(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＭＰにおいて、渦電流によるジュール熱損を極小に抑えるとともに、所定の導電性膜が適正に除去されているかを正確に評価する。【解決手段】導電性膜を研磨し、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少に伴って前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後の更なる研磨による膜厚減少に伴って、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、前記誘起される渦電流が減少へ転じるステップとを有し、該転じるステップの変化点を検出することを特徴とする、研磨途中時点の検出方法を提供する。【選択図】図３
2008288582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨基準点を検出する研磨途中時点の検出方法において、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少に伴って前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後の更なる研磨による膜厚減少に伴って、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、前記誘起される渦電流が減少へ転じるステップとを有し、該転じるステップの変化点を検出することを特徴とする、研磨途中時点の検出方法
【請求項２】
導電性膜を研磨し、導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、前記インダクタで形成される一定磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタすることで、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法であって、
研磨初期から研磨終了の研磨途中の間に、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、研磨過程による膜厚減少に伴って研磨対象の導電性膜を貫通する磁束が増加することにより導電性膜に誘起される渦電流が上昇する過程と、更なる研磨による膜厚減少に伴って、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、誘起される渦電流が減少へ転じる過程の二つを有するように、適正なインダクタ形状、インダクタ−ウェハ間距離および周波数帯域が設定されたことを特徴とする研磨装置。
【請求項３】
導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法において、  前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、研磨中、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少過程において、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、誘起される渦電流が減少へ転じるステップを有し、該転じるステップの変化点を基に膜厚基準点を検出し、研磨開始から該膜厚基準点までの所要時間と、該膜厚基準点に達するまでの所定研磨量を基に、研磨中に研磨レートを算出することを特徴とする研磨状態モニタ方法。
【請求項４】
導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法において、  
前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、研磨中、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少過程において、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、誘起される渦電流が減少へ転じるステップを有し、該転じるステップの変化点を基に膜厚基準点を検出し、
研磨開始から該膜厚基準点までの所要時間を基に、膜厚基準点から研磨終了時点までの残りの所要時間を算出し、  
該所要時間後に研磨を終了することを特徴とする研磨終了時点の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨途中時点の検出方法と研磨装置並びに研磨状態モニタ方法及び研磨終了時点の検出方法に関するものであり、特に、化学機械研磨加工（ＣＭＰ）等において渦電流によるジュール熱損を極小に抑えた上で、研磨途中時点、研磨終了時点等を精度よく検出し、また所定の導電性膜が適正に除去されているかをリアルタイムで正確に評価することが可能な研磨途中時点の検出方法と研磨装置並びに研磨状態モニタ方法と研磨終了時点の検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハの表面に例えば酸化膜を形成し、該酸化膜にリソグラィ及びエッチングを施して配線パターンに対応した溝パターンを形成し、この上に前記溝パターンを充填するためのＣｕ等からなる導電性膜を成膜し、該導電性膜のうち前記溝パターンやスルーホール部分等の埋め込み部以外の不要部分を化学機械研磨により除去して配線パターンを形成するプロセスが知られている。この配線パターンの形成では、不要部分の導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出してプロセスを停止することが極めて重要である。導電性膜の研磨が過剰であると配線の抵抗が増加し、研磨が過少であると配線の絶縁障害につながる。
【０００３】
これに関連する従来技術として、例えば次のようなフィルム厚の変化のその場での監視方法が知られている。この従来技術は、下地本体（半導体ウェハ）上から化学機械研磨によって導電性フィルムを除去する方法において該導電性フィルムの厚さ変化をその場で監視するための方法であって、電磁界に指向性をもたらすように整形するためのフェライト・ポット型コアに巻回されたコイルからなるインダクタとコンデンサとの直列又は並列共振回路を含むセンサを前記導電性フィルムに近接して配置し、励振信号源からの２０Ｈｚ〜４０．１ＭＨｚの周波数からなる掃引出力を動作点設定用インピーダンス手段を介して前記センサへ印加する。これにより、センサが励起されると、発振電流がコイルに流れ、交番電磁界を発生する。この交番電磁界は、次いで導電性フィルム中に渦電流を誘導する。渦電流が導電性フィルムに誘導されると、二つの効果が生じることになる。まず第１に、導電性フィルムが損失抵抗として作用し、その効果はセンサ回路に対する抵抗負荷であり、これは共振信号の振幅を下げ、共振周波数を下げる。第２に、導電性フィルムの厚さが減少すると、金属ロッドがインダクタのコイルから引き抜かれるかのような効果が生じ、これによってインダクタンスの変化並びに周波数シフトを引き起こす。このようにして前記導電性フィルムの厚さ変化に起因するセンサ共振ピークに関連した周波数シフトの変化を監視することにより、該導電性フィルムの厚さ変化を連続的に検出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、他の従来技術として、例えば次のような渦電流センサが知られている。この従来技術は、導電性膜又は導電性膜が形成される基体の近傍に配置されるセンサコイル（渦電流センサ）と、該センサコイルに８〜３２ＭＨｚ程度で一定周波数の交流信号を供給して前記導電性膜に渦電流を形成する交流信号源と、前記導電性膜を含めたリアクタンス成分及び抵抗成分を計測する検出回路とを備え、前記センサコイルは、前記信号源に接続する発振コイルと、該コイルの前記導電性膜側に配置する検出コイルと、前記発振コイルの前記導電性膜側の反対側に配置するバランスコイルとを具備し、前記検出コイルとバランスコイルとは互いに逆相となるように接続されている。そして、前記検出回路で検出した抵抗成分及びリアクタンス成分から合成インピーダンスを出力し、該インピーダンスの変化から前記導電性膜の膜厚の変化を広いレンジでほぼ直線的な関係として検出するようにし
