(57)【要約】【課題】  研磨中のウエハの表面状態がほぼリアルタイムで検出できるＣＭＰ装置及びそこで使用する研磨パッドの実現。【解決手段】  研磨パッド5が表面に設けられるプラテン1と、回転する研磨パッドにウエハ7を押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構8とを備え、ウエハを研磨する化学機械研磨装置であって、プラテンは透明で、研磨パッド5は、少なくとも中心付近から外周方向に伸びる溝31を備え、溝31は研磨パッドの他の部分より薄く、実質的に光透過性である。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハを研磨する化学機械研磨装置で使用する研磨パッドであって、
少なくとも中心付近から外周に向かって伸びる溝を備え、
前記溝は、前記研磨パッドの他の部分より薄く、実質的に光透過性であることを特徴とする研磨パッド。
【請求項２】
前記溝は、中央が厚く、両端が薄い凸状の断面形状を有する請求項１に記載の研磨パッド。
【請求項３】
前記溝の凸状部分は撥水処理されている請求項２に記載の研磨パッド。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の研磨パッドが表面に設けられるプラテンと、
前記プラテンを回転することにより回転する前記研磨パッドに前記ウエハを押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、前記ウエハを研磨する化学機械研磨装置であって、
前記プラテンは少なくとも前記研磨パッドの前記溝が配置される部分が透明であることを特徴とする化学機械研磨装置。
【請求項５】
前記プラテンと前記研磨パッドの前記溝を通して研磨中の前記ウエハの表面を照明する照明手段と、
前記プラテンと前記研磨パッドの前記溝を通して研磨中の前記ウエハの表面を撮影する撮像装置とを備える請求項４に記載の化学機械研磨装置。
【請求項６】
前記撮像装置の出力する画像を表示する表示モニターを更に備える請求項４又は５に記載の化学機械研磨装置。
【請求項７】
前記撮像装置の出力する画像を処理する画像処理装置を更に備え、
該画像処理装置は、前記ウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出して、撮像した前記ウエハ画像の回転位置を算出する請求項５に記載の化学機械研磨装置。
【請求項８】
前記プラテンと前記研磨パッドの前記溝を通して研磨中の前記ウエハの表面状態を光学的に検出する少なくとも２個の光学検出手段と、
前記少なくとも２個の光学検出手段の出力信号を演算処理する信号処理手段とを備え、
前記少なくとも２個の光学検出手段は、前記ウエハの異なる半径位置の表面状態を検出するように配置されている請求項４に記載の化学機械研磨装置。
【請求項９】
当該化学機械研磨装置を制御する制御装置を備え、
前記画像処理装置又は前記信号処理手段は、前記ウエハの所定部分の表面層が除去されたかを判定して研磨終了信号を発生し、
前記制御装置は、前記研磨終了信号に応答して研磨を停止する請求項４、５又は８に記載の化学機械研磨装置。
【請求項１０】
前記画像処理装置又は前記信号処理手段は、前記ウエハの所定部分に表面層の下層が出現してから前記表面層が除去されるまでの時間の、研磨開始から前記下層が前記ウエハの前記所定部分に占める割合が所定の割合になるまでの時間に対する比率を算出し、前記比率が所定値以上の時には研磨異常信号を発生する請求項４、５又は８に記載の化学機械研磨装置。
【請求項１１】
