KR102556648B1 - 기판 연마 장치 및 방법 - Google Patents

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게이타 야기
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

기판 연마 장치는, 기판을 연마 패드에 압박함으로써 기판 연마를 행하기 위한 톱링과, 기판의 피연마면에 광조사해서 그의 반사광을 수광함과 함께, 당해 반사광의 파장에 대한 반사율 스펙트럼을 산출하는 스펙트럼 생성부와, 반사율 스펙트럼에 기초하여 피연마면의 막 두께를 추정하기 위한 복수의 막 두께 추정 알고리즘을 기억하는 기억부를 구비한다. 기억부에 기억된 막 두께 추정 알고리즘 중에서, 복수의 막 두께 추정 알고리즘과 그의 전환 조건을 설정하고, 당해 설정된 막 두께 추정 알고리즘에서 피연마면의 막 두께를 추정함과 함께, 전환 조건을 충족한 경우에는, 적용할 막 두께 추정 알고리즘이 전환된다.

Description

기판 연마 장치 및 방법{SUBSTRATE POLISHING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 출원은 2017년 7월 24일자로 출원된 일본 특허 출원 제2017-142545호의 이익을 청구하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로서 포함된다.
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 기판의 표면을 처리하는 기판 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 기판에 대하여, 소위 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의해 기판의 표면을 연마하기 위한 기판 연마 장치가 널리 알려져 있다. 이러한 기판 연마 장치에서는, 연마 중 기판의 막 두께를 측정하기 위한 막 두께 측정기를 구비하고 있다.
막 두께 측정기로서, 광학식 막 두께 측정기가 알려져 있다. 이 광학식 막 두께 측정기에서는, 기판의 표면에 측정광을 조사하고, 기판으로부터 반사된 측정광을 수광해서 스펙트럼을 취득한다. 반사광의 스펙트럼 특성은 기판의 막 두께에 따라서 변화하는 점에서, 막 두께 측정기에서는, 소정의 알고리즘에 기초하여, 반사광의 스펙트럼을 해석하여 기판의 막 두께를 추정한다(국제공개 2015/163164호).
반도체 디바이스의 고집적화·고밀도화에 수반하여, 회로의 배선이 점점 미세화하고, 다층 배선의 층수도 증가하고 있어, 제조 공정에 있어서의 반도체 디바이스 표면의 평탄화, 피연마층과 하지층의 계면의 검출 정밀도가 점점 중요해지고 있다. 이 때문에, 기판 연마 종료의 타이밍을 적절하게 제어하기 위해, 연마 중 기판의 막 두께를 정확하게 측정하는 것이 바람직하다.
반사광의 스펙트럼에 기초하여 기판의 막 두께를 추정하는 경우, 당해 스펙트럼의 변화에 선형성이 있는 경우에는, 추정되는 막 두께의 신뢰성은 높다고 할 수 있지만, 스펙트럼의 변화가 일정하지 않은(비선형) 경우에는, 추정되는 막 두께의 신뢰성은 낮아진다. 또한, 기판의 막 두께가 두꺼운 경우(혹은 얇은 경우)에는, 막 두께 추정의 알고리즘에 따라서는 추정되는 막 두께에 오차가 발생하고, 그 결과 얻어지는 막 두께의 신뢰성이 낮아져버리는 경우가 있었다. 또한, 최적의 막 두께 추정의 알고리즘은 잔막 두께에 따라 바뀌지만, 종래의 방식에서는 잔막 두께가 고려되지 않았다.
