JP2003334757A - 研磨量監視方法およびそれを用いた研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被研磨対象物の薄膜が全体として平均的に所
定の膜厚になるように研磨量を監視することができ、製
品としての被研磨対象物の膜厚のばらつきを抑制可能な
研磨量監視方法および研磨装置を提供する。 【解決手段】 研磨装置１は、回転角度を検出可能なエ
ンコーダ１７を備え、被研磨対象物としての薄膜を保持
する保持ヘッド５と、薄膜を研磨する研磨手段としての
研磨布３、および、回転角度を検出可能なエンコーダ１
８と薄膜の膜厚情報を入手するための検出光を照射する
膜厚測定機１６を備える研磨定盤２と、膜厚測定機１６
に指令信号を出力し、エンコーダ１７，１８からの情報
に基づいて、検出光の薄膜に対する照射位置を判別して
薄膜の膜厚を監視する制御手段１９とを有する。エンコ
ーダ１７，１８により検出光の軌跡のうちの所定の位置
の膜厚情報を入手し、この膜厚情報に基づいて平均的な
膜厚部分において研磨量を監視する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被研磨対象物とし
ての薄膜を研磨する際にその膜厚を監視する研磨量監視
方法、およびこの研磨量監視方法を用いた研磨装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１０に、半導体ウェハ、ガラス基板、
樹脂等の薄板状被研磨対象物を研磨するための一般的な
研磨装置１００の構成概念図を示す。研磨装置１００
は、保持ヘッド５と、研磨布３と、研磨定盤２を有す
る。保持ヘッド５は半導体ウェハ（以下、ウェハ）S等
の被研磨対象物を保持し、回転軸６を介して、図示しな
いモーターにより回転軸６を中心として回転可能になっ
ている。回転軸６は、支持アーム７により保持されてい
る。

【０００３】研磨定盤２は、研磨布３を保持するため
の、例えば、ウェハSの直径の２倍以上の直径を有する
円形の研磨布保持面を備えており、回転軸４を介して、
モーターにより回転軸４まわりに回転可能になってい
る。ウェハSを研磨するための研磨布３は、例えば弾性
を有するポリエステル樹脂製の不織布により形成されて
おり、図１０に示すように研磨定盤２の研磨布保持面の
ほぼ全面に、例えば両面接着テープ等の接着手段により
貼着、固定される。

【０００４】研磨定盤２には、一般的には、ウェハSの
表面に形成されている薄膜の膜厚を検出するための膜厚
測定機１６が１個埋設されている。膜厚測定機１６は、
検出光発光機および反射光受光機からなる。

【０００５】この研磨装置１００を用いて、ウェハS表
面の薄膜を、その膜厚を検出しながら研磨する場合に
は、まず保持ヘッド５を図１０中の矢印Z方向に移動さ
せ、ウェハSの被研磨面Saを研磨布３に所定の圧力で接
触させる。この接触圧力は、図示しない加圧シリンダー
等の圧力印加手段により回転軸６を介して印加される。
この状態で、研磨剤供給管１３から研磨剤Lを、研磨布
３の表面および被研磨面Saとの界面に供給しながら、研
磨定盤２および保持ヘッド５をそれぞれ、例えば図１０
中の矢印Ra，Rb方向に回転させる。検出光発光機からは
コヒーレントなレーザー光や各種の散乱光が発光され、
一般的には研磨布３に開口された検出孔１４を通過して
ウェハSの表面に照射される。図１１（a）〜（c）に、
保持ヘッド回転数／研磨定盤回転数の値を変化させた時
の、ウェハSに対して検出光が描く軌跡を示す。各グラ
フにおいて中央に太線で描かれている円が、ウェハSを
表わす。照射された検出光は、ウェハS表面の薄膜にお
いて、そこでの光路差に起因して干渉を起こす。この干
渉は、薄膜からの反射光の強度変化として顕われ、反射
光受光機はこの反射光の強度変化を捉える。この反射光
の強度変化の時間応答波形に基づいて膜厚を監視し、強
度波形が所定の値になった時に研磨を停止させれば所望
の膜厚のウェハが得られる。

【０００６】これまでは研磨定盤２に固定された膜厚測
定機１６を用いて膜厚を検出する手法について述べてき
たが、例えば特開平１０−７６４６４号公報には、基板
に対して移動可能な測定手段を用いて、基板上の任意の
位置で薄膜の膜厚を測定する研磨方法および研磨装置が
開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、研磨定
盤２に固定された膜厚測定機１６を用いて膜厚を監視す
る場合では、膜厚がウェハSの表面全面で均一ではない
ことが問題になる。図１２は、ある保持ヘッド回転数／
研磨定盤回転数の比における、検出光の薄膜からの反射
光の強度変化の一例を示した強度曲線である。図１２
（a）に示す実際の結果において強度曲線が不連続なの
は、検出光がウェハSから外れた場合には反射光が返っ
てこないことを示している。一般的には図１２（a）の
実際の強度信号に対してフィルタリングや平均化処理な
どを行い、図１２（b）に示すような連続的な強度曲線
の波形を得る。膜厚に応じて反射光の強度が変化するの
で、反射強度の値に基づいて研磨の終了時期を決定す
る。例えば、図１２（b）において、波形が下限を示す
時間Tで研磨を終了すれば、強度の下限値に対応した膜
厚のウェハSが得られることになる。

