KR101921763B1 - 연마 패드의 표면 성상 측정 방법 - Google Patents

연마 패드의 표면 성상 측정 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명의 과제는 연마 패드의 표면 성상을 측정하여 연마 패드의 표면 성상이 구해지는 연마 성능을 얻을 수 있는 상태로 되어 있는지 여부를 판단할 수 있는 연마 패드의 표면 성상 측정 방법을 제공하는 것이다.
기판에 미끄럼 접촉하여 기판의 피연마면을 연마하는 연마 패드(2)의 표면 성상 측정 방법이며, 연마 패드(2)에 레이저 광을 조사하여, 연마 패드(2)로부터 반사 산란된 산란광을 수광 소자에 의해 수광함으로써 광학적 푸리에 변환에 의해 연마 패드(2)의 표면 형상에 기초한 공간 파장 스펙트럼에 상당하는 강도 분포를 얻고, 상이한 2개의 소정의 공간 파장 범위에 상당하는 강도 분포에 기초하여 연마 패드(2)의 표면 성상을 나타내는 수치를 연산한다.

Description

연마 패드의 표면 성상 측정 방법{METHOD FOR MEASURING SURFACE PROPERTIES OF POLISHING PAD}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 기판의 연마에 사용되는 연마 패드의 표면 형상이나 표면 상태 등의 표면 성상을 측정하는 연마 패드의 표면 성상 측정 방법에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 고집적화ㆍ고밀도화에 수반하여, 회로의 배선이 점점 미세화되고, 다층 배선의 층수도 증가하고 있다. 회로의 미세화를 도모하면서 다층 배선을 실현하려고 하면, 하측의 층의 표면 요철을 답습하면서 단차가 보다 커지므로, 배선 층수가 증가하는 것에 따라서, 박막 형성에 있어서의 단차 형상에 대한 막 피복성(스텝 커버리지)이 나빠진다. 따라서, 다층 배선하기 위해서는, 이 스텝 커버리지를 개선하여, 적절한 과정에서 평탄화 처리해야만 한다. 또한 광 리소그래피의 미세화와 함께 초점 심도가 얕아지므로, 반도체 디바이스의 표면의 요철 단차가 초점 심도 이하로 억제되도록 반도체 디바이스 표면을 평탄화 처리할 필요가 있다.
따라서, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서는, 반도체 디바이스 표면의 평탄화 기술이 점점 중요해지고 있다. 이 평탄화 기술 중, 가장 중요한 기술은 화학적 기계 연마[CMP(Chemical Mechanical Polishing)]이다. 이 화학적 기계적 연마는 연마 장치를 사용하여, 실리카(SiO2)나 산화세륨(CeO2) 등의 지립을 포함한 연마액을 연마 패드에 공급하면서 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마 패드에 미끄럼 접촉시켜 연마를 행하는 것이다.
상술한 CMP를 행하는 연마 장치는 연마 패드를 갖는 연마 테이블과, 반도체 웨이퍼(기판)를 보유 지지하기 위한 캐리어 또는 톱 링 등이라고 칭해지는 기판 보유 지지 장치를 구비하고 있다. 이와 같은 연마 장치를 사용하여 기판 보유 지지 장치에 의해 기판을 보유 지지하면서, 이 기판을 연마 패드에 대해 소정의 압력으로 압박하여, 기판 상의 절연막이나 금속막을 연마하는 것이 행해지고 있다.
기판의 연마를 행하면, 연마 패드의 표면에는 지립이나 연마 칩이 부착되고, 또한 연마 패드의 표면 형상이나 상태가 변화되어 연마 성능이 열화되어 온다. 이로 인해, 기판의 연마를 반복하는 것에 따라서, 연마 속도가 저하되고, 또한 연마 불균일이 발생해 버린다. 따라서, 열화된 연마 패드의 표면 형상이나 상태를 재생하기 위해, 드레서를 사용하여 연마 패드의 드레싱(컨디셔닝)을 행하고 있다.
일본 특허 출원 공개 평9-119822호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-151934호 공보 일본 특허 출원 공개 제2012-137484호 공보
쿠시다 타카시, 키무라 케이이치, Khajornrungruang, Panart, 스즈키 케이스케 저 「광학적 푸리에 변환에 기초하는 CMP용 폴리싱 패드의 표면 형상 평가에 관한 연구(제2보)-측정 장치의 시작-」 2012년도 정밀 공학회 춘계 대회 학술 강연회 강연 논문집, 2012년 3월 14일 반포, p.823-824 쿠시다 타카시, 키무라 케이이치, Khajornrungruang, Panart, 스즈키 케이스케 저 「광학적 푸리에 변환에 기초한 CMP용 폴리싱 패드의 표면 형상 평가에 관한 연구」 2011년도 정밀 공학회 추계 대회 학술 강연회 강연 논문집, 2011년 9월 20일 반포, p.159-160
CMP(화학적 기계 연마)에 있어서는, 연마 패드의 표면 형상이나 상태는 연마 성능에 미치는 영향이 크고, 다양한 측정 방법에 의해 연마 패드의 표면 형상, 상태를 측정하여, 드레싱 조건이나 연마 조건에 반영시키는 것이 제안되어 있다.
상기 비특허문헌 1 및 2에는 연마 패드의 표면에 레이저 광을 조사하여, 그 산란 반사광을 광학적 FFT 해석함으로써 연마 패드의 표면 형상 특성을 측정 가능한 것이 시사되어 있다.
