JP5513795B2

JP5513795B2 - 研磨方法および装置

Info

Publication number: JP5513795B2
Application number: JP2009167788A
Authority: JP
Inventors: 太郎高橋
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-07-16
Also published as: JP2011023579A

Description

本発明は、研磨方法および装置に係り、特に半導体ウエハなどの研磨対象物（基板）を研磨して平坦化する研磨方法および装置に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。

従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

上述した多層配線を行う場合、予め基板上の絶縁層（誘電材料）に所定パターンの配線用の溝を形成しておき、基板をめっき液中に浸漬させて例えば銅（Ｃｕ）の無電解又は電解めっきを行ってＣｕ層を形成し、その後ＣＭＰプロセスにより配線用の溝内に形成されたＣｕ層のみを残して不要部分を選択的に除去することが行われている。この場合、研磨が不充分で、Ｃｕ層が絶縁層（酸化膜）上に残ると、回路の分離がうまくいかず、短絡が起こる。逆に、過剰研磨の場合、配線用の溝内のＣｕ層を絶縁層とともに研磨してしまうと、回路抵抗が上昇し、半導体基板全体を廃棄しなければならず、多大な損害となる。この事情は、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。

上述したＣＭＰプロセスを行う研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエハ（基板）を保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。

このような研磨装置には、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧により半導体ウエハを研磨面に押圧するタイプの研磨装置や、基板保持装置の下部にセラミックス等からなる剛性のある保持面を設け、エアシリンダ等により保持面に力を加えることにより半導体ウエハを研磨面に押圧するタイプの研磨装置などがある。

特開２００６−２５５８５１号公報

上述した従来の研磨装置においては、基板保持装置により半導体ウエハを保持して研磨パッドの研磨面に接地（接触）した後に、圧力室に圧縮空気などの圧力流体を供給することで弾性膜を介して流体圧により半導体ウエハを研磨面に押圧して研磨を行い又はエアシリンダ等により保持面に力を加えることより半導体ウエハを研磨面に押圧して研磨を行い、半導体ウエハ上の金属膜を除去することが行われている。

研磨工程の終了後、半導体ウエハ内に金属残膜がある状態で次工程に進むと、短絡等の問題が起こるため半導体ウエハは使用できなくなる。そのため、研磨工程の終了後、ウエハを研磨パッド（研磨面）から離間させて金属残膜の有無について検査を実施することにより、残膜確認は可能となるが、検査に時間を要するためにウエハ処理能力が低減してしまうという問題がある。検査実施後、ウエハ上に残膜を検出した場合、再研磨を実施する必要があるが、ウエハが研磨パッドを離れた後、研磨を実施する場合には、ウエハ１枚あたりの処理時間が増加するという問題がある。すなわち、スループットが低下するという問題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、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）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。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、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とは異なるセンサであって前記研磨テーブルに設置された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は渦電流センサからなり、前記残膜監視を行うセンサは、前記終点検知センサより高い感度の渦電流センサからなることを特徴とする。
本発明によれば、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。そして、研磨終点を検出した後に、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。
また、本発明においては、タイプが異なる２つのセンサを用いてもよい。研磨開始から研磨終点の検出までは膜が厚い場合にも検出可能なタイプのセンサである渦電流センサを用い、研磨終点の検出後に、薄膜用のセンサである光学式センサを用いて、基板上に残膜があるか否かを検査してもよい。

本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視は、前記異なるセンサが基板の被研磨面を走査する軌跡上にある各測定点の出力値を監視することにより行うことを特徴とする。
本発明によれば、研磨終点を検出した後の残膜監視の際には、センサは、基板の表面を１回走査するごとに、各測定点において測定された出力値を出力する。そのため、残膜が発生している場合には、その部分のセンサの出力は、所定の大きさの出力になり、局所的な面積が小さい残膜の検出が可能になる。また、センサの出力の形態等から残膜が発生している箇所の把握も可能になる。

本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、この情報を制御装置に伝えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、追加の研磨を行うことを特徴とする。
本発明によれば、研磨中に基板上に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。

本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、研磨プロファイルの異常を制御装置に通知することを特徴とする。
本発明によれば、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。

本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視の際には、前記研磨面への研磨液の供給を停止し、水を前記研磨面に供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、水を供給しつづけながら追加の研磨を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記研磨終点を検出したら、前記基板を前記研磨テーブルから離すことなく前記残膜監視を行うことを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、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し、前記研磨終点を検出した後に、前記終点検出センサとは異なるセンサであって前記研磨テーブルに設置された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制御装置を備え、前記終点検出センサは渦電流センサからなり、前記残膜監視を行うセンサは、前記終点検知センサより高い感度の渦電流センサからなることを特徴とする。
本発明によれば、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。そして、研磨終点を検出した後に、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。

本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視は、前記異なるセンサが基板の被研磨面を走査する軌跡上にある各測定点の出力値を監視することにより行うことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、この情報を前記制御装置に伝えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、追加の研磨を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、研磨プロファイルの異常を前記制御装置に通知することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視の際には、前記研磨面への研磨液の供給を停止し、水を前記研磨面に供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、水を供給しつづけながら追加の研磨を行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記研磨終点を検出したら、前記基板を前記研磨テーブルから離すことなく前記残膜監視を行うことを特徴とする。

本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
（１）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。
（２）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。
（３）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。
（４）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。

