JP2004363451A

JP2004363451A - ウェーハ研磨装置

Info

Publication number: JP2004363451A
Application number: JP2003162099A
Authority: JP
Inventors: Minoru Numamoto; 実沼本
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】本発明は、研磨パッドと研磨定盤とに終点検出用の貫通孔が設けられたウェーハ研磨装置において、ウェーハの研磨終点検出精度を向上させることができるウェーハ研磨装置を提供する。
【解決手段】本発明は、プラテン１４の観測孔２４を塞ぐように、プラテン１４の表面に観察窓１２６を設ける。観察窓１２６の表面の高さは、研磨パッド１６の表面に対し、１ｍｍ以内に設定されている。また、観察窓１２６も研磨パッド１６と同質の高分子ウレタン発泡体で製造されている。観察窓１２６の照射・受光光学系２８側の面１２６Ａは傾斜して形成され、照射・受光光学系２８から照射され該面１２６Ａで反射した反射光Ｌが照射・受光光学系２８よって受光されないようにした。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学的機械研磨法（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）によって半導体ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＰによるウェーハの研磨は、回転する研磨パッドにウェーハを回転させながら所定の圧力で押し付け、その研磨パッドとウェーハとの間にメカノケミカル研磨剤（スラリ）を供給することによって行われる。このＣＭＰの主な目的は、ウェーハ上のＩＣ回路の表面に形成される段差を除去し、ＩＣ回路の高密度化の達成を容易にすること、及び不要な膜厚の層を除去することにある。
【０００３】
この際、ＩＣ回路を形成する各層の膜厚は非常に小さく、前記段差が除去された後にも、僅かの膜厚を残していたりすることもある。したがって、不要な膜を除去した時点でＣＭＰを停止させるＣＭＰの終点の検出は非常に重要である。特に、装置稼働率の向上、生産性の向上等の観点より、ＣＭＰ処理中での終点の検出がなされることが多く、そのための各種手段が提案されている。
【０００４】
その終点検出手段として、研磨面、底面、及び研磨面から底面に貫通して形成された貫通孔を有し、この貫通孔に透明シートを貼り付けるとともに透光性の窓部材を取り付けた研磨パッドが使用されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
この研磨パッドの下方には、例えばレーザー干渉計が取り付けられ、レーザー干渉計から投射されるレーザービームを、研磨パッドの前記開口部及び窓部材を介してウェーハの研磨面に照射し、その反射レーザービームをレーザー干渉計で受光することによりＣＭＰ処理中でのウェーハ上の段差量が演算され、ＣＭＰ処理中での終点検出が行なわれている。
【０００６】
また、他の終点検出手段として、ウェーハの研磨面に投光装置から光を照射し、その反射光の分光強度分布を測定することにより研磨終点を検出するもの（例えば、特許文献２）、及びウェーハの研磨面に投光装置から光を照射し、その反射光の色成分を検出することにより研磨終点を検出するものがある（例えば、特許文献３）。
【０００７】
ところで、特許文献１のような研磨パッドでは、研磨パッドに供給したスラリが研磨パッドと窓部材との間の隙間からしみ込み、研磨パッドが貼られている研磨定盤の貫通孔から落下する場合がある。落下したスラリは、研磨定盤の下方に設置されているレーザー干渉計や投光装置を濡らし、これらの光学系に悪影響を与えるとともに故障を引き起こす原因になる。
【０００８】
このため、特許文献１のような研磨パッドを使用する場合には、研磨定盤の貫通孔に透光性の防水窓を設け、前記しみ込んだスラリがレーザー干渉計や投光装置に落下しないように工夫する必要があった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２９１６８６号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−１８６９１８号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開２０００−１８３００１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、研磨パッドと研磨定盤に、窓部材や防水窓を設けた従来のウェーハ研磨装置は、窓部材や防水窓が透光性であるのにもかかわらず、これらの透光性窓を二重に設けたことが原因でウェーハの研磨終点検出精度が悪化するという問題があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、研磨パッドと研磨定盤とに終点検出用の貫通孔が形成されたウェーハ研磨装置において、ウェーハの研磨終点検出精度を向上させることができるウェーハ研磨装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、ウェーハ研磨用の研磨パッドと該研磨パッドが取り付けられる研磨定盤とに貫通孔がそれぞれ形成されるとともに、前記研磨定盤側の前記貫通孔に透光性の窓部材が設けられ、投光・受光手段の投光部からの光を、前記窓部材から前記研磨パッドの前記貫通孔を介してウェーハに照射するウェーハ研磨装置であって、前記窓部材は、前記研磨パッドと同質の材料で製造されるとともに、研磨パッドと略面一に設けられることを特徴としている。
【００１５】
窓部材と防水窓とが設けられた二重窓構造のものにおいて、ウェーハの研磨終点検出精度が悪くなる原因について本願出願人は探求した。レーザー干渉計や投光装置等の照射手段から照射された光の大部分は、防水窓及び窓部材を透過し、ウェーハの研磨面を照射する。この反射光のみを受光すれば、研磨終点の検出精度には悪影響を与えない。しかしながら、照射手段から照射された残りの数％の光は、窓部材や防水窓の面で反射し、それが受光手段で受光される。すなわち、受光手段は、ウェーハの研磨面で反射した光と、窓部材や防水窓の面で反射した有害光とを受光することになり、この有害光を受光することが、ウェーハの研磨終点検出精度を悪化させていた原因であることを突き止めた。
【００１６】
対策としては防水窓を無くし、窓部材のみの構造とすれば、その反射光も半減するので研磨終点検出精度を上げることができる。しかしながら、窓部材を研磨パッドに設けたものは、前述の如くスラリがしみ込むという不具合や、研磨パッドの交換時等に、研磨パッドを研磨定盤から取り外し研磨定盤を洗浄する際に、研磨定盤の貫通孔から洗浄液等が落下して、レーザー干渉計や投光装置の光学系に悪影響を与えるという不具合も発生する。
【００１７】
そこで、本発明は、研磨パッドの貫通孔に窓部材は設けず、研磨定盤の貫通孔のみに窓部材を設け、しみ込みや研磨定盤洗浄時による前記不具合を防止するとともに、その窓部材を研磨パッドと同質の材料で製造し、且つ研磨パッドと略面一に設けることにより、異質の材料及び段差に起因する研磨むらの発生を防止した。
【００１８】
また、本発明は、窓部材の投光・受光手段側の面を傾斜して形成し、投光部から照射され該面で反射した光が投光・受光手段の受光部によって受光されないようにした。これにより、本発明のウェーハ研磨装置によれば、ウェーハの研磨終点検出精度が向上する。
【００１９】
更に、本発明は、窓部材の投光・受光手段側の面に、窓部材の曲がりを防止する透光性の補強部材を取り付けたので、窓部材の曲がりに起因する反射光の受光を防止することができる。
【００２０】
また、本発明は、前記補強部材の前記投光・受光手段側の面を、該面での反射光が前記投光・受光手段の受光部に受光されないように傾斜して形成したので、補強部材の反射光による検出精度の悪化を阻止できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係るウェーハ研磨装置の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２２】
図１は、実施の形態のウェーハ研磨装置１０及び研磨終点検出装置１２の構成を示したブロック図である。
【００２３】
ウェーハ研磨装置１０は、図示しないモータに駆動されて水平に回転するプラテン（研磨定盤）１４と、このプラテン１４の表面に貼着された研磨パッド１６と、ウェーハＷを保持して研磨パッド１６に所定の圧力で押し付けるウェーハ保持ヘッド１８と、研磨パッド１６の表面にスラリを供給するスラリ供給ノズル２０と、装置全体の駆動を統括制御する制御部２２とによって構成されている。
【００２４】
プラテン１４は、円盤状に形成されるとともに所定の位置に観測孔（貫通孔）２４が開口されている。観測孔２４は、プラテン１４を貫通して形成され、その上端開口部に対応する研磨パッド１６には観測孔（貫通孔）１７が形成されている。また、プラテン１４の表面には図２の如く、観測孔２４を塞ぐように透明な観察窓（窓部材）２６が取り付けられている。この観察窓２６は図３の如く矩形状に形成され、その４縁部に沿って貼着された両面接着材２７によって研磨パッド１６に水密性よく貼着されている。
【００２５】
