CN110732965A - 具有光透过性研磨层的基板的研磨系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基板的研磨系统，从被研磨工序中的基板的研磨层反射的反射光中检测出特征点，由从相对于基准波长的基准位置或特征点至其他选择波长的特征点为止的特征矢量的值，感测研磨工序中的研磨层厚度，从而在使运算量最小化的同时，在研磨工序中准确地获得研磨层厚度。

Description

具有光透过性研磨层的基板的研磨系统

技术领域

本发明涉及具有光透过性研磨层的基板的研磨系统，更详细而言，涉及一种在研磨工序中准确地感测光透过性研磨层的研磨厚度并提高数据处理速度的基板的研磨系统。

背景技术

化学机械式研磨(CMP)系统用于在半导体元件制造过程中，去除由在反复执行掩膜、蚀刻及布线工序等的同时生成的基板表面凹凸所导致的单元区域与周边电路区域间的高度差，实现全面平坦化，且为了提高随着电路形成用触点/布线膜分离及高集成元件化而要求的基板表面粗糙度等，对基板表面进行精密研磨加工。

在这种CMP系统中，研磨头在研磨工序前后，以基板的研磨面与研磨垫对置的状态对所述基板加压，使得进行研磨工序，并且，当研磨工序结束时，以直接或间接真空吸附并夹持基板的状态，移动到下个工序。

图1是普通的化学机械式研磨系统9的概略图。如图1所示，化学机械式研磨系统9是在进行旋转11d的研磨盘10的研磨垫11上，基板W被研磨头20加压并实现研磨，同时，从浆料供应部(图中未示出)向研磨垫11上供应浆料并实现湿式研磨。而且，在此过程中，在调节器40进行旋转40d运动和回旋运动的同时，调节盘使研磨垫11表面改性，通过研磨垫11的微细槽，向基板W顺利供应浆料。

另一方面，随着半导体元件的集成化，需要精巧地研磨基板W的研磨层厚度。为此，以往如美国授权专利公报第6190234号公开的内容所示，在进行研磨工序的过程中，发光部50将从光源55接受的照射光Li照射于基板W的研磨层，由受光部60接收被研磨层反射的反射光Lo，如图2a及图2b所示，对于被接收的反射光，借助于分光仪65而获得基于波长的光干涉信号的光谱后，与预先存储的基于厚度的光干涉谱作比较，掌握研磨层的厚度，拟以这种方式，在研磨工序中检测研磨层厚度。

即，当由图1的发光部50从光源55接收包括多个波长的照射光Li并照射于基板W的研磨层时，由受光部60接收的反射光Lo也成为多个波长合并的形态。因此，借助于分光仪65而使反射光Lo分光，就不同波长的光干涉信号的光强度分布而言，当研磨层的厚度充分厚时，如图2a所示，间隔Xi稠密，而研磨层厚度越薄，如图2b所示，间隔Xo越宽。

这种基于波长的光谱分布，根据研磨层厚度变化而追踪预先确定的形态，因而借助于根据基板研磨层的材质而比较存储器中预先存储的光谱的分布数据与借助于分光仪65而获得的光谱的方式，在研磨工序中感测研磨层的厚度。

但是，这种方式需要对事实上连续的波长值的光干涉信号数据，因而存在的问题是，由分光仪65实时算出基于波长的光干涉信号，在将研磨工序中算出的光谱与存储器中预先以库形式存储的光谱分布数据作比较时，需要很长的运算时间。因此，用于快速运算的运算设备(例如，计算机)需要大容量，不仅存在研磨系统昂贵的问题，而且在获得对连续波长的光谱时，需要漫长的处理时间，在实时获得研磨层厚度方面存在局限性。

另外，需要将事先实验的数据的光谱存储为库，因而需要事先通过各种实验收集数据的过程，存在检测的准确度因被收集的数据的品质而异的问题。进一步而言，当研磨层的图案或下部薄膜的结构不同时，还存在需要另行建库的不便。

另一方面，根据美国授权专利公报第6190234号，公开了一种利用对不同的2个波长的随厚度变化的光干涉信号，感测基板研磨层的研磨结束时间点的构成。即，该方式是对2个波长的光干涉信号根据既定的研磨层材质，预先确定为厚度越薄则越变化的图案，因此，如所述美国授权权利公报的第11栏的表3所示，预先存储预先变化的图案的数据，在研磨工序中，追踪2个波长中的光干涉信号的测量值变化，如果这些值达到既定的值，则结束研磨工序。

但是，作为所述美国授权专利公报中公开的构成，存在的局限性是，只在2个波长在相互允许误差范围(例如

以下)内一致的值(N＝4、N＝15)时，才可以知道研磨层的厚度分别为

而在其中间区间完全无法获知研磨层的绝对厚度。进一步而言，当基板的研磨层厚度在研磨工序之前为

以下时，可获知研磨层的绝对厚度值的地点只为1个地点(N＝4)，因而在到达N＝4时，处于无法获知是

还是的状态。

如上所述，即使是以往利用2个以上波长来追踪随时间变化的光干涉信号(intensity)的形态，也难以在研磨工序中获知研磨层的厚度的绝对值，只是可以感测最终的研磨结束时间点，无法获知研磨工序中的研磨层厚度是接近研磨结束的目标厚度还是距离目标厚度存在充分富余，存在如果不是熟练的操作者，则难以在研磨结束时间点准确结束研磨工序的问题。

因此，迫切要求一种基板的研磨系统中的缩短处理时间且不需要高配置的运算设备，在研磨工序中感测研磨层绝对厚度的方法。

发明内容

技术问题

本发明正是在前述技术背景下研发的，本发明目的在于在研磨工序中获知研磨层的绝对厚度。

与此同时，本发明目的在于使运算实现最小化，即使以低配置的运算设备，也在研磨工序中获得研磨层厚度。

即，本发明目的在于，没有依赖于实验数据，而是只利用理论性预测值来检测研磨层的绝对厚度。

而且，本发明目的在于，没有将用于在研磨工序中获得基板研磨层厚度的库预先存储于存储器，而是以相对较小的计算量获得研磨层的绝对厚度。

技术方案

为了达成所述目的，本发明从被研磨工序中的基板研磨层反射的反射光中检测出特征点，由从关于基准波长的基准位置或特征点至其他选择波长的特征点为止的特征矢量的值，感测研磨工序中的研磨层厚度。

