JP5137910B2 - ポリッシング装置及び研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に半導体ウェハなどの研磨対象物の被研磨面の特性値を測定して、研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）のタイミングを決定するポリッシング装置及び研磨方法に関するものである。

近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化、及び多層化の要求によって、半導体ウェハの表面の平坦度が要求されている。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により半導体ウェハの表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。

上記化学機械研磨においては、所定時間の研磨を行った後に所望の位置で研磨を終了する必要がある。例えば、ＣｕやＡｌなどの金属配線の上部にＳｉＯ_２等の絶縁層（この後の工程で絶縁層の上に更に金属などの層を形成するため、このような絶縁層は層間膜と呼ばれる。）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと下層の金属膜が表面に露出してしまうので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。

また、半導体ウェハ上に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ（銅）又はその合金を充填した後に、表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して半導体ウェハからＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。すなわち、配線用の溝部以外の箇所では、（ＳｉＯ_２などからなる）絶縁膜が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。

この場合において、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜と共に研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体ウェハ全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不十分で、Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。

このため、光学式センサを用いて反射光強度を測定し、測定された反射光強度に基づいてＣＭＰプロセスの加工終点を検出する研磨状態監視装置が知られている。すなわち、投光素子と受光素子とを備えた光学式センサを設置し、この光学式センサから半導体ウェハの被研磨面に光を照射する。そして、被研磨面における光の反射率の変化を検知して、ＣＭＰプロセスの加工終点を検出している。

ここで、上述したＣＭＰプロセスにおいて光学的特性を測定する方法としては、以下のようなものが知られている。
（１）半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの単色光源を被研磨面に照射し、その反射強度の変化を検出する。
（２）白色光を被研磨面に照射し、その分光（比）反射率を予め記録してある研磨終点の分光（比）反射率と比較する。
また、最近では、ウェハの初期膜厚を推定し、レーザ光をウェハに照射して、反射した反射光の反射強度の測定値の時間変化を正弦波のモデル関数で近似して膜厚を算出する研磨状態監視装置も開発されている。

しかしながら、従来の研磨状態監視装置においては、研磨対象物における各サンプリング点の位置が制御されておらず、研磨テーブルの初期の回転位置や回転加速度、定常時の回転速度、サンプリングの開始時刻などによってサンプリング点が変化してしまうため、ウェハ中央線上やウェハ端部など、ウェハ表面の所望の位置における膜厚等の特性値を測定することができなかった。特に、サンプリング周期が長い場合には、残膜プロファイルを推定するのが難しいという問題があった。

また、上述したモデル関数を用いて膜厚測定を行う研磨状態監視装置においては、予想初期膜厚と反射強度の測定値の時間変化に基づいて膜厚を算出しているため、研磨中に研磨速度が変わる場合や初期膜厚の推定が困難な場合、あるいは初期膜厚が小さい場合などにおいては、精度のよいモデル関数を求めることができず、膜厚を測定することが困難であった。

また、サンプリング周期が長く１つのサンプリング点（サンプリング領域）が研磨対象物の表面上の広範囲に亘る場合に、パターンや研磨量の違いによって様々な膜厚を一度に測定することとなり、精度のよいモデル関数を求めることができず、膜厚を測定することが困難であった。

また、ＣＭＰプロセスにおいては、スラリ（研磨液）や気泡、あるいは機械的な振動などの影響により被研磨面からの反射光の強度にバラツキが生じる。すなわち、単色光源を用いた場合には、反射光の強度の変動が直接的に測定誤差の要因となり、白色光を用いた場合には、分光（比）反射率の変動はそのまま誤差要因となり、終点検出の精度が低下してしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、研磨中の研磨対象物の被研磨面上の膜の状態を精度よく、かつ、安価に測定し、研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）のタイミングを決定することができるポリッシング装置及び研磨方法を提供することを目的とする。

このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、研磨対象物の被研磨面に形成された膜を研磨する方法であって、上記被研磨面を研磨テーブルに対して相対運動させながら、光源から上記被研磨面に光を照射し、上記被研磨面からの反射光を受光し、上記受光した反射光を複数の波長に分光してスペクトルデータを生成し、上記スペクトルデータに所定の重み関数を乗じて積分することによりスカラー値を生成し、上記スカラー値を用いて上記被研磨面に対する特性値を算出し、上記特性値の時間変化の特徴点を用いて上記被研磨面の研磨進捗状況を監視し、上記重み関数を調節して上記特性値の時間変化を調整することを特徴とする研磨方法である。ここで、上記特性値の時間変化の特徴点を検知し、上記検知がなされてから所定の時間経過した時点で研磨を停止し、又は、研磨条件を変更することが好ましい。また、上記重み関数を波長軸に沿って移動させて調節するようにしてもよい。これにより、極値（ピーク）の位置を任意に調整することができ、研磨終点の判定精度を向上させることが可能となる。また、上記スペクトルデータに上記重み関数とは異なる所望の第２の重み関数を乗じて積分することにより第２のスカラー値を生成し、上記第２のスカラー値を用いて上記被研磨面に対する第２の特性値を算出し、上記特性値と上記第２の特性値とを用いて被研磨面の研磨進捗状況を監視するようにしてもよい。これにより、研磨の進捗状況の監視において、極大値・極小値の極値の数を増加することができ、モニタリングの精度（分解能）を向上させることができる。

本発明の第２の態様は、研磨対象物の被研磨面に形成された膜を研磨するポリッシング装置であって、上記被研磨面に光を照射する光源と、上記被研磨面からの反射光を受光する受光部と、上記受光部により受光された光を複数の波長に分光する分光器と、上記複数の波長に分光された光からスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部と、上記スペクトルデータにそれぞれ異なる所望の第１及び第２の重み関数を乗じて積分することにより第１及び第２のスカラー値を生成し上記第１及び第２のスカラー値を用いて前記被研磨面に対する第１及び第２の特性値を算出する演算部と、上記第１及び第２の重み関数を設定するための入力部と、上記第１及び第２の特性値を監視するための表示部とを有することを特徴とするポリッシング装置である。これにより、研磨の進捗状況の監視において、極大値・極小値の極値の数を増加することができ、モニタリングの精度（分解能）を向上させることができる。

