JP2015016529A - 研磨装置および研磨状態監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の仕上がり性能を実現できる研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置は、静止状態にある基板の膜厚を測定するインライン膜厚測定器８０と、研磨テーブル３０Ａ内に配置された膜厚センサ４０を有するインサイチュウ分光式膜厚モニタ３９とを備える。インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９は、基板の研磨前にインライン膜厚測定器８０により取得された初期膜厚から、基板の研磨前にインサイチュウ分光式膜厚モニタ３９によって取得された初期膜厚を引き算することで補正値を決定し、基板の研磨中に取得した膜厚に補正値を加算することで監視膜厚を取得し、監視膜厚に基づいて基板の研磨の進捗を監視する。【選択図】図３

Description

本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する研磨装置、および基板の研磨状態を監視する方法に関する。

半導体ウェーハ等の基板を研磨する研磨装置において、主に絶縁層（透明層）の研磨の進行状態を監視し研磨終点を検出する目的でインサイチュウ（in situ）分光式膜厚モニタが用いられる。このインサイチュウ分光式膜厚モニタでは、研磨テーブルに装着された光源および分光光度計にそれぞれ投光用ファイバーと受光用ファイバーが接続される。これらのファイバーの先端は、投受光部として、研磨テーブルが回転する度にウェーハ表面を１回ずつ走査するような位置に設置される。投受光部をウェーハの中心を通る位置に設置すると、投受光部は研磨テーブルが１回転する間にウェーハ面上の概ね直径に近いライン（曲線）を走査することになる。

近年、半導体デバイスの微細化に伴い、研磨の仕上がり性能に対する要求が強まり、インサイチュウ分光式膜厚モニタに対する要求精度も極めて厳しくなっている。しかしながら、インサイチュウ分光式膜厚モニタは、膜厚の絶対値を得るように構成されていないため、その膜厚測定値は、基準ウェーハの膜厚に基づいて較正されたインライン型（あるいはスタンドアロン型）の膜厚測定器の膜厚測定値からは若干のオフセットがある。

また、インサイチュウ分光式膜厚モニタは、研磨テーブル内に装着されているためその較正は必ずしも容易でない。つまり、研磨テーブル内の分光式膜厚モニタを較正する作業は煩雑であり、また自動的に較正するための装置を設置するスペースが限られている。さらに、インサイチュウ分光式膜厚モニタの構成要素自体が経時変化することもある。加えて、ウェーハ面上の測定点やその分布がインライン型膜厚測定器とは異なる。このような背景から、インサイチュウ分光式膜厚モニタの膜厚測定値がインライン型膜厚測定器の膜厚測定値とは必ずしも一致しないという問題があった。また、ウェーハ間で研磨対象の膜の下層の膜厚が異なると、その影響を受けて研磨終点の検出結果がウェーハごとに異なるという問題があった。

特開２０１０−２４０８３７号公報 特開２００４−１５４９２８号公報

本発明は、このような問題を解決し、高精度の仕上がり性能を実現できる研磨装置および研磨状態監視方法を提供するものである。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、静止状態にある基板の膜厚を測定するインライン膜厚測定器と、前記研磨テーブル内に配置された膜厚センサを有するインサイチュウ分光式膜厚モニタとを備え、前記インサイチュウ分光式膜厚モニタは、前記基板の研磨前に前記インライン膜厚測定器により測定された初期膜厚から、前記基板の研磨前に前記インサイチュウ分光式膜厚モニタによって測定された初期膜厚を引き算することで補正値を決定し、前記基板の研磨中に測定した膜厚に前記補正値を加算することで監視膜厚を取得し、前記監視膜厚に基づいて前記基板の研磨の進捗を監視することを特徴とする研磨装置である。

本発明の他の態様は、静止状態にある基板の初期膜厚をインライン膜厚測定器により測定し、研磨テーブルに支持された研磨パッド上の前記基板の初期膜厚をインサイチュウ分光式膜厚モニタにより測定し、前記インライン膜厚測定器により測定された前記初期膜厚から、前記インサイチュウ分光式膜厚モニタによって測定された前記初期膜を引き算することで補正値を決定し、研磨液を前記研磨パッド上に供給しながら前記基板を前記研磨パッドに押し付けて該基板を研磨し、前記基板の研磨中に前記インサイチュウ分光式膜厚モニタによって測定された膜厚に前記補正値を加算することで監視膜厚を取得し、前記監視膜厚に基づいて前記基板の研磨の進捗を監視することを特徴とする研磨状態監視方法である。

