KR20220071915A - 연마 방법, 워크피스의 연마 감시 방법 및 연마 감시 장치 - Google Patents

연마 방법, 워크피스의 연마 감시 방법 및 연마 감시 장치 Download PDF

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KR20220071915A
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요이치 시오카와
야스마사 히로오
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가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명의 과제는 노이즈의 영향을 받는 일 없이, 정확한 연마 대상층의 두께를 결정할 수 있는 연마 방법을 제공하는 것이다.
본 방법은, 워크피스 W의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 방법이며, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)을 회전시키고, 연마 패드(2)에 워크피스 W를 압박하여 연마 대상층을 연마하고, 워크피스 W에 광을 조사하고, 워크피스 W로부터의 반사광을 받고, 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 강도와 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고, 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시키고, 피크 탐색 범위 내에 있는 주파수 스펙트럼의 피크를 결정하고, 결정된 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를 결정한다.

Description

연마 방법, 워크피스의 연마 감시 방법 및 연마 감시 장치{POLISHING METHOD, POLISHING MONITORING METHOD AND POLISHING MONITORING APPARATUS FOR WORKPIECE}
본 발명은, 웨이퍼, 기판, 패널 등의 워크피스를 연마하는 방법에 관한 것으로, 특히 워크피스로부터의 반사광의 스펙트럼에 기초하여 연마 대상층의 두께를 결정하는 기술에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 웨이퍼, 기판, 패널 등의 워크피스를 연마하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 워크피스로부터의 반사광에 포함되는 광학 정보에 기초하여 워크피스의 연마를 감시하는 기술에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에는, SiO2 등의 절연막을 연마하는 공정이나, 구리, 텅스텐 등의 금속막을 연마하는 공정 등의 다양한 공정이 포함된다. 이면 조사형 CMOS 센서의 제조 공정에서는, 절연막이나 금속막의 연마 공정 외에도, 실리콘층(실리콘 웨이퍼)을 연마하는 공정이 포함된다.
워크피스의 노출면을 구성하는 연마 대상층(절연막, 금속막, 실리콘층 등)의 연마는, 연마 대상층의 두께가 소정의 목표값에 도달한 때에 종료된다. 연마 중에 있어서의 연마 대상층의 두께를 측정하는 방법의 예로서, 워크피스의 표면에 광을 조사하고, 워크피스로부터 반사되어 오는 광의 분광 파형에 대하여 푸리에 변환을 실행하고, 얻어진 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 두께를 결정하는 광학식 감시 방법이 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 주파수 스펙트럼의 피크는, 연마 대상층의 두께에 의존하여 바뀐다. 따라서, 워크피스의 연마 중에 주파수 스펙트럼의 피크를 추적함으로써, 연마 대상층의 두께를 감시할 수 있다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 실리콘 웨이퍼 상에 다양한 재료가 막 형상으로 반복해서 형성되어, 적층 구조를 형성한다. 이 적층 구조를 형성하기 위해서는, 최상층의 표면을 평탄하게 하는 기술이 중요해지고 있다. 이러한 평탄화의 일 수단으로서, 화학 기계 연마(CMP)가 사용되고 있다.
화학 기계 연마(CMP)는 연마 장치에 의해 실행된다. 이러한 종류의 연마 장치는, 일반적으로, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블과, 워크피스(예를 들어, 막을 갖는 웨이퍼)를 보유 지지하는 연마 헤드와, 연마액(예를 들어, 슬러리)을 연마 패드 상에 공급하는 연마액 공급 노즐을 구비한다. 워크피스를 연마할 때는, 연마액 공급 노즐로부터 연마액을 연마 패드 상에 공급하면서, 연마 헤드에 의해 워크피스의 표면을 연마 패드에 압박한다. 연마 헤드와 연마 테이블을 각각 회전시켜 워크피스와 연마 패드를 상대 이동시킴으로써, 워크피스의 표면을 형성하는 피연마층을 연마한다.
절연막이나 실리콘층 등의 피연마층의 두께를 측정하기 위해, 연마 장치는, 일반적으로, 광학식 막 두께 측정 장치를 구비한다. 이 광학식 막 두께 측정 장치는, 광원으로부터 발해진 광을 워크피스의 표면으로 유도하여, 워크피스로부터의 반사광의 스펙트럼을 해석함으로써, 워크피스의 피연마층의 두께를 결정하도록 구성된다.
특허문헌 2는, 반사광의 스펙트럼의 변화량에 기초하여 막 두께를 결정하는 기술을 개시한다. 도 21은, 스펙트럼의 변화량과 연마 시간의 관계를 나타내는 그래프이다. 스펙트럼의 변화량은, 단위 시간당의 스펙트럼의 형상의 변화량이다. 반사광의 스펙트럼은 피연마층의 두께에 따라 변화된다. 따라서, 반사광의 스펙트럼의 변화량은, 단위 시간당의 피연마층의 제거량에 상당한다.
도 22는, 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 그래프이다. 도 22로부터 알 수 있는 바와 같이, 스펙트럼 누적 변화량은, 연마 시간과 함께 대략 단조롭게 증가한다. 따라서, 스펙트럼 누적 변화량으로부터, 피연마층의 연마량(즉, 현재의 두께 또는 현재의 제거량)을 결정할 수 있다.
일본 특허 공개 제2013-110390호 공보 일본 특허 공개 제2015-156503호 공보
그러나, 슬러리 등의 연마 환경이나, 연마 대상층의 아래에 존재하는 하지층 등에 기인하여 주파수 스펙트럼에 의사 피크가 나타나는 경우가 있다. 종래의 광학식 감시 방법에서는, 그러한 의사 피크를 잘못하여 추적하는 경우가 있고, 결과적으로 정확한 두께를 결정할 수 없는 경우가 있었다.
또한, 종래의 광학식 감시 방법은, 노이즈에 기인하는 의사 피크가, 연마 대상층의 두께에 대응하는 목표 피크에 겹친 때, 연마 대상층의 두께의 결정에 실패 하는 경우가 있었다.
또한, 도 23에 도시한 바와 같이, 워크피스의 표면에 형성되어 있는 패턴의 영향이나, 연마 환경(예를 들어, 슬러리) 등의 영향에 의해, 스펙트럼의 변화량에 국소적인 노이즈가 인가되는 경우가 있다. 이 때문에, 도 24에 도시한 바와 같이, 스펙트럼의 누적 변화량은, 단조 증가하지 않는 경우가 있어, 결과적으로, 피연마층의 연마량의 오추정을 야기할 가능성이 있다.
그래서 본 발명은, 노이즈의 영향을 받는 일 없이, 정확한 연마 대상층의 두께를 결정할 수 있는 연마 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 워크피스의 표면에 형성되어 있는 패턴이나, 연마 환경(예를 들어, 슬러리) 등의 영향을 배제하고, 워크피스의 연마를 정확하게 감시할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
일 양태에서는, 워크피스의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 방법이며, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고, 상기 연마 패드에 상기 워크피스를 압박하여 상기 연마 대상층을 연마하고, 상기 워크피스에 광을 조사하고, 상기 워크피스로부터의 반사광을 받고, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 상기 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시키고, 상기 피크 탐색 범위 내에 있는 상기 주파수 스펙트럼의 피크를 결정하고, 상기 결정된 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를 결정하는, 연마 방법이 제공된다.
일 양태에서는, 상기 피크 탐색 범위는, 전회 결정된 상기 연마 대상층의 두께 및 상기 워크피스의 연마 레이트에 기초하여 산출한 값을 포함하는 범위이다.
일 양태에서는, 상기 연마 레이트는, 미리 설정된 연마 레이트이다.
일 양태에서는, 상기 연마 레이트는, 상기 워크피스의 연마 중에 산출된 연마 레이트이다.
일 양태에서는, 워크피스의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 방법이며, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고, 상기 연마 패드에 상기 워크피스를 압박하여 상기 연마 대상층을 연마하고, 상기 워크피스에 광을 조사하고, 상기 워크피스로부터의 반사광을 받고, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고, 상기 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 필터를 사용하여 상기 분광 파형으로부터 노이즈를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 상기 연마 대상층의 두께를 결정하고, 상기 노이즈의 제거에 의해 소실된 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를, 상기 워크피스의 연마 중에 취득한 상기 연마 대상층의 두께의 복수의 값을 사용한 외삽에 의해 보완하는, 연마 방법이 제공된다.
일 양태에서는, 상기 필터는, 상기 워크피스의 연마 시간과 함께 이동하지 않는 상기 주파수 스펙트럼의 피크의 주파수를 갖는 노이즈를 상기 분광 파형으로부터 제거하도록 구성된다.
일 양태에서는, 상기 노이즈는, 상기 연마 대상층의 하지층으로부터 반사한 광에 기인하는 노이즈이다.
일 양태에서는, 상기 필터는 밴드 스톱 필터이다.
일 양태에서는, 상기 연마 방법은, 상기 워크피스를 연마 하기 전에, 해당 워크피스와 동일한 패턴을 갖는 다른 워크피스를 연마하고, 상기 다른 워크피스로부터의 반사광의 분광 파형에 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 상기 필터를 작성하는 공정을 더 포함한다.
일 양태에서는, 상기 연마 방법은, 상기 워크피스의 연마 중에, 상기 워크피스로부터의 반사광의 분광 파형에 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 상기 필터를 작성하는 공정을 더 포함한다.
일 양태에서는, 워크피스의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 장치이며, 연마 패드를 지지하는 회전 가능한 연마 테이블과, 상기 연마 테이블 상의 상기 연마 패드에 상기 워크피스를 압박하는 연마 헤드와, 상기 연마 헤드에 보유 지지된 상기 워크피스에 광을 조사하고, 또한 상기 워크피스로부터의 반사광을 받는 광 센서 헤드와, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하는 분광기와, 상기 반사광의 강도로부터 상기 연마 대상층의 두께를 결정하는 연마 제어부를 구비하고, 상기 연마 제어부는, 상기 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시키고, 상기 피크 탐색 범위 내에 있는 상기 주파수 스펙트럼의 피크를 결정하고, 상기 결정된 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를 결정하도록 구성되는, 연마 장치가 제공된다.
