JP2018194427A - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の寿命を正確に決定することができ、さらには、光学式膜厚測定装置の較正をすることなくウェハなどの基板の膜厚を正確に測定することができる研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置は、光を発する光源３０と、研磨テーブル３内の所定の位置に配置された先端を有し、光源３０に接続された投光ファイバー３４と、ウェハＷからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する分光器２６と、研磨テーブル３内の上記所定の位置に配置された先端を有し、分光器２６に接続された受光ファイバー５０と、反射光の強度と波長との関係を示す分光波形に基づいてウェハＷの膜厚を決定する処理部２７と、光源３０に接続された内部光ファイバー７２と、受光ファイバー５０または内部光ファイバー７２のいずれか一方を選択的に分光器２６に接続する光路選択機構７０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、膜が表面に形成されているウェハを研磨する研磨装置および研磨方法に関し、特に、ウェハ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ウェハの膜厚を検出しながらウェハを研磨する研磨装置および研磨方法に関する。

半導体デバイスの製造プロセスには、ＳｉＯ_２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。

ウェハの研磨は研磨装置を使用して行われる。絶縁膜やシリコン層などの非金属膜の膜厚を測定するために、研磨装置は、一般に、光学式膜厚測定装置を備える。この光学式膜厚測定装置は、光源から発せられた光をウェハの表面に導き、ウェハからの反射光のスペクトルを解析することで、ウェハの膜厚を検出するように構成される。

特開２００９−３０２５７７号公報 特開２０１７−５０１４号公報

光源の光量は、光源の使用時間とともに徐々に低下する。そこで、光源の光量がある程度低下した場合には、光学式膜厚測定装置の較正が必要となる。さらには、光源の寿命に達する前に、光源を新たなものに交換する必要がある。しかしながら、光学式膜厚測定装置の較正にはある程度の時間がかかり、かつ較正用の治具が必要となる。また、光源の光量の低下は、光源以外の要因によっても引き起こされることがあり、光源の寿命を正確に判断することは難しい。

そこで、本発明は、光源の寿命を正確に決定することができ、さらには、光学式膜厚測定装置の較正をすることなくウェハなどの基板の膜厚を正確に測定することができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、ウェハを前記研磨パッドに押し付けるための研磨ヘッドと、光を発する光源と、前記研磨テーブル内の所定の位置に配置された先端を有し、前記光源に接続された投光ファイバーと、ウェハからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する分光器と、前記研磨テーブル内の前記所定の位置に配置された先端を有し、前記分光器に接続された受光ファイバーと、前記反射光の強度と波長との関係を示す分光波形に基づいてウェハの膜厚を決定する処理部と、前記光源に接続された内部光ファイバーと、前記受光ファイバーまたは前記内部光ファイバーのいずれか一方を選択的に前記分光器に接続する光路選択機構を備えたことを特徴とする研磨装置である。

前記処理部は、前記反射光の強度を補正するための補正式を内部に予め格納しており、前記補正式は、前記反射光の強度と、前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の強度を少なくとも変数として含む関数であることを特徴とする。
前記反射光の波長λでの強度をＥ（λ）、予め測定された光の波長λでの基準強度をＢ（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ１（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＦ（λ）、前記強度Ｆ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ２（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＧ（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前であって、かつ前記強度Ｇ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ３（λ）とすると、前記補正式は、
補正された強度＝［Ｅ（λ）−Ｄ３（λ）］／［［Ｂ（λ）−Ｄ１（λ）］
×［Ｇ（λ）−Ｄ３（λ）］／［Ｆ（λ）−Ｄ２（λ）］］
で表されることを特徴とする。

前記基準強度Ｂ（λ）は、膜が形成されていないシリコンウェハを研磨パッド上で水の存在下で水研磨しているとき、または膜が形成されていないシリコンウェハが研磨パッド上に置かれているときに前記分光器により測定されたシリコンウェハからの反射光の強度であることを特徴とする。
前記基準強度Ｂ（λ）は、同一条件下で測定された前記シリコンウェハからの反射光の強度の複数の値の平均であることを特徴とする。

