KR102384828B1 - 연마 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

[과제] 웨이퍼에 조사되는 광의 양을 조정함으로써 정확한 막 두께 측정을 행할 수 있는 연마 장치를 제공한다.
[해결 수단] 연마 장치는, 광원(30)과, 연마 테이블(3) 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단(34a, 34b)을 갖는 투광 파이버(34)와, 연마 테이블(3) 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단(50a, 50b)을 갖는 수광 파이버(50)를 구비한다. 투광 파이버(34)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)를 가지고, 제1 감광기(70)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)에 설치되고, 제2 감광기(72)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37) 중 적어도 하나에 설치되어 있다.

Description

연마 장치{POLISHING APPARATUS}
본 발명은, 막이 표면에 형성되어 있는 웨이퍼를 연마하는 연마 장치에 관한 것이고, 특히 웨이퍼로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보를 해석함으로써 웨이퍼의 막 두께를 검출하면서 웨이퍼를 연마하는 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 이외에도, 실리콘층(실리콘 웨이퍼)을 연마하는 공정이 포함된다. 웨이퍼의 연마는, 그 표면을 구성하는 막(절연막, 금속막, 실리콘층 등)의 두께가 소정의 목표값에 달했을 때에 종료된다.
웨이퍼의 연마는 연마 장치를 사용하여 행해진다. 절연막이나 실리콘층 등의 비금속막의 막 두께를 측정하기 위해서, 연마 장치는 일반적으로 광학식 막 두께 측정 장치를 구비한다. 이 광학식 막 두께 측정 장치는, 광원으로부터 발해진 광을 웨이퍼의 표면으로 유도하고, 웨이퍼로부터의 반사광의 강도를 분광기로 측정하고, 반사광의 스펙트럼을 해석함으로써, 웨이퍼의 막 두께를 측정하도록 구성된다.
일본 특허 공개 제2017-5014호 공보
광학식 막 두께 측정 장치에 있어서는, 광원이 발하는 광의 양은, 웨이퍼의 막 두께 측정에 영향을 준다. 예를 들어, 웨이퍼 상의 복수의 측정점으로 유도되는 광의 양이 다르면, 광학적 조건의 차이에 기인하여 막 두께의 측정 정밀도가 변화된다. 결과적으로, 웨이퍼의 막 두께가 동일한 경우에도, 막 두께의 측정값이 다를 수 있다. 또한, 분광기의 유효 측정 범위에 대하여 웨이퍼로부터의 반사광의 양이 너무 크면, 정확한 막 두께 측정이 저해되어버린다.
그래서, 본 발명은, 웨이퍼에 조사되는 광의 양을 조정함으로써 정확한 막 두께 측정을 행할 수 있는 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태는, 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과, 웨이퍼를 상기 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드와, 광원과, 상기 연마 테이블 내의 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 투광 파이버와, 상기 연마 테이블 내의 상기 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 수광 파이버와, 상기 수광 파이버에 접속되고, 상기 수광 파이버를 통하여 전송되는 웨이퍼로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와, 상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부와, 상기 투광 파이버에 설치된 제1 감광기 및 제2 감광기를 구비하고, 상기 투광 파이버는 제1 투광 파이버 및 제2 투광 파이버를 가지고, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 일단은 상기 광원에 접속되고, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 타단은, 상기 다른 위치에 배치된 상기 투광 파이버의 선단을 구성하고, 상기 제1 감광기는 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버에 설치되고, 상기 제2 감광기는 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버 중 적어도 하나에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 감광기 및 상기 제2 감광기의 각각은, 내부에 광 통로가 형성된 베이스 부재와, 상기 광 통로에 삽입된 광 파이버 보유 지지체와, 상기 광 파이버 보유 지지체의 상기 베이스 부재에 대한 상대 위치를 조절하는 상대 위치 조절 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 광 파이버 보유 지지체의 외면에는 눈금이 부여되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 상대 위치 조절 기구는, 상기 광 파이버 보유 지지체를 상기 베이스 부재에 대하여 이동시키는 모터 구동형 이동 기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 투광 파이버로부터 발해진 광의 양이 목표값에 도달할 때까지, 상기 제1 감광기의 상기 모터 구동형 이동 기구를 조작하는 동작 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버로부터 발해진 광의 양이 서로 동등해질 때까지, 상기 제2 감광기의 상기 모터 구동형 이동 기구를 조작하는 동작 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 감광기 및 상기 제2 감광기의 각각은, 상기 광 통로에 배치된 조리개를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 일부는 묶여서 간광(幹光) 파이버를 구성하고, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 다른 부분은, 상기 간광 파이버로부터 분기된 복수의 지광(枝光) 파이버를 구성하고, 상기 제1 감광기는 상기 간광 파이버에 설치되고, 상기 제2 감광기는 상기 복수의 지광 파이버 중 적어도 하나에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 광원과 상기 분광기에 접속된 모니터링 광 파이버와, 상기 모니터링 광 파이버에 설치된 제3 감광기를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 형태는, 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과, 웨이퍼를 상기 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드와, 광원과, 상기 연마 테이블 내의 소정의 위치에 배치된 선단을 갖는 투광 파이버와, 상기 연마 테이블 내의 상기 소정의 위치에 배치된 선단을 갖는 수광 파이버와, 상기 수광 파이버에 접속되고, 상기 수광 파이버를 통하여 전송되는 웨이퍼로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와, 상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부와, 상기 투광 파이버에 설치된 감광기를 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치이다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 감광기는, 내부에 광 통로가 형성된 베이스 부재와, 상기 광 통로에 삽입된 광 파이버 보유 지지체와, 상기 광 파이버 보유 지지체의 상기 베이스 부재에 대한 상대 위치를 조절하는 상대 위치 조절 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 광 파이버 보유 지지체의 외면에는 눈금이 부여되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 상대 위치 조절 기구는, 상기 광 파이버 보유 지지체를 상기 베이스 부재에 대하여 이동시키는 모터 구동형 이동 기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 투광 파이버로부터 발해진 광의 양이 목표값에 도달할 때까지, 상기 모터 구동형 이동 기구를 조작하는 동작 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태는, 상기 감광기는, 상기 광 통로에 배치된 조리개를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 제1 감광기는 광원으로부터 발해진 광의 전체량을 조정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 웨이퍼로부터의 반사광의 양이 분광기의 유효 측정 범위 내로 들어가게, 광원으로부터의 광의 양을 제1 감광기에 의해 조정할 수 있다. 따라서, 분광기는 반사광의 파장별 강도를 정확하게 측정할 수 있고, 결과적으로 정확한 막 두께 측정을 달성할 수 있다.
제2 감광기는, 제1 투광 파이버 및 제2 투광 파이버로부터 웨이퍼로 유도되는 광의 양을 밸런스시키는, 즉, 복수의 투광 파이버부터 웨이퍼로 유도되는 광의 양을 동일하게 할 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼 상의 복수의 측정점에 있어서 동일한 광학적 조건 하에서 웨이퍼의 막 두께를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 광 파이버 보유 지지체의 베이스 부재에 대한 상대적인 위치를 조절함으로써, 투광 파이버를 전송되는 광의 양을 미세 조정할 수 있다. 또한, 웨이퍼로부터의 반사광의 양이 분광기의 유효 측정 범위 내로 들어가게, 광원으로부터의 광의 양을 감광기에 의해 조정할 수 있다. 따라서, 분광기는 반사광의 파장별 강도를 정확하게 측정할 수 있고, 결과적으로 정확한 막 두께 측정을 달성할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 연마 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는, 연마 패드 및 연마 테이블을 나타내는 상면도이다.
