JP2016200459A - 膜厚測定方法、膜厚測定装置、研磨方法、および研磨装置 - Google Patents

膜厚測定方法、膜厚測定装置、研磨方法、および研磨装置 Download PDF

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Abstract

【課題】基板構造および測定条件に影響されずに、正確な膜厚を測定することができる膜厚測定方法を提供する。
【解決手段】膜厚測定方法は、基板Ｗからの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、周波数成分の強度の複数の極大値Ｍ１，Ｍ２を決定し、極大値Ｍ１，Ｍ２にそれぞれ対応する膜厚ｔ１，ｔ２の中から、選択規準に従って１つの膜厚を選択する工程を含む。選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数である。
【選択図】図５

Description

本発明は、膜が表面に形成されている基板（例えばウェハ）の膜厚測定方法および膜厚測定装置に関し、特に基板からの反射光に含まれる光学情報を解析することにより膜厚を検出する膜厚測定方法および膜厚測定装置に関する。また、本発明は、そのような膜厚測定方法および膜厚測定装置を利用した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。したがって、ウェハの研磨中は、膜厚が測定される。膜厚測定方法の例として、特許文献１，２に開示されている光学的膜厚測定方法がある。この方法によれば、ウェハの研磨中に膜厚センサから光がウェハに照射され、ウェハからの反射光の強度と周波数との関係を示す分光波形が取得され、分光波形にフーリエ変換処理を行って周波数スペクトルが取得され、得られた周波数スペクトルのピークから膜厚が決定される。
図１２は、分光波形の一例を示すグラフである。図１２において、縦軸はウェハからの反射光の強度を示す相対反射率を表し、横軸は反射光の周波数を表す。相対反射率とは、反射光の強度を示す指標値であり、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ノイズが実測強度から除去される。
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、膜厚センサから発せられた光の強度を直接測定するか、または膜厚センサから鏡に光を照射し、鏡からの反射光の強度を測定することによって得られる。あるいは、基準強度は、膜が形成されていないシリコンウェハ（ベアウェハ）を水の存在下で水研磨しているときに得られた光の強度としてもよい。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 2016200459
 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）は光を遮断した条件下で取得された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。
図１３は、図１２に示す分光波形にフーリエ変換処理を行って得られた周波数スペクトルを示すグラフである。図１３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、横軸は膜厚を表す。周波数成分の強度は、正弦波として表される周波数成分の振幅に相当する。分光波形に含まれる周波数成分は、所定の関係式を用いて膜厚に変換され、図１３に示すような膜厚と周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルが生成される。上述した所定の関係式は、周波数成分を変数とした、膜厚を表す一次関数であり、膜厚の実測結果または光学的膜厚測定シミュレーションなどから求めることができる。
図１３に示すグラフにおいて、厚さｔ１のときに、周波数成分の強度が最も大きくなる。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。
特開２０１３−１１０３９０号公報 特開２０１４−２１６４５７号公報
図１２に示す分光波形および図１３に示す周波数スペクトルは、図１４に示すウェハ構造からの反射光を使用して生成される。図１３に示す周波数スペクトルから得られた膜厚ｔ１は、図１４の下地層１０１上に形成された露出層１００の厚さを示している。しかしながら、図１５に示すように、下地層１０１の下にさらに下層１０２が存在することに起因して、反射光に含まれる光学情報が変わることがある。別の例では、図１６に示すように、下地層１０１に段差が存在することに起因して、露出層１００の厚さが場所によって異なることがある。これらの場合、図１７に示すように、分光波形が変形し、結果として、図１８に示すように複数のピークが周波数スペクトルに現れる。通常、周波数成分の強度の低いもの、すなわちピークの低いものはノイズである場合が多い。そこで、複数のピーク値が発生した場合、最も高いピーク値を示す膜厚が測定結果として選択される。この規準に従えば、図１８の例では、最も高いピーク値を示す膜厚ｔ１が選択される。
しかしながら、ピーク値（極大値）は、ウェハの測定点によって変化することがある。例えば、ウェハ上の第１の測定点では図１８に示すような周波数スペクトルが得られ、第２の測定点では図１９に示すような周波数スペクトルが得られることがある。さらに、第３の測定点では、再び図１８に示すような周波数スペクトルが得られることがある。