前記処理部は、ウェハの研磨前に前記光路選択機構に指令を発して前記内部光ファイバーを前記分光器に接続させることを特徴とする。
前記処理部は、前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の強度がしきい値よりも低いときにアラーム信号を生成することを特徴とする。
前記投光ファイバーは、前記研磨テーブル内の異なる位置に配置された複数の先端を有し、前記受光ファイバーは、前記研磨テーブル内の前記異なる位置に配置された複数の先端を有することを特徴とする。
前記投光ファイバーは、複数の第１投光素線光ファイバーおよび複数の第２投光素線光ファイバーを有し、前記複数の第１投光素線光ファイバーの光源側端部および前記複数の第２投光素線光ファイバーの光源側端部は、前記光源の中心の周りに均等に分布していることを特徴とする。
前記光源の中心から前記複数の第１投光素線光ファイバーの光源側端部までの距離の平均は、前記光源の中心から前記複数の第２投光素線光ファイバーの光源側端部までの距離の平均に等しいことを特徴とする。
前記内部光ファイバーの光源側端部は、前記光源の中心に位置していることを特徴とする。
前記複数の第１投光素線光ファイバー、前記複数の第２投光素線光ファイバー、および前記内部光ファイバーの一部は、結束具で束ねられた幹ファイバーを構成し、前記複数の第１投光素線光ファイバー、前記複数の第２投光素線光ファイバー、および前記内部光ファイバーの他の部分は、前記幹ファイバーから分岐した枝ファイバーを構成していることを特徴とする。

光源と分光器とを接続する内部光ファイバーを通じて前記光源からの光を前記分光器に導いて該光の強度を前記分光器で測定し、研磨テーブル上の研磨パッドにウェハを押し付けて該ウェハを研磨し、前記ウェハの研磨中に前記ウェハに光を導き、かつ前記ウェハからの反射光の強度を測定し、前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の前記強度に基づいて、前記ウェハからの反射光の前記強度を補正し、前記補正された強度と光の波長との関係を示す分光波形に基づいて前記ウェハの膜厚を決定することを特徴とする研磨方法である。

前記反射光の波長λでの強度をＥ（λ）、予め測定された光の波長λでの基準強度をＢ（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ１（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＦ（λ）、前記強度Ｆ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ２（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＧ（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前であって、かつ前記強度Ｇ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ３（λ）とすると、前記ウェハからの反射光の前記強度は、
補正された強度＝［Ｅ（λ）−Ｄ３（λ）］／［［Ｂ（λ）−Ｄ１（λ）］
×［Ｇ（λ）−Ｄ３（λ）］／［Ｆ（λ）−Ｄ２（λ）］］
で表される補正式を用いて補正されることを特徴とする。

前記基準強度Ｂ（λ）は、膜が形成されていないシリコンウェハを研磨パッド上で水の存在下で水研磨しているとき、または膜が形成されていないシリコンウェハが研磨パッド上に置かれているときに前記分光器により測定されたシリコンウェハからの反射光の強度であることを特徴とする。
前記基準強度Ｂ（λ）は、同一条件下で測定された前記シリコンウェハからの反射光の強度の複数の値の平均であることを特徴とする。

前記内部光ファイバーを通じて前記光源からの光を前記分光器に導いて該光の強度を前記分光器で測定する工程は、前記ウェハの研磨前に行われることを特徴とする。
前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の強度がしきい値よりも低いときにアラーム信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする。
前記光の強度が前記しきい値よりも低い場合は、前記ウェハを研磨せずに基板カセットに戻すことを特徴とする。

本発明によれば、光源から発せられた光は、内部光ファイバーを通じて分光器に導かれる。光は基板を経由せずに分光器に直接送られるので、分光器によって測定された光の強度に基づいて、処理部は光源の寿命を正確に決定することができる。さらに、処理部は、内部光ファイバーを通じて分光器に導かれた光の強度、すなわち内部モニタリング強度を用いて、ウェハの研磨中にウェハからの反射光の強度を補正する。補正された反射光の強度は、基板の正しい光学情報を含んでいるので、処理部は基板の正しい膜厚を決定することができる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。 研磨パッドおよび研磨テーブルを示す上面図である。 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）を示す拡大図である。 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。 分光波形の一例を示すグラフである。 図５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。 第１投光素線光ファイバーの光源側端部および第２投光素線光ファイバーの光源側端部の配列を示す模式図である。

