KR101357290B1 - 가공 종점 검지방법, 연마방법 및 연마장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판 등의 가공 대상물의 피가공면의 특성값을 산출하여, 가공 종점(연마정지, 연마조건의 변동 등)의 타이밍을 검지하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 기준 피가공물을 사용하거나, 또는 시뮬레이션 계산에 의하여, 가공 종점에서의 반사강도와 파장의 관계를 나타내는 분광파형을 생성하고, 상기 분광파형에 의거하여, 반사강도의 극대값 및 극소값이 되는 파장을 선택하고, 상기 선택된 파장에서의 반사강도로부터 피가공면에 대한 특성값을 산출하고, 가공 종점에서의 특성값의 시간변화의 특징점을 가공 종점으로서 설정하고, 가공대상물의 가공 중에 상기 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지한다.

Description

가공 종점 검지방법, 연마방법 및 연마장치{PROCESSING END POINT DETECTION METHOD, POLISHING METHOD, AND POLISHING APPARATUS}
본 발명은, 기판 등의 가공 대상물의 피가공면의 특성값을 산출하여, 가공 종점(연마정지, 연마조건의 변경, 에칭정지, 성막정지 등)의 타이밍을 검지하는 가공 종점 검지방법에 관한 것이다.
또, 본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 기판을 연마하여 평탄화하는 연마방법 및 연마장치에 관한 것이다.
최근의 반도체 디바이스의 고집적화에 따르는 배선의 미세화, 및 다층화의 요구에 의하여, 기판 표면의 평탄도가 요구되고 있다. 이 때문에, 화학기계연마(CMP)에 의해 기판 표면의 요철을 제거하여 그 표면을 평탄화하는 것이 행하여지고 있다.
상기 화학기계연마에서는, 소정시간의 연마를 행한 후에 원하는 위치에서 연마를 종료할 필요가 있다. 예를 들면, Cu나 Al 등의 금속 배선의 상부에 SiO2 등의 절연층(이후의 공정에서 절연층의 위에 금속 등의 층을 더 형성하기 때문에, 이와 같은 절연층은 층간막이라 불리운다.)을 남기고 싶은 경우가 있다. 이와 같은 경 우, 연마를 필요 이상으로 행하면 하층의 금속막이 표면에 노출되기 때문에, 층간막을 소정의 막 두께만 남기도록 연마를 종료할 필요가 있다.
또, 기판에 미리 소정 패턴의 배선용 홈을 형성하여 두고, 그 속에 Cu(구리)또는 그 합금을 충전한 후에, 표면의 불필요 부분을 화학기계연마(CMP)에 의해 제거하는 경우가 있다. Cu 층을 CMP 프로세스에 의하여 연마하는 경우, 배선용 홈의 내부에 형성된 Cu층만을 남기고 기판으로부터 Cu층을 선택적으로 제거하는 것이 필요하게 된다. 즉, 배선용 홈부 이외의 부분에서는, (SiO2 등으로 이루어지는) 절연막이 노출되기까지 Cu층을 제거하는 것이 요구된다.
이 경우에 있어서, 과잉 연마가 되어, 배선용 홈 내의 Cu층을 절연층과 함께 연마하면, 회로저항이 상승하고, 기판 전체를 폐기하지 않으면 안되어, 막대한 손해가 된다. 반대로 연마가 불충분하여, Cu층이 절연막 상에 남으면, 회로의 분리가 잘 되지 않고, 단락이 일어나, 그 결과, 재연마가 필요하게 되어, 제조 비용이 증대한다.
이 때문에, 광학식 센서를 사용하여 반사광 강도를 측정하고, 측정된 반사광강도에 의거하여 CMP 프로세스의 가공 종점을 검출하는 연마상태 감시장치가 알려져 있다. 즉, 투광소자와 수광소자를 구비한 광학식 센서를 설치하여, 이 광학식 센서로부터 기판의 피연마면에 광을 조사한다. 그리고, 피연마면에서의 광의 반사강도의 변화를 검지하여, CMP 프로세스의 가공 종점을 검출하고 있다.
여기서, 상기한 CMP 프로세스에 있어서 광학적 특성을 측정하는 방법으로서 는, 이하와 같은 것이 알려져 있다.
(1) 반도체 레이저나 발광 다이오드(LED) 등의 단색 광원을 피연마면에 조사하여, 그 반사강도의 변화를 검출한다.
(2) 백색광을 피연마면에 조사하여, 그 분광(비) 반사강도를 미리 기록하고 있는 연마종점의 분광(비) 반사강도와 비교한다.
최근에는, 기판의 초기 막 두께를 추정하여, 레이저광을 기판에 조사하여, 반사한 반사광의 반사강도의 측정값의 시간변화를 정현파의 모델 함수로 근사하여 막 두께를 산출하는 연마상태 감시장치도 개발되어 있다.
또, 기판에 광을 조사하여 얻어진 스펙트럼 데이터에 가중 함수(weight function)를 곱하여 적분함으로써 기판의 특성값을 산출하고, 이 특성값의 시간적 변화로부터 연마종점을 검지하는 방법도 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개2004-154928호 공보 참조).
그러나, 종래의 방법에서는, 연마종점을 나타내는 지표가 되는 특징점(반사강도나 특성값의 특징적인 변화점)을 포착하는 것이 어려워, 정확한 연마종점을 검지하는 것이 곤란하였다. 예를 들면, 단색 광원을 사용한 경우, 광원 파장에 대하여, 막 두께와 반사 강도 신호의 관계는 일의적으로 결정되어, 반드시 종점 검지해야 할 막 두께에서 특징점이 나온다고도 한정되지 않는다. 또, 이것을 수정하는 것도 곤란하다.
한편, 백색광 등의 다파장을 사용한 경우, 파장을 임의로 선택할 수 있기 때문에, 희망하는 막 두께에서의 반사강도의 특징점을 내는 것은 가능하다. 그러나, 피연마물의 구조에 최적의 파장을 선택하기 위해서는, 시행 착오가 필요하기 때문에, 선택에 막대한 시간이 필요하거나, 최적의 파장인 것의 확인이 어렵다는 과제가 있었다.
상기 CMP를 행하는 연마장치로서, 톱링 내의 복수의 챔버의 압력을 독립적으로 조정할 수 있는 것이 알려져 있다. 이 연마장치에서는, 예를 들면 기판 상의 막 두께에 관련된 물리량을 센서가 측정하고, 이 물리량에 의거하여 모니터링 신호가 생성된다. 기판의 연마 전에는, 미리 모니터링 신호와 시간의 관계를 나타내는 기준 신호가 준비되고, 연마 중에서는, 기판 상의 각각의 계측점에서의 모니터링 신호가 기준 신호에 수속(收束)되도록, 톱링의 가압력이 조절된다. 이에 의하여, 기판면 내에서 균일한 잔막 두께를 실현한다(예를 들면, WO 2005/123335 참조).
최근에는, 반도체 디바이스의 고속화, 고집적화에 따라, 하나의 반도체 칩 내에 메모리부나 연산부 등 여러가지 기능을 담아 넣어 CPU의 고기능화가 행하여지고 있다. 이와 같은 반도체 칩 내에서는, 패턴의 밀도나 구조가 다른 영역이 혼재하게 된다. 또, 칩 크기도 해마다 커져, CCD 디바이스에서는 필름 크기 24 × 36 mm인 것도 있다. 반도체 제조에서는, 이와 같은 칩을 1매의 기판 내에 다수 형성하기 때문에, 기판 표면 내에 패턴의 밀도나 구조가 다른 영역이 산재하게 된다. 또한, 디바이스의 마무리를 평가하기 위하여, 기판의 일부에 디바이스와는 패턴 구조가 크게 다른 전기 특성 평가용 패턴이 존재하는 것도 있다.
이와 같은 기판을 연마할 때, 광을 기판 표면에 조사하고 그 반사광을 광학식센서에 의해 검출함으로써 기판 표면의 막 두께 변화를 모니터링하는 것이 행하여지고 있다. 그러나, 기판 표면으로부터의 반사광의 강도는, 연마에 의한 막 두께 변화뿐만 아니라, 디바이스 패턴이나 구조의 영향도 받아 복잡하게 변화된다. 즉, 연마 중은, 연마 테이블 및 톱링이 함께 회전하고 있기 때문에, 연마 테이블에 탑재된 광학식 센서가 기판 표면을 주사할 때, 매회 기판 상의 패턴의 밀도나 구조가 다른 영역을 센서가 통과하게 된다. 이 때문에, 반사광의 강도가 디바이스 패턴이나 구조의 영향을 받아 변화되고, 이것이 큰 노이즈가 되어 막 두께 변화를 나타내는 신호에 겹친다. 이와 같은 경우, 신호를 평활화하기 위한 처리를 실시하여도, 노이즈가 크기 때문에 막 두께 변화를 정확하게 모니터링 할 수 없어, 연마 종점 검출 정밀도나 균일한 막 두께를 얻기 위한 연마제어에 영향을 주고 있었다.
연마 대상물이 구리막인 경우, 막 두께를 측정하기 위하여 와전류식 센서가사용되는 경우가 많다. 이 구리막은 일반적으로 도금에 의하여 형성된다. 구리 도금을 행하는 도금장치는, 일반적으로 기판의 주연부(周緣部)에 등간격으로 배치된 캐소드 전극을 가지고, 기판의 표면에 공급된 도금액을 시일부재로 유지하면서, 캐소드 전극과 도금액 중의 애노드 전극 사이에 전압을 인가하여 구리를 기판 표면에 도금한다. 이와 같은 도금장치를 사용한 경우, 캐소드 전극의 접촉 저항이나 시일부재의 시일성의 불균일에 의하여, 기판의 주연부에 있어서 둘레 방향으로 막 두께의 불균일이 생긴다. 그 결과, 연마시에 있어서는, 어느 시간에서는, 센서는 막 두께가 두꺼운 부위 또는 얇은 부위만을 주사하게 되어, 평균적인 막 두께를 파악할 수 없었다.
본 발명은, 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 목표 막 두께에 있어서 극대값, 극소값 등의 특징적인 변화점을 가지는 특성값을 간편하게 얻을 수 있는 가공 종점 검지방법 및 가공장치를 제공하여, 정밀도가 높은 가공 종점 검지를 실현하는 것을 제 1 목적으로 한다.
또, 본 발명은, 센서의 출력신호가 패턴의 밀도나 구조가 다른 영역으로부터 받는 영향, 또는 성막공정에서 생기는 둘레 방향의 막 두께의 불균일로부터 받는 영향을 경감하여, 정밀도가 좋은 연마 종점 검지 및 막 두께 균일성을 실현할 수 있는 연마방법 및 연마장치를 제공하는 것을 제 2 목적으로 한다.
상기한 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 형태는, 피가공물의 피가공면에 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 분광 파형을 사용하여 산출된 상기 피가공면에 대한 특성값에 의거하여 가공 종점을 검지하는 방법으로서, 기준 피가공물을 사용하거나, 또는 시뮬레이션 계산에 의하여, 가공 종점에서의 반사강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 상기 분광 파형에 의거하여, 반사강도의 극대값 및 극소값이 되는 파장을 선택하고, 상기 선택된 파장에서의 반사강도로부터 피가공면에 대한 특성값을 산출하고, 피가공물의 가공 종점에서의 특성값의 시간변화의 특징점을 가공 종점으로서 설정하여, 피가공물의 가공 중에 상기 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 가공의 구체예로서는 막을 가지는 기판의 연마나, 기판 상에 대한 성막을 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 기준 피가공물의 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고, 상기 기준 피가공물의 가공 종점에서의 반사강도를 상기 평균 반사강도로 나눔으로써 기준 분광 파형을 생성하고, 극대값 및 극소값이 되는 파장의 상기 선택을, 상기 기준 분광 파형에 의거하여 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 선택된 극대값이 되는 파장을 중심으로 한 가중을 가지는 가중 함수를 정의하고, 피가공물의 피가공면에 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 반사강도에 상기 가중 함수를 곱하여 적분함으로써 상기 피가공면에 대한 특성값을 산출하고, 상기 특성값의 시간변화의 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 선택된 파장을 전후의 파장으로 시프트시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태는, 피가공물의 피가공면에 다파장으로 이루어지는 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 분광 파형을 사용하여 산출된 상기 피가공면에 대한 특성값에 의거하여 가공 종점을 검지하는 방법으로서, 기준 피가공물을 사용하거나, 또는 시뮬레이션 계산에 의하여 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고, 피가공물의 가공 중에 다파장으로 이루어지는 광을 조사하여 얻어진 반사광의 분광 파형의 반사강도를, 상기 기준 피가공물의 평균 반사강도로 나눈 기준 분광 파형을 모니터링함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태는, 광을 피가공물의 피가공면에 조사하는 광원과, 상기피가공면으로부터의 광을 받는 수광부와, 상기 수광부에 수광된 광을 분광하고, 전기적 정보로 변환하는 분광기 유닛과, 상기 분광기 유닛으로부터의 전기적 정보를 연산하는 연산부를 가지고, 상기 연산부는, 기준 피가공물의 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고, 상기 기준 피가공물의 가공 종점에서의 반사강도를 상기 평균 반사강도로 나눔으로써 기준 분광 파형을 생성하고, 당해 기준 분광 파형의 극대값 및 극소값이 되는 파장을 선택하고, 상기 선택된 파장에서의 반사강도로부터 상기 기준 피가공물의 피가공면에 대한 특성값을 산출하고, 피가공물의 가공 종점에서의 특성값의 시간변화의 특징점을 가공 종점으로서 설정하고, 가공 중에 상기 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공장치이다.
