JP6066192B2 - 研磨パッドの表面性状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板の研磨に用いられる研磨パッドの表面形状や表面状態などの表面性状を測定する研磨パッドの表面性状測定装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。

従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）やセリア（ＣｅＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドに供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨パッドに摺接させて研磨を行うものである。

上述したＣＭＰを行う研磨装置は、研磨パッドを有する研磨テーブルと、半導体ウエハ（基板）を保持するためのキャリア又はトップリング等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて基板保持装置により基板を保持しつつ、この基板を研磨パッドに対して所定の圧力で押圧して、基板上の絶縁膜や金属膜を研磨することが行われている。

基板の研磨を行なうと、研磨パッドの表面には砥粒や研磨屑が付着し、また、研磨パッドの表面形状や状態が変化して研磨性能が劣化してくる。このため、基板の研磨を繰り返すに従い、研磨速度が低下し、また、研磨むらが生じてしまう。そこで、劣化した研磨パッドの表面形状や状態を再生するために、ドレッサーを用いて研磨パッドのドレッシング（コンディショニング）を行っている。

特開平９−１１９８２２号公報 特開２００３−１５１９３４号公報 特開２０１２−１３７４８４号公報

櫛田高志，木村景一，カチョーンルンルアン・パナート，鈴木恵友著「光学的フーリエ変換に基づくＣＭＰ用ポリシングパッドの表面形状評価に関する研究（第二報）―測定装置の試作―」２０１２年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，２０１２年３月１４日頒布，ｐ.８２３−８２４ 櫛田高志，木村景一，カチョーンルンルアン・パナート，鈴木恵友著「光学的フーリエ変換に基づいたＣＭＰ用ポリシングパッドの表面形上評価に関する研究」２０１１年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，２０１１年９月２０日頒布，ｐ.１５９−１６０

ＣＭＰ（化学的機械研磨）においては、研磨パッドの表面形状や状態は研磨性能に与える影響が大きく、種々の測定方法により研磨パッドの表面形状、状態を測定して、ドレッシング条件や研磨条件に反映させることが提案されている。
上記非特許文献１及び２には、研磨パッドの表面にレーザ光を照射し、その散乱反射光を光学的ＦＦＴ解析することにより研磨パッドの表面形状特性を測定可能であることが示唆されている。
研磨パッドの表面にレーザ光を照射し、その散乱反射光を用いて研磨パッドの表面形状や表面状態などの表面性状を測定するにあたって、種々の外乱等の影響があるため、散乱反射光を適切にセンシングすることが重要である。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、種々の外乱等の影響を抑制して研磨パッドの表面性状を正確に測定することができる研磨パッドの表面性状測定装置および当該測定装置を備えた研磨装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の研磨パッドの表面性状測定装置の第１の態様は、基板に摺接して基板の被研磨面を研磨する研磨パッドの表面性状測定装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、研磨パッドから反射散乱された散乱光を受光素子で受光することで光学的フーリエ変換により研磨パッドの表面形状に基いた空間波長スペクトルに相当する強度分布を得る受光素子を備え、前記光源から出射された前記レーザ光は、前記研磨パッドの表面に直接入射され、かつ、前記研磨パッド表面に形成されたポア底部に到達しない入射角で照射されることを特徴とする。
本発明の実施形態によれば、研磨パッドの表面性状測定装置は、基板に摺接して基板の被研磨面を研磨する研磨パッドの表面性状測定装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、研磨パッドから反射散乱された散乱光を受光素子で受光することで光学的フーリエ変換により研磨パッドの表面形状に基いた空間波長スペクトルに相当する強度分布を得る受光素子を備え、前記レーザ光は、前記研磨パッド表面での反射率が５０％以上となる入射角で照射される。
本発明の他の実施形態によれば、研磨パッドの表面性状測定装置は、基板に摺接して基板の被研磨面を研磨する研磨パッドの表面性状測定装置であって、レーザ光を出射するレーザ光源と、研磨パッドから反射散乱された散乱光を受光素子で受光することで光学的フーリエ変換により研磨パッドの表面形状に基いた空間波長スペクトルに相当する強度分布を得る受光素子を備え、前記レーザ光は、Ｓ偏光されて前記研磨パッド表面へ照射される。
上記他の実施形態において、前記レーザ光は、前記Ｓ偏光の前記研磨パッド表面での反射率が５０％以上となる照射角度で照射される。