发明效果

根据本发明，在研磨工序中，获得具备光透过性研磨层的基板的研磨层绝对厚度。

与此同时，本发明使获得研磨层厚度所需的运算量实现最小化，在短暂的运算时间内，即使以低容量的设备，也在研磨工序中准确地获得研磨层厚度。

即，本发明没有依赖于实验数据，而是只利用理论性预测值来检测研磨层的绝对厚度，因而在研磨工序之前，不需要因研磨层图案或下部结构等规格而异的各种实验数据，根据预先获得的实验数据的品质而解决检测准确度发生误差的问题。

附图说明

图1是图示普通的基板的研磨系统的构成的图。

图2a是图示研磨初期的基于波长的光干涉信号数据的图表。

图2b是图示研磨末期的基于波长的光干涉信号数据的图表。

图3a是图示本发明一个实施例的基板的研磨系统的构成的主视图。

图3b是图3a的俯视图。

图3c是图示本发明另一实施例的基板的研磨系统的构成的主视图。

图4是用于说明图3的研磨系统的工作原理的流程图。

图5是用于说明基板研磨层中的光干涉信号的发生原理的图。

图6a及图6b作为图示研磨初期及研磨末期的基于波长的光干涉信号数据的图表，是用于说明针对既定波长，随研磨层厚度变化而变化的光干涉信号的图。

图7是图示相对于既定多个波长的基于基板研磨层厚度变化的光干涉信号数据的图。

图8是图示图7的相对于第一波长的随着基板研磨层的研磨工序进行的光干涉信号数据的图。

图9a是用于说明相对于第一基准波长的理论光干涉信号的理论特征矢量的图。

图9b是用于说明相对于第一基准波长的理论光干涉信号的另一理论特征矢量的图。

图9c是用于说明相对于第二基准波长的理论光干涉信号的理论特征矢量的图。

图10是用于说明测量光干涉信号的测量特征矢量的图。

图11是图示根据本发明而在研磨工序中算出厚度的结果的图表。

附图标记

W：基板 f：研磨层

Li：照射光 Lo：反射光

d：反射光的间隔 t：研磨层厚度

X：光干涉信号 20：研磨头

40：调节器

1：研磨系统 100、100'：光传感器

105：光源 200：控制部

210：运算部 220：归一化模块

230：分光仪 240：厚度算出部

具体实施方式

下面参照附图，对本发明进行详细说明。不过，在说明本发明方面，为了使本发明的要旨明确，省略对公知功能或构成的具体说明。

如图所示，本发明一个实施例的基板的研磨系统1用于平坦研磨在基板W的底面形成的研磨层f，包括：研磨盘10，其上表面覆盖有研磨垫11并进行自转11d；浆料供应部(图上未示出)，其向研磨垫11上供应浆料；研磨头20，在研磨工序中，以使基板W位于下侧的状态，对基板W加压；调节器40，其在研磨工序中旋转40d并对研磨垫11加压而使之改性；光传感器100、100’，其具备为了测量基板W的研磨层f厚度而照射照射光Li的发光部和接收被研磨层f反射的反射光Li的受光部；控制部200，从由光传感器100、100’的受光部接收的反射光，获得研磨工序中的基板研磨层f的厚度。

在所述研磨盘10和研磨垫11上形成有透明窗11a，来自光传感器100的发光部照射于在研磨盘10的下侧进行研磨工序的基板W的研磨面，光传感器100的受光部可以接收基板W的研磨层f所反射的反射光Lo。在这种情况下，光传感器100的受光部相对于研磨垫11固定于既定位置，因而如果无视基板W的振荡运动，则接收沿着基板W的既定轨迹的反射光Lo信号。出于便利，在图中示例性图示了发光部和受光部形成为一个主体的构成，但发光部和受光部也可以形成为独立的主体。

另一方面，光传感器100配置于一同贯通研磨盘10和研磨垫11的透明窗11a的下侧，可以配备得使来自光传感器100的照射光贯通透明窗11a而到达基板，基板研磨层所反射的反射光贯通透明窗而被光传感器接收。与此并行或取而代之，也可以构成为贯通研磨垫11并在研磨盘10的上表面形成凹槽部，或形成贯通研磨垫11一部分的凹槽部，使光传感器100’配置于该凹槽部，使从光传感器100’照射的照射光照射于基板研磨层f，接收基板研磨层f反射的反射光。在这种情况下，光传感器100’的受光部沿着穿过基板W下侧的研磨垫11的旋转轨迹，从基板W接收反射光Lo。

下面，出于便利，以发光部和受光部形成为一个主体的光传感器为例，对光传感器的发光部照射光Li、光传感器的受光部130接收反射光Lo的构成进行说明。

所述基板W在制造半导体元件的过程中，研磨层f由透过光的光透过性材质形成。其中，“光透过性材质”不仅包括发光部照射的照射光Li全部透过者，而且包括只透过从发光部120照射的光Li的1％以上一部分者。例如，研磨层f可以以氧化物层形成，因此，如图5所示，照射的照射光Li的一部分成为在研磨层f的表面反射的反射光Loe，照射光Li的另一部分透过研磨层f，成为在非透过层Wo的表面反射的反射光Loi。

所述研磨头20可以由公知的多样形态或结构形成，在研磨工序中，发挥以使基板W位于下侧的状态，保持基板W的研磨面持续接触研磨垫11的状态的作用。

例如，研磨头20可以包括：本体，其从外部接受传递旋转驱动力并进行旋转；底座，其与本体连动并一同旋转；柔韧性材质的隔膜，其固定于底座，按照基板W的形状，形成有圆盘形态的底板；卡环，其以包围基板W四周的环形态形成，在研磨工序中保持贴紧研磨垫状态，在研磨工序中，抑制基板W被推出到研磨头20之外。

