JP2006194800A

JP2006194800A - 研磨加工測定方法及び研磨装置

Info

Publication number: JP2006194800A
Application number: JP2005008468A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Haneya; 聰羽矢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】研磨の進行状態における種々の情報を可視化計測、監視するとともに、研磨加工中の研磨プロセスの分析評価、研磨圧、圧力分布の測定調整等を高精度で行なうことができる研磨加工圧測定方法及び研磨装置を提供すること。
【解決手段】計測データを既知データと比較することで研磨加工中の研磨加工圧及びその分布を測定検出する工程とを有する研磨加工圧測定方法とその測定手段を具備し、又、２次元反射強度像を画像処理してひずみ解析による計測データを得るための画像処理装置とを備えるよう構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置等に用いられる高品質な光学材料を研磨する研磨装置において、装置稼動中の研磨状態を高精度で計測、監視及びプロセス評価する研磨加工界面における研磨加工圧、研磨工具にかかる接触面圧及びその分布等の計測方法及び研磨装置に関するものである。

近年、半導体プロセスの高集積化に伴ない、露光装置等に使用する光学材料の品質向上が要求され、レンズ等の製作に用いる研磨装置の性能もより一層高品質なものが要求されている。

従来、研磨加工プロセスは、研磨液、研磨剤を介在させた状態で研磨工具研磨パッド等により加工される。被研磨材の加工面（研磨面）は研磨工具と接触しているため、研磨加工中に研磨進行状態を計測、監視、評価することは容易ではない。又、研磨液中の特殊な状況での研磨加工については、未だ充分に分析解明がされていない部分がある一方、加工中の研磨工具及び研磨材料に発生する圧力の分布等が研磨特性に大きく影響することが知られている。

そこで、従来行われている圧力測定方法としては、感圧測定フィルムを利用したもの（特許文献１参照）、各種弾性体にストレンゲージを張り付けたもの（特許文献２参照）、研磨工具に複数の圧力センサを埋め内蔵させ、各々配置された個所における圧力を検出する方法（特許文献３参照）、又、光学的な光弾性を応用した圧力測定方法として、光弾性試料に圧力伝達接点部を設け、試料側面より光を入力し、別側面より光出力を取り出し、光弾性効果を利用し、点接触での圧力を測定する方法（特許文献４参照）等、又、光学的な反射光、輝度分布から測定する方法として理化学研究所で提案された発光体を持った感圧ゴムの弾性ひずみから発生する光強度を測定する手段（特許文献５参照）、更に接触面圧計測法としてピラミッド状の微小な突起の変形度合いから生ずる反射光量を測定する方法（非特許文献１参照）等が知られている。

特開平６−３３１４６７号公報特開平１０−３８７２１号公報特開平１０−２８６７７２号公報特開平５−８７６６３号公報特開昭６４−３９５３３号公報日本機械学会誌２００２年６月号Ａ編（６８巻６７０号）論文Ｎｏ．０１−０７４５"電着銅薄膜による接触面圧計測法"北岡征一郎氏、長谷川達也氏等

しかしながら、前記特許文献１、２及び３の従来例等の測定方法は１箇所又はマトリックス上に配置されたものでも、センサーの配置の間隔より微細な圧力分布を高精度にセンサ自体の性能から微細な圧力値及び高応答な測定はすることはできない等の問題があった。

又、前記特許文献４の従来例光弾性測定法の応力測定、複屈折測定等の手段について共立出版和田八三久氏及び河田幸三氏等が実験物理学講座１０力学物性の中でバビネコンペンゼータによる方法、検光子回転による方法、白色光源を用い色縞から求める方法等、従来例として記載されており、記載手段を用いて自動測定することは充分可能と思われるが、加工状況に応じてリアルタイムに発生する消圧力信号及び高精度な測定に関しては、検光子自動回転時の構造的安定性の問題及び白色光色縞から自動検出する場合カラーカメラを用いて分光特性から検出する方法はＣＣＤの検出感度、分光特性のバラツキ等の問題が有り、測定できない等の問題が指摘されている。

同様に、前記特許文献５及び非特許文献１の例で行われている、光学的な手法として接触部の変形から生じる光強度の輝度分布や一部が平滑化した凹凸表面に光を照射し、その反射光輝度から測定検出する計測法にしても計測界面部分微細な場所の圧力分布及び高感度な接触圧及び加圧力値等の測定を必要としている研磨工程における測定評価は前記方法では対応できない等の問題があった。

そこで、本発明は研磨の進行状態をオンマシン上リアルタイムに計測、監視し、良好な研磨特性性能を得るために、研磨工具圧力及びその分布を高速、高感度及び高密度に計測する直接観察評価法による検出性能のレベル向上を達成し、上記情報により、良好な研磨特性を得る方法及び装置を提供し、研磨性能の向上生産時間の短縮等、工程能率を上げることを課題としている。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、研磨の進行状態における前記種々情報を可視化計測、監視するとともに、研磨加工中の研磨プロセスの分析評価、研磨圧、圧力分布の測定調整等を高精度で行なうことのできる研磨加工圧測定方法及び研磨装置を提供することである。

