(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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渦電流センサであって、
導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを、外側のコイルが内側のコイルを囲むように互いに離間させて配置し、
前記複数のコイルのそれぞれは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成し、
前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、外側の励磁コイルが内側の励磁コイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする渦電流センサ。
【請求項２】
前記渦電流センサは、前記複数の検出コイルにそれぞれ直列に接続される複数のダミーコイルを備え、複数のダミーコイルは、外側のダミーコイルが内側のダミーコイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項３】
前記複数の検出コイルの少なくとも１つは、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請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項４】
前記複数の励磁コイルの少なくとも１つは、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請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項５】
前記複数のダミーコイルの少なくとも１つは、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請求項２記載の渦電流センサ。
【請求項６】
前記検出コイル、前記励磁コイルおよび前記ダミー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３乃至５のいずれか１項に記載の渦電流センサ。
【請求項７】
前記励磁コイルは、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記載の渦電流センサ。
【請求項８】
前記検出コイル、前記励磁コイルおよび前記ダミーコイルは、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２乃至７のいずれか１項に記載の渦電流センサ。
【請求項９】
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、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渦電流センサであって、
導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを基板に対して垂直方向に上下に配置し、
前記複数のコイルのそれぞれは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出するように構成されていることを特徴とする渦電流センサ。
【請求項１０】
前記複数のコイルは、コイル外径が小さいコイルとコイル外径が大きいコイルとから構成されるか、又はコイルの内径と外径の相加平均をコイル中心径と定義するとコイル中心径が小さいコイルとコイル中心径が大きいコイルとから構成されることを特徴とする請求項９記載の渦電流センサ。
【請求項１１】
前記コイル外径が小さいコイルと前記コイル外径が大きいコイルをそれぞれ複数個直列に接続し、直列接続されたコイル外径が小さいコイルと直列接続されたコイル外径が大きいコイルとは、いずれか一方が他方を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１０記載の渦電流センサ。
【請求項１２】
前記コイル中心径が小さいコイルと前記コイル中心径が大きいコイルをそれぞれ複数個直列に接続し、直列接続されたコイル中心径が小さいコイルと直列接続されたコイル中心径が大きいコイルとは、いずれか一方が他方を挟むように配置されていることを特徴とする請求項１０記載の渦電流センサ。
【請求項１３】
前記複数のコイルは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成することを特徴とする請求項９記載の渦電流センサ。
【請求項１４】
前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、基板に対して垂直方向に上下に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の渦電流センサ。
【請求項１５】
前記渦電流センサは、前記複数の検出コイルにそれぞれ直列に接続される複数のダミーコイルを備え、複数のダミーコイルは、基板に対して垂直方向に上下に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の渦電流センサ。
【請求項１６】
前記複数の検出コイルの少なくとも１つは、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請求項１３記載の渦電流センサ。
【請求項１７】
前記複数の励磁コイルの少なくとも１つは、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請求項１４記載の渦電流センサ。
【請求項１８】
前記複数のダミーコイルの少なくとも１つは、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請求項１５記載の渦電流センサ。
【請求項１９】
前記検出コイル、前記励磁コイルおよび前記ダミー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１６乃至１８のいずれか１項に記載の渦電流センサ。
【請求項２０】
前記励磁コイルは、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１４記載の渦電流センサ。
【請求項２１】
前記検出コイル、前記励磁コイルおよび前記ダミーコイルは、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１３乃至２０のいずれか１項に記載の渦電流センサ。
【請求項２２】
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金属膜または導電性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渦電流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渦電流センサの出力を監視し、該渦電流センサの出力の変化から前記金属膜または導電性膜の膜厚の監視を行い、
前記渦電流センサは、導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを備え、前記複数のコイルは外側のコイルが内側のコイルを囲むように互いに離間して配置され、
前記複数のコイルは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成し、
前記複数の検出コイルのそれぞれは、基板の被研磨面上の第１領域と、この第１領域を含み第１領域より広い第２領域とを含む２以上の領域の渦電流を個別に検出し、
前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、外側の励磁コイルが内側の励磁コイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする研磨方法。
【請求項２３】
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する際に基板の被研磨面の領域毎に独立して押圧力を制御しつつ基板を押圧して基板上の金属膜または導電性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渦電流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渦電流センサの出力を監視し、該渦電流センサの出力の変化から前記金属膜または導電性膜の膜厚の監視を行い、
前記渦電流センサは、導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを備え、前記複数のコイルは外側のコイルが内側のコイルを囲むように互いに離間して配置され、
前記複数のコイルは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成し、
前記複数の検出コイルのそれぞれは、基板の被研磨面の領域毎に渦電流を個別に検出し、
前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、外側の励磁コイルが内側の励磁コイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする研磨方法。
【請求項２４】
前記複数のコイルは、それぞれ外径が大きいセンサと外径が小さいセンサを構成し、
前記外径が大きいセンサの出力を監視して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、前記外径が小さい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２２または２３記載の研磨方法。
【請求項２５】
前記複数のコイルは、コイルの内径と外径の相加平均をコイル中心径と定義するとコイル中心径が小さいコイルとコイル中心径が大きいコイルとから構成され、前記コイル中心径が小さいコイルを備えたセンサはセンサ径が小さいセンサを構成し、前記コイル中心径が大きいコイルを備えたセンサはセンサ径が大きいセンサを構成し、
前記コイル中心径が大きいセンサの出力を監視して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、前記コイル中心径が小さい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２２または２３記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハなどの基板の表面に形成した金属膜（または導電性膜）を検出するのに好適な渦電流センサに関するものである。また、本発明は、基板の表面に形成した金属膜（または導電性膜）を渦電流センサにより監視しつつ基板を研磨して金属膜（または導電性膜）を除去する研磨方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、多層配線にするためには、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。
【０００３】
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（ＳｉＯ２）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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
本件出願人は、上述の金属残膜の検査および検査後の再研磨に伴ってスループットが低下するという問題を解決するために、先に、特開２０１１−２３５７９号において、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案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２３５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
先に提案した特開２０１１−２３５７９号においては、半導体ウエハ等の基板上に形成されたＣｕ等の金属膜に反応する渦電流センサを研磨テーブル内に配置し、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の金属膜に反応して所定の電圧値を出力するので、この出力を監視して金属膜が除去されたことを検出するようにしている。この場合、研磨が進行して金属薄膜を検出するには、渦電流センサの発振周波数を上昇させること、渦電流センサの内部回路の増幅度を上げること、或いは渦電流センサの励磁電圧を上昇させることによって行っている。
また、研磨されている金属膜の下層に異なる材質の金属膜がある場合、研磨が進行して異なった材質の金属膜（または導電性膜）を検出する場合にも、同様に渦電流センサの発振周波数を上昇させる等のセンサ感度を変えることによって行っている。
【００１０】
渦電流センサの発振周波数は、コイル自身のインダクタンス、静電容量によって決定されるコイル共振周波数より低く設定する必要がある。共振周波数付近に発振周波数を設定すると、特性の安定性に問題がある。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。
【００１１】
また、上述した異なる膜質・膜厚を検出するために、渦電流センサのセンサ感度を変える方法以外に、研磨テーブル内の異なった位置に感度が異なる複数のセンサや種類が異なる複数のセンサを設置することも行われている。
しかしながら、異なった位置に複数のセンサを設置した場合には、センサが基板の下方を通過する軌跡が異なり、複数のセンサは基板の被研磨面上の異なった箇所で計測を行うことになり、同一軌跡上の膜厚を正確に判断することが困難であるという問題がある。
