KR102246521B1 - 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

광 파이버의 광로 전환기를 사용하지 않고, 복수의 광 센서를 사용하여 웨이퍼의 막 두께를 측정할 수 있는 연마 장치를 제공한다.
연마 장치는 연마 테이블(3) 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단(34a, 34b)을 갖는 투광 파이버(34)와, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 파장을 따라 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기(26)와, 연마 테이블(3) 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단(50a, 50b)을 갖는 수광 파이버(50)와, 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 처리부(27)를 구비한다. 처리부(27)는 분광 파형에 기초하여 막 두께를 결정한다.

Description

연마 장치 {POLISHING APPARATUS}
본 발명은 막이 표면에 형성되어 있는 웨이퍼를 연마하는 연마 장치에 관한 것으로, 특히 웨이퍼로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보를 해석함으로써 웨이퍼의 막 두께를 검출할 수 있는 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에는 SiO2 등의 절연막을 연마하는 공정이나, 구리, 텅스텐 등의 금속막을 연마하는 공정 등의 다양한 공정이 포함된다. 이면 조사형 CMOS 센서 및 실리콘 관통 전극(TSV)의 제조 공정에서는, 절연막이나 금속막의 연마 공정 외에도, 실리콘층(실리콘 웨이퍼)을 연마하는 공정이 포함된다. 웨이퍼의 연마는 그 표면을 구성하는 막(절연막, 금속막, 실리콘층 등)의 두께가 소정의 목표값에 도달했을 때에 종료된다.
웨이퍼의 연마는 연마 장치를 사용하여 행해진다. 도 13은 연마 장치의 일례를 도시하는 모식도이다. 연마 장치는 일반적으로, 연마 패드(201)를 지지하는 회전 가능한 연마 테이블(202)과, 연마 테이블(202) 상의 연마 패드(201)에 웨이퍼(W)를 가압하는 연마 헤드(205)와, 연마 패드(201) 상에 연마액(슬러리)을 공급하는 연마액 공급 노즐(206)과, 웨이퍼(W)의 막 두께를 측정하는 막 두께 측정 장치(210)를 구비한다.
도 13에 도시하는 막 두께 측정 장치(210)는 광학식 막 두께 측정 장치이다. 이 막 두께 측정 장치(210)는 광을 발하는 광원(212)과, 광원(212)에 접속된 투광 광 파이버(215)와, 연마 테이블(202) 내의 가른 위치에 선단이 배치된 제1 광 파이버(216) 및 제2 광 파이버(217)와, 제1 광 파이버(216) 및 제2 광 파이버(217) 중 어느 한쪽을 선택적으로 투광 광 파이버(215)에 접속하는 제1 광로 전환기(220)와, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 측정하는 분광기(222)와, 분광기(222)에 접속된 수광 광 파이버(224)와, 연마 테이블(202) 내의 다른 위치에 선단이 배치된 제3 광 파이버(227) 및 제4 광 파이버(228)와, 제3 광 파이버(227) 및 제4 광 파이버(228) 중 어느 한 쪽을 선택적으로 수광 광 파이버(224)에 접속하는 제2 광로 전환기(230)를 구비한다.
제1 광 파이버(216)의 선단 및 제3 광 파이버(227)의 선단은 제1 광 센서(234)를 구성하고, 제2 광 파이버(217)의 선단 및 제4 광 파이버(228)의 선단은 제2 광 센서(235)를 구성한다. 이들 제1 광 센서(234) 및 제2 광 센서(235)는 연마 테이블(202) 내의 다른 위치에 배치되어 있고, 연마 테이블(202)이 회전함과 함께, 제1 광 센서(234) 및 제2 광 센서(235)는 교대로 웨이퍼(W)를 가로지른다. 제1 광 센서(234) 및 제2 광 센서(235)는 웨이퍼(W)에 광을 유도하고, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 받는다. 반사광은 제3 광 파이버(227) 또는 제4 광 파이버(228)를 통해 수광 광 파이버(224)에 전달되고, 또한 수광 광 파이버(224)를 통해 분광기(222)에 전달된다. 분광기(222)는 반사광을 파장을 따라 분해하고, 반사광의 각 파장에서의 강도를 측정한다. 처리부(240)는 분광기(222)에 접속되어 있고, 반사광의 강도의 측정값으로부터 분광 파형(스펙트럼)을 생성하고, 분광 파형으로부터 웨이퍼(W)의 막 두께를 결정한다.
