JP2005032849A

JP2005032849A - ウェーハ研磨装置

Info

Publication number: JP2005032849A
Application number: JP2003194090A
Authority: JP
Inventors: Osamu Matsushita; 治松下
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】本発明は、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】実施の形態の防水窓２７は、防水窓２７の表面２７Ａ及び裏面２７Ｂで反射した有害光が受光側ライトガイド３０Ｂで受光されないように、照射側ライトガイド３０Ａの光軸３１Ａ及び受光側ライトガイド３０Ｂの光軸３１Ｂを含む面３３に対し、防水窓２７の表面２７Ａ及び裏面２７Ｂが相対的に傾斜するように配置されている。これにより、受光側ライトガイド３０Ｂは、ウェーハＷの研磨面で反射した光のみ受光するので、ウェーハの研磨終点検出精度が向上する。
【選択図】図４

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（スラリー）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、研磨定盤及び研磨パッドの一部に貫通孔を形成し、この貫通孔に透光性の防水窓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】
この研磨定盤の下方には、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、研磨パッドの前記貫通孔及び防水窓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】
【特許文献１】
特開２００１−２９１６８６号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２０００−１８６９１８号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開２０００−１８３００１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、研磨パッド及び研磨定盤側に前記防水窓を設けたウェーハ研磨装置は、防水窓が透光性であるのにもかかわらず、防水窓を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。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、防水窓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ことを目的とする。
【００１２】
【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が研磨定盤に取り付けられるとともに、研磨定盤及び研磨パッドの一部に貫通孔が形成されて該研磨定盤の貫通孔に透光性の防水窓が設けられ、照射手段から照射された光を前記防水窓を介してウェーハの研磨面に照射し、該研磨面からの反射光を防水窓を介して受光手段により受光するウェーハ研磨装置であって、前記照射手段から照射され前記防水窓の面で反射した有害光が前記受光手段で受光されないように、前記照射手段及び前記受光手段の各々の光軸を含む面に対し、前記防水窓の面が相対的に傾斜して配置されたことを特徴としている。
【００１３】
防水窓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、防水窓の表面及び裏面で反射し、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、防水窓の表面及び裏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ことを突き止めた。
【００１４】
そこで、本発明によれば、照射手段から照射され防水窓の面で反射した有害光を受光手段で受光しないように、照射手段及び受光手段の各々の光軸を含む面に対し、防水窓の面を相対的に傾斜して配置した。これにより、受光手段は、ウェーハの研磨面で反射した光のみ受光するので、ウェーハの研磨終点検出精度が向上する。
【００１５】
また、本発明によれば、研磨パッドの貫通孔若しくは研磨定盤の貫通孔に透光性の窓部材を設け、二重窓構造とすることにより、スラリの漏れを確実に防止することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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にも観測孔（貫通孔）１７が形成され、この観測孔１７には透明な観測窓（窓部材）２６が取り付けられている。また、観測孔２４において、観察窓２６の下方には、スラリの漏れを防止する透明な防水窓２７が取り付けられている。なお、図１では防水窓２７をプラテン１４に取り付けているが、観察窓２６と同様に研磨パッド１６に取り付けてもよい。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
研磨終点検出装置１２は、主として照射・受光光学系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。
【００２３】
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。
【００２４】