ている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、他の従来技術として、例えば次のような渦電流センサが知られている。この従来技術も先に示した従来技術と同様に、［０００８］には、センサコイルが形成する磁束がそのセンサコイル全面に配置された基板上の導電性膜を貫通し、交番的に変化することで該導電性膜中に渦電流を生じさせ、その渦電流が導電性膜中に流れることで渦電流損失が生じ、等価回路的にみるとセンサコイルのインピーダンスのリアクタンス成分を低下させることになるとしている。また、［０００９］には、発振回路の発振周波数の変化を観察することで、研磨の進行に伴い、導電性膜が徐々に薄くなると、これにより発振周波数が低下し、導電性膜が研磨により完全になくなるタンク回路の自己発振周波数となり、それ以降は発振周波数が略一定となる。それ故、この点を検出することにより、導電性膜の化学機械的研磨による終点を検出することができるとある。また、［００２５］には、図２に示すように、導電性膜の研磨が進行するとこれに伴い渦電流損が変化し、センサコイルの等価的な抵抗値が変化する。したがって、発振回路の発振周波数が変化するので、この発振信号を分周回路により分周し、又は減算器により減算することにより、検出幅の周波数の大きさに対応した信号をモニタに表示する。これにより、上述した図２に示すような周波数軌跡の推移が得られる（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第２８７８１７８号公報（第２〜７頁、図１〜１５）。
【特許文献２】特許第３５８７８２２号公報（第３頁、図１〜１１）。
【特許文献３】特開２００３−２１５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の従来技術においては、センサに電磁界に指向性をもたらすためのフェライト・ポット型コアに巻回されたコイルからなるインダクタとコンデンサとの直列又は並列共振回路が備えられている。そして、研磨初期において２０Ｈｚ〜４０．１ＭＨｚの周波数からなる掃引出力をセンサへ印加し、前記コイルから発生した指向性を持つ交番電磁界により、導電性フィルムを貫通する漏洩磁束を生じさせて該導電性フィルムの膜厚に対応した大きな渦電流を研磨初期から誘導させている。導電性フィルムの膜厚に対応した大きな渦電流を誘導するためには大きな交番電磁界、即ち導電性フィルムを貫通する程度の大きな磁束を形成することが必要であり、導電性フィルムの厚さ変化の監視は研磨初期から研磨終期まで導電性フィルム内に誘起された渦電流を利用して行われている。このため、膜厚変化の監視の間、導電性フィルムの厚さ方向に向かって磁束を貫通させることが必要である。特許文献１にかかる公報の図面中には、全ての導電性フィルムの部分に該導電性フィルムを貫通する磁束線が記載されていることからも、このことは明らかである。
【０００７】
研磨初期におけるウェハの表面には、無垢なＣｕ膜（導電性フィルム）が最上層にあるのが一般的である。これら無垢なＣｕ膜の全てに渦電流を誘起させるためには非常に大きな漏洩磁束が必要である。しかし、その漏洩磁束は、渦電流を誘起するが、それらはいずれ渦電流損という形でジュール熱になって消費される。このジュール熱損は、最表層の無垢なＣｕ膜に対しては、体積抵抗が小さいため、発熱は比較的小さいが、内部のすでに配線されている部分では、配線断面積が小さく体積抵抗が小さいため、貫通する磁束により大きな渦電流が誘起され、その結果局部的に大きなジュール熱損を生むことになる。これは、時として一部配線が溶融、断線してしまう問題に発展する。いわゆる誘導加熱の状態になり、特に内部に熱がこもってしまう現象になる。特に、Ｃｕ配線などでは、Ｃｕが加熱されるとＴａなどのバリア膜にＣｕが拡散する場合や、場合によっては、バリア膜を突き破ってＣｕが拡散してしまう懸念がある。
【０００８】
また、ウェハの表面部に幾層にも配線が施されている場合では、表層のＣｕ膜の心配だ
けではなく、すでに処理が完了している内部の配線部分が局部的に暖められて周囲に拡散したり、半導体基板内のｐ型、ｎ型を形成しているドーパントがさらに拡散して、基板内素子の特性を変えてしまうこともある。また、熱が発生しない場合でも、過剰な渦電流が微細配線に流れる場合は、エレクトロマイグレーションを引き起こして断線することがある。
【０００９】
さらに、例えば、研磨終了時点付近のある所定の残膜量になった時点で、研磨条件を変えて処理を行う場合に、所定の残膜量であるか否かを見極めることは困難である。初期膜厚からの変化分で推測することは可能であるが、初期膜厚がばらつく場合は所定の残膜量の見積もりがばらつくことになるからである。この研磨終了時点付近の判断に関し、センサと導電性フィルム間のギャップが研磨の振動によって微小に変化すると、センサ回路系全体の浮遊容量が変化して共振周波数全体がシフトする。このため仮に、ある設定の共振周波数になったときに閾値を設定して、研磨終点を判別する設定をしていても、全体的に共振周波数がシフトすれば、その閾値の設定による研磨終了時点の判断は難しくなる。このように、従来方法において、単調かつ連続的に増加もしくは減少変化する共振周波数において、ある値に閾値を設定していたとしても、センサと導電性フィルム間のギャップが微小に変化したり、その間に何等かの誘電体が介在したりすることで、その波形自体が全体的に上下に平行移動することは度々存在し、その結果、予め設定した閾値が意味をなさないことが度々存在した。
【００１０】
渦電流センサを用いた特許文献２に記載の従来技術においても、導電性膜の膜厚変化の監視を、研磨初期から研磨終期まで渦電流の変化でみていることは、上記特許文献１に記載の従来技術とほぼ同様である。
【００１１】
また、研磨初期から研磨終期まで渦電流を利用して導電性膜の膜厚を監視する上記の従来技術では、膜内で渦電流を引き起こすのに膜内に浸透する程度の十分強い磁束を作る必要があり、インダクタの形状は磁束に指向性を持たせるために三次元となっている。このため、センサを研磨装置等に組み込む上で、一般的に次のような問題がある。コイルに流す電流が大きくなって消費電力が多くなり、電源装置も大型になる。磁束が周辺に漏れてノイズが発生し易い。導線をコイル状に巻く工程等が必要になってコスト高になる。
【００１２】
特許文献３に記載の渦電流センサからなる従来技術においては、まず、この従来技術で使用しているセンサ部のハードウェアについて、まず、センサコイルは導電性膜を貫通することを前提とした構成である。したがって、導電性膜を貫通しない程度の磁場しか発生しないハードウェアでは、渦電流が形成できず目的を達成できない。また、導電性膜が研磨により減少することで、渦電流が形成される領域が単調に減少し、そのため、発振周波数が単調に減少する挙動が記載されており、その発振周波数が略一定になったときを終点とみなしてこの部分を検出するとしている。即ち、この従来技術で使用するソフトウェアのアルゴリズムでは、発振周波数の変化とは、減少から略一定になる変化を、発振周波数の変化としているのであって、例えば、この発振周波数が変曲点を有するような変化をした場合には、到底検出できるアルゴリズムではない。また、図２に示すように研磨の初期から磁束が導電性膜を貫通し、常時渦電流が発生する状態である。ここで、渦電流センサは、終始渦電流を積極的に発生させ、その渦電流変化から膜厚変化に算出し直す方法を概して、渦電流センサとしている。
