JP2020136498A - ウェハ加工異常検出装置と方法及び平面加工システム - Google Patents

Abstract

【課題】加工状態の異常を早期に検出可能なウェハ加工異常検出装置と方法及び平面加工システムを提供する。【解決手段】検出装置１６は、ウェハＷの被加工面を含む比較対象画像を撮像するカメラ１７と、比較対象画像と基準画像とを比較して、比較対象画像にウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が含まれているか否かの判定を介して平面加工が正常に行われたか否かを判定する制御手段１５と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、研削又は研磨加工を行ったウェハの加工異常を検出するウェハ加工異常検出装置と方法及び平面加工システムに関するものである。

半導体製造分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）を研削又は研磨する平面加工システムが知られている。

特許文献１には、研磨布５６に目詰まりが生じたことを検出する検出手段を備えた平面加工システム１０が開示されている。なお、符号は特許文献１におけるものである。

特開２００３−００７６６１号公報

ところで、平面加工装置では、研削砥石や研磨パッドを回転させるスピンドルモータに印加する負荷電圧を研削抵抗して読み取り、スピンドルモータの負荷電圧を介して加工状態の変化を観察している。そして、スピンドルモータの負荷電圧が著しく増大すると、目詰まり等に起因して加工状態が異常であることを検出し、オペレータに研削砥石や研磨パッドの交換を促すように構成されている。

しかしながら、スピンドルモータの負荷電圧を介して加工状態の変化を観察する場合、加工状態が悪化し始めてから研削砥石や研磨パッドが交換されるまでに加工されたウェハは、その被加工面に異常な研削痕が残ったり、面焼けで変色したり等して、歩留まりが悪化する虞があるという問題があった。

また、加工後のウェハについて目視観察または抗折強度の測定によって加工異常を検出する場合もある。しかしながら、目視観察や抗折強度の測定は、所定枚数分だけ平面加工を終えた後に行われるため、加工状態が悪化し始めてから研削砥石や研磨パッドが交換されるまでに加工されたウェハがダメージを負うことは避けられず、歩留まりが悪化する虞があるという問題があった。

そこで、加工状態の異常を早期に検出するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るウェハ加工異常検出装置は、ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出装置であって、前記ウェハの被加工面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段が撮像した被加工面の画像である比較対象画像と予め記憶された正常な被加工面の画像である基準画像とを比較して、前記比較対象画像にウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が含まれているか否かの判定を介して平面加工が正常に行われたか否かを判定する判定手段と、を備えている。

この構成によれば、比較対象画像と基準画像とを比較して、ウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が比較対象画像に含まれているか否かの判定を介して平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

また、本発明に係るウェハ加工異常検出装置は、前記判定手段が、前記比較対象画像において、前記基準画像に表れていない切れ込みがウェハ周縁に存在する場合には、平面加工が正常に行われていないと判定することが好ましい。

この構成によれば、チッピング等のウェハ周縁に表れる異常を検出することにより、平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

また、本発明に係るウェハ加工異常検出装置は、前記判定手段が、前記比較対象画像において、前記基準画像に表れていない割れ又は欠けが被加工面に存在する場合には、平面加工が正常に行われていないと判定することが好ましい。

この構成によれば、割れや欠け等の被加工面に表れる異常を検出することにより、平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

また、本発明に係るウェハ加工異常検出装置は、前記判定手段が、前記比較対象画像及び前記基準画像の色について同一の閾値を用いて白黒に２値化し、前記基準画像の色が前記閾値以下であり、前記比較対象画像の色が前記閾値を上回る場合には、平面加工が正常に行われていないと判定することが好ましい。

この構成によれば、面焼け等の被加工面に表れる異常を検出することにより、平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るウェハ加工異常検出装置は、ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出装置であって、前記ウェハの被加工面の表面粗さを非接触測定する粗さ測定器と、前記粗さ測定器が測定した被加工面の表面粗さが、予め設定された表面粗さの目標範囲を超えた場合には、平面加工が正常に行われていないと判定する判定手段と、を備えている。

この構成によれば、平面加工された被加工面の表面粗さが、予め記憶された正常に加工された場合の被加工面の表面粗さの目標範囲内を外れているか否かを介して平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る平面加工システムは、以上のようなウェハ加工異常検出装置と、前記ウェハを平面加工する平面加工装置と、前記ウェハを吸着保持するチャックを備え、前記ウェハ加工異常検出装置と前記平面加工装置との間で前記ウェハを移送するインデックステーブルと、を備えている。

