JP4464642B2 - 研磨状態監視装置、研磨状態監視方法、研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の研磨対象物の被研磨面の特性値を測定して、研磨の終点のタイミングを決定する研磨状態監視装置、研磨状態監視方法、研磨装置及び研磨方法に関するものである。

半導体ウェーハの表面の凹凸を除去してその表面を平坦化するための化学機械研磨（ＣＭＰ）は周知である。化学機械研磨においては、層間絶縁膜のように被研磨膜が所望の膜厚になった時点で研磨を終了する必要があるものがある。また、ＳＴＩ（シャロートレンチアイソレーション）や銅配線膜などのように、被研磨膜が除去されて下地のストッパ膜、バリア膜などが現れた時点で研磨を終了することを求められることもある。これらの要求を満足する手段として、例えば、過剰研磨や研磨不足を防止するために、投光素子によって半導体ウェーハを照射し、そこからの反射光強度に基づいて被研磨面における光反射率の変化を検知し、化学機械研磨の加工終点を検出する研磨状態監視装置が知られている。

化学機械研磨において加工の終点を検出するために、半導体レーザーや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの単色光源からの光の反射強度の変化や、白色光の分光（比）反射率等の光学的特性が利用されることがある。また、半導体ウェーハからの反射光の反射強度を用いてウェーハの膜厚を算出する研磨状態監視装置も知られている。

従来の研磨状態監視装置の中には、半導体ウェーハの研磨状態の監視、例えば、膜厚等の特性値の計測を、研磨材が取り付けられたターンテーブルの１回転毎に半導体ウェーハの表面を１回走査し、各走査期間に複数の点でサンプリングを行って各サンプリング点（領域）での特性値を求めるものがある。具体的には、各サンプリング点における半導体ウェーハ表面からの反射光の反射強度をＡ／Ｄ変換した値を特性値として順次プロットしてゆく（特許文献１参照）。ここで、光源が、照射光がウェーハ表面を走査する間、連続的に点灯するものであるならば、反射強度は走査線に沿って或る長さを持った領域を代表することになるが、これも含めサンプリング点と呼ぶことにする。図１の（イ）において、実線は半導体ウェーハ上の照射光の走査軌跡を示し、丸印は各サンプリング点を示している。

この場合、通常は、研磨材を取り付けたターンテーブルと半導体ウェーハを取り付けたトップリングとの回転速度が異なるため、半導体ウェーハ上の走査軌跡は走査毎に異なる。例えば、図１の（ロ）に示すように、引き続く３回の走査である第１走査、第２走査及び第３走査はそれぞれ異なる軌跡に沿って行われる。なお、点１−１、・・・、１−１７、２−１、・・・、２−１７、３−１、・・・、３−１７は各走査軌跡上で１７回のサンプリングを行ったときのサンプリング点である。

多くの場合において、よく知られるように、被研磨面のプロファイルは、半導体ウェーハの回転中心に対して略軸対称の形状になる。被研磨面を監視する際、図８に示すように、複数回の走査で得られた全ての特性値を機械的に並べると、各回の走査における被研磨面の研磨状況が監視されるが、前述のプロファイルの影響で各走査内で特性値は変化して、被研磨面の特定の位置（例えば、ウェーハ中心）における研磨状況を監視するのは困難となる。加えて、サンプリング点における配線パターンの違い、各サンプリング時のスラリの状況の違い、電気的ノイズ等の影響も加わって、特性値から研磨の進捗状況を把握しがたいという問題があった。
特開２００１−２８４３００号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、研磨対象物の研磨の進捗状況を容易に把握でき、研磨の終点を容易に検出することができる研磨状態監視装置、研磨状態監視方法、研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、
研磨対象物の被研磨面を研磨する研磨装置に用いるための研磨状態監視装置であって、前記研磨対象物を複数回走査して各回の走査において複数のサンプリング点のそれぞれから第１の特性値を取得することによって前記被研磨面の研磨の進捗状況を監視する研磨状態監視装置において、
前記複数のサンプリング点において前記被研磨面を照射する光を発することができる発光部と、
前記発光部を動作させて前記第１の特性値を取得するタイミングを制御すると共に、前記発光部から発せられて前記被研磨面から反射された光を受光して、前記サンプリング点のそれぞれにおいて前記第１の特性値を生成する制御部と、
前記各回の走査において、隣接する所定数の前記サンプリング点から取得される複数の前記第１の特性値の平均値を取得することによって複数の第２の特性値を計算する演算部であって、任意の１つの前記第１の特性値を、前記第２の特性値のうちの１つの値と前記第２の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いて前記平均値を取得する演算部と、
を具備することを特徴とする研磨状態監視装置、
を提供する。