도 3은, 광학식 막 두께 측정기의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는, 분광 파형의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 도 4에 나타내는 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)의 일 실시 형태를 나타내는 확대도이다.
도 7은, 제1 감광기의 구성의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다.
도 8은, 제1 감광기의 외관을 나타내는 도면이다.
도 9는, 상대 위치 조절 기구의 다른 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 10은, 도 9에 나타내는 제1 감광기의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 11은, 제2 감광기의 구성의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다.
도 12는, 제1 감광기의 구성의 다른 실시 형태를 나타내는 모식도이다.
도 13은, 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)의 다른 실시 형태를 나타내는 확대도이다.
도 14는, 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)의 또 다른 실시 형태를 나타내는 확대도이다.
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, 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 압박하는 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 동작 제어부(12)를 구비하고 있다.
연마 테이블(3)은 테이블 축(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 있으며, 연마 패드(1)의 상면이 웨이퍼(W)를 연마하는 연마면(1a)을 구성하고 있다. 연마 헤드(5)는 연마 헤드 샤프트(16)의 하단에 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 있게 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) 상에 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, 연마액의 화학적 작용과 연마액에 포함되는 지립의 기계적 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, 연마 테이블(3) 내의 상기 다른 위치에 배치된 복수의 선단(50a, 50b)을 갖는 수광 파이버(50)와, 수광 파이버(50)를 통하여 전송되는 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기(26)와, 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 처리부(27)를 구비하고 있다. 처리부(27)는 동작 제어부(12)에 접속되어 있다. 처리부(27) 및 동작 제어부(12)는 각각 전용 또는 범용 컴퓨터로 구성되어 있다. 처리부(27) 및 동작 제어부(12)는 하나의 컴퓨터로 구성되어도 된다.
투광 파이버(34)는 광원(30)에 접속되어 있고, 광원(30)으로부터 발해진 광을 웨이퍼(W)의 표면으로 유도하게 배치되어 있다. 수광 파이버(50)는 분광기(26)에 접속되어 있고, 웨이퍼(W)의 표면으로부터의 반사광을 분광기(26)로 유도하게 배치되어 있다. 광원(30)은 할로겐 램프 또는 크세논 램프 등의 발광체를 구비하고 있다.
투광 파이버(34)의 한쪽 선단(34a)과, 수광 파이버(50)의 한쪽 선단(50a)은 서로 인접해 있으며, 이들 선단(34a, 50a)은 제1 센서 헤드(61)를 구성한다. 투광 파이버(34)의 다른 쪽 선단(34b)과, 수광 파이버(50)의 다른 쪽 선단(50b)은 서로 인접해 있으며, 이 선단(34b, 50b)은 제2 센서 헤드(62)를 구성한다. 연마 패드(1)는, 제1 센서 헤드(61) 및 제2 센서 헤드(62)의 상방에 위치하는 통과 구멍(1b, 1c)을 가지고 있으며, 제1 센서 헤드(61) 및 제2 센서 헤드(62)는, 이들 통과 구멍(1b, 1c)을 통하여 연마 패드(1) 상의 웨이퍼(W)로 광을 유도하여, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 받을 수 있게 되어 있다.
일 실시 형태에서는, 투광 파이버(34)는 연마 테이블(3) 내의 소정의 위치에 배치된 하나의 선단만을 가져도 되고, 동일하게 수광 파이버(50)는 연마 테이블(3) 내의 상기 소정의 위치에 배치된 하나의 선단만을 가져도 된다. 이 경우에도, 투광 파이버(34)의 선단과 수광 파이버(50)의 선단은 서로 인접하게 배치되고, 투광 파이버(34)의 선단과 수광 파이버(50)의 선단은, 연마 패드(1) 상의 웨이퍼(W)로 광을 유도하여, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 받는 센서 헤드를 구성한다.
도 2는, 연마 패드(1) 및 연마 테이블(3)을 나타내는 상면도이다. 제1 센서 헤드(61) 및 제2 센서 헤드(62)는, 연마 테이블(3)의 중심으로부터 다른 거리에 위치하고 있으며, 또한 연마 테이블(3)의 둘레 방향에 있어서 서로 이격되어 배치되어 있다. 도 2에 나타내는 실시 형태에서는, 제2 센서 헤드(62)는 연마 테이블(3)의 중심에 대하여 제1 센서 헤드(61)의 반대측에 배치되어 있다. 제1 센서 헤드(61) 및 제2 센서 헤드(62)는, 연마 테이블(3)이 1 회전할 때마다 다른 궤적을 그려 웨이퍼(W)를 교대로 가로지른다. 구체적으로는, 제1 센서 헤드(61)는 웨이퍼(W)의 중심을 가로지르고, 제2 센서 헤드(62)는 웨이퍼(W)의 에지부만을 가로지른다. 제1 센서 헤드(61) 및 제2 센서 헤드(62)는 교대로 웨이퍼(W)로 광을 유도하여, 웨이퍼(W)로부터의 반사광을 받는다.
웨이퍼(W)의 연마 중에는, 투광 파이버(34)로부터 광이 웨이퍼(W)에 조사되고, 수광 파이버(50)에 의해 웨이퍼(W)로부터의 반사광이 수광된다. 웨이퍼(W)로부터의 반사광은 수광 파이버(50)를 통하여 분광기(26)로 유도된다. 분광기(26)는, 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 소정의 파장 범위에 걸쳐 측정하고, 얻어진 광 강도 데이터를 처리부(27)에 보낸다. 이 광 강도 데이터는 웨이퍼(W)의 막 두께를 반영한 광학 신호이며, 반사광의 강도 및 대응하는 파장으로 구성된다. 처리부(27)는 광 강도 데이터로부터 파장별 광의 강도를 나타내는 분광 파형을 생성한다.
도 3은, 광학식 막 두께 측정기(25)의 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3에 나타내는 예에서는, 웨이퍼(W)는, 하층막과, 그 위에 형성된 상층막을 가지고 있다. 상층막은, 예를 들어 실리콘층 또는 절연막 등의, 광의 투과를 허용하는 막이다. 웨이퍼(W)에 조사된 광은, 매질(도 3의 예에서는 물)과 상층막의 계면, 및 상층막과 하층막의 계면에서 반사되고, 이들 계면에서 반사된 광의 파가 서로 간섭한다. 이 광의 파의 간섭 방법은, 상층막의 두께(즉, 광로 길이)에 따라서 변화된다. 이 때문에, 웨이퍼(W)로부터의 반사광으로부터 생성되는 분광 파형은, 상층막의 두께에 따라서 변화된다.
분광기(26)는 반사광을 파장에 따라서 분해하고, 반사광의 강도를 파장별로 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 표시된다. 광의 강도는, 후술하는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 4는, 분광 파형의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 4에 있어서, 종축은 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 나타내는 상대 반사율을 나타내고, 횡축은 반사광의 파장을 나타낸다. 상대 반사율이란, 반사광의 강도를 나타내는 지표값이며, 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 제거된다.
