JP7503418B2 - 膜厚測定装置、研磨装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜厚測定装置、研磨装置及び膜厚測定方法に関する。

従来、基板に形成された無機絶縁膜を平坦化するために、例えば化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）が行われている（例えば、特許文献１～３参照）。このような研磨に用いられる研磨装置は、研磨パッドを保持するとともに回転する研磨テーブルと、基板を保持するとともに基板の膜を研磨パッドに押し付けながら回転する基板保持部材とを備えている。そして、この研磨装置は、スラリーの存在下で研磨テーブル及び基板保持部材が回転することで、膜を研磨している。

また、従来、研磨装置による膜の研磨中に、無機絶縁膜の膜厚に関するデータを光学的に測定する膜厚測定装置が知られている（例えば、特許文献１～３参照）。具体的には、このような膜厚測定装置は、研磨装置による研磨中に無機絶縁膜に向けて入射光を投光し、この無機絶縁膜から反射された反射光の強度に基づいて、膜厚に関するデータを測定している。そして、この研磨装置は、膜厚測定装置によって無機絶縁膜の膜厚に関するデータを測定しながら研磨を行い、膜厚が所定の値になったときに研磨終点に達したと判断して、研磨を終了させている。

また、従来、基板に形成された膜として、複数の配線パターンを含む膜が知られている（例えば特許文献４参照）。また、このような配線パターンを含む膜として、有機化合物によって構成された膜（すなわち、有機絶縁膜）が知られている。そして、このような有機絶縁膜の平坦化にも、ＣＭＰが行われている（例えば特許文献５参照）。

特開２０１０－２３２１０号公報 特開２００１－２３５３１１号公報 特開平１０－２２９０６０号公報 特開２００１－２１３１７号公報 特許第６６０６３０９号公報

しかしながら、有機絶縁膜の膜厚は無機絶縁膜の膜厚に比較して厚いことが多い。このため、無機絶縁膜に用いられている従来の膜厚測定技術を、そのまま有機絶縁膜に適用した場合、配線パターンからの反射光の光量が不足するおそれがある。この場合、研磨中に膜厚に関するデータを取得することが困難になるおそれがある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、膜の膜厚が厚い場合であっても、配線パターンからの反射光の光量が不足することを抑制することができる技術を提供することを目的の一つとする。

（態様１）
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る膜厚測定装置は、複数の配線パターンを含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置に適用された膜厚測定装置であって、
前記研磨装置は、前記膜が押し付けられる研磨パッドを保持する研磨テーブルを備え、前記膜厚測定装置は、前記研磨装置による前記膜の研磨中に、入射光を投光する投光器と、前記投光器から投光された前記入射光を集光して所定のスポットサイズにした上で、前記膜に投光させる集光器と、前記膜から反射された反射光を受光する受光器と、を備え、前記所定のスポットサイズは、前記複数の配線パターンを構成する各々の前記配線パターンの幅のうち最小の値である最小幅よりも小さい。

この態様によれば、入射光のスポットサイズが配線パターンの最小幅よりも小さいので、配線パターンに投光される入射光の光量を多くすることができる。これにより、膜の膜厚が厚い場合であっても、配線パターンからの反射光の光量が不足することを抑制することができる。

（態様２）
上記態様１において、前記膜は、有機化合物によって構成された有機絶縁膜であってもよい。この態様によれば、有機絶縁膜の配線パターンからの反射光の光量が不足することを抑制することができる。

（態様３）
上記態様１又は２において、前記投光器、前記集光器及び前記受光器は、前記研磨テーブルに配置されており、前記研磨パッドの一部には、前記入射光及び前記反射光が透過可能な光透過部材が配置されていてもよい。この態様によれば、膜厚測定装置が適用された研磨装置の構成を簡素化することができる。これにより、研磨装置の製造コストの削減を図ることができる。

（態様４）
上記態様３において、前記膜厚測定装置は、前記投光器、前記集光器及び前記受光器を有するセンサーヘッドを前記研磨テーブルに取り付ける、筒状の治具を備え、前記治具は、前記入射光及び前記反射光が前記治具の内部を通過するように、前記研磨テーブルに接続されていてもよい。この態様によれば、センサーヘッドから基板までの距離を一定に保つことが容易にできる。これにより、集光器から基板までの距離を焦点距離に合わせることが容易にできる。

（態様５）
上記態様１～４のいずれか１態様において、前記集光器は、レンズによって構成されていてもよい。この態様によれば、簡素な構成によって、入射光を集光することができる。

（態様６）
上記態様１～５のいずれか１態様において、前記入射光は、赤外領域の波長を有し、且つ、レーザー光であってもよい。この態様によれば、配線パターンに投光される入射光の光量を多くすることができる。これにより、配線パターンからの反射光の光量を多くすることができる。

（態様７）
上記態様１～６のいずれか１態様において、前記入射光の前記スポットサイズをＤ（μｍ）とし、前記入射光のスポット面積をＳ（μｍ^２）とし、前記膜の研磨中における前記投光器又は前記集光器の周速度をω（μｍ／ｓｅｃ）とし、前記複数の配線パターンを構成する各々の前記配線パターンの面積のうち最小の値である最小面積をＳｍｉｎ（μｍ^２）とし、前記入射光の露光時間をｔ（ｓｅｃ）とした場合に、前記入射光の露光時間（ｔ）は以下の式（１）を満たすように設定されている。
（Ｓ＋Ｄ×ω×ｔ）≦（α×Ｓｍｉｎ）・・・（１）
（αは、０＜α≦２の範囲から選択された値である）

この態様によれば、入射光が配線パターン以外の部分に投光される時間を適切な範囲内に制限することができる。これにより、配線パターンからの反射光の光量が不足することを効果的に抑制することができる。

