JP2005259967A - 化学機械研磨装置及び化学機械研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエハにスクラッチが発生したことや異物が侵入したことを研磨中に検出可能にしたＣＭＰ装置及び方法の実現。
【解決手段】 表面に研磨パッド5を有し、回転するプラテン1と、ウエハ7を研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構8とを備え、ウエハ7を研磨するＣＭＰ装置において、プラテン1と研磨パッド5は透明であり、プラテンと研磨パッドとを通して研磨中のウエハ7の表面を照明する照明手段12と、プラテンと研磨パッドとを通して研磨中のウエハ7の表面を撮影する撮像装置11と、撮像装置の撮影したウエハの表面の画像で、画像全体の強度レベルから決定される閾値を超える部分を検出する異物検出手段13とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上の先に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置及び化学機械研磨（ＣＭＰ）方法に関する。

近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中でウエハの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）することが行われており、特許文献１及び２などに説明されている。まず、従来のＣＭＰ装置の概略構成を簡単に説明する。

ＣＭＰ装置では、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッドにスラリィを供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて研磨を行う。ＣＭＰでは、ウエハの表面に形成された絶縁膜や金属膜の層を研磨する。そのため、表面に残された層の厚さを正確に検出して研磨を停止する必要がある。これを終点検出と呼んでいる。

図１は、特許文献１に記載された終点検出の方法を示す図である。図１に示すように、研磨パッド１０５を貼り付けたプラテン１０１を回転し、研磨パッド１０５上にスラリィを供給しながら、その上にウエハ保持機構１０８に保持したウエハ１０７を回転させながら押し付ける。プラテン１０１及び研磨パッド１０５は不透明であるので、研磨中のウエハを観察して、その表面の層の厚さを検出することはできない。そこで、プラテン１０１には、溝１０２と、貫通孔１０３と、スラリィの漏れを防止する透明部材１０４とを設け、研磨パッド１０５には窓１０６を設ける。更に、図の位置にプローブ１０９と光ケーブル１１０が設ける。プローブ１０９からは光ケーブル１１０から送られた光ビームが射出され、研磨中のウエハ１０７の表面に照射される。プラテン１０１が回転すると、１回転毎に図示のような状態になるので、その時に光ビームのウエハの表面での反射光をプローブ１０９で集めて、光ケーブル１１０を介して解析装置に送り、分光反射率を算出して残存する層の膜厚を検出する。

特許文献２も特許文献１に記載された終点検出方法に類似の方法を開示している。いずれにしろ、研磨中のウエハ表面の状態を光学的に検出する方法は、上記のように、プラテン及び研磨パッドが不透明であるので、プラテン及び研磨パッドに透明な穴を設けて、その穴を通して、周期的にウエハの表面を観察及び検査する。

また、ＣＭＰではないが、特許文献３は、貼り合せウエハによるＳＯＩ半導体基板を所望の厚さまで研磨する方法で、透明なプラテン及び透明な研磨パッドを使用して、レーザ光を照射してその透過を検出することにより、所望の厚さになったことを検出する方法を記載している。

終点検出の方法は他にも各種提案されている。例えば、絶縁層の表面に形成されたホール(穴）を埋めるように全面に金属層を形成した表面を研磨すると、表面に絶縁層が現れた時に摩擦が変化して、プラテン及びウエハ保持機構の回転負荷が変化するので、それを検出する。

特開平７−５２０３２号公報 特開平７−２３５５２０号公報 特開平５−３０９５５８号公報

ＣＭＰ装置において、研磨パッドの表面に異物が付着すると、異物が研磨中のウエハの下に入り込み、ウエハの表面を損傷するという問題がある。このような損傷は、研磨パッドとウエハが回転するため、円弧状の傷として現れ、この傷をスクラッチと呼んでいる。研磨パッドはポリウエタンなどで作られており、このような異物が研磨パッド中に埋め込まれると、研磨パッドの回転に伴って繰り返しウエハにスクラッチを生じることになる。また、ウエハ表面の金属層を研磨している時には、研磨された金属がスクラッチの部分に入り込んで、スクラッチを埋めるといった現象も起きる。また、異物の種類によっては、スクラッチを生じないが、ウエハ又は研磨パッドの表面に付着したままになるという現象も起きる。これをパーティクルと呼ぶ。

