JPH10229061A

JPH10229061A - 研磨量測定装置

Info

Publication number: JPH10229061A
Application number: JP9029343A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shionoya; 孝塩野谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-08-25

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＭＰ装置では、被研磨基板と研磨布との間に
研磨剤やＰＨ調整剤を含んだスラリー等を供給しながら
研磨が行われる。光学式の測定方法では、測定光がこの
被研磨基板と研磨布との間に供給されるスラリー等で散
乱されることにより終点検出の精度が低下するという問
題点があった。【解決手段】本発明の研磨量測定装置は、定盤３上に配
置した研磨布４上に被研磨物１を接触させ、かつ相対運
動させることによって、被研磨物１を研磨する装置に用
いられる、光学式の研磨量測定装置において、研磨布４
と前記被研磨物１との間に液体若しくは気体を放出する
手段２０１、２０２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体プロセスで
使用されるCMP(Chemical Mechanical Polishing：化学
的機械的研磨)装置の終点検出方法または装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】主にシリコンウエハ（研磨基板）上の絶
縁膜層および金属配線層（研磨面）の平坦化に使用され
るＣＭＰ装置では、平坦化の方法に関係なく平坦化つま
り、研磨をいつ終了させるかが重要となる。何故なら
ば、研磨が早く終了してしまうと所望の平坦さが得られ
ないという問題があり、また、研磨をしすぎると研磨し
たくない領域を研磨してしまうという問題があるからで
ある。

【０００３】一般的には、モニタウエハを使用し、オフ
ラインでモニタウエハの研磨量と研磨時間の関係を求め
ることによって、所望の研磨状態が得られる研磨時間を
決定し、この研磨時間によって研磨終点を管理してい
る。最近では、スループットの向上とコスト低減のため
にインラインでＣＭＰプロセスの終点検出を行う方法が
種々提案されてきた。

【０００４】その方法としては、下地層の露出を用いる
方法、研磨した膜厚（研磨量）或いは研磨して残った膜
厚を測定する方法等である。具体的には、研磨面の平
坦化あるいは、研磨に伴い下地層が露出することによっ
てウエハキャリアを回転させるモーターのトルクが変動
することから、これをモニタして研磨終点を検出する方
法、の方法と同様に下地層の露出に伴いウエハキャ
リアの振動の周波数成分が変動することから、これをモ
ニタして研磨終点を検出する方法、研磨に伴い、定盤
とウエハの間の静電容量が変化することから、これをモ
ニタして研磨終点を検出する方法、研磨面側から研磨
面に光を照射して、研磨面での光の散乱状態をモニタし
て研磨終点を検出する方法等がある。

【０００５】特に、光学式の測定方法は、定盤及び研磨
布に複数の貫通孔を設け、各々の貫通孔から測定を行う
（多点測定）ことにより、研磨面内において研磨速度の
むらが発生した場合でも終点検出を行うことができると
いう利点があるため注目を集めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＣＭＰ
装置では、被研磨基板と研磨布との間に研磨剤やＰＨ調
整剤を含んだスラリー等を供給しながら研磨が行われ
る。光学式の測定方法では、測定光がこの被研磨基板と
研磨布との間に供給されるスラリー等で散乱されること
により終点検出の精度が低下するという問題点があっ
た。

【０００７】本発明は光学式の研磨寮測定装置において
測定精度の高い装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに本発明は、定盤上に配置した研磨布上に被研磨物を
接触させ、かつ相対運動させることによって、被研磨物
を研磨する装置に用いられる、光学式の研磨量測定装置
において、研磨布と前記被研磨物との間に液体若しくは
気体を放出する手段を設ける。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明による研磨量測定装
置の第１の実施形態を示す概略構成図であり、図２は本
発明による研磨量測定装置の第１の実施形態の光学系を
示す概略構成図である。図３（ａ）は本発明による研磨
量測定装置の第１の実施形態の光学系として用いられる
光導波路デバイスを示す斜視図であり、図３（ｂ）は本
発明による研磨量測定装置の第１の実施形態の光学系と
して用いられる光導波路デバイスして用いられる光導波
路デバイスを示す上面図（図３（ａ）のＡ方向から見た
図）であり、であり、図３（ｃ）は本発明による研磨量
測定装置の第１の実施形態の光学系として用いられる光
導波路デバイスを示す正面図（図３（ａ）のＢ方向から
見た図）である。図１〜図３においては同一の構成要素
は同一の符号を示した。尚、図面の理解を容易にするた
め、図３（ａ）においては実際に見えず隠れ線（破線）
となるべき線も実線により示した。

