(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面と、上記第一面の下にある第二面とを有する基板を研磨するための化学的機械研磨装置において、
第一光学システムを有する第一研磨ステーションであって、上記第一光学システムは、第一有効波長を有する第一光線を発生させ上記第一研磨ステーションで研磨されるとき上記基板に当てる第一光源と、上記第一面及び上記第二面から反射される上記第一光線からの光を測定して第一干渉信号を発生させる第一センサとを有する、前記第一研磨ステーションと、
第二光学システムを有する第二研磨ステーションであって、上記第二光学システムは、上記第一有効波長と異なる第二有効波長を有する第二光線を発生させ上記第二研磨ステーションで研磨されるとき上記基板に当てる第二光源と、上記第一面及び上記第二面から反射される上記第二光線からの光を測定して第二干渉信号を発生させる第二センサとを有する、前記第二研磨ステーションと、
上記第一干渉信号から上記第一研磨ステーションでの研磨の終点を、上記第二干渉信号から上記第二研磨ステーションでの研磨の終点をそれぞれ決定する、少なくとも一つのプロセッサと、を備え、
上記第一有効波長は上記第二有効波長より大きい、装置。
【請求項２】
上記第一光線は、第一波長を有し、上記第二光線は、上記第一波長より短い第二波長を有する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
上記第一波長は、８００から１４００ナノメートルの間にある、請求項２記載の装置。
【請求項４】
上記第二波長は、４００から７００ナノメートルの間にある、請求項２記載の装置。
【請求項５】
第三光学システムを有する第三研磨ステーションであって、上記第三光学システムは、上記第二有効波長と等しい又は上記第二有効波長より小さい第三有効波長を有する第三光線を発生させ上記第三研磨ステーションで研磨されるとき上記基板に当てる第三光源と、上記第一面及び上記第二面から反射される上記第三光線からの光を測定して第三干渉信号を発生させる第三センサとを有する、前記第三研磨ステーションを更に備える、請求項１記載の装置。
【請求項６】
各研磨ステーションは、上記第一光線及び上記第二光線の一つが上記基板に当たる為に通過するアパーチャを備えた回転自在のプラテンを含む、請求項１記載の装置。
【請求項７】
化学的機械研磨方法であって、
第一研磨ステーションで基板を研磨するステップと、
第一有効波長を有する第一光線を上記基板に向け、上記基板から反射される上記第一光線からの光を測定することによって、第一干渉信号を発生させるステップと、
上記第一干渉信号から第一終点を検出するステップと、
上記第一終点を検出した後、上記第一有効波長とは異なる第二有効波長を有する第二光線を上記基板に向け、上記基板から反射される上記第二光線からの光を測定することによって、第二干渉信号を発生させるステップと、
上記第二干渉信号から第二終点を検出するステップと、を備え、
上記第一有効波長は上記第二有効波長より大きい、方法。
【請求項８】
上記第一光線は、第一波長を有し、上記第二光線は、上記第一波長より短い第二波長を有する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
上記第一波長は、８００から１４００ナノメートルの間にある、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
上記第二波長は、４００から７００ナノメートルの間にある、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
上記第一終点を検出した後に第二研磨ステーションへ上記基板を移送するステップを更に備え、
上記第一干渉信号を発生させるステップは、上記第一研磨ステーションで生じると共に、上記第二干渉信号を発生させるステップは、上記第二研磨ステーションで生じる、請求項７から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
上記第二終点を検出した後、上記第二有効波長と等しい又は上記第二有効波長より小さい第三有効波長を有する第三光線を上記基板に向け、上記基板から反射される上記第三光線からの光を測定することによって、第三干渉信号を発生させるステップと、
上記第三干渉信号から第三終点を検出するステップと、を更に備える、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【背景】
本発明は、全体的に基板の化学的機械研磨に関し、特に、化学的機械研磨における研磨終点を検出する為の方法及び装置に関する。
【０００２】
通常、集積回路は、シリコンウエハ上に導体、半導体または絶縁体の層を順次堆積することにより、基板上に形成される。各層が堆積された後、当該層はエッチングされ、回路特徴を構築する。一連の層が、連続的に堆積されエッチングされるので、外側又は最上部の基板表面、すなわち、当該基板の露出面は、かなり非平面になる。この非平面は、集積回路作製プロセスのフォトリソグラフィック段階で問題を提示する。そのため、定期的に基板表面を平坦化する必要性がある。
【０００３】
化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、認められた平坦化方法の一つである。この平坦化方法は、通常、基板がキャリア又は研磨ヘッド上に装着されていることを必要とする。基板の露出面は、回転研磨パッドに対して置かれる。研磨パッドは、標準パッド又は固定研磨材パッドのいずれでもよい。標準パッドは、耐性のある粗い面を有するが、固定研磨材パッドは包含媒体に保持された研磨材粒子を有する。キャリアヘッドは、基板に制御可能な負荷、すなわち、圧力を与え、それを研磨パッドに押し付ける。少なくとも一つの化学反応物質を含む研磨スラリ、更に、標準パッドが使用される場合には研磨材粒子は、研磨パッドの表面に供給される。
【０００４】
ＣＭＰプロセスの結果は、その研磨速度により、更に、結果として生じる仕上げ（小規模粗さの不在）および平坦性（大規模地勢の不在）により、測定可能である。研磨速度、仕上げ、平坦性は、パッドとスラリとの組み合わせ、キャリアヘッド構造、基板とパッド間の相対速度、パッドに対する基板の押し付け力により、決定される。
【０００５】
異なる研磨工具およびプロセスの有効度を決定する為に、いわゆるブランクウエハ、すなわち、パターンを持たない一以上の層を有するウエハが、工具／プロセス資格ステップで研磨される。研磨の後、残る層の厚さが基板面の幾つかの点で測定される。層の厚さにおける相違は、ウエハ表面の均一性の尺度、基板の異なる領域における相対的研磨速度の尺度を与える。基板の層の厚さ及び研磨の均一性を決定する一つの方法は、研磨装置から基板を除去し、それを検査することである。例えば、基板は、基板の厚さが例えば偏光解析器により測定される計測学ステーションに移送されてもよい。残念ながら、このプロセスは、時間の浪費、そのため、高価になり、計測学的装置は高価である。
【０００６】
ＣＭＰにおける一つの問題は、研磨プロセスが終了したか、すなわち、基板層が所望の平坦あるいは厚さまで平坦化されたか、を決定することである。基板層の最初の厚さにおける相違、スラリの構成内容、研磨パッドの材料及び状態、研磨パッドと基板間の相対速度、研磨パッド上の基板の荷重は、材料の除去速度において変異を生じ得る。これらの変動は、研磨の終点に到達するのに要する時間における相違の原因になる。そのため、研磨の終点は、単に、研磨時間の関数として決定することはできない。
【０００７】
研磨の終点を決定する一つの方法は、研磨面から基板を除去し、それを検査することである。もし、基板が所望の仕様を満足しない場合、基板は、更なる処理の為にＣＭＰ装置に再装填される。また、検査により、過剰な量の材料が除去されて、基板が使用不可能になったことが分かるかもしれない。そのため、その場で、いつ所望の平坦性や厚さに到達したかを検出する方法が必要である。
【０００８】
現場研磨終点検出のため、幾つかの方法が開発されてきた。これらの方法のほとんどは、基板面に付随したパラメータをモニタする工程、そのパラメータが突然変わったときに終点を表示する工程を含む。例えば、絶縁体または誘電体の層が研磨され、下にある金属層が露出する場合、金属層が露出したとき、摩擦係数および基板の反射率が突然変わる。
