研磨装置的制作方法

本发明涉及一种研磨表面形成有膜的晶圆的研磨装置，特别涉及通过分析在来自晶圆的反射光中包含的光学信息，能够检测晶圆的膜厚的研磨装置。

背景技术：

半导体组件的制造步骤中包含：研磨二氧化硅(SiO₂)等绝缘膜的工序；以及研磨铜、钨等金属膜的工序等各种工序。在背面照射型CMOS传感器及硅贯通电极(TSV)的制造工序，除了绝缘膜以及金属膜的研磨工序之外，还包含研磨硅层(硅晶圆)的工序。晶圆的研磨在构成其表面的膜(绝缘膜、金属膜、硅层等)的厚度达到指定的目标值时结束。

晶圆的研磨使用研磨装置而进行。图13为表示研磨装置的一个实例的示意图。一般而言，研磨装置具备：支承研磨垫201并可旋转的研磨台202；在研磨台202上的研磨垫201上推压晶圆W的研磨头205；在研磨垫201上供给研磨液(浆液)的研磨液供给喷嘴206；以及测定晶圆W膜厚的膜厚测定装置210。

图13所示的膜厚测定装置210为光学式膜厚测定装置。该膜厚测定装置210具备：发出光的光源212；连接于光源212的投光光纤215；在研磨台202中的不同位置配置有顶端的第一光纤216以及第二光纤217；将第一光纤216以及第二光纤217中的任何一方选择性地连接于投光光纤215的第一光程切换器220；测定来自晶圆W的反射光强度的分光器222；连接于分光器222的受光光纤224；在研磨台202中的不同位置配置有顶端的第三光纤227及第四光纤228；以及将第三光纤227以及第四光纤228中任何一方选择性地连接于受光光纤224的第二光程切换器230。

第一光纤216的顶端以及第三光纤227的顶端构成第一光传感器234，第二光纤217的顶端以及第四光纤228的顶端构成第二光传感器235。这些第一光传感器234以及第二光传感器235被配置于研磨台202中的不同位置，在研磨台202旋转的同时，第一光传感器234以及第二光传感器235交互地穿过晶圆W。第一光传感器234以及第二光传感器235导光于晶圆W上，并接收来自晶圆W的反射光。反射光通过第三光纤227或第四光纤228传达至受光光纤224，进一步通过受光光纤224而传达至分光器222。分光器222按照波长分解反射光，测定反射光的各波长强度。处理部240连接于分光器222，从反射光强度的测定值生成分光波形(光谱)进而从分光波形确定晶圆W的膜厚。

图14为表示第一光程切换器220的示意图。第一光程切换器220具备使第一光纤216以及第二光纤217的端部移动的压电致动器244。由于该压电致动器244使第一光纤216以及第二光纤217的端部移动，第一光纤216以及第二光纤217中的一方连接于投光光纤215。虽然未图示，但第二光程切换器230也具有相同构成。

第一光程切换器220以及第二光程切换器230在第一光传感器234穿过晶圆W期间，将第一光纤216以及第三光纤227分别连接于投光光纤215以及受光光纤224，在第二光传感器235穿过晶圆W期间，将第二光纤217以及第四光纤228分别连接于投光光纤215以及受光光纤224。如此，由于在研磨台202旋转一周期间，第一光程切换器220及第二光程切换器230工作，因此，分光器222能够分别处理第一光传感器234以及第二光传感器235所接收的反射光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本特开2012-138442号公报

专利文献2日本特表2014-504041号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

但是，由于第一光程切换器220以及第二光程切换器230为机械的切换装置，因此长期持续使用时会发生不良状况，当第一光程切换器220或第二光程切换器230发生不良状况时，从第一光传感器234以及第二光传感器235导入分光器222的反射光强度改变，导致处理部240确定的膜厚发生变动。

