KR102131090B1 - 연마 방법 및 연마 장치 - Google Patents

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마사키 기노시타
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은, 웨이퍼 등의 기판으로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보에 기초하여 막 두께를 측정하면서 상기 기판을 연마하는 연마 방법 및 연마 장치에 관한 것이다. 연마 방법은, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 각각 포함하는 복수의 스펙트럼 그룹을 준비하고, 기판에 광을 조사하면서, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 반사광으로부터 샘플링 스펙트럼을 생성하고, 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택하고, 기판을 연마하면서 측정 스펙트럼을 생성하고, 기판의 연마 중에 생성된 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 선택된 스펙트럼 그룹으로부터 선택하고, 선택된 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 취득한다.

Description

연마 방법 및 연마 장치{POLISHING METHOD AND POLISHING APPARATUS}
본 발명은, 웨이퍼 등의 기판으로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보에 기초하여 막 두께를 측정하면서 상기 기판을 연마하는 연마 방법 및 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에는, 웨이퍼의 표면을 연마하기 위해서, 연마 장치, 보다 상세하게는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 장치가 널리 사용되고 있다. CMP 장치는, 일반적으로, 연마 중의 웨이퍼 막 두께를 측정하기 위한 막 두께 측정기를 구비하고 있다. CMP 장치는, 웨이퍼를 연마하면서 막 두께를 측정하고, 막 두께의 측정값에 기초하여 웨이퍼의 연마 종점을 검출하거나, 혹은 웨이퍼 면 내의 잔막 두께의 분포를 제어하도록 구성되어 있다. CMP 장치에 있어서 측정의 대상으로 하는 막 두께는, 최상층의 피연마막의 두께이며, 본 명세서에서도 특별히 단서가 없는 한 「막 두께」는 「피연마막의 두께」를 가리키도록 한다.
막 두께 측정기의 일례로서, 광학식 막 두께 측정기가 알려져 있다. 이 광학식 막 두께 측정기는, 웨이퍼의 표면에 광을 조사하고, 웨이퍼로부터의 반사광을 수광하고, 반사광의 스펙트럼으로부터 웨이퍼의 막 두께를 결정하도록 구성된다. 반사광의 스펙트럼은, 웨이퍼의 막 두께에 따라서 변화한다. 따라서, 광학식 막 두께 측정기는, 스펙트럼에 기초하여 막 두께를 결정할 수 있다.
일본 특허공표 제2008-503356호 공보 국제 공개 제2008/032753호 팸플릿
그러나, 피연마막에 관하여 동일한 막 두께 조건하에 있어서도, 막의 하지층의 구조의 변동에 기인하여 반사광의 스펙트럼이 변화되는 경우가 있다. 예를 들어, 하지층에 형성된 오목부의 깊이나 폭에 따라서 반사광의 스펙트럼이 변화한다. 도 19는, 웨이퍼의 표면 구조를 나타내는 단면도이다. 웨이퍼의 노출면을 구성하는 막(100)(예를 들어, SiO2막)은, 하지층(101)(예를 들어, 실리콘층)의 위에 형성되어 있다. 하지층(101)에는 오목부(103)가 형성되어 있으며, 오목부(103)는 막(100)의 일부로 채워져 있다. 부호 t1은 막(100)의 두께를 나타내고, 부호 t2는 오목부(103)의 깊이를 나타내고, 부호 d2는 오목부(103)의 폭을 나타내며, 부호 d1은 하지층(101)의 오목부(103) 이외의 부분의 폭을 나타내고 있다.
도 20은, 오목부(103)의 깊이 t2에 따라서 변화하는 반사광의 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 20의 종축은 광의 반사율(실리콘 웨이퍼의 물연마 시의 반사광에 대한 상대 반사율)을 나타내고, 횡축은 광의 파장을 나타내고 있다. 도 20에 도시한 스펙트럼은, 막(100)의 두께 t1, 및 폭 d1에 대한 폭 d2의 비는 바꾸지 않고, 오목부(103)의 깊이 t2를 조금씩 변화시킨 조건에서 실시된 광 반사의 시뮬레이션으로부터 얻어진 것이다. 도 20으로부터 알 수 있는 바와 같이, 막(100)의 두께 t1이 동일하여도, 오목부(103)의 깊이 t2가 변화함에 따라서 반사광의 스펙트럼이 어긋나버린다.
도 21은, 오목부(103)의 폭 d2에 따라서 변화하는 반사광의 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 21에 도시한 스펙트럼은, 막(100)의 두께 t1 및 오목부(103)의 깊이 t2는 바꾸지 않고, 오목부(103)의 폭 d2(보다 구체적으로는, 폭 d1에 대한 폭 d2의 비)를 조금씩 변화시킨 조건에서 실시된 광 반사의 시뮬레이션으로부터 얻어진 것이다. 도 21로부터 알 수 있는 바와 같이, 막(100)의 두께 t1이 동일하더라도, 오목부(103)의 폭 d2가 변화함에 따라서 반사광의 스펙트럼이 어긋나버린다.
실제의 웨이퍼에 있어서는, 물론, 막이나 배선이 몇 층이나 적층되어 있으며, 제조 과정 각 단계의 연마에 있어서, 대부분의 경우, 피연마막(하층에 요철이 있는 경우에는 볼록부 위에 형성되어 있는 막)의 두께를 제어하는 것이 요구된다. 본 명세서에서는, 피연마막보다 하측에 있는 각 층을 포괄하여 하지층이라 부르기로 한다.
본 발명은, 하지층의 구조의 변동의 영향을 배제하고, 정확한 막 두께를 측정할 수 있는 연마 방법 및 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태는, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 각각 포함하는 복수의 스펙트럼 그룹을 준비하고, 기판에 광을 조사하면서, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 스펙트럼 그룹을 선택하기 위한 샘플링 스펙트럼을 상기 반사광으로부터 생성하고, 상기 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택하고, 상기 기판을 연마하면서, 막 두께를 취득하기 위한 측정 스펙트럼을 생성하고, 상기 기판의 연마 중에 생성된 상기 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 상기 선택된 스펙트럼 그룹으로부터 선택하고, 상기 선택된 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 취득하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 다른 형태는, 참조 기판을 연마하여 복수의 참조 스펙트럼을 포함하는 적어도 하나의 스펙트럼 그룹을 취득하고, 상기 참조 기판의 연마 레이트가 일정하다고 간주할 수 있도록 상기 복수의 참조 스펙트럼을 보정하여, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 보정 참조 스펙트럼을 취득하고, 기판에 광을 조사하면서, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 상기 기판을 연마하면서, 막 두께를 취득하기 위한 측정 스펙트럼을 생성하고, 상기 기판의 연마 중에 생성된 상기 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 보정 참조 스펙트럼을 상기 적어도 하나의 스펙트럼 그룹으로부터 선택하고, 상기 선택된 보정 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 취득하는 것을 특징으로 하는 연마 방법이다.
본 발명의 다른 형태는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 상기 연마 패드에 기판을 압박하여 상기 기판을 연마하는 연마 헤드와, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 각각 포함하는 복수의 스펙트럼 그룹이 기억된 기억 장치와, 상기 기판의 막 두께를 취득하는 광학식 막 두께 측정기를 구비하고, 상기 광학식 막 두께 측정기는, 기판에 광을 조사하면서, 상기 기판으로부터의 반사광을 수광하고, 스펙트럼 그룹을 선택하기 위한 샘플링 스펙트럼을 상기 반사광으로부터 생성하고, 상기 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택하고, 상기 기판을 연마하면서, 막 두께를 취득하기 위한 측정 스펙트럼을 생성하고, 상기 기판의 연마 중에 생성된 상기 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 상기 선택된 스펙트럼 그룹으로부터 선택하고, 상기 선택된 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 취득하는 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명에 의하면, 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택함으로써, 하지층의 구조의 차이의 영향을 배제할 수 있다. 결과적으로, 피연마막에 관하여, 보다 정확한 막 두께를 취득할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 연마 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 연마 헤드의 상세 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 광학식 막 두께 측정기를 구비한 연마 장치를 나타내는 모식 단면도이다.
도 4는, 광학식 막 두께 측정기의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는, 웨이퍼와 연마 테이블과의 위치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 6은, 처리부에 의해 생성된 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 7은, 얻어진 측정 스펙트럼과 복수의 참조 스펙트럼과의 비교로부터 막 두께를 결정하는 프로세스를 설명하는 도면이다.
도 8은, 참조 웨이퍼의 막 두께와 연마 시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 샘플링 스펙트럼과 참조 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 10은, 복수의 스펙트럼 그룹으로부터 하나의 스펙트럼 그룹을 선택하는 공정을 설명하는 모식도이다.
도 11은, 1매의 웨이퍼를 연마하는 동안의 연마 테이블의 각 회전에 있어서의 막 두께 결정의 흐름의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 12는, 스펙트럼 그룹을 관리하기 위한 데이타베이스 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 13은, 1매의 타깃 웨이퍼에 대하여, 복수의 스펙트럼 그룹을 사용해서 추정된 연마 중의 막 두께 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 14는, 참조 웨이퍼 연마 중의 연마 레이트가 일정하다고 간주할 수 있도록, 대응하는 참조 스펙트럼을 보정하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는, 보정 참조 스펙트럼의 효과를 나타내는 도면이다.
