CN101530983B - 抛光状态监测装置和抛光装置以及方法 - Google Patents

Abstract

一种抛光状态监测装置，包括：光源；发光单元，设置在具有抛光表面的抛光台中，用于将光从光源施加到工件之被抛光的表面；光接收单元，设置在抛光台中，用于接收来自工件表面的反射光；分光镜单元，用于将由光接收单元接收的反射光分开成多条光线；多个光接收元件，用于检测由分光镜单元分开的多条光线和累积检测的多条光线；光谱数据产生器，用于读取由光接收元件累积的信息，以及产生反射光的光谱数据；控制单元，用于控制光接收元件，以在抛光台旋转时执行采样处理；以及处理器，用于根据包括乘法的计算来计算工件表面的预定特征值。

Description

抛光状态监测装置和抛光装置以及方法

本申请是申请日为2003年10月15日、申请号为200380101631.2、发明名称为“抛光状态监测装置和抛光装置以及方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于监测工件的抛光状态的装置，以及更具体地，涉及用于测量例如半导体晶片的工件(待抛光的对象)之被抛光表面的特征值，以确定抛光结束点(抛光停止或者抛光条件的改变)之定时的抛光状态监测装置。本发明也涉及结合这种抛光状态监测装置的抛光装置，以及抛光方法。

背景技术

随着半导体器件在最近几年已经变得更加高度集成化，电路互连已经变得更细，并且待集成的器件已经成为多层结构。因此，必须抛平半导体晶片的表面。通过化学机械抛光(CMP)处理从半导体晶片的表面祛除表面不平度，由此抛平半导体晶片的表面已经成为了通常做法。

根据化学机械抛光处理，在半导体晶片已经被抛光一特定周期之后，需要在半导体晶片上期望的位置结束该抛光。例如，可以优选地在Cu(铜)或Al(铝)的金属互连结构上保留例如SiO₂的绝缘层(这种绝缘层被称为层间膜，因为在随后的处理中将在该绝缘层上形成金属层、)。如果半导体晶片被抛光的比需要的多，那么就会在表面露出下面的金属膜。因此，为了使层间膜保持预定厚度，需要结束抛光处理。

根据另一种处理，在半导体晶片表面形成互连凹槽的预定构图。在利用Cu(铜)或Cu合金填充在互连凹槽之后，通过化学机械抛光(CMP)处理将不必要的部分从半导体晶片的表面祛除。当通过CMP处理抛光Cu层时，必须有选择地从半导体晶片上祛除Cu层，同时只保留互连凹槽中形成的Cu层。具体地说，需要在除互连凹槽之外的区域中将Cu层祛除，以露出SiO₂等的绝缘膜。

在这种情况下，如果过度地将互连凹槽中的Cu层与绝缘层一起抛光，则电路电阻将会增大，并且将不得不废弃整个半导体晶片，从而导致很大的损失。反之，如果Cu层没有被充分抛光而保留在绝缘层上，则将不能很好地分割电路，这样会引起短路。结果，Cu层需要再次被抛光，导致制造成本增加。

这样，存在已知的抛光状态监测装置，用于利用光学传感器来测量反射光的强度以及基于反射光的测量强度来检测CMP处理的结束点。具体地说，抛光状态监测装置具有光学传感器，其包括发光元件和光检测元件，并且光从光学传感器施加到半导体晶片之被抛光的表面，检测半导体晶片之被抛光的表面中光的反射率的变化，以检测CMP处理的结束点。

以下用于测量CMP处理中的光学特性的处理在本技术领域中是众所周知的：

(1)来自例如半导体激光器、发光二极管(LED)等单色光源的光被施加到半导体晶片之被抛光的表面，以及对反射光之强度变化进行检测。

(2)白光被施加到半导体晶片之被抛光的表面，以及将其光谱反射率与在抛光结束点的预记录的光谱反射率进行比较。

在本说明书中，光谱反射率被定义为包括“光谱反射率”和“光谱特定反射率(spectral specific reflectance)”的术语。光谱反射率被定义为“反射光的能量与入射光的能量的比率”。光谱特定反射率被定义为“来自待监测对象的反射光之能量与来自参考对象(例如，裸硅晶片)的反射光的能量的比率”。

最近，已经开发出了一种用于估算晶片的初始膜厚度的抛光状态监测装置，该装置将激光束施加在晶片上，并使用正弦波模型函数来估算来自晶片的反射光之强度的测量值随时间的变化，以计算膜厚度。

但是，在传统的抛光状态监测装置中，没有控制导体晶片之被抛光的表面上的采样点的位置，并且根据抛光台的初始角的位置、旋转加速度、和稳态旋转速度、以及启动采样处理的时间，来改变所述采样点。因此，不能测量例如在晶片表面上期望位置的特征值，例如晶片上的中心线或者晶片上的圆周部分的膜厚度。尤其，如果采样周期很长，则很难估计剩余的膜轮廓。

在上述利用模型函数测量膜厚度的抛光状态监测装置中，根据期望的初始膜厚度以及反射强度之测量值的时间变化来计算膜厚度。因而，如果抛光速率在抛光处理期间改变，或者如果很难估计初始膜厚度，或者如果初始膜厚度很小，则不能确定精确的模型函数，这样很难测量膜厚度。

如果采样周期很长并且一个采样点(采样区域)是在晶片之表面上很宽的范围内，则对取决于不同构图和去除数量的各种膜厚度同时进行测量。因而，不能确定精确的模型函数，并且因此很难测量膜厚度。

在CMP处理中，来自晶片之被抛光表面的反射光强度由于泥浆(抛光液)、气泡、或者机械振动的影响而发生变化。具体地说，如果使用单色光源，则反射光强度的波动直接引起测量误差。如果使用白光，则光谱反射率的波动也直接引起误差，这样降低了结束点检测的准确性。

发明内容

鉴于现有技术中的上述问题，做出本发明。本发明的一个目的是提供一种抛光状态监测装置以及结合这种抛光状态监测装置的抛光装置，其可以准确地并且便宜地测量工件(例如被抛光的半导体晶片)上的膜状态，以及确定抛光结束点(停止抛光或者抛光条件的改变)的定时。

为了解决这些传统的问题，根据本发明的第一方面，提供一种抛光状态监测装置，它包括：光源；发光单元，设置在具有抛光表面的抛光台中，用于将来自光源的光施加到工件之被抛光的表面；光接收单元，设置在抛光台中，用于接收来自工件之表面的反射光；分光镜单元，用于将由光接收单元接收的反射光分开为具有各自波长的多条光线；多个光接收元件，用于检测由分光镜单元分开的光线，以及累积检测到的光线作为电信息；光谱数据产生器，用于读取由多个光接收元件累积的电信息，以及产生反射光的光谱数据；控制单元，用于控制多个光接收元件，以在抛光台旋转的同时，在预定的时间执行采样处理；以及处理器，用于基于由所述光谱数据产生器产生的光谱数据，计算工件之表面上的预定的特征值。

通过此设置，因为可以合理地调整通过多个光接收元件执行的采样处理的定时，所以可以将测量点与发光单元和光接收单元经过工件表面之路径(所施加的光和反射光的路径)上的期望位置相对准。这样，每当抛光台旋转一圈时，可以重复地测量工件之表面上预定的径向位置的特征值。如果采样周期不变，则在抛光台的每次旋转中工件之表面上的每个采样点的径向位置不变。因此，即使花费时间来读取和计算累积在多个光接收元件中的电信息，这样增加了采样周期，但是因为可以重复测量在工件之表面上的多个径向位置的特征值，所以可以很容易地找到工件之被抛光的表面的剩余膜轮廓以及抛光进度。因为采样周期可能很长，所以例如光电二极管阵列的通用光接收元件可以被用作光接收元件，以及因此抛光状态监测装置可以使用便宜的光学系统。

