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JP3506114B2 - モニタ装置及びこのモニタ装置を具えた研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

モニタ装置及びこのモニタ装置を具えた研磨装置及び研磨方法

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JP3506114B2
JP3506114B2 JP2000354603A JP2000354603A JP3506114B2 JP 3506114 B2 JP3506114 B2 JP 3506114B2 JP 2000354603 A JP2000354603 A JP 2000354603A JP 2000354603 A JP2000354603 A JP 2000354603A JP 3506114 B2 JP3506114 B2 JP 3506114B2
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optical fiber
light
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喜和 杉山
泰司 大内
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Nikon Corp
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Nikon Corp
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    • B24D7/12—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting otherwise than only by their periphery, e.g. by the front face; Bushings or mountings therefor with apertures for inspecting the surface to be abraded

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板の、特に半導
体装置プロセスに於いて半導体素子が形成された半導体
ウェハの研磨中に研磨状態をモニタするためのモニタ装
置、モニタ方法、本モニタ装置が組み込まれた研磨装
置、及び半導体デバイスが形成された半導体ウェハの研
磨方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】半導体集積回路の止ま
ることを知らない高集積化の動きに伴い、これを製造す
るための半導体プロセス技術は、益々微細化し、サブハ
ーフミクロンからクォータミクロン時代に突入してい
る。そのため、光リソグラフィの露光工程の露光装置の
開口数が大きく（高ＮＡ化）なってきており、これに伴
い、露光装置の焦点深度がますます浅くなってきてい
る。更に、デバイス構造が３次元化し、電極配線の多層
構造化、複雑化の傾向も強まっている。
【０００３】以上の傾向に対応する重要技術として、近
年、半導体プロセスにおける層間絶縁膜のグローバル平
坦化技術として、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリ
ッシングまたはケミカル・メカニカル・プラナリゼイシ
ョン）法が注目を集めている。このＣＭＰ法に用いられ
る基板研磨装置は図９に示されるように、基板保持部１
０２に装着した基板（半導体ウェハ）１０７を研磨定盤
１０４に固定した研磨パッド１０３に押しつけながら相
対運動を与え、研磨剤供給機構１０６から供給される研
磨剤（スラリー）１０５の化学的研磨作用と機械的研磨
作用とによって基板表面をグローバルに研磨するもので
ある。
【０００４】このような基板研磨装置に求められる最も
重要な性能の一つとして、研磨の残膜厚の測定と工程終
了点の検知がある。この測定精度の善し悪しが、この装
置により製造される半導体素子ひいては集積回路の品質
を大きく左右するのである。
【０００５】しかしながら、従来の基板研磨装置は、い
ずれも既存の装置の延長線上のものであり、高度化する
加工精度の要求を充分に満足していないのが現状であ
る。特に、ロット間での残膜厚のバラツキについては、
加工時間の設定による管理方法では、単位時間あたりの
研磨量（研磨レート）の変動要因、例えば研磨パッドの
目詰まりの他に研磨加工圧、研磨剤の供給量、それに基
板周辺の温度環境など、その時々に変動するの種々の要
因に対応できていない。また、加工後の残膜厚を専用の
測定装置（エリプソメータ等）で測定し、これを基板研
磨装置にフィードバックして残膜厚を制御する方法も行
われているが、この方法は測定のために研磨作業を一旦
停止しなければならないという欠点の他に、測定によっ
て、例え研磨済みの基板の正確な残膜厚が得られたとし
ても、上記変動要因のために目標の残膜厚を正確に得る
ことの困難性の解決には対応できないために工程終了点
の正確な検知ができず、やはりロット間での膜厚のバラ
ツキが無視できないものになってしまう。
【０００６】そこで従来、時間管理による研磨終了点の
検出法以外にも、研磨加工中に同時に（ｉｎ−ｓｉｔｕ
に）研磨終了点を検出する検出法として、研磨定盤を駆
動するモータのトルク変動を利用した検出法が提案され
ている。これは、研磨終了点に於いて基板の被研磨面の
材質が変化したときに研磨抵抗が変動することを利用し
たもので、その研磨抵抗の変動をモータトルクをモニタ
することにより検出し、研磨終了点を検出するものであ
る。しかしながら、モータのトルク変動を利用した検出
法は、研磨終了点で材質変化が生じるケース（例えば、
酸化膜を研磨していく過程で下地のシリコンが露出する
場合など）では有効であるが、下方まで同一材質の同一
膜の表面の凹凸を高精度（±１００ｎｍ以下程度）に平
坦化したいケースでは、精度的に不十分であるうえ、研
磨終了点でモータトルクの変動が顕著に現れないため、
実質的に研磨終了点の検出ができなくなってしまう。
【０００７】そこで、最近では、このようなトルク変動
からの終点検出でなく、光学式による終点検出の開発が
急がれている。この光学的終点検出技術の有力例を図１
０に示すが、本技術は、基板保持部１０２に装着した基
板（半導体ウェハ）１０７を研磨定盤１０４に固定した
研磨パッド１０３に押しつけながら基板の回転運動１０
０と研磨パッドの回転運動１０１によって相対運動を与
え、研磨剤供給機構１０６から供給される研磨剤（スラ
リー）１０５の化学的研磨作用と機械的研磨作用とによ
って基板表面をグローバルに研磨する際に、研磨パッド
１０３と研磨定盤１０４に開けられた透明窓１１０を通
してモニタ装置１０９から出射するプローブ光を半導体
ウェハ１０７に向けて照射し、半導体ウェハ１０７から
の反射光をモニタ装置が具える光検出装置が受光するこ
とによって工程終了点の検知を行なおうとするものであ
る。
【０００８】ところが、図１０のように提案された終点
検出方法について、従来、原理的な範囲のみの開示に限
られていて、具体的な光学系などの構成部材の配置につ
いては明確に開示されていなかった。例えば、図１０に
近い技術として特開平９−３６０７２があるが、ここに
は、光学センサの構成についての記載がない。
【０００９】また、図１０を見れば分かるように、モニ
タ装置１０９は、回転する研磨定盤１０４に固定されな
ければならない。モニタ装置は光源や光検出器を具える