기준 강도는 각 파장에 대하여 미리 측정된 광의 강도이고, 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 제1 센서 헤드(61) 또는 제2 센서 헤드(62)로부터 발해진 광의 강도를 직접 측정하거나 또는 제1 센서 헤드(61) 또는 제2 센서 헤드(62)로부터 거울에 광을 조사하고, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 또는, 기준 강도는, 막이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 연마 패드(1) 상에서 물의 존재 하에 물 연마하고 있을 때, 또는 상기 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)가 연마 패드(1) 상에 놓여 있을 때에 분광기(26)에 의해 측정된 실리콘 웨이퍼로부터의 반사광의 강도로 해도 된다. 실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 얻어진 배경 강도)를 차감하여 보정 실측 강도를 구하고, 또한 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 차감하여 보정 기준 강도를 구하고, 그리고 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 나눔으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은 다음 식 (1)을 사용하여 구할 수 있다.
Figure 112019004161679-pat00001
여기서, λ는 파장이며, E(λ)는 웨이퍼로부터 반사된 광의 파장 λ에서의 강도이며, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이며, D(λ)는 광을 차단한 조건 하에서 측정된 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 5는, 도 4에 나타내는 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 5에 있어서, 종축은 분광 파형에 포함되는 주파수 성분의 강도를 나타내고, 횡축은 막 두께를 나타낸다. 주파수 성분의 강도는, 정현파로서 표시되는 주파수 성분의 진폭에 상당한다. 분광 파형에 포함되는 주파수 성분은, 소정의 관계식을 사용하여 막 두께로 변환되고, 도 5에 도시한 바와 같은 막 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼이 생성된다. 상술한 소정의 관계식은, 주파수 성분을 변수로 한, 막 두께를 나타내는 1차 함수이며, 막 두께의 실측 결과, 광학적 막 두께 측정 시뮬레이션, 이론식 등으로부터 구할 수 있다.
도 5에 나타내는 그래프에 있어서, 주파수 성분의 강도인 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 강도인 피크에 대응하는 막 두께를 결정한다.
처리부(27)는 막 두께 측정값으로서 막 두께 t1을 동작 제어부(12)로 출력한다. 동작 제어부(12)는 처리부(27)로부터 보내진 막 두께 t1에 기초하여 연마 동작(예를 들어, 연마 종료 동작)을 제어한다. 예를 들어, 동작 제어부(12)는, 막 두께 t1이 미리 설정된 목표값에 달했을 때, 웨이퍼(W)의 연마를 종료한다.
도 6은, 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)(25)의 일 실시 형태를 나타내는 확대도이다. 투광 파이버(34)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)를 가지고 있다. 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 각각은, 복수의 소선(素線) 광 파이버로 구성되어 있다. 제1 투광 파이버(36)를 구성하는 복수의 소선 광 파이버의 단부는 결속 도구(32)로 묶여 있다. 동일하게, 제2 투광 파이버(37)를 구성하는 복수의 소선 광 파이버의 단부는 결속 도구(33)로 묶여 있다. 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 일단은 광원(30)에 접속되고, 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 타단은, 투광 파이버(34)의 선단(34a, 34b)을 구성한다.
제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 일부는 결속 도구(31)로 묶여 간광 파이버(35)를 구성하고 있다. 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 다른 부분은, 간광 파이버(35)로부터 분기된 제1 지광 파이버(36A) 및 제2 지광 파이버(37B)를 각각 구성하고 있다. 지광 파이버(36A, 37B)의 선단은 투광 파이버(34)의 선단(34a, 34b)을 구성한다. 이하의 설명에서는, 지광 파이버(36A)의 선단을 선단(34a)이라 칭하고, 지광 파이버(37B)의 선단을 선단(34b)이라 칭하는 경우가 있다.
간광 파이버(35)의 단부(즉, 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 광원 측단부)는, 제1 감광기(70)를 통해 광원(30)에 접속되어 있다. 제1 감광기(70)는 광원(30)으로부터 발해진 광의 양을 조정하는, 즉, 광량을 감소시키는 기능을 갖는다. 제1 감광기(70)는 간광 파이버(35)에 설치되어 있다. 즉, 제1 감광기(70)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 양쪽에 설치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 간광 파이버(35)의 단부는 제1 감광기(70)에 접속되고, 제1 감광기(70)는 광원(30)에 고정되어 있다. 일 실시 형태에서는, 제1 감광기(70)는 간광 파이버(35)에 조립되어도 된다. 구체적으로는, 간광 파이버(35)는, 직선 상에 배열하는 상류측 간광 파이버 및 하류측 간광 파이버를 가지고, 제1 감광기(70)는 상류측 간광 파이버와 하류측 간광 파이버 사이에 배치되어도 된다.
도 6에 나타내는 실시 형태에서는, 1개의 간광 파이버(35)가 2개의 지광 파이버(36A, 37B)로 분기되어 있지만, 소선 광 파이버를 추가함으로써, 3개 이상의 지광 파이버로 분기되는 것도 가능하다. 또한, 소선 광 파이버를 추가함으로써, 파이버의 직경을 간단하게 크게 할 수 있다. 이러한 다수의 소선 광 파이버로 구성되는 광 파이버는, 구부리기 쉬우며 또한 꺾이기 어렵다는 이점을 구비하고 있다.
수광 파이버(50)는 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)를 구비하고 있다. 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)의 각각은, 복수의 소선 광 파이버로 구성되어 있다. 제1 수광 파이버(56)를 구성하는 복수의 소선 광 파이버의 단부는 결속 도구(51)로 결속되어 있다. 동일하게, 제2 수광 파이버(57)를 구성하는 복수의 소선 광 파이버의 단부는 결속 도구(52)로 결속되어 있다. 수광 파이버(50)의 선단(50a, 50b)은, 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)의 선단으로 각각 구성되어 있다.
제1 지광 파이버(36A)의 선단(34a)과 제1 수광 파이버(56)의 선단(50a)은 제1 센서 헤드(61)를 구성하고, 제2 지광 파이버(37B)의 선단(34b)과 제2 수광 파이버(57)의 선단(50b)은 제2 센서 헤드(62)를 구성하고 있다. 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)의 일부는 결속 도구(53)에 의해 묶여 간광 파이버(58)를 구성하고 있다. 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)의 다른 부분은, 간광 파이버(58)로부터 분기된 지광 파이버를 구성한다. 간광 파이버(58)는 분광기(26)에 접속되어 있다. 분광기(26)는 처리부(27)에 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시 형태에서는, 수광 파이버(50)를 구성하는 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)는 분광기(26)에 접속되어 있다. 웨이퍼(W)의 연마 중에는 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)의 양쪽을 통하여 광이 분광기(26)에 전달되지만, 웨이퍼(W)로부터의 반사광 이외의 광의 강도는 매우 낮으므로, 어떤 임계값 이상의 강도를 갖는 광만을 막 두께 측정에 사용함으로써, 정확한 막 두께 측정이 가능하다. 일 실시 형태에서는, 제1 수광 파이버(56) 또는 제2 수광 파이버(57) 중 어느 한쪽을 분광기(26)에 선택적으로 접속시키는 광 스위치를, 수광 파이버(56, 57)와 분광기(26) 사이에 배치해도 된다.
본 실시 형태에서는, 제2 감광기(72)는 제1 지광 파이버(36A)(즉, 제1 투광 파이버(36))에 설치되어 있다. 이 제2 감광기(72)는 제1 지광 파이버(36A)를 통해 전달되는 광의 양을 조정하는, 즉, 광량을 감소시키는 기능을 갖는다. 제1 감광기(70)와 제2 감광기(72)는 동일한 구성을 가지고 있다.