본 발명의 다른 형태는, 다파장으로 이루어지는 광을 피가공물의 피가공면에 조사하는 광원과, 상기 피가공면으로부터의 광을 받는 수광부와, 상기 수광부에 수광된 광을 분광하고, 전기적 정보로 변환하는 분광기 유닛과, 상기 분광기 유닛으로부터의 전기적 정보를 연산하는 연산부를 가지고, 상기 연산부는, 기준 피가공물의 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고, 피가공물의 가공 중에 다파장으로 이루어지는 광을 조사하여 얻어진 반사광의 분광 파형의 반사강도를, 상기 기준 피가공물의 평균 반사강도로 나눈 기준 분광 파형을 모니터링함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공장치이다.
본 발명에 의하면, 연마 종점 등의 가공 종점에서 특징적인 변화점을 가지고, 또한 SN비가 좋은 특성값을 얻을 수 있기 때문에, 정밀도 좋게 가공 종점을 검지하는 것이 가능해진다.
상기한 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 형태는, 피연마물을 톱링으로 유지하면서 회전시키고, 회전하는 연마 테이블 위의 연마면에 피연마물을 가압하여 당해 피연마물을 연마하고, 상기 연마 테이블에 설치된 센서로 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 공정을 포함하며, 소정의 측정시간 내에 상기센서가 피연마물의 표면에 그리는 궤적이 상기 피연마물의 표면의 전체 주위에 걸쳐 대략 균등하게 분포되도록 상기 톱링과 상기 연마 테이블의 회전 속도를 설정하는 것을 특징으로 하는 연마방법이다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 소정의 측정시간 내에 상기 센서의 궤적이 피연마물의 표면을 약 0.5 × N회(N은 자연수) 회전하도록 상기 톱링과 상기 연마 테이블의 회전 속도를 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 소정의 측정시간은, 상기 센서로부터 얻어진 모니터링 신호를 이동 평균 처리할 때의 이동 평균시간인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 센서에 의해 피연마물의 표면상태를 모니터링하여 연마 종점을 검지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 센서에 의해 피연마물의 표면상태를 모니터링하면서, 당해 피연마물의 표면의 막 두께가 균일해지도록 연마하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 소정의 측정시간은, 4부터 16 × V(V는 상기 연마 테이블의 회전 속도를 나타낸다)까지의 자연수에서 선택된 횟수를 상기 연마 테이블이 회전하는 시간인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태는, 피연마물을 톱링으로 유지하면서 회전시키고, 회전하는 연마 테이블 위의 연마면에 피연마물을 가압하여 당해 피연마물을 연마하고, 상기 연마 테이블에 설치된 센서로 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 공정을 포함하고, 상기 연마 테이블이 제 1 자연수로 나타내지는 소정의 횟수만큼 회전하는 사이에, 상기 톱링이 상기 제 1 자연수와 서로에 대해 소수인 제 2 자연수와 같은 횟수만큼 회전하도록, 상기 톱링과 상기 연마 테이블의 회전 속도를 설정하고, 상기 제 1 자연수는, 4 이상이고, 16초 동안에 상기 연마 테이블이 회전하는 횟수 이하인 것을 특징으로 하는 연마방법이다.
본 발명의 다른 형태는, 피연마물을 톱링으로 유지하면서 회전시키고, 회전하는 연마 테이블 위의 연마면에 피연마물을 가압하여 당해 피연마물을 연마하고, 상기 연마 테이블에 설치된 센서로 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 공정을 포함하며, 상기 톱링의 회전 속도와 상기 연마 테이블의 회전 속도가, nV/m-1≤R≤nV/m+1 또는 m·R/n-1≤V≤m·R/n+1로 나타내는 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 연마방법. 단, V는 상기 연마 테이블의 회전 속도로, 연마장치가 허용하는 설정단위의 배수를 나타내는 자연수, R은 상기 톱링의 회전 속도로, 연마장치가 허용하는 설정단위의 배수를 나타내는 자연수, m은 소정의 자연수이고, 또한 상기 센서가 피연마물의 표면을 전체 주위에 걸쳐 둘레 방향으로 균등한 방향·방위로 주사하는 데 요하는 상기 연마 테이블의 회전 횟수, n은 m과 서로에 대해 소수인 자연수이다.
본 발명의 다른 형태는, 피연마물을 유지하면서 회전시키는 톱링과, 상기 톱링에 유지된 피연마물이 가압되는 연마면을 가지는 회전 가능한 연마 테이블과, 상기 연마 테이블에 설치되고, 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 센서를 구비하며, 상기 톱링과 상기 연마 테이블의 회전 속도는, 소정의 측정시간 내에 상기 센서가 피연마물의 표면에 그리는 궤적이 상기 피연마물의 표면의 전체 주위에 걸쳐 대략 균등하게 분포되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.
본 발명의 다른 형태는, 피연마물을 유지하면서 회전시키는 톱링과, 상기 톱링에 유지된 피연마물이 가압되는 연마면을 가지는 회전 가능한 연마 테이블과, 상기 연마 테이블에 설치되고, 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 센서를 구비하며, 상기 연마 테이블이 제 1 자연수로 나타내지는 소정의 횟수만큼 회전하는 사이에, 상기 톱링이 상기 제 1 자연수와 서로에 대해 소수인 제 2 자연수와 같은 횟수만큼 회전하도록, 상기 톱링과 상기 연마 테이블의 회전 속도가 설정되고, 상기 제 1 자연수는, 4 이상이고, 16초 동안에 연마 테이블이 회전하는 횟수 이하인 것을 특징으로 하는 연마장치이다.
본 발명의 다른 형태는, 피연마물을 유지하면서 회전시키는 톱링과, 상기 톱링에 유지된 피연마물이 가압되는 연마면을 가지는 회전 가능한 연마 테이블과, 상기 연마 테이블에 설치되고, 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 센서를 구비하며, 상기 톱링의 회전 속도와 상기 연마 테이블의 회전 속도가, nV/m-1≤ R≤nV/m+1 또는 m·R/n-1≤V≤m·R/n+1로 나타내는 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.
본 발명의 다른 형태는, 피연마물을 유지하면서 회전시키는 톱링과, 상기 톱링에 유지된 피연마물이 가압되는 연마면을 가지는 회전 가능한 연마 테이블과, 상기 연마 테이블에 설치되고, 연마 중의 피연마물의 표면상태를 모니터링하는 센서와, 상기 센서로부터의 신호를 연산하는 모니터링 장치를 구비하며, 상기 톱링과 상기 연마 테이블의 회전 속도는, 상기 센서가 피연마물의 표면을 주사하는 궤적이 매회 같아지지 않도록 설정되고, 상기 모니터링 장치는, 피연마물의 표면을 일주(一周)하는 복수의 상기 궤적을 1 세트로 하고, 당해 1 세트의 궤적의 신호값을 평균화하는 연산을 행하는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.
본 발명에 의하면, 연마 테이블의 회전 속도와 톱링의 회전 속도를 조정함으로써, 소정의 측정시간 내에 센서가 피연마물의 표면의 국소 영역에 치우치지 않게 대략 전면(全面)을 균등하게 주사할 수 있다. 그 결과, 노이즈의 영향을 억제하여 평균적인 막 두께를 파악하는 것이 가능해져, 정밀도가 좋은 연마 종점 검지 및 막 두께 균일성을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에서의 연마 종점 검지방법을 행하는 연마장치의 전체 구성을 나타내는 모식도,
도 2는 도 1에 나타내는 연마상태 감시장치에서 펄스 점등 광원을 사용한 경우의 분광기 유닛 내의 수광소자의 동작을 나타내는 모식도,
도 3은 도 1에 나타내는 연마상태 감시장치에서 연속 점등 광원을 사용한 경우의 분광기 유닛 내의 수광 소자의 동작을 나타내는 모식도,
도 4는 도 1에 나타내는 연마상태 감시장치의 샘플링의 타이밍을 설명하기 위한 평면도,
도 5는 금속 배선 상에 산화막이 형성되어 있는 샘플 기판을 나타내는 단면도,
도 6은 분광 파형 및 기준 분광 파형을 나타내는 그래프,
도 7은 특성값의 산출과 파장의 선택의 프로세스를 설명하기 위한 플로우다이어그램,
도 8은 특성값의 시간 변화를 나타내는 그래프,
도 9는 가중 함수를 나타내는 그래프,
도 10은 선택된 2개의 파장을 장파장측에 10 nm, 단파장측에 10 nm 시프트하였을 때의 특징점의 변화를 나타내는 도,
도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 관한 연마장치의 전체 구성을 나타내는 모식도,
도 12는 도 11에 나타내는 톱링의 단면을 나타내는 모식도,
도 13은 연마 테이블과 기판의 관계를 나타내는 평면도,
도 14는 센서가 기판 상을 주사하는 궤적을 나타낸 도,
도 15는 도 14에 나타내는 기판 상의 계측점 중 모니터링 장치에 의해 모니터링을 행하는 계측점을 선택하는 일례를 나타내는 평면도,
도 16은 반사강도를 나타내는 그래프,
도 17은 연마 테이블의 회전 속도를 70 min-1, 톱링의 회전 속도를 71 min-1로 한 경우에 있어서의 기판(W) 상의 센서(50)의 궤적을 나타내는 도,
도 18은 도 17에 나타내는 조건 하에서 얻어진 특성값의 신호 파형을 나타내는 그래프,
도 19는 연마 테이블의 회전 속도를 70 min-1, 톱링의 회전 속도를 77 min-1로 하고, 이동 평균시간 내에 센서(50)가 그리는 기판 상의 궤적을 나타내는 도,
도 20은 도 19에 나타내는 조건 하에서 얻어진 특성값의 신호 파형을 나타내는 그래프,
도 21은 도 19와 동일한 조건으로 연마 테이블이 10회 회전하는 동안의 기판 상의 센서 궤적을 나타내는 도,
도 22는 연마 전후에 있어서, 직경 300 mm의 기판 상에 형성된 구리의 막 두께를 둘레 방향으로 측정한 일례를 나타내는 그래프,
도 23은 연마 테이블의 회전 속도를 60 min-1, 톱링의 회전 속도를 31 min-1로 한 경우의 기판면 상의 센서 궤적을 나타내는 도,
도 24는 기판의 지름방향으로 분포되는 각 영역(C1, C2, C3, C4)에서 막 두께가 균일해지는 것을 목표로 하고, 연마 중에 톱링의 4개의 압력실의 압력을 조작한 결과의 일례를 나타내는 그래프,
도 25는 연마 테이블의 회전 속도를 60 min-1, 톱링의 회전 속도를 36 min-1 로 조절하였을 때의 기판면 상의 센서 궤적을 나타내는 도,
도 26은 도 25에 나타내는 조건 하에서 연마하였을 때의 톱링의 각 압력실의 압력의 변화를 나타내는 그래프,
도 27은 식 (9)를 만족하는 톱링과 연마 테이블의 회전 속도비(R/V)의 예를 나타내는 표이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 관한 연마 종점 검지방법을 행하는 연마장치의 전체 구성을 나타내는 모식도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 연마장치는, 상면에 연마포(10)가 부착 설치된 연마 테이블(12)과, 연마 대상물인 기판(W)을 유지하여 연마포(10)의 상면에 가압하는 톱링(14)을 구비하고 있다. 연마포(10)의 상면은, 연마 대상물인 기판(W)과 미끄럼 접촉하는 연마면을 구성하고 있다. 또한, 미세한 숫돌입자(CeO2 등으로 이루어진다)를 수지 등의 바인더로 굳힌 고정 숫돌 입자판의 상면을 연마면으로서 구성할 수도 있다.
연마 테이블(12)은, 그 아래쪽에 배치되는 모터(도시 생략)에 연결되어 있고, 화살표로 나타내는 바와 같이 그 축심 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 또, 연마 테이블(12)의 윗쪽에는 연마액 공급 노즐(16)이 설치되어 있고, 이 연마액 공급 노즐(16)로부터 연마포(10) 상에 연마액(Q)이 공급되도록 되어 있다.