本発明によれば、補正値によってインサイチュウ分光式膜厚モニタの測定値が補正されるので、正確な研磨状態が監視でき、高精度の仕上がり性能を実現することができる。

本発明の実施形態に係る研磨装置を示す図である。 第１研磨ユニットを模式的に示す斜視図である。 インサイチュウ分光式膜厚モニタを備えた第１研磨ユニットを示す模式断面図である。 インサイチュウ分光式膜厚モニタの原理を説明するための模式図である。 ウェーハと研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。 処理部によって生成されたスペクトルを示す図である。 得られたスペクトルと複数の参照スペクトルとの比較から現在の膜厚を決定するプロセスを説明する図である。 インライン膜厚測定器を示す模式図である。 インライン膜厚測定器の膜厚測定ヘッドの詳細を示す模式図である。 研磨前後にインライン膜厚測定器で膜厚を測定する測定点の一例を示す図である。 インサイチュウ分光式膜厚モニタの膜厚センサがウェーハ面上に描く走査軌跡の一例を示す図である。 ウェーハの断面図である。

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１は、本発明の実施形態に係る研磨装置を示す図である。図１に示すように、この研磨装置は、略矩形状のハウジング１を備えており、ハウジング１の内部は隔壁１ａ，１ｂによってロード／アンロード部２と研磨部３と洗浄部４とに区画されている。研磨装置は、ウェーハ処理動作を制御する動作制御部５を有している。

ロード／アンロード部２は、多数のウェーハ（基板）をストックするウェーハカセットが載置されるフロントロード部２０を備えている。このロード／アンロード部２には、フロントロード部２０の並びに沿って走行機構２１が敷設されており、この走行機構２１上にウェーハカセットの配列方向に沿って移動可能な２台の搬送ロボット（ローダー）２２が設置されている。搬送ロボット２２は走行機構２１上を移動することによってフロントロード部２０に搭載されたウェーハカセットにアクセスできるようになっている。

研磨部３は、ウェーハの研磨が行われる領域であり、第１研磨ユニット３Ａ、第２研磨ユニット３Ｂ、第３研磨ユニット３Ｃ、第４研磨ユニット３Ｄを備えている。図１に示すように、第１研磨ユニット３Ａは、研磨面を有する研磨パッド１０が取り付けられた第１研磨テーブル３０Ａと、ウェーハを保持しかつウェーハを研磨テーブル３０Ａ上の研磨パッド１０に押圧しながら研磨するための第１トップリング３１Ａと、研磨パッド１０に研磨液（例えばスラリー）やドレッシング液（例えば、純水）を供給するための第１研磨液供給機構３２Ａと、研磨パッド１０の研磨面のドレッシングを行うための第１ドレッサ３３Ａと、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素ガス）の混合流体または液体（例えば純水）を霧状にして研磨面に噴射する第１アトマイザ３４Ａとを備えている。

同様に、第２研磨ユニット３Ｂは、研磨パッド１０が取り付けられた第２研磨テーブル３０Ｂと、第２トップリング３１Ｂと、第２研磨液供給機構３２Ｂと、第２ドレッサ３３Ｂと、第２アトマイザ３４Ｂとを備えており、第３研磨ユニット３Ｃは、研磨パッド１０が取り付けられた第３研磨テーブル３０Ｃと、第３トップリング３１Ｃと、第３研磨液供給機構３２Ｃと、第３ドレッサ３３Ｃと、第３アトマイザ３４Ｃとを備えており、第４研磨ユニット３Ｄは、研磨パッド１０が取り付けられた第４研磨テーブル３０Ｄと、第４トップリング３１Ｄと、第４研磨液供給機構３２Ｄと、第４ドレッサ３３Ｄと、第４アトマイザ３４Ｄとを備えている。

第１研磨ユニット３Ａ、第２研磨ユニット３Ｂ、第３研磨ユニット３Ｃ、および第４研磨ユニット３Ｄは、互いに同一の構成を有しているので、以下、第１研磨ユニット３１Ａについて図２を参照して説明する。図２は、第１研磨ユニット３１Ａを模式的に示す斜視図である。なお、図２において、ドレッサ３３Ａおよびアトマイザ３４Ａは省略されている。

研磨テーブル３０Ａは、テーブル軸３０ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１９に連結されており、このテーブルモータ１９により研磨テーブル３０Ａが矢印で示す方向に回転されるようになっている。この研磨テーブル３０Ａの上面には研磨パッド１０が貼付されており、研磨パッド１０の上面がウェーハＷを研磨する研磨面１０ａを構成している。トップリング３１Ａはトップリングシャフト１６の下端に連結されている。トップリング３１Ａは、真空吸着によりその下面にウェーハＷを保持できるように構成されている。トップリングシャフト１６は、図示しない上下動機構により上下動するようになっている。

