TWI567813B - Grinding method - Google Patents

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TWI567813B
TWI567813B TW102123143A TW102123143A TWI567813B TW I567813 B TWI567813 B TW I567813B TW 102123143 A TW102123143 A TW 102123143A TW 102123143 A TW102123143 A TW 102123143A TW I567813 B TWI567813 B TW I567813B
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Katsuhide Watanabe
Yoichi Kobayashi
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Ebara Corp
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Description

研磨方法
本發明係關於一種晶圓之研磨方法，特別是關於在研磨晶圓之後測定晶圓之膜厚，於膜厚未達到目標值時再研磨晶圓之研磨方法。
預期未來半導體設備將更加微細化。為了實現此種微細構造，對於CMP裝置為代表之研磨裝置要求更精密之處理控制及更高度之研磨性能。具體而言，係要求更正確之殘留膜控制(亦即研磨終點檢測精度)及更為改善之研磨結果(瑕疵少及平坦之被研磨面)。此外，也要求更高之生產性(Through put)。
現在之研磨裝置為了提高研磨精度，係進行稱為「再加工(Rework)」的再研磨。該再研磨係將經研磨裝置所研磨之晶圓搬入外部之膜厚測定裝置，以膜厚測定裝置測定研磨後之晶圓膜厚，為了消除測定之膜厚與目標膜厚的差分，而再度研磨晶圓之工序。
參照第一圖說明先前晶圓研磨方法之流程。一般而言，研磨裝置區分成研磨部與洗淨部。晶圓首先搬送至研磨部。研磨部將研磨液(slurry：研磨泥)供給研磨台上之研磨墊，同時使晶圓與研磨墊滑動接觸而研磨晶圓(步驟1)。研磨後之晶圓其次搬送至洗淨部，在此洗淨晶圓(步驟2)，接著，將洗淨後之晶圓乾燥(步驟3)。
如此處裡後之晶圓，其次搬送至設於研磨裝置外部之膜厚測定裝置 (步驟4)。在此，測定研磨後之晶圓的膜厚(步驟5)。將晶圓之膜厚與指定之目標膜厚作比較(步驟6)，晶圓之膜厚未達到目標膜厚時，晶圓再度搬入研磨裝置，再次研磨、洗淨，而後乾燥。但是，此種稱為再加工之再研磨雖有助於實現正確的膜厚，但是晶圓從最初研磨至再研磨需要花費某種程度的時間，導致生產性(Through put)降低。
按照上述研磨方法，可依據外部膜厚測定裝置之膜厚測定結果調整後續之晶圓的研磨條件(研磨時間、研磨壓力等)。但是，因為調整後之研磨條件適用於晶圓研磨之前，已經有數片晶圓研磨結束，所以此等晶圓之研磨時並未反映調整後之研磨條件。為了將調整後之研磨條件適用於其次晶圓之研磨，其次晶圓必須等待之前晶圓的膜厚測定結束，且研磨條件之調整完成後才能實施研磨。但是此種操作導致生產性(Through put)降低。
【先前技術文獻】 【專利文獻】
[專利文獻1]日本特開2004-12302號公報
[專利文獻2]日本特開平8-99264號公報
[專利文獻3]日本特開平9-109023號公報
本發明係鑑於上述先前之問題而形成者，其目的為提供一種可減少再研磨需要時間或是免除再研磨，且可將調整後之研磨條件直接適 用於其次晶圓之研磨的研磨方法。
為了達成上述目的，本發明第一種樣態之研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：進行以研磨部研磨前述晶圓之研磨工序，在洗淨及乾燥前述研磨後的晶圓之前，將該晶圓搬送至濕型膜厚測定器，藉由前述濕型膜厚測定器測定前述膜之現在厚度，比較前述現在厚度與指定之目標值，前述現在厚度未達到前述指定之目標值時，在洗淨及乾燥前述晶圓之前，進行以前述研磨部再研磨該晶圓之再研磨工序。
本發明適合之樣態的特徵為：進一步包含算出為了使前述現在厚度達到前述指定之目標值需要的追加研磨時間之工序，前述再研磨工序係將前述晶圓以前述研磨部再研磨前述追加研磨時間程度之工序。
本發明適合之樣態的特徵為：前述研磨工序在前述膜厚度達到前述指定之目標值之前停止。
本發明適合之樣態的特徵為：前述研磨工序及前述再研磨工序，係將研磨液供給安裝於同一個研磨台之研磨墊上，同時使前述晶圓滑動接觸於前述研磨墊之工序。
本發明適合之樣態的特徵為：前述研磨工序係將研磨液供給安裝於研磨台之研磨墊上，同時使前述晶圓滑動接觸於前述研磨墊之工序；前述再研磨工序係將研磨液供給安裝於另外研磨台之研磨墊上，同時使前述晶圓滑動接觸於前述另外研磨台上之前述研磨墊的 工序。
本發明適合之樣態的特徵為：前述現在厚度達到前述指定之目標值時，洗淨前述晶圓，並使其乾燥。
本發明適合之樣態的特徵為：進行前述再研磨工序時、及/或藉由前述濕型膜厚測定器測定前述膜之現在厚度時，在後續之晶圓上噴灑液體。
本發明適合之樣態的特徵為：計算因發生前述再研磨工序導致後續晶圓開始研磨時間之延遲，調整開始前述後續晶圓之研磨的時序(timing)。
本發明第二種樣態之研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：以膜厚感測器測定前述膜之厚度，同時研磨前述晶圓，從前述膜厚感測器獲得之現在膜厚的測定值達到指定值時，停止前述晶圓之研磨，將研磨後之前述晶圓搬送至濕型膜厚測定器，藉由前述濕型膜厚測定器測定前述膜之現在厚度，依據從前述膜厚感測器獲得之現在膜厚的測定值、與從前述濕型膜厚測定器獲得之現在膜厚的測定值，校正前述膜厚感測器，而研磨後續之晶圓，同時，以前述校正後之膜厚感測器測定前述後續晶圓之膜厚度，從前述膜厚感測器獲得之前述膜厚度達到指定之自標值時，停止前述後續晶圓之研磨。
本發明第三種樣態之研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：進行以研磨部研磨前述晶圓之研磨工序，前述研磨工序後，在前述晶圓表面潮濕狀態下，將該晶圓搬送至濕型膜厚測定 器，藉由前述濕型膜厚測定器測定前述膜之現在厚度，比較前述現在厚度與指定之目標值，前述現在厚度未達到前述指定之目標值時，在洗淨及乾燥前述晶圓之前，進行以前述研磨部再研磨該晶圓之再研磨工序。
第二圖係顯示上述本發明第一種及第三種樣態之研磨方法的流程圖。如第二圖所示，按照本發明，係在洗淨、乾燥研磨後的晶圓之前，測定潮濕狀態之晶圓膜厚。測定之膜厚未達到指定目標情況下，晶圓返回研磨部進行再研磨。如此，由於可在洗淨及乾燥晶圓之前再研磨其晶圓，因此可縮短再研磨需要時間。結果可使生產性提高。再者，可將依據膜厚測定結果而調整之研磨條件(研磨時間、研磨壓力等)適用於其次晶圓之研磨。因此，可使生產性提高。
按照本發明第二種樣態，係使用測定精度高之濕型膜厚測定器的膜厚測定值校正膜厚感測器。因此，提高後續晶圓研磨中之當場膜厚測定的精度，結果可免除晶圓再研磨。再者，可將依據膜厚測定結果而調整之研磨條件(研磨時間、研磨壓力等)適用於其次晶圓之研磨。因此，可使生產性提高。
1‧‧‧機殼
1a,1b‧‧‧隔壁
2‧‧‧裝載/卸載部
3‧‧‧研磨部
3A,3B,3C,3D‧‧‧第一~第四研磨單元
4‧‧‧洗淨部
5‧‧‧動作控制部
6‧‧‧第一線性搬送器
7‧‧‧第二線性搬送器
10‧‧‧研磨墊
10a‧‧‧研磨面
11‧‧‧升降機
12‧‧‧搖擺搬送器
16‧‧‧頂環轉軸
17‧‧‧連結手段
18‧‧‧頂環馬達
19‧‧‧平臺馬達
20‧‧‧前裝載部
21‧‧‧行駛機構
22‧‧‧搬送機器人
30A,30B,30C,30D‧‧‧第一~第四研磨台
30a‧‧‧平臺軸
31A,31B,31C,31D‧‧‧第一~第四頂環
32A,32B,32C,32D‧‧‧第一~第四研磨液供給機構
33A,33B,33C,33D‧‧‧第一~第四修整器
34A,34B,34C,34D‧‧‧第一~第四噴霧器
40‧‧‧光學式膜厚感測器
42,142‧‧‧投光部
43‧‧‧光纖
44,144‧‧‧分光器
47,147‧‧‧光源
48‧‧‧光纖
50A‧‧‧第一孔
50B‧‧‧第二孔
51‧‧‧通孔
53‧‧‧液體供給路徑
54‧‧‧液體排出路徑
55‧‧‧液體供給源
56‧‧‧萬向接頭
57‧‧‧頂環本體
58‧‧‧扣環
60‧‧‧渦電流式膜厚感測器
61‧‧‧線圈
62‧‧‧隔膜
63‧‧‧夾持板
64‧‧‧壓力調整部
70‧‧‧轉矩電流計測器
72‧‧‧暫放台
73‧‧‧一次洗淨器
74‧‧‧二次洗淨器
75‧‧‧乾燥器
77‧‧‧第一搬送機器人
78‧‧‧第二搬送機器人
79‧‧‧搬送機器人
80‧‧‧濕型膜厚測定器
81‧‧‧水槽
82‧‧‧握持部
83‧‧‧支撐臂
84‧‧‧光學式膜厚測定頭
85‧‧‧定向檢測器
87‧‧‧測定臺
90‧‧‧透明窗
92‧‧‧水平移動機構
101‧‧‧層間絕緣膜
102‧‧‧第一硬掩膜
103,110‧‧‧絕緣膜
104‧‧‧第二硬掩膜
105,111‧‧‧障壁膜
106‧‧‧導電膜
107‧‧‧銅膜
108,113‧‧‧配線
112‧‧‧鎢膜
120‧‧‧基底層
121‧‧‧金屬配線
122‧‧‧層間絕緣膜
130,140‧‧‧矽層
131‧‧‧二氧化矽膜
132‧‧‧氮化矽膜
133‧‧‧絕緣膜
141‧‧‧多晶矽
142‧‧‧側壁
144‧‧‧絕緣膜
143‧‧‧受光部
150‧‧‧處理部
F1,F2,F3,F4,F5‧‧‧流體路徑
G(G1~G3)‧‧‧距離
H‧‧‧基準線
I1‧‧‧交流電流
I2‧‧‧渦電流
L1,L2‧‧‧自感
M‧‧‧相互電感
P‧‧‧基準點
P1,P2,P3,P4‧‧‧壓力室
R‧‧‧相對反射率
R1,R2‧‧‧等價電阻
Rn‧‧‧預備測定直線
S‧‧‧交流電源
TP1~TP7‧‧‧第一~第七搬送位置
W‧‧‧晶圓
θ‧‧‧角度
λ‧‧‧波長
α‧‧‧膜厚
第一圖係說明先前之晶圓研磨方法的流程圖。
第二圖係顯示本發明之研磨方法的流程圖。
第三圖係顯示可執行本發明實施形態之研磨方法的研磨裝置圖。
第四圖係模式顯示第一研磨單元之斜視圖。
第五圖係顯示第四圖所示之頂環(top ring)的剖面圖。
第六(a)圖及第六(b)圖係顯示濕型膜厚測定器之示意圖。
第七圖係顯示晶圓剖面構造之一例圖。
第八(a)圖及第八(b)圖係顯示第七圖所示之晶圓的研磨方法之一例圖。
第九圖係用於說明第八(a)圖及第八(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第十(a)圖至第十(d)圖係顯示第七圖所示之晶圓研磨方法的其他例圖。
