JP4664617B2 - 研磨装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造技術の分野に関連し、特に、研磨された材料表面の検査方法に関連する。

この種の技術分野では、装置の高性能化や微細化等の観点から、素子構造の多層化が求められ、次世代ＬＳＩでは特にその要請が大きい。このため、製造工程における平坦化技術は特に重要であり、近年では化学的機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法が注目されている。ＣＭＰ法は、物理的な（機械的な）研磨と同時に化学的なエッチングを進行させることで、加工歪を小さくすることが可能である。

研磨された基板表面を検査することで、研磨の終点を検出するいくつかの方法がある。例えば、被処理基板にレーザ光を照射してその反射光の強度を利用して検査する方法、研磨体（定盤）の振動変化を検査する方法、研磨体のトルク変化を検査する方法等がある。研磨体のトルク変化を検査し、研磨の終点検出を行なう方法については、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００３−３１８１４０号公報

ところで、ＣＭＰ法による平坦化は機械的な研磨を含むので、被処理基板（ウエハ）と研磨布との間に異物が混入すると、被処理基板表面にキズが付き、不良品が生成される虞がある。そのような異物は、例えば、研磨布表面の状態を適切に調整するコンディショナから、研磨布を切削するためのダイヤモンド粒子が脱落したり、装置の摺動部から金属粉等のゴミが落下したりすることによって生じる可能性がある。

このような被処理基板に付いたキズを検出する従来の方法では、被処理基板が研磨装置から取り出され、キズを発見するための特殊な検出装置を用いる表面検査工程が行なわれていた。連続的な製造工程では、研磨後の被処理基板の表面検査工程を行なっている間に、次の一群の被処理基板に対する研磨工程が行なわれる。このため、表面検査工程で被処理基板にキズが付いていることが検知された時には、後続の多くの被処理基板は既に研磨され、キズが付いてしまっており、多くの損害が生じてしまう問題が起こり得る。この問題は、一度に研磨する基板の枚数が多くなる程、また、基板のサイズが大きくなる程深刻化する。研磨工程と表面検査工程を同時に行なわないようにすることも考えられるが、スループットを犠牲にしてしまうという別の問題が生じる。

上記の研磨の終点検出法では、このような被処理基板に付いたキズを発見することは困難である。従来の研磨の終点検出では、基板表面全体が平坦であるか否かといったマクロな（巨視的な）変化を検出することは可能であるが、ほぼ平坦な基板表面におけるキズの有無のようなミクロな（微視的な）変化を検出することは困難だからである。
本発明は、上記の問題点の少なくとも１つに対処するためになされたものであり、その課題は、研磨された材料表面の異常を早期に発見することが可能な検査方法を提供することである。

本発明による研磨済み材料表面の検査方法は、
被処理材料及び研磨パッドを接触させ、被処理材料又は研磨パッドを回転させる研磨工程と、
被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における、被処理材料又は研磨パッドを回転させるトルクを表すトルク信号を調べる検査工程と
を有することを特徴とする。

本発明によれば、研磨された材料表面の異常を早期に発見することが可能になる。

本発明の一態様によれば、被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における、被処理材料又は研磨パッドを回転させるトルクを表すトルク信号が調べられ、その調査結果に応じて警報が発せられる。このため、被処理材料を別の検査装置に装着し直すことなしに、研磨面が良好に平坦であるか否かを把握することが可能になる。

本発明の一態様によれば、被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における前記トルク信号の変化量が閾値を超えない場合に、前記被処理材料の表面に異常があることを示す警報が発せられる。このため、被処理材料の研磨面にキズ等の異常のあることを早期に発見することが可能になる。

本発明の一態様によれば、トルク信号は、移動平均化されたトルクを表す。このため、研磨面の異常等の検出を確実にすることが可能になる。

図１は、本発明の一実施例による検査方法を使用することの可能な研磨装置の部分概略図を示す。この研磨装置１００は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）を行なうための装置である。説明を簡単にするため、半導体装置用のウエハを研磨する場合を例にとって説明される。しかし、本発明はウエハの研磨に限定されず、何らかの材料を機械的に研磨する用途に広く適用されることが可能である。研磨装置１００は、定盤１０２と、研磨布１０４と、コンディショナ１０６と、ヘッダ１０８と、スラリノズル１１０を備えたスラリ供給部１１２とを有する。ヘッダ１０８は、被処理基板であるウエハ１１４を保持する。研磨装置１００は、定盤１０２を回転させるモータ１１６と、トルク分析部１１８と、コントローラ１２０とを有する。

