JP7802595B2

JP7802595B2 - 研磨終点検出装置及びｃｍｐ装置

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Publication number: JP7802595B2
Application number: JP2022057018A
Authority: JP
Inventors: 秀人藤山; 創士山田; 悠詞中田
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2026-01-20
Anticipated expiration: 2042-03-30
Also published as: TWI823762B; JP2023148801A; TW202337627A; KR102893464B1; CN116890298A; KR20230141445A

Description

本発明は、研磨終点検出装置及びＣＭＰ装置に関する。

半導体製造分野では、半導体シリコンウェハ等（以下、「ワーク」という）を研磨して平坦化するＣＭＰ装置が知られている。

特許文献１記載の研磨装置は、化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術を適用した研磨装置である。本ＣＭＰ装置は、研磨ヘッドに装着されたワークを研磨パッドに押圧してワークを研磨するものである。また、プラテンの下方に配置されたセンサヘッドが、プラテンが１回転する度に観測孔を介してワークに向けて光を照射し、反射光の光強度スペクトルに基づいてワークの研磨終点を検出する。

特開２０１７－５２０２７号公報

しかしながら、特許文献１記載の研磨装置では、プラテンが１回転する度にワーク内の１点のみ膜厚測定を行うため、図４に示すように、研磨ヘッドを水平方向ｄ１に移動させて、回転方向ｄ２に沿って回転するワーク１００内でセンサヘッド１０１の測定位置ｍｐを走査させ、研磨終点を精度良く検出する上で必要な数の測定点（図４中では、８カ所）での膜厚を測定するため、膜厚測定に長時間を要するという問題があった。

そこで、研磨中のワークの膜厚を短時間で精度良く検出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。

上記目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、プラテン上の研磨パッドに押し付けられて研磨されるワークの膜厚を測定し、前記ワークの膜厚に基づいて研磨終点を検出する研磨終点検出装置であって、前記プラテン外に設けられ、光源及び分光装置に第１のファイバを介してそれぞれ接続された固定側鏡筒と、前記プラテンに設けられ、前記固定側鏡筒との間で光を無線で伝送する回転側鏡筒と、前記プラテン及び前記研磨パッドに形成された観測孔内に収容されるとともに前記回転側鏡筒に第２のファイバを介して接続され、前記ワークが前記観測孔上を通過するときに前記ワークに向かって測定光を照射し、前記ワークからの反射光を受光するセンサヘッドと、を備えている。

また、本発明に係るＣＭＰ装置は、上述した研磨終点検出装置を備えている。

本発明は、研磨中のワークの膜厚を短時間で精度良く検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置を模式的に示す斜視図。ＣＭＰ装置の要部を模式的に示す縦断面図。プラテンが１回転する間に、ワーク内の膜厚測定位置が走査される様子を示す模式図。従来のＣＭＰ装置において、研磨ヘッドが水平移動してワーク内の膜厚測定位置が走査される様子を示す模式図。

本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、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、本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置１を模式的に示す斜視図である。ＣＭＰ装置１は、ワークＷの一面を平坦に研磨するものである。ＣＭＰ装置１は、プラテン２と、研磨ヘッド３と、を備えている。ワークＷは、例えば、シリコンウェハであるがこれに限定されるものではない。

プラテン２は、円盤状に形成されており、プラテン２の下方に配置された回転軸部２ａに連結されている。回転軸部２ａがモータ４の駆動によって回転することにより、プラテン２は図１中の矢印Ｄ１の方向に回転する。プラテン２の上面には、研磨パッド５が貼付されており、研磨パッド５上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるＣＭＰスラリが供給される。

研磨ヘッド３は、プラテン２より小径に形成されており、研磨ヘッド３の上方に配置された回転軸部３ａに連結されている。回転軸部３ａが図示しないモータの駆動によって回転することにより、研磨ヘッド３は、図１中の矢印Ｄ２の方向に回転する。研磨ヘッド３は、図示しないヘッド移動機構によって垂直方向及び水平方向に移動可能に構成されている。研磨ヘッド３は、ワークＷを研磨する際に下降して研磨パッド５にワークＷを押圧する。