【００１０】シリコンウエハ１は、バッキングパッド２
を介し、ウエハキャリア５によって保持され、定盤３の
上に固定された研磨布４に押しつけられている。ウエハ
キャリア５は、軸６を中心に自転し、更に定盤３も軸７
を中心に自転する。定盤３及び研磨布４の１部に貫通孔
を設け、そこに研磨量測定装置８が設けられている。研
磨量測定装置８は光導波路デバイス１００、対物レンズ
１１３から構成されている。光導波路デバイス１００は
３本の光導波路１０２、１０３、１０４及び２つの水供
給手段２０１、２０２が形成された基板１０１と光源１
１１と２つの受光素子１２２、１２３から構成されてい
る。

【００１１】光源１１１と受光素子１２２、１２３は基
板１０１の側面に取り付けられる。光源１１１から射出
された光は照明用光導波路１０４を伝搬する。照明用光
導波路１０４の出射端面１３０は基板１０１の側面１１
５上に配置される。出射端面１３０の位置は光導波路１
０２の入射端面１３１と光導波路１０３の入射端面１３
２との位置のほぼ中点である。また、光導波路１０２、
１０３は各々曲がり部１４１、１４２を有している。そ
のため、光導波路１０２、１０３のうち、曲がり部１４
１、１４２よりも入射端面１３１、１３２側の部分は、
光の伝搬方向が光軸１４３に対して角度θだけ傾斜する
ように形成されている。傾斜する向きは光導波路１０
２、１０３の両方が同じ向きであればよく、左側でも右
側でも構わない。光導波路１０２、１０３のうち、曲が
り部１４１、１４２よりも先の部分は、光軸１４３に平
行に形成され、基板１０１の反対側の側面に取り付けら
れた光検出器１２２、１２３に各々光を導く。光検出器
１２２、１２３は差動増幅器１４４に接続され、差動増
幅器１４４から各々の光検出器で検出された光量の差に
応じた信号が出力される。

【００１２】また、光導波路デバイス１００の基板１０
１には、２つの水供給手段２０１、２０２が設けられて
おり、水を放出するための放出口２０３、２０４と外部
から水を供給するための接続口２０５、２０６と、放出
口２０３、２０４と接続口２０５、２０６との間を連通
させる内部通路２０７、２０８と基板１０１に接合した
部材２０９を備えている。基板１０１の上面に内部通路
２０７、２０８の全体に相当する凹所（本実施の形態で
は直線状に延びた溝）が形成されている。一方、部材２
０９の下面は単なる平面となっている。つまり、部材２
０９の下面と基板１０１に形成された凹所によって内部
通路２０７、２０８は２次元的に閉ざされた空間となっ
ている。尚、図３（ａ）では簡略化のため部材２０９は
省略した。

【００１３】光源１１１から発せられた光は基板１０１
上の光導波路１０４を通って出射端面１３０から射出さ
れ、対物レンズ１１３によってシリコンウエハ１上に形
成された誘電体絶縁膜９上に集光される。シリコンウエ
ハ１上の誘電体膜９で反射された光は対物レンズ１１３
を通り、基板１０１の側面１１５に集光され、光スポッ
ト１１６を形成する。光スポット１１６は基板１０１の
側面１１５上の光導波路１０２、１０３の入射端面１３
１、１３２の間に形成される。光導波路１０２、１０３
に各々入射した反射光は、光導波路１０２、１０３を伝
搬して光検出器１２２、１２３によって検出され、その
光量差が差動増幅器１４４によって出力される。

