(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドの研磨面に摺接される導電膜の厚さの変化を渦電流センサを用いて監視する研磨監視方法であって、
前記渦電流センサが導電膜に対向しているときの該渦電流センサの出力信号を取得し、前記出力信号は、前記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誘導リアクタンス成分に相当する２つの信号であり、
前記２つの信号の値を座標系上の座標として定義し、
前記出力信号の取得と前記座標の定義を繰り返し、
前記座標が定義されるたびに、少なくとも３つの直近の座標によって決定される円弧の曲率中心を求め、
前記曲率中心と前記少なくとも３つの座標のうち最新の座標とを結ぶ直線の傾き角を求め、
前記傾き角の変化を監視することにより前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記導電膜は、低抵抗基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記傾き角が大きくなるに従って小さくなるモニタリング信号を前記傾き角から生成し、該モニタリング信号の変化から前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記モニタリング信号は、前記傾き角から所定の基準角度を減算することで得られる角度であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
回転可能な研磨テーブルと、
前記研磨テーブル上に配置され、研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨テーブルに設置される渦電流センサと、
基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、
基板と前記研磨パッドとを相対移動させる機構と、
前記研磨面に摺接される導電膜の厚さの変化を前記渦電流センサを用いて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、
前記渦電流センサが導電膜に対向しているときの該渦電流センサの出力信号を取得し、前記出力信号は、前記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誘導リアクタンス成分に相当する２つの信号であり、
前記２つの信号の値を座標系上の座標として定義し、
前記出力信号の取得と前記座標の定義を繰り返し、
前記座標が定義されるたびに、少なくとも３つの直近の座標によって決定される円弧の曲率中心を求め、
前記曲率中心と前記少なくとも３つの座標のうち最新の座標とを結ぶ直線の傾き角を求め、
前記傾き角の変化を監視することにより前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
前記基板は、低抵抗基板であることを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記モニタリング装置は、前記傾き角が大きくなるに従って小さくなるモニタリング信号を前記傾き角から生成し、該モニタリング信号の変化から前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記モニタリング信号は、前記傾き角から所定の基準角度を減算することで得られる角度であることを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
【請求項９】
研磨パッドの研磨面に摺接される導電膜の厚さの変化を渦電流センサからの出力信号に基づいて監視するモニタリング装置であって、
前記渦電流センサが導電膜に対向しているときの該渦電流センサの出力信号を取得し、前記出力信号は、前記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誘導リアクタンス成分に相当する２つの信号であり、
前記２つの信号の値を座標系上の座標として定義し、
前記出力信号の取得と前記座標の定義を繰り返し、
前記座標が定義されるたびに、少なくとも３つの直近の座標によって決定される円弧の曲率中心を求め、
前記曲率中心と前記少なくとも３つの座標のうち最新の座標とを結ぶ直線の傾き角を求め、
前記傾き角の変化を監視することにより前記導電膜の厚さの変化を監視するように動作することを特徴とするモニタリング装置。
【請求項１０】
前記導電膜は、低抵抗基板上に形成されていることを特徴とする請求項９に記載のモニタリング装置。
【請求項１１】
前記傾き角が大きくなるに従って小さくなるモニタリング信号を前記傾き角から生成し、該モニタリング信号の変化から前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする請求項９に記載のモニタリング装置。
【請求項１２】
