JP5241321B2 - Wafer polishing state monitoring method and polishing state monitoring device - Google Patents

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この発明は、CMP(化学機械研磨)におけるウェーハの研磨終点検出方法並びに研磨終点検出装置に関するものであり、特に、精度の向上を図ったウェーハの研磨終点検出方法並びに研磨終点検出装置に関するものである。   The present invention relates to a wafer end point detection method and a polishing end point detection apparatus in CMP (Chemical Mechanical Polishing), and more particularly to a wafer end point detection method and a polishing end point detection apparatus that improve accuracy. .

超LSI等における配線パターンの微細化や多層化が進行するにつれて、これらの半導体製造工程において、成膜加工されたウェーハに対して配線パターン形成や浅溝型素子分離などを行うCMP工程では、正確な研磨終点で研磨を終了して最終的な膜厚を精密に制御することの重要性が増大している。   As miniaturization and multilayering of wiring patterns in VLSI and the like progress, in these semiconductor manufacturing processes, in the CMP process that performs wiring pattern formation, shallow groove type element separation, etc., on a film-formed wafer, The importance of precisely controlling the final film thickness after finishing polishing at a proper polishing end point is increasing.

ここで、通常研磨の終点検出といっても、従来は時間で管理することが多かった。時間で管理する場合、即ち所定の時間研磨することによって研磨終了とみなす場合においても、同じ条件で研磨しておれば、見積もりと大きく変化することはなく、大まかにみれば、せいぜい1割程度も変化しない程度の安定した研磨レートにおいて、安定した膜厚量を得ることができる。   Here, even if the end point detection of normal polishing is detected, it is often managed by time. Even if it is managed by time, that is, when polishing is finished by polishing for a predetermined time, if it is polished under the same conditions, it will not change greatly from the estimate, roughly speaking, about 10% at most A stable film thickness can be obtained at a stable polishing rate that does not change.

しかし、研磨の場合、長い間連続して研磨すると、研磨パッドが徐々に目詰まりしてくることや、平滑化されることなどから、研磨レートがわずかながら変化する。特に、研磨パッドの表面状態は安定化することが非常に難しく、微小な研磨レートのドリフトによって、所定時間の研磨を行ったとしても、結果的な膜厚量はわずかながら変化していくことになる。   However, in the case of polishing, if polishing is continued for a long time, the polishing pad gradually clogs or is smoothed, and the polishing rate changes slightly. In particular, it is very difficult to stabilize the surface state of the polishing pad, and even if polishing is performed for a predetermined time due to a minute polishing rate drift, the resulting film thickness amount slightly changes. Become.

本願で扱うSOIウェーハの場合、研磨の終点を検出するための膜厚量の制御は、SOIウェーハでの素子形成層の厚みを決定する重要な要素となるため、研磨レートのドリフトなどによる最終的な膜厚変化は許容されるものではない。こうした同一研磨条件で研磨する場合においても、研磨状態によって微小に変動する膜厚量に対し、リアルタイムに研磨の終了時点を検出し、結果として得られる膜厚量を一定にするような制御を求められる。   In the case of an SOI wafer handled in the present application, the control of the film thickness for detecting the end point of polishing is an important factor for determining the thickness of the element formation layer in the SOI wafer. A change in film thickness is not acceptable. Even when polishing under these same polishing conditions, the end point of polishing is detected in real time for the film thickness that varies slightly depending on the polishing condition, and control is required to keep the resulting film thickness constant. It is done.

以前は、こうした研磨終点を判断するにあたって、研磨中にCMP装置を停止してCMP装置からウェーハを取出し、ウェーハの膜面の状態から研磨終了や研磨再開及びおおよその再研磨時間などを目視によって判断していた。しかし、この方法では、1枚のウェーハの研磨中にたびたび研磨を中断しなければならず、生産性が良くないため、研磨中に研磨面の状態をリアルタイムに把握できるようにした技術が用いられるようになった(特許文献1,2,3など)。   Previously, when determining the polishing end point, the CMP apparatus was stopped during polishing, the wafer was taken out of the CMP apparatus, and the completion of polishing, resumption of polishing, and approximate repolishing time were visually determined from the state of the film surface of the wafer. Was. However, in this method, the polishing must be interrupted frequently during the polishing of one wafer, and the productivity is not good. Therefore, a technique is used in which the state of the polished surface can be grasped in real time during polishing. (Patent Documents 1, 2, 3, etc.).

これらの技術は、いずれもウェーハ載置台であるプラテン及びプラテン上に貼付される研磨パッドに上下へ貫通する孔を形成し、プラテンの孔又は研磨パッドの孔に透明樹脂体の窓を設け、プラテンの下面側から研磨パッド上のウェーハの研磨面を見るものである。   In each of these techniques, a platen that is a wafer mounting table and a polishing pad attached on the platen are formed with a hole penetrating vertically, and a transparent resin body window is provided in the platen hole or the polishing pad hole. The polishing surface of the wafer on the polishing pad is viewed from the lower surface side of the wafer.

本願で扱うSOIウェーハの場合、典型的な構成として、Si/SiO/Siの膜構成をとる。このような膜構成の場合、反射してくる光は、表面のSiで反射される光と、Si/SiOの界面で反射される光と、その下のSiO/Siで反射される光の3つ存在する。特に、Si/SiOとSiO/Siは屈折率の異なる二つの部材が逆向きに存在するため、一方は、反射の際に位相がそのままになり、もう一方は、反射の際に位相が反転することになる。その結果、後述の図3(b)に示すようなうねりのような典型的な波形となる。こうした波形を如何に解析して研磨終了時点を検出するかが重要になる。 In the case of an SOI wafer handled in the present application, a typical structure is a film structure of Si / SiO x / Si. In the case of such a film configuration, the reflected light includes light reflected by Si on the surface, light reflected by the Si / SiO X interface, and light reflected by the underlying SiO X / Si. There are three. In particular, Si / SiO X and SiO X / Si have two members with different refractive indexes in opposite directions, so that one of the phases remains unchanged during reflection and the other has a phase when reflected. It will be reversed. As a result, a typical waveform such as a wave as shown in FIG. It is important to analyze such a waveform to detect the polishing end point.

こうした波形の場合、反射率波形から実際の終点を見極めるのは極めて難しい。それは、ひとつにSiの屈折率が3.42と非常に高くて分光波形の中に短い周期の波が含まれるためである。こうした短周期で密集した波を有する場合、波形を正確に認識させることが非常に難しい。こうした波形では、特に波形全体の形状の傾向というより、山谷位置を数え間違えずに正確にカウントすることが重要になる。   In the case of such a waveform, it is extremely difficult to determine the actual end point from the reflectance waveform. One reason is that the refractive index of Si is very high as 3.42, and a short period wave is included in the spectral waveform. In the case of having a dense wave with such a short period, it is very difficult to accurately recognize the waveform. In such a waveform, in particular, it is important to accurately count the positions of the peaks and troughs without making a mistake, rather than the tendency of the shape of the entire waveform.

仮に山谷位置を数え間違えると、それはSiの膜厚自体を余分ないしは少なく見積もってしまうからである。例えば、一周期ほど山谷位置を見積もり間違えた場合、一周期分dは、d=λ/2nで表され、n=3.42、λ:1100nmとすると、d=160nmとなる。実際の研磨終了時点で制御する膜厚量は、±20nm程度が望まれるため、160nm程度も見積もりを間違えると、致命的になる。   If the positions of the peaks and valleys are wrongly counted, it is because the film thickness of Si itself is estimated to be excessive or small. For example, when the position of the valley / valley is wrongly estimated for one period, d for one period is expressed by d = λ / 2n, and when n = 3.42 and λ: 1100 nm, d = 160 nm. Since the amount of film thickness to be controlled at the actual end of polishing is desired to be about ± 20 nm, it is fatal if the estimation is wrong even about 160 nm.

特許文献1には、プラテンの下面側から窓へ向けて光を照射し、その反射光中の特定の周波数の光強度(例えば、Si膜の反射率は波長700nmと770nmにピークを持つ)から研磨状態を判断する技術と、ウェーハの研磨面を撮像装置により撮影し、画像解析により研磨状態を判断する技術とが記載されている。しかし、この方法においては、大まかな分光反射率によって、研磨状態を俯瞰的に判断することができるのかも知れないが、Si層の膜厚が、どの程度研磨されているかを数値で正確にモニタすることは難しい。   In Patent Document 1, light is irradiated from the lower surface side of the platen toward the window, and the light intensity of a specific frequency in the reflected light (for example, the reflectance of the Si film has peaks at wavelengths of 700 nm and 770 nm). A technique for determining a polishing state and a technique for photographing a polished surface of a wafer with an imaging device and determining the polishing state by image analysis are described. However, in this method, it may be possible to judge the polishing state from the perspective of the rough spectral reflectance, but the numerical value accurately monitors how much the thickness of the Si layer is polished. Difficult to do.

