特許 6473050 研磨装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6473050

(24)【登録日】2019年2月1日

(45)【発行日】2019年2月20日

(54)【発明の名称】研磨装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20190207BHJP

   B24B 49/12 20060101ALI20190207BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/304 622S

   B24B49/12

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-114767(P2015-114767)

(22)【出願日】2015年6月5日

(65)【公開番号】特開2017-5014(P2017-5014A)

(43)【公開日】2017年1月5日

【審査請求日】2017年11月8日

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(72)【発明者】

【氏名】金馬 利文

【審査官】 中田 剛史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１０５３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２５７４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１４１５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−０１４５５２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１３−１１０３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２３５３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３８４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５０４０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２１６４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０２３２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５１０７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６８６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５０８８７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０５３３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１００９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２６８４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９１１０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｂ２４Ｂ ４９／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の膜厚を測定しながら基板を研磨する研磨装置であって、
研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
ウェハを前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、
光を発する単一の光源と、
前記研磨テーブル内の異なる位置に配置された複数の先端を有する投光ファイバーと、
ウェハからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する第１分光器および第２分光器と、
前記研磨テーブル内の前記異なる位置に配置された複数の先端を有する受光ファイバーと、
前記反射光の強度と波長との関係を示す分光波形を生成する処理部とを備え、
前記投光ファイバーは前記単一の光源に接続され、前記単一の光源から発せられた光をウェハの表面に導き、
前記受光ファイバーは前記第１分光器および前記第２分光器に接続され、ウェハからの反射光を前記第１分光器および前記第２分光器まで導き、
前記投光ファイバーの前記複数の先端および前記受光ファイバーの前記複数の先端は、ウェハに光を導き、ウェハからの反射光を受ける第１光センサおよび第２光センサを構成し、
前記第１光センサおよび前記第２光センサのそれぞれは、前記第１分光器および前記第２分光器の両方に接続されており、
前記第１分光器および前記第２分光器は、異なる波長範囲で反射光の強度を測定するように構成されており、
前記処理部は、前記分光波形に基づいて膜厚を決定することを特徴とする研磨装置。

【請求項2】

前記単一の光源、前記第１分光器、および前記第２分光器は、前記研磨テーブルに設置されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

【請求項3】

前記第１光センサおよび前記第２光センサは、前記研磨テーブルの中心から異なる距離に位置しており、かつ前記研磨テーブルの周方向において互いに離れて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。

【請求項4】

前記投光ファイバーは、前記単一の光源に接続された投光主幹ファイバーと、前記投光主幹ファイバーから分岐した第１投光分岐ファイバーおよび第２投光分岐ファイバーとを有し、
前記受光ファイバーは、前記第１分光器および前記第２分光器に接続された受光主幹ファイバーと、前記受光主幹ファイバーから分岐した第１受光分岐ファイバーおよび第２受光分岐ファイバーとを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項5】

前記第２光センサは、前記研磨テーブルの中心に関して前記第１光センサの反対側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項6】

特定波長を持つ光を発する較正用光源をさらに備え、
前記較正用光源は、前記第１分光器または前記第２分光器に較正用光ファイバーで接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項7】

前記処理部は、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、膜厚と周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルを生成し、しきい値よりも大きい周波数成分の強度のピークを決定し、該ピークに対応する膜厚を決定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の研磨装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、膜が表面に形成されているウェハを研磨する研磨装置に関し、特に、ウェハからの反射光に含まれる光学情報を解析することによりウェハの膜厚を検出することができる研磨装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造プロセスには、ＳｉＯ_２などの絶縁膜を研磨する工程や、銅、タングステンなどの金属膜を研磨する工程などの様々な工程が含まれる。裏面照射型ＣＭＯＳセンサおよびシリコン貫通電極（ＴＳＶ）の製造工程では、絶縁膜や金属膜の研磨工程の他にも、シリコン層（シリコンウェハ）を研磨する工程が含まれる。ウェハの研磨は、その表面を構成する膜（絶縁膜、金属膜、シリコン層など）の厚さが所定の目標値に達したときに終了される。

