KR101985998B1 - 연마 방법 - Google Patents

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가츠히데 와타나베
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

측정 위치의 차이에 관계없이 안정된 막 두께를 얻을 수 있는 연마 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)을 회전시키고, 웨이퍼(W)의 표면을 연마 패드(2)에 압박하고, 연마 테이블(3)이 최근의 소정의 횟수만큼 회전하고 있는 동안에, 연마 테이블(3)에 설치된 막 두께 센서(7)로부터의 복수의 막 두께 신호를 취득하고, 복수의 막 두께 신호로부터 복수의 측정 막 두께를 결정하고, 복수의 측정 막 두께에 기초하여, 웨이퍼(W)의 표면에 형성된 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하고, 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼(W)의 연마를 감시한다.

Description

연마 방법 {POLISHING METHOD}
본 발명은, 웨이퍼의 표면을 연마하는 방법에 관한 것으로, 특히 표면에 볼록부가 형성된 웨이퍼를 연마하는 방법에 관한 것이다.
웨이퍼를 연마하는 연마 장치에 있어서, 대부분의 경우, 주로 절연층(투명층)의 연마의 진행을 감시할 목적으로 분광식 감시 시스템이, 주로 도전층(금속막)의 연마의 진행을 감시할 목적으로 와전류식 감시 시스템이 사용된다. 분광식 감시 시스템에서는, 연마 테이블에 장착된 광원, 분광기에 각각 투광용 파이버, 수광용 파이버가 접속되고, 이들 파이버의 선단부는, 투광부 및 수광부를 구성하는 측정부로서 기능한다. 측정부(투광부 및 수광부)는, 연마 테이블이 1회전할 때마다 웨이퍼 표면을 주사하는 위치에 배치된다. 와전류식 모니터의 경우에는, 여자용 코일이나 검출용 코일 등이 측정부로서 설치된다.
일본 특허 공개 제2012-28554호 공보
이와 같이 연마 테이블에 배치된 측정부를 구비한 감시 시스템에 있어서는, 연마 중에 있어서의 웨이퍼면 상의 측정 위치를 정확하게 제어하는 것이 어렵다. 일반적으로, 웨이퍼는, 연마 헤드에 장착된 리테이너 링의 내측에서 근소하게 움직이는 구조로 되어 있으므로, 연마 헤드의 중심에 대해 웨이퍼가 직경 방향으로 어긋나거나, 연마 헤드에 대해 시간의 경과와 함께 서서히 회전하거나 한다. 이로 인해, 웨이퍼면 상의 소정의 위치를 연속해서 측정하는 것이 어렵고, 웨이퍼면에 형성된 구조체의 어느 부위를 측정하였는지에 따라 측정 데이터가 크게 바뀌어 버린다.
도 18의 (a)는 연마의 초기 단계에서의 측정 막 두께의 추이를 나타내고, 도 18의 (b)는 연마의 중간 단계에서의 측정 막 두께의 추이를 나타낸 그래프이다. 이들 그래프 중의 측정 막 두께는, 300㎜ 웨이퍼의 중심으로부터 약 120㎜ 이격된 측정 영역에서의 측정 막 두께를 나타내고 있다. 측정 대상이 되는 웨이퍼는, 그 표면에 복수의 볼록부를 갖는 웨이퍼이다. 이러한 웨이퍼의 예로서는, 복수의 셀(메모리 셀)이 매트릭스 형상으로 배열된 셀 어레이를 갖는 웨이퍼이다.
크세논 플래시 광원을 구비한 분광식 감시 시스템을 사용하여 웨이퍼의 막 두께를 측정하고, 볼록부의 막 두께라고 생각되는 측정 데이터를 추출하였다. 도 18의 (a)에 있어서는, 측정 막 두께의 변동은 작고, 연마 테이블의 회전 횟수, 즉, 연마 시간의 경과에 따라 측정 막 두께는 대략 직선상으로 감소한다. 이에 반해, 도 18의 (b)에 있어서는, 측정 막 두께가 연마 시간과 함께 감소는 하지만, 측정 막 두께의 변동이 커, 하나하나의 측정 막 두께에 기초한 막 두께 프로파일의 제어나, 연마 종점의 검출이 어렵다.
도 19의 (a)는, 도 18의 (a)에 대응하는 연마의 초기 단계에서의 볼록부의 프로파일(단면 형상)을 도시하는 도면이고, 도 19의 (b)는 도 18의 (b)에 대응하는 연마의 중간 단계에서의 볼록부의 프로파일(단면 형상)을 도시하는 도면이다. 도 19의 (a)에 도시하는 프로파일은, 웨이퍼 연마 전의 볼록부(106)의 프로파일이며, 볼록부(106)는 직사각 형상의 단면을 도시하고 있다. 도 19의 (b)에 도시하는 프로파일은, 웨이퍼를 어느 시간 연마한 후에 웨이퍼 연마를 일단 중단하였을 때에 취득된 볼록부(106)의 프로파일이다. 볼록부(106)의 양측에는, 트렌치(110)가 형성되어 있다. 볼록부(106)는, 예를 들어 상술한 셀(메모리 셀)이다.
도 19의 (a) 및 도 19의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 연마 전에는, 볼록부의 단면은 직사각 형상인 것에 반해, 연마의 진행과 함께 볼록부의 코너가 둥글게 된다. 이로 인해, 분광식 감시 시스템의 측정부의 측정 위치에 따라, 측정 막 두께가 변동된다. 예를 들어, 도 19의 (a)에서는, 볼록부(106)의 중앙부에서의 막 두께와, 에지부에서의 막 두께는 동일하지만, 도 19의 (b)에서는, 볼록부(106)의 중앙에 위치하는 최정상부(106a)에서의 막 두께와, 에지부(106b)에서의 막 두께는 상이하다. 즉, 도 19의 (b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 볼록부(106)는, 그 최정상부(106a)에 있어서 최대의 막 두께를 갖고, 에지부(106b)에서 최소의 막 두께를 갖는다. 이로 인해, 측정 위치의 차이에 의해 측정 막 두께가 변동되어, 정확한 연마 상태를 검출할 수 없다.