前記モニタリング信号は、前記傾き角から所定の基準角度を減算することで得られる角度であることを特徴とする請求項１１に記載のモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、研磨装置、およびモニタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨装置は、ウェハの表面に形成されたバリア膜や配線金属膜などの導電膜を研磨する装置として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、コイルに高周波の交流電流を流して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。
【０００３】
図１は、渦電流センサの原理を説明するための回路を示す図である。交流電源３から高周波の交流電流Ｉ１をコイル１に流すと、コイル１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Ｉ２が流れる。この渦電流Ｉ２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。
【０００４】
図１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。
Ｒ１Ｉ１＋Ｌ１ｄＩ１／ｄｔ＋ＭｄＩ２／ｄｔ＝Ｅ      （１）
Ｒ２Ｉ２＋Ｌ２ｄＩ２／ｄｔ＋ＭｄＩ１／ｄｔ＝０      （２）
ここで、Ｍは相互インダクタンスであり、Ｒ１はコイル１を含むセンサ側回路の等価抵抗であり、Ｌ１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。Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ２は渦電流が流れる導電膜の自己インダクタンスである。
【０００５】
ここで、Ｉｎ＝Ａｎｅｊωｔ（正弦波）とおくと、上記式（１），（２）は次のように表される。
（Ｒ１＋ｊωＬ１）Ｉ１＋ｊωＭＩ２＝Ｅ      （３）
（Ｒ２＋ｊωＬ２）Ｉ２＋ｊωＭＩ１＝０      （４）
これら式（３），（４）から、次の式が導かれる。
Ｉ１＝Ｅ（Ｒ２＋ｊωＬ２）／｛（Ｒ１＋ｊωＬ１）（Ｒ２＋ｊωＬ２）＋ω２Ｍ２｝
＝Ｅ／｛（Ｒ１＋ｊωＬ１）＋ω２Ｍ２／（Ｒ２＋ｊωＬ２）｝      （５）
【０００６】
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／Ｉ１
＝｛Ｒ１＋ω２Ｍ２Ｒ２／（Ｒ２２＋ω２Ｌ２２）
＋ｊω｛Ｌ１−ω２Ｌ２Ｍ２／（Ｒ２２＋ω２Ｌ２２）｝      （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、次の式が導かれる。
（Ｘ−Ｒ１）２＋｛Ｙ−ωＬ１（１−ｋ２／２）｝２＝（ωＬ１ｋ２／２）２  （７）
ただし、上記式（７）において記号ｋは結合係数であり、次の関係式が成り立つ。
Ｍ＝ｋ（Ｌ１Ｌ２）１／２      （８）
【０００７】
図２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２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、Ｒ２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、Ｒ２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。
【０００８】
図３は、図２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座標系上の原点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３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３には、図２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。
【０００９】
図３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（＝（Ｘ２＋Ｙ２）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、距離Ｚを監視すれば、研磨中の膜厚変化や研磨終点が分かる。図４は縦軸に距離Ｚを、横軸に研磨時間をプロットしたグラフである。このグラフに示すように、研磨時間とともに距離Ｚは減少し、ある時点で一定となる。この距離Ｚの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。
【００１０】
最近では、基板自身の抵抗率（比抵抗）が極めて低い、いわゆる低抵抗基板が導入されている。この低抵抗基板は、通常の基板よりも１０００分の１程度の抵抗率を有しており、抵抗が低くなることにより、低電圧駆動化（同一の電源電圧を使用しても電流を多く流すことが可能）、低オン抵抗化（大電流を必要とする用途への対応が可能）などを実現できるという利点がある。
【００１１】
しかしながら、このような低抵抗基板のシート抵抗値は、研磨すべき導電膜のシート抵抗値に近く、結果として渦電流センサの出力信号に大きな影響を与えてしまう。この問題点について図５を参照して説明する。図５は、標準の抵抗率を有する基板（標準基板）上に形成された厚さ１００ｎｍのタングステン膜を研磨したときの渦電流センサの出力信号の軌跡と、低抵抗基板上に形成された同一厚さを有するタングステン膜を研磨したときの渦電流センサの出力信号の軌跡を示す図である。標準基板のシート抵抗値はタングステン膜のシート抵抗値に比べてはるかに大きく、基板が渦電流センサの出力信号に与える影響はほとんど無視することができる。したがって、膜厚が同一であれば、基板のシート抵抗の影響をほとんど受けずに図５に示すような渦電流センサの出力信号が得られる。