特許文献2は、基板面に光を照射し、その反射信号光又は透過信号光から得られる信号波形と、参照波形との一致度に基づいて、前記基板面の表面状態を測定する方法であり、その一致度が相互相関を用いて計算されることを特徴としている。例えば、その一致度をみる波形として、SiO膜上にバリア層としてTaN層があり、その上にCu層を形成したものを使用している。 Patent Document 2 is a method of irradiating a substrate surface with light and measuring the surface state of the substrate surface based on the degree of coincidence between a signal waveform obtained from the reflected signal light or transmitted signal light and a reference waveform. The degree of coincidence is calculated using cross-correlation. For example, as a waveform for determining the degree of coincidence, a TaN layer as a barrier layer on a SiO 2 film and a Cu layer formed thereon are used.

研磨後の実測波形と参照波形の一致度を評価する方法として、両者の相互相関を見る方法が開示されており、特許文献2中の図4に示されている。波形同士の全体的な傾向が一致した時点で相関係数が0.752となって終了点とみなしている。ここで、小さい周期の変動は相関係数からは無視され、ノイズとしてみなされる。図5についても同様に幅広い波長領域において、相関係数を基に、終了点とみなしている。   As a method for evaluating the degree of coincidence between the actually measured waveform and the reference waveform after polishing, a method of viewing the cross-correlation between the two is disclosed, and is shown in FIG. When the overall trends of the waveforms match, the correlation coefficient becomes 0.752, which is regarded as the end point. Here, the fluctuation of a small period is ignored from the correlation coefficient and is regarded as noise. Similarly, FIG. 5 is regarded as an end point based on the correlation coefficient in a wide wavelength region.

本願で扱うSOIウェーハでの波形解析の場合、こうした方法では、先に述べたように、膜厚量を見誤る。それは、SOIの場合、短周期の小さい周期変動を正確にカウントすることが要求されるからである。   In the case of the waveform analysis on the SOI wafer handled in the present application, such a method mistakes the film thickness as described above. This is because, in the case of SOI, it is required to accurately count a small period variation with a short period.

ここで、特許文献2に存在する方法で、本願の波形を扱う場合を想定する。例えば、参照波形が所定波長領域で10山存在し、実際の波形が11山存在した場合であっても、明らかにひとつの山が存在しないため、波形は正確に照合されていない。しかし、相互相関という観点からみれば、特許文献2の図4に示されるように、小さな周期変動は無視される一方、全体的な波形の傾向が一致しているとみなされて、相関係数が大きくなり、終了点とみなされてしまう。その結果、致命的な膜厚の見積もりミスを生じることになる。   Here, the case where the waveform of this application is handled by the method which exists in patent document 2 is assumed. For example, even if there are 10 reference waveforms in the predetermined wavelength region and 11 actual waveforms, there is clearly no single peak, so the waveforms are not accurately verified. However, from the viewpoint of cross-correlation, as shown in FIG. 4 of Patent Document 2, while small periodic fluctuations are ignored, it is considered that the tendency of the overall waveform matches, and the correlation coefficient Becomes larger and is regarded as the end point. As a result, a fatal film thickness estimation error occurs.

さらには、特許文献2に示す方法でも、実測した反射率波形の山位置と谷位置は明瞭に区別できた場合でも、その振幅が参照波形と比べて部分的に小さい場合などにおいては、相互相関による係数を求めた場合、高い相関係数を得られない場合がある。その結果、山谷位置を認識して、カウントすれば、一致しているとみなされるものが、相互相関の係数を計算すると、必ずしも大きな値にならず、見過ごされる場合もある。こうした場合、研磨終了時点を逃すことになり、実用的に使用できるものではない。   Furthermore, even in the method shown in Patent Document 2, even when the peak position and the valley position of the actually measured reflectance waveform can be clearly distinguished, the cross-correlation occurs when the amplitude is partially smaller than the reference waveform. In some cases, a high correlation coefficient cannot be obtained. As a result, if the position of the mountain and valley is recognized and counted, what is considered to be coincident is not necessarily a large value and may be overlooked when the cross-correlation coefficient is calculated. In such a case, the polishing end point will be missed and cannot be used practically.

こうしたことから、金属膜などのように波長に対する反射率波形の変化が緩やかな傾向を有する波形の場合、反射率の大局的な形状の相関評価において、適用できるのかも知れないが、本願のような、短周期の周期性波形を持つ波形解析においてミスなく波数をカウントすることが要求される場合においては、波形全体の傾向で判断する相互相関を利用した方法は、適用できるものではない。   For this reason, in the case of a waveform having a gradual change in reflectance waveform with respect to the wavelength, such as a metal film, it may be applicable in the correlation evaluation of the global shape of the reflectance. In the case where it is required to count the wave number without error in waveform analysis having a short period periodic waveform, the method using the cross-correlation determined by the tendency of the entire waveform is not applicable.

特許文献3には、活性層6aと支持基盤6bとによって、酸化膜6cを挟み込んで構成されたSOI基板6に対し、活性層6aの膜厚を測定する膜厚測定方法において、まず、酸化膜6cの両面での反射光により、干渉が弱められた「節」となる波長を除くように解析波長領域を設定し、その解析波長領域における干渉情報を用いて、活性層6aの膜厚を算出する方法が開示されている。   Patent Document 3 discloses a film thickness measurement method for measuring the film thickness of an active layer 6a with respect to an SOI substrate 6 having an oxide film 6c sandwiched between an active layer 6a and a support substrate 6b. The analysis wavelength region is set so as to exclude the wavelength of the “node” where the interference is weakened by the reflected light on both sides of 6c, and the film thickness of the active layer 6a is calculated using the interference information in the analysis wavelength region A method is disclosed.

扱う膜構成は同様の構成であり、同じようなタイプの波形解析となる。しかし、この方法においても、パッドとウェーハの間に存在するスラリーなどによって、時として反射光が散乱されるために、理論的なきれいな周期性の波が得られないケースがある。波長領域によっては、反射光がスラリーに吸収されるなどして、本来短周期の波が5つある部分に4つしか観察されないなど、周期波形の波数の見積もりを間違うケースもある。よって、スラリーなどの邪魔がない安定した反射光が得られる場合には、有効かも知れないが、研磨時において光路内にスラリーが介在する場合においては、全波長領域において必ずしも安定した反射率が得られないことがたびたび存在し、安定した波形解析を行うには実用上問題があると考えられる。
特開平7−52032号公報。 特開2001−287159号公報。 特許第3946470号公報。
The film structure to be handled is the same, and the same type of waveform analysis is performed. However, even in this method, since the reflected light is sometimes scattered by the slurry existing between the pad and the wafer, there is a case where a theoretically clean periodic wave cannot be obtained. Depending on the wavelength region, there are cases where the estimation of the wave number of the periodic waveform is wrong, such as reflected light being absorbed by the slurry, and only four of the originally five short-period waves are observed. Therefore, it may be effective when stable reflected light such as slurry is obtained, but when the slurry is present in the optical path during polishing, a stable reflectance is not necessarily obtained in all wavelength regions. There are many things that cannot be done, and it seems that there is a practical problem in performing stable waveform analysis.
JP-A-7-52032. JP 2001-287159 A. Japanese Patent No. 3946470.

そこで、本発明においては、以下のことを課題とする。
・研磨中に、毎回毎回ウェーハの表面状態を確認することなく、研磨中リアルタイムにウェーハ表面をモニタし、研磨の終了時点をモニタすることができる。
・SOIなどの短周期の密集した反射率波形に対しても、所定波長域内の波数をカウントし間違えることなく、安定して研磨終了時点をモニタする。
・スラリーなどが介在して、周期を見間違いそうな場合においても、適正に処理して、安定した波形解析を可能にする。
Accordingly, the present invention has the following problems.
-During polishing, the wafer surface can be monitored in real time during polishing without checking the surface condition of the wafer every time, and the end point of polishing can be monitored.
-Even for short-cycle dense reflectance waveforms such as SOI, the number of waves in a predetermined wavelength range is counted, and the end point of polishing is stably monitored without making a mistake.
・ Even if it is likely that the cycle will be mistaken due to the presence of slurry, etc., it will be processed properly to enable stable waveform analysis.