【００１４】光導波路１０２、１０３によって励振され
る導波光の強度について図４を用いて説明する。光導波
路１０２、１０３を伝搬する導波光の電界分布１０４、
１０５は図４のように光導波路の幅方向に分布してい
る。シリコンウエハ１が対物レンズ１１３の集光位置に
あるときには図４（ａ）のように、基板１０１の側面１
１５上に集光される光スポット１１６は回折限界まで絞
られている。このため、光導波路１０２、１０３の入射
端面１３１、１３２では導波光は殆ど励振されず光導波
路１０２、１０３を伝搬する導波光は殆どない。

【００１５】シリコンウエハ１が集光位置から前側（対
物レンズ１１３に近い側）にずれているときには、光ス
ポット１１６の波面１２１は図４（ｂ）のように光軸１
４３を中心とした曲面となる。このとき、波面１２０の
傾斜は光導波路１０２側では導波光の電界分布１０４の
方向と平行に近いため、光導波路１０２の入射端面１３
１における光スポット１１６の波面１２０と導波光の電
界分布１０４との整合性が良い。よって、光導波路１０
２の入射端面１３１では反射光によって導波光が強く励
振される。一方、光導波路１０３側では反射光の波面１
２０の傾斜が導波光の電界分布１０５の方向から大きく
ずれているため、導波光１０３の入射端面１３２におけ
る光スポット１１６の波面１２０と、導波光の電界分布
との整合性はよくない。よって、光導波路１０３におい
ては、励振される導波光の強度は光導波路１０２よりも
小さい。

【００１６】逆に、シリコンウエハ１が集光位置から後
ろ側（対物レンズ１１３から遠い側）にずれているとき
には、光スポット１１６は広がり、基板１０１の側面１
１５における波面１２１は図４（ｃ）のような曲面とな
る。曲面の傾斜は図４（ｂ）の場合とは逆向きとなる。
従って、波面１２１の傾斜は光導波路１０３側では、導
波光の電界分布１０５の方向と平行に近いため、光スポ
ット１１６の波面１２１と導波光の電界分布１０５の整
合性が良く光導波路１０３においては導波光が強く励振
される。一方、光導波路１０２側では光スポット１１６
の波面１２１の傾斜が導波光の電界分布１０４の方向か
ら大きくずれているため、励振される導波光の強度は光
導波路１０３より小さい。

【００１７】従って、シリコンウエハ１が対物レンズ１
１３によって集光される光の集光位置に対して前側及び
後ろ側にずれているときには、検出器１２２の出力Ｉ２
と検出器１２３の出力Ｉ３は図５（ａ）のようになる。
よって、差動増幅器１４４によって両者の差を取ること
により、図５（ｂ）のようにＳ字特性を持つフォーカス
エラー信号が得られる。

【００１８】差動増幅器１４４の出力と、デフォーカス
量との関係を予め測定しておき、測定すべきシリコンウ
エハ１における差動増幅器１４４の出力に対応するデフ
ォーカス量をこの関係から求めることにより、シリコン
ウエハ１の変位量を検出することの可能な変位検出装置
を構成することができる。研磨する前はシリコンウエハ
１上の誘電体絶縁膜９の表面には凹凸があり、研磨量測
定装置８の信号も凹凸の有る信号となるが、研磨するこ
とによりシリコンウエハ１上の誘電体絶縁膜９の凹凸は
平らになってきて、信号が完全に平らになったことから
研磨の終点を判定する。

【００１９】尚、第１の実施形態では光導波路１０２、
１０３をシングルモード光導波路としたが、マルチモー
ド光導波路であっても、上述と同様に励振される導波光
の強度差が生じる。よって、マルチモード光導波路であ
っても同様に変位検出装置を構成することは可能であ
る。また、第１の実施形態では光軸１４３に対する光導
波路１０２、１０３の傾斜角度を同じにしたが、必ずし
も同じ角度でなくともよい。

