JP2019021748A - 膜厚測定装置、研磨装置、および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚測定領域の大きさを変えることができる膜厚測定装置を提供する。【解決手段】膜厚測定装置は、光源３０と、テーブルの表面から突出しない所定の位置に配置された先端３４ａを有し、光源３０に接続された投光ファイバー３４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２６と、所定の位置に配置された先端５０ａを有し、分光器２６に接続された第１受光ファイバー５０Ａと、上記所定の位置に配置され、かつ第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａに隣接した先端５０ｂを有する第２受光ファイバー５０Ｂ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の膜厚を決定する処理部２７と、第２受光ファイバー５０Ｂと分光器２６とを光学的に接続および切り離す光路選択機構７０を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、ウェハの表面に形成されている膜の厚さを測定するための膜厚測定装置に関し、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する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装置で膜厚を測定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

ウェハの表面に形成されているデバイスのタイプによっては、ウェハ面内の広い領域で膜厚を測定することが望ましい場合もあり、ウェハ面内の狭い領域で膜厚を測定ことが望ましい場合もある。例えば、メモリセルなどのある特定の領域の膜厚を監視する場合には、膜厚測定領域を狭くして不要な膜厚情報を排除することが望ましい。一方、ウェハ面の全体の膜厚を監視する場合には、領域ごとの膜厚のばらつきを減らすために膜厚測定領域を広くすることが望ましい。

そこで、本発明は、膜厚測定領域の大きさを変えることができる膜厚測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、膜厚測定領域の大きさを変えながらウェハを研磨す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、光源と、ウェハ支持構造体の表面から突出しない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第１受光ファイバーと、前記所定の位置に配置され、かつ前記第１受光ファイバーの前記先端に隣接した先端を有する第２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、前記第２受光ファイバーと前記分光器とを光学的に接続および切り離す光路選択機構を備えた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、前記第２受光ファイバーの前記先端は、複数の先端から構成され、前記第２受光ファイバーの前記複数の先端は、前記第１受光ファイバーの前記先端の周りに配列されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１受光ファイバーの前記先端は、複数の先端から構成され、前記第１受光ファイバーの前記複数の先端は、前記第２受光ファイバーの前記先端の周りに配列されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記光路選択機構は、前記第２受光ファイバーを前記分光器または前記光源のいずれか一方に選択的に接続する光路切り替え装置であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記光路切り替え装置は、前記光源に接続された第１接続ファイバーと、前記分光器に接続された第２接続ファイバーと、前記第２受光ファイバーを前記第１接続ファイバーまたは前記第２接続ファイバーに接続する光スイッチを備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記光路選択機構は、前記第２受光ファイバーと前記分光器との間に配置されたシャッター機構であることを特徴とする。

本発明の一態様は、ウェハ支持構造体と、前記ウェハ支持構造体上の研磨パッドにウェハを押し付けるための研磨ヘッドと、上記膜厚測定装置を備えたことを特徴とする研磨装置である。
本発明の一態様は、上記膜厚測定装置でウェハの膜厚を測定しながら、前記ウェハを研磨ヘッドで研磨パッドに押し付けて前記ウェハを研磨し、前記ウェハの研磨中に、前記処理部は前記光路選択機構を操作して、前記第２受光ファイバーと前記分光器とを光学的に接続または切り離すことを特徴とする研磨方法である。

本発明の一態様は、光源と、ウェハ支持構造体の表面から突出しない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、前記所定の位置に配置された先端を有する受光ファイバーと、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、前記受光ファイバーと前記分光器との間に配置された光学系を備え、前記光学系は、開度が可変な視野絞りを有することを特徴とする膜厚測定装置である。前記光学系にはケーラー光学システムが好適に用いられる。

本発明の一態様は、ウェハの表面に形成された構造物の種類に基づいて、光学系の視野絞りの開口を調整し、前記ウェハを研磨し、前記ウェハの研磨中に、光源から発せられた光をウェハの表面に導きながら、前記ウェハからの反射光の前記光学系を通じて分光器に伝達し、前記反射光の強度と波長との関係を示す分光波形を生成し、前記分光波形に基づいて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。

