JP2002261059A

JP2002261059A - 研磨状態検出装置

Info

Publication number: JP2002261059A
Application number: JP2001056312A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Uno; 徹也宇野; Hiroaki Takimasa; 宏章滝政
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2002-09-13

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨工程下において研磨状態を精度良く検出
する。【解決手段】センサヘッド１は、投光部２および受光
部３とそれぞれ光ファイバ１１，１２を介して連結さ
れ、研磨中のウエハの表面３０に光を照射しつつ、ウエ
ハからの反射光を取り込む。受光用ファイバ１２の入口
には、金属管１４を介して拡散板１５が配備されてお
り、ウエハからの反射光は、この拡散板１５により均一
化されてから受光用ファイバ１２を通過し、受光部３に
到達する。受光部３には、長さ方向Ｌに沿って光の透過
率が変動する分光フィルタ１８と、この分光フィルタ１
８を透過した光を所定波長単位毎に切り分けて受光する
ためのラインＣＣＤ１９とが配備されており、コントロ
ーラ内において、ラインＣＣＤ１９により生成された反
射光の分光波形を規準のデータと比較することにより、
研磨の進行状態の適否や研磨を終了する時刻が判別され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種配線パター
ンが積層された半導体ウエハの表面を平坦化する技術に
関するもので、特に化学的かつ機械的な手法によってウ
エハの表面を平坦化する工程（Chemical Mechanical Po
lishing ; 以下「ＣＭＰ」と略す。）において、研磨の
進行状態をモニタリングしたり、研磨終点を検出するた
めの技術に関連する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハ上の階層構造は、各種半導
体デバイスの高性能化に伴って、年々微細化かつ多層化
する傾向にある。ＣＭＰは、ウエハ上に配線を形成した
際に表面に生じる凹凸を平坦化するためのもので、ウエ
ハ上に多数の複雑な配線パターンを積層する上で不可欠
の工程である。

【０００３】典型的なＣＭＰ装置は、研磨パッドが装着
された定盤，ウエハを支持しながら回転および加圧を行
うための加圧ヘッド，ならびにこれら定盤や加圧ヘッド
を回転させるための駆動機構などを具備しており、定盤
上に研磨剤（スラリー）を供給しながら、定盤および加
圧ヘッドを個別に回転させることにより、ウエハ表面に
摩擦力と加圧力とを作用させて研磨を行うようにしてい
る。

【０００４】上記ＣＭＰ装置による研磨の終点位置を検
出するために、従来では、あらかじめ決められた研磨時
間だけ研磨を行った後、特定の位置に光を照射してウエ
ハからの反射光の干渉状態を規準のパターンと比較する
ことにより、適切な位置まで研磨されたか否かを判別す
るオフライン計測方法が採用されている。また研磨中に
研磨終点を検出する方法として、加圧パッドや定盤の回
転軸のトルクの変化を検出する方法や、研磨中のウエハ
に光を照射して反射光の干渉状態をチェックする方法も
提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この種の研磨では、決
められた研磨時間だけ研磨を行っても必ずしも適正な状
態で研磨が完了するというものではない。特に配線パタ
ーンが微細になると、研磨時間を細かい単位で管理して
も、研磨が不足するケースや、研磨が過剰となるケース
が多々発生する虞がある。

【０００６】一定時間の研磨を行った後に計測を行う第
１の方法の場合、計測により研磨不足と判別された場
合、ウエハをもう一度ＣＭＰ装置に取り付けて再研磨を
行い、さらに再度の計測を行う必要があるが、研磨や計
測を繰り返すと時間的なロスが多くなる。また研磨が過
剰となった場合、そのウエハは不良品として破棄しなけ
ればならないから、ウエハ製造工程の歩留まりが悪化す
る、という問題が生じる。さらに研磨パッドは消耗品で
あるので、使用が進むにつれて研磨の状態が変動し、再
研磨を行わなければならないケースが増大する、という
問題もある。

【０００７】トルクにより研磨終点を検出する第２の方
法においても、現行では、膜厚の微少な変化に対応する
トルクの変化まで検出するだけの精度を確保できていな
いため、微細な配線パターンに対応するだけの終点検知
制御を行うのは、実質的に不可能である。

【０００８】さらに第３の方法においては、研磨中のウ
エハは加圧パッドとともに回転しているので、計測の都
度、光照射位置が変化することになるが、その光照射位
置における配線パターンによって反射光の干渉状態が変
動するため、計測精度が低下するという問題がある。ま
た仮にウエハの中心位置など、特定の場所に光が照射さ
れるように調整したとしても、ウエハの回転によって配
線パターンの向きが変わると、同様に反射光の干渉状態
が変化するから、計測精度を向上させるのは事実上困難
である。