前記ウエハは、表面に金属層を有する請求項４から１０のいずれか１項に記載の化学機械研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセスで、ウエハ上に形成された層の表面を化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing: CMP)する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置で使用する研磨パッド及びＣＭＰ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造プロセスにおいては、ＣＭＰ装置を使用してプロセスの途中のウエハの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）することが行われており、特許文献１及び２などに説明されている。まず、従来のＣＭＰ装置の概略構成を簡単に説明する。
【０００３】
ＣＭＰ装置では、研磨パッドを貼り付けたプラテンを回転させ、研磨パッドにスラリーを供給しながら、ウエハ保持機構に保持されたウエハを回転しながら研磨パッドに押し付けて研磨を行う。ＣＭＰでは、ウエハの表面に形成された絶縁膜や金属膜の層を研磨する。そのため、表面に残された層の厚さを正確に検出して研磨を停止する必要がある。これを終点検出と呼んでいる。一般に、プラテンや研磨パッドが不透明であり、研磨中のウエハの表面状態を検出するのは難しい。そのため、終点検出のための各種の方法が提案されている。
【０００４】
図１は、特許文献１に記載された終点検出の方法を示す図である。図１に示すように、研磨パッド１０５を貼り付けたプラテン１０１を回転し、研磨パッド１０５上にスラリーを供給しながら、その上にウエハ保持機構１０８に保持したウエハ１０７を回転させながら押し付ける。プラテン１０１及び研磨パッド１０５は不透明であるので、研磨中のウエハを観察して、その表面の層の厚さを検出することはできない。そこで、プラテン１０１には、溝１０２と、貫通孔１０３と、スラリーの漏れを防止する透明部材１０４とを設け、研磨パッド１０５には窓（ウインドウ）１０６を設ける。更に、図の位置にプローブ１０９と光ケーブル１１０が設ける。プローブ１０９からは光ケーブル１１０から送られた光ビームが射出され、研磨中のウエハ１０７の表面に照射される。プラテン１０１が回転すると、１回転毎に図示のような状態になるので、その時に光ビームのウエハの表面での反射光をプローブ１０９で集めて、光ケーブル１１０を介して解析装置に送り、分光反射率を算出して残存する層の膜厚を検出する。
【０００５】
特許文献２も特許文献１に記載された終点検出方法に類似の方法を開示している。いずれにしろ、研磨中のウエハ表面の状態を光学的に検出する方法は、上記のように、プラテン及び研磨パッドが不透明であるので、プラテン及び研磨パッドにウインドウを設けて、そのウインドウを通して、周期的にウエハの表面を観察及び検査する。
【０００６】
ＣＭＰ装置で研磨するウエハ上の層には各種あるが、図１に示した終点検出方法は、主として誘電体層を研磨する場合に使用される。
【０００７】
図２は、ウエハの表面にスルーホールを形成し、スルーホールを埋めるようにウエハの全面に金属層を蒸着した場合の表面状態の例を示す図である。図２においては、下側が表面である。図示のように、ウエハの表面に異なる部分１１１、１１２が形成され、その上に誘電体層１１３が形成される。誘電体層１１３の部分１１２の上には、スルーホール１１４が形成され、その内部に金属層を形成する。そのため、図示のようにウエハ全面に金属層１１５を蒸着して、金属層１１５を図の破線の部分まで研磨することにより、スルーホール１１４に部分にのみ金属層が形成され、他の部分は誘電体層１１３が露出している状態になる。
【０００８】
金属層を研磨する時の従来の終点検出は、研磨が進行して表面に絶縁層が現れた時に摩擦が変化して、プラテン及びウエハ保持機構の回転負荷が変化するので、それを検出して終点と判定している。なお、金属層を研磨する時の終点検出を、特許文献１に記載された図１の構成を使用して行うことも可能であり、その場合には、金属層と絶縁体層は反射率に差があるので、表面に絶縁体層が現れた時の反射率の変化を検出する。
【０００９】
