JP7041638B2

JP7041638B2 - 研磨装置

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Publication number: JP7041638B2
Application number: JP2019002430A
Authority: JP
Inventors: 尚典松尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: JP2020110859A; TW202026102A; WO2020144911A1; US20220063050A1

Description

本発明は、研磨装置に関するものである。

半導体デバイスの製造工程においては、デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（Chemical Mechanical PolishingまたはＣＭＰ）である。この化学的機械的研磨（以下、ＣＭＰと呼ぶ）は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）やセリア（ＣｅＯ_２）などの砥粒を含んだ研磨液（スラリー）を研磨パッドに供給しつつ、ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置は、半導体デバイスの製造において、基板の表面を研磨する工程に使用される。ＣＭＰ装置は、基板を研磨ヘッドで保持して基板を回転させ、さらに回転する研磨テーブル上の研磨パッドに基板を押し付けて基板の表面を研磨する。基板の研磨中、研磨パッドには研磨液（スラリー）が供給され、基板の表面は、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により平坦化される。

特開２００４－３６３２２９号公報

基板の研磨レートは、基板の表面温度に依存する。したがって、半導体デバイスの製造においては、基板の表面温度に基づいて、基板の研磨レートを管理することは重要である。基板の研磨中において、基板の表面温度を直接測定する代わりに、研磨パッドの温度を測定する方法が知られている。このような方法では、測定された研磨パッドの温度に基づいて、基板の表面温度を取得する。しかしながら、より精度よく研磨レートを管理するためには、基板の表面温度を直接測定することが望ましい。

基板の裏面を保持する研磨ヘッドに温度測定装置を設ける構成が考えられる。このような構成では、温度測定装置は、研磨ヘッド側から基板の裏面温度を測定する。しかしながら、基板には、厚みがあるため、基板の裏面の温度を測定しても、基板の表面温度を正確に取得することができない。さらに、基板の表面には、電子デバイスが加工されているため、基板の表面に接触するタイプの温度測定センサを一般的に用いることはできない。

そこで、基板の表面温度を正確に測定することができる研磨装置が提供される。

一態様では、赤外線を透過する窓部材と、前記窓部材が埋め込まれた研磨パッドと、基板を回転可能に保持し、前記基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、前記窓部材の下方に配置され、前記研磨ヘッドに保持された前記基板の表面温度を測定する赤外放射温度計と、を備えている、研磨装置が提供される。

一態様では、前記窓部材が透過する波長帯域は、前記赤外放射温度計が温度測定可能な波長帯域を含む。
一態様では、前記窓部材が透過する波長帯域は、１．５マイクロメートル以下、あるいは、６．０マイクロメートル以上である。
一態様では、前記赤外放射温度計は、インジウム化合物から構成された赤外線吸収膜を有している。

一態様では、前記窓部材の材質は、赤外線透過樹脂、フッ化カルシウム、合成石英、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、臭化カリウム、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム、ジンクセレン、硫化亜鉛、から選択される。
一態様では、前記研磨装置は、前記赤外放射温度計によって測定された前記基板の直径方向の温度分布を、記録または表示する機能を有している。
一態様では、前記赤外放射温度計によって測定される前記基板の温度測定周波数は、１０Ｈｚ以上である。

本発明によれば、基板の研磨中に、基板の表面温度を、非接触で正確に測定することができる。

研磨装置の一実施形態の斜視図である。図１に示す研磨装置の断面図である。窓部材および赤外放射温度計の拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下で説明する図面において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、研磨装置の一実施形態の斜視図である。図１に示すように、研磨装置（ＣＭＰ装置）は、研磨パッド１を支持する研磨テーブル２と、研磨対象であるウェハなどの基板Ｗを研磨パッド１に押し付ける研磨ヘッド３と、研磨パッド１に研磨液（スラリー）を供給するための研磨液供給機構４とを備えている。

研磨テーブル２は、テーブル軸５を介してその下方に配置されるテーブルモータ６に連結されており、このテーブルモータ６により研磨テーブル２が矢印で示す方向に回転されるようになっている。研磨パッド１は研磨テーブル２の上面に貼付されており、研磨パッド１の上面が基板Ｗを研磨する研磨面１ａを構成している。研磨ヘッド３はヘッドシャフト７の下端に固定されている。研磨ヘッド３は、その下面に真空吸着により基板Ｗを保持できるように構成されている。より具体的には、研磨ヘッド３は、基板Ｗの表面（デバイス面）を下向きで保持する。この表面と反対側の面は、基板Ｗの裏面であり、研磨ヘッド３は、基板Ｗの裏面を吸着保持する。

