特開 2024-129865 研磨終点検出装置及びＣＭＰ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129865

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】研磨終点検出装置及びＣＭＰ装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20240920BHJP

   G01B 11/06 20060101ALI20240920BHJP

   B24B 37/013 20120101ALI20240920BHJP

   B24B 37/12 20120101ALI20240920BHJP

   B24B 49/12 20060101ALI20240920BHJP

   B24B 49/04 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 622S

G01B11/06 Z

B24B37/013

B24B37/12 D

B24B49/12

B24B49/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023039227

(22)【出願日】2023-03-14

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100169960

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 貴光

(72)【発明者】

【氏名】藤山 秀人

【テーマコード（参考）】

2F065

3C034

3C158

5F057

【Ｆターム（参考）】

2F065AA30

2F065CC17

2F065MM02

2F065MM04

2F065MM09

2F065PP13

2F065PP22

3C034AA19

3C034BB93

3C034CA02

3C034CB03

3C034DD01

3C158AA07

3C158AC02

3C158BA01

3C158BA07

3C158BB02

3C158CB01

3C158DA12

3C158EB01

3C158EB14

5F057AA19

5F057CA12

5F057DA03

5F057EB11

5F057GA12

5F057GB02

5F057GB13

(57)【要約】      （修正有）

【課題】研磨中のワークの研磨終点をリアルタイムで検出する研磨終点検出装置及びＣＭＰ装置を提供する。
【解決手段】研磨終点検出装置は、プラテン２及び研磨パッド５に形成された観測孔８内に収容され、測定点からの反射光を受光可能なセンサヘッド２２を有する膜厚測定部２０と、センサヘッドが基準線を通過したときに検出信号を発信するトリガーセンサ３１、膜厚測定部とセンサヘッドの基準線に対する回転角度を算出する回転角度算出部３２及び各測定時刻におけるセンサヘッドの回転角度及びワークＷの膜厚測定の可否に基づいて、プラテンの回転中心に対するエッジの相対的な位置関係を推定し、ワークの中心から各測定点までの距離を算出する距離算出部３３を有する膜厚分布生成部３０と、ワークの中心から各測定点までの距離と、各測定点におけるワークの膜厚とを紐付けて生成した、ワークの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する検出部４０と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラテン上の研磨パッドに揺動しながら押し付けられて研磨されるワークの膜厚分布を測定し、前記ワークの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する研磨終点検出装置であって、
前記プラテン及び前記研磨パッドに形成された観測孔内に収容され、前記プラテンとともに回転しながら上方に向けて測定光を所定間隔おきに照射するとともに測定点からの反射光を受光可能なセンサヘッドと、
前記プラテンの回転中心を通り前記プラテンの径方向に沿って設定された基準線に対応して設けられ、前記センサヘッドが前記基準線を通過したときに検出信号を発信するトリガーセンサと、
前記トリガーセンサの検出信号に基づいて前記センサヘッドが前記基準線を通過した基準時刻を計時し、前記センサヘッドが測定光を照射した測定時刻毎に前記ワークの膜厚を測定する膜厚測定部と、
前記基準時刻、前記測定時刻及び前記プラテンの回転速度に基づいて、各測定時刻における前記センサヘッドの前記基準線に対する回転角度を算出する回転角度算出部と、
各測定時刻における前記センサヘッドの回転角度及び前記ワークの膜厚測定の可否に基づいて、前記プラテンの回転中心に対する前記ワークのエッジの相対的な位置関係を推定し、前記ワークの中心から各測定点までの距離を算出する距離算出部と、
前記ワークの中心から各測定点までの距離と各測定点における前記ワークの膜厚とが紐付けられて生成された前記ワークの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する検出部と、
を備えていることを特徴とする研磨終点検出装置。

【請求項2】

前記距離算出部は、
前記膜厚測定部が前記膜厚を算出できた測定点である算出可能測定点と前記膜厚測定部が前記膜厚を算出できなかった測定点である算出不可測定点との位置関係に基づいて、前記ワークのエッジの位置を推定し、
前記算出可能測定点における前記センサヘッドの測定時刻と前記算出不可測定点における前記センサヘッドの測定時刻とに基づいて、前記エッジが前記センサヘッド上を通過した通過時刻を推定し、
前記通過時刻における前記センサヘッドの回転角度及び前記センサヘッドの回転半径に基づいて、前記プラテンの回転中心に対する前記エッジの相対的な位置関係を算出することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出装置。

【請求項3】

前記距離算出部は、互いに隣り合う前記算出可能測定点と前記算出不可測定点との間に前記ワークのエッジが位置すると推定し、互いに隣り合う前記算出可能測定点と前記算出不可測定点の各前記センサヘッドの測定時刻に基づいて、前記通過時刻を推定することを特徴とする請求項２に記載の研磨終点検出装置。

【請求項4】

前記距離算出部は、
前記プラテンの回転中心に対する前記エッジの相対的な位置関係と、前記ワークが揺動する際の前記プラテンの回転中心に対するワーク中心の軌道直線の位置関係とに基づいて、前記プラテンの回転中心に対する前記ワーク中心の位置関係を算出し、
前記プラテンの回転中心に対する前記ワーク中心の位置関係と、前記プラテンの回転中心に対する前記軌道直線の位置関係と、前記測定点における前記センサヘッドの回転角度とに基づいて、前記ワークの中心から前記測定点までの距離を算出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の研磨終点検出装置。

