研磨終点の予測及び検出方法とその装置
【課題】研磨の終了間際において精度よく、かつタイムリーに終点を予測することを可能とする研磨終点の予測方法を提供する。
【解決手段】研磨中にウェーハＷに対向する部分に第１のセンサ１２と第２のセンサ１３を配置し、第１のセンサとして、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサ１２を使用し、所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、第２のセンサとして、多波長型分光式センサ１３を用いる。
【解決手段】研磨中にウェーハＷに対向する部分に第１のセンサ１２と第２のセンサ１３を配置し、第１のセンサとして、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサ１２を使用し、所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、第２のセンサとして、多波長型分光式センサ１３を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨終点の予測及び検出方法とその装置に関するものであり、特に、化学機械研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等において独立した動作原理を有する複数のセンサを使用するとともに該複数のセンサは研磨終了間際においていずれも検出感度が高く精度よく研磨終了時点を予測し検出することが可能な研磨終点の予測及び検出方法とその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、次のようなポリッシング方法が知られている。この従来技術は、該従来技術が開示された公報中の［００３１］に、二種類のセンサをポリッシング装置に搭載することにより、Ｃｕ層が所定厚の膜厚になるまでは、渦電流センサの信号を処理することにより膜厚をモニタし、所定厚の膜厚になって膜厚を光学式センサで検出できるようになった時点で光学式センサの信号を処理することにより薄膜の膜厚をモニタすることが記載されている。前記渦電流センサについては、［００２５］に、渦電流プロセスモニタのシステム原理は、センサコイルに高周波電流を流して、ウェーハのＣｕ層中に渦電流を発生させ、この渦電流が膜厚によって変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の監視を行うものである。即ち、センサコイルに高周波電流を流すとＣｕ層中に渦電流が発生する。そして回路中のインピーダンスＺを監視する。回路中のインピーダンスＺは、センサ部のＬ、ＣとＣｕ層のＲが並列に結合された形となり、Ｒが変化することによりＺが変化すると記載されている。前記光学式センサについては、［００３０］に、光学式センサに適用する膜厚測定の原理は、膜とその隣接媒体によって引き起こされる光の干渉を利用している。基板上の薄膜に光を入射すると、まず一部の光は膜の表面で反射され残りは透過していく。この透過した光の一部はさらに基板面で反射され、残りは透過していくが、基板が金属の場合には吸収されてしまう。干渉はこの膜の表面反射光と基板面反射光の位相差によって発生し、位相一致した場合は互いに強め合い、逆になった場合は弱め合う。つまり入射光の波長、膜厚、膜の屈折率に応じて反射強度が変化する。この反射光の強度から膜の厚みを測定すると記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来、例えば、次のような基板研磨方法が知られている。この従来技術は、該従来技術が開示された公報中の［００４５］に、研磨テーブル内に渦電流式の膜厚測定器と光学式の膜厚測定器が設けられ、トップリングに保持された研磨中の半導体基板の研磨面の膜厚を測定すると記載されている。前記渦電流式の膜厚測定器については、［００４６］に、センサコイルに高周波電流を流して、半導体基板の導電性膜（Ｃｕ膜）中にに渦電流を発生させ、この渦電流が膜厚によって変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の監視を行うものであると記載されている。前記光学式の膜厚測定器については、［００４７］に、光学式の膜厚測定器は投光素子と受光素子を具備し、投光素子から半導体基板の被研磨面に光を照射し、該被研磨面からの反射光を受光素子で受光する。半導体基板の導電性膜が所定厚の膜厚になってくると、投光素子から被研磨面に照射された光の一部が導電性膜を透過し、導電性膜の下層の酸化膜から反射された反射光と、導電性膜の表面から反射された反射光との二種類の反射光が存在する。この二種類の反射光を受光素子で受光し処理することにより膜厚を測定すると記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、従来、例えば、次のような光学及び渦電流モニタリングによる統合終点検出システムが知られている。この従来技術は、該従来技術が開示された公報中の［００２７］に、第１研磨用ステーションには、研磨処理制御と終点検出システムとして機能する渦電流モニタリングシステムと光学モニタリングシステムを含んでいると記載されている。前記渦電流モニタリングシステムについては、［００２９］及び［００３１］に、渦電流モニタリングシステムは基板上の金属層に渦電流を誘導するための駆動システムと、金属層内に誘導された渦電流を検出するための感知システムとを含んでいる。駆動システムは、オシレータが接続された駆動用コイルを含んでいる。動作中、オシレータは駆動用コイルを駆動して磁界を発生させ、この磁界は金属層内に渦電流を発生させる。渦電流は、感知用コイルとコンデンサと並列したインピーダンス源として金属層を作用させる。金属層の厚さが変わるとインピーダンスが変わり、感知機構のＱファクタに変化が生じる。このＱファクタの変化を検出することにより、渦電流センサは渦電流の強さの変化、したがって、金属層の厚さの変化を感知すると記載されている。前記光学モニタリングシステムについては、［００４１］に、光学モニタリングシステムは、レーザ等の光源と検出器とを含み、干渉計として機能すると記載されている。そして、［００４７］に、ＣＭＰ装置は、渦電流モニタリングシステムと光学モニタリングシステムを使用し、大部分の充填層が除去されたときを決定し、下にある停止層が実質的に露出したときを決定すると記載されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
上記のように、特許文献１、２及び３には、ほぼ同様の構成・作用を有する各渦電流センサと、ほぼ同様の構成・作用を有する各光学式センサとが記載されている。
【特許文献１】特許第３９１６３７５号公報。
【特許文献２】特許第３９１６８４６号公報。
【特許文献３】特表２００４−５２５５２１号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明は表皮効果センサと多波長型分光式センサとを複合させて研磨終了時点を予測及び検出する方法である。このうち、個別の表皮効果センサについては、本出願人の特許出願に係る特願２００７−１３４７０７号の願書に添付した明細書及び図面に開示されている。また、個別の多波長型分光式センサについては、これとほぼ同様の構成・作用効果を有するものが本出願人の特許出願に係る特開２００５−３２７９０号公報に開示されている。
【０００７】
そこで、まず特許文献１、２及び３に記載の渦電流センサと光学式センサを複合した構成と、本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサを複合した構成との作用効果等の違いを、「個別センサにおける構成・作用効果の違い」から対比して述べる。
Ａ．個別センサにおける構成・作用効果の違いについて。
（ａ）従来技術における渦電流センサと本発明における表皮効果センサの違いについて。
【０００８】
渦電流センサは、研磨対象とする導電性膜の全膜厚について渦電流を発生させ、この渦電流が膜厚の変化に応じて変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の監視を行うものである。こうした導電性膜の全膜厚について渦電流を発生させて膜厚の変化を測定する方式は、前記特許文献１、２及び３以外にも、特開平８−２８５５１４号（特許第２８７８１７８号）や特開平８−２８５５１５号（特許第３２９０３４７号）にも開示されている。このように、導電性膜の膜厚量と渦電流量とが対応した関係において膜厚の監視を行うものが従来技術における渦電流センサというものである。
【０００９】
本発明における表皮効果センサは、こうした渦電流センサとは構成・作用効果が異なる。本発明における表皮効果センサは、研磨初期には表皮効果によって磁場は導電性膜の表層のみに存在するため、該導電性膜内に渦電流は発生しない。研磨終了間際に導電性膜が非常に薄くなった時点で磁場が該導電性膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによって導電性膜内に渦電流が生じて増大していく。しかし、直ぐに導電性膜が薄くなると実質的に渦電流を誘起する膜厚そのものが減少するため、渦電流は直ぐに減少に転じる。これによって、研磨終了間際に導電性膜に誘起される渦電流の変曲点が発生する。この変曲点を基準点として、研磨終了時点を予測する方法である。この方法によれば、従来の渦電流センサと比較して以下の利点（作用効果）を持つ。
・終了直前でも感度よく研磨終了時点を予測することが可能である。即ち研磨終了間際で感度がよい。
・磁場を整形して膜内に導入せず。分散磁場を使用し、表皮効果により基板内の素子に磁場を与えない。即ち素子にダメージを与えない。
・渦電流センサが渦電流の変化量で膜厚変化量（研磨による膜厚減少量）を見積もるのに対し、表皮効果センサは、表皮深さに対応した残膜厚（絶対膜厚）に応じて渦電流の変曲点が現れるため、研磨初期の膜厚ばらつきに関係なく、残膜厚から研磨終了時点を予測することが可能である。
（ｂ）従来技術における光学式センサと本発明における多波長型分光式センサの違いについて。
【００１０】
従来技術における光学式センサは、光の干渉を使用して膜厚をモニタするものである。即ち、光の中の特定の波長を使用し、その特定の波長による干渉で膜厚を見積もるものである。
【００１１】
本発明における多波長型分光式センサは、こうした光学式センサとは構成・作用効果が異なる。多波長型分光式センサでは、ある波長領域の反射率強度の積算値に対する、別の波長領域の反射率強度の積算値の割合で、導電性膜の状態変化を見積もる。
【００１２】
従来技術の光学式センサによる干渉の場合は、特定の波長において、ウインドウとウェーハ間に存在するスラリーによって、光の強度が変化する場合、膜厚測定が不可能になることがある。これに対し、多波長型分光式センサにおける反射率強度の積算値割合でみる場合、観察波長領域が広いこともあり、ウェーハ上にスラリーが介在することによって光の強度が変化したとしても、それほど大きな影響を被ることはない。また、反射率強度の相対的な割合で評価していることから、誤動作も少ない。
【００１３】
さらに、光学式センサによる光の干渉では、特定の波長しか使用せず、また、一部半透膜の場合にのみ適用できる。それは、透明ではない場合、干渉そのものが起こらないからである。これに対し、多波長型分光式センサにより分光反射率で測定する場合、光の色で検知する。色の度合いは、それぞれの波長の反射率の足し合わせで色が決定されるが、その波長に応じた反射率の相対的な変化から、たとえ、半透膜ではなく干渉が生じない膜であったとしても、研磨の進行に伴う膜の材質の変化をモニタすることは可能である。
【００１４】
こうした原理は、特に配線膜平坦化のＣＭＰの場合、Ｃｕ／Ｔａ／Ｏｘｉｄｅの膜構成となっているが、Ｃｕ研磨後にＴａが露出した際にでも適用することが可能となる。Ｃｕ、Ｔａとも膜厚が十分厚い場合、金属膜であり光は浸透せずに表面で反射するため、光の干渉を利用して膜厚をモニタすることは不可能である。しかし、分光反射率では、研磨による膜の切り替わり時点を精度よくモニタすることが可能となる。
Ｂ．それぞれのセンサを組み合わせることによって生じる作用効果の違いについて。
【００１５】
従来技術の渦電流センサと光学式センサの組み合わせによって生じる作用効果として次の記載がある。例えば、特許文献１では、Ｃｕ膜厚の測定に渦電流センサを使用し、薄いＣｕ膜、Ｔａ膜の測定には、光学式センサを使用するとしている。また、特許文献２では、同特許文献中の［００４９］にＣｕ膜が薄くなると渦電流センサは感度が悪くなるが、感度が悪くなったときに、渦電流センサに変えて光学式センサで膜厚測定するとしている。逆に、Ｃｕ膜厚が厚い場合は、光がＣｕ膜を透過しないが、渦電流センサでは渦電流が多量に流れるため膜厚測定の感度がよい。よって、厚いＣｕ膜では渦電流センサを使用し、Ｃｕ膜が薄く透けてきたときに光学式センサに変えるという方法をとっていた。こうした補完関係は、特許文献２のみならず、同一原理を利用する他の特許文献１及び３の場合も同じである。
【００１６】
これに対し本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサとの相補的な関係は、従来技術の渦電流センサと光学式センサの補完的な関係とは全く異なる。本発明では、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、共に研磨の開始時には感度が悪いが、終了時点では双方とも最も感度が良い。多波長型分光式センサの場合、例えば、Ｃｕの分光反射率からＴａの分光反射率に変化する際、Ｃｕの色が薄くなって、Ｔａの色が見えてきた部分で最もセンサとしてはその変化を掴み取ることが可能となる。表皮効果センサも、研磨が進行して表皮深さに対応した磁場が漏れ出す膜厚になって、渦電流が発生し、その後の更なる膜厚減少で渦電流が低減し、極大点が現れる。極大点はＣｕの場合、１０００Å以下で現れ、殆ど研磨の終了に近いところで現れるため、研磨終了時点を正確に予測することが可能となる。
【００１７】
即ち、本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサは、研磨終了間際で互いに感度がよいため、互いの状態の設定をチェックできるのである。もし、互いのセンシング結果が合致しない場合は、センサ不良であり、一時動作を止めて双方のセンサをチェックすることができるのである。また、二つのセンサを搭載して、独立して研磨終点をモニタすることで、互いのセンサの弱点を補いつつ、より精度よい終点検出を行うことができる。
【００１８】
ここで、本発明における互いのセンサの弱点は以下のとおりである。表皮効果センサは、ウェーハとセンサ間の距離が最も敏感である。センサが形成した磁場は、発散した磁場として形成されるが、同条件下でその磁場がＣｕ膜内に侵入するか否かは、センサとウェーハ間の距離（ギャップ）にも依存する。センサとウェーハが近いと、磁場の侵入角度は急になり、ウェーハ内に磁場が入りやすくなる。特に、研磨パッドがドレッシングによって摩耗していく過程では、ウェーハとセンサ間のギャップが変化していくことがあり、このギャップの変化で微小ではあるが、磁場の入り方が変わるのである。
【００１９】
それに対して、多波長型分光式センサでは、センサとウェーハ間の微小なギャップのばらつきは殆ど関係しない。ウェーハに光が照射される過程においては、ウェーハが微小に前後してもウェーハからの反射光量は殆ど変化しないからである。よって、多波長型分光式センサは、表皮効果センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となる。
【００２０】
次に、逆に多波長型分光式センサは、ウェーハとウインドウの間に存在するスラリーが問題になる。即ち、研磨時にウインドウ上にスラリーが乗る場合、光の透過率が低くなり、全体的に感度が低下することがある。極端な場合、スラリー中に多数の砥粒が密に存在する場合、スラリーによる散乱で多くの光量を失うことも考えられ、感度が悪くなる問題がある（特許第３４３１１１５号）。
【００２１】
それに対して、表皮効果センサは、ウェーハとウインドウの間のスラリーの介在を問題としない。なぜなら、平面インダクタが形成する磁場をウェーハに作用させて研磨終了点の状態をモニタするのであるが、スラリーに使用される水ないしは砥粒などは、大抵の場合、非磁性であり、透磁率は殆ど１となるからである。よって、適正なセンサとウェーハ間で適正なギャップが確保されていれば、ウインドウ上にスラリーが介在しようとも、安定してＣｕなどの導電性膜の膜状態に応じて磁束がＣｕ膜内に侵入し、薄いＣｕ膜では微量な渦電流を生じることになる。
【００２２】
以上から、表皮効果センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。このように、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、
・互いに研磨終了時点で感度がよく信頼性が高い。
・多波長型分光式センサは、ウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に弱いが、表皮効果センサは、センサとウェーハ間のギャップの変動に弱い。この相互の弱点を、相互のセンサがチェックする形式になる。
【００２３】
なお、従来技術の渦電流センサと光学式センサを複合した複合センサとの明かな違いとして、従来技術の複合センサの場合、Ｃｕなどの金属膜で厚い膜厚の場合、光のセンサでは透過しないので、渦電流センサしかそれを測定できない。逆に、薄い金属膜厚の場合、渦電流は無視しうる量しか発生せず、むしろ干渉が起こる程度に光が透過し始める光学式センサしかそれを測定できない。即ち、互いに測定する状態として場合分けをしているだけである。互いのセンサが誤動作していないかどうかを、他のセンサによって確認するという手段を擁するものではない。
【００２４】
それに対して、本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサとは、それぞれの機器が正常に設定されているかどうか又は動作しているかどうかをチェックすることが可能である。それは双方とも研磨終了時点付近が最も感度がよく、そのままでも信頼性が十分高いからである。その上で敢えて互いの信頼性を確認するものである。仮に、二つのセンサの結果が合致しない場合は、そこで装置を停止し、どちらのセンサが設定上又は動作上問題があるかどうかを検証することが重要なステップになる。
【００２５】
こうしたステップを経ることなく、長期にわたって補完的な機能で運用してしまった場合、例えば、光学式センサの不備に気付くことなく多数研磨し、誤った終点検出をし、多数のウェーハを台無しにしてしまうこともあり得る。また、例えば、渦電流センサの不備に気付くことなく多数研磨し、誤った終点検出をし、多数のウェーハを台無しにしてしまうこともあり得る。
【００２６】
