JP2005288572A - 水切り機構を有するオーバーハング方式ＣＭＰｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被研磨基板をオーバーハング方式で研磨するとき、研磨表面の光学的計測を円滑かつ高精度で計測できるｉｎ−ｓｉｔｕモニターが可能なＣＭＰ装置を提供する。
【解決手段】 基板保持機構と、研磨パッドを貼付した研磨テーブルとを備え、研磨液を介在させた状態で、研磨テーブルと被研磨基板とを、相対移動させることにより、被研磨基板を研磨するＣＭＰ研磨装置で、被研磨基板を研磨テーブルからその周囲へ張り出すオーバーハングさせ、研磨パッド貼付研磨テーブルの側部に配設したノッチセンサ及び画像認識光学ヘッドを配設したｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置において、被研磨基板の研磨表面をノッチセンシング及び画像認識させる位置に、研磨表面を純水で洗浄する純水供給管を備え、ノッチセンサ及び画像認識光学ヘッドの近傍に、該洗浄水を吸引により除去する水切り機構を備えることを特徴とするＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水切り機構を有するオーバーハング方式ＣＭＰ（化学機械研磨）装置のｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置に関し、例えば、ＵＬＳＩなどの半導体デバイスを製造する方法において、半導体ウエハの被研磨面を均等にかつ精密に平坦研磨を行うために、研磨液成分の変動を防止できるＣＭＰ装置による半導体ウエハの研磨状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置に関する。

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。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される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、この平坦化法の一手段として研磨装置により研磨することが広く行われている。

従来、この種の研磨装置は、上面に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブルと、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転させながらトップリングにより基板を一定の圧力でターンテーブルに押し付け、砥液を供給しつつ基板の被研磨面を平坦に研磨している。

従来のＣＭＰ装置を、図５に示す。図５は概略側面図であり、２０は研磨テーブルと呼ばれるターンテーブルであり、２１は研磨パッドであり、１７はウエハ、１６はウエハ１７を保持するための研磨ヘッド、１８は研磨液供給部である。このＣＭＰ装置は、ウエハの被研磨面に荷重Ｐを加えながら研磨テーブル２０と研磨ヘッド１６に各々回転運動１０１、１００を与え、更に揺動１０２を加える。このようにして、ウエハ１７と研磨パッド２１との間に相対運動が与えられると共に、研磨液１９をウエハ１７と研磨パッド２１との間に供給すると、ウエハ１７は、研磨液１９と研磨パッド２１の作用により研磨される。
砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハ１７を研磨する。

この種の研磨装置には、被研磨基板の研磨時に、研磨テーブルと被研磨基板との相対移動により、被研磨基板の一部を一時的に又は常時、研磨テーブルからその周囲へはみ出させる、オーバーハング方式と称せられるＣＭＰ装置がある。

一方、被研磨基板の表面状態を直接光学的に計測して研磨状態をモニターしたり、研磨終点検出を行う研磨装置が考案されている。この研磨装置、すなわち、オーバーハング方式のＣＭＰ装置は、図４に示すように、研磨テーブル１の周囲（図４においては右側）へはみ出た研磨ヘッドのトップリング２に保持された被研磨基板、例えば半導体ウエハ３の下方で、研磨テーブル１の側部（図４においては右側）に配設した光学ヘッド５及びノッチセンサ６を有する光学測定装置からウエハ３の被研磨面にプローブ光を照射し、反射光を反射光検出器（光検出部）（図示せず）で検出して、その強度変化やスペクトル分布から研磨状態のモニターや研磨終点検出を行うものである。なお、７は純水供給管である。

このような研磨装置によれば、メタルＣＭＰのように研磨終点近傍で摩擦抵抗が大きく変化するＣＭＰプロセスに限定されなく、メタルＣＭＰやＳＴＩ−ＣＭＰのみならず層間絶縁膜ＣＭＰのようにストッパを用いないＣＭＰプロセスに対しても、研磨状態のモニターのみならず研磨終点検出を行うことが可能である。また、この方法で検出される情報は被研磨基板全体の平均化された情報ではなく、プローブ光が照射するスポット領域の情報であることが特徴である。