図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。図２は、研磨テーブルと渦電流センサと半導体ウエハとの関係を示す平面図である。図３は、渦電流センサの構成を示す図であり、図３（ａ）は渦電流センサの構成を示すブロック図であり、図３（ｂ）は渦電流センサの等価回路図である。図４は、本実施形態の渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す概略図である。図５は、センサコイルにおける各コイルの接続例を示す概略図である。図６は、渦電流センサの同期検波回路を示すブロック図である。図７は、渦電流センサを備えた研磨装置の要部構成を示す図であり、図７（ａ）は渦電流センサの制御部を含む全体構成を示す図であり、図７（ｂ）は渦電流センサ部分の拡大断面図である。図８（ａ）は、渦電流センサが半導体ウエハの表面（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の出力との関係を示す図であり、図８（ｂ）は、正常な半導体ウエハの場合の渦電流センサの出力を示す図である。図９（ａ）は、半導体ウエハの研磨を開始してから半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）がクリアされる（無くなる）までの研磨工程と渦電流センサの出力との関係を示す図であり、図９（ｂ）は、半導体ウエハの研磨を開始してから半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）がクリアされる（無くなる）までの研磨時間（ｔ）と渦電流センサの出力値の変化の関係を示す図である。図１０は、半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）の研磨工程および監視工程の手順を示すフローチャートである。図１１は、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においてセンサの切替えを行うタイミングを示す模式図である。図１２は、ウエハ上の局所的な残膜の検出を目的に監視手法を変更する方法を示す図であり、図１２（ａ）は、１回の走査で得られたセンサ軌跡上の全ての測定点のデータを平均した出力値を用いる監視手法を示し、図１２（ｂ）は、１回の走査で得られたセンサ軌跡上の各測定点の出力値を用いる監視手法を示し、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に示す監視手法から図１２（ｂ）に示す監視手法に切替える場合を示すグラフである。図１３は、渦電流センサにより得た各測定値の出力値を監視することにより局所的な残膜の発生を検出する場合に、ウエハの下層にある金属配線等の影響について示す図であり、図１３（ａ）は、ウエハの下層の影響を受けない場合を示し、図１３（ｂ）は、ウエハの下層にある金属配線等の影響を受ける場合を示す。図１４は、渦電流センサが半導体ウエハ上を走査する軌跡を示す模式図である。図１５は、渦電流センサが半導体ウエハ上を走査する軌跡を示す模式図である。図１６は、渦電流センサが半導体ウエハ上を走査する軌跡を示す模式図である。図１７は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。図１８は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。図１９は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。図２０は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。図２１は、図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。図２２は、図１９に示すリテーナリングのＡ部拡大図である。

以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１乃至図２２を参照して詳細に説明する。なお、図１から図２２において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１００と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧するトップリング１とを備えている。
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１は、半導体ウエハＷを研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体２と、半導体ウエハＷの外周縁を保持して半導体ウエハＷがトップリングから飛び出さないようにするリテーナリング３とから基本的に構成されている。

トップリング１は、トップリングシャフト１１１に接続されており、このトップリングシャフト１１１は、上下動機構１２４によりトップリングヘッド１１０に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１１の上下動により、トップリングヘッド１１０に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。なお、トップリングシャフト１１１の上端にはロータリージョイント１２５が取り付けられている。
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。

ボールねじ１３２は、サーボモータ１３８に連結されたねじ軸１３２ａと、このねじ軸１３２ａが螺合するナット１３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１１は、ブリッジ１２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ１３８を駆動すると、ボールねじ１３２を介してブリッジ１２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１１およびトップリング１が上下動する。

また、トップリングシャフト１１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用モータ１１４に設けられたタイミングプーリ１１６に接続されている。したがって、トップリング用モータ１１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１１６、タイミングベルト１１５、およびタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２およびトップリングシャフト１１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。なお、トップリングヘッド１１０は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト１１７によって支持されている。

図１に示すように構成された研磨装置において、トップリング１は、その下面に半導体ウエハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１１０はトップリングシャフト１１７を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１１０の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル１００の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させて半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル１００をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１００の上方に設けられた研磨液供給ノズル１０２から研磨パッド１０１上に研磨液を供給する。このように、半導体ウエハＷを研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて半導体ウエハＷの表面を研磨する。

図２は、研磨テーブル１００と渦電流センサ５０と半導体ウエハＷとの関係を示す平面図である。図２に示すように、渦電流センサ５０は、トップリング１に保持された研磨中の半導体ウエハＷの中心Ｃｗを通過する位置に設置されている。符号Ｃ_Ｔは研磨テーブル１００の回転中心である。例えば、渦電流センサ５０は、半導体ウエハＷの下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的に半導体ウエハＷのＣｕ層等の金属膜（導電性膜）を検出できるようになっている。

次に、本発明に係る研磨装置が備える渦電流センサ５０について、図３から図７を用いてより詳細に説明する。
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５１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５１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。