このような異物が研磨パッドに付着しないようにＣＭＰ装置の周囲は厳重に管理されているが、異物の付着を完全に防ぐことはできない。例えば、研磨パッドに付着する可能性のある異物としては、以下のようなものがある。研磨パッドにスラリィを供給して研磨を行うと、スラリィが研磨パッドの表面を埋めて、研磨が行えないという状態が生じる。研磨パッドをこのような状態から研磨ができる状態に回復するため、ドレッサで研磨パッドの表面をドレッシングする。ドレッサはダイアモンド砥粒をニッケルなどの金属で固着した砥石刃を有し、これで研磨パッドの表面を研削することにより、ポリウレタンの新しい表面が現れて研磨が行える状態になる。ドレッシングは、研磨パッドのウエハの研磨を行っていない部分で、ウエハの研磨中にも行う。ドレッサの砥石刃は、ドレッシングに従って金属の基体が徐々に消耗され、次々に新しいダイアモンド砥粒が現れるようになっている。そのため、ダイアモンド砥粒が基体から脱落して異物となり、研磨中のウエハの部分に入ることがある。もちろん、ドレッサの砥石刃は、研磨パッド以外の部分で、ダイアモンド砥粒の脱落などが生じない状態に調整された上で、研磨パッドのドレッシングに使用されるが、研磨パッドのドレッシングのダイアモンド砥粒の脱落を完全に防止することはできない。また、基体を構成する金属が脱落して、異物となることもあり得る。

更に、研磨中のウエハのエッジが欠ける（チッピング）場合もあり、欠けた部分が異物となる。また、エッジに限らず、ウエハの一部が脱落することもあり得る。

研磨したウエハにスクラッチが生じたことが、ウエハの研磨が終了した後、研磨されたウエハの表面を観察すれば発見できる。しかし、ＣＭＰ作業も含めて半導体製造プロセスは自動化されており、研磨の終了したウエハが洗浄及び乾燥されて、研磨面を検査される時には、複数枚のウエハが既にＣＭＰ装置で処理されていることになる。そのため、検査によりＣＭＰ装置に異物が入ってスクラッチが生じたことが分かった時には、既に複数枚のウエハにスクラッチが生じており、すべて不良品になり、歩留まりを大幅に低下させるという問題があった。

ＣＭＰ装置及び方法においても、プロセスを管理して生産性及び歩留まりを向上することが重要であり、ＣＭＰ装置での研磨中にスクラッチの発生や異物の侵入を検出できることが望ましいが、これまではほとんど考慮されていなかった。その１つの理由として考えられるのは、プラテンや研磨パッドが不透明であり、研磨中のウエハの表面状態を検出するのが難しかったためである。

本発明は、このような問題を解決して、ウエハにスクラッチが発生したことや異物が侵入したことを研磨中に検出可能にしたＣＭＰ装置及び方法の実現を目的とする。

上記目的を実現するため、本発明のＣＭＰ装置及び方法は、透明なプラテン及び研磨パッドを使用し、研磨中のウエハの表面を観察して、画像中の強度レベルが大きく異なる部分を検出して、スクラッチや異物を検出する。

すなわち、本発明のＣＭＰ装置は、表面に研磨パッドを有し、回転するプラテンと、ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置において、前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明する照明手段と、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影する撮像装置と、前記撮像装置の撮影した前記ウエハの表面の画像で、画像全体の強度レベルから決定される閾値を超える部分を検出する異物検出手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のＣＭＰ方法は、回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら前記研磨パッドに押し付けて研磨するウエハの化学機械研磨方法において、前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明し、前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影し、撮影した前記ウエハの表面の画像で、画像全体の強度レベルから決定される閾値を超える部分を検出することを特徴とする。

