測定装置
本発明は、半導体ウエハなどの基板の表面に形成された薄膜の厚みなどを測定する測定装置に関するものである。本発明の測定装置は、物質にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段（４０）と、マイクロ波照射手段（４０）にマイクロ波を供給するマイクロ波源（４５）と、物質から反射した、又は物質を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段（４７）と、検出手段（４７）により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて物質の構造を解析する解析手段（４８）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の厚さなどを測定する測定装置に係り、特に半導体ウエハなどの基板の表面に形成された薄膜の厚さなどを測定する測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化及び多層化の要求によって、半導体ウエハなどの基板の表面の平坦化が要求されている。即ち、配線の微細化によって、光リソグラフィに用いる光の波長としてより短いものを使用するようになり、このような短波長の光は基板上の焦点位置での許容される高低差がより小さくなる。したがって、焦点位置での高低差が小さいこと、即ち基板表面の高い平坦度が必要となってくる。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により半導体ウエハの表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。この化学機械研磨を行うＣＭＰ装置では、研磨対象となる半導体ウエハを研磨パッドに押圧し、研磨パッドの上面に研磨液を供給しながら半導体ウエハを研磨パッドに摺接することで研磨が行われる。
【０００３】
上記化学機械研磨においては、所定時間の研磨を行った後に所望の位置で研磨を終了する必要がある。例えば、ＣｕやＡｌなどの金属配線の上部にＳｉＯ２等の絶縁層（この後の工程で絶縁層の上に更に金属などの層を形成するため、このような絶縁層は層間膜と呼ばれる。）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと下層の金属膜が表面に露出してしまうので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。
【０００４】
また、半導体ウエハ上に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ（又はＣｕ合金）を充填した後に、表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して半導体ウエハからＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。即ち、配線用の溝部以外の箇所では、ＳｉＯ２などからなる絶縁膜（非金属膜）が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。
【０００５】
この場合において、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜と共に研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体ウエハ全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不十分で、Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。このような事情は、Ｃｕ層に限らず、Ａｌ層等の他の金属膜を形成し、この金属膜をＣＭＰプロセスで研磨する場合も同様である。
【０００６】
このため、従来から、光学式センサを有する測定装置を用いて、被研磨面に形成された絶縁層（絶縁膜）や金属層（金属膜）の膜厚を測定し、ＣＭＰプロセスの加工終点を検出することがなされている。この種の測定装置では、研磨中にレーザービームや白色光を半導体ウエハに照射し、半導体ウエハ上に成膜された絶縁膜や金属膜からの反射光を測定することで研磨工程の終点を検知する。また、他のタイプの測定装置では、研磨中に可視光線を半導体ウエハに照射し、半導体ウエハ上に成膜された絶縁膜や金属膜からの反射光を分光器で解析することで研磨工程の終点を検知する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した測定装置では、光源と半導体ウエハＷとの間に研磨パッドなどの障害物があると、光源から照射されるレーザービームや可視光線を半導体ウエハＷに到達させることができない。したがって、レーザービームや可視光線を透過させるための透過窓（通孔又は透明な窓）を研磨パッドに設ける必要がある。このため、研磨パッドの加工工程数が増え、消耗品としての研磨パッドのコストが高くなる。また、上記測定装置では、半導体ウエハからの反射光が不安定であり、正確な膜厚測定が難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、障害物に通孔などの透過窓を設けることなく、物質の厚さなどの構造を精度良く測定することができる測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、物質にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記物質から反射した、又は前記物質を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記物質の構造を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置である。
【００１０】
本発明の好ましい一態様は、前記解析手段は、前記物質の反射係数、定在波比、および表面インピーダンスの少なくとも１つを算出することを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記解析手段は、前記物質の厚さ、内部欠陥、誘電率、導電率、および透磁率の少なくとも１つを解析することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様は、基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、前記測定装置は、前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい一態様は、複数の前記マイクロ波照射手段を前記トップリングに埋設し、複数の前記マイクロ波照射手段のうちの１つを前記基板の中心部に対応する位置に配置し、他の前記マイクロ波照射手段を前記基板の中心部から半径方向において離間した位置に配置したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい一態様は、渦電流センサ、光学センサ、前記研磨パッドと前記基板との間の摩擦力を検知する摩擦検知センサ、及び、前記トップリング又は前記研磨テーブルのトルクを測定するトルクセンサの少なくとも１つを更に備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様は、基板の表面に膜を成膜するＣＶＤ装置において、内部に基板が配置される容器と、前記容器に原料ガスを供給するガス供給手段と、前記基板を加熱するヒータと、前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、前記測定装置は、前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様は、物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置である。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記解析装置は、前記物質の誘電率、導電率、透磁率、および屈折率を更に測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記物質は多層膜であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様は基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、前記基板の表面に形成された物質の厚さを測定する測定装置とを備え、前記測定装置は、物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の好ましい態様は、前記照射手段は前記研磨テーブル内に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記物質は多層膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、測定すべき物質とマイクロ波照射手段との間に障害物（例えば研磨パッド）が存在しても、マイクロ波はこの障害物を透過（貫通）して物質（例えば基板）に到達するので、障害物に通孔などの透過窓を設ける必要がない。したがって、障害物に透過窓を形成するための加工が不要となり、製作コストを低減することができる。また、本発明によれば、研磨液などの影響を受けることなく物質の厚さなどを良好に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の測定装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは本発明に係る測定装置の原理について説明するための図である。
図１Ａに示すように、被測定物である物質Ｓにマイクロ波（入射波Ｉ）を照射すると、物質Ｓの表面からマイクロ波が反射する。物質Ｓから反射したマイクロ波（以下、反射波Ｒという）は、物質Ｓの構造（厚さや物性など）に依存した振幅や位相を有している。したがって、反射波Ｒの振幅及び位相の少なくとも１つを検出することによって、物質Ｓの構造を解析することができる。ここで、物質の構造としては、物質の厚さ、空隙などの内部欠陥、誘電率、導電率、透磁率などが挙げられる。
【００２１】
例えば、研磨又はめっきなど工程に伴って物質Ｓの厚さが変化すると、この物質Ｓからの反射波Ｒの振幅は、物質Ｓの厚さに依存して変化する。したがって、物質Ｓからの反射波Ｒの振幅を検出することによって物質Ｓの厚さの変化が監視できる。この場合、物質Ｓの厚さと反射波Ｒの振幅との関係を予めデータとして保有しておけば、物質Ｓからの反射波Ｒの振幅を測定することによって物質Ｓの絶対的な厚さを測定することができる。
【００２２】
マイクロ波は電磁波の一種であり、ここでは、周波数帯域が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ、波長が１ｍ〜１ｍｍの電磁波をいう。反射波Ｒから読み取ることができる情報としては振幅及び位相があり、この振幅及び位相から反射係数（入射波Ｉに対する反射波Ｒの振幅の比）、物質の表面インピーダンス（物質の表面に依存したインピーダンス）、定在波比（伝送線路上の電圧の最大値と最小値との比）などの各種情報を得ることができる。また、入射波Ｉの周波数（ｆ）と反射波Ｒの周波数（ｆ±Δｆ）との間に変化が生じた場合、この周波数の変化量（Δｆ）は物質の厚さなどの構造に比例すると考えられるため、周波数の変化量を測定することによっても物質Ｓの構造を解析することができる。
【００２３】
次に、図１Ｂを参照して反射波の振幅と物質の厚さとの関係を説明する。図１Ｂは、異なる膜厚（ｔｈ１＜ｔｈ２＜ｔｈ３）を有する３つの多結晶シリコンにマイクロ波を照射し、それぞれの多結晶シリコンからの反射波の振幅を測定した結果を示すグラフ図である。なお、振幅を示す単位として電力（ｄｂｍ）を使用している。
【００２４】
図１Ｂから、多結晶シリコンの膜厚が薄い場合は振幅が小さく、多結晶シリコンの膜厚が厚い場合は振幅が大きくなることが分かる。このように、マイクロ波（反射波）の振幅と物質の厚さとの間にはほぼ一定の関係が成立するため、マイクロ波（反射波）の振幅を検出することによって物質の厚さを測定することができる。
【００２５】
物質Ｓに照射するマイクロ波は単一の周波数を有するものに限らず、異なる周波数を重畳させたマイクロ波でもよく、周波数可変手段を用いて周波数を時間的に変化させてもよい。マイクロ波の周波数は、物質Ｓの種類に応じて適宜選択することが好ましい。これによって、物質Ｓの構造を正確に検知することができる。さらに、マイクロ波は物質Ｓを透過（貫通）するので、反射波Ｒだけでなく、物質Ｓを透過したマイクロ波（以下、透過波Ｐという）によっても物質Ｓの構造を検知することができる。
【００２６】
マイクロ波を用いた測定装置の利点として次の点が挙げられる。
（１）マイクロ波の伝達媒体は空気でよい。
（２）非接触および非破壊で物質の特性を評価することができる。
（３）検知距離が長い（マイクロ波を用いた測定装置による検知距離が３５ｍｍであるのに対して、渦電流センサを用いた検知距離は最大で４ｍｍ）。ここで、検知距離とは、アンテナ（マイクロ波照射手段）と物質との間の距離をいい、要求される検知感度を考慮して適切な検知距離が決定される。
（４）アンテナと物質との間に障害物があっても、マイクロ波はこの障害物を透過（貫通）して物質に到達するので、障害物に通孔などを形成する必要がない。
（５）一般に、アンテナは小型であるので、測定装置をＣＭＰ装置などに容易に組み入れることができる。
（６）集束センサなどを用いて物質の微小領域にマイクロ波を集束することができるため、物質の厚さなどを精密に測定することができる。
【００２７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置（ＣＭＰ装置）について図２を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置を示す断面図である。
【００２８】
図２に示すように、研磨装置は、上面に研磨パッド１０が貼設された研磨テーブル２０と、被研磨物である半導体ウエハ（基板）Ｗを保持して研磨パッド１０の上面に押圧するトップリング３０とを備えている。研磨パッド１０の上面は、被研磨物である半導体ウエハＷと摺接する研磨面を構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。
【００２９】
研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ２１に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル２０の上方には研磨液供給ノズル２２が設置されており、この研磨液供給ノズル２２から研磨パッド１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００３０】
