KR20190011206A - 연마 장치 및 연마 방법 - Google Patents

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Abstract

웨이퍼의 연마 레이트에 영향을 주지 않고, 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있는 연마 장치를 제공한다.
연마 장치는, 웨이퍼 W를 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드(5)와, 연마 테이블(3) 내의 유로(7) 내에 배치된 선단(34a)을 갖고, 광원(30)에 접속된 투광 파이버(34)와, 웨이퍼 W로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기(26)와, 유로(7) 내에 배치된 선단(50a)을 갖고, 분광기(26)에 접속된 수광 파이버(50)와, 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부(27)와, 유로(7)에 연통되는 액체 공급 라인(62)과, 유로(7)에 연통되는 기체 공급 라인(63)과, 액체 공급 라인(62)에 설치된 액체 공급 밸브(65)와, 기체 공급 라인(63)에 설치된 기체 공급 밸브(67)와, 액체 공급 밸브(65) 및 기체 공급 밸브(67)의 동작을 제어하는 동작 제어부(71)를 구비한다.

Description

연마 장치 및 연마 방법{POLISHING APPARATUS AND POLISHING METHOD}
본 발명은 막이 표면에 형성되어 있는 웨이퍼를 연마하는 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것이며, 특히 웨이퍼로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보를 해석함으로써 웨이퍼의 막 두께를 검출하면서 웨이퍼를 연마하는 연마 장치 및 연마 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에는, SiO2 등의 절연막을 연마하는 공정이나, 구리, 텅스텐 등의 금속막을 연마하는 공정 등의 다양한 공정이 포함된다. 이면 조사형 CMOS 센서 및 실리콘 관통 전극(TSV)의 제조 공정에서는, 절연막이나 금속막의 연마 공정 이외에도, 실리콘층(실리콘 웨이퍼)을 연마하는 공정이 포함된다. 웨이퍼의 연마는, 그 표면을 구성하는 막(절연막, 금속막, 실리콘층 등)의 두께가 소정의 목표값에 도달하였을 때에 종료된다.
웨이퍼의 연마는 연마 장치를 사용하여 행해진다. 절연막이나 실리콘층 등의 비금속막의 막 두께를 측정하기 위해, 연마 장치는, 일반적으로, 광학식 막 두께 측정 장치를 구비한다. 이 광학식 막 두께 측정 장치는, 광 파이버의 선단으로 구성되는 광 센서로부터 광을 웨이퍼의 표면으로 유도하고, 웨이퍼로부터의 반사광을 광 센서에 의해 수취하고, 그리고 반사광의 스펙트럼을 해석함으로써, 웨이퍼의 막 두께를 검출하도록 구성된다. 슬러리가 광 센서에 부착되는 것을 방지하기 위해, 웨이퍼의 연마 중에는 광 센서는 순수의 흐름 속에 놓인다.
일본 특허 공개 제2009-302577호 공보 일본 특허 공개 제2017-5014호 공보
그러나, 웨이퍼의 연마 중에 슬러리가 순수로 희석되어, 웨이퍼의 연마 레이트가 국소적으로 저하되는 경우가 있다.