따라서, 본 발명은, 측정 위치의 차이에 관계없이 안정된 막 두께를 얻을 수 있는 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는, 표면에 볼록부가 형성된 웨이퍼를 연마하는 방법이며, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고, 웨이퍼의 표면을 상기 연마 패드에 압박하고, 상기 연마 테이블이 최근의 소정의 횟수만큼 회전하고 있는 동안에, 상기 연마 테이블에 설치된 막 두께 센서로부터의 복수의 막 두께 신호를 취득하고, 상기 복수의 막 두께 신호로부터 복수의 측정 막 두께를 결정하고, 상기 복수의 측정 막 두께에 기초하여, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하고, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마를 감시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은, 상기 최근의 복수의 측정 막 두께와, 대응하는 상기 연마 테이블의 회전 횟수에 의해 특정되는 복수의 데이터점에 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정하고, 상기 회귀선을 나타내는 함수에 상기 연마 테이블의 현재의 회전 횟수를 대입함으로써, 추정 막 두께를 결정하는 공정인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은, 상기 회귀선을 결정한 후에, 상기 회귀선보다 하측에 있는 데이터점 중 적어도 하나를 상기 복수의 데이터점으로부터 제외하고, 상기 적어도 하나의 데이터점이 제외된 상기 복수의 데이터점에 회귀 분석을 행하여 새로운 회귀선을 결정하는 공정을 더 포함하고, 상기 연마 테이블의 현재의 회전 횟수를, 상기 새로운 회귀선을 나타내는 함수에 대입함으로써 추정 막 두께를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은, 상기 최근의 복수의 측정 막 두께와, 대응하는 상기 연마 테이블의 회전 횟수에 의해 특정되는 복수의 데이터점에 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정하고, 상기 회귀선을 나타내는 함수에 상기 연마 테이블의 현재의 회전 횟수를 대입하여 얻어진 값에 소정의 오프셋값을 가산함으로써, 추정 막 두께를 결정하는 공정인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은, 상기 최근의 복수의 측정 막 두께의 확률 분포를 생성하고, 더 작은 측정 막 두께의 확률이 소정의 값으로 되는 추정 막 두께를 결정하는 공정인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 막 두께 센서는, 펄스 점등 광원을 갖는 광학식 센서인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 막 두께 센서는, 와전류 센서인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마 종점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마 조건을 변경하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께의 현재의 값과 과거의 값에 기초하여, 상기 막 두께 센서가 다음에 막 두께 신호를 취득하기 전에, 상기 볼록부의 최정상부의 막 두께를 예측하고, 상기 예측된 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마 종점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 최근의 복수의 측정 막 두께에 변동이 있었다고 해도, 이들 측정 막 두께에 회귀 분석 또는 통계적 분석 등을 행함으로써, 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 결정할 수 있다. 따라서, 연마 시간과 함께 감소하는 막 두께를 취득할 수 있다.
도 1은 연마 방법의 일 실시 형태를 실행할 수 있는 연마 장치를 도시하는 모식도.
도 2는 도 1에 도시하는 연마 헤드의 단면도.
도 3은 연마 방법의 일 실시 형태를 나타내는 흐름도.
도 4는 웨이퍼의 표면 상의 측정점의 일례를 도시하는 도면.
도 5는 스펙트럼의 일례를 나타내는 도면.
도 6의 (a)는 도 3에 나타내는 스텝 5, 6을 설명하는 도면, 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)는 도 3에 나타내는 스텝 7을 설명하는 도면.
도 7의 (a)는 스텝 5를 다시 실행하여 얻어진 회귀선을 나타내는 도면, 도 7의 (b)는 최종적으로 얻어지는 회귀선을 나타내는 도면.
도 8은 도 3에 나타내는 방법에 따라서, 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 구한 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 연마의 진행에 수반하여, 더욱 둥그스름한 볼록부의 프로파일을 도시하는 단면도.
도 10은 도 9에 도시하는 볼록부의 측정 막 두께를 나타내는 그래프.
도 11은 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 결정하는 다른 실시 형태를 나타내는 그래프.
도 12는 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 결정하는 또 다른 실시 형태를 나타내는 그래프.
도 13은 도 12에 나타내는 확률 분포를 나타내는 그래프.
도 14는 과거의 연마 데이터에 기초하여 예측 막 두께를 산출하는 실시 형태를 나타내는 도면.
도 15는 연마 장치의 상세한 구성의 일례를 도시하는 모식 단면도.
도 16의 (a)는 광학식 센서를 사용한 막 두께 측정의 원리를 설명하기 위한 모식도, 도 16의 (b)는 웨이퍼와 연마 테이블의 위치 관계를 도시하는 평면도.
도 17은 처리부에 의해 생성된 스펙트럼의 일례를 나타내는 도면.
도 18의 (a)는 연마의 초기 단계에서의 측정 막 두께의 추이를 나타내고, 도 18의 (b)는 연마의 중간 단계에서의 측정 막 두께의 추이를 나타낸 그래프.
도 19의 (a)는 도 18의 (a)에 대응하는 연마의 초기 단계에서의 볼록부의 프로파일(단면 형상)을 도시하는 도면, 도 19의 (b)는 도 18의 (b)에 대응하는 연마의 중간 단계에서의 볼록부의 프로파일(단면 형상)을 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 도 1은, 연마 방법의 일 실시 형태를 실행할 수 있는 연마 장치를 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 연마 장치는, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)과, 웨이퍼(W)를 연마 패드(2)에 압박하는 연마 헤드(1)와, 연마 테이블(3)을 회전시키는 테이블 모터(6)와, 연마 패드(2) 상에 연마액(예를 들어, 슬러리)을 공급하기 위한 연마액 공급 노즐(5)을 구비하고 있다. 연마 패드(2)의 표면은, 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면(2a)을 구성한다. 연마 테이블(3)은 테이블 모터(6)에 연결되어 있고, 테이블 모터(6)는 연마 테이블(3) 및 연마 패드(2)를 회전시키도록 구성되어 있다.
연마 테이블(3) 내에는, 막 두께 센서(7)가 배치되어 있다. 막 두께 센서(7)는, 연마 테이블(3) 및 연마 패드(2)와 함께 일체로 회전한다. 막 두께 센서(7)의 위치는, 연마 테이블(3) 및 연마 패드(2)가 1회전할 때마다 연마 패드(2) 상의 웨이퍼(W)의 표면을 가로지르는 위치이다. 막 두께 센서(7)는, 처리부(9)에 접속되어 있고, 막 두께 센서(7)의 출력 신호인 막 두께 신호는 처리부(9)로 보내지도록 되어 있다. 처리부(9)는, 막 두께 신호에 기초하여, 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정하도록 구성되어 있다.
막 두께 센서(7)는, 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라서 변화되는 막 두께 신호를 생성하는 센서이며, 예를 들어 광학식 센서 또는 와전류 센서로 구성된다. 광학식 센서는, 웨이퍼(W)의 표면에 광을 조사하고, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 파장에 관련된 반사광의 강도를 출력하도록 구성된다. 파장에 관련된 반사광의 강도는, 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라서 변화되는 막 두께 신호이다. 와전류 센서는, 웨이퍼에 형성되어 있는 도전막에 와전류를 유기시키고, 도전막과 와전류 센서의 코일을 포함하는 전기 회로의 임피던스에 따라서 변화되는 막 두께 신호를 출력한다.
