KR20220135181A

KR20220135181A - 기판 연마 장치 및 기판 연마 방법

Info

Publication number: KR20220135181A
Application number: KR1020220035779A
Authority: KR
Inventors: 다쿠야 후지모토; 노부유키 다카다
Original assignee: 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2022-10-06
Also published as: TW202245042A; CN115139214A; US20220305610A1

Abstract

본 발명은, 연마 중의 기판의 막 두께를 측정할 때, 광의 투과율을 저하시키지 않고, 높은 정밀도로 측정할 수 있는 기판 연마 장치를 제공한다.
기판 연마 장치(1)는, 스테이지(10)와, 연마 패드(22)를 보유 지지하는 연마 헤드(21)와, 연마액 공급 노즐(28)과, 막 두께 측정 헤드(31)와, 스펙트럼 해석부(34)와, 막 두께 측정 헤드(31)가 설치된 헤드 노즐(40)을 구비하고, 헤드 노즐(40)은, 광 및 반사광의 광로를 가로지르는 액체의 흐름을 형성하는 제1 유로 시스템(71) 및 제2 유로 시스템(72)을 구비하고, 제1 유로 시스템(71)은, 광로 상에 위치하는 개구부(154)를 갖고, 제2 유로 시스템(72)은, 액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)를 갖고 있고, 액체 토출구(254)와 액체 흡입구(255)는 개구부(154)의 양측에 위치하고 있다.

Description

기판 연마 장치 및 기판 연마 방법 {SUBSTRATE POLISHING APPARATUS AND SUBSTRATE POLISHING METHOD}

본 발명은 기판 연마 장치 및 기판 연마 방법에 관한 것으로, 특히 연마 중의 기판의 막 두께를 측정하기 위한 기판 연마 장치 및 기판 연마 방법에 관한 것이다.

화학 기계 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)는, 실리카(SiO₂) 등의 지립을 포함한 연마액을 연마 패드의 연마면 상에 공급하면서 연마 대상의 기판을 연마면에 미끄럼 접촉시켜 연마를 행하는 기술이다. CMP 공정에서 사용하는 기판 연마 장치는, 기판의 피연마면이 상향인 방식(페이스 업식)과 기판의 피연마면이 하향인 방식(페이스 다운식)이 존재한다.

페이스 업식의 기판 연마 장치는, 기판의 피연마면을 상향으로 하여 스테이지에 적재하고, 기판보다 작은 직경의 연마 패드를 회전시키면서 기판에 접촉시켜 연마 패드를 요동시킴으로써, 기판을 연마하도록 구성된다. 기판의 연마는, 기판의 막 두께가 소정의 목표값에 도달하였을 때 종료된다. 연마 중에 기판의 막 두께를 측정하는 방법으로서, 기판 연마 장치에 구비된 광학식의 막 두께 측정 장치에 의해 기판의 표면에 광을 조사하고, 기판으로부터 반사해 오는 광의 분광 파형에 기초하여 막 두께를 결정하는 방법이 있다.

일본 특허 공개 제2016-78156호 공보 일본 특허 공개 평9-298176호 공보

그러나, 연마 중의 기판 표면에는 연마액이나 연마 부스러기 등의 이물이 존재하기 때문에, 막 두께 측정 장치에 의해 광을 조사하여, 반사광을 받을 때의 광의 투과율이 낮아져 버린다. 이 때문에, 연마 중의 기판의 막 두께를 높은 정밀도로 측정하는 것이 곤란하였다.

그래서, 본 발명은 연마 중의 기판의 막 두께를 측정할 때, 광의 투과율을 저하시키지 않고, 높은 정밀도로 막 두께를 측정할 수 있는 기판 연마 장치를 제공한다.

일 양태에서는, 기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하여, 상기 기판을 회전시키는 스테이지와, 상기 스테이지에 지지된 상기 기판을 연마하기 위한 연마면을 갖는 연마 패드를 보유 지지하는 연마 헤드와, 상기 기판의 표면 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐과, 상기 스테이지 상의 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 받는 막 두께 측정 헤드와, 상기 반사광의 스펙트럼을 생성하여, 상기 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 스펙트럼 해석부와, 상기 막 두께 측정 헤드가 설치된 헤드 노즐을 구비하고, 상기 헤드 노즐은, 상기 광 및 상기 반사광의 광로를 가로지르는 액체의 흐름을 형성하는 제1 유로 시스템 및 제2 유로 시스템을 구비하고, 상기 제1 유로 시스템은, 상기 광로 상에 위치하는 개구부를 갖고, 상기 제2 유로 시스템은, 액체 토출구 및 액체 흡입구를 갖고 있고, 상기 액체 토출구와 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부의 양측에 위치하고 있는, 기판 연마 장치가 제공된다.

일 양태에서는, 상기 액체 토출구 및 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부에 관하여 대칭으로 배치되어 있다.

일 양태에서는, 상기 개구부, 상기 액체 토출구, 및 상기 액체 흡입구는, 상기 헤드 노즐의 바닥면 내에 위치하고 있다.

일 양태에서는, 상기 액체 토출구는, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 개구부 및 상기 액체 흡입구보다 상류측에 위치하고 있다.

일 양태에서는, 상기 제1 유로 시스템은, 상기 광로 상에 마련된 유체실과, 상기 유체실에 액체를 공급하기 위한 제1 액체 공급 유로와, 상기 유체실로부터 액체를 배출하기 위한 제1 액체 배출 유로와, 상기 유체실의 하단에 연통되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 상기 개구부를 갖고 있고, 상기 제2 유로 시스템은, 상기 기판의 표면 상에 액체를 공급하기 위한 제2 액체 공급 유로와, 상기 기판의 표면 상의 액체를 배출하기 위한 제2 액체 배출 유로와, 상기 제2 액체 공급 유로에 연통되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 상기 액체 토출구와, 상기 제2 액체 배출 유로에 연통되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 상기 액체 흡입구를 갖고 있다.

일 양태에서는, 상기 액체 토출구 및 상기 액체 흡입구는, 모두 상기 개구부보다 크다.

일 양태에서는, 상기 액체 흡입구는, 상기 액체 토출구보다 크다.

일 양태에서는, 상기 제2 유로 시스템은, 상기 액체 흡입구에 접속된, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 집액 홈을 더 구비하고, 상기 집액 홈은, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 액체 흡입구의 상류측에 위치하고 있고, 상기 집액 홈의 폭은, 상기 액체 흡입구의 폭보다 크다.

일 양태에서는, 기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하여, 상기 기판을 회전시키고, 상기 기판의 표면에 연마액을 공급하면서, 연마면을 갖는 연마 패드를 연마 헤드에 의해 상기 기판에 압박하여 상기 기판을 연마하고, 상기 기판의 표면에 근접하는 헤드 노즐에 마련된 개구부에 액체를 흘리면서, 또한 상기 헤드 노즐에 마련된 액체 토출구로부터 상기 기판의 표면 상에 액체를 공급하며, 또한 상기 기판의 표면 상의 액체를 액체 흡입구를 통하여 흡입하면서, 막 두께 측정 헤드로부터 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하고, 상기 개구부를 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받고, 상기 반사광의 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 공정을 포함하고, 상기 액체 토출구와 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부의 양측에 위치하고 있는, 기판 연마 방법이 제공된다.

일 양태에서는, 상기 헤드 노즐에 마련된 상기 개구부에 액체를 흘리는 공정은, 상기 헤드 노즐에 마련된 유체실 및 상기 개구부에 액체를 흘리는 공정이고, 상기 막 두께 측정 헤드로부터 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하는 공정은, 상기 막 두께 측정 헤드로부터 상기 유체실 및 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하는 공정이고, 상기 개구부를 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받는 공정은, 상기 개구부 및 상기 유체실을 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받는 공정이다.

일 양태에서는, 상기 헤드 노즐은, 상기 액체 흡입구에 접속된 집액 홈을 갖고 있고, 상기 집액 홈은, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 액체 흡입구의 상류측에 위치하고 있고, 상기 집액 홈의 폭은, 상기 액체 흡입구의 폭보다 크다.

일 양태에서는, 기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하는 스테이지와, 상기 스테이지에 지지된 상기 기판을 연마하기 위한 연마면을 갖는 연마 패드를 보유 지지하는 연마 헤드와, 상기 기판의 표면 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐과, 상기 스테이지 상의 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 받는 막 두께 측정 헤드와, 상기 반사광의 스펙트럼을 생성하여, 상기 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 스펙트럼 해석부와, 상기 막 두께 측정 헤드가 설치된 헤드 노즐을 구비하고, 상기 헤드 노즐은, 상기 광 및 상기 반사광의 광로 상에 마련된 유체실과, 상기 유체실에 액체를 공급하기 위한 액체 공급 유로와, 상기 유체실로부터 액체를 배출하기 위한 액체 배출 유로와, 상기 광로 상에 마련되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 개구부를 갖고, 상기 액체 공급 유로와 상기 유체실의 제1 접속부는, 상기 유체실의 하부에 위치하고 있고, 상기 액체 배출 유로와 상기 유체실의 제2 접속부는, 상기 유체실의 상부에 위치하고 있고, 상기 개구부는 상기 유체실의 하단에 연통되어 있고, 상기 개구부의 폭은 상기 유체실의 폭보다 작은, 기판 연마 장치가 제공된다.

일 양태에서는, 상기 제2 접속부는, 상기 막 두께 측정 헤드의 하단에 위치하고 있다.

일 양태에서는, 상기 제2 접속부로부터 연장되는, 상기 액체 배출 유로의 상면은, 상기 막 두께 측정 헤드의 하단보다 높은 위치에 있다.

일 양태에서는, 상기 개구부의 폭은 1.0mm 내지 2.0mm의 범위 내이다.

일 양태에서는, 상기 액체 공급 유로에 접속된 공급 밸브와, 상기 액체 배출 유로에 접속된 배출 밸브를 더 구비하고, 상기 공급 밸브 및 상기 배출 밸브는, 상기 액체 공급 유로를 흐르는 액체의 유량이, 상기 액체 배출 유로를 흐르는 액체의 유량보다 많아지도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드를 연마 위치와 비연마 위치 사이에서 이동시키기 위한 연마 헤드 이동 기구와, 상기 막 두께 측정 헤드를 측정 위치와 비측정 위치 사이에서 이동시키기 위한 막 두께 측정 헤드 이동 기구와, 상기 연마 헤드 이동 기구 및 상기 막 두께 측정 헤드 이동 기구에 접속된 동작 제어부를 더 구비하고, 상기 동작 제어부는, 상기 연마 헤드와 상기 막 두께 측정 헤드가 서로 접촉하지 않도록 상기 연마 헤드 이동 기구 및 상기 막 두께 측정 헤드 이동 기구를 제어하도록 구성되어 있다.

