JPH10335288A

JPH10335288A - 基板研磨装置及び研磨終点検出方法

Info

Publication number: JPH10335288A
Application number: JP14739997A
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: 1997-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 1998-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】インプロセスでの膜厚測定を光学的に実現し
てなる基板研磨装置において、膜厚測定用の光路をより
簡易的に形成できるようにする。【解決手段】基板保持台５にて保持した基板４に研磨
プレート２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４の表面を研磨加工する基板研磨装置に
おいて、研磨加工中における基板４の被加工面に対向可
能に配設され、その被加工面から研磨剤を含む測定阻害
物を除去する洗浄ノズル９と、この洗浄ノズル９による
被加工面の洗浄領域に一端を対向させて配置してなる可
撓性の光導通管１０ａ，１０ｂと、この光導通管１０
ａ，１０ｂを通して基板４上での膜厚を光学的に測定す
る膜厚測定手段（１１，１２）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および研磨終点検出方法に関す
るもので、特に、半導体基板上に形成された層間絶縁膜
等の透過膜を高精度に研磨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ものである。

【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、流体マイク
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
クからモニターすることで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（±１００ｎｍ以下程度）に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、実質的に研磨終点の検
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】そこで本出願人は、インプロセスでの高精
度な膜厚測定を実現すべく、特願平８−１８２００１号
明細書にて新規な基板研磨装置を提案している。この基
板研磨装置では、研磨加工中における基板の被加工面に
対向するように膜厚測定用ヘッドを配設し、この膜厚測
定用ヘッドに基板洗浄機能を持たせて被加工面から測定
阻害物（研磨剤を含む）を除去しつつ、その膜厚測定用
ヘッドに形成した光路を通して基板上での膜厚を光学的
に測定することで研磨終点を的確に検出可能としてい
る。

【０００７】ところが先願の基板研磨装置では、上述し
た膜厚測定用ヘッドにフラッシングヘッドを回転自在に
組み込み、このフラッシングヘッドの中心軸上に光路形
成のための軸孔を設け、この軸孔を通して基板洗浄用の
純水を供給することにより、基板の洗浄と同時に膜厚測
定用の光路を確保する構成となっていたので、光路形成
のためのメカ機構や光学調整が複雑かつ大掛かりなもの
となっていた。また、膜厚測定用ヘッドの近傍に膜厚測
定用の光学系を組み込む必要があったため、十分な設置
スペースを確保できる場所でないと膜厚測定系を組み込
むことが難しかった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決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の表面を研磨加工する基板研磨
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、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手段と、この洗浄手段による被加
工面の洗浄領域に一端を対向させて配置してなる可撓性
の光導通管と、この光導通管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。

【０００９】上記構成からなる基板研磨装置において
は、洗浄手段による被加工面の洗浄領域に光導通管の一
端を臨ませて配置するだけで膜厚測定用の光路を容易に
確保することが可能となり、しかもその光導通管が可撓
性を有することから膜厚測定用の光路を自在に曲げて形
成することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明に係
る基板研磨装置の一実施形態を説明する図であり、図中
（ａ）はその側面概略図、（ｂ）はその要部構成を示す
概略図である。

【００１１】先ず、図１（ａ）においては、主軸１の下
端部に円板状の研磨プレート２が取り付けられ、その研
磨プレート２の下面に例えば発砲ポリウレタン等からな
る研磨パッド３が装着されている。主軸１は図示せぬ昇
降機構により昇降可能に支持されている。また、主軸１
の上方には図示せぬ駆動モータが配設され、この駆動モ
ータの駆動力を受けて研磨プレート２が回転駆動する構
成となっている。

【００１２】これに対して、被加工物となる半導体ウエ
ハ等の基板４は、平面視円形をなす基板保持台５の上面
に例えば真空引きにより吸着保持されるようになってい
る。この基板保持台５は図示せぬスライドテーブルに搭
載され、そのスライドテーブルとともに図中左右方向に
移動可能となっている。また、基板保持台５の上方に
は、上記主軸１に近接して研磨剤供給用のノズル６が配
設され、このノズル６から基板保持台５上の基板４表面
（被加工面）に研磨剤が供給されるようになっている。

【００１３】さらに、主軸１には支持アーム７を介して
中空部材８が取り付けられている。この中空部材８に
は、図１（ｂ）にも示すように、洗浄手段としての洗浄
ノズル９が組み込まれている。洗浄ノズル９は、研磨加
工中に基板４の被洗浄面に近接して対向状態に配置され
るもので、図示せぬ給水系から供給される純水等の洗浄
液を基板４の被加工面に向けて噴出し、これによって被
加工面から研磨剤を含む測定阻害物を除去する役目を果
たす。