【００１２】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、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、かつ研磨テーブル内の異なった位置に感度が異なる複数のセンサを設置しなくても、半導体ウエハ等の基板上の金属薄膜（または導電性薄膜）を正確に検出することができる渦電流センサを提供することを目的とする。
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の渦電流センサの第１の態様は、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、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渦電流センサであって、導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを、外側のコイルが内側のコイルを囲むように互いに離間させて配置し、前記複数のコイルのそれぞれは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成し、前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、外側の励磁コイルが内側の励磁コイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする。
本発明の渦電流センサの第２の態様は、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、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渦電流センサであって、導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを基板に対して垂直方向に上下に配置し、前記複数のコイルのそれぞれは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出するように構成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第１の態様および第２の態様によれば、渦電流センサにおける渦電流検出用の複数のコイルをサイズが小さいコイルとサイズが大きいコイルとで構成したので、基板上の微細な領域（第１領域）と、この微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）とを含む２以上の領域の渦電流を個別に検出することができる。したがって、基板上の２以上の重なった領域において同一タイミングで個別に検出した渦電流を比較することができ、金属膜または導電性膜を高い精度で検出することができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のコイルは、コイル外径が小さいコイルとコイル外径が大きいコイルとから構成されるか、又はコイルの内径と外径の相加平均をコイル中心径と定義するとコイル中心径が小さいコイルとコイル中心径が大きいコイルとから構成されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様によれば、前記コイル外径が小さいコイルと前記コイル外径が大きいコイルをそれぞれ複数個直列に接続し、直列接続されたコイル外径が小さいコイルと直列接続されたコイル外径が大きいコイルとは、いずれか一方が他方を挟むように配置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の好ましい態様によれば、前記コイル中心径が小さいコイルと前記コイル中心径が大きいコイルをそれぞれ複数個直列に接続し、直列接続されたコイル中心径が小さいコイルと直列接続されたコイル中心径が大きいコイルとは、いずれか一方が他方を挟むように配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のコイルは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成することを特徴とする。
【００１９】
本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、基板に対して垂直方向に上下に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、渦電流センサにおける複数の励磁コイルをサイズが小さいコイルとサイズが大きいコイルとで構成したので、基板上の微細な領域（第１領域）と、この微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）とを含む２以上の領域に個別に渦電流を形成することができる。
【００２０】
本発明の好ましい態様によれば、前記渦電流センサは、前記複数の検出コイルにそれぞれ直列に接続される複数のダミーコイルを備え、複数のダミーコイルは、外側のダミーコイルが内側のダミーコイルを囲むように互いに離間して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によれば、前記渦電流センサは、前記複数の検出コイルにそれぞれ直列に接続される複数のダミーコイルを備え、複数のダミーコイルは、基板に対して垂直方向に上下に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数の検出コイルの少なくとも１つは、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。
本発明によれば、渦電流センサにおける複数の検出コイルの少なくとも１つ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、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。前記検出コイルは、基板の金属膜または導電性膜が形成された面と平行に線材又は導電体をスパイラル状に複数層巻くことにより列方向に線材又は導電体の直径分しか厚さがなく偏平になっていてもよいし、線材又は導電体をスパイラル状に複数層巻く際に基板に次第に近づく（または遠ざかる）ように彎曲させることにより列方向に線材又は導電体の直径分より所定の厚みを持たせたものでもよい。
【００２２】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数の励磁コイルの少なくとも１つは、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。
本発明によれば、渦電流センサにおける複数の励磁コイルの少なくとも１つを線材又は導電体を１列複数層に巻いたコイルで構成することにより、コイルのインダクタンスが大きくなっても静電容量は大きくならないため、高い共振周波数を得ることが出来ることから、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。
また、本発明によれば、渦電流センサにおける複数の励磁コイルの少なくとも１つ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、励磁コイルを基板に近づけることができるため、渦電流が基板に流れるようになり、センサ感度が良くなる。
【００２３】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のダミーコイルの少なくとも１つは、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。
【００２４】
本発明の好ましい態様によれば、前記検出コイル、前記励磁コイルおよび前記ダミー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。
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、金属膜または導電性膜の検出を良好に行うことが可能となる。
【００２５】
本発明の好ましい態様によれば、前記励磁コイルは、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。
本発明によれば、励磁コイルは、半径方向内側がダミーコイル側に凹んで、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。
【００２６】
本発明の好ましい態様によれば、前記検出コイル、前記励磁コイルおよび前記ダミーコイルは、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。
本発明によれば、励磁コイルからの磁束は、励磁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、金属膜または導電性膜の内部に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。
【００２７】
本発明の研磨方法の第１の態様は、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金属膜または導電性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渦電流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渦電流センサの出力を監視し、該渦電流センサの出力の変化から前記金属膜または導電性膜の膜厚の監視を行い、前記渦電流センサは、導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを備え、前記複数のコイルは外側のコイルが内側のコイルを囲むように互いに離間して配置され、前記複数のコイルは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成し、前記複数の検出コイルのそれぞれは、基板の被研磨面上の第１領域と、この第１領域を含み第１領域より広い第２領域とを含む２以上の領域の渦電流を個別に検出し、前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、外側の励磁コイルが内側の励磁コイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする。
【００２８】
本発明の研磨方法の第１の態様によれば、渦電流センサは、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に反応して所定の電圧値等を出力するので、渦電流センサの出力を監視し、前記金属膜または導電性膜の膜厚の監視を行う。このとき、複数のコイルは同一の通過軌跡を描いて基板の被研磨面上を走査することになり、複数のコイルは、同一の通過軌跡上で同一のタイミングでかつ連続的に基板上の金属膜または導電性膜を計測することができる。すなわち、同一通過軌跡上で、一方のコイルはターゲットの金属膜または導電性膜の微細な領域（第１領域）の渦電流を検出して金属膜または導電性膜の計測を行い、他方のコイルは前記微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）の渦電流を検出して金属膜または導電性膜の計測を行うことができる。
【００２９】
本発明の研磨方法の第２の態様は、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する際に基板の被研磨面の領域毎に独立して押圧力を制御しつつ基板を押圧して基板上の金属膜または導電性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渦電流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渦電流センサの出力を監視し、該渦電流センサの出力の変化から前記金属膜または導電性膜の膜厚の監視を行い、前記渦電流センサは、導線又は導電体を巻回したサイズの相違する複数のコイルを備え、前記複数のコイルは外側のコイルが内側のコイルを囲むように互いに離間して配置され、前記複数のコイルは、前記金属膜または導電性膜に形成される渦電流を個別に検出する検出コイルを構成し、前記複数の検出コイルのそれぞれは、基板の被研磨面の領域毎に渦電流を個別に検出し、前記渦電流センサは、交流信号源に接続され前記金属膜または導電性膜に渦電流を形成する複数の励磁コイルを備え、複数の励磁コイルは、外側の励磁コイルが内側の励磁コイルを囲むように互いに離間して配置されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の研磨方法の第２の態様によれば、渦電流センサは、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に反応して所定の電圧値等を出力するので、渦電流センサの出力を監視し、前記金属膜または導電性膜の膜厚の監視を行う。このとき、複数のコイルは同一の通過軌跡を描いて基板の被研磨面上を走査することになり、複数のコイルは、同一の通過軌跡上で同一のタイミングでかつ連続的に基板上の金属膜または導電性膜を計測することができる。このとき、前記複数のコイルのそれぞれは、基板の被研磨面の領域毎に渦電流を個別に検出することができるために、基板の被研磨面の領域毎（例えば、基板のエッジ部、基板の中央部毎）に金属膜または導電性膜の計測を行うことができるとともに基板のエッジ部の検出範囲を拡大できる。そして、計測結果をフィードバックして基板の被研磨面の領域毎に研磨圧力を制御して所望の研磨プロファイルを達成できる。
【００３２】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のコイルは、それぞれ外径が大きいセンサと外径が小さいセンサを構成し、前記外径が大きいセンサの出力を監視して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、前記外径が小さい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。
