特許 7541946 基板研磨装置および基板研磨方法

(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】

(24)【登録日】2024-08-21

(45)【発行日】2024-08-29

(54)【発明の名称】基板研磨装置および基板研磨方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/013 20120101AFI20240822BHJP

   B24B 37/00 20120101ALI20240822BHJP

   B24B 37/10 20120101ALI20240822BHJP

   B24B 37/12 20120101ALI20240822BHJP

   B24B 49/12 20060101ALI20240822BHJP

   B24B 57/02 20060101ALI20240822BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

B24B37/013

B24B37/00 K

B24B37/10

B24B37/12 D

B24B49/12

B24B57/02

H01L21/304 622S

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2021054875

(22)【出願日】2021-03-29

(65)【公開番号】P2022152195

(43)【公開日】2022-10-12

【審査請求日】2023-09-27

(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】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100174089

【弁理士】

【氏名又は名称】郷戸 学

(74)【代理人】

【識別番号】100186749

【弁理士】

【氏名又は名称】金沢 充博

(72)【発明者】

【氏名】藤本 拓矢

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 暢行

【審査官】マキロイ 寛済

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２２４７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０００７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３００８４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２４Ｂ ３７／０１３

Ｂ２４Ｂ ３７／００

Ｂ２４Ｂ ３７／１０

Ｂ２４Ｂ ３７／１２

Ｂ２４Ｂ ４９／１２

Ｂ２４Ｂ ５７／０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の被研磨面を上向きにして支持するステージと、
前記ステージに支持された前記基板を研磨するための研磨面を有する研磨パッドを保持する研磨ヘッドと、
前記基板の表面上に研磨液を供給する研磨液供給ノズルと、
前記ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光を受ける膜厚測定ヘッドと、
前記反射光のスペクトルを生成し、前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定するスペクトル解析部と、
前記膜厚測定ヘッドが取り付けられたヘッドノズルを備え、
前記ヘッドノズルは、
前記光および前記反射光の光路上に設けられた流体室と、
前記流体室に液体を供給するための液体供給流路と、
前記流体室から液体を排出するための液体排出流路と、
前記光路上に設けられ、前記基板の表面に近接可能な開口部を有し、
前記液体供給流路と前記流体室との第１接続部は、前記流体室の下部に位置しており、
前記液体排出流路と前記流体室との第２接続部は、前記流体室の上部に位置しており、
前記開口部は前記流体室の下端に連通しており、前記開口部の幅は前記流体室の幅よりも小さい、基板研磨装置。

【請求項2】

前記第２接続部は、前記膜厚測定ヘッドの下端に位置している、請求項１に記載の基板研磨装置。

【請求項3】

前記第２接続部から延びる、前記液体排出流路の上面は、前記膜厚測定ヘッドの下端よりも高い位置にある、請求項２に記載の基板研磨装置。

【請求項4】

前記開口部の幅は、１．０ｍｍから２．０ｍｍの範囲内である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板研磨装置。

【請求項5】

前記液体供給流路に接続された供給弁と、前記液体排出流路に接続された排出弁をさらに備え、
前記供給弁および前記排出弁は、前記液体供給流路を流れる液体の流量が、前記液体排出流路を流れる液体の流量よりも多くなるように構成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板研磨装置。

【請求項6】

前記研磨ヘッドを研磨位置と非研磨位置との間で移動させるための研磨ヘッド移動機構と、
前記膜厚測定ヘッドを測定位置と非測定位置との間で移動させるための膜厚測定ヘッド移動機構と、
前記研磨ヘッド移動機構および前記膜厚測定ヘッド移動機構に接続された動作制御部をさらに備え、
前記動作制御部は、前記研磨ヘッドと前記膜厚測定ヘッドとが互いに接触しないように前記研磨ヘッド移動機構および前記膜厚測定ヘッド移動機構を制御するように構成されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の基板研磨装置。

【請求項7】

基板の被研磨面を上向きにして支持し、
前記基板の表面に研磨液を供給しながら、研磨面を有する研磨パッドを研磨ヘッドにより前記基板に押し付けて前記基板を研磨し、
ヘッドノズルの開口部を前記基板の表面に近接させ、
液体供給流路から前記ヘッドノズルの流体室に液体を供給し、かつ前記液体を前記流体室から液体排出流路を通じて排出しながら、膜厚測定ヘッドから前記流体室および前記開口部を通して、前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、
前記流体室および前記開口部を通して、前記測定領域からの反射光を前記膜厚測定ヘッドで受け、
前記反射光のスペクトルから前記基板の膜厚を決定する工程を含み、
前記液体供給流路と前記流体室との第１接続部は、前記液体排出流路と前記流体室との第２接続部よりも下方に位置しており、
前記開口部は前記流体室の下端に連通しており、前記開口部の幅は前記流体室の幅よりも小さい、基板研磨方法。