【００１４】また、中空部材８の内部には、上記洗浄ノ
ズル９とともに、例えば２本の光ファイバからなる可撓
性の光導通管１０ａ，１０ｂが組み込まれている。各々
の光導通管１０ａ，１０ｂの一端側は洗浄ノズル９の内
部に挿入されている。そして、洗浄ノズル９による基板
４の被加工面の洗浄領域に各々の光導通管１０ａ，１０
ｂの一端が対向するように配置されている。

【００１５】一方、光導通管１０ａ，１０ｂの他端側は
二股状に分かれており、一方の光導通管１０ａの他端に
は例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)からなる発光素
子１１が接続され、もう一方の光導通管１０ｂの他端に
は例えばフォトダイオードからなる受光素子１２が接続
されている。さらに、発光素子１１にはこれを駆動する
ための電源１３が接続され、受光素子１２にはその出力
信号を増幅させるためのアンプ１４が接続されている。
これらの発光素子１１および受光素子１２は、光導通管
１０ａ，１０ｂを通して基板４上での膜厚を光学的に測
定する膜厚測定手段となるものである。

【００１６】続いて、上記構成からなる基板研磨装置を
用いて基板４を研磨する場合の手順について説明する。
先ず、研磨加工にあたっては、基板保持台５の上面に基
板４をセットしたのち、研磨プレート２と基板保持台５
とをそれぞれ同方向に回転させる。次に、図示せぬスラ
イドテーブルとともに基板保持台５を水平移動し、これ
によって研磨プレート２の下方に基板保持台５を配置す
る。このとき、研磨プレート２に装着された研磨パッド
３と基板保持台５にセットされた基板４とが対向した状
態となるため、この状態でノズル６から研磨剤を供給し
つつ、主軸１とともに研磨プレート２を下降させる。

【００１７】これにより、研磨プレート２と基板保持台
５とが互いに同方向に回転した状態で、研磨パッド３が
基板４の被加工面に所定の圧力で押し付けられる。この
とき、基板保持台５が回転しながら図中左右方向に往復
移動する。これにより、ノズル６から供給された研磨剤
は、基板保持台５の回転によって基板４の被加工面上に
拡散し、さらに基板４が研磨パッド３に圧接しつつ相対
移動することで研磨剤が両者の間（圧接界面）に巻き込
まれる。その結果、研磨パッド３と基板４とが研磨剤を
介して擦れ合うようになるため、基板４の被加工面が研
磨剤の化学的研磨作用と機械的研磨作用とによって研磨
される。

【００１８】この研磨加工中においては、先述した主軸
１の下降動作に伴って洗浄ノズル９の先端部（洗浄液の
噴出口）が基板４の被加工面に近接して対向配置され、
この状態で洗浄ノズル９から洗浄液が噴射される。この
洗浄液の噴射に伴い、洗浄ノズル９と対向する基板４の
局部領域（洗浄領域）では、ノズル６から供給された研
磨剤や研磨加工で発生する研磨屑、さらには研磨中に混
入する異物等の測定阻害物１５が除去される。これによ
り研磨加工中においては、洗浄ノズル９と対向する基板
４の局部領域が、測定阻害物５の介在しない清浄な状態
に保持されるようになる。

【００１９】こうして清浄な状態に保持された基板４の
局部領域に対しては、電源１３からの電力供給に伴う発
光素子１１の駆動により、その発光素子１１から出射さ
れた光が一方の光導通管１０ａを通して基板４の被加工
面に照射される。その際、被加工面で反射した反射光
（戻り光）は他方の光導通管１０ｂを通して受光素子１
２により受光される。このとき受光素子１２からは、反
射光の強さに応じた電気信号が出力され、さらにその出
力信号がアンプ１４で所定のレベルに増幅されて図示せ
ぬ装置制御系に出力される。この出力信号に基づいて装
置制御系では、例えば基板４のベースとなるシリコン基
板４ａ上の所定膜４ｂの膜厚情報を取得し、その取得し
た膜厚情報が規定の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。

