JP3454658B2 - 研磨処理モニター装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハなど
の基板に研磨処理を施す研磨装置に備えられ、基板表面
に塗布された膜を研磨する研磨処理中に、研磨対象の膜
の膜厚を光学的に測定して研磨処理の進行状況をモニタ
ーするための研磨処理モニター装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化に伴い
回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなってお
り、それに対応するためのフォトリソグラフィの場合、
焦点深度が浅くなるので、半導体ウエハ（基板）の表面
を平坦化することが必要になる。この平坦化法の１手段
として、研磨装置により、基板表面に塗布された膜（絶
縁膜）を平坦に、かつ、目標の膜厚にまで研磨すること
が行われている。

【０００３】この研磨装置による研磨処理は、トップリ
ングが基板を保持して、その基板の表面をターンテーブ
ルに張設された研磨布に押圧し、研磨布上にスラリー
（研磨砥液）を流して、ターンテーブルとトップリング
（基板）を各々独立して回転させることで行われる。

【０００４】この種の研磨装置には、研磨処理の進行状
況をモニターするためのモニター装置が備えられてい
る。近年においては、研磨対象の膜の膜厚を光学的に測
定するモニター装置が提案されている。このモニター装
置は、基板表面へ計測光を照射し、その計測光の基板表
面からの反射光を取り込み、その反射光の分光スペクト
ルを計測し、計測された反射光の分光スペクトルを解析
して基板表面に塗布された研磨対象の膜の現在の膜厚を
測定する。

【０００５】ところで、上記膜厚測定の際、基板表面
（研磨対象の膜）上に研磨粉が付着していると、研磨粉
が計測光を吸収したり計測光を散乱させるので、正確な
膜厚が測定できない。

【０００６】そこで、本発明者は、膜厚測定の際に基板
の表面に対向される計測窓を設け、膜厚測定用の計測光
の基板表面への照射と、基板表面からの反射光の取り込
みを前記計測窓を介して行うように構成し、基板表面と
計測窓との間の計測領域に洗浄液（純水）を満たして前
記計測領域にその液の液カーテンを形成して研磨対象の
膜の膜厚を測定することを提案した。

【０００７】上記構成の装置によれば、計測領域に形成
する液カーテンによって、基板表面に付着している研磨
粉は、膜厚測定に支障がない程度に洗い流されるので、
計測光の吸収や散乱が防止され、研磨対象の膜の膜厚を
正確に測定することが期待できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、液カーテンを形成して膜厚測定するという技
術を、実際の研磨装置に組み込むと、計測領域内に洗浄
液の気泡が存在する場合があり、それに起因して膜厚測
定が正確に行えないという事実が判明した。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、液カーテンを形成して膜厚測定する際
の計測領域内での気泡の発生等を好適に抑制し、膜厚測
定を正確に行うことができる研磨処理モニター装置を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、液カーテン
を形成して膜厚測定するという技術を、実際の研磨装置
に組み込んだ際に、計測領域内に気泡が存在する原因を
調査した結果、以下のような要因によることを突き止め
た。

【００１１】すなわち、研磨処理を中断して膜厚測定す
る際には、基板表面をターンテーブルから離してモニタ
ー装置の計測窓と基板表面とが対向するようにセッティ
ングしなければならないが、このセッティングのための
機構の機械精度の問題で、計測窓と基板表面との間の間
隔が常に同じにならない。また、研磨対象の膜の研磨の
進行に応じて、計測窓と基板表面との間の間隔が若干変
化する。さらに、研磨対象の膜の下（基板表面と研磨対
象の膜の間）に形成されているパターンの層数などの違
いにより、計測窓と基板表面との間の間隔が基板によっ
て変化する。

【００１２】このように、研磨装置ごとに、あるいは、
研磨対象の基板ごとに膜厚測定する際の計測窓と基板表
面との間隔が一定にならないことにより、計測領域内に
気泡が発生するものと考えられる。

【００１３】例えば、計測窓と基板表面との間隔が広す
ぎる場合には、液カーテン用の洗浄液が計測領域に充分
に満たされなくなり、外部で形成された気泡が計測領域
内に進入してくることが考えられ、一方、計測窓と基板
表面との間隔が狭すぎる場合には、液カーテン用に流出
させている洗浄液が基板表面に当たる水圧が大きくなり
それに起因して計測領域内で気泡が発生することが考え
られる。

【００１４】そこで、本発明者は、計測窓と基板表面と
の間隔を適宜に調節したり、液カーテン形成用の洗浄液
の液流出量を適宜に調節してみると、計測領域内の気泡
の発生等を好適に抑制することが確認できた。また、計
測領域内に気泡が存在していることで、計測光の基板表
面からの反射光の分光スペクトルにどのような特性変化
が生じるかも明らかになった。

【００１５】このような研究結果を基に、本発明者は以
下のような発明をなすに到った。

【００１６】すなわち、本発明者がなした発明のうち、
請求項１に記載の発明は、研磨装置に備えられ、基板表
面に塗布された膜を研磨する研磨処理中に、前記研磨対
象の膜の膜厚を測定して研磨処理の進行状況をモニター
するための研磨処理モニター装置において、前記基板表
面に対向される計測窓を有し、前記計測窓を介して前記
基板表面へ計測光を照射し、前記計測窓を介して前記計
測光の前記基板表面からの反射光を取り込み、その反射
光の分光スペクトルを計測する分光スペクトル計測手段
と、前記分光スペクトル計測手段で計測される反射光の
分光スペクトルを解析して前記研磨対象の膜の膜厚を求
める膜厚演算手段と、前記計測窓と前記基板表面との間
の計測領域に洗浄液を満たして前記計測領域にその液の
カーテンを形成する液カーテン形成手段と、前記計測窓
と前記基板表面とを接離させる接離手段と、前記計測領
域内に存在する気泡によって前記分光スペクトル計測手
段で計測される反射光の分光スペクトルに生じる特性変
化（以下、「気泡特性変化」という）を調べながら、そ
の気泡特性変化が無くなるように前記接離手段を制御し
て前記計測窓と前記基板表面との間隔をフィードバック
制御により調節する制御手段と、を備えたものである。