なお、ＣＭＰではないが、特許文献３は、貼り合せウエハによるＳＯＩ半導体基板を所望の厚さまで研磨する方法で、透明なプラテン及び透明な研磨パッドを使用して、レーザ光を照射してその透過を検出することにより、所望の厚さになったことを検出する方法を記載している。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−５２０３２号公報
【特許文献２】特開平７−２３５５２０号公報
【特許文献３】特開平５−３０９５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＣＭＰ装置でウエハを研磨する場合、ウエハ全面が同じように研磨されるわけではなく、各種の要因により部分的に研磨速度が異なる。例えば、ウエハは研磨パッドに押し付けられ、押し付ける圧力により研磨速度が異なるが、ウエハ全面が同一の圧力で押し付けられるわけではなく部分的な圧力の差が避けられない。例えば、一般的にウエハの周辺部は中心部より押し付ける圧力が小さくなり、周辺部の方が中心部より研磨速度が小さい。このため、ウエハ上の金属層を研磨する場合、中心部の金属層が研磨されてなくなっても、周辺部には金属層が残ることになる。また、ＣＭＰプロセスは熱により研磨速度が異なるが、研磨中のウエハの熱分布は一様でなくむらがあるため、部分的に研磨速度が異なる。
【００１２】
上記のＣＭＰ装置の回転負荷を検出する方法は、回転負荷は部分的な研磨具合の差を検出することはできない。
【００１３】
また、図１に示した特許文献１に記載された終点研磨方法を使用して反射率の変化を検出することにより表面層、特に金属層の除去を検出する場合、ウインドウ（検出箇所）は１箇所又は数箇所であり、ウインドウの個数が少ない場合、ウエハ全面の研磨具合を検出することはできない。ウインドウの個数を増加することも考えられるが、ウインドウの個数を増加するとコストが増加するという問題がある。また、ウエハは回転するので、ウインドウをウエハ中心から異なる半径位置に配置してウエハ全面の研磨具合を検出することも考えられるが、この場合の検出周期はウエハが１回転する周期である。そのため、ウエハが１回転する間の変化は検出できず、十分な精度で終点検出及び終点制御を行うことができないという問題がある。
【００１４】
更に、ウエハは、ウエハ保持機構に吸着（チャック）された状態で研磨される場合も、ウエハ保持機構にチャックされずに研磨される場合もある。チャックされて研磨される場合には、ウエハはウエハ保持機構と一緒に回転する。チャックされずに研磨される場合には、ウエハはウエハ保持機構と一緒ではないが、やはり回転する。ウエハには結晶の方向を示すオリエンテーションフラット（ＯＦ）又はノッチが設けられているので、ＯＦ又はノッチを検出することにより、ウエハの回転位置を検出できるが、特許文献１のようなウインドウを設けて検出する場合には、このウインドウからウエハが観察できるのはプラテンが１回転する間に１回であり、その時にＯＦ又はノッチが検出できるとは限らず、常時ウエハの回転位置を検出することはできない。そのため、ウエハの中心以外にウインドウを設けると、ウインドウから観察したウエハの表面が、ウエハのどの位置であるか判定することができないという問題がある。
【００１５】
更に、特許文献１に記載された構成では、ウインドウ部分で研磨パッドに透明な異種材料を埋め込むため、様々な問題が発生する。例えば、研磨パッドの表面はスラリーによる目詰まりを回避するため、ドレッシング装置で随時ドレッシングされるが、透明な異種材料の表面が研磨パッド表面と同一である場合、研磨パッドをドレッシングする時に透明な異種材料の表面もドレッシングすることになり、その表面を傷つけられて光透過性が変化し、ウエハ表面の状態を安定して検出できないという問題を生じる。また、透明な異種材料の表面が研磨パッド表面より低い場合、ウエハ表面状態検出のための穴は、周囲から閉ざされているため、研磨により劣化したスラリーが周囲の研磨パッドに堰き止められて穴内に滞留し、透明な異種材料の上に劣化したスラリーが堆積してウエハ表面状態の検出が非常に困難となる。
【００１６】