【００２０】そうすると、主軸１とともに研磨プレート
２が上昇したのち、研磨プレート２と基板保持台５の回
転が停止する。また、ノズル６からの研磨剤の供給と洗
浄ノズル９からの洗浄液の噴射も停止する。これによ
り、基板４の被加工面から研磨パッド３が離間した状態
となるため、この状態で図示せぬスライドテーブルとと
もに基板保持台５が初期位置に戻り、この時点で基板１
枚あたりの一連の研磨加工が終了となる。ちなみに、研
磨加工前の半導体ウエハの状態では、その膜厚分布が均
一ではなく通常数％程度のバラツキをもっている。した
がって、回転するウエハ上の膜厚を測定する場合は、受
光素子１２からの出力信号も数％程度変動したものとな
るため、実際には平均化等の信号処理を施す必要があ
る。

【００２１】このように本実施形態の基板研磨装置にお
いては、洗浄ノズル９による被加工面の洗浄領域に光導
通管１０ａ，１０ｂの一端を臨ませて配置するだけで、
膜厚測定用の光路を容易に確保でき、しかもその光導通
管１０ａ，１０ｂが可撓性を有することから膜厚測定用
の光路を自在に曲げて形成することができる。これによ
り、光路形成のための複雑なメカ機構や面倒な光軸調整
等が不要になるとともに、基板研磨装置のいずれの箇所
に対しても光導通管１０ａ，１０ｂを組み込むことで容
易に膜厚測定用の光路を確保することが可能となる。ま
た、光導通管１０ａ，１０ｂの管内では、外部と完全に
遮断された状態で光が誘導されることから、外乱光等の
ノイズに対しても十分に強い膜厚測定系（光学系）を構
築することができる。さらに、光導通管１０ａ，１０ｂ
を適宜曲げて取り付けることにより、膜厚測定のための
光学素子（発光素子１１，受光素子１２等）やその付属
機器（電源１３，アンプ１４等）の取付位置を任意に設
定することができるため、設置スペースの制約が大幅に
緩和される。これにより、各種の基板研磨装置（ＣＭＰ
装置）に対して、所望の位置に容易に膜厚測定系を搭載
することが可能となる。

【００２２】図２は基板研磨装置に対する膜厚測定系の
搭載例を示す図である。先ず、図２（ａ）の搭載例にお
いては、基板研磨装置の固定ベース１６に支持アーム１
７を介して中空部材８が支持されており、この中空部材
８の下端からノズル先端部を突出した状態で洗浄ノズル
９が取り付けられている。また、洗浄ノズル９には、先
の図１（ｂ）と同様に光導通管１０ａ，１０ｂの一端側
が挿入配置されている。そして、研磨加工中において
は、基板保持台５に保持された基板４に近接したかたち
で洗浄ノズル９の先端部が対向配置され、上記同様に光
導通管１０ａ，１０ｂを介した光学測定により基板４上
の膜厚が測定される構成となっている。

【００２３】これに対して、図２（ｂ）の搭載例におい
ては、基板保持台５を搭載してなるスライドテーブル１
９に支持アーム２０を介して中空部材８が支持され、こ
の中空部材８に先の図１（ｂ）と同様に洗浄ノズル９及
び光導通管１０ａ，１０ｂが組み込まれた構成となって
いる。

【００２４】一方、図２（ｃ）の搭載例では、基板保持
台５の下面側に吸着保持した基板４を、その基板直径の
２倍強の直径を有する研磨プレート２上の研磨パッド３
に上方から押し当てるタイプの基板研磨装置に対して、
研磨プレート２に洗浄ノズル９を埋設し、研磨加工時に
研磨プレート２と基板保持台３とが回転した際に洗浄ノ
ズル９の先端部が基板５に近接して対向する構成となっ
ている。

【００２５】このうち、図２（ａ）の搭載例では、固定
ベース１６によって位置的に固定された洗浄ノズル９に
対して、研磨加工中に基板保持台５が回転しながら図中
矢印方向に往復移動することから、膜厚測定に際して
は、図３（ａ）に示すように、基板４の被加工面を全面
にわたってスパイラル状にモニターすることができる。
また、基板４の被加工面上での膜厚測定ポイントについ
ては、基板保持台５の往復移動方向における位置とその
回転角度から算出することで特定することができる。こ
うした点は、先の図１に示した基板研磨装置についても
同様のことが言える。

