KR20020063276A - 모니터장치, 모니터방법, 연마장치, 및 반도체 웨이퍼의제조방법 - Google Patents

모니터장치, 모니터방법, 연마장치, 및 반도체 웨이퍼의제조방법 Download PDF

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KR20020063276A
KR20020063276A KR1020027008448A KR20027008448A KR20020063276A KR 20020063276 A KR20020063276 A KR 20020063276A KR 1020027008448 A KR1020027008448 A KR 1020027008448A KR 20027008448 A KR20027008448 A KR 20027008448A KR 20020063276 A KR20020063276 A KR 20020063276A
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Abstract

제 1 광파이버 (62) 의 제 2 단면측 단부가 롤베어링형상의 베어링 (36) 중앙부의 이너레이스에 꽂혀 이너레이스에 고정되어 있다. 이 제 2 단면측 단면의 고정위치는 프로브광을 출사시켜 반사신호광을 입사시키기 위해 회전축 (11) 위의 소정 위치에 일치하도록 조정되어 있다. 제 2 광파이버 (61) 의 제 2 단면에서 출사된 프로브광은 투명창 (23) 을 투과하여 기판 (42) 의 피연마면에 조사되고, 그 곳에서 반사된 반사신호광은 다시 투명창 (23) 을 역방향으로 투과하여 제 2 광파이버 (61) 의 제 2 단면에 입사된다. 이와 같이 하여, 연마장치의 연마정반이 회전하고 있는 가동상태에서 모니터링을 실시하는 경우에도, 제 1 광파이버 (62) 를 비회전하는 상태로 할 수 있어, 그 결과 설치스페이스를 필요로 하는 광원 (24), 빔스플리터 (25), 광검출기 (26) 및, 제 1 광결합렌즈 (63) 를 비회전하는 위치에 설치할 수 있다.

Description

모니터장치, 모니터방법, 연마장치, 및 반도체 웨이퍼의 제조방법{MONITOR, METHOD OF MONITORING, POLISHING DEVICE, AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR WAFER}
기술분야
본 발명은 기판, 특히 반도체 제조 프로세스에서 반도체 소자가 형성된 반도체 웨이퍼의 연마중에 연마상태를 모니터하기 위한 모니터장치, 모니터방법, 이들 모니터장치가 장착된 연마장치 및, 반도체 웨이퍼의 제조방법에 관한 것이다.
배경기술
반도체 집적회로의 그칠 줄 모르는 고집적화의 동향에 따라, 이것을 제조하기 위한 반도체 프로세스 기술은 점점 미세화되어, 서브하프 미크론에서 쿼터 미크론시대로 돌입하고 있다. 그로 인해, 광리소그래피의 노광 공정의 노광장치의 개구수가 많아지고 (고 NA 화), 이에 수반하여 노광장치의 초점심도가 점점 얕아지고 있다. 또한, 디바이스구조가 3 차원화되어 전극배선의 다층 구조화, 복잡화의 경향도 강해지고 있다.
이와 같은 경향에 대응하기 위한 중요 기술로서, 최근 반도체 프로세스에서의 층간절연막의 글로벌 평탄화기술인 CMP (케미컬 미케니컬 폴리싱 또는 케미컬 미케니컬 플러너리제이션) 법이 주목을 받고 있다. 이 CMP 법에 사용되는 기판연마장치는 도 11 에 1 로서 나타내는 바와 같이, 기판 지지부 (102) 에 장착된 기판 (반도체 웨이퍼: 107) 을 연마정반 (104) 에 고정시킨 연마패드 (103) 에 누르면서 상대운동을 부여하고, 연마제 공급기구 (106) 로부터 공급되는 연마제 (슬러리: 105) 의 화학적 연마작용과 기계적 연마작용에 의해 기판 표면을 글로벌하게 연마하는 것이다.
이와 같은 기판연마장치에 요구되는 가장 중요한 성능의 하나로서 연마의 잔막두께의 측정과 공정종료점의 검지가 있다. 이 측정 정밀도의 좋고 나쁨이 장치에 의해 제조되는 반도체 소자 나아가서는 집적회로의 품질을 크게 좌우하는 것이다.
그러나, 종래의 기판연마장치는 모두 기존 장치의 연장선상의 것으로 고도화되는 가공정밀도의 요구를 충분히 만족시키지 못하는 것이 현실이다. 특히, 로트 사이에서의 잔막두께의 편차에 대해서는, 가공시간의 설정에 의한 관리방법으로는, 단위시간 당 연마량 (연마레이트) 의 변동요인, 예컨대 연마패드의 막힘 외에 연마가공압, 연마제의 공급량, 여기에 기판 주변의 온도환경 등, 그 때마다 변동하는 다양한 요인에 대응할 수 없다.
또, 가공 후의 잔막두께를 전용의 측정장치 (엘립소미터 등) 로 측정하고, 이것을 기판 연마장치로 피드백하여 잔막두께를 제어하는 방법도 실시되고 있지만, 이 방법은 측정을 위해 연마작업을 일단 정지해야 하는 결점 외에, 측정에 의해 연마를 마친 기판의 정확한 잔막두께가 얻어졌다 해도 간헐적인 측정이 되기 때문에, 상기 변동요인이 있는 조건하에서는 공정종료점의 정확한 검지를 할 수 없다. 따라서, 목표로 하는 잔막두께를 정확하게 얻는다는 목적을 달성할 수 없고, 결국 로트 사이에서의 막두께의 편차를 무시할 수 없게 된다.
그래서, 종래, 시간관리에 따른 연마종료점의 검출법 이외에도 연마가공중에 동시에 (in-situ 로) 연마종료점을 검출하는 검출법으로서 연마정반을 구동하는 모터의 토크변동을 이용한 검출법이 제안되어 있다. 이것은 연마종료점에서 기판의 피연마면의 재질이 변화했을 때에 연마저항이 변동함을 이용한 것으로, 그 연마저항의 변동을 모터토크를 모니터함으로써 검출하고, 모터토크의 변화로부터 연마종료점을 검출하는 것이다.
그러나, 모터의 토크변동을 이용한 검출법은 연마종료점에서 재질변화가 발생하는 케이스 (예컨대, 산화막을 연마하는 과정에서 기초 실리콘이 노출되는 경우 등) 에서는 유효하지만, 하측까지 동일 재질의 동일 막 표면의 요철을 고정밀도 (±100㎚ 이하 정도) 로 평탄화하고자 하는 케이스에서는 정밀도적으로 불충분하고, 또한 연마종료점에서 모터토크의 변동이 현저하게 나타나지 않기 때문에 실질적으로 연마종료점의 검출을 할 수 없게 된다.
그래서, 최근에는 이와 같은 토크변동에서의 종료점검출이 아니라 광학식에 의한 종료점검출의 개발이 재촉되고 있다.
이 광학적 종료점 검출기술의 유력예를 도 12 에 나타낸다. 도 12 에서 연마장치 (1) 는 기판 지지부 (102) 에 장착된 기판 (반도체 웨이퍼: 107) 을 연마정반 (104) 에 고정시킨 연마패드 (103) 에 누르면서 기판의 회전운동 (100) 과 연마패드의 회전운동 (101) 에 의해 상대운동을 부여하고, 연마제 공급기구 (106) 로부터 공급되는 연마제 (슬러리: 105) 의 화학적 연마작용과 기계적 연마작용에 의해 기판 표면을 글로벌하게 연마한다.
본 기술은 연마패드 (103) 와 연마정반 (104) 에 뚫린 투명창 (110) 을 통하여 모니터장치 (109) 로부터 출사되는 프로브광을 반도체 웨이퍼 (107) 를 향해 조사하고, 반도체 웨이퍼 (107) 로부터의 반사광을 모니터장치가 구비된 광검출장치가 수광함으로써 공정종료점의 검지를 실시하고자 하는 것이다.