第十一圖係用於說明第十(a)圖至第十(d)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第十二(a)圖至第十二(d)圖係顯示第七圖所示之晶圓研磨方法的另外例圖。
第十三圖係用於說明第十二(a)圖至第十二(d)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第十四圖係由鎢膜、障壁膜及絕緣膜構成之積層構造的剖面圖。
第十五(a)圖及第十五(b)圖係顯示第十四圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。
第十六圖係用於說明第十五(a)圖及第十五(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第十七圖係形成有層間絕緣膜(IDL)之晶圓的剖面圖。
第十八(a)圖及第十八(b)圖係顯示第十七圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。
第十九圖係用於說明第十八(a)圖及第十八(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第二十圖係顯示STI(淺溝隔離)程序之晶圓的剖面圖。
第二十一(a)圖及第二十一(b)圖係顯示第二十圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。
第二十二圖係用於說明第二十一(a)圖及第二十一(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第二十三圖係形成有在形成高介電常數(High-k)金屬閘過程中適用CMP之積層構造的晶圓剖面圖。
第二十四(a)圖至第二十四(d)圖係顯示第二十三圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。
第二十五圖係用於說明第二十四(a)圖至第二十四(d)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。
第二十六圖係用於說明第二十四(a)圖至第二十四(d)圖所示之晶圓另外研磨方法的流程圖。
第二十七圖係顯示具備渦電流式膜厚感測器及光學式膜厚感測器之第一研磨單元的模式剖面圖。
第二十八圖係用於說明光學式膜厚感測器之原理的示意圖。
第二十九圖係顯示晶圓與研磨台之位置關係的平面圖。
第三十圖係顯示藉由動作控制部所生成之光譜圖。
第三十一圖係從藉由動作控制部所生成之現在光譜與複數個基準光譜的比較來決定現在膜厚之程序的說明圖。
第三十二圖係顯示對應於膜厚差△α之2個光譜的示意圖。
第三十三圖係顯示用於說明渦電流式膜厚感測器之原理的電路圖。
第三十四圖係顯示藉由將隨膜厚變化之X,Y標記在XY座標系統上而描繪的曲線圖。
第三十五圖係顯示使第三十四圖之曲線圖形逆時針旋轉90度，進一步平行移動的曲線圖。
第三十六圖係顯示隨線圈與晶圓之距離而變化的XY座標之圓弧軌跡圖。
第三十七圖係顯示隨研磨時間而變化之角度θ的曲線。
第三十八圖係顯示濕型膜厚測定器之光學式膜厚測定頭的詳細示意圖。
以下，就本發明之實施形態，參照圖式作說明。
第三圖係顯示可執行本發明實施形態之研磨方法的研磨裝置圖。如第三圖所示，該研磨裝置具備概略矩形狀之機殼1，機殼1之內部藉由隔壁1a,1b劃分成裝載/卸載部2、研磨部3與洗淨部4。研磨裝置具有控制晶圓處理動作之動作控制部5。
裝載/卸載部2具備放置貯存多數個晶圓(基板)之晶圓匣盒的前裝載部20。該裝載/卸載部2中，沿著前裝載部20之列敷設有行駛機構21，在該行駛機構21上設置可沿著晶圓匣盒之排列方向而移動的2台搬送機器人(裝載機)22。搬送機器人22藉由在行駛機構21上移動，可進入搭載於前裝載部20上的晶圓匣盒。
研磨部3係進行晶圓研磨之區域，且具備第一研磨單元3A、第二研磨單元3B、第三研磨單元3C及第四研磨單元3D。如第三圖所示，第一研磨單元3A具備安裝了具有研磨面之研磨墊10的第一研磨台30A；保持晶圓，且將晶圓按壓於第一研磨台30A上之研磨墊10而研磨用的第一頂環31A；用以將研磨液(例如研磨泥)或修整液(例如純水)供給研磨墊10上之第一研磨液供給機構32A；進行研磨墊10之研磨面的修整用之第一修整器33A；及將液體(例如純水)與氣體(例如氮氣)之混合流體或液體(例如純水)形成霧狀，而噴射於研磨面之第一噴霧器34A。
同樣地，第二研磨單元3B具備安裝了研磨墊10之第二研磨台30B、第二頂環31B、第二研磨液供給機構32B、第二修整器33B及第二噴霧器34B；第三研磨單元3C具備安裝了研磨墊10之第三研磨台30C、第三頂環31C、第三研磨液供給機構32C、第三修整器33C及第三噴霧器34C；第四研磨單元3D具備安裝了研磨墊10之第四研磨台30D、第四頂環31D、第四研磨液供給機構32D、第四修整器33D及第四噴霧器34D。
由於第一研磨單元3A、第二研磨單元3B、第三研磨單元3C及第四研磨單元3D相互具有相同之構成，因此，以下就第一研磨單元3A，參照第四圖作說明。第四圖係模式顯示第一研磨單元之斜視圖。另外，第四圖中省略修整器33A及噴霧器34A。
研磨台30A經由平臺軸30a連結於配置在其下方之平臺馬達19，研磨台30A藉由該平臺馬達19可在箭頭所示之方向旋轉。在該研磨台 30A之上面貼合有研磨墊10，研磨墊10之上面構成研磨晶圓W之研磨面10a。頂環31A連結於頂環轉軸16之下端。頂環31A構成可藉由真空吸著而在其下面保持晶圓W。頂環轉軸16可藉由無圖示之上下移動機構而上下移動。
在研磨台30A之內部配置有取得隨晶圓W的膜厚而變化之膜厚信號的光學式膜厚感測器40及渦電流式膜厚感測器60。此等膜厚感測器40,60如符號A所示，與研磨台30A一體旋轉，而取得保持於頂環31A之晶圓W的膜厚信號。光學式膜厚感測器40及渦電流式膜厚感測器60連接於第三圖所示之動作控制部5，藉由此等膜厚感測器40,60所取得之膜厚信號傳送至動作控制部5。動作控制部5從膜厚信號生成直接或間接表示膜厚之膜厚指標值。
再者，設有計測使研磨台30A旋轉之平臺馬達19的輸入電流(亦即轉矩電流)之轉矩電流計測器70。藉由轉矩電流計測器70所計測之轉矩電流值傳送至動作控制部5，在晶圓W研磨中，藉由動作控制部5監視轉矩電流值。
晶圓W之研磨進行如下。使頂環31A及研磨台30A分別在箭頭所示之方向旋轉，並從研磨液供給機構32A將研磨液(研磨泥)供給研磨墊10上。在該狀態下，於下面保持晶圓W之頂環31A藉由頂環轉軸16而下降，將晶圓W按壓於研磨墊10之研磨面10a。晶圓W之表面藉由研磨液中所含之研磨粒的機械性作用與研磨液之化學性作用而研磨。研磨結束後，藉由修整器33A進行研磨面10a之修整(調理)，進一步從噴霧器34A供給高壓流體至研磨面10a，以除去殘留 於研磨面10a上的研磨屑及研磨粒等。
頂環31A構成可將晶圓之複數個區域獨立按壓於研磨墊。第五圖係顯示第四圖所示之頂環31A的剖面圖。頂環31A具備經由萬向接頭56而連結於頂環轉軸16之頂環本體57、及配置於頂環本體57下部之扣環58。
在頂環本體57之下方配置有抵接於晶圓W之柔軟的隔膜62、及保持隔膜62之夾持板(chucking plate)63。在隔膜62與夾持板63之間設有4個壓力室(氣囊)P1,P2,P3,P4。壓力室P1,P2,P3,P4藉由隔膜62與夾持板63而形成，中央之壓力室P1係圓形，其他壓力室P2,P3,P4係環狀。此等壓力室P1,P2,P3,P4排列於同心上。
壓力室P1,P2,P3,P4中分別經由流體路徑F1,F2,F3,F4，而藉由壓力調整部64供給加壓空氣等加壓流體，或是可進行真空吸引。壓力室P1,P2,P3,P4之內部壓力可分別獨立變化，藉此，可獨立調整對晶圓W之4個區域，亦即對中央部、內側中間部、外側中間部及周緣部的按壓力。此外，藉由使頂環31A全體升降，可以指定之按壓力將扣環58按壓於研磨墊10上。
在夾持板63與頂環本體57之間形成壓力室P5，該壓力室P5中經由流體路徑F5而藉由上述壓力調整部64供給加壓流體，或是可進行真空吸引。藉此，夾持板63及隔膜62全體可在上下方向運動。晶圓W之周端部被扣環58包圍，避免研磨中晶圓W從頂環31A跳出。在構成壓力室P3之隔膜62的部位形成有開口，藉由在壓力室P3中形成真空，可將晶圓W吸著保持於頂環31A。此外，藉由將氮氣或潔淨空 氣等供給該壓力室P3中，可從頂環31A釋出晶圓W。
動作控制部5依據對應於各壓力室P1,P2,P3,P4之晶圓表面區域上的膜厚指標值，決定各壓力室P1,P2,P3,P4之內部壓力的目標值。動作控制部5傳送指令信號至上述壓力調整部64，以壓力室P1,P2,P3,P4之內部壓力與上述目標值一致的方式控制壓力調整部64。如此，由於具有複數個壓力室之頂環31A可按照研磨進度將晶圓表面上之各區域獨立按壓於研磨墊10上，因此可均勻研磨膜。
回到第三圖，鄰接於第一研磨單元3A及第二研磨單元3B而配置有第一線性搬送器6。該第一線性搬送器6係在4個搬送位置(第一搬送位置TP1、第二搬送位置TP2、第三搬送位置TP3、第四搬送位置TP4)之間搬送晶圓的機構。此外，鄰接於第三研磨單元3C及第四研磨單元3D而配置有第二線性搬送器7。該第二線性搬送器7係在3個搬送位置(第五搬送位置TP5、第六搬送位置TP6、第七搬送位置TP7)之間搬送晶圓的機構。
晶圓藉由第一線性搬送器6搬送至研磨單元3A,3B。第一研磨單元3A之頂環31A藉由其搖擺動作而在研磨台30A的上方位置與第二搬送位置TP2之間移動。因此，係在第二搬送位置TP2將晶圓送交頂環31A。同樣地，第二研磨單元3B之頂環31B在研磨台30B的上方位置與第三搬送位置TP3之間移動，並在第三搬送位置TP3將晶圓送交頂環31B。第三研磨單元3C之頂環31C在研磨台30C的上方位置與第六搬送位置TP6之間移動，並在第六搬送位置TP6將晶圓送交頂環31C。第四研磨單元3D之頂環31D在研磨台30D的上方位置與第七搬 送位置TP7之間移動，並在第七搬送位置TP7將晶圓送交頂環31D。鄰接於第一搬送位置TP1配置有從搬送機器人22接收晶圓用之升降機11。晶圓經由該升降機11而從搬送機器人22送交第一線性搬送器6。位於升降機11與搬送機器人22之間，在隔壁1a設有閘門(無圖示)，搬送晶圓時打開閘門，從搬送機器人22送交晶圓至升降機11。在第一線性搬送器6、第二線性搬送器7及洗淨部4之間配置有搖擺搬送器12。從第一線性搬送器6向第二線性搬送器7送交晶圓係藉由搖擺搬送器12進行。晶圓藉由第二線性搬送器7搬送至第三研磨單元3C及/或第四研磨單元3D。