【００１７】また、請求項２に記載の発明は、上記請求
項１に記載の研磨処理モニター装置において、前記液カ
ーテン形成手段からの洗浄液の液流出量を可変に調節す
る液流出量調節手段をさらに備え、かつ、前記制御手段
は、前記気泡特性変化を調べながら、その気泡特性変化
が無くなるように、前記計測窓と前記基板表面との間隔
のフィードバック制御による調節と、前記液カーテン形
成手段からの洗浄液の液流出量のフィードバック制御に
よる調節とを行なうことを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】本発明の作用は次のとおりである。すなわち、
請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、計測領域
内に存在する気泡によって分光スペクトル計測手段で計
測される気泡特性変化を基に、接離手段を駆動しなが
ら、計測領域内の気泡が実際に無くなるように、計測窓
と基板表面との間隔をフィードバック制御により調節す
る。これにより、どのような要件によって計測領域内に
気泡が存在しているかに無関係に実際に気泡が無くすこ
とが可能となる。そして、計測領域内に気泡が無くなっ
た状態で分光スペクトル計測手段で計測された基板表面
からの反射光の分光スペクトルを膜厚演算手段が解析し
て研磨対象の膜の現在の膜厚を求める。

【００１９】請求項２に記載の発明によれば、制御手段
による気泡特性変化を基にしたフィードバック制御を、
接離手段を駆動しての計測窓と基板表面との間隔の調節
に加えて、液流出量調節手段を駆動しての液カーテン形
成手段からの洗浄液の液流出量の調節でも行なうように
している。計測窓と基板表面との間隔のフィードバック
制御による調節と、液カーテン形成手段からの洗浄液の
液流出量のフィードバック制御による調節は、いずれの
制御を先に、または、優先的に行なってもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例に係る研
磨処理モニター装置の全体構成を示す図であり、図２
は、計測ユニットの詳細構成を示す図である。

【００２１】図では、膜厚測定のために、基板（半導体
ウエハ）Ｗの表面と、研磨処理モニター装置１の計測ユ
ニット２の計測窓２１とが対向してセッティングされて
いる状態を示す。

【００２２】基板Ｗは、表面（研磨対象の膜が塗布され
ている面）が下側を向けられてトップリング１００に保
持されている。なお、研磨処理では、トップリング１０
０が、図に示すように基板Ｗの表面を下側にして保持し
た状態で、基板Ｗの表面を図示しないターンテーブルの
上面に張設された研磨布に押圧し、研磨布にスラリーを
流して、ターンテーブルを鉛直軸（図の上下方向の軸）
周りに回転させるとともに、それと独立してトップリン
グ１００（基板Ｗ）を鉛直軸周りに回転させることで行
われる。そのため、トップリング１００は、図に示すよ
うに、鉛直軸周りに回転可能に構成されている。また、
上記研磨処理時の状態から図１、図２の状態にセッティ
ングさせる（あるいは、その逆の動作を行う）ための図
示しな機構が備えられ、研磨処理と、研磨処理の進行状
況のモニター（膜厚測定）とを交互に行えるようになっ
ている。

【００２３】ここで、基板Ｗの表面に塗布された膜（絶
縁膜）の研磨処理について図３を参照して簡単に説明す
る。

【００２４】基板Ｗの表面に回路パターンを多段に積層
形成する場合、下段の回路パターン上に絶縁膜（例え
ば、ＳｉＯ₂ 膜など）を塗布して、その上に上段の回路
パターンを形成する。このとき、下段の回路パターンに
凹凸があると、それに伴って図に示すように塗布された
絶縁膜ＺＭの表面にも凹凸ができる。このような凹凸が
ある絶縁膜ＺＭの表面に、上段の（微細な）回路パター
ンを形成しようとすると、ステッパでの微細な回路パタ
ーンの露光の際に、所望の線幅の回路パターンが描画で
きない。そこで、図の一点鎖線に示すように、絶縁膜Ｚ
Ｍの表面の凹凸を無くして平坦にするように、上記研磨
処理で絶縁膜ＺＭを研磨する。

【００２５】次に、研磨処理モニター装置１の構成を説
明する。研磨処理モニター装置１は、分光スペクトル計
測手段としての計測ユニット２、オートフォーカス制御
部３、接離手段としての昇降駆動機構４、水平２軸駆動
機構５、画像処理部６、表示操作装置７、液カーテン形
成手段としての液カーテン形成機構８、制御手段として
の液カーテン制御部９、膜厚演算手段としての膜厚演算
部１０、モニター制御部１１などで構成されている。

【００２６】計測ユニット２は、以下のように構成され
ている。図２に示すように、光源２２からの計測光は照
明用レンズ２３を経てハーフミラー２４、ミラー２５で
光路が変更され、結像レンズ２６を経て、計測窓２１を
介して、基板Ｗの表面の所定の計測点で焦点を結ぶよう
になっている。そして、計測光の基板Ｗの表面（計測
点）からの反射光は、計測窓２１を介して、結像レンズ
２６を経てミラー２５で光路が変更され、ハーフミラー
２４を透過し、結像レンズ２７を経てピンホール付きミ
ラー２８で分岐される。一方の反射光は結像レンズ２９
を経て２次元ＣＣＤカメラ３０で、基板Ｗの表面の前記
計測点の周囲の画像を撮影する。他方の反射光はホログ
ラフィック格子３１で所定の波長帯域に分光され、その
分光スペクトルが１次元ＣＣＤセンサ３２で光電変換さ
れる。

