(57)【要約】【課題】  化学的機械的研磨におけるスラリーの有無判別、流量測定をスラリーの凝集を誘因しない構成で行う。【解決手段】  透光性チューブ１０ａに構成した流路１０にスラリーを流す。流路１０の２カ所に設けた検出部２０、３０で、通過するスラリーに光を照射し、その透過光を受光する。透過光は、スラリーと水とにおける透過光の光量に基づき二値化されて、検出部２０、３０を通過した流体がスラリーか否かを判別する。両検出部２０、３０におけるスラリー判別時間の差に基づき流量を求める。【選択図】  図１
2005103732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水とスラリーとを交互に流すスラリー供給方式により供給されるスラリーでウエハを研磨する化学的機械的研磨方法であって、
スラリー流路に設けた水とスラリーとを判別するスラリー判別手段により、前記スラリー流路を通過する水とスラリーの境界部分の通過検知を行い、スラリー供給を確認することを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項２】
水とスラリーとを交互に流すスラリー供給方式により供給されるスラリーでウエハを研磨する化学的機械的研磨方法であって、
スラリー流路の上流側と下流側とに設けた水とスラリーとを判別するスラリー判別手段により、前記スラリー流路を通過する水とスラリーの境界部分の通過検知を行い、前記通過検知に基づき前記スラリーの供給管理を行うことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項３】
透過光によるスラリー流量の測定を伴う化学的機械的研磨方法であって、
流体を透過する透過光の光量変化によりスラリーの検出を行い、スラリーの検出結果に基づき前記スラリー流量を測定し、測定した前記スラリー流量に基づきスラリーの送液調節を行うことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項４】
透過光によるスラリー流量の測定を伴う化学的機械的研磨方法であって、
水とスラリーとを交互に流すスラリー供給方式により供給されるスラリーの透過光の光量を二値化することにより水とスラリーとの判別を行うスラリー判別手段で、通過する水とスラリーとの境界部分を時間差を設けて検知し、検知結果に基づき前記スラリーの流量を求めて前記スラリーの流量管理を行うことを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【請求項５】
透過光によるスラリー流量の測定を伴う化学的機械的研磨方法であって、
スラリーが層流状態で通過する透光性チューブの複数箇所で、投光部と受光部とを前記透光性チューブを挟んで相対させ、前記透光性チューブを流れる流体に前記投光部から光を照射し、前記流体を透過した透過光を前記受光部で受け、前記透過光の透過光量を予め設定しておいた光量レベルにより前記流体をスラリーと非スラリーとに分ける二値信号化し、二値信号により前記透光性チューブの前記複数箇所のスラリー通過時間を求め、前記スラリー通過時間に基づき前記スラリーの流量を測定することを特徴とする化学的機械的研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学的機械的研磨におけるスラリーの供給技術に関し、特にスラリーの有無、スラリー供給量の管理等に有効に適用できる技術である。
【背景技術】
【０００２】
以下に説明する技術は、本発明を研究、完成するに際し、本発明者によって検討されたものであり、その概要は次のとおりである。
【０００３】
半導体装置の製造分野においては、ウエハ表面を平坦化する技術として、スラリーを用いた化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている。
【０００４】
かかる化学的機械的研磨では、その研磨特性には、スラリー（研磨剤）量が大きく関係し、その流量管理は極めて重要な技術となる。
【０００５】
ＣＭＰ装置内には複数のスラリー供給ラインがあり、流体がスラリーでないとき、あるいはスラリー流量が設定供給量を超えている場合等には、ＣＭＰ研磨不良が発生するため、直ちに警報を出して装置停止を行う必要がある。
【０００６】
これまでの一般的なスラリー送液方式としては、チューブ（定容積）ポンプ式、または流量圧力弁式が採用されている。かかる方式における流量制御は、チューブポンプ式ではモータの回転数で、流量圧力弁式では弁の開閉度でそれぞれ制御を行っている。また、流量計測は、風車式の検出器、超音波式流量計等が使用されている。
【０００７】
