JP2014216457A - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板の研磨中に基板上に形成された膜の正確な厚さを取得し、得られた膜の厚さに基づいて基板の研磨終点を正確に決定することができる研磨方法を提供する。
【解決手段】本方法は、基板の研磨中に該基板から反射した光を受光し、この反射光から分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理を行なって、基板の膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、決定された周波数成分の強度が所定のしきい値以下の場合には、決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて基板の研磨終点を決定し、上記所定のしきい値を、不良データ率に基づいて変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、膜が表面に形成されている基板を研磨する方法および装置に関し、特に基板からの反射光に含まれる光学情報に基づいて基板の研磨終点を検出することができる研磨方法および研磨装置に関する。
半導体デバイスの製造プロセスには、ＳｉＯ２などの絶縁膜を研磨する工程や、銅、タングステンなどの金属膜を研磨する工程などの様々な工程が含まれる。裏面照射型ＣＭＯＳセンサおよびシリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造工程では、絶縁膜や金属膜の研磨工程の他にも、シリコン層（シリコンウェハ）を研磨する工程が含まれる。
ウェハの研磨は、その表面を構成する膜（絶縁膜、金属膜、シリコン層など）の厚さが所定の目標値に達したときに終了される。ウェハの研磨には、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置が使用される。図１は、ＣＭＰ装置を示す模式図である。ＣＭＰ装置は、研磨パッド１００が上面に取り付けられた研磨テーブル１０１と、ウェハＷを保持するトップリング１１０と、研磨パッド１００に研磨液（スラリー）を供給するスラリー供給機構１１５と、ウェハＷの膜厚を測定する膜厚測定器１２０とを備えている。膜厚測定器１２０は、研磨テーブル１０１内に埋設されている。
トップリング１１０および研磨テーブル１０１は、矢印で示すように回転し、この状態でトップリング１１０は、ウェハＷを研磨パッド１００に押し付ける。スラリー供給機構１１５からは研磨液が研磨パッド１００上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド１００との摺接により研磨される。ウェハＷの研磨中、膜厚測定器１２０は研磨テーブル１０１と共に回転し、矢印Ａで示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚を測定する。そして、膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨が終了される。
上記ＣＭＰ装置に使用される膜厚測定器１２０の一つの例として、光学式膜厚測定器がある。この光学式膜厚測定器は、ウェハの表面に光を照射し、ウェハからの反射光を分析することによって、ウェハの表面に形成されている膜の厚さを決定する。
しかしながら、ＣＭＰ装置に組み込まれた膜厚測定器は、図１に示すように、それ自身が移動しながら膜の厚さを測定するため、膜の厚さにばらつきがあることに起因して、測定に失敗することがある。しかも、膜は研磨テーブルが１回転するたびに削られるため、同一の条件下で同じ位置での厚さを再び計測することができない。
特開２００４−１５４９２８号公報 特開平１０−１２５６３４号公報
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、基板の研磨中に基板上に形成された膜（絶縁膜、金属膜、シリコン層など）の正確な厚さを取得し、得られた膜の厚さに基づいて基板の研磨終点を正確に決定することができる研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、前記基板から反射した光を受光し、前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、前記所定のしきい値を、前記不良データ率に基づいて変化させることを特徴とする。
本発明の他の態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、前記基板から反射した光を受光し、前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含み、前記基板の研磨が開始されてから前記不良データ率が所定の基準値を下回るまで、前記基板の研磨終点を決定しないことを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、前記基板から反射した光を受光し、前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含み、前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号を出力することを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、第１の膜および第２の膜を含む多層構造体が表面に形成された基板を研磨する方法であって、回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、前記基板から反射した光を受光し、前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記第１の膜の厚さ、該第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度、前記第２の膜の厚さ、および該第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度を決定し、前記第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度と、前記第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度との差分が所定の設定値よりも大きい場合には、前記決定された第１の膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する装置であって、研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、前記基板から反射した光を受光する受光部と、前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、前記分光器により取得された光強度データから前記膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、前記研磨監視部は、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、前記所定のしきい値を、前記不良データ率に基づいて変化させるように構成されていることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する装置であって、研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、前記基板から反射した光を受光する受光部と、前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、前記分光器により取得された光強度データから前記膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、前記研磨監視部は、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、前記基板の研磨が開始されてから前記不良データ率が所定の基準値を下回るまで、前記基板の研磨終点を決定しないように構成されていることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する装置であって、研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、前記基板から反射した光を受光する受光部と、前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、前記分光器により取得された光強度データから前記膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