本発明によれば、レーザ光源から出射されたレーザ光は、研磨パッド表面に形成されたポア底部に到達しない入射角で照射される。これにより、ポアの存在による影響を抑制することができ、外乱等の影響を抑制して研磨パッドの表面性状を正確に測定できる。
本発明の好ましい態様は、前記入射角は、４５°以上であることを特徴とする。
さらに、本発明の好ましい態様は、前記入射角は、８０°以上であることを特徴とする。
上記実施形態によれば、レーザ光源から出射されたレーザ光は、研磨パッド表面での反射率が５０％以上となる入射角で照射され、または、Ｓ偏光されて前記研磨パッド表面へ照射される。これにより、レーザ光の研磨パッド内部への透過光による影響を抑制することができ、外乱等の影響を抑制して研磨パッドの表面性状を正確に測定できる。

本発明の研磨装置は、研磨対象物である基板を保持し前記研磨パッドに押圧するキャリアと、前記研磨パッドを保持し、回転させる研磨テーブルと、前記研磨パッドのドレッシングを行うドレッサーと、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置で得られる研磨パッドの表面性状を現す数値を用いて以下のような態様をとることができる。
１）請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置で得られる研磨パッドの表面性状を現す数値に基づいて、ドレッシング条件を設定してドレッシングするドレッシング方法。
２）請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置で得られる研磨パッドの表面性状を現す数値に基づいて、ドレッサーの寿命を検知するドレッサーの寿命検知方法。
３）請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置で得られる研磨パッドの表面性状を現す数値に基づいて、パッドの寿命を検知するパッドの寿命検知方法。
４）請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置で得られる研磨パッドの表面性状を現す数値に基づいて、パッドの表面性状に異常があることを検知するドレッシングの異常検知方法。

本発明によれば、種々の外乱等の影響を抑制して研磨パッドの表面性状を正確に測定することができる。そして、測定値を用いて以下のＣＭＰの安定運用が可能となる。
（１）研磨パッドやドレッサーを無駄なく寿命の最後まで使い切ることでできるために消耗材コストを抑制できる。
（２）何らかのドレッシング異常による研磨パッドの表面性状の非定常状態を即座に検知して発報することができるために、ＣＭＰ性能不良による半導体デバイスの製造不良を最低限に抑えることができる。
（３）研磨パッドの表面性状の変化に応じてドレッシング条件を変更することで、常に研磨パッドの表面性状をＣＭＰ性能の確保に必要な状態に維持できる。

図１は、本発明に係る研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１のII部の拡大図である。 図３は、図１および図２に示す表面性状測定装置において実行される撮像（受光）からフーリエ変換して数値を演算するプロセスを模式的に示す図である。 図４は、レーザ光を研磨パッドに照射した時に発生するパッド表面形状によって散乱した光の強度分布を示す模式図である。 図５は、受光素子とパッドとの距離およびレーザスポット径の関係を示す模式図である。 図６は、レーザ波長（λ〔ｎｍ〕）と測定可能な空間波長（ｐ〔μｍ〕）との関係を示すグラフである。 図７は、レーザ光を研磨パッドに照射した時のパッドの表面で反射散乱した散乱光の強度分布を示す模式図である。 図８（ａ），（ｂ）は、本手法で得られた光強度分布に基づき、各々の空間波長（横軸）範囲の光強度の積分値と観察領域全体の光強度の積分値（３０μｍまで）の比（波長構成比）と研磨レート（ＭＲＲ）の相関値（縦軸）を示すグラフである。 図９（ａ），（ｂ）は、本手法で得られた光強度分布に基づき、各々の空間波長（横軸）範囲の光強度の積分値と観察領域全体の光強度の積分値（３０μｍまで）の比（波長構成比）と研磨レート（ＭＲＲ）の相関値（縦軸）を示すグラフである。 図１０は、各々の空間波長範囲（横軸）における波長構成比率と研磨レート（ＭＲＲ）の相関係数値（縦軸）を示すグラフである。 図１１は、レーザ光の入射角を８０°とした場合の、機器構成を示す模式図である。 図１２（ａ），（ｂ）は、図３に示すプロセスで得られた数値を利用してドレッシング条件を変更する場合および警報を表示する場合の手順を示すフローチャートである。 図１３は、図１および図２に示すように構成された研磨装置を用いて、基板の研磨、研磨パッドのドレッシングおよび研磨パッドの表面のモニタリングの手順の一例を示す図である。