このようなピーク値（極大値）の変動は、膜厚ｔ１を有する領域と膜厚ｔ２を有する領域との面積比、ノイズ、その他の原因に起因する。特に、ウェハを研磨しながら膜厚を測定する場合には、ウェハおよび膜厚センサが相対移動するために、比較的広い領域に光が照射され、ピーク値が変動しやすい。このように、ウェハ構造および測定条件によっては、測定点ごとにピーク値が変化し、選択すべき膜厚が測定点ごとに変わることがある。
そこで、本発明は、基板構造および測定条件に影響されずに、正確な膜厚を測定することができる膜厚測定方法および膜厚測定装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような膜厚測定方法および膜厚測定装置を利用した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、表面に膜が形成された基板に光を照射し、前記基板からの反射光の強さと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、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする膜厚測定方法である。
本発明の好ましい態様は、前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記しきい値は、過去の膜厚測定結果から決定された値であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、前記基板と同一構造を有する参照基板の膜厚を、前記基板と同じ工程で測定した結果に基づいて予め決定されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記参照基板の膜厚測定は、前記参照基板を水研磨しながら実行されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記選択規準を決定する工程は、前記参照基板の膜厚測定中に決定された複数の極大値の変動の大きさを計算し、前記変動の大きさが最も小さい極大値に対応する膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記選択規準を決定する工程は、前記参照基板の膜厚測定中において複数の極大値が決定されるたびに、これら複数の極大値同士を比較して、最も大きい極大値を決定し、前記最も大きい極大値に対応する膜厚を特定し、最も多く特定された膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする。
本発明の他の態様は、表面に膜が形成された基板に光を照射する投光部と、前記基板からの反射光を受ける受光部と、前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部とを備え、前記処理部は、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする膜厚測定装置である。
本発明の好ましい態様は、前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、表面に膜が形成された基板と研磨面とを摺接させながら、前記基板に光を照射し、前記基板からの反射光の強さと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、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする研磨方法である。
本発明の好ましい態様は、前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了する工程をさらに含むことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出する工程をさらに含み、前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、表面に膜が形成された基板を前記研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、前記基板に光を照射する投光部と、前記基板からの反射光を受ける受光部と、前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部と、前記基板の研磨を制御する研磨制御部とを備え、前記処理部は、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする研磨装置である。
本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨制御部は、前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出し、前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする。
周波数スペクトルのピークの大きさに基づいて膜厚を選択する従来の方法とは異なり、予め設定された選択規準に従って膜厚が選択される。具体的には、Ｎ番目に大きい膜厚、またはＮ番目に小さい膜厚が選択される。したがって、極大値（ピーク値）の変動に影響されず、安定した膜厚測定が可能となる。