観察窓２６は、研磨パッド１６と同質の材料である高分子ウレタン発泡体であり、研磨パッド１６の表面と略面一に設けられている。なお、観察窓２６は図２の如く、その表面が研磨パッド１６の表面に対し、１ｍｍ以内であれば下方に入り込んでいても問題はない。すなわち、ウェーハＷの研磨時に研磨パッド１６がウェーハ保持ヘッド１８により押圧されて弾性変形し、実質的に面一になるからであり、また、１ｍｍ以内であれば、その凹部にスラリが溜まっても後述する研磨終点の検出に問題がないからである。更に、観察窓２６の厚みは、研磨終点検出用の光を透過させる観点から０．５ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、硬度は、ウェーハに傷を付かせない観点から５０〜１１０（ＪＩＳ−Ｋ７３１１：タイプＡ）が好ましい。
【００２６】
図１の如くウェーハ保持ヘッド１８は、プラテン１４の回転中心から偏心した位置でウェーハＷを研磨パッド１６に押圧するとともに、図示しないモータに駆動されて水平に回転する。また、このウェーハ保持ヘッド１８は、図示しない昇降手段に駆動されることにより、研磨パッド１６に対して垂直に昇降する。
【００２７】
ウェーハＷの研磨は、ウェーハ保持ヘッド１８で保持したウェーハＷを研磨パッド１６に所定の圧力で押し付け、その研磨パッド１６とウェーハＷとを回転させながら、スラリ供給ノズル２０から研磨パッド１６にスラリを供給することにより行われる。
【００２８】
研磨終点検出装置１２は、主として照射・受光光学系（投光・受光手段）２８、２分岐ライトガイド３０、光源ユニット３２、ポリクロメータ３４及びコンピュータ３６によって構成されている。
【００２９】
照射・受光光学系２８は、図示しないブラケットに支持されて観測孔２４の下方位置に設置される。この照射・受光光学系２８は、図２の如くレンズ鏡筒３８と、そのレンズ鏡筒３８内に設置された集光レンズ４０とで構成されている。
【００３０】
図１の２分岐ライトガイド３０は、多数本の光ファイバーを結束して構成されたもので、途中部分において２本に分岐されている。分岐された１本目のライトガイド３０Ａは照射側ライトガイドとして光源ユニット３２に接続され、２本目のライトガイド３０Ｂは受光側ライトガイドとしてポリクロメータ３４に接続される。また、２分岐ライトガイド３０の結束端部３１は、図２の如く照射・受光光学系２８に接続される。
【００３１】
図１に示した光源ユニット３２は、ハロゲンランプを内蔵しており、このハロゲンランプからの白色光が照射側ライトガイド３０Ａを介して照射・受光光学系２８に導かれる。そして、その２分岐ライトガイド３０から出射された白色光が照射・受光光学系２８の集光レンズ４０で集光されたのち、プラテン１４に形成された観測孔２４から観察窓２６を介して研磨パッド１６上のウェーハＷの研磨面（下面）に照射される。そして、その反射光が照射・受光光学系２８の集光レンズ４０で集光されて２分岐ライトガイド３０へと導かれ、受光側ライトガイド３０Ｂを介してポリクロメータ３４へと導かれる。
【００３２】
ポリクロメータ３４は、受光側ライトガイド３０Ｂによって導かれた反射光を各波長ごとの光に分光する。そして、その分光した光を各波長ごとに光強度に応じた電気信号に変換し、各波長ごとの光強度信号としてコンピュータ３６に出力する。
【００３３】
ポリクロメータ３４は図４の如く、入射スリット４２、平面鏡４４、凹面回折格子４６、アレイ受光素子４８及びマルチプレクサ５０で構成されている。受光側ライトガイド３０Ｂによってポリクロメータ３４に導かれた反射光は、入射スリット４２を介して平面鏡４４で凹面回折格子４６に導かれる。そして、凹面回折格子４６によって各波長ごとの光に分光され、アレイ受光素子４８に結像される。アレイ受光素子４８に結像された光は、アレイ受光素子４８によって各波長ごとに光強度に応じた電気信号に変換され、マルチプレクサ５０を介して各波長ごとの光強度信号としてコンピュータ３６（図１参照）に出力される。
【００３４】
コンピュータ３６は、ポリクロメータ３４から出力された反射光の各波長ごとの光強度信号に基づいて研磨の終点判定を行う。すなわち、ウェーハＷが研磨されて異なる膜が露出すると、反射光の各波長ごとの光強度分布が変化するので、コンピュータ３６は、これに基づき研磨の終点判定を行う。そして、その結果、終点と判定された時点でウェーハ研磨装置１０の制御部２２に研磨終点信号を出力し、研磨工程を終了させる。
【００３５】
ところで、実施の形態のウェーハ研磨装置１０は、研磨パッド１６の観測孔１７に観察窓は設けておらず、プラテン１４の観測孔２４のみに観察窓２６を設けている。これにより、ウェーハ研磨装置１０によれば、研磨パッド１６側に観察窓を設けたことによる、スラリのしみ込みやプラテン１４の洗浄時による漏水等の不具合を防止できる。また、観察窓２６は、研磨パッド１６と同質の材料（高分子ウレタン発泡体）で製造され、且つその表面は研磨パッド１６の表面と略面一に設けられているため、異質の材料及び段差に起因するウェーハＷの研磨むらの発生を防止できる。