그러나, 이와 같은 종료점 검출방법에 대해서는 종래, 원리적인 범위만을 개시하는 데에 한정되고 구체적인 광학계 등의 구성 부재의 배치에 대해서는 명확하게 개시되어 있지 않았다. 예컨대, 도 12 에 나타내는 기술에 가까운 기술로서 일본 공개특허공보 평9-36072호에 기재된 것이 있지만, 여기에는 광학센서의 구성에 대한 기재가 없다.
또, 도 12 를 보면 알 수 있는 바와 같이, 모니터장치 (109) 는 회전하는 연마정반 (104) 에 고정되어야 한다. 모니터장치는 광원이나 광검출기를 구비하기 때문에, 모니터장치가 회전하는 경우에는 이것을 수납하기 위해 연마정반 (104)의 하부에 무시할 수 없을 정도 크기의 수납 스페이스를 필요로 한다. 이것은 CMP 연마장치의 설계상 큰 제약이 된다.
일반적으로, 고가인 클린룸내에서 사용되는 CMP 연마장치와 같은 장치는 장치의 소형화와 경량화가 특히 강하게 요구되는데, 이와 같이 수납 스페이스가 커지는 것은 설계의 자유도를 감소시킬 뿐만 아니라 CMP 연마장치의 소형화, 경량화에 큰 장해가 된다.
발명의 개시
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하여, 실제로 어떤 재료의 기판에 대해서도 고정밀도로 잔막두께의 측정 또는 공정종료점의 검지를 광학적으로 실시할 수 있는 모니터장치 및, 모니터방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 이 모니터장치를 구비한 소형이면서 경량이고 고정밀도한 연마가 가능한 연마장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이 연마장치를 사용하여 반도체 웨이퍼를 고정밀도로 연마하여 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 1 발명은, 가공면을 갖는 회전가능한 연마체를 구비하는 연마체부와 기판을 지지하는 기판 지지부를 구비하고, 회전하는 상기 가공면과 상기 기판의 피연마면과의 사이에 연마제를 개재시키고, 양방의 사이에 상대운동을 부여함으로써 상기 피연마면을 연마할 때에, 프로브광을 상기 피연마면에 조사하여 얻어지는 반사신호광에 의해 연마상태를 모니터하는 장치로서,
상기 프로브광을 발하는 비회전의 광원과,
상기 반사신호광을 수광하는 비회전의 광검출기와,
상기 연마체부의 회전축위에 있는 소정 위치에 상기 프로브광을 입사시키면 상기 소정 위치로부터 상기 반사신호광을 출사시키는, 상기 연마체부에 조립되어 상기 연마체와 함께 회전가능한 회귀광학부를 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치이다.
여기에서, 연마체부란, 연마체나 연마정반이나 샤프트 뿐만 아니라, 회전기구 등을 구비한 기구의 일세트를 의미한다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 2 발명은, 상기 제 1 발명에 있어서, 추가로 상기 회귀광학부가 광결합렌즈와 굴절률 n0의 제 2 광파이버를 구비하고, 상기 모니터장치가 추가로 비회전의 제 1 광파이버를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 3 발명은, 상기 제 1 발명에 있어서, 추가로 상기 모니터장치가 비회전하는 제 1 반사경을 구비하고, 상기 회귀광학부가 제 2 반사경과 제 3 반사경을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 4 발명은, 상기 제 1 발명 내지 제 3 발명 중 어느 하나에 있어서, 추가로 상기 회귀광학부가, 상기 프로브광을 상기 피연마면을 향해 투과시키는 동시에 상기 반사신호광을 역방향으로 투과시키는 굴절률 n1의 투명창을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 5 발명은, 상기 제 4 발명에 있어서, 추가로 상기 제 2 광파이버 단부와 상기 투명창이, n0와의 차가 ±17 % 이하이고 또한 n1과의 차가 ±17 % 이하인 굴절률의 접착제로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 6 발명은, 상기 제 4 발명에 있어서, 추가로 상기 제 2 광파이버 단부와 상기 투명창이, n0와의 차가 ±17 % 이하인 굴절률의 접착제로 접착되고, 상기 투명창의 적어도 접착부분에 상기 접착제와 상기 투명창과의 계면반사를 저감시키기 위한 반사방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 7 발명은, 상기 제 4 발명에 있어서, 추가로 상기 회귀광학부가, 상기 투명창과 상기 제 2 광파이버 단면 사이에, 상기 제 2 광파이버의 상기 단면으로부터 출사되는 프로브광을 상기 피연마면에 조사하고, 반사신호광을 상기 제 2 광파이버의 상기 단면에 집광시키기 위한 볼록한 파워를 갖는 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 8 발명은, 상기 제 4 발명에 있어서, 추가로 상기 회귀광학부가, 상기 투명창과 상기 제 3 반사경 사이에, 상기 제 3 반사경에서 출사되는 프로브광을 상기 피연마면에 조사하고, 반사신호광을 상기 제 3 반사경으로 릴레이하기 위한 볼록한 파워를 갖는 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 9 발명은, 상기 제 7 발명에 있어서, 추가로 상기 광학계중에서 가장 상기 제 2 광파이버의 상기 단면측에 있는 굴절률 n2의 렌즈와 상기 제 2 광파이버의 상기 단면이, n0와의 차가 ±17 % 이하이고 또한 n2와의 차가 ±17% 이하인 접착제로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 10 발명은, 상기 제 7 발명에 있어서, 추가로상기 광학계중에서 가장 상기 제 2 광파이버의 상기 단면측에 있는 굴절률 n2의 렌즈와 상기 제 2 광파이버의 상기 단면이, n0와의 차가 ±17 % 이하인 접착제로 접착되고, 상기 굴절률 n2의 렌즈의 적어도 접착부분에 상기 접착제와 상기 굴절률 n2의 렌즈와의 계면반사를 저감시키기 위한 반사방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 11 발명은, 상기 제 7 발명 내지 제 10 발명 중 어느 하나에 있어서, 추가로 상기 광학계가 상기 피연마면과 광학적으로 공역인 위치에 조리개를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 12 발명은, 상기 제 2 발명, 제 4 발명 내지 제 7 발명, 상기 제 9 발명 내지 제 11 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 광파이버의 적어도 하나의 단면의 법선방향이, 상기 제 1 또는 제 2 광파이버의 광축방향에 대해 비평행으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 13 발명은, 상기 제 2 발명, 제 4 발명 내지 제 7 발명, 상기 제 9 발명 내지 제 12 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2 광파이버의 적어도 일방이, 액체로 이루어지는 코어를 구비하는 광파이버인 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 14 발명은, 회전하는 가공면과 기판의 피연마면과의 사이에 연마제를 개재시키고, 양방의 사이에 상대운동을 부여함으로써 상기 피연마면을 연마할 때에, 프로브광을 상기 피연마면에 조사하여 얻어지는 반사신호광에 의해 연마상태를 모니터하는 모니터방법으로서,
비회전의 광원에서 프로브광을 발하는 단계와,
상기 프로브광을 상기 가공면과 함께 회전하는 회귀광학부에 입사시키는 단계와,
상기 회귀광학부에서 출사되는 반사신호광을 비회전의 광검출기에 의해 수광하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터방법이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 15 발명은, 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 모니터장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연마장치이다.
상기 목적을 달성하기 위한 제 16 발명은, 상기 기판은 반도체 소자가 형성된 반도체 웨이퍼이고, 제 15 발명의 연마장치를 사용하여 기판 표면을 연마하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 제조방법이다.
본 발명의 모니터장치는 콤팩트한 회귀광학부 즉, 대물부만이 연마장치가 회전하는 연마체측에 형성되어 비교적 설치 스페이스를 필요로 하는 광원이나 광검출기나 빔스플리터나 분광기 (분광법의 경우) 즉, 계측부가 비회전의 위치에 형성되기 때문에 이 모니터장치를 구비하는 연마장치 설계의 자유도가 증가하며 소형 경량화를 도모할 수 있고, 또한 연마상태를 고정밀도로 모니터할 수 있다.