일 양태에서는, 기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하고, 상기 기판의 표면에 연마액을 공급하면서, 연마면을 갖는 연마 패드를 연마 헤드에 의해 상기 기판에 압박하여 상기 기판을 연마하고, 헤드 노즐의 개구부를 상기 기판의 표면에 근접시켜, 액체 공급 유로로부터 상기 헤드 노즐의 유체실에 액체를 공급하며, 또한 상기 액체를 상기 유체실로부터 액체 배출 유로를 통하여 배출하면서, 막 두께 측정 헤드로부터 상기 유체실 및 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하고, 상기 유체실 및 상기 개구부를 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받고, 상기 반사광의 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 공정을 포함하고, 상기 액체 공급 유로와 상기 유체실의 제1 접속부는, 상기 액체 배출 유로와 상기 유체실의 제2 접속부보다 하방에 위치하고 있고, 상기 개구부는 상기 유체실의 하단에 연통되어 있고, 상기 개구부의 폭은 상기 유체실의 폭보다 작은, 기판 연마 방법이 제공된다.

일 양태에서는, 상기 기판의 표면에 근접시켰을 때의 상기 개구부의 하단에서부터 상기 기판의 표면까지의 거리는, 0.5mm 내지 1.0mm의 범위 내이다.

일 양태에서는, 상기 액체 공급 유로를 흐르는 액체의 유량은, 상기 액체 배출 유로를 흐르는 액체의 유량보다 많다.

일 양태에서는, 상기 연마 헤드와, 상기 막 두께 측정 헤드가 서로 접촉하지 않도록 이동하면서 상기 기판을 연마하여, 상기 기판의 막 두께를 결정하는 공정을 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 헤드 노즐은 제1 유로 시스템 및 제2 유로 시스템을 구비하고 있고, 이들 2개의 다른 계통의 급배액 기구에 의해, 광로 상에 존재하는 연마액이나 연마 부스러기가 제거된다. 막 두께 측정 중에는 광로가 투명한 액체로 채워지기 때문에, 높은 정밀도로 연마 중의 기판의 막 두께를 측정할 수 있다.

제2 유로 시스템의 액체 토출구로부터 기판의 표면 상에 공급된 액체는, 기판의 표면을 따라 제1 유로 시스템의 개구부와 기판의 간극을 흘러, 제2 유로 시스템의 액체 흡입구로부터 흡입된다. 이 액체의 흐름에 의해, 개구부와 기판 사이에 존재하는 연마액이나 연마 부스러기가 제거되므로, 높은 정밀도로 연마 중의 기판의 막 두께를 측정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 막 두께 측정 장치의 헤드 노즐에 마련된 유체실에 투명한 액체를 공급함과 함께, 유체실로부터 액체를 배출함으로써, 개구부로부터 액체를 공급하여 연마액 등의 기판 상의 이물을 제거하고, 막 두께 측정 시의 광로를 투명한 액체로 채워 높은 정밀도로 연마 중의 기판의 막 두께를 측정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 막 두께 측정 장치의 헤드 노즐로부터 공급되는 액체의 유량을 최소한으로 함으로써, 기판 상의 연마액이 희석되어 연마 성능을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 막 두께 측정 장치의 헤드 노즐에 마련된 액체 공급 유로와 유체실의 제1 접속부는 유체실의 하부에 위치하고 있으므로, 제1 접속부로부터 유체실 내에 유입된 액체와, 이미 유체실 내에 존재하고 있는 액체의 충돌이 완화되어, 액체끼리의 충돌에 의한 기포의 발생을 저감할 수 있다. 더불어, 액체 배출 유로와 유체실의 제2 접속부는 유체실의 상부에 위치하고 있으므로, 유체실 내에서 발생한 기포를 빠르게 배출할 수 있다.

본 발명에 따르면, 막 두께 측정 장치의 헤드 노즐에 마련된 액체 공급 유로와 유체실의 제1 접속부가 위치하는 부분의 유체실의 폭은, 막 두께 측정 헤드의 하단과 면하고 있는 부분의 유체실의 폭보다 작기 때문에, 유체실에 발생한 기포가 막 두께 측정 시의 광로 상에 머무르지 않고, 광로의 외측으로 분산된다. 제2 접속부는, 막 두께 측정 헤드의 하단에 위치하고 있기 때문에, 기포가 유체실 내에 머무르지 않고, 빠르게 배출된다.

도 1은 기판 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 상면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 기판 연마 장치를 화살표 A로 나타내는 방향에서 본 측면도이다.
도 3은 광학식의 막 두께 측정 장치의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 스펙트럼 해석부에 의해 생성된 분광 파형의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5a는 연마 유닛과 막 두께 측정 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5b는 연마 유닛과 막 두께 측정 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5c는 연마 유닛과 막 두께 측정 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 헤드 노즐을 밑에서 보았을 때의 제1 유로 시스템과 제2 유로 시스템의 배치를 도시하는 도면이다.
도 7은 제1 유로 시스템의 일 실시 형태를 모식적으로 도시하는 도 6의 B-B선 단면도이다.
도 8은 제2 유로 시스템의 일 실시 형태를 모식적으로 도시하는 도 6의 C-C선 단면도이다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 헤드 노즐을 밑에서 본 도면이다.
도 10은 기판의 막 두께를 측정하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.
도 11은 헤드 노즐의 제2 유로 시스템의 다른 실시 형태를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시하는 실시 형태에 관한 헤드 노즐을 밑에서 본 도면이다.
도 13은 기판 연마 장치의 일 실시 형태를 도시하는 상면도이다.
도 14는 도 13에 도시하는 기판 연마 장치를 화살표 D로 나타내는 방향에서 본 측면도이다.
도 15는 헤드 노즐의 다른 실시 형태를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 16은 기판의 막 두께를 측정하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 동일 또는 상당하는 구성 요소에는, 동일한 부호를 붙여 중복된 설명을 생략한다.

도 1은, 기판 연마 장치(1)의 일 실시 형태를 도시하는 상면도이다. 도 2는, 도 1에 도시하는 기판 연마 장치(1)를 화살표 A로 나타내는 방향에서 본 측면도이다. 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 기판 연마 장치(1)는, 기판(W)을 지지하는 스테이지(10)와, 기판(W)을 연마하기 위한 연마 유닛(20)과, 기판(W)의 막 두께를 측정하기 위한 막 두께 측정 장치(30)를 구비하고 있다. 기판(W)의 예로서는, 반도체 디바이스의 제조에 사용되는 웨이퍼를 들 수 있다. 이하에 설명하는 실시 형태에서는, 기판(W)은 원형이지만, 사각형의 형상을 가져도 된다.

스테이지(10)는, 연마 대상의 기판(W)을 그 피연마면(2)을 상향으로 하여 지지한다. 스테이지(10)는 도시하지 않은 복수의 통과 구멍을 갖고 있고, 기판(W)은 복수의 구멍을 통해 진공 흡인에 의해 지지된다. 스테이지(10)는, 도시하지 않은 모터 등의 스테이지 회전 기구에 연결되어 있고, 스테이지 회전 기구는 스테이지(10) 및 기판(W)을 회전시키도록 구성되어 있다.

연마 유닛(20)은, 연마 헤드(21)와, 연마 헤드 암(23)과, 연마 헤드 이동 기구(24)와, 회전 샤프트(25)와, 연마 헤드 회전 기구(26)와, 연마액 공급 노즐(28)을 구비하고 있다. 연마 헤드(21)는, 연마면(22a)을 갖는 연마 패드(22)를 보유 지지하고 있고, 높이 방향으로 연장되는 회전 샤프트(25)를 통해 연마 헤드 암(23)에 연결되어 있다. 회전 샤프트(25)는, 모터 등을 포함하는 연마 헤드 회전 기구(26)에 연결되어 있고, 연마 헤드 회전 기구(26)는 연마 헤드(21) 및 연마 패드(22)를, 회전 샤프트(25)와 함께 회전 샤프트(25)를 중심으로 회전시키도록 구성되어 있다.

연마 헤드 암(23)은, 또한 연마 헤드 이동 기구(24)에 연결되어 있고, 연마 헤드 이동 기구(24)는 연마 헤드 암(23)을 화살표로 나타내는 방향으로 요동시켜, 연마 헤드(21)를 연마 위치와 비연마 위치 사이에서 이동시킨다. 연마 위치는, 연마 헤드(21)가 기판(W)을 연마할 수 있는 위치, 즉 연마 헤드(21)의 적어도 일부가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 상방에 배치되어 있는 위치이다. 비연마 위치는, 연마 헤드(21)가 기판(W)을 연마할 수 없는 위치, 즉 연마 헤드(21)의 전부가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 외측에 배치되어 있는 위치이다. 도 1 및 도 2에서는, 연마 헤드(21)는 비연마 위치에 배치되어 있다.

2개의 연마액 공급 노즐(28)은, 연마 헤드 암(23)에 연결되어 있고, 연마 헤드(21)를 사이에 두고 연마 헤드(21)의 이동 방향에 있어서 양측에 각각의 연마액 공급 노즐(28)의 선단이 배치되어 있다. 2개의 연마액 공급 노즐(28)은, 기판(W)의 표면 상에 실리카(SiO₂) 등의 지립을 포함한 연마액 또는 세정수를 공급하도록 구성되어 있다.

스테이지 회전 기구, 연마 유닛(20)의 동작은, 동작 제어부(60)에 의해 제어된다. 동작 제어부(60)는 스테이지 회전 기구, 연마 헤드 이동 기구(24), 연마 헤드 회전 기구(26)에 전기적으로 접속되어 있다. 스테이지 회전 기구, 연마 헤드 이동 기구(24), 연마 헤드 회전 기구(26)의 동작은, 동작 제어부(60)에 의해 제어된다.

동작 제어부(60)는, 적어도 1대의 컴퓨터로 구성된다. 동작 제어부(60)는, 기판 연마 장치(1)를 동작시키기 위한 프로그램이 저장된 기억 장치(60a)와, 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 처리 장치(60b)를 구비하고 있다. 기억 장치(60a)는, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 등의 주기억 장치와, 하드 디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등의 보조 기억 장치를 구비하고 있다. 처리 장치(60b)의 예로서는, CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 프로세싱 유닛)를 들 수 있다. 단, 동작 제어부(60)의 구체적 구성은 이들의 예에 한정되지 않는다.