本発明によれば、スペクトルデータに基づく特性値（指標）を算出することにより、初期膜厚が小さい場合や膜の透光性が小さく干渉信号を発生しない場合などにおいても、算出された特性値に基づいて研磨状態の監視を行うことができる。例えば、サンプリング点に対応する領域の色合いを特性値として数値化して表わすことができ、ある膜の除去など、色合いが変化する変化点を検知することができる。したがって、研磨につれて上層膜が薄くなってスペクトル波形の形状が変わるような場合にも、時々刻々の色合いの変化を測定して、この色合いの特性値に基づいて研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）を決定することができる。また、特性値を正規化することができるので、スペクトルデータの変動の影響をなくすことができる。

本発明の一実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す模式図である。 図１に示す研磨状態監視装置においてパルス点灯光源を用いた場合の分光器ユニット内の受光素子の動作を示す模式図である。 図１に示す研磨状態監視装置において連続点灯光源を用いた場合の分光器ユニット内の受光素子の動作を示す模式図である。 図１に示す研磨状態監視装置のサンプリングのタイミングを説明するための平面図である。 研磨状態監視装置により得られたスペクトルデータの一例を示すグラフである。 膜厚とスペクトル近似の最小二乗誤差との関係を示すグラフである。 研磨状態監視装置においてパルス点灯光源を用いた場合の計測点を示す平面図である。 研磨状態監視装置において用いられる重み関数を説明するためのグラフである。 研磨状態監視装置において用いられる、酸化膜研磨中における相対反射率の時間変化を説明するためのグラフである。 研磨状態監視装置において用いられる、重み関数波長域の違いによる特性値周期の変化を説明するためのグラフである。 研磨状態監視装置において用いられる、短波長側と長波長側の重み関数のセットを説明するためのグラフである。 研磨状態監視装置において用いられる、酸化膜研磨中における相対反射率の時間変化を説明するためのグラフであり、膜厚の変化によるスペクトル波形の変化を示す。 研磨状態監視装置において用いられる、重み関数の波長域移動に対する特性値の位相変化を説明するためのグラフである。 研磨状態監視装置において連続点灯光源を用いた場合のサンプリング点を示す平面図である。 研磨状態監視装置においてサンプリング周期を調整する工程を示すフロー図である。 研磨状態監視装置におけるサンプリング周期の調整を説明するための平面図である。

以下、本発明の実施形態について図１乃至図１６を参照して詳細に説明する。なお、図１乃至図１６において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明に係るポリッシング装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態におけるポリッシング装置は、上面に研磨布１０が貼設された研磨テーブル１２と、研磨対象物である半導体ウェハＷを保持して研磨布１０の上面に押圧するトップリング１４とを備えている。研磨布１０の上面は、研磨対象物である半導体ウェハＷと摺接する研磨面を構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ_２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。

研磨テーブル１２は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル１２の上方には研磨液供給ノズル１６が設置されており、この研磨液供給ノズル１６から研磨布１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

トップリング１４は、トップリングシャフト１８に連結されており、このトップリングシャフト１８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング１４は矢印で示すように昇降可能かつトップリングシャフト１８回りに回転可能となっている。このトップリング１４の下面には、研磨対象物である半導体ウェハＷが真空等によって吸着、保持される。このような構成により、トップリング１４は自転しながら、その下面に保持した半導体ウェハＷを研磨布１０に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。

上述の構成のポリッシング装置において、トップリング１４の下面に保持された半導体ウェハＷは、回転している研磨テーブル１２の上面の研磨布１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズル１６から研磨布１０上に研磨液Ｑを供給する。これによって、半導体ウェハＷの被研磨面（下面）と研磨布１０の間に研磨液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。

ここで、本実施形態における研磨テーブル１２の内部には、研磨中に、半導体ウェハＷの被研磨面に形成された絶縁膜や金属膜の膜厚や色合いなどの特性値を測定し、研磨状態を監視する研磨状態監視装置２０が埋設されている。この研磨状態監視装置２０は、研磨中のウェハＷの被研磨面の研磨状況（残っている膜の厚みや状態など)をリアルタイムで連続的に監視するものである。また、研磨布１０には、研磨状態監視装置２０からの光を透過させるための透光部２２が取付けられている。この透光部２２は、透過率の高い材質で形成されており、例えば、無発泡ポリウレタンなどにより形成される。あるいは、研磨布１０に貫通孔を設け、この貫通孔が半導体ウェハＷに塞がれる間下方から透明液を流すことにより、透光部２２を構成してもよい。透光部２２は、トップリング１４に保持された半導体ウェハＷの被研磨面を通過する位置であれば、研磨テーブル１２の任意の位置に配置することができるが、半導体ウェハＷの中心を通過する位置に配置することが好ましい。

研磨状態監視装置２０は、図１に示すように、光源３０と、光源３０からの光を半導体ウェハＷの被研磨面に照射する発光部としての発光光ファイバ３２と、被研磨面からの反射光を受光する受光部としての受光光ファイバ３４と、受光光ファイバ３４により受光された光を分光する分光器とこの分光器により分光された光を電気的情報として蓄積する複数の受光素子とを内部に有する分光器ユニット３６と、光源３０の点灯及び消灯や分光器ユニット３６内の受光素子の読取開始のタイミングなどの制御を行う制御部４０と、制御部４０に電力を供給する電源４２とを備えている。なお、光源３０及び分光器ユニット３６には、制御部４０を介して電力が供給される。

発光光ファイバ３２の発光端と受光光ファイバ３４の受光端は、半導体ウェハＷの被研磨面に対して略垂直になるように構成されている。また、発光光ファイバ３２及び受光光ファイバ３４は、研磨布１０を交換するときの作業性や受光光ファイバ３４による受光量を考慮して、研磨テーブル１２表面の研磨面よりも上方に突出しないように配置されている。また、分光器ユニット３６内の受光素子としては、例えば５１２素子のフォトダイオードアレイを用いることができる。

