JP2004335600A

JP2004335600A - Polishing device and polishing method

Info

Publication number: JP2004335600A
Application number: JP2003126956A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nagai; 聡永井
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2004-11-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polishing device and a method thereof which are capable of measuring the thickness of a film on the polished surface of a work as an object of polishing with high accuracy and preventing the surface of the work from being locally and excessively polished. <P>SOLUTION: The polishing device is equipped with a top ring 30 holding a work W as an object of polishing and a polishing base with a polishing surface 10a. The work W as the object of polishing is made to slide on the polishing surface 10a for polishing as a polishing solution is applied on the polishing surface 10a. The polishing device is equipped with moving mechanisms 38, 40, 42, and 44 which move the top ring 30 to enable a part of the work W to protrude from the peripheral edge of the polishing surface 10a, an image recognizing unit 50 for measuring the thickness of a film on the polished surface of the work W, and a cleaning unit 56 which is provided on the upper side of the image recognizing unit 50 in the rotative direction of the work W and cleans the polishing solution attached on the polished surface of the work W as the object of polishing. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリッシング装置に係り、特に半導体ウェハなどの研磨対象物の被研磨面を平坦に研磨するためのポリッシング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化、及び多層化の要求によって、半導体基板の表面の平坦度が要求されている。すなわち、配線の微細化によって、光リソグラフィに用いる光の波長としてより短いものを使用するようになり、このような短波長の光は基板上の焦点位置での許容される高低差がより小さくなる。したがって、焦点位置での高低差が小さいこと、すなわち半導体基板表面の高い平坦度が必要となってくる。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により半導体基板の表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。
【０００３】
上記化学機械研磨においては、所定時間の研磨を行った後に所望の位置で研磨を終了する必要がある。例えば、ＣｕやＡｌなどの金属配線の上部にＳｉＯ_２等の絶縁層（この後の工程で絶縁層の上に更に金属などの層を形成するため、このような絶縁層は層間膜と呼ばれる。）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと下層の金属膜が表面に露出してしまうので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。
【０００４】
また、半導体基板上に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ（銅）又はその合金を充填した後に、表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して半導体基板からＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。すなわち、配線用の溝部以外の箇所では、（ＳｉＯ_２などからなる）絶縁膜が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。
【０００５】
この場合において、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜と共に研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不十分で、Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。このような事情は、Ｃｕ層に限らず、Ａｌ層等の他の金属膜を形成し、この金属膜をＣＭＰプロセスで研磨する場合も同様である。かかる観点から、半導体基板上の絶縁膜や金属膜の膜厚を高い精度で測定することが必要とされる。
【０００６】
そこで、従来から、特許文献１に示すように、半導体基板などの試料に成膜された膜を除去する際に膜厚を光学的に測定する膜厚測定装置が知られている。特許文献１に開示されている膜厚測定装置は、トップリングを揺動させて該トップリングに保持された試料（研磨対象物）の一部を回転台からはみ出させ（オーバーハングさせ）、この試料の被研磨面に反射した光を画像として取得し、取得した画像の特定位置の膜厚を光学的に測定するように構成される。
【０００７】
しかしながら、通常、研磨工程では、研磨液（スラリ）が研磨対象物と研磨面との間に供給されるため、被研磨面に研磨液が付着し、被研磨面から反射される光量が減少してしまう。このため、上述した膜厚測定装置では、膜厚の測定値に誤差が生じ、正確な膜厚の測定ができないという問題があった。
【０００８】
また、上述した膜厚測定装置では、試料の一部を回転台からオーバーハングさせた状態で膜厚が測定されるため、回転台の端部が当たる試料の部位で押圧力（荷重）が大きくなり、この部位での膜が局所的に過剰研磨されてしまうという問題が生じていた。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−５５６２７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、研磨対象物の被研磨面上の膜厚を高い精度で測定することができ、かつ、局所的な過剰研磨を防止することができるポリッシング装置及びポリッシング方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するために、本発明の一態様は、研磨対象物を保持するトップリングと研磨面を有する研磨台とを備え、前記研磨面に研磨液を供給しながら前記研磨対象物を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置であって、前記トップリングを移動させて前記研磨対象物の一部を前記研磨面の外縁部からはみ出させる移動機構と、前記研磨対象物の被研磨面上の膜厚を測定するための画像認識器と、前記研磨対象物の回転方向において前記画像認識器よりも上流側の位置に設けられ、前記研磨対象物の被研磨面に付着した研磨液を洗浄する洗浄器と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記研磨対象物に形成されたノッチを検知するノッチセンサを更に備えたことを特徴とする。