본 발명은, 상기에 감안하여 이루어진 것으로, 연마 중 기판의 막 두께를 보다 정확하게 추정함으로써, 기판 연마의 종점을 적절하게 검지하는 것이 가능한 기판 연마 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태인 기판 연마 장치는, 기판을 연마 패드에 압박함으로써 기판 연마를 행하기 위한 톱링과, 기판의 피연마면에 광조사해서 그의 반사광을 수광함과 함께, 당해 반사광의 파장에 대한 반사율 스펙트럼을 산출하는 스펙트럼 생성부와, 반사율 스펙트럼에 기초하여 피연마면의 막 두께를 추정하기 위한 복수의 막 두께 추정 알고리즘을 기억하는 기억부와, 이 기억부에 기억된 막 두께 추정 알고리즘 중에서, 복수의 막 두께 추정 알고리즘과 그의 전환 조건을 설정하는 알고리즘 설정부와, 알고리즘 설정부에 의해 설정된 막 두께 추정 알고리즘에서 피연마면의 막 두께를 추정함과 함께, 전환 조건을 충족한 경우에 적용할 막 두께 추정 알고리즘을 전환하는 막 두께 추정부를 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 기판 연마 장치에 있어서, 피연마면의 막 두께가 소정의 목표값에 달했을 때, 기판 연마의 종점을 지시하는 제어 신호를 출력하는 종점 검지부를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 피연마면의 막 두께의 추정값이 설정값에 달했을 때, 막 두께 추정 알고리즘을 전환하도록 하는 것이 바람직하다. 혹은, 2개의 막 두께 추정 알고리즘에서 추정된 막 두께의 추정값의 차가 소정값 미만이 되었을 때, 막 두께 추정 알고리즘을 전환하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 기판 연마 장치에 있어서, 막 두께 추정 알고리즘을 전환하기 전에, 전환 전후의 2개의 막 두께 추정 알고리즘을 사용한 가중 함수에 의해 피연마면의 막 두께를 추정하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 알고리즘의 전환 전후에 있어서 추정값에 불연속성이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 막 두께 추정 알고리즘으로서, FFT를 사용해서 막 두께를 추정하는 제1 방법과, Fitting을 사용해서 막 두께를 추정하는 제2 방법을 포함하고, 제1 방법 후에 제2 방법으로 전환되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태인 기판 연마 방법은, 기판을 연마 패드에 압박함으로써 기판 연마를 행하는 기판 연마 방법이며, 기판의 피연마면에 광조사해서 그의 반사광을 수광함과 함께, 당해 반사광의 파장에 대한 반사율 스펙트럼을 산출하는 스텝과, 반사율 스펙트럼에 기초하여 피연마면의 막 두께를 추정하기 위한 복수의 막 두께 추정 알고리즘을 기억하는 기억부로부터, 복수의 막 두께 추정 알고리즘과 그의 전환 조건을 설정하는 스텝과, 설정된 상기 막 두께 추정 알고리즘에서 피연마면의 막 두께를 추정함과 함께, 전환 조건을 충족한 경우에 적용할 막 두께 추정 알고리즘을 전환하는 스텝을 구비한 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 연마 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 연마 헤드의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 기판 연마 장치에 구비된 광학 측정기의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4는 웨이퍼와 연마 테이블의 위치 관계를 도시하는 평면도이다.
도 5는 제어부의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 6은 웨이퍼로부터의 반사광의 스펙트럼을 도시하는 설명도이다.
도 7은 기판 연마 처리의 수순의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 기판 연마 처리의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 막 두께 추정 알고리즘의 전환 처리의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 10은 막 두께 추정 알고리즘의 전환 처리의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 동일 또는 상당하는 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이 연마 장치(10)는, 연마면(11a)을 갖는 연마 패드(11)가 설치된 연마 테이블(13)과, 기판의 일례인 웨이퍼(W)를 보유 지지하고 또한 연마 테이블(13) 상의 연마 패드(11)에 압박하면서 연마하기 위한 연마 헤드(15)와, 연마 패드(11)에 연마액(예를 들어 슬러리)을 공급하기 위한 연마액 공급 노즐(14)과, 웨이퍼(W)의 연마를 제어하는 연마 제어부(12)를 구비하고 있다.
연마 테이블(13)은 테이블 축(13a)을 통해서 그의 하방에 배치되는 테이블 모터(17)에 연결되어 있고, 이 테이블 모터(17)에 의해 연마 테이블(13)이 화살표로 나타내는 방향으로 회전되도록 되어 있다. 이 연마 테이블(13)의 상면에는 연마 패드(11)가 부착되어 있고, 연마 패드(11)의 상면이 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면(11a)을 구성하고 있다. 연마 헤드(15)는 연마 헤드 샤프트(16)의 하단에 연결되어 있다. 연마 헤드(15)는 진공 흡인에 의해 그의 하면에 웨이퍼(W)를 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 연마 헤드 샤프트(16)는, 도시하지 않은 상하 이동 기구에 의해 상하 이동하도록 되어 있다.
웨이퍼(W)의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 연마 헤드(15) 및 연마 테이블(13)을 각각 화살표로 나타내는 방향으로 회전시켜서, 연마액 공급 노즐(14)로부터 연마 패드(11) 상에 연마액(슬러리)을 공급한다. 이 상태에서, 연마 헤드(15)는 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)의 연마면(11a)에 압박한다. 웨이퍼(W)의 표면은, 연마액에 포함되는 지립의 기계적 작용과 연마액의 화학적 작용에 의해 연마된다.
도 2는 연마 헤드(15)의 구조를 도시하는 단면도이다. 연마 헤드(15)는 원판 형상의 캐리어(20)와, 캐리어(20) 아래에 복수의 압력실(에어백) D1, D2, D3, D4를 형성하는 원형의 유연한 탄성막(21)과, 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 배치되고, 연마 패드(11)를 압박하는 리테이너 링(22)을 구비하고 있다. 압력실 D1, D2, D3, D4는 탄성막(21)과 캐리어(20)의 하면 사이에 형성되어 있다.
