JP2003106805A

JP2003106805A - 渦電流センサ

Info

Publication number: JP2003106805A
Application number: JP2002134657A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Tada; 光男多田; Hironobu Yamazaki; 裕延山崎; Yasunari Sudo; 康成須藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: JP3587822B2; JP4421399B2; JP2007318169A; JP2004301857A

Abstract

(57)【要約】【課題】例えば半導体基板上に形成されるごく薄い導
電性膜から比較的厚い導電性膜まで正確に膜厚等の検出
を行うことができる渦電流センサを提供する。【解決手段】導電性膜の近傍に配置されるセンサコイ
ルと、センサコイルに交流信号を供給して導電性膜に渦
電流を形成する信号源と、導電性膜に形成された渦電流
をセンサコイルにより検出する検出回路とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は渦電流センサに係
り、特に半導体ウエハ等の基板の表面に形成した導電性
膜の膜厚等を検出するのに好適な渦電流センサ、および
導電性膜の検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に配線回路を形成するため
に、銅めっきを行い、形成された銅めっき層のうち、不
要部分を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去し、銅配線
層を形成するプロセスが知られている。このような場合
に、化学機械研磨（ＣＭＰ）において、銅めっき層の研
磨の進行状況を正確に管理する必要がある。このような
膜厚管理として、光学的センサを用いた方法や、導電性
膜に生じる渦電流の大きさから導電性膜の膜厚を計測す
る渦電流センサを用いた方法等が知られている。

【０００３】光学的センサを用いた方法においては、光
の波長を基準として膜厚を計測するため、正確な膜厚の
検出が可能である。ところが、例えば上述の化学機械研
磨において、研磨中の半導体基板上の導電性膜の膜厚を
検出するためには、研磨途中の基板を直接観測可能な位
置に開口等を設ける必要がある。しかしながら、化学機
械研磨装置にそのような開口を設けることは、装置の研
磨特性上好ましいことではない。

【０００４】一方で、渦電流センサは、例えば化学機械
研磨装置における研磨工具の内部に装着することも可能
であり、研磨中の半導体基板の研磨の状況を非接触で研
磨工具に開口等を設けることなく観測することが可能で
ある。しかしながら、一般に渦電流センサは半導体基板
の表面に設けられた導電性膜に渦電流を形成し、この渦
電流により間接的に膜厚の計測を行うものであるので、
正確な膜厚の検出が困難であるという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に鑑みてなされたもので、例えば半導体基板上に形成さ
れるごく薄い導電性膜から比較的厚い導電性膜まで正確
に膜厚等の検出を行うことができる渦電流センサを提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明の渦電流センサは、導電性膜の近傍に配置さ
れるセンサコイルと、該センサコイルに交流信号を供給
して前記導電性膜に渦電流を形成する信号源と、前記導
電性膜に形成された渦電流を前記センサコイルにより検
出する検出回路とを備えたことを特徴とするものであ
る。

【０００７】これにより、発振周波数は固定したまま
で、例えば極薄領域の抵抗成分の変化を見ることで、そ
の領域の膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出するこ
とが可能である。また、導電性膜の比較的厚い膜厚領域
において、リアクタンス成分の変化を見ることで、その
領域の膜厚の変化を直線的に良好な感度で検出すること
が可能である。また、抵抗成分とリアクタンス成分を含
めたインピーダンスの変化を見ることで、極薄の膜厚か
ら比較的厚い膜厚まで、広いダイナミックレンジで膜厚
の変化を直線的に良好な感度で検出することが可能であ
る。例えば、高比抵抗の薄い膜厚の導電性膜における渦
電流損の検出が可能となり、バリア層を構成するタンタ
ル（Ｔａ）等のオングストロームオーダの薄膜の研磨状
態を検出することができる。それ故、半導体ウエハ等を
研磨するポリッシング装置において、渦電流センサを用
いて、格段に精度の高い研磨終点の検出が行える。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図１３を参照して
本発明の実施形態について説明する。

