研磨監視方法および研磨装置
【課題】研磨装置の運転を停止させることなく渦電流センサの較正を行うことができ、精度の高い膜厚監視を可能とする研磨監視方法および研磨装置を提供する。
【解決手段】基板の水研磨時、研磨パッド１０のドレッシング時、または研磨パッド１０の交換時において、渦電流センサ５０の出力信号を補正信号値として取得し、補正信号値から補正基準値を減算して補正量を算出し、導電膜を有する他の基板を研磨しているときの渦電流センサ５０の出力信号から補正量を減算して実測信号値を算出し、実測信号値の変化を監視することにより研磨中の導電膜の厚さの変化を監視する。
【解決手段】基板の水研磨時、研磨パッド１０のドレッシング時、または研磨パッド１０の交換時において、渦電流センサ５０の出力信号を補正信号値として取得し、補正信号値から補正基準値を減算して補正量を算出し、導電膜を有する他の基板を研磨しているときの渦電流センサ５０の出力信号から補正量を減算して実測信号値を算出し、実測信号値の変化を監視することにより研磨中の導電膜の厚さの変化を監視する。
【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および研磨装置に関する。
【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、上記式（６）は、次のようになる。
Φ＝Ｘ＋ｊωＹ （７）
【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。なお、図２に示す記号ｋは結合係数であり、次の関係式が成り立つ。
Ｍ＝ｋ（Ｌ１Ｌ２）１／２ （８）
【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】
ところが、渦電流センサの周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や、渦電流センサそのものの経時変化などにより、渦電流センサの出力信号の値が図５の点線に示すようにドリフト（平行移動）することがある。このように渦電流センサの出力信号の値がドリフトすると、原点Ｏからの距離Ｚが変化することになり、図６の点線に示すように、グラフそのものが上方に略平行に移動する。この場合でも、特異点は同じように平行移動するので、研磨終点を検出することは可能である。しかしながら、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。
【００１１】
このような渦電流センサの出力値のドリフトは、上述のような距離Ｚに基づく膜厚監視方法以外の他の方法にも影響を与える。例えば、特許文献１の図１３には、中心点（固定点）を通る基準線と、渦電流センサの出力信号（Ｘ成分、Ｙ成分）と中心点とを結ぶ線との角度（θ）の変化から研磨中の膜厚の変化を監視する方法が示されている。この方法は、研磨パッドの厚さの変化によらず、膜厚の変化を精度良く監視することができるという利点を有している。しかしながら、この方法においても、渦電流センサの出力値の経時的変化により角度θが変化し、渦電流センサの出力信号の値と膜厚との対応関係がずれてしまう。
【００１２】
そこで、上述の問題を解決するためには、定期的に渦電流センサの較正を行うことが必要とされる。しかしながら、渦電流センサの較正を行うためには、研磨処理を中断しなければならず、結果として研磨装置の稼働率を低下させてしまう。このため、半導体量産工場においては、渦電流センサの較正を頻繁に行うことができないという問題があった。
【００１３】
【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】
【００１４】
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、研磨装置の稼働率を低下させることなく渦電流センサの較正を行うことができ、精度の高い膜厚監視を可能とする研磨監視方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、前記研磨パッドの下方に配置された渦電流センサを用いて監視する研磨監視方法であって、基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記補正基準値は、前記補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された前記渦電流センサの出力信号であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの上方に前記研磨パッドが存在しない条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を固有信号値として取得し、前記固有信号値を取得したときと同一の条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を初期信号値として取得し、前記初期信号値から前記固有信号値を減算して初期ドリフト量を算出し、前記補正量を算出する前に、前記補正基準値から前記初期ドリフト量を減算することで該補正基準値を補正することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の一態様は、研磨面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの下方に配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、前記研磨面をドレッシングするドレッサーと、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、基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の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研磨装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、研磨処理に必然的に付随するドレッシング処理などの所定の処理の時間を利用して、渦電流センサの較正をソフトウエア上で行うことができる。したがって、研磨装置の稼働率を低下させることなく、精度の高い膜厚監視を継続的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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７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７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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図８は図７に示すトップリングの断面を示す模式図である。図８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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図７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としての距離Ｚ（図４参照）を算出する。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。