또한, 연마 패드와 드레서는 정기적으로 교환이 필요하지만, 그 교환 시기는 소정의 기판 처리 매수나 소정의 드레싱 시간이라고 하는 미리 결정된 시기나, 연마 패드 감모량(패드의 두께)에 기초하여 결정되어 있다. 그러나, 이 미리 결정된 시기는, 반드시 구해지는 연마 성능을 확보할 수 있는 범위에서의 최장 사용 시간으로 되어 있다고는 할 수 없었다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 연마 패드의 표면 성상을 측정하여 연마 패드의 표면 성상이 구해지는 연마 성능을 얻을 수 있는 상태로 되어 있는지 여부를 판단할 수 있는 연마 패드의 표면 성상 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연마 패드의 표면 성상의 측정 결과에 기초하여 운전 조건을 설정하여, 연마나 드레싱을 행하는 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 다양한 조건 하에서, 연마 패드에 조사한 레이저 광의 산란 반사광을 이미지 센서로 포착하여, 광학적 FFT에 의한 패드 표면 형상의 공간 파장에 대응한 반사광 강도 스펙트럼을 얻었다. 또한, 그들 조건에서의 연마 성능(연마 속도)을 측정하여, 그들 공간 파장의 분포를 반영한 스펙트럼과 연마 성능의 관련성을 찾았다. 그 결과, 특정한 공간 파장 영역, 특히, 단파장 영역의 강도가, 연마 속도와 강한 상관을 나타내는 것을 발견한 것이다.
본 발명은 상기 지식에 기초하여 창안된 것으로, 본 발명의 연마 패드의 표면 성상 측정 방법은 기판에 미끄럼 접촉하여 기판의 피연마면을 연마하는 연마 패드의 표면 성상 측정 방법이며, 연마 패드에 레이저 광을 조사하여, 연마 패드로부터 반사 산란된 산란광을 수광 소자에 의해 수광함으로써 광학적 푸리에 변환에 의해 연마 패드의 표면 형상에 기초한 공간 파장 스펙트럼에 상당하는 강도 분포를 얻고, 상이한 2개의 소정의 공간 파장 범위에 상당하는 강도 분포에 기초하여 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치를 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치, 예를 들어 패드 표면 지수를 연산할 수 있다. 패드 표면 지수는 CMP 성능과 상관이 강한 수치이고, 이 연산한 수치를 미리 결정한 값과 비교하여, 특정한 조건을 만족시킨 경우에, 연마 패드나 드레서의 수명이나 교환 타이밍이라고 판단하고, 또한 패드 표면 성상이나 드레싱 상태의 이상이라고 판단한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 상이한 2개의 소정의 공간 파장 범위는 제1 공간 파장 범위와, 상기 제1 공간 파장 범위보다 좁고, 또한 제1 공간 파장 범위에 포함되는 제2 공간 파장 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제1 공간 파장 범위는 4 내지 30마이크로미터의 범위를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제1 공간 파장 범위는 1.8 내지 30마이크로미터의 범위를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제2 공간 파장 범위는 상기 제1 공간 파장 범위의 단파장측에 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제2 공간 파장 범위는 2 내지 5마이크로미터의 범위 내에 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제2 공간 파장 범위는 10 내지 15마이크로미터의 범위 내에 존재하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 레이저 광은 상기 연마 패드 표면에 형성된 포어 저부에 도달하지 않는 입사각에서 조사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 레이저 광은 상기 연마 패드 표면에서의 반사율이 50％ 이상이 되는 입사각에서 조사하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 광은 S편광시켜 조사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 형태는 연마 패드를 드레싱하여, 청구항 1에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치가 원하는 범위에 있는 것을 확인하여, 연마 패드에 기판을 압박 미끄럼 접촉하여 기판을 연마하는 연마 방법이다.
또한, 본 발명은 청구항 1에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치를 사용하여 이하와 같은 형태를 취할 수 있다.
1) 청구항 1에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치에 기초하여, 드레싱 조건을 설정하여 드레싱하는 드레싱 방법.
2) 청구항 1에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치에 기초하여, 드레서의 수명을 검지하는 드레서의 수명 검지 방법.
3) 청구항 1에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치에 기초하여, 패드의 수명을 검지하는 패드의 수명 검지 방법.
4) 청구항 1에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치에 기초하여, 패드의 표면 성상에 이상이 있는 것을 검지하는 드레싱의 이상 검지 방법.
본 발명에 따르면, 연마 패드의 표면 성상을 리얼타임으로 파악할 수 있으므로, 이하의 CMP의 안정 운용이 가능해진다.
(1) 연마 패드나 드레서를 낭비 없이 수명의 최종까지 완전히 사용할 수 있으므로 소모재 비용을 억제할 수 있다.
(2) 어떤 드레싱 이상에 의한 연마 패드의 표면 성상의 비정상 상태를 즉시 검지하여 발보할 수 있으므로, CMP 성능 불량에 의한 반도체 디바이스의 제조 불량을 최저한으로 억제할 수 있다.
(3) 연마 패드의 표면 성상의 변화에 따라서 드레싱 조건을 변경함으로써, 항상 연마 패드의 표면 성상을 CMP 성능의 확보에 필요한 상태로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 연마 패드의 표면 성상 측정 장치를 구비한 연마 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 도 1의 II부의 확대도.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시하는 표면 성상 측정 장치에 있어서 실행되는 촬상(수광)으로부터 푸리에 변환하여 수치를 연산하는 프로세스를 모식적으로 도시하는 도면.
도 4는 레이저 광을 연마 패드에 조사했을 때에 발생하는 패드 표면 형상에 의해 산란한 광의 강도 분포를 도시하는 모식도.
도 5는 수광 소자와 패드의 거리 및 레이저 스폿 직경의 관계를 나타내는 모식도.
도 6은 레이저 파장(λ〔㎚〕)과 측정 가능한 공간 파장(p〔㎛〕)의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 레이저 광을 연마 패드에 조사했을 때의 패드의 표면에서 반사 산란한 산란광의 강도 분포를 도시하는 모식도.