【００２７】なお、光源２２のＯＮ／ＯＦＦ制御は、モ
ニター制御部１１によって行われる（図１参照）。

【００２８】また、結像レンズ２６は、計測窓２１（基
板Ｗの表面）に対して接離自在に構成されている。この
接離機構は、例えば、図２に示すように、ガイド軸４
１、４２に結像レンズ２６の周辺部が取り付けられ、ス
テッピングモーター４３で回転される偏心カム４４によ
りガイド軸４１が昇降されることで実現されている。こ
れにより、計測光が基板Ｗの表面の所定の計測点で自動
的に焦点を結ぶように、すなわち、オートフォーカス機
構が実現されている。なお、オートフォーカスのための
ステッピングモーター４３の駆動制御は、オートフォー
カス制御部３によって行われるようになっている（図１
参照）。

【００２９】オートフォーカス制御部３は、２次元ＣＣ
Ｄカメラ３０で撮影された画像のボケを画像処理（画像
コントスト法）により認識し、その画像のボケが無くな
るようにステッピングモーター４３を駆動制御して、結
像レンズ２６を基板Ｗの表面に対して接離させ、計測光
の焦点を合わせる。なお、オートフォーカス制御部３
は、モニター制御部１１および液カーテン制御部９から
の指示により計測光の焦点合わせを行う。

【００３０】昇降駆動機構４は、ステッピングモーター
などを駆動源としたボールネジなどの周知の１軸方向駆
動機構により、計測ユニット２を昇降（図の上下方向に
変位）させるように構成されている。これにより、計測
窓２１を基板Ｗの表面に接離させることができる。な
お、この昇降駆動機構４（の駆動源）の駆動制御は、液
カーテン制御部９により行われる。

【００３１】水平２軸駆動機構５は、ステッピングモー
ターなどを駆動源としたボールネジなどの周知の１軸方
向駆動機構を２個直交させることにより、水平方向に互
いに直交する２軸方向（図１の左右方向および図１の紙
面に垂直な方向）に計測ユニット２を変位させるように
構成されている。これにより、計測窓２１（基板Ｗの表
面に結ばれる計測光の焦点位置）を基板Ｗの表面上で変
位させることができる。なお、水平２軸駆動機構５の駆
動は、表示操作装置７の操作部７ａからのオペレータの
操作と、モニター制御部１１からの指示により行われ
る。

【００３２】画像処理部６は、２次元ＣＣＤカメラ３０
で撮影された画像を、例えば、図４に示すように、表示
操作装置７の表示部７ｂに表示させる。表示部７ｂに表
示される画像の中心（図４の十字の交点）が、基板Ｗの
表面に結ばれる現在の計測光の焦点位置である。膜厚測
定する計測点ＫＰは予め決められている。図４（ａ）の
場合、基板Ｗの表面に結ばれる現在の計測光の焦点位置
が、計測点ＫＰからずれている。従って、このような場
合には、オペレータは表示操作装置７の操作部７ａを操
作して水平２軸駆動機構５を駆動し、基板Ｗの表面に結
ばれる現在の計測光の焦点位置を計測点ＫＰに一致させ
るように計測ユニット２を水平２軸方向に変位させ、図
４（ｂ）に示すように調節する。現在の計測光の焦点位
置と計測点ＫＰとの位置合わせが完了すると、オペレー
タは操作部７ａから液カーテン制御部９に液カーテンの
調節開始指示を与える。

【００３３】なお、上記では、計測光の焦点位置と計測
点との位置合わせをオペレータが操作部７ａから行うよ
うにしているが、計測点に関する情報を画像処理部６に
与えておいて、画像処理部６で、現在の計測光の焦点位
置と計測点とのずれを画像処理で認識し、そのずれが無
くなるように、モニター制御部１１が水平２軸駆動機構
５を駆動して、計測光の焦点位置と計測点との位置合わ
せを自動的に行うように構成してもよい。このように構
成した場合には、計測光の焦点位置と計測点との位置合
わせが完了した時点で、モニター制御部１１が液カーテ
ン制御部９に液カーテンの調節開始指示を与える。

【００３４】なお、研磨処理の進行状況をモニター（膜
厚測定）するために、研磨処理を中断して、基板Ｗの表
面がターンテーブル上の研磨布から離され、基板Ｗの表
面と計測窓２１とが対向するようにセッティングされた
状態で、計測点に対向するように計測窓２１が位置して
いるとは限らない。従って、２次元ＣＣＤカメラ３０で
撮影される画像内に計測点が含まれるように、基板Ｗの
表面に対する計測窓２１の位置を調節することもある。
この位置調節は、水平２軸駆動機構５による計測窓２１
の変位範囲が基板Ｗの表面全面をカバーしていれば、水
平２軸駆動機構５を駆動して行う。また、水平２軸駆動
機構５による計測窓２１の変位範囲が基板Ｗの表面の一
部のみをカバーするように構成した場合には、上記位置
調節は、トップリング１００の鉛直軸周りの回転と、水
平２軸駆動機構５の駆動とを組み合わせて行う。そし
て、上記計測点に対する計測窓２１の位置調節により、
２次元ＣＣＤカメラ３０で撮影される画像に計測点が含
まれるようになると、上述したように、その画像に基づ
き、計測光の焦点位置と計測点との正確な位置合わせを
行う。

【００３５】また、計測点が複数指定されることもある
が、この場合、ある計測点での膜厚測定が終了すると、
次の計測点に対して計測窓２１の位置調節を行い、２次
元ＣＣＤカメラ３０で撮影される画像にその計測点が含
まれると、その画像に基づき、計測光の焦点位置とその
計測点との正確な位置合わせを行う動作を繰り返す。