以下、本発明に係る研磨パッドの表面性状測定装置の実施形態について図１乃至図１３を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１３において、同一また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、本発明に係る研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板Ｗを保持して研磨テーブル上の研磨パッドに押圧するキャリア１０とを備えている。研磨テーブル１は、テーブル軸１ａを介してその下方に配置される研磨テーブル回転モータ（図示せず）に連結されており、テーブル軸１ａの回りに回転可能になっている。研磨テーブル１の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の表面が基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成している。研磨パッド２には、ダウケミカル社（Dow Chemical Company）製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ１０００、ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）等が用いられている。ＳＵＢＡ８００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布である。ＩＣ１０００は硬質の発泡ポリウレタンであり、その表面に多数の微細な孔（ポア）を有したパッドであり、パーフォレートパッドとも呼ばれている。研磨テーブル１の上方には研磨液供給ノズル３が設置されており、この研磨液供給ノズル３によって研磨テーブル１上の研磨パッド２に研磨液（スラリー）が供給されるようになっている。

キャリア１０は、シャフト１１に接続されており、シャフト１１は、キャリアアーム１２に対して上下動するようになっている。シャフト１１の上下動により、キャリアアーム１２に対してキャリア１０の全体を上下動させ位置決めするようになっている。シャフト１１は、モータ（図示せず）の駆動により回転するようになっており、キャリア１０がシャフト１１の軸心の回りに回転するようになっている。

図１に示すように、キャリア１０は、その下面に半導体ウエハなどの基板Ｗを保持できるようになっている。キャリアアーム１２は旋回可能に構成されており、下面に基板Ｗを保持したキャリア１０は、キャリアアーム１２の旋回により基板の受取位置から研磨テーブル１の上方に移動可能になっている。キャリア１０は、下面に基板Ｗを保持して基板Ｗを研磨パッド２の表面（研磨面）に押圧する。このとき、研磨テーブル１およびキャリア１０をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１の上方に設けられた研磨液供給ノズル３から研磨パッド２上に研磨液（スラリー）を供給する。研磨液には砥粒としてシリカ（ＳｉＯ_２）やセリア（ＣｅＯ_２）を含んだ研磨液が用いられる。このように、研磨液を研磨パッド２上に供給しつつ、基板Ｗを研磨パッド２に押圧して基板Ｗと研磨パッド２とを相対移動させて基板上の絶縁膜や金属膜等を研磨する。絶縁膜としてはＳｉＯ_２が挙げられる。金属膜としてはＣｕ膜、Ｗ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜が挙げられる。

図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２をドレッシングするドレッシング装置２０を備えている。ドレッシング装置２０は、ドレッサーアーム２１と、ドレッサーアーム２１に回転自在に取り付けられたドレッサー２２とを備えている。ドレッサー２２の下部はドレッシング部材２２ａにより構成され、ドレッシング部材２２ａは円形のドレッシング面を有しており、ドレッシング面には硬質な粒子が電着等により固定されている。この硬質な粒子としては、ダイヤモンド粒子やセラミック粒子などが挙げられる。ドレッサーアーム２１内には、図示しないモータが内蔵されており、このモータによってドレッサー２２が回転するようになっている。ドレッサーアーム２１は図示しない昇降機構に連結されており、この昇降機構によりドレッサーアーム２１が下降することでドレッシング部材２２ａが研磨パッド２の研磨面２ａを押圧するようになっている。研磨テーブル１、キャリア１０、ドレッシング装置２０等の各装置類は、制御装置（図示せず）に接続されており、制御装置により研磨テーブル１の回転速度、キャリア１０の回転速度および研磨圧力、ドレッシング装置２０のドレッサー２２の荷重や揺動速度等が制御されるようになっている。