도 16은, 도 14에 도시한 추정선을 구하기 위한 하나의 방법을 나타내는 그래프이다.
도 17은, 추정선을 얻기 위한 다른 방법을 설명하는 그래프이다.
도 18은, 도 13에 도시한 타깃 웨이퍼와 스펙트럼 그룹에 관하여, 스펙트럼 변화량을 이용한 방법에 의해 참조 스펙트럼을 보정해서 얻어진 막 두께 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 19는, 웨이퍼의 표면 구조를 나타내는 단면도이다.
도 20은, 하지층에 형성된 오목부의 깊이에 따라서 변화하는 반사광의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 21은, 하지층에 형성된 오목부의 폭에 따라서 변화하는 반사광의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는, 연마면(1a)을 갖는 연마 패드(1)가 설치된 연마 테이블(3)과, 기판의 일례인 웨이퍼(W)를 보유 지지하고 또한 웨이퍼(W)를 연마 테이블(3) 위의 연마 패드(1)에 가압하면서 연마하기 위한 연마 헤드(5)와, 연마 패드(1)에 연마액(예를 들어 슬러리)을 공급하기 위한 연마액 공급 노즐(10)과, 웨이퍼(W)의 연마를 제어하는 연마 제어부(12)를 구비하고 있다.
연마 테이블(3)은, 테이블 축(3a)을 개재하여 그 하방에 배치되는 테이블 모터(19)에 연결되어 있으며, 이 테이블 모터(19)에 의해 연마 테이블(3)이 화살표로 나타내는 방향으로 회전되도록 되어 있다. 이 연마 테이블(3)의 상면에는 연마 패드(1)가 점착되어 있으며, 연마 패드(1)의 상면이 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면(1a)을 구성하고 있다. 연마 헤드(5)는 연마 헤드 샤프트(16)의 하단부에 연결되어 있다. 연마 헤드(5)는, 진공 흡인에 의해 그 하면에 웨이퍼(W)를 보유 지지할 수 있도록 구성되어 있다. 연마 헤드 샤프트(16)는, 도시하지 않은 상하 이동 기구에 의해 상하 이동하도록 되어 있다.
웨이퍼(W)의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 연마 헤드(5) 및 연마 테이블(3)을 각각 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키고, 연마액 공급 노즐(10)로부터 연마 패드(1) 위에 연마액(슬러리)을 공급한다. 이 상태에서, 연마 헤드(5)는, 웨이퍼(W)를 연마 패드(1)의 연마면(1a)에 압박한다. 웨이퍼(W)의 표면은, 연마액에 포함되는 지립의 기계적 작용과 연마액의 화학적 작용에 의해 연마된다.
도 2는, 연마 헤드(5)의 상세 구조를 나타내는 단면도이다. 연마 헤드(5)는, 원판 형상의 캐리어(6)와, 캐리어(6)의 아래에 복수의 압력실 D1, D2, D3, D4를 형성하는 원형의 유연한 탄성막(7)과, 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 배치되고, 연마 패드(1)를 압박하는 리테이너 링(8)을 구비하고 있다. 압력실 D1, D2, D3, D4는 탄성막(7)과 캐리어(6)의 하면과의 사이에 형성되어 있다.
탄성막(7)은, 복수의 환 형상의 구획벽(7a)을 갖고 있으며, 압력실 D1, D2, D3, D4는 이들 구획벽(7a)에 의해 서로 구획되어 있다. 중앙의 압력실 D1은 원형이며, 다른 압력실 D2, D3, D4는 환 형상이다. 이들 압력실 D1, D2, D3, D4는, 동심원상으로 배열되어 있다. 연마 헤드(5)는 1개의 압력실만을 구비해도 되며, 또는 5개 이상의 압력실을 구비해도 된다.
압력실 D1, D2, D3, D4는, 유체 라인 G1, G2, G3, G4에 접속되어 있으며, 압력 조정된 가압 유체(예를 들어 가압 공기 등의 가압 기체)가 유체 라인 G1, G2, G3, G4를 통하여 압력실 D1, D2, D3, D4 내에 공급되도록 되어 있다. 유체 라인 G1, G2, G3, G4에는 진공 라인 U1, U2, U3, U4가 접속되어 있으며, 진공 라인 U1, U2, U3, U4에 의해 압력실 D1, D2, D3, D4에 부압이 형성되도록 되어 있다. 압력실 D1, D2, D3, D4의 내부 압력은 서로 독립해서 변화시키는 것이 가능하며, 이에 의해, 웨이퍼(W)가 대응하는 4개의 영역, 즉, 중앙부, 내측 중간부, 외측 중간부, 및 주연부에 대한 연마 압력을 독립적으로 조정할 수 있다.
리테이너 링(8)과 캐리어(6)의 사이에는, 환 형상의 탄성막(9)이 배치되어 있다. 이 탄성막(9)의 내부에는 환 형상의 압력실 D5가 형성되어 있다. 이 압력실 D5는, 유체 라인 G5에 접속되어 있으며, 압력 조정된 가압 유체(예를 들어 가압 공기)가 유체 라인 G5를 통하여 압력실 D5 내에 공급되도록 되어 있다. 또한, 유체 라인 G5에는 진공 라인 U5가 접속되어 있으며, 진공 라인 U5에 의해 압력실 D5에 부압이 형성되도록 되어 있다. 압력실 D5 내의 압력 변화에 수반하여, 리테이너 링(8)의 전체가 상하 방향으로 움직일 수 있다. 압력실 D5 내의 압력은 리테이너 링(8)에 가해지고, 리테이너 링(8)은 탄성막(7)과는 독립적으로 연마 패드(1)를 직접 가압할 수 있도록 구성되어 있다. 웨이퍼(W)의 연마 중, 리테이너 링(8)은 웨이퍼(W)의 주위에서 연마 패드(1)를 압박하면서, 탄성막(7)이 웨이퍼(W)를 연마 패드(1)에 대하여 압박한다.
캐리어(6)는, 헤드 샤프트(16)의 하단부에 고정되어 있으며, 헤드 샤프트(16)는, 상하 이동 기구(20)에 연결되어 있다. 이 상하 이동 기구(20)는, 헤드 샤프트(16) 및 연마 헤드(5)를 상승 및 하강시키고, 또한 연마 헤드(5)를 소정의 높이에 위치시키도록 구성되어 있다. 이 연마 헤드 위치 결정 기구로서 기능하는 상하 이동 기구(20)로서는, 서보 모터와 볼 나사 기구의 조합이 사용된다.
상하 이동 기구(20)는, 연마 헤드(5)를 소정의 높이에 위치시키고, 이 상태에서, 압력실 D1 내지 D5에 가압 유체가 공급된다. 탄성막(7)은, 압력실 D1 내지 D4 내의 압력을 받아서 웨이퍼(W)를 연마 패드(1)에 대하여 압박하고, 리테이너 링(8)은, 압력실 D5 내의 압력을 받아서 연마 패드(1)를 압박한다. 이 상태에서 웨이퍼(W)가 연마된다.
연마 장치는, 웨이퍼(W)의 막 두께를 취득하는 광학식 막 두께 측정기(25)를 구비하고 있다. 이 광학식 막 두께 측정기(25)는, 웨이퍼(W)의 막 두께에 따라서 변화하는 광학 신호를 취득하는 막 두께 센서(31)와, 광학 신호로부터 막 두께를 결정하는 처리부(32)를 구비하고 있다. 막 두께 센서(31)는 연마 테이블(3)의 내부에 배치되어 있으며, 처리부(32)는 연마 제어부(12)에 접속되어 있다. 막 두께 센서(31)는, 기호 A로 나타낸 바와 같이 연마 테이블(3)과 일체로 회전하고, 연마 헤드(5)에 보유 지지된 웨이퍼(W)의 광학 신호를 취득한다. 막 두께 센서(31)는 처리부(32)에 접속되어 있으며, 막 두께 센서(31)에 의해 취득된 광학 신호는 처리부(32)에 보내지도록 되어 있다.
도 3은, 광학식 막 두께 측정기(25)를 구비한 연마 장치를 나타내는 모식 단면도이다. 연마 헤드 샤프트(16)는, 벨트 등의 연결 수단(17)을 개재해서 연마 헤드 모터(18)에 연결되어 회전되도록 되어 있다. 이 연마 헤드 샤프트(16)의 회전에 의해, 연마 헤드(5)가 화살표로 나타내는 방향으로 회전한다.
전술한 바와 같이, 광학식 막 두께 측정기(25)는, 막 두께 센서(31)와 처리부(32)를 구비한다. 막 두께 센서(31)는, 웨이퍼(W)의 표면에 광을 쏘여서, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 수광하고, 그 반사광을 파장에 따라서 분해하도록 구성되어 있다. 막 두께 센서(31)는, 광을 웨이퍼(W)의 피연마면에 조사하는 투광부(42)와, 웨이퍼(W)로부터 되돌아 오는 반사광을 수광하는 수광부로서의 광 파이버(43)와, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 소정의 파장 범위에 걸쳐서 반사광의 강도를 측정하는 분광기(44)를 구비하고 있다.
