JP7084811B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents
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Description
Mechanical Polishing))が知られている。CMPを行うための研磨装置は、研磨パッドが貼り付けられた研磨テーブルと、研磨対象物(例えば半導体ウェハなどの基板、又は基板の表面に形成された各種の膜)を保持するためのトップリングとを備えている。研磨装置は、研磨テーブルを回転させながら、トップリングに保持された研磨対象物を研磨パッドに押圧することによって研磨対象物を研磨する。
<基板処理装置>
図1は、基板処理装置の平面図である。図1に示すように、基板処理装置1000は、ロード/アンロードユニット200と、研磨ユニット300と、洗浄ユニット400と、を備える。また、基板処理装置1000は、ロード/アンロードユニット200、研磨ユニット300、及び、洗浄ユニット400、の各種動作を制御するための制御ユニット500を備える。以下、ロード/アンロードユニット200、研磨ユニット300、及び、洗浄ユニット400、について説明する。
ロード/アンロードユニット200は、研磨及び洗浄などの処理が行われる前の基板を研磨ユニット300へ渡すとともに、研磨及び洗浄などの処理が行われた後の基板を洗浄
ユニット400から受け取るためのユニットである。ロード/アンロードユニット200は、複数(本実施形態では4台)のフロントロード部220を備える。フロントロード部220にはそれぞれ、基板をストックするためのカセット222が搭載される。
研磨ユニット300は、基板の研磨を行うためのユニットである。研磨ユニット300は、第1研磨ユニット300A、第2研磨ユニット300B、第3研磨ユニット300C、及び、第4研磨ユニット300D、を備える。第1研磨ユニット300A、第2研磨ユニット300B、第3研磨ユニット300C、及び、第4研磨ユニット300D、は、互いに同一の構成を有する。したがって、以下、第1研磨ユニット300Aについてのみ説明する。
洗浄ユニット400は、研磨ユニット300によって研磨処理が行われた基板の洗浄処理及び乾燥処理を行うためのユニットである。洗浄ユニット400は、第1洗浄室410と、第1搬送室420と、第2洗浄室430と、第2搬送室440と、乾燥室450と、
を備える。
次に、第1研磨ユニット300Aの詳細について説明する。図2は、第1研磨ユニット300Aの斜視図である。第1研磨ユニット300Aは、研磨パッド310Aに研磨液又はドレッシング液を供給するための研磨液供給ノズル340Aを備える。研磨液は、例えば、スラリである。ドレッシング液は、例えば、純水である。また、第1研磨ユニット300Aは、研磨パッド310Aのコンディショニングを行うためのドレッサ350Aを備える。また、第1研磨ユニット300Aは、液体、又は、液体と気体との混合流体、を研磨パッド310Aに向けて噴射するためのアトマイザ360Aを備える。液体は、例えば、純水である。気体は、例えば、窒素ガスである。
ンスZ(その成分がX,Yである。)を検出する(詳細は後述する)。
を供給する。信号源203で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ302を介して励磁コイル312に供給される。センサコイルの端子128,130で検出された信号は、高周波アンプ303および位相シフト回路304を経て、cos同期検波回路305およびsin同期検波回路306からなる同期検波部に入力される。同期検波部により検出信号のcos成分(X成分)とsin成分(Y成分)とが取り出される。ここで、信号源203で形成される発振信号から、位相シフト回路304により、信号源203の同相成分(0゜)と直交成分(90゜)の2つの信号が形成される。これらの信号は、それぞれcos同期検波回路305とsin同期検波回路306とに導入され、上述の同期検波が行われる。
R1I1+ L1dI1/dt + MdI2/dt = E (1)
R2I2+ L2dI2/dt + MdI1/dt = 0 (2)
ここで、Mは相互インダクタンスであり、R1は、センサ側回路の等価抵抗であり、L1は、センサ側回路の自己インダクタンスである。R2は渦電流が誘起される導電膜の等価抵抗であり、L2は渦電流が流れる導電膜の自己インダクタンスである。
(R1+ jωL1)I1 + jωMI2= E (3)
(R2+ jωL2)I2 + jωMI1= 0 (4)
これら式(3),(4)から、次の式(5)が導かれる。
I1= E(R2 + jωL2)/{(R1+ jωL1)(R2 + jωL2) + ω2M2}
= E/{(R1 + jωL1) + ω2M2/(R2+ jωL2)} (5)
Z = E/I1 = {R1 + ω2M2R2/(R2 2+ ω2L2 2)}
+ jω{L1 - ω2L2M2/(R2 2+ ω2L2 2)} (6)
ここで、Zの実部(インピーダンス成分の抵抗成分)、虚部(インピーダンス成分の誘導リアクタンス成分)をそれぞれX,Yとおくと、上記式(6)は、次のようになる。
Z = X + jωY (7)
ここで、Rx = ω2L2M2/(R2 2+ ω2L2 2)とすると、(7)式は、
X + jωY = [R1+ R2Rx] + Jω[L1- L2Rx]となる。