톱링(14)은, 톱링 샤프트(18)에 연결되어 있고, 이 톱링 샤프트(18)를 거쳐 모터 및 승강 실린더(도시 생략)에 연결되어 있다. 이에 의하여, 톱링(14)은 화살표로 나타내는 바와 같이 승강 가능하고 또한 톱링 샤프트(18) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 이 톱링(14)의 하면에는, 연마 대상물인 기판(W)이 진공 등에 의하여 흡착, 유지된다. 이와 같은 구성에 의하여 톱링(14)은 자전하면서, 그 하면에 유지한 기판(W)을 연마포(10)에 대하여 임의의 압력으로 가압할 수 있게 되어 있다.
상기한 구성의 연마장치에 있어서, 톱링(14)의 하면에 유지된 기판(W)은, 회전하고 있는 연마 테이블(12)의 상면의 연마포(10)에 가압된다. 이 때, 연마액 공급 노즐(16)로부터 연마포(10) 상에 연마액(Q)을 공급한다. 이것에 의하여, 기판(W)의 피연마면(하면)과 연마포(10) 사이에 연마액(Q)이 존재한 상태에서 폴리싱이 행하여진다.
연마 테이블(12)의 내부에는, 연마 중에, 기판(W)의 연마상태를 감시하는 연마상태 감시장치(20)가 매설되어 있다. 이 연마상태 감시장치(20)는, 연마 중의 기판(W)의 피연마면의 연마상태(남아 있는 막의 두께나 상태 등)를 실시간으로 연속적으로 감시하는 것이다. 또, 연마포(10)에는, 연마상태 감시장치(20)로부터의 광을 투과시키기 위한 투광부(22)가 설치되어 있다. 이 투광부(22)는, 투과율이 높은 재질로 형성되어 있고, 예를 들면, 무발포 폴리우레탄 등에 의하여 형성된다. 또는, 연마포(10)에 관통구멍을 설치하고, 이 관통구멍이 기판(W)에 막히는 동안 아래쪽으로부터 투명액을 흘림으로써, 투광부(22)를 구성하여도 된다. 투광부(22)는, 톱링(14)에 유지된 기판(W)의 피연마면을 통과하는 위치이면, 연마 테이블(12) 의 임의의 위치에 배치할 수 있으나, 기판(W)의 중심을 통과하는 위치에 배치하는 것이 바람직하다.
연마상태 감시장치(20)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 광원(30)과, 광원(30)으로부터의 광을 기판(W)의 피연마면에 조사하는 발광부로서의 발광 광파이버(32)와, 피연마면으로부터의 반사광을 수광하는 수광부로서의 수광 광파이버(34)와, 수광 광파이버(34)에 의해 수광된 광을 분광하는 분광기와 이 분광기에 의해 분광된 광을 전기적 정보로서 변환하고, 축적하는 복수의 수광소자를 내부에 가지는 분광기 유닛(36)과, 광원(30)의 점등 및 소등이나 분광기 유닛(36) 내의 수광소자의 판독 개시 타이밍 등의 제어를 행하는 제어부(40)와, 제어부(40)에 전력을 공급하는 전원(42)을 구비하고 있다. 또한, 광원(30) 및 분광기 유닛(36)에는, 제어부(40)를 거쳐 전력이 공급된다.
발광 광파이버(32)의 발광단(發光端)과 수광 광파이버(34)의 수광단(受光端)은, 기판(W)의 피연마면에 대하여 대략 수직해지도록 구성되어 있다. 또, 발광 광파이버(32) 및 수광 광파이버(34)는, 연마포(10)를 교환할 때의 작업성이나 수광 광파이버(34)에 의한 수광량을 고려하여, 연마 테이블(12)의 표면보다 윗쪽으로 돌출하지 않도록 배치되어 있다. 또, 분광기 유닛(36) 내의 수광소자로서는, 예를 들면 512소자의 포토다이오드 어레이를 사용할 수 있다.
분광기 유닛(36)은, 케이블(44)를 거쳐 제어부(40)에 접속되어 있다. 분광기 유닛(36) 내의 수광소자로부터의 정보는, 케이블(44)을 거쳐 제어부(40)에 보내지고, 이 정보에 의거하여 반사광의 스펙트럼 데이터가 생성된다. 즉, 본 실시형 태에서의 제어부(40)는, 수광소자에 축적된 전기적 정보를 판독하여 반사광의 스펙트럼 데이터를 생성하는 스펙트럼 데이터 생성부를 구성하고 있다. 제어부(40)로부터의 케이블(46)은, 연마 테이블(12) 내를 지나, 예를 들면 퍼스널 컴퓨터로 이루어지는 연산부(48)에 접속되어 있다. 제어부(40)의 스펙트럼 데이터 생성부에서 생성된 스펙트럼 데이터는, 케이블(46)을 거쳐 연산부(48)에 송신된다.
연산부(48)에서는, 제어부(40)로부터 수신한 스펙트럼 데이터에 의거하여, 피연마면의 연마상태의 지표가 되는 특성값을 산출한다. 또, 연산부(48)는, 연마장치를 제어하는 컨트롤러(도시 생략)로부터 연마조건에 관한 정보를 수신하는 기능이나, 산출된 특성값의 시간변화에 의거하여 연마 종점(연마 정지 또는 연마조건의 변경)의 타이밍을 결정하여 연마장치의 컨트롤러에 지령을 행하는 기능도 가지고 있다.
또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(12)의 외주부(外周部)의 하면에는 근접 센서(50)가 설치되어 있고, 이 근접 센서(50)에 대응하여 연마 테이블(12)의 바깥쪽에 도그(52)가 설치되어 있다. 근접 센서(50)는, 연마 테이블(12)이 1회전할 때마다 도그(52)를 검지하여, 연마 테이블(12)의 회전 각도를 검지할 수 있게 되어 있다.
광원(30)으로서는, 백색광을 비롯한 파장 대역을 가지는 광을 조사하는 광원을 사용한다. 예를 들면 크세논램프 등의 펄스 점등 광원을 광원(30)으로서 사용할 수 있다. 광원(30)으로서 펄스 점등 광원을 사용한 경우, 연마 중에 각 계측점에서 광원(30)이 트리거신호에 의해 펄스 점등된다. 또, 텅스텐 램프 등을 광 원(30)으로서 사용하고, 적어도 발광 광파이버(32)의 발광단과 수광 광파이버(34)의 수광단이 기판(W)의 피연마면에 대향하고 있는 동안, 연속하여 점등시켜도 된다.
광원(30)으로부터의 광은, 발광 광파이버(32)의 발광단으로부터 투광부(22)를 통하여 기판(W)의 피연마면에 조사된다. 이 광은, 기판(W)의 피연마면에서 반사되고, 투광부(22)를 통하여 연마상태 감시장치의 수광 광파이버(34)로 수광된다. 수광 광파이버(34)로 수광된 광은, 분광기 유닛(36) 내의 분광기로 보내지고, 여기서 복수의 파장성분으로 분광된다. 복수의 파장성분으로 분광된 광은, 각각의 파장에 대응하는 수광소자에 조사되고, 조사된 광의 광량에 따라 수광소자에 전하가 축적된다. 각 수광소자에 축적된 전기적 정보는, 소정의 타이밍으로 판독되어(해방되어), 디지털 신호로 변환된다. 이 디지털 신호는, 제어부(40)의 스펙트럼 데이터 생성부로 보내지고, 여기서 각 계측점에 대응하는 스펙트럼 데이터가 생성된다.
다음에, 분광기 유닛(36) 내의 수광소자의 동작에 대하여 설명한다. 도 2 및 도 3은, 분광기 유닛(36) 내에 N개의 수광소자(60-1∼60-N)가 있는 경우의 각 수광소자의 동작을 나타내는 모식도이다. 도 2는 펄스 점등 광원을 사용한 경우, 도 3은 연속 점등 광원을 사용한 경우를 나타내고 있다. 도 2 및 도 3에서, 가로축은 시간을 나타내고 있고, 각 수광소자에 대응하는 그래프의 상승부분은 수광소자에 전기적 정보가 축적된 것을 나타내며, 하강부분은 수광소자의 전기적 정보가 판독된(해방된) 것을 나타내고 있다. 도 2에서, 검은 원(●)은 펄스 점등 광원이 점등되는 시점을 나타내고 있다.
1회의 샘플링에 있어서, 각 수광소자(60-1∼60-N)는 차례로 변환되어 판독(해방)이 행하여진다. 상기한 바와 같이, 각 수광소자(60-1∼60-N)에는, 대응하는 파장성분의 광의 광량이 전기적 정보로서 축적되고, 위상차를 가지고 샘플링 주기(T)로 판독(해방)이 반복된다. 이 샘플링 주기(T)는, 수광소자(60-1∼60-N)에 충분한 광량이 전기적 정보로서 축적되고, 또한 수광소자(60-1∼60-N)로부터 판독된 데이터를 실시간으로 충분히 처리할 수 있는 범위 내에서, 작은 눈금으로 설정한다. 수광소자로서 512소자의 포토다이오드 어레이를 사용하는 경우에는, 샘플링 주기(T)는 10 밀리초의 오더가 된다. 도 2 및 도 3에서는, 1번째 수광소자(60-1)의 판독으로부터 최종 수광소자(60-N)의 판독까지의 시간이 S로 되어 있다. 여기서, S < T 이다. 도 2의 경우에는, 펄스 점등 광원이 점등한 시점(도 2에서 ●표로 나타낸다)을 샘플링 시각으로 하고, 도 3의 경우에는, 1번째 수광소자(60-1)의 판독이 행하여지고, 새로운 축적이 개시되고 나서, 최종의 수광소자(60-N)의 판독이 행하여지기까지의 시간의 절반의 시점(도 3에서 ×표로 나타낸다)을, 대응하는 계측영역을 대표하는 샘플링 시각으로 한다. 또, 이 샘플링 시각에서 투광부(22)에 대향하는 기판(W) 상의 점을 샘플링 점이라 한다.
도 2에서는, 광원(30)이 순간적으로 점등하는 동안(수마이크로초 정도), 모든 수광소자(60-1∼60-N)가 광을 축적한다. 최종 수광소자(60-N)가 판독(해방)을를 행하고 나서 광원(30)을 점등하기까지의 시간을 Q라 할 때, 다음에 1번째 수광소자(60-1)가 판독(해방)을 행하기 전에 광원(30)을 점등하는 것으로 하면, 0 < Q < T - S가 된다. Q는 이 부등식에 표시되는 범위에 있는 임의의 값을 취할 수 있으나, 이하에서는, Q = (T - S)/2 라고 하여 설명한다. 1번째 수광소자(60-1)의 판독이 행하여져 다음의 축적이 개시되는 것은, 샘플링 시각보다, S+Q, 즉 (T + S)/2 만큼 빠른 타이밍이다. 또, 도 3에서도, 1번째 수광소자(60-1)의 판독이 행하여지는 것은, 샘플링 시각보다 (T + S)/2 만큼 빠른 타이밍이다. 또한, 도 3에 나타내는 연속 점등 광원의 경우에는, 수광소자(60-1∼60-N)의 축적개시·판독의 시점이 소자에 따라 다르기 때문에, 파장성분에 의해 실제의 계측영역이 약간 다르다.
다음에, 연마상태 감시장치(20)에 의한 샘플링의 타이밍을 결정하는 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 펄스 점등 광원을 사용한 경우의 샘플링의 타이밍을 결정하는 방법에 대하여 설명한다. 도 4는, 연마상태 감시장치(20)에 의한 샘플링의 타이밍을 설명하기 위한 도면이다. 연마 테이블(12)이 1회전할 때마다, 연마 테이블(12)의 외주부에 설치된 근접 센서(50)가 근접 센서 작동의 기준위치가 되는 도그(52)를 검지한다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(12)의 회전중심(CT)과 기판(W)의 중심(CW)을 연결하는 선(LT-W)(이하, 기판 중앙선이라 함)으로부터 연마 테이블(12)의 반회전 방향으로 회전각도를 정의한 경우에, 회전각도(θ)에서 근접 센서(50)가 도그(52)를 검지한다. 또한, 기판(W)의 중심(CW)은, 예를 들면 톱링(14)의 위치제어를 행하는 것에 의하여 특정된다.
여기서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(12)의 중심(CT)과 투광부(22)의 중심(CL) 사이의 수평거리를 L, 연마 테이블(12)의 중심(CT)과 기판(W)의 중심(CW) 사이의 수평거리를 M, 기판(W)의 피연마면에서 에지 커트부를 제외한 기판(W)의 피계측면의 반경을 R, 투광부(22)가 이 피계측면을 주사하는 각도를 2α라 하면, 여현(餘弦)정리로부터 이하의 수학식 (1)이 성립하고, 각도(α)를 구할 수 있다.