其中，隔膜从柔韧性材质的底板向上方延长的环形态的固定瓣的末端固定于底座，在隔膜底板与底座之间形成有多个压力腔室。而且，研磨头的各个压力腔室从压力调节部接受空压供应，独立地调节压力，因而在研磨工序中，可以以各压力腔室互不相同的加压力，对位于隔膜底板下侧的基板W加压并研磨。

例如，各个光传感器100、100’的受光部分别接收从发光部照射的照射光在所照射基板W的研磨层f的位置被反射的反射光Lo，如果利用接收的反射光，在研磨工序中，按照射光Li被反射的基板研磨层f位置，获得基板W的研磨层厚度，则可以控制使得压力调节部将感测为研磨层厚度相对较高的基板位置的上侧压力腔室调节为更高压力，提高对基板的加压力，提高每单位时间研磨率(Removal Rate)，将感测为研磨层厚度相对较低的基板位置的上侧压力腔室调节为更低压力，降低对基板的加压力，降低每单位时间研磨率。

所述调节器40以调节盘接触研磨垫11的状态横穿并进行往复摆动运动，以便具有研磨垫11的半径方向成分。此时，调节盘的加压力既可以保持恒定，也可以根据基板的研磨层厚度信息，针对通过感测为基板的研磨层厚度相对较高的基板位置的研磨垫11，降低加压力，调高研磨垫的高度，针对通过感测为基板的研磨层厚度相对较低的基板位置的研磨垫11，提高加压力，调低研磨垫的高度等，以有意地存在偏差的方式调节研磨垫11的高度。

所述光传感器100由朝向基板W的研磨层f照射照射光Li的发光部、接收从研磨层f反射的反射光Lo的受光部构成。如图5所示，根据本发明的另一实施形态，包括由发光部向基板研磨层f倾斜地照射照射光Li并且由受光部接收从基板研磨层f倾斜地反射的反射光Lo的构成。但是，如图3b所示，为了消除因照射光Li与反射光Lo的入射角和反射角导致的计算复杂性，优选构成为由光传感器100的发光部将照射光Li垂直照射于基板研磨层f并且由光传感器100的受光部接收从基板研磨层f垂直反射的反射光Lo。

其中，借助于发光部而照射的照射光Li定为包括2个以上波长的光，优选地，可以是包括5个至15个左右波长的光。在这种方面，照射光Li可以是由连续的多个波长的光合成的白色光，为此，照射于光传感器100的发光部的照射光Li的光源105可以使用发光二极管(LED)。在照射光Li为白色光的情况下，如后所述，在连续的多个波长中甄别2个以上的多个选择波长，处理对选择波长的光干涉信号，借助于此，可以在研磨工序中获得基板研磨层的绝对厚度。

为了在研磨工序中无时间延迟地获得研磨层的绝对厚度，选择波长的个数越多越有利，但大致上，选择波长数可以确定为5个至15个，如果选择波长定为10个左右，则可以几乎实时地连续获得研磨层的绝对厚度。而且，所述选择波长可以在

至的波段中选择，所述选择波长可以设置相互均匀的间隔(例如，

)进行选择，例如在定为

间隔的情况下，优选在作为相互间波长间隔的

的20％的

的误差范围内，确定均匀间隔(即，设置波长间隔)。

另一方面，照射于基板研磨层f的照射光Li，从输出具有连续多个波长的白色光的光源105，通过光传感器100的发光部照射于基板研磨层f，具有多个波长的反射光通过光传感器100的受光部而接收。

其中，如图3a所示，在光源105中生成的照射光Li，将从光源105延长至光传感器100的主光纤101当作照射光路径进行传递，照射于基板研磨层，在基板研磨层f反射的反射光Lo被受光部接收，通过主光纤进行传递，沿着在主光纤中被分歧103为Y字形态的传递用光纤102进行传递，被控制部200接收。

另一方面，如图3c所示，根据本发明的另一实施形态，取代使用Y字形态的分歧103，可以构成为在光源105与分光仪230之间配置有半反射镜(half mirror)104，使从光源105照射的照射光Li被半反射镜104反射，到达基板的研磨层f，在基板研磨层f反射的反射光Lo穿过半反射镜104，传递到分光仪230。

所述控制部200作为基板的研磨系统1的控制装置，包括：运算部210，其利用由基板W的研磨层f材质决定的折射率(n)，计算对研磨层厚度的多个选择波长的理论光干涉信号；归一化模块220，其进行归一化(normalize)而使得从光传感器100的受光部接收的反射光Lo在恒定光强度下获得基板研磨层的厚度；分光仪230，其将从光传感器100的受光部接收的反射光Lo按波长生成为光干涉信号；厚度算出部240，其以借助于分光仪230而生成的光干涉信号为基础，感测研磨工序中基板研磨层的厚度。

所述运算部210考虑由基板W的研磨层f材质决定的折射率(n)，计算基于预先确定的选择波长的理论光干涉信号数据(S10)。其中，理论光干涉信号数据是指，根据研磨层材质，以特征矢量形态，获得基于研磨层厚度的光干涉信号的波形、各波长波形的特征值的位置信息。

换句话说，基板的研磨层材质如果确定，则研磨层的折射率确定，因此，研磨层厚度的周期确定为(λ/2n)(其中，λ为光的波长，n为折射率)，因而可以获得基于光的波长(λ)的研磨层厚度周期，由此，可以获得从基板W的研磨层f厚度为0的地点开始增加的理论光干涉信号(光强度，Intensity)的变化数据。

更具体而言，就在光透过性研磨层反射的反射光的光干涉信号的光强度信号而言，如果研磨层的厚度因研磨(polishing)而变化，则从研磨层反射的光的强度随着研磨层的剩余厚度而周期性地变化，变化的周期根据光的波长(λ)与薄膜的折射率(n)而确定。

其中，光强度(Intensity)与cos(4π*n/λ*t)成比例。其中，t意味着研磨层厚度，n为研磨层的折射率，λ为光的波长。由此，研磨层厚度周期确定为(λ/2n)，每λ/2n，相同的图案的光干涉信号反复，在研磨层厚度的1周期，需要的时间周期(T1)确定为(λ/(2n*RR))。其中，RR为每单位时间研磨率(Removal Rate)。另外，在薄膜厚度为0的界面中的反射光相位为0，此时的光强度最大，为1。