図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２の表面形状や表面状態などの表面性状を測定する研磨パッドの表面性状測定装置３０を備えている。研磨パッドの表面性状測定装置３０は、レーザ光を出射するレーザ光源３１と、研磨パッド２の表面と略平行にレーザ光が進行するようにレーザ光を導くための導光空間３２と、研磨パッド２の表面と略平行に進行するレーザ光を研磨パッド２の表面に略垂直方向に進行方向を変更するミラー３４と、研磨パッド２の表面で反射散乱した散乱光を受光する受光素子３５とを備えている。レーザ光源３１は４０８ｎｍの波長のレーザ光を出射するように構成されている。図１に示す実施形態では、レーザ光源３１はキャリアアーム１２に固定されており、レーザ光源３１から出射されたレーザ光は、ミラー３３によって導光空間３２に導かれるようになっている。すなわち、レーザ光源３１から略垂直方向に出射されたレーザ光は、ミラー３３で光路が変更されて導光空間３２に導かれ、導光空間３２においてレーザ光は研磨パッド２の表面と略平行に進行し、その後レーザ光はミラー３４で光路が変更されて略垂直方向から研磨パッド２に入射するようになっている。研磨パッド２の表面で反射散乱した散乱光を受光する受光素子３５は、エリアセンサからなり、ＣＭＰ性能に及ぼす影響が大きい低波長領域まで検出できるように、研磨パッド２の表面の上方に配置されている。受光素子３５は、ＣＭＯＳ，フォトダイオードアレイ，フォトマルアレイでもよい。

研磨パッドの表面性状測定装置３０は、受光素子３５で受光した散乱光の強度分布を特定の演算方法によりＣＭＰ性能と相関ある数値に換算する演算機能を有した演算処理装置３６を備えている。演算処理装置３６は受光素子３５に接続されている。演算処理装置３６は、散乱光強度分布（スペクトル）を特定の演算方法によりＣＭＰ性能と相関ある数値に換算する演算機能も備えている。また、演算処理装置３６は、散乱光強度分布やＣＭＰ性能と相関ある数値を表示する表示機能を備えている。演算処理装置３６はＣＭＰの制御装置に組み込んでもよい。演算処理装置３６からの信号はＣＭＰの制御装置へ入力される。

図２は、図１のII部の拡大図である。レーザ光源３１から出射されたレーザ光である入射光は、ミラー３３（図１参照）で光路が変更されて導光空間３２に導かれる。図２に示すように、導光空間３２においてレーザ光は研磨パッド２の表面と略平行に進行し、その後、レーザ光はミラー３４で光路が変更されて、略垂直方向から研磨パッド２に入射する。そして、研磨パッド２の表面で反射散乱した散乱光は受光素子３５により受光される。

図３は、図１および図２に示す研磨パッドの表面性状測定装置３０において実行される撮像（受光）して数値を演算するプロセスを模式的に示す図である。なお、図３においては、受光素子３５の形状・配置などは模式化して示しており、またレーザ光源３１，ミラー３４，演算処理装置３６は図示を省略している。
図３に示すように、表面性状測定装置３０において以下のステップが実行される。
（１）表面形状ｕ（ｘ，ｙ）を持つ研磨パッド２にレーザ光を照射する。
（２）研磨パッド表面で反射散乱した散乱光を受光素子３５で受光し、散乱光強度分布を得る。散乱光強度分布は、研磨パッドの表面形状をその空間波長でフーリエ変換した分布に相当する。
（３）演算処理装置３６において、所定の演算を経て、パッド表面指数を求める。
ここで所定の演算とは、
・特定空間波長領域の散乱光強度の積分値
・第一の空間波長領域の積分値に対する、第二の空間波長領域の積分値の比
などである。

次に、上記（１）〜（３）のステップを実行する具体的な方法及び装置構成について説明する。
１）研磨パッドからの散乱光強度分布
図４は、レーザ光を研磨パッドに照射した時に発生するパッド表面形状によって散乱した光の強度分布を示す模式図である。
図４に示すように、レーザ光（波長λ）を研磨パッドに照射した時に発生するパッド表面形状によって散乱した光の強度分布Ｉ（ｐ）を受光素子で観察するとする。その時、受光素子上の各位置１／ｐは、各々の表面凹凸である空間波長ｐのスペクトルを示す。いわば、光強度分布は研磨パッドの表面形状の空間的フーリエ変換のスペクトルを示すことになる。例えば、比較的長い空間波長ｐ_１の場合は、受光素子の１／ｐ_１の位置（空間周波数領域）にそのスペクトルが現れる。一方、比較的短い空間波長ｐ_２の場合も、同様である。
図４において、各記号を以下のように定義する。
θ：入射角
ｄ：レーザビーム径
β：回折角（回折した光が正反射光から偏角した角度）
Ｌ：受光素子−パッドの距離
ｐ：研磨パッド表面形状の空間波長
偏角回折角（β）を決定する式は、式（１）に示され、適用する波長λ、設定入射角θ、凹凸の空間波長ｐで決定される。ただし、式（１）の条件は、Ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ回折の状態である必要がある。Ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ回折は、式（２）で示すように観察する受光素子が研磨パッドから十分な距離Ｌ離れていることが必要である。また、式（１）から、式（３）で示すように空間波長ｐがレーザ波長λより小さくなると、回折角が９０°より大きくなり、研磨パッド表面から反射しなくなり、いわゆる吸収される現象になる。
ｐcosθsinβ＋ｐsinθ（１−cosβ）＝λ ・・・（１）
ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ回折の条件：Ｌ＞＞（ｐcosθ）^２／２λ ・・・（２）
空間波長とレーザ光波長の条件；ｐ／λ＞１ ・・・（３）