기판(W)은 다음과 같이 하여 연마된다. 동작 제어부(60)는, 스테이지(10) 및 기판(W)을 회전시키면서, 연마액 공급 노즐(28)로부터 연마액이 공급된다. 동작 제어부(60)는, 연마 헤드 이동 기구(24)에 명령을 발하여 연마 헤드(21)를 스테이지(10)에 지지된 기판(W)의 상방에서 요동시킨다. 연마 헤드(21)에 보유 지지된 연마 패드(22)는, 연마 헤드 회전 기구(26)에 의해 회전되면서, 연마 헤드(21)는, 기판(W) 상에 연마액이 존재하는 상태에서 연마 패드(22)의 연마면(22a)을 기판(W)의 피연마면(2)에 압박한다. 기판(W)의 피연마면(2)은, 연마액의 화학적 작용과, 연마액에 포함되는 지립 및/또는 연마 패드(22)의 기계적 작용에 의해 연마된다.

막 두께 측정 장치(30)는, 광학식의 막 두께 측정 장치이며, 광원(32)과, 분광기(33)와, 스펙트럼 해석부(34)와, 막 두께 측정 헤드(31)와, 헤드 노즐(40)과, 막 두께 측정 헤드 암(36)과, 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)를 구비하고 있다. 막 두께 측정 헤드(31)는, 투광용 광 파이버 케이블(38) 및 수광용 광 파이버 케이블(39)의 각 선단을 갖고 있다. 광을 발하는 광원(32)은, 투광용 광 파이버 케이블(38)에 연결되어 있다. 분광기(33)는, 수광용 광 파이버 케이블(39)에 연결되어 있다. 광원(32) 및 분광기(33)는, 스펙트럼 해석부(34)에 연결되어 있다.

막 두께 측정 헤드 암(36)의 일단은 막 두께 측정 헤드(31)에 연결되어 있고, 막 두께 측정 헤드 암(36)의 타단은 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)에 연결되어 있다. 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는, 막 두께 측정 헤드 암(36)을 화살표로 나타내는 방향으로 요동시켜, 막 두께 측정 헤드(31)를 측정 위치와 비측정 위치 사이에서 이동시킨다. 측정 위치는, 막 두께 측정 헤드(31)가 기판(W)의 막 두께를 측정할 수 있는 위치, 즉 막 두께 측정 헤드(31)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 상방에 배치되어 있는 위치이다. 비측정 위치는, 막 두께 측정 헤드(31)가 기판(W)의 막 두께를 측정할 수 없는 위치, 즉 막 두께 측정 헤드(31)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 외측에 배치되어 있는 위치이다. 도 1 및 도 2에서는, 막 두께 측정 헤드(31)는 측정 위치에 배치되어 있다. 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는, 동작 제어부(60)에 전기적으로 접속되어 있고, 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)의 동작은, 동작 제어부(60)에 의해 제어된다.

투광용 광 파이버 케이블(38)의 선단 및 수광용 광 파이버 케이블(39)의 선단을 포함하는 막 두께 측정 헤드(31)는, 헤드 노즐(40)에 설치되어 있다. 헤드 노즐(40)은, 상세를 후술하는 제1 유로 시스템(71)과 제2 유로 시스템(72)을 구비하고 있다. 제1 유로 시스템(71)은, 헤드 노즐(40)에 액체를 공급하기 위한 제1 액체 공급 라인(142), 및 헤드 노즐(40)로부터 액체를 배출하기 위한 제1 액체 배출 라인(143)에 접속되어 있다. 제2 유로 시스템(72)은, 헤드 노즐(40)에 액체를 공급하기 위한 제2 액체 공급 라인(242), 및 헤드 노즐(40)로부터 액체를 배출하기 위한 제2 액체 배출 라인(243)에 접속되어 있다. 제1 액체 공급 라인(142) 및 제2 액체 공급 라인(242)은, 각각 도시하지 않은 액체 공급원에 접속되어 있다. 헤드 노즐(40)에 공급되는 액체는, 예를 들어 순수이다. 액체는 투명한 액체이면 되며, 예를 들어 연마액에 사용되는 KOH 용액 등이어도 된다.

제1 액체 공급 라인(142)에는, 제1 공급 밸브(144) 및 유량계(146)가 설치되어 있고, 제2 액체 공급 라인(242)에는, 제2 공급 밸브(244) 및 유량계(246)가 설치되어 있다. 제1 액체 배출 라인(143)에는, 제1 배출 밸브(145), 유량계(147) 및 이젝터 등의 액체 펌프(148)가 설치되어 있다. 제2 액체 배출 라인(243)에는, 제2 배출 밸브(245), 유량계(247) 및 이젝터 등의 액체 펌프(248)가 설치되어 있다. 제1 공급 밸브(144), 제2 공급 밸브(244), 제1 배출 밸브(145) 및 제2 배출 밸브(245)는, 수동이어도 되고, 혹은 제1 공급 밸브(144), 제2 공급 밸브(244), 제1 배출 밸브(145) 및 제2 배출 밸브(245)는 동작 제어부(60)에 접속되고, 제1 공급 밸브(144), 제2 공급 밸브(244), 제1 배출 밸브(145) 및 제2 배출 밸브(245)의 동작은 동작 제어부(60)에 의해 제어되어도 된다. 헤드 노즐(40)의 상세에 대해서는 후술한다.

도 3은, 광학식의 막 두께 측정 장치(30)의 원리를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3에 도시하는 예에서는, 기판(W)은, 하층과, 그 위에 형성된 연마 대상층을 갖고 있다. 연마 대상층은, 예를 들어 실리콘층이나 절연막이다. 막 두께 측정 헤드(31)는, 투광용 광 파이버 케이블(38) 및 수광용 광 파이버 케이블(39)의 각 선단을 갖고 있고, 기판(W)의 표면에 대향하여 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 막 두께 측정 헤드(31)에 헤드 노즐(40)이 설치되어 있지만, 도 3은 설명의 간략화를 위해 헤드 노즐(40)의 구성은 생략되어 있다.

광원(32)으로부터 발해진 광은, 투광용 광 파이버 케이블(38)을 통하여 막 두께 측정 헤드(31)에 전송되어, 투광용 광 파이버 케이블(38)의 선단을 포함하는 막 두께 측정 헤드(31)로부터 기판(W)의 표면에 조사된다. 광은 기판(W)에서 반사되고, 기판(W)으로부터의 반사광은, 수광용 광 파이버 케이블(39)의 선단을 포함하는 막 두께 측정 헤드(31)에 의해 받아져, 수광용 광 파이버 케이블(39)을 통하여 분광기(33)로 보내진다. 분광기(33)는 반사광을 파장에 따라 분해하고, 각 파장에서의 반사광의 강도를 측정한다. 반사광의 강도 측정 데이터는, 스펙트럼 해석부(34)로 보내진다.

스펙트럼 해석부(34)는, 반사광의 강도 측정 데이터로부터 반사광의 스펙트럼을 생성하도록 구성되어 있다. 반사광의 스펙트럼은, 반사광의 파장과 강도의 관계를 나타내는 선 그래프(즉 분광 파형)로서 표현된다. 반사광의 강도는, 반사율 또는 상대 반사율 등의 상대값으로서 나타낼 수도 있다.

기판(W)에 조사된 광은, 매질(도 3의 예에서는 물)과 연마 대상층의 계면, 및 연마 대상층과 하층의 계면에서 반사되고, 이들 계면에서 반사된 광의 파가 서로 간섭한다. 이 광의 파의 간섭 방식은, 연마 대상층의 두께(즉 광로 길이)에 따라 변화한다. 이 때문에, 기판(W)으로부터의 반사광으로부터 생성되는 스펙트럼은, 연마 대상층의 두께에 따라 변화한다. 스펙트럼 해석부(34)는, 반사광의 스펙트럼에 포함되는 광학 정보에 기초하여, 기판(W)의 막 두께를 결정한다.

도 4는, 스펙트럼 해석부(34)에 의해 생성된 스펙트럼의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4에 있어서, 횡축은 기판(W)으로부터의 반사광의 파장을 나타내고, 종축은 반사광의 강도로부터 도출되는 상대 반사율을 나타낸다. 상대 반사율이란, 반사광의 강도를 나타내는 지표이며, 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. 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.

기준 강도는, 각 파장에 대하여 미리 측정된 광의 강도이며, 상대 반사율은 각 파장에 있어서 산출된다. 구체적으로는, 각 파장에서의 광의 강도(실측 강도)를, 대응하는 기준 강도로 나눔으로써 상대 반사율이 구해진다. 기준 강도는, 예를 들어 막 두께 측정 헤드(31)로부터 조사된 광의 강도를 직접 측정하거나, 또는 막 두께 측정 헤드(31)로부터 거울에 광을 조사하여, 거울로부터의 반사광의 강도를 측정함으로써 얻어진다. 혹은, 기준 강도는, 막이 형성되어 있지 않은 실리콘 기판(베어 기판)을 스테이지(10) 상에서 물의 존재 하에 수연마하고 있을 때, 또는 상기 실리콘 기판(베어 기판)이 스테이지(10) 상에 놓여 있을 때, 분광기(33)에 의해 측정된 실리콘 기판으로부터의 반사광의 강도로 해도 된다.

실제의 연마에서는, 실측 강도로부터 다크 레벨(광을 차단한 조건 하에서 얻어진 배경 강도)을 감산하여 보정 실측 강도를 구하고, 또한 기준 강도로부터 상기 다크 레벨을 감산하여 보정 기준 강도를 구하고, 그리고 보정 실측 강도를 보정 기준 강도로 나눔으로써, 상대 반사율이 구해진다. 구체적으로는, 상대 반사율 R(λ)는, 다음의 식 (1)을 사용하여 구할 수 있다.

여기서, λ는 기판(W)으로부터 반사된 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.

스펙트럼 해석부(34)는, 기판(W)으로부터의 반사광의 스펙트럼으로부터 기판(W)의 막 두께를 결정한다. 반사광의 스펙트럼으로부터 막 두께를 결정하는 방법에는, 공지된 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 반사광의 스펙트럼에 대하여 푸리에 변환 처리(전형적으로는 고속 푸리에 변환 처리)를 행하여 얻어진 주파수 스펙트럼으로부터 막 두께를 결정하는 방법, 또는 복수의 참조 스펙트럼 중, 반사광의 스펙트럼에 가장 가까운 형상을 갖는 참조 스펙트럼에 관련지어진 막 두께를 결정하는 방법 등이 있다.

스펙트럼 해석부(34)는, 연마 대상층의 두께의 결정을 실행하기 위한 프로그램이 저장된 기억 장치(34a)(도 1 참조)와, 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 처리 장치(34b)(도 1 참조)를 구비하고 있다. 스펙트럼 해석부(34)는, 적어도 1대의 컴퓨터로 구성된다. 기억 장치(34a)는, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 등의 주기억 장치와, 하드 디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등의 보조 기억 장치를 구비하고 있다. 처리 장치(34b)의 예로서는, CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 프로세싱 유닛)를 들 수 있다. 단, 스펙트럼 해석부(34)의 구체적 구성은 이들 예에 한정되지 않는다.