また、本発明の好ましい態様は、前記画像認識器は、前記研磨対象物の被研磨面の画像を取り込み、該画像の中から基準画像と一致する領域を認識することを特徴とする。
【００１３】
上述のように構成された本発明によれば、研磨対象物の被研磨面に付着した研磨液が洗浄器によって除去されるので、研磨液の影響を受けることなく膜厚を測定することができる。これにより、高い精度で膜厚を測定することが可能となる。また、同一条件で膜厚測定を行ったときの測定値の再現性を向上させることができる。したがって、例えば、研磨中に膜厚の測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング）を行い、所望の膜厚になったことを検出することにより、あるいは、膜厚が０（ゼロ）になったことを検出することにより、研磨プロセスの終点を正確に検出することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記研磨対象物の一部が前記研磨面の外縁部からはみ出した際に、前記トップリングの回転速度を６０ｍｉｎ^−１以下に減速させることを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、トップリング、すなわち研磨対象物を定常回転速度よりも低速で回転させた状態で研磨対象物の被研磨面の画像が取得されるので、画像の認識率を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明の好ましい態様は、前記研磨面の外縁部は、略波型の形状を有していることを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、研磨対象物を研磨面からはみ出させた（オーバーハングさせた）ときに、研磨面の外周部に当接する部位において研磨対象物への押圧力（荷重）を緩和させることができ、これにより、この部位での局所的な過剰研磨を防止することが可能となる。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記研磨対象物の一部が前記研磨面の外縁部からはみ出している間、前記研磨対象物の前記研磨面に対する押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ^２以下に制御することを特徴とする。
一般に、オーバーハングさせた状態でトップリングを研磨面に対して押圧すると、トップリングに保持された研磨対象物が研磨面に対してわずかながら傾斜する。この場合において、トップリングの押圧力が大きくなると、被研磨面の位置が画像認識器の焦点範囲から外れてしまう。本発明によれば、研磨対象物の研磨面に対する押圧力を所定の値以下に制御することにより、被研磨面を焦点範囲内に位置させることができ、これにより、被研磨面の画像を良好に取得することができる。また、上記押圧力を低下させることにより、研磨面の外周部に当接する部位での研磨対象物の局所的な過剰研磨を防止することができる。
【００１７】
本発明の好ましい態様は、前記研磨対象物の被研磨面に光を照射する光源を更に備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の他の態様は、研磨対象物を保持するトップリングと研磨面とを備え、前記研磨面に前記研磨対象物を摺接させて研磨するポリッシング装置であって、前記トップリングを移動させて前記研磨対象物を前記研磨面の外縁部からはみ出させる移動機構と、前記研磨対象物の被研磨面の画像を取り込み、該画像と基準画像とを比較する画像認識器と、前記研磨対象物の回転方向において前記画像認識器よりも上流側の位置に設けられ、前記研磨対象物の被研磨面を洗浄する洗浄器と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様は、研磨面に研磨液を供給しながらトップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に摺接させて研磨する研磨方法であって、前記トップリングを移動させて前記研磨対象物の一部を前記研磨面の外縁部からはみ出させる移動工程と、前記研磨面からはみ出した前記研磨対象物の被研磨面に付着した研磨液を洗浄する洗浄工程と、前記研磨対象物の被研磨面の画像を取り込む画像認識工程と、を備え、前記研磨対象物の一部が前記研磨面の外縁部からはみ出している間、前記研磨対象物の前記研磨面に対する押圧力を制御することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るポリッシング装置の全体構成を示す概略断面図である。図２は図１に示すポリッシング装置の概略平面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態におけるポリッシング装置は、上面に研磨パッド（例えば研磨布）１０が貼設された研磨テーブル（研磨台）２０と、研磨対象物である半導体ウェハＷを保持して研磨パッド１０の上面に押圧するトップリング３０とを備えている。研磨パッド１０の上面は、半導体ウェハＷと摺接する研磨面１０ａを構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ_２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。
【００２２】
研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ２１に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル２０の上方には研磨液供給ノズル２２が設置されており、この研磨液供給ノズル２２から研磨パッド１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２３】
トップリング３０は、トップリングシャフト３２に連結されており、このトップリングシャフト３２を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによりトップリング３０は、矢印で示すように昇降可能かつトップリングシャフト３２回りに回転可能となっている。また、トップリング３０はその下面にポリウレタン等の弾性マット３４を備えており、この弾性マット３４の下面に、研磨対象物である半導体ウェハＷが真空等によって保持される。このような構成により、トップリング３０は自転しながら、その下面に保持した半導体ウェハＷを研磨パッド１０に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。なお、トップリング３０の下部外周部には、半導体ウェハＷの外れ止めを行うガイドリング３６が設けられている。
【００２４】
トップリング３０とトップリングシャフト３２とは自在継手部により連結されている。この自在継手部は、トップリング３０及びトップリングシャフト３２とを互いに傾動可能とする球面軸受機構４３と、トップリングシャフト３２の回転をトップリング３０に伝達する回転伝達機構４５とを備えており、トップリングシャフト３２からトップリング３０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。
【００２５】
トップリングシャフト３２の上端は、トップリングヘッド３８を介して支持軸４０に連結されており、この支持軸４０の下端には、動力伝達機構４２を介してモータ４４が連結されている。このような構成により、モータ４４を駆動させることでトップリング３０が支持軸４０を中心として揺動し、トップリング３０及びこのトップリング３０に保持された半導体ウェハＷの一部が研磨テーブル２０の研磨面１０ａからはみ出る（オーバーハングする）ようになっている。なお、モータ４４、支持軸４０、トップリングヘッド３８などにより移動機構が構成される。
【００２６】
図２に示すように、研磨パッド１０の外縁部には、周方向に沿って波型の連続した凹凸部が形成され、これによって、研磨パッド１０（研磨面１０ａ）の外縁部は波型の形状を有している。なお、本実施形態に係るポリッシング装置は、軸心を中心に回転する研磨テーブルを研磨台として用いているが、これに限らず、スクロール運動する研磨テーブルや、研磨ベルトなどを研磨台として用いても良い。
【００２７】
上述の構成を有するポリッシング装置において、トップリング３０の下面に保持された半導体ウェハＷは、回転している研磨テーブル２０の上面の研磨パッド１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル２２からは研磨パッド１０上に研磨液Ｑが供給される。これによって、半導体ウェハＷの被研磨面（下面）と研磨パッド１０との間に研磨液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００２８】