請求項２の発明は、前記制御部が、前記第２の特性値からの予め選択された特性値にしたがって前記研磨の終点を検出するよう動作することを特徴とする。
請求項３の発明は、前記の予め選択された特性値が、前記被研磨面の略中心位置に対応していることを特徴とする。

請求項４の発明は、前記制御部が、前記第２の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するよう動作することを特徴とする。
請求項５の発明は、指定された数の前記第２の特性値が研磨の終点に達したとき、前記研磨を終了することを特徴とする。

請求項６の発明は、前記演算部が、前記被研磨面の前記各回の走査における同一のサンプリング点から取得される所定数の前記第２の特性値の平均値を生成することによって、複数の第３の特性値を計算するよう動作し、前記第２の特性値のうちの少なくとも１つの値を、前記第３の特性値のうちの１つの値と前記第３の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いることを特徴とする。

請求項７の発明は、前記制御部が、前記第３の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するよう動作することを特徴とする。
請求項８の発明は、
研磨対象物の被研磨面を複数回走査して各回の走査において複数のサンプリング点のそれぞれにおいて、前記被研磨面の状態を表す複数の第１の特性値を取得することによって、前記被研磨面の研磨の進捗状況を監視するための研磨状態監視方法であって、
前記被研磨面を複数回走査する工程と、
前記被研磨面の前記各回の走査において複数のサンプリング点のそれぞれから前記第１の特性値を取得するステップと、
前記被研磨面の前記各回の走査において、隣接する所定数の前記サンプリング点から取得される複数の前記第１の特性値の平均値を取得することによって、複数の第２の特性値を計算するステップであって、任意の１つの前記第１の特性値を、前記第２の特性値のうちの１つの値と前記第２の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いて前記平均値を取得するステップと、
を備えることを特徴とする研磨状態監視方法、
を提供する。

請求項９の発明は、前記第２の特性値から予め選択された特性値にしたがって前記研磨の終点を検出することを特徴とする。
請求項１０の発明は、前記予め選択された特性値が前記被研磨面の略中心位置に対応することを特徴とする。

請求項１１の発明は、前記第２の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するステップを更に備えることを特徴とする。
請求項１２の発明は、異なる前記サンプリング点のうちの指定された個数のサンプリング点が前記研磨の終点に達したときに前記研磨の終点が検出されることを特徴とする。

請求項１３の発明は、前記被研磨面のそれぞれの前記走査の同一のサンプリング点から取得される所定数の前記第２の特性値の平均値を取得することによって複数の第３の特性値を計算するステップを更に備え、前記第２の特性値のうちの少なくとも１つの値を、前記第３の特性値のうちの１つの値と前記第３の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いることを特徴とする。

請求項１４の発明は、前記第３の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するステップを更に備えることを特徴とする。
請求項１５の発明は、研磨手段が設けられたターンテーブルと、前記研磨対象物の被研磨面を前記研磨手段に押圧するトップリングと、請求項１に記載の研磨状態監視装置とを備える研磨装置を提供する。

請求項１６の発明は、請求項８に記載の研磨状態監視方法を実施することを特徴とする研磨方法を提供する。

以下、本発明に係る研磨状態監視装置の一つの実施の形態について図を参照して詳細に説明する。なお、図において、同一の又は相当する構成要素には同一の符号を付すこととし、重複した説明を省略する。

図２は、本発明に係る研磨状態監視装置を備えた研磨装置の全体構成を概略的に示す図である。同図において、研磨装置１は、一方の面に研磨布１０が貼り付けられた研磨用のターンテーブル１１と、半導体ウェーハ１２を保持して研磨布１０の面に押圧するトップリング１３とを有する。トップリング１３の下面には半導体ウェーハ１２が吸着、保持される。研磨布１０の半導体ウェーハ１２に対向する面１４は、半導体ウェーハ１２と摺接する研磨面である。ここで、研磨布の代わりに、例えばＣｅＯ_２等の微細な砥粒を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板を利用することもできる。

ターンテーブル１１の中心は軸１５によって支持され、軸１５の下部は駆動用の第１のモータ（図示せず）に連結される。これにより、ターンテーブル１１は第１のモータによって矢印Ｘの方向に軸１５の回りに回転することができる。ターンテーブル１１の上方には、研磨布１０上に研磨液を供給するためのノズル１６が設置される。