도 7은, 제1 감광기(70)의 구성의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다. 제1 감광기(70)는, 내부에 광 통로(81)가 형성된 베이스 부재(80)와, 광 통로(81)에 삽입된 광 파이버 보유 지지체(82)와, 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대 위치를 조절하는 상대 위치 조절 기구(85)를 가지고 있다. 상대 위치 조절 기구(85)는, 광 파이버 보유 지지체(82)가 삽입된 통과 구멍(86a)을 갖는 플랜지(86)와, 플랜지(86)에 나사 삽입된 세트 나사(88)와, 플랜지(86)를 베이스 부재(80)에 고정하는 캡 너트(89)를 가지고 있다. 단, 상대 위치 조절 기구(85)는, 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대적인 위치를 조절하는 것이 가능하도록 구성되어 있는 한에 있어서, 본 실시 형태에 한정되지 않는다.
제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)로 구성되는 간광 파이버(35)는, 그 단부가 광 통로(81) 내에 노출된 상태에서, 광 파이버 보유 지지체(82)에 고정되어 있다. 광 파이버 보유 지지체(82)의 폭은 광 통로(81)의 폭보다도 작고, 광 파이버 보유 지지체(82)는 광 통로(81) 내를 그의 길이 방향으로 이동 가능하다. 세트 나사(88)는 플랜지(86)를 그 반경 방향으로 관통하고 있다. 플랜지(86)의 통과 구멍(86a)의 폭은, 광 파이버 보유 지지체(82)의 폭보다도 크고, 플랜지(86)는 광 파이버 보유 지지체(82)에 대하여 상대적으로 광 파이버 보유 지지체(82)의 길이 방향으로 이동 가능하다. 세트 나사(88)의 선단은 플랜지(86)의 통과 구멍(86a) 내에 위치하며, 또한 광 파이버 보유 지지체(82)의 외면에 접촉되어 있다. 플랜지(86)는 광 통로(81)의 폭보다도 넓은 폭을 가지고 있다. 광 파이버 보유 지지체(82)가 플랜지(86)의 통과 구멍(86a)에 삽입된 상태에서 세트 나사(88)를 체결하면, 플랜지(86)는 광 파이버 보유 지지체(82)에 고정된다.
광 파이버 보유 지지체(82)는 캡 너트(89)를 관통하여 연장되어 있다. 캡 너트(89)는 내측으로 돌출되는 헤드부(89a)를 가지고 있다. 플랜지(86)는 캡 너트(89)의 헤드부(89a)와 베이스 부재(80)의 단부면 사이에 배치되어 있다. 베이스 부재(80)는 원통 형상을 가지고 있다. 베이스 부재(80)의 외주면에는 나사(80b)가 형성되어 있고, 캡 너트(89)의 내주면에도 나사(89b)가 형성되어 있다. 캡 너트(89)의 나사(89b)는 베이스 부재(80)의 나사(80b)에 걸림 결합되어 있다. 캡 너트(89)를 체결하면, 플랜지(86)는 캡 너트(89)에 의해 베이스 부재(80)에 압박되고, 이에 의해 플랜지(86)가 베이스 부재(80)에 고정된다. 광 파이버 보유 지지체(82)는 세트 나사(88)에 의해 플랜지(86)에 고정되어 있으므로, 베이스 부재(80)에 대한 광 파이버 보유 지지체(82)의 상대적인 위치가 고정된다.
간광 파이버(35)는 광 파이버 보유 지지체(82)에 고정되어 있고, 광 파이버 보유 지지체(82)와 간광 파이버(35)는 일체로 이동 가능하다. 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대적인 위치는 가변이다. 즉, 캡 너트(89)를 베이스 부재(80)로부터 분리하고, 세트 나사(88)를 풀면, 광 파이버 보유 지지체(82)의 선단이 광 통로(81) 내에 위치한 채, 광 파이버 보유 지지체(82)를 베이스 부재(80)에 대하여 이동시킬 수 있다. 그 후, 세트 나사(88)를 체결하고, 또한 캡 너트(89)를 베이스 부재(80)에 체결하면, 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대적인 위치가 고정된다. 간광 파이버(35)는 광 파이버 보유 지지체(82)에 고정되어 있으므로, 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대 위치를 조절함으로써, 광 통로(81)에 대한 간광 파이버(35)의 상대 위치를 조절하는 것이 가능하다.
광원(30)으로부터 발해진 광은, 광 통로(81)를 통하여 광 파이버 보유 지지체(82)에 보유 지지된 간광 파이버(35)에 도달한다. 간광 파이버(35)에 도달하는 광의 양, 즉, 간광 파이버(35)를 통해 전송되는 광의 양은, 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대적인 위치에 의해 조정할 수 있다. 구체적으로는, 광 통로(81)의 입구(81a)로부터 광 파이버 보유 지지체(82)까지의 거리가 짧아지는 방향으로 광 파이버 보유 지지체(82)를 이동시키면, 간광 파이버(35)에 도달하는 광의 양은 증가한다. 이에 비해, 광 통로(81)의 입구(81a)로부터 광 파이버 보유 지지체(82)까지의 거리가 길어지는 방향으로 광 파이버 보유 지지체(82)를 이동시키면, 간광 파이버(35)에 도달하는 광의 양은 감소한다. 광 파이버 보유 지지체(82)의 위치는, 플랜지(86) 및 세트 나사(88)에 의해 자유롭게 조절하는 것이 가능하다. 따라서, 제1 감광기(70)는 간광 파이버(35)를 통해 전송되는 광의 양을 미세 조정할 수 있다.
도 8은, 제1 감광기(70)의 외관을 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 광 파이버 보유 지지체(82)의 외면에는 눈금(91)이 부여되어 있다. 이 눈금(91)은 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대 위치의 조절 작업을 용이하게 할 수 있다.
이와 같이, 광 파이버 보유 지지체(82)의 베이스 부재(80)에 대한 상대적인 위치를 조절함으로써, 간광 파이버(35)를 통해 전송되는 광의 양을 조정할 수 있다. 따라서, 광원(30)으로부터 웨이퍼(W)로 유도되는 광의 양은, 제1 감광기(70)에 의해 조정할 수 있다. 제1 지광 파이버(36A)에 설치된 제2 감광기(72)도 제1 감광기(70)와 동일한 구성을 가지고 있으므로, 제2 감광기(72)는 동일하게 하여 제1 지광 파이버(36A)를 통해 전송되는 광의 양을 조정할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 베이스 부재(80)는 광원(30)에 고정되어 있지만, 일 실시 형태에서는, 베이스 부재(80)도 광 파이버 보유 지지체(82)와 동일하게, 간광 파이버(35)에 고정되어도 된다. 구체적으로는, 간광 파이버(35)는, 직선 상에 배열하는 상류측 간광 파이버 및 하류측 간광 파이버를 가지고, 베이스 부재(80)는 상류측 간광 파이버에 고정되고, 광 파이버 보유 지지체(82)는 하류측 간광 파이버에 고정되어도 된다.
