JPH09260317A

JPH09260317A - 基板研磨装置

Info

Publication number: JPH09260317A
Application number: JP18200196A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Sato; 修三佐藤; Suguru Otorii; 英大鳥居
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】インプロセスでの高精度な膜厚測定を実現す
ることで、研磨の終点をより的確に検出可能とした基板
研磨装置を提供する。【解決手段】研磨加工中における基板２４の被加工面
に対向可能に配設されたもので、その被加工面から研磨
剤を含む測定阻害物を除去する洗浄ユニットとして、タ
ービンノズル４１を含むタービンエアー供給系および純
水の噴出ノズル４６を含む純水供給系を有するととも
に、基板２４上での膜厚を測定するための光路を、オプ
ティカルフラット３３から軸孔４５に至るヘッド軸上に
形成してなる膜厚測定用ヘッド２７と、この膜厚測定用
ヘッド２７の光路を通して基板２４上での膜厚を光学的
に測定する膜厚測定器２８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨保持台にて保
持した基板に研磨プレート上のパッド面を押し付けつつ
研磨を行う基板研磨装置に関するもので、特に、半導体
基板上に形成された絶縁膜等を高精度に平坦化する際に
用いて好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体プロセス技術は、サブハーフミク
ロンからクォータミクロン時代に突入し、ＶＬＳＩプロ
セスにおける平坦化技術は他の微細化加工技術と同様
に、独立した要素技術の一つとして取り上げられるよう
になっている。その理由は、平坦化技術が半導体素子の
高密度化・微細化にとってきわめて重要であり、デバイ
スのスケールダウンのための技術的な決め手とされるか
らである。特に、デバイス構造が３次元化し、電極配線
が多層構造化するにつれてその重要性は高まりつつあ
る。ところで近年では、半導体プロセスにおける層間絶
縁膜のグローバル平坦化技術として、ＣＭＰ（ケミカル
・メカニカル・ポリッシング）法が注目を集めている。
このＣＭＰ法に用いられる基板研磨装置では、基板保持
台に装着した基板（被加工基板）と研磨プレート上の研
磨パッドとを互いに圧接しつつ、加工中に供給した研磨
剤（スラリー）の化学的研磨作用と機械的研磨作用によ
って基板表面をグローバルに研磨する。

【０００３】しかしながら、この種の基板研磨装置は、
いずれも既存のポリッシング装置の延長線上のものであ
り、高度化する加工精度の要求を十分に満足していない
のが現状である。特に、ロット内またはロット間での膜
厚のバラツキについては、加工時間の設定による管理が
行われているものの、単位時間あたりの研磨量（研磨レ
ート）の変動要因、例えば研磨パッドの目詰まり、研磨
加工圧、研磨剤の供給量、基板周辺の温度環境など、そ
の時々に変動する種々の要因に対応できていない。ま
た、加工後の膜厚を専用の測定装置（エリプソメータ
等）で測定し、これを基板研磨装置にフィードバックし
て膜厚を制御することも行われているが、研磨済の基板
から得た膜厚の測定データでも上記変動要因には対応で
きないため、やはりロット内またはロット間での膜厚の
バラツキが生じてしまう。

【０００４】そこで従来においては、時間管理によって
研磨終点を検出すること以外にも、インプロセス（研磨
加工中）での終点検出法として、研磨プレートを駆動す
るモータのトルク変動を利用した検出法や、流体マクク
ロメータと光ピックアップを組み合わせた検出ヘッドに
よる検出法が提案されている。このうち前者は、研磨終
点時に被加工面の材質が変化することでの研磨抵抗の変
動を利用したもので、その研磨抵抗の変動をモータトル
クからモニターし、研磨終点を検出するものである。こ
れに対して後者は、絶縁膜の被加工面までの距離を流体
マイクロメータで検出するとともに、膜厚測定の基準面
となる反射面の位置を光ピックアップにより光学的に検
出し、それらの差から絶縁膜の残膜を検出することで研
磨終点を検出するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前者の場
合は、研磨終点で材質変化が起こるケース（例えば、酸
化膜を研磨していく過程で下地のシリコンが露出する場
合など）では有効であるが、同一膜の表面の凹凸を高精
度（±１μｍ程度）で平坦化したいケースでは、精度的
に不十分であるうえ、研磨終点でモータトルクの変動が
顕著に現れないため、実質的に終点検出ができなくなっ
てしまう。また、後者の場合でも、研磨加工中は基板と
検出ヘッドとの間に研磨剤が介在したり、研磨屑やダス
トなどの異物が介在するため、光ピックアップによる反
射面（測定基準面）の位置検出がきわめて困難になる。
そのため、加工終了時または加工中断時のリンス中にし
か終点検出が行えず、完全なるインプロセスでの膜厚測
定が実現されているとは言えなかった。

【０００６】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、インプロセスでの高精度な膜
厚測定を実現することで、研磨の終点をより的確に検出
可能とした基板研磨装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、基板保持台にて保持した
基板に研磨プレート上のパッド面を押し付けつつ、研磨
剤の研磨作用によって基板を研磨する基板研磨装置にお
いて、研磨加工中における基板の被加工面に対向可能に
配設されたもので、被加工面から研磨剤を含む測定阻害
物を除去する洗浄ユニットを有するとともに、基板上で
の膜厚を測定するための光路を形成してなる膜厚測定用
ヘッドと、この膜厚測定用ヘッドの光路を通して基板上
での膜厚を光学的に測定する膜厚測定手段とを備えた構
成となっている。

【０００８】上記構成からなる基板研磨装置において
は、基板保持台で保持した基板に研磨プレート上のパッ
ド面を押し付けて研磨加工を行っている最中に、膜厚測
定用ヘッドが基板の被加工面に対向して配置され、この
状態で研磨剤を含む測定阻害物が膜厚測定ヘッドの洗浄
ユニットにより被加工面から除去される。これにより膜
厚測定手段では、研磨加工中であっても研磨剤等の測定
阻害物に阻害されることなく、膜厚測定用ヘッドの光路
を通して基板上での膜厚を光学的に測定することが可能
となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明に係わる基
板研磨装置の一実施形態を示す要部断面図であり、図２
は一実施形態における基板研磨装置の全体構造を示す斜
視図である。