、前記研磨監視部は、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号を出力するように構成されていることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、第１の膜および第２の膜を含む多層構造体が表面に形成された基板を研磨する装置であって、研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、前記基板から反射した光を受光する受光部と、前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、前記分光器により取得された光強度データから前記第１の膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、前記研磨監視部は、測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記第１の膜の厚さ、該第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度、前記第２の膜の厚さ、および該第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度を決定し、前記第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度と、前記第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度との差分が所定の設定値よりも大きい場合には、前記決定された第１の膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、前記基板から反射した光の強度から相対反射率を算出し、前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形から前記膜の厚さを決定し、前記相対反射率に基づいて、前記決定された膜の厚さの信頼性が高いか否かを決定することを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果が得られる。
（１）周波数成分の強度と所定のしきい値との比較に基づいて、膜の厚さを正確に反映した測定値、すなわち信頼性の高い測定値が取得される。したがって、得られた測定値から正確な研磨終点を検出することが可能となる。
（２）上記所定のしきい値を、過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合（以下、不良データ率という）に基づいて変化させることにより、より信頼性の高い測定値が取得される。したがって、得られた測定値から正確な研磨終点を検出することが可能となる。
（３）表面の粗い基板を研磨するとき、研磨初期段階では膜厚測定値が変動しやすく、不良データ率が高くなることがある。本発明によれば、不良データ率が所定の基準値を下回った後に、研磨終点検出が実行される。したがって、正確な研磨終点を検出することが可能となる。
（４）基板の研磨中に、不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号が出力されるので、研磨終点の異常検出を防止することができる。
ＣＭＰ装置を示す模式図である。 光学式研磨終点検出方法の原理を説明するための模式図である。 ウェハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。 第１の処理部によって生成された分光波形を示す図である。 第１の処理部によって生成された周波数スペクトルを示す図である。 研磨テーブルが１回転する間に、５回測定が行われる例を示す図である。 裏面照射（ＢＳＩ）型イメージセンサが形成されたウェハを研磨したときに取得された測定データを示すテーブルである。 裏面照射（ＢＳＩ）型イメージセンサが形成されたウェハを研磨したときに取得された分光波形を示す図である。 図８に示す分光波形から生成された周波数スペクトルを示す図である。 ウェハを研磨しているときの不良データ率の変化の一例を示すグラフである。 ウェハを研磨しているときの不良データ率の変化の他の例を示すグラフである。 シリコン層の厚さと研磨時間との関係を示す図である。 研磨前と研磨後の研磨プロファイルを示す図である。 測定値を選別する基準として、周波数成分の強度に関する所定のしきい値を用いた例を示す図である。 測定値を選別する基準として、周波数成分の強度に関する所定のしきい値と、シリコン層の厚さに関する所定の範囲とを用いた例を示す図である。 シリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造において実施されるシリコン層の研磨時に取得された分光波形を示す図である。 図１６に示す分光波形から生成された周波数スペクトルを示す図である。 信頼性の高い測定値と信頼性の低い測定値とを判別する他の方法を説明するための図である。 図１８に示した判別方法の変形例を説明するための図である。 信頼性の高い測定値と信頼性の低い測定値とを判別するさらに他の方法を説明するための図である。 ウェハの多層構造を示す模式図である。 研磨装置を模式的に示す断面図である。 図２２に示す研磨装置の変形例を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図２は、光学式研磨終点検出方法の原理を説明するための模式図であり、図３はウェハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。図２に示すように、ウェハＷは、下地層と、その上に形成された膜を有している。ウェハＷはトップリング（図２および図３には図示せず）に保持され、図３の矢印で示すようにウェハＷの中心周りに回転される。ウェハＷの表面は、回転する研磨テーブル２０上の研磨パッド２２にトップリングによって押圧され、ウェハＷの膜は研磨パッド２２との摺接により研磨される。研磨パッド２２は、ウェハＷを研磨するための研磨面を有する研磨具である。研磨具として、砥石（固定砥粒）が使用されることもある。
照射部１１および受光部１２は、研磨テーブル２０内に設置されており、ウェハＷの表面に対向して配置されている。照射部１１は、光を発する光源（図示せず）を備えており、ウェハＷの表面に光を導く。研磨テーブル２０が１回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の領域に光が照射される。
受光部１２はウェハＷから反射した光を受ける。受光部１２には分光器１３が接続されており、分光器１３は、反射した光を波長に従って分解し、反射した光の強度を波長ごとに測定する。分光器１３には、第１の処理部１５Ａが接続されている。この第１の処理部１５Ａは、分光器１３によって取得された光強度データを読み込み、反射した光の強度分布を生成する。より具体的には、第１の処理部１５Ａは、波長ごとの光の強度を表わす分光波形を生成する。この分光波形は、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（波形）として表される。
ウェハＷに照射された光は、媒質（図２の例では水）と膜との界面と、膜と下層との界面で反射し、これらの界面で反射した光が互いに干渉する。この光の干渉の仕方は、膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェハＷから戻ってくる光から生成される分光波形は、膜の厚さに従って変化する。第１の処理部１５Ａは、分光波形に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行って分光波形を解析し、その解析結果から現在の膜の厚さを決定する。研磨される膜がシリコン層であって、図２に示すように媒質が水である場合は、光が水に吸収されることを防ぐために、波長１１００ｎｍ以下の光を使用することが好ましい。
第１の処理部１５Ａは、第２の処理部１５Ｂに接続されており、第１の処理部１５Ａによって決定された膜の厚さの測定値が第２の処理部１５Ｂに送られる。第２の処理部１５Ｂは、膜の厚さを所定の目標値と比較し、膜の厚さが目標値に達したか否かを決定する。膜の厚さが目標値に達すると、第２の処理部１５Ｂは膜の研磨がその終点に達したと判断し、研磨装置（ＣＭＰ装置）の動作コントローラ１６に研磨終点検出信号を送信する。動作コントローラ１６は、この研磨終点検出信号を受けてウェハＷの研磨動作を終了する。この実施形態では、第１の処理部１５Ａと第２の処理部１５Ｂとにより、研磨監視部が構成される。第１の処理部１５Ａと第２の処理部１５Ｂは１つの処理部として設けてもよい。