제1 감광기(70)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)의 양쪽에 설치되어 있다. 따라서, 제1 감광기(70)는 광원(30)으로부터 발해진 광의 전체량을 감소시키기 위해 사용된다. 이유는 다음과 같다. 만일 분광기(26)의 유효 측정 범위를 초과한 양의 반사광이 분광기(26)로 유도되면, 분광기(26)는 반사광의 파장별 강도를 정확하게 측정할 수 없다. 그래서, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 양이, 분광기(26)의 유효 측정 범위 내로 들어가게 광원(30)으로부터 발해진 광의 전체량을 제1 감광기(70)에 의해 감소시킨다. 제1 감광기(70)가 광의 양을 적절하게 감소시킴으로써, 분광기(26)는 반사광의 강도를 정확하게 측정할 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼(W)의 막 두께를 정확하게 측정할 수 있다.
도 9는, 상대 위치 조절 기구(85)의 다른 실시 형태를 나타내는 도면이다. 상대 위치 조절 기구(85)는, 광 파이버 보유 지지체(82)를 베이스 부재(80)에 대하여 상대적으로 이동시키는 모터 구동형 이동 기구(92)를 구비하고 있다. 모터 구동형 이동 기구(92)는, 베이스 부재(80)에 고정된 전동기(93)와, 전동기(93)의 회전축(93a)에 고정된 풀리(95)와, 풀리(95)와 캡 너트(89)의 외주면에 걸린 벨트(97)를 구비하고 있다.
풀리(95)는 회전축(93a)의 토크를 받을 수 있는 한편, 회전축(93a)에 대하여 그 축방향으로 이동 가능하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 풀리(95)와 회전축(93a)은 키 및 키 홈과의 걸림 결합에 의해 연결되어도 되고, 또는 볼 스플라인 베어링에 의해 연결되어도 된다. 전동기(93)에는, 서보 모터 또는 스테핑 모터가 사용된다. 전동기(93)는 연결 부재(98)를 통해 베이스 부재(80)에 고정되어 있다. 전동기(93)가 동작하면, 전동기(93)의 토크는 풀리(95) 및 벨트(97)를 통해 캡 너트(89)에 전달되어, 캡 너트(89)가 회전한다.
도 10은, 도 9에 나타내는 제1 감광기(70)의 구조를 나타내는 단면도이다. 도 10에 나타내는 제1 감광기(70)의 특별히 설명하지 않는 구조는, 도 7에 나타내는 제1 감광기(70)의 구조와 동일하므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 모터 구동형 이동 기구(92)는, 광 통로(81) 내에 배치된 스프링(99)을 더 구비하고 있다. 스프링(99)의 일단은 광 파이버 보유 지지체(82)의 단부에 접촉되어 있으며, 스프링(99)은 광 파이버 보유 지지체(82) 및 간광 파이버(35)를 광 통로(81)의 입구(81a)로부터 이격되는 방향으로 가압하고 있다.
세트 나사(88)가 체결되어 있는 상태에서, 캡 너트(89)가 풀어지는 방향으로 전동기(93)가 캡 너트(89)를 회전시키면, 스프링(99)은 광 파이버 보유 지지체(82) 및 간광 파이버(35)를 광 통로(81)의 입구(81a)로부터 이격되는 방향으로 이동시킨다. 캡 너트(89)가 조이는 방향으로 전동기(93)가 캡 너트(89)를 회전시키면, 캡 너트(89)는, 스프링(99)의 반발력에 저항하여 광 파이버 보유 지지체(82) 및 간광 파이버(35)를 광 통로(81)의 입구(81a)에 가까워지는 방향으로 이동시킨다. 이와 같이, 전동기(93)의 동작에 의해 광 파이버 보유 지지체(82)와 광 통로(81)의 입구(81a) 사이의 거리가 변화되고, 결과적으로 간광 파이버(35)에 도달하는 광의 양이 변화된다.
모터 구동형 이동 기구(92)는 동작 제어부(12)에 접속되어 있어, 모터 구동형 이동 기구(92)의 동작은 동작 제어부(12)에 의해 제어된다. 동작 제어부(12)는, 투광 파이버(34)로부터 발해진 광의 양이 목표값에 도달할 때까지, 모터 구동형 이동 기구(92)를 조작하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 연마 패드(1)의 연마면(1a) 상에 도시하지 않은 반사체(웨이퍼, 더미 웨이퍼, 거울 등)를 두어, 제1 투광 파이버(36) 또는 제2 투광 파이버(37)로부터 광을 반사체로 유도하고, 반사체로부터의 반사광의 강도를 분광기(26)로 측정하며, 측정된 반사광의 강도가, 상기 목표값에 대응하는 설정값에 도달할 때까지, 동작 제어부(12)는 모터 구동형 이동 기구(92)의 전동기(93)를 조작한다.
도 11은, 제2 감광기(72)의 구성의 일 실시 형태를 나타내는 모식도이다. 제2 감광기(72)는 제1 감광기(70)와 기본적으로 동일한 구성을 가지고 있으므로, 제1 감광기(70)와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 제2 감광기(72)의 상세한 설명은 생략한다. 도 11에 도시한 바와 같이, 제2 감광기(72)는, 제1 투광 파이버(36), 즉, 제1 지광 파이버(36A)에 설치되어 있다. 이 제2 감광기(72)는 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)로부터 웨이퍼(W)로 유도되는 광의 양을 밸런스시키기 위해 사용된다. 보다 구체적으로는, 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)로부터 웨이퍼(W)로 유도되는 광의 양이 동일해지게, 제2 감광기(72)는 제1 투광 파이버(36)(즉, 제1 지광 파이버(36A))를 통해 전송되는 광의 양을 감소시킨다. 결과적으로, 제1 센서 헤드(61) 및 제2 센서 헤드(62)는 동일한 광학적 조건 하에서 웨이퍼(W)의 막 두께를 측정할 수 있다.
제2 투광 파이버(37)로부터 웨이퍼(W)로 유도되는 광의 양이, 제1 투광 파이버(36)로부터 웨이퍼(W)로 유도되는 광의 양보다도 많은 경우에는, 제2 감광기(72)는 제2 투광 파이버(37)(즉, 제2 지광 파이버(37B))에 설치된다. 이 경우에도, 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)로부터 웨이퍼(W)로 유도되는 광의 양이 동일해지게, 제2 투광 파이버(37)를 통해 전송되는 광의 양이 제2 감광기(72)에 의해 조정된다.
도 9 및 도 10에 나타내는 모터 구동형 이동 기구(92)는, 도 11에 나타내는 제2 감광기(72)에도 적용할 수 있다. 동작 제어부(12)는, 제1 투광 파이버(36) 및 제2 투광 파이버(37)로부터 발해진 광의 양이 서로 동등해질 때까지, 모터 구동형 이동 기구(92)를 조작하도록 구성되어 있다. 제2 감광기(72)가 제1 투광 파이버(36)에 설치되어 있는 경우에는, 다음과 같이 하여 광의 양이 조정된다. 도시하지 않은 반사체(웨이퍼, 더미 웨이퍼, 거울 등)를 제2 투광 파이버(37)의 선단(34b)에 대향하도록 연마 패드(1)의 연마면(1a) 상에 두어, 제2 투광 파이버(37)로부터 광을 반사체로 유도하고, 반사체로부터의 반사광의 강도를 분광기(26)로 측정하여 기준값을 취득하며, 상기 반사체를 제1 투광 파이버(36)의 선단(34a)에 대향하도록 연마 패드(1)의 연마면(1a) 상에 두어, 제1 투광 파이버(36)로부터 광을 반사체로 유도하고, 반사체로부터의 반사광의 강도를 분광기(26)로 측정하며, 측정된 반사광의 강도가 상기 기준값과 동등해지기까지, 동작 제어부(12)는 모터 구동형 이동 기구(92)의 전동기(93)를 조작한다.
