JP2000133622A - 基板研磨装置用の終点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の処理条件に差異があっても正確に研磨
の終点検出を行うことができる。 【解決手段】 基板ホルダ１によって保持された基板Ｗ
の表面に研磨機構９を自転させつつ作用させて研磨処理
を施す基板研磨装置に備えられ、処理の進行に伴う研磨
の終点を検出するための基板研磨装置用の終点検出装置
において、基板ホルダ１に保持された基板Ｗに対して光
を照射する投光部１５と、基板Ｗを透過して研磨度合い
に応じて変位する光を検出する受光部１７と、正常に光
を検出できるように研磨機構９を移動する移動機構７
と、光強度に基づいて研磨の終点を判断する制御部１９
とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板表面を研磨す
る基板研磨装置に備えられ、研磨処理の進行に伴う処理
の終点を検出するための終点検出装置に係り、特に、半
導体基板のＣＭＰ工程（Chemical Mechanical Polishin
g ）で利用される基板研磨装置用の終点検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造の分野においては、集積回路
の製造工程における回路パターンの微細化が進み、露光
工程での解像力を向上させるために基板表面の平坦化を
行うＣＭＰ工程が多用されるようになってきた。特に、
近年においては、導電性を向上させる目的も含めてＡｌ
に代えてＣｕを配線材料として利用する技術導入の関係
上、所要のパターンを形成した絶縁層上にＣｕを全面被
着した後、ＣＭＰ工程を行って、絶縁層の凹部のみにＣ
ｕを残すというダマシンプロセスが利用され始めてい
る。

【０００３】このダマシンプロセスにおけるＣＭＰ工程
では、例えば、予め基板を使って研磨速度を測定してお
き、この結果に応じて決めた一定時間だけ研磨を行うよ
うに構成された装置が利用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。すなわち、上述したような構成の装置では研磨ブ
ラシの押圧や、処理温度、金属層の膜質などの僅かな違
いが処理結果の不均一を招くという問題がある。また、
ＡＳＩＣなどのように基板毎に処理条件が異なるもの
は、全く処理することができなかった。

【０００５】そこで、研磨の進行により変化する研磨面
の摩擦を、研磨ブラシを回転させているモータのトルク
信号を検出することによって行うように構成された装置
があるが、この場合であっても摩擦の変化が微妙である
ことや、処理条件によって変化が異なることなどから依
然として正確に研磨の終点を検出することはできないと
いう問題がある。このように正確に終点が検出できない
場合には、研磨過多によって研磨面に窪みが生じるディ
ッシングやエロージョンが生じて、金属層の下層の厚み
が不均一となって正常に制御できない現象が生じてしま
う。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、光強度に基づいて研磨状態を判断する
ことにより、基板の処理条件に差異があっても正確に研
磨の終点検出を行うことができる基板研磨装置用の終点
検出装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、請求項１に記載の発明は、基板保持手段によって保
持された基板の表面に研磨手段を自転させつつ作用させ
て研磨処理を施す基板研磨装置に備えられ、処理の進行
に伴う研磨の終点を検出するための基板研磨装置用の終
点検出装置において、前記基板保持手段に保持された基
板に対して光を照射する照射手段と、前記照射手段から
照射され、基板を透過あるいは基板で反射して研磨度合
いに応じて変位する光を検出する検出手段と、前記照射
手段と前記検出手段によって形成されている光路を非遮
断状態にして、前記検出手段が正常に光を検出できるよ
うにする光路確保手段と、前記検出手段から出力される
光強度に基づいて研磨の終点を判断する終点判断手段
と、を備えたことを特徴とするものである。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の基板研磨装置用の終点検出装置において、前記
研磨手段は、その径が基板径よりも小さく、移動しなが
ら基板の表面全体を研磨するように構成されていること
を特徴とするものである。

【０００９】

【作用】請求項１に記載の本発明の作用は次のとおりで
ある。基板保持手段に保持されている基板に対して照射
手段から光を照射し、研磨度合いに応じて変位する光を
検出手段で検出する。基板の研磨面には自転しつつ研磨
手段が作用するため照射手段からの照射光や、研磨面を
透過した透過光あるいは研磨面で反射した反射光が研磨
手段によって遮断される場合があるが、光路確保手段が
光路を遮蔽されないようにするため検出手段は透過光や
反射光を検出できる。基板の全面に金属層が被着された
状態と、金属層がほぼ研磨除去されて下層の絶縁層が露
出している状態とでは、透過光強度や反射光強度が研磨
開始時点に比べて大きく変位するので、終点判断手段は
検出手段から出力される光強度に基づいて研磨の終点を
判断することができる。