以下、第１の処理部１５Ａについて、より詳細に説明する。図４は、第１の処理部１５Ａによって生成された分光波形を示す図である。図４において、横軸はウェハから反射した光の波長を表わし、縦軸は反射した光の強度から導かれる相対反射率を表わす。この相対反射率とは、光の反射強度を表わす１つの指標であり、具体的には、光の強度と所定の基準強度との比である。各波長において光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要な要素が実測強度から除去され、これにより膜の厚さ情報のみを反映した分光波形を得ることができる。図４の例では、研磨される膜はシリコン層であり、ウェハに照射される光として赤外線が使用されている。
基準強度は、各波長について予め取得された強度であり、相対反射率は、各波長において算出される。具体的には、各波長での光の強度（実測強度）を対応する基準強度で割り算することにより相対反射率が求められる。基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコンウェハ（ベアウェハ）を水の存在下で研磨しているときに得られた光の強度とすることができる。実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式を用いて求めることができる。
Figure 2014216457
 ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェハから反射した波長λでの光の強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）はウェハが存在しない状態で取得された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。
第１の処理部１５Ａは、得られた分光波形に対して高速フーリエ変換（フーリエ変換でもよい）処理を行って分光波形を解析する。より具体的には、第１の処理部１５Ａは、分光波形に含まれる周波数成分とその強さを抽出し、得られた周波数成分を所定の関係式を用いて膜の厚さに変換し、そして、膜の厚さと周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルを生成する。上述した所定の関係式は、周波数成分を変数とした、膜の厚さを表す一次関数であり、実測結果などから求めることができる。
図５は、第１の処理部１５Ａによって生成された周波数スペクトルを示す図である。図５において、縦軸は、分光波形に含まれる周波数成分の強度を表し、横軸は、膜の厚さを表している。図５から分かるように、厚さｔ１のときに、強度の値が最も大きくなる。つまり、この周波数スペクトルは、膜の厚さがｔ１であることを示している。このようにして、周波数スペクトルのピークから、膜の厚さが決定される。
膜の厚さの測定は、研磨テーブル２０が１回転する間に複数回行われることが好ましい。１回の測定時間は、ウェハＷの露光時間、すなわちウェハＷが光に晒される時間に依存する。したがって、研磨テーブル２０が１回転する間に実施される測定回数は、露光時間と、研磨テーブル２０の回転速度と、トップリングの回転速度により決定される。図６は、研磨テーブル２０とトップリングの回転速度がほぼ同じときの研磨テーブル２０が１回転する間に、５回測定が行われる例を示す図である。図６に示すように、照射部１１および受光部１２の先端は、ウェハＷの中心を通って横切り、その間に５回の測定が行われる。したがって、研磨テーブル２０が１回転するたびに、膜の厚さを示す５つの測定値が得られる。これらの測定値は、第１の処理部１５Ａから第２の処理部１５Ｂに送られ、第２の処理部１５Ｂは、膜の厚さの測定値に基づいて研磨終点を決定する。
上述したように、１回の研磨テーブル２０の回転で複数の測定値が得られるのであるが、これら測定値のうちの幾つかは、膜の厚さを正確に表していないことがある。このような信頼性の低い測定値が取得される原因としては、膜の表面に比較的大きな段差が存在する場合に、この段差を含む領域の厚さを１回の測定で取得したため、または反射した光の量が何らの理由で少なかったためなどが考えられる。
図７は、裏面照射（ＢＳＩ）型イメージセンサが形成されたウェハを研磨したときに取得された測定データを示すテーブルである。図７に示す例では、研磨される膜は、シリコン層である。通常、裏面照射型イメージセンサの製造工程では、厚さ約１０μｍ未満のシリコン層が研磨される。図７から分かるように、研磨テーブル２０が１回転する間に、シリコン層の厚さを示す５つの測定値と、これら測定値にそれぞれ対応する周波数成分の強度を示す５つの値とが取得される。
しかしながら、強度が低い測定値は、他の測定値から大きくかけ離れている傾向にある。言い換えれば、周波数成分の強度が低い測定値は、実際のシリコン層の厚さを正確に表していない。そこで、周波数成分の強度が所定のしきい値よりも低い測定値は、測定データから排除され、信頼性の高い測定値のみを含む監視データが第２の処理部１５Ｂによって取得される。図７に示す記号○は、しきい値以上の強度を伴う測定値を示し、記号×は、しきい値よりも低い強度を伴う測定値を示す。図７において、監視データは、記号○が付された測定値から構成される。
測定値が得られるたびに、その測定値に対応する周波数成分の強度がしきい値と比較される。そして、強度がしきい値以上であれば、その測定値（記号○が付された測定値）は、信頼性の高い測定値であると第２の処理部１５Ｂによって認定される。この信頼性の高い測定値は監視データに加えられ、シリコン層の厚さの監視に使用される。これに対し、強度がしきい値未満であれば、その測定値（記号×が付された測定値）は、監視データには含まれない。したがって、監視データは信頼性の高い測定値のみから構成される。
図８は、裏面照射（ＢＳＩ）型イメージセンサが形成されたウェハを研磨したときに取得された分光波形を示す図である。図８に示す２つの分光波形ｓ１，ｓ２は、研磨テーブル２０が１回転する間にウェハ上の異なる領域で取得されたものである。図８から分かるように、分光波形ｓ１は比較的明瞭な正弦波を含んでいるが、他方の分光波形ｓ２は明瞭な正弦波を含んでいない。これは、上述したように、シリコン層の表面に形成されている段差に起因したり、または反射した光の量が足りないことに起因すると考えられる。
図９は、図８に示す分光波形から生成された周波数スペクトルを示す図である。図９の縦軸は、分光波形に含まれる周波数成分の強度を表し、横軸は、周波数成分から変換されたシリコン層の厚さを表している。周波数成分の強度は、分光波形を構成する正弦波の大きさを表し、正弦波の振幅に概ね比例する。図９に示す周波数スペクトルｆ１は図８の分光波形ｓ１に対応し、図９に示す周波数スペクトルｆ２は図８の分光波形ｓ２に対応する。
図９から分かるように、周波数スペクトルｆ１のピークは、シリコン層の厚さが３．５μｍであることを示している。すなわち、周波数スペクトルｆ１は、シリコン層の厚さが３．５μｍであることを示している。これに対し、周波数スペクトルｆ２のピークは、シリコン層の厚さが１μｍであることを示している。したがって、周波数スペクトルｆ２から得られるシリコン層の厚さの測定値は、１μｍである。しかしながら、この測定値１μｍは周波数スペクトルｆ１から得られる測定値３．５μｍから大きくかけ離れている。
図８および図９から分かるように、分光波形に明瞭な正弦波が現れる場合には、周波数スペクトルのピークが示す強度は高くなる。分光波形に明瞭な正弦波が現れるということは、図２に示す光同士の干渉が、シリコン層の厚さのばらつきの影響を受けずに行われたことを意味すると考えられる。したがって、そのような分光波形は、正確なシリコン層の厚さの情報を含んでいるということができる。そこで、第２の処理部１５Ｂは、周波数スペクトルのピークが示す強度に基づいて不正確な測定値を測定データから排除し、正確な測定値のみからなる監視データを生成する。より具体的には、第２の処理部１５Ｂは、周波数スペクトルのピークが示す強度が所定のしきい値以上の測定値のみを監視データに加える。
しきい値は次のようにして決定することができる。１枚のウェハを研磨して測定データを取得し、その取得された測定データに対して仮のしきい値を設定し、仮のしきい値以下である測定値の総数が測定データの例えば２０％以下であれば、その仮のしきい値をしきい値として採用する。
図９に示す例では、しきい値は１．２に設定されている。周波数スペクトルｆ１のピークが示す強度は約１．８である。したがって、周波数スペクトルｆ１のピークから得られる測定値３．５μｍは、信頼性が高い測定値であると認定され、監視データとして使用される。一方、周波数スペクトルｆ２のピークが示す強度は約０．９である。したがって、周波数スペクトルｆ２のピークから得られる測定値１μｍは、監視データとしては使用されない。このようにして、測定値は、その対応する周波数成分の強度に基づいて、信頼性の高い測定値と信頼性の低い測定値とに選別される。