渦電流センサには、金属膜（または導電性膜）ｍｆに渦電流が生じることにより、発振周波数が変化し、この周波数変化から金属膜（または導電性膜）を検出する周波数タイプと、インピーダンスが変化し、このインピーダンス変化から金属膜（または導電性膜）を検出するインピーダンスタイプとがある。即ち、周波数タイプでは、図３（ｂ）に示す等価回路において、渦電流I_２が変化することで、インピーダンスＺが変化し、信号源（可変周波数発振器）５２の発振周波数が変化すると、検波回路５４でこの発振周波数の変化を検出し、金属膜（または導電性膜）の変化を検出することができる。インピーダンスタイプでは、図３（ｂ）に示す等価回路において、渦電流I_２が変化することで、インピーダンスＺが変化し、信号源（固定周波数発振器）５２から見たインピーダンスＺが変化すると、検波回路５４でこのインピーダンスＺの変化を検出し、金属膜（または導電性膜）の変化を検出することができる。

インピーダンスタイプの渦電流センサでは、信号出力Ｘ、Ｙ、位相、合成インピーダンスＺ、が後述するように取り出される。周波数Ｆ、またはインピーダンスＸ、Ｙ等から、金属膜（または導電性膜）Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｗの測定情報が得られる。渦電流センサ５０は、研磨テーブル１００の内部の表面付近の位置に内蔵することができ、研磨対象の半導体ウエハに対して研磨パッドを介して対面するように位置し、半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）に流れる渦電流から金属膜（または導電性膜）の変化を検出することができる。

渦電流センサの周波数は、単一電波、混合電波、ＡＭ変調電波、ＦＭ変調電波、関数発生器の掃引出力または複数の発振周波数源を用いることができ、金属膜の膜種に適合させて、感度の良い発振周波数や変調方式を選択することが好ましい。

以下に、インピーダンスタイプの渦電流センサについて具体的に説明する。交流信号源５２は、２〜８ＭＨｚ程度の固定周波数の発振器であり、例えば水晶発振器が用いられる。そして、交流信号源５２により供給される交流電圧により、センサコイル５１に電流Ｉ_１が流れる。金属膜（または導電性膜）ｍｆの近傍に配置されたコイル５１に電流が流れることで、この磁束が金属膜（または導電性膜）ｍｆと鎖交することでその間に相互インダクタンスＭが形成され、金属膜（または導電性膜）ｍｆ中に渦電流Ｉ_２が流れる。ここでＲ１はセンサコイルを含む一次側の等価抵抗であり、Ｌ_１は同様にセンサコイルを含む一次側の自己インダクタンスである。金属膜（または導電性膜）ｍｆ側では、Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ_２はその自己インダクタンスである。交流信号源５２の端子ａ，ｂからセンサコイル側を見たインピーダンスＺは、金属膜（または導電性膜）ｍｆ中に形成される渦電流損の大きさによって変化する。

図４は、本実施形態の渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す概略図である。図４に示すように、センサコイル５１は、金属膜（または導電性膜）に渦電流を形成するためのコイルと、金属膜（または導電性膜）の渦電流を検出するためのコイルとを分離したもので、ボビン７１に巻回された３層のコイル７２，７３，７４により構成されている。ここで中央のコイル７２は、交流信号源５２に接続される発振コイルである。この発振コイル７２は、交流信号源５２より供給される電圧の形成する磁界により、近傍に配置される半導体ウエハＷ上の金属膜（または導電性膜）ｍｆに渦電流を形成する。ボビン７１の上側（金属膜（または導電性膜）側）には、検出コイル７３が配置され、金属膜（または導電性膜）に形成される渦電流により発生する磁界を検出する。そして、発振コイル７２の検出コイル７３と反対側にはバランスコイル７４が配置されている。

図５は、センサコイルにおける各コイルの接続例を示す概略図である。図５（ａ）に示すように、コイル７２，７３，７４は、同じターン数（１〜２０ｔ）のコイルにより形成され、検出コイル７３とバランスコイル７４とは互いに正相に接続されている。
検出コイル７３とバランスコイル７４とは、上述したように正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。コイル７２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７３，７４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７３，７４のそれぞれに並列に入る可変抵抗７６（VR_１，VR_２）でＬ_１，Ｌ_３の信号を同位相にするように調整する。即ち、図５（ｂ）の等価回路において、
VR_1-1×(VR_2-2+jωL₃)＝VR_1-2×(VR_2-1+jωL₁) (1)
となるように、可変抵抗VR₁(=VR_1-1+VR_1-2)およびVR₂(=VR_2-1+VR_2-2)を調整する。これにより、図５（ｃ）に示すように、調整前のＬ_１,Ｌ_３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。

そして、金属膜（または導電性膜）が検出コイル７３の近傍に存在する時には、金属膜（または導電性膜）中に形成される渦電流によって生じる磁束が検出コイル７３とバランスコイル７４とに鎖交するが、検出コイル７３のほうが金属膜（または導電性膜）に近い位置に配置されているので、両コイル７３，７４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより金属膜（または導電性膜）の渦電流によって形成される鎖交磁束を検出することができる。即ち、交流信号源に接続された発振コイル７２から、検出コイル７３とバランスコイル７４との直列回路を分離して、抵抗ブリッジ回路でバランスの調整を行うことで、ゼロ点の調整が可能である。従って、金属膜（または導電性膜）に流れる渦電流をゼロの状態から検出することが可能になるので、金属膜（または導電性膜）中の渦電流の検出感度が高められる。これにより、広いダイナミックレンジで金属膜（または導電性膜）に形成される渦電流の大きさの検出が可能となる。

図６は、渦電流センサの同期検波回路を示すブロック図である。
図６は、交流信号源５２側からセンサコイル５１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６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。

