(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハを研磨するための研磨ステーションと、研磨ステーション外にある出口ステーションとを備えた研磨機械とともに用いるための測定ステーションであって、
その測定ステーションは前記研磨機械の出口ステーション内に取付け可能であるよう構成され、かつ、前記ウェハのパラメータを測定するための分光測光測定ユニットと、ウェハを受取って測定位置に測定の間保持するための前記測定ステーションの保持ユニットとを含み、前記分光測光測定ユニットは測定の位置決めを行うように動作可能な光学系を備え、その光学系は顕微鏡ベースの分光光度計であり、かつ、
照射光の焦点をウェハ上に合わせ、照射されたウェハから反射される光を集束するための集束光学素子と、
集束された反射光と前記照射光との間を空間的に分離するためのビームスプリッタとを備え、
前記測定ステーションの設置面積はウェハ自体と同様のサイズである測定ステーション。
【請求項２】
前記測定ユニットは前記ウェハの少なくとも最上層の厚さを測定するよう動作可能である、請求項１に記載の測定ステーション。
【請求項３】
前記測定ユニットは研磨されたウェハの光学的検査を実行するよう動作可能である、請求項１に記載の測定ステーション。
【請求項４】
前記光学系は、分離された集束光の光路内に設けられ、前記分離された集束光を電荷結合素子（ＣＣＤ）に向けるピンホールミラーを含む、請求項１に記載の測定ステーション。
【請求項５】
測定ユニットおよび保持ユニットは、保持されているウェハの少なくとも一部分が見えて光学的測定を可能にする窓によって分離される、請求項１に記載の測定ステーション。
【請求項６】
前記保持ユニットはウェハの表面に対し垂直な軸に沿って可動なアセンブリを含み、それによってウェハの測定位置における前記保持を可能にする、請求項１に記載の測定ステーション。
【請求項７】
半導体ウェハを研磨するための研磨ステーションと、研磨ステーション外にある出口ステーションとを備えた研磨機械とともに用いるための測定ステーションであって、その測定ステーションは光学測定ユニットと、ウェハを受取って測定位置に測定の間保持するための前記測定ステーションの保持ユニットとを含み、かつ、前記研磨機械の出口ステーションに接続され、前記光学測定ユニットは測定の位置決めを行うように動作可能な光学系を備え、その光学系は顕微鏡ベースの分光光度計であり、かつ、
照射光の焦点をウェハ上に合わせ、照射されたウェハから反射される光を集束するための集束光学素子と、
集束された反射光と前記照射光との間を空間的に分離するためのビームスプリッタとを備え、
前記測定ステーションの設置面積はウェハ自体と同様のサイズである
測定ステーション。
【請求項８】
半導体ウェハを研磨するための研磨機械であって、ウェハに適用されるべき研磨ツールと、光学測定ステーションとを含み、光学測定ステーションは研磨機械の出口ステーションに接続され、かつ、分光測光測定ユニットと、ウェハを受取りそれを測定位置に測定の間保持するための前記測定ステーションの保持ユニットとを含み、
前記分光測光測定ユニットは測定の位置決めを行うように動作可能な光学系を備え、その光学系は顕微鏡ベースの分光光度計であり、かつ、
照射光の焦点をウェハ上に合わせ、照射されたウェハから反射される光を集束するための集束光学素子と、
集束された反射光と前記照射光との間を空間的に分離するためのビームスプリッタとを備え、
前記測定ステーションの設置面積はウェハ自体と同様のサイズである
研磨機械。
【請求項９】
研磨されたウェハを測定ステーションに供給するためのロボットをさらに含む、請求項８に記載の研磨機械。
【請求項１０】
前記測定ユニットは前記ウェハの少なくとも最上層の厚さを測定するよう動作可能である、請求項８に記載の研磨機械。
【請求項１１】
前記光学系は、分離された集束光の光路内に設けられ、前記分離された集束光を光検出器に向けるピンホールミラー含む、請求項８に記載の研磨機械。
【請求項１２】
測定ユニットおよび保持ユニットは、保持されているウェハの少なくとも一部分が見えて光学的測定を可能にする窓によって分離される、請求項８に記載の研磨機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、測定ステーション及びそれを用いる研磨機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ウェハ研磨システムは当該技術において既知である。それらは半導体ウェハの最上層を所望の厚さまで研磨する。そのようにするために、研磨プロセスの間、ウェハは水のスラリーおよび化学薬品に浸される。一旦ウェハが研磨されて洗い流されると、ある会社には「水トラック」として既知の出口ステーションに収められ、その後そのウェハはウェハのカセットの中に収められる。カセットは一杯になるまで水槽の中に維持され、その後カセット全体が洗浄ステーションに運ばれ、カセットの中のウェハにまだ残っている何らかの化学薬品およびスラリー粒子を取除いてウェハを乾かす。洗浄の後、ウェハは測定ステーションに運ばれて、研磨機がそれらの最上層の所望の厚みを生成したかどうかを判断する。