도 14는 제1 광로 전환기(220)를 도시하는 모식도이다. 제1 광로 전환기(220)는 제1 광 파이버(216) 및 제2 광 파이버(217)의 단부를 이동시키는 압전 액추에이터(244)를 구비하고 있다. 이 압전 액추에이터(244)가 제1 광 파이버(216) 및 제2 광 파이버(217)의 단부를 이동시킴으로써, 제1 광 파이버(216) 및 제2 광 파이버(217) 중 한쪽이, 투광 광 파이버(215)에 접속된다. 도시하지 않지만, 제2 광로 전환기(230)도 동일한 구성을 갖고 있다.
제1 광로 전환기(220) 및 제2 광로 전환기(230)는 제1 광 센서(234)가 웨이퍼(W)를 가로지르고 있는 동안, 제1 광 파이버(216) 및 제3 광 파이버(227)를 투광 광 파이버(215) 및 수광 광 파이버(224)에 각각 접속하고, 제2 광 센서(235)가 웨이퍼(W)를 가로지르고 있는 동안, 제2 광 파이버(217) 및 제4 광 파이버(228)를 투광 광 파이버(215) 및 수광 광 파이버(224)에 각각 접속한다. 이와 같이, 연마 테이블(202)이 1회전하는 동안에 제1 광로 전환기(220) 및 제2 광로 전환기(230)가 작동하므로, 분광기(222)는 제1 광 센서(234) 및 제2 광 센서(235)가 수광한 반사광을 따로따로 처리할 수 있다.
일본 특허 공개 제2012-138442호 공보 일본 특허 공표 제2014-504041호 공보
그러나, 제1 광로 전환기(220) 및 제2 광로 전환기(230)는 기계적인 전환 장치이므로, 장기간 계속해서 사용하면 문제가 일어나는 경우가 있다. 제1 광로 전환기(220) 또는 제2 광로 전환기(230)에 문제가 일어나면, 제1 광 센서(234) 및 제2 광 센서(235)로부터 분광기(222)에 유도되는 반사광의 강도가 바뀌고, 처리부(240)에서 결정되는 막 두께가 변동되어 버린다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 광 파이버의 광로 전환기를 사용하지 않고, 복수의 광 센서를 사용하여 웨이퍼의 막 두께를 측정할 수 있는 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 형태는, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 웨이퍼를 상기 연마 패드에 가압하는 연마 헤드와, 광을 발하는 광원과, 상기 연마 테이블 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 투광 파이버와, 웨이퍼로부터의 반사광을 파장을 따라 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와, 상기 연마 테이블 내의 상기 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 수광 파이버와, 상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 처리부를 구비하고, 상기 투광 파이버는 상기 광원에 접속되어, 상기 광원으로부터 발해진 광을 웨이퍼의 표면에 유도하고, 상기 수광 파이버는 상기 분광기에 접속되어, 웨이퍼로부터의 반사광을 상기 분광기까지 유도하고, 상기 처리부는 상기 분광 파형에 기초하여 막 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 투광 파이버는 상기 광원에 접속된 투광 주간 파이버와, 상기 투광 주간 파이버로부터 분기된 제1 투광 분기 파이버 및 제2 투광 분기 파이버를 갖고, 상기 수광 파이버는 상기 분광기에 접속된 수광 주간 파이버와, 상기 수광 주간 파이버로부터 분기된 제1 수광 분기 파이버 및 제2 수광 분기 파이버를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 투광 파이버의 선단 및 상기 수광 파이버의 선단은 웨이퍼에 광을 유도하고, 웨이퍼로부터의 반사광을 받는 제1 광 센서 및 제2 광 센서를 구성하고, 상기 제2 광 센서는 상기 연마 테이블의 중심에 관하여 상기 제1 광 센서의 반대측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 특정 파장을 갖는 광을 발하는 교정용 광원을 더 구비하고, 상기 교정용 광원은 상기 분광기에 교정용 광 파이버로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 광원은 제1 광원 및 제2 광원으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 동일한 파장 범위의 광을 발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 다른 파장 범위의 광을 발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 분광기는 제1 분광기 및 제2 분광기로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기는 다른 파장 범위에서 반사광의 강도를 측정하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 형태는, 상기 처리부는 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하고, 막 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼을 생성하고, 임계값보다도 큰 주파수 성분의 강도의 피크를 결정하고, 당해 피크에 대응하는 막 두께를 결정하는 것을 특징으로 한다.
웨이퍼로부터의 반사광은 투광 파이버 및 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 존재할 때에만 분광기에 유도된다. 바꿔 말하면, 투광 파이버 및 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 없을 때는, 분광기에 유도되는 광의 강도는 매우 낮다. 즉, 웨이퍼로부터의 반사광 이외의 광은 막 두께 결정에 사용되지 않는다. 따라서, 광로 전환기를 설치하지 않고, 막 두께를 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 도시하는 도면.