研磨中のウェーハの膜面へ光を投射し、その反射光から研磨状態をリアルタイムに観察するシステムでは、ウェーハの膜面で反射する光とウェーハを透過してウェーハの裏面で反射してくる光との合成光を受光することになる。ウェーハの膜厚が減少していくと、ウェーハの膜面で反射する光とウェーハを透過してウェーハの裏面で反射してくる光との干渉状態の変化により、受光した光のスペクトルも変化し、特定の周波数の光強度から膜厚を把握して、研磨終点を検知或いは予測することができる。   In a system that projects light onto the film surface of the wafer being polished and observes the polishing state in real time from the reflected light, light that reflects off the film surface of the wafer and light that passes through the wafer and reflects off the back surface of the wafer And the combined light. As the film thickness of the wafer decreases, the spectrum of the received light also changes due to a change in the interference state between the light reflected by the film surface of the wafer and the light transmitted through the wafer and reflected by the back surface of the wafer. It is possible to detect or predict the polishing end point by grasping the film thickness from the light intensity of a specific frequency.

しかし、研磨中にパッド上へ供給されるスラリーが、透明材料の窓とウェーハの研磨面との間に介在することになり、流動するスラリーが反射光に減衰或いは散乱等の外乱を与え、研磨状態の検知精度を低下させる原因となっている。また、ウェーハの研磨面と窓とが殆ど接触状態で研磨が行われるようにして、スラリーによる光学的な影響を低減した場合であっても、パッドの表面をクリーニングするパッドコンディショナー(ドレッサー)により窓の表面がダメージを受け、光学性能が低下して反射光に悪影響を及ぼすこともある。   However, the slurry supplied onto the pad during polishing is interposed between the window of the transparent material and the polishing surface of the wafer, and the flowing slurry gives disturbances such as attenuation or scattering to the reflected light, and polishing. This is a cause of reducing the state detection accuracy. In addition, even if the polishing is performed with the polishing surface of the wafer almost in contact with the window to reduce the optical effect of the slurry, the window is cleaned by a pad conditioner (dresser) that cleans the pad surface. The surface of the film may be damaged, and the optical performance may be deteriorated to adversely affect the reflected light.

そこで、外乱の影響を排除してウェーハの研磨状態を精度よく検知し、研磨終点の制御精度を向上するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は上記課題を解決することを目的とする。   Therefore, there is a technical problem to be solved to eliminate the influence of disturbance and accurately detect the polishing state of the wafer and improve the control accuracy of the polishing end point, and the present invention solves the above problem. For the purpose.

この発明は、上記目的を達成するために提案するものであり、請求項1記載の発明は、 Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨システムにおいて、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けするステップと、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製するステップと、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元するステップを有し、研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ方法を提供するものである。
The present invention is proposed to achieve the above object, and the invention according to claim 1 is a Si / SiOx / Si film in which a SiOx film is formed on Si and a Si film is formed thereon. In a polishing system that irradiates light on a wafer surface having a configuration and monitors a polishing state during polishing based on the reflected light,
A means for irradiating the wafer surface with white light; and a means for spectroscopically reflecting the reflected light from the wafer surface; during the polishing, a Fourier transform of the reflectance waveform with respect to the wavelength or wave number reflected from the wafer surface;
Dividing the Fourier-transformed waveform into a periodic component due to the Si film thickness and a periodic component due to the SiOx film thickness;
Of these, focusing on the periodic component due to the Si film thickness, refining the changing periodic part,
A step of performing inverse Fourier transform on the waveform of the Si film thickness after filtering to restore the reflectance waveform, and the predetermined reflectance waveform obtained at the end of polishing and the reflectance waveform during polishing are predetermined. The present invention provides a polishing state monitoring method characterized by collating the positions of the peaks and valleys in a region and detecting the polishing end point based on the collation result.

上記の構成においては、研磨中、リアルタイムに波長に対する反射率波形を取得する。その波長に対する反射率波形をフーリエ変換する。ここで、波長に対する反射率としたが、波長の逆数、即ち波数を横軸にとり、波数に対する反射率波形をフーリエ変換してもよい。それにより、周波数の屈折率の高いSi内を光路とした反射光に起因した干渉波形と、屈折率の低いSiO内を光路とした反射光に起因した干渉波形に分けることができる。後述の図3(b)でも、緩やかなうねりはSiOの干渉によるものであり、周期の高い波形はSiの干渉によるものであり、これらの二つが重なり合った構成となっている。フーリエ変換することで、この二つの干渉波形の周期をそれぞれ分離することができる。分離した周期のうち、長い波長周期がSiOに起因した周期であり、短い波長周期がSiに起因した周期である。 In the above configuration, the reflectance waveform with respect to the wavelength is acquired in real time during polishing. The reflectance waveform for the wavelength is Fourier transformed. Here, the reflectance with respect to the wavelength is used, but the inverse of the wavelength, that is, the wave number may be taken on the horizontal axis, and the reflectance waveform with respect to the wave number may be Fourier transformed. Thereby, it is possible to divide into an interference waveform caused by reflected light having an optical path in Si having a high refractive index and an interference waveform caused by reflected light having an optical path in SiO X having a low refractive index. Also in FIG. 3B described later, the gentle undulation is caused by the interference of SiO X , and the waveform having a high period is caused by the interference of Si, and these two are overlapped. By performing Fourier transform, the periods of the two interference waveforms can be separated from each other. Among the separated periods, a long wavelength period is a period caused by SiO X and a short wavelength period is a period caused by Si.

ここで、特に短い周期の波形に着目すると、周期波形に多少の広がりがある場合がある。これは、スラリーによって、散乱されることにより、必ずしも完全な短周期の波とならず、一部の山部分や他部分が消されてしまうことによって、ばらつきをもった周期分布となる。このばらつきを持った周期分布を精製することにより、スラリーなどによって、散乱されて周期性を失った部分を補正することが可能となる。   Here, when paying attention to a waveform with a short period in particular, the periodic waveform may have some spread. This is not necessarily a complete short-cycle wave due to scattering by the slurry, but a part of the crests and other parts are erased, resulting in a periodic distribution with variation. By refining the periodic distribution having this variation, it is possible to correct a portion that has been scattered and lost periodicity by slurry or the like.

次に、この精製された周期分布に基づいて逆フーリエ変換することによって、SiO内の長い周期内に短い周期の波を持った元の波形を復元することができる。この復元された波形は、スラリーの散乱によって、山や谷位置がつぶされて区別されなかった部分においても、周期性を考慮した先の補正によって、山や谷位置を完全に復元することが可能となる。 Next, an original waveform having a short-period wave within a long period in SiO X can be restored by performing an inverse Fourier transform based on this refined periodic distribution. This restored waveform can completely restore the peak and valley positions with the previous correction considering the periodicity, even if the peaks and valleys are crushed due to the scattering of the slurry. It becomes.

次に、こうして得た実測の反射率波形の補正波形と研磨終了時点の所定の反射率波形である参照波形との照合により、研磨終了時点に至ったか否かをモニタする。照合においては所定の基準波長、基準波数を基点として、そこから長波長側に一つ目、二つ目と山位置を見つけ、その山の位置に対する波長(波数)を順に読み込み表に入れる。その実測波形の波長と参照波形とのずれ量を、それぞれの山位置で計算し、そのずれ量を全て足し合わせる。研磨終了時点では、実測反射率波形を補正した波形の山位置と、研磨終了時点の参照波形とは完全に一致する。それによって、それぞれの山位置のずれ量を計算し、それらを全て足し合わせたとしても、殆どゼロに近い数値となる。こうしたことによって、実測波形が参照波形とほぼ照合できたことを確認し、研磨の終了を検出することができる。   Next, whether or not the polishing end point has been reached is monitored by collating the correction waveform of the actually measured reflectance waveform thus obtained with a reference waveform that is a predetermined reflectance waveform at the end point of polishing. In the collation, a predetermined reference wavelength and a reference wave number are used as a base point, and the first, second, and peak positions are found on the long wavelength side, and the wavelengths (wave numbers) corresponding to the peak positions are sequentially read and entered in the table. A deviation amount between the wavelength of the actually measured waveform and the reference waveform is calculated at each peak position, and all the deviation amounts are added. At the end of polishing, the peak position of the waveform obtained by correcting the actually measured reflectance waveform is completely coincident with the reference waveform at the end of polishing. As a result, even if the amount of shift of each mountain position is calculated and added together, the numerical value is almost zero. In this way, it is possible to confirm that the actually measured waveform has been substantially compared with the reference waveform, and to detect the end of polishing.