【請求項5】

前記距離算出部は、前記ワークが前記センサヘッド上を１回通過する度に、異なる２つの前記エッジにそれぞれ対応して算出される２つの前記ワークの中心座標を平均して前記ワークの平均中心座標を算出することを特徴とする請求項１に記載の研磨終点検出装置。

【請求項6】

請求項１に記載の研磨終点検出装置を備えていることを特徴とするＣＭＰ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、研磨終点検出装置及びＣＭＰ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造分野では、半導体シリコンウェハ等（以下、「ワーク」という）を研磨して平坦化するＣＭＰ装置が知られている。

【0003】

特許文献１記載の研磨装置は、化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）技術を適用した研磨装置である。本ＣＭＰ装置は、研磨ヘッドに装着されたワークを研磨パッドに押圧してワークを研磨するものである。また、プラテンの下方に配置されたセンサヘッドが、プラテンが１回転する度に観測孔を介してワークに向けて光を照射し、反射光の光強度スペクトルに基づいてワークの研磨終点を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－５２０２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１記載の研磨装置では、プラテンが１回転する度にワーク内の１点のみ膜厚測定を行うため、図１５に示すように、研磨ヘッドを水平方向ｄ１に移動させて、回転方向ｄ２に沿って回転するワーク１００内でセンサヘッド１０１の測定点ｍｐを走査させ、研磨終点を精度良く検出する上で必要な数の測定点（図１５中では、８カ所）での膜厚を測定するため、膜厚測定に長時間を要し、研磨終点を適時に検出できない虞があった。

【0006】

そこで、研磨中のワークの研磨終点をリアルタイムで検出するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、プラテン上の研磨パッドに揺動しながら押し付けられて研磨されるワークの膜厚分布を測定し、前記ワークの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する研磨終点検出装置であって、前記プラテン及び前記研磨パッドに形成された観測孔内に収容され、前記プラテンとともに回転しながら上方に向けて測定光を所定間隔おきに照射するとともに測定点からの反射光を受光可能なセンサヘッドと、前記プラテンの回転中心を通り前記プラテンの径方向に沿って設定された基準線に対応して設けられ、前記センサヘッドが前記基準線を通過したときに検出信号を発信するトリガーセンサと、前記トリガーセンサの検出信号に基づいて前記センサヘッドが前記基準線を通過した基準時刻を計時し、前記センサヘッドが測定光を照射した測定時刻毎に前記ワークの膜厚をそれぞれ測定する膜厚測定部と、前記基準時刻、前記測定時刻及び前記プラテンの回転速度に基づいて、各測定時刻における前記センサヘッドの前記基準線に対する回転角度を算出する回転角度算出部と、各測定時刻における前記センサヘッドの回転角度及び前記ワークの膜厚測定の可否に基づいて、前記プラテンの回転中心に対する前記ワークのエッジの相対的な位置関係を推定し、前記ワークの中心から各測定点までの距離を算出する距離算出部と、前記ワークの中心から各測定点までの距離と各測定点における前記膜厚とが紐付けられて生成された前記ワークの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する検出部と、を備えている。

【0008】

また、本発明に係るＣＭＰ装置は、上述した研磨終点検出装置を備えている。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、研磨中のワークの研磨終点をリアルタイムで検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るＣＭＰ装置を模式的に示す斜視図。

【図2】ＣＭＰ装置の要部を模式的に示す縦断面図。

【図3】プラテンが１回転する間に、ワーク内の測定点が走査される様子を示す模式図。

【図4】ワークが水平方向に揺動しない状態で研磨を行う場合のワークとセンサヘッドとの位置関係を示す平面図。

【図5】ワークが水平方向に揺動する状態で研磨を行う場合のワークとセンサヘッドとの位置関係を示す平面図。

【図6】プラテンに対するワーク、トリガーセンサ及び測定点の軌跡の位置関係を示す平面図。

【図7】ワーク近傍における、測定点の軌跡とワークとの位置関係を示す模式図。

【図8】ワークのエッジにセンサヘッドの測定点が位置する場合における、ワーク、センサヘッド及びプラテンの回転中心の位置関係を示す模式図。

【図9】ワークのエッジより内側にセンサヘッドの測定点が位置する場合における、ワーク、センサヘッド及びプラテンの回転中心の位置関係を示す模式図。

【図10】測定時刻毎のセンサヘッドの回転角度及び膜厚を記録したデータテーブル。

【図11】２つのエッジ間における、測定時刻毎のセンサヘッドの回転角度及び膜厚を記録したデータテーブル。

【図12】ワーク中心からの各測定点までの距離と各測定点における膜厚との関係を示すワークの膜厚分布。

【図13】図１２のワークの膜厚分布を示すグラフ。

【図14】研磨中にワークの膜厚分布を変化する様子を示すグラフ。

【図15】従来のＣＭＰ装置において、研磨ヘッドが水平移動してワーク内の測定点が走査される様子を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