제2 감광기(72)가 제1 투광 파이버(36)가 아니라, 제2 투광 파이버(37)에 설치되어 있는 경우에도, 동일하게 하여 광의 양 조정이 행해진다. 즉, 상기 반사체를 제1 투광 파이버(36)의 선단(34a)에 대향하도록 연마 패드(1)의 연마면(1a) 상에 두어, 제1 투광 파이버(36)로부터 광을 반사체로 유도하고, 반사체로부터의 반사광의 강도를 분광기(26)로 측정하여 기준값을 취득하며, 상기 반사체를 제2 투광 파이버(37)의 선단(34b)에 대향하도록 연마 패드(1)의 연마면(1a) 상에 두어, 제2 투광 파이버(37)로부터 광을 반사체로 유도하고, 반사체로부터의 반사광의 강도를 분광기(26)로 측정하여, 측정된 반사광의 강도가 상기 기준값과 동등해지기까지, 동작 제어부(12)는 모터 구동형 이동 기구(92)의 전동기(93)를 조작한다.
도 12는, 제1 감광기(70)의 다른 실시 형태의 구성을 나타내는 모식도이다. 특별히 설명하지 않는 구성은, 도 7에 나타내는 구성과 동일하므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 본 실시 형태의 제1 감광기(70)는 광 통로(81) 내에 배치된 조리개(애퍼쳐)(90)를 구비하고 있다. 조리개(90)는 개구(90a)를 갖는 부재이다. 조리개(90)는 분리 가능하게 광 통로(81) 내에 배치되어 있다. 조리개(90)는 광 통로(81)의 입구(81a)와 광 파이버 보유 지지체(82) 사이에 위치하고 있다. 조리개(90)를 통과할 수 있는 광의 양은, 조리개(90)의 개구(90a)의 크기에 의존한다. 따라서, 크기가 다른 개구를 갖는 복수의 조리개 중에서, 사용해야 할 조리개를 적절히 선택함으로써, 광량을 조정할 수 있다.
본 실시 형태에 따르면, 광원(30)으로부터 발해진 광의 양은 2단계로 감소된다. 즉, 광의 양은, 먼저 조리개(90)에 의해 감소되고, 또한 베이스 부재(80)에 대한 광 파이버 보유 지지체(82)의 상대 위치에 따라서 광의 양이 감소된다. 본 실시 형태의 제1 감광기(70)는, 광원(30)으로부터 발해진 광의 양이 많은 경우에도, 적절한 레벨까지 광량을 낮출 수 있으며, 또한 광량의 미세 조정이 가능하다. 도시하지 않지만, 제2 감광기(72)도 도 12에 나타내는 실시 형태의 구성을 구비해도 된다. 도 9 및 도 10에 나타내는 모터 구동형 이동 기구(92)는, 도 12에 나타내는 제1 감광기(70)에도 적용할 수 있다.
도 13은, 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)(25)의 다른 실시 형태를 나타내는 확대도이다. 특별히 설명하지 않는 구성은, 도 6에 나타내는 구성과 동일하므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 광학식 막 두께 측정기(25)는, 광원(30)과 분광기(26)에 접속된 모니터링 광 파이버(110)와, 모니터링 광 파이버(110)에 설치된 제3 감광기(111)를 더 구비하고 있다. 모니터링 광 파이버(110)의 일단은, 제1 감광기(70)를 통해 광원(30)에 접속되고, 모니터링 광 파이버(110)의 타단은, 광 스위치(115) 및 접속 광 파이버(117)를 통해 분광기(26)에 접속되어 있다. 접속 광 파이버(117)는 광 스위치(115)와 분광기(26) 사이를 연장하고 있어, 광 스위치(115)를 분광기(26)에 접속시킨다.
광 스위치(115)는, 수광 파이버(50) 또는 모니터링 광 파이버(110) 중 어느 한쪽을, 접속 광 파이버(117)를 통해 분광기(26)에 광학적으로 접속시키도록 구성된다. 보다 구체적으로는, 광 스위치(115)가 작동하여 수광 파이버(50)를 분광기(26)에 광학적으로 접속시키면, 웨이퍼(W)로부터의 반사광은 수광 파이버(50), 광 스위치(115) 및 접속 광 파이버(117)를 통하여 분광기(26)로 유도된다. 광 스위치(115)가 작동하여 모니터링 광 파이버(110)를 분광기(26)에 광학적으로 접속시키면, 광원(30)으로부터 발해진 광은, 모니터링 광 파이버(110), 광 스위치(115) 및 접속 광 파이버(117)를 통하여 분광기(26)로 유도된다. 광 스위치(115)의 동작은 동작 제어부(12)에 의해 제어된다.
제1 투광 파이버(36), 제2 투광 파이버(37), 및 모니터링 광 파이버(110)의 일부는, 결속 도구(31)로 묶인 간광 파이버(35)를 구성하고 있다. 간광 파이버(35)의 단부(즉, 투광 파이버(34) 및 모니터링 광 파이버(110)의 광원 측단부)는, 제1 감광기(70)를 통해 광원(30)에 접속되어 있다.
수광 파이버(50)는, 결속 도구(51)로 결속된 복수의 소선 광 파이버를 포함하는 제1 수광 파이버(56), 및 결속 도구(52)로 결속된 복수의 소선 광 파이버를 포함하는 제2 수광 파이버(57)를 구비하고 있다. 수광 파이버(50)의 선단(50a, 50b)은, 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)의 선단으로 구성되어 있다. 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)는 광 스위치(115)에 접속되어 있다.
웨이퍼(W)를 연마할 때는, 동작 제어부(12)는 광 스위치(115)를 조작하여, 수광 파이버(50)를 분광기(26)에 광학적으로 접속시킨다. 보다 구체적으로는, 연마 테이블(3)이 1 회전할 때마다, 동작 제어부(12)는 광 스위치(115)를 조작하여, 제1 수광 파이버(56) 및 제2 수광 파이버(57)를 교대로 분광기(26)에 접속시킨다. 제1 수광 파이버(56)의 선단(50a)이 웨이퍼(W) 아래에 있는 동안에는, 제1 수광 파이버(56)는 분광기(26)에 접속되고, 제2 수광 파이버(57)의 선단(50b)이 웨이퍼(W) 아래에 있는 동안에는, 제2 수광 파이버(57)는 분광기(26)에 접속된다. 광 스위치(115)는 도 6에 나타내는 실시 형태에 적용해도 된다.
본 실시 형태에서는, 광 스위치(115)는 제1 수광 파이버(56), 제2 수광 파이버(57), 및 모니터링 광 파이버(110) 중 어느 하나를 광학적으로 분광기(26)에 접속시키도록 구성되어 있다. 일 실시 형태에서는, 광 스위치(115)는 수광 파이버(56, 57) 또는 모니터링 광 파이버(110) 중 어느 것을 광학적으로 분광기(26)에 접속시키도록 구성되어도 된다. 이 경우에는, 웨이퍼(W)의 연마 중에는 수광 파이버(56, 57)의 양쪽을 통하여 광이 분광기(26)에 전달되지만, 웨이퍼(W)로부터의 반사광 이외의 광의 강도는 매우 낮으므로, 어떤 임계값 이상의 강도를 갖는 광만을 막 두께 측정에 사용함으로써, 정확한 막 두께 측정은 가능하다.