スラリーはその流量以外に、スラリー中に含まれる砥粒の粒径も研磨特性に大きな影響を与える。すなわち、化学的機械的研磨におけるスクラッチは、化学的機械的研磨の良否を決める重要なファクターであるが、かかるスクラッチは、スラリー中に含まれる砥粒の粒径が大きく関与している。
【０００８】
砥粒の粒径管理方法として、スラリーの循環装置に流量調節可能なバイパスを設け、バイパスを通過するスラリーに半導体レーザ等の一定波長の光を照射し、所定粒径以上の砥粒による透過光の散乱等による減衰に基づき所定粒径以上の砥粒の数を検出する方法が開示されている（特許文献１参照）。
【０００９】
一方、これまでの光散乱によるスラリー中の砥粒粒子等の粒子計数、濃度分析では、シングルコロイドのような非常に小さい粒子や、シングルコロイド粒子が高密度の所謂高濃度状態にある場合等には、十分な測定が行えないという問題点に対して、入射光と透過光との光量を検出してこられの比を濃度換算するという新たな手法が提案されている（特許文献２参照）。
【００１０】
またスラリー供給パイプを挟む位置に設けられたＸ線発生器および透過Ｘ線検出器と、透過したＸ線信号をスラリー濃度に変換する変換器とを備え、Ｘ線発生器から照射され、前記スラリー供給パイプ内を透過した透過Ｘ線を透過Ｘ線検出器で検出し、この透過Ｘ線検出器からのＸ線信号を変換器によってスラリー濃度に変換する方法が提案されている
（特許文献３参照）。
【００１１】
また瓶を光照射装置とカラーＣＣＤカメラとの間に配置して瓶の透過光をカラーＣＣＤカメラで撮像し、撮像した画像データに基づいて光透過性物体の色識別処理する方法で、画像情報抽出工程によって、所定領域の画像情報のみを抽出し、画像情報を処理して光透過性物体の有する色を識別する方法が提案されている（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００２−１５４０５６号公報（段落００３２、図２参照）
【特許文献２】特開平１１−５１８４４号公報（図１参照）
【特許文献３】特開２００２−５５０６３号公報（段落０００６，０００７、図２参照）
【特許文献４】特開２０００−１６２０４５号公報（段落００２１、図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、上記スラリーの流量測定技術においては、以下の課題があることを本発明者は見出した。
【００１３】
すなわち、これまでのスラリーの送液方式では可動部の経時変化による流量変化が起き易く、流量変化を的確に把握する精度の高い流量計測技術が求められていた。しかし、薬液に砥粒を分散、懸濁させたスラリーは極めて凝集しやすく、流線の乱れ等により容易に凝集する。これまでの複雑な構成の流量検出器では、流路途中に凹凸部や屈曲部等があり、これが流線を乱すためスラリーは凝集し易く、かかるスラリー凝集の影響を受けて、精度の高い流量検出を行うことができなかった。
【００１４】
また、ＣＭＰ装置におけるスラリーの供給に際しては、研磨時にはスラリーを供給し、研磨終了後には洗浄用に水（純水）を流すため、水とスラリーを交互に流す供給方式が一般的に採用されているが、しかし、流体がスラリーか否かの判別を行うことができなかった。
【００１５】
例えば、羽車式流量計は流路が複雑な構成で流線が乱れ、特にノズル噴出口及び羽車近辺にスラリーが凝集し易い。流路中の機械的作動部の回転軸受け部等にスラリーが付着すると、回転数が変化して流量の誤検知に繋がり、精度の高い流量計測が行えなかった。
【００１６】
さらに、かかる構成では上記の如くスラリーの流線を乱してスラリーの凝集を発生させる可能性が高く、ウエハ面への不要なスクラッチを防止すべく凝集スラリーの混在を抑えるスラリーの供給管理を十分に行うことができない。
【００１７】
一方、浮子を用いるフローメーターでは、流路断面積が一定でなくスラリーが凝集しやすい。浮子にスラリーが付着すると感度が変化して精度の高い流量測定は行えない。
【００１８】
また、超音波式流量計は、上記２種の流量測定方式とは異なり、スラリーに対して非接触式の流量測定方法ではあるが、流路がＬ字型に形成されているため、かかるＬ字部分で
スラリーの凝集を発生させやすい。特に、センサー近傍にスラリーが付着すると感度が変化して精度の高い流量測定は行えない。さらに、超音波式流量計は、外形寸法が大きく装置実装ができないという問題点もある。
【００１９】
このようにスラリーの流量測定が十分な精度で行えないため、適切な流量制御が行えず、スラリーの不適切な供給量に基づく製品不良が発生している。
【００２０】
また、上記いずれの流量測定技術でも、流体がスラリーか否かの判別は行えず、スラリーを流しているつもりで実際には水が供給される等の場合が発生し、多数の製品不良が作り込まれる等の深刻な状況も散見している。