따라서, 본 발명은 웨이퍼의 연마 레이트에 영향을 주지 않고, 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있는 연마 장치 및 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는, 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과, 웨이퍼를 상기 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드와, 광을 발하는 광원과, 상기 연마 테이블 내의 유로 내에 배치된 선단을 갖고, 상기 광원에 접속된 투광 파이버와, 웨이퍼로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와, 상기 유로 내에 배치된 선단을 갖고, 상기 분광기에 접속된 수광 파이버와, 상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부와, 상기 유로에 연통되는 액체 공급 라인과, 상기 유로에 연통되는 기체 공급 라인과, 상기 액체 공급 라인에 설치된 액체 공급 밸브와, 상기 기체 공급 라인에 설치된 기체 공급 밸브와, 상기 액체 공급 밸브 및 상기 기체 공급 밸브의 동작을 제어하는 동작 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 유로 내에 배치된 초음파 진동자를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고, 슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하면서, 상기 연마 패드에 웨이퍼를 압박하여 해당 웨이퍼를 연마하고, 상기 웨이퍼의 연마 중에, 투광 파이버로부터 상기 웨이퍼로 광을 유도하고, 상기 웨이퍼로부터의 반사광을 수광 파이버에 의해 받고, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단은 상기 연마 테이블 내의 유로 내에 있고, 상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하고, 상기 웨이퍼의 연마 중에, 액체 및 기체를 교대로 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 있을 때에 상기 기체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키고, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 없을 때에 상기 액체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 없을 때에 상기 기체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키고, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 있을 때에 상기 액체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 유로가 액체로 채워져 있을 때에 상기 유로 내에 배치된 초음파 진동자를 진동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양태는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고, 슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하면서, 상기 연마 패드에 웨이퍼를 압박하여 해당 웨이퍼를 연마하고, 상기 웨이퍼의 연마 중에, 투광 파이버로부터 상기 웨이퍼로 광을 유도하고, 상기 웨이퍼로부터의 반사광을 수광 파이버에 의해 받고, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단은 상기 연마 테이블 내의 유로 내에 있고, 상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하고, 상기 웨이퍼의 연마 중에, 물보다도 높은 굴절률을 갖는 액체를 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명에 따르면, 웨이퍼의 연마 중에 기체와 액체를 전환할 수 있다. 기체는 슬러리를 희석하지 않으므로, 연마 장치는 웨이퍼의 연마 레이트를 저하시키지 않고, 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연마 장치를 도시하는 도면.
도 2는 연마 패드 및 연마 테이블을 도시하는 상면도.
도 3은 연마 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 도면.
도 4는 연마 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 도면.
도 5는 연마 패드의 관통 구멍에 투명창이 끼워 넣어진 일 실시 형태를 도시하는 도면.
도 6은 광학식 막 두께 측정기의 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 7은 분광 파형의 일례를 나타내는 그래프.
도 8은 도 7에 도시한 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연마 장치를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는, 연마 패드(1)를 지지하는 연마 테이블(3)과, 웨이퍼 W를 보유 지지하고 웨이퍼 W를 연마 테이블(3) 상의 연마 패드(1)에 압박하는 연마 헤드(5)와, 연마 패드(1)에 슬러리를 공급하기 위한 슬러리 공급 노즐(10)과, 웨이퍼 W의 연마를 제어하는 연마 제어부(12)를 구비하고 있다.
연마 테이블(3)은 테이블축(3a)을 통해 그 하방에 배치되는 테이블 모터(19)에 연결되어 있고, 이 테이블 모터(19)에 의해 연마 테이블(3)이 화살표로 나타내는 방향으로 회전되도록 되어 있다. 이 연마 테이블(3)의 상면에는 연마 패드(1)가 부착되어 있고, 연마 패드(1)의 상면이 웨이퍼 W를 연마하는 연마면(1a)을 구성하고 있다. 연마 헤드(5)는 연마 헤드 샤프트(16)의 하단에 연결되어 있다. 연마 헤드(5)는 진공 흡인에 의해 그 하면에 웨이퍼 W를 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 연마 헤드 샤프트(16)는 도시하지 않은 상하 이동 기구에 의해 상하 이동할 수 있도록 되어 있다.
웨이퍼 W의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 연마 헤드(5) 및 연마 테이블(3)을 각각 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키고, 슬러리 공급 노즐(10)로부터 연마 패드(1) 상에 슬러리를 공급한다. 이 상태에서, 연마 헤드(5)는 웨이퍼 W를 연마 패드(1)의 연마면(1a)에 압박한다. 웨이퍼 W의 표면은, 슬러리의 화학적 작용과 슬러리에 포함되는 지립의 기계적 작용에 의해 연마된다.
연마 장치는, 웨이퍼 W의 막 두께를 측정하는 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)(25)를 구비하고 있다. 이 광학식 막 두께 측정기(25)는 광을 발하는 광원(30)과, 연마 테이블(3) 내의 소정의 위치에 배치된 선단(34a)을 갖는 투광 파이버(34)와, 연마 테이블(3) 내의 상기 소정의 위치에 배치된 선단(50a)을 갖는 수광 파이버(50)와, 웨이퍼 W로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기(26)와, 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부(27)를 구비하고 있다. 분광기(26)는 처리부(27)에 전기적으로 접속되어 있고, 처리부(27)는 연마 제어부(12)에 전기적으로 접속되어 있다.
