JP5218890B2

JP5218890B2 - 研磨装置

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Publication number: JP5218890B2
Application number: JP2008037252A
Authority: JP
Inventors: 法生中平
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: JP2009196000A

Description

本発明は、半導体ウェハ等の被研磨物を研磨する研磨装置に関する。

半導体ウェハの表面を研磨する研磨装置としてＣＭＰ装置が例示される。ＣＭＰ装置は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）によりウェハの表面を超精密に研磨加工する研磨装置として広く利用されている。このような研磨装置では、チャックに保持されたウェハと研磨ヘッドに装着された研磨パッドとを相対回転させて押接し、ウェハと研磨パッドとの当接部に研磨内容に応じたスラリー（Slurry）を供給して化学的・機械的な研磨作用を生じさせ、ウェハ表面を平坦に研磨加工する。

なお、研磨加工中には、その研磨状態をいわゆるin-situ（その場）計測して研磨終点を検出する終点検出が行われる。従来から行われている終点検出方法として、ウェハの表面状態を光学的に計測して終点検出を行う方法が知られている。この方法では、ウェハの被研磨面にプローブ光を照射するとともに、プローブ光が照射されたウェハからの反射光を検出し、その強度変化やスペクトル分布に基づいて終点検出を行うようになっている（例えば、特許文献１を参照）。このように終点検出を行う場合、例えば図４に示すように、スラリー供給開始直後の擾乱が治まってから、反射光量（光強度）をサンプリングして検出光量が適正光量となるように光量調整を行い、さらに、スラリーの流れが落ち着いて検出光量が安定してから終点判定を開始していた。
特開２００６−０３２７６４号公報

しかしながら、上述のような研磨装置においては、流量計を用いてスラリーの供給量を監視していたが、流量計よりも下流側の部分で配管亀裂等によりスラリーが漏れ出し、ウェハと研磨パッドとの当接部に十分なスラリーが供給されなくなると、流量計でスラリーの供給不足を検出できずに、スラリーの供給が不足した状態で研磨加工が行われてしまうおそれがあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨液（スラリー）の供給不足をより確実に検出できる研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、被研磨物を保持する保持機構と、前記保持機構に保持された前記被研磨物を研磨する研磨部材とを備え、前記保持機構に保持された前記被研磨物の被研磨面に前記研磨部材を当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、前記被研磨面と前記研磨部材との当接部に研磨液を供給する研磨液供給機構と、前記研磨液供給機構により前記研磨液を前記当接部に供給するための供給路に設けられ、前記供給路を流れる前記研磨液の流量を計測する流量計と、前記被研磨面にプローブ光を照射する照明部と、前記プローブ光が照射された前記被研磨面からの反射光を検出する光検出部と、前記光検出部に検出された前記反射光の情報に基づいて前記研磨加工の終点を検出する終点検出部と、前記流量計により計測された前記研磨液の流量に基づいて前記当接部に対する前記研磨液の供給状態を判定するとともに、前記光検出部に検出された前記反射光の情報に基づいて前記当接部に対する前記研磨液の供給状態を判定する供給判定部とを有して構成される。

本発明によれば、研磨液の供給不足をより確実に検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した研磨装置１の概略構成を図１に示す。研磨装置１は、上面側において半導体ウェハＷを回転可能に保持する保持機構１０と、保持機構１０の上方に対向して設けられ下面側において研磨パッド２１が装着される研磨ヘッド２０と、研磨パッド２１の中心部からスラリー（研磨液）３１を供給するスラリー供給機構３０と、終点検出を行うＥＰＤ部４０と、これらの作動を制御する制御装置５０とを主体に構成される。

保持機構１０は、円盤状のチャック１１と、このチャック１１を支持して鉛直下方に延びるスピンドル１２とを有して構成され、図示しない回転駆動機構によりチャック１１上面と直交する回転中心軸Ｏ１を中心にチャック１１が水平面内で回転駆動される。チャック１１は、ウェハＷを吸着保持する。チャック１１の内部には、ウェハＷの下面を真空吸着する真空チャック構造が設けられてウェハＷを着脱可能に構成されおり、チャック１１に吸着保持されたウェハＷの研磨対象面（すなわち被研磨面Ｗａ）が上向きの水平姿勢で保持される。

