JPH1086060A

JPH1086060A - 研磨量測定装置

Info

Publication number: JPH1086060A
Application number: JP8245203A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Iwasaki; 豊岩崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1998-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】トルク変動や振動、静電容量を用いる方法で
は、本来不要なストップ層の形成や配線が必要になると
いう問題が有り、また、精度が十分でないという問題が
あった。また、光学式の測定方法では、絶縁層と金属層
の両方に適用することが難しく、更に、研磨面側から光
を照射する方法では、研磨布に穴をあけなければなら
ず、研磨ムラが生じたり、メインテナンス性が低下する
という問題があった。【解決手段】定盤３上に配置した研磨布４上に被研磨物
１を接触させ、かつ相対運動させることによって、被研
磨物１を研磨する装置に用いられる、研磨量測定装置で
あって、研磨布４上で被研磨物１とともに研磨される研
磨標準８の研磨量を測定する研磨量測定手段１８、１９
と、被研磨物１の裏面と研磨標準８の裏面との相対的な
位置を測定する位置測定手段１４、１５、１６と、を有
し、研磨標準８の研磨量と、被研磨物１の裏面と研磨標
準８の裏面との相対的な位置とから、被研磨物の研磨量
を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体プロセスで
使用されるCMP(Chemical Mechanical Polishing)装置の
終点検出方法または装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】主にシリコンウエハ上の絶縁膜層および
金属配線層の平坦化に使用されるＣＭＰ（Chemical Mec
hanical Polishing：化学的機械研磨）装置では、平坦
化の方法に関係なく平坦化つまり、研磨をいつ終了させ
るかが重要となる。何故ならば、研磨が早く終了してし
まうと所望の平坦さが得られないという問題があり、ま
た、研磨をしすぎると研磨したくない領域を研磨してし
まうという問題があるからである。

【０００３】一般的には、モニタウエハを使用し、オフ
ラインでモニタウエハの研磨量と研磨時間の関係を求め
ることによって、所望の研磨状態が得られる研磨時間を
決定し、この研磨時間によって研磨終点を管理してい
る。最近では、スループットの向上とコスト低減のため
にインラインでＣＭＰプロセスの終点検出を行う方法が
種々提案されてきた。

【０００４】その方法としては、下地層の露出を用いる
方法、研磨した膜厚（研磨量）或いは研磨して残った膜
厚を測定する方法等である。具体的には、研磨面の平
坦化あるいは、研磨に伴い下地層が露出することによっ
てウエハキャリアを回転させるモーターのトルクが変動
することから、これをモニタして研磨終点を検出する方
法、の方法と同様に下地層の露出にともない、ウエ
ハキャリアの振動の周波数成分が変動することから、こ
れをモニタして研磨終点を検出する方法、研磨に伴
い、定盤とウエハの間の静電容量が変化することから、
これをモニタして研磨終点を検出する方法、研磨面側
から研磨面に光を照射して、研磨面での光の散乱状態を
モニタして研磨終点を検出する方法、研磨面側から研
磨面に光を照射して研磨する透明絶縁層の膜厚を干渉を
用いて測定する方法、研磨面とは反対側の面から、赤
外光を照射して、絶縁層の膜厚を干渉を用いて測定する
方法等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、トルク
変動や振動、静電容量を用いる方法では、本来不要なス
トップ層の形成や配線が必要になるという問題が有り、
また、精度が十分でないという問題があった。また、光
学式の測定方法では、絶縁層と金属層の両方に適用する
ことが難しく、更に、研磨面側から光を照射する方法で
は、研磨布に穴をあけなければならず、研磨ムラが生じ
たり、メインテナンス性が低下するという問題があっ
た。

【０００６】本発明は研磨対象の材質に影響せず精度の
高い終点検出を行うことの可能な研磨量測定装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに本発明は、定盤上に配置した研磨布上に被研磨物を
接触させ、かつ相対運動させることによって、被研磨物
を研磨する装置に用いられる、研磨量測定装置であっ
て、研磨布上で被研磨物とともに研磨される研磨標準の
研磨量を測定する研磨量測定手段と、被研磨物の裏面と
研磨標準の裏面との相対的な位置を測定する位置測定手
段と、を有し、研磨標準の研磨量と、被研磨物の裏面と
研磨標準の裏面との相対的な位置とから、被研磨物の研
磨量を測定する研磨量測定装置を提供する。

【０００８】本発明では更に、研磨量測定装置におい
て、研磨前の位置測定手段の測定値と研磨後の位置測定
手段の測定値との差を用いて研磨量を測定する研磨量測
定装置を提供する。本発明では、更に、位置測定手段が
被研磨物の裏面を基準位置として研磨標準の裏面の位置
を測定する研磨量測定装置を提供する。