そこで、研磨中に終点検出を確実に行うために終点間際において検出感度が高く精度よく終点を予測することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも研磨終了時点で感度が高く研磨終了間際にタイムリーで精度よく研磨終了時点を検出することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサを使用し各センサが正常に設定され、また動作していることを確認しうることを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも終了付近で感度はよいが一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持たせて終点検出の正確性を向上させ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】
【００２７】
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終了時点を予測及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、研磨終了時点を検出する研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００２８】
この構成によれば、表皮効果センサには平面インダクタ等の磁場発生手段が備えられている。該平面インダクタが高周波で駆動されて該高周波の周期に対応した磁場が発生する。研磨初期には表皮効果によって磁場はＣｕ膜の表層のみに存在するため、該Ｃｕ膜内に渦電流は発生しない。研磨終了間際にＣｕ膜が表皮深さに対応した非常に薄い膜厚になった時点で磁場が該Ｃｕ膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによってＣｕ膜内に渦電流が発生して増大していく。その後さらなる膜厚の減少に伴って実質的に渦電流を誘起する膜厚そのものが減少するため、渦電流は急速に減少に転じる。これによって、研磨終了間際にＣｕ膜に誘起される渦電流に変曲点（ピーク）を含んだ特徴的な変化が発生する。この特徴的な変化を基に研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点が予測される。
【００２９】
一方、多波長型分光式センサは、ある波長領域の反射率強度の積算値に対する別の波長領域の反射率強度の積算値の割合、即ちＲ．Ｓ．Ａ（Ratio of Spectral Area）の値を評価することで研磨の進行に伴うＣｕ膜の膜厚変化をモニタする。研磨初期にはＲ．Ｓ．Ａの値はほぼ一定値で進行する。研磨終了間際にＣｕ膜が薄くなって前記表皮効果により渦電流に変曲点を迎える辺りから、一部の光がＣｕ膜を透過し、該Ｃｕ膜下層の例えばＴａの影響を受けて研磨面の色合いが光学的に変化する。これにより、分光反射率が変化し研磨の進行に伴うＲ．Ｓ．Ａ値の特性が急激に変化する。そして、このＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化の発生と、前記表皮効果センサによる精度のよい研磨終了時点の予測とがあいまって、高精度で確実に研磨終了時点が検出される。
【００３０】
前記表皮効果センサは、該センサとＣｕ膜（ウェーハ）間の距離（ギャップ）に敏感である。表皮効果センサが形成した磁場は、発散した磁場として形成されるが、同じ条件下でその磁場がＣｕ膜内に侵入するか否かは、表皮効果センサとウェーハ間のギャップにも依存する。表皮効果センサとウェーハが近いと、磁場の侵入角度は急になり、ウェーハ内に磁場が入りやすくなる。それに対して、多波長型分光式センサでは、該センサとウェーハ間の微小なギャップのばらつきは殆ど関係しない。ウェーハに光が照射される過程においては、ウェーハが微小に前後してもウェーハからの反射光量は殆ど変化しないからである。よって、多波長型分光式センサは、表皮効果センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となる。
【００３１】
次に、前記多波長型分光式センサは、ウェーハとウインドウの間に存在するスラリーが問題になる。即ち、研磨時にウインドウ上にスラリーが乗る場合、光の透過率が低くなり、全体的に感度が低下することがある。それに対して、表皮効果センサは、ウェーハとウインドウの間のスラリーの介在を問題としない。なぜなら、平面インダクタが形成する磁場をウェーハに作用させて研磨終了点の状態をモニタするのであるが、スラリーに使用される水ないしは砥粒などは、大抵の場合、非磁性であり、透磁率は殆ど１となるからである。よって、適正なセンサとウェーハ間で適正なギャップが確保されていれば、ウインドウ上にスラリーが介在しようとも、安定してＣｕ膜の膜状態に応じて磁束がＣｕ膜内に侵入し、薄いＣｕ膜では微量な渦電流を生じることになる。よって、表皮効果センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。
【００３２】
また、前述のように、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、研磨終了間際でそれぞれ精度よく研磨終了時点の予測及び検出信号を発生する。もし、両センサのセンシング結果が合致しない場合は、一時動作を止めてどちらのセンサに設定上又は動作上問題があるかをどうかをチェックすることが可能となる。
【００３３】
請求項２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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに前記第２のセンサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定する機能を有し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、前記検出範囲内に存在する研磨終了時点を検出する研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００３４】
この構成によれば、表皮効果センサは、研磨終了間際にＣｕ膜が表皮深さに対応した薄い膜厚になった時点で磁場が該Ｃｕ膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによってＣｕ膜内に渦電流が発生して増大していく。その後さらなる膜厚の減少に伴って実質的に渦電流を誘起する膜厚そのものが減少するため、渦電流は急速に減少に転じる。この渦電流の挙動により導電性膜に誘起される磁束の変化、即ち特徴的な変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。表皮効果センサは、この磁束の特徴的な変化から研磨終了時点を予測するとともに多波長型分光式センサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定する。多波長型分光式センサは、この設定された検出範囲においてＲ．Ｓ．Ａの値を評価し、該Ｒ．Ｓ．Ａ値の急激な変化の発生を基に研磨終了時点を検出する。これにより、研磨終了時点が高精度で確実に且つ効率よく検出される。
【００３５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、上記導電性膜に誘起される磁束を軽減するないしはオフする方法として、上記表皮効果センサに備えられたインダクタへ供給する電流を低減するもしくはオフする研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００３６】
この構成によれば、研磨の進行による導電性膜の膜厚減少に伴って表皮効果により該導電性膜に生じる渦電流が増大する過程とさらなる膜厚の減少により渦電流が実質的に減少する過程との存在により磁束の特徴的な変化が発生し、この特徴的な変化から研磨終了時点が予測される。そして、この研磨終了時点の予測後に表皮効果センサにおけるインダクタへ供給する高周波の電流を低減もしくはオフにすることで、導電性膜に誘起される磁束が軽減ないしはオフにされて導電性膜下方のデバイスウェーハに形成されている素子等に過剰な磁場を与えることが抑えられる。
【００３７】
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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、前記所定の導電性膜に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、前記所定の導電性膜の表皮効果に基づき研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が増大する過程と、そのまま研磨を進めた場合、研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が実質的に減少する過程とが存在し、その導電性膜に誘起される磁束の特徴的な変化を基に研磨終了時点を予測するとともに、ウェーハに光を照射し、その反射光をモニタし、その反射光を分光計で波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率の変化に基づいて、該反射率が所定の値に到達したか否かを判別し、研磨終了時点を検出する研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００３８】
この構成によれば、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、インダクタで形成される磁束により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に対応した非常に薄い膜厚になると、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、渦電流は増大する。そして、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実質的に減少するため、渦電流は急速に減少する。この表皮効果に基づいて渦電流が増大する過程と、その後の渦電流が実質的に減少する過程との存在により、所定の導電性膜に誘起される磁束に変曲点（ピーク）を含んだ特徴的な変化が発生する。この特徴的な変化から研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点が予測される。
【００３９】
一方、分光計は、ウェーハからの反射光を波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率強度の変化で研磨の進行に伴う導電性膜の膜厚変化をモニタする。研磨初期には特定の波長帯域における反射率強度は、ほぼ一定の値で進行する。研磨終了間際に導電性膜が薄くなって前記表皮効果により渦電流に変曲点を迎える辺りから、一部の光が導電性膜を透過し、該導電性膜下層の他の材質、例えばＴａの影響を受けて研磨面の色合いが光学的に変化する。これにより、特定の波長帯域における反射率強度が急激に変化する。そして、この該反射率強度が所定の値に到達したか否かを判別し、この判別結果と前記インダクタ型センサによる精度のよい研磨終了時点の予測とがあいまって、高精度で確実に研磨終了時点が検出される。
【００４０】
また、前記請求項１記載の発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサの両センサの動作上の特質と同様に、分光計式のセンサは、インダクタ型センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となり、これと逆に、インダクタ型センサは、分光計式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。さらに、インダクタ型センサと分光計式センサは、両センサのセンシング結果が合致しない場合は、一時動作を止めてどちらのセンサに設定上又は動作上問題があるかをどうかをチェックすることが可能となる。
【００４１】
請求項５記載の発明は、請求項１，２，３又は４記載の発明において、上記磁束変化における特徴的な変化は、変曲点、上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかである研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００４２】
この構成によれば、研磨の進行による膜厚減少に伴って導電性膜が表皮深さに対応した膜厚になった時点で該導電性膜を貫通する磁束が生じ始め、該磁束は膜厚の減少につれて増大する。このため、該磁束により生じる渦電流も増大する。そして、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実質的に減少するため、渦電流は急速に減少する。この渦電流の挙動により導電性膜に誘起される磁束の変化、即ち特徴的な変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨終了時点の予測は、該特徴的な変化における変曲点（ピーク）を用いる場合に限らず、該特徴的な変化における上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかを用いても研磨終了間際において研磨終了時点を精度よく予測することが可能となる。
【００４３】
請求項６記載の発明は、表皮効果センサ又はインダクタ型センサのいずれかで構成された第１のセンサと、多波長型分光式センサ又は分光計式センサのいずれかで構成された第２のセンサとを有し、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及び検出する研磨終点の予測及び検出装置であって、請求項１，２，３，４又は５記載の研磨終点の予測及び検出方法を実行する研磨終点の予測及び検出装置を提供する。
【００４４】
この構成によれば、表皮効果センサ又はインダクタ型センサのいずれかと、多波長型分光式センサ又は分光計式センサのいずれかとを備えた研磨終点の予測及び検出装置は、表皮効果センサ又はインダクタ型センサにより、研磨が進行して導電性膜が表皮深さに対応した非常に薄い膜厚になった時点で該導電性膜に誘起される磁束に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、この特徴的な変化から研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点を予測する。一方、多波長型分光式センサ又は分光計式センサにより、研磨終了間際に発生するＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化又は特定の波長帯域における反射率強度の急激な変化から、前記精度のよい研磨終了時点の予測のもとに高精度で確実に研磨終了時点を検出する。
【００４５】
また、多波長型分光式センサ及び分光計式センサは、表皮効果センサ及びインダクタ型センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となり、これと逆に、表皮効果センサ及びインダクタ型センサは、多波長型分光式センサ及び分光計式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。さらに、表皮効果センサ又はインダクタ型センサと多波長型分光式センサ又は分光計式センサとは、両種センサ間のセンシング結果が合致しない場合は、一時動作を止めてどちら側のセンサに設定上又は動作上問題があるかをどうかをチェックすることが可能となる。
【発明の効果】
【００４６】
請求項１記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、研磨終了間際に、表皮効果センサはＣｕ膜に誘起される渦電流に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、多波長型分光式センサはＲ．Ｓ．Ａ値に急激な変化が発生する。したがって、独立した動作原理を有する両センサは、いずれも研磨終了間際において感度が高く、この両センサの動作により研磨終了間際にタイムリーで確実且つ精度よく研磨終了時点を予測し検出することができる。このように、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、研磨終了間際でそれぞれ精度よく研磨終了時点の予測信号及び検出信号を発生することから、両センサのセンシング結果の合致をみることで、各センサが正常に設定され、また動作していることを確認することができる。
【００４７】
表皮効果センサは、その感度が該センサとウェーハ間のギャップに敏感に影響を受ける。これに対し、光を動作媒体とする波長型分光式センサは、その感度が該センサとウェーハ間の微小なギャップのばらつきに殆ど影響を受けない。これと逆に多波長型分光式センサは、その感度がウェーハとウインドウの間に存在するスラリーの影響を受けて低下することがある。これに対し、表皮効果センサの感度は、ウェーハとウインドウの間のスラリーの介在を問題としない。したがって、独立した動作原理を有する両センサは、一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持っている。この両センサの特質から研磨終了時点検出の正確性を向上させることができるという利点がある。
【００４８】
請求項２記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、表皮効果センサは、研磨終了間際における磁束の特徴的な変化から研磨終了時点を予測するとともに多波長型分光式センサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定し、多波長型分光式センサは、この設定された検出範囲においてＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化を基に研磨終了時点を検出することで、研磨終了時点を高精度で確実に且つ効率よく検出することができるという利点がある。
【００４９】
請求項３記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、請求項１又は２記載の発明の効果に加えてさらに、磁束の特徴的な変化が発生して研磨終了時点が予測された後にインダクタへ供給する高周波の電流を低減もしくはオフにすることで、導電性膜に誘起される磁束を軽減ないしはオフにすることができて導電性膜下方のデバイスウェーハに形成されている素子等に過剰な磁場が及ぶのを防止することができるという利点がある。
【００５０】
請求項４記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、研磨終了間際に、インダクタ型センサは所定の導電性膜に誘起される磁束に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、分光計式センサは、特定の波長帯域における反射率強度が急激に変化する。したがって、独立した動作原理を有する両センサは、いずれも研磨終了間際において感度が高く、この両センサの動作により研磨終了間際にタイムリーで確実且つ精度よく研磨終了時点を予測し検出することができる。また、インダクタ型センサと分光計式センサは、両センサのセンシング結果の合致をみることで、それぞれのセンサが正常に設定され、また動作していることを確認することができる。さらに、独立した動作原理を有する両センサは、一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持っていることから研磨終了時点検出の正確性を向上させることができるという利点がある。