투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)은 연마 테이블(3) 내에 형성된 유로(7) 내에 배치되어 있다. 투광 파이버(34)의 선단(34a)과 수광 파이버(50)의 선단(50a)은 서로 인접하고 있고, 이들 선단(34a, 50a)은 광 센서(61)를 구성한다. 연마 패드(1)는 광 센서(61)의 상방에 위치하는 관통 구멍(1b)을 갖고 있고, 광 센서(61)는 관통 구멍(1b)을 통해 연마 패드(1) 상의 웨이퍼 W로 광을 유도하고, 웨이퍼 W로부터의 반사광을 받을 수 있도록 되어 있다.
일 실시 형태에서는, 투광 파이버(34)는 연마 테이블(3) 내의 상이한 위치에 배치된 복수의 선단을 가져도 되고, 마찬가지로 수광 파이버(50)는 연마 테이블(3) 내의 상기 상이한 위치에 배치된 복수의 선단을 각각 가져도 된다. 이 경우도, 투광 파이버(34)의 선단(34a)과 수광 파이버(50)의 선단은 서로 인접하여 배치되고, 투광 파이버(34)의 선단과 수광 파이버(50)의 선단은, 연마 패드(1) 상의 웨이퍼 W로 광을 유도하고, 웨이퍼 W로부터의 반사광을 받는 복수의 광 센서를 구성한다.
도 2는 연마 패드(1) 및 연마 테이블(3)을 도시하는 상면도이다. 광 센서(61)는 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 웨이퍼 W를 가로지른다. 본 실시 형태에서는, 연마 테이블(3)의 중심으로부터의 광 센서(61)의 거리는, 연마 테이블(3)의 중심으로부터의 연마 헤드(5)의 중심까지의 거리와 동일하다. 따라서, 광 센서(61)는 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 웨이퍼 W의 중심을 가로지르면서, 웨이퍼 W로 광을 유도하고, 웨이퍼 W로부터의 반사광을 받는다.
도 1로 되돌아가, 막 두께 측정기(25)는 유로(7)에 연통되는 액체 공급 라인(62)과, 유로(7)에 연통되는 기체 공급 라인(63)과, 액체 공급 라인(62)에 설치된 액체 공급 밸브(65)와, 기체 공급 라인(63)에 설치된 기체 공급 밸브(67)를 더 구비하고 있다. 액체 공급 라인(62)은 연마 장치가 설치되는 공장에 구비된 유틸리티 공급원인 액체 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 기체 공급 라인(63)은 상기 공장에 구비된 유틸리티 공급원인 청정 공기 공급원 또는 질소 가스 공급원 등의 기체 공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 일 실시 형태에서는, 액체 공급 라인(62)은 순수를 공급하기 위한 순수 공급 라인이다.
액체 공급 밸브(65) 및 기체 공급 밸브(67)는 전자 밸브, 전동 밸브 또는 에어 오퍼레이트 밸브 등의 액추에이터 구동형 밸브이다. 액체 공급 밸브(65) 및 기체 공급 밸브(67)의 동작은 동작 제어부(71)에 의해 제어된다. 동작 제어부(71)가 액체 공급 밸브(65)에 지령을 발하여 해당 액체 공급 밸브(65)를 개방하면, 액체(예를 들어 순수)가 액체 공급 라인(62)을 통해 유로(7)에 유입되고, 유로(7) 내에 있는 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉한다. 마찬가지로, 동작 제어부(71)가 기체 공급 밸브(67)에 지령을 발하여 해당 기체 공급 밸브(67)를 개방하면, 기체(청정 공기 또는 질소 가스)가 액체 공급 라인(62)을 통해 유로(7)에 유입되고, 유로(7) 내에 있는 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉한다. 동작 제어부(71)와 처리부(27)는 일체로 구성되어도 된다.