탄성막(21)은 복수의 환 형상의 구획벽(21a)을 갖고 있고, 압력실 D1, D2, D3, D4는 이들 구획벽(21a)에 의해 서로 구획되어 있다. 중앙의 압력실 D1은 원형이고, 다른 압력실 D2, D3, D4는 환 형상이다. 이들 압력실 D1, D2, D3, D4는, 동심원 형상으로 배열되어 있다.
압력실 D1, D2, D3, D4는, 유체 라인 G1, G2, G3, G4에 접속되어 있고, 압력 조정된 가압 유체(예를 들어 가압 공기 등의 가압 기체)가 유체 라인 G1, G2, G3, G4를 통해서 압력실 D1, D2, D3, D4 내에 공급되도록 되어 있다. 유체 라인 G1, G2, G3, G4에는 진공 라인 U1, U2, U3, U4가 접속되어 있고, 진공 라인 U1, U2, U3, U4에 의해 압력실 D1, D2, D3, D4에 부압이 형성되도록 되어 있다.
압력실 D1, D2, D3, D4의 내부 압력은, 후술하는 처리부(32) 및 연마 제어부(12)에 의해, 서로 독립해서 변화시키는 것이 가능하고, 이에 의해, 웨이퍼(W)가 대응하는 4개의 영역, 즉 중앙부, 내측 중간부, 외측 중간부 및 주연부에 대한 연마 압력을 독립적으로 조정할 수 있다.
리테이너 링(22)과 캐리어(20) 사이에는, 환 형상의 탄성막(21)이 배치되어 있다. 이 탄성막(21)의 내부에는 환 형상의 압력실 D5가 형성되어 있다. 이 압력실 D5는, 유체 라인 G5에 접속되어 있고, 압력 조정된 가압 유체(예를 들어 가압 공기)가 유체 라인 G5를 통해서 압력실 D5 내에 공급되도록 되어 있다. 또한, 유체 라인 G5에는 진공 라인 U5가 접속되어 있고, 진공 라인 U5에 의해 압력실 D5에 부압이 형성되도록 되어 있다.
압력실 D5 내의 압력 변화에 수반하여, 탄성막(21)과 함께 리테이너 링(22)의 전체가 상하 방향으로 움직이기 때문에, 압력실 D5 내의 압력은 리테이너 링(22)에 가해지고, 리테이너 링(22)은 탄성막(21)과는 독립되어 연마 패드(11)를 직접 압박할 수 있도록 구성되어 있다. 웨이퍼(W)의 연마 중, 리테이너 링(22)은 웨이퍼(W)의 주위에서 연마 패드(11)를 압박하면서, 탄성막(21)이 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)에 대하여 압박한다.
캐리어(20)는 헤드 샤프트(16)의 하단에 고정되어 있고, 헤드 샤프트(16)는 상하 이동 기구(25)에 연결되어 있다. 이 상하 이동 기구(25)는 헤드 샤프트(16) 및 연마 헤드(15)를 상승 및 하강시키고, 또한 연마 헤드(15)를 소정의 높이에 위치시키도록 구성되어 있다. 이 연마 헤드 위치 결정 기구로서 기능하는 상하 이동 기구(25)로서는, 서보 모터와 볼 나사 기구의 조합이 사용된다.
상하 이동 기구(20)는 연마 헤드(15)를 소정의 높이에 위치시키고, 이 상태에서, 압력실 D1 내지 D5에 가압 유체가 공급된다. 탄성막(21)은 압력실 D1 내지 D4 내의 압력을 받아서 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)에 대하여 압박, 리테이너 링(22)은 압력실 D5 내의 압력을 받아서 연마 패드(11)를 압박한다. 이 상태에서 웨이퍼(W)가 연마된다.
연마 장치(10)는 웨이퍼(W)의 막 두께를 취득하는 광학 측정기(30)를 구비하고 있다. 이 광학 측정기(30)는 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라서 변화하는 광학 신호를 취득하는 광 센서(31)와, 광학 신호로부터 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 스펙트럼을 산출하는 처리부(32)를 구비하고 있다.
광 센서(31)는 연마 테이블(13)의 내부에 배치되어 있고, 처리부(32)는 연마 제어부(12)에 접속되어 있다. 광 센서(31)는, 도 1의 기호 A로 나타낸 바와 같이 연마 테이블(13)과 일체로 회전하고, 연마 헤드(15)에 보유 지지된 웨이퍼(W)의 광학 신호를 취득한다. 광 센서(31)는 처리부(32)에 접속되어 있고, 광 센서(31)에 의해 취득된 광학 신호는 처리부(32)로 보내진다.
도 3은 광학 측정기(30)를 구비한 연마 장치를 나타내는 모식 단면도이다. 연마 헤드 샤프트(16)는 벨트 등의 연결 수단(33)을 통해서 연마 헤드 모터(34)에 연결되어 회전 가능하도록 구성되어 있다. 이 연마 헤드 샤프트(16)의 회전에 의해, 연마 헤드(15)가 화살표로 나타내는 방향으로 회전한다.