도 2는 연마 패드 및 연마 테이블을 도시하는 상면도.
도 3은 광원에 접속된 투광 파이버를 도시하는 확대도.
도 4는 분광기에 접속된 수광 파이버를 도시하는 확대도.
도 5는 광학식 막 두께 측정기의 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 6은 분광 파형의 일례를 도시하는 그래프.
도 7은 도 6에 도시하는 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 도시하는 그래프.
도 8은 투광 파이버의 선단 및 수광 파이버의 선단이 웨이퍼의 아래에 없을 때에 생성된 주파수 스펙트럼을 도시하는 그래프.
도 9는 제1 광원과 제2 광원을 구비한 실시 형태를 도시하는 모식도.
도 10은 광원에 더하여, 특정한 파장을 갖는 광을 발하는 교정용 광원을 더 구비한 실시 형태를 도시하는 모식도.
도 11은 제1 분광기와 제2 분광기를 구비한 실시 형태를 도시하는 모식도.
도 12는 제1 광원 및 제2 광원과, 제1 분광기 및 제2 분광기를 설치한 실시 형태를 도시하는 모식도.
도 13은 연마 장치의 일례를 도시하는 모식도.
도 14는 도 13에 도시하는 제1 광로 전환기를 도시하는 모식도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는 연마 패드(1)를 지지하는 연마 테이블(3)과, 웨이퍼(W)를 보유 지지하여 웨이퍼(W)를 연마 테이블(3) 상의 연마 패드(1)에 가압하는 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 테이블축(3a)을 통해 그 하방에 배치되는 테이블 모터(19)에 연결되어 있고, 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 부착되어 있고, 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 이동할 수 있도록 되어 있다.
웨이퍼(W)의 연마는 다음과 같이 하여 행해진다. 연마 헤드(5) 및 연마 테이블(3)을 각각 화살표로 나타내는 방향으로 회전시켜, 연마액 공급 노즐(10)로부터 연마 패드(1) 상에 연마액(슬러리)을 공급한다. 이 상태에서, 연마 헤드(5)는 웨이퍼(W)를 연마 패드(1)의 연마면(1a)에 가압한다. 웨이퍼(W)의 표면은 연마액에 포함되는 지립의 기계적 작용과 연마액의 화학적 작용에 의해 연마된다.
연마 장치는 웨이퍼(W)의 막 두께를 측정하는 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)(25)를 구비하고 있다. 이 광학식 막 두께 측정기(25)는 광을 발하는 광원(30)과, 연마 테이블(3) 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단(34a, 34b)을 갖는 투광 파이버(34)와, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 파장을 따라 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기(26)와, 연마 테이블(3) 내의 상기 다른 위치에 배치된 복수의 선단(50a, 50b)을 갖는 수광 파이버(50)와, 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 처리부(27)를 구비하고 있다. 처리부(27)는 연마 제어부(12)에 접속되어 있다.
투광 파이버(34)는 광원(30)에 접속되어 있고, 광원(30)으로부터 발해진 광을 웨이퍼(W)의 표면에 유도하도록 배치되어 있다. 수광 파이버(50)는 분광기(26)에 접속되어 있고, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 분광기(26)까지 유도하도록 배치되어 있다. 투광 파이버(34)의 한쪽의 선단(34a)과, 수광 파이버(50)의 한쪽의 선단(50a)은 서로 인접하고 있고, 이들 선단(34a, 50a)은 제1 광 센서(61)를 구성한다. 투광 파이버(34)의 다른 쪽의 선단(34b)과, 수광 파이버(50)의 다른 쪽의 선단(50b)은 서로 인접하고 있고, 이들 선단(34b, 50b)은 제2 광 센서(62)를 구성한다. 연마 패드(1)는 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)의 상방에 위치하는 통과 구멍(1b, 1c)을 갖고 있고, 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)는 이들 통과 구멍(1b, 1c)을 통해 연마 패드(1) 상의 웨이퍼(W)에 광을 유도하고, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 받을 수 있도록 되어 있다.