막 두께 측정기(25)는 유로(7)에 접속된 유체 배출 라인(73)을 더 갖고 있다. 유로(7)에 공급된 액체 및 기체는, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉한 후, 유체 배출 라인(73)을 통해 유로(7)로부터 배출된다. 액체 공급 라인(62), 기체 공급 라인(63) 및 유체 배출 라인(73)은 로터리 조인트(56)을 통해 연장되어 있다.
웨이퍼 W의 연마 중에는, 동작 제어부(71)는 액체 공급 밸브(65) 및 기체 공급 밸브(67)를 조작하여, 액체와 기체를 교대로 유로(7)에 공급한다. 보다 구체적으로는, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼 W의 하방 위치에 오기 전에, 동작 제어부(71)는 기체 공급 밸브(67)를 개방하고, 액체 공급 밸브(65)를 폐쇄한다. 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼 W의 아래에 위치하고 있는 동안은, 기체 공급 밸브(67)는 개방된 상태로 유지되고, 액체 공급 밸브(65)는 폐쇄된 상태로 유지된다. 기체는, 기체 공급 라인(63)을 통해 유로(7)에 공급되어, 투광 파이버(34)의 선단(34a), 수광 파이버(50)의 선단(50a) 및 웨이퍼 W의 표면에 접촉한다. 기체는 유로(7)를 채우고, 그 후 유체 배출 라인(73)을 통해 유로(7)로부터 배출된다.
유로(7) 내의 기체의 흐름은, 슬러리가 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉하는 것을 방지한다. 기체는 슬러리를 희석하지 않으므로, 막 두께 측정기(25)는 웨이퍼 W의 연마 레이트를 저하시키지 않고, 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있다.
투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼 W를 통과한 후, 동작 제어부(71)는 기체 공급 밸브(67)를 폐쇄하고, 액체 공급 밸브(65)를 개방한다. 액체는, 액체 공급 라인(62)을 통해 유로(7)에 공급되어, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉한다. 액체는 유로(7)를 채우고, 그 후 유체 배출 라인(73)을 통해 유로(7)로부터 배출된다. 액체는, 유로(7) 내에 침입한 슬러리를 씻어내고, 또한 연마 패드(1) 상에서의 슬러리의 건조를 방지한다. 유로(7) 내는 액체의 흐름에 의해 청정하게 유지된다. 또한, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼 W의 하방 위치에 오기 전에, 동작 제어부(71)는 기체 공급 밸브(67)를 개방하고, 액체 공급 밸브(65)를 폐쇄한다.
본 실시 형태에 따르면, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼 W의 아래에 있을 때에, 기체는 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉하고, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼의 아래에 없을 때에, 액체는 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉한다. 이와 같이, 웨이퍼 W의 연마 중에, 액체 및 기체는 교대로 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉하여, 광의 전달과 유로(7)의 내부 세정이 교대로 행해진다.
일 실시 형태에서는, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼 W의 아래에 없을 때에, 기체는 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉하고, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)이 웨이퍼의 아래에 있을 때에, 액체는 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉하도록, 동작 제어부(71)는 웨이퍼 W의 연마 중, 액체 공급 밸브(65) 및 기체 공급 밸브(67)를 조작해도 된다.
도 3은 연마 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 도면이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성은 도 1에 도시한 실시 형태와 동일하므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 유로(7) 내에 초음파 진동자(80)가 배치되어 있다. 초음파 진동자(80)는 동작 제어부(71)에 전기적으로 접속되어 있고, 초음파 진동자(80)의 동작은 동작 제어부(71)에 의해 제어된다.
유로(7)가 액체로 채워져 있을 때, 액체는 초음파 진동자(80)에 접촉한다. 이때, 동작 제어부(71)가 초음파 진동자(80)에 지령을 발하여 초음파 진동자(80)를 진동시키면, 초음파는 유로(7) 내의 액체에서 전파되어 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)을 세정한다. 또한, 초음파는 유로(7)를 형성하는 벽면도 세정한다. 본 실시 형태에 따르면, 투광 파이버(34)의 선단(34a) 및 수광 파이버(50)의 선단(50a)을 포함하는 유로(7) 내는 청정하게 유지되므로, 정확한 막 두께 측정이 확보된다.