【０００９】
モニタされたパラメータが研磨終点で突然変わる理想的なシステムでは、そのような終点検出方法は許容される。しかし、基板が研磨されるとき、研磨パッドの状態やパッド−基板界面でスラリの構成内容が変わるかもしれない。そのような変更は、下にくる層の露出を隠すかもしれないし、それらが終点の状態を模写するかもしれない。さらに、そのような終点検出方法は、単に平坦化が行われるとき、下にくる層が過剰に研磨されるとき、或いは、下にくる層と上にくる層が同一の物性を有するとき、機能しないであろう。
【００１０】
前述した見解において、研磨プロセスをいつ停止するかを精度良く、信頼性良く決定する研磨終点検出器が必要である。また、ＣＭＰプロセス中、基板上の層の厚さを現場で決定する手段が必要である。
【００１１】
【概要】
本発明は、化学的機械研磨中に基板を現場で光学的にモニターすることに関する。基板における層の厚さは、測定可能であり、厚さ決定は、ＣＭＰプロセスの終点を決定する為、ＣＭＰプロセス中にウエハ上に残っている膜厚を決定する為、ＣＭＰプロセス中にウエハから除去された材料の厚さを決定する為に使用可能である。
【００１２】
一つの態様において、本発明は、第一面と、その第一面の下にある第二面を有する基板を化学的機械研磨する為の装置に向けられている。当該装置は、第一光学システム、第二光学システム、プロセッサを有する。第一光学システムは、第一有効波長を有し基板に当たる第一光線を発生する第一光源と、第一干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第一光線から光を測定する第一センサとを含む。第二光学システムは、第一有効波長とは異なる第二有効波長を有し基板に当たる第二光線を発生する第二光源と、第二干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第二光線から光を測定する第二センサとを含む。プロセッサは、第一干渉信号および第二干渉信号から厚さを決定するように構成されている。
【００１３】
本発明の実施には、第一光線及び第二光線が異なる波長または異なる基板入射角を有してもよい。第一有効波長は、第二有効波長より大きくてもよいが、第二有効波長の整数倍でなくてもよい。各光学システムは、軸外し又は軸上光学システムでもよい。第一光源及び第二光源の少なくとも一つは、発光ダイオードを有してもよい。第一光源は、第一コヒーレンス長を備えた第一発光ダイオード、第二光源は、第二コヒーレンス長を備えた第二発光ダイオードでもよい。第一コヒーレンス長は、表面層を通る第一光線の光路長より長くてもよく、第二コヒーレンス長は、表面層を通る第二光線の光路長より長くてもよい。装置は、研磨中に基板の第一面に接触する研磨パッドと、その研磨パッドを支えるプラテンとを有してもよい。プラテンは、第一光線が通過する第一アパーチャと、第二光線が通過する第二アパーチャとを有してもよい。研磨パッドは、第一光線及び第二光線が通過する透明ウインドウを含んでもよく、あるいは、研磨パッドは、第一光線が通過する第一ウインドウと、第二光線が通過する第二ウインドウとを含んでもよい。第一光線は、例えば約６００から１５００ナノメートルの間の第一波長、第二光線は、第一波長より短い第二波長、例えば約３００から６００ナノメートルの間の波長でもよい。第一光線は、第二光線の基板上の第二入射角より小さい、基板上の入射角を有してもよい。
【００１４】
プロセッサは、基板の研磨中、初期厚さを決定するように構成されてもよい。
プロセッサは、第一干渉信号の為の第一モデル強度関数、更に、第二干渉信号の為の第二モデル強度関数を決定するように構成されてもよい。第一モデル強度関数と第二モデル強度関数は、正弦波関数でもよく、例えば、第一期間、第一位相オフセット、第二期間、第二位相オフセットにより、それぞれ記述される。第一期間と第一位相オフセットは、第一干渉信号からの強度測定値に対する第一モデル強度関数の最小自乗適合法から計算することが可能であり、第二期間と第二位相オフセットは、第二干渉信号からの強度測定値に対する第二モデル強度関数の最小自乗適合法から計算することが可能である。第一整数、第一有効波長、第一期間、第一位相オフセットの関数である第一モデル厚さ関数により、更に、第二整数、第二有効波長、第二期間、第二位相オフセットの関数である第二モデル厚さ関数により、厚さは推定することが可能である。プロセッサは、上記第一整数に対する第一数値、第二整数に対する第二数値を決定するように構成され、これらは、第一モデル厚さ関数と第二モデル厚さ関数から、ほぼ等しい厚さの推定値を与える。プロセッサは、次の数式に対する解を見つけることにより、第一数値と第二数値を決定するように構成されてもよい。
【００１５】
【数式１】
0004560163.tif 000002
【００１６】
ここで、Ｍは上記第一整数、Ｎは上記第二整数、λeff1  は上記第一有効波長、λeff2 は上記第二有効波長、ΔＴ1  は上記第一期間、ΔＴ2は上記第二期間、φ1は上記第一位相オフセット、φ2は上記第二位相オフセットである。
【００１７】
他の態様において、本発明は、第一面と、その第一面の下にある第二面とを有する基板を化学的機械研磨する為に使用する装置に向けられている。その装置は、基板に当たる第一光線を発生させる第一光源、第一干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第一光線から光を測定する第一センサを含む第一光学システムと、基板に当たる第二光線を発生させる第二光源、第二干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第二光線から光を測定する第二センサを含む第二光学システムとを有する。第一光線は、第一有効波長を有し、第二光線は、第一有効波長とは異なる第二有効波長を有する。
【００１８】
他の態様において、本発明は、第一面と、その第一面の下にある第二面とを有する基板を化学的機械研磨する為に使用する装置に向けられている。その装置は、第一光学システムと第二光学システムを有する。第一光学システムは、基板に当たる第一光線を発生させる第一発光ダイオード、第一干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第一光線から光を測定する第一センサを含む。第二光学システムは、基板に当たる第二光線を発生させる第二発光ダイオード、第二干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第二光線から光を測定する第二センサを含む。第一光線は、第一有効波長を有し、第二光線は、第一有効波長とは異なる第二有効波長を有する。
【００１９】
本発明の実施には、第一光線が例えば約７００から１５００ナノメートルの間の第一波長を有し、第二光線が例えば約３００から７００ナノメートルの間の第一波長より短い第二波長を有してもよい。基板は、ウエハにわたり配置された薄膜構造の層を有してもよく、第一光線及び第二光線は、当該層を通過するように第一光線及び第二光線の可干渉性を維持する為に十分に大きなコヒーレンス長を有してもよい。
【００２０】
他の態様において、本発明は、第一面と当該第一面の下にある第二面とを有してウエハにわたって配置された層を有する基板の化学的機械研磨中、研磨終点を検出する装置に向けられている。当該装置は、基板の層に当たる光線を発生させる発光ダイオードと、干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される光線から光を測定するセンサと、干渉信号から研磨終点を決定するように構成されたプロセッサとを有する。発光ダイオードから放出される光線は、当該層を通る光線の光路長以上のコヒーレンス長を有する。
【００２１】