도 2는, 도 1에 도시하는 연마 헤드(1)의 단면도이다. 연마 헤드(1)는, 웨이퍼(W)의 복수의 영역에 각각 상이한 압박력을 가할 수 있도록 구성되어 있다. 연마 헤드(1)는, 헤드 샤프트(10)에 연결된 헤드 본체(21)와, 헤드 본체(21)의 하방에 배치된 리테이너 링(22)을 구비하고 있다.
헤드 본체(21)의 하방에는, 웨이퍼(W)의 상면(연마해야 할 표면과 반대측의 면)에 맞닿는 유연한 멤브레인(24)과, 멤브레인(24)을 보유 지지하는 멤브레인 홀더(25)가 배치되어 있다. 멤브레인(24)과 멤브레인 홀더(25) 사이에는, 4개의 압력실(C1, C2, C3, C4)이 설치되어 있다. 압력실(C1, C2, C3, C4)은, 멤브레인(24)과 멤브레인 홀더(25)에 의해 형성되어 있다. 중앙의 압력실(C1)은 원형이고, 다른 압력실(C2, C3, C4)는 환상이다. 이들 압력실(C1, C2, C3, C4)은, 동심원 형상으로 배열되어 있다. 본 실시 형태에서는, 연마 헤드(1)는 4개의 압력실(C1∼C4)을 구비하고 있지만, 연마 헤드(1)는 4개보다 적은 압력실, 또는 4개보다 많은 압력실을 구비해도 된다.
압력실(C1, C2, C3, C4)에는 각각 기체 이송 라인(F1, F2, F3, F4)을 통해 기체 공급원(30)에 의해 가압 공기 등의 가압 기체가 공급되도록 되어 있다. 또한, 기체 이송 라인(F1, F2, F3, F4)에는 진공 라인(V1, V2, V3, V4)이 접속되어 있고, 진공 라인(V1, V2, V3, V4)에 의해 압력실(C1, C2, C3, C4)에 부압이 형성되도록 되어 있다. 압력실(C1, C2, C3, C4)의 내부 압력은 서로 독립적으로 변화시키는 것이 가능하고, 이에 의해, 웨이퍼(W)의 대응하는 4개의 영역, 즉, 중앙부, 내측 중간부, 외측 중간부 및 주연부에 대한 압박력을 독립적으로 조정할 수 있다.
멤브레인 홀더(25)와 헤드 본체(21) 사이에는 압력실(C5)이 형성되고, 이 압력실(C5)에는 기체 이송 라인(F5)을 통해 상기 기체 공급원(30)에 의해 가압 기체가 공급되도록 되어 있다. 또한, 기체 이송 라인(F5)에는 진공 라인(V5)이 접속되어 있고, 진공 라인(V5)에 의해 압력실(C5)에 부압이 형성되도록 되어 있다. 이에 의해, 멤브레인 홀더(25) 및 멤브레인(24) 전체가 상하 방향으로 움직일 수 있다.
웨이퍼(W)의 주위 단부는 리테이너 링(22)에 둘러싸여 있어, 연마 중에 웨이퍼(W)가 연마 헤드(1)로부터 튀어나오지 않도록 되어 있다. 압력실(C3)을 구성하는, 멤브레인(24)의 부위에는 개구가 형성되어 있고, 압력실(C3)에 진공을 형성함으로써 웨이퍼(W)가 연마 헤드(1)에 흡착 유지되도록 되어 있다. 또한, 이 압력실(C3)에 질소 가스나 클린 에어 등을 공급함으로써, 웨이퍼(W)가 연마 헤드(1)로부터 릴리스되도록 되어 있다.
헤드 본체(21)와 리테이너 링(22) 사이에는, 환상의 롤링 다이어프램(26)이 배치되어 있고, 이 롤링 다이어프램(26)의 내부에는 압력실(C6)이 형성되어 있다. 압력실(C6)은, 기체 이송 라인(F6)을 통해 상기 기체 공급원(30)에 연결되어 있다. 기체 공급원(30)은 가압 기체를 압력실(C6) 내에 공급하고, 이에 의해 리테이너 링(22)을 연마 패드(2)에 대해 압박한다. 또한, 기체 이송 라인(F6)에는 진공 라인(V6)이 접속되어 있고, 진공 라인(V6)에 의해 압력실(C6)에 부압이 형성되도록 되어 있다. 압력실(C6) 내에 진공이 형성되면, 리테이너 링(22)의 전체가 상승한다.
압력실(C1, C2, C3, C4, C5, C6)에 연통하는 기체 이송 라인(F1, F2, F3, F4, F5, F6)에는, 각각 압력 레귤레이터(R1, R2, R3, R4, R5, R6)가 설치되어 있다. 기체 공급원(30)으로부터의 가압 기체는, 압력 레귤레이터(R1∼R6)를 통해 압력실(C1∼C6) 내에 공급된다. 압력 레귤레이터(R1∼R6)는, 기체 이송 라인(F1∼F6)에 의해 압력실(C1∼C6)에 접속되어 있다. 기체 이송 라인(F1∼F6)은, 압력실(C1∼C6)로부터 로터리 조인트(28)를 경유하여 기체 공급원(30)까지 연장되어 있다.
압력 레귤레이터(R1∼R6)는, 기체 공급원(30)으로부터 공급되는 가압 기체의 압력을 조정함으로써, 압력실(C1∼C6) 내의 압력을 제어한다. 압력 레귤레이터(R1∼R6)는 처리부(9)에 접속되어 있다. 압력실(C1∼C6)은, 대기 개방 밸브(도시하지 않음)에도 접속되어 있어, 압력실(C1∼C6)을 대기 개방하는 것도 가능하다.
처리부(9)는, 압력실(C1∼C6) 각각의 목표 압력값을 설정하고, 압력실(C1∼C6) 내의 압력이 대응하는 목표 압력값으로 유지되도록 압력 레귤레이터(R1∼R6)를 조작한다. 특히, 처리부(9)는, 막 두께 센서(7)로부터의 막 두께 신호로부터 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정하고, 추정 막 두께에 기초하여 압력실(C1∼C4) 각각의 목표 압력값을 결정하고, 압력실(C1∼C4) 내의 압력이 대응하는 목표 압력값으로 유지되도록 압력 레귤레이터(R1∼R4)를 조작한다. 예를 들어, 처리부(9)는 추정 막 두께가 작은 웨이퍼 영역에 대응하는 압력실의 압력을 낮게 하고, 추정 막 두께가 큰 웨이퍼 영역에 대응하는 압력실의 압력을 높게 한다.