【００１２】
一方、低抵抗基板のシート抵抗値はタングステン膜のシート抵抗値と大きくは異ならないため、渦電流センサの出力信号は基板の影響を受けやすい。その結果、図５に示すように、標準基板を使用した場合に比べて、渦電流センサの出力信号の軌跡は厚膜側に大きく移動してしまう。さらに、基板ごとに僅かに異なる低抵抗基板の抵抗率に起因して、同一厚さのタングステン膜を研磨したときでも、図５に示すように、渦電流センサの出力信号の軌跡が変動してしまう。
【００１３】
渦電流センサの出力信号の軌跡が変動しても、図６に示すように、特異点も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、予め決められた膜厚になった時点で研磨を止める、または研磨条件を変えようとする場合には、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いるので、検出すべき研磨時間に誤差が生じてしまう。
【００１４】
さらに、標準基板と低抵抗基板との間では、膜厚の変化を示す距離Ｚの変化の幅が相違する。すなわち、図７および図８に示すように、標準基板の場合では、膜厚の変化とともにＺ１が大きく変化するのに対し、低抵抗基板の場合では、膜厚の変化に対して距離Ｚ２の変化幅が小さい。このように距離Ｚの変化が小さいと、Ｓ／Ｎ比が悪化して、研磨終点の検知や研磨条件の切り替え時点の検出の精度が低下する。
【００１５】
また、渦電流センサは、ターゲットとなる導電膜までの距離に応じて出力信号が変化するという特性を有する。このため、研磨パッドの摩耗などに起因して、渦電流センサと基板との距離が小さくなると、同一膜厚であっても渦電流センサの出力信号が変化するという問題がある。
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−１２１６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、低抵抗基板上の導電膜を研磨するときや、研磨パッドが摩耗したときでも、膜厚の変化を精度よく監視することができる研磨監視方法、研磨装置、およびモニタリング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】
【００１８】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、研磨パッドの研磨面に摺接される導電膜の厚さの変化を渦電流センサを用いて監視する研磨監視方法であって、前記渦電流センサが導電膜に対向しているときの該渦電流センサの出力信号を取得し、前記出力信号は、前記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誘導リアクタンス成分に相当する２つの信号であり、前記２つの信号の値を座標系上の座標として定義し、前記出力信号の取得と前記座標の定義を繰り返し、前記座標が定義されるたびに、少なくとも３つの直近の座標によって決定される円弧の曲率中心を求め、前記曲率中心と前記少なくとも３つの座標のうち最新の座標とを結ぶ直線の傾き角を求め、前記傾き角の変化を監視することにより前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする。
【００１９】
ここで、本発明の原理について説明する。上述したように、低抵抗基板の抵抗率が基板ごとに異なる場合、図９および図１０のように、渦電流センサの出力信号の軌跡も基板ごとに相違する。図９は、出力信号の軌跡の研磨開始に対する角度が大きく異なる例を示す。この場合、角度の違いが小さくて２つの軌跡が重なることもある。図１０は、上記に加えて、軌跡の半径が異なる例を示している。さらに、研磨パッドの摩耗などに起因して基板と渦電流センサとの距離が変化した場合も、図１１に示すように、渦電流センサの出力信号の軌跡が変化する。なお、図９乃至図１１において、記号ＳＰは研磨開始点を示し、記号ＥＰは研磨終点を示している。本発明者らは、図９乃至図１１に示すように渦電流センサの出力信号の円弧状の軌跡が変化しても、膜厚が同一であれば、それらの円弧状の軌跡の中心角はいずれも概ね等しいことを見出した。言い換えれば、膜厚が同一であれば、膜厚の減少率は中心角の増加率に概ね等しいということができる。したがって、この円弧状の軌跡の中心角の変化を監視することにより、膜厚の変化を監視することができる。
【００２０】
本発明では、膜厚に応じて変化する渦電流センサの出力信号を座標として座標系上にプロットし、プロットされた点と曲率中心とを結ぶ線の傾き角の変化（すなわち、中心角の変化）を監視する。したがって、低抵抗基板の抵抗率のばらつきや、基板と渦電流センサとの距離の変化によらず、精度のよい膜厚監視が可能となる。
【００２１】
