JP3854056B2 - 基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板の膜厚を測定する基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、該基板膜厚測定方法を用いる基板処理方法及び該基板膜厚測定装置を用いる基板処理装置に関し、特に処理中基板の処理面の膜厚状態をリアルタイムで連続的に検出するのに好適な基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、該基板膜厚測定方法を用いる基板処理方法及び該基板膜厚測定装置を用いる基板処理装置に関するものである。なお、本明細書中で膜厚測定とは、単に膜厚の測定のみではなく、例えば基板面上に形成された金属薄膜の有無等、基板状態の検出或いは基板状態の観測も含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の技術としては、特開平７−２５１３７１号公報に開示されたものがある。この技術は研磨中の被研磨基板の測定面にガラスファイバーを通してその先端から光を照射し、該測定面で反射された反射光を該ガラスファイバーを通して膜厚測定制御部に導くようにしたものである。
【０００３】
上記のようにガラスファイバーで照射光及び反射光を受光する方法は、研磨中の被研磨基板には水滴が付着しており、測定誤差を発生するという問題がある。また、ガラスファイバーの先端面と被測定面との間隔を厳格に制御する必要がある。
【０００４】
また、特開平１０−２６４０１７号公報に開示されている技術は、洗浄槽の洗浄液に被研磨基板を浸漬し、洗浄液中に光ファイバーの先端面を浸漬し、該先端面を直接被測定面に近づけ光を照射し、該被測定面からの反射光を該光ファイバーを通して膜厚検出装置に導くように構成したものである。
【０００５】
洗浄液中に光ファイバーの先端を浸漬する方法は、光ファイバーの先端面と被測定面との間隔制御が必要であると共に、装置が大規模なものとなるという欠点がある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、構成が簡単で研磨等の処理中の基板の膜厚をリアルタイムで、且つ高精度で測定できる基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、該基板膜厚測定方法を用いる基板処理方法及び該基板膜厚測定装置を用いた基板処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、透光液ノズルと該透光液ノズルの外周部に該透光液ノズルを囲むように配置された透光液受部を備え、透光液ノズルから基板の被測定面に柱状の透光液流を当接させると共に該透光液流を前記透光液受部で受けることにより、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成し、光学系により透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該透光液流を通して基板の被測定面で反射された反射光を該光学系で受光し、該受光した反射光強度から該被測定面の膜厚を測定することを特徴とする基板膜厚測定方法にある。
【０００８】
上記のように、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成した場合、透光液流は透光液ノズルから柱状の液流となって基板の被測定面に当接し、透光液受部を経由して排液管に流れるから、基板膜厚測定のための安定した柱状の透光液流を形成できる。同時に透光液受部に流れ込むスラリー等の異物は排出される。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板膜厚測定方法において、光学系は少なくとも１本の光ファイバーを具備し、該光ファイバーの先端部を前記透光液流に挿入し、該光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光することを特徴とする。
【００１０】
上記のように、光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するので、高精度で膜厚を測定できる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、基板の処理面に研磨処理を施す基板処理方法において、研磨処理中の基板の処理面の膜厚測定方法に、請求項１又は２に記載の基板膜厚測定方法を用い、処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定方法の透光液流を通して光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光することを特徴とする。
【００１２】
上記のように処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定方法の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するので、処理中の基板の処理面を何ら損傷させることなく、膜厚をリアルタイムで測定できる（ｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定）。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、透光液ノズルと、該透光液ノズルの外周部に該透光液ノズルを囲むように配置された該透光液を受ける透光液受部とを具備し、透光液ノズルから基板の被測定面に柱状の透光液流を当接させると共に該透光液流を前記透光液受部で受けることにより、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成し、透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該透光液流を通して基板の被測定面で反射された反射光を受光する光学系と、該光学系で受光した反射光強度から該被測定面の膜厚を測定する膜厚測定手段を備えたことを特徴とする基板膜厚測定装置にある。
【００１４】
上記のように、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成した場合、透光液流は透光液ノズルからの柱状の液流となって基板の被測定面に当接し、透光液受部を経由して排液管に流れるから、基板膜厚測定のための安定した柱状の液流を形成できる。同時に透光液受部に流れ込むスラリー等の異物は排出される。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の基板膜厚測定装置において、光学系は少なくとも１本の光ファイバーを具備し、該光ファイバーの先端部を透光液流に挿入し、該光ファイバー及び透光液を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記のように、光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するように構成するので、高精度で膜厚を測定できる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、処理中の基板の処理面の膜厚測定用に請求項４又は５に記載の基板膜厚測定装置を具備し、処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定装置の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
上記のように処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定装置の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するので、処理中の基板の処理面を何ら損傷させることなく、膜厚をリアルタイムで測定できる（ｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成を示す図である。図１において、１は表面に薄膜２が形成された基板であり、５は該基板１の処理面２ａに円柱状の水流を噴出し当接させる水噴出用ノズル５である。該水噴出用ノズル５内には照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の先端部が挿入配置されている。
【００２１】
上記構成の基板膜厚測定装置において、加圧水流６を水噴出用ノズル５に供給しその先端から細い円柱状の水流４を基板１の処理面２ａの所定の位置に当接させ、測定スポット３を形成する。この状態で、測定演算部９から照射用ファイバ７を通して、水流４内に光を送り、該光を該水流４を通して基板１の測定スポット３内の測定面に照射する。このときの水流４中の光軸と該測定面は略垂直であることが装置構成上好ましい。但し、場合によっては照射用ファイバからの光の該測定面からの反射光を受光用ファイバ８が受光可能な位置関係ならば水流４中に光軸を該測定面に対して斜めとする構成も可能である。
【００２２】
処理面（測定面）２ａで反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。該測定演算部９では反射光から薄膜２の膜厚を測定する。この時水噴出用ノズル５の内面は鏡面加工を施し、効率良く照射／反射光を照射用／受光用ファイバ７、８に導くように工夫がなされている。
【００２３】
また、時として、薄膜２と水流４が接する部分に水滴が溜まる場合があり、測定スポット３が乱れてしまう。そこで、図２に示すように、水噴出用ノズル５から薄膜２の測定スポット３に延びる螺旋状に巻回した排水用部材３８を設け、水滴を除去する工夫をするとよい。また、水流４を基板に対して斜めとした場合、及び水流４を上方向や下方向に供給する機構においても、水滴を除去する手段を適宜組合せても良い。なお、図２、図４で示すように排水用部材としてはバネのような形状を有する構造で、水の表面張力を利用するもの、或いは図示しないが水噴出用ノズル５を囲むように設置された吸引ノズルによるものなどが考えられる。
【００２４】
上記基板膜厚測定装置において、水噴出用ノズル５の先端から処理面２ａまでの距離が短ければ（即ち、水流４の長さが短ければ、実際には水噴出用ノズル５の内径の約１．５倍以内の場合や、実験では水噴出用ノズル５の内径７００μｍの場合、水流４の長さが３０ｍｍ以内の場合で行ったこともある）、水流４の直径は略一定であるから、処理面２ａ上の測定スポット３の大きさは、水噴出用ノズル５の先端及び照射用ファイバ７の先端と処理面２ａとの距離に依存せず決定されるので、厳密な間隔制御が不要になる。
【００２５】
図３は測定演算部９の構成を示す図である。この測定演算部９は基板１の薄膜２が酸化膜（例えば、酸化シリコン膜ＳｉＯ2）である場合の構成である。図３において、ハロゲン光源１０から発した光は、第１のレンズ１１を通って照射用ファイバ７に導かれ、該照射用ファイバ７の先端から水流４内（図１参照）を通って基板１の処理面（研磨面）２ａに照射される。該処理面（研磨面）２ａで反射された反射光は受光用ファイバ８を通って第２のレンズ１２に導かれ、該第２のレンズ１２から回折格子１３に導かれ分光される。分光された光は、ＣＣＤラインセンサ１４によって、光の波長に対する分光反射強度として検出され、Ａ／Ｄ変換器１５でデジタル信号に変換され、演算器１６に送られる。
【００２６】