第２の処理部１５Ｂは、第１の処理部１５Ａから測定データを受け取り、この測定データから上記監視データを生成する。監視データは、上述したように、信頼性が高いと認定された測定値のみを含む。第２の処理部１５Ｂは、監視データに含まれる測定値を監視し、該測定値が所定の目標値に達した時点から研磨終点を決定する。より正確に研磨終点を決定するために、得られた信頼性の高い測定値の移動平均値を算出することが好ましい。この場合は、移動平均値が所定の目標値に達した時点が研磨終点と判断される。また、より正確に研磨終点を決定するために、研磨テーブル２０が１回転する間に取得された複数の信頼性が高い測定値の平均値を求めることが好ましい。さらに、得られた平均値の移動平均値を求めることが好ましい。
しきい値は、過去に取得された複数の測定値に基づいて決定することが好ましい。より具体的には、過去に取得された複数の測定値から信頼性の低い測定値の占有率を表す不良データ率を算出し、この不良データ率が所定の値以下となるように、しきい値を決定してもよい。不良データ率は、過去に取得された測定値の総数に対する信頼性の低い測定値の数の割合（比率）である。例えば、図７において、過去に取得された測定値は、研磨テーブル２０が５回転する間に取得された測定値であり、その総数は２５である。この２５の測定値に含まれる信頼性の低い測定値（記号×で表される）の数は８である。したがって、この例における不良データ率は３２％（＝８／２５×１００）と決定される。この例では、研磨テーブル２０が１回転するたびに測定値が更新され、直近の５回転中に取得された測定値が不良データ率の算出に使用される。
過去に取得された複数の測定値の例としては、現在研磨しているウェハについて既に取得された測定値、先行して研磨された別のウェハについて取得された測定値、および別の研磨装置で過去に取得された測定値などが挙げられる。
不良データ率は、しきい値に依存して変化する。すなわち、しきい値を高く設定すると不良データ率は増加し、しきい値を低く設定すると、不良データ率は低下する。しきい値は、不良データ率が所定の値以下となるように決定される。例えば、不良データ率が２０％以下となるようにしきい値を設定することが好ましい。
上述の例では、しきい値は予め設定された固定値であるが、不良データ率の変化に基づいてしきい値を変化させてもよい。例えば、不良データ率が上昇したときは、しきい値をより高く設定してもよい。不良データ率の上昇は、測定値全体の信頼性が低下していることを意味しているので、しきい値を高くすることにより、測定値の管理をより厳しくすることができる。逆に、不良データ率が低下したときに、しきい値をより高く設定してもよい。不良データ率の低下は、測定値全体の信頼性が向上していることを意味しているので、しきい値を高くすることにより、信頼性の高い測定値の数を確保しつつ、測定値の信頼性をより高めることができる。
不良データ率に従ってしきい値を変化させるための一例として、第２の処理部１５Ｂは次の式を用いてしきい値を変化させる。
しきい値＝初期しきい値＋不良データ率×α
ここで、αは予め定められた係数であり、正または負の符号を持つ。初期しきい値は、予め設定されたしきい値である。係数αが正の符号を持つ場合、不良データ率が上昇すると、しきい値が上昇する。一方、係数αが負の符号を持つ場合、不良データ率が低下すると、しきい値が上昇する。係数αが正の符号を持つか、または負の符号を持つかは、ウェハの表面状態、配線パターン、膜厚などの要因に基づいて決定される。
このように、不良データ率の上昇または低下に従ってしきい値を上昇させることにより、測定値の信頼性を高め、結果として研磨終点の検出精度を向上させることができる。このようなしきい値の更新は、過去の研磨から得られた測定値に基づいて定期的に行うことが好ましい。例えば、研磨テーブル２０が所定の回数回転するたびに、または所定枚数のウェハを研磨するたびに不良データ率を算出し、得られた不良データ率から新たなしきい値を算出してもよい。
研磨条件が一定であれば、ウェハの研磨開始から研磨終了まで不良データ率は概ね一定である。しかしながら、ウェハの表面状態や膜厚などに起因して、研磨の初期段階および／または最終段階で不良データ率が高くなることがある。例えば、表面が粗いウェハを研磨する場合、研磨の初期段階では膜厚の測定値が大きく変動しやすい。このため、図１０に示すように、研磨初期段階での不良データ率が高くなることがある。他の例では、ウェハの研磨がその終点に近づくと、膜厚が膜厚測定可能な範囲よりも低下したり、下層が露出することがある。この場合、図１１に示すように、研磨の最終段階で膜厚測定精度が低下し、結果として不良データ率が上昇することがある。このように不良データ率が高くなると、研磨終点検出に使用される測定値の数が少なくなり、結果として研磨終点の検出精度が低下してしまう。
そこで、図１０および図１１に示すように、研磨終点検出精度を高めるために、不良データ率の基準値および／または上限値を設けることが好ましい。図１０に示す例では、ウェハの研磨が開始されてから不良データ率が所定の基準値を下回るまでは、第２の処理部１５Ｂは研磨終点検出を行わない。ウェハの表面が平坦になるにつれて、不良データ率は低下し、図１０に示すように、ある時点で不良データ率が基準値を下回る。この時点からウェハの研磨終点検出が開始される。
図１１に示す例では、研磨が開始された後、不良データ率が上昇して所定の上限値に達したときに、第２の処理部１５Ｂはアラーム信号を出力する。この場合、第２の処理部１５Ｂはウェハの研磨を停止させるようにしてもよい。基準値と上限値のいずれか一方のみを設けてもよく、または両方を設けてもよい。
図１２は、研磨対象であるシリコン層の厚さと研磨時間との関係を示す図である。図１２において、グラフａは、研磨テーブル２０が１回転する間に取得された複数の測定値の平均値の時間変化を示し、グラフｂは、上記平均値の移動平均値の時間変化を示している。移動平均値は、最新の複数の（例えば最新の３つの）平均値の平均値である。測定値の平均値（グラフａ）またはその移動平均値（グラフｂ）が予め設定された目標値に達した時点が、研磨終点である。第２の処理部１５Ｂは、測定値の平均値（グラフａ）またはその移動平均値（グラフｂ）が予め設定された目標値に達した時点に基づいてウェハの研磨終点（すなわち、シリコン層の研磨終点）を決定する。図１２から分かるように、グラフｂは、グラフａに比べて平滑化されている。したがって、より正確な研磨終点を検出するためには、グラフｂに示す移動平均値を算出し、これを監視することが好ましい。
図１３は、研磨前と研磨後の研磨プロファイルを示す図である。縦軸は、シリコン層の厚さを表し、横軸は、ウェハの半径方向の位置を表している。図１３に示す点は、シリコン層の測定値である。図１３から分かるように、ウェハの中心部での測定値のばらつきは比較的小さい。言い換えれば、ウェハの中心部で取得された測定値の信頼性は高いといえる。したがって、ウェハの中心部で取得された測定値のみを使用して研磨終点を検出することが好ましい。しかしながら、本発明はこの例に限定されず、ウェハの中心部以外の領域で取得された測定値を使用してもよい。例えば、ウェハの周縁部で取得された測定値のみを使用して研磨終点を検出してもよい。さらには、予め選択された複数の領域（例えば、図６に示すウェハの中心部と周縁部）で取得された測定値を使用してもよい。
図７および図９に示す例では、周波数成分の強度に基づいて測定値を信頼性の高いものと信頼性の低いものに選別したが、測定値自身に基づいてその測定値を選別してもよい。具体的には、得られた測定値が所定の範囲内にあれば、その測定値は信頼性の高い測定値として認定される。例えば、図１４に示すように、研磨されるシリコン層の厚さがおおよそ３μｍ〜４μｍと既知である場合、得られた測定値が２．０μｍ〜４．０μｍの範囲内（図１４では斜線で示す）であれば、その測定値は信頼性の高い測定値であると判断することができる。その一方で、得られた測定値が２．０μｍ〜４．０μｍの範囲から外れていれば、その測定値は信頼性の低い測定値であると判断することができる。このように、研磨されるシリコン層の厚さが既知である場合には、その既知の厚さの範囲を測定値の信頼性の判断基準として用いることができる。
