CN1196182C - 监视设备、监视方法、抛光装置和半导体晶片的制造方法 - Google Patents

监视设备、监视方法、抛光装置和半导体晶片的制造方法 Download PDF

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Abstract

将第一光纤维(62)的第二边缘端插入滚柱轴承(36)的中央的内圈并固定到内圈。第二边缘与旋转轴(11)的预定位置对准固定，以便发射探测光和接收反射的信号光。从第二光纤维(61)的第二边缘发射的探测光经过透明窗口(23)照射将抛光的衬底(42)，反射信号光在相反的方向再经过透明窗口(23)并进入第二光纤维(61)的第二边缘。这样，即使在抛光设备的抛光衬垫旋转的工作期间，第一光纤维(62)可以保持不旋转，结果提供非旋转空间用于容纳光源(24)、束分离器(25)、光电检测器(26)和第一耦合透镜(63)。

Description

监视设备、监视方法、 抛光装置和半导体晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及监视设备和监视方法，用于监视衬底、尤其是其上在半导体制造工艺中形成了半导体元件的半导体晶片的抛光过程中的抛光条件，还涉及将此监视设备引入其中的抛光装置和半导体晶片的制造方法。
背景技术
随着半导体集成电路的集成度的无限增加，用于制造这种电路的半导体工艺技术变得越来越精细，并且已经从0.5微米时代进入0.25微米时代。结果，增加了用在光刻曝光工艺中的曝光装置的数值孔径(NA)，结果，这种曝光装置的焦深变得越来越浅。此外，还有一个明显的倾向是器件结构的三维化、在电极布线中多层结构的形成和这种结构的复杂性的增加。
近来，CMP(化学-机械抛光或化学-机械平面化)作为在半导体工艺中用于内层绝缘膜的整体整平技术吸引了人们的注意，人们将其作为处理这种倾向的重要技术。在用于此CMP工艺的衬底抛光装置中，如图11中的1所表示的，在安装在衬底保持部分102中的衬底(半导体晶片)107被压在抛光衬垫103上的同时，使衬底107进行相对运动，所述抛光衬底固定在抛光表面板104上，通过抛光剂(浆料)105的化学抛光作用和机械抛光作用整平抛光衬底的表面，所述抛光剂是由抛光剂供应机构106提供的。
在这种衬底抛光装置中，抛光中剩余膜厚的测量和工艺终点的确定是其中最重要的性能要求。此测量的精度大大影响利用此装置制造的半导体元件的质量，也就是集成电路的质量。
然而，传统的衬底抛光装置都是现有装置的延伸，目前不能满足工作精度增加的需要。尤其是关于批之间的剩余膜厚的变化，在通过设定工作时间的控制方法下，除了抛光衬垫的堵塞之外，不能够控制每单位时间的抛光量(抛光速度)的波动因素，例如，在偶然情况下波动的各种因素如抛光压力、供应的抛光剂的量和衬底的环境温度等。此外，还使用了下列方法，其中借助于特殊的测量设备(椭圆计等)随着工作的进行测量剩余膜厚，通过将此信息回转到衬底抛光装置中来控制剩余膜厚。然而，此方法有一个缺陷是为了进行测量必须暂时停止抛光工作。此外，即使通过这种测量得到了抛光衬底的精确的剩余膜厚值，此测量也只是间歇地进行；结果，在存在上述波动因素的条件下，精确地确定工艺的终点是不可能的。因此不能够实现精确地获得目标剩余膜厚的目的，并且不能忽略批之间膜厚的变化。
因此，在过去，除了其中通过时间控制检测抛光终点的方法之外，还提出了通过检测驱动抛光衬底表面板的马达的扭矩的波动作为在抛光进行的同时检测抛光终点的检测方法。这种方法利用了下列事实：在抛光终点当衬底的抛光表面的材料变化时，抛光阻力也变化。通过监视马达扭矩检测抛光阻力的波动，从马达扭矩的变化检测抛光终点。
然而，尽管在抛光终点材料出现变化的情况下(例如，在抛光氧化物膜的工序中露出底层硅的情况)，利用检测马达扭矩波动的方法是有效的，但是当希望整平由相同的材料构成的相同的膜表面的凹凸不平、使整个膜具有高精度(大约±100nm或更高)时，这种方法在精度方面是不够的。此外，由于在这种情况下，在抛光终点马达扭矩没有出现明显的波动，因此检测抛光终点实际上是不可能的。
因此，近来已经探索用基于光学系统的终点检测来代替由这种扭矩波动的终点检测。
图12显示了这种光学终点检测技术的典型例子。在图12中，衬底(半导体晶片)107安装在衬底保持部分102上，抛光衬垫固定到抛光表面板104上，在衬底107压在抛光衬垫103上的同时，抛光装置1通过衬底的旋转运动100和抛光衬垫的运动101产生相对运动，通过由抛光剂供应机构106提供的抛光剂(浆料)105的化学抛光作用和机械抛光作用整体抛光衬底的表面。
在此技术中，从监视设备109发射的探测光通过透明窗110照射半导体晶片107，所述透明窗形成在抛光衬垫103和抛光表面板104中，通过监视设备配备的光电检测设备接受来自半导体晶片107的反射光实现工艺终点的确定。
然而，对于这种终点检测方法来说，仅仅依据方法的原理公开了方法的范围；没有清楚地公开构成部件的设置例如具体的光学系统。例如，可以引用日本专利申请特开No.H9-36072中描述的技术作为接近于图12所示的技术的例子；然而，在此专利中没有描述光学传感器的构成。
此外，如图12所示，监视设备109必须固定到旋转的抛光表面板104上。由于监视设备配置有光源和光监测器，为了在监视设备旋转的情况下容纳此监视设备，在抛光表面板104的下部需要不可忽略的尺寸容纳空间。这就极大地限制了CMP抛光装置的设计。