本発明の好ましい態様は、前記導電膜は、低抵抗基板上に形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾き角が大きくなるに従って小さくなるモニタリング信号を前記傾き角から生成し、該モニタリング信号の変化から前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記モニタリング信号は、前記傾き角から所定の基準角度を減算することで得られる角度であることを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の態様は、回転可能な研磨テーブルと、前記研磨テーブル上に配置され、研磨面を有する研磨パッドと、前記研磨テーブルに設置される渦電流センサと、基板を前記研磨面に押圧するトップリングと、基板と前記研磨パッドとを相対移動させる機構と、前記研磨面に摺接される導電膜の厚さの変化を前記渦電流センサを用いて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、前記渦電流センサが導電膜に対向しているときの該渦電流センサの出力信号を取得し、前記出力信号は、前記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誘導リアクタンス成分に相当する２つの信号であり、前記２つの信号の値を座標系上の座標として定義し、前記出力信号の取得と前記座標の定義を繰り返し、前記座標が定義されるたびに、少なくとも３つの直近の座標によって決定される円弧の曲率中心を求め、前記曲率中心と前記少なくとも３つの座標のうち最新の座標とを結ぶ直線の傾き角を求め、前記傾き角の変化を監視することにより前記導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする研磨装置である。
【００２３】
本発明の他の態様は、研磨パッドの研磨面に摺接される導電膜の厚さの変化を渦電流センサからの出力信号に基づいて監視するモニタリング装置であって、前記渦電流センサが導電膜に対向しているときの該渦電流センサの出力信号を取得し、前記出力信号は、前記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誘導リアクタンス成分に相当する２つの信号であり、前記２つの信号の値を座標系上の座標として定義し、前記出力信号の取得と前記座標の定義を繰り返し、前記座標が定義されるたびに、少なくとも３つの直近の座標によって決定される円弧の曲率中心を求め、前記曲率中心と前記少なくとも３つの座標のうち最新の座標とを結ぶ直線の傾き角を求め、前記傾き角の変化を監視することにより前記導電膜の厚さの変化を監視するように動作することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、低抵抗基板の抵抗率のばらつきや、基板と渦電流センサとの距離の変化によらず、精度のよい膜厚監視が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１２は、本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１２に示すように、研磨装置は、研磨パッド１０と、上面に研磨パッド１０が貼設された研磨テーブル１２と、研磨対象物であるウェハ（基板）を保持して研磨パッド１０の上面に押圧するトップリング１４と、ウェハの研磨が行われていないときに研磨パッド１０の上面をドレッシング（コンディショニング）するドレッサー２０とを備えている。研磨パッド１０の上面は、研磨対象物であるウェハが摺接される研磨面を構成している。
【００２６】
研磨テーブル１２は、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、矢印で示すようにその軸心周りに回転可能になっている。また、研磨テーブル１２の上方には図示しない研磨液供給ノズルが設置されており、この研磨液供給ノズルから研磨パッド１０上に研磨液が供給されるようになっている。
【００２７】
トップリング１４は、トップリングシャフト１８に連結されており、このトップリングシャフト１８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング１４は昇降可能かつトップリングシャフト１８周りに回転可能となっている。このトップリング１４の下面には、研磨対象物であるウェハが真空吸着等によって保持される。
【００２８】
上述の構成において、トップリング１４の下面に保持されたウェハはトップリング１４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル１２上の研磨パッド１０に押圧される。このとき、研磨液供給ノズルから研磨パッド１０の研磨面に研磨液が供給され、ウェハの被研磨面（下面）と研磨パッド１０の間に研磨液が存在した状態でウェハが研磨される。本実施形態においては、ウェハと研磨パッド１０とを相対移動させる機構は、研磨テーブル１２およびトップリング１４によって構成される。
【００２９】
図１３は図１２に示すトップリングの断面を示す模式図である。図１３に示すように、トップリング１４は、トップリングシャフト１８の下端に自在継手部３０を介して連結される略円盤状のトップリング本体３１と、トップリング本体３１の下部に配置されたリテーナリング３２とを備えている。トップリング本体３１は金属やセラミックス等の強度および剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３２は、剛性の高い樹脂材またはセラミックス等から形成されている。なお、リテーナリング３２をトップリング本体３１と一体的に形成してもよい。