또, 본 발명의 모니터방법에 의하면, 연마상태를 고정밀도로 모니터할 뿐만 아니라, 연마장치 설계의 자유도 향상과 콤팩트화를 도모할 수 있다. 또한, 본 발명의 연마장치는 콤팩트할 뿐만 아니라, 연마상태를 고정밀도로 모니터할 수 있다.
또한, 본 발명의 연마방법에 의하면, 연마상태를 고정밀도로 모니터하기 때문에 연마되는 반도체 소자 등의 기판 품질과 제품 수율을 큰 폭으로 향상시킬 수있는 가능성이 있다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 모니터장치 및 연마장치의 개요도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태인 모니터장치 및 연마장치의 개요도이다.
도 3 은 본 발명의 제 3, 제 4 실시형태인 모니터장치 및 연마장치의 개요도이다.
도 4 는 본 발명의 제 5 실시형태인 모니터장치 및 연마장치의 개요도이다.
도 5 는 본 발명의 제 5 실시형태인 모니터장치에서의 볼록한 파워를 갖는 광학계 부근의 개요도이다.
도 6 은 본 발명의 제 6, 제 7 실시형태인 모니터장치에서의 볼록한 파워를 갖는 광학계 부근의 개요도이다.
도 7 은 본 발명의 제 8 실시형태인 모니터장치에서의 볼록한 파워를 갖는 광학계 부근의 개요도이다.
도 8 은 본 발명의 제 9 실시형태인 모니터장치에서의 볼록한 파워를 갖는 광학계 부근의 개요도이다.
도 9 는 본 발명의 제 10 실시형태인 모니터장치 및 연마장치의 개요도이다.
도 10 은 광파이버의 쐐기형상 단부의 확대도이다.
도 11 은 CMP 연마장치의 개요도이다.
도 12 는 종래의 모니터장치와 연마장치의 관계를 나타내는 개요도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명을 보다 상술하기 위해, 첨부한 도면에 따라 본 발명의 실시형태에 대해 최선으로 여겨지는 것을 설명하지만, 그 내용이 본 발명의 범위를 한정하지 않는 것은 당연하다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 실시형태의 모니터장치를 장착한 상태의 연마장치의 개요도를 도 1 에 나타낸다. 도 1 에서, 21 은 모니터장치로 프로브광을 발하는 광원 (24), 빔스플리터 (25), 반사신호광을 수광하는 광검출기 (26), 제 1 광결합렌즈 (63), 제 1 광파이버 (62), 로터리 조인트 (35) 및, 제 2 광파이버 (61) 를 구비한다. 로터리 조인트 (35) 는 제 2 광결합렌즈 (64), 베어링 (36) 및, 제 2 광파이버 (61) 의 제 1 단면을 고정시키기 위한 고정시트를 구비한다.
제 1 광파이버 (62) 의 제 2 단면측 단부가 롤베어링 형상의 베어링 (36) 중앙부의 이너레이스에 꽂혀 이너레이스에 고정되어 있다. 이 제 2 단면측 단면의 고정위치는 프로브광을 출사시켜 반사신호광을 입사시키기 위해 회전축 (11) 위의 소정 위치에 일치하도록 조정되어 있다. 또, 제 2 광파이버 (61) 의 제 1 단면측 단부는 고정시트에 고정되어 있다. 베어링 (36) 의 아우터레이스는 로터리 조인트 (35) 의 케이스부에 고정되고, 로터리 조인트 (35) 의 케이스부는 샤프트 (34) 의 내면에 고정되어 있다. 이와 같은 구조로 함으로써 제 2 광파이버 (61) 는 연마정반 (31) 과 함께 회전하고 제 1 광파이버 (62) 는 고정되어 회전하지 않는 상태로 할 수 있다.
여기에서, 제 2 광결합렌즈 (64) 와 제 2 광파이버 (61) 가 회귀광학부를 구성하고 있고, 이 회귀광학부는 필요에 따라 추가로 투명창 (23) 을 구비하고, 또한 피연마면 (44) 과 함께 회귀광학계를 구성한다. 「회귀광학계」란, 이 회귀광학계내의 소정 위치에 프로브광을 입사시키면, 이 소정 위치로부터 상기 반사신호광을 역방향으로 출사시키는 것을 의미한다.
제 1 광결합렌즈 (63) 는 프로브광을 제 1 광파이버 (62) 의 제 1 단면에 집광시켜 입사시킴과 동시에, 제 1 광파이버 (62) 의 제 1 단면에서 출사되는 반사신호광을 빔스플리터 (25) 에 입사시킨다. 여기에서, 제 1 광결합렌즈 (63) 는 광전송의 손실을 없애기 위해, 제 1 광파이버 (62) 와 모드매칭되어 있도록 하는 것이 바람직하다. 제 1 광파이버 (62) 와 제 2 광파이버 (61) 는 각각 제 1 단면에서 입사되는 프로브광을 전달하여 제 2 단면에서 출사시킴과 동시에, 제 2 단면에서 입사되는 반사신호광을 전달하여 제 1 단면에서 출사시킨다. 또, 제 2 광결합렌즈 (64) 는 제 1 광파이버 (62) 의 제 2 단면에서 출사되는 프로브광을 입사시켜 제 2 광파이버 (61) 의 제 1 단면에 집광시켜 입사시킴과 동시에, 제 2 광파이버 (61) 의 제 1 단면에서 출사되는 반사신호광을 입사시켜 제 1 광파이버 (62) 의 제 2 단면에 집광시켜 입사시킨다. 여기에서, 제 2 광결합렌즈 (64) 는 광전송의 손실을 없애기 위해, 제 1 광파이버와 제 2 광파이버 (61) 양측과 모드매칭되어 있도록 하는 것이 바람직하다.
제 2 광파이버 (61) 의 제 2 단면에서 출사된 프로브광은 투명창 (23) 을 투과하여 기판 (42) 의 피연마면에 조사되고, 그 곳에서 반사된 반사신호광은 다시 투명창 (23) 을 역방향으로 투과하여 제 2 광파이버 (61) 의 제 2 단면에 입사된다.
이와 같이 하여, 연마장치의 연마정반이 회전하고 있는 가동상태에서 모니터링을 실시하는 경우에도, 제 1 광파이버 (62) 를 비회전하는 상태로 할 수 있고, 그 결과 설치 스페이스를 필요로 하는 광원 (24), 빔스플리터 (25), 광검출기 (26) 및 제 1 광결합렌즈 (63) 를 비회전의 위치에 설치할 수 있다. 이것은 설치장소의 제약을 적게 하므로 연마장치의 소형화에 매우 유리하다.
다음에, 동일 도 1 의 연마장치 전체의 구성을 설명한다. 도 1 에서 31 은 연마정반, 32 는 연마정반 (31) 에 고정된 연마체, 34 는 연마정반 (31) 이 그 둘레로 회전하는 샤프트, 42 는 기판, 33 은 기판 (42) 을 지지하는 기판 지지부, 43 은 연마제 공급기구이다.
연마에 있어서는, 기판 (42) 의 피연마면을 가압기구 (도시생략) 에 의해 연마체 (32) 의 가공면에 가압하여 누르고, 연마제 공급기구 (43) 에 의해 연마제 (41) 를 공급하면서 기판 지지부 (33) 를 회전 (회전축 (12) 둘레의 회전방향만이 표시됨) 시키고, 또한 연마정반 (31) 을 회전기구 (도시생략) 에 의해 회전 (회전축 (11) 둘레의 회전방향이 표시됨) 시킴으로써 기판 (42) 의 피연마면이 연마된다.
연마체 (32) 는 투명창 (23) 을 구비하는 것이 바람직하다. 이 투명창 (23) 은 프로브광 및 반사광을 투과시키는 기능과 연마제가 누출되는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 이 투명창 (23) 에는, 투과되는 프로브광과 반사광의 계면에서의 반사 손실을 저감시키기 위해 적어도 편면에 반사방지막을 형성하는 것이바람직하다.