【０００８】しかし、ウェハSの薄膜の膜厚は均一では
なく、これまでは照射し続けている検出光がウェハSの
どの部分に当たっているか分からなかったので、研磨終
了時の膜厚にばらつきが生じ易かった。例えば、もし検
出光が薄膜の厚い部分にのみ当たっていたと仮定して、
そこでの強度曲線の下限値に基づいて研磨を終了させる
と、ウェハ全体ではオーバー研磨されることになる。逆
に薄い部分にのみ当たっており、そこでの下限値に基づ
いて研磨終了させたとすると、全体的にはアンダー研磨
されることになる。一般的には、検出光を照射し続けて
いると、検出光は薄膜の厚い部分にも薄い部分にも当た
るので、研磨終了時の膜厚にばらつきが生じ易かった。

【０００９】移動可能な測定手段を用いて膜厚を測定す
る場合にも、測定する場所が膜厚の厚い部分なのか薄い
部分なのかは容易には判別し難い。また、測定手段を移
動可能にすると、測定方法および研磨装置が大掛かりに
なる。

【００１０】本発明はこのような課題を鑑みてなされ、
その目的は、被研磨対象物の薄膜が全体として平均的に
所定の膜厚になるように研磨量を監視することができ、
製品としての被研磨対象物の膜厚のばらつきを抑制可能
な研磨量監視方法を提供することにある。また、本発明
の別の目的は、被研磨対象物の薄膜が全体として平均的
に所定の膜厚になるように研磨量を監視することがで
き、製品としての被研磨対象物の膜厚のばらつきを抑制
可能な研磨装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】これまでの課題を解決
し、上記発明の目的を達成するための本願発明は、被研
磨対象物としての薄膜と、該薄膜を研磨する研磨手段と
を相対的に回転させて前記薄膜の表面を研磨する際に前
記薄膜の膜厚を監視する研磨量監視方法であって、前記
薄膜に照射される検出光の前記薄膜からの反射光に基づ
いて前記薄膜の膜厚情報を入手し、前記薄膜および前記
研磨手段の位置情報に基づいて、前記検出光の前記薄膜
に対する照射位置を判別し、前記照射位置と前記膜厚情
報に基づいて前記薄膜の膜厚を監視する研磨量監視方法
である。

【００１２】前記研磨量監視方法において、前記検出光
を前記研磨手段の検出光照射位置から照射し、前記薄膜
および前記研磨手段の位置情報に基づいて、前記検出光
照射位置が前記薄膜に対して描く軌跡を予め特定し、前
記軌跡上の所望の位置に前記検出光照射位置が位置した
ときに前記検出光を照射して前記薄膜の膜厚情報を入手
し、前記薄膜の膜厚を監視してもよい。

【００１３】また、本発明は、被研磨対象物としての薄
膜と、該薄膜を研磨する研磨手段とを相対的に回転させ
て前記薄膜の表面を研磨する際に前記薄膜の膜厚を監視
する研磨量監視方法であって、前記薄膜に照射される検
出光の前記薄膜からの反射光に基づいて前記薄膜の膜厚
情報を入手し、前記薄膜および前記研磨手段の位置情報
に基づいて、前記薄膜に対して照射された前記検出光の
なした軌跡のうちで、該軌跡が一致および／または近接
した位置を所定箇所選出し、前記各選出位置における前
記薄膜の膜厚情報から前記薄膜の平均的な膜厚部分の膜
厚情報を入手し、該膜厚情報に基づいて平均的な膜厚部
分において前記薄膜の膜厚を監視する研磨量監視方法で
あってもよい。

【００１４】上記研磨量監視方法において、前記検出光
を前記研磨手段の検出光照射位置から照射し、前記薄膜
および前記研磨手段の位置情報に基づいて、前記検出光
照射位置が前記薄膜に対して描く軌跡のうちで、該軌跡
が一致および／または近接する位置を予め所定箇所選出
し、予め選出された前記各選出位置に前記検出光照射位
置が位置したときに前記検出光を照射し、得られた前記
薄膜の膜厚情報から前記薄膜の平均的な膜厚部分の膜厚
情報を入手することも可能である。

【００１５】また、本願発明の研磨装置は、被研磨対象
物としての薄膜を保持する保持ヘッドと、前記薄膜を研
磨する研磨手段とを具備し、前記薄膜と前記研磨手段を
所定の圧力で接触するように前記保持ヘッドと前記研磨
手段とを相対的に回転させて前記薄膜の表面を前記研磨
手段で研磨する研磨装置であって、前記保持ヘッドの回
転位置を検出する第１の位置検出手段と、前記研磨手段
の回転位置を検出する第２の位置検出手段と、前記研磨
手段に設けられており、前記薄膜に照射する検出光の前
記薄膜からの反射光に基づいて前記薄膜の膜厚情報を入
手する膜厚情報入手手段と、前記膜厚情報入手手段に膜
厚情報入手指令信号を出力し、前記第１および第２の位
置検出手段からの情報に基づいて、前記検出光の前記薄
膜に対する照射位置を判別して前記薄膜の膜厚を監視す
る制御手段とを有する研磨装置である。