ＣＭＰ装置１の動作は、コントローラ６によって制御される。コントローラ６は、ＣＭＰ装置１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。コントローラ６は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、コントローラ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良く、ハードウェアを用いて動作するものにより実現されても良い。

次に、ＣＭＰ装置１の要部について、図２に基づいて説明する。研磨ヘッド３は、回転軸部３ａに接続されて回転軸部３ａと共に回転するチャック７を備えている。

研磨ヘッド３の下部には、チャック７が設けられている。チャック７は、アルミナ製のチャックテーブル７ａを備えている。チャック７は、図示しない真空源、圧縮空気源に接続されている。真空源を起動させることにより、チャック７の保持面７ｂにワークＷが吸着保持される。また、圧縮空気源を起動させることにより、保持面７ｂとワークＷとの間に圧縮空気が供給されてワークＷの吸着保持が解除される。

このような構成により、ＣＭＰ装置１は、以下の手順でワークＷを研磨する。すなわち、まず、ワークＷの被研磨層が下方を向いた状態で、ワークＷが研磨ヘッド３に吸着保持される。次に、研磨ヘッド３がプラテン２上に移動し、プラテン２及び研磨ヘッド３が同一方向に回転する。そして、研磨パッド５上にスラリが供給されながら、研磨ヘッド３が、ワークＷを研磨パッド５に押圧してワークＷを研磨する。また、コントローラ６は、後述する研磨終点検出装置１０がワークＷの研磨終点を検出すると、プラテン２及び研磨ヘッド３を停止させて、ワークＷの研磨が終了する。

ＣＭＰ装置１は、研磨中にワークＷの研磨終点を検出する研磨終点検出装置１０を備えている。研磨終点検出装置１０は、ワークＷの膜厚を測定する測定部２０と、ワークＷの研磨終点を検出する検出部３０と、を備えている。

測定部２０は、いわゆる光干渉式の膜厚センサである。測定部２０は、光源２１と、センサヘッド２２と、分光装置２３と、を備えている。

光源２１は、例えば、波長４００～８００ｎｍの白色光を出射するハロゲン光源であるが、これに限定されるものではない。光源２１から出射された測定光は、第１の光ファイバ２４、固定側鏡筒２５、回転側鏡筒２６及び第２の光ファイバ２７を経てセンサヘッド２２に伝送される。

第１の光ファイバ２４は、複数の光ファイバを束ねるとともに途中で分岐したＹ型の光ファイバであり、一方端が光源２１及び分光装置２３にそれぞれ接続されるとともに、他方端が固定側鏡筒２５に接続されている。第１の光ファイバ２４の束径は、例えば１０００μｍに設定されている。なお、第１の光ファイバ２４の構成は、これに限定されるものではない。

固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６とは、所定距離だけ離間して対向配置されており、相互に光を照射及び受光可能である。すなわち、光は、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６との間において無線で伝送される。以下、光が無線で伝送される光路を「中空光路ＯＰ」という。

固定側鏡筒２５の光軸と第１の光ファイバ２４の光軸とは、略一致するように構成されている。固定側鏡筒２５は、支持アーム２８に支持されている。支持アーム２８は、移動ステージ２９に載置されており、移動ステージ２９が水平方向又は上下方向に移動することにより、固定側鏡筒２５は、回転側鏡筒２６に対して相対的に移動可能である。

回転側鏡筒２６は、アタッチメント２６ａを介してプラテン２の回転軸部２ａの底部に装着されている。回転側鏡筒２６は、アタッチメント２６ａに外周を支持されている。アタッチメント２６ａは、図示しない長孔にボルトを締結される等によって回転軸部２ａに着脱自在に構成されている。また、アタッチメント２６ａは、回転軸部２ａに対する組み付け位置を水平方向に微調整可能である。