모니터링 광 파이버(110)에는 제3 감광기(111)가 설치되어 있다. 이 제3 감광기(111)는, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 제1 감광기(70) 또는 도 11을 참조하여 설명한 제2 감광기(72)와 동일한 구성을 가지고 있으므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 모니터링 광 파이버(110)의 일단은 제1 감광기(70)를 통해 광원(30)에 접속되고, 모니터링 광 파이버(110)의 타단은 광 스위치(115)를 통해 분광기(26)에 접속되어 있다. 광원(30)으로부터 발해진 광의 양이 분광기(26)의 유효 측정 범위 내로 들어가게, 광량은 제1 감광기(70)에 의해 감소되고, 또한 제3 감광기(111)에 의해 감소된다. 제3 감광기(111)는 도 12에 나타내는 구성을 가져도 된다. 모니터링 광 파이버(110)의 일단은 제1 감광기(70)를 통하지 않고 광원(30)에 직접 접속되어도 된다. 도 9 및 도 10에 나타내는 모터 구동형 이동 기구(92)는, 도 13에 나타내는 제3 감광기(111)에도 적용할 수 있다.
통상, 광원(30)의 광량은, 광원(30)의 사용 시간과 함께 서서히 저하된다. 결과적으로, 실제 막 두께와, 측정된 막 두께 사이의 오차가 커져버린다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 광학식 막 두께 측정기(25)는, 모니터링 광 파이버(110)를 통하여 분광기(26)로 유도된 광의 강도에 기초하여, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 보정하고, 광원(30)의 광량의 저하를 보상하도록 구성되어 있다.
처리부(27)는 상기 식 (1) 대신에, 다음 보정식 (2)를 사용하여 반사광이 보정된 강도를 산출한다.
Figure 112019004161679-pat00002
여기서, R'(λ)는 보정된 반사광의 강도, 즉, 보정된 상대 반사율을 나타내고, E(λ)는 연마되는 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 파장 λ에서의 강도를 나타내고, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도를 나타내고, D1(λ)은 기준 강도 B(λ)를 측정하기 직전 또는 직후에 광을 차단한 조건 하에서 측정된 파장 λ에서의 다크 레벨을 나타내고, F(λ)는 기준 강도 B(λ)를 측정하기 직전 또는 직후에 모니터링 광 파이버(110)를 통하여 분광기(26)로 유도된 광의 파장 λ에서의 강도를 나타내고, D2(λ)는 강도 F(λ)를 측정하기 직전 또는 직후에 광을 차단한 조건 하에서 측정된 파장 λ에서의 다크 레벨을 나타내고, G(λ)는 강도 E(λ)를 측정하기 전에 모니터링 광 파이버(110)를 통하여 분광기(26)로 유도된 광의 파장 λ에서의 강도를 나타내고, D3(λ)은 강도 E(λ)를 측정하기 전이며, 또한 강도 G(λ)를 측정하기 직전 또는 직후에 광을 차단한 조건 하에서 측정된 파장 λ에서의 다크 레벨을 나타낸다.
E(λ), B(λ), D1(λ), F(λ), D2(λ), G(λ), D3(λ)은, 소정의 파장 범위 내에서 파장마다 측정된다. 다크 레벨 D1(λ), D2(λ), D3(λ)을 측정하기 위한 광이 차단된 환경은, 분광기(26)에 내장된 셔터(도시하지 않음)로 광을 차단함으로써 만들어 낼 수 있다.
처리부(27)는, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도를 보정하기 위한 상기 보정식을 내부에 미리 저장하고 있다. 이 보정식은, 웨이퍼(W)로부터의 반사광의 강도와, 모니터링 광 파이버(110)를 통하여 분광기(26)로 유도된 광의 강도를 적어도 변수로서 포함하는 함수이다. 기준 강도 B(λ)는 각 파장에 대하여 미리 측정된 광의 강도이다. 예를 들어, 기준 강도 B(λ)는, 제1 센서 헤드(61) 또는 제2 센서 헤드(62)로부터 발해진 광의 강도를 직접 측정하거나, 또는 제1 센서 헤드(61) 또는 제2 센서 헤드(62)로부터 거울에 광을 조사하고, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 또는, 기준 강도 B(λ)는, 막이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)를 연마 패드(1) 상에서 물의 존재 하에 수연마하고 있을 때, 또는 상기 실리콘 웨이퍼(베어 웨이퍼)가 연마 패드(1) 상에 놓여 있을 때에 분광기(26)에 의해 측정된 실리콘 웨이퍼로부터의 반사광의 강도로 해도 된다. 기준 강도 B(λ)의 올바른 값을 얻기 위해서, 기준 강도 B(λ)는 동일한 조건 하에서 측정된 광 강도의 복수의 값의 평균이어도 된다.
기준 강도 B(λ), 다크 레벨 D1(λ), 강도 F(λ), 다크 레벨 D2(λ)는 미리 측정되고, 상수로서 상기 보정식에 미리 입력된다. 강도 E(λ)는 웨이퍼(W)의 연마 중에 측정된다. 강도 G(λ) 및 다크 레벨 D3(λ)은 웨이퍼(W)의 연마 전(바람직하게는 웨이퍼(W)의 연마 직전)에 측정된다. 예를 들어, 웨이퍼(W)가 연마 헤드(5)에 보유 지지되기 전에, 처리부(27)는 광 스위치(115)를 조작하여, 모니터링 광 파이버(110)를 분광기(26)에 접속시키고, 광원(30)의 광을 모니터링 광 파이버(110)를 통하여 분광기(26)로 유도한다. 분광기(26)는 강도 G(λ) 및 다크 레벨 D3(λ)을 측정하고, 그들 측정값을 처리부(27)에 보낸다. 처리부(27)는 강도 G(λ) 및 다크 레벨 D3(λ)의 측정값을 상기 보정식에 입력한다. 강도 G(λ) 및 다크 레벨 D3(λ)의 측정이 완료되면, 처리부(27)는 광 스위치(115)를 조작하여 수광 파이버(50)를 분광기(26)에 접속시킨다. 그 후, 웨이퍼(W)가 연마되고, 웨이퍼(W)의 연마 중에 강도 E(λ)가 분광기(26)에 의해 측정된다.
처리부(27)는 웨이퍼(W)의 연마 중에, 강도 E(λ)의 측정값을 상기 보정식에 입력하고, 보정된 상대 반사율 R'(λ)를 각 파장에 있어서 산출한다. 보다 구체적으로는, 처리부(27)는, 보정된 상대 반사율 R'(λ)를 소정의 파장 범위에 있어서 산출한다. 따라서, 처리부(27)는 보정된 상대 반사율(즉, 보정된 광의 강도)과 광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 작성할 수 있다. 처리부(27)는, 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 방법으로 웨이퍼(W)의 막 두께를 분광 파형에 기초하여 결정한다. 분광 파형은, 보정된 광의 강도에 기초하여 제작되므로, 처리부(27)는 웨이퍼(W)의 정확한 막 두께를 결정할 수 있다.
도 14는, 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)(25)의 또 다른 실시 형태를 나타내는 확대도이다. 특별히 설명하지 않는 구성은, 도 6에 나타내는 구성과 동일하므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 본 실시 형태의 광학식 막 두께 측정기(25)는 하나의 센서 헤드(61)만을 구비하고 있다. 투광 파이버(34)를 구성하는 복수의 소선 광 파이버의 단부는 결속 도구(31, 32)로 묶여 있다. 수광 파이버(50)를 구성하는 복수의 소선 광 파이버의 단부는 결속 도구(51, 52)로 묶여 있다.