根据这种光透过性研磨层f中基于光干涉的光强度(光干涉信号)的特性，运算部210即使无法预先获得每单位时间研磨率(RR)，也可以按波长，获得对研磨层厚度变化的光干涉导致的光强度(光间干涉信号)。

根据本发明一种实施形态，作为光源105而应用白色光，在反射光Lo中包含连续的无数的波长光，因而运算部210针对预先确定的多个选择波长(λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6)，考虑随研磨层材质而异的折射率(n)，如图7所示，计算对研磨层厚度(t)的理论光干涉信号。

其中，为了获得研磨工序中的研磨层厚度而预先由运算部210计算的基于研磨层厚度的光干涉信号数据，如前所述，只对在

至

波段中预先选择的5个～15个左右的选择波长(λ1、λ2、λ3、λ4、...)进行计算即可。而且，预先选择的选择波长大致可以设置均匀的间隔(例如，)进行选择。

作为参考，图7出于说明的便利，按研磨层厚度，显示了将具有互不均匀间隔的第一波长(λ1)、第二波长(λ2)、第x波长(λx)、第y波长(λy)选择为选择波长，在运算部210中进行运算而获得的“理论光干涉信号”的数据。

即，本说明书及权利要求书记载的“理论光干涉信号”及与之类似的术语，定义为在控制部200的运算部210中进行运算而获得的对选择波长的基于研磨层厚度的光干涉信号及与之相关的数据。

另一方面，运算部210如果已知研磨层的折射率(n)，则借助于简单的计算，在很短时间内运算对选择波长的理论光干涉信号，因而不需要以库形态预先存储于存储器，在基板W供应给研磨头20而进行研磨工序之前，借助于运算部210预先计算理论光干涉信号即可。或者，在基板W的研磨工序开始之后，借助于运算部210而实时计算理论光干涉信号，并与从受光部接收的反射光Lo中提取的测量光干涉信号比较即可。

通过这种方式，就多个预先选择的选择波长，预先计算出“理论特征矢量(theoretical feature vector)”。其中，理论特征矢量作为诸如理论光干涉信号的峰值(peak value)和谷值(valley value)的特征值(feature value)的位置数据，意味着在选择波长中，关于基准波长特征值至其他选择波长特征值的相对距离及方向的矢量。

下面，出于说明的便利，详细叙述预先确定4个选择波长并由此获得研磨层的绝对厚度值的方法。

例如，参照图9a，将第一波长(λ1)确定为基准波长，将达到第一波长(λ1)理论光干涉信号的第一峰值P1a(即权利要求书中记载的第一特征值)的研磨层成为t1厚度的位置确定为基准位置，由此，作为关于至其他选择波长(λ2、λx、λy)周边谷值(P2,Px,Py)的方向和距离的矢量，理论特征矢量分别确定为[e2,ex,ey]。(以下出于便利，用[]显示的内容为矢量。)其中，ex和ey、e2为互不相同的方向，因此，如果变换为相对位置，则可以显示为(e2,ey,-ex)。

不仅如此，将第一波长(λ1)确定为基准波长，将达到第一波长(λ1)理论光干涉信号的第一峰值P1a(即权利要求书中记载的第一特征值)的研磨层成为t1厚度的位置确定为基准位置，由此，作为关于至其他选择波长(λ2、λx、λy)周边峰值(P2’,Px’,Py’)的方向和距离的矢量，理论特征矢量分别确定为[e2',ex',ey']。其中，ex、ey、e2为相互相同的方向，因而如果变换为相对位置，则可以显示为(e2,ey,ex)。

另一方面，参照图9b，将第一波长(λ1)确定为基准波长，将达到第一波长(λ1)理论光干涉信号的第一峰值(P1a)和第一谷值(V1a)的中间值(基准位置，R1，即权利要求书的第一中间值)的研磨层成为t2厚度的位置确定为基准位置，由此，作为关于至其他选择波长(λ2、λx、λy)周边谷值(P2,Px,Py)的方向和距离的矢量，理论特性矢量确定为[E2,Ex,Ey]。其中，E2、Ex、Ey均为相同的方向，因而如果变换为相对位置，则可以显示为(E2,Ex,Ey)。

同理，将第一波长(λ1)确定为基准波长，将达到第一波长(λ1)理论光干涉信号的第一峰值(P1a)和第一谷值(V1a)的中间值(基准位置，R1，即权利要求书的第一中间值)的研磨层成为t2厚度的位置确定为基准位置，由此，作为关于至其他选择波长(λ2、λx、λy)周边峰值(P2’,Px’,Py’)的方向和距离的矢量，理论特征矢量分别确定为[E2',Ex',Ey']。其中，由于E2、Ex、Ey均为相同的方向，因而如果变换为相对位置，则可以显示为(E2’,Ex’,Ey’)。如上所述，如果将基准位置确定为峰值与谷值的中间值，则至基准波长之外其他选择波长的光干涉信号的峰值和谷值的距离变短，特征矢量的方向也大致恒定，因而可以获得在与研磨工序中测量的测量光干涉信号的测量特征矢量比较方面减小错误的效果。

在将中间值确定为基准位置的情况下，与将特征值当作基准位置的情形类似，也可以在第一波长之外的其他选择波长中，将其他一个(例如，第二波长等)以上当作基准波长，获得理论特征矢量。

另一方面，基准波长不需要局限为一个，如图9c所示，将第二波长(λ2)当作另一个基准波长，将到达第二波长(λ2)理论光干涉信号的第二谷值(P2，即权利要求书记载的第二特征值)的研磨层成为t3厚度的位置当作基准位置，由此，作为至其他选择波长(λ1,λx,λy)周边谷值(V1a,Px,Py)的方向和距离的矢量，理论特征矢量分别确定为[f1,fx,fy]。其中，f1和fx、fy为互不相同的方向，因而如果变换为相对位置，则可以显示为(f1,-fx,-fy)。