また、更なる態様において、本発明は、ウエハにわたって配置された薄膜構造内に層を有する基板を化学的機械研磨する為に使用する終点検出器に向けられている。基板は、第一面と、その第一面の下にある第二面を有する。終点検出器は、第一光学システムと、第二光学システムと、プロセッサとを有する。第一光学システムは、基板に当たる第一光線を発生させる第一光源と、第一干渉信号を発生させる為に、内側表面および外側表面から反射される第一光線から光を測定する第一センサとを含む。第二光学システムは、基板に当たる第二光線を発生させる第二光源と、第二干渉信号を発生させる為に、内側表面および外側表面から反射される第二光線から光を測定する第二センサとを含む。第一光線は、第一有効波長を有し、第二光線は、第一有効波長とは異なる第二有効波長を有する。プロセッサは、第一干渉信号と第二干渉信号とを比較し、研磨終点を検出する。
【００２２】
また、更なる態様において、本発明は、第一面と、第一面の下にある第二面とを有する基板を化学的機械研磨中、厚さを決定する装置に向けられている。当該装置は、異なる有効波長を有し基板に当たる第一光線と第二光線を発生させる手段と、第一干渉信号及び第二干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第一光線及び第二光線からの光を検出する手段と、第一干渉信号及び第二干渉信号から厚さを決定する手段とを有する。
【００２３】
また、更なる態様において、本発明は、第一面と、その第一面の下にある第二面とを有する基板を化学的機械研磨中、厚さを測定する装置に向けられている。
その装置は、異なる有効波長を有し基板に当たる第一光線及び第二光線を発生させる手段と、第一干渉信号及び第二干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第一光線及び第二光線からの光を検出する手段と、第一干渉信号及び第二干渉信号から厚さを決定する手段とを有する。
【００２４】
また、更なる態様において、本発明は、化学的機械研磨を受ける基板において、厚さを決定する方法に向けられている。第一干渉信号は、第一有効波長を有する第一光線を当該基板に向けること、更に、当該基板から反射された第一光線から光を測定することにより生成され、第二干渉信号は、第二有効波長を有する第二光線を当該基板に向けること、更に、当該基板から反射された第二光線から光を測定することにより生成される。第一有効波長は、第二有効波長とは異なる。
厚さは、第一干渉信号と第二干渉信号とから決定される。
【００２５】
当該方法の実施は、以下の点が含まれる。第一モデル強度関数と第二モデル強度関数は、第一干渉信号と第二干渉信号に対し決定することが可能である。第一モデル強度関数と第二モデル強度関数は、正弦波であり、それぞれが期間および位相オフセットにより記述することが可能である。各モデル強度関数の期間及びオフセットは、干渉信号からの強度測定値に対するモデル強度関数の最小自乗適合法から算出することが可能である。厚さは、第一整数、第一有効波長、第一期間、第一位相オフセットの関数である第一モデル厚さ関数によって、更に、第二整数、第二有効波長、第二期間、第二位相オフセットの関数である第二モデル厚さ関数によって、推定することが可能である。どれが、ほぼ等しい推定値の厚さを与えるかは、第一モデル厚さ関数及び第二モデル厚さ関数から、第一整数に対する第一数値と第二整数に対する第二数値により決定してもよい。第一数値及び第二数値の決定は、次の数式に対する解を見つける工程を含んでもよく、
【００２６】
【数式２】
0004560163.tif 000003
【００２７】
ここで、Ｍは上記第一整数、Ｎは上記第二整数、λeff1  は上記第一有効波長、λeff2 は上記第二有効波長、ΔＴ1  は上記第一期間、ΔＴ2は上記第二期間、φ1は上記第一位相オフセット、φ2は上記第二位相オフセットである。
【００２８】
また、更なる態様において、本発明は、基板の研磨中、研磨終点を検出する方法に向けられている。第一干渉信号は、第一有効波長を有する第一光線を基板に向け、基板から反射される第一光線から光を測定することによって生成され、第二干渉信号は、第二有効波長を有する第二光線を基板に向け、基板から反射される第二光線から光を測定することによって生成される。第一有効波長は、第二有効波長とは異なる。第一干渉信号と第二干渉信号は、研磨終点を決定する為に比較される。
【００２９】
他の態様において、本発明は、第一面と、その第一面の下にある第二面を有する基板を研磨する化学的機械研磨装置に向けられている。当該装置は、第一光学システムを備えた第一研磨ステーション、第二光学システムを備えた第二研磨ステーション、更に、少なくとも一つのプロセッサを有する。第一光学システムは、第一研磨ステーションで研磨されるとき当該基板に当たるように第一光線を発生させる第一光源、第一干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第一光線から光を測定する為の第一センサを含む。第二光学システムは、第二研磨ステーションで研磨されるとき当該基板に当たるように第二光線を発生させる第二光源、第二干渉信号を発生させる為に第一面及び第二面から反射される第二光線から光を測定する為の第二センサを含む。第一光線は、第一有効波長を有し、第二光線は、第一有効波長とは異なる第二有効波長を有する。プロセッサは、それぞれ、第一干渉信号及び第二干渉信号から第一研磨ステーション及び第二研磨ステーションで研磨終点を決定する。
【００３０】
本発明の実施は、以下の特徴を含んでもよい。第一有効波長は、第二有効波長より大きくてもよい。第二光線は、例えば約４００から７００ナノメートルの間の第二波長を有し、それは、例えば約８００から１４００ナノメートルの間にある第一光線の第一波長より短い。第三研磨ステーションは第三光学システムを有することも可能であり、それは、第三研磨ステーションで研磨されるとき基板に当たるように第三光線を生成する為に第三光源、第三干渉信号を生成する為に第一面及び第二面から反射される第三光線から光を測定する為に第三センサを含む。第三光線は、第二有効波長以下の第三有効波長を有してもよい。キャリアヘッドは、基板を第一研磨ステーションと第二研磨ステーションとの間で移動することが可能である。各研磨ステーションは、アパーチャ付きの回転可能なプラテンを有し、それを通じて、第一光線及び第二光線のいずれか一方が通過して基板に当たる。各研磨ステーションは、また、対応するプラテン上に支えられた研磨パッドを含み、各研磨パッドは、第一光線及び第二光線の一つが通過して基板に当たるウインドウを有する。
【００３１】
他の実施例において、本発明は化学的機械研磨方法に向けられている。この方法において、基板は第一ステーションで研磨され、第一干渉信号は、第一有効波長を有する第一光線を基板に向けること、更に、当該基板から反射される第一光線から光を測定することによって生成され、第一終点は第一干渉信号から検出される。第一終点の検出後、第二干渉信号は、第二有効波長を有する第二光線を基板に向けること、更に、当該基板から反射される第二光線から光を測定することによって生成され、第二終点は第二干渉信号から検出される。第二有効波長は、第一有効波長とは異なる。
【００３２】
本発明の利点は、以下の通りである。２つの光学システムを用いて、基板の、初期及び残りの層の厚さ推定値を生み出すことができる。異なる有効波長で動作する２つの光学システムを使うことにより、以前に単一光学システムを用いて得られたパラメータのより正確な決定が可能になる。
【００３３】
本発明の他の特徴及び利点は、図面及び請求の範囲を含む、以下の説明から明らかになろう。
【００３４】
【詳細な説明】
図１、図２を参照すると、一以上の基板１０は、化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置２０で磨かれる。同様の研磨装置の説明は、その全体の開示内容が参照形式で本願に導入される、米国特許第5,738,574で見つけることができる。研磨装置２０は、一連の研磨ステーション２２と搬送ステーション２３を含む。搬送ステーション２３は、個々の基板１０を充填装置（図示せず）から受け取ること、基板を洗浄すること、基板をキャリアヘッド内に充填すること、キャリアヘッドから基板を受け取ること、基板を再び洗浄すること、最後に、基板を充填装置に戻すこと、を含む複数の機能を与える。
【００３５】