웨이퍼(W)는 다음과 같이 하여 연마된다. 연마 테이블(3) 및 연마 헤드(1)를 도 1의 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키면서, 연마액 공급 노즐(5)로부터 연마액이 연마 테이블(3) 상의 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 공급된다. 웨이퍼(W)는 연마 헤드(1)에 의해 회전되면서, 연마 패드(2) 상에 연마액이 존재한 상태에서 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박된다. 웨이퍼(W)의 표면은, 연마액에 포함되는 지립에 의한 기계적 작용과, 연마액의 화학적 작용에 의해 연마된다.
막 두께 센서(7)는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 연마 패드(2) 상의 웨이퍼(W)의 표면을 가로지르면서, 웨이퍼(W) 상의 복수의 측정점에서의 막 두께 신호를 출력한다. 처리부(9)는, 막 두께 신호로부터 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정하고, 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼(W)의 연마 동작을 제어한다. 예를 들어, 처리부(9)는 추정 막 두께가 목표 막 두께에 도달하였을 때, 웨이퍼(W)의 연마 동작을 종료시킨다.
연마 대상이 되는 웨이퍼(W)는, 도 19의 (a)에 도시하는 바와 같은, 직사각 형상의 단면을 갖는 볼록부가 그 표면에 형성된 웨이퍼이다. 본 실시 형태에서는, 볼록부에 있어서의 측정 위치의 차이에 관계없이, 막 두께 측정의 신뢰성을 향상시키기 위해, 볼록부 내에서 국소적으로 최대가 되는 막 두께, 즉, 볼록부의 최정상부의 막 두께를 이하와 같이 하여 결정한다.
도 3은, 연마 방법의 일 실시 형태를 나타내는 흐름도이다. 이 흐름도에 기재되어 있는 각 스텝은, 연마 테이블(3)이 1회전하는 동안에 실행된다. 이하에 설명하는 실시 형태에서는, 막 두께 센서(7)로서, 광학식 센서가 사용되고 있다. 스텝 1에서는, 웨이퍼(W)의 연마 개시 후, 연마 테이블(3)이 1회전하는 동안에, 막 두께 센서(7)는 웨이퍼(W)의 표면으로부터의 반사광의 강도를 파장마다 측정한다. 처리부(9)는, 막 두께 센서(7)에 의해 측정된, 각 파장에서의 반사광의 강도로부터 스펙트럼을 생성한다. 이 스펙트럼은, 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내고, 스펙트럼의 형상은 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라서 변화된다.
연마 테이블(3)의 회전 속도는, 통상 30∼120min-1 정도이고, 막 두께 센서(7)의 측정 주기는 수 ms 정도이므로, 직경 300㎜의 웨이퍼의 경우, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 수십 개 내지 100개를 초과하는 스펙트럼이 취득된다. 도 4는, 웨이퍼(W)의 표면 상의 측정점의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 막 두께 센서(7)는, 웨이퍼(W)의 표면을 가로지르면서, 각각의 측정점으로부터의 반사광의 강도를 측정하고, 처리부(9)는, 측정된 반사광의 강도로부터 스펙트럼을 생성한다. 측정점에는, 웨이퍼(W)의 중심점이 포함된다.
스텝 2에서는, 얻어진 모든 스펙트럼으로부터, 볼록부로부터 반사한 광의 스펙트럼을 선별한다. 스펙트럼의 선별법은, 볼록부의 구조와 그 밖의 영역의 구조에 의존한다. 일례에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 스펙트럼 상의 강도의 최댓값과 최솟값의 차가, 미리 설정된 값 이상인 스펙트럼을 선별할 수 있다. 도 5에 나타내는 종축은, 반사광의 강도를 나타내고 있지만, 반사광의 강도는, 상대 반사율 등의 지표값을 사용하여 나타내도 된다. 상대 반사율이라 함은, 광의 강도를 나타내는 지표값이며, 구체적으로는, 반사광의 강도와 각 파장에 대한 소정의 기준 강도의 비이다.
또한, 이와 같이 하여 선별된 스펙트럼으로부터 볼록부의 측정 막 두께를 결정한다. 측정 막 두께의 결정은, 공지의 기술을 사용하여 행해진다. 일례로서, 측정 막 두께의 결정은, 참조 스펙트럼과, 대응하는 막 두께의 관계를 나타내는 참조 데이터를 준비하고, 취득된 스펙트럼에 가장 가까운 참조 스펙트럼을 결정하고, 그 결정된 참조 스펙트럼에 미리 관련지어진 막 두께를 결정함으로써 행해진다. 참조 스펙트럼은, 광 반사의 시뮬레이션에 의해 취득된 이론 스펙트럼이어도 되고, 웨이퍼(W)와 동일 사양의 참조 웨이퍼를 연마하고 있을 때에 얻어진 실측 스펙트럼이어도 된다. 다른 예로서, 스펙트럼의 파장을 파수로 변환하여 고속 푸리에 변환을 스펙트럼에 적용함으로써 막 두께를 산출해도 된다.
스텝 3에서는, 처리부(9)는, 연마 개시 후의 연마 테이블(3)의 회전 횟수가 소정의 횟수 M 이상인지를 판단한다. 연마 테이블(3)의 최근의 회전 횟수가 소정의 횟수 M 미만이면 스텝 1로 되돌아가고, 막 두께 센서(7)는 연마 테이블(3)이 다음 회전을 행하고 있는 동안에, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 다시 측정하고, 처리부(9)는 반사광의 강도의 측정값으로부터 스펙트럼을 다시 생성한다.
연마 테이블(3)의 최근의 회전 횟수가 소정의 횟수 M 이상인 경우, 스텝 4에 있어서, 처리부(9)는, 웨이퍼면 내의 소정의 측정 영역에 있어서, 연마 테이블(3)이 최근의 횟수 M만큼 회전하고 있는 동안에 취득된 막 두께 신호로부터 구해진 볼록부의 측정 막 두께의 수가, 소정의 수 N 이상인지 여부를 판별한다. 측정 영역은, 1개여도 되고, 복수여도 된다. 복수의 측정 영역이 마련되는 경우, 스텝 4로부터 후술하는 스텝 9까지의 처리는, 측정 영역마다 실행된다. 복수의 측정 영역은, 바람직하게는 웨이퍼 중심으로부터의 거리(반경 위치)에 따라서 미리 정해진 동심원 형상의 영역이다. 웨이퍼 중심 상의 측정 영역은 원형의 영역이고, 다른 측정 영역은 일정 폭을 가진 환상의 영역이다. 단, 반드시 각 측정 영역이 서로 독립되어 있을 필요는 없고, 인접하는 2개의 측정 영역의 일부가 중복되어도 된다.