本発明によれば、外径が大きい検出コイルを備えたセンサは感度が低いセンサとして機能し、基板の被研磨面全体の残膜を正確に検出することが可能であり、研磨終点の検出を安定して行うことができる。外径が小さい検出コイルを備えたセンサは、感度が高いセンサとして機能し、ターゲットの金属膜または導電性膜が薄くなった場合や金属膜または導電性膜の面積が小さくなった場合にも検出が可能であり、基板の被研磨面上の詳細な残膜分布の検出および基板のエッジ部分の薄膜の検出を行うことができる。
【００３３】
本発明の好ましい態様によれば、前記複数のコイルは、コイルの内径と外径の相加平均をコイル中心径と定義するとコイル中心径が小さいコイルとコイル中心径が大きいコイルとから構成され、前記コイル中心径が小さいコイルを備えたセンサはセンサ径が小さいセンサを構成し、前記コイル中心径が大きいコイルを備えたセンサはセンサ径が大きいセンサを構成し、前記コイル中心径が大きいセンサの出力を監視して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、前記コイル中心径が小さい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。
本発明によれば、コイル中心径が大きい検出コイルを備えたセンサは感度が低いセンサとして機能し、基板の被研磨面全体の残膜を正確に検出することが可能であり、研磨終点の検出を安定して行うことができる。コイル中心径が小さい検出コイルを備えたセンサは、感度が高いセンサとして機能し、ターゲットの金属膜または導電性膜が薄くなった場合や金属膜または導電性膜の面積が小さくなった場合にも検出が可能であり、基板の被研磨面上の詳細な残膜分布の検出および基板のエッジ部分の薄膜の検出を行うことができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）渦電流センサにおける渦電流検出用の複数のコイルを外径（またはコイル中心径）が小さいコイルと外径（またはコイル中心径）が大きいコイルとで構成したので、基板上の微細な領域（第１領域）と、この微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）とを含む２以上の領域の渦電流を個別に検出することができる。したがって、基板上の２以上の重なった領域において同一タイミングで個別に検出した渦電流を比較することができ、金属膜または導電性膜を高い精度で検出することができる。
（２）外径（またはコイル中心径）が小さい検出コイルを備えたセンサは、感度が高いセンサとして機能し、ターゲットの金属膜または導電性膜が薄くなった場合や金属膜または導電性膜の面積が小さくなった場合にも検出が可能であり、基板の被研磨面上の詳細な残膜分布の検出および基板のエッジ部分の薄膜の検出を行うことができる。一方、外径（またはコイル中心径）が大きい検出コイルを備えたセンサは感度が低いセンサとして機能し、基板の被研磨面全体の残膜を正確に検出することが可能であり、研磨終点の検出を安定して行うことができる。
（３）複数のコイルのそれぞれは、基板の被研磨面の領域毎に渦電流を個別に検出することができるために、基板の被研磨面の領域毎（例えば、基板のエッジ部、基板の中央部毎）に金属膜または導電性膜の計測を行うことができるとともに基板のエッジ部の検出範囲を拡大できる。そして、計測結果をフィードバックして基板の被研磨面の領域毎に研磨圧力を制御して所望の研磨プロファイルを達成できる。
（４）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。
（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、また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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】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】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】図３は、渦電流センサの基本構成を示す図であり、図３（ａ）は渦電流センサの基本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】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、従来の渦電流センサのセンサコイルと本発明の渦電流センサのセンサコイルとを対比して示す図であり、図４（ａ）は従来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り、図４（ｂ）は本発明の渦電流センサのセンサコイルの構成例を示す概略図であり、図４（ｃ）は本発明の渦電流センサの検出コイルを示す模式的平面図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、１列Ｎ層のコイルをｍ個直列に接続する態様を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の渦電流センサのセンサコイルと半導体ウエハ（基板）との位置関係を示す模式的立面図である。
【図７】図７は、１列Ｎ層巻きのコイルの他の巻き方を示す概略図である。
【図８】図８は、１列Ｎ層巻きのコイルの他の巻き方を示す概略図である。
【図９】図９は、１列Ｎ層巻きのコイルの他の巻き方を示す概略図である。
【図１０】図１０（ａ），（ｂ）は、１列Ｎ層巻きのコイルにおいてインダクタンス（コイルのＬ）を変化させる例を示す概略図である。
【図１１】図１１（ａ）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他の構成例を示す概略図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すセンサコイルの励磁コイルを示す模式的平面図である。
【図１２】図１２（ａ），（ｂ）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他の構成例を示す図であり、図１２（ａ）は内側のセンサコイルをソレノイド巻きのコイルで構成し、外側のセンサコイルをスパイラル巻きのコイルで構成した例を示す概略図であり、図１２（ｂ）は内側のセンサコイルをスパイラル巻きのコイルで構成し、外側のセンサコイルをソレノイド巻きのコイルで構成した例を示す概略図である。
【図１３】図１３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他の構成例を示す図であり、内側のセンサコイルおよび外側のセンサコイルにおける各コイルをソレノイド巻きのコイルで構成した例を示す概略図である。
【図１４】図１４は、センサコイルにおける同一種類のコイル同士のコイル位置を重なるように配置した構成例を示す概略図である。
【図１５】図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、１列Ｎ層のコイルを２個直列に接続する具体的な態様を示す概略図である。
【図１６】図１６（ａ），（ｂ）は、コイルの中心径に大小がある場合において２個のコイルを直列接続する態様を示す概略図である。
【図１７】図１７は、センサコイルの各コイルのうち励磁コイルの形状を凹球面状に形成した例を示す概略図である。
【図１８】図１８は、図４（ｂ）に示すセンサコイルの周囲に高透磁率材料からなる筒状部材を配置した例を示す概略図である。
【図１９】図１９は、スパイラル巻きの３個の検出コイルを同心円状に配置した例を示す概略図である。
【図２０】図２０は、センサコイルにおける各コイルの回路構成を示す概略図である。
【図２１】図２１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２２】図２２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２２（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２２（ｂ）は渦電流センサ部分の拡大断面図である。
【図２３】図２３（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２３（ｂ）は、半導体ウエハの研磨開始時の渦電流センサの出力を示す図であり、図２３（ｃ）は、半導体ウエハの研磨開始から所定時間後の渦電流センサの出力を示す図である。
【図２４】図２４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中心部の金属膜（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る。
【図２５】図２５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２６】図２６は、渦電流センサにおけるセンサ径の小さいセンサにより得た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２７】図２７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２８】図２８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２９】図２９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３０】図３０は、本発明の研磨装置において好適に使用できる複数の圧力室を備えたトップリングを示す模式的断面図である。
【図３１】図３１は、圧力室のサイズに合わせてサンプリング周期を設定可能にした態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
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３１を参照して詳細に説明する。なお、図１から図３１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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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ＣＴ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。
【００４４】
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１９を用いてより詳細に説明する。
図３は、渦電流センサ５０の基本構成を示す図であり、図３（ａ）は渦電流センサ５０の基本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。
【００４５】
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I２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I２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。
【００４６】
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、図１に示すように研磨テーブル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。
【００４７】
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。
【００４８】
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６０に電流Ｉ１が流れる。金属膜（または導電性膜）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Ｉ２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、Ｌ１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、Ｌ２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。
【００４９】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、従来の渦電流センサのセンサコイルと本発明の渦電流センサのセンサコイルとを対比して示す図である。図４（ａ）は従来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り、図４（ｂ）は本発明の渦電流センサ５０のセンサコイルの構成例を示す概略図であり、図４（ｃ）は本発明の渦電流センサ５０の検出コイルを示す模式的平面図である。
【００５０】
図４（ａ）に示すように、従来の渦電流センサ５０のセンサコイル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個のコイル７２，７３，７４により構成されている。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。そのため、センサコイル５１における３個のコイル７２，７３，７４は、列を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して平行方向と定義したときに、ボビン７１の外周に線材ｌｎをそれぞれ５列２層（１０ターン）でソレノイド巻きしたコイルからなる。ここで中央のコイル７２は、交流信号源５２に接続される励磁コイル（発振コイル）である。この励磁コイル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（基板）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。励磁コイル７２を挟んで検出コイル７３の反対側にはダミーコイル（バランスコイル）７４が配置されている。