【００２７】
図９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９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を概ね径方向に走査する。
【００２８】
図１０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１０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。
【００２９】
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１０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。
【００３０】
図１１は、図１０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１０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１０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１１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。
【００３１】
図１０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。
【００３２】
モニタリング装置５３は、選択した監視点における渦電流センサ５０の出力信号に所定の演算処理を行い、モニタリング信号（本実施形態では距離Ｚ）を生成する。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。
【００３３】
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。
【００３４】
図１２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。
【００３５】
図１３は、図１２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。
【００３６】
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。
【００３７】
図１４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。
【００３８】
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、モニタリング信号としての距離Ｚ（図３および図４参照）を算出する。そして、この距離Ｚの変化に基づいて膜厚の変化を監視する。なお、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙに対する回転処理や平行処理などの所定の処理は、渦電流センサ５０にて電気的に行ってもよく、またはモニタリング装置５３にて計算により行ってもよい。
【００３９】
なお、図３に示す所定の処理を行わずに膜厚の変化を監視することもできる。この場合は、図２における点Ｔｏの近傍に基準点（固定点）を設け、この基準点と点Ｔｎとの距離の変化から膜厚の変化を監視する。基準点は、研磨時間の経過と共に基準点と点Ｔｎとの距離が短くなるような位置（座標）に設定される。
【００４０】
渦電流センサ５０の出力信号の値は、周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や渦電流センサ５０そのものの経時変化などにより、図５に示すようにドリフト（平行移動）することがある。そこで、本実施形態では、モニタリング装置５３により、渦電流センサ５０の出力信号を定期的に較正し、正確な膜厚変化を監視する。なお、以下に説明する較正処理は、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）をした後の出力信号について行われるものであるが、これら処理の前に較正処理をしてもよい。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。
【００４１】
図１５は、本実施形態に係る渦電流センサ５０の出力信号を較正する処理フローを示すダイヤグラムであり、図１６は図１５に示される処理フローにより渦電流センサ５０の出力信号が較正される様子を視覚的に示した図である。
【００４２】
図１５に示すように、ステップ１では、渦電流センサ５０の初期較正（ハードウェア較正）を行う。具体的には、研磨テーブル１２から研磨パッド１０を取り外し、所定の厚みを有するスペーサを研磨テーブル１２の上面に置く。導電膜が形成されていない（すなわち、膜厚ゼロの）ウェハをスペーサ上に載せ、この状態で渦電流センサ５０の固有信号値Ｘｃ，Ｙｃをモニタリング装置５３にて取得する。そして、この固有信号値Ｘｃ，Ｙｃが膜厚ゼロを示す所定の座標値になるように、渦電流センサ５０の出力調整が行われる。
【００４３】
さらに、この初期較正（ハードウェア較正）においては、所定の厚さの導電膜が形成されたウェハを用いて、渦電流センサ５０の出力が別の所定の座標値になるように、渦電流センサ５０の出力調整が行われる。これにより、図３に関連して説明した増幅の度合いや回転の角度が最終的に決定される。上述の導電膜が形成されていないウェハ、および導電膜が形成されたウェハは、較正用ウェハであるので、ウェハ自身の抵抗率や膜厚が厳密に管理されている。
【００４４】
次に、ステップ２として、渦電流センサ５０の初期信号値Ｘｇ，Ｙｇがモニタリング装置５３によって取得される。この初期信号値Ｘｇ，Ｙｇの取得は、上記初期較正と同一の条件の下で行われ、かつ研磨処理が開始される前に行われる。すなわち、研磨テーブル１２の上に同一または同等のスペーサが置かれ、さらにその上に同一または同等のウェハ（導電膜のないウェハ）が置かれ、この状態で渦電流センサ５０から出力される初期信号値Ｘｇ，Ｙｇが取得される。そして、ステップ３として、初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇが算出される。すなわち、初期信号値Ｘｇ，Ｙｇから固有信号値Ｘｃ，Ｙｃが減算されて、初期ドリフト量ΔＸｇ（＝Ｘｇ−Ｘｃ），ΔＹｇ（＝Ｙｇ−Ｙｃ）が求められる。
【００４５】
ステップ１の初期較正（ハードウェア較正）が終了してから研磨が開始されるまである程度時間が経つと、すでに渦電流センサ５０の出力信号が初期較正の直後に比べてずれていることがある。したがって、初期信号値Ｘｇ，Ｙｇを取得する目的は、渦電流センサ５０の出力信号が、渦電流センサ５０の初期較正（ハードウェア較正）が行われた時点からどの程度変化しているかを求めることにある。初期較正が行われた直後に研磨が開始される場合は、この初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇは０と推定されるので、ステップ２とステップ３は行われない。ただし、研磨が開始される時間が初期較正の直後であるか否かにかかわらず、初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇを求めてもよい。