（態様８）
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る膜厚測定装置は、複数の配線パターンを含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置に適用された膜厚測定装置であって、
前記研磨装置は、前記膜が押し付けられる研磨パッドを保持する研磨テーブルを備え、
前記膜厚測定装置は、
前記研磨装置による前記膜の研磨中に、入射光を投光する投光器と、
前記投光器から投光された前記入射光を集光して所定のスポットサイズにした上で、前記膜に投光させる集光器と、
前記膜から反射された反射光を受光する受光器と、を備え、
前記入射光の前記スポットサイズをＤ（μｍ）とし、前記入射光のスポット面積をＳ（μｍ^２）とし、前記膜の研磨中における前記投光器又は前記集光器の周速度をω（μｍ／ｓｅｃ）とし、前記複数の配線パターンを構成する各々の前記配線パターンの面積のうち最小の値である最小面積をＳｍｉｎ（μｍ^２）とし、前記入射光の露光時間をｔ（ｓｅｃ）とした場合に、前記入射光の露光時間（ｔ）は以下の式（１）を満たすように設定されている。
（Ｓ＋Ｄ×ω×ｔ）≦（α×Ｓｍｉｎ）・・・（１）
（αは、０＜α≦２の範囲から選択された値である）

この態様によれば、入射光が配線パターン以外の部分に投光される時間を適切な範囲内に制限することができる。これにより、膜の膜厚が厚い場合であっても、配線パターンからの反射光の光量が不足することを抑制することができる。

（態様９）
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る研磨装置は、複数の配線パターンを含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置であって、上記態様１～８のいずれか１態様に係る膜厚測定装置を備える研磨装置である。

この態様によれば、上記の膜厚測定装置を備えているので、膜の膜厚が厚い場合であっても、配線パターンからの反射光の光量が不足することを抑制することができる。

（態様１０）
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る膜厚測定方法は、複数の配線パターンを含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置による前記膜の研磨中に、上記態様１～８のいずれか１態様に係る膜厚測定装置を用いて、前記膜の膜厚を測定する方法である。

この態様によれば、膜の膜厚が厚い場合であっても、配線パターンからの反射光の光量が不足することを抑制することができる。

実施形態１に係る研磨装置の主要な構成を模式的に示す構成図である。 図１のＡ１付近の断面図である。 図２の基板保持部材と研磨テーブルとを分離させた状態を示す断面図である。 実施形態１に係る基板の平面図である。 実施形態１に係る基板の部分断面図である。 実施形態１に係る膜厚測定装置のセンサーヘッド及び光源・分光モジュールの構成を説明するための図である。 比較例に係る研磨装置及び膜厚測定装置の構成を説明するための断面図である。 比較例に係る膜厚測定装置において、入射光が膜に投光される様子を示す図である。 実施形態１に係る膜厚測定装置において、入射光が膜に投光される様子を示す図である。 図１０（Ａ）～図１０（Ｃ）は、実施形態１の変形例に係る式（１）を説明するための説明図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る膜厚測定装置３０、研磨装置１０、及び、膜厚測定方法について、図面を参照しつつ説明する。なお、本願の図面は、本実施形態の特徴の理解を容易にするために模式的に図示されており、各構成要素の寸法比率等は実際のものと同じであるとは限らない。また、本願の図面には、参考用として、Ｘ－Ｙ－Ｚの直交座標が図示されている。この直交座標のうち、Ｚ方向は上方に相当し、－Ｚ方向は下方（重力が作用する方向）に相当する。

図１は、本実施形態に係る研磨装置１０の主要な構成を模式的に示す構成図である。本実施形態に係る研磨装置１０は、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ＣＭＰ）を行うことが可能な研磨装置である。具体的には、図１に例示されている研磨装置１０は、研磨テーブル１１と、回転軸１２と、基板保持部材１３と、スラリー供給ノズル１４と、研磨制御装置２０と、膜厚測定装置３０とを備えている。図２は、図１のＡ１付近の断面図である。図３は、図２の基板保持部材１３と研磨テーブル１１とを分離させた状態を示す断面図である。

図１、図２及び図３に示すように、研磨テーブル１１は、研磨パッド７０を保持するとともに、回転するように構成された研磨テーブルである。具体的には、本実施形態に係る研磨テーブル１１は円盤状の部材によって構成されており、その上面に、研磨パッド７０が貼付されている。研磨パッド７０の上面（表面）は、研磨面７１に相当する。研磨中において、この研磨面７１には、後述する基板２００の膜２０２が押し付けられる。

研磨パッド７０の具体的な種類は、特に限定されるものではなく、硬質発砲タイプの研磨パッドや、不織布タイプの研磨パッド、スエードタイプの研磨パッド等、種々の研磨パッドを用いることができる。この研磨パッド７０は、膜２０２の種類に応じて適宜設定される。

図１に示すように、研磨テーブル１１は、回転軸１２に接続されている。この回転軸１２は、駆動機構（例えばモータ等）によって回転駆動される。回転軸１２における研磨テーブル１１の側とは反対側の端部には、継手１２ａが設けられている。この継手１２ａは、ロータリージョイント及びロータリーコネクタを備えている。この研磨テーブル１１の回転動作は、後述する研磨制御装置２０よって制御されている。

図２及び図３に示すように、本実施形態に係る研磨パッド７０の一部には、後述する入射光Ｌ１及び反射光Ｌ２が通過可能な、光透過部材７２が配置されている。本実施形態において、光透過部材７２は、光透過性を有する素材、具体的には透明な素材（例えば透明
プラスチックや透明ガラス等）からなる窓部材（すなわち、透光窓部材）によって構成されている。この光透過部材７２は、研磨テーブル１１が回転して研磨パッド７０が回転した場合に、基板２００の膜２０２の少なくとも一部が光透過部材７２の上を通過するように、その位置（研磨パッド７０における相対的な位置）が設定されている。後述するセンサーヘッド４１の集光器４４によって集光された入射光Ｌ１は、この光透過部材７２を通過してから膜２０２に入射する。また、膜２０２から反射された反射光Ｌ２は、この光透過部材７２を通過してから、センサーヘッド４１の受光器４５に受光される。