모니터에 있어서, 광원 (24) 에서 발하여진 프로브광은 빔스플리터 (25) 를 투과하고, 제 1 광결합렌즈 (63), 제 1 광파이버 (62) 를 경유하여 소정 위치에 있는 그 단면에서 제 2 광결합렌즈 (64) 를 향해 출사된다. 이 프로브광은 다시 광결합렌즈 (64), 제 2 광파이버 (61) 및, 투명창 (23) 을 경유하여 기판 (42) 의 피연마면을 향해 출사된다.
또한, 여기에서 빔스플리터 (25) 와 제 1 광결합렌즈 (63) 와의 사이에 조리개 (4) 를 형성하고, 이 조리개 (4) 의 열림도 조정에 따라 제 1 광파이버 (62) 에 입사되는 프로브광의 최대 입사각도를 조정함과 동시에, 기판 (42) 의 피연마면으로의 조사 스폿사이즈를 조정할 수도 있다.
이 피연마면으로부터의 반사신호광은 상기 경로를 프로브광과는 완전히 역방향으로 향하고, 제 2 광결합렌즈 (64) 를 통하여 그 제 2 단면을 소정 위치에 둔 제 1 광파이버 (62) 단면에 입사되어 광파이버 (62) 를 투과한다. 그리고, 제 1 광결합렌즈 (63) 를 투과하여 빔스플리터 (25) 에서 반사되고 광검출기 (26) 에 입사되어 신호로서 검출된다. 이 반사신호광의 변화에 따라 피연마면의 연마상태가 모니터된다.
여기에서, 투명창 (23) 은 회전축 (11) 의 둘레로 회전하고 있기 때문에, 프로브광이 기판 (42) 의 피연마면에 조사되어 반사신호가 취득되는 것은 투명창 (23) 이 피연마면 아래로 회전되었을 때이다.
본 모니터장치는 로터리 조인트 (35) 를 구비하기 때문에 연마장치의 회전부에 설치할 수 있게 되어 매우 범용성이 높다.
[제 2 실시형태]
본 실시형태의 모니터장치를 장착한 상태의 연마장치의 개요도를 도 2 에 나타낸다. 도 2 에 표시되는 연마장치 자체는 도 1 에 나타낸 것과 동일한 것이므로, 동일 구성요소에는 동일 부호를 부여하여 그 동작의 설명을 생략한다.
도 2 에서 21 은 모니터장치로 프로브광을 발하는 광원 (24), 빔스플리터 (25), 반사신호광을 수광하는 광검출기 (26), 제 1 반사경 (27), 제 2 반사경 (28) 및, 제 3 반사경 (29) 을 구비한다. 이 제 1 반사경 (27) 의 프로브광의 반사위치는 반사신호광을 입사시키기 위한 소정 위치에 일치하도록, 또한 반사프로브광이 회전축 (11) 에 일치하도록 조정되어 있다.
여기에서, 제 2 반사경 (28) 과 제 3 반사경 (29) 이 회귀광학부를 구성하고 있다. 이 회귀광학부는 필요에 따라 추가로 투명창 (23) 을 구비하고, 또한 피연마면 (44) 과 함께 회귀광학계를 구성한다.
제 1 반사경 (27) 은 빔스플리터 (25) 에서 출사되는 프로브광을 제 2 반사경 (28) 을 향해 출사시킴과 동시에, 제 2 반사경 (28) 에서 출사되는 반사신호광을 빔스플리터 (25) 를 향해 출사시킨다. 제 2 반사경 (28) 은 제 1 반사경 (27) 에서 출사되는 프로브광을 제 3 반사경 (29) 을 향해 출사시킴과 동시에, 제 3 반사경 (29) 에서 반사되어 출사되는 반사신호광을 제 1 반사경 (27) 을 향해 출사시킨다. 제 3 반사경 (29) 에서 출사된 프로브광은 투명창 (23) 을 통하여 기판 (42) 의 피연마면에 조사되고, 그 곳에서 반사된 반사신호광은 다시 투명창(23) 을 역방향으로 투과하여 제 3 반사경에 입사되고 제 2 반사경 (28) 을 향해 반사된다. 그리고, 제 1 반사경 (27) 을 통하여 빔스플리터 (25) 에서 반사되고 광검출기 (26) 에 입사되어 신호로서 검출된다. 이 반사신호광의 변화에 따라 피연마면의 연마상태가 모니터된다.
이와 같이 하여, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 연마장치의 연마정반이 회전하고 있는 가동상태에서 모니터링을 실시하는 경우에도, 제 1 반사경 (27), 광원 (24), 빔스플리터 (25) 및, 광검출기 (26) 를 비회전의 위치에 설치할 수 있기 때문에 연마장치의 소형화에 매우 유리하다.
제 2 반사경 (28) 은 샤프트 (34) 의 내부에 장착되어 샤프트 (34) 와 함께 회전하도록 되어 있다. 회전하는 제 2 반사경 (28) 은 비회전의 제 1 반사경 (27) 에서 반사되는 프로브광을 회전하면서 받아 제 2 반사경 (28) 과 동일한 각속도로 회전하는 제 3 반사경 (29) 을 향해 프로브광을 출사시킨다. 또, 마찬가지로 회전하는 제 2 반사경 (28) 은 제 2 반사경 (28) 과 동일한 각속도로 회전하는 제 3 반사경 (29) 에서 출사되는 반사신호광을 회전하면서 받아 비회전의 제 1 반사경 (27) 을 향해 출사시킨다.
모니터에 있어서, 광원 (24) 에서 발하여진 프로브광은 빔스플리터 (25) 를 투과하고, 소정 위치에 형성한 제 1 반사경 (27), 제 2 반사경 (28), 제 3 반사경 (29) 및, 투명창 (23) 을 경유하여 기판 (42) 의 피연마면을 향해 출사된다. 이 피연마면으로부터의 반사신호광은 상기 경로를 프로브광과는 완전히 역방향을 향하고, 소정 위치에 형성된 제 1 반사경 (27) 을 반사시키고 빔스플리터 (25) 를 반사시켜 광검출기 (26) 에 입사되어 검출된다. 이 반사신호광의 변화에 따라 피연마면의 연마상태가 모니터된다.
여기에서, 투명창 (23) 은 회전축 (11) 방향으로 제 2 반사경 (28) 과 제 3 반사경 (29) 이 함께 회전하고 있기 때문에, 프로브광이 기판 (42) 의 피연마면에 조사되어 반사신호가 취득되는 것은 투명창 (23) 이 피연마면 아래로 회전되었을 때이다.
[제 3 실시형태]
본 실시형태는 제 2 광파이버 (61) 단면이 투명창 (23) 에 접착제를 사용하여 접착되어 있는 점만 제 1 실시형태와 상이하다.
도 1 의 개요도에 나타낸 제 1 실시형태에서는 제 2 광파이버 (61) 에서 출사된 프로브광을 직접, 기판 (42) 의 피연마면에 조사하여 그 반사신호광을 다시 제 2 광파이버 (61) 단면에 입사시킨다. 그러나, 제 2 광파이버 (61) 에서 출사되는 프로브광은 발산광이며, 또한 투명창과 파이버 단면 사이에는 틈이 있어 무시할 수 없을 정도로 이 사이의 거리가 떨어져 있기 때문에, 반사신호광은 광발산때문에 적지않게 상실되어 제 2 광파이버 (61) 에 입사되는 광량는 감소된다.
그 대책으로서, 본 실시형태에서는 제 2 광파이버 (61) 단면을 투명창 (23) 에 접착제를 사용하여 접착하도록 하고 있다. 즉, 제 2 광파이버 단면의 굴절률을 n0으로 하고, 투명창 (23) 의 굴절률을 n1로 할 때, n0±17 % 의 범위내에서 그리고 n1±17 % 의 범위내의 굴절률을 갖는 접착제 (70) 로 제 2 광파이버 (61)단면과 투명창 (23) 을 접착한다. 이 실시형태의 개요를 도 3 에 나타낸다.