各研磨ステーションは、回転可能なプラテン２４を含み、その上に研磨パッド３０が置かれる。第一ステーション及び第二ステーションは、硬い耐久性のある外面を備えた２層研磨パッドを含むが、最後の研磨ステーションは比較的に柔らかいパッドを含む。基板１０は、８インチ（２００ミリメートル）又は１２インチ（３００ミリメートル）径のディスクである場合、プラテン及び研磨パッドはそれぞれ約２０インチ又は３０インチ径になる。各プラテン２４は、プラテン駆動モータ（図示せず）に連結してもよい。低回転速度または高回転速度が使用されるが、ほとんどの研磨プロセスに対し、プラテン駆動モータはプラテン２４を３０から２００回転／分で回転させる。各研磨ステーションは、研磨パッドの条件を維持する為にパッド調節装置２８も含むので、効率良く基板を研磨する。
【００３６】
通常、研磨パッド３０は、裏付け層３２を有し、それは、プラテン２４と被覆層３４とに接しており、被覆層が基板１０を研磨する為に使用される。通常、３４は、裏打ち層より硬い。しかし、あるパッドは、被覆層だけを有し、裏打ち層を持たない。被覆層３４は、連続気泡発泡ポリウレタン又は１枚の溝面付きポリウレタンで構成されてもよい。裏打ち層３２は、ウレタンでこされた圧縮フェルトファイバで構成されてもよい。ＩＣ−１０００で構成された被覆層とＳＵＢＡ−４で構成された裏打ち層を備えた二層研磨パッドは、デラウェア州ニューワークのRodel社より入手可能である（ＩＣ−１０００及びＳＵＢＡ−４はRodel社の製品名である。）。
【００３７】
反応剤を含むスラリ３６（例えば、酸化物研磨用の脱イオン水）及び化学反応性触媒（例えば、酸化物研磨用のポタジウム水酸化物）は、スラリ供給口または混合されたスラリ／リンスアーム３８によって研磨パッド３８表面に供給されてもよい。研磨パッド３０は、標準パッドであり、スラリ３６は、研磨材粒子（例えば、酸化物研磨用二酸化珪素）も含んでもよい。
【００３８】
４つのキャリアヘッドを備えた回転可能なカルーセル４０は、センターポスト４２により研磨パッドの上方で支えられている。カルーセルモータアセンブリ（図示せず）は、キャリアヘッドとそれに取り付けられた基板を、研磨ステーション及び搬送ステーション間の軌道に乗らせる。キャリア搬送用駆動シャフト４４は、キャリアヘッド回転モータ４６（図２参照）を各キャリアヘッド５０に連結するので、各キャリアは、独立して自分自身の軸の周囲に回転することができる。さらに、スライダー（図示せず）は、付随したラジアルスロット４８内で、各駆動シャフトを支える。ラジアル駆動モータ（図示せず）は、横方向にキャリアヘッドを振動させる為にスライダーを移動させてもよい。操作中、プラテンは、その中心軸２５の周りを回転し、キャリアヘッドは、その中心軸５１の周りを回転して研磨パッドの表面にわたり横方向に並進する。
【００３９】
キャリアヘッド５０は、幾つかの機械的機能を実行する。一般的にキャリアヘッド５０は、研磨パッドに対し基板を保持し、基板の裏面にわたり下方圧力を均一に分布させ、駆動シャフトからトルクを基板に伝え、基板が研磨操作中にキャリアヘッドの下から滑り落ちないことを確実にする。キャリアヘッドの記述は、Steven M. Zuniga等により１９９７年５月２１日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された、「化学的機械研磨用フレキシブル部材を備えたキャリアヘッド」という名称の米国特許出願第08/861,260で見つけることが可能であり、その全ての開示内容は本願に参照形式で導入される。
【００４０】
図２、図３を参照すると、２つの穴やアパーチャ６０，８０は、プラテン２４に形成されており、２つの透明ウインドウ６２，８２は、それぞれ穴６０，８０の上にある研磨パッド３０に形成されている。穴６０，８０は、プラテン２４の反対側、例えば１８０度離れて、形成されてもよい。同様に、ウインドウ６２，８２は、それぞれ穴６０，８０の上方の研磨パッド３０の反対側に形成されてもよい。透明ウインドウ６２、８２は、Manoocher Birang等により１９９６年８月２６日に出願され、本発明の譲受人に譲渡され、「化学的機械研磨装置用研磨パッドの透明ウインドウを形成する方法」とう名称の米国特許出願第08/689,930で説明されているように構成することが可能であり、その全ての開示内容は参照形式で本願に導入される。穴６０，８０と透明ウインドウ６２，８２は、キャリアヘッド５０の並進位置に拘わらず、少しばかりのプラテンの回転中に、それらが夫々、交互に基板１０の視界を与えるように配置されている。
【００４１】
基板の厚さ、研磨速度の干渉計上の測定の為、２つの光学システム６４，８４は、それぞれ、ウインドウ６２，８２の下のプラテンの下方に配置されている。
光学システムは、プラテンと共に回転し、それによってウインドウに対して固定位置を維持するように、プラテンに固定されてもよい。第一光学システムは、「軸外し」システムであり、このシステムにおいて、光は非垂直の角度で基板に当たる。光学システム６４は、第一光源６６及び第一センサ６８、例えばフォトダイオードを含む。第一光源６６は、透明ウインドウ６２とパッド（図４参照）上のあらゆるスラリ３６を通って伝播する第一光線を発生させ、基板１０の露出表面に衝突する。光線７０は、基板１0の露出面に対し垂直な軸からα1の角度で光源６６から投射される。伝播角度α１は、０度から４５度の間、例えば１６度にしてもよい。一つの実施において、光源６６は、約６００から１５００ナノメートル（ｎｍ）、例えば６７０ｎｍの波長を有するレーザービームを発生させるレーザーである。穴６０とウインドウ６２が細長い場合には、ビームエキスパンダ（図示せず）を光線７０の光路に配置し、その光線をウインドウの細長い軸に沿って拡大してもよい。
【００４２】
第二光学システム８４も同様に、第二光源８６と第二センサ８８を備えた「軸外し」の光学システムであってもよい。第二光源８６は、第一光線７０の第一波長とは異なる第二波長を有する第二光線９０を発生させる。特に、第二光線９０の波長は、第一光線７０の波長より短くてもよい。一実施において、第二光源８６は、約３００から５００ｎｍの間、例えば４７０ｎｍの波長を有する光線を発生させるレーザーである。光線９０は、基板の露出面に対し垂直の軸からα2の角度で光源８６から投射される。投射角度α２は、０度から４５度の間であり、例えば約１６度であってもよい。穴８０とウインドウ８２が細長い場合、他のビームエキスパンダ（図示せず）が、光線９０の光路に置かれ、ウインドウの細長い軸に沿って光線を拡大してもよい。
【００４３】
光源６６，８６は、連続して動作させてもよい。代替え的に、光源６６は、ウインドウ６２がほぼ基板１０の近くにあるときに光線７０を発生させるように作動し、光源８６は、ウインドウ８２が基板１０のほぼ近くにあるときに光線９０を発生するように作動させてもよい。
【００４４】
ＣＭＰ装置２０は、ウインドウ６２、８２が基板の近くにあるときに検出する為に、位置センサ１６０を含んでもよい。プラテン２４はＣＭＰ処理中に回転することから、プラテンのウインドウ６２、８２は、プラテン２４の回転の一部の間、基板１０の視界を有するだけである。スラリからの見せかけの反射、干渉計信号との混信から保持リングを防止する為、光線７０，９０の一つが基板１０に衝突するときだけ、光学システム６４，８４から検出信号がサンプリングされる。位置センサは、基板１０がウインドウの一つの上にくるときだけ、検出信号がサンプリングされることを確実にするものである。ホール効果、渦電流、光学インタラプタ、音響センサのような、どのような周知の近接センサでも使用可能である。特に、位置センサ１６０は、ＣＭＰ装置のシャシ上の固定点、例えばキャリアヘッド５０から９０度の位置で互いに反対側に装着された、２つの光学インタラプタ１６２，１６４（例えば、ＬＥＤ／フォトダイオード対）を含んでもよい。位置フラグ１６６は、プラテンの周辺に取り付けられている。フラグ１６６の取り付け点と長さ、光学インタラプタ１６２，１６４の位置は、ウインドウ６２が基板１０の下を撫でるときにフラグが光学インタラプタ１６２を始動させ、ウインドウ８２が基板１０の下を撫でるときにフラグが光学インタラプタ１６４を始動させるように選択される。検出器６８からの出力信号は、光学インタラプタ１６４がフラグにより始動されるとき、測定され保存されてもよい。位置センサの使用は同様に、前述した米国特許出願第08/689,930でも検討されている。
【００４５】