一実施形態に係る研磨装置を示す図である。 一実施形態に係る光学式膜厚測定器を備えた研磨装置を示す模式断面図である。 光学式膜厚測定器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。 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。 処理部によって生成された周波数スペクトルの他の例を示す図である。 ウェハ上の複数の測定点を示す図である。 ２つの極大値が測定時間とともに変動する様子を示すグラフである。 参照ウェハの水研磨中において、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された膜厚を測定時間に沿って並べたグラフである。 参照ウェハの研磨中に取得された、予め設定された仮のしきい値よりも大きい極大値に対応する膜厚を示すグラフである。 仮のしきい値を大きくしたときに選別された極大値に対応する膜厚を示すグラフである。 分光波形の一例を示すグラフである。 図１２に示す分光波形にフーリエ変換処理を行って得られた周波数スペクトルを示すグラフである。 ウェハ構造の一例を示す断面図である。 ウェハ構造の他の例を示す断面図である。 ウェハ構造のさらに他の例を示す断面図である。 分光波形の他の例を示すグラフである。 複数のピークを持つ周波数スペクトルを示すグラフである。 複数のピークを持つ周波数スペクトルの他の例を示すグラフである。
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、本発明の一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、研磨装置は、研磨面１ａを有する研磨パッド１が取り付けられた研磨テーブル３と、基板の一例であるウェハＷを保持しかつウェハＷを研磨テーブル３上の研磨パッド１に押圧しながら研磨するための研磨ヘッド５と、研磨パッド１に研磨液（例えばスラリー）を供給するための研磨液供給ノズル１０と、ウェハＷの研磨を制御する研磨制御部１２とを備えている。
研磨テーブル３は、テーブル軸３ａ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３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３の上面には研磨パッド１が貼付されており、研磨パッド１の上面がウェハＷを研磨する研磨面１ａを構成している。研磨ヘッド５は研磨ヘッドシャフト１６の下端に連結されている。研磨ヘッド５は、真空吸引によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。研磨ヘッドシャフト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。
ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド５および研磨テーブル３をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給ノズル１０から研磨パッド１上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、研磨ヘッド５は、ウェハＷを研磨パッド１の研磨面１ａに押し付ける。ウェハ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。
研磨装置は、ウェハＷの膜厚を測定する光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５を備えている。この光学式膜厚測定器２５は、ウェハＷの膜厚に従って変化する光学信号を取得する膜厚測定ヘッド３１と、光学信号から膜厚を決定する処理部３２とを備えている。膜厚測定ヘッド３１は研磨テーブル３の内部に配置されており、処理部３２は研磨制御部１２に接続されている。膜厚測定ヘッド３１は、記号Ａで示すように研磨テーブル３と一体に回転し、研磨ヘッド５に保持されたウェハＷの光学信号を取得する。膜厚測定ヘッド３１は処理部３２に接続されており、膜厚測定ヘッド３１によって取得された光学信号は処理部３２に送られるようになっている。
図２は、光学式膜厚測定器２５を備えた研磨装置を示す模式断面図である。研磨ヘッドシャフト１６は、ベルト等の連結手段１７を介して研磨ヘッドモータ１８に連結されて回転されるようになっている。この研磨ヘッドシャフト１６の回転により、研磨ヘッド５が矢印で示す方向に回転する。
上述したように、光学式膜厚測定器２５は、膜厚測定ヘッド３１と処理部３２とを備える。膜厚測定ヘッド３１は、ウェハＷの表面に光を導き、ウェハＷからの反射光を受け、その反射光を波長に従って分解するように構成されている。膜厚測定ヘッド３１は、光をウェハＷの表面に照射する投光部４２と、ウェハＷから戻ってくる反射光を受ける受光部としての光ファイバー４３と、ウェハ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器４４とを備えている。
研磨テーブル３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１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１ａ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、研磨ヘッド５に保持されたウェハＷの被研磨面を横切るように配置される。研磨テーブル３が回転するたびにウェハＷの複数の領域に光が照射される。