【００３６】液カーテン形成機構８は、液流出部５１、
送液管５２、液流出量調節手段としての流量調節弁５
３、液供給部５４などで構成されている。液流出部５１
は、計測ユニット２の計測窓２１近辺の壁面を内壁と
し、その周囲に外壁を設けて構成されている。前記内壁
と外壁との間の空間の下部は閉止され、一方、前記空間
の上部は開放されている。送液管５２の一端は前記空間
に連通接続されており、他端は液供給部５４に連通接続
されている。液供給部５４から供給される洗浄液（純
水）は送液管５２を介して液流出部５１の前記空間に送
液され、この空間の上部から、図１、図２の二点鎖線に
示すように基板Ｗの表面に向けて純水ＳＱが流出される
ことで、計測窓２１と基板Ｗの表面との間の計測領域５
５に純水ＳＱが満たされ、計測領域５５に液カーテンが
形成されるようになっている。この液カーテンが形成さ
れた状態（計測領域５５に純水ＳＱが満たされた状態）
で後述する膜厚測定が行われる。なお、この液カーテン
の形成により、基板Ｗの表面の計測点を含む領域に付着
している研磨粉が膜厚測定に支障がない程度に洗い流さ
れ、研磨粉による計測光の吸収や散乱により膜厚測定が
正確に行えないという不都合は解消されるが、計測領域
５５内に純水の気泡が発生することがあり、この気泡に
よって膜厚測定が行えないという不都合が起こり得る。
そこで、本発明では、後述するように液カーテン制御部
９が、前記気泡を抑制するように液カーテンを調節する
ようにしている。

【００３７】本実施例では、送液管５２で送液される液
量を流量調節弁５３で任意に調節できるよう構成されて
おり、この調節により、液流出部５１から流出される液
流出量を任意に変更調節できるようになっている。この
流量調節弁５３の流量調節は、液カーテン制御部９によ
って行われる。また、液カーテンの形成自体の制御、す
なわち、液供給部５４からの純水の供給とその停止の制
御はモニター制御部１１によって行われる。

【００３８】液カーテン制御部９は、液カーテンの調節
開始指示を受けると、１次元ＣＣＤセンサ３２で光電変
換された計測点からの反射光の分光スペクトルを図示し
ないＡ／Ｄ（アナログtoデジタル）変換器でデジタルデ
ータに変換して取り込み、取り込んだデータに基づいて
計測領域５５内の気泡の有無を調べながら、計測領域５
５内の気泡を無くすように計測窓２１の接離（昇降駆動
機構４の駆動）や液流出部５１からの純水の液流出量の
調節（流量調節弁５３の調節）を行って液カーテンの調
節を行う。そして、計測領域５５内の気泡が無くなるよ
うに液カーテンの調節が終了すると、膜厚測定開始指示
を膜厚演算部１０に与える。

【００３９】なお、計測領域５５に気泡が無い状態での
計測点からの反射光の分光スペクトルは、図５（ａ）の
ように各波長ごとの反射率に変化が現れる。一方、計測
領域５５に気泡が有る状態での計測点からの反射光の分
光スペクトルは、図５（ｂ）のように各波長の反射率は
全て１００％あるいは０％となり、各波長ごとの反射率
に変化が現れなくなる。従って、計測点からの反射光の
分光スペクトルの各波長ごとの変化の有無によって計測
領域５５内の気泡の有無が判定できる。

【００４０】膜厚演算部１０は、膜厚測定開始指示を受
けると、１次元ＣＣＤセンサ３２で光電変換された計測
点からの反射光の分光スペクトルを図示しないＡ／Ｄ変
換器でデジタルデータに変換して取り込み、取り込んだ
データを解析して計測点における研磨対象の膜の膜厚を
求める。

【００４１】上述したように、計測領域５５内に気泡が
無い状態で計測した計測点からの反射光の分光スペクト
ルは図５（ａ）のようになる。この分光スペクトルの各
波長ごとの反射率の変化の現れ方は、研磨対象の膜の材
料、その下段のパターンの材料や膜の材料などの組み合
わせ（以下、この組み合わせを材料特性という）によっ
て相違し、さらに、材料特性が同じであっても、研磨対
象の膜の膜厚が異なれば前記分光スペクトルの各波長ご
との反射率の変化の現れ方は相違する。膜厚演算部１０
は、研磨対象の膜の膜厚ごとの分光スペクトルのサンプ
ル群を、材料特性ごとに記憶している。また、現在計測
している基板Ｗの表面の計測点の材料特性は既知であ
る。従って、膜厚演算部１０は、現在計測している基板
Ｗの表面の計測点の材料特性についての研磨対象の膜の
膜厚ごとの分光スペクトルのサンプル群の中から、今回
計測した分光スペクトルの各波長ごとの反射率の変化と
同じ分光スペクトルのサンプルをさがすことにより、研
磨対象の膜の現在の膜厚を特定することができる。求め
られた膜厚は、モニター制御部１１に与えられる。

【００４２】モニター制御部１１は、研磨装置制御部１
１０からのモニター開始指示によって、後述するように
モニター装置１の各部を制御し、予め設定された計測点
の研磨対象の膜の膜厚を測定させ、測定された膜厚を研
磨装置制御部１１０に与える。なお、計測点に関する情
報は、研磨装置制御部１１０から与えられる。

【００４３】研磨装置制御部１１０は、研磨処理の制御
や、研磨処理を中断して基板Ｗの表面をターンテーブル
上の研磨布から離し、基板Ｗの表面と計測窓２１とが対
向するようにセッティングする動作制御など、研磨装置
全体の制御を行う。この研磨装置制御部１１０は、基板
Ｗの表面と計測窓２１とが対向するようにセッティング
させる動作が完了する（図１、図２の状態になる）と、
モニター開始指示をモニター制御部１１に与える。ま
た、測定された計測点の膜厚をモニター制御部１１から
受け取ると、その情報に基づいて、研磨対象の膜が平坦
に、かつ、目標の膜厚まで研磨されたか否かを調べ、研
磨対象の膜が平坦に、かつ、目標の膜厚まで研磨されて
いれば、その基板Ｗに対する研磨処理を終了し、そうで
なければ、その基板Ｗに対する研磨処理を再び行い、研
磨処理の進行状況のモニター（モニター装置１による膜
厚の測定）を行わせる動作を繰り返す。