광학 측정기(30)는 광 센서(31)와 처리부(32)를 구비한다. 광 센서(31)는 웨이퍼(W)의 표면에 광을 쏘여서, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 수광하고, 그 반사광을 파장에 따라서 분해하도록 구성되어 있다. 광 센서(31)는 광을 웨이퍼(W)의 피연마면에 조사하는 투광부(41)와, 웨이퍼(W)로부터 되돌아 오는 반사광을 수광하는 수광부로서의 광 파이버(42)와, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 소정의 파장 범위에 걸쳐서 반사광의 강도를 측정하는 분광기(43)를 구비하고 있다.
연마 테이블(13)에는, 그의 상면에서 개구되는 제1 구멍(50A) 및 제2 구멍(50B)이 형성되어 있다. 또한, 연마 패드(11)에는, 이들 구멍(50A, 50B)에 대응하는 위치에 통과 구멍(51)이 형성되어 있다. 구멍(50A, 50B)과 통과 구멍(51)은 연통되고, 통과 구멍(51)은 연마면(11a)에서 개구되어 있다. 제1 구멍(50A)은 액체 공급로(53) 및 로터리 조인트(도시하지 않음)를 통해서 액체 공급원(55)에 연결되어 있고, 제2 구멍(50B)은 액체 배출로(54)에 연결되어 있다.
투광부(41)는 다파장의 광을 발하는 광원(45)과, 광원(45)에 접속된 광 파이버(46)를 구비하고 있다. 광 파이버(46)는 광원(45)에 의해 발해진 광을 웨이퍼(W)의 표면까지 유도하는 광 전송부이다. 광 파이버(46, 42)의 선단은, 제1 구멍(50A) 내에 위치하고 있고, 웨이퍼(W)의 피연마면의 근방에 위치하고 있다. 광 파이버(46, 42)의 각 선단은, 연마 헤드(15)에 보유 지지된 웨이퍼(W)를 향해서 배치된다. 연마 테이블(13)이 회전할 때마다 웨이퍼(W)의 복수의 영역에 광이 조사된다. 바람직하게는, 광 파이버(46, 42)의 각 선단은, 연마 헤드(15)에 보유 지지된 웨이퍼(W)의 중심을 통과하도록 배치된다.
웨이퍼(W)의 연마 중에는, 액체 공급원(55)으로부터는, 투명한 액체로서 물(바람직하게는 순수)이 액체 공급로(53)를 통해서 제1 구멍(50A)에 공급되어, 웨이퍼(W)의 하면과 광 파이버(46, 42)의 선단 사이의 공간을 채운다. 물은, 또한 제2 구멍(50B)에 유입되고, 액체 배출로(54)를 통해서 배출된다. 연마액은 물과 함께 배출되고, 이에 의해 광로가 확보된다. 액체 공급로(53)에는, 연마 테이블(13)의 회전에 동기하여 작동하는 밸브(도시되지 않음)가 설치되어 있다. 이 밸브는, 통과 구멍(51) 위에 웨이퍼(W)가 위치하지 않을 때는 물의 흐름을 멈추거나, 또는 물의 유량을 적게 하도록 동작한다.
2개의 광 파이버(46, 42)는, 서로 병렬로 배치되어 있고, 각각의 선단은, 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 수직으로 배치되어 있고, 광 파이버(46)는 웨이퍼(W)의 표면에 수직으로 광을 조사하게 되어 있다.
웨이퍼(W)의 연마 중에는, 투광부(41)로부터 광이 웨이퍼(W)에 조사되고, 광 파이버(수광부)(42)에 의해 웨이퍼(W)로부터의 반사광이 수광된다. 분광기(43)는 각 파장에서의 반사광의 강도를 소정의 파장 범위에 걸쳐 측정하고, 얻어진 광 강도 데이터를 처리부(32)로 보낸다. 이 광 강도 데이터는, 웨이퍼(W)의 막 두께를 반영한 광학 신호이며, 반사광의 강도 및 대응하는 파장으로 구성된다.
도 4는 웨이퍼(W)와 연마 테이블(13)의 위치 관계를 도시하는 평면도이다. 투광부(41) 및 수광부(42)는, 웨이퍼(W)의 표면에 대향해서 배치되어 있다. 투광부(41)는 연마 테이블(13)이 1회전할 때마다 웨이퍼(W)의 중심을 포함하는 복수의 영역(도 4에 있어서의 복수의 검정 동그라미점)에 광을 조사한다.