如上所述，运算部210针对4个选择波长(λ1、λx、λy、λz)，分别以第一波长(λ1)、第二波长(λ2)、第x波长(λx)、第y波长(λy)为基准波长，针对其分别以峰值、谷值等的特征值或他们的中间值为基准位置，将至与之接近的其他选择波长的峰值、谷值等特征值的理论特征矢量求出为[e2,ex,ey]、[e2',ex',ey']、[f1,fx,fy]、[E2,Ex,Ey]、[E2',Ex',Ey'],...，在各个理论特征矢量中，处于可以预知基板研磨层f的绝对厚度值分别为t1、t2、t3、...等的状态。

即，在研磨工序中，如果查找测量特征矢量与理论特征矢量在允许误差以下一致的理论特征矢量，则由于理论特征矢量是针对各个已知的研磨层绝对厚度值而获得的，所以可以将与找出的理论特征矢量相应的研磨层厚度值(例如，如图9a所示的[e2,ex,ey]、[e2',ex',ey']的理论特征矢量与研磨层厚度t1对应，如图9b所示的[Ee2,Ex,Ey]、[E2',Ex',Ey']的理论特征矢量与研磨层厚度t2对应，如图9c所示的[f1,fx,fy]的理论特征矢量与研磨层厚度t3对应)作为所述研磨层的绝对厚度值而获得，其中，所述测量特征矢量代表选择波长(λ1、λ2、λx、λy)的测量光干涉信号的特征值之间的方向和相对距离，所述理论特征矢量代表理论光干涉信号的特征值之间的方向和相对距离。

其中，针对作为基板研磨层f一个厚度值的t1，利用[e2,ex,ey]、[e2',ex',ey']，沿两侧方向，可以获得各2个的理论特征矢量。而且，如果进一步增加选择波长的个数，则可以以理论特征矢量的形态，获得可以更多地获知研磨层绝对厚度值(t1,t2,t3,...)的信息。

所述归一化模块220在开始进行研磨工序期间，针对光传感器100的受光部接收的反射光Lo进行归一化，使得反射光强度(Intensity)的平均值恒定。这是因为，在基板研磨层f反射的反射光Lo会因作为光源105的LED中生成的光强度或周边光的强度等而稍稍变化，在个别波段会存在因错误导致的变化，但光源105的光强度或周边光强度导致的变化与基板研磨层f厚度无关，因而进行归一化，使得反射光强度的平均值恒定，以便只对基板研磨层f的厚度显示反射光强度。

归一化模块220可以在光传感器100的受光部接收的反射光Lo传递到分光仪230之前，使反射光归一化，以便具有与反射光此前平均值相同的平均值。例如，可以进行信息处理，使得如图6a所示的对研磨初期的基于波长的光干涉信号进行积分的整体强度(图表的面积)和对研磨末期的基于波长的光干涉信号进行积分的整体强度保持恒定。

另一方面，归一化模块220也可以在光传感器100的受光部接收的反射光Lo传递给分光仪230后，针对分光仪230对选择波长进行分光的光干涉信号实现归一化。其中，分光仪230针对选择波长而算出光干涉信号，因而取代对全体波长的光干涉信号进行积分，而是按比率调节整体光干涉信号的强度，使得针对选择波长而获得的光干涉信号的强度(光强度,intensity)之和与此前获得的光干涉信号的强度之和一致。即，对分光仪230分光的光干涉信号进行归一化，是借助于对算出的光干涉信号的合计进行既定调节，与在分光仪230分光之前进行归一化的光干涉信号积分原理相同地进行。

借助于此，可以防止反射光Lo因周边亮度或光源105生成的白色光的光强度偏差，导致可获知基板研磨层厚度的反射光信号失真。

所述归一化模块220也可以构成另外的外部装置，作为所述控制部(或控制装置)的一部分，也可以由用于信号处理的软件构成。另一方面，归一化模块220用于更可靠地获得基板的研磨层f厚度，根据需要，也可以排除在本发明的构成之外。

所述分光仪230使光传感器100的受光部接收的反射光Lo按波长分光成光干涉信号。

更具体而言，出于便利，参照以倾斜状态图示了照射光Li和反射光Lo的图5，基板W的研磨面由光可以透过的研磨层f和光无法透过的非透过层Wo构成，因而从发光部120照射的光Li的一部分在研磨层f的表面Sx反射Loe，从发光部120照射的光Li的一部分穿过研磨层f，在非透过层Wo反射Loi。因此，受光部130接收的反射光Lo包括在研磨层f的表面反射的反射光Loe和穿过研磨层f而在非透过层Wo反射的反射光Loi，这些反射光(Loe、Loi)设置细微间隔d，与研磨层f厚度成比例地存在光路径差异，因而相互干涉并将与正弦波形态类似的光干涉信号X按波长包含于反射光Lo中。即，光干涉信号是指在非透过层Wo反射的反射光Loi与在研磨层f的表面Sx反射的反射光Loe合并的反射光Lo各波长的光强度(Intensity)。

而且，分光仪230使反射光Lo中包含的各波长的光干涉信号X分光。即，在基板的研磨层f厚度(t)充分厚的初期厚度(to)中，基于波长的光干涉信号为图6a所示的形态，但基板研磨层f的厚度(t)渐渐变薄，在研磨结束时间点，基于波长的光干涉信号成为图6b所示的形态。

而且，图6a及图6b所示各波长(λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6)中的光干涉信号，随着研磨层f的厚度变化而分别具有上下变化的趋势，如图7所示，对某一波长(λ1)的光干涉信号的一个点S1，随着研磨层厚度的变化而形成与正弦波类似的波形，因此，如图8所示，随着研磨时间经过的光干涉信号形成与正弦波类似的波形。其中，正弦波形的光干涉信号的斜率(as)随着每单位时间研磨率(Removal Rate)而变化。

如此一来，分光仪230从光传感器100的受光部接收的反射光Lo中，分离出基于多个波长(λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、...)的光干涉信号。本发明一种实施形态的基板的研磨系统1比较以白色光为光源105而预先确定的多个选择波长的测量光干涉信号与理论光干涉信号，因而借助于分光仪230而分光的波长光，即使只针对预先选择的选择波长而获得也无妨，从受光部接收的反射光Lo，将针对预先确定的选择波长(图7中为λ1、λx、λy、λ2)进行分光而获得的光干涉信号提取为“测量光干涉信号”。