일 양태에서는, 워크피스의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 장치이며, 연마 패드를 지지하는 회전 가능한 연마 테이블과, 상기 연마 테이블 상의 상기 연마 패드에 상기 워크피스를 압박하는 연마 헤드와, 상기 연마 헤드에 보유 지지된 상기 워크피스에 광을 조사하고, 또한 상기 워크피스로부터의 반사광을 받는 광 센서 헤드와, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하는 분광기와, 상기 반사광의 강도로부터 상기 연마 대상층의 두께를 결정하는 연마 제어부를 구비하고, 상기 연마 제어부는, 상기 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고, 필터를 사용하여 상기 분광 파형으로부터 노이즈를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 상기 연마 대상층의 두께를 결정하고, 상기 노이즈의 제거에 의해 소실된 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를, 상기 워크피스의 연마 중에 취득한 상기 연마 대상층의 두께의 복수의 값을 사용한 외삽에 의해 보완하도록 구성되어 있는, 연마 장치가 제공된다.
일 양태에서는, 테이블 모터에 명령을 발하여, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키는 스텝과, 연마 헤드에 명령을 발하여, 상기 연마 패드에 워크피스를 압박하여 상기 워크피스의 연마 대상층을 연마하는 스텝과, 광원에 명령을 발하여, 상기 워크피스에 광을 조사하는 스텝과, 상기 워크피스로부터의 반사광의 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 스텝과, 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하는 스텝과, 상기 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시키는 스텝과, 상기 피크 탐색 범위 내에 있는 상기 주파수 스펙트럼의 피크를 결정하는 스텝과, 상기 결정된 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를 결정하는 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
일 양태에서는, 테이블 모터에 명령을 발하여, 연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키는 스텝과, 연마 헤드에 명령을 발하여, 상기 연마 패드에 워크피스를 압박하여 상기 워크피스의 연마 대상층을 연마하는 스텝과, 광원에 명령을 발하여, 상기 워크피스에 광을 조사하는 스텝과, 상기 워크피스로부터의 반사광의 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하는 스텝과, 필터를 사용하여 상기 분광 파형으로부터 노이즈를 제거하는 스텝과, 상기 노이즈가 제거된 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하는 스텝과, 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 상기 연마 대상층의 두께를 결정하는 스텝과, 상기 노이즈의 제거에 의해 소실된 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를, 상기 워크피스의 연마 중에 취득한 상기 연마 대상층의 두께의 복수의 값을 사용한 외삽에 의해 보완하는 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한, 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.
일 양태에서는, 워크피스의 연마를 감시하는 방법이며, 워크피스의 연마 중에 상기 워크피스에 광을 조사하고, 상기 워크피스로부터의 반사광의 스펙트럼을 생성하고, 소정의 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼의 변화량이 소정의 제외 조건을 충족시킬 때, 상기 스펙트럼의 변화량을 보정하고, 상기 제외 조건을 충족시키지 않는 상기 스펙트럼의 변화량 및 상기 보정된 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하는, 워크피스의 연마 감시 방법이 제공된다.
일 양태에서는, 상기 제외 조건은, 상기 스펙트럼의 변화량이 역치보다도 큰 것, 현재의 스펙트럼의 변화량과, 상기 워크피스의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값의 차가 역치보다도 큰 것, 상기 스펙트럼의 변화량이, 과거에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 정규 분포의 평균값으로부터 ±Zσ의 범위 외에 있는 것(Z는 미리 정해진 계수임) 및 상기 스펙트럼의 변화량이, 스미르노프·그럽스 검정에 의해 이상값이라고 판정되는 것 중 어느 것이다.
일 양태에서는, 상기 스펙트럼의 변화량을 보정하는 공정은, 상기 스펙트럼의 변화량을 외삽 또는 내삽에 의해 보정하는 공정이다.
일 양태에서는, 상기 외삽에 의한 보정은, 연마 시간에 따라 나열하는 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하고, 상기 내삽에 의한 보정은, 상기 워크피스 상에 나열하는 복수의 측정점에서 취득된 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용한다.
일 양태에서는, 워크피스의 연마 감시 장치이며, 워크피스의 연마 중에 상기 워크피스에 광을 조사하여, 상기 워크피스로부터의 반사광을 받는 광학 센서 헤드와, 상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하는 분광기와, 프로그램이 저장된 기억 장치 및 상기 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 연산 장치를 갖는 데이터 처리부를 구비하고, 상기 데이터 처리부는, 상기 반사광의 강도의 측정 데이터로부터 상기 반사광의 스펙트럼을 생성하고, 소정의 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고, 상기 스펙트럼의 변화량이 소정의 제외 조건을 충족시킬 때, 상기 스펙트럼의 변화량을 보정하고, 상기 제외 조건을 충족시키지 않는 상기 스펙트럼의 변화량 및 상기 보정된 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하도록 구성되어 있는, 연마 감시 장치가 제공된다.
일 양태에서는, 상기 제외 조건은, 상기 스펙트럼의 변화량이 역치보다도 큰 것, 현재의 스펙트럼의 변화량과, 상기 워크피스의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값의 차가 역치보다도 큰 것, 상기 스펙트럼의 변화량이, 과거에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 정규 분포의 평균값으로부터 ±Zσ의 범위 외에 있는 것(Z는 미리 정해진 계수임) 및 상기 스펙트럼의 변화량이, 스미르노프·그럽스 검정에 의해 이상값이라고 판정되는 것 중 어느 것이다.
일 양태에서는, 상기 데이터 처리부는, 상기 스펙트럼의 변화량을 외삽 또는 내삽에 의해 보정하도록 구성되어 있다.
일 양태에서는, 상기 데이터 처리부는, 상기 외삽에 의한 보정을, 연마 시간에 따라 나열하는 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하여 실행하고, 상기 내삽에 의한 보정을, 상기 워크피스 상에 나열하는 복수의 측정점에서 취득된 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하여 실행하도록 구성되어 있다.
본 발명에 따르면, 연마 방법은, 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시킴으로써, 노이즈에 기인하는 의사 피크를 추적하지 않고, 연마 대상층의 정확한 두께를 결정할 수 있다.
또한, 연마 방법은, 워크피스로부터의 반사광으로부터 생성된 분광 파형에 필터를 사용하여 노이즈를 제거함으로써, 연마 대상층의 정확한 두께를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제외 조건을 충족시키는(즉, 노이즈를 포함하는) 스펙트럼의 변화량은 보정되어, 워크피스의 연마를 정확하게 감시할 수 있다.
도 1은 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 모식도이다.
도 2는 광학식 막 두께 측정 장치의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 워크피스와 연마 테이블의 위치 관계를 도시하는 평면도이다.
도 4는 연마 제어부에 의해 생성된 분광 파형의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 연마 제어부에 의해 생성된 주파수 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 N회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위를 설명하는 도면이다.
도 7은 N＋1회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위를 설명하는 도면이다.
도 8은 연마 시간에 따라 피크 탐색 범위를 이동시키는 모습을 설명하는 도면이다.
도 9는 피크 탐색 범위를 이동시켜 연마 대상층의 두께를 결정하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.
도 10은 필터 처리 전의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 11은 필터 처리 후의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 12는 소실된 피크를 외삽하는 모습을 설명하는 도면이다.
도 13은 필터를 사용하여 노이즈를 제거하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.
도 14는 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 모식도이다.
도 15는 데이터 처리부에 의해 생성된 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다.
도 16은 단위 시간 동안에 변화된 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 17은 워크피스를 연마하고 있는 동안의 스펙트럼 변화량의 연마 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18은 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 19a는 노이즈를 포함하는 스펙트럼의 변화량이 제거된 그래프이다.
도 19b는 제거에 의해 결락한 스펙트럼의 변화량이, 노이즈가 포함되지 않는 스펙트럼의 변화량으로 치환된 그래프이다.
도 20은 워크피스의 연마 중에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량으로부터 생성된 근사식을 도시하는 도면이다.
도 21은 스펙트럼의 변화량과 연마 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 22는 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 23은 국소적인 노이즈를 포함하는 스펙트럼의 변화량과 연마 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 24는 도 23에 나타내는 스펙트럼의 변화량을 적산하여 얻어지는 스펙트럼 누적 변화량과 연마 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 장치는, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)과, 연마 대상층을 갖는 워크피스 W를 연마 패드(2)에 압박하는 연마 헤드(1)와, 연마 테이블(3)을 회전시키는 테이블 모터(6)와, 연마 패드(2) 상에 슬러리 등의 연마액을 공급하기 위한 연마액 공급 노즐(5)과, 연마 장치의 동작을 제어하기 위한 연마 제어부(49)를 구비하고 있다. 연마 패드(2)의 상면은, 워크피스 W를 연마하는 연마면(2a)을 구성한다. 워크피스 W의 예로서는, 웨이퍼, 기판, 패널 등을 들 수 있다.
연마 헤드(1)는 헤드 샤프트(10)에 연결되어 있고, 헤드 샤프트(10)는 도시하지 않은 연마 헤드 모터에 연결되어 있다. 연마 헤드 모터는, 연마 헤드(1)를 헤드 샤프트(10)와 함께 화살표로 나타내는 방향으로 회전시킨다. 연마 테이블(3)은 테이블 모터(6)에 연결되어 있고, 테이블 모터(6)는 연마 테이블(3) 및 연마 패드(2)를 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키도록 구성되어 있다. 연마 헤드(1), 연마 헤드 모터 및 테이블 모터(6)는 연마 제어부(49)에 접속되어 있다.
