JP6050571B2 - 研磨監視方法および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板の表面に形成された導電膜の厚さの変化を研磨中に監視する研磨監視方法および研磨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、セリア（ＣｅＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドに供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨パッドに摺接させて研磨を行うものである。

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は、半導体ウエハ（基板）の表面に形成されたバリア膜や金属膜などの導電膜を研磨する研磨工程に広く用いられている。研磨工程の終点検知や、研磨中における研磨条件の変更は、導電膜の厚さに基づいて決定されるため、研磨装置は、一般に、研磨中の導電膜の厚さを検出する膜厚検出器を備えている。膜厚検出器の代表的な装置として渦電流センサが挙げられる。

渦電流センサは、研磨テーブル内に配置されており、基板の研磨中に、研磨テーブルの回転に伴い渦電流センサが基板の下方を通過している間基板上の導電膜に渦電流を誘起させ、この渦電流の磁界に起因するインピーダンスの変化から導電膜の厚さを検出するように構成されている。
図１７は、半導体ウエハ（基板）の研磨を開始してから半導体ウエハ上の導電膜がクリアされる（無くなる）までの研磨時間（ｔ）と渦電流センサの信号値との関係を示す図である。図１７に示すように、半導体ウエハの研磨開始直後は、導電膜が厚いため、渦電流センサの出力は高くなるが、研磨が進行するにつれて導電膜が薄くなるため、渦電流センサの信号値が低下していく。そして、導電膜がクリアされる（無くなる）と、渦電流センサの信号値が一定になる。この信号値が一定になった時点（特異点）を検出することにより、研磨終点に到達したことを判断することができる。

特開２００５−１２１６１６号公報 特開２００９−９９８４２号公報

ところが、渦電流センサの周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や、渦電流センサそのものの経時変化などにより、渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）することがある。このように渦電流センサの出力信号の値がドリフトすると、図１７に示すように、実線から点線のようにグラフそのものが上方に略平行に移動する。この場合でも、特異点は同じように平行移動するので、研磨終点を検出することは可能である。しかしながら、導電膜を一部残して所定の厚みで研磨を停止する、または，低圧・低回転速度など異なる研磨条件に切り換えようとする場合、信号の値（Ｚ２）を見て特徴点として検出する必要がある。このように信号の値に応じて特徴点を検知する場合、ドリフトによって渦電流センサの出力信号の値と膜厚との対応関係がずれてしまうので、検出すべき研磨時間に誤差が生じてしまうという問題がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、研磨装置の稼働率を低下させることなく渦電流センサの較正を行うことができ、精度の高い膜厚監視を可能とする研磨監視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、本発明の研磨監視方法は、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導電膜を研磨し、研磨中に研磨テーブルに設置された渦電流センサにより導電膜の厚さを監視する研磨監視方法であって、基板上の導電膜を砥粒を含んだ研磨液で研磨中に渦電流センサの出力信号を取得し、前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号を用いて渦電流センサの出力調整量を算出し、該出力調整量を用いて前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在する時の出力信号を補正して基板上の導電膜の厚さを監視することを特徴とする。

本発明によれば、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導電膜を研磨する研磨工程を開始し、この研磨中の渦電流センサの出力信号を取得する。そして、渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号を用いて渦電流センサの出力調整量を算出する。渦電流センサの出力信号は、使用環境の変化や渦電流センサそのものの経時変化などによりドリフト（平行移動）することがあるが、前記出力調整量を用いて渦電流センサの上方に基板が存在する時の出力信号を補正することにより、ドリフト量に相当する分を出力信号から取り除くことができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記出力信号の補正は、前記座標系の原点を移動させることにより行うことを特徴とする。
本発明によれば、渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を表す座標系の原点を平行移動させることにより、ドリフト量に相当する分を出力信号から取り除くことができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記補正により移動した座標系の原点と前記インピーダンスの座標との距離から前記導電膜の厚さを監視することを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記出力信号の補正は、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のＮ回転数の平均値を使用することを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に基板保持用のトップリングが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に研磨面のドレッシング用のドレッサが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする。
本発明によれば、渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、研磨面上または上方に何も存在していない時の出力信号のみを用いる。これにより、渦電流センサに影響を及ぼさない範囲の信号のみを用いることができる。