연마 테이블(3)에는, 그 상면에서 개구하는 제1 구멍(50A) 및 제2 구멍(50B)이 형성되어 있다. 또한, 연마 패드(1)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(1a)에서 개구하고 있다. 제1 구멍(50A)은 액체 공급로(53) 및 로터리 조인트(도시생략)를 개재해서 액체 공급원(55)에 연결되어 있으며, 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. 광 파이버(48)는, 광원(47)에 의해 발해진 광을 웨이퍼(W)의 표면까지 유도하는 광전송부이다. 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 선단은, 제1 구멍(50A) 내에 위치하고 있으며, 웨이퍼(W)의 피연마면의 근방에 위치하고 있다. 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 각 선단은, 연마 헤드(5)에 보유 지지된 웨이퍼(W)를 향해서 배치된다. 연마 테이블(3)이 회전할 때마다 웨이퍼(W)의 복수의 영역에 광이 조사된다. 바람직하게는, 광 파이버(48) 및 광 파이버(43)의 각 선단은, 연마 헤드(5)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 공급되고, 웨이퍼(W)의 하면과 광 파이버(48, 43)의 선단과의 사이의 공간을 채운다. 물은, 또한 제2 구멍(50B)에 유입되고, 액체 배출로(54)를 통해서 배출된다. 연마액은 물과 함께 배출되고, 이에 의해 광로가 확보된다. 액체 공급로(53)에는, 연마 테이블(3)의 회전에 동기하여 작동하는 밸브(도시생략)가 설치되어 있다. 이 밸브는, 통과 구멍(51) 위에 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 선단은, 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 수직으로 배치되어 있으며, 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 걸쳐서 측정하고, 얻어진 광 강도 데이터를 처리부(32)로 보낸다. 이 광 강도 데이터는, 웨이퍼(W)의 막 두께를 반영한 광학 신호이며, 반사광의 강도 및 대응하는 파장으로부터 구성된다. 처리부(32)는, 광 강도 데이터로부터 파장마다의 광의 강도를 나타내는 스펙트럼을 생성하고, 또한 스펙트럼으로부터 웨이퍼(W)의 막 두께를 결정한다.
도 4는, 광학식 막 두께 측정기(25)의 원리를 설명하기 위한 모식도이며, 도 5는, 웨이퍼(W)와 연마 테이블(3)과의 위치 관계를 나타내는 평면도이다. 도 4에 도시한 예에서는, 웨이퍼(W)는 하층막과, 그 위에 형성된 상층막을 갖고 있다. 상층막은, 예를 들어 실리콘층 또는 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 영역에 광을 조사한다.
웨이퍼(W)에 조사된 광은, 매질(도 4의 예에서는 물)과 상층막과의 계면, 및 상층막과 하층막과의 계면에서 반사하고, 이들 계면에서 반사한 광파가 서로 간섭한다. 이 광파의 간섭 방법은, 상층막의 두께(즉 광로 길이)에 따라서 변화한다. 이로 인해, 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성되는 스펙트럼은, 상층막의 두께에 따라서 변화한다. 분광기(44)는, 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정한다. 처리부(32)는, 분광기(44)로부터 얻어진 반사광의 강도 데이터(광학 신호)로부터 스펙트럼을 생성한다. 이하, 연마되는 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성된 스펙트럼을, 측정 스펙트럼이라고 한다. 이 측정 스펙트럼은, 광의 파장과 강도와의 관계를 나타내는 선 그래프(즉 분광 파형)로서 나타낸다. 광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 6은, 처리부(32)에 의해 생성된 측정 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 6에 있어서, 횡축은 웨이퍼로부터 반사한 광의 파장을 나타내고, 종축은 반사한 광의 강도로부터 유도되는 상대 반사율을 나타낸다. 이 상대 반사율이란, 광의 반사 강도를 나타내는 하나의 지표이며, 구체적으로는, 광의 강도와 소정의 기준 강도와의 비다. 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 측정 스펙트럼을 얻을 수 있다.
기준 강도는, 각 파장에 대하여 미리 취득된 강도이며, 상대 반사율은 각 파장에 있어서 산출된다. 구체적으로는, 각 파장에서의 광의 강도(실측 강도)를 대응하는 기준 강도로 나눔으로써 상대 반사율이 구해진다. 기준 강도는, 예를 들어 막이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 물의 존재하에서 물연마하고 있을 때 얻어진 광의 강도로 할 수 있다. 실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건하에서 얻어진 배경 강도)을 빼서 보정 실측 강도를 구하고, 또한 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 빼서 보정 기준 강도를 구하고, 그리고, 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 나눔으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은, 다음의 식을 이용하여 구할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112016110838686-pct00001
여기서, λ는 파장이며, E(λ)는 웨이퍼로부터 반사한 파장 λ에서의 광의 강도이며, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이며, D(λ)는 광을 차단한 상태에서 취득된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
처리부(32)는, 측정 스펙트럼과 복수의 참조 스펙트럼과의 비교로부터 막 두께를 결정하도록 구성되어 있다. 광학식 막 두께 측정기(25)는, 복수의 참조 스펙트럼을 저장한, 도 1 및 도 3에 도시한 기억 장치(58)에 접속되어 있다. 도 7은, 측정 스펙트럼과 복수의 참조 스펙트럼과의 비교로부터 막 두께를 결정하는 프로세스를 설명하는 도면이다. 처리부(32)는, 연마 중에 생성된 측정 스펙트럼과 복수의 참조 스펙트럼을 비교함으로써, 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 결정하고, 이 결정된 참조 스펙트럼에 관련지어진 막 두께를 취득한다. 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼은, 참조 스펙트럼과 측정 스펙트럼 사이의 상대 반사율의 차가 가장 작은 스펙트럼이다.
복수의 참조 스펙트럼은, 연마 대상의 웨이퍼(이하, 타깃 웨이퍼 또는 타깃 기판이라 하는 경우가 있음)와 동일하거나, 또는 동등한 초기 막 두께를 갖는 참조 웨이퍼를 연마함으로써 미리 취득된 것이며, 각 참조 스펙트럼에는 그 참조 스펙트럼이 취득되었을 때의 막 두께를 관련지을 수 있다. 즉, 각 참조 스펙트럼은, 서로 다른 막 두께일 때 취득된 것이며, 복수의 참조 스펙트럼은 복수의 서로 다른 막 두께에 대응한다. 따라서, 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 특정함으로써, 현재의 막 두께를 추정할 수 있다.
복수의 참조 스펙트럼을 취득하는 공정의 일례에 대하여 설명한다. 우선, 타깃 웨이퍼와 동일하거나, 또는 동등한 막 두께를 갖는 참조 웨이퍼가 준비된다. 참조 웨이퍼는, 도시하지 않은 막 두께 측정기로 반송되고, 참조 웨이퍼의 초기 막 두께가 막 두께 측정기에 의해 측정된다. 이어서, 참조 웨이퍼는 도 1에 도시한 연마 장치로 반송되고, 연마액으로서의 슬러리가 연마 패드(1)에 공급되면서 참조 웨이퍼가 연마된다. 참조 웨이퍼의 연마 중, 전술한 바와 같이, 참조 웨이퍼의 표면에 광이 조사되고, 참조 웨이퍼로부터의 반사광의 스펙트럼(즉 참조 스펙트럼)이 취득된다. 참조 스펙트럼은, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 취득된다. 따라서, 참조 웨이퍼의 연마 중에, 복수의 참조 스펙트럼이 취득된다. 참조 웨이퍼의 연마가 종료된 후, 참조 웨이퍼는 상기 막 두께 측정기로 다시 반송되고, 연마된 참조 웨이퍼의 막 두께(즉 최종 막 두께)가 측정된다.
도 8은, 참조 웨이퍼의 막 두께와 연마 시간과의 관계를 나타내는 그래프이다. 참조 웨이퍼의 연마 레이트가 일정한 경우, 도 8에 도시한 바와 같이, 막 두께는 연마 시간과 함께 직선적으로 감소한다. 바꿔 말하면, 막 두께는, 연마 시간을 변수로서 포함하는 1차 함수를 사용해서 나타낼 수 있다. 연마 레이트는, 초기 막 두께 Tini와 최종 막 두께 Tfin과의 차를, 최종 막 두께 Tfin에 도달한 연마 시간 t로 나눔으로써 산출할 수 있다.
참조 스펙트럼은, 전술한 바와 같이, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 주기적으로 취득되므로, 각각의 참조 스펙트럼이 취득되었을 때의 연마 시간은, 연마 테이블(3)의 회전 속도로부터 산출할 수 있다. 또는, 연마 개시 시점부터 각 참조 스펙트럼이 취득될 때까지의 시간을, 보다 정밀하게 측정하는 것도 물론 가능하다. 또한, 각 참조 스펙트럼이 취득된 연마 시간으로부터, 각 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 산출할 수 있다. 이와 같이 하여, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼이 취득된다. 각 참조 스펙트럼은, 대응하는 막 두께에 관련지을 수 있다(결부시킬 수 있음). 따라서, 처리부(32)는, 웨이퍼의 연마 중에 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 특정함으로써, 그 참조 스펙트럼에 관련지어진 막 두께로부터 현재의 막 두께를 결정할 수 있다.
