JP6594124B2

JP6594124B2 - ウェーハ研磨装置

Info

Publication number: JP6594124B2
Application number: JP2015176218A
Authority: JP
Inventors: 創士山田
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2035-09-08
Also published as: JP2017052027A

Description

本発明は、ウェーハ研磨装置に関し、特に、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を用いてウェーハを研磨するウェーハ研磨装置に関する。

ウェーハ研磨装置としては、ウェーハの表面に形成された酸化膜等を研磨するCMP研磨装置が知られている。CMPによる研磨は、研磨定盤に貼付された研磨パッドとウェーハとを回転させながら、ウェーハを研磨パッドに所定の圧力で押し付け、研磨パッドとウェーハとの間に研磨材（スラリー）を供給することによって行われる。

このようなCMP研磨装置として、特許文献１記載のウェーハ研磨装置が知られている。このウェーハ研磨装置では、研磨定盤の回転中心から偏心した位置に観測孔が設けられており、この観測孔内にウェーハの膜厚を測定する照射・受光光学系等の測定手段が設置されている。測定手段は、光源から出射した白色光をウェーハに向けて照射し、ウェーハの研磨面で反射した反射光を受光する。このような構成により、ウェーハの研磨量が制御され、所望の研磨量に達した研磨終点を測定する。

特許第３８０４０６４号公報

しかしながら、上述したようなウェーハ研磨装置では、測定手段は研磨パッドが１回転する度にウェーハに白色光を照射し反射光を受光してウェーハの膜厚を測定するため、ウェーハの膜厚及び研磨終点を演算するための測定データの取得間隔が長くなり、研磨中のウェーハと測定データに基づく演算結果とが同期しない虞があった。

また、研磨パッドとウェーハとの間に介在するスラリーは、研磨パッドの回転による遠心力で研磨パッド上を中央から外周に向かって流れるため、測定手段とウェーハとの間を往復する光の光路が安定しないという問題があった。

そこで、研磨中のウェーハの膜厚をリアルタイムで且つ正確に測定するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドにウェーハを押し付けて、該ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置であって、前記研磨定盤及び前記研磨パッドの中央に形成された観測孔と、該観測孔内に収容されて、前記ウェーハ研磨中に前記ウェーハに常時対向して前記ウェーハの膜厚を測定する光学式測定手段と、前記ウェーハの膜厚に基づいて前記ウェーハの研磨終点を演算する研磨終点検出手段と、前記研磨定盤を水平方向に移動させるトラバース機構と、前記光学式測定手段の反射光の信号強度と予め記憶された反射光の正常な信号強度とを比較して、前記研磨定盤の回転軸と前記ウェーハを保持するチャックテーブルの回転軸とが平行であるか否かを判定する制御装置と、を備えているウェーハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、光学式測定手段が研磨定盤及び研磨パッドの中央に配置されていることにより、ウェーハの膜厚をウェーハの膜厚をリアルタイムに測定することができる。また、光学式測定手段の直上のスラリーや純水等の液体には、研磨定盤の回転に起因した遠心力が作用せず、光学式測定手段とウェーハとの間に安定した光路が形成されるため、ウェーハの膜厚を正確に測定することができる。また、研磨定盤の回転軸とウェーハの回転軸とが平行でない場合に、反射光の信号強度が正常範囲から外れることにより、予め記憶した正常な信号強度と反射光の信号強度とを比較することで、研磨定盤の回転軸とウェーハの回転軸とが平行か否かを判定することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のウェーハ研磨研削装置の構成に加えて、前記観測孔内は、液体で満たされているウェーハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、光学式測定手段とウェーハとの間に安定した光路が確保されるため、ウェーハの膜厚を精度良く測定することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のウェーハ研磨装置の構成に加えて、前記研磨パッドの表面には、外周に連通した排水溝が形成されているウェーハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、研磨パッド上の余剰のスラリーが排水溝を介して外部に排水されることにより、光学式測定手段とウェーハとの間で余剰のスラリーに起因した光の屈折が抑制されるため、ウェーハの膜厚を精度良く測定することができる。

本発明は、光学式測定手段が研磨定盤及び研磨パッドの中央に配置されていることにより、ウェーハの膜厚をウェーハの膜厚をリアルタイムに測定することができる。また、光学式測定手段の直上のスラリーや純水等の液体には、研磨定盤の回転に起因した遠心力が作用せず、光学式測定手段とウェーハとの間に安定した光路が形成されるため、ウェーハの膜厚を正確に測定することができる。

本発明の一実施例に係るウェーハ研磨装置を示す一部断面模式図。図１に示すウェーハ研磨装置の研磨ステージを示す縦断面図。図２のＡ部拡大図。変形例に係るウェーハ研磨装置に用いられる研磨ステージの要部拡大図。光学式測定手段をウェーハチャックの径方向に水平移動させる様子を示す模式図。