ので、モニタ装置が回転することはこれを収納するため
に研磨定盤１０４の下部に無視できない大きさの収納ス
ペースを必要とする。このことは、ＣＭＰ研磨装置の設
計上大きな制約となる。
【００１０】一般に、高価なクリーンルーム内で使用さ
れるＣＭＰ研磨装置のような装置は、装置の小型化と軽
量化が特に強く要請されるが、このような収納スペース
は、設計の自由度を減らすのみならず、ＣＭＰ研磨装置
の小型化・軽量化の大きな障害となるのである。
【００１１】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
して、実際にどのような材料の基板に対しても高精度に
残膜厚の測定または工程終了点の検知を光学的に行なう
ことが可能なモニタ装置、及びモニタ方法、及びこのモ
ニタ装置を具えた小型且つ軽量で高精度な研磨が可能な
研磨装置、及びこの研磨装置を用いて半導体素子が形成
された半導体ウェハを高精度に研磨する方法を提供す
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は第一に、加工面を有する回転可能な研磨体
を具える研磨体部と基板を保持する基板保持部とを具
え、回転する前記加工面と前記基板の被研磨面との間に
研磨剤を介在させ、双方の間に相対運動を与えることに
より前記被研磨面を研磨する際に、プローブ光を前記被
研磨面に照射して得られる反射信号光により研磨状態を
モニタする装置であり、前記プローブ光を発する不回転
の光源と、前記反射信号光を受光する不回転の光検出器
と、前記研磨体部の回転軸上にあるロータリージョイン
トと、一端面が前記ロータリージョイントに接続し、他
端面が前記研磨体部の回転軸と前記研磨体部の外周部と
の間に設置され、前記研磨体と一緒に回転可能であり、
前記プローブ光と前記反射信号光とが伝送する第二光フ
ァイバと、一端面が前記ロータリージョイントに接続
し、前記プローブ光と前記反射信号光とが伝送する不回
転の第一光ファイバと、を具えることを特徴とするモニ
タ装置を提供する。
【００１３】ここで、研磨体部とは、研磨体や研磨定盤
やシャフトのみならず、回転機構などを具えた機構一式
を意味する。第二に、前記ロータリージョイントは、結
合レンズ、軸受け、および固定座を具え、前記第一光フ
ァイバの前記一端面は、前記軸受けに固定されることに
より前記ロータリージョイントに接続し、前記第二光フ
ァイバの前記一端面は、前記固定座に固定されることに
より前記ロータリージョイントに接続していることを特
徴とする請求項１記載のモニタ装置を提供する。
【００１４】第三に、前記研磨体部の回転軸と前記研磨
体部の外周部との間に、前記プローブ光を前記被研磨面
に向けて透過すると共に前記反射信号光を逆向きに透過
する透明窓を具えることを特徴とする請求項１または２
に記載のモニタ装置を提供する。
【００１５】第四に、前記第二光ファイバの端面の屈折
率をｎ 0 とし、前記透明窓の屈折率をｎ 1 とし、前記第二
光ファイバの前記他端面と前記透明窓とが、ｎ 0 との差
が±１７％以下で且つｎ 1 との差が±１７％以下の屈折
率の接着剤で接着されていることを特徴とする請求項３
に記載のモニタ装置を提供する。
【００１６】第五に、前記第二光ファイバの端面の屈折
率をｎ 0 とし、前記第二光ファイバの前記他端面と前記
透明窓とが、ｎ 0 との差が±１７％以下の屈折率の接着
剤で接着され、前記透明窓の少なくとも接着部分に前記
接着剤と前記透明窓との界面反射を低減するための反射
防止膜が形成されていることを特徴とする請求項３に記
載のモニタ装置を提供する。
【００１７】第六に、前記透明窓と前記第二光ファイバ
の前記他端面との間に、前記第二光ファイバの前記他端
面から出射するプローブ光を前記被研磨面に照射し、前
記反射信号光を前記第二光ファイバの前記他端面に集光
する１以上のレンズからなる光学系を具えることを特徴
とする請求項３に記載のモニタ装置を提供する。
【００１８】第七に、前記第二光ファイバの端面の屈折
率をｎ 0 とし、前記光学系の中で最も前記第二光ファイ
バの前記他端面側にある屈折率ｎ 2 のレンズと前記第二
光ファイバの前記他端面とがｎ 0 との差が±１７％以下
で、且つｎ 2 との差が±１７％以下の接着剤で接着され
ていることを特徴とする請求項６に記載のモニタ装置を
提供する。
【００１９】第八に、前記第二光ファイバの端面の屈折
率をｎ 0 とし、前記光学系の中で最も前記第二光ファイ
バの前記他端面側にある屈折率ｎ 2 のレンズと前記第二
光ファイバの前記端面とがｎ 0 との差が±１７％以下の
接着剤で接着され、前記屈折率ｎ 2 のレンズの少なくと
も接着部分に前記接着剤と前記屈折率ｎ 2 のレンズとの
界面反射を低減するための反射防止膜が形成されている
ことを特徴とする請求項６記載のモニタ装置を提供す
る。
【００２０】第九に、前記光学系が、前記被研磨面と光
学的に共役な位置に絞りを具えることを特徴とする請求
項６〜８の何れか１項に記載のモニタ装置を提供する。
【００２１】第十に、前記第一または第二光ファイバの
少なくとも一つの端面の法線方向が、前記第一または第
二光ファイバの光軸方向に対して非平行とされているこ
とを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のモニ
タ装置を提供する。
【００２２】第十一に、前記第一または第二光ファイバ
の少なくとも一方が、液体より成るコアを具える光ファ
イバであることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１
項に記載のモニタ装置を提供する。第十二に、加工面を
有する回転可能な研磨体を具える研磨体部と基板を保持
する基板保持部とを具え、回転する前記加工面と前記基
板の被研磨面との間に研磨剤を介在させ、双方の間に相
対運動を与えることにより前記被研磨面を研磨する際
に、プローブ光を前記被研磨面に照射して得られる反射
信号光により研磨状態をモニタする装置であり、前記プ
ローブ光を発する不回転の光源と、前記反射信号光を受
光する不回転の光検出器と、前記研磨体部の回転軸上に
あり、不回転の第一反射鏡と、前記研磨体部の回転軸上
にあり、前記研磨体と一緒に回転可能な第二反射鏡と、
前記研磨体部回転軸と前記研磨体部の外周部との間に設
置され、前記研磨体と一緒に回転可能な第三反射鏡と、
を具えることを特徴とするモニタ装置を提供する。
【００２３】第十三に、前記プローブ光を前記被研磨面
に向けて透過すると共に前記反射信号光を逆向きに透過
する透明窓を具えることを特徴とする請求項１２に記載
のモニタ装置を提供する。
【００２４】第十四に、前記透明窓と前記第三反射鏡と
の間に前記第三反射鏡から出射するプローブ光を前記被
研磨面に照射し、前記反射信号光を前記第三の反射鏡に
リレーする１以上のレンズからなる光学系を具えること
を特徴とする請求項１３に記載のモニタ装置を提供す
る。
【００２５】第十五に、加工面を有する回転可能な研磨
体を具える研磨体部と基板を保持する基板保持部とを具
え、回転する前記加工面と前記基板の被研磨面との間に
研磨剤を介在させ、双方の間に相対運動を与えることに
より前記被研磨面を研磨し、且つ、プローブ光を前記被
研磨面に照射して得られる反射信号光により研磨状態を
モニタする研磨装置であって、前記プローブ光を発する
不回転の光源と、前記反射信号光を受光する不回転の光
検出器と、前記研磨体部の回転軸上にあるロータリージ
ョイントと、一端面が前記ロータリージョイントに接続
し、他端面が前記研磨体部の回転軸と前記研磨体部の外
周部との間に設置され、前記研磨体と一緒に回転可能で