トップリング３０は、トップリングシャフト３１に連結されており、このトップリングシャフト３１を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによりトップリング３０は、矢印で示すように昇降可能且つトップリングシャフト３１回りに回転可能となっている。また、トップリング３０はその下面にポリウレタン等の弾性マット３２を備えており、この弾性マット３２の下面に、被研磨物である半導体ウエハＷが真空等によって吸着、保持される。なお、トップリング３０の下部外周部には、半導体ウエハＷの外れ止めを行うガイドリング３３が設けられている。
【００３１】
このような構成により、トップリング３０は自転しながら、その下面に保持した半導体ウエハＷを研磨パッド１０に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。そして、研磨パッド１０と半導体ウエハＷとの間に研磨液Ｑを存在させた状態で、半導体ウエハＷの被研磨面（下面）が平坦に研磨される。
【００３２】
研磨テーブル２０には、マイクロ波を半導体ウエハＷの被研磨面に向けて照射するアンテナ（マイクロ波照射手段）４０が埋設されている。このアンテナ４０は、トップリング３０に保持された半導体ウエハＷの中心位置に配置されており、導波管４１を介して本体部（ネットワークアナライザ）４２に接続されている。
【００３３】
図３は本発明の第1の実施形態に係る測定装置を示す概略図である。
図３に示すように、本発明に係る測定装置は、アンテナ４０と、導波管４１を介してアンテナ４０に接続される本体部４２とを備えている。なお、導波管４１は短い方が好ましく、アンテナ４０と本体部４２とを一体的に構成してもよい。本体部４２は、マイクロ波を生成してアンテナ４０にマイクロ波を供給するマイクロ波源４５と、マイクロ波源４５により生成されたマイクロ波（入射波）と半導体ウエハＷの被研磨面から反射したマイクロ波（反射波）とを分離させる分離器４６と、分離器４６により分離された反射波を受信して反射波の振幅及び位相を検出する検出部４７と、検出部４７により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて半導体ウエハＷの構造を解析する解析部４８とを備えている。なお、分離器４６としては、方向性結合器が好適に用いられる。
【００３４】
アンテナ４０は導波管４１を介して分離器４６に接続されている。マイクロ波源４５は分離器４６に接続され、マイクロ波源４５により生成されたマイクロ波は、分離器４６および導波管４１を介してアンテナ４０に供給される。マイクロ波はアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けて照射され、研磨パッド１０を透過（貫通）して半導体ウエハＷに到達する。半導体ウエハＷからの反射波は再び研磨パッド１０を透過した後、アンテナ４０により受信される。
【００３５】
反射波はアンテナ４０から導波管４１を介して分離器４６に送られ、分離器４６によって入射波と反射波とが分離される。分離器４６には検出部４７が接続されており、分離器４６により分離された反射波は検出部４７に送信される。検出部４７では反射波の振幅及び位相が検出される。反射波の振幅は電力（ｄｂｍ又はＷ）もしくは電圧（Ｖ）の値として検出され、反射波の位相は検出部４７に内蔵された図示しない位相計測器により検出される。なお、位相計測器を設けずに反射波の振幅のみを検出部で求めるようにしてもよく、また、反射波の位相のみを位相計測器で求めるようにしてもよい。
【００３６】
解析部４８では、検出部４７によって検出された反射波の振幅及び位相に基づいて半導体ウエハＷ上に成膜された金属膜や非金属膜などの膜厚が解析される。解析部４８には制御部５０が接続されており、解析部４８で得られた膜厚の値に基づいて研磨工程の終点が制御部５０によって検知される。
【００３７】
なお、マイクロ波のスポット径を集束させる集束センサをアンテナ４０に設けてもよい。これによって、アンテナ４０から照射されるマイクロ波を半導体ウエハＷ上の微小領域に照射することができる。また、アンテナ４０と半導体ウエハＷとの距離（検知距離）は、測定感度の観点から短い方が好ましいが、マイクロ波源４５の出力を上げることにより、測定感度を保ちつつ検知距離を長くすることもできる。
【００３８】
半導体ウエハＷに照射されるマイクロ波の周波数は、半導体ウエハＷ上に成膜された物質（金属膜又は非金属膜）の種類に応じて適宜選択することが好ましい。この場合、異なる周波数のマイクロ波を生成する複数のマイクロ波源を設け、物質の種類に応じて使用すべきマイクロ波源を切り替えるようにしてもよい。また、マイクロ波源４５に周波数可変手段を設けてマイクロ波の周波数を変化させるようにしてもよい。なお、周波数可変手段は、例えば、関数発生器を用いて周波数を変化させる構成とすることができる。
【００３９】
図４Ａは図２に示す研磨装置の概略平面図であり、図４Ｂは半導体ウエハの被研磨面を示す模式図である。図５Ａは半導体ウエハの被研磨面の各領域における膜厚の測定値の経時的変化を示すグラフ図であり、図５Ｂは膜厚の測定値の集束範囲を説明するための図である。
【００４０】
本実施形態では、図４Ｂ示すように、半導体ウエハＷの中心部を含む５つの領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５における膜厚が測定される。図４Ａに示すように、トップリング３０及び研磨テーブル２０は互いに独立して回転するため、半導体ウエハＷに対するアンテナ４０の位置が研磨工程中に変化する。このような場合でも、アンテナ４０は半導体ウエハＷの中心位置に配置されているため、このアンテナ４０は研磨テーブル２０の回転に伴って必ず半導体ウエハＷの特定の領域、すなわち半導体ウエハＷの中心部に位置する領域Ｚ３を通ることになる。したがって、半導体ウエハＷの定点（中心部の領域Ｚ３）における膜厚が監視され、正確な研磨レートを得ることができる。
【００４１】
図５Ａに示すように、各領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５における膜厚の測定値（膜厚値）Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５は、研磨工程が進むにつれて次第に集束する。また、図５Ｂに示すように、制御部５０（図２及び図３参照）には、領域Ｚ３における膜厚の測定値Ｍ３に対して所定の上限値Ｕ及び下限値Ｌが設定されている。そして、制御部５０は、領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５における膜厚の測定値が、上限値Ｕから下限値Ｌまでの範囲内に総て集束したときは、半導体ウエハＷの被研磨面全体が均一に研磨されたと判断するようになっている。このように、各領域における膜厚の測定値が所定の範囲内に集束した後に研磨工程を終了させることにより、平坦な被研磨面を確保することができる。なお、半導体ウエハＷ上の膜が所望の厚さとなった場合には、制御部５０により研磨工程が停止される。
【００４２】
ここで、研磨工程の経過時間に基づいて研磨工程の終点を決定することもできる。この例について図６を参照して説明する。図６は膜厚の経時的変化（研磨レート）を示すグラフ図である。
図６に示すように、研磨工程開始後、ある程度時間が経過すると、膜厚の変化が微小となる。制御部５０（図２及び図３参照）は膜厚の変化が微小となった時点（ｔ１）を検知して基準時間Ｔ１（ｔ０〜ｔ１）を設定する。さらに、基準時間Ｔ１に所定の係数を加算、減算、乗算、又は除算（四則演算）することにより補助時間Ｔ２（ｔ１〜ｔ２）を求める。そして、制御部５０は、基準時間Ｔ１に補助時間Ｔ２を加算した時間（Ｔ１＋Ｔ２）を経過した時（ｔ２）に、研磨工程を終了させる。
【００４３】
このようにすることで、研磨レートの変化が微小であるために加工終点の検知が困難な場合でも、基準時間Ｔ１および補助時間Ｔ２を求めることによって、研磨工程の終点を決定することができる。なお、上記係数は、金属膜や非金属膜の種類から決定されることが好ましい。
【００４４】
ここで、研磨テーブル２０に、研磨パッド１０の温度を調整する温度調整手段を設けることもできる。例えば、研磨テーブル２０の上面に流体流路を形成し、この流体流路に高温の流体又は低温の流体を供給するように構成してもよい。この場合、制御部５０は、測定装置の測定値に基づいて流体の供給を制御するようにすることが好ましい。このような構成によれば、研磨液Ｑと金属膜又は非金属膜との化学反応が促進又は抑制され、研磨レートを制御することができる。また、制御部５０は、測定装置の測定値に基づいて研磨テーブル２０及びトップリング３０の相対速度を制御するようにしてもよい。
【００４５】
また、研磨テーブル２０の上部に、研磨パッド１０と半導体ウエハＷとの間に生じる摩擦力を検出する応力センサ（摩擦検知センサ）を配置することが好ましい。或いは、トップリング３０又は研磨テーブル２０のトルクを測定するトルクセンサを設けることが好ましい。この場合、トルクセンサとしては、トップリング３０又は研磨テーブル２０を回転させるモータの電流を測定する電流センサが好適に用いられる。一般に、半導体ウエハＷの被研磨面が平坦に研磨されると、研磨パッド１０と半導体ウエハＷとの間に生じる摩擦力は小さくなる。したがって、応力センサやトルクセンサの出力値が所定の値以下にまで低下した後に制御部５０を介して研磨工程を終了させれば、半導体ウエハＷの被研磨面の平坦度を確保することができる。なお、本実施形態に係る測定装置に加えて、半導体ウエハに成膜された金属膜の膜厚を計測する渦電流センサ又は光学センサなどを設けてもよい。
【００４６】
図７Ａは第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置の他の構成例を示す断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すトップリングの拡大断面図である。なお、特に説明しない構成及び動作については、図２に示す研磨装置と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４７】
図７Ａに示す研磨装置においては、複数のアンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅがトップリング３０に設けられており、それぞれのアンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅからマイクロ波が半導体ウエハＷに向けて照射される。これらのアンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅは、本体部４２（図２参照）にそれぞれ接続されている。
【００４８】
図７Ｂに示すように、アンテナ４０Ｃは半導体ウエハＷの中心部に配置されている。アンテナ４０Ｂ，４０Ｄは、アンテナ４０Ｃ（半導体ウエハＷの中心）から半径方向に距離ｄだけ離間した位置にそれぞれ配置され、アンテナ４０Ａ，４０Ｅは、アンテナ４０Ｂ，４０Ｄから半径方向に距離ｄだけ離間した位置にそれぞれ配置されている。このように、アンテナ４０Ｂ，４０Ｄ及びアンテナ４０Ａ，４０Ｅは、半導体ウエハＷの半径方向において互いに異なる位置に配置されている。
【００４９】
図７Ａに示す研磨装置においても、各アンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅによって半導体ウエハＷの５つの領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５（図４Ｂ参照）における膜厚が測定される。なお、トップリング３０及び研磨テーブル２０の両方にアンテナを設けることもできる。この場合には、一方の側に配置されたアンテナから半導体ウエハＷに向けてマイクロ波を照射し、反対側に配置されたアンテナにより半導体ウエハＷを透過（貫通）したマイクロ波（透過波）を受信させる。そして、透過波の振幅及び位相を計測することで半導体ウエハＷ上の薄膜の膜厚を測定することができる。
【００５０】
アンテナの設置場所は、研磨テーブル２０やトップリング３０に限定されず、例えば、ガイドリング３３に設置することもできる。この場合、上記測定装置を、半導体ウエハＷのトップリング３０からの飛び出しを検知するセンサとして使用することもできる。また、研磨テーブル２０の径方向外側にアンテナを設置してもよい。この場合には、研磨工程中及び研磨工程後にトップリング３０の一部を研磨テーブル２０からはみ出させ（オーバーハングさせ）、アンテナから半導体ウエハＷの下面（被研磨面）にマイクロ波を照射する。
【００５１】
図８は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた電解研磨装置を示す断面図である。
図８に示すように、電解研磨装置は、上方に開口して内部に電解液１００を保持する電解槽１０１と、電解槽１０１の上方に配置され半導体ウエハＷを着脱自在に下向きに保持する基板保持部１０２とを有している。電解槽１０１は有底円筒状の形状を有している。
【００５２】
電解槽１０１は、モータ（図示せず）の駆動に伴って回転する軸部１０３に直結され、底部には、電解液１００中に浸漬されてカソードとなる平板状の陰極板（加工電極部）１０４が水平に配置されている。この陰極板１０４の上面には、不織布タイプの研磨具１０５が貼り付けられている。軸部１０３の回転に伴って電解槽１０１及び研磨具１０５は一体に回転するようになっている。
【００５３】
基板保持部１０２は、回転速度が制御可能な回転機構と研磨圧力が調整可能な上下動機構とを備えた支持ロッド１０７の下端に連結され、この下面に、例えば真空吸着方式で半導体ウエハＷを吸着保持するようになっている。
【００５４】
基板保持部１０２には、半導体ウエハＷの表面に形成された金属膜を陽極（アノード）にする電気接点（給電電極）１０８が設けられている。この電気接点１０８は、支持ロッド１０７に内蔵されたロール摺動コネクタ（図示せず）および配線１０９ａにより電源としての整流器１１０の陽極端子へ結線され、陰極板１０４は、配線１０９ｂを介して整流器１１０の陰極端子に結線される。電解槽１０１の上方に位置して、この内部に電解液１００を供給する電解液供給部１１１が配置されている。
【００５５】
基板保持部１０２には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの下面に形成された金属膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０により受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により金属膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて研磨レートの制御及び研磨加工の終点検知が行われる。なお、図８に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００５６】