도 8의 (a), (b)는 본 방법으로 얻어진 광강도 분포에 기초하여, 각각의 공간 파장(횡축) 범위의 광강도의 적분값과 관찰 영역 전체의 광강도의 적분값(30㎛까지)의 비(파장 구성비)와 연마 레이트(MRR)의 상관값(종축)을 나타내는 그래프.
도 9의 (a), (b)는 본 방법으로 얻어진 광강도 분포에 기초하여, 각각의 공간 파장(횡축) 범위의 광강도의 적분값과 관찰 영역 전체의 광강도의 적분값(30㎛까지)의 비(파장 구성비)와 연마 레이트(MRR)의 상관값(종축)을 나타내는 그래프.
도 10은 각각의 공간 파장 범위(횡축)에 있어서의 파장 구성 비율과 연마 레이트(MRR)의 상관계수값(종축)을 나타내는 그래프.
도 11은 레이저 광의 입사각을 80°로 한 경우의 기기 구성을 도시하는 모식도.
도 12의 (a), (b)는 도 3에 도시하는 프로세스에서 얻어진 수치를 이용하여 드레싱 조건을 변경하는 경우 및 경보를 표시하는 경우의 수순을 도시하는 흐름도.
도 13은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 구성된 연마 장치를 사용하여, 기판의 연마, 연마 패드의 드레싱 및 연마 패드의 표면의 모니터링의 수순의 일례를 도시하는 도면.
이하, 본 발명에 관한 연마 패드의 표면 성상 측정 방법의 실시 형태에 대해 도 1 내지 도 13을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 도 1 내지 도 13에 있어서, 동일 또는 상당하는 구성 요소에는 동일한 번호를 부여하여 중복된 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 관한 연마 패드의 표면 성상 측정 방법을 실시하는 연마 장치의 전체 구성을 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는 연마 테이블(1)과, 연마 대상물인 반도체 웨이퍼 등의 기판(W)을 보유 지지하여 연마 테이블 상의 연마 패드에 압박하는 캐리어(10)를 구비하고 있다. 연마 테이블(1)은 테이블축(1a)을 통해 그 하방에 배치되는 연마 테이블 회전 모터(도시하지 않음)에 연결되어 있고, 테이블축(1a)의 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 연마 테이블(1)의 상면에는 연마 패드(2)가 부착되어 있고, 연마 패드(2)의 표면이 기판(W)을 연마하는 연마면(2a)을 구성하고 있다. 연마 패드(2)에는 다우 케미컬사(Dow Chemical Company)제의 SUBA800, IC1000, IC1000/SUBA400(2층 크로스) 등이 사용되어 있다. SUBA800은 섬유를 우레탄 수지로 굳힌 부직포이다. IC1000은 경질의 발포 폴리우레탄이고, 그 표면에 다수의 미세한 구멍(포어)을 가진 패드이고, 퍼포레이트 패드라고도 부르고 있다. 연마 테이블(1)의 상방에는 연마액 공급 노즐(3)이 설치되어 있고, 이 연마액 공급 노즐(3)에 의해 연마 테이블(1) 상의 연마 패드(2)에 연마액(슬러리)이 공급되도록 되어 있다.
캐리어(10)는 샤프트(11)에 접속되어 있고, 샤프트(11)는 캐리어 아암(12)에 대해 상하 이동하도록 되어 있다. 샤프트(11)의 상하 이동에 의해, 캐리어 아암(12)에 대해 캐리어(10)의 전체를 상하 이동시켜 위치 결정하도록 되어 있다. 샤프트(11)는 모터(도시하지 않음)의 구동에 의해 회전하도록 되어 있고, 캐리어(10)가 샤프트(11)의 축심의 주위로 회전하도록 되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 캐리어(10)는 그 하면에 반도체 웨이퍼 등의 기판(W)을 보유 지지할 수 있도록 되어 있다. 캐리어 아암(12)은 선회 가능하게 구성되어 있고, 하면에 기판(W)을 보유 지지한 캐리어(10)는 캐리어 아암(12)의 선회에 의해 기판의 수취 위치로부터 연마 테이블(1)의 상방으로 이동 가능하게 되어 있다. 캐리어(10)는 하면에 기판(W)을 보유 지지하고 기판(W)을 연마 패드(2)의 표면(연마면)에 압박한다. 이때, 연마 테이블(1) 및 캐리어(10)를 각각 회전시켜, 연마 테이블(1)의 상방에 설치된 연마액 공급 노즐(3)로부터 연마 패드(2) 상에 연마액(슬러리)을 공급한다. 연마액에는 지립으로서 실리카(SiO2)나 산화세륨(CeO2)을 포함한 연마액이 사용된다. 이와 같이, 연마액을 연마 패드(2) 상에 공급하면서, 기판(W)을 연마 패드(2)에 압박하여 기판(W)과 연마 패드(2)를 상대 이동시켜 기판 상의 절연막이나 금속막 등을 연마한다. 절연막으로서는 SiO2를 들 수 있다. 금속막으로서는 Cu막, W막, Ta막, Ti막을 들 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는 연마 패드(2)를 드레싱하는 드레싱 장치(20)를 구비하고 있다. 드레싱 장치(20)는 드레서 아암(21)과, 드레서 아암(21)에 회전 가능하게 설치된 드레서(22)를 구비하고 있다. 