JP4996331B2 - Substrate polishing apparatus and substrate polishing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化するポリッシング装置等の基板研磨装置、および半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する基板研磨方法に関するものである。 The present invention relates to a substrate polishing apparatus such as a polishing apparatus for polishing and flattening a substrate such as a semiconductor wafer, and a substrate polishing method for polishing and flattening a substrate such as a semiconductor wafer.
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。 In recent years, semiconductor devices have become increasingly finer and the element structure has become more complex, and as the number of layers of logic-based multilayer wiring has increased, the unevenness of the surface of the semiconductor device has increased and the level difference has a tendency to increase. This is because, in the manufacture of semiconductor devices, the process of forming a thin film, micropatterning for patterning and opening and then forming the next thin film is repeated many times.
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。 If the irregularities on the surface of the semiconductor device increase, the film thickness at the stepped part will become thinner during thin film formation, open due to disconnection of the wiring, short circuit due to insulation failure between wiring layers, etc. There is a tendency to decrease. In addition, even if the device normally operates normally at the beginning, a problem of reliability occurs for a long time use. Furthermore, if the irradiation surface has irregularities at the time of exposure in the lithography process, the lens focus of the exposure system becomes partially unfocused. Therefore, if the irregularities on the surface of the semiconductor device increase, it becomes difficult to form a fine pattern itself.
従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体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、化学的機械的研磨(CMP(Chemical Mechanical Polishing))である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、シリカ(SiO2)等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体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。 Accordingly, in the semiconductor device manufacturing process, a planarization technique for the surface of the semiconductor device is becoming increasingly important. Among the planarization techniques, the most important technique is chemical mechanical polishing (CMP). In this chemical mechanical polishing, a polishing apparatus containing abrasive grains such as silica (SiO 2 ) is supplied onto a polishing surface such as a polishing pad using a polishing apparatus, and a substrate such as a semiconductor wafer is slid onto the polishing surface. Polishing in contact.
この種のポリッシング装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。 This type of polishing apparatus includes a polishing table having a polishing surface made of a polishing pad, and a substrate holding device called a top ring or carrier head for holding a semiconductor wafer. When polishing a semiconductor wafer using such a polishing apparatus, the semiconductor wafer is pressed against the polishing table with a predetermined pressure while the semiconductor wafer is held by the substrate holding apparatus. At this time, by moving the polishing table and the substrate holding device relative to each other, the semiconductor wafer comes into sliding contact with the polishing surface, and the surface of the semiconductor wafer is polished to a flat and mirror surface.
このようなポリッシング装置において、研磨中の半導体ウェハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハの各部分に印加される押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、基板保持装置の半導体ウェハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウェハに印加する押圧力を全面に亘って均一化することも行われている。 In such a polishing apparatus, when the relative pressing force between the semiconductor wafer being polished and the polishing surface of the polishing pad is not uniform over the entire surface of the semiconductor wafer, it is applied to each part of the semiconductor wafer. Depending on the pressing force, insufficient polishing or overpolishing occurs. Therefore, the holding surface of the semiconductor wafer of the substrate holding device is formed of an elastic film made of an elastic material such as rubber, fluid pressure such as air pressure is applied to the back surface of the elastic film, and the pressing force applied to the semiconductor wafer is applied over the entire surface. It is also made uniform.
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。 In addition, since the polishing pad has elasticity, the pressing force applied to the outer peripheral edge of the semiconductor wafer being polished becomes non-uniform, so that only the outer peripheral edge of the semiconductor wafer is polished, so-called “edge fringing” is caused. May end up. In order to prevent such edge fringing, a substrate having a structure in which the outer peripheral edge of the semiconductor wafer is held by a guide ring or a retainer ring and the polishing surface located on the outer peripheral edge side of the semiconductor wafer is pressed by the guide ring or the retainer ring. A holding device is also used.
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、基板保持装置が、研磨テーブルの研磨面に摺接させる基板を複数の領域に区画して、当該領域毎に該研磨面に押圧する押圧力を調整する調整手段を有したポリッシング装置が知られている(特許文献1、2参照)。この装置では、半径方向の押圧力の分布を調整することが可能であり、全体として膜厚分布を平坦化することが可能である。
By the way, the thickness of the thin film formed on the surface of the semiconductor wafer varies depending on the position of the semiconductor wafer in the radial direction, depending on the characteristics of the method and apparatus during film formation. That is, it has a film thickness distribution in the radial direction. For this reason, a polishing apparatus having a substrate holding device that divides a substrate that is in sliding contact with the polishing surface of the polishing table into a plurality of regions and adjusts a pressing force that presses the polishing surface for each region. Known (see
しかしながら、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板研磨装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板研磨装置または基板研磨方法が要望されている。 However, the film thickness distribution on the surface of the semiconductor wafer described above varies depending on the film forming method and the type of film forming apparatus. That is, the radial position and the number of thick portions and the difference in film thickness between the thin and thick portions differ depending on the film forming method and the type of film forming apparatus. Therefore, there is a demand for a substrate polishing apparatus or a substrate polishing method that can easily and inexpensively cope with various film thickness distributions, not a substrate polishing apparatus that supports only a specific film thickness distribution.
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して的確に研磨を行うことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる基板研磨装置及び基板研磨方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and can accurately perform polishing corresponding to the film thickness distribution of a thin film formed on the surface of an object to be polished such as a semiconductor wafer. An object of the present invention is to provide a substrate polishing apparatus and a substrate polishing method capable of obtaining uniformity of film thickness after polishing.
上記課題を解決する本発明の基板研磨装置は、研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象の基板を保持して前記研磨テーブルの研磨面に押圧する基板保持装置と、前記基板上に形成されている膜の膜厚を測定する渦電流センサとを備えた基板研磨装置であって、前記基板保持装置は、前記研磨テーブルの研磨面に摺接させる前記基板を複数の領域に区画して、当該領域毎に該研磨面に押圧する押圧力を調整する調整手段を有し、前記渦電流センサのゲインは、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定されており、前記渦電流センサは、その測定値の一次微分値に基づいて前記膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、前記渦電流センサの検出部は前記基板を横切るように移動し、前記渦電流センサは、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、前記基板保持装置は、前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする。 A substrate polishing apparatus of the present invention that solves the above problems is formed on a polishing table having a polishing surface, a substrate holding device that holds a substrate to be polished and presses it against the polishing surface of the polishing table, and the substrate. A substrate polishing apparatus comprising an eddy current sensor for measuring a film thickness of a film, wherein the substrate holding device divides the substrate in sliding contact with the polishing surface of the polishing table into a plurality of regions, and Adjusting means for adjusting the pressing force applied to the polishing surface for each region, so that the gain of the eddy current sensor saturates more than a corresponding signal when the film on the substrate has a predetermined film thickness; The eddy current sensor detects when the film reaches the predetermined film thickness based on a first derivative value of the measured value, and the detection unit of the eddy current sensor crosses the substrate. The eddy current sensor By allocating the time-series film thickness measurement values obtained during the movement of the detection unit to each region of the substrate, the measurement information of the film thickness of each region is obtained, and the substrate holding device is The pressing force applied to each region of the substrate is adjusted based on measurement information on the substrate by the eddy current sensor .
また、上記課題を解決する本発明の基板研磨方法は、基板の複数の領域毎に研磨テーブルの研磨面への押圧力を調整可能な基板保持装置で研磨対象の基板を保持して研磨テーブルの研磨面に押圧することにより当該基板上に形成されている膜を研磨する基板研磨方法であって、渦電流センサを用いて前記基板の膜厚を測定し、前記渦電流センサのゲインを、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定し、前記渦電流センサの測定値の一次微分値に基づいて、前記基板上の膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、前記渦電流センサの検出部を前記基板を横切るように移動させ、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、前記基板保持装置の前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする。 In addition, the substrate polishing method of the present invention that solves the above-described problems is achieved by holding a substrate to be polished with a substrate holding device that can adjust the pressing force to the polishing surface of the polishing table for each of a plurality of regions of the substrate. A substrate polishing method for polishing a film formed on a substrate by pressing against a polishing surface, the film thickness of the substrate being measured using an eddy current sensor, and the gain of the eddy current sensor being The film on the substrate is set so as to saturate at a corresponding signal or more when the film on the substrate has a predetermined film thickness, and the film on the substrate is based on the first derivative of the measured value of the eddy current sensor. , The detection unit of the eddy current sensor is moved across the substrate, and the time series film thickness measurement values obtained during the movement of the detection unit are measured for each of the substrates. By allocating to the area, the film thickness of each area is measured. To obtain information, the pressing force applied to each region of the substrate of the substrate holding device, and adjusting based on the measurement information on the substrate by the eddy current sensor.
この発明によれば、基板の複数の領域毎の膜厚に応じて研磨テーブルの研磨面に摺接させる押圧力がその領域毎に調整される。したがって、基板上を領域毎の研磨レートで研磨することができ、基板上の膜厚を全体として高精度に加工することができる。ここで、前記基板の複数の領域の膜厚を測定する膜厚測定装置としては、特に研磨中の測定では、渦電流センサを用いるのが、研磨面に開口等を準備する必要がなく好適である。しかしながら、光学、温度、トルク電流、あるいはマイクロ波等により当該基板上の膜厚に応じた信号を出力するセンサを用いるようにしてもよく、またこれらのセンサと併用するようにしてもよい。 According to the present invention, the pressing force to be brought into sliding contact with the polishing surface of the polishing table is adjusted for each region according to the film thickness for each of the plurality of regions of the substrate. Accordingly, the substrate can be polished at the polishing rate for each region, and the film thickness on the substrate can be processed with high accuracy as a whole. Here, as a film thickness measuring apparatus for measuring the film thickness of a plurality of regions of the substrate, it is preferable to use an eddy current sensor particularly for measurement during polishing because it is not necessary to prepare an opening on the polishing surface. is there. However, a sensor that outputs a signal corresponding to the film thickness on the substrate by optics, temperature, torque current, microwave, or the like may be used, or may be used in combination with these sensors.
また、本発明によれば、半径方向に押圧力の分布を調整可能な基板保持装置と、半径方向に膜厚分布を測定可能な膜厚測定装置とを備えることで、基板保持装置の動作データ(レシピ)を自動調整して、均一により安定した研磨結果を得ることができる。また、例えばCu膜とTa等のバリア膜との二層膜を研磨するに際して、膜厚測定装置によりこの中間状態を検出し、押圧力等の研磨条件をCu膜からバリア膜用の条件に切り替えることができる。また、膜厚測定装置自体の例えば渦電流センサの発振器の発振周波数を切り替え、膜厚測定装置自体をバリア膜の検出に好適な条件に切り替えることができる。 According to the present invention, the operation data of the substrate holding device is provided by including the substrate holding device capable of adjusting the distribution of the pressing force in the radial direction and the film thickness measuring device capable of measuring the film thickness distribution in the radial direction. By automatically adjusting (recipe), a more stable polishing result can be obtained. For example, when polishing a two-layer film of a Cu film and a barrier film such as Ta, this intermediate state is detected by a film thickness measuring device, and the polishing conditions such as pressing force are switched from the Cu film to the barrier film conditions. be able to. Moreover, the oscillation frequency of the oscillator of the film thickness measuring apparatus itself, for example, an eddy current sensor can be switched, and the film thickness measuring apparatus itself can be switched to a condition suitable for detection of the barrier film.
本発明によれば、所定の膜厚で研磨モードを切り替える必要がある場合に、オングストロームオーダの膜厚を正確に検知することができる。したがって、研磨装置の動作モード(レシピ)を、例えばバリア層用に切り替えることで、高精度な研磨処理が実行可能となる。そして、基板の各領域毎の膜厚に応じて研磨テーブルの研磨面に摺接させる押圧力をその各領域毎に調整することにより、基板上を各領域毎の研磨レートで研磨することができ、基板上の膜厚を高精度に加工することができる。したがって、基板の研磨面内において研磨レートなどを調整して、基板上の膜材料を除去を含めて高精度な膜厚にすることができる。 According to the present invention, when it is necessary to switch the polishing mode with a predetermined film thickness, it is possible to accurately detect the film thickness on the order of angstroms. Therefore, by switching the operation mode (recipe) of the polishing apparatus to, for example, for the barrier layer, it is possible to execute a highly accurate polishing process. And by adjusting the pressing force for sliding contact with the polishing surface of the polishing table according to the film thickness for each region of the substrate for each region, the substrate can be polished at the polishing rate for each region. The film thickness on the substrate can be processed with high accuracy. Therefore, it is possible to adjust the polishing rate and the like within the polishing surface of the substrate to obtain a highly accurate film thickness including removal of the film material on the substrate.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図1〜図24は本発明に係る基板研磨方法を実行する基板研磨装置の一実施形態を示す図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 to 24 are views showing an embodiment of a substrate polishing apparatus for executing a substrate polishing method according to the present invention.