此外，通过将来自工件之被抛光的表面的反射光分开为具有各自波长的多条光线，可以准确地确定例如膜厚度的特征值，而不受抛光速率的变化以及初始膜厚度的影响。即使采样周期由于使用具有各自波长的多条光线而增大，但是因为可以重复测量工件的表面上的多个径向位置的特征值，正如以上所述，所以可以容易地控制工件之被抛光的表面的剩余膜轮廓以及抛光进度。

根据本发明的优选方面，控制单元控制由光接收元件执行的采样处理的定时，使得采样点位于将抛光台的中心与工件的中心互相连接的线上。

根据本发明的优选方面，发光单元和光接收单元经过工件的中心。通过允许光接收元件经过工件的中心以及如上所述对采样处理的定时进行控制，每当抛光台旋转一圈时，需要时可以将工件的中心作为固定点测量，这样可以准确地控制工件之剩余膜的时间变化。

根据本发明的优选方面，控制单元能够基于抛光台的旋转速度对由光接收元件所执行的采样处理的采样周期进行调整。因为采样周期可以基于抛光台的旋转速度被调整，所以工件之表面上的两个或多个期望的径向位置都可以作为采样点。因此，可以看到剩余膜在例如晶片的中心和晶片的周围部分的特定点的转变，以及因此能够以较高精度对工件的表面进行测量。

根据本发明的第二方面，提供一种抛光状态监测装置，包括：光源；发光单元，设置在具有抛光表面的抛光台中，用于将来自光源的光施加到工件之被抛光的表面；光接收单元，设置在抛光台中，用于接收来自工件之表面的反射光；分光镜单元，用于将由光接收单元接收的反射光分开为具有各自波长的多条光线；多个光接收元件，用于检测由分光镜单元分开的多条光线，以及累积检测到的光线作为电信息；光谱数据产生器，用于读取由光接收元件累积的电信息，以及产生反射光的光谱数据；控制单元，用于控制光接收元件，以在抛光台旋转的同时，在预定的定时执行采样处理；以及处理器，用于根据包括有乘法的计算来计算工件之表面上预定的特征值，所述乘法是将由光谱数据产生器产生的光谱数据的波长分量乘以预定的加权系数。

通过基于光谱数据来计算特征值(指数)，即使初始膜厚度很小，或者膜的光透射能力很小以致没有产生干涉信号，也可以基于计算的特征值来监测抛光状态。例如，与采样点相对应的区域的颜色可以被转换成数字值作为特征值，以及因此可以检测到由于祛除特定的膜而使颜色改变的改变点。当随着抛光处理进行而上层膜变薄，导致光谱波形的形状发生变化时，可以测量颜色随时间的变化，并且基于表示颜色的特征值，可以确定抛光结束点(停止抛光或改变抛光条件)。因为特征值可以被标准化，所以可以消除光谱数据中波动的影响。

根据本发明的优选方面，特征值包括从光谱数据转换的色度坐标值。通过使用标准化色度坐标值作为特征值，可以通过标准化来消除光谱数据中波动的影响。因而，可以消除由测量系统的不稳定性引起的光谱数据波动的影响。

根据本发明的优选方面，光源发出具有波段的光。例如白光的具有宽波段的光从光源发射，而将反射光分开，以获得反射光谱。因此，可以不依赖于在各个时间的以前的测量值计算出膜厚度，这不同于例如所使用的半导体激光器、LED等单色光源。因而，可以精确地确定例如膜厚度的特征值，而不受抛光速率和初始膜厚度中的变化所影响。

根据本发明的优选方面，光源包括脉冲光源。通过使用脉冲光源作为光源，可以减小与每一个采样点相对应的测量表面的范围。这样，可以更精确地计算出特征值，同时很少受到不同抛光构图和抛光速率的影响。

根据本发明的优选方面，光源包括连续光源，该连续光源至少在所述光接收元件正在检测来自所述工件之所述表面的反射光时连续打开。通过使用连续光源作为光源，可以均化和读取特定区域中的反射光，其中在该特定区域中光接收元件扫描工件的表面。因此，可以识别所述区域之颜色中的一般变化，产生高频波动很小的随时间变化的波形。

根据本发明的第三方面，提供一种抛光在工件上形成的膜的方法，包括：将来自光源的光施加到工件之被抛光的表面；检测从工件之表面反射的光；分开检测的光并且产生其光谱数据；将光谱数据与预定的权函数相乘，以及对乘积进行积分，以产生标量值；利用所述标量值计算工件之被抛光的表面的特征值；以及利用所述特征值监测对工件之表面抛光的进度。

优选地，检测特征值之时间变化的特征点，以及在经过从特征点检测开始的预定时间之后，停止抛光处理或改变抛光条件。此外，优选地，利用特征值的时间变化来调整权函数。权函数可以沿着波长轴移动。这样可以按照所需调整极值(峰值)的位置，用于增加确定抛光结束点的准确性。光谱数据可以乘以不同于上述权函数的第二权函数，以及可以对乘积进行积分，以产生第二标量值，利用第二标量值计算出工件之被抛光的表面的第二特征值，以及利用所述特征值和第二特征值可以监测工件表面的抛光进度。因而，在对工件之表面的抛光处理进行检测时，可以增大极值(即，最大和最小值)的数量，用于增加监测处理的精度(分辨率)。

根据本发明的第四方面，提供一种用于抛光在工件上形成的膜的装置，包括：光源，用于将光施加到工件之被抛光的表面；光接收单元，用于接收来自工件之表面的反射光；分光镜单元，用于分开由光接收单元接收的反射光；光谱数据产生器，用于根据分开的光产生光谱数据；以及处理器，用于将光谱数据与期望的权函数相乘并且对乘积进行积分，以产生标量值，以及利用标量值计算工件之被抛光的表面的特征值。

根据本发明的优选方面，装置还包括输入单元，用于设定权函数；以及显示单元，用于监测特征值。

根据本发明的优选方面，提供一种装置，还包括：抛光表面；顶钢圈，用于保持工件并且使工件的表面紧压抛光表面；检测器，用于检测随时间变化的特征值的特征点；以及控制单元，用于在从特征点的检测开始经过预定的时间之后，停止抛光处理或改变抛光条件。所述处理器将光谱数据乘以不同于所述权函数的所期望的第二权函数，并且对乘积进行积分，以产生第二标量值，以及利用该第二标量值计算工件之所述表面的第二特征值。因而，在对工件之表面的抛光处理进行检测时，可以增加极值(即，最大和最小值)的数量，用于提高监测处理的精度(分辨率)。

根据本发明的第五方面，提供一种抛光状态监测装置，包括：光源，用于将光施加到工件之被抛光的表面；光接收单元，用于接收来自工件之表面的反射光；分光镜单元，用于分开由光接收单元接收的反射光；光谱数据产生器，用于根据分开的光线产生光谱数据；以及处理器，用于将光谱数据乘以所期望的权函数并且对乘积进行积分，以产生标量值，以及利用所述标量值计算工件之被抛光的表面的特征值。