ヘッドシャフト７は、ヘッドアーム８内に設置された図示しない回転機構に連結されており、研磨ヘッド３はこの回転機構によりヘッドシャフト７を介して回転駆動されるようになっている。

研磨装置は、研磨パッド１をドレッシングするためのドレッシング装置２４をさらに備えている。ドレッシング装置２４は、研磨パッド１の研磨面１ａに摺接されるドレッサ２６と、ドレッサ２６を支持するドレッサアーム２７と、ドレッサアーム２７を旋回させるドレッサ旋回軸２８とを備えている。ドレッサアーム２７の旋回に伴って、ドレッサ２６は研磨面１ａ上を揺動する。ドレッサ２６の下面は、ダイヤモンド粒子などの多数の砥粒からなるドレッシング面を構成する。ドレッサ２６は、研磨面１ａ上を揺動しながら回転し、研磨パッド１を僅かに削り取ることにより研磨面１ａをドレッシングする。研磨パッド１のドレッシング中、純水供給ノズル２５から純水が研磨パッド１の研磨面１ａ上に供給される。

研磨装置は、霧状の洗浄流体を研磨パッド１の研磨面１ａに噴射して研磨面１ａを洗浄するアトマイザ４０をさらに備えている。洗浄流体は、洗浄液（通常は純水）を少なくとも含む流体である。より具体的には、洗浄流体は、洗浄液と気体（例えば、窒素ガスなどの不活性ガス）との混合流体、または洗浄液のみから構成される。アトマイザ４０は、研磨パッド１（または研磨テーブル２）の半径方向に沿って延びており、支持軸４９によって支持されている。この支持軸４９は研磨テーブル２の外側に位置している。アトマイザ４０は、研磨パッド１の研磨面１ａの上方に位置している。アトマイザ４０は、高圧の洗浄流体を研磨面１ａに噴射することにより、研磨パッド１の研磨面１ａから研磨屑および研磨液に含まれる砥粒を除去する。

研磨液供給機構４は、研磨液を研磨パッド１上に供給するためのスラリー供給ノズル１０と、スラリー供給ノズル１０が固定されたノズル旋回軸１１とを備えている。スラリー供給ノズル１０は、ノズル旋回軸１１を中心として旋回可能に構成されている。

基板Ｗは、研磨ヘッド３に回転可能に保持される。研磨ヘッド３は、基板Ｗを研磨パッド１に押圧し、研磨パッド１と基板Ｗとの間の摺動により、基板Ｗの研磨が進行する。基板Ｗの研磨時には、研磨液（スラリー）がスラリー供給ノズル１０から研磨パッド１上に供給される。

研磨装置は、基板Ｗの研磨中に、基板Ｗに非接触で、基板Ｗの表面温度（すなわち、デバイス面側の温度）を直接測定する構成を有している。以下、このような構成について、図面を参照して説明する。

図２は、図１に示す研磨装置の断面図である。図２では、研磨装置の主要な要素以外の図示は省略されている。図１および図２に示すように、研磨パッド１には、赤外線を透過する材料から構成された窓部材５０が埋め込まれている。より具体的には、研磨パッド１には、窓部材５０が挿入可能な大きさを有する窓穴１ｂが形成されており、窓部材５０は、この窓穴１ｂに挿入されている。窓穴１ｂは、研磨パッド１を鉛直方向に貫通する貫通穴である。

窓部材５０の直下には、赤外放射温度計５１が配置されている。赤外放射温度計５１は、基板Ｗから放射される赤外線の強度に基づいて、基板Ｗの表面温度を測定する温度計である。

研磨テーブル２には、窓穴１ｂに連通する埋め込み部５２が形成されており、赤外放射温度計５１はこの埋め込み部５２に配置されている。図２に示す実施形態では、赤外放射温度計５１は、研磨テーブル２に埋め込まれているように配置されている。一実施形態では、赤外放射温度計５１の測定スポット径の大きさによっては、赤外放射温度計５１は、研磨テーブル２の下方に配置されてもよい。例えば、赤外放射温度計５１は、研磨テーブル２にぶら下げられてもよい。