ウェハ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３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。
ウェハＷの研磨中は、投光部４２から光がウェハＷに照射され、光ファイバー（受光部）４３によってウェハＷからの反射光が受光される。分光器４４は、各波長での反射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処理部３２に送る。この光強度データは、ウェハＷの膜厚を反映した光学信号であり、反射光の強度及び対応する波長から構成される。処理部３２は、光強度データから波長ごとの光の強度を表わす分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行って周波数スペクトルを生成し、周波数スペクトルからウェハＷの膜厚を決定する。
図３は、光学式膜厚測定器２５の原理を説明するための模式図であり、図４は、ウェハＷと研磨テーブル３との位置関係を示す平面図である。図３に示す例では、ウェハ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。上層膜は、例えばシリコン層または絶縁膜などの、光の透過を許容する膜である。投光部４２および受光部４３は、ウェハＷの表面を横切るように研磨テーブル３内に配置されている。研磨テーブル３が１回転するたびに、投光部４２はウェハＷの中心を含む複数の測定点に光を照射しながら、光ファイバー（受光部）４３はウェハＷの複数の測定点からの反射光を受ける。
ウェハＷに照射された光は、媒質（図３の例では水）と上層膜との界面、および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。分光器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３２は、分光器４４から得られた反射光の強度データ（光学信号）から分光波形を生成する。この分光波形は、図１２および図１７に示すように、光の波長と強度との関係を示す線グラフとして表される。光の強度は、上述した相対反射率などの相対値として表わすこともできる。
処理部３２は、得られた分光波形に対してフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行って分光波形を解析する。より具体的には、処理部３２は、分光波形に含まれる周波数成分とその強度を抽出し、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、膜厚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、膜厚を表す一次関数であり、膜厚の実測結果または光学的膜厚測定シミュレーションなどから求めることができる。
図５は、処理部３２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、膜厚を表している。周波数成分の強度は、正弦波として表される周波数成分の振幅に相当する。処理部３２には、周波数成分の強度についてのしきい値が予め記憶されている。このしきい値は、過去の膜厚測定結果から決定される。
しきい値は、周波数成分の強度の極大値を選別するために設けられる。すなわち、処理部３２は、周波数スペクトルに現れた全ての極大値をしきい値と比較し、しきい値以上の極大値を決定する。そして、しきい値よりも小さい極大値は膜厚決定には使用されず、しきい値以上の極大値が膜厚決定に使用される。図５に示す例では、２つの極大値Ｍ１，Ｍ２はしきい値よりも大きいので、これらの極大値Ｍ１，Ｍ２が現れる２つの膜厚ｔ１，ｔ２は、膜厚決定に使用される。言い換えれば、膜厚ｔ１，ｔ２は、膜厚候補である。図６に示す例では、３つの極大値Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３が存在する。しかしながら、極大値Ｍ３はしきい値よりも小さい。したがって、この例では、極大値Ｍ１，Ｍ２が現れる２つの膜厚ｔ１，ｔ２は、膜厚決定に使用される（すなわち膜厚候補である）が、極大値Ｍ３が現れる膜厚ｔ３は膜厚決定には使用されない。
処理部３２は、膜厚候補として選別された複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択する。予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかである。Ｎは予め定められた自然数である。例えば、予め設定された選択規準が、１番目に大きい（すなわち最も大きい）膜厚を選択することであれば、処理部３２は、図５，図６に示す２つの膜厚ｔ１，ｔ２のうち、膜厚ｔ１を選択する。予め設定された選択規準が、２番目に大きい膜厚を選択することであれば、処理部３２は膜厚ｔ２を選択する。予め設定された選択規準が、１番目に小さい（すなわち最も小さい）膜厚を選択することであれば、処理部３２は膜厚ｔ２を選択する。予め設定された選択規準が、２番目に小さい膜厚を選択することであれば、処理部３２は膜厚ｔ１を選択する。
このように、処理部３２は、極大値の大きさに基づいて膜厚を選択するのではなく、予め設定された選択規準に従って、Ｎ番目に大きい膜厚、またはＮ番目に小さい膜厚を選択する。したがって、膜厚測定中での極大値の変動に影響されず、安定した膜厚測定が可能となる。特に、ウェハＷの研磨中に膜厚測定する場合には、ウェハＷと膜厚測定ヘッド３１（および研磨テーブル３）が相対移動している。このような条件下では、ウェハ上の測定点ごとに周波数成分の強度が変動しやすい。このような場合であっても、処理部３２は、周波数成分の強度の極大値同士を比較しないので、周波数成分の強度の変動に影響されずに膜厚を決定することができる。