２）受光素子とパッド距離およびレーザスポット径の検討
図５は、受光素子とパッドとの距離およびレーザスポット径の関係を示す模式図である。図５中の各記号は図４で定義したとおりである。
式（２）において、例えば、θ＝４５°とし、Ｌがｐ^２／４λの１００倍より大きいとすると、受光素子とパッドとの距離Ｌは式（２．１）に示される条件を満たす必要がある。
Ｌ＞１００（ｐ^２／４λ） ・・・（２．１）
次に、レーザビーム径ｄ_０の領域内では、回折光（β＜β_０の領域）が正反射光（幅ｄ_０）と重なるため評価不能となる。そのため、回折角β_０（受光素子上では、相当するパッド表面凹凸の空間波数１／ｐ_０）より大きい回折角β（空間波長波数１／ｐ）が評価可能領域（β＞β_０または１／ｐ＞１／ｐ_０）になる。
ここで、正反射光の境目では、ＡＢ／ＯＡ＝tanβ_０＝ｄ_０／２Ｌ
ただし、Ｌ＞＞ｄ_０のため、（ｄ_０ ^２＋４Ｌ^２）^１／２≒２Ｌとすると、
sinβ_０≒ｄ_０／２Ｌ、cosβ_０＝２Ｌ／（ｄ_０ ^２＋４Ｌ^２）^１／２≒２Ｌ／（４Ｌ^２）^１／２＝１と近似される。そして、式（１）より、評価可能な空間波数１／ｐの範囲は、
１／ｐ_０＝（cosθsinβ_０＋sinθ（１−cosβ_０））／λ＜１／ｐのため
次の条件が得られる。
ｐcosθ×（ｄ_０／２Ｌ）＜λ ・・・（４）
i)受光素子とパッドとの距離Ｌの選定
例えば、研磨パッドがＩＣ１０００の場合は、パッドのポア径は、４０〜６０μｍのため、ｐ＜ｐ_０＝３０μｍとして空間波長を評価する。また、レーザ波長λ＝０．５３２μｍとすると、
Ｌ＞１００×（３０μｍ）^２／４（０．５３２μｍ）≒４３ｍｍのため
例えば、受光素子とパッドとの距離Ｌ＞５０ｍｍとすればよい。
ii)レーザスポット径ｄ_０の選定
評価不能領域の境界条件では、スポット径
ｄ_０＜４（５０ｍｍ）（０．５３２μｍ）／２^１／２（３０μｍ）＝２．５ｍｍ
例えば、スポット径ｄ＜２ｍｍとすればよい。

３）照射レーザ光の波長選定
図６は、レーザ波長（λ〔ｎｍ〕）と測定可能な空間波長（ｐ〔μｍ〕）との関係を示すグラフである。
受光素子とパッドとの距離Ｌとレーザスポット径ｄ_０を決定するには、レーザ波長を選定する必要がある。図６に示すように、基本的にレーザの波長λが短いほど測定可能な研磨パッド形状の空間波長の限界ｐ（式（１）のθ＝０，β＝９０°の時でｐ≒λ）は小さくなる。
しかし、レーザ波長が短くなると、大気による光の散乱（レイリー散乱強度ｙ∝λ^−４）のため、光強度の減光率が大きくなり、被測定表面からの散乱光に対しての外乱になる恐れがある。
そこで、図に矢印で示すように、光強度の減少率を１３．５％以下にしようとすると、測定に用いるレーザ波長を４５０ｎｍ（０．４５μｍ）以上にする必要があり、その際に測定可能な空間波長は、θ＝０とすると約０．４５μｍ以上となる。また、同様に光強度の減少率を２５％以下にするには、測定に用いるレーザ波長を４００ｎｍ（０．４μｍ）以上にすればよい。
例えば、小型半導体レーザを用いれば、波長が４５０ｎｍより大きく、最も近い波長で、一般的よく使われる５３２ｎｍのレーザ光を使用できる。