스펙트럼 해석부(34)는, 결정된 연마 대상층의 두께를 동작 제어부(60)(도 3 참조)에 전송한다. 동작 제어부(60)는, 결정된 연마 대상층의 두께에 기초하여 연마 종점을 결정하고, 연마 유닛(20)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 동작 제어부(60)는, 결정된 연마 대상층의 두께가 목표값에 도달한 시점인 연마 종점을 결정한다. 일 실시 형태에서는, 연마 대상층의 두께와 하층의 두께를 합한 두께를 측정하여 연마 종점을 결정해도 된다. 연마 대상층의 두께를 결정하기 위한 스펙트럼 해석부(34)와, 기판(W)의 연마 동작을 제어하는 동작 제어부(60)는, 일체로 구성되어도 된다. 본 명세서 중에 있어서, 기판(W)의 막 두께의 예로서는, 연마 대상층의 두께, 및 연마 대상층의 두께와 하층의 두께를 합한 두께 등을 들 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는, 연마 유닛(20)과 막 두께 측정 장치(30)의 동작을 설명하는 도면이다. 연마 유닛(20)의 연마 헤드(21)와 막 두께 측정 장치(30)의 막 두께 측정 헤드(31)는, 연동하여 이동하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 동작 제어부(60)는, 연마 헤드(21)와 막 두께 측정 헤드(31)가 서로 접촉하지 않도록, 연마 헤드 이동 기구(24) 및 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)를 제어한다.

도 5a는, 연마 헤드(21)의 일부가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 상방에 위치하고, 막 두께 측정 헤드(31)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 상방에 위치하고 있는 상태를 도시하고 있다. 즉, 연마 헤드(21)는 연마 위치에 배치되어 있고, 막 두께 측정 헤드(31)는 측정 위치에 배치되어 있다. 연마 헤드 이동 기구(24)는, 화살표로 나타내는 바와 같이, 연마 헤드(21)가 기판(W)의 중심을 향하는 방향으로 연마 헤드 암(23)을 이동시키면서, 연마 헤드(21)는 연마 패드(22)(도 2 참조)를 기판(W)에 압박함으로써, 기판(W)을 연마한다. 보다 구체적으로는, 연마 헤드(21)는, 기판(W)의 반경 방향으로 이동하면서, 연마 패드(22)를 기판(W)에 압박함으로써, 기판(W)을 연마한다. 기판 연마 장치(1)는, 스테이지(10)를 사이에 두고 연마 헤드(21)의 이동 방향에 있어서 양측에 배치된 사이드 스테이지(도시하지 않음)를 구비하고 있어도 된다. 사이드 스테이지는, 스테이지(10)의 외측에 위치하는 연마 헤드(21)를 지지하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 기판(W)의 주연부에 연마 헤드(21)의 압박력이 집중되지 않고, 균일하게 기판(W)을 연마할 수 있다.

막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는, 화살표로 나타내는 바와 같이, 막 두께 측정 헤드(31)가 기판(W)의 외측을 향하는 방향으로 막 두께 측정 헤드 암(36)을 이동시키면서, 기판(W)의 막 두께를 측정한다. 보다 구체적으로는, 막 두께 측정 헤드(31)는, 기판(W)의 반경 방향으로 이동하면서, 막 두께 측정 장치(30)는 기판(W)의 막 두께를 측정한다. 막 두께 측정 장치(30)는, 소정 시간마다 기판(W)의 막 두께를 측정해도 되고, 기판(W) 상의 소정의 측정 위치에서 막 두께를 측정해도 된다.

도 5b는, 연마 헤드(21)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 중앙 상방에 위치하고, 막 두께 측정 헤드(31)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 외측에 위치하고 있는 상태를 도시하고 있다. 즉, 연마 헤드(21)는 연마 위치에 배치되어 있고, 막 두께 측정 헤드(31)는 비측정 위치에 배치되어 있다. 연마 헤드 이동 기구(24)는, 화살표로 나타내는 바와 같이, 연마 헤드(21)가 기판(W)을 가로지르도록 연마 헤드 암(23)을 이동시키면서, 연마 헤드(21)는 연마 패드(22)(도 2 참조)를 기판(W)에 압박함으로써, 기판(W)을 연마한다. 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는, 화살표로 나타내는 바와 같이, 막 두께 측정 헤드(31)가 기판(W)의 더 외측을 향하는 방향으로 막 두께 측정 헤드 암(36)을 이동시킨다. 막 두께 측정 헤드(31)는, 비측정 위치에 배치되어 있기 때문에, 기판(W)의 막 두께는 측정되지 않는다.

도 5c는, 연마 헤드(21)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 외측에 위치하고, 막 두께 측정 헤드(31)가 스테이지(10) 상의 기판(W)의 중앙 상방에 위치하고 있는 상태를 도시하고 있다. 즉, 연마 헤드(21)는 비연마 위치에 배치되어 있고, 막 두께 측정 헤드(31)는 측정 위치에 배치되어 있다. 연마 헤드 이동 기구(24)는, 화살표로 나타내는 바와 같이, 연마 헤드(21)가 기판(W)의 더 외측을 향하는 방향으로 연마 헤드 암(23)을 이동시킨다. 연마 헤드(21)는, 비연마 위치에 배치되어 있기 때문에, 기판(W)은 연마되지 않는다. 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는, 화살표로 나타내는 바와 같이, 막 두께 측정 헤드(31)가 기판(W)을 가로지르도록 막 두께 측정 헤드 암(36)을 이동시키면서, 기판(W)의 막 두께를 측정한다. 보다 구체적으로는, 막 두께 측정 헤드(31)는, 기판(W)의 반경 방향으로 이동하면서, 막 두께 측정 장치(30)는 기판(W)의 막 두께를 측정한다. 막 두께 측정 장치(30)는, 소정의 시간마다 기판(W)의 막 두께를 측정해도 되고, 기판(W) 상의 소정의 측정 위치에서 막 두께를 측정해도 된다.

도 5a 내지 도 5c에 도시하는 바와 같이, 연마 헤드(21) 및 막 두께 측정 헤드(31)는, 스테이지(10) 상의 기판(W)의 중심을 통과하는 궤도에서 요동하면서, 연마 헤드(21)와 막 두께 측정 헤드(31)가 서로 접촉하지 않도록 동작한다.

다음에, 헤드 노즐(40)의 상세에 대하여 설명한다. 도 6은, 헤드 노즐(40)을 밑에서 보았을 때의 제1 유로 시스템(71)과 제2 유로 시스템(72)의 배치를 도시하는 도면이다. 헤드 노즐(40)은, 막 두께 측정 헤드(31)로부터의 광 및 기판(W)으로부터의 반사광의 광로를 가로지르는 액체의 흐름을 형성하도록 구성된 제1 유로 시스템(71) 및 제2 유로 시스템(72)을 구비하고 있다. 제1 유로 시스템(71)과 제2 유로 시스템(72)은, 액체의 2개의 독립된 흐름을 형성하도록 구성된, 2개의 독립된 유로 시스템이다.

제1 유로 시스템(71)은, 유체실(151)과, 제1 액체 공급 유로(152)와, 제1 액체 배출 유로(153)와, 개구부(154)를 구비하고 있다. 제2 유로 시스템(72)은, 제2 액체 공급 유로(252)와, 제2 액체 배출 유로(253)와, 액체 토출구(254)와, 액체 흡입구(255)를 구비하고 있다.

제1 유로 시스템(71)과 제2 유로 시스템(72)은, 헤드 노즐(40)의 축심 방향에서 보았을 때, 헤드 노즐(40)의 중심점(O1)에서 교차하는 2개의 선(L1, L2)(일점쇄선으로 나타내는 상상선) 상에 각각 위치하고 있다. 제1 유로 시스템(71)과 제2 유로 시스템(72)은, 헤드 노즐(40)의 중심점(O1)을 중심으로 하여 소정의 각도 α 어긋난 위치에 배치되어 있다. 즉, 제1 유로 시스템(71)의 유체실(151), 제1 액체 공급 유로(152), 제1 액체 배출 유로(153), 개구부(154)와, 제2 유로 시스템(72)의 제2 액체 공급 유로(252), 제2 액체 배출 유로(253), 액체 토출구(254), 액체 흡입구(255)는, 서로 떨어진 위치에 배치되어 있다. 2개의 선(L1, L2) 사이의 소정의 각도 α는, 예를 들어 30도이지만, 이것에 한정되지 않는다.

이하, 제1 유로 시스템(71) 및 제2 유로 시스템(72)의 구성의 상세에 대하여 설명한다. 도 7은, 헤드 노즐(40)의 제1 유로 시스템(71)의 일 실시 형태를 모식적으로 도시하는 도 6의 B-B선 단면도이다. 막 두께 측정 헤드(31)는, 투광용 광 파이버 케이블(38) 및 수광용 광 파이버 케이블(39)의 각 선단과, 이들 선단을 보유 지지하는 파이버 보유 지지부(41)를 갖고 있다. 헤드 노즐(40)은, 막 두께 측정 헤드(31)의 선단을 덮는 형상을 갖고 있다. 헤드 노즐(40)의 제1 유로 시스템(71)은, 유체실(151)과, 제1 액체 공급 유로(152)와, 제1 액체 배출 유로(153)와, 개구부(154)를 갖고 있다. 유체실(151)은, 막 두께 측정 헤드(31)로부터 기판(W)의 표면에 조사되는 광, 및 막 두께 측정 헤드(31)에서 받는 기판(W)으로부터의 반사광의 광로 상에 마련되어 있다. 막 두께 측정 헤드(31)의 하단(31a)은 유체실(151)에 면해 있다.

제1 액체 공급 유로(152) 및 제1 액체 배출 유로(153)는, 유체실(151)에 접속되어 있다. 제1 액체 공급 유로(152)는, 제1 배관 접속부(152b)에 있어서 제1 액체 공급 라인(142)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 제1 액체 배출 유로(153)는, 제2 배관 접속부(153c)에 있어서 제1 액체 배출 라인(143)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 제1 액체 공급 유로(152)와 유체실(151)의 제1 접속부(152a)는, 제1 액체 배출 유로(153)와 유체실(151)의 제2 접속부(153a)보다 하방에 위치하고 있다. 보다 구체적으로는, 제1 액체 공급 유로(152)와 유체실(151)의 제1 접속부(152a)는, 유체실(151)의 하부에 위치하고, 제1 액체 배출 유로(153)와 유체실(151)의 제2 접속부(153a)는, 유체실(151)의 상부에 위치하고 있다.