また、異種材料を研磨パッド内に埋め込んで固定するために接着剤を使用した場合、その埋め込み界面から研磨によってパーティクルが出てくる危険性があり、汚染物質がスラリーに混ざって研磨面に悪影響を及ぼすことがある。
【００１７】
以上のように、研磨中にウエハ表面状態を検出する場合にもっとも注意する必要があるのが、スラリーの存在と研磨やドレッシングによる摩耗である。研磨により劣化したスラリーがウインドウ表面に堆積する状態では安定した検出を行うことはできない。また、研磨の摺動面にウインドウ（透明材料）の表面がある場合、研磨パッドの摩耗によって透明材料の表面も摩耗し、摩耗して荒らされた透明材料の表面を通して検出する光学的な情報には多くの外乱が含まれ、検出精度が低下する。
【００１８】
一方、ＣＭＰで金属層を除去する場合、研磨の終点の判定は、従来ウエハ面のスルーホールを除くすべての部分で金属層が除去された時を終点と判定していた。ウエハ面内において研磨が均一に進行する場合には全面で同時に除去されるため、研磨パッドの一部に検出のためのウインドウを設けてウエハの一部の表面状態を検出する構成でも問題ない。しかし、実際のＣＭＰ装置では上記のように研磨の進行具合には部分的なむらがある。そのため、ウエハの一部の表面状態を検出する方法では、的確な終点検出を行えないという問題がある。これまでは、ウエハ全面での研磨の進行誤差がある程度の範囲内に入ることを前提としてこのような問題については特に対処していなかった。
【００１９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、化学機械研磨プロセスでウエハ表面の研磨状態を検出する方法において、スラリーや研磨による外乱を受けることなく、安定して研磨状態を検出して評価できる研磨パッド及び化学研磨装置（ＣＭＰ装置）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を実現するため、本発明の研磨パッドは、他の部分より薄く、実質的に光透過性である溝を、溝内のスラリーを外周へ吐き出すように、中心付近から外周方向に向かって伸びるように設ける。
【００２１】
すなわち、本発明の研磨パッドは、ウエハを研磨する化学機械研磨装置で使用する研磨パッドであって、少なくとも中心付近から外周方向に伸びる溝を備え、前記溝は、前記研磨パッドの他の部分より薄く、実質的に光透過性であることを特徴とする。
【００２２】
従来の研磨パッドは、ポリウレタン製の上層と、発泡ポリウレタン製の下層を貼り合せた構造であり、表面には研磨面へのスラリーの供給を容易にするための溝が設けられるのが一般的である。ポリウレタンはある程度透明であるが、従来の研磨パッドは、発泡ポリウレタン製の下層を有する上、ポリウレタン製の上層も厚いので不透明である。溝の部分も、発泡ポリウレタン製の下層が設けられているので不透明である。本発明では、例えば、溝を中心付近から外周方向に伸びる形状とし、溝部分を薄くして、下には発泡ポリウレタン製の下層を設けないようにすることで、溝の部分を実質的に透明にする。溝は複数本設けることが望ましく、放射状に伸びる溝や、格子状の溝や、円状の溝などを併用して設けてもよい。
【００２３】
更に、溝は中心付近から外周方向に伸びているので、研磨パッドがプラテン上に設けられて回転されると、溝内のスラリーは遠心力により中心付近から外周方向に運ばれる。溝内には常に新しい劣化していないスラリーが供給されるので、溝の部分を通してウエハの表面状態の検出が行える。また、溝方向に沿って洗浄液を噴出するノズルを設けて、溝内を洗浄することが望ましい。
【００２４】
溝は、中央が厚く、両端が薄い凸状の断面形状であり、凸状部分は撥水処理されていることが望ましい。これにより、ウエハの表面状態がより検出しやすくなる。
【００２５】
本発明の研磨パッドを使用するＣＭＰ装置は、この研磨パッドが表面に設けられるプラテンと、プラテンと共に回転する研磨パッドにウエハを押し付けるように保持しながら回転するウエハ保持機構とを備え、プラテンは少なくとも研磨パッドの前記溝が配置される部分が透明であるように構成する。実際にはプラテン全体が透明であることが望ましく、透明なプラテンは、例えば、ガラス又はアクリル樹脂などで作られる。