あり、前記プローブ光と前記反射信号光とが伝送する第
二光ファイバと、一端面が前記ロータリージョイントに
接続し、前記プローブ光と前記反射信号光とが伝送する
不回転の第一光ファイバと、を具えることを特徴とする
研磨装置を提供する。
【００２６】第十六に、前記基板が、半導体素子が形成
された半導体ウェハであり、請求項１〜１４の何れか１
項に記載のモニタ装置を用いて研磨状態をモニタする段
階を具えることを特徴とする半導体ウェハの研磨方法を
提供する。
【００２７】
【発明の実施の形態】［第一の実施形態］本実施形態の
モニタ装置を組み込んだ状態の研磨装置の概要図を図１
に示す。図１にて、２１はモニタ装置であり、プローブ
光を発する光源２４、ビームスプリッタ２５、反射信号
光を受光する光検出器２６、第一光結合レンズ６３、第
一光ファイバ６２、ロータリージョイント３５、及び第
二光ファイバ６１を具える。ロータリージョイント３５
は、第二光結合レンズ６４、軸受け３６、及び第二光フ
ァイバ６１の第一の端面を固定するための固定座を具え
る。第一光ファイバ６２の第二の端面側の端部が、ロー
ルベアリング状の軸受け３６の中央部のインナーレース
に差し込まれ、インナーレースに固定されている。この
第二の端面側の端面の固定位置は、プローブ光を出射し
反射信号光を入射するために、回転軸１１上の所定位置
に一致するように調整されている。また第二光ファイバ
６１の第一の端面側の端部は固定座に固定されている。
アウターレースはロータリージョイント３５の筐体部に
固定され、ロータリージョイント３５の筐体部はシャフ
ト３４の内面に固定されている。ここで、第二光結合レ
ンズ６４と第二光ファイバ６１とが回帰光学部を構成し
ており、この回帰光学部は、必要に応じて更に透明窓２
３を具え、更に被研磨面４４とを加えることにより回帰
光学系を構成する。この回帰光学系は、この回帰光学系
内の所定の位置にプローブ光を入射するとこの所定の位
置から前記反射信号光を逆向きに出射することを意味す
る。
【００２８】第一光結合レンズ６３はプローブ光を第一
光ファイバ６２の第一の端面に集光し入射するととも
に、第一光ファイバ６２の第一の端面から出射する反射
信号光をビームスプリッタ２５に入射する。ここで第一
光結合レンズ６３は、光伝送のロスをなくすために第一
光ファイバ６２とは好ましくはモードマッチングされて
いる。第一光ファイバ６２と第二光ファイバ６１は、各
々第一の端面から入射するプローブ光を伝え、第二の端
面から出射させると共に、第二の端面から入射する反射
信号光を伝え、第一の端面から出射させる。また、第二
光結合レンズ６４は第一光ファイバ６２の第二の端面か
ら出射するプローブ光を入射させて第二光ファイバ６１
の第一の端面に集光し入射させると共に、第二光ファイ
バ６１の第一の端面から出射する反射信号光を入射させ
て第一光ファイバ６２の第二の端面に集光し入射させ
る。ここで第二光結合レンズ６４は、光伝送のロスをな
くすために第一光ファイバと第二光ファイバ６１の双方
とは好ましくはモードマッチングされている。第二光フ
ァイバ６１の第二の端面から出射したプローブ光は透明
窓２３を透過して基板４２の被研磨面に照射され、そこ
から反射した反射信号光は再び透明窓２３を逆向きに透
過して第二光ファイバ６１の第二の端面に入射する。
【００２９】このようにして、研磨装置の研磨定盤が回
転するような稼働状態で第一光ファイバ６２を不回転の
ままとすることができ、その結果、設置スペースを要す
る光源２４、ビームスプリッタ２５、光検出器２６、及
び第一光結合レンズ６３を不回転の位置に設置すること
ができ、このことは設置場所の制約が少なくするので、
研磨装置の小型化に極めて都合が良い。
【００３０】次に、同じ図１の研磨装置全体の構成を説
明する。図１にて３１は研磨定盤、３２は研磨定盤３１
に固定された研磨体、３４は研磨定盤３１がこの回りに
回転するシャフト、４２は基板、３３は基板４２を保持
する基板保持部、４３は研磨剤供給機構である。研磨に
於いて、基板４２の被研磨面は加圧機構（不図示）によ
り研磨体３２の加工面に加圧され、研磨剤供給機構４３
により研磨剤４１を供給しながら基板保持部３３を回転
（回転軸１２の回りの回転方向のみが示される）し、且
つ研磨定盤３１を回転機構（不図示）により回転（回転
軸１１の回りの回転方向が示される）することによって
基板４２の被研磨面が研磨される。
【００３１】研磨体３２は好ましくは透明窓２３を具え
る。この透明窓２３はプローブ光及び反射光を透過させ
る機能と研磨剤が漏れるのを防止する機能とを持つ。こ
の透明窓２３には透過するプローブ光と反射光の界面で
の反射損失を低減するために少なくとも片面に反射防止
膜が形成されている。
【００３２】モニタに当たって、光源２４から発したプ
ローブ光はビームスプリッタ２５を透過し、第一光結合
レンズ６３、第一光ファイバ６２を経由し、所定の位置
にあるその端面から第二光結合レンズ６４に向けて出射
する。このプローブ光は、更に光結合レンズ６４、第二
の光ファイバ６１、及び透明窓２３を経由して基板４２
の被研磨面に向けて出射する。尚、ここで、ビームスプ
リッタ２５と第一光結合レンズ６３との間に絞り４が設
け、これの開度調整により、第一光ファイバ６２に入射
するプローブ光の最大入射角度を調整すると共に、基板
４２の被研磨面への照射スポットサイズを調整すること
も出来る。この被研磨面からの反射信号光は前記経路を
プローブ光とは全く逆向きに辿り、第二光結合レンズ６
４によりその第二の端面を所定の位置に置いた第一の光
ファイバ６２の端面に入射・透過し、第一光結合レンズ
６３を透過し、ビームスプリッタ２５を反射して、光検
出器２６に入射して信号として検出される。この反射信
号光の変化により被研磨面の研磨状態がモニタされる。
【００３３】ここで、透明窓２３は回転軸１１の回りに
回転しているので、プローブ光が基板４２の被研磨面に
照射され、反射信号が取得されるのは透明窓２３が被研
磨面の下に回転して来たときである。
【００３４】本モニタ装置はロータリジョイント３５を
具えるので、研磨装置の回転部に設置することが可能と
なり、非常に汎用性が高い。 ［第二の実施形態］本実施形態のモニタ装置を組み込ん
だ状態の研磨装置の概要図を図２に示す。図２にて、２
１はモニタ装置であり、プローブ光を発する光源２４、
ビームスプリッタ２５、反射信号光を受光する光検出器
２６、第一反射鏡２７、第二反射鏡２８、及び第三反射
鏡２９を具える。この第一反射鏡２７のプローブ光の反
射位置は反射信号光を入射するための所定位置に一致す
るように、更に反射プローブ光が回転軸１１に一致する
ように調整されている。ここで、第二反射鏡２８と第三
の反射鏡２９とが回帰光学部を構成している。この回帰
光学部は、必要に応じて更に透明窓２３を具え、更に被
研磨面４４とを加えることにより回帰光学系を構成す
る。この回帰光学系は、この回帰光学系内の所定の位置
にプローブ光を入射するとこの所定の位置から前記反射
信号光を逆向きに出射することを意味する。
【００３５】第一反射鏡２７は、ビームスプリッタ２５
から出射するプローブ光を第二反射鏡２８に向けて出射
するとともに、第二反射鏡２８から出射する反射信号光
をビームスプリッタ２５に向けて出射する。第二の反射
鏡２８は、第一反射鏡２７から出射するプローブ光を第
三反射鏡２９に向けて出射するとともに、第三反射鏡２
９から反射して出射する反射信号光を第一反射鏡２７に
向けて出射する。第三反射鏡２９から出射したプローブ
光は透明窓２３を通り基板４２の被研磨面に照射され、
そこからの反射信号光は再び透明窓２３を逆向きに透過
して第三反射鏡に入射し第二の反射鏡２８に向けて反射