【００４４】なお、研磨処理が均一に、すなわち、研磨
対象の膜が全体的に平坦になるように研磨されることが
保証されていれば、計測点を１箇所指定すればよい。例
えば、図３の計測点ＫＳ１を１箇所指定してその計測点
ＫＳ１の膜厚を測定し、測定した膜厚が、予め決められ
たその計測点ＫＳ１の目標の膜厚ｍｄ１に達しているか
否かを調べる。測定された膜厚が目標の膜厚ｍｄ１に達
していれば、研磨対象の膜が全体的に平坦になるように
研磨されているので、研磨対象の膜が全体的に平坦に、
かつ、目標の膜厚まで研磨されたものとして、その基板
Ｗに対する研磨処理を終了し、測定された膜厚が目標の
膜厚ｍｄ１に達していなければ、その基板Ｗに対する研
磨処理を再び行う。

【００４５】また、モニター装置１で測定された膜厚に
より、研磨対象の膜が平坦に研磨されているか否か、目
標の膜厚まで研磨されたか否かを調べるには、例えば、
基板Ｗの表面上の散在する複数箇所に計測点を指定すれ
ばよい。例えば、図３の計測点ＫＳ１、ＫＳ２を例に採
り説明する。モニター装置１で計測された各計測点ＫＳ
１、ＫＳ２の膜厚が、予め決められた各計測点ＫＳ１、
ＫＳ２の目標の膜厚ｍｄ１、ｍｄ２に達しているか否か
を調べる。各計測点ＫＳ１、ＫＳ２の目標の膜厚ｍｄ
１、ｍｄ２は、研磨対象の膜が平坦となるように予め決
められている。従って、モニター装置１で計測された各
計測点ＫＳ１、ＫＳ２の膜厚が、予め決められた各計測
点ＫＳ１、ＫＳ２の目標の膜厚ｍｄ１、ｍｄ２に達して
いると、少なくとも研磨対象の膜がその２点ＫＳ１、Ｋ
Ｓ２の周辺で平坦に、かつ、目標の膜厚まで研磨された
ことになる。よって、計測点を基板Ｗの表面上の散在す
る複数箇所に指定すれば、研磨対象の膜が全体的に平坦
に、かつ、目標の膜厚まで研磨されたことを調べること
ができる。

【００４６】次に、モニター装置１による研磨処理の進
行状況のモニター処理を図６に示すフローチャートを参
照して説明する。

【００４７】モニター制御部１１は、研磨装置制御部１
１０からモニター開始指示が与えられると、最初の計測
点に計測窓２１が対向するように基板Ｗの表面と計測窓
２１との位置調節を行う（ステップＳ１）。

【００４８】次に、モニター制御部１１は、液供給部５
４を制御して、計測領域２１に純水を満たして液カーテ
ンを形成し（ステップＳ２）、光源２２をＯＮにし（ス
テップＳ３）、オートフォーカス制御部３に計測光の焦
点合わせ（オートフォーカス）を行わせる（ステップＳ
４）。なお、前記オートフォーカスが所定時間内に終了
したか否かをチェックし、所定時間内にオートフォーカ
スが終了しない場合、焦点合わせが行えないものとして
その旨を作業者に通知するための警報を発して処理を終
了するようにしてもよい。

【００４９】そして、２次元ＣＣＤカメラ３０によって
撮影されている画像に基づき、計測光の焦点位置と、現
在の測定対象の計測点との正確な位置合わせを行う（ス
テップＳ５）。この位置合わせが完了すると、液カーテ
ン制御部９に液カーテンの調節開始指示が与えられる。

【００５０】これにより、液カーテン制御部９は液カー
テンの調節処理を実行する（ステップＳ６）が、その詳
細は後で述べる。

【００５１】ステップＳ７では、液カーテンの調節処理
が正常終了したとき（計測領域５５内の気泡を無くせる
ように液カーテンが調節されたとき）には膜厚測定開始
指示を膜厚演算部１０に与えてステップＳ９に進む。一
方、液カーテンの調節処理が異常終了したとき（液カー
テンの調節では計測領域５５内の気泡が無くせなかった
とき）には、その旨を作業者に通知するための警報を発
するなどの異常処理（ステップＳ８）を行ってから、異
常終了通知を研磨装置制御部１１０に返してモニター処
理を終了する。なお、異常終了通知を受け取った研磨装
置制御部１１０は、例えば、作業者による適宜の復旧作
業が行われるまで、研磨装置を待機させる。

【００５２】膜厚測定開始指示を受けた膜厚演算部１０
は、現在セッティングされている計測点からの反射光の
分光スペクトルを取り込んでその計測点の膜厚を求め、
得られた膜厚をモニター制御部１１に与える（ステップ
Ｓ９）。モニター制御部１１は与えられた膜厚を計測点
と関連させてストックしておく。

【００５３】そして、モニター制御部１１は、光源２２
をＯＦＦにし（ステップＳ１０）、液供給部５４からの
純水の供給を停止して液カーテンの形成を停止する（ス
テップＳ１１）。

【００５４】次に、指定されている計測点全てについて
の膜厚測定が終了したか否かを判定し、膜厚測定すべき
計測点が残っていれば、ステップＳ１に戻って次の計測
点の膜厚測定を行い、全ての計測点についての膜厚測定
が終了すれば、モニター制御部１１は各計測点の膜厚を
研磨装置制御部１１０に返してモニター処理を終了する
（ステップＳ１２）。

【００５５】指定した計測点について測定された膜厚を
受け取った研磨装置制御部１１０は、受け取った情報に
基づき、その基板Ｗに対する研磨処理を終了するか継続
するかを決める。

【００５６】なお、上記フローチャートでは、各計測点
についての膜厚測定ごとに光源２２のＯＮ／ＯＦＦを繰
り返しているが、光源２２は、モニター処理の最初にＯ
Ｎしておいて、全ての計測点についての膜厚測定が終了
した段階で光源２２をＯＦＦするというように、モニタ
ー処理中、常時、光源２２をＯＮにしておいてもよい。