特許文献3による研磨中の波形をそのまま解析していた場合、山数や谷数を数え間違い、残りの膜厚の見積もりを数え間違うことが多かった。しかし、本願の方法によれば、スラリーによる散乱があった場合においても、波形を完全に復元することが可能であるため、誤った検出をすることはない。また、特許文献2にあるような相互相関で判断する場合、完全に山谷位置が一致せずとも、高い相関係数を得て、波形が一致しているとみなし間違って検出することが多いと考えられるが、本発明による方法では、こうしたあいまいな検出は行わず、精度よく終点を検出することが可能となる。 When the waveform during polishing according to Patent Document 3 was directly analyzed, it was often the case that the number of peaks and valleys was incorrectly counted and the remaining film thickness estimates were counted incorrectly. However, according to the method of the present application, even when there is scattering due to the slurry, the waveform can be completely restored, so that erroneous detection is not performed. Also, when judging by cross-correlation as in Patent Document 2, it is often the case that a high correlation coefficient is obtained even if the positions of the peaks and valleys do not completely match, and the waveforms are regarded as matching and erroneously detected. Though conceivable, the method according to the present invention does not perform such ambiguous detection, and can accurately detect the end point.

さらに、特許文献2にあるような波形では、山谷位置がはっきり区別できたとしても、それぞれの波形の振幅(反射率の絶対値)が、参照波形と比較して小さくなったりする場合には、相互相関の係数は小さくなり、一致していると判別されない場合がある。そうした場合、事実上終点検出できないこととなり、実用的な面で、使用できないことになる。   Furthermore, in the waveform as in Patent Document 2, even if the peak and valley positions can be clearly distinguished, if the amplitude of each waveform (absolute value of reflectance) is smaller than the reference waveform, The coefficient of cross-correlation becomes small and may not be determined to match. In such a case, the end point cannot be detected in practice, and in practical terms, it cannot be used.

本発明による方法によれば、
・正確な終点検出を行う上において、特有の波形特徴から、特に、短い周期の波形に着目すること。
・短い周期の周期波形をクローズアップさせるためにフーリエ変換を施し、周期領域を区別できること。これにより、膜厚が不変のSiO成分を、波形の解析時に差し引くことも可能となる。
・スラリーの介在により散乱された反射光の波長に対する反射率の周期波形を、逆フーリエ変換することによって、復元することが可能になること。
・山谷位置が復元されることによって、ようやく研磨終了時点の参照波形と復元された波形の照合を行い、その照合によって、研磨終了したか否かを見極めることが可能となること。
According to the method according to the invention,
・ In order to accurately detect the end point, pay attention to the waveform with a short period, especially from the unique waveform characteristics.
・ Perform Fourier transform to close up a periodic waveform with a short period and be able to distinguish between periodic regions. As a result, it is possible to subtract the SiO X component whose film thickness does not change at the time of waveform analysis.
It is possible to restore the periodic waveform of the reflectance with respect to the wavelength of the reflected light scattered by the slurry by inverse Fourier transform.
・ By restoring the position of the valleys and valleys, it is possible to finally compare the reference waveform at the end of polishing with the restored waveform and determine whether or not the polishing is completed by the comparison.

といった従来にない顕著な作用効果を得ることが可能となる。   Thus, it is possible to obtain a remarkable effect that is not found in the past.

例えば、実測波形の補正ステップ並びに補正された波形と終了時点を示す参照波形との照合ステップのいずれかの一つが抜け落ちても、この終点検出は機能しない。波形を復元するステップにより、膜厚をミスなくモニタできる処理を行うともに、照合ステップにより、間違いなく波形が終了時点に達しているかを判断するものである。   For example, even if any one of the correction step of the actually measured waveform and the comparison step of the corrected waveform and the reference waveform indicating the end time is omitted, this end point detection does not function. In the step of restoring the waveform, a process capable of monitoring the film thickness without error is performed, and in the collating step, it is determined whether the waveform has definitely reached the end point.

特に、特許文献2との対比として、特許文献2は反射率波形を、波長に対する連続的な波形として実測波形と参照波形の相互相関を計算するが、本発明においては、波形としてとらえているのではなく、むしろ離散的な山谷位置の照合として反射率分布をとらえている。そのため、本発明においては厳密には波形の一致を見ているのではなく、反射率の離散的な周期性における山部分の点の照合を行っているのである。よって、これは連続波形の一致度とは異なる全く別の対比方法であり、その作用効果も全く異なるものである。   In particular, as a comparison with Patent Document 2, Patent Document 2 calculates a reflectance waveform, and calculates a cross-correlation between a measured waveform and a reference waveform as a continuous waveform with respect to the wavelength, but in the present invention, it is regarded as a waveform. Rather, the reflectance distribution is taken as a collation of discrete mountain valley positions. For this reason, in the present invention, the matching of the waveforms is not strictly observed, but the points of the peaks in the discrete periodicity of the reflectance are collated. Therefore, this is a completely different contrast method different from the degree of coincidence of continuous waveforms, and its operation and effect are also completely different.

請求項2記載の発明は、上記所定の反射率波形が、理論波形である研磨状態モニタ方法を提供するものである。   The invention according to claim 2 provides a polishing state monitoring method in which the predetermined reflectance waveform is a theoretical waveform.

上記の構成においては、ウェーハの物性や光学系の特性から求められる理論反射率波形を、研磨中の反射率波形の照合対象とするものであり、実質的に研磨終了時点における所定の反射率波形を用いた場合と同程度に正確な照合結果の把握が可能である。   In the above configuration, the theoretical reflectance waveform obtained from the physical properties of the wafer and the characteristics of the optical system is used as a target for collation of the reflectance waveform during polishing. It is possible to grasp the result of the collation as accurate as when using.

請求項3記載の発明は、上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対して、変化する周期性部分を精製するステップは、予測研磨レートを基に精製する研磨状態モニタ方法を提供するものである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a polishing state monitoring method in which the step of refining the changing periodic portion of the Fourier-transformed reflectivity waveform during the polishing is performed based on the predicted polishing rate. It is.

上記の構成においては、研磨の進行に伴って変化する周期成分について、実際に変化するであろうと推定される予測研磨レートと対比しながら、かけ離れた周期成分を除去し、この予測研磨レートに基づく推定周期成分だけを通すというフィルタリングを行い、そのフィルタリングされた周期成分を逆フーリエ変換することで、スラリーなどで散乱されて周期性を失った部分が補正される。 In the above configuration, the periodic components that change as the polishing progresses are compared with the predicted polishing rates that are estimated to be actually changed, while removing the periodic components that are far apart, and based on the predicted polishing rates. Filtering that passes only the estimated periodic component is performed, and the filtered periodic component is subjected to inverse Fourier transform, thereby correcting the portion that is scattered by the slurry and loses the periodicity.

請求項4記載の発明は、上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形の周期成分に対して、膜厚が研磨によって変動する周期成分のみに逆フーリエ変換して、反射率波形を復元するステップを有する研磨状態モニタ方法を提供するものである。   The invention according to claim 4 is a step of restoring the reflectance waveform by performing an inverse Fourier transform on the periodic component of the reflectance waveform being polished by Fourier transform to only the periodic component whose film thickness varies due to polishing. A polishing state monitoring method is provided.

