JP2009094407A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハ研磨装置の研磨ヘッドからウェーハが逸脱するスリップアウトを迅速確実に検知して損害を最小限に抑える。
【解決手段】投影／撮像部11によりプラテン2上の研磨パッド5の表面に静止画像Aを投影する。投影位置はプラテンの回転方向の下流側で研磨ヘッド6のごく近傍とする。画像処理部は撮像画像を監視しており、研磨ヘッドからウェーハWが外れて下流側へ出てきたときウェーハに掛かった画像の変化を検出してシステム全体を停止する。投影画像を撮像して画像変化を検出することにより、研磨パッドとプラテンの色の相違や反射率からスリップアウトを判断するシステムよりも、外光などの外乱の影響を受けず、検出精度及び安定性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハ研磨装置に関するものであり、特にウェーハのスリップアウト検出性能の向上を図ったスリップアウト検出方法に関するものである。

CMP方式のウェーハ研磨装置は、円盤状のプラテンの表面へ貼付けた研磨パッドの表面へ研磨スラリーや研磨薬液を滴下しながら、研磨ヘッドへ装着したウェーハを研磨パッドへ押付け、プラテンと研磨ヘッドの双方を回転させることにより、ウェーハの表面を研磨するもので、ウェーハは円盤状の研磨ヘッドの外周に設けられているリテーナリング（保持リング）によって外周部を保持されて研磨パッドへ押付けられる。

しかしながら、ウェーハの厚さは0.75mm程度と薄く、研磨面がリテーナリングの端面とほぼ等しいか、或いはリテーナリングの端面から若干突出すように、リテーナリングへ浅く嵌合した状態にセットされているので、研磨中にウェーハがリテーナリングから外れる所謂スリップアウトが発生することがある。

ウェーハがスリップアウトした場合は、回転するプラテン上をウェーハが滑って周囲の壁面や研磨ヘッドなどに当たって一部が欠けたり全体が破砕したりする。したがって、このような損害を防止するには、スリップアウト発生時に可能な限り迅速にプラテンや研磨ヘッドの回転を停止する必要がある。

スリップアウトの発生を検知する手段としては、差動トランスなどの機械的変位センサを研磨ヘッドに設けて、変位データをコンピュータのソフトウェアで処理し、スリップアウト発生により研磨ヘッドが上下に変位したときに装置を停止させるものや、光電センサをプラテン上の研磨パッドの表面へ向けて配置し、ウェーハがスリップアウトして光電センサの下に来たときの反射光量の変化からスリップアウトを検出するもの、或いは、画像センサにより研磨パッドとウェーハの色の相違からスリップアウトを検出するものが知られている。また、研磨パッドの表面へ向けて配置した放射温度計により、ウェーハのスリップアウトを検出するようにした研磨装置もある（特許文献１）。
特開2007-134478号公報

研磨ヘッドに機械的変位センサを設けて研磨ヘッドの上下変位からウェーハのスリップアウトを検出する構成では、ウェーハの研磨の進行に伴って研磨ヘッドも下降していくため、ウェーハの厚さや要求研磨量などの条件によっては、正常な研磨状態とスリップアウトとの判別が難しく、設定や調整に手間がかかる。

光電センサや画像センサを用いた構成においては、研磨パッドやウェーハの受光面の色や表面形状や反射率、スラリーの色や透明度などがスリップアウト検出の精度に大きく影響し、設定や調整に手間がかかるとともに、外部からの光や移動する水滴の反射光などの外乱によって誤動作することもある。

放射温度計によりウェーハのスリップアウトを検出する構成では、被検出体の材質により放射率が異なって温度検出信号レベルに差異が生じるので、ウェーハの表面材質に応じて予め放射率の補正を行う必要があり、運用に手間がかかる。