【００１０】先ず、基板研磨装置の全体構造について図
２を参照しつつ説明する。図示した基板研磨装置１にお
いては、本体ベース２上に本体コラム３が設けられてい
る。本体コラム３の前面側には、Ｚ軸スライダ４がＺ軸
方向（上下方向）に移動自在に取り付けられている。Ｚ
軸スライダ４は、本体コラム３に組み込まれたＺ軸駆動
モータ５によりＺ軸方向に移動し、同方向での位置決め
がなされるようになっている。また、Ｚ軸スライダ４に
は、主軸エアーベアリング６とこれにビルトインされた
主軸スピンドルモータ７とが同軸状態で取り付けられて
いる。このうち、主軸エアーベアリング６の回転軸に
は、研磨プレート（研磨定盤）８が取り付けられてい
る。これにより、主軸スピンドルモータ７が駆動する
と、その駆動力が主軸エアーベアリング６を介して研磨
プレート８に伝達され、これにより研磨プレート８が回
転駆動される。

【００１１】さらに、研磨プレート８の下面には、発砲
ポリウレタン等からなる研磨パッド９が張設されてい
る。また、研磨プレート８の中心には、パッド表面に連
通する研磨剤噴出用の孔（不図示）が設けられている。
これに対して、主軸スピンドルモータ７の上端には研磨
剤供給用のジョイント１０が設けられている。これによ
り、図示せぬ研磨剤供給系から送り出された研磨剤（ス
ラリー）は、ジョイント１０から主軸系に導入され、研
磨プレート８中心の孔より放射状に噴出供給されるよう
になっている。

【００１２】一方、本体ベース２の上面には、Ｚ軸方向
と直交するＸ軸方向（左右方向）にガイド溝（不図示）
が形成されており、このガイド溝にＸ軸スライダ１１が
移動自在に係合されている。このＸ軸スライダ１１の下
面には、ボールネジ機構のナット（不図示）側が固定さ
れており、このナットにボールネジ機構のネジ軸１２が
螺合している。また、本体ベース２の側面にはＸ軸駆動
モータ１３が取り付けられており、このＸ軸駆動モータ
１３の出力軸にカップリング等を介してネジ軸１２の一
端が連結されている。この構成により、Ｘ軸駆動モータ
１３が駆動すると、その駆動力がボールネジ機構によっ
てＸ軸スライダ１１の直進運動に変換されるため、Ｘ軸
駆動モータ１３の駆動状態（回転速度、回転方向等）に
応じてＸ軸スライダ１１がＸ軸方向に移動するようにな
る。

【００１３】さらに、Ｘ軸スライダ１１の上面には、Ｘ
軸ロータリテーブル１４が搭載されており、そのテーブ
ル上に基板保持台となるチャックプレート１５が取り付
けられている。チャックプレート１５上にはウレタンゴ
ム等からなる基板吸着フィルム（バッキングフィルム）
１６が張設されており、この基板吸着フィルム１６を介
してウエハ等の基板（被加工基板）がチャックプレート
１５に吸着保持される構成になっている。また、Ｘ軸ロ
ータリテーブル１４には図示せぬ駆動モータが内蔵され
ており、この駆動モータによってチャックプレート１５
が回転駆動される構成になっている。

【００１４】ここで、Ｘ軸ロータリテーブル１４に対す
るチャックプレート１５の取付構造について図３を参照
しつつ詳細に説明する。先ず、Ｘ軸ロータリテーブル１
４上には、上記駆動モータ（不図示）によって回転駆動
されるロータリプレート１７が設けられている。ロータ
リープレート１７の中心には真空引き用のバキューム孔
１８が穿設されている。また、ロータリプレート１７の
上面には、断面凹状のガイドリング溝１９が形成され、
さらにその周縁部にはゴム状弾性を有するシールリング
２０が二重に取り付けられている。これに対して、チャ
ックプレート１５の下面には、同じく断面凹状のガイド
リング溝２１が形成され、さらにその周縁部にシール溝
２２が二重に形成されている。これら両プレート１５，
１７間には、位置決め用のリング部材２３が介装され
る。このリング部材２３は、両プレート面に形成された
ガイドリング溝１９，２１に嵌め込まれるもので、その
内周面側をプレート位置決めのための基準面としてい
る。

【００１５】ここで、ロータリプレート１７にチャック
プレート１５を装着する場合は、位置決め用のリング部
材２３をロータリプレート１７側のガイドリング溝１９
に嵌め入れる。このとき、リング部材２３の上部は、ロ
ータリプレート１７の上面から所定量だけ突出した状態
となる。この状態で、プレート下面のガイドリング溝２
１をリング部材２３の突出部分に嵌め込みつつ、ロータ
リプレート１７上にチャックプレート１７を載せる。こ
のとき、ロータリプレート１７側のシールリング２０も
チャックプレート１５のシール溝２２に嵌合した状態と
なる。

【００１６】この状態で、バキューム孔１８からの真空
引きを行うことにより、ロータリプレート１７に真空吸
着力をもってチャックプレート１５が位置決め固定され
る。また、シールリング２０とシール溝２２の嵌合によ
り、両プレート間への異物（研磨剤等）の侵入も阻止さ
れる。これに対して、ロータリプレート１７からチャッ
クプレート１５を取り外す場合は、バキューム孔１８か
らの真空引きを停止して、チャックプレート１５を真っ
直ぐに引き上げる。これにより、プレート下面のガイド
リング溝２１がリング部材２３から外れるとともに、シ
ール溝２２がシールリング２０から外れて、チャックプ
レート１５だけが持ち上がる。

【００１７】一方、チャックプレート１５に基板吸着フ
ィルム１６を介して基板（ウエハ等）２４を吸着保持し
た状態では、プレート外周部分にリテーナリング２５が
嵌め込まれる。このリテーナリング２５は、その内周面
の上部を基板２４の外周面に対向させて、研磨加工時に
おける基板２４の飛び出しを防止するものである。