本発明の好ましい態様は、前記ウェハの研磨中に前記視野絞りの開口を変更することを特徴とする。

膜厚測定領域の大きさは、ウェハからの反射光を受ける受光領域の大きさに依存する。本発明によれば、ウェハの表面に形成されているデバイスや膜などの構造体の種類に基づいて受光領域、すなわち膜厚測定領域の適切な大きさを選択することができる。結果として、膜厚測定装置は正確な膜厚を測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４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。 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）の一実施形態を示す模式図である。 光センサを構成する投光ファイバーの先端、第１受光ファイバーの先端、および第２受光ファイバーの先端の配置の一例を示す図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、ウェハに光を導く光ファイバーと、ウェハからの反射光を受ける光ファイバーの配列を説明する図である。 光センサを構成する投光ファイバーの先端、第１受光ファイバーの先端、および第２受光ファイバーの先端の配置の他の例を示す図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、ウェハに光を導く光ファイバーと、ウェハからの反射光を受ける光ファイバーの配列を説明する図である。 は、光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）の他の実施形態を示す拡大図である。 図１１に示す投光ファイバーの先端、第１受光ファイバーの先端、および第２受光ファイバーの先端の配置の一実施形態を示す図である。 図１１に示す投光ファイバーの先端、第１受光ファイバーの先端、および第２受光ファイバーの先端の配置の他の実施形態を示す図である。 光路選択機構の他の実施形態を示す図である。 図１５（ａ）は、図７に示す光ファイバー配列の場合においてシャッターを閉じたときの各光ファイバーの役割を説明するための図であり、図１５（ｂ）は、図７に示す光ファイバー配列の場合においてシャッターを開いたときの各光ファイバーの役割を説明するための図である。 図１６（ａ）は、図９に示す光ファイバー配列の場合においてシャッターを閉じたときの各光ファイバーの役割を説明するための図であり、図１６（ｂ）は、図９に示す光ファイバー配列の場合においてシャッターを開いたときの各光ファイバーの役割を説明するための図である。 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）の他の実施形態を示す拡大図である。 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）の他の実施形態を示す拡大図である。 光センサを構成する投光ファイバーの先端および受光ファイバーの先端の配置の一例を示す図である。 図１８に示すケーラー光学システムの模式図である。

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内の所定の位置に配置された先端３４ａを有する投光ファイバー３４と、研磨テーブル３内の前記所定の位置に配置された先端５０ａを有する第１受光ファイバー５０Ａと、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａの周りに配置された複数の先端５０ｂを有する第２受光ファイバー５０Ｂ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し、分光波形に基づいてウェハの膜厚を決定する処理部２７を備えている。図１では、光ファイバー３４，５０Ａ，５０Ｂの先端３４ａ，５０ａ，５０ｂの配列は模式的に描かれている。処理部２７は研磨制御部１２に接続されている。本実施形態においては、研磨テーブル３は、ウェハＷの膜厚測定中にウェハＷを支持するためのウェハ支持構造体を構成する。

光ファイバー３４，５０Ａ，５０Ｂの先端３４ａ，５０ａ，５０ｂは研磨テーブル３の表面３ｂから突出しないように配置され、研磨テーブル３の表面３ｂから先端３４ａ，５０ａ，５０ｂまでの距離はほぼ同一（０〜３ｍｍの範囲）になるように揃えている。また、先端３４ａ，５０ａ，５０ｂの形状は、研磨テーブル３の表面３ｂに対して水平または傾斜していてもよい。

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。第１受光ファイバー５０Ａは分光器２６に接続され、第２受光ファイバー５０Ｂは光路選択機構７０に接続されている。光路選択機構７０は、第２受光ファイバー５０Ｂと分光器２６とを光学的に接続および切り離す装置である。