【００１３】
そこで、膜内に形成されている微細な配線まで強い磁束を及ぼすことなく、その結果電磁誘導によって誘起される渦電流の発生を抑制して、渦電流によるジュール熱損を極小に抑えるとともに、センサと導電性膜のギャップの変化やスラリー等の誘電物質の介在常態によって、誘起される渦電流量が全体的にシフトして、閾値の設定が大幅に変化して検出しにくくなるといった事態をなくし、デバイスウェハを貫通しない程度の微細な磁場であ
っても、十分に精度よく検出することを可能にし、且つ、研磨途中等をその場で精度よく算出して、所定の導電性膜が適正に除去されているかを正確に評価するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨基準点を検出する研磨途中時点の検出方法において、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少に伴って前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後の更なる研磨による膜厚減少に伴って、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、前記誘起される渦電流が減少へ転じるステップとを有し、該転じるステップの変化点を検出することを特徴とする、研磨途中時点の検出方法を提供する。
【００１５】
請求項２記載の発明は、導電性膜を研磨し、導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、前記インダクタで形成される一定磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタすることで、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法であって、研磨初期から研磨終了の研磨途中の間に、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、研磨過程による膜厚減少に伴って研磨対象の導電性膜を貫通する磁束が増加することにより導電性膜に誘起される渦電流が上昇する過程と、更なる研磨による膜厚減少に伴って、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、誘起される渦電流が減少へ転じる過程の二つを有するように、適正なインダクタ形状、インダクタ−ウェハ間距離および周波数帯域が設定されたことを特徴とする研磨装置を提供する。
【００１６】
請求項３記載の発明は、導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法において、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、研磨中、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少過程において、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、誘起される渦電流が減少へ転じるステップを有し、該転じるステップの変化点を基に膜厚基準点を検出し、研磨開始から該膜厚基準点までの所要時間と、該膜厚基準点に達するまでの所定研磨量を基に、研磨中に研磨レートを算出することを特徴とする研磨状態モニタ方法を提供する。
【００１７】
請求項４記載の発明は、導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨終了時点を予測して検出する研磨終了時点の予測・検出方法において、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、研磨中、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少過程において、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、誘起される渦電流が減少へ転じるステップを有し、該転じるステップの変化点を基に膜厚基準点を検出し、研磨開始から該膜厚基準点までの所要時間を基に、膜厚基準点から研磨終了時点までの残りの所要時間を算出し、該所要時間後に研磨を終了することを特徴とする研磨終了時点の検出方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明は、インダクタが高周波で駆動され、該インダクタからその高周波の周期に対応して変化する磁束が発生する。研磨により所定の導電性膜が表皮深さに対応した膜厚に至るまでは、所定の導電性膜に誘起される磁束は、前記表皮深さの領域を膜面に沿ってほぼ平行に通過する。研磨が進行して所定の導電性膜が前記表皮深さと同等もしくはその付近の膜厚になると、該所定の導電性膜を貫通する漏洩磁束が生じ始める。この磁束の変化により所定の導電性膜中に電磁誘導によって誘起される渦電流量が変化する。該渦電流は膜厚が減少していくにつれて、膜を貫通する漏洩磁束が増大していくため、徐々に誘起される渦電流が増大する。この広い領域に発生した渦電流により、該所定の導電性膜内に大きな相互インダクタンスが発生する。この相互インダクタンスは、高周波インダクタ型センサにおけるセンサ回路系の自己インダクタンスを減少させるように作用する。このように、初期は、導電膜厚が減少しても、導電膜厚に投入した磁束がウェハを貫通しない程度である場合は、一定の渦電流が形成される。その後、膜厚がさらに減少して表皮深さに対応した膜厚以下になった場合、一部の磁束がウェハ上の導電性膜を貫通してウェハの裏面にまで漏洩する磁束が生じる。このとき漏洩磁束の増加とともに膜内に誘起される渦電流が大きくなる。次に、ある一定の膜厚までウェハ表面に形成される渦電流は増大するが、その後、さらに導電性膜が除去されるにしたがって、渦電流を発生する導電性膜自身が減少するため、渦電流は減少する。結果的に、単調な膜厚減少過程であるにも関わらず、一度貫通磁束増大とともに渦電流は増大し、その後さらなる膜厚の減少に伴って、渦電流を生じる体積自体が減少することに伴って急速に減少するため、誘起される渦電流に対応した相互インダクタンスには極大点が現れる。この渦電流の急速な減少により前記相互インダクタンスも急速に減少してセンサ回路系のインダクタンスは増加に転じる。このように、研磨の進行により所定の導電性膜が表皮深さと同等もしくはその付近の膜厚になった以降において、渦電流が発生しその後、急速に減少へ転じる。
【００１９】
そこで、所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される磁束変化をモニタし、研磨中の膜厚が前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により前記磁束変化を基に膜厚基準点を検出し、該膜厚基準点から研磨終了時点を予測するようにしたので、研磨初期には、所定の導電性膜に誘起される磁束は、前記表皮深さの領域を膜面に沿ってほぼ平行に通過する。これにより、膜内に形成されている微細な配線等まで強い磁束を及ぼすことがなく、また渦電流の発生が抑制されて該渦電流によるジュール熱損を極小に抑えることができる。研磨の進行により所定の導電性膜が表皮深さに対応した膜厚になった以降において、所定の導電性膜を貫通する漏洩磁束が生じ、この漏洩磁束により所定の導電性膜中に渦電流が誘起される。この渦電流は、膜厚の減少に伴う漏洩磁束の増加により徐々に増大し、さらなる膜厚の減少により渦電流を発生する導電性膜自身が減少するため急速に減少する。このように渦電流が減少へ転じるステップの変化点を検出することにより研磨途中時点を検出される。