워크피스 W는 다음과 같이 하여 연마된다. 연마 테이블(3) 및 연마 헤드(1)를 도 1의 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키면서, 연마액 공급 노즐(5)로부터 연마액이 연마 테이블(3) 상의 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 공급된다. 워크피스 W는 연마 헤드(1)에 의해 회전되면서, 연마 패드(2) 상에 연마액이 존재한 상태로 워크피스 W는 연마 헤드(1)에 의해 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박된다. 워크피스 W의 표면은, 연마액의 화학적 작용과, 연마액에 포함되는 지립 및 연마 패드(2)의 기계적 작용에 의해 연마된다.
연마 장치는, 워크피스 W의 연마 대상층의 두께를 측정하는 광학식 막 두께 측정 장치(40)를 구비하고 있다. 광학식 막 두께 측정 장치(40)는, 광을 발하는 광원(44)과, 분광기(47)와, 광원(44) 및 분광기(47)에 연결된 광학 센서 헤드(7)를 구비하고 있다. 광원(44) 및 분광기(47)는 연마 제어부(49)에 접속되어 있다. 광학 센서 헤드(7), 광원(44) 및 분광기(47)는 연마 테이블(3)에 설치되어 있고, 연마 테이블(3) 및 연마 패드(2)와 함께 일체로 회전한다. 광학 센서 헤드(7)의 위치는, 연마 테이블(3) 및 연마 패드(2)가 1회전할 때마다 연마 패드(2) 상의 워크피스 W의 표면을 가로지르는 위치이다.
광원(44)으로부터 발해진 광은, 광학 센서 헤드(7)로 전송되어, 광학 센서 헤드(7)로부터 워크피스 W의 표면에 조사된다. 광은 워크피스 W에서 반사하고, 워크피스 W로부터의 반사광은 광학 센서 헤드(7)에 의해 받아져, 분광기(47)로 보내진다. 분광기(47)는 반사광을 파장에 따라 분해하고, 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정한다. 반사광의 강도 측정 데이터는, 연마 제어부(49)로 보내진다.
연마 제어부(49)는, 반사광의 강도 측정 데이터로부터 반사광의 스펙트럼을 생성하도록 구성되어 있다. 반사광의 스펙트럼은, 반사광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프(즉, 분광 파형)로서 표시된다. 반사광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 2는, 광학식 막 두께 측정 장치(40)의 원리를 설명하기 위한 모식도이고, 도 3은, 워크피스 W와 연마 테이블(3)의 위치 관계를 도시하는 평면도이다. 도 2에 도시하는 예에서는, 워크피스 W는, 하지층과, 그 위에 형성된 연마 대상층을 갖고 있다. 연마 대상층은, 예를 들어 실리콘층 또는 절연막이다.
광학 센서 헤드(7)는, 투광용 광 케이블(31) 및 수광용 광 케이블(32)의 각 선단으로 구성되어, 워크피스 W의 표면에 대향하여 배치되어 있다. 광학 센서 헤드(7)는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 광을 워크피스 W에 조사하고, 또한 워크피스 W로부터의 반사광을 받는다.
워크피스 W에 조사된 광은, 매질(도 2의 예에서는 물)과 연마 대상층의 계면 및 연마 대상층과 하지층의 계면에서 반사하고, 이들 계면에서 반사한 광의 파가 서로 간섭한다. 이 광의 파의 간섭의 방법은, 연마 대상층의 두께(즉, 광로 길이)에 따라 변화된다. 이 때문에, 워크피스 W로부터의 반사광으로부터 생성되는 스펙트럼은, 연마 대상층의 두께에 따라 변화된다. 연마 제어부(49)는, 분광 파형에 대하여 푸리에 변환 처리(또는 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 주파수 스펙트럼을 생성하고, 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 연마 대상층의 두께를 결정한다. 연마 대상층이 실리콘층이며, 도 2에 도시한 바와 같이 매질이 물인 경우는, 광이 물에 흡수되는 것을 방지하기 위해, 파장 1100㎚ 이하의 광을 사용하는 것이 바람직하다.
워크피스 W의 연마 중, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 광학 센서 헤드(7)는 워크피스 W를 가로질러 이동한다. 광학 센서 헤드(7)가 워크피스 W의 하방에 있을 때, 광원(44)은 광을 발한다. 광은, 투광용 광 케이블(31)을 통해 전송되어, 광학 센서 헤드(7)로부터 워크피스 W의 표면(피연마면)으로 조사된다. 워크피스 W로부터의 반사광은 광학 센서 헤드(7)에서 수광되어, 수광용 광 케이블(32)을 통해 분광기(47)로 보내진다. 분광기(47)는, 각 파장에서의 반사광의 강도를 소정의 파장 범위에 걸쳐서 측정하고, 반사광의 강도 측정 데이터를 연마 제어부(49)로 보낸다. 연마 제어부(49)는, 파장마다의 광의 강도를 나타내는 반사광의 스펙트럼(즉, 분광 파형)을 강도 측정 데이터로부터 생성한다.
도 4는, 연마 제어부(49)에 의해 생성된 분광 파형의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4에 있어서, 횡축은 워크피스 W로부터의 반사광의 파장을 나타내고, 종축은 반사광의 강도로부터 유도되는 상대 반사율을 나타낸다. 상대 반사율이란, 반사광의 강도를 나타내는 지표이고, 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 노이즈를 실측 강도로부터 제거할 수 있다.
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 제산함으로써 상대 반사율이 구해진다. 기준 강도는, 예를 들어 광학 센서 헤드(7)로부터 조사된 광의 강도를 직접 측정하거나, 또는 광학 센서 헤드(7)로부터 거울에 광을 조사하고, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 혹은, 기준 강도는, 막이 형성되어 있지 않은 실리콘 기판(베어 기판)을 연마 패드(2) 상에서 물의 존재 하에서 수연마하고 있을 때, 또는 상기 실리콘 기판(베어 기판)이 연마 패드(2) 위에 놓여 있을 때, 분광기(47)에 의해 측정된 실리콘 기판으로부터의 반사광의 강도로 해도 된다.
실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 얻어진 배경 강도)을 빼서 보정 실측 강도를 구하고, 다시 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 빼서 보정 기준 강도를 구하고, 그리고 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 제산함으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은, 다음의 식(1)을 사용하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, λ는 워크피스 W로부터 반사한 광의 파장이고, E(λ)는 파장 λ에서의 강도이고, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이고, D(λ)는 광을 차단한 조건 하에서 측정된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
연마 제어부(49)는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 광원(44)에 명령을 발하여 광을 발생시킨다. 광원(44)에 광학적으로 접속된 광학 센서 헤드(7)는, 워크피스 W의 표면(피연마면)에 광을 조사하고, 또한 광학 센서 헤드(7)는 워크피스 W로부터의 반사광을 받는다. 반사광은, 광학 센서 헤드(7)에 광학적으로 접속된 분광기(47)로 보내진다. 분광기(47)는 반사광을 파장에 따라 분해되고, 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정한다. 반사광의 강도 측정 데이터는, 연마 제어부(49)로 보내져, 연마 제어부(49)는 반사광의 강도 측정 데이터로부터 도 4에 도시한 바와 같은 스펙트럼을 생성한다. 도 4에 도시하는 예에서는, 반사광의 스펙트럼은, 상대 반사율과 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형이지만, 반사광의 스펙트럼은, 반사광의 강도 자체와, 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형이어도 된다.
연마 제어부(49)는, 얻어진 분광 파형에 대하여 푸리에 변환 처리(전형적으로는 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 분광 파형을 해석한다. 더 구체적으로는, 연마 제어부(49)는, 분광 파형에 대하여 푸리에 변환 처리(또는 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 분광 파형에 포함되는 주파수 성분과 그 강도를 추출하고, 얻어진 주파수 성분을 소정의 관계식을 사용하여 연마 대상층의 두께로 변환하고, 그리고 연마 대상층의 두께와 주파수 성분의 강도의 관계를 나타내는 주파수 스펙트럼을 생성한다. 상술한 소정의 관계식은, 주파수 성분을 변수로 한, 연마 대상층의 두께를 나타내는 함수이고, 실측 결과, 광학식 막 두께 측정 시뮬레이션, 이론식 등으로부터 구할 수 있다.
도 5는, 연마 제어부(49)에 의해 생성된 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 도 5에 있어서, 종축은, 분광 파형에 포함되는 주파수 성분의 강도를 나타내고, 횡축은, 연마 대상층의 두께를 나타내고 있다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 주파수 스펙트럼은, 두께 t1에 있어서 피크를 갖는다. 즉, 이 주파수 스펙트럼은, 연마 대상층의 두께가 t1인 것을 나타내고 있다. 이와 같이 하여, 주파수 스펙트럼의 피크로부터, 연마 대상층의 두께가 결정된다.
연마 제어부(49)는, 연마 대상층의 두께의 결정을 실행하기 위한 프로그램이 저장된 기억 장치(49a)와, 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 처리 장치(49b)를 구비하고 있다. 연마 제어부(49)는, 적어도 1대의 컴퓨터로 구성된다. 기억 장치(49a)는, RAM 등의 주기억 장치와, 하드디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등의 보조 기억 장치를 구비하고 있다. 처리 장치(49b)의 예로서는, CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 프로세싱 유닛)를 들 수 있다. 단, 연마 제어부(49)의 구체적 구성은 이들 예에 한정되지 않는다.
연마 제어부(49)는, 결정된 연마 대상층의 두께에 기초하여 연마 종점을 결정하여, 연마 장치의 동작을 제어한다. 예를 들어, 연마 제어부(49)는, 결정된 연마 대상층의 두께가 목표값에 도달한 시점인 연마 종점을 결정한다. 일 실시 형태에서는, 연마 대상층의 두께와 하지층의 두께를 합한 두께를 측정하여 연마 종점을 결정해도 된다. 연마 대상층의 두께를 결정하기 위한 연마 제어부와, 워크피스 W의 연마 동작을 제어하는 제어부는, 별개로 구성되어도 된다.