투광 파이버(34)에는 감광기(120)가 설치되어 있다. 이 감광기(120)는, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 제1 감광기(70) 또는 도 11을 참조하여 설명한 제2 감광기(72)와 동일한 구성을 가지고 있으므로, 그 중복되는 설명을 생략한다. 광원(30)으로부터 발해진 광의 양은, 감광기(120)에 의해 조정(감소)된다. 감광기(120)는 도 12에 나타내는 구성을 구비해도 된다.
도 9 및 도 10에 나타내는 모터 구동형 이동 기구(92)는, 도 14에 나타내는 감광기(120)에도 적용할 수 있다. 동작 제어부(12)는, 투광 파이버(34)로부터 발해진 광의 양이 목표값에 도달할 때까지, 모터 구동형 이동 기구(92)를 조작하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 도시하지 않는 반사체(웨이퍼, 더미 웨이퍼, 거울 등)를 연마 패드(1)의 연마면(1a) 상에 두어, 투광 파이버(34)로부터 광을 반사체로 유도하고, 반사체로부터의 반사광의 강도를 분광기(26)로 측정하며, 측정된 반사광의 강도가, 상기 목표값에 대응하는 설정값에 도달할 때까지, 동작 제어부(12)는 모터 구동형 이동 기구(92)의 전동기(93)를 조작한다.
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 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시 형태에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
1: 연마 패드
3: 연마 테이블
5: 연마 헤드
10: 연마액 공급 노즐
12: 동작 제어부
16: 연마 헤드 샤프트
19: 테이블 모터
25: 광학식 막 두께 측정기(막 두께 측정 장치)
26: 분광기
27: 처리부
30: 광원
31, 32, 33: 결속 도구
34: 투광 파이버
35: 간광 파이버
36: 제1 투광 파이버
36A: 제1 지광 파이버
37: 제2 투광 파이버
37B: 제2 지광 파이버
50: 수광 파이버
51, 52, 53: 결속 도구
56: 제1 수광 파이버
57: 제2 수광 파이버
58: 간광 파이버
61: 제1 센서 헤드
62: 제2 센서 헤드
70: 제1 감광기
72: 제2 감광기
80: 베이스 부재
81: 광 통로
82: 광 파이버 보유 지지체
85: 상대 위치 조절 기구
86: 플랜지
88: 세트 나사
89: 캡 너트
90: 조리개(애퍼쳐)
91: 눈금
92: 모터 구동형 이동 기구
93: 전동기
93a: 회전축
95: 풀리
97: 벨트
98: 연결 부재
99: 스프링
110: 모니터링 광 파이버
111: 제3 감광기
115: 광 스위치
117: 접속 광 파이버
120: 감광기

Claims (15)

  1. 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과,
    웨이퍼를 상기 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드와,
    광원과,
    상기 연마 테이블 내의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 투광 파이버와,
    상기 연마 테이블 내의 상기 투광 파이버의 각각의 선단에 서로 인접하여 배치된 복수의 선단을 갖는 수광 파이버와,
    상기 수광 파이버에 접속되고, 상기 수광 파이버를 통하여 전송되는 웨이퍼로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와,
    상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부와,
    상기 투광 파이버를 통해 전달되는 상기 광원으로부터의 광의 양을 줄이는 제1 감광기 및 제2 감광기를 구비하고,
    상기 제1 감광기 및 상기 제2 감광기의 각각은,
    내부에 광 통로가 형성된 베이스 부재와,
    상기 광 통로에 삽입된 광 파이버 보유 지지체와,
    상기 광 파이버 보유 지지체의 상기 베이스 부재에 대한 상대 위치를 조절하는 상대 위치 조절 기구를 구비하고,
    상기 제1 감광기 및 상기 제2 감광기의 각각은, 상기 광 통로에 배치된 조리개를 더 구비하고,
    상기 투광 파이버는 제1 투광 파이버 및 제2 투광 파이버를 가지고,
    상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 일단은 상기 광원에 접속되고,
    상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 타단은, 상기 다른 위치에 배치된 상기 투광 파이버의 선단을 구성하고,
    상기 제1 감광기는 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버에 설치되고, 상기 제2 감광기는 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버 중 적어도 하나에 설치되며,
    상기 제2 감광기는, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버로부터 상기 웨이퍼에 유도되는 광의 양이 동일해지도록, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버 중 적어도 하나를 통해 전달되는 상기 광원으로부터의 광의 양을 줄이도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 파이버 보유 지지체의 외면에는 눈금이 부여되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상대 위치 조절 기구는, 상기 광 파이버 보유 지지체를 상기 베이스 부재에 대하여 이동시키는 모터 구동형 이동 기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 투광 파이버로부터 발해진 광의 양이 목표값에 도달할 때까지, 상기 제1 감광기의 상기 모터 구동형 이동 기구를 조작하는 동작 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버로부터 발해진 광의 양이 서로 동등해질 때까지, 상기 제2 감광기의 상기 모터 구동형 이동 기구를 조작하는 동작 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 일부는 묶여서 간광 파이버를 구성하고,
    상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 다른 부분은, 상기 간광 파이버로부터 분기된 복수의 지광 파이버를 구성하고,
    상기 제1 감광기는 상기 간광 파이버에 설치되고, 상기 제2 감광기는 상기 복수의 지광 파이버 중 적어도 하나에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  7. 연마 패드를 지지하기 위한 연마 테이블과,
    웨이퍼를 상기 연마 패드에 압박하기 위한 연마 헤드와,
    광원과,
    상기 연마 테이블 내의 서로 다른 위치에 배치된 복수의 선단을 갖는 투광 파이버와,
    상기 연마 테이블 내의 상기 투광 파이버의 각각의 선단에 서로 인접하여 배치된 복수의 선단을 갖는 수광 파이버와,
    상기 수광 파이버에 접속되고, 상기 수광 파이버를 통하여 전송되는 웨이퍼로부터의 반사광을 파장에 따라서 분해하여 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정하는 분광기와,
    상기 반사광의 강도와 파장의 관계를 나타내는 분광 파형에 기초하여 웨이퍼의 막 두께를 결정하는 처리부와,
    상기 투광 파이버를 통해 전달되는 상기 광원으로부터의 광의 양을 줄이는 제1 감광기 및 제2 감광기와,
    상기 광원과 상기 분광기에 접속된 모니터링 광 파이버와,
    상기 모니터링 광 파이버에 설치된 제3 감광기를 구비하고,
    상기 투광 파이버는 제1 투광 파이버 및 제2 투광 파이버를 가지고,
    상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 일단은 상기 광원에 접속되고,
    상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버의 타단은, 상기 다른 위치에 배치된 상기 투광 파이버의 선단을 구성하고,
    상기 제1 감광기는 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버에 설치되고, 상기 제2 감광기는 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버 중 적어도 하나에 설치되며,
    상기 제2 감광기는, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버로부터 상기 웨이퍼에 유도되는 광의 양이 동일해지도록, 상기 제1 투광 파이버 및 상기 제2 투광 파이버 중 적어도 하나를 통해 전달되는 상기 광원으로부터의 광의 양을 줄이도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
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