通常，在如CMP抛光装置的装置工作在昂贵的清洁室内的情况下，尤其需要减小装置的尺寸和重量。这样，这种容纳空间的增加不仅减小了设计的自由度，而且还是CMP抛光装置的尺寸和重量减小的障碍。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述问题，提供一种监视设备和监视方法，使其能够不考虑衬底的实际材料，通过光学装置高精度测量剩余膜厚和检测工艺终点。
本发明的另一个目的是提供一种小巧、轻量的抛光装置，它配置有此监视设备，并且能够高精度抛光。
本发明的再一个目的是提供一种抛光方法和利用此抛光装置高精度制造半导体晶片的方法。
用来实现上述目的的第一发明是配置有抛光体部分的监视设备，抛光体部分具有带加工面的可旋转的抛光体和保持衬底的衬底保持部分，当通过在上述旋转加工表面和上述衬底的抛光表面之间设置抛光剂并且在这两部分之间产生相对运动来抛光此抛光表面时，监视设备借助于通过用探测光照射此抛光表面得到的反射信号光监视抛光条件，
此监视设备的特征在于，此设备配置有
发射上述探测光的非旋转光源，
接收上述反射信号光的非旋转光检测器，和
回转(turnback)光学部分，当上述探测光入射到上述抛光体部分的旋转轴的特定位置时，回转光学部分从此特定位置发射上述反射信号光，将上述回转光学部分结合到上述抛光体部分中，以便此回转光学部分可以和上述抛光体一起旋转。
这里，术语“抛光体部分”不仅指抛光体、抛光表面板和轴，而且还指配置有旋转机构的机械系统等。
用于实现上述目的的第二发明是在上述第一发明的基础上，进一步的特征在于上述回转光学部分配置有光耦合透镜和具有n0折射率的第二光纤维，上述监视设备进一步配置有非旋转第一光纤维。
用于实现上述目的的第三发明是在上述第一发明的基础上，进一步的特征在于上述监视设备配置有非旋转的第一反射镜，上述回转光学部分配置有第二反射镜和第三反射镜。
用于实现上述目的的第四发明是在上述第一至第三发明的任何一个的基础上，进一步的特征在于，上述回转光学部分配置有具有折射率n1的透明窗口，向上述抛光表面透射上述探测光，并且在相反的方向上透射上述反射的信号光。
用于实现上述目的的第五发明是在上述第四发明的基础上，进一步的特征在于，上述第二光纤维的端部和上述透明窗口通过粘合剂粘结，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，与n1的差为n1的±17％或更小。
用于实现上述目的的第六发明是在上述第四发明的基础上，进一步的特征在于，上述第二光纤维的端部和上述透明窗口通过粘合剂粘结，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，至少在上述透明窗口的粘结部分上形成抗反射膜，此抗反射膜用于减小上述粘合剂和上述透明窗口之间的界面反射。
用于实现上述目的的第七发明是在上述第四发明的基础上，进一步的特征在于，上述回转光学部分进一步配置有光学系统，光学系统安装在上述透明窗口和上述第二光纤维的端面之间，并具有用来用探测光照射上述抛光表面并将上述反射信号光聚焦在上述第二光纤维的上述端面上的凸放大率(convex power)，所述探测光是从上述第二光纤维的上述端面发射的。
用来实现上述目的的第八发明是在上述第四发明的基础上，进一步的特征在于，上述回转光学部分进一步配置有光学系统，光学系统安装在上述透明窗口和上述第三反射镜之间，并具有用来用从上述第三反射镜发射的探测光照射上述抛光表面并将反射信号光传输到上述第三反射镜的凸放大率。
用于实现上述目的的第九发明是在上述第七发明的基础上，进一步的特征在于，通过粘合剂粘结上述光学系统中最接近上述第二光纤维的上述端面的、具有n2折射率的透镜和上述第二光纤维的上述端面，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，与n1的差为n1的±17％或更小。
实现上述目的的第十发明是在第七发明的基础上，进一步的特征在于，通过粘合剂粘结上述光学系统中最接近于上述第二光纤维的上述端面的、具有n2折射率的透镜和上述第二光纤维的上述端面，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，至少在具有n2折射率的上述透镜的粘结部分上形成抗反射膜，用来减小上述粘合剂和上述具有n2折射率的上述透镜之间的界面反射。
实现上述目的的第十一发明是在上述第七至第十中的任一个发明的基础上，进一步的特征在于，上述光学系统在与上述抛光表面光共轭的位置配置有挡板。
实现上述目的的第十二发明是在上述第二、第四至第七或第九至第十一发明的任一个的基础上，进一步的特征在于，设定上述第一或第二光纤维的至少一个端面的法线方向，使得此法线方向与上述第一或第二光纤维的光轴方向不平行。
实现上述目的的第十三发明是在上述第二、第四至第七或第九至第十二发明的任一个的基础上，进一步的特征在于，至少上述第一或第二光纤维或两个光纤维是配置有由液体构成的芯的光纤维。
实现上述目的的第十四发明是一种监视方法，当通过在旋转加工表面和衬底的抛光表面之间设置抛光剂并且在这两个部分之间产生相对运动抛光此抛光表面时，此监视方法借助于通过用探测光照射此抛光表面得到的反射信号光监视抛光状态，
此监视方法的特征在于，此方法包含：
从非旋转光源发射探测光的步骤，
使上述探测光入射到回转光学部分上的步骤，回转光学部分与上述加工表面一起旋转，和