４）波長構成比
図７は、レーザ光を研磨パッドに照射した時のパッドの表面で反射散乱した散乱光の強度分布を示す模式図である。図７中の各記号は図４で定義したとおりである。
図７に示す空間波長ｐ_３から空間波長ｐ_４までの第一の空間波長領域の散乱光強度の積分値に対する、空間波長ｐ_１から空間波長ｐ_２までの第二の空間波長領域の散乱光強度の積分値の比を次式で求める。

上記の比を波長構成比と定義する。

５）波長構成比と研磨レート（ＭＲＲ）との相関結果
図８（ａ），（ｂ）は、本手法で得られた光強度分布に基づき、各々の空間波長（横軸）範囲の光強度の積分値と観察領域全体の光強度の積分値（３０μｍまで）の比（波長構成比）と研磨レート（ＭＲＲ）の相関値（縦軸）を示すグラフである。
図８（ａ），（ｂ）は、異なったドレッサ（＃３２５と＃１００）でドレッシングされた研磨パッドを用いて、最も測定範囲の広い３０〜１．８μｍ、次に測定範囲の広い３０〜２．８μｍ、測定範囲を狭くした３０〜４μｍの観察領域の場合の相関値の特性をまとめたものである。
図８（ａ），（ｂ）に示すように、３０〜１．８μｍの広い空間波長範囲で演算した方が３０〜２．８μｍや３０〜４μｍの空間波長範囲で演算したものより、相関値が高くなる傾向が見られた。したがって、３０〜１．８μｍの空間波長範囲でのスペクトルの積分値をとった方が良い結果が得られることが分かる。

６）表面指数演算のための空間波長範囲の特定
図９（ａ），（ｂ）は、本手法で得られた光強度分布に基づき、各々の空間波長（横軸）範囲の光強度の積分値と観察領域全体の光強度の積分値（３０μｍまで）の比（波長構成比）と研磨レート（ＭＲＲ）の相関値（縦軸）を示すグラフである。
パッド性状を把握するには相関係数値が０．７以上が望ましい。図９（ａ），（ｂ）において高い相関係数である０．７以上で考慮すると、より広範囲での測定（１．８μｍ）のほうが、比較的に幅広い波長領域、およびより小さい空間波長ｐの相関係数が高い傾向にある。
したがって、図９（ａ），（ｂ）に示す例では、空間波長範囲を以下の通りとする。
１．全体の空間波長領域は４〜３０μｍを含み、好ましくは、２〜３０μｍを含む。
２．＃３２５でドレシングされたパッドの場合の空間波長領域：２（１．８）〜５μｍ
３．＃１００でドレシングされたパッドの場合の空間波長領域：９〜１３μｍ

次に、本手法で得られた散乱光強度分布で、一例として、図７に示す空間波長領域（ｐ_１〜ｐ_２μｍ）における、波長構成比と研磨レート（ＭＭＲ）との相関を求めた。この場合、＃１００と＃３２５でドレッシングされたパッドにおいて、同一の空間波長領域で評価を行った。
図１０は、上記評価結果を示し、各々の空間波長範囲（横軸）における波長構成比率と研磨レート（ＭＲＲ）の相関係数値（縦軸）を示すグラフである。
図１０に示す例においては、高い相関係数である相関係数値０．７以上で考慮した場合、研磨に寄与する微細凹凸の空間波長範囲を１０〜１５μｍに限定するとよいことが分かる。
なお、図８乃至図１０で示す実験結果は、図１および図２に示す装置構成で求めたものである。

７）ポアとレーザ光入射角θの検討
以上のように、光学的ＦＦＴによるパッド表面形状の空間波長に対応した反射光強度スペクトルに基いて、研磨レート（ＭＲＲ）と強い相関のある数値を演算することができることがわかる。ところで、研磨パッド表面にはドレッシングにより生じる微細形状のほか、元々の研磨パッド表面に形成された形状、ポアが存在し、本手法により得られる散乱光強度分布は、このポアの形状も反映したものとなる。
ポアの底部は研磨される基板と直接接触するわけではなく、研磨レート（ＭＲＲ）や、ドレッシングの状況を把握するには、このポアの形状による影響をできるだけ排除したほうが良い場合がある。