【０００９】図１（ａ）は、本発明の実施形態の渦電流
センサを示す。検出対象の導電性膜１の近傍にセンサコ
イル２を配置し、そのコイルに交流信号源３を接続した
状態を示す。ここで、検出対象の導電性膜１は例えば半
導体ウエハＷ上に形成された厚さが０〜１μｍ程度の銅
めっき膜、或いはその下地に形成された厚さがオングス
トロームオーダのバリア層である。バリア層は、Ｔａ，
ＴａＮ，Ｔｉｎからなる高抵抗層であり、この膜厚検出
は上述した化学機械研磨における終点を正確に検出する
上で重要である。センサコイル２は、１〜数ターンのコ
イルであり、検出対象の導電性膜に対して例えば１０〜
２０ｍｍ程度の近傍に配置される。交流信号源３は、８
〜３２ＭＨｚ程度の固定周波数の発振器であり、例えば
水晶発振器が用いられる。

【００１０】また、センサコイル２の端部には、導電性
膜１に形成された渦電流を前記センサコイルにより検出
する同期検波回路５が接続されている。この同期検波回
路５は、導電性膜１を含めてセンサコイル２側を見たイ
ンピーダンスを計測することが可能である。

【００１１】図１（ｂ）は、交流信号源とセンサコイル
と導電性膜との間の等価回路を示す。交流信号源３によ
り供給される交流電圧により、センサコイル２に電流Ｉ
_１が流れる。導電性膜１の近傍に配置されたコイル２に
電流が流れることで、この磁束が導電性膜１と鎖交する
ことでその間に相互インダクタンスＭが形成され、導電
性膜１中に渦電流Ｉ_２が流れる。ここでＲ１はセンサコ
イルを含む一次側の等価抵抗であり、Ｌ１は同様にセン
サコイルを含む一次側の自己インダクタンスである。導
電性膜２側では、Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗で
あり、Ｌ２はその自己インダクタンスである。交流信号
源３の端子ａ，ｂからセンサコイル側を見たインピーダ
ンスＺは、導電性膜１中に形成される渦電流損の大きさ
によって変化する。

【００１２】図２は、交流信号源側から見たインピーダ
ンスＺの変化を示す。横軸は抵抗成分（Ｒ）であり、縦
軸はリアクタンス成分（Ｘ）である。点Ａは膜厚が例え
ば１００μｍ以上と極めて大きい場合である。この場合
には、交流信号源３の端子ａ，ｂからセンサコイル２側
を見たインピーダンスＺは、センサコイルに近接して配
置された導電性膜１の渦電流が極めて大きく、センサコ
イル２と等価的に並列に接続された抵抗成分（Ｒ_２）と
リアクタンス成分ｊω（Ｍ＋Ｌ_２）が極めて小さくな
る。従って、抵抗成分（Ｒ）およびリアクタンス成分
（Ｘ）が共に小さくなる。

【００１３】研磨が進行し導電性膜が薄くなると、セン
サコイル入力端（端子ａ，ｂ）から見たインピーダンス
Ｚは、抵抗成分（Ｒ_２）が増大し、リアクタンス成分ｊ
ω（Ｍ＋Ｌ_２）も増大する。センサコイル入力端から見
たインピーダンスＺの抵抗成分（Ｒ）が最大となる点を
Ｂで示す。この時、センサコイル入力端から見た渦電流
損が最大となる。さらに研磨が進行し、導電性膜がより
薄くなると、渦電流が減少し、センサコイルから見た抵
抗成分は、渦電流損が徐々に減少することから、抵抗
（Ｒ）成分は徐々に小さくなる。そして、導電性膜が全
て研磨により除去されると、そこには渦電流損が存在せ
ず、等価的に並列接続された抵抗成分（Ｒ _２）は無限大
となり、センサコイル自体の抵抗分（Ｒ_１）のみが残る
ことになる。この時のリアクタンス成分（Ｘ）は、セン
サコイル自体のリアクタンス成分（Ｌ_１）である。この
状態を、点Ｃで示す。