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、研磨パッド１を支持する研磨テーブル３と、ウェハＷを保持しウェハＷを研磨テーブル３上の研磨パッド１に押し付ける研磨ヘッド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でき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、研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒の機械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、光を発する光源３０と、研磨テーブル３内の異なる位置に配置された複数の先端３４ａ，３４ｂを有する投光ファイバー３４と、研磨テーブル３内の前記異なる位置に配置された複数の先端５０ａ，５０ｂを有する受光ファイバー５０と、ウェハＷからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する分光器２６と、反射光の強度と波長との関係を示す分光波形を生成する処理部２７とを備えている。処理部２７は研磨制御部１２に接続されている。

投光ファイバー３４は光源３０に接続されており、光源３０から発せられた光をウェハＷの表面に導くように配置されている。受光ファイバー５０は、光路選択機構７０に接続されている。光源３０には、内部光ファイバー７２の一端が接続されており、内部光ファイバー７２の他端は光路選択機構７０に接続されている。さらに、光路選択機構７０は、接続光ファイバー７４を介して分光器２６に接続されている。

光路選択機構７０は、受光ファイバー５０または内部光ファイバー７２のいずれか一方を、接続光ファイバー７４を介して分光器２６に光学的に接続するように構成される。より具体的には、光路選択機構７０が作動して受光ファイバー５０を分光器２６に光学的に接続すると、ウェハＷからの反射光は受光ファイバー５０、光路選択機構７０、および接続光ファイバー７４を通って分光器２６に導かれる。光路選択機構７０が作動して内部光ファイバー７２を分光器２６に光学的に接続すると、光源３０から発せられた光は、内部光ファイバー７２、光路選択機構７０、および接続光ファイバー７４を通って分光器２６に導かれる。光路選択機構７０の動作は処理部２７によって制御される。

光路選択機構７０の一例としては、光スイッチが挙げられる。光スイッチは、第１光路をアクチュエータにより駆動して複数の第２光路のうちの少なくとも１つに選択的に接続するタイプでもよく、または複数の第１光路にそれぞれ接続された第２光路のうちの少なくとも１つをシャッターで遮るタイプでもよい。

投光ファイバー３４の一方の先端３４ａと、受光ファイバー５０の一方の先端５０ａは、互いに隣接しており、これらの先端３４ａ，５０ａは第１光センサ６１を構成する。投光ファイバー３４の他方の先端３４ｂと、受光ファイバー５０の他方の先端５０ｂは、互いに隣接しており、これらの先端３４ｂ，５０ｂは第２光センサ６２を構成する。研磨パッド１は、第１光センサ６１および第２光センサ６２の上方に位置する通孔１ｂ，１ｃを有しており、第１光センサ６１および第２光センサ６２は、これらの通孔１ｂ，１ｃを通じて研磨パッド１上のウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受けることができるようになっている。

一実施形態では、投光ファイバー３４は研磨テーブル３内の所定の位置に配置された１つの先端のみを有してもよく、同様に受光ファイバー５０は研磨テーブル３内の前記所定の位置に配置された１つの先端のみを有してもよい。この場合も、投光ファイバー３４の先端と受光ファイバー５０の先端は互いに隣接して配置され、投光ファイバー３４の先端と受光ファイバー５０の先端は、研磨パッド１上のウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受ける光センサを構成する。

図２は、研磨パッド１および研磨テーブル３を示す上面図である。第１光センサ６１および第２光センサ６２は、研磨テーブル３の中心から異なる距離に位置しており、かつ研磨テーブル３の周方向において互いに離れて配置されている。図２に示す実施形態では、第２光センサ６２は、研磨テーブル３の中心に関して第１光センサ６１の反対側に配置されている。第１光センサ６１および第２光センサ６２は、研磨テーブル３が一回転するたびに異なる軌跡を描いてウェハＷを交互に横切る。具体的には、第１光センサ６１はウェハＷの中心を横切り、第２光センサ６２はウェハＷのエッジ部のみを横切る。第１光センサ６１および第２光センサ６２は、交互にウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受ける。

図３は、光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５を示す拡大図である。投光ファイバー３４は、複数の第１投光素線光ファイバー３６および複数の第２投光素線光ファイバー３７を有している。第１投光素線光ファイバー３６の先端および第２投光素線光ファイバー３７の先端は、結束具３２，３３でそれぞれ束ねられており、これらの先端は投光ファイバー３４の先端３４ａ，３４ｂを構成する。