さらに、周波数成分の強度に対する所定のしきい値と、シリコン層の厚さに対する所定の範囲の両方を用いて、得られた測定値を選別してもよい。図１５は、測定値を選別する基準として、周波数成分の強度に関する所定のしきい値と、シリコン層の厚さに関する所定の範囲とを用いた例を示す図である。この例では、周波数成分の強度についてのしきい値は１であり、シリコン層の厚さについてのしきい値は２．０μｍ〜４．０μｍの範囲に設定されている。周波数成分の強度が１以上であって、かつシリコン層の厚さが２．０μｍ〜４．０μｍの範囲内にある場合、すなわち、周波数スペクトルのピークが図１５の網線で表される範囲内にある場合は、その測定値は信頼性が高いと第２の処理部１５Ｂによって判断され、監視データに加えられる。これに対し、周波数スペクトルのピークが図１５の網線で表される範囲から外れる場合は、その測定値は信頼性が低いと判断され、監視データには含まれない。
図８に示す２つの分光波形は、その全体が右斜め上に傾いている。このような分光波形全体の傾きはノイズとして周波数スペクトルに現れ、正確なシリコン層の厚さ測定を妨げる。そこで、ノイズを含まない周波数スペクトルを得るために、次のようなノイズ除去プロセスを行なってもよい。すなわち、基準シリコンウェハ（ベアシリコンウェハ）を用意し、この基準シリコンウェハに赤外線を当て、該基準シリコンウェハから反射した赤外線の波長ごとの相対反射率を算出することにより基準分光波形を取得し、この基準分光波形に高速フーリエ変換処理を施して基準周波数スペクトルを予め取得し、ウェハＷの研磨中に得られた図９に示すような周波数スペクトルを上記基準周波数スペクトルで割ることにより、ノイズの含まない周波数スペクトルが得られる。より具体的には、研磨中に得られた周波数スペクトル上の各シリコン層厚さでの周波数成分の強度を、基準周波数スペクトル上の対応する周波数成分の強度で割り算することにより、周波数スペクトルを補正する。シリコン層の厚さおよび対応する周波数成分の強度は、この補正された周波数スペクトルに基づいて決定されることが好ましい。
図１６は、シリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造において実施されるシリコン層の研磨時に取得された分光波形を示す図であり、図１７は、図１６に示す分光波形から生成された周波数スペクトルを示す図である。図１６に示す分光波形ｓ３，ｓ４，ｓ５は、図１７に示す周波数スペクトルｆ３，ｆ４，ｆ５にそれぞれ対応する。図１６に示す分光波形および図１７に示す周波数スペクトルは、図４に示す分光波形および図５に示す周波数スペクトルと同様にして生成されるので、その重複する説明を省略する。
シリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造では、研磨されるシリコン層の厚さは約２０μｍ〜５０μｍである。この場合でも、測定値を選別する基準として、周波数成分の強度の所定のしきい値および／またはシリコン層の厚さの所定の範囲を用いることができる。本発明の研磨終点検出技術は、厚さ１０μｍ未満のシリコン層を研磨するＢＳＩプロセス、および厚さ約２０μｍ〜５０μｍのシリコン層を研磨するＴＳＶプロセスの両方に適用することが可能である。
シリコン層を研磨する場合は、照射部１１は、赤外線を発する光源を有することが好ましい。この場合、照射部１１は、該照射部１１から発せられる赤外線の量を切り替える機能を有していることが好ましい。さらに、赤外線の量は研磨されるシリコン層の状態に従って変えることが好ましい。シリコン層の状態の具体例としては、シリコン層の厚さ、シリコン層の表面の平坦度（面内均一性）、シリコン層の下に存在する膜の厚さ、材質、配線パターン密度が挙げられる。例えば、ＢＳＩプロセスのような薄いシリコン層を研磨するときは、照射部１１から発せられる赤外線の量を少なくし、ＴＳＶプロセスのような厚いシリコン層を研磨するときは、照射部１１から発せられる赤外線の量を多くすることが好ましい。
図１８は、信頼性の高い測定値と信頼性の低い測定値とを判別する他の方法を説明するための図である。図１８に示す２つの周波数スペクトルｆ６，ｆ７の各ピークが示す強度は比較的高い。このため、例えばしきい値が０．０６５である場合は、周波数スペクトルｆ６，ｆ７から得られるシリコン層の厚さの測定値は、どちらも信頼性が高いと判断される。しかしながら、周波数スペクトルｆ７は、周波数スペクトルｆ６に比べて、不明瞭なピーク形状を有している。一般に、ピーク形状が明瞭である周波数スペクトルは、信頼性の高い測定値を示し、ピーク形状が不明瞭である周波数スペクトルは、信頼性の低い測定値を示す傾向がある。
そこで、この方法においては、周波数スペクトルのピークでの強度に代えて、所定の観測厚さでの周波数成分の強度を用いて、測定値の信頼性を判断する。すなわち、所定の観測厚さでの周波数成分の強度が所定のしきい値よりも低い場合は、周波数スペクトルのピークが示すシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が高いと認定される。これに対し、所定の観測厚さでの周波数成分の強度が上記所定のしきい値以上である場合は、周波数スペクトルのピークが示すシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が低いと認定される。
図１８に示す例では、観測厚さは２μｍに設定され、しきい値は０．０６５に設定されている。周波数スペクトルｆ６では、観測厚さ２μｍでの周波数成分の強度ａ１は、しきい値０．０６５よりも低い。したがって、周波数スペクトルｆ６から得られる測定値は、信頼性が高いと判断される。これに対し、周波数スペクトルｆ７では、観測厚さ２μｍでの周波数成分の強度ｂ１はしきい値０．０６５よりも高い。したがって、周波数スペクトルｆ７から得られる測定値は、信頼性が低いと判断される。観測厚さは、複数あってもよい。この場合は、各観測厚さでの強度と上記しきい値とが比較され、上述と同様に測定値の信頼性が判断される。
この方法において、周波数スペクトルのピークでの強度に加えて、所定の観測厚さでの周波数成分の強度を用いて、測定値の信頼性を判断してもよい。すなわち、周波数スペクトルのピークが示す強度が所定のしきい値よりも高く、かつ所定の観測厚さでの周波数成分の強度が上記所定のしきい値よりも低い場合は、周波数スペクトルのピークが示すシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が高いと認定される。これに対し、周波数スペクトルのピークが示す強度が所定のしきい値以下であり、および／または所定の観測厚さでの周波数成分の強度が上記所定のしきい値以上である場合は、周波数スペクトルのピークが示すシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が低いと認定される。このように、ピークでの強度を用いた信頼性判断と、所定の観測厚さでの強度を用いた信頼性判断とを組み合わせることにより、より正確に測定値を判別することが可能となる。
図１９は、図１８に示した判別方法の変形例を説明するための図である。この方法においては、周波数スペクトルのピークでの強度と、所定の観測厚さでの周波数成分の強度との差分（絶対値）が、所定の設定値と比較される。上記差分が設定値よりも大きければ、その周波数スペクトルのピークから決定されるシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が高いと判断される。これに対して、上記差分が設定値以下であれば、その周波数スペクトルのピークから決定されるシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が低いと判断される。
図１９に示す例においては、上記差分の設定値は０．００５に設定されている。周波数スペクトルｆ６のピークでの強度と、観測厚さ２μｍでの周波数成分の強度との差分ａ２は、設定値０．００５よりも大きい。したがって、周波数スペクトルｆ６のピークから決定されるシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が高いと判断される。これに対し、周波数スペクトルｆ７のピークでの強度と、観測厚さ２μｍでの周波数成分の強度との差分ｂ２は、設定値０．００５よりも小さい。したがって、周波数スペクトルｆ７のピークから決定されるシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が低いと判断される。この例においても、観測厚さは複数あってもよい。
この方法においても、周波数スペクトルのピークでの強度に基づく信頼性の判断と、上記差分に基づく信頼性の判断とを組み合わせてもよい。すなわち、周波数スペクトルのピークが示す強度が所定のしきい値よりも高く、かつ上記差分が所定の設定値よりも大きい場合は、周波数スペクトルのピークが示すシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が高いと認定される。これに対し、周波数スペクトルのピークが示す強度が所定のしきい値以下であり、および／または上記差分が所定の設定値以下である場合は、周波数スペクトルのピークが示すシリコン層の厚さの測定値は、信頼性が低いと認定される。