従って、X = R1 + R2Rx Y = ω[L1- L2Rx]となる。
これをR2,L2について解くと、
R2= ω2(X - R1)M2/((ωL1- Y)2 + (X - R1)2) (8)
L2= ω(ωL1 - Y)M2/((ωL1- Y)2 + (X - R1)2) (9)
図9に示す記号kは結合係数であり、次の関係式(10)が成り立つ。
M = k(L1L2)1/2 (10)
これを(9)に適用すると、
(X - R1)2 + (Y - ω(1 - (k2/2))L1)2= (ωL1k2/2
)2 (11)
これは、円の方程式であり、X、Yが円を形成すること、すなわち、インピーダンスZは円を形成することを示す。
点Tnの座標(X、Y)を図12に示す角度αを使って表す。図12より、
X = R1 + ω(k2/2)L1sinα (12)
Y = ω(1 - (k2/2)L1 - ω(k2/2)L1coaα (13)
既述の(8)、(9)から、
R2/L2= ω(X - R1)/(ωL1- Y)
この式に(12)、(13)を代入すると、
R2/L2= ωsin2α/(1 + cos2α) = ωtanα (14)
R2/L2は、膜厚のみに依存し、また、結合係数kに依存しないため、渦電流センサ210と研磨対象物102との間の距離、すなわち研磨パッド310Aの厚さに依存しない。R2/L2は、膜厚のみに依存し、従って、角度αも膜厚のみに依存する。膜厚算出部238は、角度αの正接を算出し、(14)の関係を利用して、正接から膜厚を求める。
膜厚が厚い場合、正接と、金属膜の抵抗値との間には、既述の(14)の関係、すなわち、
R2/L2= ωtanα (14)
がある。ここでR2は、金属膜の抵抗値である。従って、R2とtanαは比例する。さらに、膜厚が厚い時は、R2は膜厚と以下の関係がある。
R2= ρL/tW (15)
ここで、ρ:抵抗率 L,W:金属膜の長さおよび幅 t:膜厚
(14)、(15)から、膜厚tと角度αは以下の関係にあることがわかる。
R2∝(1/t)∝ωtanα
すなわち、1/tanα∝t
これより、1/tanαと膜厚tは比例する。既述の比例係数を事前に求めておけば、1/tanαから膜厚tを求めることができる。膜厚が薄い場合は、(15)が成立しないため、1/tanαと膜厚tとの関係は非線形な関係で表される。
が実行する。点T0の座標、円弧中心である中心76の座標、円弧の半径は、角度αを算出して膜厚に換算する過程で得られている。エッジ部70の影響を受けていない基板Wの中心近傍での測定点60のインピーダンス座標面での座標の平均を平均出力AveragePtとして計算する。平均出力AveragePtを算出する方法は、例えば複数の測定点60のインピーダンス座標面での複数個のX座標と、複数個のY座標をそれぞれ平均する。平均出力AveragePtを求める時に、基板Wの中心からどこまでを中心範囲とするかは、ユーザが指定する。例えば基板Wの中心から-100mm~100mmの範囲の円領域で得られた測定点60を対象とする。
Coeff=1-A×(R_idle-R)/(R_idle-R_idle_min)
ここで、A:調整係数
R_idle: 半径80
R: 距離78
R_idle_min: 距離86である。
この補正係数Coeffは、エッジ部70ではないインピーダンス円弧上に存在する点、例えば測定点60では、R=R_idleとなるため、補正係数は1となる。従って、補正係数Coeffは、エッジ部70の近傍以外の測定点64に対してのみ影響するため、妥当な補正であると考える。
Adjusted Thickness(r)=Thickness(r)×Coeff (16)
ここで、r: 測定点60,64の基板Wの中心76からの距離
Adjusted Thickness(r): 距離rの関数としての補正後の膜厚
Thickness(r): 距離rの関数としての補正前の膜厚t
Coeff(r): 補正係数Coeff。
この式においては、Adjusted Thickness(r)、Thickness(r)を距離rの関数としている。距離rの関数とした理由は、図16に示すように、距離rに依存するからである。
なお、距離86を考慮した補正を適用する基板W上の範囲は、エッジ部70に限定しても良いし、基板Wの全体であっても良い。
の他のセンサ)に適用しても良い。膜厚測定機としては、膜厚tを測ることができれば、公知の任意の方式の測定機を用いることができる。例えば、電磁式膜厚計、渦電流式膜厚計、光学式膜厚計、電気抵抗式膜厚計、渦電流位相式膜厚計等である。断面を電子顕微鏡で観察することにより膜厚tを測ることも可能である。
Thickness_adj=Thickness×(1+k×[(T-Tcal)×α+T])/(1+k×Tcal) (A1)
ここで、Thickness_adj:補正後の膜厚t
Thickness:補正前の膜厚t
T: 研磨中のテーブル温度
Tcal: 渦電流センサ210をキャリブレーションした時の研磨パッド310Aの温度
k: 抵抗率の温度係数(金属固有の値)
α: 第1研磨ユニット300Aに依存した係数
例えば、バルク状態(すなわち、ある程度の大きな体積を有する状態)のCuの場合 k=0.0044であり、キャリブレーションした時の温度が20℃である場合、金属膜が50℃の環境下で、膜厚を測定すると膜厚は1/1.121倍になる。すなわち、10℃上昇で約4%薄く測定される。