【００２０】また、光導波路１０４の端面１３０が端面
１３１と端面１３２との中点からずれていても構わな
い。例えば、端面１３１と端面１３２との間に光スポッ
ト１１６が形成されれば、端面１３０はどこに配置され
ても構わない。上記の様に端面の位置を中点からずらし
たり、光導波路１０２、１０３の傾斜角度を異ならせる
と、図５（ｂ）のフォーカスエラー信号の形状が、正側
の最大振幅の絶対値と、負側の最大振幅の絶対値とが一
致しない形状となるが、予めフォーカスエラー信号の形
状を測定しておけば、その求められた形状から変位検出
を行うことができる。

【００２１】そして、図示していない水供給手段から接
続口２０５、２０６に水が供給され、内部通路２０７、
２０８を通過した水は放出口２０３、２０４から放出さ
れる。そして、放出された水がスラリーを洗い流し、光
導波路デバイス１００から射出する光が通過する部分の
スラリーが除去されるため、照射光及び反射光がスラリ
ーで散乱することを減少させることができるので、ＳＮ
比が向上、測定精度が向上する。

【００２２】尚、本実施の形態ではスラリー等を洗い流
すために水を用いたが、特に水に限定されるわけではな
く、終点測定をしたい領域のスラリーを洗い流すことが
できるものであればなんでもよく、他の液体若しくは気
体等でもよい。また、終点検出を連続的に行わなくても
よい場合は、測定のタイミングに併せて測定面の洗浄
（水の供給）を行えばよい。このようにすると、水等の
洗浄液によってスラリー等が薄まることを防止できる。

【００２３】また、本実施形態では光学的な測定方法と
して光導波路デバイスを用いた変位検出装置を用いた
が、これに限られるわけではなく、光学式の測定であれ
ば測定時に水等の洗浄液や気体によってスラリー等を除
去することは有効である。次に、光導波路デバイスの製
造方法について図６を参照して説明する。図６は光導波
路デバイスの製造工程を示す断面図である。

【００２４】基板１０１としてＳｉ基板を用い、下部ク
ラッド層１５１とコア層１５２を堆積する。下部クラッ
ド層１５１は材料にＳｉＯ₂を用い、コア層１５２には
ＧｅをドープしたＳｉＯ₂を用いる（図６（ａ））。次
にコア層をエッチングして光導波路の形状にパターニン
グする（図６（ｂ））。

【００２５】次に上部クラッド層１５３を堆積する。上
部クラッド層１５３にはＳｉＯ₂を用いる。上部クラッ
ド層と下部クラッド層は同一の材料からなるので、上部
クラッド層と下部クラッド層の境界部は明瞭ではない
（図６（ｃ））。次に上部クラッド層１５３と下部クラ
ッド層１５１の一部をエッチングして除去し、基板のＳ
ｉをむき出し、Ｓｉ基板１０１の上面に凹所２０７、２
０８を形成する（図６（ｄ））。凹所２０７、２０８
は、例えば半導体製造技術であるエッチング、ダイシン
グ加工等を用いて形成することができる。図６（ｄ）に
はＳｉ基板１０１の上面にダイシング加工により凹所２
０７、２０８を形成した例を示す。この場合には、ダイ
シング加工時に用いるダイシングソーのブレード幅と基
板１０１への切り込み量により、凹所２０７、２０８の
寸法を決めることができる。また、Ｓｉ基板１０１の上
面に等方性エッチングにより凹所を形成する場合には、
エッチング液として、例えば硝酸＋フッ酸を用いること
ができる。更に、Ｓｉ基板１０１の上面に異方性エッチ
ングにより凹所を形成する場合には、例えばＳｉ基板１
０１として（１００）面方位を持つＳｉ単結晶基板を用
い、エッチング液としてＫＯＨ溶液を用いることができ
る。このとき、凹所の側壁は基板の表面と５４．７゜の
角度を有する（１１１）系の面となる。