操作中、ＣＭＰ装置２０は、基板面から除去された材料の量を決定するか、その表面が平坦化されたときを決定する為に、光学システム６４，８４を使用する。光源６６、８６、検出器６８，８８、センサ１６０は、多目的プログラム可能なデジタルコンピュータやプロセッサ５２に接続されてもよい。回転継手５６は、光源６６，８６及び検出器６８，８８に対し、更に、これらからの、電力及びデータ用接続を与えてもよい。光学インタラプタから入力信号を受信する為、検出器からの強度測定値を保存する為、出力装置５４に強度測定値を表示する為、強度測定値から取り除かれた量と残りの厚さ、初期厚さ、研磨速度を算出する為、更に、研磨終点を検出する為、コンピュータ５２はプログラムされてもよい。
【００４６】
図４を参照すると、基板１０は、シリコンウエハ等のウエハ１２、上に横たわる薄膜構造１４を含む。薄膜構造は、透明又は部分的に透明な、誘電層のような外層、例えば、酸化層を含み、同様に、透明又は部分的に透明又は反射性であってもよい、一以上の下に横たわる層を含むことが可能である。
【００４７】
第一光学システム６４では、基板１０に当たる光線７０の一部は、薄膜構造１４の第一面、例えば外層の表面で部分的に反射され、第一反射光線７４を形成する。しかし、光の一部は、薄膜構造１４も貫通して伝送される。伝送光線７６からの光の少なくとも幾らかは、下に横たわる一以上の表面によって、例えば、構造１４内の、下に横たわる一以上の層によって、および／または、ウエハ１２の表面によって、反射されて第二の反射光線７８を形成する。第一反射光線７４および第二反射光線７８は、それらの位相関係に依存して建設的又は破壊的に干渉し、合成された戻り光線７２を形成する（図２も参照）。反射された光線の位相関係は、主として、薄膜構造１４の層または複数層の厚さや反射の指数、光線７０の波長、入射角度α1の関数である。
【００４８】
図２に戻ると、戻り光線７２は、スラリ３６及び透明ウインドウ６２を通って検出器６８に伝播している。反射された光線７４，７８が互いに同位相である場合、それらは、検出器６８で最大値（Ｉmax1）になる。一方、反射された光線７４，７８が位相を異にしている場合、それらは検出器で最小値（Ｉmin1）になる。他の位相関係は、検出器で見られる最大値及び最小値間の干渉信号を生じるであろう。その結果は、構造１４内の層又は複数層の厚さと共に変わる検出器６８からの信号出力である。
【００４９】
構造１４内の層又は複数層の厚さは、基板が磨かれるにつれて時間と共に変化するので、検出器６８からの信号出力は、同様に、時間にわたり変化する。検出器６の出力を変える時間は、現場反射率測定軌跡（又は「反射率軌跡」）として呼ばれてもよい。この反射率軌跡は、研磨終点を検出すること、ＣＭＰプロセスを特徴付けること、ＣＭＰ装置が適切に動作しているか感知することを含む、いろいろな目的に使用することが可能である。
【００５０】
図５を参照すると、第二光学システム８４では、光線９０の第一部分は、薄膜構造１４の表面層によって部分的に反射され、第一反射光線９４を形成する。その光線の第二部分は、薄膜構造１４を通って伝送され、伝送光線９６を形成する。伝送された光線９６の少なくとも幾分かは、例えば、構造１４内の、下に横たわる層の一つによって、又は、ウエハによって、反射されて第二反射光線９８を形成する。第一反射光線９４、第二反射光線９８は、それらの位相関係に依存して、建設的或いは破壊的に互いに干渉し、合成された戻り光線９２を形成する（図２も参照）。反射光線の位相関係は、構造１４内の層又は複数層の厚さや反射の指数、光線９０の波長、入射角度α2の関数である。
【００５１】
合成された戻り光線９２は、スラリ３６と透明ウインドウ８２を通って検出器８８に伝播する。反射された光線９４、９８間の時変・位相関係は、薄膜構造１４における層又は複数層の時変膜厚に関連した検出器８８での最小値（Ｉmin2）及び最大値（Ｉmax2）の時変干渉パターンを創るであろう。そのため、検出器８８からの信号出力も、薄膜構造１４内の層又は複数層の厚さと共に変わり、第二反射軌跡を創る。光学システムは、異なる波長を有する光線を用いるので、各光学システムの時変反射軌跡は、異なるパターンを有するであろう。
【００５２】
ブランク基板、すなわち、薄膜構造内に層または複数層がパターン化されていない基板が研磨されているとき、検出器６８，８８によるデータ信号出力は、薄膜構造の表面層から反射される光線の一部と、薄膜構造１４の、下に横たわる層又は複数層やウエハ１２から反射される光線の一部との間の干渉の為、周期的である。したがって、ＣＭＰプロセス中に取り除かれた材料の厚さは、データ信号の周期（又は周期のフラクション）を数え、どれだけの材料が周期当たり取り除かれたかを算出し、周期数の製品、周期当たり除去された厚さを算出することによって決定することができる。この数が、取り除かれるべき所望の厚さ及びその比較に基づき制御されたプロセスと比較される。基板から取り除かれた材料の量の算出は、上記米国特許出願第08/689,930でも検討されている。
【００５３】
図６、図７を参照し、基板１０が「ブランク」であると仮定すると、合成された光学システム６４，８４からの反射軌跡１００，１１０（点線で表示）は、一般的に正弦波曲線に従う一連の強度測定値になろう。ＣＭＰ装置は、反射軌跡１００、１１０を使用し、基板の表面から取り除かれた材料の量を決定する。
【００５４】
コンピュータ５２は、検出器６８，８８からの強度測定値を使用し、各反射軌跡１００，１１０に対し（ファントムライン１２０，１３０で示された）モデル関数を発生させる。各モデル関数は、好ましくは正弦波である。特に、反射軌跡１００に対するモデル関数Ｉ1（Ｔmeasure）は、以下のようになる。
【００５５】
【数式３】
0004560163.tif 000004
【００５６】
ここで、Imax1及びImin1は、正弦波の最大振幅及び最小振幅、φ1はモデル関数１２０の位相差、ΔT1はモデル関数１２０の正弦波のピーク間周期、Tmeasureは測定時間、k1は振幅調整係数である。最大振幅Imax1と最小振幅Imin1は反射軌跡１００からの最大及び最小強度測定値を選択することにより決定してもよい。モデル関数１２０は、適合プロセスによって、例えば、従来の最小自乗適合法によって、反射軌跡１００の観察された強度測定値に適合する。位相差Φ1及びピーク間周期ΔＴ1は、適合係数であり、数式１で最適化される。振幅調整係数ｋ1は、適合プロセスを改善する為、使用者により設定されてもよく、約０．９の数値を有する。
【００５７】
同様に、反射軌跡１１０に対するモデル関数Ｉ2（Tmeasure）は以下のようになる。
【００５８】
【数式４】
0004560163.tif 000005
【００５９】
ここで、Imax2及びImin2は、正弦波の最大振幅及び最小振幅、φ2はモデル関数１３０の位相差、ΔT2はモデル関数１３０の正弦波のピーク間周期、Tmeasureは測定時間、k2は振幅調整係数である。最大振幅Imax2と最小振幅Imin2は反射軌跡１１０からの最大及び最小強度測定値を選択することにより決定してもよい。モデル関数１３０は、適合プロセスによって、例えば、従来の最小自乗適合法によって、反射軌跡１１０の観察された強度測定値に適合する。位相差Φ2及びピーク間周期ΔＴ2は、適合係数であり、数式２で最適化される。振幅調整係数ｋ2は、適合プロセスを改善する為、使用者により設定されてもよく、約０．９の数値を有する。
【００６０】
実際の研磨速度は研磨プロセス中に変更可能なので、推定研磨速度を算出する為に使用される研磨変数、例えばピーク間周期は、周期的に再計算される。例えば、ピーク間周期ΔＴ1、ΔＴ2は、各サイクル毎に強度測定値に基づき再計算されてもよい。ピーク間周期は、重複期間内の強度測定値から算出されてもよい。
例えば、第一ピーク間周期は、研磨実行の最初の６０％内で度測定値から算出され、第二ピーク間周期は、研磨実行の最後の６０％内で強度測定値から算出されてもよい。位相差Φ1、Φ2は、通常、第一サイクルに対してのみ算出される。
【００６１】
いったん適合係数が決定されると、初期の薄膜層の厚さ、現在の研磨速度、取り除かれた材料の量、残りの薄膜層の厚さが算出することが可能である。現在の研磨速度Ｐは、以下の数式で算出してもよい。
【００６２】
【数式５】
0004560163.tif 000006
【００６３】