そこで、外的条件の影響や設定や調整の手間を軽減し、安定した動作が期待できるスリップアウト検出手段を提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は上記課題を解決することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するために提案するもので、請求項１記載の発明は、研磨ヘッドの下面にウェーハを装着し、プラテン上の研磨パッドの表面へ前記ウェーハを押付け、プラテンと研磨ヘッドをそれぞれ回転駆動して、ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置において、研磨パッドの表面の研磨ヘッド近傍位置、且つプラテンの回転方向の下流に相当する位置へ静止画像を投影する手段と、投影された静止画像を撮像する手段と、投影した画像と撮像した画像とを比較する手段と、投影した画像と撮像した画像との比較結果に差異が生じたときは、プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させる制御手段とを備え、研磨ヘッドからウェーハが逸脱したときの撮像画像の変化を検出して、プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させるように構成したことを特徴とするウェーハ研磨装置を提供するものである。

上記の構成においては、画像比較手段が研磨パッドの表面へ投影した静止画像を見ていて、投影画像に或る変化が生じたときにプラテンと研磨ヘッドの回転を停止させる。静止画像の投影位置は、研磨ヘッドの近傍、且つプラテンの回転方向の下流であり、研磨ヘッドからウェーハが外れたときは、プラテンの回転方向の下流側へ飛出すので、スリップアウト発生を瞬時に検出できる。また、投影画像の変化によりスリップアウトを検出するので、研磨パッドとウェーハの色の相違や反射光量の変化からスリップアウトを検出する従来技術よりも外乱の影響を受けることが少なく、変化検出精度や安定性の向上が期待できる。

請求項２記載の発明は、上記画像投影手段と撮像手段のうち、すくなくとも撮像手段の入射角は研磨パッドの表面に対して斜めであるウェーハ研磨装置を提供するものである。

上記の構成においては、研磨パッド表面の反射の影響を受けずに、投影画像を撮像することができる。

請求項３記載の発明は、ブラケットなどの取付け手段を介して上記画像投影手段と撮像手段を研磨ヘッド支持体へ取付けたウェーハ研磨装置を提供するものである。

上記の構成においては、研磨ヘッドの位置に関わらず研磨ヘッドと投影画像の位置関係が常に一定となる。また、角度調整式取付け手段を用いれば、投影位置並びに撮像位置の微調整も可能である。

請求項４記載の発明は、上記画像投影手段と撮像手段への液体或いは蒸気などの付着を防ぐ雰囲気浄化手段を設けたウェーハ研磨装置を提供するものである。

上記の構成においては、画像投影手段と撮像手段へスラリーや薬液などが付着して感度が低下したり誤動作したりすることを防止できる。

請求項５記載の発明は、上記プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させる制御手段をハードウェアによって構成したウェーハ研磨装置を提供するものである。

上記の構成においては、撮像画像の変化を画像解析ソフトウェアにより検出するものよりも、障害発生からシステム停止までの処理を高速化できる。

請求項６記載の発明は、ウェーハの逸脱検出時に、エラーログデータをコンピュータ或いは他の記憶装置へ出力する通信機能を備えたウェーハ研磨装置を提供するものである。

上記の構成においては、ウェーハが逸脱してシステムが停止したときのエラーデータを保存することができる。

請求項１記載のウェーハ研磨装置は、研磨ヘッドからウェーハが外れたときにスリップアウト発生を瞬時に検出してシステムを停止することができ、ウェーハやシステム部品の損傷及び損傷によるダウンタイムを最小限におさえることができる。また、投影画像の変化によりスリップアウトを検出するので、研磨パッドとウェーハの色の相違や反射光量の変化からスリップアウトを検出する従来技術よりも外乱の影響を受けることが少なく、変化検出精度や安定性が向上する。

請求項２記載のウェーハ研磨装置は、撮像手段が撮像する画像が研磨パッド表面の反射の影響を受けることがなく、さらに安定性が向上する。

請求項３記載のウェーハ研磨装置は、研磨ヘッドの位置に関わらず研磨ヘッドと投影画像の位置関係が常に一定となり、位置調整の手間が省ける。

請求項４記載のウェーハ研磨装置は、画像投影手段と撮像手段へスラリーや薬液などが付着して感度が低下したり誤動作したりすることを防止でき、安定性が向上する。

請求項５記載のウェーハ研磨装置は、撮像画像の変化を画像解析ソフトウェアにより検出するものよりも、高速に処理することが可能であり、スリップアウト発生からシステム停止までの時間を可及的に短縮でき、被害を最小限に抑えることができる。

