JPH1158228A - 研磨終了点検出装置、研磨量検出装置、及びこれらを有する研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェハ等の研磨を行う際に、研磨終了点また
は研磨量を、精度良く、簡便に検知することができる研
磨終了点検出装置、研磨量検出装置、及びこれらを有す
る研磨装置を提供する 【解決手段】 対物レンズ４の焦点は、研磨終了時の積
層膜の位置３に合わされている。従って、(a) の状態に
おいては、対物レンズ４の焦点は積層膜２の表面には合
っておらず、表面の像はぼけて見える。研磨が進み、研
磨終点に達すると、(b) のように、積層膜２の表面に対
物レンズ４の焦点が合い、積層膜２の表面の像がはっき
りと見えるようになる。よって、積層膜２の像をＣＣＤ
カメラ等で撮像し、明確な像が得られたときに（焦点が
合ったときに）、研磨の終点に達したと判断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の製造プロ
セス、マイクロマシーンの製造プロセス等において、ウ
ェハ等を研磨する際に、その研磨の終了点を検出する研
磨終点検出装置、研磨量を検出する研磨量検出装置に関
するものであり、さらに、これらを有する研磨装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの高密度化は限界を見せ
ず進展を続けており、高密度化に伴う様々の障害のいく
つかは、種々の技術、方法により克服されつつある。大
きな課題のひとつとして、グローバルな（比較的大きな
エリアでの）デバイス面の平坦化がある。デバイスの集
積度が上がるにつれ、電極他の更なる積層化は避けられ
ない。リソグラフィの短波長化に付随した、露光時の焦
点深度短縮を考慮すると、少なくとも露光エリア程度の
範囲で、層間層を精度良く平坦化することへの要求は大
きい。

【０００３】従来より、成膜法などの改良により局所的
に層間層を平坦化する方法が多く提案、実行されている
が、今後さらに必要とされる、より大きなエリアでの効
率的な平坦化技術として注目を集めているのが、ＣＭＰ
（Chemical Mechanical PolishingまたはPlanarizatio
n）とよばれる研磨工程である。

【０００４】ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用（研
磨材、溶液による溶かし出し）を併用してウェハの表面
凹凸を除いていく工程であり、グローバル平坦化技術の
最有力な候補となっている。具体的には、酸、アルカリ
などの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨粒（シリカ、アル
ミナ、酸化セリウムなどが一般的）を分散させたスラリ
ーと呼ばれる研磨剤を用い、適当な研磨布でウェハ表面
を加圧して相対運動により摩擦することで研磨を進行さ
せる。ウェハ全面において、加圧と相対運動速度を一様
とすることで面内を一様に研磨することが可能になる。

【０００５】この工程は、従来の半導体プロセスとのマ
ッチングの点などでも未だに多くの課題を残している
が、一般的な要求課題の大きなものとして、研磨工程の
終了点及び研磨量の検知がある。

【０００６】研磨工程の終了を検出する方法のひとつと
して、目的研磨層と異なった層へ研磨が進んだ場合の摩
擦変動を、ウェハやパッドを回転させるモーターのトル
ク変化によって検出する方法が用いられている。

【０００７】また、研磨パッドに光路を設けてウェハ表
面に光を照射したり、ウェハキャリアに光路を設けてウ
ェハ裏面からウェハ透過性の光（赤外光）を照射したり
して、光学的な干渉によって研磨中の薄膜の膜厚を測定
する方法も実用化に向け開発が進められている。

【０００８】これは、研磨されていく層間絶縁膜を計測
する際に、レーザ光を研磨面に照射し、その反射光の強
度の時間変化をモニタするものである。膜厚変動によっ
て、照射光の干渉条件の変化から、光量の変動（膜厚減
少速度が一定であれば、通常正弦波的変動となる）がお
こる。これにより、膜厚即ち研磨量を算出することが可
能になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような、ＣＭＰにおける研磨量や研磨終了点を研磨中に
モニタする技術は、要請が高まっているにも関わらず決
定的といえる解決方法が確立されていない。

【００１０】例えば、研磨終了点をモータートルクで検
出する方法は、現時点においては、明らかに異なる層の
研磨開始を検知する場合にのみ有効で、しかも精度の上
で不十分である。

【００１１】また、干渉利用の膜厚計測の方法（レーザ
光を照射し、反射光量の時間変動を追跡する方法）にお
いても、パターン依存での不確定性、測定位置による誤
差などが指摘されている。

【００１２】このように、研磨量や研磨終了点を研磨中
にモニタする技術が不十分なため、実際のプロセスにお
いては、研磨時間による制御などで対処することが多
く、その精度不足のため、必要以上の膜厚を成膜する必
要に迫られることになっている。