本発明の研磨装置は、研磨面を有し回転する研磨テーブルと、前記研磨面に砥粒を含んだ研磨液を供給する研磨液供給手段と、研磨対象の基板を前記研磨面に押圧して基板上の導電膜を研磨するトップリングと、前記研磨テーブル内に設置された渦電流センサと、前記渦電流センサの出力信号に基づいて導電膜の厚さを監視するモニタリング装置とを備え、前記モニタリング装置は、基板上の導電膜を砥粒を含んだ研磨液で研磨中に渦電流センサの出力信号を取得し、前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号を用いて渦電流センサの出力調整量を算出し、該出力調整量を用いて前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在する時の出力信号を補正して基板上の導電膜の厚さを監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記出力信号の補正は、前記座標系の原点を移動させ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、前記補正により移動した座標系の原点と前記インピーダンスの座標との距離から前記導電膜の厚さを監視することを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記出力信号の補正は、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のＮ回転数の平均値を使用することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に基板保持用のトップリングが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に研磨面のドレッシング用のドレッサが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする。

本発明によれば、半導体ウエハ等の基板上の導電膜の研磨工程中における渦電流センサの出力信号値に基づいて、渦電流センサの較正をソフトウエア上で行うことができる。したがって、研磨装置の稼働率を低下させることなく、精度の高い膜厚監視を継続的に行うことができる。

図１は、本発明に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。 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、本発明の渦電流センサにおいて用いられているセンサコイルの構成例を示す概略図である。 図５は、渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。 図６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６（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６（ｂ）は渦電流センサ部分の拡大断面図である。 図７（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７（ｂ）は、研磨テーブルの回転と渦電流センサの出力の関係を示す図である。 図８は、研磨時間とともに変化するインピーダンスの抵抗成分としての信号Ｘと誘導リアクタンス成分としての信号Ｙを、ＸＹ座標系上にプロットすることで描かれるグラフを示す図である。 図９は、図８のグラフ図形を反時計回りに９０度回転させ、さらに平行移動させたグラフを示す図である。 図１０は、渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）した場合を示す図である。 図１１は、渦電流センサの出力信号を較正しつつ半導体ウエハ上の導電膜の膜厚変化を監視する処理フローの一態様を示す図である。 図１２は、ドリフト量（補正量）を算出するステップを説明するための図である。 図１３は、ドリフト量（補正量）に相当する分だけＸＹ座標系の原点Ｏを平行移動するステップを説明するための図である。 図１４は、渦電流センサ５０の出力信号を較正しつつ半導体ウエハ上の導電膜の膜厚変化を監視する処理フローの他の態様を示す図である。 図１５は、渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）した場合を示す図である。 図１６は、基準点を補正量分シフトするステップを説明するための図である。 図１７は、半導体ウエハ（基板）の研磨を開始してから半導体ウエハ上の導電膜がクリアされる（無くなる）までの研磨時間（ｔ）と渦電流センサの信号値との関係を示す図である。

以下、本発明に係る研磨監視方法および研磨装置の実施形態について図１乃至図１６を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１６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模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１と、研磨対象物である半導体ウエハＷを保持して研磨テーブル上の研磨パッドに押圧するトップリング１０とを備えている。研磨テーブル１は、テーブル軸１ａを介してその下方に配置される研磨テーブル回転モータ（図示せず）に連結されており、テーブル軸１ａの回りに回転可能になっている。研磨テーブル１の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の表面が半導体ウエハＷを研磨する研磨面２ａを構成している。研磨テーブル１の上方には研磨液供給ノズル３が設置されており、この研磨液供給ノズル３によって研磨テーブル１上の研磨パッド２に研磨液（スラリ）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１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１０は、トップリングシャフト１１に接続されており、トップリングシャフト１１は、トップリングヘッド１２に対して上下動するようになっている。トップリングシャフト１１の上下動により、トップリングヘッド１２に対してトップリング１０の全体を上下動させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト１１は、トップリング回転モータ（図示せず）の駆動により回転するようになっている。トップリングシャフト１１の回転により、トップリング１０がトップリングシャフト１１の回りに回転するようになっている。