図1は、本発明に係る基板研磨装置の各部の配置構成を示す平面図である。この基板研磨装置は、研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象の基板を保持して研磨テーブルの研磨面に押圧する基板保持装置と、基板上に形成されている膜の膜厚を測定する膜厚測定装置と、を備えている。 FIG. 1 is a plan view showing an arrangement configuration of each part of a substrate polishing apparatus according to the present invention. The substrate polishing apparatus includes a polishing table having a polishing surface, a substrate holding device that holds a substrate to be polished and presses it against the polishing surface of the polishing table, and a film that measures the film thickness of a film formed on the substrate A thickness measuring device.
この基板研磨装置は、走行レール1003上を移動する搬送ロボット1004がカセット1001内にストックされている半導体ウェハなどの基板の取出・収納を行うとともに、その未研磨・研磨済みの基板を載置台1050および搬送ロボット1020に中継させてロータリートランスポーター1027との間を往復させる。そして、そのロータリートランスポーター1027上の基板を後述する基板保持装置のトップリング1に保持させつつ研磨テーブル100上に位置させることにより、複数枚の基板を連続して研磨処理することができるように、この基板研磨装置はシステム化されている。なお、図1において、1005,1022は洗浄機であり、研磨後の基板を洗浄乾燥することができるように構成されている。また、1036も研磨テーブルであり、基板を2段研磨することができるように構成されている。1038,3000は研磨テーブル100,1036のドレッシングを行うためのドレッサであり、1043はそのドレッサ1038を洗浄するための水桶である。
In this substrate polishing apparatus, a
この基板研磨装置には、研磨後に洗浄及び乾燥処理が完了した半導体ウェハ等の膜厚を測定するIn-line膜厚測定装置200’を備えている。図1に示すように、搬送ロボット1004が研磨後のウェハをカセット1001内に収納する前、もしくは搬送ロボット1004が研磨前のウェハをカセット1001から取出した後(In-line)に、センサコイルによる渦電流信号、光学的手段による研磨面への入射および反射の光学信号、研磨面の温度信号、あるいはマイクロ波の反射信号などの単独または適切なる組合せから、その半導体ウェハなどの基板の導電性膜のCu膜やバリア層または、酸化膜等の絶縁膜の膜厚を測定する膜厚測定装置(測定手段)200’が配置されている。そして、この基板研磨装置は、その基板の研磨中または/および研磨後に、導電性膜が配線部などの必要な領域を除いて除去され、または絶縁膜が除去されることをこれらのセンサ信号や計測値を監視することにより検出して、CMPプロセスの終点を決定し、適切な研磨処理を繰り返すことができるようになっている。
This substrate polishing apparatus includes an in-line film thickness measuring apparatus 200 'that measures the film thickness of a semiconductor wafer or the like that has been cleaned and dried after polishing. As shown in FIG. 1, before the
また、図示しないが、研磨テーブル100には、研磨中の半導体ウェハ等の膜厚を測定するIn-situ膜厚測定装置を備えている。そして、これらの測定結果は、後述するコントローラに伝達され、研磨装置の動作データ(レシピ)の修正等に用いられる。そして、研磨ステップの各研磨プロセスの条件、たとえば研磨テーブル、トップリングの回転数、圧力等と連動して、センサ出力を単独または組合せることで、研磨ステップ毎の研磨対象物の金属膜、酸化膜などの非金属の厚膜から薄膜までの膜厚計測、相対増減変化を検出することで、研磨工程における各種の条件設定、例えば研磨終点の検出に用いられる。そして、これらの膜厚測定装置では、半導体ウェハの半径方向に区画された各領域の膜厚の計測が可能であり、基板保持装置の半導体ウェハの領域毎に加える押圧力は、膜厚測定装置による当該領域毎の膜厚の測定情報に基づいて調整される。 Although not shown, the polishing table 100 includes an in-situ film thickness measuring device that measures the film thickness of a semiconductor wafer or the like being polished. These measurement results are transmitted to a controller, which will be described later, and used to correct operation data (recipe) of the polishing apparatus. In combination with the conditions of each polishing process in the polishing step, for example, the polishing table, the rotation speed of the top ring, the pressure, etc. By measuring the film thickness from a non-metallic thick film such as a film to a thin film and detecting a relative increase / decrease change, it is used for setting various conditions in the polishing process, for example, detecting a polishing end point. In these film thickness measuring devices, the film thickness of each region partitioned in the radial direction of the semiconductor wafer can be measured, and the pressing force applied to each region of the semiconductor wafer of the substrate holding device is the film thickness measuring device. Is adjusted based on the film thickness measurement information for each region.
この基板研磨装置の基板保持装置は、上述したように研磨対象である半導体ウェハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧して研磨する装置である。図2に示すように、基板保持装置を構成するトップリング1の下方には、上面に研磨パッド(研磨布)101を貼付した研磨テーブル100が設置されている。また、研磨テーブル100の上方には研磨液供給ノズル102が設置されており、この研磨液供給ノズル102によって研磨テーブル100上の研磨パッド101上に研磨液Qが供給されるようになっている。
The substrate holding device of this substrate polishing apparatus is an apparatus that holds a substrate such as a semiconductor wafer to be polished as described above and presses it against the polishing surface on the polishing table for polishing. As shown in FIG. 2, a polishing table 100 having a polishing pad (polishing cloth) 101 attached to the upper surface is installed below the
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のSUBA800、IC−1000、IC−1000/SUBA400(二層クロス)、フジミインコーポレイテッド社製のSurfin xxx−5、Surfin 000等がある。SUBA800、Surfin xxx−5、Surfin 000は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、IC−1000は硬質の発泡ポリウレタン(単層)である。発泡ポリウレタンは、ポーラス(多孔質状)になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。
There are various types of polishing pads available on the market, such as SUBA800, IC-1000, IC-1000 / SUBA400 (double-layer cloth) manufactured by Rodel, Surfin xxx-5 manufactured by Fujimi Incorporated,
トップリング1は、自在継手部10を介してトップリング駆動軸11に接続されており、トップリング駆動軸11はトップリングヘッド110に固定されたトップリング用エアシリンダ111に連結されている。このトップリング用エアシリンダ111によってトップリング駆動軸11は上下動し、トップリング1の全体を昇降させると共にトップリング本体2の下端に固定されたリテーナリング3を研磨テーブル100に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ111はレギュレータRE1を介して圧縮空気源120に接続されており、レギュレータRE1によってトップリング用エアシリンダ111に供給される加圧空気の空気圧等の流体圧力を調整することができる。これにより、リテーナリング3が研磨パッド101を押圧する押圧力を調整することができる。
The
また、トップリング駆動軸11はキー(図示せず)を介して回転筒112に連結されている。この回転筒112はその外周部にタイミングプーリ113を備えている。トップリングヘッド110にはトップリング用モータ114が固定されており、上記タイミングプーリ113は、タイミングベルト115を介してトップリング用モータ114に設けられたタイミングプーリ116に接続されている。従って、トップリング用モータ114を回転駆動することによってタイミングプーリ116、タイミングベルト115、及びタイミングプーリ113を介して回転筒112及びトップリング駆動軸11が一体に回転し、トップリング1が回転する。なお、トップリングヘッド110は、フレーム(図示せず)に固定支持されたトップリングヘッドシャフト117によって支持されている。
The top
次に、基板保持装置を構成するトップリング1について、図3および図4を用いてより詳細に説明する。図3は本実施形態におけるトップリング1を示す縦断面図、図4は図3に示すトップリング1の底面図である。
Next, the
図3に示すように、基板保持装置を構成するトップリング1は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体2と、トップリング本体2の下端に固定されたリテーナリング3とを備えている。トップリング本体2は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング3は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
As shown in FIG. 3, the
トップリング本体2は、円筒容器状のハウジング部2aと、ハウジング部2aの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部2bと、ハウジング部2aの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部2cとを備えている。トップリング本体2のハウジング部2aの下端に固定されているリテーナリング3の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング3をトップリング本体2と一体的に形成することとしてもよい。
The
トップリング本体2のハウジング部2aの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸11が配設されており、トップリング本体2とトップリング駆動軸11とは自在継手部10により連結されている。この自在継手部10は、トップリング本体2及びトップリング駆動軸11とを互いに傾動可能とする球面軸受け機構と、トップリング駆動軸11の回転をトップリング本体2に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸11からトップリング本体2に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
The above-described top
球面軸受機構は、トップリング駆動軸11の下面の中央に形成された球面状凹部11aと、ハウジング部2aの上面の中央に形成された球面状凹部2dと、両凹部11a、2d間に介装されたセラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール12とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸11に固定された駆動ピン(図示せず)とハウジング部2aに固定された被駆動ピン(図示せず)とから構成される。トップリング本体2が傾いても被駆動ピンと駆動ピンは相対的に上下方向に移動可能であるため、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸11の回転トルクをトップリング本体2に確実に伝達する。
The spherical bearing mechanism includes a spherical recess 11a formed at the center of the lower surface of the top
トップリング本体2及びトップリング本体2に一体に固定されたリテーナリング3の内部に画成された空間内には、トップリング1によって保持される半導体ウェハWに当接する弾性パッド4と、環状のホルダーリング5と、弾性パッド4を支持する概略円盤状のチャッキングプレート6とが収容されている。弾性パッド4は、その外周部がホルダーリング5とホルダーリング5の下端に固定されたチャッキングプレート6との間に挟み込まれており、チャッキングプレート6の下面を覆っている。これにより弾性パッド4とチャッキングプレート6との間には空間が形成されている。
In the space defined inside the
なお、チャッキングプレート6は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、後述する渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、4フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂、もしくはSiC(炭化ケイ素)、Al2O3(アルミナ)などのセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
The chucking
ホルダーリング5とトップリング本体2との間には弾性膜からなる加圧シート7が張設されている。この加圧シート7は、一端をトップリング本体2のハウジング部2aと加圧シート支持部2bとの間に挟み込み、他端をホルダーリング5の上端部5aとストッパ部5bとの間に挟み込んで固定されている。トップリング本体2、チャッキングプレート6、ホルダーリング5、及び加圧シート7によってトップリング本体2の内部に圧力室21が形成されている。図3に示すように、圧力室21にはチューブ、コネクタ等からなる流体路31が連通されており、圧力室21は流体路31上に配置されたレギュレータRE2を介して圧縮空気源120に接続されている。なお、加圧シート7は、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
A
なお、加圧シート7がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート7をリテーナリング3とトップリング本体2との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート7の弾性変形によってリテーナリング3の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部2bを設けて、これをトップリング本体2のハウジング部2aと加圧シート支持部2bとの間に挟み込んで固定している。なお、特願平8−50956(特開平9−168964)や特願平11−294503に記載されているように、リテーナリング3をトップリング本体2に対して上下動可能としたり、リテーナリング3をトップリング本体2とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート7の固定方法が用いられるとは限らない。
In the case where the
トップリング本体2のシール部2cが嵌合されるハウジング部2aの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路51が形成されている。この洗浄液路51はシール部2cの貫通孔52を介して流体路32に連通されており、この流体路32を介して洗浄液(純水)が供給される。また、洗浄液路51からハウジング部2a、加圧シート支持部2bを貫通する連通孔53が複数箇所設けられており、この連通孔53は弾性パッド4の外周面とリテーナリング3との間のわずかな間隙Gへ連通されている。
In the vicinity of the outer peripheral edge of the upper surface of the housing portion 2a to which the seal portion 2c of the
弾性パッド4とチャッキングプレート6との間に形成される空間の内部には、弾性パッド4に当接する当接部材としてのセンターバッグ8(中心部当接部材)及びリングチューブ9(外側当接部材)が設けられている。本実施形態においては、図3及び図4に示すように、センターバッグ8はチャッキングプレート6の下面の中心部に配置され、リングチューブ9はこのセンターバッグ8の周囲を取り囲むようにセンターバッグ8の外側に配置されている。なお、弾性パッド4、センターバッグ8及びリングチューブ9は、加圧シート7と同様に、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
In the space formed between the
チャッキングプレート6と弾性パッド4との間に形成される空間は、上記センターバッグ8及びリングチューブ9によって複数の空間に区画されており、これによりセンターバッグ8とリングチューブ9の間には圧力室22が、リングチューブ9の外側には圧力室23がそれぞれ形成されている。
A space formed between the chucking
センターバッグ8は、弾性パッド4の上面に当接する弾性膜81と、弾性膜81を着脱可能に保持するセンターバッグホルダー82(保持部)とから構成されている。センターバッグホルダー82にはネジ穴82aが形成されており、このネジ穴82aにネジ55を螺合させることにより、センターバッグ8がチャッキングプレート6の下面の中心部に着脱可能に取付けられている。センターバッグ8の内部には、弾性膜81とセンターバッグホルダー82とによって中心部圧力室24が形成されている。
The
同様に、リングチューブ9は、弾性パッド4の上面に当接する弾性膜91と、弾性膜91を着脱可能に保持するリングチューブホルダー92(保持部)とから構成されている。リングチューブホルダー92にはネジ穴92aが形成されており、このネジ穴92aにネジ56を螺合させることにより、リングチューブ9がチャッキングプレート6の下面に着脱可能に取付けられている。リングチューブ9の内部には、弾性膜91とリングチューブホルダー92とによって中間部圧力室25が形成されている。
Similarly, the
圧力室22,23、中心部圧力室24、及び中間部圧力室25には、チューブ、コネクタ等からなる流体路33,34,35,36がそれぞれ連通されており、各圧力室22〜25はそれぞれの流体路33〜36上に配置されたレギュレータRE3,RE4,RE5,RE6を介して供給源としての圧縮空気源120に接続されている。なお、上記流体路31〜36は、トップリングシャフト110の上端部に設けられたロータリージョイント(図示せず)を介してそれぞれ純水供給源、及び各レギュレータRE2〜RE6に接続されている。
The
上述したチャッキングプレート6の上方の圧力室21及び上記圧力室22〜25には、各圧力室に連通される流体路31,33,34,35,36を介して加圧空気等の加圧流体又は大気圧や真空が供給されるようになっている。図2に示すように、圧力室21〜25の流体路31,33,34,35,36上に配置されたレギュレータRE2〜RE6によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室21〜25の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、レギュレータRE2〜RE6によって各圧力室21〜25の内部の圧力を独立に可変とすることにより、弾性パッド4を介して半導体ウェハWを研磨パッド101に押圧する押圧力を半導体ウェハWの部分(区画領域)毎に調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室21〜25を真空源121に接続することとしてもよい。
The
この場合において、各圧力室22〜25に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、CMPにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。 In this case, it is good also as controlling the temperature of the pressurized fluid and atmospheric pressure which are supplied to each pressure chamber 22-25. In this way, the temperature of the polishing object can be directly controlled from the back side of the surface to be polished of the polishing object such as a semiconductor wafer. In particular, if the temperature of each pressure chamber is controlled independently, the chemical reaction rate of chemical polishing in CMP can be controlled.
