JP2002170799A - 測定装置、研磨状況モニタ装置、研磨装置、半導体デバイス製造方法、並びに半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノイズ光を低減して信号光のＳ／Ｎを向上さ
せ、測定精度を高める。 【解決手段】 光源２１から発した測定光をウエハ２の
被研磨面に照射し、被研磨面からの反射光を受光センサ
３２で受光し、受光センサ３２からの信号に基づいて、
ウエハ２の研磨状況をモニタする。最もウエハ２側に配
置され測定光及びウエハ２からの反射光が透過する透光
部材２７は、平行平板からなる。透光部材２７の上面及
び下面は、ウエハ２の被研磨面に対して角度αだけ傾斜
する。これらの面で反射した反射光Ｒ１，Ｒ２（ノイズ
光）は、光軸Ｏに対して２αの角度をなす。したがっ
て、反射光Ｒ１，Ｒ２のうち、ウエハ２の被研磨面で反
射した反射光（信号光）と一緒に、遮光板２９のピンホ
ール２９ａを通過して受光センサ３２に受光されるもの
の量が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、ＵＬＳＩ
などの半導体デバイスを製造する方法において、半導体
デバイスの平坦化研磨等に用いるのに好適な研磨状況モ
ニタ装置、測定装置、研磨装置、半導体デバイス製造方
法、及び半導体デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイス等の表面のグロー
バル平坦化技術として、化学的機械的研磨（Chemical M
echanical Polishing又はChemical Mechanical Planari
zation、以下ではＣＭＰと称す）技術が採用されてい
る。ＣＭＰは、物理的研磨に化学的な作用（研磨剤、溶
液による溶かし出し）を併用してウエハの表面凹凸を除
いていく工程である。ＣＭＰによる研磨を行う研磨装置
は、研磨体と、研磨対象物を保持する保持部とを備え、
前記研磨体と前記研磨対象物との間に研磨剤を介在させ
た状態で、前記研磨体と前記研磨対象物との間に荷重を
加え、かつ相対移動させることにより、前記研磨対象物
を研磨する。前記研磨剤は、スラリーとも呼ばれ、例え
ば、酸、アルカリなどの研磨物の可溶性溶媒中に、研磨
粒（シリカ、アルミナ、酸化セリウムなどが一般的）を
分散させたものである。

【０００３】ＣＭＰ技術では、研磨工程を行いながらの
（in-situの）研磨状況のモニタ（研磨量、膜厚又は研
磨終了点の検出等）が課題となっており、これは、工程
効率化のためにも要請が大きい。

【０００４】そこで、最近では、光学測定、すなわち、
分光によらない反射光測定や分光反射測定による研磨状
況のモニタ（in-situ終点判定及びin-situ膜厚計測な
ど）が有効とされている（特許第２５６１８１２号公
報、特開平１１−３３９０１号公報等）。これらの光学
測定による研磨状況モニタを行う研磨状況モニタ装置で
は、ＣＭＰにおいて、研磨対象物であるウエハに、研磨
パッド等の研磨体にウエハの被研磨面と平行に設けた平
行平板からなる透明窓（透光部材）を介して測定光を照
射し、ウエハにて反射され前記透明窓を介して受光した
反射光に基づいて、その反射率の変化や分光反射率の変
化により膜厚、研磨量又は研磨終了点を研磨中に検知す
る。

【０００５】また、このような研磨状況モニタ装置以外
にも、測定光を被測定物表面に照射し、前記被測定物表
面からの反射光を受光し、受光した反射光に基づいて膜
厚測定又は他の所定の測定を行う種々の測定装置があ
る。これらの測定装置においても、最も前記被測定物表
面側に配置され前記測定光及び前記反射光が透過する透
光部材として、被測定物表面と平行に設けられた平行平
板からなる透明窓（透光部材）が用いられていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の研磨状況モニタ装置では、透明窓が被測定物表面と
平行に設けられた平行平板で構成されていたので、ウエ
ハ表面で反射した反射光（信号光）のみならず、透明窓
の表面及び裏面で反射した反射光（ノイズ光）も受光さ
れてしまい、信号光のＳ／Ｎが低下して測定精度が低下
し、精度良く研磨状況をモニタすることができなかっ
た。

【０００７】また、研磨パッド等の窓は、研磨特性の劣
化を低減するため、研磨パッド等とほぼ同質の透明材料
が用いられる。この透明材料は光学ガラスに比較して透
過率が低く、また、研磨パッド等の窓とウエハとの間に
介在する研磨剤も透過率が低いため、ウエハへ照射する
測定光を高輝度にする必要がある。ところが、このよう
に測定光を高輝度にすると、研磨パッド等の窓の表面と
裏面での反射光であるノイズ光の強度が高くなってしま
い、信号光のＳ／Ｎがより一層低下していた。

【０００８】以上説明した、平行平板からなる透光部材
の表面及び裏面の反射光がノイズ光となって信号光のＳ
／Ｎが低下して測定精度が低下する点は、従来の研磨状
況モニタ装置のみならず、従来の他の種々の測定装置に
おいても、同様であった。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ノイズ光を低減して信号光のＳ／Ｎを向上さ
せることができ、ひいては高い精度で膜厚測定又は他の
所定の測定を行うことができる測定装置を提供すること
を目的とする。

【００１０】また、本発明は、ノイズ光を低減して信号
光のＳ／Ｎを向上させることができ、ひいてはより精度
良く研磨状況をモニタすることができる研磨状況モニタ
装置、及びこれを用いた研磨装置を提供することを目的
とする。

【００１１】さらに、本発明は、研磨状況をより精度良
くモニタすることによって一層工程効率化を図り、それ
により従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コスト
で半導体デバイスを製造することができる半導体デバイ
ス製造方法、及び低コストの半導体デバイスを提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による測定装置は、測定光を被
測定物表面に照射し、前記被測定物表面からの反射光を
受光し、受光した反射光に基づいて膜厚測定又は他の所
定の測定を行う測定装置において、最も前記被測定物表
面側に配置され前記測定光及び前記反射光が透過する透
光部材の、前記被測定物表面側の面及び前記被測定物表
面と反対側の面のうちの少なくとも一方の面が、前記被
測定物表面と実質的に平行な平面ではないものである。
前記透光部材は、通常、光学窓として用いられる。

【００１３】この第１の態様によれば、最先端の透光部
材の両面のうちの少なくとも一方の面が被測定物表面と
実質的に平行な平面ではないので、前記透光部材の前記
少なくとも一方の面で反射した反射光（ノイズ光）のう
ち、被測定物表面で反射した反射光（信号光）と一緒に
受光されるものの量を低減させることができる。このた
め、受光されるノイズ光が低減され信号光のＳ／Ｎを向
上させることができ、ひいては測定精度を向上させるこ
とができる。

【００１４】本発明の第２の態様による測定装置は、前
記第１の態様において、前記少なくとも一方の面が、前
記被測定物表面に対して傾斜した平面又はこの傾斜した
平面と光学的に実質的に等価な面であるものである。こ
の第２の態様は、透光部材の面の例を挙げたものであ
る。なお、前記等価な面としては、被測定物表面に対し
て傾斜した複数の平面が段差をなすように断面鋸状に配
置された面を挙げることができる。この点は、後述する
第７、第８、第１２及び第１３の態様についても同様で
ある。

【００１５】本発明の第３の態様による測定装置は、前
記第１の態様において、前記透光部材の前記被測定物表
面側の面及び前記被測定物表面と反対側の面が、互いに
実質的に平行でかつ前記被測定物表面に対して傾斜した
平面であるものである。この第３の態様も、透光部材の
面の例を挙げたものであるが、透光部材として平行平板
を用いることができるので安価となる上に、透光部材の
一方の面の反射光のみならず他方の面の反射光について
も、信号光と一緒に受光される量を低減させることがで
きるので、信号光のＳ／Ｎをより一層向上させることが
できる。