【請求項8】

前記第２接続部は、前記膜厚測定ヘッドの下端に位置している、請求項７に記載の基板研磨方法。

【請求項9】

前記第２接続部から延びる、前記液体排出流路の上面は、前記膜厚測定ヘッドの下端よりも高い位置にある、請求項８に記載の基板研磨方法。

【請求項10】

前記基板の表面に近接させたときの前記開口部の下端から前記基板の表面までの距離は、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲内である、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の基板研磨方法。

【請求項11】

前記液体供給流路を流れる液体の流量は、前記液体排出流路を流れる液体の流量よりも多い、請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の基板研磨方法。

【請求項12】

前記研磨ヘッドと、前記膜厚測定ヘッドとが互いに接触しないように移動しながら前記基板を研磨し、前記基板の膜厚を決定する工程をさらに含む、請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の基板研磨方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基板研磨装置および基板研磨方法に関し、特に、研磨中の基板の膜厚を測定するための基板研磨装置および基板研磨方法に関する。

【背景技術】

【0002】

化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）は、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつ研磨対象の基板を研磨面に摺接させて研磨を行う技術である。ＣＭＰ工程で用いる基板研磨装置は、基板の被研磨面が上向きの方式（フェースアップ式）と基板の被研磨面が下向きの方式（フェースダウン式）が存在する。

【0003】

フェースアップ式の基板研磨装置は、基板の被研磨面を上向きにしてステージに載置し、基板よりも小径の研磨パッドを回転させながら基板に接触させて研磨パッドを揺動させることによって、基板を研磨するように構成される。基板の研磨は、基板の膜厚が所定の目標値に達したときに終了される。研磨中に基板の膜厚を測定する方法として、基板研磨装置に備えられた光学式の膜厚測定装置によって基板の表面に光を照射し、基板から反射してくる光の分光波形に基づいて膜厚を決定する手法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－７８１５６号公報

【文献】特開平９－２９８１７６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、研磨中の基板表面には研磨液や研磨屑などの異物が存在するため、膜厚測定装置によって光を照射し、反射光を受ける際の光の透過率が下がってしまう。このため、研磨中の基板の膜厚を高い精度で測定することが困難であった。

【0006】

そこで、本発明は、研磨中の基板の膜厚を測定する際に、光の透過率を低下させることなく、高い精度で膜厚を測定することができる基板研磨装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様では、基板の被研磨面を上向きにして支持するステージと、前記ステージに支持された前記基板を研磨するための研磨面を有する研磨パッドを保持する研磨ヘッドと、前記基板の表面上に研磨液を供給する研磨液供給ノズルと、前記ステージ上の前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記測定領域からの反射光を受ける膜厚測定ヘッドと、前記反射光のスペクトルを生成し、前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定するスペクトル解析部と、前記膜厚測定ヘッドが取り付けられたヘッドノズルを備え、前記ヘッドノズルは、前記光および前記反射光の光路上に設けられた流体室と、前記流体室に液体を供給するための液体供給流路と、前記流体室から液体を排出するための液体排出流路と、前記光路上に設けられ、前記基板の表面に近接可能な開口部を有し、前記液体供給流路と前記流体室との第１接続部は、前記流体室の下部に位置しており、前記液体排出流路と前記流体室との第２接続部は、前記流体室の上部に位置しており、前記開口部は前記流体室の下端に連通しており、前記開口部の幅は前記流体室の幅よりも小さい、基板研磨装置が提供される。

【0008】

一態様では、前記第２接続部は、前記膜厚測定ヘッドの下端に位置している。
一態様では、前記第２接続部から延びる、前記液体排出流路の上面は、前記膜厚測定ヘッドの下端よりも高い位置にある。
一態様では、前記開口部の幅は、１．０ｍｍから２．０ｍｍの範囲内である。
一態様では、前記液体供給流路に接続された供給弁と、前記液体排出流路に接続された排出弁をさらに備え、前記供給弁および前記排出弁は、前記液体供給流路を流れる液体の流量が、前記液体排出流路を流れる液体の流量よりも多くなるように構成されている。
一態様では、前記研磨ヘッドを研磨位置と非研磨位置との間で移動させるための研磨ヘッド移動機構と、前記膜厚測定ヘッドを測定位置と非測定位置との間で移動させるための膜厚測定ヘッド移動機構と、前記研磨ヘッド移動機構および前記膜厚測定ヘッド移動機構に接続された動作制御部をさらに備え、前記動作制御部は、前記研磨ヘッドと前記膜厚測定ヘッドとが互いに接触しないように前記研磨ヘッド移動機構および前記膜厚測定ヘッド移動機構を制御するように構成されている。