弾性パッド4には、図4に示すように複数の開口部41が設けられている。そして、センターバッグ8とリングチューブ9との間の開口部41から露出するようにチャッキングプレート6から下方に突出する内周部吸着部61が設けられており、また、リングチューブ9の外側の開口部41から露出するように外周部吸着部62が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド4には8個の開口部41が設けられ、各開口部41に吸着部61,62が露出するように設けられている。
The
内周部吸着部61及び外周部吸着部62には、流体路37,38にそれぞれ連通する連通孔61a,62aがそれぞれ形成されており、内周部吸着部61及び外周部吸着部62は流体路37,38及びバルブV1,V2を介して真空ポンプ等の真空源121に接続されている。そして、内周部吸着部61及び外周部吸着部62の連通孔61a,62aが真空源121に接続されると、連通孔61a,62aの開口端に負圧が形成され、内周部吸着部61及び外周部吸着部62に半導体ウェハWが吸着される。なお、内周部吸着部61及び外周部吸着部62の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート61b,62bが貼着されており、内周部吸着部61及び外周部吸着部62は半導体ウェハWを柔軟に吸着保持するようになっている。
The inner
また、図3に示すように、半導体ウェハWの研磨中には、内周部吸着部61及び外周部吸着部62は弾性パッド4の下端面より上方に位置して、弾性パッド4の下端面より突出することはない。半導体ウェハWを吸着する際には、内周部吸着部61及び外周部吸着部62の下端面は弾性パッド4の下端面と略同一面になる。
Further, as shown in FIG. 3, during polishing of the semiconductor wafer W, the inner
ここで、弾性パッド4の外周面とリテーナリング3との間には、わずかな間隙Gがあるので、ホルダーリング5とチャッキングプレート6及びチャッキングプレート6に取付けられた弾性パッド4等の部材は、トップリング本体2及びリテーナリング3に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。ホルダーリング5のストッパ部5bには、その外周縁部から外方に突出する突起5cが複数箇所に設けられており、この突起5cがリテーナリング3の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング5等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
Here, since there is a slight gap G between the outer peripheral surface of the
次に、このように構成されたトップリング1の動作について説明する。
Next, the operation of the
上記構成の基板研磨装置において、半導体ウェハWの搬送時には、トップリング1の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部61及び外周部吸着部62の連通孔61a,62aを、流体路37,38を介して真空源121に接続する。連通孔61a,62aの吸引作用により内周部吸着部61及び外周部吸着部62の下端面に半導体ウェハWが真空吸着される。そして、半導体ウェハWを吸着した状態でトップリング1を移動させ、トップリング1の全体を研磨面(研磨パッド101)を有する研磨テーブル100の上方に位置させる。なお、半導体ウェハWの外周縁はリテーナリング3によって保持され、半導体ウェハWがトップリング1から飛び出さないようになっている。
In the substrate polishing apparatus having the above-described configuration, when the semiconductor wafer W is transferred, the entire
研磨時には、吸着部61,62による半導体ウェハWの吸着を解除し、トップリング1の下面に半導体ウェハWを保持させると共に、トップリング駆動軸11に連結されたトップリング用エアシリンダ111を作動させてトップリング1の下端に固定されたリテーナリング3を所定の押圧力で研磨テーブル100の研磨面に押圧する。この状態で、圧力室22,23、中心部圧力室24、及び中間部圧力室25にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハWを研磨テーブル100の研磨面に押圧する。そして、研磨液供給ノズル102から研磨液Qを流すことにより、研磨パッド101に研磨液Qが保持され、半導体ウェハWの研磨される面(下面)と研磨パッド101との間に研磨液Qが存在した状態で研磨が行われる。
At the time of polishing, the suction of the semiconductor wafer W by the
ここで、半導体ウェハWの圧力室22,23の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室22,23に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハWの中心部圧力室24の下方に位置する部分は、センターバッグ8の弾性膜81及び弾性パッド4を介して、中心部圧力室24に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハWの中間部圧力室25の下方に位置する部分は、リングチューブ9の弾性膜91及び弾性パッド4を介して、中間部圧力室25に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
Here, the portions of the semiconductor wafer W positioned below the
従って、半導体ウェハWに加わる研磨圧力は、各圧力室22〜25に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハWの半径方向に各部分毎に調整することができる。即ち、後述するコントローラ(制御部)400がレギュレータRE3〜RE6(調整手段)によって各圧力室22〜25に供給する加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハWを研磨テーブル100上の研磨パッド101に押圧する押圧力を半導体ウェハWの部分毎に調整している。このように、半導体ウェハWの部分毎に研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル100の上面の研磨パッド101に半導体ウェハWが押圧される。同様に、レギュレータRE1によってトップリング用エアシリンダ111に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング3が研磨パッド101を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング3が研磨パッド101を押圧する押圧力と半導体ウェハWを研磨パッド101に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハWの中心部(図4のC1)、中心部から中間部(C2)、外方部(C3)、そして周縁部(C4)、更には半導体ウェハWの外側にあるリテーナリング3の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。
Therefore, the polishing pressure applied to the semiconductor wafer W can be adjusted for each part in the radial direction of the semiconductor wafer W by controlling the pressure of the pressurized fluid supplied to the
なお、半導体ウェハWの圧力室22,23の下方に位置する部分には、弾性パッド4を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部41の箇所のように、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハWに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は、同一圧力でもよく、それぞれ任意の圧力でも押圧ができる。また、研磨時には、弾性パッド4は開口部41の周囲において半導体ウェハWの裏面に密着するため、圧力室22,23の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
It should be noted that the portion of the semiconductor wafer W positioned below the
このように、半導体ウェハWを同心の4つの円及び円環部分(C1〜C4)に区画し、それぞれの部分(領域)を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハWの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハWの4つの部分(C1〜C4)の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハWの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハWの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハWの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室22〜25のうち、半導体ウェハWの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハWの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハWの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
Thus, the semiconductor wafer W can be partitioned into four concentric circles and ring portions (C1 to C4), and each portion (region) can be pressed with an independent pressing force. Although the polishing rate depends on the pressing force on the polishing surface of the semiconductor wafer W, since the pressing force of each part can be controlled as described above, the polishing rate of the four parts (C1 to C4) of the semiconductor wafer W is adjusted. It can be controlled independently. Therefore, even if the film thickness of the thin film to be polished on the surface of the semiconductor wafer W has a radial distribution, it is possible to eliminate insufficient polishing and overpolishing over the entire surface of the semiconductor wafer. That is, even if the thin film to be polished on the surface of the semiconductor wafer W has a different thickness depending on the position in the radial direction of the semiconductor wafer W, the surface of the semiconductor wafer W among the
ここで、半導体ウェハWの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング3の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハWの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング3の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハWの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室22〜25に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート6は上方向の力を受けるので、本実施形態では、圧力室21には流体路31を介して圧力流体を供給し、各圧力室22〜25からの力によりチャッキングプレート6が上方に持ち上げられるのを防止している。
Here, drooling that occurs at the peripheral edge of the semiconductor wafer W can be prevented by controlling the pressing force of the
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ111によるリテーナリング3の研磨パッド101への押圧力と、各圧力室22〜25に供給する加圧空気による半導体ウェハWの部分毎の研磨パッド101への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハWの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハWを内周部吸着部61及び外周部吸着部62の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハWを研磨面に対して押圧する各圧力室22〜25への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、内周部吸着部61及び外周部吸着部62の下端面を半導体ウェハWに当接させる。また、圧力室21内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室21の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハWの内周部吸着部61及び外周部吸着部62に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。従って、圧力室21の圧力を速やかに下げる必要があり、図3に示すように、圧力室21からトップリング本体2を貫くようにリリーフポート39を設けて、圧力室21の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室21に圧力をかける際には流体路31から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。また、リリーフポート39は逆止弁を備えており、圧力室21内を負圧にする際には外気が圧力室21に入らないようにしている。
As described above, the pressing force of the
上述のように半導体ウェハWを吸着させた後、トップリング1の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部61及び外周部吸着部62の連通孔61a,62bから半導体ウェハWに流体(例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの)を噴射して半導体ウェハWをリリースする。
After the semiconductor wafer W is adsorbed as described above, the entire
ところで、弾性パッド4の外周面とリテーナリング3との間のわずかな間隙Gには、研磨に用いられる研磨液Qが侵入してくるが、この研磨液Qが固着すると、ホルダーリング5、チャッキングプレート6、及び弾性パッド4などの部材のトップリング本体2及びリテーナリング3に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路32を介して洗浄液路51に洗浄液(純水)を供給する。これにより、複数の連通孔53より間隙Gの上方に純水が供給され、純水が間隙Gを洗い流して上述した研磨液Qの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング3には図3に示すような複数の貫通孔3aを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング3、ホルダーリング5、及び加圧シート7により形成される空間26内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート6の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート6を上昇させるためにも上記貫通孔3aを設け、空間26を大気と同圧にすることが好ましい。
By the way, the polishing liquid Q used for polishing enters the slight gap G between the outer peripheral surface of the
以上説明したように、圧力室22,23、センターバッグ8の内部の圧力室24、及びリングチューブ9の内部の圧力室25の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。更に、この基板保持装置によれば、センターバッグ8及びリングチューブ9の位置や大きさなどを変更することによって、押圧力の制御を行う範囲を簡単に変更することができる。
As described above, the pressure on the semiconductor wafer is controlled by independently controlling the pressure in the
すなわち、半導体ウェハの表面に形成される薄膜の膜厚分布は成膜の方法や成膜装置の種類により変化するが、本発明に係る基板保持装置によれば、半導体ウェハに押圧力を加える圧力室の位置や大きさをセンターバッグ8及びセンターバッグホルダー82、又はリングチューブ9及びリングチューブホルダー92を交換するだけで変更することができる。従って、研磨すべき薄膜の膜厚分布に合わせて押圧力を制御すべき位置や範囲をトップリング1の極一部を交換するだけで容易かつ低コストで変更することが可能となる。換言すれば、研磨すべき半導体ウェハの表面の研磨すべき薄膜の膜厚分布に変化があった場合にも、容易かつ低コストで対応することができる。なお、センターバッグ8又はリングチューブ9の形状及び位置を変更すると、結果的にセンターバッグ8とリングチューブ9に挟まれる圧力室22及びリングチューブ9を取り囲む圧力室23の大きさを変えることにもなる。
That is, the film thickness distribution of the thin film formed on the surface of the semiconductor wafer varies depending on the film forming method and the type of film forming apparatus, but according to the substrate holding apparatus according to the present invention, the pressure for applying a pressing force to the semiconductor wafer. The position and size of the chamber can be changed by simply replacing the
この基板研磨装置の研磨対象の半導体ウェハ上には、配線を形成するための銅めっき膜が成膜されているとともに、その下地材料としてバリア層が成膜されている。この基板研磨装置の研磨対象の半導体ウェハの最上層に酸化シリコン等の絶縁膜が成膜されているときには、光学式センサやマイクロ波センサによりその絶縁膜の膜厚を検知する。光学式センサの光源としては、ハロゲンランプやキセノンフラッシュランプ、LED、レーザー光源などが用いられる。基板研磨装置は、その半導体ウェハ上で不要な領域(配線領域外など)における絶縁膜や導電性膜などの研磨対象膜を除去するために、その研磨対象膜の有無を各種センサにより、例えば図2に示すように、渦電流センサ(膜厚測定装置)200によりその研磨対象膜201の膜厚を検出しつつ、コントローラ400がその半導体ウェハWの表面上の研磨処理を制御する。
A copper plating film for forming wiring is formed on a semiconductor wafer to be polished by this substrate polishing apparatus, and a barrier layer is formed as a base material thereof. When an insulating film such as silicon oxide is formed on the uppermost layer of a semiconductor wafer to be polished by this substrate polishing apparatus, the thickness of the insulating film is detected by an optical sensor or a microwave sensor. As the light source of the optical sensor, a halogen lamp, a xenon flash lamp, an LED, a laser light source, or the like is used. In order to remove a polishing target film such as an insulating film or a conductive film in an unnecessary region (outside of a wiring region, etc.) on the semiconductor wafer, the substrate polishing apparatus uses various sensors to determine whether or not the polishing target film exists. As shown in FIG. 2, the
以下、本発明に係る基板研磨装置のコントローラ400が実行する基板研磨方法について図5から図9を用いてより詳細に説明する。
Hereinafter, the substrate polishing method executed by the
図5は、基板研磨装置の概略全体構成を示すブロック図である。コントローラ400は、操作パネルなどのマン−マシンインターフェイス401からの入力や、各種データ処理を行うホストコンピュータ402からの入力に基づいて、所望形状などの目標プロフィールになるように半導体ウェハWを目標研磨レート(研磨量)で研磨する。閉ループ制御システム403は、不図示のハードディスク装置内などに予め格納準備されているシミュレーションソフトに従って、半導体ウェハWの領域C1〜C4毎に対応する研磨レシピ(研磨条件等)を自動作成するようになっている。そして、その研磨レシピをメモリ(記憶手段)404内に一時記憶させて、その研磨レシピに応じた研磨の制御処理を実行する。この研磨処理においては、膜厚測定装置200,200’からの測定結果に基づいて、演算回路405により算出した研磨対象膜201の膜厚や研磨量を、目標プロフィールや目標研磨レートなどと比較・検討し、その結果に応じて研磨レシピを修正するフィードバック処理を行うことにより、最適条件で半導体ウェハWの研磨処理を繰り返すようになっている。
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic overall configuration of the substrate polishing apparatus. Based on input from a man-
この研磨処理のフィードバック処理は、半導体ウェハの研磨工程の終了後または研磨処理中のいずれで行うかを選択設定することができ、コントローラ400は、その選択設定に従って研磨後または研磨中の一方あるいは双方において研磨レシピの修正を行う。
The feedback process of the polishing process can be selectively set to be performed after the semiconductor wafer polishing process is completed or during the polishing process, and the
具体的には、図6に示すように、オペレータにより、ホストコンピュータ402からドライシステム(研磨後の乾燥状態での膜厚測定)が選択入力されるとともに、目標プロフィールや研磨レート(リムーバルレート)が入力設定されると(ステップS1)、シミュレーションソフトで研磨レシピを自動作成し(ステップS2)、そのレシピの研磨条件をホストコンピュータ402のモニターなどに表示して修正の要否を判断・入力することをオペレータに要求し(ステップS3)、修正が必要な場合にはその修正入力に従ってレシピの修正処理を行った後に(ステップS4)、研磨処理をスタートする(ステップS5)。
Specifically, as shown in FIG. 6, the operator selects and inputs a dry system (measurement of film thickness in a dry state after polishing) from the
そして、その研磨レシピに従った研磨処理を実行・完了するとともに研磨処理回数Nをインクリメント(+1)した後に(ステップS11)、研磨した半導体ウェハWの洗浄・乾燥を行う(ステップS12,S13)。 Then, after executing and completing the polishing process according to the polishing recipe and incrementing (+1) the number N of polishing processes (step S11), the polished semiconductor wafer W is cleaned and dried (steps S12 and S13).