【００２６】
研磨中のウエハの表面状態を検出する場合、回転するプラテンの下側からプラテンと研磨パッドの溝を通して観察することになるので、プラテンと研磨パッドの溝を通して研磨中のウエハの表面を照明する照明手段と、プラテンと研磨パッドの溝を通して研磨中のウエハの表面を撮影する撮像装置とを設けて、撮像装置の捕らえた映像をモニターなどに表示することが望ましい。なお、ウエハ表面の状態を判定する場合、表面の色変化が重要であるので、カラー画像を捕らえて表示することが望ましい。
【００２７】
本発明の研磨パッドは、中心付近から外周方向に伸びる透明な溝を有するので、溝がウエハの中心を通る位置にあると、ウエハの直径方向のほぼすべての表面状態が同時に観察可能である。これはウエハの中心と周辺で研磨進行具合に差がある場合に、研磨むらを判定するのに有利である。
【００２８】
前述のように、研磨中のウエハはウエハ保持機構の回転と共に回転する。ウエハの回転がウエハ保持機構の回転と完全に同期していればウエハ保持機構の回転位置を検出することによりウエハの回転位置が判明するので、画像処理装置を設けて、溝を通して得た画像を回転位置に応じて合成すれば、研磨中のウエハ全面の画像が得られる。ウエハの回転がウエハ保持機構の回転と完全に同期しない場合には、画像処理装置を設けて、溝を通してウエハのオリエンテーションフラット又はノッチの位置を検出してウエハの回転位置を算出した上で同様の処理を行う。
【００２９】
なお、画像をモニターに表示するだけでなく、画像処理装置で画像信号を処理して、ＣＭＯ装置を自動的制御することも可能である。
【００３０】
更に、撮像装置を使用せずに、プラテンと研磨パッドの溝を通して研磨中のウエハの表面状態を光学的に検出する少なくとも２個の光学検出手段を、ウエハの異なる半径位置の表面状態を検出するように配置し、その出力信号を信号処理手段で演算処理することも可能である。
【００３１】
ＣＭＯ装置を自動的制御する場合には、画像処理装置又は信号処理手段は、ウエハの所定部分の表面層が除去されたかを判定して研磨終了信号を発生し、制御装置は研磨終了信号に応答して研磨を停止する。更に、ウエハの所定部分に表面層の下層が出現してから表面層が除去されるまでの時間の、研磨開始から下層がウエハの前記所定部分に占める割合が所定の割合になるまでの時間に対する比率を算出し、比率が所定値以上の時には研磨異常信号を発生することが望ましい。
【００３２】
本発明は、ウエハ表面の誘電体層及び金属層を研磨する場合に適用可能であるが、特に金属層の場合には、所定部分の金属層が除去されたか判定すればよく、金属層とその下の層（一般的には誘電体層）は反射が大きく異なるので、たとえウエハ表面と研磨パッドの間にスラリーが存在しても、金属層の存在は十分に検出でき、判定が容易である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、研磨中のウエハの表面状態をリアルタイムで観察できるので、ウエハ表面の研磨状況を的確に判定できる。これにより、研磨精度が向上する。特に、金属層を研磨する時に有効であり、金属層が残ったために再度研磨するという問題を回避できるので、スループットが向上する。また、ウエハ全面で金属層が除去された直後に研磨を停止するため、過剰研磨されることがなくなり、歩留まりが向上する。更に、研磨の進行具合に許容できないむらが生じたことを検出できるようになり、歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図３は、本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第１実施例のＣＭＰ装置では、ポリウレタン製研磨パッド５を貼り付けた全体が透明なアクリル製プラテン１を回転し、スラリー供給器２１から研磨パッド５上にスラリー２２を供給しながら、その上にウエハ保持機構８に保持したウエハ７を回転させながら押し付ける。なお、プラテン１は、すべて透明である必要はなく、例えば、金属製の梁で構成された構造物に円板状のアクリル板を載置した構造でもよい。この場合、研磨パッド５の溝が金属の梁の部分をできるだけ避けるように配置する。