【００１８】このようにロータリテーブル１４に着脱自
在なチャックプレート１５は、先の図２に示したＸ軸駆
動モータ１３の駆動によってＸ軸スライダ１１と一体に
Ｘ軸方向に移動する。また、そのＸ軸方向においては、
研磨プレート８の回転軸とチャックプレート１５の回転
軸とが略同一線上に設定されている。さらに、Ｘ軸スラ
イダ１１の移動によって研磨プレート８の下方にチャッ
クプレート１５を進出させ、双方の回転によってチャッ
クプレート１５上の基板２４全面に研磨パッド９を接触
可能に配置した状態では、少なくとも基板２４の被加工
面（図例では上面）の一部が研磨プレート８から外側に
はみ出た状態となるよう、研磨プレート８の外径が設定
されている。ちなみに本実施形態では、研磨プレート８
の外径を基板２４の外径と略同一に設定することによ
り、研磨加工中において基板２４の被加工面の一部が、
研磨プレート８から外側にはみ出るように構成した。

【００１９】さらに本実施形態においては、研磨加工中
での膜厚測定を実現するため、本体コラム３に膜厚測定
ユニット２６が取り付けられている。この膜厚測定ユニ
ット２６は、主として膜厚測定用ヘッド２７と膜厚測定
器（膜厚測定手段）２８とからなるもので、研磨プレー
ト８の駆動系（主軸エアーベアリング６，主軸スピンド
ルモータ７）に隣接して、Ｘ軸スライダ１１の移動経路
の上方に配設されている。また、膜厚測定用ヘッド２７
は、ユニット本体の下部に昇降可能に取り付けられてい
る。さらに、Ｘ軸方向における膜厚測定用ヘッド２７の
位置は、研磨加工中に研磨プレート８からはみ出した基
板２４の被加工面に対向し得るように設定されている。

【００２０】ここで、膜厚測定用ヘッド２７の構成につ
き、図１を参照しつつ説明する。図１に示す膜厚測定用
ヘッド２７は、大きくは、ベースとなるヘッド本体２９
と、このヘッド本体２９の下部に一対のガイドピン３０
により支持されたトレース部材３１と、このトレース部
材３１の中心部に組み込まれたフラッシングヘッド３２
とから構成されている。このうち、ベースとなるヘッド
本体２９の中央部は凹状に形成されており、その凹部底
面に、例えば研磨ガラス等からなるオプティカルフラッ
ト３３が押えプレート３４にて留め付けられている。ま
た、オプティカルフラット３３の真下には小孔を介して
純水チャンバ３５が形成されている。この純水チャンバ
３５は、オプティカルフラット３３とフラッシングヘッ
ド３２のフランジ部分にて区画形成されている。また、
純水チャンバ３５には２系統の給水路３６（図上では１
系統のみ表示）が連通しており、それぞれの給水路３６
の入口部分にジョイント３７を介して純水供給系（不図
示）が接続されている。

【００２１】さらに、ヘッド本体２９の内部には、左右
一対をなす加圧シリンダ３８がスライド自在に組み込ま
れている。この加圧シリンダ３８は、膜厚測定時におい
てトレース部材３１を下方に付勢するもので、その下端
面がトレース部材３１の上面に突き当てられている。ま
た、加圧シリンダ３８の組込空間にはエアー供給路３９
が連通しており、このエアー供給路３９の入口部分にジ
ョイント４０を介して加圧エアー供給系（不図示）が接
続されている。この構成により、ジョイント４０を通し
て加圧エアーを供給すると、そのエアー圧がエアー供給
路３９を介して加圧シリンダ３８に加えられるため、こ
れを受けて加圧シリンダ３８がトレース部材３１を下方
に付勢する。

【００２２】一方、トレース部材３１には、タービンノ
ズル４１と静圧軸受給気孔４２とがそれぞれ円周方向に
９０°位相をずらして２系統ずつ形成されている。この
うち、タービンノズル４１の出口部分はフラッシングヘ
ッド３２の下端外周面に向けて開口しており、その反対
の入口部分にジョイント４３を介してタービンエアー供
給系（不図示）が接続されている。一方、静圧軸受給気
孔４２の出口部分はガイドピン３０の小径部を経由して
フラッシングヘッド３１のテーパ面に開口し、さらにそ
こから上方に屈曲してフラッシングヘッド３１のフラン
ジ部分にも開口している。また、その反対側の入口部分
にはジョイント４４を介して静圧軸受用のエアー供給系
（不図示）が接続されている。

【００２３】フラッシングヘッド３２は、組立上の理由
から、断面略Ｔ字形のヘッド半体と略円錐形のヘッド半
体とを圧入等の結合手段により一体化したもので、その
ヘッド中心軸には、上記純水チャンバー３５に連通する
軸孔４５が穿設されている。また、フラッシングヘッド
３２には、軸孔４５の途中から二股状に分かれたかたち
で噴出ノズル４６が形成されており、そのノズル出口部
分がヘッド下面に開口している。これにより、図示せぬ
純水供給系からジョイント３７を通して供給された純水
は、給水路３６を流れて純水チャンバ３５に充填される
とともに、その純水チャンバ３５に連通するフラッシン
グヘッド３２の軸孔４５を流下してヘッド下面から排出
される。このとき、軸孔４５から二股に分かれた噴出ノ
ズル４６からも純水が排出される。これにより、膜厚測
定用ヘッド２７の中心軸上には、オプティカルフラット
３０と、純水チャンバ３５及び軸孔４５に充填された純
水とによって膜厚測定のための光路が形成される。