この構成によれば、従来のような目視や抗折強度を測定する場合と比べて、平面加工装置で加工されたウェハの加工異常を加工直後に検出するこができる。

また、本発明に係る平面加工システムは、前記判定手段が、前記ウェハが前記チャックに吸着保持された状態で平面加工が正常に行われたか否かを判定し、前記平面加工装置は、異常と判定された前記ウェハを再び平面加工することが好ましい。

この構成によれば、ウェハがチャックに吸着保持された状態で加工異常の判定を行うことにより、ウェハの加工異常を早期に検出でき、さらに異常判定されたウェハを再び平面加工することにより、歩留まりの悪化を抑制することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るウェハ加工異常検出方法は、ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出方法であって、前記ウェハの被加工面を撮像手段で撮像する工程と、前記撮像手段が撮像した被加工面の画像である比較対象画像と予め記憶された正常な被加工面の画像である基準画像とを比較して、前記比較対象画像にウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が含まれているか否かの判定を介して平面加工が正常に行われたか否かを判定する工程と、を含む。

この構成によれば、比較対象画像と基準画像とを比較して、ウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が比較対象画像に含まれているか否かの判定を介して平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るウェハ加工異常検出方法は、ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出方法であって、前記ウェハの被加工面の表面粗さを粗さ測定器で非接触測定する工程と、前記粗さ測定器が測定した被加工面の表面粗さが、予め設定された表面粗さの目標範囲を外れた場合には、平面加工が正常に行われていないと判定する工程と、を含む。

この構成によれば、平面加工された被加工面の表面粗さが、予め記憶された正常に加工された場合の被加工面の表面粗さの目標範囲内を外れているか否かを介して平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

本発明は、平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

本発明の一実施形態に係る平面加工システムを示す模式図。 図１に示すウェハ加工異常検出装置を示す模式図。 他の実施形態に係るウェハ加工異常検出装置を示す模式図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、平面加工システム１の基本的構成を示す平面図である。平面加工システム１は、ウェハＷの研削加工及び研磨加工を連続して行うものである。なお、平面加工システム１は、研削加工又は研磨加工の何れか一方のみを行うものであっても構わない。

平面加工システム１には、プラットフォーム（ウェハ受け渡し）ステージＳＴ１、粗研削ステージＳＴ２、精研削ステージＳＴ３及び研磨ステージＳＴ４の４つのステージが設けられている。

平面加工システム１は、図１の紙面を反時計回りに回動可能なインデックステーブル２と、インデックステーブル２の回転軸を中心に同心円上で等間隔に離間して配置された４つのチャック３と、を備えている。インデックステーブル２が、９０°ずつステップ回転することにより、チャック３は、プラットフォームステージＳＴ１、粗研削ステージＳＴ２、精研削ステージＳＴ３、研磨ステージＳＴ４の順に移動する。

チャック３は、上面にアルミナ等の多孔質材料からなる図示しない吸着体が埋設されている。チャック３は、内部を通って表面に延びる図示しない管路を備えている。管路は、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源又は給水源に接続されている。真空源が起動すると、チャック３に載置されたウェハＷがチャック３に吸着保持される。また、圧縮空気源又は給水源が起動すると、ウェハＷとチャック３との吸着が解除される。

プラットフォームステージＳＴ１には、ウェハアライメントユニット４と、第１の搬送アーム５と、を備えている。ウェハアライメントユニット４には、第２の搬送アーム６によってロードポート７から取り出された研削前のウェハＷが載置されて、ウェハＷの位置出しが行われる。第１の搬送アーム５は、位置出しされたウェハＷをウェハアライメントユニット４からチャック３に搬送する。

ウェハＷは、バッググラインドテープや、ガラス基板、シリコン基板等のサポート基板にマウントされた状態でチャック３に吸着保持される。特に、ウェハＷが薄く、大口径化するにつれて、サポート基板が用いられることが多い。

粗研削ステージＳＴ２には，図示しない粗研削砥石と、粗研削砥石送り機構８と、が設けられている。粗研削砥石には、例えば＃６００のカップ型砥石が用いられる。粗研削砥石送り機構８は、粗研削砥石を下端に取り付けるとともに粗研削砥石を回転可能に支持するスピンドル８ａと、スピンドル８ａを鉛直方向に昇降させるスピンドル送り機構８ｂと、を備えている。