研磨ヘッド２０は、下面に研磨パッド２１が取り付けられるヘッド部材２２と、このヘッド部材２２を支持して鉛直上方に延びるスピンドル２３とを備え、図示しない回転駆動機構によりヘッド部材２２下面と直交する回転中心軸Ｏ２を中心に研磨パッド２１が水平面内で回転駆動される。研磨パッド２１は、外径が研磨対象であるウェハＷの外径よりも小さい円環状に形成されており、例えば、独立発泡構造を有する硬質ポリウレタンのシートを用いて構成され、ヘッド部材２２の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持される。なお、研磨ヘッド２０は、図示しないヘッド移動機構を用いて、チャック１１に対し水平揺動および垂直昇降可能に構成される。

スラリー供給機構３０は、配管３３を通じて、研磨パッド２１およびヘッド部材２２の中央部に上下に貫通して形成された孔部２１ａ，２２ａから研磨パッド２１とウェハＷとの当接部にスラリー３１を供給する。配管３３には、配管３３を流れるスラリー３１の流量を計測する流量計３４が配設され、その計測信号が制御装置５０に出力される。

ＥＰＤ部４０は、キセノンランプやＬＥＤランプ等の光源４１と、ビームスプリッタ４２と、光検出器４３と、図示しないレンズ光学系等を有して構成される。なお、ＥＰＤ部４０は、ウェハＷの上方に対向して配置されるため、研磨加工の際に飛散するスラリーから機器を保護するためカバー４５内に収容されている。また、カバー４５内に収容されたＥＰＤ部４０は、図示しないＥＰＤ揺動機構を用いて、ウェハＷ（チャック１１）の上方に位置する計測位置と、ウェハＷ（チャック１１）の上方から退避した退避位置との間で往復揺動可能に構成されている。

また、図２に示すように、カバー４５の下側に延びて形成された鏡筒部４６の下部に、前述のレンズ光学系を構成する対物レンズ４４が取り付けられているが、この鏡筒部４６における対物レンズ４４の取り付け部分に、カバー４５（鏡筒部４６）の内部と外部とを連通させる溝部４７が形成されている。そして、図示しないエアー供給装置によりカバー４５の内部から鏡筒部４６内へ空気を送り込むことで、鏡筒部４６の溝部４７から外部下方に向けて空気流Ｆを生じさせ、当該空気流Ｆを鏡筒部４６（すなわち、ＥＰＤ部４０）の下方に位置するスラリー３１に衝突させることにより、ウェハＷの被研磨面Ｗａ上に供給されたスラリー３１の一部に薄膜部３２を形成することができるようになっている。これにより、終点検出を行う箇所においてスラリー３１を薄くすることができるため、プローブ光および反射光の減衰が低減されることから、光検出器４３における検出光量の低下を抑えることができる。

そして、図１に示す制御装置５０は、研磨装置１に予め設定記憶された制御プログラム、および研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて、保持機構１０、研磨ヘッド２０、スラリー供給機構３０、およびＥＰＤ部４０等の作動を制御する。

以上のように構成された研磨装置１において、ウェハＷの研磨加工を行うには、チャック１１およびヘッド部材２２を同一方向もしくは反対方向にそれぞれ回転させ、スラリー供給機構３０により研磨パッド２１の中心（孔部２１ａ）からスラリー３１を供給しながら、研磨ヘッド２０を下降させて研磨パッド２１をウェハＷの被研磨面Ｗａに当接させ、この状態で研磨ヘッド２０をウェハＷの中心部と外周部との間で半径方向に往復（水平）揺動させる。これにより、ウェハＷの被研磨面Ｗａが研磨パッド２１との間に介在するスラリー３１の機械的および化学的研磨作用を受けて、平坦に研磨加工される。

研磨加工の際、ＥＰＤ部４０を用いて終点検出が行われるが、このとき、ＥＰＤ部４０の光源４１から射出されたプローブ光は、ビームスプリッタ４２を透過してウェハＷの被研磨面Ｗａに照射され、ウェハＷの被研磨面Ｗａで反射した反射光がビームスプリッタ４２で反射されるとともに光検出器４３で受光される。そして、光検出器４３で検出された光検出信号が制御装置５０に出力され、制御装置５０は、光検出器４３で検出された反射光の光量（光強度）変化に基づいて、研磨加工の終点を判定する。