分光器ユニット３６は、ケーブル４４を介して制御部４０に接続されている。分光器ユニット３６内の受光素子からの情報は、ケーブル４４を介して制御部４０に送られ、この情報に基づいて反射光のスペクトルデータが生成される。すなわち、本実施形態における制御部４０は、受光素子に蓄積された電気的情報を読み取って反射光のスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部を構成している。制御部４０からのケーブル４６は、研磨テーブル１２内を通り、例えばパーソナルコンピュータからなる演算部４８に接続されている。制御部４０のスペクトルデータ生成部で生成されたスペクトルデータは、ケーブル４６を介して演算部４８に送信される。

演算部４８では、制御部４０から受信したスペクトルデータに基づいて、膜厚や色合いなどのウェハＷの被研磨面の特性値を算出する。また、演算部４８は、ポリッシング装置を制御するコントローラ（図示せず）から研磨条件に関する情報を受信する機能や、算出された特性値の時間変化に基づいて研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）のタイミングを決定してポリッシング装置のコントローラに指令を行う機能も有している。

また、図１に示すように、研磨テーブル１２の外周部の下面には近接センサ５０が取付けられており、この近接センサ５０に対応して研磨テーブル１２の外方にドグ５２が設置されている。近接センサ５０は、研磨テーブル１２が１回転するたびにドグ５２を検知し、研磨テーブル１２の回転角度を検知できるようになっている。

光源３０としては、白色光をはじめとする波長帯域を有する光を照射する光源を用いる。例えばキセノンランプなどのパルス点灯光源を光源３０として用いることができる。光源３０としてパルス点灯光源を用いた場合、研磨中に各計測点で光源３０がトリガ信号によりパルス点灯される。また、タングステンランプなどを光源３０として用い、少なくとも発光光ファイバ３２の発光端と受光光ファイバ３４の受光端とがウェハＷの被研磨面に対向している間、連続して点灯させてもよい。

光源３０からの光は、発光光ファイバ３２の発光端から透光部２２を通ってウェハＷの被研磨面に照射される。この光は、半導体ウェハＷの被研磨面で反射し、透光部２２を通って研磨状態監視装置の受光光ファイバ３４で受光される。受光光ファイバ３４で受光された光は、分光器ユニット３６内の分光器に送られ、ここで複数の波長成分に分光される。複数の波長成分に分光された光は、それぞれの波長に対応する受光素子に照射され、照射された光の光量に応じて受光素子に電荷が蓄積される。各受光素子に蓄積された電気的情報は、所定のタイミングで読み取られ（解放され）、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号は、制御部４０のスペクトルデータ生成部に送られ、ここで各計測点に対応するスペクトルデータが生成される。

次に、分光器ユニット３６内の受光素子の動作について説明する。図２及び図３は、分光器ユニット３６内にＮ個の受光素子６０−１〜６０−Ｎがある場合の各受光素子の動作を示す模式図である。図２はパルス点灯光源を用いた場合、図３は連続点灯光源を用いた場合を示している。図２及び図３において、横軸は時間を示しており、各受光素子に対応するグラフの立ち上がり部分は受光素子に電気的情報が蓄積されたことを示し、落ち込み部分は受光素子の電気的情報が読み取られた（解放された）ことを示している。図２において、黒丸（●）はパルス点灯光源が点灯される時点を示している。

１回のサンプリングにおいて、各受光素子６０−１〜６０−Ｎは順次切り替えて読取（解放）が行われる。上述したように、各受光素子６０−１〜６０−Ｎには、対応する波長成分の光の光量が電気的情報として蓄積され、位相差を持ってサンプリング周期Ｔで読取（解放）が繰り返される。このサンプリング周期Ｔは、受光素子６０−１〜６０−Ｎに十分な光量が電気的情報として蓄積され、かつ、受光素子６０−１〜６０−Ｎから読み取られたデータを実時間で十分処理できる範囲内で、小さ目に設定する。受光素子として５１２素子のフォトダイオードアレイを用いる場合には、サンプリング周期Ｔは１０ミリ秒のオーダとなる。図２及び図３においては、１番目の受光素子６０−１の読取から最終の受光素子６０−Ｎの読取までの時間がＳとなっている。ここで、Ｓ＜Ｔである。図２の場合には、パルス点灯光源が点灯した時点（図２において●印で示す）をサンプリング時刻とし、図３の場合には、１番目の受光素子６０−１の読取が行われ、新たな蓄積が開始されてから、最終の受光素子６０−Ｎの読取が行われるまでの時間の半分の時点（図３において×印で示す）を、対応する計測領域を代表するサンプリング時刻とする。また、このサンプリング時刻において透光部２２に対向するウェハＷ上の点をサンプリング点という。

図２においては、光源３０が瞬間的に点灯する間（数マイクロ秒程度）、すべての受光素子６０−１〜６０−Ｎが光を蓄積する。最終の受光素子６０−Ｎが読取（解放）を行ってから光源３０を点灯するまでの時間をＱとするとき、次に１番目の受光素子６０−１が読取（解放）を行う前に光源３０を点灯するものとすれば、０＜Ｑ＜Ｔ−Ｓとなる。Ｑはこの不等式に示される範囲にある任意の値をとることができるが、以下では、Ｑ＝（Ｔ−Ｓ）／２であるとして説明する。１番目の受光素子６０−１の読取が行われ次の蓄積が開始されるのは、サンプリング時刻より、Ｓ＋Ｑ、すなわち（Ｔ＋Ｓ）／２だけ早いタイミングである。また、図３においても、１番目の受光素子６０−１の読み取りが行われるのは、サンプリング時刻より、（Ｔ＋Ｓ）／２だけ早いタイミングである。なお、図３に示す連続点灯光源の場合には、受光素子６０−１〜６０−Ｎの蓄積開始・読取の時点が素子により異なっているため、波長成分によって実際の計測領域が若干異なっている。