本发明是鉴于上述情形而做出的，其目的在于提供一种不使用光纤的光程切换器，而使用多个光传感器能够测定晶圆膜厚的研磨装置。

解决问题的技术手段

为了达成上述目的，本发明的一种方式为一种研磨装置，其特征在于，其具备：研磨台，其支承研磨垫；研磨头，其将晶圆推压于所述研磨垫；光源，其发出光；投光光纤，其具有配置于所述研磨台中的不同位置的多个顶端；分光器，其将来自晶圆的反射光按照波长分解，并测定各波长的反射光强度；受光光纤，其具有配置于所述研磨台中的所述不同位置的多个顶端；以及处理部，其生成显示所述反射光强度与波长的关系的分光波形；所述投光光纤连接于所述光源，将从所述光源发出的光引导于晶圆表面，所述受光光纤连接于所述分光器，将来自晶圆的反射光引导至所述分光器，所述处理部依据所述分光波形确定膜厚。

本发明优选方式的特征在于，所述投光光纤具有：投光主干光纤，其连接于所述光源；以及第一投光分支光纤及第二投光分支光纤，其从所述投光主干光纤分支，所述受光光纤具有：受光主干光纤，其连接于所述分光器；以及第一受光分支光纤及第二受光分支光纤，其从所述受光主干光纤分支。

本发明优选的方式的特征在于，所述投光光纤的顶端以及所述受光光纤的顶端导光于晶圆上，构成接收来自晶圆的反射光的第一光传感器以及第二光传感器，所述第二光传感器相对于所述研磨台的中心配置于所述第一光传感器的相反侧。

本发明优选方式的特征在于，进一步具备校正用光源，其发出具有特定波长的光，所述校正用光源通过校正用光纤而连接于所述分光器。

本发明优选方式的特征在于，所述光源由第一光源以及第二光源构成。

本发明优选方式的特征在于，所述第一光源以及所述第二光源发出相同波长范围的光。

本发明优选方式的特征在于，所述第一光源以及所述第二光源发出不同波长范围的光。

本发明优选方式的特征在于，所述分光器由第一分光器以及第二分光器构成。

本发明优选方式的特征在于，所述第一分光器以及所述第二分光器以在不同波长范围测定反射光强度的方式构成。

本发明优选方式的特征在于，所述处理部对所述分光波形进行傅里叶变换处理，生成表示膜厚与频率成分强度的关系的频率光谱，确定比临界值大的频率成分强度的峰值，并确定对应于该峰值的膜厚。

发明的效果

来自晶圆的反射光仅在投光光纤以及受光光纤的顶端存在于晶圆下方时才引导至分光器。换而言之，投光光纤以及受光光纤的顶端不在晶圆下方时，引导至分光器的光强度极低。即，除了来自晶圆的反射光以外的光不被用于确定膜厚。因此，能够不设置光程切换器而确定膜厚。

附图说明

图1为表示本发明一种实施方式涉及的研磨装置的图。

图2为表示研磨垫以及研磨台的俯视图。

图3为表示连接于光源的投光光纤的放大图。

图4为表示连接于分光器的受光光纤的放大图。

图5为用于说明光学式膜厚测定器的原理的示意图。

图6为表示分光波形的一个实例的图形。

图7为表示对图6所示的分光波形进行傅里叶变换处理而获得的频率光谱图形。

图8为表示投光光纤的顶端以及受光光纤的顶端不在晶圆下方时生成的频率光谱图形。

图9为表示具备第一光源与第二光源的实施方式的示意图。

图10为表示除了光源之外，进一步具备发出具有特定波长的光的校正用光源的实施方式的示意图。

图11为表示具备第一分光器与第二分光器的实施方式的示意图。

图12为表示设有第一光源及第二光源、第一分光器及第二分光器的实施方式的示意图。

图13为表示研磨装置的一个实例的示意图。

图14为表示图13所示的第一光程切换器的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1为表示本发明一实施方式涉及的研磨装置的图。如图1所示，研磨装置具备：支承研磨垫1的研磨台3；保持晶圆W并将晶圆W推压于研磨台3上的研磨垫1的研磨头5；用于在研磨垫1上供给研磨液(例如浆液)的研磨液供给喷嘴10；以及控制晶圆W研磨的研磨控制部12。

研磨台3经由台轴3a而连接于配置在其下方的台马达19，研磨台3通过该台马达19可在箭头指示的方向旋转。在该研磨台3的上表面贴合有研磨垫1，研磨垫1的上表面构成研磨晶圆W的研磨面1a。研磨头5连接于研磨头轴杆16的下端。研磨头5以能够由真空吸引而在其下面保持晶圆W的方式构成。研磨头轴杆16能够经由未图示的上下运动机构而上下运动。