在研磨部3與洗淨部4之間配置有濕型膜厚測定器80。更具體而言，濕型膜厚測定器80鄰接於研磨部3之第四研磨單元3D而配置。在第二線性搬送器7與濕型膜厚測定器80之間配置有搬送機器人79。經研磨部3研磨後之晶圓藉由搬送機器人79從第二線性搬送器7搬送至濕型膜厚測定器80。因此，晶圓係藉由由第二線性搬送器7與搬送機器人79構成之搬送機，而在研磨部3與濕型膜厚測定器80之間搬送。亦可省略搬送機器人79，而由第二線性搬送器7將晶圓直接搬送至濕型膜厚測定器80。此時晶圓係藉由由第二線性搬送器7構成之搬送機而在研磨部3與濕型膜厚測定器80之間搬送。
濕型膜厚測定器80係可測定乾燥處理前之潮濕狀態的晶圓膜厚之濕型光學膜厚測定器。該濕型膜厚測定器80構成在測定對象之晶圓與光學式膜厚測定頭之間介有液體(通常係純水)之狀態下，測定形成於晶圓之光透過膜的膜厚。在測定之晶圓與膜厚測定頭之間， 以預定厚度存在已知物性之液體。以下，參照第六圖說明濕型膜厚測定器80。第六(a)圖及第六(b)圖係顯示濕型膜厚測定器80之示意圖。濕型膜厚測定器80具有貯留純水之水槽81、藉由真空吸引而握持晶圓W之握持部82、及測定晶圓W之膜厚的光學式膜厚測定頭84。
晶圓W藉由上述搬送機器人79而放置於支撐臂83之上。支撐臂83上之晶圓W藉由握持部82握持，其後，支撐臂83移動於從晶圓W離開之方向。握持部82構成可使晶圓W在其中心周圍旋轉，還構成可使晶圓W在上下方向移動。在水槽81之上方設有檢測晶圓W周方向之方向的定向檢測器85。該定向檢測器85藉由檢測形成於晶圓W周緣部之切口或是稱為定向平面的缺口，來檢測晶圓W之方向。藉由握持部82使晶圓W旋轉，並藉由定向檢測器85檢測晶圓W之方向，藉由握持部82使晶圓W旋轉至晶圓W朝向指定之方向。
在晶圓W朝向指定方向之狀態下，握持部82下降，晶圓W浸漬於水槽81內之水中。在水槽81內配置有放置晶圓W之複數個測定臺87，如第六(b)圖所示，晶圓W放置於該測定臺87之上。晶圓W之周緣部放置於測定臺87上時，晶圓W成為水平狀態。水槽81之底部由透明窗90構成，光學式膜厚測定頭84配置於透明窗90之下方。光學式膜厚測定頭84通過透明窗90照射光至水中之晶圓W，接受來自晶圓W之反射光，而從包含於反射光之光學資訊決定晶圓W的膜厚。光學式膜厚測定頭84之膜厚測定原理基本上與光學式膜厚感測器40相同。濕型膜厚測定器80可使用記載於日本特開平9-109023號公報之 膜厚測定器。
光學式膜厚測定頭84連結於水平移動機構92，膜厚測定中之光學式膜厚測定頭84可在水平方向移動。測定臺87具有使晶圓W旋轉之晶圓旋轉機構(無圖示)，可隨意調整藉由定向檢測器85所檢測之晶圓W的方向(周方向之位置)。光學式膜厚測定頭84藉由水平移動機構92可在沿著晶圓W半徑方向之複數個測定點測定膜厚，還可藉由具有晶圓旋轉機構之測定臺87與水平移動機構92的組合，測定晶圓W上希望之點的膜厚。膜厚測定中，由於水槽81中之晶圓W處於靜止狀態，且水平地放置，因此可以比測定旋轉之晶圓膜厚的光學式膜厚感測器40高的精度測定膜厚。藉由濕型膜厚測定器80獲得之膜厚的測定值傳送至動作控制部5。
回到第三圖，在搖擺搬送器12之側方配置有設置於無圖示之框架上的晶圓暫放台72。如第三圖所示，該暫放台72鄰接於第一線性搬送器6而配置，並位於第一線性搬送器6與洗淨部4之間。搖擺搬送器12在第四搬送位置TP4、第五搬送位置TP5及暫放台72之間移動。上述之實施例，係在各研磨單元3A-3D間交接晶圓時，晶圓從頂環脫離，並經由線性搬送器6,7而搬送至其他研磨單元，不過，研磨單元間之晶圓的送交機構不限定於上述之例，例如亦可藉由保持晶圓狀態下之頂環直接移動至其他研磨單元來搬送晶圓。
放置於暫放台72之晶圓藉由洗淨部4之第一搬送機器人77搬送至洗淨部4。如第三圖所示，洗淨部4具備以洗淨液洗淨研磨後之晶圓的一次洗淨器73及二次洗淨器74、以及乾燥洗淨後之晶圓的乾燥器 75。第一搬送機器人77以從暫放台72搬送晶圓至一次洗淨器73，進一步從一次洗淨器73搬送至二次洗淨器74的方式動作。在二次洗淨器74與乾燥器75之間配置有第二搬送機器人78。該第二搬送機器人78以從二次洗淨器74搬送晶圓至乾燥器75的方式動作。
乾燥後之晶圓藉由搬送機器人22從乾燥器75取出，送回晶圓匣盒。如此，對晶圓進行包含研磨、膜厚測定、洗淨及乾燥的一連串處理。其次，說明使用上述研磨裝置研磨晶圓之方法。第七圖係顯示研磨之晶圓的剖面構造之一例圖。該晶圓係在由二氧化矽(SiO2)及低介電常數材料(Low-k材)構成之層間絕緣膜101上形成有由二氧化矽等之氧化膜構成的第一硬掩膜102。進一步在第一硬掩膜102之上形成有由金屬構成的第二硬掩膜104。以覆蓋形成於層間絕緣膜101之溝渠及第二硬掩膜104的方式，形成由金屬構成的障壁膜105。層間絕緣膜101及第一硬掩膜102構成絕緣膜103，第二硬掩膜104及障壁膜105構成導電膜106。多層構造之其他例，亦有無第一硬掩膜102及第二硬掩膜104者，不過無圖示。此時，導電膜由障壁膜105構成，絕緣膜103由層間絕緣膜101構成。
形成障壁膜105後，藉由對晶圓實施銅電鍍，而在溝渠內填充銅，並且使作為金屬膜之銅膜107堆積於障壁膜105上。其後，藉由研磨裝置除去不需要之銅膜107、障壁膜105、第二硬掩膜104及第一硬掩膜102，而在溝渠內保留銅。該溝渠內之銅係銅膜107之一部分，且其構成半導體設備之配線108。如第七圖之虛線所示，在絕緣膜103達到指定厚度之時刻，亦即在配線108達到指定高度之時刻，結 束研磨。
第八(a)圖及第八(b)圖係顯示第七圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。係以第一研磨單元3A及第二研磨單元3B兩階段研磨上述多層構造之晶圓，同時以第三研磨單元3C及第四研磨單元3D兩階段研磨相同構成之另外晶圓。兩段研磨中之第一段如第八(a)圖所示，係除去不需要之銅膜107至障壁膜105露出的工序，第二段如第八(b)圖所示，係除去障壁膜105、第二硬掩膜104及第一硬掩膜102，進一步研磨層間絕緣膜101至絕緣膜103之厚度達到指定的目標值(亦即溝渠內之配線108形成指定之目標高度)的工序。二段研磨之第一段係由第一研磨單元3A及第三研磨單元3C進行，第二段由第二研磨單元3B及第四研磨單元3D進行。如此，2片晶圓分別由研磨單元3A,3B及研磨單元3C,3D同時研磨。
絕緣膜103之研磨，係藉由光學式膜厚感測器40取得絕緣膜103之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成直接或間接表示絕緣膜103之膜厚的膜厚指標值，在該膜厚指標值達到指定之臨限值時(亦即絕緣膜103之膜厚達到指定之目標值時)，使絕緣膜103之研磨停止。動作控制部5亦可從絕緣膜103之除去量，決定絕緣膜103之研磨終點。亦即，動作控制部5亦可從膜厚信號生成直接或間接表示絕緣膜103之除去量的除去指標值，來取代膜厚指標值，在該除去指標值達到指定之臨限值時(亦即絕緣膜103之除去量達到指定之目標值時)，使絕緣膜103之研磨停止。此時，仍可研磨絕緣膜103至其厚度達到指定之目標值。
第九圖係用於說明第八(a)圖及第八(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係將研磨液供給第一研磨台30A或第三研磨台30C上之研磨墊10上，而研磨銅膜(金屬膜)107至構成導電膜106之障壁膜105露出。該步驟1對應於第八(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係將研磨液供給第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上，而研磨導電膜106至絕緣膜103露出，進一步研磨絕緣膜103至其厚度達到指定之目標值。更具體而言，係除去障壁膜105、第二硬掩膜104及第一硬掩膜102，進一步研磨層間絕緣膜101。該步驟2對應於第八(b)圖所示之第二研磨工序。
步驟3係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟4係將研磨後之晶圓在晶圓表面潮濕狀態下，搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟5係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜103的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5；於步驟6，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定之目標值。測定膜厚未達到目標值情況下，進行步驟7，藉由動作控制部5從測定膜厚與目標值之差算出用於達成目標值所需的追加研磨時間。追加研磨時間可從絕緣膜103之現在膜厚與目標值的差分、以及研磨率算出。而後，晶圓再度轉送至第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上，研磨液供給研磨墊10上，同時以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟8， 洗淨晶圓，進一步使其乾燥。另外，可省略再研磨後之步驟4,5的膜厚測定及步驟6之與目標膜厚值的比較。
以濕型膜厚測定器80測定晶圓期間、及/或再研磨期間，研磨單元等中，後續的晶圓會發生等待處理時間。此種情況，為了防止晶圓表面之乾燥或腐蝕等瑕疵的增加，亦可藉由敷設於晶圓搬送路徑，例如敷設於第一線性搬送器6、第二線性搬送器7、搖擺搬送器12等之噴頭(Spray)(無圖示)，將純水或具有洗淨效果或是防腐蝕效果等之藥劑，間歇地噴灑於被頂環保持之晶圓，或是停止在線性搬送器之各搬送位置的晶圓。此外，亦可以動作控制部5計算因發生再研磨導致後續晶圓開始研磨時間的延遲，調整後續晶圓之研磨時間或開始研磨之時序。再者，亦可預先設定用於容許再研磨之後續晶圓的等待處理時間，來控制對研磨裝置投入晶圓之時序。實施此種再研磨時對後續晶圓之動作，亦可適用於爾後說明之實施例。
濕型膜厚測定器80在晶圓上希望之複數個測定點測定膜厚，動作控制部5從膜厚測定值生成晶圓之研磨輪廓。研磨輪廓表示膜厚之剖面形狀。動作控制部5構成可依據所生成之研磨輪廓，調整頂環31A之研磨壓力，亦即第五圖所示之壓力室P1,P2,P3,P4內的壓力。例如晶圓邊緣部之膜厚比其他區域大情況下，對應於邊緣部之壓力室P4的壓力提高。