トップリング１０は、その下面に半導体ウエハなどの半導体ウエハＷを保持できるようになっている。トップリングヘッド１２はトップリングヘッドシャフト１３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１０は、トップリングヘッド１２の旋回により基板の受取位置から研磨テーブル１の上方に移動可能になっている。トップリング１０は、下面に半導体ウエハＷを保持して半導体ウエハＷを研磨パッド２の表面（研磨面）に押圧する。このとき、研磨テーブル１およびトップリング１０をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１の上方に設けられた研磨液供給ノズル３から研磨パッド２上に研磨液を供給する。研磨液には砥粒としてセリア（ＣｅＯ_２）やシリカ（ＳｉＯ_２）を含んだ研磨液が用いられる。このように、研磨液を研磨パッド２上に供給しつつ、半導体ウエハＷを研磨パッド２に押圧して半導体ウエハＷと研磨パッド２とを相対移動させてウエハ上の金属膜等の導電膜を研磨する。金属膜としてはＣｕ膜、Ｗ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜等が挙げられる。

図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２をドレッシングするドレッシング装置２０を備えている。ドレッシング装置２０は、ドレッサアーム２１と、ドレッサアーム２１の先端に回転自在に取り付けられたドレッサ２２と、ドレッサアーム２１の他端に連結される揺動軸２３と、揺動軸２３を中心にドレッサアーム２１を揺動（スイング）させる駆動機構としてのモータ（図示せず）とを備えている。ドレッサ２２の下部はドレッシング部材２２ａにより構成され、ドレッシング部材２２ａは円形のドレッシング面を有しており、ドレッシング面には硬質な粒子が電着等により固定されている。この硬質な粒子としては、ダイヤモンド粒子やセラミック粒子などが挙げられる。ドレッサアーム２１内には、図示しないモータが内蔵されており、このモータによってドレッサ２２が回転するようになっている。揺動軸２３は図示しない昇降機構に連結されており、この昇降機構によりドレッサアーム２１が下降することでドレッシング部材２２ａが研磨パッド２の研磨面２ａを押圧してドレッシングするようになっている。ドレッシング装置２０は、ウエハの研磨が行われていないときに研磨パッド２をドレッシングすることができ、またウエハの研磨中にも研磨パッド２をドレッシングすることができるようになっている。

図２は、研磨テーブル１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１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の導電膜の厚さ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６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、検出対象の金属膜等の導電膜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、検出対象の導電膜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、検出対象の導電膜に対して、例えば０．５〜５．０ｍｍ程度の近傍に配置される。

渦電流センサには、導電膜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導電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導電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、導電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、導電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、導電膜の測定情報が得られる。渦電流センサ５０は、図１に示すように研磨テーブル１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、半導体ウエハ上の導電膜に流れる渦電流から導電膜の変化を検出することができる。

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、１〜５０ＭＨｚ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６０に電流Ｉ_１が流れる。導電膜ｍｆの近傍に配置されたセンサコイル６０に電流が流れることで、この磁束が導電膜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、導電膜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。導電膜ｍｆ側では、Ｒ２は渦電流損に相当する抵抗であり、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、渦電流Ｉ_２によって発生する磁力線の影響で変化する。

図４は、本発明の渦電流センサにおいて用いられてい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、渦電流センサのセンサコイル６０は、導電膜に渦電流を形成するためのコイルと、導電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個のコイル６２，６３，６４により構成されている。ここで中央のコイル６２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６２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上の導電膜ｍｆに渦電流を形成する。ボビン７１の導電膜側には、検出コイル６３が配置され、導電膜に形成される渦電流により発生する磁界を検出する。発振コイル６２を挟んで検出コイル６３の反対側にはバランスコイル６４が配置されている。