【０００９】また研磨パッドは柔らかい材質で構成され
ているので、研磨の途中でウエハが傾く場合があるが、
このウエハの傾きによって受光素子に対する反射光の入
射位置や受光量に変化が生じ、計測結果にも影響が及ぶ
場合がある。また研磨パッドは定期的にドレッシングさ
れるため、パッドの厚みはしだいに薄くなるが、この厚
みの変化によってウエハからセンサまでの距離が変化す
るため、受光素子に対する反射光の入射位置や受光量に
変化が生じ、計測結果にも誤差が生じてしまう。

【００１０】この発明は、上記の各問題点に着目してな
されたもので、微細な配線パターンが形成されたウエハ
に対して、研磨工程下において研磨状態を精度良く検出
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる研磨状
態検出装置は、研磨中のウエハが適正に研磨されている
か否かをチェックしたり、研磨終点を検出する用途に用
いられるもので、研磨中のウエハの表面に光を照射する
投光手段と、前記ウエハからの反射光または透過光を複
数の波長成分に分光して抽出する受光手段と、前記受光
手段により抽出された分光波形を用いて前記ウエハの研
磨状態を判別する判別手段とを具備する。

【００１２】前記投光手段は、所定の波長域に分布する
光を形成するもので、ＬＥＤ，ランプなどの光源を一ま
たは複数個組み合わせて構成される。特に、受光手段が
ウエハからの透過光を受光する場合、投光手段には、赤
外線を発する光源が用いられる。受光手段は、前記投光
手段の波長域に対応する光を複数の波長成分に切り分け
て取り出すためのもので、たとえば、透過させる光の波
長が位置によって変化する分光フィルタと、この分光フ
ィルタを透過した光を複数の波長成分に切り分けて受光
するための受光素子群とによって構成される。

【００１３】前記受光手段によって抽出される分光波形
とは、波長成分毎の受光量の強度分布（すなわち各受光
素子からの受光出力の分布）であり、理論上は、ウエハ
上の各層における光の干渉状態によって異なる波形とな
る。前記判別手段は、たとえばプロセッサにより構成さ
れ、前記受光手段により得た分光波形を基準の波形と比
較するなどして、研磨の進行状態の適否や研磨工程を終
了するタイミングを判別する。なお規準の波形は、たと
えば、処理対象のウエハと同材質のモデルを所定の膜厚
にまで研磨し、そのときの分光波形を計測して得ること
ができる。なお、規準の波形は１つに限らず、異なる膜
厚毎の複数の波形を規準波形として設定することができ
る。この場合の判別手段は、たとえば定盤が１回転する
毎の分光波形を各規準波形と比較して、研磨状態の進行
度合いを判別し、研磨を終了する時刻を予測するように
設定することができる。

【００１４】この発明では、ウエハ上の計測対象位置、
ウエハの傾き、ウエハから受光手段までの距離などが変
動しても、受光手段により生成される分光波形にその変
動による影響が及ばないように、受光手段の前方に、ウ
エハからの反射光または透過光を拡散させて受光手段に
導くための拡散手段を配備している。たとえば、前記受
光手段が分光フィルタと受光素子群とにより構成される
場合、分光フィルタの受光面における光の強度分布が変
化すると、この変化は、各受光素子に入射する光の強さ
にまで影響を及ぼす。したがって、計測対象のウエハに
おいて、前記規準の波形を得たときとは異なる位置が計
測されると、仮に計測対象のウエハがモデルと同様の状
態に研磨されていても、その分光波形が規準の波形と異
なる形状になる可能性が高くなり、研磨の終了時刻を正
しく判別するのが困難となる。

【００１５】前記拡散手段によれば、強度分布にばらつ
きのあるウエハからの光を均一化してから受光手段に導
くことができるので、計測対象のウエハとモデルとの間
の光の強度分布の差異によるノイズが解消され、研磨の
終了時刻を精度良く判別することが可能となる。

【００１６】なお、前記受光手段がウエハからの反射光
を受光する場合は、上記構成の装置に、投光手段からの
光をウエハに導きつつ、ウエハからの反射光を取り込む
ためのセンサヘッドを導入することができる。この場
合、前記投光手段および受光手段を、このセンサヘッド
内に組み込むこともできるが、センサヘッドから離れた
位置に配置して、光ファイバなどにより光を伝送するよ
うに構成することもできる。さらにこのセンサヘッドに
は、投受光用のレンズやハーフミラーなどを組み込むの
が望ましい。

【００１７】このようなセンサヘッドを導入する場合、
たとえばＣＭＰ装置の定盤の一部に挿通孔を形成し、こ
の挿通孔内にセンサヘッドを配置して、ウエハを支持す
る加圧ヘッドが挿通孔に対向する都度、計測を行うよう
に設定することができる。またはセンサヘッドを定盤に
近接させて配置し、ウエハの一部がセンサヘッドに対応
するように加圧ヘッドを移動させて計測を行うように設
定してもよい。なお、いずれの場合も、ウエハ表面に接
近した位置で計測を行うのが望ましいが、これに限ら
ず、ウエハから離れた位置で計測を行うことも可能であ
る。