도 6은, N회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위 R1을 설명하는 도면이다. 도 6에 있어서, 종축은, 분광 파형에 포함되는 주파수 성분의 강도를 나타내고, 횡축은, 연마 대상층의 두께를 나타내고 있다. 도 6에 도시하는 복수의 주파수 스펙트럼의 각각은, 워크피스 W의 연마 중에, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 연마 제어부(49)에 의해 생성된 것이다. 피크 P1은, N회째의 측정(연마 테이블(3)이 N회전째일 때)에서 드러난 피크이고, 피크 P2는, N＋1회째의 측정(연마 테이블(3)이 N＋1회전째일 때)에서 드러난 피크이고, 피크 P3은, N＋2회째의 측정(연마 테이블(3)이 N＋2회전째일 때)에서 드러난 피크이고, 피크 P4는, N＋3회째의 측정(연마 테이블(3)이 N＋3회전째일 때)에서 드러난 피크이다. 도 6에서는, 주파수 성분의 강도가 작은 피크는 생략되어 있다. 부호 N은 자연수이고, 예를 들어 1이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 워크피스 W의 연마의 진척에 수반하여, 주파수 스펙트럼의 피크는 이동한다. 연마 테이블(3)이 1회전하는 동안에도, 워크피스 W의 연마 대상층은 연마된다. 따라서, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다 연마 대상층의 두께는 작아진다. 피크 P1에 대응하는 두께 t1, 피크 P2에 대응하는 두께 t2, 피크 P3에 대응하는 두께 t3, 피크 P4에 대응하는 두께 t4의 관계는, t1>t2>t3>t4로 된다.
연마 대상층의 두께는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 광학식 막 두께 측정 장치(40)에 의해 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 결정된다. 그러나, 워크피스 W의 연마 중에 있어서의 노이즈(슬러리 등의 연마 환경에 기인하는 것, 하지층에 기인하는 것 등)에 의한 의사 피크에 의해, 연마 제어부(49)는, 잘못하여 연마 대상층의 두께를 결정해 버리는 경우가 있다. 도 6에 있어서, 의사 피크 Pf1은, 워크피스 W의 연마 중에 발생하는 노이즈에 기인하는 피크이고, N회째의 측정에서 드러난 의사 피크이다. 이 경우, N회째의 측정에 있어서, 피크 P1보다도 강도가 큰 의사 피크 Pf1에 대응하는 두께 tf1은, 연마 대상층의 두께로서 잘못하여 결정되어 버린다.
그래서, 연마 제어부(49)는, 피크 탐색 범위 R1 내에서 주파수 스펙트럼의 피크를 탐색하도록 구성되어 있다. 도 6에 도시하는 예에서는, 연마 제어부(49)는, 피크 탐색 범위 R1 내에 있는 피크 P1을 결정하고, 결정한 피크 P1에 대응하는 두께 t1(즉, 정확한 두께)을 연마 대상층의 두께로 결정한다. 이때, 의사 피크 Pf1은 피크 탐색 범위 R1 내에 없기 때문에, 잘못하여 의사 피크 Pf1이 결정되는 경우는 없다.
도 6에 있어서, 피크 탐색 범위 R1은, N회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위를 나타내고 있다. 일 실시 형태에서는, 연마 제어부(49)는, 연마 대상층의 초기 두께의 값에 기초하여, 피크 탐색 범위 R1을 결정한다. 예를 들어, 피크 탐색 범위 R1은, 워크피스 W의 연마 대상층의 초기 두께의 값을 포함하는 범위로 해도 된다. 연마 대상층의 초기 두께는, 워크피스 W의 연마 개시 전의 연마 대상층의 두께이고, 스탠드 얼론형 막 두께 측정 장치(도시하지 않음)에 의해 미리 측정되거나, 또는 워크피스 W의 기본 정보로서 부여된다.
도 7은, N＋1회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위 R2를 설명하는 도면이다. 도 7에 있어서, 피크 P1 내지 P4는, 도 6을 참조하여 설명한 피크와 마찬가지이다. 의사 피크 Pf2는, 워크피스 W의 연마 중에 발생하는 노이즈에 기인하는 피크를 나타내고 있고, N＋1회째의 측정 시에 나타난 의사 피크이다. 이 의사 피크 Pf2는, 전회의 N회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위 R1 내에 있기 때문에, 연마 제어부(49)는, 의사 피크 Pf2에 대응하는 두께 tf2를 연마 대상층의 두께로서 잘못하여 결정해 버린다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시키도록 구성되어 있다. 상술한 바와 같이, 워크피스 W의 연마가 진행됨에 따라, 연마 대상층의 두께가 작아지는, 즉 주파수 스펙트럼의 피크는 이동한다. 연마 제어부(49)는, 연마 대상층의 두께의 변화에 추종하도록 피크 탐색 범위를 이동시킴으로써, 의사 피크가 존재해도 정확하게 연마 대상층의 두께를 결정할 수 있다.
도 7에 있어서, 피크 탐색 범위 R2는, N＋1회째의 측정에 있어서의 피크 탐색 범위를 나타내고 있다. 연마 제어부(49)는, 연마 시간에 따라 변화되는 연마 대상층의 두께에 추종하도록 피크 탐색 범위를 이동시킨다. N＋1회째의 측정에서는, 피크 탐색 범위를 도 6의 피크 탐색 범위 R1로부터 피크 탐색 범위 R2로 이동시키고 있다. 예를 들어, 피크 탐색 범위 R2는, 후술하는 바와 같이, 전회 결정된 연마 대상층의 두께 t1 및 워크피스 W의 연마 레이트에 기초하여 산출되어도 된다.
연마 제어부(49)는, 피크 탐색 범위 R2 내에 있는 피크 P2를 결정하고, 결정한 피크 P2에 대응하는 t2(즉, 정확한 두께)를 연마 대상층의 두께로 결정한다. 이때, 의사 피크 Pf2는 피크 탐색 범위 R2 내에 없기 때문에, 잘못하여 의사 피크 Pf2가 결정되는 경우는 없다. 마찬가지로, N＋2회째 이후의 측정에 있어서도, 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시킴으로써, 연마 대상층의 정확한 두께를 결정할 수 있다.
도 8은, 연마 시간에 따라 피크 탐색 범위를 이동시키는 모습을 설명하는 도면이다. 도 8에 있어서, 피크 P1 내지 P4, 의사 피크 Pf1, Pf2 및 피크 탐색 범위 R1, R2는, 도 6, 도 7에서 나타낸 동일한 부호에 대응하고 있다. 도 8의 그래프는, 연마 시간과 각 피크에 대응하는 두께의 관계를 나타낸 것이다. 의사 피크 Pf3은, N＋2회째의 측정 시에 나타난 의사 피크를 나타내고 있다. 의사 피크 Pf4는, N＋3회째의 측정 시에 나타난 의사 피크를 나타내고 있다. 피크 탐색 범위 R3은, N＋2회째의 측정 시에 이동시킨 피크 탐색 범위를 나타내고 있다. 피크 탐색 범위 R4는, N＋3회째의 측정 시에 이동시킨 피크 탐색 범위를 나타내고 있다.
도 8에 있어서, 초깃값 t0은, 워크피스 W의 연마 전의 연마 대상층의 두께를 나타내고 있다. 초깃값 t0은, 워크피스 W의 연마 전에 미리 측정된 연마 대상층의 초기 두께, 또는 유저에 의해 부여된 값이다. 일 실시 형태에서는, N회째의 측정 시에 있어서의 피크 탐색 범위 R1은, 초깃값 t0에 기초하여 설정된다. 구체적으로는, 피크 탐색 범위 R1은, 다음의 식(2)를 사용하여 정해진다.
Figure pat00002
여기서, 제1 설정값 X는, 유저에 의해 자유롭게 설정할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 피크 탐색 범위 R2는, 전회 결정된 연마 대상층의 두께 t1 및 워크피스 W의 연마 레이트 PR에 기초하여 산출한 값을 포함하는 범위로 설정된다. 구체적으로는, 피크 탐색 범위 R2는, 다음의 식(3)을 사용하여 설정된다.
Figure pat00003
여기서, 연마 레이트는, 제거 레이트라고도 한다. 시간 간격 dT는, 연마 테이블(3)이 1회전하는 데 필요로 하는 시간에 상당한다. 통상, 시간 간격 dT는 워크피스 W의 연마 중에는 일정하다. 연마 레이트 PR은, 미리 설정된 연마 레이트여도 된다. 제2 설정값 Y는, 유저에 의해 자유롭게 설정할 수 있다. 제2 설정값 Y는, 제1 설정값 X보다도 작아도 되고, 혹은 동일해도 된다.
피크 탐색 범위 R3, R4는, 피크 탐색 범위 R2와 마찬가지로, 식(3)을 사용하여 산출된다. 이때, 식(3)에 있어서, 연마 레이트 PR은, 미리 설정된 연마 레이트를 사용해도 되고, 워크피스 W의 연마 중에 산출된 연마 레이트를 사용해도 된다. 연마 레이트는, 워크피스 W의 연마 중에 취득된 연마 대상층의 두께의 복수의 값과, 이들 복수의 값이 취득되는 데 필요한 연마 시간으로부터 산정할 수 있다.
도 9는, 피크 탐색 범위를 이동시켜 연마 대상층의 두께를 결정하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.
스텝 S101에서는, 테이블 모터(6)는, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)을 회전시킨다.
스텝 S102에서는, 연마 헤드(1)는, 워크피스 W를 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박하여 워크피스 W의 연마를 개시한다. 이때, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 워크피스 W는 연마 헤드(1)에 의해 회전되면서, 연마 패드(2) 상에 연마액이 존재한 상태로 워크피스 W는 연마 헤드(1)에 의해 연마 패드(2)의 연마면(2a)에 압박된다.