図１及び図２に示すように、研磨テーブル２０の外周部近傍には、半導体ウェハＷの被研磨面の画像を取得し、該画像の中から所定の基準画像と一致する領域を認識する画像認識器５０が設定されている。この画像認識器５０はステージ５２上に設置され、このステージ５２上を研磨テーブル２０の略半径方向に沿って移動自在となっている。研磨テーブル２０の回転方向であって画像認識器５０の下流側の位置には投光器（光源）５４が設けられており、この投光器５４から半導体ウェハＷの被研磨面に所定の波長を有する光が照射される。画像認識器５０は、半導体ウェハＷの被研磨面から反射した光を受光し、これにより、被研磨面の所定領域、特に被研磨面に形成された回路素子部を画像として認識する。なお、投光器５４から発せられる光は、レーザー光、ＬＥＤ、またはキセノンフラッシュランプによる光である。
【００２９】
画像認識器５０に隣接して、半導体ウェハＷの被研磨面に洗浄液を噴出する洗浄ノズル（洗浄器）５６が設けられている。この洗浄ノズル５６は、半導体ウェハＷの回転方向において画像認識器５０よりも上流側の位置に配置されている。この洗浄ノズル５６から洗浄液を噴出させることにより、半導体ウェハＷの被研磨面が洗浄される。
【００３０】
研磨テーブル２０の回転方向であって画像認識器５０の上流側の位置には、半導体ウェハＷの外周部に形成されたノッチＮを検出するノッチセンサ５８が設けられている。このノッチセンサ５８は、図示しない投光素子と受光素子とを有する光学センサにより構成されており、水平方向に移動自在となっている。ノッチセンサ５８は、投光素子から半導体ウェハＷの外周部に光を照射し、外周部からの反射光を受光素子で受光するように構成されており、反射光の反射率の変化などから半導体ウェハＷのノッチＮを検出することができる。この場合、投光素子から発せられる光は、レーザー光、ＬＥＤ、またはキセノンフラッシュランプによる光である。ここで、ノッチとは、半導体ウェハＷの向きを特定するために半導体ウェハＷの外周部に形成された切欠きをいう。
【００３１】
図２に示すように、ノッチセンサ５８に隣接して、半導体ウェハＷの外周部に洗浄液を噴出する洗浄ノズル（洗浄器）６０が設けられている。この洗浄ノズル６０は、半導体ウェハＷの回転方向においてノッチセンサ５８よりも上流側の位置に配置されている。この洗浄ノズル６０から洗浄液を噴出させることにより、半導体ウェハＷの外周部が洗浄され、これによりノッチＮを正確に検出することができる。
【００３２】
上述した画像認識器５０は、ノッチセンサ５８に同期して作動する。即ち、ノッチセンサ５８が半導体ウェハＷのノッチＮを検出したとき、画像認識器５０は半導体ウェハＷの被研磨面の画像を取得する。したがって、画像認識器５０は、半導体ウェハＷが一定の方向を向いているときに作動し、これにより、常に半導体ウェハＷの同一の領域の画像が画像認識器５０によって取得される。
【００３３】
ここで、画像認識器５０の機能について図３を参照して説明する。図３は、基準画像と、取得画像と、測定点との関係を説明するための模式図である。画像認識器５０には基準画像（例えば、被研磨面に形成された回路素子部の画像の一部）Ｐ１が予め登録されている。画像認識器５０に取り込まれた被研磨面の画像Ｐ２（以下、取得画像という）は基準画像Ｐ１と比較され、画像認識器５０は取得画像Ｐ２の中から基準画像Ｐ１に一致した領域を認識する（パターンマッチング）。これによって、基準画像Ｐ１の位置を基準とした所定の測定点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が特定され、これらの測定点の膜厚が画像認識器５０によって測定される。
【００３４】
このとき、ノッチセンサ５８、画像認識器５０、及び半導体ウェハＷの位置を適切に調整することにより、被研磨面上の任意の点（測定点）の膜厚を測定することができる。このように、本実施形態によれば、半導体ウェハＷの被研磨面上における特定の点の膜厚が測定されるので、精度の高い膜厚測定が可能となる。すなわち、従来では、被研磨面全体の平均化された情報に基づいて膜厚が測定されていたため、回路素子のパターンの集積密度に起因して膜厚の測定値に誤差が生じる可能性があった。これに対し本実施形態では、基準画像の位置を基準とした特定の測定点の膜厚が測定されるので、膜厚測定の精度を向上させることが可能となる。
【００３５】
上述した膜厚測定は、トップリング３０に保持された半導体ウェハＷの一部を研磨面１０ａからはみ出させた（オーバーハングさせた）状態で行われる。すなわち、研磨中あるいは研磨後にトップリングヘッド３８を揺動させ、図１に示すように、半導体ウェハＷの一部を研磨パッド１０の外周縁から外側にはみ出させ、半導体ウェハＷの被研磨面の一部を画像認識器５０の上方に位置させる。この時、画像認識器５０の処理能力に対応させるため、トップリング３０の回転速度を６０ｍｉｎ^−１以下に減速させる。また、同時に、半導体ウェハＷの被研磨面の研磨面１０ａに対する押圧力が３００ｇｆ／ｃｍ^２以下となるようにトップリング３０の押圧力を制御する。
【００３６】
次に、洗浄ノズル５６，６０から半導体ウェハＷに向けて洗浄液が噴射され、これにより、半導体ウェハＷの外周部や被研磨面に付着している研磨液（スラリ）が除去される。そして、半導体ウェハＷを研磨面１０ａからオーバーハングさせた状態で、ノッチセンサ５８により半導体ウェハＷのノッチＮの検出が開始される。ノッチセンサ５８によりノッチＮが検出されると、これに同期して画像認識器５０により被研磨面の画像が取得され、画像（光の反射率）に基づいて所定の測定点の膜厚が画像認識器５０によって測定される。このように、画像認識器５０が被研磨面の画像を取り込む前にこの被研磨面を洗浄することができるので、膜厚測定を高い精度で行うことができる。
【００３７】
また、上述したように、研磨パッド１０の外縁部は略波型に形成されているため、研磨パッド１０の外縁部における半導体ウェハＷの研磨パッド１０への押圧力が緩和される。これにより、オーバーハングに起因する局所的な過剰研磨が防止され、被研磨面の全体に亘って均一な研磨が実現される。また、オーバーハング時におけるトップリング３０の被研磨面への押圧力及びトップリング３０の回転速度を低下させることによっても、研磨パッド１０の外周部での過剰研磨を防止することができる。
【００３８】
トップリング３０は自在継手部を介してトップリングシャフト３２に連結されているため、オーバーハング時にトップリング３０の研磨面１０ａに対する押圧力が高すぎると、トップリング３０に保持された半導体ウェハＷが研磨面１０ａに対して傾斜する。半導体ウェハＷの傾斜角度が大きくなると、半導体ウェハＷの被研磨面の位置が画像認識器５０の焦点範囲から外れてしまうことが予想される。本実施形態では、このような問題を避けるために、オーバーハング時のトップリング３０（半導体ウェハＷ）の研磨面１０ａに対する押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ^２以下、より好ましくは１００ｇｆ／ｃｍ^２以下に制御し、これにより、焦点範囲内での画像の取り込みが可能となる。したがって、被研磨面の鮮明な画像が得られ、被研磨面上の膜厚を正確に測定することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、研磨対象物の被研磨面に付着した研磨液が洗浄器によって除去されるので、研磨液の影響を受けることなく膜厚を測定することができる。これにより、高い精度で膜厚を測定することが可能となる。また、同一条件で膜厚測定を行ったときの測定値の再現性を向上させることができる。したがって、例えば、研磨中に膜厚の測定（Ｉｎ−ｓｉｔｕモニタリング）を行い、所望の膜厚になったことを検出することにより、あるいは、膜厚が０（ゼロ）になったことを検出することにより、研磨プロセスの終点を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るポリッシング装置の全体構成を示す概略断面図である。
【図２】図１に示すポリッシング装置の概略平面図である。
【図３】基準画像と、取得画像と、測定点との関係を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１０研磨パッド
１０ａ研磨面
２０研磨テーブル（研磨台）
２１，４４モータ
２２研磨液供給ノズル
３０トップリング
３２トップリングシャフト
３４弾性マット
３６ガイドリング
３８トップリングヘッド
４０支持軸
４２動力伝達機構
４３球面軸受機構
４５回転伝達機構
５０画像認識器
５２ステージ
５４投光器（光源）