請求項６記載のウェーハ研磨装置は、ウェーハが逸脱してシステムが停止したときのエラーデータが保存され、エラー解析に利用することができる。

本発明は、研磨ヘッドの下面にウェーハを装着し、プラテン上の研磨パッドの表面へ前記ウェーハを押付け、プラテンと研磨ヘッドをそれぞれ回転駆動して、ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置において、研磨パッドの表面の研磨ヘッド近傍位置へ静止画像を投影する手段と、投影された静止画像を撮像する手段と、投影した画像と撮像した画像とを比較する手段と、投影した画像と撮像した画像との比較結果に差異が生じたときは、プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させる制御手段とを備え、研磨ヘッドからウェーハが逸脱したときの撮像画像の変化を検出して、プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させるように構成することにより、外的条件の影響や設定や調整の手間を軽減し、安定した動作が期待できるスリップアウト検出手段を提供するという目的を達成した。

図１はウェーハ研磨装置1を示し、円盤形のプラテン2はプラテン駆動モータ3を用いた回転駆動機構4の上に取付けられていて、プラテン2の上面に研磨パッド5が貼付けられている。プラテン2の上方且つプラテン2の回転中心から変位した位置に配置された研磨ヘッド6は、プラテン2よりも小径の円盤形であり、その下面に研磨対象であるウェーハWが取付けられている。研磨工程においては、研磨パッド5の上面に薬液供給装置（図示せず）から研磨薬液または研磨スラリーが滴下され、研磨ヘッド6はウェーハWがパッド5の上面へ接触する高さまで下降されるとともに、プラテン2と研磨ヘッド6がそれぞれ回転駆動されてウェーハWの被研磨面（下面）が研磨される。

プラテン2の回転方向において研磨ヘッド6の下流側には、スリップアウト検出機構の投影／撮像部11が配置されている。これは、スリップアウト発生時には研磨ヘッド6からウェーハWがプラテン回転方向の下流側へ飛び出すためであり、スリップアウトの発生を最も早く検出するには投影／撮像部11を図示の下流位置へ配置するのが最適である。

投影／撮像部11は、プラテン2の研磨ヘッド近傍位置に静止画像（図中のA）を投影し、その投影画像を撮像部により受光するもので、研磨ヘッド6の支持部材にブラケット（図示せず）を介して取付けられており、研磨ヘッド6と投影／撮像部11との位置関係は常時一定であり、投影角度の調整も可能となっている。尚、投影／撮像部11の投影方向をプラテン2に対して直角にしていない理由は、研磨パッド5の表面やスラリーなどの液体による直接的な反射による影響を排除するためである。また、投影／撮像部11へスラリーの水滴やミストが付着することを防ぐために、ウェーハ研磨装置1を覆うキャビネット内に空気浄化装置を設けることが望ましい。

図２に研磨ヘッド6の一例の断面を示す。21は研磨ヘッド6のトッププレートであり、トッププレート21の中心を軸22が貫通しており、軸22の下端部はキャリア23の中心の凹部へ進入していて、軸22に対してキャリア23は上下一定範囲でスライドでき、凹部の周壁に設けた廻り止めのピン24により軸22及びトッププレート21とキャリア23は一体に回転する。

トッププレート21の下面側には、軸22を中心にほぼ円錐カップ形のキャリア支持部材25が配置されており、キャリア支持部材25の外周側にほぼ円筒カップ形のリング支持部材26が同軸に配置されている。トッププレート21の下面には中心穴を有するゴムシート27が設けられていて、ゴムシート27の内周縁部は軸22に固定したクランプ部28とトッププレート21の下面とによって挟まれ、外周縁部は円筒部材29とトッププレート21の下面とによって挟まれていて、半径方向中間部はパーティションリング30によってトッププレート21の下面へ押付けられている。

トッププレート21のパーティションリング30より内周側の部分と外周側の部分には、それぞれ外部から下面へ貫通する空気通路31，32が形成されていて、二系統の空気通路31，32はそれぞれ別の空圧制御部33，34へ連通している。空圧制御部33，34は空圧制御弁と空圧レギュレータとによって構成されていて、パーティションリング30から内周側の部分と外周側の部分の空気圧を制御し、ゴムシート27は空気圧に応じて膨張或いは収縮する。