上記の構成においては、被研磨対象膜に対する周期成分の周期は、研磨の進行に伴って変化する。このため、逆フーリエ変換によりスラリーなどで散乱されて周期性を失った部分の補正は、被研磨対象膜に対する周期成分のみに実行することで、研磨終点の検出に必要な反射率波形が復元される。   In the above configuration, the period of the periodic component with respect to the film to be polished changes with the progress of polishing. For this reason, correction of the portion that is scattered by slurry by inverse Fourier transform and loses periodicity is performed only on the periodic component for the film to be polished, thereby restoring the reflectance waveform necessary for detecting the polishing end point. The

請求項5記載の発明は、Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨システムにおいて、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けする手段と、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製する手段と、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元する手段を有し、
研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合する手段を有し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ装置を提供するものである。

The invention according to claim 5 irradiates light onto a wafer surface having a Si / SiOx / Si film structure in which a SiOx film is formed on Si and a Si film is formed thereon, and the reflected light is used as a basis. In a polishing system that monitors the polishing state during polishing,
Means for irradiating the wafer surface with white light, means for spectrally reflecting the reflected light from the wafer surface, and means for Fourier transforming the reflectance waveform for the wavelength or wave number reflected from the wafer surface during polishing;
Means for dividing the Fourier-transformed waveform into a periodic component due to the Si film thickness and a periodic component due to the SiOx film thickness;
Among them, paying attention to the periodic component due to the Si film thickness, and means for purifying the changing periodic part,
It has means to restore the reflectance waveform by inverse Fourier transform of the waveform of the Si film thickness after filtering,
There are means to check the position of the peaks and valleys in a predetermined area in the predetermined reflectance waveform obtained at the end of polishing and the reflectance waveform during polishing, and the polishing end point is detected based on the comparison result A polishing state monitoring device is provided.

上記の構成においては、請求項1記載の発明と同様に、予め設定されている所定の反射率波形と研磨中の反射率波形の補正波形との照合結果を基に外乱の影響を排除して研磨終点を精度よく検出することが可能となる。   In the above configuration, as in the first aspect of the invention, the influence of disturbance is eliminated based on the collation result between a predetermined reflectance waveform set in advance and the corrected waveform of the reflectance waveform during polishing. It becomes possible to accurately detect the polishing end point.

請求項1記載の発明は、特定の周波数帯域の反射率のみではなく、全体的な反射率波形を所定の反射率波形と照合して研磨の終点を検出するので、流動するスラリーや薬液による外乱の影響が軽減されて、終点検出精度が向上する。そして、SOIなどの複数の層が積層している基板表面の膜の研磨終点検出技術において精度よく研磨終点を検出することが可能となる。スラリーなどによって、反射光が散乱されたとしても、波形の周期性から実測反射率波形を復元して、所定の反射率波形と精度よく照合することが可能となる。また、実測反射率波形が十分な光量がなく、ゲインが小さい場合であっても、精度よく所定の反射率波形と照合でき、研磨終了点を検出することができる。   Since the invention according to claim 1 detects the end point of polishing by comparing not only the reflectance in a specific frequency band but also the overall reflectance waveform with a predetermined reflectance waveform, disturbance due to flowing slurry or chemicals Is reduced, and the end point detection accuracy is improved. In addition, the polishing end point can be detected with high accuracy by the polishing end point detection technique for the film on the surface of the substrate on which a plurality of layers such as SOI are laminated. Even if the reflected light is scattered by slurry or the like, it is possible to restore the actually measured reflectance waveform from the periodicity of the waveform and accurately collate it with a predetermined reflectance waveform. Even if the actually measured reflectance waveform does not have a sufficient amount of light and the gain is small, it can be accurately compared with a predetermined reflectance waveform, and the polishing end point can be detected.

請求項2記載の発明は、理論反射率波形を研磨中の反射率波形の照合対象としたことで、研磨に先立って予め研磨終了時点における反射率波形を実測する手間が省ける。   According to the second aspect of the present invention, since the theoretical reflectance waveform is used as a target for collation of the reflectance waveform during polishing, it is possible to save the trouble of actually measuring the reflectance waveform at the end of polishing prior to polishing.

請求項3記載の発明は、フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対し、実際に変化するであろうと推定される予測研磨レートと対比しながら、かけ離れた周期成分を除去することで、研磨の進行に伴って変化する周期性部分について精度のよい精製を行うことができる。   According to the third aspect of the present invention, polishing is performed by removing far-off periodic components while comparing with a predicted polishing rate estimated to be actually changed with respect to a Fourier-transformed reflectance waveform during polishing. Thus, it is possible to perform highly accurate purification on the periodic portion that changes as the process proceeds.

請求項4記載の発明は、膜厚が変化しないSiO起因の反射率スペクトルを排除することができ、研磨しているSi層による短周期の反射率スペクトルをクローズアップして表示することができる。これにより、短周期の周期性を有するSi層であっても山数を数え間違えることなく、理論反射率波形と精度よく照合することが可能となり、研磨の終了点を精度よく検出することができる。 The invention according to claim 4 can eliminate a reflectance spectrum caused by SiO x whose film thickness does not change, and can display a close-up reflectance spectrum of a short period due to a polished Si layer. . As a result, even a Si layer having a short periodicity can be accurately collated with the theoretical reflectance waveform without counting the number of peaks and the polishing end point can be detected with high accuracy. .

請求項5記載の発明は、請求項1記載の発明と同様に、特定の周波数帯域の反射率のみではなく、全体的な反射率波形を所定の反射率波形と照合して研磨の終点を検出するので、流動するスラリーや薬液による外乱の影響が軽減されて、終点検出精度が向上する。   In the fifth aspect of the invention, as in the first aspect of the invention, the polishing end point is detected by comparing not only the reflectance in a specific frequency band but also the entire reflectance waveform with a predetermined reflectance waveform. Therefore, the influence of disturbance due to the flowing slurry or chemical is reduced, and the end point detection accuracy is improved.

本発明は、ウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨システムにおいて、ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換するステップと、フーリエ変換された波形に対して、変化する周期性部分を精製するステップと、フィルタリング後の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元するステップを有し、研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出する構成により、外乱の影響を排除してウェーハの研磨状態を精度よく検知し、研磨終点の制御精度を向上するという目的を達成した。   The present invention relates to a polishing system for irradiating light on a wafer surface and monitoring the polishing state during polishing based on the reflected light, and means for irradiating the wafer surface with white light and spectrally reflecting the reflected light from the wafer surface. A Fourier transform of the reflectance waveform for the wavelength or wave number reflected from the wafer surface during polishing, a step of refining the varying periodicity with respect to the Fourier transformed waveform, and filtering. A step of restoring the reflectance waveform by performing an inverse Fourier transform on the later waveform, and in a predetermined region, in the predetermined reflectance waveform obtained at the end of polishing and the reflectance waveform being polished, With the configuration that collates the position and detects the polishing end point based on the collation result, it eliminates the influence of disturbance and accurately detects the polishing state of the wafer. To achieve the objective of improving the control accuracy.

図3は、SOI構造のウェーハWの構成例(同図(a))と、その典型的な反射率波形(同図(b))を示している。反射率波形は、同図(b)に示すようにSiOの干渉によって起こる長い周期の波と、Si活性層内の光路による干渉によって短い周期の波が重なり合った状態となる。研磨対象膜はSiであるため、この短い周期の波を数え間違える、ないしは見落とすことなく、正確に判別できるかが、終点検出の精度に非常に大きく影響する。 FIG. 3 shows a configuration example (FIG. 3A) of a wafer W having an SOI structure and a typical reflectance waveform (FIG. 3B). As shown in FIG. 5B, the reflectance waveform is a state in which a long-period wave caused by SiO X interference and a short-period wave overlap due to interference by the optical path in the Si active layer. Since the film to be polished is Si, whether or not it can be accurately determined without counting or overlooking this short period of waves has a great influence on the accuracy of end point detection.

図3(b)は、特に理論的な反射率波形であり、光路上に何も外乱や散乱される媒体などがないことを想定した波形である。しかし、通常研磨中には、パッドとウェーハとの間にはスラリーが存在するため、時として反射光は散乱によって、十分な反射率を得られない場合もある。また、その反射率の周波数帯によってはスラリーなどによって吸収されるなどして、波長によって、十分な反射率を得られない場合も想定される。ここでは、こうした実際の研磨において反射率スペクトルが必ずしも完全ではないことを想定して、実用的なウェーハの研磨状態モニタ方法及びその装置を提供するものである。   FIG. 3B is a particularly theoretical reflectivity waveform, assuming that there is no disturbance or scattered medium on the optical path. However, during normal polishing, a slurry exists between the pad and the wafer, so that sometimes the reflected light cannot be obtained with sufficient reflectivity due to scattering. Moreover, depending on the frequency band of the reflectance, it may be absorbed by the slurry or the like, and it may be assumed that sufficient reflectance cannot be obtained depending on the wavelength. Here, assuming that the reflectance spectrum is not always perfect in such actual polishing, a practical wafer polishing state monitoring method and apparatus are provided.