【0003】

ウェハの研磨は研磨装置を使用して行われる。図１３は、研磨装置の一例を示す模式図である。研磨装置は、一般的に、研磨パッド２０１を支持する回転可能な研磨テーブル２０２と、研磨テーブル２０２上の研磨パッド２０１にウェハＷを押し付ける研磨ヘッド２０５と、研磨パッド２０１上に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル２０６と、ウェハＷの膜厚を測定する膜厚測定装置２１０を備える。

【0004】

図１３に示す膜厚測定装置２１０は、光学式膜厚測定装置である。この膜厚測定装置２１０は、光を発する光源２１２と、光源２１２に接続された投光光ファイバー２１５と、研磨テーブル２０２内の異なる位置に先端が配置された第１光ファイバー２１６および第２光ファイバー２１７と、第１光ファイバー２１６および第２光ファイバー２１７のうちのいずれか一方を選択的に投光光ファイバー２１５に接続する第１光路切り替え器２２０と、ウェハＷからの反射光の強度を測定する分光器２２２と、分光器２２２に接続された受光光ファイバー２２４と、研磨テーブル２０２内の異なる位置に先端が配置された第３光ファイバー２２７および第４光ファイバー２２８と、第３光ファイバー２２７および第４光ファイバー２２８のうちのいずれか一方を選択的に受光光ファイバー２２４に接続する第２光路切り替え器２３０とを備える。

【0005】

第１光ファイバー２１６の先端および第３光ファイバー２２７の先端は第１光センサ２３４を構成し、第２光ファイバー２１７の先端および第４光ファイバー２２８の先端は第２光センサ２３５を構成する。これら第１光センサ２３４および第２光センサ２３５は、研磨テーブル２０２内の異なる位置に配置されており、研磨テーブル２０２が回転するとともに、第１光センサ２３４および第２光センサ２３５は、交互にウェハＷを横切る。第１光センサ２３４および第２光センサ２３５は、ウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受ける。反射光は、第３光ファイバー２２７または第４光ファイバー２２８を通じて受光光ファイバー２２４に伝達され、さらに受光光ファイバー２２４を通じて分光器２２２に伝達される。分光器２２２は、反射光を波長に従って分解し、反射光の各波長での強度を測定する。処理部２４０は、分光器２２２に接続されており、反射光の強度の測定値から分光波形（スペクトル）を生成し、分光波形からウェハＷの膜厚を決定する。

【0006】

図１４は、第１光路切り替え器２２０を示す模式図である。第１光路切り替え器２２０は、第１光ファイバー２１６および第２光ファイバー２１７の端部を移動させる圧電アクチュエータ２４４を備えている。この圧電アクチュエータ２４４が第１光ファイバー２１６および第２光ファイバー２１７の端部を移動させることにより、第１光ファイバー２１６および第２光ファイバー２１７のうちの一方が、投光光ファイバー２１５に接続される。図示しないが、第２光路切り替え器２３０も同じ構成を有している。

【0007】

第１光路切り替え器２２０および第２光路切り替え器２３０は、第１光センサ２３４がウェハＷを横切っている間、第１光ファイバー２１６および第３光ファイバー２２７を投光光ファイバー２１５および受光光ファイバー２２４にそれぞれ接続し、第２光センサ２３５がウェハＷを横切っている間、第２光ファイバー２１７および第４光ファイバー２２８を投光光ファイバー２１５および受光光ファイバー２２４にそれぞれ接続する。このように、研磨テーブル２０２が一回転する間に第１光路切り替え器２２０および第２光路切り替え器２３０が作動するので、分光器２２２は第１光センサ２３４および第２光センサ２３５が受光した反射光を別々に処理することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１２−１３８４４２号公報

【特許文献2】特表２０１４−５０４０４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、第１光路切り替え器２２０および第２光路切り替え器２３０は、機械的な切り替え装置であるので、長期間使用し続けると不具合が起こる場合がある。第１光路切り替え器２２０または第２光路切り替え器２３０に不具合が起こると、第１光センサ２３４および第２光センサ２３５から分光器２２２に導かれる反射光の強度が変わり、処理部２４０で決定される膜厚が変動してしまう。