図３は、窓部材５０および赤外放射温度計５１の拡大図である。図３に示すように、窓部材５０は、研磨ヘッド３側の表面５０ａと、研磨テーブル２側の裏面５０ｂとを有している。窓部材５０の表面５０ａは、研磨パッド１の研磨面１ａから露出した露出面である。窓部材５０の表面５０ａおよび研磨パッド１の研磨面１ａは、同一平面内に配置されている。窓部材５０は、液体（例えば、純水、研磨液）の埋め込み部５２への浸入を防止する。

研磨パッド１に配置された窓部材５０の裏面５０ｂと赤外放射温度計５１の受光部５１ａとの間には、障害物が存在しない空間Ｓ１が形成されている。言い換えれば、空間Ｓ１は、赤外放射温度計５１による基板Ｗの表面温度を確実に測定するための空間である。

基板Ｗは、一般的にシリコン製である。シリコン（Ｓｉ）は、１．５～６．０マイクロメートルの領域の光を吸収するため、同領域の赤外線の放射はわずかである。本実施形態では、放射赤外線量により非接触で放射体の温度を測定する赤外放射温度計を使用するため、赤外線の放射が少ない波長帯域を測定対象とするのは望ましくない。

そこで、１．５マイクロメートル以下、あるいは、６．０マイクロメートル以上の波長の放射赤外線量を測定するのに適する赤外線吸収膜を使用した赤外放射温度計を用いる。測定される放射赤外線量の波長の範囲は、０．８～１．５マイクロメートル、あるいは、６．０～１０００マイクロメートルである。

InGaAs、InAs、InAsSb、InSbなどのインジウム化合物が赤外線吸収膜として用いられた赤外放射温度計が望ましいと考えられるが、上記の測定対象波長領域に十分な感度を持つ赤外線吸収膜を使用していれば、材料を限定する必要はない。

研磨パッド１に設置される窓部材５０は、測定対象である波長の赤外線を透過する材料で形成される必要がある。上記の波長を透過する材料としては、赤外線透過樹脂、フッ化カルシウム、合成石英、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、光学ガラス（Ｎ－ＢＫ７）、臭化カリウム、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム、ジンクセレン、または硫化亜鉛を挙げることができる。しかしながら、上記条件を満たせば、材料を限定する必要はない。

このように、窓部材５０および赤外線吸収膜の材料を選択することで、シリコンから構成された基板Ｗから放射される赤外線が、減衰することなく（あるいは十分に少ない減衰で）窓部材５０を透過し、かつ、赤外放射温度計５１による放射赤外線量が測定可能となる。その結果、基板Ｗの表面温度を測定することが可能となる。

窓部材５０は、研磨される基板Ｗと接触する。したがって、窓部材５０を、可能な限り、研磨パッド１と機械的・熱的・化学的な特性が近い材料から構成することが、より望ましい。

窓部材５０および赤外放射温度計５１は、それぞれ、回転する研磨パッド１および研磨テーブル２に配置されるため、研磨テーブル２と共に回転する。したがって、測定対象物である基板Ｗの表面温度を測定するのは、窓部材５０および赤外放射温度計５１が基板Ｗの直下を通過している時間のみであって、一般にその時間は１秒以下のごく短時間である。したがって、温度測定周波数は、少なくとも１０Ｈｚ以上であり、望ましくは１００Ｈｚ以上である。

図１に示すように、本実施形態に係る研磨装置は、測定された温度分布を記録し、または表示する機能を有している。より具体的には、研磨装置は、測定された基板Ｗの温度分布をＨＤＤやＳＳＤなどの記憶素子に記録する記憶装置１０１と、基板Ｗの中心を通る基板Ｗの直径方向の温度分布を、画面上に表示可能な表示装置１０２を備えている。本実施形態では、記憶装置１０１および表示装置１０２は、制御装置１００を構成している。

図１に示すように、制御装置１００は、赤外放射温度計５１に接続されている。図示しないが、制御装置１００は、研磨装置の構成要素（例えば、研磨ヘッド３、研磨液供給機構４、テーブルモータ６、ドレッシング装置２４、およびアトマイザ４０）に接続されており、上記構成要素の動作を制御する。制御装置１００は、記憶装置１０１に記憶された基板Ｗの温度分布に基づいて、研磨装置の構成要素の動作を制御して、研磨レートを管理してもよい。