【００２０】
依って、この方法によれば、以下の効果を奏する。
ア．研磨終了前の途中時点を正確に検出することで、研磨終了時点を正確に予測することが可能となる。
イ．研磨終了前の途中時点を正確に検出することで、研磨終了時点で正確に止めるべく、研磨終了付近を注意深くモニタすることが可能となる。
ウ．研磨終了前の途中時点を正確に検出することで、研磨終了時点で正確に止めるために、研磨レートを小さくするなどの研磨条件へ途中で変更することが可能となる。(ソフトランディングすることが可能)
エ．研磨終了直前の途中時点を正確に検出することで、研磨終了時点で正確に止めなくても、次の中間膜の研磨条件へ移行させることが可能となる。
【００２１】
請求項２記載の発明は、次の効果を奏することができる。
ア．研磨開始から研磨終了までの途中時点で、渦電流形成の急激な変化を形成することによって、研磨終了前を予測するための基準点を形成することが可能となる。
イ．適正なインダクタ形状、インダクタ−ウェハ間距離、周波数帯域が設定されることによって、導電性膜を除去する研磨過程において、磁束が導電性膜を貫通しない状態と磁束が導電性膜を貫通する状態とを形成し、その状態変化が顕著な渦電流形成の変化として現れることになり、研磨終了前の膜厚基準点を形成することが可能になる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、以下の効果を奏することができる。
ア．研磨途中の膜厚基準点において、研磨量とそのときまでの研磨時間に基づいて研磨レートを算出することで、研磨状態が安定しているか否かをモニタすることが可能となる。イ．研磨レートが異常である場合には、研磨続行を中止するなどしかるべき処置を施すことが可能となり、研磨中において、研磨状態を逐次モニタすることが可能となる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、以下の効果を奏することができる。
ア．研磨終了時点において、急に研磨終了を検知し、急に研磨を終了するのではなく、前もって途中時点を検出し、所定時間後に研磨を終了させることにより、スラリー停止準備やパッドや研磨機構部に対するリンスの準備など、研磨終了に備えて、次の動作を適切に準備・処理することが可能となり、スラリーの過剰供給など無駄な動作を抑えて、効率よく装置を稼動させることが可能となる。
イ．研磨レートが異常である場合には、研磨続行を中止するなどしかるべき処置を施すことが可能となり、研磨中において、研磨状態を逐次モニタすることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
渦電流によるジュール熱損を極小に抑えるとともに、研磨途中時点を精度よく予測・検出し、また除去すべき残膜量及び研磨レート等をその場で精度よく算出して、所定の導電性膜が適正に除去されているかを正確に評価するという目的を達成するために、導電性膜を研磨して、所定の導電性膜が適正に除去されたときの研磨基準点を検出する研磨途中時点の検出方法において、前記所定の導電性膜に高周波インダクタ型センサにおけるインダクタを近接させ、該インダクタで形成される磁束により前記所定の導電性膜に誘起される渦電流の変化をモニタする方法であって、前記所定の導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果により、研磨除去による前記導電性膜の膜厚減少に伴って前記導電性膜を貫通する磁束が増大して導電性膜に誘起される渦電流が増加するステップと、その後の更なる研磨による膜厚減少に伴って、渦電流を生じうる実質的な導電性膜厚の減少により、前記誘起される渦電流が減少へ転じるステップとを有し、該転じるステップの変化点を検出することを特徴とする、研磨途中時点の検出方法を提供することにより実現した。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施例を図面に従って詳述する。図１は研磨終了時点の予測・検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図、図２は研磨ヘッドの拡大縦断面図、図３は研磨終了時点の予測・検出装置がプラテンに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図、図４は研磨終了時点の予測・検出装置が研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図である。
【００２６】
まず、本発明に係る研磨終了時点の予測・検出方法とその装置の構成を、これに適用される化学機械研磨装置の構成から説明する。図１において化学機械研磨装置１は、主としてプラテン２と、研磨ヘッド３とから構成されている。前記プラテン２は、円盤状に形成され、その下面中央には回転軸４が連結されており、モータ５の駆動によって矢印Ａ方向へ回転する。前記プラテン２の上面には研磨パッド６が貼着されており、該研磨パッド６
上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。
【００２７】
前記研磨ヘッド３は、図２に示すように、主としてヘッド本体７、キャリア８、リテーナリング９、リテーナリング押圧手段１０、弾性シート１１、キャリア押圧手段１６及びエアー等の制御手段で構成されている。
【００２８】
前記ヘッド本体７は前記プラテン２よりも小形の円盤状に形成され、その上面中央に回転軸１２（図１参照）が連結されている。該ヘッド本体７は前記回転軸１２に軸着されて図示しないモータで駆動され図１の矢印Ｂ方向に回転する。
【００２９】
前記キャリア８は円盤状に形成され、前記ヘッド本体７の中央に配設されている。該キャリア８の上面中央部とヘッド本体７の中央下部との間にはドライプレート１３が設けられており、ピン１４，１４を介してヘッド本体７から回転が伝達される。
【００３０】
前記ドライプレート１３の中央下部と前記キャリア８の中央上部との間には作動トランス本体１５ａが固定されており、さらに前記キャリア８の中央上部には作動トランス１５のコア１５ｂが固定され、図示しない制御部に連結されてウェハＷ上（図２の下方側）に形成されたＣｕ等からなる導電性膜の研磨状態信号を該制御部に出力している。
【００３１】
前記キャリア８の上面周縁部にはキャリア押圧部材１６ａが設けられており、該キャリア８は該キャリア押圧部材１６ａを介してキャリア押圧手段１６から押圧力が伝達される。
【００３２】
前記キャリア８の下面にはエアーフロートライン１７から弾性シート１１にエアーを噴射するためのエアー吹出し口１９が設けられている。該エアーフロートライン１７にはエアーフィルタ２０及び自動開閉バルブＶ１を介してエアー供給源である給気ポンプ２１に接続されている。前記エアー吹出し口１９からのエアーの吹出しは前記自動開閉バルブＶ１の切替えによって実行される。
【００３３】
前記キャリア８の下面にはバキューム及び必要によりＤＩＷ（純水）又はエアーを吹き出すための孔２２が形成されている。該エアーの吸引は真空ポンプ２３の駆動によって実行され、そして、自動開閉バルブＶ２をバキュームライン２４に設け、該自動開閉バルブＶ２の切替えによって該バキュームライン２４を介し、バキューム及びＤＩＷの送給が実行される。
【００３４】
前記エアーフロートライン１７からのエアー送給及びバキュームライン２４からのバキューム作用及びＤＩＷの送給等は制御部からの指令信号によって実行される。
【００３５】