【００４６】
ステップ３が終了すると、次に、ステップ４として、ドリフトを補正する基準値となる補正基準値Ｘｂ，Ｙｂがモニタリング装置５３にて取得される。この補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得は、上記初期較正および上記初期信号値取得工程と類似の条件下で行われる。類似の条件とは、上記初期較正および上記初期信号値取得工程とは完全同一の条件ではないことを意味する。より具体的には、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂは、渦電流センサ５０の上方に導電膜が存在していないという条件下で取得される。例えば、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得は、研磨パッド１０の研磨面をドレッサー２０によりドレッシングする間、または水を研磨面に供給しながらウェハを水研磨するときであって渦電流センサ５０がウェハ上の導電膜に対向していない間、または水を研磨面に供給しながら導電膜のないウェハを水研磨する間、または交換のために研磨パッド１０が研磨テーブル１２から剥がされている間に行われる。なお、導電膜のないウェハの例としては、非導電膜のみを有するウェハが挙げられる。
【００４７】
ドレッシング中に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、渦電流センサ５０がドレッサー２０から離れた位置にあるときの渦電流センサ５０の出力値（すなわち補正基準値Ｘｂ，Ｙｂ）が取得される。非導電膜を有するウェハを水研磨する間に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、渦電流センサ５０がウェハに対向する位置にあるときの渦電流センサ５０の出力値が取得される。渦電流センサ５０の出力値は、正確にはウェハ自身の抵抗率（いわゆる基板抵抗）によっても変化するため、ウェハの抵抗率が一定範囲となるように管理される。なお、非導電膜を有するウェハの代わりに、膜が全く形成されていないシリコン基板を使用することも可能である。
【００４８】
導電膜が形成されているウェハを水研磨する間に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、渦電流センサ５０がウェハから離れた位置にあるときの渦電流センサ５０の出力値が取得される。研磨パッド１０の交換時に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、研磨テーブル１２上には何も存在しない状態で渦電流センサ５０の出力値が取得される。ただし、研磨パッド１０の交換時に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得するのは、研磨パッド１０への水染みが少なく、渦電流センサ５０の出力信号への影響が無視できる場合に限られる。
【００４９】
非導電膜を有するウェハの水研磨を含む処理は、クオリティコントロール（ＱＣ）のために、定期的に行われるものである。上述したドレッシング、水研磨、研磨パッド交換は、いずれも研磨装置に必然的に付随するプロセスであり、本実施形態の較正は、これらのプロセスを妨げることなく、これらのプロセスのいずれか１つが行われている間に行われる。したがって、渦電流センサ５０の出力信号を較正するための時間を設けることは不要であり、全体のスループットを下げることがない。いずれのプロセスにおいても、渦電流センサ５０に対向する導電膜が存在しないときに（すなわち渦電流センサ５０の有効計測範囲に導電膜が存在しないときに）渦電流センサ５０の出力信号が取得されるので、図１に示すＲ２は無限大に近くなり、導電膜の膜厚が０となったときに類似する条件下で補正基準値が取得される。
【００５０】
次に、ステップ５として、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂから初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇが減算されて、補正基準値が補正される。このステップにより補正された補正基準値Ｘｏ（＝Ｘｂ−ΔＸｇ），Ｙｏ（＝Ｙｂ−ΔＹｇ）が求められる。補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得（ステップ４）と補正後の補正基準値Ｘｏ，Ｙｏの算出（ステップ５）は、研磨処理の前に１回だけ行われる。なお、初期較正直後に補正基準値を求めることにすれば、ステップ１の固有信号値の取得、ステップ２〜３およびステップ５は省略することもできる。この場合は、補正基準値としてＸｂ，Ｙｂがその後に続く処理ステップに使用される。
【００５１】
ステップ２からステップ５までの処理は、渦電流センサ５０の出力信号を初期較正時の状態に補正するとの考え方によるものである。しかしながら、補正された出力信号が初期較正時の出力信号と同等である必要がない場合、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを所定の値、例えば、上述した固有信号値の調整目標値Ｘｃ’，Ｙｃ’とおき、さらにＸｏ＝Ｘｃ’，Ｙｏ＝Ｙｃ’とおくことにすれば、ステップ１の固有信号値の取得、およびステップ２〜５を省略することができ、簡便である。この場合、後述の補正信号値Ｘａ，Ｙａを取得する条件に依存して、補正量ΔＸａ，ΔＹａが異なる。したがって、前述の方法では、それぞれ別個に補正基準値を取得しておけばドレッシング時、研磨パッド貼り替え時など取得条件の異なる補正信号値、補正量を混在させて使うことが可能であるのに対し、この方法では、取得条件が異なる補正信号値を混在させて使うことはできない。
【００５２】
その後、ステップ６として、補正信号値Ｘａ，Ｙａがモニタリング装置５３によって取得される。この補正信号値Ｘａ，Ｙａの取得は、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得と同一の条件下で行われる。例えば、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得が、ドレッシング液を供給しながらドレッサー２０で研磨面をドレッシングしている間に取得された場合には、補正信号値Ｘａ，Ｙａも、同様に同一のドレッシング液を供給しながらドレッサー２０で研磨面をドレッシングしている間に取得される。なお、補正信号値Ｘａ，Ｙａの取得は、たとえば、ウェハ研磨前のドレッシング時に行ってもよいし、１枚目のウェハを研磨する前のパッド交換時に行ってもよい。
【００５３】
そして、ステップ７として、補正信号値Ｘａ，Ｙａから補正基準値Ｘｏ，Ｙｏが減算され、補正量（すなわち、渦電流センサ５０の出力信号のドリフト量）ΔＸａ（＝Ｘａ−Ｘｏ），ΔＹａ（＝Ｙａ−Ｙｏ）が求められる。この補正量ΔＸａ，ΔＹａはモニタリング装置５３に登録される。そして、次に続くウェハが研磨されている間の渦電流センサ５０の出力信号Ｘｍ，Ｙｍから補正量ΔＸａ，ΔＹａが減算され、補正された出力信号（すなわち実測信号値）Ｘｐ（＝Ｘｍ−ΔＸａ），Ｙｐ（＝Ｙｍ−ΔＹａ）が求められる。なお、登録される補正量は、ステップ３の初期ドリフト量算出後に、ΔＸａ＝ΔＸｇ、ΔＹａ＝ΔＹｇと初期設定しておく。このようにすれば、ステップ７により最初に補正量を算出する前であっても、初期ドリフト量算出後に長時間経過していない限り、出力信号の補正を適正に行える。モニタリング装置５３は、この補正された出力信号Ｘｐ，Ｙｐから図４に示すように、ＸＹ座標系の原点Ｏと座標（Ｘｐ，Ｙｐ）で表される点との距離Ｚ（＝（Ｘｐ２＋Ｙｐ２）１／２）を算出する。そして、モニタリング装置５３は、この距離Ｚの変化に基づいて研磨中の導電膜の厚さを監視する。