ここで、ＥＰＤ部４０を用いた終点検出の手順について図３を参照しながら説明する。まず、図示しない搬送装置によりウェハＷをチャック１１上に搬送した後、研磨加工の開始前に、制御装置５０は、図示しないＥＰＤ揺動機構を用いて、ＥＰＤ部４０を前述の退避位置からウェハＷ上方の計測位置に移動させる。このとき、研磨加工の開始前から、図示しないエアー供給装置によりカバー４５の内部から鏡筒部４６内へ空気を送り込むことで、鏡筒部４６の下方に空気流Ｆを生じさせる（図２を参照）。なお、研磨加工の開始前は、対物レンズ４４等に水滴が付着するのを防止するために流れの比較的弱い空気流Ｆを生じさせ、研磨加工の開始後は、スラリー３１を薄くするために流れの比較的強い空気流Ｆを生じさせるようにすることが好ましい。

次に、制御装置５０は、スラリー供給機構３０を作動させてスラリー３１の供給を開始して研磨加工を始めるとともに、これとほぼ同時に、ＥＰＤ部４０の光源４１よりプローブ光を照射させて光検出器４３による反射光の計測（すなわち、ＥＰＤ部４０による計測）を開始する。以後、光検出器４３で検出された光検出信号が制御装置５０に出力され、検出された反射光の光量（光強度）が図示しないメモリに記録されることになる。なお、このようなＥＰＤ部４０による計測は、スラリー３１の供給開始前から開始することが好ましい。

スラリー３１の供給開始後、スラリー供給機構３０から配管３３を流れてきたスラリー３１が研磨パッド２１の孔部２１ａより放出されてウェハＷの被研磨面Ｗａに達するまでの間、ＥＰＤ部４０の光検出器４３はスラリー３１が供給されていない状態のウェハＷからの反射光を検出するため、反射光の光量（光強度）がほぼ最大となる。そして、スラリー３１がウェハＷの被研磨面Ｗａ上に到達するスラリー到達時間ｔ１（例えば、スラリー供給開始から２秒程度）になると、ウェハＷの被研磨面Ｗａがスラリー３１で覆われるために光検出器４３で検出される反射光の光量は激減する。

このとき、制御装置５０は、スラリー３１の供給開始から反射光量が激減するまでの時間、すなわちスラリー到達時間ｔ１をメモリに記録し、このスラリー到達時間ｔ１が所定の設定時間よりも長い場合、スラリー３１が到達するまでの時間が長いと判定して研磨加工を中止する制御を行う。またこのとき、制御装置５０は、反射光量が激減する際の減少量をメモリに記録し、この反射光の減少量が所定の設定量よりも小さい場合、ウェハＷの被研磨面Ｗａ上に供給されるスラリー３１が薄いか、もしくはウェハＷの外周側に行き渡っていないと判定し、研磨加工を中止する制御を行う。

スラリー供給開始直後の擾乱が治まると（時間ｔ２になると）、制御装置５０は、光検出器４３で検出される反射光量（光強度）をサンプリングして検出光量が適正光量となるように光量調整を行う。そして、制御装置５０は、光量調整を行った後、スラリーの流れが落ち着いて検出光量が安定してから（時間ｔ３になってから）終点判定を開始する。なお、光量調整を開始する時間ｔ２（例えば、スラリー供給開始から５秒程度）および終点判定を開始する時間ｔ３（例えば、スラリー供給開始から１０秒程度）は、経験的に設定される。

終点判定の開始後、制御装置５０は、光検出器４３で検出された反射光の光量（光強度）変化に基づいて、研磨加工の終点を判定する。例えば、ダマシンプロセス（Damascene process）において埋め込んだ金属膜をメタルＣＭＰで平坦化する工程の場合には、光検出器４３で検出される反射光量（反射率）が所定の値まで低下したときに研磨加工の終点であると判定し、当該研磨加工を終了する制御を行う。また例えば、シリコン酸化膜を研磨するＣＭＰ工程（シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）工程や層間絶縁膜（ＩＬＤ）工程）の場合には、光検出器４３で検出される反射光量（反射率）の時間変化において極大点が所定回数現れたときに研磨加工の終点であると判定し、当該研磨加工を終了する制御を行う。

また、終点判定の開始後、制御装置５０は、光検出器４３で検出される反射光量（光強度）が所定の閾値（基準光量）を超えた場合に、スラリー３１の供給量が不足であると判定し、研磨加工を中止する制御を行う。なお、スラリー供給機構３０によるスラリー３１の供給開始から、流量計３４は、配管３３を流れるスラリー３１の流量を計測し、その計測信号を制御装置５０に出力している。そして、制御装置５０は、流量計３４に計測されるスラリー３１の流量がスラリー供給機構３０に指示した流量よりも大幅に大きいか、もしくは小さい場合に、スラリー３１の供給量が異常であると判定し、研磨加工を中止する制御を行う。これにより、流量計３４およびＥＰＤ部４０を利用して、スラリー３１の供給量が二重にチェックされることになる。