５６，６０洗浄ノズル（洗浄器）
５８ノッチセンサ
Ｑ研磨液
Ｎノッチ
Ｗ半導体ウェハ（研磨対象物）
Ｐ１基準画像
Ｐ２被研磨面の画像（取得画像）
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３測定点[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polishing apparatus, and more particularly to a polishing apparatus for polishing a surface to be polished of a polishing object such as a semiconductor wafer flat.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In accordance with recent demands for finer wiring and multi-layering accompanying high integration of semiconductor devices, flatness of the surface of a semiconductor substrate is required. That is, with the miniaturization of wiring, a shorter wavelength of light used for photolithography is used, and such a shorter wavelength light has a smaller allowable height difference at a focal position on a substrate. . Therefore, a small difference in elevation at the focal position, that is, a high flatness of the semiconductor substrate surface is required. For this reason, the surface of the semiconductor substrate is removed by chemical mechanical polishing (CMP) to planarize the surface.
[0003]
In the above chemical mechanical polishing, it is necessary to finish polishing at a desired position after polishing for a predetermined time. For example, an insulating layer such as SiO ₂ is formed on a metal wiring such as Cu or Al (an additional layer such as a metal is formed on the insulating layer in a subsequent step, and such an insulating layer is called an interlayer film. ) May be required. In such a case, if the polishing is performed more than necessary, the underlying metal film is exposed on the surface. Therefore, it is necessary to end the polishing so that the interlayer film remains at a predetermined thickness.
[0004]
Further, a case where a wiring groove having a predetermined pattern is formed in advance on a semiconductor substrate, and Cu (copper) or an alloy thereof is filled therein, and then unnecessary portions of the surface are removed by chemical mechanical polishing (CMP). There is. When the Cu layer is polished by the CMP process, it is necessary to selectively remove the Cu layer from the semiconductor substrate while leaving only the Cu layer formed inside the wiring groove. That is, it is required to remove the Cu layer at locations other than the wiring trenches until the insulating film (made of SiO ₂ or the like) is exposed.
[0005]
In this case, if the polishing is excessively polished and the Cu layer in the wiring groove is polished together with the insulating film, the circuit resistance increases, and the entire semiconductor substrate must be discarded, causing a great deal of damage. . Conversely, if the polishing is insufficient and the Cu layer remains on the insulating film, the circuit will not be separated properly, and a short circuit will occur. As a result, repolishing will be required and the manufacturing cost will increase. Such a situation is not limited to the case where the Cu layer is used and another metal film such as an Al layer is formed and the metal film is polished by the CMP process. From such a viewpoint, it is necessary to measure the thickness of the insulating film or the metal film on the semiconductor substrate with high accuracy.
[0006]
Therefore, as disclosed in Patent Document 1, a film thickness measuring device that optically measures the film thickness when removing a film formed on a sample such as a semiconductor substrate is known. The film thickness measurement device disclosed in Patent Document 1 swings a top ring to cause a part of a sample (an object to be polished) held by the top ring to protrude from a turntable (overhang). The light reflected on the surface to be polished of the sample is acquired as an image, and the film thickness at a specific position of the acquired image is optically measured.