【０００３】
ここで簡単に参照されている図１は、アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス（Phoenix,Arizona,USA ）のＩＰＥＣ  ウエステック（IPEC Westech）によって製造された♯３７２研磨機の水トラックなどの先行技術の水トラックを示す。１０とラベル付けされた水トラックは、フレーム１２とベース１４とを含む。フレーム１２は、穴１６から水流１８を出すジェット（図示せず）に連結されたジェット穴１６を有する。ベース１４は、穴２０から少量の水２２を泡立たせる噴水装置（図示せず）に連結された穴２０を有する。ウェハ２５がパターン側を下向きにして水トラック１０中に落とされると、ジェットおよび噴水装置は活性化される。水ジェットからの水流１８は、ウェハ２５を矢印２４によって示された方向に動かすように働く。少量の水流２２によって、ウェハ２５はベース１４からわずかに離れるように押し動かされかつ、ウェハ２５がトラックを通り過ぎる間にウェハがベース１４と擦れ合うことがないためにウェハのパターンに引っ掻き傷ができないことが確実になる。
【０００４】
他の会社も、出口ステーションがカセットそのものから形成される研磨機を製造している。そのような研磨機は、アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サン・ルイス・オビスポ（San Luis Obispo,California,USA）のＲ．ハワード・ストラスバーグ・インコーポレイテッド（R.Howard Strasbaugh Inc.）の６ＤＳ−ＳＰ研磨機に見られるように製造されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この発明の目的は、研磨機械内に、より特定的には研磨機の出口ステーション内に装着可能な測定システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の第一の実施態様によれば、半導体ウェハを研磨するための研磨ステーションと、研磨ステーション外にある出口ステーションとを備えた研磨機械とともに用いるための測定ステーションであって、その測定ステーションは前記研磨機械の出口ステーション内に取付け可能であるよう構成され、かつ、前記ウェハのパラメータを測定するための分光測光測定ユニットと、ウェハを受取って測定位置に測定の間保持するための前記測定ステーションの保持ユニットとを含み、前記分光測光測定ユニットは測定の位置決めを行うように動作可能な光学系を備え、その光学系は顕微鏡ベースの分光光度計であり、かつ、照射光の焦点をウェハ上に合わせ、照射されたウェハから反射される光を集束するための集束光学素子と、集束された反射光と前記照射光との間を空間的に分離するためのビームスプリッタとを備え、前記測定ステーションの設置面積はウェハ自体と同様のサイズである測定ステーションが提供される。
この発明の第二の実施態様によれば、半導体ウェハを研磨するための研磨ステーションと、研磨ステーション外にある出口ステーションとを備えた研磨機械とともに用いるための測定ステーションであって、その測定ステーションは光学測定ユニットと、ウェハを受取って測定位置に測定の間保持するための前記測定ステーションの保持ユニットとを含み、かつ、前記研磨機械の出口ステーションに接続され、前記光学測定ユニットは測定の位置決めを行うように動作可能な光学系を備え、その光学系は顕微鏡ベースの分光光度計であり、かつ、照射光の焦点をウェハ上に合わせ、照射されたウェハから反射される光を集束するための集束光学素子と、集束された反射光と前記照射光との間を空間的に分離するためのビームスプリッタとを備え、前記測定ステーションの設置面積はウェハ自体と同様のサイズである測定ステーションが提供される。
この発明の第三の実施態様によれば、半導体ウェハを研磨するための研磨機械であって、ウェハに適用されるべき研磨ツールと、光学測定ステーションとを含み、光学測定ステーションは研磨機械の出口ステーションに接続され、かつ、分光測光測定ユニットと、ウェハを受取りそれを測定位置に測定の間保持するための前記測定ステーションの保持ユニットとを含み、前記分光測光測定ユニットは測定の位置決めを行うように動作可能な光学系を備え、その光学系は顕微鏡ベースの分光光度計であり、かつ、照射光の焦点をウェハ上に合わせ、照射されたウェハから反射される光を集束するための集束光学素子と、集束された反射光と前記照射光との間を空間的に分離するためのビームスプリッタとを備え、前記測定ステーションの設置面積はウェハ自体と同様のサイズである研磨機械が提供される。
【０００７】
