JP2012135865A - 渦電流センサ並びに研磨方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属膜(または導電性膜)mfが形成された基板の近傍に配置されるセンサコイル60を備えた渦電流センサであって、センサコイル60は、前記信号源に接続された発振コイル62と、金属膜または導電性膜mfに形成される渦電流を検出する検出コイル63と、検出コイル63に直列に接続されるバランスコイル64とを有し、検出コイル63は、列を基板に対して垂直方向、層を基板に対して平行方向と定義したときに、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなる。
【選択図】図4
Description
しかしながら、渦電流センサの発振周波数を上昇させた場合にはコイル自身の静電容量によりコイル共振周波数が低くなってしまうという問題点がある。また、渦電流センサの内部回路の増幅度を上げた場合には回路ノイズの影響が大きくなるという問題がある。さらに渦電流センサの励磁電圧を上昇させた場合には特性の安定性に問題がある。
また、本発明は、渦電流センサを用いて研磨中に基板上に金属膜(または導電性膜)の残膜があるか否かの検査を実施することにより検査時間を短縮することができ、残膜を検出した場合には、そのまま追加研磨を実施することにより処理時間を短縮することができる研磨方法および研磨装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、渦電流センサにおける発振コイルを線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルで構成した場合、コイル共振周波数の発振周波数が向上されることから、発振周波数を上昇させても安定した薄膜検出が可能となる。
本発明の好ましい態様によれば、前記バランスコイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする。
本発明によれば、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルを列方向に複数個並べ、隣接するコイルが接触しないようにコイル間に隙間を空け、この隙間には透磁率の低い材料を配置する。これにより、1列複数層に巻いたコイルが複数列または多列になっても、センサコイルを基板に近づけることができるため、センサ感度が良くなる。
また、本発明によれば、1列複数層のコイルを複数個直列に接続することにより、コイルの合成インダクタンスは、コイル複数個分のインダクタンスと隣接するコイル間の相互インダクタンスの和になるため、コイルの合成インダクタンスの上昇に伴い、コイル全体のセンサ出力値は増加することになり、金属膜の検出を良好に行うことが可能となる。
本発明によれば、発振コイルは、半径方向内側がバランスコイル側に凹んで、半径方向外側にいくにつれて検出コイル側に近づくように凹球面状に彎曲させて線材又は導電体を巻いたコイルである。このように、発振コイルを凹球面状に彎曲させて形成することにより、発振磁界を中央部に収束させることが可能になり、センサ感度を上げることができる。
本発明によれば、検出コイルの外径(直径)を発振コイル(励磁コイル)の外径(直径)より小さくすることにより、ターゲットの金属膜の微細な検出が可能となる。
本発明によれば、センサコイルは、検出コイルとバランスコイルとにより、検出出力のゼロ点を自動的に調整可能とすることが好ましい。ゼロ点を調整することにより測定対象の金属膜(または導電性膜)の厚さに対する変化信号のみを増幅して検出することができる。
本発明によれば、検出コイル、発振コイルおよびバランスコイルを同心円状に配列することにより、センサコイル全体を基板に近づけて配置することができ、センサ感度が良くなる。
本発明によれば、センサコイルからの磁束は、センサコイルの周囲に位置する高透磁率材料の筒状部材内を通って測定対象の金属膜(または導電性膜)内を通過する経路(磁路)をとることができる。したがって、設置環境の部材内に磁束が通って減衰させてしまうことがなく、測定対象の金属膜(または導電性膜)の内部には、センサコイルによる渦電流を効率よく発生させることができ、金属膜(または導電性膜)を感度よく測定することができる。
本発明によれば、研磨開始から研磨終点の検出および残膜監視まで所定の感度を有する終点検出センサのみを使用した場合、ターゲットの膜が薄くなった場合や膜の面積が小さくなった場合には、膜の検出が困難になる。一方、薄膜用のセンサのみを使用して研磨終点の検出を行う場合、初期膜が厚い場合には、出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうため、研磨工程を監視することができない。そこで、本発明においては、感度が異なる2つのセンサを用い、研磨開始から終点検出センサの感度がなくなるまで出力を監視して研磨終点を検出し、研磨終点の検出を実施した後、異なるセンサに切替えを行い、基板上の残膜を確実に検出できる。