【００１０】なお、上記の光路確保手段とは、例えば、
研磨手段が基板より大きい場合には、照射手段からの光
に対して透明な材料によって研磨手段に形成された光路
であり、あるいは光路を遮断しないように研磨手段を基
板上から側方に移動させる移動手段などである。

【００１１】また、請求項２に記載の発明によれば、研
磨手段の径が基板の径よりも小さく構成され、研磨手段
を移動させて基板の表面全体を研磨するように構成され
ている装置では、基板面の一部が露出しているため照射
手段と検出手段による研磨状態の検出を容易に行うこと
ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施例を説明する。 ＜第１実施例＞図１は、本実施例に係る終点検出装置を
備えた基板研磨装置を示す概略構成図である。

【００１３】基板Ｗは、その径よりもやや大きく形成さ
れた基板ホルダ１の上面に、研磨面を上向きにして水平
姿勢で載置され、基板ホルダ１の周縁部に設けられた環
状の保持部材３によって水平方向の位置決めが行われる
とともに保持されるようになっている。基板ホルダ１の
一部位には、後述する光に対して透明な材料で形成され
た光路部材５（例えば、ガラス円柱）が埋設されてい
る。なお、基板ホルダ１と保持部材３とが本発明の基板
保持手段に相当する。

【００１４】基板ホルダ１の上部には、移動機構７によ
って水平移動可能に設けられた研磨機構９が配備されて
いる。この研磨機構９は、図示しない自転用モータを備
えており、ブラシ取付部１１の下部に取り付けられた、
基板Ｗの径よりも小さく形成されている研磨ブラシ１３
ごと自転するように構成されている。さらに移動機構７
によって二次元的に移動して基板Ｗの全面を研磨するこ
とができるように構成されている。また、図示省略して
いるが、研磨と液を研磨面に供給するためのノズルなど
が配備されている。

【００１５】光路部材５の上方には赤外光をスポットビ
ームＢにして照射するための投光部１５が配備されてい
る一方、光路部材５を挟んだ投光部１５の反対側には、
投光部１５から照射されて基板Ｗを透過した赤外光の光
を検出するための受光部１７が配設されている。なお、
上記の投光部１５が本発明の照射手段に相当し、受光部
１７が検出手段に相当する。

【００１６】研磨処理を施される基板Ｗは、例えば、図
２（ａ）に示すような構造である。すなわち、シリコン
基板の上面に、配線などの金属層、酸化膜などの絶縁
層、そして最上部に平坦化のための金属層（Ｃｕ層）を
有する積層構造となっている。そして、ＣＭＰ処理を行
って最上部の金属層のみを研磨するが、研磨の終点は図
２（ｂ）のように絶縁層の凹部にのみ最上部の金属層の
金属を残して最上面が平坦化された時点である。

【００１７】図２（ａ）の研磨開始時においては、投光
部１５から照射されたスポットビームＢは、最上部の金
属層が厚く透過率が低い状態であるため受光部１７によ
って検出される光強度は極めて小さい。しかし、研磨を
開始して図２（ｂ）のような研磨の終了時点に近づくに
つれて、金属層が薄くなって次第に透過率が高くなり、
終点直前から終点時点にかけて急激に光強度が大きくな
る。

【００１８】このように研磨度合いに応じて変位するス
ポットビームＢの光強度を監視しているのが制御部１９
である。本発明の終点判断手段に相当する制御部１９
は、研磨開始時点から光強度を監視し、その信号が急激
に上昇した後に変位しなくなった時点を研磨の終点と判
断し、これを基準に研磨機構９が基板Ｗの表面全体を研
磨した時点で移動機構７を制御して研磨機構９を基板Ｗ
の側方に退避させて処理を終えるようになっている。

【００１９】なお、制御部１９は、移動機構７によって
水平方向に二次元的に移動されている研磨機構９が光路
を遮っていない状態でのみ受光部１７からの光強度信号
を取り込むようになっている。つまり、本実施例の光路
部材５と、移動機構７とが本発明の光路確保手段に相当
する。

【００２０】上記のように構成されている基板研磨装置
による研磨処理時の動作について以下に説明する。

【００２１】なお、予め研磨前の基板Ｗを基板ホルダ１
に取り付けた状態で、受光部１７のアンプを調整して出
力信号のレベルが『０』Ｖ付近になるようにするととも
に、研磨を施した基板Ｗを取り付けた状態で出力信号の
レベルが『１０』Ｖ付近になるようにしておくことが検
出精度を高める上で好ましい。