コイル６２，６３，６４は、同じターン数のコイルにより形成され、検出コイル６３とバランスコイル６４とは互いに逆相に接続されている。導電膜が検出コイル６３の近傍に存在すると、導電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６３とバランスコイル６４とに鎖交する。このとき、検出コイル６３のほうが導電膜に近い位置に配置されているので、両コイル６３，６４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより導電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。

図５は、渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。交流信号源５２は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器を有しており、例えば、１〜５０ＭＨｚの固定周波数の交流電流をセンサコイル６０に供給する。交流信号源５２で形成された交流電流は、バンドパスフィルタ１２０を介してセンサコイル６０に供給される。センサコイル６０の端子から出力された信号は、ブリッジ回路１２１および高周波アンプ１２３を経て、ｃｏｓ同期検波回路１２５およびｓｉｎ同期検波回路１２６からなる同期検波部１０５に送られる。そして、同期検波部１０５によりインピーダンスの抵抗成分と誘導リアクタンス成分とが取り出される。

同期検波部１０５から出力された抵抗成分と誘導リアクタンス成分からは、ローパスフィルタ１２７，１２８により不要な高周波成分（例えば５ＫＨｚ以上の高周波成分）が除去され、インピーダンスの抵抗成分としての信号Ｘと誘導リアクタンス成分としての信号Ｙとがそれぞれ出力される。モニタリング装置（図６参照）は、渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙを、回転処理、平行移動処理などで処理し、モニタリング信号としての距離Ｚ（後述する）を算出する。そして、この距離Ｚの変化に基づいて膜厚の変化を監視する。なお、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙに対する回転処理や平行処理などの所定の処理は、渦電流センサ５０にて電気的に行ってもよく、またはモニタリング装置にて計算により行ってもよい。

図６は、渦電流センサ５０を備えた研磨装置の要部構成を示す図であり、図６（ａ）は渦電流センサ５０の制御部を含む全体構成を示す図であり、図６（ｂ）は渦電流センサ部分の拡大断面図である。図６（ａ）に示すように、研磨装置の研磨テーブル１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。研磨テーブル１内には、渦電流センサ５０におけるセンサコイル６０が埋め込まれている。センサコイル６０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から構成されている。センサコイル６０の接続ケーブルは、研磨テーブル１のテーブル軸１ａ内を通り、テーブル軸１ａの軸端に設けられたロータリジョイント１５０を経由して、モニタリング装置５５に接続されている。モニタリング装置５５は制御装置（コントローラ）５６に接続されている。

図６（ｂ）に示すように、研磨テーブル１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２近傍のＳｉＣなどの材料で構成された研磨テーブル１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）１５１ｍによる調整やネジによる調整手段が取られる。

次に、図１乃至図６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導電膜の膜厚を監視する方法について説明する。
図７（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７（ａ）に示すように、渦電流センサ５０は、研磨テーブル１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の導電膜ｍｆに反応して所定の信号値を出力するようになっている。
図７（ｂ）は、研磨テーブル１の回転と渦電流センサ５０の出力の関係を示す図である。図７（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の出力値である。図７（ｂ）に示すように、渦電流センサ５０がウエハ内の領域（Ａ）にあるときには、半導体ウエハ上の導電膜ｍｆに反応した概略方形パルス状の出力となり、渦電流センサ５０がウエハ外の領域（Ｂ）にあるときには、一定レベルの低出力となる。

次に、図７に示す渦電流センサ５０の出力に基づいて半導体ウエハＷ上の導電膜の膜厚を検出する原理を説明する。図３（ｂ）に示す回路において、交流信号源５２から高周波の交流電流Ｉ_１をセンサコイル６０に流すと、センサコイル６０に誘起された磁力線が導電膜中を通過する。これにより、センサ側回路と導電膜側回路との間に相互インダクタンスが発生し、導電膜には渦電流Ｉ_２が流れる。この渦電流Ｉ_２は磁力線を発生し、これがセンサ側回路のインピーダンスを変化させる。渦電流センサは、このセンサ側回路のインピーダンスの変化から導電膜の膜厚を検出する。