この電解研磨装置における研磨動作について説明する。
電解液供給部１１１から電解槽１０１内に電解液１００を供給し、この電解液１００が電解槽１０１からオーバーフローする状態で電解槽１０１と研磨具１０５とを一体に回転させる。一方、Ｃｕ膜などの金属膜が形成された半導体ウエハＷを基板保持部１０２で下向きに吸着保持しておく。この状態で、半導体ウエハＷを電解槽１０１とは反対方向に回転させながら下降させ、この半導体ウエハＷの下面を、所定の圧力で研磨具１０５の表面に接触させ、同時に、整流器１１０により陰極板１０４と電気接点１０８との間に直流、又は、パルス電流を流す。これにより、半導体ウエハＷ上の金属膜は平坦化されながら研磨される。研磨工程中、金属膜の膜厚は測定装置により測定され、金属膜が所望の膜厚となったときに、制御部５０を介して研磨工程が停止される。
【００５７】
なお、図８に示す電解研磨装置は、触媒を用いた超純水電解研磨として用いることができる。この場合、電解液１００の代わりに超純水などの５００μＳ／ｃｍの液体を用い、研磨具１０５の代わりにイオン交換体を用いる。他の運転方法は、前述の電解研磨と同じである。
【００５８】
図９は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたドライエッチング装置を示す断面図である。このドライエッチング装置は、真空容器２００と、この真空容器２００内に所定のガスを供給するガス供給装置２０１と、真空ポンプ２０２と、高周波電源２０３に接続された電極２０５を備えている。これにより、真空容器２００内にガス供給装置２０１より所定のガスを導入しつつ、排気装置としての真空ポンプ２０２により排気を行い、真空容器２００内を所定の圧力に保ちながら、電極２０５に高周波電源２０３から高周波電力を供給し、真空容器２００内にプラズマを発生させることで、電極２０５上に載置された半導体ウエハＷに対してエッチング処理を行うように構成されている。
【００５９】
電極２０５の基台２０６には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの上面に形成された金属膜又は非金属膜などの薄膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０により受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により薄膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図９に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。また、本発明に係る測定装置は、ドライエッチング装置に限らず、ウエットエッチング装置などの他のエッチング装置にも用いることができる。
【００６０】
図１０は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えためっき装置を示す断面図である。
図１０に示すように、本実施形態におけるめっき装置は、上方に開口し内部にめっき液３０１を保持する円筒状のめっき槽３０２と、半導体ウエハＷを着脱自在に下向きに保持する基板テーブル３０４を有する上下動可能なヘッド部（基板保持部）３０６とを備えている。めっき槽３０２の上方は密閉カバー３０８で覆われており、これによってめっき液３０１の上方に密閉空間３１０が形成されている。この密閉空間３１０は密閉カバー３０８に取付けられた排気経路３１２を介して減圧手段としての真空ポンプ３１４に接続されており、該真空ポンプ３１４の駆動によって上記密閉空間３１０内を減圧することが可能となっている。
【００６１】
めっき槽３０２の内部に保持されためっき液３０１中には、水平に配置された平板状のアノード３２２が浸漬されている。半導体ウエハＷの下面（めっき面）には導電層が形成されており、この導電層はその周縁部にカソード電極との接点を有している。電解めっきにおいては、めっき液中のアノード（陽極電極）３２２と半導体ウエハＷの導電層（陰極電極）との間に所定の電圧を印加することにより、半導体ウエハＷの導電層の表面にめっき膜（金属膜）を形成している。
【００６２】
めっき槽３０２の底部中央には、上方に向けためっき液３０１の噴流を形成するためのめっき液供給手段としてのめっき液噴出管３３０が設けられている。このめっき液噴出管３３０はめっき液供給管３３１を介してめっき液調整タンク３３４に接続されており、このめっき液供給管３３１の途中に、二次側の圧力を調整する制御弁３３５が介装されている。この制御弁３３５を介してめっき液噴出管３３０からめっき槽３０２の内部に所定流量のめっき液３０１が噴出される。また、めっき槽３０２の上部外側には、めっき液受け３３２が配置されており、このめっき液受け３３２はめっき液戻り管３３６を介してめっき液調整タンク３３４に接続されている。めっき液戻り管３３６の途中にはバルブ３３７が介装されている。
【００６３】
めっき液噴出管３３０から噴出され、めっき槽３０２をオーバーフローしためっき液３０１は、めっき液受け３３２で回収され、めっき液戻り管３３６を介してめっき液調整タンク３３４に流入する。めっき液調整タンク３３４において、めっき液３０１の温度調整、各種成分の濃度計測と調整が行われた後、ポンプ３４０の駆動に伴って、めっき液調整タンク３３４からフィルタ３４１を通してめっき液３０１がめっき液噴出管３３０に供給される。
【００６４】
ヘッド部（基板保持部）３０６には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの下面に形成される金属膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０で受信された後、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により金属膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図１０に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００６５】
図１１は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＣＶＤ装置を示す断面図である。
図１１に示すように、ＣＶＤ装置は、容器４００と、この容器４００内に原料ガスを供給するガス供給ヘッド４０１と、容器４００に接続される排気装置としての真空ポンプ４０２と、半導体ウエハＷを加熱する加熱源４０３とを備えている。半導体ウエハＷは加熱源４０３の上面に載置されている。
【００６６】
容器４００内には、堆積物の原料としての原料ガスがガス供給ヘッド４０１から供給され、同時に、加熱源４０３により半導体ウエハＷが加熱される。これにより、原料ガスに励起エネルギーが付与され、半導体ウエハＷの上面に生成物（薄膜）が堆積する。生成物の堆積に伴って発生する副生成物は、真空ポンプ４０２により容器４００内から排気される。
【００６７】
加熱源４０３には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの上面に形成される薄膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０で受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により半導体ウエハＷに堆積した薄膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図１１に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００６８】
図１２は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＰＶＤ装置を示す断面図である。
図１２に示すように、ＰＶＤ装置（スパッタリング装置）は、容器５００と、この容器５００内に配置されるターゲット（陰極）５０１と、このターゲット５０１に対向して配置される基板保持部（陽極）５０２と、ターゲット５０１と基板保持部５０２との間に電圧を印加する電源５０３と、容器５００内にアルゴンガスを供給するガス供給装置５０４と、容器５００に接続される排気装置としての真空ポンプ５０５とを備えている。半導体ウエハＷは基板保持部５０２の上面に載置されている。
【００６９】
真空ポンプ５０５により容器５００内に高真空が形成され、同時に容器５００内にガス供給装置５０４からアルゴンガスが供給される。電源５０３によりターゲット５０１と基板保持部５０２との間に電圧が印加されると、電界によりアルゴンガスがプラズマ状態となる。アルゴンイオンは電界により加速されてターゲット５０１に衝突する。ターゲット５０１を構成する金属原子はアルゴンイオンによってたたき出され、ターゲット５０１に対向して配置される半導体ウエハＷに付着し、これにより、半導体ウエハＷ上に薄膜が形成される。
【００７０】
基板保持部５０２には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの上面に堆積した薄膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０により受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により半導体ウエハＷ上に堆積した薄膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図１２に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００７１】
次に、エリプソメトリを利用した本発明の第２の実施形態に係る測定方法及び測定装置について説明する。
エリプソメトリとは、被測定物からの反射波の偏波状態の変化を解析することにより、被測定物の厚さ、誘電率、透磁率、導電率、屈折率などを計測する方法である。この原理について図１３を参照して説明する。図１３に示すように、光線などの電磁波を被測定物Ｓに斜めに入射させると、電磁波は被測定物Ｓで反射し、入射波Ｉと反射波Ｒとを含む入射面が形成される。入射波Ｉとして直線偏波を用いた場合、この直線偏波の電界ベクトルＥは、入射面に平行なｐ成分（ｐ偏波）と入射面に垂直なｓ成分（ｓ偏波）とに分解することができる。直線偏波は被測定物Ｓに反射してｐ偏波とｓ偏波との間で振幅及び位相が変化し、その結果として直線偏波は図１３に示すような楕円偏波となる。この振幅及び位相の変化（偏波状態の変化）は被測定物Ｓの特性（構造）によって異なるため、偏波状態の変化を解析することによって被測定物Ｓの厚さや屈折率などを測定することができる。
【００７２】
このエリプソメトリを利用した測定装置の利点として、次の点が挙げられる。
（ｉ）被測定物は、金属、非金属であってもよく、被測定物の種類に応じて測定装置を代える必要がない。
（ii）上記測定装置を膜厚測定装置としてＣＭＰ装置に組み込む場合、研磨パッドに光路のための通孔を設ける必要がなく、研磨プロセスに影響を与えない。
（iii）直線偏波に振幅変調をかけることにより、計測速度を例えば１ｍｓｅｃにまで高速にすることができる。
（iv）発信源にレーザを使用しないので、測定装置のメンテナンスが容易になる。
【００７３】
次に、本実施形態に係る測定方法および測定装置について詳細に説明する。
被測定物に照射される電磁波としてはマイクロ波が用いられる。より好ましくは、周波数帯域が３０〜３００ＧＨｚ、波長が１０〜１ｍｍであるミリ波が用いられる。また、Ｓ／Ｎを高めるため、及び高速計測のために、振幅変調した電磁波を用いることが好ましい。本実施形態では、被測定物に照射される電磁波は直線偏波または円偏波であり、これらは被測定物に対して斜めに入射される。直線偏波の場合は、電界ベクトルの方向が入射面に垂直な面に対して右回りまたは左回りに４５度傾けられたものを用いる。
【００７４】
一般に、エリプソメトリ法では、反射波を受信する受信検出器（受信アンテナ及び検出器）をその軸心回りに例えば２度間隔で０度から３６０度まで回転させることで各方位（角度）における反射波（楕円偏波）の振幅及び位相を検出する。しかしながら、この方法では、計測時間が長くなるという問題がある。そこで、本実施形態では、受信検出器を２つ用い、受信方位を０度及び４５度に固定する。受信アンテナは偏波依存性の高いものが使用され、０度方位及び４５度方位にある楕円偏波の直線偏波成分が２つの受信アンテナによって受信される。そして、以下の計算式によって反射波（楕円偏波）のｐ偏波の反射係数とｓ偏波の反射係数との比を算出する。
【００７５】
ｐ偏波の反射係数Ｒｐ＝|Ｒｐ|・ｅｘｐ（ｊ・φｐ）・・・（１）
ｓ偏波の反射係数Ｒｓ＝|Ｒｓ|・ｅｘｐ（ｊ・φｓ）・・・（２）
ｐ偏波の反射係数ＲｐとＳ偏波の反射係数Ｒｓとの比は次の式で定義される。
ＲＰ／ＲＳ＝|ＲＰ／ＲＳ|・ｅｘｐ（ｊ・（φＰ−φＳ））・・・（３）
≡ｔａｎΨ・ｅｘｐ（ｊΔ）
ｔａｎΨ：振幅比 Δ：位相差
【００７６】
このように、ｐ偏波の反射係数とｓ偏波の反射係数との比ＲＰ／ＲＳはΨ（プサイ）及びΔ（デルタ）によって表すことができる。そして、Ψ及びΔは入射角や被測定物の厚さなどによって決定されるので、Ψ及びΔを測定すれば、逆推定により被測定物の厚さ、誘電率、透磁率、導電率、屈折率などを求めることができる。
【００７７】
次に、本実施形態に係る測定装置について図１４を参照して説明する。図１４は本発明の第２の実施形態に係る測定装置を示す概略図である。なお、本実施形態は、測定装置をＣＭＰ装置に組み込んだ例を示すものであり、特に説明しないＣＭＰ装置の構成及び動作は図２に示す研磨装置と同様である。
【００７８】
図１４に示すように、測定装置は、ミリ波を発生させるミリ波源６０と、ミリ波の振幅を変調させる振幅変調器６１と、ミリ波源６０で発生したミリ波を直線偏波に変換する偏波器６２と、直線偏波を半導体ウエハＷに照射する送信アンテナ（照射手段）６３と、半導体ウエハＷから反射した楕円偏波を受信する２個の受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂと、２個の受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂにそれぞれ接続される２つの検出器６５Ａ，６５Ｂと、検出器６５Ａ，６５Ｂからの信号を増幅させるプリアンプ６６と、ノイズを含む信号から所定の信号を検出するロックインアンプ６７と、ロータリジョイント７０と、検出信号を解析して半導体ウエハＷの膜厚などを求める解析装置７１とを備えている。
【００７９】