なお、図１及び図２に示す基板膜厚測定装置では、水噴出用ノズル５内に照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の２本の光ファイバを挿入配置した例を示すが、図４に示すように、水噴出用ノズル５内に１本の照射／受光合成ファイバ３９を挿入配置するように構成してもよい。
【００２７】
図４において、４０はビームスプリッタであり、４１〜４３はレンズ、４４は照射用ファイバ、４５は受光用ファイバである。測定演算部９からの光は照射用ファイバ４４、レンズ４２、ビームスプリッタ４０、レンズ４１、照射／受光合成ファイバ３９、該水流４を通して基板１の測定スポット３内の測定面に照射される。測定面で反射された反射光は水流４、照射／受光合成ファイバ３９、レンズ４１、ビームスプリッタ４０、レンズ４３、受光用ファイバ４５を通って測定演算部９に導かれる。
【００２８】
膜厚測定に際しては、先ず、はじめに薄膜が形成されていない基板１の分光反射率比を求めておく。基板１の処理動作中は、ある決められた測定点を周期的に計測するように機械的に制御を行い、測定点の薄膜の分光反射率比を周期的に求める。
【００２９】
図５乃至図８は本発明の基板膜厚測定装置で膜厚測定演算する場合の処理フローを示す図である。図５において、被測定点（被測定膜の付いた部分）の分光反射強度から分光反射率比Ｓ（λ）を求める（図２１の曲線ａ参照）（ステップＳＴ１）と共に、被測定膜の付いていない部分の分光反射強度から分光反射率比Ｒ（λ）を求める（図２１の曲線ｂ参照）（ステップＳＴ２）。除算して膜の分光反射率比（＝測定プロファイル）Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を得る（図２１の曲線ｃ参照）（ステップＳＴ３）。ここでλは光の波長を示す。なお、図２１の曲線ａ、ｂは例えば入射光源にハロゲンランプを用いた時、反射光の波長のスペクトルが連続である場合を示している。
【００３０】
膜厚値Ｄを求めるために、膜厚の変数をｄとおき膜厚値が存在すると思われる範囲（ｄ１〜ｄ２）でｄを変化させる。先ずｄを初期化し（ｄ＝ｄ１）（ステップＳＴ４）、該当膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和の評価値Ｅｄを求め、評価関数Ｅ（ｄ）を得る（ステップＳＴ５）。最小計測単位Δｄを足し（ｄ＝ｄ＋Δｄ）（ステップＳＴ６）、続いてｄ≦ｄ２か否かを判断し（ステップＳＴ７）、ｄ≦ｄ２であったら前記ステップＳＴ５に戻って処理を繰返す。
【００３１】
また、ｄ≦ｄ２でなかったら、予めステップＳＴ８で求めておいた分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルを１とした場合（Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１）との差の２乗和の評価関数Ｅnew（ｄ）より、本来の膜厚に起因する信号分ＰＥ（ｄ）を抽出するため、ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を算出し（ステップＳＴ９）、評価関数の比率ＰＥ（ｄ）の最小値を与える膜厚ｄを膜厚値Ｄとする（図２２参照）（ステップＳＴ１０）。本実施形態の場合、膜厚値Ｄは図２２に示すように約４６０ｎｍである。実際は膜厚値Ｄは演算器１６により、特に図２２を作成することなく評価関数の比率ＰＥ（ｄ）の最小値を与えるｄを比較演算して自動的に求める。
【００３２】
図６は図５のステップＳＴ５の該当膜厚ｄにおける測定波長領域内（λ１〜λ２）での分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和から評価値Ｅｄを求め、評価関数Ｅ（ｄ）を得る処理フローを示す図である。先ず、波長λを測定波長域λ１〜λ２の範囲内で変化させる初期化（λ＝λ１、Ｅｄ＝０）を行う（ステップＳＴ１１）。
【００３３】
次に、以下の計算により評価値Ｅｄを求める（ステップＳＴ１２）。当該膜厚ｄにおける理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和を求める。
Ｅλ＝（Ｒmeas（λ）−Ｒcalc（λ））2
Ｅｄ＝Ｅｄ＋Ｅλ
【００３４】
理論値Ｒcalc（λ）は吸収係数を零とした場合、以下の式で計算できる。
Ｒcalc（λ）＝ｒ１2＋ｒ２2＋２×ｒ１×ｒ２×cosδ
但し、ｒ１＝（１−ｎ１）／（１＋ｎ１）、ｒ２＝（１−ｎｂ）／（１＋ｎｂ）、δ＝４πｎ１ｄ／λ、ｎ１：膜の屈折率、ｎｂ：基板の屈折率、ｄ：膜厚、λ：測定波長領域（λ１〜λ２）
【００３５】
次に、測定波長域方向の分解能Δλを足し（λ＝λ＋Δλ）（ステップＳＴ１３）、続いてλ≦λ２か否かを判断し（ステップＳＴ１４）、λ≦λ２であったら前記ステップＳＴ１２に戻り処理を繰返し、λ≦λ２でなかったら評価関数Ｅ（ｄ）に評価値Ｅｄを代入し（Ｅ（ｄ）＝Ｅｄ）（ステップＳＴ１５）、図５のステップＳＴ６に移行する。
【００３６】
図７は、図５のステップＳＴ８において、膜厚検索範囲内（ｄ１≦ｄ≦ｄ２）における分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価関数Ｅnew（ｄ）を求める処理フローを示す図である。図７において、ステップＳＴ２１〜ＳＴ２３では、被測定膜の付いている部分の分光反射率比Ｓ（λｅ）と、被測定膜の付いていない部分の分光反射率比Ｒ（λｅ）が等しいものとし、測定プロファイルを１（Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１）としている。
【００３７】
膜厚の変数ｄを膜厚の存在すると思われる範囲（ｄ１〜ｄ２）でｄを変化させる。先ず変数ｄを初期化する（ｄ＝ｄ１）（ステップＳＴ２４）。該当膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを求め、評価関数Ｅnew（ｄ）を得る（ステップＳＴ２５）。最小計測単位Δｄを足し（ｄ＝ｄ＋Δｄ）（ステップＳＴ２６）、続いてｄ≦ｄ２か否かを判断し（ステップＳＴ２７）、ｄ≦ｄ２ならば前記ステップＳＴ２５に戻って処理を繰返し、ｄ≦ｄ２でない場合、図５のステップＳＴ９に移行する（ＳＵＢ２関数を抜ける）。
【００３８】
図８は図７のステップＳＴ２５において、当該膜厚ｄにおける測定波長領域内（λ１〜λ２）内での分光反射率の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを求め、評価関数Ｅnew（ｄ）を得る処理フローを示す図である。先ず波長λｅを測定波長領域λ１〜λ２の範囲内で変化させる初期化（λｅ＝λ１、Ｅｎewｄ＝０）を行う（ステップＳＴ３１）。
【００３９】
該当膜厚ｄにおける理論値Ｒcalcと測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和を求める（ステップＳＴ３２）。
Ｅλ e＝（Ｒcalc（λｅ）−１）2
Ｅnewｄ＝Ｅnewｄ＋Ｅλ e
【００４０】
理論値Ｒcalc（λｅ）は吸収係数を零とした場合以下の式で計算できる。
Ｒcalc（λｅ）＝ｒ１2＋ｒ２2＋２×ｒ１×ｒ２×cosδ
但し、ｒ１＝（１−ｎ１）／（１＋ｎ１）、ｒ２＝（１−ｎｂ）／（１＋ｎｂ）、δ＝４πｎ１ｄ／λｅ、ｎ１：膜の屈折率、ｎｂ：基板の屈折率、ｄ：膜厚、λｅ：測定波長領域（λ１〜λ２）
【００４１】
測定波長域方向の分解能Δλを足し（λｅ＝λｅ＋Δλ）（ステップＳＴ３３）、λｅ≦λ２か否かを判断し（ステップＳＴ３４）、λｅ≦λ２の場合はステップＳＴ３２に戻り処理を繰返し、λｅ≦λ２でない場合、評価関数Ｅnew（ｄ）に、評価値Ｅnewｄを代入し（Ｅnew（ｄ）＝Ｅnewｄ）（ステップＳＴ３５）、図７のステップＳＴ２６に移行する（ＳＵＢ３を抜ける）。
【００４２】
図９は被測定膜が金属膜で処理状態を検出する場合の測定演算部９の構成を示す図である。図９において、ハロゲン光源１０から発した光は、第１のレンズ１１を通って照射用ファイバ７に導かれ、該照射用ファイバ７の先端から水流４内を通って基板１の測定面に照射される。該測定面で反射された反射光は受光用ファイバ８を通って第２のレンズ１２に導かれ、該第２のレンズ１２から光強度検出素子（例えば、フォトダイオード）１７に導かれ光強度として検出され、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル信号に変換され、演算器１６に送られる。
【００４３】
金属膜は膜厚が厚い場合、透過光がほとんどなく膜上で反射される光ばかりである。金属膜が処理により薄くなり、なくなる状態を検出する場合、分光反射率比を求めず単純に光強度情報から、処理終点を検出できる。また、金属膜の有無によって、分光反射率比が異なるならば、光強度情報のみではなく分光反射率比の変化情報で金属膜の有無を判断することも可能である。
【００４４】
図１０は本発明に係る基板膜厚測定装置の他の構成例を示す図である。図１０において、１は表面に薄膜２が形成された基板であり、５は該基板１の処理面２ａに水流を噴出する水噴出用ノズルであり、該水噴出用ノズル５の下端にはレンズ２０が水を封じるように水密状態に設けられている。加圧水流６を水噴出用ノズル５に供給しその先端から細い円柱状の水流４を基板１の処理面（測定面）２ａの所定の位置に当接させ、測定スポット３を形成する。
【００４５】
ハロゲン光源２１からの光をレンズ２２、ビームスプリッタ２３、レンズ２４を通して水噴出用ノズル５の下端に設けたレンズ２０に導く。該レンズ２０に導かれた光は水流４内を通って基板１の測定スポット３内の処理面（測定面）２ａに照射される。該処理面（測定面）２ａで反射された反射光は水流４内を通って、レンズ２０及びレンズ２４を通ってビームスプリッタ２３に導かれ、該ビームスプリッタ２３で分離され、レンズ２５を通して受光部２６に導かれる。この受光部２６は図３に示すように、回折格子１３、ＣＣＤラインセンサ１４、Ａ／Ｄ変換器１５及び演算器１６で構成するか、或いは図９に示すように、光強度検出素子１７、Ａ／Ｄ変換器１８及び演算器１６で構成する。
【００４６】
図１１及び１２は被研磨基板と研磨体の相対運動により被研磨基板の研磨面を研磨する研磨装置に本発明に係る基板膜厚測定装置を設け、研磨中の膜厚をリアルタイムで検出する場合の構成例を示す図である。図１１は一部断面側面図、図１２は図１１のＹ−Ｙ矢視図である。図１１及び図１２において、３０はターンテーブルであり、該ターンテーブル３０の上面には研磨布３１が貼り付けられている。３２はトップリングであり、研磨される被研磨基板３３は該トップリング３２の下面に装着され、トップリング３２と研磨布３１の間に所定の圧力で挟まれている。なお、３４はトップリング３２の下面外周部に装着され被研磨基板３３の飛び出しを防止するためのガイドリングである。
【００４７】
トップリング３２とターンテーブル３０はそれぞれ独立して回転しており、図示は省略するが、研磨布３１の上面には図示しない砥液供給ノズルから砥液が供給される。被研磨基板３３と研磨布３１の相対運動により、被研磨基板３３の研磨面（研磨布３１との当接面）は研磨される。
【００４８】
５は図１及び図２と同様の水噴出用ノズルであり、該水噴出用ノズル５には加圧水流パイプ３６が接続され、水噴出用ノズル５から噴出された水流４の水は水受皿３５で受けられ、排水パイプ３７で排出される。該水受皿３５の上端は研磨布３１の上面に開口しており、水噴出用ノズル５から噴出される水流４は被研磨基板３３の研磨面に図１及び図２と同じように測定スポット３を形成する。なお、図では水噴出用ノズル５を分り易くするため大きく描いているが、実際には微小なスポットを構築するために水噴出用ノズル５の径は小さい（０．４ｍｍ〜０．７ｍｍ）。
【００４９】