【００１３】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、ウェハ等の研磨を行う際に、研磨
終了点または研磨量を、精度良く、簡便に検知すること
ができる研磨終了点検出装置、研磨量検出装置、及びこ
れらを有する研磨装置を提供することを課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、被研磨材の研磨の終点を検出する装置
であって、研磨終了時の被研磨材の表面に焦点を合わせ
た光学系と、この光学系によって測定された被研磨材の
表面の像を測定し、焦点が合った像が得られたときに研
磨の終了点であると判定する判定部を有してなる研磨終
了点検出装置（請求項１）である。

【００１５】この装置によれば、研磨中の被研磨材表面
の像は焦点が合っていないため、ぼけた像となる。研磨
終了と同時に被研磨材表面に焦点が合うためはっきりし
た像が得られ、このことから研磨の終了点を判定するこ
とができる。

【００１６】前記課題を解決するための第２の手段は、
被研磨材の研磨の終点を検出する装置であって、研磨終
了時の被研磨材の表面に焦点を合わせた共焦点顕微鏡
と、共焦点顕微鏡の検出光量が最大となったときに研磨
の終点であると判定する判定部を有してなることを特徴
とする研磨終了点検出装置（請求項２）である。

【００１７】この装置によれば、被研磨材の表面に焦点
が合ったときに、最大の受光量が得られ、焦点が合った
ことを高感度で精密かつ正確に検出することができる。
よって、研磨の終了点を高感度で精密かつ正確に検出す
ることができる。

【００１８】前記課題を解決するための第３の手段は、
オートフォーカスレンズを駆動することにより被研磨材
の表面に自動的に焦点を合わすオートフォーカス機構
と、オートフォーカスレンズの移動量を測定するオート
フォーカスレンズ移動量測定器と、研磨開始時点から測
定時点までのオートフォーカスレンズの移動量から研磨
量を算出する研磨量測定器を有してなる研磨量検出装置
（請求項３）である。

【００１９】この装置によれば、被研磨材の表面に自動
的に焦点を合わせるようにオートフォーカスレンズが駆
動される。よって、研磨開始時点から測定時点までのオ
ートフォーカスレンズの移動量を検出すれば、それは、
研磨量と１対１の関係にあるので、研磨量を検出するこ
とができる。

【００２０】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第３の手段であって、オートフォーカス機構が共焦
点顕微鏡を含む研磨量検出装置（請求項４）である。

【００２１】共焦点顕微鏡は、高感度で、かつ精密、高
精度で焦点が合ったことを検出できるので、オートフォ
ーカス機構の検出器として用いることが好ましい。

【００２２】前記課題を解決するための第５の手段は、
第１の手段または第２の手段のいずれかの研磨終了点検
出装置、第３の手段または第４の手段のいずれかの研磨
量検出装置のうち、少なくとも一方を有してなる研磨装
置（請求項５）である。

【００２３】この装置においては、研磨終了点検出、研
磨量検出の少なくとも一方を行うことができ、自動的に
研磨終了の制御を行うこと等が可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。図１は、本発明にかかる研磨終
了点検出装置の例の原理図である。図１において、Si基
板１の上に積層膜（誘電体膜）が形成されている。(a)
は、研磨前及び研磨中の様子を、(b)は研磨終了時点の
様子を示す。研磨前及び研磨中においては、積層膜２表
面には凹凸がある。

【００２５】対物レンズ４の焦点は、研磨終了時の積層
膜の位置３に合わされている。従って、(a) の状態にお
いては、対物レンズ４の焦点は積層膜２の表面には合っ
ておらず、表面の像はぼけて見える。研磨が進み、研磨
終点に達すると、(b) のように、積層膜２の表面に対物
レンズ４の焦点が合い、積層膜２の表面の像がはっきり
と見えるようになる。よって、積層膜２の像をＣＣＤカ
メラ等で撮像し、明確な像が得られたときに（焦点が合
ったときに）、研磨の終点に達したと判断する。合焦の
検出には、画像処理等、周知の方法を適宜使用すればよ
い。

【００２６】対物レンズとしては、１００倍程度のもの
を使用すればよいが、開口数の大きいものを用いれば、
それに応じて高い分解能を得ることができる。さらに、
積層膜に照射する光を短波長にすることによっても、高
い分解能を得ることができる。

【００２７】図２は、本発明の実施の形態の例で、共焦
点顕微鏡を使用したものを示す図である。図２におい
て、(a) は研磨前または研磨中の状態を示し、(b) は研
磨終了点に達したときの状態を示す。

【００２８】光源１２から照射された光は、ピンホール
１３を通ってビームスプリッタ１４により直角に方向を
変えられ、対物レンズ１５により被研磨材１１の表面に
集光される。この光学系においては、被研磨材１１の研
磨終了時の表面位置に、ピンホール１３の像がピントの
合った状態で結像するようにされている。被研磨材１１
の表面で反射された光は、再び対物レンズ１５を通って
ビームスプリッタ１４に入り、ビームスプリッタ１４中
を直進してピンホール１６に導かれる。