스텝 5에서는, 연마 테이블(3)의 최근의 M 회전의 동안의 측정 막 두께의 수가 소정의 수 N 이상인 경우, 처리부(9)는, 이들 측정 막 두께와, 대응하는 연마 테이블(3)의 회전 횟수로부터 특정되는 복수의 데이터점에 대해, 최소 제곱법 등을 이용하여 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정한다. 각 데이터점의 위치는, 막 두께를 종축, 연마 테이블(3)의 회전 횟수를 횡축에 갖는 좌표계 상에 지정된다. 회귀선은 직선이어도 되지만, 막 두께의 시간 변화의 비선형성이 강한 경우에는, 2∼3차의 다항식 회귀여도 된다. 회귀선이 직선인 경우, 회귀선은 1차 함수로 나타내어진다.
스텝 6에서는, 처리부(9)는, 스텝 5에서의 회귀선의 결정에 사용된 측정 막 두께의 수가 소정의 수 N보다 큰지 여부를 결정한다. 도시하고 있지 않지만, 스텝 6에 앞서, 처리부(9)는, 잔차가 플러스이고, 다른 데이터점으로부터 크게 이격된 데이터점을, 예외점으로서 제외해도 된다. 여기서, 잔차라 함은, 회귀선으로부터 데이터점까지의 거리이다. 데이터점이 회귀선의 상측에 있으면 잔차는 플러스이고, 하측에 있으면 잔차는 마이너스이다.
스텝 7에서는, 스텝 6에서의 측정 막 두께의 수가 소정의 수 N보다 큰 경우, 데이터점의 압축을 행한다. 더욱 구체적으로는, 회귀선의 결정에 사용된 전체 데이터점의 잔차 중, 최대의 잔차(플러스값)에 소정의 비율 F를 곱하여 얻어진 수치를, 데이터 제외를 위한 역치로 한다. 비율 F는, -1보다 크고, 또한 1보다 작다(-1＜F＜1). 바람직하게는, 비율 F는 0 이상이고 1보다 작은 값(0≤F＜1, 예를 들어 0.9)이다. 비율 F로서 -1에 가까운 값을 설정하면, 최대 잔차가 최소 잔차의 절댓값보다 큰 경우에 1점의 데이터도 제외되지 않게 되므로, 주의가 필요하다. 처리부(9)는, 가장 작은 잔차로부터 시작하여 잔차가 커지는 순으로 잔차를 역치와 비교하여, 데이터점의 수가 소정의 수 N을 하회하지 않는 한에 있어서, 역치를 하회하는 잔차를 갖는 데이터점을 제외한다.
또한, 데이터점의 수가 소정의 수 N이 될 때까지, 스텝 5로부터 스텝 7까지의 처리를 반복한다. 여기서, 스텝 5로부터 스텝 7까지의 처리를 반복하는 동작의 일례에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 6의 (a)에 나타내는 바와 같이, 처리부(9)는, 전체 데이터점에 대해 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정하고(스텝 5), 또한 회귀선의 결정에 사용된 측정 막 두께의 수가 소정의 수 N보다 큰지를 판단한다(스텝 6). 측정 막 두께의 수가 소정의 수 N보다 큰 경우는, 처리부(9)는, 도 6의 (b)에 나타내는 바와 같이, 최대의 값(플러스값)을 갖는 잔차 Rmax에 소정의 비율 F를 곱하여, 데이터점 제외를 위한 역치를 결정한다. 이 예에서는, 비율 F는 0이다. 따라서, 역치는 0이다. 처리부(9)는, 도 6의 (c)에 나타내는 바와 같이, 역치보다 작은 잔차를 갖는 데이터점을 삭제한다. 이 예의 역치는 0이므로, 회귀선보다 아래에 존재하는 데이터점이 삭제된다(스텝 7).
처리부(9)는, 다시 스텝 5를 실행한다. 즉, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 처리부(9)는 스텝 7에서 몇 개의 데이터점이 삭제된 후의 나머지의 전체 데이터점에 대해 회귀 분석을 다시 행하여, 새로운 회귀선을 결정한다. 그 후, 처리부(9)는 스텝 6 및 스텝 7을 동일하게 반복한다.
이와 같이 하면, 회귀선보다 하측에 있는 데이터점이 반복하여 제외되고, 또한 회귀선을 다시 긋는 조작이 반복된다. 따라서, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 연마 테이블(3)의 최근의 M 회전 중에 취득된 데이터점의 분포의 상단부에 회귀선이 근접하는 것이 기대된다. 비율 F를 작게 설정하면, 한 번에 제외되는 데이터점의 수가 작고 회귀선을 다시 긋는 횟수가 많아져 더욱 확실하게 데이터점의 분포 상단부에 일치하는 회귀선이 얻어진다. 반대로 비율 F를 크게 하면 최종적인 회귀선에 더 빨리 도달할 수 있다.
스텝 8에서는, 처리부(9)는 스텝 5에서 N개의 데이터점으로부터 구해진 회귀선을 나타내는 함수에 현재의 연마 테이블(3)의 회전 횟수를 대입하여, 상술한 소정의 측정 영역에 있어서의 현시점에서의 추정 막 두께를 결정한다. 이 결정된 추정 막 두께는, 웨이퍼의 볼록부의 최정상부의 막 두께, 즉 국소적으로 최대가 되는 막 두께에 상당한다.
스텝 4에 있어서 측정 막 두께의 수가 소정의 수 N 미만이었던 경우에는, 회귀선을 결정하기에 충분한 데이터점 수가 없다고 생각되므로, 과거의 추정 막 두께에 기초하여 현시점에 있어서의 추정 막 두께를 결정해도 된다(스텝 9). 예를 들어, 처리부(9)는 연마 테이블(3)이 전회 회전하고 있을 때에 얻어진 추정 막 두께를 현시점에 있어서의 추정 막 두께로서 채용해도 된다. 혹은, 처리부(9)는 최근의 복수의 회전 횟수분의 추정 막 두께로부터 연마 레이트(단위 시간당 막 두께 감소량)를 산출하여, 현시점에 있어서의 추정 막 두께를 산출해도 된다. 스텝 8 및 스텝 9에서 구해진 추정 막 두께에 대해서는, 미소한 변동을 억제하여 안정된 시간 변화를 얻기 위해, 또한 이동 평균 등의 평활화 처리를 행해도 된다.
스텝 10에 있어서는, 처리부(9)는, 스텝 8 또는 스텝 9에서 구해진 추정 막 두께가, 연마 종료 조건을 만족시키는지 여부를 판단한다. 처리부(9)는, 연마 종료 조건을 만족시키면 웨이퍼(W)의 연마를 종료시킨다. 연마 종료 조건으로서는, 예를 들어 추정 막 두께가 목표 막 두께를 하회하는 것을 들 수 있다.