도 2는 연마 패드(1) 및 연마 테이블(3)을 도시하는 상면도이다. 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)는 연마 테이블(3)의 중심으로부터 다른 거리에 위치하고 있고, 또한 연마 테이블(3)의 주위 방향에 있어서 서로 이격되어 배치되어 있다. 도 2에 도시하는 실시 형태에서는, 제2 광 센서(62)는 연마 테이블(3)의 중심에 관하여 제1 광 센서(61)의 반대측에 배치되어 있다. 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)는 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 다른 궤적을 그리고 웨이퍼(W)를 교대로 가로지른다. 구체적으로는, 제1 광 센서(61)는 웨이퍼(W)의 중심을 가로지르고, 제2 광 센서(62)는 웨이퍼(W)의 에지부만을 가로지른다. 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)는 교대로 웨이퍼(W)에 광을 유도하고, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 받는다.
도 3은 광원(30)에 접속된 투광 파이버(34)를 도시하는 확대도이다. 투광 파이버(34)는 결속구(31)로 결속된 다수의 소선 광 파이버(32)로 구성된다. 투광 파이버(34)는 광원(30)에 접속된 투광 주간 파이버(35)와, 투광 주간 파이버(35)로부터 분기한 제1 투광 분기 파이버(36) 및 제2 투광 분기 파이버(37)를 갖고 있다.
도 4는 분광기(26)에 접속된 수광 파이버(50)를 도시하는 확대도이다. 수광 파이버(50)도, 마찬가지로, 결속구(51)로 결속된 다수의 소선 광 파이버(52)로 구성된다. 수광 파이버(50)는 분광기(26)에 접속된 수광 주간 파이버(55)와, 수광 주간 파이버(55)로부터 분기한 제1 수광 분기 파이버(56) 및 제2 수광 분기 파이버(57)를 갖고 있다.
투광 파이버(34)의 선단(34a, 34b)은 제1 투광 분기 파이버(36) 및 제2 투광 분기 파이버(37)의 선단으로 구성되어 있고, 이들 선단(34a, 34b)은, 상술한 바와 같이, 연마 테이블(3) 내에 위치하고 있다. 수광 파이버(50)의 선단(50a, 50b)은 제1 수광 분기 파이버(56) 및 제2 수광 분기 파이버(57)의 선단으로 구성되어 있고, 이들 선단(50a, 50b)도, 연마 테이블(3) 내에 위치하고 있다.
도 3 및 도 4에 도시하는 실시 형태에서는, 1개의 주간 파이버가 2개의 분기 파이버로 분기하고 있지만, 소선 광 파이버를 추가함으로써, 3개 이상의 분기 파이버로 분기하는 것도 가능하다. 또한, 소선 광 파이버를 추가함으로써, 파이버의 직경을 간단하게 크게 할 수 있다. 이와 같은 다수의 소선 광 파이버로 구성되는 파이버는 구부리기 쉽고, 또한 접히기 어렵다는 이점을 구비하고 있다.
웨이퍼(W)의 연마 중에는 투광 파이버(34)로부터 광이 웨이퍼(W)에 조사되고, 수광 파이버(50)에 의해 웨이퍼(W)로부터의 반사광이 수광된다. 분광기(26)는 반사광을 파장을 따라 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 소정의 파장 범위에 걸쳐서 측정하고, 얻어진 광 강도 데이터를 처리부(27)에 보낸다. 이 광 강도 데이터는 웨이퍼(W)의 막 두께를 반영한 광학 신호이고, 반사광의 강도 및 대응하는 파장으로 구성된다. 처리부(27)는 광 강도 데이터로부터 파장마다의 광의 강도를 나타내는 분광 파형을 생성한다.
도 5는 광학식 막 두께 측정기(25)의 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 5에 도시하는 예에서는, 웨이퍼(W)는 하층막과, 그 위에 형성된 상층막을 갖고 있다. 상층막은, 예를 들어 실리콘층 또는 절연막 등의, 광의 투과를 허용하는 막이다. 웨이퍼(W)에 조사된 광은 매질(도 5의 예에서는 물)과 상층막의 계면 및 상층막과 하층막의 계면에서 반사하고, 이들 계면에서 반사한 광의 물결이 서로 간섭한다. 이 광의 물결의 간섭 방법은 상층막의 두께(즉, 광로 길이)에 따라 변화된다. 이로 인해, 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성되는 분광 파형은 상층막의 두께에 따라 변화된다.
분광기(26)는 반사광을 파장을 따라 분해하고, 반사광의 강도를 파장마다 측정한다. 처리부(27)는 분광기(26)로부터 얻어진 반사광의 강도 데이터(광학 신호)로부터 분광 파형을 생성한다. 이 분광 파형은 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프로서 표현된다. 광의 강도는 후술하는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 6은 분광 파형의 일례를 도시하는 그래프이다. 도 6에 있어서, 종축은 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 나타내는 상대 반사율을 나타내고, 횡축은 반사광의 파장을 나타낸다. 상대 반사율이라 함은, 반사광의 강도를 나타내는 지표값이고, 광의 강도와 소정의 기준 강도의 비이다. 각 파장에 있어서 광의 강도(실측 강도)를 소정의 기준 강도로 나눔으로써, 장치의 광학계나 광원 고유 강도의 편차 등의 불필요한 노이즈가 실측 강도로부터 제거된다.