【００２１】
本発明の目的は、ＣＭＰ技術におけるスラリーの流量測定を高精度で行えるようにすることにある。
【００２２】
また、本発明の目的は、スラリーと水の判別を行えるようにすることにある。
【００２３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２５】
すなわち、スラリーと非スラリーとにおける透過光量の変化に基づきスラリーと非スラリーとの判別を行い、かかる判別手段を用いてスラリー流量の測定を行う。
【発明の効果】
【００２６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２７】
すなわち、流路を通過するスラリーを透過する光量変化に基づきスラリーの通過を検知し、その検知結果に基づきスラリー流量を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２９】
図１（ａ）は、スラリーの流量測定等を行う流量検出器の全体構成を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は流量検出器の検出部等の様子を示す説明図であり、（ｃ）は二値化によるスラリーの判別機能を示す説明図である。図２は、スラリーの流量検出器における流路の変形例を示す平面図である。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、流量検出器Ａは、透光性チューブ１０ａ等に形成した流路１０と、流路１０に所定間隔離して設けた検出部２０、３０とを有している。流路１０は、スラリーが層流状態で流れるような管径の透光性チューブ１０ａに構成されている。例えば、スラリー流量が約１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ．の場合には、透光性チューブ１０ａの内径として約６〜１２ｍｍのものを用いればよい。乱流状態では、安定した流量測定は行えず、さらにスラリーの凝集を発生させ易い。
【００３１】
スラリー中には、過酸化水素等の薬液も含まれる場合があるため、耐薬品性を重視して、例えば、フッ化樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ等）、ポリエチレン系樹脂等の材質を選定すればよい。また、スラリーには研磨対象に合わせて種々の組成があるため、適宜スラリーに合わせた素材選定を行えばよい。
【００３２】
因みに、ＰＴＦＥとは、化学名のポリテトラフルオロエチレンの略名であり、ＰＶＤＦは、化学名のポリビニリデンフルオライドの略名である。
【００３３】
検出部２０は、投光部２１と受光部２２とからなり、間に流路１０の透光性チューブ１０ａを挟んだ状態で相対して設けられている。投光部２１には、透光性チューブ１０ａを透過し、透光性チューブ１０ａ内を通過するスラリーを透過する光を照射する透過光源（図示せず）が設けられている。透過光源としては、発光素子が用いられている。
【００３４】
尚、発光源としては、発光素子以外でも、スラリーを透過する光を発するものであれば白色光源等でも構わない。一定波長のレーザ光等のような特殊光源をわざわざ使用する必要はない。そのため、本発明では、かかる特殊光源を使用する場合に比べて、光源に関わる装置構成を簡単にすることができる。
【００３５】
受光部２２には、スラリーを透過してきた透過光を受ける受光素子が設けられている。
受光素子で受けられた透過光の透過光量は電気量に変換され、さらに、図１（ｂ）に示すように、検出部２０に設けた増幅部２３により増幅されて演算部４０に送られる。演算部４０では、送られた透過光量に相当する電気量を、予め設定された基準の電気量レベルと比較して、受光素子で受けた透過光は、スラリーを透過したものか、あるいは水等の非スラリーを透過したものか二値化して判別する。
【００３６】
例えば、水の透過光量を基準として上記電気量レベルを設定しておけば、設定した電気量レベル以上であれば受光素子で検知した透過光は、水あるいは空気等のスラリーより透光性のある非スラリーを通過してきたと判定して、スラリー供給の停止を行うようにＯＦＦ信号を出力する。
【００３７】
一方、設定した電気量レベル未満であれば、受光素子で受けた透過光は、スラリー中を透過してきたものと判定し、例えば表示器４１等によりスラリー確認のＯＮ信号を出力する。確かにスラリーが供給されていることを確認して化学的機械的研磨を始めることができ、水の供給をスラリー供給と誤認して化学的機械的研磨を行う操作ミスを防止することができる。
【００３８】