【００５７】また、上記実施例では、指定した計測点に
ついて測定された膜厚に基づいてその基板Ｗに対する研
磨処理を終了するか継続するかの決定を研磨装置制御部
１１０で行うように構成したが、例えば、その決定をモ
ニター装置１側で行うように構成してもよい。すなわ
ち、各計測点の目標の膜厚をモニター制御部１１に与え
ておいて、モニター制御部１１は、指定された計測点に
ついて測定された膜厚と、各計測点の目標の膜厚とに基
づいてその基板Ｗに対する研磨処理を終了するか継続す
るかを決定し、その結果だけを研磨装置制御部１１０に
与えるように構成する。

【００５８】次に、液カーテン制御部９による液カーテ
ンの調節処理を図７ないし図９に示すフローチャートを
参照して説明する。

【００５９】なお、上記図６のステップＳ２では、液流
出部５１から予め決められた基準の液流出量で純水が流
出されて液カーテンが形成されるように、流量調節弁５
３が調節されている。この際の流量調節弁３３の流量を
基準流量とする。従って、この液カーテンの調節処理が
開始される段階では、流量調節弁５３は基準流量になっ
ている。

【００６０】また、この液カーテンの調節処理が開始さ
れる段階での基板Ｗの表面に対する計測窓２１の位置を
以下では初期位置と称している。

【００６１】図７を参照する。まず、液カーテン制御部
９は、計測点からの反射光の分光スペクトルを取り込ん
で（ステップＳ２０）、図５で説明した方法により、計
測領域５５に気泡が存在しているか否かを判定する（ス
テップＳ２１）。計測領域５５に気泡が無ければ正常終
了し、一方、計測領域５５に気泡が有れば、計測窓２１
を基板Ｗの表面から徐々に離すようにしながら気泡を無
くす調節を行う（ステップＳ２２〜Ｓ２７）。

【００６２】ステップＳ２２では、昇降駆動機構４を駆
動して計測ユニット２を予め決められた移動量（ＭＤと
する）だけ降下させ、計測窓２１を基板Ｗの表面から前
記移動量ＭＤだけ離す。

【００６３】ステップＳ２２では、計測ユニット２全体
を降下させたので、結像レンズ２６も基板Ｗの表面から
離れ、計測光の焦点がずれることになる。そこで、液カ
ーテン制御部９は、オートフォーカス制御部３に計測光
の焦点合わせを行わせる（ステップＳ２３）。ただし、
このとき、結像レンズ２６を上記移動量ＭＤだけ基板Ｗ
の表面に近づければ再び計測光の焦点が合うので、オー
トフォーカス制御部３は、結像レンズ２６を上記移動量
ＭＤだけ基板Ｗの表面に近づけるようにステッピングモ
ーター４３を駆動するだけでよい。

【００６４】そして、上記ステップＳ２０、Ｓ２１と同
様に、液カーテン制御部９は、計測点からの反射光の分
光スペクトルを取り込んで、計測領域５５の気泡が無く
なったか否かを判定する（ステップＳ２４、Ｓ２５）。
計測領域５５の気泡が無くなっていれば正常終了する。
一方、計測領域５５の気泡が無くなっていなければ、計
測窓２１の移動回数（ステップＳ２２〜Ｓ２６を実行し
た回数）をカウントし（ステップＳ２６）、その回数が
予め決められた規定回数（ＭＬＤとする）に達したか否
かを判定して、達していなければステップＳ２２に戻っ
てステップＳ２２〜Ｓ２６の処理を繰り返し、一方、計
測窓２１の移動回数が前記規定回数ＭＬＤに達していれ
ば図８のステップＳ２８に進む。

【００６５】すなわち、ステップＳ２２〜Ｓ２７では、
計測窓２１を基板Ｗの表面から上記移動量ＭＤずつステ
ップ状に離しながら（計測窓２１を初期位置から上記移
動量ＭＤずつステップ状に降下させながら）液カーテン
を調節し、各段階（計測窓２１が初期位置からＭＤだけ
降下された段階、初期位置から（ＭＤ×２）だけ降下さ
れた段階、…、初期位置から（ＭＤ×ＭＬＤ）だけ降下
された段階）で計測領域５５の気泡が無くなったか否か
を調べ、計測領域５５の気泡が無くなった段階で液カー
テンの調節処理を終了するようにしている。

【００６６】なお、計測窓２１を基板Ｗの表面から離す
方向の移動にリミット値（ＭＤ×ＭＬＤ）を設けている
のは、計測窓２１を基板Ｗの表面から離し過ぎると、計
測領域５５内の気泡を無くすことが期待できないからで
ある。

【００６７】図８のステップＳ２８では、計測窓２１を
初期位置に戻す。このステップＳ２８が実行される段階
では、計測窓２１は初期位置から（ＭＤ×ＭＬＤ）だけ
降下されているので、昇降駆動機構４を駆動して、計測
窓２１を（ＭＤ×ＭＬＤ）だけ上昇させる。

【００６８】次に、ステップＳ２９〜Ｓ３４では、上記
ステップＳ２１〜Ｓ２７の調節とは逆に、計測窓２１を
基板Ｗの表面に徐々に近づけるようにしながら気泡を無
くす調節を行う。すなわち、計測窓２１を基板Ｗの表面
に予め決められた移動量（ＭＵとする）ずつステップ状
に近づけながら（計測窓２１を初期位置から上記移動量
ＭＵずつステップ状に上昇させながら）液カーテンを調
節し、各段階（計測窓２１が初期位置からＭＵだけ上昇
された段階、初期位置から（ＭＵ×２）だけ上昇された
段階、…、初期位置から（ＭＵ×ＭＬＵ）だけ上昇され
た段階）で計測領域５５の気泡が無くなったか否かを調
べ、計測領域５５の気泡が無くなった段階で液カーテン
の調節処理を終了するようにしている。なお、上記ＭＬ
Ｕは、ステップＳ２９〜Ｓ３３の繰り返し回数に対する
上限の規定回数であり、予め決めておく。