トップリング１３は、トップリング・シャフト１７を介して駆動用の第２のモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結され、トップリング・シャフト１７に沿って矢印Ｙの方向に昇降し且つトップリング・シャフト１７の回りに矢印Ｚの方向に回転することが可能である。これにより、トップリング１３は、その下面に保持した半導体ウェーハ１２を自転しながら研磨布１０の方へ所望の圧力で押圧することができる。この場合、トップリング１３は半導体ウェーハ１２の面に沿う方向には移動できないよう支持されている。

したがって、半導体ウェーハ１２は、トップリング１３の回転と共に回転しながらターンテーブル１１上の研磨布１０に押圧されて研磨される。このとき、ノズル１６から研磨布１０上に研磨液が供給され、半導体ウェーハ１２の被研磨面と研磨布１０との間に研磨液が存在する状態で研磨が行われる。ここで、研磨布の代わりに固定砥粒を用いた場合、研磨液は純水であってもよい。

ターンテーブル１１の内部又は下面の適宜の場所には、半導体ウェーハ１２の被研磨面上の絶縁膜や金属膜の膜厚や色合い等の特性値を光学的に測定して研磨の進捗状態を監視するための研磨状態監視装置１８が設けられる。光学的測定を実現するために、研磨布１０の半導体ウェーハ１２に対向する位置に第１の窓１９が設けられ、第１の窓１９に対応してターンテーブル１１に第２の窓２０が設けられる。これらの窓１９、２０は光透過率の高い材料、例えば無発泡ポリウレタンで形成されることが望ましい。

他の光学測定手段としては、ターンテーブル１１内に流体供給路を有する流体式が挙げられる。図３に示すように、第２の窓２０に代えて、流体供給路３０と流体排出路３１とがテーブル内に設けられ、流体供給路３０を通じて純水等の流体が半導体ウェーハ１２に噴射されてから流体排出路３１を介して外部へ排出される。流体供給路３０内には２本の光ファイバ３２、３３が配置され、一方の光ファイバ３２を介して測定光が半導体ウェーハ１２に投光され、他方の光ファイバ３３に半導体ウェーハ１２からの反射光が受光される。この反射光によって研磨の進行状態を監視する。

研磨状態監視装置１８は、図２に示すように、発光部２１、受光部２２、コントローラ２３、電源２４、ロータリ・コネクタを含むケーブル２５及びパーソナル・コンピュータ２６を有する。発光部２１は、半導体ウェーハ１２の被研磨面を照射する光を発する。受光部２２は、発光部２１から発せられた光で照射された被研磨面からの反射光を受光して各波長成分に分光し、分光された各波長成分の光の強度を表す電気信号を出力する。コントローラ２３は、発光部２１及び受光部２２の動作開始、終了タイミング等の制御を行う。電源２４は発光部２１、受光部２２及びコントローラ２３の動作に必要な電力を供給する。なお、発光部２１からの光は半導体ウェーハ１２の被研磨面にほぼ垂直に入射することが好ましい。

発光部２１としては任意のものを用いることができるが、白色光を含む波長帯域を有する光を照射する発光手段が望ましい。また、発光部２１はキセノン・フラッシュランプ等のパルス点灯型であっても、タングステン・ハロゲンランプ等の連続点灯型であってもよい。

受光部２２から出力された電気信号はコントローラ２３に送られ、コントローラ２３はこの電気信号に基づいて半導体ウェーハ１２からの反射光のスペクトル・データを生成する。コントローラ２３の出力は、ターンテーブル１１及び軸１５の内部を通るケーブル（ロータリ・コネクタを含む）２５を介してパーソナル・コンピュータ２６に接続される。こうして、コントローラ２３で生成されたスペクトル・データがケーブル（ロータリ・コネクタを含む）２５を介してパーソナル・コンピュータ２６に送られる。

すなわち、発光部２１からの光は、半導体ウェーハ１２の被研磨面に照射されて反射され、第１の窓１９及び第２の窓２０を通って受光部２２で受光される。受光部２２は、受光された光を複数の波長成分に分光し、各波長成分の光の光量に応じて各サンプリング点に対応するスペクトル・データを生成してパーソナル・コンピュータ２６に送る。

演算部であるパーソナル・コンピュータ２６は、コントローラ２３から送られてきたスペクトル・データに基づいて、半導体ウェーハ１２の被研磨面の膜厚や色合い等の各種の特性値を算出し、算出した特性値の時間変化に基づいて研磨を停止させる時点やターンテーブル、トップリングの回転速度、トップリングに設けられた複数の押圧領域にかけるそれぞれの押圧力、スラリの種類の変更等の研磨条件の変更（これらも「研磨の終点動作」に含まれる）のタイミングを決定するようプログラムされている。この決定はパーソナル・コンピュータ２６から研磨装置の動作を制御する制御部（図示せず）に送られる。また、パーソナル・コンピュータ２６は上記制御部から研磨条件に関する情報を受信することができる。