投光ファイバー３４の先端３４ａと、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａと、第２受光ファイバー５０Ｂの先端は、互いに隣接しており、これらの先端３４ａ，５０ａ，５０ｂは光センサ６１を構成する。研磨パッド１は、光センサ６１の上方に位置する通孔１ｂを有しており、光センサ６１は通孔１ｂ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。研磨パッド１の通孔１ｂは、光を透過させる透明な材料で塞がれてもよい。

一実施形態では、投光ファイバー３４は研磨テーブル３内の異なる位置に配置された複数の先端を有してもよく、同様に第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂは研磨テーブル３内の前記異なる位置に配置された複数の先端をそれぞれ有してもよい。この場合も、投光ファイバー３４の先端と受光ファイバー５０Ａ，５０Ｂ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５０Ａ，５０Ｂ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複数の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。光センサ６１は、研磨テーブル３が一回転するたびにウェハＷを横切る。本実施形態では、研磨テーブル３の中心からの光センサ６１の距離は、研磨テーブル３の中心からの研磨ヘッド５の中心までの距離に等しい。したがって、光センサ６１は、研磨テーブル３が一回転するたびにウェハＷの中心を横切りながら、ウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受ける。

図１に戻り、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。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、第１受光ファイバー５０Ａ（および第２受光ファイバー５０Ｂ）によってウェハＷからの反射光が受光される。反射光は分光器２６に伝達される。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。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４は、分光波形の一例を示すグラフである。図４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、光センサ６１から発せられた光の強度を直接測定するか、または光センサ６１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５は、図４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５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５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。

図６は、光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５の一実施形態を示す拡大図である。投光ファイバー３４は、複数の投光素線光ファイバー３６を有しており、投光素線光ファイバー３６の複数の先端は、投光ファイバー３４の先端３４ａを構成する。投光素線光ファイバー３６の光源側端部は、光源３０に接続されている。第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、投光ファイバー３４の先端３４ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂは光センサ６１を構成する。第１受光ファイバー５０Ａの反対側の端部は分光器２６に接続されている。第２受光ファイバー５０Ｂは、複数の受光素線光ファイバー５６を有しており、受光素線光ファイバー５６の複数の先端は、第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂを構成する。第２受光ファイバー５０Ｂの反対側の端部は、光路選択機構７０に接続されている。本実施形態では、第１受光ファイバー５０Ａは１本の素線光ファイバーから構成される。

本実施形態の光路選択機構７０は、第２受光ファイバー５０Ｂを、光源３０または分光器２６のいずれか一方に光学的に接続する光路切り替え装置である。光路選択機構７０は、光源３０に接続された第１接続ファイバー７４Ａと、分光器２６に接続された第２接続ファイバー７４Ｂと、第２受光ファイバー５０Ｂを第１接続ファイバー７４Ａまたは第２接続ファイバー７４Ｂのいずれか一方に接続する光スイッチ７５を備えている。第１接続ファイバー７４Ａの一方の端部は光源３０に接続され、他方の端部は光スイッチ７５に接続されている。第２接続ファイバー７４Ｂの一方の端部は分光器２６に接続され、他方の端部は光スイッチ７５に接続されている。第２受光ファイバー５０Ｂの端部は光スイッチ７５に接続されている。

光スイッチ７５は、図示しないピエゾ素子などのアクチュエータを備えており、アクチュエータは、第２受光ファイバー５０Ｂの端部を移動させて、第１接続ファイバー７４Ａの端部または第２接続ファイバー７４Ｂの端部のいずれか一方の端部に対向させる。第２受光ファイバー５０Ｂの端部が第１接続ファイバー７４Ａの端部に対向しているとき、第２受光ファイバー５０Ｂは分光器２６から光学的に切り離され、光源３０に光学的に接続される。第２受光ファイバー５０Ｂの端部が第２接続ファイバー７４Ｂの端部に対向しているとき、第２受光ファイバー５０Ｂは光源３０から光学的に切り離され、分光器２６に光学的に接続される。光スイッチ７５は処理部２７に電気的に接続されており、光スイッチ７５の動作は処理部２７によって制御される。