図１に示すように、基板保持部材１３は、研磨中において、研磨テーブル１１の研磨面７１の上に配置されている。図２及び図３に示すように、基板保持部材１３の下面には、基板２００が取り付けられている。基板保持部材１３は、基板２００を保持するとともに基板２００の膜２０２を研磨パッド７０の研磨面７１に押し付けながら回転するように構成されている。なお、この基板保持部材１３は、一般に、「トップリング」や「研磨ヘッド」等と別称されている場合がある。

図１を参照して、スラリー供給ノズル１４は、研磨面７１に対してスラリー（具体的には研磨スラリー）を供給するノズルである。スラリーは、例えば、酸化ケイ素や、酸化アルミニウム、酸化セリウム等の砥粒を含む溶液である。このスラリーの具体的な種類は、特に限定されるものではなく、膜２０２の種類に応じて適宜設定すればよい。なお、スラリーの供給は、研磨面７１の上部からではなく、下部から行ってもよく、あるいは、研磨面７１の上部及び下部の両方から行ってもよい。例えば、スラリーを下部から供給する場合には、研磨テーブル１１の下部の回転中心の近傍箇所から鉛直に伸びる流路（図示せず）と、これに連通する研磨パッド７０（研磨面７１）の開口（図示せず）とから、スラリーを供給してもよい。

研磨制御装置２０は、研磨装置１０の動作を制御する制御装置である。具体的には、本実施形態に係る研磨制御装置２０は、コンピュータを備えている。このコンピュータは、プロセッサとしてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０ａや、記憶装置２０ｂ等を備えている。記憶装置２０ｂは、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶媒体によって構成されている。研磨制御装置２０においては、プロセッサとしてのＣＰＵ２０ａが、記憶装置２０ｂに記憶されているプログラムに基づいて、研磨テーブル１１の回転動作やスラリー供給ノズル１４からのスラリーの供給動作等を制御することで、研磨装置１０の動作を制御している。

以上説明したような研磨装置１０は、スラリーの存在下で研磨テーブル１１及び基板保持部材１３がそれぞれ回転することで、基板２００の膜２０２を所望の平坦面に研磨する。

続いて、基板２００の構成について説明する。図４は、基板２００の平面図である。具体的には、図４は、基板２００を下方側から視認した状態を模式的に図示している。なお、図４において、後述する膜２０２の図示は省略されている。また、図４には、図４のＡ２部分の拡大図も図示されている。図５は、基板２００の部分断面図である。具体的には、図５は、基板２００の一部について、基板２００の法線を含む面で切断した断面を模式的に図示している。

図４に示すように、本実施形態に係る基板２００は、一例として、角形基板である。但し、基板２００は、このような角形基板に限定されるものではなく、角形以外の外観形状（例えば、円形等）を有する基板であってもよい。

図５に示すように、本実施形態に係る基板２００は、基板コア２０１と、この基板コア２０１の表面に配置された膜２０２とを有している。この膜２０２の内部には、配線パターン構造２０３が含まれている。なお、本実施形態に係る基板２００は、具体的には、プリント基板である。

基板コア２０１の材質は特に限定されるものではないが、本実施形態では、一例として、ガラス系素材を用いている。膜２０２の材質は特に限定されるものではなく、無機化合物や、有機化合物等を用いることができる。本実施形態においては、膜２０２の材質の一例として、有機化合物を用いている。すなわち、本実施形態に係る膜２０２は、有機絶縁膜である。この有機化合物の材質の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態では、一例として、樹脂を用いており、この樹脂の一例として、ポリイミドを用いている。

図４に示すように、基板コア２０１の表面には、複数の配線パターン構造２０３が配置されている。図５に示すように、膜２０２は、この複数の配線パターン構造２０３の表面を覆うように配置されている。各々の配線パターン構造２０３は、複数の配線パターン２０４を有している。配線パターン２０４の材質は、導電性を有するものであればよく、その具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態では、一例として、銅を用いている。

図４のＡ２部分の拡大図、及び、図５には、複数の配線パターン２０４の中から選択された３つの配線パターン２０４が抜粋されて例示されている。この３つの配線パターン２０４は、それぞれ、幅（Ｗ１）、幅（Ｗ２）、幅（Ｗ３）を有している。また、各々の配線パターン２０４は、Ｘ方向を短手方向とし、Ｙ方向を長手方向としている。３つの配線パターン２０４の幅のうち、幅（Ｗ１）が最も小さい値となっている。また、本実施形態において、この幅（Ｗ１）は、基板２００の膜２０２に含まれる全ての配線パターン２０４のうちで最も小さい値である。

すなわち、本実施形態において、幅（Ｗ１）は、複数の配線パターン２０４を構成する各々の配線パターン２０４の幅のうち最小の値である「最小幅」に相当する。なお、「配線パターンの幅」とは、配線パターンの面方向（Ｘ－Ｙ平面内の方向）の長さであり、且つ、短手方向の長さをいう。

研磨前（ＣＭＰの実行前）の状態において、配線パターン２０４は膜２０２の内部に埋没している。本実施形態に係る研磨装置１０は、基板２００の膜２０２を研磨することで、膜２０２を平坦化する。この膜２０２の研磨において、研磨装置１０は、基板２００の膜厚が予め設定された所定値になった時点を、研磨の終点（すなわち、「研磨終点」）とする。この研磨終点の具体的な値は特に限定されるものではなく、例えば、配線パターン２０４が膜２０２の表面に露出する膜厚以下の値を研磨終点としてもよく、配線パターン２０４が膜２０２の表面に露出する膜厚よりも大きい値（すなわち、配線パターン２０４が膜２０２の表面に露出しない範囲内の値）を研磨終点としてもよい。