本発明では、従来の方法に係る接触面に掛かる弾性圧力分布測定方法として全反射吸収測定法を応用する。

本測定法は、材料分析等に用いられる手法で樹脂フィルムや繊維物、布状物やポリエチレンフィルム、シリコン表面、ガラス基板膜の表面分析評価等に使用されており、又、吸収法の応用として高分子材料に可変加圧を加え、その材料の可変硬化度を測定する等の応用例がある。全反射吸収法は高感度反射測定法の一方法で、反射面としてプリズムと研磨工具試料との接触面を用い、入射角を全反射が起こるようにする。

しかし、微視的に見ると、光は加圧密着状態により、界面で反射するのではなく、或る深さだけ試料側に入り込んで全反射する。このとき、研磨工具と試料の接触状態より、吸収の度合いが変化し、反射光の強度が変化する。その度合いを２次元画像センサで検出する。上記方法において、研磨工具材には種々があるが、研磨工具の材料であるウレタン他各種材料に対しての接触面の変化（接触圧による反射光の吸収強度変化、接触面の厚さ変化等）を検出、反射率と加圧力との関係を求めておき、測定基準データとして記憶しておく。

本測定法は、境界面での微細な密着性が問題となり、試料に加えた加圧力と反射強度の定量測定値との相関関係を測っておき、負荷された試料とプリズムとの間に臨界角より大きな入射角で光を入射すると、全反射せず光の一部が試料に透過吸収される部分が発生するため、周囲と比べ明暗差の或る像が発生し、比較測定することができる。研磨工具接触面摩擦下における光吸収率を光のコントラストから画像処理装置を用い、２次元の接触面圧情報を測定する従来法に比べ、評価密度が高く（高感度ＣＣＤ素子分解による）、高応答、高精度な測定が期待できる。

本測定法は、境界面での微細な密着性が問題となり、試料に加えた加圧力と反射強度の定量測定値との相関関係を測っておき、負荷された試料とプリズムとの間に臨界角より大きな入射角で光を入射すると、全反射せず光の一部が試料に透過吸収される部分が発生するため、周囲と比べ明暗差のある像が発生し比較測定することができる。研磨工具接触面摩擦下における光吸収率を光のコントラストから画像処理装置を用い、２次元の接触面圧情報を測定する、従来法に比べ評価密度が細かく、高応答、高精度な測定が期待できる。又、従来方法のような被検材料そのものの変形から検出する手段でないので、ガラス等変形を起さない材料に対して測定評価が可能で、目的とする研磨工程の測定評価として使用することができる。

又、本発明は上述のように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。

本発明によれば、研磨装置における圧力及び圧力分布測定方法に全反射吸収法を利用し、光計測化することにより、従来法に比べて測定センサ密度分解、測定センサ感度等改善することができ、研磨精度の向上及び品質性能を上げることができる。

又、上記計測データを画像処理コンピュータにより解析し、既知パターンと比較することにより、研磨状態をリアルに評価観察することができ、従来法に比べて直接的に測定、研磨界面直接観察することができ、且つ、不備な場合はデータ情報により研磨工具材圧力分布を修正調整することが可能となり、高精度な研磨加工が可能となり、大口径化用、高精度、高能率化に対応することが可能となる。

更に、オンマシン上で研磨中の進行状態をリアルタイムに観察評価することができるため、研磨加工における時間的ロスを低減し、レンズ等の生産性向上に貢献できる。

以下、本発明を適用して研磨工具圧力及びその分布を測定する測定評価部と、それを具備する研磨装置の実施形態を図１を参照して説明する。

図１は、本発明を適用して成る研磨工具圧力分布測定装置及び研磨装置の概略構成を示す図である。

図１で示すように、研磨装置部上部に研磨工具１を中心に、その研磨加工制御する遥動駆動のリニアモータ５等が配置され、研磨液層４の内部で研磨加工される。研磨評価及び研磨工具圧力計測装置は研磨装置下部に設置されている。被研磨材料３は全反射吸収光を発生させるためのプリズムで構成され、研磨工具１部材の材質及び加圧接触状態により、反射波の強度及び輝度分布が変化する。全反射吸収法は、高感度反射測定法の一手法で、特に、試料との密着性が重要となり、従来行われている反射測定法より高感度な測定が実現し、研磨工具面での圧力分布に相当する密着性が高感度で評価できる。

下部の計測部は全反射吸収光を発生させる光源部１１とその光学系部８、９、１０と制御部１４で構成される。

上記研磨工具の接触面圧を表現する反射光量輝度分布を検出測定処理するための光学系部１３とその反射光量輝度分布画像を検出、取り込むための高感度な２次元ＣＣＤエリアセンサカメラ１５とプロセサを内蔵した画像処理装置１６と位置角度制御ステージ１８で構成される。詳細と特有の効果については、次の実施形態で説明する。
＜実施の形態１＞
次に、本発明の実施形態について説明する。