【００１４】実際に、例えばシリコン酸化膜中に設けら
れた溝に銅配線を、いわゆるダマシンプロセスで形成す
る場合には、シリコン酸化膜上に窒化タンタル（Ｔａ
Ｎ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等のバリア層が設けられ、
その上に導電率の高い銅またはタングステン等の金属配
線が設けられる。従って、これらの導電性膜の研磨にあ
たっては、バリア層の研磨の終点検出が重要となる。と
ころが、バリア層は上述したように窒化タンタル（Ｔａ
Ｎ）または窒化チタン（ＴｉＮ）等の導電率が比較的低
く、かつ膜厚がオングストロームオーダの極めて薄い膜
が採用されている。

【００１５】本発明の実施形態の渦電流センサにおいて
は、このようなバリア層の研磨終点近傍の膜厚検出が容
易に可能となる。即ち、図２に示す、点Ｄは例えば膜厚
が１０００Å程度の位置を示し、これより膜厚がゼロと
なる、点Ｃに向けて、膜厚の変化に対応して抵抗成分の
変化が極めて大きく、かつ略直線的に変化する。この時
に、リアクタンス成分（Ｘ）は、図示するように抵抗成
分と比較して、極めて変化量が小さい。このため、リア
クタンス分の変化に伴って生じる発振周波数の変化に基
づいて膜厚を検出するという原理に基づく従来の渦電流
センサでは、この膜厚変化に対して発振周波数の変化は
極めて小さい。このため、周波数変化の分解能を上げる
ためには、周波数を高くする必要があった。しかしなが
ら、この渦電流センサによれば、発振周波数は固定した
ままで、抵抗成分の変化を見ることにより膜厚の変化を
検出するものであるので、比較的低い周波数でこの極め
て薄い膜厚の研磨状態を明瞭に観察することが可能とな
る。

【００１６】図３は、オングストロームオーダの微細な
導電性層の膜厚の検出結果を示す。それぞれ横軸は残膜
厚を示し、縦軸の実線は抵抗成分（Ｒ）を示し、点線は
リアクタンス成分（Ｘ）を示している。図３（ａ）は、
タングステン（Ｗ）膜に関するデータであり、１０００
Å以下の微細な残膜厚で抵抗成分の変化を見ることによ
り明瞭に膜厚の変化を検出できることがわかる。図３
（ｂ）は、窒化チタン（ＴｉＮ）膜に関するデータであ
り、同様に１０００Å以下の領域で膜厚の変化を明瞭に
検出できる。図３（ｃ）は、チタン（Ｔｉ）膜に関する
データであり、図示するように、膜厚が５００〜０Åに
変化する間に、その抵抗成分が大幅に変化することで、
明瞭にその膜厚の変化を検出することができる。

【００１７】交流信号源の発振周波数は、導電率が比較
的低いバリア層の検出では、発振周波数を例えば３２Ｍ
Ｈｚ程度に高くすることが望ましい。発振周波数を高く
することにより、バリア層の０〜２５０Åの膜厚の変化
を明瞭に観察することができる。これに対して、例えば
銅膜等の導電率が比較的高い金属においては、８ＭＨｚ
程度の低い発振周波数でも明瞭に膜厚の変化の検出が可
能である。また、タングステン膜の場合には、１６ＭＨ
ｚ程度の発振周波数が好適である。このように、研磨対
象膜の種類に対応して、発振周波数を選択することが好
ましい。

【００１８】図３に示す各例において、抵抗成分（Ｒ）
の変化に対して、リアクタンス成分（Ｘ）の変化は極め
て小さい。バリア層の膜厚検出例で、タンタル膜におい
て、残膜厚が０Åと２５０Åでリアクタンス成分（Ｘ）
の変化は、０．００５％であった。これに対して抵抗成
分（Ｒ）の変化は、１．８％であった。よって、検出感
度の向上はリアクタンス成分の変化を見る方式に対し
て、約３６０倍検出感度が向上することになる。