通过非旋转光检测器接收从上述回转光学部分发射的反射信号光的步骤。
实现上述目的的第十五发明是一种抛光装置，其特征在于，此装置配置有上述第一至第十三发明中任一个的监视设备。
实现上述目的的第十六发明是一种半导体晶片制造方法，其特征在于，上述衬底是其上形成了半导体元件的半导体晶片，此方法包含利用第十五发明的抛光装置抛光衬底表面的步骤。
在本发明的监视设备中，只有小巧的回转光学部分即物镜部分安装在抛光装置的旋转抛光体侧上。光源、光检测器、束分离器和分光镜(在分光镜法的情况下)即测量部分(需要相当大量的安装空间的部分)安装在非旋转部分。因此，增加了配置有此监视设备的抛光装置的设计自由度，可以减小此装置的尺寸和重量。此外，可以高精度监视抛光条件。
此外，本发明的监视方法使其不仅能够高精度监视抛光条件，而且增加了抛光装置的设计自由度，并且使抛光装置更小巧。此外，本发明的抛光装置不仅小巧，而且能够高精度监视抛光条件。
此外，在本发明的抛光方法中，由于高精度监视了抛光条件，可以极大地提高如抛光的半导体元件的衬底的质量和生产率。
附图说明
图1是构成本发明第一加工布局的监视设备和抛光装置的示意图。
图2是构成本发明第二加工布局的监视设备和抛光装置的示意图。
图3是构成本发明第三和第四加工布局的监视设备和抛光装置的示意图。
图4是构成本发明第五加工布局的监视设备和抛光装置的示意图。
图5是在本发明第五加工布局的监视设备中光学系统附近的示意图，所述光学系统具有凸放大率。
图6是构成本发明第六和七加工布局的监视设备中光学系统附近的示意图，所述光学系统具有凸放大率。
图7是构成本发明第八加工布局的监视设备中光学系统附近的示意图，所述光学系统具有。
图8是构成本发明第九加工布局的监视设备中光学系统附近的示意图，所述光学系统具有。
图9是构成本发明第十加工布局的监视设备和抛光装置的示意图。
图10是光纤维的楔形端部的放大图。
图11是CMP抛光装置的示意图。
图12是显示传统的监视设备和抛光装置之间关系的示意图。
具体实施方式
下面，为了更详细描述本发明，将参考附图描述本发明的最佳加工布局。然而，勿需说这些加工布局的内部并不限制本发明的范围。
[第一加工布局]
图1显示了含有监视设备的抛光装置的示意图，构成本发明的加工布局。在图1中，21代表监视设备，此监视设备配置有发射探测光的光源24、束分离器25、接受发射信号光的光检测器26、第一光耦合透镜63、第一光纤维62、旋转接点35和第二光纤维61。旋转接点35配置有第二光耦合透镜64、轴承36和用来固定第二光纤维61的第一端面的固定座。
将第一光纤维62的第二端面侧上的端部插入滚轴型轴承36的中央部分的内滚圈中，并固定到此内滚圈。为了发射探测光并使反射信号光入射，将第二端面侧上的此端面的固定部分调整为与旋转轴11的特定位置匹配。此外，在第二光纤维61的第一端面侧的端部被固定在固定座。将轴承36的外滚圈固定到旋转接点35的罩部，并将旋转接点35的罩部固定到轴34的内表面。形成这种结构的结果是，可以得到其中第二光纤维61与抛光表面板31一起旋转、第一光纤维62固定不旋转的状态。
这里，第二光耦合透镜64和第二光纤维61形成回转光学部分。如果需要，此回转光学部分还配置有透明窗口23，这样与抛光表面44一起进一步形成回转光系统。术语“回转光系统”指的是设计一种系统，使得当探测光入射到此回转光系统中的特定位置时，反射的信号光从此特定位置向相反的方向发射。
第一光耦合透镜63聚焦探测光，使此光入射到第一光纤维62的第一端面上；此外，此透镜使从第一光纤维62的第一端面发射的反射信号光入射到束分离器25。这里，为了消除光的传输损耗，最好是第一光耦合透镜63与第一光纤维62的模式匹配。第一光纤维62和第二光纤维61传输从这些光纤维的各个第一端面入射的探测光，并使此光由第二端面发射；此外，这些光纤维传输从第二端面入射的反射信号光，并使此光由第一端面发射。此外，第二光耦合透镜64接收从第一光纤维62的第二端面发射的探测光，使此光聚焦并使此光入射到第二光纤维61的第一端面上；此外，此第二光耦合透镜64接收从第二光纤维61的第一端面发射的反射信号光，使此光聚焦并使此光入射到第一光纤维62的第二端面上。这里，为了消除光的传输损耗，最好是第二光耦合透镜64与第一光纤维62和第二光纤维61的模式匹配。
从第二光纤维61的第二端面发射的探测光透过透明窗口23并照射到衬底42的抛光表面上。从此点反射的反射信号光在相反的方向上再次透过透明窗口23，并入射到第二光纤维61的第二端面上。
这样，即使在抛光装置的抛光表面板旋转的工作状态下进行监视，也可以将第一光纤维62保持在非旋转状态；结果，可以将需要安装空间的光源24、束分离器25、光检测器26和第一光耦合透镜63安装在非旋转的位置。这就减小了安装空间的限制，并极大地方便了抛光装置尺寸的减小。
下面将描述图1中的抛光装置的整个结构。在图1中，31代表抛光表面板，32代表固定到抛光表面板31上的抛光体，34代表轴，抛光表面板31围绕此轴旋转，42代表衬底，33代表保持衬底42的衬底保持部分，43代表抛光剂供应机构。
在抛光中，通过施加压力的机构(图中未示出)将衬底42的抛光表面压在抛光体32的工作表面上，在通过抛光剂供应机构43供应抛光剂41的同时，衬底保持部分33旋转(仅示出了围绕旋转轴12的旋转方向)。此外，抛光表面板31通过旋转机构(图中未示出)旋转(示出了绕旋转轴11的旋转方向)，以便抛光衬底42的抛光表面。