この発明の第１の好ましい実施例に従えば、掴みシステムは、ウェハを予め定められた位置に集合させる持上げ可能なゲートと、ウェハを掴みそれを見える位置に運んで水平面に対してなされる小さな角度に沿って水の中にウェハを浸す掴み具とを含む。掴み具はまた、測定動作の間にウェハを適所に保持し、その後それはウェハを解放し、持上げ可能なゲートは上に上がる。
【０００８】
この発明は、ウェハ表面にほとんど泡が生じないように物体を水に浸す方法を組入れる。この発明の方法は好ましくは、その表面を水平面に対して小さな角度をなすように保持しながらその物体を浸すステップを含む。
【０００９】
第２の実施例において、測定システムは、水槽とその上の掴みシステムとを含む。掴みシステムはウェハを受取るウェハ保持エレメントと、初期位置がウェハの予想受取り位置より上にある掴み具とを含む。掴み具は、ウェハが水平面に対してある角度をなして水中に浸されるように可撓性をもってピストンにある角をなして連結される。
【００１０】
この発明は、図面と関連した以下の詳しい説明からより十分に理解されかつ評価されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２を参照して、これは、ＩＰＥＣウエステック機械などの研磨機内に装着可能な測定ユニットを示し、測定システムは、この発明の好ましい実施例に従ってかつ図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの動作を示す図３、図４、図５、図６、図７および図８に合わせて構成されかつ動作する。前で議論された水トラックのエレメントを参照するために同様の参照番号が用いられる。
【００１２】
３０とラベル付けされた測定システムは、水トラック３６と関連して動作する光学系３２と掴みシステム３４とを含む。光学系３２は、水を通してウェハの最上層の厚さを測定する何らかの光学系であり得る。図９は、そのような光学系の一例を提供する。他の光学系もまたこの発明内に組入れられる。
【００１３】
掴みシステム３４は、持上げ可能なゲート４０と、移行可能な掴み具４２と、真空パッド４４と、真空システム４６とを含む。ゲート４０は、必要に応じてゲート４０を上げ下げするリフティング機構４８によって制御される。ゲート４０は、湾曲した外縁５２を伴う上部表面５０と、上部表面から水の中に向かって下向きに延びる複数の突出部５４とを有する。突出部５４によって、ゲート４０がその上に下りる下側表面が与えられ、一方で、水がゲート４０を通ることが可能になる。湾曲した端縁５２はウェハ２５の湾曲した端縁に適合するような形状になっているので、ゲート４０の位置が下げられたとき、ゲート４０はウェハ２５が水トラックから移動しないようにしかつウェハ２５を繰返し可能な位置に保持する。
【００１４】
掴み具４２は、湾曲した端縁５２によって規定されたウェハ集合位置と図２のウェハ２５によって示されたウェハ測定位置との間を移行する。図２では見えないが、ウェハ測定位置における水トラックのベースは窓６０（図３〜図９）に取り換えられており、光学系３２はウェハ２５のパターニングされた表面６２を見ることができる。説明の目的のために、パターニングされた表面６２は図では誇張して示されている。
【００１５】
掴み具４２は何らかの移行システムによって移行され得る。１つのそのようなシステムの例が図２に与えられており６４とラベル付けされる。
【００１６】
真空パッド４４は典型的にはふいご形状のパッドであって、掴み具４２の端部に取付け
られており、真空システム４６に連結されている。真空パッド４４は吸着を生じさせるので、掴み具４２はウェハ２５を持ち上げてそれをウェハ集合位置からウェハ測定位置に動かすことができる。さらに、真空状態は測定の間維持されており、測定が一旦完了するときのみ解放される。
【００１７】
図３〜８は、掴みシステム３４の動作を示す。最初に、図３に示されているように、水トラックの７０とラベル付けされたジェットおよび７２とラベル付けされた噴水装置が動作してゲート４０が降下する。研磨機（図示せず）はウェハ２５を水トラック内に収め、ジェット７０からの水流１８によりそのウェハ２５はゲート４０の方向に押される。掴み具４２は図３〜８の左側に示されたウェハ集合位置にある。
【００１８】
図４に示されているように、一旦ウェハ２５がウェハ集合位置に来ると、掴み具４２は真空パッド４４を降ろしてウェハ２５を掴み取る。掴み具４２は、命じられるままに真空パッド４４を上下に動かすことができるピストンなどの何らかの適切な機構から形成され得る。噴水装置７２が動作しているので、少量の水流２２はウェハ２５を水トラックのベース１４から離した状態に維持する。
【００１９】
そして掴み具４２はウェハ２５を水から引上げて（図５）、ジェット７０は非活性化される。この発明の好ましい実施例に従えば、真空パッド４４の対称軸７４は、垂直軸７６から小さな角度αをなして形成される。結果として、ウェハ２５の長軸７５は水平軸７８に対して同じ小さな角度αをなしている。角度αは典型的には２〜５°の範囲にある。