送信アンテナ６３は研磨テーブル２０の中に配置されており、トップリング３０に保持された半導体ウエハＷの中心部に近接して配置されている。直線偏波（ミリ波）は送信アンテナ６３から研磨パッド１０上の半導体ウエハＷに向けて斜めに照射される。直線偏波は研磨パッド１０に斜めに入射し、研磨パッド１０を通過して半導体ウエハＷに到達する。被測定物は、研磨パッド１０と、半導体ウエハＷの下面に形成された多層薄膜である。測定対象となる薄膜としては、例えば、絶縁膜（ＳｉＯ２，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、金属膜（Ｃｕ，Ｗ（タングステン））、バリヤ膜（Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ）などが挙げられる。
【００８０】
ミリ波源６０としては、Ｇｕｎｎ発振器、またはＧｕｎｎ発振器とマルチプライヤとを組み合わせたものが用いられる。あるいは、ミリ波源６０としてマイクロ波発振器とマルチプライヤとを組み合わせたものを用いてもよい。偏波器６２としては、偏波依存性を持つ導波管を使用する。被測定物に照射する直線偏波の指向性を高めるために、送信アンテナ６３としてピラミダルホーンアンテナを用いることが好ましい。直線偏波に代えて円偏波を用いる場合には、受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂとしてコニカルホーンアンテナを用いる。検出器６５Ａ，６５Ｂとしては、ショットキー・バリヤー・ビーム・リード・ダイオードを用いたものや、ミキサーとショットキー・バリヤー・ビーム・リード・ダイオードとの組み合わせたものを用いる。
【００８１】
入射波と反射波とを含む入射面に対して垂直な方向をＸ軸とすると、半導体ウエハＷに照射されるミリ波は、その電界ベクトルの方向が進行方向に垂直な面内でＸ軸に対して右回りまたは左回りに４５度傾いている直線偏波である。なお、半導体ウエハＷに照射されるミリ波として円偏波を用いてもよい。この場合は、上述した偏波器６２に代えて円偏波器が用いられる。
【００８２】
直線偏波は１個の送信アンテナ６３から半導体ウエハＷに斜めに照射され、その表面および多層薄膜の各界面で反射する。半導体ウエハＷからの反射波は２個の受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂによって受信される。この受信アンテナ６４Ａ，６４ＢはＸ軸に対して方位角０度，４５度にそれぞれ傾けられ、方位角０度，４５度における楕円偏波の直線偏波成分が各検出器６５Ａ，６５Ｂによって検出される。このように受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂ及び検出器６５Ａ，６５Ｂをそれぞれ２つ用いることで、ｐ偏波の振幅とｓ偏波の振幅との比Ψ、及びｐ偏波とｓ偏波との間の位相差Δを研磨中に同時に検出することができる。検出された信号は、プリアンプ６６、ロックインアンプ６７、及びロータリジョイント７０を経由して解析装置７１に送られる。そして、解析装置７１によってΨ及びΔの値に基づいてニュートン法などを用いて半導体ウエハＷ上の膜厚が求められ、膜厚と相関関係がある指標を用いて研磨工程の終点を求める。
【００８３】
このように、ｐ偏波の振幅とｓ偏波の振幅との比Ψ、及びｐ偏波とｓ偏波との間の位相差Δを同時に測定することで、研磨パッド１０の減少量や研磨によるウエハ上の酸化膜や金属膜などの薄膜の厚みの減少量を求めることができる。また、位置が固定された２つの受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂを用いることで、Ψ及びΔの両パラメータの検出精度を上げることができる。なお、４つの受信アンテナを方位角９０度、４５度、０度、−４５度にそれぞれ傾けた状態で配置してもよい。この場合も、それぞれの受信アンテナに４つの検出器を接続する。これら４つの受信アンテナ及び４つの検出器を備えることで、差動検出により同相成分（ノイズを含む）を除去できるため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、差動出力を和信号で割り算することにより、電磁波強度の変動や半導体ウエハＷの反射率の変動を相殺することができる。
【００８４】
上述したように、被測定物からの反射波の偏波状態を解析することで、ドレッシング（コンディショニング）による研磨パッド１０の厚みの変化や、誘電体である酸化膜の厚みの変化、金属膜の厚みの変化を研磨中に測定することができる。本実施形態では、研磨パッドも被測定物の一つであるが、研磨パッドはウレタン発泡体であるのでミリ波は研磨パッドを透過することができる。したがって、研磨パッド越しの多層薄膜の厚さを測定することができる。本実施形態の測定装置の被測定対象物は、絶縁膜（ＳｉＯ２，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、金属膜（Ｃｕ，Ｗ（タングステン））、バリヤ膜（Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ）などである。例えば、周波数１００ＧＨｚのミリ波を用いる場合、以下の式により厚さが２２５ｎｍ以下Ｃｕ膜の厚さが測定可能である。
【数１】
μ：透磁率 σ：導電率
【００８５】
従来の光学式の測定装置は、Ｃｕ膜の厚さが３０ｎｍ以下であれば測定することができる。しかしながら、半導体製造工程が進むにつれて多層膜の厚さが厚くなる。したがって、研磨工程を制御するためには、膜厚が厚くなった場合であってもこの膜厚を測定することが必要となる。かかる観点からも、本実施形態の測定装置は従来の光学式の測定装置よりも優位性を持っている。
【００８６】
このように、本発明に係る測定装置は、研磨装置のみならず、半導体ウエハの表面に金属膜や非金属膜を形成するめっき装置、ＣＶＤ装置、ＰＶＤ装置などにも用いることができる。
【００８７】
本発明によれば、従来にはなかった全く新しい手法により、物質の構造を測定することが可能となる。特に、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｗなどの金属膜、ＳｉＯＣなどのバリヤ下膜、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮなどのバリヤ膜、ＳｉＯ２などの酸化膜、多結晶シリコン、ＢＰＳＧ膜（boro phospho silicate glass）、又はＴＥＯＳ膜（tetra ethoxy silane）などの膜厚を測定することができる。また、研磨加工終点を正確に測定しつつ研磨が行える（in-situ）ので、研磨工程を一旦停止して膜厚を測定する従来の方法（ex-situ）に比べてトータルのプロセス工数を短縮することができる。また、シャロートレンチ（ＳＴＩ）、層間絶縁膜（ＩＬＤ、ＩＭＤ）、Ｃｕ、Ｗ等が成膜された基板に対して研磨を行うＣＭＰ装置やこれらを成膜するめっき装置、ＣＶＤ装置において、すべてのプロセスに対してプロセス終点を検出することが可能となる。
【００８８】
以上説明したように、本発明によれば、測定すべき物質とマイクロ波照射手段との間に障害物（例えば研磨パッド）が存在しても、マイクロ波はこの障害物を透過（貫通）して物質（例えば基板）に到達するので、障害物に通孔などの透過窓を設ける必要がない。したがって、障害物に透過窓を形成するための加工が不要となり、製作コストを低減することができる。また、本発明によれば、研磨液などの影響を受けることなく物質の厚さなどを良好に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、半導体ウエハなどの基板の表面に形成された薄膜の厚みなどを測定する測定装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１Ａは本発明に係る測定装置の原理について説明するための図であり、図１Ｂは反射波の振幅と膜厚との関係を説明するためのグラフ図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す概略図である。
【図４】図４Ａは図２に示す研磨装置の概略平面図であり、図４Ｂは半導体ウエハの被研磨面を示す模式図である。
【図５】図５Ａは半導体ウエハの被研磨面の各領域における膜厚の測定値の経時的変化を示すグラフ図であり、図５Ｂは膜厚の測定値の集束範囲を説明するための図である。
【図６】膜厚の経時的変化（研磨レート）を示すグラフ図である。
【図７】図７Ａは本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置の他の構成例を示す断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すトップリングの拡大断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた電解研磨装置を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたドライエッチング装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えためっき装置を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＣＶＤ装置を示す断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＰＶＤ装置を示す断面図である。
【図１３】エリプソメトリの原理を説明するための図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置を示す概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の厚さなどを測定する測定装置に係り、特に半導体ウエハなどの基板の表面に形成された薄膜の厚さなどを測定する測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化及び多層化の要求によって、半導体ウエハなどの基板の表面の平坦化が要求されている。即ち、配線の微細化によって、光リソグラフィに用いる光の波長としてより短いものを使用するようになり、このような短波長の光は基板上の焦点位置での許容される高低差がより小さくなる。したがって、焦点位置での高低差が小さいこと、即ち基板表面の高い平坦度が必要となってくる。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により半導体ウエハの表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。この化学機械研磨を行うＣＭＰ装置では、研磨対象となる半導体ウエハを研磨パッドに押圧し、研磨パッドの上面に研磨液を供給しながら半導体ウエハを研磨パッドに摺接することで研磨が行われる。
【０００３】
上記化学機械研磨においては、所定時間の研磨を行った後に所望の位置で研磨を終了する必要がある。例えば、ＣｕやＡｌなどの金属配線の上部にＳｉＯ２等の絶縁層（この後の工程で絶縁層の上に更に金属などの層を形成するため、このような絶縁層は層間膜と呼ばれる。）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと下層の金属膜が表面に露出してしまうので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。
【０００４】
また、半導体ウエハ上に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕ（又はＣｕ合金）を充填した後に、表面の不要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して半導体ウエハからＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。即ち、配線用の溝部以外の箇所では、ＳｉＯ２などからなる絶縁膜（非金属膜）が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。
【０００５】
この場合において、過剰研磨となって、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁膜と共に研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体ウエハ全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。逆に、研磨が不十分で、Ｃｕ層が絶縁膜上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こり、その結果、再研磨が必要となり、製造コストが増大する。このような事情は、Ｃｕ層に限らず、Ａｌ層等の他の金属膜を形成し、この金属膜をＣＭＰプロセスで研磨する場合も同様である。
【０００６】
このため、従来から、光学式センサを有する測定装置を用いて、被研磨面に形成された絶縁層（絶縁膜）や金属層（金属膜）の膜厚を測定し、ＣＭＰプロセスの加工終点を検出することがなされている。この種の測定装置では、研磨中にレーザービームや白色光を半導体ウエハに照射し、半導体ウエハ上に成膜された絶縁膜や金属膜からの反射光を測定することで研磨工程の終点を検知する。また、他のタイプの測定装置では、研磨中に可視光線を半導体ウエハに照射し、半導体ウエハ上に成膜された絶縁膜や金属膜からの反射光を分光器で解析することで研磨工程の終点を検知する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した測定装置では、光源と半導体ウエハＷとの間に研磨パッドなどの障害物があると、光源から照射されるレーザービームや可視光線を半導体ウエハＷに到達させることができない。したがって、レーザービームや可視光線を透過させるための透過窓（通孔又は透明な窓）を研磨パッドに設ける必要がある。このため、研磨パッドの加工工程数が増え、消耗品としての研磨パッドのコストが高くなる。また、上記測定装置では、半導体ウエハからの反射光が不安定であり、正確な膜厚測定が難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、障害物に通孔などの透過窓を設けることなく、物質の厚さなどの構造を精度良く測定することができる測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、物質にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記物質から反射した、又は前記物質を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記物質の構造を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置である。
【００１０】