本発明によれば、研磨開始から研磨終点の検出および残膜監視まで所定の感度を有する終点検出センサのみを使用した場合、ターゲットの膜が薄くなった場合や膜の面積が小さくなった場合には、膜の検出が困難になる。一方、薄膜用のセンサのみを使用して研磨終点の検出を行う場合、初期膜が厚い場合には、出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうため、研磨工程を監視することができない。そこで、本発明においては、終点検出センサのセンサ感度を巻き数を切替えることによって高低の2段階の切替えを可能とし、研磨開始から研磨終点の検出までは低いセンサ感度として出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうことを防止し、研磨終点の検出後は高いセンサ感度として基板上の残膜を確実に検出することができるようにしたものである。
本発明の研磨装置によれば、終点検出センサは、研磨テーブルの回転に伴い基板の下方を通過している間、基板の金属膜(または導電性膜)等の膜に反応して所定の電圧値等を出力するので、この終点検出センサの出力を監視し、出力の変化が予め設定された膜クリアレベルになったら研磨終点を検出する。前記終点検出センサのコイルを線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルで構成したのでコイルを基板に近づけることができるため、センサ感度が良くなり、研磨終点を確実に検出できる。
本発明によれば、研磨終点を検出した後に、終点検出センサまたは異なるセンサの出力を監視し、基板上の一部に残った膜を検出する残膜監視を行うことにより、研磨中に残膜の有無について検査を実施することができる。
本発明によれば、研磨開始から研磨終点の検出および残膜監視まで所定の感度を有する終点検出センサのみを使用した場合、ターゲットの膜が薄くなった場合や膜の面積が小さくなった場合には、膜の検出が困難になる。一方、薄膜用のセンサのみを使用して研磨終点の検出を行う場合、初期膜が厚い場合には、出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうため、研磨工程を監視することができない。そこで、本発明においては、感度が異なる2つのセンサを用い、研磨開始から終点検出センサの感度がなくなるまで出力を監視して研磨終点を検出し、研磨終点の検出を実施した後、異なるセンサに切替えを行い、基板上の残膜を確実に検出できる。前記異なるセンサのコイルを線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルで構成したのでコイルを基板に近づけることができるため、センサ感度が良くなり、残膜を確実に検出できる。
本発明によれば、研磨開始から研磨終点の検出および残膜監視まで所定の感度を有する終点検出センサのみを使用した場合、ターゲットの膜が薄くなった場合や膜の面積が小さくなった場合には、膜の検出が困難になる。一方、薄膜用のセンサのみを使用して研磨終点の検出を行う場合、初期膜が厚い場合には、出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうため、研磨工程を監視することができない。そこで、本発明においては、終点検出センサのセンサ感度を巻き数を切替えることによって高低の2段階の切替えを可能とし、研磨開始から研磨終点の検出までは低いセンサ感度として出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうことを防止し、研磨終点の検出後は高いセンサ感度として基板上の残膜を確実に検出することができるようにしたものである。
本発明によれば、渦電流センサにおける発振コイルを線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルで構成した場合、コイル共振周波数の発振周波数が向上されることから、発振周波数を上昇させても安定した薄膜検出が可能となる。
本発明の好ましい態様によれば、前記バランスコイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする。
本発明によれば、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルを列方向に複数個並べ、隣接するコイルが接触しないようにコイル間に隙間を空け、この隙間には透磁率の低い材料を配置する。これにより、1列複数層に巻いたコイルが複数列または多列になっても、センサコイルを基板に近づけることができるため、センサ感度が良くなる。
また、本発明によれば、1列複数層のコイルを複数個直列に接続することにより、コイルの合成インダクタンスは、コイル複数個分のインダクタンスと隣接するコイル間の相互インダクタンスの和になるため、コイルの合成インダクタンスの上昇に伴い、コイル全体のセンサ出力値は増加することになり、金属膜の検出を良好に行うことが可能となる。