上述したように、検出対象の金属膜（または導電性膜）ｍｆが成膜された半導体ウエハＷ近傍に配置されたセンサコイル５１に、交流信号を供給する信号源５２は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器であり、例えば、２ＭＨｚ，８ＭＨｚの固定周波数の電圧を供給する。信号源５２で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ８２を介してセンサコイル５１に供給される。センサコイル５１の端子で検出された信号は、高周波アンプ８３および位相シフト回路８４を経て、ｃｏｓ同期検波回路８５およびｓｉｎ同期検波回路８６からなる同期検波部により検出信号のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とが取り出される。ここで、信号源５２で形成される発振信号は、位相シフト回路８４により信号源５２の同相成分（０゜）と直交成分（９０゜）の２つの信号が形成され、それぞれｃｏｓ同期検波回路８５とｓｉｎ同期検波回路８６とに導入され、上述の同期検波が行われる。

同期検波された信号は、ローパスフィルタ８７，８８により、信号成分以上の不要な高周波成分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取り出される。また、ベクトル演算回路８９により、抵抗成分（Ｒ）出力とリアクタンス成分（Ｘ）出力とから振幅出力（Ｒ^２＋Ｘ^２）^１／２が得られる。また、ベクトル演算回路９０により、同様に抵抗成分出力とリアクタンス成分出力とから位相出力（ｔａｎ^−１Ｒ／Ｘ）が得られる。ここで、測定装置本体には、各種フィルタがセンサ信号の雑音成分を除去するために設けられている。各種フィルタは、それぞれに応じたカットオフ周波数が設定されており、例えば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を０．１〜１０Ｈｚの範囲で設定することにより、研磨中のセンサ信号に混在する雑音成分を除去して測定対象の金属膜（または導電性膜）を高精度に測定することができる。

図７は、渦電流センサを備えた研磨装置の要部構成を示す図であり、図７（ａ）は渦電流センサの制御部を含む全体構成を示す図であり、図７（ｂ）は渦電流センサ部分の拡大断面図である。図７（ａ）に示すように、研磨装置の研磨テーブル１００は矢印で示すようにその軸心まわりに回転可能になっている。この研磨テーブル１００内には、交流信号源および同期検波回路を含むプリアンプ一体型のセンサコイル５１が埋め込まれている。センサコイル５１の接続ケーブルは、研磨テーブル１００のテーブル軸１００ａ内を通り、テーブル軸１００ａの軸端に設けられたロータリジョイント１５０を経由して、ケーブルによりメインアンプ５５を介して制御装置（コントローラ）５６に接続されている。

ここで、制御装置５６には、各種フィルタがセンサ信号の雑音成分を除去するために設けられている。各種フィルタは、それぞれに応じたカットオフ周波数が設定されており、例えば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を０．１〜１０Ｈｚの範囲で設定することにより、研磨中のセンサ信号に混在する雑音成分を除去して測定対象の金属膜（または導電性膜）を高精度に測定することができる。

図７（ｂ）に示すように、研磨テーブル１００に埋め込まれた渦電流センサ５０の研磨パッド側の端面には４フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂のコーティングＣを有することで研磨パッドをはがす場合に、研磨パッドと渦電流センサが共にはがれてこないようにできる。また渦電流センサの研磨パッド側の端面は研磨パッド１０１近傍のＳｉＣなどの材料で構成された研磨テーブル１００の面（研磨パッド側の面）からは０〜０．０５ｍｍ凹んだ位置に設置され、研磨時にウエハに接触することを防止している。この研磨テーブル面と渦電流センサ面の位置の差はできる限り小さい方が良いが実際の装置では０．０２ｍｍ前後に設定することが多い。またこの位置調整にはシム（薄板）１５１ｎによる調整やネジによる調整手段が取られる。

ここで、センサコイル５１と制御装置５６を接続するロータリジョイント１５０は、回転部においても信号を伝送することはできるが、伝送する信号線数に制限がある。このことから、接続する信号線は、８本に制限され、ＤＣ電圧源、出力信号線、および各種制御信号の伝送線のみに限られる。なお、このセンサコイル５１は、発振周波数が、２から８ＭＨｚで切り替え可能となっていて、プリアンプのゲインも研磨対象の膜質に応じて切り替え可能となっている。

次に、図１乃至図７に示すように構成された渦電流センサを備えた研磨装置において、研磨中の半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）を検出してモニタする方法について説明する。
図８（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８（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８（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８（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８（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９（ａ）は、半導体ウエハＷの研磨を開始してから半導体ウエハＷ上の金属膜（または導電性膜）ｍｆがクリアされる（無くなる）までの研磨工程と渦電流センサ５０の出力との関係を示す図である。図９（ａ）に示すように、半導体ウエハＷの研磨開始直後は、金属膜（または導電性膜）ｍｆが厚いため、渦電流センサ５０の出力は高くなるが、研磨が進行するにつれて金属膜ｍｆが薄くなるため、渦電流センサ５０の出力が低下していく。そして、金属膜ｍｆがクリアされる（無くなる）と、渦電流センサ５０の出力値がなくなる。