なお、前記キャリア押圧手段１６は、ヘッド本体７下面の中央部周縁に配置され、キャリア押圧部材１６ａに押圧力を与えることにより、これに結合されたキャリア８に押圧力を伝達する。このキャリア押圧手段１６は、好ましくはエアーの吸排気により膨脹収縮するゴムシート製のエアバック２５で構成される。該エアバック２５にはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。
【００３６】
前記リテーナリング９はリング状に形成され、キャリア８の外周に配置されている。このリテーナリング９は研磨ヘッド３に設けられたリテーナリングホルダ２７に取り付けられ、その内周部に前記弾性シート１１が張設されている。
【００３７】
前記弾性シート１１は円形状に形成され、複数の孔２２が開穿されている。該弾性シート１１は、周縁部がリテーナリング９とリテーナリングホルダ２７との間で挟持されるこ
とにより、リテーナリング９の内側に張設される。
【００３８】
前記弾性シート１１が張設されたキャリア８の下部には、キャリア８と弾性シート１１との間にエアー室２９が形成されている。導電性膜が形成されたウェハＷは該エアー室２９を介してキャリア８に押圧される。前記リテーナリングホルダ２７はリング状に形成された取付部材３０にスナップリング３１を介して取り付けられている。該取付部材３０にはリテーナリング押圧部材１０ａが連結されている。リテーナリング９は、このリテーナリング押圧部材１０ａを介してリテーナリング押圧手段１０からの押圧力が伝達される。
【００３９】
リテーナリング押圧手段１０はヘッド本体７の下面の外周部に配置され、リテーナリング押圧部材１０ａに押圧力を与えることにより、これに結合しているリテーナリング９を研磨パッド６に押し付ける。このリテーナリング押圧手段１０も好ましくは、キャリア押圧手段１６と同様に、ゴムシート製のエアバック１６ｂで構成される。該エアバック１６ｂにはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。
【００４０】
そして、図３又は図４に示すように、化学機械研磨装置１におけるプラテン２の上部の部分又は研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、研磨終了時点の予測・検出装置３３がそれぞれ一つずつ組み込まれている。研磨終了時点の予測・検出装置３３がプラテン２側に組み込まれたとき、該研磨終了時点の予測・検出装置３３からの膜厚基準点等の検出信号は、スリップリング３２を介して外部に出力される。
【００４１】
なお、研磨終了時点の予測・検出装置３３は、プラテン２の上部の部分又は研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、それぞれ二つ以上を組み込んでもよい。研磨終了時点の予測・検出装置３３を二つ以上を組み込んで、回転方向前方側の研磨終了時点の予測・検出装置３３から、時系列的に膜厚情報を採取することで、ウェハＷ面内における導電性膜２８の膜厚変化の分布情報等が得られる。
【００４２】
図５は研磨終了時点の予測・検出装置３３の構成例を示す図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は平面状インダクタの他の構成例を示す図、（ｃ）は図（ｂ）の平面状インダクタの断面図である。該研磨終了時点の予測・検出装置３３における高周波インダクタ型センサ３４の主体を構成している発振回路３５は、インダクタンスＬとなる二次元の平面状インダクタ３６に、キャパシタンスＣ０となる集中定数キャパシタ３７が直列に接続されて、ＬＣ回路が構成されている。前記平面状インダクタ３６は、絶縁物からなる方形状等の基板３６ａ上に、Ｃｕ等の導電物質を用いてメアンダ形に構成されている。
【００４３】
該平面状インダクタ３６は、図５（ａ）に示すスパイラル形の他に、図５（ｂ）に示す平面状インダクタ４１のように、方形状の基板４１ａ上に、メアンダ形で構成してもよい。また、図示しない丸形のスパイラルとしてもよい。二次元の平面状インダクタ３６，４１は、ガラス・エポキシや紙・フェノール等の絶縁物からなる基板３６ａ，４１ａ上にＣｕ等の導電膜を成膜後、エッチング等で製作することで、線幅を非常に微細化して製作することができ、全体形状も図５（ｃ）に示すように、一辺が２３ｍｍ程度の方形状等に小型化することができる。そして、平面状インダクタ３６，４１の小形化により微小な磁場を効率よく発生させることができ、磁場を導電性膜２８の内部に深く浸透させることなく、該導電性膜２８が除去される終点付近の変化挙動を精度よく検出することが可能となる。
【００４４】
前記ＬＣ回路からの出力信号はオペアンプ等で構成された増幅器３８に入力され、該増幅器３８の出力は抵抗等で構成されたフィードバック・ネットワーク３９に入力されている。フィードバック・ネットワーク３９の出力信号が、平面状インダクタ３６にポジティブ・フィードバックされることにより、該平面状インダクタ３６を含めて発振回路３５が
構成されている。
【００４５】
該発振回路３５は、基本的には、図６の構成例に示すように、その発振周波数帯ｆが、次式（１）に示すように、平面インダクタ３６のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ３７のキャパシタンスＣ０で決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。
2008288582.tif 000003
【００４６】
前記増幅器３８の出力端子には、周波数カウンタ４０が接続されている。該周波数カウンタ４０から後述する膜厚基準点を示す検出信号等がデジタルで外部に出力される。検出信号出力をデジタルで伝送することで、ノイズの影響及び出力の減衰が防止される。また、膜厚データの管理容易性が得られる。
【００４７】
前記平面状インダクタ３６を含む高周波インダクタ型センサ３４と該周波数カウンタ４０とを含めて研磨終了時点の予測・検出装置３３が構成されている。高周波インダクタ型センサ３４における発振回路３５と、その発振（共振）周波数の変化をモニタするための周波数カウンタ４０とを近接して配置することで、該発振回路３５と周波数カウンタ４０間の配線・結線部分で分布定数回路を形成してインダクタンスやキャパシタンスが不要に大きくなるのが防止されて、高周波インダクタ型センサ３４付近にもたらされる導電性膜２８の研磨の進行に伴う磁束の変化を精度よく検出することが可能となる。
【００４８】
該研磨終了時点の予測・検出装置３３は、平面状インダクタ３６を除いた他の構成部品ないしは回路がＩＣ（集積回路）化されてパッケージ３３ａに内装されている。前記平面状インダクタ３６は、薄い絶縁膜で被覆されてパッケージ３３ａの表面に固定されている。パッケージ化された研磨終了時点の予測・検出装置３３が前記化学機械研磨装置１に組み込まれるとき、前記図３、図４に示したように、平面状インダクタ３６がウェハＷ表面部の導電性膜２８と対峙するように組み込まれる。
【００４９】
また、発振回路３５を構成している前記集中定数キャパシタ３７はキャパシタンスが可変となっており、高周波インダクタ型センサ３４は前記発振周波数帯の範囲内で、発振周波数を選択できるようになっている。
【００５０】
本実施例では研磨中の所定の導電性膜２８が該所定の導電性膜２８の表皮深さδに対応する膜厚になった場合の磁束変化を基に後述する膜厚基準点の検出を行っている。所定の導電性膜２８における表皮深さδは、該所定の導電性膜２８の材質と高周波インダクタ型センサ３４の発振周波数ｆとに依存して式（２）のように決まる。
2008288582.tif 000004
【００５１】
ω：２πｆ、μ：透磁率、σ：導電率である。
【００５２】
そして、該表皮深さδが、所定の導電性膜２８の初期膜厚よりも小さく研磨終期において埋め込み部を除いた部分の所定の導電性膜２８の膜厚より大になるように高周波インダクタ型センサ３４の発振周波数ｆが選択されている。研磨除去対象の導電性膜２８の材質がＣｕの場合において、前記発振周波数帯は、２０ＭＨｚ以上が選択される。