最好是抛光体32配置有透明窗口23。此透明窗口23具有透过探测光和反射光并防止抛光剂泄漏的功能。为了在界面处减小透射的探测光和反射光的反射损耗，最好是在此透明窗口23的至少一个侧面上形成抗反射膜。
当要进行监视时，从光源24发射的探测光经过束分离器25；此光进一步经过第一光耦合透镜63和第一光纤维62，并且从处于特定位置的第一光纤维62的端面射向第二光耦合透镜64。此探测光进一步经过光耦合透镜64、第二光纤维61和透明窗口23射向衬底42的抛光表面。
这里，在束分离器25和第一光耦合透镜63之间设置了挡板4。通过调整挡板4的孔，可以调整入射到第一光纤维62上的探测光的最大入射角度，还可以调整衬底42的抛光表面上的照射点的尺寸。
来自此抛光表面的反射信号光实际上在与探测光相反的方向上沿上述光路传播；此反射经过第二光耦合透镜64并入射到第一光纤维62的端面上，其中第一光纤维62的第二端面放在特定的位置。此光经过光纤维62。然后此光经过第一光耦合透镜63并由束分离器25反射，使此光进入光检测器26并被检测作为信号。根据此反射的信号光变化监视抛光衬底的抛光条件。
这里，由于透明窗口23绕旋转轴11旋转，导致探测光照射衬底42的抛光表面，当透明窗口23在抛光表面下面旋转时，得到反射的信号。
由于此监视设备配有旋转接点35，因此可以在抛光装置的旋转部分中安装监视设备，使得监视设备具有极高的全场合实用性。
[第二加工布局]
图2显示了本加工布局的含有监视设备的抛光装置示意图。图2中显示的抛光装置自身与图1显示的装置一样；据此，相同的构成部件用相同的标号表示，并省略了对其作用的描述。
在图2中，21代表监视设备，它配有发射探测光的光源24、束分离器25、接收反射信号光的光检测器26、第一反射镜27、第二反射镜28和第三反射镜29。调整反射探测光的第一反射镜27的位置，使得此位置与反射信号光入射的特定位置重合，并进一步调整使得反射的探测光与旋转轴11重合。
这里，第二反射镜28和第三反射镜29形成回转光学部分。如果需要，此回转光学部分还配有透明窗口23，并进一步与抛光表面44一起形成回转光系统。
第一反射镜27将从束分离器25射来的探测光射向第二反射镜28，并将从第二发射镜28射来的反射信号光射向束分离器25。第二反射镜28将从第一反射镜27射来的探测光射向第三反射镜29，并将由第三反射镜29反射和发射的反射信号光射向第一反射镜27。从第三反射镜29发射的探测光经过透明窗口23照射衬底42的抛光表面。来自此点的反射信号光在相反的方向再次经过透明窗口23，射到第三反射镜上并向第二反射镜28反射。然后，通过束分离器25反射此光(通过第一反射镜27)，并入射到光检测器26上，以便将此光检测作为信号。根据此反射信号光的变化监视抛光表面的条件。
这样，与上述第一加工布局一样，即使在抛光装置的抛光表面板旋转的工作状态下进行监视，也可以将第一反射镜27、光源24、束分离器25和光检测器26安装在非旋转位置，极大地方便了抛光装置尺寸的减小。
将第二反射镜28设置在轴34的内部，这样设置第二反射镜28使得此第二反射镜28与轴34一起旋转。在第二反射镜28旋转的同时，此旋转的反射镜28接收从非旋转的第一反射镜27反射来的探测光，并将此探测光射向第三反射镜29，第三反射镜29以与第二反射镜28一样的角速度旋转。此外，类似地旋转的第二反射镜28接受(旋转的同时)从以与第二反射镜28一样的角速度旋转的第三反射镜29发射来的反射信号光，并将此反射信号光射向非旋转的第一反射镜27。
当将要进行监视时，从光源24发射的探测光经过束分离器25，并通过第一反射击27(设置在特定的位置)、第二反射镜28、第三反射镜29和透明窗口23将其射向衬底42的抛光表面。来自此抛光表面的反射信号光实际上在与探测光相反的方向上沿上述光路传播；此反射信号光由第一反射镜27(设置在特定位置)反射，然后由束分离器25反射，使得此光进入光检测器26并被检测。根据此反射信号光的变化监视抛光表面的抛光条件。
这里，由于透明窗口23和第二反射镜28以及第三反射镜29一起绕旋转轴11旋转，致使探测光照射衬底42的抛光表面，当透明窗口23在抛光表面下旋转时，得到了反射信号。
[第三加工布局]
本加工布局与第一加工布局的区别仅在于利用粘合剂将第二光纤维61的端面粘结到透明窗口23上。
在图1的示意图所示的第一加工布局中，使由第二光纤维61发射的探测光直接照射衬底42的抛光表面，再使反射信号光入射到第二光纤维61的端面上。然而，从第二光纤维61发射的探测光是发散光；此外，在透明窗口和光纤维的端面之间具有间隙，使得不能忽略这两个部分之间的距离。因此，由于大量的反射信号光由于发散而损失，减小了入射到第二光纤维61的光量。
在本加工布局中，作为一种解决方案，利用粘合剂将第二光纤维61的端面粘结到透明窗口23上。尤其是，利用折射率在n0±17％范围内和n1±17％范围内的粘合剂70粘结第二光纤维61的端面和透明窗口23，其中n0是第二光纤维端面的折射率，n1是透明窗口23的折射率。此加工布局的轮廓示于图3。
此设置的结果是，不仅可以将第二光纤维61的端面放得更接近于衬底42得抛光表面，同时可以减小透明窗口23和第二光纤维61端面的界面处的反射损耗。为了减小在此光纤维端面处的反射损耗，可以想到在第二光纤维61的端面上形成抗反射膜的方法。然而，由于光纤维的端面具有极小和狭窄的形状，通过普通的真空蒸发法形成抗反射膜是困难的，并且这种情况下制造费用也很高。此外，即使减小了光纤维端面处的反射损耗，仍遗留有透明窗口表面处的反射损耗问题。相比较而言，从成本的角度来看，本加工布局的粘结方法也是优异的。