【００１８】さらに上記構成のセンサヘッドでは、ウエ
ハに対して計測に十分な大きさの径を持つ光を照射でき
るように、投受光用レンズと投光手段との関係を調整す
るのが望ましい。またウエハに均一な光を照射できるよ
うに、投光経路の適所に受光手段側と同様の拡散手段を
配備するのが望ましい。またウエハが傾いた場合に、ウ
エハからの反射光または透過光を十分に取り込むことが
できるように、前記投受光用レンズからウエハ表面にや
や集束する光を照射するのが望ましい。

【００１９】好ましい態様によれば、前記拡散手段とし
て、透光性を具備する拡散板を採用し、この拡散板を前
記受光手段に非接触に配備する。この構成によれば、拡
散板により十分に拡散させた光を受光手段に導くことが
できるから、判別精度をより一層向上することができ
る。

【００２０】また前記拡散板と受光手段との間には、光
ファイバを介在させることができる。さらにこの光ファ
イバの出口に第２の拡散板を配備して、２つの拡散板を
介した光を受光手段に導くようにすれば、ファイバが曲
がって光に減衰が生じても、出口側で再度光を均一化す
ることができ、判別精度を維持することができる。な
お、このように拡散板と受光手段との間に光ファイバを
介在させる場合、拡散板と光ファイバとを、内側が鏡面
加工された金属筒のような正反射率の高い部材で連結す
れば、拡散後の光を受光手段まで効率良く伝達すること
ができる。

【００２１】さらにこの発明では、ウエハ表面から離れ
た位置で計測を行う場合の態様として、前記拡散手段の
前方に、ウエハからの光を集光させるための集光手段を
配備することができる。この集光手段は、たとえばレン
ズと、所定大きさの開口部が形成された板状体とによっ
て構成されるもので、この場合、レンズにより集光させ
た光が板状体の開口部を介して拡散手段に導かれるよう
になる。また板状体に代えて、単芯の光ファイバ（１本
のファイバのみで構成されたもの）を用いて光を絞り込
むことも可能である。計測地点からウエハ表面までの距
離が長くなると、ウエハ表面の計測すべき領域の外側に
まで照射光が広がり、この周辺領域からの光まで受光手
段に入射して判別精度を落とす虞がある。上記構成によ
れば、ウエハからの光の中から計測すべき領域の大きさ
に対応する光を絞り込み、さらに集光させた光を拡散手
段によって均一化するので、判別処理に適した条件を維
持することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の一実施例にか
かる研磨状態検出装置の構成を示す。この研磨状態検出
装置は、ＣＭＰ装置により研磨中のウエハの研磨進行状
態の適否をチェックしたり、研磨終点を検出するための
もので、センサヘッド１，投光部２，受光部３，および
後記するコントローラ４により構成される。なお、投光
部２および受光部３は、コントローラ４の本体部内に組
み込まれる。

【００２３】前記センサヘッド１は、投受光用の窓部５
が開設されたケース体６内に、投受光用レンズ７，ハー
フミラー８，ミラー９などが組み込まれた構成のもの
で、投光部２，受光部３に対し、それぞれ光ファイバ１
１，１２を介して連結される。（以下、各光ファイバ
を、「投光用ファイバ１１」「受光用ファイバ１２」と
いう。）

【００２４】このセンサヘッド１において、投光用ファ
イバ１１の出口側の開放端面には、透光性を具備する拡
散板１３を当接させている。この拡散板１３を介して均
一化された光は、ミラー９，ハーフミラー８，投受光用
レンズ７を順に介して窓部５より出射される。なお、窓
部５には、図示しない透明の窓板が配備される。

【００２５】一方、センサヘッド１内の受光用ファイバ
１２の入口側には、図中、（Ａ）の断面図に示すよう
に、内面が鏡面加工された金属筒１４が、先端を突出さ
せた状態で嵌め込まれる。さらにこの金属筒１４の開放
端面には、前記投光用ファイバ１１の先端部と同様に、
透光性を具備する拡散板１５を当接させている。

【００２６】なお、この実施例のセンサヘッド１では、
ウエハ表面（図中、３０で示す。なお、ここでいう「ウ
エハ表面３０」とは、複数層の配線パターンが積まれた
ウエハの最上層の表面をいう。）にある程度の大きさの
計測領域を確保するために、投受光用レンズ７のレンズ
径とほぼ同じ大きさのビーム径の光が照射されるよう
に、前記投光用ファイバ１１の出口側先端部の位置を調
整している。ただしウエハが研磨中に傾いた場合にも、
反射光がもれなくセンサヘッド１に帰るように、やや集
束する光が照射されるのが望ましい。