晶圆W的研磨如下进行。使研磨头5以及研磨台3分别按箭头指示的方向旋转，从研磨液供给喷嘴10供给研磨液(浆液)至研磨垫1上。在该状态下，研磨头5将晶圆W推压于研磨垫1的研磨面1a上。晶圆W表面由于研磨液中包含的研磨粒的机械作用与研磨液的化学作用而被研磨。

研磨装置具备测定晶圆W膜厚的光学式膜厚测定器(膜厚测定装置)25。该光学式膜厚测定器25具备：发出光的光源30；具有被配置于研磨台3中不同位置的多个顶端34a、34b的投光光纤34；按照波长分解来自晶圆W的反射光，并测定各波长的反射光强度的分光器26；具有被配置于研磨台3中所述不同位置的多个顶端50a、50b的受光光纤50；以及生成表示反射光强度与波长的关系的分光波形的处理部27。处理部27连接于研磨控制部12。

投光光纤34连接于光源30，并以使从光源30发出的光引导于晶圆W表面的方式配置。受光光纤50连接于分光器26，并以将来自晶圆W的反射光引导至分光器26的方式配置。投光光纤34的一个顶端34a与受光光纤50的一个顶端50a彼此相邻，这些顶端34a、50a构成第一光传感器61。投光光纤34的另一个顶端34b与受光光纤50的另一个顶端50b彼此相邻，这些顶端34b、50b构成第二光传感器62。研磨垫1具有位于第一光传感器61以及第二光传感器62上方的通孔1b、1c，第一光传感器61以及第二光传感器62可通过这些通孔1b、1c而导光于研磨垫1上的晶圆W，并接收来自晶圆W的反射光。

图2为表示研磨垫1以及研磨台3的俯视图。第一光传感器61以及第二光传感器62位于从研磨台3中心起不同的距离，且在研磨台3的周向彼此分离而被配置。图2所示的实施方式为第二光传感器62相对于对研磨台3的中心被配置于第一光传感器61的相反侧。第一光传感器61以及第二光传感器62在研磨台3每旋转一周描绘不同的轨迹并交互穿过晶圆W。具体而言，第一光传感器61穿过晶圆W的中心，第二光传感器62仅穿过晶圆W的边缘部。第一光传感器61以及第二光传感器62交互地导光于晶圆W，并接收来自晶圆W的反射光。

图3为表示连接于光源30的投光光纤34的放大图。投光光纤34由被捆束具31捆束的多条股线光纤32而构成。投光光纤34具有：连接于光源30的投光主干光纤35；以及从投光主干光纤35分支的第一投光分支光纤36及第二投光分支光纤37。

图4为表示连接于分光器26的受光光纤50的放大图。受光光纤50也同样地被由捆束具51捆束的多条股线光纤52而构成。受光光纤50具有：连接于分光器26的受光主干光纤55；以及从受光主干光纤55分支的第一受光分支光纤56及第二受光分支光纤57。

投光光纤34的顶端34a、34b由第一投光分支光纤36及第二投光分支光纤37的顶端构成，这些顶端34a、34b如上所述位于研磨台3中。受光光纤50的顶端50a、50b由第一受光分支光纤56及第二受光分支光纤57的顶端构成，这些顶端50a、50b也位于研磨台3中。

在图3以及图4所示的实施方式，1条主干光纤分支成2条分支光纤，不过，也可以通过增加股线光纤，而分支成3条以上的分支光纤。再者，能够通过增加股线光纤而轻易地增大光纤直径。此种由多条股线光纤构成的光纤具备容易弯曲，且不易折断的优点。

晶圆W研磨中，从投光光纤34向晶圆W照射光，并由受光光纤50接收来自晶圆W的反射光。分光器26按照波长分解反射光，在整个指定的波长范围测定各波长的反射光强度，并将获得的光强度数据传送至处理部27。该光强度资料为反映晶圆W膜厚的光学信号，由反射光的强度及对应的波长构成。处理部27从光强度数据生成表示各波长的光强度的分光波形。