이어서, 워크피스 W의 연마 중에, 광학식 막 두께 측정 장치(40)에 의해 연마 대상층의 두께를 측정한다.
스텝 S103에서는, 광원(44)은 광을 발하고, 광을 광 센서 헤드(7)로부터 워크피스 W의 표면에 조사한다.
스텝 S104에서는, 광 센서 헤드(7)는, 워크피스 W로부터의 반사광을 받는다.
스텝 S105에서는, 분광기(47)는, 워크피스 W로부터의 반사광의 강도를 파장마다 측정한다.
스텝 S106에서는, 연마 제어부(49)는, 반사광의 강도 측정 데이터로부터 분광 파형을 생성한다.
스텝 S107에서는, 연마 제어부(49)는, 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성한다.
스텝 S108에서는, 연마 제어부(49)는, 연마 시간에 따라 피크 탐색 범위를 이동시킨다. 피크 탐색 범위는, 도 8을 참조하여 설명한 방법에 의해 피크 탐색 범위를 산출하여 이동시킨다.
스텝 S109에서는, 연마 제어부(49)는, 피크 탐색 범위 내에 있는 주파수 스펙트럼의 피크를 결정한다.
스텝 S110에서는, 연마 제어부(49)는, 결정한 피크에 대응하는 연마 대상층의 두께를 결정한다.
연마 제어부(49)는, 기억 장치(49a)에 전기적으로 저장된 프로그램에 포함되는 명령에 따라 동작한다. 즉, 연마 제어부(49)는, 테이블 모터(6)에 명령을 발하여, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)을 회전하는 스텝(스텝 S101 참조)과, 연마 헤드(1)에 명령을 발하여, 워크피스 W의 연마를 개시하는 스텝(스텝 S102 참조)과, 광원(44)에 명령을 발하여, 워크피스 W에 광을 조사하는 스텝(스텝 S103 참조)과, 워크피스 W로부터의 반사광의 강도 측정 데이터로부터 분광 파형을 생성하는 스텝(스텝 S106 참조)과, 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하는 스텝(스텝 S107 참조)과, 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동하는 스텝(스텝 S108 참조)과, 피크 탐색 범위 내에 있는 주파수 스펙트럼의 피크를 결정하는 스텝(스텝 S109 참조)과, 결정한 피크에 대응하는 연마 대상층의 두께를 결정하는 스텝(스텝 S110 참조)을 실행한다.
이들 스텝을 연마 제어부(49)에 실행시키기 위한 프로그램은, 비일시적인 유형물인 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되고, 기록 매체를 통해 연마 제어부(49)에 제공된다. 또는, 프로그램은, 인터넷 또는 로컬 에어리어 네트워크 등의 통신 네트워크를 통해 연마 제어부(49)에 입력되어도 된다.
이어서, 필터를 사용하여 노이즈를 제거함으로써, 연마 대상층의 두께를 정확하게 결정하는 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 10은, 필터 처리 전의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 도 10에 있어서, 종축은, 분광 파형에 포함되는 주파수 성분의 강도를 나타내고, 횡축은, 연마 대상층의 두께를 나타내고 있다. 도 10에 도시하는 복수의 주파수 스펙트럼의 각각은, 워크피스 W의 연마 중에, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 연마 제어부(49)에 의해 생성된 것이다. 피크 P1은, N회째의 측정(연마 테이블(3)이 N회전째일 때)에서 드러난 피크이고, 피크 P2는, N＋1회째의 측정(연마 테이블(3)이 N＋1회전째일 때)에서 드러난 피크이고, 피크 P3은, N＋2회째의 측정(연마 테이블(3)이 N＋2회전째일 때)에서 드러난 피크이고, 피크 P4는, N＋3회째의 측정(연마 테이블(3)이 N＋3회전째일 때)에서 드러난 피크이다. 도 10에서는, 주파수 성분의 강도가 작은 피크는 생략되어 있다. 부호 N은 자연수이고, 예를 들어 1이다.
연마 대상층의 두께는, 연마 테이블(3)이 1회전할 때마다, 광학식 막 두께 측정 장치(40)에 의해 주파수 성분의 피크에 기초하여 결정된다. 그러나, 연마 대상층의 아래에 존재하는 하지층에 기인하는 노이즈의 영향에 의해, 정확하게 연마 대상층의 두께를 결정할 수 없는 경우가 있다. 도 10에 있어서, 하층 피크 Pu는, 연마 대상층의 하지층으로부터의 반사광에 의한 피크이고, 연마 대상층의 두께의 결정에 불필요한 노이즈이다. 워크피스 W의 연마 중, 하지층은 연마되지 않으므로, 연마 대상층의 연마가 진행되어도, 하층 피크 Pu의 위치는 변화되지 않는다. 도 10에 도시하는 예에서는, 하층 피크 Pu가 피크 P3과 중복되는 위치에 드러나 있기 때문에, 연마 제어부(49)는, 피크 P3에 대응하는 연마 대상층의 두께를 정확하게 결정할 수 없다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 연마 제어부(49)는, 필터를 사용하여 하지층에 기인하는 노이즈를, 워크피스 W로부터의 반사광의 분광 파형으로부터 제거하고, 또한 노이즈의 제거에 의해 소실된 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 연마 대상층의 두께를 외삽에 의해 보완함으로써, 연마 대상층의 두께를 결정한다.
노이즈를 반사광의 분광 파형으로부터 제거하기 위한 필터는, 이하와 같이 미리 작성된다. 워크피스 W를 연마하기 전에, 워크피스 W와 동일한 패턴을 갖는 다른 워크피스 W'을 연마한다. 다른 워크피스 W'의 연마 중에, 광학식 막 두께 측정 장치(40)에 의해 연마 대상층의 두께를 측정한다. 연마 제어부(49)는, 다른 워크피스 W'으로부터의 반사광의 분광 파형으로부터 생성된 주파수 스펙트럼에 기초하여, 노이즈인 하층 피크를 특정하고, 특정한 노이즈를 제거하기 위한 필터를 작성한다. 구체적으로는, 연마 제어부(49)는, 다른 워크피스 W'의 연마 시간과 함께 이동하지 않는 주파수 스펙트럼의 피크를 특정하고, 특정된 피크의 주파수를 갖는 성분(노이즈)을 반사광의 분광 파형으로부터 제거하는 필터를 작성한다. 이 필터는, 디지털 필터이고, 일례로서 밴드 스톱 필터이다.
일 실시 형태에서는, 워크피스 W와 동일한 패턴을 갖는 다른 워크피스 W'을 사용하지 않고, 연마 제어부(49)는, 워크피스 W의 연마의 초기 단계에 있어서, 노이즈인 하층 피크를 특정함으로써 필터를 작성해도 된다. 구체적으로는, 워크피스 W의 연마 중에, 연마 제어부(49)는, 연마 시간과 함께 이동하지 않는 주파수 스펙트럼의 피크를 특정하고, 특정된 피크의 주파수를 갖는 성분(노이즈)을 반사광의 분광 파형으로부터 제거하는 필터를 작성한다.
도 11은, 필터 처리 후의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 연마 제어부(49)는, 워크피스 W로부터의 반사광의 분광 파형에 대하여, 미리 작성된 필터를 적용하여, 노이즈를 제거한다. 도 11에 도시하는 복수의 주파수 스펙트럼은, 노이즈를 제거한 후의 분광 파형에 푸리에 변환 처리(또는 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 연마 제어부(49)에 의해 생성된 주파수 스펙트럼이다. 노이즈를 반사광의 분광 파형으로부터 제거한 것에 의해, 하층 피크 Pu와 함께, 하층 피크 Pu와 중복된 위치에 있는 피크 P3도 소실되어 있다. 따라서, 연마 제어부(49)는, 피크 P3에 대응하는 연마 대상층의 두께를 정확하게 결정할 수 없다.
그래서, 연마 제어부(49)는, 피크 P3에 대응하는 연마 대상층의 두께를, 외삽에 의해 보완하도록 구성되어 있다. 도 12는, 소실된 피크 P3을 외삽하는 모습을 설명하는 도면이다. 도 12에 있어서, 피크 P1 내지 P4는, 도 10, 도 11에서 나타낸 동일한 부호에 대응하고 있고, 도 12에 도시하는 그래프는, 연마 시간과 각 피크에 대응하는 두께의 관계를 나타낸 것이다. 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이, 노이즈인 하층 피크 Pu를 제거한 것에 의해, 피크 P3이 소실된 경우에, 연마 제어부(49)는, 피크 P1 및 피크 P2에 대응하는 연마 대상층의 두께의 값으로부터, 피크 P3의 소실된 부분에 대응하는 연마 대상층의 두께를 외삽에 의해 보완한다. 도 10 내지 도 12에서는, 피크 P3이 소실된 경우에 대하여 설명했지만, 이에 한정되지는 않는다. 워크피스 W의 연마 중에 연마 대상층의 두께의 복수의 값을 취득하고 있으면, 취득한 복수의 값을 사용하여 외삽에 의해 연마 대상층의 두께를 보완할 수 있다.
상술한 실시 형태에서는, 연마 시간과 함께 변화되지 않는 피크(노이즈)는, 연마 대상층의 하지층에 기인하는 것이지만, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연마 시간과 함께 변화되지 않는 피크(노이즈)는, 광원(44) 또는 분광기(47) 등의 장치에 고유의 노이즈인 경우도 있다.
도 13은, 필터를 사용하여 노이즈를 제거하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.
스텝 S201에서는, 연마 장치는, 연마 대상의 워크피스 W와 동일한 패턴을 갖는 다른 워크피스 W'을 연마한다.