【００３０】
トップリング本体３１およびリテーナリング３２の内側に形成された空間内には、ウェハＷに当接する弾性パッド３３と、弾性膜からなる環状の加圧シート３４と、弾性パッド３３を保持する概略円盤状のチャッキングプレート３５とが収容されている。弾性パッド３３の上周端部はチャッキングプレート３５に保持され、弾性パッド３３とチャッキングプレート３５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。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４はそれぞれ流体路３７，３８，３９，４０を介して図示しない圧力調整装置に連通しており、この圧力調整装置により圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に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Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。圧力調整装置は、コンプレッサーおよび真空ポンプなどから構成することができる。
【００３１】
圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は圧力調整装置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、ウェハＷの４つの領域、すなわち、中央部Ｃ１、内側中間部Ｃ２、外側中間部Ｃ３、および周縁部Ｃ４に対する押圧力を概ね独立に調整することができる（正確には、隣り合う領域の影響を多少なりとも受ける）。また、トップリング１４の全体を昇降させることにより、リテーナリング３２を所定の押圧力で研磨パッド１０に押圧できるようになっている。チャッキングプレート３５とトップリング本体３１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には上記圧力調整装置から流体路４１を介して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。これにより、チャッキングプレート３５および弾性パッド３３全体が上下方向に動くことができる。なお、ウェハＷの周囲にはリテーナリング３２が配置され、研磨中にウェハＷがトップリング１４から飛び出さないようになっている。
【００３２】
図１２に示すように、研磨テーブル１２の内部には、ウェハＷの表面に形成された導電膜の膜厚を検出する渦電流センサ５０が埋設されている。この渦電流センサ５０はモニタリング装置５３に接続され、このモニタリング装置５３はＣＭＰコントローラ５４に接続されている。渦電流センサ５０の出力信号はモニタリング装置５３に送られる。モニタリング装置５３は、渦電流センサ５０の出力信号に対して図３および図４を参照して説明した処理（図２に示すグラフの回転処理および平行移動）を施して、導電膜の厚さに応じて変化するモニタリング信号（後述する）を領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ごとに算出する。そして、モニタリング装置５３は、研磨中におけるモニタリング信号の変化（すなわち導電膜の厚さの変化）を領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ごとに監視する。
【００３３】
図１４は、研磨テーブル１２とウェハＷとの位置関係を示す平面図である。符号ＣＴは研磨テーブル１２の回転中心である。図１４に示すように、渦電流センサ５０は、トップリング１４に保持されたウェハＷの中心Ｃｗを通過する位置に設置されている。すなわち、渦電流センサ５０は、研磨テーブル１２が１回転するごとに、ウェハＷを概略径方向に走査する。
【００３４】
図１５は、渦電流センサ５０がウェハＷを走査する軌跡を示したものである。上述したように、研磨テーブル１２が回転すると、渦電流センサ５０はウェハＷの中心Ｃｗ（トップリングシャフト１８の中心）を通る軌跡を描いてウェハＷの表面を走査することになる。トップリング１４の回転速度と研磨テーブル１２の回転速度とは通常異なっているため、ウェハＷの表面における渦電流センサ５０の軌跡は、図１５に示すように、研磨テーブル１２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、ウェハ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、毎回ウェハＷの中心ＣＷを通過する。本実施形態では、渦電流センサ５０による膜厚検出のタイミングを調整して、渦電流センサ５０によってウェハＷの中心ＣＷの膜厚を毎回必ず監視するようにしている。
【００３５】
また、ウェハＷの研磨後の膜厚プロファイルは、ウェハＷの中心ＣＷを通り表面に垂直な軸に関して概ね対象になることが知られている。したがって、図１５に示すように、ｍ番目の走査線ＳＬｍ上のｎ番目の監視点をＭＰｍ−ｎと表わすとき、各走査線におけるｎ番目の監視点ＭＰ１−ｎ，ＭＰ２−ｎ，・・・，ＭＰｍ−ｎに対するモニタリング信号を追跡することにより、ｎ番目の監視点の半径位置におけるウェハＷの膜厚の変化をモニタリングすることができる。