드레서(22)의 하부는 드레싱 부재(22a)에 의해 구성되고, 드레싱 부재(22a)는 원형의 드레싱면을 갖고 있고, 드레싱면에는 경질의 입자가 전착 등에 의해 고정되어 있다. 이 경질의 입자로서는, 다이아몬드 입자나 세라믹 입자 등을 들 수 있다. 드레서 아암(21) 내에는, 도시하지 않은 모터가 내장되어 있고, 이 모터에 의해 드레서(22)가 회전하도록 되어 있다. 드레서 아암(21)은 도시하지 않은 승강 기구에 연결되어 있고, 이 승강 기구에 의해 드레서 아암(21)이 하강함으로써 드레싱 부재(22a)가 연마 패드(2)의 연마면(2a)을 압박하도록 되어 있다. 연마 테이블(1), 캐리어(10), 드레싱 장치(20) 등의 각 장치류는 제어 장치(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 제어 장치에 의해 연마 테이블(1)의 회전 속도, 캐리어(10)의 회전 속도 및 연마 압력, 드레싱 장치(20)의 드레서(22)의 하중이나 요동 속도 등이 제어되도록 되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는 연마 패드(2)의 표면 형상이나 표면 상태 등의 표면 성상을 측정하는 연마 패드의 표면 성상 측정 장치(30)를 구비하고 있다. 연마 패드의 표면 성상 측정 장치(30)는 연마 패드(2)에 레이저 광을 조사하는 광원(31)과, 연마 패드(2)의 표면에서 반사 산란한 산란광을 수광하는 수광 소자(32)를 구비하고 있다. 광원(31)은 408㎚의 파장의 레이저 광을 출사하도록 구성되어 있다. 도 1에 도시하는 실시 형태에서는, 광원(31)은 캐리어 아암(12)에 고정되어 있고, 광원(31)으로부터 출사된 레이저 광은 2개의 미러(33, 34)를 통해 연마 패드(2)에 조사되도록 되어 있다. 미러(33, 34)는 광원(31)으로부터 출사된 레이저 광을 반사하여 연마 패드(2)에 대략 수직 방향으로부터 입사시키도록 위치나 각도가 설정되어 있다. 즉, 광원(31)으로부터 대략 수직 방향으로 출사된 레이저 광은 미러(33)에 의해 광로가 변경되어 연마 패드(2)의 표면과 평행하게 진행되고, 또한 미러(34)에 의해 광로가 변경되어 대략 수직 방향으로부터 연마 패드(2)에 입사하도록 되어 있다. 또한, 레이저 광의 입사각 및 미러의 개수는 적절하게 변경 가능하다.
수광 소자(32)는 CCD 수광 소자로 이루어지고, CMP 성능에 미치는 영향이 큰 저파장 영역까지 검출할 수 있도록, 연마 패드(2)의 표면의 상방에 배치되어 있다. 수광 소자(32)는 CMOS, 포토다이오드 어레이, 포토멀티플라이어 어레이여도 된다. 수광 소자(32)는 연산 처리 장치(35)에 접속되어 있다. 연산 처리 장치(35)는 수광 소자에 의해 수광한 산란광의 강도 분포(스펙트럼)를 특정한 연산 방법에 의해 CMP 성능과 상관 있는 수치로 환산하는 연산 기능을 구비하고 있다. 또한, 연산 처리 장치(35)는 산란광 강도 분포나 CMP 성능과 상관 있는 수치를 표시하는 표시 기능을 구비하고 있다. 연산 처리 장치(35)는 CMP의 제어 장치에 조립해도 된다. 연산 처리 장치(35)로부터의 신호는 CMP의 제어 장치로 입력된다.
도 2는 도 1의 II부의 확대도이다. 광원(31)으로부터 출사된 레이저 광인 입사광은 미러(33)(도 1 참조)에 의해 광로가 변경되고, 도 2에 도시한 바와 같이 연마 패드(2)의 표면과 평행하게 진행되고, 그 후, 연마 패드(2)의 표면에 근접하여 배치된 미러(34)에 의해 광로가 변경되고, 연마 패드(2)의 표면에 대해 대략 수직 방향으로 진행되어 연마 패드(2)의 표면에 조사된다. 그리고, 연마 패드(2)의 표면에서 반사 산란한 산란광은 수광 소자(32)에 수광된다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시하는 표면 성상 측정 장치(30)에 있어서 실행되는 촬상(수광)하여 수치를 연산하는 프로세스를 모식적으로 도시하는 도면이다. 또한, 도 3에 있어서는, 수광 소자(32)의 형상ㆍ배치 등은 모식화하여 도시하고 있고, 또한 광원(31), 미러(34), 연산 처리 장치(35)는 도시를 생략하고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 표면 성상 측정 장치(30)에 있어서 이하의 스텝이 실행된다.
(1) 표면 형상 u(x, y)를 갖는 연마 패드(2)에 레이저 광을 조사한다.
(2) 연마 패드 표면에서 반사 산란한 산란광을 수광 소자(32)에 의해 수광하여, 산란광 강도 분포를 얻는다. 산란광 강도 분포는 연마 패드의 표면 형상을 그 공간 파장에서 푸리에 변환한 분포에 상당한다.
(3) 연산 처리 장치(35)에 있어서, 소정의 연산을 거쳐서, 패드 표면 지수를 구한다.
여기서 소정의 연산이라 함은,
ㆍ 특정 공간 파장 영역의 산란광 강도의 적분값
ㆍ 제1 공간 파장 영역의 적분값에 대한 제2 공간 파장 영역의 적분값의 비
등이다.
다음에, 상기 (1) 내지 (3)의 스텝을 실행하는 구체적인 방법 및 장치 구성에 대해 설명한다.