【００２７】前記投光部２は、ケース体２０内に、赤色
発光用，白色発光用，青色発光用のＬＥＤ２２，２３，
２４（以下、「赤色ＬＥＤ２２」，「白色ＬＥＤ２
３」，「青色ＬＥＤ２４」という。）を１つずつ組み込
むとともに、２個のダイクロイックミラー２５，２６，
集光用のレンズ２１などを同じケース体２０内に収容し
て構成される。なお、各ＬＥＤ２２，２３，２４の発光
動作および出力パワーは、それぞれ個別の駆動回路２
７，２８，２９（図２に示す。）により制御される。

【００２８】前記３個のＬＥＤ２２，２３，２４は、レ
ンズ２１に対し、青，白、赤の順に遠くなるように配備
される。このうち赤色ＬＥＤ２２は、光軸をレンズの面
中心に向けた状態で設置され、白，青の各ＬＥＤ２３，
２４は、それぞれ光軸を赤色ＬＥＤ２２の光軸に直交さ
せた状態で設置される。この実施例の赤色ＬＥＤ２２は
６８０ｎｍ付近でピークとなる光を、青色ＬＥＤ２４は
４７０ｎｍ付近でピークとなる光を、それぞれ出力す
る。また白色ＬＥＤ２３は、４２０〜７００ｎｍの波長
域に分布する光を出力する。

【００２９】前記第１のダイクロイックミラー２５は、
約７００ｎｍより後の波長域の光をほぼすべて透過させ
る特性を具備するもので、赤色ＬＥＤ２２と白色ＬＥＤ
２３との光軸が交わる位置に、これらＬＥＤ２２，２３
の光軸に鏡面を４５度傾けた状態で配備される。一方、
第２のダイクロイックミラー２６は、約５２０ｎｍより
後の波長域の光をほぼすべて透過させる特性を具備する
もので、赤色ＬＥＤ２２と青色ＬＥＤ２４との光軸が交
わる位置に、鏡面を各ＬＥＤ２２，２４の光軸に４５度
傾けた状態で配備される。

【００３０】これらダイクロイックミラー２５，２６の
働きにより、赤色ＬＥＤ２２からの６００ｎｍ以降の波
長域の光と、白色ＬＥＤ２３からの５２０〜６００ｎｍ
の波長域の光と、青色ＬＥＤからの５２０ｎｍより前の
波長域の光とがそれぞれ取り出されてレンズ２１により
集光され、測定用の光として出射される。なお、ケース
体２０の内面には、ダイクロイックミラー２５，２６を
透過または反射してレンズ以外の方向に導かれた光を吸
収するための光吸収体（図示せず。）が配備される。

【００３１】前記受光部３は、ケース体３０内に、シリ
ンドリカルレンズ１７，分光フィルタ１８，ならびにラ
インＣＣＤ１９（複数のＣＣＤを一次元配列したもの）
などを組み込んだ構成をとる。（図１中の（Ｂ）は、こ
の受光部３の上方から見た内部構成を示す。）分光フィ
ルタ１８は、光学多層膜によるフィルタであって、長さ
方向（図１（Ｂ）の矢印Ｌの方向）に沿って膜厚を一定
の方向に変化させることにより、フィルタを透過する光
の波長域が徐々に変化するように構成されている。ライ
ンＣＣＤ１９は、この分光フィルタ１８の長さ方向Ｌに
沿って配列されており、分光フィルタ１８を透過した光
は、ラインＣＣＤ１９の各素子により複数の波長成分に
切り分けられて抽出されることになる。

【００３２】図２は、前記コントローラ４の構成を示
す。このコントローラ４は、パーソナルコンピュータに
研磨状態検出用のソフトウェアを組み込んで構成される
もので、ＣＰＵを主体とする制御部３１に、メモリ３
２，投光制御部３３，Ａ／Ｄ変換回路３４，通信用イン
ターフェース３５などが接続された構成をとる。

【００３３】投光制御部３３は、前記投光部２の各ＬＥ
Ｄ２２，２３，２４の駆動回路２７，２８，２９に発光
パルスの出力を指示するためのもの、Ａ／Ｄ変換回路３
４は、前記受光部３のラインＣＣＤ１９からの受光出力
をディジタル変換して、各波長単位毎の光の強度スペク
トルを示す分光波形データを生成するためのものであ
る。メモリ３２には、あらかじめ所定膜厚まで研磨した
状態のモデルのウエハにより得られた規準の分光波形デ
ータ（以下、単に「規準データ」という。）が登録され
ている。