기준 강도는 각 파장에 대해 미리 취득된 강도이고, 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 막 두께 센서로부터 발해진 광의 강도를 직접 측정하거나, 또는 막 두께 센서로부터 거울에 광을 조사하고, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 또는, 기준 강도는 막이 형성되어 있지 않은 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 물의 존재 하에서 물 연마하고 있을 때에 얻어진 광의 강도로 해도 된다. 실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 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 다음의 식을 사용하여 구할 수 있다.
Figure 112016052511320-pat00001
여기서, λ는 파장이고, E(λ)는 웨이퍼로부터 반사한 파장 λ에서의 광의 강도이고, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이고, D(λ)는 광을 차단한 조건 하에서 취득된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
처리부(27)는 분광 파형에 푸리에 변환 처리(예를 들어, 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 주파수 스펙트럼을 생성하고, 주파수 스펙트럼으로부터 웨이퍼(W)의 막 두께를 결정한다. 도 7은 도 6에 도시하는 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. 도 7에 있어서, 종축은 분광 파형에 포함되는 주파수 성분의 강도를 나타내고, 횡축은 막 두께를 나타낸다. 주파수 성분의 강도는 정현파로서 표현되는 주파수 성분의 진폭에 상당한다. 분광 파형에 포함되는 주파수 성분은 소정의 관계식을 사용하여 막 두께로 변환되고, 도 7에 도시한 바와 같은 막 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼이 생성된다. 상술한 소정의 관계식은 주파수 성분을 변수로 한, 막 두께를 나타내는 1차 함수이고, 막 두께의 실측 결과 또는 광학적 막 두께 측정 시뮬레이션 등으로부터 구할 수 있다.
도 7에 도시하는 그래프에 있어서, 주파수 성분의 강도의 피크는 막 두께 t1로 나타난다. 바꿔 말하면, 막 두께 t1에 있어서, 주파수 성분의 강도가 가장 커진다. 즉, 이 주파수 스펙트럼은 막 두께가 t1인 것을 나타내고 있다. 이와 같이 하여, 처리부(27)는 주파수 성분의 강도의 피크에 대응하는 막 두께를 결정한다.
처리부(27)는 막 두께 측정값으로서 막 두께 t1을 연마 제어부(12)에 출력한다. 연마 제어부(12)는 처리부(27)로부터 보내진 막 두께 t1에 기초하여 연마 동작(예를 들어, 연마 종료 동작)을 제어한다. 예를 들어, 연마 제어부(12)는 막 두께 t1이 미리 설정된 목표값에 도달한 경우에는, 웨이퍼(W)의 연마를 종료한다.
본 실시 형태에 따른 막 두께 측정 장치(25)는 도 13에 도시하는 막 두께 측정 장치(210)와는 달리, 복수의 분기 파이버를 주간 파이버에 선택적으로 접속하기 위한 광로 전환기를 구비하고 있지 않다. 즉, 투광 주간 파이버(35)는 제1 투광 분기 파이버(36) 및 제2 투광 분기 파이버(37)에 항상 접속되어 있다. 마찬가지로, 수광 주간 파이버(55)는 제1 수광 분기 파이버(56) 및 제2 수광 분기 파이버(57)에 항상 접속되어 있다.
제2 광 센서(62)는 연마 테이블(3)의 중심에 관하여 제1 광 센서(61)의 반대측에 배치되어 있다. 따라서, 웨이퍼(W)의 연마 중에는 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)는 웨이퍼(W)를 교대로 가로지른다. 분광기(26)는 수광 파이버(50)의 제1 수광 분기 파이버(56) 및 제2 수광 분기 파이버(57)를 통해 광을 항상 수취한다. 그러나, 투광 파이버(34) 및 수광 파이버(50)의 선단(34a, 34b, 50a, 50b)이 웨이퍼(W)의 아래에 없을 때는, 분광기(26)가 받는 광의 강도는 매우 낮다. 따라서, 처리부(27)는 웨이퍼(W)로부터의 반사광과, 그 이외의 광을 구별하기 위해, 도 7에 도시한 바와 같이, 처리부(27)에는 주파수 성분의 강도에 대한 임계값이 미리 기억되어 있다.