이와 같이 함으로써, 제 2 광파이버 (61) 단면을 기판 (42) 의 피연마면에 가깝게 할 뿐만 아니라, 동시에 투명창 (23) 의 계면과 제 2 광파이버 (61) 단면에서의 반사 손실을 감소시킬 수 있다. 파이버 단면의 반사 손실을 감소시키기 위해서는, 제 2 광파이버 (61) 단면에 반사방지막을 형성하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 광파이버의 단면이 매우 작고 가늘고 긴 형상을 하고 있기 때문에, 통상 진공증착법에 의해 반사방지막을 형성하는 것이 곤란하여 제조비용이 높다는 문제가 있다. 또, 광파이버의 단면에서의 반사 손실을 감소시켜도 투명창 표면의 반사 손실이라는 문제가 남는다. 이에 대해 본 실시형태의 접착 방법은 비용면에서도 우수하다.
상이한 굴절률 (n) 과 굴절률 (n') 의 투명물체의 계면에서의 반사율 (R) 은 일반적으로,
R = {(n - n')/(n + n')}2
으로 부여되며, n = 1.5 로 하면 n'= 1.0 의 공기와의 계면 반사율은 약 4 % 가 된다. 그러나, 이 계면 굴절율차가 작아지면 계면 반사율은 저하된다. 현재, n0에 대해 그 차가 17 % 이하인 굴절률을 갖고, 또한 n1에 대해 그 차가 17 % 이하인 굴절률을 갖는 접착제로 광파이버 (61) 단면과 투명창 (23) 을 접착한 경우는, 파이버와 접착제의 계면뿐만 아니라, 접착제와 투명창 (23) 의 계면에서의 반사율을 각각 약 1 % 이하로 감소시킬 수 있다. 그 결과 반사신호광을 증가시킬 수있다.
[제 4 실시형태]
본 실시형태는 투명창 (23) 표면에 접착제와 투명창과의 계면 반사를 감소시키기 위한 반사방지막이 실시되어 있는 점만 제 3 실시형태와 상이하다.
제 3 실시형태에서는 제 2 광파이버 단면의 굴절률을 n0으로 하고, 투명창 (23) 의 굴절률을 n1으로 할 때, n0±17 % 의 범위내에서 그리고 n1±17 % 의 범위내의 굴절률을 갖는 접착제 (70) 로 제 2 광파이버 (61) 단면과 투명창 (23) 을 접착한다. 그러나, n0과 n1값에 따라서는 n1±17% 의 굴절률 조건을 만족시키는 적당한 접착제가 발견되지 않는 경우가 있다. 이 경우에는 투명창 (23) 표면에 접착제와 투명창과의 계면 반사를 감소시키기 위한 반사방지막을 형성한다. 본 실시형태는 도 3 에 나타내는 제 3 실시형태에서의 투명창 (23) 표면에 반사방지막 (도시생략) 을 형성한 것이다.
이와 같이 함으로써, 접착제 선택의 자유도를 증가시킬 수 있고, 그리고 접착제와의 두개의 계면에서의 반사율을 충분히 저감시킬 수 있어, 그 결과 반사신호광을 증가시킬 수 있다.
[제 5 실시형태]
본 실시형태의 전체 개요도를 도 4 에 나타내고, 도 5 에는 광학창 부근의 광학계를 나타낸다. 본 실시형태는 제 1 실시형태와는 제 2 광파이버 단면과 투명창 사이에 볼록 파워를 갖는 광학계 (22) 를 배치하고 있는 점만이 상이하다.광학계 (22) 는 복수의 렌즈로 구성되는 경우도 있지만, 본 도에서는 1 개의 렌즈만이 대표적으로 나타나 있다.
제 3, 제 4 실시형태에 의해 제 2 광파이버 (61) 단면, 투명창 (23) 표면에서의 반사 손실을 저감시킬 수 있지만, 제 3 실시형태에서 설명한 바와 같이 제 2 광파이버에서 출사되는 프로브광은 발산광이며, 투명창 (23) 은 무시할 수 없을 정도의 두께를 갖고 있기 때문에, 이 사이를 프로브광 그리고 반사신호광이 진행되는 사이에 광은 발산되어 제 2 광파이버 (61) 단면에는 일부의 광밖에 입사시킬 수 없다.
도 5 에서 이 볼록한 파워를 갖는 광학계 (22) 는 제 2 광파이버 (61) 단면 위치가 기판 (42) 의 피연마면에 대해 다시 광학적으로 공역으로 되도록 설계되어 있다. 즉, 제 2 광파이버 (61) 단면에서 방사된 프로브광이 볼록한 파워를 갖는 광학계 (22) 에 의해 굴절되어 피연마면에 조사되고, 반사된 신호광이 다시 볼록한 파워를 갖는 광학계 (22) 에서 역방향으로 굴절되는 결과, 제 2 광파이버 (61) 단면 위치에, 출사시켰을 때의 단면형상의 등배 이미지를 맺는다.
또한 이 볼록한 파워를 갖는 광학계 (22) 는 제 2 광파이버 (61) 의 입사에 대해 모드매칭시켜 광 손실이 없도록 되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 원리적으로 피연마면에서 반사된 신호광을 모두 제 2 광파이버 (61) 로 수납할 있어, 그 결과 반사신호광을 증가시킬 수 있다.
[제 6 실시형태]
도 6 에 본 실시형태의 광학창 부근의 광학계 개요를 나타낸다. 본 실시형태는 제 5 실시형태와는 광학계 (22) 중 가장 제 2 광파이버 단면측에 있는 렌즈 (220) 와 제 2 광파이버 단면이 접착제 (70) 로 접착되어 있는 점만이 상이하다. 광학계 (22) 는 복수의 렌즈로 구성되어 있는 경우도 있지만, 도 6 에서는 이와 같은 경우에도 대표하여 단일 렌즈로 나타내고 있다. 여기에서도 제 3 실시형태와 마찬가지로 굴절률 조건이 요구되어 제 2 광파이버 단면의 굴절률을 n0으로 하고, 렌즈 (220) 의 굴절률을 n2로 할 때, n0±17 % 의 범위내에서 그리고 n2±17 % 의 범위내의 굴절률을 갖는 접착제 (70) 로 제 2 광파이버 (61) 단면과 렌즈 (220) 를 접착하는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 제 2 광파이버 (61) 단면에서의 계면 반사와 렌즈 (220) 의 접합면측 계면의 광 반사를 저감시킬 수 있어, 그 결과 반사신호광을 증가시킬 수 있다.
[제 7 실시형태]
본 실시형태는 렌즈 (220) 표면에 접착제와 렌즈 (220) 와의 계면 반사를 감소시키기 위한 반사방지막이 실시되어 있는 점만이 제 6 실시형태와 상이하다. 즉, 도 6 에서 렌즈 (220) 표면에 반사방지막 (도시생략) 을 실시한 것이다.
도 6 실시형태에서는 제 2 광파이버 단면의 굴절률을 n0으로 하고, 렌즈 (220) 의 굴절률을 n2로 할 때, n0±17 % 의 범위내에서 그리고 n2±17 % 의 범위내의 굴절률을 갖는 접착제 (70) 로 제 2 광파이버 (61) 의 단면과 렌즈 (220) 를접착한다. 그러나, n0과 n2값에 따라서는 n2±17 % 의 굴절률 조건을 만족시키는 적당한 접착제가 발견되지 않는 경우가 있다. 이 경우에는 렌즈 (220) 표면에 접착제 (70) 와 렌즈 (220) 와의 계면 반사를 감소시키기 위한 반사방지막을 형성한다.
이와 같이 함으로써, 접착제 선택의 자유도를 증가시킬 수 있고, 그리고 접착제와의 두개의 계면에서의 반사율을 충분히 저감시킬 수 있어, 그 결과 반사신호광을 증가시킬 수 있다.