【００２０】
次いで、図４〜８の右側に示されているように、移行ユニット６４は、掴み具４２をウェハ測定位置に動かす。同時に、図６に示されているように、引下げ機構は、水トラック、掴み、および光学系ユニット全体を蝶番８０（図２〜８）を中心に（１〜３°の角度だけ）わずかに下げて、水をウェハ測定位置の方向に向ける。水を測定位置の方向に向ける他の方法もまたこの発明に組入れられる。
【００２１】
水トラックが下がると、掴み具４２によってウェハ２５が窓６０の方向に下げられる。真空パッド４４がある角度に傾けられているので、ウェハ２５は一度に水に入らない。代わりに、ウェハ２５は漸進的に水に入る。最初に、８２とラベル付けされた方だけが浸水する。掴み具４２が真空パッド４４をさらに下向きに押せば押すほど、ウェハ２５はさらに浸水し、ついにはウェハ２５全体が水の中に入る。真空パッド４４は十分な可撓性があるのでウェハ２５の角度変化に対処することができる。
【００２２】
ウェハを水に漸進的に浸すことによって、ウェハ２５のパターニングされた表面の近くに泡ができるとしてもごく少ない。
【００２３】
ウェハ２５は窓６０に支えられているのではないことが注目される。代わりに、ウェハ２５は突出表面８４によって支えられており、ウェハ２５と窓６０との間に水の層８６ができるようになっている。ウェハ２５が漸進的に浸水するためにその層８６に泡ができたとしてもごく少ないので、光学系３２とウェハ２５のパターニングされた表面６２との間に均一な接続媒体を与える。
【００２４】
一旦光学系３２がウェハ２５のパターニングされた表面６２の測定を終了すると、ウェハ２５が取付けられた状態で掴み具４２は真空パッド４５をその上部位置に戻す。引下げ機構は蝶番８０を中心に水トラックを回転させてその元の位置に戻し、ゲート４０は持上げられて、ジェット７０および噴水装置７２は活性化される。真空システム４６は真空状態を解放してウェハ２５は水トラックの中に落ちる。水の流れによって、ウェハ２５は、現在持上げられた状態のゲート４０の方向に移動してその下へ動く。センサ９０はウェハ
２５がいつ水トラックからうまく移動したかを決定する。ここで上述されたプロセスが次のウェハに対して始まり得る。
【００２５】
図９を参照して、適切な光学系３２の一例が概略的に示されている。光学系３２は顕微鏡ベースの分光光度計であって、対物レンズ１００と、集束レンズ１０２と、ビームスプリッタ１０４と、ピンホールミラー１０６と、リレーレンズ１０８と、分光光度計１１０とを含む。それはさらに、光源１１２と、コンデンサ１１４と、荷電結合素子（ＣＣＤ）カメラ１１６と、第２のリレーレンズ１１８とを含む。
【００２６】
光源１１２からの光は、光ファイバ１１３に沿ってコンデンサ１１４に与えられる。次に、コンデンサ１１４はその光をビームスプリッタ１０４の方向に導く。ビームスプリッタ１０４はその光をレンズ１０２および１００ならびに窓６０および水の層８６を介してウェハ表面の方に導く。
【００２７】
パターニングされた表面６２からの反射した光は、対物レンズ１００によって集められ、レンズ１０２によってピンホールミラー１０６の上に集束される。リレーレンズ１０８はピンホールミラー１０６を通った光を受取り、かつそれを分光光度計１１０に集束させる。
【００２８】
ピンホールミラー１０６は分光光度計１１０の方向にその穴から光を通し、ミラー表面に当たった光をＣＣＤカメラ１１６の方向に導く。第２のリレーレンズ１１８は、ピンホールミラー１０６から反射した光を受取って、それをＣＣＤカメラ１１６に集束させる。
【００２９】
ピンホールはレンズ１０２の焦点面である像面の中央に置かれているので、それは開口絞りとして作用し、光ビームの視準された部分だけを通過させる。このため、ピンホールは、システムにおけるどんな散乱光をも低減する。リレーレンズ１０８はピンホールから光を集めてそれを分光光度計１１０に与える。
【００３０】
さらに、ピンホールは光学結像系（レンズ１００および１０２）の像面に置かれているので、ウェハ２５の表面から反射されかつピンホールの大きさを倍率で除算したものに等しい大きさである光の部分だけがピンホールを通る。リレーレンズ１１８はその光を集めてそれをＣＣＤカメラ１１６に集める。
【００３１】
ピンホールは、ウェハ２５の像において測定点を位置決めするよう働く。ピンホールは、光を、ＣＣＤカメラ１１６の方に反射させるのではなく、ピンホールに通過させるので、ピンホールはレンズ１１８によって生み出される像におけるはっきりとした暗いポイントとして現れる。このため、ＣＣＤ像を見ると、測定点の位置はその暗い点の位置であるので、すぐにわかる。
【００３２】