【００５１】
これに対して、本発明の渦電流センサ５０は、図４（ｂ）に示すように、２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂを備えている。２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂは、外側のセンサコイル６０Ｂが内側のセンサコイル６０Ａを囲むように互いに離間して配置されている。内側のセンサコイル６０Ａは、３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａにより構成されており、ボビン６１に巻き付ける方式を採っていない。センサコイル６０Ａの３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して平行方向と定義したときに、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る。より詳細にいうと、３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、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る。Ｎは２以上の整数である。例えば従来と同等以上の巻き数とすればＮは１１以上である。
【００５２】
前記３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａのうち中央のコイル６２Ａは、交流信号源５２に接続される励磁コイル（発振コイル）である。この励磁コイル６２Ａ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。励磁コイル６２Ａの金属膜（または導電性膜）側には、検出コイル６３Ａ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。励磁コイル６２Ａを挟んで検出コイル６３Ａと反対側にはダミーコイル（バランスコイル）６４Ａが配置されている。励磁コイル６２Ａと検出コイル６３Ａとの間には励磁コイル６２Ａと検出コイル６３Ａとの間隔を一定に保つためのスペーサＳ１が配置されており、励磁コイル６２Ａとダミーコイル６４Ａとの間には励磁コイル６２Ａとダミーコイル６４Ａとの間隔を一定に保つためのスペーサＳ２が配置されている。そして、ダミーコイル６４Ａに隣接してボビン６１が配置されている。なお、励磁コイル６２Ａと検出コイル６３Ａの間および励磁コイル６２Ａとダミーコイル６４Ａの間は、距離さえ開いていればよく、特にスペーサを設けず空間だけでもよい。
【００５３】
また、外側のセンサコイル６０Ｂは、３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂにより構成されており、ボビン６１に巻き付ける方式を採っていない。センサコイル６０Ｂの３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して平行方向と定義したときに、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る。より詳細にいうと、３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、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る。Ｎは２以上の整数であり、例えば従来と同等以上の巻き数とすればＮは１１以上である。
【００５４】
前記３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂのうち中央のコイル６２Ｂは、図３（ａ）に示す交流信号源５２と同様の構成の別途設けられた交流信号源（図示せず）に接続される励磁コイル（発振コイル）である。この励磁コイル６２Ｂは、交流信号源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。励磁コイル６２Ｂの金属膜（または導電性膜）側には、検出コイル６３Ｂ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。励磁コイル６２Ｂを挟んで検出コイル６３Ｂと反対側にはダミーコイル（バランスコイル）６４Ｂが配置されている。励磁コイル６２Ｂと検出コイル６３Ｂとの間には励磁コイル６２Ｂと検出コイル６３Ｂとの間隔を一定に保つためのスペーサＳ１が配置されており、励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ｂとの間には励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ｂとの間隔を一定に保つためのスペーサＳ２が配置されている。そして、ダミーコイル６４Ｂに隣接してボビン６１が配置されている。なお、励磁コイル６２Ｂと検出コイル６３Ｂの間および励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ｂの間は、距離さえ開いていればよく、特にスペーサを設けず空間だけでもよい。
【００５５】
図４（ｃ）は、２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂにおける検出コイル６３Ａ，６３Ｂを示す模式的平面図である。図４（ｃ）に示すように、２つの検出コイル６３Ａ，６３Ｂは、外側の検出コイル６３Ｂが内側の検出コイル６３Ａを囲むように互いに離間して配置されている。２つの検出コイル６３Ａ，６３Ｂは、半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向の共通の軸線Ａｘ（図４（ｂ）参照）を中心として、線材又は導電体を巻回したコイルである。また、２つの検出コイル６３Ａ，６３Ｂは、前記軸線Ａｘと直交する方向である半径方向において互いに離間して配置されている。上述したように、内側の検出コイル６３Ａは、線材又は導電体ｌｎを１列Ｎ層巻きで半径方向にスパイラル状に巻いたコイルからなっている。検出コイル６３Ａは、半導体ウエハ（基板）の金属膜（または導電性膜）ｍｆが形成された面と平行に線材又は導電体ｌｎをスパイラル状にＮ層巻くことにより列方向（図４（ｃ）において紙面と直交する方向）に線材又は導電体ｌｎの直径分しか厚さがなく偏平になっていてもよいし、線材ｌｎをスパイラル状にＮ層巻く際に半導体ウエハ（基板）Ｗに次第に近づく（または遠ざかる）ように彎曲させることにより列方向に線材又は導電体ｌｎの直径分より所定の厚みを持たせたものでもよい。
【００５６】
また、外側の検出コイル６３Ｂも、線材又は導電体ｌｎを１列Ｎ層巻きで半径方向にスパイラル状に巻いたコイルからなっている。検出コイル６３Ｂは、半導体ウエハ（基板）の金属膜（または導電性膜）ｍｆが形成された面と平行に線材又は導電体ｌｎをスパイラル状にＮ層巻くことにより列方向（図４（ｃ）において紙面と直交する方向）に線材ｌｎの直径分しか厚さがなく偏平になっていてもよいし、線材又は導電体ｌｎをスパイラル状にＮ層巻く際に半導体ウエハ（基板）Ｗに次第に近づく（または遠ざかる）ように彎曲させることにより列方向に線材又は導電体ｌｎの直径分より所定の厚みを持たせたものでもよい。
【００５７】
図４（ｃ）では、２つの検出コイル６３Ａ，６３Ｂを図示したが、２つの励磁コイル６２Ａ，６２Ｂも図４（ｃ）に示す検出コイル６３Ａ，６３Ｂと同一の形状になっている。２つの励磁コイル６２Ａ，６２Ｂは、前記軸線Ａｘ（図４（ｂ）参照）を中心として、線材又は導電体を巻回したコイルであり、かつ軸線Ａｘと直交する方向である半径方向において互いに離間して配置されている。２つのダミーコイル６４Ａ，６４Ｂも図４（ｃ）に示す検出コイル６３Ａ，６３Ｂと同一の形状になっている。２つのダミーコイル６４Ａ，６４Ｂは、前記軸線Ａｘ（図４（ｂ）参照）を中心として、線材又は導電体を巻回したコイルであり、かつ軸線Ａｘと直交する方向である半径方向において互いに離間して配置されている。
【００５８】
また、センサコイル６０Ａにおける各コイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａおよびセンサコイル６０Ｂにおける各コイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、線材又は導電体ｌｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いた図４（ｃ）に示すコイルをｍ個直列に接続して構成してもよい。ここでｍは２以上の整数である。１列Ｎ層のコイルをｍ個直列に接続する場合、各コイル同士が接触すると、容量成分が増加するので、１列Ｎ層のコイルを列方向（基板に対して垂直方向）にｍ個並べ、隣接するコイル間に隙間を空けることが好ましい。なお、この隙間には誘電率の低い材料、または空間を設けることが好ましい。
【００５９】
図５（ａ），（ｂ）は、１列Ｎ層のコイルをｍ個直列に接続する態様を示す模式図である。
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。
【数１】
0005894833.tif 000002
ここで、ｋは結合係数、Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂは自己インダクタンス［Ｈ］である。
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。
【数２】
0005894833.tif 000003
ここで、ｋ０，ｋ１，ｋ２は結合係数、Ｌ１Ａ，Ｌ１Ｂ，Ｌ１Ｃは自己インダクタンスである。
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。
【００６０】
また、図５（ａ），（ｂ）に示す例においては、１列Ｎ層のコイル間に切替スイッチを設けることにより、直列接続されるコイル数を適宜選定できる。したがって、検出対象の金属膜や膜厚によって、検出コイル６３Ａ（または６３Ｂ），励磁コイル６２Ａ（または６２Ｂ），ダミーコイル６４Ａ（または６４Ｂ）のコイル数（列数）を切り替えて、最適な検出を行うことが可能となる。例えば、金属膜の膜厚が薄かったり、金属の抵抗値が低い場合にはコイル数（列数）を増やすことが可能となる。なお、図５（ａ），（ｂ）において、コイルＡ，コイルＢ，コイルＣ等のコイル間には、空間（隙間）は、なくてもよいが、設ける方が好ましい。この空間（隙間）に誘電率が低い材質のものを配置してもよい。
【００６１】
図６は、本発明の渦電流センサのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂと半導体ウエハ（基板）Ｗとの位置関係を示す模式的立面図である。
本発明のセンサコイル６０Ａ，６０Ｂ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６３Ａ，６２Ａ，６４Ａ；６３Ｂ，６２Ｂ，６４Ｂ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６３Ａ，６２Ａ，６４Ａ；６３Ｂ，６２Ｂ，６４Ｂ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。
【００６２】
また、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。
【００６３】
図７乃至図９は、１列Ｎ層巻きのコイルの他の巻き方を示す概略図である。
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６３Ａ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６３Ａ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６３Ａ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の各種の巻き方を内側の検出コイル６３Ａに適用した場合を示したが、外側の検出コイル６３Ｂにも同様の巻き方が適用できる。また、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂおよびダミーコイル６４Ａ，６４Ｂについても、図７乃至図９に示すコイルの巻き方が適用できることは勿論である。
【００６４】
図１０（ａ），（ｂ）は、１列Ｎ層巻きのコイルにおいてインダクタンス（コイルのＬ）を変化させる例を示す概略図である。
図１０（ａ）に示す例においては、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻くことにより検出コイル６３Ａを形成している。図１０（ａ）に示すように、スパイラル巻きのコイルには、外周側端部と内周側端部とにそれぞれ端子Ｔ１，Ｔ２が接続され、中間部に端子Ｔ３，Ｔ４が接続されている。そして、端子Ｔ１と端子Ｔ２間でコイル長さが最長のコイル１を構成し、端子Ｔ１と端子Ｔ３間でコイル長さが最短のコイル２を構成し、端子Ｔ１と端子Ｔ４間でコイル長さが中間のコイル３を構成することができる。このように、コイル長さを変化させることにより、インダクタンスＬを変化させることができる。
図１０（ｂ）に示す例においては、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻くことにより検出コイル６３Ａを形成している。図１０（ｂ）に示すように、スパイラル巻きのコイルには、内周側端部と外周側端部とにそれぞれ端子Ｔ１，Ｔ２が接続され、中間部に端子Ｔ３，Ｔ４が接続されている。そして、端子Ｔ１と端子Ｔ２間でコイル長さが最長のコイル１を構成し、端子Ｔ１と端子Ｔ３間でコイル長さが最短のコイル２を構成し、端子Ｔ１と端子Ｔ４間でコイル長さが中間のコイル３を構成することができる。このように、コイル長さを変化させることにより、インダクタンスＬを変化させることができる。