【００５３】
ここで、前記「表皮深さに対応する膜厚」及び「表皮効果によって生じる磁束変化」に
ついて、図７の（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図７はコイルから発生した磁場が導体膜上でどのような向き（（ａ）〜（ｄ）各図中下方の矢印→）に配列しているかを電磁シミュレーションした結果を示す図であり、同図（ａ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、同図（ｂ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合、同図（ｃ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、同図（ｄ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合である。
【００５４】
電磁シミュレーションの設定は、磁場を形成するインダクタは指向性を持たない平面状インダクタとした。前記「表皮深さに対応する膜厚」とは、「表皮効果によって磁束変化が生じる膜厚」のことである。センサの発振周波数が１ＭＨｚではコイルの下側に存在する導体膜上の磁束は縦方向を向いている。この周波数では、膜厚が１μｍ及び０．２μｍであっても、導体膜内を磁束が貫通している（図７（ａ）、（ｂ））。こうした導体膜内を磁束が貫通する場合は、従来例に示されているように、導体膜内部に発生する渦電流は、膜厚減少に伴って減少する。よって、１ＭＨｚの場合、１μｍ以下の膜厚では、単調な挙動であるため、表皮効果は現れず、「表皮深さに対応する膜厚」も少なくとも１μｍよりも厚い膜厚と考えられる。
【００５５】
これに対し、センサの発振周波数が４０ＭＨｚでは、明らかに導体表面での磁束向きが水平であり、膜厚が１μｍでは、殆ど導体内部に入り込んでいない（図７（ｄ））。明らかに、先の発振周波数が１ＭＨｚで膜厚が１μｍの場合（図７（ｂ））と比較すると、導体膜に入り込む磁束の向きが異なることが分かる。
【００５６】
しかし、発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜が０．２μｍまで薄くなると（図７（ｃ））、一部の磁束のみが導体膜内部方向へ向いている。これは導体膜がＣｕでも、ある薄さになると一部の磁束が導体膜内を貫通することを示している。
【００５７】
この４０ＭＨｚの交番変化する磁束の場合、表皮効果に対応して、導体膜内の磁束の貫通状態が変化する。貫通磁束が徐々に増加する影響で、周波数は約７００Å前後まで急激に上昇する。なお、膜厚が１μｍ以上では磁束は殆ど貫通していない。よって、この場合、「表皮深さに対応した膜厚」は、磁束が貫通するか・しないかの境界の膜厚とすると、約１μｍ程度ということができる。このことからも、発振周波数を４０ＭＨｚと高くし、平面状インダクタを使用すると、１μｍ厚みのＣｕ導体膜内に磁束は殆ど入り込まず、これは表皮効果によるものである。
【００５８】
Ｃｕ導体膜で発振周波数が４０ＭＨｚの場合、Ｃｕの導電率を５８×１０６Ｓ／ｍとすると、表皮深さδは９．３４μｍになる。計算上は、膜厚が１μｍだと磁束は導体膜内に十分入り込む計算になるが、平面状インダクタを使用しており、磁束に指向性がないことから、実際は発振周波数が４０ＭＨｚの場合、膜厚が１μｍでも表皮効果によって磁場は導体膜内に侵入しない。導体膜が薄くなるにつれて一部の磁束が導体膜内に入り込み、わずかに渦電流が発生する。このことより、渦電流を積極的に利用して膜厚測定するのではなく、終点付近の薄い膜厚になったときに、表皮効果により、わずかに漏洩・貫通する磁束を利用して、導体膜内に誘起される相互インダクタンスの変曲点（極大点）を利用して該導体膜の終点付近の膜厚状態をモニタすることが可能となる。
【００５９】
次に、上述のように構成された研磨終了時点の予測・検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の研磨作用及び研磨終了時点の予測・検出方法を、図８、図９（ａ）〜（ｅ）及び該図９の比較例としての図１０（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図８は高周波インダクタ型センサにおける電磁結合で発生する磁場によるインダクタンスの変化作用を説明するための図、図９は導電性膜の研磨削除に伴う磁束及び渦電流の変化例及び膜厚基準点
の検出作用を説明するための組図であり、（ａ）〜（ｄ）は導電性膜の研磨削除に伴う磁束及び渦電流の変化例を示す図、（ｅ）は導電性膜の膜厚変化に対する共振周波数の変化例を示す特性図である。図９（ａ）〜（ｄ）では、平面状インダクタ３６が、図を見やすくするため、スパイラル形に表示されている。
【００６０】
まず、化学機械研磨装置１における研磨ヘッド３を図示しない移動機構により所定箇所に待機中の導電性膜２８が非研磨のウェハＷ上に載置する。そして、該研磨ヘッド３のバキュームライン２４を作動させ、バキューム口１９ａ及び孔２２（バキューム孔）を介して弾性シート１１下面のエアー室２９を真空にし、これにより前記導電性膜２８が非研磨のウェハＷを吸着保持し、そして、前記移動機構により、該導電性膜２８が非研磨のウェハＷを吸着保持した研磨ヘッド３をプラテン２上に運び、該ウェハＷを、導電性膜２８が研磨パッド６に対接するようにプラテン２上に載置する。
【００６１】
前記バキュームライン２４はウェハＷ上部の導電性膜２８の研磨作業が終了したとき、再び、該バキュームライン２４の作動により前記ウェハＷを該研磨ヘッド３によって吸着保持し、図示しない洗浄装置へ搬送するときにも用いられる。
【００６２】
次いで、前記バキュームライン２４の作動を解除し、図示しないポンプからエアバック２５にエアーを供給して該エアバック２５を膨らませる。これと同時にキャリア８に設けたエアー吹出し口１９からエアー室２９にエアーを供給する。これにより、エアー室２９の内圧が高くなる。
【００６３】
前記エアバック２５の膨らみによって、前記ウェハＷ上部の導電性膜２８とリテーナリング９が所定の圧力で研磨パッド６に押し付けられる。この状態でプラテン２を図１の矢印Ａ方向に回転させるとともに研磨ヘッド３を図１の矢印Ｂ方向に回転させ、回転する研磨パッド６上に図示しないノズルからスラリーを供給してウェハＷ上部の所定の導電性膜２８を研磨する。
【００６４】
そして、次のように、高周波インダクタ型センサ３４における平面インダクタ３６で形成される磁束により研磨に伴う所定の導電性膜２８の膜厚変化がモニタされて膜厚基準点が検出される。
【００６５】
平面インダクタ３６が発振回路３５から発振される高周波で駆動され、該平面インダクタ３６からその高周波の周期に対応して時間的に変化する磁束φが発生する。研磨初期において所定の導電性膜２８に誘起される磁束φは、前記表皮深さδに対応する膜厚の領域のみを膜面に沿ってほぼ平行に通過し、所定の導電性膜２８における表皮深さδに対応する膜厚を超えた領域への磁束φの侵入は回避される（図９（ａ））。また、高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数も所定の導電性膜２８の膜厚変化に関係なく一定に保持される（図９（ｅ）のａ領域）。
【００６６】
研磨が進行して所定の導電性膜２８が前記表皮深さδに対応する膜厚と同等もしくはその付近の膜厚になると、一部の磁束φが所定の導電性膜２８を貫通して漏洩磁束φＬが生じ始める。所定の導電性膜２８を貫通しない磁束φは、そのまま膜面に沿ってほぼ平行に通過する。そして、所定の導電性膜２８中に貫通した漏洩磁束φＬ数に比例して渦電流Ｉｅが発生する（図９（ｂ））。
【００６７】