【0012】

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

【0013】

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

【0014】

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置１を模式的に示す斜視図である。ＣＭＰ装置１は、ワークＷの一面を平坦に研磨するものである。ＣＭＰ装置１は、プラテン２と、研磨ヘッド３と、を備えている。ワークＷは、例えば、シリコンウェハであるがこれに限定されるものではない。

【0015】

プラテン２は、円盤状に形成されており、プラテン２の下方に配置された回転軸部２ａに連結されている。回転軸部２ａがモータ４の駆動によって回転することにより、プラテン２は図１中の矢印Ｄ１の方向に回転する。プラテン２の上面には、研磨パッド５が貼付されており、研磨パッド５上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるＣＭＰスラリが供給される。

【0016】

研磨ヘッド３は、プラテン２より小径に形成されており、研磨ヘッド３の上方に配置された回転軸部３ａに連結されている。回転軸部３ａが図示しないモータの駆動によって回転することにより、研磨ヘッド３は、図１中の矢印Ｄ２の方向に回転する。研磨ヘッド３は、図示しないヘッド移動機構によって垂直方向及び水平方向に移動可能に構成されている。研磨ヘッド３は、ワークＷを研磨する際に下降して研磨パッド５にワークＷを押圧する。

【0017】

ＣＭＰ装置１は、研磨中にワークＷの研磨終点を検出する研磨終点検出装置１０を備えている。研磨終点検出装置１０は、ワークＷの膜厚を測定する膜厚測定部２０と、膜厚測定部２０が測定した膜厚に基づいてワークＷの膜厚分布を生成する膜厚分布生成部３０と、ワークＷの研磨終点を検出する検出部４０と、を備えている。研磨終点検出装置１０の具体的構成については、後述する。

【0018】

ＣＭＰ装置１の動作は、コントローラ６によって制御される。コントローラ６は、ＣＭＰ装置１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。コントローラ６は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、コントローラ６の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作するものにより実現されても良い。

【0019】

このような構成により、ＣＭＰ装置１は、以下の手順でワークＷを研磨する。すなわち、まず、ワークＷの被研磨層が下方を向いた状態で、ワークＷが研磨ヘッド３に吸着保持される。次に、研磨ヘッド３がプラテン２上に移動し、プラテン２及び研磨ヘッド３が同一方向に回転する。そして、研磨パッド５上にスラリが供給されながら、研磨ヘッド３が、ワークＷを研磨パッド５に押圧してワークＷを研磨する。また、コントローラ６は、研磨終点検出装置１０がワークＷの研磨終点を検出すると、プラテン２及び研磨ヘッド３を停止させて、ワークＷの研磨が終了する。

【0020】

次に、ＣＭＰ装置１の要部について、図２に基づいて説明する。研磨ヘッド３は、回転軸部３ａに接続されて回転軸部３ａと共に回転するチャック７を備えている。

【0021】

研磨ヘッド３の下部には、チャック７が設けられている。チャック７は、例えばアルミナ製のチャックテーブル７ａを備えている。チャック７は、図示しない真空源、圧縮空気源に接続されている。真空源を起動させることにより、チャック７の保持面７ｂにワークＷが吸着保持される。また、圧縮空気源を起動させることにより、保持面７ｂとワークＷとの間に圧縮空気が供給されてワークＷの吸着保持が解除される。

【0022】

膜厚測定部２０は、いわゆる光干渉式の膜厚センサである。膜厚測定部２０は、光源２１と、センサヘッド２２と、分光装置２３と、を備えている。

【0023】

光源２１は、例えば、波長４００～８００ｎｍの白色光を出射するハロゲン光源であるが、これに限定されるものではない。光源２１は、所定間隔（例えば、０．０１秒）おきに測定光を出射し、光源２１から出射された測定光は、第１の光ファイバ２４、固定側鏡筒２５、回転側鏡筒２６及び第２の光ファイバ２７を経てセンサヘッド２２に伝送される。

【0024】

第１の光ファイバ２４は、複数の光ファイバを束ねるとともに途中で分岐したＹ型の光ファイバであり、一方端が光源２１及び分光装置２３にそれぞれ接続されるとともに、他方端が固定側鏡筒２５に接続されている。第１の光ファイバ２４の束径は、例えば１０００μｍに設定されている。なお、第１の光ファイバ２４の構成は、これに限定されるものではない。

【0025】

固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６とは、互いに接触しないように、所定距離だけ離間して対向配置されており、相互に光を照射及び受光可能である。すなわち、光は、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６との間において無線で伝送される。以下、光が無線で伝送される光路を「中空光路ＯＰ」という。

【0026】

固定側鏡筒２５の光軸と第１の光ファイバ２４の光軸とは、略一致するように構成されている。固定側鏡筒２５は、支持アーム２８に支持されている。支持アーム２８は、移動ステージ２９に載置されており、移動ステージ２９が水平方向又は上下方向に移動することにより、固定側鏡筒２５は、回転側鏡筒２６に対して相対的に移動可能である。これにより、固定側鏡筒２５と回転側鏡筒２６との隙間や、固定側鏡筒２５の光軸と回転側鏡筒２６の光軸との同軸度を容易に調整可能なため、ワークＷの膜厚測定を安定して行うことができる。