次に、研磨状態監視装置２０によるサンプリングのタイミングを決定する方法について説明する。まず、パルス点灯光源を用いた場合のサンプリングのタイミングを決定する方法について説明する。図４は、研磨状態監視装置２０によるサンプリングのタイミングを説明するための図である。研磨テーブル１２が１回転するたびに、研磨テーブル１２の外周部に設けられた近接センサ５０が近接センサ作動の基準位置となるドグ５２を検知する。すなわち、図４に示すように、研磨テーブル１２の回転中心Ｃ_ＴとウェハＷの中心Ｃ_Ｗとを結ぶ線Ｌ_Ｔ−Ｗ（以下、ウェハ中央線という）から研磨テーブル１２の反回転方向に回転角度を定義した場合に、回転角度θで近接センサ５０がドグ５２を検知する。なお、ウェハＷの中心Ｃ_Ｗは、例えばトップリング１４の位置制御を行うことによって特定される。

ここで、図４に示すように、研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔと透光部２２の中心Ｃ_Ｌとの間の水平距離をＬ、研磨テーブル１２の中心Ｃ_ＴとウェハＷの中心Ｃ_Ｗとの間の水平距離をＭ、ウェハＷの被研磨面からエッジカット部を除いたウェハＷの被計測面の半径をＲ、透光部２２がこの被計測面を走査する角度を２αとすると、余弦定理から以下の式（１）が成立し、角度αを求めることができる。

本実施形態では、透光部２２が通過するウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上の点Ｐを必ずサンプリング点とするように、サンプリングのタイミングを調整している。ウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗから片側にあるサンプリング点の数をｎ（整数）とすると、透光部２２がウェハＷの被計測面を走査する間の全サンプリング点の数は、ウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上のサンプリング点Ｐを含めて２ｎ＋１となる。

ウェハＷの外側にはトップリング１４の外周部が背景光を遮るように配置されているとすれば、最初のサンプリング時刻において透光部２２がウェハＷの被計測面内に存在するための条件は、ω_Ｔを研磨テーブル１２の角速度として、以下の不等式（２）で表わすことができる。したがって、この不等式（２）から、この条件を満たす整数ｎを求めることができる。

ここで、透光部２２と近接センサ５０とが研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔに対して同一角度に位置しているものとすれば、研磨テーブル１２が１回転するときに、近接センサ５０がドグ５２を検知してから１回目のサンプリングにおける１番目の受光素子６０−１の蓄積が開始されるまでの時間ｔ_Ｓ、すなわちサンプリング開始時刻ｔ_Ｓは、以下の式（３）により求めることができる。

ここで、透光部２２がウェハＷの被研磨面の外側にある間に受光素子に蓄積された光量を確実にクリアするために、１回目のサンプリングを読み捨てることとしてもよい。この場合のサンプリング開始時刻ｔ_Ｓは、以下の式（４）により求めることができる。

研磨状態監視装置２０は、このようにして求められたサンプリング開始時刻ｔ_Ｓに基づいてサンプリングを開始する。すなわち、制御部４０は、近接センサ５０がドグ５２を検知してからｔ_Ｓ経過後に光源３０のパルス点灯を開始し、その後サンプリング周期Ｔごとにサンプリングを繰り返すように、分光器ユニット３６内の受光素子の動作タイミングを制御する。これにより、各サンプリング点における反射スペクトルデータが制御部４０のスペクトルデータ生成部により生成され、これが演算部４８に送られる。演算部４８では、このスペクトルデータに基づいてウェハＷの被研磨面の特性値、例えば膜厚が求められる。

本実施形態では、透光部２２が通過するウェハ中央線Ｌ_Ｔ−Ｗ上の点Ｐを必ずサンプリング点とするようにしているので、研磨テーブル１２が１回転するたびに研磨対象物表面上の所定の半径位置の特性値を繰り返し測定することができる。また、サンプリング周期を一定とすれば、研磨対象物の表面上において、研磨テーブル１２の回転ごとの各測定点の半径位置は一定となる。したがって、不特定の位置の特性値を測定する場合に比べて、ウェハＷ上の残膜の状況を把握する上でより効果的である。特に、透光部２２がウェハＷの中心Ｃ_Ｗを通るように構成されている場合には、研磨テーブル１２が１回転するたびにウェハＷの中心Ｃ_Ｗを定点として必ず測定することになり、ウェハＷ上の残膜状況の時間変化をより正確に把握することができる。

一方、連続点灯光源の場合は、上述したように、受光素子の蓄積が連続して行われ、かつ受光素子によって開始時点が異なるため、ｎの求め方がパルス点灯光源の場合と異なっている。すなわち、１番目の受光素子６０−１の蓄積開始の時点で、透光部２２がウェハＷの被計測面内に存在する必要がある。したがって、ｎに関する不等式は以下のようになる。

この不等式（５）から、ｎ（整数）を求め、上記式（３）又は式（４）に基づいてサンプリング開始時刻ｔ_Ｓを求めることができる。そして、研磨状態監視装置２０は、パルス点灯光源の場合と同様に、求められたサンプリング開始時刻ｔ_Ｓに基づいてサンプリングを開始し、各サンプリング点におけるスペクトルデータからウェハＷの被研磨面の特性値、例えば膜厚を求める。なお、上述の例では、パルス点灯光源の点灯のタイミングや透光部２２と近接センサ５０との位置関係に一定の条件を設定して説明したが、これらの条件を外しても同様にｎとｔ_Ｓを求めることができる。

次に、各サンプリング点におけるスペクトルデータから特性値としての膜厚を算出する方法について説明する。この場合、得られたスペクトルの波数（単位長さ当りの波の数）を横軸に、光の強度を縦軸にとってスペクトルデータを表わすとき、１つの膜厚に対するスペクトルの周期（ピーク間の波数）が膜厚に比例することを利用して膜厚を算出する。