続いて、膜厚測定装置３０について説明する。図１を再び参照して、本実施形態に係る膜厚測定装置３０は、基板２００の膜２０２の膜厚に関するデータを光学的に測定する光学式の膜厚測定装置である。また、本実施形態に係る膜厚測定装置３０は、研磨装置１０による研磨中に、膜厚に関するデータを測定する。

具体的には、図１に示すように、本実施形態に係る膜厚測定装置３０は、センサーモジュール４０と、光源・分光モジュール５０と、データ処理システム６０とを備えている。光源・分光モジュール５０とデータ処理システム６０と研磨制御装置２０とは、配線１５を介して電気的に接続されている。本実施形態において、センサーモジュール４０及び光
源・分光モジュール５０は、研磨テーブル１１に配置されている。センサーモジュール４０及び光源・分光モジュール５０は、研磨テーブル１１の回転時において、研磨テーブル１１とともに回転する。

図２及び図３に示すように、センサーモジュール４０は、センサーヘッド４１と、筒状の治具４２とを備えている。

治具４２は、センサーヘッド４１を研磨テーブル１１に取り付けるための治具である。この治具４２は、入射光Ｌ１及び反射光Ｌ２が、この治具４２の内部を通過するように、研磨テーブル１１に接続されている。具体的には、本実施形態に係る治具４２は、一例として、研磨テーブル１１に設けられた筒状の孔に嵌められている。また、本実施形態に係る治具４２の上端面は、光透過部材７２の下面に配置されたガラス板４６の下面に、接続されている。入射光Ｌ１及び反射光Ｌ２は、治具４２の内部（筒の内部）を通過する。

具体的には、本実施形態に係るガラス板４６は、光を透過するガラスからなる板部材によって構成されており、光透過部材７２の下面に接続されている。本実施形態に係る治具４２の上端面（筒状の治具４２の開口した上端面）は、このガラス板４６の下面に接続されている。このガラス板４６によって、例えば、スラリー等の異物が治具４２の内部（筒の内部）に入り込むことが効果的に抑制されている。なお、治具４２は、治具４２とガラス板４６との間に隙間が形成されないように、ガラス板４６の下面に密接していることが好ましい。

なお、上述した図２及び図３は、研磨テーブル１１への治具４２の取付態様の一例であり、研磨テーブル１１への治具４２の取付態様は、図２及び図３に例示する態様に限定されるものではない。

図６は、膜厚測定装置３０のセンサーヘッド４１及び光源・分光モジュール５０の構成を説明するための図である。センサーヘッド４１は、投光器４３と、集光器４４と、受光器４５とを備えている。光源・分光モジュール５０は、光源５１と、分光器５２とを備えている。

投光器４３、集光器４４、及び、受光器４５は、センサーヘッド４１の内部に収容されている。投光器４３は、研磨装置１０による膜２０２の研磨中に、所定の方向に向けて、入射光Ｌ１を投光する機器である。具体的には、本実施形態に係る投光器４３は、入射光Ｌ１を膜２０２の方向に向けて投光している。また、投光器４３は、光ファイバーによって構成されている。この光ファイバーの一端（膜２０２の側とは反対側の端部）は、光源５１に接続されている。光源５１から発光された光は、この光ファイバーを通過して、入射光Ｌ１として投光される。なお、本実施形態において、投光器４３と集光器４４とは別体になっているが、この構成に限定されるものではない。投光器４３と集光器４４とは、一体になっていてもよい。

光源５１の種類は、特に限定されるものではなく、ハロゲンランプやレーザー発光装置等を用いることができる。本実施形態においては、光源５１の一例として、レーザー発光装置を用いている。また、本実施形態において、光源５１が発光する光は、赤外領域の波長（具体的には、７８０ｎｍよりも長い波長）である。すなわち、本実施形態に係る入射光Ｌ１は、赤外領域の波長を有するレーザー光である。

集光器４４は、投光器４３から投光された入射光Ｌ１を所定のスポットサイズ（Ｄ（μｍ））にした上で、膜２０２に投光させる機器である。この所定のスポットサイズ（Ｄ）は、複数の配線パターン２０４を構成する各々の配線パターン２０４の幅のうち最小の値
である「最小幅（本実施形態では、Ｗ１（μｍ））」よりも小さい値である。なお、本実施形態において、スポットサイズ（Ｄ）とは、入射光Ｌ１の集光スポットの外径寸法をいう。本実施形態に係るスポットサイズ（Ｄ）は、一例として、３０μｍ以下の値に設定されている（この場合、最小幅（Ｗ１）は、３０μｍよりも大きい）。

上記のような機能を有するものであれば、集光器４４の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る集光器４４は、一例として、レンズ（すなわち、集光レンズ）によって構成されている。

具体的には、本実施形態に係る集光器４４は、１つのレンズによって構成されている。この集光器４４としてのレンズは、投光器４３と膜２０２との間に配置されており、投光器４３から投光された入射光Ｌ１を集光して所定のスポットサイズ（Ｄ）にした上で、膜２０２に投光させている。

より具体的には、このレンズは、レンズによって集光された入射光Ｌ１の焦点が、膜２０２の表面（すなわち、研磨パッド７０の研磨面７１）に位置するように、その焦点距離が設定されている。また、本実施形態によれば、前述した治具４２によって、レンズから基板２００の膜２０２までの距離の調整が行われている。具体的には、治具４２によって、レンズから膜２０２までの距離が、レンズによって集光された入射光Ｌ１の焦点が膜２０２の表面に位置するように、調整されている。そして、このレンズは、レンズによって集光された入射光Ｌ１のスポットサイズ（Ｄ；すなわち、最小スポット径）が、配線パターン２０４の最小幅（Ｗ１）よりも小さくなるように、設定されている。なお、図６や後述する図９において、前述したガラス板４６及び光透過部材７２の図示は省略されているが、実際は、レンズによって集光された入射光Ｌ１は、ガラス板４６及び光透過部材７２を通過してから膜２０２に入射する。