[0007]
However, usually, in the polishing step, a polishing liquid (slurry) is supplied between the object to be polished and the polishing surface, so that the polishing liquid adheres to the surface to be polished and the amount of light reflected from the surface to be polished decreases. Would. For this reason, the above-described film thickness measuring apparatus has a problem that an error occurs in the measured value of the film thickness, and the film thickness cannot be accurately measured.
[0008]
Further, in the film thickness measuring apparatus described above, since the film thickness is measured in a state where a part of the sample is overhanged from the turntable, the pressing force (load) is large at a portion of the sample where the end of the turntable hits. Thus, there has been a problem that the film at this portion is locally excessively polished.
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2000-55627 A [0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and can measure a film thickness on a polished surface of an object to be polished with high accuracy, and prevent local excessive polishing. It is an object of the present invention to provide a polishing apparatus and a polishing method that can perform polishing.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes a top ring that holds a polishing target and a polishing table having a polishing surface, and supplies the polishing target to the polishing surface while supplying a polishing liquid. A polishing apparatus that polishes by slidingly contacting the polishing surface, wherein a moving mechanism that moves the top ring to protrude a part of the polishing object from an outer edge of the polishing surface, An image recognizer for measuring a film thickness on a polished surface, and a polishing device provided at a position upstream of the image recognizer in a rotation direction of the object to be polished and attached to a surface to be polished of the object to be polished A washing device for washing the liquid.
[0012]
In a preferred aspect of the present invention, the apparatus further comprises a notch sensor for detecting a notch formed in the object to be polished.
In a preferred aspect of the present invention, the image recognizing device captures an image of the surface to be polished of the object to be polished, and recognizes a region corresponding to a reference image from the image.
[0013]
According to the present invention configured as described above, since the polishing liquid attached to the surface to be polished of the polishing target is removed by the cleaning device, the film thickness can be measured without being affected by the polishing liquid. . This makes it possible to measure the film thickness with high accuracy. Further, the reproducibility of the measured value when the film thickness is measured under the same conditions can be improved. Therefore, for example, by measuring the film thickness (in-situ monitoring) during polishing, and detecting that the film thickness has become a desired film thickness, or detecting that the film thickness has become 0 (zero). Thereby, the end point of the polishing process can be accurately detected.
[0014]
In a preferred aspect of the present invention, the rotation speed of the top ring is reduced to 60 min ^-1 or less when a part of the polishing object protrudes from the outer edge of the polishing surface.
According to the present invention configured as described above, the top ring, that is, the image of the surface to be polished of the object to be polished is acquired in a state where the object to be polished is rotated at a lower speed than the steady rotation speed, so that image recognition is performed. The rate can be improved.
[0015]
In a preferred aspect of the present invention, an outer edge of the polishing surface has a substantially corrugated shape.
According to the present invention configured as described above, when the object to be polished is protruded from the polished surface (overhang), the pressing force (load) on the object to be polished at the portion which comes into contact with the outer peripheral portion of the polished surface ) Can be alleviated, thereby making it possible to prevent local excessive polishing at this portion.
[0016]
In a preferred aspect of the present invention, the pressing force of the polishing object on the polishing surface is controlled to 300 gf / cm ² or less while a part of the polishing object protrudes from the outer edge of the polishing surface. And
Generally, when the top ring is pressed against the polishing surface in an overhanging state, the polishing target held by the top ring is slightly inclined with respect to the polishing surface. In this case, if the pressing force of the top ring is increased, the position of the polished surface is out of the focal range of the image recognizer. According to the present invention, the surface to be polished can be positioned within the focal range by controlling the pressing force of the object to be polished against the surface to be polished to a predetermined value or less, thereby improving the image of the surface to be polished. Can be obtained. In addition, by reducing the pressing force, it is possible to prevent local excessive polishing of the object to be polished at a portion in contact with the outer peripheral portion of the polishing surface.
[0017]
In a preferred aspect of the present invention, the apparatus further comprises a light source for irradiating the surface to be polished of the polishing object with light.
[0018]
Another aspect of the present invention is a polishing apparatus that includes a top ring for holding an object to be polished and a polishing surface, and polishes the object by slidably contacting the object to be polished, wherein the top ring is moved. A moving mechanism for causing the object to be polished to protrude from an outer edge of the polished surface, an image recognizer for capturing an image of the surface to be polished of the object to be polished, and comparing the image with a reference image; and A cleaning device that is provided at a position upstream of the image recognition device in the rotation direction and cleans a surface to be polished of the object to be polished.
[0019]
Another aspect of the present invention is a polishing method for polishing the object to be polished held on a top ring while sliding the same on the polishing surface while supplying a polishing liquid to the polishing surface, wherein the top ring is moved. A moving step of causing a part of the polishing object to protrude from an outer edge portion of the polishing surface, a cleaning step of cleaning a polishing liquid attached to a surface to be polished of the polishing object protruding from the polishing surface, An image recognition step of capturing an image of the surface to be polished of the object, while controlling the pressing force of the object to be polished on the polished surface while part of the object to be polished protrudes from the outer edge of the polished surface. It is characterized by doing.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the overall configuration of a polishing apparatus according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic plan view of the polishing apparatus shown in FIG.
[0021]
As shown in FIG. 1, the polishing apparatus according to the present embodiment holds a polishing table (polishing table) 20 on which a polishing pad (for example, a polishing cloth) 10 is attached on an upper surface and a semiconductor wafer W to be polished. And a top ring 30 pressed against the upper surface of the polishing pad 10. The upper surface of the polishing pad 10 constitutes a polishing surface 10a that comes into sliding contact with the semiconductor wafer W. Note that the upper surface of a fixed abrasive plate in which fine abrasive grains (made of CeO ₂ or the like) are solidified with a binder such as a resin may be configured as a polishing surface.