即，本说明书及权利要求书记载的“测量光干涉信号”及与之类似的术语，定义为对借助于分光仪而从受光部接收的反射光Lo分光的选择波长的光干涉信号。

另一方面，在借助于分光仪230而提取测量光干涉信号之前，如果借助于归一化模块220而对反射光的强度进行归一化，则从光源发生的光量在研磨工序中不约而同地变化，或事先过滤进行研磨工序的周边亮度导致的偏差，结果可以获得更准确的测量光干涉信号数据。即，如图9所示，测量光干涉信号可以获得最大值为1、最小值为-1、峰值与谷值的中间值为0的值。

所述厚度算出部240开始进行基板的研磨工序(S20)，受光部接收从光传感器的发光部照射的照射光Li在基板研磨层f反射的反射光Lo(S30)，根据需要，借助于归一化模块220，使现在接收的反射光Lo的强度与此前反射光强度的平均值(例如，图6a的光干涉信号的积分值)相同地归一化后，如果从受光部传递的反射光Lo中借助于分光仪230而至少提取出相对于选择波长的测量光干涉信号(S40)，则在研磨工序中比较从分光仪230接收的测量光干涉信号与由运算部210计算的理论光干涉信号，从而算出研磨层的绝对厚度(S50)。

更具体而言，厚度算出部240从选择波长值的测量光干涉信号，检测各波长值的峰值、谷值等的特征值。其中，测量光干涉信号相对于时间进行显示。

从分光仪230接收的信号同时包含选择波长的测量光干涉信号，因而如图9所示，厚度算出部240随着研磨时间的经过而获得作为选择波长而预先确定的个数的测量光干涉信号。

于是，如图10所示，厚度算出部240从连续获得的对选择波长(λ1、λ2、λx、λy)的光干涉信号，实时获得包括峰值和谷值的特征值。而且，与此同时，求出关于特征值或中间值至其他特征值的距离和方向的“测量特征矢量(measured feature vector)”。

例如，如果将基准波长确定为第一波长(λ1)，将峰值和谷值的中间值确定为基准位置Rm1，则由此将至其他选择波长(λ2、λx、λy)的相邻峰值的测量特征矢量获得为[r2,rx,ry]。虽然图中未示出，但与此类似，将峰值和谷值的中间值确定为基准位置Rm1，由此可以将至相对于其他选择波长的相邻谷值为止的矢量获得为测量特征矢量。另外，测量特征矢量也可以以峰值和谷值的中间值为基准位置而获得，与理论特征矢量相同，也可以以峰值或谷值等的特征值为基准位置，获得为至相对于其他选择波长的峰值或谷值为止的矢量。

即，测量特征矢量以与理论特征矢量相同的方式，将选择波长之一确定为第一基准波长，在第一基准波长的光干涉信号达到某一第一特征值的状态下，可以以第一特征值为基准位置，确定为至相对于除了第一基准波长之外其他选择波长的光干涉信号的特征值为止的矢量(vector)。另外，测量特征矢量以与理论特征矢量相同的方式，将选择波长中除了所述第一基准波长之外的另一个当作第二基准波长，在第二基准波长的光干涉信号达到某一第二特征值的状态下，可以以第二特征值为基准位置，确定为至相对于除了第二基准波长之外的其他选择波长的光干涉信号的特征值为止的矢量(vector)。

不过，就本发明的理论特征矢量及测量特征矢量而言，根据本发明优选实施形态，优选将如上所述求出的矢量全部当作特征矢量，但根据本发明的另一实施形态，也可以将除如上所述求出的矢量中的一部分矢量之外的矢量当作特征矢量。

而且，厚度算出部240比较运算部210计算的作为“理论特征矢量”的[e2,ex,ey]、[e2',ex',ey']、[f1,fx,fy]、[E2,Ex,Ey]、[E2',Ex',Ey']、...与研磨工序中之前获得的作为测量特征矢量的[r2,rx,ry]，找出理论特征矢量与测量特征矢量满足允许误差范围以内的理论特征矢量。优选地，在研磨工序中，找出此前获得的测量特征矢量与运算部210预先计算的理论特征矢量的偏差最小的理论特征矢量。

此时，理论特征矢量由于预先已知基板研磨层f的厚度(t)为t1、t2、t3、...，因而借助于找出与测量特征矢量偏差最小的理论特征矢量，可以在研磨工序中获得基板研磨层f的绝对厚度。如此获得的基板研磨层f的绝对厚度值Tm显示于图11中。

特别是理论特征矢量，就已知的基板研磨层f的一个厚度，针对朝向谷值和峰值的各个方向，各具备2个，因而在研磨工序中实时求出基板研磨层的绝对厚度值，从后续获得的测量特征矢量的值，也可以验证已求出的研磨层的绝对厚度值是否正确。

而且，参照附图示例性图示的构成，针对对4个选择波长的光干涉信号，比较理论值和测量值，因而随着研磨层厚度的变化，已知的研磨层厚度数据的隔开距离相对较大，但在大致预先确定为10个选择波长的情况下，可以分别以10个选择波长为基准波长，以10个选择波长的光干涉信号的特征值和中间值为基准，通过理论特征矢量而获知研磨层厚度，因而可以获得可在研磨工序中实时获知

厚度变化的效果。

进一步地，本发明只需要就选择个数的选择波长的运算，因而与必须进行就数百个至数千个波长的信号处理才能获得研磨层绝对厚度值的以往技术相比，运算速度远远更快，可以准确地获得研磨层的绝对厚度值，可以获得可以以更低配置低廉地构成运算所需的计算机等设备的优点。

而且，根据如上所述的方式，可以在研磨工序中可靠地获得研磨层的绝对厚度值，因而与以往相比，预先预测研磨结束时间点，不设置研磨结束时间点，可以获得可实时准确地感测基于基板研磨层位置的偏差并应用于研磨头等的控制的效果。