在具有不同的折射率n和n’的透明物体之间的界面处的反射率R通常由下式表示：
R＝{(n-n’)/(n+n’)}2
假设n＝1.5，那么与折射率n’为1.0的空气的界面的反射率大约为4％。然而，当此界面折射率差减小时，界面的反射率降低。当光纤维61的端面和透明窗口23借助于粘合剂粘结时，其中粘合剂相对于n0具有17％或更小的折射率差，并且相对于n1具有17％或更小的折射率差，不仅可以将光纤维和粘合剂之间的界面处的反射率减小到大约1％或更低，而且可以将粘合剂和透明窗口23之间的界面处的反射率减小到大约1％或更低。因此可以增加反射信号光。
[第四加工布局]
本加工布局与第三加工布局的区别仅在于，在透明窗口23的表面上形成抗反射膜，用来减小粘合剂和透明窗口之间的界面处的反射率。
在第三加工布局中，利用粘合剂70粘结第二光纤维61的端面和透明窗口23，所述粘合剂70具有n0±17％范围内和n1±17％范围内的折射率，其中n0是第二光纤维端面的折射率，n1是透明窗口23的折射率。然而，根据n0和n1的值，会出现不能找到满足n1±17％折射率条件的适当的粘合剂的情况。在这种情况下，在透明窗口23的表面上形成了抗反射膜，用来减小粘合剂和透明窗口之间的界面处的反射。在本加工布局中，在图3所示的第三加工布局中，在透明窗口23的表面上形成了抗反射膜(图中未示出)。
这种设置的结果是，可以增加粘合剂选择的自由度，并且可以充分减小与粘合剂交界的两个界面处的反射率；结果，可以增加反射信号光。
[第五加工布局]
本加工布局的整个示意图示于图4，图5示出了光窗口附近的光学系统。此加工布局与第一加工布局的区别仅在于，在第二光纤维端面和透明窗口之间设置了具有凸放大率的光学系统22。光学系统22还可以由多个透镜构成；然而，在这些结构中，在代表项中仅示出了一个透镜。
通过第三和第四加工布局，可以减小第二光纤维61端面和透明窗口23表面处的反射损耗；然而，如在第三加工布局中所描述的，从第二光纤维发射的探测光是发散光，透明窗口23具有不可忽略的厚度；据此，在探测光和反射的信号光传播此距离的同时，光发散使得只有部分光进入第二光纤维61的端面。
在图5中，设计具有凸放大率的光学系统22，使得第二光纤维61的端面的位置相对于衬底42的抛光表面再次光共轭。换句话说，从第二光纤维61的端面发射的探测光通过具有凸放大率的光学系统22折射，并使其照射到抛光表面，反射的信号光在相反的方向上通过具有凸放大率的光学系统22再折射。结果在发射的同时，端面形状的等尺寸图像聚焦在第二光纤维61的端面位置上。
此外，最好是设计此具有凸放大率的光学系统22，使其模式关于第二光纤维61上的入射和从第二光纤维61的发射匹配，这样防止光损耗。如果这样做，那么由抛光表面反射的所有信号光基本上都可以进入第二光纤维61。结果，可以增加反射的信号光。
[第六加工布局]
图6示出了在本加工布局的光学窗口附近区域的光学系统的轮廓。此加工布局与第五加工布局的区别仅在于：借助于粘合剂70将透镜220(它是最接近于第二光纤维端面的光学系统22的部分)和第二光纤维的端面粘结在一起。可以存在利用多个透镜构成光学系统22的情况；然而在图6中，也仅示出了一个透镜作为这些情况的代表例。这里，与第三加工布局一样，需要折射率条件，最好是通过粘合剂70粘结第二光纤维61的端面和透镜220，粘合剂70具有n0±17％范围内和n2±17％范围内的折射率，其中n0是第二光纤维端面的折射率，n2是透镜220的折射率。
这种设置的结果是，可以减小第二光纤维61端面处的界面反射和透镜220粘结表面侧上的界面处的光反射；因此，可以增加反射的信号光。
[第七加工布局]
此加工布局与第六加工布局的区别仅在于：在透镜220的表面上形成抗反射膜，用抗反射膜来减小粘合剂和透镜220之间的界面处的反射。具体来说，在图6中，在透镜220的表面上形成了抗反射膜(图中未示出)。
在第六加工布局中，借助于粘合剂70粘结第二光纤维61的端面和透镜220。粘合剂70具有在n0±17％范围内而且在n2±17％范围内的折射率，其中n0是第二光纤维端面的折射率，n2是透镜220的折射率。然而，根据n0和n2的值，会出现不能找到满足n2±17％折射率条件的适当的粘合剂的情况。在这种情况下，在透镜220的表面上形成了抗反射膜，用抗反射膜来减小粘合剂70和透镜220之间界面处的反射。
这种设置的结果是，可以增加选择粘合剂的自由度，并且可以充分减小与粘合剂两个交界面处的反射率，增加反射的信号光。
[第八加工布局]
此加工布局的光学系统22附近的条件示于图7。此加工布局与第五加工布局的区别仅在于进一步改进了光学系统22。在图7中，光学系统22配置有前组光学系统221和后组光学系统222，并进一步配置有挡板14。挡板14安装在前组系统221中与衬底42的抛光表面光学共轭的位置上。
如果在光纤维中存在弯曲等，从第二光纤维61发射的光的方向会变化。因此在第五加工布局的监视设备的情况下，光照射的位置会出现位移等，这样会引起测量误差。为了调整来自第二光纤维61的光束，在光学系统22中安装了挡板14。为此，设定挡板14的孔部分的尺寸，使得此尺寸比从光纤维61发射的光束的尺寸稍小。
这种设置的结果是，即使从第二光纤维61发射的探测光的光束方向出现一些变化，也可以稳定经过此挡板14的光束的方向和尺寸。据此，可以固定衬底42的抛光表面上由探测光照射的位置和照射的范围。此外，通过改变此挡板的形状和尺寸，可以调整抛光表面上的照射点的形状和尺寸。据此，可以使照射点的形状和尺寸与半导体器件的图形相匹配，这就是测量的目的。此外，如果安装这种挡板14，可以省略图1、3和4中所示的挡板4。