웨이퍼(W)는 하층막과, 그 위에 형성된 상층막(예를 들어 실리콘층 또는 절연막)을 갖고 있다. 웨이퍼(W)에 조사된 광은, 매질(예를 들어 물)과 상층막의 계면 및 상층막과 하층막의 계면에서 반사하고, 이들 계면에서 반사한 광의 파가 서로 간섭한다. 이 광의 파의 간섭 방법은, 상층막의 두께(즉 광로 길이)에 따라서 변화한다. 이 때문에, 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성되는 스펙트럼은, 상층막의 두께에 따라서 변화한다.
분광기(43)는 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정한다. 또한, 처리부(32)는 분광기(43)에서 얻어진 반사광의 강도 데이터(광학 신호)로부터 스펙트럼을 생성한다. 이하, 연마되는 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성된 스펙트럼을, 측정 스펙트럼(반사율 스펙트럼)이라고 한다. 이 측정 스펙트럼은, 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프(즉 분광 파형)로서 표현된다. 광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 6은 처리부(32)에 의해 생성된 측정 스펙트럼을 도시하는 도면이며, 횡축은 광의 파장을 나타내고, 종축은 웨이퍼(W)로부터 반사한 광의 강도에 기초하여 산출되는 상대 반사율을 나타낸다. 여기서, 상대 반사율이란, 광의 반사 강도를 나타내는 하나의 지표이며, 구체적으로는, 광의 강도와 소정의 기준 강도의 비이다. 각 파장에 있어서 광의 강도(실측 강도)를 기준 강도로 나눔으로써, 장치의 광학계나 광원 고유의 강도의 변동 등의 불필요한 노이즈가 실측 강도로부터 제거되고, 이에 의해 막의 두께 정보만을 반영한 측정 스펙트럼을 얻을 수 있다.
기준 강도는, 예를 들어 막이 형성되어 있지 않은 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 물의 존재 하에서 물연마하고 있을 때 얻어진 광의 강도로 할 수 있다. 실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 얻어진 배경 강도)을 빼서 보정 실측 강도를 구하고, 또한 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 빼서 보정 기준 강도를 구하고, 그리고 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 제산함으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은, 다음 식에서 구할 수 있다.
R(λ)=(E(λ)-D(λ))/(B(λ)-D(λ))
여기서, λ는 파장이며, E(λ)는 웨이퍼로부터 반사한 파장 λ에서의 광이 강도이고, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이고, D(λ)는 광을 차단한 상태에서 취득된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
도 5는 연마 제어부(12)의 구성을 도시하는 블록도이며, 연마 제어부(12)는 메모리(61), 알고리즘 설정부(62), 막 두께 추정부(63)와 종점 검지부(64)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 처리부(32)와 연마 제어부(12)를 분리하고 있지만, 처리부(32)를 연마 제어부(12)에 포함하도록 구성해도 된다.
메모리(61)에는 처리부(32)나 연마 제어부(12)를 구동하기 위한 프로그램 외에, 후술하는 막 두께 추정 알고리즘을 실행하기 위한 처리 프로그램, 막 두께 추정 알고리즘을 전환하기 위한 전환 조건 등의 각종 데이터가 기억되고 있다.
알고리즘 설정부(62)는 메모리(61)에 기억되어 있는 복수의 막 두께 추정 알고리즘 중에서, 웨이퍼(W)의 연마 처리에 사용해야 할 복수의 막 두께 추정 알고리즘과 그 적용 조건을 설정한다. 당해 설정은, 도시하지 않은 조작 입력부를 통해서 오퍼레이터에 의해 수동으로 입력할 수 있다. 혹은, 피연마층 내지 그의 하지층의 재질이나, 연마 종료 시의 막 두께 목표값 등에 따라서 자동으로 설정하도록 구성해도 된다.
막 두께 추정부(63)는 처리부(32)에서 생성된 반사광의 스펙트럼에 대하여, 알고리즘 설정부(62)에서 설정된 막 두께 추정 알고리즘을 적용하여, 연마 중 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정한다. 또한, 막 두께 추정부(63)는, 연마 중 웨이퍼(W)의 막 두께가 소정값에 달했을 때, 혹은 소정의 전환 조건을 만족시켰을 때, 적용할 막 두께 알고리즘을 전환한다. 종점 검지부(64)는, 당해 추정된 막 두께가 소정의 목표값에 도달했는지 여부를 판정하고, 도달한 경우에는 연마 종료를 지시하는 제어 신호를 생성한다.
여기서, 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정하는 알고리즘으로서는, 예를 들어 참조 스펙트럼(Fitting Error) 알고리즘, FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘, 피크 밸리(Peak Valley) 알고리즘 및 연마 지수(Polishing Index) 알고리즘을 사용할 수 있다.
참조 스펙트럼 알고리즘에서는, 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 포함하는 복수의 스펙트럼 그룹을 준비해 둔다. 처리부(32)로부터의 스펙트럼 신호(반사율 스펙트럼)와, 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택한다. 그리고, 웨이퍼 연마 중에, 막 두께를 측정하기 위한 측정 스펙트럼을 생성하고, 선택된 스펙트럼 그룹 중에서, 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 선택하고, 당해 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를, 연마 중 웨이퍼의 막 두께로서 추정한다.