【００３５】
図４は、第１実施例で使用するポリウレタン製研磨パッド５を示す図であり、（Ａ）は上面図を、（Ｂ）と（Ｃ）は（Ａ）で破線の円３３で示した部分の断面形状の例を示す。図示のように、研磨パッド５の上面には中心から放射状に伸びる複数本の溝３１と、同心円状の複数本の溝３２が設けられており、溝はつながっている。溝の本数及び形状はそれぞれ各種の変形例が可能であり、ここでは図示を容易にするため、放射状に伸びる溝は４本のみを示した。
図９は、溝形状の変形例を示す図である。図９の（Ａ）の例では、直交する格子状の溝６１が設けられ、溝６１で分けられる小研磨面６２は正方形である。図９の（Ｂ）の例では、３方向に伸びる溝６３が設けられ、小研磨面６４は三角形である。図９の（Ｃ）の例では、六角形の小研磨面６６を配列し、その間に溝６５が形成される。図９の（Ｄ）の例では、円形の小研磨面６８を配列し、その間に溝６７が形成される。いずれの例でも、溝は外周へつながっており、プラテン１に貼り付けられて研磨パッド５が回転すると、溝内のスラリーは外周に向かって流れる構造を有する。
【００３６】
溝３１、３２は、図４の（Ｂ）に示すように、下側も溝になっており、溝以外の部分より薄くなっている。ポリウレタン材料はかなり透明であり、図示のように薄ければ実質的に透明と見なすことが可能である。また、図４の（Ｃ）に示すように、溝３１、３２は、溝の中央が厚く溝の端が薄い凸状であって、凸状の部分に撥水処理をするようにしてもよい。溝３１、３２は、研磨中のウエハの部分にスラリーを供給する経路として使用される。そのため、溝の本数を多くして、溝をより密に設けることが望ましい。研磨パッド５は回転すると、溝内のスラリーは遠心力により外側に移動するので、常に新しい劣化していないスラリーが供給されることになる。
【００３７】
上記のように、この研磨パッド５はポリウレタンのみで作られるので、異種材料のウインドウを埋め込んだ従来のような問題は生じない。また、ポリウレタン以外の材料であっても研磨面と高低差を設けることで使用可能である。
【００３８】
図３に戻って、プラテン１の下側には、ウエハ７の表面を照明する照明装置１２が設けられている。この照明装置１２は、白色光源を有し、照明光は広いスペクトルを有する。更に、プラテン１の下側には、ビデオカメラなどの撮像装置１１が設けられ、研磨中のウエハ７の表面の画像を、プラテン１及び研磨パッド５の溝を通して捕らえる。撮像装置１１の光軸は、プラテン１の下面、研磨パッド５及びウエハの表面に垂直であり、ウエハ７の全範囲に相当する領域の画像を撮影できる。ウエハ保持機構８は、ウエハ７を研磨パッド上に搬送する時には真空吸着によりウエハ７をチャックして搬送するが、研磨中は真空吸着を解除して、ウエハ７の直径より若干大きな内径を有するガイドリングにより、研磨中にウエハ７が保持機構８より飛び出るのを防止している。ウエハ７は、ウエハ７が保持機構８の回転に従って回転するが、完全には同期していない。研磨中、保持機構８はウエハ７を研磨パッドに所定の圧力で押し付ける。
【００３９】
なお、スラリーにより研磨パッド５に目詰まりが生じるので、図示していないドレッサにより、研磨パッドの表面は定期的にドレッシングされる。
【００４０】
撮像装置１１からの画像信号は、画像モニター１３上に表示される。オペレータは、画像モニター１３を見ながらウエハ７の溝の部分の表面の研磨状況を判定する。ウエハの表面の金属層をスルーホールを残して除去する場合には、一般に下層は誘電体層であり、金属層と誘電体層の反射は大きく異なるので、モニター画像で金属層が除去されたことが容易に判定できる。また、誘電体層を所定の厚さまで研磨する場合には、誘電体層の厚さの変化に応じてその部分の色が変化するので、ある程度判定することが可能である。しかし、誘電体層の厚さを精密に判定するには、後述するように分光反射率などを測定する必要がある。オペレータは、モニター画像から所望の研磨状態なったことを判定して研磨を停止させる。