【００２４】さらに、フラッシングヘッド３２の下端外
周面には、図４に示すように、所定の円周ピッチで複数
のタービンフィン４７が形成されている。なお、図４中
の（ａ）〜（ｃ）のうち、（ａ）はフラッシングヘッド
３２の側面図、（ｂ）はフラッシングヘッド３２の下端
外周面の展開図、さらに（ｃ）は展開した中心線Ｌの断
面図を示している。このような形状をなすフラッシング
ヘッド３２の下端外周面に対しては、上記タービンノズ
ル４１からのタービンエアーの噴出方向が、図４（ｃ）
の破線矢印で示すようにタービンフィン４７のテーパ形
状に沿って設定されている。これにより、タービンノズ
ル４１からタービンエアーを噴出させた際には、そのタ
ービンエアーが連続的にタービンフィン４７に噴き付け
られることで、フラッシングヘッド３２に回転力が付与
される。

【００２５】また、給水路３６に純水を供給しつつ、タ
ービンエアーの供給によってフラッシングヘッド３２を
回転させた際には、軸孔４５と噴出ノズル４６とから純
水が放射状に噴射されるとともに、上記タービンフィン
４７に噴き付けられたタービンエアーがフラッシングヘ
ッド３２の下端外周面から下方に噴射される。これら純
水の噴射とタービンエアーの噴射が、研磨加工中におけ
る基板２４の被加工面から測定阻害物を除去する役目を
果たす。つまり、上述した純水供給ユニットおよびター
ビンエアー供給ユニットは、膜厚測定用の光路を形成し
たり、フラッシングヘッド３２に回転力を付与したりす
る機能の他にも、膜厚測定用ヘッド２７の中で、研磨加
工中に基板２４の被加工面から測定阻害物を除去する洗
浄ユニットとしての機能も兼ねている。

【００２６】ここで「測定阻害物」とは、基板２４上で
の膜厚測定を光学的に測定するにあたり、光学系からの
出射光を吸収・散乱させて膜厚測定を阻害する物質のこ
とをいう。したがって、測定阻害物の中には、研磨加工
中に供給される研磨剤は勿論のこと、研磨によって発生
する研磨屑や研磨中に混入する異物等が含まれる。

【００２７】加えて本実施形態においては、膜厚測定器
２８の付加的な機能として、膜厚測定用ヘッド２７の直
上に対物レンズ４８が設けられている。この対物レンズ
４８は、膜厚測定器２８から出射された光を収束させ
て、測定反射面でのスポット径を縮小するものである。

【００２８】膜厚測定器２８は、繰り返し反射干渉法
（multiple bean interferometry）の原理を利用して基
板２４上での膜厚を光学的に測定するもので、測定系の
構成として例えば、入射光を出射する光源（レーザー
等）、入射光の光路上に配置された偏光ビームスプリッ
タ（ＰＢＳ）、基板への入射光量を光電変換する第１の
フォトダイオード、基板からの反射光量を光電変換する
第２のフォトダイオード、反射光の光路上に配置された
アパーチャ等を有するものである。

【００２９】この繰り返し反射干渉の原理を用いた膜厚
測定は、基板上の薄膜に入射した光の反射率が、その膜
と基板の屈折率が既知であれば繰り返し多重反射の計算
式から、ある膜厚に対する反射率が正確に算出されるた
め、これに基づいて膜厚を推定するものである。この種
の測定方法は、薄膜の膜厚測定法として広く利用されて
いる標準的なもので、測定系の構造が簡単で、しかも反
射光量を光電変換するだけでポイント測定できるため、
基板全域をくまなく測定することができる。なお、繰り
返し反射干渉の原理を示す計算式等については、既に数
多くの文献で示されているため、ここでは説明を省略す
る。

【００３０】続いて、上記構成からなる基板研磨装置１
の動作手順について図５を参照しつつ説明する。先ず、
研磨処理にあたっては、図５（ａ）に示すように、ロー
タリテーブル１４からチャックプレート１５を取り外
し、そのチャックプレート１５に基板吸着フィルム１６
を介して基板２４を取り付ける。基板２４を取り付けた
後は、チャックプレート１５を再びロータリテーブル１
４の上に装着する。このチャックプレート１５の脱着作
業は、Ｘ軸スライダ１１が最もＸ軸駆動モータ１３寄り
に配置された状態で行われる。次に、チャックプレート
１５の装着を終えたら、Ｘ軸駆動モータ２３の駆動によ
ってＸ軸スライダ１１と一緒にロータリテーブル１４お
よびチャックプレート１５をＸ軸方向に移動し、これに
よって研磨プレート８の下方に基板２４を進出させる。

【００３１】次いで、主軸スピンドルモータ７の駆動に
より研磨プレート８を回転させるとともに、図示せぬ研
磨剤供給系からジョイント１０を通して研磨剤を供給す
る。これにより、回転中の研磨プレート８の中心から研
磨剤が放射状に噴出した状態となる。これに対して、ロ
ータリテーブル１４側でも内蔵モータの駆動によりチャ
ックプレート１５を回転させ、この状態でＺ軸モータ５
の駆動によりＺ軸スライダ４を下降させる。これによ
り、図５（ｂ）に示すように、研磨プレート８とチャッ
クプレート１５とが互いに回転した状態で、研磨パッド
９が基板２４の被加工面に押し付けられ、実質的な研磨
加工が開始される。ちなみに、研磨加工中はＸ軸駆動モ
ータ１３の駆動によってＸ軸スライダ１１がトラバース
運動（往復運動）するが、このトラバース運動中でも基
板２４の被加工面（上面）の一部は常に研磨プレート８
からはみ出し、外部に露出した状態となる。

【００３２】続いて、図５（ｃ）に示すように、膜厚測
定ユニット２６の膜厚測定用ヘッド２７が下降し、その
ヘッド下端、つまり図１に示したフラッシングヘッド３
２の下端面が、研磨プレート８からはみ出した基板２４
の被加工面に近接して対向配置される。このとき、純水
供給系（不図示）からジョイント３７を介して純水が供
給されるとともに、加圧エアー供給系（不図示）からジ
ョイント４０を介して加圧エアーが供給される。また、
タービンエアー供給系（不図示）からはジョイント４３
を介してタービンエアーが供給され、さらに静圧軸受用
のエアー供給系（不図示）からはジョイント４４を介し
て静圧軸受エアーが供給される。