【００１６】本発明の第４の態様による測定装置は、前
記第１の態様において、前記少なくとも一方の面が曲面
であるものである。この第４の態様も透光部材の面の例
を挙げたものであるが、この第４の態様では、少なくと
も一方の面が曲面であるので、当該透光部材をレンズと
して作用させることが可能となる。

【００１７】本発明の第５の態様による測定装置は、前
記第１、第２又は第４の態様において、前記透光部材の
前記被測定物表面側の面が、大気の屈折率に比べて前記
透光部材の屈折率に近い屈折率を有する液体又は半固体
状物を介在させて、前記被測定物表面に近接又は密接さ
れる平面であるものである。

【００１８】この第５の態様によれば、透光部材の被測
定物表面側の面は、被測定物表面と実質的に平行とされ
るが、液体又は半固体状物が介在されているので、透光
部材の被測定物表面側の面での反射光の光量自体が低減
される。したがって、前記第５の態様によれば、信号光
のＳ／Ｎをより一層向上させることができる。

【００１９】本発明の第６の態様による測定装置は、前
記第５の態様において、前記液体又は半固体状物の屈折
率が前記透光部材の屈折率と略々同一であるものであ
る。

【００２０】この第６の態様のように、各屈折率が略々
同一であれば、透光部材の被測定物表面側の面での反射
光の光量自体が大幅に低減され、信号光のＳ／Ｎをより
一層向上させることができる。

【００２１】本発明の第７の態様による測定装置は、測
定光を被測定物表面に照射し、前記被測定物表面からの
反射光を受光し、受光した反射光に基づいて膜厚測定又
は他の所定の測定を行う測定装置において、最も前記被
測定物表面側に配置され前記測定光及び前記反射光が透
過する透光部材の、前記被測定物表面側の面及び前記被
測定物表面と反対側の面のうちの少なくとも一方の面
が、前記透光部材に入射する前記測定光の実質的に全て
の光線束について下式（数４）を満たす角度αだけ、前
記被測定物表面に対して傾斜した平面、又はこの傾斜し
た平面と光学的に実質的に等価な面であるものである。
前記透光部材は、通常、光学窓として用いられる。

【００２２】

【数４】α＞（１／２）・arctan｛（Ｄ＋ｄ）／２Ａ｝

【００２３】上記数４において、Ａは、前記被測定物表
面からの反射光を受光するための受光センサの入射瞳に
前記反射光を集光させる集光レンズ系がある場合には、
当該集光レンズ系の焦点距離であり、当該集光レンズ系
がない場合には、前記透光部材から前記受光センサの入
射瞳までの距離であり、Ｄは前記受光センサの入射瞳の
大きさであり、ｄは前記受光センサの入射瞳面上の迷光
のスポット径である。

【００２４】上記数４は、前記透光部材に入射する測定
光の実質的に全ての光線束についての、前記少なくとも
一方の面での反射光が、測定装置の受光センサの入射瞳
から外れるための条件を示している。

【００２５】今、前記透光部材に入射する測定光の全て
の光線束が平行であるとすれば、前記透光部材の前記少
なくとも一方の面を被測定物表面に対して角度αだけ傾
けると（すなわち、透光部材の前記少なくとも一方の面
の法線を被測定物表面の法線に対して角度αだけ傾ける
と）、それに伴って、透光部材の前記少なくとも一方の
面での反射光（ノイズ光）の全ての光線は、被測定物表
面での反射光（信号光）に対して２αの角度をなす。こ
の透光部材の面での反射光（ノイズ光）が受光センサの
入射瞳から外れるためには、被測定物表面での反射光を
受光センサの入射瞳に集光させる集光レンズ系がない場
合は、前記透光部材と受光センサとの間の光路に沿った
空気間隔をＡとして、下記の数５の関係を満たせばよ
い。また、前記透光部材の前記面での前記反射光（ノイ
ズ光）が受光センサの入射瞳から外れるためには、当該
集光レンズ系がある場合は、当該集光レンズ系の焦点距
離をＡとして、下記の数５の関係を満たせばよい。ただ
し、Ｄは受光センサの入射瞳の大きさであり、ｄは受光
センサの入射瞳面上の迷光のスポット径である。

【００２６】

【数５】Ａ・tan（２α）＞（Ｄ＋ｄ）／２

【００２７】この数５を整理することにより、前記数４
が導かれる。

【００２８】このように、前記第７の態様によれば、前
記透光部材に入射する測定光の実質的に全ての光線束に
ついての、前記透光部材の前記面での反射光（ノイズ
光）が、測定装置の受光センサの入射瞳から外れて受光
センサに入射しない。したがって、信号光と一緒に受光
センサに入射するノイズ光の量が大幅に低減され、信号
光のＳ／Ｎを向上させることができる。

【００２９】本発明の第８の態様による測定装置は、測
定光を被測定物表面に照射し、前記被測定物表面からの
反射光を受光し、受光した反射光に基づいて膜厚測定又
は他の所定の測定を行う測定装置において、最も前記被
測定物表面側に配置され前記測定光及び前記反射光が透
過する透光部材の、前記被測定物表面側の面が、大気の
屈折率に比べて前記透光部材の屈折率に近い屈折率を有
する液体又は半固体状物を介在させて、前記被測定物表
面に近接又は密接される平面であり、前記透光部材の前
記被測定物表面と反対側の面が、前記透光部材に入射す
る前記測定光の実質的に全ての光線束について下式（数
６）を満たす角度βだけ、前記被測定物表面に対して傾
斜した平面、又はこの傾斜した平面と光学的に実質的に
等価な面であるものである。前記透光部材は、通常、光
学窓として用いられる。

【００３０】

【数６】sinβ＞（ｎａ／ｎｗ）・sin［（１／２）・ar
ctan｛（Ｄ＋ｄ）／２Ａ｝］

【００３１】上記数６において、Ａは、前記被測定物表
面からの反射光を受光するための受光センサの入射瞳に
前記反射光を集光させる集光レンズ系がある場合には、
当該集光レンズ系の焦点距離であり、当該集光レンズ系
がない場合には、前記透光部材から前記受光センサの入
射瞳までの距離であり、Ｄは前記受光センサの入射瞳の
大きさであり、ｄは前記受光センサの入射瞳面上の迷光
のスポット径であり、ｎｗは前記透光部材の屈折率であ
り、ｎａは大気の屈折率である。

【００３２】この第８の態様によれば、透光部材の被測
定物表面側の面は、被測定物表面と実質的に平行とされ
るが、液体又は半固体状物が介在されているので、透光
部材の被測定物表面側の面での反射光（ノイズ光）の光
量自体が低減される。

【００３３】また、前記第８の態様によれば、前記透光
部材の前記被測定物表面と反対側の面が前記角度βだけ
被測定物表面に対して傾斜した平面、又はこの傾斜した
平面と光学的に実質的に等価な面であるので、前記透光
部材に入射する測定光の実質的に全ての光線束について
の、前記透光部材の前記被測定物表面と反対側の面での
反射光（ノイズ光）が、測定装置の受光センサの入射瞳
から外れて受光センサに入射しない。

【００３４】したがって、前記第８の態様によれば、信
号光と一緒に受光センサに入射するノイズ光の量が大幅
に低減され、信号光のＳ／Ｎを大幅に向上させることが
できる。

【００３５】ここで、上記数６について説明すると、上
記数６は、前記透光部材に入射する測定光の実質的に全
ての光線束についての、前記透光部材の前記被測定物表
面と反対側の面での反射光が、測定装置の受光センサの
入射瞳から外れるための条件を示している。

【００３６】今、前記透光部材に入射する測定光の全て
の光線束が平行であるとする。また、前記透光部材の前
記被測定物表面と反対側の面を被測定物表面に対して角
度βだけ傾ける（すなわち、透光部材の被測定物表面と
反対側の面の法線を被測定物表面の法線に対して角度β
だけ傾け）とする。さらに、測定光を被測定物表面に垂
直に入射させるとすると、透光部材内へ向かう測定光
の、透光部材の被測定物表面と反対側の面への入射角γ
は、下記の数７で表される。ただし、ｎｗは前記透光部
材の屈折率であり、ｎａは大気の屈折率である。