도 4는 연마 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 도면이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성은 도 1에 도시한 실시 형태와 동일이므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 본 실시 형태에서는, 막 두께 측정기(25)는 액체 공급 라인(62) 대신에, 물보다도 높은 굴절률을 갖는 액체를 유로(7)에 공급하는 액체 공급 라인(85)을 구비하고 있다. 기체 공급 라인(63)은 설치되어 있지 않다. 웨이퍼 W의 연마 중, 액체는 액체 공급 라인(85)을 통해 유로(7)에 유입되고, 유로(7)를 채우고, 유체 배출 라인(73)을 통해 유로(7)로부터 배출된다.
물보다도 높은 굴절률을 갖는 액체는, 수광 파이버(50)의 코어에 가까운 굴절률을 갖는다. 이와 같은 액체가 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 접촉하고 있을 때, 웨이퍼 W로부터의 반사광은, 그 광량이 저하되지 않고 수광 파이버(50) 내에서 전달된다. 결과로서, 분광기(26)는 반사광의 강도를 정확하게 측정할 수 있어, 처리부(27)는 웨이퍼 W의 정확한 막 두께를 결정할 수 있다.
물보다도 높은 굴절률을 갖는 액체는, 굴절액 또는 접촉액으로서 가부시키가이샤 시마즈 세이사쿠쇼, 가부시키가이샤 모리테크스, 오션 옵틱스(미국) 등으로부터 입수할 수 있다. 액체의 종류에 따라서는, 액체를 웨이퍼 W에 접촉시키는 것이 바람직하지 않는 것도 있다. 따라서, 일 실시 형태에서는, 연마 패드(1)의 관통 구멍(1b)에는 투명창이 끼워 넣어져도 된다. 도 5는 연마 패드(1)의 관통 구멍(1b)에 투명창(88)이 끼워 넣어진 일 실시 형태를 도시하는 도면이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성은 도 1에 도시한 실시 형태와 동일이므로, 그 중복되는 설명을 생략한다.
유로(7)는 투명창(88)의 아래에 위치한다. 투명창(88)은 광의 투과를 허용하는 재료로 구성되어 있다. 유로(7)가 액체 공급 라인(85)으로부터 공급된 액체로 채워져 있을 때, 광은 투광 파이버(34)의 선단(34a)으로부터 액체 및 투명창(88)을 통해 웨이퍼 W의 표면에 도달하고, 웨이퍼 W로부터의 반사광은 투명창(88) 및 액체를 통해 수광 파이버(50)의 선단(50a)에 도달한다. 투명창(88)은 슬러리의 유로(7) 내에의 침입을 방지하면서, 유로(7) 내의 액체가 웨이퍼 W에 접촉하는 것을 방지한다.
도 3에 도시한 초음파 진동자(80)는, 도 4에 도시한 실시 형태에도 적용하는 것은 가능하다.
도 1 내지 도 4에 도시한 실시 형태에 있어서, 웨이퍼 W의 연마 중에는, 투광 파이버(34)로부터 광이 웨이퍼 W에 조사되고, 수광 파이버(50)에 의해 웨이퍼 W로부터의 반사광이 수광된다. 반사광은 분광기(26)에 전달된다. 분광기(26)는 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 소정의 파장 범위에 걸쳐 측정하고, 얻어진 광 강도 데이터를 처리부(27)에 보낸다. 이 광 강도 데이터는, 웨이퍼 W의 막 두께를 반영한 광학 신호이며, 반사광의 강도 및 대응하는 파장으로 구성된다. 처리부(27)는 광 강도 데이터로부터 파장별 광의 강도를 나타내는 분광 파형을 생성한다.