제1 액체 공급 유로(152)와 유체실(151)의 제1 접속부(152a)는 유체실(151)의 하부에 위치하고 있으므로, 제1 접속부(152a)로부터 유체실(151) 내에 유입된 액체와, 이미 유체실(151) 내에 존재하고 있는 액체의 충돌이 완화되어, 액체끼리의 충돌에 의한 기포의 발생을 저감할 수 있다. 더불어, 제1 액체 배출 유로(153)와 유체실(151)의 제2 접속부(153a)는 유체실(151)의 상부에 위치하고 있으므로, 유체실(151) 내에서 발생한 기포는, 제1 액체 배출 유로(153)를 통하여 빠르게 배출할 수 있다.

개구부(154)는, 막 두께 측정 헤드(31)로부터 기판(W)의 표면에 조사되는 광, 및 막 두께 측정 헤드(31)에서 받는 기판(W)으로부터의 반사광의 광로 상에 마련되어 있다. 개구부(154)는 유체실(151)의 하단에 연통되어 있고, 개구부(154)의 폭 a1은 유체실(151)의 폭 a2보다 작다. 이에 의해, 유체실(151)에 발생한 기포가 개구부(154)에 머무르지 않고 유체실(151)의 상부에 분산된다. 일 실시 형태에서는, 개구부(154)의 폭 a1은 1.0mm 내지 2.0mm의 범위 내이다. 이것은, 유체실(151)로부터 개구부(154)를 통하여 유출되는 액체의 유량을 최소한으로 하여, 기판(W) 상의 연마액의 희석을 방지하기 위해, 및 막 두께 측정 헤드(31)로부터 방사되는 광 및 기판(W)으로부터의 반사광의 통로를 확보하기 위해서이다.

개구부(154)는, 헤드 노즐(40)의 바닥면(40a) 내에 위치하고 있고, 기판(W)의 막 두께를 측정하기 위해 기판(W)의 표면에 대향하여 근접 가능하다. 일 실시 형태에서는, 개구부(154)의 하단에서부터 기판(W)의 표면, 즉 헤드 노즐(40)의 바닥면(40a)에서부터 피연마면(2)까지의 거리 b1은, 0.5mm 내지 1.0mm의 범위 내이다. 이것도, 유체실(151)로부터 개구부(154)를 통하여 유출되는 액체의 유량을 최소한으로 하여, 기판(W) 상의 연마액의 희석을 방지하기 위해서이다.

투광용 광 파이버 케이블(38)과 수광용 광 파이버 케이블(39)은, 복수의 투광용 광 파이버 케이블(38)의 외측에 복수의 수광용 광 파이버 케이블(39)이 배치되어 묶인 번들 타입이어도 되고, 투광용 광 파이버 케이블(38)과 수광용 광 파이버 케이블(39)이 묶여 있지 않은 것이어도 된다.

제1 액체 공급 유로(152)와 유체실(151)의 제1 접속부(152a)가 위치하는 부분의 유체실(151)의 폭 a2는, 막 두께 측정 헤드(31)의 하단(31a)과 면하고 있는 부분의 유체실(151)의 폭 a3보다 작다. 이에 의해, 유체실(151)에 발생한 기포가 막 두께 측정 시의 광로 상에 머무르지 않고, 광로의 외측에 분산된다. 제2 접속부(153a)는, 막 두께 측정 헤드(31)의 하단에 위치하고 있다. 보다 구체적으로는, 제2 접속부(153a)로부터 연장되는, 제1 액체 배출 유로(153)의 상면(153b)은, 막 두께 측정 헤드(31)의 하단보다 높은 위치에 있다. 이러한 배치에 의해, 기포는 유체실(151) 내에 머무르지 않고, 제1 액체 배출 유로(153)를 통하여 빠르게 배출된다.

제1 공급 밸브(144)(도 1 참조)가 개방되면, 제1 액체 공급 라인(142)을 흐르는 액체는, 제1 액체 공급 유로(152)를 통하여 유체실(151)에 공급된다. 유체실(151)에 공급된 액체는, 개구부(154)로부터 기판(W)의 피연마면(2)에 공급된다. 제1 배출 밸브(145)(도 1 참조)가 개방되면, 유체실(151) 내의 액체는, 제1 액체 배출 유로(153)를 통하여 제1 액체 배출 라인(143)을 흘러, 액체 펌프(148)에 의해 제1 액체 배출 라인(143)의 밖으로 배출된다. 제1 공급 밸브(144) 및 제1 배출 밸브(145)는, 제1 액체 공급 유로(152)를 흐르는 액체의 유량이, 제1 액체 배출 유로(153)를 흐르는 액체의 유량보다 많아지도록 구성되어 있다.

제1 액체 공급 라인(142)으로부터 공급되는 액체는, 예를 들어 순수이다. 액체는 투명한 액체이면 되며, 예를 들어 연마액에 사용되는 KOH 용액 등이어도 된다. 제1 공급 밸브(144) 및 제1 배출 밸브(145)가 개방되면, 유체실(151) 내에 액체가 채워짐과 함께, 기판(W)에 액체가 공급되어, 기판(W) 상에 존재하는 연마액이나 연마 부스러기가 제거된다. 막 두께 측정 시의 광로가 투명한 액체로 채워지기 때문에, 높은 정밀도로 연마 중의 기판(W)의 막 두께를 측정할 수 있다. 제1 공급 밸브(144) 및 제1 배출 밸브(145)는, 막 두께 측정 헤드(31)의 위치에 구애되지 않고, 기판(W)의 연마 중에 상시 개방해도 되고, 막 두께 측정 헤드(31)가 측정 위치에 있을 때만 개방해도 된다.

일 실시 형태에서는, 제1 액체 배출 유로(153)를 흐르는 액체의 유량은, 제1 액체 공급 유로(152)를 흐르는 액체의 유량의 90％ 내지 95％의 범위 내이며, 개구부(154)로부터 기판(W)에 공급되는 액체의 유량은, 제1 액체 공급 유로(152)를 흐르는 액체의 유량의 5％ 내지 10％의 범위 내이다. 개구부(154)로부터 공급되는 액체의 유량을 최소한으로 함으로써, 기판(W) 상의 연마액이 희석되어 연마 성능을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

도 8은, 헤드 노즐(40)의 제2 유로 시스템(72)의 일 실시 형태를 모식적으로 도시하는 도 6의 C-C선 단면도이다. 도 9는, 본 실시 형태에 관한 헤드 노즐(40)을 밑에서 본 도면이다. 헤드 노즐(40)의 제2 유로 시스템(72)은, 제2 액체 공급 유로(252)와, 제2 액체 배출 유로(253)와, 액체 토출구(254)와, 액체 흡입구(255)를 갖고 있다. 제2 액체 공급 유로(252)는, 제3 배관 접속부(252a)에 있어서 제2 액체 공급 라인(242)(도 1 참조)에 접속되어 있다. 제2 액체 배출 유로(253)는, 제4 배관 접속부(253a)에 있어서 제2 액체 배출 라인(243)(도 1 참조)에 접속되어 있다.

액체 토출구(254)는, 제2 액체 공급 유로(252)의 하단에 연통되어 있다. 제2 액체 공급 유로(252)는 굴곡부(252b)에 있어서 굴곡되고, 제2 액체 공급 유로(252)의 하부는 제1 유로 시스템(71)의 개구부(154)를 향하여 경사져 있다. 액체 흡입구(255)는, 제2 액체 배출 유로(253)의 하단에 연통되어 있다. 제2 액체 배출 유로(253)는 굴곡부(253b)에 있어서 굴곡되고, 제2 액체 배출 유로(253)의 하부는 제1 유로 시스템(71)의 개구부(154)를 향하여 경사져 있다. 단, 제2 액체 공급 유로(252) 및 제2 액체 배출 유로(253)는, 도 8에 도시하는 실시 형태에 한정되지 않으며, 일 실시 형태에서는, 제2 액체 공급 유로(252) 및 제2 액체 배출 유로(253)는, 굴곡부(252b, 253b)를 갖고 있지 않고, 제2 액체 공급 유로(252) 및 제2 액체 배출 유로(253)의 전체가, 제1 유로 시스템(71)의 개구부(154)를 향하여 경사져도 된다.

도 9에 도시하는 바와 같이, 액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)는, 개구부(154)와 마찬가지로, 헤드 노즐(40)의 바닥면(40a) 내에 위치하고 있다. 액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)는, 개구부(154)의 양측에 위치하고 있고, 개구부(154)는, 액체 토출구(254)와 액체 흡입구(255) 사이에 위치하고 있다. 보다 구체적으로는, 액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)는, 개구부(154)에 관하여 대칭으로 배치되어 있다. 액체 토출구(254)는, 기판(W)의 회전 방향 P에 있어서, 개구부(154) 및 액체 흡입구(255)보다 상류측에 위치하고 있다.

액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)는, 모두 개구부(154)보다 크다. 또한, 액체 흡입구(255)는 액체 토출구(254)보다 크다. 즉, 제2 액체 배출 유로(253)의 하단의 내경은, 제2 액체 공급 유로(252)의 하단의 내경보다 크다. 액체 토출구(254)는, 기판(W)의 표면 상에 액체를 공급하기 위해, 기판(W)의 표면에 대향하여 근접 가능하다. 액체 흡입구(255)는, 기판(W)의 표면 상의 액체를 흡인하기 위해, 기판(W)의 표면에 대향하여 근접 가능하다. 일 실시 형태에서는, 액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)의 하단에서부터 기판(W)의 표면, 즉 헤드 노즐(40)의 바닥면(40a)에서부터 피연마면(2)까지의 거리 c1은, 0.5mm 내지 1.0mm의 범위 내이다.

제2 공급 밸브(244)(도 1 참조)가 개방되면, 제2 액체 공급 라인(242)을 흐르는 액체는, 제2 액체 공급 유로(252)를 통하여 액체 토출구(254)로부터 기판(W)의 표면(피연마면(2)) 상에 공급된다. 제2 배출 밸브(245)(도 1 참조)가 개방되면, 기판(W)의 표면(피연마면(2)) 상의 액체는, 액체 흡입구(255) 내에 흡인되고, 제2 액체 배출 유로(253)를 통하여 제2 액체 배출 라인(243)을 흘러, 액체 펌프(248)에 의해 제2 액체 배출 라인(243)의 밖으로 배출된다. 일 실시 형태에서는, 제2 공급 밸브(244)는, 액체 토출구(254)로부터 기판(W)에 공급되는 액체의 유량이, 개구부(154)를 통하여 흐르는 액체의 유량보다 많아지도록 구성되어 있다.

제2 공급 밸브(244) 및 제2 배출 밸브(245)가 개방되면, 액체는 액체 토출구(254)로부터 기판(W)의 표면 상에 공급되고, 기판(W)의 회전 방향 P를 따라 개구부(154)와 기판(W)의 간극을 흘러, 액체 흡입구(255)를 향한다. 이 액체는, 개구부(154)로부터 유출된 액체와 혼합된다. 즉, 액체 토출구(254)로부터 액체 흡입구(255)를 향하는 액체의 흐름과, 개구부(154)를 통과한 액체의 흐름이 합류하여, 이들 2개의 흐름을 형성한 액체는, 액체 흡입구(255) 내에 흡인된다.