さらに、ターンテーブル１１の回転位置を検知するために、図２に示すように、ターンテーブル１１の外周部下面の適宜の個所に、近接センサ２７が取付けられ、近接センサ２７に対応する位置にドグ２８が設置される。これによって、近接センサ２７は、ターンテーブル１１の１回転毎にドグ２８を検知し、検知毎に出力を制御部２３に送る。これによって、コントローラ２３はターンテーブル１１の基準位置に対する回転角度を検出することができる。

図４の（イ）は、近接センサ２７がターンテーブル１１の中心４０とドグ２８とを結ぶ線上に来たときの、ターンテーブル１１、半導体ウェーハ１２、第１の窓１９、近接センサ２７及びドグ２８の相互の位置関係を概略的に示す平面図である。トップリング１３は半導体ウェーハ１２の中心４１が第１の窓１９の円形の軌跡４２上にあるように位置決めされている。したがって、ターンテーブル１１とトップリング１３とを同一方向に回転させ、また、パルス点灯型光源の場合には第１の窓１９が半導体ウェーハ１２の下方にいる期間に発光部２１を所定時間間隔で動作させて、被研磨面を所定間隔のサンプリング・タイミングでサンプリングすると、軌跡４２上の複数個のサンプリング点Ｓ_１、Ｓ_２、・・・、Ｓ_ｍにおいて被研磨面の反射率、膜厚、色合い等の特性値を取得することができる。ここで、近接センサ２７がドグ２８を検知してからパルス点灯型光源の動作や被研磨面からの反射光のサンプリングを開始するまでの時間は、ターンテーブル１１の回転の速度に応じて所定の値に調節される。

そこで、ターンテーブル１１を例えば毎分６０回転、トップリング１３を例えば毎分７０回転の速度で同一方向に回転させたとき、回転速度の差に起因して、第１の窓１９が半導体ウェーハ１２の被研磨面を走査する軌跡は、半導体ウェーハ１２の中心４０を中心として１回転毎に一定方向にずれてくる。これを３回の引き続く走査について見ると、例えば図４の（ロ）に示すようになる。つまり、ｉ回目の走査を第ｉ走査と呼び、第ｉ走査におけるｋ番目のサンプリング・タイミングにおけるサンプリング点をｉ−ｋと表すとすると、図４の（ロ）は、第１走査においては、走査軌跡Ｔ_１に沿ってｍ個のサンプリング点１−１、１−２、・・・、１−ｍにおいて特性値が取得され、第２走査においては、走査軌跡Ｔ_２に沿ってｍ個のサンプリング点２−１、２−２、・・・、２−ｍにおいて特性値が取得され、第３走査においては走査軌跡Ｔ_３に沿ってｍ個のサンプリング点３−１、３−２、・・・、３−ｍにおいて特性値が取得されることを示している。

図５の（イ）は、第１走査〜第３走査において、それぞれ同一のサンプリング番号、即ち、同一のサンプリング・タイミングに対する特性値を直線で結んで研磨の進捗状況を表示することを示す説明図である。

本発明に係る研磨状態監視装置においては、トップリングの回転中心が一定であるとき、ｋ番目のサンプリング点、つまりｋ番目のサンプリング・タイミングにおけるサンプリング点は、何回目の走査であるかに無関係に、半導体ウェーハ１２の中心４１からほぼ同一の距離にあるという事実を利用する。つまり、発明者は、化学機械研磨装置においては良く知られているように、研磨後の被研磨面のプロファイルは概略軸対称の形状をしているから、各走査における同じ番目のサンプリング点群（例えば、１番目のサンプリング点１−１、２−１、３−１、・・・、ｉ―１、・・・からなる群）から取得した特性値を追跡することにより、研磨の進捗状況を容易且つ正確に把握することができることに注目したのである。

換言するならば、複数回の走査における多数のサンプリング点を分類して、１番目のサンプリング・タイミングでのサンプリング点のグループをサンプリング点群１、２番目のサンプリング・タイミングでのサンプリング点のグループをサンプリング点群２、・・・、ｋ番目のサンプリング・タイミングでのサンプリング点のグループをサンプリング点群ｋと呼ぶことにすると、本発明に係る研磨状態監視方法及び装置は、同じサンプリング点群内のサンプリング点から得た特性値を時間順に配列して研磨の進捗状況を監視するものである。