図1はCMP装置1を示し、円盤形のプラテン2はモータ3を用いた駆動機構4の上に取付けられていて、プラテン2の上面にパッド5が貼り付けられている。プラテン2の上方で且つプラテン2の回転中心から変位した位置に配置された研磨ヘッド6は、プラテン2よりも小径の円盤形であり、その下面に研磨対象であるウェーハWが取付けられている。研磨工程においては、パッド5の上面にスラリー供給装置(図示せず)から研磨薬液であるスラリーが滴下され、研磨ヘッド6はウェーハWがパッド5の上面へ接触する高さまで下降されるとともに、プラテン2と研磨ヘッド6がそれぞれ回転駆動されてウェーハWの被研磨面(下面)が研磨される。   FIG. 1 shows a CMP apparatus 1 in which a disk-shaped platen 2 is mounted on a drive mechanism 4 using a motor 3, and a pad 5 is attached to the upper surface of the platen 2. The polishing head 6 disposed above the platen 2 and at a position displaced from the rotation center of the platen 2 has a disk shape smaller in diameter than the platen 2, and a wafer W to be polished is attached to the lower surface thereof. In the polishing process, slurry as a polishing chemical solution is dropped from the slurry supply device (not shown) onto the upper surface of the pad 5, and the polishing head 6 is lowered to a height at which the wafer W comes into contact with the upper surface of the pad 5. 2 and the polishing head 6 are driven to rotate, and the surface to be polished (lower surface) of the wafer W is polished.

図2に示すように、プラテン2とパッド5には上下へ貫通する孔7,8が形成されていて、パッド5の孔8内に透明体の窓9が埋め込まれている。プラテン2が1回転するごとに、窓9は研磨ヘッド6に装着されたウェーハWの下面を通過する。図1に示すように、プラテン2の下面側、且つ研磨ヘッド6の鉛直下方には研磨終点検出装置の対物レンズ10が配置されている。図示は省略しているが、対物レンズ10は光ファイバー製の二分岐光ガイドを介して光源ユニットとポリクロメータへ接続されていて、光源ユニットのハロゲンランプが発する白色光は対物レンズ10から垂直上方へ投射され、プラテン2並びにパッド5の孔7,8が対物レンズ10の上を通過するときに、窓9を通じて研磨ヘッド6の下面のウェーハWで反射した光が、対物レンズ10から二分岐光ガイドを通じてポリクロメータへ入射する。   As shown in FIG. 2, the platen 2 and the pad 5 are formed with holes 7 and 8 penetrating vertically, and a transparent window 9 is embedded in the hole 8 of the pad 5. Each time the platen 2 rotates once, the window 9 passes through the lower surface of the wafer W mounted on the polishing head 6. As shown in FIG. 1, an objective lens 10 of a polishing end point detection device is disposed on the lower surface side of the platen 2 and vertically below the polishing head 6. Although not shown, the objective lens 10 is connected to the light source unit and the polychromator through a two-branch light guide made of optical fiber, and the white light emitted from the halogen lamp of the light source unit is vertically upward from the objective lens 10. When the platen 2 and the holes 7 and 8 of the pad 5 pass over the objective lens 10, the light reflected by the wafer W on the lower surface of the polishing head 6 through the window 9 is projected from the objective lens 10 to the two-branch light guide. Through the polychromator.

この入射光は、ポリクロメータ内の回折格子によって所定の波長ごとに分光され、分光されたそれぞれの光強度に応じた電気信号に変換されてコンピュータへ出力される。コンピュータは、ポリクロメータから出力された光の反射率波形を研磨終点判断の基準となる所定の反射率波形と照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出して研磨を停止するプログラムを備えている。   The incident light is spectrally divided for each predetermined wavelength by a diffraction grating in the polychromator, converted into an electrical signal corresponding to each of the split light intensity, and output to a computer. The computer compares the reflectance waveform of the light output from the polychromator with a predetermined reflectance waveform that serves as a reference for determining the polishing end point, and detects the polishing end point based on the comparison result to stop the polishing. I have.

コンピュータ或いはCMP装置1の制御部には、予め研磨終了時点における反射光の各周波における光強度を示す反射率波形データを研磨終了の基準反射率波形データとして格納しておく。研磨開始とともに、制御部は対物レンズ10を通じて取得されるウェーハWの反射光をサンプリングする。   In the control unit of the computer or the CMP apparatus 1, reflectivity waveform data indicating the light intensity at each frequency of the reflected light at the end of polishing is stored in advance as reference reflectivity waveform data at the end of polishing. As the polishing starts, the control unit samples the reflected light of the wafer W acquired through the objective lens 10.

次に取得した反射光を補正するステップについて図4の(a)、(b)、(c)、(d)を用いて説明する。取得された反射光についての反射率波形(図4(a))は、リアルタイムにフーリエ変換され、各周期成分に区分けされる(図4(c))。周期成分に区分けされた波形は、Siの光路によって得られる周期成分FとSiOの光路によって得られる周期成分Fの二つの周期成分に分けることができる。SiOの周期成分Fは、SiO自体が研磨対象ではなく、研磨によって膜厚が小さくなるものではないため、このスペクトルに着目することはない。 Next, the step of correcting the acquired reflected light will be described with reference to (a), (b), (c), and (d) of FIG. The reflectance waveform (FIG. 4A) of the acquired reflected light is Fourier transformed in real time and divided into each periodic component (FIG. 4C). The waveform divided into periodic components can be divided into two periodic components, a periodic component F 1 obtained by the Si optical path and a periodic component F 2 obtained by the SiO X optical path. Periodic component F 2 of SiO X is not a SiO X itself polished, because not the film thickness by the polishing is small, it will not be focused on this spectrum.

ここで特に重要なのは、Siの周期成分Fに関するものである。特に、Si膜が研磨されることによってSi膜は減少していくため、Si内を光路として有する干渉波形の波長周期は徐々に増加する方向へ変化していく。この変化の速度は、研磨の速度である。パッドドレッシングを行いながら研磨する場合、この研磨速度は大きく変動することなく、ほぼ一定のレートで研磨される。即ち、Si膜が除去される速度は一定の割合で除去されていくため、フーリエ変換された後のSi膜による干渉波形の長波長側へのシフトも一定の速度で移動していくことが分かる。この状態を研磨中常時モニタする。 Here particular importance relates periodic components F 1 of Si. In particular, since the Si film decreases as the Si film is polished, the wavelength period of the interference waveform having the inside of Si as an optical path changes gradually. The rate of change is the rate of polishing. When polishing while performing pad dressing, the polishing rate does not vary greatly, and polishing is performed at a substantially constant rate. That is, since the removal speed of the Si film is removed at a constant rate, it can be seen that the shift to the long wavelength side of the interference waveform by the Si film after Fourier transform also moves at a constant speed. . This state is constantly monitored during polishing.

この研磨レートに対応して移動する周期成分Fにおいて、その波形を精製する方法については、図5に示している。例えば、得られた周期成分Fに対して半値幅dを設定し、それより外側に分布する周期成分fを削除するなどして周期性を先鋭化してもよい。また、周期成分Fについて、実際に変化するであろう推定される研磨レートと対比しながら、かけ離れた周期成分を削除し、推定研磨レートに基づく推定周期成分だけを通して(フィルタリング)、その周期成分を逆フーリエ変換し、補正した反射率波形を得てもよい(図4(d))。 FIG. 5 shows a method for refining the waveform of the periodic component F 1 that moves corresponding to the polishing rate. For example, the periodicity may be sharpened by setting a half-value width d for the obtained periodic component F 1 and deleting the periodic component f distributed outside. Further, with respect to the periodic component F 1 , the periodic component far away is deleted while being compared with the estimated polishing rate that will actually change, and only through the estimated periodic component based on the estimated polishing rate (filtering), the periodic component May be subjected to inverse Fourier transform to obtain a corrected reflectance waveform (FIG. 4D).

Siの光路を経て干渉する波形は、基本的に周期性を持つ波形であるため、周期性を重視して波形を精製することで逆フーリエ変換後の補正波形において、波形がつぶれた部分に対しても忠実に波形を復元することが可能となる(図4(b))。この復元された波形を基に、予め研磨終了時点付近に対応した参照波形(所定の反射率波形)と照合することで研磨終了時点が求められる。   Since the waveform that interferes through the Si optical path is basically a waveform with periodicity, the waveform is crushed in the corrected waveform after inverse Fourier transform by refining the waveform with emphasis on periodicity. However, the waveform can be restored faithfully (FIG. 4B). Based on the restored waveform, the polishing end point is obtained by comparing with a reference waveform (predetermined reflectance waveform) corresponding to the vicinity of the polishing end point in advance.