ポアの形状の影響をできるだけ排除するには、レーザ光の研磨パッドに対する入射角を寝かせて、レーザ光がポア底部に到達しないようにすればよい。ポア底部に到達しないようにするには入射角を４５°以上とすることが必要で、更には、８０°以上とすることが望ましい。ここでいう、レーザ光を到達させないポア底部とは、研磨中の基板と摺接することのない深さをもったポアの底部であり、ごく浅いポアは含まない。

８）レーザ光の反射率と偏光の検討
レーザ光は研磨パッド表面で全て反射されるわけではなく、一部はパッド内部に透過する。内部に透過したレーザ光は、研磨パッド内部の構造（ポアなど）によって散乱反射し、その研磨パッド内部での散乱反射光の一部は、研磨パッド表面で反射された散乱反射光と一緒になってしまう。研磨パッドの表面性状を測定するためには、内部に透過したレーザ光の影響を小さくした方が望ましい。レーザ光の物質表面での反射率は、レーザ光の入射角によって変わり、入射角が大きくなるほど反射率が高くなる傾向がある。したがって、研磨パッド表面でのレーザ光の反射率が５０％以上となる入射角にすることが望ましい。

また、研磨パッド表面でのレーザ光の反射率について、Ｓ偏光は入射角の増加に伴って反射率が単調増加するのに対して、Ｐ偏光は入射角がブリュースター角に近づくに従って反射率が低下し、ブリュースター角を越えると増加する。したがって、研磨パッドに照射するレーザ光は、偏光板等によりＳ偏光させることで、研磨パッド表面での反射率を高めることができる。

図１１は、レーザ光の入射角を８０°とした場合の機器構成の一例を示す。図１と同様に、光源３１から出射されたレーザ光は、２つのミラー３３，３４を介して研磨パッド２に照射されるようになっている。ミラー３３，３４は、光源３１から出射されたレーザ光を反射して研磨パッド２に入射角が８０°になるよう位置や角度が設定されている。すなわち、光源３１から略垂直方向に出射されたレーザ光は、ミラー３３（図１１では図示せず）で光路が変更されて研磨パッド２の表面と平行に進行し、さらにミラー３４で光路が変更されて入射角８０°で研磨パッド２に入射するようになっている。受光素子３５は、レーザ光の研磨パッド上での正反射が垂直にあたるよう設置されている。

入射角が寝ているので、研磨パッドの厚さが変化すると、研磨パッド上のレーザ照射位置が比較的大きく変わってしまう。図１１の形態では、ミラー３４が水平方向移動機構に取り付けられており、研磨パッド２の厚さの変化によらず、受光素子３５の面上の同じ位置にレーザ光の正反射が当たるように調整される。研磨パッドの厚さ、または、研磨パッドの表面の高さを測定する測定器（図示せず）を備え、その測定器の結果に基いて、水平方向移動機構を制御するように構成しても良い。

上記ステップで得られたＣＭＰ性能と相関の強い数値を、予め定めた値と比較して、特定の条件を満たした場合に、研磨パッドやドレッサーの寿命や交換タイミング、またパッド表面性状やドレッシング状態の異常を、演算処理装置３６の表示部に表示する。
また、演算処理装置３６は、上記ステップで得られたＣＭＰ性能と相関の強い数値を、予め定めた条件に照らしてＣＭＰパラメータ、特にドレッシング条件（面圧、回転数、揺動パターン）を変更する機能を持つ。例えば、上記の数値、ドレッシング条件、ＣＭＰ性能の三者の相関を表わす式を予め得ておき、ドレッシング後に測定される上記の数値をその式に代入することで、ＣＭＰ性能が常に一定になるようなドレッシング条件を算出し、その条件を次回のドレッシング時に適用する機能等である。

図１２（ａ），（ｂ）は、図４乃至図１０に示すプロセスで得られた数値を利用してドレッシング条件を変更する場合および警報を表示する場合の手順を示すフローチャートである。
図１２（ａ）に示す例においては、基板を研磨した後に研磨パッド２をドレッシングし、パッド表面の測定を行う。次に、パッド表面指数を算出し、パッド表面指数が所定範囲内か否かを判断する。パッド表面指数が所定範囲内にない場合（ＮＯの場合）には、次回のドレッシング条件を変更する。パッド表面指数が所定範囲内の場合（ＹＥＳの場合）には、ドレッシング条件を変更せず、そのままの条件で次回のドレッシングを行う。
ドレッシング条件の変更例を表１に示す。