水噴出用ノズル５内には図１及び図２の場合と同様、照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の先端部が挿入されており、測定演算部９から照射用ファイバ７を通って水噴出用ノズル５内に導かれ、該水噴出用ノズル５から噴出される水流４を通って該水流４が当接する研磨面の測定スポット３内に投光される。そして該研磨面で反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。
【００５０】
測定演算部９は図３又は図９に示すように構成されており、該測定演算部９へ供給する電源、該測定演算部９からの出力信号はターンテーブル３０の回転駆動軸下端に設けた図示しない回転接続部を介して供給、伝送される。更に、出力信号は研磨装置の図示しない表示パネルに伝送され膜厚の測定状況を表示すると共に、研磨装置の制御部に伝送され、制御処理に用いられる。また、加圧水は回転駆動軸下端に取り付けられた図示しない回転接続機構を介して加圧水流パイプ３６に供給されるようになっている。
【００５１】
上記のように、研磨装置に基板膜厚測定装置を設けることにより、簡単な構成で研磨中の基板１の膜厚をリアルタイムで、且つ高精度で安定して測定できる。
【００５２】
図１３は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す一部断面側面図である。本研磨装置が図１１及び図１２に示す研磨装置と相違する点は、水噴出用ノズル５及び該水噴出用ノズル５から噴出される水を受ける水受皿３５をターンテーブル３０の外周近傍に配置し、ターンテーブル３０の外側で被研磨基板３３の研磨面膜厚を測定するように構成している点である。このように構成することにより、被研磨基板３３の膜厚を測定するとき研磨を一時的に中止し、或いは中止せず研磨の最中にトップリング３２下面の一部をターンテーブル３０上面よりはみ出させた状態で膜厚を測定することができる。
【００５３】
図１４は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す一部断面側面図である。本研磨装置が図１１及び図１３に示す研磨装置と異なる点は、ターンテーブル３０が図示しない非自転機構により自転せず、偏心量ｅの公転を行うように構成している点である。このように構成することにより、加圧水流パイプ３６への加圧水の供給は回転接続機構を介することなく直接供給できる。また、静止部に設けられた測定演算部９と水噴出用ノズル５の間に照射用ファイバ７と受光用ファイバ８を直接張り渡すことができる。
【００５４】
図１５乃至図１６は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す図で、図１５は一部側断面図、図１６は図１５のＹ−Ｙ矢視図である。本研磨装置は図１１及び図１２に示す研磨装置に基板膜厚測定スポットを半径上に複数個（図では３個）設置した場合を示している。本研磨装置が図１１及び図１２の研磨装置と異なる点は、水噴出用ノズル５、照射用ファイバ７、受光用ファイバ８が各々３組設けられ、複数スポットで研磨面膜厚を測定するように構成している点である。
【００５５】
図１５及び図１６の研磨装置において、測定演算部９は１つであり、各測定スポットの研磨面で反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。測定演算部９では複数点の演算結果を出力してもよいし、また平均値をとって１点の演算結果を出力してもよい。また、測定演算部９を測定スポットと１対１になるように構成して、即ち、膜厚測定装置を測定スポットの箇所と同数台設置し、研磨装置の制御部にて、各測定演算部９の出力結果を編集してもよい。
【００５６】
図１７は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す図である（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当する）。本研磨装置は図示するように、図１１及び図１２に示す研磨装置に基板膜厚測定スポットを同心円上に複数個（図では３個）設置している。このように構成することにより、ターンテーブル３０上の同一周回上で、該ターンテーブルが１回転する間に複数回膜厚を測定できるため、精度の高い膜厚測定が可能となる。
【００５７】
図１８は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す図である（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当する）。本研磨装置は図示するように、図１１及び図１２に示す研磨装置に基板膜厚測定スポットを放射状に複数個（図では放射方向に２個ずつ計６個）設置している。このような構成は、例えばターンテーブル３０上で複数のトップリングが作用して、同時に複数の基板を研磨する場合や、トップリング３２の揺動範囲、揺動速度とターンテーブル３０の回転速度の関係が所定の範囲を越える場合に採用される。このように基板膜厚測定スポットを複数設置できる理由は、本発明に係る基板膜厚測定スポットが、従来の膜厚測定装置に比べて大幅に小型化できるからである。
【００５８】
図１９は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す一部断面側面図である。図示するように、水受皿３５は水噴出用ノズル５の外周部に該水噴出用ノズル５及び水流４を囲むように設けられている。また、該水受皿３５はターンテーブル３０内部及び研磨布３１を貫通して形成された水受空間となっており、該水受空間の上部をトップリング３２に装着された被研磨基板３３で塞ぐことにより、水噴出用ノズル５内と該水受空間である水受皿３５内は外部から密封され且つ連通した状態となる。即ち、水噴出用ノズル５内と水受皿３５内は被研磨基板３３の被測定面を介して密封状態で連通している。
【００５９】
また、水噴出用ノズル５には送水パイプ７１の一端が接続され、該送水パイプ７１の他端は水タンク７３に接続されている。また、水受皿３５には排水パイプ３７が接続され、該排水パイプ３７には回転接続機構７４を介して排水ポンプ７５が接続されている。
【００６０】
排水ポンプ７５を運転し、排水パイプ３７内を減圧すると、上記のように水噴出用ノズル５内と水受皿３５内は被研磨基板３３の被測定面を介して密封状態で連通しているから、送水パイプ７１を通して水タンク７３から供給される水は水流を形成して、更に排水パイプ３７を通って排水されることになる。従って、図１１のように加圧水流パイプ３６を介して加圧ポンプ（図示せず）で加圧した水を水噴出用ノズル５に供給する必要がない。また、水受皿３５内に流れ込んだスラリー等の異物は排水パイプ３７を通って排出される。
【００６１】
なお、送水パイプ７１の上流側に加圧ポンプを設け、加圧水を供給すると共に、排水ポンプ７５で排水するようにしてもよい。また、上記のように水受皿３５に排水パイプ３７を接続し、該排水パイプ３７に排水ポンプ７５を設けることは、図１４に示すように、ターンテーブル３０が自転せず、偏心量ｅの公転を行う研磨装置で行ってもよい。
【００６２】
図２０は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す側断面図である。本研磨装置では、図示するように、ターンテーブル３０の回転中心部に穴又は透光用部材からなる窓８４を設け、光源８１から光Ｌを第１レンズ８２を介して平行光線Ｌ１とし、該平行光線Ｌ１をビームスプリッタ８３を介して窓８４に導き、更にミラー８５を介して第３レンズ８６に導き、更に照射／受光合成ファイバー８０及び水噴出用用ノズル５から噴出される水流４を通して、被研磨基板３３の膜厚を測定する被研磨面に照射するように構成されている。
【００６３】
上記被研磨面で反射された光を、水流４及び照射／受光合成ファイバー８０を通して第３レンズ８６に導き、更にミラー８５、窓８４、ビームスプリッタ８３及び第２レンズ８７を介して検出器８８に導き、該検出器８８で被研磨面の膜厚を測定するように構成している。
【００６４】
上記のようにターンテーブル３０の側に設けた光学系（ミラー８５、第３レンズ８６等）と、ターンテーブル３０の外側に設けた光学系（第１レンズ８２、ハーフミラー８３、第２レンズ８７等）との間で光の送受をターンテーブル３０の上面（回転軸３０ａの反対側）の回転中心部に設けた穴又は透光用部材からなる窓８４を介して行うので、ターンテーブル３０の外側に設けた光学系をターンテーブル３０の側に設けた光学系に同期させて回転させる必要がない。
【００６５】
例えば、ターンテーブル３０の側の光学系であるミラー８５をターンテーブル３０の回転中心から外れた位置に設けた場合、該ミラー８５はターンテーブル３０の回転に伴って回転するから、ビームスプリッタ８３との間で光の送受を行うためには、ビームスプリッタ８３を含むターンテーブル３０の外側に設けた光学系をミラー８５の回転に同期させて回転する必要がある。しかしここでは、ミラー８５をターンテーブル３０の回転中心部に設け、ビームスプリッタ８３と光の送受をターンテーブル３０の上面の回転中心部に設けた穴又は透光用部材からなる窓８４を通して行うので、ターンテーブル３０の外側に設けた光学系を回転させる必要がない。
【００６６】
また、ミラー８５とビームスプリッタ８３との光の送受は、平行光線Ｌ１を用いているので、回転による捻じれの問題はない。また、光を回転軸３０ａの中を通す構成でないので、光軸合わせの作業が容易になる。ターンテーブル３０には照射／受光合成ファイバ８０、第３レンズ８６及びミラー８５のみを設置すればよいので、ターンテーブル３０に大きな設置スペースを必要とせず、ターンテーブル３０の全体のバランスをとる必要もない。
【００６７】
また、窓８４が透光用の穴である場合、該穴にスラリー等の流入を防ぐため、窓８４の周囲に土手８９を設ける。また、土手８９に代え周囲にスラリー等が流れ込む溝を設けてもよい。また、窓８４として透光部材を設ける場合、該透光部材をターンテーブル３０の上面より突出させて配置することにより、スラリー等の流入を防止することもできる。
【００６８】
なお、上記基板膜厚測定装置において、水噴出用ノズル５より水を噴出して水流４を形成する例を示したが、水噴出用ノズル５より噴出する液体は水に限定されるものではなく、光を透過する透光液であればよく、即ち、水噴出用ノズル５から該透光液を噴出し、円柱状の透光液流を形成するようにしてもよい。また、水噴出用ノズル５は、専用に設ける必要がなく、例えば基板を洗浄するための洗浄水を噴出する洗浄水噴出ノズルを利用し、基板の測定面に当接する洗浄水流を通して光を照射し、該測定面で反射された反射光を該洗浄水流を通して測定演算部９へ導くようにしてもよい。
【００６９】
また、上記例では研磨装置として上面に研磨布３１を貼り付けたターンテーブル３０とトップリング３２を具備し、トップリング３２と研磨布３１の間に被研磨基板３３を挟み込み、被研磨基板３３と研磨布３１の相対運動で研磨する研磨装置を例に説明したが、研磨装置の構成はこれに限定されるものではなく、例えばターンテーブル３０の上面に砥石板を設け、砥石板と被研磨基板の相対運動で研磨面を研磨するように構成したものでも良い。要は被研磨基板と研磨体の相対運動により該被研磨基板の研磨面を研磨する研磨装置であればよく、このような構成の研磨装置に本発明に係る基板膜厚測定装置を設けると、研磨中の基板の膜厚をリアルタイムで、且つ高精度で安定的に測定できる。
【００７０】
図２３は本発明に係る基板膜厚測定装置を備えた基板洗浄装置の構成例を示す図である。図２３において、５１は半導体ウエハ等の基板であり、該基板５１には測定しようとする薄膜が形成されている。基板５１は複数の基板保持部材５３を具備する基板保持機構５２により、薄膜形成面を上にして保持され矢印Ａに示すように回転する。５５はペンシル型の洗浄具であり、回転軸５６を介してアーム５７に支持され、矢印Ｂに示すように回転する。洗浄具５５の先端にはスポンジ等の洗浄部材５８が取り付けられている。