される。
【００３６】このようにして、研磨装置の研磨定盤が回
転するような稼働状態で第一反射鏡２７、光源２４、ビ
ームスプリッタ２５、及び光検出器２６を不回転の位置
に設置することができるので、研磨装置の小型化に極め
て都合が良い。
【００３７】次に、同じ図２の研磨装置全体の構成を説
明する。図２にて３１は研磨定盤、３２は研磨定盤３１
に固定された研磨体、３４は研磨定盤３１がこの回りに
回転するシャフト、４２は半導体ウェハ、３３は半導体
ウェハ４２を保持する基板保持部、４３は研磨剤供給機
構である。研磨に於いて、基板４２の被研磨面は加圧機
構（不図示）により研磨体３２の加工面に加圧され、研
磨剤供給機構４３により研磨剤４１を供給しながら基板
保持部３３を回転（回転軸１２の回りの回転方向のみが
示される）し、且つ研磨定盤３１を回転機構（不図示）
により回転（回転軸１１の回りの回転方向が示される）
することによって基板４２の被研磨面が研磨される。
【００３８】研磨体３２は好ましくは透明窓２３を具え
る。この透明窓２３はプローブ光及び反射光を透過させ
る機能と研磨剤が漏れるのを防止する機能とを持つ。こ
の透明窓２３には透過するプローブ光と反射光の反射損
失を低減するために少なくとも片面に反射防止膜が形成
されている。
【００３９】また、シャフト３４の内部には回転する第
二反射鏡２８が組み込まれ、シャフト３４と一緒に回転
するようにされている。回転する第二反射鏡２８は、不
回転の第一反射鏡２７から反射して来るプローブ光を回
転しながら受け、第二反射鏡２８と同じ角速度で回転す
る第三反射鏡２９に向けてプローブ光を出射する。ま
た、同様に回転する第二反射鏡２８は、第二反射鏡２８
と同じ角速度で回転する第三反射鏡２９から出射する反
射信号光を回転しながら受け、不回転の第一反射鏡２７
に向けて出射する。
【００４０】モニタに当たって、光源２４から発したプ
ローブ光はビームスプリッタ２５を透過し、所定位置に
設けた第一反射鏡２７、第二反射鏡２８、第三反射鏡２
９、及び透明窓２３を経由して基板４２の被研磨面に向
けて出射する。この被研磨面からの反射信号光は前記経
路をプローブ光とは全く逆向きに辿り、所定位置に設け
られた第一反射鏡２７を反射し、ビームスプリッタ２５
を反射して光検出器２６に入射して検出される。この反
射信号光の変化により被研磨面の研磨状態がモニタされ
る。
【００４１】ここで、透明窓２３は回転軸１１の回りに
第二反射鏡２８と第三反射鏡２９と一緒に回転している
ので、プローブ光が基板４２の被研磨面に照射され、反
射信号が取得されるのは透明窓２３が被研磨面の下に回
転して来たときである。
【００４２】［第三の実施形態］本実施形態は、第二光
ファイバ６１の端面が透明窓に接着剤を用いて接着され
ている点でのみ第一の実施形態と異なる。
【００４３】図１の概要図に示された第一の実施形態で
は、第二光ファイバ６１から出射したプローブ光を直
接、基板４２の被研磨面に照射してその反射信号光を再
び第二光ファイバ６１の端面に入射させる。しかし、第
二光ファイバ６１から出射するプローブ光は発散光であ
り、しかも透明窓とファイバの端面との間には間隙があ
り、無視できない程度にこの間の距離が離れているの
で、反射信号光は光発散のために少なからず失われ、第
二光ファイバ６１に入射する光量は減少してしまう。そ
のため本実施形態では、第二光ファイバ６１の端面位置
を基板の被研磨面に可能な限り近づけるためにこの第二
光ファイバの端面の屈折率をｎ0 とし、透明窓２３の屈
折率をｎ1 とするとき、ｎ0 ±１７％の範囲内で且つｎ
1 ±１７％の範囲内の屈折率を有する接着剤７０で第二
光ファイバ６１の端面と透明窓２３とを接着する。この
実施形態の概要を説明する図が図３に示される。
【００４４】このようにすることにより、第二光ファイ
バ６１の端面を基板４２の被研磨面に近づけることだけ
でなく、同時に透明窓２３の界面と第二光ファイバ６１
の端面での反射損失を減少することもできる。ファイバ
端面の反射損失を減少させるために第二光ファイバ６１
の端面に反射防止膜を形成する方法は、ファイバの端面
が非常に小さく、細長い形状のために、通常の真空蒸着
法により形成することが困難なために製造コストが高い
という問題があり、また透明窓の表面の反射損失の問題
が残る。そのため、本実施形態の接着の方法はコストの
点からも優れている。なお、異なる屈折率ｎと屈折率
ｎ’の透明物体の界面での反射率Ｒは、一般に
Ｒ= ((ｎ−ｎ’)/( ｎ＋ｎ’))2 で与えられ、ｎ＝１．５とすると、ｎ’＝１．０の空気
との界面の反射率は約４％となる。しかしながら、この
界面の屈折率差が小さくなると界面の反射率は低下す
る。今、ｎ0 に対して、その差が１７％以下の屈折率を
有し、且つｎ1 に対して、その差が１７％以下の屈折率
を有する接着剤で光ファイバ６１の端面と透明窓２３と
を接着した場合は、ファイバと接着剤の界面のみならず
接着剤と透明窓２３の界面での反射率を各々約１％以下
に減少できる。その結果反射信号光を増やすことが出来
る。
【００４５】［第四の実施形態］本実施形態は、透明窓
２３の表面に接着剤と透明窓との界面の反射を減らすた
めの反射防止膜が施されている点でのみ第三の実施形態
と異なる。
【００４６】第三の実施形態では、第二光ファイバの端
面の屈折率をｎ0 とし、透明窓２３の屈折率をｎ1 とす
るとき、ｎ0 ±１７％の範囲内で且つｎ1 ±１７％の範
囲内の屈折率を有する接着剤７０で第二光ファイバ６１
の端面と透明窓２３とを接着する。しかしながら、ｎ0
とｎ1 の値によってはｎ1 ±１７％の屈折率条件を充た
す適当な接着剤が見つからない場合がある。この場合に
は透明窓２３の表面に接着剤と透明窓との界面の反射を
減らすための反射防止膜を形成する。本実施形態は、第
三の実施形態を説明するのに用いた図３に、この反射防
止膜を簡単のために明示しない形で示される。
【００４７】このようにすることにより、接着剤選択の
自由度を増やすことができ、且つ接着剤との二つの界面
での反射率を充分に低減することができ、その結果反射
信号光を増やすことが出来る。
【００４８】［第五の実施形態］本実施形態の全体の概
要図を図４に示し、図５には光学窓付近の光学系を示
す。本実施形態は第一の実施形態とは第二光ファイバの
端面と透明窓との間に凸パワーを持つ光学系２２を配置
している点でのみ異なる。光学系２２は複数のレンズで
構成されることもあるが、本図では１個のレンズのみが
代表的に示されている。第三、第四の実施形態により、
第二光ファイバ６１の端面、透明窓２３の表面での反射
損失を低減することが出来るが、第三の実施形態で説明
したように第二光ファイバから出射するプローブ光は発
散光であり、透明窓２３は無視できない厚みを持ってい
るので、この間をプローブ光そして反射信号光が進む間
に光は発散してしまい、第二光ファイバ６１の端面には
一部の光しか入射できない。図５に於いて、この凸のパ
ワーを持った光学系２２は、第二の光ファイバー６１の
端面が基板４２の被研磨面に対して再び光学的に共役に
なるように設計されている。詰まり、第二光ファイバ６
１の端面から放射されたプローブ光が、凸のパワーを持
った光学系２２により屈折、被研磨面に照射し反射さ
れ、信号光が再び凸のパワーを持った光学系２２を逆向
きに屈折された結果、第二光ファイバ６１の端面位置
に、出射したときの端面形状の等倍の像を結ぶのであ
る。更にこの凸のパワーを持った光学系２２は、第二光
ファイバ６１の入出射に対してモードマッチさせて光ロ
スがないようにされていることが好ましい。このように
すれば、原理的に、被研磨面で反射した信号光を全て第
二光ファイバー６１に取り込むことができ、その結果反