一実施形態では、アクチュエータは、第１接続ファイバー７４Ａおよび第２接続ファイバー７４Ｂを一体に移動させて、第１接続ファイバー７４Ａの端部または第２接続ファイバー７４Ｂの端部のいずれか一方を第２受光ファイバー５０Ｂの端部に対向させてもよい。

光スイッチ７５が作動して第２受光ファイバー５０Ｂを第１接続ファイバー７４Ａを介して光源３０に光学的に接続すると、光源３０から発せられた光は、第１接続ファイバー７４Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂを通ってウェハＷの表面に導かれる。このとき、第２受光ファイバー５０Ｂは投光ファイバーとして機能する。光スイッチ７５が作動して第２受光ファイバー５０Ｂを第２接続ファイバー７４Ｂを介して分光器２６に光学的に接続すると、ウェハＷからの反射光は第２受光ファイバー５０Ｂおよび第２接続ファイバー７４Ｂを通って分光器２６に伝達される。

投光素線光ファイバー３６および第１接続ファイバー７４Ａ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。投光素線光ファイバー３６および第１接続ファイバー７４Ａ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６に示す実施形態では、１本の幹ファイバー３５が２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、３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。

投光ファイバー３４の先端３４ａは投光素線光ファイバー３６の複数の先端から構成され、第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂは受光素線光ファイバー５６の複数の先端から構成されている。投光ファイバー３４の先端３４ａ、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂは結束具５１で結束され、光センサ６１を構成する。

図７は、光センサ６１を構成する投光ファイバー３４の先端３４ａ、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの配置の一例を示す図である。第２受光ファイバー５０Ｂの複数の先端５０ｂは第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａの周りに配置され、かつ第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａに接触している。投光ファイバー３４の複数の先端３４ａは第２受光ファイバー５０Ｂの複数の先端５０ｂの周りに配置されている。

光路選択機構７０が第２受光ファイバー５０Ｂを光源３０に光学的に接続すると、第２受光ファイバー５０Ｂは投光ファイバーとして機能し、図８（ａ）に示すように、第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂは光をウェハに導く。図８（ａ）および図８（ｂ）において、白丸は光をウェハに導く光ファイバーを示し、黒丸はウェハからの反射光を受ける光ファイバーを示している。図８（ａ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａのみが反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａのみを通って分光器２６に伝達される。

光路選択機構７０が第２受光ファイバー５０Ｂを分光器２６に光学的に接続すると、図８（ｂ）に示すように、第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂはウェハからの反射光を受け取る。図８（ｂ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ａ，５０ｂの両方が反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの両方を通って分光器２６に伝達される。

図８（ａ）と図８（ｂ）との対比から分かるように、光路選択機構７０は、光センサ６１の受光領域の大きさ（または面積）を変化させることができる。一般に、膜厚測定領域の大きさは、ウェハからの反射光を受ける受光領域の大きさに依存する。本実施形態によれば、ウェハの表面に形成されているデバイスや膜などの構造体の種類に基づいて受光領域、すなわち膜厚測定領域の適切な大きさを選択することができる。結果として、膜厚測定器２５は正確な膜厚を測定することができる。

図９は、光センサ６１を構成する投光ファイバー３４の先端３４ａ、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの配置の他の例を示す図である。本実施形態は、第２受光ファイバー５０Ｂの複数の先端５０ｂが第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａの周りに配置されている点では図７に示す実施形態と同じであるが、第２受光ファイバー５０Ｂの複数の先端５０ｂは第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａから離れている点で異なっている。投光ファイバー３４の複数の先端３４ａは第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａの周りに配置されている。

光路選択機構７０が第２受光ファイバー５０Ｂを光源３０に光学的に接続すると、第２受光ファイバー５０Ｂは投光ファイバーとして機能し、図１０（ａ）に示すように、第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂは光をウェハに導く。図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、白丸は光をウェハに導く光ファイバーを示し、黒丸はウェハからの反射光を受ける光ファイバーを示している。図１０（ａ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａのみが反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａのみを通って分光器２６に伝達される。