根据本发明的优选方面，装置还包括输入单元，用于设定权函数；以及显示单元，用于监测特征值。

根据本发明，因为可以合理地调整由光接收元件执行的采样处理的定时，所以可以将测量点与沿着发光单元和光接收单元在工件表面上经过的路径(所施加的光和反射光的路径)上的期望位置相对准。这样，每当抛光台旋转一圈时，可以重复地测量工件之表面上预定的径向位置的特征值。如果采样周期不变，则在抛光台每次旋转时工件之表面上的每个采样点的径向位置不变。因此，即使花费时间来读取和计算累积在光接收元件中的电信息，增加了采样周期，但是因为在工件之表面上的多个径向位置的特征值可以被重复测量，所以可以容易地了解工件表面的剩余膜轮廓以及抛光进度。因为采样周期可能很长，所以例如光电二极管阵列的通用光接收元件可以被用作光接收元件，以及因此所述抛光状态监测装置可以使用便宜的光学系统。

因此，通过将来自工件之被抛光的表面的反射光分开为具有各自波长的多条光线，可以准确地确定例如膜厚度的特征值，而不受抛光速率的变化以及初始膜厚度的影响。即使由于使用具有各自波长的多条光线而增加采样周期，但是因为可以重复测量在工件之表面上的多个径向位置的特征值，正如以上所述，所以可以容易地了解工件之被抛光表面的剩余膜轮廓以及抛光进度。

根据本发明，通过基于光谱数据来计算特征值(指数)，即使初始膜厚度很小，或者膜的光透射能力很小以致没有产生干涉信号，也可以基于计算的特征值来监测工件的抛光状态。例如，与采样点相对应的区域的颜色可以被转换成数字值作为特征值，以及因此可以检测到由于膜的祛除而使颜色改变的改变点。当随着抛光处理进行而上层膜变薄，导致光谱波形的形状发生变化时，可以测量颜色随时间的变化，并且基于表示颜色的特征值，可以确定抛光结束点(停止抛光或改变抛光条件)。因为特征值可以被标准化，所以可以消除光谱数据中的波动的影响。

附图说明

图1是显示根据本发明之实施例的具有抛光状态监测装置的抛光装置的总体配置的示意图；

图2是显示在图1所示的抛光状态监测装置中使用脉冲光源的情况下分光镜单元中的光接收元件之操作的示意图；

图3是显示在图1所示的抛光状态监测装置中使用连续光源的情况下分光镜单元中的光接收元件之操作的示意图；

图4是描述图1所示的抛光状态监测装置之采样定时的平面图；

图5是显示由根据本发明的抛光状态监测装置产生的光谱数据的曲线图；

图6是显示用在根据本发明的抛光状态监测装置中的膜厚度和光谱近似值的最小方差之间关系的曲线图；

图7是显示在根据本发明的抛光状态监测装置中使用脉冲光源的情况下的测量点的平面图；

图8是描述图1所示的抛光状态监测装置中使用的权函数的曲线图；

图9是描述用于根据本发明的抛光状态监测装置中的在对氧化物膜进行抛光时随时间变化的相对反射率的曲线图；

图10是描述由于不同的权函数波长范围而引起的特征值之周期的变化的曲线图，其用于根据本发明的抛光状态监测装置中；

图11是描述根据本发明的抛光状态监测装置中使用的短波长和长波长的多组权函数的示意图；

图12是用于根据本发明的抛光状态监测装置中的在对氧化物膜进行抛光时随时间变化的相对反射率的曲线图；该曲线图显示了由于膜厚度的变化而引起的光谱波形的变化；

图13是描述用于根据本发明的抛光状态监测装置中的特征值相对于权函数之波长范围的变化的曲线图；

图14是显示在根据本发明的抛光状态监测装置中使用连续光源的情况下的采样点的平面图；

图15是用于调整根据本发明的抛光状态监测装置中的采样周期的处理的流程图；以及

图16是显示在根据本发明的抛光状态监测装置中对采样周期进行调整的方式的平面图。

具体实施方式

通过参考图1到16，以下将详细描述根据本发明的抛光装置的实施例。在图1到16中，相同的或相应的元件由相同的参考标记表示，并且将不再对其作重复描述。

图1是根据本发明之实施例的抛光装置的总体配置的示意图。如图1所示，根据本实施例的抛光装置具有抛光台12、固定在其上表面的抛光垫10、以及顶钢圈14，顶钢圈14用于保持作为工件(待抛光的对象)的半导体晶片W，以及将半导体晶片W压紧在抛光垫10的上表面。抛光垫10的上表面用作抛光表面，其与作为待抛光对象的半导体晶片W滑动接触。包含由树脂等粘合剂固定的细小磨粒(由CeO₂等制造)的固定研磨板之上表面可以被用作抛光表面。

抛光台12连接到设置在其下方的电动机(未显示)，以及可以如箭头所示围绕其自身的轴旋转。抛光液供应喷嘴16设置在抛光台12的上方，并给抛光垫10上提供抛光液Q。

顶钢圈14连接到顶钢圈轴18，顶钢圈轴18与电动机、上升和下降汽缸(未示出)连接。这样顶钢圈14可以如箭头所示垂直移动，并围绕着顶钢圈轴18旋转。通过真空等将作为待抛光对象的半导体晶片W吸引到顶钢圈14的下表面并且由其保持。利用此配置，顶钢圈14可以在所期望的压力下将由其自身的下表面保持的半导体晶片W压紧到抛光垫10，同时顶钢圈14围绕其自身的轴旋转。

在上述结构的抛光装置中，由顶钢圈14之下表面保持的半导体晶片W被压紧到在旋转抛光台12上的抛光垫10的上表面。此时，通过抛光液供应喷嘴16将抛光液Q提供到抛光垫10上。利用半导体晶片W之表面(下表面)和抛光垫10之间提供的抛光液Q对半导体晶片W进行抛光。

根据本实施例，抛光台12具有嵌入在其中的抛光状态监测装置20，用于测量例如形成在半导体晶片W表面上的绝缘膜或金属膜的膜厚度和颜色的特征值，以及在半导体晶片W被抛光时监测抛光状态。在对半导体晶片W进行抛光时，抛光状态监测装置20用于实时连续地监测半导体晶片W之被抛光的表面的抛光状况(剩余膜的厚度和状态)。光透射单元22连接到抛光垫10上，用于使来自抛光状态监测装置20的光线透射通过。光透射单元22是由高透射率材料制造的，例如，非泡沫聚氨酯等。可选地，光透射单元22可以是透明液体的形式，其中在抛光垫10上形成的通孔被半导体晶片W封闭时所述透明液体向上进入该通孔中。光透射单元22可以位于抛光台12上的任意位置，只要它可以经过由顶钢圈14保持的半导体晶片W之被抛光的表面。然而，优选地，光透射单元22应该位于其经过半导体晶片W中心的位置。

如图1所示，抛光状态监测装置20包括：光源30；用作发光单元的光发射光纤32，用于将来自光源30的光施加到半导体晶片W之被抛光的表面；用作光接收单元的光接收光纤34，用于接收来自半导体晶片之被抛光的表面的反射光；分光镜单元36，用于分开由光接收光纤34接收的光以及多个光电探测器用于存储由分光镜分开的光作为电信息；控制单元40，用于控制光源30通电和失电以及分光镜单元36之光电探测器的读取处理开始的时间；以及电源42，用于提供电功率给控制单元40。光源30和分光镜单元36都经由控制单元40被提供电功率。

光发射光纤32和光接收光纤34分别具有光发射端和光接收端，其基本上设置为垂直于半导体晶片W之被抛光的表面。考虑到抛光垫10的替换工作和由光接收光纤34接收的光量，光发射光纤32和光接收光纤34设置为使得不从抛光台12之抛光表面向上伸出。分光镜单元36的多个光电探测器用作光接收元件，并且包括512个光电二极管的阵列。