第１投光素線光ファイバー３６の光源側端部、第２投光素線光ファイバー３７の光源側端部、および内部光ファイバー７２の光源側端部は、光源３０に接続されている。第１投光素線光ファイバー３６、第２投光素線光ファイバー３７、および内部光ファイバー７２の一部は、結束具３１で束ねられた幹ファイバー３５を構成している。幹ファイバー３５は、光源３０に接続されている。第１投光素線光ファイバー３６、第２投光素線光ファイバー３７、および内部光ファイバー７２の他の部分は、幹ファイバー３５から分岐した枝ファイバーを構成している。

図３に示す実施形態では、１本の幹ファイバー３５が３本の枝ファイバーに分岐しているが、素線光ファイバーを追加することにより、４本以上の枝ファイバーに分岐することも可能である。さらに、素線光ファイバーを追加することにより、ファイバーの径を簡単に大きくすることができる。このような多数の素線光ファイバーから構成されるファイバーは、曲げやすく、かつ折れにくいという利点を備えている。

受光ファイバー５０は、結束具５１で結束された複数の第１受光素線光ファイバー５６、および結束具５２で結束された複数の第２受光素線光ファイバー５７を備えている。受光ファイバー５０の先端５０ａ，５０ｂは、第１受光素線光ファイバー５６および第２受光素線光ファイバー５７の先端から構成されている。第１投光素線光ファイバー３６の先端３４ａと第１受光素線光ファイバー５６の先端５０ａは第１光センサ６１を構成し、第２投光素線光ファイバー３７の先端３４ｂと第２受光素線光ファイバー５７の先端５０ｂは第２光センサ６２を構成している。第１受光素線光ファイバー５６および第２受光素線光ファイバー５７の反対側の端部は光路選択機構７０に接続されている。

光路選択機構７０および分光器２６は処理部２７に電気的に接続されている。光路選択機構７０は処理部２７によって操作される。ウェハＷを研磨するときは、処理部２７は光路選択機構７０を操作して、受光ファイバー５０を分光器２６に光学的に接続する。より具体的には、研磨テーブル３が一回転するたびに、処理部２７は光路選択機構７０を操作して、第１受光素線光ファイバー５６および第２受光素線光ファイバー５７を交互に分光器２６に接続する。第１受光分岐ファイバー５６の先端５０ａがウェハＷの下にある間は、第１受光素線光ファイバー５６は分光器２６に接続され、第２受光分岐ファイバー５７の先端５０ｂがウェハＷの下にある間は、第２受光素線光ファイバー５７は分光器２６に接続される。

本実施形態では、光路選択機構７０は、第１受光素線光ファイバー５６、第２受光素線光ファイバー５７、および内部光ファイバー７２のうちのいずれか１つを光学的に分光器２６に接続するように構成されている。このような構成によれば、ウェハＷからの反射光のみを分光器２６に伝達することができるので、膜厚測定の精度が向上する。一実施形態では、光路選択機構７０は、受光素線光ファイバー５６，５７または内部光ファイバー７２のいずれかを光学的に分光器２６に接続するように構成されてもよい。この場合は、ウェハＷの研磨中は受光素線光ファイバー５６，５７の両方を通じて光が分光器２６に伝達されるが、ウェハＷからの反射光以外の光の強度は極めて低いので、あるしきい値以上の強度を持つ光のみを膜厚測定に使用することで、正確な膜厚測定は可能である。

ウェハＷの研磨中は、投光ファイバー３４から光がウェハＷに照射され、受光ファイバー５０によってウェハＷからの反射光が受光される。ウェハＷからの反射光は分光器２６に導かれる。分光器２６は、反射光を波長に従って分解して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２７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２７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する。

図４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る。図４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。ウェハ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、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分光波形は、上層膜の厚さに従って変化する。

分光器２６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２７は、分光器２６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、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、後述する相対反射率などの相対値として表わすこともできる。

図５は、分光波形の一例を示すグラフである。図５において、縦軸はウェハＷからの反射光の強度を示す相対反射率を表し、横軸は反射光の波長を表す。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測定された光の強度であり、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、第１光センサ６１または第２光センサ６２から発せられた光の強度を直接測定するか、または第１光センサ６１または第２光センサ６２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）を研磨パッド１上で水の存在下で水研磨しているとき、または上記シリコンウェハ（ベアウェハ）が研磨パッド１上に置かれているときに分光器２６により測定されたシリコンウェハからの反射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（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）はウェハから反射した光の波長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）は光を遮断した条件下で測定された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。