1) 연마 패드로부터의 산란광 강도 분포
도 4는 레이저 광을 연마 패드에 조사했을 때에 발생하는 패드 표면 형상에 의해 산란한 광의 강도 분포를 도시하는 모식도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 레이저 광(파장 λ)을 연마 패드에 조사했을 때에 발생하는 패드 표면 형상에 의해 산란한 광의 강도 분포 I(P)를 수광 소자에 의해 관찰하는 것으로 한다. 그때, 수광 소자 상의 각 위치 1/p는 각각의 표면 요철인 공간 파장 p의 스펙트럼을 나타낸다. 말하자면, 광강도 분포는 연마 패드의 표면 형상의 공간적 푸리에 변환의 스펙트럼을 나타내게 된다. 예를 들어, 비교적 긴 공간 파장 p1의 경우에는, 수광 소자의 1/p1의 위치(공간 주파수 영역)에 그 스펙트럼이 나타난다. 한편, 비교적 짧은 공간 파장 p2의 경우도 마찬가지이다.
도 4에 있어서, 각 기호를 이하와 같이 정의한다.
θ:입사각
d:레이저 빔 직경
β:회절각(회절한 광이 정반사광으로부터 편각한 각도)
L:수광 소자-패드의 거리
p:연마 패드 표면 형상의 공간 파장
편각 회절각(β)을 결정하는 식은, 식 1에 나타나고, 적용하는 파장 λ, 설정 입사각 θ, 요철의 공간 파장 p로 결정된다. 단, 식 1의 조건은 Far-field 회절의 상태일 필요가 있다. Far-field 회절은 식 2로 나타내는 바와 같이 관찰하는 수광 소자가 연마 패드로부터 충분한 거리 L 이격되어 있는 것이 필요하다. 또한, 식 1로부터, 식 3으로 나타낸 바와 같이 공간 파장 p가 레이저 파장 λ보다 작아지면, 회절각이 90°보다 커져, 연마 패드 표면으로부터 반사되지 않게 되어, 소위 흡수되는 현상으로 된다.
[식 1]
Figure 112013083149586-pat00001
[식 2]
Figure 112013083149586-pat00002
[식 3]
Figure 112013083149586-pat00003
2) 수광 소자와 패드 거리 및 레이저 스폿 직경의 검토
도 5는 수광 소자와 패드의 거리 및 레이저 스폿 직경의 관계를 나타내는 모식도이다. 도 5 중의 각 기호는 도 4에서 정의한 바와 같다.
식 2에 있어서, 예를 들어 θ＝45°로 하고, L이 p2/4λ의 100배보다 크다고 하면, 수광 소자와 패드의 거리 L은 식 2.1에 나타나는 조건을 만족시킬 필요가 있다.
[식 2.1]
Figure 112013083149586-pat00004
다음에, 레이저 빔 직경 d0의 영역 내에서는, 회절광(β<β0의 영역)이 정반사광(폭 d0)과 겹치므로 평가 불능으로 된다. 그로 인해, 회절각 β0(수광 소자 상에서는, 상당하는 패드 표면 요철의 공간 파수 1/p0)보다 큰 회절각 β(공간 파장 파수 1/p)가 평가 가능 영역(β>β0 또는 1/p>1/p0)으로 된다.
여기서, 정반사광의 경계선에서는, AB/OA＝tanβ0＝d0/2L
단, L>>d0이므로, (d0 2＋4L2)1/2≒2L로 하면,
sinβ0≒d0/2L, cosβ0＝2L/(d0 2＋4L2)1/2≒2L/(4L2)1/2＝1로 근사된다. 그리고, 식 1로부터, 평가 가능한 공간 파수 1/p의 범위는,
1/p0＝[cosθsinβ0＋sinθ(1－cosβ0)]/λ<1/p이므로,
다음의 조건이 얻어진다.
[식 4]
Figure 112013083149586-pat00005
i) 수광 소자와 패드의 거리 L의 선정
예를 들어, 연마 패드가 IC1000인 경우에는, 패드의 포어 직경은 40 내지 60㎛이므로, p<p0＝30㎛로서 공간 파장을 평가한다. 또한, 레이저 파장 λ＝0.532㎛로 하면,
L>100×(30㎛)2/4(0.532㎛)≒43㎜이므로,
예를 들어, 수광 소자와 패드의 거리 L>50㎜로 하면 된다.
ii) 레이저 스폿 직경 d0의 선정
평가 불능 영역의 경계 조건에서는, 스폿 직경
d0<4(50㎜)(0.532㎛)/21/2(30㎛)＝2.5㎜
예를 들어, 스폿 직경 d<2㎜로 하면 된다.
3) 조사 레이저 광의 파장 선정
도 6은 레이저 파장(λ〔㎚〕)과 측정 가능한 공간 파장(p〔㎛〕)의 관계를 나타내는 그래프이다.
수광 소자와 패드의 거리 L과 레이저 스폿 직경 d0을 결정하기 위해서는, 레이저 파장을 선정할 필요가 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 기본적으로 레이저의 파장 λ가 짧을수록 측정 가능한 연마 패드 형상의 공간 파장의 한계 p(식 1의 θ＝0, β＝90°일 때에 p≒λ)는 작아진다.
그러나, 레이저 파장이 짧아지면, 대기에 의한 광의 산란(레일리 산란 강도 y∝λ-4)이므로, 광강도의 감광률이 커져, 피측정 표면으로부터의 산란광에 대한 외란으로 될 우려가 있다.
따라서, 도면에 화살표로 나타낸 바와 같이, 광강도의 감소율을 13.5％ 이하로 하려고 하면, 측정에 사용하는 레이저 파장을 450㎚(0.45㎛) 이상으로 할 필요가 있고, 그때에 측정 가능한 공간 파장은 θ＝0으로 하면 약 0.45㎛ 이상으로 된다. 또한, 마찬가지로 광강도의 감소율을 25％ 이하로 하기 위해서는, 측정에 사용하는 레이저 파장을 400㎚(0.4㎛) 이상으로 하면 된다.