【００１９】図４は、交流信号源側からセンサコイル側
を見たインピーダンスＺの計測回路例を示す。上述した
膜厚の検出例は、主として抵抗成分（Ｒ）の変化に着目
したものであるが、図４に示すインピーダンスＺの計測
回路においては、膜厚の変化に伴う抵抗成分（Ｒ）、リ
アクタンス成分（Ｘ）、振幅出力（Ｚ）および位相出力
（ｔａｎ^−１Ｒ／Ｘ）を取り出すことができる。従っ
て、これらの信号出力を用いることで、例えば振幅の大
きさにより膜厚を計測するなど、より多面的な研磨の進
行状況のチェックが可能となる。

【００２０】センサコイル２は検出対象の導電性膜１を
備えた半導体ウエハＷの近傍に配置される。センサコイ
ル２に交流信号を供給する信号源３は、水晶発振器から
なる固定周波数の発振器であり、例えば、８，１６，３
２ＭＨｚの固定周波数の電圧を供給する。信号源３で形
成される交流電圧は、バンドパスフィルタ１０２を介し
てセンサコイル２に供給される。センサコイル２の端子
で検出された信号は、高周波アンプ１０３および位相シ
フト回路１０４を経て、ｃｏｓ同期検波回路１０５およ
びｓｉｎ同期検波回路１０６からなる同期検波部により
検出信号のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とが取り出される。
ここで、信号源３で形成される発振信号は、位相シフト
回路１０４により信号源３の同相成分（０゜）と直交成
分（９０゜）の２つの信号が形成され、それぞれｃｏｓ
同期検波回路１０５とｓｉｎ同期検波回路１０６とに導
入され、上述の同期検波が行われる。

【００２１】同期検波された信号は、ローパスフィルタ
１０７，１０８により、信号成分以上の不要な高周波成
分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分
（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス
成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取り出される。また、ベク
トル演算回路１０９により、抵抗成分（Ｒ）出力とリア
クタンス成分（Ｘ）出力とから振幅出力（√Ｒ^２＋
Ｘ^２）が得られる。また、ベクトル演算回路１１０によ
り、同様に抵抗成分出力とリアクタンス成分出力とから
位相出力（ｔａｎ^−１Ｒ／Ｘ）が得られる。

【００２２】図５は、本発明の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１０は、導電
性膜に渦電流を形成するためのコイルと、導電性膜の渦
電流を検出するためのコイルとを分離したもので、ボビ
ン１１に巻回された３層のコイル１２，１３，１４によ
り構成されている。ここで中央のコイル１２は、交流信
号源３に接続される発振コイルである。この発振コイル
１２は、交流信号源３より供給される電流の形成する磁
界により、近傍に配置される半導体ウエハＷ上の導電性
膜１に渦電流を形成する。ボビン１１の上側（導電性膜
側）には、検出コイル１３が配置され、導電性膜に形成
される渦電流により発生する磁界を検出する。そして、
発振コイル１２の検出コイル１３と反対側にはバランス
コイル１４が配置されている。

【００２３】コイル１２，１３，１４は、この実施形態
においては同じターン数（例えば４ターン）のコイルに
より形成され、検出コイル１３とバランスコイル１４と
は互いに逆相に接続されている。従って、コイル１３，
１４に鎖交する同一磁束に対して、発生する起電力が互
いに打ち消し合うように結線されている。コイル１２，
１３，１４の直径は、例えば１５ｍｍ程度である。