本発明によれば、発振コイルは、半径方向内側がバランスコイル側に凹んで、半径方向外側にいくにつれて検出コイル側に近づくように凹球面状に彎曲させて線材又は導電体を巻いたコイルである。このように、発振コイルを凹球面状に彎曲させて形成することにより、発振磁界を中央部に収束させることが可能になり、センサ感度を上げることができる。
本発明によれば、検出コイルの外径(直径)を発振コイル(励磁コイル)の外径(直径)より小さくすることにより、センサの検出端の大きさを小さくすることができ、ターゲットの金属膜の微細な検出が可能となる。
本発明によれば、センサコイルは、検出コイルとバランスコイルとにより、検出出力のゼロ点を自動的に調整可能とすることが好ましい。ゼロ点を調整することにより測定対象の金属膜(または導電性膜)の厚さに対する変化信号のみを増幅して検出することができる。
本発明によれば、検出コイル、発振コイルおよびバランスコイルを同心円状に配列することにより、センサコイル全体を基板に近づけて配置することができ、センサ感度が良くなる。
本発明によれば、センサコイルからの磁束は、センサコイルの周囲に位置する高透磁率材料の筒状部材内を通って測定対象の金属膜(または導電性膜)内を通過する経路(磁路)をとることができる。したがって、設置環境の部材内に磁束が通って減衰させてしまうことがなく、測定対象の金属膜(または導電性膜)の内部には、センサコイルによる渦電流を効率よく発生させることができ、金属膜(または導電性膜)を感度よく測定することができる。
(1)渦電流センサにおける検出コイルを線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルで構成したので、検出コイルを基板に近づけることができ、また線間の容量成分が小さくできるため、センサ感度が良くなる。したがって、渦電流センサの発振周波数、内部回路の増幅度および励磁電圧を上昇させることなく、半導体ウエハ等の基板上の金属薄膜(または導電性薄膜)を検出することができる。
(2)渦電流センサにおける発振コイルを線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルで構成したので、コイル共振周波数の発振周波数が向上されることから、発振周波数を上昇させても安定した薄膜検出が可能となる。
(3)1列複数層のコイルを複数個直列に接続することにより、コイルの合成インダクタンスは、コイル複数個分のインダクタンスと隣接するコイル間の相互インダクタンスの和になるため、コイルの合成インダクタンスの上昇に伴い、コイル全体のセンサ出力値は増加することになり、金属膜の検出を良好に行うことが可能となる。
(4)研磨中に半導体ウエハ等の基板上に金属膜(または導電性膜)等の残膜があるか否かの検査を実施することにより、検査時間を短縮することができ、基板処理能力を向上させることができる。
(5)研磨中に基板上に金属膜(または導電性膜)等の残膜があるか否かの検査を実施し、残膜を検出した場合には、そのまま追加研磨を実施することにより処理時間を短縮することができる。
(6)研磨中の検査により残膜を検出した場合に、CMPプロセスの全体を管理する制御装置が追加研磨時間や残膜状況を管理することによって、次の研磨対象の研磨条件を最適なものに変更することが可能になる。
(7)半導体ウエハ等の基板を研磨面(研磨パッド)から離すことなく基板上に金属膜(または導電性膜)等の残膜があるか否かの検査を実施することができる。
研磨テーブル100は、テーブル軸100aを介してその下方に配置されるモータ(図示せず)に連結されており、そのテーブル軸100a周りに回転可能になっている。研磨テーブル100の上面には研磨パッド101が貼付されており、研磨パッド101の表面101aが半導体ウエハWを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル100の上方には研磨液供給ノズル102が設置されており、この研磨液供給ノズル102によって研磨テーブル100上の研磨パッド101上に研磨液Qが供給されるようになっている。図1に示すように、研磨テーブル100の内部には、渦電流センサ50が埋設されている。
トップリングシャフト111およびトップリング1を上下動させる上下動機構124は、軸受126を介してトップリングシャフト111を回転可能に支持するブリッジ128と、ブリッジ128に取り付けられたボールねじ132と、支柱130により支持された支持台129と、支持台129上に設けられたACサーボモータ138とを備えている。サーボモータ138を支持する支持台129は、支柱130を介してトップリングヘッド110に固定されている。
図3は、渦電流センサ50の構成を示す図であり、図3(a)は渦電流センサ50の構成を示すブロック図であり、図3(b)は渦電流センサ50の等価回路図である。
図3(a)に示すように、渦電流センサ50は、検出対象の金属膜(または導電性膜)mfの近傍にセンサコイル60を配置し、そのコイルに交流信号源52が接続されている。ここで、検出対象の金属膜(または導電性膜)mfは、例えば半導体ウエハW上に形成されたCu,Al,Au,Wなどの薄膜である。センサコイル60は、検出用のコイルであり、検出対象の金属膜(または導電性膜)に対して、例えば1.0〜4.0mm程度の近傍に配置される。