图5为用于说明光学式膜厚测定器25的原理的示意图。在图5所示的实例，晶圆W具有：下层膜；以及形成于其上的上层膜。上层膜例如为硅层或绝缘膜等容许光透过的膜。照射于晶圆W的光在媒介(图5的例中为水)与上层膜的界面、及上层膜与下层膜的界面反射，被这些界面反射的光波彼此干涉。该光波干涉的方式根据上层膜的厚度(即光程长)而变化。因而，由来自晶圆W的反射光而生成的分光波形随上层膜的厚度而变化。

分光器26按照波长分解反射光，对各波长测定反射光强度。处理部27从分光器26获得的反射光强度数据(光学信号)生成分光波形。该分光波形作为表示光波长与强度的关系的线图形来表示。光强度也可作为后述的相对反射率等的相对值来表示。

图6为表示分光波形的一个实例的图形。图6中，纵轴表示显示来自晶圆W的反射光强度的相对反射率，横轴表示反射光的波长。所谓相对反射率为表示反射光强度的指标值，且为光强度与指定的基准强度之比。各波长中通过将光强度(实测强度)除以指定的基准强度，能够从实测强度除去装置的光学系统、光源固有强度的偏差等不需要的噪声。

基准强度为对于各波长预先取得的强度，且对于各波长算出相对反射率。具体而言，通过将各波长的光强度(实测强度)除以对应的基准强度而求出相对反射率。基准强度例如通过直接测定从膜厚传感器发出的光强度，或是从膜厚传感器照射光至镜上，通过测定来自镜的反射光强度而获得。或是，基准强度也可作为在水存在下水研磨尚未形成膜的硅晶圆(裸晶圆)时获得的光强度。在实际的研磨，从实测强度减去黑电平(dark level)(在遮蔽光条件下获得的背景强度)求出修正实测强度，再从基准强度减去上述黑电平求出修正基准强度，而后，通过将修正实测强度除以修正基准强度而求出相对反射率。具体而言，可使用以下公式求出相对反射率R(λ)。

[数学式1]

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{E\left(\mathrm{\λ}\right)-D\left(\mathrm{\λ}\right)}{B\left(\mathrm{\λ}\right)-D\left(\mathrm{\λ}\right)}$

其中，λ为波长，E(λ)为从晶圆反射的波长λ的光强度，B(λ)为波长λ的基准强度，D(λ)为在遮断光条件下所取得的波长λ的背景强度(黑电平)。

处理部27对分光波形进行傅里叶变换处理(例如，高速傅里叶变换处理)而生成频率光谱，并从频率光谱确定晶圆W的膜厚。图7为表示对图6所示的分光波形进行傅里叶变换处理而获得的频率光谱的图形。图7中，纵轴表示分光波形中包含的频率成分的强度，横轴表示膜厚。频率成分的强度相当于作为正弦波而表示的频率成分的振幅。分光波形中包含的频率成分使用指定的关系公式变换成膜厚，生成表示如图7所示的膜厚与频率成分强度的关系的频率光谱。上述指定的关系公式为将频率成分作为变量来表示膜厚的一次函数，且能够根据膜厚的实测结果或光学性膜厚测定模拟等求出。

图7所示的图形中，频率成分强度的峰值在膜厚t1出现。换而言之，膜厚t1时，频率成分的强度最大。即，该频率光谱表示膜厚为t1。如此，处理部27确定对应于频率成分强度峰值的膜厚。

处理部27将膜厚t1作为膜厚测定值而输出至研磨控制部12。研磨控制部12依据从处理部27送来的膜厚t1控制研磨动作(例如，研磨结束动作)。例如，研磨控制部12于膜厚t1达到规定的目标值时结束晶圆W的研磨。

本实施方式的膜厚测定装置25与图13所示的膜厚测定装置210不同，不具用于将多条分支光纤选择性连接于主干光纤的光程切换器。即，投光主干光纤35始终连接于第一投光分支光纤36以及第二投光分支光纤37。同样地，受光主干光纤55始终连接于第一受光分支光纤56以及第二受光分支光纤57。