本発明の好ましい一態様は、前記解析手段は、前記物質の反射係数、定在波比、および表面インピーダンスの少なくとも１つを算出することを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記解析手段は、前記物質の厚さ、内部欠陥、誘電率、導電率、および透磁率の少なくとも１つを解析することを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の態様は、基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、前記測定装置は、前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい一態様は、複数の前記マイクロ波照射手段を前記トップリングに埋設し、複数の前記マイクロ波照射手段のうちの１つを前記基板の中心部に対応する位置に配置し、他の前記マイクロ波照射手段を前記基板の中心部から半径方向において離間した位置に配置したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい一態様は、渦電流センサ、光学センサ、前記研磨パッドと前記基板との間の摩擦力を検知する摩擦検知センサ、及び、前記トップリング又は前記研磨テーブルのトルクを測定するトルクセンサの少なくとも１つを更に備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様は、基板の表面に膜を成膜するＣＶＤ装置において、内部に基板が配置される容器と、前記容器に原料ガスを供給するガス供給手段と、前記基板を加熱するヒータと、前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、前記測定装置は、前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様は、物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置である。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記解析装置は、前記物質の誘電率、導電率、透磁率、および屈折率を更に測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記物質は多層膜であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様は基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、前記基板の表面に形成された物質の厚さを測定する測定装置とを備え、前記測定装置は、物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明の好ましい態様は、前記照射手段は前記研磨テーブル内に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記物質は多層膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、測定すべき物質とマイクロ波照射手段との間に障害物（例えば研磨パッド）が存在しても、マイクロ波はこの障害物を透過（貫通）して物質（例えば基板）に到達するので、障害物に通孔などの透過窓を設ける必要がない。したがって、障害物に透過窓を形成するための加工が不要となり、製作コストを低減することができる。また、本発明によれば、研磨液などの影響を受けることなく物質の厚さなどを良好に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の測定装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１Ａは本発明に係る測定装置の原理について説明するための図である。
図１Ａに示すように、被測定物である物質Ｓにマイクロ波（入射波Ｉ）を照射すると、物質Ｓの表面からマイクロ波が反射する。物質Ｓから反射したマイクロ波（以下、反射波Ｒという）は、物質Ｓの構造（厚さや物性など）に依存した振幅や位相を有している。したがって、反射波Ｒの振幅及び位相の少なくとも１つを検出することによって、物質Ｓの構造を解析することができる。ここで、物質の構造としては、物質の厚さ、空隙などの内部欠陥、誘電率、導電率、透磁率などが挙げられる。
【００２１】
例えば、研磨又はめっきなど工程に伴って物質Ｓの厚さが変化すると、この物質Ｓからの反射波Ｒの振幅は、物質Ｓの厚さに依存して変化する。したがって、物質Ｓからの反射波Ｒの振幅を検出することによって物質Ｓの厚さの変化が監視できる。この場合、物質Ｓの厚さと反射波Ｒの振幅との関係を予めデータとして保有しておけば、物質Ｓからの反射波Ｒの振幅を測定することによって物質Ｓの絶対的な厚さを測定することができる。
【００２２】
マイクロ波は電磁波の一種であり、ここでは、周波数帯域が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ、波長が１ｍ〜１ｍｍの電磁波をいう。反射波Ｒから読み取ることができる情報としては振幅及び位相があり、この振幅及び位相から反射係数（入射波Ｉに対する反射波Ｒの振幅の比）、物質の表面インピーダンス（物質の表面に依存したインピーダンス）、定在波比（伝送線路上の電圧の最大値と最小値との比）などの各種情報を得ることができる。また、入射波Ｉの周波数（ｆ）と反射波Ｒの周波数（ｆ±Δｆ）との間に変化が生じた場合、この周波数の変化量（Δｆ）は物質の厚さなどの構造に比例すると考えられるため、周波数の変化量を測定することによっても物質Ｓの構造を解析することができる。
【００２３】
次に、図１Ｂを参照して反射波の振幅と物質の厚さとの関係を説明する。図１Ｂは、異なる膜厚（ｔｈ１＜ｔｈ２＜ｔｈ３）を有する３つの多結晶シリコンにマイクロ波を照射し、それぞれの多結晶シリコンからの反射波の振幅を測定した結果を示すグラフ図である。なお、振幅を示す単位として電力（ｄｂｍ）を使用している。
【００２４】
図１Ｂから、多結晶シリコンの膜厚が薄い場合は振幅が小さく、多結晶シリコンの膜厚が厚い場合は振幅が大きくなることが分かる。このように、マイクロ波（反射波）の振幅と物質の厚さとの間にはほぼ一定の関係が成立するため、マイクロ波（反射波）の振幅を検出することによって物質の厚さを測定することができる。
【００２５】
物質Ｓに照射するマイクロ波は単一の周波数を有するものに限らず、異なる周波数を重畳させたマイクロ波でもよく、周波数可変手段を用いて周波数を時間的に変化させてもよい。マイクロ波の周波数は、物質Ｓの種類に応じて適宜選択することが好ましい。これによって、物質Ｓの構造を正確に検知することができる。さらに、マイクロ波は物質Ｓを透過（貫通）するので、反射波Ｒだけでなく、物質Ｓを透過したマイクロ波（以下、透過波Ｐという）によっても物質Ｓの構造を検知することができる。
【００２６】
マイクロ波を用いた測定装置の利点として次の点が挙げられる。
（１）マイクロ波の伝達媒体は空気でよい。
（２）非接触および非破壊で物質の特性を評価することができる。
（３）検知距離が長い（マイクロ波を用いた測定装置による検知距離が３５ｍｍであるのに対して、渦電流センサを用いた検知距離は最大で４ｍｍ）。ここで、検知距離とは、アンテナ（マイクロ波照射手段）と物質との間の距離をいい、要求される検知感度を考慮して適切な検知距離が決定される。
（４）アンテナと物質との間に障害物があっても、マイクロ波はこの障害物を透過（貫通）して物質に到達するので、障害物に通孔などを形成する必要がない。
（５）一般に、アンテナは小型であるので、測定装置をＣＭＰ装置などに容易に組み入れることができる。
（６）集束センサなどを用いて物質の微小領域にマイクロ波を集束することができるため、物質の厚さなどを精密に測定することができる。
【００２７】
次に、本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置（ＣＭＰ装置）について図２を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置を示す断面図である。
【００２８】
図２に示すように、研磨装置は、上面に研磨パッド１０が貼設された研磨テーブル２０と、被研磨物である半導体ウエハ（基板）Ｗを保持して研磨パッド１０の上面に押圧するトップリング３０とを備えている。研磨パッド１０の上面は、被研磨物である半導体ウエハＷと摺接する研磨面を構成している。なお、微細な砥粒（ＣｅＯ２等からなる）を樹脂等のバインダで固めた固定砥粒板の上面を研磨面として構成することもできる。
【００２９】
研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ２１に連結されており、矢印で示すようにその軸心回りに回転可能になっている。また、研磨テーブル２０の上方には研磨液供給ノズル２２が設置されており、この研磨液供給ノズル２２から研磨パッド１０上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００３０】
トップリング３０は、トップリングシャフト３１に連結されており、このトップリングシャフト３１を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これによりトップリング３０は、矢印で示すように昇降可能且つトップリングシャフト３１回りに回転可能となっている。また、トップリング３０はその下面にポリウレタン等の弾性マット３２を備えており、この弾性マット３２の下面に、被研磨物である半導体ウエハＷが真空等によって吸着、保持される。なお、トップリング３０の下部外周部には、半導体ウエハＷの外れ止めを行うガイドリング３３が設けられている。
【００３１】
このような構成により、トップリング３０は自転しながら、その下面に保持した半導体ウエハＷを研磨パッド１０に対して任意の圧力で押圧することができるようになっている。そして、研磨パッド１０と半導体ウエハＷとの間に研磨液Ｑを存在させた状態で、半導体ウエハＷの被研磨面（下面）が平坦に研磨される。
【００３２】
研磨テーブル２０には、マイクロ波を半導体ウエハＷの被研磨面に向けて照射するアンテナ（マイクロ波照射手段）４０が埋設されている。このアンテナ４０は、トップリング３０に保持された半導体ウエハＷの中心位置に配置されており、導波管４１を介して本体部（ネットワークアナライザ）４２に接続されている。
【００３３】
図３は本発明の第1の実施形態に係る測定装置を示す概略図である。
図３に示すように、本発明に係る測定装置は、アンテナ４０と、導波管４１を介してアンテナ４０に接続される本体部４２とを備えている。なお、導波管４１は短い方が好ましく、アンテナ４０と本体部４２とを一体的に構成してもよい。本体部４２は、マイクロ波を生成してアンテナ４０にマイクロ波を供給するマイクロ波源４５と、マイクロ波源４５により生成されたマイクロ波（入射波）と半導体ウエハＷの被研磨面から反射したマイクロ波（反射波）とを分離させる分離器４６と、分離器４６により分離された反射波を受信して反射波の振幅及び位相を検出する検出部４７と、検出部４７により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて半導体ウエハＷの構造を解析する解析部４８とを備えている。なお、分離器４６としては、方向性結合器が好適に用いられる。
【００３４】
アンテナ４０は導波管４１を介して分離器４６に接続されている。マイクロ波源４５は分離器４６に接続され、マイクロ波源４５により生成されたマイクロ波は、分離器４６および導波管４１を介してアンテナ４０に供給される。マイクロ波はアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けて照射され、研磨パッド１０を透過（貫通）して半導体ウエハＷに到達する。半導体ウエハＷからの反射波は再び研磨パッド１０を透過した後、アンテナ４０により受信される。
【００３５】
反射波はアンテナ４０から導波管４１を介して分離器４６に送られ、分離器４６によって入射波と反射波とが分離される。分離器４６には検出部４７が接続されており、分離器４６により分離された反射波は検出部４７に送信される。検出部４７では反射波の振幅及び位相が検出される。反射波の振幅は電力（ｄｂｍ又はＷ）もしくは電圧（Ｖ）の値として検出され、反射波の位相は検出部４７に内蔵された図示しない位相計測器により検出される。なお、位相計測器を設けずに反射波の振幅のみを検出部で求めるようにしてもよく、また、反射波の位相のみを位相計測器で求めるようにしてもよい。
【００３６】
解析部４８では、検出部４７によって検出された反射波の振幅及び位相に基づいて半導体ウエハＷ上に成膜された金属膜や非金属膜などの膜厚が解析される。解析部４８には制御部５０が接続されており、解析部４８で得られた膜厚の値に基づいて研磨工程の終点が制御部５０によって検知される。
【００３７】
なお、マイクロ波のスポット径を集束させる集束センサをアンテナ４０に設けてもよい。これによって、アンテナ４０から照射されるマイクロ波を半導体ウエハＷ上の微小領域に照射することができる。また、アンテナ４０と半導体ウエハＷとの距離（検知距離）は、測定感度の観点から短い方が好ましいが、マイクロ波源４５の出力を上げることにより、測定感度を保ちつつ検知距離を長くすることもできる。
【００３８】
半導体ウエハＷに照射されるマイクロ波の周波数は、半導体ウエハＷ上に成膜された物質（金属膜又は非金属膜）の種類に応じて適宜選択することが好ましい。この場合、異なる周波数のマイクロ波を生成する複数のマイクロ波源を設け、物質の種類に応じて使用すべきマイクロ波源を切り替えるようにしてもよい。また、マイクロ波源４５に周波数可変手段を設けてマイクロ波の周波数を変化させるようにしてもよい。なお、周波数可変手段は、例えば、関数発生器を用いて周波数を変化させる構成とすることができる。
【００３９】
図４Ａは図２に示す研磨装置の概略平面図であり、図４Ｂは半導体ウエハの被研磨面を示す模式図である。図５Ａは半導体ウエハの被研磨面の各領域における膜厚の測定値の経時的変化を示すグラフ図であり、図５Ｂは膜厚の測定値の集束範囲を説明するための図である。
【００４０】
本実施形態では、図４Ｂ示すように、半導体ウエハＷの中心部を含む５つの領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５における膜厚が測定される。図４Ａに示すように、トップリング３０及び研磨テーブル２０は互いに独立して回転するため、半導体ウエハＷに対するアンテナ４０の位置が研磨工程中に変化する。このような場合でも、アンテナ４０は半導体ウエハＷの中心位置に配置されているため、このアンテナ４０は研磨テーブル２０の回転に伴って必ず半導体ウエハＷの特定の領域、すなわち半導体ウエハＷの中心部に位置する領域Ｚ３を通ることになる。したがって、半導体ウエハＷの定点（中心部の領域Ｚ３）における膜厚が監視され、正確な研磨レートを得ることができる。
【００４１】