【００３３】このうち、ジョイント３７を介して供給さ
れた純水は、給水路３６を通して純水チャンバ３５に充
填されるとともに、フラッシングヘッド３２の軸孔４５
と噴出ノズル４６を通して基板２４の被加工面に噴射さ
れる。その際、膜厚測定用ヘッド２７の中心軸上に、オ
プティカルフラット３３、純水チャンバ３５および軸孔
４５による膜厚測定用の光路が形成される。一方、ジョ
イント４０を介して供給された加圧エアーは、エアー供
給路３９を通して加圧シリンダ３８に作用する。これに
より加圧シリンダ３８は、ヘッド下端からの純水の噴射
に伴う反動に対抗して、トレース部材３１とともにフラ
ッシングヘッド３２を基板２４側に付勢する。

【００３４】また、ジョイント４３を介して供給された
タービンエアーは、タービンノズル４１を通してフラッ
シングヘッド３２の下端外周面に噴き付けられ、これに
よってフラッシングヘッド３２に回転力を付与される。
これに対し、ジョイント４４を介して供給された静圧軸
受エアーは、図６中の破線矢印で示すように、フラッシ
ングヘッド３２のテーパ面とフランジ面とに噴き付けら
れ、これによりトレース部材３１とフラッシングヘッド
３２との嵌合部分に微小なエアーギャップが形成され
る。つまり、フラッシングヘッド３２が回転フリーの状
態となる。この状態で、上述のごとくタービンエアーが
フラッシングヘッド３２の下端外周面に噴き付けられる
と、そこに形成された複数のタービンフィン４７がター
ビンエアーを受けることで、フラッシングヘッド３２が
高速（例えば、１０００００ｒｐｍ）で回転するように
なる。

【００３５】これにより、高速回転中のフラッシングヘ
ッド３２からは、基板２４の被加工面に向けて純水が放
射状に高速噴射され、それと同時にフラッシングヘッド
３２の外周部分からは、基板２４の被加工面に向けてタ
ービンエアーが高速噴射される。したがって、図６に示
すように、研磨加工中に供給された研磨剤や研磨加工で
発生する研磨屑、そして研磨中に混入する異物等の測定
阻害物４９は、純水の噴射とタービンエアーの噴射によ
って基板２４の被加工面から除去される。その結果、研
磨加工中においても、膜厚測定用ヘッド２７の真下に位
置する基板２４の被加工面は、常に測定阻害物の介在し
ない清浄面に保持されるようになるため、そこを測定領
域として膜厚測定器２８では、膜厚測定用ヘッド２７の
光路を通して基板２４上での膜厚を光学的に測定する。

【００３６】こうして研磨加工中に得られる膜厚測定デ
ータは、図５（ｃ）に示すように、膜厚測定器２８から
電気信号に変換されて装置全体の主制御部に出力され
る。この出力信号を受けて主制御部では、膜厚測定器２
８の出力信号から得た膜厚情報と規定の膜厚情報とを比
較し、その比較結果に基づいて各駆動系に制御信号を出
力する。すなわち、実際に測定された膜厚が規定の膜厚
に達していない間は、研磨加工を継続する旨の制御信号
を出力し、その後、測定膜厚が規定膜厚に達した時点で
研磨終点と判断し、研磨加工を終了する旨の制御信号を
出力する。

【００３７】このように主制御部から研磨終了の制御信
号が出力されると、図５（ｄ）に示すように、Ｚ軸駆動
モータ１５の駆動によってＺ軸スライダ４とともに研磨
プレート８が上昇する。これにより、基板２４の被加工
面から研磨パッド９が離れ、実質的な研磨加工が終了す
る。続いて、Ｘ軸駆動モータ１３の駆動によりチャック
プレート１５は膜厚測定用ヘッド２７寄りに移動し、そ
こで再びトラバース運動を開始する。その間、膜厚測定
用ヘッド２７の下端からは、基板２４の被加工面に向け
た純水とタービンエアーの噴射が継続して行われてお
り、これによって基板２４の被加工面がその全域にわた
って膜厚測定用ヘッド２７により洗浄される。その結
果、インプロセスでの膜厚測定とともに、インプロセス
での基板洗浄が実現されるため、従来における研磨完了
後のスクラブ洗浄を省略することができる。

【００３８】その後、膜厚測定用ヘッド２７による基板
２４の洗浄が終了すると、膜厚測定用ヘッド２７が上方
に退避するとともに、Ｘ軸駆動モータ１３の駆動によっ
てＸ軸スライダ１１とともにチャックプレート１５が初
期位置（プレート脱着が行われる位置）に戻り、これに
よって一連の研磨処理が完了する。

【００３９】このように本実施形態の基板研磨装置１に
おいては、インプロセスでの膜厚測定を実施するにあた
って、研磨加工中における基板２４の被加工面に膜厚測
定用ヘッド２７を対向させた際に、そのヘッド下端から
の純水の噴射やタービンエアーの噴射によって被加工面
から研磨剤等の測定阻害物４９が除去される。これによ
り膜厚測定器２８では、研磨剤等の測定阻害物４９に阻
害されることなく、膜厚測定用ヘッド２７の光路を通し
て基板２４上での膜厚を光学的に測定することが可能と
なる。その結果、インプロセスでの高精度な膜厚測定が
実現されるため、研磨パッド９の目詰まり、研磨加工
圧、周辺温度環境などの変動要因に惑わされることな
く、研磨加工中に測定した膜厚データに基づいて研磨終
点を的確に検出することが可能となる。参考までに、基
板研磨装置１による膜厚測定データの信頼性を確認すべ
く、同一の基板２４を測定サンプルとして、基板研磨装
置１で測定した膜厚データと、オフラインのエリプソメ
ータで測定した膜厚データとを比較してみたところ、双
方のデータには殆ど誤差が生じなかった。