【００５１】
請求項５記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、請求項１，２，３又は４記載の発明の効果に加えてさらに、導電性膜に誘起される磁束の特徴的な変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨終了時点の予測は、該特徴的な変化における変曲点（ピーク）を用いる場合に限らず、該特徴的な変化における上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかを用いても研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点を予測することができるという利点がある。
【００５２】
請求項６記載の研磨終点の予測及び検出装置の発明は、研磨終了間際に、表皮効果センサ又はインダクタ型センサは導電性膜に誘起される磁束に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、多波長型分光式センサ又は分光計式センサはＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化又は特定の波長帯域における反射率強度の急激な変化が発生する。したがって、独立した動作原理を有する各センサは、いずれも研磨終了間際において感度が高く、この各センサの動作により研磨終了間際にタイムリーで確実且つ精度よく研磨終了時点を予測し検出することができる。また、表皮効果センサ又はインダクタ型センサと多波長型分光式センサ又は分光計式センサ間のセンシング結果の合致をみることで、それぞれのセンサが正常に設定され、また動作していることを確認することができる。さらに、独立した動作原理を有する各センサは、一方の両センサが動作する際の弱点となる要素に対し他方の両センサは原理上その弱点に強いという性質を持っていることから研磨終了時点検出の正確性を向上させることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
研磨中に終点検出を確実に行うために終点間際において検出感度が高く精度よく終点を予測することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも研磨終了時点で感度が高く研磨終了間際にタイムリーで精度よく研磨終了時点を検出することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサを使用し各センサが正常に設定され、また動作していることを確認しうることを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも終了付近で感度はよいが一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持たせて終点検出の正確性を向上させ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終了時点を予測及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、研磨終了時点を検出することにより実現した。
【実施例１】
【００５４】
以下、本発明の好適な一実施例を図面に従って詳述する。図１は研磨終点の予測及び検出装置が組み込まれたウェーハ研磨装置（ＣＭＰ装置）の斜視図、図２はウェーハ研磨装置に組み込まれた表皮効果センサ及び多波長型分光式センサのブロック図である。まず、本実施例に係る研磨終点の予測及び検出方法とその装置の構成をこれに適用されるウェーハ研磨装置の構成から説明する。
【００５５】
図１において、ウェーハ研磨装置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上にノズル７（図２参照）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。
【００５６】
前記研磨ヘッド３は、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８が連結されている。該研磨ヘッド３は、プラテン２の回転中心から偏心した位置でウェーハＷ（図２参照）を研磨パッド６に押圧するとともに、回転軸８を介して図示しないモータで駆動されて矢印Ｂ方向へ回転する。また、研磨ヘッド３は、図示しない昇降手段で駆動されて研磨パッド６に対して垂直に昇降する。
【００５７】
ウェーハ研磨装置１は、研磨加工の際に研磨ヘッド３で保持したウェーハＷを研磨パッド６に所定の圧力で押し付け、該研磨パッド６とウェーハＷとをそれぞれ回転させながら、ノズル７から研磨パッド６上にスラリーを供給し、ウェーハＷ上の所定の膜を研磨する。該ウェーハ研磨装置１には、装置全体の駆動を制御する制御部９（図２参照）が備えられている。
【００５８】
図２に示すように、前記プラテン２における前記研磨ヘッド３が通過する所定の位置に観測孔１０が貫通して形成されている。該観測孔１０の一部に対応する研磨パッド６の箇所には、ポリウレタンピース等の透明材料からなる観測窓１１が嵌め込まれている。そして、該観測窓１１の側方位置における観測孔１０内に、第１のセンサとしての表皮効果センサ１２が組み込まれ、該表皮効果センサ１２に並設されるようにして前記観測窓１１側に、第２のセンサとしての多波長型分光式センサ１３が組み込まれている。表皮効果センサ１２からの特徴的な変化等を示す信号はスリップリング１４を介して外部のコンピュータ１５に出力される。コンピュータ１５は所定のアルゴリズムにしたがって演算処理し、研磨終了時点を予測する。
【００５９】
前記表皮効果センサ１２を、図３乃至図７を用いて説明する。図３は表皮効果センサ（インダクタ型センサ）の詳細構成を示すブロック図、図４は表皮効果センサ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）はその等価回路、図５の（ａ）〜（ｄ）は表皮効果センサにおける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、図６は表皮効果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７の（ａ）〜（ｅ）はウェーハ研磨装置による導電性膜の研磨削除に伴う表皮効果による磁束等の変化例及び特徴的な変化の検出作用を説明するための組図である。
【００６０】
図３において、表皮効果センサ（インダクタ型センサ）１２の主体を構成している発振回路１６は、インダクタンスＬとなる二次元の平面状インダクタ１７に、キャパシタンスＣ０となる集中定数キャパシタ１８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１７は、絶縁物からなる方形状等の基板１７ａ上に、Ｃｕ等の導電物質を用いて角形のスパイラルに構成されている。平面状インダクタ１７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１７ａ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１７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、磁場を導電性膜の内部に深く浸透させることなく、該導電性膜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。
【００６１】
前記ＬＣ回路からの出力信号は増幅器１９に入力され、該増幅器１９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２０に入力されている。フィードバック・ネットワーク２０の出力信号が、平面状インダクタ１７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１７を含めて発振回路１６が構成されている。
【００６２】
該発振回路１６は、基本的には、図４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１７のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ１８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。
【００６３】
【数１】
【００６４】
前記増幅器１９の出力端子には、周波数カウンタ２１が接続されている。該周波数カウンタ２１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。表皮効果センサ（インダクタ型センサ）１２における発振回路１６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２１とを近接して配置することで、該発振回路１６と周波数カウンタ２１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、表皮効果センサ１２にもたらされる導電性膜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。
【００６５】
該表皮効果センサ１２は、平面状インダクタ１７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１２ａに内装されている。前記平面状インダクタ１７は、薄い絶縁膜で被覆されてパッケージ１２ａの表面に固定されている。パッケージ化された表皮効果センサ１２が前記ウェーハ研磨装置１に組み込まれるとき、平面状インダクタ１７がウェーハＷ表面部の導電性膜と対峙するように組み込まれる。また、発振回路１６を構成している前記集中定数キャパシタ１８はキャパシタンスが可変となっており、表皮効果センサ１２は所要の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。
【００６６】
本実施例では研磨中の所定の導電性膜が該所定の導電性膜の表皮深さδに対応する膜厚になった場合の磁束変化を基に特徴的な変化の検出を行っている。所定の導電性膜における表皮深さδは、該所定の導電性膜の材質と発振回路１６の発振周波数ｆとに依存して式（２）のように決まる。
【００６７】
【数２】
【００６８】
ω：２πｆ、μ：透磁率、σ：導電率である。
【００６９】
そして、該表皮深さδが、所定の導電性膜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の膜厚より大になるように発振回路１６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。
【００７０】
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５の（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図５は表皮効果センサにおけるコイル（平面状インダクタ）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。
【００７１】
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５（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。
【００７２】
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５（ｄ））。明らかに、先の発振周波数が１ＭＨｚで膜厚が１μｍの場合（図５（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。
【００７３】
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５（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。
【００７４】
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」は約１μｍ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。
【００７５】
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。
【００７６】
次いで、表皮効果センサ１２による特徴的な変化の検出作用及び研磨終了時点の予測方法を、図６及び図７の（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図７中の（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７の（ａ）〜（ｄ）では、平面インダクタ１７が、図を見やすくするため、丸形のスパイラルに表示されている。
【００７７】
平面インダクタ１７が発振回路１６から発振される高周波で駆動され、該平面インダクタ１７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２２に誘起される磁束φは、前記表皮深さδ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２２における表皮深さδを超えた領域への磁束φの侵入は回避される（図７（ａ））。また、表皮効果センサ１２から発振される共振周波数も所定の導電性膜２２の膜厚変化に関係なく一定に保持される（図７（ｅ）のａ領域）。
【００７８】
研磨が進行して所定の導電性膜２２が前記表皮深さδに対応した膜厚付近になると、一部の磁束φが所定の導電性膜２２を貫通して漏洩磁束φＬが生じ始める。所定の導電性膜２２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２２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７（ｂ））。
【００７９】
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２２の膜面に沿った広い領域に発生する（図７（ｃ））。この広い領域に発生した渦電流Ｉｅが、図６に示すように、さらに磁場Ｍを作り、その磁場Ｍが元の平面インダクタ１７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２２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、元の平面インダクタ１７の見かけ上のインダクタンスＬが低下する。その結果、表皮効果センサ１２から発振される発振周波数ｆは、式（３）のように増大する。
【００８０】
【数３】
【００８１】
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表皮効果センサ１２から発振される共振周波数が上昇する（図７（ｅ）のｂ、ｃの領域）。
【００８２】
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２２の膜厚体積の減少に伴い急速に減少する（図７（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、表皮効果センサ１２から発振される共振周波数が急速に低下する （図７（ｅ）のｄ領域）。
【００８３】
このように、研磨の進行により所定の導電性膜２２が表皮深さδに対応する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。この挙動により表皮効果センサ１２から発振される共振周波数の波形に上昇開始点、上昇率、上昇量、変曲点（ピーク）Ｐ及び上昇から下降の変化率を含む特徴的な変化が発生する。この上昇開始点、上昇率、上昇量、変曲点（ピーク）Ｐもしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれから研磨終了間際における研磨終了時点の予測と、前記多波長型分光式センサ１３が研磨終了時点を検出する際の検出範囲の設定が行われる。所定の導電性膜２２がＣｕの場合、変曲点Ｐが発生する時点の残膜量は、ほぼ１０００Å程度である。
【００８４】
なお、表皮効果センサ１２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変曲点Ｐを含む特徴的な変化を発生させて研磨終了時点の予測を行うことができる。相互インダクタンスの変化は前記式（３）を利用して表皮効果センサ１２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。
【００８５】
前記多波長型分光式センサ１３を、前記図２並びに図８乃至図１１を用いて説明する。図８は多波長型分光式センサ１３における分光器の構成図、図９はＴＥＯＳ／ＳｉＮ絶縁膜についてＴＥＯＳ部の研磨に伴う研磨面の色合いの変化を示す図、図１０はＣｕ膜とＴａ／酸化膜の波長に対する反射率変化を示す特性図、図１１は研磨時間に対する反射率積算値の変化及びＲ．Ｓ．Ａの変化を示す特性図である。
【００８６】
多波長型分光式センサ１３には、主として、白色光を発生するハロゲンランプ等の光源部２３、照射・受光光学系２４、受光部２５、分光器２６及び前記表皮効果センサ１２と共通のコンピュータ１５が備えられている。照射・受光光学系２４は、レンズ鏡筒内に図示しない集光レンズを内蔵しており、図示しないブラケットで支持されて前記観測窓１１の下方位置に設置されている。
【００８７】
光源部２３から出射した白色光が、ライトガイド２７によって照射・受光光学系２４へ導かれ、該照射・受光光学系２４で集光されたのち、プラテン２に設けられた観測窓１１を通して研磨パッド６上のウェーハＷに照射される。照射された白色光はウェーハＷ上の所定の導電性膜の研磨面で反射し、その反射光が照射・受光光学系２４で集光されてライトガイド２８ａを介して受光部２５で受光され、さらにライトガイド２８ｂを介して分光器２６へ導かれる。このように、光源部２３からの白色光及び所定の導電性膜からの反射光が、観測窓１１を通過するときに反射光データが取得されるので、前記制御部９によりプラテン２の回転と多波長型分光式センサ１３との間で同期がとられる。
【００８８】
図８に示すように、前記分光器２６には、入射スリット２９、平面鏡３０、凹面回折格子３１、アレイ受光素子３２及びマルチプレクサ３３が備えられている。前記ライトガイド２８ｂを介して分光器２６に導かれた反射光は、入射スリット２９を介して平面鏡３０により凹面回折格子３１に導かれる。そして、該凹面回折格子３１によって各波長ごとの反射光に分光され、アレイ受光素子３２に結像される。該結像された光は各波長ごとの反射光強度に応じた電気信号に変換され、マルチプレクサ３３を介してコンピュータ１５に出力される。