도 6은 광학식 막 두께 측정기(25)의 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 6에 도시한 예에서는, 웨이퍼 W는, 하층막과, 그 위에 형성된 상층막을 갖고 있다. 상층막은, 예를 들어 실리콘층 또는 절연막 등의, 광의 투과를 허용하는 막이다. 웨이퍼 W에 조사된 광은, 매질(도 6의 예에서는 물)과 상층막의 계면, 및 상층막과 하층막의 계면에서 반사되고, 이들 계면에서 반사된 광의 파가 서로 간섭한다. 이 광의 파의 간섭 방식은, 상층막의 두께(즉 광로 길이)에 따라서 변화된다. 이 때문에, 웨이퍼 W로부터의 반사광으로부터 생성되는 분광 파형은, 상층막의 두께에 따라서 변화된다.
분광기(26)는 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정한다. 처리부(27)는 분광기(26)로부터 얻어진 반사광의 강도 데이터(광학 신호)로부터 분광 파형을 생성한다. 이 분광 파형은, 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프로서 나타내어진다. 광의 강도는, 후술하는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 7은 분광 파형의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 7에 있어서, 종축은 웨이퍼 W로부터의 반사광의 강도를 나타내는 상대 반사율을 나타내고, 횡축은 반사광의 파장을 나타낸다. 상대 반사율이란, 반사광의 강도를 나타내는 지표값이며, 광의 강도와 소정의 기준 강도의 비이다. 각 파장에 있어서 광의 강도(실측 강도)를 소정의 기준 강도로 나눔으로써, 장치의 광학계나 광원 고유의 강도의 변동 등의 불필요한 노이즈가 실측 강도로부터 제거된다.
기준 강도는, 각 파장에 대하여 미리 측정된 광의 강도이며, 상대 반사율은 각 파장에 있어서 산출된다. 구체적으로는, 각 파장에서의 광의 강도(실측 강도)를, 대응하는 기준 강도로 제산함으로써 상대 반사율이 구해진다. 기준 강도는, 예를 들어 광 센서(61)로부터 발해진 광의 강도를 직접 측정하거나, 또는 광 센서(61)로부터 거울에 광을 조사하고, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 혹은, 기준 강도는, 막이 형성되어 있지 않는 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 연마 패드(1) 상에서 물의 존재 하에서 수연마하고 있을 때, 또는 상기 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)가 연마 패드(1) 상에 놓여 있을 때에 분광기(26)에 의해 측정된 실리콘 웨이퍼로부터의 반사광의 강도로 해도 된다. 실제 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 얻어진 배경 강도)을 감산하여 보정 실측 강도를 구하고, 또한 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 감산하여 보정 기준 강도를 구하고, 그리고, 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 제산함으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은 다음 식 (1)을 사용하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, λ는 파장이고, E(λ)는 웨이퍼로부터 반사된 광의 파장 λ에서의 강도이며, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이고, D(λ)는 광을 차단한 조건 하에서 측정된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
처리부(27)는 분광 파형에 푸리에 변환 처리(예를 들어, 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 주파수 스펙트럼을 생성하고, 주파수 스펙트럼으로부터 웨이퍼 W의 막 두께를 결정한다. 도 8은 도 7에 도시한 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 8에 있어서, 종축은 분광 파형에 포함되는 주파수 성분의 강도를 나타내고, 횡축은 막 두께를 나타낸다. 주파수 성분의 강도는, 정현파로서 나타내어지는 주파수 성분의 진폭에 상당한다. 분광 파형에 포함되는 주파수 성분은, 소정의 관계식을 사용하여 막 두께로 변환되어, 도 8에 도시한 바와 같은 막 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼이 생성된다. 상술한 소정의 관계식은, 주파수 성분을 변수로 한, 막 두께를 나타내는 1차 함수이며, 막 두께의 실측 결과 또는 광학적 막 두께 측정 시뮬레이션 등으로부터 구할 수 있다.
도 8에 도시한 그래프에 있어서, 주파수 성분의 강도의 피크는 막 두께 t1에서 나타난다. 바꿔 말하면, 막 두께 t1에 있어서, 주파수 성분의 강도가 가장 커진다. 즉, 이 주파수 스펙트럼은, 막 두께가 t1인 것을 나타내고 있다. 이와 같이 하여, 처리부(27)는 주파수 성분의 강도의 피크에 대응하는 막 두께를 결정한다.