【００２９】対物レンズ１５からピンホール１３までの
光学的距離と、ピンホール１６までの光学的距離は同じ
にされている。従って、被研磨材１１の表面にピンホー
ル１３の像がピントの合った状態で結像したとき、ピン
ホール１６の中心位置に、被研磨材１１からの反射光が
集光される。

【００３０】図２(a) においては、被研磨材１１の表面
が、研磨終了点よりも対物レンズ１５に近い位置にある
ため、被研磨材１１表面におけるピンホール１３の像は
ぼけている。よって、その反射光は、図に示されるよう
にピンホール１６の前側で焦点を結び、ピンホール１６
の位置ではぼけた像となっている。よって、検出器１７
に入射する光量は小さい。

【００３１】研磨が進み研磨終了点に達すると、(b) に
示すように、ピンホール１３の像がピントの合った状態
で被研磨材１１の表面に結像する。このとき、被研磨材
１１からの反射光は、ピンホール１６の中心点に結像さ
れるので、検出器１７に入射する光量は最大となる。よ
って、検出器１７に入射する光量が最大となる時点を検
出し、その時点を研磨終了時点と判定することができ
る。

【００３２】図３は、本発明の他の実施の形態の例で、
スプリットプリズムと４分割センサを用いたものを示す
図である。光源１２から照射された光は、ピンホール１
３を通ってビームスプリッタ１４により直角に方向を変
えられ、対物レンズ１５により被研磨材１１の表面に集
光される。この光学系においては、被研磨材１１の研磨
終了時の表面位置に、ピンホール１３の像がピントの合
った状態で結像するようにされている。被研磨材１１の
表面で反射された光は、再び対物レンズ１５を通ってビ
ームスプリッタ１４に入り、ビームスプリッタ１４中を
直進してスプリットプリズム１８で４分割され、４分割
された光が４分割センサ１９の対応するセンサで検出さ
れる。

【００３３】この光学系においては、ピンホール１３の
像が被研磨材１１の表面にピントの合った状態で結像さ
れたとき、４分割センサ１９の４つのセンサで検出され
る光量が同じになり、それ以外の場合は、４分割センサ
１９の４つのセンサで検出される光量は異なるようにさ
れている。

【００３４】研磨前、研磨中においては、４分割センサ
１９の各々のセンサの信号は異なっているが、研磨終了
点に達すると、ピンホール１３の像が被研磨材１１の表
面にピントの合った状態で結像され、４分割センサ１９
の各々のセンサの信号は互いに等しくなるので、その時
点を研磨終了時点と判断することができる。

【００３５】以上の実施の形態においては、いずれも研
磨終了点の被研磨材の表面位置に光学系の焦点を合わ
せ、合焦を検出することにより研磨終了を検出している
が、光学系をオートフォーカス系とすることにより、研
磨量を測定することができる。

【００３６】たとえば、図２に示す光学系において、対
物レンズ１５をサーボ機構により移動可能とし、被研磨
材１１からの反射光が常にピンホール１６の中心点で像
を結ぶように、すなわち検出器１７の出力が最大となる
ように、対物レンズ１５の位置を調整する。そして、対
物レンズ１５にエンコーダ等の位置検出器を付属し、対
物レンズ１５の位置を測定する。対物レンズ１５の位置
を測定することにより、被研磨材１１の表面の位置を検
出することができるので、研磨開始時点から、現在時点
までの対物レンズ１５の移動量を測定すれば、研磨量を
検出することができる。

【００３７】一例として、光源に波長488nmのレーザ光
源を用い、100倍の対物レンズを使用した場合、分解能
１５nmで研磨量を検出することができる。

【００３８】研磨量の測定は、図３に示す光学系をオー
トフォーカス系にしても実現できる。すなわち、対物レ
ンズ１５をサーボ機構により移動可能とし、４分割セン
サの４つのセンサからの出力が常に等しくなるように、
対物レンズ１５の位置を調整する。そして、対物レンズ
１５にエンコーダ等の位置検出器を付属し、対物レンズ
の位置を測定する。この場合も、対物レンズ１５の位置
を測定することにより、被研磨材１１の表面の位置を検
出することができるので、研磨開始時点から、現在時点
までの対物レンズ１５の移動量を測定すれば、研磨量を
検出することができる。