【0010】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、光ファイバーの光路切り替え器を用いることなく、複数の光センサを用いてウェハの膜厚を測定することができる研磨装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板の膜厚を測定しながら基板を研磨する研磨装置であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハを前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、光を発する単一の光源と、前記研磨テーブル内の異なる位置に配置された複数の先端を有する投光ファイバーと、ウェハからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する第１分光器および第２分光器と、前記研磨テーブル内の前記異なる位置に配置された複数の先端を有する受光ファイバーと、前記反射光の強度と波長との関係を示す分光波形を生成する処理部とを備え、前記投光ファイバーは前記単一の光源に接続され、前記単一の光源から発せられた光をウェハの表面に導き、前記受光ファイバーは前記第１分光器および前記第２分光器に接続され、ウェハからの反射光を前記第１分光器および前記第２分光器まで導き、前記投光ファイバーの前記複数の先端および前記受光ファイバーの前記複数の先端は、ウェハに光を導き、ウェハからの反射光を受ける第１光センサおよび第２光センサを構成し、前記第１光センサおよび前記第２光センサのそれぞれは、前記第１分光器および前記第２分光器の両方に接続されており、前記第１分光器および前記第２分光器は、異なる波長範囲で反射光の強度を測定するように構成されており、前記処理部は、前記分光波形に基づいて膜厚を決定することを特徴とする研磨装置である。

【0012】

本発明の好ましい態様は、前記単一の光源、前記第１分光器、および前記第２分光器は、前記研磨テーブルに設置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１光センサおよび前記第２光センサは、前記研磨テーブルの中心から異なる距離に位置しており、かつ前記研磨テーブルの周方向において互いに離れて配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記投光ファイバーは、前記単一の光源に接続された投光主幹ファイバーと、前記投光主幹ファイバーから分岐した第１投光分岐ファイバーおよび第２投光分岐ファイバーとを有し、前記受光ファイバーは、前記第１分光器および前記第２分光器に接続された受光主幹ファイバーと、前記受光主幹ファイバーから分岐した第１受光分岐ファイバーおよび第２受光分岐ファイバーとを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第２光センサは、前記研磨テーブルの中心に関して前記第１光センサの反対側に配置されていることを特徴とする。

【0013】

本発明の好ましい態様は、特定波長を持つ光を発する較正用光源をさらに備え、前記較正用光源は、前記第１分光器または前記第２分光器に較正用光ファイバーで接続されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記処理部は、前記分光波形にフーリエ変換処理を行なって、膜厚と周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルを生成し、しきい値よりも大きい周波数成分の強度のピークを決定し、該ピークに対応する膜厚を決定することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

ウェハからの反射光は、投光ファイバーおよび受光ファイバーの先端がウェハの下に存在するときにのみ分光器に導かれる。言い換えれば、投光ファイバーおよび受光ファイバーの先端がウェハの下にないときは、分光器に導かれる光の強度は極めて低い。つまり、ウェハからの反射光以外の光は、膜厚決定に使用されない。したがって、光路切り替え器を設けることなく、膜厚を決定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。