【００４１】
ウエハ７は、ウエハ保持手段８にチャックされていないが、ウエハ保持手段８の回転に伴って回転する。但し、ウエハ７とウエハ保持手段８の回転速度は完全に同じではない。ウエハ７の画像も、ウエハの回転に伴って変化するため、ウエハ７の全面の研磨状況を正確に検出するには、ウエハの回転方向を検出する必要がある。
【００４２】
ウエハ７には、ウエハの結晶方向を示すために、図５の（Ａ）に示すように、オリエンテーションフラット（ＯＦ）２１、又は図５の（Ｂ）に示すように、ノッチ２２が設けられている。研磨パッド５及びウエハの回転に伴って、ＯＦ２１及びノッチ２２はかならず研磨パッド５の溝の部分を通過するので、溝を通してＯＦ２１及びノッチ２２の位置を検出すれば、ウエハ７の回転方向を識別できる。
【００４３】
図６は、第１実施例において、ウエハ７の表面に設けられた金属層を研磨する場合のウエハ７の画像の変化例を示す図であり、上側がウエハ７の表面の画像を、下側がウエハ表面付近の断面を示す。この例は、ウエハ７の中心部の研磨が早く進行し、周辺は遅い場合を示す。ここでは、ウエハ全面を示しているが、回転する研磨パッド５の溝を通して観察されることになる。図６の（Ａ）は研磨開始時の画像である。金属層４１の下には誘電体層４２が設けられており、ウエハ全面が金属層である画像が表示される。図６の（Ｂ）は、研磨が進んで、中央部の金属層４１がほぼ除去された状態を示す。この場合も、ウエハ全面が金属層である画像が表示される。
【００４４】
図６の（Ｃ）は、研磨が進んで、中央部では下層４２がウエハ７の半径の半分の半径の円に広がり、金属層４１はその外側の部分に残っている状態を示す。図６の（Ｄ）は、周辺部でも金属層４３が除去された状態を示す。
【００４５】
第１実施例では、研磨パッド５の回転に伴って放射方向の溝３１がウエハ７の中心の下を通過する。この時、溝３１を通して、ウエハ７の中心を含む直径方向の表面の状態が観察できるので、研磨ムラの状況を含めてウエハの研磨状況を的確に判定できる。オペレータは、図６の（Ｄ）の状態になった時に研磨を停止する。
【００４６】
ウエハ７を研磨パッドに押し当てる圧力を部分的に調整できるのであれば、オペレータは、ウエハ７の全面が同じように研磨されるように部分的に圧力を調整する。
【００４７】
ここで、周辺でも金属層４１が除去された図６の（Ｄ）の状態で研磨を停止しても、中央の誘電体層４２の厚さが小さくなりすぎて不良になる場合がある。これはそもそも研磨の一様性が不充分な場合である。これに起因する不良は、ＣＭＰ工程の直後に発見される場合もあるが、他の工程を経た後で発見される場合もある。後者の場合、無駄な工程を行うことになるだけでなく、研磨むらが不充分なＣＭＰ工程が続けて行われることになり、その間に不良品が増加することになる。そこで、第１実施例では、研磨開始から図６の（Ｃ）の状態になるまでの時間を初期膜厚平均除去時間Ｔとして測定し、図６の（Ｂ）から（Ｄ）になるまでの時間を膜色切り替わり時間ｔとして測定し、その比ｔ／Ｔを研磨の均一性を示す指標として算出する。初期膜厚平均除去時間Ｔは、研磨する膜の材料、厚さ、研磨条件が決定されればほぼ一定である。これに対して、膜色切り替わり時間ｔは研磨むらの度合いに応じて変動する。例えば、研磨むらが非常に良好であれば、ウエハの中央も周辺もほぼ同時に除去されるので、膜色切り替わり時間ｔは非常に小さいが、研磨むらが大きいと膜色切り替わり時間ｔも大きくなる。したがって、あらかじめ許容範囲に応じてｔ／Ｔの上限値を設定し、測定したｔ／Ｔが上限値を超えた場合には異常が発生したと判定する。
【００４８】
以上説明した第１実施例では、オペレータがモニターで画像を判定し、手動で制御する構成であるが、画像を処理して判定を自動で行うことも可能であり、第２実施例は、そのような実施例である。