【００３４】前記通信用インターフェース３５は、ＣＭ
Ｐ装置側のコントローラと信号のやりとりを行うための
ものである。制御部３１は、この通信用インターフェー
ス３５を介してＣＭＰ装置の定盤や加圧ヘッドの回転状
態を判別しつつ、前記投光制御部３３や各駆動回路２
７，２８，２９を介して各ＬＥＤ２２，２３，２４を発
光させる。さらに制御部３１は、Ａ／Ｄ変換回路３４よ
り前記発光動作に対応して生成される分光波形データを
取り込んで、これをメモリ３２内の規準データと照合す
るなどして、研磨の進行状態や研磨の終了時刻を判別す
る。そして研磨の終了時刻になると、ＣＭＰ装置のコン
トローラに停止指令を出力して、研磨工程を終了させ
る。

【００３５】図３は、ＣＭＰ装置に対する前記センサヘ
ッド１の設置例を示す。図中、３６は、ＣＭＰ装置の定
盤であり、３７は研磨パッドを、３８は加圧ヘッドを、
それぞれ示す。加圧ヘッド３８は、ウエハ３０Ａをその
表面を下向きにした状態で吸着支持しつつ、定盤３６と
ともに回転し、またエヤーの供給を受けるなどしてウエ
ハ３０Ａを加圧する。ウエハ３０Ａは、研磨パッド３７
上に供給されるスラリーと、研磨パッド３７と加圧ヘッ
ド３８との間に生じる摩擦力、および加圧ヘッド３８か
らの加圧力の作用を受けて、徐々に研磨される。

【００３６】図３（１）の例は、前記センサヘッド１を
定盤３６内に組み込んで計測を行うようにしたものであ
る。この実施例では、定盤３６側の所定位置にセンサヘ
ッド設置用の挿通孔３９が形成されるとともに、研磨パ
ッド３７にも前記挿通孔３９に応じた大きさの開口部４
０が設けられる。センサヘッド１は、前記窓部５を研磨
パッド３７の高さ位置に合わせた状態で挿通孔３９内に
上向きに配備され、定盤３６とともに回転する。前記研
磨状態検出装置のコントローラ４は、加圧ヘッド３８と
定盤３６の挿通孔３９とが対向する都度、前記投光部２
を作動させるとともに、受光部３からの受光出力を取り
込んで前記分光波形データを生成し、前記した判別処理
を行う。

【００３７】図３（２）の例は、前記センサヘッド１を
定盤３６の近傍位置に配備して計測を行うようにしたも
のである。この場合は、定盤３６を加工する必要はな
く、センサヘッド１は、前記窓部５を定盤３６の高さ位
置に合わせて上向きに配備される。また加圧ヘッド３８
は、ウエハ３０Ａの一部が定盤３６から突出するように
位置決めされており、ウエハ３０Ａはその設定位置で研
磨されながら前記突出部分に対する計測を受けることに
なる。

【００３８】図１に戻って、前記投光部２からの光がウ
エハ表面３０に照射されると、この光は、ウエハ表面３
０およびウエハの各層の境界面で反射するので、センサ
ヘッド１側の投受光用レンズ７には各層からの光の干渉
による影響を受けた反射光が返される。この反射光は、
ハーフミラー８を介して前記拡散板１５に導かれた後、
拡散板１５を通過する際に拡散し、さらに金属管１４お
よび受光用ファイバ１２を介して受光部３側に到達す
る。さらにこの反射光は、受光用ファイバ１２の出口側
に設けられた第２の拡散板１６により再度拡散した後
に、シリンドリカルレンズ１７を通過して分光フィルタ
１８に到達する。この分光フィルタ１８では、入射位置
によって異なる波長の光が透過してラインＣＣＤ１９に
導かれるので、最終的にラインＣＣＤ１９の各素子の出
力により、前記ウエハにおける光の干渉状態を示す分光
波形データが生成されることになる。

【００３９】ここで前記受光用ファイバ１２の入り口
側、出口側に配備された２枚の拡散板１５，１６の持つ
役割について説明する。図４は、ウエハ側での反射率の
変動が前記分光波形に与える影響を示す。図４におい
て、矢印Ａで示すグラフ（以下、「グラフＡ」とい
う。）は、ウエハの光照射領域における反射率（ここで
は照射光の光量に対する干渉光の割合をいう。）を一方
向に沿って抽出した結果を模式的に示す。他方、矢印Ｂ
で示すグラフ（以下、「グラフＢ」という。）は、前記
グラフＡに示す各位置からの光を前記投受光用レンズ７
により集光させた場合の光の強度を、各光が向かう角度
方向毎に示したものである。さらに矢印Ｃで示すグラフ
（以下、「グラフＣ」という。）は、これら集光させた
光が受光用ファイバ１２を介して分光フィルタ１８に導
かれた場合に、前記長さ方向Ｌに沿う入射光の強度分布
を示す。