이와 같이, 혼합된 액체는, 기판(W)의 회전 방향 P를 따라 흘러, 액체 흡입구(255)를 통하여 흡인된다. 이 액체의 흐름에 의해, 개구부(154)와 기판(W) 사이에 존재하는 연마액이나 연마 부스러기가 제거된다. 개구부(154)와 기판(W) 사이의 막 두께 측정 시의 광로가 투명한 액체로 채워지기 때문에, 높은 정밀도로 기판(W)의 막 두께를 측정할 수 있다. 특히, 본 실시 형태에 따르면, 액체 토출구(254)로부터 액체 흡입구(255)를 향하는 액체의 흐름이 기판(W)의 표면 상에 형성되므로, 기판(W)의 회전 속도가 빠를 때라도, 개구부(154)와 기판(W) 사이의 광로를 투명한 액체로 채울 수 있다.

제2 액체 공급 라인(242)으로부터 기판(W)에 공급되는 액체는, 예를 들어 순수이다. 액체는 투명한 액체이면 되며, 예를 들어 연마액에 사용되는 KOH 용액 등이어도 된다. 제2 공급 밸브(244) 및 제2 배출 밸브(245)는, 막 두께 측정 헤드(31)의 위치에 구애되지 않고, 기판(W)의 연마 중에 상시 개방해도 되고, 막 두께 측정 헤드(31)가 측정 위치에 있을 때만 개방해도 된다. 기판(W)의 막 두께 측정 중, 제1 유로 시스템(71)의 제1 공급 밸브(144), 제1 배출 밸브(145)와, 제2 유로 시스템(72)의 제2 공급 밸브(244), 제2 배출 밸브(245)는 동시에 개방되어 있다.

도 10은, 기판(W)의 막 두께를 측정하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.

스텝 S101에서는, 스테이지(10)는, 기판(W)의 피연마면(2)이 상향인 상태에서 기판(W)을 지지하고, 스테이지 회전 기구는 스테이지(10)를 회전시킨다.

스텝 S102에서는, 연마 유닛(20)은, 연마액 공급 노즐(28)로부터 연마액을 기판(W)에 공급하면서 기판(W)의 연마를 개시한다.

스텝 S103에서는, 연마 헤드 이동 기구(24)는 연마 헤드(21)의 이동을 개시하고, 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는 막 두께 측정 헤드(31)의 이동을 개시한다. 이때, 연마 헤드(21)와 막 두께 측정 헤드(31)는 서로 접촉하지 않도록 이동한다.

스텝 S104에서는, 제1 공급 밸브(144) 및 제1 배출 밸브(145)를 개방하여, 헤드 노즐(40)의 유체실(51)에 액체를 공급하면서, 유체실(51)로부터 액체를 배출한다. 또한, 제2 공급 밸브(244) 및 제2 배출 밸브(245)를 개방하여, 헤드 노즐(40)로부터의 액체 공급을 개시한다.

스텝 S105에서는, 막 두께 측정 헤드(31)를 측정 위치로 이동하여, 헤드 노즐(40)의 개구부(154), 액체 토출구(254) 및 액체 흡입구(255)를 기판(W)의 표면에 근접시킨다. 헤드 노즐(40)의 개구부(154)를 통하여 액체가 유출되며, 또한 액체 토출구(254)로부터 기판(W)에 액체가 공급됨과 함께, 액체 흡입구(255)를 통하여 기판(W) 상의 액체가 흡인된다. 기판(W)의 표면 상에는, 액체 토출구(254)로부터 액체 흡입구(255)를 향하는 액체의 흐름이 형성된다. 개구부(154)는, 이 액체의 흐름에 면해 있고, 개구부(154)로부터 유출된 액체는, 액체 토출구(254)로부터 액체 흡입구(255)를 향하는 액체의 흐름에 합류된다.

스텝 S106에서는, 광원(32)은 광을 발하고, 광을 막 두께 측정 헤드(31)로부터 유체실(151) 및 개구부(154)를 통하여, 기판(W)의 표면에 광을 조사한다.

스텝 S107에서는, 막 두께 측정 헤드(31)는, 유체실(151) 및 개구부(154)를 통하여, 기판(W)으로부터의 반사광을 받는다. 막 두께 측정 헤드(31)로부터의 광과, 기판(W)으로부터의 반사광은 모두, 유체실(151) 내를 흐르는 액체와, 개구부(154) 내를 흐르는 액체와, 액체 토출구(254)로부터 액체 흡입구(255)로 흐르는 액체를 통과하므로, 양호한 광로를 확보할 수 있다.

스텝 S108에서는, 분광기(33)는, 기판(W)으로부터의 반사광의 강도를 파장마다 측정하여, 반사광의 강도 측정 데이터를 스펙트럼 해석부(34)에 보낸다. 스펙트럼 해석부(34)는, 반사광의 강도 측정 데이터로부터 반사광의 스펙트럼을 생성하여, 기판(W)의 막 두께를 결정한다.

스텝 S109에서는, 결정된 기판(W)의 막 두께가 목표값에 도달하였는지 여부를 판단한다. 결정된 기판(W)의 막 두께가 목표값에 도달하였을 때(스텝 S109의 「예」), 연마 유닛(20)은 기판(W)의 연마를 종료한다(스텝 S110). 결정된 기판(W)의 막 두께가 목표값에 도달하지 않았을 때(스텝 S109의 「아니오」), 연마 유닛(20)은 기판(W)의 연마를 계속하여, 스텝 S105 내지 S109를 반복한다.

도 11은, 헤드 노즐(40)의 제2 유로 시스템(72)의 다른 실시 형태를 모식적으로 도시하는 단면도이다. 도 12는, 도 11에 도시하는 실시 형태에 관한 헤드 노즐(40)을 밑에서 본 도면이다. 도 11에 도시하는 제2 유로 시스템(72)은, 집액 홈(257)을 더 구비하고 있다. 집액 홈(257)은, 헤드 노즐(40)의 바닥면(40a) 내에 위치하고 있다. 집액 홈(257)은, 액체 흡입구(255)에 접속된 오목부이며, 집액 홈(257)은 액체 흡입구(255)를 통해 제2 액체 배출 유로(253)에 연통되어 있다. 집액 홈(257)은, 기판(W)의 표면 상의 액체를 모아 배출하기 위해, 기판(W)의 표면에 대향하여 근접 가능하다. 일 실시 형태에서는, 집액 홈(257)의 높이 d1, 즉 헤드 노즐(40)의 바닥면(40a)에서부터 집액 홈(257)의 상단까지의 높이는 0.3mm 내지 5.0mm의 범위 내이다.

도 12에 도시하는 바와 같이, 집액 홈(257)은, 기판(W)의 회전 방향 P에 있어서, 액체 흡입구(255)보다 상류측, 또한 개구부(154)보다 하류측에 위치하고 있다. 집액 홈(257)은, 헤드 노즐(40)을 밑에서 보았을 때, 대략 타원 형상을 갖고 있다. 집액 홈(257)의 폭 d2는, 액체 흡입구(255)의 폭 d3보다 크다. 집액 홈(257)의 폭 d2는, 기판(W)의 회전 방향 P에 대하여 대략 직교하는 방향의 폭이고, 액체 흡입구(255)의 폭 d3은, 기판(W)의 회전 방향 P에 대하여 대략 직교하는 방향의 폭이다.

도 12의 화살표로 나타내는 바와 같이, 액체 토출구(254)로부터 기판(W)의 표면 상에 공급된 액체가, 기판(W)의 회전 방향 P를 따라 흘러, 외측으로 확산된 경우에, 집액 홈(257)에 의해 회수되어 제2 액체 배출 유로(253)를 통하여 배출된다. 이것은, 개구부(154) 및 액체 토출구(254)로부터 유출되는 액체를 집액 홈(257)에 모음으로써, 기판(W) 상의 연마액이 희석되어 연마 성능을 저하시키는 것을 방지하기 위해서이다.

집액 홈(257)은, 도 12에 도시하는 실시 형태에 한정되지 않고, 집액 홈(257)의 폭 d2가 액체 흡입구(255)의 폭 d3보다 큰 형상이면, 예를 들어 타원 형상이나 대략 부채 형상을 가져도 된다.

도 13은, 기판 연마 장치(1)의 다른 실시 형태를 도시하는 상면도이다. 도 14는, 도 13에 도시하는 기판 연마 장치(1)를 화살표 D로 나타내는 방향에서 본 측면도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 상기 실시 형태와 동일하므로, 그 중복되는 설명을 생략한다.

본 실시 형태의 헤드 노즐(40)은, 헤드 노즐(40)에 액체를 공급하기 위한 액체 공급 라인(42), 및 헤드 노즐(40)로부터 액체를 배출하기 위한 액체 배출 라인(43)에 접속되어 있다. 액체 공급 라인(42)은, 도시하지 않은 액체 공급원에 접속되어 있다. 헤드 노즐(40)에 공급되는 액체는, 예를 들어 순수이다. 액체는 투명한 액체이면 되며, 예를 들어 연마액에 사용되는 KOH 용액 등이어도 된다. 액체 공급 라인(42)에는, 공급 밸브(44) 및 유량계(46)가 설치되어 있다. 액체 배출 라인(43)에는, 배출 밸브(45), 유량계(47) 및 이젝터 등의 액체 펌프(48)가 설치되어 있다. 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)는, 수동이어도 되고, 혹은 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)는 동작 제어부(60)에 접속되고, 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)의 동작은 동작 제어부(60)에 의해 제어되어도 된다. 또한, 헤드 노즐(40)의 상세에 대해서는 후술한다.

다음에, 본 실시 형태의 헤드 노즐(40)의 상세에 대하여 설명한다. 도 15는, 헤드 노즐(40)의 일 실시 형태를 모식적으로 도시하는 단면도이다. 막 두께 측정 헤드(31)는, 투광용 광 파이버 케이블(38) 및 수광용 광 파이버 케이블(39)의 각 선단과, 이들 선단을 보유 지지하는 파이버 보유 지지부(41)를 갖고 있다. 헤드 노즐(40)은, 막 두께 측정 헤드(31)의 선단을 덮는 형상을 갖고 있다. 헤드 노즐(40)은, 유체실(51)과, 액체 공급 유로(52)와, 액체 배출 유로(53)와, 개구부(54)를 갖고 있다. 유체실(51)은, 막 두께 측정 헤드(31)로부터 기판(W)의 표면에 조사되는 광, 및 막 두께 측정 헤드(31)에서 받는 기판(W)으로부터의 반사광의 광로 상에 마련되어 있다. 막 두께 측정 헤드(31)의 하단(31a)은 유체실(51)에 면해 있다.