투광 파이버(34) 및 수광 파이버(50)의 선단(34a, 34b, 50a, 50b)이 웨이퍼(W)의 아래에 없을 때는, 분광기(26)에 입사되는 광의 강도는 낮다. 이 경우, 주파수 스펙트럼에 포함되는 주파수 성분의 강도는 전체적으로 낮아진다. 도 8은 투광 파이버(34)의 선단 및 수광 파이버(50)의 선단이 웨이퍼(W)의 아래에 없을 때에 생성된 주파수 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 주파수 성분의 강도는 전체적으로 임계값보다도 낮다. 따라서, 이 주파수 스펙트럼은 막 두께 결정에 사용되지 않는다.
이에 비해, 도 7에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성된 주파수 스펙트럼은 임계값보다도 큰 주파수 성분의 강도를 포함하고, 주파수 성분의 강도의 피크는 임계값보다도 크다. 따라서, 이 주파수 스펙트럼은 막 두께 결정에 사용된다.
이와 같이, 처리부(27)는 주파수 스펙트럼에 포함되는 주파수 성분의 강도를 임계값과 비교함으로써, 웨이퍼(W)로부터의 반사광과, 그 이외의 광을 구별할 수 있다. 또한, 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)는 웨이퍼(W)를 교대로 가로지르므로, 제1 광 센서(61) 및 제2 광 센서(62)가 받는 반사광은 중첩되지 않는다. 따라서, 광로 전환기를 설치할 필요가 없다. 상술한 실시 형태의 막 두께 측정은 웨이퍼(W)의 연마 중뿐만 아니라, 웨이퍼(W)의 연마 전 및/또는 연마 후에도 행하는 것이 가능하다.
도 9는 제1 광원(30A)과 제2 광원(30B)을 구비한 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 도 9에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 광원(30)은 제1 광원(30A)과 제2 광원(30B)으로 구성된다. 투광 파이버(34)는 제1 광원(30A)과 제2 광원(30B)의 양쪽에 접속되어 있다. 즉, 투광 주간 파이버(35)는 2개의 입력 단자 라인(35a, 35b)을 갖고 있고, 이들 입력 단자 라인(35a, 35b)은 제1 광원(30A)과 제2 광원(30B)에 각각 접속되어 있다.
제1 광원(30A)과 제2 광원(30B)은 다른 구성을 갖는 광원이어도 된다. 예를 들어, 제1 광원(30A)은 할로겐 램프로 이루어지고, 제2 광원(30B)은 발광 다이오드로 이루어진다. 할로겐 램프는 발하는 광의 파장 범위가 넓고(예를 들어, 300㎚ 내지 1300㎚), 또한 수명이 짧은(약 2000시간) 것에 비해, 발광 다이오드는 발하는 광의 파장 범위가 좁고(예를 들어, 900㎚ 내지 1000㎚), 수명이 길다(약 10000시간). 본 실시 형태에 따르면, 웨이퍼(W)의 막 종류에 기초하여, 제1 광원(30A) 또는 제2 광원(30B) 중 어느 하나를 적절히 선택할 수 있다. 크세논 램프, 중수소 램프, 레이저 등의 다른 타입의 광원을 사용해도 된다.
제1 광원(30A)과 제2 광원(30B)은 동일한 파장 범위의 광을 발하는 동일한 구성을 갖는 광원이어도 된다. 예를 들어, 제1 광원(30A) 및 제2 광원(30B)의 양쪽에 할로겐 램프를 사용해도 된다. 할로겐 램프의 수명은 비교적 짧고, 약 2000시간이다. 본 실시 형태에 따르면, 제1 광원(30A)의 광량이 저하된 경우에 제2 광원(30B)으로 전환함으로써, 막 두께 측정 장치(25)를 장수명화할 수 있다. 또한, 제2 광원(30B)의 광량도 저하된 경우에는, 제1 광원(30A) 및 제2 광원(30B)의 양쪽을 새로운 것으로 교환한다. 본 실시 형태에 따르면, 1회의 교환 작업으로 2배의 수명을 실현할 수 있으므로, 연마 장치의 운전을 정지시키는 시간을 짧게 할 수 있다.
도 10은 광원(30)에 더하여, 특정한 파장을 갖는 광을 발하는 교정용 광원(60)을 더 구비한 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 교정용 광원(60)은 분광기(26)에 교정용 광 파이버(63)로 접속되어 있다. 교정용 광 파이버(63)는 수광 파이버(50)의 일부로 구성되어도 된다. 즉, 교정용 광 파이버(63)는 수광 주간 파이버(55)로부터 분기한 제3 수광 분기 파이버로 구성되어도 된다.