図5(a)に示す態様では、1列N層のコイルA,コイルBを直列に接続している。図5(a)の態様では、コイル2列分のインダクタンスL1A+L1Bと、隣接するコイル間の相互インダクタンスMが得られる。隣接するコイル間の相互インダクタンスMは次式になる。
したがって、図5(a)に示す例では、合成インダクタンスは、L0=L1A+L1B+2Mとなる。
図5(b)に示す態様では、1列N層のコイルA,コイルB,コイルCを直列に接続している。図5(b)の態様では、コイル3列分のインダクタンスL1A+L1B+L1Cと、隣接するコイル間の相互インダクタンスM1AB,M1BC,M1ACが得られる。相互インダクタンスM1AB,M1BC,M1ACは次式になる。
したがって、図5(b)に示す例では、合成インダクタンスは、L0=L1A+L1B+L1C+2M1AB+2M1BC+2M1ACとなる。
図5(a),(b)においては、1列N層のコイルを2個又は3個直列接続する場合を示したが、1列N層のコイルをm個直列に接続する場合には、コイルの合成インダクタンスL0は、m列分のインダクタンスとm列間の相互インダクタンスの和になるため、コイルの合成インダクタンスの上昇に伴い、コイル全体のセンサ出力値は増加することになり、検出を良好に行うことが可能となる。
センサの感度を得るためには、コイルの巻き数を増加させる必要がある。従来のソレノイド巻きのセンサコイル51は、ボビン(空芯含む)に線材lnを巻きつけていたため5列2層(10ターン)になり、センサコイル51における各コイル73,72,74と半導体ウエハWとの間の距離(L1,L2,L3)が遠くなる。
本発明のセンサコイル60は、ボビンに巻きつける方式ではなくてもよいため、各コイル62,63,64を1列N層巻きでスパイラル状に巻くことによって、各コイルの厚みが薄い状態で巻き数を多く取ることが可能となる。したがって、センサコイル60における各コイル63,62,64と半導体ウエハWとの間の距離(L1,L2,L3)を近づけることができるため、センサ感度が良くなる。そして、巻き数を大きく取ることによってL成分も上昇し、感度が向上する。
これに対して、本発明のスパイラル巻きを実施した場合、1列N層巻きであるため、線間の容量成分は直列接続になり小さくできる。そして、巻き数を多く取ることが可能となり、L成分を高く保持したまま、共振周波数が上昇し、発振周波数を上昇させることが可能になる。
図4(b),(c)においては、スパイラル巻きのコイルを例示したが、スパイラル巻きだけではなく他の巻き方であっても、1列N層巻きであれば同様の効果が得られるものである。
図7に示す例においては、線材lnを1列N層巻きで多角形状に巻くことにより検出コイル63を形成している。図7に示すように、多角形は、半径方向内側から半径方向外側にいくにつれて、多角形の角数が増加するものであってもよいし、三角形や四角形のみからなって多角形の角数が同一のものであってもよい。
図8に示す例においては、線材lnを1列N層巻きで楕円状に巻くことにより検出コイル63を形成している。
図9に示す例においては、所定の基板BPに1列N層巻きでスパイラル状に印刷配線(printed wiring)PWを施すことにより、導電体1nを1列N層に巻いたパターンコイルからなる検出コイル63を形成している。なお、導電体1nを1列N層に巻いたパターンコイルは、印刷配線以外に、金属部材(Cu膜,Cu箔,Cu材等)をエッチング又はワイヤカット等の加工によって製作することが可能である。なお、金属部材は、Cu以外にAL等の他の材質のものでもよい。
図7乃至図9に示す例においては、線材又は導電体lnの各種の巻き方を検出コイル63に適用した場合を示したが、発振コイル62およびバランスコイル64にも同様に適用できる。
図13は、検出コイル63,発振コイル(励磁コイル)62,バランスコイル(ダミーコイル)64の直径(外径)を変えた実施形態を示す概略図である。図13に示すように、検出コイル63,発振コイル62,バランスコイル64の直径(外径)は同一である必要はなく、発振コイル62と、検出コイル63およびバランスコイル64との直径が異なっていてもよい。図13に示す例では、検出コイル63とバランスコイル64の直径を発振コイル62の直径より小さくすることにより、センサの検出端の大きさを小さくしている。これにより、ターゲットの金属膜の微細な検出が可能となる。
コイルの直径を小さくする手法としては、巻き数を少なくすること、および線材径(パターン幅),線材(パターン)間距離を小さくすることが考えられる。
コイルが小さくなるとセンサ出力が小さくなるので、構造的には、発振コイル(励磁コイル)を大きくしたり、多段にしたりする必要がでてくるが、励磁周波数を上げたり、励磁電流を上げることでも出力を改善することができる。
図14に示すように、渦電流センサ50のセンサコイル60の3個のコイル62,63,64は同心円状に配置されている。3個のコイル62,63,64のうち検出コイル63は最外周に配置され、コイル62は中間部に配置され、バランスコイル64は最内周に配置されている。3個のコイル62,63,64は、いずれも線材又は導電体lnをそれぞれ1列N層巻きでスパイラル状に巻いたコイルであり、印刷配線(printed wiring)で一体に形成することができる。