射信号光を増やすことが出来る。
【００４９】［第六の実施形態］本実施形態の光学窓付
近の光学系の概要を説明する図が図６に示される。本実
施形態は第５の実施形態とは光学系２２の中のうち最も
第二の光ファイバの端面側にあるレンズ２２０と第二の
光ファイバの端面とが接着剤７０で接着されている点で
のみ異なる。図６では光学系２２が複数レンズで構成さ
れた場合の他のレンズは明示されていない。ここでも第
三の実施形態と同様に屈折率条件が要求され、第二の光
ファイバの端面の屈折率をｎ0とし、レンズ２２０の屈
折率をｎ2とするとき、ｎ0 ±１７％の範囲内で且つｎ2
±１７％の範囲内の屈折率を有する接着剤７０で第二
光ファイバ６１の端面とレンズ２２０とを接着する。
【００５０】このようにすることにより、第二光ファイ
バ６１の端面での界面反射とレンズ２２０の接合面側の
界面の光の反射を低減することができ、その結果反射信
号光を増やすことが出来る。
【００５１】［第七の実施形態］本実施形態は、レンズ
２２０の表面に接着剤とレンズ２２０との界面の反射を
減らすための反射防止膜が施されている点でのみ第六の
実施形態と異なる。本実施形態の光学窓付近の光学系
は、第六の実施形態を説明するのに用いた図６に、簡単
のためにこの反射防止膜を図示しない形で示される。
【００５２】第六の実施形態では、第二光ファイバの端
面の屈折率をｎ0 とし、レンズ２２０の屈折率をｎ2 と
するとき、ｎ0 ±１７％の範囲内で且つｎ2 ±１７％の
範囲内の屈折率を有する接着剤７０で第二光ファイバ６
１の端面とレンズ２２０とを接着する。しかしながら、
ｎ0 とｎ2 の値によってはｎ2 ±１７％の屈折率条件を
充たす適当な接着剤が見つからない場合がある。この場
合にはレンズ２２０の表面に接着剤７０とレンズ２００
との界面の反射を減らすための反射防止膜を形成する。
【００５３】このようにすることにより、接着剤選択の
自由度を増やすことができ、且つ接着剤との二つの界面
での反射率を充分に低減することができ、その結果反射
信号光を増やすことが出来る。
【００５４】［第八の実施形態］本実施形態の光学系２
２の付近の様子を図７に示す。本実施形態は第５の実施
形態とは光学系２２をより発展させた点でのみ異なる。
図７に於いて、光学系２２は前群光学系２２１と後群光
学系２２２とを具え、更に絞り１４を具える。絞り１４
は、前群光学系２２１の中で基板４２の被研磨面と光学
的に共役な位置に設けられる。
【００５５】第二光ファイバー６１からの光の出射方向
は、ファイバーが曲がるなどすると変わることがある。
すると第５の実施形態のモニタ装置の場合、光の照射位
置がずれるなどして測定誤差の原因となる。光学系２２
の中に設けられる絞り１４は、第二光ファイバ６１から
の光束を整えるために設けられる。そのために、絞り１
４の開口部の大きさは光ファイバー６１から出射する光
束の大きさよりも若干小さくされている。このようにす
ることにより、第二光ファイバ６１から出射するプロー
ブ光の光束の方向が多少変化しても、この絞り１４を通
過した光束の方向と大きさを安定させることができるの
で、基板４２の被研磨面上へのプローブ光の照射位置と
照射範囲とを一定に保つことが出来る。更にこの絞りの
寸法または形状を変えることにより被研磨面への照射ス
ポットの寸法または形状を調整できるので、測定対象の
半導体デバイスのパターンに適合させることができる。
なおこのような絞り１４を設ければ、絞り４は無くても
良い。
【００５６】また、本実施形態と第六または第七の実施
形態とを組み合わせて用いることは好ましい。本実施形
態によれば、被研磨面で反射した信号光を全て光学系２
２により受けて、第二光ファイバー６１に取り込むこと
により、反射信号光を増やすことが出来るのみならず、
基板４２の被研磨面へのプローブ光の照射位置と寸法を
常に一定に保つことが出来るので、測定を精度良く行う
ことができ、更に絞り１４の寸法の調整により半導体デ
バイスの多様なパターンに対応することができる。
【００５７】［第九の実施形態］本実施形態の概要図を
図８に示す。本実施形態は第二の実施形態とは第三の反
射鏡２９と透明窓２３との間に凸パワーを持つ光学系２
２を配置している点でのみ異なる。光学系２２は複数の
レンズで構成されることもあるので、本図では単に四角
のブロックで示されている。第二の実施形態では光源２
４から発せられたプローブ光は基板４２の被研磨面に到
達するまでの間に発散してしまうことがあり、所要サイ
ズのスポットとして被研磨面に照射できない場合がある
ので、この凸パワーを持つ光学系２２により所望のサイ
ズのスポットに絞り込むのである。尚、必要に応じて、
第一反射鏡と第二反射鏡との間、または第二反射鏡と第
三反射鏡との間にリレー光学系を別に設けても良い。こ
のようにして半導体デバイスの多様なパターンに対応す
ることができるのみならず、反射信号光を光学系の光路
から逃さないで無駄なく光検出器２６により受光するこ
とができる。
【００５８】以上説明した第一〜第九の実施形態で、モ
ニタ装置の構成要素は回転する部材と不回転の部材とに
分離して説明したが、不回転の部材の部分のみでも本発
明のモニタ装置を構成することは言うまでもない。この
とき、他の回転する部材は研磨装置を構成する。
【００５９】また、以上説明した第一〜第九の実施形態
に共通して、研磨状態のモニタのために、残膜厚の測定
または工程終了点の検知が好ましく行なわれる。また、
反射信号光としては、好ましくは分光反射信号光が検知
され、このために、光検出器２６の前に分光器（不図
示）が配置される。この分光計測の結果を不図示のＡ／
Ｄコンバータ、等により不図示の信号処理部に送り、そ
こで膜厚を算出することが可能になる。具体的には、分
光反射信号の変化を高精度に検出するために、好ましく
は分光反射信号から演算されたパラメータを利用する
か、または分光反射特性の参照値と分光反射特性の測定
値との、相互相関関数、等を用いて比較を行なう。更に
また、モニタ装置は、被研磨面のパターン寸法に対応し
てパターン干渉の程度を制御するために、好ましくは空
間コヒーレンス長を制御するための絞り（不図示）を光
源２４に具える。更にまた、反射光から１次以上の回折
成分を除き、０次光のみを分光反射信号として検出する
ために好ましくは光検出器２６の前に絞り（不図示）が
配置される。これら空間コヒーレンス長の制御技術及び
０次光抽出技術については特願平１０−１５０９６３及
び特願平１１−０４７４８５及び特願平１０−２８９１
７に開示されている。
【００６０】さらにまた、本発明のモニタ装置は、光路
中（例えば光路５２、光学系２２、計測部、等）に有害
な外光が入って測定に悪影響を与えないように内部を艶
消し吸光塗料等で塗装したパイプ等で覆うことが好まし
い。
【００６１】このように本モニタ装置は、その光学系
が、静止部分と、回転する研磨定盤３１とシャフト３４
に固定されて回転する部分と、に分けられ、静止部分と
回転する部分とが光結合されている。ここで、光結合
は、光学系の静止部分から出射した光が光損失なく回転
する部分に伝わり、回転部分から出射した光が光損失な
く静止部分に伝わることを意味している。このようにし
て比較的設置スペースを取るビームスプリッタ２５、光
源２４、分光器を含む光学系（分光反射信号を検出する
場合）、光検出器を研磨装置から離して設置することが
でき、研磨装置側には被研磨面にプローブ光を安定的に
伝達・照射し、且つ反射信号光を安定的に受光して回転
軸上の所定位置まで安定的に伝達するための、ファイバ
または反射鏡またはレンズ、等を具える、コンパクトな
回帰光学部のみを設置すれば良いので、本モニタ装置を