【００４０】ちなみに、インプロセスでの測定対象とな
る基板２４上での膜構造としては、図７（ａ）に示すよ
うにＳｉ−Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ５０上にＳｉＯ₂膜（層
間絶縁膜）５１を形成した、いわゆるベタ膜としてのＳ
ｉＯ₂膜５１の膜厚Ｔ₁や、図７（ｂ）に示すようにＳ
ｉ−Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ５０上にＡｌ配線５２を形成
し、その上にＳｉＯ₂膜５１を形成した場合のＳｉＯ₂
膜５１の膜厚Ｔ₂、さらにはＳｉ−Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ
５０上にＡｌ配線５２とＳｉＯ₂膜５１とを二重に形成
した、いわゆる多層構造としてのＳｉＯ₂膜５１の膜厚
Ｔ₃などが一例として考えられる。

【００４１】また、図７に示す膜構造の中で、例えばＡ
ｌ配線５２の間隔が狭く、光源から出射した光を平行光
のままで基板２４上に入射すると、スポット中に反射率
の異なる面が混在してしまう場合は、正確な膜厚測定が
できなくなる。そうした場合は、図１に示したように、
膜厚測定器２８の光軸上に対物レンズ４８を設けて、光
源からの出射光を対物レンズ４８で収束させて基板２４
上に入射する。これにより、平行光に比べて反射面での
スポット径が小さくなるため、配線間隔が狭くても、正
確な膜厚測定が可能となる。

【００４２】続いて、本発明に係わる基板研磨装置の他
の実施形態について説明する。図８は、本発明の他の実
施形態として、膜厚測定ユニットの主要部となる膜厚測
定用ヘッドの構造を示しており、図中（ａ）はその平面
図、（ｂ）はその側断面図、（ｃ）はその底面図を示し
ている。

【００４３】図８に示す膜厚測定用ヘッド６０は、大き
くは、ベースとなるヘッド本体６１と、このヘッド本体
６１に組み込まれたフラッシングヘッド６２とから構成
されている。このうち、ヘッド本体６１の上面中央部は
凹状に形成されており、その凹部底面に、例えば透明平
行板からなるレーザ照射窓６３が押えプレート６４にて
留め付けられている。また、レーザ照射窓６３の真下に
は、純水チャンバ６５とともに給水ノズル６６が形成さ
れ、この給水ノズル６６の軸芯に沿って軸孔６６ａがあ
けられている。そして、上述したフラッシングヘッド６
２はヘッド本体６１の給水ノズル６６にスライド自在に
係合されている。

【００４４】図９は本形態におけるフラッシングヘッド
６２の外観図であり、図中（ａ）はその平面図、（ｂ）
はその側面図、（ｃ）はその底面図を示している。図９
に示すフラッシングヘッド６２は略円錐形の一体構造を
なすもので、その中心にはヘッド本体６１側の給水ノズ
ル６６に係合する係合孔６７があけられている。またフ
ラッシングヘッド６２の円錐面６２ａには動圧発生用の
ポケット６８が４か所にわたって設けられている。各々
のポケット６８は、ヘッド円錐面６２ａを基準にして、
例えばポケット深さ：ｔ₁＝０．１ｍｍ、ｔ₂＝０．３
ｍｍ、ｔ₃＝０．５ｍｍといったように階段状に形成さ
れている。

【００４５】一方、フラッシングヘッド６２の下端外周
面６２ｂには、先の実施形態と同様に、所定の円周ピッ
チで複数のタービンフィン６９が形成されている。さら
に、フラッシングヘッド６２の底面６２ｃには、動圧発
生用のポケット７０が４か所にわたって設けられてお
り、これらのポケット７０も上記ポケット６８と同様に
階段状に形成されている。

【００４６】ちなみに、ヘッド円錐面６２ａのポケット
６８とヘッド底面６２ｃのポケット７０については、タ
ービンフィン６９の形状で決まるフラッシングヘッド６
２の回転方向θにしたがって、各々のポケット深さが段
階的に深くなるように設定されている。

【００４７】上記構成からなるフラッシングヘッド６２
をヘッド本体６１に組み込んだ状態では、フラッシング
ヘッド６２に係合する給水ノズル６６の基端部にバキュ
ームチャンバ７１が確保される。そして、このバキュー
ムチャンバ７１に連通するかたちでヘッド本体６１にバ
キュームライン７２が形成され、そのバキュームライン
７２の導出部分、つまりヘッド本体６１の上端面に吸引
口７３が設けられている。なお、ヘッド本体６１の端面
に組み込まれたセットスクリュー７４は上記バキューム
ライン７２を一本化するための栓の役目を果たしてい
る。

【００４８】さらにヘッド本体６１の内部には、純水チ
ャンバ６５に連通する第１の給水路７５や、フラッシン
グヘッド６２の円錐面（ポケット形成面）６２ａに臨む
第２の給水路７６、さらにはフラッシングヘッド６２の
下端外周面６２ｂ（タービンフィン形成面）に臨むエア
ー供給路７７が形成されている。そして、第１の給水路
７５の導出部分にはレーザ光路充填用の給水口７８、第
２の給水路７６の導出部分には円錐軸受用の給水口７
９、エアー供給路７７の導出部分にはタービンエアー供
給口８０が、それぞれ設けられている。

【００４９】ちなみに本形態においても、先述の実施形
態と同様に、膜厚測定用ヘッド６０の直上に対物レンズ
等のレーザーフォーカスレンズ８１を配設し、このレー
ザーフォーカスレンズ８１にて収束させたレーザビーム
を、基板（ウエハ等）８２の被加工面８２ａに照射する
構成を採用しているが、これ以外にも例えば、先述のオ
プティカルフラット３３（図１）やレーザ照射窓６３
（図８）を、上側に凸の凸レンズに置き換えることによ
り、対物レンズ等を用いることなく、膜厚測定用ヘッド
２７，６０側でレーザビームを収束（フォーカシング）
させることが可能となる。

【００５０】続いて、上記構成からなる膜厚測定用ヘッ
ド６０を備えた基板研磨装置の動作手順について説明す
る。先ず、研磨処理にあたっては、図１０（ａ）に示す
ように、加工対象となる基板（半導体ウエハ等）８２を
回転テーブル（基板保持台）８３にセットしたのち、加
工主軸部８４の下端に連結した研磨プレート８５の下ま
でスライダ８６を移動させる。このとき膜厚測定用ヘッ
ド６０は、研磨プレート８５の近傍にて図１１（ａ）の
状態で待機している。