Figure 112009026816882-pct00001
본 실시형태에서는, 투광부(22)가 통과하는 기판 중앙선(LT-W) 상의 점(P)을 반드시 샘플링 점으로 하도록, 샘플링의 타이밍을 조정하고 있다. 기판 중앙선(LT-W)으로부터 한쪽에 있는 샘플링 점의 수를 n(정수)이라 하면, 투광부(22)가 기판(W)의 피계측면을 주사하는 사이의 전체 샘플링 점의 수는, 기판 중앙선(LT-W) 상의 샘플링 점(P)을 포함하여 2n+1이 된다.
기판(W)의 바깥쪽에는 톱링(14)의 외주부가 배경광을 차단하도록 배치되어 있다고 하면, 최초의 샘플링 시각에 있어서 투광부(22)가 기판(W)의 피계측면 내에 존재하기 위한 조건은, ωT를 연마 테이블(12)의 각(角)속도로 하여, 이하의 부등식 (2)로 나타낼 수 있다. 따라서, 이 부등식 (2)로부터, 이 조건을 만족하는 정수(n)를 구할 수 있다.
Figure 112009026816882-pct00002
즉
Figure 112009026816882-pct00003
여기서, 투광부(22)와 근접 센서(50)가 연마 테이블(12)의 중심(CT)에 대하여 동일 각도에 위치하고 있는 것으로 하면, 연마 테이블(12)이 1회전할 때에, 근접 센서(50)가 도그(52)를 검지하고 나서 1회째 샘플링에서의 1번째 수광소자(60-1)의 축적이 개시되기까지의 시간(ts), 즉 샘플링 개시시각(ts)은, 이하의 수학식 (3)에 의해 구할 수 있다.
Figure 112009026816882-pct00004
여기서, 투광부(22)가 기판(W)의 피연마면의 바깥쪽에 있는 사이에 수광소자에 축적된 광량을 확실하게 클리어하기 위하여, 1회째의 샘플링을 읽고 버리는 것으로 하여도 된다. 이 경우의 샘플링 개시시각(ts)은, 이하의 수학식 (4)에 의해 구할 수 있다.
Figure 112009026816882-pct00005
연마상태 감시장치(20)는, 이와 같이 하여 구해진 샘플링 개시시각(ts)에 의거하여 샘플링을 개시한다. 즉, 제어부(40)는, 근접 센서(50)가 도그(52)를 검지하고 나서 ts 경과 후에 광원(30)의 펄스 점등을 개시하고, 그 후 샘플링 주기(T)마다 샘플링을 반복하도록, 분광기 유닛(36) 내의 수광소자의 동작 타이밍을 제어한다. 이에 의하여, 각 샘플링 점에서의 반사 스펙트럼 데이터가 제어부(40)의 스펙트럼 데이터 생성부에 의해 생성되고, 이것이 연산부(48)에 보내진다. 연산부(48)에서는, 이 스펙트럼 데이터에 의거하여 기판(W)의 피연마면에 대한 특성값이 구해진다.
본 실시형태에서는, 투광부(22)가 통과하는 기판 중앙선(LT-W) 상의 점(P)을 반드시 샘플링 점으로 하도록 하고 있기 때문에, 연마 테이블(12)이 1회전할 때마다 연마대상물 표면 상의 소정의 반경위치의 특성값을 반복하여 측정할 수 있다. 또, 샘플링 주기를 일정하게 하면, 연마 대상물의 표면 상에서, 연마 테이블(12)의 회전마다의 각 측정점의 반경위치는 일정해진다. 따라서, 불특정 위치의 특성값을 측정하는 경우에 비하여, 기판(W) 상의 잔막의 상황을 파악하는 데에 있어서 더욱 효과적이다. 특히, 투광부(22)가 기판(W)의 중심(CW)을 지나도록 구성되어 있는 경우에는, 연마 테이블(12)이 1회전할 때마다 기판(W)의 중심(CW)을 정점으로 하여 반드시 측정하게 되어, 기판(W) 상의 잔막상황의 시간변화를 더욱 정확하게 파악할 수 있다.
한편, 연속 점등 광원의 경우는, 상기한 바와 같이, 수광소자의 축적이 연속하여 행하여지고, 또한 수광소자에 따라 개시 시점이 다르기 때문에, n의 구하는 법이 펄스 점등 광원의 경우와 다르다. 즉, 1번째 수광소자(60-1)의 축적 개시 시점에서, 투광부(22)가 기판(W)의 피계측면 내에 존재할 필요가 있다. 따라서, n에 관한 부등식은 이하와 같이 된다.
Figure 112009026816882-pct00006
즉,
Figure 112009026816882-pct00007
이 부등식 (5)로부터, n(정수)을 구하고, 상기 수학식 (3) 또는 수학식 (4)에 의거하여 샘플링 개시 시각(ts)을 구할 수 있다. 그리고, 연마상태 감시장치(20)는, 펄스 점등 광원의 경우와 마찬가지로, 구해진 샘플링 개시 시각(ts)에 의거하여 샘플링을 개시하고, 각 샘플링 점에서의 스펙트럼 데이터로부터 기판(W)의 피연마면에 대한 특성값을 구한다. 또한, 상기한 예에서는, 펄스 점등 광원의 점등 타이밍나 투광부(22)와 근접 센서(50)의 위치관계에 일정한 조건을 설정하여 설명하였으나, 이들 조건을 벗어나도 마찬가지로 n과 ts를 구할 수 있다.
다음에, 각 샘플링 점에서의 스펙트럼 데이터로부터 연마종점을 검지하는 방법에 대하여 설명한다. 도 5는, 금속 배선 상에 형성된 산화막을 가지는 기판(기준 피연마물)을 나타내는 단면도이다. 이 예에서는 금속 배선(70) 상의 산화막(80)을 약 800 nm(104초) 연마하였을 때의 반사강도를 샘플 데이터로서 취득한다. 도 5에서, 목표 연마종점은 94초 시점이고, 이 시점에서의 분광 파형이 도 6에서의 부호 100으로 나타나 있다. 부호 100a 및 100b는, 94초 시점과는 상이한 다른 연마시점에서의 분광 파형을 나타내고 있다. 분광 파형(100, 100a, 100b)의 형상의 차이는, 연마시간의 차이(즉, 막 두께의 차이)를 나타내고 있다. 그러나, 디바이스 패턴이나 하지막(下地膜)의 재질 등의 영향으로, 분광 파형의 기본형상이 크게 변형되어 있기 때문에, 막 두께 변화에 의한 반사 강도 변화의 특징을 명확하게 확인하는 것이 곤란한 것을 알 수 있다.
그래서, 분광 파형의 기본형상의 변형을 배제하기 위하여, 연마시간 내에서의 각 파장의 반사강도의 평균값으로, 기준 피연마물의 목표 막 두께(연마종점)에 서의 분광 파형(100)을 나눗셈한 기준 분광 파형을 작성한다. 즉, 연마시간 내(이 예에서는, 0∼104초)에서의 평균 반사강도를 파장마다 구하고, 분광 파형(100)으로 표시되는 반사강도를, 각 파장에 대응하는 평균 반사강도로 나눔으로써, 기준 분광 파형을 구한다. 도 6에서, 오른쪽의 세로축은 기준 분광 파형의 크기를 나타내고, 기준 분광 파형(200, 200a, 200b)은, 각각 분광 파형(100, 100a, 100b)에 대응한다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 기준화 전의 분광 파형과 비교하면, 막 두께의 차이에 의한 기준 분광 파형의 형상의 차이가 명확해져, 극대점 및 극소점도 확실하게 나타나 있다. 그래서, 목표 막 두께에서의 기준 분광 파형(200)에 의거하여, 극대값 및 극소값이 되는 파장을 선택하고, 이들 파장에서의 반사강도의 조합으로부터, 막 두께의 지표가 되는 특성값을 산출한다. 또한, 본 실시형태에서는, 각 파장에서 반사강도를 평균 반사강도로 나누었으나, 각 파장에서 반사강도로부터 평균 반사강도를 빼더라도 동일한 결과가 얻어진다. 또, 분광 파형이 변형되어 있지 않은 경우는, 기준 분광 파형을 구하지 않고 분광 파형으로부터 극대 극소점을 정하여도 된다.
여기서, 특성값의 산출과 파장의 선택에 대하여, 도 7의 플로우 다이어그램을 참조하여 설명한다. 먼저, 도 5에 나타내는, 패턴 배선을 가지는 기판(기준 피연마물)을 목표 막 두께가 될 때까지 연마하여, 막 두께를 측정한다. 다음에, 연마된 기판의 기준 분광 파형으로부터, 극대값 및 극소값이 되는 2개의 파장을 선택한다. 그리고, 선택된 2개의 파장에서의 반사강도로부터 특성값을 구한다. 필요에 따라, 선택해야 할 피장을 장파장측 또는 단파장측으로 시프트하여 특성값을 미세 조정하여도 된다(이 점에 대해서는 뒤에서 설명한다). 다음에, 기준 피연마물 과 동일한 구성을 가지는 기판을 연마하여, 막 두께가 목표 막 두께가 되었을 때에 상기 특성값이 특징점을 나타내는지의 여부, 즉, 상기 특성값의 시간변화를 감시함으로써 목표 막 두께를 검출할 수 있는지의 여부를 확인한다. 목표 막 두께를 검출할 수 있는 경우는, 상기 특징점을 연마종점으로서 설정하고, 상기 특징점은 다른 기판의 연마종점 검지에 사용된다. 이들 처리는 연산부(48)에 의하여 행하여진다.
특성값을 구하는 프로세스에 대하여, 구체예를 들어 설명한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 기준 분광 파형(200)의 극대값이 되는 파장 540 nm 및 극소값이 되는 파장 576 nm를 선택하여, 특성값[X(t)]을 다음식으로부터 구한다.
Figure 112009026816882-pct00008
여기서, ρ는 반사강도, t는 연마시간을 나타낸다.
당해 특성값을, 다음에 연마되는 기판, 또는 임의의 매수째 후의 기판의 연마시에 적용한다.
또한, 여기서는 기준 피연마물의 기준 분광 파형으로부터 특성값을 산출하는 프로세스를 설명하였으나, 다른 실시예로서, 기준 피연마물의 연마시간 내에서의 각 파장의 반사강도의 평균값을, 다음에, 또는 임의의 매수째 후에 연마하는 기판의 연마시에 적용하여도 된다. 즉, 현재 연마 중인 기판으로부터 얻어지는 분광 파형의 반사강도를, 기준 피연마물의 각 파장의 반사강도의 평균값으로 나누어 기 준 분광 파형을 취득하고, 이 기준 분광 파형을 상기한 바와 같이 모니터링함으로써 연마종점을 검지하여도 된다. 상기한 바와 같이, 기준 분광 파형은 형상의 차이가 명확하기 때문에, 정밀도가 높은 연마종점 검지가 가능해진다.
도 8은, 상기 수학식 (6)으로부터 구해진 특성값의 시간변화를 나타내는 그래프이다. 의도한 바와 같이, 94초 시점에 특성값의 극대값이 나타나 있는 것을 도 8에서 알 수 있다. 따라서, 이 극대값이 나타내는 특징점을 연마종점으로서 미리 설정하여 두고, 이 특징점을 검지하였을 때에 연마를 종료시킨다. 또한, 특징점을 검지한 후, 소정시간 오버폴리시하여도 된다. 여기서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 초기의 20초 동안은, 연마초기에서의 단차 해소의 도중에 있기 때문에, 특성값에 노이즈가 많고, 미세한 극값(極値)이 존재한다. 그래서, 연마종점 검지 시퀀스로서, 예를 들면 연마개시 후 25초부터 특성값의 모니터링을 개시하고, 이 예에서 말하면, 5번째 극대값을 연마종점으로 하는 순서로 하면 된다.
특성값을 구하는 극값 파장으로서, 최대 극대값 및 최소 극소값이 되는 파장을 선택한 경우, 특성값의 변화 폭이 커지고, SN비도 좋은 것이 많다. 그러나, 디바이스구조에 따라서는, 최대 극대값 및 최소 극소값이 되는 파장의 선택이 최선이라고도 한정되지 않는 경우가 있다. 그래서, 복수의 극값 파장으로부터 몇가지 조합을 선택하고, 각각의 조합으로 특성값의 파형을 보아, 목표 막 두께에서 특징점이 명확하게 나타나는 극값 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 상기 예에서는, 2개의 극값 파장을 추출하여 특성값을 구하였으나, 특성값은 얻어진 n개의 극값 파장 중, 임의의 개수를 추출하여 조합하여도 된다. 예를 들면, ρk/ρi,(ρj + … + ρj + q)/(ρi + … + ρi + p) 등이다.