ここで、λはレーザービームの波長、ｎlayerは薄膜層の反射指数、α'は薄膜層を通るレーザー光線の角度、ΔＴは最も新しく算出されたピーク間周期である。
角度α'は、スネルの法則、ｎlayer・sinα'=nair・sinα、ここでｎlayerは、構造１４内の層の反射指数、nairは空気の反射指数、α（α1又はα2）は光線７０，９０の軸外し角度である。研磨速度は、各反射軌跡から算出し、比較してもよい。
【００６４】
取り除かれた材料の量、Ｄremovedは、研磨速度から、例えば
【００６５】
【数式６】
0004560163.tif 000007
【００６６】
又は反射軌跡の一つのピーク数或いは断片的な数を数えること、更に、ピーク数を、その反射軌跡に対するピーク間膜厚ΔＤ（例えば、反射軌跡１００に対しΔＤ1、反射軌跡１１０に対しΔＤ2）で掛けることにより、算出することが可能であるが、ここで、
【００６７】
【数式７】
0004560163.tif 000008
【００６８】
である。
【００６９】
薄膜層の初期厚さＤinitialは、位相差Φ1、Φ2から算出可能である。初期厚さＤinitialは、以下の数式に等しい。
【００７０】
【数式８】
0004560163.tif 000009
【００７１】
さらに、以下の数式に等しい。
【００７２】
【数式９】
0004560163.tif 000010
【００７３】
ここで、Ｍ及びＮは、整数値に等しいか近似している。
従って、以下のようになる。
【００７４】
【数式１０】
0004560163.tif 000011
【００７５】
実際の基板に対し、製造者は、構造１４内の複数層が、幾つかのベンチマーク値より大きい厚さでは製作されないことを知っている。そのため、初期の値Ｄinitialは、最大厚さＤmaxより小さくすべきであり、例えば、酸化シリコンに対し２５０００Åである。Ｎの最大値Ｎmaxは、以下の数式のように、最大厚さＤmax及びピーク間厚さΔＤ2から算出することができる。
【００７６】
【数式１１】
0004560163.tif 000012
【００７７】
したがって、Ｍの数値は、Ｎ＝１、２、３、……、Ｎmaxの整数値の各々に対し算出することができる。数式６に対する解を主として表示すること、その為、大抵の場合は実際の厚さになりそうであることから、整数値に最も近いＭの数値を選択してもよい。その後、初期の厚さは、数式６，７から算出してもよい。
【００７８】
もちろん、Ｎの数値は、Ｍの各整数値に対し算出することが可能であり、この場合、Ｍの最大数値Ｍmaxは、Ｄmax／ΔＤ1に等しいであろう。しかし、より長い波長に付随する変数の各整数値に対して算出するのが好ましいかもしれないが、これは、他の整数変数の計算には多くを要しないからである。
【００７９】
図８Ａ、図８Ｂを参照すると、２つの仮想モデル関数１４０、１５０は、シリコンウエハ上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）表面層の研磨を表示する為に発生される。その仮想モデル関数１４０，１５０を表示する適合係数は、表１に挙げられている。
【００８０】
【表１】
0004560163.tif 000013
【００８１】
これら適合係数は、１０Å／秒の研磨速度に対し算出され、表２の研磨パラメータを利用していた。
【００８２】
【表２】
0004560163.tif 000014
【００８３】
数式８を使用すると、Ｍ値は、表３に示されるように、整数値に対し算出することができる。
【００８４】
【表３】
0004560163.tif 000015
0004560163.tif 000016
【００８５】
図示のように、最適合値、すなわち、整数に近いＭ値を与えるＮの選択は、Ｎ＝４、Ｍ＝５であり、その結果、初期の厚さは約１００００Åになり、ｔiが最大厚さより小さいという理由から許容可能である。次の最適合は、Ｎ＝１５、Ｍ＝１８であり、その結果、初期厚さは約３５７００Åになっている。この厚さは、２５０００Åの予想最大初期厚さＤmaxより大きいので、この解は拒否される。
【００８６】
そのため、本発明は、ＣＭＰプロセス中に基板上の表面層の初期厚さを決定する方法を提供する。この初期厚値から、現在の厚さＤ（ｔ）は、以下のように算出可能である。
【００８７】
【数式１２】
0004560163.tif 000017
【００８８】
通常、堆積された層に対し通常の厚さは１０００Åから２００００Åなので、現在の厚さと同様に初期厚も算出可能である。実際の厚さを推測する唯一の前提条件は、十分な強度測定値を有し、正確にピーク値周期及び位相オフセットを算出することである。一般的に、この為には、各波長に対し最小値及び最大値が少なくとも必要である。しかし、反射軌跡に最小値や最大値が多いほど、強度測定値は多く、実際の厚さの計算は正確になるであろう。
【００８９】
例えば、一波長が他の波長の倍数である場合、波長の幾つかの組み合わせは、現場計算にとって不適切である。波長の良好な組み合わせは、奇数の関係が生じ、すなわち、λ1／λ2の比は、小さい整数の比と実質的に等しくあってはならない。λ1／λ2の比が小さい整数の比と実質的に等しい場合、数式８においてＮ及びＭに対し  複数の整数の解が存在する可能性がある。要するに、波長λ1、λ2は、最大初期厚内のＮ及びＭの両方について、実質的に整数値を提供する数式８に対し一つの解が存在するように、選択されるべきである。
【００９０】
さらに、波長の好ましい組み合わせは、SiO2, Si3N4,その同等物のような、いろいろな誘電体層内で作動することができる筈である。小さいピークが表れるので、厚い層が研磨されなければならないときには波長が長い方が好ましい。単に最小限の研磨が実行されるときには波長が短い方がより適切である。
【００９１】
２つの光学システム６４，８４は、異なる波長及び同一伝播角度を有する光源を備えて構成することができる。また、光源６６，８６は、異なる波長および異なる伝播角度α1、α2を有することが可能である。同様に、光源６６，８６が、同一波長および異なる伝播角度α1、α2を有することも可能である。
【００９２】
利用可能な波長は、レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は、妥当なコストで研磨プラテン用光学システムに組み込むことができる他の光源の型によって制限してもよい。ある状況では、最適波長関係を持つ光源を使用することが非実用的の場合がある。２つの源からの光線に対する入射の異なる角度を使用することにより特に２つの軸外し光学システムが使用されるとき、システムが更に最適化される可能性がある。これはピーク間の厚さΔＤに対する式から理解できるが、その式は、λが光源の波長、ｎが誘電層の反射指数、α'が薄膜構造における層を通る光の伝播角度である場合、ΔＤ＝λ／（２ｎ＊cosα'）で表現される。
そのため、有効波長λeffは、λ／cosα'として定義することができ、異なる光源の波長を最適化するときに考慮するのに重要なことは、各光源の有効波長λeffである。しかし、ある有効波長は、他の有効波長の整数倍であってはならず、λeff1／λeff2の比は実質的に小さな整数に等しくあってはならない。
【００９３】
図９、図１０を参照すると、ＣＭＰ装置２０ａは、図１、図２を参照して上述されたものに類似して構成されたプラテン２４を有する。しかし、ＣＭＰ装置２０ａは、軸外し光学システム６４、垂直軸光学システム８４ａを含む。垂直軸光学システム８４ａは、ビームスプリッターや検出器８８ａのような横断反射面９１、光源８６ａを含む。光線９０ａの一部は、ビームスプリッター９１を通過し、透明ウインドウ８２ａ、スラリ３６ａを介して伝播し、垂直入射で基板１０に当たる。この実施において、光線９０ａがアパーチャを通過し同一経路に沿って戻ることから、プラテン２４のアパーチャ８０ａは小さくできる。
【００９４】
図１１を参照すると、他の実施において、ＣＭＰ装置２０ｂは、単一の開口６０ｂをプラテン２４ｂ内に有し、単一のウインドウ６２ｂを研磨パッド３０ｂ内に有する。軸外し光学システム６４ｂと垂直軸光学システム８４ｂは、それぞれ、各光線を同一ウインドウ６２ｂを通して導く。光線７０ｂ、９０ｂは、基板１０上に同一地点に導かれてもよい。この実施には、たった一つのインタラプター１６２が必要なだけである。ミラー９３は、基板上のレーザーの入射角度を調整する為に使用してもよい。