【0027】

回転側鏡筒２６は、アタッチメント２６ａを介してプラテン２の回転軸部２ａの底部に装着されている。回転側鏡筒２６は、アタッチメント２６ａに外周を支持されている。アタッチメント２６ａは、図示しない長孔にボルトを締結される等によって回転軸部２ａに着脱自在に構成されている。また、アタッチメント２６ａは、回転軸部２ａに対する組み付け位置を水平方向に微調整可能である。

【0028】

第２の光ファイバ２７は、複数の光ファイバを束ねたＩ型の光ファイバであり、一方端が回転側鏡筒２６に接続され、他方端がセンサヘッド２２に接続されている。第２の光ファイバ２７の束径は、例えば１０００μｍに設定されている。なお、第２の光ファイバ２７の構成は、これに限定されるものではない。回転側鏡筒２６の光軸と第２の光ファイバ２７の光軸とは、略一致するように構成されている。

【0029】

センサヘッド２２は、観測孔８内に収容され、観測窓９に対向して配置されている。観測孔８は、プラテン２及び研磨パッド５に上下方向に貫通して形成されている。観測孔８は、プラテン２の回転軸Ａから径方向に所定距離だけオフセットして設けられている。観測孔８の形状は、例えば、平面から視て長楕円形状に形成されている。

【0030】

観測窓９は、観測孔８の上端を閉塞するように配置されている。観測窓９は、研磨中に研磨パッド５上のスラリ等が漏水しないように、観測窓９の周面が研磨パッド５に接着される等して研磨パッド５に一体化されている。観測窓９の材質は、後述する測定光の波長に対して光学的に透明であれば如何なるものであってもよく、例えばウレタン製である。

【0031】

光源２１から出射された測定光は、第１の光ファイバ２４、固定側鏡筒２５、回転側鏡筒２６及び第２の光ファイバ２７を介してセンサヘッド２２に伝達される。すなわち、測定光は中空光路ＯＰを経由する。

【0032】

そして、センサヘッド２２からワークＷに向けて照射された測定光は、観測窓９を透過してワークＷに至る。このとき、センサヘッド２２はプラテン２と一体で回転するため、図３に示すように、ワークＷが観測窓９上を通過するときに、センサヘッド２２がワークＷに対して測定光を照射する測定点ＭＰは、プラテン２の回転方向Ｄ１に沿ってワークＷの回転中心を通りワークＷを横断するようにワークＷ内を走査される。すなわち、プラテン２が１回転する間に、極めて短時間で多点測定が可能である。

【0033】

また、センサヘッド２２は、ワークＷの被研磨層の表面及び裏面で反射して観測窓９を透過した反射光を受光する。センサヘッド２２が受光した反射光は、第２の光ファイバ２７、回転側鏡筒２６、固定側鏡筒２５及び第１の光ファイバ２４を経て分光装置２３に伝送される。すなわち、反射光は中空光路ＯＰを経由する。なお、センサヘッド２２は、観測窓９に対して垂直に光を照射又は受光するものに限定されず、光路が反射部材等で屈折されても構わない。

【0034】

分光装置２３は、固定側鏡筒２５に第１の光ファイバ２４を介して接続されている。分光装置２３は、ワークＷからの反射光を波長に応じて分解して、波長と反射光の強度との関係を示す分光波形を生成する。また、分光装置２３は、フーリエ解析等を用いて、分光波形から研磨中のワークＷの膜厚を算出する。

【0035】

このようにして、膜厚測定部２０は、センサヘッド２２及び固定側鏡筒２５がプラテン２とともに回転可能であり、測定点ＭＰが、プラテン２が１回転する毎にワークＷを横断するように走査されるため、ワークＷ内の広範囲に亘って膜厚測定を短時間で精度良く行うことができる。

【0036】

さらに、光源２１、分光装置２３がプラテン２に搭載された場合、プラテン２の回転時に生じる遠心力で光源２１や分光装置２３が破損したり、光源２１や分光装置２３への給電が不安定になったりノイズが混入する虞があるが、光源２１、分光装置２３がプラテン２外に設けられていることにより、ワークＷの膜厚測定を安定して行うことができる。

【0037】

膜厚分布生成部３０は、分光装置２３が算出した各測定点ＭＰにおけるワークＷの膜厚に基づいて、ワークＷの膜厚分布を生成する。なお、ワークＷの膜厚分布とは、測定点ＭＰのワークＷの中心からの距離と測定点ＭＰにおけるワークＷの膜厚との関係を示すものである。

【0038】

まず、図４に示すように、研磨ヘッド３が水平方向に移動せず、ワークＷの中心が測定点ＭＰ上を通過するように配置されている場合には、測定点ＭＰの軌跡Ｔは、ワークＷに対して略一定に設定されるため、分光装置２３が算出したワークＷの膜厚を測定点ＭＰの軌跡Ｔに対応する測定点ＭＰに順に割り振ることにより、分光装置２３が算出したワークＷの膜厚からワークＷの膜厚分布を生成することができる。