연마해야 할 웨이퍼(타깃 웨이퍼)의 단면 구조가 기지이면, 광 반사의 시뮬레이션에 의해 참조 스펙트럼을 취득하는 것도 가능하다. 이 시뮬레이션은, 타깃 웨이퍼의 구조를 컴퓨터상에 구축하고, 막 두께를 조금씩 감소시키면서 타깃 웨이퍼에 광을 조사했을 때 얻어지는 스펙트럼을 시뮬레이트함으로써 실행된다. 이와 같이, 컴퓨터상에서의 시뮬레이션으로부터, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 취득하는 것도 가능하다.
반사광의 스펙트럼은, 막 두께에 따라서 변화한다. 따라서, 막 두께가 변화되지 않으면, 스펙트럼도 변화되지 않는다. 그러나, 도 20 및 도 21에 도시한 바와 같이, 막 두께가 동일하여도, 막의 하지층의 구조의 차이에 의해, 스펙트럼이 변할 수 있다. 하지층의 구조는, 웨이퍼의 표면 내의 영역마다 상이한 것이 있고, 또한 웨이퍼 간에서 상이한 경우도 있다. 이와 같은 하지층의 구조의 차이는, 정확한 막 두께 측정을 방해해버린다.
이와 같은 하지층의 구조의 차이에 기인하는 스펙트럼 변화의 영향을 배제하기 위해서, 처리부(32)는, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 각각 포함하는 복수의 스펙트럼 그룹을 사용해서 막 두께를 결정한다. 처리부(32)는, 복수의 스펙트럼 그룹이 기억된 기억 장치(58)에 접속되어 있다. 이들 서로 다른 스펙트럼 그룹에 포함되는 참조 스펙트럼은, 참조 웨이퍼 위의 서로 다른 영역으로부터 반사한 광으로부터 생성된 참조 스펙트럼, 또는 복수의 참조 웨이퍼를 사용해서 취득된 참조 스펙트럼, 또는 광 반사의 시뮬레이션에 의해 취득된 참조 스펙트럼이다.
복수의 스펙트럼 그룹을 취득하는 공정의 일례에 대하여 설명한다. 이 예에서는, 타깃 웨이퍼와 동일, 또는 동등한 막 두께를 갖는 1매의 참조 웨이퍼가 사용된다. 참조 웨이퍼의 막 두께는, 타깃 웨이퍼의 막 두께보다도 커도 된다. 또한, 연마 초기에 막 두께가 정확하게 구해지지 않는 것을 허용하면, 참조 웨이퍼의 막 두께는, 타깃 웨이퍼의 막 두께보다 약간 작아도 된다. 참조 웨이퍼를 연마하면서, 상기 참조 웨이퍼 위에 정의된 복수의 영역에 광을 조사하고, 이들 복수의 영역으로부터 반사한 광으로부터 복수의 참조 스펙트럼을 생성하고, 생성된 복수의 참조 스펙트럼을 복수의 영역에 따라서 분류함으로써, 복수의 스펙트럼 그룹이 취득된다. 하지층의 구조는 참조 웨이퍼의 영역마다 약간 상이하다. 따라서, 하지층의 구조의 차이를 반영한 복수의 스펙트럼 그룹이 취득된다.
복수의 스펙트럼 그룹을 취득하는 공정의 다른 예에 대하여 설명한다. 이 예에서는, 타깃 웨이퍼와 동일, 또는 동등한 막 두께를 갖는 복수의 참조 웨이퍼가 사용된다. 복수의 참조 웨이퍼의 막 두께는, 타깃 웨이퍼의 막 두께보다도 커도 된다. 또한, 연마 초기에 막 두께가 정확하게 구해지지 않는 것을 허용하면, 참조 웨이퍼의 막 두께는, 타깃 웨이퍼의 막 두께보다 약간 작아도 된다. 복수의 참조 웨이퍼로부터 1개의 참조 웨이퍼를 선택하고, 상기 선택된 참조 웨이퍼를 연마하면서, 상기 참조 웨이퍼에 광을 조사하고, 참조 웨이퍼로부터 반사한 광으로부터 복수의 참조 스펙트럼을 생성하여 하나 이상의 스펙트럼 그룹을 취득하고, 선택되는 참조 웨이퍼를 1매씩 바꾸면서, 모든 참조 웨이퍼가 연마될 때까지, 상기 참조 웨이퍼에 광을 조사하는 공정 및 상기 하나 이상의 스펙트럼 그룹을 취득하는 공정을 반복함으로써, 복수의 스펙트럼 그룹이 취득된다. 하지층의 구조는 참조 웨이퍼마다 약간 상이하다. 따라서, 하지층의 구조의 차이를 반영한 복수의 스펙트럼 그룹이 취득된다. 하지층의 구조가, 웨이퍼 사이뿐만 아니라 웨이퍼 면 내에서도 상이한 경우에는, 물론, 각 참조 웨이퍼의 복수의 영역에서 스펙트럼 그룹이 취득된다.
타깃 웨이퍼가 연마되고 있는 동안, 전술한 바와 같이 타깃 웨이퍼에는 광이 조사된다. 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼로부터 복귀되는 반사광으로부터 스펙트럼을 생성하고, 이 생성된 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택한다. 이하, 스펙트럼 그룹의 선택에 사용되는 스펙트럼을, 샘플링 스펙트럼이라고 한다. 샘플링 스펙트럼은, 측정 스펙트럼과 동일하도록 연마되는 웨이퍼(W)로부터 반사한 광으로부터 생성되는 스펙트럼이다. 샘플링 스펙트럼과 참조 스펙트럼 사이에서의 형상의 대비는, 샘플링 스펙트럼으로부터의 참조 스펙트럼의 편차에 기초하여 실행된다. 보다 구체적으로는, 처리부(32)는, 다음의 식을 이용하여 2개의 스펙트럼 간의 편차를 산출한다.
<수학식 2>
Figure 112016110838686-pct00002
여기서, λ는 광의 파장이며, λ1, λ2는 감시 대상으로 하는 스펙트럼의 파장 범위를 결정하는 하한값 및 상한값이며, Rc는 샘플링 스펙트럼을 구성하는 상대 반사율이며, Rp는 참조 스펙트럼을 구성하는 상대 반사율이다. 또한, 연마 중에 원위치에서 막 두께를 측정함에 따른 반사광 강도의 변동이나 노이즈의 영향을 고려하여, Rc나 Rp는 파장 평균으로 나누는 등의 정규화 처리, 근방의 측정 영역과의 평균, 과거 수 스텝의 측정값과의 시간 평균 등, 전처리를 실시한 것이어도 된다.
도 9는, 샘플링 스펙트럼과 참조 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 상기 수학식 2는, 샘플링 스펙트럼으로부터의 참조 스펙트럼의 편차를 산출하는 식이며, 이 편차는, 이들 2개의 스펙트럼에 의해 둘러싸이는 영역(도 9에 해칭으로 나타냄)에 상당한다. 처리부(32)는, 상기 수학식 2를 이용하여, 샘플링 스펙트럼으로부터의 편차가 가장 작은 참조 스펙트럼, 즉 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 결정한다. 또한, 처리부(32)는, 복수의 스펙트럼 그룹으로부터, 상기 결정된 참조 스펙트럼이 속하는 스펙트럼 그룹을 선택한다.
도 10은, 복수의 스펙트럼 그룹으로부터 하나의 스펙트럼 그룹을 선택하는 공정을 설명하는 모식도이다. 기억 장치(58)(도 1 및 도 3 참조)에는, 도 10에 도시한 바와 같은 복수의 스펙트럼 그룹이 미리 기억되어 있다. 각 스펙트럼 그룹에는 피연마막의 서로 다른 막 두께에 대응한 복수의 참조 스펙트럼이 포함되어 있다. 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼로부터 반사하는 광으로부터 샘플링 스펙트럼을 생성하고, 이 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 하나의 스펙트럼 그룹을 결정(선택)한다.
복수의 스펙트럼 그룹은, 하지층의 구조가 서로 다른 조건하에서 취득된다. 따라서, 참조 스펙트럼은, 하지층의 구조의 차이에 기인하여 스펙트럼 그룹마다 상이하다. 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택함으로써, 하지층의 구조의 차이의 영향을 배제할 수 있다. 결과로서, 처리부(32)는, 보다 정확한 막 두께를 취득할 수 있다.