【図2】研磨パッドおよび研磨テーブルを示す上面図である。

【図3】光源に接続された投光ファイバーを示す拡大図である。

【図4】分光器に接続された受光ファイバーを示す拡大図である。

【図5】光学式膜厚測定器の原理を説明するための模式図である。

【図6】分光波形の一例を示すグラフである。

【図7】図６に示す分光波形にフーリエ変換処理を行って得られた周波数スペクトルを示すグラフである。

【図8】投光ファイバーの先端および受光ファイバーの先端がウェハの下にないときに生成された周波数スペクトルを示すグラフである。

【図9】第１光源と第２光源を備えた実施形態を示す模式図である。

【図10】光源に加えて、特定の波長を持つ光を発する較正用光源をさらに備えた実施形態を示す模式図である。

【図11】第１分光器と第２分光器を備えた実施形態を示す模式図である。

【図12】第１光源および第２光源と、第１分光器および第２分光器を設けた実施形態を示す模式図である。

【図13】研磨装置の一例を示す模式図である。

【図14】図１３に示す第１光路切り替え器を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド１を支持する研磨テーブル３と、ウェハＷを保持しウェハＷを研磨テーブル３上の研磨パッド１に押し付ける研磨ヘッド５と、研磨パッド１に研磨液（例えばスラリー）を供給するための研磨液供給ノズル１０と、ウェハＷの研磨を制御する研磨制御部１２とを備えている。

【0017】

研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ１９に連結されており、このテーブルモータ１９により研磨テーブル３が矢印で示す方向に回転されるようになっている。この研磨テーブル３の上面には研磨パッド１が貼付されており、研磨パッド１の上面がウェハＷを研磨する研磨面１ａを構成している。研磨ヘッド５は研磨ヘッドシャフト１６の下端に連結されている。研磨ヘッド５は、真空吸引によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。研磨ヘッドシャフト１６は、図示しない上下動機構により上下動できるようになっている。

【0018】

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド５および研磨テーブル３をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給ノズル１０から研磨パッド１上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、研磨ヘッド５は、ウェハＷを研磨パッド１の研磨面１ａに押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。

【0019】

研磨装置は、ウェハＷの膜厚を測定する光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）２５を備えている。この光学式膜厚測定器２５は、光を発する光源３０と、研磨テーブル３内の異なる位置に配置された複数の先端３４ａ，３４ｂを有する投光ファイバー３４と、ウェハＷからの反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を測定する分光器２６と、研磨テーブル３内の前記異なる位置に配置された複数の先端５０ａ，５０ｂを有する受光ファイバー５０と、反射光の強度と波長との関係を示す分光波形を生成する処理部２７とを備えている。処理部２７は研磨制御部１２に接続されている。

【0020】

投光ファイバー３４は光源３０に接続されており、光源３０から発せられた光をウェハＷの表面に導くように配置されている。受光ファイバー５０は分光器２６に接続されており、ウェハＷからの反射光を分光器２６まで導くように配置されている。投光ファイバー３４の一方の先端３４ａと、受光ファイバー５０の一方の先端５０ａは、互いに隣接しており、これらの先端３４ａ，５０ａは第１光センサ６１を構成する。投光ファイバー３４の他方の先端３４ｂと、受光ファイバー５０の他方の先端５０ｂは、互いに隣接しており、これらの先端３４ｂ，５０ｂは第２光センサ６２を構成する。研磨パッド１は、第１光センサ６１および第２光センサ６２の上方に位置する通孔１ｂ，１ｃを有しており、第１光センサ６１および第２光センサ６２は、これらの通孔１ｂ，１ｃを通じて研磨パッド１上のウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受けることができるようになっている。

【0021】

図２は、研磨パッド１および研磨テーブル３を示す上面図である。第１光センサ６１および第２光センサ６２は、研磨テーブル３の中心から異なる距離に位置しており、かつ研磨テーブル３の周方向において互いに離れて配置されている。図２に示す実施形態では、第２光センサ６２は、研磨テーブル３の中心に関して第１光センサ６１の反対側に配置されている。第１光センサ６１および第２光センサ６２は、研磨テーブル３が一回転するたびに異なる軌跡を描いてウェハＷを交互に横切る。具体的には、第１光センサ６１はウェハＷの中心を横切り、第２光センサ６２はウェハＷのエッジ部のみを横切る。第１光センサ６１および第２光センサ６２は、交互にウェハＷに光を導き、ウェハＷからの反射光を受ける。

【0022】

図３は、光源３０に接続された投光ファイバー３４を示す拡大図である。投光ファイバー３４は、結束具３１で結束された多数の素線光ファイバー３２から構成される。投光ファイバー３４は、光源３０に接続された投光主幹ファイバー３５と、投光主幹ファイバー３５から分岐した第１投光分岐ファイバー３６および第２投光分岐ファイバー３７とを有している。