【００４０】図４の（１）（２）のグラフＡに示すよう
に、ウエハの任意の位置に光を照射すると、その光が照
射された位置での配線パターンの種類や向きなどに応じ
た光の干渉が生じるので、ウエハからの反射光の強度分
布は、光の照射位置によって変動する。この反射光の強
度分布の差異は、グラフＢに示すように、そのままセン
サヘッド１内での光の集光状態に反映される。さらにセ
ンサヘッド１で集められた光は、受光用ファイバ１２内
を旋回しながら進むので、分光フィルタ１８には、グラ
フＣに示すように中央を境に概ね相似する波形の光が入
射するが、このグラフＣの分布形状も、元のウエハにお
ける反射光の強度分布が異なると、その影響によって異
なる波形となる。

【００４１】よって、分光フィルタ１８の各位置におけ
る光の透過量は、計測位置によって変動するので、仮に
同じ膜厚まで研磨されたウエハであっても、計測位置が
異なると、異なる形状の分光波形データが得られること
になる。またウエハの中心位置が計測されるようにセン
サヘッド１を位置決めしても、反射光の光強度分布は、
配線パターンの向きの変化によって変動するので、ウエ
ハの向きの変化には対応できない。しかもウエハを支持
する加圧ヘッド３８の回転は定盤３６の回転に同期して
いないため、計測時のウエハの向きを常に一定にするこ
とは、事実上不可能である。

【００４２】さらに研磨中のウエハが研磨パッド３７に
めり込んで傾いたり、センサヘッド１が加圧の影響を受
けて上下動するなどして、ウエハ表面からセンサヘッド
１までの距離が変動した場合にも、上記と同様の問題が
発生する。図５は、前記図１の構成において、反射光を
受光用ファイバ１２のみで受けた場合に、ウエハの傾き
が受光用ファイバ１２への反射光の入射状態に与える影
響を示す。図５（１）は、ウエハ表面３０が傾いていな
いときの状態であって、投受光用レンズ７を介した反射
光は、受光用ファイバ１２の径全体に入射するように設
定されている。これに対し、ウエハ表面３０が傾くと、
反射光の指向性が変化するため、図５（２）に示すよう
に、受光用ファイバ１２に対する光の入射範囲がファイ
バ径の一部に偏ってしまう。この光の偏りにより、前記
分光フィルタ１８における入射光の強度分布が変動し、
分光波形データを安定して取得できない状態になる。

【００４３】またセンサヘッド１からウエハまでの距離
が変動すると、図６（１）（２）に示すように、反射光
の幅に変化が生じるため、同様に、分光フィルタ１８に
おける入射光の強度分布に影響が生じ、安定した形状の
分光波形データを得るのが困難となる。

【００４４】このように研磨中のウエハについては、照
射位置やウエハの向きを特定するのが困難である上に、
ウエハの傾きや距離の変動によっても反射光の分布状態
が変化するので、研磨工程下においてセンサヘッド１に
一定の条件で反射光を取り込むのは、事実上不可能であ
る。前記したように、研磨終点の判別は、計測対象のウ
エハにより得られた分光波形データをあらかじめモデル
のウエハにより得られた規準データと照合することによ
り行われるが、上記の理由から規準データを得たときと
同じ条件で反射光を取り込むのは困難であり、研磨終点
を正しく判別できない、という問題が生じる。

【００４５】この実施例では、前記受光用ファイバ１２
の出入口にそれぞれ拡散板１５，１６を設けることによ
り、反射光を均一化した上で分光フィルタ１８に導くの
で、計測位置の違いに関わらず、規準データを得たとき
と同様の条件で分光波形データを生成することができ、
研磨の終了時刻を精度良く検出することが可能となる。
なお、受光用ファイバ１２は、拡散処理後の光の均一状
態を保持できるように、単芯のファイバ（単一の光ファ
イバによるもの）とするのが望ましい。この構成によれ
ば、センサヘッド１に集光した後の反射光は、拡散板１
５を通過した後、金属管１４内で反射を繰り返しながら
進み、単芯の受光用ファイバ１２に入射するので、反射
光をその強度や均一状態を維持しつつ受光部３側に導く
ことができる。

【００４６】また拡散板は必ずしも２枚設けることはな
く、最低限、光を集光させる側の拡散板１５を配備すれ
ば良い。ただし、光ファイバが曲がると、ファイバ内を
直進する光が減衰して出口側の光が不均一になるので、
計測時に受光用ファイバ１２が曲がる可能性が高い場合
は、入口，出口の両方の拡散板１５，１６を配備するの
が望ましい。同様の理由で、投光用ファイバ１１側の拡
散板も、入口側より出口側に配備するのが望ましい。
（または、受光用ファイバ１２と同様に、入口，出口の
両方に配備するとよい。）