第二光传感器62相对于研磨台3的中心被配置于第一光传感器61的相反侧。因此，晶圆W研磨中，在研磨台3每旋转一周，第一光传感器61以及第二光传感器62交互地穿过晶圆W。分光器26通过受光光纤50的第一受光分支光纤56及第二受光分支光纤57随时接收光。但是，投光光纤34以及受光光纤50的顶端34a、34b、50a、50b不在晶圆W下方时，分光器26接收的光强度极低。因此，处理部27为了区别来自晶圆W的反射光与其他光，而如图7所示，在处理部27中预先存储了有关频率成分强度的临界值。

投光光纤34以及受光光纤50的顶端34a、34b、50a、50b不在晶圆W下方时，入射于分光器26的光强度低。此时，频率光谱中包含的整个频率成分的强度降低。图8为表示投光光纤34的顶端以及受光光纤50的顶端不在晶圆W下方时所生成的频率光谱的图形。如图8所示，整个频率成分的强度的临界值也低。因此，该频率光谱不能用于确定膜厚。

反之，如图7所示，从来自晶圆W的反射光所生成的频率光谱包含比临界值大的频率成分的强度，且频率成分强度的峰值比临界值大。因此，该频率光谱能够用于确定膜厚。

如此，处理部27通过将频率光谱中包含的频率成分强度与临界值比较，即可区别来自晶圆W的反射光和其他光。进一步地，由于第一光传感器61以及第二光传感器62交互穿过晶圆W，因此，第一光传感器61以及第二光传感器62接收的反射光不重叠。因此，不需要设置光程切换器。上述实施方式的膜厚测定除了在晶圆W研磨中之外，也可在晶圆W研磨前和/或研磨后进行。

图9为表示具备第一光源30A与第二光源30B的实施方式的示意图。如图9所示，本实施方式的光源30由第一光源30A与第二光源30B构成。投光光纤34连接于第一光源30A与第二光源30B两者。即，投光主干光纤35具有2个输入端子线35a、35b，这些输入端子线35a、35b分别连接于第一光源30A与第二光源30B。

第一光源30A与第二光源30B也可为具有不同构成的光源。例如，第一光源30A由卤素灯构成，第二光源30B由发光敏二极管构成。卤素灯发出的光的波长范围广(例如，300nm～1300nm)，且寿命短(约2000小时)，而发光敏二极管发出的光的波长范围窄(例如900nm～1000nm)，且寿命长(约10000小时)。本实施方式可以依据晶圆W的膜种类适当选择第一光源30A或第二光源30B的任意一个。也可以使用氙灯、重氢灯、激光器等其他类型的光源。

第一光源30A与第二光源30B也可以为具有发出相同波长范围的光的相同构成的光源。例如，也可以第一光源30A及第二光源30B两者都使用卤素灯。卤素灯的寿命比较短，约为2000小时。根据本实施方式，在第一光源30A的光量降低时，能够通过切换成第二光源30B，延长膜厚测定装置25的使用寿命。进一步地，当第二光源30B的光量也降低时，将第一光源30A及第二光源30B两者更换成新品。根据本实施方式，由于能够通过一次更换作业实现两倍寿命，因此能够缩短使研磨装置运转停止的时间。

图10为表示除光源30之外，进一步具备发出具有特定波长的光的校正用光源60的实施方式的示意图。校正用光源60以校正用光纤63连接于分光器26。校正用光纤63也可以由受光光纤50的一部分构成。即，校正用光纤63也可以由从受光主干光纤55分支的第三受光分支光纤构成。

校正用光源60可以使用强烈地发出特定波长光的放电系的光源，例如可以使用氙灯。从校正用光源60发出的光由分光器26分解，并由处理部27生成分光波形。由于校正用光源60的光具有特定波长，因此生成分光波形作为亮线光谱。校正用光源60的光的波长为已知。因此，以亮线光谱中包含的亮线的波长与校正用光源60的光的波长一致的方式来校正分光器26。