光路選択機構７０が第２受光ファイバー５０Ｂを分光器２６に光学的に接続すると、図１０（ｂ）に示すように、第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂはウェハからの反射光を受け取る。図１０（ｂ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ａ，５０ｂの両方が反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの両方を通って分光器２６に伝達される。

この例においても、図１０（ａ）と図１０（ｂ）との対比から分かるように、光路選択機構７０は、光センサ６１の受光領域の大きさ（または面積）を変化させることができる。なお、図７および図９に示す光ファイバーの配列は例であって、本発明はこれらの例に限定されない。

第２受光ファイバー５０Ｂを光源３０に接続するか、または分光器２６に接続するかは、ウェハの表面に形成されているデバイスや膜などの構造体の種類に基づいてウェハの研磨前に予め決定される。処理部２７は、ウェハの研磨前に光路選択機構７０を操作して第２受光ファイバー５０Ｂを光源３０または分光器２６に接続する。さらに、ウェハの研磨中に処理部２７は光路選択機構７０を操作して、第２受光ファイバー５０Ｂを光源３０および分光器２６のうちのいずれか一方から切り離し、他方に接続してもよい。例えば、ウェハの上層膜が除去されて下層膜が露出したときに、処理部２７は光路選択機構７０を操作して、第２受光ファイバー５０Ｂを分光器２６から切り離し、光源３０に接続してもよい。このような動作により、ウェハの露出面の構造に基づいた正確な膜厚測定が可能となる。

図１１は、光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５の他の実施形態を示す拡大図である。図１２は、図１１に示す投光ファイバー３４の先端３４ａ、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの配置の一実施形態を示す図であり、図１３は、図１１に示す投光ファイバー３４の先端３４ａ、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの配置の他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図１０を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図１１乃至図１３に示す実施形態では、第１受光ファイバー５０Ａは複数の先端５０ａを有し、これら先端５０ａは第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの周りに配置されている。これらの実施形態でも、処理部２７は、光路選択機構７０を操作して第２受光ファイバー５０Ｂを光源３０または分光器２６に接続することによって、光センサ６１の受光領域の大きさ（または面積）を変化させることができる。

図１４は、光路選択機構７０の他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図６に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、光路選択機構７０は、分光器２６と第２受光ファイバー５０Ｂとの間に配置されたシャッター機構である。シャッター機構として機能する光路選択機構７０は、分光器２６に接続された接続ファイバー７４Ｃと、第２受光ファイバー５０Ｂと接続ファイバー７４Ｃとの間に配置されたシャッター７８と、シャッター７８を開閉させるアクチュエータ７９を備えている。

接続ファイバー７４Ｃの一方の端部は分光器２６に接続され、他方の端部は第２受光ファイバー５０Ｂの端部に対向している。接続ファイバー７４Ｃの端部と第２受光ファイバー５０Ｂの端部との間には隙間がある。シャッター７８がこの隙間内にある位置は、シャッター７８が閉じた位置であり、シャッター７８がこの隙間外にある位置は、シャッター７８が開いた位置である。シャッター７８は、スライド式でもよく、あるいは通孔が形成された回転プレートを備えた回転式でもよく、あるいは複数の羽根を備えたダイヤフラム式でもよい。一実施形態では、接続ファイバー７４Ｃを省略し、分光器２６上にシャッター７８を配置してもよい。

アクチュエータ７９がシャッター７８を開くと、第２受光ファイバー５０Ｂは接続ファイバー７４Ｃに光学的に接続され、アクチュエータ７９がシャッター７８を閉じると第２受光ファイバー５０Ｂは接続ファイバー７４Ｃから光学的に切り離される。より具体的には、シャッター７８が第２受光ファイバー５０Ｂと接続ファイバー７４Ｃとから離れているとき（すなわちシャッター７８が開いているとき）、第２受光ファイバー５０Ｂは分光器２６に接続ファイバー７４Ｃを介して光学的に接続される。シャッター７８が第２受光ファイバー５０Ｂと接続ファイバー７４Ｃとの間に位置しているとき（すなわちシャッター７８が閉じているとき）、第２受光ファイバー５０Ｂは分光器２６から光学的に切り離される。アクチュエータ７９は処理部２７に電気的に接続されており、アクチュエータ７９の動作は処理部２７によって制御される。