なお、本実施形態において、集光器４４は、１つのレンズによって構成されているが、この構成に限定されるものではない。集光器４４は、複数のレンズの組み合わせによって構成されていてもよい。あるいは、集光器４４は、レンズ以外の部材によって構成されていてもよい。集光器４４のレンズ以外の構成の一例を挙げると、放物面鏡が挙げられる。この放物面鏡は、投光器４３から投光された入射光Ｌ１を集光して所定のスポットサイズ（Ｄ）にした上で、膜２０２に投光させる。

受光器４５は、膜２０２から反射された反射光Ｌ２を受光する機器である。具体的には、本実施形態に係る受光器４５は、光ファイバーによって構成されている。この光ファイバーの一端（膜２０２の側とは反対側の端部）は、分光器５２に接続されている。

分光器５２は、反射光Ｌ２を分光して、分光された波長の光の強度をデジタル信号に変換する機器である。この分光器５２の構成自体は、先行技術文献に開示されているような公知の膜厚測定装置に用いられている分光器と同様であるので、分光器５２の詳細な説明は省略する。

分光器５２によって変換されたデジタル信号は、配線１５を介してデータ処理システム６０（図１）に伝えられる。データ処理システム６０は、受光器４５が受光した反射光Ｌ２の強度に基づいて、膜２０２の膜厚に関するデータを測定するシステムである。具体的には、受光器４５が受光した反射光Ｌ２の強度は、膜厚と相関関係を有している。そこで、データ処理システム６０は、この受光器４５が受光した反射光Ｌ２の強度に基づいて、膜２０２の膜厚に関するデータを測定している。なお、本実施形態において、この「膜厚に関するデータ」とは、膜厚（μｍ）と相関関係を有するデータであればよく、例えば、膜厚そのものであってもよく、あるいは、膜厚と相関を有する指標（例えば、膜厚の変化
量等）であってもよい。

具体的には、図１に示すように、本実施形態に係るデータ処理システム６０は、第１データ処理装置６１と第２データ処理装置６２とを備えている。

第１データ処理装置６１は、コンピュータを備えており、このコンピュータは、プロセッサとしてのＣＰＵ６１ａや、記憶装置６１ｂ等を備えている。記憶装置６１ｂは、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶媒体によって構成されている。第１データ処理装置６１は、記憶装置６１ｂに記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ６１ａが作動することで、分光器５２から送信されたデータに基づいて、反射強度を指数化するデータ処理を実行する。

第１データ処理装置６１で処理されたデータは、第２データ処理装置６２に送信される。第２データ処理装置６２は、コンピュータを備えており、このコンピュータは、プロセッサとしてのＣＰＵ６２ａや、記憶装置６２ｂ等を備えている。記憶装置６２ｂは、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶媒体によって構成されている。第２データ処理装置６２は、記憶装置６２ｂに記憶されたプログラムに基づいてＣＰＵ６２ａが作動することで、指数化されたデータの時間波形のノイズ除去処理を実行するとともに、このノイズ除去処理が実行された後の波形を解析して反射強度や特徴点（微分値の極大値・極小値や閾値等の特徴点）を検出する。この検出された値（検出値）は、膜厚と相関関係を有している。そこで、第２データ処理装置６２は、この検出値に基づいて膜厚に関するデータを算出して取得する。以上のように、本実施形態に係るデータ処理システム６０は、膜厚に関するデータを測定している。

また、本実施形態に係る第２データ処理装置６２は、上記のように測定されたデータに基づいて、膜厚が予め設定された研磨終点に到達したことを判定する（すなわち、研磨の研磨終点を測定する）。第２データ処理装置６２は、膜厚が研磨終点に到達した旨を判定した場合、研磨終点に到達した旨の信号（研磨終点信号）を、研磨制御装置２０に送信する。この研磨終点信号を受信した研磨制御装置２０は、研磨装置１０の駆動機構（例えばモータ）を停止させることで、研磨装置１０による研磨を終了させる。

なお、上述したデータ処理システム６０によるデータ処理のアルゴリズム（すなわち、反射光の強度に基づいて膜厚に関するデータを測定するためのデータ処理アルゴリズム）は、前述した特許文献１や特許文献２に開示されているような公知の膜厚測定装置に用いられているデータ処理装置と同様であり、これらの技術を適用することができる。このため、このデータ処理のより詳細な説明は省略する。

ここで、研磨中において基板２００は投光器４３に対して相対的に移動しているので、仮に、膜厚測定装置３０による入射光Ｌ１の露光時間が長過ぎる場合、入射光Ｌ１が配線パターン２０４以外の部分に投光される時間が長過ぎてしまい、この結果、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２を受光し難くなるおそれがある。そこで、膜厚測定装置３０による入射光Ｌ１の露光時間は、所定時間以下に設定されていることが好ましい。この露光時間の所定時間としては、例えば、露光時間がこの時間よりも長い場合に反射光Ｌ２を受光し難くなると考えられる時間を用いればよく、この具体的な値は、予め実験、シミュレーション等を行って適宜設定すればよい。

本実施形態においては、この露光時間の一例として、０．１（ｍｓｅｃ：ミリ秒）以下の時間（すなわち、０．０（ｍｓｅｃ）よりも大きく０．１（ｍｓｅｃ）以下の範囲から選択された時間）を用いている。但し、この時間は、あくまでも一例であり、これに限定されるものではない。

