ウエハＦの研磨面、即ちターンテーブル１に当接する面を研磨する。

トップリング２は矢印Ｃに示すように移動できるようになっており、該通常の研磨時は半導体ウエハＦの研磨面の全面がターンテーブル１の上面で覆われた状態となるような位置をとるが、研磨終了点検出時は図示するように、半導体ウエハＦが研磨面が露出するように、ターンテーブル１の横にはみでる位置をとる。この時、必要ならば、トップリング２は半導体ウエハＦを真空吸着により吸着しても良い。また、前記トップリング２はターンテーブル１の上面を横に滑らすだけでなく、検出面を大きくとるため、上に持ち上げ横に移動させるようにしてもよい。

研磨終了点検出手段は、投光部３、受光部４、増幅部５、アナログフィルタ６、Ａ／Ｄ変換部７、演算部８及び制御部９を具備する。投光部３、受光部４は後述するように、それぞれ複数の投光素子、受光素子を具備し、該投光素子の各々から半導体ウエハＦの研磨面（下面）に光を照射し、各々の反射光は受光素子で受光する。この時、照射する光は狙った位置に正確に狭い範囲で照射できる光、例えばレーザー光のようなものが望ましい。

受光部４で受光された反射光は、各々の強度に比例した電気信号に変換されて増幅部（増幅器）５によって一定倍率で増幅され、アナログフィルタ６を通ってノイズが除去される。次に、各々の電気信号がＡ／Ｄ変換部７に送られ、アナログ信号がデジタル信号に変換され、一定間隔の信号にサンプリングされる。

次に、各々のデジタル信号は演算部８に入力し、該演算部８で各々の信号の強度を算出し、各々強度を加算し加算値を得る。加算値は、予め記憶されている初期値（研磨開始前の反射光強度の加算値、即ち初期加算値）と比較演算され、加算値と初期値との差分絶対値が所定の閾値を超えた時に停止信号を制御部９に送り、該ポリッシング装置の運転を停止する。差分絶対値が所定の閾値を超えない時は停止信号は出力せず、制御部９はトップリング２をターンテーブル１の上面で半導体ウエハＦの研磨面が覆いかくされる位置まで移動して、研磨を継続する。

図２に反射光の状態を示す。図２（ａ）はウエハＳｉの表面が酸化膜Ｏｘで覆われている状態の半導体ウエハＦの研磨面に投射光Ｌ１〜Ｌ５を照射した場合の反射光ＬＲ１〜ＬＲ５の状態を示す。図２（ｂ）は金属部分Ｍが露出した状態の研磨面に投射光Ｌ１〜Ｌ５を照射した場合の反射光ＬＲ１〜ＬＲ５の状態を示す。

図２（ａ）において、研磨面の表面は一様な物質の酸化皮膜Ｏｘで覆われているため、反射光ＬＲ１〜ＬＲ５は研磨面のどの部分に照射しても同じ反射光量となる。しかしながら、図２（ｂ）に示すように、研磨が進行し表面に異質材である金属部分Ｍが露出すると、該金属部分Ｍで反射した反射光ＬＲ１、ＬＲ３、ＬＲ５は酸化膜Ｏｘで反射した反射光ＬＲ２、ＬＲ４と異なり、反射強度も強くなる。従って、半導体ウエハＦの研磨面に対して広い範囲で多数の光を照射し、その反射光強度の変化を検出することにより、ポリッシングの研磨終了点を検出することができる。本発明では、この性質を利用して研磨終了点の検出を行なう。

図３は投射光及び反射光が半導体ウエハＦの研磨面に半径方向に一直線上に並んだ状態にある場合を示す。図３（ａ）は研磨面の投射光Ｌ１〜Ｌ５の照射面を示す図、図３（ｂ）は投光部３及び受光部４を正面から見た図、図３（ｃ）は投光部３及び受光部４を横から見た図である。図３（ｂ）に示すように、投光部３から投射光Ｌ１〜Ｌ５を投射すると、投射光Ｌ１〜Ｌ５の照射点ＬＰ１〜ＬＰ５は図３（ａ）に示すように半導体ウエハＦの研磨面に半径方向に一直線に並んで形成される。