【0009】

一態様では、基板の被研磨面を上向きにして支持し、前記基板の表面に研磨液を供給しながら、研磨面を有する研磨パッドを研磨ヘッドにより前記基板に押し付けて前記基板を研磨し、ヘッドノズルの開口部を前記基板の表面に近接させ、液体供給流路から前記ヘッドノズルの流体室に液体を供給し、かつ前記液体を前記流体室から液体排出流路を通じて排出しながら、膜厚測定ヘッドから前記流体室および前記開口部を通して、前記基板の表面上の測定領域に光を照射し、前記流体室および前記開口部を通して、前記測定領域からの反射光を前記膜厚測定ヘッドで受け、前記反射光のスペクトルから前記基板の膜厚を決定する工程を含み、前記液体供給流路と前記流体室との第１接続部は、前記液体排出流路と前記流体室との第２接続部よりも下方に位置しており、前記開口部は前記流体室の下端に連通しており、前記開口部の幅は前記流体室の幅よりも小さい、基板研磨方法が提供される。

【0010】

一態様では、前記第２接続部は、前記膜厚測定ヘッドの下端に位置している。
一態様では、前記第２接続部から延びる、前記液体排出流路の上面は、前記膜厚測定ヘッドの下端よりも高い位置にある。
一態様では、前記基板の表面に近接させたときの前記開口部の下端から前記基板の表面までの距離は、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲内である。
一態様では、前記液体供給流路を流れる液体の流量は、前記液体排出流路を流れる液体の流量よりも多い。
一態様では、前記研磨ヘッドと、前記膜厚測定ヘッドとが互いに接触しないように移動しながら前記基板を研磨し、前記基板の膜厚を決定する工程をさらに含む。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、膜厚測定装置のヘッドノズルに設けられた流体室に透明な液体を供給するとともに、流体室から液体を排出することにより、開口部から液体を供給して研磨液などの基板上の異物を除去し、膜厚測定時の光路を透明な液体で満たして高い精度で研磨中の基板の膜厚を測定することができる。
本発明によれば、膜厚測定装置のヘッドノズルから供給される液体の流量を最小限にすることにより、基板上の研磨液が希釈されて研磨性能を低下させることを防止できる。
本発明によれば、膜厚測定装置のヘッドノズルに設けられた液体供給流路と流体室との第１接続部は流体室の下部に位置しているので、第１接続部から流体室内に流入した液体と、既に流体室内に存在している液体との衝突が緩和され、液体同士の衝突による気泡の発生を低減することができる。加えて、液体排出流路と流体室との第２接続部は流体室の上部に位置しているので、流体室内で発生した気泡を速やかに排出することができる。
本発明によれば、膜厚測定装置のヘッドノズルに設けられた液体供給流路と流体室との第１接続部が位置する部分の流体室の幅は、膜厚測定ヘッドの下端と面している部分の流体室の幅よりも小さいため、流体室に発生した気泡が膜厚測定時の光路上に留まることなく、光路の外側に分散される。第２接続部は、膜厚測定ヘッドの下端に位置しているため、気泡が流体室内に留まることなく、速やかに排出される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】基板研磨装置の一実施形態を示す上面図である。

【図2】図１に示す基板研磨装置を矢印Ａで示す方向から見た側面図である。

【図3】光学式の膜厚測定装置の原理を説明するための模式図である。

【図4】スペクトル解析部によって生成された分光波形の一例を示す図である。

【図5】図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、研磨ユニットと膜厚測定装置の動作を説明する図である。

【図6】ヘッドノズルの一実施形態を模式的に示す断面図である。

【図7】基板の膜厚を測定する工程の一例を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、基板研磨装置１の一実施形態を示す上面図である。図２は、図１に示す基板研磨装置１を矢印Ａで示す方向から見た側面図である。図１および図２に示すように、基板研磨装置１は、基板Ｗを支持するステージ１０と、基板Ｗを研磨するための研磨ユニット２０と、基板Ｗの膜厚を測定するための膜厚測定装置３０を備えている。基板Ｗの例としては、半導体デバイスの製造に用いられるウェーハが挙げられる。以下に説明する実施形態では、基板Ｗは円形であるが、四角形の形状を有してもよい。

【0014】

ステージ１０は、研磨対象の基板Ｗをその被研磨面２を上向きにして支持する。ステージ１０は図示しない複数の通孔を有しており、基板Ｗは複数の孔を介して真空吸引によって支持される。ステージ１０は、図示しないモータなどのステージ回転機構に連結されており、ステージ回転機構はステージ１０および基板Ｗを回転させるように構成されている。

【0015】

研磨ユニット２０は、研磨ヘッド２１と、研磨ヘッドアーム２３と、研磨ヘッド移動機構２４と、回転シャフト２５と、研磨ヘッド回転機構２６と、研磨液供給ノズル２８を備えている。研磨ヘッド２１は、研磨面２２ａを有する研磨パッド２２を保持しており、高さ方向に延びる回転シャフト２５を介して研磨ヘッドアーム２３に連結されている。回転シャフト２５は、モータなどを含む研磨ヘッド回転機構２６に連結されており、研磨ヘッド回転機構２６は研磨ヘッド２１および研磨パッド２２を、回転シャフト２５とともに回転シャフト２５を中心に回転させるように構成されている。