【００２４】図６は、各コイルの接続例を示す。検出コ
イル１３とバランスコイル１４とは、上述したように直
列回路を構成し、その両端は図６に示すように可変抵抗
１６を含む抵抗ブリッジ回路１７に接続されている。可
変抵抗１６の抵抗値を調整することで、コイル１３，１
４からなる直列回路の出力電圧が、導電性膜が存在しな
いときにはゼロとなるように調整可能としている。コイ
ル１２は交流信号源３に接続され、交番磁束を生成する
ことで、近傍に配置される導電性膜１に渦電流を形成す
る。即ち、センサコイル１０の近傍に導電性膜が存在せ
ず、ここに渦電流が形成されていないときには、互いに
逆相に接続されたコイル１３，１４からなる直列回路の
出力がゼロとなるように可変抵抗１６を調整する。従っ
て、コイル１２が交番磁束を発生させても、コイル１
３，１４の互いに逆相に接続された直列回路には出力は
現れない。

【００２５】そして、導電性膜が検出コイル１３の近傍
に存在する時には、導電性膜中に形成される渦電流によ
って生じる磁束が検出コイル１３とバランスコイル１４
とに鎖交するが、検出コイル１３のほうが導電性膜に近
い位置に配置されているので、両コイル１３，１４に生
じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより導電性膜の
渦電流によって形成される鎖交磁束を検出することがで
きる。即ち、交流信号源に接続された発振コイル１２か
ら、検出コイル１３とバランスコイル１４との直列回路
を分離して、抵抗ブリッジ回路でバランスの調整を行う
ことで、ゼロ点の調整が可能である。従って、導電性膜
に流れる渦電流をゼロの状態から検出することが可能に
なるので、導電性膜中の渦電流の検出感度が高められ
る。これにより、広いダイナミックレンジで導電性膜に
形成される渦電流の大きさの検出が可能となる。

【００２６】図７は、導電性膜の膜厚の変化に伴うセン
サコイル１０の検出端子側に現れる同期検波出力を示す
もので、図７（ａ）は、導電性膜の膜厚の変化に対する
リアクタンス分（Ｘ＝ωＬ）の変化を示す。膜厚の変化
に対するリアクタンス分の変化の関係は、膜厚が厚い方
から薄い方に変化するに従ってリアクタンス分Ｘが図示
するように変化する。即ち、導電性膜の膜厚は、極薄膜
厚の領域（ａ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ωＬ）
が少なく、膜厚が厚くなる領域（ｂ）ではリアクタンス
分の変化（Ｘ＝ωＬ）は大きくなる。さらにそれ以上の
膜厚の領域（ｃ）ではリアクタンス分の変化（Ｘ＝ω
Ｌ）は飽和する。

【００２７】図７（ｂ）は、導電性膜の膜厚の変化に対
する抵抗分の変化を示す。膜厚の変化に対する抵抗分の
変化の関係は、膜厚が厚い方から薄い方に変化するに従
って、抵抗分Ｒが図示するように変化する。即ち、極薄
膜厚の領域（ａ）では抵抗分Ｒの出力が直線的に大きく
変化し、ある厚さの領域（ｂ）になると抵抗分Ｒの変化
は飽和し、更に膜厚が厚くなる領域（ｃ）においては抵
抗分Ｒの出力が低下する。ここで、銅膜の場合は、
（ａ）点が約１０００Å程度を示し、（ｂ）点が２００
０−３０００Åを示し、（ｃ）点が５０００Å以上を示
す。

【００２８】抵抗成分とリアクタンス成分の出力をそれ
ぞれ二乗し、平方することでベクトル演算回路により導
電性膜の膜厚に対応した合成インピーダンスＺを出力す
ることが可能である。図７（ｃ）は、導電性膜の膜厚と
合成インピーダンスＺとの関係を示す。図７（ｃ）から
明らかなように、合成インピーダンスＺでは、膜厚の変
化に対して出力が直線的に変化する領域が、図７（ａ）
または（ｂ）の抵抗分またはリアクタンス分を単独に計
測するのと比較して格段に拡張する。即ち、合成インピ
ーダンスＺによれば、ダイナミックレンジの広い導電性
膜の膜厚の計測が可能になる。