本発明に係るウェーハ研磨装置は、研磨中のウェーハの膜厚をリアルタイムで且つ正確に測定するという目的を達成するために、研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドにウェーハを押し付けて、ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置であって、研磨定盤及び研磨パッドの中央に形成された観測孔と、観測孔内に収容されて、ウェーハ研磨中にウェーハに常時対向してウェーハの膜厚を測定する光学式測定手段と、ウェーハの膜厚に基づいてウェーハの研磨終点を演算する研磨終点検出手段と、前記研磨定盤を水平方向に移動させるトラバース機構と、前記光学式測定手段の反射光の信号強度と予め記憶された反射光の正常な信号強度とを比較して、前記研磨定盤の回転軸と前記ウェーハを保持するチャックテーブルの回転軸とが平行であるか否かを判定する制御装置と、を備えていることにより実現する。

以下、本発明の一実施例に係るウェーハ研磨装置１について、図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例において、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、ウェーハ研磨装置１を示す一部断面模式図である。ウェーハ研磨装置１は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）装置である。

ウェーハ研磨装置１は、ウェーハチャック２と、ウェーハチャック２を支持するフレーム３と、を備えている。

ウェーハチャック２は、図示しない真空源に接続されていて、表面に載置されるウェーハを被研磨面を下方に向けた状態で真空吸着する。ウェーハチャック２は、回転軸２ａ回りに回動可能である。ウェーハチャック２は、昇降機構２ｂによって上下方向Ｈに昇降可能になっている。

ウェーハチャック２の下方には、ウェーハの被研磨面を研磨する研磨定盤１０が配置されている。

研磨定盤１０の表面には、研磨パッド２０が貼着されている。研磨定盤１０及び研磨パッド２０は円盤状に形成されており、それらの外径はウェーハの外径より大きく設定されている。また、研磨定盤１０及び研磨パッド２０の半径は、ウェーハの外径より小さく設定されている。したがって、ウェーハの少なくとも一部は、研磨定盤１０及び研磨パッド２０の中心上に常に存在する。研磨定盤１０は、図示しない回転モーターによって回転軸１０ａ回りに回動可能である。

研磨定盤１０は、研磨定盤１０を水平方向Ｈに移動させるトラバース機構３０に一体に取り付けられている。トラバース機構３０は、ボールねじである定盤走行軸３１と、定盤走行軸３１の先端側に取り付けられて研磨定盤１０を載置する定盤取付ベース３２と、定盤走行軸３１の基端側に配置された定盤走行用モーター３３と、を備えている。トラバース機構３０は、定盤走行用モーター３３が駆動することで定盤取付ベース３２及び研磨定盤１０が定盤走行軸３１に沿って水平移動する。

研磨定盤１０の上方には、インデックス固定機構４が配置されている。インデックス固定機構４は、ウェーハチャック２のピン受入部２ｃに嵌合するインデックス固定ピン４ａを出入させることにより、チャックテーブル２を研磨定盤１０の上方に位置決めする。符号５は、研磨パッド２０の表面を目立てるドレッサーヘッドである。

ウェーハ研磨装置１の制御は、制御装置６によって行われる。制御装置６は、例えばＣＰＵやメモリ等を有する装置制御部と、データの入出力を制御する入出力部と、データを記憶する記憶部と、を備えている。なお、制御装置６の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。制御装置６は、研磨終点計測手段として機能する。

次に、研磨定盤１０及び研磨パッド２０の具体的形態について説明する。図２は、研磨定盤１０の縦断面図である。図３は、図２のＡ部拡大図である。

研磨定盤１０及び研磨パッド２０の中央には、観測孔４０が形成されている。観察孔４０には、透明なブラケット５０と、透明な観察窓６０と、が設けられている。ブラケット５０は、例えば、ステンレス製である。なお、ブラケット５０は、透明なものに限定されるものではなく、不透明であっても構わない。観察窓６０は、例えば、アクリル製である。また、観測窓６０の周囲には、研磨パッド２０の表面２０ａに開口する通水孔２１が配置されている。通水孔２１には、図示しない液体供給源が接続されており、表面２０ａに純水やスラリー等が供給される。観察窓６０は、Ｏリング６１を介して観察孔４０内に配置されて観察孔４０を封止しており、通水孔２１から表面２０ａ上に供給される液体が観察孔４０に滴下することを抑制している。

研磨パッド２０の表面２０ａには、図示しない排水溝が刻設されている。排水溝は、研磨パッド２０の外周に連通しており、研磨パッド２０上の余剰のスラリーが排水溝を介して外部に排水される。なお、研磨パッド２０は、排水溝を備えたものに限定されるものではなく、例えば、連続的な発泡体が内部に形成されたウレタンパッド、表面に凹凸が形成されたスウェードパッド、又は不織布パッド等でも構わない。