図１２（ｂ）に示す例においては、基板を研磨した後に研磨パッド２をドレッシングし、パッド表面の測定を行う。次に、パッド表面指数を算出し、パッド表面指数が正常範囲内か否かを判断する。パッド表面指数が正常範囲内にない場合（ＮＯの場合）には、ドレッサー寿命、研磨パッド寿命、研磨パッド表面異常のいずれかの警報を表示する。この場合、予め、ドレッサー寿命、研磨パッド寿命、研磨パッド表面異常となるパッド表面指数の演算式と正常範囲を決めておく。パッド表面指数が正常範囲内の場合（ＹＥＳの場合）には、プロセスを継続する。

次に、図１および図２に示すように構成された研磨装置を用いて、基板の研磨、研磨パッドのドレッシングおよび研磨パッドの表面のモニタリングを行う場合の手順の一例を図１３を参照して説明する。
図１３に示すように、基板の処理を開始して基板を研磨する。すなわち、研磨液供給ノズル３から研磨パッド２に研磨液（スラリー）を滴下し、キャリア１０を回転させながら下降させて、基板Ｗを回転する研磨パッド２に所定の研磨圧力で押圧する。これによって、基板上の金属膜や絶縁膜の研磨を行う研磨工程を開始する。なお、研磨工程に併行してドレッシングを行うインサイチュウドレッシングを行ってもよい。

次に、研磨液供給ノズル３からの研磨液の供給を停止した後、研磨パッド２に純水を供給して、基板の水ポリッシング（水研磨）などを行うことにより、基板を研磨パッド２上で洗浄する。その後、キャリア１０により基板を研磨パッド２の外側に搬送し、研磨後の基板をプッシャ等の受渡し装置に受け渡す。

次に、研磨パッド２をドレッシングする。すなわち、研磨パッド２を回転させるとともに、ドレッサー２２を回転させ、次いでドレッサーアーム２１を下降させ、ドレッサー２２の下面のドレッシング部材２２ａを回転する研磨パッド２に押圧する。その状態で、ドレッサーアーム２１を揺動（スイング）させる。研磨パッド２のドレッシング中は、研磨液供給ノズル３（図１参照）からドレッシング液としての純水が研磨パッド２に供給される。

次に、研磨パッドの表面性状測定装置３０により研磨パッド２の表面をモニタリングをする。このモニタリング工程は、図４乃至図１０において説明したように、パッド表面指数を算出し、図１２（ａ），（ｂ）において説明したように、ドレッシング条件の変更、研磨パッド寿命や研磨パッド表面異常の警報を表示する等の所定の判断を行う。
前記モニタリング工程の終了後に基板処理を完了する。なお、モニタリング工程は、研磨工程中に行ってもよく、またドレッシング工程中に行ってもよい。

これまで本発明の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、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 研磨テーブル
１ａ テーブル軸
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨液供給ノズル
１０ キャリア
１１ シャフト
１２ キャリアアーム
２０ ドレッシング装置
２１ ドレッサーアーム
２２ ドレッサー
２２ａ ドレッシング部材
３０ 表面性状測定装置
３１ レーザ光源
３２ 導光空間
３３，３４ ミラー
３５ 受光素子
３６ 演算処理装置

Claims (4)

1. 基板に摺接して基板の被研磨面を研磨する研磨パッドの表面性状測定装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   研磨パッドから反射散乱された散乱光を受光素子で受光することで光学的フーリエ変換により研磨パッドの表面形状に基いた空間波長スペクトルに相当する強度分布を得る受光素子を備え、
   前記光源から出射された前記レーザ光は、前記研磨パッドの表面に直接入射され、かつ、前記研磨パッド表面に形成されたポア底部に到達しない入射角で照射されることを特徴とする研磨パッドの表面性状測定装置。
2. 前記入射角は、４５°以上であることを特徴とする請求項１記載の研磨パッドの表面性状測定装置。
3. 前記入射角は、８０°以上であることを特徴とする請求項２記載の研磨パッドの表面性状測定装置。
4. 研磨対象物である基板を保持し前記研磨パッドに押圧するキャリアと、
   前記研磨パッドを保持し、回転させる研磨テーブルと、
   前記研磨パッドのドレッシングを行うドレッサーと、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨パッドの表面性状測定装置とを備えることを特徴とする研磨装置。

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