【００２９】図８は、これらの渦電流センサを備えたポ
リッシング装置の全体構成を示す縦断面図である。図８
に示されるように、ポリッシング装置は、ターンテーブ
ル２１と、半導体ウエハＷを保持しつつターンテーブル
２１の研磨布２２に押圧するトップリング（保持具）２
５とを具備している。ターンテーブル２１はモータ２７
に連結されており、矢印で示すようにその軸心回わりに
回転可能になっている。また、トップリング２５は、モ
ータ（図示せず）に連結されるとともに昇降シリンダ
（図示せず）に連結されている。これによって、トップ
リング２５は、矢印で示すように昇降可能かつその軸心
回りに回転可能になっており、半導体ウエハＷを研磨布
２２に対して任意の圧力で押圧することができるように
なっている。トップリング２５はトップリングシャフト
３２に連結されており、またトップリング２５はその下
面にポリウレタン等の弾性マット２７を備えている。ま
たトップリング２５の下部外周部には、半導体ウエハＷ
の外れ止めを行うガイドリング２６が設けられている。
また、ターンテーブル２１の上方には研磨砥液ノズル２
８が設置されており、研磨砥液ノズル２８によってター
ンテーブル２１に貼設された研磨布２２上に研磨砥液Ｑ
が供給されるようになっている。

【００３０】図８に示すように、ターンテーブル２１内
にはセンサコイル１０が埋め込まれている。センサコイ
ル１０の接続ケーブルは、ターンテーブル２１およびタ
ーンテーブル支持軸２１ａ内を通り、ターンテーブル支
持軸２１ａの軸端に設けられたロータリコネクタ（また
はスリップリング）３４を経由してコントローラ３５に
接続されている。コントローラ３５は交流信号源および
同期検波回路を含み、その出力は表示装置（ディスプレ
イ）３６に接続されている。

【００３１】図９は、図８に示すポリッシング装置の平
面図である。図示するように、センサコイル１０ａ〜１
０ｆ（２，１０）は、トップリング２５に保持された研
磨中の半導体ウエハＷの中心Ｃｗを通過する位置に、こ
の場合は６ヶ所に設置されている。符号Ｃ_Ｔはターンテ
ーブル２１の回転中心である。センサコイル１０ａ〜１
０ｆは、半導体ウエハＷの下方を通過している間、通過
軌跡上で連続的に半導体ウエハＷのＣｕ層およびバリア
層等の導電性膜の膜厚を検出できるようになっている。
ここで、センサコイルの周波数を高低の複数種類用いる
ようにしてもよい。これにより、高い方でバリア層の膜
厚変化を主として検出し、低い方で導電層の膜厚変化を
主として検出する等の管理を行うことができる。

【００３２】この場合は、センサコイルを６ヶ所に配置
しているが、配置数は適宜変更することができる。ま
た、ターンテーブルに研磨布を配置した例について説明
したが、固定砥粒プレートを用いるようにしてもよい。
また、この場合には固定砥粒プレート内にセンサコイル
を配置するようにしてもよい。なお、ターンテーブルは
１テーブルでなく複数テーブルタイプにも対応可能であ
る。また、ターンテーブルは研磨面を有するベルトやウ
エブ（Ｗｅｂ）に代用できる。

【００３３】上記構成のポリッシング装置において、ト
ップリング２５の下面に半導体ウエハＷを保持させ、半
導体ウエハＷを回転しているターンテーブル２１の上面
の研磨布２２に昇降シリンダにより押圧する。一方、研
磨砥液ノズル２８から研磨砥液Ｑを流すことより、研磨
布２２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハＷ
の被研磨面（下面）と研磨布２２の間に研磨砥液Ｑが存
在した状態でポリッシングが行われる。