観察窓６０の直下には、光学式測定手段７０が配置されている。光学式測定手段７０は、例えば、多数の光ファイバーを結束したものであり、下端が二手に分岐され、分岐された一方は光源ユニット７１に接続され、他方は分光器７２に接続されている。光学式測定手段７０の上端は、光源ユニット７１から出射された照射光及びウェーハの研磨面で反射した反射光を受光する。光学式測定手段７０が受光した反射光は、分光器７２に導かれる。

次に、ウェーハ研磨装置１を用いたウェーハの研磨加工について説明する。

ウェーハ研磨装置１は、研磨定盤１０とチャックテーブル２とが互いに逆向きに回転し、ウェーハの被研磨面を研磨する。この際、通水孔２１から研磨パッド２０の表面２０ａにスラリーが供給される。

研磨加工の際には、光学式測定手段７０がウェーハの膜厚を測定する。具体的には、研磨定盤１０及び研磨パッド２０の中央に配置された光学式測定手段７０の上端は、常にウェーハの被研磨面に照射光を出射すると共に反射光を受光するため、リアルタイムで膜厚を測定することができる。また、光学式測定手段７０の上端が研磨定盤１０の回転軸１０ａ上に配置されていることにより、光学式測定手段７０の直上のスラリーには遠心力が作用しないため、安定した光路が確保でき、光の散乱を抑制することができる。制御装置６は、リアルタイムで送られるウェーハの膜厚の測定値と予め記憶された研磨終点に応じた膜厚の設定値とを比較する。ウェーハの膜厚の測定値が設定値に達すると、制御装置６は、研磨定盤１０及びチャックテーブル２を停止させ、研磨が終了する。

なお、図４に示す変形例のように、研磨定盤１０は、観察窓を備えていないものであっても構わない。このような研磨定盤１０では、１次研磨の際にブラケット５０内の凹部５１にスラリーが貯留される。上述した観察窓６０が省略されることにより、ブラケット５０と観察窓６０とを接着する接着剤及び観察窓６０を通過する際の光の外乱が回避されるため、更に安定した光路を確保することができる。

次に、トラバース機構３０の作用について説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、光学式測定手段７０がウェーハＷを径方向に水平移動する様子を示す図である。トラバース機構３０が研磨定盤１０を水平方向Ｈに移動させて、光学式測定手段７０がウェーハＷの径方向に走査されることにより、ウェーハＷのプロフィールを測定できると共に、研磨定盤１０の回転軸１０ａとチャックテーブル２の回転軸２ａとが互いに平行であるか否かを測定することができる。具体的には、研磨定盤１０の回転軸１０ａとチャックテーブル２の回転軸２ａとが平行でない場合、光学式測定手段７０の反射光の信号強度が正常な範囲から外れる。したがって、制御装置９は、予め記憶しておいた正常な信号強度と研磨定盤１０を水平移動させた際の反射光の信号強度とを比較することにより、研磨定盤１０の回転軸１０ａとチャックテーブル２の回転軸２ａとが平行か否かを判定することができる。

このようにして、上述した本実施例に係るウェーハ研磨装置１は、光学式測定手段７０が研磨定盤１０及び研磨パッド２０の中央に配置されていることにより、ウェーハの膜厚をリアルタイムに測定することができる。また、光学式測定手段７０の直上のスラリーや純水等の液体には、研磨定盤１０の回転に起因した遠心力が作用せず、光学式測定手段７０とウェーハとの間に安定した光路が形成されるため、ウェーハの膜厚を正確に測定することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１・・・ウェーハ研磨装置
２・・・チャックテーブル
２ａ・・・（チャックテーブルの）回転軸
２ｂ・・・昇降機構
２ｃ・・・ピン受入部
３・・・フレーム
４・・・インデックス固定機構
４ａ・・・インデックス固定ピン
５・・・ドレッサーヘッド
６・・・制御装置
１０・・・研磨定盤
２０・・・研磨パッド
２０ａ・・・（研磨パッドの）表面
２１・・・通水孔
３０・・・トラバース機構
４０・・・観察孔
５０・・・ブラケット
６０・・・観察窓
６１・・・Ｏリング
７０・・・光学式測定手段
７１・・・光源ユニット
７２・・・分光器

Claims

研磨定盤上に取り付けられた研磨パッドにウェーハを押し付けて、該ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置であって、
前記研磨定盤及び前記研磨パッドの中央に形成された観測孔と、
該観測孔内に収容されて、前記ウェーハ研磨中に前記ウェーハに常時対向して前記ウェーハの膜厚を測定する光学式測定手段と、
前記ウェーハの膜厚に基づいて前記ウェーハの研磨終点を演算する研磨終点検出手段と、
前記研磨定盤を水平方向に移動させるトラバース機構と、
前記光学式測定手段の反射光の信号強度と予め記憶された反射光の正常な信号強度とを比較して、前記研磨定盤の回転軸と前記ウェーハを保持するチャックテーブルの回転軸とが平行であるか否かを判定する制御装置と、
を備えていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
前記観測孔内は、液体で満たされていることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨装置。
前記研磨パッドの表面には、外周に連通した排水溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のウェーハ研磨装置。