[제 8 실시형태]
본 실시형태의 광학계 (22) 부근의 모양을 도 7 에 나타낸다. 본 실시형태는 제 5 실시형태와는 광학계 (22) 를 보다 발전시킨 점만이 상이하다. 도 7 에서 광학계 (22) 는 전군(前群)광학계 (221) 와 후군(後群)광학계 (222) 를 구비하고, 또한 조리개 (14) 를 구비한다. 조리개 (14) 는 전군광학계 (221) 중에서 기판 (42) 의 피연마면과 광학적으로 공역인 위치에 형성된다.
제 2 광파이버 (61) 로부터의 광 출사방향은 파이버가 구부러지는 등과 같이 변화되는 경우가 있다. 따라서, 제 5 실시형태의 모니터장치의 경우, 광 조사위치가 어긋나거나 하여 측정 오차의 원인이 된다. 광학계 (22) 중에 형성되는 조리개 (14) 는 제 2 광파이버 (61) 로부터의 광속을 모으기 위해 형성된다. 따라서, 조리개 (14) 의 개구부 크기는 광파이버 (61) 에서 출사되는 광속 크기보다 약간 작게 되어 있다.
이와 같이 함으로써, 제 2 광파이버 (61) 에서 출사되는 프로브광의 광속 방향이 다소 변화해도, 이 조리개 (14) 를 통과한 광속 방향과 크기를 안정시킬 수 있기 때문에, 기판 (42) 의 피연마면 위로의 프로브광의 조사위치와 조사범위를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 이 조리개의 치수 또는 형상을 변경함으로써 피연마면으로의 조사 스폿의 치수 또는 형상을 조정할 수 있기 때문에, 측정대상의 반도체 디바이스의 패턴에 적합하게 할 수 있다. 또한 이와 같은 조리개 (14) 를 형성하면 도 1, 도 3, 도 4 에 나타내는 조리개 (4) 는 없어도 된다.
또, 본 실시형태와 제 6 또는 제 7 실시형태를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 의하면 피연마면에서 반사된 신호광을 모두 광학계 (22) 에 의해 받아 제 2 광파이버 (61) 로 향하게 함으로써, 반사신호광을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판 (42) 의 피연마면으로의 프로브광의 조사위치와 치수를 항상 일정하게 유지할 수 있어 측정을 정밀도 있게 실시할 수 있고, 또한 조리개 (14) 의 치수 조정에 의해 반도체 디바이스의 다양한 패턴에 대응할 수 있다.
[제 9 실시형태]
본 실시형태의 개요도를 도 8 에 나타낸다. 본 실시형태는 제 2 실시형태와는 제 3 반사경 (29) 과 투명창 (23) 사이에 볼록 파워를 갖는 광학계 (22) 를 배치하고 있는 점만이 상이하다. 광학계 (22) 는 복수의 렌즈로 구성되는 경우도 있지만, 본 도에서는 간단하게 사각 블록으로 나타내고 있다.
제 2 실시형태에서는 광원 (24) 에서 발하여진 프로브광은 기판 (42) 의 피연마면에 도달하는 동안에 발산되어, 소요되는 사이즈의 스폿으로서 피연마면에 조사할 수 없는 경우가 있기 때문에, 이 볼록 파워를 가지는 광학계 (22) 에 의해 원하는 사이즈의 스폿으로 좁혀 간다.
또한, 필요에 따라 제 1 반사경과 제 2 반사경 사이에, 또는 제 2 반사경과 제 3 반사경 사이에 릴레이 광학계를 별도로 형성해도 된다. 이와 같이 하여 반도체 디바이스의 다양한 패턴에 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 반사신호광을 광학계 광로에서 벗어나지 않고 누광없이 광검출기 (26) 에 의해 수광할 수 있다.
이와 같이 하여 비교적 설치 스페이스를 필요로 하는 빔스플리터 (25), 광원 (24), 분광기를 포함하는 광학계 (분광 반사신호를 검출하는 경우), 광학검출을 연마장치로부터 멀리 설치할 수 있다. 그리고, 연마장치측에는 피연마면에 프로브광을 안정적으로 전달ㆍ조사하고, 그리고 반사신호광을 안정적으로 수광하여 회전축위의 소정 위치까지 안정적으로 전달하기 위한, 파이버 또는 반사경 또는 렌즈 등을 구비하는, 콤팩트한 회귀광학부만을 설치하면 된다. 따라서, 본 모니터장치를 연마장치에 사용하면 연마장치를 대형화시키지 않고, 또한 고정밀도로 연마상태를 모니터할 수 있다. 또, 본 모니터방법에 의하면, 연마장치를 대형화시키지 않고, 또한 고정밀도로 연마상태를 모니터할 수 있다. 나아가, 본 모니터장치가 장착된 연마장치는 소형이면서 경량이며, 또 고정밀도로 연마상태를 모니터할 수 있다. 이 연마장치를 반도체 소자가 형성된 반도체 웨이퍼의 연마에 사용하면 고정밀도로 연마상태가 모니터된 반도체 웨이퍼를 얻을 수 있다.
[제 10 실시형태]
제 1, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7 및 제 8 실시형태에서 파이버 단면에서의 반사광이 문제로 되는 경우가 있었다. 예컨대 제 1 실시형태에서 제 1 광파이버의 제 1 단면과 제 2 단면에서, 그리고 제 2 광파이버의 제 1 단면과 제 2 단면에서 반사된 반사프로브광은 기판 (42) 의 방향과는 역방향으로 전파되어 노이즈광 (플레어광) 으로서 광검출기에 입사되는 경우가 있다.
제 1, 제 2 광파이버의 코어 굴절률을 1.45, 외부 굴절률을 1.00 으로 하면 각 단면에서의 반사율은 3.4 % 이다. 프로브광이나 반사신호광의 강도는 연마제 (41) 에 의한 산란 손실이나 다른 광학계에 의한 전파 도중에서의 손실에 의해, 또는 어떤 종류의 웨이퍼의 낮은 반사율 특성에 의해 크게 저감되는 경우가 있어, 광검출기 (26) 에 최종적으로 입사되는 반사신호광의 강도는 프로브광의 광파이버를 전파하는 단계시의 강도보다 크게 저감되는 경우가 있다. 따라서, 4 % 라는 반사율은 무시할 수 없는 값이다.
이 노이즈광은 신호의 S/N 비를 저하시키기 때문에, 잔막두께의 측정, 또는 연마종료점의 검지 등의 연마상태 측정의 측정 정밀도를 악화시키는 경우가 있다.
본 실시형태는 이상의 문제를 해결하기 위해 실시된 것으로 제 1, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7 및, 제 8 실시형태의 변형예이다. 이들 실시형태와의 차이는 광파이버 단면의 방향에 있다. 제 1 실시형태에서는 광파이버 단면의 방향이 광파이버의 광축방향에 대해 규정되어 있지 않았다. 본 실시형태에서는 광파이버 단면의 법선방향을 광파이버의 광축방향에 대해 비평행으로 하였다. 특히 단면이 접착되어 있지 않는 경우에, 그 단면의 법선방향을 광파이버의 축방향에대해 비수직으로 하는 것이 바람직하다.
도 9 와 도 10 에 나타내는 것은 본 실시형태의 일례의 개요도이다. 도 9 는 제 1 실시형태를 나타내는 도 1 의 제 2 광파이버 (61) 단부 (65) 가 쐐기형상으로 되고, 단부 (65) 에서 제 2 광파이버 축이 기판의 법선과는 비평행으로 되어 있는 점만 도 1 에 나타낸 실시형태와 상이하다.
도 10 은 도 9 의 제 2 광파이버 (61) 단부 (65) 의 확대도이다. 61 은 제 2 광파이버, 71 은 이 광파이버 축으로, 이 축을 따라 프로브광과 반사신호광이 전파된다. 72 는 프로브광의 전파방향, 75 는 반사신호광의 전파방향이다. 76 은 제 2 광파이버 (61) 에서 출사되는 출사프로브광 및 제 2 광파이버 (61) 으로 입사되는 반사신호광의 광축을 나타낸다. 73 은 출사 프로브광의 전파방향, 74 는 반사신호광의 전파방향이다. 77 은 제 2 단면 (73) 의 법선, 78 은 단면의 기울기각 (쐐기각) 으로, 광파이버 축 (71) 과 제 2 단면 (80) 의 법선 (80) 이 이루는 각도이다.