처리부(27)는 막 두께 측정값으로서 막 두께 t1을 연마 제어부(12)에 출력한다. 연마 제어부(12)는, 처리부(27)로부터 보내진 막 두께 t1에 기초하여 연마 동작(예를 들어, 연마 종료 동작)을 제어한다. 예를 들어, 연마 제어부(12)는 막 두께 t1이 미리 설정된 목표값에 도달하였을 때에, 웨이퍼 W의 연마를 종료한다.
막 두께 측정기(25)에 의해 검출된 웨이퍼 W의 막 두께를 나타내는 신호를 상위의 호스트 컴퓨터(복수의 반도체 제조 장치와 접속하여, 관리하고 있는 컴퓨터)에 송신하고, 호스트 컴퓨터에서 축적해도 된다. 그리고, 연마 장치로부터 송신된 웨이퍼 W의 막 두께를 나타내는 신호에 따라서, 호스트 컴퓨터에서, 웨이퍼 W의 연마 종점을 검출하였을 때에, 그 취지를 나타내는 신호를 당해 연마 장치의 연마 제어부(12)에 송신해도 된다.
상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 실시할 수 있는 것을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는, 당업자이면 당연히 행할 수 있는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시 형태에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
1 : 연마 패드
3 : 연마 테이블
5 : 연마 헤드
7 : 유로
10 : 슬러리 공급 노즐
12 : 연마 제어부
16 : 연마 헤드 샤프트
19 : 테이블 모터
25 : 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)
26 : 분광기
27 : 처리부
30 : 광원
34 : 투광 파이버
50 : 수광 파이버
56 : 로터리 조인트
61 : 광 센서
62 : 액체 공급 라인
63 : 기체 공급 라인
65 : 액체 공급 밸브
67 : 기체 공급 밸브
71 : 동작 제어부
73 : 유체 배출 라인
80 : 초음파 진동자
85 : 액체 공급 라인
88 : 투명창

Claims (7)

  1. 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과,
    웨이퍼를 상기 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드와,
    광을 발하는 광원과,
    상기 연마 테이블 내의 유로 내에 배치된 선단을 갖고, 상기 광원에 접속된 투광 파이버와,
    웨이퍼로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와,
    상기 유로 내에 배치된 선단을 갖고, 상기 분광기에 접속된 수광 파이버와,
    상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부와,
    상기 유로에 연통되는 액체 공급 라인과,
    상기 유로에 연통되는 기체 공급 라인과,
    상기 액체 공급 라인에 설치된 액체 공급 밸브와,
    상기 기체 공급 라인에 설치된 기체 공급 밸브와,
    상기 액체 공급 밸브 및 상기 기체 공급 밸브의 동작을 제어하는 동작 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로 내에 배치된 초음파 진동자를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  3. 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고,
    슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하면서, 상기 연마 패드에 웨이퍼를 압박하여 해당 웨이퍼를 연마하고,
    상기 웨이퍼의 연마 중에, 투광 파이버로부터 상기 웨이퍼로 광을 유도하고, 상기 웨이퍼로부터의 반사광을 수광 파이버에 의해 받고, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단은 상기 연마 테이블 내의 유로 내에 있고,
    상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하고,
    상기 웨이퍼의 연마 중에, 액체 및 기체를 교대로 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 있을 때에 상기 기체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키고,
    상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 없을 때에 상기 액체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 없을 때에 상기 기체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키고,
    상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 있을 때에 상기 액체를 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유로가 액체로 채워져 있을 때에 상기 유로 내에 배치된 초음파 진동자를 진동시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
  7. 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고,
    슬러리를 상기 연마 패드 상에 공급하면서, 상기 연마 패드에 웨이퍼를 압박하여 해당 웨이퍼를 연마하고,
    상기 웨이퍼의 연마 중에, 투광 파이버로부터 상기 웨이퍼로 광을 유도하고, 상기 웨이퍼로부터의 반사광을 수광 파이버에 의해 받고, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단은 상기 연마 테이블 내의 유로 내에 있고,
    상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하고,
    상기 웨이퍼의 연마 중에, 물보다도 높은 굴절률을 갖는 액체를 상기 수광 파이버의 선단에 접촉시키는 것을 특징으로 하는 연마 방법.
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