【0023】

図４は、分光器２６に接続された受光ファイバー５０を示す拡大図である。受光ファイバー５０も、同様に、結束具５１で結束された多数の素線光ファイバー５２から構成される。受光ファイバー５０は、分光器２６に接続された受光主幹ファイバー５５と、受光主幹ファイバー５５から分岐した第１受光分岐ファイバー５６および第２受光分岐ファイバー５７とを有している。

【0024】

投光ファイバー３４の先端３４ａ，３４ｂは、第１投光分岐ファイバー３６および第２投光分岐ファイバー３７の先端から構成されており、これら先端３４ａ，３４ｂは、上述したように、研磨テーブル３内に位置している。受光ファイバー５０の先端５０ａ，５０ｂは、第１受光分岐ファイバー５６および第２受光分岐ファイバー５７の先端から構成されており、これら先端５０ａ，５０ｂも、研磨テーブル３内に位置している。

【0025】

図３および図４に示す実施形態では、１本の主幹ファイバーが２本の分岐ファイバーに分岐しているが、素線光ファイバーを追加することにより、３本以上の分岐ファイバーに分岐することも可能である。さらに、素線光ファイバーを追加することにより、ファイバーの径を簡単に大きくすることができる。このような多数の素線光ファイバーから構成されるファイバーは、曲げやすく、かつ折れにくいという利点を備えている。

【0026】

ウェハＷの研磨中は、投光ファイバー３４から光がウェハＷに照射され、受光ファイバー５０によってウェハＷからの反射光が受光される。分光器２６は、反射光を波長に従って分解して各波長での反射光の強度を所定の波長範囲に亘って測定し、得られた光強度データを処理部２７に送る。この光強度データは、ウェハＷの膜厚を反映した光学信号であり、反射光の強度及び対応する波長から構成される。処理部２７は、光強度データから波長ごとの光の強度を表わす分光波形を生成する。

【0027】

図５は、光学式膜厚測定器２５の原理を説明するための模式図である。図５に示す例では、ウェハＷは、下層膜と、その上に形成された上層膜とを有している。上層膜は、例えばシリコン層または絶縁膜などの、光の透過を許容する膜である。ウェハＷに照射された光は、媒質（図５の例では水）と上層膜との界面、および上層膜と下層膜との界面で反射し、これらの界面で反射した光の波が互いに干渉する。この光の波の干渉の仕方は、上層膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、ウェハＷからの反射光から生成される分光波形は、上層膜の厚さに従って変化する。

【0028】

分光器２６は、反射光を波長に従って分解し、反射光の強度を波長ごとに測定する。処理部２７は、分光器２６から得られた反射光の強度データ（光学信号）から分光波形を生成する。この分光波形は、光の波長と強度との関係を示す線グラフとして表される。光の強度は、後述する相対反射率などの相対値として表わすこともできる。

【0029】

図６は、分光波形の一例を示すグラフである。図６において、縦軸はウェハＷからの反射光の強度を示す相対反射率を表し、横軸は反射光の波長を表す。相対反射率とは、反射光の強度を示す指標値であり、光の強度と所定の基準強度との比である。各波長において光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要なノイズが実測強度から除去される。

【0030】

基準強度は、各波長について予め取得された強度であり、相対反射率は各波長において算出される。具体的には、各波長での光の強度（実測強度）を、対応する基準強度で割り算することにより相対反射率が求められる。基準強度は、例えば、膜厚センサから発せられた光の強度を直接測定するか、または膜厚センサから鏡に光を照射し、鏡からの反射光の強度を測定することによって得られる。あるいは、基準強度は、膜が形成されていないシリコンウェハ（ベアウェハ）を水の存在下で水研磨しているときに得られた光の強度としてもよい。実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式を用いて求めることができる。

【数1】

ここで、λは波長であり、Ｅ（λ）はウェハから反射した波長λでの光の強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は光を遮断した条件下で取得された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。