從藉由濕型膜厚測定器80取得之膜厚測定結果，可調整研磨時間、研磨壓力、研磨台之旋轉速度等的研磨條件。例如，以研磨時間管理各研磨工序之終點時，各研磨工序在預設之研磨時間經過的時刻 結束。此時，可依據膜厚測定結果將設定研磨時間調整成用於達成目標膜厚的最佳研磨時間。再者，可將各壓力室P1,P2,P3,P4內之設定壓力(設定研磨壓力)調整成使絕緣膜103之厚度均勻的最佳壓力。如此調整後之研磨條件可適用於晶圓之再研磨，或是亦可適用於後續晶圓之研磨。因此，後續晶圓係以最佳研磨壓力及最佳研磨時間研磨。再者，亦可調整研磨絕緣膜103時之膜厚指標值或除去指標值的臨限值。膜厚指標值或除去指標值達到臨限值後，亦可進一步以指定時間程度研磨(過度拋光)晶圓。此時，亦可依據膜厚測定結果調整過度拋光之上述指定的時間。
按照本發明，因為係在晶圓之洗淨及乾燥前進行膜厚測定及再研磨，所以可縮短開始再研磨前需要之時間。因此，可使生產性提高。此外，由於在晶圓研磨之後立即進行膜厚測定，來調整研磨條件，因此可將其調整後之研磨條件直接適用於其次晶圓之研磨，因此，無須等待其次晶圓之處理而可使生產性提高，並且藉由對後續晶圓適用最佳之研磨條件，可使研磨之精度提高。
其次，說明本發明之研磨方法的其他例。本例係使用4個研磨台30A,30B,30C,30D研磨第七圖所示之晶圓。具體而言，如第十(a)圖所示，第一研磨工序為以第一研磨單元3A研磨銅膜107至其厚度達到指定之目標值。銅膜107之研磨係藉由渦電流式膜厚感測器60取得銅膜107之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成直接或間接表示銅膜107之膜厚的膜厚指標值，依據該膜厚指標值監視銅膜107之研磨，在膜厚指標值達到指定之臨限值時(亦即，銅膜107之厚度達 到指定之目標值時)停止銅膜107之研磨。
經第一研磨單元3A研磨之晶圓搬送至第二研磨單元3B，在此進行第二研磨工序。如第十(b)圖所示，第二研磨工序係研磨剩餘之銅膜107至銅膜107下之障壁膜105露出。在除去銅膜107而障壁膜105露出的時刻，藉由動作控制部5依據膜厚指標值作檢測。例如銅膜107之除去點，可從膜厚指標值達到指定之臨限值之點來決定。使用銅膜107之研磨率高，障壁膜105之研磨率低的研磨液時，除去銅膜107而障壁膜105露出時，不再進一步研磨。此時，膜厚指標值無變化。因此，亦可將膜厚指標值無變化之點決定為除去銅膜107之點。經第二研磨單元3B研磨之晶圓搬送至第三研磨單元3C，在此進行第三研磨工序。如第十(c)圖所示，第三研磨工序係研磨構成導電膜106之障壁膜105及第二硬掩膜104。具體而言，係研磨導電膜106至導電膜106下之絕緣膜103露出(至第一硬掩膜102露出)。導電膜106之研磨係藉由渦電流式膜厚感測器60取得導電膜106之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成導電膜106之膜厚指標值，依據該膜厚指標值監視導電膜106之研磨，在膜厚指標值達到指定之臨限值時，或是膜厚指標值無變化時(亦即除去導電膜106之第二硬掩膜104，而第一硬掩膜102露出時)，使導電膜106之研磨停止。
研磨後之晶圓從第三研磨單元3C搬送至第四研磨單元3D，在此進行第四研磨工序。如第十(d)圖所示，第四研磨工序係研磨由第一硬掩膜102及層間絕緣膜101構成之絕緣膜103。絕緣膜103之研磨包含除去第一硬掩膜102、與研磨層間絕緣膜101。絕緣膜103研磨至其 厚度達到指定之目標值。
絕緣膜103之研磨係藉由光學式膜厚感測器40取得絕緣膜103之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成絕緣膜103之膜厚指標值或除去指標值，在該膜厚指標值或除去指標值達到指定之臨限值時(亦即絕緣膜103之膜厚或除去量達到指定之目標值時)，使絕緣膜103之研磨停止。
第十一圖係用於說明第十(a)圖至第十(d)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係在第一研磨台30A上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨銅膜(金屬膜)107至其厚度達到指定之目標值。該步驟1對應於第十(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第二研磨台30B上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨銅膜(金屬膜)107至構成導電膜106之障壁膜105露出。該步驟2對應於第十(b)圖所示之第二研磨工序。
步驟3係在第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨構成導電膜106之障壁膜105及第二硬掩膜104。該導電膜106之研磨進行至絕緣膜103露出。該步驟3對應於第十(c)圖所示之第三研磨工序。
步驟4係在第四研磨台30D上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜103至其厚度達到指定之目標值。該步驟4對應於第十(d)圖所示之第四研磨工序。
步驟5係在第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨而從晶圓除去研磨液及研磨屑。
步驟6係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟7係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜103厚度。膜厚 之測定結果傳送至動作控制部5；步驟8係藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定之目標值。測定膜厚未達到目標值情況下，進行步驟9，藉由動作控制部5從測定膜厚與目標值之差算出用於達成目標值所需的追加研磨時間。而後，晶圓再度轉送至第四研磨台30D上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟10，洗淨晶圓，進一步使其乾燥。另外，可省略再研磨後之步驟6,7的膜厚測定及步驟8之與目標膜厚值的比較。
第三研磨工序宜使用具有可提高導電膜106之研磨率，且降低絕緣膜103之研磨率的研磨粒及/或化學成分的所謂高選擇比之研磨液。使用此種研磨液時，於絕緣膜103露出後，實質上不進行晶圓之研磨。因此，動作控制部5可更正確檢測導電膜106之研磨終點(絕緣膜103之露出點)。
在第三研磨工序使用高選擇比之研磨液時，亦可依據使研磨台30C旋轉之平臺馬達19(參照第四圖)的轉矩電流，檢測導電膜106之研磨終點(絕緣膜103之露出點)。晶圓研磨中，因為晶圓之表面與研磨墊10之研磨面滑動接觸，所以會在晶圓與研磨墊10之間產生摩擦力。該摩擦力取決於形成晶圓之露出面的膜種類及研磨液的種類而變化。
平臺馬達19以預設之一定速度使研磨台30C旋轉的方式來控制。因此，作用於晶圓與研磨墊10間之摩擦力變化時，流入平臺馬達19之 電流值，亦即轉矩電流變化。更具體而言，摩擦力變大時，為了藉由研磨台30C賦予大之轉矩，而轉矩電流增加，摩擦力變小時，為了縮小賦予研磨台30C之轉矩，而轉矩電流減少。因此，動作控制部5可從平臺馬達19之轉矩電流的變化檢測導電膜106之研磨終點(絕緣膜103之露出點)。轉矩電流係藉由第四圖所示之轉矩電流計測器70來計測。
其次，說明本發明之研磨方法的另外例。該例仍係使用4個研磨台30A,30B,30C,30D研磨第七圖所示之晶圓。具體而言，由於第十二(a)圖及第十二(b)圖所示之金屬膜的第一研磨工序及第二研磨工序，與第十(a)圖及第十(b)圖所示之第一研磨工序及第二研磨工序相同，因此省略其重複之說明。
經第二研磨單元3B研磨之晶圓搬送至第三研磨單元3C，在此進行第三研磨工序。如第十二(c)圖所示，第三研磨工序係研磨導電膜106至絕緣膜103露出，進一步研磨露出之絕緣膜103。更具體而言，係除去構成導電膜106之障壁膜105及第二硬掩膜104，進一步研磨導電膜106下之絕緣膜103。絕緣膜103研磨至其厚度達到指定之第一目標值。絕緣膜103之厚度亦可從絕緣膜103之除去量來決定。在第三研磨工序對絕緣膜103之研磨包含除去第一硬掩膜102及研磨層間絕緣膜101，或是僅包含研磨第一硬掩膜102。第十二(c)圖顯示研磨導電膜106後，研磨第一硬掩膜102，而不研磨層間絕緣膜101之例。
在第三研磨工序對導電膜106之研磨，係藉由渦電流式膜厚感測器 60取得導電膜106之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成導電膜106之膜厚指標值，並依據該膜厚指標值監視導電膜106之研磨，檢測膜厚指標值達到指定之臨限值時，或是膜厚指標值無變化之點(亦即除去導電膜106，而絕緣膜103露出之點)。第三研磨工序係連續研磨導電膜106與絕緣膜103。絕緣膜103之研磨係藉由光學式膜厚感測器40取得絕緣膜103之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成絕緣膜103之膜厚指標值或除去指標值，在該膜厚指標值或除去指標值達到指定之第一臨限值時(亦即絕緣膜103之膜厚達到指定之第一目標值時)，使絕緣膜103之研磨停止。
經第三研磨單元3C研磨之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80，在此測定晶圓之膜厚。膜厚測定後，晶圓搬送至第四研磨單元3D，在此進行第四研磨工序。如第十二(d)圖所示，第四研磨工序係研磨絕緣膜103。絕緣膜103研磨至其厚度達到指定之第二目標值。絕緣膜103之研磨包含除去第一硬掩膜102及研磨層間絕緣膜101，或是僅研磨層間絕緣膜101。第十二(d)圖顯示除去第一硬掩膜102，繼續研磨層間絕緣膜101之例。
第十三圖係用於說明第十二(a)圖至第十二(d)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係在第一研磨台30A上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨銅膜(金屬膜)107至其厚度達到指定之目標值。該步驟1對應於第十二(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第二研磨台30B上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨銅膜(金屬膜)107至構成導電膜106之障壁膜105露出。該步驟2對應於第十二(b)圖所示之第 二研磨工序。