図２０は、信頼性の高い測定値と信頼性の低い測定値とを判別するさらに他の方法を説明するための図である。通常、ウェハは、図２１に示すように、多層構造を有している。図２１に示す例では、ベース層（例えばシリコン層）の上に第２の膜が形成され、その上に第１の膜が形成されている。研磨される対象物は最上層にある第１の膜である。第１の膜および第２の膜が光を透過させる材料から構成されている場合（例えば、第１の膜がシリコン層、第２の膜がＳｉＯ２などの絶縁膜）、光は第１の膜の表面、第１の膜と第２の膜との界面、および第２の膜とベース層との界面で反射する。したがって、ウェハからの反射光には、第１の膜と第２の膜の厚さ情報が含まれる。このため、図２０に示すように、反射光から生成された周波数スペクトルには、第１の膜の厚さを示すピークと、第２の膜の厚さを示すピークが現れる。
本実施形態では、上述した所定の観測厚さとして第２の膜の厚さが選択される。この第２の膜の厚さは、周波数スペクトルに現れるピークの位置から決定される。第１の膜の測定値の信頼性は、第１の膜の厚さを示すピークによって特定される周波数成分の強度ｃ１と、第２の膜の厚さを示すピークによって特定される周波数成分の強度ｃ２との差分ｄＹ（＝ｃ１−ｃ２）に基づいて判断される。具体的には、差分ｄＹが所定の設定値よりも大きい場合は、第１の膜の測定値は信頼性が高いと判断される。
先の実施形態では、所定の観測厚さが固定値であるのに対して、この実施形態では観測厚さは第２の膜の厚さを示すピークの位置に依存して変わり得る。本実施形態は、周波数成分の強度の差分、すなわち相対的な強度を用いるので、測定値の信頼性判断が外乱の影響を受けにくいという利点がある。例えば、照射部１１からの光の照度が変化した場合、周波数スペクトル全体は変化するが、周波数成分の強度の差分は変化しにくい。したがって、測定値の信頼性判断をより正確に行うことができ、結果として研磨終点検出の精度を向上させることができる。
第１の膜の測定値の信頼性判断の精度を向上させるために、第１の膜の厚さを示すピークによって特定される周波数成分の強度ｃ１が所定の第１の下限値Ｙ１よりも大きく、かつ第２の膜の厚さを示すピークによって特定される周波数成分の強度ｃ２が所定の第２の下限値Ｙ２よりも大きいことを条件として、第２の処理部１５Ｂは、差分ｄＹを上記設定値と比較することが好ましい。例えば、周波数成分の強度ｃ１が所定の第１の下限値Ｙ１よりも大きく、周波数成分の強度ｃ２が所定の第２の下限値Ｙ２よりも大きく、かつ強度ｃ１と強度ｃ２との差分ｄＹが所定の設定値よりも大きい場合は、第１の膜の測定値は信頼性が高いと判断される。第１の下限値Ｙ１と第２の下限値Ｙ２は同じ値であってもよい。このように、周波数成分の強度自体が下限値よりも大きいか否かを判断することにより、測定値の信頼性判断をより正確に行うことができ、結果として研磨終点検出の精度を向上させることができる。なお、図２０の膜厚を表す横軸はシリコンの屈折率を用いたシリコン膜厚換算値として表現されている。つまり、第２の膜は絶縁膜なので、図２０に示す第２の膜の厚さの値は、シリコン膜厚に換算された厚さを表している。
図２２は、上述した研磨終点検出方法を実行することができる研磨装置を模式的に示す断面図である。図２２に示すように、研磨装置は、研磨パッド２２を支持する研磨テーブル２０と、ウェハＷを保持して研磨パッド２２に押圧するトップリング２４と、研磨パッド２２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給機構２５とを備えている。研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、軸心周りに回転可能になっている。研磨パッド２２は、研磨テーブル２０の上面に固定されている。
研磨パッド２２の上面２２ａは、ウェハＷを研磨する研磨面を構成している。トップリング２４は、トップリングシャフト２８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング２４は昇降可能かつトップリングシャフト２８周りに回転可能となっている。このトップリング２４の下面には、ウェハＷが真空吸着等によって保持される。
トップリング２４の下面に保持されたウェハＷはトップリング２４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル２０上の研磨パッド２２の研磨面２２ａにトップリング２４によって押圧される。研磨液供給機構２５から研磨パッド２２の研磨面２２ａに研磨液が供給され、ウェハＷの表面と研磨パッド２２との間に研磨液が存在した状態でウェハＷの表面が研磨される。ウェハＷと研磨パッド２２とを摺接させる相対移動機構は、研磨テーブル２０およびトップリング２４によって構成される。
研磨テーブル２０には、その上面で開口する第１の孔３０Ａおよび第２の孔３０Ｂが形成されている。また、研磨パッド２２には、これら孔３０Ａ，３０Ｂに対応する位置に通孔３１が形成されている。孔３０Ａ，３０Ｂと通孔３１とは連通し、通孔３１は研磨面２２ａで開口している。第１の孔３０Ａは液体供給路３３およびロータリージョイント３２を介して液体供給源３５に連結されており、第２の孔３０Ｂは、液体排出路３４に連結されている。
ウェハＷの研磨中は、液体供給源３５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が液体供給路３３を介して第１の孔３０Ａおよび通孔３１に供給され、ウェハＷの下面と光ファイバー１２，４１の先端との間の空間を満たす。水は、さらに第２の孔３０Ｂに流れ込み、液体排出路３４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光路が確保される。液体供給路３３には、研磨テーブル２０の回転に同期して作動するバルブ（図示せず）が設けられている。このバルブは、通孔３１の上にウェハＷが位置しないときは水の流れを止める、または水の流量を少なくするように動作する。本実施形態においては、液体供給源３５および液体供給路３３により、水供給機構が構成される。
研磨装置は、上述した方法に従って研磨の進捗を監視し、かつ、研磨終点を検出する研磨監視装置を有している。この研磨監視装置は、研磨終点検出装置としても機能する。研磨監視装置は、光をウェハＷの被研磨面に照射する照射部１１と、ウェハＷから戻ってくる反射光を受光する受光部としての光ファイバー１２と、ウェハＷから反射した光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って光の強度を測定する分光器１３と、分光器１３によって取得された光強度データから膜の厚さを決定する第１の処理部１５Ａと、第１の処理部１５Ａからから得られる膜の厚さを監視し、かつウェハＷの研磨終点（膜の研磨終点）を決定する第２の処理部１５Ｂとを備えている。第１の処理部１５Ａと第２の処理部１５Ｂは、１つの処理部として設けてもよい。
照射部１１は、光源４０と、光源４０に接続された光ファイバー４１とを備えている。光ファイバー４１は、光源４０によって発せられた光をウェハＷの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４１および光ファイバー１２の先端は、第１の孔３０Ａ内に位置しており、ウェハＷの被研磨面の近傍に位置している。光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端は、トップリング２４に保持されたウェハＷの中心に対向して配置され、図３および図６に示すように、研磨テーブル２０が回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の領域に光が照射されるようになっている。研磨される膜がシリコン層である場合、水の中を比較的容易に通りやすい波長１１００ｎｍ以下の光を使用することが好ましい。
光源４０としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンランプなどが用いられる。光ファイバー４１と光ファイバー１２は互いに並列に配置されている。光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端は、ウェハＷの表面に対してほぼ垂直に配置されており、光ファイバー４１はウェハＷの表面にほぼ垂直に光を照射するようになっている。