FFT 알고리즘에서는, 처리부(32)로부터의 스펙트럼 신호(반사율 스펙트럼)에 대하여, FFT(고속 푸리에 변환)를 행하여 주파수 성분과 그의 강도를 추출하고, 얻어진 주파수 성분을 소정의 관계식(피연마층의 두께를 나타내는 함수이고, 실측 결과 등으로부터 구해진다)을 사용해서 피연마층의 두께로 변환한다. 이에 의해, 피연마층의 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼을 생성한다. 주파수 성분으로부터 변환된 피연마층의 두께에 대한 스펙트럼의 피크 강도가 역치를 초과한 경우에, 당해 피크 강도에 대응하는 주파수 성분(피연마층의 두께)을, 연마 중 웨이퍼의 막 두께로 추정한다.
피크 밸리(Peak Valley) 알고리즘에서는, 처리부(32)로부터의 스펙트럼 신호(반사율 스펙트럼)에 대해서, 그의 극값(극댓값 또는 극솟값)을 나타내는 극값점이 되는 파장을 추출한다. 피연마층의 막 두께가 감소함에 따라서, 극값점이 되는 파장이 단파장측으로 시프트해 가는 점에서, 웨이퍼의 연마에 수반하여 극값점을 모니터함으로써, 피연마층의 막 두께를 추정할 수 있다. 그리고, 웨이퍼의 직경 방향의 복수의 점에 있어서, 극값점이 되는 파장을 모니터함으로써, 프로파일을 취득할 수 있다.
연마 지수(Polishing Index) 알고리즘에서는, 처리부(32)로부터의 스펙트럼 신호(반사율 스펙트럼)를 받아, 소정 시간당 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 당해 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산함으로써, 스펙트럼 누적 변화량을 산출한다. 스펙트럼의 누적 변화량은, 웨이퍼의 연마에 수반하여 단조 증가하고, 한편으로 막 두께는 단조 감소하기 때문에, 스펙트럼 누적 변화량이 소정의 목표값에 달한 시점을 연마 종료로서 판정할 수 있다.
도 7은 연마 중 웨이퍼(W)에 적용하는 막 두께 추정 알고리즘을 전환하면서, 막 두께 추정을 행하는 실시예를 나타낸 흐름도이다. 웨이퍼(W)의 연마 목표값(최종 막 두께), 피연마층 및 하지층의 재질과 같은 정보가 입력됨과 함께, 웨이퍼(W)의 막 두께 추정에 사용되는 복수의 알고리즘(도 7의 예에서는 3개)이 선택된다(스텝 S10).
도 7의 예에서는, 막 두께 추정 알고리즘으로서, FFT, Fitting Error 및 Polishing Index의 3개의 알고리즘이 선택된다. 웨이퍼(W)의 막 두께가 두꺼운 경우에는, 측정광의 간섭 파형의 피크(산과 골)의 수가 많기 때문에, FFT에 의해 막 두께 추정을 행하는 것이 바람직하다. 그리고, 막 두께가 얇아짐에 따라서, 피크의 수가 감소하는 점에서, 예를 들어 막 두께가 1㎛ 이하인 경우에는, 별도의 알고리즘(Fitting Error)에 의해 막 두께를 추정하는 것이 바람직하다. 또한 막 두께가 얇아지고, 예를 들어 50㎚ 이하가 되면 간섭 줄무늬를 파악하는 것이 곤란해지므로, Polishing Index 알고리즘에 의한 간섭 파형의 변화량에 기초하여 막 두께를 추정하는 것이 바람직하다.
이 때문에, 도 7의 예에서는, 알고리즘 설정부(62)에 있어서, FFT, Fitting Error 및 Polishing Index의 막 두께 추정 알고리즘의 처리 프로그램이, 메모리(61)로부터 판독되어, FFT, Fitting Error 및 Polishing Index의 순서로 설정된다(스텝 S11). 그리고, 알고리즘의 전환 조건으로서, 웨이퍼(W)의 피연마층의 막 두께가 1㎛ 이하(전환 조건 1), 50㎚ 이하(전환 조건 2)로 설정된다(스텝 S12). 그 후, 기판 연마가 개시된다(스텝 S13).
기판 연마가 개시되면, 막 두께 추정부(63)에서는, FFT 알고리즘에 따라, 연마 중 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정한다(스텝 S14). 그리고, 막 두께가 1㎛ 이하가 되었는지 여부(전환 조건 1을 충족했는지 여부)를 판정하여(스텝 S15), 충족하지 못한 경우(추정된 막 두께가 1㎛를 초과하는 경우)에는, 스텝 S14로 되돌아가서, 웨이퍼(W)의 연마를 행하면서 FFT 알고리즘에 의한 막 두께 추정이 반복된다.