さらに研磨が進行すると、漏洩磁束φＬが増えて渦電流Ｉｅが導電性膜２８の膜面に沿った広い領域に発生する（図９（ｃ））。この広い領域に発生した渦電流Ｉｅが、図８に示すように、さらに磁場Ｍを作り、その磁場Ｍが元の平面状インダクタ３６から発生した磁束φＬを打ち消すように作用する。結果的に導電性膜２８が形成した磁場Ｍによって、
相互インダクタンスＬｍが上昇し、元の平面状インダクタ３６の見かけ上のインダクタンスＬが低下する。その結果、高周波インダクタ型センサ３４から発振される発振周波数ｆは、式（３）のように増大する。
2008288582.tif 000005
【００６８】
したがって、相互インダクタンスの発生により、センサ回路系のインダクタンスが等価的に減少して高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数が上昇する（図９（ｅ）のｂ、ｃの領域）。
【００６９】
さらに研磨の進行により漏洩磁束φＬは増えて飽和する。しかし渦電流Ｉｅは、所定の導電性膜２８の膜厚体積の減少に伴い急速に減少する（図９（ｄ））。この渦電流Ｉｅの急速な減少により前記相互インダクタンスも急速に減少する。この相互インダクタンスの急速な減少は、前記式（３）におけるインダクタンスの減少分Ｌｍの低下につながり、結果としてセンサ回路系のインダクタンスが等価的に増加し、高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数が急速に低下する（図９（ｅ）のｄ領域）。
【００７０】
このように、研磨の進行により所定の導電性膜２８が表皮深さδに対応する膜厚と同等もしくはその付近の膜厚になった以降において、渦電流Ｉｅが発生しその後の急速な減少によりセンサ回路系のインダクタンスが一旦減少してその後増加に転じる。この挙動により高周波インダクタ型センサ３４から発振される共振周波数の波形にピーク（変曲点）が発生する。このピークを基に研磨終了点手前の膜厚基準点Ｐが検出され、該膜厚基準点Ｐから研磨終了時点が予測される。所定の導電性膜２８がＣｕの場合、膜厚基準点Ｐが検出された時点の残膜量は、ほぼ１０００Å程度であり、該残膜量に対し仕上げ研磨等が行われて研磨を終了する。
【００７１】
該仕上げ研磨としては、例えば、前記膜厚基準点Ｐから、該膜厚基準点Ｐにおける残膜量である表皮深さに対応した膜厚を所要の研磨レートで予め設定した研磨時間分研磨した後に研磨終了とする。又は、研磨初期から膜厚基準点Ｐが検出されるまでの時間と、該膜厚基準点Ｐに達するまでの研磨量から、その間における研磨レートを算出し、膜厚基準点Ｐにおける残膜量である表皮深さに対応した膜厚を前記研磨レートで除することで膜厚基準点Ｐ
検出後の所要研磨時間を算出する。そして、該膜厚基準点Ｐの検出後に、前記算出された研磨時間分だけ研磨することで研磨を終了する。
【００７２】
次いで、図１０（ａ）〜（ｅ）の比較例を説明する。該比較例では、表皮深さδに対応する膜厚が、導電性膜２８の初期膜厚よりも大になるような周波数が適用されている。このような周波数が適用されることで、研磨初期から研磨終期までの膜厚変化のモニタの間、導電性膜２８に誘起される磁束φは全て該導電性膜２８を貫通して絶えず漏洩磁束φＬが発生している。したがって、膜厚変化のモニタの間、該漏洩磁束φＬ数に比例した渦電流Ｉｅが発生する（図１０の（ａ）〜（ｄ））。このため、この渦電流Ｉｅにより導電性膜２８と前記平面インダクタとの間に大きな相互インダクタンスが発生し、この相互インダクタンスによるインダクタンスの減少分Ｌｍにより、センサから発振される発振周波数ｆは、研磨初期から前記式（３）のようになる。
【００７３】
そして、研磨の進行による膜厚の減少にしたがって渦電流Ｉｅは急激に減少し（図１０の（ｂ）から（ｄ））、これに伴って相互インダクタンスが減少して前記式（３）中のインダクタンスの減少分Ｌｍも減少する。この結果、センサ回路系のインダクタンスが等価的に増加してセンサから発振される共振周波数が単調減少する（図１０の（ｅ））。
【００７４】
このように、比較例では、共振周波数は単調減少カーブを描くため、研磨初期からの膜厚減少量を見積もることは可能だが、研磨終了時点もしくは研磨終了点手前の状態を厳密に判別することはできない。例えば、微妙な設定により浮遊容量Ｃが変化したとき、全体的な図１０（ｅ）の共振周波数は、波形全体にわたって上下にシフトする。このため、仮にある設定の周波数になったときに研磨終了点とする設定をしていても、全体的に共振周波数がシフトすれば、閾値は設定できない。また、初期膜厚からの除去量の状態を渦電流変化でリアルタイムにモニタしたとしても、初期膜厚がばらついている場合、研磨終了点となる状態の膜厚もばらつくことになる。波形の特徴がないため、この場合も上記と同様に閾値は設定できない。
【００７５】
図１１の（ａ）〜（ｄ）は、研磨対象となる導電性膜が材質及び導電率の点で異なっている２種のウェハＷａ、Ｗｂについて、膜厚基準点Ｐとなるピークを評価した結果を示している。同図（ａ）はＣｕ膜付きウェハＷａ、（ｂ）はＣｕ膜の膜厚に対する共振周波数の変化特性、（ｃ）はタングステン（Ｗ）膜付きウェハＷｂ、（ｄ）はタングステン（Ｗ）膜の膜厚に対する共振周波数の変化特性をそれぞれ示す図である。図１１の（ｂ）、（ｄ）における各縦軸のセンサ出力は共振周波数に対応する。
【００７６】
Ｃｕ膜及びタングステン（Ｗ）膜のいずれも研磨の進行とともに一旦は共振周波数は増大し、その後、急激に減少してピーク（変曲点）が発生する。このピーク（変曲点）を基にそれぞれ膜厚基準点Ｐが検出される。この挙動は、図１１（ｄ）に示すタングステン（Ｗ）膜の場合に比べて、明らかに図１１（ｂ）に示す導電率の大きいＣｕ膜の方が顕著である。
【００７７】
図１２の（ａ）、（ｂ）は、研磨対象の導電性膜がＣｕ膜の場合について膜厚と共振周波数との関係を示す図であり、（ａ）は研磨の進行に伴う膜厚と共振周波数との関係を示す図、（ｂ）は静止状態における膜厚と共振周波数との関係を示す図である。図１２の（ａ）、（ｂ）における各縦軸のカウント値は共振周波数に対応する。
【００７８】
図１２（ａ）において、Ｃｕ膜の初期膜厚は、ほぼ１．５μｍ（１５０００Å）である。Ｃｕ膜は、研磨の進行に伴って共振周波数は膜厚が約１μｍ（１００００Å）付近から徐々に上昇し、７００Å付近で最大値を取って膜厚基準点Ｐが検出される。共振周波数は最大値を取った後、急激に低下する。このように、Ｃｕ膜は、膜厚基準点Ｐが検出された
ときの残り膜厚が精度よく検知される。
【００７９】
図１２（ｂ）において、静止状態のＣｕ膜の各膜厚に対して測定した共振周波数は、膜厚が７１０Åで最大値を示している。したがって、静止状態で共振周波数が最大になるＣｕ膜の膜厚と、上記の研磨の進行中において共振周波数が最大となるＣｕ膜の膜厚とは、ほぼ一致している。
【００８０】
なお、本実施例は、前記共振周波数の他に相互インダクタンス、渦電流Ｉｅ、漏洩磁束φＬの変化のうちの少なくともいずれかの変化を基に膜厚基準点Ｐを検出することができる。相互インダクタンスの変化は前記式（３）を利用して高周波インダクタ型センサ３４の発振周波数の変化から求めることができ、渦電流Ｉｅは前記相互インダクタンスと比例関係にあることから該渦電流Ｉｅの変化は前記相互インダクタンスの変化を用いて求めることができ、また漏洩磁束φＬは渦電流Ｉｅと比例関係にあることから該漏洩磁束φＬの変化は前記渦電流Ｉｅの変化を用いて求めることができる。
【００８１】
上述したように、本実施例に係る研磨終了時点の予測・検出方法とその装置においては
、研磨の進行により所定の導電性膜２８が表皮深さと同等もしくはその付近の研磨終了点手前の膜厚になってから膜厚基準点Ｐ検出の基になる漏洩磁束φＬが生じることで、該漏洩磁束φＬで発生する渦電流Ｉｅによるジュール熱損を極小に抑えることができる。
【００８２】