研磨装置に用いれば、研磨装置を大型化することなく且
つ高精度に研磨状態をモニタすることが出来、また本モ
ニタ方法によれば、研磨装置を大型化することなく且つ
高精度に研磨状態をモニタすることが出来る。更にま
た、本モニタ装置が組み込まれた研磨装置は小型且つ軽
量であり、また高精度に研磨状態をモニタすることが出
来る。この研磨装置を半導体素子が形成された半導体ウ
ェハの研磨に用いれば、高精度に研磨状態がモニタされ
た半導体ウェハが得られる。
【００６２】［第十の実施形態］第一、第三、第四、第
五、第六、第七、及び第八の実施形態に於いてファイバ
の端面に於ける光反射が問題になることあった。例えば
第一の実施形態に於いて、第一の光ファイバの第一の端
面と第二の端面で、及び第二の光ファイバの第一の端面
と第二の端面で反射した反射プローブ光は基板４２の方
向とは逆方向に伝搬し、ノイズ光（フレア光）として光
検出器に入射してしまうことがある。第一、第二の光フ
ァイバのコアの屈折率を１．４５、外部の屈折率を１．
００とすると各端面に於ける反射率は約３．４％であ
る。プローブ光や反射信号光の強度は研磨剤４１による
散乱損失や他の光学系による伝搬途中での損失により、
またはある種類のウェハの低い反射率特性により、大き
く低減することがあるので、光検出器２６に最終的に入
射する反射信号光の強度は、プローブ光の光ファイバを
伝搬する段階時の強度よりも大きく低減することがある
ので、この約３．４％という反射率は無視できない値で
ある。
【００６３】このノイズ光は信号のＳ／Ｎ比を低下させ
るために、残膜厚の測定、または研磨終了点の検知等の
研磨状態の測定の測定精度を悪化させることがある。本
実施形態は以上の問題を解決するために行われたもので
あり、第一、第三、第四、第五、第六、第七、及び第八
の実施形態の変形例である。これらの実施形態との違い
は光ファイバの端面の方向にある。第一の実施形態では
光ファイバの端面の方向が光ファイバの光軸方向に対し
て規定されていなかった。 本実施形態では光ファイバの
端面の法線方向を光ファイバの光軸方向に対して非平行
とした。特に端面が接着されていない場合にその端面の
法線方向を光ファイバの軸方向に対して非垂直とするこ
とが好ましい。
【００６４】図１１と図１２に示すのは本実施形態の一
例の概要図である。図１１は、第一の実施例を示す図１
の第二光ファイバ６１の端部６５が楔状にされ、端部６
５に於いて第二の光ファイバの軸が基板の法線とは非平
行にされている点でのみ図１と異なる。図１２は図１１
の第二光ファイバ６１の端部６５の拡大図である。６１
は第二光ファイバ、７１はこの光ファイバの軸であり、
この軸に沿ってプローブ光と反射信号光が伝搬する。７
２はプローブ光の伝搬方向、７５は反射信号光の伝搬方
向である。７６は第二の光ファイバ６１から出射する出
射プローブ光及び第二の光ファイバ６１へ入射する反射
信号光の光軸を示す。７３は出射プローブ光の伝搬方
向、７４は反射信号光の伝搬方向である。７７は第二の
端面７３の法線、７８は端面の傾き角（楔角）であり、
光ファイバの軸７１と第二の端面８０の法線８０の為す
角度である。傾き角７８はコアの屈折率が１．４５の石
英ファイバの場合、８度とされる。この角度はプローブ
光の第二の端面８０への入射角にも等しいので、入射角
と呼ぶこともあり、また反射信号光の第二の端面に対す
る屈折角にも等しいので屈折角と呼ぶこともある。８１
は出射プローブ光の出射時の屈折角に相当する角度であ
り、１１．６度である。また、８２はプローブ光が第二
の端面８０に於いて反射するときの反射角であり、入射
角７８に等しく、８３は反射プローブ光の方向である。
【００６５】プローブ光が第二の光ファイバに到る迄の
説明は第一の実施形態の場合と同様であるので省略す
る。第二の光ファイバ６１の軸７１に沿って方向７２に
向かって伝搬するプローブ光は入射角７８で第二の端面
８０に入射し、屈折角８１で屈折されて出射すると共に
一部のプローブ光は反射角８２で反射する。屈折したプ
ローブ光は方向７３に伝搬し、基板４２の被研磨面に入
射する。方向７３と被研磨面の法線方向とは垂直に調整
されているので、ここからの反射信号光は光軸７６に沿
って方向７４に伝搬し、第二の端面８０に於いて第二の
光ファイバに入射角８１、屈折角７８で入射し、軸７１
に沿って方向７５に伝搬する。また、８３方向に反射さ
れた反射プローブ光は光ファイバの軸７１に対して１６
度と大きく傾いているためにこの第二の光ファイバ６１
の伝搬モードを形成せず、第二の光ファイバ６１を伝搬
中に放射されて失われる。この後の反射信号光の進行は
第一の実施形態と同様であるので、説明を省略する。こ
のようにして反射信号光は光検出器２６に入射して信号
として検出される。この反射信号光の変化により被研磨
面の研磨状態がモニタされる。
【００６６】本実施形態では第二の光ファイバの第二の
端面８０に於けるプローブ光の反射光が光検出器２６に
入射することがないので、反射信号光のＳ／Ｎ比を高め
ることができ、残膜厚の測定、または研磨終了点の検知
等の研磨状態の測定の測定精度を第一の実施形態よりも
向上させることができる。
【００６７】以上の説明では、簡単のために、第一の実
施形態の変形例として、第二の光ファイバ６１の第二の
端面８０のみが軸に対して非垂直とされている場合を説
明した。非垂直とする端面はこの他に第二の光ファイバ
６１の第一の端面、第一の光ファイバ６２の第一の端面
または第二の端面の何れであっても良く、これらの端面
のどれか一つ以上が非垂直とされていれば良く、全部の
端面が非垂直とされていても良い。一般に非垂直とする
端面の数が多い程、信号のＳ／Ｎ比を高めることがで
き、残膜厚の測定、または研磨終了点の検知等の研磨状
態の測定の測定精度を向上させることができる。どの端
面を非垂直とするか、またいくつの端面を非垂直とする
かは、各端面を非垂直にしたときのフレア光の低減効果
と、必要な測定精度と、追加コストとのバーゲンから決
定される。また、本実施形態は第一の実施形態の他に、
第三、第四、第五、第六、第七、及び第八の実施形態に
も光ファイバの端面を光ファイバの軸に対して非垂直に
することにより類似な方法で適用できる。
【００６８】以上の説明では光ファイバの端面を光ファ
イバの軸に対して非垂直にすることによりフレア光を減
らしたが、第十の実施形態の変形例として端面を特に光
ファイバの軸に対して非垂直にせずに各端面に反射防止
膜を施しても類似の効果が得られる。この例の一部は前
の実施形態に既に開示されている。この場合反射防止膜
の残留反射光のためにフレア光を完全には零にすること
ができないので、効果は端部を楔状にした場合に及ばな
いが、光学部品の配置等に制約がある場合に必要に応じ
て施される。
【００６９】［第十一の実施形態］本実施形態は、光フ
ァイバ６１、６２として液体より成るコアを具える光フ
ァイバを用いている点でのみ第一、第三、第四、第五、
第六、第七、第八、及び第十の実施形態と異なる。本実
施形態で用いられる光ファイバは可撓性のある透明樹脂
等から成る円筒形状のクラッド材の中に、クラッド材よ
りも高屈折率のコア材としての液体が注入されて構成さ
れ、極めて可撓性に優れる。また、光ファイバの断面積
に占めるコアー部分の面積比が、細い光ファイバを複数
本束ねたバンドルファイバよりも高いので、バンドルフ
ァイバよりも高透過率である。更に、クラッド材とコア
材に対する材料選定の自由度が高いので、クラッド材と
コア材の屈折率差をバンドルファイバよりも大きくする
ことができ、その結果バンドルファイバよりも大幅に高
ＮＡを得ることが出来る。本実施形態の光ファイバとし
てプネウム（株）製のリキッドライトガイドを好ましく