교정용 광원(60)으로서는, 특정 파장의 광을 강하게 발하는 방전계의 광원, 예를 들어 크세논 램프를 사용할 수 있다. 교정용 광원(60)으로부터 발해진 광은 분광기(26)에 의해 분해되고, 처리부(27)에 의해 분광 파형이 생성된다. 교정용 광원(60)의 광은 특정한 파장을 갖고 있으므로, 분광 파형은 휘선 스펙트럼으로서 생성된다. 교정용 광원(60)의 광 파장은 기지이다. 따라서, 휘선 스펙트럼에 포함되는 휘선의 파장이, 교정용 광원(60)의 광 파장에 일치하도록, 분광기(26)가 교정된다.
막 두께 측정 장치가 정확한 막 두께를 측정하기 위해서는, 분광기를 정기적 또는 부정기적으로 조정할 필요가 있다. 종래의 교정 방법은, 연마 패드 상에 교정용 광원을 두고, 제1 광 센서 또는 제2 광 센서(2)에 광을 비추고, 분광기로 광의 강도를 측정한다는 것이다. 그러나, 이와 같은 종래의 교정 방법은 연마 장치의 운전을 정지시킬 필요가 있을 뿐만 아니라, 연마 패드의 연마면이 오염될 우려가 있다. 본 실시 형태에서는, 교정용 광원(60)은 연마 테이블(3)에 설치되어, 분광기(26)에 접속되어 있으므로, 분광기(26)의 교정은 연마 장치의 운전을 정지시키지 않고 실시할 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼(W)의 연마 공정 사이에 분광기(26)의 교정을 행해도 된다.
도 11은 제1 분광기(26A)와 제2 분광기(26B)를 구비한 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 분광기(26)는 제1 분광기(26A)와 제2 분광기(26B)로 구성된다. 수광 파이버(50)는 제1 분광기(26A)와 제2 분광기(26B)의 양쪽에 접속되어 있다. 즉, 수광 주간 파이버(55)는 2개의 출력 단자 라인(55a, 55b)을 갖고 있고, 이들 출력 단자 라인(55a, 55b)은 제1 분광기(26A)와 제2 분광기(26B)에 각각 접속되어 있다. 제1 분광기(26A) 및 제2 분광기(26B)의 양쪽은 처리부(27)에 접속되어 있다.
제1 분광기(26A) 및 제2 분광기(26B)는 다른 파장 범위에서 반사광의 강도를 측정하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 제1 분광기(26A)의 측정 가능한 파장 범위는 400㎚ 내지 800㎚이고, 제2 분광기(26B)의 측정 가능한 파장 범위는 800㎚ 내지 1100㎚이다. 광원(30)으로서는, 할로겐 램프(발광 파장 범위 300㎚ 내지 1300㎚)가 사용된다. 처리부(27)는 제1 분광기(26A) 및 제2 분광기(26B)로부터 보내져 오는 광 강도 데이터(반사광의 강도와, 대응하는 파장을 포함하는 광학 신호)로부터 분광 파형을 생성하고, 또한 분광 파형에 대해 푸리에 변환을 행하여 주파수 스펙트럼을 생성한다. 2개의 분광기(26A, 26B)를 구비한 광학식 막 두께 측정기(25)는 400㎚ 내지 1100㎚의 파장 범위에서 측정 가능한 1개 분광기보다도, 분해능을 향상시킬 수 있다.
제1 분광기(26A) 및 제2 분광기(26B)는 다른 구성을 가져도 된다. 예를 들어, 제2 분광기(26B)는 포토 다이오드로 구성되어도 된다. 이 경우, 처리부(27)는 제1 분광기(26A)로부터 보내져 오는 광 강도 데이터(반사광의 강도와, 대응하는 파장을 포함하는 광학 신호)로부터 분광 파형을 생성하고, 또한 분광 파형에 대해, 예를 들어 푸리에 변환을 행하여 주파수 스펙트럼을 생성한다.
포토 다이오드로 구성되는 제2 분광기(26B)는 물의 존재를 검출하기 위해 사용된다. 광원(30)으로서는, 할로겐 램프(발광 파장 범위 300㎚ 내지 1300㎚)가 사용된다. 포토 다이오드는 일반적으로, 900㎚ 내지 1600㎚의 파장 범위에서의 광의 강도를 측정하는 것이 가능하다. 웨이퍼(W)와 파이버(34, 50)의 선단 사이에 물이 존재하면, 1000㎚ 주변의 파장에서의 반사광의 강도가 저하된다. 처리부(27)는 1000㎚ 주변의 파장에서의 반사광의 강도의 저하에 기초하여, 물의 존재를 검출할 수 있다.