[0022]
The polishing table 20 is connected to a motor 21 disposed below the polishing table 20 and is rotatable around its axis as indicated by an arrow. A polishing liquid supply nozzle 22 is provided above the polishing table 20, and the polishing liquid Q is supplied from the polishing liquid supply nozzle 22 onto the polishing pad 10.
[0023]
The top ring 30 is connected to a top ring shaft 32, and is connected to a motor and a lifting / lowering cylinder (not shown) via the top ring shaft 32. As a result, the top ring 30 can move up and down as shown by the arrow and can rotate around the top ring shaft 32. The top ring 30 has an elastic mat 34 made of polyurethane or the like on its lower surface, and the semiconductor wafer W to be polished is held on the lower surface of the elastic mat 34 by vacuum or the like. With such a configuration, the semiconductor wafer W held on the lower surface thereof can be pressed against the polishing pad 10 at an arbitrary pressure while the top ring 30 rotates. Note that a guide ring 36 for preventing the semiconductor wafer W from coming off is provided on a lower outer peripheral portion of the top ring 30.
[0024]
The top ring 30 and the top ring shaft 32 are connected by a universal joint. The universal joint portion includes a spherical bearing mechanism 43 that enables the top ring 30 and the top ring shaft 32 to be tiltable with each other, and a rotation transmission mechanism 45 that transmits rotation of the top ring shaft 32 to the top ring 30. The pressing force and the rotational force are transmitted from the top ring shaft 32 to the top ring 30 while allowing the top ring 30 to tilt each other.
[0025]
The upper end of the top ring shaft 32 is connected to a support shaft 40 via a top ring head 38, and the lower end of the support shaft 40 is connected to a motor 44 via a power transmission mechanism 42. With such a configuration, when the motor 44 is driven, the top ring 30 swings about the support shaft 40, and the top ring 30 and a part of the semiconductor wafer W held by the top ring 30 It protrudes (overhangs) from the polishing surface 10a. The moving mechanism is constituted by the motor 44, the support shaft 40, the top ring head 38, and the like.
[0026]
As shown in FIG. 2, a corrugated continuous uneven portion is formed on the outer edge portion of the polishing pad 10 along the circumferential direction, so that the outer edge portion of the polishing pad 10 (polishing surface 10 a) has a corrugated shape. It has a shape. The polishing apparatus according to the present embodiment uses a polishing table that rotates about an axis as a polishing table. However, the present invention is not limited to this, and a polishing table that performs scrolling movement, a polishing belt, or the like is used as a polishing table. Is also good.
[0027]
In the polishing apparatus having the above-described configuration, the semiconductor wafer W held on the lower surface of the top ring 30 is pressed against the polishing pad 10 on the upper surface of the rotating polishing table 20. At this time, the polishing liquid Q is supplied from the polishing liquid supply nozzle 22 onto the polishing pad 10. Thus, the polishing is performed in a state where the polishing liquid Q is present between the polishing surface (lower surface) of the semiconductor wafer W and the polishing pad 10.
[0028]
As shown in FIGS. 1 and 2, an image of the surface to be polished of the semiconductor wafer W is acquired near the outer peripheral portion of the polishing table 20, and an image for recognizing an area corresponding to a predetermined reference image from the image is obtained. A recognizer 50 is set. The image recognizer 50 is installed on a stage 52, and is movable on the stage 52 along a substantially radial direction of the polishing table 20. A light projector (light source) 54 is provided at a position on the downstream side of the image recognizer 50 in the rotation direction of the polishing table 20, and light having a predetermined wavelength is emitted from the light projector 54 to the surface to be polished of the semiconductor wafer W. Irradiated. The image recognizer 50 receives light reflected from the surface to be polished of the semiconductor wafer W, and thereby recognizes, as an image, a predetermined region of the surface to be polished, particularly, a circuit element portion formed on the surface to be polished. The light emitted from the light projector 54 is laser light, LED, or light from a xenon flash lamp.
[0029]
A cleaning nozzle (cleaning device) 56 for ejecting a cleaning liquid to the surface to be polished of the semiconductor wafer W is provided adjacent to the image recognizer 50. The cleaning nozzle 56 is disposed at a position upstream of the image recognizer 50 in the rotation direction of the semiconductor wafer W. By jetting the cleaning liquid from the cleaning nozzle 56, the surface to be polished of the semiconductor wafer W is cleaned.
[0030]
A notch sensor 58 for detecting a notch N formed on the outer peripheral portion of the semiconductor wafer W is provided at a position on the upstream side of the image recognizer 50 in the rotation direction of the polishing table 20. The notch sensor 58 is constituted by an optical sensor having a light projecting element and a light receiving element (not shown), and is movable in the horizontal direction. The notch sensor 58 is configured to irradiate light from the light projecting element to the outer peripheral portion of the semiconductor wafer W and receive light reflected from the outer peripheral portion by the light receiving element. The notch N of the wafer W can be detected. In this case, the light emitted from the light emitting element is laser light, LED, or light from a xenon flash lamp. Here, the notch refers to a notch formed in the outer peripheral portion of the semiconductor wafer W for specifying the direction of the semiconductor wafer W.
[0031]
As shown in FIG. 2, a cleaning nozzle (cleaning device) 60 for ejecting a cleaning liquid is provided on the outer peripheral portion of the semiconductor wafer W adjacent to the notch sensor 58. The cleaning nozzle 60 is disposed at a position upstream of the notch sensor 58 in the rotation direction of the semiconductor wafer W. By ejecting the cleaning liquid from the cleaning nozzle 60, the outer peripheral portion of the semiconductor wafer W is cleaned, whereby the notch N can be accurately detected.
