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MEASUREMENT DEVICE AND METHOD OF THREE-DIMENSIONAL SURFACE

Patent code P120007818
File No. S2011-0260
Posted date Jul 25, 2012
Application number P2011-266969
Publication number P2012-137484A
Patent number P5892591
Date of filing Dec 6, 2011
Date of publication of application Jul 19, 2012
Date of registration Mar 4, 2016
Priority data
  • P2010-274566 (Dec 9, 2010) JP
Inventor
  • (In Japanese)カチョーンルンルアン パナート
  • (In Japanese)木村 景一
  • (In Japanese)鈴木 恵友
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人九州工業大学
Title MEASUREMENT DEVICE AND METHOD OF THREE-DIMENSIONAL SURFACE
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To allow a complicated surface shape of an abrasive pad for CMP to be quantitatively evaluated as it is in real time by using an optical Fourier transformation.
SOLUTION: A solution layer regularizing base plate is mounted on a three-dimensional micro irregular face to be evaluated via a solution. A laser irradiation part irradiates the micro irregular face with a laser beam of single wavelength light through the solution layer regularizing base plate. A Fourier-transformed image formed by optically Fourier-transforming light diffused and diffracted from the micro irregular face is acquired by a Fourier-transformed image acquisition part. The Fourier-transformed image is photoelectrically converted into an electrical signal as a light intensity distribution by a signal converter. The waveform of the acquired light intensity distribution is analyzed into a fundamental wavenumber and at least one higher harmonic wavenumber, and respective wavelengths and amplitudes are extracted as spectral information to evaluate the shape of the three-dimensional micro irregular face.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

接触型表面粗さ計測方法については、これまで接触式として、走査型トンネル顕微鏡(STM)や原子間力顕微鏡(AFM)、近接場走査顕微鏡(NSOM)が公開されている。しかし、これらの方法では、非計測エリアでの表面ダメージの問題や微小領域の計測でも長時間を要する。

一方、非接触型表面粗さ計測方法としては、Fraunhofer回折による超精密加工表面粗さに関する研究が報告されている(非特許文献1)。この公知文献での解析手法は、レーザ強度の強度分布に関する議論が中心で、ポリシングパッド表面による空間波長を反映していない。さらに、これまで、ポリシングパッドの表面凹凸と研磨性能を相関づけた研究は報告されていない。半導体デバイスは、平滑平坦に仕上げられたウェハ上に集積回路の素子が構成されている。近年、ウェハの平坦度(Site Flatness[非特許文献1])は52 nm以下に要求されている。平坦化プロセスとして、CMP(Chemical Mechanical Polishing; 化学的機械的研磨)技術が採用されている。

図5(A)は、従来技術による化学的機械的研磨装置を例示し、(B)は(A)中にX部として示す研磨パッドとウェハ間での微小領域を示す図、及びその一部を拡大して示す走査電子顕微鏡SEM観察像の図である。ウェハは、キャリアにより保持され、回転しているプラテンに貼り付けた研磨パッド表面上に対して荷重を受けながら回転する。同時に研磨液であるスラリー(研磨粒子が含まれる化学溶液)が研磨パッド上に供給されることにより研磨が進行する。

CMPプロセスによる材料除去現象は、スラリー中の化学溶液成分により軟弱化したウェハ表面の材料が、化学反応膜に凝着した研磨粒子および回転機構で発生したスラリー流れの機械的運動により、取り除かれることで進行すると考えられている。研磨粒子とスラリー流れの微視的挙動に直接影響する研磨パッドの表面形状((B)のSEM観察像)は、コンディショナに固定されたダイヤモンド粒子による加工痕として形成される。この作業をコンディショニングという。研磨パッド表面上に形成される微小凹凸は研磨特性を大きく支配しているため、高能率CMPを実現するにはその微小凹凸を定量的に評価する必要がある。しかし、コンディショニング後の研磨パッド表面凹凸が無数でランダムなため、その定量的評価法は未熟であり、確立されていない。