図３（ｂ）に示すセンサ側回路と導電膜側回路には、それぞれ次の式が成り立つ。
Ｒ_１Ｉ_１＋Ｌ_１ｄＩ_１／ｄｔ＋ＭｄＩ_２／ｄｔ＝Ｅ （１）
Ｒ_２Ｉ_２＋Ｌ_２ｄＩ_２／ｄｔ＋ＭｄＩ_１／ｄｔ＝０ （２）
ここで、Ｍは相互インダクタンスであり、Ｒ_１はコイル１を含むセンサ側回路の等価抵抗であり、Ｌ_１はコイル１を含むセンサ側回路の自己インダクタンスである。Ｒ_２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ_２は渦電流が流れる導電膜の自己インダクタンスである。

ここで、Ｉ_ｎ＝Ａ_ｎｅ^ｊωｔ（正弦波）とおくと、上記式（１），（２）は次のように表される。
（Ｒ_１＋ｊωＬ_１）Ｉ_１＋ｊωＭＩ_２＝Ｅ （３）
（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）Ｉ_２＋ｊωＭＩ_１＝０ （４）
これら式（３），（４）から、次の式が導かれる。
Ｉ_１＝Ｅ（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）／｛（Ｒ_１＋ｊωＬ_１）（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）＋ω^２Ｍ^２｝
＝Ｅ／｛（Ｒ_１＋ｊωＬ_１）＋ω^２Ｍ^２／（Ｒ_２＋ｊωＬ_２）｝ （５）

したがって，センサ側回路のインピーダンスΦは、次の式で表される。
Φ＝Ｅ／Ｉ_１
＝｛Ｒ_１＋ω^２Ｍ^２Ｒ_２／（Ｒ_２ ^２＋ω^２Ｌ_２ ^２）
＋ｊω｛Ｌ_１−ω^２Ｌ_２Ｍ^２／（Ｒ_２ ^２＋ω^２Ｌ_２ ^２）｝ （６）
ここで、Φの実部（抵抗成分）、虚部（誘導リアクタンス成分）をそれぞれＸ，Ｙとおくと、上記式（６）は、次のようになる。
Φ＝Ｘ＋ｊωＹ （７）

図８は、研磨時間とともに変化するＸ，Ｙを、ＸＹ座標系上にプロットすることで描かれるグラフを示す図である。図８の座標系はＹ軸を縦軸とし、Ｘ軸を横軸とした座標系である。点Ｔ∞の座標は、膜厚が無限大であるとき、すなわち、Ｒ_２が０のときのＸ，Ｙの値であり、点Ｔ０の座標は、基板の導電率が無視できるものとすれば、膜厚が０であるとき、すなわち、Ｒ_２が無限大のときのＸ，Ｙの値である。Ｘ，Ｙの値から位置決めされる点Ｔｎは、膜厚が減少するに従って、円弧状の軌跡を描きながら点Ｔ０に向かって進む。なお、図８に示す記号ｋは結合係数であり、次の関係式が成り立つ。
Ｍ＝ｋ（Ｌ_１Ｌ_２）^１／２ （８）