第１研磨ユニット３１Ａは、ウェーハＷの膜厚を監視するためのインサイチュウ分光式膜厚モニタ３９を備えている。このインサイチュウ分光式膜厚モニタ３９は、ウェーハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する膜厚センサ４０と、膜厚信号から膜厚を決定する処理部４５とを備えている。膜厚センサ４０は研磨テーブル３０Ａの内部に配置されている。膜厚センサ４０は、記号Ａで示すように研磨テーブル３０Ａと一体に回転し、トップリング３１Ａに保持されたウェーハＷの膜厚信号を取得する。膜厚センサ４０は処理部４５に接続されており、膜厚センサ４０によって取得された膜厚信号は処理部４５に送られるようになっている。

次に、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９について説明する。図３は、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９を備えた第１研磨ユニット３Ａを示す模式断面図である。なお、研磨ユニット３Ｂ〜３Ｄも、図３に示す第１研磨ユニット３Ａと同様の構成を有しているので、その重複する説明を省略する。

トップリングシャフト１６は、ベルト等の連結手段１７を介してトップリングモータ１８に連結されて回転されるようになっている。このトップリングシャフト１６の回転により、トップリング３１Ａが矢印で示す方向に回転する。

上述したように、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９は、膜厚センサ４０と処理部４５とを備える。膜厚センサ４０は、ウェーハＷの表面に光を当て、ウェーハＷからの反射光を受光し、その反射光を波長にしたがって分解するように構成されている。膜厚センサ４０は、光をウェーハＷの被研磨面に照射する投光部４２と、ウェーハ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４３と、ウェーハＷからの反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って反射光の強度を測定する分光光度計４４とを備えている。

研磨テーブル３０Ａには、その上面で開口する第１の孔５０Ａおよび第２の孔５０Ｂが形成されている。また、研磨パッド１０には、これら孔５０Ａ，５０Ｂに対応する位置に通孔５１が形成されている。孔５０Ａ，５０Ｂと通孔５１とは連通し、通孔５１は研磨面１０ａで開口している。第１の孔５０Ａは液体供給路５３およびロータリージョイント（図示せず）を介して液体供給源５５に連結されており、第２の孔５０Ｂは、液体排出路５４に連結されている。

投光部４２は、多波長の光を発する光源４７と、光源４７に接続された光ファイバー４８とを備えている。光ファイバー４８は、光源４７によって発せられた光をウェーハＷの表面まで導く光伝送部である。光ファイバー４８および光ファイバー４３の先端は、第１の孔５０Ａ内に位置しており、ウェーハＷの被研磨面の近傍に位置している。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、トップリング３１Ａに保持されたウェーハＷに対向して配置される。研磨テーブル３０Ａが回転するたびにウェーハＷの複数の領域に光が照射される。好ましくは、光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、トップリング３１Ａに保持されたウェーハＷの中心に対向して配置される。

ウェーハＷの研磨中は、液体供給源５５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５３を介して第１の孔５０Ａに供給され、ウェーハＷの下面と光ファイバー４８，４３の先端との間の空間を満たす。水は、さらに第２の孔５０Ｂに流れ込み、液体排出路５４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５３には、研磨テーブル３０Ａ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５１の上にウェーハ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。

光ファイバー４８と光ファイバー４３は互いに並列に配置されている。光ファイバー４８および光ファイバー４３の各先端は、ウェーハＷの表面に対して垂直に配置されており、光ファイバー４８はウェーハＷの表面に垂直に光を照射するようになっている。

ウェーハＷの研磨中は、投光部４２から光がウェーハＷに照射され、光ファイバー（受光部）４３によってウェーハＷからの反射光が受光される。分光光度計４４は、反射光の各波長で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処理部４５に送る。この光強度データは、ウェーハＷの膜厚を反映した膜厚信号であり、膜厚に従って変化する。処理部４５は、光強度データから波長ごとの光の強度を表わすスペクトルを生成し、さらにスペクトルからウェーハＷの膜厚を決定する。

図４は、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９の原理を説明するための模式図であり、図５はウェーハＷと研磨テーブル３０Ａとの位置関係を示す平面図である。図４に示す例では、ウェーハＷは、下層膜と、その上に形成された上層膜とを有している。投光部４２および受光部４３は、ウェーハＷの表面に対向して配置されている。投光部４２は、研磨テーブル３０Ａが１回転するたびにウェーハＷの中心を含む複数の領域に光を照射する。