尚、上記ＯＮ、ＯＦＦの二値化のレベルは、図１（ｃ）に示すように、水（純水）を示す受光レベルと、スラリーを示す受光レベルとの間で任意に設定すればよい。
【００３９】
検出部３０も検出部２０と同様に構成されている。すなわち、発光素子を発光源として設けた投光部３１と、投光部３１からスラリーに照射された透過光を受光する受光素子を設けた受光部３２とから、検出部３０は構成されている。
【００４０】
受光部３２で受けた透過光の光量は、増幅部３３により増幅された電気量に変換され、それが演算部４０に送られ、予め設定した電気量レベルと比較され、受光部３２で検知した透過光はスラリーを透過したものか、あるいは水等の非スラリーを透過してきたものか判断することができるようになっている。
【００４１】
このようにして、流量検出器Ａでは、流路１０の透光性チューブ１０ａ内を流れる流体に光を照射して、透過光量の光量変化に基づいて、その流体がスラリーか、あるいは水等の非スラリーか二値化して判別することができる。
【００４２】
次に、かかる二値信号化に基づくスラリーの判別機能を利用して、スラリーの流量を測定する方法について説明する。
【００４３】
ＣＭＰ装置におけるスラリー供給方式では、一般的に、スラリーと水とを交互に供給する方式を採用している。すなわち、化学的機械的研磨時にはスラリーを供給し、化学的機械的研磨終了時には洗浄用に水を供給し、洗浄終了後には再びスラリーを供給する。
【００４４】
このようにスラリーと水とを交互に供給する系では、例えば図１（ａ）に示すように、水が流れた後にスラリーが流れる場合には、流路１０の上流側に設けた検出部２０では、検出部２０を通過する流体が水からスラリーに変わった時点で、透過光量の変化が起きる。かかる透過光については、上記説明のように、水の場合と、スラリーの場合とでは、演算部４０の二値信号機能により、ＯＦＦの場合には通過流体は水であると、ＯＮの場合には通過流体がスラリーであると判別される。
【００４５】
そこで、検出部２０では、通過流体が水からスラリーに変わった時点で、すなわち水とスラリーとの境界部分を検知して、スラリーが流れてきたと判別した時点で計時を行う。その後、流路下流側に設けた検出部３０でも、上記境界部分を検知して、水がスラリーに変わった時点の計時を行う。
【００４６】
演算部４０では、流路上流側の検出部２０をスラリーが通過した時間と、流路下流側の検出部３０を通過した時間との時間差Δｔと、流路１０を構成する透光性チューブ１０ａの断面積Ｓと、検出部２０、３０の設置間隔Ｌとから、スラリー流量Ｑは、Ｑ＝Ｓ×Ｌ／Δｔとして求めることができる。Ｑｍｌ／ｍｉｎ．＝（Ｓｍｍ2×Ｌｍｍ／Δｔｓｅｃ）×６０×１０００となる。また、必要に応じて、スラリーの流速Ｖも、Ｖ＝Ｌ／Δｔとして計算することができる。
【００４７】
かかる構成の流量検出器Ａでは、これまでの流量計測の場合とは異なり、スラリーの流線を乱す等の凹凸形状や屈曲部等の構造部がない。且つ、超音波照射等のスラリーに衝撃を与えたりすることもない。このように流路１０内には流線を乱す構造部がないため、且つ流量に応じて最適チューブ径を選定できるため、スラリーを層流状態で乱れなく流すことができ、流量測定に基づくスラリーの凝集を発生させることなく、高精度の流量測定を行うことができる。
【００４８】
一般的に、ＣＭＰ研磨用のスラリーは、酸化物微粒子（一次粒子径０．０３〜二次粒子径０．１μｍ程度）が液中にコロイド状に分散しており、外観は懸濁した不透明の液状となっている。機械的ショック、温度、ｐＨ等が急変することで分散安定性を失い、１μｍ以上の巨大粒子に凝集し、ウエハに不要なスクラッチを発生させるが、本発明では上記の如くスラリーの凝集要因が流量検出器Ａには存在しない構成を採用している。
【００４９】
また、かかる構成の流量検出器Ａは、演算器と接続した投受光器を、例えば、スラリー供給配管の末端側に設けることで装置構成は完成するため、小型で装置実装が容易となる。
【００５０】
また、流量の変更に際しては、流路１０となる透光性チューブ１０ａをスラリーが層流状態で流れるような管径のものに交換すればよい。透光性チューブ１０ａの交換は単独で簡単に行え、保守、点検も容易である。
【００５１】
図２に記す構成は、透光性チューブ１０ａを渦巻状に形成した構成を示すものである。流量測定に際しては、検出部２０、３０の設置間隔Ｌは、ある程度の長さに設定した方が誤差の少ない測定が行えるが、透光性チューブ１０ａを直管状に構成する場合には、その分長くなるため、図２に示すように渦巻状に構成することで、よりコンパクトな流量検出器Ａの構成が図れる。
【００５２】
図３には、上記構成の流量検出器Ａを用いて、スラリーの流量管理等の供給管理が行えるようにしたシステム構成の要部を模式的に示した。
【００５３】