【0031】

処理部２７は、分光波形にフーリエ変換処理（例えば、高速フーリエ変換処理）を行って周波数スペクトルを生成し、周波数スペクトルからウェハＷの膜厚を決定する。図７は、図６に示す分光波形にフーリエ変換処理を行って得られた周波数スペクトルを示すグラフである。図７において、縦軸は分光波形に含まれる周波数成分の強度を表し、横軸は膜厚を表す。周波数成分の強度は、正弦波として表される周波数成分の振幅に相当する。分光波形に含まれる周波数成分は、所定の関係式を用いて膜厚に変換され、図７に示すような膜厚と周波数成分の強度との関係を示す周波数スペクトルが生成される。上述した所定の関係式は、周波数成分を変数とした、膜厚を表す一次関数であり、膜厚の実測結果または光学的膜厚測定シミュレーションなどから求めることができる。

【0032】

図７に示すグラフにおいて、周波数成分の強度のピークは膜厚ｔ１で現れる。言い換えれば、膜厚ｔ１において、周波数成分の強度が最も大きくなる。つまり、この周波数スペクトルは、膜厚がｔ１であることを示している。このようにして、処理部２７は、周波数成分の強度のピークに対応する膜厚を決定する。

【0033】

処理部２７は、膜厚測定値として膜厚ｔ１を研磨制御部１２に出力する。研磨制御部１２は、処理部２７から送られた膜厚ｔ１に基づいて研磨動作（例えば、研磨終了動作）を制御する。例えば、研磨制御部１２は、膜厚ｔ１が予め設定された目標値に達した場合には、ウェハＷの研磨を終了する。

【0034】

本実施形態に係る膜厚測定装置２５は、図１３に示す膜厚測定装置２１０とは異なり、複数の分岐ファイバーを主幹ファイバーに選択的に接続するための光路切り替え器を備えていない。すなわち、投光主幹ファイバー３５は、第１投光分岐ファイバー３６および第２投光分岐ファイバー３７に常に接続されている。同様に、受光主幹ファイバー５５は、第１受光分岐ファイバー５６および第２受光分岐ファイバー５７に常に接続されている。

【0035】

第２光センサ６２は、研磨テーブル３の中心に関して第１光センサ６１の反対側に配置されている。したがって、ウェハＷの研磨中は、研磨テーブル３が一回転するたびに、第１光センサ６１および第２光センサ６２はウェハＷを交互に横切る。分光器２６は、受光ファイバー５０の第１受光分岐ファイバー５６および第２受光分岐ファイバー５７を通じて光を常に受け取る。しかしながら、投光ファイバー３４および受光ファイバー５０の先端３４ａ，３４ｂ，５０ａ，５０ｂがウェハＷの下にないときは、分光器２６が受ける光の強度は極めて低い。そこで、処理部２７は、ウェハＷからの反射光と、それ以外の光とを区別するために、図７に示すように、処理部２７には、周波数成分の強度についてのしきい値が予め記憶されている。

【0036】

投光ファイバー３４および受光ファイバー５０の先端３４ａ，３４ｂ，５０ａ，５０ｂがウェハＷの下にないときは、分光器２６に入射される光の強度は低い。この場合、周波数スペクトルに含まれる周波数成分の強度は全体的に低くなる。図８は、投光ファイバー３４の先端および受光ファイバー５０の先端がウェハＷの下にないときに生成された周波数スペクトルを示すグラフである。図８に示すように、周波数成分の強度は全体的にしきい値よりも低い。したがって、この周波数スペクトルは、膜厚決定に使用されない。

【0037】

これに対し、図７に示すように、ウェハＷからの反射光から生成された周波数スペクトルは、しきい値よりも大きい周波数成分の強度を含み、周波数成分の強度のピークはしきい値よりも大きい。したがって、この周波数スペクトルは、膜厚決定に使用される。