図５Ａに示すように、各領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５における膜厚の測定値（膜厚値）Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５は、研磨工程が進むにつれて次第に集束する。また、図５Ｂに示すように、制御部５０（図２及び図３参照）には、領域Ｚ３における膜厚の測定値Ｍ３に対して所定の上限値Ｕ及び下限値Ｌが設定されている。そして、制御部５０は、領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５における膜厚の測定値が、上限値Ｕから下限値Ｌまでの範囲内に総て集束したときは、半導体ウエハＷの被研磨面全体が均一に研磨されたと判断するようになっている。このように、各領域における膜厚の測定値が所定の範囲内に集束した後に研磨工程を終了させることにより、平坦な被研磨面を確保することができる。なお、半導体ウエハＷ上の膜が所望の厚さとなった場合には、制御部５０により研磨工程が停止される。
【００４２】
ここで、研磨工程の経過時間に基づいて研磨工程の終点を決定することもできる。この例について図６を参照して説明する。図６は膜厚の経時的変化（研磨レート）を示すグラフ図である。
図６に示すように、研磨工程開始後、ある程度時間が経過すると、膜厚の変化が微小となる。制御部５０（図２及び図３参照）は膜厚の変化が微小となった時点（ｔ１）を検知して基準時間Ｔ１（ｔ０〜ｔ１）を設定する。さらに、基準時間Ｔ１に所定の係数を加算、減算、乗算、又は除算（四則演算）することにより補助時間Ｔ２（ｔ１〜ｔ２）を求める。そして、制御部５０は、基準時間Ｔ１に補助時間Ｔ２を加算した時間（Ｔ１＋Ｔ２）を経過した時（ｔ２）に、研磨工程を終了させる。
【００４３】
このようにすることで、研磨レートの変化が微小であるために加工終点の検知が困難な場合でも、基準時間Ｔ１および補助時間Ｔ２を求めることによって、研磨工程の終点を決定することができる。なお、上記係数は、金属膜や非金属膜の種類から決定されることが好ましい。
【００４４】
ここで、研磨テーブル２０に、研磨パッド１０の温度を調整する温度調整手段を設けることもできる。例えば、研磨テーブル２０の上面に流体流路を形成し、この流体流路に高温の流体又は低温の流体を供給するように構成してもよい。この場合、制御部５０は、測定装置の測定値に基づいて流体の供給を制御するようにすることが好ましい。このような構成によれば、研磨液Ｑと金属膜又は非金属膜との化学反応が促進又は抑制され、研磨レートを制御することができる。また、制御部５０は、測定装置の測定値に基づいて研磨テーブル２０及びトップリング３０の相対速度を制御するようにしてもよい。
【００４５】
また、研磨テーブル２０の上部に、研磨パッド１０と半導体ウエハＷとの間に生じる摩擦力を検出する応力センサ（摩擦検知センサ）を配置することが好ましい。或いは、トップリング３０又は研磨テーブル２０のトルクを測定するトルクセンサを設けることが好ましい。この場合、トルクセンサとしては、トップリング３０又は研磨テーブル２０を回転させるモータの電流を測定する電流センサが好適に用いられる。一般に、半導体ウエハＷの被研磨面が平坦に研磨されると、研磨パッド１０と半導体ウエハＷとの間に生じる摩擦力は小さくなる。したがって、応力センサやトルクセンサの出力値が所定の値以下にまで低下した後に制御部５０を介して研磨工程を終了させれば、半導体ウエハＷの被研磨面の平坦度を確保することができる。なお、本実施形態に係る測定装置に加えて、半導体ウエハに成膜された金属膜の膜厚を計測する渦電流センサ又は光学センサなどを設けてもよい。
【００４６】
図７Ａは第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置の他の構成例を示す断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すトップリングの拡大断面図である。なお、特に説明しない構成及び動作については、図２に示す研磨装置と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００４７】
図７Ａに示す研磨装置においては、複数のアンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅがトップリング３０に設けられており、それぞれのアンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅからマイクロ波が半導体ウエハＷに向けて照射される。これらのアンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅは、本体部４２（図２参照）にそれぞれ接続されている。
【００４８】
図７Ｂに示すように、アンテナ４０Ｃは半導体ウエハＷの中心部に配置されている。アンテナ４０Ｂ，４０Ｄは、アンテナ４０Ｃ（半導体ウエハＷの中心）から半径方向に距離ｄだけ離間した位置にそれぞれ配置され、アンテナ４０Ａ，４０Ｅは、アンテナ４０Ｂ，４０Ｄから半径方向に距離ｄだけ離間した位置にそれぞれ配置されている。このように、アンテナ４０Ｂ，４０Ｄ及びアンテナ４０Ａ，４０Ｅは、半導体ウエハＷの半径方向において互いに異なる位置に配置されている。
【００４９】
図７Ａに示す研磨装置においても、各アンテナ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅによって半導体ウエハＷの５つの領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５（図４Ｂ参照）における膜厚が測定される。なお、トップリング３０及び研磨テーブル２０の両方にアンテナを設けることもできる。この場合には、一方の側に配置されたアンテナから半導体ウエハＷに向けてマイクロ波を照射し、反対側に配置されたアンテナにより半導体ウエハＷを透過（貫通）したマイクロ波（透過波）を受信させる。そして、透過波の振幅及び位相を計測することで半導体ウエハＷ上の薄膜の膜厚を測定することができる。
【００５０】
アンテナの設置場所は、研磨テーブル２０やトップリング３０に限定されず、例えば、ガイドリング３３に設置することもできる。この場合、上記測定装置を、半導体ウエハＷのトップリング３０からの飛び出しを検知するセンサとして使用することもできる。また、研磨テーブル２０の径方向外側にアンテナを設置してもよい。この場合には、研磨工程中及び研磨工程後にトップリング３０の一部を研磨テーブル２０からはみ出させ（オーバーハングさせ）、アンテナから半導体ウエハＷの下面（被研磨面）にマイクロ波を照射する。
【００５１】
図８は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた電解研磨装置を示す断面図である。
図８に示すように、電解研磨装置は、上方に開口して内部に電解液１００を保持する電解槽１０１と、電解槽１０１の上方に配置され半導体ウエハＷを着脱自在に下向きに保持する基板保持部１０２とを有している。電解槽１０１は有底円筒状の形状を有している。
【００５２】
電解槽１０１は、モータ（図示せず）の駆動に伴って回転する軸部１０３に直結され、底部には、電解液１００中に浸漬されてカソードとなる平板状の陰極板（加工電極部）１０４が水平に配置されている。この陰極板１０４の上面には、不織布タイプの研磨具１０５が貼り付けられている。軸部１０３の回転に伴って電解槽１０１及び研磨具１０５は一体に回転するようになっている。
【００５３】
基板保持部１０２は、回転速度が制御可能な回転機構と研磨圧力が調整可能な上下動機構とを備えた支持ロッド１０７の下端に連結され、この下面に、例えば真空吸着方式で半導体ウエハＷを吸着保持するようになっている。
【００５４】
基板保持部１０２には、半導体ウエハＷの表面に形成された金属膜を陽極（アノード）にする電気接点（給電電極）１０８が設けられている。この電気接点１０８は、支持ロッド１０７に内蔵されたロール摺動コネクタ（図示せず）および配線１０９ａにより電源としての整流器１１０の陽極端子へ結線され、陰極板１０４は、配線１０９ｂを介して整流器１１０の陰極端子に結線される。電解槽１０１の上方に位置して、この内部に電解液１００を供給する電解液供給部１１１が配置されている。
【００５５】
基板保持部１０２には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの下面に形成された金属膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０により受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により金属膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて研磨レートの制御及び研磨加工の終点検知が行われる。なお、図８に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００５６】
この電解研磨装置における研磨動作について説明する。
電解液供給部１１１から電解槽１０１内に電解液１００を供給し、この電解液１００が電解槽１０１からオーバーフローする状態で電解槽１０１と研磨具１０５とを一体に回転させる。一方、Ｃｕ膜などの金属膜が形成された半導体ウエハＷを基板保持部１０２で下向きに吸着保持しておく。この状態で、半導体ウエハＷを電解槽１０１とは反対方向に回転させながら下降させ、この半導体ウエハＷの下面を、所定の圧力で研磨具１０５の表面に接触させ、同時に、整流器１１０により陰極板１０４と電気接点１０８との間に直流、又は、パルス電流を流す。これにより、半導体ウエハＷ上の金属膜は平坦化されながら研磨される。研磨工程中、金属膜の膜厚は測定装置により測定され、金属膜が所望の膜厚となったときに、制御部５０を介して研磨工程が停止される。
【００５７】
なお、図８に示す電解研磨装置は、触媒を用いた超純水電解研磨として用いることができる。この場合、電解液１００の代わりに超純水などの５００μＳ／ｃｍの液体を用い、研磨具１０５の代わりにイオン交換体を用いる。他の運転方法は、前述の電解研磨と同じである。
【００５８】
図９は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたドライエッチング装置を示す断面図である。このドライエッチング装置は、真空容器２００と、この真空容器２００内に所定のガスを供給するガス供給装置２０１と、真空ポンプ２０２と、高周波電源２０３に接続された電極２０５を備えている。これにより、真空容器２００内にガス供給装置２０１より所定のガスを導入しつつ、排気装置としての真空ポンプ２０２により排気を行い、真空容器２００内を所定の圧力に保ちながら、電極２０５に高周波電源２０３から高周波電力を供給し、真空容器２００内にプラズマを発生させることで、電極２０５上に載置された半導体ウエハＷに対してエッチング処理を行うように構成されている。
【００５９】
電極２０５の基台２０６には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの上面に形成された金属膜又は非金属膜などの薄膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０により受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により薄膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図９に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。また、本発明に係る測定装置は、ドライエッチング装置に限らず、ウエットエッチング装置などの他のエッチング装置にも用いることができる。
【００６０】
図１０は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えためっき装置を示す断面図である。
図１０に示すように、本実施形態におけるめっき装置は、上方に開口し内部にめっき液３０１を保持する円筒状のめっき槽３０２と、半導体ウエハＷを着脱自在に下向きに保持する基板テーブル３０４を有する上下動可能なヘッド部（基板保持部）３０６とを備えている。めっき槽３０２の上方は密閉カバー３０８で覆われており、これによってめっき液３０１の上方に密閉空間３１０が形成されている。この密閉空間３１０は密閉カバー３０８に取付けられた排気経路３１２を介して減圧手段としての真空ポンプ３１４に接続されており、該真空ポンプ３１４の駆動によって上記密閉空間３１０内を減圧することが可能となっている。
【００６１】
めっき槽３０２の内部に保持されためっき液３０１中には、水平に配置された平板状のアノード３２２が浸漬されている。半導体ウエハＷの下面（めっき面）には導電層が形成されており、この導電層はその周縁部にカソード電極との接点を有している。電解めっきにおいては、めっき液中のアノード（陽極電極）３２２と半導体ウエハＷの導電層（陰極電極）との間に所定の電圧を印加することにより、半導体ウエハＷの導電層の表面にめっき膜（金属膜）を形成している。
【００６２】
めっき槽３０２の底部中央には、上方に向けためっき液３０１の噴流を形成するためのめっき液供給手段としてのめっき液噴出管３３０が設けられている。このめっき液噴出管３３０はめっき液供給管３３１を介してめっき液調整タンク３３４に接続されており、このめっき液供給管３３１の途中に、二次側の圧力を調整する制御弁３３５が介装されている。この制御弁３３５を介してめっき液噴出管３３０からめっき槽３０２の内部に所定流量のめっき液３０１が噴出される。また、めっき槽３０２の上部外側には、めっき液受け３３２が配置されており、このめっき液受け３３２はめっき液戻り管３３６を介してめっき液調整タンク３３４に接続されている。めっき液戻り管３３６の途中にはバルブ３３７が介装されている。
【００６３】
めっき液噴出管３３０から噴出され、めっき槽３０２をオーバーフローしためっき液３０１は、めっき液受け３３２で回収され、めっき液戻り管３３６を介してめっき液調整タンク３３４に流入する。めっき液調整タンク３３４において、めっき液３０１の温度調整、各種成分の濃度計測と調整が行われた後、ポンプ３４０の駆動に伴って、めっき液調整タンク３３４からフィルタ３４１を通してめっき液３０１がめっき液噴出管３３０に供給される。
【００６４】
ヘッド部（基板保持部）３０６には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの下面に形成される金属膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０で受信された後、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により金属膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図１０に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００６５】