ウェハＷの研磨中は、照射部１１から光がウェハＷに照射され、光ファイバー１２によってウェハＷから反射した光が受光される。光が照射される間、孔３０Ａ，３０Ｂおよび通孔３１には水が供給され、これにより、光ファイバー４１および光ファイバー１２の各先端と、ウェハＷの表面との間の空間は水で満たされる。分光器１３は、反射した光の強度を所定の波長範囲に亘って測定し、得られた光強度データを第１の処理部１５Ａに送る。第１の処理部１５Ａは、上述のよう分光波形にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行なって膜の厚さを決定し、第２の処理部１５Ｂは、第１の処理部１５Ａから得られた膜の厚さに基づいて研磨終点を決定する。
図２３は、図２２に示す研磨装置の変形例を示す断面図である。図２３に示す例では、液体供給路、液体排出路、液体供給源は設けられていない。これに代えて、研磨パッド２２には透明窓４５が形成されている。照射部１１の光ファイバー４１は、この透明窓４５を通じて研磨パッド２２上のウェハＷの表面に光を照射し、受光部としての光ファイバー１２は、ウェハＷから反射した光を透明窓４５を通じて受光する。その他の構成は、図２２に示す研磨装置と同様である。
上述した実施形態に使用されるウェハ（基板）の例としては、単層または多層の絶縁膜が表面に形成されたウェハ、裏面照射（ＢＳＩ）型イメージセンサまたはシリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造に使用されるウェハが挙げられる。研磨される膜がシリコン層である場合、ウェハに照射される光として赤外線が好適に使用される。シリコン層は、シリコンウェハ自体であってもよい。さらに、本発明は、シリコンウェハ自体の研磨（研削）にも適用することが可能である。例えば、本発明は、シリコンウェハの裏面研削に適用することができる。シリコンウェハを研磨（研削）する装置は、研磨パッド２２に代えて、砥石が研磨具として使用される。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。
１１ 照射部
１２ 受光部（光ファイバー）
１３ 分光器
１５Ａ，１５Ｂ 処理部（研磨監視部）
１６ 動作コントローラ
２０ 研磨テーブル
２２ 研磨パッド（研磨具）
２４ トップリング
２５ 研磨液供給機構
２８ トップリングシャフト
３０Ａ，３０Ｂ 孔
３１ 通孔
３２ ロータリージョイント
３３ 液体供給路
３４ 液体排出路
３５ 液体供給源
４０ 光源
４１ 光ファイバー
４５ 透明窓

Claims (25)

  1. 膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、
    回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、
    前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、
    前記基板から反射した光を受光し、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、
    過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、
    前記所定のしきい値を、前記不良データ率に基づいて変化させることを特徴とする方法。
  2. 前記不良データ率が上昇するに従って、前記所定のしきい値を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記不良データ率が低下するに従って、前記所定のしきい値を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、
    回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、
    前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、
    前記基板から反射した光を受光し、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、
    過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含み、
    前記基板の研磨が開始されてから前記不良データ率が所定の基準値を下回るまで、前記基板の研磨終点を決定しないことを特徴とする方法。
  5. 前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号を出力することを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して前記所定の上限値に達した場合には、前記基板の研磨を停止させることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、
    回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、
    前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、
    前記基板から反射した光を受光し、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、
    過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含み、
    前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号を出力することを特徴とする方法。
  8. 前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して前記所定の上限値に達した場合には、前記基板の研磨を停止させることを特徴とする請求項７に記載の方法。
  9. 前記基板の研磨が開始されてから前記不良データ率が所定の基準値を下回るまで、前記基板の研磨終点を決定しないことを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
  10. 第１の膜および第２の膜を含む多層構造体が表面に形成された基板を研磨する方法であって、
    回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、
    前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、
    前記基板から反射した光を受光し、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定し、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記第１の膜の厚さ、該第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度、前記第２の膜の厚さ、および該第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度を決定し、
    前記第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度と、前記第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度との差分が所定の設定値よりも大きい場合には、前記決定された第１の膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする方法。
  11. 前記差分が前記所定の設定値よりも大きく、前記第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度が所定の第１の下限値よりも大きく、かつ前記第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度が所定の第２の下限値よりも大きい場合には、前記決定された第１の膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 前記所定の第１の下限値と前記所定の第２の下限値は、同じ値であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 膜が表面に形成された基板を研磨する装置であって、
    研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、
    前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、
    前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、
    前記基板から反射した光を受光する受光部と、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、