상술한 실시 형태는 적절히 조합할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시한 바와 같이, 제1 광원(30A) 및 제2 광원(30B)과, 제1 분광기(26A) 및 제2 분광기(26B)를 설치해도 된다. 보다 구체적으로는, 제1 광원(30A)으로서 할로겐 램프를, 제2 광원(30B)으로서 발광 다이오드를, 제2 분광기(26B)로서 포토 다이오드를 사용해도 된다.
상술한 실시 형태는 본 발명이 속하는 기술 분야에 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 것이고, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시 형태로 한정되지 않고, 특허 청구의 범위에 의해 정의되는 기술적 사상을 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
1 : 연마 패드
3 : 연마 테이블
5 : 연마 헤드
10 : 연마액 공급 노즐
12 : 연마 제어부
16 : 연마 헤드 샤프트
19 : 테이블 모터
25 : 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)
26 : 분광기
27 : 처리부
30 : 광원
30A : 제1 광원
30B : 제2 광원
31 : 결속구
32 : 소선 광 파이버
34 : 투광 파이버
35 : 투광 주간 파이버
36 : 제1 투광 분기 파이버
37 : 제2 투광 분기 파이버
50 : 수광 파이버
51 : 결속구
52 : 소선 광 파이버
55 : 수광 주간 파이버
56 : 제1 수광 분기 파이버
57 : 제2 수광 분기 파이버
60 : 교정용 광원
61 : 제1 광 센서
62 : 제2 광 센서
63 : 교정용 광 파이버

Claims (10)

  1. 기판의 막 두께를 측정하면서 기판을 연마하는 연마 장치이며,
    연마 패드를 지지하는 연마 테이블과,
    웨이퍼를 상기 연마 패드에 가압하는 연마 헤드와,
    광을 발하는 단일의 광원과,
    상기 연마 테이블 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 투광 파이버와,
    웨이퍼로부터의 반사광을 파장을 따라 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 제1 분광기 및 제2 분광기와,
    상기 연마 테이블 내의 상기 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 수광 파이버와,
    상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 처리부를 구비하고,
    상기 투광 파이버는 상기 단일의 광원에 접속되어, 상기 단일의 광원으로부터 발해진 광을 웨이퍼의 표면에 유도하고,
    상기 수광 파이버는 상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기에 접속되어, 웨이퍼로부터의 반사광을 상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기까지 유도하고,
    상기 투광 파이버의 상기 복수의 선단 및 상기 수광 파이버의 상기 복수의 선단은 웨이퍼에 광을 유도하고, 웨이퍼로부터의 반사광을 받는 제1 광 센서 및 제2 광 센서를 구성하고
    상기 제1 광 센서 및 상기 제2 광 센서 각각은 상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기의 양쪽에 접속되어 있으며,
    상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기는, 다른 파장 범위에서 반사광의 강도를 측정하도록 구성되어 있으며,
    상기 처리부는 상기 분광 파형에 기초하여 막 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단일의 광원, 상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기는 상기 연마 테이블에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 광 센서 및 상기 제2 광 센서는 상기 연마 테이블의 중심으로부터 다른 거리에 위치하고 있고, 또한 상기 연마 테이블의 주위 방향에 있어서 서로 이격되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 투광 파이버는 상기 단일의 광원에 접속된 투광 주간 파이버와, 상기 투광 주간 파이버로부터 분기된 제1 투광 분기 파이버 및 제2 투광 분기 파이버를 갖고,
    상기 수광 파이버는 상기 제1 분광기 및 상기 제2 분광기에 접속된 수광 주간 파이버와, 상기 수광 주간 파이버로부터 분기된 제1 수광 분기 파이버 및 제2 수광 분기 파이버를 갖는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 광 센서는 상기 연마 테이블의 중심에 관하여 상기 제1 광 센서의 반대측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  6. 제1항에 있어서, 특정 파장을 갖는 광을 발하는 교정용 광원을 더 구비하고,
    상기 교정용 광원은 상기 제1 분광기 또는 상기 제2 분광기에 교정용 광 파이버로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 처리부는 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하고, 막 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼을 생성하고, 임계값보다도 큰 주파수 성분의 강도의 피크를 결정하고, 당해 피크에 대응하는 막 두께를 결정하는 것을 특징으로 하는, 연마 장치.
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