図１１は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＣＶＤ装置を示す断面図である。
図１１に示すように、ＣＶＤ装置は、容器４００と、この容器４００内に原料ガスを供給するガス供給ヘッド４０１と、容器４００に接続される排気装置としての真空ポンプ４０２と、半導体ウエハＷを加熱する加熱源４０３とを備えている。半導体ウエハＷは加熱源４０３の上面に載置されている。
【００６６】
容器４００内には、堆積物の原料としての原料ガスがガス供給ヘッド４０１から供給され、同時に、加熱源４０３により半導体ウエハＷが加熱される。これにより、原料ガスに励起エネルギーが付与され、半導体ウエハＷの上面に生成物（薄膜）が堆積する。生成物の堆積に伴って発生する副生成物は、真空ポンプ４０２により容器４００内から排気される。
【００６７】
加熱源４０３には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの上面に形成される薄膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０で受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により半導体ウエハＷに堆積した薄膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図１１に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００６８】
図１２は本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＰＶＤ装置を示す断面図である。
図１２に示すように、ＰＶＤ装置（スパッタリング装置）は、容器５００と、この容器５００内に配置されるターゲット（陰極）５０１と、このターゲット５０１に対向して配置される基板保持部（陽極）５０２と、ターゲット５０１と基板保持部５０２との間に電圧を印加する電源５０３と、容器５００内にアルゴンガスを供給するガス供給装置５０４と、容器５００に接続される排気装置としての真空ポンプ５０５とを備えている。半導体ウエハＷは基板保持部５０２の上面に載置されている。
【００６９】
真空ポンプ５０５により容器５００内に高真空が形成され、同時に容器５００内にガス供給装置５０４からアルゴンガスが供給される。電源５０３によりターゲット５０１と基板保持部５０２との間に電圧が印加されると、電界によりアルゴンガスがプラズマ状態となる。アルゴンイオンは電界により加速されてターゲット５０１に衝突する。ターゲット５０１を構成する金属原子はアルゴンイオンによってたたき出され、ターゲット５０１に対向して配置される半導体ウエハＷに付着し、これにより、半導体ウエハＷ上に薄膜が形成される。
【００７０】
基板保持部５０２には、本実施形態に係る測定装置を構成するアンテナ４０が埋設されており、このアンテナ４０から半導体ウエハＷに向けてマイクロ波が照射されるようになっている。マイクロ波は半導体ウエハＷの上面に堆積した薄膜で反射し、反射したマイクロ波（反射波）はアンテナ４０により受信され、導波管４１を介して本体部４２に送られる。そして、本体部４２に内蔵された解析部４８（図３参照）により半導体ウエハＷ上に堆積した薄膜の膜厚が測定される。本体部４２には制御部５０が接続されており、この制御部５０を介して上記解析部４８により測定された膜厚の値に応じて加工レートの制御及び加工の終点検知が行われる。なお、図１２に示す測定装置（アンテナ４０及び本体部４２）は、図３に示す測定装置と同様の構成を有している。
【００７１】
次に、エリプソメトリを利用した本発明の第２の実施形態に係る測定方法及び測定装置について説明する。
エリプソメトリとは、被測定物からの反射波の偏波状態の変化を解析することにより、被測定物の厚さ、誘電率、透磁率、導電率、屈折率などを計測する方法である。この原理について図１３を参照して説明する。図１３に示すように、光線などの電磁波を被測定物Ｓに斜めに入射させると、電磁波は被測定物Ｓで反射し、入射波Ｉと反射波Ｒとを含む入射面が形成される。入射波Ｉとして直線偏波を用いた場合、この直線偏波の電界ベクトルＥは、入射面に平行なｐ成分（ｐ偏波）と入射面に垂直なｓ成分（ｓ偏波）とに分解することができる。直線偏波は被測定物Ｓに反射してｐ偏波とｓ偏波との間で振幅及び位相が変化し、その結果として直線偏波は図１３に示すような楕円偏波となる。この振幅及び位相の変化（偏波状態の変化）は被測定物Ｓの特性（構造）によって異なるため、偏波状態の変化を解析することによって被測定物Ｓの厚さや屈折率などを測定することができる。
【００７２】
このエリプソメトリを利用した測定装置の利点として、次の点が挙げられる。
（ｉ）被測定物は、金属、非金属であってもよく、被測定物の種類に応じて測定装置を代える必要がない。
（ii）上記測定装置を膜厚測定装置としてＣＭＰ装置に組み込む場合、研磨パッドに光路のための通孔を設ける必要がなく、研磨プロセスに影響を与えない。
（iii）直線偏波に振幅変調をかけることにより、計測速度を例えば１ｍｓｅｃにまで高速にすることができる。
（iv）発信源にレーザを使用しないので、測定装置のメンテナンスが容易になる。
【００７３】
次に、本実施形態に係る測定方法および測定装置について詳細に説明する。
被測定物に照射される電磁波としてはマイクロ波が用いられる。より好ましくは、周波数帯域が３０〜３００ＧＨｚ、波長が１０〜１ｍｍであるミリ波が用いられる。また、Ｓ／Ｎを高めるため、及び高速計測のために、振幅変調した電磁波を用いることが好ましい。本実施形態では、被測定物に照射される電磁波は直線偏波または円偏波であり、これらは被測定物に対して斜めに入射される。直線偏波の場合は、電界ベクトルの方向が入射面に垂直な面に対して右回りまたは左回りに４５度傾けられたものを用いる。
【００７４】
一般に、エリプソメトリ法では、反射波を受信する受信検出器（受信アンテナ及び検出器）をその軸心回りに例えば２度間隔で０度から３６０度まで回転させることで各方位（角度）における反射波（楕円偏波）の振幅及び位相を検出する。しかしながら、この方法では、計測時間が長くなるという問題がある。そこで、本実施形態では、受信検出器を２つ用い、受信方位を０度及び４５度に固定する。受信アンテナは偏波依存性の高いものが使用され、０度方位及び４５度方位にある楕円偏波の直線偏波成分が２つの受信アンテナによって受信される。そして、以下の計算式によって反射波（楕円偏波）のｐ偏波の反射係数とｓ偏波の反射係数との比を算出する。
【００７５】
ｐ偏波の反射係数Ｒｐ＝|Ｒｐ|・ｅｘｐ（ｊ・φｐ）・・・（１）
ｓ偏波の反射係数Ｒｓ＝|Ｒｓ|・ｅｘｐ（ｊ・φｓ）・・・（２）
ｐ偏波の反射係数ＲｐとＳ偏波の反射係数Ｒｓとの比は次の式で定義される。
ＲＰ／ＲＳ＝|ＲＰ／ＲＳ|・ｅｘｐ（ｊ・（φＰ−φＳ））・・・（３）
≡ｔａｎΨ・ｅｘｐ（ｊΔ）
ｔａｎΨ：振幅比 Δ：位相差
【００７６】
このように、ｐ偏波の反射係数とｓ偏波の反射係数との比ＲＰ／ＲＳはΨ（プサイ）及びΔ（デルタ）によって表すことができる。そして、Ψ及びΔは入射角や被測定物の厚さなどによって決定されるので、Ψ及びΔを測定すれば、逆推定により被測定物の厚さ、誘電率、透磁率、導電率、屈折率などを求めることができる。
【００７７】
次に、本実施形態に係る測定装置について図１４を参照して説明する。図１４は本発明の第２の実施形態に係る測定装置を示す概略図である。なお、本実施形態は、測定装置をＣＭＰ装置に組み込んだ例を示すものであり、特に説明しないＣＭＰ装置の構成及び動作は図２に示す研磨装置と同様である。
【００７８】
図１４に示すように、測定装置は、ミリ波を発生させるミリ波源６０と、ミリ波の振幅を変調させる振幅変調器６１と、ミリ波源６０で発生したミリ波を直線偏波に変換する偏波器６２と、直線偏波を半導体ウエハＷに照射する送信アンテナ（照射手段）６３と、半導体ウエハＷから反射した楕円偏波を受信する２個の受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂと、２個の受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂにそれぞれ接続される２つの検出器６５Ａ，６５Ｂと、検出器６５Ａ，６５Ｂからの信号を増幅させるプリアンプ６６と、ノイズを含む信号から所定の信号を検出するロックインアンプ６７と、ロータリジョイント７０と、検出信号を解析して半導体ウエハＷの膜厚などを求める解析装置７１とを備えている。
【００７９】
送信アンテナ６３は研磨テーブル２０の中に配置されており、トップリング３０に保持された半導体ウエハＷの中心部に近接して配置されている。直線偏波（ミリ波）は送信アンテナ６３から研磨パッド１０上の半導体ウエハＷに向けて斜めに照射される。直線偏波は研磨パッド１０に斜めに入射し、研磨パッド１０を通過して半導体ウエハＷに到達する。被測定物は、研磨パッド１０と、半導体ウエハＷの下面に形成された多層薄膜である。測定対象となる薄膜としては、例えば、絶縁膜（ＳｉＯ２，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、金属膜（Ｃｕ，Ｗ（タングステン））、バリヤ膜（Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ）などが挙げられる。
【００８０】
ミリ波源６０としては、Ｇｕｎｎ発振器、またはＧｕｎｎ発振器とマルチプライヤとを組み合わせたものが用いられる。あるいは、ミリ波源６０としてマイクロ波発振器とマルチプライヤとを組み合わせたものを用いてもよい。偏波器６２としては、偏波依存性を持つ導波管を使用する。被測定物に照射する直線偏波の指向性を高めるために、送信アンテナ６３としてピラミダルホーンアンテナを用いることが好ましい。直線偏波に代えて円偏波を用いる場合には、受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂとしてコニカルホーンアンテナを用いる。検出器６５Ａ，６５Ｂとしては、ショットキー・バリヤー・ビーム・リード・ダイオードを用いたものや、ミキサーとショットキー・バリヤー・ビーム・リード・ダイオードとの組み合わせたものを用いる。
【００８１】
入射波と反射波とを含む入射面に対して垂直な方向をＸ軸とすると、半導体ウエハＷに照射されるミリ波は、その電界ベクトルの方向が進行方向に垂直な面内でＸ軸に対して右回りまたは左回りに４５度傾いている直線偏波である。なお、半導体ウエハＷに照射されるミリ波として円偏波を用いてもよい。この場合は、上述した偏波器６２に代えて円偏波器が用いられる。
【００８２】
直線偏波は１個の送信アンテナ６３から半導体ウエハＷに斜めに照射され、その表面および多層薄膜の各界面で反射する。半導体ウエハＷからの反射波は２個の受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂによって受信される。この受信アンテナ６４Ａ，６４ＢはＸ軸に対して方位角０度，４５度にそれぞれ傾けられ、方位角０度，４５度における楕円偏波の直線偏波成分が各検出器６５Ａ，６５Ｂによって検出される。このように受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂ及び検出器６５Ａ，６５Ｂをそれぞれ２つ用いることで、ｐ偏波の振幅とｓ偏波の振幅との比Ψ、及びｐ偏波とｓ偏波との間の位相差Δを研磨中に同時に検出することができる。検出された信号は、プリアンプ６６、ロックインアンプ６７、及びロータリジョイント７０を経由して解析装置７１に送られる。そして、解析装置７１によってΨ及びΔの値に基づいてニュートン法などを用いて半導体ウエハＷ上の膜厚が求められ、膜厚と相関関係がある指標を用いて研磨工程の終点を求める。
【００８３】
このように、ｐ偏波の振幅とｓ偏波の振幅との比Ψ、及びｐ偏波とｓ偏波との間の位相差Δを同時に測定することで、研磨パッド１０の減少量や研磨によるウエハ上の酸化膜や金属膜などの薄膜の厚みの減少量を求めることができる。また、位置が固定された２つの受信アンテナ６４Ａ，６４Ｂを用いることで、Ψ及びΔの両パラメータの検出精度を上げることができる。なお、４つの受信アンテナを方位角９０度、４５度、０度、−４５度にそれぞれ傾けた状態で配置してもよい。この場合も、それぞれの受信アンテナに４つの検出器を接続する。これら４つの受信アンテナ及び４つの検出器を備えることで、差動検出により同相成分（ノイズを含む）を除去できるため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、差動出力を和信号で割り算することにより、電磁波強度の変動や半導体ウエハＷの反射率の変動を相殺することができる。
【００８４】
上述したように、被測定物からの反射波の偏波状態を解析することで、ドレッシング（コンディショニング）による研磨パッド１０の厚みの変化や、誘電体である酸化膜の厚みの変化、金属膜の厚みの変化を研磨中に測定することができる。本実施形態では、研磨パッドも被測定物の一つであるが、研磨パッドはウレタン発泡体であるのでミリ波は研磨パッドを透過することができる。したがって、研磨パッド越しの多層薄膜の厚さを測定することができる。本実施形態の測定装置の被測定対象物は、絶縁膜（ＳｉＯ２，Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、金属膜（Ｃｕ，Ｗ（タングステン））、バリヤ膜（Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ）などである。例えば、周波数１００ＧＨｚのミリ波を用いる場合、以下の式により厚さが２２５ｎｍ以下Ｃｕ膜の厚さが測定可能である。
【数１】
μ：透磁率 σ：導電率
【００８５】
従来の光学式の測定装置は、Ｃｕ膜の厚さが３０ｎｍ以下であれば測定することができる。しかしながら、半導体製造工程が進むにつれて多層膜の厚さが厚くなる。したがって、研磨工程を制御するためには、膜厚が厚くなった場合であってもこの膜厚を測定することが必要となる。かかる観点からも、本実施形態の測定装置は従来の光学式の測定装置よりも優位性を持っている。
【００８６】
このように、本発明に係る測定装置は、研磨装置のみならず、半導体ウエハの表面に金属膜や非金属膜を形成するめっき装置、ＣＶＤ装置、ＰＶＤ装置などにも用いることができる。
【００８７】