【００１６】本発明においては、研磨手段に設けられて
いる膜厚情報入手手段から、被研磨対象物としての薄膜
表面に検出光が照射される。保持ヘッドと研磨手段に設
けられている位置検出手段により、この検出光が薄膜の
どの位置に照射されているかを判別することができる。
この位置判別機能を利用して、検出光が照射されること
で薄膜に対して描かれた軌跡のうちで、所望の位置にお
ける薄膜の膜厚情報だけを入手することができる。制御
手段は、上記位置検出手段および膜厚情報入手手段に接
続されており、これらからの検出信号を入手することが
でき、また、膜厚情報入手手段の発光を制御することが
できる。この制御手段を用いて、位置検出手段と膜厚情
報入手手段とを連動させて、検出光が薄膜に対して描く
軌跡を予め特定し、この軌跡上の所望の位置に膜厚情報
入手手段が位置したときのみに検出光を薄膜に照射し、
膜厚情報を入手することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明の実施の形態について述べる。図１が、本発明の一実
施形態に係る研磨装置の構成概念図である。図１に示す
研磨装置１は、図１０に示す従来の研磨装置１００の保
持ヘッド５にロータリーエンコーダ１７を、研磨定盤２
にロータリーエンコーダ１８を取り付けたものである。
また、研磨装置１は、コントローラ１９を有する。な
お、研磨装置１の研磨定盤２および研磨布３が本発明に
おける研磨手段の一実施態様であり、膜厚測定機１６が
本発明における膜厚情報入手手段の一実施態様である。

【００１８】エンコーダ１７，１８は、本発明における
第１，第２の位置検出手段の一実施態様である。エンコ
ーダ１７は保持ヘッド５の回転軸６に連結するように設
置されており、これにより保持ヘッド５の回転位置を検
出することができる。エンコーダ１８は研磨定盤２の回
転軸４に連結するように設置されており、これにより研
磨定盤２の回転位置を検出することができる。

【００１９】コントローラ１９は、本発明における制御
手段の一実施態様である。コントローラ１９は、エンコ
ーダ１７，１８および膜厚測定機１６に接続されてお
り、これらが検出した検出信号を入手可能、かつ膜厚測
定機１６の発光を制御可能になっている。また、保持ヘ
ッド５および研磨定盤２を回転させる図示しないそれぞ
れのモーターにコントローラ１９を接続し、保持ヘッド
５および研磨定盤２の回転を制御することも可能であ
る。上記以外の構成は研磨装置１００と同じであるの
で、詳細な記述は省略する。

【００２０】以下、研磨装置１を用いて、ウェハSの表
面に形成されている薄膜を、その膜厚を監視しながら研
磨する方法について述べることにする。研磨装置１を用
いてウェハSの薄膜を研磨する場合にも、従来の研磨装
置１００の場合と同様に、保持ヘッド５を研磨定盤２と
対向するように配置し、図１中の矢印Z方向へ移動させ
る。そして、保持ヘッド５に保持されているウェハSの
被研磨面Saを、研磨定盤２に保持されている研磨布３に
所定圧力で接触させる。

【００２１】この状態で、研磨剤供給管１３から研磨剤
Lを、研磨布３の表面および被研磨面Saとの界面に供給
しながら、研磨定盤２および保持ヘッド５をそれぞれ、
例えば図１中の矢印Ra，Rb方向に回転させて、ウェハS
の薄膜を研磨する。

【００２２】研磨中、膜厚測定機１６の検出光発光機か
らは、ウェハSの薄膜の膜厚を検出するための検出光が
照射される。図２が、この検出光を用いた膜厚検出の原
理を説明するための図である。図２に示すように、半導
体ウェハは通常、多層構造になっている。ここでは、ウ
ェハSのシリコン基板S０上に、第１の絶縁膜S１と第２
の絶縁膜S２が積層されているとする。絶縁膜S１の屈折
率はn１であり、絶縁膜S１の膜厚はdで表わされるもの
とする。また、絶縁膜S２の屈折率をn２とする。検出光
LTは、好適には、単波長で単色のコヒーレントな、例え
ばレーザー光であり、その波長をλとする。

【００２３】ここでは、検出光LTが絶縁膜S１の表面お
よび絶縁膜S２との界面において反射することにより生
じる反射光の干渉を利用して、絶縁膜S１の膜厚dに関す
る情報を入手することを考える。絶縁膜は通常透明であ
るが、膜厚を測定する絶縁膜S１は、検出光LTを透過可
能で反射光を検出できるだけの透明度があればよい。ま
た、絶縁膜S２に関しても、特に反射率の高いものであ
る必要はなく、透明度が高くとも、絶縁膜S１の屈折率n
１と絶縁膜S２の屈折率n２との違いにより、検出光LTを
反射させることができる。

【００２４】検出光LTが入射角φで絶縁膜S１の表面上
の点Dに入射するとする。その一部は点Dにおいて同じ反
射角φで反射して反射光LT１となる。検出光LTの別の一
部は屈折角φ’で絶縁膜S１中を進み、絶縁膜S１と絶縁
膜S２との界面上の点Fにおいて反射角φ’で反射し、絶
縁膜S１から出て反射光LT２となる。反射光LT１およびL
T２が平行であるとすると、反射光LT１とLT２には、HGF
D−ED分の光路差が生じることになる。