【0016】

研磨ヘッドアーム２３は、さらに研磨ヘッド移動機構２４に連結されており、研磨ヘッド移動機構２４は研磨ヘッドアーム２３を矢印で示す方向に揺動させて、研磨ヘッド２１を研磨位置と非研磨位置との間で移動させる。研磨位置は、研磨ヘッド２１が基板Ｗを研磨することができる位置、すなわち研磨ヘッド２１の少なくとも一部がステージ１０上の基板Ｗの上方に配置されている位置である。非研磨位置は、研磨ヘッド２１が基板Ｗを研磨することができない位置、すなわち研磨ヘッド２１の全部がステージ１０上の基板Ｗの外側に配置されている位置である。図１および図２では、研磨ヘッド２１は非研磨位置に配置されている。

【0017】

２つの研磨液供給ノズル２８は、研磨ヘッドアーム２３に連結されており、研磨ヘッド２１を挟んで研磨ヘッド２１の移動方向において両側にそれぞれの研磨液供給ノズル２８の先端が配置されている。２つの研磨液供給ノズル２８は、基板Ｗの表面上にシリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液または洗浄水を供給するように構成されている。

【0018】

ステージ回転機構、研磨ユニット２０の動作は、動作制御部６０によって制御される。動作制御部６０はステージ回転機構、研磨ヘッド移動機構２４、研磨ヘッド回転機構２６に電気的に接続されている。ステージ回転機構、研磨ヘッド移動機構２４、研磨ヘッド回転機構２６の動作は、動作制御部６０によって制御される。

【0019】

動作制御部６０は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。動作制御部６０は、基板研磨装置を動作させるためのプログラムが格納された記憶装置６０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置６０ｂを備えている。記憶装置６０ａは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置６０ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、動作制御部６０の具体的構成はこれらの例に限定されない。

【0020】

基板Ｗは次のようにして研磨される。動作制御部６０は、ステージ１０および基板Ｗを回転させながら、研磨液供給ノズル２８から研磨液が供給される。動作制御部６０は、研磨ヘッド移動機構２４に指令を発して研磨ヘッド２１をステージ１０に支持された基板Ｗの上方で揺動させる。研磨ヘッド２１に保持された研磨パッド２２は、研磨ヘッド回転機構２６によって回転されながら、研磨ヘッド２１は、基板Ｗ上に研磨液が存在した状態で研磨パッド２２の研磨面２２ａを基板Ｗの被研磨面２に押し付ける。基板Ｗの被研磨面２は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒および／または研磨パッド２２の機械的作用により研磨される。

【0021】

膜厚測定装置３０は、光学式の膜厚測定装置であり、光源３２と、分光器３３と、スペクトル解析部３４と、膜厚測定ヘッド３１と、ヘッドノズル４０と、膜厚測定ヘッドアーム３６と、膜厚測定ヘッド移動機構３７を備えている。膜厚測定ヘッド３１は、投光用光ファイバーケーブル３８および受光用光ファイバーケーブル３９の各先端を有している。光を発する光源３２は、投光用光ファイバーケーブル３８に連結されている。分光器３３は、受光用光ファイバーケーブル３９に連結されている。光源３２および分光器３３は、スペクトル解析部３４に連結されている。

【0022】

膜厚測定ヘッドアーム３６の一端は膜厚測定ヘッド３１に連結されており、膜厚測定ヘッドアーム３６の他端は膜厚測定ヘッド移動機構３７に連結されている。膜厚測定ヘッド移動機構３７は、膜厚測定ヘッドアーム３６を矢印で示す方向に揺動させて、膜厚測定ヘッド３１を測定位置と非測定位置との間で移動させる。測定位置は、膜厚測定ヘッド３１が基板Ｗの膜厚を測定することができる位置、すなわち膜厚測定ヘッド３１がステージ１０上の基板Ｗの上方に配置されている位置である。非測定位置は、膜厚測定ヘッド３１が基板Ｗの膜厚を測定することができない位置、すなわち膜厚測定ヘッド３１がステージ１０上の基板Ｗの外側に配置されている位置である。図１および図２では、膜厚測定ヘッド３１は測定位置に配置されている。膜厚測定ヘッド移動機構３７は、動作制御部６０に電気的に接続されており、膜厚測定ヘッド移動機構３７の動作は、動作制御部６０によって制御される。

【0023】

投光用光ファイバーケーブル３８の先端および受光用光ファイバーケーブル３９の先端を含む膜厚測定ヘッド３１は、ヘッドノズル４０に取り付けられている。ヘッドノズル４０は、ヘッドノズル４０に液体を供給するための液体供給ライン４２、およびヘッドノズル４０から液体を排出するための液体排出ライン４３に接続されている。液体供給ライン４２は、図示しない液体供給源に接続されている。ヘッドノズル４０に供給される液体は、例えば純水である。液体は、透明な液体であればよく、例えば研磨液に用いられるＫＯＨ溶液などであってもよい。液体供給ライン４２には、供給弁４４および流量計４６が取り付けられている。液体排出ライン４３には、排出弁４５、流量計４７およびエジェクタなどの液体ポンプ４８が取り付けられている。供給弁４４および排出弁４５は、手動であってもよいし、あるいは供給弁４４および排出弁４５は動作制御部６０に接続され、供給弁４４および排出弁４５の動作は動作制御部６０によって制御されてもよい。なお、ヘッドノズル４０の詳細については後述する。