예를 들어, 소형 반도체 레이저를 사용하면, 파장이 450㎚보다 크고, 가장 가까운 파장에서, 일반적으로 자주 사용되는 532㎚의 레이저 광을 사용할 수 있다.
4) 파장 구성비
도 7은 레이저 광을 연마 패드에 조사했을 때의 패드의 표면에서 반사 산란한 산란광의 강도 분포를 도시하는 모식도이다. 도 7 중의 각 기호는 도 4에서 정의한 바와 같다.
도 7에 도시하는 공간 파장 p3으로부터 공간 파장 p4까지의 제1 공간 파장 영역의 산란광 강도의 적분값에 대한, 공간 파장 p1로부터 공간 파장 p2까지의 제2 공간 파장 영역의 산란광 강도의 적분값의 비를 다음 식으로 구한다.
[수 1]
Figure 112013083149586-pat00006
상기의 비를 파장 구성비라고 정의한다.
5) 파장 구성비와 연마 레이트(MRR)의 상관 결과
도 8의 (a), (b)는 본 방법으로 얻어진 광강도 분포에 기초하여, 각각의 공간 파장(횡축) 범위의 광강도의 적분값과 관찰 영역 전체의 광강도의 적분값(30㎛까지)의 비(파장 구성비)와 연마 레이트(MRR)의 상관값(종축)을 나타내는 그래프이다.
도 8의 (a), (b)는 다른 드레서(#325와 #100)로 드레싱된 연마 패드를 사용하여, 가장 측정 범위가 넓은 30 내지 1.8㎛, 다음으로 측정 범위가 넓은 30 내지 2.8㎛, 측정 범위를 좁게 한 30 내지 4㎛의 관찰 영역인 경우의 상관값의 특성을 정리한 것이다.
도 8의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 30 내지 1.8㎛의 넓은 공간 파장 범위에서 연산한 쪽이 30 내지 2.8㎛나 30 내지 4㎛의 공간 파장 범위에서 연산한 것보다, 상관값이 높아지는 경향이 보였다. 따라서, 30 내지 1.8㎛의 공간 파장 범위에서의 스펙트럼의 적분값을 취한 쪽이 좋은 결과가 얻어지는 것을 알 수 있다.
6) 표면 지수 연산을 위한 공간 파장 범위의 특정
도 9의 (a), (b)는 본 방법으로 얻어진 광강도 분포에 기초하여, 각각의 공간 파장(횡축) 범위의 광강도의 적분값과 관찰 영역 전체의 광강도의 적분값(30㎛까지)의 비(파장 구성비)와 연마 레이트(MRR)의 상관값(종축)을 나타내는 그래프이다.
패드 성상을 파악하기 위해서는 상관계수값이 0.7 이상이 바람직하다. 도 9의 (a), (b)에 있어서 높은 상관계수인 0.7 이상에서 고려하면, 보다 광범위에서의 측정(1.8㎛)의 쪽이, 비교적으로 폭 넓은 파장 영역 및 보다 작은 공간 파장 p의 상관계수가 높은 경향이 있다.
따라서, 도 9의 (a), (b)에 도시하는 예에서는, 공간 파장 범위를 이하와 같이 한다.
1. 전체의 공간 파장 영역은 4 내지 30㎛를 포함하고, 바람직하게는 2 내지 30㎛를 포함한다.
2. #325에서 드레싱된 패드인 경우의 공간 파장 영역:2(1.8) 내지 5㎛
3. #100에서 드레싱된 패드인 경우의 공간 파장 영역:9 내지 13㎛
다음에, 본 방법으로 얻어진 산란광 강도 분포로, 일례로서, 도 7에 도시하는 공간 파장 영역(p1 내지 p2㎛)에 있어서의, 파장 구성비와 연마 레이트(MMR)의 상관을 구하였다. 이 경우, #100과 #325에서 드레싱된 패드에 있어서, 동일한 공간 파장 영역에서 평가를 행하였다.
도 10은 상기 평가 결과를 나타내고, 각각의 공간 파장 범위(횡축)에 있어서의 파장 구성 비율과 연마 레이트(MRR)의 상관계수값(종축)을 나타내는 그래프이다.
도 10에 도시하는 예에 있어서는, 높은 상관계수인 상관계수값 0.7 이상에서 고려한 경우, 연마에 기여하는 미세 요철의 공간 파장 범위를 10 내지 15㎛로 한정하면 되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8 내지 도 10에 나타내는 실험 결과는, 도 1 및 도 2에 도시하는 장치 구성에서 구한 것이다.
7) 포어와 레이저 광 입사각 θ의 검토
이상과 같이, 광학적 FFT에 의한 패드 표면 형상의 공간 파장에 대응한 반사광 강도 스펙트럼에 기초하여, 연마 레이트(MRR)와 강한 상관이 있는 수치를 연산할 수 있는 것을 알 수 있다. 그런데, 연마 패드 표면에는 드레싱에 의해 발생하는 미세 형상 외에, 원래의 연마 패드 표면에 형성된 형상, 포어가 존재하고, 본 방법에 의해 얻을 수 있는 산란광 강도 분포는 이 포어의 형상도 반영한 것으로 된다.
포어의 저부는 연마되는 기판과 직접 접촉하는 것은 아니고, 연마 레이트(MRR)나, 드레싱의 상황을 파악하기 위해서는, 이 포어의 형상에 의한 영향을 가능한 한 배제한 쪽이 좋은 경우가 있다.