【００２５】この光路差に起因して、反射光受光機にお
いて反射光LT１，LT２が干渉を起こし、全体としての反
射光の強度が、検出光LTの強度と比べて変化する。検出
光LTの波長λを一定とすると、反射光の強度は、絶縁膜
S１の膜厚dに依存する。従って、反射光の光強度（反射
率）の変化を検出できれば、研磨による膜厚dの変化を
検出することができる。

【００２６】反射光の光強度を検出するだけでは膜厚d
の絶対値までは入手できないが、例えば、光強度を示す
波形の上限や下限を検出することで、絶縁膜S１がそれ
らの状態に応じた膜厚になっていることを知ることがで
きる。膜厚dの絶対値を入手したい場合には、予め、波
長λに対応した膜厚dと光強度の関係を求めておけばよ
い。

【００２７】膜厚測定機１６から照射された検出光LT
は、図１１に示したように、ウェハSに対して、保持ヘ
ッド５および研磨定盤２の回転数の比に応じた軌跡を描
く。保持ヘッド回転数／研磨定盤回転数＝Aとすると、
図１１（a）はA＝０．９５の場合を、図１１（b）はA＝
０．８１の場合を、図１１（c）はA＝０．４６の場合を
それぞれ示している。なお、各グラフの縦・横軸は、ウ
ェハSの中心からの距離であり、グラフの中心に太線で
描かれているウェハSは、直径２００mmであることが分
かる。

【００２８】図１１（a）からも分かるように、回転数
比Aが１に近い場合、検出光LTの軌跡はあまり変化せ
ず、ある一定の位置およびその近接位置を通過する。そ
れ故、ウェハSの薄膜を均等に測定しているとは言い難
く、一部分のみを対象に測定していることになる。膜厚
が全面において均一であれば、薄膜全体の膜厚が、任意
の部分において測定した膜厚と同じであることが分か
る。しかしながら、前述のように膜厚は均一とは限ら
ず、検出光LTの軌跡中には、薄膜の薄い部分も厚い部分
も含まれるので、反射光の強度変化のみを入手するだけ
では、平均的な膜厚の部分を測定対象として、研磨終了
時の膜厚のばらつきを抑制することは困難である。この
傾向は、保持ヘッド５および研磨定盤２の回転数が遅
く、その回転数比Aの値が１に近い、あるいは１，２，
３…という、値の小さい整数である場合に顕著になる。
なお、検出光LTの軌跡が一定にならないように、研磨定
盤２において、膜厚測定機１６は保持ヘッド５の回転の
中心軸の延長線上に位置しないように埋設される。

【００２９】上記の課題についてより詳細に述べると、
ウェハSを研磨する際、図３に示す光強度の変化のグラ
フが得られたとする。図３（a）は強度信号の検出値そ
のままの場合の波形であり、図３（b）は図３（a）の結
果にフィルタリングおよび平均化処理を行なって得られ
た波形である。各グラフにおいて横軸は研磨時間であ
り、１サイクルの研磨時間は、例えば約２０〜３０秒で
ある。縦軸は反射光の光強度であり、この値は例えば反
射光受光機における電圧に換算して表わしてもよいが、
以下では検出光LTに対する反射率として、パーセンテー
ジで表わす。

【００３０】図３（a）の波形の意味を明らかにするた
めに、図４に示す強度曲線のグラフを考える。図４は、
ウェハSの薄膜の厚い部分、平均的な部分、薄い部分を
それぞれ監視し続けたと仮定した場合に得られる強度曲
線の波形を重ねて表示したグラフである。図中の実線が
厚い部分によるグラフGH１、一点鎖線が平均的な部分に
よるグラフGH２、破線が薄い部分によるグラフGH３であ
る。

【００３１】前述のように、検出光LTの軌跡中には、薄
膜の薄い部分も厚い部分も含まれる。検出光LTが厚い部
分から出発したとすると、平均的な部分、薄い部分、平
均的な部分、薄い部分、…という順で通過することにな
る。従って、図４において厚い部分によるグラフGH１か
ら出発して、点１a，２a，３a，２b，１b，…という順
で、グラフGH１，GH２，GH３を等間隔に結んだものが研
磨において実際に得られる強度曲線であり、それが図３
（a）の波形としてあらわれている。ただし、図３（a）
においては、図１２（a）の場合と同様に、検出光LTが
ウェハSから外れた部分は不連続となっている。

【００３２】例えば強度波形が下限を示した時点で研磨
を終了させるとして、図３（a）の強度波形に基づいて
研磨を行なうとする。希望としては時間t₂まで研磨続行
したいが、時間t₁での光強度がそれまでの最低値であり
その後強度波形が上昇して、時間t₁において一度波形の
下限を示しているので、実際には時間t₁で研磨が終了さ
れてしまう。

【００３３】強度波形の下限を誤って検出することは、
図４を見れば分かるように、膜厚の薄い部分のグラフGH
３上の点３cから平均的な部分のグラフGH２上の点２fを
繋いだときに生じているが、これは他の部分でも起こり
得る。この不都合を回避するためには、入手した膜厚情
報がどのような膜厚の部分のものなのかを判別して、不
要な情報は用いないようにすればよい。あるいは、例え
ば平均的な膜厚の部分に検出光が位置した時にのみ、膜
厚情報を入手するようにしてもよい。以下、入手した膜
厚情報のうちで必要なものだけを取り出し、製品として
のウェハSの膜厚のばらつきを抑制可能な研磨量監視方
法について述べる。