【００５４】
研磨終点は、距離Ｚの値が一定になる特異点を検出することで検出することができる。また、予め、経験や試験により距離Ｚと膜厚との関係示すデータを取得しておけば、所望の膜厚となった時点で、研磨を終了させたり、研磨条件を変えることが可能となる。
【００５５】
補正量ΔＸａ，ΔＹａが算出されるごとに、モニタリング装置５３により補正量は所定の閾値と比較される（ステップ８）。そして、算出された補正量が閾値以内であれば、現在登録されている補正量が新たに算出された補正量に更新される（ステップ９）。一方、算出された補正量が閾値を超えた場合には、予測できない事態が生じたとして算出された補正量は無効な値として破棄される。
【００５６】
以後、ステップ６〜９は適当な間隔で繰り返され、登録されている補正量が適正な状態に維持される。ステップ６〜９は、例えば研磨パッド１０への水染みの影響が大きい場合、ウェハ１枚ごと、または、１ロットごとに繰り返されてもよいし、水染みの影響が小さい場合には、研磨パッド１０の交換ごとに繰り返されてもよい。
【００５７】
図１７（ａ）に示すように、渦電流センサ５０の出力信号を示す円弧状のグラフは、ドリフトする以外にも、回転、拡大、または縮小することがある。このような場合は、ドリフト補正のみならず、回転補正及び／又はゲイン補正を行ってもよい。回転補正とゲイン補正をする場合は、まず、初期較正（ハードウェア較正）直後の渦電流センサの出力信号を取得して基準となるグラフを作成し（図１７（ａ）の点線参照）、上述した較正処理によりドリフト量の補正をし（図１７（ｂ）参照）、補正対象のグラフが基準グラフに一致するように回転補正をし（図１７（ｃ）参照）、さらにゲイン補正を行う（図１７（ｄ）参照）。これにより、精度の高い膜厚監視を行うことができる。
【００５８】
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】
【００５９】
【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】渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）する様子を示す図である。
【図６】渦電流センサの出力信号の値がドリフトすることにより検出誤差が生じる様子を説明するための図である。
【図７】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８】図７に示すトップリングの断面を示す模式図である。
【図９】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１０】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１１】図１０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１２】渦電流センサを示す模式図である。
【図１３】図１２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１４】渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。
【図１５】渦電流センサの出力信号を較正する処理フローを示すダイヤグラムである。
【図１６】図１５に示される処理フローにより渦電流センサの出力信号が較正される様子を視覚的に示した図である。
【図１７】図１７（ａ）乃至図１７（ｄ）は、渦電流センサの出力信号に対して、ドリフト補正、回転補正、およびゲイン補正を行うプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
【００６０】
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
【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および研磨装置に関する。
【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、上記式（６）は、次のようになる。
Φ＝Ｘ＋ｊωＹ （７）
【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。なお、図２に示す記号ｋは結合係数であり、次の関係式が成り立つ。
Ｍ＝ｋ（Ｌ１Ｌ２）１／２ （８）
【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】
ところが、渦電流センサの周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や、渦電流センサそのものの経時変化などにより、渦電流センサの出力信号の値が図５の点線に示すようにドリフト（平行移動）することがある。このように渦電流センサの出力信号の値がドリフトすると、原点Ｏからの距離Ｚが変化することになり、図６の点線に示すように、グラフそのものが上方に略平行に移動する。この場合でも、特異点は同じように平行移動するので、研磨終点を検出することは可能である。しかしながら、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。
【００１１】
このような渦電流センサの出力値のドリフトは、上述のような距離Ｚに基づく膜厚監視方法以外の他の方法にも影響を与える。例えば、特許文献１の図１３には、中心点（固定点）を通る基準線と、渦電流センサの出力信号（Ｘ成分、Ｙ成分）と中心点とを結ぶ線との角度（θ）の変化から研磨中の膜厚の変化を監視する方法が示されている。この方法は、研磨パッドの厚さの変化によらず、膜厚の変化を精度良く監視することができるという利点を有している。しかしながら、この方法においても、渦電流センサの出力値の経時的変化により角度θが変化し、渦電流センサの出力信号の値と膜厚との対応関係がずれてしまう。
【００１２】
そこで、上述の問題を解決するためには、定期的に渦電流センサの較正を行うことが必要とされる。しかしながら、渦電流センサの較正を行うためには、研磨処理を中断しなければならず、結果として研磨装置の稼働率を低下させてしまう。このため、半導体量産工場においては、渦電流センサの較正を頻繁に行うことができないという問題があった。
【００１３】
【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】
【００１４】
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、研磨装置の稼働率を低下させることなく渦電流センサの較正を行うことができ、精度の高い膜厚監視を可能とする研磨監視方法および研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、前記研磨パッドの下方に配置された渦電流センサを用いて監視する研磨監視方法であって、基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の導電膜の厚さの変化を監視することを特徴とする。