상기 예에서는, 선택된 극값 파장에서의 반사강도의 시간변화에 의거하여 특성값을 구하는 예에 대하여 설명하여 왔으나, 일본국 특개2004-154928호 공보(특원2003-321639)에 개시되어 있는 바와 같이, 극값 파장을 중심으로 한 가중을 가지는 가중 함수를 분광 파형에 곱하여 특성값을 구하여도 된다. 가중 함수의 형상으로서는, 예를 들면 정규 분포 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 가중 함수를 이용하는 방법에 대하여, 이하에 설명한다.
먼저, 연마종점에서의 기준 분광 파형(200)에 의거하여, 극대값을 나타내는 파장(λ= 540 nm)을 선택한다. 다음에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 이 파장을 중심으로 가중을 가지는 가중 함수[w(λ)]를 정의한다. 그리고, 피연마면으로부터의 반사광의 반사강도의 측정값[ρ(λ)]에 가중 함수[w(λ)]를 곱하여 적산한 것, 즉, 적분하여 스칼라 값으로 한 것을 특성값(X)으로 한다. 즉, 특성값(X)을 이하의 수학식 (7)에 의하여 정의한다.
Figure 112009026816882-pct00009
이 경우에서, 복수의 가중 함수[wi(λ)](i=1,2,…)를 정의하여, 예를 들면 이하의 수학식 (8)에 의해 특성값(Xi)을 정의하여도 된다.
Figure 112009026816882-pct00010
이와 같은 방법에 의하면, 막 두께가 목표의 두께가 되었을 때, 즉 연마종점일 때에, 특성값은 극대값 또는 극소값 등의 특징적인 변화점(특징점)을 나타낸다. 따라서, 연마 중에 특성값을 감시하고, 이 특성값의 시간변화의 특징점을 검지함으로써, 연마종점(연마정지 또는 연마조건의 변경)을 검지할 수 있다. 또, 이 방법에 의하면, 어느 파장에서 반사강도의 측정값에 외란(外亂)이 들어갔다 하여도, 적분연산을 행하고 있기 때문에, 목표 막 두께에서의 반사강도를 직접 감시하는 경우에 비하여, 그 영향을 경감할 수 있다.
본 실시형태에서의 연마종점 검지방법은, 상기한 일본국 특개2004-154928호공보에 개시되어 있는 방법에 비하여, 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 일본국 특개2004-154928호 공보의 방법에서는, 목표 막 두께(연마종점)에서 특성값이 특징적인 변화를 나타내는 가중 함수를 추출하는 것은 시행 착오의 반복으로, 막대한 시간이 필요하게 된다. 또, 가중 함수에 따라서는 SN비(신호/노이즈비)가 나빠, 안정된 연마종점을 검지할 수 없는 경우도 있다. 또한, 연마되는 막질, 막 두께가 동일하여도, 디바이스 패턴의 차이, 하지막의 종류, 디바이스구조의 차이가 반사광의 분광 파형에 영향을 주기 때문에, 다른 종류의 기판마다 최적의 가중 함수를 정의할 필요가 있어, 결과적으로 생산성을 저하시킨다. 본 실시형태에 의하면, 반사강도를 평균 반사강도로 나눔으로써, 특징적인 극값을 가지는 기준 분광 파형을 얻을 수 있기 때문에, 최적의 가중 함수를 용이하게 얻을 수 있다.
여기서, 디바이스 패턴에 기인하는 노이즈 레벨이 크면, 기준화 전의 분광 파형은 물론, 기준화된 분광 파형을 사용하여 구해진 특성값의 특징점이 목표 잔막 두께(목표 연마 종료시간)로부터 어긋나는 경우가 있다. 이와 같은 때는, 특성값을 계산할 때에 선택한 분광 파형의 극값 파장을 시프트함으로써, 특성값의 극값 시간을 전후로 이동시킬 수 있다. 따라서, 연마종점에서 특징점을 나타내는 최적의 파장을 다시 선택하면 된다. 또한, 선택된 2개의 파장을 장파장측으로 시프트하면 특성값의 특징점이 나타나는 시간은 연마시간이 짧은 쪽(막 두께가 큰 쪽)으로 이동하고, 단파장측으로 어긋나게 하면, 연마시간이 긴 쪽(막 두께가 작은 쪽)으로 이동하는 것을 알 수 있다. 도 10은, 선택된 2개의 파장을 장파장측으로 10 nm, 단파장측으로 10 nm 시프트하였을 때의 특징점의 변화를 나타내고 있다. 이와 같은 방법으로 대략 연마종점이 되는 파장이 구해지면, 선택파장의 미세 조정에 의하여 특성값의 특징점을 연마종점에 맞추는 것은 간단하다.
기준화 전의 분광 파형으로부터 막 두께 변화에 의한 반사강도의 변화에 특징점이 포착되는 경우는, 기준화 전의 분광 파형의 극값이 되는 파장으로부터 특성값을 구하여도 된다. 또, 디바이스의 구조가 단순하고, 시뮬레이션 계산에 의해 소정 막 두께의 분광 파형을 실용상 문제가 없는 정밀도로 얻을 수 있는 경우에는, 시뮬레이션 계산으로부터 얻어진 분광 파형을 사용하여도 된다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 연마종점에서 특징적인 변 화점을 가지고, 또한 기판의 디바이스 패턴에 따른 SN비가 좋은 특성값을 구할 수 있기 때문에, 정밀도 좋게 연마종점을 검지하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시형태는, 연마방법 및 연마장치 뿐만 아니라, 막을 목표막 두께까지 에칭하는 방법및 장치나, 막을 목표막 두께가 될 때까지 형성하는 방법 및 장치에도 적용할 수 있다.
다음에, 본 발명의 다른 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 연마장치의 전체구성을 나타내는 모식도이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 연마장치는, 상면에 연마 패드(110)가 부착 설치된 연마 테이블(112)과, 연마 대상물인 기판을 유지하여 연마 패드(110)의 상면에 가압하는 톱링(114)을 구비하고 있다. 연마 패드(110)의 상면은, 연마대상물인 기판과 미끄럼 접촉하는 연마면을 구성하고 있다.
연마 테이블(112)은, 그 아래쪽에 배치되는 모터(도시 생략)에 연결되어 있고, 화살표로 나타내는 바와 같이 그 축심 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 또, 연마 테이블(112)의 윗쪽에는 도시 생략한 연마액 공급 노즐이 설치되어 있고, 이 연마액 공급 노즐로부터 연마 패드(110) 상에 연마액이 공급되도록 되어 있다.
톱링(114)은, 톱링 샤프트(118)에 연결되어 있고, 이 톱링 샤프트(118)를 거쳐 모터 및 승강 실린더(도시 생략)에 연결되어 있다. 이에 의하여 톱링(114)은 승강 가능하고 또한 톱링 샤프트(118) 주위로 회전 가능하게 되어 있다. 이 톱링(114)의 하면에는, 연마 대상물인 기판이 진공 등에 의해 흡착, 유지된다.
상기한 구성에 있어서, 톱링(114)의 하면에 유지된 기판은, 회전하고 있는 연마 테이블(112)의 상면의 연마 패드(110)에 가압된다. 이 때, 연마액 공급 노즐로부터 연마 패드(110) 상에 연마액이 공급되고, 기판의 피연마면(하면)과 연마 패드(110)의 사이에 연마액이 존재한 상태에서 기판이 연마된다. 도 12는 도 11에 나타내는 톱링의 단면을 나타내는 모식도이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 톱링(114)은, 톱링 샤프트(118)의 하단에 유니버설 커플링부(130)를 거쳐 연결되는 대략 원반형상의 톱링 본체(131)와, 톱링 본체(131)의 하부에 배치된 리테이너링(132)을 구비하고 있다. 톱링 본체(131)는 금속이나 세라믹스 등의 강도 및 강성이 높은 재료로 형성되어 있다. 또, 리테이너링(132)은, 강성이 높은 수지재 또는 세라믹스 등으로 형성되어 있다. 또한, 리테이너링(132)을 톱링 본체(131)와 일체적으로 형성하는 것으로 하여도 된다.
톱링 본체(131) 및 리테이너링(132)의 안쪽에 형성된 공간 내에는, 기판(W)에 맞닿는 탄성 패드(133)와, 탄성막으로 이루어지는 고리형상의 가압 시트(34)와, 탄성 패드(133)를 유지하는 개략 원반형상의 척킹 플레이트(135)가 수용되어 있다. 탄성 패드(133)의 윗둘레 끝부는 척킹 플레이트(135)에 유지되고, 탄성 패드(133)와 척킹 플레이트(135) 사이에는, 4개의 압력실(에어백)(P1, P2, P3, P4)이 설치되어 있다. 이들 압력실(P1, P2, P3, P4)에는 각각 유체로(137, 138, 139, 140)를 거쳐 가압 공기 등의 가압유체가 공급되고, 또는 진공화가 되도록 되어 있다. 중앙의 압력실(P1)은 원형이고, 다른 압력실(P2, P3, P4)은 고리형상이다. 이들 압력실(P1, P2, P3, P4)은, 동심상으로 배열되어 있다.
압력실(P1, P2, P3, P4)의 내부 압력은 도시 생략한 압력 조정부에 의해 서로 독립하여 변화시키는 것이 가능하고, 이에 따라, 기판(W)의 4개의 영역, 즉, 중앙부(C1), 안쪽 중간부(C2), 바깥쪽 중간부(C3) 및 주연부(C4)에 대한 가압력을 개략 독립적으로 조정할 수 있다(정확하게는, 인접하는 영역 등 다른 영역에 대한 압력실의 영향을 다소라도 받는다). 또, 톱링(114)의 전체를 승강시킴으로써, 리테이너링(132)을 소정의 가압력으로 연마 패드(110)에 가압할 수 있게 되어 있다. 척킹 플레이트(135)와 톱링 본체(131)의 사이에는 압력실(P5)이 형성되고, 이 압력실(P5)에는 유체로(141)를 거쳐 가압 유체가 공급되고, 또는 진공화가 되도록 되어 있다. 이에 따라, 척킹 플레이트(135) 및 탄성 패드(133) 전체를 상하방향으로 움직일 수 있다. 또한, 기판(W)의 주연부에는 리테이너링(132)이 설치되고, 연마 중에 기판(W)이 톱링(114)으로부터 튀어나가지 않게 되어 있다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(112)의 내부에는, 기판(W)의 막의 상태를 감시(검지)하는 센서(150)가 매설되어 있다. 이 센서(150)는 모니터링 장치(153)에 접속되고, 이 모니터링 장치(153)는 CMP 컨트롤러(154)에 접속되어 있다. 상기 센서(150)로서는 광학식 센서나 와전류 센서를 사용할 수 있다. 센서(150)의 출력신호는 모니터링 장치(153)에 보내지고, 이 모니터링 장치(153)에서, 센서(150)의 출력신호(센싱신호)에 대하여 필요한 변환·처리(연산처리)를 실시하여 모니터링 신호가 생성된다. 이 모니터링 신호(및 센서신호)의 값은 막 두께 자체를 나타내는 것은 아니나, 모니터링 신호의 값은 막 두께에 따라 변화된다.
모니터링 장치(153)는, 모니터링 신호에 의거하여 각 압력실(P1, P2, P3, P4)의 내부 압력을 조작하는 제어부로서, 및 연마종점을 검지하는 종점 검지부로서도 기능한다. 즉, 모니터링 장치(153)에서는, 모니터링 신호에 의거하여 톱링(114)이 기판(W)을 가압하는 힘이 결정되고, 이 가압력이 CMP 컨트롤러(154)에 송신된다. CMP 컨트롤러(154)는, 톱링(114)의 기판(W)에 대한 가압력을 변경하도록 도시 생략한 압력 조정부에 지령을 보낸다. 또한, 모니터링 장치(153)와 제어부를 각각의 장치로 하여도 되고, 모니터링 장치(153)와 CMP 컨트롤러(154)를 일체화하여 하나의 제어장치로 하여도 된다.
도 13은, 연마 테이블(112)과 기판(W)의 관계를 나타내는 평면도이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 센서(150)는, 톱링(114)에 유지된 연마 중의 기판(W)의 중심(CW)을 통과하는 위치에 설치되어 있다. 부호 CT는 연마 테이블(112)의 회전중심이다. 예를 들면, 센서(150)는, 기판(W)의 아래쪽을 통과하고 있는 동안, 통과 궤적(주사선) 상에서 연속적으로 기판(W)의 Cu층 등의 도전성 막의 막 두께 또는 막 두께의 변화에 따라 증가 또는 감소하는 양을 검출할 수 있게 되어 있다.