処理部２７は、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６は、図５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６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６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６に示すグラフにおいて、周波数成分の強度のピークは膜厚ｔ１で現れる。言い換えれば、膜厚ｔ１において、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、膜厚がｔ１であることを示している。このようにして、処理部２７は、周波数成分の強度のピークに対応する膜厚を決定する。

処理部２７は、膜厚測定値として膜厚ｔ１を研磨制御部１２に出力する。研磨制御部１２は、処理部２７から送られた膜厚ｔ１に基づいて研磨動作（例えば、研磨終了動作）を制御する。例えば、研磨制御部１２は、膜厚ｔ１が予め設定された目標値に達したときに、ウェハＷの研磨を終了する。

上述したように、光学式膜厚測定器２５は、光源３０の光をウェハＷに導き、ウェハＷからの反射光を解析することによってウェハＷの膜厚を決定する。しかしながら、光源３０の光量は、光源３０の使用時間とともに徐々に低下する。結果として、真の膜厚と、測定された膜厚との間の誤差が大きくなってしまう。そこで、本実施形態では、光学式膜厚測定器２５は、内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の強度に基づいて、ウェハＷからの反射光の強度を補正し、光源３０の光量の低下を補償するように構成されている。

処理部２７は、上記式（１）に代えて、次の補正式（２）を用いて反射光の補正された強度を算出する。

ここで、Ｒ'（λ）は補正された反射光の強度、すなわち補正された相対反射率を表し、Ｅ（λ）は研磨されるウェハＷからの反射光の波長λでの強度を表し、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度を表し、Ｄ１（λ）は基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルを表し、Ｆ（λ）は基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の波長λでの強度を表し、Ｄ２（λ）は強度Ｆ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルを表し、Ｇ（λ）は強度Ｅ（λ）を測定する前に内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の波長λでの強度を表し、Ｄ３（λ）は強度Ｅ（λ）を測定する前であって、かつ強度Ｇ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルを表す。

Ｅ（λ）、Ｂ（λ）、Ｄ１（λ）、Ｆ（λ）、Ｄ２（λ）、Ｇ（λ）、Ｄ３（λ）は、所定の波長範囲内で波長ごとに測定される。ダークレベルＤ１（λ）、Ｄ２（λ）、Ｄ３（λ）を測定するための光が遮断された環境は、分光器２６に内蔵されたシャッター（図示せず）で光を遮ることにより作り出すことができる。

処理部２７は、ウェハＷからの反射光の強度を補正するための上記補正式を内部に予め格納している。この補正式は、ウェハＷからの反射光の強度と、内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の強度を少なくとも変数として含む関数である。基準強度Ｂ（λ）は、各波長について予め測定された光の強度である。例えば、基準強度Ｂ（λ）は、第１光センサ６１または第２光センサ６２から発せられた光の強度を直接測定するか、または第１光センサ６１または第２光センサ６２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Ｂ（λ）は、膜が形成されていないシリコンウェハ（ベアウェハ）を研磨パッド１上で水の存在下で水研磨しているとき、または上記シリコンウェハ（ベアウェハ）が研磨パッド１上に置かれているときに分光器２６により測定されたシリコンウェハからの反射光の強度としてもよい。基準強度Ｂ（λ）の正しい値を得るために、基準強度Ｂ（λ）は、同一条件下で測定された光の強度の複数の値の平均であってもよい。

基準強度Ｂ（λ）、ダークレベルＤ１（λ）、強度Ｆ（λ）、ダークレベルＤ２（λ）は、予め測定され、定数として上記補正式に予め入力される。強度Ｅ（λ）はウェハＷの研磨中に測定される。強度Ｇ（λ）およびダークレベルＤ３（λ）はウェハＷの研磨前（好ましくはウェハＷの研磨直前）に測定される。例えば、ウェハＷが研磨ヘッド５に保持される前に、処理部２７は、光路選択機構７０を操作して、内部光ファイバー７２を分光器２６に接続し、光源３０の光を内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導く。分光器２６は、強度Ｇ（λ）およびダークレベルＤ３（λ）を測定し、それらの測定値を処理部２７に送る。処理部２７は、強度Ｇ（λ）およびダークレベルＤ３（λ）の測定値を上記補正式に入力する。強度Ｇ（λ）およびダークレベルＤ３（λ）の測定が完了すると、処理部２７は、光路選択機構７０を操作して受光ファイバー５０を分光器２６に接続する。その後、ウェハＷが研磨され、ウェハＷの研磨中に強度Ｅ（λ）が分光器２６によって測定される。