另一方面，在研磨工序中，在每单位时间的研磨率(RR)保持恒定的情况下，理论特征矢量与测量特征矢量的偏差几乎只按恒定比率发生，因此，可以借助于如上所述的方式，准确地求出研磨工序中的研磨层的绝对厚度值。

但是，在研磨工序中，在研磨头的加压力或调节器的各摆动位置的加压力变化的情况下，随着每单位时间的研磨率(RR)的变化，会发生理论特征矢量与测量特征矢量的偏差。

因此，厚度算出部240从如上所述获得的研磨层的厚度数据，计算每单位时间研磨率(RR)。其中，研磨层厚度周期确定为(λ/2n)，每λ/2n，相同图案的光干涉信号反复，研磨层厚度的1周期需要的时间周期(T1)确定为(λ/(2n*RR))，因此，每单位时间研磨率(RR)可以从测量的时间周期(T1)＝λ/(2n*RR)的公式中获得。

而且，厚度算出部240从如此随着研磨工序时间经过而算出的每单位时间的研磨率(RR)、随着时间经过而获得的研磨层绝对厚度值Tm，如图11所示进行曲线拟合(curvefitting)，生成研磨层绝对厚度值的变异曲线(Tr,thickness fitting curve)。

其中，研磨层绝对厚度值的变异曲线中的斜率代表每单位时间的研磨率(RR)，可以由此运算至目标厚度Te的剩余时间。而且，借助于厚度算出部240，随着时间经过而获得的基板研磨层的绝对厚度值Tm显示于图11中，研磨层绝对厚度值的变异曲线(Tr)反映新显示的绝对厚度值Tm，并随着研磨工序的进行经过而持续补正。

此时，在如上所述获得的绝对厚度值中，将从绝对厚度值变异曲线(Tr)远离的绝对厚度值数据Ei视为错误的测量厚度值。而且，从研磨层绝对厚度值变异曲线(Tr)，计算达到研磨层的目标厚度的剩余时间并进行显示。

作为接近研磨层目标厚度的值，获得研磨层的绝对厚度值，如果达成目标厚度的剩余时间小于允许误差，则结束研磨工序，使得达到目标厚度Te。其中，目标厚度Te也可以不是特征值或中间值，在这种情况下，理论特征矢量不存在于目标厚度Te中，因而如果感测为达到最接近目标厚度Te的研磨层厚度值，则在只按计算的剩余时间持续研磨工序后，结束研磨工序。

如果根据这种方式进行研磨工序，则可以获得如下有利效果，即，在研磨工序中，即使研磨层的每单位时间的研磨率(RR)变化，也可以准确地实时获知基板研磨层f的厚度值，由此，不仅准确地感测研磨结束时间点，而且即使在研磨工序中发生基板研磨层的研磨量偏差的情况下，也可以针对研磨头的加压力，调节按基板区域而加压的加压力，或调节调节器的加压力，将研磨层的研磨曲线更准确地控制成所需的形态。

以上通过优选实施例，示例性地说明了本发明，但本发明并非只限定于这种特定实施例，可以在本发明提出的技术思想，具体而言，在权利要求书记载的范畴内，修订、变更或改进成多样的形态。

Claims (40)

1.一种基板的研磨系统，所述基板在底面形成有光透过性材质的研磨层，其特征在于，包括：

研磨头，以所述基板的所述研磨层接触研磨垫的状态，配置所述基板；

发光部，向所述研磨层照射具有多个波长的照射光；

受光部，接收被所述研磨层反射的反射光；

控制部，对于预先确定的多个选择波长，根据所述研磨层材质，计算相对于所述研磨层厚度的理论光干涉信号，从由所述受光部接收的所述反射光中提取相对于所述多个选择波长的测量光干涉信号，比较所述测量光干涉信号与所述理论光干涉信号，以获得研磨工序中的所述研磨层厚度。

2.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部在进行所述基板的所述研磨工序之前，预先计算所述理论光干涉信号数据。

3.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部在所述基板的所述研磨工序中，同时计算所述理论光干涉信号数据。

4.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述选择波长数确定为5个至15个。

5.根据权利要求4所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述选择波长选自至的波段中。

6.根据权利要求4所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述选择波长的相互间波长间隔在20％的误差范围内被确定为均匀的间隔。

7.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述照射光为白色光。

8.根据权利要求7所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述照射光的光源为LED。

9.根据权利要求7所述的基板的研磨系统，其特征在于，

发光部向所述研磨层垂直照射所述照射光，并且所述受光部垂直接收所述反射光。

10.根据权利要求9所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述发光部和所述受光部形成为一个主体；

在形成从所述光源延长至所述发光部的照射光路径的主光纤中，形成有朝向所述控制部分歧延长的反射光传递用光纤。

11.根据权利要求9所述的基板的研磨系统，其特征在于，

在所述研磨垫具备透明窗，所述发光部和所述受光部配置于所述透明窗的下侧。

12.根据权利要求9所述的基板的研磨系统，其特征在于，

配备有贯通所述研磨垫的至少一部分且不与所述基板接触的凹槽部，所述发光部与所述受光部配置于所述凹槽部内。

13.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述研磨层为氧化物层。

14.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部包括分光仪，所述分光仪从所述反射光中提取相对于所述选择波长的光干涉信号。

15.根据权利要求14所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部包括归一化模块，所述归一化模块对于由所述受光部接收的所述反射光进行归一化，使得反射光强度的平均值恒定。

16.根据权利要求15所述的基板的研磨系统，其特征在于，

借助于所述归一化模块的所述反射光归一化，是在所述反射光传递到所述分光仪之前进行的。

17.根据权利要求15所述的基板的研磨系统，其特征在于，

借助于所述归一化模块的所述反射光归一化，是对所述反射光在所述分光仪分光的所述选择波长的光干涉信号进行的。

18.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

在研磨工序中，所述控制部查找测量特征矢量与理论特征矢量在允许误差以下一致的理论特征矢量，将相对于找到的理论特征矢量已获知的研磨层的厚度值作为所述研磨层的绝对厚度值获得，所述测量特征矢量表示所述选择波长的所述测量光干涉信号的特征值之间的方向和相对距离，所述理论特征矢量表示所述理论光干涉信号的特征值之间的方向和相对距离。