액체 공급 유로(52) 및 액체 배출 유로(53)는 유체실(51)에 접속되어 있다. 액체 공급 유로(52)는, 제1 배관 접속부(52b)에 있어서 액체 공급 라인(42)(도 13 참조)에 접속되어 있다. 액체 배출 유로(53)는, 제2 배관 접속부(53c)에 있어서 액체 배출 라인(43)(도 13 참조)에 접속되어 있다. 액체 공급 유로(52)와 유체실(51)의 제1 접속부(52a)는, 액체 배출 유로(53)와 유체실(51)의 제2 접속부(53a)보다 하방에 위치하고 있다. 보다 구체적으로는, 액체 공급 유로(52)와 유체실(51)의 제1 접속부(52a)는, 유체실(51)의 하부에 위치하고, 액체 배출 유로(53)와 유체실(51)의 제2 접속부(53a)는, 유체실(51)의 상부에 위치하고 있다.

액체 공급 유로(52)와 유체실(51)의 제1 접속부(52a)는 유체실(51)의 하부에 위치하고 있으므로, 이미 유체실(51) 내에 존재하고 있는 액체의 액면보다 낮은 위치에 있어서, 제1 접속부(52a)로부터 유체실(51) 내에 액체가 유입된다. 이에 의해, 제1 접속부(52a)로부터 유체실(51) 내에 유입된 액체와, 이미 유체실(51) 내에 존재하고 있는 액체의 충돌이 완화되어, 액체끼리의 충돌에 의한 기포의 발생을 저감할 수 있다. 더불어, 액체 배출 유로(53)와 유체실(51)의 제2 접속부(53a)는 유체실(51)의 상부에 위치하고 있으므로, 유체실(51) 내에서 발생한 기포는, 액체 배출 유로(53)를 통하여 빠르게 배출할 수 있다.

개구부(54)는, 막 두께 측정 헤드(31)로부터 기판(W)의 표면에 조사되는 광, 및 막 두께 측정 헤드(31)에서 받는 기판(W)으로부터의 반사광의 광로 상에 마련되어 있다. 개구부(54)는 유체실(51)의 하단에 연통되어 있고, 개구부(54)의 폭 a1은 유체실(51)의 폭 a2보다 작다. 이에 의해, 유체실(51)에 발생한 기포가 개구부(54)에 머무르지 않고 유체실(51)의 상부에 분산된다. 일 실시 형태에서는, 개구부(54)의 폭 a1은 1.0mm 내지 2.0mm의 범위 내이다. 이것은, 유체실(51)로부터 개구부(54)를 통하여 유출되는 액체의 유량을 최소한으로 하여, 기판(W) 상의 연마액의 희석을 방지하기 위해, 및 막 두께 측정 헤드(31)로부터 방사되는 광 및 기판(W)으로부터의 반사광의 통로를 확보하기 위해서이다. 개구부(54)는, 기판(W)의 막 두께를 측정하기 위해 기판(W)의 표면에 대향하여 근접 가능하다. 일 실시 형태에서는, 개구부(54)의 하단에서부터 기판(W)의 표면, 즉 피연마면(2)까지의 거리 b1은, 0.5mm 내지 1.0mm의 범위 내이다. 이것도, 유체실(51)로부터 개구부(54)를 통하여 유출되는 액체의 유량을 최소한으로 하여, 기판(W) 상의 연마액의 희석을 방지하기 위해서이다.

액체 공급 유로(52)와 유체실(51)의 제1 접속부(52a)가 위치하는 부분의 유체실(51)의 폭 a2는, 막 두께 측정 헤드(31)의 하단(31a)과 면하고 있는 부분의 유체실(51)의 폭 a3보다 작다. 이에 의해, 유체실(51)에 발생한 기포가 막 두께 측정 시의 광로 상에 머무르지 않고, 광로의 외측에 분산된다. 제2 접속부(53a)는, 막 두께 측정 헤드(31)의 하단에 위치하고 있다. 보다 구체적으로는, 제2 접속부(53a)로부터 연장되는, 액체 배출 유로(53)의 상면(53b)은, 막 두께 측정 헤드(31)의 하단보다 높은 위치에 있다. 이러한 배치에 의해, 기포는 유체실(51) 내에 머무르지 않고, 액체 배출 유로(53)를 통하여 빠르게 배출된다.

공급 밸브(44)(도 13 참조)가 개방되면, 액체 공급 라인(42)을 흐르는 액체는, 액체 공급 유로(52)를 통하여 유체실(51)에 공급된다. 유체실(51)에 공급된 액체는, 개구부(54)로부터 기판(W)의 피연마면(2)에 공급된다. 배출 밸브(45)(도 13 참조)가 개방되면, 유체실(51) 내의 액체는, 액체 배출 유로(53)를 통하여 액체 배출 라인(43)을 흘러, 액체 펌프(48)(도 13 참조)에 의해 액체 배출 라인(43)의 밖으로 배출된다. 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)는, 액체 공급 유로(52)를 흐르는 액체의 유량이, 액체 배출 유로(53)를 흐르는 액체의 유량보다 많아지도록 구성되어 있다. 액체 공급 배관(43)으로부터 공급되는 액체는, 예를 들어 순수이다. 액체는 투명한 액체이면 되며, 예를 들어 연마액에 사용되는 KOH 용액 등이어도 된다. 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)가 개방되면, 유체실(51) 내에 액체가 채워짐과 함께, 기판(W)에 액체가 공급되어, 기판(W) 상에 존재하는 연마액 등의 이물이 제거된다. 막 두께 측정 시의 광로가 투명한 액체로 채워지기 때문에, 높은 정밀도로 연마 중의 기판(W)의 막 두께를 측정할 수 있다. 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)는, 막 두께 측정 헤드(31)의 위치에 구애되지 않고, 기판(W)의 연마 중에 상시 개방해도 되고, 막 두께 측정 헤드(31)가 측정 위치에 있을 때만 개방해도 된다.

일 실시 형태에서는, 액체 배출 유로(53)를 흐르는 액체의 유량은, 액체 공급 유로(52)를 흐르는 액체의 유량의 90％ 내지 95％의 범위 내이며, 개구부(54)로부터 기판(W)에 공급되는 액체의 유량은, 액체 공급 유로(52)를 흐르는 액체의 유량의 5％ 내지 10％의 범위 내이다. 개구부(54)로부터 공급되는 액체의 유량을 최소한으로 함으로써, 기판(W) 상의 연마액이 희석되어 연마 성능을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

도 16은, 기판(W)의 막 두께를 측정하는 공정의 일례를 설명하는 흐름도이다.

스텝 S201에서는, 스테이지(10)는, 기판(W)의 피연마면(2)이 상향인 상태에서 기판(W)을 지지하고, 스테이지 회전 기구는 스테이지(10)를 회전시킨다.

스텝 S202에서는, 연마 유닛(20)은, 연마액 공급 노즐(28)로부터 연마액을 기판(W)에 공급하면서 기판(W)의 연마를 개시한다.

스텝 S203에서는, 연마 헤드 이동 기구(24)는 연마 헤드(21)의 이동을 개시하고, 막 두께 측정 헤드 이동 기구(37)는 막 두께 측정 헤드(31)의 이동을 개시한다. 이때, 연마 헤드(21)와 막 두께 측정 헤드(31)는 서로 접촉하지 않도록 이동한다.

스텝 S204에서는, 공급 밸브(44) 및 배출 밸브(45)를 개방하여, 헤드 노즐(40)의 유체실(51)에 액체를 공급하면서, 유체실(51)로부터 액체를 배출한다.

스텝 S205에서는, 막 두께 측정 헤드(31)를 측정 위치로 이동하여, 헤드 노즐(40)의 개구부(54)를 기판(W)의 표면에 근접시켜, 헤드 노즐(40)로부터 기판(W)에 액체가 공급된다.

스텝 S206에서는, 광원(32)은 광을 발하고, 광을 막 두께 측정 헤드(31)로부터 유체실(51) 및 개구부(54)를 통하여, 기판(W)의 표면에 광을 조사한다.

스텝 S207에서는, 막 두께 측정 헤드(31)는, 유체실(51) 및 개구부(54)를 통하여, 기판(W)으로부터의 반사광을 받는다.

스텝 S208에서는, 분광기(33)는, 기판(W)으로부터의 반사광의 강도를 파장마다 측정하여, 반사광의 강도 측정 데이터를 스펙트럼 해석부(34)에 보낸다. 스펙트럼 해석부(34)는, 반사광의 강도 측정 데이터로부터 반사광의 스펙트럼을 생성하여, 기판(W)의 막 두께를 결정한다.

스텝 S209에서는, 결정된 기판(W)의 막 두께가 목표값에 도달하였는지 여부를 판단한다. 결정된 기판(W)의 막 두께가 목표값에 도달하였을 때(스텝 S209의 「예」), 연마 유닛(20)은 기판(W)의 연마를 종료한다(스텝 S210). 결정된 기판(W)의 막 두께가 목표값에 도달하지 않았을 때(스텝 S209의 「아니오」), 연마 유닛(20)은 기판(W)의 연마를 계속하여, 스텝 S205 내지 S209를 반복한다.

상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자가 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 한정되는 일은 없으며, 특허청구의 범위에 의해 정의되는 기술적 사상에 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.