例えば、得られたスペクトルデータが図５に示すような波形であった場合を想定する。図５に示すスペクトル波形からは、以下のようなことが把握できる。
（１）一定周期の干渉波パターンが存在する。
（２）オフセットが存在する。
（３）右上がりにほぼ線形のドリフトが存在する。
（４）干渉効率のため、波数が大きいほど干渉波の振幅が小さくなる。

これらの点を考慮すると、干渉波の周期ωが既知であれば、スペクトル波形は、以下の関数ｆ（ｘ）で近似できると予測される。

この式（６）において、右辺の第１項はスペクトル波形のオフセットを反映し、第２項はスペクトル波形のドリフトを反映し、第３項は波形状の周期性波形を反映している。更に詳しく言えば、第３項の中の（１/ｘ）の部分は波数増加に伴う振幅の減少を反映し、δは特に膜厚が大きい場合に顕著になる位相ずれを反映している。

ここで、加法定理より、以下の式（７）が成立する。

したがって、上記式（６）は以下のように変形することができる。

ここで、ｆ_０（ｘ）＝１，ｆ_１（ｘ）＝ｘ，ｆ_２（ｘ）＝（１／ｘ）ｓｉｎωｘ，ｆ_３（ｘ）＝（１／ｘ）ｃｏｓωｘと定義すれば、測定スペクトルは、これら４つの関数の線形和として、以下の式（９）に示す関数ｆ（ｘ）で近似することができる。

このような近似関数ｆ（ｘ）が、測定スペクトルに対して最適に近似された状態では、両者の二乗誤差が最小となる。そこで、ある膜厚を想定した近似関数ｆ（ｘ）を定義し、この近似関数ｆ（ｘ）と測定スペクトルとの二乗誤差が最小になるように関数ｆ（ｘ）の係数α_０，α_１，α_２，α_３を求め、このときの最小二乗誤差を求める。この計算を膜厚を変化させて行い、横軸に膜厚値、縦軸に最小二乗誤差をとってグラフを描くと、図６に示すようなグラフとなる。図６に示すように、グラフ中には、最小二乗誤差の極小点（ピークトップ）が現れ、このときの近似関数ｆ（ｘ）が測定スペクトルに最も近い形状であるといえる。したがって、このときの近似関数ｆ（ｘ）に対応する膜厚（図６における膜厚ｄ）を、求めるべき膜厚として算出する。

ここで、測定時に、研磨テーブル１２と透光部２２はウェハＷの被研磨面上を移動するが、研磨テーブル１２又はトップリング１４の回転速度やサンプリング周期Ｔが大きいと、１つのサンプリング点当たりの走査範囲が大きくなる。したがって、パターンや研磨レートがウェハＷの被研磨面上の位置によって異なる場合に、光源３０を連続点灯すると、１つのサンプリング点について様々な膜厚を一度に測定することになる。これにより、明確な干渉スペクトルが得られず、その結果、図６に示すような明確なピークトップが現れなくなってしまうことが考えられる。この観点からは、光源３０として、数マイクロ秒の間点灯するパルス点灯光源を用いることが好ましい。この場合には、図７に示すように、ウェハＷの被研磨面上の不連続の小さなスポットＰ_Ｓ１を計測点として計測することができ、各計測点の膜厚を精度よく測定することができる。

上述の例では、特性値として膜厚を算出する例を説明したが、算出する特性値は膜厚に限られるものではない。例えば、銅膜を除去すると赤い光沢を持った色が消えるなど、研磨対象物の材質によっては、上層膜が除去されると色合いが大きく変わることがある。したがって、被研磨面の色合いの変化を被研磨面の状態を把握するための指標として用いることができる。以下、上述した特性に着目して、各サンプリング点におけるスペクトルデータから特性値としての色合いを算出する方法について説明する。

まず、図８に示すように、研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）の前後のスペクトルデータｇ_１（λ），ｇ_２（λ）を比較し、変化の大きい波長領域に対して大きな値を有する重み関数ｗ（λ）を予め定義しておく。そして、各波長λの反射光のスペクトルデータの測定値ρ（λ）に重み関数ｗ（λ）を乗じて積算したもの、すなわち、積分してスカラー値としたものを特性値Ｘとする。すなわち、特性値Ｘを以下の式（１０）により定義する。

この場合において、複数の重み関数ｗ_ｉ（λ）（ｉ＝１，２，．．．）を定義して、例えば、以下の式（１１）により特性値Ｘ_ｉを定義してもよい。

このような方法によれば、研磨につれて上層膜が薄くなってスペクトル波形の形状が変わるような場合にも、時々刻々の色合いの変化を測定して、この色合いの特性値に基づいて研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）を決定することができる。

なお、上記式（１０）において、重み関数ｗ（λ）を、ｗ（λ_０）＝１、ｗ（λ）＝０（λ≠λ_０）、Δλ＝１と定義した場合、波長λ_０のスペクトル値を表す特性値Ｘを得ることができる。また、重み関数ｗ（λ）を、ｗ（λ_１）＝１、ｗ（λ_２）＝−１、ｗ（λ）＝０（λ≠λ_１，λ_２）、Δλ＝１／（λ_１−λ_２）と定義すれば、スペクトルグラフ上で波長λ_１、λ_２の点を結ぶ直線の傾きを表す特性値Ｘを得ることができる。ここで、スペクトルの測定値ρ（λ）は、予め各波長の近傍で平均化して、ノイズの影響を軽減しておいてもよい。

なお、測定スペクトルデータρ（λ）は、各波長の反射光量のスペクトルであってもよいし、基準反射板のスペクトルや、あるいは、測定開始直後のスペクトルで正規化した相対反射率であってもよい。

また、上記重み関数ｗ（λ）をＪＩＳ−Ｚ−８７０１に適合するように定義してもよい。すなわち、スペクトルデータ（分光比反射率）を色度座標値（ｘ，ｙ）に変換したものを特性値として用いることもできる。以下、スペクトルデータを色度座標値（ｘ，ｙ）に変換して特性値として用いる方法について説明する。反射物体の色の３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚは、以下の式（１２）〜（１４）で計算される。