これまで、研磨パッドの表面形状の適正を評価する研究は(非特許文献2参照)、研磨パッドからの反射光量のみしか評価対象とされず、表面形状の空間波長とその振幅特性を評価対象とする研究例はなかった。

研磨パッドの表面形状の定量的解析手法として、コンディショニング後の研磨パッド(ドライ状態)を共焦点レーザ顕微鏡で三次元微小凹凸の形状を観察し、得られた複雑な表面形状を2次元フーリエ変換することにより、各空間波長における凹凸の高さ(振幅)解析を行っている[非特許文献3]。この光学的フーリエ変換像に三次元表面形状の情報を含んでいることが知られている[非特許文献4参照]。非特許文献4は、レーザ光を砥石表面に直接照射し、その反射光がフーリエ変換レンズの焦点面に作り出すパワースペクトルパターン(Fraunhofer回折像)から砥石作業面性状を評価する技術を開示する。具体的には、砥石回転中における平均パワースペクトルがその最大強度の4%になる位置(波長μ0)を測定することによって、この波長μ0に相当する砥粒切れ刃の平均逃げ面摩耗幅を定量的に求めている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明はポリシングパッドの解析手法に利用することで、半導体や液晶製造工程における製造プロセスや実装プロセスで利用されているナノ超精密研磨の分野に利用可能の三次元表面の計測装置及び方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
次元の微小凹凸面の上に溶液を介して載置した溶液層定常化基板と、
前記微小凹凸面と前記溶液層定常化基板で挟まれた領域内に単一波長光のレーザ光を照射するレーザ照射部と、
前記微小凹凸面から散乱及び回折した光を光学的にフーリエ変換したフーリエ変換像を取得するフーリエ変換像取得部と、
このフーリエ変換像を光強度分布として、電気信号に光電変換する信号変換器と、
前記取得した光強度分布の波形を、基本波数及び少なくとも一つの高調波数に分解したそれぞれの波長とその振幅をスペクトル情報として抽出する演算器と、を備え、
この抽出したスペクトル情報により前記三次元の微小凹凸面の形状を評価することから成る三次元表面の計測装置。

【請求項2】
 
前記三次元の微小凹凸面は、ウェハを研磨中の研磨パッドの表面である請求項1に記載の三次元表面の計測装置。

【請求項3】
 
複数種類のコンディショナを用いてコンディショニングした研磨パッドの表面形状のフーリエ変換像をデータベース化し、かつ、研磨前後のウェハ厚を測定することにより得た研磨レートと前記データベース化したフーリエ変換像との相関を見出す請求項2に記載の三次元表面の計測装置。

【請求項4】
 
前記溶液層定常化基板は、サファイア基板である請求項1に記載の三次元表面の計測装置。

【請求項5】
 
前記レーザ照射部には、ファンクションジェネレータの出力を導くことによりパルス化したレーザ光を照射して、このパルス化レーザ光と、フーリエ変換像の取得を同期させた請求項1に記載の三次元表面の計測装置。

【請求項6】
 
前記レーザ照射部は、単一波長光を発生させて照射するか、或いは、複数の波長を持った光発生機を用いて発生したレーザ光から、単一波長光を抽出して照射する請求項1に記載の三次元表面の計測装置。

【請求項7】
 
三次元の微小凹凸面の上に溶液を介して載置した溶液層定常化基板を通して、単一波長のレーザ光を照射し、
前記微小凹凸面から散乱及び回折した光を光学的にフーリエ変換したフーリエ変換像を取得し、
このフーリエ変換像を光強度分布として電気信号に光電変換し、
前記光強度分布の波形を、基本波数及び少なくとも一つの高調波数に分解したそれぞれの波長とその振幅をスペクトル情報として抽出して、前記三次元の微小凹凸面の形状を評価することから成る三次元表面の計測方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2011266969thum.jpg
State of application right Registered
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