此外，最好是此加工布局与第六或第七加工布局结合。
在此加工布局中，从抛光表面反射的所有信号光都由光学系统22接收，并射入第二光纤维61；结果，不仅可以增加反射的信号光，而且可以固定衬底42的抛光表面上由探测光照射的位置以及此照射位置的尺寸。据此，可以进行高精度测量，并且可以通过调整挡板14的尺寸处理各种半导体器件图形。
[第九加工布局]
此加工布局的示意图示于图8，此加工布局与第二加工布局的区别仅在于在第三反射镜29和透明窗口23之间设置了具有凸放大率的光学系统22。光学系统22还可以由多个透镜构成；然而，在此图中，此光学系统简单地用方框表示。在第二加工布局中，从光源24发射的探测光在到达衬底42的抛光表面之前会发散，因此不能用需要尺寸的光点照射抛光表面。因此，借助于具有凸放大率的光学系统22使光缩小光圈到所希望尺寸的光点。
此外，如果需要，还可以在第一反射镜和第二反射镜之间或第二反射镜和第三反射镜之间独立地安装中继光学系统。以这种方式，不仅能够处理各种半导体器件图形，而且能够防止反射的信号光偏离光学系统的光路，以便可以由光检测器26接收此光而没有任何浪费。
以这种方式，可以从抛光装置独立地安装需要相当大的安装空间的束分离器25、光源24、包含分光镜的光学系统(检测分光镜的反射信号的情况下)和光检测器。此外，在抛光装置侧，仅需要安装配置有光纤维、反射镜或透镜等小巧的回转光学部分，用来实现稳定的探测光的传输和用此探测光照射抛光表面，而且还用于稳定地接收反射的信号光，并且将此光稳定地传输到旋转轴上的特定位置。据此，如果在抛光装置中使用此监视设备，可以高精度地监视抛光条件而不增加抛光装置的尺寸。此外，此监视方法也使其能够高精度地监视抛光条件而不增加抛光装置的尺寸。此外，结合了此监视设备的抛光装置小巧轻量，并且可以高精度地监视抛光条件。如果使用此抛光装置来抛光其上形成了半导体元件的半导体晶片，可以得到高精度地监视了抛光条件的半导体晶片。
[第十加工布局]
在第一、第三、第四、第五、第六、第七、第八加工布局中，有时在光纤维端面处光的反射是一个问题。例如，在第一加工布局中，由第一光纤维的第一端面和第二端面以及第二光纤维的第一端面和第二端面反射的反射探测光在与衬底42的方向相反的方向上传播，并且会作为干扰光(闪光)进入光检测器。
假设第一和第二光纤维芯的折射率为1.45，这些光纤维的外层部分的折射率为1.00，那么各个端面处的反射率大约为3.4％。由于探测光和反射的信号光的强度会由于散射损耗或某些类型晶片的低反射率特性而大大降低，所述散射损耗是由抛光剂41和在由其它光系统传播过程中的损耗引起的，最后进入光检测器26的反射信号光的强度在光纤维传播阶段中会从探测光的强度急剧减小。因此，4％的反射率是一个不可忽略的值。
由于此干扰光导致信号的S/N比下降，因此这种干扰光会导致抛光条件(例如剩余膜厚的测量和抛光终点的检测)的测量精度降低。
为了解决上述问题设计了本加工布局，并且本加工布局是修改的第一、第三、第四、第五、第六、第七和第八加工布局。本加工布局与这些加工布局的区别在于：光纤维的端面的定向。在第一加工布局中，没有关于光纤维的端面相对于光纤维的光轴方向的定向规定。在本加工布局中，设定光纤维的端面的法线方向，使得这些法线方向不与光纤维的光轴方向平行。尤其是在未粘结端面的情况下，最好是设定这些端面的法线方向使得这些法线方向不与光纤维的轴向垂直。
图9和10是本加工布局的一个例子的示意图。图9与图1所示的加工布局的区别仅在于：图1(说明第一加工布局)中的第二光纤维61的端面65形成楔形，在此端面65中，设定第二光纤维的轴使得此轴与衬底的法线不平行。
图10是图9所示的第二光纤维61的端面65的扩大图。61代表第二光纤维，71代表此光纤维的轴，探测光和反射的信号光沿着此轴传播。72代表探测光的传播方向，75代表反射的信号光的传播方向。76代表从第二光纤维61发射的发射探测光和入射到第二光纤维61上的反射信号光的光轴。73代表发射的探测光的传播方向，74代表反射的信号光的传播方向，77代表第二端面80的法线，78代表端面的倾斜角度(楔形角度)；这是由光纤维的轴71和第二端面80的法线方向77形成的角。
在水晶纤维其中芯的折射率为1.45的情况下，设定倾斜角78为8度。由于此角度还等于探测光入射到第二端面80上的入射角，因此，此角度有时也称为“入射角”。此外，由于此角度还等于反射的信号光相对于第二端面的折射角，因此，此角度有时还称为“折射角”。81对应于发射发射的探测光时的折射角，且此角为11.6度。此外，82是当由第二端面80反射探测光时的反射角，且此角等于入射角78。83是反射的探测光的方向。
关于探测光直到到达第二光纤维的描述与第一加工布局相同；据此，这里省略了对其的描述。沿着第二光纤维61的轴71的方向72传播的探测光以入射角78入射到第二端面80上；此光通过折射角81折射并发射；此外，探测光的部分以反射角82反射。折射的探测光在方向73上传播并入射到衬底42的抛光表面上。