図９は、図８のグラフ図形を反時計回りに９０度回転させ、さらに平行移動させたグラフを示す図である。すなわち、座標Ｘ，Ｙで表される点を、ＸＹ座標上の原点Ｏを中心として反時計周りに回転させ、さらに、回転させた座標を移動させ、原点Ｏと座標Ｘ，Ｙとの距離が膜厚の減少とともに短くなるようなグラフを生成する。なお、図９に示すグラフに対して、さらに増幅などの処理が施されることもある。図９には、図８のグラフを反時計回りに９０°回転させる場合を示したが、回転の角度は勿論９０°に限らない。たとえば、モニタリングしたい膜厚の上限に対するＹ座標が膜厚０の点のＹ座標と等しくなるように、回転角度を調節することが行われる。図９に示すように、膜厚が減少するに従って、Ｘ，Ｙの値から位置決めされる点Ｔｎは円弧状の軌跡を描きながら点Ｔ０に向かって進む。このとき、ＸＹ座標系の原点Ｏから点Ｔｎまでの距離Ｚ（＝（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２）は、点Ｔ∞の近傍を除いて、膜厚が減少するに従って小さくなる。したがって、渦電流センサ５０の出力信号をモニタリング装置５５に送ることにより、モニタリング装置５５は導電膜の厚さに応じて変化するモニタリング信号としての距離Ｚを算出する。そして、モニタリング装置５５により、予め、経験や試験により距離Ｚと膜厚との関係を把握しておけば、距離Ｚを監視することにより、研磨中の膜厚変化が分かる。

図１０は、渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）した場合を示す図である。渦電流センサの周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や、渦電流センサそのものの経時変化などにより、渦電流センサ５０の出力信号の値がドリフト（平行移動）することがある。すなわち、図１０に示すように、渦電流センサ５０の出力信号の値は、実線で示す円弧状の曲線から点線で示す円弧状の曲線のようにドリフトすることがある。このように渦電流センサの出力信号の値がドリフトすると、ＸＹ座標系の原点Ｏからの距離Ｚが変化することになる。その結果、渦電流センサの出力信号の値と膜厚との対応関係がずれてしまう。

そこで、本実施形態においては、モニタリング装置５５により渦電流センサ５０の出力信号を較正し、正確な膜厚変化を監視する。
次に、渦電流センサ５０の出力信号を研磨中に較正しつつ半導体ウエハ上の導電膜の膜厚変化を監視する方法について説明する。
図１１は、渦電流センサ５０の出力信号を較正しつつ半導体ウエハ上の導電膜の膜厚変化を監視する処理フローの一態様を示す図である。図１１に示すように、ステップ１において、半導体ウエハＷをトップリング１０により保持し、研磨テーブル１およびトップリング１０をそれぞれ回転させ、半導体ウエハＷを研磨パッド２に押圧してウエハ上の導電膜を研磨する研磨工程を開始する。このとき、渦電流センサ５０は、図７に示すように、研磨テーブル１の回転に伴いウエハ内の領域（Ａ）とウエハ外の領域（Ｂ）を通過するが、ステップ２において、モニタリング装置５５は、渦電流センサ５０がウエハ外の領域（Ｂ）にあるときのデータを取得する。この場合、研磨開始後、研磨テーブル１が１回転以上回転した後におけるウエハ外の領域（Ｂ）のデータを取得し、その後、研磨テーブル１がＮ回転（Ｎは整数）までデータを取得し続ける。そして、ステップ３において、Ｎ回転数までの渦電流センサ５０のウエハ外の領域（Ｂ）の出力値の平均値に基づいて、ドリフト量（補正量）を算出する。
なお、ウエハ外の領域とは、トップリングの領域以外、ドレッサの領域以外、アトマイザ等の領域以外であり、研磨テーブル（研磨パッド）上に何も存在していない領域である。

図１２は、ドリフト量（補正量）を算出するステップを説明するための図である。図１２の円弧状の曲線に示すように、渦電流センサ５０の出力信号の値は、実線から点線のようにドリフトすることがあるが、このドリフト量（補正量）を以下の式により算出する。
ΔＸａ＝Ｘ１１−Ｘ１，ΔＹａ＝Ｙ１１−Ｙ１
ここで、Ｘ１１，Ｙ１１は、渦電流センサ５０のウエハ外の領域（Ｂ）の出力値の平均値であり、Ｘ１，Ｙ１は、補正用基準信号値である。補正用基準信号値は、導電膜の膜厚が０となったときに類似する値である。
次に、ステップ４において、ステップ３で算出したドリフト量（補正量）を登録（保存）する。そして、ステップ５において、登録されたドリフト量（補正量）に相当する分だけ、ＸＹ座標系の原点Ｏを平行移動する。