【００９５】
図１２を参照すると、他の実施例において、ＣＭＰ装置２０ｃは、２つの軸外し光学システム６４ｃ、８４ｃを有し、それらは、光線７０ｃ、９０ｃを基板１０の同一地点に向ける。光学システム６４ｃの光源６６ｃ、検出器６８ｃと、光学システム８４ｃ光源８６ｃ、検出器８８ｃは、光線７０ｃ、７２ｃにより規定された平面が、光線９０ｃ、９２ｃにより規定された平面と交差するように配列されてもよい。例えば、光学システム６４ｃ、８４ｃは、互いに約９０度でオフセットすることが可能である。この実施には、同様に、たった一つのインタラプターが必要なだけであり、また、入射角を修正することにより、第一光線７０ｃの有効波長が調整されることを許容するものである。
【００９６】
光学システム６４ｃ、８４ｃは異なる伝播角度α1、α2を使用するように図示されているが、伝播角度は、同一にすることができる。さらに、光源を（水平方向に）並べて配置することができ、光線は単一ミラー（図示せず）から離れて反射することが可能で、戻り光線は単一検出器の２つの領域に当たる可能性がある。これは、２つの光源、ミラー、検出器を単一光学モジュール内で組み合わせる助けとするつもりである。さらに、光線は基板上の異なる地点に当たる可能性がある。
【００９７】
図１３に示された他の実施において、２つの光学システム６４ｄ、８４ｄは、異なるモジュール内で互いに隣り合わせに配列されている。光学システム６４ｄ、８４ｄは、それぞれ光源６６ｄ、８６ｄ、検出器６８ｄ、８８ｄ、ミラー７３ｄ、９３ｄを有し、記述された伝播角度α1、α2で基板上に光線を向ける。
【００９８】
光学システムとウインドウ配列の他の組み合わせも、光学システムが異なる波長で動作する限り、本発明の範囲内である、ということが分かるであろう。例えば、軸外し光学システムと垂直光学システムの異なる組み合わせは、プラテン内の同一又は異なるウインドウのいずれか一方を通じて光線を導くように配列することができる。ミラーのような追加の光学コンポーネントは、光線が基板に当たる前に、光線の伝播角度を調整するように使用することができる。
【００９９】
レーザーというより、発光ダイオード（LED）は、干渉信号を発生させる為の光源として使用可能である。光源を選択するのに重要なパラメータは、光線のコヒーレンス長であり、それは、研磨された層を貫通する光線の光路長の２倍のオーダー或いはそれより大きくあるべきである。光路波長ＯＰＬは、
【０１００】
【数式１３】
0004560163.tif 000018
【０１０１】
により与えられ、ここで、ｄは構造１４内の層の厚さである。一般的に、コヒーレンス長が長くなれば、信号は強くなるであろう。同様に、層が薄くなればなる程、信号は強くなる。従って、基板が研磨されるにつれて、干渉信号は、だんだんと強くなる。図１４、図１５に示されるように、ＬＥＤで発生される光線は、十分に長いコヒーレンス長を有し、有用な反射軌跡を提供する。図１４、図１５における軌跡は、４７０ｎｍでのピーク放出を有するＬＥＤを用いて発生されたものである。反射軌跡も同様に、基板が研磨されるにつれて、干渉信号は強くなることを示す。干渉測定値に対する光源としてのＬＥＤの利用可能性は、（例えば、青や緑領域のスペクトラムにおいて）より短い波長の使用、従って、厚さ及び研磨速度の、より正確な決定を許容する。この厚さ測定用のＬＥＤの有用性は、干渉計の測定値用にレーザーが通常使用される点、ＬＥＤがレーザーと比較すると短いコヒーレンス長を有する点を仮定すれば、驚くべきことかもしれない。
【０１０２】
本発明の装置は、二以上の有効波長で作動する二以上の光学システムを使用することから、二つの独立した終点信号を得ることができる。二つの終点信号は、例えば研磨プロセスを終了する為に使用されるとき、クロスチェックすることができる。これにより、たった一つの光学システムを有するシステムより改善された信頼性を提供する。また、たった一つの終点が所定時間内に到来する場合、更に、他の終点が表れないとき、そのときには、これが、研磨プロセスを停止する為の条件として使用可能である。この方法では、両方の終点信号の組み合わせ、或いは一つの終点信号だけを、研磨プロセスを停止する為に十分な条件として使用してもよい。
【０１０３】
終点が表れる前に、異なる光学システムからの信号軌跡を互いに比較し、一又は他の信号の不規則な実行を検出してもよい。
【０１０４】
基板が最初に平坦化する為に不規則的な表面地勢を有するとき、基板表面がかなりスムーズになった後、反射信号は周期的になる。この場合、初期厚さは、いったん反射信号が正弦波になったならば始まる任意の時間で算出してもよい。さらに、終点（又は他の幾つかのプロセス制御点）を、最初又は後のサイクルを検出することによって、或いは、他の幾つかの、干渉信号の所定サインを検出することによって、決定してもよい。そのため、厚さは、いったん不規則表面が平坦化され始めると、決定される。
【０１０５】
本発明は、ブランクウエハの状況で説明されてきた。しかし、幾つかの場合、データ信号にフィルタをかけることによりパターン構造の上にある層の厚さを測定することが可能である。このフィルタをかけるプロセスは、前述した米国特許出願第08/689,930にて検討されている。
【０１０６】
さらに、基板は、単一の酸化層を有するシリコンウエハという状況で説明されてきたが、干渉プロセスは、他の基板、他の層、更に、薄膜構造における複数層でもうまくいく。重要なことは、薄膜構造が、部分的に衝突光線を反射し、部分的に衝突光線を伝送し、薄膜構造において、下にある層或いは複数層又はウエハが少なくとも部分的に衝突光線を反射することである。
【０１０７】
図１６、図１７を参照すると、他の実施例において、ＣＭＰ装置２０ｅにおける各研磨ステーションは、たった一つの光学システムを含む。特に、ＣＭＰ装置２０ｅは、第一光学システム６４ｅを備えた第一研磨ステーション２２ｅと、第二光学システム６４ｅ'を備えた第二研磨ステーション２２ｅ'とを含む。光学システム６４ｅ、６４ｅ'は、光源６６ｅ、６６ｅ'、検出器６８ｅ、６８ｅ'をそれぞれ含む。基板が第一研磨ステーションで研磨されるとき、光源６６ｅは、プラテン２４ｅの穴６０ｅ、研磨パッド３０ｅのウインドウ６２ｅを通して光線を導く。同様に、いったん基板が第二研磨ステーションに移動すると、光源６６ｅ'は、プラテン２４ｅ'の穴６０ｅ'、研磨パッド３０ｅ'のウインドウ６２ｅ'を通して光線を導き、基板に当てる。各ステーションでは、付随した検出器は、基板から反射された光線を測定し、干渉信号を提供し、その干渉信号は、上述した米国特許出願番号第08/689,930で検討されたように、研磨終点を決定する為に使用することができる。二つの研磨ステーションの検出器６８ｅ、６８ｅ'は、同一コンピュータ５２ｅ、又は異なるコンピュータに接続することができ、それは、研磨終点を検出する為に干渉信号を処理する。
【０１０８】
光学システム６４ｅ、６４ｅ'は、同様に構成されるが、それらは、異なる有効波長で動作する。特に、第一光学システム６４ｅにおける光線７０ｅの有効波長は、第二光学システム６４ｅ'における光線７０ｅ'の有効波長より大きくすべきである。これは、異なる波長を有する光源を使用することにより達成可能である。例えば、光源６６ｅは、約８００−２０００ｎｍ等の赤外スペクトラム内の光線を発生させ、一方、光源６６ｅ'は、約３００−７００ｎｍ等の可視スペクトラム内の光線を発生させてもよい。特に、第一光線は、約１３００ｎｍ又は１５００ｎｍの波長を有し、第二光線は、約４００ｎｍ又は６７０ｎｍの波長を有することが可能である。光線の有効波長も、光線の入射角度を変更することにより、調節可能である。
【０１０９】
動作において、基板（ブランク基板あるいはパターン化されたデバイス基板のどちらでもよい）は、第一プラテンに移送され、長波長の光を使用して第一終点が検出されるまで研磨される。それから、基板は、第二プラテンに移送され、短波長の光を使用して第二終点が検出されるまで研磨される。この手続きは、堆積層の初期厚さにおいて基板間に大きな変異があったとしても、正確な終点決定を提供する。
【０１１０】