ウェーハＷに照射された光は、媒質（図４の例では水）と上層膜との界面と、上層膜と下層膜との界面で反射し、これらの界面で反射した光の波が互いに干渉する。この光の波の干渉の仕方は、上層膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェーハＷからの反射光から生成されるスペクトルは、上層膜の厚さに従って変化する。分光光度計４４は、反射光を波長に従って分解し、反射光の強度を波長ごとに測定する。処理部４５は、分光光度計４４から得られた反射光の強度データ（膜厚信号）からスペクトルを生成する。このスペクトルは、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。

図６は、処理部４５によって生成されたスペクトルを示す図である。図６において、横軸は反射光の波長を表わし、縦軸は反射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、反射光の強度を表わす１つの指標であり、具体的には、反射光の強度と所定の基準強度との比である。基準強度は、波長ごとに予め取得される。各波長において反射光の強度（実測強度）を対応する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、これによりウェーハＷの膜厚情報のみを反映したスペクトルを得ることができる。

所定の基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコンウェーハ（ベアウェーハ）を水の存在下で研磨しているときに得られた反射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（１）を用いて求めることができる。

ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェーハからの反射光の波長λでの強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は波長λでのダークレベル（光を遮断した条件下で測定された光の強度）である。

図７は、得られたスペクトルと複数の参照スペクトルとの比較から現在の膜厚を決定するプロセスを説明する図である。処理部４５は、研磨中に生成されたスペクトルと複数の参照スペクトルとを比較することで、生成されたスペクトルに最も近い参照スペクトルを決定し、この決定された参照スペクトルに関連付けられた膜厚を現在の膜厚として決定する。複数の参照スペクトルは、研磨対象のウェーハと同種のウェーハを研磨することによって予め取得されたものであり、各参照スペクトルにはその参照スペクトルが取得されたときの膜厚が関連付けられている。すなわち、各参照スペクトルは、異なる膜厚のときに取得されたものであり、複数の参照スペクトルは複数の異なる膜厚に対応する。したがって、現在のスペクトルに最も近い参照スペクトルを特定することにより、現在の膜厚を推定することができる。

ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３１Ａおよび研磨テーブル３０Ａをそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給機構３２Ａから研磨パッド１０上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、下面にウェーハＷを保持したトップリング３１Ａは、ウェーハＷを研磨パッド１０の研磨面１０ａに押し付ける。ウェーハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。研磨終了後は、ドレッサ３３Ａによる研磨面１０ａのドレッシング（コンディショニング）が行われ、さらにアトマイザ３４Ａから高圧の流体が研磨面１０ａに供給されて、研磨面１０ａに残留する研磨屑や砥粒などが除去される。

図１に戻り、第１研磨ユニット３Ａおよび第２研磨ユニット３Ｂに隣接して、第１リニアトランスポータ６が配置されている。この第１リニアトランスポータ６は、４つの搬送位置（第１搬送位置ＴＰ１、第２搬送位置ＴＰ２、第３搬送位置ＴＰ３、第４搬送位置ＴＰ４）の間でウェーハを搬送する機構である。また、第３研磨ユニット３Ｃおよび第４研磨ユニット３Ｄに隣接して、第２リニアトランスポータ７が配置されている。この第２リニアトランスポータ７は、３つの搬送位置（第５搬送位置ＴＰ５、第６搬送位置ＴＰ６、第７搬送位置ＴＰ７）の間でウェーハを搬送する機構である。

ウェーハは、第１リニアトランスポータ６によって研磨ユニット３Ａ，３Ｂに搬送される。第１研磨ユニット３Ａのトップリング３１Ａは、そのスイング動作により研磨テーブル３０Ａの上方位置と第２搬送位置ＴＰ２との間を移動する。したがって、トップリング３１Ａへのウェーハの受け渡しは第２搬送位置ＴＰ２で行われる。同様に、第２研磨ユニット３Ｂのトップリング３１Ｂは研磨テーブル３０Ｂの上方位置と第３搬送位置ＴＰ３との間を移動し、トップリング３１Ｂへのウェーハの受け渡しは第３搬送位置ＴＰ３で行われる。第３研磨ユニット３Ｃのトップリング３１Ｃは研磨テーブル３０Ｃの上方位置と第６搬送位置ＴＰ６との間を移動し、トップリング３１Ｃへのウェーハの受け渡しは第６搬送位置ＴＰ６で行われる。第４研磨ユニット３Ｄのトップリング３１Ｄは研磨テーブル３０Ｄの上方位置と第７搬送位置ＴＰ７との間を移動し、トップリング３１Ｄへのウェーハの受け渡しは第７搬送位置ＴＰ７で行われる。