【００１６】
本発明の好ましい態様は、前記補正基準値は、前記補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された前記渦電流センサの出力信号であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの上方に前記研磨パッドが存在しない条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を固有信号値として取得し、前記固有信号値を取得したときと同一の条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を初期信号値として取得し、前記初期信号値から前記固有信号値を減算して初期ドリフト量を算出し、前記補正量を算出する前に、前記補正基準値から前記初期ドリフト量を減算することで該補正基準値を補正することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の一態様は、研磨面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの下方に配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、前記研磨面をドレッシングするドレッサーと、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、基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の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研磨装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、研磨処理に必然的に付随するドレッシング処理などの所定の処理の時間を利用して、渦電流センサの較正をソフトウエア上で行うことができる。したがって、研磨装置の稼働率を低下させることなく、精度の高い膜厚監視を継続的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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７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７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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図８は図７に示すトップリングの断面を示す模式図である。図８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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図７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としての距離Ｚ（図４参照）を算出する。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。
【００２７】
図９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９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を概ね径方向に走査する。
【００２８】
図１０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１０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。
【００２９】
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１０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。
【００３０】
図１１は、図１０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１０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１０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１１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。
【００３１】
図１０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。
【００３２】
モニタリング装置５３は、選択した監視点における渦電流センサ５０の出力信号に所定の演算処理を行い、モニタリング信号（本実施形態では距離Ｚ）を生成する。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。
【００３３】
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。
【００３４】
図１２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。
【００３５】
図１３は、図１２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。
【００３６】
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。
【００３７】
図１４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。
【００３８】
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、モニタリング信号としての距離Ｚ（図３および図４参照）を算出する。そして、この距離Ｚの変化に基づいて膜厚の変化を監視する。なお、渦電流センサの出力信号Ｘ，Ｙに対する回転処理や平行処理などの所定の処理は、渦電流センサ５０にて電気的に行ってもよく、またはモニタリング装置５３にて計算により行ってもよい。
【００３９】
なお、図３に示す所定の処理を行わずに膜厚の変化を監視することもできる。この場合は、図２における点Ｔｏの近傍に基準点（固定点）を設け、この基準点と点Ｔｎとの距離の変化から膜厚の変化を監視する。基準点は、研磨時間の経過と共に基準点と点Ｔｎとの距離が短くなるような位置（座標）に設定される。
【００４０】
渦電流センサ５０の出力信号の値は、周囲温度、研磨パッドへの水染みなどの使用環境の変化や渦電流センサ５０そのものの経時変化などにより、図５に示すようにドリフト（平行移動）することがある。そこで、本実施形態では、モニタリング装置５３により、渦電流センサ５０の出力信号を定期的に較正し、正確な膜厚変化を監視する。なお、以下に説明する較正処理は、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）をした後の出力信号について行われるものであるが、これら処理の前に較正処理をしてもよい。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。