【0039】

一方、図５に示すように、研磨ヘッド３が水平方向に移動する場合、ワークＷに対する測定点ＭＰの軌跡Ｔは一定ではないため、分光装置２３が算出したワークＷの膜厚がどの測定点ＭＰに対応するのか直ちに判別できない。また、例えば、プラテン２の回転軸部２ａの回転角及び研磨ヘッド３を水平方向に移動させるヘッド移動機構の送り量をセンサ等でそれぞれ検出して、センサヘッド２２とワークＷとの相対的な位置関係を算出して、各測定点ＭＰに分光装置２３が算出したワークＷの膜厚を割り振ることでワークＷの膜厚分布を生成することも考えられるが、このような回転軸部２ａの回転角や研磨ヘッド３のヘッド移動機構の送り量を極めて短時間で繰り返し検出する方法は、測定点ＭＰの座標の算出に複雑な演算処理を要する。

【0040】

そこで、膜厚分布生成部３０は、複雑な演算処理を伴うことなくワークＷの膜厚分布をリアルタイムで生成する。図２に戻り、膜厚分布生成部３０は、トリガーセンサ３１と、回転角度算出部３２と、記憶部３３と、を備えている。

【0041】

トリガーセンサ３１は、プラテン２の外側面の近傍に配置されたフォトマイクロセンサ等であり、プラテン２の外側面に設けられたドグ等の被検知体がトリガーセンサ３１の検知範囲を通過したことを検出すると検出信号を発信する。図６に示すように、トリガーセンサ３１は、プラテン２及びセンサヘッド２２の回転角度の基準となる基準線ＲＬ上に配置されている。また、トリガーセンサ３１の検出信号を分光装置２３が受信すると、分光装置２３は、センサヘッド２２が基準線を通過した時刻（基準時刻）を計時する。

【0042】

なお、図６に示す基準線ＲＬは、プラテン２の回転中心Ｏを通るとともに揺動するワークＷの中心（ワーク中心Ｐ）の軌跡を通る直線ＳＬと平行な直線に設定されているが、例えば、図６において、ワークＷに対して回転方向Ｄ１の上流側でワークＷの近傍に設定されるのが好ましい。これにより、後述する測定時刻を算出するにあたって計時の誤差を小さくすることができる。以下、プラテン２の回転中心Ｏを原点として、基準線ＲＬと平行な方向にＸ軸をとり、Ｘ軸に垂直な方向にＹ軸をとる。なお、Ｘ軸は、回転中心Ｏからトリガーセンサ３１に向かう向きを正とし、Ｙ軸は、回転中心Ｏから直線ＳＬに向かう方向を正とする。

【0043】

回転角度算出部３２は、トリガーセンサ３１が計時した基準時刻、光源２１が測定光を出射した時刻（測定時刻）、及び予め記憶部３３に記憶されたプラテン２の回転速度に基づいて、図７に示すように、各測定時刻におけるセンサヘッド２２の基準線ＲＬからの回転角度θ１を算出する。光源２１は、所定間隔おきに測定光を出射することから、基準時刻と光源２１が測定光を出射した何れかの測定時刻とを同期させることで、光源２１の出射回数に応じてセンサヘッド２２の回転角度θ１と各測定点ＭＰとを対応させることができる。

【0044】

記憶部３３には、光源２１が測定光を出射したタイミング毎に、測定時刻、センサヘッド２２の回転角度及びワークＷの膜厚が紐付けて記憶される。

【0045】

膜厚分布生成部３０は、ワークＷの中心から各測定点ＭＰまでの距離を算出する距離算出部３４を備えている。距離算出部３４は、まずプラテン２の回転中心Ｏに対するワークＷのエッジの相対的な位置関係を算出し、続いてプラテン２の回転中心Ｏに対するワークＷの中心（ワーク中心）の相対的な位置関係を算出し、さらにワークＷの中心から各測定点ＭＰまでの距離を算出する。以下、距離算出部３４がワークＷの中心から各測定点ＭＰまでの距離を算出する手順の概要を説明する。

【0046】

まず、距離算出部３４は、分光装置２３が膜厚を算出できた測定点ＭＰ（算出可能測定点）と分光装置２３が膜厚を算出できなかった測定点ＭＰ（算出不可測定点）との位置関係に基づいて、ワークＷのエッジの位置を推定する。

【0047】

具体的には、図７に示すように、膜厚測定部２０は、所定間隔おきに連続してワークＷの膜厚を測定するところ、測定点ＭＰがワークＷ内に位置するときは膜厚を測定できるのに対し、測定点ＭＰがチャックテーブル７ａ等のワークＷ外に位置するときは反射光を受光できない又は反射光の光量が十分でない等の理由により膜厚を測定できない。

【0048】

そこで、距離算出部３４は、ワークＷの膜厚が算出できた場合（図７において測定点ＭＰ２から測定点ＭＰ３の間）には、測定点ＭＰがワークＷ内に存在するとみなし、ワークＷの膜厚が算出できない場合（図７において測定点ＭＰ１から回転方向Ｄ１の上流側及び測定点ＭＰ４から回転方向Ｄ１の下流側）には、測定点ＭＰがワークＷ外に存在したとみなす。