기울기각 (78) 은 코어 굴절률이 1.45 인 석영 파이버의 경우 8 도로 된다. 이 각도는 프로브광의 제 2 단면 (80) 으로의 입사각과도 동등하므로 입사각으로 칭하는 경우도 있고, 또 반사신호광의 제 2 단면에 대한 굴절각과도 동등하므로 굴절각으로 칭하는 경우도 있다. 81 은 출사프로브광의 출사시의 굴절각에 상당하는 각도로 11.6 도이다. 또, 82 는 프로브광이 제 2 단면 (80) 에서 반사될 때의 반사각으로 입사각 (78) 과 동등하고, 83 은 반사프로브광의 방향이다.
프로브광이 제 2 광파이버에 도달할 때까지의 설명은 제 1 실시형태의 경우와 동일하므로 생략한다. 제 2 광파이버 (61) 축 (71) 을 따라 방향 (72) 를 향해 전파되는 프로브광은 입사각 (78) 으로 제 2 단면 (80) 에 입사되고, 굴절각 (81) 으로 굴절되어 출사됨과 동시에 일부의 프로브광은 반사각 (82) 으로 반사된다. 굴절된 프로브광은 방향 (73) 으로 전파되어 기판 (42) 의 피연마면에 입사된다.
방향 (73) 과 피연마면의 법선방향과는 수직으로 조정되고 있기 때문에, 여기에서의 반사신호광은 광축 (76) 을 따라 방향 (74) 으로 전파되고, 제 2 단면 (80) 에서 제 2 광파이버로 입사각 (81), 굴절각 (78) 에 의해 입사되고, 축 (71) 을 따라 방향 (75) 으로 전파된다. 또, 방향 (83) 으로 반사된 반사프로브광은 광파이버 축 (71) 에 대해 16 도로 크게 기울어 있기 때문에 이 제 2 광파이버 (61) 의 전파모드를 형성하지 않고, 제 2 광파이버 (61) 가 전파중에 방사되어 상실된다. 이 후 반사신호광의 진행은 제 1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다. 이와 같이 하여 반사신호광은 광검출기 (26) 에 입사되어 신호로서 검출된다. 이 반사신호광의 변화에 따라 피연마면의 연마상태가 모니터된다.
본 실시형태에서는 제 2 광파이버의 제 2 단면 (80) 에서의 프로브광의 반사광이 광검출기 (26) 에 입사되는 경우가 없기 때문에, 반사신호광의 S/N 비를 높일 수 있고, 잔막두께의 측정, 또는 연마종료점의 검지 등과 같은 연마상태 측정의 측정 정밀도를 제 1 실시형태보다 향상시킬 수 있다.
이상 설명에서는 간단하게 하기 위해, 제 1 실시형태의 변형예로서 제 2 광파이버 (61) 의 제 2 단면 (80) 만이 축에 대해 비수직으로 되어 있는 경우를 설명하였다. 비수직으로 하는 단면은 이 외에 제 2 광파이버 (61) 의 제 1 단면, 제 1 광파이버 (62) 의 제 1 단면 또는 제 2 단면 중 어느 것이어도 되고, 이들 단면 중 어느 하나 이상이 비수직으로 되어 있어도 되고, 전부 단면이 비수직으로 되어 있어도 된다.
일반적으로 비수직으로 하는 단면 수가 많을수록 신호의 S/N 비를 높일 수 있어 잔막두께의 측정, 또는 연마종료점의 검지 등의 연마상태 측정의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 어느 단면을 비수직으로 할지, 또는 몇 개의 단면을 비수직으로 할지는 각 단면을 비수직으로 했을 때의 플레어광의 저감효과와, 필요한 측정정밀도와, 추가비용과의 절충으로 결정된다. 또, 본 실시형태는 제 1 실시형태 외에 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7 및, 제 8 실시형태에도 광파이버 단면을 광파이버 축에 대해 비수직으로 함으로써 유사한 방법으로 적용할 수 있다.
이상 설명에서는 광파이버 단면을 광파이버 축에 대해 비수직으로 함으로써 플레어광을 감소시켰지만, 도 10 실시형태의 변형예로서 단면을 특히 광파이버 축에 대해 비수직으로 하지 않고 각 단면에 반사방지막을 실시해도 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이 예의 일부는 전술한 실시형태에 이미 개시되어 있다. 이 경우 반사방지막의 잔류반사광으로 인해 플레어광을 완전하게는 제로로 할 수 없기 때문에, 효과는 단부를 쐐기형상으로 한 경우에 미치지 않지만, 광학부품의 배치 등에 제약이 있는 경우에 필요에 따라 실시된다.
[제 11 실시형태]
본 실시형태는 광파이버 (61, 62) 로서 액체로 이루어지는 코어를 구비하는광파이버를 사용하고 있는 점만 제 1, 제 3, 제 4, 제 5, 제 6, 제 7, 제 8 및, 제 10 실시형태와 상이하다. 본 실시형태에서 사용되는 광파이버는 가요성이 있는 투명수지 등으로 이루어지는 원통 형상의 클래드재 중에 클래드재보다 고굴절률의 코어재로서의 액체가 주입되고 구성되어 매우 가용성이 우수하다. 또, 광파이버의 단면적에 차지하는 코어 부분의 면적비가 가는 광파이버를 복수개 묶은 핸들파이버보다 높기 때문에 핸들파이버보다 고투과율이다.
또한, 클래드재와 코어재에 대한 재료 선정의 자유도가 높기 때문에, 클래드재와 코어재의 굴절률차를 핸들 파이버보다 크게 할 수 있고, 그 결과 핸들 파이버보다 큰 폭으로 고 NA 를 얻을 수 있다. 본 실시형태의 광파이버로서는 프네움 (주) 제조의 리퀴드 라이트가이드를 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 광파이버의 가요성이 매우 높아 작은 곡률 반경으로 구부려도 접히지 않기 때문에, 연마체부에 장착할 때의 자유도가 높은 결과, 모니터장치 또는 연마장치의 콤팩트화를 도모할 수 있다. 또한, 광파이버의 광투과율이 높기 때문에 방사광 강도가 낮은 콤팩트한 광원에서 동일 반사신호광을 얻을 수 있어 모니터장치의 콤팩트화를 도모할 수 있다. 또, 광파이버가 고 NA 이므로 용이하게 고효율의 광결합을 실현할 수 있어 광학계의 설계에 대한 자유도가 높다.
이상 설명한 제 1 ∼ 제 11 실시형태에서 모니터장치의 구성요소는 회전하는 부재와 비회전하는 부재로 분리하여 설명하였지만, 비회전하는 부재의 부분만으로도 본 발명의 모니터장치를 구성하는 것은 당연하다. 이 때, 다른 회전하는 부재는 연마장치를 구성한다.
또, 이상 설명한 제 1 ∼ 제 11 실시형태에 공통적으로 연마상태의 모니터를 위해 잔막두께의 측정 또는 공정종료점의 검지가 실시된다. 또, 반사신호광으로서는 바람직하게는 분광 반사신호광이 검지되고, 이를 이해 광검출기 (26) 앞에 분광기 (도시생략) 가 배치된다. 이 분광계측의 결과를 도시생략의 A/D 컨버터 등에 의해 도시생략의 신호처리부로 보내 그 곳에서 막두께를 산출할 수 있게 된다. 구체적으로는 분광 반사신호의 변화를 고정밀도롤 검출하기 위해, 바람직하게는 분광 반사신호에서 연산된 파리미터를 이용하거나, 또는 분광 반사특성의 참조값과 분광 반사특성의 측정값과의 상호 상관함수 등을 사용하여 비교한다.