分光镜单元36经由电缆44连接到控制单元40。来自分光镜单元36之光电探测器(光接收元件)的信息通过电缆44被传送到控制单元40。基于该传送的信息，控制单元40产生反射光的光谱数据。具体地说，根据本实施例的控制单元40用作光谱数据产生器，用于读取光电探测器中存储的电信息，以及产生反射光的光谱数据。从控制单元40伸出的电缆46延伸穿过抛光台12并且连接到例如包含有个人计算机的处理器48。由控制单元40的光谱数据产生器产生的光谱数据经由电缆46被传送到处理器48。

基于从控制单元40接收的光谱数据，处理器48计算半导体晶片W之被抛光的表面的特征值，例如膜厚度和颜色。处理器48还具有从控制抛光装置的控制器(未显示)接收关于抛光条件的信息的功能，以及基于计算的特征值的时间变化确定抛光结束点(停止抛光或改变抛光条件)以及向抛光装置的控制器发送命令的功能。

如图1所示，距离传感器(proximity sensor)50设置在抛光台12接近其外部圆周边缘的下端，跟踪器(dog)52设置在抛光台12的外部，并与距离传感器50对准。每当抛光台12旋转一圈时，距离传感器50对跟踪器52进行检测，以检测抛光台12的旋转角度。

光源30包括用于发射具有包括白光在内的波长范围的光的光源。例如，光源30可以包括例如氙气灯等的脉冲光源。如果光源30包括脉冲光源，则将光源30在抛光处理期间通过触发信号以脉冲的形式在每一个测量点通电。可选地，光源30可以包括钨丝灯，且至少在光发射光纤32的光发射末端和光接收光纤34的光接收末端都朝向半导体晶片W之被抛光的表面时可以被连续地通电。

来自光源30的光穿过光发射光纤32的光发射末端和光透射单元22，并施加到半导体晶片W之被抛光的表面。光被半导体晶片W之被抛光的表面反射，穿过光透射单元22，并且被抛光状态监测装置的光接收光纤34接收。被光接收光纤34接收的光线被传送到分光镜单元36，其中分光镜单元36把光分开成具有各自波长的多条光线。具有各自波长的分开的光线被施加到与波长相对应的光电探测器，并且光电探测器根据所施加的光线的量来存储电荷。光电探测器中存储的电信息在预定的时刻被读取(释放)，并且被转换成数字信号。该数字信号被发送到控制单元40的光谱数据产生器，并且控制单元40产生与各个测量点相对应的光谱数据。

以下将描述分光镜单元36的光电探测器的操作。图2和3是显示在分光镜单元36包括N个光电探测器60-1到60-N的情况下的光电探测器操作方式的示意图。图2显示了当光源30包括脉冲光源时的操作模式，而图3显示了当光源30包括连续光源时的操作模式。在图2和3中，横轴表示时间。在表示各个光电探测器的线中，上升部分表示电信息被存储在光电探测器中，而下降部分表示将电信息从光电探测器中读取(释放)。在图2中，实心圆圈(·)表示脉冲光源被通电的时间。

在一个采样周期中，光电探测器60-1到60-N被连续地切换，以从其中读取(释放)电信息。正如以上所述，光电探测器60-1到60-N存储相应波长的光线的量作为电信息，并且在其间相位不同的采样周期T从光电探测器60-1到60-N反复读取(释放)存储的电信息。采样周期T被设定为相对较小的值，只要有足够的光量存储在光电探测器60-1到60-N中作为电信息，并且可以充分地实时处理从光电探测器60-1到60-N读取的数据。如果光电探测器包括512个光电二极管的阵列，那么采样周期T在10毫秒数量级。在图2和图3中，在第一个光电探测器60-1被读取之后直到最后一个光电探测器60-N被读取，经过时间S，其中S＜T。在图2中，脉冲光源被通电的时间(图2中由·表示)作为采样时间。在图3中，第一个光电探测器60-1被读取并且开始存储新的电信息直到最后一个光电探测器60-N被读取的时间之一半的时间(图3中由×表示)作为相应的测量区域的采样时间。半导体晶片W上在采样时间面对光透射单元22的点被称为采样点。

在图2中，所有的光电探测器60-1到60-N都在光源30被瞬间通电时(大约几微秒)存储光线。假设最后一个光电探测器60-N中存储的电信息被读取(释放)之后直到光源30被通电的时间由Q表示，如果光源30在第一个光电探测器60-1中存储的电信息被读取(释放)之前被通电，则0＜Q＜T-S。Q可以是由上述不等式表示的范围内的任意值。然而，以下假设Q＝(T-S)/2。第一光电探测器60-1在比采样时间早S+Q，即(T+S)/2的定时被读取并且开始存储新的电信息。在图3中，第一光电探测器60-1也在比采样时间早(T+S)/2的时间被读取。对于图3所示的连续光源，因为光电探测器60-1到60-N分别在不同的时间开始存储电信息，并且分别在不同的时间从光电探测器60-1到60-N读取存储的电信息，所以实际测量区域根据波长稍微不同。

接着，以下将描述利用抛光状态监测装置20确定采样时间的处理。首先，以下将描述在采用脉冲光源的情况下确定采样时间的处理。图4是描述抛光状态监测装置20之采样时间的示意图。每当抛光台12旋转一圈时，设置在转台12之外部圆周边缘的距离传感器50对作为触发距离传感器50的参考位置的跟踪器52进行检测。具体地说，如图4所示，旋转角被定义为沿着与抛光台12旋转方向相反的方向从线L_T-W(此后称为为晶片中心线)开始的角度，其中L_T-W连接抛光台12的旋转中心C_T和半导体晶片W的中心C_W。当旋转角度为θ时，距离传感器50检测跟踪器52。半导体晶片W的中心C_W可以通过控制顶钢圈14的位置来指定。

如图4所示，如果假定抛光台12的中心C_T和光透射单元22的中心C_L之间的横向距离由L表示，抛光台12的中心C_T和半导体晶片W的中心C_W之间的横向距离由M表示，半导体晶片W之被测量的表面(等于半导体晶片W除其切割边缘区域之外的被抛光的表面)的半径由R表示，而光透射单元22对半导体晶片W之被测量的表面进行扫描的角度由2α表示，则根据用于确定角α的余弦定理，满足以下等式(1)：

$\mathrm{\α}{=\cos }^{-1}\left(\frac{L^2+M^2-R^2}{2\mathrm{LM}}\right)---\left(1\right)$

根据本实施例，对采样时间进行调整，使得晶片中心线L_T-W上光透射单元22经过的点P必然为采样点。如果晶片中心线L_T-W一侧的采样点的数量为n(整数)，那么当光透射单元22对半导体晶片W之被测量的表面进行扫描时，所有采样点的数量由2n+1表示，包括晶片中心线L_T-W上的采样点P。

如果顶钢圈14的外部圆周区域位于半导体晶片的外部以便阻挡背景光，那么光透射单元22在第一采样时间存在于在半导体晶片W之被测量的表面内的条件可以通过以下显示的不等式(2)表示，其中ω_T表示抛光台12的角速度。可以根据不等式(2)确定满足该条件的整数n。

α-ω_TT≤nω_TT＜α

即

$\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&omega;}}_{T}T}-1\&le;n<\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&omega;}}_{T}T}---\left(2\right)$

如果光透射单元22和距离传感器50都相对于抛光台12的中心C_T位于相同的角度，那么当抛光台12做一次旋转时，可以根据以下等式(3)确定距离传感器50检测跟踪器52之后直到第一光电探测器60-1在第一采样周期开始存储电信息的时间t_s，即，采样开始时间t_s：