図１５（ａ）は、図７に示す光ファイバー配列の場合においてシャッター７８を閉じたときの各光ファイバーの役割を説明するための図である。シャッター７８が閉じて第２受光ファイバー５０Ｂが分光器２６から切り離されているとき、ウェハからの反射光はシャッター７８に遮られて分光器２６まで到達しない。図１５（ａ）および図１５（ｂ）において、白丸は光をウェハに導いている光ファイバーを示し、黒丸はウェハからの反射光を分光器２６に導いている光ファイバーを示し、×が付された丸記号は、反射光がシャッター７８により遮られている光ファイバーを示している。図１５（ａ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａのみが反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａのみを通って分光器２６に伝達される。

図１５（ｂ）は、図７に示す光ファイバー配列の場合においてシャッター７８を開いたときの各光ファイバーの役割を説明するための図である。シャッター７８が開いて第２受光ファイバー５０Ｂが分光器２６に接続されているとき、ウェハからの反射光は第２受光ファイバー５０Ｂを通って分光器２６まで到達する。図１５（ｂ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ａ，５０ｂの両方が反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの両方を通って分光器２６に伝達される。

図１５（ａ）と図１５（ｂ）との対比から分かるように、シャッター７８を備えた光路選択機構７０は、光センサ６１の受光領域の大きさ（または面積）を変化させることができる。

図１６（ａ）は、図９に示す光ファイバー配列の場合においてシャッター７８を閉じたときの各光ファイバーの役割を説明するための図である。シャッター７８が閉じて第２受光ファイバー５０Ｂが分光器２６から切り離されているとき、ウェハからの反射光はシャッター７８に遮られて分光器２６まで到達しない。図１６（ａ）において、白丸は光をウェハに導いている光ファイバーを示し、黒丸はウェハからの反射光を分光器２６に導いている光ファイバーを示し、×が付された丸記号は、反射光がシャッター７８により遮られている光ファイバーを示している。図１６（ａ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａのみが反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａのみを通って分光器２６に伝達される。

図１６（ｂ）は、図９に示す光ファイバー配列の場合においてシャッター７８を開いたときの各光ファイバーの役割を説明するための図である。シャッター７８が開いて第２受光ファイバー５０Ｂが分光器２６に接続されているとき、ウェハからの反射光は第２受光ファイバー５０Ｂを通って分光器２６まで到達する。図１６（ｂ）に示す例では、第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ａ，５０ｂの両方が反射光を受け取り、ウェハからの反射光は第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂの両方を通って分光器２６に伝達される。

図１６（ａ）と図１６（ｂ）との対比から分かるように、シャッター７８を備えた光路選択機構７０は、光センサ６１の受光領域の大きさ（または面積）を変化させることができる。

図１７は、光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５の他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１４乃至図１６を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１７に示す実施形態では、第１受光ファイバー５０Ａは複数の先端５０ａを有し、これら先端５０ａは第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの周りに配置されている。図１２および図１３に示す投光ファイバー３４の先端３４ａ、第１受光ファイバー５０Ａの先端５０ａ、および第２受光ファイバー５０Ｂの先端５０ｂの配置は、図１７に示す実施形態にも適用できる。本実施形態でも、処理部２７は、光路選択機構７０のシャッター７８を操作することによって、光センサ６１の受光領域の大きさ（または面積）を変化させることができる。

図１８は、光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５の他の実施形態を示す拡大図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１４に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、膜厚測定器２５は、第１受光ファイバー５０Ａおよび第２受光ファイバー５０Ｂに代えて、受光ファイバー５０Ｃを備えている。