キャリア支持部材25の上端はパーティションリング30の内側に位置し、パーティションリング30の外側にリング支持部材26の上端が位置している。リング支持部材26の下端にはキャリア23の外周を取囲むアウターリング35が取付けられていて、アウターリング35の下面に設けたリテーナリングホルダ36の下面にリテーナリング37がボルト38によって締結されており、リテーナリングホルダ36とリテーナリング37は、柔軟な円盤状の樹脂製保護シート39の外縁部を挟みこんでいる。

キャリア23には、空圧制御部（図示せず）から下面へ通じる空気通路40が形成されており、保護シート39には複数の空気穴が形成されている。空圧制御部からキャリア23の空気通路40へ圧力空気を供給すれば、保護シート39が下方へ押圧されて、リテーナリング37へ装着されたウェーハWが研磨パッド5へ押付けられる。また、上記とは逆に空圧制御部により空気を吸引すると、負圧により保護シート39及びウェーハWはキャリア23へ吸着される。

研磨工程においては、研磨ヘッド6が研磨パッド5から離れてウェーハストッカへ移動し、研磨ヘッド6の上述した空圧制御部（図示せず）が吸引動作してリテーナリング37内にウェーハWを吸着した後に研磨パッド5上の研磨位置へ移動する。つづいて、トッププレート21の下面の空気室へ圧力空気が供給されてゴムシート27が膨張し、キャリア支持部材25とリング支持部材26は所定の圧力で下方へ押圧され、リテーナリング37がプラテン2上の研磨パッド5へ接する。これと同時に、ウェーハWを吸着している空圧制御部は吸着動作とは逆にキャリア23の下面へ圧力空気を送り、保護シート39の穴を通じてウェーハWの上面へ圧力空気を作用させてウェーハWを研磨パッド5へ押付け、プラテン2と研磨ヘッド6がそれぞれ回転してウェーハWを研磨する。空気圧により下方へ押圧されているリテーナリング37並びにキャリア23は、研磨パッド5の反力に応じて上下へ移動して接触圧力の変化を吸収する。

図３は、スリップアウト検出機構のブロック図であり、投影する画像は単純なパターンの静止画像でよいことから、ここでは投影／撮像部11の投影手段として複数のLEDで構成したLED光源12を用いているが、液晶投影デバイス、或いはDLP（テキサスインスツルメント社製品）などのデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いてもよく、また、撮像手段としての画像センサ13は、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサなど任意のデバイスを使用でき、その構成を限定するものではない。

静止画像の投影及び撮像画像の解析は画像処理部14で行われる。画像処理部14は画像処理に特化したDSPを内蔵していて、投影画像と撮像画像の比較をハードウェアで処理することにより、CMP制御部15のCPUに処理負荷を与えず、ソフトウェアにより処理する場合よりも高速に処理を実行できる。

画像処理部14は、予め設定された程度を超える差異が投影画像と撮像画像のパターンに現れたときに、CMP制御部15へスリップアウト信号（モータ停止信号）を出力し、この信号を受信したCMP制御部15は、研磨ヘッド駆動回路16とプラテン駆動回路17へ制動制御信号を出力して研磨ヘッド駆動モータ18並びにプラテン駆動モータ3に制動をかけて停止させる。

図４(a)は、研磨ヘッド6にウェーハWが正常に保持されている状態を示し、図４(b)は、研磨ヘッド6のリテーナリングからウェーハWが外れてプラテンの下流側へ逸脱した状態を示している。図５(a)はLED光源12から研磨パッド5上へ投影される静止画像の一例（文字A）を示し、図６(a)は、図４(a)の正常状態において研磨ヘッド6の近傍のプラテン表面へ投影された静止画像を示している。

図４(b)に示すように、ウェーハWが研磨ヘッド6から飛び出すと、ウェーハWに掛かる画像は、LED光源12からの投影距離がウェーハWの厚さの分だけ小さくなることから、図５(b)並びに図６(b)に示すようにウェーハWに投影された部分だけ投影倍率の減少により縮小変形する。

画像処理部14は、画像センサ13が取得した画像と図５(a)のリファレンス画像とを比較しており、図５(b)のように撮像画像に変形が生じたときは、CMP制御部15へスリップアウト信号を出力し、研磨ヘッド駆動モータ18並びにプラテン駆動モータ3を急停止させ、ウェーハWの破損及びその周辺の損傷を防止する。