$t_s=\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_T}-(\mathrm{nT}+\frac{T+S}{2})$

$=\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_T}-(n+\frac{1}{2})T-\frac{S}{2}---\left(3\right)$

在光透射单元22出现在半导体晶片W之被抛光的表面之外时，为了可靠地清除光电探测器中存储的光量，可以丢弃在第一个采样周期中获得的数据。在这种情况下，根据以下等式(4)可以确定采样开始时间t_s：

$t_s=\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_T}-(\mathrm{nT}+\frac{T+S}{2}+T)$

$=\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_T}-(n+\frac{3}{2})T-\frac{S}{2}---\left(4\right)$

抛光状态监测装置20基于由此确定的采样开始时间t_s开始它的采样处理。具体地说，在通过距离传感器50对跟踪器52进行检测开始经过时间t_s之后，控制单元40开始光源30的脉冲照明，并控制分光镜单元36之光电探测器的操作定时，以在每一个采样周期T重复采样周期。通过控制单元40的光谱数据产生器产生在每一个采样点的反射的光谱数据，并且将其传送到处理器48。基于光谱数据，处理器48确定半导体晶片W之被抛光的表面的特征值，例如，膜厚度。

根据本实施例，因为光透射单元22所经过的晶片中心线L_T-W上的点P必须是采样点，所以每当抛光台12旋转一圈时都可以重复测量对象表面上特定径向位置处的特征值。如果采样周期是不变的，则在抛光台12的每次旋转时对象表面上的测量点的径向位置都是不变的。因此，与在不确定的位置测量特征值的情况相比，此测量处理更有利于识别半导体晶片W上的剩余膜的状况。尤其，如果将光透射单元22设置为穿过半导体晶片W的中心C_W，则抛光台12每旋转一圈，必须将半导体晶片W的中心C_W作为固定点测量，从而更精确地识别半导体晶片W上随时间变化的剩余膜的状况。

如果光源30包括连续光源，那么由于各个光电探测器连续地存储电信息并且在不同的时间开始存储电信息，所以整数n是以不同于脉冲光源的方式确定的。具体地说，当第一光电探测器60-1开始存储电信息时，光透射单元22需要存在于半导体晶片W之被测量的表面中。因此，给出如下用于确定整数n的不等式：

$\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&omega;}}_{T}T\&le;n{\mathrm{\&omega;}}_{T}T+{\mathrm{\&omega;}}_T\frac{T+S}{2}<\mathrm{\&alpha;}$

即，

$\frac{(\frac{\text{\&alpha;}}{{\mathrm{\&omega;}}_T}-\frac{S}{2})}{T}-\frac{3}{2}\&le;n<\frac{(\frac{\mathrm{\&alpha;}}{{\mathrm{\&omega;}}_T}-\frac{S}{2})}{T}-\frac{1}{2}---\left(5\right)$

整数n可以根据以上不等式(5)确定，而采样开始时间t_s可以根据等式(3)或(4)确定。正如使用脉冲光源一样，抛光状态监测装置20基于确定的采样开始时间t_s开始它的采样处理，并从在每个采样点的光谱数据确定半导体晶片W之被抛光的表面的特征值，例如，膜厚度。在上述例子中，相对于对脉冲光源通电的定时以及光透射单元22和距离传感器50之间的位置关系，建立了特定的条件。即使这些条件不满足，n和t_s同样可以被确定。

接着，以下将描述从每一个采样点的光谱数据计算膜厚度作为特征值的处理。在本实施例中，如果按照由横轴表示的所获取的光谱数据的波数(每单位长度波的数量)和由纵轴表示的光的强度来表达光谱数据，那么基于关于一层膜厚度的光谱数据的周期(峰值之间的波的数量)与该膜厚度成比例的事实来计算膜厚度。

例如，假定获取的光谱数据具有如图5中显示的波形。图5所示的光谱波形说明了以下事实：

(1)存在具有恒定周期的干涉波模式。

(2)存在偏移。

(3)存在向右增长的基本上为线性的漂移。

(4)由于干涉效率，随着波数越大，干涉波的振幅越小。

由于上述事实，如果干涉波的周期ω已知，那么期望可以通过以下函数f(x)来估算光谱波形：

$f\left(x\right)={\mathrm{\&alpha;}}_0+{\mathrm{\&alpha;}}_{1}x+{\mathrm{\&alpha;}}_2\left(\frac{1}{x}\right)\sin (\mathrm{\&omega;x}+\mathrm{\&delta;})---\left(6\right)$

在等式(6)的右侧，第一项反映光谱波形的偏移，第二项反映光谱波形的漂移，以及第三项反映光谱数据的周期性波形。更具体地说，在第三项中，(1/x)反映由波数增加引起的振幅减少，而δ反映相移，如果膜厚度很大，相移就变得很显著。

根据加法定理，满足以下等式(7)：

sin(ωx+δ)＝sinωx·cosδ+cosωx·sinδ (7)

因此，等式(6)可以修改如下：

$f\left(x\right)={\mathrm{\&alpha;}}_0+{\mathrm{\&alpha;}}_{1}x+{\mathrm{\&alpha;}}_2\left(\frac{1}{x}\right)\sin \mathrm{\&omega;x}+{\mathrm{\&alpha;}}_3\left(\frac{1}{x}\right)\cos \mathrm{\&omega;x}---\left(8\right)$

如果f₀(x)＝1，f₁(x)＝x，f₂(x)＝(1/x)sinωx，而f₃(x)＝(1/x)cosωx，那么可以根据以下等式(9)通过函数f(x)对测量的光谱进行估算，作为这四个函数的线性总和：

f(X)＝α₀f₀(x)+α₁f₁(x)+α₂f₂(x)+α₃f₃(x)(9)

如果估算函数f(x)相对于测量的光谱被最佳地估算，那么其间的方差变得最小。这样，定义了假设特定膜厚度的估算函数f(x)，函数f(x)的系数α₀、α₁、α₂和α₃被确定，使得估算函数f(x)和测量的光谱之间的方差最小，并且确定此时的最小方差。上述计算是在改变膜厚度时进行的，并且将结果绘制在具有表示膜厚度值的横轴和表示最小方差的纵轴的曲线图中。结果，产生了图6中显示的曲线图。如图6所示，曲线图具有最小方差的最低点(峰顶)，并且在最低点的估算函数f(x)具有的形状最接近测量的光谱。因此，对与该估算函数f(x)相对应的膜厚度(图6中的膜厚度d)进行计算，作为将要确定的膜厚度。

在测量处理中时，抛光台12和光透射单元22在半导体镜片W之被抛光的表面上移动。如果抛光台或者顶钢圈14的旋转速度以及采样周期T很大，那么每个采样点的扫描范围很大。因此，如果当构图和抛光速率根据半导体镜片W之被抛光的表面上的位置而不同时，将光源30连续通电，那么各种膜厚度都在一个采样点同时被测量。因此，没有获得明显的干涉光谱，以及因此，不会产生图6所示的明显的峰顶。鉴于这个缺点，优选地，使用脉冲光源作为光源30，其在几微秒内通电。如果使用这种脉冲光源，那么可以将半导体晶片W之被抛光的表面上的小离散点P_S1作为测量点进行测量，以及可以准确地对各个测量点中的膜厚度进行测量。