【0024】

図３は、光学式の膜厚測定装置３０の原理を説明するための模式図である。図３に示す例では、基板Ｗは、下層と、その上に形成された研磨対象層とを有している。研磨対象層は、例えばシリコン層や絶縁膜である。膜厚測定ヘッド３１は、投光用光ファイバーケーブル３８および受光用光ファイバーケーブル３９の各先端を有しており、基板Ｗの表面に対向して配置されている。本実施形態では、膜厚測定ヘッド３１にヘッドノズル４０が取り付けられているが、図３は、説明の簡略化のためにヘッドノズル４０の構成は省略されている。

【0025】

光源３２から発せられた光は、投光用光ファイバーケーブル３８を通じて膜厚測定ヘッド３１に伝送され、投光用光ファイバーケーブル３８の先端を含む膜厚測定ヘッド３１から基板Ｗの表面に照射される。光は基板Ｗで反射し、基板Ｗからの反射光は、受光用光ファイバーケーブル３９の先端を含む膜厚測定ヘッド３１によって受けられ、受光用光ファイバーケーブル３９を通じて分光器３３に送られる。分光器３３は反射光を波長に従って分解し、各波長での反射光の強度を測定する。反射光の強度測定データは、スペクトル解析部３４に送られる。

【0026】

スペクトル解析部３４は、反射光の強度測定データから反射光のスペクトルを生成するように構成されている。反射光のスペクトルは、反射光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。反射光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。

【0027】

基板Ｗに照射された光は、媒質（図３の例では水）と研磨対象層との界面、および研磨対象層と下層との界面で反射し、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、研磨対象層の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、基板Ｗからの反射光から生成されるスペクトルは、研磨対象層の厚さに従って変化する。スペクトル解析部３４は、反射光のスペクトルに含まれる光学情報に基づいて、基板Ｗの膜厚を決定する。

【0028】

図４は、スペクトル解析部３４によって生成されたスペクトルの一例を示す図である。図４において、横軸は基板Ｗからの反射光の波長を表わし、縦軸は反射光の強度から導かれる相対反射率を表わす。相対反射率とは、反射光の強度を示す指標であり、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を実測強度から除去することができる。図４に示す例では、反射光のスペクトルは、相対反射率と反射光の波長との関係を示す分光波形であるが、反射光のスペクトルは、反射光の強度自体と、反射光の波長との関係を示す分光波形であってもよい。

【0029】

基準強度は、各波長について予め測定された光の強度であり、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、膜厚測定ヘッド３１から照射された光の強度を直接測定するか、または膜厚測定ヘッド３１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基板（ベア基板）をステージ１０上で水の存在下で水研磨しているとき、または上記シリコン基板（ベア基板）がステージ１０上に置かれているときに、分光器３３により測定されたシリコン基板からの反射光の強度としてもよい。

【0030】

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（１）を用いて求めることができる。

【数1】

ここで、λは基板Ｗから反射した光の波長であり、Ｅ（λ）は波長λでの強度であり、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測定された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。

【0031】

スペクトル解析部３４は、基板Ｗからの反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定する。反射光のスペクトルから膜厚を決定する方法には、公知の方法を使用することができる。例えば、反射光のスペクトルに対してフーリエ変換処理（典型的には高速フーリエ変換処理）を行って得られた周波数スペクトルから膜厚を決定する方法、または複数の参照スペクトルのうち、反射光のスペクトルに最も近い形状を持つ参照スペクトルに関連付けられた膜厚を決定する方法等がある。

【0032】

スペクトル解析部３４は、研磨対象層の厚さの決定を実行するためのプログラムが格納された記憶装置３４ａ（図１参照）と、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置３４ｂ（図１参照）を備えている。スペクトル解析部３４は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。記憶装置３４ａは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置３４ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、スペクトル解析部３４の具体的構成はこれらの例に限定されない。

【0033】

スペクトル解析部３４は、決定された研磨対象層の厚さを動作制御部６０（図３参照）に伝送する。動作制御部６０、決定された研磨対象層の厚さ基づいて研磨終点を決定し、研磨ユニット２０の動作を制御する。例えば、動作制御部６０は、決定された研磨対象層の厚さが目標値に達した時点である研磨終点を決定する。一実施形態では、研磨対象層の厚さと下層の厚さを合わせた厚さを測定して研磨終点を決定してもよい。研磨対象層の厚さを決定するためのスペクトル解析部３４と、基板Ｗの研磨動作を制御する動作制御部６０は、一体に構成されてもよい。本明細書中において、基板Ｗの膜厚の例としては、研磨対象層の厚さ、および研磨対象層の厚さと下層の厚さを合わせた厚さなどが挙げられる。