上記構成の研磨装置には、被研磨面の表面状態を光学的に測定する光学測定部が設けられており、この光学測定部は研磨加工中に被研磨面の特定位置の表面状態を測定する。ここで、「被研磨面の特定位置」とは、被研磨面上に特定される所定の位置をいい、例えば上述した半導体ウエハの例においては、ウエハ面上における特定のダイ領域内における特定のパターン位置、あるいはダイ領域外に設けた特定の基準領域等をいう。本発明の構成によれば、光学測定部が常に被研磨面上の特定位置の表面状態を測定するため、被研磨面の表面状態の変化を的確に捉えることができ、従って、研磨加工中に高精度に表面状態のモニター及び研磨終了点が判定可能になる。

上記構成の研磨装置では、光学測定部はプローブ光によって検出される特定指標の検出信号に基づいて、被研磨面における特定位置の表面状態を測定するように構成されている。
ここで、「研磨対象物に形成された特定指標」とは、例えば、半導体ウエハにおけるオリエンテーションフラット（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｌａｔ）やノッチ（Ｎｏｔｃｈ）、アライメントマーク（Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｍａｒｋ）等の指標をいい、ダイ領域外に新たに設けた位置検出用の指標（例えば光学反射領域等）であっても良い。
そして、光学ヘッド４はノッチ以外の指標やウエハ表面の様々なパターンの画像認識を行い、ノッチセンサ５はウエハ表面に生じた切り込みなどのノッチのモニターを行う。

本発明は、前記した図４に示すオーバーハング方式のＣＭＰモニター装置の改良を意図するものである。
ところで、上記した図４に示すモニター装置では、ウエハをオーバーハングさせた状態で、ノッチセンシング及び画像認識させる際に、光学的計測を円滑に行い、かつ高精度の研磨表面の計測を行うために、純水供給ノズル７から噴出する純水によりウエハ表面を洗浄し、研磨剤成分を除去しているために、洗浄用純水がパッド上に持ち込まれることにより、研磨液成分の組成比が変動し、ウエハの研磨表面上とパッド上とで研磨液の成分状態が異なることにより、それに伴って研磨レートが変動し、その結果均等な研磨が行われなくなるという問題点があった。

本発明は、このような従来の事情よりなされたものであり、被研磨基板をオーバーハング方式のＣＭＰ装置で研磨するとき、研磨表面の光学的計測を円滑かつ高精度で計測するために、たとえ研磨表面を純水で洗浄しても被研磨基板の研磨表面とパッド上で、研磨液中の研磨剤成分の組成が同一に維持され、研磨レートに変動を生じなく、ｉｎ−ｓｉｔｕモニターが可能なオーバーハング方式ＣＭＰ装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記の目的を達成するために鋭意研究を行い、研磨液を研磨テーブルの研磨パッドの近傍の被研磨基板の研磨表面に吹き付ける供給ノズルを設けるとともに、光学測定装置及び／又はノッチセンサの回転方向に関して前方に純水の供給ノズルを設け、この研磨液供給ノズルの近傍かつ被研磨基板の回転方向について前記研磨液供給ノズルの前方の位置に、気液吸引口を配設し、さらに必要により窒素又はドライエアーの供給ノズルを配設することにより、被研磨基板の研磨表面の洗浄用純水がパッド上に持ち込まれることが効率的に防止され、その結果研磨表面の高精度の光学的計測が円滑に行えるだけでなく、研磨レートの変動が生じなく、均等な研磨が行えることを見出し、かかる知見に基づいて本発明に到達した。