포어의 형상의 영향을 가능한 한 배제하기 위해서는, 레이저 광의 연마 패드에 대한 입사각을 뉘어, 레이저 광이 포어 저부에 도달하지 않도록 하면 된다. 포어 저부에 도달하지 않도록 하기 위해서는 입사각을 45° 이상으로 하는 것이 필요하고, 또한 80° 이상으로 하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는, 레이저 광을 도달시키지 않는 포어 저부라 함은, 연마 중인 기판과 미끄럼 접촉하는 일이 없는 깊이를 가진 포어의 저부이고, 극히 얕은 포어는 포함하지 않는다.
8) 레이저 광의 반사율과 편광의 검토
레이저 광은 연마 패드 표면에서 모두 반사되는 것은 아니고, 일부는 패드 내부에 투과한다. 내부에 투과한 레이저 광은 연마 패드 내부의 구조(포어 등)에 의해 산란 반사하고, 그 연마 패드 내부에서의 산란 반사광의 일부는 연마 패드 표면에서 반사된 산란 반사광과 겹쳐져 버린다. 연마 패드의 표면 성상을 측정하기 위해서는, 내부에 투과한 레이저 광의 영향을 작게 한 쪽이 바람직하다. 레이저 광의 물질 표면에서의 반사율은 레이저 광의 입사각에 따라서 바뀌고, 입사각이 커질수록 반사율이 높아지는 경향이 있다. 따라서, 연마 패드 표면에서의 레이저 광의 반사율이 50％ 이상으로 되는 입사각으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 연마 패드 표면에서의 레이저 광의 반사율에 대해, S편광은 입사각의 증가에 수반하여 반사율이 단조 증가하는 것에 비해, P편광은 입사각이 브루스터각에 근접함에 따라서 반사율이 저하되고, 브루스터각을 넘으면 증가한다. 따라서, 연마 패드에 조사하는 레이저 광은 편광판 등에 의해 S편광시킴으로써, 연마 패드 표면에서의 반사율을 높일 수 있다.
도 11은 레이저 광의 입사각을 80°로 한 경우의 기기 구성의 일례를 도시한다. 도 1과 마찬가지로, 광원(31)으로부터 출사된 레이저 광은 2개의 미러(33, 34)를 통해 연마 패드(2)에 조사되도록 되어 있다. 미러(33, 34)는 광원(31)으로부터 출사된 레이저 광을 반사하여 연마 패드(2)에 입사각이 80°로 되도록 위치나 각도가 설정되어 있다. 즉, 광원(31)으로부터 대략 수직 방향으로 출사된 레이저 광은 미러(33)(도 11에서는 도시하지 않음)에 의해 광로가 변경되어 연마 패드(2)의 표면과 평행하게 진행되고, 또한 미러(34)에 의해 광로가 변경되어 입사각 80°에서 연마 패드(2)에 입사하도록 되어 있다. 수광 소자(32)는 레이저 광의 연마 패드 상에서의 정반사가 수직으로 닿도록 설치되어 있다.
입사각이 뉘어져 있으므로, 연마 패드의 두께가 변화되면, 연마 패드 상의 레이저 조사 위치가 비교적 크게 바뀌어 버린다. 도 11의 형태에서는 미러(34)가 수평 방향 이동 기구에 설치되어 있고, 연마 패드(2)의 두께의 변화에 의하지 않고, 수광 소자(32)의 면 상의 동일한 위치에 레이저 광의 정반사가 닿도록 조정된다. 연마 패드의 두께, 또는, 연마 패드의 표면의 높이를 측정하는 측정기(도시하지 않음)를 구비하여, 그 측정기의 결과에 기초하여, 수평 방향 이동 기구를 제어하도록 구성해도 된다.
상기 스텝에서 얻어진 CMP 성능과 상관이 강한 수치를, 미리 결정된 값과 비교하여, 특정한 조건을 만족시킨 경우에, 연마 패드나 드레서의 수명이나 교환 타이밍, 또한 패드 표면 성상이나 드레싱 상태의 이상을, 연산 처리 장치(35)의 표시부에 표시한다.
또한, 연산 처리 장치(35)는 상기 스텝에서 얻어진 CMP 성능과 상관이 강한 수치를, 미리 규정한 조건에 비추어 CMP 파라미터, 특히 드레싱 조건(면압, 회전수, 요동 패턴)을 변경하는 기능을 갖는다. 예를 들어, 상기의 수치, 드레싱 조건, CMP 성능의 3자의 상관을 나타내는 식을 미리 구해 두고, 드레싱 후에 측정되는 상기의 수치를 그 식에 대입함으로써, CMP 성능이 항상 일정해지는 드레싱 조건을 산출하고, 그 조건을 다음 회의 드레싱 시에 적용하는 기능 등이다.
도 12의 (a), (b)는 도 4 내지 도 10에 도시하는 프로세스에서 얻어진 수치를 이용하여 드레싱 조건을 변경하는 경우 및 경보를 표시하는 경우의 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 12의 (a)에 도시하는 예에 있어서는, 기판을 연마한 후에 연마 패드(2)를 드레싱하여, 패드 표면의 측정을 행한다. 다음에, 패드 표면 지수를 산출하여, 패드 표면 지수가 소정 범위 내인지 여부를 판단한다. 패드 표면 지수가 소정 범위 내에 없는 경우(아니오인 경우)에는 다음 회의 드레싱 조건을 변경한다. 패드 표면 지수가 소정 범위 내인 경우(예인 경우)에는 드레싱 조건을 변경하지 않고, 그대로의 조건으로 다음 회의 드레싱을 행한다.
드레싱 조건의 변경예를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112013083149586-pat00007
도 12의 (b)에 도시하는 예에 있어서는, 기판을 연마한 후에 연마 패드(2)를 드레싱하여, 패드 표면의 측정을 행한다. 다음에, 패드 표면 지수를 산출하여, 패드 표면 지수가 정상 범위 내인지 여부를 판단한다. 패드 표면 지수가 정상 범위 내에 없는 경우(아니오인 경우)에는 드레서 수명, 연마 패드 수명, 연마 패드 표면 이상의 어느 하나의 경보를 표시한다. 이 경우, 미리, 드레서 수명, 연마 패드 수명, 연마 패드 표면 이상이 되는 패드 표면 지수의 연산식과 정상 범위를 결정해 둔다. 패드 표면 지수가 정상 범위 내인 경우(예인 경우)에는 프로세스를 계속한다.