스텝 S202에서는, 연마 제어부(49)는, 다른 워크피스 W'의 연마 중에, 광학식 막 두께 측정 장치(40)에 의해 연마 대상층의 두께를 측정한다. 연마 제어부(49)는, 다른 워크피스 W'으로부터의 반사광으로부터 얻어진 분광 파형을 푸리에 변환하여 주파수 스펙트럼을 생성한다. 스텝 S201 내지 S202의 공정은, 도 9의 스텝 S101 내지 S107의 공정과 마찬가지이다.
스텝 S203에서는, 연마 제어부(49)는, 연마 시간과 함께 변화되지 않는 주파수 스펙트럼의 피크를 특정한다.
스텝 S204에서는, 연마 제어부(49)는, 특정한 피크의 주파수를 갖는 노이즈를 다른 워크피스 W'으로부터의 반사광의 분광 파형으로부터 제거하는 필터를 작성한다.
스텝 S205에서는, 연마 장치는, 연마 대상의 워크피스 W의 연마를 개시한다.
스텝 S206에서는, 워크피스 W의 연마 중에, 광학식 막 두께 측정 장치(40)에 의해 연마 대상층의 두께를 측정한다. 연마 제어부(49)는, 상기 스텝 S204에서 작성된 필터를 사용하여, 워크피스 W로부터의 반사광의 분광 파형으로부터 노이즈를 제거한다. 스텝 S205로부터 S206의 분광 파형을 생성할 때까지의 공정은, 도 9의 스텝 S101 내지 S106의 공정과 마찬가지이다.
스텝 S207에서는, 연마 제어부(49)는, 노이즈를 제거한 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성한다.
스텝 S208에서는, 연마 제어부(49)는, 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 연마 대상층의 두께를 결정한다.
스텝 S209에서는, 연마 제어부(49)는, 노이즈의 제거에 의해 소실된 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 연마 대상층의 두께를 외삽에 의해 보완한다.
연마 제어부(49)는, 기억 장치(49a)에 전기적으로 저장된 프로그램에 포함되는 명령에 따라 동작한다. 즉, 연마 제어부(49)는, 테이블 모터(6)에 명령을 발하여, 연마 패드(2)를 지지하는 연마 테이블(3)을 회전하는 스텝과, 연마 헤드(1)에 명령을 발하여, 워크피스 W의 연마를 개시하는 스텝(스텝 S205 참조)과, 광원(44)에 명령을 발하여, 워크피스 W에 광을 조사하는 스텝과, 워크피스 W로부터의 반사광의 강도 측정 데이터로부터 분광 파형을 생성하는 스텝과, 필터를 사용하여 분광 파형으로부터 노이즈를 제거하는 스텝(스텝 S206 참조)과, 노이즈가 제거된 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하는 스텝(스텝 S207 참조)과, 주파수 스펙트럼의 피크로부터 연마 대상층의 두께를 결정하는 스텝(스텝 S208 참조)과, 노이즈의 제거에 의해 소실된 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 연마 대상층의 두께를, 외삽에 의해 보완하는 스텝(스텝 S209 참조)을 실행한다.
이들 스텝을 연마 제어부(49)에 실행시키기 위한 프로그램은, 비일시적인 유형물인 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되어, 기록 매체를 통해 연마 제어부(49)에 제공된다. 또는, 프로그램은, 인터넷 또는 로컬 에어리어 네트워크 등의 통신 네트워크를 통해 연마 제어부(49)에 입력되어도 된다.
도 6 내지 도 9에서 설명한 실시 형태와, 도 10 내지 도 13에서 설명한 실시 형태는, 조합하여 실시해도 된다. 즉, 필터를 사용하여 분광 파형으로부터 노이즈를 제거하여 주파수 스펙트럼을 생성함과 함께, 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 이동시켜, 연마 대상층의 두께를 결정해도 된다.
도 14는, 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 도 14에 도시한 바와 같이, 연마 장치는, 연마 패드(102)를 지지하는 연마 테이블(103)과, 피연마층을 갖는 웨이퍼, 기판 또는 패널 등의 워크피스 W를 연마 패드(102)에 압박하는 연마 헤드(101)와, 연마 테이블(103)을 회전시키는 테이블 모터(106)와, 연마 패드(102) 상에 슬러리 등의 연마액을 공급하기 위한 연마액 공급 노즐(105)을 구비하고 있다. 연마 패드(102)의 상면은, 워크피스 W를 연마하는 연마면(102a)을 구성한다.
연마 헤드(101)는 헤드 샤프트(110)에 연결되어 있고, 헤드 샤프트(110)는 도시하지 않은 연마 헤드 모터에 연결되어 있다. 연마 헤드 모터는, 연마 헤드(101)를 헤드 샤프트(110)와 함께 화살표로 나타내는 방향으로 회전시킨다. 연마 테이블(103)은 테이블 모터(106)에 연결되어 있고, 테이블 모터(106)는 연마 테이블(103) 및 연마 패드(102)를 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키도록 구성되어 있다.
워크피스 W는 다음과 같이 하여 연마된다. 연마 테이블(103) 및 연마 헤드(101)를 도 14의 화살표로 나타내는 방향으로 회전시키면서, 연마액 공급 노즐(105)로부터 연마액이 연마 테이블(103) 상의 연마 패드(102)의 연마면(102a)에 공급된다. 워크피스 W는 연마 헤드(101)에 의해 회전되면서, 연마 패드(102) 상에 연마액이 존재한 상태로 워크피스 W는 연마 헤드(101)에 의해 연마 패드(102)의 연마면(102a)에 압박된다. 워크피스 W의 노출면을 구성하는 피연마층은, 연마액의 화학적 작용과, 연마액에 포함되는 지립 및 연마 패드(102)의 기계적 작용에 의해 연마된다. 워크피스 W의 피연마층의 예로서는, 절연막, 실리콘층을 들 수 있지만, 이것에 한정되지 않는다.
연마 장치는, 워크피스 W의 연마를 감시하는 광학식 연마 감시 장치(140)를 구비하고 있다. 광학식 연마 감시 장치(140)는, 광을 발하는 광원(144)과, 분광기(147)와, 광원(144) 및 분광기(147)에 광학적으로 연결된 광학 센서 헤드(107)와, 분광기(147)에 연결된 데이터 처리부(149)를 구비하고 있다. 광학 센서 헤드(107), 광원(144) 및 분광기(147)는 연마 테이블(103)에 설치되어 있고, 연마 테이블(103) 및 연마 패드(102)와 함께 일체로 회전한다. 광학 센서 헤드(107)의 위치는, 연마 테이블(103) 및 연마 패드(102)가 1회전할 때마다 연마 패드(102) 상의 워크피스 W를 가로지르는 위치이다.
데이터 처리부(149)는, 후술하는 스펙트럼의 생성 및 워크피스 W의 연마 감시를 실행하기 위한 프로그램이 저장된 기억 장치(149a)와, 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 연산 장치(149b)를 구비하고 있다. 데이터 처리부(149)는, 적어도 1대의 컴퓨터로 구성된다. 기억 장치(149a)는, RAM 등의 주기억 장치와, 하드디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등의 보조 기억 장치를 구비하고 있다. 연산 장치(149b)의 예로서는, CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 프로세싱 유닛)를 들 수 있다. 단, 데이터 처리부(149)의 구체적 구성은 이들 예에 한정되지 않는다.
광원(144)으로부터 발해진 광은, 광학 센서 헤드(107)로 전송되어, 광학 센서 헤드(107)로부터 워크피스 W로 유도된다. 광은 워크피스 W에서 반사하고, 워크피스 W로부터의 반사광은 광학 센서 헤드(107)에 의해 받아져, 분광기(147)로 보내진다. 분광기(147)는 반사광을 파장에 따라 분해하여, 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정한다. 반사광의 강도 측정 데이터는, 데이터 처리부(149)로 보내진다.
데이터 처리부(149)는, 반사광의 강도 측정 데이터로부터 반사광의 스펙트럼을 생성하도록 구성되어 있다. 반사광의 스펙트럼은, 반사광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프(즉, 분광 파형)로서 표시된다. 반사광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.
도 15는, 데이터 처리부(149)에 의해 생성된 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다. 스펙트럼은, 광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프(즉, 분광 파형)로서 표시된다. 도 15에 있어서, 횡축은 워크피스 W로부터의 반사광의 파장을 나타내고, 종축은 반사광의 강도로부터 유도되는 상대 반사율을 나타낸다. 상대 반사율이란, 반사광의 강도를 나타내는 지표이고, 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 노이즈를 실측 강도로부터 제거할 수 있다.
기준 강도는, 각 파장에 대하여 미리 측정된 광이 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 광학 센서 헤드(107)로부터 발해진 광의 강도를 직접 측정하거나, 또는 광학 센서 헤드(107)부터 거울에 광을 조사하여, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 혹은, 기준 강도는, 막이 형성되어 있지 않은 실리콘 기판(베어 기판)을 연마 패드(102) 상에서 물의 존재 하에서 수연마하고 있을 때, 또는 상기 실리콘 기판(베어 기판)이 연마 패드(102) 상에 놓여 있을 때, 분광기(147)에 의해 측정된 실리콘 기판으로부터의 반사광의 강도로 해도 된다.
실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 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 제산함으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)은, 다음의 식(4)를 사용하여 구할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, λ는 워크피스 W로부터의 반사광의 파장이고, E(λ)는 파장 λ에서의 강도이고, B(λ)는 파장 λ에서의 기준 강도이고, D(λ)는 광을 차단한 조건 하에서 측정된 파장 λ에서의 배경 강도(다크 레벨)이다.
광학 센서 헤드(107)는, 연마 테이블(103)이 1회전할 때마다, 워크피스 W를 가로 지르면서, 워크피스 W 상의 복수의 측정점으로 광을 유도하고, 이들 복수의 측정점으로부터의 반사광을 받는다. 반사광은 분광기(147)로 보내진다. 분광기(147)는 각 측정점으로부터의 반사광을 파장에 따라 분해하고, 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정한다. 반사광의 강도 측정 데이터는, 데이터 처리부(149)로 보내지고, 데이터 처리부(149)는 반사광의 강도 측정 데이터로부터 도 15에 도시한 바와 같은 스펙트럼을 생성한다. 도 15에 도시하는 예에서는, 반사광의 스펙트럼은, 상대 반사율과 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형이지만, 반사광의 스펙트럼은, 반사광의 강도 자체와, 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형이어도 된다.