すなわち、本発明は次の手段によって上記の課題を解決した。
（１）被研磨基板を保持する基板保持機構と、研磨パッドを貼付した研磨テーブルとを備え、前記研磨パッドと前記被研磨基板との間に研磨液を介在させた状態で、前記研磨テーブルと前記被研磨基板とを、相対移動させることにより、前記被研磨基板を研磨するＣＭＰ研磨装置で、前記被研磨基板を前記研磨テーブルからその周囲へ張り出すオーバーハングさせ、前記研磨パッド貼付研磨テーブルの側部に配設したノッチセンサ及び画像認識光学ヘッドにより被研磨基板の研磨状況をモニターするｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置において、被研磨基板の研磨表面をノッチセンシング及び画像認識させる前に通る位置に、研磨表面を純水で洗浄する純水供給管を備え、被研磨基板の研磨表面をノッチセンシング及び画像認識させた後に通る位置で、ノッチセンサ及び画像認識光学ヘッドの近傍に、該洗浄水を吸引により除去する水切り機構を備えることを特徴とするＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。
（２）該洗浄水を窒素又はドライエアーにより吹き飛ばしにより除去する水切り機構を備えることを特徴とする前記（１）記載のＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。
（３）前記水切り機構の後に被研磨基板の研磨表面に研磨液を供給する装置を設けたことを特徴とする前記（１）又は（２）記載のＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。

本発明は、オーバーハング方式のＣＭＰ装置による被研磨基板の研磨表面の研磨状態をモニターする場合に、前記表面の研磨状態を光学測定装置で計測する際に、研磨表面上に付着している研磨剤成分を純水で洗浄除去しているので、ノッチセンシング及び画像認識が円滑かつ高精度で行えるだけでなく、研磨表面上に付着した水分を窒素ガス又はドライエアーで吹き飛ばすとともに減圧吸引して除去するので、研磨表面上に付着した水分が被研磨基板の回転により研磨パッド上に持ち込まれ、研磨パッド上で研磨液が希釈され、研磨剤成分の組成比が変動低下することが十分に防止され、その結果研磨液の変動により研磨レートが変動することを十分に防止できて、均等な研磨がＣＭＰ工程を通じて行えるという優れた効果を奏することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態により何等制限されるものではない。

図１は、本発明の水切り機構を有するオーバーハング方式ＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置の一実施形態を説明する要部断面図である。
図１において、１は上面に研磨パッド４が貼り付けられた研磨テーブルであり、３はウエハ、２はウエハ３を保持するための研磨ヘッドのトップリング、５は光学ヘッド、６はノッチセンサ、７は洗浄用純水供給管、８は研磨液供給管、９は水分吹き飛ばし用気体供給管、１０は水分除去用吸引管、１１は気水分離槽、１２は真空排気管である。なお、図１はウエハ３の回転方向が矢印で示すように、図面上で右側から左側へ（すなわち、時計回りに）回転する場合の断面図である。

ウエハ３が図面上で左側から右側へ（すなわち、時計回りに）回転する場合は、上記の符号７〜１０で示された部品が光学センサ５及びノッチセンサ６を含む光学測定装置の反対側（図面上では右側）に、それぞれの先端が位置するように配置、構成される。なお、右側から左側へ（反時計回りに）回転する場合の配置については、簡略化のために図示省略する。なお、ウエハ３の揺動による左右方向への移動、すなわちオーバーハング量が大小する場合は、上記の部品の配置位置には変更の必要がない。

図２は、図１で示した本発明のＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置の一実施形態を説明する概略平面図である。図２に示すように、ノッチセンサ６、純水供給管７、及び光学センサ５が研磨テーブル１の周囲に配置され、水分除去用吸引管１０が光学センサ５の隣及び研磨テーブル１の近くに配置されている。
ここで、配置順に各部材の構造などを説明すると、ノッチセンサ６は、そのセンサ周囲の上流側にノッチセンサのための純水供給孔が一体に設けられている。次の水分除去用吸引管１０ａはテーブルに純水が行かないようにブロックしている。純水供給管７ｂは光学ヘッド５のために純水を供給する。光学ヘッド５は、その周囲の上流側に光学ヘッドのための純水供給孔が一体に設けられている。水分除去用吸引管１０ｂは、光学ヘッドを通過した部分の純水が研磨液供給管８に行かないようにブロックしている（研磨液が希釈されないように）。研磨液供給管８は、研磨液が研磨テーブル上にウエハを伝わって導入される位置に配置されている。なお、図２に気体供給管９ａが示されているが、実際にはほとんど配置されないものであって、そこから供給する気体によって水を強く吹き飛ばすと、パーチクル発生の原因となって好ましくないので、水分除去用吸引管で純水を吸引除去する際に、その吸引除去を助長する程度の作用でならば使用することができる。