1: 기판 연마 장치
2: 피연마면
10: 스테이지
20: 연마 유닛
21: 연마 헤드
22: 연마 패드
22a: 연마면
23: 연마 헤드 암
24: 연마 헤드 이동 기구
25: 회전 샤프트
26: 연마 헤드 회전 기구
28: 연마액 공급 노즐
30: 막 두께 측정 장치
31: 막 두께 측정 헤드
32: 광원
33: 분광기
34: 스펙트럼 해석부
34a: 기억 장치
34b: 처리 장치
36: 막 두께 측정 헤드 암
37: 막 두께 측정 헤드 이동 기구
38: 투광용 광 파이버 케이블
39: 수광용 광 파이버 케이블
40: 헤드 노즐
41: 파이버 보유 지지부
42: 액체 공급 라인
43: 액체 배출 라인
44: 공급 밸브
45: 배출 밸브
46, 47: 유량계
48: 액체 펌프
51: 유체실
52: 액체 공급 유로
52a: 제1 접속부
52b: 제1 배관 접속부
53: 액체 배출 유로
53a: 제2 접속부
53b: 상면
53c: 제2 배관 접속부
54: 개구부
60: 동작 제어부
60a: 기억 장치
60b: 처리 장치
71: 제1 유로 시스템
72: 제2 유로 시스템
142: 제1 액체 공급 라인
143: 제1 액체 배출 라인
144: 제1 공급 밸브
145: 제1 배출 밸브
146, 147: 유량계
148: 액체 펌프
151: 유체실
152: 제1 액체 공급 유로
152a: 제1 접속부
152b: 제1 배관 접속부
153: 제1 액체 배출 유로
153a: 제2 접속부
153b: 상면
153c: 제2 배관 접속부
154: 개구부
242: 제2 액체 공급 라인
243: 제2 액체 배출 라인
244: 제2 공급 밸브
245: 제2 배출 밸브
246, 247: 유량계
248: 액체 펌프
252: 제2 액체 공급 유로
252a: 제3 배관 접속부
252b: 굴곡부
253: 제2 액체 배출 유로
253a: 제4 배관 접속부
253b: 굴곡부
254: 액체 토출구
255: 액체 흡입구
257: 집액 홈

Claims

기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하여, 상기 기판을 회전시키는 스테이지와,
상기 스테이지에 지지된 상기 기판을 연마하기 위한 연마면을 갖는 연마 패드를 보유 지지하는 연마 헤드와,
상기 기판의 표면 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐과,
상기 스테이지 상의 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 받는 막 두께 측정 헤드와,
상기 반사광의 스펙트럼을 생성하여, 상기 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 스펙트럼 해석부와,
상기 막 두께 측정 헤드가 설치된 헤드 노즐을 구비하고,
상기 헤드 노즐은, 상기 광 및 상기 반사광의 광로를 가로지르는 액체의 흐름을 형성하는 제1 유로 시스템 및 제2 유로 시스템을 구비하고,
상기 제1 유로 시스템은, 상기 광로 상에 위치하는 개구부를 갖고,
상기 제2 유로 시스템은, 액체 토출구 및 액체 흡입구를 갖고 있고, 상기 액체 토출구와 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부의 양측에 위치하고 있는, 기판 연마 장치.
제1항에 있어서, 상기 액체 토출구 및 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부에 관하여 대칭으로 배치되어 있는, 기판 연마 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개구부, 상기 액체 토출구, 및 상기 액체 흡입구는, 상기 헤드 노즐의 바닥면 내에 위치하고 있는, 기판 연마 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 토출구는, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 개구부 및 상기 액체 흡입구보다 상류측에 위치하고 있는, 기판 연마 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 유로 시스템은,
상기 광로 상에 마련된 유체실과,
상기 유체실에 액체를 공급하기 위한 제1 액체 공급 유로와,
상기 유체실로부터 액체를 배출하기 위한 제1 액체 배출 유로와,
상기 유체실의 하단에 연통되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 상기 개구부를 갖고 있고,
상기 제2 유로 시스템은,
상기 기판의 표면 상에 액체를 공급하기 위한 제2 액체 공급 유로와,
상기 기판의 표면 상의 액체를 배출하기 위한 제2 액체 배출 유로와,
상기 제2 액체 공급 유로에 연통되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 상기 액체 토출구와,
상기 제2 액체 배출 유로에 연통되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 상기 액체 흡입구를 갖고 있는, 기판 연마 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 토출구 및 상기 액체 흡입구는 모두 상기 개구부보다 큰, 기판 연마 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체 흡입구는 상기 액체 토출구보다 큰, 기판 연마 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 유로 시스템은, 상기 액체 흡입구에 접속된, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 집액 홈을 더 구비하고,
상기 집액 홈은, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 액체 흡입구의 상류측에 위치하고 있고,
상기 집액 홈의 폭은 상기 액체 흡입구의 폭보다 큰, 기판 연마 장치.
기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하여, 상기 기판을 회전시키고,
상기 기판의 표면에 연마액을 공급하면서, 연마면을 갖는 연마 패드를 연마 헤드에 의해 상기 기판에 압박하여 상기 기판을 연마하고,
상기 기판의 표면에 근접하는 헤드 노즐에 마련된 개구부에 액체를 흘리면서, 또한 상기 헤드 노즐에 마련된 액체 토출구로부터 상기 기판의 표면 상에 액체를 공급하며, 또한 상기 기판의 표면 상의 액체를 액체 흡입구를 통하여 흡입하면서, 막 두께 측정 헤드로부터 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하고,
상기 개구부를 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받고,
상기 반사광의 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 공정을 포함하고,
상기 액체 토출구와 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부의 양측에 위치하고 있는, 기판 연마 방법.
제9항에 있어서, 상기 헤드 노즐에 마련된 상기 개구부에 액체를 흘리는 공정은, 상기 헤드 노즐에 마련된 유체실 및 상기 개구부에 액체를 흘리는 공정이고,
상기 막 두께 측정 헤드로부터 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하는 공정은, 상기 막 두께 측정 헤드로부터 상기 유체실 및 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하는 공정이고,
상기 개구부를 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받는 공정은, 상기 개구부 및 상기 유체실을 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받는 공정인, 기판 연마 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 액체 토출구 및 상기 액체 흡입구는, 상기 개구부에 관하여 대칭으로 배치되어 있는, 기판 연마 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 개구부, 상기 액체 토출구, 및 상기 액체 흡입구는, 상기 헤드 노즐의 바닥면 내에 위치하고 있는, 기판 연마 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 액체 토출구는, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 개구부 및 상기 액체 흡입구보다 상류측에 위치하고 있는, 기판 연마 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 액체 토출구 및 상기 액체 흡입구는 모두 상기 개구부보다 큰, 기판 연마 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 액체 흡입구는 상기 액체 토출구보다 큰, 기판 연마 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 헤드 노즐은, 상기 액체 흡입구에 접속된 집액 홈을 갖고 있고,
상기 집액 홈은, 상기 기판의 회전 방향에 있어서, 상기 액체 흡입구의 상류측에 위치하고 있고,
상기 집액 홈의 폭은, 상기 액체 흡입구의 폭보다 큰, 기판 연마 방법.
기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하는 스테이지와,
상기 스테이지에 지지된 상기 기판을 연마하기 위한 연마면을 갖는 연마 패드를 보유 지지하는 연마 헤드와,
상기 기판의 표면 상에 연마액을 공급하는 연마액 공급 노즐과,
상기 스테이지 상의 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 받는 막 두께 측정 헤드와,
상기 반사광의 스펙트럼을 생성하여, 상기 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 스펙트럼 해석부와,
상기 막 두께 측정 헤드가 설치된 헤드 노즐을 구비하고,
상기 헤드 노즐은,
상기 광 및 상기 반사광의 광로 상에 마련된 유체실과,
상기 유체실에 액체를 공급하기 위한 액체 공급 유로와,
상기 유체실로부터 액체를 배출하기 위한 액체 배출 유로와,
상기 광로 상에 마련되고, 상기 기판의 표면에 근접 가능한 개구부를 갖고,
상기 액체 공급 유로와 상기 유체실의 제1 접속부는, 상기 유체실의 하부에 위치하고 있고,
상기 액체 배출 유로와 상기 유체실의 제2 접속부는, 상기 유체실의 상부에 위치하고 있고,
상기 개구부는 상기 유체실의 하단에 연통되어 있고, 상기 개구부의 폭은 상기 유체실의 폭보다 작은, 기판 연마 장치.
제17항에 있어서, 상기 제2 접속부는, 상기 막 두께 측정 헤드의 하단에 위치하고 있는, 기판 연마 장치.
제18항에 있어서, 상기 제2 접속부로부터 연장되는, 상기 액체 배출 유로의 상면은, 상기 막 두께 측정 헤드의 하단보다 높은 위치에 있는, 기판 연마 장치.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구부의 폭은 1.0mm 내지 2.0mm의 범위 내인, 기판 연마 장치.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 공급 유로에 접속된 공급 밸브와, 상기 액체 배출 유로에 접속된 배출 밸브를 더 구비하고,
상기 공급 밸브 및 상기 배출 밸브는, 상기 액체 공급 유로를 흐르는 액체의 유량이, 상기 액체 배출 유로를 흐르는 액체의 유량보다 많아지도록 구성되어 있는, 기판 연마 장치.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드를 연마 위치와 비연마 위치 사이에서 이동시키기 위한 연마 헤드 이동 기구와,
상기 막 두께 측정 헤드를 측정 위치와 비측정 위치 사이에서 이동시키기 위한 막 두께 측정 헤드 이동 기구와,
상기 연마 헤드 이동 기구 및 상기 막 두께 측정 헤드 이동 기구에 접속된 동작 제어부를 더 구비하고,
상기 동작 제어부는, 상기 연마 헤드와 상기 막 두께 측정 헤드가 서로 접촉하지 않도록 상기 연마 헤드 이동 기구 및 상기 막 두께 측정 헤드 이동 기구를 제어하도록 구성되어 있는, 기판 연마 장치.
기판의 피연마면을 상향으로 하여 지지하고,
상기 기판의 표면에 연마액을 공급하면서, 연마면을 갖는 연마 패드를 연마 헤드에 의해 상기 기판에 압박하여 상기 기판을 연마하고,
헤드 노즐의 개구부를 상기 기판의 표면에 근접시켜,
액체 공급 유로로부터 상기 헤드 노즐의 유체실에 액체를 공급하며, 또한 상기 액체를 상기 유체실로부터 액체 배출 유로를 통하여 배출하면서, 막 두께 측정 헤드로부터 상기 유체실 및 상기 개구부를 통하여, 상기 기판의 표면 상의 측정 영역에 광을 조사하고,
상기 유체실 및 상기 개구부를 통하여, 상기 측정 영역으로부터의 반사광을 상기 막 두께 측정 헤드에서 받고,
상기 반사광의 스펙트럼으로부터 상기 기판의 막 두께를 결정하는 공정을 포함하고,
상기 액체 공급 유로와 상기 유체실의 제1 접속부는, 상기 액체 배출 유로와 상기 유체실의 제2 접속부보다 하방에 위치하고 있고,
상기 개구부는 상기 유체실의 하단에 연통되어 있고, 상기 개구부의 폭은 상기 유체실의 폭보다 작은, 기판 연마 방법.
제23항에 있어서, 상기 제2 접속부는, 상기 막 두께 측정 헤드의 하단에 위치하고 있는, 기판 연마 방법.
제24항에 있어서, 상기 제2 접속부로부터 연장되는, 상기 액체 배출 유로의 상면은, 상기 막 두께 측정 헤드의 하단보다 높은 위치에 있는, 기판 연마 방법.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 표면에 근접시켰을 때의 상기 개구부의 하단에서부터 상기 기판의 표면까지의 거리는 0.5mm 내지 1.0mm의 범위 내인, 기판 연마 방법.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 공급 유로를 흐르는 액체의 유량은, 상기 액체 배출 유로를 흐르는 액체의 유량보다 많은, 기판 연마 방법.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 헤드와, 상기 막 두께 측정 헤드가 서로 접촉하지 않도록 이동하면서 상기 기판을 연마하여, 상기 기판의 막 두께를 결정하는 공정을 더 포함하는, 기판 연마 방법.