【００３７】

【数７】ｎｗ・sin（β）＝ｎａ・sin（γ）

【００３８】また、透光部材の被測定物表面と反対側の
面での反射光（ノイズ光）の全ての光線は、被測定物表
面での反射光（信号光）に対して２γの角度をなす。こ
の透光部材の被測定物表面と反対側の面での反射光（ノ
イズ光）が受光センサの入射瞳から外れるためには、被
測定物表面での反射光を受光センサの入射瞳に集光させ
る集光レンズ系がない場合は、前記透光部材と受光セン
サとの間の光路に沿った空気間隔をＡとして、下記の数
８の関係を満たせばよい。また、前記透光部材の被測定
物表面と反対側の面での前記反射光（ノイズ光）が受光
センサの入射瞳から外れるためには、当該集光レンズ系
がある場合は、当該集光レンズ系の焦点距離をＡとし
て、下記の数８の関係を満たせばよい。ただし、Ｄは受
光センサの入射瞳の大きさであり、ｄは受光センサの入
射瞳面上の迷光のスポット径である。

【００３９】

【数８】Ａ・tan（２γ）＞（Ｄ＋ｄ）／２

【００４０】前記数７及び数８から、前記数６が導かれ
る。

【００４１】本発明の第９の態様による研磨状況モニタ
装置は、研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を介在させ
た状態で、前記研磨体と前記研磨対象物との間に荷重を
加え、かつ相対移動させることにより、前記研磨対象物
を研磨する際に、その研磨状況をその研磨中にモニタす
る研磨状況モニタ装置であって、測定光を前記研磨対象
物の被研磨面に照射し、前記被研磨面からの反射光に基
づいて、前記研磨状況をモニタする研磨状況モニタ装置
において、前記第１乃至第８のいずれかの態様による測
定装置を含むものである。

【００４２】この第９の態様によれば、前記第１乃至第
８のいずれかの態様による測定装置を含むので、ノイズ
光を低減して信号光のＳ／Ｎを向上させることができ、
ひいてはより精度良く研磨状況をモニタすることができ
る。

【００４３】本発明の第１０の態様による研磨状況モニ
タ装置は、研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を介在さ
せた状態で、前記研磨体と前記研磨対象物との間に荷重
を加え、かつ相対移動させることにより、前記研磨対象
物を研磨する際に、その研磨状況をその研磨中にモニタ
する研磨状況モニタ装置であって、測定光を前記研磨対
象物の被研磨面に照射し、前記被研磨面からの反射光に
基づいて、前記研磨状況をモニタする研磨状況モニタ装
置において、前記研磨体の少なくとも一部が前記測定光
及び前記反射光を透過させる第１の透光部材で構成さ
れ、前記測定光及び前記反射光を透過させる第２の透光
部材が、大気の屈折率に比べて前記透光部材の屈折率に
近い屈折率を有する液体又は半固体状物を介在させて、
前記第１の透光部材の前記研磨対象物と反対側の面に近
接又は密接され、前記第２の透光部材の前記第１の透光
部材と反対側の面は、前記被研磨面と実質的に平行な平
面ではなく、前記測定光は前記第１及び第２の透光部材
を介して前記被研磨面に照射されるとともに、前記反射
光は前記第１及び第２の透光部材を介して受光されるも
のである。

【００４４】前記第１の透光部材は、例えば、不透明な
材料からなる研磨パッド等の一部に設けた窓であっても
よいし、全体が透明な材料からなる研磨パッド等自体で
あってもよい。

【００４５】この第１０の態様によれば、第２の透光部
材が、液体又は半固体状物が介在されて、第１の透光部
材の研磨対象物と反対側の面に近接又は密接されている
ので、第１の透光部材の研磨対象物と反対側の面での反
射光（ノイズ光）の光量自体、及び、第２の透光部材の
第１の透光部材側の面での反射光（ノイズ光）の光量自
体が低減される。また、第２の透光部材の第１の透光部
材と反対側の面が、第１の透光部材の前記研磨対象物側
の面と実質的に平行な平面ではない（すなわち、研磨対
象物の被研磨面と実質的に平行な平面ではない）ので、
第２の透光部材の第１の透光部材と反対側の面で反射し
た反射光（ノイズ光）のうち、研磨対象物の被研磨面で
反射した反射光（信号光）と一緒に受光されるものの量
を低減させることができる。これら２つの理由から、前
記第１０の態様によれば、受光されるノイズ光を低減し
て信号光のＳ／Ｎを向上させることができ、ひいてはよ
り精度良く研磨状況をモニタすることができる。そし
て、前記第１０の態様によれば、このように、第１の透
光部材が存在することを前提としつつ信号光のＳ／Ｎを
向上させることができるので、一部に透明窓が設けられ
た研磨パッドや全体が透明である研磨パッド等は種々市
販されていることから、このような市販品を有効に活用
しつつ信号光のＳ／Ｎを向上させることができる。

【００４６】本発明の第１１の態様による研磨状況モニ
タ装置は、前記第１０の態様において、前記第１の透光
部材の屈折率、前記第２の透光部材の屈折率、及び、前
記液体又は前記半固体状物の屈折率が、互いに略々同一
であるものである。

【００４７】この第１１の態様のように、各屈折率が略
々同一であれば、第１の透光部材の研磨対象物と反対側
の面での反射光の光量自体、及び、第２の透光部材の第
１の透光部材側の面での反射光の光量自体が大幅に低減
され、信号光のＳ／Ｎをより一層向上させることができ
る。

【００４８】本発明の第１２の態様による研磨状況モニ
タ装置は、前記第１０又は第１１の態様において、前記
第２の透光部材の前記第１の透光部材と反対側の面は、
前記被研磨面に対して傾斜した平面又はこの傾斜した平
面と光学的に実質的に等価な面であるものである。この
第１２の態様は、前記第２の透光部材の前記第１の透光
部材と反対側の面の例を挙げたものである。

【００４９】本発明の第１３の態様による研磨状況モニ
タ装置は、前記第１０又は第１１の態様において、前記
第２の透光部材の前記第１の透光部材と反対側の面は、
前記第２の透光部材に入射する前記測定光の実質的に全
ての光線束について下式（数９）を満たす角度βだけ、
前記第１の透光部材の前記研磨対象物側の面に対して傾
斜した平面、又はこの傾斜した平面と光学的に実質的に
等価な面であるものである。

【００５０】

【数９】sinβ＞（ｎａ／ｎｗ）・sin［（１／２）・ar
ctan｛（Ｄ＋ｄ）／２Ａ｝］

【００５１】上記数９において、Ａは、前記被研磨面か
らの反射光を受光するための受光センサの入射瞳に前記
反射光を集光させる集光レンズ系がある場合には、当該
集光レンズ系の焦点距離であり、当該集光レンズ系がな
い場合には、前記第２の透光部材から前記受光センサの
入射瞳までの距離であり、Ｄは前記受光センサの入射瞳
の大きさであり、ｄは前記受光センサの入射瞳面上の迷
光のスポット径であり、ｎｗは前記第２の透光部材の屈
折率であり、ｎａは大気の屈折率である。

【００５２】上記数９は、前述した数６と同様に、前記
第２の透光部材に入射する測定光の実質的に全ての光線
束についての、前記第２の透光部材の前記第１の透光部
材と反対側の面での反射光が、測定装置の受光センサの
入射瞳から外れるための条件を示しており、前述した数
６の場合と同様にして導かれる。

【００５３】したがって、前記第１３の態様によれば、
前記第２の透光部材に入射する測定光の実質的に全ての
光線束についての、前記第２の透光部材の前記第１の透
光部材と反対側の面での反射光が、測定装置の受光セン
サの入射瞳から外れて受光センサに入射しない。このた
め、信号光のＳ／Ｎをより一層向上させることができ、
より精度良く研磨状況をモニタすることができる。

【００５４】本発明の第１４の態様による研磨状況モニ
タ装置は、前記第１０又は第１１の態様において、前記
第２の透光部材の前記第１の透光部材と反対側の面は、
曲面であるものである。この第１４の態様は、前記第２
の透光部材の前記第１の透光部材と反対側の面の他の例
を挙げたものである。