【００７１】
また、５９は洗浄液ノズルであり、該洗浄液ノズル５９内には、図２４に示すように、照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１が挿入配置されている。また、該照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１は測定演算部６２に接続されている。アーム５７は支持軸６３を中心に矢印Ｃに示すように揺動し、且つ矢印Ｄに示すように上下動できるようになっている。
【００７２】
上記構成の基板洗浄装置において、洗浄液ノズル５９から透光性の洗浄液（主に水）を噴出し、回転する洗浄具５５をアーム５７で揺動させながら、基板５１の上面を所定の圧力で押圧し洗浄する。洗浄液ノズル５９から噴出された、洗浄液は基板上面に測定スポット６４を形成する。測定演算部６２から照射用ファイバ６０、洗浄液流６５を通して測定スポット６４の基板５１の薄膜面に光を照射し、反射した光を洗浄液流６５、受光用ファイバ６１を通して測定演算部６２に導く。これにより、測定演算部６２は洗浄中に基板５１に形成された薄膜の膜厚の測定（場合によっては膜の有無の検出）ができる。なお、図２４において、７０は洗浄液を送出する洗浄液ポンプである。
【００７３】
図２５は本発明に係る基板膜厚測定装置を備えた基板洗浄装置の構成例を示す図である。本洗浄装置は外周にスポンジ等の洗浄部材６７が取り付けられた回転するロール型の洗浄具６６を具備する。この回転するロール型の洗浄具６６を回転コマ６８を有する複数本のスピンドル６９で保持し、且つ矢印Ｅに示すように回転する基板５１に押し付け、洗浄液ノズル５９から洗浄液を噴出しながら、基板５１の上面を洗浄する。
【００７４】
洗浄液ノズル５９内には、図２４に示すように、照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１が挿入配置されている。また、該照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１は測定演算部６２に接続されている。洗浄液ノズル５９から噴出された、洗浄液は基板上面に測定スポット６４を形成する。測定演算部６２から照射用ファイバ６０、洗浄液流６５を通して測定スポット６４の基板５１の薄膜面に光を照射し、反射した光を洗浄液流６５、受光用ファイバ６１を通して測定演算部６２に導くことにより、図２３に示す基板洗浄装置と同様、基板５１の洗浄中に薄膜の膜厚の測定（場合によっては膜の有無の検出）ができる。
【００７５】
なお、図２３及び図２５の基板洗浄装置においては、図１及び図２に示すような構成の基板膜厚測定装置を設ける場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、図４、図１０に示す構成の基板膜厚測定装置でもよいことは当然である。
【００７６】
図２６は本発明に係る基板処理装置の構成例を示す図である。本基板処理装置はターンテーブル３０、トップリング３２を具備し、該ターンテーブル３０の上面に設けた研磨布３１にトップリング３２に保持した被研磨基板３３を押圧して研磨等の処理を行う基板処理装置である。光源９０からの光Ｌは第１レンズ９１を通って平行光線Ｌ１となり、ビームスプリッタ９２を通って、ターンテーブル３０の反回転軸側の回転中心部に設けた穴又は透光用部材からなる窓９３に入射する。該入射した平行光線Ｌ１は第１ミラー９４及び第２ミラー９５に反射され、更に第２レンズ９６及び窓９７を通って被研磨基板３３の研磨面に焦点を形成するように照射される。
【００７７】
被研磨基板３３の研磨面から反射された反射光は第２レンズ９６を通り、第２ミラー９５及び第１ミラー９４で反射され、更に窓９３、ビームスプリッタ９２を通ってＣＣＤカメラ９８に入射する。該ＣＣＤカメラ９８は入射された反射光を処理し、被研磨基板３３の研磨面を画像として取り込み、該研磨面上のパーティクル検出又は被研磨基板３３の割れ等の研磨面の状態をその場で観測する。
【００７８】
また、本発明に係る基板膜厚測定装置は、例えばＣＶＤ装置、めっき装置等の基板に膜を形成する装置、基板に形成された膜の研磨、除去等の処理を行う基板処理装置に備えることにより、基板に形成された膜厚の測定、膜の有無等の基板状態の検出或いは基板状態の観測も可能である。特に、これに基板処理装置において、基板に透光性の洗浄液や各種の処理液を噴出接液させる既存の処理液噴出接液手段が備わっている場合、これらの手段を利用して簡単に、且つ迅速に膜厚の測定或いは膜の有無等の検出・観測が可能になる。
【００７９】
【発明の効果】
以上、説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００８０】
請求項１又は４に記載の発明によれば、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成したので、透光液ノズルからの柱状の透光液流となって基板の被測定面に当接し、透光液受部を経由して排液管に流れるから、基板膜厚測定のための安定した柱状の透光液流を形成でき精度のよい膜厚測定ができる。同時に透光液受部に流れ込むスラリー等の異物は排出される。
【００８１】
請求項２又は５に記載の発明によれば、光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するので、高精度で膜厚を測定できる。
【００８２】
請求項３又は６に記載の発明によれば、処理中の基板の処理面に該膜厚基板測定方法の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するので、処理中の基板の処理面を何ら損傷させることなく、膜厚をリアルタイムで測定できる（ｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る基板膜厚測定装置の測定演算部の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図６】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図７】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図８】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図９】本発明に係る基板膜厚測定装置の測定演算部の構成例を示す図である。
【図１０】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図１１】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１２】図１１のＹ−Ｙ矢視を示す図である。
【図１３】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１４】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１５】 本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１６】図１５のＹ−Ｙ矢視図である。
【図１７】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当）である。
【図１８】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当）である。
【図１９】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図２０】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図２１】被測定膜がある部分とない部分の分光反射率比と被測定膜の分光反射率比を示す図である。
【図２２】膜厚に対する分光反射率比の理論値と実測値の評価関数を示す図である。
【図２３】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板洗浄装置の構成例を示す図である。
【図２４】図２３に示す基板洗浄装置の洗浄液ノズルの内部の構成を示す図である。
【図２５】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板洗浄装置の構成例を示す図である。
【図２６】本発明に係る基板処理装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜
３ 測定スポット
４ 水流
５ 水噴出用ノズル
６ 加圧水流
７ 照射用ファイバ
８ 受光用ファイバ
９ 測定演算部
１０ ハロゲン光源
１１ 第１のレンズ
１２ 第２のレンズ
１３ 回折格子
１４ ＣＣＤラインセンサ
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６ 演算器
１７ 光強度検出素子
１８ Ａ／Ｄ変換器
２０ レンズ
２１ ハロゲン光源
２２ レンズ
２３ ビームスプリッタ
２４ レンズ
２５ レンズ
２６ 受光部
３０ ターンテーブル
３１ 研磨布
３２ トップリング
３３ 被研磨基板
３４ ガイドリング
３５ 水受皿
３６ 加圧水流パイプ
３７ 排水パイプ
３８ 排水用部材
３９ 照射／受光合成ファイバ
４０ ビームスプリッタ
４１ レンズ
４２ レンズ
４３ レンズ
４４ 照射用ファイバ
４５ 受光用ファイバ
５１ 基板
５２ 基板保持機構
５３ 基板保持部材
５５ 洗浄具
５６ 回転軸
５７ アーム
５８ 洗浄部材
５９ 洗浄液ノズル
６０ 照射用ファイバ
６１ 受光用ファイバ
６２ 測定演算部
６３ 支持軸
６４ 測定スポット
６５ 洗浄液流
６６ 洗浄具
６７ 洗浄部材
６８ 回転コマ
６９ スピンドル
７０ 洗浄液ポンプ
７１ 送水パイプ
７２ 回転接続機構
７３ 水タンク
７４ 回転接続機構
７５ 排水ポンプ
８１ 光源
８２ 第１レンズ
８３ ビームスプリッタ
８４ 窓
８５ ミラー
８６ 第３レンズ
８７ 第２レンズ
８８ 検出器
８９ 土手
９０ 光源
９１ 第１レンズ
９２ ビームスプリッタ
９３ 窓
９４ 第１ミラー
９５ 第２ミラー
９６ 第２レンズ
９７ 窓
９８ ＣＣＤカメラ
【発明の属する技術分野】
本発明は基板の膜厚を測定する基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、該基板膜厚測定方法を用いる基板処理方法及び該基板膜厚測定装置を用いる基板処理装置に関し、特に処理中基板の処理面の膜厚状態をリアルタイムで連続的に検出するのに好適な基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、該基板膜厚測定方法を用いる基板処理方法及び該基板膜厚測定装置を用いる基板処理装置に関するものである。なお、本明細書中で膜厚測定とは、単に膜厚の測定のみではなく、例えば基板面上に形成された金属薄膜の有無等、基板状態の検出或いは基板状態の観測も含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の技術としては、特開平７−２５１３７１号公報に開示されたものがある。この技術は研磨中の被研磨基板の測定面にガラスファイバーを通してその先端から光を照射し、該測定面で反射された反射光を該ガラスファイバーを通して膜厚測定制御部に導くようにしたものである。
【０００３】