処理部３２は、選択規準に従って選択した膜厚を膜厚測定値として出力する。しきい値および／または測定条件によっては、３つ以上の膜厚候補が存在する場合もある。このような場合であっても、選択規準に従って、Ｎ番目に大きい、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することが可能である。
図７に示すように、投光部４２は、研磨テーブル３が１回転するたびにウェハＷの中心を含む複数の測定点Ｐに光を照射しながら、光ファイバー（受光部）４３はウェハＷの複数の測定点Ｐから反射光を受ける。したがって、膜厚測定ヘッド３１の投光部４２および光ファイバー（受光部）４３がウェハＷの表面を横切るたびに、処理部３２は、複数の測定点Ｐで上述した膜厚の選択を繰り返し実行する。
上述した膜厚の選択規準は、研磨すべきウェハＷと同一構造を有する参照ウェハ（参照基板）の膜厚を、ウェハＷの膜厚測定と同じ工程で測定した結果に基づいて予め決定される。すなわち、参照ウェハに光を照射し、参照ウェハからの反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成し、分光波形にフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、周波数成分の強度の、上記しきい値よりも大きい複数の極大値を選別し、選別された複数の極大値の測定時間に伴う変化を分析することによって、上述した選択規準が決定される。
参照ウェハの膜厚測定は、参照ウェハの水研磨中に実行されることが好ましい。水研磨とは、研磨液に代えて純水を研磨パッド１上に供給しながら、参照ウェハを研磨パッド１に摺接させる工程である。水研磨中は、ウェハＷのスラリー研磨時よりも小さい力で研磨パッド１に押される。水研磨では、参照ウェハの研磨は実質的に進行しない。
選択規準は、参照ウェハの膜厚測定結果を用いて、次のようにして予め決定される。一実施形態では、選択規準を決定する工程は、参照ウェハの水研磨中において、選別（決定）された複数の極大値の変動の大きさを計算し、変動の大きさが最も小さい極大値、すなわち最も安定した極大値に対応する膜厚を選択する工程を含む。図５，図６に示す例では、参照ウェハ上の各測定点（図７の符号Ｐ参照）で膜厚測定が行われるたびに、２つの極大値Ｍ１，Ｍ２が選別される。図５，図６から分かるように、極大値Ｍ１，Ｍ２は、測定点ごとに変わりうる。
図８は、２つの極大値Ｍ１，Ｍ２が測定時間とともに変動する様子を示すグラフである。縦軸は周波数成分の強度を表し、横軸は測定時間を表す。図８から分かるように、水研磨中における極大値Ｍ２の変動の大きさは、極大値Ｍ１の変動の大きさよりも小さい。したがって、この場合は、処理部３２は、変動の大きさが最も小さい極大値Ｍ２に対応する膜厚ｔ２を決定し、この決定された膜厚ｔ２を選択するための選択規準を決定する。この例での選択規準は、複数の膜厚候補の中から、１番目に小さい（すなわち最も小さい）膜厚を選択することである。
図８に示す例では、選択規準に従い、より安定している膜厚ｔ２が選択される。したがって、処理部３２は、膜厚測定値として膜厚ｔ２を研磨制御部１２に出力する。研磨制御部１２は、処理部３２から送られた膜厚ｔ２に基づいて研磨動作（例えば、研磨終了動作）を制御する。図１６に示すウェハ構造を研磨する場合において、研磨される膜は露出層１００である。下地層１０１が表面に現れたときに露出層１００の研磨を終了するためには、露出層１００の厚さｔ２を監視する必要がある。したがって、露出層１００の厚さｔ２は、研磨制御部１２が監視すべき膜厚である。研磨制御部１２は、露出層１００の厚さｔ２が予め設定された目標値に達した場合には、ウェハＷの研磨を終了する。
しかしながら、選択規準を決定する工程において、膜厚ｔ１を選択するための選択規準が決定されることがある。例えば、参照ウェハの水研磨中における極大値Ｍ１の変動の大きさが極大値Ｍ２の変動の大きさよりも小さい場合には、膜厚ｔ１を選択するための選択規準が決定される。このような場合には、研磨制御部１２は、予め設定された目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出し、処理部３２から出力された膜厚ｔ１が補正目標値に達した場合には、ウェハＷの研磨を終了する。このオフセット値は、ウェハ構造に基づいて予め設定された数値であり、正または負の符号を持つ。このオフセット値は、ユーザーによって研磨制御部１２に予め入力される。
上述した実施形態では、極大値の安定性に基づいて選択規準が定められるが、極大値の大きさに基づいて選択規準が定められてもよい。すなわち、他の実施形態では、選択規準を決定する工程は、参照ウェハの水研磨中において複数の極大値が選別（決定）されるたびに、これら複数の極大値同士を比較して、最も大きい極大値を決定し、この決定された最も大きい極大値に対応する膜厚を特定し、参照ウェハの水研磨中において最も多く（最も頻繁に）特定された膜厚を選択する工程を含む。