【００５１】すなわち、図１１（ａ）の状態では、吸引
口７３（図８参照）からの強制排気により、バキューム
ライン７２を通してバキュームチャンバ７１が負圧とな
り、これによってフラッシングヘッド６２がヘッド本体
６１に吸い付いた状態で支持されている。このとき、フ
ラッシングヘッド６２とその下を移動する基板８２との
クリアランスＣ₁は、基板８２が自由に左右方向に移動
できるよう、例えば１４０μｍ程度に確保されている。
ちなみに、半導体ウエハ等の場合は、基板８２の平面度
が約０．３μｍで、高さ方向のバラツキが２０μｍ以下
となっているため、上述のように両者間のクリアランス
Ｃ₁を設定すれば、フラッシングヘッド６２が基板８２
の移動を妨げることはない。

【００５２】次いで、図１０（ｂ）に示すように、加工
主軸部８４とともに研磨プレート８５を下降させて、研
磨プレート８５上のパッド面を基板８２の表面（被加工
面）に押し付け、加工主軸部８４の回転（３００ｒｐ
ｍ）と回転テーブル８２の回転（６０ｒｐｍ）、さらに
はスライダ８６のトラバース運動により研磨加工を開始
する。

【００５３】この研磨加工時において、膜厚測定用ヘッ
ド６０では、図１１（ｂ）に示すように、バキュームラ
イン７２による強制排気が継続されるとともに、タービ
ンエアー供給口８０からタービンエアー（圧縮エアー）
が供給される。また、それとともに、レーザ光路充填用
の給水口７８及び円錐軸受用の給水口７９からは、それ
ぞれ所定の給水圧をもって純水が供給される。

【００５４】このうち、タービンエアー供給口８０から
供給されたタービンエアーは、エアー供給路７７を通し
てフラッシングヘッド６２の下端外周面６２ｃに噴射さ
れ、この噴射されたタービンエアーが４つのタービンフ
ィン６９に順次噴き付けられることで、フラッシングヘ
ッド６２に回転力が付与される。さらに、こうして供給
されたタービンエアーは、フラッシングヘッド６２の外
周部分から基板８２の被加工面８２ａに向けて排気・噴
射される。ちなみに、タービンエアーの圧力を０．４Ｍ
Ｐａに設定したところ、フラッシングヘッド６２の回転
数が約２００００ｒｐｍとなり、さらにタービンエアー
圧を上げたところ、３００００ｒｐｍもの高速回転が達
成できた。

【００５５】一方、給水口７８から供給された純水は、
第１の給水路７５を通して純水チャンバ６５に充填され
るとともに、給水ノズル６６の軸孔６６ａを通して基板
８２の被加工面８２ａに噴射される。これにより、フラ
ッシングヘッド６２と基板８２との間には、純水による
安定した洗浄水膜が形成される。さらに、膜厚測定用ヘ
ッド６０の中心軸上には、レーザー照射窓６３、純水チ
ャンバ６５、軸孔６６ａによる膜厚測定用の光路が形成
される。

【００５６】これに対して、他方の給水口７９から供給
された純水は、フラッシングヘッド６２の円錐面６２ａ
に噴射され、その水圧を受けてフラッシングヘッド６２
が給水ノズル６６上をスライド下降し、フラッシングヘ
ッド６２の円錐面６２ａの外側に水膜が形成される。こ
れによりフラッシングヘッド６２の円錐面６２ａには、
基板８２に対する加圧力とともに回転半径方向に対する
調心力が発生し、それと同時にフラッシングヘッド６２
の底面６２ｃには、上記円錐面６２ａからの加圧力に対
抗するスラスト力が発生する。

【００５７】その際、円錐面６２ａの外側に形成される
水膜の膜厚は、給水ノズル６６の軸孔６６ａから基板８
２に向けて噴射される純水の水圧と、フラッシングヘッ
ド６２の円錐面６２ａに向けて噴射される純水の水圧と
のバランスによって決まる。ちなみに本形態において
は、フラッシングヘッド６２が給水ノズル６６上を４０
μｍだけスライド下降するように上記水圧バランスを調
整し、これによってフラッシングヘッド６２と基板８２
との間に約１００μｍのクリアランスＣ₂を確保するよ
うにした。

【００５８】ここで本形態においては、フラッシングヘ
ッド６２の円錐面６２ａに動圧発生用のポケット６８が
形成され、同下端外周面６２ｂにも動圧発生用のポケッ
ト７０が形成されていることから、フラッシングヘッド
６２の回転に伴って、上記円錐面６２ａでの圧力レベル
と上記ヘッド底面６２ｃでの圧力レベルとが、ポケット
６８、７０による増圧効果によって増幅される。これに
より、フラッシングヘッド６２と基板８２との間には高
速かつ高圧の洗浄水膜が形成されることから、強力な洗
浄効果を得ることができる。その結果、先の実施形態に
比較して、より少量の純水を０．５ＭＰａ以下の水圧を
もって供給するだけで、基板８２の被加工面８２ａから
測定阻害物を強力に排除し、きわめて清浄な面に保持す
ることが可能となる。

【００５９】ちなみに、純水の給水圧を０．３ＭＰａに
設定したところ、上記円錐面６２ａ及びヘッド底面６２
ｃではその７倍に相当する約２ＭＰａの圧力が得られ
た。この圧力値は、フラッシングヘッド６２の回転数の
２乗に比例して上昇するため、さらにフラッシングヘッ
ド６２を高速回転させても安定性は低下せず、より強力
な洗浄効果を得ることが可能となる。

【００６０】こうした膜厚測定用ヘッド６０の動作機能
により、研磨加工中は、基板８２の測定領域、すなわち
フラッシングヘッド６２との対向領域が測定阻害物の介
在しない清浄面に保持されるため、膜厚測定用ヘッド６
０の中心軸上に形成された光路を通してレーザービーム
（膜厚測定用）が基板８２に照射され、先の実施形態と
同様の原理で基板８２上での膜厚が光学的に測定され
る。そして、これにより得られた測定膜厚が規定膜厚に
達した時点で、図１１（ｃ）に示すように加工主軸部８
４が上昇する。これにより、基板８２の被加工面８２ａ
から研磨プレート８５が離間し、実質的な研磨加工が終
了する。