【0049】

そして、距離算出部３４は、軌跡Ｔ上で互いに隣り合う算出不可測定点である測定点ＭＰ１と算出可能測定点である測定点ＭＰ２との間、及び軌跡Ｔ上で互いに隣り合う算出可能測定点である測定点ＭＰ３と算出不可測定点である測定点ＭＰ４との間に、ワークＷのエッジが存在するとみなす。

【0050】

次に、距離算出部３４は、軌跡Ｔ上でエッジを挟むように位置する測定点ＭＰ１、ＭＰ２の各測定時刻の中間の時刻を、回転方向Ｄ１の上流側に位置するエッジがセンサヘッド２２上を通過した通過時刻と推定し、軌跡Ｔ上でエッジを挟むように位置する測定点ＭＰ３、ＭＰ４の各測定時刻の中間の時刻を、回転方向Ｄ１の下流側に位置するエッジがセンサヘッド２２上を通過した通過時刻と推定する。

【0051】

次に、距離算出部３４は、軌跡Ｔ上でエッジを挟むように位置する測定点ＭＰ１、ＭＰ２の各回転角度の中間の角度を回転方向Ｄ１の上流側に位置するエッジがセンサヘッド２２上を通過した通過時刻におけるセンサヘッド２２の回転角度とみなし、通過時刻におけるセンサヘッド２２の回転角度とセンサヘッド２２の回転半径Ｒとに基づいて、ワーク中心Ｐに対して回転方向Ｄ１の上流側に位置するエッジの座標を算出する。

【0052】

同様にして、距離算出部３４は、軌跡Ｔ上でエッジを挟むように位置する測定点ＭＰ３、ＭＰ４の各回転角度の中間の角度を回転方向Ｄ１の下流側に位置するエッジがセンサヘッド２２上を通過した通過時刻におけるセンサヘッド２２の回転角度とみなし、通過時刻におけるセンサヘッド２２の回転角度とセンサヘッド２２の回転半径Ｒとに基づいて、ワーク中心Ｐに対して回転方向Ｄ１の下流側に位置するエッジの座標を算出する。

【0053】

次に、距離算出部３４は、エッジの座標に基づいて、ワークＷの中心の座標を算出する。図８に示すように、プラテン２の回転中心Ｏを直線ＳＬに垂直におろした点を点Ａ、エッジＢを直線ＳＬに垂直におろした点を点Ｈ、ワークＷの中心を点Ｐとし、ワークＷの半径をｒ、センサヘッド２２の回転半径をＲ、垂線ＯＡの長さをＬ１、線分ＡＨの長さをＬ２、線分ＰＨの長さをＬ３、垂線ＯＡと線分ＯＢとの角度をθ２としたとき、膜厚分布生成部３０は、数式１に示す計算式とエッジＢの座標により、線分ＡＰの長さＬ４を算出する。なお、半径ｒ、回転半径Ｒ及び長さＬ１は、既知であり、予め記憶部３３に記憶されている。

【0054】

【数1】

【0055】

そして、距離算出部３４は、ワーク中心ＰのＸ座標をＬ４、Ｙ座標をＬ１と算出する。なお、距離算出部３４は、ワーク中心Ｐに対して回転方向Ｄ１の上流側に位置するエッジＢの座標に代えて、ワーク中心Ｐに対して回転方向Ｄ１の下流側に位置するエッジＢ’の座標に基づいて、ワークＷの中心座標を算出しても構わない。また、エッジＢの座標に基づいて得られたワークＷの中心座標に代えて、エッジＢ、Ｂ’の各座標から得られたワークＷの中心座標を平均したワークＷの平均中心座標を用いても構わない。

【0056】

次に、距離算出部３４は、ワークＷの中心座標に基づいて、測定点ＭＰのワーク中心Ｐからの距離を算出する。図９に示すように、垂線ＯＡとプラテン２の回転中心Ｏから測定点ＭＰ（点Ｑ）までの線分ＯＱとの角度をθ３としたとき、数式２に示す計算式とワークＷの中心座標により、測定点ＭＰのワーク中心Ｐからの距離Ｌ５を算出する。

【0057】

【数2】

【0058】

次に、距離算出部３４が、測定点ＭＰのワーク中心Ｐからの距離を算出する手順の一例を示す。以下では、垂線ＯＡの長さＬ１を２００ｍｍ、センサヘッド２２の回転半径Ｒを２５０ｍｍ、ワークＷの半径を１００ｍｍ、プラテン２の回転速度を６０ｒｐｍに設定した場合を例に説明する。

【0059】

図１０は、記憶部３３に記憶されるデータテーブルの一例である。図１０に示すデータテーブルは、測定時刻が１５．００秒から１５．２７秒に亘って０．０１秒おきに設定され、各測定時刻に対応するワークＷの膜厚及びセンサヘッド２２の回転角度が紐付けて記憶されている。なお、「膜厚」の列の「ＮａＮ」は、測定点ＭＰからの反射光の光量が十分でない等の理由によってワークＷの膜厚が算出不能であったことを示す。