【００５５】なお、本発明の前記第１乃至第１４の態様
による測定装置及び研磨状況モニタ装置において、測定
光は被測定物表面に略垂直に照射されることが好まし
い。

【００５６】本発明の第１５の態様による研磨装置は、
研磨体と、研磨対象物を保持する保持部とを備え、前記
研磨体と前記研磨対象物との間に研磨剤を介在させた状
態で、前記研磨体と前記研磨対象物との間に荷重を加
え、かつ相対移動させることにより、前記研磨対象物を
研磨する研磨装置において、前記第９乃至第１４のいず
れかの態様による研磨状況モニタ装置を備えたものであ
る。この第１５の態様によれば、第９乃至第１４のいず
れかの態様による研磨状況モニタ装置を備えているの
で、研磨状況を精度良くモニタすることができることか
ら、研磨工程の工程効率化を図ることができる。

【００５７】本発明の第１６の態様による半導体デバイ
ス製造方法は、前記第１５の態様による研磨装置を用い
て半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有するもので
ある。この第１６の態様によれば、研磨状況を精度良く
モニタすることによって工程効率化を図り、それにより
従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導
体デバイスを製造することができる。

【００５８】本発明の第１７の態様による半導体デバイ
スは、前記第１６の態様による半導体デバイス製造方法
により製造されるものである。この第１７の態様によれ
ば、低コストの半導体デバイスを提供することができ
る。

【００５９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による測定装置、研
磨状況モニタ装置、研磨装置、半導体デバイス製造方
法、並びに半導体デバイスについて、図面を参照して説
明する。

【００６０】［第１の実施の形態］

【００６１】図１は、本発明の第１の実施の形態による
研磨装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、こ
の研磨装置の測定光学系１０を模式的に示す概略構成図
である。

【００６２】この研磨装置は、研磨部材１と、該研磨部
材１の下側に研磨対象物としてのプロセスウエハ２を保
持する研磨対象物保持部３（以下、ウエハホルダと称
す）と、ウエハ２上に研磨剤（スラリー）４を供給する
研磨剤供給部５とを備えている。

【００６３】研磨部材１は、研磨定盤６の下面に研磨体
（研磨パッド）７を設置したものであり、図示しない機
構によって、図１中の矢印で示すように、回転、上下動
及び左右に揺動（往復動）できるようになっている。研
磨体７としては、例えば、シート状の発泡ポリウレタ
ン、あるいは表面に溝構造を有した無発泡樹脂などを用
いることができる。

【００６４】ウエハ２は、ウエハホルダ３上に保持さ
れ、ウエハ２の上面が被研磨面となっている。ウエハホ
ルダ３は、アクチュエータとして電動モータを用いた図
示しない機構によって、図１中の矢印で示すように、回
転できるようになっている。

【００６５】ここで、この研磨装置によるウエハ２の研
磨について説明する。研磨部材１は、回転しながら揺動
して、ウエハホルダ３上のウエハ２の上面に所定の圧力
で押し付けられる。ウエハホルダ３を回転させてウエハ
２も回転させ、ウエハ２と研磨部材１との間で相対運動
を行わせる。この状態で、研磨剤４が研磨剤供給部５か
らウエハ２上に供給され、研磨剤４はウエハ２上で拡散
し、研磨部材１とウエハ２の相対運動に伴って研磨体７
とウエハ２との間に入り込み、ウエハ２の被研磨面を研
磨する。すなわち、研磨部材１とウエハ２の相対運動に
よる機械的研磨と、研磨剤４の化学的作用が相乗的に作
用して良好な研磨が行われる。

【００６６】また、この研磨装置は、図１に示すよう
に、研磨状況モニタ装置を構成する測定光学系１０、パ
ーソナルコンピュータ等からなる信号処理部１１、及び
モニタ結果を表示するＣＲＴ等の表示部１２も備えてい
る。

【００６７】測定光学系１０は、ウエハ２の被研磨面
（上面）における研磨部材１から露出した部分（以下、
露出部分という）に測定光を照射し、ウエハ２の被研磨
面にて反射された反射光を受光センサで受光し反射光に
関する検出信号を得る。この検出信号が、モニタ信号と
して、信号処理部１１に取り込まれる。信号処理部１１
は、前記検出信号に基づいて、研磨状況をモニタする処
理を行う。例えば、信号処理部１１は、表示部１２に研
磨状況を表示させたり、研磨終了点の判定を行い、研磨
終了点を検知したときに研磨動作を終了させる指令を当
該研磨装置の制御部に発したりする。

【００６８】ここで、測定光学系１０について、図２を
参照して詳述する。図２において、２１は、多波長成分
を持つ白色光源で、例えば、白色ＬＥＤやキセノンラン
プやハロゲンランプを使用することができる。必要に応
じて、光源２１からの光を光ファイバで導くようにして
もよい。光源２１からの光は、レンズ２２により平行光
束に変換され、視野絞り２３を通った後、ビームスプリ
ッタ２４に入射される。ビームスプリッタ２４を通過し
た光は、リレーレンズ２５，２６を通過した後に再び平
行光束とされ、平行平板からなる透光部材２７を通過
し、ウエハ２の被研磨面における露出部分に測定光とし
て照射される。本実施の形態では、透光部材２７は、測
定光学系１０の他の要素を保護する光学窓となってい
る。測定光学系１０の光軸Ｏは、実質的にウエハ２の被
研磨面（被測定物表面）の法線と一致している。透光部
材２７の上面（ウエハ２と反対側の平面）及び下面（ウ
エハ２側の平面）の法線Ｈ１は、光軸Ｏに対して角度α
をなしている。すなわち、透光部材２７の上面及び下面
は、ウエハ２の被研磨面に対して角度αだけ傾斜してい
る。

【００６９】ウエハ２からの反射光は、再び透光部材２
７、リレーレンズ２６，２５を通して、ビームスプリッ
タ２４に平行光束として入射される。ビームスプリッタ
２４において、反射光は９０°方向を変えられ、レンズ
２８で遮光板２９のピンホール（スリットでもよい。）
２９ａ上に集光される。そして、遮光板２９により散乱
光、回折光等のノイズ成分が除去され、ピンホール２９
ａを通過した光（正反射光（０次光））は、レンズ３０
を介して分光器としての回折格子（分光プリズムなどの
他の分光器でもよい。）３１に投射され、分光される。
分光された光は、受光センサとしてのリニアセンサ３２
に入射し、分光強度（波長ごとの強度、すなわち、スペ
クトル）が測定される。

【００７０】本実施の形態では、信号処理部１１は、リ
ニアセンサ３２から得られた分光強度に基づいて、ウエ
ハ２の研磨状況のモニタ結果を演算し、その結果を表示
部に表示したり、研磨終了点の判定を行い、研磨終了点
を検知したときに研磨動作を終了させる指令を当該研磨
装置の制御部に発したりする。例えば、分光強度（分光
反射率に相当）の波形の極大及び極小の位置（波長）等
の特徴量から、研磨している層（最上層）の膜厚を演算
し、当該膜厚をモニタ結果として表示部１２に表示さ
せ、当該膜厚が所期の膜厚に達したか否かによって研磨
終了点を検出する。また、例えば、ウエハ２の初期厚さ
と、研磨している層（最上層）の膜厚とから、研磨量を
求め、これをモニタ結果として表示部１２に表示させ
る。もっとも、分光強度からモニタ結果を求める演算手
法や研磨終了点を検知する手法は、前述した例に限定さ
れるものではなく、例えば、特開平１０−３３５２８８
号公報や特開平１１−３３９０１号公報などに開示され
ている他の手法を採用してもよい。

【００７１】なお、本実施の形態では、前述したよう
に、測定光学系１０は分光反射測定を行い、信号処理部
１１は分光反射強度に基づいて研磨状況をモニタしてい
るが、本発明では、これに限定されるものではなく、例
えば、測定光学系１０が分光によらない反射光測定（所
定波長の光の反射率の測定）を行い、測定光学系１０が
測定された反射率に基づいて研磨終了点を検知するよう
に構成してもよい。この点は、後述する各実施の形態に
ついても同様である。