【００２６】凹所の形成にエッチングを採用する場合に
はエッチング液の濃度、温度、エッチング時間の条件及
びエッチング時のマスク形状（図示せず）を、所望の形
状及び寸法の凹所２０７、２０８が得られるよう適宜設
定すればよい。以上のようにダイシング加工やエッチン
グ等を採用することにより、様々な断面形状及び寸法を
有する凹所を形成することが可能である。

【００２７】その後、図６（ｅ）に示すように、予め用
意された部材２０９となるべき可動イオンを含むガラス
材料（例えば、ホウ珪酸ガラス）からなるガラス基板の
下面と、凹所２０７、２０８が形成されたシリコン基板
１０１の上面とを接合する。この接合は例えば陽極接合
により行うことができる。この陽極接合は、例えば、ホ
ットプレートでＳｉ基板１０１及び部材２０９を４００
℃に加熱し、Ｓｉ基板１０１に６００Ｖの直流電圧を印
加し、その状態で１０分間保った後に印加電圧を０Ｖに
下げ、ホットプレートの加熱を停止して自然冷却するこ
とによって行われる。もっとも、Ｓｉ基板１０１と部材
２０９との接合は陽極接合に限定されるものではなく、
例えば接着剤等を用いて両者を接合しても構わない。

【００２８】最後に光導波路デバイス１００の入出射端
面を研磨して光導波路デバイスが完成する。第１の実施
形態では基板１０１として、Ｓｉ基板を用いたが、基板
１０１に化合物半導体基板を用い、光導波路１０２、１
０３、１０４を半導体材料で構成することもできる。例
えば、ＧａＡｓ基板を用い、ＡｌＧａＡｓをクラッドに
してＧａＡｓにより光導波路１０２、１０３、１０４を
形成することができる。この場合、ＧａＡｓ基板１０１
上に光導波路１０２、１０３、１０４と光源１１１と光
検出器１２２、１２３とを集積することが可能となる。

【００２９】図７は本発明による研磨量測定装置の第２
の実施形態の光学系に用いられる光導波路デバイスを示
す正面図である。第１の実施形態と同一の構成要素には
同じ番号を付けた。第２の実施形態の光導波路デバイス
では水供給手段２０１、２０２が基板１０１に形成され
たＶ字形の凹所２１１、２１２と、部材２０９と、その
両者に挟まれて固定されたパイプ２１３、２１４とから
構成されている。その他の構成要素及び動作は第１の実
施形態と同様であるので説明を省略する。

【００３０】図８は第２の実施形態の光導波路デバイス
の製造方法を示す図である。図８（ｃ）までは第１の実
施形態と同様であるが、上部クラッド層１５３と下部ク
ラッド層１５１の除去後、光導波路デバイス１００の入
出射端面を研磨し、次に、異方性エッチングによりＳｉ
基板１０１にＶ字形の凹所２１１、２１２を形成し、そ
の後、パイプ２１３、２１４をＶ字形の凹所２１１、２
１２と部材２０９で挟み固定する。

【００３１】図９は本発明による研磨量測定装置の第３
の実施形態の光学系を示す概略構成図である。図１０は
本発明による研磨量測定装置の第３の実施形態の光学系
に用いられる光導波路デバイスを示す斜視図である。第
１の実施形態と同一の構成要素には同じ符号を付けた。
尚、図９では信号処理回路を省略して示した。第３の実
施形態の光導波路デバイスでは対物レンズを基板１０１
上に作製したマイクロレンズ１６０としている。マイク
ロレンズ１６０は反応性イオンビームスパッタを用いて
形成したＳｉ−Ｏ−Ｎ分布屈折率膜をＣ₃Ｆ₈ガスを用い
た反応性イオンビームエッチングにより加工する公知の
方法で作製した。その他の構成要素及び動作は第１の実
施形態と同様であるので説明を省略する。