스펙트럼 그룹이 취득되는 웨이퍼면 위의 복수의 영역(이하, 참조 영역이라고 함)으로서는, 예를 들어 복수의 반경 범위에서 정의된 복수의 참조 영역을 들 수 있다. 그 하나의 이유는, 연마 전의 성막 공정이나 연마의 특성에 의해, 대부분의 경우, 하지층의 두께가 웨이퍼 면 내에서 대략 축 대칭 형상으로 변동되는 것이다. 또한, 다른 이유로서, 소정의 짧은 시간에 막 두께 센서(31)가 웨이퍼면을 그 주위 방향으로 균등하게 주사하여 원래의 위치로 복귀되도록, 연마 테이블(3)과 연마 헤드(5)의 회전 속도를 설정하면, 이 소정의 짧은 시간에 얻어진 스펙트럼 데이터를 평균함으로써, 웨이퍼 주위 방향에 있어서의 하지층의 구조의 변동의 영향을 저감시킬 수 있음을 들 수 있다. 예를 들어, 연마 테이블(3)의 회전 속도를 90rpm, 연마 헤드(5)의 회전 속도를 99rpm으로 하면, 연마 테이블(3)이 10회전하는 동안에 연마 헤드가 11회전하여 막 두께 센서(31)가 웨이퍼면 위의 원래의 위치로 복귀된다. 따라서, 연마 테이블(3)의 10회전분의 스펙트럼 데이터를 평균함으로써, 웨이퍼면 내에서의 하지층의 구조의 변동의 영향을 대폭 저감시킬 수 있다.
참조 웨이퍼의 하지층의 구조, 특히 하지층의 막 두께는, 스탠드 얼론의 막 두께 측정기나 연마 장치에 내장된 인라인의 막 두께 측정기를 사용하여, 연마 전, 또는 연마 후에 참조 웨이퍼가 정지한 상태에서 측정할 수 있다. 따라서, 측정된 1매 이상의 참조 웨이퍼의 하지층의 막 두께의 분포에 기초하여, 하지층의 막 두께가 전체로서 막 두께 최솟값으로부터 막 두께 최댓값까지의 범위 내에 가능한 한 균등하게 분포하도록, 참조 웨이퍼의 각각에 대하여 참조 영역을 선택하는 것이 바람직하다. 복수의 스펙트럼 그룹은, 선택된 복수의 참조 영역에서 각각 취득된다.
사전에 이와 같은 하지층의 구조에 관한 정보가 얻어지지 않는 경우에는, 각 참조 웨이퍼의 면 내에 가능한 한 균등하게 분포하도록 참조 영역을 정하는 것이 바람직하다. 또한, 참조 스펙트럼의 형상이 가까운 스펙트럼 그룹을 배제하고, 사전에 스펙트럼 그룹의 개수를 좁히는 것이 보다 바람직하다. 참조 스펙트럼 간의 형상의 유사성의 판정에는, 전술한 수학식 2를 이용할 수 있다. 참조 스펙트럼에 하지층의 구조에 의해 결정되는 극대점이나 극소점이 존재하는 경우에는, 당해 극대점 또는 극소점의 파장에 착안하여, 그 파장이 전체로서 파장 최솟값으로부터 파장 최댓값까지의 범위 내에 가능한 한 균등하게 분포하도록, 각 참조 웨이퍼의 참조 영역을 선택해도 된다.
스펙트럼 그룹을 선택하는 공정은, 타깃 웨이퍼를 연마하고 있을 때 실행되어도 되고, 타깃 웨이퍼를 연마하기 전에 실행되어도 된다. 타깃 웨이퍼를 연마하고 있을 때 스펙트럼 그룹을 선택하는 경우에는, 미리 설정된 연마 시간 내에 생성된 샘플링 스펙트럼을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 연마 개시로부터 소정의 시간이 경과할 때까지 생성된 샘플링 스펙트럼이 복수의 스펙트럼 그룹 내의 복수의 참조 스펙트럼과 비교되고, 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹이 선택된다.
타깃 웨이퍼를 연마하기 전에 스펙트럼 그룹을 선택하는 경우에는, 타깃 웨이퍼를 물연마하고 있을 때 생성된 샘플링 스펙트럼을 사용하는 것이 바람직하다. 물연마는, 슬러리 대신에 순수를 연마 패드 위에 공급하면서, 타깃 웨이퍼를 연마 패드에 미끄럼 접촉시키는 공정이다. 타깃 웨이퍼와 연마 패드의 사이에 순수가 존재한 상태에서 타깃 웨이퍼는 물연마된다. 슬러리와는 달리, 순수는 지립을 포함하지 않고, 또한 웨이퍼의 막을 에칭하는 작용을 갖지 않으므로, 물연마에서는 타깃 웨이퍼의 연마는 실질적으로 진행되지 않는다.
또는, 스펙트럼 그룹이 스탠드 얼론의 막 두께 측정기 또는 인라인의 막 두께 측정기를 사용하여 결정된 경우에는, 연마 장치에 내장된 인라인의 막 두께 측정기에 의해 타깃 웨이퍼의 하지층 구조 및/또는 막 두께를 측정하고, 대응하는 스펙트럼 그룹을 선택할 수도 있다. 이때, 1매의 타깃 웨이퍼를 연마할 때마다 그 타깃 웨이퍼의 하지층 측정을 행하는 것이 바람직하다. 단, 1로트 내에서 하지층의 구조가 균일하다고 간주할 수 있는 경우에는, 로트마다 1매의 타깃 웨이퍼의 측정을 행하여도 된다. 성막 공정에서 사용되는 성막실의 변동 등에 의해, 예를 들어 홀수 매째와 짝수 매째로 하지층의 구조가 변화되는 경우에는, 홀수 그룹과 짝수 그룹으로부터 각각 1매씩 선택된 타깃 웨이퍼에 대하여 막 두께 측정을 행하여도 된다.
스펙트럼 그룹이 일단 선택되면, 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼의 연마 중에 측정 스펙트럼을 생성하고, 이 생성된 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 상기 선택된 스펙트럼 그룹으로부터 선택한다. 보다 구체적으로는, 처리부(32)는, 상기 수학식 2를 이용하여, 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼, 즉 측정 스펙트럼으로부터의 편차가 가장 작은 참조 스펙트럼을 결정하고, 결정된 참조 스펙트럼에 관련지어진 막 두께를 취득한다. 처리부(32)는, 이 결정된 막 두께에 기초하여 타깃 웨이퍼의 연마를 감시하고, 막 두께가 소정의 목푯값보다도 감소한 시점인 연마 종점을 결정한다. 처리부(32)는, 연마 종점 검출 신호를 연마 제어부(12)에 송신하고, 연마 제어부(12)는 이 연마 종점 검출 신호를 받아서 타깃 웨이퍼의 연마를 종료한다. 또한, 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼의 연마 중 각 시점에 있어서, 타깃 웨이퍼의 면 내 각 영역에 대하여 결정된 막 두께에 기초하여, 소정의 잔막 두께의 분포를 얻기 위한 조작량, 예를 들어 압력실 D1 내지 D5의 압력 명령값을 결정한다. 처리부(32)는, 이들 압력 명령값을 연마 제어부(12)에 송신하고, 연마 제어부(12)는 송신된 명령값에 기초하여 압력을 갱신한다.
타깃 웨이퍼의 연마가 진행됨에 따라서, 타깃 웨이퍼의 온도나 표면 형상의 변화 등의 요인에 의해, 측정 스펙트럼이 크게 변화되는 경우가 있다. 예를 들어, 타깃 웨이퍼의 연마 초기에서는, 그 표면에는 요철(또는 단차)이 형성되어 있는 경우가 있다. 이와 같은 요철이 연마에 의해 제거되면, 측정 스펙트럼이 크게 변화되는 경우가 있다. 요철이 남아 있는 단계에 있어서는, 요철의 상태에 따라 측정 스펙트럼이 비교적 불안정하여 웨이퍼 간이나 웨이퍼 면 내에서 변동되고 있는 데 반하여, 요철이 연마에 의해 제거된 단계에서는 안정된 측정 스펙트럼이 얻어지는 경우가 많다.
따라서, 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼의 연마 중에 샘플링 스펙트럼을 다시 생성하고, 이 생성된 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 다시 선택해도 된다. 타깃 웨이퍼의 연마 중에 생성되는 샘플링 스펙트럼은, 측정 스펙트럼과 실질적으로 동일하므로, 측정 스펙트럼을 샘플링 스펙트럼으로서 사용해도 된다. 스펙트럼 그룹이 다시 선택된 후에는, 처리부(32)는, 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 상기 다시 선택된 스펙트럼 그룹으로부터 선택한다. 이와 같이 스펙트럼 그룹을 다시 선택함으로써, 특히 마무리 성능에 중요한 의미를 갖는 연마 후반에 있어서, 보다 정확한 막 두께를 취득할 수 있다.