웨이퍼(W)의 표면에 복수의 측정 영역이 설정되어 있는 경우, 일 실시 형태에서는, 처리부(9)는 복수의 측정 영역에 있어서 각각 취득된 추정 막 두께의 평균을 산출하고, 그 평균이 목표 막 두께를 하회한 시점을 연마 종점으로 해도 된다. 혹은, 어느 측정 영역에서의 국소적인 과연마를 피하기 위해, 처리부(9)는, 복수의 측정 영역에 있어서 각각 취득된 추정 막 두께의 최솟값을 산출하고, 그 최솟값이 목표 막 두께를 하회한 시점을 연마 종점으로 해도 된다. 또한, 복수의 측정 영역의 추정 막 두께 중, 소정의 수의 영역에서의 추정 막 두께가 목표 막 두께를 하회한 시점을 연마 종점으로 할 수도 있다. 대부분의 경우, 복수의 측정 영역에 대한 목표 막 두께는 동일하지만, 각각의 영역에 대해 개별적으로 목표 막 두께를 설정하는 것도 가능하다.
추정 막 두께는 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 밖에 얻어지지 않으므로, 현재의 추정 막 두께가 얻어지고 나서 다음의 추정 막 두께가 얻어질 때까지의 사이에, 실제의 막 두께가 목표 막 두께에 도달하는 경우도 있다. 따라서, 연마 종점의 검출 정밀도를 향상시키기 위해, 연마 테이블(3)의 바로 근처 소정의 회전 횟수분의 추정 막 두께를 기초로, 현시점보다 이후의 예측 막 두께를 외삽에 의해 결정하고, 이 예측 막 두께에 기초하여 연마 종점을 결정해도 된다. 이와 같이 하여 결정된 현시점보다 이후의 예측 막 두께는, 다음에 막 두께 신호가 취득된 시점에서 갱신된다.
스텝 10에 있어서 연마 종료 조건이 만족되어 있지 않다고 판단된 경우는, 복수의 측정 영역의 막 두께가 균일해지도록 연마 조건을 갱신해도 된다. 갱신되는 연마 조건으로서는, 복수의 측정 영역에 대응하는 연마 헤드(1)의 압력실(도 2의 부호 C1∼C4 참조) 내의 압력이 바람직하다. 기본적으로는, 연마 조건 갱신의 각 타이밍에 있어서, 추정 막 두께가 평균보다 두꺼운 측정 영역에 대응하는 압력실의 압력을 증가시키고, 평균보다 얇은 측정 영역에 대응하는 압력실의 압력을 감소시키게 된다. 또한, 연마 조건의 갱신은, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 행해질 필요는 없고, 연마 조건 변경에 대한 연마 레이트의 응답성을 고려하여 적절하게 결정된다. 웨이퍼(W)의 복수의 측정 영역에 복수의 목표 막 두께가 설정되어 있는 경우에 있어서는, 연마 후의 각 영역의 막 두께가 소정의 분포를 이루도록 제어하는 것도 가능하다.
도 8은, 도 3에 나타내는 방법에 따라서, 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 구한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 8에 있어서, 개개의 측정 막 두께를 ＋, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 ●로 나타내고 있다. 도 8에 나타내는 실험의 조건은 이하와 같다.
연마 테이블(3)의 회전 횟수의 소정의 값 M＝30
측정 막 두께의 소정의 수 N＝8
소정의 비율 F＝0
회귀 차수 1(직선 회귀)
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값은, 데이터점의 분포의 대략 상단부에 위치한다.
도 19의 (b)에 도시한 볼록부(106)의 프로파일은, 연마의 진행에 수반하여, 도 9에 도시하는 바와 같이 더욱 둥그스름한 경우가 있다. 이러한 경우, 측정 막 두께의 변동은 더욱 커지고, 데이터 분포의 상단부에 위치하는 데이터점도 소하게 되어 버린다. 이로 인해, 도 10에 나타내는 바와 같이, 추정 막 두께가 부정확해지거나 불안정해지거나 하는 경우가 있다.
이러한 경우, 연마 테이블(3)의 회전 횟수에 대해 설정된 상기 소정의 횟수 M을 크게 해도 된다. 혹은, 일 실시 형태에서는, 처리부(9)는, 연마 테이블(3)이 최근의 소정의 횟수 M만큼 회전하고 있는 동안에 얻어진 전체 데이터점(전체 측정 막 두께)에 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정하고, 이 회귀선을 나타내는 함수에 현재의 연마 테이블(3)의 회전 횟수를 대입하여 평균적인 막 두께를 산출하고, 필요에 따라서 이동 평균 등의 평활화 처리를 행한 후, 도 11에 나타내는 바와 같이, 산출된 평균적인 막 두께에 소정의 오프셋값을 더함으로써, 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 결정해도 된다. 이 실시 형태에서는, 처리부(9)는, 잔차에 비율 F를 곱하여 역치를 구하는 공정, 및 역치보다 작은 잔차를 갖는 데이터점을 제외하는 공정은 행하지 않는다.
오프셋값은, 사전에 동일 사양의 웨이퍼를 연마하고, 그 연마 중에 취득한 측정 막 두께, 및 연마를 중단하고 정지 상태에서 측정한 볼록부의 프로파일을 참조하여 결정된다. 오프셋값은, 연마 시간에 수반하여 변화되는 값으로서 정의할 수도 있다.
도 12는, 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께, 즉, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 결정하는 다른 실시 형태를 나타내는 그래프이다. 이 실시 형태에서는, 데이터점의 회귀 분석은 행해지지 않는다. 대신에, 처리부(9)는, 소정의 시간 내에 취득된 데이터점(점선으로 둘러싸인 데이터점)으로부터, 막 두께의 확률 분포(일점쇄선으로 나타냄)를 추정하고, 더 작은 측정 막 두께의 확률이 소정의 값(예를 들어 97％)으로 되는 추정 막 두께를 결정한다.
도 13은, 도 12에 나타내는 확률 분포를 나타내는 그래프이다. 도 13에 나타내는 예에서는, 결정해야 할 추정 막 두께, 즉 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값은, 더 작은 측정 막 두께의 확률이 97％로 되는 막 두께이다. 막 두께의 확률 분포는, 베이즈 추정 등의 공지의 방법을 이용하여 추정할 수 있다.
도 3에 나타낸 실시 형태는, 연마 테이블(3)에 설치된 1개의 막 두께 센서(7)를 사용하여 행해진다. 이 실시 형태에 따르면, 연마 중에 있어서, 웨이퍼면 상의 각 측정 영역에 관하여, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값이 얻어진다. 그러나, 최근, 연마 후의 막 두께 정밀도에 대한 요구는 강해지고 있다. 연마 테이블(3) 1회전마다 얻어지는 추정 막 두께에 기초하여 연마를 종료시키면, 연마 테이블(3) 1회전 동안에 연마가 지나치게 진행되어 요구 정밀도를 만족시킬 수 없는 경우가 있다. 막 두께 센서(7)의 개수를 증가시켜 막 두께를 더욱 빈번하게 추정하는 것도 한 방법이지만, 그것으로는 연마 장치의 구성이 복잡해지고 비용 증가로도 이어진다.