この後に、ドライシステム(研磨後の乾燥した状態での膜厚測定)においては、膜厚測定装置200’により半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚を測定して(ステップS14)、絶縁膜あるいは金属膜を研磨済みの半導体ウェハWを特定する識別子と共にその研磨結果を格納(記憶)する。これと同時に、その半導体ウェハWをカセット1001内に戻して収納する処理を行う(ステップS15)。この収納処理と並行して、研磨済みの半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚測定結果に応じてシミュレーションソフトにより、研磨時間や半導体ウェハWの領域C1〜C4毎の研磨パッド101への押圧力などの研磨条件の研磨レシピを修正する自動作成処理を行った後に(ステップS16)、ステップS11に戻って、次の半導体ウェハW、あるいは数回後に研磨されるウェハの研磨処理を繰り返す。また、測定されたウェハに絶縁膜や導電性膜等の研磨対象膜が完全に除去されずに一部残存している場合は、その研磨対象膜の残存部のみを研磨するよう(研磨済みの部分を過研磨しないよう)に、残存部に対応する領域の圧力室のみに加圧するなど、再研磨条件を作成し、再研磨を行う。
また、上記ドライシステムは、主に研磨後のウェハを測定すればよいから、乾燥後のウェハでなくても、研磨後で、かつ乾燥前のウェハを測定する膜厚測定器を用いてもよい。
Thereafter, in the dry system (measurement of film thickness in a dry state after polishing), the film thickness of the polishing
In addition, since the above dry system mainly measures the wafer after polishing, a film thickness measuring device that measures the wafer after polishing and before drying may be used instead of the wafer after drying. .
一方、ホストコンピュータ402からウェットシステム(研磨中の濡れている状態での膜厚測定)が選択入力された場合にも同様に、図7に示すように、目標プロフィールや研磨レートが入力設定されると(ステップS1)、シミュレーションソフトで研磨レシピを自動作成して、研磨処理をスタートした後に(ステップS2〜S5)、その研磨レシピに従った研磨処理の途中に、研磨処理回数(レシピ作成数)Nをインクリメント(+1)するとともに(ステップS21)、渦電流センサ(膜厚測定装置)200あるいは光学センサ、マイクロ波センサにより半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚を測定する(ステップS22)。
On the other hand, when a wet system (film thickness measurement in a wet state during polishing) is selected and input from the
この半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚測定結果が研磨処理を追加する必要がある程度にその研磨対象膜201が残留している場合には、その半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚測定結果に応じてシミュレーションソフトにより研磨条件を修正する研磨レシピの自動作成処理を行った後に(ステップS23)、テップS21に戻って、同一の半導体ウェハWの研磨処理を繰り返す。その一方で、半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚測定結果が研磨処理の追加が不要な場合には、研磨の完了した半導体ウェハWの洗浄・乾燥を行って(ステップS24,S25)、その研磨済みの半導体ウェハWの研磨結果などの格納処理やカセット1001内への収納処理を行って(ステップS26)、ステップS21に戻って、次の半導体ウェハWの研磨処理を繰り返す。
When the film thickness measurement result of the film to be polished 201 of the semiconductor wafer W remains to the extent that the polishing process needs to be added, the film thickness of the film to be polished 201 of the semiconductor wafer W remains. After performing an automatic creation process of a polishing recipe for correcting the polishing conditions by simulation software according to the measurement result (step S23), the process returns to step S21 and the polishing process for the same semiconductor wafer W is repeated. On the other hand, if the film thickness measurement result of the polishing
ここで、上記のシミュレーションソフトによる研磨レシピの修正は、図8に示すように、目標プロフィールと現実のプロフィールを比較して(ステップS31)、半導体ウェハWの領域C1〜C4毎における研磨レートの差をその各領域毎の押圧力差に変換するとともに(ステップS32)、目標研磨レートと現実の研磨レートとを比較して(ステップS33)、半導体ウェハWの各領域C1〜C4を研磨するのに必要な時間を計算し(ステップS34)、研磨条件における各領域の押圧力や研磨時間などを調整する研磨レシピを自動作成する。これとともに、これらを反映した自動補正を行って(ステップS35)、次の半導体ウェハWの研磨処理を実行するための修正研磨レシピを自動作成する(ステップS36)。これにより、半導体ウェハを半径方向に沿って均一に研磨することができる。 Here, the correction of the polishing recipe by the above simulation software compares the target profile with the actual profile (step S31), as shown in FIG. 8, and the difference in the polishing rate for each of the regions C1 to C4 of the semiconductor wafer W. Is converted into a pressure difference for each region (step S32), and the target polishing rate is compared with the actual polishing rate (step S33) to polish each region C1 to C4 of the semiconductor wafer W. The required time is calculated (step S34), and a polishing recipe for automatically adjusting the pressing force and polishing time of each region under the polishing conditions is automatically created. At the same time, automatic correction reflecting these is performed (step S35), and a corrected polishing recipe for executing the polishing process of the next semiconductor wafer W is automatically created (step S36). As a result, the semiconductor wafer can be uniformly polished along the radial direction.
また、上記のIn-situにおける半導体ウェハWの研磨対象膜201の膜厚測定は、その半導体ウェハの各領域C1〜C4の特定領域、あるいは全領域において、所望の研磨処理が完了しているか否かを判定するために測定するものであるため、その判定方式を適宜選択設定して実行すればよい。例えば、特定領域の測定結果や領域個々の測定結果や測定結果の平均値などを用いて、研磨対象膜201の除去完了や予め決めておいた所定研磨対象膜厚値などを、その測定値自体の時間的変化パターンで判定する。また、その測定結果の時間的変化を1次微分あるいはn次微分して判定し易くすることもできる。
In addition, in the in-situ measurement of the
具体的には、図9に示すように、その研磨対象膜201の膜質や膜種などに応じて、その測定結果や微分値などが、設定値以上になるタイミング(検出パターン0)、設定値以下になるタイミング(検出パターン1)、極大値を取るタイミング(検出パターン2)、極小値を取るタイミング(検出パターン3)、上昇を開始するタイミング(検出パターン4)、上昇が終了したタイミング(検出パターン5)、下降を開始するタイミング(検出パターン6)、下降が終了したタイミング(検出パターン7)等により、所望の研磨処理が完了したと判定することができる。また、その微分値(勾配)が指定範囲内に入る、あるいは極大値または極小値を取るタイミング(検出パターン8〜10)に、所望の研磨処理が完了したと判定することもできる。さらに、特定の測定結果が指定範囲内に入って収束するタイミング(検出パターン11)に所望の研磨処理が完了したと判定することもできる。さらに、より高い均一性を求める場合には、全領域の測定結果の全てが指定範囲内に入った(収束した)タイミング(検出パターン12)に、所望の研磨処理が完了したと判定することもできる。
Specifically, as shown in FIG. 9, according to the film quality or film type of the polishing
また例えば、膜厚測定値の一次微分値を監視対象とする。被測定対象であるウェハの予め指定した複数の領域(例えば所定半径値範囲や基準点からみた所定角度範囲)のうちで指定したウェハ領域と別のウェハ領域の膜厚測定一次微分値差を算出する。この差が所定のしきい値範囲内に入った点を特徴点(例えば、終点)として検出することも考えられる。更には渦電流センサの研磨開始時点からのインピーダンス積分値Sz(もしくはレジスタンス値Sxやリアクタンス値Sy、膜厚積分値St)を計算し、前もって基準となる前述したインピーダンス積分値S0と比較演算することで研磨状態モニター、研磨終点モニターに使用することができる。 Further, for example, the first derivative value of the film thickness measurement value is set as a monitoring target. Calculates the film thickness measurement primary differential value difference between a specified wafer area and another wafer area within a plurality of previously specified areas (for example, a predetermined radius value range or a predetermined angle range viewed from a reference point) of the wafer to be measured. To do. It is also conceivable to detect a point where this difference falls within a predetermined threshold range as a feature point (for example, an end point). Furthermore, the impedance integral value Sz (or resistance value Sx, reactance value Sy, film thickness integral value St) from the start of polishing of the eddy current sensor is calculated and compared with the previously described impedance integral value S0 as a reference. It can be used for polishing state monitoring and polishing end point monitoring.
このようにして研磨対象膜201の膜厚を判定することにより、その膜厚自体を測定することができるとともに、研磨処理中に研磨対象膜のCu層やバリア層の研磨終了を検出する必要がある場合には、迅速にそのタイミングを検知して、研磨処理を直ちに終了するなどを実行することができる。また後述する渦電流センサではバリア層として使用されるタングステン(W)の膜厚が1000Åで低圧研磨プロセスに変えて研磨速度を遅くする、といった要求があっても金属膜の絶対膜厚値が随時測定できるため、膜厚値をモニターしながら低圧研磨プロセスに変更することができ、デイッシングやエロージョン量の低減が達成できる。渦電流モニターを使用することで光学式モニターではIn-situで計測が困難であった薄いバリア膜やCVD成膜も膜厚変化モニターが可能になった。
また渦電流センサでは渦電流が形成される領域において、金属がベタ膜状(ある領域全体を覆うような膜形状)に存在していれば、金属バリアの終点検出が可能である。このとき、面内均一性やウェハ特定領域の研磨速度(研磨レート)などの膜厚測定結果が、予め設定されている限界値や限界範囲を超えるような異常が発生した場合には、直ちに異常発生処理を行って研磨動作を停止し、また、半導体ウェハに傷などの欠陥がある場合の測定結果が取得された場合には、その旨を研磨結果に添付することが好ましい。
By determining the film thickness of the polishing
In the eddy current sensor, if the metal exists in a solid film shape (a film shape that covers an entire region) in the region where the eddy current is formed, the end point of the metal barrier can be detected. In this case, if an abnormality occurs that results in film thickness measurement results such as in-plane uniformity or polishing rate (polishing rate) in a specific area of the wafer exceeding preset limit values or limit ranges, an abnormality will occur immediately. When the generation process is performed and the polishing operation is stopped, and the measurement result when the semiconductor wafer has a defect such as a flaw is obtained, it is preferable to attach the fact to the polishing result.