定盤１０２は、例えば円板状の形状を有し、モータ１１６により回転させられる。定盤は、「プラテン（ｐｌａｔｅｎ）」とも言及される。

研磨布１０４は、定盤１０２上に設けられ、定盤１０２と共に回転する。研磨布１０４には例えば独立／連続発泡体から成るものや、スウェードタイプのもの等があるが、本発明は特定の研磨布材に限定されない。研磨布は、広く「研磨パッド」とも言及される。

コンディショナ１０６は、研磨布１０４の表面状態を適切に維持するための要素である。例えば、コンディショナ１０６は、ダイヤモンド粒子をちりばめたディスクを用いて、研磨布１０４を切削することが可能である。但し、このダイヤモンド粒子が脱落して研磨布１０４に混入すると、被処理基板表面にキズをつける原因になる虞がある。

ヘッダ１０８は、研磨工程の際にウエハ１１４を保持する。ヘッダ１０８の詳細については、図２に関連して説明される。ヘッダ１０８は、不図示の機構によって、矢印１１３に沿って回転させたり、矢印１１５，１１７に沿って水平方向に又は垂直方向に動かすことが可能である。

スラリ供給部１１２は、スラリノズル１１０を通じてスラリ（研磨材）１１１を研磨布１０４及びウエハ１１４の間に流す。本実施例では、液状のスラリが使用されているが、本発明には任意のスラリを使用することが可能である。

モータ１１６は、定盤１０２を回転させることが可能である。モータ１１６は、定盤１０２を駆動するトルクを表すトルク信号をトルク分析部１１８に与える。トルク信号は、トルクの値そのものを表す信号でもよいし、トルクの値を定める電圧又は電流でもよい。

トルク分析部１１８は、定盤のトルク信号及び／又はヘッダのトルク信号を受信し、トルク信号の変化を監視する。ヘッダのトルク信号は、ヘッダ１０８を回転させるトルクを表す信号であり、トルクの値そのものを表す信号でもよいし、トルクの値を定める電圧又は電流でもよい。定盤及びヘッダの双方のトルク信号が、トルク分析部１１８に与えられても良いし、何れか一方のトルク信号のみが与えられてもよい。トルク分析部１１８は、トルク信号の変化（分析結果）が、所定の条件に合致する場合は、異常検出信号をコントローラ１２０に与える。所定の条件は、例えば、トルク信号の変化がある閾値を下回る場合であるが、これに限定されない。これらのトルク信号は、瞬時的なトルクに関する信号であってもよいが、異常検出の確実性を図る観点からは、移動平均化されたトルク信号や、各種フィルタで平準化されたトルク信号等に基づいて分析することが望ましい。

コントローラ１２０は、異常検出信号に応じて、モータ１１６その他の要素の動作を制御する制御信号を出力する。例えば、異常検出信号に応じて、研磨プロセスを中断させる警報を発することが可能である。他の要素には、例えば、ヘッダ１０８、スラリ供給部１１２等が含まれる。

図２は、ヘッダ１０８の拡大図を示す。ヘッダ１０８は、一端の閉じた浅い円筒形状を有する本体部２０１と、本体部２０１の円筒状開口部にウエハ１１４等を狭持する保持部２０２を有する。保持部２０２は、本実施例では樹脂から形成されている。保持部２０２は、「リテーナーリング」とも言及される。ウエハ１１４の上には、ウエハ１１４の形状に合わせた円板形状を有するシール２０６が設けられる。シール２０６は、本実施例では、薄いゴム膜から形成されている。更に、シール２０６上には、金属製のウエハサポート２０４が設けられている。ウエハサポート２０４は、その周囲にリング状の突起部２０５を有し、ウエハ１１４の吸着時にウエハ１１４との間にいくらかの隙間を形成することが可能である。ほぼ円板状のウエハサポート２０４は、円板の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔（図示せず）を有する。従って、本体部２０１と、保持部２０２と、シール２０６とで空間２０３が密閉される。ヘッダ１０８には、空間２０３の圧力を加圧する又は減圧するための不図示の機構が設けられている。