【００８９】
該コンピュータ１５のメモリには、リファレンス試料としての鏡からの反射による反射光量であるリファレンス光量及びウェーハ研磨装置１における観測窓１１部からの反射光量であるダークネス光量が取得されて予め記憶されている。コンピュータ１５では各波長におけるリファレンス光量からダークネス光量を差し引いた光量を１００％としたときの各反射光の割合が演算され、該コンピュータ１５に入力された各波長ごとの反射光強度が各波長ごとの反射率強度に換算される。そして、コンピュータ１５は、所定の終点検出アルゴリズムにしたがって各波長ごとの反射率強度に応じた電気信号を演算処理し、所定の導電性膜２２の研磨終点を検出する。
【００９０】
導電性膜２２の研磨終了時には、該導電性膜２２下層のバリア膜等の影響を受けて研磨面の色合いが光学的に変化する。色の度合いは、それぞれの波長の反射率の足し合わせから決定される。図９の（ａ）、（ｂ）は、一例としてＴＥＯＳ（有機オキシシランのＣＶＤによるＳｉＯ膜）／ＳｉＮ（シリコンナイトライド）の積層絶縁膜についてＴＥＯＳ部の研磨に伴う研磨面の各波長ごとの反射率の変化、即ち色合いの変化を示しており、（ａ）はＴＥＯＳ部を研磨時間について拡大して示す図、（ｂ）は研磨の進行に伴ないＳｉＮ部が露出したときの研磨面の色合いの変化を示している。この図９は、研磨の進行に伴う研磨面の各波長ごとの反射率の変化をモニタすることで、被研磨材の研磨状態を検出することができることを示している。
【００９１】
また、Ｃｕ膜は、ある波長領域の反射率強度に対し、これよりも高い別の波長領域の反射率強度が大になることが知られている。図１０は、このＣｕ膜と該Ｃｕ膜下層のバリア膜であるＴａ／酸化膜について波長に対する反射率変化を示している。この図１０中、ｒ曲線で示すように、Ｃｕ膜の場合、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率はほぼ０．７５％であるのに対し、７００〜７５０ｎｍ領域の反射率はほぼ１．１％に大になっている。Ｃｕ膜は、研磨前及び研磨中このような反射率曲線を維持している。これに対し、Ｔａ／酸化膜の場合は、ｓ曲線で示すように、４００〜７５０ｎｍの全白色光範囲について反射率は、高波長領域側で僅かに低下するが、ほぼ０．６％程度の値で変化の少ない特性を示している。
【００９２】
そして、Ｃｕ膜が研磨されて研磨面にＴａ／酸化膜が露出してくると、研磨面からの反射率は、Ｃｕ膜の反射率曲線であるｒ曲線から、Ｔａ／酸化膜の反射率曲線であるｓ曲線に移行する。したがって、５００〜５５０ｎｍ領域では反射率は僅かに低下するがその変化は少ない。これに対し、７００〜７５０ｎｍの波長領域では反射率は、ほぼ１．１％からほぼ０．６％程度の値に急激に低下する。そこで、本実施例の多波長型分光式センサ１３は、式（４）に示すように、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率強度の積算値に対する７００〜７５０ｎｍ領域の反射率強度の積算値の割合、即ちＲ．Ｓ．Ａ（Ratio of Spectral Area）の値を評価することで研磨の進行に伴うＣｕ膜の膜厚変化をモニタし、Ｃｕ膜の研磨終了時点を精度よく検出するようにしている。
【００９３】
【数４】
【００９４】
図１１は研磨時間に対する７００〜７５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｒ、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｓ及びＲ．Ｓ．Ａ値の各変化を示している。この図１１の変化特性から、Ｃｕ膜の研磨中、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｓはほぼ０．７５の値で進行し、研磨終点ではほぼ０．６５程度の値にやや低下する。これに対し、７００〜７５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｒはほぼ１．１の値で進行し、研磨終点では５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値とほぼ同じの０．６５程度の値に急激に低下する。
【００９５】
したがって、Ｃｕ膜の研磨中、Ｒ．Ｓ．Ａ値はほぼ（０．７５／１．１＝）０．６８程度の値を維持して進行し、研磨終点では１．０強の値に急上昇する。このＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化に対し、本実施例では、Ｒ．Ｓ．Ａ値に所定値の閾値Ｔを設定し、急上昇するＲ．Ｓ．Ａ値がこの閾値Ｔを超えた時点を研磨終了時点として検出している。
【００９６】
なお、Ｒ．Ｓ．Ａは、式（４）における分母（７００〜７５０ｎｍ領域の反射率積算値）と分子（５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値）を逆にした形の値を用いても、研磨終了時点を検出することができる。このとき、Ｒ．Ｓ．Ａ値の変化特性は、図１１中に示す特性曲線とは逆に、研磨終点で急下降する特性曲線となる。
【００９７】
また、本実施例の多波長型分光式センサ１３は分光器２６を備えていることから、分光計として機能させることもできる。そして、この分光計により、ウェーハＷからの反射光を波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率強度の変化、例えば前記図１０中の７００〜７５０ｎｍ領域における反射率強度の変化に基づいて該反射率強度が所定の値に到達したか否かを判別し、この判別結果から研磨終了時点を検出することもできる。
【００９８】
次に、上述のように、それぞれ独立した動作原理を有する表皮効果センサ１２と多波長型分光式センサ１３とを有する研磨終点の予測及び検出装置の作用を図１２乃至図１４を用いて説明する。図１２は研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の予測及び検出作用を説明するためのフローチャート、図１３は研磨終了時点の他の検出作用を説明するためのフローチャート、図１４は表皮効果センサによる研磨終点予測信号の波形例及び多波長型分光式センサによる研磨終点検出信号の波形例を示す波形図である。
【００９９】
図１２のフローチャートを用いて研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の予測及び検出作用を説明する。ウェーハ研磨装置１によりウェーハＷ上の所定の膜の研磨が開始されると、制御部９からコンピュータ１５に向けて研磨開始信号が発信される（ステップＳ１）。コンピュータ１５は該研磨開始信号を受信すると（ステップＳ２）、研磨終点の予測及び検出を開始する（ステップＳ３）。そして、表皮効果センサ１２からセンサ信号を受け、所定のアルゴリズムにしたがって演算処理を実行し（ステップＳ４）、研磨終了時点を予測する（ステップＳ５）。また、これと並行してコンピュータ１５は分光器２６から各波長ごとの反射光強度に応じた電気信号を受け、この反射光強度を各波長ごとの反射率強度に換算した後、所定の終点検出アルゴリズムにしたがって演算処理を実行し（ステップＳ６）、前記研磨終点予測後の研磨終了時点を検出する（ステップＳ７）。そして、それぞれ検出された研磨終了時点の予測信号検出時間と研磨終了時点の検出信号検出時間との時間差が想定のマージンの範囲内であったときは （ステップＳ８のＹｅｓ）、ウェーハ研磨装置１の制御部９に研磨終点信号を出力し（ステップＳ９）、研磨工程を終了させる（ステップＳ１０）。一方、前記時間差が想定のマージン範囲外であったときは（ステップＳ８のＮｏ）、ウェーハ研磨装置１の制御部６にエラー信号を出力し（ステップＳ１１）、該制御部６からウェーハ研磨装置１にエラー発報を行わせる（ステップＳ１２）。
【０１００】
なお、前記ステップＳ５では、表皮効果センサ１２からセンサ信号により研磨終了時点を予測するとともにステップＳ７で研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定することで、研磨終了時点を一層確実且つ効率よく検出することができる。また、前記ステップＳ５で表皮効果センサ１２からセンサ信号により研磨終了時点の予測が行われた後は、該表皮効果センサ１２におけるインダクタへ供給する高周波の電流を低減もしくはオフにすることで、導電性膜に誘起される磁束が軽減ないしはオフにされて該導電性膜下方のデバイスウェーハに形成されている素子等に過剰な磁場を与えることが抑えられる。
【０１０１】
次いで、図１３のフローチャートを用いて研磨終了時点の他の検出作用を説明する。図１３のフローチャートにおけるステップＳ２１からステップＳ２７までの処理は、前記図１２のフローチャートにおけるステップＳ１からステップＳ７までの処理とほぼ同じである。この研磨終了時点の他の検出作用では、ステップＳ２５において表皮効果センサ１２からのセンサ信号による研磨終了時点の予測信号を研磨終了時点の検出信号と同等にみなしている。そして、ステップＳ２５とステップＳ２７の両ステップで研磨終了時点が検出されたとき、又はステップＳ２５とステップＳ２７のいずれかで研磨終了時点が検出されたとき（ステップＳ２８）、ウェーハ研磨装置１の制御部９に研磨終点信号を出力し（ステップＳ２９）、研磨工程を終了させる（ステップＳ３０）。
【０１０２】
次に、ウェーハ研磨装置１における研磨条件の設定並びに研磨終了時点の予測及び検出方法の具体例を説明する。
【０１０３】
まずウェーハ研磨装置１に対する研磨条件の設定は以下の通りである。
［研磨条件］
（消耗品）
スラリー：（株）フジミインコーポレーテッド社製 ＰＬ７１０５
研磨パッド：ローム＆ハース（株）社製 ＩＣ１４００ Ｋ−Ｇｒｖ
ドレス：＃１００、４ｉｎｃｈＤｉｓｃＴｙｐｅ
ウェーハ膜構成：Ｃｕ １０００ｎｍ／Ｔａ ２５ｎｍ／Ｏｘｉｄｅ ８００ｎｍ／Ｓｉ（研磨条件）
ウェーハ／リテーナ加圧：２．５ｐｓｉ／１．５ｐｓｉ
プラテン／研磨ヘッド回転数：９５ｒｐｍ／９３ｒｐｍ
スラリー流量：３００ｍｌ／ｍｉｎ
（インターバルドレス条件）
ドレス加重：４ｋｇｆ
プラテン／ドレス回転数：８０／８８ｒｐｍ
インターバルドレス時間：３０ｓｅｃ
ここで、図１４を用いて表皮効果センサ１２による研磨終点予測信号の波形例及び多波長型分光式センサ１３による研磨終点検出信号の波形例を示しながら、研磨終点の予測検出及び研磨終点検出の要領を説明する。図１４は、同時に両センサ１２，１３で信号測定をした結果である。両波形例のうちの一方は表皮効果センサ１２によって得られた表皮渦電流の波形であり、他方は多波長型分光式センサ１３によって得られたＲ．Ｓ．Ａ値の波形である。
【０１０４】
表皮効果センサ１２では、導電性膜を除去する直前に大きな変曲点Ｐを有する。その変曲点Ｐを過ぎると、急激にセンサ出力が低下し、研磨終了時点を迎える。それに対して、多波長型分光式センサ１３は、導電性膜が除去され表皮効果センサ１２によって得られた表皮渦電流が変曲点Ｐを迎える辺りのＱ点から急激にＲ．Ｓ．Ａ値の曲線が変化する。
【０１０５】
これらの挙動は、まず表皮効果センサ１２は、表皮効果によって侵入できなかった磁場が徐々に導電性膜内に侵入し始め、導電性膜表面に発生する渦電流が徐々に増加していく現象から、その後、磁場は導電性膜内に侵入するものの導電性膜そのものの膜厚減少により、導電性膜内に侵入した磁場によって生じる渦電流自体が実質的に減少する現象へ遷移することによって起こる。それより、その状態変化で研磨終了の直前にピークＰがでるため、このピークＰが研磨終点を正確に予測するポイントになる。
【０１０６】
一方、丁度この表皮効果によって侵入できなかった磁場が徐々に導電性膜内に入り出し、その磁場によって渦電流が変曲点Ｐを迎える辺りから、表面の導電性膜は光学的にも色合いが多少変化してくる。即ち、金属性膜とはいえ、一部の光はその金属膜を透過することができる。ここでは、そのピーク時点は約５５ｓｅｃ時点でその渦電流の形成により、表皮効果センサの信号強度はピークＰを迎える。この後、約４ｓｅｃ後である５９ｓｅｃ時点で研磨終了時点となる。このとき、予め多波長型分光式センサ１３の終点を告げる信号の閾値Ｔを５９ｓｅｃ±１ｓｅｃ程度として設定しておく。本具体例では、予め設定した４ｓｅｃ後である５９ｓｅｃ時点で多波長型分光式センサ１３よるＲ．Ｓ．Ａ値が予め設定した閾値Ｔを超えて、多波長型分光式センサ１３も研磨終点を検出する。
【０１０７】
これにより、両センサ１２，１３の研磨終了時点の予測及び研磨終了時点の検出が丁度合わさったことから、研磨終了時点は５９ｓｅｃとして５９ｓｅｃで研磨を止めることが可能となる。これが、仮に多波長型分光式センサ１３の研磨終点検出が、先に検出した表皮効果センサ１２の予測と大幅にずれた場合、センサ異常ということで、直ぐさま研磨を終了させるとともに、その後の研磨を停止することも可能となる。何が原因して双方の予測検出と終点検出がずれたかを、この後に調べればよい。このようにして、両センサ１２，１３を使用して、正確に研磨の終了時点を予測及び検出し、ウェーハ研磨装置１の研磨終了を検出することが可能となる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
図は本発明の実施例に係る研磨終点の予測及び検出方法とその装置を示すものである。
【図１】研磨終点の予測及び検出装置が組み込まれたウェーハ研磨装置の斜視図。
【図２】ウェーハ研磨装置に組み込まれた表皮効果センサ及び多波長型分光式センサのブロック図。
【図３】表皮効果センサ（インダクタ型センサ）の詳細構成を示すブロック図。
【図４】表皮効果センサ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５】表皮効果センサにおける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６】表皮効果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７】ウェーハ研磨装置による導電性膜の研磨削除に伴う表皮効果による磁束等の変化例及び特徴的な変化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８】多波長型分光式センサにおける分光器の構成図。
【図９】ＴＥＯＳ／ＳｉＮ絶縁膜についてＴＥＯＳ部の研磨に伴う研磨面の色合いの変化を示す図であり、（ａ）はＴＥＯＳ部を研磨時間について拡大して示し、（ｂ）は研磨の進行に伴ないＳｉＮ部が露出したときの研磨面の色合いの変化を示す図。
【図１０】Ｃｕ膜とＴａ／酸化膜の波長に対する反射率変化を示す特性図。
【図１１】研磨時間に対する反射率積算値の変化及びＲ．Ｓ．Ａの変化を示す特性図。
【図１２】研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の予測及び検出作用を説明するためのフローチャート。
【図１３】研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の他の検出作用を説明するためのフローチャート。
【図１４】表皮効果センサによる研磨終点予測信号の波形例及び多波長型分光式センサによる研磨終点検出信号の波形例を示す波形図。
【符号の説明】
【０１１０】
１ ウェーハ研磨装置
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 ノズル
８ 回転軸
９ 制御部
１０ 観測孔 １１ 観測窓
１２ 表皮効果センサ（第１のセンサ）
１３ 多波長型分光式センサ（第２のセンサ）
１４ スリップリング
１５ コンピュータ
１６ 発振回路
１７ 平面インダクタ
１８ 集中定数キャパシタ
１９ 増幅器
２０ フィードバック・ネットワーク
２１ 周波数カウンタ
２２ 所定の導電性膜
２３ 光源部
２４ 照射・受光光学系
２５ 受光部
２６ 分光器
２７ ライトガイド
２８ ライトガイド
２９ 入射スリット
３０ 平面鏡
３１ 凹面回折格子
３２ アレイ受光素子
３３ マルチプレクサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨終点の予測及び検出方法とその装置に関するものであり、特に、化学機械研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等において独立した動作原理を有する複数のセンサを使用するとともに該複数のセンサは研磨終了間際においていずれも検出感度が高く精度よく研磨終了時点を予測し検出することが可能な研磨終点の予測及び検出方法とその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、次のようなポリッシング方法が知られている。この従来技術は、該従来技術が開示された公報中の［００３１］に、二種類のセンサをポリッシング装置に搭載することにより、Ｃｕ層が所定厚の膜厚になるまでは、渦電流センサの信号を処理することにより膜厚をモニタし、所定厚の膜厚になって膜厚を光学式センサで検出できるようになった時点で光学式センサの信号を処理することにより薄膜の膜厚をモニタすることが記載されている。前記渦電流センサについては、［００２５］に、渦電流プロセスモニタのシステム原理は、センサコイルに高周波電流を流して、ウェーハのＣｕ層中に渦電流を発生させ、この渦電流が膜厚によって変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の監視を行うものである。即ち、センサコイルに高周波電流を流すとＣｕ層中に渦電流が発生する。そして回路中のインピーダンスＺを監視する。回路中のインピーダンスＺは、センサ部のＬ、ＣとＣｕ層のＲが並列に結合された形となり、Ｒが変化することによりＺが変化すると記載されている。前記光学式センサについては、［００３０］に、光学式センサに適用する膜厚測定の原理は、膜とその隣接媒体によって引き起こされる光の干渉を利用している。基板上の薄膜に光を入射すると、まず一部の光は膜の表面で反射され残りは透過していく。この透過した光の一部はさらに基板面で反射され、残りは透過していくが、基板が金属の場合には吸収されてしまう。干渉はこの膜の表面反射光と基板面反射光の位相差によって発生し、位相一致した場合は互いに強め合い、逆になった場合は弱め合う。つまり入射光の波長、膜厚、膜の屈折率に応じて反射強度が変化する。この反射光の強度から膜の厚みを測定すると記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来、例えば、次のような基板研磨方法が知られている。この従来技術は、該従来技術が開示された公報中の［００４５］に、研磨テーブル内に渦電流式の膜厚測定器と光学式の膜厚測定器が設けられ、トップリングに保持された研磨中の半導体基板の研磨面の膜厚を測定すると記載されている。前記渦電流式の膜厚測定器については、［００４６］に、センサコイルに高周波電流を流して、半導体基板の導電性膜（Ｃｕ膜）中にに渦電流を発生させ、この渦電流が膜厚によって変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の監視を行うものであると記載されている。前記光学式の膜厚測定器については、［００４７］に、光学式の膜厚測定器は投光素子と受光素子を具備し、投光素子から半導体基板の被研磨面に光を照射し、該被研磨面からの反射光を受光素子で受光する。半導体基板の導電性膜が所定厚の膜厚になってくると、投光素子から被研磨面に照射された光の一部が導電性膜を透過し、導電性膜の下層の酸化膜から反射された反射光と、導電性膜の表面から反射された反射光との二種類の反射光が存在する。この二種類の反射光を受光素子で受光し処理することにより膜厚を測定すると記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらに、従来、例えば、次のような光学及び渦電流モニタリングによる統合終点検出システムが知られている。この従来技術は、該従来技術が開示された公報中の［００２７］に、第１研磨用ステーションには、研磨処理制御と終点検出システムとして機能する渦電流モニタリングシステムと光学モニタリングシステムを含んでいると記載されている。前記渦電流モニタリングシステムについては、［００２９］及び［００３１］に、渦電流モニタリングシステムは基板上の金属層に渦電流を誘導するための駆動システムと、金属層内に誘導された渦電流を検出するための感知システムとを含んでいる。駆動システムは、オシレータが接続された駆動用コイルを含んでいる。動作中、オシレータは駆動用コイルを駆動して磁界を発生させ、この磁界は金属層内に渦電流を発生させる。渦電流は、感知用コイルとコンデンサと並列したインピーダンス源として金属層を作用させる。金属層の厚さが変わるとインピーダンスが変わり、感知機構のＱファクタに変化が生じる。このＱファクタの変化を検出することにより、渦電流センサは渦電流の強さの変化、したがって、金属層の厚さの変化を感知すると記載されている。前記光学モニタリングシステムについては、［００４１］に、光学モニタリングシステムは、レーザ等の光源と検出器とを含み、干渉計として機能すると記載されている。そして、［００４７］に、ＣＭＰ装置は、渦電流モニタリングシステムと光学モニタリングシステムを使用し、大部分の充填層が除去されたときを決定し、下にある停止層が実質的に露出したときを決定すると記載されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