【0034】

図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、研磨ユニット２０と膜厚測定装置３０の動作を説明する図である。研磨ユニット２０の研磨ヘッド２１と膜厚測定装置３０の膜厚測定ヘッド３１とは、連動して移動するように構成されている。具体的には、動作制御部６０は、研磨ヘッド２１と膜厚測定ヘッド３１とが互いに接触しないように、研磨ヘッド移動機構２４および膜厚測定ヘッド移動機構３７を制御する。

【0035】

図５（ａ）は、研磨ヘッド２１の一部がステージ１０上の基板Ｗの上方に位置し、膜厚測定ヘッド３１がステージ１０上の基板Ｗの上方に位置している状態を示している。すなわち、研磨ヘッド２１は研磨位置に配置されており、膜厚測定ヘッド３１は測定位置に配置されている。研磨ヘッド移動機構２４は、矢印で示すように、研磨ヘッド２１が基板Ｗの中心に向かう方向に研磨ヘッドアーム２３を移動させながら、研磨ヘッド２１は研磨パッド２２（図２参照）を基板Ｗに押し付けることにより、基板Ｗを研磨する。より具体的には、研磨ヘッド２１は、基板Ｗの半径方向に移動しながら、研磨パッド２２を基板Ｗに押し付けることにより、基板Ｗを研磨する。基板研磨装置１は、ステージ１０を挟んで研磨ヘッド２１の移動方向において両側に配置されたサイドステージ（図示しない）を備えていてもよい。サイドステージは、ステージ１０の外側に位置する研磨ヘッド２１を支持するように構成されている。これにより、基板Ｗの周縁部に研磨ヘッド２１の押圧力が集中することなく、均一に基板Ｗを研磨することができる。

【0036】

膜厚測定ヘッド移動機構３７は、矢印で示すように、膜厚測定ヘッド３１が基板Ｗの外側に向かう方向に膜厚測定ヘッドアーム３６を移動させながら、基板Ｗの膜厚を測定する。より具体的には、膜厚測定ヘッド３１は、基板Ｗの半径方向に移動しながら、膜厚測定装置３０は基板Ｗの膜厚を測定する。膜厚測定装置３０は、所定の時間毎に基板Ｗの膜厚を測定してもよいし、基板Ｗ上の所定の測定位置で膜厚を測定してもよい。

【0037】

図５（ｂ）は、研磨ヘッド２１がステージ１０上の基板Ｗの中央上方に位置し、膜厚測定ヘッド３１がステージ１０上の基板Ｗの外側に位置している状態を示している。すなわち、研磨ヘッド２１は研磨位置に配置されており、膜厚測定ヘッド３１は非測定位置に配置されている。研磨ヘッド移動機構２４は、矢印で示すように、研磨ヘッド２１が基板Ｗを横切るように研磨ヘッドアーム２３を移動させながら、研磨ヘッド２１は研磨パッド２２（図２参照）を基板Ｗに押し付けることにより、基板Ｗを研磨する。膜厚測定ヘッド移動機構３７は、矢印で示すように、膜厚測定ヘッド３１が基板Ｗのさらに外側に向かう方向に膜厚測定ヘッドアーム３６を移動させる。膜厚測定ヘッド３１は、非測定位置に配置されているため、基板Ｗの膜厚は測定されない。

【0038】

図５（ｃ）は、研磨ヘッド２１がステージ１０上の基板Ｗの外側に位置し、膜厚測定ヘッド３１がステージ１０上の基板Ｗの中央上方に位置している状態を示している。すなわち、研磨ヘッド２１は非研磨位置に配置されており、膜厚測定ヘッド３１は測定位置に配置されている。研磨ヘッド移動機構２４は、矢印で示すように、研磨ヘッド２１が基板Ｗのさらに外側に向かう方向に研磨ヘッドアーム２３を移動させる。研磨ヘッド２１は、非研磨位置に配置されているため、基板Ｗは研磨されない。膜厚測定ヘッド移動機構３７は、矢印で示すように、膜厚測定ヘッド３１が基板Ｗを横切るように膜厚測定ヘッドアーム３６を移動させながら、基板Ｗの膜厚を測定する。より具体的には、膜厚測定ヘッド３１は、基板Ｗの半径方向に移動しながら、膜厚測定装置３０は基板Ｗの膜厚を測定する。膜厚測定装置３０は、所定の時間毎に基板Ｗの膜厚を測定してもよいし、基板Ｗ上の所定の測定位置で膜厚を測定してもよい。

【0039】

図５（ａ）乃至図５（ｃ）に示すように、研磨ヘッド２１および膜厚測定ヘッド３１は、ステージ１０上の基板Ｗの中心を通る軌道で揺動しつつ、研磨ヘッド２１と膜厚測定ヘッド３１とが互いに接触しないように動作する。