在上述例子中，膜厚度被计算作为特征值。将要计算的特征值并不局限于膜厚度。根据工件(待抛光的对象)的材料，当从对象中移除上层膜时，对象的颜色可能会有很大的变化。例如，当工件上的铜膜被移除时，带有红色光泽的颜色可能从在工件上消失。因此，工件之被抛光的表面的颜色变化可以作为用于识别被抛光的表面之状态的指数。鉴于上述特性，以下将描述在各个采样点根据光谱数据计算颜色作为特征值的处理。

如图8所示，将抛光结束点(停止抛光或改变抛光条件)之前和之后的光谱数据g₁(λ)、g₂(λ)进行相互比较，并且提前定义了对于在波长范围内的较大变化具有较大值的权函数w(λ)。在各个波长λ的反射光之光谱数据的测量值ρ(λ)乘以权函数w(λ)，并且结果被相加，即，积分为一个标量值。产生的标量值被作为特征值X。具体地说，根据以下等式(10)定义特征值X：

$X_i=\underset{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Sigma;}}w\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;}---\left(10\right)$

可选地，可以定义多个权函数w_i(λ)(i＝1、2、...)，以及根据以下等式(11)可以定义特征值X_i：

$X_i=\frac{\underset{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_i\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Sigma;}}w\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}---\left(11\right)$

根据上述处理，即使随着抛光处理进行而上层膜变得较薄并且光谱波形改变它的形状，也可以随时测量颜色中的变化，以及基于颜色的特征值可以确定抛光结束点(停止抛光或改变抛光条件)。

在等式(10)中，如果权函数w(λ)被定义为w(λ₀)＝1，w(λ)＝0(λ≠λ₀)，Δλ＝1，那么可以获得表示在波长λ₀的代表光谱值的特征值X。如果权函数w(λ)被定义为w(λ₁)＝1，w(λ₂)＝-1，w(λ)＝0(λ≠λ₁、λ₂)，Δλ＝1/(λ₁-λ₂)，那么可以获得特征值X，其表示在光谱图中互相连接波长λ₁、λ₂的直线的斜率。光谱数据的测量值ρ(λ)可以预先在各自波长附近被均化，以减小噪音的影响。

测量的光谱数据ρ(λ)可以是大量反射光在各个波长的光谱，或者由参考反射板的光谱，或是紧接着测量处理开始之后的光谱标准化的相对光谱反射率。

权函数w(λ)可以被定义为与JIS-8701匹配。具体地说，已经被转换到色度坐标(x、y)的光谱数据(光谱的反射率)也可以被用作特征值。以下将描述将光谱数据转换到色度坐标(x、y)以及使用转换的色度坐标(x、y)作为特征值的处理。根据以下等式(12)到(14)，可以计算反射对象之颜色的三色值X、Y、Z：

$Y=k{\&Integral;}_{380}^{780}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}---\left(12\right)$

$Y=k{\&Integral;}_{380}^{780}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\stackrel{\&OverBar;}{y}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}---\left(13\right)$

$Z=k{\&Integral;}_{380}^{780}P\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\stackrel{\&OverBar;}{z}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{d\&lambda;}---\left(14\right)$

x(λ)、y(λ)、z(λ)：基于2维视野XYZ系统的颜色匹配函数，其中λ表示波长，P(λ)表示假定的光源之光谱分布，k表示使色激励值Y与光度量相等所要确定的系数，而ρ(λ)表示测量的光谱分布。可以根据以下等式(15)定义测量的光谱分布ρ(λ)，例如：

$\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_M\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{{\mathrm{\&rho;}}_B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}---\left(15\right)$

其中ρ_M(λ)表示测量的光谱分布，以及ρ_B(λ)表示裸硅的反射光谱分布。

X分量、Y分量、以及Z分量的比例x、y、z是根据以下等式(16)到(18)从色激励值X、Y、Z确定的：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}---\left(16\right)$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(17\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}---\left(18\right)$

由此确定的比例x、y、z都称为色度坐标。比例x、y、z中，只有两个是独立的。因此，x、y的组合通常被用作色度坐标值(x，y)。

以这种方式，光谱数据可以被转换为色度坐标值(x，y)，以及基于色度坐标值(x，y)的任意一个或者两个一起来确定抛光结束点(停止抛光或改变抛光条件)。色度坐标值可以被认为是等式(11)的特例。正如利用等式(11)，色度坐标值如等式(16)到(18)所表示那样被标准化。因而，通过标准化可以消除光谱反射率之波动的影响。以这种方式，通过使用色度坐标值作为特征值，可以消除由测量系统的不稳定性引起的光谱反射率之波动的影响。

通过在将等式(12)到(14)中的颜色匹配函数和光源的光谱分布设定为参数，可以为每一个晶片优化波长范围的权重，其由于抛光而在光谱反射率上具有多个变化。因此，可以更精确地测量晶片之被抛光的表面的状态。

接着，以下将描述一个特定的例子，其中通过包括具有乘法的计算来计算工件之被抛光的表面上预定的特征值，所述乘法使由光谱数据产生器产生的光谱数据之波长分量与预定的权函数进行相乘，以监测抛光进度。

为了根据等式(10)、(11)等确定特征值，重要的是如何定义权函数w(λ)。优选地，可以根据目的来调整权函数w(λ)。

例如，如果待抛光的膜是在颜色上与基底层有很大不同的金属膜，并且将要识别祛除该膜的时间，那么在与待祛除的膜之颜色相对应的波段中定义具有较大权重的权函数。例如，如果待抛光的膜是铜膜，那么由于铜膜具有红色色泽并且在波长大约为λ＝800nm具有较大的反射强度，权函数w(λ)被定义为在λ＝800nm附近具有较大的权重。根据等式(10)如下确定特征值X：

$X=\underset{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Sigma;}}w\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;}$

特征值X的值取决于是否是有铜膜而发生很大变化。即使第一光谱数据ρ(λ)的特定波长出现干扰，由于执行了积分操作，所以与直接监测的λ＝800nm处的反射强度相比，干扰的影响更小。

使用等式(11)，i设定为i＝1、2，以及权函数w₁(λ)被定义为在λ＝800nm附近具有较大的权重，而权函数w₂(λ)被定义为在不管是否是有铜膜都在具有基本上恒定的反射强度的波段内具有大的权重。此时，特征值：

$X_1=1/\{1+\underset{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;}/\underset{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&rho;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\mathrm{\&Delta;\&lambda;}\}$

具有其根据是否是铜膜而变化很大的值。此外，即使反射光线的量根据干扰而增加或减少，也可以获得时间变化稳定的波形。

为了检测抛光结束点(抛光停止点或例如分别施加到顶钢圈中设置的多个受压区域中的压力或者泥浆(抛光液)类型的抛光条件改变)，对以上述方式出现的特征值之时间变化的特征点(预定的阈值、增大或减小的开始或结束、极值等等)进行检测，以及在预定时间对膜进行过度抛光，以及然后切换抛光操作。过度抛光时间可以是零。

接着，以下将描述在待抛光的膜是例如氧化物膜等的光透射膜的情况下，对权函数进行调整的处理的特定例子。

如果待抛光的膜是例如氧化物膜等的光透射膜，并具有均匀厚度并且处于不受干扰的理想状态，那么由于待抛光的膜所引起的干扰，相对反射率在各个波长的时间变化正如图9中所示。如果待抛光的膜具有折射率n和膜厚度d，且光具有波长λ(在真空中)，那么与时间变化的一个周期相对应的膜厚度差由Δd＝λ/2n表示。因此，如果膜厚度随着抛光时间线性减小，则相对反射率随时间进行变化，使得其最大和最小值周期性出现，正如图9中所显示的。在图9中，实线曲线表示波长λ＝500nm处的相对反射率，以及虚线曲线表示波长λ＝700nm处的相对反射率。