精研削ステージＳＴ３には、図示しない精研削砥石と、精研削砥石送り機構９と、が設けられている。精研削砥石には、例えば＃４０００のカップ型砥石が用いられる。精研削砥石送り機構９は、精研削砥石を下端に取り付けるとともに精研削砥石を回転可能に支持するスピンドル９ａと、スピンドル９ａを鉛直方向に昇降させるスピンドル送り機構９ｂと、を備えている。

研磨ステージＳＴ４には、研磨パッドが取り付けられた図示しない研磨ヘッドと、研磨ヘッド送り機構１０と、が設けられている。研磨ヘッド送り機構１０は、研磨ヘッドを下端に取り付けるとともに研磨ヘッドを回転可能に支持するスピンドル１０ａと、スピンドル１０ａを垂直方向に昇降させるスピンドル送り機構１０ｂと、を備えている。

上述した各スピンドル送り機構は、公知の構成であり、例えば、スピンドルの移動方向を案内する複数のリニアガイドと、スピンドルを昇降させるボールネジスライダ機構と、で構成されている。

プラットフォームステージＳＴ１には、ウェハ加工異常検出装置１１が設けられている。ウェハ加工異常検出装置１１の具体的構成については、後述する。

平面加工システム１は、１次洗浄ユニット１２と、２次洗浄ユニット１３と、を備えている。１次洗浄ユニット１２は、第３の搬送アーム１４によってチャック３から搬送された研削、研磨後のウェハＷの裏面（非加工面）を洗浄する。

２次洗浄ユニット１３は、第３の搬送アーム１４によって１次洗浄ユニット１２から搬送された１次洗浄後のウェハＷの表面（加工面）及び裏面を洗浄する。２次洗浄ユニット１３は、例えば、ウェハの周縁を３本又は４本のコマで支持しながら、ウェハＷの表面及び裏面に純水とミストから成る２流体ミストを吹き付けることにより洗浄を行う。２次洗浄後のウェハＷは、第２の搬送アーム６によってロードポート７に格納させる。

平面加工システム１の動作は、制御装置１５によって制御される。制御装置１５は、平面加工システム１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御装置１５は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御装置１５の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

次に、ウェハ加工異常検出装置（以下、「検出装置」という）１６の構成について、図２に基づいて説明する。検出装置１６は、カメラ１７と、図示しない判定部と、を備えている。なお、検出装置１６では、制御装置１５が、判定手段として機能する。

カメラ１７は、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子とレンズ等の光学素子とを組み合わせデジタルカメラである。カメラ１７は、水平方向に延設された梁状部材１８を介してプラットフォームステージＳＴ１と粗研削ステージＳＴ２とを仕切る仕切壁１９に接続されており、カメラ１７がチャック３の上方に配置されている。カメラ１７は、プラットフォームステージＳＴ１内でチャック３に吸着保持された研削、研磨（以下、総称して「平面加工」という）後のウェハＷを撮像した撮像画像を制御装置１５に出力する。なお、カメラ１７が撮影する撮像画像は、静止画像に限らず動画であっても構わない。

次に、検出装置１６が加工異常を検出する手順について説明する。

粗研削ステージＳＴ２、精研削ステージＳＴ３及び研磨ステージＳＴ４を経て平面加工を終えたウェハＷがプラットフォームステージＳＴ１に移送されると、カメラ１７は、平面加工後のウェハＷを撮像する。そして、その撮像画像（比較対象画像）は、制御装置１５に送られる。

制御装置１５には、正常に平面加工されたウェハＷの被加工面の画像（基準画像）が予め記憶されている。そして、制御装置１５は、基準画像とカメラ１７が撮像した比較対象画像とを比較して、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われたか否かを判定する。

具体的には、制御装置１５は、基準画像及び比較対象画像について画像解析を行い、ウェハ加工状態の異常に起因する特徴的な差異が比較対象画像に表れる場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われていないと判定する。

上述した特徴的な差異とは、例えば、基準画像には、ウェハＷの向きを示すノッチがウェハＷの周縁に形成されているところ、一方、比較対象画像には、ウェハＷの周縁にノッチ以外の切れ込みが存在する場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われていないと判定する。このような判定は、例えば、粗研削砥石、精研削砥石又は研磨パッドの加工条件の悪化に起因するチッピング等の検出に好適である。