【0040】

次に、ヘッドノズル４０の詳細について説明する。図６は、ヘッドノズル４０の一実施形態を模式的に示す断面図である。膜厚測定ヘッド３１は、投光用光ファイバーケーブル３８および受光用光ファイバーケーブル３９の各先端と、これら先端を保持するファイバー保持部４１を有している。ヘッドノズル４０は、膜厚測定ヘッド３１の先端を覆う形状を有している。ヘッドノズル４０は、流体室５１と、液体供給流路５２と、液体排出流路５３と、開口部５４を有している。流体室５１は、膜厚測定ヘッド３１から基板Ｗの表面に照射される光、および膜厚測定ヘッド３１で受ける基板Ｗからの反射光の光路上に設けられている。膜厚測定ヘッド３１の下端３１ａは、流体室５１に面している。

【0041】

液体供給流路５２および液体排出流路５３は、流体室５１に接続されている。液体供給流路５２は、第１配管接続部５２ｂにおいて液体供給ライン４２（図１参照）に接続されている。液体排出流路５３は、第２配管接続部５３ｃにおいて液体排出ライン４３（図１参照）に接続されている。液体供給流路５２と流体室５１との第１接続部５２ａは、液体排出流路５３と流体室５１との第２接続部５３ａよりも下方に位置している。より具体的には、液体供給流路５２と流体室５１との第１接続部５２ａは、流体室５１の下部に位置し、液体排出流路５３と流体室５１との第２接続部５３ａは、流体室５１の上部に位置している。

【0042】

液体供給流路５２と流体室５１との第１接続部５２ａは流体室５１の下部に位置しているので、既に流体室５１内に存在している液体の液面よりも低い位置において、第１接続部５２ａから流体室５１内に液体が流入する。これにより、第１接続部５２ａから流体室５１内に流入した液体と、既に流体室５１内に存在している液体との衝突が緩和され、液体同士の衝突による気泡の発生を低減することができる。加えて、液体排出流路５３と流体室５１との第２接続部５３ａは流体室５１の上部に位置しているので、流体室５１内で発生した気泡は、液体排出流路５３を通じて速やかに排出することができる。

【0043】

開口部５４は、膜厚測定ヘッド３１から基板Ｗの表面に照射される光、および膜厚測定ヘッド３１で受ける基板Ｗからの反射光の光路上に設けられている。開口部５４は流体室５１の下端に連通しており、開口部５４の幅ａ１は流体室５１の幅ａ２よりも小さい。これにより、流体室５１に発生した気泡が開口部５４に留まらずに流体室５１の上部に分散される。一実施形態では、開口部５４の幅ａ１は、１．０ｍｍから２．０ｍｍの範囲内である。これは、流体室５１から開口部５４を通じて流出する液体の流量を最小限にし、基板Ｗ上の研磨液の希釈を防止するため、および膜厚測定ヘッド３１から放射される光および基板Ｗからの反射光の通路を確保するためである。開口部５４は、基板Ｗの膜厚を測定するために基板Ｗの表面に対向して近接可能である。一実施形態では、開口部５４の下端から基板Ｗの表面、すなわち被研磨面２までの距離ｂ１は、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲内である。これも、流体室５１から開口部５４を通じて流出する液体の流量を最小限して、基板Ｗ上の研磨液の希釈を防止するためである。

【0044】

投光用光ファイバーケーブル３８と受光用光ファイバーケーブル３９は、複数の投光用光ファイバーケーブル３８の外側に複数の受光用光ファイバーケーブル３９が配置されて束ねられたバンドルタイプであってもよいし、投光用光ファイバーケーブル３８と受光用光ファイバーケーブル３９が束ねられていないものでもよい。

【0045】

液体供給流路５２と流体室５１との第１接続部５２ａが位置する部分の流体室５１の幅ａ２は、膜厚測定ヘッド３１の下端３１ａと面している部分の流体室５１の幅ａ３よりも小さい。これにより、流体室５１に発生した気泡が膜厚測定時の光路上に留まることなく、光路の外側に分散される。第２接続部５３ａは、膜厚測定ヘッド３１の下端に位置している。より具体的には、第２接続部５３ａから延びる、液体排出流路５３の上面５３ｂは、膜厚測定ヘッド３１の下端よりも高い位置にある。このような配置により、気泡は流体室５１内に留まることなく、液体排出流路５３を通じて速やかに排出される。