【0060】

次に、距離算出部３４が、図１０に示すデータテーブルに基づいて、互いに隣り合う算出可能測定点と算出不可測定点との中間を、エッジＢがセンサヘッド２２上を通過した通過時刻を推定する。具体的には、図１０に示すデータテーブルでは、膜厚が測定できた測定時刻１５．１２～１５．２５秒が算出可能測定点に対応し、それ以外の測定時刻が算出不可測定点に対応する。したがって、距離算出部３４は、測定時刻１５．１１秒、１５．１２秒の中間である測定時刻１５．１１５秒が、ワーク中心Ｐに対して回転方向Ｄ１の上流側に位置するエッジＢがセンサヘッド２２上を通過した通過時刻に相当すると推定する。また、距離算出部３４は、測定時刻１５．２４秒、１５．２５秒の中間である測定時刻１５．２４５秒が、ワーク中心Ｐに対して回転方向Ｄ１の下流側に位置するエッジＢ’がセンサヘッド２２上を通過した通過時刻に相当すると推定する。

【0061】

次に、距離算出部３４は、通過時刻１５．１１５秒、１５．２４５秒及びプラテン２の回転速度６０ｒｐｍから、各通過時刻におけるプラテン２の回転角度θ２（４１．４度、８８．２度）を算出し、エッジＢ、Ｂ’の座標（Ｒcosθ２、Ｒsinθ２）を算出する。図１１に示すデータテーブルは、図１０に示すデータテーブルの一部に、通過時刻及びセンサヘッド２２の回転角度θ１、θ２、θ３を追加したものである。

【0062】

次に、距離算出部３４は、数式１に基づいて、回転方向Ｄ１の上流側に位置するエッジＢの座標から線分ＡＰの長さＬ４を９３，７３０９１ｍｍと算出し、回転方向Ｄ１の下流側に位置するエッジＢ’ の座標から線分ＡＰの長さＬ４を９４，５２６６３ｍｍと算出し、これらの平均値である９４，１２８６２３５ｍｍを線分ＡＰの長さＬ４として採用する。

【0063】

次に、距離算出部３４は、数式２に基づいて各測定点ＭＰのワーク中心Ｐからの距離Ｌ５を算出する。そして、記憶部３３には、図１２に示すような、各測定時刻に対応する膜厚と測定点ＭＰのワーク中心Ｐからの距離Ｌ５とが紐付けて記憶され、ワークＷの膜厚分布が生成される。図１３は、図１２に示すワークＷの膜厚分布をグラフに表したものである。このようにして、膜厚分布生成部３０は、プラテン２が１回転する度にワークＷの膜厚分布をリアルタイムで得ることができる。

【0064】

検出部４０は、膜厚分布生成部３０が生成した研磨中のワークＷの膜厚分布と予め記憶された研磨終点に応じたターゲット膜厚とを比較し、検出部４０は、ワークＷの研磨終点を検出する。

【0065】

検出部４０による研磨終点の検出基準は、様々なものが考えられる。図１４は、横軸に測定点ＭＰのワーク中心Ｐから距離Ｌ５、縦軸にワークＷの膜厚分布をとり、４インチウェーハの研磨中に、ワークＷの膜厚分布が経時的に変化する様子を示すグラフである。図１４によれば、ワークＷの膜厚分布は、加工が進むにつれて徐々に薄くなるように変化していることが分かる。そこで、検出部４０は、図１４に示すワークＷの膜厚分布に対して、例えば、任意の測定点ＭＰの膜厚がターゲット膜厚に達したときに研磨終点を検出してもよいし、ワークＷの膜厚分布において最も薄い膜厚がターゲット膜厚に達したときに研磨終点を検出してもよい。

【0066】

検出部４０は、研磨終点を検出すると、コントローラ６に対してＣＭＰ装置１の停止信号を出力して、ワークＷに対する研磨を終了させる。また、コントローラ６は、ワークＷの膜厚分布の傾向を踏まえて、加工中のワークＷの加工条件をリアルタイムで調整しても構わないし、その後のワークＷの加工条件を調整しても構わない。

【0067】

このようにして、上述した本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、プラテン２上の研磨パッド５に揺動しながら押し付けられて研磨されるワークＷの膜厚分布を測定し、ワークＷの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する研磨終点検出装置１０であって、プラテン２及び研磨パッド５に形成された観測孔８内に収容され、プラテン２とともに回転しながら上方に向けて測定光を所定間隔おきに照射するとともに測定点ＭＰからの反射光を受光可能なセンサヘッド２２と、プラテン２の回転中心Ｏを通りプラテン２の径方向に沿って設定された基準線ＲＬに対応して設けられ、センサヘッド２２が基準線ＲＬを通過したときに検出信号を発信するトリガーセンサ３１と、トリガーセンサ３１の検出信号に基づいてセンサヘッド２２が基準線ＲＬを通過した基準時刻を計時し、センサヘッド２２が測定光を照射した測定時刻毎にワークＷの膜厚をそれぞれ測定する膜厚測定部２０と、基準時刻、測定時刻及びプラテン２の回転速度に基づいて、各測定時刻におけるセンサヘッド２２の基準線ＲＬに対する回転角度θ１を算出する回転角度算出部３２と、各測定時刻におけるセンサヘッド２２の回転角度θ１及びワークＷの膜厚測定の可否に基づいて、プラテン２の回転中心Ｏに対するエッジＢ、Ｂ’の相対的な位置関係を推定し、ワーク中心Ｐから各測定点ＭＰまでの距離を算出する距離算出部３４と、ワーク中心Ｐから各測定点ＭＰまでの距離と各測定点ＭＰにおけるワークＷの膜厚とが紐付けられて生成されたワークＷの膜厚分布に基づいて研磨終点を検出する検出部４０と、を備えている構成とした。