【００４９】
図７は、本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第２実施例のＣＭＰ装置は、撮像装置１１の出力する画像信号を画像処理装置１４で処理して、その処理結果を制御装置１５に出力する点が第１実施例と異なり、他の部分は同じである。なお、第２実施例において、画像モニター１３を設けて、並行して観察可能にすることも可能である。
【００５０】
画像処理装置１４については広く知られており、画像を処理して第１実施例で説明した判定を行うことが可能であるのは容易に分かるので、ここではこれ以上の説明は省略する。画像処理装置１４は、前述の研磨の終了を判定すると研磨終了信号を発生し、前述のｔ／Ｔが上限値を超えた場合には研磨異常信号を発生する。制御装置１５は、研磨終了信号に応じて研磨動作を停止させ、研磨異常信号に応じてアラームを発生する。
【００５１】
オペレータはアラームが発生されると、次の研磨はウエハを研磨パッドに押し当てる圧力を調整して研磨速度を低下させたり、部分的な圧力を調整するなどの対策を行う。
【００５２】
図８は、本発明の第３実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。第１及び第２実施例では、ビデオカメラなどの撮像装置１１でウエハ７の全面に相当する部分の画像を捕らえるようにしたが、第３実施例では、ウエハの表面の狭い範囲の状態を光学的に検出する測定器５１、５２を少なくとも２個使用し、その出力を信号処理・演算装置５３で処理する。後は、第２実施例と同じである。測定器５１、５２は、例えば、広い波長分布を有する光ビームをウエハ表面の小さな範囲に照射し、その分光反射を捕らえる。これにより、ウエハ表面に誘電体層が形成されている場合に、その膜厚を検出することができる。もちろん、ウエハ表面に形成されている層が、金属層であるか誘電体層であるかも検出可能である。このような測定器５１、５２の１つをウエハ７の中心付近の表面状態を検出するように配置し、もう１つをウエハ７の周辺の表面状態を検出するように配置する。表面状態の測定が行えるのは、溝がこの検出部分を通過する時であるが、溝の本数がある程度以上あれば問題ない。これにより、金属層を研磨する場合だけでなく、誘電体層を所定の厚さまで研磨する場合の終点検出や研磨異常の発生検出が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、研磨中のウエハの表面の状態がほぼリアルタイムで検出できるので、最良のタイミングで研磨を停止したり、全面が一様に研磨されるように各種の条件を容易に設定できるようになる。これにより、ＣＭＰ装置及び方法のスループットや歩留まりが向上でき、ひいては半導体製造プロセスにおけるコスト低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】ＣＭＰ装置の従来例の概略構成を示す図である。
【図２】表面に金属層を有するウエハの表面の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図４】第１実施例で使用する研磨パッドを示す図である。
【図５】ウエハのオリエンテーションフラット及びノッチを示す図である。
【図６】研磨によるウエハ表面画像の変化例を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例のＣＭＰ装置の概略構成を示す図である。
【図９】研磨パッドの溝形状の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…プラテン
５…研磨パッド
７…ウエハ
８…ウエハ保持機構
１１…撮像装置
１２…画像モニター
１３…画像処理装置
１４…制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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