【0046】

供給弁４４（図１参照）が開かれると、液体供給ライン４２を流れる液体は、液体供給流路５２を通って流体室５１に供給される。流体室５１に供給された液体は、開口部５４から基板Ｗの被研磨面２に供給される。排出弁４５（図１参照）が開かれると、流体室５１内の液体は、液体排出流路５３を通って液体排出ライン４３を流れ、液体ポンプ４８（図１参照）により液体排出ライン４３の外へ排出される。供給弁４４および排出弁４５は、液体供給流路５２を流れる液体の流量が、液体排出流路５３を流れる液体の流量よりも多くなるように構成されている。液体供給ライン４２から供給される液体は、例えば純水である。液体は、透明な液体であればよく、例えば研磨液に用いられるＫＯＨ溶液などであってもよい。供給弁４４および排出弁４５が開かれると、流体室５１内に液体が満たされるとともに、基板Ｗに液体が供給されて、基板Ｗ上に存在する研磨液などの異物が除去される。膜厚測定時の光路が透明な液体で満たされるため、高い精度で研磨中の基板Ｗの膜厚を測定することができる。供給弁４４および排出弁４５は、膜厚測定ヘッド３１の位置によらず、基板Ｗの研磨中に常時開いてもよいし、膜厚測定ヘッド３１が測定位置にあるときのみ開いてもよい。

【0047】

一実施形態では、液体排出流路５３を流れる液体の流量は、液体供給流路５２を流れる液体の流量の９０％から９５％の範囲内であり、開口部５４から基板Ｗに供給される液体の流量は、液体供給流路５２を流れる液体の流量の５％から１０％の範囲内である。開口部５４から供給される液体の流量を最小限にすることにより、基板Ｗ上の研磨液が希釈されて研磨性能を低下させることを防止できる。

【0048】

図７は、基板Ｗの膜厚を測定する工程の一例を説明するフローチャートである。
ステップＳ１０１では、ステージ１０は、基板Ｗの被研磨面２が上向きの状態で基板Ｗを支持して、ステージ回転機構はステージ１０を回転させる。
ステップＳ１０２では、研磨ユニット２０は、研磨液供給ノズル２８から研磨液を基板Ｗに供給しながら基板Ｗの研磨を開始する。
ステップＳ１０３では、研磨ヘッド移動機構２４は研磨ヘッド２１の移動を開始し、膜厚測定ヘッド移動機構３７は膜厚測定ヘッド３１の移動を開始する。このとき、研磨ヘッド２１と、膜厚測定ヘッド３１とは互いに接触しないように移動する。
ステップＳ１０４では、供給弁４４および排出弁４５を開き、ヘッドノズル４０の流体室５１に液体を供給しながら、流体室５１から液体を排出する。

【0049】

ステップＳ１０５では、膜厚測定ヘッド３１を測定位置に移動して、ヘッドノズル４０の開口部５４を基板Ｗの表面に近接させ、ヘッドノズル４０から基板Ｗに液体が供給される。
ステップＳ１０６では、光源３２は光を発し、光を膜厚測定ヘッド３１から流体室５１および開口部５４を通して、基板Ｗの表面に光を照射する。
ステップＳ１０７では、膜厚測定ヘッド３１は、流体室５１および開口部５４を通して、基板Ｗからの反射光を受ける。
ステップＳ１０８では、分光器３３は、基板Ｗからの反射光の強度を波長毎に測定し、反射光の強度測定データをスペクトル解析部３４に送る。スペクトル解析部３４は、反射光の強度測定データから反射光のスペクトルを生成して、基板Ｗの膜厚を決定する。

【0050】

ステップＳ１０９では、決定された基板Ｗの膜厚が目標値に達したか否かを判断する。決定された基板Ｗの膜厚が目標値に達したとき（ステップＳ１０９の「ＹＥＳ」）、研磨ユニット２０は基板Ｗの研磨を終了する（ステップＳ１１０）。決定された基板Ｗの膜厚が目標値に達していないとき（ステップＳ１０９の「ＮＯ」）、研磨ユニット２０は基板Ｗの研磨を継続して、ステップＳ１０５～Ｓ１０９を繰り返す。

【0051】

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】

【0052】

１ 基板研磨装置
２ 被研磨面
１０ ステージ
２０ 研磨ユニット
２１ 研磨ヘッド
２２ 研磨パッド
２２ａ 研磨面
２３ 研磨ヘッドアーム
２４ 研磨ヘッド移動機構
２５ 回転シャフト
２６ 研磨ヘッド回転機構
２８ 研磨液供給ノズル
３０ 膜厚測定装置
３１ 膜厚測定ヘッド
３２ 光源
３３ 分光器
３４ スペクトル解析部
３４ａ 記憶装置
３４ｂ 処理装置
３６ 膜厚測定ヘッドアーム
３７ 膜厚測定ヘッド移動機構
３８ 投光用光ファイバーケーブル
３９ 受光用光ファイバーケーブル
４０ ヘッドノズル
４１ ファイバー保持部
４２ 液体供給ライン
４３ 液体排出ライン
４４ 供給弁
４５ 排出弁
４６，４７ 流量計
４８ 液体ポンプ
５１ 流体室
５２ 液体供給流路
５２ａ 第１接続部
５２ｂ 第１配管接続部
５３ 液体排出流路
５３ａ 第２接続部
５３ｂ 上面
５３ｃ 第２配管接続部
５４ 開口部
６０ 動作制御部
６０ａ 記憶装置
６０ｂ 処理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】