本発明によれば、研磨中のウエハの表面を観察できるので、スクラッチや異物を検出できる。

研磨中には、研磨パッドの表面にはスラリィが供給され、ウエハと研磨パッドの間にはスラリィが存在する。そのため、透明なスラリィを使用することが望ましい。

透明でないスラリィを使用する場合、たとえ透明なプラテンと研磨パッド又はプラテンと研磨パッドの透明な穴を通してであっても、ウエハの表面の精密な画像を捕らえることは難しい。しかし、ウエハの表面にスクラッチが生じたり、異物が存在する場合、ウエハの表面を所定の方向から照明し、ウエハの表面での正反射を捕らえないようにしてウエハの表面の画像を捕らえると、スクラッチや異物の部分は他とは明瞭に異なった光学像になるので検出できる。この方法であれば、たとえ不透明なスラリィがあっても、スラリィ層は薄いので、スクラッチや異物を検出できる。また、逆に、照明光の正反射像を捕らえることにより、スクラッチや異物が鮮明に判別できる場合もある。

いずれにしろ、正反射を捕らえるか除くか、照明光の入射角度、撮影する方向は、ウエハの種類、スラリィの種類などに応じて適宜設定する。ただし、撮影する方向（撮像装置の光軸の奉公）をウエハに垂直な方向（プラテン及び研磨パッドにも垂直な方向）以外の方向とする場合、焦点の合った画像が得られるのは、ウエハ上の帯状の部分だけであるので、照明も帯状の撮影範囲に対応した部分のみを照明すればよい。また、ウエハがウエハ保持機構により吸着（チャック）された状態で研磨される場合には、ウエハはウエハ保持機構と同じ回転速度で回転する。ウエハ保持機構にチャックされずガイドリングで規制されるだけである場合でも、ウエハはほぼ一定速度で回転する。そのため、帯状の撮影部分であっても、ウエハが１回転する間の帯状の画像を組み合わせれば、ウエハ全体の画像が得られる。言い換えれば、帯状の範囲を回転して走査することにより円形のウエハ全体の画像が得られる。なお、ウエハには、結晶方向を示すオリエンテーションフラット（以下、ＯＦ）又はノッチが設けられているので、これを検出すれば、ウエハの回転位置を検出することができる。

また、撮影する方向の異なる複数の撮像装置を使用して、複数の画像からスクラッチや異物の存在を検出することも可能である。この際、１つの撮像装置の撮影方向がウエハに垂直である場合、照明する範囲は帯状でも全面でもよい。

本発明によれば、研磨中のウエハの表面を観察して、ウエハ表面のスクラッチや異物を検出できるので、直ちに研磨を停止して研磨パッドを洗浄できるので、そのまま複数枚のウエハを研磨して多数の不良ウエハが発生する事態を避けることができる。これにより、ＣＭＰ作業のスループットの向上、歩留まりの向上及び製造コストの低減などが図れる。

図２は、本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第１実施例のＣＭＰ装置では、全面が透明なポリウレタン製研磨パッド５を貼り付けた全体が透明な石英ガラス製プラテン１を回転し、研磨パッド５上にスラリィを供給しながら、その上にウエハ保持機構８に保持したウエハ７を回転させながら押し付ける。なお、プラテン１は、すべて透明である必要はなく、例えば、複数の大きな穴を有する金属製の構造物に円板状の石英ガラスを載置した構造でもよい。この場合、撮影範囲に金属の梁の部分が入るとその部分は撮影できないが、特に問題は生じない。

プラテン１の下側には、ウエハ７の表面を照明する照明装置１２が設けられている。ここでは、照明装置１２からの照明光は、プラテン１の下面、研磨パッド５及びウエハの表面に、斜めに入射する。更に、プラテン１の下側には、ビデオカメラなどの撮像装置１１が設けられ、研磨中のウエハ７の表面の画像を捕らえる。撮像装置１１の光軸は、プラテン１の下面、研磨パッド５及びウエハの表面に垂直であり、ウエハ７の全面の画像を撮影できる。ウエハ保持機構８は、ウエハ７を研磨パッド上に搬送する時には真空吸着によりウエハ７をチャックして搬送するが、研磨中は真空吸着を解除して、ウエハ７の直径より若干大きな内径を有するガイドリングにより、研磨中にウエハ７が保持機構８より飛び出るのを防止している。ウエハ７は、ウエハ７が保持機構８の回転に従って回転するが、同じ回転速度ではなく、ある程度遅い回転速度で回転する。但し、ウエハの回転速度はほぼ一定である。なお、研磨中もウエハ保持機構８がウエハ７を真空吸着によりチャックした状態で、回転させるようにしてもよい。研磨中、保持機構８はウエハ７を研磨パッドに所定の圧力で押し付ける。