타깃 웨이퍼의 막 두께를 감시해야 할 영역에 가까운 영역에서 취득된 복수의 스펙트럼 그룹을 미리 선택해도 된다. 예를 들어, 타깃 웨이퍼의 주연부의 막 두께를 보다 정밀하게 제어하는 경우, 참조 웨이퍼의 주연부에서 취득된 복수의 스펙트럼 그룹을 모든 스펙트럼 그룹으로부터 미리 선택하고, 이들의 미리 선택된 복수의 스펙트럼 그룹으로부터, 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 하나의 스펙트럼 그룹을 선택하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 하지층의 구조는 웨이퍼 면 내의 영역마다 상이한 경우가 많다. 또한, 연마 장치나 막 두께 센서(31)의 구성에 의존하여, 웨이퍼 면 내가 동일한 영역에서는 막 두께 센서(31)가 웨이퍼면의 동일 위치를 동일 방향으로 주사할 기회가 많다. 전술한 연마 테이블(3)과 연마 헤드(5)의 회전 속도의 설정이나 스펙트럼 데이터의 평균 연산을 병용하면, 측정 영역 내의 배선 패턴의 영향을 경감시킬 수 있다. 따라서, 감시해야 할 영역에 가까운 영역에서 취득된 몇 가지 스펙트럼 그룹을 미리 선택함으로써, 효율적이고, 정확한 막 두께를 측정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 참조 스펙트럼은, 참조 웨이퍼를 사용하거나, 또는 시뮬레이션에 의해 미리 취득된다. 이와 같이 하여 취득된 참조 스펙트럼 중에는, 복수의 스펙트럼 그룹의 사이에 서로 형상이 가까운 것도 존재한다. 따라서, 참조 스펙트럼과의 비교 시간을 단축하기 위해서, 전술한 바와 같이, 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹 중 어느 하나를 미리 배제해서 한가지 스펙트럼 그룹으로서 두는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 처리부(32)는, 더 짧은 시간에 샘플링 스펙트럼과 참조 스펙트럼을 비교할 수 있다.
도 11에는, 1매의 웨이퍼를 연마하는 동안의 연마 테이블(3)의 각 회전에 있어서의 막 두께 결정의 흐름의 일례를, 스펙트럼의 선택에 착안해서 나타낸다. 측정 스펙트럼(및 샘플링 스펙트럼)과 참조 스펙트럼의 비교에 기초하여 타깃 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 것을, 이하의 설명에서는, 막 두께를 추정한다고 하는 경우가 있다. 이것은, 본 실시 형태에서는, 타깃 웨이퍼의 막 두께는, 참조 웨이퍼의 초기 막 두께의 실측값과 최종 막 두께의 실측값과 연마 시간에 관한 정보로부터 계산에 의해 구할 수 있기 때문이다.
스텝 1에 있어서는, 타깃 웨이퍼의 각 측정점에 있어서, 연마 테이블(3)이 1회전하고 있는 동안에 반사광의 샘플링 스펙트럼을 취득한다. 스텝 2에 있어서는, 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼의 연마 개시 이후, 연마 테이블(3)이 소정의 횟수 NM만큼 회전하였는지 여부를 판단한다. 연마 테이블(3)의 현재의 회전 횟수와 소정의 횟수 NM과의 대소 관계에 의해, 그 후의 막 두께 추정의 흐름은 상이하다. 웨이퍼에는 일반적으로 사양(제품·층 등)이 동일하여도 어느 정도의 초기 막 두께(연마 전의 막 두께)의 변동이 존재한다. 소정의 횟수 NM은, 타깃 웨이퍼의 초기 막 두께가 변동 범위의 최대였다고 해도, 타깃 웨이퍼를 연마함으로써 그 막 두께가 참조 웨이퍼의 초기 막 두께를 충분히 하회할 수 있도록 설정된다. 왜냐하면, 참조 스펙트럼과의 비교에 기초하는 막 두께 추정에 있어서는, 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께의 범위 내에서만 타깃 웨이퍼의 막 두께를 결정할 수 있기 때문이다.
소정의 횟수 NM이 너무 크면, 전체 스펙트럼 그룹(전체 참조 영역 후보)에 관하여 장시간 후술하는 스텝 3을 실시하게 되어, 처리부(32)의 계산 부하가 증가하여 처리부(32)의 응답성이 악화될 우려가 있다. 이와 같은 경우에는, 웨이퍼면 각 영역의 하지층 두께나 광학 상수가 연마 중에 변화되는 것이 아닌 점을 고려하여, 횟수 NM을 적당한 수로 정한다. 스펙트럼의 이동 평균 등의 이유에 의해, 연마 초기 단계의 어떤 회전 횟수의 사이에 샘플링 스펙트럼이 구해지지 않는 경우에는, 그 회전 횟수를 NM에 가산하여도 된다.
스텝 2에서 연마 테이블(3)의 현재의 회전 횟수가 소정의 횟수 NM 이하라고 판단된 경우, 스텝 3에 있어서, 처리부(32)는, 전체 스펙트럼 그룹(전체 참조 영역 후보)에 속하는 참조 스펙트럼의 샘플링 스펙트럼으로부터의 편차를 계산한다. 이 스텝 3에서는, 참조 웨이퍼의 연마 개시 이후 소정의 테이블 회전 횟수 NR이 도달할 때까지 취득된 전체 스펙트럼 그룹의 참조 스펙트럼이, 편차의 계산 대상이 된다. 소정의 테이블 회전 횟수 NR은, 타깃 웨이퍼의 초기 막 두께가 변동 범위의 최소였다고 해도, 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께 후보의 일부가 타깃 웨이퍼의 초기 막 두께를 충분히 하회할 수 있도록 설정된다. 또한, 계산 부하나 타깃 웨이퍼의 NM 회전 사이의 막 두께 변화량도 고려하여, 테이블 회전 횟수 NR은, 적당한 수치로 설정하는 것이 바람직하다. 스펙트럼의 이동 평균 등의 이유에 의해 연마 초기 단계의 어떤 회전 횟수의 사이에 참조 스펙트럼이 얻어지지 않는 경우에는, 처음에 얻어진 NR 회전분의 참조 스펙트럼이 편차의 계산의 대상이 된다.
스텝 4에 있어서는, 처리부(32)는, 타깃 웨이퍼의 각 측정점에 관하여, 스텝 3에서 구해진 편차 중에서 최소의 것(최소 편차)을 선택하고, 선택된 최소 편차에 대응하는 참조 스펙트럼이 속하는 스펙트럼 그룹을 선택하고, 선택된 스펙트럼 그룹에 대한 연마 전후의 측정 막 두께와 연마 시간, 및 최소 편차의 참조 스펙트럼에 대한 연마 시간(연마 개시부터의 경과 시간)으로부터, 타깃 웨이퍼의 막 두께를 추정한다. 그리고, 처리부(32)는, 선택된 스펙트럼 그룹(참조 영역 후보)을 기억해 둔다. 또한, 처리부(32)는, 최소 편차를 기억해 두어도 된다.
스텝 5, 6에 있어서, 연마 테이블(3)의 현재의 회전 횟수가 소정의 횟수 NM과 동등한 경우, 타깃 웨이퍼의 각 측정점에 대하여, 과거의 각 테이블 회전 횟수에 있어서의 스텝 4의 선택 결과에 기초하여, 하나의 최적 스펙트럼 그룹(최적 참조 영역)을 결정한다. 그 방법으로서는, 예를 들어,
1) 스텝 4에서 구해진 최소 편차의 빈도가 최대의 스펙트럼 그룹(참조 영역 후보)을, 최적 스펙트럼 그룹(최적 참조 영역)으로 하거나, 또는
2) 스텝 4에서 구해진 최소 편차 중, 최소의 것에 대응하는 스펙트럼 그룹(참조 영역 후보)을, 최적 스펙트럼 그룹(최적 참조 영역)으로 한다.
연마 테이블(3)의 현재의 회전 횟수가 NM보다 큰 경우, 스텝 7에 있어서, 타깃 웨이퍼의 각 측정점에 있어서 취득된 측정 스펙트럼은, 스텝 6에서 결정된 최적 스펙트럼 그룹에 속하는 참조 스펙트럼과 비교되고, 스펙트럼 편차가 계산된다. 비교해야 할 참조 스펙트럼의 회전 횟수의 범위는 연마 초기의 NR 회전이 아니라, 연마의 진행에 수반되는 막 두께의 변화를 고려하여 정해져야 할 것으로, 전체 회전 범위(전체 막 두께 범위)이어도 된다.
스텝 8에 있어서는, 타깃 웨이퍼의 각 측정점에 관하여, 처리부(32)는, 스텝 7에서 계산된 스펙트럼 편차가 최소가 되는 참조 스펙트럼에 대한 연마 시간(연마 개시부터의 경과 시간)을 구하여, 막 두께를 계산한다. 스텝 9에 있어서는, 처리부(32)는, 지정된 연마 시간, 혹은 연마 종점 검출 등에 기초하여 연마를 종료해야 할지 판단하여, 연마를 종료해야 하지 않는 경우에는 스텝 1을 다시 실행한다. 또한, 계산 자원에 여유가 있는 경우에는, 스텝 2 내지 3에서, 회전 횟수 NM, NR은 충분히 크게 설정할 수도 있다. 이 경우에는, 연마 중의 전체 시간, 스텝 1 내지 5, 9가 반복되게 된다.