この利点を説明する為、研磨される層の初期厚さにおける基板間の変異は、間違った終点検出を生じさせる可能性がある。特に、厚さの変異が第一光学システムのピーク間厚さΔＤを超える場合、そのとき、終点検出システムは干渉信号の誤ったサイクル内で終点を検出するかもしれない。一般的に、長い波長を使用する終点検出器は、低い解像度を有する。特に、干渉信号には干渉縞が少ないであろうから、研磨装置は、所望の最終厚さで正確に停止することはできない。しかし、より長い波長は、より大きいピーク間の厚さΔＤ（数式７を参照）を生じる。より長い波長は、研磨される層の初期厚さにおける基板間の変異に対し、より大きな許容限度を与えること、すなわち、終点が強度信号の間違ったサイクル内で不適切に検出されることがありそうにない。逆に、短い波長を使用する終点検出器は、高い解像度を有するが、初期厚さの変異に対し低い許容限度になる。
【０１１１】
第一研磨ステーションにおける長波長は、より大きいピーク間厚さΔＤ、従って、基板間の層厚さ変異に対し、より大きな許容限度を与える。第一終点検出器は、第二終点検出器と同じ位の高い解像度を持たないが、第二光学システムの一つのピーク間厚さΔＤ'内で研磨を停止させることは、十分に正確である。第二研磨ステーションで短い波長は、最後の終点で、より正確な厚さ決定を提供する。そのため、光学システムを異なる波長で連続的に用いることにより、特に、第二波長を第一波長より短くすることにより、研磨は、所望の終点で精度良く停止する。さらに、研磨されている層の初期厚さにおける基板間変異が、第二光学システムのピーク間厚さΔＤ'を超える場合であっても、正確な終点検出は、達成することができる。
【０１１２】
この処理は、一以上の研磨ステーションで複数の光学システムを使用する前述したＣＭＰ装置の実施例において実行可能である。例えば、処理は、各ステーションで連続的に基板を研磨し、各ステーションで利用可能な２つの光学システムの内、一つだけを利用することにより、実行可能である。
【０１１３】
さらに、処理は、図１から図１５に図示されているように、２つの光学システムを使用する一つの研磨ステーションで基板を研磨する間、実行することが可能である。例えば、第一光学システムは、別な方法で第一研磨ステーションで検出されるであろう終点を検出する為に使用可能であり、第二光学システムは、別な方法で第二研磨ステーションで検出されるであろう終点を検出する為に使用可能である。また、第一光学システムは、中間研磨地点を検出する為に使用することができる。中間地点が検出された後、第二光学システムは、別な方法で第一研磨ステーションで検出されるであろう終点を検出する為に使用することができる。
さらに、処理は、光源の有効波長が修正し得る単一光学システムを使用する単一ステーションで実行可能であろう。例えば、光源は第一波長を有する光線を発生させる為に設定可能であり、第一終点又は中間研磨地点が検出された後、光源は、第二の異なる波長を有する第二光線を発生可能である。
【０１１４】
ステーション２２e、２２e'は、第一研磨ステーション及び第二研磨ステーションとして図１６で図示されているが、処理は、他の研磨ステーションの組み合わせを使用して実行することができる。例えば、第一研磨ステーション及び第二研磨ステーションは、同一の長い波長光線を使用する光学システムを含み、第三研磨ステーション２５e'は、短い波長光線を使用する光学システムを含む。この場合、処理は、第二研磨ステーション及び第三ステーションで実行される。
【０１１５】
さらに、ＣＭＰ装置の研磨精度は、いつも短い波長を使用する追加の光学システムを備えて更に改善される。例えば、第三光学システム２２e"は、光線７０e'より更に短い波長の光線を発生する光学システムを含むことができる。
【０１１６】
さらに、一以上の光学システムを、ある研磨パラメータが変わる中間研磨地点で検出する為に使用することができる。特に、表面層の一定厚さを磨き落とした後、研磨速度や均一性を適正化する為に、プラテン回転速度、キャリアヘッド回転速度、キャリアヘッド圧、スラリ組成のような研磨パラメータを修正することが有利なことがある。例えば、２つの光学システムを含む研磨ステーションにおいて、第一光学システムは、幾つかの中間研磨地点を検出する為に使用可能であろうし、第二光学システムは、終点を検出する為に使用可能であろう。さらに、いろいろな波長光源を備えた単一光学システムを含む研磨ステーションにおいて、光学システムは、最初に一波長で中間研磨地点を検出し、それから、異なる波長で終点を検出する。最後に、中間研磨地点を、光線の波長を変えない単一光学システムを含む研磨ステーションで検出することができる。この実施において、同一光学システムは、連続的に使用され、研磨パラメータの変化を開始する為に最初に中間研磨地点を検出し、その後、終点を検出する。
【０１１７】
本発明は、好適実施例という観点で説明されてきた。しかし、本発明は、図示及び記述された実施例に限定されるものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付された請求項によって規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるＣＭＰ装置の概略分解斜視図である。
【図２】図２は、基板の干渉計測定に対する２つの光学システムを備えた図１のＣＭＰ装置からの研磨ステーションの、部分的に断面の、概略図である。
【図３】図１のＣＭＰ装置からの研磨ステーションの概略的平面図である。
【図４】一定角度で基板に当たり、上記基板の２つの面から反射する、上記第一光学システムからの光線を図示する概略ダイアグラムである。
【図５】一定角度で基板に当たり、上記基板の２つの面から反射する、上記第二光学システムからの光線を図示する概略ダイアグラムである。
【図６】図２のＣＭＰ装置における第一光学システムによって発生し得る仮想的反射軌跡のグラフである。
【図７】図２のＣＭＰ装置における第二光学システムによって発生し得る仮想的反射軌跡のグラフである。
【図８】分図（Ａ）及び分図（Ｂ）は、２つの仮想的モデル関数を示すグラフである。
【図９】第一の軸外し光学システム及び第二の垂直軸光学システムを有するＣＭＰ装置の概略的断面図である。
【図１０】垂直入射で基板に当たり、上記基板の２つの面から反射する光線を図示する概略ダイアグラムである。
【図１１】２つの光学システム及び研磨パッドに一つのウインドウを有するＣＭＰ装置の概略的断面図である。
【図１２】２つの軸外し光学システムと研磨パッドに一つのウインドウを有するＣＭＰ装置の概略的断面図である。
【図１３】互いに配置された２つの光学モジュールを有するＣＭＰ装置の概略的断面図である。
【図１４】４７０ｎｍでピーク放射を有する発光ダイオードを用いて生成された、フィルタを通さなかった反射軌跡である。
【図１５】４７０ｎｍでピーク放射を有する発光ダイオードを用いて生成された、フィルタを通した反射軌跡である。
【図１６】本発明によるＣＭＰ装置の概略的斜視図である。
【図１７】図１６のＣＭＰ装置からの、２つの研磨ステーションの概略的側面図である。
【符号の説明】
１０…基板、１２…ウエハ、１４…薄膜構造、２２…研磨ステーション、２３…搬送ステーション、２４…プラテン、２８…パッド調節装置、３０…研磨パッド、３２…裏付け層、３４…被覆層、３６…スラリ、３８…スラリ／リンスアーム、４０…カルーセル、４２…センターポスト、４４…キャリア搬送用駆動シャフト、４６…キャリアヘッド回転モータ、４８…ラジアルスロット、５０…キャリアヘッド、５１…中心軸、５２…コンピュータ、５４…出力装置、６０…アパーチャ、穴、６２…透明ウインドウ、６４…第一光学システム、６６…第一光源、６８…第一センサ、検出器、７０…光線、７２…戻り光線、７４…第一反射光線、７６…伝送光線、７８…第二反射光線、８０…アパーチャ、穴、８２…透明ウインドウ、８４…第二光学システム、８６…第二光源、８８…第二センサ、検出器、９０…第二光線、９４…第一反射光線、９６…伝送光線、９８…第二反射光線、１００…反射軌跡、１１０…反射軌跡、１２０…モデル関数、１３０…モデル関数、１４０…仮想モデル関数、１５０…仮想モデル関数、１６０…位置センサ、１６２、１６４…光学インタラプタ、１６６…位置フラグ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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