図５(c)は、ウェーハWが大幅に飛出してウェーハW上に画像全体が投影された場合を示し、画像全体がリファレンス画像（図５(a)）よりも縮小されている。また、ウェーハW全体が研磨ヘッド6から飛出す場合のほかに、何らかの原因によってウェーハWの一部が欠損して研磨パッド5上へ飛出すことも起こりうる。このような場合は、例えば図５(d)中のa部に示すように、投影画像が研磨パッド5上の異物に掛かった部分だけが縮小変形し、このような場合も、画像処理部14は受光画像の異常と判断してCMP制御部15へスリップアウト信号を出力し、研磨ヘッド駆動モータ18並びにプラテン駆動モータ3を急停止させ、異物による研磨パッド5や研磨ヘッド6の損傷を防止する。

以上のようなスリップアウト発生時に、画像処理部14は研磨ヘッド駆動モータ18並びにプラテン駆動モータ3の停止信号を出力するとともに、受光画像のパターンデータなどのデータをCMP制御部15或いは外部のコンピュータへ出力し、エラーログファイルとして保存することにより、障害の解析や障害発生原因の究明などに利用することができる。

尚、この発明は上記の実施形態に限定するものではなく、この発明の技術的範囲内において種々の改変が可能であり、この発明がそれらの改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の一実施例を示し、ウェーハ研磨装置の斜視図。 研磨ヘッドの一例を示す縦断面図。 スリップアウト検出装置のブロック図。 （a）は研磨ヘッドのウェーハ保持状態の解説図、（b）はウェーハスリップアウト発生時の状態を示す解説図である。 スリップアウト検出装置による投影画像を示し、（a）は正常時の画像、（b）はスリップアウトにより部分的に変形した画像、（c）はスリップアウトにより全体的に変形した画像、（d）は研磨パッド上の異物などにより部分的に変形した画像である、 （a）は研磨ヘッドと投影画像を示す平面図、（b）はウェーハスリップアウト発生時の投影画像の状態を示す平面図である。

符号の説明

1 ウェーハ研磨装置
2 プラテン
3 プラテン駆動モータ
4 回転駆動機構
5 研磨パッド
6 研磨ヘッド
11 投影／撮像部
12 LED光源
13 画像センサ
14 画像処理部
15 CMP制御部
16 研磨ヘッド駆動回路
17 プラテン駆動回路
18 研磨ヘッド駆動モータ
W ウェーハ

Claims (6)

1. 研磨ヘッドの下面にウェーハを装着し、プラテン上の研磨パッドの表面へ前記ウェーハを押付け、プラテンと研磨ヘッドをそれぞれ回転駆動して、ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置において、
   研磨パッドの表面の研磨ヘッド近傍位置、且つプラテンの回転方向の下流に相当する位置へ静止画像を投影する手段と、投影された静止画像を撮像する手段と、投影した画像と撮像した画像とを比較する手段と、投影した画像と撮像した画像との比較結果に差異が生じたときは、プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させる制御手段とを備え、
   研磨ヘッドからウェーハが逸脱したときの撮像画像の変化を検出して、プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させるように構成したことを特徴とするウェーハ研磨装置。
2. 上記画像投影手段と撮像手段のうち、すくなくとも撮像手段の入射角は研磨パッドの表面に対して斜めである請求項１記載のウェーハ研磨装置。
3. ブラケットなどの取付け手段を介して上記画像投影手段と撮像手段を研磨ヘッド支持体へ取付けた請求項１記載のウェーハ研磨装置。
4. 上記画像投影手段と撮像手段への液体或いは蒸気などの付着を防ぐ雰囲気浄化手段を設けた請求項１記載のウェーハ研磨装置。
5. 上記プラテンと研磨ヘッドの回転を停止させる制御手段をハードウェアによって構成した請求項１記載のウェーハ研磨装置。
6. ウェーハの逸脱検出時に、エラーログデータをコンピュータ或いは他の記憶装置へ出力する通信機能を備えた請求項１記載のウェーハ研磨装置。

Images