図９（ｂ）は、半導体ウエハＷの研磨を開始してから半導体ウエハＷ上の金属膜（または導電性膜）ｍｆがクリアされる（無くなる）までの研磨時間（ｔ）と渦電流センサ５０の出力値の変化の関係を示す図である。研磨テーブル１００が１回転して、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、渦電流センサ５０は略方形パルス状の出力を出す。制御装置５６（図７参照）は、渦電流センサ５０が半導体ウエハＷの表面を１回走査する毎に、通過軌跡（走査線）上の各測定点の出力値を平均した平均値を出力値として出力する。そして、制御装置５６は、研磨テーブル１００が１回転する毎に渦電流センサ５０の各測定点の平均値としての出力値を監視し、渦電流センサ５０の出力値が無くなるまで監視し続ける。
図９（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９（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１０は、半導体ウエハＷ上の金属膜（または導電性膜）の研磨工程および監視工程の手順を示すフローチャートである。
図１０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
（３）光学式センサに切替え
なお、上記（１）〜（３）の残膜監視方法については後述する。

次に、残膜監視によって得た情報をＣＭＰプロセスの全体を制御する制御装置（プロセスコントローラ（図示せず））に伝達する。なお、ＣＭＰプロセスの全体を制御する制御装置（プロセスコントローラ）は、前記制御装置５６を含んだ単一の制御装置でもよく、制御装置５６とは別の制御装置でもよい。制御装置（プロセスコントローラ）は、残膜監視の情報に基づいて追加研磨の実施が必要か否かを判定する。そして、追加研磨の実施が必要と判定した場合には、追加研磨を実施し、残膜監視を行って、残膜がないことを確認した後に、洗浄プロセスに移行する。一方、ＣＭＰのプロセスに異常をきたしていると判定した場合には、追加研磨の実施ではなく、研磨プロファイル異常通知を行った後に、洗浄プロセスに移行する。洗浄プロセスは、研磨済の半導体ウエハをトップリング１から取り外した後に研磨装置内の洗浄機によりスクラブ洗浄、純水洗浄、乾燥等を行う。そして、洗浄プロセスが終了したら、研磨済の半導体ウエハＷのウエハカセットへの回収を行う。

次に、図１０に示すフローチャートにおける残膜監視および追加研磨について更に説明する。
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
（３）ウエハの下層の影響を受け難い光学式センサを用いて残膜を監視する方法
残膜監視方法として、（１）、（２）、（３）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。また（３）を並行して行うこともできる。

また、残膜を検出した場合の追加研磨は以下のように行う。
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。

次に、上述した残膜監視方法のうち、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について説明する。
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。渦電流センサの感度を上げるには、発振周波数を上昇させる、受信回路の増幅をあげる、等の手段をとる。励磁電圧を上昇させるとＳ／Ｎ比が向上する。

図１１は、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においてセンサの切替えを行うタイミングを示す模式図である。図１１に示すように、半導体ウエハＷの研磨開始時には、金属膜（または導電性膜）ｍｆが厚いため、渦電流センサＡの出力は高くなるが、研磨が進行するにつれて金属膜ｍｆが薄くなるため、渦電流センサＡの出力が低下していく。そして、「ウエハ中心部金属膜クリア／ウエハ端部金属残膜あり」の状態になると、渦電流センサＡはセンサ感度なしの状態になる。したがって、渦電流センサＡは研磨終点の検出を実施する。渦電流センサＡが研磨終点の検出を実施した後、渦電流センサＢに切替えを行う。渦電流センサＢは、渦電流センサＡより感度が高く設定されているため、ウエハ端部側の出力値が山形状に大きくなり、「ウエハ中心部金属膜クリア／ウエハ端部金属残膜あり」の状態を検出できる。図１１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あるか否かを確認したが、同一のセンサ（センサＡのみ）を用いて、センサ感度を高低の２段階の切替えを可能とし、研磨終点の検出までは低いセンサ感度とし、研磨終点の検出後は高いセンサ感度としてもよい。

次に、上述した残膜監視方法のうち、ウエハ上の局所的な残膜の検出を目的に監視手法を変更する方法について説明する。
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１２は、ウエハ上の局所的な残膜の検出を目的に監視手法を変更する方法を示す図である。図１２（ａ）は、１回の走査で得られたセンサ軌跡上の全ての測定点のデータを平均した出力値を用いる監視手法を示し、図１２（ｂ）は、１回の走査で得られたセンサ軌跡上の各測定点の出力値を用いる監視手法を示し、図１２（ｃ）は図１２（ａ）に示す監視手法から図１２（ｂ）に示す監視手法に切替える場合を示すグラフである。図１２（ｃ）において、横軸は研磨時間（ｔ）であり、縦軸は渦電流センサの出力値である。
図１２（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１２（ｃ）に示すように、渦電流センサ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。渦電流センサ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。

そのため、研磨終点を検出した後に、渦電流センサＢに切替えを行う。図１２（ｂ）に示すように、渦電流センサＢは、渦電流センサが半導体ウエハの表面を１回走査するごとに、各測定点において測定された出力値を出力する。そのため、残膜が発生している場合には、渦電流センサＢの出力値は、図１２（ｂ）の下部に示すように山形状の出力値になり、金属薄膜の検出が可能になる。また、残膜が発生している箇所の把握も可能になる。すなわち、図１２（ｃ）に示すように、渦電流センサＡの平均化処理された出力値を監視して研磨終点を検出した後に、渦電流センサＢに切替え、渦電流センサＢにおける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。図１２においては、各測定点のデータを平均化処理するためのセンサＡと各測定点のデータを平均化処理しないでそのまま出力値とするセンサＢとを用いて研磨終点の検出と残膜の検出を行ったが、同一のセンサ（センサＡのみ）を用いて、平均化処理をする場合と平均化処理をしない場合とを切替え可能とし、研磨終点の検出までは平均化処理をし、研磨終点の検出後は平均化処理をしないようにしてもよい。