上述したように、ドレッサ２６（図１参照）は、研磨パッド１を僅かに削り取るように構成されている。そこで、研磨パッド１（より具体的には、研磨面１ａ）がドレッサ２６によって削り取られても、研磨装置は、窓部材５０の表面５０ａおよび研磨パッド１の研磨面１ａを同一平面内に配置する構成を有してもよい。

一実施形態では、窓部材５０は、赤外線を透過し、かつ研磨パッド１と同じ硬さを有する材料から構成されてもよい。この場合、ドレッサ２６は、研磨パッド１とともに、窓部材５０の表面５０ａを削り取る。したがって、研磨パッド１の研磨面１ａが削り取られても、窓部材５０の表面５０ａおよび研磨パッド１の研磨面１ａは、同一平面内に配置される。

一実施形態では、研磨装置は、研磨パッド１の減耗に応じて、窓部材５０を下降させる構成を有してもよい。例えば、窓部材５０には、窓部材５０を下降させるアクチュエータ（図示しない）が接続されている。一実施形態では、窓部材５０は赤外放射温度計５１に連結されており、アクチュエータは赤外放射温度計５１に接続されていてもよい。この場合、アクチュエータは、赤外放射温度計５１とともに窓部材５０を下降させる。アクチュエータの一例として、エアシリンダを挙げることができる。ドレッシング装置２４は、ドレッサ２６の高さ方向の位置を測定する変位センサ（図示しない）を備えている。これらアクチュエータおよび変位センサは、制御装置１００（図１参照）に接続されている。

研磨パッド１が減耗すると、ドレッサ２６と変位センサとの間の距離は、研磨パッド１の減耗前におけるドレッサ２６と変位センサとの間の距離よりも大きくなる。したがって、制御装置１００は、これらの距離の変化量に基づいて、研磨パッド１の減耗量を算出する。制御装置１００は、アクチュエータを動作させて、算出された減耗量だけ窓部材５０を下降させる。このようにして、窓部材５０は、研磨パッド１の減耗に応じて下降する。結果として、研磨パッド１が減耗しても、窓部材５０の表面５０ａおよび研磨パッド１の研磨面１ａは、同一平面内に配置される。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１研磨パッド
１ａ研磨面
１ｂ窓穴
２研磨テーブル
３研磨ヘッド
４研磨液供給機構
５テーブル軸
６テーブルモータ
７ヘッドシャフト
８ヘッドアーム
１０スラリー供給ノズル
１１ノズル旋回軸
２４ドレッシング装置
２５純水供給ノズル
２６ドレッサ
４０アトマイザ
４９支持軸
５０窓部材
５０ａ表面
５０ｂ裏面
５１赤外放射温度計
５１ａ受光部
５２埋め込み部
１００制御装置
１０１記憶装置
１０２表示装置

Claims

赤外線を透過する窓部材と、
前記窓部材が埋め込まれた研磨パッドと、
基板を回転可能に保持し、前記基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、
前記窓部材の下方に配置され、前記研磨ヘッドに保持された前記基板の表面温度を測定する赤外放射温度計と、を備え、
前記窓部材の裏面と前記赤外放射温度計の受光部との間には、障害物が存在しない空間が形成されている、研磨装置。
赤外線を透過する窓部材と、
前記窓部材が埋め込まれた研磨パッドと、
基板を回転可能に保持し、前記基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、
前記窓部材の下方に配置され、前記研磨ヘッドに保持された前記基板の表面温度を測定する赤外放射温度計と、
前記研磨パッドの減耗に応じて、前記窓部材を下降させるように構成されたアクチュエータと、を備え、
前記アクチュエータは、前記窓部材に接続されている、研磨装置。
前記窓部材が透過する波長帯域は、前記赤外放射温度計が温度測定可能な波長帯域を含む、請求項１または２に記載の研磨装置。
前記窓部材が透過する波長帯域は、１．５マイクロメートル以下、あるいは、６．０マイクロメートル以上である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記赤外放射温度計は、インジウム化合物から構成された赤外線吸収膜を有している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記窓部材の材質は、赤外線透過樹脂、フッ化カルシウム、合成石英、ゲルマニウム、フッ化マグネシウム、臭化カリウム、サファイア、シリコン、塩化ナトリウム、ジンクセレン、硫化亜鉛、から選択される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記研磨装置は、前記赤外放射温度計によって測定された前記基板の直径方向の温度分布を、記録または表示する機能を有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記赤外放射温度計によって測定される前記基板の温度測定周波数は、１０Ｈｚ以上である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨装置。