【００２６】これに対して、図２（ｂ）の搭載例では、
基板保持台５を搭載したスライドテーブル１９が往復移
動した際、これと一体になって洗浄ノズル９が移動する
ことから、研磨加工中においてはスライドテーブル１９
の移動方向において基板４と洗浄ノズル９との相対位置
が一定に保持される。これにより、膜厚測定に際して
は、図３（ｂ）に示すように、基板４の中心から所定量
だけ離れた同心円上の位置を常にモニターすることがで
きる。また、図２（ｂ）において、基板保持台５の直径
方向に対して中空部材８を移動可能に支持することによ
り、基板４の直径方向において膜厚測定ポイントを任意
の位置に変更することが可能となる。こうした測定環境
では、デバイスパターンを有する半導体ウエハを研磨す
る際に常に特定の部分をモニターすることで、パターン
下地（シリコン、配線アルミ等）の影響を受けずに膜厚
を光学的に測定することが可能となる。また、半導体ウ
エハのエッジ部分は他の部分よりも過剰に研磨されてし
まう場合もあるため、そうした過剰研磨を未然に防止す
るためのモニターとしても有効に利用することができ
る。

【００２７】一方、図２（ｃ）の搭載例では、研磨プレ
ート２が一回転するたびに、これに埋設された洗浄ノズ
ル９がそれぞれ異なる軌跡で基板４の被加工面上を通過
することから、膜厚測定に際しては、図３（ｃ）に示す
ように、基板４の被加工面を全面にわたってランダムに
モニターすることができる。

【００２８】ところで、半導体ウエハの製造工程におい
ては、図４（ａ）に示すように、シリコン基板２０上に
パターン形成した凹凸状の層間絶縁膜２１の上に、例え
ば銅（Ｃｕ）からなる金属膜２２を積層し、その金属膜
２２の凹凸部分をＣＭＰ装置で平坦化研磨したり、図４
（ｂ）に示すように、シリコン基板２３上にパターン形
成した金属配線２４の上に層間絶縁膜２５を積層し、そ
の層間絶縁膜２５の凹凸部分をＣＭＰ装置で平坦化研磨
し、これらの組み合わせによって多層配線構造を実現し
ている。

【００２９】その際、図４（ａ）に示すように金属膜２
２等の反射膜を研磨する場合は、これを研磨していく過
程で下地材料の層間絶縁膜２１が露出し、これによって
被加工面での反射率が大きく変化することから、その変
化点を検出することで研磨終点を的確に検出することが
できる。

【００３０】これに対して、図４（ｂ）に示すように層
間絶縁膜２５等の透過膜を規定の膜厚になるように研磨
する場合は、その研磨過程において上述のように反射率
が大きく変化する点が現れないため、そうした場合は以
下のように多重干渉反射の原理に基づく計算式から膜厚
を求め、これによって得られた膜厚が規定の膜厚に達し
た時点で研磨終点と判断する。

【００３１】図５は多重干渉反射法に基づく膜厚測定の
原理を説明するための図である。先ず、λ：波長 φ：入射角ｄ：膜厚Ｆ：膜の屈折率Ｓ：下地（シリコン）の屈折率とすると、多重干渉反射の式により反射率：Ｒは以下の
数１式のように表される。

【００３２】

【数１】

【００３３】さらに上記数１式を展開すると、以下の数
２式のようになる。

【００３４】

【数２】

【００３５】ここで、Ｄ＝４π・ｄ・（Ｆ²−ＳＩＮ²
φ）^1/2／λであり、垂直入射の場合（φ＝０°）のＤ
＝４π・ｄ・Ｆ／λを上記数２式に代入すると、膜厚：
ｄは以下の数３式となり、各々の屈折率が既知であれ
ば、反射率：Ｒの関数として算出することができる。

【００３６】

【数３】

【００３７】但し、数３式においてＣＯＳ^-1は周期２π
の関数であるため、一つの反射率から膜厚：ｄの解がλ
／２Ｆおきに複数個存在することになる。そこで、それ
らの複数個の解を、以下に述べる（１）〜（４）のいず
れかの方法で１個の解に限定して膜厚：ｄを特定する。（１）公差範囲の限定により特定する方法（２）２波長用いた測定により特定する方法（３）偏光によるＰ偏光成分とＳ偏光成分の反射率変化
から特定する方法（４）入射角変化による反射率変化から特定する方法

【００３８】ここで、上述のように層間絶縁膜等の透過
膜を研磨する場合、研磨終点を的確に検出するには、細
かい時間刻みで膜厚をリアルタイムに測定する必要があ
る。そうした場合、膜厚算出のための演算についてもそ
の時間刻みに対応して頻繁に行うことになるため、演算
処理が非常に繁雑になってしまう。そこで本発明におい
ては、後述するような方法によって研磨終点を検出する
こととした。