ここで復元された補正波形と参照波形の照合において、波形の相互相関で評価してはならない。なぜならば、実測した反射率波形は途中光路上において、散乱を受けることや、吸収されること等によって、十分な反射率強度が得られないことがあるためである。しかし、十分な反射率強度が得られない場合であっても、山位置と谷位置を明瞭にすることによって、本発明における所定の膜厚位置における照合を精度よく行うことが可能となる。   In the collation of the corrected waveform and the reference waveform restored here, the cross correlation between waveforms must not be evaluated. This is because the actually measured reflectance waveform may not be able to obtain sufficient reflectance intensity due to scattering or absorption on the intermediate optical path. However, even when sufficient reflectivity intensity cannot be obtained, it is possible to accurately perform collation at a predetermined film thickness position in the present invention by clarifying the peak position and the valley position.

図6の(a)、(b)、(c)は補正された反射率波形を参照波形(所定の反射率波形)と照合するステップを示している。照合するステップについては、ある基準波長領域を設定し、その波長領域で波形の山位置を合わせて、その山位置における波長が参照波形と、実測の補正反射率波形とで比較対比する(図6(b))。基準位置からのそれぞれの山位置における波長のずれ量l(エル小文字)を算出し、それらの和Sを図6(c)の表及び次式(1)で示すように求める。   (A), (b), and (c) of FIG. 6 show steps for collating the corrected reflectance waveform with a reference waveform (predetermined reflectance waveform). Regarding the step of collation, a certain reference wavelength region is set, and the peak position of the waveform is matched in the wavelength region, and the wavelength at the peak position is compared and compared between the reference waveform and the actually measured corrected reflectance waveform (FIG. 6). (B)). A wavelength shift amount l (L small letter) at each peak position from the reference position is calculated, and a sum S thereof is obtained as shown in the table of FIG. 6C and the following equation (1).


Figure 0005241321

Figure 0005241321

…(1)
それらの和Sがゼロに近い状態であれば、殆どの波形の山の位置は照合されていると判断され、照合されたことを基に研磨の終点を検出する。基準位置からのそれぞれの山位置における波長のずれ量がゼロより十分に大きい値である場合、まだ照合されていないと判断し研磨を続行する。
... (1)
If the sum S thereof is close to zero, it is determined that most of the peak positions of the waveforms are collated, and the polishing end point is detected based on the collation. If the wavelength shift amount at each peak position from the reference position is a value sufficiently larger than zero, it is determined that the collation has not been performed yet and the polishing is continued.

この波形の照合プロセスにおいて、照合までにどれだけ研磨しなければならないかも、大まかに予測することができる。例えば、ある山を基準に双方の波形を並べると、双方の波形が完全に照合されていない場合、次のような形態となる。即ち、双方の基準の山位置は照合されているが、次の山の部分の位置では僅かに、波長がずれ、その次の山部分では、その前よりもさらに波長がずれ、といった形で、基準位置のずれ量ゼロに対して殆ど比例関係でずれていく。   In this waveform matching process, it is possible to roughly predict how much polishing is required before matching. For example, when both waveforms are arranged on the basis of a certain mountain, if both waveforms are not completely matched, the following form is obtained. That is, the peak positions of both the references are collated, but the wavelength is slightly shifted at the position of the next peak portion, and the wavelength is further shifted at the next peak portion than before, The reference position shifts almost proportionally with respect to zero shift amount.

仮に、この双方の山位置における波長のずれ量が単純な比例関係ではなく、例えば、ある特定の山位置からずれだし、その後一定のずれ量という場合などでは、その一定のずれ量を得た付近で、補正の際に山の数を一つ数えて落としていることなどが推定される。こうした場合、再度波形の精製をすれば、波形が補正されて(図6(a))、参照波形と完全に照合することも可能となる。   Temporarily, the amount of wavelength shift at both peak positions is not a simple proportional relationship. For example, in the case of a shift from a specific peak position and then a fixed shift amount, the vicinity where the fixed shift amount is obtained. Thus, it is estimated that the number of peaks was dropped when correcting. In such a case, if the waveform is refined again, the waveform is corrected (FIG. 6A), and it is possible to completely match the reference waveform.

このように波形を照合する場合においても、照合する波形のずれ方の変化が一様な増分を基にずれていくのか、それとも一定のステップで変化しその後その一定の変化を維持するのかなどによって、波形の照合が不十分であるのか、それともその前の波形の補正処理が不十分であるのか、そうした内容の見極めを正確に行うことが、本発明に示した照合ステップを用いることで可能となる。   Even when waveforms are collated in this way, depending on whether the change in the deviation of the waveform to be collated shifts based on a uniform increment, or whether it changes in a constant step and then maintains that constant change, etc. By using the matching step shown in the present invention, it is possible to accurately determine whether the waveform matching is insufficient or whether the previous waveform correction process is insufficient. Become.

最後に、SOI構造のウェーハWに対して実測した反射率波形において、そのままの反射率波形(図7(a))と、フーリエ変換後、その周期性を基に波形を精製し、その後、逆フーリエ変換して、周期性の波形成分を正確に取り出して補正した反射率波形例(図7(b))を示す。このように、Si表面から得られる実反射率スペクトルでは必ずしもきれいな周期波形を得られていないが(図7 (a))、その後の補正処理によって、周期成分が顕著になり、照合可能な山部分が復元されていることが分かる(図7(b)中の↓の位置)。このように補正処理をしない場合、参照波形との照合処理を行っても、正確に終了点を判別できないことが多く、実質上使用できるものではなかった。   Finally, in the reflectance waveform actually measured for the wafer W having the SOI structure, the waveform is refined based on the reflectance waveform as it is (FIG. 7A) and its periodicity after Fourier transformation, An example of a reflectance waveform (FIG. 7B) obtained by performing Fourier transform to accurately extract and correct a periodic waveform component is shown. In this way, a clean periodic waveform is not necessarily obtained in the actual reflectance spectrum obtained from the Si surface (FIG. 7A), but the periodic component becomes remarkable by the subsequent correction processing, and the peak portion that can be verified. It can be seen that has been restored (position ↓ in FIG. 7B). In the case where correction processing is not performed in this manner, the end point cannot often be accurately determined even if collation processing with a reference waveform is performed, and it has not been practically usable.

なお、参照波形としての基準反射率波形データは、予め実測したデータではなく、ウェーハの厚さや透光度、膜面の反射率などの光学的特性から算出できる理論的な反射率波形データであってもよい。また、投光/受光の光路或いは光学系を複数系統設けて、複数の反射光反射率波形と基準反射率波形とを照合するようにしてもよい。   Note that the standard reflectance waveform data as the reference waveform is not theoretically measured data, but theoretical reflectance waveform data that can be calculated from optical characteristics such as wafer thickness, translucency, and film surface reflectance. May be. Further, a plurality of light projecting / receiving light paths or optical systems may be provided to collate a plurality of reflected light reflectance waveforms with a reference reflectance waveform.

研磨終了のタイミングを決定するにあたっては、種々の手法が考えられる。例えば、所定の反射率波形の変曲点により一致度の変化を検知し、それぞれの変曲点のずれから一致度を求めるようにしてもよい。   Various methods are conceivable for determining the timing of completion of polishing. For example, it is possible to detect a change in the degree of coincidence at an inflection point of a predetermined reflectance waveform, and obtain the degree of coincidence from the deviation of each inflection point.

また、反射率波形の一致度の変化部分に、一致度が良くなるステップと一致度が悪くなるステップを含むことにより、一致度のピークを確実に検出できる。   Moreover, the peak of coincidence can be reliably detected by including a step where the degree of coincidence is improved and a step where the degree of coincidence is deteriorated in the changing part of the coincidence degree of the reflectance waveform.

波形の変曲点が最大変曲点であったことを確定するのには、ある程度の時間が経過した後にすべきであり、これにより最大変曲点を誤りなく認識できる。上記の時間は研磨速度などから必要量が予測できるので、一定とすることができ、別の膜厚測定方法によって求めたウェーハの研磨所要時間から決定してもよい。   In order to determine that the inflection point of the waveform is the maximum inflection point, it should be performed after a certain amount of time has passed, so that the maximum inflection point can be recognized without error. Since the required amount can be predicted from the polishing rate or the like, the above time can be constant and may be determined from the required polishing time of the wafer obtained by another film thickness measurement method.