ここで図１０〜１４を参照して、水トラックを有さない、ストラスバーグによって製造される研磨機と同様の研磨機において、この発明の厚さ測定が実現されるのを示す。この実施例では、研磨機または外部ロボット（図示せず）がウェハ２５を研磨機の出口ステーションに運ぶ。測定が終了すると、ロボットはウェハ２５を別の出口ステーションにあるそれらのカセットに運ぶ。図１０は上面図であり、図１１、図１２および図１３は３つの状態にある測定ステーションを示す。
【００３３】
測定ステーション１３０は、掴みユニット１３２と、光学系１３４と、水槽１３６とを含む。光学系１３４は水槽１３６の下方に置かれ、上述のシステムなどの何らかの適切な光学系であり得る。前の実施例にあるように、水槽１３６にはその底部表面に図１１の１４０とラベル付けされた窓があり、その窓を通して光学系１３４はウェハ２５を照明する
ことができる。
【００３４】
掴みユニット１３２は、２つの支持エレメントから形成されるものとして示されているウェハ支持部１５０と、真空パッド４４と同様の真空パッド１５２と、ピストン１６０とを含む。図１１に示されるように、研磨機はウェハ２５をウェハサポート１５０の上に収め、一方真空パッド１５２は最初は、サポート１５０より上の位置にある。一旦ウェハサポート１５０が予め定められた位置にウェハを置かれると、ピストン１６０によって制御される真空パッド１５２はウェハの方向に動き、真空作用によってそれを掴み取る。真空パッド１５２がウェハを保持しているので、ウェハサポート１５０は示されているように離れる。
【００３５】
そしてピストン１６０が、真空パッドとウェハが組み合わさったものを水槽１３６の方向に押す。これは図１２に示されており、真空パッド１５２が水平面に対して小さな角度αをなしてウェハ２５を保持していることをも示している。角度αが与えられているのは、前の実施例にあるように、真空パッド１５２の対称軸が垂直軸から小さな角度αをなして形成されているからである。前の実施例にあるように、ウェハ２５をαの角度で水に浸すことによって、十分に浸された後には泡がウェハの下表面に残ることがあったとしてもごく少ない。
【００３６】
図１３は、完全に浸された状態の測定位置にあるウェハ２５を示す。典型的には、ウェハ２５は、窓１４０の水表面１６３に直接接触せず、代わりに、測定サポート１６８によって支持される。その結果、ウェハ２５と窓の表面１６３との間に水の層１６４ができる。
【００３７】
一旦測定プロセスが終了すると、ピストン１６０はウェハ２５をその元の位置に戻し、ウェハサポートエレメント１５０はそれらのウェハ受取り位置に戻る。ピストン１６０はウェハ２５をウェハサポートエレメント１５０の上に置き、真空状態を解放する。ここで外部ロボットは、処理されかつ測定されたウェハのカセットがある別の出口ステーションにウェハを運び得る。
【００３８】
この発明は特別に示されかつ上述されたものに限定されないことは当業者に理解されるであろう。そうではなく、この発明の範囲は前掲の特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】先行技術の水トラックの概略図である。
【図２】研磨機内に装着可能であり、かつこの発明の好ましい実施例に従って構成され動作する、測定システムの概略図である。
【図３】動作の１段階における図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの側面図である。
【図４】動作の１段階における図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの側面図である。
【図５】動作の１段階における図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの側面図である。
【図６】動作の１段階における図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの側面図である。
【図７】動作の１段階における図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの側面図である。
【図８】動作の１段階における図２の測定システムの一部分を形成する掴みシステムの側面図である。
【図９】この発明の測定システムの一部分を形成する光学系の一例を示す概略図である。
【図１０】この発明の測定システムの第２の実施例の上面図である。
【図１１】ウェハの受取りの間の測定システムの側面図である。
【図１２】ウェハの移行の間の測定システムの側面図である。
【図１３】ウェハの測定の間の測定システムの側面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２５  導体ウェハ、１３０  測定ステーション、１３２  掴みユニット、１３４  光学系、１３６  水槽、１４０  窓、１５０  ウェハ支持部、１５２  真空パッド。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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