【0038】

このように、処理部２７は、周波数スペクトルに含まれる周波数成分の強度をしきい値と比較することによって、ウェハＷからの反射光と、それ以外の光とを区別することができる。さらに、第１光センサ６１および第２光センサ６２はウェハＷを交互に横切るので、第１光センサ６１および第２光センサ６２が受ける反射光は重畳しない。したがって、光路切り替え器を設ける必要がない。上述した実施形態の膜厚測定は、ウェハＷの研磨中のみならず、ウェハＷの研磨前および／または研磨後にも行うことが可能である。

【0039】

図９は、第１光源３０Ａと第２光源３０Ｂを備えた実施形態を示す模式図である。図９に示すように、本実施形態の光源３０は、第１光源３０Ａと第２光源３０Ｂとから構成される。投光ファイバー３４は、第１光源３０Ａと第２光源３０Ｂの両方に接続されている。すなわち、投光主幹ファイバー３５は２つの入力端子ライン３５ａ，３５ｂを有しており、これらの入力端子ライン３５ａ，３５ｂは第１光源３０Ａと第２光源３０Ｂにそれぞれ接続されている。

【0040】

第１光源３０Ａと第２光源３０Ｂは、異なる構成を持つ光源でもよい。例えば、第１光源３０Ａはハロゲンランプからなり、第２光源３０Ｂは発光ダイオードからなる。ハロゲンランプは、発する光の波長範囲が広く（例えば、３００nm〜１３００nm）、かつ寿命が短い（約２０００時間）のに対し、発光ダイオードは、発する光の波長範囲が狭く（例えば、９００nm〜１０００nm）、寿命が長い（約１００００時間）。本実施形態によれば、ウェハＷの膜の種類に基づいて、第１光源３０Ａまたは第２光源３０Ｂのいずれかを適宜選択することができる。キセノンランプ、重水素ランプ、レーザーなどの他のタイプの光源を使用してもよい。

【0041】

第１光源３０Ａと第２光源３０Ｂは、同じ波長範囲の光を発する同じ構成を持つ光源でもよい。例えば、第１光源３０Ａおよび第２光源３０Ｂの両方にハロゲンランプを使用してもよい。ハロゲンランプの寿命は比較的短く、約２０００時間である。本実施形態によれば、第１光源３０Ａの光量が低下した場合に第２光源３０Ｂに切り換えることにより、膜厚測定装置２５が長寿命化できる。さらに、第２光源３０Ｂの光量も低下した場合には、第１光源３０Ａおよび第２光源３０Ｂの両方を新たなものに交換する。本実施形態によれば、一回の交換作業で２倍の寿命が実現できるので、研磨装置の運転を停止させる時間を短くできる。

【0042】

図１０は、光源３０に加えて、特定の波長を持つ光を発する較正用光源６０をさらに備えた実施形態を示す模式図である。較正用光源６０は、分光器２６に較正用光ファイバー６３で接続されている。較正用光ファイバー６３は、受光ファイバー５０の一部から構成されてもよい。すなわち、較正用光ファイバー６３は、受光主幹ファイバー５５から分岐した第３受光分岐ファイバーから構成されてもよい。

【0043】

較正用光源６０としては、特定波長の光を強く発する放電系の光源、例えばキセノンランプを使用することができる。較正用光源６０から発せられた光は、分光器２６によって分解され、処理部２７によって分光波形が生成される。較正用光源６０の光は特定の波長を有しているので、分光波形は輝線スペクトルとして生成される。較正用光源６０の光の波長は既知である。したがって、輝線スペクトルに含まれる輝線の波長が、較正用光源６０の光の波長に一致するように、分光器２６が較正される。

【0044】

膜厚測定装置が正確な膜厚を測定するためには、分光器を定期的または不定期に調整することが必要である。従来の較正方法は、研磨パッドの上に較正用光源を置いて、第１光センサまたは第２光センサ２に光を照らし、分光器で光の強度を測定するというものである。しかしながら、このような従来の較正方法は、研磨装置の運転を停止させる必要があるのみならず、研磨パッドの研磨面が汚染されるおそれがある。本実施形態では、較正用光源６０は研磨テーブル３に設置され、分光器２６に接続されているので、分光器２６の較正は、研磨装置の運転を停止させることなく実施することができる。例えば、ウェハＷの研磨工程の間に分光器２６の較正を行ってもよい。