ここで、λは波長、Ｐ（λ）は想定する光源の分光分布、ｋは刺激値Ｙの値を測光量に等しくするために定められた係数、ρ（λ）は計測スペクトル分布である。この計測スペクトル分布ρ（λ）は、例えば以下の式（１５）のように定義することができる。

ここで、ρ_Ｍ（λ）は測定スペクトル分布、ρ_Ｂ（λ）はベアシリコンにおける反射スペクトル分布である。

これらの刺激値Ｘ，Ｙ，ＺからそれぞれのＸ，Ｙ，Ｚ成分の割合ｘ，ｙ，ｚを以下の式（１６）〜（１８）を用いて求める。

このようにして求められたｘ，ｙ，ｚは色度座標と呼ばれている。ｘ，ｙ，ｚのうち独立なものは２つだけであるので、通常はｘとｙの組み合わせを用いて色度座標値（ｘ，ｙ）とする。

このように、スペクトルデータを色度座標値（ｘ，ｙ）に変換して、この色度座標値（ｘ，ｙ）のいずれか一方又は双方に基づいて研磨終点（研磨停止又は研磨条件の変更）を決定することができる。この色度座標値は、式（１１）の特別な場合とみなすことができる。この色度座標値は、式（１１）の場合と同様、式（１６）〜（１８）に示されるように、正規化されたものであるので、分光比反射率の変動の影響を正規化の効果によりなくすことができる。このように、色度座標値を特性値として用いることで、測定系の不安定さに起因する分光比反射率の変動の影響をなくすことができる。

また、式（１２）〜（１４）中の等色関数や光源３０の分光分布をパラメータとして設定することで、研磨による分光比反射率の変化に対して、より反射率の変化の多い波長領域の重み付けをウェハごとに最適化することができる。これにより、より精度よく被研磨面の状態を測定することができる。

次に、スペクトルデータ生成部により生成されたスペクトルデータの波長成分に所定の重み係数を乗じる乗算を含む演算により前記研磨対象物の被研磨面における所定の特性値を算出し、研磨の進捗状況をモニタリングする具体例について説明する。

式（１０）、式（１１）等により特性値を求める場合、重み関数ｗ（λ）をどう定義するかは重要であり、目的に応じて、ｗ（λ）を調節できるように構成されていることが好ましい。

例えば、被研磨膜が下地とは色が大きく異なる金属膜であって、その除去の時点を捉えようとするならば、前述のように、除去される膜の色に対応する波長帯域に大きな重みをもつ重み関数を定義する。例えば、被研磨膜が銅膜の場合、銅膜は赤い光沢を持ち波長λ＝８００ｎｍ付近の反射強度が大きいから、重み関数ｗ（λ）をλ＝８００ｎｍ付近に大きな重みを持つように定義して、式（１０）により特性値

を求めると、Ｘは銅膜の有無に応じて大きく値が変わる。また、第１のスペクトルデータρ（λ）のある波長に外乱が入ったとしても、積分演算を行っているため、λ＝８００ｎｍに対する反射強度を直接監視する場合に比べて、その影響を軽減できる。

また、式（１１）を用いて、例えば、ｉ＝１，２とし、ｗ_１（λ）をλ＝８００ｎｍ付近に大きな重みを持つように定義し、ｗ_２（λ）を銅膜の有無に係わらず略一定の反射強度を持つ波長帯域に大きな重みを持つように定義する。このとき、特性値

は、銅膜の有無に応じて値が大きく変わる。更に、外乱によって全波長域の反射光量が上下するような場合においても、安定した時間変化の波形を得ることが出来る。

研磨終点（研磨停止点又は回転速度・トップリングに設けられた複数の押圧領域に印加するそれぞれの押圧力・スラリの種類の変更等の研磨条件の変更点）の検出においては、上記の様にして現れた特性値時間変化の特徴点（所定の閾値、増加又は減少の開始又は終了、極値等）を検知し、所定時間オーバポリッシュした後、研磨動作を切り替える。ここで、オーバポリッシュ時間は零であってもよい。

次に、被研磨膜が酸化膜等の透光性の膜である場合について、重み関数の調節法の具体例を説明する。

被研磨膜が酸化膜のような透光性の薄膜である場合、厚みが均一で、外乱のない理想的な状態を考えると、被研磨膜による干渉のため、各波長の相対反射率の時間変化は概ね図９に示すようになる。被研磨膜の屈折率をｎ、膜厚をｄ、光の波長(真空中)をλとするとき、時間変化１周期分に相当する膜厚差はΔｄ＝λ／２ｎである。したがって、膜厚が研磨時間に伴い直線的に減少すると、相対反射率は図９に示すように極大値・極小値が周期的に現れた時間変化をする。ここで、実線は波長λ＝５００ｎｍの場合を示し、破線はλ＝７００ｎｍの場合を示す。

これより、光の波長が短い程、相対反射率の時間変化の周期は短くなり、極値が頻繁に発生するようになる。したがって、スペクトルデータの波長成分に重み係数を乗じる乗算を含む演算により求められる特性値の時間変化に関しても、同様に、重み関数の着目波長が短い程、時間周期が短く極値が多くなることが期待される。

図１０は、配線パターン上の酸化膜を研磨したとき、式（１１）により特性値Ｘ_３をモニタリングした例である。ここで、図１１に示すそれぞれ３個の関数ｗ_１（λ）、ｗ_２（λ）、ｗ_３（λ）からなる重み関数のセットＬ、Ｓを用いて、特性値を算出している。特性値は、７０秒付近まで増減を繰り返した後、挙動が変化する。特性値の増減は基本的に被研磨膜膜厚の減少に伴う光の干渉によるものと考えられるため、７０秒付近で配線パターン（の一部）が露出してこのような増減が現れなくなったものと推定される。