【００２２】まず、移動機構７により研磨機構９を側方
に退避させた状態において、最上部の金属層を上向きに
して基板Ｗを基板ホルダ１に載置し、環状の保持部材３
によって基板Ｗを基板ホルダ１に対して固定する。

【００２３】次に、図示しない操作パネルからオペレー
タが処理開始を指示すると、制御部１９は移動機構７を
介して研磨機構９を基板Ｗの上部に移動し、基板Ｗの全
面にわたって研磨ブラシ１３を移動させつつ作用させて
研磨処理を繰り返し実施する。

【００２４】この研磨開始時点においては受光部１７の
出力信号が図３に示すようにほぼ『０』ＶであるＶ_S で
あるが、研磨が進行してゆくとある時点Ｔ_E0から出力信
号が増大し始める。そして、Ｔ_E 時点において図２
（ｂ）に示すような状態まで研磨度合いが進行したとす
ると、その直前から出力信号は急激に増大してＶ_E （＝
３．５Ｖ）なるとともにこれ以降はほぼ変化が無くな
る。制御部１９は、時間あたりの変位量を常時監視して
おり、Ｔ_E 時点を研磨終点として判断する。そして、こ
の時点から研磨機構９が基板Ｗの表面全体を一度研磨し
た時点で処理を終了するようになっている。

【００２５】上述したように、基板の全面に金属層が被
着された状態と、金属層がほぼ研磨除去されて下層の絶
縁層が露出している状態とでは、透過光強度が研磨開始
時点に比べて大きく変位する。したがって、受光部１７
から出力される光強度に基づいて制御部１９が研磨の終
点を判断することにより、基板の処理条件などに差異が
あって、金属層の厚みが基板ごとに異なっていたとして
も正確に研磨の終点検出を行うことができるようになっ
ている。

【００２６】＜第２実施例＞次に、図４を参照して第２
実施例に係る基板研磨装置について説明するが、上記実
施例と同じ構成のものについては同符号を付すことで詳
細な説明については省略する。

【００２７】この装置では、光路部材５の上方には可視
光をスポットビームＢにして照射するための投光部１５
が傾斜姿勢で配備されている一方、その側方に投光部１
５から照射されて基板Ｗの研磨面で反射した可視光の光
を検出するための受光部１７が配設されている点におい
て上記実施例装置と相違する。

【００２８】なお、投光部１５から照射する光は、基板
Ｗを透過してその裏面で反射することのない可視光や紫
外光が好ましいが、上記実施例装置と同様に赤外光であ
ってもよい。

【００２９】このような構成の装置では、例えば、図５
のグラフに示すように出力信号が変位する。

【００３０】すなわち、研磨開始時点（図２（ａ））で
は、最上部の金属層によって可視光のスポットビームＢ
がほとんど反射されるため大きな出力信号Ｖ_S となって
いる一方、最上部の金属層が研磨されて次第に薄くなっ
てゆくにつれて出力信号が低下してゆき、研磨終了直前
であるＴ_E0時点から急激に出力信号が低下し始める。そ
して、研磨終了時点Ｔ_E （図２（ｂ））では、開始時点
の出力信号Ｖ_S よりもかなり低い出力信号Ｖ_E となる。
これ以降は出力信号がほぼ一定となるので制御部１９
は、時間あたりの変位量に基づいてＴ_E 時点を研磨終点
をとして判断するようになっている。

【００３１】この第２実施例では、投光部１５からのス
ポットビームＢを基板Ｗで反射させて受光部１７で検出
するという反射型で構成している関係上、光路部材５を
基板ホルダ１に埋設する必要がなく上記第１実施例装置
よりもさらに構成が簡易にできる利点がある。

【００３２】＜第３実施例＞次に、図６を参照して第３
実施例に係る基板研磨装置について説明する。なお、上
述した実施例と同じ構成のものについては同符号を付す
ことで詳細な説明については省略する。

【００３３】この装置は、上述した第１実施例によく似
た構成であるが、この装置では研磨機構９の研磨ブラシ
１３が基板Ｗの径よりやや大きく形成されている。ま
た、その関係上、自転している研磨機構９を移動機構７
が一定時間ごとに水平方向に移動させるときは、図中に
二点鎖線で示すように光路部材５が露出する位置にまで
大きく移動するようになっている。そして、制御部１９
は、光路部材５が露出したときの光強度に基づいて研磨
終点を判断するようになっている。