步驟3係在第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨構成導電膜106之障壁膜105及第二硬掩膜104，進一步研磨其下之絕緣膜103至其厚度達到指定之第一目標值。該步驟3對應於第十二(c)圖所示之第三研磨工序。步驟4係在第三研磨台30C上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨而從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟5係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟6係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜103的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，於步驟7藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚最後目標值的指定之第二目標值。測定膜厚未達到目標值情況下，進行步驟8，藉由動作控制部5從測定膜厚與第二目標值之差算出用於達成第二目標持所需的追加研磨時間。追加研磨時間可從絕緣膜103之現在膜厚與第二目標值之差分、及研磨率算出。而後，步驟9係將晶圓轉送至第四研磨台30D上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度再研磨晶圓。該步驟9對應於第十二(d)圖所示之第四研磨工序。另外，亦可將晶圓搬送至第三研磨台30C上之研磨墊10，以第三研磨台30C上之研磨墊10進行再研磨。
步驟10係在第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。其後，晶圓之處理流程返回步驟5。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟11，洗淨晶 圓，進一步使其乾燥。
藉由以步驟8算出之追加研磨時間程度研磨晶圓，可期待晶圓之膜厚達到目標值。因此，在步驟9及步驟10之後，亦可不返回步驟5再度測定膜厚，而直接進行步驟11，洗淨晶圓進一步使其乾燥，而結束晶圓處理。此種再研磨後之膜厚測定的省略，亦可適用於之前說明的實施例及爾後說明之實施例。
參照第十二(a)圖至第十二(c)圖及第十三圖所說明之本實施例，係研磨膜至膜厚達到其最後目標值的第二目標值之前的第一目標值，藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之晶圓膜厚，算出為了消除測定出之現在膜厚與第二目標值的差所需之追加研磨時間，而後，以追加研磨時間程度再研磨晶圓者。此種刻意在最後目標值之前停止研磨而測定膜厚，其後再研磨之本實施例，亦可適用於之前說明之實施例及爾後說明之實施例。
本發明之研磨方法亦可適用於具有其他積層構造之晶圓。第十四圖係由鎢膜、障壁膜及絕緣膜構成之積層構造的剖面圖。該晶圓係以覆蓋絕緣膜110及形成於該絕緣膜110之溝渠的方式形成作為導電膜之障壁膜111。絕緣膜110由二氧化矽或低介電常數材料等形成，障壁膜111由鈦或氮化鈦等金屬形成。再者，以覆蓋障壁膜111之方式形成作為金屬膜之鎢膜112，溝渠以鎢膜112填充。如第十四圖之虛線所示，除去不需要之鎢膜112及障壁膜111，研磨絕緣膜110至達到指定之厚度。溝渠內之鎢係鎢膜112之一部分，且其構成半導體設備之配線113。
第十五(a)圖及第十五(b)圖係顯示第十四圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。係以第一研磨單元3A及第二研磨單元3B兩階段研磨上述多層構造之晶圓，同時以第三研磨單元3C及第四研磨單元3D兩階段研磨相同構成之另外晶圓。兩段研磨中之第一段如第十五(a)圖所示，係除去鎢膜112及障壁膜111至絕緣膜110露出的工序，第二段如第十五(b)圖所示，係研磨絕緣膜110至絕緣膜110之厚度達到指定的目標值(亦即溝渠內之配線113形成指定之目標高度)之工序。二段研磨之第一段係由第一研磨單元3A及第三研磨單元3C進行，第二段由第二研磨單元3B及第四研磨單元3D進行。
第十六圖係用於說明第十五(a)圖及第十五(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係在第一研磨台30A或第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨鎢膜(金屬膜)112及障壁膜111至絕緣膜110露出。該步驟1對應於第十五(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜110至其厚度達到指定之目標值。該步驟2對應於第十五(b)圖所示之第二研磨工序。
絕緣膜110之研磨係藉由光學式膜厚感測器40取得絕緣膜110之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成絕緣膜110之膜厚指標值或除去指標值，在該膜厚指標值或除去指標值達到指定之臨限值時(亦即絕緣膜110之膜厚或除去量達到指定之目標值時)，使絕緣膜110之研磨停止。
步驟3係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給 純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨而從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟4係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。步驟5係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜110的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，於步驟6，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定的目標值。測定膜厚未達到目標值情況下，進行步驟7，藉由動作控制部5從測定膜厚與目標值之差算出用於達成目標值所需的追加研磨時間。而後，晶圓再度轉送至第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟8，洗淨晶圓，進一步使其乾燥。另外，可省略再研磨後之步驟4,5的膜厚測定及步驟6之與目標膜厚值的比較。
其次，說明研磨具有另外積層構造之晶圓例。第十七圖係形成有層間絕緣膜(IDL)之晶圓的剖面圖。該晶圓係在基底層120上形成金屬配線121，進一步以覆蓋金屬配線121之方式藉由CVD形成層間絕緣膜122。
第十八(a)圖及第十八(b)圖係顯示第十七圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。以第一研磨單元3A及第二研磨單元3B兩階段研磨上述多層構造之晶圓，同時以第三研磨單元3C及第四研磨單元3D兩階段研磨相同構成之另外晶圓。兩段研磨中之第一段如第十八(a)圖所示，係除去形成於層間絕緣膜122表面之階部(或凸部)，使其表面平坦之工序，第二段如第十八(b)圖所示，係僅研磨層間絕緣膜122， 除去形成於其表面之損傷的工序。兩段研磨之第一段以第一研磨單元3A及第三研磨單元3C進行，第二段以第二研磨單元3B及第四研磨單元3D進行。
第十九圖係用於說明第十八(a)圖及第十八(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係在第一研磨台30A或第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨層間絕緣膜122至形成於層間絕緣膜122表面之階部(或凸部)被除去。該步驟1對應於第十八(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨層間絕緣膜122至層間絕緣膜122之厚度達到指定的目標值。該步驟2對應於第十八(b)圖所示之第二研磨工序。
層間絕緣膜122之研磨係藉由光學式膜厚感測器40取得層間絕緣膜122之膜厚信號。動作控制部5從膜厚信號生成層間絕緣膜122之膜厚指標值或除去指標值，該膜厚指標值或除去指標值達到指定之臨限值時(亦即層間絕緣膜122之膜厚或除去量達到指定之目標值時)使層間絕緣膜122之研磨停止。
步驟3係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨而從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟4係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟5係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之層間絕緣膜122的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，於步驟6，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定的目標值。測定膜厚未達到目 標值情況下，進行步驟7，藉由動作控制部5從測定膜厚與目標值之差算出用於達成目標值所需的追加研磨時間。而後，將晶圓再度轉送至第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟8，洗淨晶圓，進一步使其乾燥。另外，可省略再研磨後之步驟4,5的膜厚測定及步驟6之與目標膜厚值的比較。
第二十圖係顯示STI(淺溝隔離)程序之晶圓的剖面圖。第二十圖所示之晶圓係在矽層130上形成二氧化矽膜131，在其上形成由氮化矽(Si3N4)構成之氮化矽膜132，進一步在其上藉由高密度電漿CVD等形成由二氧化矽構成之元件分離絕緣膜133(以下簡稱絕緣膜133)。在矽層130、二氧化矽膜131及氮化矽膜132中形成有STI溝，絕緣膜133之一部分埋入STI溝中。