また、基準画像内の被加工面と比較対象画像内の被加工面とを比較して、比較対象画像にのみ割れや欠けが存在する場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われていないと判定するようにしても構わない。このような判定は、例えば、粗研削砥石、精研削砥石又は研磨パッドの加工条件の悪化に起因する面焼け等の検出に好適である。

また、基準画像及び比較対象画像の各被加工面の色を同じ閾値で白黒に２値化する。このとき、閾値は、基準画像内の被加工面の色が下回るように設定される。そして、比較対象画像が閾値を超えている場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われていないと判定するようにしても構わない。このような判定は、例えば、粗研削砥石、精研削砥石又は研磨パッドの加工条件の悪化に起因する面焼け等の検出に好適である。

上述した平面加工の異常は、粗研削砥石、精研削砥石又は研磨パッドの加工条件が悪化したことに起因する。そこで、検出装置１６は、制御装置１５がウェハＷに対する平面加工が正常に行われていないと判定した場合に、その旨をオペレータに通知する通知部を備えていても構わない。これにより、オペレータに対して、粗研削砥石、精研削砥石又は研磨パッドの摩耗状況の確認、部材の交換等を促すことができる。

また、検出装置１６が検出した特徴的な差異が軽微なものであれば、ウェハＷを再研削、再研磨しても構わない。また、検出装置１６による判定が、ウェハＷがチャック３に保持されたまま実施されるため、再加工に際してウェハＷのアライメント作業等を行うことなく、スムーズに再研削、再研磨を行うことができる。

一方、制御装置１５は、基準画像及び比較対象画像について画像解析を行い、上述したような特徴的な差異が存在しない場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われていると判定する。

このようにして、検出装置１６は、比較対象画像と基準画像とを比較して、ウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が比較対象画像に含まれているか否かの判定を介して平面加工の異常を早期に検出するこができる。

また、ウェハＷがチャック３に吸着保持された状態で加工異常の判定を行うことにより、従来のような目視や抗折強度の測定を介して検査を行う場合と比べて、加工異常を加工直後に検出でき、歩留まりの悪化を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る検出装置１６について、図３に基づいて説明する。以下に説明する構成以外の構成は、上述した実施形態と同様である。

本実施形態に係る検出装置１６は、粗さ測定器２０と、支持アーム２１と、図示しない判定手段と、を備えている。なお、検出装置１６では、制御装置１５が、判定手段として機能する。

粗さ測定器２０は、ウェハＷの被加工面の表面粗さを非接触で測定する。粗さ測定器２０は、例えば、分光干渉式センサである。粗さ測定器２０は、ウェハＷに向けて光を照射し、ウェハＷの上面及び下面で反射した光が干渉した反射光を受光する。反射光は、分光器によって分光され、制御装置１５が、ウェハＷの上面で反射した光とウェハＷの下面で反射した光との光路差に基づいてウェハＷの高さを算出する。

支持アーム２１は、先端に粗さ測定器２０を取り付けている。支持アーム２１は、基端側の図示しない駆動軸を支点としてウェハＷの半径方向に搖動可能である。

このようにして、支持アーム２１をウェハＷの半径方向に搖動することにより、粗さ測定器２０が、ウェハＷ上の多数の地点においてウェハＷの高さを測定することにより、ウェハＷの表面粗さを非接触で測定することができる。

次に、検出装置１６が加工異常を検出する手順について説明する。

粗研削ステージＳＴ２、精研削ステージＳＴ３及び研磨ステージＳＴ４を経て平面加工を終えたウェハＷがプラットフォームステージＳＴ１に移送されると、支持アーム２１がウェハＷの上方で粗さ測定器２０を搖動させる。なお、チャック３に吸着保持されたウェハＷが中心回りに自転することにより、粗さ測定器２０の測定地点は、ウェハＷ上の広範囲に亘る。

制御装置１５には、正常に平面加工されたウェハＷの被加工面の表面粗さＲａの目標範囲が予め記憶されている。また、制御装置１５は、粗さ測定器２０の測定結果に基づいて平面加工後のウェハＷの表面粗さＲａを算出する。

そして、制御装置１５は、平面加工後のウェハＷの被加工面における表面粗さＲａが目標範囲内に収まっている場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われたと判定する。一方、制御装置１５は、平面加工後のウェハＷの表面粗さが表面粗さの目標範囲を外れている場合には、ウェハＷに対する平面加工が正常に行われていないと判定する。