上記のように、特許文献１、２及び３には、ほぼ同様の構成・作用を有する各渦電流センサと、ほぼ同様の構成・作用を有する各光学式センサとが記載されている。
【特許文献１】特許第３９１６３７５号公報。
【特許文献２】特許第３９１６８４６号公報。
【特許文献３】特表２００４−５２５５２１号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明は表皮効果センサと多波長型分光式センサとを複合させて研磨終了時点を予測及び検出する方法である。このうち、個別の表皮効果センサについては、本出願人の特許出願に係る特願２００７−１３４７０７号の願書に添付した明細書及び図面に開示されている。また、個別の多波長型分光式センサについては、これとほぼ同様の構成・作用効果を有するものが本出願人の特許出願に係る特開２００５−３２７９０号公報に開示されている。
【０００７】
そこで、まず特許文献１、２及び３に記載の渦電流センサと光学式センサを複合した構成と、本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサを複合した構成との作用効果等の違いを、「個別センサにおける構成・作用効果の違い」から対比して述べる。
Ａ．個別センサにおける構成・作用効果の違いについて。
（ａ）従来技術における渦電流センサと本発明における表皮効果センサの違いについて。
【０００８】
渦電流センサは、研磨対象とする導電性膜の全膜厚について渦電流を発生させ、この渦電流が膜厚の変化に応じて変化し、センサ回路との合成インピーダンスを監視することで、膜厚の監視を行うものである。こうした導電性膜の全膜厚について渦電流を発生させて膜厚の変化を測定する方式は、前記特許文献１、２及び３以外にも、特開平８−２８５５１４号（特許第２８７８１７８号）や特開平８−２８５５１５号（特許第３２９０３４７号）にも開示されている。このように、導電性膜の膜厚量と渦電流量とが対応した関係において膜厚の監視を行うものが従来技術における渦電流センサというものである。
【０００９】
本発明における表皮効果センサは、こうした渦電流センサとは構成・作用効果が異なる。本発明における表皮効果センサは、研磨初期には表皮効果によって磁場は導電性膜の表層のみに存在するため、該導電性膜内に渦電流は発生しない。研磨終了間際に導電性膜が非常に薄くなった時点で磁場が該導電性膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによって導電性膜内に渦電流が生じて増大していく。しかし、直ぐに導電性膜が薄くなると実質的に渦電流を誘起する膜厚そのものが減少するため、渦電流は直ぐに減少に転じる。これによって、研磨終了間際に導電性膜に誘起される渦電流の変曲点が発生する。この変曲点を基準点として、研磨終了時点を予測する方法である。この方法によれば、従来の渦電流センサと比較して以下の利点（作用効果）を持つ。
・終了直前でも感度よく研磨終了時点を予測することが可能である。即ち研磨終了間際で感度がよい。
・磁場を整形して膜内に導入せず。分散磁場を使用し、表皮効果により基板内の素子に磁場を与えない。即ち素子にダメージを与えない。
・渦電流センサが渦電流の変化量で膜厚変化量（研磨による膜厚減少量）を見積もるのに対し、表皮効果センサは、表皮深さに対応した残膜厚（絶対膜厚）に応じて渦電流の変曲点が現れるため、研磨初期の膜厚ばらつきに関係なく、残膜厚から研磨終了時点を予測することが可能である。
（ｂ）従来技術における光学式センサと本発明における多波長型分光式センサの違いについて。
【００１０】
従来技術における光学式センサは、光の干渉を使用して膜厚をモニタするものである。即ち、光の中の特定の波長を使用し、その特定の波長による干渉で膜厚を見積もるものである。
【００１１】
本発明における多波長型分光式センサは、こうした光学式センサとは構成・作用効果が異なる。多波長型分光式センサでは、ある波長領域の反射率強度の積算値に対する、別の波長領域の反射率強度の積算値の割合で、導電性膜の状態変化を見積もる。
【００１２】
従来技術の光学式センサによる干渉の場合は、特定の波長において、ウインドウとウェーハ間に存在するスラリーによって、光の強度が変化する場合、膜厚測定が不可能になることがある。これに対し、多波長型分光式センサにおける反射率強度の積算値割合でみる場合、観察波長領域が広いこともあり、ウェーハ上にスラリーが介在することによって光の強度が変化したとしても、それほど大きな影響を被ることはない。また、反射率強度の相対的な割合で評価していることから、誤動作も少ない。
【００１３】
さらに、光学式センサによる光の干渉では、特定の波長しか使用せず、また、一部半透膜の場合にのみ適用できる。それは、透明ではない場合、干渉そのものが起こらないからである。これに対し、多波長型分光式センサにより分光反射率で測定する場合、光の色で検知する。色の度合いは、それぞれの波長の反射率の足し合わせで色が決定されるが、その波長に応じた反射率の相対的な変化から、たとえ、半透膜ではなく干渉が生じない膜であったとしても、研磨の進行に伴う膜の材質の変化をモニタすることは可能である。
【００１４】
こうした原理は、特に配線膜平坦化のＣＭＰの場合、Ｃｕ／Ｔａ／Ｏｘｉｄｅの膜構成となっているが、Ｃｕ研磨後にＴａが露出した際にでも適用することが可能となる。Ｃｕ、Ｔａとも膜厚が十分厚い場合、金属膜であり光は浸透せずに表面で反射するため、光の干渉を利用して膜厚をモニタすることは不可能である。しかし、分光反射率では、研磨による膜の切り替わり時点を精度よくモニタすることが可能となる。
Ｂ．それぞれのセンサを組み合わせることによって生じる作用効果の違いについて。
【００１５】
従来技術の渦電流センサと光学式センサの組み合わせによって生じる作用効果として次の記載がある。例えば、特許文献１では、Ｃｕ膜厚の測定に渦電流センサを使用し、薄いＣｕ膜、Ｔａ膜の測定には、光学式センサを使用するとしている。また、特許文献２では、同特許文献中の［００４９］にＣｕ膜が薄くなると渦電流センサは感度が悪くなるが、感度が悪くなったときに、渦電流センサに変えて光学式センサで膜厚測定するとしている。逆に、Ｃｕ膜厚が厚い場合は、光がＣｕ膜を透過しないが、渦電流センサでは渦電流が多量に流れるため膜厚測定の感度がよい。よって、厚いＣｕ膜では渦電流センサを使用し、Ｃｕ膜が薄く透けてきたときに光学式センサに変えるという方法をとっていた。こうした補完関係は、特許文献２のみならず、同一原理を利用する他の特許文献１及び３の場合も同じである。
【００１６】
これに対し本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサとの相補的な関係は、従来技術の渦電流センサと光学式センサの補完的な関係とは全く異なる。本発明では、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、共に研磨の開始時には感度が悪いが、終了時点では双方とも最も感度が良い。多波長型分光式センサの場合、例えば、Ｃｕの分光反射率からＴａの分光反射率に変化する際、Ｃｕの色が薄くなって、Ｔａの色が見えてきた部分で最もセンサとしてはその変化を掴み取ることが可能となる。表皮効果センサも、研磨が進行して表皮深さに対応した磁場が漏れ出す膜厚になって、渦電流が発生し、その後の更なる膜厚減少で渦電流が低減し、極大点が現れる。極大点はＣｕの場合、１０００Å以下で現れ、殆ど研磨の終了に近いところで現れるため、研磨終了時点を正確に予測することが可能となる。
【００１７】
即ち、本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサは、研磨終了間際で互いに感度がよいため、互いの状態の設定をチェックできるのである。もし、互いのセンシング結果が合致しない場合は、センサ不良であり、一時動作を止めて双方のセンサをチェックすることができるのである。また、二つのセンサを搭載して、独立して研磨終点をモニタすることで、互いのセンサの弱点を補いつつ、より精度よい終点検出を行うことができる。
【００１８】
ここで、本発明における互いのセンサの弱点は以下のとおりである。表皮効果センサは、ウェーハとセンサ間の距離が最も敏感である。センサが形成した磁場は、発散した磁場として形成されるが、同条件下でその磁場がＣｕ膜内に侵入するか否かは、センサとウェーハ間の距離（ギャップ）にも依存する。センサとウェーハが近いと、磁場の侵入角度は急になり、ウェーハ内に磁場が入りやすくなる。特に、研磨パッドがドレッシングによって摩耗していく過程では、ウェーハとセンサ間のギャップが変化していくことがあり、このギャップの変化で微小ではあるが、磁場の入り方が変わるのである。
【００１９】
それに対して、多波長型分光式センサでは、センサとウェーハ間の微小なギャップのばらつきは殆ど関係しない。ウェーハに光が照射される過程においては、ウェーハが微小に前後してもウェーハからの反射光量は殆ど変化しないからである。よって、多波長型分光式センサは、表皮効果センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となる。
【００２０】
次に、逆に多波長型分光式センサは、ウェーハとウインドウの間に存在するスラリーが問題になる。即ち、研磨時にウインドウ上にスラリーが乗る場合、光の透過率が低くなり、全体的に感度が低下することがある。極端な場合、スラリー中に多数の砥粒が密に存在する場合、スラリーによる散乱で多くの光量を失うことも考えられ、感度が悪くなる問題がある（特許第３４３１１１５号）。
【００２１】
それに対して、表皮効果センサは、ウェーハとウインドウの間のスラリーの介在を問題としない。なぜなら、平面インダクタが形成する磁場をウェーハに作用させて研磨終了点の状態をモニタするのであるが、スラリーに使用される水ないしは砥粒などは、大抵の場合、非磁性であり、透磁率は殆ど１となるからである。よって、適正なセンサとウェーハ間で適正なギャップが確保されていれば、ウインドウ上にスラリーが介在しようとも、安定してＣｕなどの導電性膜の膜状態に応じて磁束がＣｕ膜内に侵入し、薄いＣｕ膜では微量な渦電流を生じることになる。
【００２２】
以上から、表皮効果センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。このように、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、
・互いに研磨終了時点で感度がよく信頼性が高い。
・多波長型分光式センサは、ウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に弱いが、表皮効果センサは、センサとウェーハ間のギャップの変動に弱い。この相互の弱点を、相互のセンサがチェックする形式になる。
【００２３】
なお、従来技術の渦電流センサと光学式センサを複合した複合センサとの明かな違いとして、従来技術の複合センサの場合、Ｃｕなどの金属膜で厚い膜厚の場合、光のセンサでは透過しないので、渦電流センサしかそれを測定できない。逆に、薄い金属膜厚の場合、渦電流は無視しうる量しか発生せず、むしろ干渉が起こる程度に光が透過し始める光学式センサしかそれを測定できない。即ち、互いに測定する状態として場合分けをしているだけである。互いのセンサが誤動作していないかどうかを、他のセンサによって確認するという手段を擁するものではない。
【００２４】
それに対して、本発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサとは、それぞれの機器が正常に設定されているかどうか又は動作しているかどうかをチェックすることが可能である。それは双方とも研磨終了時点付近が最も感度がよく、そのままでも信頼性が十分高いからである。その上で敢えて互いの信頼性を確認するものである。仮に、二つのセンサの結果が合致しない場合は、そこで装置を停止し、どちらのセンサが設定上又は動作上問題があるかどうかを検証することが重要なステップになる。
【００２５】
こうしたステップを経ることなく、長期にわたって補完的な機能で運用してしまった場合、例えば、光学式センサの不備に気付くことなく多数研磨し、誤った終点検出をし、多数のウェーハを台無しにしてしまうこともあり得る。また、例えば、渦電流センサの不備に気付くことなく多数研磨し、誤った終点検出をし、多数のウェーハを台無しにしてしまうこともあり得る。
【００２６】
そこで、研磨中に終点検出を確実に行うために終点間際において検出感度が高く精度よく終点を予測することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも研磨終了時点で感度が高く研磨終了間際にタイムリーで精度よく研磨終了時点を検出することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサを使用し各センサが正常に設定され、また動作していることを確認しうることを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも終了付近で感度はよいが一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持たせて終点検出の正確性を向上させ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】
【００２７】
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終了時点を予測及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、研磨終了時点を検出する研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００２８】
この構成によれば、表皮効果センサには平面インダクタ等の磁場発生手段が備えられている。該平面インダクタが高周波で駆動されて該高周波の周期に対応した磁場が発生する。研磨初期には表皮効果によって磁場はＣｕ膜の表層のみに存在するため、該Ｃｕ膜内に渦電流は発生しない。研磨終了間際にＣｕ膜が表皮深さに対応した非常に薄い膜厚になった時点で磁場が該Ｃｕ膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによってＣｕ膜内に渦電流が発生して増大していく。その後さらなる膜厚の減少に伴って実質的に渦電流を誘起する膜厚そのものが減少するため、渦電流は急速に減少に転じる。これによって、研磨終了間際にＣｕ膜に誘起される渦電流に変曲点（ピーク）を含んだ特徴的な変化が発生する。この特徴的な変化を基に研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点が予測される。
【００２９】
一方、多波長型分光式センサは、ある波長領域の反射率強度の積算値に対する別の波長領域の反射率強度の積算値の割合、即ちＲ．Ｓ．Ａ（Ratio of Spectral Area）の値を評価することで研磨の進行に伴うＣｕ膜の膜厚変化をモニタする。研磨初期にはＲ．Ｓ．Ａの値はほぼ一定値で進行する。研磨終了間際にＣｕ膜が薄くなって前記表皮効果により渦電流に変曲点を迎える辺りから、一部の光がＣｕ膜を透過し、該Ｃｕ膜下層の例えばＴａの影響を受けて研磨面の色合いが光学的に変化する。これにより、分光反射率が変化し研磨の進行に伴うＲ．Ｓ．Ａ値の特性が急激に変化する。そして、このＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化の発生と、前記表皮効果センサによる精度のよい研磨終了時点の予測とがあいまって、高精度で確実に研磨終了時点が検出される。
【００３０】
前記表皮効果センサは、該センサとＣｕ膜（ウェーハ）間の距離（ギャップ）に敏感である。表皮効果センサが形成した磁場は、発散した磁場として形成されるが、同じ条件下でその磁場がＣｕ膜内に侵入するか否かは、表皮効果センサとウェーハ間のギャップにも依存する。表皮効果センサとウェーハが近いと、磁場の侵入角度は急になり、ウェーハ内に磁場が入りやすくなる。それに対して、多波長型分光式センサでは、該センサとウェーハ間の微小なギャップのばらつきは殆ど関係しない。ウェーハに光が照射される過程においては、ウェーハが微小に前後してもウェーハからの反射光量は殆ど変化しないからである。よって、多波長型分光式センサは、表皮効果センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となる。
【００３１】
次に、前記多波長型分光式センサは、ウェーハとウインドウの間に存在するスラリーが問題になる。即ち、研磨時にウインドウ上にスラリーが乗る場合、光の透過率が低くなり、全体的に感度が低下することがある。それに対して、表皮効果センサは、ウェーハとウインドウの間のスラリーの介在を問題としない。なぜなら、平面インダクタが形成する磁場をウェーハに作用させて研磨終了点の状態をモニタするのであるが、スラリーに使用される水ないしは砥粒などは、大抵の場合、非磁性であり、透磁率は殆ど１となるからである。よって、適正なセンサとウェーハ間で適正なギャップが確保されていれば、ウインドウ上にスラリーが介在しようとも、安定してＣｕ膜の膜状態に応じて磁束がＣｕ膜内に侵入し、薄いＣｕ膜では微量な渦電流を生じることになる。よって、表皮効果センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。