【００７２】ところで、本実施の形態では、透光部材２
７の上面及び下面がウエハ２の被研磨面に対して角度α
だけ傾斜しているので、これらの面で反射した反射光Ｒ
１，Ｒ２（ノイズ光）は、光軸Ｏに対して２αの角度を
なす。したがって、反射光Ｒ１，Ｒ２のうち、ウエハ２
の被研磨面で反射した反射光（信号光）と一緒に、遮光
板２９のピンホール２９ａを通過して受光センサ３２に
受光されるものの量が低減する。このため、受光センサ
３２により受光されるノイズ光が低減され、信号光のＳ
／Ｎが向上する。その結果、精度良く研磨状況をモニタ
することができる。

【００７３】前記角度αを前記数４を満たすように設定
すると、透光部材２７に入射する測定光の実質的に全て
の光線束についての、透光部材２７の上面及び下面での
反射光Ｒ１，Ｒ２が、受光センサ３２の入射瞳（本実施
の形態では、遮光板２９のピンホール２９ａ）から外
れ、受光センサ３２に受光されなくなるので、信号光の
Ｓ／Ｎがより一層向上し、特に好ましい。なお、本実施
の形態では、透光部材２７が平行平板であるため、前記
角度αを前記数４を満たすように設定すると、透光部材
２７の上面及び下面の両方について、前記数４を満たす
ことになる。

【００７４】本実施の形態では、レンズ２５，２６，２
８が、受光センサ３２の入射瞳（ピンホール２９ａ）に
ウエハ２の被研磨面からの反射光を集光させる集光レン
ズ系を構成しているので、レンズ２５，２６，２８の合
成焦点距離が数４中のＡに相当している。また、本実施
の形態では、ピンホール２９ａの径が前記数４中のＤに
相当し、ピンホール２９ａの面上のノイズ光のスポット
径が前記数４中のｄに相当している。例えば、Ａ＝１６
ｍｍ、Ｄ＝０．５ｍｍ、ｄ＝０．６ｍｍのものを利用す
れば、前記数４はα＞０．９８゜となるので、数４を満
たすためには、角度αを０．９８゜より大きい角度に設
定すればよく、例えば角度αを１．５゜に設定すればよ
い。

【００７５】なお、本実施の形態において、レンズ２
５，２６，２８を取り除いてもよい。この場合、受光セ
ンサ３２の入射瞳（ピンホール２９ａ）にウエハ２の被
研磨面からの反射光を集光させる集光レンズ系がないの
で、透光部材２７からピンホール２９ａまでの距離（光
軸に沿った距離）が、前記数４中のＡに相当する。

【００７６】［第２の実施の形態］

【００７７】図３は、本発明の第２の実施の形態による
研磨装置の測定光学系１０を模式的に示す概略構成図で
ある。図３において、図２中の要素と同一又は対応する
要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略す
る。

【００７８】本実施の形態が前記第１の実施の形態と異
なる所は、測定光学系１０において、光学窓として、図
２中の透光部材２７に代えて透光部材４１が用いられて
いる点と、これに伴い光源２１から透光部材４１の上面
までの光軸Ｏがウエハ２の被研磨面の法線に対して傾く
ように他の要素２１〜２６，２８〜３２が傾けられてい
る点である。

【００７９】透光部材４１の下面（ウエハの２側の面）
は、研磨状況のモニタ時（測定時）に液体である研磨剤
（スラリー）４を介在させてウエハ２の被研磨面に近接
される平面となっており、ウエハ２の被研磨面と実質的
に平行とされている。研磨剤（スラリー）４の屈折率
は、大気の屈折率に比べて透光部材４１の屈折率に近
い。透光部材４１の上面（ウエハ２と反対側の面）は、
ウエハ２の被研磨面に対して角度βだけ傾斜している。
透光部材４１によって測定光軸が屈折するため、この屈
折角度に合わせて、光源２１から透光部材４１の上面ま
での光軸Ｏがウエハ２の被研磨面の法線に対して傾くよ
うに他の要素２１〜２６，２８〜３２が傾けられ、測定
光がウエハ２に対して垂直に入射するようになってい
る。したがって、前記数７が成立している。透光部材４
１の上面に対する測定光の入射角γが前記数７中のγに
相当し、透光部材４１の屈折率が前記数７中のｎｗに相
当している。なお、図３において、Ｈ２は透光部材４１
の上面の法線である。

【００８０】本実施の形態によれば、透光部材４１の下
面に、大気の屈折率に比べて透光部材４１の屈折率に近
い研磨剤４が介在されているので、透光部材４１の下面
での反射光（ノイズ光）の光量自体が低減される。

【００８１】また、本実施の形態によれば、透光部材４
１の上面がウエハ２の被研磨面に対して角度βだけ傾斜
しているので、透光部材４１の上面で反射した反射光Ｒ
３（ノイズ光）は、光軸Ｏに対して２γの角度をなす。
したがって、反射光Ｒ３のうち、ウエハ２の被研磨面で
反射した反射光（信号光）と一緒に、遮光板２９のピン
ホール２９ａを通過して受光センサ３２に受光されるも
のの量が低減する。

【００８２】以上２つの理由から、本実施の形態によれ
ば、受光センサ３２により受光されるノイズ光が低減さ
れ、信号光のＳ／Ｎが向上する。その結果、精度良く研
磨状況をモニタすることができる。

【００８３】前記角度βを前記数６を満たすように設定
すると、透光部材４１に入射する測定光の実質的に全て
の光線束についての、透光部材４１の上面での反射光Ｒ
３が、受光センサ３２の入射瞳（本実施の形態では、遮
光板２９のピンホール２９ａ）から外れ、受光センサ３
２に受光されなくなるので、信号光のＳ／Ｎがより一層
向上し、特に好ましい。

【００８４】本実施の形態では、レンズ２５，２６，２
８が、受光センサ３２の入射瞳（ピンホール２９ａ）に
ウエハ２の被研磨面からの反射光を集光させる集光レン
ズ系を構成しているので、レンズ２５，２６，２８の合
成焦点距離が数６中のＡに相当している。また、本実施
の形態では、ピンホール２９ａの径が前記数６中のＤに
相当し、ピンホール２９ａの面上のノイズ光のスポット
径が前記数６中のｄに相当している。例えば、ｎｗ＝
１．５２、Ａ＝１６ｍｍ、Ｄ＝０．５ｍｍ、ｄ＝０．６
ｍｍのものを利用すれば、前記数６はsinβ＞０．０１
１３となるので、数６を満たすためには、角度βをその
正弦が０．０１１３より大きくなるように設定すればよ
い。例えば、sin（１゜）は０．０１７５であるので、
角度βを１゜に設定すればよい。

【００８５】なお、本実施の形態において、レンズ２
５，２６，２８を取り除いてもよい。この場合、受光セ
ンサ３２の入射瞳（ピンホール２９ａ）にウエハ２の被
研磨面からの反射光を集光させる集光レンズ系がないの
で、透光部材４１からピンホール２９ａまでの距離（光
軸に沿った距離）が、前記数６中のＡに相当する。

【００８６】［第３の実施の形態］

【００８７】図４は、本発明の第３の実施の形態による
研磨装置の測定光学系１０を模式的に示す概略構成図で
ある。図４において、図３中の要素と同一又は対応する
要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略す
る。

【００８８】本実施の形態が図３に示す前記第２の実施
の形態と異なる所は、測定光学系１０において、透光部
材４１の上面が、ウエハ２の被研磨面に対して角度βだ
け傾斜した一平面ではなく、この平面と光学的に実質的
に等価な面で構成されている点のみである。具体的に
は、本実施の形態では、透光部材４１の上面は、ウエハ
２の被研磨面に対して角度βだけ傾斜した複数の平面が
段差をなすように断面鋸状に配置された面とされてい
る。