反射率波形の一致度の変化部分を、波形の変曲点群の包絡線もしくは近似曲線の最大変曲点としてもよく、これによりノイズなどの外乱の影響をさらに軽減できる。   The changing part of the coincidence degree of the reflectance waveform may be the maximum inflection point of the inflection point group of the waveform or the approximate curve, thereby further reducing the influence of disturbance such as noise.

反射率波形の一致度の算出には、波長を微分した波形の内積を使用してもよい。この場合も、スパイク状のノイズ部分などの影響を軽減する効果がある。   For calculating the degree of coincidence of reflectance waveforms, an inner product of waveforms obtained by differentiating wavelengths may be used. Also in this case, there is an effect of reducing the influence of a spiked noise portion or the like.

本発明の研磨状態モニタ方法/研磨状態モニタ装置と、別の研磨状態モニタ方法とを併用し、別の研磨状態モニタ方法の結果のある範囲において、本発明の研磨状態モニタ方法を使用するようにしてもよい。   The polishing state monitoring method / polishing state monitoring apparatus of the present invention and another polishing state monitoring method are used in combination, and the polishing state monitoring method of the present invention is used within a certain range of the results of another polishing state monitoring method. May be.

なお、この発明は上記の実施形態に限定するものではなく、この発明の技術的範囲内において種々の改変が可能であり、この発明がそれらの改変されたものに及ぶことは当然である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the technical scope of the present invention, and the present invention naturally extends to those modified ones.

CMP装置の斜視図。The perspective view of a CMP apparatus. プラテンとパッドの断面図。Sectional drawing of a platen and a pad. SOIウェーハの構成例と、その典型的な反射率波形例を示す図であり、(a)はSOIウェーハの構成例を示す断面図、(b)はその典型的な反射率波形例。It is a figure which shows the structural example of an SOI wafer, and the typical reflectance waveform example, (a) is sectional drawing which shows the structural example of an SOI wafer, (b) is the typical reflectance waveform example. 実測の反射率波形を補正する方法を説明するための図であり、(a)は実測の反射率波形例、(b)は補正により復元された反射率波形、(c)はフーリエ変換により区分けされた周期性成分、(d)はフィルタリング後の波形を逆フーリエ変換して復元された反射率波形。It is a figure for demonstrating the method of correct | amending the measured reflectance waveform, (a) is an example of a measured reflectance waveform, (b) is the reflectance waveform restored | regenerated by correction | amendment, (c) is divided by Fourier transformation. (D) is a reflectance waveform restored by inverse Fourier transform of the filtered waveform. 変化する周期性部分を精製する方法を説明するための図。The figure for demonstrating the method to refine | purify the periodic part which changes. 補正反射率波形を参照波形と照合する方法を説明するための図であり、(a)は再度の波形精製により山谷位置を修復した反射率波形、(b)は実測の補正反射率波形と参照波形との比較対比の態様を示す図、(c)は比較対比の結果算出された波長のずれ量例を示す表。It is a figure for demonstrating the method of collating a correction | amendment reflectance waveform with a reference waveform, (a) is a reflectance waveform which restored the position of a mountain and valley by refining a waveform, (b) is a reference with an actually measured correction reflectance waveform. The figure which shows the aspect of the comparison contrast with a waveform, (c) is a table | surface which shows the example of the deviation | shift amount of the wavelength calculated as a result of the comparison contrast. 実測の反射率波形例と補正後の反射率波形例を示す図であり、(a)は実測の反射率波形例、(b)は図(a)の反射率波形について補正を施した後の反射率波形例。It is a figure which shows the example of an actual reflectance waveform, and the example of a reflectance waveform after correction | amendment, (a) is an example of an actual reflectance waveform, (b) is after correcting the reflectance waveform of FIG. Example of reflectance waveform.

符号の説明Explanation of symbols

1 CMP装置
2 プラテン
3 モータ
4 駆動機構
5 パッド
6 研磨ヘッド
7 孔
8 孔
9 窓
10 対物レンズ
W ウェーハ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 CMP apparatus 2 Platen 3 Motor 4 Drive mechanism 5 Pad
6 Polishing Head 7 Hole 8 Hole 9 Window 10 Objective Lens W Wafer

Claims (5)

Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨状態モニタ方法において、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けするステップと、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製するステップと、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元するステップを有し、
研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ方法。
A SiOx film is formed on Si, and a Si / SiOx / Si film structure on which a Si film is formed is irradiated with light, and the polishing state during polishing is monitored based on the reflected light. In the polishing state monitoring method to
A means for irradiating the wafer surface with white light; and a means for spectroscopically reflecting the reflected light from the wafer surface; during the polishing, a Fourier transform of the reflectance waveform with respect to the wavelength or wave number reflected from the wafer surface;
Dividing the Fourier-transformed waveform into a periodic component due to the Si film thickness and a periodic component due to the SiOx film thickness;
Of these, focusing on the periodic component due to the Si film thickness, refining the changing periodic part,
Having a step of inverse Fourier transforming the waveform of the Si film thickness after filtering to restore the reflectance waveform;
In two of the predetermined reflectance waveform obtained at the end of polishing and the reflectance waveform during polishing, the peak and valley positions are collated in a predetermined area, and the polishing end point is detected based on the collation result. A polishing state monitoring method.
上記所定の反射率波形が、理論波形であることを特徴とする請求項1記載の研磨状態モニタ方法。 2. The polishing state monitoring method according to claim 1, wherein the predetermined reflectance waveform is a theoretical waveform. 上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対して、変化する周期性部分を精製するステップは、予測研磨レートを基に精製することを特徴とする請求項1又は2記載の研磨状態モニタ方法。 With respect to the Fourier transformed reflectance waveform during polishing, the step of purifying the periodicity unit amount of change in the polishing state monitoring according to claim 1 or 2, wherein the purifying based on predicted polishing rate Method. 上記フーリエ変換された研磨中の反射率波形に対して、膜厚が研磨によって変動する周期成分のに逆フーリエ変換して、反射率波形を復元するステップを有することを特徴とする請求項1,2又は3記載の研磨状態モニタ方法。 With respect to the Fourier transformed reflectance waveform during polishing, claim thickness by inverse Fourier transform on only the periodic component that varies by polishing, characterized by the step of restoring the reflectance waveform 1 , 2 or 3 polishing state monitoring method. Si上にSiOx膜が形成され、その上にSi膜が形成されるSi/SiOx/Siの膜構成を有するウェーハ表面に光を照射して、その反射光を基に研磨中の研磨状態をモニタする研磨状態モニタ装置において、
ウェーハ表面に白色光を照射する手段と、ウェーハ表面からの反射光を分光する手段を具備し、研磨中、ウェーハ表面から反射される波長ないしは波数に対する反射率波形をフーリエ変換する手段と、
フーリエ変換された波形に対して、Si膜厚に起因する周期性成分とSiOx膜厚に起因する周期性成分とに区分けする手段と、
そのうちSi膜厚に起因する周期性成分に着目し、変化する周期性部分を精製する手段と、
フィルタリング後のSi膜厚の波形を逆フーリエ変換して反射率波形を復元する手段を有し、
研磨終了時点で得られる所定の反射率波形と、研磨中の反射率波形の二つにおいて、所定域において、その山谷位置を照合する手段を有し、その照合結果を基に研磨の終点を検出することを特徴とする研磨状態モニタ装置。
A SiOx film is formed on Si, and a Si / SiOx / Si film structure on which a Si film is formed is irradiated with light, and the polishing state during polishing is monitored based on the reflected light. In the polishing state monitoring device to
Means for irradiating the wafer surface with white light, means for spectrally reflecting the reflected light from the wafer surface, and means for Fourier transforming the reflectance waveform for the wavelength or wave number reflected from the wafer surface during polishing;
A means for dividing the Fourier transformed waveform into a periodic component caused by the Si film thickness and a periodic component caused by the SiOx film thickness,
Among them, paying attention to the periodic component due to the Si film thickness, and means for purifying the changing periodic part,
It has means to restore the reflectance waveform by inverse Fourier transform of the waveform of the Si film thickness after filtering,
There are means to check the position of the peaks and valleys in a predetermined area in the predetermined reflectance waveform obtained at the end of polishing and the reflectance waveform during polishing, and the polishing end point is detected based on the comparison result A polishing state monitoring device.
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