上記のようにガラスファイバーで照射光及び反射光を受光する方法は、研磨中の被研磨基板には水滴が付着しており、測定誤差を発生するという問題がある。また、ガラスファイバーの先端面と被測定面との間隔を厳格に制御する必要がある。
【０００４】
また、特開平１０−２６４０１７号公報に開示されている技術は、洗浄槽の洗浄液に被研磨基板を浸漬し、洗浄液中に光ファイバーの先端面を浸漬し、該先端面を直接被測定面に近づけ光を照射し、該被測定面からの反射光を該光ファイバーを通して膜厚検出装置に導くように構成したものである。
【０００５】
洗浄液中に光ファイバーの先端を浸漬する方法は、光ファイバーの先端面と被測定面との間隔制御が必要であると共に、装置が大規模なものとなるという欠点がある。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、構成が簡単で研磨等の処理中の基板の膜厚をリアルタイムで、且つ高精度で測定できる基板膜厚測定方法、基板膜厚測定装置、該基板膜厚測定方法を用いる基板処理方法及び該基板膜厚測定装置を用いた基板処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、透光液ノズルと該透光液ノズルの外周部に該透光液ノズルを囲むように配置された透光液受部を備え、透光液ノズルから基板の被測定面に柱状の透光液流を当接させると共に該透光液流を前記透光液受部で受けることにより、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成し、光学系により透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該透光液流を通して基板の被測定面で反射された反射光を該光学系で受光し、該受光した反射光強度から該被測定面の膜厚を測定することを特徴とする基板膜厚測定方法にある。
【０００８】
上記のように、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成した場合、透光液流は透光液ノズルから柱状の液流となって基板の被測定面に当接し、透光液受部を経由して排液管に流れるから、基板膜厚測定のための安定した柱状の透光液流を形成できる。同時に透光液受部に流れ込むスラリー等の異物は排出される。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板膜厚測定方法において、光学系は少なくとも１本の光ファイバーを具備し、該光ファイバーの先端部を前記透光液流に挿入し、該光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光することを特徴とする。
【００１０】
上記のように、光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するので、高精度で膜厚を測定できる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、基板の処理面に研磨処理を施す基板処理方法において、研磨処理中の基板の処理面の膜厚測定方法に、請求項１又は２に記載の基板膜厚測定方法を用い、処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定方法の透光液流を通して光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光することを特徴とする。
【００１２】
上記のように処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定方法の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するので、処理中の基板の処理面を何ら損傷させることなく、膜厚をリアルタイムで測定できる（ｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定）。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、透光液ノズルと、該透光液ノズルの外周部に該透光液ノズルを囲むように配置された該透光液を受ける透光液受部とを具備し、透光液ノズルから基板の被測定面に柱状の透光液流を当接させると共に該透光液流を前記透光液受部で受けることにより、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成し、透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該透光液流を通して基板の被測定面で反射された反射光を受光する光学系と、該光学系で受光した反射光強度から該被測定面の膜厚を測定する膜厚測定手段を備えたことを特徴とする基板膜厚測定装置にある。
【００１４】
上記のように、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成した場合、透光液流は透光液ノズルからの柱状の液流となって基板の被測定面に当接し、透光液受部を経由して排液管に流れるから、基板膜厚測定のための安定した柱状の液流を形成できる。同時に透光液受部に流れ込むスラリー等の異物は排出される。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の基板膜厚測定装置において、光学系は少なくとも１本の光ファイバーを具備し、該光ファイバーの先端部を透光液流に挿入し、該光ファイバー及び透光液を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記のように、光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するように構成するので、高精度で膜厚を測定できる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、処理中の基板の処理面の膜厚測定用に請求項４又は５に記載の基板膜厚測定装置を具備し、処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定装置の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
上記のように処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定装置の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するので、処理中の基板の処理面を何ら損傷させることなく、膜厚をリアルタイムで測定できる（ｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成を示す図である。図１において、１は表面に薄膜２が形成された基板であり、５は該基板１の処理面２ａに円柱状の水流を噴出し当接させる水噴出用ノズル５である。該水噴出用ノズル５内には照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の先端部が挿入配置されている。
【００２１】
上記構成の基板膜厚測定装置において、加圧水流６を水噴出用ノズル５に供給しその先端から細い円柱状の水流４を基板１の処理面２ａの所定の位置に当接させ、測定スポット３を形成する。この状態で、測定演算部９から照射用ファイバ７を通して、水流４内に光を送り、該光を該水流４を通して基板１の測定スポット３内の測定面に照射する。このときの水流４中の光軸と該測定面は略垂直であることが装置構成上好ましい。但し、場合によっては照射用ファイバからの光の該測定面からの反射光を受光用ファイバ８が受光可能な位置関係ならば水流４中に光軸を該測定面に対して斜めとする構成も可能である。
【００２２】
処理面（測定面）２ａで反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。該測定演算部９では反射光から薄膜２の膜厚を測定する。この時水噴出用ノズル５の内面は鏡面加工を施し、効率良く照射／反射光を照射用／受光用ファイバ７、８に導くように工夫がなされている。
【００２３】
また、時として、薄膜２と水流４が接する部分に水滴が溜まる場合があり、測定スポット３が乱れてしまう。そこで、図２に示すように、水噴出用ノズル５から薄膜２の測定スポット３に延びる螺旋状に巻回した排水用部材３８を設け、水滴を除去する工夫をするとよい。また、水流４を基板に対して斜めとした場合、及び水流４を上方向や下方向に供給する機構においても、水滴を除去する手段を適宜組合せても良い。なお、図２、図４で示すように排水用部材としてはバネのような形状を有する構造で、水の表面張力を利用するもの、或いは図示しないが水噴出用ノズル５を囲むように設置された吸引ノズルによるものなどが考えられる。
【００２４】
上記基板膜厚測定装置において、水噴出用ノズル５の先端から処理面２ａまでの距離が短ければ（即ち、水流４の長さが短ければ、実際には水噴出用ノズル５の内径の約１．５倍以内の場合や、実験では水噴出用ノズル５の内径７００μｍの場合、水流４の長さが３０ｍｍ以内の場合で行ったこともある）、水流４の直径は略一定であるから、処理面２ａ上の測定スポット３の大きさは、水噴出用ノズル５の先端及び照射用ファイバ７の先端と処理面２ａとの距離に依存せず決定されるので、厳密な間隔制御が不要になる。
【００２５】
図３は測定演算部９の構成を示す図である。この測定演算部９は基板１の薄膜２が酸化膜（例えば、酸化シリコン膜ＳｉＯ2）である場合の構成である。図３において、ハロゲン光源１０から発した光は、第１のレンズ１１を通って照射用ファイバ７に導かれ、該照射用ファイバ７の先端から水流４内（図１参照）を通って基板１の処理面（研磨面）２ａに照射される。該処理面（研磨面）２ａで反射された反射光は受光用ファイバ８を通って第２のレンズ１２に導かれ、該第２のレンズ１２から回折格子１３に導かれ分光される。分光された光は、ＣＣＤラインセンサ１４によって、光の波長に対する分光反射強度として検出され、Ａ／Ｄ変換器１５でデジタル信号に変換され、演算器１６に送られる。
【００２６】
なお、図１及び図２に示す基板膜厚測定装置では、水噴出用ノズル５内に照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の２本の光ファイバを挿入配置した例を示すが、図４に示すように、水噴出用ノズル５内に１本の照射／受光合成ファイバ３９を挿入配置するように構成してもよい。
【００２７】
図４において、４０はビームスプリッタであり、４１〜４３はレンズ、４４は照射用ファイバ、４５は受光用ファイバである。測定演算部９からの光は照射用ファイバ４４、レンズ４２、ビームスプリッタ４０、レンズ４１、照射／受光合成ファイバ３９、該水流４を通して基板１の測定スポット３内の測定面に照射される。測定面で反射された反射光は水流４、照射／受光合成ファイバ３９、レンズ４１、ビームスプリッタ４０、レンズ４３、受光用ファイバ４５を通って測定演算部９に導かれる。
【００２８】
膜厚測定に際しては、先ず、はじめに薄膜が形成されていない基板１の分光反射率比を求めておく。基板１の処理動作中は、ある決められた測定点を周期的に計測するように機械的に制御を行い、測定点の薄膜の分光反射率比を周期的に求める。
【００２９】
図５乃至図８は本発明の基板膜厚測定装置で膜厚測定演算する場合の処理フローを示す図である。図５において、被測定点（被測定膜の付いた部分）の分光反射強度から分光反射率比Ｓ（λ）を求める（図２１の曲線ａ参照）（ステップＳＴ１）と共に、被測定膜の付いていない部分の分光反射強度から分光反射率比Ｒ（λ）を求める（図２１の曲線ｂ参照）（ステップＳＴ２）。除算して膜の分光反射率比（＝測定プロファイル）Ｒmeas（λ）＝Ｓ（λ）／Ｒ（λ）を得る（図２１の曲線ｃ参照）（ステップＳＴ３）。ここでλは光の波長を示す。なお、図２１の曲線ａ、ｂは例えば入射光源にハロゲンランプを用いた時、反射光の波長のスペクトルが連続である場合を示している。