또한, 모니터장치는 피연마면의 패턴치수에 대응하여 패턴간섭의 정도를 제어하기 위해, 바람직하게는 공간 코히어런스 길이를 제어하기 위한 조리개 (도시생략) 를 광원 (24) 에 구비한다. 또, 반사광에서 1차 이상의 회절성분을 제외하고 0차 광만을 분광 반사신호로서 검출하기 위해, 바람직하게는 광검출기 (26) 앞에 조리개 (도시생략) 가 배치된다. 이들 공간 코히어런스 길이의 제어기술 및 0차 광 추출기술에 대해서는 일본 공개특허공보 2000-40680 호, 일본 공개특허공보 2000-241126 호, 일본 공개특허공보 2000-186917 호 및 일본 공개특허공보 2000-186918 호에 개시되어 있다.
또한, 본 발명의 모니터장치는 광로 중 (예컨대 광로 (52), 광학계 (22), 계측부 등) 에 유해한 외광이 들어와 측정에 악영향을 주지 않도록 내부를 광택제거흡광도료 등으로 도장한 파이프 등으로 피복하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 모니터장치는, 그 광학계가 정지부분과, 회전하는 연마정반(31) 과 샤프트 (34) 에 고정되어 회전하는 부분으로 분리되어 정지부분과 회전하는 부분이 광결합되어 있다. 여기에서, 광결합은 광학계의 정지부분에서 출사된 광이 광 손실없이 회전하는 부분에 전달되고, 회전부분에서 출사된 광이 광 손실없이 정지부분에 전달되는 것을 의미한다.
이와 같이 하여 비교적 설치 스페이스를 필요로 하는 빔스플리터 (25), 광원 (24), 분광기를 포함하는 광학계 (분광 반사신호를 검출하는 경우), 광검출기를 연마장치에서 멀리 설치할 수 있다. 그리고, 연마장치측에는 피연마면에 프로브광을 안정적으로 전달ㆍ조사하고, 그리고 반사신호광을 안정적으로 수광하여 회전축위의 소정 위치까지 안정적으로 전달하기 위한, 파이버 또는 반사경 또는 렌즈 등을 구비하는, 콤팩트한 회귀광학부만을 설치하면 된다. 따라서, 본 모니터장치를 연마장치에 사용하면 연마장치를 대형화시키지 않고, 또한 고정밀도로 연마상태를 모니터할 수 있다. 또, 본 모니터방법에 의하면, 연마장치를 대형화시키지 않고, 또한 고정밀도로 연마상태를 모니터할 수 있다. 또한, 본 모니터장치가 장착된 연마장치는 소형이면서 경량이며, 또 고정밀도로 연마상태를 모니터할 수 있다. 이 연마장치를 반도체 소자가 형성된 반도체 웨이퍼의 연마에 사용하면 고정밀도로 연마상태가 모니터된 반도체 웨이퍼를 얻을 수 있다.
산업상의 이용 가능성
본 발명에 관련되는 모니터장치 및 모니터방법은 주로 CMP 연마장치에서 연마상황을 모니터링하는 데에 사용할 수 있다. 또, 본 발명에 관련되는 연마장치는 반도체회로를 갖는 웨이퍼를 연마하기 위해 사용하는 데에 적합하다. 또한, 본 발명에 관련되는 반도체 웨이퍼의 제조방법은 반도체 웨이퍼를 수율좋게 제조하기 위해 사용하는 데에 적합하다.

Claims (16)

  1. 가공면을 갖는 회전가능한 연마체를 구비하는 연마체부와 기판을 지지하는 기판 지지부를 구비하고, 회전하는 상기 가공면과 상기 기판의 피연마면과의 사이에 연마제를 개재시키고, 양방의 사이에 상대운동을 부여함으로써 상기 피연마면을 연마할 때에, 프로브광을 상기 피연마면에 조사하여 얻어지는 반사신호광에 의해 연마상태를 모니터하는 장치로서,
    상기 프로브광을 발하는 비회전의 광원과,
    상기 반사신호광을 수광하는 비회전의 광검출기와,
    상기 연마체부의 회전축위에 있는 소정 위치에 상기 프로브광을 입사시키면 상기 소정 위치로부터 상기 반사신호광을 출사시키는, 상기 연마체부에 장착되어 상기 연마체와 함께 회전가능한 회귀광학부를 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회귀광학부가 광결합렌즈와 굴절률 n0의 제 2 광 파이버를 구비하고, 상기 모니터장치가 비회전의 제 1 광파이버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터장치가 비회전의 제 1 반사경을 구비하고, 상기 회귀광학부가 제 2 반사경과 제 3 반사경을 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회귀광학부가, 상기 프로브광을 상기 피연마면을 향해 투과시키는 동시에 상기 반사신호광을 역방향으로 투과시키는 굴절률 n1의 투명창을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 광파이버의 단부와 상기 투명창이, n0와의 차가 ±17 % 이하이고 또한 n1과의 차가 ±17 % 이하인 굴절률의 접착제로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 광파이버의 단부와 상기 투명창이, n0와의 차가 ±17 % 이하인 굴절률의 접착제로 접착되고, 상기 투명창의 적어도 접착부분에 상기 접착제와 상기 투명창과의 계면반사를 저감시키기 위한 반사방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 회귀광학부가, 상기 투명창과 상기 제 2 광파이버의 단면과의 사이에, 상기 제 2 광파이버의 상기 단면으로부터 출사되는 프로브광을 상기 피연마면에 조사하고, 반사신호광을 상기 제 2 광파이버의 상기 단면에 집광시키기 위한 볼록한 파워를 갖는 광학계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 회귀광학부가, 상기 투명창과 상기 제 3 반사경과의 사이에, 상기 제 3 반사경으로부터 출사되는 프로브광을 상기 피연마면에 조사하고, 반사신호광을 상기 제 3 반사경으로 릴레이하기 위한 볼록한 파워를 갖는 광학계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학계 중에서 가장 상기 제 2 광파이버의 상기 단면측에 있는 굴절률 n2의 렌즈와 상기 제 2 광파이버의 상기 단면이, n0와의 차가 ±17 % 이하이고 또한 n2와의 차가 ±17 % 이하인 접착제로 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학계 중에서 가장 상기 제 2 광파이버의 상기 단면측에 있는 굴절률 n2의 렌즈와 상기 제 2 광파이버의 상기 단면이, n0와의 차가 ±17 % 이하인 접착제로 접착되고, 상기 굴절률 n2의 렌즈의 적어도 접착부분에 상기 접착제와 상기 굴절률 n2의 렌즈와의 계면반사를 저감시키기 위한 반사방지막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계가, 상기 피연마면과 광학적으로 공역인 위치에 조리개를 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  12. 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 9 항, 제 10 항, 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 광파이버의 적어도 하나의 단면의 법선방향이, 상기 제 1 또는 제 2 광파이버의 광축방향에 대해 비평행으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  13. 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 9 항, 제 10 항, 제 11 항, 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 광파이버의 적어도 일방이, 액체로 이루어지는 코어를 구비하는 광파이버인 것을 특징으로 하는 모니터장치.
  14. 회전하는 가공면과 기판의 피연마면과의 사이에 연마제를 개재시키고, 양방의 사이에 상대운동을 부여함으로써 상기 피연마면을 연마할 때에, 프로브광을 상기 피연마면에 조사하여 얻어지는 반사신호광에 의해 연마상태를 모니터하는 모니터방법으로서,
    비회전의 광원으로부터 프로브광을 발하는 단계와,
    상기 프로브광을 상기 가공면과 함께 회전하는 회귀광학부에 입사시키는 단계와,
    상기 회귀광학부로부터 출사되는 반사신호광을 비회전의 광검출기에 의해 수광하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 모니터방법.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재된 모니터장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연마장치.
  16. 상기 기판은 반도체 소자가 형성된 반도체 웨이퍼이고, 제 15 항에 기재된 연마장치를 사용하여 기판의 표면을 연마하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 제조방법.
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