도 12는, 전술한 스펙트럼 그룹을 관리하기 위한 데이타베이스 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 데이터 서버(60)에는, 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)가 구축되어 있다. 이 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)에는, 각 스펙트럼 그룹의 식별 정보와, 각각의 스펙트럼 그룹에 속하는 참조 스펙트럼, 및 관련된 막 두께 정보가 저장된다. 데이터 서버(60)는, 네트워크를 경유해서 1대 이상의 연마 장치(70)에 접속되고, 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)가 공유된다. 각 연마 장치(70)에서 취득된 참조 스펙트럼과 연마 전후의 막 두께 정보는, 도 12의 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 데이터 서버(60)로 보내지고, 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)에 등록된다. 동일 사양(동일 제품·동일층)의 웨이퍼를 연마하는 연마 장치(70)는 하나의 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)를 공유하는 것이 바람직하다.
각 연마 장치(70)에서 타깃 웨이퍼를 연마하여 막 두께를 구할 때에는, 도 12가 실선으로 나타낸 바와 같이, 연마 전에 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)로부터 소정의 스펙트럼 그룹이 자동으로 다운로드된다. 다운로드해야 할 스펙트럼 그룹은, 예를 들어 연마 레시피의 일부로서 지정된다. 각 연마 장치(70)는, 그 후, 전술한 바와 같이 하여 각 측정점에 관하여, 스펙트럼 그룹의 선택과 막 두께의 산출을 행한다. 또한, 각 연마 장치(70)는, 실제로 선택된 스펙트럼 그룹에 관한 정보를, 기억 영역에 보존한다.
각 연마 장치(70)에 있어서 연마가 종료되면, 도 12의 점선으로 나타낸 바와 같이, 선택된 스펙트럼 그룹의 정보는 자동으로 데이터 서버(60)에 송신되고, 스펙트럼 그룹 선택 이력 데이터베이스(62)에 이력 정보로서 등록된다. 스펙트럼 그룹 선택 이력 데이터베이스(62)와 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)는, 스펙트럼 그룹 식별 번호를 공통의 키로서 유기적으로 결합된다. 또는, 스펙트럼 그룹 선택 이력 데이터베이스(62)는, 스펙트럼 그룹 데이터베이스(61)와 일체의 것으로서 구축하여도 된다.
데이터 서버(60)는, 스펙트럼 그룹 선택에 관한 이력 정보에 기초하여, 소정의 기간, 선택된 실적이 없거나, 또는 선택된 빈도가 극히 작은 스펙트럼 그룹을 데이터베이스(61) 상으로부터 삭제한다. 또한, 데이터 서버(60)는, 선택된 빈도에 기초하여, 각 스펙트럼 그룹에 랭크 매김을 하여, 선택 용이도를 조절한다. 또한, 타깃 웨이퍼의 연마 시에, 어떤 측정점에 있어서, 수학식 2로 나타내는 편차가 충분히 작은 최적의 스펙트럼 그룹을 선택할 수 없는 경우, 인라인 막 두께 측정기 등에 의해 측정된 연마 전후의 막 두께 정보에 맞춰서, 상기 웨이퍼의 상기 측정점의 데이터를 새로운 스펙트럼 그룹으로서 데이터베이스(61)에 등록하는 것도 가능하다. 이와 같이 하여, 학습 기능을 가지며, 불필요한 정보가 적은, 효율적인 데이타베이스 시스템을 실현할 수 있다.
도 13은, 1매의 타깃 웨이퍼에 대하여, 복수의 스펙트럼 그룹을 사용해서 추정된 연마 중의 막 두께 프로파일을 나타내는 도면이다. 도 13의 막 두께 프로파일은, 약 10초마다 플롯된 것이다. 실제로 연마에 기초하여 취득된 복수의 스펙트럼 그룹으로부터 적당한 것을 선택하여 막 두께를 구하는 방법에 있어서는, 통상적으로 타깃 웨이퍼의 면 내 있는 측정점에서, 스펙트럼 그룹, 즉, 참조 웨이퍼나 참조 영역이 변화된다. 도 13에서는, 막 두께 추정에 사용되는 스펙트럼 그룹이, 반경 위치 약 50㎜의 위치에서 스펙트럼 그룹 A(참조 웨이퍼의 중심 영역에서 취득)와 스펙트럼 그룹 B(참조 웨이퍼의 반경 위치 약 100㎜의 영역에서 취득)의 사이에서 전환되고, 이로 인해 막 두께 프로파일에 단차가 발생하고 있다.
단차가 발생하는 이유는, 각 스펙트럼 그룹의 구축에 사용되는 참조 웨이퍼의 연마 레이트가 연마 중 일정하여, 막 두께가 직선 형상으로 감소한다고 가정하고 있음에 따른다. 실제의 연마에서는, 연마 레이트는, 웨이퍼 면 내의 각 영역에서 엄밀하게 일정하지 않고, 연마 레이트의 증감의 모습도 영역 간에서 상이하다. 도 13에 도시한 예에서는, 참조 웨이퍼와 타깃 웨이퍼의 연마 전후의 막 두께가 각각 동등하기 때문에, 연마 초반과 연마 종반에서는 단차가 거의 인정되지 않는다. 그러나, 연마 중반에 있어서는, 반경 위치 약 50㎜의 위치에서, 스펙트럼 그룹의 전환에 기인하여 막 두께 프로파일에 단차가 발생하고 있다. 막 두께 프로파일에 단차가 있으면, 특히 잔막 두께의 분포(프로파일)를 제어할 때 제어 성능을 악화시킬 우려가 있다.
따라서, 처리부(32)는, 참조 웨이퍼의 면 내 각 참조 영역에 있어서, 참조 웨이퍼 연마 중의 연마 레이트가 일정하다고 간주할 수 있도록, 대응하는 참조 스펙트럼을 보정한다. 도 14는, 그와 같은 참조 스펙트럼의 보정을 설명하기 위한 도면이다. 각 스펙트럼 그룹에 관하여, 도 14의 일점쇄선은, 참조 웨이퍼의 연마 중 연마 레이트가 일정하다고 가정한 경우의 막 두께의 시간 변화를 나타내는 가상선이다. 이 가상선이 나타낸 바와 같이, 연마 레이트가 일정하다고 가정한 경우의 막 두께는, 기호 ○로 나타내는 초기 막 두께(연마 전의 측정 막 두께)로부터 최종 막 두께(연마 후의 측정 막 두께)까지 연마 시간과 함께 직선 형상으로 변화한다. 초기 막 두께 및 최종 막 두께는 스탠드얼론 또는 인라인의 막 두께 측정기에 의해 측정된다. 이에 반하여 실선으로 나타내는 곡선은, 참조 웨이퍼의 막 두께의 시간 변화를 나타내는 추정선이며, 연마 레이트의 변화를 반영하고 있다. 이 추정선은, 동일하게 기호 ○로 나타내는 초기 막 두께와 최종 막 두께를 통과한다. 추정선의 구하는 방법에 관해서는 후술한다.
연마 테이블(3)의 회전 횟수 N일 때의 참조 스펙트럼은 다음과 같이 하여 보정한다. 우선 회전 횟수 N일 때의 가상선 위의 점 A의 막 두께를 구한다. 다음으로 추정선 위에 있어서 점 A와 막 두께가 동등한 점 B를 구한다. 통상적으로 점 B는, 인접하는 회전 횟수 N1과 N2(=N1+1)의 사이에 있다. 따라서, 회전 횟수 N1과 회전 횟수 N2에 대응하는 참조 스펙트럼으로부터 보간하여, 점 B에 상당하는 스펙트럼을 구하고, 이것을 회전 횟수 N에서의 보정 참조 스펙트럼으로 한다. 연마 테이블(3)의 각 회전수에 관하여 마찬가지의 조작을 반복하면, 구해진 일련의 보정 참조 스펙트럼은 대응하는 참조 웨이퍼의 참조 영역의 연마 레이트가 연마 시간 중 일정한 경우의 참조 스펙트럼이라고 간주할 수 있다.
다음으로, 이와 같이 하여 구해진 보정 참조 스펙트럼의 효과에 대하여, 도 15를 이용하여 설명한다. θ1은, 어떤 시점에서의 타깃 웨이퍼의 막 두께를 나타내고 있다. 참조 스펙트럼을 보정하지 않는 경우, 막 두께 θ1에 대응하는 스펙트럼은, 추정선 위의 점 B에서의 참조 스펙트럼에 상당한다(동등하거나, 또는 가까움). 통상적으로, 참조 웨이퍼의 연마 중에는 막 두께가 직선 형상으로 변화되는, 즉, 연마 레이트가 일정하다고 가정하기 때문에, 산출되는 타깃 웨이퍼의 막 두께는 θ2이며, 실제의 막 두께 θ1과는 상이하다. 이에 반하여, 전술한 바와 같이 참조 스펙트럼을 보정한 경우, 막 두께 θ1에 대응하는 스펙트럼은, 가상선 위의 점 D에서의 보정 참조 스펙트럼에 상당한다. 따라서, 산출되는 막 두께는 θ1이며, 타깃 웨이퍼의 막 두께가 정확하게 구해지는 것을 알 수 있다.