第２の光ファイバ２７は、複数の光ファイバを束ねたＩ型の光ファイバであり、一方端が回転側鏡筒２６に接続され、他方端がセンサヘッド２２に接続されている。第２の光ファイバ２７の束径は、例えば１０００μｍに設定されている。なお、第２の光ファイバ２７の構成は、これに限定されるものではない。回転側鏡筒２６の光軸と第２の光ファイバ２７の光軸とは、略一致するように構成されている。

センサヘッド２２は、観測孔８内に収容され、観測窓９に対向して配置されている。観測孔８は、プラテン２及び研磨パッド５に上下方向に貫通して形成されている。観測孔８は、プラテン２の回転軸Ａから径方向に所定距離だけオフセットして設けられている。観測孔８の形状は、例えば、平面から視て長楕円形状に形成されている。

観測窓９は、観測孔８の上端を閉塞するように配置されている。観測窓９は、研磨中に研磨パッド５上のスラリ等が漏水しないように、観測窓９の周面が研磨パッド５に接着される等して研磨パッド５に一体化されている。観測窓９の材質は、後述する測定光の波長に対して光学的に透明であれば如何なるものであってもよく、例えばウレタン製である。

光源２１から出射された測定光は、第１の光ファイバ２４、固定側鏡筒２５、回転側鏡筒２６及び第２の光ファイバ２７を介してセンサヘッド２２に伝達される。すなわち、測定光は中空光路ＯＰを経由する。

そして、センサヘッド２２からワークＷに向けて照射された測定光は、観測窓９を透過してワークＷに至る。このとき、センサヘッド２２はプラテン２と一体で回転するため、図３に示すように、ワークＷが観測窓９上を通過するときに、センサヘッド２２がワークＷに対して測定光を照射する膜厚測定位置ＭＰは、プラテン２の回転方向Ｄ１に沿ってワークＷの回転中心を通りワークＷを横断するようにワークＷ内を走査される。すなわち、プラテン２が１回転する間に、極めて短時間で多点測定が可能である。

また、センサヘッド２２は、ワークＷの被研磨層の表面及び裏面で反射して観測窓９を透過した反射光を受光する。センサヘッド２２が受光した反射光は、第２の光ファイバ２７、回転側鏡筒２６、固定側鏡筒２５及び第１の光ファイバ２４を経て分光装置２３に伝送される。すなわち、反射光は中空光路ＯＰを経由する。なお、センサヘッド２２は、観測窓９に対して垂直に光を照射又は受光するものに限定されず、光路が反射部材等で屈折されても構わない。

分光装置２３は、固定側鏡筒２５に第１の光ファイバ２４を介して接続されている。分光装置２３は、ワークＷからの反射光を波長に応じて分解して、波長と反射光の強度との関係を示す分光波形を生成する。また、分光装置２３は、フーリエ解析等を用いて、分光波形から研磨中のワークＷの膜厚を算出する。

検出部３０は、分光装置２３が測定した加工中のワークＷの膜厚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し、ワークＷの膜厚の測定値が設定値に達すると、検出部３０は、ワークＷの研磨終点を検出する。また、検出部３０は、コントローラ６に対してＣＭＰ装置１の停止信号を出力して、ワークＷに対する研磨を終了させる。

次に、研磨終点検出装置１０が精度良く研磨終点を検出するために、固定側鏡筒２５及び回転側鏡筒２６の好適な構成について説明する。

測定部２０は、反射光の取得光量が安定せずに変動すると測定精度が低下する。そこで、測定光や反射光の光量変動は測定精度に影響を及ぼさない程度に安定するのが好ましい。測定部２０内において顕著な光量変動が生じる虞がある主な原因は、例えば以下のものが考えられる。
（１）プラテン２の回転軸Ａと回転側鏡筒２６の光軸との円周振れ
（２）中空光路ＯＰの距離
（３）固定側鏡筒２５の光軸と回転側鏡筒２６の光軸との同軸度