【0068】

この構成により、膜厚測定を行った測定時刻毎のセンサヘッド２２の回転角度θ１及びワークＷの膜厚測定の可否に基づいて、プラテン２の回転中心Ｏに対するエッジＢ、Ｂ’の相対的な位置関係を推定し、複雑な演算処理を伴うことなくワークＷの膜厚分布が生成されるため、研磨中のワークＷの研磨終点をリアルタイムで検出することができる。さらに、得られたワークＷの膜厚分布に基づいて、加工中のワークＷの加工条件をリアルタイムで調整したり、その後のワークＷの加工条件を調整することができる。

【0069】

また、本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、距離算出部３４が、膜厚測定部２０がワークＷの膜厚を算出できた算出可能測定点と膜厚測定部２０がワークＷの膜厚を算出できなかった算出不可測定点との位置関係に基づいて、ワークＷのエッジＢ、Ｂ’の位置を推定し、算出可能測定点におけるセンサヘッド２２の測定時刻と算出不可測定点におけるセンサヘッド２２の測定時刻とに基づいて、エッジＢ、Ｂ’がセンサヘッド２２上を通過した通過時刻を推定し、通過時刻におけるセンサヘッド２２の回転角度θ１及びセンサヘッド２２の回転半径ｒに基づいて、プラテン２の回転中心Ｏに対するエッジＢ、Ｂ’の相対的な位置関係を算出する構成とした。

【0070】

この構成により、膜厚測定を行った測定時刻毎のセンサヘッド２２の回転角度θ１及びワークＷの膜厚測定の可否に基づいて、プラテン２の回転中心Ｏに対するエッジＢ、Ｂ’の相対的な位置関係を複雑な演算処理を伴うことなく得ることができる。

【0071】

また、本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、距離算出部３４が、互いに隣り合う算出可能測定点と算出不可測定点との間にワークＷのエッジＢ、Ｂ’が位置すると推定し、互いに隣り合う算出可能測定点と算出不可測定点のセンサヘッド２２の測定時刻に基づいて、通過時刻を推定する構成とした。

【0072】

この構成により、エッジＢ、Ｂ’がセンサヘッド２２上を通過した通過時刻を複雑な演算処理を伴うことなく推定することができる。

【0073】

また、本実施形態に係る研磨終点検出装置１０は、距離算出部３４が、プラテン２の回転中心Ｏに対するエッジＢ、Ｂ’の相対的な位置関係と、ワークＷが揺動する際のプラテン２の回転中心Ｏに対するワーク中心Ｐの軌道直線ＳＬの位置関係とに基づいて、プラテン２の回転中心Ｏに対するワーク中心Ｐの位置関係を算出し、プラテン２の回転中心Ｏに対するワーク中心Ｐの位置関係と、プラテン２の回転中心Ｏに対する軌道直線ＳＬの位置関係と、測定点ＭＰにおけるセンサヘッド２２の回転角度θ１とに基づいて、ワーク中心Ｐから測定点ＭＰまでの距離を算出する構成とした。

【0074】

この構成により、プラテン２の回転中心Ｏ、エッジＢ、Ｂ’、軌道直線ＳＬ及びワーク中心Ｐの相対的な位置関係と測定点ＭＰにおけるセンサヘッド２２の回転角度θ１とに基づいて、複雑な演算処理を伴うことなくワークＷの膜厚分布を得ることができる。

【0075】

また、本実施形態に係るＣＭＰ装置１は、研磨終点検出装置１０を備えている構成とした。

【0076】

この構成により、複雑な演算処理を伴うことなくワークＷの膜厚分布が生成され、研磨中のワークＷの研磨終点をリアルタイムで検出可能なため、ワークＷを精度良く研磨することができる。

【0077】

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

【符号の説明】

【0078】

１ ：ＣＭＰ装置
２ ：プラテン
２ａ ：（プラテンの）回転軸部
３ ：研磨ヘッド
３ａ ：（研磨ヘッドの）回転軸部
４ ：モータ
５ ：研磨パッド
６ ：コントローラ
７ ：チャック
７ａ ：チャックテーブル
７ｂ ：保持面
８ ：観測孔
９ ：観測窓
１０ ：研磨終点検出装置
２０ ：測定部
２１ ：光源
２２ ：センサヘッド
２３ ：分光装置
２４ ：第１の光ファイバ
２５ ：固定側鏡筒
２６ ：回転側鏡筒
２６ａ：アタッチメント
２７ ：第２の光ファイバ
２８ ：支持アーム
２９ ：移動ステージ
３０ ：膜厚分布生成部
３１ ：トリガーセンサ
３２ ：回転角度算出部
３３ ：記憶部
３４ ：距離算出部
４０ ：検出部
Ａ ：回転軸
ＯＰ ：中空光路
Ｗ ：ワーク

【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】

【図15】