本発明によれば、従来にはなかった全く新しい手法により、物質の構造を測定することが可能となる。特に、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｗなどの金属膜、ＳｉＯＣなどのバリヤ下膜、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＷＮなどのバリヤ膜、ＳｉＯ２などの酸化膜、多結晶シリコン、ＢＰＳＧ膜（boro phospho silicate glass）、又はＴＥＯＳ膜（tetra ethoxy silane）などの膜厚を測定することができる。また、研磨加工終点を正確に測定しつつ研磨が行える（in-situ）ので、研磨工程を一旦停止して膜厚を測定する従来の方法（ex-situ）に比べてトータルのプロセス工数を短縮することができる。また、シャロートレンチ（ＳＴＩ）、層間絶縁膜（ＩＬＤ、ＩＭＤ）、Ｃｕ、Ｗ等が成膜された基板に対して研磨を行うＣＭＰ装置やこれらを成膜するめっき装置、ＣＶＤ装置において、すべてのプロセスに対してプロセス終点を検出することが可能となる。
【００８８】
以上説明したように、本発明によれば、測定すべき物質とマイクロ波照射手段との間に障害物（例えば研磨パッド）が存在しても、マイクロ波はこの障害物を透過（貫通）して物質（例えば基板）に到達するので、障害物に通孔などの透過窓を設ける必要がない。したがって、障害物に透過窓を形成するための加工が不要となり、製作コストを低減することができる。また、本発明によれば、研磨液などの影響を受けることなく物質の厚さなどを良好に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、半導体ウエハなどの基板の表面に形成された薄膜の厚みなどを測定する測定装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１Ａは本発明に係る測定装置の原理について説明するための図であり、図１Ｂは反射波の振幅と膜厚との関係を説明するためのグラフ図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を示す概略図である。
【図４】図４Ａは図２に示す研磨装置の概略平面図であり、図４Ｂは半導体ウエハの被研磨面を示す模式図である。
【図５】図５Ａは半導体ウエハの被研磨面の各領域における膜厚の測定値の経時的変化を示すグラフ図であり、図５Ｂは膜厚の測定値の集束範囲を説明するための図である。
【図６】膜厚の経時的変化（研磨レート）を示すグラフ図である。
【図７】図７Ａは本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置の他の構成例を示す断面図であり、図７Ｂは図７Ａに示すトップリングの拡大断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えた電解研磨装置を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたドライエッチング装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えためっき装置を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＣＶＤ装置を示す断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る測定装置を備えたＰＶＤ装置を示す断面図である。
【図１３】エリプソメトリの原理を説明するための図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る測定装置を備えた研磨装置を示す概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記物質から反射した、又は前記物質を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記物質の構造を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記解析手段は、反射係数、定在波比、および表面インピーダンスの少なくとも１つを算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記解析手段は、前記物質の厚さ、内部欠陥、誘電率、導電率、および透磁率の少なくとも１つを解析することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、
前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、
前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、
前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、
前記測定装置は、
前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを解析する解析手段とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
複数の前記マイクロ波照射手段を前記トップリングに埋設し、複数の前記マイクロ波照射手段のうちの１つを前記基板の中心部に対応する位置に配置し、他の前記マイクロ波照射手段を前記基板の中心部から半径方向において離間した位置に配置したことを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項６】
渦電流センサ、光学センサ、前記研磨パッドと基板との間の摩擦力を測定する摩擦検知センサ、及び前記トップリング又は前記研磨テーブルのトルクを測定するトルクセンサの少なくとも１つを更に備えたことを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項７】
基板の表面に膜を形成するＣＶＤ装置において、
内部に基板が配置される容器と、
前記容器に原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記基板を加熱するヒータと、
前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、
前記測定装置は、
前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項８】
物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、
前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、
前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、
前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項９】
前記解析装置は、前記物質の誘電率、導電率、透磁率、および屈折率を更に測定することを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記物質は多層膜であることを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１１】
基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、
前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、
前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、
前記基板の表面に形成された物質の厚さを測定する測定装置とを備え、
前記測定装置は、
物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、
前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、
前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、
前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項１２】
前記照射手段は前記研磨テーブル内に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記物質は多層膜であることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
【請求項１】
物質にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記物質から反射した、又は前記物質を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記物質の構造を解析する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記解析手段は、反射係数、定在波比、および表面インピーダンスの少なくとも１つを算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記解析手段は、前記物質の厚さ、内部欠陥、誘電率、導電率、および透磁率の少なくとも１つを解析することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、
前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、
前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、
前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、
前記測定装置は、
前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを解析する解析手段とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
複数の前記マイクロ波照射手段を前記トップリングに埋設し、複数の前記マイクロ波照射手段のうちの１つを前記基板の中心部に対応する位置に配置し、他の前記マイクロ波照射手段を前記基板の中心部から半径方向において離間した位置に配置したことを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項６】
渦電流センサ、光学センサ、前記研磨パッドと基板との間の摩擦力を測定する摩擦検知センサ、及び前記トップリング又は前記研磨テーブルのトルクを測定するトルクセンサの少なくとも１つを更に備えたことを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項７】
基板の表面に膜を形成するＣＶＤ装置において、
内部に基板が配置される容器と、
前記容器に原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記基板を加熱するヒータと、
前記基板上に形成された膜の厚さを測定する測定装置とを備え、
前記測定装置は、
前記膜にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記マイクロ波照射手段にマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記膜から反射した、又は前記膜を透過したマイクロ波の振幅又は位相を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出されたマイクロ波の振幅又は位相に基づいて前記膜の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項８】
物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、
前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、
前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、
前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項９】
前記解析装置は、前記物質の誘電率、導電率、透磁率、および屈折率を更に測定することを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記物質は多層膜であることを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項１１】
基板を研磨パッドに摺接させて前記基板を研磨する研磨装置において、
前記研磨パッドを有する研磨テーブルと、
前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧するトップリングと、
前記基板の表面に形成された物質の厚さを測定する測定装置とを備え、
前記測定装置は、
物質に直線偏波又は円偏波を照射する照射手段と、
前記物質からの反射波を受信する少なくとも２つの受信手段と、
前記物質からの反射波の振幅及び位相を検出する少なくとも２つの検出手段と、
前記検出手段により検出された反射波の振幅及び位相に基づいて反射波の偏波状態の変化を解析して前記物質の厚さを測定する解析手段とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項１２】
前記照射手段は前記研磨テーブル内に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
【請求項１３】
前記物質は多層膜であることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２００７−５２８５８５（Ｐ２００７−５２８５８５Ａ）
【公表日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１６８３６（Ｐ２００６−５１６８３６）
【出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００８４６７
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１１５７２
【国際公開日】平成１６年１２月２３日（２００４．１２．２３）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１０日（２００４．６．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００８４６７
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１１５７２
【国際公開日】平成１６年１２月２３日（２００４．１２．２３）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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