図１３は、渦電流センサＢにより得た各測定値の出力値を監視することにより局所的な残膜の発生を検出する場合に、ウエハの下層にある金属配線等の影響について示す図である。図１３（ａ）は、ウエハの下層の影響を受けない場合を示し、図１３（ｂ）は、ウエハの下層にある金属配線等の影響を受ける場合を示す。
上述したように、渦電流センサ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、渦電流センサ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１３（ａ）に示すように、渦電流センサ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、渦電流センサ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１３（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。

次に、上述した残膜監視方法のうち、光学式センサを用いて残膜を監視する方法について説明する。図１２（ａ）に示すように、渦電流センサ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、渦電流センサ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。渦電流センサ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。研磨終点を検出した後に、研磨テーブル内に別途設けられた光学式センサに切替えを行う。

前記光学式センサは、投光素子と受光素子を備えており、投光素子から半導体ウエハＷの被研磨面に光を照射し、被研磨面からの反射光を受光素子で受光するように構成されている。この場合、投光素子から発せられる光は、レーザー光又はＬＥＤによる光であり、場合によっては白色光も考えられる。ここで、研磨パッド１０１（図１参照）には、光学式センサの光を透過させるための円柱状の透光窓部材が取付けられている。あるいは、研磨パッド１０１に小さな貫通孔を設けて、ウエハ下に貫通孔が来た時に，貫通孔とウエハ面で囲まれる空間に透光性の液体を満たすようにしてもよい。

多くの場合、Ｃｕなどの金属部材の残膜は、ウエハ面上で、円弧状の筋や斑点状になって、目視で色を識別することが可能である。したがって、例えばＣｕなら反射率の高い波長７００〜８００ｎｍ付近の光を照射し、或いは、同波長範囲の光に着目して、上述の投光窓部材、または、貫通孔がウエハ下を監視する間の反射光を監視すれば、一時的に反射強度が増加するタイミングを捉えて部分的な残膜を検出することができる。

次に、図１０に示すフローチャート中の残膜監視において残膜を検出した場合に、ＣＭＰにより追加研磨を実施する場合と研磨プロファイルの異常を通知する場合の方式を選択可能としている点について説明する。
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。

次に、渦電流センサ５０が半導体ウエハの表面を走査するときの軌跡（走査線）について説明する。
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１４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１４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１４に示すように、研磨テーブル１００の回転に伴って走査線ＳＬ_１，ＳＬ_２，ＳＬ_３，…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。

図１５は、研磨テーブル１００の回転速度を７０min^−１、トップリング１の回転速度を７７min^−１として、移動平均時間（この例では５秒）内に渦電流センサ５０が描く半導体ウエハ上の軌跡を示す図である。図１５に示すように、この条件下では、研磨テーブル１００が１回転するごとに渦電流センサ５０の軌跡が３６度回転するので、５回走査するごとにセンサ軌跡が半導体ウエハＷ上を半周だけ回転することになる。センサ軌跡の湾曲も考慮すると、移動平均時間内に渦電流センサ５０が半導体ウエハＷを６回走査することにより、渦電流センサ５０は半導体ウエハＷ上をほぼ均等に全面スキャンすることになる。

上述した例では、トップリング１の回転速度が研磨テーブル１００の回転速度よりも速い場合を示したが、トップリング１の回転速度が研磨テーブル１００の回転速度よりも遅い場合（例えば、研磨テーブル１００の回転速度が７０min^−１、トップリング１の回転速度が６３min^−１）も、センサ軌跡が逆方向に回転するだけであり、所定の時間内に渦電流センサ５０が半導体ウエハＷの表面に描く軌跡を半導体ウエハＷの表面の全周にわたって分布させる点では上述の例と同じである。

また、上述の例では、トップリング１と研磨テーブル１００の回転速度比が１に近い場合を述べたが、回転速度比が０.５や１.５、２など（０.５の倍数）に近い場合も同様である。即ち、トップリング１と研磨テーブル１００の回転速度比が０.５の場合、研磨テーブル１００が１回転するごとにセンサ軌跡が１８０度回転し、半導体ウエハＷから見れば渦電流センサ５０が一回転ごとに逆方向から同一軌跡上を移動することになる。

そこで、トップリング１と研磨テーブル１００の回転速度比を０.５から少しずらして（例えば、トップリング１の回転速度を３６min^−１、研磨テーブル１００の回転速度を７０min^−１とする）、研磨テーブル１００が１回転するごとにセンサ軌跡が（１８０＋α）度回転するようにすれば、センサ軌跡が見かけ上α度ずれるようにできる。したがって、移動平均時間内にセンサ軌跡が半導体ウエハＷの表面上を約０.５回、または約Ｎ回、または約０.５＋Ｎ回（言い換えれば、０.５の倍数、すなわち０.５×Ｎ回（Ｎは自然数））だけ回転するようにαを設定（即ち、トップリング１と研磨テーブル１００の回転速度比を設定）すればよい。