【００４７】図７は、前記センサヘッド１の第３の設置
例を示す。この実施例の定盤３６は、前記図３（１）と
同様の構成であるが、センサヘッド１は挿通孔３９の下
方に固定配備される。また定盤３６の挿通孔３９の上端
面には、透明の保護板４１が配備される。研磨状態検出
装置のコントローラ４は、前記図３（１）の実施例と同
様に、加圧ヘッド３８と定盤３６の挿通孔３９とが対向
する毎に計測を行い、研磨状態を判別する。

【００４８】図８は、上記図７の設置例に適用されるセ
ンサヘッド１の構成を示す。この実施例のセンサヘッド
１は、ケース体６内に投光部２および受光部３を組み込
んで一体化したもので、投受光用レンズ７，ハーフミラ
ー８，ミラー９については，図１の実施例と同様に配置
される。また投光部２の構成も、図１と同様であり、照
射光を均一化するための拡散板１３が、レンズ２１の前
方に配備されている。

【００４９】受光部３も、図１の実施例と同様に、シリ
ンドリカルレンズ１７，分光フィルタ１８，ラインＣＣ
Ｄ１９などにより構成される。さらにこの受光部３への
光の経路には、集光レンズ４２，光通過板４３，拡散板
１５Ａが、順に配備される。なお、ここでは図示してい
ないが、投光部２は拡散板１３とともに、受光部３は、
前記集光レンズ４２，光通過板４３，拡散板１５Ａとと
もに、それぞれケース体６内に遮光された状態で配備さ
れる。

【００５０】図７，８のように、センサヘッド１からウ
エハ表面３０までの距離が長くなる場合、投光部２から
ある程度の大きさを持つ光を照射すると、ウエハ表面３
０の本来計測すべき領域（図８中、Ｒで示す。）の周辺
領域ｒにも弱い光が照射されてしまう。この周辺領域ｒ
からの反射光がセンサヘッド１に入射すると、一定大き
さの計測領域Ｒに均一な照明光をあてたときの反射光を
計測するという計測条件を満たすことができなくなり、
分光フィルタ１８への入射光の分布状態にノイズが入
る。

【００５１】前記集光レンズ４２および光通過板４３
は、上記の問題を解決するためのものである。図中の
（Ａ）は、光通過板４３より後の構成を、光軸に沿う線
で切断して上方から見た状態の断面図により示す。この
（Ａ）に示すように、光通過板４３は、板状体の中央部
に円形の開口部４４を形成した構成のもので、集光レン
ズ４２により結像した光は円形開口部４４を通過して拡
散板１５Ａに導かれる。一方、投受光用レンズ７と集光
レンズ４２とは、計測領域Ｒの像が光通過板４３の円形
開口部４４に結像されるように設定されている。拡散板
１５Ａでは、前記集光レンズ４２および光通過板４３に
より所定角度範囲に限定された光を拡散して受光部３に
導くので、分光フィルタ１８の各位置に均一な光を入射
させることができる。よって周辺領域ｒからのノイズの
影響を取り除くとともに、前記第１の実施例と同様に、
光照射位置やウエハの回転角度，傾きなどの影響を除外
して、研磨の終了時間を精度良く判別することができ
る。

【００５２】図９は、ウエハ表面３０から離れた位置で
計測を行う場合の他の構成例を示す。この実施例の投光
部２，受光部３は、前記図１の実施例と同様のケース体
２０，３０にそれぞれ収容された状態で、コントローラ
４内に組み込まれており、それぞれ投光用ファイバ１
１，受光用ファイバ１２を介してセンサヘッド１に連結
される。

【００５３】この実施例では、受光用ファイバ１２の入
口の前方に、図８の実施例と同様の集光レンズ４２を配
備している。受光用ファイバ１２は、単芯のファイバで
あり、前記図８の光通過板４３と同様に、集光レンズ４
２により限定された反射光を通過させる役割を果たす。
また集光後の反射光を拡散させるための拡散板１５Ａ
は、受光部３側の受光用ファイバ１２の出口に配備され
る。この拡散板１５Ａにより、受光用ファイバ１２を通
過した光が拡散されて、分光フィルタ１８上に均一な分
布状態の光が入射するので、図８の実施例と同様に、分
光波形データを安定させることができ、研磨の終了時刻
を精度良く判別することが可能となる。

【００５４】ところで、ウエハの研磨工程では、研磨パ
ッド３７上にスラリーが供給されるため、前記図３
（１）（２）のように研磨中のウエハに接近した位置で
計測を行うと、投受光窓５の窓板にスラリーが付着して
照射光や反射光の透過が妨げられ、計測の精度がしだい
に低下するという問題が生じる。このため計測の途中
で、適宜、窓板に付着したスラリーを除去する必要があ
る。