図１０（ａ），（ｂ）に示す例においては、インダクタンスを変化させる方法を検出コイル６３Ａに適用した場合を示したが、外側の検出コイル６３Ｂにも同様の巻き方が適用できる。また、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂおよびダミーコイル６４Ａ，６４Ｂについても、図１０に示すインダクタンスを変化させる方法が適用できることは勿論である。
【００６５】
図１１（ａ）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他の構成例を示す概略図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示すセンサコイルの励磁コイルを示す模式的平面図である。なお、図１１（ａ）においては、コイルは線材又は導電体を図示せず、模式的に示している。
図１１（ａ）に示すように、渦電流センサ５０は、２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂを備えており、２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂは共通の励磁コイル６２を用いている。すなわち、内側のセンサコイル６０Ａは、検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２，ダミーコイル６４Ａにより構成されており、外側のセンサコイル６０Ｂは、検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２，ダミーコイル６４Ｂにより構成されている。２つの検出コイル６３Ａ，６３Ｂは、外側の検出コイル６３Ｂが内側の検出コイル６３Ａを囲むように互いに離間して配置されている。また、２つのダミーコイル６４Ａ，６４Ｂは、外側のダミーコイル６４Ｂが内側のダミーコイル６４Ａを囲むように互いに離間して配置されている。
【００６６】
図１１（ｂ）は励磁コイル６２を示す図である。図１１（ｂ）に示すように、励磁コイル６２は線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きで半径方向にスパイラル状に巻いた単一のコイルからなっている。検出コイル６３Ａ，６３Ｂおよびダミーコイル６４Ａ，６４Ｂは、図４（ｂ），（ｃ）に示すコイルと同様の構成である。
【００６７】
図１２（ａ），（ｂ）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他の構成例を示す図であり、図１２（ａ）は内側のセンサコイル６０Ａをソレノイド巻きのコイルで構成し、外側のセンサコイル６０Ｂをスパイラル巻きのコイルで構成した例を示す概略図である。なお、図１２（ａ）においては、外側のセンサコイル６０Ｂは線材又は導電体を図示せず、模式的に示している。
図１２（ａ）に示すように、内側のセンサコイル６０Ａの３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、ボビン６１の外周に線材又は導電体ｌｎをそれぞれＮ列Ｍ層巻きでソレノイド状に巻いたコイルである。Ｎ，Ｍは２以上の整数であり、図１２（ａ）に示す例においては５列２層のコイルである。ここで、中央のコイル６２Ａは励磁コイルであり、励磁コイル６２Ａの金属膜（または導電性膜）側のコイル６３Ａは検出コイルであり、励磁コイル６２Ａを挟んで検出コイル６３Ａの反対側のコイル６４Ａはダミーコイルである。
【００６８】
また、外側のセンサコイル６０Ｂは、３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂにより構成されており、ボビン６１に巻き付ける方式を採っていない。センサコイル６０Ｂの３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、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る。Ｎは２以上の整数であり、例えば従来と同等以上の巻き数とすればＮは１１以上である。ここで、中央のコイル６２Ｂは励磁コイルであり、励磁コイル６２Ｂの金属膜（または導電性膜）側のコイル６３Ｂは検出コイルであり、励磁コイル６２Ｂを挟んで検出コイル６３Ｂの反対側のコイル６４Ｂはダミーコイルである。図１２（ａ）においては、励磁コイル６２Ｂと検出コイル６３Ｂの間および励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ｂの間は、スペーサを設けず空間だけの例を示している。
【００６９】
図１２（ｂ）は、内側のセンサコイル６０Ａをスパイラル巻きのコイルで構成し、外側のセンサコイル６０Ｂをソレノイド巻きのコイルで構成した例を示す概略図である。図１２（ｂ）に示すセンサコイルは、図１２（ａ）に示すセンサコイルの内側と外側とが逆になっている。すなわち、図１２（ｂ）に示すように、内側のセンサコイル６０Ａにおける３個の６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、線材又は導電体をそれぞれ１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルである。また、外側のセンサコイル６０Ｂにおける３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、線材又は導電体をそれぞれＮ列Ｍ層巻きでソレノイド状に巻いたコイルである。
【００７０】
図１３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他の構成例を示す図であり、内側のセンサコイル６０Ａおよび外側のセンサコイル６０Ｂにおける各コイルをソレノイド巻きのコイルで構成した例を示す概略図である。図１３に示すように、内側のセンサコイル６０Ａの３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、ボビン６１Ａの外周に線材又は導電体ｌｎをそれぞれＮ列Ｍ層巻きでソレノイド状に巻いたコイルである。Ｎ，Ｍは２以上の整数であり、図１３に示す例においては５列２層のコイルである。ここで、中央のコイル６２Ａは励磁コイルであり、励磁コイル６２Ａの金属膜（または導電性膜）側のコイル６３Ａは検出コイルであり、励磁コイル６２Ａを挟んで検出コイル６３Ａの反対側のコイル６４Ａはダミーコイルである。
【００７１】
また、外側のセンサコイル６０Ｂの３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、中空のボビン６１Ｂの外周に線材又は導電体ｌｎをそれぞれＮ列Ｍ層巻きでソレノイド状に巻いたコイルである。Ｎ，Ｍは２以上の整数であり、図１３に示す例においては５列２層のコイルである。ここで、中央のコイル６２Ｂは励磁コイルであり、励磁コイル６２Ｂの金属膜（または導電性膜）側のコイル６３Ｂは検出コイルであり、励磁コイル６２Ｂを挟んで検出コイル６３Ｂの反対側のコイル６４Ｂはダミーコイルである。
【００７２】
図４乃至図１３に示すように、本発明の渦電流センサ５０は、コイル外径の相違する複数のセンサコイル６０Ａ，６０Ｂを、外側のセンサコイル６０Ｂが内側のセンサコイル６０Ａを囲むように互いに離間させて配置している。
本発明の渦電流センサ５０によれば、内側のセンサコイル６０Ａにおける検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２Ａ，ダミーコイル６４Ａの外径は、外側のセンサコイル６０Ｂにおける検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２Ｂ，ダミーコイル６４Ｂの外径と比較して小さい。例えば、図４（ｂ），（ｃ）に示す渦電流センサ５０における内側の検出コイル６３Ａと外側の検出コイル６３Ｂとを比較すると、内側の検出コイル６３Ａの外径はＤ１であり、外側の検出コイル６３Ｂの外径はＤ２であり、Ｄ２＞＞Ｄ１に設定されている。内側の検出コイル６３Ａの外径Ｄ１を小さくすることにより、内側の検出コイル６３Ａは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）の渦電流を検出することが可能となる。そして、外径が大きい外側の検出コイル６３Ｂは、内側の検出コイル６３Ａの計測領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）の渦電流を検出することが可能となる。
【００７３】
また、図２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（基板）Ｗの表面（被研磨面）を走査するが、このとき、内側の検出コイル６３Ａと外側の検出コイル６３Ｂは同一の通過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。したがって、内側の検出コイル６３Ａと外側の検出コイル６３Ｂは、同一の通過軌跡上で同一のタイミングでかつ連続的に半導体ウエハＷの金属膜（または導電性膜）を計測することができる。すなわち、同一通過軌跡上で、内側の検出コイル６３Ａはターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）の渦電流を検出して金属膜（または導電性膜）の計測を行い、外側の検出コイル６３Ｂは前記微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）の渦電流を検出して金属膜（または導電性膜）の計測を行うことができる。
【００７４】
図４（ｂ）に示すように、前記内側および外側の検出コイル６３Ａ，６３Ｂに対応して、内側の励磁コイル６２Ａの外径をＤ１とし、外側の励磁コイル６２Ｂの外径をＤ２とし、Ｄ２＞＞Ｄ１に設定している。このように、内側の励磁コイル６２Ａと外側の励磁コイル６２Ｂの外径を設定することにより、内側および外側の励磁コイル６２Ａ，６２Ｂのそれぞれは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）と、この微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）に渦電流を個別に形成することができる。なお、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂの外径をそれぞれ検出コイル６３Ａ，６３Ｂの外径と同一として説明しているが、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂの外径を検出コイル６３Ａ，６３Ｂの外径とそれぞれ変えてもよいことは勿論である。
【００７５】
このように、本発明の渦電流センサ５０は、励磁コイル６２Ａ，検出コイル６３Ａ，ダミーコイル６４Ａを備えた内側のセンサコイル６０Ａと、内側のセンサコイ６０Ａを囲むように配置されるとともに、励磁コイル６２Ｂ，検出コイル６３Ｂ，ダミーコイル６４Ｂを備えた外側のセンサコイル６０Ｂとから構成されている。したがって、内側のセンサコイル６０Ａは感度が高いセンサとして機能し、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も金属膜の検出が可能であり、半導体ウエハ（基板）Ｗの被研磨面上の詳細な残膜分布の検出および半導体ウエハＷのエッジ部分の薄膜の検出を行うことができる。一方、外側のセンサコイル６０Ｂは感度が低いセンサとして機能し、半導体ウエハの被研磨面全体の残膜を正確に検出することが可能であり、研磨終点の検出を安定して行うことができる。また、内側のセンサコイル６０Ａと外側のセンサコイル６０Ｂは、同一の通過軌跡上で同一タイミングで金属膜（または導電性膜）に反応して個別に出力するため、両出力を比較することにより、精度の高い金属膜（または導電性膜）の検出が可能となる。
【００７６】
次に、本発明の渦電流センサ５０の変形例について説明する。
図４乃至図１３に示す実施形態においては、コイル外径の相違する複数のセンサコイル６０Ａ，６０Ｂを、外側のセンサコイル６０Ｂが内側のセンサコイル６０Ａを囲むように互いに離間させて配置した構成の渦電流センサ５０を説明したが、センサコイル６０Ａ，６０Ｂにおける同一種類のコイル同士のコイル位置が重なるように配置した構成の渦電流センサ５０でもよい。
【００７７】
図１４は、センサコイル６０Ａ，６０Ｂにおける同一種類のコイル同士のコイル位置を重なるように配置した構成例を示す概略図である。図１４に示すように、本実施形態の渦電流センサ５０は２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂを備えている。センサコイル６０Ａは、３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａにより構成されており、ボビン６１に巻き付ける方式を採っていない。センサコイル６０Ａの３個のコイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して平行方向と定義したときに、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る。
【００７８】
また、外側のセンサコイル６０Ｂは、３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂにより構成されており、ボビン６１に巻き付ける方式を採っていない。センサコイル６０Ｂの３個のコイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂは、列を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して平行方向と定義したときに、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る。
【００７９】
図１４に示すように、検出コイル６３Ａの外径Ｄ１は検出コイル６３Ｂの内径ＤＩＮより大きく、２つの検出コイル６３Ａ，６３Ｂのコイル位置は列方向において重なっている。励磁コイル６２Ａの外径も同様に励磁コイル６２Ｂの内径より大きく、２つの励磁コイル６２Ａ，６２Ｂのコイル位置は列方向において重なっている。また、ダミーコイル６４Ａの外径もダミーコイル６４Ｂの内径より大きく、２つのダミーコイルのコイル位置は列方向において重なっている。