このように本実施形態においては、半導体ウェハWの領域C1〜C4毎の膜厚に応じて、研磨パッド101に押圧する押圧力をその領域C1〜C4毎に調整することができ、半導体ウェハWの研磨対象膜201をその膜厚等の形状や膜質などに応じた研磨レートで研磨することができる。したがって、半導体ウェハWの研磨対象膜201を高精度に研磨・除去することができる。ここで、研磨対象膜のうち、導電性膜研磨プロセスにおいては、ウェット処理の膜厚測定装置としては、研磨パッド101に窓等の開口を形成する加工を省いて低コスト且つ高精度に半導体ウェハWの研磨処理を行うことができることから、以下に詳述する渦電流センサが好適である。しかしながら、研磨対象物の特性により、マイクロ波センサ、光学センサ等を用いるようにしても勿論よい。
As described above, in this embodiment, the pressing force applied to the
以下、本発明に係る基板研磨装置が備える膜厚測定装置を構成する渦電流センサ(膜厚測定装置)200について、図10から図24を用いてより詳細に説明する。 Hereinafter, the eddy current sensor (film thickness measuring apparatus) 200 constituting the film thickness measuring apparatus included in the substrate polishing apparatus according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS.
渦電流センサ(膜厚測定装置)200は、図10(a)に示すように、検出対象の導電性膜201’の近傍にセンサコイル202を配置し、そのコイルに交流信号源203が接続されている。ここで、検出対象の導電性膜201’は例えば半導体ウェハW上に形成された厚さが0〜1μm程度の銅めっき膜(Au,Cr,Wなどのメタル材料の蒸着膜でもよい)、あるいはその下地に形成された厚さがオングストロームオーダのバリア層である。バリア層は、Ta,TaN,Ti,TiN,WNなどからなる高抵抗層であり、この膜厚検出は上述した化学機械研磨における終点を正確に検出する上で重要である。センサコイル202は、検出用のコイルであり、検出対象の導電性膜に対して例えば1.0〜4.0mm程度の近傍に配置される。また渦電流センサの測定対象としてはAl(アルミニウム膜)、コンタクトプラグに使用されるポリシリコン、ハードディスク磁気ヘッドに使用されるCoFe,Zr(ジルコニア)などの導電性物質、金属物質が挙げられる。もちろん半導体ウェハ上に成膜された金属膜や金属配線パターンを含む半導体基板も測定対象である。
In the eddy current sensor (film thickness measuring device) 200, as shown in FIG. 10A, a
渦電流センサには、導電性膜201’に渦電流が生じることにより、発振周波数が変化し、この周波数変化から膜厚を検出する周波数タイプと、インピーダンスが変化し、このインピーダンス変化から膜厚を検出するインピーダンスタイプとがある。即ち、周波数タイプでは、図10(b)に示す等価回路において、渦電流I2が変化することで、インピーダンスZが変化し、信号源(可変周波数発振器)203の発振周波数が変化すると、検波回路205でこの発振周波数の変化を検出し、膜厚の変化を検出することができる。インピーダンスタイプでは、図10(b)に示す等価回路において、渦電流I2が変化することで、インピーダンスZが変化し、信号源(固定周波数発振器)203から見たインピーダンスZが変化すると、検波回路205でこのインピーダンスZの変化を検出し、膜厚の変化を検出することができる。
In the eddy current sensor, an eddy current is generated in the
インピーダンスタイプの渦電流センサでは、信号出力X、Y、位相、合成インピーダンスZ、が後述するように取り出される。周波数F、またはインピーダンスX、Y等から、変換した膜厚値により、金属膜Cu,Al,Au,W、バリヤ膜Ta,TaN,Ti,TiN,WN、コンタクトプラグのポリシリコン等の膜厚の測定情報が得られる。これらを単独、複合、または組合せて終点検出等の研磨工程の判断に用いることができる。渦電流センサは研磨テーブルの内部の表面付近の位置に内蔵することができ、研磨対象の半導体ウェハに対して研磨パッドを介して対面するように位置し、半導体ウェハ上の導電性膜に流れる渦電流からその膜厚を検出することができる。 In an impedance type eddy current sensor, signal outputs X, Y, phase, and combined impedance Z are taken out as described later. Depending on the film thickness value converted from the frequency F or impedance X, Y, etc., the thickness of the metal film Cu, Al, Au, W, barrier film Ta, TaN, Ti, TiN, WN, polysilicon of the contact plug, etc. Measurement information is obtained. These can be used alone, in combination, or in combination for the polishing process such as end point detection. The eddy current sensor can be built in a position near the surface inside the polishing table, and is positioned so as to face the semiconductor wafer to be polished through the polishing pad, and the eddy current flowing in the conductive film on the semiconductor wafer. The film thickness can be detected from the current.
渦電流センサの周波数は、単一電波、混合電波、AM変調電波、FM変調電波、関数発生器の掃引出力または複数の発振周波数源を用いることができ、金属膜の膜種に適合させて、感度の良い発振周波数や変調方式を選択することが好ましい。 The frequency of the eddy current sensor can be a single radio wave, mixed radio wave, AM modulated radio wave, FM modulated radio wave, function generator sweep output or multiple oscillation frequency sources, adapted to the film type of the metal film, It is preferable to select an oscillation frequency or modulation method with good sensitivity.
以下に、インピーダンスタイプの渦電流センサについて具体的に説明する。交流信号源203は、2〜8MHz程度の固定周波数の発振器であり、例えば水晶発振器が用いられる。そして、交流信号源203により供給される交流電圧により、センサコイル202に電流I1が流れる。導電性膜201’の近傍に配置されたコイル202に電流が流れることで、この磁束が導電性膜201’と鎖交することでその間に相互インダクタンスMが形成され、導電性膜201’中に渦電流I2が流れる。ここでR1はセンサコイルを含む一次側の等価抵抗であり、L1は同様にセンサコイルを含む一次側の自己インダクタンスである。導電性膜201’側では、R2は渦電流損に相当する等価抵抗であり、L2はその自己インダクタンスである。交流信号源203の端子a,bからセンサコイル側を見たインピーダンスZは、導電性膜201’中に形成される渦電流損の大きさによって変化する。
The impedance type eddy current sensor will be specifically described below. The
図11は、本実施形態の渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。センサコイル202は、導電性膜に渦電流を形成するためのコイルと、導電性膜の渦電流を検出するためのコイルとを分離したもので、ボビン311に巻回された3層のコイル312,313,314により構成されている。ここで中央のコイル312は、交流信号源203に接続される発振コイルである。この発振コイル312は、交流信号源203より供給される電圧の形成する磁界により、近傍に配置される半導体ウェハW上の導電性膜201’に渦電流を形成する。ボビン311の上側(導電性膜側)には、検出コイル313が配置され、導電性膜に形成される渦電流により発生する磁界を検出する。そして、発振コイル312の検出コイル313と反対側にはバランスコイル314が配置されている。
FIG. 11 shows a configuration example of a sensor coil in the eddy current sensor of the present embodiment. The
図12は、各コイルの接続例を示す。コイル312,313,314は、この実施形態においては同じターン数(1〜20t)のコイルにより形成され、検出コイル313とバランスコイル314とは互いに正相に接続されている。
FIG. 12 shows a connection example of each coil. In this embodiment, the
検出コイル313とバランスコイル314とは、上述したように正相の直列回路を構成し、その両端はこの図12に示すように可変抵抗316を含む抵抗ブリッジ回路317に接続されている。コイル312は交流信号源203に接続され、交番磁束を生成することで、近傍に配置される導電性膜201’に渦電流を形成する。可変抵抗316の抵抗値を調整することで、コイル313,314からなる直列回路の出力電圧が、導電性膜が存在しないときにはゼロとなるように調整可能としている。コイル313,314のそれぞれに並列に入る可変抵抗316(VR1,VR2)でL1,L3の信号を同位相にするように調整する。即ち、図12(b)の等価回路において、
VR1-1×(VR2-2+jωL3)=VR1-2×(VR2-1+jωL1) (1)
となるように、可変抵抗VR1(=VR1-1+VR1-2)およびVR2(=VR2-1+VR2-2)を調整する。これにより、図12(c)に示すように、調整前のL1,L3の信号(図中点線で示す)を、同位相・同振幅の信号(図中実線で示す)とする。
As described above, the
VR 1-1 × (VR 2-2 + jωL 3 ) = VR 1-2 × (VR 2-1 + jωL 1 ) (1)
The variable resistors VR 1 (= VR 1-1 + VR 1-2 ) and VR 2 (= VR 2-1 + VR 2-2 ) are adjusted so that As a result, as shown in FIG. 12C, the L 1 and L 3 signals before adjustment (indicated by dotted lines in the figure) are made into signals having the same phase and amplitude (indicated by solid lines in the figure).
そして、導電性膜が検出コイル313の近傍に存在する時には、導電性膜中に形成される渦電流によって生じる磁束が検出コイル313とバランスコイル314とに鎖交するが、検出コイル313のほうが導電性膜に近い位置に配置されているので、両コイル313,314に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより導電性膜の渦電流によって形成される鎖交磁束を検出することができる。即ち、交流信号源に接続された発振コイル312から、検出コイル313とバランスコイル314との直列回路を分離して、抵抗ブリッジ回路でバランスの調整を行うことで、ゼロ点の調整が可能である。従って、導電性膜に流れる渦電流をゼロの状態から検出することが可能になるので、導電性膜中の渦電流の検出感度が高められる。これにより、広いダイナミックレンジで導電性膜に形成される渦電流の大きさの検出が可能となる。
When the conductive film is present in the vicinity of the
そして、図13は、交流信号源側203からセンサコイル202側を見たインピーダンスZの計測回路例を示している。この図13に示すインピーダンスZの計測回路においては、膜厚の変化に伴う抵抗成分(R)、リアクタンス成分(X)、振幅出力(Z)および位相出力(tan−1R/X)を取り出すことができる。従って、これらの信号出力を用いることで、例えば振幅の大きさにより膜厚を計測するなど、より多面的な研磨の進行状況の検出が可能となる。
FIG. 13 shows a measurement circuit example of the impedance Z when the
上述したように、検出対象の導電性膜201’が成膜された半導体ウェハW近傍に配置されたセンサコイル202に、交流信号を供給する信号源203は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器であり、例えば、2MHz,8MHzの固定周波数の電圧を供給する。信号源203で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ302を介してセンサコイル202に供給される。センサコイル202の端子で検出された信号は、高周波アンプ303および位相シフト回路304を経て、cos同期検波回路305およびsin同期検波回路306からなる同期検波部により検出信号のcos成分とsin成分とが取り出される。ここで、信号源203で形成される発振信号は、位相シフト回路304により信号源203の同相成分(0゜)と直交成分(90゜)の2つの信号が形成され、それぞれcos同期検波回路305とsin同期検波回路306とに導入され、上述の同期検波が行われる。
As described above, the
同期検波された信号は、ローパスフィルタ307,308により、信号成分以上の不要な高周波成分が除去され、cos同期検波出力である抵抗成分(R)出力と、sin同期検波出力であるリアクタンス成分(X)出力とがそれぞれ取り出される。また、ベクトル演算回路309により、抵抗成分(R)出力とリアクタンス成分(X)出力とから振幅出力(R2+X2)1/2が得られる。また、ベクトル演算回路310により、同様に抵抗成分出力とリアクタンス成分出力とから位相出力(tan−1R/X)が得られる。ここで、膜厚測定装置本体には、各種フィルタがセンサ信号の雑音成分を除去するために設けられている。各種フィルタは、それぞれに応じたカットオフ周波数が設定されており、例えば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を0.1〜10Hzの範囲で設定することにより、研磨中のセンサ信号に混在する雑音成分を除去して測定対象の膜厚等を高精度に測定することができる。
From the synchronously detected signal, unnecessary high frequency components equal to or higher than the signal component are removed by the low-
図14は、交流信号源側から見たインピーダンスZの変化を示し、横軸は抵抗成分(R)であり、縦軸はリアクタンス成分(X)である。点Aは膜厚が例えば100μm以上と極めて大きい場合である。この場合には、交流信号源203の端子a,bからセンサコイル202側を見たインピーダンスZは、センサコイルに近接して配置された導電性膜201の渦電流が極めて大きく、センサコイル202と等価的に並列に接続された抵抗成分(R2)とリアクタンス成分jω(M+L2)が極めて小さくなる。従って、抵抗成分(R)およびリアクタンス成分(X)が共に小さくなる。
FIG. 14 shows changes in the impedance Z as viewed from the AC signal source side, the horizontal axis is the resistance component (R), and the vertical axis is the reactance component (X). Point A is when the film thickness is extremely large, for example, 100 μm or more. In this case, the impedance Z when the
研磨が進行して導電性膜が薄くなると、センサコイル入力端(端子a,b)から見たインピーダンスZは、等価的な抵抗成分(R2)が増大し、リアクタンス成分jω(M+L2)も増大する。センサコイル入力端から見たインピーダンスZの抵抗成分(R)が最大となる点をBで示す。この時、センサコイル入力端から見た渦電流損が最大となる。さらに研磨が進行し、導電性膜がより薄くなると、渦電流が減少し、センサコイルから見た抵抗成分は、渦電流損が徐々に減少することから、抵抗成分(R)は徐々に小さくなる。そして、導電性膜が全て研磨により除去されると、そこには渦電流損が存在せず、等価的に並列接続された抵抗成分(R2)は無限大となり、センサコイル自体の抵抗分(R1)のみが残ることになる。この時のリアクタンス成分(X)は、センサコイル自体のリアクタンス成分(L1)のみである。この状態を、点Cで示す。 As the polishing progresses and the conductive film becomes thinner, the impedance Z viewed from the sensor coil input ends (terminals a and b) increases the equivalent resistance component (R 2 ) and reactance component jω (M + L 2 ). Increase. A point where the resistance component (R) of the impedance Z viewed from the sensor coil input end is maximized is indicated by B. At this time, the eddy current loss seen from the sensor coil input end is maximized. As the polishing progresses further and the conductive film becomes thinner, the eddy current decreases and the resistance component viewed from the sensor coil gradually decreases because the eddy current loss decreases gradually. . When all of the conductive film is removed by polishing, there is no eddy current loss, the resistance component (R 2 ) equivalently connected in parallel becomes infinite, and the resistance component of the sensor coil itself ( Only R 1 ) will remain. The reactance component (X) at this time is only the reactance component (L 1 ) of the sensor coil itself. This state is indicated by point C.