例えば、特性値として膜厚を取ったとき、図５の（ロ）に示すように、第１走査、第２走査、・・・、第ｉ走査においてサンプリング点群１から取得された膜厚の曲線Ａ、サンプリング点群３から取得された膜厚の曲線Ｂ及びサンプリング点群８から取得された膜厚の曲線Ｃを得ることができる。いま、１走査でのサンプリング点が１５個であるとすると、サンプリング点群１は半導体ウェーハ１２の端部に近い領域にあり、サンプリング点群８は半導体ウェーハ１２の中心付近の領域にある。

一般に、同じ番目のサンプリング・タイミングにおけるサンプリング点であっても、走査軌跡が異なれば、それに対応する配線パターンは異なり、或いは、段差特性や面内均一性の違いのために特性値の時間変化が上下に変動する。多くの場合、図５の（ロ）に示すように、変動は半導体ウェーハ１２の端部の方が中心付近よりも大きい。そこで、現実には、より安定した特性値を取り出して研磨の終点を検出できるように、着目するサンプリング点を任意に選択することができるようにし、安定した特性値が得られる個所に限定して終点検出をすることが望ましい。

例えば、サンプリング点群８のサンプリング点からの膜厚を表す図５の（ロ）の実線Ｃから分かるように、半導体ウェーハ１２の中心４１に近い領域では、特性値の変動が小さい。したがって、このように特性値の変動の少ないサンプリング点に着目すれば、ばらつきの小さく且つ正確に研磨の終点を検出することが可能になる。

また、１走査で複数のサンプリング点から特性値を取得する場合であっても、その全部のサンプリング点からの特性値を監視したり、全部のサンプリング点の特性値を用いて終点検出を行なわなければならない訳ではない。１走査のサンプリング点のうち、所望の任意の数のサンプリング点を選択し、その選択されたサンプリング点と同じサンプリング・タイミングのサンプリング点からの特性値をプロットしていっても、研磨の進捗状況を監視することが可能である。

そして、前記選択されたサンプリング点に対応する特性値の時間変化のうち、指定された個数の特性値が研磨の終点に達したとみなされるとき、半導体ウェーハ１２は研磨終点に達したものとする。例えば、前記指定された個数を１とすれば、選択されたサンプリング点群のうち最も研磨が進行したサンプリング点で研磨を終了させることになり、早めに研磨を終了させることができる。また、前記指定された個数を、選択されたサンプリング点群の個数にすれば、選択されたサンプリング点のグループのうち最も研磨の遅い個所に着目して研磨を終了させたことになる。このように、異なるサンプリング・タイミングでのサンプリング点での特性値の変化を平行して監視することにより、研磨を終了させるタイミングを適宜に調整することができる。

実際、研磨の進捗状況を容易に把握するには、ノイズや局所的な変動の少ないグラフを用いることが望ましい。また、研磨の終点の検出において、特性値の時間変化に関して目標とする時点の少し前の特徴点（例えば、閾値、極大値、極小値等）を検知する必要があるが、そのためにも、特性値の時間変化のグラフからノイズや局所的な変動が除去されて平滑化されていることが好ましい。そのための一つの手法は、１回の走査において複数のサンプリング点から得られた特性値について、１つの特性値とその前後の所定の数の特性値との平均値を生成し、この平均値を第２の特性値として用いて研磨の進捗状況を監視すること、換言すると、個々のサンプリング点に着目して互いに他のサンプリング点からの特性値との平均値を算出するために重複して利用することを許容することである。

例えば、図４の（ロ）においてｍ＝１１であるとし、第１走査におけるサンプリング点１−１、１−２、１−３、１−４、１−５、１−６、１−７、１−８、１−９、１−１０、１−１１から取得された特性値をそれぞれａ１１、ａ１２、ａ１３、ａ１４、ａ１５、ａ１６、ａ１７、ａ１８、ａ１９，ａ１１０、ａ１１１とするとき、第２の特性値Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４、Ａ１５、Ａ１６、Ａ１７、Ａ１８、Ａ１９、Ａ１１０、Ａ１１１として、