반사광의 스펙트럼은, 워크피스 W의 피연마층의 두께에 따라 변화된다. 그래서, 데이터 처리부(149)는, 반사광의 스펙트럼으로부터, 다음과 같이 하여 워크피스 W의 연마를 감시한다. 데이터 처리부(149)는, 다음 식(5)를 사용하여, 단위 시간당의 스펙트럼 변화량 ΔS(T)를 산정한다.
Figure pat00005
여기서, λ는 반사광의 파장이고, λ1, λ2는 감시 대상으로 하는 스펙트럼의 파장 범위를 지정하는 최소 파장 및 최대 파장이고, T는 연마 시간이고, ΔT는 소정의 단위 시간이고, R(λ, T)은, 파장 λ, 시간 T일 때의 상대 반사율(반사광의 강도)이다. ΔT로서는, 예를 들어 연마 테이블이 p회전(p는 작은 자연수(예를 들어 1))하는 데 필요한 시간으로 할 수 있다.
도 16은, 단위 시간 ΔT 사이에 변화된 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 상기 식(5)에 의해 산출되는 스펙트럼 변화량 ΔS(T)는, 2개의 다른 시점에서 취득된 2개의 스펙트럼에 의해 둘러싸이는 영역(해칭으로 나타냄)에 상당한다. 이 영역의 면적은, 단위 시간 ΔT당에 변화된 피연마층의 두께에 상당한다. 따라서, 연마 중에 스펙트럼 변화량 ΔS(T)를 적산함으로써, 피연마층의 두께의 변화를 파악할 수 있는 것이 기대된다.
도 17은, 워크피스 W를 연마하고 있는 동안의 스펙트럼 변화량 ΔS(T)의 연마 시간에 따른 변화를 나타내는 그래프이다. 도 17에 도시한 바와 같이, 스펙트럼 변화량 ΔS(T)는, 주기적으로 변동되지만, 스펙트럼 변화량 ΔS(T)의 평균 레벨은 거의 일정하다. 데이터 처리부(149)는, 다음의 식(6)을 사용하여, 스펙트럼 변화량 ΔS(T)의 연마 시간에 따른 누적값인 스펙트럼 누적 변화량을 산정한다.
Figure pat00006
여기서, T0은 막 두께 변화의 감시를 개시하는 시간이다.
도 18은, 상기 식(6)을 사용하여 산출한 스펙트럼 누적 변화량 A(T)를 나타내는 그래프이다. 상술한 바와 같이, 스펙트럼 변화량이 주기적으로 변동되기 때문에, 변동에 의한 평균 레벨로부터의 오차는 거의 누적되지 않는다. 따라서, 도 18에 도시한 바와 같이, 스펙트럼 누적 변화량 A(T)는, 연마 시간과 함께 거의 직선적으로 증가한다. 스펙트럼 누적 변화량 A(T)는, 워크피스 W의 연마량(즉, 피연마층의 제거량)에 상당한다. 상술한 데이터 처리부(149)는, 스펙트럼 누적 변화량을 워크피스 W의 연마 중에 산출하고, 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 워크피스 W의 연마의 진척을 감시한다. 또한 데이터 처리부(149)는, 스펙트럼 누적 변화량으로부터 워크피스 W의 연마 종점을 결정해도 된다. 연마 종점은, 스펙트럼 누적 변화량이 소정의 목표값에 도달한 시점이라고 할 수 있다.
도 23을 참조하여 설명한 바와 같이, 워크피스 W의 표면에 형성되어 있는 패턴의 영향이나, 연마 환경(예를 들어, 슬러리) 등의 영향에 의해, 스펙트럼의 변화량에 국소적인 노이즈가 인가되는 경우가 있다. 이러한 노이즈는, 워크피스 W의 연마의 정확한 감시를 방해해 버린다.
그래서, 데이터 처리부(149)는, 노이즈가 가해진 스펙트럼의 변화량을 보정하도록 구성되어 있다. 즉, 데이터 처리부(149)는, 도 19a에 도시한 바와 같이, 노이즈를 포함하는 스펙트럼의 변화량을 제거하고, 도 19b에 도시한 바와 같이, 제거에 의해 결락한 스펙트럼의 변화량을, 노이즈가 포함하지 않는 스펙트럼의 변화량으로 치환하도록 구성되어 있다. 더 구체적으로는, 데이터 처리부(149)는, 스펙트럼의 변화량이 소정의 제외 조건을 충족시킬 때, 스펙트럼의 변화량을 보정하고, 제외 조건을 충족시키지 않는 스펙트럼의 변화량 및 상기 보정된 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하도록 구성되어 있다.
소정의 제외 조건이란, 산출된 스펙트럼의 변화량에 노이즈가 포함되어 있는 것을 결정하기 위한 조건이다. 소정의 제외 조건에는 이하의 구체예를 들 수 있다.
(i) 스펙트럼의 변화량이 역치보다도 큰 것
(ii) 현재의 스펙트럼의 변화량과, 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값의 차가 역치보다도 큰 것
(iii) 스펙트럼의 변화량이, 과거에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 정규 분포의 평균값으로부터 ±Zσ의 범위 외에 있는 것(Z는 미리 정해진 계수임)
(iv) 스펙트럼의 변화량이, 스미르노프·그럽스 검정에 의해 이상값이라고 판정되는 것
상기 (i)에 관하여, 역치는 미리 설정된 고정값이고, 과거에 얻어진 스펙트럼의 변화량의 데이터에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 과거에 얻어진 스펙트럼의 변화량의 데이터를, 노이즈를 포함하지 않는 스펙트럼의 변화량의 그룹과, 노이즈를 포함하는 스펙트럼의 변화량의 그룹으로 유의미하게 나눌 수 있는 값이 역치값으로 된다.
상기 (ii)에 관하여, 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량은, 예를 들어 현재의 스펙트럼의 변화량을 포함하지 않는, 직근의 L개의 스펙트럼의 변화량이다. 개수 L은 미리 설정된 값이다. 현재의 스펙트럼의 변화량과, 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값의 차가 역치보다도 큰 때, 현재의 스펙트럼의 변화량은 노이즈를 포함할 가능성이 높다. 이 역치는, 고정값이어도 된다. 또는 역치는, 상기 평균값에 따라 변동되는 값이어도 된다. 예를 들어, 역치는, 미리 정해진 비율(％)만큼 상기 평균값으로부터 어긋난 값이어도 된다.
상기 (iii)에 관하여, 과거에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량은, 워크피스 W와 동일한 구조를 갖는 적어도 하나의 워크피스를 연마하고 있을 때 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량이어도 되고, 또는 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량이어도 된다.
상기 (iv)에 관하여, 스미르노프·그럽스 검정에 있어서 사용되는 샘플 데이터는, 워크피스 W와 동일한 구조를 갖는 적어도 하나의 워크피스를 연마하고 있을 때 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량이어도 되고, 또는 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량이어도 된다.
상술한 제외 조건 (i) 내지 (iv)의 어느 것을 충족시키는 스펙트럼의 변화량은, 노이즈를 포함한다고 추정된다. 그래서, 데이터 처리부(149)는, 워크피스 W의 연마 중에 산정한 스펙트럼의 변화량이 상기 복수의 제외 조건 중 어느 것을 충족시킬 때, 그 스펙트럼의 변화량을 보정한다. 이 스펙트럼의 변화량의 보정은, 노이즈를 제거하는 처리이다. 제외 조건은, 상기 제외 조건 (i) 내지 (iv)로부터 미리 선택된 1개여도 된다.
일 실시 형태에서는, 데이터 처리부(149)는, 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량을, 외삽 또는 내삽에 의해 보정한다. 더 구체적으로는, 데이터 처리부(149)는, 제외 조건을 충족시키는(즉, 노이즈를 포함하는) 스펙트럼의 변화량을 제외하고, 제외된 스펙트럼의 변화량에 대응하는, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 변화량을 외삽 또는 내삽에 의해 구한다. 외삽에 의한 보정은, 연마 시간에 따라 나열되는 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하고, 내삽에 의한 보정은, 워크피스 W 상에 나열하는 복수의 측정점에서 취득된 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용한다.
데이터 처리부(149)는, 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량을, 다음 중 어느 동작을 실행함으로써, 보정하도록 구성되어 있다.
(I) 제외 조건을 충족시키는(즉, 노이즈를 포함하는) 스펙트럼의 변화량을, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 변화량으로 치환하는 동작
(II) 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량을, 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값으로 치환하는 동작
(III) 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량을, 워크피스 W 상의 인접하는 복수의 측정점에서 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값으로 치환하는 동작
(IV) 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량으로부터 근사식을 생성하고, 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량을, 상기 근사식으로부터 구해지는 값으로 치환하는 동작
상기 (I)에 관하여, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 변화량은, 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 변화량이다. 일 실시 형태에서는, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 변화량은, 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량이 취득되기 직전에 취득된 직근의 스펙트럼의 변화량이다.
상기 (II)에 관하여, 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량은, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 복수의 변화량이다. 일 실시 형태에서는, 워크피스 W의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량은, 현재의 스펙트럼의 변화량을 포함하지 않는, 직근의 M개의 스펙트럼의 변화량이다. 개수 M은 미리 설정된 값이다.