本発明における水分除去の作用は、２通りあり、その第１はノッチサンサ６の上流側に配置するものであって、第２は光学センサの後に配置するものである。第１の場合は、純水供給管７ａは被研磨基板の表面洗浄をするための純水を供給し、気体供給管９ａ又は水分除去用吸引管１０ｃによって汚れを洗浄水ごと除去される。また、第２の場合は、水分除去用吸引管１０ｂは、前記したように、光学ヘッドを通過した部分の純水が研磨液供給管８に行かないようにブロックしている。

これらの水分除去用吸引管は、その配置個所の違いによって作用が多少異なっており、１０ａの場合は減圧吸引により余分な水分をテーブル上に持ち込むのを防止するようにするものであり、また１０ｂの場合は、研磨液供給管８の前に配置する関係で、研磨液の供給が行われない時には、余分な水分をテーブル上に持ち込むのを防止するようにする機能を有するが、研磨液の供給が行われる際には、研磨液を純水で薄めない効果も付加されるものである。１０ｃの場合は、汚れが次に持ち込まない作用を有する。
前記したノッチセンサ６や光学センサ５においてその周囲に純水供給孔６ａ、５ａを設けるのは、図３に示すように、反射光測定時に、ウエハ４とノッチセンサ６の間、あるいはウエハ４と光学センサ５の間を純水で満たすためである。純水により純水層２２が形成され、測定精度を高めることができる。

このＣＭＰ装置は、図４で説明したものと同様に、ウエハ３の被研磨面に荷重を加えながら研磨テーブル１と研磨ヘッドのトップリング２にそれぞれ回転運動を与え、更に図１では左右方向に揺動を加えるように構成されている。このようにして、ウエハ３と研磨パッド４との間に相対運動が与えられるとともに、研磨テーブル１の近傍に設置された研磨液供給管８の先端のノズルからウエハ３の研磨面に向かって、ウエハ３と研磨テーブル１上に貼り付けられた研摩パッド４との間に供給するように研磨液１３を噴出し、ウエハ３を研磨液と研磨パッド４との化学的及び機械的な作用により研磨するようになされている。

なお、図５で示したのと同様に研磨液をウエハ３の周縁部の研磨パッド上に添加、供給することもできるが、ウエハ３の研磨表面上へ研磨液を噴出塗布する方が、研磨液の有効利用、装置の構成及びメンテナンスの面から有利である。
このようにして研磨を行うとともに、図１に示すように研磨テーブル１の側部に配設した光学測定装置の光学ヘッド５及びノッチセンサ６からウエハ３の被研磨面にプローブ光を照射し、反射光を反射光検出部（図示省略）で検出して、その強度変化やスペクトル分布から研磨状態のモニターを行う。

このとき、ウエハ３の被研磨面の研磨状態の高い精度の計測の邪魔になる研磨表面上の研磨剤成分を、洗浄用純水供給管７の先端から噴出させた純水により除去してから、ノッチセンシング及び画像認識を行えば、高精度で研磨表面の研磨状態をモニターすることができる。
しかしながら、研磨表面に水分が付着したまま研磨工程を継続すると、研磨表面に付着した水分がウエハ３の回転によってパッド上に持ち込まれ、パット上に存在する研磨液が希釈され、研磨液の組成が低下変動し、その結果研磨レートが変動するという問題を生じる。