図９は、参照ウェハの水研磨中において、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された膜厚を測定時間に沿って並べたグラフである。縦軸は膜厚を表し、横軸は測定時間を表す。図９から分かるように、膜厚ｔ１は膜厚ｔ２よりも多くグラフ上に現れている。これは、膜厚ｔ１が、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された回数は、膜厚ｔ２が、最も大きい極大値に対応する膜厚として特定された回数よりも多いことを示している。したがって、この場合は、処理部３２は、膜厚ｔ１を選択するための選択規準を決定する。この例での選択規準は、複数の膜厚候補の中から、１番目に大きい（すなわち最も大きい）膜厚を選択することである。
周波数スペクトルのある特定の膜厚領域にノイズが発生する傾向がある場合は、このようなノイズを回避するような選択規準を決定することが望ましい。例えば、小さい膜厚領域にノイズが発生する傾向がある場合は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択する選択規準を決定することが好ましく、大きい膜厚領域にノイズが発生する傾向がある場合は、Ｎ番目に小さい膜厚を選択する選択規準を決定することが好ましい。
次に、研磨すべきウェハＷと同一構造を有する参照ウェハ（参照基板）の膜厚を測定した結果に基づいて、周波数成分の強度の極大値を選別するためのしきい値と、膜厚の選択規準を同時に決定する実施形態について説明する。図１０は、参照ウェハの研磨中に取得された、予め設定された仮のしきい値よりも大きい極大値に対応する膜厚を示すグラフである。図１０に示す各膜厚は、参照ウェハ上の１つの測定点（例えば、参照ウェハの中心にある測定点）で取得された膜厚である。なお、図１０では、仮のしきい値および周波数成分の強度の極大値は図示されていない。
図１０において、縦軸は膜厚を表し、横軸は膜厚の測定時間を表す。この測定時間は、参照ウェハの研磨時間に相当する。図１０に示す例では、参照ウェハの研磨は、研磨液としてスラリーを用いたスラリー研磨である。このため、測定時間とともに膜厚が少しずつ小さくなっている。なお、参照ウェハを水研磨してもよい。
研磨テーブル３が一回転するたびに、予め定められた１つの測定点で取得された全ての極大値のうち、仮のしきい値よりも大きい極大値が選別される。例えば、時間Ｔａでは、仮のしきい値よりも大きい３つの極大値が選別される。したがって、時間Ｔａでは、１つの測定点に３つの膜厚が存在する。
次に、仮のしきい値を少しずつ大きくする。図１１は、仮のしきい値を大きくしたときに選別された極大値に対応する膜厚を示すグラフである。図１０と図１１との対比から分かるように、仮のしきい値を大きくすると、小さな極大値は選別されず、選別された極大値の数が減少する。結果として、グラフに現れる膜厚の数は減少する。小さな極大値は、ノイズであることが多い。したがって、仮のしきい値を大きくすることで、そのようなノイズを排除することができる。結果として、図１１に示すように、測定時間に従って減少する（すなわち安定した）膜厚変化がグラフに現れる。大きくした仮のしきい値は、研磨すべきウェハＷの膜厚測定に使用されるしきい値に決定される。
図１１では、膜厚の２つのグループＧ１，Ｇ２が現れている。グループＧ２に属する膜厚の数は、グループＧ１に属する膜厚の数よりも大きい。これは、グループＧ２に属する膜厚の変化は、グループＧ１に属する膜厚の変化よりも、参照ウェハの膜厚の変化をより正確に反映していることを意味している。グループＧ１，Ｇ２の中では、グループＧ２は最も小さな膜厚が属するグループであるので、この例の選択規準は、複数の膜厚候補の中から、１番目に小さい（すなわち最も小さい）膜厚を選択することである。このように、参照ウェハの膜厚測定結果から、しきい値および膜厚の選択規準を同時に決定することができる。
上述した膜厚測定方法は、ウェハ研磨中での膜厚測定に適用できることはもちろんのこと、ウェハおよび研磨テーブルが静止した状態での膜厚測定にも適用することができる。
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 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨ヘッド
１０ 研磨液供給ノズル
１２ 研磨制御部
１６ 研磨ヘッドシャフト
１７ 連結手段
１８ 研磨ヘッドモータ
１９ テーブルモータ
２５ 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）
３１ 膜厚測定ヘッド
３２ 処理部
４２ 投光部
４３ 受光部（光ファイバー）
４４ 分光器
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

Claims (21)

  1. 表面に膜が形成された基板に光を照射し、
    前記基板からの反射光の強さと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、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする膜厚測定方法。
  2. 前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
  3. 前記しきい値は、過去の膜厚測定結果から決定された値であることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定方法。
  4. 前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項１または２に記載の膜厚測定方法。