第１搬送位置ＴＰ１に隣接して、搬送ロボット２２からウェーハを受け取るためのリフタ１１が配置されている。ウェーハはこのリフタ１１を介して搬送ロボット２２から第１リニアトランスポータ６に渡される。リフタ１１と搬送ロボット２２との間に位置して、シャッタ（図示せず）が隔壁１ａに設けられており、ウェーハの搬送時にはシャッタが開かれて搬送ロボット２２からリフタ１１にウェーハが渡されるようになっている。

第１リニアトランスポータ６と、第２リニアトランスポータ７と、洗浄部４との間にはスイングトランスポータ１２が配置されている。第１リニアトランスポータ６から第２リニアトランスポータ７へのウェーハの搬送は、スイングトランスポータ１２によって行われる。ウェーハは、第２リニアトランスポータ７によって第３研磨ユニット３Ｃおよび／または第４研磨ユニット３Ｄに搬送される。

搬送ロボット２２に隣接してインライン膜厚測定器８０が設けられている。ウェーハは、研磨前および／または研磨後に、搬送ロボット２２によりインライン膜厚測定器８０に搬送され、ここでウェーハの膜厚が測定される。

次に、インライン膜厚測定器８０について図８を参照して説明する。図８は、インライン膜厚測定器８０を示す模式図である。以下、インライン膜厚測定器８０について説明する。図８は、インライン膜厚測定器８０を示す模式図である。インライン膜厚測定器８０は、ウェーハＷが水平に置かれる基板ステージ８７と、ウェーハＷの膜厚を測定する膜厚測定ヘッド８４とを有している。

基板ステージ８７は、ウェーハＷの周縁部を支えることができるように、ウェーハＷの周縁部に沿った環状の部材、またはウェーハＷの周縁部に沿って配列された複数の支持部材を備えている。ウェーハＷは、上述した搬送ロボット２２により、測定対象の膜が上を向いた状態で基板ステージ８７の上に置かれる。

基板ステージ８７に支持されたウェーハＷの上方には、ウェーハＷの周方向の向きを検出するオリエンテーション検出器８５が設けられている。このオリエンテーション検出器８５は、ウェーハＷの周縁部に形成されているノッチまたはオリエンテーションフラットと呼ばれる切り欠きを検出することによって、ウェーハＷの向きを検出する。基板ステージ８７は、ウェーハＷをその中心まわりに回転させる基板回転機構（図示せず）を有しており、オリエンテーション検出器８５により検出されたウェーハＷの向き（周方向の位置）を自在に調整することができるようになっている。基板ステージ８７によりウェーハＷを回転させながら、オリエンテーション検出器８５によりウェーハＷの向きを検出し、ウェーハＷが所定の方向を向くまで基板ステージ８７によりウェーハＷを回転させる。

膜厚の測定中は、ウェーハＷが所定の方向を向いた状態で、ウェーハＷはこの基板ステージ８７の上で静止される。ウェーハＷの周縁部が基板ステージ８７上に置かれると、ウェーハＷは水平状態となる。膜厚測定ヘッド８４は、基板ステージ８７上のウェーハＷの上方に配置されている。膜厚測定ヘッド８４は、ウェーハＷの表面に垂直に光を当て、ウェーハＷからの反射光を受光し、反射光のスペクトルを生成し、このスペクトルに基づいてウェーハＷの膜厚を決定する。

膜厚測定ヘッド８４はヘッド移動機構９２に連結されており、膜厚測定ヘッド８４がウェーハＷの表面と平行な水平面内で自在に移動できるようになっている。ヘッド移動機構９２は膜厚測定ヘッド８４を上下方向にも移動させることが可能に構成されている。ヘッド移動機構９２により、膜厚測定ヘッド８４は、ウェーハＷの複数の測定点で膜厚を測定することができる。膜厚測定中は、ウェーハＷは静止状態にあり、かつ水平に置かれているので、回転するウェーハの膜厚を測定するインサイチュウ分光式膜厚モニタ３９よりも高い精度で膜厚を測定することができる。

図９は、インライン膜厚測定器８０の膜厚測定ヘッド８４の詳細を示す模式図である。図９に示すように、膜厚測定ヘッド８４は、多波長の光を発する光源１００と、光源１００からの光を集める集光レンズ１０１と、集光レンズ１０１を通過した光をウェーハＷに向けるビームスプリッター１０３と、ビームスプリッター１０３からの光をウェーハＷ上に集中させる結像レンズ１０５と、ウェーハＷからの反射光の強度を測定する分光光度計１１０とを備えている。分光光度計１１０とビームスプリッター１０３と間にはリレーレンズ１１７が配置されている。