【００８９】本実施の形態によっても、前記第２の実施
の形態と同様の利点が得られる。

【００９０】［第４の実施の形態］

【００９１】図５は、本発明の第４の実施の形態による
研磨装置の測定光学系１０を模式的に示す概略構成図で
ある。図５において、図３中の要素と同一又は対応する
要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略す
る。

【００９２】本実施の形態が図３に示す前記第２の実施
の形態と異なる所は、測定光学系１０において、透光部
材４１の上面が上に凸の球面（円柱面等でもよい）とさ
れ、透光部材４１に対する光軸Ｏが傾かずにウエハ２の
法線となるように他の要素２１〜２６，２８〜３２が配
置されている。また、透光部材４１はレンズとして作用
することから、図３中のレンズ２５，２６の代わりに、
これらと同様の作用を透光部材４１と一緒に担うレンズ
２５’が設けられている。これにより、測定光は、やは
り平行光束となってウエハ２の被研磨面に垂直に照射さ
れる。

【００９３】本実施の形態のように、透光部材４１の上
面を曲面にしても、この面での反射光のうち、ウエハ２
の被研磨面で反射した反射光（信号光）と一緒に、遮光
板２９のピンホール２９ａを通過して受光センサ３２に
受光されるものの量が大幅に低減する。したがって、本
実施の形態によっても、前記第２の実施の形態と同様の
利点が得られる。

【００９４】ところで、前述した第１乃至第４の実施の
形態による研磨装置に搭載された前記各研磨状況モニタ
装置と同じ構成を有する測定装置は、研磨状況モニタ装
置として用いることができる他に、他のイオンエッチン
グ等の除去工程、更にはＣＶＤ、スパッタリング等の成
膜工程の工程状況モニタ装置としても用いることができ
る。この点は、後述する各実施の形態についても同様で
ある。

【００９５】更にまた、前述した第１乃至第５の実施の
形態による研磨装置に搭載された前記各研磨状況モニタ
装置と同じ構成を有する測定装置は、単独で、ウエハ等
の基板上の膜厚を測定するための測定装置（膜厚計）と
しても用いることができる。このとき、前述した第２乃
至第４の実施の形態の場合は、透光部材４１の下面に
は、研磨剤４を介在させてもよいが、純水などの他の液
体を介在させてもよいし、シリコングリス、グリセリン
などの半固体状物を介在させてもよい。この場合、透光
部材４１の下面に介在させる液体や半固体状物は、透光
部材４１の屈折率と略々同一の屈折率を持つものを選択
することが好ましい。両者の屈折率が略々同一であれ
ば、透光部材４１の下面での反射光の光量自体が大幅に
低減されるからである。なお、透光部材４１の下面とウ
エハ２の被研磨面との間の間隔は狭いほど好ましく、透
光部材４１の下面をウエハ２の被研磨面に密接させるこ
とが好ましい。

【００９６】［第５の実施の形態］

【００９７】図６は、本発明の第５の実施の形態による
研磨装置を模式的に示す概略構成図である。図７は、こ
の研磨装置の研磨部材１の窓部５０及び測定光学系１０
を模式的に示す概略構成図である。図６及び図７におい
て、図１及び図３中の要素と同一又は対応する要素には
同一符号を付し、その重複する説明は省略する。

【００９８】本実施の形態が図１及び図３に示す前記実
施の形態と異なる所は、以下に説明する点である。本実
施の形態では、図６に示すように、研磨部材１の上側に
ウエハ２を保持するウエハホルダ３が設けられ、研磨部
材１が図６中の矢印で示すように回転できるようになっ
ており、ウエハホルダ３が図６中の矢印で示すように回
転、上下動及び左右に揺動（往復動）できるようになっ
ている。測定光学系は、研磨部材１の窓部５０を介し
て、測定光をウエハ２の被研磨面（下面）に照射し、ウ
エハ２の被研磨面にて反射された反射光をリニアセンサ
３２で受光し反射光に関する検出信号を得る。

【００９９】研磨部材１の窓部５０について図７を参照
して説明すると、研磨部材１の研磨体（研磨パッド）７
は、窓部５０に相当する部分に透明窓として、第１の透
光部材７ａを有している。この透光部材７ａは、例え
ば、透明のウレタン材からなる。透光部材７ａの上面及
び下面はウエハ２の被研磨面と平行な平面となってい
る。本実施の形態では、透光部材７ａの上面と研磨部材
１の他の部分の上面とは同じ高さとなっているが、必要
に応じて、透明部材７ａの上面の高さは他の部分の高さ
より若干低くしておいてもよい。

【０１００】研磨部材１の研磨定盤６は、窓部５０に相
当する部分に透孔６ａを有している。この透孔６ａ内に
は、第２の透光部材５１が設けられている。透光部材５
１も、例えば、透光部材７ａと同じくウレタン材で構成
される。透光部材５１の上面は、ウエハ２の被研磨面と
実質的に平行な平面となっており、大気の屈折率に比べ
て前記透光部材の屈折率に近い屈折率を有する液体５４
（半固体状物でもよい）を介在させて、透光部材７ａの
下面にほぼ密着されている。透光部材７ａ，５１及び液
体５４の屈折率は、互いに略々同一にしておくことが好
ましい。透光部材５１は、筒状の支持体５２により支持
され、この支持体５２が研磨定盤６の透孔６ａに嵌合さ
れることによって、前述したように配置されている。支
持体５２の外周には前記液体５４をシールするＯリング
５３が設けられている。なお、実際には、液体５４はＯ
リング５３の上側の隙間にも充填されるが、図７ではそ
の隙間の液体は省略して示している。

【０１０１】透光部材５１の下面（透光部材７ａと反対
側の面）は、図３中の透光部材４１の上面と同様に、ウ
エハ２の被研磨面及び透光部材７ａのウエハ２側の面に
対して角度βだけ傾斜した平面となっている。本実施の
形態では、測定光学系１０において、図３中の透光部材
４１が取り除かれ、これに相当するものとして透光部材
５１が設けられていることになる。透光部材５１によっ
て測定光軸が屈折するため、この屈折角度に合わせて、
透光部材５１に対する光軸Ｏが傾くように他の要素２１
〜２６，２８〜３２が傾けられ、測定光がウエハ２に対
して垂直に入射するようになっている。したがって、前
記数７が成立している。透光部材５１の下面に対する測
定光の入射角γが前記数７中のγに相当し、透光部材５
１の屈折率が前記数７中のｎｗに相当している。なお、
図７において、Ｈ３は透光部材５１の下面の法線であ
る。

【０１０２】本実施の形態によれば、透光部材５１が、
液体５４が介在されて、透光部材７ａの下面に密接され
ているので、透光部材７ａの下面での反射光（ノイズ
光）の光量自体、及び、透光部材５１の上面での反射光
（ノイズ光）の光量自体が低減される。また、透光部材
５１の下面がウエハ２の被研磨面に対して角度βだけ傾
斜しているので、透光部材５１の下面で反射した反射光
Ｒ４（ノイズ光）は、光軸Ｏに対して２γの角度をな
す。したがって、反射光Ｒ４のうち、ウエハ２の被研磨
面で反射した反射光（信号光）と一緒に、遮光板２９の
ピンホール２９ａを通過して受光センサ３２に受光され
るものの量が低減する。

【０１０３】以上２つの理由から、本実施の形態によれ
ば、受光センサ３２により受光されるノイズ光が低減さ
れ、信号光のＳ／Ｎが向上する。その結果、精度良く研
磨状況をモニタすることができる。

【０１０４】前記角度βを前記数９を満たすように設定
すると、透光部材５１に入射する測定光の実質的に全て
の光線束についての、透光部材５１の下面での反射光Ｒ
４が、受光センサ３２の入射瞳（本実施の形態では、遮
光板２９のピンホール２９ａ）から外れ、受光センサ３
２に受光されなくなるので、信号光のＳ／Ｎがより一層
向上し、特に好ましい。