【００８０】
図１４に示すように構成された渦電流センサ５０においても、センサコイル６０Ａにおける検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２Ａ，ダミーコイル６４Ａの外径は、センサコイル６０Ｂにおける検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２Ｂ，ダミーコイル６４Ｂの外径と比較して小さい。例えば、図１４に示す渦電流センサ５０における検出コイル６３Ａと検出コイル６３Ｂとを比較すると、検出コイル６３Ａの外径はＤ１であり、検出コイル６３Ｂの外径はＤ２であり、Ｄ２＞＞Ｄ１に設定されている。すなわち、検出コイル６３Ａの外径Ｄ１を小さくすることにより、検出コイル６３Ａは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）の渦電流を検出することが可能となる。そして、外径が大きい検出コイル６３Ｂは、検出コイル６３Ａの計測領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）の渦電流を検出することが可能となる。
【００８１】
前記検出コイル６３Ａ，６３Ｂに対応して、励磁コイル６２Ａの外径をＤ１とし、励磁コイル６２Ｂの外径をＤ２とし、Ｄ２＞＞Ｄ１に設定している。このように、励磁コイル６２Ａと励磁コイル６２Ｂの外径を設定することにより、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂのそれぞれは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）と、この微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）に渦電流を個別に形成することができる。なお、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂの外径をそれぞれ検出コイル６３Ａ，６３Ｂの外径と同一として説明しているが、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂの外径をそれぞれ検出コイル６３Ａ，６３Ｂの外径と変えてもよいことは勿論である。
【００８２】
検出コイル６３Ｂと励磁コイル６２Ａとの間には検出コイル６３Ｂと励磁コイル６２Ａとの間隔を一定に保つためのスペーサＳ１が配置されており、励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ａとの間には励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ａとの間隔を一定に保つためのスペーサＳ２が配置されている。そして、ダミーコイル６４Ｂに隣接してボビン６１が配置されている。なお、検出コイル６３Ｂと励磁コイル６２Ａの間および励磁コイル６２Ｂとダミーコイル６４Ａの間は、距離さえ開いていればよく、特にスペーサを設けず空間だけでもよい。
【００８３】
次に、図４乃至図１４に示す外径が大きいセンサコイルと外径が小さいセンサコイルからなる本発明において、１列Ｎ層のコイルをｍ個直列に接続する具体的な態様について図１５（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して説明する。
図１５（ａ）は、外径の大きいコイルが外径の小さいコイルを囲む場合において２個のコイルを直列接続する態様を示す概略図である。図１５（ａ）に示すように、内側のセンサコイル６０Ａにおける検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２Ａ，ダミーコイル６４Ａのそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。また、外側のセンサコイル６０Ｂにおける検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２Ｂ，ダミーコイル６４Ｂのそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。２個のコイルを直列に接続する場合、コイルの内径側で接続してもよいし外径側で接続してもよい。１列Ｎ層のコイルを２個直列に接続する場合、各コイル同士が接触すると、容量成分が増加するので、１列Ｎ層のコイルを列方向（基板に対して垂直方向）に２個並べ、隣接するコイル間に隙間を空け、この隙間には誘電率の低い材料Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を設けている。また、検出コイル，励磁コイル，ダミーコイルにおける隣接する２つのコイル間には、図４（ｂ）に示す例と同様に、スペーサＳ１，Ｓ２が設置されている。
【００８４】
図１５（ｂ）は、外径の大きいコイルが外径の小さいコイルを半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜が形成された面に対して垂直方向に挟むように配置された場合において２個のコイルを直列接続する態様を示す概略図である。図１５（ｂ）に示すように、内側のセンサコイル６０Ａにおける検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２Ａ，ダミーコイル６４Ａのそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。また、外側のセンサコイル６０Ｂにおける検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２Ｂ，ダミーコイル６４Ｂのそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。２個のコイルを直列に接続する場合、コイルの内径側で接続してもよいし外径側で接続してもよい。検出コイル，励磁コイル，ダミーコイルにおける隣接する２つのコイル間にスペーサＳ１，Ｓ２が設けられていることは、図１５（ａ）の場合と同様である。また、図示しないが、隣接する小さいコイル間に隙間を空け、この隙間には誘電率の低い材料を設けてよいことも、図１５（ａ）の場合と同様である。
【００８５】
図１５（ｃ）は、外径の小さいコイルが外径の大きいコイルを半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜が形成された面に対して垂直方向に挟むように配置された場合において２個のコイルを直列接続する態様を示す概略図である。図１５（ｃ）に示すように、内側のセンサコイル６０Ａにおける検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２Ａ，ダミーコイル６４Ａのそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。また、外側のセンサコイル６０Ｂにおける検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２Ｂ，ダミーコイル６４Ｂのそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。２個のコイルを直列に接続する場合、コイルの内径側で接続してもよいし外径側で接続してもよい。検出コイル，励磁コイル，ダミーコイルにおける隣接する２つのコイル間にスペーサＳ１，Ｓ２が設けられていることは、図１５（ａ）の場合と同様である。また、図示しないが、隣接する大きいコイル間に隙間を空け、この隙間には誘電率の低い材料を設けてよいことも、図１５（ａ）の場合と同様である。
【００８６】
図４乃至図１５においては外径の大きいコイルと外径の小さいコイルの組合せを示したが、本発明は、コイルの中心径に大小があるセンサコイルの組合せをも含むものである。
図１６（ａ），（ｂ）は、コイルの中心径に大小がある場合において２個のコイルを直列接続する態様を示す概略図である。図１６（ａ），（ｂ）において、コイルの内径と外径の相加平均をコイル中心径と定義すると、コイル中心径が大きい方を外側のコイル、コイル中心径が小さい方を内側のコイルとして説明する。
図１６（ａ），（ｂ）に示す態様においては、外側のセンサコイル６０Ｂにおける検出コイル６３Ｂ，励磁コイル６２Ｂ，ダミーコイル６４Ｂのコイル中心径は、内側のセンサコイル６０Ａにおける検出コイル６３Ａ，励磁コイル６２Ａ，ダミーコイル６４Ａのコイル中心径より大きく設定されている。検出コイル６３Ａ（６３Ｂ），励磁コイル６２Ａ（６２Ｂ），ダミーコイル６４Ａ（６４Ｂ）のそれぞれは、線材又は導電体１ｎを１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルを２個直列に接続して構成されている。
【００８７】
図１６（ａ），（ｂ）に示す渦電流センサ５０における検出コイル６３Ａと検出コイル６３Ｂとを比較すると、検出コイル６３Ａのコイル中心径はＤｃ１であり、検出コイル６３Ｂのコイル中心径はＤｃ２であり、Ｄｃ２＞Ｄｃ１に設定されている。すなわち、検出コイル６３Ａのコイル中心径Ｄｃ１を小さくすることにより、検出コイル６３Ａは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）の渦電流を検出することが可能となる。そして、コイル中心径が大きい検出コイル６３Ｂは、検出コイル６３Ａの計測領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）の渦電流を検出することが可能となる。
【００８８】
前記検出コイル６３Ａ，６３Ｂに対応して、励磁コイル６２Ａのコイル中心径をＤｃ１とし、励磁コイル６２Ｂのコイル中心径をＤｃ２とし、Ｄｃ２＞Ｄｃ１に設定している。このように、励磁コイル６２Ａと励磁コイル６２Ｂのコイル中心径を設定することにより、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂのそれぞれは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）と、この微細な領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）に渦電流を個別に形成することができる。なお、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂのコイル中心径をそれぞれ検出コイル６３Ａ，６３Ｂのコイル中心径と同一として説明しているが、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂのコイル中心径をそれぞれ検出コイル６３Ａ，６３Ｂのコイル中心径と変えてもよいことは勿論である。なお、ダミーコイル６４Ａ，６４Ｂのコイル中心径は、それぞれ検出コイル６３Ａ，６３Ｂのコイル中心径と同様に設定されている。検出コイル，励磁コイル，ダミーコイルにおける隣接する２つのコイル間には、図４（ｂ）に示す例と同様に、スペーサＳ１，Ｓ２が設置されている。また、図示しないが、隣接するコイル間に隙間を空け、この隙間には誘電率の低い材料を設けてよいことも、図１５（ａ）の場合と同様である。
【００８９】
図１７は、センサコイル６０Ａ，６０Ｂの各コイル６２Ａ，６２Ｂ；６３Ａ，６３Ｂ；６４Ａ，６４Ｂのうち励磁コイル６２Ａ，６２Ｂの形状を凹球面状に形成した例を示す概略図である。図１７に示すように、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂは、半径方向内側がダミーコイル側に凹んで、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。スパイラル巻きのセンサコイルは、発振磁界を変化させることによって感度を変化させることが可能になる。したがって、図１７に示すように、励磁コイル６２Ａ，６２Ｂ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。
【００９０】
図１８は、図４（ｂ）に示すセンサコイルの周囲に高透磁率材料からなる筒状部材を配置した例を示す概略図である。図１８に示すように、センサコイル６０Ａ，６０Ｂのボビン６１および３個の外側コイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂの周囲を高透磁率材料からなる筒状部材６５により囲むようにしている。筒状部材６５は、例えば、比透磁率μ＝５０の高透磁率材料（例えばフェライト、アモルファス、パーマロイ、スーパーマロイ、ミューメタル）を用いて製作することにより、センサコイルの周囲の環境が空気である場合よりも５０倍の磁束を通過させることができる。言い換えると、セラミックス材料などの電気的に絶縁材料の周囲環境内に設置する場合よりも１／５０の厚さ内に同等の磁束を通すことができる。
【００９１】
図１８に示すように、センサコイルの周囲に高透磁率材料からなる筒状部材６５を配置することにより、研磨テーブル１００がステンレス（ＳＵＳ）材などの導電性材料により製作されている場合でも、筒状部材６５内に配置されているセンサコイル６０Ａ，６０Ｂの励磁コイル６２Ａ，６２Ｂに電流供給して形成する磁束は、研磨テーブル内に渦電流を発生させて測定に必要な大きさの磁束の経路（磁路）を小さくしてしまうことがなく、半導体ウエハＷの金属膜に有効な渦電流を発生させる経路をとることができる。すなわち、筒状部材６５は、センサコイル６０Ａ，６０Ｂの励磁コイル６２Ａ，６２Ｂによる磁束を研磨テーブル１００の導電性の母材内に通すことなく、半導体ウエハＷ側の検出空間内に広げる経路として機能し、その磁束は、測定対象の金属膜（または導電性膜）ｍｆ内に大きな渦電流を発生させることができる。このため、研磨テーブル１００が、ステンレス（ＳＵＳ）などの導電性材料により製作されている場合でも、ＳｉＣなどのセラミックス材料（絶縁材料）により製作した場合と、同様の感度を確保することができる。
【００９２】