图9的研究表明：随着光的波长变短，相对反射率随时间变化的周期也变短，以及更加频繁地出现极值。因此，对于由包括将光谱数据的波长分量与权函数相乘的乘法的计算来计算的特征值的时间变化，随着正在讨论的权函数中的波长变得更短，这种时间变化的周期被期望变得更短，并具有更多极值。

图10显示了当对互连构图(interconnection pattern)上的氧化物膜进行抛光时根据等式(11)来监测特征值X₃的一个例子。特征值是利用图11所示的三个权函数w₁(λ)、w₂(λ)、w₃(λ)的集合(sets)L、S进行计算的。特征值重复地增大或减小，直到大约70秒，并且然后改变特征值的状态。因为特征值基本上被认为是由于基于被抛光的膜之厚度的减小的光干扰而增大和减小，所以假定互连构图或者互连构图的一部分露出大约70秒，防止特征值的增大和减小。

为了监测特征值，对特征值之时间变化的最大和最小值进行检测，以说明抛光进度。如果抛光进度在检测到极值时停止并且测量膜厚度作为参考，那么抛光进度可以与被抛光的膜的厚度相关。因此，随着特征值之时间变化的周期变短，分辨率提高以及可以进行精细的监测。

在图10显示的例子中，L的特征值具有10个极值，以及S的特征值具有15个极值。根据L的特征值，可以在11个分开的区域中识别抛光处理。根据S的特征值，可以在16个分开的区域中识别抛光处理。

对于抛光结束点(抛光停止或者抛光条件的改变)，对紧挨着达到期望的膜厚度之前的极值(一个特征点)进行检测，并且膜在某时间被过度抛光，该时间对应于在极值处的膜厚度和期望的膜厚度之间的差异。因此，随着特征值之时间变化的周期变短，过度抛光时间也变短，这样，增加了结束点检测的准确性。正如以上所述，通过将权函数设定到短波段，可以提高监测抛光处理的准确性和检测结束点的准确性。

通常，光源具有在限定的波段中有效的能量。随着光的波长变短，光被泥浆、抛光垫中的光透射单元等大量散射，因而降低了信噪比(S/N)。考虑特征值之时间变化的周期和信噪比，来确定将要设定权函数的波段。

以下将描述对来源于多个不同的权函数之集合中的两个或多个特征值同时进行跟踪的处理。

正如根据图10可以理解的，通过同时使用从图11所示的权函数的集合L、S分别确定的特征值，可以在26个分开的区域中识别抛光处理，用于进一步增加监测处理的准确性(分辨率)。实际上，因为关于两个集合L、S的特征值的一些极值基本上同时出现，所以抛光处理可以被分为少于26个区域。

以下将描述权函数在波长范围内移动和调整的一个例子。如果待抛光的膜是例如氧化物膜等的光透射膜，并具有均匀的厚度并且处于不受干扰的理想状态，那么由于由被抛光的膜引起的干扰，光谱波形如图12所示(相应于通过将波数改变为图5所示的横轴上波长而绘制的曲线图)。如果膜具有折射率n和膜厚度d，以及对于临近最大点(或最小点)的波长由λ₁、λ₂表示，以及假定在反射时光波的相位变化的影响很小，那么满足以下等式：

即，

当膜厚度随着抛光处理进行而减小时，正如图12中从1000nm变到990nm到980nm的膜厚度所表示的，光谱图的最大和最小点从长波长移向短波长。因此，期望的是：当权函数移向长波长侧时，特征值的极值出现得更早。

图13显示了当如图10所示的相同构图的氧化物膜被抛光时，利用图11的权函数的集合L以及权函数L1、L2、L3根据等式(11)对特征值X₃进行监测的一个例子，其中权函数L1、L2、L3是通过在波长轴上将集合L的权函数分别向长波长侧移动10nm、20nm、30nm得到的。可以从图13中看到：随着权函数都移向长波长，特征值之时间变化的相位更向前偏移。

因此，基于关于已经被提前抛光的样品晶片的时间变化的特征值的波形，通过在波长轴上移动和调整权函数，特征值之时间变化的极值(顶点或底点)可以被调整到期望的定时。这样，过度抛光时间可以被最小化，以增加结束点检测的准确性。

具体地说，过度抛光时间是基于特征值的峰值来确立的。因为过度抛光时间中的抛光是在假定没有对膜进行真实地观察的情况下执行的，然而抛光是在均匀膜厚度速率下实施的，所以最好使过度抛光时间更短，由此获得准确的抛光结束点。因而，优选地，特征值的峰值和抛光结束点要尽可能相互靠近。根据上述处理，通过将权函数的权数移向长波长(或短波长)，峰值可以被带入期望的定时。为了确定上述权函数，优选地，对作为待抛光对象的晶片进行抛光，从其中获取光谱数据，在调整权函数时执行模拟，以计算特征值，并且采用特征值的时间变化表现出期望的趋势的权函数。

在这里将描述使用连续光源作为光源30的情况。考虑到根据上述处理确定的特征值(颜色)的时间变化，如果脉冲光源被用作光源30，那么由于与半导体晶片W上的测量点相对应的构图的差异而使得颜色变化，这样趋向于在高频下改变特征值的时间变化。在这种情况下，很难掌握特征值之时间变化的一般趋势。如果进行例如移动平均处理的平滑处理，以抑制高频波动，那么相位延迟发生，以及抛光结束点的检测被延迟。

优选地，使用连续光源作为光源30，用于抑制此高频波动。图14显示了在连续光源用作光源30的情况下采样点P_S2和与采样点P_S2相应的测量区域X之间的关系。如图14所示，每一个采样点P_S2前后的反射光都连续累积在每一个光电探测器中，并且被物理上均化。因此，减小了由于构图的影响而引起的波动，这样减小了以上描述的高频波动。

为了测量半导体晶片W之被抛光的表面，重要的是在例如半导体晶片W的中心和半导体晶片W的圆周部分的特定点察看剩余膜的过渡。如果采样周期是固定的，但是，根据抛光台12的旋转速度，采样点被固定在沿着光透射单元22对半导体晶片W之被抛光的表面进行扫描的线上的位置。例如，不能测量半导体晶片W的圆周部分。根据本实施例，采样周期，即光电探测器的累积时间可以基于抛光台12的旋转速度进行调整。

图15是基于抛光台12的旋转速度对采样周期进行调整的处理的流程图。首先，如图16所示，包括在应该作为采样点的期望点P_V处的半径R_V、抛光台12的中心C_T和半导体晶片W的中心C_W之间的横向距离M、抛光台12的中心C_T和光透射单元22的中心C_L之间的横向距离L、抛光台12的旋转角速度ω_T、以及最小采样周期T在内的条件都被输入(步骤1)。这些条件可以通过操作者经由作为处理器48的个人计算机的键盘输入，或者可以预先存储在存储器中，或者可以从抛光装置的控制器传送。

然后，根据等式(1)，确定在抛光台12的中心C_T处从晶片中线L_T-W开始的角α_V(步骤2)。根据不等式(2)确定从点P_V到晶片中心线L_T-W的采样点的数量n_V(步骤3)。不管光源30是否包括脉冲光源，如果点P_V充分地位于半导体晶片W之被测量的表面内部，则使用与脉冲光源相关的不等式(2)，然后，基于由此计算的角α_V和采样点的数量n_V，根据以下等式(19)来计算采样周期T_V(步骤4)：