なお、本実施形態に係る膜厚測定方法は、上述した膜厚測定装置３０を用いて膜２０２の膜厚を測定する方法であり、上述した膜厚測定装置３０によって実現されている。すなわち、本実施形態に係る膜厚測定方法は、研磨装置１０による研磨中に、投光器４３が入射光Ｌ１を投光すること、集光器４４が入射光Ｌ１を集光して所定のスポットサイズ（Ｄ）にした上で、膜２０２に投光させること、及び、受光器４５が膜２０２から反射された反射光Ｌ２を受光することを含んでいる。そして、所定のスポットサイズ（Ｄ）は、複数の配線パターン２０４を構成する各々の配線パターン２０４の幅のうち最小の値である最小幅（Ｗ１）よりも小さく設定されている。

続いて、本実施形態の作用効果について、比較例と比較しつつ説明する。図７は、比較例に係る研磨装置１００及び膜厚測定装置３００の構成を説明するための断面図である。比較例に係る研磨装置１００は、光透過部材７２を備えていない点と、流路部材１１０を備えている点と、膜厚測定装置３０に代えて膜厚測定装置３００を備えている点とにおいて、主として、本実施形態に係る研磨装置１０と異なっている。

流路部材１１０には、流路１１１が形成されている。この流路１１１には、例えば水のような、光透過性を有する液体（ＦＬ）が通過する。具体的には、流路１１１は、液体が下方側から上方側に向けて流動した後に、基板２００の膜２０２の表面に沿って流動し、次いで、上方側から下方側に向けて流動するように構成されている。比較例に係る膜厚測定装置３００は、集光器４４を備えていない点と、流路部材１１０の内部に投光器４３及び受光器４５が配置されている点とにおいて、主として、本実施形態に係る膜厚測定装置３０と異なっている。

比較例に係る膜厚測定装置３００によれば、投光器４３から膜２０２に向けて入射光Ｌ１が投光され、膜２０２から反射された反射光Ｌ２を受光器４５が受光する。そして、比較例に係る膜厚測定装置３００のデータ処理システムは、この受光器４５が受光した反射光Ｌ２の強度に基づいて膜厚に関するデータを取得する。

図８は、比較例に係る膜厚測定装置３００において、入射光Ｌ１が膜２０２に投光される様子を示す図である。図８に示すように、比較例に係る膜厚測定装置３００の場合、集光器４４を備えていないので、投光器４３から投光された入射光Ｌ１は、集光されずに、膜２０２に投光される。この場合、入射光Ｌ１は、膜２０２における配線パターン２０４のみならず、膜２０２における配線パターン２０４以外の部分にも投光される。このため、比較例においては、膜２０２に向けて投光された入射光Ｌ１のうち、配線パターン２０４に投光される光量は十分に多いとはいえない。このような比較例の場合、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量が不足するおそれがある。

特に、膜２０２として、有機化合物によって構成された膜（有機絶縁膜）を用いる場合には、無機化合物によって構成された膜（無機絶縁膜）を用いる場合に比較して、膜２０２の膜厚が厚いことが多い。また、膜２０２の光透過率も低いことが多い。このため、比較例に係る膜厚測定装置３００の場合、膜２０２として有機絶縁膜を用いる場合には、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量が不足するおそれが特に高くなる。そして、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量が不足した場合、膜厚に関するデータを測定することが困難になるおそれがある。

図９は、本実施形態に係る膜厚測定装置３０において、入射光Ｌ１が膜２０２に投光される様子を示す図である。上述した比較例に対して、本実施形態によれば、集光器４４によって、入射光Ｌ１のスポットサイズ（Ｄ）を配線パターン２０４の最小幅（Ｗ１）よりも小さくしているので、配線パターン２０４に投光される入射光Ｌ１の光量を多くすることができる。この結果、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量を多くすることがで
きる。したがって、本実施形態によれば、膜２０２の膜厚が厚い場合であっても、反射光Ｌ２の光量が不足することを抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、有機絶縁膜のように、膜２０２の膜厚が厚い場合であっても、反射光Ｌ２の光量が不足することを抑制して、研磨装置１０による研磨中に、膜厚に関するデータを測定することができる。

これにより、本実施形態によれば、有機絶縁膜のように、膜２０２の膜厚が厚い場合であっても（また、膜２０２の光透過率が低い場合であっても）、研磨中に研磨終点を測定することができ、膜２０２の研磨を確実に行うことができる。

また、本実施形態によれば、図２及び図３で説明したように、研磨パッド７０に光透過部材７２が配置されており、この光透過部材７２を介して入射光Ｌ１が膜２０２に投光され、且つ、光透過部材７２を介して反射光Ｌ２が受光器４５に受光される構成になっているので、比較例のような流路部材１１０を備えることなく、膜厚を測定することができる。これにより、比較例のように流路部材１１０を備える場合に比較して、研磨装置１０の構成を簡素化することができる。この結果、研磨装置１０の製造コストの削減を図ることができる。

また、本実施形態によれば、図２及び図３で説明したように、センサーヘッド４１を研磨テーブル１１に取り付ける筒状の治具４２を備えているので、センサーヘッド４１から基板２００までの距離を一定に保つことが容易にできる。これにより、集光器４４から基板２００までの距離を焦点距離に合わせることが容易にできる。

また、本実施形態によれば、集光器４４としてレンズを用いているので、簡素な構成によって、入射光Ｌ１を集光することができる。

また、本実施形態によれば、入射光Ｌ１は、赤外領域の波長を有し、且つ、レーザー光であるので、例えば入射光Ｌ１が白色光の場合に比較して、配線パターン２０４に投光される入射光Ｌ１の光量を多くすることができる。この結果、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量を多くすることができる。これにより、研磨中に膜厚に関するデータを効果的に測定することができる。