【００３０】
膜厚値Ｄを求めるために、膜厚の変数をｄとおき膜厚値が存在すると思われる範囲（ｄ１〜ｄ２）でｄを変化させる。先ずｄを初期化し（ｄ＝ｄ１）（ステップＳＴ４）、該当膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和の評価値Ｅｄを求め、評価関数Ｅ（ｄ）を得る（ステップＳＴ５）。最小計測単位Δｄを足し（ｄ＝ｄ＋Δｄ）（ステップＳＴ６）、続いてｄ≦ｄ２か否かを判断し（ステップＳＴ７）、ｄ≦ｄ２であったら前記ステップＳＴ５に戻って処理を繰返す。
【００３１】
また、ｄ≦ｄ２でなかったら、予めステップＳＴ８で求めておいた分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルを１とした場合（Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１）との差の２乗和の評価関数Ｅnew（ｄ）より、本来の膜厚に起因する信号分ＰＥ（ｄ）を抽出するため、ＰＥ（ｄ）＝Ｅ（ｄ）／Ｅnew（ｄ）を算出し（ステップＳＴ９）、評価関数の比率ＰＥ（ｄ）の最小値を与える膜厚ｄを膜厚値Ｄとする（図２２参照）（ステップＳＴ１０）。本実施形態の場合、膜厚値Ｄは図２２に示すように約４６０ｎｍである。実際は膜厚値Ｄは演算器１６により、特に図２２を作成することなく評価関数の比率ＰＥ（ｄ）の最小値を与えるｄを比較演算して自動的に求める。
【００３２】
図６は図５のステップＳＴ５の該当膜厚ｄにおける測定波長領域内（λ１〜λ２）での分光反射率比の理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和から評価値Ｅｄを求め、評価関数Ｅ（ｄ）を得る処理フローを示す図である。先ず、波長λを測定波長域λ１〜λ２の範囲内で変化させる初期化（λ＝λ１、Ｅｄ＝０）を行う（ステップＳＴ１１）。
【００３３】
次に、以下の計算により評価値Ｅｄを求める（ステップＳＴ１２）。当該膜厚ｄにおける理論値Ｒcalc（λ）と実測値Ｒmeas（λ）の差の２乗和を求める。
Ｅλ＝（Ｒmeas（λ）−Ｒcalc（λ））2
Ｅｄ＝Ｅｄ＋Ｅλ
【００３４】
理論値Ｒcalc（λ）は吸収係数を零とした場合、以下の式で計算できる。
Ｒcalc（λ）＝ｒ１2＋ｒ２2＋２×ｒ１×ｒ２×cosδ
但し、ｒ１＝（１−ｎ１）／（１＋ｎ１）、ｒ２＝（１−ｎｂ）／（１＋ｎｂ）、δ＝４πｎ１ｄ／λ、ｎ１：膜の屈折率、ｎｂ：基板の屈折率、ｄ：膜厚、λ：測定波長領域（λ１〜λ２）
【００３５】
次に、測定波長域方向の分解能Δλを足し（λ＝λ＋Δλ）（ステップＳＴ１３）、続いてλ≦λ２か否かを判断し（ステップＳＴ１４）、λ≦λ２であったら前記ステップＳＴ１２に戻り処理を繰返し、λ≦λ２でなかったら評価関数Ｅ（ｄ）に評価値Ｅｄを代入し（Ｅ（ｄ）＝Ｅｄ）（ステップＳＴ１５）、図５のステップＳＴ６に移行する。
【００３６】
図７は、図５のステップＳＴ８において、膜厚検索範囲内（ｄ１≦ｄ≦ｄ２）における分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価関数Ｅnew（ｄ）を求める処理フローを示す図である。図７において、ステップＳＴ２１〜ＳＴ２３では、被測定膜の付いている部分の分光反射率比Ｓ（λｅ）と、被測定膜の付いていない部分の分光反射率比Ｒ（λｅ）が等しいものとし、測定プロファイルを１（Ｓ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１）としている。
【００３７】
膜厚の変数ｄを膜厚の存在すると思われる範囲（ｄ１〜ｄ２）でｄを変化させる。先ず変数ｄを初期化する（ｄ＝ｄ１）（ステップＳＴ２４）。該当膜厚ｄにおける分光反射率比の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを求め、評価関数Ｅnew（ｄ）を得る（ステップＳＴ２５）。最小計測単位Δｄを足し（ｄ＝ｄ＋Δｄ）（ステップＳＴ２６）、続いてｄ≦ｄ２か否かを判断し（ステップＳＴ２７）、ｄ≦ｄ２ならば前記ステップＳＴ２５に戻って処理を繰返し、ｄ≦ｄ２でない場合、図５のステップＳＴ９に移行する（ＳＵＢ２関数を抜ける）。
【００３８】
図８は図７のステップＳＴ２５において、当該膜厚ｄにおける測定波長領域内（λ１〜λ２）内での分光反射率の理論値Ｒcalc（λｅ）と測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和の評価値Ｅnewｄを求め、評価関数Ｅnew（ｄ）を得る処理フローを示す図である。先ず波長λｅを測定波長領域λ１〜λ２の範囲内で変化させる初期化（λｅ＝λ１、Ｅｎewｄ＝０）を行う（ステップＳＴ３１）。
【００３９】
該当膜厚ｄにおける理論値Ｒcalcと測定プロファイルＳ（λｅ）／Ｒ（λｅ）＝１との差の２乗和を求める（ステップＳＴ３２）。
Ｅλ e＝（Ｒcalc（λｅ）−１）2
Ｅnewｄ＝Ｅnewｄ＋Ｅλ e
【００４０】
理論値Ｒcalc（λｅ）は吸収係数を零とした場合以下の式で計算できる。
Ｒcalc（λｅ）＝ｒ１2＋ｒ２2＋２×ｒ１×ｒ２×cosδ
但し、ｒ１＝（１−ｎ１）／（１＋ｎ１）、ｒ２＝（１−ｎｂ）／（１＋ｎｂ）、δ＝４πｎ１ｄ／λｅ、ｎ１：膜の屈折率、ｎｂ：基板の屈折率、ｄ：膜厚、λｅ：測定波長領域（λ１〜λ２）
【００４１】
測定波長域方向の分解能Δλを足し（λｅ＝λｅ＋Δλ）（ステップＳＴ３３）、λｅ≦λ２か否かを判断し（ステップＳＴ３４）、λｅ≦λ２の場合はステップＳＴ３２に戻り処理を繰返し、λｅ≦λ２でない場合、評価関数Ｅnew（ｄ）に、評価値Ｅnewｄを代入し（Ｅnew（ｄ）＝Ｅnewｄ）（ステップＳＴ３５）、図７のステップＳＴ２６に移行する（ＳＵＢ３を抜ける）。
【００４２】
図９は被測定膜が金属膜で処理状態を検出する場合の測定演算部９の構成を示す図である。図９において、ハロゲン光源１０から発した光は、第１のレンズ１１を通って照射用ファイバ７に導かれ、該照射用ファイバ７の先端から水流４内を通って基板１の測定面に照射される。該測定面で反射された反射光は受光用ファイバ８を通って第２のレンズ１２に導かれ、該第２のレンズ１２から光強度検出素子（例えば、フォトダイオード）１７に導かれ光強度として検出され、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル信号に変換され、演算器１６に送られる。
【００４３】
金属膜は膜厚が厚い場合、透過光がほとんどなく膜上で反射される光ばかりである。金属膜が処理により薄くなり、なくなる状態を検出する場合、分光反射率比を求めず単純に光強度情報から、処理終点を検出できる。また、金属膜の有無によって、分光反射率比が異なるならば、光強度情報のみではなく分光反射率比の変化情報で金属膜の有無を判断することも可能である。
【００４４】
図１０は本発明に係る基板膜厚測定装置の他の構成例を示す図である。図１０において、１は表面に薄膜２が形成された基板であり、５は該基板１の処理面２ａに水流を噴出する水噴出用ノズルであり、該水噴出用ノズル５の下端にはレンズ２０が水を封じるように水密状態に設けられている。加圧水流６を水噴出用ノズル５に供給しその先端から細い円柱状の水流４を基板１の処理面（測定面）２ａの所定の位置に当接させ、測定スポット３を形成する。
【００４５】
ハロゲン光源２１からの光をレンズ２２、ビームスプリッタ２３、レンズ２４を通して水噴出用ノズル５の下端に設けたレンズ２０に導く。該レンズ２０に導かれた光は水流４内を通って基板１の測定スポット３内の処理面（測定面）２ａに照射される。該処理面（測定面）２ａで反射された反射光は水流４内を通って、レンズ２０及びレンズ２４を通ってビームスプリッタ２３に導かれ、該ビームスプリッタ２３で分離され、レンズ２５を通して受光部２６に導かれる。この受光部２６は図３に示すように、回折格子１３、ＣＣＤラインセンサ１４、Ａ／Ｄ変換器１５及び演算器１６で構成するか、或いは図９に示すように、光強度検出素子１７、Ａ／Ｄ変換器１８及び演算器１６で構成する。
【００４６】
図１１及び１２は被研磨基板と研磨体の相対運動により被研磨基板の研磨面を研磨する研磨装置に本発明に係る基板膜厚測定装置を設け、研磨中の膜厚をリアルタイムで検出する場合の構成例を示す図である。図１１は一部断面側面図、図１２は図１１のＹ−Ｙ矢視図である。図１１及び図１２において、３０はターンテーブルであり、該ターンテーブル３０の上面には研磨布３１が貼り付けられている。３２はトップリングであり、研磨される被研磨基板３３は該トップリング３２の下面に装着され、トップリング３２と研磨布３１の間に所定の圧力で挟まれている。なお、３４はトップリング３２の下面外周部に装着され被研磨基板３３の飛び出しを防止するためのガイドリングである。
【００４７】
トップリング３２とターンテーブル３０はそれぞれ独立して回転しており、図示は省略するが、研磨布３１の上面には図示しない砥液供給ノズルから砥液が供給される。被研磨基板３３と研磨布３１の相対運動により、被研磨基板３３の研磨面（研磨布３１との当接面）は研磨される。
【００４８】
５は図１及び図２と同様の水噴出用ノズルであり、該水噴出用ノズル５には加圧水流パイプ３６が接続され、水噴出用ノズル５から噴出された水流４の水は水受皿３５で受けられ、排水パイプ３７で排出される。該水受皿３５の上端は研磨布３１の上面に開口しており、水噴出用ノズル５から噴出される水流４は被研磨基板３３の研磨面に図１及び図２と同じように測定スポット３を形成する。なお、図では水噴出用ノズル５を分り易くするため大きく描いているが、実際には微小なスポットを構築するために水噴出用ノズル５の径は小さい（０．４ｍｍ〜０．７ｍｍ）。
【００４９】
水噴出用ノズル５内には図１及び図２の場合と同様、照射用ファイバ７と受光用ファイバ８の先端部が挿入されており、測定演算部９から照射用ファイバ７を通って水噴出用ノズル５内に導かれ、該水噴出用ノズル５から噴出される水流４を通って該水流４が当接する研磨面の測定スポット３内に投光される。そして該研磨面で反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。
【００５０】
測定演算部９は図３又は図９に示すように構成されており、該測定演算部９へ供給する電源、該測定演算部９からの出力信号はターンテーブル３０の回転駆動軸下端に設けた図示しない回転接続部を介して供給、伝送される。更に、出力信号は研磨装置の図示しない表示パネルに伝送され膜厚の測定状況を表示すると共に、研磨装置の制御部に伝送され、制御処理に用いられる。また、加圧水は回転駆動軸下端に取り付けられた図示しない回転接続機構を介して加圧水流パイプ３６に供給されるようになっている。
【００５１】
上記のように、研磨装置に基板膜厚測定装置を設けることにより、簡単な構成で研磨中の基板１の膜厚をリアルタイムで、且つ高精度で安定して測定できる。
【００５２】
図１３は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す一部断面側面図である。本研磨装置が図１１及び図１２に示す研磨装置と相違する点は、水噴出用ノズル５及び該水噴出用ノズル５から噴出される水を受ける水受皿３５をターンテーブル３０の外周近傍に配置し、ターンテーブル３０の外側で被研磨基板３３の研磨面膜厚を測定するように構成している点である。このように構成することにより、被研磨基板３３の膜厚を測定するとき研磨を一時的に中止し、或いは中止せず研磨の最中にトップリング３２下面の一部をターンテーブル３０上面よりはみ出させた状態で膜厚を測定することができる。