空間２０３を減圧すると、シール２０６がウエハサポート２０４の貫通孔を通じて吸い寄せられ、貫通孔に合わせて若干窪んだ形状が形成される。このため、シール２０６とウエハ１１４との間の隙間も減圧され、ウエハ１１４もウエハサポート２０４側に吸い寄せられる。逆に、空間２０３を加圧すると、シール２０６及びウエハ１１４は、ウエハサポート２０４から遠ざかる向きに移動しようとする。空間２０３の圧力を調整することに加えて、保持部２０２のウエハ１１４（及びウエハサポート２０４及びシール２０６）を把持する保持力を調整することで、ウエハ１１４等の垂直方向（図１の矢印１１７の方向）の位置を調整することも可能である。

図３乃至図５は、本発明の一実施例による検査方法を説明するための各工程を示す図（その１乃至３）である。説明の便宜上、図３乃至図５までの全行程にわたって、ヘッダ１０８及び定盤１０２（研磨布１０４）は５０〜１００回／分にて回転しているものとする。そして、ヘッダ１０８及び／又は定盤１０２を回転させるトルクを表すトルク信号は、トルク分析部１１８（図１参照）に伝送され、監視される。図３は、降着工程を示し、ウエハ１１４を支持するヘッダ１０８を研磨布１０４に降着させる前（上図）及び後（下図）の様子を示す。ヘッダ１０８は、例えばエアーシリンダによって垂直方向に移動できる。上図に示されるように、降着前には、保持部２０２は、研磨布１０４と距離を隔てている。空間２０３の圧力は減圧され、ウエハ１１４はウエハサポート２０４側に吸着されている。図中の矢印３０２は、空間２０３が減圧されることで、シール２０６に働く応力の向きを示す。下図に示されるように降着された後も、空間２０３の圧力は減圧され、シール２０６及びウエハ１１４はウエハサポート２０４側に吸着されている。この段階では、保持部２０２は研磨布１０４に接しているが、ウエハ１１４は接していない。

図４は、研磨の最中の様子を示す研磨工程を示す。本実施例における研磨工程は、本研磨工程（上図）と後研磨工程（下図）に分けて行なわれる。本研磨工程では、空間２０３の圧力が比較的高くなるように加圧され、これにより矢印４０２に示されるような応力がシール２０６に働く。その結果、ウエハ１１４が研磨布１０４に接触し（強く押しつけられ）、ウエハ１１４の研磨布１０４との接触面が研磨される。この場合に、スラリ１１１（図１）が導入される。研磨が進むにつれて、研磨面は平坦化されて行く。研磨の終点は、背景技術の欄で説明したような既存の様々な技法を用いることによって検出されることが可能である。

後研磨工程（下図）では、空間２０３内の圧力を本研磨工程のときよりも減らす、即ちシール２０６に働く応力の大きさを、矢印４０４に示されるように弱める。これにより、ウエハ１１４と研磨布１０４との間の摩擦が少なくなり、研磨の進行を遅くする又は実質的に止めることが可能になる。本実施例では、この段階で、スラリ１１１の供給を中断し、研磨布１０４に純水を供給する。これにより、ウエハ１１４の研磨面に残留するスラリ１１１を洗浄することが可能になる。

図５は、吸着及び離脱工程を示し、ヘッダ及びウエハを離脱させる前の吸着工程（上図）及び離脱工程（下図）の様子を示す。上図に示されるように、保持部２０２が研磨布１０４に接触している状態で、空間２０３が減圧され、矢印５０２に示されるようにシール２０６に応力が働く。これにより、シール２０６及びウエハ１１４がウエハサポート２０４側に吸着される（吸着工程）。更に、ウエハ１１４をウエハサポー２０４側に吸着させたまま、保持部２０２が研磨布１０４から引き離される（離脱工程）。

上述したように、ヘッダ１０８及び／又は定盤１０２に関するトルク信号はトルク分析部１１８（図１）で分析及び監視されている。従って、この離脱の前後におけるヘッダ１０８及び／又は定盤１０２のトルク信号も分析及び監視される。仮に、ウエハ１１４の研磨面にキズがなく、研磨面が非常に高い平坦度になっていたとする。この場合に、ウエハ１１４と研磨布１０４は強く密着するので、ウエハ１１４を研磨布１０４から引き離す過程で大きな抵抗力を受ける、即ちトルク信号は大きく変化する（トルクが大きくなる）。これに対して、ウエハ１１４の研磨面にキズがあったとすると、ウエハ１１４と研磨布１０４の密着性は弱くなる。このため、ウエハ１１４を研磨布１０４から引き離す過程における抵抗力は小さくなり、トルク信号の変化も小さくなる。