【００３４】第１実施形態 図５が、本発明の研磨量監視方法に係る第１実施形態を
示すフローチャートである。本第１実施形態の研磨量監
視方法を、図５に沿って述べる。 ステップST１：ウェハSの研磨を開始すると共に、コン
トローラ１９は膜厚測定機１６に指令信号を出力し、検
出光LTが照射されている状態にする。ウェハSの薄膜の
膜厚情報は、検出光LTが薄膜に照射されている間、所定
のサンプリング間隔で連続的に入手される。入手された
膜厚情報は、例えば、コントローラ１９内の図示しない
メモリに蓄えられる。 ステップST２：コントローラ１９は、エンコーダ１７お
よび１８からの保持ヘッド５と研磨定盤２の回転位置情
報に基づいて、入手した膜厚情報がウェハSの薄膜のど
の位置のものかを判別する。 ステップST３：研磨が進行するに従って入手される膜厚
情報をウェハSの薄膜での位置と関連付けながら、膜厚
を監視する。 ステップST４：反射光の強度曲線が下限を示すかどうか
を判断しながら薄膜の研磨および監視を続け、下限を示
したならば所定膜厚になったと判断してステップST５に
進む。 ステップST５：反射光の強度曲線が下限を示した時点
で、研磨および膜厚情報の入手を終了し、コントローラ
１９はプロセスを終了させる。

【００３５】本第１実施形態の研磨量監視方法によれ
ば、膜厚情報を薄膜における位置と結びつけて捉えるこ
とができる。従って、望ましくない時点で強度曲線の下
限が現われた場合にも、その原因究明のための解析に役
立つ。

【００３６】第２実施形態 図６が、本発明の研磨量監視方法に係る第２実施形態を
示すフローチャートである。本第２実施形態の研磨量監
視方法を、図６に沿って述べる。 ステップST６：本第２実施形態においては、研磨開始の
初期位置を一意に規定し、研磨を開始する前に、保持ヘ
ッド５および研磨定盤２の大きさや回転数等の情報に基
づいて、予め膜厚測定機１６のウェハSに対する移動の
軌跡を計算して特定しておく。例えば、膜厚測定機１６
を保持ヘッド５の外周に合わせることなどで、初期位置
を規定することができる。また、特定した上記軌跡に基
づいて、検出光を照射して膜厚情報を入手したい位置も
予め選出しておいて、検出光の発光タイミングを計算し
ておく。 ステップST７：膜厚測定機１６の軌跡および照射位置・
タイミングが決定されたら、研磨を開始する。 ステップST８：研磨中は、コントローラ１９はエンコー
ダ１７および１８からの保持ヘッド５と研磨定盤２の回
転位置情報に基づいて、膜厚測定機１６の位置を確認す
る。この膜厚測定機１６の位置が上記選出した照射位置
でない場合にはステップST９に進み、照射位置である場
合にはステップST１０に進む。

【００３７】ステップST９：膜厚測定機１６が照射位置
に位置するまでは、コントローラ１９は膜厚情報入手指
令信号を出力せず、検出光を照射することなしに研磨を
続行させる。 ステップST１０：膜厚測定機１６が照射位置に位置した
時点で、コントローラ１９は膜厚測定機１６に指令信号
を出力し、検出光をウェハSの薄膜に照射し、膜厚情報
を入手する。 ステップST１１：ここまでのステップにおいて得られた
照射位置における膜厚情報に基づいて反射光の強度曲線
を算出し、まだその下限が得られていないならステップ
ST１２へ進む。強度曲線の下限が得られたなら、薄膜が
所定の膜厚になったと判断してステップST１３に進む。 ステップST１２：薄膜が所定の膜厚になっていない場合
には、ステップST８へ戻り、膜厚測定機１６が次の照射
位置に位置するまで研磨を続行する。 ステップST１３：反射光の強度曲線が下限を示した時点
で、コントローラ１９は研磨を終了させる。

【００３８】本第２実施形態の研磨量監視方法によれ
ば、検出光の無駄な発光が省ける。また、検出光の照射
位置を予め選出しておくことができるために、所望する
必要な位置での膜厚情報のみを入手することができる。

【００３９】第３実施形態 図７が、本発明の研磨量監視方法に係る第３実施形態を
示すフローチャートである。本第３実施形態の研磨量監
視方法を、図７に沿って述べる。 ステップST１４：第１実施形態のステップST１と同様
に、ウェハSの研磨を開始すると共に、コントローラ１
９は膜厚測定機１６に指令信号を出力し、検出光LTが照
射されている状態にする。ウェハSの薄膜の膜厚情報
は、検出光LTが薄膜に照射されている間、所定のサンプ
リング間隔で連続的に入手される。

【００４０】ステップST１５：コントローラ１９は、エ
ンコーダ１７および１８からの保持ヘッド５と研磨定盤
２の回転位置情報に基づいて、入手された膜厚情報のう
ちで、所定箇所選出された薄膜の所定の位置における膜
厚情報のみを選出する。この所定の位置は、例えば、薄
膜に対して照射された検出光LTのなした軌跡のうちで、
この軌跡が一致および／または近接した位置であるとす
る。 ステップST１６：コントローラ１９は、上記の各選出位
置における膜厚情報から、薄膜の平均的な部分の膜厚情
報を入手する。この平均的な部分の膜厚情報の入手方法
については、実施例において後述する。