【００３６】
図１６は、図１５に示すウェハＷ上の監視点のうちモニタリング装置５３によりモニタリングを行う監視点を選択する一例を示す平面図である。図１５に示す例では、各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の中心近傍と境界線近傍に対応する位置の監視点ＭＰｍ−１，ＭＰｍ−２，ＭＰｍ−３，ＭＰｍ−４，ＭＰｍ−５，ＭＰｍ−６，ＭＰｍ−８，ＭＰｍ−１０，ＭＰｍ−１１，ＭＰｍ−１２，ＭＰｍ−１３，ＭＰｍ−１４，ＭＰｍ−１５のモニタリングを行っている。ここで、図１５に示した例とは異なり、監視点ＭＰｍ−ｉとＭＰｍ−（ｉ＋１）との間に別の監視点があってもよい。なお、監視点の選択は、図１６に示す例に限られず、ウェハＷの被研磨面上において制御上着目すべき点を監視点として選択することができ、また走査線上の全監視点を選択することも可能である。
【００３７】
図１５においては、簡略化のため、１回の走査における監視点の数を１５としている。しかしながら、監視点の個数はこれに限られるものではなく、計測の周期および研磨テーブル１２の回転速度に応じて種々の値にすることができる。例えば、ウェハＷの端部から端部まで分布する３００個の監視点を設定し、これら監視点を領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応する４つの区間に区分けし、各区間に属する監視点での出力値の平均値または代表値を求め、その得られた平均値または代表値をその区間に対応する領域で得られた出力信号の値として用いることもできる。ノイズの影響を排除してデータを平滑化するために、近傍の監視点についての渦電流センサ５０の出力信号を平均化したものを使用してもよい。
【００３８】
モニタリング装置５３は、上述のようにして選択された監視点について取得されたモニタリング信号を、予め圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ごとに設定された基準信号と比較し、各モニタリング信号がそれぞれの基準信号に収束するための圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の最適な圧力値を算出する。このように、モニタリング装置５３は、モニタリング信号に基づいて各圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を制御する制御部としても機能する。
【００３９】
そして、算出された圧力値はモニタリング装置５３からＣＭＰコントローラ５４に送信され、ＣＭＰコントローラ５４は圧力調整装置を介して圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の圧力を変更する。このようにして、ウェハＷの各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対する押圧力が調整される。なお、モニタリング装置５３とＣＭＰコントローラ５４とを一体化して１つの制御装置としてもよい。
【００４０】
図１７は、渦電流センサを示す模式図である。この渦電流センサ５０は、センサコイル１０２と、このセンサコイル１０２に接続される交流電源１０３と、センサコイル１０２を含む電気回路（図１のセンサ側回路）の抵抗成分Ｘ，誘導リアクタンス成分Ｙを検出する同期検波部１０５とを有している。ここで、膜厚検出対象の導電膜２０１は、例えばウェハＷ上に形成された銅、タングステン、タンタル、チタニウムなどの導電材料からなる薄膜である。センサコイル１０２と導電膜との距離Ｇは、例えば０．５〜５ｍｍに設定される。
【００４１】
図１８は、図１７に示す渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。センサコイル１０２は、ボビン１１１に巻回された３層のコイル１１２，１１３，１１４により構成されている。中央のコイル１１２は、交流電源１０３に接続される励磁コイルである。この励磁コイル１１２は、交流電源１０３より供給される交流電流により磁界を形成し、ウェハ上の導電膜に渦電流を発生させる。励磁コイル１１２の上側（導電膜側）には、検出コイル１１３が配置され、導電膜を流れる渦電流により発生する磁束を検出する。検出コイル１１３と反対側にはバランスコイル１１４が配置されている。
【００４２】
コイル１１２，１１３，１１４は、は同じターン数（１〜５００）のコイルにより形成され、検出コイル１１３とバランスコイル１１４とは互いに逆相に接続されている。導電膜が検出コイル１１３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１１３とバランスコイル１１４とに鎖交する。このとき、検出コイル１１３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１１３，１１４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。
【００４３】