【００３２】
また、前述のように、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、研磨終了間際でそれぞれ精度よく研磨終了時点の予測及び検出信号を発生する。もし、両センサのセンシング結果が合致しない場合は、一時動作を止めてどちらのセンサに設定上又は動作上問題があるかをどうかをチェックすることが可能となる。
【００３３】
請求項２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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに前記第２のセンサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定する機能を有し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、前記検出範囲内に存在する研磨終了時点を検出する研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００３４】
この構成によれば、表皮効果センサは、研磨終了間際にＣｕ膜が表皮深さに対応した薄い膜厚になった時点で磁場が該Ｃｕ膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによってＣｕ膜内に渦電流が発生して増大していく。その後さらなる膜厚の減少に伴って実質的に渦電流を誘起する膜厚そのものが減少するため、渦電流は急速に減少に転じる。この渦電流の挙動により導電性膜に誘起される磁束の変化、即ち特徴的な変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。表皮効果センサは、この磁束の特徴的な変化から研磨終了時点を予測するとともに多波長型分光式センサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定する。多波長型分光式センサは、この設定された検出範囲においてＲ．Ｓ．Ａの値を評価し、該Ｒ．Ｓ．Ａ値の急激な変化の発生を基に研磨終了時点を検出する。これにより、研磨終了時点が高精度で確実に且つ効率よく検出される。
【００３５】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、上記導電性膜に誘起される磁束を軽減するないしはオフする方法として、上記表皮効果センサに備えられたインダクタへ供給する電流を低減するもしくはオフする研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００３６】
この構成によれば、研磨の進行による導電性膜の膜厚減少に伴って表皮効果により該導電性膜に生じる渦電流が増大する過程とさらなる膜厚の減少により渦電流が実質的に減少する過程との存在により磁束の特徴的な変化が発生し、この特徴的な変化から研磨終了時点が予測される。そして、この研磨終了時点の予測後に表皮効果センサにおけるインダクタへ供給する高周波の電流を低減もしくはオフにすることで、導電性膜に誘起される磁束が軽減ないしはオフにされて導電性膜下方のデバイスウェーハに形成されている素子等に過剰な磁場を与えることが抑えられる。
【００３７】
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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、前記所定の導電性膜に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、前記所定の導電性膜の表皮効果に基づき研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が増大する過程と、そのまま研磨を進めた場合、研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が実質的に減少する過程とが存在し、その導電性膜に誘起される磁束の特徴的な変化を基に研磨終了時点を予測するとともに、ウェーハに光を照射し、その反射光をモニタし、その反射光を分光計で波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率の変化に基づいて、該反射率が所定の値に到達したか否かを判別し、研磨終了時点を検出する研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００３８】
この構成によれば、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、インダクタで形成される磁束により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に対応した非常に薄い膜厚になると、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、渦電流は増大する。そして、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実質的に減少するため、渦電流は急速に減少する。この表皮効果に基づいて渦電流が増大する過程と、その後の渦電流が実質的に減少する過程との存在により、所定の導電性膜に誘起される磁束に変曲点（ピーク）を含んだ特徴的な変化が発生する。この特徴的な変化から研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点が予測される。
【００３９】
一方、分光計は、ウェーハからの反射光を波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率強度の変化で研磨の進行に伴う導電性膜の膜厚変化をモニタする。研磨初期には特定の波長帯域における反射率強度は、ほぼ一定の値で進行する。研磨終了間際に導電性膜が薄くなって前記表皮効果により渦電流に変曲点を迎える辺りから、一部の光が導電性膜を透過し、該導電性膜下層の他の材質、例えばＴａの影響を受けて研磨面の色合いが光学的に変化する。これにより、特定の波長帯域における反射率強度が急激に変化する。そして、この該反射率強度が所定の値に到達したか否かを判別し、この判別結果と前記インダクタ型センサによる精度のよい研磨終了時点の予測とがあいまって、高精度で確実に研磨終了時点が検出される。
【００４０】
また、前記請求項１記載の発明における表皮効果センサと多波長型分光式センサの両センサの動作上の特質と同様に、分光計式のセンサは、インダクタ型センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となり、これと逆に、インダクタ型センサは、分光計式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。さらに、インダクタ型センサと分光計式センサは、両センサのセンシング結果が合致しない場合は、一時動作を止めてどちらのセンサに設定上又は動作上問題があるかをどうかをチェックすることが可能となる。
【００４１】
請求項５記載の発明は、請求項１，２，３又は４記載の発明において、上記磁束変化における特徴的な変化は、変曲点、上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかである研磨終点の予測及び検出方法を提供する。
【００４２】
この構成によれば、研磨の進行による膜厚減少に伴って導電性膜が表皮深さに対応した膜厚になった時点で該導電性膜を貫通する磁束が生じ始め、該磁束は膜厚の減少につれて増大する。このため、該磁束により生じる渦電流も増大する。そして、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実質的に減少するため、渦電流は急速に減少する。この渦電流の挙動により導電性膜に誘起される磁束の変化、即ち特徴的な変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨終了時点の予測は、該特徴的な変化における変曲点（ピーク）を用いる場合に限らず、該特徴的な変化における上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかを用いても研磨終了間際において研磨終了時点を精度よく予測することが可能となる。
【００４３】
請求項６記載の発明は、表皮効果センサ又はインダクタ型センサのいずれかで構成された第１のセンサと、多波長型分光式センサ又は分光計式センサのいずれかで構成された第２のセンサとを有し、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及び検出する研磨終点の予測及び検出装置であって、請求項１，２，３，４又は５記載の研磨終点の予測及び検出方法を実行する研磨終点の予測及び検出装置を提供する。
【００４４】
この構成によれば、表皮効果センサ又はインダクタ型センサのいずれかと、多波長型分光式センサ又は分光計式センサのいずれかとを備えた研磨終点の予測及び検出装置は、表皮効果センサ又はインダクタ型センサにより、研磨が進行して導電性膜が表皮深さに対応した非常に薄い膜厚になった時点で該導電性膜に誘起される磁束に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、この特徴的な変化から研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点を予測する。一方、多波長型分光式センサ又は分光計式センサにより、研磨終了間際に発生するＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化又は特定の波長帯域における反射率強度の急激な変化から、前記精度のよい研磨終了時点の予測のもとに高精度で確実に研磨終了時点を検出する。
【００４５】
また、多波長型分光式センサ及び分光計式センサは、表皮効果センサ及びインダクタ型センサで問題となるウェーハとセンサ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことが可能となり、これと逆に、表皮効果センサ及びインダクタ型センサは、多波長型分光式センサ及び分光計式センサで問題となるウェーハとウインドウ間のスラリーの介在に対する感度ばらつきを補うことが可能となる。さらに、表皮効果センサ又はインダクタ型センサと多波長型分光式センサ又は分光計式センサとは、両種センサ間のセンシング結果が合致しない場合は、一時動作を止めてどちら側のセンサに設定上又は動作上問題があるかをどうかをチェックすることが可能となる。
【発明の効果】
【００４６】
請求項１記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、研磨終了間際に、表皮効果センサはＣｕ膜に誘起される渦電流に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、多波長型分光式センサはＲ．Ｓ．Ａ値に急激な変化が発生する。したがって、独立した動作原理を有する両センサは、いずれも研磨終了間際において感度が高く、この両センサの動作により研磨終了間際にタイムリーで確実且つ精度よく研磨終了時点を予測し検出することができる。このように、表皮効果センサと多波長型分光式センサは、研磨終了間際でそれぞれ精度よく研磨終了時点の予測信号及び検出信号を発生することから、両センサのセンシング結果の合致をみることで、各センサが正常に設定され、また動作していることを確認することができる。
【００４７】
表皮効果センサは、その感度が該センサとウェーハ間のギャップに敏感に影響を受ける。これに対し、光を動作媒体とする波長型分光式センサは、その感度が該センサとウェーハ間の微小なギャップのばらつきに殆ど影響を受けない。これと逆に多波長型分光式センサは、その感度がウェーハとウインドウの間に存在するスラリーの影響を受けて低下することがある。これに対し、表皮効果センサの感度は、ウェーハとウインドウの間のスラリーの介在を問題としない。したがって、独立した動作原理を有する両センサは、一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持っている。この両センサの特質から研磨終了時点検出の正確性を向上させることができるという利点がある。
【００４８】
請求項２記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、表皮効果センサは、研磨終了間際における磁束の特徴的な変化から研磨終了時点を予測するとともに多波長型分光式センサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定し、多波長型分光式センサは、この設定された検出範囲においてＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化を基に研磨終了時点を検出することで、研磨終了時点を高精度で確実に且つ効率よく検出することができるという利点がある。
【００４９】
請求項３記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、請求項１又は２記載の発明の効果に加えてさらに、磁束の特徴的な変化が発生して研磨終了時点が予測された後にインダクタへ供給する高周波の電流を低減もしくはオフにすることで、導電性膜に誘起される磁束を軽減ないしはオフにすることができて導電性膜下方のデバイスウェーハに形成されている素子等に過剰な磁場が及ぶのを防止することができるという利点がある。
【００５０】
請求項４記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、研磨終了間際に、インダクタ型センサは所定の導電性膜に誘起される磁束に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、分光計式センサは、特定の波長帯域における反射率強度が急激に変化する。したがって、独立した動作原理を有する両センサは、いずれも研磨終了間際において感度が高く、この両センサの動作により研磨終了間際にタイムリーで確実且つ精度よく研磨終了時点を予測し検出することができる。また、インダクタ型センサと分光計式センサは、両センサのセンシング結果の合致をみることで、それぞれのセンサが正常に設定され、また動作していることを確認することができる。さらに、独立した動作原理を有する両センサは、一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持っていることから研磨終了時点検出の正確性を向上させることができるという利点がある。
【００５１】
請求項５記載の研磨終点の予測及び検出方法の発明は、請求項１，２，３又は４記載の発明の効果に加えてさらに、導電性膜に誘起される磁束の特徴的な変化は、急峻な上昇と急峻な下降を伴った変曲点（ピーク）を持つ顕著な変化として出現する。したがって、研磨終了時点の予測は、該特徴的な変化における変曲点（ピーク）を用いる場合に限らず、該特徴的な変化における上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかを用いても研磨終了間際において高い感度で精度よく研磨終了時点を予測することができるという利点がある。
【００５２】
請求項６記載の研磨終点の予測及び検出装置の発明は、研磨終了間際に、表皮効果センサ又はインダクタ型センサは導電性膜に誘起される磁束に変曲点を含む特徴的な変化が発生し、多波長型分光式センサ又は分光計式センサはＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化又は特定の波長帯域における反射率強度の急激な変化が発生する。したがって、独立した動作原理を有する各センサは、いずれも研磨終了間際において感度が高く、この各センサの動作により研磨終了間際にタイムリーで確実且つ精度よく研磨終了時点を予測し検出することができる。また、表皮効果センサ又はインダクタ型センサと多波長型分光式センサ又は分光計式センサ間のセンシング結果の合致をみることで、それぞれのセンサが正常に設定され、また動作していることを確認することができる。さらに、独立した動作原理を有する各センサは、一方の両センサが動作する際の弱点となる要素に対し他方の両センサは原理上その弱点に強いという性質を持っていることから研磨終了時点検出の正確性を向上させることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
研磨中に終点検出を確実に行うために終点間際において検出感度が高く精度よく終点を予測することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも研磨終了時点で感度が高く研磨終了間際にタイムリーで精度よく研磨終了時点を検出することを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサを使用し各センサが正常に設定され、また動作していることを確認しうることを可能とし、独立した動作原理を有する複数のセンサはいずれも終了付近で感度はよいが一方のセンサが動作する際の弱点となる要素に対し他方のセンサは原理上その弱点に強いという性質を持たせて終点検出の正確性を向上させ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終了時点を予測及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、研磨終了時点を検出することにより実現した。
【実施例１】
【００５４】
以下、本発明の好適な一実施例を図面に従って詳述する。図１は研磨終点の予測及び検出装置が組み込まれたウェーハ研磨装置（ＣＭＰ装置）の斜視図、図２はウェーハ研磨装置に組み込まれた表皮効果センサ及び多波長型分光式センサのブロック図である。まず、本実施例に係る研磨終点の予測及び検出方法とその装置の構成をこれに適用されるウェーハ研磨装置の構成から説明する。
【００５５】
図１において、ウェーハ研磨装置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上にノズル７（図２参照）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。
【００５６】
前記研磨ヘッド３は、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８が連結されている。該研磨ヘッド３は、プラテン２の回転中心から偏心した位置でウェーハＷ（図２参照）を研磨パッド６に押圧するとともに、回転軸８を介して図示しないモータで駆動されて矢印Ｂ方向へ回転する。また、研磨ヘッド３は、図示しない昇降手段で駆動されて研磨パッド６に対して垂直に昇降する。