移動平均時間内に渦電流センサ５０が半導体ウエハＷの表面に描く軌跡が全周にわたって略均等に分布するようにすることは、移動平均時間の調整も考慮すると広い範囲において回転速度比の選択を可能とする。したがって、研磨液（スラリ）の特性などによりトップリング１と研磨テーブル１００の回転速度比を大きく変える必要がある研磨プロセスにも対応できる。

ところで、一般に、トップリング１の回転速度が研磨テーブル１００の回転速度の丁度半分である場合を除いて、渦電流センサ５０が半導体ウエハＷ上に描く軌跡は図１５に示すように湾曲する。したがって、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の全周にわたって分布したとしても、センサ軌跡が必ずしも厳密な意味で周方向に均等に分布する訳ではない。センサ軌跡を半導体ウエハＷの周方向に厳密に均等に分布させるには、所定時間毎にセンサ軌跡が半導体ウエハＷの周上をちょうどＮ回（Ｎは自然数）だけ回転するようにする必要がある。この間に、渦電流センサ５０は、半導体ウエハＷの表面を全周にわたり周方向に均等な方向・向きに走査する。これを実現するためには、例えば研磨テーブル１００が所定の回数（自然数）だけ回転する間に、トップリング１がちょうど研磨テーブル１００の回転回数とは異なる回数（自然数）だけ回転するように、研磨テーブル１００とトップリング１の回転速度を定めればよい。この場合においても、上述のようにセンサ軌跡は湾曲するため、センサ軌跡が周方向に等間隔に分布するとはいえないが、センサ軌跡を２本ずつ対にして考えれば、センサ軌跡は任意の半径位置において周方向に均等に分布しているものと見なすことができる。図１６はこれを示す例であり、図１５と同一の条件で研磨テーブル１００が１０回回転する間の半導体ウエハＷ上のセンサ軌跡を示した図である。以上より、渦電流センサ５０は、上述の例に比べて半導体ウエハＷの全面をより平均的に反映したデータを取得することができる。

次に、本発明の研磨装置において好適に使用できるトップリング１についてより詳細に説明する。
図１７乃至図２２は、トップリング１を示す図であり、複数の半径方向に沿って切断した断面図である。
図１７に示すように、トップリング１は、半導体ウエハＷを研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体２と、研磨面１０１ａを直接押圧するリテーナリング３とから基本的に構成されている。トップリング本体２は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。リテーナリング３は、トップリング本体２の上部材３００の外周部に取り付けられている。上部材３００は、図１８に示すように、ボルト３０８によりトップリングシャフト１１１に連結されている。また、中間部材３０４は、ボルト３０９を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト３１０を介して上部材３００に固定されている。上部材３００、中間部材３０４、および下部材３０６から構成されるトップリング本体２は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。

図１７に示すように、下部材３０６の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４は、外周側に配置された環状のエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置された環状のリプルホルダ３１８，３１９とによって下部材３０６の下面に取り付けられている。弾性膜３１４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持され、リプルホルダ３１８は複数のストッパ３２０により下部材３０６の下面に取り付けられている。リプルホルダ３１９は、図１８に示すように、複数のストッパ３２２により下部材３０６の下面に取り付けられている。ストッパ３２０およびストッパ３２２はトップリング１の円周方向に均等に設けられている。

図１７に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。リプルホルダ３１９には、このセンター室３６０に連通する流路３２４が形成されており、下部材３０６には、この流路３２４に連通する流路３２５が形成されている。リプルホルダ３１９の流路３２４および下部材３０６の流路３２５は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２５および流路３２４を通ってセンター室３６０に供給されるようになっている。

リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっており、リプルホルダ３１９は、弾性膜３１４のリプル３１４ａを爪部３１９ａで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっている。

図１９に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４のリプルホルダ３１８とリプルホルダ３１９との間には隙間３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの隙間３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、図１７に示すように、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、環状溝３４７が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、環状溝３４７および中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリプル室３６１に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により弾性膜３１４の下面に半導体ウエハを吸着できるようになっている。

図２０に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃによって形成される環状のアウター室３６２に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、リプルホルダ３１８の流路３２６にコネクタ３２７を介して連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３２９がそれぞれ形成されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３２９を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってアウター室３６２に供給されるようになっている。

図２１に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄを押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜３１４のエッジ３１４ｃおよびエッジ３１４ｄによって形成される環状のエッジ室３６３に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってエッジ室３６３に供給されるようになっている。

このように、本実施形態におけるトップリング１においては、弾性膜３１４と下部材３０６との間に形成される圧力室、すなわち、センター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウエハを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウエハの部分ごとに調整できるようになっている。

図２２は、図１９に示すリテーナリングのＡ部拡大図である。リテーナリング３は半導体ウエハの外周縁を保持するものであり、図２２に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。

リング部材４０８は、ピストン４０６に連結される上リング部材４０８ａと、研磨面１０１に接触する下リング部材４０８ｂとから構成されており、上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとは、複数のボルト４０９によって結合されている。上リング部材４０８ａはＳＵＳなどの金属材料やセラミックス等の材料からなり、下リング部材４０８ｂはＰＥＥＫやＰＰＳ等の樹脂材料からなる。