図14に示すような、3個のコイル62,63,64を同心円状に配置したセンサコイル60によれば、センサコイル全体を図5に示す半導体ウエハ(基板)Wからの距離L1の位置に近づけて配置することができ、センサ感度が良くなる。
検出コイル63とバランスコイル64とは、上述したように逆相の直列回路を構成し、その両端は可変抵抗76を含む抵抗ブリッジ回路77に接続されている。発振コイル62は交流信号源52に接続され、交番磁束を生成することで、近傍に配置される金属膜(または導電性膜)mfに渦電流を形成する。可変抵抗76の抵抗値を調整することで、コイル63,64からなる直列回路の出力電圧が、金属膜(または導電性膜)が存在しないときにはゼロとなるように調整可能としている。コイル63,64のそれぞれに並列に入る可変抵抗76(VR1,VR2)でL1,L3の信号を同位相にするように調整する。即ち、図15(b)の等価回路において、
VR1-1×(VR2-2+jωL3)=VR1-2×(VR2-1+jωL1) (1)
となるように、可変抵抗VR1(=VR1-1+VR1-2)およびVR2(=VR2-1+VR2-2)を調整する。これにより、図15(c)に示すように、調整前のL1,L3の信号(図中点線で示す)を、同位相・同振幅の信号(図中実線で示す)とする。
図16は、交流信号源52側からセンサコイル60側を見たインピーダンスZの計測回路例を示している。図16に示すインピーダンスZの計測回路においては、膜厚の変化に伴う抵抗成分(R)、リアクタンス成分(X)、振幅出力(Z)および位相出力(tan−1R/X)を取り出すことができる。
図18(a)は、渦電流センサ50が半導体ウエハWの表面(被研磨面)を走査(スキャン)するときの軌跡と渦電流センサ50の出力との関係を示す。図18(a)に示すように、渦電流センサ50は、研磨テーブル100の回転に伴い半導体ウエハWの下方を通過している間、半導体ウエハWの金属膜(または導電性膜)mfに反応して所定の電圧値(V)を出力するようになっている。
図18(b)は、正常な半導体ウエハWの場合の渦電流センサ50の出力を示す図である。図18(b)において、横軸は研磨時間(t)であり、縦軸は渦電流センサ50の出力値(電圧値)(V)である。図18(b)に示すように、正常な半導体ウエハWの場合には、渦電流センサ50は、半導体ウエハ上の金属膜(または導電性膜)mfに反応した概略方形パルス状の出力(電圧値)を得ることができる。
図19(b)は研磨時間による渦電流センサ50の出力値(平均値)の変化を示す。図19(b)に示すように、渦電流センサ50の出力値の監視を行うことにより、金属膜が一様にクリアされた状態を検出できる。
図20に示すように、研磨装置は、ウエハカセットから半導体ウエハWを取り出してトップリング1に受け渡し、トップリング1により半導体ウエハWを研磨テーブル100上の研磨面101aに押圧して研磨を開始する。研磨を開始した後に、制御装置56は渦電流センサ50の出力値を監視し、研磨終点の検出までは研磨を続行し、渦電流センサ50の出力値の監視工程を続行する。研磨終点の検出は、渦電流センサ50の出力値が金属膜クリアレベルになったことを検出して半導体ウエハW上に一様に金属残膜がないことを検出することである。研磨終点を検出したら、半導体ウエハWを研磨面(研磨パッド)から離すことなく、残膜監視に移行する。
残膜監視は、以下の方法を任意に選択することにより行う。
(1)渦電流センサのセンサ感度の切替え
(2)監視手段の切替え
なお、上記(1)(2)の残膜監視方法については後述する。
残膜監視は、ウエハの本研磨処理後の水ポリッシング中またはオーバポリッシュ中に実施する。ここで、水ポリッシングとは、研磨面に純水(水)を供給しながらウエハに加える面圧を小さくしてポリッシングを行うことを云う。また、オーバポリッシュとは、特徴点検出後に研磨面にスラリを供給しながらポリッシングを行う方法を云う。
残膜監視として、以下の方法を用いる。
(1)金属薄膜検出を目的としたセンサ感度を上げて実施する方法
(2)局所的な残膜を検出するために監視を行う範囲を点データの集積値の平均から点データによる検出方法
残膜監視方法として、(1)、(2)を任意に組合わせて実施する。この場合、(1)と(2)の方法を組合せることによって、局部的な金属薄膜の検出が可能になる。
追加研磨の実施手段として、オーバポリッシュ中に残膜を検出した場合には、オーバポリッシュの研磨時間を変更する。また、残膜監視によりウエハの特定の箇所に残膜があることを検出した場合には、検出した特定の箇所のトップリングの圧力を変化させることで追加研磨を行い、或いは専用の研磨条件にて追加研磨を行う。追加研磨条件は、次の半導体ウエハ以後を研磨する際の研磨条件にフィードバックする。
研磨開始からターゲットの金属膜クリアまで所定の感度を有するセンサ(センサA)のみを使用した場合、ターゲットの金属膜が薄くなった場合や金属膜の面積が小さくなった場合には、金属膜の検出が困難になる。一方、薄膜用のセンサ(センサB)のみを使用して研磨終点の検出を行う場合、初期金属膜が厚い場合には、出力がオーバーレンジ(測定範囲外)になってしまうため、研磨工程を監視することができない。