다음에, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 구성된 연마 장치를 사용하여, 기판의 연마, 연마 패드의 드레싱 및 연마 패드의 표면의 모니터링을 행하는 경우의 수순의 일례를 도 13을 참조하여 설명한다.
도 13에 도시한 바와 같이, 기판의 처리를 개시하여 기판을 연마한다. 즉, 연마액 공급 노즐(3)로부터 연마 패드(2)에 연마액(슬러리)을 적하하고, 캐리어(10)를 회전시키면서 하강시켜, 기판(W)을 회전하는 연마 패드(2)에 소정의 연마 압력으로 압박한다. 이에 의해, 기판 상의 금속막이나 절연막의 연마를 행하는 연마 공정을 개시한다. 또한, 연마 공정에 병행하여 드레싱을 행하는 인사이츄 드레싱을 행해도 된다.
다음에, 연마액 공급 노즐(3)로부터의 연마액의 공급을 정지한 후, 연마 패드(2)에 순수를 공급하여, 기판의 물 폴리싱(수연마) 등을 행함으로써, 기판을 연마 패드(2) 상에서 세정한다. 그 후, 캐리어(10)에 의해 기판을 연마 패드(2)의 외측으로 반송하고, 연마 후의 기판을 푸셔 등의 전달 장치로 전달한다.
다음에, 연마 패드(2)를 드레싱한다. 즉, 연마 패드(2)를 회전시키는 동시에, 드레서(22)를 회전시키고, 계속해서 드레서 아암(21)을 하강시켜, 드레서(22)의 하면의 드레싱 부재(22a)를 회전하는 연마 패드(2)에 압박한다. 그 상태에서, 드레서 아암(21)을 요동(스윙)시킨다. 연마 패드(2)의 드레싱 중에는 연마액 공급 노즐(3)(도 1 참조)로부터 드레싱액으로서의 순수가 연마 패드(2)에 공급된다.
다음에, 표면 성상 측정 장치(30)에 의해 연마 패드(2)의 표면을 모니터링한다. 이 모니터링 공정은, 도 4 내지 도 10에 있어서 설명한 바와 같이 패드 표면 지수를 산출하고, 도 12의 (a), (b)에 있어서 설명한 바와 같이 드레싱 조건의 변경, 연마 패드 수명이나 연마 패드 표면 이상의 경보를 표시하는 등의 소정의 판단을 행한다.
상기 모니터링 공정의 종료 후에 기판 처리를 완료한다. 또한, 모니터링 공정은 연마 공정 중에 행해도 되고, 또한 드레싱 공정 중에 행해도 된다.
지금까지 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않고, 그 기술 사상의 범위 내에 있어서, 다양한 다른 형태로 실시되어도 되는 것은 물론이다.
1 : 연마 테이블
1a : 테이블축
2 : 연마 패드
2a : 연마면
3 : 연마액 공급 노즐
10 : 캐리어
11 : 샤프트
12 : 캐리어 아암
20 : 드레싱 장치
21 : 드레서 아암
22 : 드레서
22a : 드레싱 부재
30 : 표면 성상 측정 장치
31 : 광원
32 : 수광 소자
33, 34 : 미러
35 : 연산 처리 장치

Claims (11)

  1. 기판에 미끄럼 접촉하여 기판의 피연마면을 연마하는 연마 패드의 표면 성상 측정 방법이며,
    연마 패드에 단일 파장의 레이저 광을 조사하고,
    상기 레이저 광을 연마 패드에 조사함으로써 연마 패드로부터 반사 산란된 산란광을 수광 소자로 수광하고, 상기 수광된 산란광을 광학적 푸리에 변환에 의해 연마 패드의 표면 형상에 기초한 공간 파장 스펙트럼에 상당하는 강도 분포를 얻고,
    상기 얻어진 강도 분포 중으로부터, 상이한 2개의 소정의 공간 파장 범위에 상당하는 강도 분포에 기초하여 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치를 연산하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상이한 2개의 소정의 공간 파장 범위는, 제1 공간 파장 범위와, 상기 제1 공간 파장 범위보다 좁고, 또한 제1 공간 파장 범위에 포함되는 제2 공간 파장 범위인 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 공간 파장 범위는 4 내지 30마이크로미터의 범위를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 공간 파장 범위는 1.8 내지 30마이크로미터의 범위를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 공간 파장 범위는 상기 제1 공간 파장 범위의 단파장측에 존재하고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제2 공간 파장 범위는 2 내지 5마이크로미터의 범위 내에 존재하고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제2 공간 파장 범위는 10 내지 15마이크로미터의 범위 내에 존재하고 있는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광은 상기 연마 패드 표면에 형성된 포어 저부에 도달하지 않는 입사각에서 조사하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광은 상기 연마 패드 표면에서의 반사율이 50％ 이상으로 되는 입사각에서 조사하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광은 S편광시켜 조사하는 것을 특징으로 하는, 연마 패드의 표면 성상 측정 방법.
  11. 연마 패드를 드레싱하여, 제1항에 기재된 연마 패드의 표면 성상 측정 방법으로 얻어지는 연마 패드의 표면 성상을 나타내는 수치가 원하는 범위에 있는 것을 확인하여, 연마 패드에 기판을 압박 미끄럼 접촉하여 기판을 연마하는, 연마 방법.
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