19.根据权利要求18所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述特征值为峰值与谷值中的任意一个以上。

20.根据权利要求18所述的基板的研磨系统，其特征在于，

获得相对于所述测量特征矢量的研磨层的绝对厚度值是，借助于查找所述测量矢量与理论特征矢量的偏差达到最小的理论特征矢量而实现的。

21.根据权利要求18所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述理论特征矢量和所述测量特征矢量被确定为，将所述选择波长中的一个作为第一基准波长，在所述第一基准波长的光干涉信号达到某一个第一特征值的状态下，以所述第一特征值作为基准位置，至相对于除了所述第一基准波长之外的其他选择波长的光干涉信号的特征值为止的矢量。

22.根据权利要求21所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述理论特征矢量和所述测量特征矢量被确定为，将所述选择波长中除了所述第一基准波长之外的另一个作为第二基准波长，在所述第二基准波长的光干涉信号达到某一第二特征值的状态下，以所述第二特征值作为基准位置，至相对于除了所述第二基准波长之外的其他选择波长的光干涉信号的特征值为止的矢量。

23.根据权利要求1所述的基板的研磨系统，其特征在于，

在研磨工序中，所述控制部查找测量特征矢量与理论特征矢量在允许误差以下一致的理论特征矢量，将与找到的理论特征矢量相应的研磨层的厚度值作为所述研磨层的厚度的绝对厚度值而获得，其中，所述测量特征矢量代表所述选择波长的所述测量光干涉信号的峰值和谷值的中间值至特征值的方向和相对距离，所述理论特征矢量代表所述理论光干涉信号的峰值和谷值的中间值至特征值的方向和相对距离。

24.根据权利要求23所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述特征值为峰值与谷值中的任意一个以上。

25.根据权利要求23所述的基板的研磨系统，其特征在于，

获得相对于所述测量特征矢量的研磨层的绝对厚度值是，借助于查找所述测量矢量与理论特征矢量的偏差达到最小的理论特征矢量而实现的。

26.根据权利要求23所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述理论特征矢量和所述测量特征矢量被确定为，将所述选择波长中的一个作为第一基准波长，在所述第一基准波长的光干涉信号达到相邻的谷值与峰值的第一中间值的状态下，以所述第一中间值作为基准位置，至相对于除了所述第一基准波长之外的其他选择波长的光干涉信号的特征值为止的矢量。

27.根据权利要求26所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述理论特征矢量和所述测量特征矢量被确定为，将所述选择波长中除了所述第一基准波长之外的另一个作为第二基准波长，在所述第二基准波长的光干涉信号达到相邻的谷值与峰值的第二中间值的状态下，以所述第二中间值作为基准位置，至相对于除了所述第二基准波长之外的其他选择波长的光干涉信号的特征值为止的矢量。

28.根据权利要求1至27中任意一项所述的基板的研磨系统，其特征在于，

在研磨工序中，所述控制部从所述反射光的光干涉信号的周期获得每单位时间的研磨率。

29.根据权利要求28所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部基于所述每单位时间的研磨率和所述研磨层的厚度值，通过随时间变化的曲线拟合方式，生成研磨层绝对厚度值的变异曲线。

30.根据权利要求29所述的基板的研磨系统，其特征在于，

当作为所述测量厚度值而获得的值自所述研磨层绝对厚度值的变异曲线超出预先确定的范围时，视为错误的测量厚度值。

31.根据权利要求29所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部考虑到所述研磨层绝对厚度值的变异曲线以及至目标厚度的每单位时间的研磨率，算出剩余时间并进行显示。

32.根据权利要求29所述的基板的研磨系统，其特征在于，

所述控制部考虑到所述研磨层绝对厚度值的变异曲线以及至目标厚度的每单位时间的研磨率，即使在剩余时间内未获得所述研磨绝对厚度值，只要经过所述剩余时间就结束所述研磨工序。

33.一种基板的研磨系统的控制装置，所述基板上形成有光透过性材质的研磨层，其特征在于，包括：

运算部，对于预先确定的多个选择波长，根据所述研磨层材质，预先计算相对于所述研磨层厚度的理论光干涉信号；

分光仪，从被所述研磨层反射并接收的所述反射光中，提取相对于所述选择波长的测量光干涉信号；

厚度算出部，在所述研磨工序中，比较所述测量光干涉信号与所述理论光干涉信号，从而算出所述基板的所述研磨层厚度。

34.根据权利要求33所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

还包括归一化模块，对于由所述受光部接收的所述反射光进行归一化，使得反射光强度的平均值恒定。

35.根据权利要求34所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

借助于所述归一化模块的所述反射光的归一化是在所述反射光传递到所述分光仪之前进行的。

36.根据权利要求34所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

借助于所述归一化模块的所述反射光归一化是对所述反射光在所述分光仪分光的所述选择波长的光干涉信号进行的。

37.根据权利要求33所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

在研磨工序中，所述厚度算出部查找所述选择波长的所述测量光干涉信号的测量特征值之间的特征矢量与所述理论光干涉信号的理论特征值之间的特征矢量在允许误差以下一致的厚度值，从而获得作为测量厚度值的所述研磨层的厚度。

38.根据权利要求33所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

在研磨工序中，所述控制部从所述反射光的光干涉信号的周期获得每单位时间的研磨率，基于所述每单位时间的研磨率和所述研磨层的厚度值，通过随时间变化的曲线拟合方式，生成研磨层绝对厚度值的变异曲线。

39.根据权利要求33所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

考虑到所述研磨层绝对厚度值的变异曲线以及至目标厚度的每单位时间的研磨率，以算出剩余时间。

40.根据权利要求38所述的基板的研磨系统的控制装置，其特征在于，

考虑到所述研磨层绝对厚度值的变异曲线以及至目标厚度的每单位时间的研磨率，即使在剩余时间内未获得所述研磨绝对厚度值，只要经过所述剩余时间就结束所述研磨工序。

Images