受光ファイバー５０Ｃは、複数の受光素線光ファイバー５７を有しており、受光素線光ファイバー５７の複数の先端は、受光ファイバー５０Ｃの先端５０ｃを構成する。受光ファイバー５０Ｃの反対側の端部は、ケーラー光学システム８０に接続されている。投光ファイバー３４の先端３４ａと受光ファイバー５０Ｃの先端５０ｃは、互いに隣接している。これらの先端３４ａ，５０ｃは結束具５１により結束され、光センサ６１を構成する。ウェハの研磨中、ウェハの反射光は受光ファイバー５０Ｃおよびケーラー光学システム８０を通って分光器２６に伝達される。ケーラー光学システム８０は、開度が可変な視野絞りを有する光学系の一例である。

図１９は、光センサ６１を構成する投光ファイバー３４の先端３４ａおよび受光ファイバー５０Ｃの先端５０ｃの配置の一例を示す図である。この例では、投光ファイバー３４の複数の先端３４ａは、受光ファイバー５０Ｃの複数の先端５０ｃの周囲に配列されている。

図２０は図１８に示すケーラー光学システム８０の模式図である。図２０に示すように、ケーラー光学システム８０は、分光器２６に接続された接続ファイバー７４Ｄと、受光ファイバー５０Ｃの端部５０ｃに対向するコレクタレンズ８２と、接続ファイバー７４Ｄの先端７４ｄに対向するコンデンサレンズ８４と、コレクタレンズ８２とコンデンサレンズ８４との間に配置された視野絞り８５および開口絞り８８とを備えている。

コレクタレンズ８２、視野絞り８５、開口絞り８８、およびコンデンサレンズ８４は一直線上に配列されており、コレクタレンズ８２、視野絞り８５、開口絞り８８、およびコンデンサレンズ８４の順に並んでいる。コレクタレンズ８２、視野絞り８５、開口絞り８８、およびコンデンサレンズ８４は、遮光ハウジング８９内に配置されている。開口絞り８８および受光ファイバー５０Ｃの端部５０ｃは、コレクタレンズ８２に関する共役点であり、視野絞り８５および接続ファイバー７４Ｄの先端７４ｄは、コンデンサレンズ８４に関する共役点である。

一実施形態では、接続ファイバー７４Ｄを省略し、遮光ハウジング８９を分光器２６に接続して、コンデンサレンズ８４を分光器２６の入射面に対向させてもよい。この場合は、視野絞り８５および分光器２６の入射面は、コンデンサレンズ８４に関する共役点である。

視野絞り８５の開度および開口絞り８８の開度は可変に構成されている。視野絞り８５および開口絞り８８は処理部２７に電気的に接続されており、視野絞り８５および開口絞り８８の動作は処理部２７によって制御される。受光ファイバー５０Ｃの端部５０ｃから接続ファイバー７４Ｄの先端７４ｄまで進む光の量は、開口絞り８８の開度によって調節される。したがって、分光器２６に伝達されるウェハからの反射光の量は開口絞り８８によって調節することができる。

受光領域（すなわち膜厚測定領域）は、視野絞り８５の開度によって調節することができる。具体的には、視野絞り８５の開度を小さくすると、受光領域（すなわち膜厚測定領域）が小さくなり、視野絞り８５の開度を大きくすると、受光領域（すなわち膜厚測定領域）が大きくなる。

本実施形態によれば、ウェハの表面に形成されているデバイスや膜などの構造体の種類に基づいて受光領域、すなわち膜厚測定領域の適切な大きさを選択することができる。結果として、膜厚測定器２５は正確な膜厚を測定することができる。

膜厚測定領域、すなわち視野絞り８５の開度は、ウェハの表面に形成されているデバイスや膜などの構造体の種類に基づいてウェハの研磨前に予め決定される。処理部２７は、ウェハの研磨前に視野絞り８５を操作して視野絞り８５の開度を調節する。さらに、ウェハの研磨中に処理部２７は視野絞り８５を操作して視野絞り８５の開度を変更してもよい。例えば、ウェハの上層膜が除去されて下層膜が露出したときに、処理部２７は視野絞り８５を操作して視野絞り８５の開度を変更してもよい。このような動作により、ウェハの露出面の構造に基づいた正確な膜厚測定が可能となる。