따라서, 일 실시 형태에서는, 처리부(9)는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 추정 막 두께가 목표 막 두께에 도달할 시간을 예측하고, 예측된 시간이, 연마 테이블(3)의 다음 회전에서의 추정 막 두께의 취득 시간보다 전이면, 그 예측된 시간에 웨이퍼의 연마를 종료시킨다. 예를 들어, 도 14에 나타내는 바와 같이, 현시점에서의 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 Dc, 소정의 연마 테이블 3회전 횟수를 K, 연마 테이블(3)의 회전 주기를 To, 현시점보다 K 회전 전의 시점에 있어서의 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값을 Dp, 목표 막 두께를 Dt로 할 때, 현시점으로부터 목표 막 두께에 도달할 때까지 필요로 하는 시간 T는 이하와 같이 하여 구해진다.
Figure 112016113197508-pat00001
혹은, 마찬가지의 사고방식에 따라서, 연마 테이블(3)의 주기보다 짧은 시간 간격, 예를 들어 1/10 주기의 시간 간격으로 예측 막 두께 D를 구하고, 예측 막 두께 D에 기초하여 연마 종점을 정해도 된다. Δt를 현시점 이후의 경과 시간으로 하면, 예측 막 두께 D는 이하와 같이 하여 구해진다.
Figure 112016113197508-pat00002
본 실시 형태에 따르면, 막 두께 측정의 실질적인 분해능이 향상되므로, 더욱 정확한 연마 종점 검출이 달성된다. 본 실시 형태에 있어서의 막 두께의 예측에 기초하는 종점 검지법은, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값에 한정되지 않고, 일반적인 측정 막 두께에 관하여 성립된다. 또한, 마찬가지의 사고방식은, 하층의 영향 등에 의해 연마 도중에 막 두께의 추정이 어려워진 경우에도, 대체 수단으로서 적용할 수 있다.
다음으로, 막 두께 센서(7)로서 광학식 센서를 사용한 연마 장치의 상세한 구성의 일례에 대해 도 15를 참조하여 설명한다. 도 15는, 연마 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다. 헤드 샤프트(10)는, 벨트 등의 연결 수단(17)을 통해 연마 헤드 모터(18)에 연결되어 회전되도록 되어 있다. 이 헤드 샤프트(10)의 회전에 의해, 연마 헤드(1)가 화살표로 나타내는 방향으로 회전한다.
막 두께 센서(7)는, 웨이퍼(W)의 표면에 광을 조사하여, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 수광하고, 그 반사광을 파장에 따라서 분해하도록 구성되어 있다. 막 두께 센서(7)는, 광을 웨이퍼(W)의 피연마면에 조사하는 투광부(42)와, 웨이퍼(W)로부터 되돌아오는 반사광을 수광하는 수광부로서의 광 파이버(43)와, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 소정의 파장 범위에 걸쳐 반사광의 강도를 측정하는 분광기(44)를 구비하고 있다.
연마 테이블(3)에는, 그 상면에서 개구되는 제1 구멍(50A) 및 제2 구멍(50B)이 형성되어 있다. 또한, 연마 패드(2)에는, 이들 구멍(50A, 50B)에 대응하는 위치에 통과 구멍(51)이 형성되어 있다. 구멍(50A, 50B)과 통과 구멍(51)은 연통하고, 통과 구멍(51)은 연마면(2a)에서 개구되어 있다. 제1 구멍(50A)은 액체 공급로(53) 및 로터리 조인트(도시하지 않음)를 통해 액체 공급원(55)에 연결되어 있고, 제2 구멍(50B)은 액체 배출로(54)에 연결되어 있다.
투광부(42)는, 다파장의 광을 발하는 광원(47)과, 광원(47)에 접속된 광 파이버(48)를 구비하고 있다. 광원(47)에는, 크세논 플래시 램프 등의 펄스 점등 광원이 사용된다. 광 파이버(48)는, 광원(47)에 의해 발해진 광을 웨이퍼(W)의 표면까지 유도하는 광 전송부이다. 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 선단부는, 제1 구멍(50A) 내에 위치하고 있고, 웨이퍼(W)의 피연마면의 근방에 위치하고 있다. 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 각 선단부는, 연마 헤드(1)에 보유 지지된 웨이퍼(W)를 향해 배치된다. 연마 테이블(3)이 회전할 때마다 웨이퍼(W)의 복수의 측정점에 광이 조사된다. 바람직하게는, 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 각 선단부는, 연마 헤드(1)에 보유 지지된 웨이퍼(W)의 중심을 통과하도록 배치된다.
웨이퍼(W)의 연마 중에는, 액체 공급원(55)으로부터는, 투명한 액체로서 물(바람직하게는 순수)이 액체 공급로(53)를 통해 제1 구멍(50A)에 공급되어, 웨이퍼(W)의 하면과 광 파이버(48, 43)의 선단부 사이의 공간을 채운다. 물은, 또한 제2 구멍(50B)으로 유입되고, 액체 배출로(54)를 통해 배출된다. 연마액은 물과 함께 배출되고, 이에 의해 광로가 확보된다. 액체 공급로(53)에는, 연마 테이블(3)의 회전에 동기하여 작동하는 밸브(도시하지 않음)가 설치되어 있다. 이 밸브는, 통과 구멍(51) 상에 웨이퍼(W)가 위치하지 않을 때에는 물의 흐름을 멈추거나, 또는 물의 유량을 적게 하도록 동작한다.
광 파이버(48)와 광 파이버(43)는 서로 병렬로 배치되어 있다. 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 각 선단부는, 웨이퍼(W)의 표면에 대해 수직으로 배치되어 있고, 광 파이버(48)는 웨이퍼(W)의 표면에 수직으로 광을 조사하도록 되어 있다.
웨이퍼(W)의 연마 중에는, 투광부(42)로부터 광이 웨이퍼(W)에 조사되고, 광 파이버(수광부)(43)에 의해 웨이퍼(W)로부터의 반사광이 수광된다. 분광기(44)는, 각 파장에서의 반사광의 강도를 소정의 파장 범위에 걸쳐 측정하고, 얻어진 측정 데이터를 처리부(9)로 보낸다. 이 측정 데이터는, 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라서 변화되는 막 두께 신호이다. 처리부(9)는, 측정 데이터로부터 파장마다의 광의 강도를 나타내는 스펙트럼을 생성하고, 또한 스펙트럼으로부터 웨이퍼(W)의 막 두께를 추정한다.