【００３９】先ず、透過膜の膜厚を多重干渉反射の原理
に基づいて光学的に測定する場合、その反射率曲線は干
渉縞の存在によって正弦波となる。このとき、反射率曲
線の変曲点（ピーク，ボトム）の間隔は、λ／４・Ｎｆ
（λ：発光波長、Ｎｆ：膜の屈折率）で表されるから、
その間の膜厚は膜種と発光源に依存したものとなる。図
６及び図７は発光源での発光波長が６３２．８ｎｍと６
８５ｎｍの場合において、それぞれの膜種ごとに膜厚と
反射率の関係を示すもので、図６（ａ）はＳｉＮ（窒化
シリコン）／Ｓｉ（シリコン）からなる膜種、図６
（ｂ）はＰ−Ｓｉ（ポリシリコン）／ＳｉＯ₂（酸化シ
リコン）からなる膜種、図７（ａ）はＳｉＯ₂／Ｓｉか
らなる膜種、図７（ｂ）はＰ−Ｓｉ／ＳｉＯ₂からなる
膜種の場合の反射率曲線を示している。これらの図から
も、反射率曲線の変曲点間（ピークとボトムの間）にお
ける膜厚が、膜種と発光源に依存することが理解でき
る。

【００４０】図８は膜種ごとに発光波長と変曲点（ピー
クボトム）間膜厚の関係を表形式で示したものである。
ここで、膜厚測定の対象となる膜種がＳｉＯ₂で、かつ
発光波長が６６０ｎｍのＬＥＤを採用した場合、その反
射率曲線のピーク−ボトム間の膜厚は１１３．３２ｎｍ
となって求まる。したがって、基板研磨中においては、
反射率曲線の変曲点（ピーク，ボトム）を検出すること
により、基板上の膜厚を１１３．３２ｎｍの厚みピッチ
で正確に求めることが可能となる。

【００４１】ちなみに、反射率曲線の変曲点を検出する
にあたっては、その中心波長さえ安定していれば良いた
め、特に波長安定性に優れた高価なＨｅ−Ｎｅレーザ等
を採用しなくても、図９に示すように、その中心波長と
なる６６０ｎｍで安定した発光強度が得られるコヒーレ
ンスの低い汎用ＬＥＤで充分に対応できる。

【００４２】そこで本発明の方法では、研磨加工中に多
重干渉反射の原理に基づいて反射率曲線の変曲点を検出
することにより、上述した計算式にしたがってその検出
時点での透過膜の残膜厚を算出するととし、その後、反
射率曲線の変曲点が検出されるまでの間、つまり透過膜
の膜厚がその膜種と発光波長に対応した膜厚分だけ減少
するまでの間は、透過膜の膜厚算出を行わず、その間は
時間管理によって透過膜の残膜厚を推定することで研磨
終点を検出することとした。

【００４３】ここで、例えば基板研磨装置の性能によっ
て決まる研磨量の時間的な変動（研磨レートの変動）が
±５％であるとすると、この変動成分は図１０に示すよ
うに基板（ウエハ）を一枚研磨するごとに現れるため、
単に時間管理だけで研磨終点を検出すると、例えば１０
００ｎｍを研磨加工する際の加工量絶対値の誤差は±５
０ｎｍにもなってしまう。こうした加工誤差は、加工量
（加工時間）が増大するほど大きくなり、また連続して
多数枚の基板を研磨する場合はさらに大きな誤差となっ
て現れる。

【００４４】これに対して本発明の方法では、反射率曲
線の変曲点の検出による膜厚算出と時間管理との組み合
わせによって研磨終点を検出するようにしているため、
膜厚算出のための演算処理は反射率曲線の変曲点を検出
したときだけ行えばよく、またその検出時点で透過膜の
残膜厚を正確に把握できることから、反射率曲線の変曲
点（ピーク−ボトム）間の膜厚ピッチ毎に区切って透過
膜の残膜厚を時間管理により推定することで、研磨終点
を的確に検出することが可能となる。その結果、膜厚算
出のための演算処理を頻繁に行わなくても、加工量や加
工枚数にかかわらず、加工量絶対値の誤差を格段に小さ
くすることができる。

【００４５】このことから、例えばＳｉＯ₂膜を１００
０ｎｍだけ研磨加工する場合、装置性能による研磨レー
トの変動が±５％であったとしても、発光波長が６６０
ｎｍのＬＥＤを採用した場合の反射率曲線のピーク−ボ
トム間の膜厚が１１３．３２ｎｍであるため、この膜厚
ピッチ毎に区切って時間管理することで加工量絶対値の
幅を１１．３３２以内に抑えることができる。これを加
工量絶対値の精度に換算すると±０．５６％となること
から、装置性能の１０分の１以下の精度で加工量絶対値
を管理できることになる。