図４乃至図９に示すスパイラル巻き、多角形巻き、楕円巻き等の１列Ｎ層巻きの複数の検出コイルを、外側の検出コイルが内側の検出コイルを囲むように互いに離間させて配置した構成は、検出コイルとコンデンサーとを並列接続させコルピッツ回路を構成して励磁、検出機能をもたせ励磁周波数の周波数の変化から研磨終点を検出するセンサにも利用できる。
【００９３】
図４乃至図１８に示す実施形態においては、検出コイル、励磁コイルおよびダミーコイルの各々について半径方向内側と半径方向外側に配置する構成例を示したが、検出コイル、励磁コイルおよびダミーコイルの各々について半径方向内側から外側に向かって同心円状（または略同心円状）に３個以上配置してもよいことは勿論である。
図１９は、スパイラル巻きの３個の検出コイル６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃを同心円状に配置した例を示す概略図である。３個の検出コイル６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ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。
【００９４】
図１９に示すように、３個の検出コイル６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃを同心円状に配置した渦電流センサ５０によれば、最内周に配置された検出コイル６３Ａの外径Ｄ１、中間部に配置された検出コイル６３Ｂの外径Ｄ２、最外周に配置された検出コイル６３Ｃの外径Ｄ３の関係はＤ１＜Ｄ２＜Ｄ３になっている。このように、最内周側の検出コイル６３Ａの外径Ｄ１を小さくすることにより、最内周側の検出コイル６３Ａは、ターゲットの金属膜（または導電性膜）の微細な領域（第１領域）の渦電流を検出することが可能となる。そして、中間部の検出コイル６３Ｂは、最内周側の検出コイル６３Ａの計測領域（第１領域）を含む広い領域（第２領域）の渦電流を検出することが可能となり、最外周側の検出コイル６３Ｃは、中間部の検出コイル６３Ｂの計測領域を含む更に広い領域（第３領域）の渦電流を検出することが可能となる。なお、３個の励磁コイルおよび３個のダミーコイルも図１９と同様に構成されている。
【００９５】
図２０は、センサコイル６０Ａにおける各コイルの回路構成を示す概略図である。図２０においては、コイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａからなるセンサコイル６０Ａの回路構成のみを示すが、コイル６２Ｂ，６３Ｂ，６４Ｂからなるセンサコイル６０Ｂの回路構成も同様であるため、図示および説明を省略する。
図２０（ａ）に示すように、コイル６２Ａ，６３Ａ，６４Ａは、１列Ｎ層でスパイラル巻きのコイルにより形成され、検出コイル６３Ａとダミーコイル６４Ａとは互いに逆相に接続されている。
検出コイル６３Ａとダミーコイル６４Ａ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。励磁コイル６２Ａ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６３Ａ，６４Ａ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６３Ａ，６４Ａ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２０（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２０（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。
【００９６】
そして、金属膜（または導電性膜）が検出コイル６３Ａ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６３Ａとダミーコイル６４Ａとに鎖交するが、検出コイル６３Ａ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６３Ａ，６４Ａ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励磁コイル６２Ａから、検出コイル６３Ａとダミーコイル６４Ａ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。
【００９７】
図２１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２１は、交流信号源５２側からセンサコイル６０Ａ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２１においては、センサコイル６０Ａの計測回路のみを示すが、センサコイル６０Ｂの計測回路も同様であるため、図示および説明を省略する。図２１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。
【００９８】
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６０Ａ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、２〜３２ＭＨｚ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６０Ａに供給される。センサコイル６０Ａ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。
【００９９】
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（Ｒ２＋Ｘ２）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。
【０１００】
図２２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２２（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２２（ｂ）は渦電流センサ部分の拡大断面図である。図２２（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６０Ａ，６０Ｂが埋め込まれている。センサコイル６０Ａ，６０Ｂの各接続ケーブルは、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。なお、センサコイル６０Ａ，６０Ｂはメインアンプ５５を一体に備えている場合もある。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図２２（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）１５１ｍによる調整やネジによる調整手段が取られる。
【０１０３】
ここで、センサコイル６０Ａ，６０Ｂ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６０は、発振周波数が、２から３２ＭＨｚ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。
【０１０４】
次に、図１乃至図２２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２０および図２１において説明したように、２つのセンサコイル６０Ａ，６０Ｂは、個別にセンサ回路に接続されているため、センサコイル６０Ａとセンサコイル６０Ａ用のセンサ回路とは、一体となって１つのセンサを構成し、センサコイル６０Ｂとセンサコイル６０Ｂ用のセンサ回路とは、一体となって１つのセンサを構成する。以下においては、センサコイル６０Ａとセンサ回路からなるセンサをセンサ径が小さいセンサと称し、センサコイル６０Ｂとセンサ回路からなるセンサをセンサ径が大きいセンサと称し、両者を峻別して説明する。
【０１０５】
前記センサ径が小さいセンサとは、図４（ｂ），（ｃ）および図１４に示すように小さいコイル外径（Ｄ１）のセンサおよび図１６に示すように小さいコイル中心径（Ｄｃ１）のセンサを云い、前記センサ径が大きいセンサとは、図４（ｂ），（ｃ）および図１４に示すように大きいコイル外径（Ｄ２）のセンサおよび図１６に示すように大きいコイル中心径（Ｄｃ２）のセンサを云う。センサ径の小さいセンサおよびセンサ径の大きいセンサの具体的な大きさ（サイズ）については、研磨ヘッド（トップリング）の圧力室のサイズに関係して定義されるため、圧力室の構造を説明した後に説明する。
【０１０６】
次に、センサ径が大きいセンサとセンサ径が小さいセンサにおける大小の励磁コイルの出力周波数が同一である場合と異なる場合について説明する。
大小の励磁コイルの出力周波数が同一の場合には、大小の検出コイルは、検出領域に大小はあるものの、同一周波数の渦電流を検出することになる。
大小の励磁コイルの出力周波数が異なる場合には、大小の検出コイルは、検出コイル側にそれぞれ所定のフィルタを設け、それぞれ異なった周波数の渦電流を検出することができるようにしている。
【０１０７】
図２３（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２３（ａ）に示すように、渦電流センサ５０におけるセンサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサは、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、それぞれ所定の電圧値（Ｖ）を出力するようになっている。センサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサは、同一通過軌跡上で金属膜に反応して出力するため、センサ出力の比較が可能となる。
【０１０８】
図２３（ｂ）は、半導体ウエハＷの研磨開始時の渦電流センサ５０の出力を示す図である。図２３（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）または、膜厚に相当する出力値であり、センサ径が小さいセンサの出力を細い実線で示し、センサ径が大きいセンサの出力を太い実線で示す。図２３（ｂ）に示すように、渦電流センサ５０におけるセンサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサは、共に、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。そして、電位がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに遷移する立ち上がり時の出力およびＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに遷移する立ち下がり時の出力は、センサ径が小さいセンサの方がセンサ径の大きいセンサより急峻である。すなわち、半導体ウエハＷのエッジ部の残膜を検出する際に、センサ径が小さいセンサの方がセンサ径の大きいセンサよりウエハ直径方向の分解能と感度が高いことを示している。
【０１０９】
図２３（ｃ）は、半導体ウエハＷの研磨開始から所定時間後の渦電流センサ５０の出力を示す図である。図２３（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５０の出力値（電圧値）（Ｖ）または、膜厚に相当する出力値であり、センサ径が小さいセンサの出力を細い実線で示し、センサ径が大きいセンサの出力を太い実線で示す。図２３（ｃ）の下の図に示すように、半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）には同心円状の厚い部分と薄い部分があるが、センサ径の小さいセンサの方がセンサ径の大きいセンサよりも半導体ウエハ上の金属膜（または導電性膜）の厚みに敏感に反応している。したがって、センサ径の小さいセンサは、半導体ウエハ（基板）Ｗの被研磨面上の詳細な残膜分布の検出および半導体ウエハＷのエッジ部分の薄膜の検出を行うのに適している。研磨中にプロファイルの違い（例えば、目標プロファイルと研磨中のプロファイルとの違い）をセンサ径が小さいセンサにて同時監視を行い、プロファイルの異常が継続的に発生した場合にはアラームを出力する。これに対し、センサ径の大きいセンサは、半導体ウエハの被研磨面全体の残膜を正確に検出することが可能であり、研磨終点の検出を安定して行うのに適している。
【０１１０】
図２４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上の中心部の金属膜（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２４に示すように、半導体ウエハＷの研磨開始時は、金属膜（または導電性膜）ｍｆが厚いため、渦電流センサ５０におけるセンサ径が小さいセンサ（小口径センサ）とセンサ径が大きいセンサ（大口径センサ）の出力は共に高くなるが、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におけるセンサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサの出力は共に低下していく。このとき、研磨中に発生する半導体ウエハＷ上の小さい凹凸には、センサ径の大きいセンサは点線ｄｌで示すように反応しないので、終点検出の際に不要な凹凸の影響を受けることはない。これに対し、センサ径の小さいセンサは、半導体ウエハＷ上の小さい凹凸に対して反応して小さい山形の出力値を出す。そして、ウエハ中心部の金属膜クリア、ウエハ端部の金属残膜ありの状態になると、センサ径が大きいセンサの出力値がなくなり、研磨終点を検出する。このとき、センサ径が小さいセンサにはウエハ端部側のみ出力値がある。なお、周波数の切替や励磁コイルに流す電流を変化させることによって、終点検出を行う際に最適な状態を選択可能となる。
【０１１１】