（実施形態１の変形例）
上述した実施形態１において、入射光Ｌ１の露光時間として定数を用いているが、この構成に限定されるものではない。露光時間の適切な値は、入射光Ｌ１のスポットサイズ、入射光Ｌ１のスポット面積、膜２０２の研磨中における投光器４３又は集光器４４の周速度、及び、配線パターンの面積といったパラメータによって、異なる値をとり得ると考えられる。そこで、本変形例において、露光時間は、これらのパラメータに基づいて設定されている。具体的には、以下のとおりである。

すなわち、入射光Ｌ１のスポットサイズをＤ（μｍ）とし、入射光Ｌ１のスポット面積をＳ（μｍ^２）とし、膜２０２の研磨中における投光器４３又は集光器４４の周速度をω（μｍ／ｓｅｃ）とし、複数の配線パターン２０４を構成する各々の配線パターン２０４の面積のうち最小の値である「最小面積」をＳｍｉｎ（μｍ^２）とし、入射光Ｌ１の露光時間をｔ（ｓｅｃ）とした場合に、本変形例に係る入射光Ｌ１の露光時間（ｔ）は、以下の式（１）を満たすように設定されている。

（Ｓ＋Ｄ×ω×ｔ）≦（α×Ｓｍｉｎ）・・・（１）
（上記式（１）において、α（係数）は、０＜α≦２の範囲から選択された値である）

なお、図４を参照して、最小面積Ｓｍｉｎは、例えば各々の配線パターン２０４の長手方向の長さが同じ場合には、最小幅を有する配線パターン２０４の面積に相当する。仮に、各々の配線パターン２０４の長手方向の長さが異なる場合には、最小面積Ｓｍｉｎは、必ずしも最小幅を有する配線パターン２０４の面積に相当するとは限らない。

上記式（１）は以下の観点に基づいて導出されたものである。図１０（Ａ）～図１０（Ｃ）は、本変形例に係る式（１）を説明するための説明図である。まず、図１０（Ａ）に示すように、スポットサイズＤ（μｍ）及びスポット面積Ｓ（μｍ^２）を有する入射光Ｌ１が、速度Ｖ（μｍ／ｓｅｃ）で直線方向に時間ｔｓ（ｓｅｃ）の間、移動した場合を想定する。この場合、この入射光Ｌ１の軌跡の面積は、「Ｓ＋Ｄ×Ｖ×ｔｓ」によって表される。

図１０（Ｂ）に示すように、研磨中において、入射光Ｌ１のスポット面積Ｓは、基板２００に対して円弧状に相対的に移動する。ここで、研磨中における入射光Ｌ１の軌跡の面積を入射光軌跡面積Ｓｐ（μｍ^２）と定義する。この入射光軌跡面積Ｓｐは、研磨中において、実際に膜厚を測定することが可能な領域（すなわち、「膜厚の実測領域」）に相当する。

図１０（Ｃ）は、入射光軌跡面積Ｓｐのうち、周方向両端部にある円弧状の部分を除いた領域を抜粋したものである。ここで、スポットサイズＤは配線パターン２０４の幅よりも小さいため、図１０（Ｃ）に図示されている領域を長方形とみなすことができる。この結果、図１０（Ｃ）に図示されている領域の面積は、図１０（Ａ）に示されている「Ｄ×Ｖ×ｔｓ」の面積と略同一とみなすことができる。

そこで、図１０（Ｃ）に示されている面積を図１０（Ａ）に示されている「Ｄ×Ｖ×ｔｓ」の面積と同じであるとみなすとともに、この「Ｖ」を「ω（周速度）」に置き換える。そうすると、図１０（Ｃ）に示されている面積は、「Ｄ×ω×ｔｓ」によって表される。また、この式において、時間ｔｓは、膜厚の測定時における入射光Ｌ１の露光時間ｔに相当するため、この時間ｔｓを露光時間ｔとする。

そうすると、図１０（Ｂ）に示す入射光軌跡面積Ｓｐ、すなわち、膜厚の実測領域は、「Ｓ＋Ｄ×ω×ｔ」によって表されることが分かる。すなわち、入射光軌跡面積Ｓｐ（膜厚の実測領域）は、入射光Ｌ１のスポットサイズＤと投光器４３又は集光器４４の周速度ωと入射光Ｌ１の露光時間ｔとの積算値に、入射光Ｌ１のスポット面積Ｓを加算した値によって表される。なお、「投光器４３の周速度」と「集光器４４の周速度」とは同じ値であると考えられるため、式（１）の周速度ωとして、投光器４３の周速度を用いてもよく、集光器４４の周速度を用いてもよい。

前述した式（１）は、このように算出される入射光軌跡面積Ｓｐが、配線パターン２０４の最小面積Ｓｍｉｎのα倍（αは、０＜α≦２の範囲から選択された値）以下の値である、ということを規定している。以上のような観点で、式（１）は導出されている。

なお、この式（１）で用いられているαの値は、１の近傍の値として設定された係数である。このαの値は、式（１）で用いられる各種のパラメータの誤差等を考慮して、０＜α≦２の範囲から選択された値、すなわち、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、及び、２．０の中から選択された一の値を、適宜設定すればよい。なお、αの上限値は、１．５以下であることがより好ましい。すなわち、αは、０＜α≦１．５の範囲から選択された値であることがより好ましい。

上記の式（１）において、Ｓ、Ｄ、ω、Ｓｍｉｎ、及び、αは、露光時間を設定する前の段階で、取得しておく。そして、式（１）に基づいて、この式（１）を満たすようなｔを求めて、このｔを露光時間として、設定する。以上のように、本変形例に係る露光時間は設定されている。