第二十一(a)圖及第二十一(b)圖係顯示第二十圖所示之晶圓研磨方法的一例圖。以第一研磨單元3A及第二研磨單元3B兩階段研磨上述多層構造之晶圓，同時以第三研磨單元3C及第四研磨單元3D兩階段研磨相同構成之另外晶圓。兩段研磨中之第一段如第二十一(a)圖所示，係除去不需要之絕緣膜133，而使氮化矽膜132露出之工序，第二段如第二十一(b)圖所示，係研磨絕緣膜133及氮化矽膜132，除去形成於其表面之損傷，並且最後調整絕緣膜133之膜厚的工序。二段研磨之第一段係由第一研磨單元3A及第三研磨單元3C進行，第二段由第二研磨單元3B及第四研磨單元3D進行。
第二十二圖係用於說明第二十一(a)圖及第二十一(b)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係在第一研磨台30A或第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜133至氮化矽膜132露出， 該步驟1對應於第二十一(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜133及氮化矽膜132至絕緣膜133之厚度達到指定的目標值。 該步驟2對應於第二十一(b)圖所示之第二研磨工序。
步驟3係在第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟4係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟5係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜133的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5；於步驟6，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定之目標值。測定膜厚未達到目標值情況下，進行步驟7，藉由動作控制部5從測定膜厚與目標值之差算出用於達成目標值所需的追加研磨時間。而後，晶圓再度轉送至第二研磨台30B或第四研磨台30D上之研磨墊10上，在研磨墊10上供給研磨液，以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟8，洗淨晶圓，進一步使其乾燥。另外，可省略再研磨後之步驟4,5的膜厚測定及步驟6之與目標膜厚值的比較。
其次，說明研磨具有另外積層構造之晶圓的例。第二十三圖係形成有在形成高介電常數(High-k)金屬閘過程中適用CMP之積層構造的 晶圓剖面圖。如第二十三圖所示，在矽層140上形成多晶矽141，以覆蓋多晶矽141之方式形成由氮化矽(Si3N4)構成之側壁142。進一步在側壁142之上形成絕緣膜144。
如第二十四(a)圖至第二十四(d)圖所示，該晶圓以四個階段研磨。亦即，第一研磨工序如第二十四(a)圖所示，係研磨絕緣膜144至其厚度達到指定之第一目標值的工序，第二研磨工序如第二十四(b)圖所示，係研磨絕緣膜144至側壁142露出，且絕緣膜144之厚度達到指定之第二目標值的工序，第三研磨工序如第二十四(c)圖所示，係研磨絕緣膜144及側壁142至多晶矽141露出，且絕緣膜144之厚度達到指定之第三目標值的工序，第四研磨工序如第二十四(d)圖所示，係研磨絕緣膜144、多晶矽141及側壁142至絕緣膜144達到指定之第四目標值的工序。
第一研磨工序由第一研磨單元3A進行，第二研磨工序由第二研磨單元3B進行，第三研磨工序由第三研磨單元3C進行，第四研磨工序由第四研磨單元3D進行。各研磨工序中，藉由光學式膜厚感測器40取得絕緣膜144之膜厚信號。亦可取代光學式膜厚感測器40，而使用設定時間或轉矩電流計測器70來決定研磨終點。動作控制部5從膜厚信號生成絕緣膜144之膜厚指標值或除去指標值，該膜厚指標值或除去指標值達到指定之臨限值時(亦即絕緣膜144之膜厚或除去量達到指定之目標值時)使絕緣膜144之研磨停止。
第二十五圖係用於說明第二十四(a)圖至第二十四(d)圖所示之晶圓研磨方法的流程圖。步驟1係在第一研磨台30A上之研磨墊10上供給 研磨液，並研磨絕緣膜144至絕緣膜144之厚度達到指定之第一目標值。該步驟1對應於第二十四(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第二研磨台30B上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜144至側壁142露出，且絕緣膜144之厚度達到指定之第二目標值。該步驟2對應於第二十四(b)圖所示之第二研磨工序。
步驟3係在第二研磨台30B上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟4係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟5係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜144的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，於步驟6，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定的第二目標值。測定膜厚未達到第二目標值情況下，進行步驟7，藉由動作控制部5從測定膜厚與第二目標值之差算出用於達成第二目標值所需的追加研磨時間。而後，將晶圓轉送至第一研磨台30A或第二研磨台30B上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。另外，可省略再研磨後之步驟4,5的膜厚測定及步驟6之與目標膜厚值的比較。為了再研磨而晶圓該搬送至第一研磨台30A或第二研磨台30B之判斷基準，可採用側壁142是否露出，或是絕緣膜144之現在膜厚與膜厚指定之第二目標值的差是否在預定範圍內。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至第三研磨台30C上之研磨墊10上。
步驟8係在第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜144及側壁142至絕緣膜144之厚度達到指定之第三目標值。該步 驟8對應於第二十四(c)圖所示之第三研磨工序。步驟9係在第四研磨台30D上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜144、多晶矽141及側壁142至絕緣膜144之厚度達到指定的第四目標值。該步驟9對應於第二十四(d)圖所示之第四研磨工序。
步驟10係在第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。藉由該水研磨從晶圓除去研磨液及研磨屑。步驟11係將研磨後之晶圓搬送至濕型膜厚測定器80。
步驟12係藉由濕型膜厚測定器80測定研磨後之絕緣膜144的厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，步驟13係藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定的第四目標值。測定膜厚未達到第四目標值情況下，進行步驟14，藉由動作控制部5從測定膜厚與第四目標值之差算出用於達成第四目標值所需的追加研磨時間。而後，將晶圓再度轉送至第三研磨台30C或第四研磨台30D上的研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。另外，可省略再研磨後之步驟11,12的膜厚測定及步驟13之與目標膜厚值的比較。為了再研磨而晶圓該搬送至第三研磨台30C或第四研磨台30D之判斷基準，可採用多晶矽141是否露出，或是絕緣膜144之現在膜厚與膜厚指定之第四目標值的差是否在預定範圍內。測定膜厚達到第四目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟15，洗淨晶圓，並使其乾燥。
第二十六圖係用於說明第二十四(a)圖至第二十四(d)圖所示之晶圓的另外研磨方法之流程圖。步驟1係在第一研磨台30A上之研磨墊10 上供給研磨液，並研磨絕緣膜144至絕緣膜144之厚度達到指定的第一目標值。該步驟1對應於第二十四(a)圖所示之第一研磨工序。步驟2係在第一研磨台30A上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。步驟3係將晶圓搬送至濕型膜厚測定器80，在此測定絕緣膜144之厚度。再者，步驟4係藉由動作控制部5算出為使測定之現在膜厚達到指定的第二目標值所需之追加研磨時間。
步驟5係將晶圓搬送至第二研磨台30B上之研磨墊10上，在研磨墊10上供給研磨液，並以步驟3所算出之追加研磨時間程度研磨絕緣膜144。該步驟5對應於第二十四(b)圖所示之第二研磨工序。步驟6係在第二研磨台30B上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。
步驟7係將晶圓再搬送至濕型膜厚測定器80，在此藉由濕型膜厚測定器80測定絕緣膜144之厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，於步驟8，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定的第二目標值。測定膜厚未達到第二目標值情況下，進行步驟9，藉由動作控制部5從測定膜厚與第二目標值之差算出用於達成第二目標值所需的追加研磨時間。而後，晶圓再度轉送至第二研磨台30B上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至第三研磨台30C上之研磨墊10上。另外，上述之步驟5係藉由以步驟4算出之追加研磨時間程度來研磨晶圓，可期待晶圓之膜厚達到指定之第二目標值。因此，可省略步驟7之膜厚測定及步驟8之與目標膜 厚值的比較。
步驟10係在第三研磨台30C上之研磨墊10上供給研磨液，並研磨絕緣膜144及側壁142至絕緣膜144之厚度達到指定的第三目標值。該步驟10對應於第二十四(c)圖所示之第三研磨工序。步驟11係在第三研磨台30C上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，來水研磨晶圓。步驟12係將晶圓搬送至濕型膜厚測定器80，在此測定絕緣膜144之厚度。再者，步驟13係藉由動作控制部5算出為使測定之現在膜厚達到指定的第四目標值所需之追加研磨時間。