処理部２７は、ウェハＷの研磨中に、強度Ｅ（λ）の測定値を上記補正式に入力し、補正された相対反射率Ｒ'（λ）を各波長において算出する。より具体的には、処理部２７は、補正された相対反射率Ｒ'（λ）を所定の波長範囲において算出する。したがって、処理部２７は、補正された相対反射率（すなわち補正された光の強度）と光の波長との関係を示す分光波形を作成することができる。処理部２７は、図５および図６を参照して説明した方法でウェハＷの膜厚を分光波形に基づいて決定する。分光波形は、補正された光の強度に基づいて作成されるので、処理部２７は、ウェハＷの正確な膜厚を決定することができる。

本実施形態によれば、較正用の治具を用いて光学式膜厚測定器２５を較正するのではなく、ウェハＷの研磨前に内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の強度Ｇ（λ）、すなわち内部モニタリグ強度に基づいて、ウェハＷからの反射光が補正される。よって、光学式膜厚測定器２５の較正は不要である。

強度Ｇ（λ）およびダークレベルＤ３（λ）は、ウェハが研磨されるたびに測定されてもよいし、または所定枚数のウェハ（例えば２５枚のウェハ）が研磨されるたびに測定されてもよい。

光源３０の光量は、光源３０の使用時間とともに徐々に低下する。光源３０の光量がある程度低下すると、光源３０を新たなものに交換しなければならない。そこで、処理部２７は、ウェハＷの研磨前に内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の強度Ｇ（λ）に基づいて、光源３０の寿命を判断するように構成されている。より具体的には、ウェハＷの研磨前に、処理部２７は、光路選択機構７０を操作して、内部光ファイバー７２を分光器２６に光学的に接続し、光源３０の光を内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導く。分光器２６は、内部光ファイバー７２を通じて送られた光の強度Ｇ（λ）を測定する。処理部２７は、光の強度Ｇ（λ）を、予め設定されたしきい値と比較し、強度Ｇ（λ）がしきい値よりも低い場合には、警報信号を生成する。

処理部２７は、予め定められた波長λでの強度Ｇ（λ）をしきい値と比較してもよいし、または予め定められた波長範囲（λ１〜λ２）での強度Ｇ（λ）［λ＝λ１〜λ２］の平均をしきい値と比較してもよいし、または予め定められた波長範囲（λ１〜λ２）での強度Ｇ（λ）［λ＝λ１〜λ２］の最大値または最小値をしきい値と比較してもよい。

強度Ｇ（λ）は、内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に直接導かれた光の強度、すなわち内部モニタリング強度である。言い換えれば、強度Ｇ（λ）は、ウェハＷの状態や他の光路の影響を受けない光の強度である。したがって、処理部２７は、光源３０の寿命を正確に判断することができる。

処理部２７は、ウェハＷの研磨前に光路選択機構７０を操作して、内部光ファイバー７２を分光器２６に接続し、内部光ファイバー７２を通じて分光器２６に導かれた光の強度Ｇ（λ）に基づいて光源３０の寿命を判断する。強度Ｇ（λ）がしきい値よりも低い場合は、処理部２７は警報信号を生成し、かつ研磨ヘッド５をインターロックして研磨ヘッド５がウェハＷの研磨を開始することを防止する。このようなインターロック操作により、不正確な膜厚を測定しながらのウェハＷの研磨を回避することができる。この場合は、ウェハＷは研磨されずに図示しない基板カセットに戻される。

図１に示すように、第１光センサ６１および第２光センサ６２は研磨テーブル３内に配置されている。研磨テーブル３の中心から第１光センサ６１までの距離は、研磨テーブル３の中心から第２光センサ６２までの距離とは異なっている。したがって、第１光センサ６１および第２光センサ６２は、研磨テーブル３が一回転するたびに、ウェハＷの表面の異なる領域を走査する。ウェハＷの異なる領域で測定された膜厚を正しく評価するためには、第１光センサ６１および第２光センサ６２は、同じ光学的条件下にあることが望ましい。すなわち、第１光センサ６１および第２光センサ６２は、同じ強度の光をウェハＷの表面に照射することが望ましい。