【００４１】ステップST１７：コントローラ１９は、ス
テップST１６において入手した、薄膜の平均的な部分の
膜厚情報に基づいて、膜厚を監視する。 ステップST１８：ここまでのステップにおいて得られ
た、薄膜の平均的な部分の膜厚情報に基づいて反射光の
強度曲線を算出し、まだその下限が得られていないなら
ば、ステップST１５へ戻る。ステップST１６において平
均的な部分の膜厚情報を蓄えながら、最新の平均的膜厚
情報に基づいた強度曲線の下限が現われ、薄膜が所定の
膜厚になったと判断されるまでステップST１５〜１８を
繰り返す。薄膜が所定の膜厚になったと判断されたら、
ステップST１９に進む。 ステップST１９：平均的膜厚情報に基づいた反射光の強
度曲線が下限を示した時点で、コントローラ１９は薄膜
の研磨および膜厚情報の入手を終了させる。

【００４２】本第３実施形態の研磨量監視方法によれ
ば、薄膜の平均的な部分における膜厚情報に基づいて膜
厚を測定しているので、ウェハSの薄膜全体としてのオ
ーバー研磨やアンダー研磨を防止することができる。

【００４３】第４実施形態 図８が、本発明の研磨量監視方法に係る第４実施形態を
示すフローチャートである。本第４実施形態の研磨量監
視方法を、図８に沿って述べる。 ステップST２０：まず、研磨プロセス開始にあたって、
繰り返しに用いるカウンタをi＝０とセットする。 ステップST２１：本第４実施形態においては、第２実施
形態の場合と同様に、研磨開始の初期位置を一意に規定
し、研磨を開始する前に、保持ヘッド５および研磨定盤
２の大きさや回転数等の情報に基づいて、予め膜厚測定
機１６のウェハSに対する移動の軌跡を計算して特定し
ておく。また、特定した上記軌跡に基づいて、検出光を
照射して膜厚情報を入手したい位置も予めn個選出して
おいて、検出光の発光タイミングを計算しておく。nの
値を大きくすると、後のステップで算出する平均的な強
度曲線の波形をより正確にすることができる。なお、上
記の選出位置は、例えば、薄膜に対して照射された検出
光LTのなした軌跡のうちで、この軌跡が一致および／ま
たは近接した位置であるとする。

【００４４】ステップST２２：膜厚測定機１６の軌跡お
よび照射位置・タイミングが決定されたら、研磨を開始
する。 ステップST２３：カウンタiの値を１増やす。 ステップST２４：研磨中は、コントローラ１９はエンコ
ーダ１７および１８からの保持ヘッド５と研磨定盤２の
回転位置情報に基づいて、膜厚測定機１６の位置を確認
する。この膜厚測定機１６の位置が上記選出した照射位
置でない場合にはステップST２５に進み、照射位置であ
る場合にはステップST２６に進む。 ステップST２５：膜厚測定機１６が照射位置に位置する
までは、コントローラ１９は膜厚情報入手指令信号を出
力せず、検出光を照射することなしに研磨を続行させ
る。 ステップST２６：膜厚測定機１６が照射位置に位置した
時点で、コントローラ１９は膜厚測定機１６に指令信号
を出力し、検出光をウェハSの薄膜に照射し、膜厚情報
を入手する。

【００４５】ステップST２７：膜厚情報を所望するn個
分入手できたかを確認するために、カウンタiの値を調
べる。i≠nの場合にはステップST２８に進み、i＝nの場
合にはステップST２９に進む。 ステップST２８：i≠nの場合には、ステップST２３へ戻
り、カウンタiの値を１増やし、i＝nとなるまでステッ
プST２３〜２７を繰り返す。 ステップST２９：ここまでのステップで入手された膜厚
情報に基づいて、薄膜の平均的な部分に相当するとみな
される強度曲線を算出する。この平均的な強度曲線の算
出方法については、実施例において述べる。

【００４６】ステップST３０：コントローラ１９は、ス
テップST２９において入手した、薄膜の平均的な強度曲
線に基づいて、薄膜の研磨を監視する。 ステップST３１：上記の平均的な強度曲線が得られてい
ることで、それが下限を示す時間を予測可能なので、そ
の時間まで薄膜の研磨および監視を続け、下限を示す時
間になったら、所定膜厚になったと判断してステップST
３２に進む。 ステップST３２：平均的な強度曲線が下限を示すと予測
される時間になったら、コントローラ１９は研磨を終了
させる。

【００４７】本第４実施形態によれば、薄膜の平均的な
部分における強度曲線を算出するのに必要な位置におい
てのみ検出光の発光を行なうので、効率的に膜厚を監視
できる。また、予め算出した平均的な強度曲線に基づい
て薄膜の研磨を行なうので、正確で、製品ごとに薄膜の
膜厚がばらつくことを抑制可能な研磨を行なうことがで
きる。

【００４８】実施例 本発明に係る研磨装置１を用いて、ウェハSの薄膜を平
均的な部分で監視しながら研磨する場合の一つの実施例
を以下に示す。本実施例においては、図１１（a）に示
すように、回転数比Aが１に近い場合を考える。