도 16은, 전술한 추정선을 구하기 위한 하나의 방법을 나타내는 그래프이다. 횡축은 연마 시간, 종축은 막 두께를 나타내고 있다. 참조 웨이퍼 W4 외에도, 동일 사양의 복수 매의 웨이퍼(웨이퍼 W1 내지 W3)를 서로 다른 설정 시간에 연마하고, 스탠드얼론 또는 인라인의 막 두께 측정기에 의해 연마 전후의 막 두께를 측정한다. 웨이퍼 W1 내지 W3의 초기 막 두께(연마 전의 측정 막 두께)가 참조 웨이퍼 W4의 그것과 동등한 경우, 초기 막 두께는 종축 상의 기호 ○로 나타낸다. 웨이퍼 W1 내지 W3의 최종 막 두께(연마 후의 측정 막 두께, 도면 중 기호 ●로 나타냄) 및 참조 웨이퍼 W4의 최종 막 두께(도면 중 기호 ○로 나타냄)도 그래프 상에 플롯된다. 그리고, 참조 웨이퍼 W4의 초기 막 두께, 웨이퍼 W1 내지 W3의 최종 막 두께, 및 참조 웨이퍼 W4의 최종 막 두께 사이의 막 두께를 보간함으로써, 전술한 추정선을 얻을 수 있다. 웨이퍼 W1 내지 W3의 초기 막 두께가 참조 웨이퍼 W4의 초기 막 두께와 상이한 경우에는, 참조 웨이퍼 W4의 초기 막 두께로부터의 편차를 웨이퍼 W1 내지 W3의 최종 막 두께로 가산함으로써, 마찬가지의 조작이 가능하다.
도 17은, 추정선을 얻기 위한 다른 방법을 설명하는 그래프이다. 참조 웨이퍼의 연마 중 각 영역으로부터의 반사광의 스펙트럼은, 막 두께의 감소에 따라서 변화한다. 단시간 Δt당의 상대 반사율의 변화 ΔS를 적산하여 얻어진 값은, 연마량, 즉, 막 두께의 감소량과 근사적으로 일치한다.
<수학식 3>
Figure 112016110838686-pct00003
<수학식 4>
Figure 112016110838686-pct00004
<수학식 5>
Figure 112016110838686-pct00005
여기서, Rp(λ, t)는 파장 λ, 시간 t에 있어서의 상대 반사율이며, 수학식 2와 마찬가지의 전처리가 실시되어 있어도 된다. S(t)는 총 연마 시간 T에 대한 스펙트럼의 변화량을 1로 했을 때의 시간 t에 있어서의 스펙트럼의 상대 변화량이며, θpre, θpost는 스탠드얼론 또는 인라인의 막 두께 측정기에 의해 측정된 연마 전후의 막 두께, 즉 초기 막 두께 및 최종 막 두께이다. θ(t)는 전술한 추정선에 상당한다.
도 18은, 도 13에 도시한 타깃 웨이퍼와 스펙트럼 그룹에 관하여, 전술한 스펙트럼 변화량을 이용한 방법에 의해 참조 스펙트럼을 보정하여 막 두께 프로파일을 추정한 결과를 나타내는 도면이다. 도 18로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 13에 보인 스펙트럼 그룹의 경계에 있어서의 단차가 해소되어, 신뢰할 수 있는 막 두께 프로파일이 얻어지고 있다.
적용되는 스펙트럼 그룹이 하나인 경우, 전술한 바와 같은 막 두께 프로파일의 단차는 발생하지 않아, 얻어진 막 두께 프로파일은 상대적으로 정확하다. 또한, 참조 웨이퍼의 연마 후의 막 두께가 타깃 웨이퍼의 연마 후의 막 두께와 동등하다면, 연마 종점을 결정하기 위한 막 두께의 절댓값도 정확하다고 생각된다. 그러나, 이와 같은 경우라도, 연마 레이트가 일정하다고 간주할 수 있도록 참조 스펙트럼을 보정함으로써, 막 두께 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
전술한 추정 막 두께 프로파일의 단차는, 연마 중의 측정 스펙트럼의 극치점(산 또는 골)의 파장의 변화를 이용하여, 개선할 수도 있다. 일반적으로, 패턴 웨이퍼에 있어서는, 극치점의 파장은, 피연마막의 막 두께의 감소에 수반되어 직선 형상으로 변화되는 것이 아니라, 연마 레이트의 변화를 정량값으로 나타내는 것은 어렵다. 그러나, 어떤 참조 웨이퍼의 하나의 스펙트럼 그룹을 기준으로서 선택하고, 그 극치점의 파장이 연마 중에 그리는 곡선을 가상선으로서 사용하여, 도 14에서 설명한 조작을 행함으로써, 참조 영역 간에서 연마 레이트의 증감 모습이 상이하여도, 막 두께 추정에 미치는 영향을 저감시킬 수 있다.
이상에서는, 반사광의 스펙트럼이, 피연마막의 막 두께뿐만 아니라, 하지층의 구조에 의해서도 변화되는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 피연마막의 막 두께가 동일하여도 반사광의 스펙트럼이 바뀌어버리는 요인은 그 밖에도 있다. 예를 들어, 피연마막에 금속 배선이 포함되면, 배선 패턴이나 배선 밀도에 의해서도 스펙트럼은 변화된다. 이와 같은 경우에도, 전술한 것과 마찬가지로, 배선 패턴이나 배선 밀도의 차이에 대응한 복수의 스펙트럼 그룹을 준비하고, 타깃 웨이퍼의 각 샘플 스펙트럼과 비교하여 최적의 스펙트럼 그룹을 선택함으로써, 정확한 막 두께를 구할 수 있다. 특히 크세논 플래시 램프 등의 펄스 점등 광원을 사용한 경우, 1회의 측정에서의 측정 영역을 작게 할 수 있어, 각 측정 영역에 포함되는 배선 패턴 및 배선 밀도가 한가지로 되는 빈도가 커지기 때문에, 보다 정확한 막 두께를 구하기 쉽다.
전술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 갖는 사람이 본 발명을 실시할 수 있음을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는, 당업자이면 당연히 이룰 수 있는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 기재된 실시 형태로 한정되지 않고, 청구범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
본 발명은, 웨이퍼 등의 기판으로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보에 기초하여 막 두께를 측정하면서 상기 기판을 연마하는 연마 방법 및 연마 장치에 이용 가능하다.
1: 연마 패드
1a: 연마면
3: 연마 테이블
3a: 테이블 축
5: 연마 헤드
6: 캐리어
7: 탄성막
7a: 구획벽
8: 리테이너 링
9: 탄성막
10: 연마액 공급 노즐
12: 연마 제어부
16: 연마 헤드 샤프트
17: 연결 수단
18: 연마 헤드 모터
19: 테이블 모터
20: 상하 이동 기구
25: 광학식 막 두께 측정기
31: 막 두께 센서
32: 처리부
42: 투광부
43: 수광부(광 파이버)
44: 분광기
47: 광원
48: 광 파이버
50A: 제1 구멍
50B: 제2 구멍
51: 통과 구멍
53: 액체 공급로
54: 액체 배출로
55: 액체 공급원
58: 기억 장치
60: 데이터 서버
61: 스펙트럼 그룹 데이터베이스
62: 스펙트럼 그룹 선택 이력 데이터베이스
70: 연마 장치
D1, D2, D3, D4: 압력실
G1, G2, G3, G4: 유체 라인
U1, U2, U3, U4: 진공 라인

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  14. 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 참조 스펙트럼을 각각 포함하는 복수의 스펙트럼 그룹을 준비하고,
    상기 복수의 스펙트럼 그룹 중, 서로 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 미리 배제하고,
    기판에 광을 조사하면서, 당해 기판으로부터의 반사광을 수광하고,
    스펙트럼 그룹을 선택하기 위한 샘플링 스펙트럼을 상기 반사광으로부터 생성하고,
    상기 샘플링 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 포함하는 스펙트럼 그룹을 선택하고,
    상기 기판을 연마하면서, 막 두께를 취득하기 위한 측정 스펙트럼을 생성하고,
    상기 기판의 연마 중에 생성된 상기 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 참조 스펙트럼을 상기 선택된 스펙트럼 그룹으로부터 선택하고,
    상기 선택된 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 취득하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  15. 참조 기판을 연마하여 복수의 참조 스펙트럼을 포함하는 적어도 하나의 스펙트럼 그룹을 취득하고,
    상기 참조 기판의 연마 레이트가 일정하다고 간주할 수 있도록 상기 복수의 참조 스펙트럼을 보정하여, 서로 다른 막 두께에 대응하는 복수의 보정 참조 스펙트럼을 취득하고,
    기판에 광을 조사하면서, 당해 기판으로부터의 반사광을 수광하고,
    상기 기판을 연마하면서, 막 두께를 취득하기 위한 측정 스펙트럼을 생성하고,
    상기 기판의 연마 중에 생성된 상기 측정 스펙트럼에 가장 형상이 가까운 보정 참조 스펙트럼을 상기 적어도 하나의 스펙트럼 그룹으로부터 선택하고,
    상기 선택된 보정 참조 스펙트럼에 대응하는 막 두께를 취득하는 것을 특징으로 하는, 연마 방법.
  16. 삭제
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