도 14는, 센서(150)가 기판(W) 상을 주사하는 궤적을 나타낸 것이다. 즉, 센서(150)는, 연마 테이블(112)이 1회전할 때마다 기판(W)의 표면(피연마면)을 주사하나, 연마 테이블(112)이 회전하면, 센서(150)는 대략 기판(W)의 중심(CW)[톱링 샤프트(118)의 중심]을 지나는 궤적을 그려 기판(W)의 피연마면 상을 주사하게 된다. 톱링(114)의 회전 속도와 연마 테이블(112)의 회전 속도는 통상 다르기 때문에, 기판(W)의 표면에서의 센서(150)의 궤적은, 도 14에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(112)의 회전에 따라 주사선(SL1, SL2, SL3, …)으로 변화한다. 이 경우에도, 상기한 바와 같이, 센서(150)는, 기판(W)의 중심(CW)을 지나는 위치에 배치되어 있기 때문에, 센서(150)가 그리는 궤적은, 매회 기판(W)의 중심(CW)을 통과한다. 그리고, 본 실시형태에서는, 센서(150)에 의한 계측의 타이밍을 조정하여, 센서(150)에 의해 기판(W)의 중심(CW)을 매회 반드시 계측하도록 하고 있다.
또, 기판(W)의 연마속도의 프로파일은, 기판(W)의 중심(CW)을 지나 표면에 수직한 축에 관하여 대략 축 대칭이 되는 것이 알려져 있다. 따라서, 도 14에 나타내는 바와 같이, m번째 주사선(SLm) 상의 n번째의 계측점을 MPm-n이라 나타낼 때, 각 주사선에서의 n번째의 계측점(MP1-n, MP2-n, …, MPm-n)에 대한 모니터링 신호를 추적함으로써, n번째의 계측점의 반경위치에서의 기판(W)의 막 두께의 추이를 모니터링할 수 있다.
또한, 도 14에서는, 간략화를 위해, 1회의 주사에서의 계측점의 수를 15로 하고 있다. 그러나, 계측점의 개수는 이것에 한정되는 것은 아니고, 계측의 주기 및 연마 테이블(112)의 회전 속도에 따라 여러가지 값으로 할 수 있다. 센서(150)로서 와전류 센서를 사용하는 경우에는, 통상, 하나의 주사선 상에 100개 이상의 계측점이 있다. 이와 같이 계측점을 많게 하면, 어느 계측점이 기판(W)의 중심(CW)에 대략 일치하기 때문에, 상기한 기판(W)의 중심(CW)에 대한 계측 타이밍의 조정을 행하지 않아도 된다.
도 15는, 도 14에 나타내는 기판(W) 상의 계측점 중 모니터링 장치(153)에 의해 모니터링을 행하는 계측점을 선택하는 일례를 나타내는 평면도이다. 도 15에 나타내는 예에서는, 가압력이 독립하여 조작되는 각 영역(C1, C2, C3, C4)의 중심 근방과 경계선 근방에 대응하는 위치의 계측점(MPm-1, MPm-2, MPm-3, MPm-4, MPm-5, MPm-6, MPm-8, MPm-10, MPm-11, MPm-12, MPm-13, MPm-14, MPm-l5)의 모니터링을 행하고 있다. 여기서, 도 14에 나타낸 예와는 달리, 계측점 MPm-1과 MPm-(i+1) 사이에 다른 계측점이 있어도 된다. 또한, 모니터링하는 계측점의 선택은, 도 15에 나타내는 예에 한정되지 않고, 기판(W)의 피연마면 상에서 제어상 착안해야 할 점을 모니터링해야 할 계측점으로서 선택할 수 있고, 주사선상의 전체 계측점을 선택하는 것도 가능하다.
모니터링 장치(153)는, 선택한 계측점에서의 센서(150)의 출력신호(센싱신호)에 소정의 연산처리를 행하여, 모니터링 신호를 생성한다. 또한, 모니터링 장치(153)는, 생성된 모니터링 신호와 뒤에서 설명하는 기준 신호에 의거하여, 기판(W)의 각 영역(C1, C2, C3, C4)에 대응하는, 톱링(114) 내의 압력실(P1, P2, P3, P4)의 압력을 각각 산출한다. 즉, 모니터링 장치(153)는, 상기한 바와 같이 하여 선택된 계측점에 대하여 취득된 모니터링 신호를, 미리 설정된 기준 신호와 비교하여, 각 모니터링 신호가 기준 신호에 수속되기 위한 압력실(P1, P2, P3, P4)의 최적의 압력값을 산출한다. 그리고, 산출된 압력값은 모니터링 장치(153)로부터 CMP 컨트롤러(154)에 송신되고, CMP 컨트롤러(154)는 압력실(P1, P2, P3, P4)의 압력을 변경한다. 이와 같이 하여, 기판(W)의 각 영역(C1, C2, C3, C4)에 대한 가압력이 조정된다.
여기서, 노이즈의 영향을 배제하여 데이터를 평활화하기 위하여, 근방의 계측점에 대한 모니터링 신호를 평균화한 것을 사용하여도 된다. 또는, 기판(W)의 표면을 중심(Cw)으로부터의 반경에 따라 동심원 형상으로 복수의 영역으로 분할하여, 각 영역 내의 계측점에 대한 모니터링 신호의 평균값 또는 대표값을 구하고, 이 평균값 또는 대표값을 제어용의 새로운 모니터링신호로서 사용하여도 된다. 여기서, 연마 중의 각 시점에서 각 계측점의 CW로부터의 거리를 구하여 어느 영역에 속하는지를 판단하도록 하면, 센서가 연마 테이블(112)의 반경방향으로 복수개 나열하여 배치된 경우나, 연마 중에 톱링(114)이 톱링 헤드 샤프트(118)를 중심으로하여 요동하는 경우에도 효과적으로 대응할 수 있다.
다음에, 센서(150)로서 광학식 센서를 사용한 경우에 있어서, 각 계측점에서 얻어진 반사강도로부터 연마종점을 검지하는 방법에 대하여 일본국 특개2004-154928호 공보의 기재에 의거하여 설명한다.
피연마막이 산화막과 같은 투광성의 박막인 경우, 두께가 균일하고, 외란이 없는 이상적인 상태를 생각하면, 피연마막에 의한 간섭 때문에, 각 파장의 상대 반사율의 시간 변화는 대략 도 16에 나타내는 바와 같이 된다. 피연마막의 굴절률을 n, 막 두께를 d, 광의 파장(진공 중)을 λ라 할 때, 시간변화 1 주기분에 상당하는 막 두께 차는 Δd=λ/2n 이다. 따라서, 막 두께가 연마시간에 따라 직선적으로 감소하면, 상대 반사율은 도 16에 나타내는 바와 같이 극대값 및 극소값이 주기적으로 나타난 시간변화를 한다. 여기서, 실선은 파장 λ= 500 nm의 경우를 나타내고, 파선은 λ=700 nm의 경우를 나타낸다.
스펙트럼 데이터의 파장성분에 가중계수를 곱하는 승산을 포함하는 연산에 의해 구해지는 특성값에 대해서도, 연마시간, 즉 막 두께의 감소에 따라, 마찬가지로 값이 증감을 반복한다. 또, 패턴막의 경우에도, 파형에 노이즈나 변형이 나타나는 경우는 있으나, 마찬가지로 특성값은 증감한다.
모니터링에서는, 이와 같이 하여 얻어지는 특성값 시간변화의 극대값 및/또는 극소값을 검출하여, 연마 진척상황을 나타낸다. 미리, 극값 검출 시점에서 연마를 정지하고 리퍼런스로서 막 두께 측정을 행하여 두면, 연마 진척상황을 피연마막의 막 두께와 관련지을 수 있다.
연마종점(연마정지점 또는 연마조건 변경점)의 검출에서는, 원하는 막 두께의 직전의 극값(특징점의 하나)을 검출하여, 극값에 대한 막 두께와 원하는 막 두께의 차분에 상당하는 시간만큼, 오버폴리시한다.
또한, 센서(150)가 기판(W)의 표면을 1회 주사할 때마다, 각 계측점에서 측정된 반사강도를 평균화하여, 평균화된 값으로부터 상기한 특성값을 산출하여도 된다. 반사강도 데이터에 상기한 일련의 처리를 실시하여 특성값을 계산하는 경우는, 반사강도 데이터의 처리가 적당한 단계에서 이동 평균처리를 행하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 얻어진 반사강도 데이터를 이동 평균 처리하고 나서 일련의 처리를 실시하여 특성값을 구하여도 되고, 또는 산출된 특성값에 이동 평균 처리하여도 된다. 또한, 이동 평균 처리란, 어느 소정의 시간 구간을 이동시키면서 이 시간 구간(이동 평균 시간) 내에서 얻어진 시계열 데이터를 평균화하는 처리를 말한다.
다음에, 센서(150)가 기판 표면을 주사할 때의 궤적(주사선)에 대하여 설명한다.
연마 테이블의 회전 속도와 톱링의 회전 속도가 동일한 경우, 기판 상의 모든 점에서 상대속도가 동일해지고, 또한 연마 테이블에 설치된 센서는 매회 기판의 동일장소를 주사하는 것을 이론적으로 알고 있다. 그러나, 현실적으로 엄밀하게 연마 테이블과 톱링의 회전 속도를 동일하게 할 수 없는 것과, 동일한 회전 속도로 하면, 연마 테이블과 톱링이 동기하여, 연마 패드 상의 홈 등의 영향으로 국부적으로 과소 연마되는 경우가 있다. 이 때문에, 연마 테이블의 회전 속도와 톱링의 회전 속도를 의도적으로 약간 바꾸는 경우가 많다.
도 17은 연마 테이블(112)의 회전 속도를 70 min-1, 톱링(114)의 회전 속도를 71 min-1로 한 경우에 있어서의 기판(W) 상의 센서(150)의 궤적을 나타내는 도면이다.
이 조건에서는, 예를 들면, 이동 평균 시간을 5초로 하면, 그 사이에 센서(150)는 기판(W) 상을 6회 주사할 수 있고, 연마 테이블(112)이 1회전할 때마다 센서 궤적이 5.14도 밖에 회전하지 않는다. 그 결과, 도 17에 나타내는 바와 같이 기판(W) 상의 치우친 부분의 정보밖에 얻어지지 않아, 원래의 막 두께 변화에 따른 반사강도의 변화를 정확하게 파악할 수 없다.
도 18은 도 17에 나타내는 조건 하에서 얻어진 특성값의 신호파형을 나타내는 그래프이다.
일반적으로, 반사강도로부터 구해지는 특성값은, 광의 간섭에 의해 막 두께변화에 따라 사인 곡선형상으로 변화된다. 그러나, 연마 테이블(112)의 회전 속도를 70 min-1, 톱링(114)의 회전 속도를 71 min-1, 이동 평균 시간을 5초(이동 평균점수로 6점)로 한 경우, 도 18에 나타내는 바와 같이, 특성값의 신호파형 상에 랜덤한 노이즈가 나타나 있는 것을 알 수 있다. 상기한 바와 같이, 통상, 특성값의 극대값 또는 극소값을 검지하여 연마종점으로 하나, 노이즈를 위한 극값을 분명하게 파악할 수 없거나, 또는 극값을 나타내는 시간이 본래의 연마종점 시간으로부터 어긋나 정확한 연마종점 검지를 할 수 없다.
그래서, 본 발명에서는, 소정의 시간 내(예를 들면, 이동 평균 시간 내)에 센서(150)가 기판(W) 상에 그리는 궤적이 기판(W) 표면의 전 둘레에 걸쳐 대략 균등하게 분포되도록 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비를 조정한다. 도 19는, 연마 테이블(112)의 회전 속도를 70 min-1, 톱링(114)의 회전 속도를 77 min-1로 하여, 이동 평균 시간(이 예에서는 5초) 내에 센서(150)가 그리는 기판 상의 궤적을 나타내는 도면이다. 도 19에 나타내는 바와 같이, 이 조건하에서는, 연마 테이블(112)이 1회전할 때마다 센서(150)의 궤적이 36도 회전하기 때문에, 5회 주사할 때마다 센서 궤적이 기판(W) 상을 반바퀴만큼 회전하게 된다. 센서 궤적의 만곡도 고려하면, 이동 평균 시간 내에 센서(150)가 기판(W)을 6회 주사함으로써, 센서(150)는 기판(W) 상을 대략 균등하게 전면 스캔하게 되어, 패턴 밀도나 구조가 다른 영역의 영향이 이동 평균 시간마다 대략 같은 정도가 되는 것이 기대된다.