【００６１】その後、スライダ８６とともに基板８２が
元の初期位置に向けて移動するが、その移動途中で膜厚
測定用ヘッド６０による基板８２の洗浄が行われ、基板
８２の被加工面８２ａが全域にわたって清浄化される。
そして基板８２の洗浄が終了すると、膜厚測定用ヘッド
６０に対する純水及びタービンエアーの供給がストップ
し、バキュームライン７２からの強制排気だけが継続さ
れる。これによりフラッシングヘッド６２は再び膜厚測
定用ヘッド６０に吸い付けられた状態、つまり図１１
（ａ）の待機状態となる。その後、図１１（ｄ）に示す
ように、スライダ８６が初期位置に戻った段階で加工・
洗浄済の基板８２が取り外され、これによって一連の研
磨処理が完了となる。

【００６２】このように本形態で採用した膜厚測定用ヘ
ッド６０では、フラッシングヘッド６２と基板８２との
間にきわめて安定した高速洗浄水膜が得られ、これによ
って測定対象となる基板８２の被加工面８２ａから測定
阻害物を完全に除去することができるため、より安定し
た確度の高い膜厚測定が実現される。またヘッド本体６
１に組み込まれたフラッシングヘッド６２を、バキュー
ムにて吸引保持する構造を採用したことで、膜厚測定用
ヘッド６０を昇降させるための機構が不要となるため、
装置全体の小型化並びに構成の簡素化を図ることが可能
となる。

【００６３】なお、上記実施形態においては、繰り返し
反射干渉法の原理を利用して基板上での膜厚を測定する
ようにしたが、膜厚測定手段としては他の原理、例えば
吸光度測定法、干渉多波長分光法、赤外線干渉法、紫外
線干渉法など、膜厚測定用ヘッドに形成した光路を利用
して基板上での膜厚を光学的に測定し得るものであれ
ば、いずれの方式を採用してもかまわない。

【００６４】また、膜厚測定用ヘッドの洗浄ユニットと
しても、純水とエアーの噴射によって測定阻害物を除去
する以外にも、例えば基板の被加工面に対向するヘッド
面に、膜厚測定用の光路を囲むようにして洗浄用のパッ
ドやブラシを取り付け、純水との相乗作用によって測定
阻害物を除去するものであってもよい。

【００６５】さらに研磨加工中の膜厚測定以外の用途と
して、例えば、給水による光路の径を大きく設定するこ
とにより、加工中の加工面及び劣悪な環境下での鏡面
を、観察・撮影する目的で使用したり、動力源がエアー
及び水のみであるため水中での洗浄を行う目的で使用す
ることも可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の基板研磨装
置によれば、研磨加工中における基板の被加工面に膜厚
測定用ヘッドが対向した状態で、研磨剤を含む測定阻害
物が膜厚測定ヘッドの洗浄ユニットにより被加工面から
除去されるため、膜厚測定手段では、たとえ研磨加工中
であっても研磨剤等の測定阻害物に阻害されることな
く、膜厚測定用ヘッドの光路を通して基板上での膜厚を
光学的に測定することができる。これにより、インプロ
セスでの高精度な膜厚測定が実現されるため、研磨加工
中に測定した膜厚データに基づいて研磨終点を的確に検
出することが可能となる。その結果、従来のように研磨
時間等に依存することなく、常に規定の残膜厚で研磨加
工を終了できるようになるため、基板研磨工程でのロッ
ト内またはロット間での膜厚のバラツキを最小限に抑え
ることが可能となる。さらに、研磨レートの変動要因と
なるパッド目詰まり、研磨加工圧、研磨剤の供給量、温
度環境などの影響を受けずに研磨終点を的確に検出でき
ることから、種々の変動パラメータの管理を簡素化する
ことも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる基板研磨装置の一実施形態を示
す要部断面図である。

【図２】一実施形態での基板研磨装置の全体構造を示す
斜視図である。

【図３】チャックプレートの取付構造を示す分解断面図
である。

【図４】膜厚測定用ヘッドの部分的な構造を説明する図
である。

【図５】基板研磨装置の動作手順を説明する図である。

【図６】研磨加工時における膜厚測定用ヘッドの動作を
説明する図である。

【図７】測定対象となる膜構造の一例を示す図である。

【図８】本発明に係わる基板研磨装置の他の実施形態を
説明する図である。

【図９】他の実施形態におけるフラッシングヘッドの外
観図である。

【図１０】他の実施形態における基板研磨装置の動作手
順を説明する図である。

【図１１】他の実施形態における膜厚測定用ヘッドの動
作説明図である。

【符号の説明】

１基板研磨装置８研磨プレート９研磨パ
ッド１５チャックプレート（基板保持台）２４，８２
基板２６膜厚測定ユニット２７，６０膜厚測定用ヘ
ッド２８膜厚測定器（膜厚測定手段）２９，６１ヘ
ッド本体３１トレース部材３２，６２フラッシングヘッ
ド３３オプティカルフラット３５，６５純水チャ
ンバ４１タービンノズル４５，６６ａ軸孔４６
噴出ノズル４９測定阻害物６６給水ノズル６８，７０
ポケット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板保持台にて保持した基板に研磨プレ
ート上のパッド面を押し付けつつ、研磨剤の研磨作用に
よって前記基板を研磨する基板研磨装置において、研磨加工中における前記基板の被加工面に対向可能に配
設されたもので、前記被加工面から前記研磨剤を含む測
定阻害物を除去する洗浄ユニットを有するとともに、前
記基板上での膜厚を測定するための光路を形成してなる
膜厚測定用ヘッドと、前記膜厚測定用ヘッドの光路を通して前記基板上での膜
厚を光学的に測定する膜厚測定手段とを備えたことを特
徴とする基板研磨装置。