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（照射手段）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（受光手段）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。以上の構成により、この照射・受光光学系２８は、照射手段であるライトガイド３０Ａの光軸３１Ａ（図４参照）と、受光手段であるライトガイド３０Ｂの光軸３１Ｂ（図４参照）とが垂直方向に平行に設定されている。
【００２５】
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から防水窓２７及び観察窓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。
【００２６】
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。
【００２７】
ポリクロメータ３４は図３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に出力される。
【００２８】
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（スペクトル）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。
【００２９】
ところで、照射側ライトガイド３０Ａから照射された光の大部分は、防水窓２７及び観察窓２６を透過し、ウェーハＷの研磨面を照射する。この反射光のみを受光側ライトガイド３０Ｂで受光すれば、研磨終点の検出精度には悪影響を与えないが、照射側ライトガイド３０Ａから照射された残りの数％の光は、防水窓２７の表面２７Ａ及び裏面２７Ｂで反射する。これらの面２７Ａ、２７Ｂで反射した、図２の破線で示す反射光Ａ、Ｂを受光側ライトガイド３０Ｂで受光すると、これらの反射光Ａ、Ｂは有害光であるためにウェーハの研磨終点検出精度が悪化する。
【００３０】
そこで、実施の形態の防水窓２７は、防水窓２７の表面２７Ａ及び裏面２７Ｂで反射した有害光（反射光Ａ、Ｂ）が受光側ライトガイド３０Ｂで受光されないように、図４の如く照射側ライトガイド３０Ａの光軸３１Ａ及び受光側ライトガイド３０Ｂの光軸３１Ｂを含む面３３に対し、防水窓２７の表面２７Ａ及び裏面２７Ｂが相対的に傾斜（直角を除く）するように配置した。
【００３１】
すなわち、実施の形態の照射・受光光学系２８は、光軸３１Ａ、３１Ｂが垂直方向に平行となっているので、これらの光軸３１Ａ、３１Ｂを含む面３３は垂直方向に形成される面であり、よって、この面３３に対し防水窓２７の表面２７Ａ及び裏面２７Ｂは水平なＸＹ方向に対して、所定角度傾斜して観測孔２４に取り付けられている。
【００３２】
かかる構成により、受光側ライトガイド３０Ｂは、ウェーハＷの研磨面で反射した光のみ受光するので、ウェーハＷの研磨終点検出精度が向上する。
【００３３】
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。また、照明装置に代えてレーザー干渉計を設置して研磨終点を検出するようにしてもよい。
【００３４】
また、実施の形態では、図２の如く観察窓２６を研磨パッド１６の観測孔１７に設けた例を説明したが、図５の如く観察窓２６をプラテン１４の観測孔２４に設けてもよく、また、図６の如く観察窓２６を設けることなく、プラテン１４の観測孔２４に防水窓２７のみを設けてもよい。
【００３５】
【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、照射手段から照射され防水窓の面で反射した有害光を受光手段で受光しないように、照射手段及び受光手段の各々の光軸を含む面に対し、防水窓の面を相対的に傾斜して配置した。これにより、受光手段は、ウェーハの研磨面で反射した光のみ受光するので、ウェーハの研磨終点検出精度が向上する。
【００３６】
また、本発明によれば、研磨パッドの貫通孔若しくは研磨定盤の貫通孔に透光性の窓部材を設け、二重窓構造とすることにより、スラリの漏れを確実に防止することができる。
【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研磨パッド及び照射・受光光学系の断面図
【図３】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４】照射・受光光学系に対する防水窓の取付姿勢を示した説明図
【図５】プラテンの観測孔に窓部材が設けられた例を示すプラテンの断面図
【図６】プラテンの観測孔に防水窓のみが設けられた例を示すプラテンの断面図
【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、１７、２４…観測孔（貫通孔）、１８…ウェーハ保持ヘッド、２０…スラリ供給ノズル、２６…観測窓（窓部材）、２７…防水窓、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が研磨定盤に取り付けられるとともに、研磨定盤及び研磨パッドの一部に貫通孔が形成されて該研磨定盤の貫通孔に透光性の防水窓が設けられ、照射手段から照射された光を前記防水窓を介してウェーハの研磨面に照射し、該研磨面からの反射光を防水窓を介して受光手段により受光するウェーハ研磨装置であって、
前記照射手段から照射され前記防水窓の面で反射した有害光が前記受光手段で受光されないように、前記照射手段及び前記受光手段の各々の光軸を含む面に対し、前記防水窓の面が相対的に傾斜して配置されたことを特徴とするウェーハ研磨装置。
前記研磨パッドの貫通孔若しくは前記研磨定盤の貫通孔には、透光性の窓部材が設けられ、前記照射手段から照射された光を前記防水窓及び前記窓部材を介して前記ウェーハの研磨面に照射す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。