【００３２】第３の実施形態の光導波路デバイスでは対
物レンズが基板１０１に一体に構成されているので経時
変化等によって変化する光学系のアライメントの手間が
省略化される。第１〜３の実施形態では変位測定装置と
して光の波面の傾きによる光導波路への結合効率の変化
により変位を検出する光導波路デバイスを用いたが、そ
の他の変位検出方法、例えば、光導波路型干渉計等によ
る変位測定装置を用いることもできる。ＣＭＰ装置は研
磨を行うため振動等によって光学系がずれる可能性があ
るが光導波路デバイスを用いた場合は光学系が固定とな
るため経時変化等による光学系のアライメントの省略化
を行うことができる。

【００３３】第１〜３の実施形態で被研磨面に誘電体絶
縁膜を用いたが金属膜やシリコンでもよい。そして、第
１〜３の実施形態において定盤３及び研磨布４に複数の
貫通孔を設けて研磨量測定装置を複数設け、シリコンウ
エハ内の異なる位置での研磨の状況を把握することによ
り、シリコンウエハ面内で研磨速度にむらが発生した場
合でも終点の検出を正確に行うことができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば液体若しくは
気体によってスラリー等のように光学式の測定の邪魔に
なるものの大部分を除去することができるため正確に終
点検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の概
略構成図である。

【図２】本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の光
学系の概略構成図である。

【図３】（ａ）本発明の研磨量測定装置の第１の実施形
態の光学系に用いられる光導波路デバイスを示す斜視図
である。（ｂ）本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の光学
系に用いられる光導波路デバイスを示す上面図である。（ｃ）本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の光学
系に用いられる光導波路デバイスを示す正面図である。

【図４】本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の光
学系の光導波路デバイスの変位検出の原理を説明する説
明図である。

【図５】本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の光
学系の光導波路デバイスの変位検出の原理を説明するグ
ラフである。

【図６】本発明の研磨量測定装置の第１の実施形態の光
学系の光導波路デバイスの製造工程を示す図である。

【図７】本発明の研磨量測定装置の第２の実施形態の光
学系の光導波路デバイスの小面図である。

【図８】本発明の研磨量測定装置の第２の実施形態の光
学系の光導波路デバイスの製造工程を示す図である。

【図９】本発明の研磨量測定装置の第３の実施形態の光
学系の概略図である。

【図１０】本発明の研磨量測定装置の第３の実施形態光
学系の光導波路デバイスを示す斜視図である。

【符号の説明】

１・・・シリコンウェハ２・・・バッキングパッド３・・・定盤４・・・研磨布５・・・ウェハキャリア８・・・研磨量測定装置９・・・誘電体絶縁膜１００・・・光導波路デバイス１０１・・・基板１０２、１０３、１０４・・・光導波路１１１・・・光源１１３・・・対物レンズ１１６・・・光スポット１２２、１２３・・・光検出器１３０、１３１、１３２・・・光導波路端面１４３・・・対物レンズの光軸１４４・・・差動増幅器１６０・・・マイクロレンズ２０１、２０２・・・水供給手段２０７、２０８・・・凹所２０９・・・部材２１１・・・Ｖ字形の凹所２１３、２１４・・・パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０１Ｂ 11/06 Ｇ０１Ｂ 11/06 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】定盤上に配置した研磨布上に被研磨物を接
触させ、かつ相対運動させることによって、被研磨物を
研磨する装置に用いられる、光学式の研磨量測定装置で
あって、前記研磨布と前記被研磨物との間に液体若しくは気体を
放出する手段を設けたことを特徴とする研磨量測定装
置。
【請求項２】前記液体若しくは気体を放出する手段は基
板に作製された凹所と該凹所の上に覆われた部材で囲ま
れた領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の研
磨量測定装置。
【請求項３】前記液体若しくは気体を放出する手段は基
板に作製された凹所と該凹所の上に固定されたパイプを
備えることを特徴とする請求項１に記載の研磨量測定装
置。
【請求項４】前記光学式の研磨量測定装置に用いられる
光学素子が同一の基板上に集積されていることを特徴と
する請求項１、２、３に記載の研磨量測定装置。