【０１０５】本実施の形態では、レンズ２５，２６，２
８が、受光センサ３２の入射瞳（ピンホール２９ａ）に
ウエハ２の被研磨面からの反射光を集光させる集光レン
ズ系を構成しているので、レンズ２５，２６，２８の合
成焦点距離が数９中のＡに相当している。また、本実施
の形態では、ピンホール２９ａの径が前記数９中のＤに
相当し、ピンホール２９ａの面上のノイズ光のスポット
径が前記数９中のｄに相当している。例えば、ｎｗ＝
１．５２、Ａ＝１６ｍｍ、Ｄ＝０．５ｍｍ、ｄ＝０．６
ｍｍのものを利用すれば、前記数９はsinβ＞０．０１
１３となるので、数９を満たすためには、角度βをその
正弦が０．０１１３より大きくなるように設定すればよ
い。例えば、sin（１゜）は０．０１７５であるので、
角度βを１゜に設定すればよい。

【０１０６】なお、本実施の形態において、レンズ２
５，２６，２８を取り除いてもよい。この場合、受光セ
ンサ３２の入射瞳（ピンホール２９ａ）にウエハ２の被
研磨面からの反射光を集光させる集光レンズ系がないの
で、透光部材５１からピンホール２９ａまでの距離（光
軸に沿った距離）が、前記数９中のＡに相当する。

【０１０７】そして、本実施の形態によれば、前述した
ように、透光部材７ａが存在することを前提としつつ信
号光のＳ／Ｎを向上させることができるので、一部に透
明窓が設けられた研磨パッドや全体が透明である研磨パ
ッド等は種々市販されていることから、このような市販
品を有効に活用しつつ信号光のＳ／Ｎを向上させること
ができる。

【０１０８】ところで、図３中の透光部材４１を図４中
の透光部材４１や図５中の透光部材４１に置き換えたの
と同様に、本発明では、図７中の透光部材５１を図８中
の透光部材５１や図９中の透光部材５１に置き換えても
よい。また、研磨体（研磨パッド）７の全体が透光部材
で構成されている場合には、図１０に示すように、透光
部材５１は研磨体７の下面に液体５４を介在させて密接
又は近接すればよい。なお、図８乃至図１０において、
図７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付
している。

【０１０９】［第６の実施の形態］

【０１１０】図１１は、半導体デバイス製造プロセスを
示すフローチャートである。半導体デバイス製造プロセ
スをスタートして、まずステップＳ２００で、次に挙げ
るステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程
を選択する。選択に従って、ステップＳ２０１〜Ｓ２０
４のいずれかに進む。

【０１１１】ステップＳ２０１はシリコンウエハの表面
を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶ
Ｄ等によりシリコンウエハ表面に絶縁膜を形成するＣＶ
Ｄ工程である。ステップＳ２０３はシリコンウエハ上に
電極膜を蒸着等の工程で形成する電極形成工程である。
ステップＳ２０４はシリコンウエハにイオンを打ち込む
イオン打ち込み工程である。

【０１１２】ＣＶＤ工程もしくは電極形成工程の後で、
ステップＳ２０９に進み、ＣＭＰ工程を行うかどうかを
判断する。行わない場合はステップＳ２０６に進むが、
行う場合はステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５
はＣＭＰ工程であり、この工程では、本発明に係る研磨
装置を用いて、層間絶縁膜の平坦化や、半導体デバイス
の表面の金属膜の研磨によるダマシン（damascene）の
形成等が行われる。

【０１１３】ＣＭＰ工程または酸化工程の後でステップ
Ｓ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトリソ工程で
ある。フォトリソ工程では、シリコンウエハへのレジス
トの塗布、露光装置を用いた露光によるシリコンウエハ
への回路パターンの焼き付け、露光したシリコンウエハ
の現像が行われる。さらに次のステップＳ２０７は、現
像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、
その後レジスト剥離を行い、エッチングが済んで不要と
なったレジストを取り除くエッチング工程である。

【０１１４】次にステップＳ２０８で必要な全工程が完
了したかを判断し、完了していなければステップＳ２０
０に戻り、先のステップを繰り返して、シリコンウエハ
上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全
工程が完了したと判断されればエンドとなる。

【０１１５】本発明に係る半導体デバイス製造方法で
は、ＣＭＰ工程において本発明に係る研磨装置を用いて
いるため、ＣＭＰ工程での研磨終点の検出精度または膜
厚の測定精度が向上することにより、ＣＭＰ工程での歩
留まりが向上する。これにより、従来の半導体デバイス
製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造する
ことができるという効果がある。

【０１１６】なお、上記の半導体デバイス製造プロセス
以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発
明に係る研磨装置を用いても良い。

【０１１７】本発明に係る半導体デバイスは、本発明に
係る半導体デバイス製造方法により製造される。これに
より、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コスト
で半導体デバイスを製造することができ、半導体デバイ
スの製造原価を低下することができるという効果があ
る。

【０１１８】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるもの
ではない。

【０１１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ノイズ光を低減して信号光のＳ／Ｎを向上させることが
でき、ひいては高い精度で膜厚測定又は他の所定の測定
を行うことができる測定装置を提供することができる。

【０１２０】また、本発明によれば、ノイズ光を低減し
て信号光のＳ／Ｎを向上させることができ、ひいてはよ
り精度良く研磨状況をモニタすることができる研磨状況
モニタ装置、及びこれを用いた研磨装置を提供すること
ができる。

【０１２１】さらに、本発明によれば、研磨状況をより
精度良くモニタすることによって一層工程効率化を図
り、それにより従来の半導体デバイス製造方法に比べて
低コストで半導体デバイスを製造することができる半導
体デバイス製造方法、及び低コストの半導体デバイスを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による研磨装置を模
式的に示す概略構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による研磨装置の測
定光学系を模式的に示す概略構成図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態による研磨装置の測
定光学系を模式的に示す概略構成図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態による研磨装置の測
定光学系を模式的に示す概略構成図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態による研磨装置の測
定光学系を模式的に示す概略構成図である。

【図６】本発明の第５の実施の形態による研磨装置を模
式的に示す概略構成図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態による研磨装置の研
磨部材の窓部及び測定光学系を模式的に示す概略構成図
である。

【図８】本発明の他の実施の形態による研磨装置の研磨
部材の窓部を模式的に示す概略構成図である。

【図９】本発明の更に他の実施の形態による研磨装置の
研磨部材の窓部を模式的に示す概略構成図である。

【図１０】本発明の更に他の実施の形態による研磨装置
の研磨部材の窓部を模式的に示す概略構成図である。

【図１１】本発明の更に他の実施の形態による半導体デ
バイス製造プロセスを示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 研磨部材 ２ 研磨対象物（ウエハ） ３ 研磨対象物保持部（ウエハホルダ） ４ 研磨剤（スラリー） ５ 研磨剤供給部 ６ 研磨定盤 ７ 研磨体（研磨パッド） １０ 測定光学系 １１ 信号処理部 １２ 表示部 ７ａ，２７，４１，５１ 透光部材 ３２ リニアセンサ（受光センサ） ５０ 窓部 ５４ 液体

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA30 CC19 DD04 FF24 FF48 GG03 GG07 JJ02 JJ25 LL28 LL42 LL46 LL67 MM04 QQ29 QQ34 3C058 AA07 AC02 CA01 CB01 DA12 4M106 AA01 BA04 CA48 DH03 DH12 DH31 DH38 DH39 DJ06 DJ20 DJ24 DJ38