【００５７】
ウェーハ研磨装置１は、研磨加工の際に研磨ヘッド３で保持したウェーハＷを研磨パッド６に所定の圧力で押し付け、該研磨パッド６とウェーハＷとをそれぞれ回転させながら、ノズル７から研磨パッド６上にスラリーを供給し、ウェーハＷ上の所定の膜を研磨する。該ウェーハ研磨装置１には、装置全体の駆動を制御する制御部９（図２参照）が備えられている。
【００５８】
図２に示すように、前記プラテン２における前記研磨ヘッド３が通過する所定の位置に観測孔１０が貫通して形成されている。該観測孔１０の一部に対応する研磨パッド６の箇所には、ポリウレタンピース等の透明材料からなる観測窓１１が嵌め込まれている。そして、該観測窓１１の側方位置における観測孔１０内に、第１のセンサとしての表皮効果センサ１２が組み込まれ、該表皮効果センサ１２に並設されるようにして前記観測窓１１側に、第２のセンサとしての多波長型分光式センサ１３が組み込まれている。表皮効果センサ１２からの特徴的な変化等を示す信号はスリップリング１４を介して外部のコンピュータ１５に出力される。コンピュータ１５は所定のアルゴリズムにしたがって演算処理し、研磨終了時点を予測する。
【００５９】
前記表皮効果センサ１２を、図３乃至図７を用いて説明する。図３は表皮効果センサ（インダクタ型センサ）の詳細構成を示すブロック図、図４は表皮効果センサ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）はその等価回路、図５の（ａ）〜（ｄ）は表皮効果センサにおける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、図６は表皮効果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７の（ａ）〜（ｅ）はウェーハ研磨装置による導電性膜の研磨削除に伴う表皮効果による磁束等の変化例及び特徴的な変化の検出作用を説明するための組図である。
【００６０】
図３において、表皮効果センサ（インダクタ型センサ）１２の主体を構成している発振回路１６は、インダクタンスＬとなる二次元の平面状インダクタ１７に、キャパシタンスＣ０となる集中定数キャパシタ１８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１７は、絶縁物からなる方形状等の基板１７ａ上に、Ｃｕ等の導電物質を用いて角形のスパイラルに構成されている。平面状インダクタ１７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１７ａ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１７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、磁場を導電性膜の内部に深く浸透させることなく、該導電性膜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。
【００６１】
前記ＬＣ回路からの出力信号は増幅器１９に入力され、該増幅器１９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２０に入力されている。フィードバック・ネットワーク２０の出力信号が、平面状インダクタ１７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１７を含めて発振回路１６が構成されている。
【００６２】
該発振回路１６は、基本的には、図４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１７のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ１８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。
【００６３】
【数１】
【００６４】
前記増幅器１９の出力端子には、周波数カウンタ２１が接続されている。該周波数カウンタ２１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。表皮効果センサ（インダクタ型センサ）１２における発振回路１６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２１とを近接して配置することで、該発振回路１６と周波数カウンタ２１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、表皮効果センサ１２にもたらされる導電性膜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。
【００６５】
該表皮効果センサ１２は、平面状インダクタ１７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１２ａに内装されている。前記平面状インダクタ１７は、薄い絶縁膜で被覆されてパッケージ１２ａの表面に固定されている。パッケージ化された表皮効果センサ１２が前記ウェーハ研磨装置１に組み込まれるとき、平面状インダクタ１７がウェーハＷ表面部の導電性膜と対峙するように組み込まれる。また、発振回路１６を構成している前記集中定数キャパシタ１８はキャパシタンスが可変となっており、表皮効果センサ１２は所要の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。
【００６６】
本実施例では研磨中の所定の導電性膜が該所定の導電性膜の表皮深さδに対応する膜厚になった場合の磁束変化を基に特徴的な変化の検出を行っている。所定の導電性膜における表皮深さδは、該所定の導電性膜の材質と発振回路１６の発振周波数ｆとに依存して式（２）のように決まる。
【００６７】
【数２】
【００６８】
ω：２πｆ、μ：透磁率、σ：導電率である。
【００６９】
そして、該表皮深さδが、所定の導電性膜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の膜厚より大になるように発振回路１６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。
【００７０】
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５の（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図５は表皮効果センサにおけるコイル（平面状インダクタ）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。
【００７１】
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５（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。
【００７２】
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５（ｄ））。明らかに、先の発振周波数が１ＭＨｚで膜厚が１μｍの場合（図５（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。
【００７３】
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５（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。
【００７４】
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」は約１μｍ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。
【００７５】
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。
【００７６】
次いで、表皮効果センサ１２による特徴的な変化の検出作用及び研磨終了時点の予測方法を、図６及び図７の（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図７中の（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７の（ａ）〜（ｄ）では、平面インダクタ１７が、図を見やすくするため、丸形のスパイラルに表示されている。
【００７７】
平面インダクタ１７が発振回路１６から発振される高周波で駆動され、該平面インダクタ１７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２２に誘起される磁束φは、前記表皮深さδ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２２における表皮深さδを超えた領域への磁束φの侵入は回避される（図７（ａ））。また、表皮効果センサ１２から発振される共振周波数も所定の導電性膜２２の膜厚変化に関係なく一定に保持される（図７（ｅ）のａ領域）。
【００７８】
研磨が進行して所定の導電性膜２２が前記表皮深さδに対応した膜厚付近になると、一部の磁束φが所定の導電性膜２２を貫通して漏洩磁束φＬが生じ始める。所定の導電性膜２２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２２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７（ｂ））。
【００７９】
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２２の膜面に沿った広い領域に発生する（図７（ｃ））。この広い領域に発生した渦電流Ｉｅが、図６に示すように、さらに磁場Ｍを作り、その磁場Ｍが元の平面インダクタ１７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２２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、元の平面インダクタ１７の見かけ上のインダクタンスＬが低下する。その結果、表皮効果センサ１２から発振される発振周波数ｆは、式（３）のように増大する。
【００８０】
【数３】
【００８１】
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表皮効果センサ１２から発振される共振周波数が上昇する（図７（ｅ）のｂ、ｃの領域）。
【００８２】
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２２の膜厚体積の減少に伴い急速に減少する（図７（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、表皮効果センサ１２から発振される共振周波数が急速に低下する （図７（ｅ）のｄ領域）。
【００８３】
このように、研磨の進行により所定の導電性膜２２が表皮深さδに対応する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。この挙動により表皮効果センサ１２から発振される共振周波数の波形に上昇開始点、上昇率、上昇量、変曲点（ピーク）Ｐ及び上昇から下降の変化率を含む特徴的な変化が発生する。この上昇開始点、上昇率、上昇量、変曲点（ピーク）Ｐもしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれから研磨終了間際における研磨終了時点の予測と、前記多波長型分光式センサ１３が研磨終了時点を検出する際の検出範囲の設定が行われる。所定の導電性膜２２がＣｕの場合、変曲点Ｐが発生する時点の残膜量は、ほぼ１０００Å程度である。
【００８４】
なお、表皮効果センサ１２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変曲点Ｐを含む特徴的な変化を発生させて研磨終了時点の予測を行うことができる。相互インダクタンスの変化は前記式（３）を利用して表皮効果センサ１２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。
【００８５】
前記多波長型分光式センサ１３を、前記図２並びに図８乃至図１１を用いて説明する。図８は多波長型分光式センサ１３における分光器の構成図、図９はＴＥＯＳ／ＳｉＮ絶縁膜についてＴＥＯＳ部の研磨に伴う研磨面の色合いの変化を示す図、図１０はＣｕ膜とＴａ／酸化膜の波長に対する反射率変化を示す特性図、図１１は研磨時間に対する反射率積算値の変化及びＲ．Ｓ．Ａの変化を示す特性図である。
【００８６】
多波長型分光式センサ１３には、主として、白色光を発生するハロゲンランプ等の光源部２３、照射・受光光学系２４、受光部２５、分光器２６及び前記表皮効果センサ１２と共通のコンピュータ１５が備えられている。照射・受光光学系２４は、レンズ鏡筒内に図示しない集光レンズを内蔵しており、図示しないブラケットで支持されて前記観測窓１１の下方位置に設置されている。
【００８７】
光源部２３から出射した白色光が、ライトガイド２７によって照射・受光光学系２４へ導かれ、該照射・受光光学系２４で集光されたのち、プラテン２に設けられた観測窓１１を通して研磨パッド６上のウェーハＷに照射される。照射された白色光はウェーハＷ上の所定の導電性膜の研磨面で反射し、その反射光が照射・受光光学系２４で集光されてライトガイド２８ａを介して受光部２５で受光され、さらにライトガイド２８ｂを介して分光器２６へ導かれる。このように、光源部２３からの白色光及び所定の導電性膜からの反射光が、観測窓１１を通過するときに反射光データが取得されるので、前記制御部９によりプラテン２の回転と多波長型分光式センサ１３との間で同期がとられる。
【００８８】
図８に示すように、前記分光器２６には、入射スリット２９、平面鏡３０、凹面回折格子３１、アレイ受光素子３２及びマルチプレクサ３３が備えられている。前記ライトガイド２８ｂを介して分光器２６に導かれた反射光は、入射スリット２９を介して平面鏡３０により凹面回折格子３１に導かれる。そして、該凹面回折格子３１によって各波長ごとの反射光に分光され、アレイ受光素子３２に結像される。該結像された光は各波長ごとの反射光強度に応じた電気信号に変換され、マルチプレクサ３３を介してコンピュータ１５に出力される。
【００８９】
該コンピュータ１５のメモリには、リファレンス試料としての鏡からの反射による反射光量であるリファレンス光量及びウェーハ研磨装置１における観測窓１１部からの反射光量であるダークネス光量が取得されて予め記憶されている。コンピュータ１５では各波長におけるリファレンス光量からダークネス光量を差し引いた光量を１００％としたときの各反射光の割合が演算され、該コンピュータ１５に入力された各波長ごとの反射光強度が各波長ごとの反射率強度に換算される。そして、コンピュータ１５は、所定の終点検出アルゴリズムにしたがって各波長ごとの反射率強度に応じた電気信号を演算処理し、所定の導電性膜２２の研磨終点を検出する。
【００９０】
導電性膜２２の研磨終了時には、該導電性膜２２下層のバリア膜等の影響を受けて研磨面の色合いが光学的に変化する。色の度合いは、それぞれの波長の反射率の足し合わせから決定される。図９の（ａ）、（ｂ）は、一例としてＴＥＯＳ（有機オキシシランのＣＶＤによるＳｉＯ膜）／ＳｉＮ（シリコンナイトライド）の積層絶縁膜についてＴＥＯＳ部の研磨に伴う研磨面の各波長ごとの反射率の変化、即ち色合いの変化を示しており、（ａ）はＴＥＯＳ部を研磨時間について拡大して示す図、（ｂ）は研磨の進行に伴ないＳｉＮ部が露出したときの研磨面の色合いの変化を示している。この図９は、研磨の進行に伴う研磨面の各波長ごとの反射率の変化をモニタすることで、被研磨材の研磨状態を検出することができることを示している。
【００９１】
また、Ｃｕ膜は、ある波長領域の反射率強度に対し、これよりも高い別の波長領域の反射率強度が大になることが知られている。図１０は、このＣｕ膜と該Ｃｕ膜下層のバリア膜であるＴａ／酸化膜について波長に対する反射率変化を示している。この図１０中、ｒ曲線で示すように、Ｃｕ膜の場合、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率はほぼ０．７５％であるのに対し、７００〜７５０ｎｍ領域の反射率はほぼ１．１％に大になっている。Ｃｕ膜は、研磨前及び研磨中このような反射率曲線を維持している。これに対し、Ｔａ／酸化膜の場合は、ｓ曲線で示すように、４００〜７５０ｎｍの全白色光範囲について反射率は、高波長領域側で僅かに低下するが、ほぼ０．６％程度の値で変化の少ない特性を示している。
【００９２】
そして、Ｃｕ膜が研磨されて研磨面にＴａ／酸化膜が露出してくると、研磨面からの反射率は、Ｃｕ膜の反射率曲線であるｒ曲線から、Ｔａ／酸化膜の反射率曲線であるｓ曲線に移行する。したがって、５００〜５５０ｎｍ領域では反射率は僅かに低下するがその変化は少ない。これに対し、７００〜７５０ｎｍの波長領域では反射率は、ほぼ１．１％からほぼ０．６％程度の値に急激に低下する。そこで、本実施例の多波長型分光式センサ１３は、式（４）に示すように、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率強度の積算値に対する７００〜７５０ｎｍ領域の反射率強度の積算値の割合、即ちＲ．Ｓ．Ａ（Ratio of Spectral Area）の値を評価することで研磨の進行に伴うＣｕ膜の膜厚変化をモニタし、Ｃｕ膜の研磨終了時点を精度よく検出するようにしている。
【００９３】
【数４】
【００９４】
図１１は研磨時間に対する７００〜７５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｒ、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｓ及びＲ．Ｓ．Ａ値の各変化を示している。この図１１の変化特性から、Ｃｕ膜の研磨中、５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｓはほぼ０．７５の値で進行し、研磨終点ではほぼ０．６５程度の値にやや低下する。これに対し、７００〜７５０ｎｍ領域の反射率積算値Ｒはほぼ１．１の値で進行し、研磨終点では５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値とほぼ同じの０．６５程度の値に急激に低下する。
【００９５】
したがって、Ｃｕ膜の研磨中、Ｒ．Ｓ．Ａ値はほぼ（０．７５／１．１＝）０．６８程度の値を維持して進行し、研磨終点では１．０強の値に急上昇する。このＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化に対し、本実施例では、Ｒ．Ｓ．Ａ値に所定値の閾値Ｔを設定し、急上昇するＲ．Ｓ．Ａ値がこの閾値Ｔを超えた時点を研磨終了時点として検出している。
【００９６】
なお、Ｒ．Ｓ．Ａは、式（４）における分母（７００〜７５０ｎｍ領域の反射率積算値）と分子（５００〜５５０ｎｍ領域の反射率積算値）を逆にした形の値を用いても、研磨終了時点を検出することができる。このとき、Ｒ．Ｓ．Ａ値の変化特性は、図１１中に示す特性曲線とは逆に、研磨終点で急下降する特性曲線となる。