[数１]
Ａ１１＝ａ１１
Ａ１２＝（ａ１１＋ａ１２＋ａ１３）／３
Ａ１３＝（ａ１２＋ａ１３＋ａ１４）／３
Ａ１４＝（ａ１３＋ａ１４＋ａ１５）／３
Ａ１５＝（ａ１４＋ａ１５＋ａ１６）／３
Ａ１６＝（ａ１５＋ａ１６＋ａ１７）／３
Ａ１７＝（ａ１６＋ａ１７＋ａ１８）／３
Ａ１８＝（ａ１７＋ａ１８＋ａ１９）／３
Ａ１９＝（ａ１８＋ａ１９＋ａ１１０）／３
Ａ１１０＝（ａ１９＋ａ１１０＋ａ１１１）／３
Ａ１１１＝ａ１１１
を算出する。ここでは、重み付けのない単純な算術平均を例に示したが、平均化の手法はこれに限られず、例えば、調和平均であっても、相乗平均であっても、或いは中央値であってもよい。同様にして、他の回の走査においても、個々のサンプリング点からの特性値を重複利用を許容するようにして平均化処理を行って第２の特性値Ａ２１〜Ａ２１１、Ａ３１〜Ａ３１１、・・・、Ａｉ１〜Ａｉ１１、・・・を算出する。次いで、何回目の走査であるかを示す数字（例えばＡ１２であれば、Ａの次の１）に続く数字が同じである第２の特性値（以下、これを、同じ番号の第２の特性値と呼ぶ）をプロットする。具体的には、同じ番号の第２の特性値の群、即ち、Ａ１１、Ａ２１、・・・、Ａｉ１、・・・からなる特性値群１、Ａ１２、Ａ２２、・・・、Ａｉ２、・・・からなる特性値群２、Ａ１３、Ａ２３、・・・、Ａｉ３、・・・からなる特性値群３、・・・を作り、各特性値群毎に、その群に属する第２の特性値をプロットすることにより、図５の（イ）及び（ロ）に相当する曲線を得ることができる。

この場合、第２の特性値は、隣り合う任意の数のサンプリング点からの特性値を平均したものであってよく、また、半導体ウェーハ１２の中心３１の付近からの特性値については平均化処理を行わないでもよく、上の例であれば、Ａ１５＝ａ１５、Ａ１６＝ａ１６，Ａ１７＝ａ１７であってもよい。このように、１つのサンプリング点とその前後のサンプリング点とからの特性値の平均値を求めるようにしたので、サンプリング点が少ないときにも平均化の処理を行え、被研磨面のプロファイルを把握しやすいという利点がある。

図６の（イ）は、上で説明したように各回の走査毎に上記の平均化処理を行って第２の特性値を取得し、同じ番号の第２の特性値をプロットした例であって、実線は上記の例における特性値群８に属する第２の特性値をプロットしたもの、点線は上記の例における特性値群３をに属する第２の特性値をプロットしたものである。ここで、上述したような平均化手法を空間平均化と呼ぶ。

他方、図６の（ロ）は、前述のような平均化処理を行わない場合の特性値のグラフＤと、該特性値に別の平均化処理を施して得たグラフＥである。そのうち、グラフＤは、半導体ウェーハの中心付近のサンプリング点８から得られた特性値をプロットしたものであり、グラフＥは、サンプリング点８の時間平均値である。この例では平均化の点数は５点であり、第ｉ走査のサンプリング点ｋに対する特性値はＢ_ｉ，ｋ＝（ａ_{ｉ−４，ｋ}＋ａ_{ｉ−３，ｋ}＋ａ_{ｉ−２，ｋ}＋ａ_{ｉ−１，ｋ}）÷５と表される。これを時間平均と呼ぶ。

図５の（ロ）と図６の（イ）とのグラフを比較すると、上で説明したように平均化処理を行って第２の特性値を求め、同じ番号の第２の特性値の変化を監視することにより、ノイズや局所的変動を低減することができる。また、図６の（ロ）を見て分かるように、位相遅れδを伴うが、磁化平均によっても同様の効果が得られる。空間平均化と時間平均化はいずれか一方を実行してもよいし、空間平均化で生成された第２の特性値に対して更に時間平均化を施してもよい。

上記の空間平均化の効果を、被研磨面にうねり（凹凸）のある半導体ウェーハのプロファイルを示す図７を用いて更に説明する。１走査で１５個のサンプリング点において膜厚値を測定したとき、破線Ｌで示す生データが得られた。そこで、本発明の研磨状態監視方法に従って、隣り合う５個のサンプリング点からの膜厚値の平均を、重複利用を許容して算出したところ、実線Ｎが得られた。ただし、被研磨面の端部では平均化を行わず、また、その１つ内側では３個のサンプリング点からの膜厚値の平均値を求めている。これに対して、１５個のサンプリング点を重複を許すことなく５個ずつ３個の領域に分割し、それぞれの平均を求めるようにしたところ、点線Ｍが得られた。