【００４９】図９は、膜厚測定機１６がウェハSに対し
て描く軌跡のうちで、この軌跡が一致および／または近
接する位置を３箇所選出し、この３箇所に膜厚測定機１
６が位置する度に入手した膜厚情報を、場所毎にトレー
スして（繋いで）、得られる曲線を３箇所分重ねて表示
したものである。図中の、曲線１，４，…，１０、曲線
２，５，…，１１、曲線３，６，…，１２が、選出箇所
毎の曲線のまとまりである。上記３箇所の選出位置は、
それぞれ薄膜の厚い部分、平均的な部分、薄い部分に対
応していることが精度向上の面から好ましいが、薄膜上
でできる限りちらばっていればそれでよい。

【００５０】図９によれば、曲線１に対して、曲線２，
３，…と位相が遅れていく。図９では、曲線１が最も位
相が早く、曲線１２が最も遅い。例えば、曲線１，４，
…，１０のグループが膜厚の薄い部分に対応しており、
曲線３，６，…，１２のグループが膜厚の厚い部分に対
応しているとすると、曲線１に対して曲線１２がどの程
度位相で遅れているかが判断できるため、一点鎖線で示
した本来求めたい平均的な膜厚の部分での強度曲線を算
出することができる。従って、従来では、実際に得られ
ていた強度曲線の下限を示す時間t₂において研磨が終了
していたが、本実施例においては、算出した平均的な強
度曲線を利用して、時間t₁で研磨を終了させることがで
きる。研磨しながらリアルタイムで平均的な強度曲線を
求める場合には、曲線１に対する曲線２，３の位相遅
れ、曲線４に対する曲線５，６の位相遅れなどから算出
することになる。

【００５１】本発明は、これまで述べてきた実施形態に
限定されず、特許請求の範囲で種々の変更が可能であ
る。例えば、上記実施形態においては半導体ウェハSに
形成されている絶縁膜を被研磨対象物としたが、例えば
液晶表示用ガラスや樹脂等の、薄板状光透過物における
検出光の干渉を利用した膜厚測定が可能なものを任意に
被研磨対象物とすることができる。また、研磨装置に
は、例えば研磨布の研磨能力を良好に保つためのコンデ
ィショナ等の付属物があってもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、被研磨
対象物の薄膜が全体として平均的に所定の膜厚になるよ
うに研磨量を監視することができ、製品としての被研磨
対象物の膜厚のばらつきを抑制可能な研磨量監視方法を
提供することができる。また、本発明によれば、被研磨
対象物の薄膜が全体として平均的に所定の膜厚になるよ
うに研磨量を監視することができ、製品としての被研磨
対象物の膜厚のばらつきを抑制可能な研磨装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の
構成概念図である。

【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る膜厚検出の
原理を説明するための図である。

【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る研磨装置に
よって得られる、薄膜からの反射光の強度曲線のグラフ
の一例であり、図３（a）は強度信号の検出値そのまま
の場合の波形であり、図３（b）は図３（a）の結果にフ
ィルタリングおよび平均化処理を行なって得られた波形
である。

【図４】図４は、図３のグラフの波形の意味を説明する
ためのグラフであり、薄膜の厚い部分、平均的な部分、
薄い部分をそれぞれ監視し続けたと仮定した場合に得ら
れる強度曲線の波形を重ねて表示している。

【図５】図５は、本発明に係る研磨量監視方法の第１実
施形態を示すフローチャートである。

【図６】図６は、本発明に係る研磨量監視方法の第２実
施形態を示すフローチャートである。

【図７】図７は、本発明に係る研磨量監視方法の第３実
施形態を示すフローチャートである。

【図８】図８は、本発明に係る研磨量監視方法の第４実
施形態を示すフローチャートである。

【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る研磨量監視
方法の一実施例を説明するためのグラフである。

【図１０】図１０は、従来の研磨装置の構成概念図であ
る。

【図１１】図１１（a）〜（c）は、図１０の研磨装置か
ら発光される検出光が、ウェハに対して描く軌跡を、保
持ヘッド回転数／研磨定盤回転数の比を異ならせて描い
た図である。

【図１２】図１２は、図１０の研磨装置によって得られ
る反射光の強度曲線のグラフの一例であり、図１２
（a）は強度信号の検出値そのままの場合の波形であ
り、図１２（b）は図１２（a）の結果にフィルタリング
および平均化処理を行なって得られた波形である。

【符号の説明】 １，１００…研磨装置、２…研磨定盤、３…研磨布、
４，６…回転軸、５…保持ヘッド、７…支持アーム、１
３…研磨剤供給管、１４…検出孔、１６…膜厚測定機、
１７，１８…ロータリーエンコーダ、１９…コントロー
ラ、S…半導体ウェハ、Sa…被研磨面、L…研磨剤、LT…
検出光、LT１，LT２…反射光、S０…シリコン基板、S１
…第１の絶縁膜、S２…第２の絶縁膜