実際に、例えばシリコン酸化膜中に設けられた溝に銅配線を、いわゆるダマシンプロセスで形成する場合には、シリコン酸化膜上に窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)等のバリア層が設けられ、その上に導電率の高い銅またはタングステン等の金属配線が設けられる。従って、これらの導電性膜の研磨にあたっては、バリア層の研磨の終点検出が重要となる。ところが、バリア層は上述したように窒化タンタル(TaN)または窒化チタン(TiN)等の導電率が比較的低く、かつ膜厚がオングストロームオーダの極めて薄い膜が採用されている。 Actually, for example, when a copper wiring is formed in a groove provided in a silicon oxide film by a so-called damascene process, a barrier layer such as tantalum nitride (TaN) or titanium nitride (TiN) is provided on the silicon oxide film. On top of that, metal wiring such as copper or tungsten having high conductivity is provided. Therefore, in polishing these conductive films, it is important to detect the end point of polishing of the barrier layer. However, as described above, the barrier layer is made of a very thin film having a relatively low conductivity such as tantalum nitride (TaN) or titanium nitride (TiN) and having a film thickness on the order of angstroms.
しかるに、本実施形態の渦電流センサにおいては、このようなバリア層の研磨終点近傍の膜厚検出および研磨中の膜厚値(相対的な膜厚データではなく、絶対的な長さとしての膜厚値)測定が容易に可能となる。即ち、図14に示す、点Dは例えば膜厚が1000Å程度の位置を示し、これより膜厚がゼロとなる、点Cに向けて、膜厚の変化に対応して抵抗成分の変化が極めて大きく、かつ略直線的に変化する。この時に、リアクタンス成分(X)は、図示するように抵抗成分と比較して、極めて変化量が小さい。このため、リアクタンス分の変化に伴って生じる発振周波数の変化に基づいて膜厚を検出するという原理に基づく渦電流センサでは、この膜厚変化に対して発振周波数の変化は極めて小さい。このため、周波数変化の分解能を上げるためには、周波数を高くする必要があった。しかしながら、この渦電流センサ(膜厚測定装置)200によれば、発振周波数は固定したままで、抵抗成分の変化を見ることにより膜厚の変化を検出することができ、比較的低い周波数でこの極めて薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察することが可能となる。ここで、本実施形態では、リアクタンス分の変化に伴って生じる抵抗成分の変化に基づいて膜厚を検出する方式を採用するが、測定対象によっては、発振周波数の変化に基づいて膜厚を検出する方式を採用してもよく、また、リアクタンス成分と抵抗成分との合成インピーダンスに基づいて膜厚を検出するようにしてもよいことはいうまでもない。 However, in the eddy current sensor of this embodiment, the thickness of the barrier layer in the vicinity of the polishing end point is detected and the thickness value during polishing (not the relative thickness data but the film as an absolute length). (Thickness value) can be easily measured. That is, the point D shown in FIG. 14 indicates a position where the film thickness is about 1000 mm, for example, and the resistance component changes extremely corresponding to the change in the film thickness toward the point C where the film thickness becomes zero. Large and changes substantially linearly. At this time, the reactance component (X) has a very small amount of change compared to the resistance component as shown in the figure. For this reason, in the eddy current sensor based on the principle that the film thickness is detected based on the change in the oscillation frequency caused by the change in the reactance, the change in the oscillation frequency is extremely small with respect to the change in the film thickness. For this reason, in order to increase the resolution of frequency change, it is necessary to increase the frequency. However, according to this eddy current sensor (film thickness measuring device) 200, it is possible to detect a change in film thickness by observing a change in the resistance component while keeping the oscillation frequency fixed. It becomes possible to clearly observe the polishing state of an extremely thin film thickness. Here, in this embodiment, a method of detecting the film thickness based on the change of the resistance component caused by the change of the reactance is adopted, but depending on the measurement target, the film thickness is detected based on the change of the oscillation frequency. It goes without saying that the film thickness may be detected based on the combined impedance of the reactance component and the resistance component.
なお、図15は、オングストロームオーダの微細な導電性層の膜厚の検出結果を示している。それぞれ横軸は残膜厚を示し、縦軸の実線は抵抗成分(R)を示し、また、縦軸の点線はリアクタンス成分(X)を示している。図15(a)は、タングステン(W)膜に関するデータであり、1000Å以下の微細な残膜厚で抵抗成分の変化を見ることにより明瞭に膜厚の変化を検出できることがわかる。図15(b)は、窒化チタン(TiN)膜に関するデータであり、同様に1000Å以下の領域で膜厚の変化を明瞭に検出できる。図15(c)は、チタン(Ti)膜に関するデータであり、図示するように、膜厚が500〜0Åに変化する間に、その抵抗成分が大幅に変化することで、明瞭にその膜厚の変化を検出することができる。 FIG. 15 shows the result of detecting the film thickness of a fine conductive layer on the order of angstroms. The horizontal axis represents the remaining film thickness, the solid line on the vertical axis represents the resistance component (R), and the dotted line on the vertical axis represents the reactance component (X). FIG. 15A shows data relating to the tungsten (W) film, and it can be seen that the change in the film thickness can be clearly detected by observing the change in the resistance component with a fine remaining film thickness of 1000 mm or less. FIG. 15B shows data relating to a titanium nitride (TiN) film, and similarly, a change in film thickness can be clearly detected in a region of 1000 mm or less. FIG. 15C shows data relating to a titanium (Ti) film. As shown in the figure, the resistance component changes drastically while the film thickness changes from 500 to 0 mm, so that the film thickness becomes clear. Changes can be detected.
この図15に示す各例において、抵抗成分(R)の変化に対して、リアクタンス成分(X)の変化は極めて小さい。バリア層の膜厚検出例で、タンタル膜において、残膜厚が0Åと250Åでリアクタンス成分(X)の変化は、0.005%であった。これに対して抵抗成分(R)の変化は、1.8%であった。よって、検出感度の向上はリアクタンス成分の変化を見る方式に対して、約360倍検出感度が向上することになる。 In each example shown in FIG. 15, the change in the reactance component (X) is extremely small with respect to the change in the resistance component (R). In the example of detecting the thickness of the barrier layer, the change in the reactance component (X) was 0.005% in the tantalum film when the remaining film thickness was 0 mm and 250 mm. On the other hand, the change of the resistance component (R) was 1.8%. Therefore, the detection sensitivity is improved by about 360 times as compared with the method of looking at the change of the reactance component.
ただし、交流信号源の発振周波数は、導電率が比較的低いバリア層の検出では、発振周波数を例えば8〜16MHz程度に高くすることが望ましい。発振周波数を高くすることにより、バリア層の0〜250Åの膜厚の変化を明瞭に観察することができる。これに対して、例えば銅膜等の導電率が比較的高い金属においては、2MHz程度の低い発振周波数でも明瞭に膜厚の変化の検出が可能である。また、タングステン膜の場合には、8MHz程度の発振周波数が好適である。このように、研磨対象膜の種類に対応して、発振周波数やセンサ増幅度、センサ信号値のOFF-SET値を選択することが好ましい。 However, it is desirable that the oscillation frequency of the AC signal source is increased to, for example, about 8 to 16 MHz when detecting a barrier layer having a relatively low conductivity. By increasing the oscillation frequency, it is possible to clearly observe the change in the thickness of the barrier layer from 0 to 250 mm. On the other hand, for example, in a metal having a relatively high conductivity such as a copper film, it is possible to clearly detect a change in film thickness even at a low oscillation frequency of about 2 MHz. In the case of a tungsten film, an oscillation frequency of about 8 MHz is preferable. Thus, it is preferable to select the oscillation frequency, the sensor amplification degree, and the OFF-SET value of the sensor signal value in accordance with the type of film to be polished.
また、研磨テーブル100に埋め込まれた渦電流センサにウェハが近接・対向した時にのみ、渦電流センサが図示しない電気・電子回路によって交番バースト電磁界、または正弦波に印加した平衡変調、振幅変調、パルス変調をかけた電磁界をウェハ測定箇所に照射する構成を有する渦電流センサーモジュールでも良い。また更に渦電流の膜厚データ計測タイミングは連続に電磁界を照射しつづける回路構成、あるいは渦電流センサにウェハが近接・対向した時にのみウェハに電磁界を照射する回路構成を取ることができる。電磁界を照射し続ける回路構成を採用したときには、渦電流センサにウェハが近接していない時、対向していない時には過去に取得したデータから予想した膜厚データを補完することで将来の膜厚時間変化、終点時間を予想したり、実際の研磨時間との比較を行うことで、研磨異常検知、装置の異常検出などに使用することもできる。場合によっては渦電流センサにウェハが近接・対向した時以外は非研磨時、研磨布のドレッシング時にセンサの膜厚検出機能を無効にしたり、渦電流信号をサンプリングしないという場合もある。 Further, only when the wafer approaches or faces the eddy current sensor embedded in the polishing table 100, the eddy current sensor is applied to an alternating burst electromagnetic field or sine wave by an electric / electronic circuit (not shown), balanced modulation, amplitude modulation, An eddy current sensor module having a configuration in which an electromagnetic field subjected to pulse modulation is irradiated to a wafer measurement location may be used. Furthermore, the eddy current film thickness data measurement timing can be a circuit configuration that continuously irradiates an electromagnetic field, or a circuit configuration that irradiates the wafer with an electromagnetic field only when the wafer approaches or faces the eddy current sensor. When a circuit configuration that continues to irradiate an electromagnetic field is adopted, when the wafer is not in proximity to the eddy current sensor or when it is not facing it, the film thickness in the future can be complemented by the film thickness data predicted from the data acquired in the past. It can also be used for polishing abnormality detection, apparatus abnormality detection, etc. by predicting the time change and end point time or comparing with the actual polishing time. In some cases, the film thickness detection function of the sensor is disabled or the eddy current signal is not sampled at the time of non-polishing, dressing the polishing cloth, except when the wafer is close to or facing the eddy current sensor.