用いられる。
【００７０】本実施形態では、光ファイバの可撓性が極
めて高く、小さな曲率半径で曲げても折れないので、研
磨体部に組み込むときの自由度が高い結果、モニタ装置
または研磨装置のコンパクト化を図ることが出来る。更
にまた、光ファイバの光透過率が高いので、放射光強度
が低いコンパクトな光源で同じ反射信号光を得ることが
できるためにモニタ装置のコンパクト化を図ることがで
きる。また、光ファイバが高ＮＡであるので、容易に高
効率の光結合を実現することができ、光学系の設計に対
する自由度が高い。
【００７１】以上説明した第一〜第十一の実施形態で、
モニタ装置の構成要素は回転する部材と不回転の部材と
に分離して説明したが、不回転の部材の部分のみでも本
発明のモニタ装置を構成することは言うまでもない。こ
のとき、他の回転する部材は研磨装置を構成する。
【００７２】また、以上説明した第一〜第十一の実施形
態に共通して、研磨状態のモニタのために、残膜厚の測
定または工程終了点の検知が好ましく行なわれる。ま
た、反射信号光としては、好ましくは分光反射信号光が
検知され、このために、光検出器２６の前に分光器（不
図示）が配置される。この分光計測の結果を不図示のＡ
／Ｄコンバータ、等により不図示の信号処理部に送り、
そこで膜厚を算出することが可能になる。具体的には、
分光反射信号の変化を高精度に検出するために、好まし
くは分光反射信号から演算されたパラメータを利用する
か、または分光反射特性の参照値と分光反射特性の測定
値との、相互相関関数、等を用いて比較を行なう。更に
また、モニタ装置は、被研磨面のパターン寸法に対応し
てパターン干渉の程度を制御するために、好ましくは空
間コヒーレンス長を制御するための絞り（不図示）を光
源２４に具える。更にまた、反射光から１次以上の回折
成分を除き、０次光のみを分光反射信号として検出する
ために好ましくは光検出器２６の前に絞り（不図示）が
配置される。これら空間コヒーレンス長の制御技術及び
０次光抽出技術については特願平１０−１５０９６３及
び特願平１１−０４７４８５及び特願平１０−２８９１
７に開示されている。
【００７３】さらにまた、本発明のモニタ装置は、光路
中（例えば光路５２、光学系２２、計測部、等）に有害
な外光が入って測定に悪影響を与えないように内部を艶
消し吸光塗料等で塗装したパイプ等で覆うことが好まし
い。
【００７４】このように本モニタ装置は、その光学系
が、静止部分と、回転する研磨定盤３１とシャフト３４
に固定されて回転する部分と、に分けられ、静止部分と
回転する部分とが光結合されている。ここで、光結合
は、光学系の静止部分から出射した光が光損失なく回転
する部分に伝わり、回転部分から出射した光が光損失な
く静止部分に伝わることを意味している。このようにし
て比較的設置スペースを多く取るビームスプリッタ２
５、光源２４、分光器を含む光学系（分光反射信号を検
出する場合）、光検出器を研磨装置から離して設置する
ことができ、研磨装置側には被研磨面にプローブ光を安
定的に伝達・照射し、且つ反射信号光を安定的に受光し
て回転軸上の所定位置まで安定的に伝達するための、フ
ァイバまたは反射鏡またはレンズ、等を具える、コンパ
クトな回帰光学部のみを設置すれば良いので、本モニタ
装置を研磨装置に用いれば、研磨装置を大型化すること
なく且つ高精度に研磨状態をモニタすることが出来、ま
た本モニタ方法によれば、研磨装置を大型化することな
く且つ高精度に研磨状態をモニタすることが出来る。更
にまた、本モニタ装置が組み込まれた研磨装置は小型且
つ軽量であり、また高精度に研磨状態をモニタすること
が出来る。この研磨装置を半導体素子が形成された半導
体ウェハの研磨に用いれば、高精度に研磨状態がモニタ
された半導体ウェハが得られる。
【００７５】
【発明の効果】以上のように本発明のモニタ装置はコン
パクトな回帰光学部即ち対物部のみが、研磨装置の回転
する研磨体側に設けられ、比較的設置スペースを取る光
源や光検出器やビームスプリッタや分光器（分光法の場
合）即ち計測部が、不回転の位置に設けられるので、こ
のモニタ装置を具える研磨装置の設計の自由度が増え、
且つ小型軽量化を図ることが出来、且つ研磨状態を高精
度にモニタできる。また、本発明のモニタ方法により、
研磨状態を高精度にモニタすることのみならず、研磨装
置の設計の自由度の向上とコンパクト化を図ることがで
きる。更にまた、本発明の研磨装置はコンパクトである
のみならず研磨状態を高精度にモニタ可能である。更に
また、本発明の研磨方法によれば、研磨状態を高精度に
モニタするので、研磨される半導体素子、等の基板の品
質と歩留りを大幅に向上できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態のモニタ装置、研磨装置の概要
図である。
【図２】第二の実施形態のモニタ装置、研磨装置の概要
図である。
【図３】第三、第四の実施形態を説明するモニタ装置、
研磨装置の概要図である。
【図４】第五の実施形態のモニタ装置、研磨装置の概要
図である。
【図５】第五の実施形態の凸のパワーを持った光学系の
付近の概要図である。
【図６】第六、第七の実施形態を説明する凸のパワーを
持った光学系の付近の概要図である。
【図７】第八の実施形態の凸のパワーを持った光学系の
付近の概要図である。
【図８】第九の実施形態の凸のパワーを持った光学系の
付近の概要図である。
【図９】ＣＭＰ研磨装置の概要図である。
【図１０】従来のモニタ装置と研磨装置の関係を示す概
要図である。
【図１１】第十の実施形態のモニタ装置、研磨装置の概
要図である。
【図１２】光ファイバの楔状の端部の拡大図である。
【符号の説明】
１ 研磨装置 ４ 絞り １１ 研磨体の回転軸 １２ 基板の回転軸 １４ 絞り ２１ モニタ装置 ２２ 凸のパワーを持った光学系 ２３ 透明窓（反射防止膜付き） ２４ 光源（ハロゲンランプまたはキセノンランプ） ２５ ビームスプリッタ ２６ 光検出器 ２７ 不回転の第一反射鏡 ２８ 回転する第二反射鏡 ２９ 回転する第三反射鏡 ３１ 研磨定盤 ３２ 研磨体 ３３ 基板保持部 ３４ シャフト ３５ ロータリジョイント ３６ 軸受け ３７ 加工面 ４１ 研磨剤 ４２ 基板（半導体ウェハ） ４３ 研磨剤供給機構 ４４ 被研磨面 ６１ 第二光ファイバ ６２ 第一光ファイバ ６３ 第一光結合レンズ ６４ 第二光結合レンズ ６５ 端部 ７０ 接着剤 ７１ 光ファイバの軸 ７２ プローブ光の伝搬方向 ７３ プローブ光の伝搬方向 ７４ 反射信号光の伝搬方向 ７５ 反射信号光の伝搬方向 ７６ 光軸 ７７ 第二の端面の法線 ７８ 第二の端面の傾き角（楔角）またはプローブ光
の入射角（反射信号光の屈折角） ７９ 折り曲角 ８０ 第二の端面 ８１ プローブ光の屈折角（反射信号光の入射角） ８２ プローブ光の反射角 ８３ プローブ光の反射光の進行方向 １００ 研磨ヘッドの回転を示す １０１ 研磨定盤の回転を示す １０２ 基板保持部 １０３ 研磨パッド １０４ 研磨定盤 １０５ 研磨剤 １０６ 研磨剤供給機構 １０７ 基板（半導体ウェハ） １０８ プローブ光と反射信号光 １０９ モニタ装置 １１０ 透明窓 ２２０ 光学系２２のうち最も第二光ファイバの端面側
にあるレンズ ２２１ 前群光学系 ２２２ 後群光学系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/304 B24B 37/04 B24B 49/12 G01B 11/30

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加工面を有する回転可能な研磨体を具える