図２５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２５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におけるセンサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサの出力値を監視し、研磨終点の検出までは研磨を続行し、渦電流センサ５０におけるセンサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサの出力値の監視工程を続行する。研磨終点の検出は、センサ径が大きいセンサの出力値が金属膜クリアレベルになったことを検出することにより行う。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、センサ径が小さいセンサに出力値があるか否かを監視することにより行う。図２４では、ウエハ端部に残膜がある場合を示したが、被研磨面上に局部的（例えば、ウエハ中心部、ウエハ中間部など）に残膜があれば、センサ径が小さいセンサは、これを検出して出力する。
【０１１２】
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。
【０１１３】
次に、図２５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所定時間ポリッシングを行う方法を云う。
残膜監視において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。
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。
【０１１４】
次に、上述した研磨終点および残膜監視方法について、従来の方法と対比して説明する。
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。そのため、従来にあっては、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、センサＢによって残膜監視を行ってウエハ上に金属残膜がないことを確認していた。
【０１１５】
これに対して、センサ径が小さいセンサとセンサ径が大きいセンサとを一体のユニットとして備えた本発明の渦電流センサ５０を用いる場合には、図２４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、センサ径が大きいセンサ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、センサ径の大きいセンサ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、センサ径の大きいセンサはセンサ感度なしの状態になる。したがって、センサ径の大きいセンサは研磨終点の検出を実施する。このとき、センサ径の小さいセンサは、センサ径の大きいセンサよりウエハ直径方向の分解能と感度が高いため、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。したがって、センサ径の小さいセンサの出力値の監視により局所的な面積の小さい残膜の発生を検出できる。
【０１１６】
図２６は、渦電流センサ５０におけるセンサ径の小さいセンサにより得た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２６（ａ）は、ウエハの下層の影響を受けない場合を示し、図２６（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、センサ径の小さいセンサによる各測定点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、センサ径の小さいセンサは、センサ感度が高いために、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２６（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。
【０１１７】
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２７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２７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２７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。
【０１１８】
図２８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２８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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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２５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２９はこれを示す例であり、図２８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。
【０１２４】
図３０は、本発明の研磨装置において好適に使用できる複数の圧力室を備えたトップリングを示す模式的断面図である。トップリング１は、半導体ウエハＷに当接する円形の弾性パッド１４２と、弾性パッド１４２を保持するチャッキングプレート１４４とを有している。弾性パッド１４２の上周端部はチャッキングプレート１４４に保持され、弾性パッド１４２とチャッキングプレート１４４との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路１５２，１５３，１５４、１５５を介して加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。中央の圧力室Ｐ４は円形であり、他の圧力室Ｐ３，Ｐ２，Ｐ１は円環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。
【０１２５】
圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は図示しない圧力調整部により互いに独立して変化させることが可能であり、これにより半導体ウエハＷの４つの領域、すなわち、周縁部、外側中間部、内側中間部、および中間部に対する押圧力を独立に調整することができる。この例では、圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、互いに独立して半導体ウエハＷを押圧する押圧機構を構成する。研磨中の半導体ウエハＷの金属膜（または導電性膜）ｍｆの膜厚は、研磨テーブル１００に設けられた渦電流センサ５０（図１参照）によって測定され、半導体ウエハＷの径方向の膜厚分布が制御装置５６（図２２参照）によって取得される。制御装置５６は、膜厚分布に応じて圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を制御し、例えば、半導体ウエハＷ上の金属膜（または導電性膜）ｍｆの周縁部の膜厚が中央部の膜厚より厚い場合は圧力室Ｐ１の圧力を圧力室Ｐ４の圧力より高めて金属膜（または導電性膜）ｍｆの周縁部の研磨圧力を中央部の研磨圧力より高めて研磨を行い、所望の研磨プロファイルを達成する。
【０１２６】
図３０に示すような圧力室Ｐ１〜Ｐ４を有したトップリング１と本発明の渦電流センサ５０を埋設した研磨テーブル１００とを備えた研磨装置により、渦電流センサ５０により半導体ウエハＷ上の金属膜（または導電性膜）の監視を行う場合の渦電流センサ５０の構成およびデータ処理方法について説明する。
【０１２７】
本発明においては、膜厚分布に応じて圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を制御し、各圧力室の直下の膜厚を制御している。同心状に設けられた圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４における半径方向の幅は、圧力室Ｐ１が幅Ｗ１，圧力室Ｐ２が幅Ｗ２，圧力室Ｐ３が幅Ｗ３，圧力室Ｐ４が幅Ｗ４に設定されており、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４の関係になっている。そして、センサ径の小さいセンサは、圧力室Ｐ１の半径方向の幅Ｗ１より小さい範囲が検出できるセンサ径に設定されている。また、センサ径の大きいセンサは、センサ径の小さいセンサよりも大きいセンサ径であって、最大でも、最も大きい圧力室Ｐ４の幅Ｗ４より小さい範囲が検出できるセンサ径に設定されている。このように、本発明においては、センサのサイズ（センサ径）は、圧力室Ｐ１〜Ｐ４の半径方向の幅Ｗ１〜Ｗ４に応じて定め、圧力室Ｐ１〜Ｐ４によって半導体ウエハＷの領域毎に独立して制御される研磨圧力に対応できるようにしている。すなわち、研磨中に半導体ウエハＷのエッジ部の膜厚については、圧力室Ｐ１の半径方向の幅Ｗ１よりセンサ径の小さいセンサで検出し、半導体ウエハＷの中央部の膜厚については、圧力室Ｐ４の半径方向の幅Ｗ４よりセンサ径の小さいセンサであって、前記センサ径の小さいセンサよりも大きいセンサで検出するようにしている。このように、本発明においては、センサ径の小さいセンサとセンサ径の大きいセンサは、半導体ウエハ（基板）Ｗを領域毎に独立して押圧する複数の圧力室に対応して設けられており、前記複数の圧力室に対応した半導体ウエハ（基板）Ｗの領域毎に渦電流を検出することができるように構成されている。したがって、従来、検出が困難であった半導体ウエハのエッジ部の狭い領域でも、渦電流を検出することができるようになる。
【０１２８】
従来は、半導体ウエハを平坦に研磨をしようとしても、エッジ部だけが研磨がされていなくて被研磨面が凹状になったり、逆にエッジ部だけが速く研磨されて被研磨面が凸状になってしまうことが多いうえに、さらにエッジ部は幅が狭く測定点が取りにくいために研磨状態の測定が困難という状況もあいまって、エッジ部の研磨制御が困難であった。それに対し、本発明によれば、半導体ウエハのエッジ部の狭い領域での研磨状態の検出精度が向上することによって、研磨精度が向上する。
【０１２９】
また、センサ径の決定方法として、渦電流センサ５０におけるサンプリング周期と研磨テーブル１００の回転速度を指標とすることもできる。例えば、渦電流センサ５０のサンプリング周期が１ｍｓｅｃの場合、研磨テーブル１００の回転速度が１５０ｒｐｍであれば、１ｍｓｅｃ当たりの渦電流センサ５０の移動距離は３ｍｍとなることから、小さなセンサのセンサ径は３ｍｍに設定し、大きなセンサのセンサ径は３ｍｍより大きくする。
【０１３０】
データ処理方法については、従来にあっては、渦電流センサ５０におけるサンプリング周期は、半導体ウエハＷのエッジ部と中央部で同一のサンプリング周期でデータを処理していた。しかしながら、半導体ウエハＷのエッジ部の監視範囲が広がったことから、本発明においては、サンプリング頻度を従来の１０〜１００倍（又は１００倍以上）にして、検出精度を向上させるとともに効率的なデータの収集を図るようにしている。
【０１３１】
例えば、研磨テーブル１００の回転速度が６０ｒｐｍの場合、１ｍｓｅｃ当たりの渦電流センサ５０の移動距離は１．２ｍｍ程度になる。研磨テーブル１００の回転速度が上昇すると、１ｍｓｅｃ当たりの渦電流センサ５０の移動距離は大きくなり、渦電流センサ５０は、半導体ウエハＷのエッジ部のデータを十分に取得できない。そのため、本発明においては、渦電流センサ５０による半導体ウエハＷにおけるエッジ部のデータのサンプリング周期と中央部のデータのサンプリング周期とを異ならせることにより、解像度を上昇させるようにしている。
【０１３２】
図３１は、圧力室Ｐ１〜Ｐ４の半径方向の幅に合わせてサンプリング周期を設定可能にした態様を示す図である。図３１の左側の図は、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し、図３１の右側のグラフは、渦電流センサ５０の出力と圧力室Ｐ１〜Ｐ４におけるサンプリング周期を示す。
図３１に示すように、圧力室Ｐ１〜Ｐ４の半径方向の幅に合わせてサンプリング周期を設定可能にする。圧力室Ｐ１，Ｐ２のように圧力室の半径方向の幅が小さいときにはサンプリング周期を詳細にし、圧力室Ｐ３，Ｐ４のように圧力室の半径方向の幅が大きくなるにつれ、サンプリング周期を拡大する。図３１に示す例においては、圧力室Ｐ１，Ｐ２において１０μｓｅｃのサンプリング周期、圧力室Ｐ３において１００μｓｅｃのサンプリング周期、圧力室Ｐ４において１ｍｓｅｃのサンプリング周期に設定されている。このように、本発明においては、サンプリング頻度を従来の１０〜１００倍（又は１００倍以上）にして、検出精度を向上させるとともに効率的なデータの収集を図るようにしている。
【０１３３】
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。
【符号の説明】
【０１３４】
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
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
６０Ａ，６０Ｂ  センサコイル
６１  ボビン
６１Ｂ  中空のボビン
６２  励磁コイル
６３  検出コイル
６４  ダミーコイル
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
【図１】
0005894833.tif 000004
【図２】
0005894833.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005894833.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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