図16(a)は、これらの渦電流センサを備えた基板研磨装置の要部構成を示す縦断面図であり、図17はその平面図である。図16(a)に示されるように、基板研磨装置の研磨テーブル100は矢印で示すようにその軸心まわりに回転可能になっている。この研磨テーブル100内には、交流信号源および同期検波回路を含むプリアンプ一体型のセンサコイル202が埋め込まれている。センサコイル202の接続ケーブルは、研磨テーブル100の研磨テーブル支持軸321a内を通り、研磨テーブル支持軸321aの軸端に設けられたロータリジョイント334を経由して、ケーブルによりメインアンプ200aを介して膜厚測定装置本体(コントロール部)200bに接続されている。
FIG. 16 (a) is a longitudinal sectional view showing the main configuration of a substrate polishing apparatus provided with these eddy current sensors, and FIG. 17 is a plan view thereof. As shown in FIG. 16A, the polishing table 100 of the substrate polishing apparatus is rotatable about its axis as indicated by an arrow. A preamplifier integrated
ここで、膜厚測定装置本体200bには、各種フィルタがセンサ信号の雑音成分を除去するために設けられている。各種フィルタは、それぞれに応じたカットオフ周波数が設定されており、例えば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を0.1〜10Hzの範囲で設定することにより、研磨中のセンサ信号に混在する雑音成分を除去して測定対象の膜厚等を高精度に測定することができる。
Here, various filters are provided in the film thickness measuring device
図16(b)は、渦電流センサ部分の拡大断面図である。研磨テーブル100に埋め込まれたセンサコイル202の研磨パッド側の端面には4フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂のコーティング202mを有することで研磨パッドをはがす場合に、研磨パッドと渦電流センサが共にはがれてこないようにできる。また渦電流センサの研磨パッド側の端面は研磨パッド101近傍のSiCなどの材料で構成された研磨テーブル100の面(研磨パッド側の面)からは0〜0.05mm凹んだ位置に設置され、研磨時にウェハに接触することを防止している。この研磨テーブル面と渦電流センサ面の位置の差はできる限り小さい方が良いが実際の装置では0.02mm前後に設定することが多い。またこの位置調整にはシム(薄板)202nによる調整やネジによる調整手段が取られる。
FIG. 16B is an enlarged cross-sectional view of the eddy current sensor portion. When the polishing pad is peeled off by having a
ここで、センサコイル202と膜厚測定装置本体200bを接続するロータリジョイントは、回転部においても信号を伝送することはできるが、伝送する信号線数に制限がある。このことから、接続する信号線は、8本に制限され、DC電圧源、出力信号線、および各種制御信号の伝送線のみに限られる。なお、このセンサコイル202は、発振周波数が、2から8MHzで切り替え可能となっていて、プリアンプのゲインも研磨対象の膜質に応じて切り替え可能となっている。
Here, the rotary joint connecting the
この研磨テーブル100の回転は、図17に示すように、その研磨テーブル100の外周面に取り付けられたドグ351をドグセンサ350が検出するようになっており、膜厚測定装置本体200bは、ドグセンサ350からの検出信号により、トップリング1の保持する半導体ウェハWの信号処理を開始する。即ち、研磨テーブル100の回転に伴って、センサ軌跡Rが半導体ウェハWを横切るようにトレースする。
As shown in FIG. 17, the rotation of the polishing table 100 is such that the
このことから、膜厚測定装置本体200bは、図18に示すように、研磨テーブル100が1周する間に、まずドグセンサ350からの信号を受け取る。この時は、まだセンサコイル202上には半導体ウェハWが来ていないので、ウェハ外の信号を受け取る。その後、半導体ウェハWの下にセンサコイル202が位置すると、導電性膜201’などに生じる渦電流に応じたレベルのセンサ信号を受け取る。そして、半導体ウェハWがセンサコイル202上を通過した後には、渦電流が発生していないレベルのウェハ外のセンサ信号を受け取ることになる。
Accordingly, as shown in FIG. 18, the film thickness measuring device
このとき、膜厚測定装置本体200bは、センサコイル202を常にセンシング可能に起動させた状態にあるが、そのまま測定対象の半導体ウェハWの導電性膜201’の膜厚を測定するのではその膜厚が研磨に応じて変化して、受け取るセンサ信号のレベル自体が変化することにより、測定タイミングが不安定になってしまう。このことから、研磨砥液供給ノズル102から水を供給して基準ウェハのダミー研磨を行う水ポリッシング(例えば、1000nmのCu層が成膜された基準ウェハを60回転/分の研磨テーブル100により120秒の水研磨)を行って、半導体ウェハWの研磨領域の測定開始タイミングのレベルを予め取得して設定しておく。詳細には、ドグセンサ350によるウェハの検出信号を受け取ってからの半導体ウェハ有無によるセンサレベルの中間値を半導体ウェハWの縁部の到達判定レベルとする。従って、ドグセンサの信号到達後の半導体ウェハWの縁部の到達判定レベルを超えたタイミングで、例えば、1ミリ秒(msec)毎にセンサ信号を取得する。このセンサ信号の取得は、ウェハがセンサ上を離脱したタイミングで終了する。得られたセンサ信号は、物理的な寸法に対応させて、各領域に割り振られる。
At this time, the film thickness measuring device
この膜厚測定装置本体200bが受け取るセンサ信号は、図19(a)に示すように、半導体ウェハW内におけるセンサ軌跡Rを直線化すると、その半導体ウェハW下方の中心部(図4のC1)から周縁部(C4)までに対応させることができ、例えば、図19(b)に示すように、半導体ウェハWを3分割した中心部(C1)、中間部(C2)、周縁部(C3,C4)毎の導電性膜201の膜厚を研磨前から研磨後に亘って計測することができる。各領域のセンサ信号は例えば平均等の演算処理が施され、各領域の計測値とされる。
As shown in FIG. 19A, the sensor signal received by the film thickness measuring device
なお、半導体ウェハWは、最外周領域は導電性膜201’を形成しない部分であることから、当該領域のセンサ信号を破棄して処理する、所謂エッジカット処理を行う。また、本実施形態では、半導体ウェハWを3つの領域に分割して5領域での計測値を取得しているが、押圧力を調整可能な領域に対応させて4つの領域C1〜C4に分割して7領域での計測値を取得・制御するようにしてもよい。さらに、半導体ウェハWの研磨面をより細かく、あるいはより粗く区画してもよいことはいうまでもない。
Since the outermost peripheral region of the semiconductor wafer W is a portion where the
図20に示すように、取得したセンサ信号を各領域C1〜C4毎に割り振って、その領域幅に応じた個数の計測値を算出・取得する。例えば、半導体ウェハW下方へのセンサコイル202の進入から離脱までの間において、進入時の周縁部(C3,C4)の領域1では2個の計測値を取得し、次いで、中間部(C2)の領域2でも2個の計測値を取得し、次いで、中心部(C1)の領域3では1個の計測値を取得する。この後に、再度、中間部(C2)の領域4では2個の計測値を取得し、最終に周縁部(C3,C4)の領域5でも2個の計測値を取得する。
As shown in FIG. 20, the acquired sensor signal is allocated to each of the areas C1 to C4, and the number of measurement values corresponding to the area width is calculated and acquired. For example, in the
ここで、膜厚測定装置本体200bは、各領域毎に取得した計測値に基づいて、半導体ウェハW下方のセンサコイル202の通過(研磨)毎に導電性膜201’の膜厚を測定すると共に、各領域毎の膜厚を表示装置(ディスプレイ)に表示するなどの処理を行うことから、図20に示すように、対象領域外(ウェハ外や領域外)のセンサ信号に基づく計測値に代えて、補完データを生成して表示処理などをするようになっている。この補完データ(値)は、表示データが大きく振れないように、導電性膜201’が存在すると仮想して表示処理などをすることから、例えば、予め設定されている個数の直近の有効な計測値を用いて、次の演算式から算出する。
補完値=[計測最大値−計測最小値]×係数(変換率%)+計測最小値
Here, the film thickness measuring device
Supplementary value = [measurement maximum value-measurement minimum value] x coefficient (conversion rate%) + measurement minimum value
ここでは研磨テーブルの回転毎に渦電流センサと被研磨物であるウェハが対向している期間のみ膜厚データを計測する回分式で計測するものである。また測定対象の膜厚変化に応じた渦電流センサからの信号は前述したドグセンサ350からの信号主導の外部同期型のA/D変換器により10μ秒乃至数100μ秒(例えば100μ秒)毎に連続計測された複数個のデータを同期加算(例えばここではドグセンサ350から得られた連続した100μ秒毎のデータを10個分を加算して平均し、このデータを1m秒のデータとすることを意味する)し、この加算し平均化することでデータのノイズを減少することもできる。
Here, measurement is performed by a batch method in which film thickness data is measured only during a period in which the eddy current sensor and the wafer to be polished are opposed each time the polishing table rotates. Further, the signal from the eddy current sensor corresponding to the change in the film thickness of the measurement object is continuously generated every 10 μs to several 100 μs (for example, 100 μs) by the signal-driven external synchronous A / D converter from the
図21は、図16に示す研磨テーブル100の他の実施形態である。図示するように、センサコイル202a〜202fは、トップリング1に保持された研磨中の半導体ウェハWの中心Cwが通過する位置に、この場合は6ヶ所に設置されている。符号CTは研磨テーブル100の回転中心である。センサコイル202a〜202fは、半導体ウェハW下方の中心部(図4のC1)、中心部から中間部(C2)、外方部(C3)、そして周縁部(C4)を通過している間、その通過軌跡上で連続的に(1周するのを待つことなく)半導体ウェハWのCu層およびバリア層等の導電性膜の膜厚を検出できるようになっている。すなわち、渦電流センサ(膜厚測定装置)200は、半導体ウェハWの押圧力を調整可能に区画されている領域C1〜C4の膜厚を、センサコイル(測定手段)202によりそれぞれ測定可能に構成されている。ここで、センサコイルの周波数を高低の複数種類用いるようにしてもよい。これにより、高い方でバリア層の膜厚変化を主として検出し、低い方でCu層の膜厚変化を主として検出する等の管理を行うことができる。
FIG. 21 shows another embodiment of the polishing table 100 shown in FIG. As shown in the figure, the sensor coils 202a to 202f are installed at six positions in this case at positions through which the center Cw of the semiconductor wafer W being polished held by the
この場合は、センサコイルを6ヶ所に配置しているが、配置数は適宜変更することができる。また、研磨テーブルに研磨パッドを配置した例について説明するが、固定砥粒プレートを用いるようにしてもよい。また、この場合には固定砥粒プレート内にセンサコイルを配置するようにしてもよい。 In this case, six sensor coils are arranged, but the number of arrangements can be changed as appropriate. Although an example in which a polishing pad is arranged on a polishing table will be described, a fixed abrasive plate may be used. In this case, a sensor coil may be arranged in the fixed abrasive plate.
上記構成の基板研磨装置において、トップリング1の下面に半導体ウェハWを保持させ、半導体ウェハWを回転している研磨テーブル100の上面の研磨パッド101に昇降シリンダにより押圧する。一方、研磨砥液供給ノズル102から研磨砥液Qを流すことより、研磨パッド101に研磨砥液Qが保持されており、半導体ウェハWの被研磨面(下面)と研磨パッド101の間に研磨砥液Qが存在した状態でポリッシングが行われる。
In the substrate polishing apparatus having the above configuration, the semiconductor wafer W is held on the lower surface of the
この研磨中に、センサコイル202a〜202fは、研磨テーブル100が一回転する毎にそれぞれ半導体ウェハWの被研磨面の直下を通過する。この場合、センサコイル202a〜202fは半導体ウェハWの中心Cwを通る軌道上に設置されているため、センサの移動に伴って半導体ウェハWの被研磨面の円弧状の軌道上で連続的に膜厚検出が可能である。そして、この場合には、センサコイルが6ヶ所に設けられているので、断続的にではあるが短い間隔で研磨の進行状況をいずれかのセンサコイルで検出できる。 During this polishing, the sensor coils 202a to 202f pass directly under the surface to be polished of the semiconductor wafer W each time the polishing table 100 rotates once. In this case, since the sensor coils 202a to 202f are installed on a track passing through the center Cw of the semiconductor wafer W, the film is continuously formed on the arc-shaped track of the surface to be polished of the semiconductor wafer W as the sensor moves. Thickness detection is possible. In this case, since six sensor coils are provided, the progress of polishing can be detected by any one of the sensor coils at short intervals, although intermittently.
そして、図22(a)(b)に示すように、研磨が進行するにつれて、センサコイル202a〜202fの信号を膜厚測定装置本体200bで処理する検出値は漸次減少してゆく。即ち、導電性膜の膜厚が減少するにつれて、センサコイル202a〜202fの信号を膜厚測定装置本体200bで処理した値である検出値が減少してゆく。したがって、予め、導電性膜が配線部を除いて除去されたときの検出値の値を調べておけば、検出出力の値をモニターすることにより、CMPプロセスの終点を検出できる。
As shown in FIGS. 22 (a) and 22 (b), as polishing progresses, the detection values for processing the signals of the sensor coils 202a to 202f by the film thickness measuring device
図23は、膜厚と抵抗成分出力との関係を較正した例を示す。例えば、1000Å(t1)または200Å(t2)等の基準ウェハを準備し、この基準ウェハにおける検出出力を測定し、これらの点を基準点とする。そして、実際の研磨の進行状況に伴う検出出力に対する膜厚変化のデータを取得し、これを点線で示す。この検出出力は、抵抗成分出力の他に、リアクタンス成分出力、インピーダンス(振幅)出力、位相出力が可能である。このデータを上記基準点に対して最小二乗法等の手法によりカーブを形成する。このような手法により、渦電流センサの特性を較正・格納しておくことで、検出出力を適宜増幅処理・オフセット処理などして、渦電流センサの個体差に影響されることなく、その検出出力の変化から直接膜厚の変化を正確に読みとることが可能となる。 FIG. 23 shows an example in which the relationship between the film thickness and the resistance component output is calibrated. For example, a reference wafer such as 1000 t (t 1 ) or 200 Å (t 2 ) is prepared, and the detection output on this reference wafer is measured, and these points are used as reference points. And the data of the film thickness change with respect to the detection output accompanying the actual progress of polishing are acquired, and this is indicated by a dotted line. In addition to the resistance component output, the detection output can be a reactance component output, an impedance (amplitude) output, and a phase output. A curve is formed for this data with respect to the reference point by a method such as a least square method. By calibrating and storing the characteristics of the eddy current sensor using such a method, the detection output can be amplified and offset as appropriate, without being affected by individual differences in the eddy current sensor. It is possible to accurately read the change in the film thickness directly from the change in the thickness.