そこで、本発明においては、感度が異なる2つのセンサA,Bを用い、研磨開始からセンサAの感度がなくなるまで出力を監視し、研磨終点の検出を実施した後、センサBに切替えを行い、ウエハ上に金属残膜がないことを確認する。この場合、センサAには、図4(a)に示すソレノイド巻きの3つのコイル72,73,74を備えた渦電流センサを用い、センサBには、図4(b)に示すスパイラル巻きの3つのコイル62,63,64を備えた渦電流センサを用いる。これにより、センサAをセンサ感度が低いセンサとし、センサBをセンサ感度が高いセンサとすることができる。
図21(a),(b)は、スパイラル巻きの3つのコイルを備えた渦電流センサを用いてコイルの巻き数を切替えて感度が異なる2つのセンサA,Bを構成する方法を示す模式的平面図である。図21(a),(b)においては検出コイル63の巻き数を切替える方法について示すが、発振コイル62およびバランスコイル64の場合も同様の切替え方法である。
図21(a)に示すように、スパイラル巻きの検出コイル63に通電するための入力端子T1,T2が設けられており、入力端子T1は検出コイル63の外周側端部63oeに接続され、入力端子T2は切替スイッチSWに接続されている。一方、検出コイル63の内周側端部63ieは切替用端子TS1に接続され、検出コイル63の中間部63m1,63m2はそれぞれ切替用端子TS2,TS3に接続されている。
図21(b)に示すように、スパイラル巻きの検出コイル63に通電するための入力端子T1,T2が設けられており、入力端子T1は検出コイル63の内周側端部63ieに接続され、入力端子T2は切替スイッチSWに接続されている。一方、検出コイル63の外周側端部63oeは切替用端子TS1に接続され、検出コイル63の中間部63m1,63m2はそれぞれ切替用端子TS2,TS3に接続されている。
残膜発生位置、残膜の大きさ・膜厚に関する情報を得るために、研磨終点の検出に使用した、1回の走査で得られた全ての測定点のデータを平均した出力値による監視から、各測定点の出力値による監視に切替える。残膜の位置が全周に渡らず、局所的な場合には、センサの軌跡上を残膜が通過した場合に、出力値が変化する。この出力値の変化をとらえてウエハの端部(または中心)からの距離を把握することができる。この場合、センサ感度を切替えることにより、金属薄膜の監視も可能になる。
図23(a)に示すように、渦電流センサ50が半導体ウエハの表面を1回走査するごとに、全ての測定点において測定されたデータを平均した出力値を用いて監視する。そして、図23(c)に示すように、センサAの軌跡上の全ての測定点のデータを平均した出力値を監視することにより研磨終点の検出を行う。センサAにより研磨終点を検出した時点では、金属膜クリアレベルになっている。この場合、局所的な面積が小さい金属薄膜は、その部分の出力値が平均化処理されてしまうために検出することはできない。
上述したように、センサAを用い、ウエハ面内を通過するセンサの軌跡上の出力を平均化することによって、金属膜の下層にある金属配線の影響を回避することができる。一方、センサBは各測定点において測定された出力値を出力するため、図24(a)に示すように、センサBの平均化処理されない各測定値の出力値を監視することにより、局所的な面積が小さい残膜の発生を検出できる。しかしながら、センサBの出力値は、各測定点の出力値であるため、金属膜の下層にある金属配線等の影響を受ける可能性がある。そのため、図24(b)に示すように、出力が上昇している点が多い場合には、残膜ではなく、ウエハの下層による影響と判断する。
残膜監視において残膜を検出した場合に、通常、追加研磨を実施して金属薄膜を除去する。しかしながら、追加研磨によってウエハの平坦性が保たれた場合でも、CMPのプロセスに異常をきたしている場合があるため、研磨プロファイルの異常を研磨装置の制御装置に通知することができるようにしている。
本発明では、所定の時間内(例えば、移動平均時間内)に渦電流センサ50が半導体ウエハW上に描く軌跡が半導体ウエハWの表面の全周にわたってほぼ均等に分布するようにトップリング1と研磨テーブル100の回転速度比を調整する。
図25は、渦電流センサ50が半導体ウエハW上を走査する軌跡を示す模式図である。図25に示すように、渦電流センサ50は、研磨テーブル100が1回転するごとに半導体ウエハWの表面(被研磨面)を走査するが、研磨テーブル100が回転すると、渦電流センサ50は概ね半導体ウエハWの中心Cw(トップリングシャフト111の中心)を通る軌跡を描いて半導体ウエハWの被研磨面上を走査することになる。トップリング1の回転速度と研磨テーブル100の回転速度とを異ならせることにより、半導体ウエハWの表面における渦電流センサ50の軌跡は、図25に示すように、研磨テーブル100の回転に伴って走査線SL1,SL2,SL3,…と変化する。この場合でも、上述したように、渦電流センサ50は、半導体ウエハWの中心Cwを通る位置に配置されているので、渦電流センサ50が描く軌跡は、毎回半導体ウエハWの中心Cwを通過する。