図１３は、ドリフト量（補正量）に相当する分だけＸＹ座標系の原点Ｏを平行移動するステップを説明するための図である。図１３に示すように、ＸＹ座標系の原点Ｏを実線から点線のように平行移動する。すなわち、実線で示すＸ軸，Ｙ軸をΔＸａ，ΔＹａだけ平行移動して点線で示すＸ軸，Ｙ軸とする。そして、点線で示すＸＹ座標系の原点Ｏからの距離Ｚを算出する。そして、モニタリング装置５５により距離Ｚを監視することにより研磨中の膜厚変化が分かる。

図１４は、渦電流センサ５０の出力信号を較正しつつ半導体ウエハ上の導電膜の膜厚変化を監視する処理フローの他の態様を示す図である。渦電流センサの出力値のドリフトは、上述のような距離Ｚに基づく膜厚監視方法以外の他の方法にも影響を与える。例えば、特許文献１の図１３には、基準点（中心点）を通る基準線と、渦電流センサの出力信号（Ｘ成分，Ｙ成分）と基準点（中心点）とを結ぶ線との角度の変化から研磨中の膜厚の変化を監視する方法が示されている。この方法は、センサコイル端部と導電性膜との間の距離が異なる条件下で取得されたインピーダンスの抵抗成分（Ｘ成分）とリアクタンス成分（Ｙ成分）とを直交座標軸上に表示し、導電性膜の膜厚毎の前記抵抗成分および前記リアクタンス成分からなる座標を結ぶ予備測定直線同士が交差する交点である基準点（中心点）を求め、前記インピーダンスの座標と前記基準点（中心点）の座標とを結ぶ本番測定直線の成す角度から導電性膜の膜厚を検出するようにしたものである。この方法は、研磨パッドの厚さの変化によらず、膜厚の変化を精度良く監視することができるという利点を有している。しかしながら、この方法においても、渦電流センサの出力値の経時的変化により角度が変化し、渦電流センサの出力信号の値と膜厚との対応関係がずれてしまう。

図１５は、渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）した場合を示す図である。図１５の円弧状の曲線に示すように、渦電流センサ５０の出力信号の値は、渦電流センサそのものの経時変化などにより、実線から点線のようにドリフトすることがある。このように渦電流センサの出力信号の値がドリフトすると、基準点（中心点）を通る基準線と、渦電流センサの出力信号（Ｘ成分，Ｙ成分）と基準点（中心点）とを結ぶ線との角度（Angle）がAngle1からAngle2のように変化することになる。ここで、基準点とは、センサコイル端部と導電性膜との間の距離が異なる条件下で取得されたインピーダンスの抵抗成分（Ｘ成分）とリアクタンス成分（Ｙ成分）とを直交座標軸上に表示し、導電性膜の膜厚毎の前記抵抗成分および前記リアクタンス成分からなる座標を結ぶ予備測定直線同士が交差する交点である基準点のことである。

そこで、本実施形態においては、図１４に示すように、ステップ１の研磨工程の開始からステップ４のドリフト量（補正量）の登録までの工程を行う。ステップ１からステップ４までの工程は、図１１に示す処理フローと同様である。図１４に示す処理フローにおいては、ステップ５において、登録されたドリフト量（補正量）に相当する分だけ、基準点をシフトする。

図１６は、基準点を補正量分シフトするステップを説明するための図である。図１６に示すように、基準点を矢印で示すように補正量分（ΔＸａ，ΔＹａ）だけシフトする。次に、ステップ６において、補正後の基準点を用いてインピーダンス曲線の角度（Angle）を算出する。すなわち、補正後の基準点（中心点）を通る基準線と、渦電流センサの出力信号（Ｘ成分，Ｙ成分）と基準点（中心点）とを結ぶ線との角度（Angle）を算出することにより、導電膜の膜厚を検出することができる。このように、渦電流センサの出力信号の値のドリフト量を検出し、基準点をドリフト量に相当する分だけシフトすることで、ドリフト前後の角度（Angle）を同一の値に保つことができる。