도 20은 도 19에 나타내는 조건 하에서 얻어진 특성값의 신호 파형을 나타내는 그래프이다. 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 도 18에 비하여 특성값의 신호파형 상의 노이즈가 적다. 또한 이동 평균 시간을 배인 10초로 하거나, 연마 테이블(112)의 회전 속도 70 min-1, 톱링(114)의 회전 속도 84 min-1로 하면, 이동 평균시간 내에 센서 궤적이 약 1주(一周) 회전하게 되기 때문에, 연마종점 검지의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 시계열 데이터에 이동 평균처리를 실시하면, 처리 후의 데이터는 실제의 데이터에 대하여 이동 평균 시간의 약 절반의 시간만큼 지연되어 취득되게 된다. 또, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비를 크게 바꾸면, 기판(W) 상에서의 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 상대속도의 분포가 변화하고, 이에 의하여 기판(W)의 막 두께 프로파일이 변화하는 것이 알려져 있다. 따라서, CMP 프로세스에 따른 지연시간의 허용 범위, 및 막 두께 프로파일의 변화의 정도를 고려하여, 이동 평균 시간, 연마 테이블(112)의 회전 속도, 톱링(114)의 회전 속도를 정할 필요가 있다. 통상, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비의 약간의 변화는 연마 프로파일에 거의 영향을 주지 않기 때문에, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비의 조정만으로 센서(150)에 기판(W)의 표면을 대략 균등하게 주사시키는 것은 용이하다.
상기한 예에서는, 톱링(114)의 회전 속도가 연마 테이블(112)의 회전 속도보다 빠른 경우를 나타내었으나, 톱링(114)의 회전 속도가 연마 테이블(112)의 회전 속도보다 느린 경우[예를 들면, 연마 테이블(112)의 회전 속도가 70 min-1, 톱링(114)의 회전 속도가 63 min-1]도, 센서 궤적이 역방향으로 회전하는 것만으로, 소정의 시간 내에 센서(150)가 기판(W)의 표면에 그리는 궤적을 기판(W) 표면의 전체 주위에 걸쳐 분포시키는 점에서는 상기한 예와 동일하다.
또, 상기한 예에서는, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비가 1에 가까운 경우를 설명하였으나, 회전 속도비가 0.5나 1.5, 2 등(0.5의 배수)에 가까운 경우도 마찬가지이다. 즉, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비가 0.5인 경우, 연마 테이블(112)이 1회전할 때마다 센서 궤적이 180도 회전하여, 기판(W)에서 보면 센서(150)가 1회전마다 역방향으로부터 동일 궤적 상을 이동하게 된다.
그래서, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비를 0.5에서 약간 어긋나게 하여[예를 들면, 톱링(114)의 회전 속도를 36 min-1, 연마 테이블(112)의 회전 속도를 70 min-1로 한다], 연마 테이블(112)이 1회전할 때마다 센서 궤적이 (180 +α)도 회전하도록 하면, 센서 궤적이 외견상 α도 어긋나도록 할 수 있다. 따라서, 이동 평균 시간 내에 센서 궤적이 기판(W)의 표면 상을 약 0.5회, 또는 약 N회, 또는 약 0.5+N회(바꿔 말하면, 0.5의 배수, 즉 0.5 × N회(N은 자연수)만큼 회 전하도록 α를 설정[즉, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비를 설정]하면된다.
이동 평균 시간 내에 센서(150)가 기판(W)의 표면에 그리는 궤적이 전체 주위에 걸쳐 대략 균등하게 분포되도록 하는 것은, 이동 평균 시간의 조정도 고려하면 넓은 범위에서 회전 속도비의 선택을 가능하게 한다. 따라서, 연마액(슬러리)의 특성 등에 의해 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도비를 크게 바꿀 필요가 있는 연마 프로세스에도 대응할 수 있다.
그런데, 일반적으로 톱링(114)의 회전 속도가 연마 테이블(112)의 회전 속도의 정확히 절반인 경우를 제외하고, 센서(150)가 기판(W) 상에 그리는 궤적은 도 19와 같이 만곡된다. 따라서, 소정의 시간 내(예를 들면 이동 평균 시간 내)에 센서(150)가 기판(W) 상에 그리는 궤적이 기판(W)의 전체 주위에 걸쳐 분포되었다 하여도, 센서 궤적이 반드시 엄밀한 의미에서 둘레 방향으로 균등하게 분포되는 것은 아니다. 센서 궤적을 기판(W)의 둘레 방향으로 엄밀히 균등하게 분포시키기 위해서는, 소정 시간마다 센서 궤적이 기판(W)의 둘레 상을 정확히 N회(N은 자연수)만 회전하게 할 필요가 있다. 그 사이에, 센서(150)는, 기판(W)의 표면을 전체 둘레에 걸쳐 둘레 방향으로 균등한 방향·방위로 주사한다. 이것을 실현하기 위해서는, 예를 들면 연마 테이블(112)이 소정의 횟수(자연수)만큼 회전하는 사이에, 톱링(114)이 정확하게 연마 테이블(112)의 회전 횟수와는 다른 횟수(자연수)만 회전하도록, 연마 테이블(112)과 톱링(114)의 회전 속도를 정하면 된다. 이 경우에서도, 상기한 바와 같이 센서 궤적은 만곡되기 때문에, 센서 궤적이 둘레 방향으로 등간격으로 분포된다고는 할 수 없으나, 센서 궤적을 2개씩 쌍을 이루어 생각하면, 센서 궤적은 임의의 반경위치에서 둘레 방향으로 균등하게 분포되어 있는 것으로 간주할 수 있다. 도 21은 이것을 나타내는 예이며, 도 19와 동일한 조건으로 연마 테이블(112)이 10회 회전하는 사이의 기판(W) 상의 센서 궤적을 나타낸 도면이다. 이상에 의하여, 센서(150)는, 상기한 예에 비하여 기판(W) 전면(全面)의 여러가지 구조를 더욱 평균적으로 반영한 데이터를 취득할 수 있다.
이와 같은 사고방식을 구체화한 예로서, 다음에 피연마물이 구리막이고, 센서(150)로서 와전류 센서를 사용한 경우의 실시형태에 대하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 센서(150)를 사용하여 기판 표면상태를 모니터링하여, 기판 지름방향의 막 두께가 균일해지도록, 연마면에 대한 기판의 가압 분포를 조정하는 실시간 제어가 행하여진다. 또한, 상기한 광학식 센서를 사용한 실시형태에서는, 1회의 주사로 얻어진 전(全) 데이터를 평균화하여 처리할 수 있으나, 본 실시형태에서는, 그와 같은 평균화 처리를 행하지 않는다. 즉, 센서(150)가 기판(W)의 표면을 주사하는 사이에 얻어지는 막 두께를 나타내는 데이터는, 기판(W)의 지름방향으로 분포되는 각 영역(C1, C2, C3, C4)(도 15 참조)에 대응하여 할당되고, 각 영역에서의 데이터를 사용하여 그 영역에 대응하는 압력실의 압력이 결정된다. 이 경우, 연마 테이블(112)이 회전함에 따라 얻어지는 데이터를 영역마다 이동 평균 처리하여도 된다.
도 22는, 연마 전후에서, 직경 300 mm의 기판 상에 형성된 구리의 막 두께를 둘레 방향으로 측정한 일례를 나타내는 그래프이다. 도 22에서 알 수 있는 바와 같이, 기판의 중간부(반경 r = 116 mm)에서는, 막 두께는 대략 균일하나, 기판의 주연부(r = 146 mm)에서는 둘레 방향으로 무시할 수 없는 레벨의 막 두께의 불균일이 확인된다. 이것은, 상기한 바와 같이, 기판의 주연부에 등간격으로 배치된 캐소드 전극(음극)에서의 접촉 저항의 불균일이나, 도금액을 유지하기 위한 시일부재의 시일성의 불균일 등이 존재하기 때문이다. 이와 같은 접촉저항이나 시일성의 불균일은, 도금장치의 부품의 개체 차나 조립 오차, 부품의 경시 열화 등이 원인이 된다. 또, 도금장치 내에 복수의 셀(도금탱크)이 탑재되어, 각각의 셀에서 도금을 행하는 경우에는, 각각의 셀에 따라 둘레 방향의 막 두께의 불균일이 다르다. 또한, 부품 교환 전후에도 막 두께의 불균일의 경향이 변한다.
도 23은 연마 테이블(112)의 회전 속도를 60 min-1, 톱링(114)의 회전 속도를 31 min-1로 한 경우의 기판면 상의 센서 궤적을 나타내는 도면이다. 이 도 23에 나타내는 예는, 센서 궤적이 서서히 회전하는 점에서 도 17의 예와 동일하나, 연마 테이블(112)이 1회전(360°회전)하는 사이에 톱링(114)은 186°회전하기 때문에, 센서 궤적은, 주사의 방향을 고려에 넣지 않게 하면, 30초로 기판(W)의 표면 상을 반주(半周)하여 원래의 위치로 되돌아간다. 따라서, 이동 평균 점수를 5점으로 하면, 그 사이, 센서(150)는, 기판(W)의 주연부에서 막 두께가 큰 부위 또는 작은 부위만을 연속하여 주사하게 되어, 막 두께의 과대 평가나 과소 평가가 발생한다.
도 24는, 기판(W)의 지름방향으로 분포되는 각 영역(C1, C2, C3, C4)에서 막 두께가 균일해지는 것을 목표로 하고, 상기한 회전 속도 조건 하에서 연마 중에 톱링(114)의 4개의 압력실(에어백)(P1, P2, P3, P4)의 압력을 조작한 결과의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 24에서 알 수 있는 바와 같이, 기판(W)의 주연부에서의 막 두께의 둘레 방향의 불균일의 영향을 받아, 약 30초의 주기로 바깥쪽의 압력실일수록 크게 압력이 변동한다.
도 25는, 이와 같은 문제를 회피하기 위하여, 연마 테이블(112)의 회전 속도를 60 min-1, 톱링(114)의 회전 속도를 36 min-1로 조절하였을 때의 기판면 상의 센서 궤적을 나타내는 도면이다. 이 예에서는, 도 25에서 알 수 있는 바와 같이, 연마 테이블(112)이 5회전할 때마다 센서 궤적이 기판(W)의 표면 상을 반시계방향으로 2주(二周)하고 있다고 볼 수 있고, 그 사이에 센서(150)가 기판(W)의 표면을 전체 주위에 걸쳐 둘레 방향으로 균등한 방향·방위로 주사하고 있다.
도 26은, 도 25에 나타내는 조건 하에서 연마하였을 때의 톱링(114)의 각 압력실(P1, P2, P3, P4)의 압력의 변화를 나타내는 그래프이다. 이 예에서는, 이동 평균 시간 4초로 하고, 어느 시점부터 4초 전까지의 1초 간격의 5점의 데이터, 즉, 연마 테이블(112)이 5회전하는 사이에 취득된 데이터에 대하여 이동 평균 처리를 행하고 있다. 도 26에 나타내는 바와 같이, 도 24에 보였던 30초 정도의 주기의 압력 변화가 보이지 않고, 기판의 둘레 방향에 관하여 평균적인 막 두께를 센서(150)가 파악할 수 있는 것으로 추정된다.
여기서, 센서(150)가 기판(W)의 표면 상을 등간격의 각도로 균등하게 주사하기 위한, 연마 테이블(112)의 회전 속도와 톱링(114)의 회전 속도의 관계에 대하여 설명한다.
여기서, 연마 테이블(112)이 소정의 횟수(m)(자연수)만큼 회전하는 사이에, 센서(150)가 기판(W)의 표면 상을 전체 주위에 걸쳐 둘레 방향으로 균등한 방향·방위로 주사하는 것으로 하면, 이 때의 연마 테이블(112)의 회전 속도(V)와 톱링(114)의 회전 속도(R)의 관계는 다음 식으로 나타내진다.
Figure 112009026816882-pct00011
Figure 112009026816882-pct00012
즉
여기서 R : 톱링의 회전 속도,
V : 연마 테이블의 회전 속도,
m : 소정의 연마 테이블 회전 횟수(자연수),
n : 연마 테이블이 m회 회전하는 사이에 톱링이 회전하는 횟수(자연수)를 나타낸다.
여기서, 연마 테이블이 m회만큼 회전하였을 때, 센서가 기판(W)의 표면을 1주분(一周分) 균등하게 주사하는 것으로 하면, m과 n은 서로에 대해 소수인 자연수이다.
상기 수학식 (9)의 근거가 되는 사고방식은 다음과 같다. 연마 테이블(112)이 m 회전하는 사이에, 톱링(114)은 m·R/V 회전한다. 그 사이에, 센서(150)가 기판(W)의 표면 상을 전체 주위에 걸쳐 둘레 방향으로 균등한 방향·방위로 주사하였 다고 하면, 톱링(114)은 정확하게 n 회전해야만 한다[수학식 (9)]. 단, 연마 테이블(112)이 m 회[톱링(114)이 n 회]만큼 회전하기 전에, 이와 같은 상황이 발생하지않는 것을 조건으로 한다. 바꿔 말하면, m과 n은 서로에 대해 소수인 자연수가 된다.