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被研磨対象物としての薄膜と、該薄膜を研
   磨する研磨手段とを相対的に回転させて前記薄膜の表面
   を研磨する際に前記薄膜の膜厚を監視する研磨量監視方
   法であって、 前記薄膜に照射される検出光の前記薄膜からの反射光に
   基づいて前記薄膜の膜厚情報を入手し、 前記薄膜および前記研磨手段の位置情報に基づいて、前
   記検出光の前記薄膜に対する照射位置を判別し、 前記照射位置と前記膜厚情報に基づいて前記薄膜の膜厚
   を監視する研磨量監視方法。
2. 【請求項２】前記検出光は前記研磨手段の検出光照射位
   置から照射され、 前記薄膜および前記研磨手段の位置情報に基づいて、前
   記検出光照射位置が前記薄膜に対して描く軌跡を予め特
   定し、 前記軌跡上の所望の位置に前記検出光照射位置が位置し
   たときに前記検出光を照射して前記薄膜の膜厚情報を入
   手し、前記薄膜の膜厚を監視する請求項１に記載の研磨
   量監視方法。
3. 【請求項３】単波長の前記検出光を用い、該検出光の前
   記薄膜での光路差に起因する干渉に基づく反射光の強度
   変化によって、前記薄膜の膜厚を監視する請求項１また
   は２に記載の研磨量監視方法。
4. 【請求項４】被研磨対象物としての薄膜と、該薄膜を研
   磨する研磨手段とを相対的に回転させて前記薄膜の表面
   を研磨する際に前記薄膜の膜厚を監視する研磨量監視方
   法であって、 前記薄膜に照射される検出光の前記薄膜からの反射光に
   基づいて前記薄膜の膜厚情報を入手し、 前記薄膜および前記研磨手段の位置情報に基づいて、前
   記薄膜に対して照射された前記検出光のなした軌跡のう
   ちで、該軌跡が一致および／または近接した位置を所定
   箇所選出し、 前記各選出位置における前記薄膜の膜厚情報から前記薄
   膜の平均的な膜厚部分の膜厚情報を入手し、該膜厚情報
   に基づいて平均的な膜厚部分において前記薄膜の膜厚を
   監視する研磨量監視方法。
5. 【請求項５】前記検出光は前記研磨手段の検出光照射位
   置から照射され、 前記薄膜および前記研磨手段の位置情報に基づいて、前
   記検出光照射位置が前記薄膜に対して描く軌跡のうち
   で、該軌跡が一致および／または近接する位置を予め所
   定箇所選出し、 予め選出された前記各選出位置に前記検出光照射位置が
   位置したときに前記検出光を照射し、得られた前記薄膜
   の膜厚情報から前記薄膜の平均的な膜厚部分の膜厚情報
   を入手する請求項４に記載の研磨量監視方法。
6. 【請求項６】単波長の前記検出光を用い、該検出光の前
   記薄膜での光路差に起因する干渉に基づく反射光の強度
   変化によって、前記薄膜の膜厚を監視する請求項４また
   は５に記載の研磨量監視方法。
7. 【請求項７】被研磨対象物としての薄膜を保持する保持
   ヘッドと、前記薄膜を研磨する研磨手段とを具備し、前
   記薄膜と前記研磨手段を所定の圧力で接触するように前
   記保持ヘッドと前記研磨手段とを相対的に回転させて前
   記薄膜の表面を前記研磨手段で研磨する研磨装置であっ
   て、 前記保持ヘッドの回転位置を検出する第１の位置検出手
   段と、 前記研磨手段の回転位置を検出する第２の位置検出手段
   と、 前記研磨手段に設けられており、前記薄膜に照射する検
   出光の前記薄膜からの反射光に基づいて前記薄膜の膜厚
   情報を入手する膜厚情報入手手段と、 前記膜厚情報入手手段に膜厚情報入手指令信号を出力
   し、前記第１および第２の位置検出手段からの情報に基
   づいて、前記検出光の前記薄膜に対する照射位置を判別
   して前記薄膜の膜厚を監視する制御手段とを有する研磨
   装置。
8. 【請求項８】前記制御手段は、 前記検出光が前記薄膜に対して描く軌跡を予め特定し、 前記軌跡上の所望の位置に前記膜厚情報入手手段が位置
   したときに前記検出光を前記薄膜に照射する請求項７に
   記載の研磨装置。
9. 【請求項９】前記制御手段は、 前記薄膜に対して照射された前記検出光のなした軌跡の
   うちで、該軌跡が一致および／または近接した位置を所
   定箇所選出し、 前記各選出位置における前記薄膜の膜厚情報から前記薄
   膜の平均的な膜厚部分の膜厚情報を入手し、該膜厚情報
   に基づいて平均的な膜厚部分において前記薄膜の膜厚を
   監視する請求項７に記載の研磨装置。
10. 【請求項１０】前記制御手段は、 前記膜厚情報入手手段が前記薄膜に対して描く軌跡のう
    ちで、該軌跡が一致および／または近接する位置を予め
    所定箇所選出し、 予め選出された前記各選出位置に前記膜厚情報入手手段
    が位置したときに前記検出光を照射し、得られた前記薄
    膜の膜厚情報から前記薄膜の平均的な膜厚部分の膜厚情
    報を入手する請求項７に記載の研磨装置。
11. 【請求項１１】前記膜厚情報入手手段は、 単波長の検出光を照射し、該検出光の前記薄膜での光路
    差に起因する干渉に基づく反射光の強度変化によって、
    前記薄膜の膜厚情報を入手する請求項７〜１０のいずれ
    かに記載の研磨装置。