$T_V=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_V}{n_V{\mathrm{\&omega;}}_T}---\left(19\right)$

根据由此确定的采样周期T_V，可以测量在期望半径R_V处的点P_V。因此，通过调整作为条件输入的期望半径R_V，除了晶片中心线L_T-W上的点以外，例如晶片圆周位置的所期望的径向位置可以被用作采样点，正如图16所示的那样。

尽管已经详细显示和描述了本发明的特定优选实施例，应该理解：在此可以做出各种变化和变型，而不背离所附权利要求的范围。

工业应用性

本发明能够应用到用于将例如半导体晶片的工件抛光到平面磨光的抛光装置，以及优选地用在半导体器件制造中。

Claims (28)

1.一种抛光状态监测装置，包括：

光源；

发光单元，设置在具有抛光表面的抛光台中，用于将光从所述光源施加到工件之被抛光的表面；

光接收单元，设置在所述抛光台中，用于接收来自所述工件之所述表面的反射光；

分光镜单元，用于将由所述光接收单元接收的反射光分开成具有各自波长的多条光线；

多个光接收元件，用于检测由所述分光镜单元分开的多条光线，以及累积检测的多条光线；

光谱数据产生器，用于读取由所述多个光接收元件累积的信息，以及产生所述反射光的光谱数据；

控制单元，用于控制所述多个光接收元件，以在所述抛光台旋转的同时，在预定的定时执行采样处理；以及

处理器，用于根据包括乘法的计算来计算所述工件之所述表面的预定特征值，其中所述乘法是将由所述光谱数据产生器产生的光谱数据的波长分量与一组预定的加权系数相乘。

2.根据权利要求1的抛光状态监测装置，其中，所述特征值包括从所述光谱数据转换的色度坐标值。

3.根据权利要求1或2的抛光状态监测装置，其中，所述光源发射具有一波段的光。

4.根据权利要求1或2的抛光状态监测装置，其中，所述光源包括脉冲光源。

5.根据权利要求1或2的抛光状态监测装置，其中，所述光源包括连续光源，该连续光源至少在所述多个光接收元件对来自所述工件之所述表面的反射光进行检测时连续打开。

6.根据权利要求1的抛光状态监测装置，其中，所述多个光接收元件累积检测到的多条光线作为电信息。

7.一种抛光装置，包括：

顶钢圈，用于保持工件；

抛光台，具有与所述工件滑动接触的抛光表面；

根据权利要求1到6中任意一个的抛光状态监测装置；以及

光透射单元，设置在所述抛光台上，用于使从所述抛光状态监测装置之所述发光单元施加的光以及来自所述工件之所述表面的反射光从其中透过。

8.一种对形成在工件上的膜进行抛光的方法，包括：

将来自光源的光施加到工件之被抛光的表面；

检测来自所述工件之所述表面的反射光；

分开检测到的光并且产生其光谱数据；

根据包括乘法的计算来计算所述工件之所述表面的特征值，其中所述乘法是将所述光谱数据与一权函数相乘；以及

利用所述特征值来监测所述工件之所述表面的抛光进度。

9.根据权利要求8的方法，其中，对所述特征值之时间变化的特征点进行检测，以及在所述特征点的检测之后经过预定的时间时，停止抛光处理或者改变抛光条件。

10.根据权利要求8或9的方法，其中，利用所述特征值的时间变化对所述权函数进行调整。

11.根据权利要求10的方法，其中，通过将所述权函数沿着波长轴移动来对所述权函数进行调整。

12.根据权利要求8或9的方法，其中，所述膜包括金属膜。

13.根据权利要求8或9的方法，其中，所述膜包括氧化物膜。

14.根据权利要求8的方法，其中，所述计算包括积分，用于对与所述权函数相乘的所述光谱数据进行积分，以产生一标量值。

15.根据权利要求8的方法，其中，所述权函数对于波长范围内大的变化具有较大的值；以及其中抛光结束点之后的所述光谱数据不同于所述抛光结束点之前的所述光谱数据。

16.根据权利要求14的方法，还包括：

将所述光谱数据与不同于所述权函数的所期望的第二权函数相乘并且对乘积进行积分，以产生第二标量值；

利用所述第二标量值计算所述工件之所述表面的第二特征值；以及

利用所述特征值和所述第二特征值来监测所述工件之所述表面的抛光的进度。

17.一种用于对形成在工件上的膜进行抛光的装置，包括：

光源，用于将光施加到工件之被抛光的表面；

光接收单元，用于接收来自所述工件之所述表面的反射光；

分光镜单元，用于分开由所述光接收单元接收的反射光；

光谱数据产生器，用于根据分开的光，产生光谱数据；以及

处理器，用于根据包括乘法的计算来计算所述工件之所述表面的特征值，其中所述乘法是将所述光谱数据与一预定的权函数相乘。

18.根据权利要求17的装置，还包括：

输入单元，用于设定所述权函数；以及

显示单元，用于监测所述特征值。

19.根据权利要求17的装置，还包括：

抛光表面；

顶钢圈，用于保持所述工件，以及使所述工件之所述表面压紧到所述抛光表面；

检测器，用于检测所述特征值之时间变化的特征点；以及

控制单元，用于在从所述特征点的检测开始经过预定的时间之后停止抛光处理或者改变抛光条件。

20.根据权利要求17到19中任意一个的装置，其中，所述膜包括金属膜。

21.根据权利要求17到19中任意一个的装置，其中，所述膜包括氧化物膜。

22.根据权利要求17的装置，其中，所述计算包括积分，用于对与所述预定的权函数相乘的所述光谱数据进行积分，以产生一标量值。

23.根据权利要求22的装置，其中，所述处理器将所述光谱数据与不同于所述权函数的所期望的第二权函数相乘，并且对乘积进行积分，以产生第二标量值，以及利用所述第二标量值来计算所述工件之所述表面的第二特征值。

24.一种抛光状态监测装置，包括：

光源，用于将光施加到工件之被抛光的表面；

光接收单元，用于接收来自所述工件之所述表面的反射光；

分光镜单元，用于分开由所述光接收单元接收的反射光；

光谱数据产生器，用于根据分开的光，产生光谱数据；以及

处理器，用于根据包括乘法的计算来计算所述工件之所述表面的特征值，其中所述乘法是将所述光谱数据与一预定的权函数相乘。

25.根据权利要求24的抛光状态监测装置，还包括：输入单元，用于设定所述权函数；和显示单元，用于监测所述特征值。

26.根据权利要求24的抛光状态监测装置，其中，所述计算包括积分，用于对与所述预定的权函数相乘的所述光谱数据进行积分，以产生一标量值。

27.一种对形成在工件上的膜厚度进行监测的方法，包括：

将来自光源的光施加到工件之被抛光的表面；

检测来自所述工件之所述表面的反射光；

分开检测到的光并且产生该检测到的光的光谱数据；

根据包括乘法的计算来计算所述工件之所述表面的特征值，其中所述乘法是将所述光谱数据与一权函数相乘；以及

利用所述特征值来监测所述工件之所述表面的抛光进度。

28.一种对形成在工件上的膜厚度进行监测的装置，包括：

光源，用于将光施加到工件之被抛光的表面；

光接收单元，用于接收来自所述工件之所述表面的反射光；

分光镜单元，用于分开由所述光接收单元接收的反射光；

光谱数据产生器，用于根据分开的光，产生光谱数据；以及

处理器，用于根据包括乘法的计算来计算所述工件之所述表面的特征值，其中所述乘法是将所述光谱数据与一预定的权函数相乘。

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