このような問題点を解消するために、図１に示す本発明のＣＭＰ装置では、水分吹き飛ばし用気体供給管９の先端のノズルから窒素ガス１４又はドライエアーを吹き付けて、研磨表面に存在する水分を除去するとともに、依然ウエハ３の被研磨面上に残存する水分を、気水分離槽１１を経て真空排気管１２に通じる水分除去吸引管の水分吸い込み口から吸引除去する。このような水切り機構の作用によって、被研磨面上の水分が完全に除去されてからウエハ３が研磨パッドと接触することになるので、パッド上の研磨液が水分により希釈され、その研磨剤成分が低下変動することがなくなり、従って研磨レートも変動することなく、均等な研磨がＣＭＰ工程の全期間にわたって維持される。

このような構成を有することによって、ウエハ表面のオリエンテーションやアライメントマーク、ノッチ等の指標やウエハ表面の様々なパターンの画像認識を行って、特定位置の時間の経過に伴う研磨状態のモニターや研磨終点検出を高精度に行うものである。
そして、前記したように、光学計測される被研磨基板の研磨表面が純水で洗浄された清浄な状態になっていること、及び光学測定装置の光学ヘッド５及びノッチセンサ６も研磨液成分や研磨で生じる削りかすにより汚染されることがないので、特に高い精度で研磨表面の光学的計測が行える。

本発明の水切り機構を有するオーバーハング方式ＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置は、半導体ウエハや石英基板、ガラス基板等の研磨対象物を研磨加工する研磨装置の研磨状態のモニター装置として有用なものである。
しかも、本発明のモニター装置は、メタルＣＭＰやＳＴＩ−ＣＭＰだけでなく層間絶縁ＣＭＰのようにストッパを用いないＣＭＰプロセスに対しても、その研磨状態をｉｎ−ｓｉｔｕ計測して研磨終点を検出することができるので、低コストでの半導体デバイスの製造に特に有用である。

本発明の研磨モニター装置の要部概略断面図である。 本発明の研磨モニター装置の要部概略平面図である。 本発明の研磨モニター装置の光学ヘッド部分の拡大側面図である。 従来のオーバーハング方式ＣＭＰの研磨モニター装置の概略断面図である。 従来のＣＭＰ研磨装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 研磨テーブル
２ トップリング
３ ウエハ
４ 研摩パッド
５ 光学ヘッド
６ ノッチセンサ
７ 洗浄用純水供給管
８ 研磨液供給管
９ 気体供給管
１０ 水分除去用吸引管
１１ 気水分離槽
１２ 真空排気管
１３ 研磨液
１４ 窒素ガス
１５ 水分
１６ 研磨ヘッド
１７ ウエハ
１８ 研磨液供給部
１９ 研磨液
２０ 研磨テーブル
２１ 研磨パッド
２２ 純水層
１００ 研磨ヘッドの回転運動
１０１ 研磨テーブルの回転運動
１０２ 揺動運動
Ｐ 押圧荷重

Claims (3)

1. 被研磨基板を保持する基板保持機構と、研磨パッドを貼付した研磨テーブルとを備え、前記研磨パッドと前記被研磨基板との間に研磨液を介在させた状態で、前記研磨テーブルと前記被研磨基板とを、相対移動させることにより、前記被研磨基板を研磨するＣＭＰ研磨装置で、前記被研磨基板を前記研磨テーブルからその周囲へ張り出すオーバーハングさせ、前記研磨パッド貼付研磨テーブルの側部に配設したノッチセンサ及び画像認識光学ヘッドにより被研磨基板の研磨状況をモニターするｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置において、被研磨基板の研磨表面をノッチセンシング及び画像認識させる前に通る位置に、研磨表面を純水で洗浄する純水供給管を備え、被研磨基板の研磨表面をノッチセンシング及び画像認識させた後に通る位置で、ノッチセンサ及び画像認識光学ヘッドの近傍に、該洗浄水を吸引により除去する水切り機構を備えることを特徴とするＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。
2. 該洗浄水を窒素又はドライエアーにより吹き飛ばしにより除去する水切り機構を備えることを特徴とする請求項１記載のＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。
3. 前記水切り機構の後に被研磨基板の研磨表面に研磨液を供給する装置を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＣＭＰ ｉｎ−ｓｉｔｕモニター装置。

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