[0032]
The above-described image recognizer 50 operates in synchronization with the notch sensor 58. That is, when the notch sensor 58 detects the notch N of the semiconductor wafer W, the image recognizer 50 acquires an image of the polished surface of the semiconductor wafer W. Accordingly, the image recognizer 50 operates when the semiconductor wafer W is oriented in a certain direction, whereby an image of the same region of the semiconductor wafer W is always acquired by the image recognizer 50.
[0033]
Here, the function of the image recognizer 50 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the relationship between the reference image, the acquired image, and the measurement points. A reference image (for example, a part of an image of a circuit element portion formed on the surface to be polished) P1 is registered in the image recognizer 50 in advance. The image P2 (hereinafter, referred to as an acquired image) of the polished surface captured by the image recognizer 50 is compared with the reference image P1, and the image recognizer 50 recognizes an area that matches the reference image P1 from the acquired image P2. (Pattern matching). Thus, predetermined measurement points M1, M2, and M3 based on the position of the reference image P1 are specified, and the film thickness of these measurement points is measured by the image recognizer 50.
[0034]
At this time, the film thickness at an arbitrary point (measurement point) on the surface to be polished can be measured by appropriately adjusting the positions of the notch sensor 58, the image recognizer 50, and the semiconductor wafer W. As described above, according to the present embodiment, the film thickness at a specific point on the surface to be polished of the semiconductor wafer W is measured, so that the film thickness can be measured with high accuracy. That is, conventionally, since the film thickness is measured based on the averaged information of the entire surface to be polished, an error may occur in the measured value of the film thickness due to the integration density of the circuit element pattern. Was. On the other hand, in the present embodiment, since the film thickness at a specific measurement point is measured with reference to the position of the reference image, the accuracy of the film thickness measurement can be improved.
[0035]
The above-described film thickness measurement is performed in a state where a part of the semiconductor wafer W held by the top ring 30 protrudes from the polished surface 10a (overhangs). That is, the top ring head 38 is swung during or after the polishing, and a part of the semiconductor wafer W is protruded from the outer peripheral edge of the polishing pad 10 as shown in FIG. A part is located above the image recognizer 50. At this time, in order to correspond to the processing capacity of the image recognizer 50, the rotation speed of the top ring 30 is reduced to 60 min ^-1 or less. At the same time, the pressing force of the top ring 30 is controlled such that the pressing force of the polished surface of the semiconductor wafer W against the polished surface 10a is 300 gf / cm ² or less.
[0036]
Next, the cleaning liquid is sprayed from the cleaning nozzles 56 and 60 toward the semiconductor wafer W, whereby the polishing liquid (slurry) attached to the outer peripheral portion of the semiconductor wafer W and the surface to be polished is removed. Then, in a state where the semiconductor wafer W is overhanged from the polishing surface 10a, the detection of the notch N of the semiconductor wafer W by the notch sensor 58 is started. When the notch N is detected by the notch sensor 58, an image of the polished surface is acquired by the image recognizer 50 in synchronization with the detection, and the film thickness of a predetermined measurement point is determined based on the image (light reflectance). It is measured by the recognizer 50. As described above, since the polished surface can be cleaned before the image recognizer 50 captures the image of the polished surface, the film thickness can be measured with high accuracy.
[0037]
Further, as described above, since the outer edge of the polishing pad 10 is formed in a substantially corrugated shape, the pressing force of the semiconductor wafer W against the polishing pad 10 at the outer edge of the polishing pad 10 is reduced. As a result, local excessive polishing caused by the overhang is prevented, and uniform polishing over the entire surface to be polished is realized. Further, by reducing the pressing force of the top ring 30 against the surface to be polished and the rotation speed of the top ring 30 during overhang, excessive polishing at the outer peripheral portion of the polishing pad 10 can be prevented.
[0038]
Since the top ring 30 is connected to the top ring shaft 32 via the universal joint, if the pressing force on the polishing surface 10a of the top ring 30 is too high at the time of overhang, the semiconductor wafer W held by the top ring 30 may be damaged. It is inclined with respect to the polishing surface 10a. When the inclination angle of the semiconductor wafer W increases, the position of the polished surface of the semiconductor wafer W is expected to be out of the focal range of the image recognizer 50. In the present embodiment, in order to avoid such problems, controlling the pressing force against the polishing surface 10a of the top ring 30 during overhang (semiconductor wafer W) 300gf / cm ² or less, more preferably below 100 gf / cm ² However, this makes it possible to capture an image within the focus range. Therefore, a clear image of the polished surface can be obtained, and the film thickness on the polished surface can be accurately measured.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the polishing liquid attached to the surface to be polished of the object to be polished is removed by the cleaning device, so that the film thickness can be measured without being affected by the polishing liquid. This makes it possible to measure the film thickness with high accuracy. Further, the reproducibility of the measured value when the film thickness is measured under the same conditions can be improved. Therefore, for example, by measuring the film thickness (in-situ monitoring) during polishing, and detecting that the film thickness has become a desired film thickness, or detecting that the film thickness has become 0 (zero). Thereby, the end point of the polishing process can be accurately detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an overall configuration of a polishing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of the polishing apparatus shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a relationship between a reference image, an acquired image, and a measurement point.