2 トップリング本体
3 リテーナリング
50 渦電流センサ
52 交流信号源
54 検波回路
55 メインアンプ
56 制御装置(コントローラ)
60 センサコイル
61 ボビン
62 発振コイル
63 検出コイル
64 バランスコイル
65 筒状部材
76 可変抵抗
77 抵抗ブリッジ回路
82 バンドパスフィルタ
83 高周波アンプ
84 位相シフト回路
85 cos同期検波回路
86 sin同期検波回路
87,88 ローパスフィルタ
89 ベクトル演算回路
100 研磨テーブル
100a テーブル軸
101 研磨パッド
101a 研磨面
102 研磨液供給ノズル
110 トップリングヘッド
111 トップリングシャフト
112 回転筒
113 タイミングプーリ
114 トップリング用モータ
115 タイミングベルト
116 タイミングプーリ
117 トップリングヘッドシャフト
124 上下動機構
125 ロータリージョイント
126 軸受
128 ブリッジ
129 支持台
130 支柱
132 ボールねじ
138 ACサーボモータ
132a ねじ軸
132b ナット
142 弾性パッド
144 チャッキングプレート
150 ロータリジョイント
151m シム(薄板)
152〜155 流体路
W 半導体ウエハ
mf 金属膜(または導電性膜)
P1〜P4 圧力室
Claims (26)
- 金属膜または導電性膜が形成された基板の近傍に配置されるセンサコイルと、該センサコイルに交流信号を供給して前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する信号源と、前記センサコイルの出力に基づいて前記金属膜または導電性膜に形成された渦電流を検出する検出回路とを備えた渦電流センサであって、
前記センサコイルは、前記信号源に接続された発振コイルと、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を検出する検出コイルと、該検出コイルに直列に接続されるバランスコイルとを有し、
前記検出コイルは、列を基板に対して垂直方向、層を基板に対して平行方向と定義したときに、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする渦電流センサ。 - 前記発振コイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルまたは線材又は導電体を複数列1層または複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする請求項1記載の渦電流センサ。
- 前記バランスコイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする請求項1記載の渦電流センサ。
- 前記検出コイル、前記発振コイルおよび前記バランスコイルの少なくとも1つは、線材又は導電体を1列複数層に巻いた前記コイルを複数個直列に接続することにより構成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記発振コイルは、半径方向外側にいくにつれて基板に近づくように彎曲して形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記検出コイルと前記発振コイルとは、コイル外径が異なっていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記検出コイル、前記発振コイルおよび前記バランスコイルは、この順に基板側から配列していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記検出コイル、前記発振コイルおよび前記バランスコイルは、同心円状に配列していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記センサコイルは、高透磁率材料によって形成された筒状部材内に収容されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 回転する研磨テーブル上の研磨面に研磨対象の基板を押圧して基板上の膜を研磨する研磨方法において、
前記基板の研磨中に、前記研磨テーブルの回転に伴い、該研磨テーブルに設置された終点検出センサにより基板の被研磨面を走査し、
前記基板の被研磨面の走査により得られた前記終点検出センサの出力を監視し、該終点検出センサの出力の変化から研磨終点を検出し、
前記研磨終点を検出した後に、前記終点検出センサまたは異なるセンサの出力を監視し、基板上の一部に残った膜を検出する残膜監視を行い、
前記終点検出センサまたは異なるセンサには渦電流センサを用い、該渦電流センサにおいて基板上の膜に形成される渦電流を検出するコイルには、列を基板に対して垂直方向、層を基板に対して平行方向と定義したときに、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルを用いることを特徴とする研磨方法。 - 前記残膜監視は、前記終点検出センサより感度が高い前記異なるセンサにより行い、前記異なるセンサのコイルには、線材又は導電体を1列複数層に巻いた前記コイルを用いることを特徴とする請求項10記載の研磨方法。