【００４１】
図１５は、本実施形態に係る渦電流センサ５０の出力信号を較正する処理フローを示すダイヤグラムであり、図１６は図１５に示される処理フローにより渦電流センサ５０の出力信号が較正される様子を視覚的に示した図である。
【００４２】
図１５に示すように、ステップ１では、渦電流センサ５０の初期較正（ハードウェア較正）を行う。具体的には、研磨テーブル１２から研磨パッド１０を取り外し、所定の厚みを有するスペーサを研磨テーブル１２の上面に置く。導電膜が形成されていない（すなわち、膜厚ゼロの）ウェハをスペーサ上に載せ、この状態で渦電流センサ５０の固有信号値Ｘｃ，Ｙｃをモニタリング装置５３にて取得する。そして、この固有信号値Ｘｃ，Ｙｃが膜厚ゼロを示す所定の座標値になるように、渦電流センサ５０の出力調整が行われる。
【００４３】
さらに、この初期較正（ハードウェア較正）においては、所定の厚さの導電膜が形成されたウェハを用いて、渦電流センサ５０の出力が別の所定の座標値になるように、渦電流センサ５０の出力調整が行われる。これにより、図３に関連して説明した増幅の度合いや回転の角度が最終的に決定される。上述の導電膜が形成されていないウェハ、および導電膜が形成されたウェハは、較正用ウェハであるので、ウェハ自身の抵抗率や膜厚が厳密に管理されている。
【００４４】
次に、ステップ２として、渦電流センサ５０の初期信号値Ｘｇ，Ｙｇがモニタリング装置５３によって取得される。この初期信号値Ｘｇ，Ｙｇの取得は、上記初期較正と同一の条件の下で行われ、かつ研磨処理が開始される前に行われる。すなわち、研磨テーブル１２の上に同一または同等のスペーサが置かれ、さらにその上に同一または同等のウェハ（導電膜のないウェハ）が置かれ、この状態で渦電流センサ５０から出力される初期信号値Ｘｇ，Ｙｇが取得される。そして、ステップ３として、初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇが算出される。すなわち、初期信号値Ｘｇ，Ｙｇから固有信号値Ｘｃ，Ｙｃが減算されて、初期ドリフト量ΔＸｇ（＝Ｘｇ−Ｘｃ），ΔＹｇ（＝Ｙｇ−Ｙｃ）が求められる。
【００４５】
ステップ１の初期較正（ハードウェア較正）が終了してから研磨が開始されるまである程度時間が経つと、すでに渦電流センサ５０の出力信号が初期較正の直後に比べてずれていることがある。したがって、初期信号値Ｘｇ，Ｙｇを取得する目的は、渦電流センサ５０の出力信号が、渦電流センサ５０の初期較正（ハードウェア較正）が行われた時点からどの程度変化しているかを求めることにある。初期較正が行われた直後に研磨が開始される場合は、この初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇは０と推定されるので、ステップ２とステップ３は行われない。ただし、研磨が開始される時間が初期較正の直後であるか否かにかかわらず、初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇを求めてもよい。
【００４６】
ステップ３が終了すると、次に、ステップ４として、ドリフトを補正する基準値となる補正基準値Ｘｂ，Ｙｂがモニタリング装置５３にて取得される。この補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得は、上記初期較正および上記初期信号値取得工程と類似の条件下で行われる。類似の条件とは、上記初期較正および上記初期信号値取得工程とは完全同一の条件ではないことを意味する。より具体的には、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂは、渦電流センサ５０の上方に導電膜が存在していないという条件下で取得される。例えば、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得は、研磨パッド１０の研磨面をドレッサー２０によりドレッシングする間、または水を研磨面に供給しながらウェハを水研磨するときであって渦電流センサ５０がウェハ上の導電膜に対向していない間、または水を研磨面に供給しながら導電膜のないウェハを水研磨する間、または交換のために研磨パッド１０が研磨テーブル１２から剥がされている間に行われる。なお、導電膜のないウェハの例としては、非導電膜のみを有するウェハが挙げられる。
【００４７】
ドレッシング中に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、渦電流センサ５０がドレッサー２０から離れた位置にあるときの渦電流センサ５０の出力値（すなわち補正基準値Ｘｂ，Ｙｂ）が取得される。非導電膜を有するウェハを水研磨する間に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、渦電流センサ５０がウェハに対向する位置にあるときの渦電流センサ５０の出力値が取得される。渦電流センサ５０の出力値は、正確にはウェハ自身の抵抗率（いわゆる基板抵抗）によっても変化するため、ウェハの抵抗率が一定範囲となるように管理される。なお、非導電膜を有するウェハの代わりに、膜が全く形成されていないシリコン基板を使用することも可能である。
【００４８】
導電膜が形成されているウェハを水研磨する間に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、渦電流センサ５０がウェハから離れた位置にあるときの渦電流センサ５０の出力値が取得される。研磨パッド１０の交換時に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得する場合は、研磨テーブル１２上には何も存在しない状態で渦電流センサ５０の出力値が取得される。ただし、研磨パッド１０の交換時に補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを取得するのは、研磨パッド１０への水染みが少なく、渦電流センサ５０の出力信号への影響が無視できる場合に限られる。
【００４９】
非導電膜を有するウェハの水研磨を含む処理は、クオリティコントロール（ＱＣ）のために、定期的に行われるものである。上述したドレッシング、水研磨、研磨パッド交換は、いずれも研磨装置に必然的に付随するプロセスであり、本実施形態の較正は、これらのプロセスを妨げることなく、これらのプロセスのいずれか１つが行われている間に行われる。したがって、渦電流センサ５０の出力信号を較正するための時間を設けることは不要であり、全体のスループットを下げることがない。いずれのプロセスにおいても、渦電流センサ５０に対向する導電膜が存在しないときに（すなわち渦電流センサ５０の有効計測範囲に導電膜が存在しないときに）渦電流センサ５０の出力信号が取得されるので、図１に示すＲ２は無限大に近くなり、導電膜の膜厚が０となったときに類似する条件下で補正基準値が取得される。
【００５０】