図１９は、渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。交流電源１０３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１０２に供給する。交流電源１０３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１０２に供給される。センサコイル１０２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。
【００４４】
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５３は、渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙを、図３で説明した処理（回転処理、平行移動処理など）と同じ方法で処理し、処理された信号をＸＹ座標系上にプロットする。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５３にて計算により行ってもよい。
【００４５】
次に、膜厚に応じて変化するモニタリング信号に基づいて膜厚の変化を監視する方法について説明する。図２０はモニタリング信号を生成する処理フローを示すダイヤグラムであり、図２１はＸＹ座標系上にプロットされた渦電流センサの出力信号によって描かれる円弧状の軌跡と、この軌跡の中心角との関係を示す図である。なお、以下に説明するモニタリング信号は、渦電流センサ５０の出力信号Ｘ，Ｙに図３に示す所定の処理（回転処理、平行移動処理など）をした後の信号から生成しているが、上記所定の処理を行っていない信号から生成してもよい。本明細書では、上記所定の処理がなされた信号と上記処理がなされていない信号を含めて渦電流センサ５０の出力信号という。
【００４６】
渦電流センサ５０の出力信号は、研磨テーブル１２が１回転するごとにモニタリング装置５３により取得される。取得された出力信号は、渦電流センサ５０のセンサコイル１０２を含む電気回路（図１のセンサ側回路）の抵抗成分Ｘ，誘導リアクタンス成分Ｙにそれぞれ相当する２つの信号である。この出力信号は、モニタリング装置５３によりＸＹ座標系上に座標として順次プロットされる。なお、座標のプロットは、必ずしも座標系を作図することを意味するのではなく、座標を座標系上にプロットするというやり方に沿って、出力信号Ｘ，ＹをＸＹ座標系上の座標として定義することも含む。具体的には、モニタリング装置５３は、渦電流センサ５０の２つの信号である抵抗成分Ｘ，誘導リアクタンス成分を取得するたびに、これらの出力信号Ｘ，ＹをＸＹ座標系上の座標として定義する。
【００４７】
研磨中は研磨テーブル１２の回転速度は一定であるので、座標の取得およびプロットは一定の周期で行われる。研磨テーブル１２が一回転するごとに、同一半径位置（領域）において渦電流センサ５０の出力信号が取得される場合は、研磨テーブル１２が３回転した時点で３つの座標が取得される（ステップ１）。３つの座標が既知であれば、その３つの座標を通る円弧の中心として、近似的に曲率中心を決定することができる。そこで、ステップ２として、１番目、２番目、３番目の座標により決定される円弧の曲率中心が求められる。そして、最新の座標である３番目の座標（３回目に研磨テーブル１２が回転したときに取得された出力信号の座標）と、上記曲率中心とを結ぶ直線の傾き角が求められる。この傾き角は、３番目の座標と曲率中心とを結ぶ直線と基準線Ｌとの角度を求めることにより算出することができる。この基準線Ｌは固定線であり、例えば、Ｘ軸と平行な線である。得られた傾き角は、基準角度α０としてモニタリング装置５３に保存される（ステップ３）。
【００４８】
新たな出力信号（座標）がプロットされるごとに、直近の３つの座標（ｎ、ｎ−１、ｎ−２番目の座標）が描く軌跡から曲率中心が求められ（ステップ４）、求められた曲率中心と最新の座標（ｎ番目の座標）とを結ぶ直線と上記基準線Ｌとの角度αｎが求められる（ステップ５）。そして、角度αｎから角度α０が減算され、これにより座標と曲率中心とを結ぶ直線の傾き角の増加（すなわち、中心角の増加）を表すθｎが算出される（ステップ６）。なお、ステップ２および４において、出力信号の値のばらつきを考慮し、直近の４つ以上の座標から選択された３つの座標から円弧を決定してもよく、または、直近の４つ以上の座標から回帰円を求め、この回帰円の曲率中心を求めることとしてもよい。
【００４９】
図２２は、縦軸に角度θをプロットし、横軸に研磨時間をプロットして得られたグラフを示す図である。図２２に示すように、研磨時間の経過とともに角度θは増加し、やがて一定となる。上述したように、中心角は研磨対象の導電膜の厚さに応じて変化する。したがって、この角度θは、膜厚に従って変化する上述のモニタリング信号として機能する。そして、モニタリング信号、すなわち角度θの変化を監視することにより導電膜の厚さの変化を監視することができる。また、角度θが一定になったということは、研磨により導電膜がウェハ上から除去されたことを意味する。したがって、角度θが増加から一定に転じる特異点を検出することにより、研磨終点を検出することができる。さらに、初期膜厚が既知であれば、角度θの変化量から現在の膜厚を算出することができる。したがって、所望の膜厚となった時点で、研磨を終了させることが可能となる。
【００５０】