步驟14係將晶圓搬送至第四研磨台30D上之研磨墊10上，在研磨墊10上供給研磨液，並以步驟13算出之追加研磨時間程度研磨絕緣膜144、側壁142及多晶矽141。該步驟14對應於第二十四(d)圖所示之第四研磨工序。步驟15係在第四研磨台30D上之研磨墊10上供給純水以取代研磨液，並水研磨晶圓。
步驟16係將晶圓搬送至濕型膜厚測定器80，在此測定絕緣膜144之厚度。膜厚之測定結果傳送至動作控制部5，於步驟17，藉由動作控制部5比較測定之現在膜厚與膜厚指定的第四目標值。測定膜厚未達到第四目標值情況下，進行步驟18，藉由動作控制部5從測定膜厚與第四目標值之差算出用於達成第四目標值所需的追加研磨時間。而後，將晶圓再度轉送至第四研磨台30D上之研磨墊10，在研磨墊10上供給研磨液，並以算出之追加研磨時間程度進行再研磨。測定膜厚達到目標值情況下，將晶圓搬送至洗淨部4，進行步驟19，洗淨晶圓，使其乾燥。另外，上述之步驟14係藉由以步驟13 算出之追加研磨時間程度研磨晶圓，可期待晶圓之膜厚達到指定之第四目標值。因此，可省略步驟16之膜厚測定及步驟17之與目標膜厚值的比較。
上述各種實施形態係在晶圓洗淨及乾燥前進行膜厚測定及再研磨。因此，可縮短再研磨需要之時間，可使生產性提高。此外，由於係在晶圓研磨後立即進行膜厚測定，並可將膜厚測定結果調整後之研磨條件直接適用於其次晶圓之研磨，因此，無須等待其次晶圓之處理而可使生產性提高，並且藉由對後續晶圓適用最佳之研磨條件，可使研磨之精度提高。
研磨終點檢測使用光學式膜厚感測器40情況下，亦可使用濕型膜厚測定器80之膜厚測定值實施光學式膜厚感測器40之校正。實施光學式膜厚感測器40之校正後，因為從光學式膜厚感測器40之膜厚信號獲得的膜厚指標值或除去指標值與濕型膜厚測定器80之膜厚測定值相關連，所以即使省略濕型膜厚測定器80之膜厚測定，仍可保持研磨之精度。
具體而言，以光學式膜厚感測器40測定膜之厚度並研磨晶圓，從光學式膜厚感測器40獲得之現在膜厚的測定直達到指定值時，停止晶圓之研磨，將研磨後之晶圓在洗淨及乾燥之前搬送至濕型膜厚測定器80，藉由濕型膜厚測定器80測定膜之現在厚度，比較從光學式膜厚感測器40獲得之現在膜厚的測定值與從濕型膜厚測定器80獲得之現在膜厚的測定值後，校正光學式膜厚感測器40，研磨具有與晶圓相同構成之後續晶圓，此期間，藉由以校正後之光學式膜厚感測 器40測定後續晶圓之膜的厚度，從光學式膜厚感測器40獲得之膜的厚度達到指定之目標值時，停止後續晶圓之研磨，可實現精度高之研磨。按照該研磨方法時，係使用測定精度高之濕型膜厚測定器80的膜厚測定值校正光學式膜厚感測器40。因此提高後續晶圓研磨中實際膜厚測定的精度，結果可使晶圓無須再研磨。再者，可將依據膜厚之測定結果而調整的研磨條件(研磨時間、研磨壓力等)適用於其次晶圓的研磨。因此，可使生產性提高。
其次，就渦電流式膜厚感測器60及光學式膜厚感測器40作說明。第二十七圖係顯示具備渦電流式膜厚感測器及光學式膜厚感測器之第一研磨單元3A的模式剖面圖。另外，由於研磨單元3B~3D亦具有與第二十七圖所示之第一研磨單元3A同樣的構成，因此省略其重複之說明。
光學式膜厚感測器40及渦電流式膜厚感測器60埋設於研磨台30A，而與研磨台30A及研磨墊10一起旋轉。頂環轉軸16可經由皮帶等連結手段17連結於頂環馬達18而旋轉。藉由該頂環轉軸16之旋轉，頂環31A可在箭頭所示之方向旋轉。
光學式膜厚感測器40以在晶圓W表面照射光，接收來自晶圓W之反射光，按照波長分解其反射光的方式構成。光學式膜厚感測器40具備將光照射於晶圓W之被研磨面的投光部42；作為接收從晶圓W返回之反射光的受光部之光纖43；及按照波長分解來自晶圓W之反射光，涵蓋指定之波長範圍測定反射光之強度的分光器44。
研磨台30A中形成有在其上面開口之第一孔50A及第二孔50B。此 外，在研磨墊10上，在對應於此等孔50A,50B的位置形成有通孔51。孔50A,50B與通孔51連通，通孔51在研磨面10a上開口。第一孔50A經由液體供給路徑53及旋轉接頭(無圖示)而連結於液體供給源55，第二孔50B連結於液體排出路徑54。
投光部42具備發出多波長之光的光源47、及連接於光源47之光纖48。光纖48係將藉由光源47發出之光傳導至晶圓W表面的光傳送部。光纖48及光纖43之前端位於第一孔50A內，且位於晶圓W之被研磨面附近。光纖48及光纖43之各前端與保持於頂環31A之晶圓W相對而配置。當研磨台30A旋轉時，照射光至晶圓W之複數個區域。光纖48及光纖43之各前端宜與保持於頂環31A之晶圓W的中心相對而配置。
晶圓W研磨中，從液體供給源55經由液體供給路徑53供給作為透明液體之水(宜為純水)至第一孔50A，並填滿晶圓W之下面與光纖48,43前端之間的空間。水進一步流入第二孔50B，並通過液體排出路徑54排出。研磨液與水一起排出，藉此確保光程。在液體供給路徑53中設有與研磨台30A之旋轉同步工作的閥門(無圖示)。該閥門係以晶圓未在通孔51上時，停止水之流動，或是減少水之流量的方式而動作。
光纖48與光纖43彼此並聯配置。光纖48及光纖43之各前端對晶圓W之表面概略垂直配置，光纖48在晶圓W之表面概略垂直地照射光。晶圓W之研磨中，從投光部42照射光至晶圓W，並藉由光纖(受光部)43接收來自晶圓W之反射光。分光器44涵蓋指定之波長範圍測 定反射光在各波長之強度，並將獲得之光強度資料傳送至動作控制部5。該光強度資料係反映晶圓W之膜厚的膜厚信號，且隨膜厚而變化。動作控制部5從光強度資料生成表示各波長之光強度的光譜，進一步從光譜生成表示晶圓W之膜厚的膜厚指標值。
第二十八圖係用於說明光學式膜厚感測器40之原理的示意圖，第二十九圖係顯示晶圓W與研磨台30A之位置關係的平面圖。第二十八圖所示之例係晶圓W具有下層膜、與形成於其上之上層膜。投光部42及光纖43與晶圓W之表面相對而配置。投光部42當研磨台30A旋轉1周時，在包含晶圓W中心之複數個區域照射光。
照射於晶圓W之光在介質(第二十八圖之例為水)與上層膜的界面、以及上層膜與下層膜之界面反射，在此等界面反射之光波彼此干擾。該光波干擾之方式依上層膜之厚度(亦即光程長)而變化。因而，從來自晶圓W之反射光生成的光譜依上層膜之厚度而變化。分光器44依波長分解反射光，各波長測定反射光之強度。動作控制部5從分光器44獲得之反射光的強度資料(膜厚信號)生成光譜。該光譜將作為顯示光波長與強度之關係的曲線(亦即分光波形)來表示。光強度亦可作為反射率或相對反射率等的相對值來表示。
第三十圖係顯示藉由動作控制部5所生成之光譜圖。第三十圖中，橫軸表示反射光之波長，縱軸表示從反射光強度導出之相對反射率。該相對反射率係表示反射光強度之1個指標，具體而言，係反射光之強度與指定的基準強度之比。各波長藉由反射光之強度(實測強度)除以指定之基準強度，從實測強度除去裝置之光學系統或 光源固有強度之變動等不需要的因素，藉此可獲得僅反映上層膜之厚度資訊的光譜。
指定之基準強度，例如可為在水存在下研磨未形成膜之矽晶圓(裸晶圓)時所獲得之反射光強度。實際之研磨係從實測強度減去黑位準(Dark level)(在遮斷光之條件下獲得的背景強度)，求出修正實測強度，進一步從基準強度減去上述黑位準，求出修正基準強度，而後，藉由修正實測強度除以修正基準強度，而求出相對反射率。具體而言，相對反射率R(λ)可使用以下公式(1)求出。
其中，λ係波長，E(λ)係波長λ時來自晶圓之反射光的強度，B(λ)係波長λ時之基準強度，D(λ)係波長λ時之黑位準(在遮斷光條件下所測定的光強度)。
動作控制部5藉由比較研磨中所生成之光譜與複數個基準光譜，來決定最接近所生成之光譜的基準光譜，將該決定之基準光譜相關連的膜厚決定為現在之膜厚。複數個基準光譜係藉由研磨與研磨對象之晶圓同種類的晶圓而預先取得者，且各基準光譜與取得其基準光譜時之膜厚相關連。亦即各基準光譜係不同膜厚時取得者，複數個基準光譜對應於複數個不同之膜厚。因此，藉由特定最接近現在光譜之基準光譜，可推測現在之膜厚。該推測膜厚值即是上述之膜厚指標值。
光學式膜厚感測器40適合決定具有光透過性質之絕緣膜的膜厚者。動作控制部5亦可從藉由光學式膜厚感測器40所取得之膜厚指標值(光強度資料)來決定膜之除去量。具體而言，係從初期膜厚指標值(初期光強度資料)按照上述方法求出初期之推測膜厚值，可藉由從該初期之推測膜厚值減去現在的推測膜厚值而求出除去量。
膜之除去量，亦可從隨膜厚變化之光譜的變化量來決定，以取代上述方法。第三十二圖係顯示對應於膜厚差△α之2個光譜的示意圖。在此，α係膜厚，研磨時，膜厚α隨時間而減少(△α>0)。如第三十二圖所示，光譜隨膜厚之變化而沿著波長軸移動。在不同時間取得之2個光譜間的變化量，相當於藉由此等光譜所包圍之區域(以陰影線顯示)。因此，藉由計算上述區域的面積，即可決定膜之除去量。膜之除去量從以下公式(2)求出。
在此，λ係光之波長，λ1,λ2係決定作為監視對象之光譜的波長範圍之下限值及上限值，Rc係現在取得之相對反射率，Rp係前次取得之相對反射率。
按照上述公式(2)所算出之光譜的變化量，係顯示膜之除去量的除去指標值。
其次，說明渦電流式膜厚感測器60。渦電流式膜厚感測器60係構成 在線圈上流入高頻之交流電流，使導電膜感應渦電流，從該渦電流之磁場產生的阻抗之變化檢測導電膜之厚度。第三十三圖係顯示用於說明渦電流式膜厚感測器60之原理的電路圖。高頻之交流電流I1從交流電源S流入渦電流式膜厚感測器60之線圈61時，被線圈61感應之磁力線通過導電膜中。藉此，在感測器側電路與導電膜側電路之間產生相互電感，渦電流I2流入導電膜。該渦電流I2產生磁力線，其使感測器側電路之阻抗變化。渦電流式膜厚感測器60從該感測器側電路之阻抗的變化檢測導電膜之膜厚。
在第三十三圖所示之感測器側電路與導電膜側電路中，分別以下公式成立。
R1I1+L1dI1/dt+MdI2/dt=E (3)
R2I2+L2dI2/dt+MdI1/dt=0 (4)
在此，M係相互電感，R1係包含渦電流式膜厚感測器60之線圈61的感測器側電路之等價電阻，L1係包含線圈61之感測器側電路的自感。R2係感應渦電流之導電膜的等價電阻，L2係流入渦電流之導電膜的自感。
在此，In=Anejωt(正弦波)時，上述公式(3),(4)表示如下。
(R1+jωL1)I1+jωMI2=E (5)
(R2+jωL2)I2+jωMI1=0 (6)
從此等公式(5),(6)導出以下公式。
I1=E(R2+jωL2)/{(R1+jωL1)(R2+jωL2)+ω2M2}=E/{(R1+jωL1)+ω2M2/(R2+jωL2)} (7)
因此，感測器側電路之阻抗Φ由以下公式表示。
Φ=E/I1={R1+ω2M2R2/(R2 2+ω2L2 2)}+jω{L1-ω2L2M2/(R2 2+ω2L2 2)} (8)
在此，Φ之實部(電阻成分)、虛部(感抗成分)分別設為X,Y時，上述公式(8)形成如下。