モニタリングにおいては、特性値時間変化の極大値・極小値を検出して、研磨進捗状況を表わす。予め、極値検出時点で研磨を停止してリファレンスとして膜厚測定を行っておけば、進捗状況を被研磨膜の膜厚と関連付けることが出来る。したがって、特性値時間変化の周期が短いほど、分解能が高く、きめの細かいモニタリングが出来ることになる。

図１０に示す例では、Ｌが１０個の極値を有するのに対し、Ｓは１５個の極値を有する。すなわち、Ｌにおいては、研磨過程を１１個の区間に分けて認識できるのに対し、Ｓでは１６個の区間に分けて認識可能である。

終点（研磨停止点又は研磨条件変更点）の検出においては、所望の膜厚の直前の極値（特徴点の一つ）を検出して、極値に対する膜厚と所望の膜厚との差分に相当する時間だけ、オーバポリッシュする。したがって、特性値時間変化の周期が短いほど、オーバポリッシュ時間を短く出来、終点検出精度を向上させることが出来る。以上より、重み関数を短波長側に設定することにより、研磨進捗状況モニタリングや、終点検出の精度を向上させることが可能になる。

一般に、光源が有効エネルギーを有する波長帯域は限られており、また、波長が短くなるほど、スラリや研磨パッド透光部等による光の散乱も大きくなって、Ｓ／Ｎ比が悪化する。重み関数をどの位の波長帯域に設定するかは、特性値の時間変化周期とＳ／Ｎ比とを勘案して決定される。

次に、複数の異なる重み関数のセットから導出された２個以上の特性値を同時にトレースする場合について説明する。

図１０から分かるように、図１１の重み関数のセットＬ，Ｓそれぞれから求められた特性値を同時に用いることにより、研磨過程を２６個の区間に分けて認識することが可能となりモニタリングの精度（分解能）をさらに向上させることができる。実際には、Ｌ，Ｓ両方に対する特性値の極値がほぼ同一時点で発生することもあるから、この場合、研磨過程は２６個未満の区間に分けられる。

次に、重み関数を波長域で移動させて調節する例を示す。被研磨膜が酸化膜のような透光性の薄膜である場合、厚みが均一で、外乱のない理想的な状態を考えると、被研磨膜による干渉のため、スペクトル波形は概ね図１２に示すようになる（図５の横軸を波数から波長に変えたものに相当）。被研磨膜の屈折率をｎ、膜厚をｄ、隣り合う極大点（又は極小点）に対する波長をλ_１、λ_２とするとき、反射時の光波位相変化の影響が小さいものとすれば
２ｎｄ／λ_１≒２ｎｄ／λ_２＋１ すなわち １／λ_１≒１／λ_２＋１／２ｎｄ
となる。

研磨につれて膜厚が減少するとき、図１２の膜厚１０００ｎｍ→９９０ｎｍ→９８０ｎｍに示すように、スペクトルグラフ上で各極大点・極小点は長波長から短波長側に移動する。これにより、重み関数を長波長側に移動すると、特性値の極値が早めに現れるものと期待される。
図１３は、図１０と同一のパターン酸化膜を研磨したとき、図１１の重み関数のセットＬ、及び、Ｌの各重み関数を波長軸上でそれぞれ１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、長波長側に移動したＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて、式（１１）により特性値Ｘ_３をモニタリングした例である。各特性値の時間変化の位相は、重み関数を長波長側へ移動するほど、前倒しされていることが分かる。

したがって、事前に研磨したサンプルウェハに対する特性値の時間変化の波形を基にして、重み関数を波長軸上で移動させて調整することにより、特性値の時間変化の極値（ピーク又はボトム）を所望のタイミングに調整することが出来る。これにより、前述したオーバポリッシュ時間を最小にして、終点検出の精度を向上させることが出来る。

すなわち、オーバポリッシュ時間の設定は、特性値のピークをもとに設定される。ところで、オーバポリッシュ時間の研磨は、実際に膜厚を観測しているのではなく、均一な膜厚レートで研磨を行っているという仮定で行っていることから、正確な研磨終点を得る上でオーバポリッシュ時間は短いほうがよい。このため、特性値のピークと研磨終了点ができるだけ近いほうが好ましく、上記のような方法で重み関数の重みを長波長側（もちろん短波長側でもよい）に移動させることで所望のタイミングにピークを持っていくことができる。前述した重み関数の決定に際しては、対象となるウェハを研磨してスペクトルデータを取得し、重み関数を調節しながらシミュレーションを行って特性値を計算し、特性値の時間変化が所望の傾向を示す重み関数を採用するのが望ましい。

次に、光源３０として連続点灯光源を用いる場合について検討する。上述した方法により求めた特性値（色合い）の時間変化を考えるとき、光源３０としてパルス点灯光源を用いると、ウェハＷ上の計測点に対応するパターンの違いによって色合いが変化し、特性値の時間変化が高周波で変動することがある。このような場合には、特性値の時間変化の大まかな傾向を把握するのが難しい。また、高周波の変動を抑えるために移動平均等の平滑化を行ったのでは位相遅れが生じ、研磨終点の検出も遅れてしまう。

そこで、このような高周波の変動を抑止するために、光源３０として連続点灯光源を用いることが好ましい。図１４は、光源３０として連続点灯光源を用いた場合のサンプリング点Ｐ_Ｓ２と対応する測定領域Ｘの関係を示すものである。図１４に示すように、各サンプリング点Ｐ_Ｓ２の前後の反射光は、各受光素子に順次蓄積されて物理的に平均化される。したがって、パターンの影響によるバラツキが軽減され、上述した高周波の変動を低減することができる。

ここで、ウェハＷの被研磨面の残膜状況を測定する場合には、ウェハ中心やウェハ端部など、特定の点の残膜状況の推移を見ることが重要である。しかしながら、サンプリング周期を固定して測定したのでは、研磨テーブル１２の回転速度に応じて、透光部２２がウェハＷの被研磨面を走査する線上におけるサンプリング点の位置が固定されてしまう。例えば、ウェハ端部は測定することができない。そこで、本実施形態では、サンプリング周期、すなわち受光素子の蓄積時間を研磨テーブル１２の回転速度などに基づいて調整できるようになっている。