为了使膜厚测定装置正确测定膜厚，须定期或不定期调整分光器。过去的校正方法为在研磨垫上设置校正用光源，对第一光传感器或第二光传感器2照射光，以分光器测定光的强度。但是，这种过去的校正方法不仅需要使研磨装置停止运转，还可能污染研磨垫的研磨面。由于在本实施方式将校正用光源60设置于研磨台3，并连接于分光器26，因此不停止研磨装置运转即可以实施分光器26的校正。例如，也可在晶圆W研磨工序中进行分光器26的校正。

图11为表示具备第一分光器26A与第二分光器26B的实施方式的示意图。如图11所示，本实施方式的分光器26由第一分光器26A与第二分光器26B构成。受光光纤50连接于第一分光器26A与第二分光器26B两者。即受光主干光纤55具有2个输出端子线55a、55b，这些输出端子线55a、55b分别连接于第一分光器26A与第二分光器26B。第一分光器26A及第二分光器26B两者连接于处理部27。

第一分光器26A及第二分光器26B以在不同波长范围测定反射光的强度的方式构成。例如，第一分光器26A可测定的波长范围为400nm～800nm，第二分光器26B可测定的波长范围为800nm～1100nm。使用卤素灯(发光波长范围300nm～1300nm)作为光源30。处理部27根据第一分光器26A及第二分光器26B送来的光强度数据(包含反射光之强度与对应的波长之光学信号)生成分光波形，进一步对分光波形进行傅里叶变换而生成频率光谱。具备2个分光器26A、26B的光学式膜厚测定器25相比于能够在400nm～1100nm的波长范围测定的1个分光器，可以使分辨率提高。

第一分光器26A及第二分光器26B也可以具有不同的构成。例如，第二分光器26B也可以由光敏二极管构成。此时，处理部27根据第一分光器26A送来的光强度数据(包含反射光的强度与对应波长的光学信号)生成分光波形，进一步对分光波形进行例如傅里叶变换而生成频率光谱。

为了检测水的存在而使用由光敏二极管构成的第二分光器26B。使用卤素灯(发光波长范围300nm～1300nm)作为光源30。一般而言，光敏二极管可测定在900nm～1600nm波长范围的光强度。晶圆W与光纤34、50的顶端之间有水存在时，1000nm附近的波长的反射光的强度降低。处理部27能够依据在1000nm附近波长的反射光强度降低来检测有水存在。

上述实施方式可适当组合。例如，图12所示，也可设置第一光源30A及第二光源30B、与第一分光器26A及第二分光器26B。更具体而言，也可使用卤素灯作为第一光源30A，使用发光二极管作为第二光源30B，使用光敏二极管作为第二分光器26B。

上述实施方式为以具有本发明所属技术领域的一般知识的人能够实施本发明为目的而记载的。本领域技术人员当然可形成上述实施形态的各种变形例，本发明的技术性思想也可适用于其他实施方式。因此，本发明不限定于所记载的实施方式中，而为按照由权利要求书所定义的技术性思想解释为最广范围。

符号说明

1 研磨垫

1a 研磨面

1b、1c 通孔

3 研磨台

3a 台轴

5 研磨头

10 研磨液供给喷嘴

12 研磨控制部

16 研磨头轴杆

19 台马达

25 光学式膜厚测定器(膜厚测定装置)

26 分光器

26A 第一分光器

26B 第二分光器

27 处理部

30 光源

30A 第一光源

30B 第二光源

31 捆束具

32 股线光纤

34 投光光纤

34a、34b 顶端

35 投光主干光纤

35a、35b 输入端子线

36 第一投光分支光纤

37 第二投光分支光纤

50 受光光纤

50a、50b 顶端

51 捆束具

52 股线光纤

55 受光主干光纤

55a 输出端子线

55b 输出端子线

56 第一受光分支光纤

57 第二受光分支光纤

60 校正用光源

61 第一光传感器

62 第二光传感器

63 校正用光纤

201 研磨垫

202 研磨台

205 研磨头

206 研磨液供给喷嘴

210 膜厚测定装置

212 光源

215 投光光纤

216 第一光纤

217 第二光纤

220 第一光程切换器

222 分光器

224 受光光纤

227 第三光纤

228 第四光纤

230 第二光程切换器

234 第一光传感器

235 第二光传感器

240 处理部

244 压电致动器

t1 膜厚

W 晶圆。