分光光度計１１０は、反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って各波長での反射光の強度を測定するように構成される。膜厚測定ヘッド８４は、分光光度計１１０から得られた反射光の強度データ（膜厚信号）からスペクトルを生成し、スペクトルに基づいて膜厚を決定する処理部１２０をさらに備えている。スペクトルは、各波長での反射光の強度を表わしている。インライン膜厚測定器８０によって得られた膜厚の測定値は、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９の処理部４５に送られる。

図１に戻り、スイングトランスポータ１２の側方には、図示しないフレームに設置されたウェーハの仮置き台７２が配置されている。この仮置き台７２は、図１に示すように、第１リニアトランスポータ６に隣接して配置されており、第１リニアトランスポータ６と洗浄部４との間に位置している。スイングトランスポータ１２は、第４搬送位置ＴＰ４、第５搬送位置ＴＰ５、および仮置き台７２の間を移動する。上述した実施例では、各研磨ユニット３Ａ−３Ｄ間でウェーハが授受される際には、ウェーハはトップリングから離脱され、リニアトランスポータ６，７を介して他の研磨ユニットに搬送されるが、研磨ユニット間のウェーハの受け渡し機構は上述の例に限定されることなく、例えばウェーハを保持したままトップリングが直接他の研磨ユニットに移動することによりウェーハを搬送してもよい。

仮置き台７２に載置されたウェーハは、洗浄部４の第１の搬送ロボット７７によって洗浄部４に搬送される。図１に示すように、洗浄部４は、研磨されたウェーハを洗浄液で洗浄する一次洗浄機７３および二次洗浄機７４と、洗浄されたウェーハを乾燥する乾燥機７５とを備えている。第１の搬送ロボット７７は、ウェーハを仮置き台７２から一次洗浄機７３に搬送し、さらに一次洗浄機７３から二次洗浄機７４に搬送するように動作する。二次洗浄機７４と乾燥機７５との間には、第２の搬送ロボット７８が配置されている。この第２の搬送ロボット７８は、ウェーハを二次洗浄機７４から乾燥機７５に搬送するように動作する。

乾燥されたウェーハは、搬送ロボット２２により乾燥機７５から取り出され、ウェーハカセットに戻される。このようにして、研磨、洗浄、乾燥、および膜厚測定を含む一連の処理がウェーハに対して行われる。

図１０は、研磨前後にインライン膜厚測定器８０で膜厚を測定する測定点の一例を示す。基本的には、測定点は、限られた測定点数でウェーハ全面の平均的或いは代表的な膜厚が得られるように分布されている。

図１１には、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９の膜厚センサ４０がウェーハ面上に描く走査軌跡の一例を示す。この例では、研磨テーブル３０Ａの回転速度は６０ｍｉｎ^−１、トップリング３１Ａの回転速度は６６ｍｉｎ^−１としており、膜厚センサ４０は研磨テーブル３０Ａが１０回転する間にウェーハ面上を周方向に均等に走査して元の位置に戻る。よって、この間に膜厚センサ４０はウェーハ全面を測定する。あるいは、テーブル３０Ａが５回転する間に、膜厚センサ４０はウェーハ面上を周方向に半周分走査するから、ウェーハ中心の前後の測定点を考慮すると、テーブル３０Ａが５回転する間に膜厚センサ４０は近似的にはウェーハ全面を測定すると考えてもよい。したがって、研磨テーブル３０Ａが１０回転、又は、５回転する間に取得された膜厚値を平均することにより、ウェーハ面の周方向の膜厚分布に依らない平均的な膜厚値を得ることができる。しかし、図１１から分かるように、このときの測定点はウェーハ中心部に集中して多く存在している。このため、中心部の膜厚が大きい場合には得られる平均膜厚値は実際の膜厚よりも大きくなり、中心部の膜厚が小さい場合には得られる平均膜厚値は実際の膜厚よりも小さくなってしまう。

そこで、ウェーハの研磨前に、インライン膜厚測定器８０で図１０に示すような複数の測定点でのスペクトルを取得してそれぞれの測定点でのウェーハの膜厚を決定し、これら膜厚の平均である膜厚ＴＬ０を取得する。測定点がスクライブライン上に形成された測定領域（測定パッドともいう）であるような場合には、参照スペクトルを理論的に計算しながら測定スペクトルと比較してカーブフィッティングを行うことにより、各層の膜厚が求められる。