【００３９】図４は、研磨終了点検出装置または研磨量
検出装置を有する研磨装置の例を示す図である。図４に
おいて、研磨される被研磨材（ウェハ）２１はウェハキ
ャリア２２に保持されている。研磨定盤２３の表面には
研磨パッド２４が設けられており、研磨定盤２３は、そ
の中心軸の周りに回転している。ウェハキャリア２２
は、ウェハ２１を研磨パッド２４の上に押圧しながら回
転すると共に往復運動を行い、研磨パッド２４によりウ
ェハ１を研磨する。研磨定盤２３及び研磨パッド２４に
は石英透過窓２５が設けられている。

【００４０】２６は、前述したような、研磨終了点検出
装置または研磨量検出装置であり、石英透過窓２５を通
してウェハ１表面に光を投射し、その反射光を処理して
研磨終了点または研磨量を検出する。そして、研磨終了
点に達した時点、または規定の研磨量を研磨した時点で
研磨を終了する。

【００４１】このように石英透過窓２５を通して光を照
射する方式の他、測定時にウェハを研磨定盤２３及び研
磨パッド２４より外側にはみ出させ、はみ出したウェハ
部分に光を投射して測定を行うようにしてもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る研磨
終了点検出装置においては、研磨終了時の被研磨材の表
面に焦点を合わせた光学系と、この光学系によって測定
された被研磨材の表面の像を測定し、焦点が合った像が
得られたときに研磨の終点であると判定する判定部を有
しているので、精度良く研磨の終点を検出することがで
きる。

【００４３】また、研磨終了時の被研磨材の表面に焦点
を合わせた共焦点顕微鏡と、共焦点顕微鏡の検出光量が
最大となったときに研磨の終点であると判定する判定部
を有しているので、さらに精度良く研磨の終点を検出す
ることができる。

【００４４】本発明に係る研磨量検出装置においては、
オートフォーカスレンズを駆動することにより被研磨材
の表面に自動的に焦点を合わすオートフォーカス機構
と、オートフォーカスレンズの移動量を測定するオート
フォーカスレンズ移動量測定器と、研磨開始時点から測
定時点までのオートフォーカスレンズの移動量から研磨
量を算出する研磨量測定器を有しているので、研磨量を
精度良く検出することができる。

【００４５】また、オートフォーカス機構が共焦点顕微
鏡を含むようにすれば、さらに精度良く研磨量を検出す
ることができる。

【００４６】本発明に係る研磨装置においては、研磨終
了点検出装置、研磨量検出装置のうち、少なくとも一方
を有しているので、自動的に研磨終了の制御を行うこと
等が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研磨終了点検出装置の例の原理を
示す図である。

【図２】本発明に係る研磨終了点検出装置及び研磨量検
出装置の実施の形態の例を示す図である。

【図３】本発明に係る研磨終了点検出装置及び研磨量検
出装置の実施の形態の他の例を示す図である。

【図４】本発明に係る研磨装置の実施の形態の例を示す
図である。

【符号の説明】

１ …Ｓｉ基板 ２ …積層膜 ３ …研磨終了位置 ４ …対物レンズ １１…被研磨材 １２…光源 １３…ピンホール １４…ビームスプリッタ １５…対物レンズ １６…ピンホール １７…検出器 １８…スプリットプリズム １９…４分割センサ ２１…ウェハ ２２…ウェハキャリア ２３…研磨定盤 ２４…研磨パッド ２５…石英透過窓 ２６…研磨終了点検出装置、研磨量検出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 嶋村 輝朗 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被研磨材の研磨の終点を検出する装置であ
   って、研磨終了時の被研磨材の表面に焦点を合わせた光
   学系と、この光学系によって測定された被研磨材の表面
   の像を測定して焦点が合った像が得られたときに研磨の
   終点であると判定する判定部を有してなることを特徴と
   する研磨終了点検出装置。
2. 【請求項２】被研磨材の研磨の終点を検出する装置であ
   って、研磨終了時の被研磨材の表面に焦点を合わせた共
   焦点顕微鏡と、共焦点顕微鏡の検出光量が最大となった
   ときに研磨の終点であると判定する判定部を有してなる
   ことを特徴とする研磨終了点検出装置。
3. 【請求項３】オートフォーカスレンズを駆動することに
   より被研磨材の表面に自動的に焦点を合わすオートフォ
   ーカス機構と、オートフォーカスレンズの移動量を測定
   するオートフォーカスレンズ移動量測定器と、研磨開始
   時点から測定時点までのオートフォーカスレンズの移動
   量から研磨量を算出する研磨量測定器を有してなること
   を特徴とする研磨量検出装置。
4. 【請求項４】オートフォーカス機構が共焦点顕微鏡を含
   むことを特徴とする請求項３に記載の研磨量検出装置。
5. 【請求項５】請求項１または請求項２に記載する研磨終
   点検出装置から選ばれた一つの研磨終点検出装置、請求
   項３または請求項４に記載する研磨量検出装置から選ば
   れた一つの研磨量検出装置の少なくとも一方を有してな
   ることを特徴とする研磨装置。