Φ=X+jωY (9)
渦電流式膜厚感測器60輸出包含該渦電流式膜厚感測器60之線圈61的電路之阻抗的電阻成分X及感抗成分Y。此等電阻成分X及感抗成分Y係反映膜厚之膜厚信號，且隨晶圓之膜厚而變化。
第三十四圖係顯示藉由將隨膜厚變化之X,Y標記在XY座標系統上而描繪的曲線圖。點T∞之座標係膜厚無限大時，亦即當R2為0時之X,Y，點T0之座標，若基板之導電率可忽略，係膜厚為0時，亦即R2無限大時之X,Y。從X,Y之值定位之點Tn隨著膜厚減少，而描繪圓弧狀軌跡，並朝向點T0前進。另外，第三十四圖所示之符號k係結合係數，以下之關係式成立。
M=k(L1L2)1/2 (10)
第三十五圖係顯示使第三十四圖之曲線圖形逆時針旋轉90度，進一步平行移動的曲線圖。如第三十五圖所示，隨著膜厚減少，從X,Y之值定位的點Tn描繪圓弧狀軌跡，並朝向點T0前進。
線圈61與晶圓W間的距離G依介於此等之間的研磨墊10厚度而變化。結果如第三十六圖所示，座標X,Y之圓弧軌跡依相當於使用之研磨墊10厚度的距離G(G1~G3)而變動。從第三十六圖瞭解，不論線圈61與晶圓W間之距離G為何，以直線(以下稱預備測定直線) 連結每個膜厚之座標X,Y時，可取得其預備測定直線交叉的交點(基準點)P。該預備測定直線rn(n：1,2,3...)對於指定之基準線(第三十六圖中之水平線)H，係以依膜厚之仰角(夾角)θ而傾斜。因此，該角度θ可稱為表示晶圓W之膜厚的膜厚指標值。
動作控制部5藉由參照表示角度θ與膜厚之關係的相關資料，可從研磨中獲得之角度θ決定膜厚。該相關資料係研磨與研磨對象之晶圓同種類的晶圓，並藉由測定對應於各角度θ之膜厚而預先獲得者。
第三十七圖係顯示隨研磨時間而變化之角度θ的曲線。縱軸表示角度θ，橫軸表示研磨時間。如該曲線所示，角度θ隨研磨時間而增加，並在某個時刻保持一定。因此，動作控制部5在研磨中計算角度θ，可從其角度θ取得現在膜厚。
上述之光學式膜厚感測器40及渦電流感測器60，可使用日本特開2004-154928號公報及日本特開2009-99842號公報等中記載之習知的光學感測器及渦電流感測器。
如第四圖所示，第一研磨單元3A除了上述之光學式膜厚感測器40及渦電流感測器60之外，進一步具備計測使研磨台30A旋轉之平臺馬達19的輸入電流(亦即轉矩電流)的轉矩電流計測器70。藉由該轉矩電流計測器70所計測之轉矩電流值傳送至動作控制部5，晶圓研磨中，藉由動作控制部5監視轉矩電流值。另外，亦可不設轉矩電流計測器70，而使用從驅動平臺馬達19之變換器(無圖示)輸出的電流值。
第六圖所示之濕型膜厚測定器80的膜厚測定原理與上述光學式膜 厚感測器40相同，因此省略其重複之說明。第三十八圖係顯示濕型膜厚測定器80之光學式膜厚測定頭42的詳細示意圖。如第三十八圖所示，光學式膜厚測定頭42具備將光照射於晶圓W之被研磨面的投光部142；接收從晶圓W返回之反射光的受光部143；按照波長分解來自晶圓W之反射光，涵蓋指定之波長範圍測定反射光之強度的分光器144；及從分光器144獲得之反射光的強度資料(膜厚信號)生成光譜，依據光譜決定膜厚之處理部150。
投光部具備發出多波長之光的光源147。投光部142及受光部143鄰接於透明窗90，且與保持於握持部82(參照第六(a)圖及第六(b)圖)之晶圓W相對而配置。投光部142及受光部143宜相對配置於保持於握持部82之晶圓W的中心。
上述實施形態係以本發明所屬技術領域中具有通常知識者可實施本發明為目的而記載者。只要是熟悉本技術之專家當然可完成上述實施形態之各種變形例，且本發明之技術性思想亦可適用於其他實施形態。因此，本發明不限定於記載之實施形態，而係解釋為按照藉由申請專利範圍而定義之技術性思想的最廣範圍者。

Claims (18)

  1. 一種研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：準備研磨裝置，該研磨裝置具備：(i)研磨部，其包含：用以支承研磨墊之能旋轉的研磨台、用以將晶圓保持且按壓於前述研磨墊的能旋轉的頂環、將研磨液供給前述研磨墊之表面的研磨液供給機構、以及埋設於前述研磨台內且在正在研磨前述晶圓之期間取得隨前述晶圓之膜厚而改變的膜厚信號的膜厚感測器；(ii)洗淨部，其將研磨後之晶圓洗淨及乾燥；及(iii)膜厚測定器，其具有光學式膜厚測定頭，該光學式膜厚測定頭能在晶圓上複數個測定點測定研磨後之晶圓之膜之厚度；以前述頂環保持晶圓，使前述研磨台與前述研磨墊一起旋轉，同時使前述頂環與前述晶圓一起旋轉，進行研磨工序，該研磨工序藉由將前述晶圓按壓在前述研磨墊，來以前述研磨部研磨前述晶圓之膜，前述晶圓之研磨中，以與前述研磨台一起旋轉之前述膜厚感測器，來取得與前述頂環一起旋轉的前述晶圓之膜厚信號，從前述膜厚信號生成之膜厚指標值達到第一目標值時，停止前述晶圓之研磨，在洗淨及乾燥前述研磨後的晶圓之前，將該晶圓搬送至前述膜厚測定器， 藉由前述膜厚測定器在複數個測定點測定研磨後的前述膜之厚度，比較測定出之前述膜之厚度與第二目標值，前述膜之厚度未達到前述第二目標值時，在以前述洗淨部洗淨及乾燥前述晶圓之前，進行以前述研磨部再研磨該晶圓之再研磨工序。
  2. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中進一步包含算出為了使以前述膜厚測定器測定出之前述膜之厚度達到前述第二目標值需要的追加研磨時間之工序，前述再研磨工序係將前述晶圓以前述研磨部再研磨前述追加研磨時間程度之工序。
  3. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述研磨工序在前述膜之厚度達到前述第二目標值之前停止。
  4. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述研磨部包含複數個頂環及複數個研磨台，前述研磨工序及前述再研磨工序，係將研磨液供給安裝於同一個研磨台之研磨墊上，同時使前述晶圓滑動接觸於前述研磨墊之工序。
  5. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述研磨部包含複數個頂環及複數個研磨台；前述再研磨工序係將研磨液供給安裝於與在前述研磨工序使用之研磨台相比另外研磨台之研磨墊上，同時使前述晶圓滑動接觸於前述另外研磨台上之前述研磨墊的工序。
  6. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中以前述膜厚測定器測定出之前述膜之厚度達到前述第二目標值時，洗淨前述晶圓，並使其乾燥。
  7. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中進行前述再研磨工序時、及/或藉由前述膜厚測定器測定前述膜之厚度時，在後續之晶圓上噴灑液體。
  8. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述膜厚測定器在研磨後的前述晶圓浸漬於水槽內之純水的狀態下測定前述膜之厚度。
  9. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，更包含下列工序：根據現在的膜厚指標值，以及從前述膜厚測定器獲得的現在的膜厚之測定值，來校正前述膜厚感測器，研磨後續之晶圓，同時，以校正後之前述膜厚感測器來取得前述後續之晶圓之膜厚信號，當從前述膜厚信號生成之膜厚指標值達到指定之目標值時，停止前述後續之晶圓之研磨。
  10. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述膜厚感測器係渦電流式膜厚感測器或光學式膜厚感測器。
  11. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述研磨後的晶圓在保持著濕的狀態下被搬送至前述膜厚測定器。
  12. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述研磨後的晶圓被前述頂環搬送至搬送機，再者，被前述搬送機搬送至前述膜厚測定器。
  13. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述光學式膜厚測定頭在晶圓與前述光學式膜厚測定頭之間介有液體的狀態下，測定晶圓之膜之厚度。
  14. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中前述研磨部包含複數個頂環及複數個研磨台，為了前述再研磨工序而將晶圓搬送至前述複數個研磨台其中的哪一 個的判斷基準，係現在之膜厚與前述第二目標值之差是否在預定之範圍內。
  15. 如申請專利範圍第1項之研磨方法，其中在以前述膜厚測定器測定前述膜之厚度之前，檢測晶圓在周方向之方向。
  16. 一種研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：測定前述膜之厚度，同時以研磨部研磨前述晶圓，當前述膜之厚度達到第一目標值時，而且在達到作為最後目標值之第二目標值之前結束前述晶圓之研磨，在將前述研磨後的晶圓洗淨及乾燥之前，將該晶圓搬送至膜厚測定器，藉由前述膜厚測定器測定研磨後的膜之厚度，比較以前述膜厚測定器測定出之膜之厚度與前述第二目標值，將前述晶圓洗淨及乾燥之前，以前述研磨部將該晶圓再研磨，直到前述膜之厚度到達前述第二目標值為止。
  17. 一種研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：以膜厚感測器取得隨前述膜之厚度而改變之膜厚信號，同時研磨前述晶圓，從前述膜厚信號生成之膜厚指標值達到指定值時，停止前述晶圓之研磨，將研磨後之前述晶圓搬送至膜厚測定器，藉由前述膜厚測定器測定前述膜之現在厚度，依據現在的膜厚指標值、與從前述膜厚測定器獲得之現在膜厚的測 定值，校正前述膜厚感測器，研磨後續之晶圓，同時，以前述校正後之膜厚感測器取得前述後續晶圓之膜厚信號，從前述膜厚信號生成之膜厚指標值達到指定之目標值時，停止前述後續晶圓之研磨。
  18. 一種研磨方法，係研磨形成有膜之晶圓的方法，其特徵為：以研磨部研磨前述晶圓，將研磨後之晶圓在保持濕狀態下，搬送至膜厚測定器，藉由前述膜厚測定器測定研磨後之前述晶圓之膜之厚度，比較前述膜之厚度與目標值，前述膜之厚度未達到前述目標值時，在洗淨及乾燥前述晶圓之前，進行以前述研磨部再研磨該晶圓之再研磨工序，計算因發生前述再研磨工序導致後續晶圓開始研磨時間之延遲，調整開始前述後續晶圓之研磨的時序。
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