図３（ｃ）においては、投射光Ｌ１〜Ｌ５及び反射光ＬＲ１〜ＬＲ５が研磨面に対して垂直になるように投光部３及び受光部４を研磨面に垂直に配置している場合と、投射光Ｌ１〜Ｌ５及び反射光ＬＲ１〜ＬＲ５が研磨面に対して一定の角度θをなすように配置している場合の２通りを示している。

投光部３及び受光部４の配置場所は、投射光Ｌ１〜Ｌ５及び反射光ＬＲ１〜ＬＲ５が研磨面に対して垂直であっても一定の角度θをなしてもどちらでも良いが、投射光Ｌ１〜Ｌ５を投射する投光部３とその反射光ＬＲ１〜ＬＲ５を受光する受光部４との１対１の対応の配置位置調整はしっかりと行なう必要がある。

図４は投射光及び反射光が半導体ウエハＦの研磨面に直径と平行に一直線上に並んだ状態にある場合を示す。図４（ａ）は研磨面の投射光Ｌ１〜Ｌ５の照射面を示す図、図４（ｂ）は投光部３及び受光部４を正面から見た図、図４（ｃ）は投光部３及び受光部４を横から見た図である。図４（ｂ）に示すように、投光部３から投射光Ｌ１〜Ｌ５を投射すると、投射光Ｌ１〜Ｌ５の照射点ＬＰ１〜ＬＰ５は図４（ａ）に示すように半導体ウエハＦの研磨面に直径と平行に一直線に並んで形成される。

図４（ｃ）においては、図３（ｃ）の場合と同様に、投射光Ｌ１〜Ｌ５及び反射光ＬＲ１〜ＬＲ５が研磨面に対して垂直になるように投光部３及び受光部４を研磨面に垂直に配置している場合と、投射光Ｌ１〜Ｌ５及び反射光ＬＲ１〜ＬＲ５が研磨面に対して一定の角度θをなすように配置している場合の２通りを示している。

投光部３と受光部４の配置位置については、図３や図４で示したものに限定されるものではなく、各々の投光部３と受光部４の１対１の対応がしっかりなされており、各々の投射光及び反射光の経路の距離と入射・反射角度が全て同一であれば、任意に配置してもかまわない。

図５は本ポリッシング装置の研磨終了点を検出する動作の流れを示す図である。先ず、ポリッシング開始前の半導体ウエハの研磨面が酸化膜Ｏｘで覆われている状態の時に反射光強度を測定しておき、その加算値を初期値として設定し、演算部８のメモリに記憶しておく（ステップＳＴ１）。初期値の設定・記憶が終了したならば、ポリッシング装置の運転を開始する（ステップＳＴ２）。研磨終了の目処となる一定の時間が経過したならば、トップリング２を横に移動させ、下記の研磨終了点検出の制御を行なう。この時の研磨終了点検出開始の時間は、予め予備データとして演算部８のメモリに記憶しておく。また、研磨終了点検出開始の制御は制御部９で行なう。

研磨終了点検出は、上述のような投光部３により半導体ウエハＦの研磨面に投射光Ｌ１〜Ｌ５を照射し、その反射光ＬＲ１〜ＬＲ５を受光部４で受光することにより開始する。上述するように、投射光Ｌ１〜Ｌ５に使用する光はレーザ光が望ましい。

前記受光部４で受光された反射光ＬＲ１〜ＬＲ５は、該受光部４で光電変換し、増幅部５で増幅し、アナログフィルタ６にてノイズを除去する（ステップＳＴ３）。ノイズが除去された各信号はＡ／Ｄ変換部７で一定時間間隔の信号にサンプリングされる（ステップＳＴ４）。このサンプリングされた各々のサンプリング信号は、演算部８に送られる。

該演算部８では、先ず各々のサンプリング信号のゲイン（最大振幅の２乗）を算出し（ステップＳＴ５）、次いで各々のゲインを加算し、一定加算値を算出する（ステップＳＴ６）。この加算値は、初期加算値として演算部８のメモリに記憶された値、即ちポリッシング開始前に半導体ウエハＦの研磨面が酸化膜Ｏｘで覆われた状態の反射光強度の加算値と比較し、両加算値の差分の絶対値を算出する（ステップＳＴ７）。次にこの差分の絶対値と前記ステップＳＴ１で演算部８のメモリに記憶された初期の加算値、運転条件等から設定された閾値と比較する（ステップＳＴ８）。