【０００９】本発明では、更に、研磨量測定手段が研磨
標準の膜厚を測定する研磨量測定装置を提供する。本発
明では、更に、研磨標準が光学的に透明であり、研磨量
測定手段が光学的に膜厚を測定する研磨量測定装置を提
供する。本発明では、更に、研磨標準と被研磨物を保持
する各々のキャリアが連結している研磨量測定装置を提
供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図３は、本発明による研磨量測定
装置の構成を示した概略図である。本図を使用して本発
明の原理を説明する。表面に研磨すべき層(研磨層)を有
する被研磨基板(ウエハ)20は、定盤21上に固定された研
磨布22に研磨面が押しつけられるようにウエハキャリア
23によって保持されている。ウエハキャリア23と定盤21
が相対運動して、研磨層の研磨が行われる。この際、研
磨布22上には、研磨剤、PH調整剤を含んだスラリーが供
給される。同じ定盤21上には、研磨標準24がウエハ20と
同じようにキャリア25によって研磨布22に一方の面(研
磨面)が押しつけらている。この研磨標準22も相対運動
によって研磨される。この研磨標準24には、例えばガラ
スのような光学的に透明な材料を使用することによっ
て、例えば白色光多重干渉等の既知の光学的手法によっ
て、研磨中であってもその厚さを精度よく測定するこが
できる。また、ウエハ20および研磨標準24の研磨面と反
対側の面の高さは、それぞれのキャリアのウエハ20また
は研磨標準24と接している面の位置を基準として知るこ
とができる。この際、ウエハ20および研磨標準24とも高
さを測定する面は、研磨面ではないので、干渉計やリニ
アエンコーダー等の既知の方法を使って、容易にしかも
高精度で測定する事ができる。

【００１１】ところで、研磨を行うことによってその厚
さに変化が及ぶのは研磨標準24ウエハ20研磨布22
である。通常、研磨布22は研磨を行う範囲、即ち研磨剤
等を介してウエハ20等と接触する範囲では一様に研磨さ
れる。従って、同一の研磨布22上に置かれて研磨される
ウエハ20および研磨標準24は、研磨前後での研磨標準24
の厚さに、ウエハ20と研磨標準24の研磨面と反対側の面
の高さの差を加えたものの変化を求めることによって、
研磨布22の研磨量に関係なくウエハ20の研磨量を知るこ
とができる。

【００１２】すなわち、研磨時間tにおける研磨標準24
の厚さをdt、ウエハ20および研磨標準24の研磨面と反対
側の面の高さの差をhtとすると、時間tまでのウエハの
研磨量Δは次式で表せる。

【００１３】

【数１】Δ=（ｄ０＋ｈ０）−（ｄｔ＋ｈｔ）尚、本発明は数１のｄ０、ｄｔ、ｈ０、ｈｔの各値を正
確に測定する必要は必ずしもなく、（ｈ０−ｈｔ）及び
（ｄ０−ｄｔ）の各値が正確に測定されれば十分であ
る。

【００１４】ここで用いた研磨標準24は、ウエハ20と同
様に研磨によって膜厚が減少していくため、交換が必要
になるが、材料と膜厚を適当に選択することによって、
交換の頻度を減らして、ウエハ研磨数枚から数十枚に一
回程度とすることもできる。研磨標準24の大きさは、膜
厚および研磨面と反対側の面の高さがわかればよいの
で、スラリーや研磨布の消費に与える影響を無視できる
程度にまで小さくしてもよい。また、研磨標準の材料と
して被研磨面と同質の材料を選択した場合には前述の
（ｈ０−ｈｔ）の値は研磨の前と後で変化がない。

【００１５】上述の通り、本発明によれば、研磨布に穴
を開けることなく、また、被研磨層が絶縁膜であっても
金属膜であっても同様の方法を用いて精度よく、研磨量
を測定することができる。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の実施例に関わる研磨量測定
装置の断面図であり、図２は、その斜視図である。これ
らの図で同一の構成要素は、同一の番号で示してある。
ウエハ１は、セラミックプレート２によって保持され、
定盤３の上に固定された研磨布４に押しつけられてい
る。ウエハキャリア５とセラミックプレート２を貫通す
る貫通孔６内は減圧になっており、ウエハ１をセラミッ
クプレート２に対して固定する。尚、ウエハキャリア５
とセラミックプレート２は一体化されており、ウエハ１
のセッティングは研磨布４の上にウエハ１を載置し、そ
の上に一体化されたウエハキャリア５とセラミックプレ
ート２を押しつけて真空チャックでウエハ１を固定する
ことによって行われる。この際、ウエハ１は平滑なセラ
ミックプレート２に真空の力によってチャックされるの
で反りのない状態となりウエハ１全面が一様に研磨され
る。ウエハキャリア５は、軸７を中心に自転し、更に定
盤３もほぼその中心を回転軸として自転する。尚、研磨
の方法はこのような方法に限定されるわけではなく、例
えばベルト状の研磨布を用いたりしてもよい。透明な研
磨標準８は、研磨標準用セラミックプレート９および研
磨標準用キャリア１０に固定されている。研磨標準用貫
通孔１１内が減圧されることによって、研磨標準８は、
研磨標準用セラミックプレート９に固定される。研磨標
準用キャリア１０は、フレーム１２によって上下動が可
能にウエハキャリア５に接続されている。そのため、ウ
エハキャリア５の回転にともない、軸７を中心に公転運
動する。軸７を中心として、フレーム１２と対称の位置
にバランス重り１３が配置されることによって、軸７を
中心としたウエハキャリア５の回転は安定化されてい
る。