以上説明したような本変形例によれば、露光時間が式（１）に基づいて設定されているので、入射光Ｌ１が配線パターン２０４以外の部分に投光される時間を極力低減することができる。これにより、膜２０２の膜厚が厚い場合であっても、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量が不足することを効果的に抑制することができる。

（実施形態２）
続いて、本発明の実施形態２に係る膜厚測定装置３０、研磨装置１０、及び、膜厚測定方法について説明する。なお、実施形態１と同一の部材には同一の符号を付して、説明を省略する。本実施形態に係る膜厚測定装置３０及びこれを備える研磨装置１０は、前述した実施形態１の変形例に係る膜厚測定装置３０において、「入射光Ｌ１のスポットサイズ（Ｄ）が配線パターン２０４の最小幅（Ｗ１）よりも小さい」という構成を含まない点において、異なっている。その他の構成は、実施形態１の変形例と同様である。

すなわち、本実施形態に係る膜厚測定装置３０は、実施形態１に係る膜厚測定装置３０において、「入射光Ｌ１のスポットサイズ（Ｄ）が配線パターン２０４の最小幅（Ｗ１）よりも小さい」という構成の代わりに、「入射光Ｌ１の露光時間が前述した式（１）を満たすように設定されている」という構成を含む、膜厚測定装置３０である。なお、本実施形態に係る膜厚測定方法は、本実施形態に係る研磨装置１０による膜２０２の研磨中に、本実施形態に係る膜厚測定装置３０を用いて膜２０２の膜厚を測定する方法である。

本実施形態によれば、前述した実施形態１の変形例と同様に、入射光Ｌ１が配線パターン２０４以外の部分に投光される時間を極力低減することができる。これにより、膜２０２の膜厚が厚い場合であっても、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量が不足することを抑制することができる。

なお、実施形態１の変形例と、本実施形態とを比較した場合、実施形態１の変形例の方が、「入射光Ｌ１のスポットサイズ（Ｄ）が配線パターン２０４の最小幅（Ｗ１）よりも小さい」という構成をさらに含んでいる点において、配線パターン２０４からの反射光Ｌ２の光量が不足することを、より抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 研磨装置
１１ 研磨テーブル
１３ 基板保持部材
２０ 研磨制御装置
３０ 膜厚測定装置
４０ センサーモジュール
４１ センサーヘッド
４２ 治具
４３ 投光器
４４ 集光器
４５ 受光器
４６ ガラス板
５０ 光源・分光モジュール
５１ 光源
５２ 分光器
６０ データ処理システム
６１ 第１データ処理装置
６２ 第２データ処理装置
７０ 研磨パッド
７１ 研磨面
７２ 光透過部材
２００ 基板
２０１ 基板コア
２０２ 膜
２０３ 配線パターン構造
２０４ 配線パターン
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 反射光
Ｗ１ 最小幅
Ｄ スポットサイズ
Ｓ スポット面積
ω 周速度
Ｓｍｉｎ 最小面積
ｔ 露光時間

Claims (8)

1. 少なくとも１つの配線パターンを内部に含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置に適用された膜厚測定装置であって、
   前記研磨装置は、前記膜が押し付けられる研磨パッドを保持する研磨テーブルを備え、
   前記膜厚測定装置は、
   前記研磨装置による前記膜の研磨中に、入射光を投光する投光器と、
   前記投光器から投光された前記入射光を集光して所定のスポットサイズにした上で、前記膜に投光させる集光器と、
   前記膜から反射された反射光を受光する受光器と、を備え、
   前記入射光の前記スポットサイズをＤ（μｍ）とし、前記入射光のスポット面積をＳ（μｍ^２）とし、前記膜の研磨中における前記投光器又は前記集光器の周速度をω（μｍ／ｓｅｃ）とし、前記少なくとも１つの配線パターンの最小面積をＳｍｉｎ（μｍ^２）とし、前記入射光の露光時間をｔ（ｓｅｃ）とした場合に、前記入射光の露光時間（ｔ）は以下の式（１）を満たすように設定されており
   （Ｓ＋Ｄ×ω×ｔ）≦（α×Ｓｍｉｎ）・・・（１）
   （αは、０＜α≦２の範囲から選択された値である）、
   前記最小面積は、前記少なくとも１つの配線パターンが複数の配線パターンである場合は、前記複数の配線パターンを構成する各々の配線パターンの面積のうち最小の値であり、前記少なくとも１つの配線パターンが１つの配線パターンである場合は、前記１つの配線パターンの面積である、
   膜厚測定装置。
2. 前記膜は、有機化合物及び無機化合物の少なくとも一方を含む請求項１に記載の膜厚測定装置。
3. 前記投光器、前記集光器及び前記受光器は、前記研磨テーブルに配置されており、
   前記研磨パッドの一部には、前記入射光及び前記反射光が透過可能な光透過部材が配置されている請求項１又は２に記載の膜厚測定装置。
4. 前記投光器、前記集光器及び前記受光器を有するセンサーヘッドを前記研磨テーブルに取り付ける、筒状の治具を備え、
   前記筒状の治具は、前記入射光及び前記反射光が前記筒状の治具の内部を通過するように、前記研磨テーブルに接続されている請求項３に記載の膜厚測定装置。
5. 前記集光器は、レンズによって構成されている請求項１～４のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
6. 前記入射光は、赤外領域の波長を有し、且つ、レーザー光である請求項１～５のいずれか１項に記載の膜厚測定装置。
7. 少なくとも１つの配線パターンを内部に含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置であって、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の膜厚測定装置を備える、研磨装置。
8. 少なくとも１つの配線パターンを内部に含む膜を有する基板の前記膜を研磨する研磨装置による前記膜の研磨中に、請求項１～６のいずれか１項に記載の膜厚測定装置を用いて、前記膜の膜厚を測定する、膜厚測定方法。

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