この図７からも理解されるように、本発明の研磨状態監視装置を用いると、半導体ウェーハの被研磨面の局所的な凹凸を平滑化した上で被研磨面全体のプロファイルを把握することができる。これにより、この例では、被研磨面の中心付近の比較的研磨の進行した個所やその外側の研磨の遅れた個所に着目して研磨終点の検出を行うことが可能になる。なお、平均化に要するサンプリング点の個数は、１走査に存在するサンプリング点の数や、特性値の変動の具合等を考慮して、各サンプリング点毎に決めることが望ましい。

これまで、本発明に係る研磨状態監視装置の若干の実施の形態について説明してきたが、本発明はこうした実施の形態に限定されるものではない。例えば、これまでは、走査軌跡は図３の（ロ）に示すように被研磨面の中心を通るものとして説明したが、トップリングの位置が固定されているならば、走査軌跡は被研磨面の中心を通らなくともよい。トップリングが固定されているならば、同じ番号のサンプリング点は被研磨面の中心からほぼ同一距離にあると言えるからである。

以上説明してきたところから理解されるように、本発明は以下のような効果を奏することができる。
（１）同一の番号のサンプリング点から得た特性値の時間変化を用いるので、研磨対象物の研磨の進捗状況を容易に把握することができるという効果を奏する、
（２）実際に、研磨対象物の被研磨面の状態によって、サンプリング点から得られる特性値が時間的に細かく変動することがあるので、安定した特性値が得られる特定のサンプリング点を選択すると、研磨終点のタイミングの検出が容易になる、
（３）１走査における全サンプリング点のほぼ中央のサンプリング点に着目して研磨対象物の中心付近での研磨の進捗状況を監視すると、ばらつきが小さく且つ正確に研磨の終点を検出できる、
（４）所望の数のサンプリング点に着目して研磨の進捗状況を監視すると、研磨が早めに進行している個所と遅めに進行している個所とを同時に監視することができ、研磨の終点の検出タイミングを調整することができる、
（５）各走査において１つのサンプリング点から得た特性値を重複利用を許容する形で平均化して第２の特性値を求める処理を行うと、被研磨面に存在する局所的な変動が平滑化され、且つ被研磨面のプロフィルを把握しやすくなり、重複利用を許容するため、１走査当たりのサンプリング点数が少ないときに特に有効である、
（６）研磨の進捗状況を把握しやすい研磨状態監視装置を備えているので、半導体ウェーハ等の研磨対象物の研磨の終了を正確に検出することができる。

（イ）及び（ロ）は半導体ウェーハの被研磨面を走査する軌跡とサンプリング点とを示す図である。 本発明に係る研磨状態監視装置を備えた研磨装置の構成を概略的に示す図である。 図２の研磨状態監視装置における他の光学的測定手段を示す図である。 （イ）は、図２に示す研磨装置におけるターンテーブル、半導体ウェーハ、近接センサ及び第１の窓の相互位置関係を概略的に示す図であり、（ロ）は半導体ウェーハの被研磨面における３個の走査軌跡とサンプリング点とを示す図である。 （イ）は、各サンプリング点から得られた特性値を本発明にしたがって表示する方法を示す説明図であり、（ロ）は、各サンプリング点から得られた膜厚を本発明に従って処理した結果の一例を示すグラフである。 （イ）は、サンプリング点から得られた膜厚を本発明に従って平均化処理した結果の例を示すグラフであり、（ロ）は、本発明の別の平均化手法に従って処理した結果の別の例を示すグラフである。 本発明にしたがって平均化処理を行った結果のグラフを、そうした処理を行わない場合と比較して示す図である。 複数回の走査で得た特性値を時間順に配列したグラフである。

１：研磨装置、 １０：研磨布、 １１：ターンテーブル、 １２：半導体ウェーハ、 １３：トップリング、 １４：面、 １５：軸、 １６：研磨液供給ノズル、 １７：トップリング・シャフト、 １８：研磨状態監視装置、 １９、２０：窓、 ２１：発光部、 ２２：受光部、 ２３：コントローラ、 ２４：電源： ２５：ケーブル、 ２６：パーソナル・コンピュータ、 ２７：近接センサ、 ２８：ドグ、 ３０：流体供給路、 ３１：流体水排出路、 ３２、３３：光ファイバ、 ４０：ターンテーブルの中心、 ４１：半導体ウェーハの中心、 Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３：走査軌跡