図２３は縦軸に角度Ａ−θ（Ａは、例えば１００などの自然数）をプロットし、横軸に研磨時間をプロットして得られたグラフを示す図である。このグラフは、図２２に示すグラフと実質的に同じであるが、モニタリング信号として角度Ａ−θが使用されている。図２３から分かるように、導電膜の厚さが減少するに従って、モニタリング信号としての角度Ａ−θは減少する。したがって、図２３に示すグラフは、研磨時間の経過にともなって、膜厚が減少する様子が視覚的に捉えやすいグラフとなっている。
【００５１】
上述した本実施形態によれば、低抵抗基板を研磨する場合でも、その抵抗率のばらつきの影響を受けず、また研磨パッド１０の摩耗などに起因する基板と渦電流センサ５０との距離の変化の影響を受けず、精度の高い膜厚監視が可能となる。したがって、基板上の残膜厚から研磨終点や研磨条件の変更点を精度よく検出することができる。
【００５２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】渦電流センサの原理を説明するための等価回路を示す図である。
【図２】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３】図２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４】縦軸に距離Ｚを、横軸に研磨時間をプロットしたグラフを示す図である。
【図５】標準基板上に形成された厚さ１００ｎｍのタングステン膜を研磨したときの渦電流センサの出力信号の軌跡と、低抵抗基板上に形成された同一厚さのタングステン膜を研磨したときの渦電流センサの出力信号の軌跡を示す図である。
【図６】基板ごとの抵抗率のばらつきに起因して検出誤差が生じる様子を説明するための図である。
【図７】膜厚と距離Ｚとの関係を表すグラフを示す図である。
【図８】標準基板と低抵抗基板とでは距離Ｚの減少幅が異なることを説明するための図である。
【図９】低抵抗基板の抵抗率に起因して渦電流センサの出力信号が変化するようすを示す図である。
【図１０】低抵抗基板の抵抗率に起因して渦電流センサの出力信号が変化するようすを示す図である。
【図１１】基板と渦電流センサとの距離の変化に起因して渦電流センサの出力信号が変化するようすを示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る研磨装置の全体構成を示す模式図である。
【図１３】図１２に示すトップリングの断面を示す模式図である。
【図１４】研磨テーブルとウェハとの位置関係を示す平面図である。
【図１５】渦電流センサがウェハを走査する軌跡を示した図である。
【図１６】図１５に示すウェハ上の監視点のうちモニタリング装置によりモニタリングを行う監視点を選択する一例を示す平面図である。
【図１７】渦電流センサを示す模式図である。
【図１８】図１７に示す渦電流センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。
【図１９】渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。
【図２０】モニタリング信号を生成する処理フローを示すダイヤグラムである。
【図２１】ＸＹ座標系上にプロットされた渦電流センサの出力信号によって描かれる円弧状の軌跡と、この軌跡の中心角との関係を示す図である。
【図２２】縦軸に角度θをプロットし、横軸に研磨時間をプロットして得られたグラフを示す図である。
【図２３】縦軸に角度Ａ−θをプロットし、横軸に研磨時間をプロットして得られたグラフを示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０      研磨パッド
１２      研磨テーブル
１４      トップリング
１８      トップリングシャフト
２０      ドレッサー
３０      自由継手部
３１      トップリング本体
３２      リテーナリング
３３      弾性パッド
３４      加圧シート
３５      チャッキングプレート
３７〜４１    流体路
５０      センサ
５３      モニタリング装置
５４      ＣＭＰコントローラ
１０２    センサコイル
１０３    交流電源
１０５    同期検波部
１１１    ボビン
１１２    励磁コイル
１１３    検出コイル
１１４    バランスコイル
１２０    バンドパスフィルタ
１２１    ブリッジ回路
１２３    高周波アンプ
１２４    位相シフト回路
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
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５    圧力室
【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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【図１３】
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【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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