상기 (III)에 관하여, 워크피스 W 상의 인접하는 측정점이란, 제외 조건을 충족시키는 스펙트럼의 변화량이 취득된 워크피스 W 상의 측정점에 인접하는 복수의 측정점이다. 상술한 바와 같이, 광학 센서 헤드(107)는, 연마 테이블(103)이 1회전할 때마다, 워크피스 W를 가로지르면서, 워크피스 W 상의 복수의 측정점으로 광을 유도하고, 이들 복수의 측정점으로부터의 반사광을 받는다. 워크피스 W 상의 인접하는 측정점은, 예를 들어 제외 조건을 충족시키는(즉, 노이즈를 포함하는) 스펙트럼의 변화량이 취득된 측정점의 양측에 위치하는 복수의 측정점이어도 된다. 인접하는 각 측정점에서 취득된 스펙트럼의 변화량은, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 변화량이다.
상기 (IV)에 관하여, 근사식은, 도 7에 도시한 바와 같이, 스펙트럼의 변화량과 연마 시간을 나타내는 좌표축을 갖는 좌표계상의 식이다. 근사식은, 연마 시간을 변수로 갖는다. 근사식은, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 복수의 변화량과, 대응하는 복수의 연마 시간에 의해 특정되는 좌표계상의 복수의 데이터점으로부터 결정된다. 근사식은, 다항식에 의해 표시되어도 된다. 근사식의 구하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 데이터 처리부(149)는, 워크피스 W의 연마 중에 근사식을 생성하여, 제외 조건을 충족시키는(즉, 노이즈를 포함하는) 스펙트럼의 변화량이 취득된 연마 시간을 근사식에 입력함으로써, 스펙트럼의 변화량을 보정할 수 있다.
데이터 처리부(149)는, 제외 조건을 충족시키지 않는(즉, 노이즈를 포함하지 않는) 스펙트럼의 변화량 및 상기 보정된 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하고, 스펙트럼 누적 변화량에 기초하여 워크피스 W의 연마량을 감시한다. 스펙트럼 누적 변화량은, 노이즈를 포함하지 않는 스펙트럼의 변화량의 누적값이므로, 데이터 처리부(149)는 워크피스 W의 연마량을 정확하게 감시할 수 있다.
상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자가 본 발명을 실시할 수 있을 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 형태에 한정되지 않고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상을 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
1: 연마 헤드
2: 연마 패드
2a: 연마면
3: 연마 테이블
5: 연마액 공급 노즐
6: 테이블 모터
7: 광학 센서 헤드
10: 헤드 샤프트
31: 투광용 광 케이블
32: 수광용 광 케이블
40: 광학식 막 두께 측정 장치
44: 광원
47: 분광기
49: 연마 제어부
49a: 기억 장치
49b: 처리 장치
P1, P2, P3, P4: 피크
Pf1, Pf2, Pf3, Pf4: 의사 피크
Pu: 하층 피크
R1, R2, R3, R4: 피크 탐색 범위
101: 연마 헤드
102: 연마 패드
102a: 연마면
103: 연마 테이블
105: 연마액 공급 노즐
106: 테이블 모터
107: 광학 센서 헤드
110: 헤드 샤프트
140: 광학식 연마 감시 장치
144: 광원
147: 분광기
149: 데이터 처리부
149a: 기억 장치
149b: 연산 장치

Claims (18)

  1. 워크피스의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 방법이며,
    연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고,
    상기 연마 패드에 상기 워크피스를 압박하여 상기 연마 대상층을 연마하고,
    상기 워크피스에 광을 조사하고,
    상기 워크피스로부터의 반사광을 받고,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고,
    상기 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고,
    상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고,
    상기 주파수 스펙트럼의 피크 탐색 범위를 연마 시간에 따라 이동시키고,
    상기 피크 탐색 범위 내에 있는 상기 주파수 스펙트럼의 피크를 결정하고,
    상기 결정된 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를 결정하는, 연마 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피크 탐색 범위는, 전회 결정된 상기 연마 대상층의 두께 및 상기 워크피스의 연마 레이트에 기초하여 산출한 값을 포함하는 범위인, 연마 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연마 레이트는, 미리 설정된 연마 레이트인, 연마 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 연마 레이트는, 상기 워크피스의 연마 중에 산출된 연마 레이트인, 연마 방법.
  5. 워크피스의 연마 대상층을 연마하기 위한 연마 방법이며,
    연마 패드를 지지하는 연마 테이블을 회전시키고,
    상기 연마 패드에 상기 워크피스를 압박하여 상기 연마 대상층을 연마하고,
    상기 워크피스에 광을 조사하고,
    상기 워크피스로부터의 반사광을 받고,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하고,
    상기 강도와 상기 반사광의 파장의 관계를 나타내는 분광 파형을 생성하고,
    필터를 사용하여 상기 분광 파형으로부터 노이즈를 제거하고,
    상기 노이즈가 제거된 상기 분광 파형에 푸리에 변환 처리를 행하여, 주파수 스펙트럼을 생성하고,
    상기 주파수 스펙트럼의 피크에 기초하여 상기 연마 대상층의 두께를 결정하고,
    상기 노이즈의 제거에 의해 소실된 상기 주파수 스펙트럼의 피크에 대응하는 상기 연마 대상층의 두께를, 상기 워크피스의 연마 중에 취득한 상기 연마 대상층의 두께의 복수의 값을 사용한 외삽에 의해 보완하는, 연마 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 필터는, 상기 워크피스의 연마 시간과 함께 이동하지 않는 상기 주파수 스펙트럼의 피크의 주파수를 갖는 노이즈를 상기 분광 파형으로부터 제거하도록 구성되는, 연마 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 노이즈는, 상기 연마 대상층의 하지층으로부터 반사한 광에 기인하는 노이즈인, 연마 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 필터는 밴드 스톱 필터인, 연마 방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 워크피스를 연마하기 전에, 해당 워크피스와 동일한 패턴을 갖는 다른 워크피스를 연마하고,
    상기 다른 워크피스로부터의 반사광의 분광 파형에 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 상기 필터를 작성하는 공정을 더 포함하는, 연마 방법.
  10. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 워크피스의 연마 중에, 상기 워크피스로부터의 반사광의 분광 파형에 포함되는 노이즈를 제거하기 위한 상기 필터를 작성하는 공정을 더 포함하는, 연마 방법.
  11. 워크피스의 연마를 감시하는 방법이며,
    워크피스의 연마 중에 상기 워크피스에 광을 조사하고,
    상기 워크피스로부터의 반사광의 스펙트럼을 생성하고,
    소정의 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼의 변화량이 소정의 제외 조건을 충족시킬 때, 상기 스펙트럼의 변화량을 보정하고,
    상기 제외 조건을 충족시키지 않는 상기 스펙트럼의 변화량 및 상기 보정된 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하는, 워크피스의 연마 감시 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제외 조건은,
    상기 스펙트럼의 변화량이 역치보다도 큰 것,
    현재의 스펙트럼의 변화량과, 상기 워크피스의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값의 차가 역치보다도 큰 것,
    상기 스펙트럼의 변화량이, 과거에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 정규 분포의 평균값으로부터 ±Zσ의 범위 외에 있는 것(Z는 미리 정해진 계수임) 및
    상기 스펙트럼의 변화량이, 스미르노프·그럽스 검정에 의해 이상값이라고 판정되는 것
    중 어느 것인, 워크피스의 연마 감시 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 스펙트럼의 변화량을 보정하는 공정은, 상기 스펙트럼의 변화량을 외삽 또는 내삽에 의해 보정하는 공정인, 워크피스의 연마 감시 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 외삽에 의한 보정은, 연마 시간에 따라 나열하는 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하고, 상기 내삽에 의한 보정은, 상기 워크피스 상에 나열하는 복수의 측정점에서 취득된 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하는, 워크피스의 연마 감시 방법.
  15. 워크피스의 연마 감시 장치이며,
    워크피스의 연마 중에 상기 워크피스에 광을 조사하여, 상기 워크피스로부터의 반사광을 받는 광학 센서 헤드와,
    상기 반사광의 강도를 파장마다 측정하는 분광기와,
    프로그램이 저장된 기억 장치 및 상기 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 연산 장치를 갖는 데이터 처리부를 구비하고,
    상기 데이터 처리부는,
    상기 반사광의 강도의 측정 데이터로부터 상기 반사광의 스펙트럼을 생성하고,
    소정의 시간당의 상기 스펙트럼의 변화량을 산출하고,
    상기 스펙트럼의 변화량이 소정의 제외 조건을 충족시킬 때, 상기 스펙트럼의 변화량을 보정하고,
    상기 제외 조건을 충족시키지 않는 상기 스펙트럼의 변화량 및 상기 보정된 스펙트럼의 변화량을 연마 시간에 따라 적산하여 스펙트럼 누적 변화량을 산출하도록 구성되어 있는, 연마 감시 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제외 조건은,
    상기 스펙트럼의 변화량이 역치보다도 큰 것,
    현재의 스펙트럼의 변화량과, 상기 워크피스의 연마 중에 이미 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 평균값의 차가 역치보다도 큰 것,
    상기 스펙트럼의 변화량이, 과거에 얻어진 스펙트럼의 복수의 변화량의 정규 분포의 평균값으로부터 ±Zσ의 범위 외에 있는 것(Z는 미리 정해진 계수임) 및
    상기 스펙트럼의 변화량이, 스미르노프·그럽스 검정에 의해 이상값이라고 판정되는 것
    중 어느 것인, 연마 감시 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 데이터 처리부는, 상기 스펙트럼의 변화량을 외삽 또는 내삽에 의해 보정하도록 구성되어 있는, 연마 감시 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 데이터 처리부는, 상기 외삽에 의한 보정을, 연마 시간에 따라 나열하는 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하여 실행하고, 상기 내삽에 의한 보정을, 상기 워크피스 상에 나열하는 복수의 측정점에서 취득된 스펙트럼의 복수의 변화량을 사용하여 실행하도록 구성되어 있는, 연마 감시 장치.
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JP2013110390A (ja) 2011-10-26 2013-06-06 Ebara Corp 研磨方法および研磨装置
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