図１はこの発明の実施形態を示すブロック図である。図１に示す研磨評価及び研磨工具圧力計測装置は研磨装置下部に付けられている。この研磨装置は、研磨工具材１を中心に数Ｈｚで直進揺動され、研磨加工される。加圧力調整リニアモーター５により、研磨工具材加圧力が被研磨材試料に対し、制御されている。ホルダー２に被研磨材料と成るプリズム３が保持されており、上記研磨工具材により、研磨加工される。ホルダー部下面は、測定光源が照射できるように、又、研磨観測面が見え、検出測定信号が得られるように、更に、研磨材を含んだ研磨液が漏れないように密封材で仕切られている。

研磨装置下部に取り付けられた研磨評価及び研磨工具材圧力計測装置の構成は、以下の通りである。

即ち、全反射吸収反射光を発生させる白色光又は赤外光を発生させる照射光源照射部１１から照射光源は照射され、照射光を制御し取り込み画像と同期制御するためのシャッター７、照射光口径を広げるための集光レンズ８を通り、光可変波長フィルター９及び切り替え部１０を通り、接触面に掛かる弾性圧力の状態から全反射、吸収が起こるよう負荷配置された研磨工具試料１とプリズム３との間に、臨界角より大きな入射角で光を入射すると、状態により全反射せず、光の一部が試料１に透過吸収される部分が発生する。そのため、密着圧分布の状態より、周囲と比べ明暗差のある像が発生し、その２次元画像反射輝度分布像を画像として取り込み、研磨工具接触面摩擦下における光吸収率を光のコントラストから画像処理装置を用いて計算処理し、２次元の接触面圧情報を取り出し測定する。従来法に比べ、評価密度が高く、高応答、高精度な測定ができる。

プリズム３又は研磨工具試料１の表面で反射し、再びプリズム３及び光学フィルター１２、結像レンズ１３を通って高感度ＣＣＤ画像エリアセンサ１５に結像する。１５は微小な反射光輝度分布強度を検出するための高感度な２次元エリアセンサＣＣＤカメラで、約１０００×１０００画素の像を見ることができる。１６はカメラからの映像を取り込むための画像読み込み装置とコンピュータを内蔵した画像処理装置より構成される。１７は前記照射部シャッターと連動され照射光源から発生する吸収現象像を画像エリアセンサ及び画像入力装置にタイミイング良く取り込むための同期制御回路制御器である。

１４は、照射部全体の位置をコントロールするＸＹＺθステージで照射光位置や臨海角を決定する角度を調節する。

１８は、上記同様、画像検出系の位置調整、角度調整をコントロールするＸＹＺθステージである。

上記構成により、研磨の進行状況を観測、被研磨部材に発生する圧力変化値と像の画像データを画像処理し、被研磨材料に掛かる工具材圧力及び圧力分布状態を観察計測することができる。前項（課題を解決する手段）説明のように、各研磨部材ごと圧力及び圧力分布変化計測データとの関係を試験既知データとしてコンピュータに保存し、研磨進行毎のデータと比較し、研磨工具材圧力及び圧力分布を評価計測することができる。研磨面全面をＸＹステージにより計測スキャンし、全面に渡る圧力計測データを取得する。取得データより、各面毎の研磨状態、均一性等の研磨評価情報が得られる。情報から良が検出された場合、各面毎の情報に合わせ工具材加圧力発生位置を可変修正し、再研磨する。

上記方法により、研磨進行状況に連れて研磨状況及び研磨工具材圧力及び圧力分布状態が計測評価することができ、且つ、情報により不備の場合は、工具修正調整され、良好な研磨特性を得ることができる。

この装置の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１研磨工具材
２ホルダー
３被研磨材料プリズム
４研磨液層部
５研磨制御リニアモーター
６研磨工具軸
７制御シャッター
８集光レンズ
９光学可変波長フィルター
１０切り替え部
１１照射光源（可視及び赤外光源）
１２光学フィルター
１３結像レンズ
１４照射光源駆動ステージ
１５２次元高感度ＣＣＤカメラ
１６画像読取り処理装置
１７同期制御回路
１８カメラ駆動ステージ

Claims

研磨装置における研磨加工時に研磨工具或いは研磨される被研磨材に係る研磨加工圧又は接触面圧及びその分布を計測する研磨圧力測定方法であって、
非研磨材に検出のためのプリズムを備え、研磨工具表面にプリズムを密着させプリズムに照明光を（可視から赤外光）所定角度で照射させ、工具表面とＡＴＲプリズム（以後、プリズム）との加圧状態で変化する密着性の変化から発生する全反射、減衰反射状態の２次元反射強度分布像を画像処理装置に取り込んで計測データを得る工程と、得られた計測データを既知データと比較することで研磨加工中の研磨加工圧及びその分布を測定検出する工程とを有することを特徴とする研磨加工圧測定方法。
研磨工具によって被研磨材を研磨する研磨装置であって、
前記被研磨材に透明なプリズムを配設し、プリズムに照明光を照射する照明手段と、前記照明光と密着している研磨工具の加圧状態から発生する２次元反射強度分布像を撮像し、画像取り込みを行なう撮像手段と、前記２次元反射強度像を画像処理してひずみ解析による計測データを得るための画像処理装置とを備えたことを特徴とする研磨装置。