【００５５】図１０は、前記図１の実施例のセンサヘッ
ド１について、実用レベルの構成を示す。このセンサヘ
ッド１は、前記投受光用レンズ７，ハーフミラー８，ミ
ラー９，拡散板１５などが組み込まれた前記ケース体６
の上方に導水部５０を組み付けた構成をとる。この導水
部５０は、前記ケース体６の窓部５の上方に相当する位
置に開口部５２が形成されるとともに、側方に水の取入
口５３が形成され、さらに内部には、取入口５３と開口
部５２とを連通させるように導水路５４が形成される。
なお、図中の５Ａは、前記窓部５に嵌め込まれた窓板で
ある。

【００５６】前記導水路５４は、中間位置の内壁の上部
に、流水の方向を変化させるための当たり板５５が一体
形成され、さらに前記窓部５と開口部５２との間では微
小間隙５１として形成される。さらに前記取入口５３に
は図示しないホースに連結するための継ぎ手５６が取り
付けられる。

【００５７】上記構成によれば、取入口５３から水を取
り込むと、この水は、導水路５４を流れて開口部５２か
ら流出する。この間に、前記当たり板５５と微小間隙５
１により流水の勢いが強められて、投受光窓５の窓板５
Ａの表面が効果的に洗浄されるので、スラリーをほどな
く除去することができる。このようにスラリーを除去す
るための機構をセンサヘッド１に一体化することによ
り、計測途中でセンサヘッド１を取り外してスラリーを
除く必要がなくなり、効率が良く、かつ精度の高い計測
を行うことができる。

【００５８】

【発明の効果】この発明では、上記したように、ウエハ
からの反射光または透過光を受光するための受光手段の
前方に拡散手段を配備し、この拡散手段により均一化さ
れた光光を複数の波長成分に分光して、研磨工程の終了
時刻を判別するための分光波形を得るようにしたから、
計測位置の変動やウエハの向き、傾き、ウエハ表面まで
の距離の変動などによりウエハからの光の分布状態が変
動しても、その影響を受けずに、安定した計測を行うこ
とができる。よって研磨工程下において研磨状態を精度
よく検出することができ、精度が高く、かつ効率の良い
研磨作業を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の研磨状態検出装置の光学系の構成例
を示す図である。

【図２】研磨状態検出装置のコントローラの構成を示す
ブロック図である。

【図３】センサヘッドの設置例を示す図である。

【図４】計測位置の変化が計測に及ぼす影響を説明する
図である。

【図５】ウエハの傾きが計測に及ぼす影響を説明する図
である。

【図６】ウエハ表面までの距離の変動が計測に及ぼす影
響を説明する図である。

【図７】センサヘッドの他の設置例を示す図である。

【図８】図７に対応する光学系の構成を示す図である。

【図９】図７に対応する光学系の他の構成を示す図であ
る。

【図１０】導水部を一体化したセンサヘッドの構成を示
す上面図および断面図である。

【符号の説明】

１センサヘッド２投光部３受光部４コントローラ１２受光用ファイバ１５、１６拡散板１８分光フィルタ１９ラインＣＣＤ３０ウエハ表面３１制御部４２集光レンズ４３光通過板

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA47 CC19 DD03 FF42 GG07 GG23 HH03 HH13 JJ09 JJ25 LL02 LL08 LL20 LL22 LL49 NN01 QQ03 QQ24 UU01 UU02 UU07 3C034 AA13 BB93 CA05 DD10 DD20 3C058 AA07 BA01 BA07 CA01 DA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウエハ上の膜を研磨する工程下に
おいて研磨状態を検出するための装置であって、研磨中のウエハの表面に光を照射する投光手段と、前記ウエハからの反射光または透過光を複数の波長成分
に分光して抽出する受光手段と、前記受光手段により抽出された分光波形を用いて前記ウ
エハの研磨状態を判別する判別手段とを具備し、前記受光手段の前方には、前記ウエハからの光を拡散さ
せて受光手段に導くための拡散手段が配備されて成る研
磨状態検出装置。
【請求項２】前記拡散手段は、透光性を具備する拡散
板であり、前記受光手段に非接触に配備されて成る請求
項１に記載された研磨状態検出装置。
【請求項３】請求項１または２に記載された研磨状態
検出装置であって、前記拡散手段と受光手段との間に光
ファイバを介在させて成る研磨状態検出装置。
【請求項４】請求項１または２に記載された研磨状態
検出装置であって、前記拡散手段と受光手段との間に光
ファイバを介在させるとともに、前記光ファイバの出口
側に第２の拡散手段が配備されて成る研磨状態検出装
置。
【請求項５】前記拡散手段の前方には、ウエハからの
光を集光させるための集光手段が配備されて成る請求項
１〜４のいずれかに記載された研磨状態検出装置。