そこで、一実施形態では、第１光センサ６１および第２光センサ６２を構成する第１投光素線光ファイバー３６の光源側端部および第２投光素線光ファイバー３７の光源側端部は、図７に示すように、光源３０の中心Ｃの周りに均等に分布している。第１投光素線光ファイバー３６の光源側端部の数は、第２投光素線光ファイバー３７の光源側端部の数と等しい。さらに、光源３０の中心Ｃから複数の第１投光素線光ファイバー３６の光源側端部までの距離の平均は、光源３０の中心Ｃから複数の第２投光素線光ファイバー３７の光源側端部までの距離の平均に等しい。

このような配列により、光源３０が発した光は、均等に第１投光素線光ファイバー３６および第２投光素線光ファイバー３７を通って第１光センサ６１および第２光センサ６２に到達する。したがって、第１光センサ６１および第２光センサ６２は、同じ強度の光をウェハＷの表面の異なる領域に照射することができる。

本実施形態では、内部光ファイバー７２は、１本の素線光ファイバーから構成されており、内部光ファイバー７２の光源側端部は光源３０の中心Ｃに位置している。内部光ファイバー７２は、上述したように、ウェハＷを照らすためのものではなく、ウェハＷからの反射光の強度の補正に使用されるものである。したがって、内部光ファイバー７２を通って分光器２６に導かれる光の強度は比較的低くてもよい。このような観点から、内部光ファイバー７２は、１本の素線光ファイバーから構成されている。光源３０の中心Ｃでの光の強度は、光源３０の縁部での光の強度に比べて安定しているので、図７に示すように、内部光ファイバー７２の光源側端部は光源３０の中心Ｃに位置していることが好ましい。

図７に示す光ファイバー３６，３７の配列および数は一例であり、光が第１投光素線光ファイバー３６および第２投光素線光ファイバー３７を通って第１光センサ６１および第２光センサ６２に均等に導かれる限り、光ファイバー３６，３７の配列および数は特に限定されない。

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
１９ テーブルモータ
２５ 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）
２６ 分光器
２７ 処理部
３０ 光源
３１，３２，３３ 結束具
３４ 投光ファイバー
３５ 幹ファイバー
３６ 第１投光素線光ファイバー
３７ 第２投光素線光ファイバー
５０ 受光ファイバー
５１ 結束具
５２ 結束具
５６ 第１受光素線光ファイバー
５７ 第２受光素線光ファイバー
６１ 第１光センサ
６２ 第２光センサ
７０ 光路選択機構
７２ 内部光ファイバー
７４ 接続光ファイバー

Claims (19)