（１）プラテン２の回転軸Ａと回転側鏡筒２６の光軸との円周振れ
プラテン２の回転軸Ａと回転側鏡筒２６の光軸との回転時の円周振れが少ないほど、取得光量の変動は少なくなる。表１は、第２の光ファイバ２７の径に対する回転側鏡筒２６の円周振れの比率（円周振れ比）における、取得光量のばらつき及び測定値のばらつきを示す。なお、表１中の「円周振れ比」とは、回転側鏡筒２６の円周振れ（１５μｍ、３０μｍ及び５０μｍ）を第２の光ファイバ２７の束径（１０００μｍ）で除した百分率である。

表１によれば、回転側鏡筒２６の円周振れ比が大きくなるにつれて、取得光量及び膜厚測定のばらつきも増加し、測定精度が悪化していることが分かる。

そこで、本実施形態では、安定して取得光量が得られるように、プラテン２の回転軸Ａに対する回転側鏡筒２６の光軸の回転時の振れを１．５μｍ（円周振れ比：１．５％）に設定した。なお、回転軸部２ａへの回転側鏡筒２６の組み付けは、例えば、プラテン２を回転させながら電気マイクロメータで回転側鏡筒２６の円周振れを確認し、円周振れが所定値以下になる位置に回転側鏡筒２６が位置決めされるように、回転軸部２ａに対するアタッチメント２６ａの取り付け具合を調整することにより行う。

（２）中空光路ＯＰの距離
中空光路ＯＰの距離（固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６との隙間）が過度に広いと、光が発散して光量の伝達率が低下して測定精度が悪化する上に、発散して固定側鏡筒２５の端面又は回転側鏡筒２６の端面で反射した光がノイズとなる。

一方、中空光路ＯＰの距離が過度に近いと、プラテン２の回転時に回転側鏡筒２６が固定側鏡筒２５に接触して破損する虞がある。表２は、中空光路ＯＰの距離（隙間幅）と測定膜厚のばらつきとの関係を示す。

表２によれば、中空光路ＯＰの距離が１．５ｍｍ以上だと、中空光路ＯＰの距離が長くなるにつれて測定膜厚のばらつきが悪化することが分かる。一方、中空光路ＯＰの距離が１ｍｍ以下だと、測定膜厚のばらつきが略一定であることが分かる。

そこで、本実施形態では、測定膜厚のばらつきを低減するとともに光の発散を抑制するために、中空光路ＯＰの距離を０．５ｍｍに設定した。なお、中空光路ＯＰの距離の調整は、例えば、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６とを接触させた状態から、移動ステージ２９を駆動して固定側鏡筒２５を回転側鏡筒２６から離すように移動させ、移動ステージ２９の移動量が０．５ｍｍに達したら移動ステージ２９を停止することにより行う。

（３）固定側鏡筒２５の光軸と回転側鏡筒２６の光軸との同軸度
回転する回転側鏡筒２６の光軸に対する固定側鏡筒２５の光軸の振れが少ないほど、取得光量の変動は少なくなる。

そこで、本実施形態では、取得光量の変動量が±５％以内に収まるように、回転側鏡筒２６に対する固定側鏡筒２５の相対位置を設定する。なお、固定側鏡筒２５の水平方向の位置決めは、例えば、プラテン２を回転させながら、移動ステージ２９を駆動して固定側鏡筒２５を水平方向に移動させ、固定側鏡筒２５の位置に応じた分光装置２３の取得光量の変動量を確認することにより行う。

このようにして、上述した本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、プラテン２上の研磨パッド５に押し付けられて研磨されるワークＷの膜厚を測定し、ワークＷの膜厚に基づいて研磨終点を検出する研磨終点検出装置１０であって、プラテン２外に設けられ、光源２１及び分光装置２３に第１の光ファイバ２４を介してそれぞれ接続された固定側鏡筒２５と、プラテン２に設けられ、固定側鏡筒２５との間で光を無線で伝送する回転側鏡筒２６と、プラテン２及び研磨パッド５に形成された観測孔８内に収容されるとともに回転側鏡筒２６に第２の光ファイバ２７を介して接続され、ワークＷが観測孔８上を通過するときにワークＷに向かって測定光を照射し、ワークＷからの反射光を受光するセンサヘッド２２と、を備えている構成とした。