【００９７】
また、本実施例の多波長型分光式センサ１３は分光器２６を備えていることから、分光計として機能させることもできる。そして、この分光計により、ウェーハＷからの反射光を波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率強度の変化、例えば前記図１０中の７００〜７５０ｎｍ領域における反射率強度の変化に基づいて該反射率強度が所定の値に到達したか否かを判別し、この判別結果から研磨終了時点を検出することもできる。
【００９８】
次に、上述のように、それぞれ独立した動作原理を有する表皮効果センサ１２と多波長型分光式センサ１３とを有する研磨終点の予測及び検出装置の作用を図１２乃至図１４を用いて説明する。図１２は研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の予測及び検出作用を説明するためのフローチャート、図１３は研磨終了時点の他の検出作用を説明するためのフローチャート、図１４は表皮効果センサによる研磨終点予測信号の波形例及び多波長型分光式センサによる研磨終点検出信号の波形例を示す波形図である。
【００９９】
図１２のフローチャートを用いて研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の予測及び検出作用を説明する。ウェーハ研磨装置１によりウェーハＷ上の所定の膜の研磨が開始されると、制御部９からコンピュータ１５に向けて研磨開始信号が発信される（ステップＳ１）。コンピュータ１５は該研磨開始信号を受信すると（ステップＳ２）、研磨終点の予測及び検出を開始する（ステップＳ３）。そして、表皮効果センサ１２からセンサ信号を受け、所定のアルゴリズムにしたがって演算処理を実行し（ステップＳ４）、研磨終了時点を予測する（ステップＳ５）。また、これと並行してコンピュータ１５は分光器２６から各波長ごとの反射光強度に応じた電気信号を受け、この反射光強度を各波長ごとの反射率強度に換算した後、所定の終点検出アルゴリズムにしたがって演算処理を実行し（ステップＳ６）、前記研磨終点予測後の研磨終了時点を検出する（ステップＳ７）。そして、それぞれ検出された研磨終了時点の予測信号検出時間と研磨終了時点の検出信号検出時間との時間差が想定のマージンの範囲内であったときは （ステップＳ８のＹｅｓ）、ウェーハ研磨装置１の制御部９に研磨終点信号を出力し（ステップＳ９）、研磨工程を終了させる（ステップＳ１０）。一方、前記時間差が想定のマージン範囲外であったときは（ステップＳ８のＮｏ）、ウェーハ研磨装置１の制御部６にエラー信号を出力し（ステップＳ１１）、該制御部６からウェーハ研磨装置１にエラー発報を行わせる（ステップＳ１２）。
【０１００】
なお、前記ステップＳ５では、表皮効果センサ１２からセンサ信号により研磨終了時点を予測するとともにステップＳ７で研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定することで、研磨終了時点を一層確実且つ効率よく検出することができる。また、前記ステップＳ５で表皮効果センサ１２からセンサ信号により研磨終了時点の予測が行われた後は、該表皮効果センサ１２におけるインダクタへ供給する高周波の電流を低減もしくはオフにすることで、導電性膜に誘起される磁束が軽減ないしはオフにされて該導電性膜下方のデバイスウェーハに形成されている素子等に過剰な磁場を与えることが抑えられる。
【０１０１】
次いで、図１３のフローチャートを用いて研磨終了時点の他の検出作用を説明する。図１３のフローチャートにおけるステップＳ２１からステップＳ２７までの処理は、前記図１２のフローチャートにおけるステップＳ１からステップＳ７までの処理とほぼ同じである。この研磨終了時点の他の検出作用では、ステップＳ２５において表皮効果センサ１２からのセンサ信号による研磨終了時点の予測信号を研磨終了時点の検出信号と同等にみなしている。そして、ステップＳ２５とステップＳ２７の両ステップで研磨終了時点が検出されたとき、又はステップＳ２５とステップＳ２７のいずれかで研磨終了時点が検出されたとき（ステップＳ２８）、ウェーハ研磨装置１の制御部９に研磨終点信号を出力し（ステップＳ２９）、研磨工程を終了させる（ステップＳ３０）。
【０１０２】
次に、ウェーハ研磨装置１における研磨条件の設定並びに研磨終了時点の予測及び検出方法の具体例を説明する。
【０１０３】
まずウェーハ研磨装置１に対する研磨条件の設定は以下の通りである。
［研磨条件］
（消耗品）
スラリー：（株）フジミインコーポレーテッド社製 ＰＬ７１０５
研磨パッド：ローム＆ハース（株）社製 ＩＣ１４００ Ｋ−Ｇｒｖ
ドレス：＃１００、４ｉｎｃｈＤｉｓｃＴｙｐｅ
ウェーハ膜構成：Ｃｕ １０００ｎｍ／Ｔａ ２５ｎｍ／Ｏｘｉｄｅ ８００ｎｍ／Ｓｉ（研磨条件）
ウェーハ／リテーナ加圧：２．５ｐｓｉ／１．５ｐｓｉ
プラテン／研磨ヘッド回転数：９５ｒｐｍ／９３ｒｐｍ
スラリー流量：３００ｍｌ／ｍｉｎ
（インターバルドレス条件）
ドレス加重：４ｋｇｆ
プラテン／ドレス回転数：８０／８８ｒｐｍ
インターバルドレス時間：３０ｓｅｃ
ここで、図１４を用いて表皮効果センサ１２による研磨終点予測信号の波形例及び多波長型分光式センサ１３による研磨終点検出信号の波形例を示しながら、研磨終点の予測検出及び研磨終点検出の要領を説明する。図１４は、同時に両センサ１２，１３で信号測定をした結果である。両波形例のうちの一方は表皮効果センサ１２によって得られた表皮渦電流の波形であり、他方は多波長型分光式センサ１３によって得られたＲ．Ｓ．Ａ値の波形である。
【０１０４】
表皮効果センサ１２では、導電性膜を除去する直前に大きな変曲点Ｐを有する。その変曲点Ｐを過ぎると、急激にセンサ出力が低下し、研磨終了時点を迎える。それに対して、多波長型分光式センサ１３は、導電性膜が除去され表皮効果センサ１２によって得られた表皮渦電流が変曲点Ｐを迎える辺りのＱ点から急激にＲ．Ｓ．Ａ値の曲線が変化する。
【０１０５】
これらの挙動は、まず表皮効果センサ１２は、表皮効果によって侵入できなかった磁場が徐々に導電性膜内に侵入し始め、導電性膜表面に発生する渦電流が徐々に増加していく現象から、その後、磁場は導電性膜内に侵入するものの導電性膜そのものの膜厚減少により、導電性膜内に侵入した磁場によって生じる渦電流自体が実質的に減少する現象へ遷移することによって起こる。それより、その状態変化で研磨終了の直前にピークＰがでるため、このピークＰが研磨終点を正確に予測するポイントになる。
【０１０６】
一方、丁度この表皮効果によって侵入できなかった磁場が徐々に導電性膜内に入り出し、その磁場によって渦電流が変曲点Ｐを迎える辺りから、表面の導電性膜は光学的にも色合いが多少変化してくる。即ち、金属性膜とはいえ、一部の光はその金属膜を透過することができる。ここでは、そのピーク時点は約５５ｓｅｃ時点でその渦電流の形成により、表皮効果センサの信号強度はピークＰを迎える。この後、約４ｓｅｃ後である５９ｓｅｃ時点で研磨終了時点となる。このとき、予め多波長型分光式センサ１３の終点を告げる信号の閾値Ｔを５９ｓｅｃ±１ｓｅｃ程度として設定しておく。本具体例では、予め設定した４ｓｅｃ後である５９ｓｅｃ時点で多波長型分光式センサ１３よるＲ．Ｓ．Ａ値が予め設定した閾値Ｔを超えて、多波長型分光式センサ１３も研磨終点を検出する。
【０１０７】
これにより、両センサ１２，１３の研磨終了時点の予測及び研磨終了時点の検出が丁度合わさったことから、研磨終了時点は５９ｓｅｃとして５９ｓｅｃで研磨を止めることが可能となる。これが、仮に多波長型分光式センサ１３の研磨終点検出が、先に検出した表皮効果センサ１２の予測と大幅にずれた場合、センサ異常ということで、直ぐさま研磨を終了させるとともに、その後の研磨を停止することも可能となる。何が原因して双方の予測検出と終点検出がずれたかを、この後に調べればよい。このようにして、両センサ１２，１３を使用して、正確に研磨の終了時点を予測及び検出し、ウェーハ研磨装置１の研磨終了を検出することが可能となる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
図は本発明の実施例に係る研磨終点の予測及び検出方法とその装置を示すものである。
【図１】研磨終点の予測及び検出装置が組み込まれたウェーハ研磨装置の斜視図。
【図２】ウェーハ研磨装置に組み込まれた表皮効果センサ及び多波長型分光式センサのブロック図。
【図３】表皮効果センサ（インダクタ型センサ）の詳細構成を示すブロック図。
【図４】表皮効果センサ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５】表皮効果センサにおける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６】表皮効果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７】ウェーハ研磨装置による導電性膜の研磨削除に伴う表皮効果による磁束等の変化例及び特徴的な変化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８】多波長型分光式センサにおける分光器の構成図。
【図９】ＴＥＯＳ／ＳｉＮ絶縁膜についてＴＥＯＳ部の研磨に伴う研磨面の色合いの変化を示す図であり、（ａ）はＴＥＯＳ部を研磨時間について拡大して示し、（ｂ）は研磨の進行に伴ないＳｉＮ部が露出したときの研磨面の色合いの変化を示す図。
【図１０】Ｃｕ膜とＴａ／酸化膜の波長に対する反射率変化を示す特性図。
【図１１】研磨時間に対する反射率積算値の変化及びＲ．Ｓ．Ａの変化を示す特性図。
【図１２】研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の予測及び検出作用を説明するためのフローチャート。
【図１３】研磨終点の予測及び検出装置による研磨終了時点の他の検出作用を説明するためのフローチャート。
【図１４】表皮効果センサによる研磨終点予測信号の波形例及び多波長型分光式センサによる研磨終点検出信号の波形例を示す波形図。
【符号の説明】
【０１１０】
１ ウェーハ研磨装置
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 ノズル
８ 回転軸
９ 制御部
１０ 観測孔 １１ 観測窓
１２ 表皮効果センサ（第１のセンサ）
１３ 多波長型分光式センサ（第２のセンサ）
１４ スリップリング
１５ コンピュータ
１６ 発振回路
１７ 平面インダクタ
１８ 集中定数キャパシタ
１９ 増幅器
２０ フィードバック・ネットワーク
２１ 周波数カウンタ
２２ 所定の導電性膜
２３ 光源部
２４ 照射・受光光学系
２５ 受光部
２６ 分光器
２７ ライトガイド
２８ ライトガイド
２９ 入射スリット
３０ 平面鏡
３１ 凹面回折格子
３２ アレイ受光素子
３３ マルチプレクサ
【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終了時点を予測及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、
研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、研磨終了時点を検出することを特徴とする研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項２】
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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、
研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに前記第２のセンサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定する機能を有し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、前記検出範囲内に存在する研磨終了時点を検出することを特徴とする研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項３】
上記導電性膜に誘起される磁束を軽減するないしはオフする方法として、上記表皮効果センサに備えられたインダクタへ供給する電流を低減するもしくはオフすることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨終点の予測及び検出方法。
【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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、
前記所定の導電性膜に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、前記所定の導電性膜の表皮効果に基づき研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が増大する過程と、そのまま研磨を進めた場合、研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が実質的に減少する過程とが存在し、その導電性膜に誘起される磁束の特徴的な変化を基に研磨終了時点を予測するとともに、ウェーハに光を照射し、その反射光をモニタし、その反射光を分光計で波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率の変化に基づいて、該反射率が所定の値に到達したか否かを判別し、研磨終了時点を検出することを特徴とする研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項５】
上記磁束変化における特徴的な変化は、変曲点、上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項６】
表皮効果センサ又はインダクタ型センサのいずれかで構成された第１のセンサと、多波長型分光式センサ又は分光計式センサのいずれかで構成された第２のセンサとを有し、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及び検出する研磨終点の予測及び検出装置であって、
請求項１，２，３，４又は５記載の研磨終点の予測及び検出方法を実行することを特徴とする研磨終点の予測及び検出装置。
【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終了時点を予測及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、
研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、研磨終了時点を検出することを特徴とする研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項２】
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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、
研磨中にウェーハに対向する部分に第１のセンサと第２のセンサを配置し、前記第１のセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による磁束変化を基に研磨終了時点を予測する表皮効果センサを使用し、前記所定の導電性膜としてのＣｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づく特徴的な変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに前記第２のセンサが研磨終了時点を検出する際の検出範囲を設定する機能を有し、前記第２のセンサは、多波長型分光式センサであって、前記検出範囲内に存在する研磨終了時点を検出することを特徴とする研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項３】
上記導電性膜に誘起される磁束を軽減するないしはオフする方法として、上記表皮効果センサに備えられたインダクタへ供給する電流を低減するもしくはオフすることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨終点の予測及び検出方法。
【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及び検出する研磨終点の予測及び検出方法であって、
前記所定の導電性膜に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、前記所定の導電性膜の表皮効果に基づき研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が増大する過程と、そのまま研磨を進めた場合、研磨による膜厚減少に伴って形成される渦電流が実質的に減少する過程とが存在し、その導電性膜に誘起される磁束の特徴的な変化を基に研磨終了時点を予測するとともに、ウェーハに光を照射し、その反射光をモニタし、その反射光を分光計で波長に対する反射率に分け、特定の波長帯域における反射率の変化に基づいて、該反射率が所定の値に到達したか否かを判別し、研磨終了時点を検出することを特徴とする研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項５】
上記磁束変化における特徴的な変化は、変曲点、上昇開始点、上昇率、上昇量もしくは上昇から下降の変化率の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の研磨終点の予測及び検出方法。
【請求項６】
表皮効果センサ又はインダクタ型センサのいずれかで構成された第１のセンサと、多波長型分光式センサ又は分光計式センサのいずれかで構成された第２のセンサとを有し、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及び検出する研磨終点の予測及び検出装置であって、
請求項１，２，３，４又は５記載の研磨終点の予測及び検出方法を実行することを特徴とする研磨終点の予測及び検出装置。
【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】
【公開番号】特開２０１０−７３７１９（Ｐ２０１０−７３７１９Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３６１５８（Ｐ２００８−２３６１５８）
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１６日（２００８．９．１６）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
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