1. 研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
   ウェハを前記研磨パッドに押し付けるための研磨ヘッドと、
   光を発する光源と、
   前記研磨テーブル内の所定の位置に配置された先端を有し、前記光源に接続された投光ファイバーと、
   ウェハからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する分光器と、
   前記研磨テーブル内の前記所定の位置に配置された先端を有し、前記分光器に接続された受光ファイバーと、
   前記反射光の強度と波長との関係を示す分光波形に基づいてウェハの膜厚を決定する処理部と、
   前記光源に接続された内部光ファイバーと、
   前記受光ファイバーまたは前記内部光ファイバーのいずれか一方を選択的に前記分光器に接続する光路選択機構を備えたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記処理部は、前記反射光の強度を補正するための補正式を内部に予め格納しており、前記補正式は、前記反射光の強度と、前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の強度を少なくとも変数として含む関数であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記反射光の波長λでの強度をＥ（λ）、予め測定された光の波長λでの基準強度をＢ（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ１（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＦ（λ）、前記強度Ｆ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ２（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＧ（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前であって、かつ前記強度Ｇ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ３（λ）とすると、前記補正式は、
   補正された強度＝［Ｅ（λ）−Ｄ３（λ）］／［［Ｂ（λ）−Ｄ１（λ）］
   ×［Ｇ（λ）−Ｄ３（λ）］／［Ｆ（λ）−Ｄ２（λ）］］
   で表されることを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記基準強度Ｂ（λ）は、膜が形成されていないシリコンウェハを研磨パッド上で水の存在下で水研磨しているとき、または膜が形成されていないシリコンウェハが研磨パッド上に置かれているときに前記分光器により測定されたシリコンウェハからの反射光の強度であることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
5. 前記基準強度Ｂ（λ）は、同一条件下で測定された前記シリコンウェハからの反射光の強度の複数の値の平均であることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
6. 前記処理部は、ウェハの研磨前に前記光路選択機構に指令を発して前記内部光ファイバーを前記分光器に接続させることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
7. 前記処理部は、前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の強度がしきい値よりも低いときにアラーム信号を生成することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
8. 前記投光ファイバーは、前記研磨テーブル内の異なる位置に配置された複数の先端を有し、
   前記受光ファイバーは、前記研磨テーブル内の前記異なる位置に配置された複数の先端を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
9. 前記投光ファイバーは、複数の第１投光素線光ファイバーおよび複数の第２投光素線光ファイバーを有し、
   前記複数の第１投光素線光ファイバーの光源側端部および前記複数の第２投光素線光ファイバーの光源側端部は、前記光源の中心の周りに均等に分布していることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
10. 前記光源の中心から前記複数の第１投光素線光ファイバーの光源側端部までの距離の平均は、前記光源の中心から前記複数の第２投光素線光ファイバーの光源側端部までの距離の平均に等しいことを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
11. 前記内部光ファイバーの光源側端部は、前記光源の中心に位置していることを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
12. 前記複数の第１投光素線光ファイバー、前記複数の第２投光素線光ファイバー、および前記内部光ファイバーの一部は、結束具で束ねられた幹ファイバーを構成し、前記複数の第１投光素線光ファイバー、前記複数の第２投光素線光ファイバー、および前記内部光ファイバーの他の部分は、前記幹ファイバーから分岐した枝ファイバーを構成していることを特徴とする請求項９に記載の研磨装置。
13. 光源と分光器とを接続する内部光ファイバーを通じて前記光源からの光を前記分光器に導いて該光の強度を前記分光器で測定し、
    研磨テーブル上の研磨パッドにウェハを押し付けて該ウェハを研磨し、
    前記ウェハの研磨中に前記ウェハに光を導き、かつ前記ウェハからの反射光の強度を測定し、
    前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の前記強度に基づいて、前記ウェハからの反射光の前記強度を補正し、
    前記補正された強度と光の波長との関係を示す分光波形に基づいて前記ウェハの膜厚を決定することを特徴とする研磨方法。
14. 前記反射光の波長λでの強度をＥ（λ）、予め測定された光の波長λでの基準強度をＢ（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ１（λ）、前記基準強度Ｂ（λ）を測定する直前または直後に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＦ（λ）、前記強度Ｆ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ２（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前に前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の波長λでの強度をＧ（λ）、前記強度Ｅ（λ）を測定する前であって、かつ前記強度Ｇ（λ）を測定する直前または直後に光を遮断した条件下で測定された波長λでのダークレベルをＤ３（λ）とすると、前記ウェハからの反射光の前記強度は、
    補正された強度＝［Ｅ（λ）−Ｄ３（λ）］／［［Ｂ（λ）−Ｄ１（λ）］
    ×［Ｇ（λ）−Ｄ３（λ）］／［Ｆ（λ）−Ｄ２（λ）］］
    で表される補正式を用いて補正されることを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
15. 前記基準強度Ｂ（λ）は、膜が形成されていないシリコンウェハを研磨パッド上で水の存在下で水研磨しているとき、または膜が形成されていないシリコンウェハが研磨パッド上に置かれているときに前記分光器により測定されたシリコンウェハからの反射光の強度であることを特徴とする請求項１４に記載の研磨方法。
16. 前記基準強度Ｂ（λ）は、同一条件下で測定された前記シリコンウェハからの反射光の強度の複数の値の平均であることを特徴とする請求項１５に記載の研磨方法。
17. 前記内部光ファイバーを通じて前記光源からの光を前記分光器に導いて該光の強度を前記分光器で測定する工程は、前記ウェハの研磨前に行われることを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
18. 前記内部光ファイバーを通じて前記分光器に導かれた光の強度がしきい値よりも低いときにアラーム信号を生成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
19. 前記光の強度が前記しきい値よりも低い場合は、前記ウェハを研磨せずに基板カセットに戻すことを特徴とする請求項１３に記載の研磨方法。
    

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