由于调整方向73和抛光表面的法线方向使得这些方向彼此垂直，因此从此点反射的反射信号光沿着光轴76在方向74上传播；此光以入射角81和折射角78入射到第二光纤维的第二端面80上，并沿着轴71在方向75上传播。此外，在方向83上反射的反射探测光相对于第二光纤维的轴71以16度的大角度倾斜；据此，此光不形成第二光纤维的传播模式，但此光被辐射并在通过第二光纤维61传播期间损失。后面关于反射的信号光的传播与第一加工布局一样，因此省略了其描述。以这种方式，反射的信号光进入光检测器26并检测为信号。根据反射信号光的变化监视抛光表面的抛光条件。
在此加工布局中，由第二光纤维的第二端面80反射的探测光的反射光不进入光检测器26；据此，可以增加反射信号光的S/N比，使得抛光条件的测量精度例如剩余膜厚的测量和抛光终点的检测相对于第一加工布局的精度得到提高。
在上面的描述中，为了简便，只描述了使第二光纤维61的第二端面80相对于轴不垂直的情况作为第一加工布局的修改例。如此使其不垂直的端面也可以是第二光纤维61的第一端面、第一光纤维62的第一端面或第一光纤维62的第二端面；可以使这些端面中的一个或多个不垂直，或者可以使所有这些端面都不垂直。
通常，当不垂直的端面数量增加时，可以增加信号的S/N比，以便可以提高抛光条件的测量精度，例如剩余膜厚的测量和抛光终点的检测。使哪个端面不垂直和使多少个端面不垂直通过下列因素来确定：即，当使各个端面不垂直时减小闪光的效果、需要的测量精度和附加的成本。此外，除了第一加工布局，还可以通过类似的方法其中使光纤维的端面相对于光纤维的轴不垂直将本加工布局应用到第三、第四、第五、第六、第七、第八加工布局。
在上面的描述中，通过使光纤维的端面相对于光纤维的轴不垂直减小闪光。然而，通过作为第十加工布局的修改例，在各个端面上形成抗反射膜也可以得到类似的效果，而不用特意使端面相对于光纤维的轴不垂直。在前面的加工布局中已经公开了此例的一部分。在这种情况下，由于抗反射膜的残余反射光，不能使闪光彻底减小到零。因此，此效果不像端面形成楔形的效果那样大；然而，如果需要，在光学部件的设置方面存在限制等的情况下，可以使用这种方法。
[第十一加工布局]
此加工布局与第一、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第十加工布局的区别仅在于：使用配置有由液体构成的芯的光纤维作为光纤维61和62，通过将液体芯材注入由挠性透明树脂等构成的圆柱型外包层材料中来构成用于本加工布局的光纤维，所述液体芯材具有比外包层材料更高的折射率；这些光纤维具有极优异的挠性。此外，芯部分的面积与光纤维的截面面积之比比捆扎纤维的情况高，其中在捆扎纤维中，多个细的光纤维形成为束；因此，透射率高于捆扎纤维。
此外，由于外包层材料和芯材的材料选择自由度高，因此可以使外包层材料和芯材之间的折射率差大于捆扎的纤维；结果，可以得到比捆扎纤维高很多的NA。最好是使用由Pneum K.K.制造的液体光导作为本加工布局的光纤维。
在本加工布局中，光纤维的挠性极高，使得即使以很小的弯曲半径弯曲，光纤维也不会破裂。因此，将光纤维引入抛光体部分的自由度高，因此可以使监视设备或抛光装置更小巧。此外，由于光纤维的光透率高，使用低辐射光强度的小巧光源就可以得到相同的反射信号光，因此可以使监视设备更小巧。此外，由于光纤维具有高的NA，可以容易地实现高效率的光耦合，因此光学系统的设计自由度高。
在上述第一至第十一加工布局中，描述了其中将监视设备的构成元件分为旋转部件和非旋转部件的情况。然而，不用说也可以仅用非旋转部件构成本发明的监视设备。在这种情况下，其它的旋转部件构成抛光装置。
此外，在上述所有第一至第十一加工布局，为了监视抛光条件，进行剩余膜厚的测量和工艺终点的检测。此外，最好将分光镜的反射信号光检测为反射信号光，为此，在光检测器26的前面设置分光镜(图中未示出)。此分光镜测量的结果通过A/D转换器等(图中未示出)发射到信号处理部分(图中未示出)，这里可以计算膜厚。实际上，为了高精度检测分光镜的反射信号的变化，最好是使用由分光镜的反射信号计算出的参数，或者利用相互关联的函数等在分光镜的反射特性的参考值和分光镜的反射特性的测量值之间进行比较。
此外，监视设备的光源24最好配置有用来控制空间粘着长度的挡板(图中未示出)，以便根据抛光表面的图形尺寸控制图形干涉度。此外，为了排除第一级(first-order)或更高的衍射分量，仅检测零级光作为分光镜的反射信号，挡板(图中未示出)最好设置在光检测器26的前面。这种空间粘着长度控制技术和零级光提取技术公开于日本专利申请特开No.2000-40680、日本专利申请特开No.2000-241126、日本专利申请特开No.2000-186917和日本专利申请特开No.2000-186918中。
此外，希望本发明的监视设备用管等罩住，管的内部涂有粗糙的光吸收涂层材料等，以便没有有害的外部光进入光路(例如光路52、光学系统22或测量部分等)并对测量产生有害的影响。
这样，本监视设备的光学系统分为静止的部分和固定到旋转抛光表面板31和轴34上的旋转部分。静止部分和旋转部分是光耦合的。这里，术语“光耦合”指的是从光学系统的静止部分发射的光没有任何光损耗地传输到旋转部分，从旋转部分发射的光没有任何光损耗地传输到静止部分。
这样，可以将需要相当大的安装空间的束分离器25、光源24、包含分光镜(检测分光镜的反射信号的情况)的光学系统和光检测器独立地安装到抛光装置中。此外，在抛光装置的一侧，仅需要安装配置有光纤维、反射镜或透镜等的小巧的回转光学部分，用来实现探测光的稳定传输和此探测光对抛光表面的照射，还用来稳定地接受反射的信号光并将此光稳定地传输到旋转轴的特定位置。因此，如果将此监视设备用于抛光装置，可以高精度地监视抛光条件而不增加抛光装置的尺寸。此外，此监视方法也使其能够高精度地监视抛光条件而不增加抛光装置的尺寸。此外，引入此监视设备的抛光装置小巧轻量，可以高精度地监视抛光条件。如果使用此抛光装置来抛光其上形成了半导体元件的半导体晶片，可以得到高精度地监视了抛光条件的半导体晶片。