次に、ステップ５として、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂから初期ドリフト量ΔＸｇ，ΔＹｇが減算されて、補正基準値が補正される。このステップにより補正された補正基準値Ｘｏ（＝Ｘｂ−ΔＸｇ），Ｙｏ（＝Ｙｂ−ΔＹｇ）が求められる。補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得（ステップ４）と補正後の補正基準値Ｘｏ，Ｙｏの算出（ステップ５）は、研磨処理の前に１回だけ行われる。なお、初期較正直後に補正基準値を求めることにすれば、ステップ１の固有信号値の取得、ステップ２〜３およびステップ５は省略することもできる。この場合は、補正基準値としてＸｂ，Ｙｂがその後に続く処理ステップに使用される。
【００５１】
ステップ２からステップ５までの処理は、渦電流センサ５０の出力信号を初期較正時の状態に補正するとの考え方によるものである。しかしながら、補正された出力信号が初期較正時の出力信号と同等である必要がない場合、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂを所定の値、例えば、上述した固有信号値の調整目標値Ｘｃ’，Ｙｃ’とおき、さらにＸｏ＝Ｘｃ’，Ｙｏ＝Ｙｃ’とおくことにすれば、ステップ１の固有信号値の取得、およびステップ２〜５を省略することができ、簡便である。この場合、後述の補正信号値Ｘａ，Ｙａを取得する条件に依存して、補正量ΔＸａ，ΔＹａが異なる。したがって、前述の方法では、それぞれ別個に補正基準値を取得しておけばドレッシング時、研磨パッド貼り替え時など取得条件の異なる補正信号値、補正量を混在させて使うことが可能であるのに対し、この方法では、取得条件が異なる補正信号値を混在させて使うことはできない。
【００５２】
その後、ステップ６として、補正信号値Ｘａ，Ｙａがモニタリング装置５３によって取得される。この補正信号値Ｘａ，Ｙａの取得は、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得と同一の条件下で行われる。例えば、補正基準値Ｘｂ，Ｙｂの取得が、ドレッシング液を供給しながらドレッサー２０で研磨面をドレッシングしている間に取得された場合には、補正信号値Ｘａ，Ｙａも、同様に同一のドレッシング液を供給しながらドレッサー２０で研磨面をドレッシングしている間に取得される。なお、補正信号値Ｘａ，Ｙａの取得は、たとえば、ウェハ研磨前のドレッシング時に行ってもよいし、１枚目のウェハを研磨する前のパッド交換時に行ってもよい。
【００５３】
そして、ステップ７として、補正信号値Ｘａ，Ｙａから補正基準値Ｘｏ，Ｙｏが減算され、補正量（すなわち、渦電流センサ５０の出力信号のドリフト量）ΔＸａ（＝Ｘａ−Ｘｏ），ΔＹａ（＝Ｙａ−Ｙｏ）が求められる。この補正量ΔＸａ，ΔＹａはモニタリング装置５３に登録される。そして、次に続くウェハが研磨されている間の渦電流センサ５０の出力信号Ｘｍ，Ｙｍから補正量ΔＸａ，ΔＹａが減算され、補正された出力信号（すなわち実測信号値）Ｘｐ（＝Ｘｍ−ΔＸａ），Ｙｐ（＝Ｙｍ−ΔＹａ）が求められる。なお、登録される補正量は、ステップ３の初期ドリフト量算出後に、ΔＸａ＝ΔＸｇ、ΔＹａ＝ΔＹｇと初期設定しておく。このようにすれば、ステップ７により最初に補正量を算出する前であっても、初期ドリフト量算出後に長時間経過していない限り、出力信号の補正を適正に行える。モニタリング装置５３は、この補正された出力信号Ｘｐ，Ｙｐから図４に示すように、ＸＹ座標系の原点Ｏと座標（Ｘｐ，Ｙｐ）で表される点との距離Ｚ（＝（Ｘｐ２＋Ｙｐ２）１／２）を算出する。そして、モニタリング装置５３は、この距離Ｚの変化に基づいて研磨中の導電膜の厚さを監視する。
【００５４】
研磨終点は、距離Ｚの値が一定になる特異点を検出することで検出することができる。また、予め、経験や試験により距離Ｚと膜厚との関係示すデータを取得しておけば、所望の膜厚となった時点で、研磨を終了させたり、研磨条件を変えることが可能となる。
【００５５】
補正量ΔＸａ，ΔＹａが算出されるごとに、モニタリング装置５３により補正量は所定の閾値と比較される（ステップ８）。そして、算出された補正量が閾値以内であれば、現在登録されている補正量が新たに算出された補正量に更新される（ステップ９）。一方、算出された補正量が閾値を超えた場合には、予測できない事態が生じたとして算出された補正量は無効な値として破棄される。
【００５６】
以後、ステップ６〜９は適当な間隔で繰り返され、登録されている補正量が適正な状態に維持される。ステップ６〜９は、例えば研磨パッド１０への水染みの影響が大きい場合、ウェハ１枚ごと、または、１ロットごとに繰り返されてもよいし、水染みの影響が小さい場合には、研磨パッド１０の交換ごとに繰り返されてもよい。
【００５７】
図１７（ａ）に示すように、渦電流センサ５０の出力信号を示す円弧状のグラフは、ドリフトする以外にも、回転、拡大、または縮小することがある。このような場合は、ドリフト補正のみならず、回転補正及び／又はゲイン補正を行ってもよい。回転補正とゲイン補正をする場合は、まず、初期較正（ハードウェア較正）直後の渦電流センサの出力信号を取得して基準となるグラフを作成し（図１７（ａ）の点線参照）、上述した較正処理によりドリフト量の補正をし（図１７（ｂ）参照）、補正対象のグラフが基準グラフに一致するように回転補正をし（図１７（ｃ）参照）、さらにゲイン補正を行う（図１７（ｄ）参照）。これにより、精度の高い膜厚監視を行うことができる。
【００５８】
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】
【００５９】
【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】渦電流センサの出力信号の値がドリフト（平行移動）する様子を示す図である。
【図６】渦電流センサの出力信号の値がドリフトすることにより検出誤差が生じる様子を説明するための図である。
【図７】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８】図７に示すトップリングの断面を示す模式図である。
【図９】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１０】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１１】図１０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１２】渦電流センサを示す模式図である。
【図１３】図１２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１４】渦電流センサの詳細な構成を示す模式図である。
【図１５】渦電流センサの出力信号を較正する処理フローを示すダイヤグラムである。
【図１６】図１５に示される処理フローにより渦電流センサの出力信号が較正される様子を視覚的に示した図である。
【図１７】図１７（ａ）乃至図１７（ｄ）は、渦電流センサの出力信号に対して、ドリフト補正、回転補正、およびゲイン補正を行うプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
【００６０】
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
【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、前記研磨パッドの下方に配置された渦電流センサを用いて監視する研磨監視方法であって、