【0045】

図１１は、第１分光器２６Ａと第２分光器２６Ｂを備えた実施形態を示す模式図である。図１１に示すように、本実施形態の分光器２６は、第１分光器２６Ａと第２分光器２６Ｂとから構成される。受光ファイバー５０は、第１分光器２６Ａと第２分光器２６Ｂの両方に接続されている。すなわち、受光主幹ファイバー５５は２つの出力端子ライン５５ａ，５５ｂを有しており、これらの出力端子ライン５５ａ，５５ｂは第１分光器２６Ａと第２分光器２６Ｂにそれぞれ接続されている。第１分光器２６Ａおよび第２分光器２６Ｂの両方は、処理部２７に接続されている。

【0046】

第１分光器２６Ａおよび第２分光器２６Ｂは、異なる波長範囲で反射光の強度を測定するように構成されている。例えば、第１分光器２６Ａの測定可能な波長範囲は４００nm〜８００nmであり、第２分光器２６Ｂの測定可能な波長範囲は８００nm〜１１００nmである。光源３０としては、ハロゲンランプ（発光波長範囲３００nm〜１３００nm）が使用される。処理部２７は、第１分光器２６Ａおよび第２分光器２６Ｂから送られてくる光強度データ（反射光の強度と、対応する波長を含む光学信号）から分光波形を生成し、さらに分光波形に対してフーリエ変換を行って周波数スペクトルを生成する。２つの分光器２６Ａ，２６Ｂを備えた光学式膜厚測定器２５は、４００nm〜１１００nmの波長範囲で測定可能な１つ分光器よりも、分解能を向上させることができる。

【0047】

第１分光器２６Ａおよび第２分光器２６Ｂは、異なる構成を有してもよい。例えば、第２分光器２６Ｂはフォトダイオードから構成されてもよい。この場合、処理部２７は、第１分光器２６Ａから送られてくる光強度データ（反射光の強度と、対応する波長を含む光学信号）から分光波形を生成し、さらに分光波形に対して、例えば、フーリエ変換を行って周波数スペクトルを生成する。

【0048】

フォトダイオードから構成される第２分光器２６Ｂは、水の存在を検出するために使用される。光源３０としては、ハロゲンランプ（発光波長範囲３００nm〜１３００nm）が使用される。フォトダイオードは、一般に、９００nm〜１６００nmの波長範囲での光の強度を測定することが可能である。ウェハＷとファイバー３４，５０の先端との間に水が存在すると、１０００nm周辺の波長での反射光の強度が低下する。処理部２７は、１０００nm周辺の波長での反射光の強度の低下に基づいて、水の存在を検出することができる。

【0049】

上述した実施形態は適宜組み合わせることができる。例えば、図１２に示すように、第１光源３０Ａおよび第２光源３０Ｂと、第１分光器２６Ａおよび第２分光器２６Ｂを設けてもよい。より具体的には、第１光源３０Ａとしてハロゲンランプを、第２光源３０Ｂとして発光ダイオードを、第２分光器２６Ｂとしてフォトダイオードを用いてもよい。

【0050】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0051】

１ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨ヘッド
１０ 研磨液供給ノズル
１２ 研磨制御部
１６ 研磨ヘッドシャフト
１９ テーブルモータ
２５ 光学式膜厚測定器（膜厚測定装置）
２６ 分光器
２７ 処理部
３０ 光源
３０Ａ 第１光源
３０Ｂ 第２光源
３１ 結束具
３２ 素線光ファイバー
３４ 投光ファイバー
３５ 投光主幹ファイバー
３６ 第１投光分岐ファイバー
３７ 第２投光分岐ファイバー
５０ 受光ファイバー
５１ 結束具
５２ 素線光ファイバー
５５ 受光主幹ファイバー
５６ 第１受光分岐ファイバー
５７ 第２受光分岐ファイバー
６０ 較正用光源
６１ 第１光センサ
６２ 第２光センサ
６３ 較正用光ファイバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】