上述した各実施形態に係る膜厚測定器２５は、研磨装置に組み込まれたIn-situタイプの膜厚測定装置であるが、本発明はスタンドアローンタイプの膜厚測定装置にも適用することが可能である。

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
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 結束具
３４ 投光ファイバー
３５ 幹ファイバー
３６ 投光素線光ファイバー
５０Ａ 第１受光ファイバー
５０Ｂ 第２受光ファイバー
５０Ｃ 受光ファイバー
５１ 結束具
５６ 受光素線光ファイバー
６１ 光センサ
７０ 光路選択機構
７４Ａ 第１接続光ファイバー
７４Ｂ 第２接続光ファイバー
７４Ｃ，７４Ｄ 接続光ファイバー
７８ シャッター
７９ アクチュエータ
８０ ケーラー光学システム
８２ コレクタレンズ
８４ コンデンサレンズ
８５ 視野絞り
８８ 開口絞り
８９ 遮光ハウジング

Claims (11)

1. 光源と、
   ウェハ支持構造体の表面から突出しない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第１受光ファイバーと、
   前記所定の位置に配置され、かつ前記第１受光ファイバーの前記先端に隣接した先端を有する第２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、
   前記第２受光ファイバーと前記分光器とを光学的に接続および切り離す光路選択機構を備えたことを特徴とする膜厚測定装置。
2. 前記第２受光ファイバーの前記先端は、複数の先端から構成され、
   前記第２受光ファイバーの前記複数の先端は、前記第１受光ファイバーの前記先端の周りに配列されていることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
3. 前記第１受光ファイバーの前記先端は、複数の先端から構成され、
   前記第１受光ファイバーの前記複数の先端は、前記第２受光ファイバーの前記先端の周りに配列されていることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。
4. 前記光路選択機構は、前記第２受光ファイバーを前記分光器または前記光源のいずれか一方に選択的に接続する光路切り替え装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
5. 前記光路切り替え装置は、
   前記光源に接続された第１接続ファイバーと、
   前記分光器に接続された第２接続ファイバーと、
   前記第２受光ファイバーを前記第１接続ファイバーまたは前記第２接続ファイバーに接続する光スイッチを備えることを特徴とする請求項４に記載の膜厚測定装置。
6. 前記光路選択機構は、前記第２受光ファイバーと前記分光器との間に配置されたシャッター機構であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の膜厚測定装置。
7. ウェハ支持構造体と、
   前記ウェハ支持構造体上の研磨パッドにウェハを押し付けるための研磨ヘッドと、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の膜厚測定装置を備えたことを特徴とする研磨装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の膜厚測定装置でウェハの膜厚を測定しながら、前記ウェハを研磨ヘッドで研磨パッドに押し付けて前記ウェハを研磨し、
   前記ウェハの研磨中に、前記処理部は前記光路選択機構を操作して、前記第２受光ファイバーと前記分光器とを光学的に接続または切り離すことを特徴とする研磨方法。
9. 光源と、
   ウェハ支持構造体の表面から突出しない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、
   前記所定の位置に配置された先端を有する受光ファイバーと、
   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、
   前記受光ファイバーと前記分光器との間に配置された光学系を備え、
   前記光学系は、開度が可変な視野絞りを有することを特徴とする膜厚測定装置。
10. ウェハの表面に形成された構造物の種類に基づいて、光学系の視野絞りの開口を調整し、
    前記ウェハを研磨し、
    前記ウェハの研磨中に、光源から発せられた光をウェハの表面に導きながら、前記ウェハからの反射光の前記光学系を通じて分光器に伝達し、
    前記反射光の強度と波長との関係を示す分光波形を生成し、
    前記分光波形に基づいてウェハの膜厚を決定することを特徴とする研磨方法。
11. 前記ウェハの研磨中に前記視野絞りの開口を変更することを特徴とする請求項１０に記載の研磨方法。

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