研磨の進行により所定の導電性膜２８が表皮深さδに対応する膜厚と同等もしくはその付近の膜厚になった以降における渦電流Ｉｅ、相互インダクタンス、又は共振周波数の各変化中には顕著なピークが生じることから、この顕著なピークを基に研磨終了点手前の膜厚基準点Ｐを的確に検出することができる。したがって、該膜厚基準点Ｐから研磨終了時点を精度よく予測・検出することができる。
【００８３】
高周波インダクタ型センサ３４からの共振周波数の伝送方法を周波数カウンタ４０を用いたデジタル出力としたことで、ノイズの影響及び共振周波数出力の減衰が防止されて、膜厚基準点Ｐを確実に検出することができる。
【００８４】
高周波インダクタ型センサ３４を構成している集中定数キャパシタ３７をキャパシタンス可変としたことで、異なる膜種の導電性膜２８に対し、表皮深さδに対応する膜厚が適切な値になるように発振周波数を容易に選択することができる。
【００８５】
高周波インダクタ型センサ３４の主構成要素である平面インダクタ３６は、ノイズの発生及び電力消費は殆どなく、さらには比較的安価で済むことからコスト低減を図ることができる。
【実施例２】
【００８６】
以下、本発明の実施例２に係るリアルタイム膜厚モニタ方法とその装置を説明する。本実施例では、前記図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した研磨終了時点の予測・検出装置３３がリアルタイム膜厚モニタ装置として機能する。そして該リアルタイム膜厚モニタ装置３３が前記図３及び図４に示したように、プラテン２もしくは研磨ヘッド３に組み込まれている。
【００８７】
該リアルタイム膜厚モニタ装置３３によるリアルタイム膜厚モニタ方法を説明する。前記実施例１と同様の方法により、図９（ｅ）に示す研磨終了点手前の膜厚基準点Ｐが検出される。周波数カウンタ４０からの膜厚基準点Ｐ出力が図示しないＣＰＵ等に入力され、該膜厚基準点Ｐを基に表皮深さδに対応する膜厚とほぼ同等である除去すべき残膜量、並びに既に研磨除去された膜厚量及びその所要時間から研磨レート等の各研磨データがその
場で算出され、所定の導電性膜２８が適正に除去されているかがリアルタイムで評価される。
【００８８】
上述したように、本実施例に係るリアルタイム膜厚モニタ方法とその装置においては、研磨終了点手前の膜厚基準点Ｐの検出後、該膜厚基準点Ｐを基に除去すべき残膜量及び研磨レート等の各研磨データをその場で精度よく算出することができて、所定の導電性膜２８が適正に除去されているかを正確に評価することができる。またこれとともに漏洩磁束φＬで発生する渦電流Ｉｅによるジュール熱損を極小に抑えることができる。
【００８９】
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図。
【図２】図１の化学機械研磨装置における研磨ヘッドの拡大縦断面図。
【図３】本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置がプラテンに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図。
【図４】本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置が研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための一部破断して示す概略側面図。
【図５】本発明の実施例に係る研磨終了時点の予測・検出装置の構成例を示す示す図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は平面状インダクタの他の構成例を示す図、（ｃ）は図（ｂ）の平面状インダクタの断面図。
【図６】図５の研磨終了時点の予測・検出装置における発振回路の基本的な構成例を示す図であり、（ａ）は構成図、（ｂ）は図（ａ）の等価回路。
【図７】本発明の実施例において、コイルから発生した磁場が導体膜上でどのような向きに配列しているかを電磁シミュレーションした結果を示す図であり、（ａ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、（ｂ）はセンサからの発振周波数が１ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合、  （ｃ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が０．２μｍの場合、（ｄ）はセンサからの発振周波数が４０ＭＨｚで導体膜の膜厚が１μｍの場合。
【図８】本発明の実施例に係る高周波インダクタ型センサにおける電磁結合で発生する磁場によるインダクタンスの変化作用を説明するための構成図。
【図９】図１の化学機械研磨装置による導電性膜の研磨削除に伴う磁束等の変化例及び膜厚基準点の検出作用を説明するための組図であり、（ａ）〜（ｄ）は導電性膜の研磨削除に伴う磁束等の変化例を示す図、（ｅ）は導電性膜の膜厚変化に対する共振周波数の変化例を示す特性図。
【図１０】図９の比較例としての組図であり、（ａ）〜（ｄ）は導電性膜の研磨削除に伴う磁束及び渦電流の変化例を示す図、（ｅ）は導電性膜の膜厚変化に対する共振周波数の変化例を示す特性図。
【図１１】本発明の実施例において、研磨対象となる導電性膜が材質及び導電率の点で異なっているＣｕ膜とタングステン（Ｗ）膜について膜厚基準点となるピークを評価した結果を示す図であり、（ａ）はＣｕ膜付きウェハを示す図、（ｂ）はＣｕ膜の膜厚に対する共振周波数の変化特性例を示す図、（ｃ）はタングステン（Ｗ）膜付きウェハを示す図、（ｄ）はタングステン（Ｗ）膜の膜厚に対する共振周波数の変化特性例を示す図。
【図１２】本発明の実施例において、研磨対象の導電性膜がＣｕ膜の場合について膜厚と共振周波数との関係を示す図であり、（ａ）は研磨の進行に伴う膜厚と共振周波数との関係例を示す図、（ｂ）は静止状態における膜厚と共振周波数との関係例を示す図。
【符号の説明】
【００９１】
１    化学機械研磨装置
２    プラテン
３    研磨ヘッド
４    回転軸
５    モータ
６    研磨パッド
７    ヘッド本体
８    キャリア
９    リテーナリング
１０    リテーナリング押圧手段
１１    弾性シート
１２    回転軸
１３    ドライプレート
１４    ピン
１５    作動トランス
１６    キャリア押圧手段
１７    エアーフロートライン
１９    エアー吹出し口
２０    エアーフィルタ
２１    給気ポンプ
２２    孔
２３    真空ポンプ
２４    バキュームライン
２５    エアバック
２７    リテーナリングホルダ
２８    導電性膜
２９    エアー室
３０    取付部材
３１    スナップリング
３２    スリップリング
３３    研磨終了時点の予測・検出装置（リアルタイム膜厚モニタ装置）
３４    高周波インダクタ型センサ
３５    発振回路
３６    平面状インダクタ
３６ａ  絶縁性の基板
３７    集中定数キャパシタ
３８    増幅器
３９    フィードバック・ネットワーク
４０    周波数カウンタ
４１    平面状インダクタ
４１ａ  絶縁性の基板
Ｐ    膜厚基準点
Ｗ    ウェハ
【図１】
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【図２】
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【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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