また、研磨中の図１１に示すような測定点に関しては、研磨初期、例えば研磨テーブル３０Ａが５回転または１０回転する間に得られたスペクトルから膜厚を決定し、研磨レートおよび研磨時間に基づいて研磨前の膜厚ＴＳ０を算出する。この場合、研磨初期の複数の測定点で得られた複数のスペクトルの平均スペクトルを求め、この平均スペクトルから膜厚を決定し、各測定点での測定時間(研磨時間）の平均と研磨レートに基づいて、上記決定された膜厚を膜厚ＴＳ０に換算してもよいし、個々の測定点で得られた複数のスペクトルから対応する複数の膜厚を決定し、得られた複数の膜厚を測定時間(研磨時間）と研磨レートに基づいて研磨前の複数の推定膜厚に換算し、これら複数の推定膜厚の平均である膜厚ＴＳ０を算出してもよい。あるいは、スラリーを用いたウェーハ研磨の前に短時間の水研磨のステップを設けて、研磨が進行せずウェーハ面各部の膜厚が変化しない状態で、研磨前の膜厚ＴＳ０を求めることもできる。この水研磨は、スラリーの代わりに純水を研磨パッド上に供給しながらウェーハを研磨する工程であり、この水研磨中は、ウェーハの研磨は実質的に進行しない。

インサイチュウ膜厚監視の場合は、各測定点（測定領域）はパターン上の様々な位置に存在する。このため、理論計算により決定された参照スペクトルと測定スペクトルとの比較により膜厚を求めることが難しい。そこで、図７に示すように、測定スペクトルを、同一仕様（同一マスク・同一レイヤ）のウェーハを予め研磨することによって得られた参照スペクトルと比較するようにしてもよい。具体的には、研磨対象のウェーハと同一仕様（同一マスク・同一レイヤ）のウェーハを研磨し、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルを予め取得する。そして、研磨中ウェーハの各時点のスペクトル（測定スペクトル）を参照スペクトルと比較し、両者の差が最も小さい参照スペクトルに対応する膜厚を決定する。ここで、２つのスペクトルの差としては、各波長での光強度の絶対値差の総和や各波長での光強度の二乗差の総和を取ればよい。各参照スペクトルに対応する各膜厚は、研磨前後の膜厚を測定し研磨レート一定との仮定をおいて比例配分により求めることができる。

次に、処理部４５は、インライン膜厚測定器８０による研磨前のウェーハの膜厚ＴＬ０と、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９による研磨前膜厚ＴＳ０との差ΔＴを求める。
ΔＴ＝ＴＬ０−ＴＳ０ （２）
以後、処理部４５は、研磨中各時点のインサイチュウ分光式膜厚モニタ３９により得られた膜厚ＴＳに対し、次の補正式で補正して監視膜厚Ｔを定める。
Ｔ＝ＴＳ＋ΔＴ （３）
なお、好ましくは、各時点での膜厚ＴＳも、図１１に示すように膜厚センサ４０がウェーハ全周の膜厚を反映していると見なせる条件で測定し平均する。

一般に、前述のような回転式の研磨装置の場合、研磨によってもウェーハ面周方向の膜厚の分布はほとんど変わらない。また、多くの場合、研磨量はウェーハ面上の半径位置によらず一定になるように研磨条件（研磨圧力など）が調整される。したがって、研磨中のウェーハ面上の膜厚プロファイルは概ね一定であり、ウェーハ面の膜厚センサ４０の走査軌跡上の全測定点に関して一通りの補正量ΔＴを求めることにしても、研磨中を通じて、インライン膜厚測定器８０に整合する監視膜厚を得ることができる。また、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９にインライン膜厚測定器８０に対するオフセットや経時変化があったとしても、あるいはウェーハ間で下層の厚みや光学定数にばらつきがあったとしても、上述のように膜厚を補正することで研磨中に信頼できる監視膜厚を得ることができる。

ウェーハの半径位置によって研磨量が変わる場合、例えばプロファイル制御によって初期の分布によらず研磨後の膜厚が径方向に一定になるように制御するような場合には、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９の測定点をウェーハの半径位置に従ってグループ分けし、それぞれのグループに関して研磨前の膜厚ＴＳ０を求めるようにすればよい。このとき、インライン膜厚測定器８０による膜厚ＴＬ０も、必要に応じて各測定点に対する膜厚値から補間などの処理を施した上で、それぞれのグループに対応する平均値として複数求められる。