【００１７】ウエハキャリア５には、アーム１４を介し
てリニアスケール１５が固定されている。リニアスケー
ル１５の探針１６は、研磨標準用キャリア１０の背面に
接しており、ウエハキャリア５、すなわち、ウエハ１の
研磨されない面を基準位置として研磨標準用キャリア１
０の背面、すなわち、研磨標準８の研磨されない面まで
の距離を測定する。

【００１８】研磨標準用セラミックプレート９および研
磨標準用キャリア１０には、測定用孔１７が設けられて
いる。ウエハキャリア５の背面に置かれた、白色光多重
干渉膜厚計１８の光ファイバプローブ１９がこの測定用
孔１７内に固定され、研磨標準８の膜厚を測定する。リ
ニアスケール１５の測定値と白色光多重干渉膜厚計１８
の測定値はＣＰＵ２６に入力され、ＣＰＵ２６は数１に
示した関係式よりウエハの研磨量を測定する。

【００１９】本実施例では、ウエハ１および研磨標準８
のチャックは、パッキングパッドを使用していないが、
本実施例のように真空チャックを用いる場合には減圧が
保持されるように柔軟性のあるパッキングパッドをウエ
ハキャリア５或いはキャリア１０の下部に設ける場合が
ある。従って、そのような場合は、ウエハキャリア、セ
ラミックプレート、パッキングパッド、研磨標準用キャ
リア、研磨標準用セラミックプレート、研磨標準用パッ
キングパッドのいずれにも貫通孔を設け、それぞれに新
たにリニアスケールを配置し、直接ウエハ或いは研磨標
準の裏面の位置を測定することによって、パッキングパ
ッドの膜厚変動を除いた測定が可能となる。

【００２０】尚、本実施例ではウエハ１の裏面（研磨さ
れない面）を基準位置として研磨標準８の裏面の相対的
な位置を測定したが、本発明はこの方法に限られるわけ
ではない。つまり、上述したように本発明は、数１で示
される（ｈｔ−ｈ０）の値が正確に測定することが可能
であればどのような方法であっても良く、例えば、ウエ
ハ１と研磨標準８の研磨されない面の高さをそれぞれ独
立に同じ基準位置に対して測定できる構成であれば、ウ
エハキャリアと研磨標準用キャリアを分離した構成とし
てもよい。この場合に、独立な同じ基準位置は、その基
準位置が研磨によって変化しないようにすれば、各々が
別の基準位置であっても構わない。

【００２１】

【発明の効果】上述のように、本発明は被研磨物の裏面
の位置に対する研磨標準の裏面の位置と、研磨標準の研
磨量を測定することにより被研磨物の研磨量が正確に測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における研磨量測定装置の概略
断面図である。

【図２】本発明の実施例における研磨量測定装置の斜視
図である。

【図３】本発明の研磨量測定装置の動作を説明する概略
図である。

【符号の説明】

１、２０・・・ウエハ２、９・・・セラミックプレート３、２１・・・定盤４、２２・・・研磨布５、２３・・・ウエハキャリア６・・・貫通孔７・・・軸８、２４・・・研磨標準１０、２５・・・研磨標準用キャリア１１・・・研磨標準用貫通孔１２・・・フレーム１３・・・バランス重り１４・・・アーム１５・・・リニアスケール１６・・・深針１７・・・測定用孔１８・・・白色光多重干渉膜厚計１９・・・光ファイバプローブ２６・・・ＣＰＵ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定盤上に配置した研磨布上に被研磨物を接
触させ、かつ相対運動させることによって、被研磨物を
研磨する装置に用いられる、研磨量測定装置であって、前記研磨布上で前記被研磨物とともに研磨される研磨標
準の研磨量を測定する研磨量測定手段と、前記被研磨物の裏面と前記研磨標準の裏面との相対的な
位置を測定する位置測定手段と、を有し、前記研磨標準の研磨量と、前記被研磨物の裏面と前記研
磨標準の裏面との相対的な位置とから、前記被研磨物の
研磨量を測定する研磨量測定装置。
【請求項２】請求項１に記載の研磨量測定装置におい
て、研磨前の位置測定手段の測定値と研磨後の位置測定手段
の測定値との差を用いて前記研磨量を測定する事を特徴
とする研磨量測定装置。
【請求項３】前記位置測定手段は前記被研磨物の裏面を
基準位置として前記研磨標準の裏面の位置を測定するこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の研磨量測定装
置。
【請求項４】前記研磨量測定手段は前記研磨標準の膜厚
を測定することを特徴とする請求項１、２または３に記
載の研磨量測定装置。
【請求項５】前記研磨標準が光学的に透明であり、前記
研磨量測定手段は光学的に膜厚を測定することを特徴と
する請求項４に記載の研磨量測定装置。
【請求項６】前記研磨標準と前記被研磨物を保持する各
々のキャリアが連結していることを特徴とする請求項１
乃至５のいずれかひとつに記載の研磨量測定装置。