    前記分光器により取得された光強度データから前記膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、
    前記研磨監視部は、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、
    過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、
    前記所定のしきい値を、前記不良データ率に基づいて変化させるように構成されていることを特徴とする装置。
  14. 前記研磨監視部は、前記不良データ率が上昇するに従って、前記所定のしきい値を上昇させることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  15. 前記研磨監視部は、前記不良データ率が低下するに従って、前記所定のしきい値を上昇させることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
  16. 膜が表面に形成された基板を研磨する装置であって、
    研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、
    前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、
    前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、
    前記基板から反射した光を受光する受光部と、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、
    前記分光器により取得された光強度データから前記膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、
    前記研磨監視部は、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、
    過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、
    前記基板の研磨が開始されてから前記不良データ率が所定の基準値を下回るまで、前記基板の研磨終点を決定しないように構成されていることを特徴とする装置。
  17. 前記研磨監視部は、前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号を出力することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
  18. 前記研磨監視部は、前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して前記所定の上限値に達した場合には、前記基板の研磨を停止させることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
  19. 膜が表面に形成された基板を研磨する装置であって、
    研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、
    前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、
    前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、
    前記基板から反射した光を受光する受光部と、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、
    前記分光器により取得された光強度データから前記膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、
    前記研磨監視部は、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記膜の厚さおよび対応する周波数成分の強度を決定し、
    前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも高い場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記決定された周波数成分の強度が前記所定のしきい値以下の場合には、前記決定された膜の厚さを信頼性の低い測定値と認定し、
    過去に取得された信頼性の高い測定値の数と信頼性の低い測定値の数の総和に対する信頼性の低い測定値の数の割合を表す不良データ率を算出し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定し、
    前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して所定の上限値に達した場合には、アラーム信号を出力するように構成されていることを特徴とする装置。
  20. 前記研磨監視部は、前記基板の研磨中に、前記不良データ率が上昇して前記所定の上限値に達した場合には、前記基板の研磨を停止させることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
  21. 前記研磨監視部は、前記基板の研磨が開始されてから前記不良データ率が所定の基準値を下回るまで、前記基板の研磨終点を決定しないことを特徴とする請求項１９または２０に記載の装置。
  22. 第１の膜および第２の膜を含む多層構造体が表面に形成された基板を研磨する装置であって、
    研磨具を支持する回転可能な研磨テーブルと、
    前記回転する研磨テーブル上の前記研磨具に前記基板を押し付けるトップリングと、
    前記トップリングに保持された前記基板に光を照射する照射部と、
    前記基板から反射した光を受光する受光部と、
    前記反射した光の強度を波長ごとに測定する分光器と、
    前記分光器により取得された光強度データから前記第１の膜の厚さを決定する研磨監視部とを備え、
    前記研磨監視部は、
    測定された前記光の強度を所定の基準強度で割って相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、前記第１の膜の厚さ、該第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度、前記第２の膜の厚さ、および該第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度を決定し、
    前記第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度と、前記第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度との差分が所定の設定値よりも大きい場合には、前記決定された第１の膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定し、
    前記信頼性の高い測定値が所定の目標値に達した時点に基づいて前記基板の研磨終点を決定することを特徴とする装置。
  23. 前記研磨監視部は、前記差分が前記所定の設定値よりも大きく、前記第１の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度が所定の第１の下限値よりも大きく、かつ前記第２の膜の厚さに対応する前記周波数成分の強度が所定の第２の下限値よりも大きい場合には、前記決定された第１の膜の厚さを信頼性の高い測定値と認定することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
  24. 前記所定の第１の下限値と前記所定の第２の下限値は、同じ値であることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
  25. 膜が表面に形成された基板を研磨する方法であって、
    回転する研磨テーブル上の研磨具に基板を押し付けて前記基板を研磨し、
    前記基板の研磨中に、前記基板に光を照射し、
    前記基板から反射した光の強度から相対反射率を算出し、
    前記相対反射率と前記光の波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形から前記膜の厚さを決定し、
    前記相対反射率に基づいて、前記決定された膜の厚さの信頼性が高いか否かを決定することを特徴とする方法。
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