ＣＭＰ装置へのスラリー供給配管５０に、例えば、末端側に上記構成の流量検出器Ａが設けられている。流量検出器Ａには、図には示さないが、例えば、図１（ａ）に示すような流路１０を、スラリー供給配管５０から分岐させたバイパスとして構成し、前記説明の要領で流量測定を行えばよい。
【００５４】
流量検出器Ａは、図３に示すように、スラリーの供給管理を行う制御ユニット６０に接続されている。制御ユニット６０は、さらに、スラリーの送液機器７０、スラリーと水との切替えを行う制御弁８０とに接続されている。
【００５５】
送液機器７０としては、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すようなチューブポンプ９０に構成しておいても構わない。モータ９１の回転により、送液チューブ９２を押圧体９３でモータ９１の回転に応じた所定のタクトタイムで押し潰し、スラリーを吐出するように構成しても構わない。
【００５６】
制御ユニット６０は、外部信号により適時、制御弁８０の開閉、送液機器７０の送液パラメータである例えば、回転数、圧力、弁開度、電圧電流出力等の制御信号を出し、それに同期して流量検出器Ａの出力を取り込み処理して、スラリーの有無、流量等の結果を表示、あるいは外部に出力する機能を有している。
【００５７】
例えば、制御ユニット６０では、流量検出器Ａの検出結果が予め設定しておいた流量の閾値と比較して外れていた場合には、警告、あるいは停止等、重要度に応じた信号を出すことができるようになっている。
【００５８】
また、制御ユニット６０には、流量の既設設定値あるいは設定閾値から外れている場合には、送液機器７０に、その種類に応じた送液パラメータの制御信号を出し、制御弁８０を適時切り替えながら、流量が設定値になるようにする流量調整機能を設けることもできる。
【００５９】
さらには、制御ユニット６０では、複数の測定値から自動的に較正曲線を作成し、作成した較正曲線を保持する機能を設けておいても構わない。かかる機能を設けておけば、図５に示すように、作成しておいた較正曲線から、流量検出器Ａで測定された流量に応じた外部信号に則して適性な送液機器７０の送液パラメータを選択し、制御信号を出すこともできる。また、較正曲線には、スラリーの種類毎に異なる複数の閾値を設定しておくこともできる。
【００６０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６１】
上記実施の形態の説明では、スラリーの判別に適用する場合を例に挙げて説明したが、スラリー以外の懸濁液で、水あるいは空気等に比較して、透過光量に変化がある物質の判別、流量測定にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の化学的機械的研磨方法は、スラリーの有無判別、スラリー流量の管理を伴う化学的機械的研磨分野において有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（ａ）は、スラリーの流量測定等を行う流量検出器の全体構成を模式的に示す説明図であり、（ｂ）は流量検出器の検出部等の様子を模式的に示す説明図であり、（ｃ）は二値化によるスラリーの判別機能を示す説明図である。
【図２】スラリーの流量検出器における流路の変形例を模式的に示す平面図である。
【図３】流量検出器を用いて、スラリーの流量管理が行えるようにしたシステム構成の要部を模式的に示す説明図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）はチューブポンプの送液部の要部を模式的に示す説明図である。
【図５】較正曲線を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０      流路
１０ａ    透光性チューブ
２０      検出部
２１      投光部
２２      受光部
２３      増幅部
３０      検出部
３１      投光部
３２      受光部
３３      増幅部
４０      演算部
４１      表示器
５０      スラリー供給配管
６０      制御ユニット
７０      送液機器
８０      制御弁
９０      チューブポンプ
９１      モータ
９２      送液チューブ
９３      押圧体
Ａ        流量検出器
【図１】
2005103732.tif 000003
【図２】
2005103732.tif 000004
【図３】
2005103732.tif 000005
【図４】
2005103732.tif 000006
【図５】
2005103732.tif 000007