金属の温度がTであるときの膜厚をThickness1とすると、Thickness1は以下の式であらわ
される。
Thickness1 =ρ(T)/Rs
ここで、ρ(T)は、金属の温度がTであるときの金属の導電率であり、
ρ(T)= ρ0(1+kT) (A2)
ρ0は、キャリブレーションした時の温度における金属の導電率
Rsはシート抵抗
温度補正を行わない場合は、第1研磨ユニット300Aはキャリブレーション時の温度における近似式を有するため、膜厚計算はρ(Tcal)で行っていることになる。ここで、Tcalは、キャリブレーションした時の金属の温度である。
Adjusted Thickness=Calculated Thickness×ρ(T)÷ρ(Tcal)
ここで、Adjusted Thickness:ρ(T)を使って補正した膜厚
Calculated Thickness:近似式で得られた補正前の膜厚
これを、(A2)式を用いて、Tを使って表すと、
Adjusted Thickness1=Calculated Thickness ×(1+k×T)/(1+k×Tcal)
さらに研磨パッド310Aの温度は、基板Wの温度よりも基本的には温度が低い。基板Wの温度に補正するために、Tcal時に、補正係数が1となるように、システムに依存する係数αを追加する。この結果、既述の(A1)式のようになる。
Thickness_adj=Thickness×(1+k×[(T-Tcal)×α+T])/(1+k×Tcal) (A1)
00Aが接続されている(図示せず)。複数の第1研磨ユニット300Aのそれぞれは、ルータ96を介してクラウド97と接続されている。各第1研磨ユニット300Aが得たデータ(渦電流センサ210からの膜厚データ、又はその他任意の情報)はクラウド96の中に集積される。また、図21のクラウド96はAI機能を有してもよく、データの処理はクラウド96において行われる。ただし、処理が部分的に制御部140Bで行われてもよい。図21の構成は、集積された大量のデータに基づいて第1研磨ユニット300Aを制御することができるという利点がある。
60…測定点
62…円
64…測定点
70…エッジ部
76…中心
78…距離
80…半径
102…研磨対象物
104…研磨面
140…制御部
150…研磨部
231…膜厚測定装置
234…角算出部
238…膜厚算出部
241…終点検出器
1000…基板処理装置
300A…第1研磨ユニット
310A…研磨パッド
320A…研磨テーブル
330A…トップリング
Claims (6)
- 研磨面を有し回転可能な研磨テーブルと、
研磨対象の基板を前記研磨面に押圧して前記基板上の導電膜を研磨可能なトップリングと、
前記研磨テーブルに設置された渦電流センサと、
前記渦電流センサの出力に基づいて前記導電膜の膜厚を監視可能なモニタリング装置とを備え、
前記渦電流センサの出力はインピーダンス成分を含み、
2つの直交座標軸を有する座標系の各軸に、前記インピーダンス成分の抵抗成分とリアクタンス成分をそれぞれ対応させたときに、前記インピーダンス成分に対応する前記座標系上の点の少なくとも一部は、円の少なくとも一部を形成し、
前記モニタリング装置は、前記座標系上の点と前記円の中心との第1の距離を求め、前記インピーダンス成分から膜厚を求め、得られた前記膜厚を、得られた前記第1の距離を用いて補正可能であることを特徴とする研磨装置。 - 前記モニタリング装置は、前記第1の距離に応じた所定の補正係数を用いて前記補正を行うことを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
- 前記モニタリング装置は、前記基板の周辺部において得られた前記膜厚に対して前記補正を行うことを特徴とする請求項1または2記載の研磨装置。
- 前記モニタリング装置は、前記円の半径に相当する第2の距離を求め、前記第1の距離と前記第2の距離とを用いて、前記補正を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記研磨装置は、研磨中の前記基板の温度を直接または間接に測定可能な温度センサと、
補正された前記膜厚を、測定された前記温度を用いて、さらに補正可能な温度補正部とを有することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の研磨装置。 - 研磨対象の基板を研磨する研磨方法において、
研磨対象の基板を研磨面に押圧して前記基板上の導電膜を研磨するステップと、
前記導電膜の膜厚を測定するために、前記導電膜に渦電流を形成するとともに、形成された前記渦電流を検出するステップと、
前記検出された渦電流をインピーダンス成分として出力するステップと、
前記インピーダンス成分を入力されて、入力された前記インピーダンス成分から前記導電膜の膜厚を監視する、モニタリングステップとを有し、
2つの直交座標軸を有する座標系の各軸に、前記インピーダンス成分の抵抗成分とリアクタンス成分をそれぞれ対応させたときに、前記インピーダンス成分に対応する前記座標系上の点の少なくとも一部は、円の少なくとも一部を形成し、
前記モニタリングステップは、
前記座標系上の点と前記円の中心との第1の距離を求め、前記インピーダンス成分から膜厚を求め、得られた前記膜厚を、得られた前記第1の距離を用いて補正するステップを有することを特徴とする研磨方法。
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