基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、
前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、
導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、
前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の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】
前記補正基準値は、前記補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された前記渦電流センサの出力信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記渦電流センサの上方に前記研磨パッドが存在しない条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を固有信号値として取得し、
前記固有信号値を取得したときと同一の条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を初期信号値として取得し、
前記初期信号値から前記固有信号値を減算して初期ドリフト量を算出し、
前記補正量を算出する前に、前記補正基準値から前記初期ドリフト量を減算することで該補正基準値を補正することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨パッドの下方に配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、
前記研磨面をドレッシングするドレッサーと、
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、
基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、
前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、
導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、
前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の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研磨装置。
【請求項７】
前記補正基準値は、前記補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された前記渦電流センサの出力信号であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記モニタリング装置は、前記補正基準値の取得と前記補正信号値を、基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時に取得するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【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、前記研磨パッドの下方に配置された渦電流センサを用いて監視する研磨監視方法であって、
基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、
前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、
導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、
前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の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】
前記補正基準値は、前記補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された前記渦電流センサの出力信号であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記渦電流センサの上方に前記研磨パッドが存在しない条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を固有信号値として取得し、
前記固有信号値を取得したときと同一の条件の下で、前記渦電流センサの出力信号を初期信号値として取得し、
前記初期信号値から前記固有信号値を減算して初期ドリフト量を算出し、
前記補正量を算出する前に、前記補正基準値から前記初期ドリフト量を減算することで該補正基準値を補正することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
研磨面を有する研磨パッドと、
前記研磨パッドの下方に配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、
前記研磨面をドレッシングするドレッサーと、
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、
基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時において、前記渦電流センサの出力信号を補正信号値として取得し、
前記補正信号値から所定の補正基準値を減算して補正量を算出し、
導電膜を有する他の基板を研磨しているときの前記渦電流センサの出力信号から前記補正量を減算して実測信号値を算出し、
前記実測信号値の変化を監視することにより研磨中の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研磨装置。
【請求項７】
前記補正基準値は、前記補正信号値を取得したときと同一の条件の下で予め取得された前記渦電流センサの出力信号であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記モニタリング装置は、前記補正基準値の取得と前記補正信号値を、基板の水研磨時、前記研磨パッドのドレッシング時、または前記研磨パッドの交換時に取得するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記渦電流センサの出力信号は、該渦電流センサのコイルを含む電気回路のインピーダンスの抵抗成分および誘導リアクタンス成分を座標と定義したときに、導電膜の厚さが小さくなるに従って座標系の原点と前記座標との距離が短くなるような位置に前記座標を回転および移動させた座標として表されることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００９−９９８４２（Ｐ２００９−９９８４２Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７１２２６（Ｐ２００７−２７１２２６）
【出願日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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