다음으로, 막 두께 센서(7)로서 광학식 센서를 사용한 경우의 막 두께 측정의 원리의 일례에 대해 도 16의 (a) 및 도 16의 (b)를 참조하여 설명한다. 도 16의 (a)는, 광학식 센서를 사용한 막 두께 측정의 원리를 설명하기 위한 모식도이고, 도 16의 (b)는 웨이퍼(W)와 연마 테이블(3)의 위치 관계를 도시하는 평면도이다. 도 16의 (a)에 도시하는 예에서는, 웨이퍼(W)는, 하층막과, 그 위에 형성된 상층막을 갖고 있다. 상층막은, 예를 들어 광을 투과 가능한 절연막이다. 투광부(42) 및 수광부(43)는 웨이퍼(W)의 표면에 대향하여 배치되어 있다. 투광부(42)는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 웨이퍼(W)의 중심을 포함하는 복수의 측정점에 광을 조사한다.
웨이퍼(W)에 조사된 광은, 매질(도 16의 (a)의 예에서는 물)과 상층막의 계면 및 상층막과 하층막의 계면에서 반사하고, 이들의 계면에서 반사한 광의 파가 서로 간섭한다. 이 광의 파의 간섭 방법은, 상층막의 두께(즉, 광로 길이)에 따라서 변화된다. 이로 인해, 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성되는 스펙트럼은, 상층막의 두께에 따라서 변화된다. 분광기(44)는, 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정한다. 처리부(9)는, 분광기(44)로부터 얻어진 반사광의 강도의 측정 데이터로부터 스펙트럼을 생성한다. 반사광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 17은, 처리부(9)에 의해 생성된 스펙트럼의 일례를 나타내는 도면이다. 도 17에 있어서, 횡축은 웨이퍼로부터 반사한 광의 파장을 나타내고, 종축은 반사한 광의 강도로부터 유도되는 상대 반사율을 나타낸다. 이 상대 반사율이라 함은, 광의 강도를 나타내는 하나의 지표이며, 구체적으로는, 광의 강도와 소정의 기준 강도의 비이다. 각 파장에 있어서 광의 강도(실측 강도)를 소정의 기준 강도로 나눔으로써, 장치의 광학계나 광원 고유의 강도의 변동 등의 불필요한 노이즈가 실측 강도로부터 제거되고, 이에 의해 막의 두께 정보만을 반영한 스펙트럼을 얻을 수 있다.
기준 강도는, 각 파장에 대해 미리 취득된 강도이며, 상대 반사율은 각 파장에 있어서 산출된다. 구체적으로는, 각 파장에서의 광의 강도(실측 강도)를, 대응하는 기준 강도로 제산함으로써 상대 반사율이 구해진다. 기준 강도는, 예를 들어 막이 형성되어 있지 않은 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 물의 존재하에서 물 연마하고 있을 때에 얻어진 광의 강도로 할 수 있다. 실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건하에서 얻어진 배경 강도)을 감산하여 보정 실측 강도를 구하고, 또한 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 감산하여 보정 기준 강도를 구하고, 그리고 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 제산함으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은, 다음 식을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112016113197508-pat00003
여기서, λ는 파장이고, E(λ)는 웨이퍼로부터 반사한 파장 λ에서의 광의 강도이고, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이고, D(λ)는 광을 차단한 상태에서 취득된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 사람이 본 발명을 실시할 수 있는 것을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는, 당업자라면 당연히 이룰 수 있는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은, 기재된 실시 형태에 한정되지 않고, 청구범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해야 한다.
1 : 연마 헤드
2 : 연마 패드
3 : 연마 테이블
5 : 연마액 공급 노즐
7 : 막 두께 센서
9 : 처리부
10 : 헤드 샤프트
21 : 헤드 본체
22 : 리테이너 링
24 : 멤브레인
25 : 멤브레인 홀더
26 : 롤링 다이어프램
28 : 로터리 조인트
30 : 기체 공급원
42 : 투광부
43 : 수광부(광 파이버)
44 : 분광기
47 : 광원
48 : 광 파이버

Claims (10)

  1. 표면에 볼록부가 형성된 웨이퍼를 연마하는 방법이며,
    연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고,
    웨이퍼의 표면을 상기 연마 패드에 압박하고,
    상기 연마 테이블이 최근의 소정의 횟수만큼 회전하고 있는 동안에, 상기 연마 테이블에 설치된 막 두께 센서로부터의 복수의 막 두께 신호를 취득하고,
    상기 복수의 막 두께 신호로부터 최근의 복수의 측정 막 두께를 결정하고,
    상기 최근의 복수의 측정 막 두께에 기초하여, 국소적으로 최대가 되는 막 두께의 추정값인 상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하고,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마를 감시하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은,
    상기 최근의 복수의 측정 막 두께와, 대응하는 상기 연마 테이블의 회전 횟수에 의해 특정되는 복수의 데이터점에 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정하고,
    상기 회귀선을 나타내는 함수에 상기 연마 테이블의 현재의 회전 횟수를 대입함으로써, 추정 막 두께를 결정하는 공정인 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은,
    상기 회귀선을 결정한 후에, 상기 회귀선보다 하측에 있는 데이터점 중 적어도 1개를 상기 복수의 데이터점으로부터 제외하고,
    상기 적어도 1개의 데이터점이 제외된 상기 복수의 데이터점에 회귀 분석을 행하여 새로운 회귀선을 결정하는 공정을 더 포함하고,
    상기 연마 테이블의 현재의 회전 횟수를, 상기 새로운 회귀선을 나타내는 함수에 대입함으로써 추정 막 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은,
    상기 최근의 복수의 측정 막 두께와, 대응하는 상기 연마 테이블의 회전 횟수에 의해 특정되는 복수의 데이터점에 회귀 분석을 행하여 회귀선을 결정하고,
    상기 회귀선을 나타내는 함수에 상기 연마 테이블의 현재의 회전 횟수를 대입하여 얻어진 값에 소정의 오프셋값을 가산함으로써, 추정 막 두께를 결정하는 공정인 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께를 결정하는 공정은,
    상기 최근의 복수의 측정 막 두께의 확률 분포를 생성하고,
    더 작은 측정 막 두께의 확률이 소정의 값으로 되는 추정 막 두께를 결정하는 공정인 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 막 두께 센서는, 펄스 점등 광원을 갖는 광학식 센서인 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 막 두께 센서는, 와전류 센서인 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마 종점을 결정하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마 조건을 변경하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 볼록부의 최정상부의 추정 막 두께의 현재의 값과 과거의 값에 기초하여, 상기 막 두께 센서가 다음에 막 두께 신호를 취득하기 전에, 상기 볼록부의 최정상부의 막 두께를 예측하고, 상기 예측된 막 두께에 기초하여 웨이퍼의 연마 종점을 결정하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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