【００３６】
図５は、観察窓１２６の別実施例を示す断面図である。この観察窓１２６も図２の観察窓２６と同様に、プラテン１４の観測孔２４を塞ぐようにプラテン１４の表面に貼着されたものであり、その表面の高さが研磨パッド１６の表面に対し、１ｍｍ以内に設定されている。また、観察窓１２６も研磨パッド１６と同質の材料（高分子ウレタン発泡体）で製造されている。
【００３７】
また、観察窓１２６の照射・受光光学系２８側の面１２６Ａは、図５の如く傾斜して形成され、照射・受光光学系２８から照射され該面１２６Ａで反射した反射光（有害光）Ｌが照射・受光光学系２８よって受光されないようにした。これにより、照射・受光光学系２８は、研磨中のウェーハＷの研磨面で反射した光のみ受光し、観察窓１２６の面１２６Ａで反射した有害光Ｌを受光しないので、ウェーハＷの研磨終点検出精度が向上する。
【００３８】
図６は、観察窓２２６の別実施例を示す断面図である。この観察窓２２６はその照射・受光光学系２８側の面２２６Ａに、観察窓２２６の曲がりを防止する透光性の補強部材２２８が取り付けられており、この補強部材２２８を介して観測孔２４の座繰部２４Ａに設けられている。これにより、観察窓２２６の曲がりに起因する反射光Ｌ１の受光を防止することができる。補強部材２２８としては、アクリル製、ガラス製のものが使用されている。
【００３９】
また、補強部材２２８の照射・受光光学系２８側の面２２８Ａは、該面２２８Ａでの反射光Ｌ２が照射・受光光学系２８に受光されないように傾斜して形成されているので、反射光Ｌ２の受光を防止でき、それによる検出精度の悪化を阻止している。
【００４０】
実施の形態では、照明手段としてハロゲンランプの光を伝送する光ファイバについて説明したが、これに限定されるものではなく、ＬＥＤ等の発光手段を用いてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るウェーハ研磨装置によれば、研磨パッドの貫通孔に窓部材は設けず、研磨定盤の貫通孔のみに窓部材を設けたので、しみ込みや研磨定盤洗浄時による不具合を防止でき、また、窓部材を研磨パッドと同質の材料で製造し、且つ研磨パッドと略面一に設けたので、異質の材料及び段差に起因する研磨むらの発生を防止できる。
【００４２】
更に、本発明は、窓部材の投光・受光手段側の面を傾斜して形成し、投光部から照射され該面で反射した光が投光・受光手段の受光部によって受光されないようにしたので、ウェーハの研磨終点検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態のウェーハ研磨装置の全体構成図
【図２】図１に示したウェーハ研磨装置のプラテン及び照射・受光光学系の断面図
【図３】プラテンの貫通孔に取り付けられた窓部材の平面図
【図４】図１に示したポリクロメータの構成を示したブロック図
【図５】プラテンの貫通孔に取り付けられた窓部材の他の実施の形態を示した断面図
【図６】図５に示した窓部材に補強板が貼り付けられた実施の形態を示した断面図
【符号の説明】
１０…ウェーハ研磨装置、１２…研磨終点検出装置、１４…プラテン、１６…研磨パッド、１８…ウェーハ保持ヘッド、２０…スラリ供給ノズル、２４…観測孔、２６、１２６、２２６…観察窓（窓部材）、２８…照射・受光光学系、３０…２分岐ライトガイド、３２…光源ユニット、３４…ポリクロメータ、３６…コンピュータ、３８…レンズ鏡筒

Claims

ウェーハ研磨用の研磨パッドと該研磨パッドが取り付けられる研磨定盤とに貫通孔がそれぞれ形成されるとともに、前記研磨定盤側の前記貫通孔に透光性の窓部材が設けられ、投光・受光手段の投光部からの光を、前記窓部材から前記研磨パッドの前記貫通孔を介してウェーハに照射するウェーハ研磨装置であって、
前記窓部材は、前記研磨パッドと同質の材料で製造されるとともに、研磨パッドと略面一に設けられることを特徴とするウェーハ研磨装置。
前記窓部材の前記投光・受光手段側の面は、前記投光部から照射され該面で反射した光が、投光・受光手段の受光部によって受光されないように傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ研磨装置。
前記窓部材の前記投光・受光手段側の面には、窓部材の曲がりを防止する透光性の補強部材が取り付けられたことを特徴とする請求項２に記載のウェーハ研磨装置。
前記補強部材の前記投光・受光手段側の面は、該面での反射光が前記投光・受光手段の受光部に受光されないように傾斜して形成されていることを特徴とする請求項３に記載のウェーハ研磨装置。