図２２に示すように、保持部材４０２には、弾性膜４０４によって形成される室４１３に連通する流路４１２が形成されている。また、上部材３００には、保持部材４０２の流路４１２に連通する流路４１４が形成されている。この保持部材４０２の流路４１２は、上部材３００の流路４１４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って室４１３に供給されるようになっている。したがって、室４１３に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド１０１に押圧することができる。

図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分をもつ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができ、また、リテーナリング３が研磨パッド１０１に与える押圧力を精度よく調整することができるという利点がある。

このような構成により、リテーナリング３のリング部材４０８だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド１０１との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド１０１に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。このため、リテーナリング３による面圧を均一にすることができ、研磨パッド１０１に対する追従性も向上する。

また、図２２に示すように、リテーナリング３は、リング部材４０８の上下動を案内するためのリング状のリテーナリングガイド４１０を備えている。リング状のリテーナリングガイド４１０は、リング部材４０８の上部側全周を囲むようにリング部材４０８の外周側に位置する外周側部４１０ａと、リング部材４０８の内周側に位置する内周側部４１０ｂと、外周側部４１０ａと内周側部４１０ｂとを接続している中間部４１０ｃとから構成されている。リテーナリングガイド４１０の内周側部４１０ｂは、ボルト４１１により、下部材３０６に固定されている。外周側部４１０ａと内周側部４１０ｂとを接続する中間部４１０ｃには、円周方向に所定間隔毎に複数の開口４１０ｈが形成されている。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１トップリング
２トップリング本体
３リテーナリング
５０渦電流センサ
５１センサコイル
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）
７１ボビン
７２，７３，７４コイル
７３検出コイル
７４バランスコイル
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
８５ｃｏｓ同期検波回路
８６ｓｉｎ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
１３８ＡＣサーボモータ
１３２ａねじ軸
１３２ｂナット
１５０ロータリジョイント
１５１ｎシム（薄板）
３００上部材
３０４中間部材
３０６下部材
３０８ボルト
３１４弾性膜
３１４ａ，３１４ｂリプル
３１４ｃエッジ
３１４ｄエッジ（外周縁）
３１４ｆ隙間
３１６エッジホルダ
３１８，３１９リプルホルダ
３１８ｂ，３１８ｃ爪部
３２０，３２２ストッパ
３２４，３２５，３２６，３２８，３３４，３３６，３３８流路
３２７コネクタ
３４２，３４４流路
３４７環状溝
３４９駆動ピン
３５０ゴムクッション
３５１カラー
３６０センター室
３６１リプル室
３６２アウター室
３６３エッジ室
４００シリンダ
４０２保持部材
４０４弾性膜
４０６ピストン
４０８リング部材
４０８ａ上リング部材
４０８ｂ下リング部材
４０８ａ１下部リング状部
４０８ａ２上部円弧状部
４０９ボルト
４１０リテーナリングガイド
４１０ａ外周側部
４１０ｂ内周側部
４１０ｃ中間部
４１０ｈ複数の開口
４１０ｇガイド面
４１１ボルト
４１２，４１４流路
４１３室
４１８長円形状溝
４２０接続シート
４２１バンド
４２２シール部材
Ｗ半導体ウエハ
ｍｆ金属膜（または導電性膜）

Claims

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とは異なるセンサであって前記研磨テーブルに設置された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は渦電流センサからなり、
前記残膜監視を行うセンサは、前記終点検知センサより高い感度の渦電流センサからなることを特徴とする研磨方法。
前記残膜監視は、前記異なるセンサが基板の被研磨面を走査する軌跡上にある各測定点の出力値を監視することにより行うことを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、この情報を制御装置に伝えることを特徴とする請求項１または２記載の研磨方法。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、追加の研磨を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の研磨方法。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、研磨プロファイルの異常を制御装置に通知することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の研磨方法。
前記残膜監視の際には、前記研磨面への研磨液の供給を停止し、水を前記研磨面に供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の研磨方法。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、水を供給しつづけながら追加の研磨を行うことを特徴とする請求項６記載の研磨方法。
前記研磨終点を検出したら、前記基板を前記研磨テーブルから離すことなく前記残膜監視を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の研磨方法。
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し、前記研磨終点を検出した後に、前記終点検出センサとは異なるセンサであって前記研磨テーブルに設置された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制御装置を備え、
前記終点検出センサは渦電流センサからなり、
前記残膜監視を行うセンサは、前記終点検知センサより高い感度の渦電流センサからなることを特徴とする研磨装置。
前記残膜監視は、前記異なるセンサが基板の被研磨面を走査する軌跡上にある各測定点の出力値を監視することにより行うことを特徴とする請求項９記載の研磨装置。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、この情報を前記制御装置に伝えることを特徴とする請求項９または１０記載の研磨装置。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、追加の研磨を行うことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の研磨装置。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、研磨プロファイルの異常を前記制御装置に通知することを特徴とする請求項９または１０記載の研磨装置。
前記残膜監視の際には、前記研磨面への研磨液の供給を停止し、水を前記研磨面に供給することを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の研磨装置。
前記残膜監視により、残膜があることを確認したら、水を供給しつづけながら追加の研磨を行うことを特徴とする請求項１４記載の研磨装置。
前記研磨終点を検出したら、前記基板を前記研磨テーブルから離すことなく前記残膜監視を行うことを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の研磨装置。