この構成により、センサヘッド２２及び固定側鏡筒２５がプラテン２とともに回転可能であり、膜厚測定位置ＭＰが、プラテン２が１回転する毎にワークＷを横断するように走査されるため、ワークＷ内の広範囲に亘って膜厚測定を短時間で精度良く行うことができる。

さらに、光源２１、分光装置２３がプラテン２に搭載された場合、プラテン２の回転時に生じる遠心力で光源２１や分光装置２３が破損したり、光源２１や分光装置２３への給電が不安定になったりノイズが混入する虞があるが、光源２１、分光装置２３がプラテン２外に設けられていることにより、ワークＷの膜厚測定を安定して行うことができる。

また、本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６とは、隙間を空けて対向配置されている構成とした。

この構成により、プラテン２の高速回転時に、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６とが接触して破損することが抑制されるため、ワークＷの膜厚測定を安定して行うことができる。

また、本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、回転側鏡筒２６は、プラテン２に着脱自在なアタッチメント２６ａを介してプラテン２の回転軸部２ａに設けられている構成とした。

この構成により、回転側鏡筒２６を回転軸部２ａへ簡便に組み付けることができる。

また、本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、固定側鏡筒２５を回転側鏡筒２６に対して相対移動させる移動ステージ２９をさらに備えているである構成とした。

この構成により、回転側鏡筒２６に対する固定側鏡筒２５の相対位置を変更することにより、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６との隙間や、固定側鏡筒２５の光軸と回転側鏡筒２６の光軸との同軸度を容易に調整可能なため、ワークＷの膜厚測定を安定して行うことができる。

また、本実施形態に係るＣＭＰ装置１は、研磨終点検出装置１０を備えている構成とした。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

１：ＣＭＰ装置
２：プラテン
２ａ：（プラテンの）回転軸部
３：研磨ヘッド
３ａ：（研磨ヘッドの）回転軸部
４：モータ
５：研磨パッド
６：コントローラ
７：チャック
７ａ：チャックテーブル
７ｂ：保持面
８：観測孔
９：観測窓
１０：研磨終点検出装置
２０：測定部
２１：光源
２２：センサヘッド
２３：分光装置
２４：第１の光ファイバ
２５：固定側鏡筒
２６：回転側鏡筒
２６ａ：アタッチメント
２７：第２の光ファイバ
２８：支持アーム
２９：移動ステージ
３０：検出部
Ａ：回転軸
ＯＰ：中空光路
Ｗ：ワーク

Claims

プラテン上の研磨パッドに押し付けられて研磨されるワークの膜厚を測定し、前記ワークの膜厚に基づいて研磨終点を検出する研磨終点検出装置であって、
前記プラテン外に設けられ、光源及び分光装置に第１のファイバを介してそれぞれ接続された固定側鏡筒と、
前記プラテンに設けられ、前記固定側鏡筒との間で光を無線で伝送する回転側鏡筒と、
前記プラテン及び前記研磨パッドに形成された観測孔内に収容されるとともに前記回転側鏡筒に第２のファイバを介して接続され、前記ワークが前記観測孔上を通過するときに前記ワークに向かって測定光を照射し、前記ワークに対して前記測定光を照射した膜厚測定点からの反射光を受光するセンサヘッドと、
を備え、
前記回転側鏡筒は、前記プラテンの回転軸に対する水平方向位置を調整可能なアタッチメントを介して前記プラテンの回転軸部に設けられていることを特徴とする研磨終点検出装置。
前記固定側鏡筒と前記回転側鏡筒とは、隙間を空けて対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出装置。
前記固定側鏡筒を前記回転側鏡筒に対して相対移動させる移動ステージをさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨終点検出装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の研磨終点検出装置を備えていることを特徴とするＣＭＰ装置。