Claims (16)

1. 研磨対象物の被研磨面を研磨する研磨装置に用いるための研磨状態監視装置であって、前記研磨対象物を複数回走査して各回の走査において複数のサンプリング点のそれぞれから第１の特性値を取得することによって前記被研磨面の研磨の進捗状況を監視する研磨状態監視装置において、
   前記複数のサンプリング点において前記被研磨面を照射する光を発することができる発光部と、
   前記発光部を動作させて前記第１の特性値を取得するタイミングを制御すると共に、前記発光部から発せられて前記被研磨面から反射された光を受光して、前記サンプリング点のそれぞれにおいて前記第１の特性値を生成する制御部と、
   前記各回の走査において、隣接する所定数の前記サンプリング点から取得される複数の前記第１の特性値の平均値を取得することによって複数の第２の特性値を計算する演算部であって、任意の１つの前記第１の特性値を、前記第２の特性値のうちの１つの値と前記第２の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いて前記平均値を取得する演算部と、
   を具備することを特徴とする研磨状態監視装置。
2. 前記制御部は、前記第２の特性値からの予め選択された特性値にしたがって前記研磨の終点を検出するよう動作することを特徴とする、請求項１に記載の研磨状態監視装置。
3. 前記の予め選択された特性値が、前記被研磨面の略中心位置に対応していることを特徴とする、請求項２に記載の研磨状態監視装置。
4. 前記制御部は、前記第２の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するよう動作することを特徴とする、請求項１に記載の研磨状態監視装置。
5. 指定された数の前記第２の特性値が研磨の終点に達したとき、前記研磨を終了することを特徴とする、請求項４に記載の研磨状態監視装置。
6. 前記演算部が、前記被研磨面の前記各回の走査における同一のサンプリング点から取得される所定数の前記第２の特性値の平均値を生成することによって、複数の第３の特性値を計算するよう動作し、
   前記第２の特性値のうちの少なくとも１つの値を、前記第３の特性値のうちの１つの値と前記第３の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いることを特徴とする、請求項１に記載の研磨状態監視装置。
7. 前記制御部が、前記第３の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するよう動作することを特徴とする、請求項６記載の研磨状態監視装置。
8. 研磨対象物の被研磨面を複数回走査して各回の走査において複数のサンプリング点のそれぞれにおいて、前記被研磨面の状態を表す複数の第１の特性値を取得することによって、前記被研磨面の研磨の進捗状況を監視するための研磨状態監視方法であって、
   前記被研磨面を複数回走査する工程と、
   前記被研磨面の前記各回の走査において複数のサンプリング点のそれぞれから前記第１の特性値を取得するステップと、
   前記被研磨面の前記各回の走査において、隣接する所定数の前記サンプリング点から取得される複数の前記第１の特性値の平均値を取得することによって、複数の第２の特性値を計算するステップであって、任意の１つの前記第１の特性値を、前記第２の特性値のうちの１つの値と前記第２の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いて前記平均値を取得するステップと、
   を備えることを特徴とする研磨状態監視方法。
9. 前記第２の特性値から予め選択された特性値にしたがって前記研磨の終点を検出することを特徴とする、請求項８に記載の研磨状態監視方法。
10. 前記予め選択された特性値が前記被研磨面の略中心位置に対応することを特徴とする、請求項９に記載の研磨状態監視方法。
11. 前記第２の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するステップを更に備えることを特徴とする、請求項８に記載の研磨状態監視方法。
12. 異なる前記サンプリング点のうちの指定された個数のサンプリング点が前記研磨の終点に達したときに前記研磨の終点が検出されることを特徴とする、請求項１１に記載の研磨状態監視方法。
13. 前記被研磨面のそれぞれの前記走査の同一のサンプリング点から取得される所定数の前記第２の特性値の平均値を取得することによって複数の第３の特性値を計算するステップを更に備え、前記第２の特性値のうちの少なくとも１つの値を、前記第３の特性値のうちの１つの値と前記第３の特性値のうちの他の値とを計算するのに重複して用いることを特徴とする、請求項８に記載の研磨状態監視方法。
14. 前記第３の特性値の時間変化を監視して前記研磨の終点を検出するステップを更に備えることを特徴とする、請求項１３に記載の研磨状態監視方法。
15. 研磨手段が設けられたターンテーブルと、前記研磨対象物の被研磨面を前記研磨手段に押圧するトップリングと、請求項１に記載の研磨状態監視装置とを備える研磨装置。
16. 請求項８に記載の研磨状態監視方法を実施することを特徴とする研磨方法。

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