前記ステップＳＴ８において、前記差分の絶対値が閾値を超えている場合は、研磨終了点に到達したことを検出し、運転停止の信号を制御部９に送り、ポリッシング装置の運転停止制御を行なう。差分の絶対値が閾値を超えない場合は、運転再開の信号を制御部９に送り、運転再開の制御を行なう。

なお、上記実施例では、各々の反射光の受光信号の合計値（加算値）を用いたが、平均値を算出し、該平均値の差分の絶対値と閾値を比較してもよい。この場合は、当然閾値は合計値（加算値）を用いた時より小さくなる。

また、上記例では被研磨物として半導体ウエハの例を説明したが、本発明のポリッシング装置の研磨対象は半導体ウエハに限定されるものではなく、例えばＬＣＤ等精密に平坦化し、研磨する必要のある板状の被研磨物であれば研磨対象とすることができる。

本発明のポリッシング装置の研磨部及び研磨終了点検出手段の全体概略構成を示すブロック図である。 本発明のポリッシング装置の研磨終了点検出手段の反射光の状態を示す図である。 本発明のポリッシング装置の研磨終了点検出手段の投射光及び反射光の配置状態を示す図である。 本発明のポリッシング装置の研磨終了点検出手段の投射光及び反射光の配置状態を示す図である。 本発明のポリッシング装置の研磨終了点を検出する動作の流れを示す図である。

符号の説明

１ ターンテーブル
２ トップリング
３ 投光部
４ 受光部
５ 増幅部
６ アナログフィルタ
７ Ａ／Ｄ変換部
８ 演算部
９ 制御部
Ｆ 半導体ウエハ
Ｌ１〜Ｌ５ 投射光
ＬＰ１〜ＬＰ５ 照射点
ＬＲ１〜ＬＲ５ 反射光

Claims (9)

1. 対向し各々独立して回転するターンテーブルとトップリングを具備し、該ターンテーブルとトップリングの間に板状の被研磨物を介在させ、所定の力で該被研磨物を押圧し、該被研磨物の表面を研磨するポリッシング装置において、
   前記トップリングに前記被研磨物を装着した状態で露出した研磨面に光を投光する投光部と、該被研磨物で反射する光を受光する受光部を設け、該受光部で受光する反射光から該被研磨物の研磨終了点を検出する研磨終了点検出手段を設け、該研磨終了時点は表面に異材質が露出した時点とすることを特徴とするポリッシング装置。
2. 請求項１に記載のポリッシング装置において、
   前記研磨終了点検出手段は、研磨終了点を検出した場合、停止信号を制御部に送り研磨運転を停止することを特徴とするポリッシング装置。
3. 請求項１又は２に記載のポリッシング装置において、
   前記研磨終了点検出手段は、研磨終了点を検出しない場合は、停止信号を制御部に出力せず、研磨を継続することを特徴とするポリッシング装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、
   前記投光部の投光と反射光の経路と入射・反射角度が全て同一であることを特徴とするポリッシング装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、
   前記投光部と受光部は、前記被研磨物の被測定面に対して、投光と反射光が一定の角度をなすように配置されていることを特徴とするポリッシング装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、
   前記投光部と受光部はそれぞれ複数あり、１対１対応の配置関係にあることを特徴とするポリッシング装置。
7. 請求項６に記載のポリッシング装置において、
   前記複数の投光部の投光と、前記複数の受光部が受光する反射光の経路距離と入射・反射角度が同一であることを特徴とするポリッシング装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のポリッシング装置において、
   前記終了点検出手段は、反射光の強度の変化を酸化膜で反射された反射光強度と、金属部分で反射した反射光強度の変化により研磨終了点を検出することを特徴とするポリッシング装置。
9. 請求項８に記載のポリッシング装置において、
   前記研磨終了点検出手段は、酸化膜で反射した反射光強度を初期値として設定することを特徴とするポリッシング装置。

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