    研磨体部と基板を保持する基板保持部とを具え、回転す
    る前記加工面と前記基板の被研磨面との間に研磨剤を介
    在させ、双方の間に相対運動を与えることにより前記被
    研磨面を研磨する際に、プローブ光を前記被研磨面に照
    射して得られる反射信号光により研磨状態をモニタする
    装置であり、 前記プローブ光を発する不回転の光源と、 前記反射信号光を受光する不回転の光検出器と、 前記研磨体部の回転軸上にあるロータリージョイント
    と、 一端面が前記ロータリージョイントに接続し、他端面が
    前記研磨体部の回転軸と前記研磨体部の外周部との間に
    設置され、前記研磨体と一緒に回転可能であり、前記プ
    ローブ光と前記反射信号光とが伝送する第二光ファイバ
    と、 一端面が前記ロータリージョイントに接続し、前記プロ
    ーブ光と前記反射信号光とが伝送する不回転の第一光フ
    ァイバと、 を具えることを特徴とするモニタ装置。
  2. 【請求項２】前記ロータリージョイントは、結合レン
    ズ、軸受け、および固定座を具え、 前記第一光ファイバの前記一端面は、前記軸受けに固定
    されることにより前記ロータリージョイントに接続し、 前記第二光ファイバの前記一端面は、前記固定座に固定
    されることにより前記ロータリージョイントに接続して
    いることを特徴とする請求項１に記載のモニタ装置。
  3. 【請求項３】前記研磨体部の回転軸と前記研磨体部の外
    周部との間に、前記プローブ光を前記被研磨面に向けて
    透過すると共に前記反射信号光を逆向きに透過する透明
    窓を具えることを特徴とする請求項１または２に記載の
    モニタ装置。
  4. 【請求項４】前記第二光ファイバの端面の屈折率をｎ 0
    とし、前記透明窓の屈折率をｎ 1 と し、 前記第二光ファイバの前記他端面と前記透明窓とが、ｎ
    0 との差が±１７％以下で且つｎ 1 との差が±１７％以
    下の屈折率の接着剤で接着されていることを特徴とする
    請求項３に記載のモニタ装置。
  5. 【請求項５】前記第二光ファイバの端面の屈折率をｎ 0
    とし、前記第二光ファイバの前記他端面と前記透明窓と
    が、ｎ 0 との差が±１７％以下の屈折率の接着剤で接着
    され、前記透明窓の少なくとも接着部分に前記接着剤と
    前記透明窓との界面反射を低減するための反射防止膜が
    形成されていることを特徴とする請求項３に記載のモニ
    タ装置。
  6. 【請求項６】前記透明窓と前記第二光ファイバの前記他
    端面との間に、前記第二光ファイバの前記他端面から出
    射するプローブ光を前記被研磨面に照射し、前記反射信
    号光を前記第二光ファイバの前記他端面に集光する１以
    上のレンズからなる光学系を具えることを特徴とする請
    求項３に記載のモニタ装置。
  7. 【請求項７】前記第二光ファイバの端面の屈折率をｎ 0
    とし、前記光学系の中で最も前記第二光ファイバの前記
    他端面側にある屈折率ｎ 2 のレンズと前記第二光ファイ
    バの前記他端面とがｎ 0 との差が±１７％以下で、且つ
    ｎ 2 との差が±１７％以下の接着剤で接着されているこ
    とを特徴とする請求項６に記載のモニタ装置。
  8. 【請求項８】前記第二光ファイバの端面の屈折率をｎ 0
    とし、前記光学系の中で最も前記第二光ファイバの前記
    他端面側にある屈折率ｎ 2 のレンズと前記第二光ファイ
    バの前記端面とがｎ 0 との差が±１７％以下の接着剤で
    接着され、前記屈折率ｎ 2 のレンズの少なくとも接着部
    分に前記接着剤と前記屈折率ｎ 2 のレンズとの界面反射
    を低減するための反射防止膜が形成されていることを特
    徴とする請求項６記載のモニタ装置。
  9. 【請求項９】前記光学系が、前記被研磨面と光学的に共
    役な位置に絞りを具えることを特徴とする請求項６〜８
    の何れか１項に記載のモニタ装置。
  10. 【請求項１０】前記第一または第二光ファイバの少なく
    とも一つの端面の法線方向が、前記第一または第二光フ
    ァイバの光軸方向に対して非平行とされていることを特
    徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のモニタ装
    置。
  11. 【請求項１１】前記第一または第二光ファイバの少なく
    とも一方が、液体より成るコアを具える光ファイバであ
    ることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載
    のモニタ装置。
  12. 【請求項１２】加工面を有する回転可能な研磨体を具え
    る研磨体部と基板を保持する基板保持部とを具え、回転
    する前記加工面と前記基板の被研磨面との間に研磨剤を
    介在させ、双方の間に相対運動を与えることにより前記
    被研磨面を研磨する際に、プローブ光を前記被研磨面に
    照射して得られる反射信号光により研磨状態をモニタす
    る装置であり、 前記プローブ光を発する不回転の光源と、 前記反射信号光を受光する不回転の光検出器と、 前記研磨体部の回転軸上にあり、不回転の第一反射鏡
    と、 前記研磨体部の回転軸上にあり、前記研磨体と一緒に回
    転可能な第二反射鏡と、 前記研磨体部回転軸と前記研磨体部の外周部との間に設
    置され、前記研磨体と一緒に回転可能な第三反射鏡と、 を具えることを特徴とするモニタ装置 。
  13. 【請求項１３】前記プローブ光を前記被研磨面に向けて
    透過すると共に前記反射信号光を逆向きに透過する透明
    窓を具えることを特徴とする請求項１２に記載のモニタ
    装置。
  14. 【請求項１４】前記透明窓と前記第三反射鏡との間に前
    記第三反射鏡から出射するプローブ光を前記被研磨面に
    照射し、前記反射信号光を前記第三の反射鏡にリレーす
    る１以 上のレンズからなる光学系を具えることを特徴と
    する請求項１３に記載のモニタ装置。
  15. 【請求項１５】加工面を有する回転可能な研磨体を具え
    る研磨体部と基板を保持する基板保持部とを具え、回転
    する前記加工面と前記基板の被研磨面との間に研磨剤を
    介在させ、双方の間に相対運動を与えることにより前記
    被研磨面を研磨し、且つ、プローブ光を前記被研磨面に
    照射して得られる反射信号光により研磨状態をモニタす
    る研磨装置であって、 前記プローブ光を発する不回転の光源と、 前記反射信号光を受光する不回転の光検出器と、 前記研磨体部の回転軸上にあるロータリージョイント
    と、 一端面が前記ロータリージョイントに接続し、他端面が
    前記研磨体部の回転軸と前記研磨体部の外周部との間に
    設置され、前記研磨体と一緒に回転可能であり、前記プ
    ローブ光と前記反射信号光とが伝送する第二光ファイバ
    と、 一端面が前記ロータリージョイントに接続し、前記プロ
    ーブ光と前記反射信号光とが伝送する不回転の第一光フ
    ァイバと、 を具えることを特徴とする研磨装置。
  16. 【請求項１６】前記基板が、半導体素子が形成された半
    導体ウェハであり、請求項１〜１４の何れか１項に記載
    のモニタ装置を用いて研磨状態をモニタする段階を具え
    ることを特徴とする半導体ウェハの研磨方法。
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