このように、本実施形態の研磨装置１によれば、制御装置５０が、光検出器４３に検出された反射光の情報に基づいて、ウェハＷと研磨パッド２１との当接部に供給されるスラリー３１の供給状態を判定するため、流量計３４よりも下流側の部分で配管亀裂等によりスラリーが漏れ出し、ウェハＷと研磨パッド２１との当接部に十分なスラリーが供給されなくなったとしても、ＥＰＤ部４０の光検出器４３を利用してスラリーの供給不足を検出できることから、スラリーの供給不足をより確実に検出することができる。

またこのとき、光検出器４３で検出される反射光量（光強度）が所定の閾値（基準光量）を超えた場合に、スラリー３１の供給量が不足であると判定するようにすれば、他のパラメータを考慮することなく、簡便にスラリーの供給不足を検出することができる。

なお、上述の実施形態において、図１に示すように、ウェハＷを上向きの水平姿勢で保持する保持機構１０と、当該保持機構１０の上方に対向して設けられ下面側において研磨パッド２１が下向きに装着される研磨ヘッド２０とを備える研磨装置１について説明したが、これに限られるものではなく、本発明は、ウェハを下向きの水平姿勢で保持する保持機構と、当該保持機構の下方に対向して設けられ上面側において研磨パッドが上向きに装着される研磨部材とを備える（いわゆるコンベンショナルタイプの）研磨装置にも用いることができる。

また、上述の実施形態において、被研磨物はウェハＷに限られるものではなく、例えばガラス基板等の場合であっても、本発明を適用可能である。

本発明に係る研磨装置の概略図である。ＥＰＤ部における下端部近傍の概略を示す拡大図である。プローブ光に対する反射光量（光強度）の時間変化を示す図である。従来のプローブ光に対する反射光量（光強度）の時間変化を示す図である。

符号の説明

Ｗウェハ（被研磨物）Ｗａ被研磨面
１研磨装置１０保持機構
２０研磨ヘッド２１研磨パッド（研磨部材）
３０スラリー供給機構（研磨液供給機構）
３１スラリー（研磨液）
４０ＥＰＤ部
４１光源（照明部）４３光検出器（光検出部）
５０制御装置（終点検出部および供給判定部）

Claims

被研磨物を保持する保持機構と、前記保持機構に保持された前記被研磨物を研磨する研磨部材とを備え、前記保持機構に保持された前記被研磨物の被研磨面に前記研磨部材を当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨加工を行うように構成された研磨装置において、
前記被研磨面と前記研磨部材との当接部に研磨液を供給する研磨液供給機構と、
前記研磨液供給機構により前記研磨液を前記当接部に供給するための供給路に設けられ、前記供給路を流れる前記研磨液の流量を計測する流量計と、
前記被研磨面にプローブ光を照射する照明部と、
前記プローブ光が照射された前記被研磨面からの反射光を検出する光検出部と、
前記光検出部に検出された前記反射光の情報に基づいて前記研磨加工の終点を検出する終点検出部と、
前記流量計により計測された前記研磨液の流量に基づいて前記当接部に対する前記研磨液の供給状態を判定するとともに、前記光検出部に検出された前記反射光の情報に基づいて前記当接部に対する前記研磨液の供給状態を判定する供給判定部とを有して構成されることを特徴とする研磨装置。
前記供給判定部は、前記研磨液供給機構による前記研磨液の供給開始から前記光検出部に検出された前記反射光の光量が所定の設定光量以下に減少するまでの時間が所定の設定時間よりも長い場合に、前記当接部に対する前記研磨液の供給量が不足であると判定することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記供給判定部は、前記研磨液供給機構による前記研磨液の供給開始前に前記光検出部に検出された前記反射光の光量に対する、前記研磨液が前記当接部に対して供給されたときに前記光検出部に検出された前記反射光の光量の減少量が所定の設定量よりも小さい場合に、前記当接部に対する前記研磨液の供給量が不足であると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
前記供給判定部は、前記光検出部に検出された前記反射光の光量が所定の基準光量を超えた場合に、前記当接部に対する前記研磨液の供給量が不足であると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の研磨装置。
前記供給判定部により前記当接部に対する前記研磨液の供給量が不足であると判定された場合に、前記被研磨物の研磨加工を中止させる制御を行う研磨加工制御部を有して構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の研磨装置。