한편, 전환 조건 1을 충족한 경우에는, 막 두께 추정부(63)에서는, Fitting Error 알고리즘에 따라, 연마 중 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정한다(스텝 S16). 그리고, 막 두께가 50㎚ 이하가 되었는지 여부(전환 조건 2를 충족했는지 여부)를 판정하여(스텝 S17), 충족하지 못한 경우(추정된 막 두께가 50㎚를 초과하는 경우)에는, 스텝 S16으로 되돌아가서, 웨이퍼(W)의 연마를 행하면서 Fitting Error 알고리즘에 의한 막 두께 추정이 반복된다.
전환 조건 2를 충족한 경우에는, 막 두께 추정부(63)에서는, Polishing Index 알고리즘에 따라, 연마 중 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정한다(스텝 S18). 그리고, 막 두께가 목표값에 도달했는지 여부를 판정하여(스텝 S19), 목표값에 도달한 경우에는, 종점 검지부(64)에 있어서, 기판 연마를 종료시키는 제어 신호를 출력한다(스텝 S20). 한편, 막 두께가 목표값에 달하지 않은 경우에는, 스텝 S18로 되돌아가서, 웨이퍼(W)의 연마를 행하면서 Polishing Index 알고리즘에 의한 막 두께 추정이 반복된다.
이와 같이, 기판의 막 두께에 따라서 막 두께 추정 알고리즘을 전환해서 사용하도록 했기 때문에, 기판 연마의 진척 상황에 적합한 막 두께 추정 알고리즘을 적용함으로써, 막 두께를 보다 정확하게 추정할 수 있어, 기판 연마의 종점을 적절하게 검지할 수 있다.
본 발명에 의한 막 두께 추정 알고리즘의 전환 방법은, 상기 실시예에 한정되지 않고, 적절한 방법을 조합할 수 있다. 도 8은 Peak Valley 알고리즘과 Fitting Error 알고리즘을 조합한 경우의 예이며, Fitting Error 알고리즘에 관해서는, 막 두께가 H1 내지 H2의 범위 내에 대응하는 기준 스펙트럼(막 두께가 H1 내지 H2의 참조 웨이퍼에 의해 계측된 막 두께와 기준 스펙트럼의 데이터)만이, 메모리(61)에 기억되어 있는 것을 전제로 한다. 즉, Fitting Error 알고리즘에서 추정가능한 막 두께 범위는, H1 내지 H2로 되어 있다.
이 경우, 막 두께가 H2를 초과하는 웨이퍼(W)를 연마하는 경우에는, Fitting Error 알고리즘에 의해 기판의 막 두께를 추정하는 것은 어렵다. 이 때문에, 도 8에서 나타낸 바와 같이, Fitting Error를 적용할 수 있는 구간(막 두께 H1 내지 H2)에서 연마 레이트가 일정하다고 추정하여, 막 두께가 H1을 초과하는 구간을 외삽하고, 외삽된 에어리어(외삽 에어리어)에서는 Peak Valley 알고리즘에서 막 두께를 추정한다.
도 8의 예에 있어서, 시간 T0에서, 막 두께가 H2를 초과하는 기판의 연마가 개시되면, 막 두께 추정부(63)에서는, Peak Valley 알고리즘에서 막 두께를 추정한다. 그리고, 시각 T1에서 웨이퍼(W)의 막 두께가 H1이 된 시점에서, 막 두께 추정부(63)는, 추정 알고리즘을 Fitting Error 알고리즘으로 전환하고, 웨이퍼(W)의 막 두께 추정을 행한다. 어느 막 두께 추정 알고리즘에서 대응할 수 없는 막 두께에 있어서, 별도 알고리즘에서 막 두께 추정을 행함으로써, 대응 가능한 막 두께 범위를 넓힐 수 있다.
상기 실시 형태에서는, 막 두께 추정에 있어서 단일 막 두께 추정 알고리즘을 적용하고 있지만, 복수 알고리즘을 전환할 때 추정 막 두께가 불연속이 되어버릴 우려가 있다. 이 때문에, 전환 전의 일정 구간에 있어서 복수의 알고리즘을 동시에 적용하는 것이 바람직하다.
도 9는 2개의 알고리즘에 의해 추정된 막 두께값이 최솟값을 취하는 경우(혹은 소정값 이하가 된 경우)에, 적용하는 알고리즘을 전환하는 예를 나타낸 것이다. 알고리즘 1에서 막 두께 추정을 행하면서 기판 연마가 행해지고, 시간 T4에서 추정된 막 두께가 H3이 된 경우에, 막 두께 추정부(63)는, 알고리즘 1에 의한 막 두께 추정을 계속하면서, 별도 알고리즘 2를 사용해서 막 두께 추정을 행한다.