[Explanation of symbols]
10 polishing pad 10a polishing surface 20 polishing table (polishing table)
21, 44 Motor 22 Polishing liquid supply nozzle 30 Top ring 32 Top ring shaft 34 Elastic mat 36 Guide ring 38 Top ring head 40 Support shaft 42 Power transmission mechanism 43 Spherical bearing mechanism 45 Rotation transmission mechanism 50 Image recognizer 52 Stage 54 Floodlight ( light source)
56, 60 Washing nozzle (washer)
58 Notch sensor Q Polishing liquid N Notch W Semiconductor wafer (object to be polished)
P1 Reference image P2 Image of polished surface (acquired image)
M1, M2, M3 measurement points

Claims

研磨対象物を保持するトップリングと研磨面を有する研磨台とを備え、前記研磨面に研磨液を供給しながら前記研磨対象物を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置であって、
前記トップリングを移動させて前記研磨対象物の一部を前記研磨面の外縁部からはみ出させる移動機構と、
前記研磨対象物の被研磨面上の膜厚を測定するための画像認識器と、
前記研磨対象物の回転方向において前記画像認識器よりも上流側の位置に設けられ、前記研磨対象物の被研磨面に付着した研磨液を洗浄する洗浄器と、を備えたことを特徴とするポリッシング装置。A polishing apparatus comprising a top ring holding an object to be polished and a polishing table having a polishing surface, and polishing the object to be polished by slidably contacting the object to be polished while supplying a polishing liquid to the surface to be polished,
A moving mechanism that moves the top ring to cause a part of the polishing object to protrude from an outer edge of the polishing surface,
An image recognizer for measuring the film thickness on the surface to be polished of the polishing object,
A cleaning device that is provided at a position upstream of the image recognizer in the rotation direction of the polishing target and that cleans a polishing liquid attached to a surface to be polished of the polishing target. Polishing equipment.

前記研磨対象物に形成されたノッチを検知するノッチセンサを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。The polishing apparatus according to claim 1, further comprising a notch sensor for detecting a notch formed in the polishing target.

前記画像認識器は、前記研磨対象物の被研磨面の画像を取り込み、該画像の中から基準画像と一致する領域を認識することを特徴とする請求項１又は２に記載のポリッシング装置。3. The polishing apparatus according to claim 1, wherein the image recognizer captures an image of the surface to be polished of the object to be polished, and recognizes a region corresponding to a reference image from the image. 4.

前記研磨対象物の一部が前記研磨面の外縁部からはみ出した際に、前記トップリングの回転速度を６０ｍｉｎ^−１以下に減速させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポリッシング装置。The rotation speed of the top ring is reduced to 60 min ^-1 or less when a part of the polishing object protrudes from an outer edge portion of the polishing surface, The method according to any one of claims 1 to 3, wherein The polishing apparatus according to the above.

前記研磨面の外縁部は、略波型の形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポリッシング装置。The polishing apparatus according to claim 1, wherein an outer edge of the polishing surface has a substantially corrugated shape.

前記研磨対象物の一部が前記研磨面の外縁部からはみ出している間、前記研磨対象物の前記研磨面に対する押圧力を３００ｇｆ／ｃｍ^２以下に制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のポリッシング装置。The pressing force of the object to be polished on the polishing surface is controlled to 300 gf / cm ² or less while a part of the object to be polished protrudes from the outer edge of the polishing surface. The polishing apparatus according to claim 1.

前記研磨対象物の被研磨面に光を照射する光源を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のポリッシング装置。The polishing apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising a light source for irradiating light to a surface to be polished of the object to be polished.

研磨対象物を保持するトップリングと研磨面とを備え、前記研磨面に前記研磨対象物を摺接させて研磨するポリッシング装置であって、
前記トップリングを移動させて前記研磨対象物を前記研磨面の外縁部からはみ出させる移動機構と、
前記研磨対象物の被研磨面の画像を取り込み、該画像と基準画像とを比較する画像認識器と、
前記研磨対象物の回転方向において前記画像認識器よりも上流側の位置に設けられ、前記研磨対象物の被研磨面を洗浄する洗浄器と、を備えたことを特徴とするポリッシング装置。A polishing apparatus that includes a top ring and a polishing surface for holding an object to be polished, and polishes the object by slidably contacting the object to be polished,
A moving mechanism that moves the top ring to protrude the object to be polished from the outer edge of the polishing surface,
An image recognizer that captures an image of the surface to be polished of the object to be polished, and compares the image with a reference image.
A polishing apparatus, comprising: a cleaning device provided at a position upstream of the image recognizing device in a rotation direction of the polishing target, for cleaning a surface to be polished of the polishing target.

研磨面に研磨液を供給しながらトップリングに保持された研磨対象物を前記研磨面に摺接させて研磨する研磨方法であって、
前記トップリングを移動させて前記研磨対象物の一部を前記研磨面の外縁部からはみ出させる移動工程と、
前記研磨面からはみ出した前記研磨対象物の被研磨面に付着した研磨液を洗浄する洗浄工程と、
前記研磨対象物の被研磨面の画像を取り込む画像認識工程と、を備え、
前記研磨対象物の一部が前記研磨面の外縁部からはみ出している間、前記研磨対象物の前記研磨面に対する押圧力を制御することを特徴とするポリッシング方法。A polishing method for polishing the object to be polished held on a top ring while supplying a polishing liquid to the polishing surface by slidably contacting the polishing surface,
A moving step of moving the top ring to cause a part of the polishing object to protrude from an outer edge of the polishing surface;
A cleaning step of cleaning a polishing liquid attached to a surface to be polished of the object to be polished which has protruded from the polishing surface,
An image recognition step of capturing an image of the polished surface of the object to be polished,
A polishing method for controlling a pressing force of the polishing object on the polishing surface while a part of the polishing object protrudes from an outer edge of the polishing surface.