なお、スラリィにより研磨パッドの目詰まりが生じるので、図示していないドレッサにより、研磨パッドの表面は定期的にドレッシングされる。

撮像装置１１からの画像信号は、画像処理装置１２により処理される。上記のように、研磨中には、研磨パッド５の表面にはスラリィが供給され、ウエハ７と研磨パッド５の間にはスラリィが存在する。そのため、透明なスラリィを使用することが望ましい。透明でないスラリィを使用する場合、たとえ透明なプラテン１と研磨パッド５を使用しても、ウエハ７の表面の精密な画像を捕らえることは難しい。しかし、本発明では、照明装置１２により斜め方向からウエハ７を照明し、ウエハ７に垂直な方向からウエハ７の表面を撮影して、照明光の正反射は捕らえないようにしているので、スクラッチや異物（パーティクル）は、ウエハの他の部分より明るくなり、画像の光強度の差が大きいので、容易に判別できる。具体的には、ウエハの全体像から適当な閾値を設定して、その閾値より大きい部分が存在するとスクラッチ又はパーティクルと判定する。なお、スクラッチとパーティクルで異なる閾値を設定するようにしてもよい。

また、照明装置１２の照明光の照射方向は、変化できるようになっており、ウエハの種類、スラリィの種類、研磨パッドの種類などに応じて適宜設定できる。

上記のように、ウエハ７は回転する。そのため、ウエハの表面に生じたスクラッチやウエハの表面に付着したパーティクルはウエハと共に回転することになり、スクラッチやパーティクルであることを正確に判別するには、閾値より大きい部分のウエハ上の位置を特定し、ウエハが回転してもその位置が変化しないことを確認する必要がある。

ウエハ７には、ウエハの結晶方向を示すために、図３の（Ａ）に示すように、オリエンテーションフラット（ＯＦ）２１、又は図３の（Ｂ）に示すように、ノッチ２２が設けられている。ＯＦ２１及びノッチ２２の位置を検出すれば、ウエハ７の回転位置が検出できる。そこで、画像処理装置１２は、閾値より大きい部分を判別すると共に、ＯＦ２１及びノッチ２２の位置を検出して、その部分のウエハ７上の位置を特定し、ウエハ７が回転してもその位置が変わらないことを確認した時に、ウエハ７の表面に生じたスクラッチやウエハの表面に付着したパーティクルであると判定する。

なお、異物（パーティクル）が、研磨パッド５に埋め込まれて一緒に回転している時には、プラテン１の回転に同期してパーティクルの部分が画像内に出現するので、判別できる。上記以外の変則的に出現し、画像上で変則的に移動する閾値より大きな部分は、浮遊しているパーティクルである。

制御装置１３は、ウエハ７上でのスクラッチの発生、パーティクルのウエハ７及び研磨パッド５への付着、又はパーティクルのスラリィ内への混入が画像処理装置１２から放置されると、直ちに研磨を停止して、アラームを発生する。

図４は、本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第２実施例のＣＭＰ装置は、２台の撮像装置１１Ａと１１Ｂが使用され、それに応じて第１及び第２画像処理装置１３Ａ，１３Ｂが設けられている点が第１実施例のＣＭＰ装置と異なる。

図示のように、第１の撮像装置１１Ａは、第１実施例と同様に、光軸（撮影方向）がプラテン１の下面に垂直である。第２の撮像装置１１Ｂは、光軸がプラテン１の下面に垂直な線から傾いている。そのため、焦点の合った画像を取れる撮影範囲は、紙面に垂直な方向の帯状の部分のみである。照明装置１２は、細長い平行ビームを出力し、第２の撮像装置１１Ｂの撮影範囲を照明する。従って、第１の撮像装置１１Ａの撮影した画像も、この撮影範囲のみを利用する。照明装置１２空出力される照明ビームのプラテン１の下面、研磨パッド５及びウエハ７の表面への入射角は調整できるようになっており、ウエハの種類、スラリィの種類、研磨パッドの種類などに応じて適宜設定する。

例えば、照明ビームの正反射が第２の撮像装置１１Ｂに入射するように設定する。この場合、第２の撮像装置１１Ｂの出力する画像は、スクラッチやパーティクルの部分が暗く（光強度が小さい）、他の部分が明るく（光強度が大きく）なる。