【００５３】
図１４は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す一部断面側面図である。本研磨装置が図１１及び図１３に示す研磨装置と異なる点は、ターンテーブル３０が図示しない非自転機構により自転せず、偏心量ｅの公転を行うように構成している点である。このように構成することにより、加圧水流パイプ３６への加圧水の供給は回転接続機構を介することなく直接供給できる。また、静止部に設けられた測定演算部９と水噴出用ノズル５の間に照射用ファイバ７と受光用ファイバ８を直接張り渡すことができる。
【００５４】
図１５乃至図１６は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す図で、図１５は一部側断面図、図１６は図１５のＹ−Ｙ矢視図である。本研磨装置は図１１及び図１２に示す研磨装置に基板膜厚測定スポットを半径上に複数個（図では３個）設置した場合を示している。本研磨装置が図１１及び図１２の研磨装置と異なる点は、水噴出用ノズル５、照射用ファイバ７、受光用ファイバ８が各々３組設けられ、複数スポットで研磨面膜厚を測定するように構成している点である。
【００５５】
図１５及び図１６の研磨装置において、測定演算部９は１つであり、各測定スポットの研磨面で反射された反射光は水流４及び受光用ファイバ８を通って測定演算部９に導かれる。測定演算部９では複数点の演算結果を出力してもよいし、また平均値をとって１点の演算結果を出力してもよい。また、測定演算部９を測定スポットと１対１になるように構成して、即ち、膜厚測定装置を測定スポットの箇所と同数台設置し、研磨装置の制御部にて、各測定演算部９の出力結果を編集してもよい。
【００５６】
図１７は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す図である（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当する）。本研磨装置は図示するように、図１１及び図１２に示す研磨装置に基板膜厚測定スポットを同心円上に複数個（図では３個）設置している。このように構成することにより、ターンテーブル３０上の同一周回上で、該ターンテーブルが１回転する間に複数回膜厚を測定できるため、精度の高い膜厚測定が可能となる。
【００５７】
図１８は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す図である（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当する）。本研磨装置は図示するように、図１１及び図１２に示す研磨装置に基板膜厚測定スポットを放射状に複数個（図では放射方向に２個ずつ計６個）設置している。このような構成は、例えばターンテーブル３０上で複数のトップリングが作用して、同時に複数の基板を研磨する場合や、トップリング３２の揺動範囲、揺動速度とターンテーブル３０の回転速度の関係が所定の範囲を越える場合に採用される。このように基板膜厚測定スポットを複数設置できる理由は、本発明に係る基板膜厚測定スポットが、従来の膜厚測定装置に比べて大幅に小型化できるからである。
【００５８】
図１９は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す一部断面側面図である。図示するように、水受皿３５は水噴出用ノズル５の外周部に該水噴出用ノズル５及び水流４を囲むように設けられている。また、該水受皿３５はターンテーブル３０内部及び研磨布３１を貫通して形成された水受空間となっており、該水受空間の上部をトップリング３２に装着された被研磨基板３３で塞ぐことにより、水噴出用ノズル５内と該水受空間である水受皿３５内は外部から密封され且つ連通した状態となる。即ち、水噴出用ノズル５内と水受皿３５内は被研磨基板３３の被測定面を介して密封状態で連通している。
【００５９】
また、水噴出用ノズル５には送水パイプ７１の一端が接続され、該送水パイプ７１の他端は水タンク７３に接続されている。また、水受皿３５には排水パイプ３７が接続され、該排水パイプ３７には回転接続機構７４を介して排水ポンプ７５が接続されている。
【００６０】
排水ポンプ７５を運転し、排水パイプ３７内を減圧すると、上記のように水噴出用ノズル５内と水受皿３５内は被研磨基板３３の被測定面を介して密封状態で連通しているから、送水パイプ７１を通して水タンク７３から供給される水は水流を形成して、更に排水パイプ３７を通って排水されることになる。従って、図１１のように加圧水流パイプ３６を介して加圧ポンプ（図示せず）で加圧した水を水噴出用ノズル５に供給する必要がない。また、水受皿３５内に流れ込んだスラリー等の異物は排水パイプ３７を通って排出される。
【００６１】
なお、送水パイプ７１の上流側に加圧ポンプを設け、加圧水を供給すると共に、排水ポンプ７５で排水するようにしてもよい。また、上記のように水受皿３５に排水パイプ３７を接続し、該排水パイプ３７に排水ポンプ７５を設けることは、図１４に示すように、ターンテーブル３０が自転せず、偏心量ｅの公転を行う研磨装置で行ってもよい。
【００６２】
図２０は本発明に係る基板膜厚測定装置を設けた研磨装置の構成例を示す側断面図である。本研磨装置では、図示するように、ターンテーブル３０の回転中心部に穴又は透光用部材からなる窓８４を設け、光源８１から光Ｌを第１レンズ８２を介して平行光線Ｌ１とし、該平行光線Ｌ１をビームスプリッタ８３を介して窓８４に導き、更にミラー８５を介して第３レンズ８６に導き、更に照射／受光合成ファイバー８０及び水噴出用用ノズル５から噴出される水流４を通して、被研磨基板３３の膜厚を測定する被研磨面に照射するように構成されている。
【００６３】
上記被研磨面で反射された光を、水流４及び照射／受光合成ファイバー８０を通して第３レンズ８６に導き、更にミラー８５、窓８４、ビームスプリッタ８３及び第２レンズ８７を介して検出器８８に導き、該検出器８８で被研磨面の膜厚を測定するように構成している。
【００６４】
上記のようにターンテーブル３０の側に設けた光学系（ミラー８５、第３レンズ８６等）と、ターンテーブル３０の外側に設けた光学系（第１レンズ８２、ハーフミラー８３、第２レンズ８７等）との間で光の送受をターンテーブル３０の上面（回転軸３０ａの反対側）の回転中心部に設けた穴又は透光用部材からなる窓８４を介して行うので、ターンテーブル３０の外側に設けた光学系をターンテーブル３０の側に設けた光学系に同期させて回転させる必要がない。
【００６５】
例えば、ターンテーブル３０の側の光学系であるミラー８５をターンテーブル３０の回転中心から外れた位置に設けた場合、該ミラー８５はターンテーブル３０の回転に伴って回転するから、ビームスプリッタ８３との間で光の送受を行うためには、ビームスプリッタ８３を含むターンテーブル３０の外側に設けた光学系をミラー８５の回転に同期させて回転する必要がある。しかしここでは、ミラー８５をターンテーブル３０の回転中心部に設け、ビームスプリッタ８３と光の送受をターンテーブル３０の上面の回転中心部に設けた穴又は透光用部材からなる窓８４を通して行うので、ターンテーブル３０の外側に設けた光学系を回転させる必要がない。
【００６６】
また、ミラー８５とビームスプリッタ８３との光の送受は、平行光線Ｌ１を用いているので、回転による捻じれの問題はない。また、光を回転軸３０ａの中を通す構成でないので、光軸合わせの作業が容易になる。ターンテーブル３０には照射／受光合成ファイバ８０、第３レンズ８６及びミラー８５のみを設置すればよいので、ターンテーブル３０に大きな設置スペースを必要とせず、ターンテーブル３０の全体のバランスをとる必要もない。
【００６７】
また、窓８４が透光用の穴である場合、該穴にスラリー等の流入を防ぐため、窓８４の周囲に土手８９を設ける。また、土手８９に代え周囲にスラリー等が流れ込む溝を設けてもよい。また、窓８４として透光部材を設ける場合、該透光部材をターンテーブル３０の上面より突出させて配置することにより、スラリー等の流入を防止することもできる。
【００６８】
なお、上記基板膜厚測定装置において、水噴出用ノズル５より水を噴出して水流４を形成する例を示したが、水噴出用ノズル５より噴出する液体は水に限定されるものではなく、光を透過する透光液であればよく、即ち、水噴出用ノズル５から該透光液を噴出し、円柱状の透光液流を形成するようにしてもよい。また、水噴出用ノズル５は、専用に設ける必要がなく、例えば基板を洗浄するための洗浄水を噴出する洗浄水噴出ノズルを利用し、基板の測定面に当接する洗浄水流を通して光を照射し、該測定面で反射された反射光を該洗浄水流を通して測定演算部９へ導くようにしてもよい。
【００６９】
また、上記例では研磨装置として上面に研磨布３１を貼り付けたターンテーブル３０とトップリング３２を具備し、トップリング３２と研磨布３１の間に被研磨基板３３を挟み込み、被研磨基板３３と研磨布３１の相対運動で研磨する研磨装置を例に説明したが、研磨装置の構成はこれに限定されるものではなく、例えばターンテーブル３０の上面に砥石板を設け、砥石板と被研磨基板の相対運動で研磨面を研磨するように構成したものでも良い。要は被研磨基板と研磨体の相対運動により該被研磨基板の研磨面を研磨する研磨装置であればよく、このような構成の研磨装置に本発明に係る基板膜厚測定装置を設けると、研磨中の基板の膜厚をリアルタイムで、且つ高精度で安定的に測定できる。
【００７０】
図２３は本発明に係る基板膜厚測定装置を備えた基板洗浄装置の構成例を示す図である。図２３において、５１は半導体ウエハ等の基板であり、該基板５１には測定しようとする薄膜が形成されている。基板５１は複数の基板保持部材５３を具備する基板保持機構５２により、薄膜形成面を上にして保持され矢印Ａに示すように回転する。５５はペンシル型の洗浄具であり、回転軸５６を介してアーム５７に支持され、矢印Ｂに示すように回転する。洗浄具５５の先端にはスポンジ等の洗浄部材５８が取り付けられている。
【００７１】
また、５９は洗浄液ノズルであり、該洗浄液ノズル５９内には、図２４に示すように、照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１が挿入配置されている。また、該照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１は測定演算部６２に接続されている。アーム５７は支持軸６３を中心に矢印Ｃに示すように揺動し、且つ矢印Ｄに示すように上下動できるようになっている。
【００７２】
上記構成の基板洗浄装置において、洗浄液ノズル５９から透光性の洗浄液（主に水）を噴出し、回転する洗浄具５５をアーム５７で揺動させながら、基板５１の上面を所定の圧力で押圧し洗浄する。洗浄液ノズル５９から噴出された、洗浄液は基板上面に測定スポット６４を形成する。測定演算部６２から照射用ファイバ６０、洗浄液流６５を通して測定スポット６４の基板５１の薄膜面に光を照射し、反射した光を洗浄液流６５、受光用ファイバ６１を通して測定演算部６２に導く。これにより、測定演算部６２は洗浄中に基板５１に形成された薄膜の膜厚の測定（場合によっては膜の有無の検出）ができる。なお、図２４において、７０は洗浄液を送出する洗浄液ポンプである。
【００７３】
図２５は本発明に係る基板膜厚測定装置を備えた基板洗浄装置の構成例を示す図である。本洗浄装置は外周にスポンジ等の洗浄部材６７が取り付けられた回転するロール型の洗浄具６６を具備する。この回転するロール型の洗浄具６６を回転コマ６８を有する複数本のスピンドル６９で保持し、且つ矢印Ｅに示すように回転する基板５１に押し付け、洗浄液ノズル５９から洗浄液を噴出しながら、基板５１の上面を洗浄する。