  5. 前記予め設定された選択規準は、前記基板と同一構造を有する参照基板の膜厚を、前記基板と同じ工程で測定した結果に基づいて予め決定されることを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定方法。
  6. 前記参照基板の膜厚測定は、前記参照基板を水研磨しながら実行されることを特徴とする請求項５に記載の膜厚測定方法。
  7. 前記選択規準を決定する工程は、
    前記参照基板の膜厚測定中に決定された複数の極大値の変動の大きさを計算し、
    前記変動の大きさが最も小さい極大値に対応する膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定方法。
  8. 前記選択規準を決定する工程は、
    前記参照基板の膜厚測定中において複数の極大値が決定されるたびに、これら複数の極大値同士を比較して、最も大きい極大値を決定し、
    前記最も大きい極大値に対応する膜厚を特定し、
    最も多く特定された膜厚を選択する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定方法。
  9. 表面に膜が形成された基板に光を照射する投光部と、
    前記基板からの反射光を受ける受光部と、
    前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、
    前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部とを備え、
    前記処理部は、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする膜厚測定装置。
  10. 前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする請求項９に記載の膜厚測定装置。
  11. 前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項９または１０に記載の膜厚測定装置。
  12. 表面に膜が形成された基板と研磨面とを摺接させながら、前記基板に光を照射し、
    前記基板からの反射光の強さと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、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択することを特徴とする研磨方法。
  13. 前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。
  14. 前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出する工程をさらに含み、
    前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了することを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
  15. 前記複数の極大値は、しきい値との比較に基づいて決定されることを特徴とする請求項１２に記載の研磨方法。
  16. 前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の研磨方法。
  17. 研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
    表面に膜が形成された基板を前記研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、
    前記基板に光を照射する投光部と、
    前記基板からの反射光を受ける受光部と、
    前記反射光の各波長での強度を測定する分光器と、
    前記反射光の強さと波長との関係を示す分光波形を生成する処理部と、
    前記基板の研磨を制御する研磨制御部とを備え、
    前記処理部は、
    前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、周波数成分の強度および対応する膜厚を決定し、
    前記周波数成分の強度の複数の極大値を決定し、
    前記複数の極大値にそれぞれ対応する複数の膜厚の中から、予め設定された選択規準に従って１つの膜厚を選択するように構成されていることを特徴とする研磨装置。
  18. 前記研磨制御部は、前記選択された膜厚が予め設定された目標値に達した場合には、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
  19. 前記研磨制御部は、前記目標値にオフセット値を加算して補正目標値を算出し、前記選択された膜厚が前記補正目標値に達した場合に、前記基板の研磨を終了させることを特徴とする請求項１８に記載の研磨装置。
  20. 前記処理部は、前記複数の極大値を、しきい値との比較に基づいて決定することを特徴とする請求項１７に記載の研磨装置。
  21. 前記予め設定された選択規準は、Ｎ番目に大きい膜厚を選択することであるか、またはＮ番目に小さい膜厚を選択することのいずれかであり、Ｎは予め定められた自然数であることを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の研磨装置。
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