図１５は、研磨テーブル１２の回転速度などに基づいてサンプリング周期を調整する工程を示すフロー図である。まず、条件として、図１６に示すように、サンプリング点としたい所望の点Ｐ_Ｖの半径Ｒ_Ｖ，研磨テーブル１２の回転中心Ｃ_ＴとウェハＷの回転中心Ｃ_Ｗとの間の水平距離Ｍ，研磨テーブル１２の回転中心Ｃ_Ｔと透光部２２の中心Ｃ_Ｌとの間の水平距離Ｌ，研磨テーブルの回転角速度ω_Ｔ，最小サンプリング周期Ｔを入力する（ステップ１）。これらの条件は、演算部４８としてのパーソナルコンピュータのキーボードからオペレータが入力されるものであってもよいし、予め記憶装置に貯えられたものであってもよく、あるいはポリッシング装置のコントローラから送信されるものであってもよい。

次に、点Ｐ_Ｖが、研磨テーブル１２の中心Ｃ_Ｔを基準にしてウェハ中央線Ｃ_Ｔ−Ｗに対してなす角度α_Ｖを上述した式（１）に準じて求める（ステップ２）。そして、点Ｐ_Ｖからウェハ中央線Ｃ_Ｔ−Ｗに達する前までのサンプリング点の数ｎ_Ｖを不等式（２）に準じて求める（ステップ３）。ここで、光源３０が連続点灯光源であっても、点Ｐ_ＶがウェハＷの被計測面の十分内側にある場合には、パルス点灯光源に関する不等式（２）に従う。次に、これら算出された角度α_Ｖとサンプリング点の数ｎ_Ｖとに基づいて、以下の式（１９）によりサンプリング周期Ｔ_Ｖを算出する（ステップ４）。

このようにして求められたサンプリング周期Ｔ_Ｖによれば、所望の半径Ｒ_Ｖにある点Ｐ_Ｖの測定を行うことができる。したがって、条件として入力する所望の半径Ｒ_Ｖを調整することにより、図１６に示すように、ウェハ中央線Ｃ_Ｔ―Ｗ上の点に加えて、ウェハ端部などの所望の半径位置をサンプリング点とすることができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１０ 研磨布
１２ 研磨テーブル
１４ トップリング
１６ 研磨液供給ノズル
１８ トップリングシャフト
２０ 研磨状態監視装置
２２ 透光部
３０ 光源
３２ 発光光ファイバ
３４ 受光光ファイバ
３６ 分光器ユニット
４０ 制御部
４２ 電源
４４，４６ ケーブル
４８ 演算部
５０ 近接センサ
５２ ドグ
６０−１〜６０−Ｎ 受光素子
Ｃ_Ｗ ウェハの中心
Ｃ_Ｌ 透光部の中心
Ｃ_Ｔ 研磨テーブルの中心
Ｌ_Ｔ−Ｗ ウェハ中央線
Ｑ 研磨液
Ｗ 半導体ウェハ（研磨対象物）

Claims (12)

1. 研磨対象物の被研磨面に形成された膜を研磨する方法であって、
   前記被研磨面を研磨テーブルに対して相対運動させながら、
   光源から前記被研磨面に光を照射し、
   前記被研磨面からの反射光を受光し、
   前記受光した反射光を複数の波長に分光してスペクトルデータを生成し、
   前記スペクトルデータに所定の重み関数を乗じて積分することによりスカラー値を生成し、
   前記スカラー値を用いて前記被研磨面に対する特性値を算出し、
   前記特性値の時間変化の特徴点を用いて前記被研磨面の研磨進捗状況を監視し、
   前記重み関数を調節して前記特性値の時間変化を調整することを特徴とする研磨方法。
2. 前記重み関数を波長軸に沿って移動させて調節することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記特性値の時間変化の特徴点を検知し、
   前記検知がなされてから所定の時間経過した時点で研磨を停止し、又は、研磨条件を変更することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
4. 前記膜は酸化膜からな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研磨方法。
5. 前記スペクトルデータに前記重み関数とは異なる所望の第２の重み関数を乗じて積分することにより第２のスカラー値を生成し、
   前記第２のスカラー値を用いて前記被研磨面に対する第２の特性値を算出し、
   前記特性値と前記第２の特性値とを用いて被研磨面の研磨進捗状況を監視することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨方法。
6. 前記膜は金属膜からな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研磨方法。
7. 前記光源は、波長帯域を有する光を発することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載に研磨方法。
8. 前記光源は、パルス点灯光源であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載に研磨方法。
9. 前記光源は、前記被研磨面からの反射光を受光している間、連続して点灯する連続点灯光源であることを特徴とする１乃至６のいずれか一項に記載に研磨方法。
10. 研磨対象物の被研磨面に形成された膜を研磨するポリッシング装置であって、
    前記被研磨面に光を照射する光源と、
    前記被研磨面からの反射光を受光する受光部と、
    前記受光部により受光された光を複数の波長に分光する分光器と、
    前記複数の波長に分光された光からスペクトルデータを生成するスペクトルデータ生成部と、
    前記スペクトルデータにそれぞれ異なる所望の第１及び第２の重み関数を乗じて積分することにより第１及び第２のスカラー値を生成し前記第１及び第２のスカラー値を用いて前記被研磨面に対する第１及び第２の特性値を算出する演算部と、
    前記第１及び第２の重み関数を設定するための入力部と、
    前記第１及び第２の特性値を監視するための表示部とを有することを特徴とするポリッシング装置。
11. 前記膜は酸化膜からなることを特徴とする請求項１０に記載のポリッシング装置。
12. 前記膜は金属膜からなることを特徴とする請求項１０に記載のポリッシング装置。

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