図６は、一連の研磨工程におけるトルク信号の測定結果を示す図である。この測定では、研磨面が鏡面状に充分に平坦化された複数のウエハに対して、図３乃至図５に説明した工程（横軸）を行ない、その間の定盤のトルク信号（縦軸）を測定したものである。トルク信号は、モータを駆動するための制御信号の電圧（ミリボルト）で表現され、その絶対値が大きい程トルクが大きい。トルク信号は、移動平均化されている。ウエハのサンプル数は全部で１１枚であり、各々に対するトルク信号が１１本の線で表現されている。サンプルの内２枚（太線のグラフで示される）は研磨された酸化膜に事前にキズが付けられており、他の９枚（細線のグラフで示される）はキズを有していない。

降着工程（図３）では、降着前のトルクは小さいが、ヘッダ１０８が研磨布１０４に徐々に押しつけられ摩擦が増えるにつれて、トルクが徐々に大きくなっている。本研磨工程（図４上側）では、ウエハ１１４が研磨布１０４に比較的強く押しつけられた状態で研磨される。しかし、この実験で使用されているウエハ１１４の平坦化は実質的に終了しているので、この工程の間のトルクは実質的に変化していない。後研磨工程（図４下側）では、ウエハ１１４が研磨布１０４に比較的弱く押しつけられた状態で、研磨面の洗浄等が行なわれる。ウエハ１１４と研磨布１０４との間の摩擦が小さくなるので、トルクも小さくなっている。吸着工程（図５上側）ではウエハ１１４はウエハサポート２０４側に吸い寄せられ、離脱工程（図５下側）ではウエハ１１４及びヘッダ１０８が研磨布１０４から引き離される。この場合に、研磨面にキズを有していないサンプル（細線のグラフ）では、徐々にトルクが大きくなった後急激にトルクが小さくなっている。これは、上述したように、ウエハ１１４及び研磨布１０４の密着性が大きいことに起因する。一方、研磨面にキズを有するサンプル（太線のグラフ）では、吸着工程及び離脱工程でトルクが大きく変化していない。これは、上述したように、ウエハ１１４及び研磨布１０４の密着性が小さいことに起因する。

従って、ウエハ１１４を研磨布１０４から引き離す過程におけるトルク信号を監視することで、ウエハ１１４の研磨面にキズのような異常が有るか否かを検出することが可能になる。例えば、ウエハ１１４の離脱の前後におけるトルク信号の変化が所定の閾値を上回る程度に大きく変化する場合には研磨面は良好であるが、その変化が閾値を下回る場合には研磨面に何らかの異常があると判定することが可能である。このような閾値は用途に応じて任意に設定される。異常を検出した場合には、異常検出信号がトルク分析部１１８からコントローラ１２０に通知され、コントローラ１２０は、定盤１０２のモータ１１６その他の要素に対する制御信号を送ることが可能である。この制御信号に応じて、例えば研磨工程を中断する、研磨されたウエハを回収する等の対策を講じることが可能になる。

尚、上記の例では、トルク信号の変化が小さかった場合に異常検出信号が発せられているが、本発明はこのような態様に限定されない。ウエハ１１４を研磨面１０４から引き離す過程で、研磨面に凹凸がある場合にはトルク信号はさほど変化せず、研磨面が平坦である場合にはトルク信号は大きく変化する。従って、ウエハ１１４を研磨面１０４から引き離す過程のトルク信号を監視することで、基板表面が良好な鏡面状態であるか否かを把握することが可能になる。従って、例えば、研磨の終点を検出することも可能である。この場合は、トルク信号が大きく変化した場合には研磨が終了しており、そうでなければ依然として研磨面に凹凸のあることを見出すことが可能になる。

以上に説明したように、本発明の実施例によれば、研磨装置から（ヘッダから）ウエハ１１４を取り出さずに、又はキズ等を検査する別の装置にウエハ１１４を装着し直すことなしに、研磨面の異常の有無、研磨面が良好な鏡面状態に有るか否か等を早期に発見することが可能になる。