もし、１ロット内で初期の膜厚プロファイルや下層の膜厚および光学定数が実質的に一定であるならば、インライン膜厚測定器８０による初期の膜厚ＴＬ０の測定は、先頭１枚のウェーハに対して行えばよい。これに対して、１ロット内においてもウェーハ間で初期のプロファイルや下層がばらつく場合には、１枚１枚のウェーハに対して研磨前の膜厚ＴＬ０の測定を行う必要がある。通常、１ロット内のウェーハとは、１つのウェーハカセット内に収容された複数のウェーハをいう。

一般に、ウェーハの研磨においては、最上層の膜の厚さを監視する必要がある。最上層の膜の下に異種膜や配線などがある場合には、図１２の記号Ｔに示すように、最上層の膜の表面から、その膜とその下に存在する異種材料との境界までの厚みを監視することが重要になる。したがって、インライン膜厚測定器８０による研磨前の膜厚の測定はこのような層構成の最上層の膜に対してなされ、また、インサイチュウ分光式膜厚モニタ３９による膜厚の算出においても、この領域に相当する最上層の膜厚が計算される。

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。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に解釈されるものである。

１ ハウジング
２ ロード／アンロード部
３ 研磨部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 研磨ユニット
４ 洗浄部
５ 動作制御部
６ 第１リニアトランスポータ
７ 第２リニアトランスポータ
１０ 研磨パッド
１１ リフタ
１２ スイングトランスポータ
１６ トップリングシャフト
１７ 連結手段
１８ トップリングモータ
１９ テーブルモータ
２０ フロントロード部
２１ 走行機構
２２ 搬送ロボット
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ 研磨テーブル
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ トップリング
３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ 研磨液供給機構
３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ ドレッサ
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ アトマイザ
３９ インサイチュウ分光式膜厚モニタ
４０ 膜厚センサ
４２ 投光部
４３ 受光部（光ファイバー）
４４ 分光光度計
４５ 処理部
４７ 光源
４８ 光ファイバー
５０Ａ 第１の孔
５０Ｂ 第２の孔
５１ 通孔
５３ 液体供給路
５４ 液体排出路
５５ 液体供給源
７２ 仮置き台
７３ 一次洗浄機
７４ 二次洗浄機
７５ 乾燥機
７７ 第１搬送ロボット
７８ 第２搬送ロボット
８０ インライン膜厚測定器
８４ 膜厚測定ヘッド
８５ オリエンテーション検出器
８７ 基板ステージ
９２ ヘッド移動機構
１００ 光源
１０１ 集光レンズ
１０３ ビームスプリッター
１０５ 結像レンズ
１１０ 分光光度計
１１７ リレーレンズ
１２０ 処理部

Claims (4)

1. 研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
   基板を前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、
   静止状態にある基板の膜厚を測定するインライン膜厚測定器と、
   前記研磨テーブル内に配置された膜厚センサを有するインサイチュウ分光式膜厚モニタとを備え、
   前記インサイチュウ分光式膜厚モニタは、
   前記基板の研磨前に前記インライン膜厚測定器により測定された初期膜厚から、前記基板の研磨前に前記インサイチュウ分光式膜厚モニタによって測定された初期膜厚を引き算することで補正値を決定し、
   前記基板の研磨中に測定した膜厚に前記補正値を加算することで監視膜厚を取得し、
   前記監視膜厚に基づいて前記基板の研磨の進捗を監視することを特徴とする研磨装置。
2. 静止状態にある基板の初期膜厚をインライン膜厚測定器により測定し、
   研磨テーブルに支持された研磨パッド上の前記基板の初期膜厚をインサイチュウ分光式膜厚モニタにより測定し、
   前記インライン膜厚測定器により測定された前記初期膜厚から、前記インサイチュウ分光式膜厚モニタによって測定された前記初期膜を引き算することで補正値を決定し、
   研磨液を前記研磨パッド上に供給しながら前記基板を前記研磨パッドに押し付けて該基板を研磨し、
   前記基板の研磨中に前記インサイチュウ分光式膜厚モニタによって測定された膜厚に前記補正値を加算することで監視膜厚を取得し、
   前記監視膜厚に基づいて前記基板の研磨の進捗を監視することを特徴とする研磨状態監視方法。
3. 前記初期膜厚が測定される基板は、１つのロット内の最初の基板であることを特徴とする請求項２に記載の研磨状態監視方法。
4. 前記初期膜厚は、１つのロット内の各基板の研磨前に測定されることを特徴とする請求項２に記載の研磨状態監視方法。

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