여기서, 수학식 (9)를 다른 시점에서 보면, 연마 테이블(112)의 회전 속도(V)와 톱링(114)의 회전 속도(R)의 관계는 다음 식으로 나타낼 수도 있다.
Figure 112009026816882-pct00013
Figure 112009026816882-pct00014
즉
단, n'는 자연수이고, 기판 표면 상을 회전하는 센서 궤적이 초기방향으로 되돌아가기까지의 센서 궤적의 회전 횟수를 나타낸다.
이 때 V > R 이면 m·R/V=m-n' 단 n'=1,2,…,m-1
V < R 이면 m·R/V=m+n' 단 n'=1,2,…
따라서, V > R일 때 m-n'을 n과 치환하고, V < R일 때 m+n'을 n과 치환하면, 수학식 (10)은 수학식 (9)와 등가가 된다. 즉, 기판 표면 상에서의 센서 궤적의 회전 횟수(n')는, 연마 테이블(112)의 회전 횟수(m)와 톱링(114)의 회전 횟수(n)의 차로 되어 있다.
여기서, 연마 중의 막 두께의 변화에 따라 각 압력실(P1, P2, P3, P4)의 압력을 실시간으로 제어하기 위해서는, 압력을 결정하는 시점에 가능한 한 가까운 시 점에서의 막 표면의 상태를 파악할 필요가 있다. 이 이유로부터, 상기 m은 어느 정도 작은 쪽이 바람직하다. 예를 들면, 압력 결정 시점에서 길더라도 16초 이내의 막의 표면상태를 파악하려고 하면, m/V≤16초로 할 필요가 있다. 한편, 둘레 방향의 막 두께의 불균일, 패턴 밀도, 구조의 차이에 의하지 않고 막의 평균적인 표면상태를 파악하기 위해서는 m을 어느 정도 크게 할 필요가 있다. 둘레 방향의 막 두께의 불균일을 적어도 4개의 주사선에 대응하는 8개의 계측값으로 대표하는 것으로 하면, m≥4가 된다. 따라서, 실시간 제어와 막 두께의 불균일을 고려하여, 회전 횟수(m)는, 바람직하게는 4 ≤ m ≤ 16 × V가 되도록 설정한다.
도 27은 수학식 (9)를 만족하는 톱링과 연마 테이블의 회전 속도비(R/V)의 예를 나타내는 표이다. 실제로는, 연마장치의 연마성능도 고려하여, 이 표 중에서 적당한 회전 속도비를 선택하여, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도를 결정한다.
도금 장치의 셀(도금탱크)의 구조 등으로부터, 기판의 주연부의 막 두께 변화에 M주기의 공간적인 주기성이 확인되는 경우에는, 톱링(114)과 연마 테이블(112)의 회전 속도의 관계는 이하와 같이 나타낸다.
Figure 112009026816882-pct00015
여기서, 연마 테이블(112)이 m 회전하였을 때에 비로소, 주사선이 기판(W) 상에서 둘레 방향으로 불균일이 있는 막 두께의 각 값을 균등하게 주사하는 것으로하면, m과 n은 서로에 대해 소수인 자연수이다.
상기 수학식 (9), (10), (11)에 의거하여 연마 테이블(112)의 회전 속도를 연마장치의 설정단위(예를 들면 1 min-1)의 정수배로 설정할 때, 톱링(114)의 회전 속도가 상기 설정단위의 정수배가 되지 않는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 상기 식으로 구한 값에 가까운 정수를 톱링(114)의 회전 속도로서 설정하면 된다. 또, 상기 수학식에 의거하여 연마 테이블(112) 및 톱링(114)의 회전 속도를 결정한 경우, 연마 테이블(112)이 m 회전하는 사이에, 연마 패드(16)의 동일한 부위가 기판(W)의 표면 상의 동일 부위를 1회 연마하게 되고, 연마 패드(16) 상의 홈 등의 영향을 받아, 기판(W)의 연마가 국소적으로 불충분해지는 경우가 있다. 그와 같은 경우에는, 상기 식으로 구한 연마 테이블(112) 또는 톱링(114)의 회전 속도에 연마장치의 설정단위(예를 들면 1 min-1)의 회전 속도를 가산 또는 감산하면된다.
예를 들면, 톱링(114) 및 연마 테이블(ll2)의 회전 속도는, 상기 수학식 (9)에 의거하여, 다음 식으로 나타내는 범위 내에서 설정할 수 있다.
Figure 112009026816882-pct00016
또는
Figure 112009026816882-pct00017
단, V는 연마 테이블(112)의 회전 속도로, 연마장치가 허용하는 설정단위의 배수를 나타내는 자연수이고, R은 톱링(114)의 회전 속도로, 연마장치가 허용하는 설정단위의 배수를 나타내는 자연수이다.
센서(150)가 기판(W)의 면 상을 전체 주위에 걸쳐 둘레 방향으로 균등한 방향·방위로 주사한다 하여도, 실용적으로는 연마 테이블(112)이 m 회만큼 회전하는 사이에, 톱링(114)이 정확하게 n 회만큼 회전할 필요는 없다. 연마 테이블(112)이 m 회 회전하였을 때에, 톱링(114)이 ±0.2 회전의 범위에서 어긋나는 것을 확인하면, 연마 테이블(112)의 회전 속도(V)를 다음 식으로 나타내는 범위 내에서 설정할 수 있다.
Figure 112009026816882-pct00018
또한, 상기한 방법이, 연마의 실시간 제어에 한정하지 않고, 연마종점 검지나 막 두께의 모니터링만을 행하는 경우에도 적용할 수 있는 것은 물론이다. 막 두께의 균일성을 목적으로 하는 연마제어에서는, 대부분의 경우, 기판의 주연부의 막 두께가 중요시된다. 그러나, 연마종점 검지나 단순한 막 두께의 모니터링만의 경우에는, 반드시 기판의 주연부를 모니터링할 필요는 없고, 기판의 중심부 및/또는 그 부근만의 막 두께를 모니터링하여도 된다. 기판의 중심부와 그 주변에서는, 센서 궤적이 180도 회전한 상태이어도, 대략 동일 부위의 표면상태를 취득할 수 있기 때문에, 연마종점 검지나 막 두께의 모니터링만의 경우에는, 상기한 수학식 (9)에서, n을 n/2로 치환할 수 있다. 즉, 이 경우의 회전 속도비는 다음 식으로 나타낸다.
Figure 112009026816882-pct00019
이상의 예에서는, 모니터링 신호의 노이즈 성분을 억제하는 평활화의 방법으로서 이동 평균법을 예로 들어 설명하였으나, 모니터링 신호에 생기는 회전 횟수(m)에 상당하는 주기의 노이즈 성분을 실질적으로 평활화할 수 있는 것이면, 이동 평균에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 무한 임펄스 응답형의 디지털 필터이어도 된다. 또한, 모니터링 신호를 기초로 실시간 제어하는 경우, 회전 횟수(m)와 동기하지 않도록 제어주기(구체적으로는, 막 두께의 변화에 따라 압력실의 압력을 변화시키는 주기)를 적당하게 설정하면, 이동 평균 처리 등의 평활화 처리를 행하는 일 없이 양호한 제어를 행하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 기판 표면에 형성된 막을, 화학기계적 연마(CMP)로 평탄화할 때에, 광학식 또는 와전류식 센서 등의 In-situ 타입의 센서로부터 출력되는 연마상태를 나타내는 모니터링 신호의 처리에 적용할 수 있다. 광학식 센서는, 일반적으로, 광을 투과하는 실리콘 산화막계의 연마에 사용된다. 한편, 금속 등의 도체막 연마에는 와전류식 센서가 사용된다. 그러나, 금속에서도 막 두께가 수십 nm 이하가 되면 광이 투과하기 때문에, 광학식 센서를 사용할 수도 있다.
또, 본 발명은, 상기 모니터링 신호를 사용하여 피연마막의 연마 후의 막 두께가 균일해지도록 연마하는 경우에도 적용할 수 있다.
본 발명은, 기판 등의 가공 대상물의 피가공면의 특성값을 산출하여, 가공 종점의 타이밍을 검지하는 가공 종점 검지방법 및 장치에 적용 가능하다

Claims (36)

  1. 피가공물의 피가공면에 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 분광 파형을 사용하여 산출된 상기 피가공면에 대한 특성값에 의거하여 가공 종점을 검지하는 방법으로서,
    기준 피가공물을 사용하거나, 또는 시뮬레이션 계산에 의하여 가공 종점에서의 반사강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고,
    상기 분광 파형에 의거하여, 반사강도의 극대값 및 극소값이 되는 파장을 선택하고,
    상기 선택된 파장에서의 반사강도로부터 피가공면에 대한 특성값을 산출하고,
    피가공물의 가공 종점에서의 특성값의 시간변화의 특징점을 가공 종점으로서 설정하고,
    피가공물의 가공 중에 상기 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공 종점 검지방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 피가공물의 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고,
    상기 기준 피가공물의 가공 종점에서의 반사강도를 상기 평균 반사강도로 나눔으로써 기준 분광 파형을 생성하고,
    극대값 및 극소값이 되는 파장의 상기 선택을, 상기 기준 분광 파형에 의거하여 행하는 것을 특징으로 하는 가공 종점 검지방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선택된 극대값이 되는 파장을 중심으로 한 가중을 가지는 가중 함수를 정의하고,
    피가공물의 피가공면에 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 반사강도에 상기 가중 함수를 곱하여 적분함으로써 상기 피가공면에 대한 특성값을 산출하고,
    상기 특성값의 시간변화의 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공 종점 검지방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 선택된 파장을 전후의 파장으로 시프트시키는 것을 특징으로 하는 가공 종점 검지방법.
  5. 피가공물의 피가공면에 다파장으로 이루어지는 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 분광 파형을 사용하여 산출된 상기 피가공면에 대한 특성값에 의거하여, 가공 종점을 검지하는 방법으로서,
    기준 피가공물을 사용하거나, 또는 시뮬레이션 계산에 의하여 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고,
    피가공물의 가공 중에 다파장으로 이루어지는 광을 조사하여 얻어진 반사광의 분광 파형의 반사강도를, 상기 기준 피가공물의 평균 반사강도로 나눈 기준 분광 파형을 모니터링함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공 종점 검지방법.
  6. 광을 피가공물의 피가공면에 조사하는 광원과,
    상기 피가공면으로부터의 광을 받는 수광부와,
    상기 수광부에 수광된 광을 분광하고, 전기적 정보로 변환하는 분광기 유닛과,
    상기 분광기 유닛으로부터의 전기적 정보를 연산하는 연산부를 가지고,
    상기 연산부는, 기준 피가공물의 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고, 상기 기준 피가공물의 가공 종점에서의 반사강도를 상기 평균 반사강도로 나눔으로써 기준 분광 파형을 생성하고, 당해 기준 분광 파형의 극대값 및 극소값이 되는 파장을 선택하고, 상기 선택된 파장에서의 반사강도로부터 상기 기준 피가공물의 피가공면에 대한 특성값을 산출하고, 피가공물의 가공 종점에서의 특성값의 시간변화의 특징점을 가공 종점으로서 설정하고, 가공 중에 상기 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 선택된 파장을 전후의 파장으로 시프트시키는 것을 특 징으로 하는 가공장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 선택된 극대값이 되는 파장을 중심으로 한 가중을 가지는 가중 함수를 정의하고, 피가공물의 피가공면에 광을 조사하여 얻어지는 반사광의 반사강도에 상기 가중 함수를 곱하여 적분함으로써 상기 피가공면에 대한 특성값을 산출하고, 상기 특성값의 시간변화의 특징점을 검지함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
  9. 다파장으로 이루어지는 광을 피가공물의 피가공면에 조사하는 광원과,
    상기 피가공면으로부터의 광을 받는 수광부와,
    상기 수광부에 수광된 광을 분광하고, 전기적 정보로 변환하는 분광기 유닛과,
    상기 분광기 유닛으로부터의 전기적 정보를 연산하는 연산부를 가지고,
    상기 연산부는, 기준 피가공물의 가공시간 내에서의 각 파장의 평균 반사강도를 구하고, 피가공물의 가공 중에 다파장으로 이루어지는 광을 조사하여 얻어진 반사광의 분광 파형의 반사강도를, 상기 기준 피가공물의 평균 반사강도로 나눈 기준 분광 파형을 모니터링함으로써 피가공물의 가공 종점을 검지하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
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