また、ウエハはほぼ一定速度で回転するため、帯状の画像であっても、ウエハが１回転する間の帯状の画像を組み合わせれば、ウエハ全体の画像が得られる。この際、ウエハの結晶方向を示すオリエンテーションフラット（ＯＦ）又はノッチを検出して、ウエハの回転速度を検出した上で、画像を合成する。

第１画像処理装置１１Ａと第２画像処理装置１１Ｂは、第１実施例の画像処理装置１１と同様の処理を行い、スクラッチやパーティクルに関する情報を制御装置１４に送る。制御装置１４は、第１画像処理装置１１Ａと第２画像処理装置１１Ｂの両方からの情報に基づいて、例えば、一方からでもスクラッチやパーティクルの存在を示す情報が送られた時に研磨を停止したり、両方から同じスクラッチやパーティクルの存在を示す情報が送られた時に研磨を停止するなどの処理を行う。

図５は、本発明の第３実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第３実施例のＣＭＰ装置は、第２実施例において、反射ミラー１５を配置して第２撮像装置１１Ｂの撮影方向とプラテン１の下面の垂直線がなす角度を大きくできるようにしたものである。これ以上の説明は省略する。

本発明によれば、研磨中のウエハの表面のスクラッチの発生や異物（パーティクル）の混入を検出できるようになり、問題の発生を短時間にフィードバックできるようになる。これにより、ＣＭＰ装置及び方法のスループットや歩留まりが向上でき、ひいては半導体製造プロセスにおけるコスト低減が図れる。

ＣＭＰ装置の従来例の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。 ウエハのオリエンテーションフラット及びノッチを示す図である。 本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。 本発明の第３実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１…プラテン
５…研磨パッド
７…ウエハ
８…ウエハ保持機構
１１…撮像装置
１２…画像処理装置
１３…制御装置

Claims (10)

1. 表面に研磨パッドを有し、回転するプラテンと、
   ウエハを前記研磨パッドに押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置において、
   前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、
   前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明する照明手段と、
   前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影する撮像装置と、
   前記撮像装置の撮影した前記ウエハの表面の画像で、画像全体の強度レベルから決定される閾値を超える部分を検出する異物検出手段とを備えることを特徴とする化学機械研磨装置。
2. 前記照明手段からの照明光が前記プラテンに入射する角度は、前記撮像装置の光軸が前記プラテンの垂直線となす角度と異なる請求項１に記載の化学機械研磨装置。
3. 前記照明手段からの照明光が前記プラテンに入射する角度は、調整可能である請求項１又は２に記載の化学機械研磨装置。
4. 前記照明手段からの照明光は、前記ウエハの表面を帯状に照明する請求項１から３のいずれか１項に記載の化学機械研磨装置。
5. 複数の前記撮像装置を備え、各撮像装置が前記プラテンの垂直線となす角度はそれぞれ異なる請求項４に記載の化学機械研磨装置。
6. 前記撮像装置の光軸は前記プラテンの垂直線と平行である請求項１から４のいずれか１項に記載の化学機械研磨装置。
7. 前記撮像装置の出力する画像を処理する画像処理装置を更に備え、
   該画像処理装置は、前記ウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出して、前記異物検出手段の検出した閾値を超える部分の前記ウエハ上の位置を算出する請求項１から６のいずれか１項に記載の化学機械研磨装置。
8. 回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら前記研磨パッドに押し付けて研磨するウエハの化学機械研磨方法において、
   前記プラテンと前記研磨パッドは透明であり、
   前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を照明し、
   前記プラテンと前記研磨パッドとを通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影し、
   撮影した前記ウエハの表面の画像で、画像全体の強度レベルから決定される閾値を超える部分を検出することを特徴とする化学機械研磨方法。
9. 照明光が前記プラテンに入射する角度は、前記ウエハの表面を撮影する方向が前記プラテンの垂直線となす角度と異なる請求項８に記載の化学機械研磨方法。
10. 撮影した前記ウエハの画像から前記ウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出して、検出した前記閾値を超える部分の前記ウエハ上の位置を算出する請求項８又は９に記載の化学機械研磨方法。

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