- 前記残膜監視は、前記終点検出センサの感度を切替えて行い、該感度の切替えは前記コイルの巻き数を切替えることにより行うことを特徴とする請求項10記載の研磨方法。
- 前記残膜監視は、前記終点検出センサより感度が高い前記異なるセンサにより行い、前記終点検出センサと前記異なるセンサは、基板上の膜に渦電流を形成するための発振コイルと基板上の膜に形成される渦電流を検出する検出コイルと該検出コイルに直列に接続されるバランスコイルを備えた渦電流センサであって、前記異なるセンサの前記発振コイル、前記検出コイルおよび前記バランスコイルには、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルを用いることを特徴とする請求項10記載の研磨方法。
- 研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象の基板を保持するトップリングとを有し、回転する研磨テーブル上の研磨面に基板を押圧して基板上の膜を研磨する研磨装置において、
前記研磨テーブルに設置され、前記研磨テーブルの回転に伴って基板の被研磨面を走査する終点検出センサと、
前記基板の被研磨面の走査により得られた前記終点検出センサの出力を監視し、該終点検出センサの出力の変化から研磨終点を検出する制御装置とを備え、
前記終点検出センサは渦電流センサからなり、該渦電流センサにおいて基板上の膜に形成される渦電流を検出するコイルは、列を基板に対して垂直方向、層を基板に対して平行方向と定義したときに、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする研磨装置。 - 前記制御装置は、前記研磨終点を検出した後に、前記終点検出センサまたは異なるセンサの出力を監視し、基板上の一部に残った膜を検出する残膜監視を行うことを特徴とする請求項14記載の研磨装置。
- 前記残膜監視は、前記終点検出センサより感度が高い渦電流センサからなる前記異なるセンサにより行い、前記異なるセンサのコイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする請求項15記載の研磨装置。
- 前記残膜監視は、前記終点検出センサの感度を切替えて行い、該感度の切替えは前記コイルの巻き数を切替えることにより行うことを特徴とする請求項15記載の研磨装置。
- 前記終点検出センサまたは前記異なるセンサは、基板上の膜に渦電流を形成するための発振コイルと基板上の膜に形成される渦電流を検出する検出コイルと該検出コイルに直列に接続されるバランスコイルとを有したセンサコイルを備えた渦電流センサからなることを特徴とする請求項14または15記載の研磨装置。
- 前記発振コイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルまたは線材又は導電体を複数列1層または複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする請求項18記載の研磨装置。
- 前記バランスコイルは、線材又は導電体を1列複数層に巻いたコイルからなることを特徴とする請求項18記載の研磨装置。
- 前記検出コイル、前記発振コイルおよび前記バランスコイルの少なくとも1つは、線材又は導電体を1列複数層に巻いた前記コイルを複数個直列に接続することにより構成されていることを特徴とする請求項18乃至20のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記発振コイルは、半径方向外側にいくにつれて基板に近づくように彎曲して形成されていることを特徴とする請求項18乃至20のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記検出コイルと前記発振コイルとは、コイル外径が異なっていることを特徴とする請求項18乃至22のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記検出コイル、前記発振コイルおよび前記バランスコイルは、この順に基板側から配列していることを特徴とする請求項18乃至23のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記検出コイル、前記発振コイルおよび前記バランスコイルは、同心円状に配列していることを特徴とする請求項18乃至23のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記センサコイルは、高透磁率材料によって形成された筒状部材内に収容されていることを特徴とする請求項18乃至25のいずれか1項に記載の研磨装置。
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