このような渦電流センサを多数備えた基板研磨装置によれば、終点検出を半導体ウェハの全面について行うことができ、且つ短時間間隔で行うことができる。そして、上述したようにバリア層であるTa,TaN,TiN層等の研磨終点を検出できるので、極めて高精度の研磨終点の検出を行える。このとき、このように構成された渦電流センサでは、研磨プロセスの最終段階で導電性膜のパッチ残り(研磨除去されなかった金属)が発生しても、半導体ウェハ側の研磨面とセンサコイルの上端との間が3.5mm以下であれば、直径(φ)5mm以上のパッチ残りを検出することができ、後述の研磨プロセスにおいてそのパッチ残りを確実に研磨・除去することができる。さらに、研磨対象の半導体ウェハWの導電性材料による配線が多層化されているような場合でも、このように構成された渦電流センサでは、その配線密度が90%以下であれば確実に表層の導電性膜を検出して研磨・除去することができる。 According to the substrate polishing apparatus provided with a large number of such eddy current sensors, end point detection can be performed on the entire surface of the semiconductor wafer, and can be performed at short time intervals. As described above, the polishing end point of the Ta, TaN, TiN layer or the like as the barrier layer can be detected, so that the polishing end point can be detected with extremely high accuracy. At this time, in the eddy current sensor configured as described above, even if a patch residue of the conductive film (metal that has not been polished and removed) occurs in the final stage of the polishing process, the polishing surface on the semiconductor wafer side and the sensor coil If the distance from the upper end is 3.5 mm or less, a patch residue having a diameter (φ) of 5 mm or more can be detected, and the patch residue can be reliably polished and removed in a polishing process described later. Furthermore, even in the case where the wiring made of the conductive material of the semiconductor wafer W to be polished is multi-layered, the eddy current sensor configured in this way can reliably ensure that the surface layer has a surface density of 90% or less. The conductive film can be detected, polished and removed.
この膜厚測定装置本体200bにあっては、所定の膜厚で研磨モードを切り替える必要がある場合には、オングストロームオーダの膜厚を測定可能なレンジに当初よりプリアンプまたはメインアンプを選択設定して、正確な膜厚の確認処理を行うことができる。例えば、300Å程度で研磨モードを切り替えることを目的とする場合には、300Å程度以上のW層の研磨中には測定対象の膜厚の測定結果は実測不能なオーバレンジ(飽和)とし、その研磨が進んで300Å程度以下で直線的な特性が得られるようにする。
In the film thickness measuring apparatus
即ち、図24(a)に示すように、アンプのゲインを300Å相当の信号以上で飽和するように設定する。例えばW層の層膜を研磨する場合に、図24(b)に示すようにW層の研磨が点線で示すように進行しても、アンプ出力は図中実線で示すように飽和のために一定となる。しかしながら、膜厚が300Å程度を切ると、アンプが直線的に動作するため、アンプ出力は図中実線で示すように低下する。従って、図24(c)に示すように、この1次微分を取ることで、膜厚が300Å程度に到達したことを明確に検出することができる。 That is, as shown in FIG. 24A, the gain of the amplifier is set so as to be saturated at a signal equivalent to 300Å or more. For example, when the W layer film is polished, even if the W layer polishing progresses as shown by the dotted line as shown in FIG. 24B, the amplifier output is saturated as shown by the solid line in the figure. It becomes constant. However, when the film thickness is less than about 300 mm, the amplifier operates linearly, so that the amplifier output decreases as indicated by the solid line in the figure. Therefore, as shown in FIG. 24C, it is possible to clearly detect that the film thickness has reached about 300 mm by taking the first derivative.
この測定結果を得て、研磨装置の動作モード(レシピ)を、バリア層用に切り替えることで、高精度な研磨処理を実行可能にする。また、センサの動作モード(レシピ)も発振周波数の切り替えや、増幅度の切り替えにより、微小な膜厚のバリア層の有無を確実に検知して、研磨の終了タイミングを適切に判断することができるようになる。 By obtaining this measurement result and switching the operation mode (recipe) of the polishing apparatus to that for the barrier layer, highly accurate polishing processing can be performed. Also, the operation mode (recipe) of the sensor can detect the presence or absence of a barrier layer with a small film thickness by switching the oscillation frequency or switching the amplification level, and can appropriately determine the polishing end timing. It becomes like this.
そこで、この基板研磨装置のコントローラ400(図2参照)は、マイクロ波センサ、渦電流センサ等の膜厚測定装置200,200’による半導体ウェハWの中心部(図4のC1)、中間部(C2)、周縁部(C3,C4)の膜厚の測定結果に基づいて、レギュレータRE3〜RE6がトップリング1の各圧力室22〜25に供給する加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、研磨テーブル100上の研磨パッド101に押圧する押圧力を半導体ウェハWの領域C1〜C4毎に最適化するようになっている。
Therefore, the controller 400 (see FIG. 2) of the substrate polishing apparatus includes a central portion (C1 in FIG. 4) and an intermediate portion (C1 in FIG. 4) of the film
ここで、膜厚測定装置200,200’は、研磨テーブル100上の研磨パッド101に押圧する押圧力を半導体ウェハWの領域C1〜C4毎に最適化するために、導電性膜201の膜厚の測定結果をコントローラ400に受け渡す一方、コントローラ400は、その膜厚の測定結果に基づいて膜厚測定装置200,200’への指示命令を生成する。すなわち、膜厚測定装置200,200’は、自身の膜厚測定結果に基づくコントローラ400からの指示命令に従って、例えば、測定対象の膜種や多層膜などの種別に適合したパラメータ等を選択切換する動作モードの切換制御を実行することにより、そのパラメータを用いたセンサ信号の演算処理などを行って膜厚測定を行う。
Here, the film
ここで、本実施形態においては、半導体ウェハの研磨対象膜を研磨により除去する場合を説明したが、所謂、エッチング、無電解研磨、超純水電解研磨においても、同様に研磨対象膜の膜厚測定を行ってプロセス制御することができる。また、研磨対象膜を除去する場合だけでなく、成膜工程においても、同様に研磨対象膜の膜厚測定を行って、そのプロセス制御を行ってもよいことはいうまでもない。 Here, in this embodiment, the case where the polishing target film of the semiconductor wafer is removed by polishing has been described, but the film thickness of the polishing target film is similarly applied to so-called etching, electroless polishing, and ultrapure water electrolytic polishing. Measurements can be taken and process controlled. Needless to say, not only in the case of removing the film to be polished, but also in the film forming step, the film thickness of the film to be polished may be similarly measured to control the process.
また例えば、渦電流センサ(2MHz、8MHz、20MHz、160MHzの発振周波数から適宜選択する)や周波数が30GHzから300GHz帯の電磁波を研磨プロセス中で発生するパッド上のスラリ廃液、排液されるスラリー反応液に電磁印加することにより発生する反磁場、反射波の振幅、反射波のインピーダンス変化を検出し、研磨前の基準インピーダンスと比較したり、インピーダンスの時間微分の変化を観察することでウェハ研磨終点、異常判定のための研磨モニターの信号として使用することもできる。またこの廃液や反応液の渦電流センサや電磁波による観察はめっき装置、超純水電解研磨装置、無電解めっき装置、無電解研磨装置の成膜工程、膜除去工程の電解液・超純水のモニターにおいても採用することができる。 In addition, for example, an eddy current sensor (select as appropriate from oscillation frequencies of 2 MHz, 8 MHz, 20 MHz, and 160 MHz), slurry waste liquid on a pad that generates electromagnetic waves in the 30 GHz to 300 GHz band during the polishing process, and slurry reaction that is drained. Detects the demagnetizing field generated by applying electromagnetic waves to the liquid, the amplitude of the reflected wave, and the impedance change of the reflected wave, and compares it with the reference impedance before polishing, or observes the change in the time derivative of the impedance to end the wafer polishing. It can also be used as a polishing monitor signal for abnormality determination. In addition, the eddy current sensor and electromagnetic waves of the waste liquid and reaction liquid are observed in the plating process, ultrapure water electropolishing apparatus, electroless plating apparatus, electroless polishing apparatus, film removal process, membrane removal process electrolyte and ultrapure water. It can also be used in monitors.
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもなく、例えば、基板研磨装置の基板保持装置や渦電流センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Although one embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and needless to say, may be implemented in various forms within the scope of the technical idea. The substrate holding device and the eddy current sensor of the substrate polishing apparatus are not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
1 トップリング
3 リテーナリング
5 ホルダーリング
6 チャッキングプレート
8 センターバッグ
9 リングチューブ
10 自在継手部
11 トップリング駆動軸
21〜25 圧力室
31〜38 流体路
39 リリーフポート
41 開口部
61,62 吸着部
81,91 弾性膜
82 センターバッグホルダー
92 リングチューブホルダー
100 研磨テーブル
101 研磨パッド
102 研磨液供給ノズル
120 圧縮空気源
121 真空源
200,200’ 膜厚測定装置
201 研磨対象膜
201’ 導電性膜
202,202a〜202f センサコイル
203 交流信号源
205 同期検波回路
302 バンドパスフィルタ
307,308 ローパスフィルタ
312 発振コイル
313 検出コイル
314 バランスコイル
316 可変抵抗
317 抵抗ブリッジ回路
350 ドグセンサ
400 コントローラ
1001 カセット
1003 走行レール
1004,1020 搬送ロボット
1027 ロータリートランスポーター
1050 載置台
W 半導体ウェハ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板保持装置は、前記研磨テーブルの研磨面に摺接させる前記基板を複数の領域に区画して、当該領域毎に該研磨面に押圧する押圧力を調整する調整手段を有し、
前記渦電流センサのゲインは、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定されており、前記渦電流センサは、その測定値の一次微分値に基づいて前記膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、
前記渦電流センサの検出部は前記基板を横切るように移動し、前記渦電流センサは、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、
前記基板保持装置は、前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする基板研磨装置。 A polishing table having a polishing surface, a substrate holding device that holds a substrate to be polished and presses it against the polishing surface of the polishing table, and an eddy current sensor that measures the film thickness of a film formed on the substrate A substrate polishing apparatus comprising:
The substrate holding device has an adjusting unit that divides the substrate to be in sliding contact with the polishing surface of the polishing table into a plurality of regions, and adjusts the pressing force that presses the polishing surface for each region.
The gain of the eddy current sensor is set so as to saturate with a corresponding signal or more when the film on the substrate has a predetermined film thickness, and the eddy current sensor is based on the first derivative of the measured value. Detecting when the film reaches the predetermined film thickness,
The detection unit of the eddy current sensor moves across the substrate, and the eddy current sensor transmits a time-series film thickness measurement value obtained during the movement of the detection unit to each region of the substrate. By allocating, obtain measurement information of the film thickness of each region,
The substrate holding apparatus adjusts a pressing force applied to each region of the substrate based on measurement information on the substrate by the eddy current sensor .
渦電流センサを用いて前記基板の膜厚を測定し、前記渦電流センサのゲインを、前記基板上の膜が所定の膜厚である時に相当する信号以上で飽和するように設定し、前記渦電流センサの測定値の一次微分値に基づいて、前記基板上の膜が前記所定の膜厚になった時点を検知し、
前記渦電流センサの検出部を前記基板を横切るように移動させ、前記検出部の移動中に得られた時系列的な膜厚の測定値を、前記基板の各領域に割り振ることにより、前記各領域の膜厚の測定情報を取得し、
前記基板保持装置の前記基板の領域毎に加える押圧力を、前記渦電流センサによる当該基板上の測定情報に基づいて調整することを特徴とする基板研磨方法。 It is formed on the substrate by holding the substrate to be polished and pressing it against the polishing surface of the polishing table with a substrate holding device capable of adjusting the pressing force to the polishing surface of the polishing table for each of a plurality of regions of the substrate. A substrate polishing method for polishing a film,
The thickness of the substrate using an eddy current sensor to measure the gain of the eddy current sensor, film on the substrate is set to be saturated at least signals corresponding to the time which is a predetermined thickness, said vortex Based on the first derivative value of the measured value of the current sensor , detects when the film on the substrate reaches the predetermined film thickness ,
By moving the detection unit of the eddy current sensor across the substrate and allocating the time series film thickness measurement values obtained during the movement of the detection unit to each region of the substrate, Get measurement information of the film thickness of the area,
A substrate polishing method , wherein a pressing force applied to each region of the substrate of the substrate holding device is adjusted based on measurement information on the substrate by the eddy current sensor .
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