これにより、平面加工された被加工面の表面粗さが、予め記憶された正常に加工された場合の被加工面の表面粗さの目標範囲内を外れているか否かを介して平面加工の異常を加工直後に検出するこができる。

なお、加工異常の検出の基準となる粗さは、算術平均粗さＲａに限らず、例えば、最大高さＲｚ、表面粗さＲｍｓ等であっても構わない。

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

１ ・・・平面加工システム
２ ・・・インデックステーブル
３ ・・・チャック
４ ・・・ウェハアライメントユニット
５ ・・・第１の搬送アーム
６ ・・・第２の搬送アーム
７ ・・・ロードポート
８ ・・・粗研削砥石送り機構
９ ・・・精研削砥石送り機構
１０ ・・・研磨ヘッド送り機構
１１ ・・・ウェハ加工異常検出装置
１２ ・・・１次洗浄ユニット
１３ ・・・２次洗浄ユニット
１４ ・・・第３の搬送アーム
１５ ・・・制御装置
１６ ・・・検出装置
１７ ・・・カメラ（撮像手段）
２０ ・・・測定器
２１ ・・・支持アーム
Ｗ ・・・ウェハ

Claims (9)

1. ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出装置であって、
   前記ウェハの被加工面を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段が撮像した被加工面の画像である比較対象画像と予め記憶された正常な被加工面の画像である基準画像とを比較して、前記比較対象画像にウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が含まれているか否かの判定を介して平面加工が正常に行われたか否かを判定する判定手段と、
   を備えていることを特徴とするウェハ加工異常検出装置。
2. 前記判定手段は、前記比較対象画像において、前記基準画像に表れていない切れ込みがウェハ周縁に存在する場合には、平面加工が正常に行われていないと判定することを特徴とする請求項１記載のウェハ加工異常検出装置。
3. 前記判定手段は、前記比較対象画像において、前記基準画像に表れていない割れ又は欠けが被加工面に存在する場合には、平面加工が正常に行われていないと判定することを特徴とする請求項１記載のウェハ加工異常検出装置。
4. 前記判定手段は、前記比較対象画像及び前記基準画像の色について同一の閾値を用いて白黒に２値化し、前記基準画像の色が前記閾値以下であり、前記比較対象画像の色が前記閾値を上回る場合には、平面加工が正常に行われていないと判定することを特徴とする請求項１記載のウェハ加工異常検出装置。
5. ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出装置であって、
   前記ウェハの被加工面の表面粗さを非接触測定する粗さ測定器と、
   前記粗さ測定器が測定した被加工面の表面粗さが、予め設定された表面粗さの目標範囲を超えた場合には、平面加工が正常に行われていないと判定する判定手段と、
   を備えていることを特徴とするウェハ加工異常検出装置。
6. 請求項１から５の何れか１項記載のウェハ加工異常検出装置と、
   前記ウェハを平面加工する平面加工装置と、
   前記ウェハを吸着保持するチャックを備え、前記ウェハ加工異常検出装置と前記平面加工装置との間で前記ウェハを移送するインデックステーブルと、
   を備えていることを特徴とする平面加工システム。
7. 前記判定手段は、前記ウェハが前記チャックに吸着保持された状態で平面加工が正常に行われたか否かを判定し、
   前記平面加工装置は、異常と判定された前記ウェハを再び平面加工することを特徴とする請求項６記載の平面加工システム。
8. ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出方法であって、
   前記ウェハの被加工面を撮像手段で撮像する工程と、
   前記撮像手段が撮像した被加工面の画像である比較対象画像と予め記憶された正常な被加工面の画像である基準画像とを比較して、前記比較対象画像にウェハ加工状態の異常に伴う特徴的な差異が含まれているか否かの判定を介して平面加工が正常に行われたか否かを判定する工程と、
   を含むことを特徴とするウェハ加工異常検出方法。
9. ウェハに対する平面加工の異常を検出するウェハ加工異常検出方法であって、
   前記ウェハの被加工面の表面粗さを粗さ測定器で非接触測定する工程と、
   前記粗さ測定器が測定した被加工面の表面粗さが、予め設定された表面粗さの目標範囲を外れた場合には、平面加工が正常に行われていないと判定する工程と、
   を含むことを特徴とするウェハ加工異常検出方法。