【００７４】
洗浄液ノズル５９内には、図２４に示すように、照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１が挿入配置されている。また、該照射用ファイバ６０と受光用ファイバ６１は測定演算部６２に接続されている。洗浄液ノズル５９から噴出された、洗浄液は基板上面に測定スポット６４を形成する。測定演算部６２から照射用ファイバ６０、洗浄液流６５を通して測定スポット６４の基板５１の薄膜面に光を照射し、反射した光を洗浄液流６５、受光用ファイバ６１を通して測定演算部６２に導くことにより、図２３に示す基板洗浄装置と同様、基板５１の洗浄中に薄膜の膜厚の測定（場合によっては膜の有無の検出）ができる。
【００７５】
なお、図２３及び図２５の基板洗浄装置においては、図１及び図２に示すような構成の基板膜厚測定装置を設ける場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、図４、図１０に示す構成の基板膜厚測定装置でもよいことは当然である。
【００７６】
図２６は本発明に係る基板処理装置の構成例を示す図である。本基板処理装置はターンテーブル３０、トップリング３２を具備し、該ターンテーブル３０の上面に設けた研磨布３１にトップリング３２に保持した被研磨基板３３を押圧して研磨等の処理を行う基板処理装置である。光源９０からの光Ｌは第１レンズ９１を通って平行光線Ｌ１となり、ビームスプリッタ９２を通って、ターンテーブル３０の反回転軸側の回転中心部に設けた穴又は透光用部材からなる窓９３に入射する。該入射した平行光線Ｌ１は第１ミラー９４及び第２ミラー９５に反射され、更に第２レンズ９６及び窓９７を通って被研磨基板３３の研磨面に焦点を形成するように照射される。
【００７７】
被研磨基板３３の研磨面から反射された反射光は第２レンズ９６を通り、第２ミラー９５及び第１ミラー９４で反射され、更に窓９３、ビームスプリッタ９２を通ってＣＣＤカメラ９８に入射する。該ＣＣＤカメラ９８は入射された反射光を処理し、被研磨基板３３の研磨面を画像として取り込み、該研磨面上のパーティクル検出又は被研磨基板３３の割れ等の研磨面の状態をその場で観測する。
【００７８】
また、本発明に係る基板膜厚測定装置は、例えばＣＶＤ装置、めっき装置等の基板に膜を形成する装置、基板に形成された膜の研磨、除去等の処理を行う基板処理装置に備えることにより、基板に形成された膜厚の測定、膜の有無等の基板状態の検出或いは基板状態の観測も可能である。特に、これに基板処理装置において、基板に透光性の洗浄液や各種の処理液を噴出接液させる既存の処理液噴出接液手段が備わっている場合、これらの手段を利用して簡単に、且つ迅速に膜厚の測定或いは膜の有無等の検出・観測が可能になる。
【００７９】
【発明の効果】
以上、説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
【００８０】
請求項１又は４に記載の発明によれば、透光液ノズル内の透光液と透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成したので、透光液ノズルからの柱状の透光液流となって基板の被測定面に当接し、透光液受部を経由して排液管に流れるから、基板膜厚測定のための安定した柱状の透光液流を形成でき精度のよい膜厚測定ができる。同時に透光液受部に流れ込むスラリー等の異物は排出される。
【００８１】
請求項２又は５に記載の発明によれば、光ファイバー及び透光液流を通して基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するので、高精度で膜厚を測定できる。
【００８２】
請求項３又は６に記載の発明によれば、処理中の基板の処理面に該膜厚基板測定方法の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するので、処理中の基板の処理面を何ら損傷させることなく、膜厚をリアルタイムで測定できる（ｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚測定）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る基板膜厚測定装置の測定演算部の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図６】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図７】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図８】本発明に係る基板膜厚測定装置の膜厚演算処理フローを示す図である。
【図９】本発明に係る基板膜厚測定装置の測定演算部の構成例を示す図である。
【図１０】本発明に係る基板膜厚測定装置の概略構成例を示す図である。
【図１１】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１２】図１１のＹ−Ｙ矢視を示す図である。
【図１３】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１４】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１５】 本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図１６】図１５のＹ−Ｙ矢視図である。
【図１７】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当）である。
【図１８】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図（図１５のＹ−Ｙ矢視図に相当）である。
【図１９】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図２０】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板研磨装置の構成例を示す図である。
【図２１】被測定膜がある部分とない部分の分光反射率比と被測定膜の分光反射率比を示す図である。
【図２２】膜厚に対する分光反射率比の理論値と実測値の評価関数を示す図である。
【図２３】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板洗浄装置の構成例を示す図である。
【図２４】図２３に示す基板洗浄装置の洗浄液ノズルの内部の構成を示す図である。
【図２５】本発明に係る基板膜厚測定装置を装備する基板洗浄装置の構成例を示す図である。
【図２６】本発明に係る基板処理装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜
３ 測定スポット
４ 水流
５ 水噴出用ノズル
６ 加圧水流
７ 照射用ファイバ
８ 受光用ファイバ
９ 測定演算部
１０ ハロゲン光源
１１ 第１のレンズ
１２ 第２のレンズ
１３ 回折格子
１４ ＣＣＤラインセンサ
１５ Ａ／Ｄ変換器
１６ 演算器
１７ 光強度検出素子
１８ Ａ／Ｄ変換器
２０ レンズ
２１ ハロゲン光源
２２ レンズ
２３ ビームスプリッタ
２４ レンズ
２５ レンズ
２６ 受光部
３０ ターンテーブル
３１ 研磨布
３２ トップリング
３３ 被研磨基板
３４ ガイドリング
３５ 水受皿
３６ 加圧水流パイプ
３７ 排水パイプ
３８ 排水用部材
３９ 照射／受光合成ファイバ
４０ ビームスプリッタ
４１ レンズ
４２ レンズ
４３ レンズ
４４ 照射用ファイバ
４５ 受光用ファイバ
５１ 基板
５２ 基板保持機構
５３ 基板保持部材
５５ 洗浄具
５６ 回転軸
５７ アーム
５８ 洗浄部材
５９ 洗浄液ノズル
６０ 照射用ファイバ
６１ 受光用ファイバ
６２ 測定演算部
６３ 支持軸
６４ 測定スポット
６５ 洗浄液流
６６ 洗浄具
６７ 洗浄部材
６８ 回転コマ
６９ スピンドル
７０ 洗浄液ポンプ
７１ 送水パイプ
７２ 回転接続機構
７３ 水タンク
７４ 回転接続機構
７５ 排水ポンプ
８１ 光源
８２ 第１レンズ
８３ ビームスプリッタ
８４ 窓
８５ ミラー
８６ 第３レンズ
８７ 第２レンズ
８８ 検出器
８９ 土手
９０ 光源
９１ 第１レンズ
９２ ビームスプリッタ
９３ 窓
９４ 第１ミラー
９５ 第２ミラー
９６ 第２レンズ
９７ 窓
９８ ＣＣＤカメラ
Claims (6)
- 透光液ノズルと該透光液ノズルの外周部に該透光液ノズルを囲むように配置された透光液受部を備え、前記透光液ノズルから基板の被測定面に柱状の透光液流を当接させると共に該透光液流を前記透光液受部で受けることにより、前記透光液ノズル内の透光液と前記透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成し、
光学系により前記透光液流を通して前記基板の被測定面に光を照射すると共に、該透光液流を通して前記基板の被測定面で反射された反射光を該光学系で受光し、該受光した反射光強度から該被測定面の膜厚を測定することを特徴とする基板膜厚測定方法。 - 請求項１に記載の基板膜厚測定方法において、
前記光学系は少なくとも１本の光ファイバーを具備し、該光ファイバーの先端部を前記透光液流に挿入し、該光ファイバー及び透光液流を通して前記基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光することを特徴とする基板膜厚測定方法。 - 基板の処理面に研磨処理を施す基板処理方法において、
前記研磨処理中の基板の処理面の膜厚測定方法に、請求項１又は２に記載の基板膜厚測定方法を用い、処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定方法の透光液流を通して光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光することを特徴とする基板処理方法。 - 透光液ノズルと、該透光液ノズルの外周部に該透光液ノズルを囲むように配置された該透光液を受ける透光液受部とを具備し、前記透光液ノズルから基板の被測定面に柱状の透光液流を当接させると共に該透光液流を前記透光液受部で受けることにより、前記透光液ノズル内の透光液と前記透光液受部内の透光液とが連通し且つ外部から密封された状態の透光液流を形成し、
前記透光液流を通して前記基板の被測定面に光を照射すると共に、該透光液流を通して前記基板の被測定面で反射された反射光を受光する光学系と、該光学系で受光した反射光強度から該被測定面の膜厚を測定する膜厚測定手段を備えたことを特徴とする基板膜厚測定装置。 - 請求項４に記載の基板膜厚測定装置において、
前記光学系は少なくとも１本の光ファイバーを具備し、該光ファイバーの先端部を前記透光液流に挿入し、該光ファイバー及び透光液流を通して前記基板の被測定面に光を照射すると共に、該被測定面で反射される反射光を該透光液流及び光ファイバーを通して受光するように構成されていることを特徴とする基板膜厚測定装置。 - 基板の処理面に研磨処理を施す基板処理装置において、
前記処理中の基板の処理面の膜厚測定用に請求項４又は５に記載の基板膜厚測定装置を具備し、処理中の基板の処理面に該基板膜厚測定装置の透光液流を通して処理面に光を照射すると共に、該処理面で反射される反射光を該透光液流を通して受光するように構成したことを特徴とする基板処理装置。
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