【００６９】ステップＳ２９〜Ｓ３４は、計測窓２１を
基板Ｗの表面に徐々に近づけながら（計測窓２１を初期
位置から徐々に上昇させながら）液カーテンを調節する
以外は、上記ステップＳ２２〜Ｓ２７と同様の処理であ
るのでその詳述は省略する。なお、ステップＳ３０で
は、オートフォーカス制御部３は、結像レンズ２６を上
記移動量ＭＵだけ基板Ｗの表面から離すようにステッピ
ングモーター４３を駆動する。

【００７０】また、計測窓２１を基板Ｗの表面に近づけ
る方向の移動にリミット値（ＭＵ×ＭＬＵ）を設けてい
るのは、計測窓２１を基板Ｗの表面に近づけ過ぎると、
計測領域５５内の気泡を無くすことが期待できないし、
計測窓２１が基板Ｗの表面にぶつかるのを防止する必要
があるからである。

【００７１】上記ステップＳ２２〜Ｓ２７における１回
分の移動量ＭＤと、上記ステップＳ２９〜Ｓ３４におけ
る１回分の移動量ＭＵとは、同じ移動量に設定しておい
てもよいし、異なる移動量に設定しておいてもよい。ま
た、上記ステップＳ２２〜Ｓ２７における規定回数ＭＬ
Ｄと、上記ステップＳ２９〜Ｓ３４における規定回数Ｍ
ＬＵとは、同じ回数に設定しておいてもよいし、異なる
回数に設定しておいてもよい。

【００７２】ステップＳ２２〜Ｓ３４では、所定の許容
範囲内で計測窓２１を基板Ｗの表面に対してステップ状
に接離させながら液カーテンの調節を行ったが、基板Ｗ
の表面に対する計測窓２１の接離だけでは、計測領域５
５内の気泡が無くならない場合には、液流出量の調節を
も加味して液カーテンの調節を行う。

【００７３】ステップＳ３４の判定がＹＥＳであれば、
図９のステップＳ３５に進む。ステップＳ３５では、現
在設定されている液量調節方向（液流出部５１からの液
流出量を増やす方向か減らす方向）に、予め決められた
液調節量（ＲＲとする）だけ、液流出部５１からの液流
出量を変更するように流量調節弁５３を調節する。

【００７４】なお、液量調節方向は、初期値が設定され
ていて、最初はその初期値に設定されている液量調節方
向に液流出量を変更調節していき、その方向への液流出
量の変更調節のリミット値に達した段階で、ステップＳ
４０で初期値と反対方向の液量調節方向に設定し直し、
その方向に液流出量を変更調節するようにしている。

【００７５】ステップＳ３６では、現在の液量調節方向
への液流出量の変更調節の回数（ステップＳ３５の実行
回数）をカウントし、ステップＳ３７では、その回数が
予め決められた規定回数（ＲＬとする）に達したか否か
を判定する。このステップＳ３６、Ｓ３７は、現在の液
量調節方向への液流出量の変更調節のリミット値に達し
たか否か（基準の液流出量からＲＲ×ＲＬだけ液流出量
を増やしたか否か、あるいは、減らしたか否か）を判定
している。

【００７６】現在の液量調節方向への液流出量の変更調
節のリミット値に達していなければ、計測窓２１を初期
位置に戻す（ステップＳ３８）。このステップＳ３８が
実行される段階では、ステップＳ２９〜Ｓ３４の処理に
より、計測窓２１は初期位置から（ＭＵ×ＭＬＵ）だけ
上昇されているので、昇降駆動機構４を駆動して、計測
窓２１を（ＭＵ×ＭＬＵ）だけ降下させる。

【００７７】そして、現在の液流出量に対してステップ
Ｓ２０〜Ｓ３４の処理を実行する。以後同様に、液流出
量を徐々に（ステップ状に）変更調節しながら、各液流
出量に対してステップＳ２０〜Ｓ３４の処理を実行し、
計測領域５５に気泡が無くなった状態で液カーテンの調
節を正常終了する（ステップＳ２１、Ｓ２５、Ｓ３
２）。

【００７８】初期値として設定された液量調節方向への
液流出量の変更調節がリミット値に達すると、ステップ
Ｓ３７の判定でＹＥＳとなりステップＳ３９に進む。こ
の段階では、初期値として設定された液量調節方向と反
対の方向への液流出量の変更調節はまだ行っていないの
で、ステップＳ３９の判定でＮＯとなりステップＳ４０
に進む。そして、液量調節方向を初期値と反対方向に設
定し直し（ステップＳ４０）、流量調節弁５３を基準流
量に戻して液流出部５１からの液流出量を基準の液流出
量に戻し（ステップＳ４１）、基準の液流出量から、初
期値と反対の液量流出方向に液流出量を徐々に（ステッ
プ状に）変更調節していき、各液流出量に対してステッ
プＳ２０〜Ｓ３４の処理を実行する。そして、基準の液
流出量を挟んで、増やす方向、減らす方向の双方への液
流出量の変更調節がリミット値に達しても計測領域５５
内の気泡が無くならなければ、ステップＳ３９の判定で
ＹＥＳとなり、液カーテンの調節処理では計測領域５５
内の気泡が無くならないものとして異常終了する。

【００７９】なお、上記実施例では、液カーテン制御部
９による液カーテンの調節処理によって計測領域５５内
の気泡が無くなった後、膜厚演算部１０があらためて計
測点からの反射光の分光スペクトルを取り込むようにし
ているが、液カーテン制御部９による液カーテンの調節
処理の際に、ステップＳ２０、Ｓ２４、Ｓ３１で取り込
んだ計測点からの反射光の分光スペクトルがステップＳ
２１、Ｓ２５、Ｓ３２において気泡が無いと判定されれ
ば、ステップＳ２０、Ｓ２４、Ｓ３１で取り込んだ計測
点からの反射光の分光スペクトルは膜厚測定にそのまま
用いることができる。従って、液カーテン制御部９は液
カーテンの調節処理中に、取り込んだ計測点からの反射
光の分光スペクトルで気泡が無いと判定すれば、その計
測点からの反射光の分光スペクトルを膜厚演算部１０に
与え、膜厚演算部１０では液カーテン制御部９から与え
られたその計測点からの反射光の分光スペクトルに基づ
いてその計測点の膜厚を求めるようにしてもよい。