【００３４】＜第４実施例＞図７は、第４実施例に係る
終点検出装置を備えた基板研磨装置である。

【００３５】この装置も上記第３実施例と同様に研磨ブ
ラシ１３が基板Ｗの径よりやや大きく形成されている。
また、基板ホルダ１には光路部材５Ａが埋設されている
が、研磨機構９のブラシ取付部１１と研磨ブラシ１３に
も同様の光路部材５Ｂが埋設されている。

【００３６】制御部１９は、ムラを防止するための移動
機構７による研磨機構９の水平移動と自転による光路部
材５Ｂの位置と、基板ホルダ１の光路部材５Ａの位置と
が一致した場合にのみ受光部１７からの出力信号を取り
込むようになっている。したがって、研磨度合いに応じ
て変位するスポットビームＢの光強度に基づいて上述し
た各実施例と同様に正確に研磨の終点を検出することが
できる。

【００３７】なお、上述した第１〜第４実施例において
は、基板ホルダ１が回転しないものとして説明している
が、研磨の均一性を高めるための回転自在に構成しても
よい。また、上記の実施例のように基板ホルダ１の一部
だけを光透過性の部材で構成するのではなく、基板ホル
ダ１の全体を光透過性の材料で構成するようにしてもよ
い。

【００３８】また、図２（ａ）の最上層の下層にＣｕ拡
散防止用のバリヤメタル層が形成されている場合には、
バリヤメタルの材質や膜厚によっては透過測定による終
点検出ができない場合がある。このような場合には、第
２実施例のような反射測定によって終点検出を行えばよ
いが、Ｃｕ層の反射率が可視光領域、特に、緑色から青
色にかけて急激に低下することを利用して終点検出の精
度を高めるために投光部１５には緑色や青色のスポット
ビームを採用することが好ましい。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の発明によれば、基板の全面に金属層が被着さ
れた状態と、金属層がほぼ研磨除去されて下層の絶縁層
が露出している状態とでは、透過光強度や反射光強度が
研磨開始時点に比べて大きく変位する。したがって、検
出手段から出力される光強度に基づいて終点判断手段が
研磨の終点を判断することにより、基板の処理条件に差
異があっても正確に研磨の終点検出を行うことができ
る。

【００４０】また、請求項２に記載の発明によれば、研
磨手段の径を基板の径よりも小さく構成すると基板面の
一部が露出しているため研磨状態の検出を容易に行うこ
とができる。したがって、比較的簡易な構成によって研
磨の終点検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る終点検出装置を備えた基板研
磨装置の概略構成を示す図である。

【図２】研磨の説明に供する断面図である。

【図３】研磨処理時の信号変化を示すグラフである。

【図４】第２実施例に係る終点検出装置を備えた基板研
磨装置の概略構成を示す図である。

【図５】研磨処理時の信号変化を示すグラフである。

【図６】第３実施例に係る終点検出装置を備えた基板研
磨装置の概略構成を示す図である。

【図７】第４実施例に係る終点検出装置を備えた基板研
磨装置の概略構成を示す図である。

【符号の説明】

Ｗ … 基板 ３ … 保持部材 ５ … 光路部材 ７ … 移動機構 ９ … 研磨機構 １１ … ブラシ取付部 １３ … 研磨ブラシ １５ … 投光部 １７ … 受光部 １９ … 制御部 Ｂ … スポットビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 教之 京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神 北町１番地の１ 大日本スクリーン製造株 式会社内 Ｆターム(参考） 3C034 AA13 AA17 BB93 CA22 CA30 CB03 DD10 DD20 3C058 AA06 AA07 AC02 BA09 BC02 CB01 DA12 DA17 5F004 AA11 CB09 CB16 DB08 EB02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板保持手段によって保持された基板の
   表面に研磨手段を自転させつつ作用させて研磨処理を施
   す基板研磨装置に備えられ、処理の進行に伴う研磨の終
   点を検出するための基板研磨装置用の終点検出装置にお
   いて、 前記基板保持手段に保持された基板に対して光を照射す
   る照射手段と、 前記照射手段から照射され、基板を透過あるいは基板で
   反射して研磨度合いに応じて変位する光を検出する検出
   手段と、 前記照射手段と前記検出手段によって形成されている光
   路を非遮断状態にして、前記検出手段が正常に光を検出
   できるようにする光路確保手段と、 前記検出手段から出力される光強度に基づいて研磨の終
   点を判断する終点判断手段と、 を備えたことを特徴とする基板研磨装置用の終点検出装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の基板研磨装置用の終点
   検出装置において、 前記研磨手段は、その径が基板径よりも小さく、移動し
   ながら基板の表面全体を研磨するように構成されている
   ことを特徴とする基板研磨装置用の終点検出装置。