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定光を被測定物表面に照射し、前記被
   測定物表面からの反射光を受光し、受光した反射光に基
   づいて膜厚測定又は他の所定の測定を行う測定装置にお
   いて、 最も前記被測定物表面側に配置され前記測定光及び前記
   反射光が透過する透光部材の、前記被測定物表面側の面
   及び前記被測定物表面と反対側の面のうちの少なくとも
   一方の面が、前記被測定物表面と実質的に平行な平面で
   はないことを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 前記少なくとも一方の面が、前記被測定
   物表面に対して傾斜した平面又はこの傾斜した平面と光
   学的に実質的に等価な面であることを特徴とする請求項
   １記載の測定装置。
3. 【請求項３】 前記透光部材の前記被測定物表面側の面
   及び前記被測定物表面と反対側の面が、互いに実質的に
   平行でかつ前記被測定物表面に対して傾斜した平面であ
   ることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
4. 【請求項４】 前記少なくとも一方の面が曲面であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の測定装置。
5. 【請求項５】 前記透光部材の前記被測定物表面側の面
   が、大気の屈折率に比べて前記透光部材の屈折率に近い
   屈折率を有する液体又は半固体状物を介在させて、前記
   被測定物表面に近接又は密接される平面であることを特
   徴とする請求項１、２又は４記載の測定装置。
6. 【請求項６】 前記液体又は半固体状物の屈折率が前記
   透光部材の屈折率と略々同一であることを特徴とする請
   求項５記載の測定装置。
7. 【請求項７】 測定光を被測定物表面に照射し、前記被
   測定物表面からの反射光を受光し、受光した反射光に基
   づいて膜厚測定又は他の所定の測定を行う測定装置にお
   いて、 最も前記被測定物表面側に配置され前記測定光及び前記
   反射光が透過する透光部材の、前記被測定物表面側の面
   及び前記被測定物表面と反対側の面のうちの少なくとも
   一方の面が、前記透光部材に入射する前記測定光の実質
   的に全ての光線束について下式を満たす角度αだけ、前
   記被測定物表面に対して傾斜した平面、又はこの傾斜し
   た平面と光学的に実質的に等価な面であることを特徴と
   する測定装置。 【数１】α＞（１／２）・arctan｛（Ｄ＋ｄ）／２Ａ｝ ここで、Ａは、前記被測定物表面からの反射光を受光す
   るための受光センサの入射瞳に前記反射光を集光させる
   集光レンズ系がある場合には、当該集光レンズ系の焦点
   距離であり、当該集光レンズ系がない場合には、前記透
   光部材から前記受光センサの入射瞳までの距離であり、
   Ｄは前記受光センサの入射瞳の大きさであり、ｄは前記
   受光センサの入射瞳面上の迷光のスポット径である。
8. 【請求項８】 測定光を被測定物表面に照射し、前記被
   測定物表面からの反射光を受光し、受光した反射光に基
   づいて膜厚測定又は他の所定の測定を行う測定装置にお
   いて、 最も前記被測定物表面側に配置され前記測定光及び前記
   反射光が透過する透光部材の、前記被測定物表面側の面
   が、大気の屈折率に比べて前記透光部材の屈折率に近い
   屈折率を有する液体又は半固体状物を介在させて、前記
   被測定物表面に近接又は密接される平面であり、 前記透光部材の前記被測定物表面と反対側の面が、前記
   透光部材に入射する前記測定光の実質的に全ての光線束
   について下式を満たす角度βだけ、前記被測定物表面に
   対して傾斜した平面、又はこの傾斜した平面と光学的に
   実質的に等価な面であることを特徴とする測定装置。 【数２】sinβ＞（ｎａ／ｎｗ）・sin［（１／２）・ar
   ctan｛（Ｄ＋ｄ）／２Ａ｝］ ここで、Ａは、前記被測定物表面からの反射光を受光す
   るための受光センサの入射瞳に前記反射光を集光させる
   集光レンズ系がある場合には、当該集光レンズ系の焦点
   距離であり、当該集光レンズ系がない場合には、前記透
   光部材から前記受光センサの入射瞳までの距離であり、
   Ｄは前記受光センサの入射瞳の大きさであり、ｄは前記
   受光センサの入射瞳面上の迷光のスポット径であり、ｎ
   ｗは前記透光部材の屈折率であり、ｎａは大気の屈折率
   である。
9. 【請求項９】 研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を介
   在させた状態で、前記研磨体と前記研磨対象物との間に
   荷重を加え、かつ相対移動させることにより、前記研磨
   対象物を研磨する際に、その研磨状況をその研磨中にモ
   ニタする研磨状況モニタ装置であって、 測定光を前記研磨対象物の被研磨面に照射し、前記被研
   磨面からの反射光に基づいて、前記研磨状況をモニタす
   る研磨状況モニタ装置において、 請求項１乃至８のいずれかに記載の測定装置を含むこと
   を特徴とする研磨状況モニタ装置。
10. 【請求項１０】 研磨体と研磨対象物との間に研磨剤を
    介在させた状態で、前記研磨体と前記研磨対象物との間
    に荷重を加え、かつ相対移動させることにより、前記研
    磨対象物を研磨する際に、その研磨状況をその研磨中に
    モニタする研磨状況モニタ装置であって、 測定光を前記研磨対象物の被研磨面に照射し、前記被研
    磨面からの反射光に基づいて、前記研磨状況をモニタす
    る研磨状況モニタ装置において、 前記研磨体の少なくとも一部が前記測定光及び前記反射
    光を透過させる第１の透光部材で構成され、 前記測定光及び前記反射光を透過させる第２の透光部材
    が、大気の屈折率に比べて前記透光部材の屈折率に近い
    屈折率を有する液体又は半固体状物を介在させて、前記
    第１の透光部材の前記研磨対象物と反対側の面に近接又
    は密接され、 前記第２の透光部材の前記第１の透光部材と反対側の面
    は、前記被研磨面と実質的に平行な平面ではなく、 前記測定光は前記第１及び第２の透光部材を介して前記
    被研磨面に照射されるとともに、前記反射光は前記第１
    及び第２の透光部材を介して受光されることを特徴とす
    る研磨状況モニタ装置。
11. 【請求項１１】 前記第１の透光部材の屈折率、前記第
    ２の透光部材の屈折率、及び、前記液体又は前記半固体
    状物の屈折率が、互いに略々同一であることを特徴とす
    る請求項１０記載の研磨状況モニタ装置。
12. 【請求項１２】 前記第２の透光部材の前記第１の透光
    部材と反対側の面は、前記被研磨面に対して傾斜した平
    面又はこの傾斜した平面と光学的に実質的に等価な面で
    あることを特徴とする請求項１０又は１１記載の研磨状
    況モニタ装置。
13. 【請求項１３】 前記第２の透光部材の前記第１の透光
    部材と反対側の面は、前記第２の透光部材に入射する前
    記測定光の実質的に全ての光線束について下式を満たす
    角度βだけ、前記第１の透光部材の前記研磨対象物側の
    面に対して傾斜した平面、又はこの傾斜した平面と光学
    的に実質的に等価な面であることを特徴とする請求項１
    ０又は１１記載の研磨状況モニタ装置。 【数３】sinβ＞（ｎａ／ｎｗ）・sin［（１／２）・ar
    ctan｛（Ｄ＋ｄ）／２Ａ｝］ ここで、Ａは、前記被研磨面からの反射光を受光するた
    めの受光センサの入射瞳に前記反射光を集光させる集光
    レンズ系がある場合には、当該集光レンズ系の焦点距離
    であり、当該集光レンズ系がない場合には、前記第２の
    透光部材から前記受光センサの入射瞳までの距離であ
    り、Ｄは前記受光センサの入射瞳の大きさであり、ｄは
    前記受光センサの入射瞳面上の迷光のスポット径であ
    り、ｎｗは前記第２の透光部材の屈折率であり、ｎａは
    大気の屈折率である。
14. 【請求項１４】 前記第２の透光部材の前記第１の透光
    部材と反対側の面は、曲面であることを特徴とする請求
    項１０又は１１記載の研磨状況モニタ装置。
15. 【請求項１５】 研磨体と、研磨対象物を保持する保持
    部とを備え、前記研磨体と前記研磨対象物との間に研磨
    剤を介在させた状態で、前記研磨体と前記研磨対象物と
    の間に荷重を加え、かつ相対移動させることにより、前
    記研磨対象物を研磨する研磨装置において、請求項９乃
    至１４のいずれかに記載の研磨状況モニタ装置を備えた
    ことを特徴とする研磨装置。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の研磨装置を用いて半
    導体ウエハの表面を平坦化する工程を有することを特徴
    とする半導体デバイス製造方法。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の半導体デバイス製造
    方法により製造されることを特徴とする半導体デバイ
    ス。