그 후, 시간 T5에서, 이들 2개의 알고리즘 1, 2에 의해 추정된 막 두께가 H4로 일치한 경우(혹은 소정값 이하가 된 경우)에, 막 두께 추정부(63)는 적용할 알고리즘을 알고리즘 2로 전환한다. 이에 의해, 알고리즘의 전환 시에 있어서, 추정 막 두께가 불연속이 되어버리는 것을 방지할 수 있다.
도 10은 복수의 알고리즘을 동시에 적용하는 다른 예를 나타낸 것이다. 이 예에서는, 알고리즘 1에서 막 두께 추정을 행하면서 기판 연마가 행해지고, 시간 T6에서 추정된 막 두께가 H5가 된 경우에, 막 두께 추정부(63)는, 알고리즘 1과 알고리즘 2에 의해 막 두께 추정을 행하고, 하기 식에 의해 막 두께 F(w)를 추정한다.
F(w)=(1-w)×x1+w×x2
여기서, x1은 알고리즘 1에 의한 막 두께 추정값, x2는 알고리즘 2에 의한 막 두께 추정값, w는 시간 T를 입력값으로서 예를 들어 다음 식으로 표시되는 가중 계수이다.
w(T)=(T-T6)/(T7-T6)
이와 같이, 가중 계수 w를 사용해서 복수의 알고리즘을 동시에 사용해서 막 두께 추정을 행함으로써, 알고리즘의 전환 시에 있어서, 추정 막 두께가 불연속이 되어버리는 것을 방지할 수 있다.
상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 실시할 수 있음을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는, 당업자이면 당연히 이룰 수 있는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 본 발명은, 기재된 실시 형태에 한정되지 않고, 청구범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.

Claims (7)

  1. 기판을 연마 패드에 압박함으로써 기판 연마를 행하기 위한 톱링과,
    상기 기판의 피연마면에 광조사해서 그의 반사광을 수광함과 함께, 당해 반사광의 파장에 대한 반사율 스펙트럼을 산출하는 스펙트럼 생성부와,
    상기 반사율 스펙트럼에 기초하여 상기 피연마면의 막 두께를 추정하기 위한 복수의 막 두께 추정 알고리즘을 기억하는 기억부와,
    상기 기억부에 기억된 막 두께 추정 알고리즘 중에서, 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 제2 막 두께 추정 알고리즘, 및 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘으로부터 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘으로의 전환 조건을 설정하는 알고리즘 설정부와,
    상기 알고리즘 설정부에 의해 설정된 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘에서 상기 피연마면의 막 두께를 추정함과 함께, 상기 전환 조건을 충족한 경우에 기판 연마의 종료 판정에 적용할 막 두께 추정 알고리즘을 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘으로부터 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘으로 전환하는 막 두께 추정부를 구비하고,
    상기 전환 조건은, 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘에서 추정된 막 두께의 추정값의 차가 소정 값 미만으로 된 것인 기판 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피연마면의 막 두께의 추정값이 소정의 목표값에 달했을 때, 기판 연마의 종점을 지시하는 제어 신호를 출력하는 종점 검지부를 구비한 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전환 조건은, 상기 피연마면의 막 두께의 추정값이 설정값에 달한 것임을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 막 두께 추정 알고리즘을 전환하기 전에, 전환 전후의 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘을 사용한 가중 함수에 의해 피연마면의 막 두께를 추정하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 막 두께 추정 알고리즘은 FFT를 사용해서 막 두께를 추정하는 방법이고, 제2 막 두께 추정 알고리즘은 Fitting을 사용해서 막 두께를 추정하는 방법인 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
  6. 기판을 연마 패드에 압박함으로써 기판 연마를 행하는 기판 연마 방법이며,
    상기 기판의 피연마면에 광조사해서 그의 반사광을 수광함과 함께, 당해 반사광의 파장에 대한 반사율 스펙트럼을 산출하는 스텝과,
    상기 반사율 스펙트럼에 기초하여 상기 피연마면의 막 두께를 추정하기 위한 복수의 막 두께 추정 알고리즘을 기억하는 기억부로부터, 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 제2 막 두께 추정 알고리즘, 및 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘으로부터 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘으로의 전환 조건을 설정하는 스텝과,
    설정된 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘에서 상기 피연마면의 막 두께를 추정함과 함께, 상기 전환 조건을 충족한 경우에 기판 연마의 종료 판정에 적용할 막 두께 추정 알고리즘을 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘으로부터 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘으로 전환하는 스텝을 구비하고,
    상기 전환 조건은, 상기 제1 막 두께 추정 알고리즘 및 상기 제2 막 두께 추정 알고리즘에서 추정된 막 두께의 추정값의 차가 소정 값 미만으로 된 것인 기판 연마 방법.
  7. 삭제
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