工业实用性
可以使用本发明的监视设备和监视方法主要在CMP抛光装置中监视抛光条件。此外，本发明的抛光装置适用于具有半导体电路的晶片的抛光。此外，本发明的半导体晶片制造方法适用于高生产率地制造半导体晶片。

Claims (15)

1.一种监视设备，配置有抛光体部分，抛光体部分具有带加工面的可旋转的抛光体和保持衬底的衬底保持部分，当通过在上述旋转加工表面和上述衬底的抛光表面之间设置抛光剂并且在这两部分之间产生相对运动来抛光此抛光表面时，监视设备借助于通过用探测光照射此抛光表面得到的反射信号光监视抛光条件，
此监视设备的特征在于，此设备配置有
发射上述探测光的非旋转光源，
接收上述反射信号光的非旋转光检测器，和
回转光学部分，当上述探测光入射到上述抛光体部分的旋转轴的特定位置时，回转光学部分从此特定位置发射上述反射信号光，将上述回转光学部分结合到上述抛光体部分中，以便此回转光学部分可以和上述抛光体一起旋转。
2.权利要求1所述的监视设备，其特征在于，上述回转光学部分配置有光耦合透镜和具有n0折射率的第二光纤维，上述监视设备进一步配置有非旋转第一光纤维。
3.权利要求1所述的监视设备，其特征在于，上述监视设备配置有非旋转的第一反射镜，上述回转光学部分配置有第二反射镜和第三反射镜。
4.权利要求1至3中任一个所述的监视设备，其特征在于，上述回转光学部分配置有具有折射率n1的透明窗口，向上述抛光表面透射上述探测光，并且在相反的方向上透射上述反射的信号光。
5.权利要求4所述的监视设备，其特征在于，上述第二光纤维的端部和上述透明窗口通过粘合剂粘结，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，与n1的差为n1的±17％或更小。
6.权利要求4所述的监视设备，其特征在于，上述第二光纤维的端部和上述透明窗口通过粘合剂粘结，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，至少在上述透明窗口的粘结部分上形成抗反射膜，此抗反射膜用于减小上述粘合剂和上述透明窗口之间的界面反射。
7.权利要求4所述的监视设备，其特征在于，上述回转光学部分进一步配置有光学系统，光学系统安装在上述透明窗口和上述第二光纤维的端面之间，并具有用来用探测光照射上述抛光表面并将上述反射信号光聚焦在上述第二光纤维的上述端面上的凸放大率，所述探测光是从上述第二光纤维的上述端面发射的。
8.权利要求4所述的监视设备，其特征在于，上述回转光学部分进一步配置有光学系统，光学系统安装在上述透明窗口和上述第三反射镜之间，并具有用来用从上述第三反射镜发射的探测光照射上述抛光表面并将反射信号光传输到上述第三反射镜的凸放大率。
9.权利要求7所述的监视设备，其特征在于，通过粘合剂粘结上述光学系统中最接近于上述第二光纤维的上述端面的、具有n2折射率的透镜和上述第二光纤维的上述端面，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，与n1的差为n1的±17％或更小。
10.权利要求7所述的监视设备，其特征在于，通过粘合剂粘结上述光学系统中最接近于上述第二光纤维的上述端面的、具有n2折射率的透镜和上述第二光纤维的上述端面，粘合剂的折射率与n0的差为n0的±17％或更小，至少在具有n2折射率的上述透镜的粘结部分上形成抗反射膜，用来减小上述粘合剂和具有n2折射率的上述透镜之间的界面反射。
11.权利要求7至10中任一个所述的监视设备，其特征在于，上述光学系统在与上述抛光表面光学共轭的位置配置有挡板。
12.权利要求2所述的监视设备，其特征在于，设定上述第一或第二光纤维的至少一个端面的法线方向，使得此法线方向与上述第一或第二光纤维的光轴方向不平行。
13.权利要求2所述的监视设备，其特征在于，至少上述第一或第二光纤维或两个光纤维是配置有由液体构成的芯的光纤维。
14.一种监视方法，当通过在旋转加工表面和衬底的抛光表面之间设置抛光剂并且在这两个部分之间产生相对运动抛光此抛光表面时，此监视方法借助于通过用探测光照射此抛光表面得到的反射信号光监视抛光条件，
此监视方法的特征在于，此方法包含：
从非旋转光源发射探测光的步骤，
使上述探测光入射到回转光学部分上的步骤，回转光学部分与上述加工表面一起旋转，和
通过非旋转光检测器接收从上述回转光学部分发射的反射信号光的步骤。
15.
一种抛光装置，包括抛光体部分，抛光体部分具有带加工面的可旋转的抛光体和用于保持衬底的衬底保持部分，该抛光装置通过在上述旋转加工表面和抛光表面之间插入抛光剂并且在这两部分之间产生相对运动来抛光此抛光表面，
其特征在于，此抛光装置具有监视抛光状态的监视设备，该监视设备配置有
发射探测光的非旋转光源，
接收反射信号光的非旋转光检测器，和
回转光学部分，当上述探测光入射到上述抛光体部分的旋转轴的特定位置时，回转光学部分从此特定位置发射上述反射信号光，将上述回转光学部分结合到上述抛光体部分中，以便此回转光学部分可以和上述抛光体一起旋转。
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