【００８０】また、上記液カーテン制御部９による液カ
ーテンの調節処理では、計測窓２１を基板Ｗの表面に対
して接離するごとに計測光の焦点合わせを行っている
（ステップＳ２３、Ｓ３０）が、計測光の焦点が多少ず
れていても気泡の有無を判定する上では特に支障はな
い。従って、ステップＳ２３、Ｓ３０を省き、正常終了
する前に、計測光の焦点合わせを行うように構成しても
よい。このとき、正常終了する段階で、現在、計測窓２
１が初期位置からどちらの方向（離れる方向か近づく方
向）にどれだけ移動しているかはわかるので、その計測
窓２１の移動情報に基づいて、結像レンズ２６を基板Ｗ
の表面に対して接離させればよい。例えば、正常終了す
る段階で、計測窓２１が初期位置から離れる方向に（Ｍ
Ｄ×ｉ）（但しｉは１〜ＭＬＤの間の自然数）だけ移動
されていれば、結像レンズ２６を基板Ｗの表面に（ＭＤ
×ｉ）だけ近づければよいし、また、正常終了する段階
で、計測窓２１が初期位置に近づく方向に（ＭＵ×ｊ）
（但しｊは１〜ＭＬＵの間の自然数）だけ移動されてい
れば、結像レンズ２６を基板Ｗの表面から（ＭＵ×ｊ）
だけ離せばよい。

【００８１】さらに、上記液カーテン制御部９による液
カーテンの調節処理では、基板Ｗの表面に対する計測窓
２１の接離による調節と、液流出量の調節とを組み合わ
せて計測領域５５内の気泡を無くすように液カーテンを
調節しているが、基板Ｗの表面に対する計測窓２１の接
離による調節のみで液カーテンを調節する構成であって
もよい。また、必要に応じて、液流出量の調節のみで
（液流出量を徐々に変更調節しながら）液カーテンを調
節するようにしてもよい。

【００８２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載に発明によれば、液カーテンを形成したときの
計測領域内の実際の気泡の有無を調べながら計測窓と基
板表面との間隔をフィードバック制御で調節するので、
どのような要因によって計測領域内に気泡が存在してい
るのかに無関係に計測領域内の気泡を無くすように液カ
ーテンを調節することができる。従って、このモニター
装置を実際の研磨装置に組み込んでも膜厚測定の際に気
泡による影響を受けずに正確に膜厚測定することができ
る。

【００８３】また、請求項２に記載に発明によれば、請
求項１に記載の発明に加えて、さらに、液カーテン形成
手段からの洗浄液の液流出量をフィードバック制御で調
節するので、計測領域内の気泡をより適切、かつ、確実
に無くすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る研磨処理モニター装置
の全体構成を示す図である。

【図２】計測ユニットの詳細構成を示す図である。

【図３】基板の表面に塗布された膜の研磨処理を説明す
るための図である。

【図４】計測光の焦点位置と計測点との位置合わせを示
す図である。

【図５】計測領域に気泡が無い場合と有る場合の反射光
の分光スペクトルをグラフで示した図である。

【図６】モニター装置による研磨処理の進行状況のモニ
ター処理を示すフローチャートである。

【図７】液カーテン制御部による液カーテンの調節処理
を示すフローチャートである。

【図８】同じく、液カーテンの調節処理を示すフローチ
ャートである。

【図９】同じく、液カーテンの調節処理を示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１ ：研磨処理モニター装置 ２ ：計測ユニット ４ ：昇降駆動機構 ８ ：液カーテン形成機構 ９ ：液カーテン制御部 １０：膜厚演算部 ２１：計測窓 ５３：流量調節弁 ５５：計測領域 ＳＱ：洗浄液 Ｗ ：基板

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−52032（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−193033（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240413（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−109023（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−260317（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/304

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨装置に備えられ、基板表面に塗布さ
   れた膜を研磨する研磨処理中に、前記研磨対象の膜の膜
   厚を測定して研磨処理の進行状況をモニターするための
   研磨処理モニター装置において、 前記基板表面に対向される計測窓を有し、前記計測窓を
   介して前記基板表面へ計測光を照射し、前記計測窓を介
   して前記計測光の前記基板表面からの反射光を取り込
   み、その反射光の分光スペクトルを計測する分光スペク
   トル計測手段と、 前記分光スペクトル計測手段で計測される反射光の分光
   スペクトルを解析して前記研磨対象の膜の膜厚を求める
   膜厚演算手段と、 前記計測窓と前記基板表面との間の計測領域に洗浄液を
   満たして前記計測領域にその液のカーテンを形成する液
   カーテン形成手段と、 前記計測窓と前記基板表面とを接離させる接離手段と、 前記計測領域内に存在する気泡によって前記分光スペク
   トル計測手段で計測される反射光の分光スペクトルに生
   じる特性変化（以下、「気泡特性変化」という）を調べ
   ながら、その気泡特性変化が無くなるように前記接離手
   段を制御して前記計測窓と前記基板表面との間隔をフィ
   ードバック制御により調節する制御手段と、 を備えたことを特徴とする研磨処理モニター装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の研磨処理モニター装置
   において、 前記液カーテン形成手段からの洗浄液の液流出量を可変
   に調節する液流出量調節手段をさらに備え、かつ、 前記制御手段は、前記気泡特性変化を調べながら、その
   気泡特性変化が無くなるように、前記計測窓と前記基板
   表面との間隔のフィードバック制御による調節と、前記
   液カーテン形成手段からの洗浄液の液流出量のフィード
   バック制御による調節とを行なうことを特徴とする研磨
   処理モニター装置。