以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。

（付記１）
被処理材料及び研磨パッドを接触させ、被処理材料又は研磨パッドを回転させる研磨工程と、
被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における、被処理材料又は研磨パッドを回転させるトルクを表すトルク信号を調べる検査工程と
を有することを特徴とする、研磨された材料表面を検査する方法。

（付記２）
前記検査工程における検査結果に応じて警報が発せられる
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記３）
被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における前記トルク信号の変化量に応じて警報が発せられる
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記４）
被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における前記トルク信号の変化量が閾値を超えない場合に、前記被処理材料の表面に異常があることを示す警報を発する
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記５）
前記トルク信号が、移動平均化されたトルクを表す
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記６）
前記研磨工程及び前記検査工程が、化学的機械研磨装置で行なわれる
ことを特徴とする付記１記載の方法。

（付記７）
ウエハヘッダに支持されたウエハを、定盤に設けられた研磨布に接触させる工程と、
ウエハヘッダ又は定盤を回転させる研磨工程と、
ウエハ及び研磨を引き離す離脱工程と
を有し、ウエハヘッダ又は定盤を回転させるトルクを表すトルク信号の前記離脱工程における変化を調べる
ことを特徴とする、ウエハ表面の異常を検出する方法。

（付記８）
表面に研磨布を配した定盤と、
前記研磨布を切削するコンディショナと、
ウエハを挟持じて該ウェハの裏面に空間を有するヘッダと、
前記空間の圧力を加圧する又は減圧する手段と、
前記ヘッダを前記定盤に対して、降着又は離脱させる手段と、
前記定盤の回転トルク信号及び／又はヘッドの回転トルク信号の変化を監視するトルク分析部と、
前記空間の圧力を減圧して生じる前記トルク信号の変化に応じて、制御信号を生成するコントローラと
を有する研磨装置。

（付記９）
前記コントローラは、前記ヘッドを前記定盤から離脱して生じる前記トルク信号の変化に応じて制御信号を生成することを特徴とする付記８記載の研磨装置。

本発明による検査方法を使用することの可能な研磨装置の部分概略図を示す。 ヘッダの拡大図を示す図である。 本発明の一実施例による検査方法を説明するための各工程を示す図（その１）である。 本発明の一実施例による検査方法を説明するための各工程を示す図（その２）である。 本発明の一実施例による検査方法を説明するための各工程を示す図（その３）である。 一連の研磨工程におけるトルク信号の測定結果を示す図である。

符号の説明

１００ 研磨装置
１０２ 定盤
１０４ 研磨布
１０６ コンディショナ
１０８ ヘッダ
１１０ スラリノズル
１１１ スラリ
１１２ スラリ供給部
１１３，１１５，１１７ ヘッダの運動方向
１１４ ウエハ
１１６ モータ
１１８ トルク信号分析部
１２０ コントローラ
２０１ 本体部
２０２ 保持部
２０３ 空間
２０４ ウエハサポート
２０５ 突起部
２０６ シール
３０２，４０２，４０４，５０２ 応力

Claims (4)

1. 被処理材料及び研磨パッドを接触させ、被処理材料又は研磨パッドを回転させる研磨工程と、
   被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における、被処理材料又は研磨パッドを回転させるトルクを表すトルク信号を調べる検査工程と
   を有することを特徴とする、研磨された材料表面を検査する方法。
2. 被処理材料を研磨パッドから引き離す過程における前記トルク信号の変化量に応じて警報が発せられる
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ウエハヘッダに支持されたウエハを、定盤に設けられた研磨布に接触させる工程と、
   ウエハヘッダ又は定盤を回転させる研磨工程と、
   ウエハ及び研磨布を引き離す離脱工程と
   を有し、ウエハヘッダ又は定盤を回転させるトルクを表すトルク信号の前記離脱工程における変化を調べる
   ことを特徴とする、ウエハ表面の異常を検出する方法。
4. 表面に研磨布を配した定盤と、
   前記研磨布を切削するコンディショナと、
   ウエハの裏面に空間を設けてウエハを保持するヘッダと
   前記空間の圧力を加圧又は減圧する手段と、
   前記ヘッダを前記定盤に対して、降着又は離脱させる手段と、
   前記定盤の回転トルク信号及び／又はヘッドの回転トルク信号の変化を監視するトルク分析部と、
   前記空間の圧力を減圧してウエハを研磨布から引き離す場合における前記トルク信号の変化に応じて、制御信号を生成するコントローラと
   を有する研磨装置。

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