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 研磨テーブル
１ａ テーブル軸
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨液供給ノズル
１０ トップリング
１１ トップリングシャフト
１２ トップリングヘッド
２０ ドレッシング装置
２１ ドレッサアーム
２２ ドレッサ
２２ａ ドレッシング部材
２３ 揺動軸
５０ 渦電流センサ
５２ 交流信号源
５５ モニタリング装置
５６ 制御装置（コントローラ）
６０ センサコイル
６２ 発振コイル
６３ 検出コイル
６４ バランスコイル
７１ ボビン
１０５ 同期検波部
１２０ バンドパスフィルタ
１２１ ブリッジ回路
１２３ 高周波アンプ
１２５ ｃｏｓ同期検波回路
１２６ ｓｉｎ同期検波回路
１２７，１２８ ローパスフィルタ
１５０ ロータリジョイント
１５１ｍ シム（薄板）
ｍｆ 導電膜
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (14)

1. 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導電膜を研磨し、研磨中に研磨テーブルに設置された渦電流センサにより導電膜の厚さを監視する研磨監視方法であって、
   基板上の導電膜を砥粒を含んだ研磨液で研磨中に渦電流センサの出力信号を取得し、前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号を用いて渦電流センサの出力調整量を算出し、該出力調整量を用いて前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在する時の出力信号を補正して基板上の導電膜の厚さを監視することを特徴とする研磨監視方法。
2. 前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする請求項１記載の研磨監視方法。
3. 前記出力信号の補正は、前記座標系の原点を移動させることにより行うことを特徴とする請求項２記載の研磨監視方法。
4. 前記補正により移動した座標系の原点と前記インピーダンスの座標との距離から前記導電膜の厚さを監視することを特徴とする請求項３記載の研磨監視方法。
5. 前記出力信号の補正は、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のＮ回転数の平均値を使用することを特徴とする請求項１記載の研磨監視方法。
6. 前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に基板保持用のトップリングが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする請求項１記載の研磨監視方法。
7. 前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に研磨面のドレッシング用のドレッサが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする請求項６記載の研磨監視方法。
8. 研磨面を有し回転する研磨テーブルと、
   前記研磨面に砥粒を含んだ研磨液を供給する研磨液供給手段と、
   研磨対象の基板を前記研磨面に押圧して基板上の導電膜を研磨するトップリングと、
   前記研磨テーブル内に設置された渦電流センサと、
   前記渦電流センサの出力信号に基づいて導電膜の厚さを監視するモニタリング装置とを備え、
   前記モニタリング装置は、基板上の導電膜を砥粒を含んだ研磨液で研磨中に渦電流センサの出力信号を取得し、前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号を用いて渦電流センサの出力調整量を算出し、該出力調整量を用いて前記基板上の導電膜の研磨中であって渦電流センサの上方に基板が存在する時の出力信号を補正して基板上の導電膜の厚さを監視することを特徴とする研磨装置。
9. 前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分およびリアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする請求項８記載の研磨装置。
10. 前記出力信号の補正は、前記座標系の原点を移動させ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。
11. 前記補正により移動した座標系の原点と前記インピーダンスの座標との距離から前記導電膜の厚さを監視することを特徴とする請求項１０記載の研磨装置。
12. 前記出力信号の補正は、前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のＮ回転数の平均値を使用することを特徴とする請求項８記載の研磨装置。
13. 前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に基板保持用のトップリングが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする請求項８記載の研磨装置。
14. 前記渦電流センサの上方に基板が存在しない時の出力信号のうち、前記渦電流センサの上方に研磨面のドレッシング用のドレッサが存在しない領域からの出力信号のみを用いることを特徴とする請求項１３記載の研磨装置。

Images