【００４６】さらに好適な方法としては、上述の如く多
重干渉反射の原理に基づいて反射率曲線の変曲点を検出
した際に、その検出時点で算出された透過膜の残膜厚と
その直前に検出した反射率曲線の変曲点の検出時におけ
る透過膜の残膜厚とに基づいて直前の研磨レートを求
め、この求めた直前の研磨レートを用いて、次に反射率
曲線の変曲点を検出するまでの間の透過膜の残膜厚を推
定することで研磨終点を検出することにより、加工量絶
対値の幅を小さくすることができる。

【００４７】具体的には、反射率曲線の変曲点を順次検
出していく過程で、任意の検出時点で算出された透過膜
の残膜厚が「ｄ₁」で、その次の検出時点で算出された
透過膜の残膜厚が「ｄ₂」で、その間の所要時間が
「ｔ」であった場合、時間「ｔ」における研磨レートを
「（ｄ₁−ｄ₂）／ｔ」により求める。その後、反射率
曲線の変曲点を検出するまでの間は時間管理により透過
膜の膜厚を検出することになるが、その時間管理の際に
上述の如く求めた研磨レートを採用することで、装置性
能による研磨レートの変動分を最小限に抑えることがで
きるため、加工量絶対値の精度をより一層向上させるこ
とが可能となる。

【００４８】

【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、洗浄手段による被加工面の洗浄領域に光導
通管の一端を臨ませて配置するだけで膜厚測定用の光路
を確保でき、しかもその光導通管が可撓性を有すること
から膜厚測定用の光路を自在に曲げて形成することがで
きる。これにより、光路形成のための複雑なメカ機構が
不要になるとともに、基板研磨装置のいずれの箇所に対
しても光導通管を組み込むことで容易に膜厚測定用の光
路を確保することが可能となる。また、光導通管の可撓
性を利用して膜厚測定手段の取付位置を任意に設定する
ことが可能となるため、設置スペースの制約も大幅に緩
和される。

【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説
明する図である。

【図２】基板研磨装置に対する膜厚測定系の搭載例を示
す図である。

【図３】図２の搭載例に対応した膜厚測定のモニター状
態を示す図である。

【図４】測定対象となる膜構造の一例を示す図である。

【図５】膜厚測定原理を説明するための図である。

【図６】膜厚と反射率の関係を示す図（その１）であ
る。

【図７】膜厚と反射率の関係を示す図（その２）であ
る。

【図８】発光波長と変曲点間膜厚の関係を示す図であ
る。

【図９】ＬＥＤの発光波長の一例を示す図である。

【図１０】研磨レートの変動例を示す図である。

【符号の説明】

２…研磨プレート、３…研磨パッド、４…基板、５…基
板保持台、９…洗浄ノズル、１０ａ，１０ｂ…光導通
管、１１…発光素子、１２…受光素子

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
って前記基板の表面を研磨加工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、その被加工面から前記研磨剤を含む測定阻害物
を除去する洗浄手段と、前記洗浄手段による前記被加工面の洗浄領域に一端を対
向させて配置してなる可撓性の光導通管と、前記光導通管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。
【請求項２】基板保持台にて保持した基板に研磨プレ
ート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にあたり、前記基板の被加工面
に光を照射しつつ、その被加工面からの反射光を検出
し、その検出結果に基づいて研磨終点を検出する研磨終
点検出方法であって、前記基板上に形成された透過膜を研磨する場合、多重干
渉反射の原理に基づいて反射率曲線の変曲点を検出する
ことにより、その検出時点での前記透過膜の残膜厚を算
出し、次に前記反射率曲線の変曲点を検出するまでの間
は時間管理により前記透過膜の残膜厚を推定することで
研磨終点を検出することを特徴とする研磨終点検出方
法。
【請求項３】請求項２記載の研磨終点検出方法におい
て、前記反射率曲線の変曲点を検出した際に、その検出時点
で算出された前記透過膜の残膜厚とその直前に検出した
前記反射率曲線の変曲点の検出時点における前記透過膜
の残膜厚とに基づいて直前の研磨レートを求め、この求
めた直前の研磨レートを用いて、次に前記反射率曲線の
変曲点を検出するまでの間の前記透過膜の残膜厚を時間
管理により推定することで研磨終点を検出することを特
徴とする研磨終点検出方法。