【００３４】この研磨中に、センサコイル１０ａ〜１０
ｆは、ターンテーブル２１が一回転する毎にそれぞれ半
導体ウエハＷの被研磨面の直下を通過する。この場合、
センサコイル１０ａ〜１０ｆは半導体ウエハＷの中心Ｃ
ｗを通る軌道上に設置されているため、センサの移動に
伴って半導体ウエハＷの被研磨面の円弧状の軌道上で連
続的に膜厚検出が可能である。そして、この場合には、
センサコイルが６ヶ所に設けられているので、断続的に
ではあるが短い間隔で研磨の進行状況をいずれかのセン
サコイルで検出できる。

【００３５】従来の渦電流センサを用いた終点検出方法
では、該渦電流センサをトップリング内に設けていたた
め、半導体ウエハ上に形成されたＣｕ層等の導電性膜の
膜厚はセンサコイルの直下しか計測できないという欠点
があった。この場合、トップリング側に埋め込むセンサ
の数を増やせば、膜厚の計測箇処は増加するが、それで
も、互いに離間した複数点（または多数点）の断続的な
計測値が得られるにすぎず、連続したプロファイルとし
ての計測値を得ることができないという問題点があっ
た。またセンサ数の増加に伴って、装置コストが増加す
るとともに信号処理が複雑になるという問題点があっ
た。ターンテーブルにセンサコイルを配置した本方式で
は、研磨中に、センサコイルは、ターンテーブルが一回
転する間に半導体基板の被研磨面の直下を通過する。こ
の場合、センサコイルは半導体基板の中心を通る軌道上
に設置されているため、センサコイルに対する相対的移
動に伴って半導体基板の被研磨面の円弧状の軌道上で連
続的に膜厚検出が可能である。

【００３６】図１０（ａ）（ｂ）に示すように、研磨が
進行するにつれて、センサコイル１０ａ〜１０ｆの信号
をコントローラ３５で処理した値は漸次減少してゆく。
即ち、導電性膜の膜厚が減少するにつれて、センサコイ
ル１０ａ〜１０ｆの信号をコントローラ３５で処理した
値である検出値が減少してゆく。したがって、予め、導
電性膜が配線部を除いて除去されたときの検出値の値を
調べておけば、検出出力の値をモニターすることによ
り、ＣＭＰプロセスの終点を検出できる。

【００３７】図１１は、膜厚と発振周波数との関係を較
正した例を示す。例えば、１０００Å（ｔ_１）または２
００Å（ｔ_２）等の基準ウエハを準備し、この基準ウエ
ハにおける検出出力を測定し、これらの点を基準点とす
る。そして、実際の研磨の進行状況に伴う検出出力に対
する膜厚変化のデータを取得し、これを点線で示す。こ
の検出出力は、抵抗成分出力、リアクタンス成分出力、
インピーダンス（振幅）出力、位相出力が可能である。
このデータを上記基準点に対して最小二乗法等の手法に
よりカーブを形成する。このような手法により、渦電流
センサの特性を較正しておくことで、検出出力の変化か
ら直接膜厚の変化を読みとることが可能となる。このよ
うな渦電流センサを多数備えたポリッシング装置によれ
ば、終点検出を半導体ウエハの全面について行うことが
でき、且つ短時間間隔で行うことができる。そして、上
述したようにバリア層であるＴａ、ＴａＮ、ＴｉＮ層等
の研磨終点を検出できるので、極めて高精度の研磨終点
の検出を行える。

【００３８】また、導電性膜が配線部を除いて除去され
ることを渦電流センサと光学式センサの両者からの信号
を処理し、モニターすることにより検出し、ＣＭＰプロ
セスの終点を決定するようにしてもよい。図１２は、こ
のようなポリッシング装置の構成例を示す。ベルト状研
磨パッド４１がローラ４２，４３により回転駆動され、
トップリング（保持具）４５に保持された研磨対象物
（半導体ウエハ）が回転しつつ研磨パッド４１に押圧さ
れる。研磨対象物の被研磨面は研磨パッド（研磨面）に
摺接され、これにより研磨が進行する。トップリングの
直下には、上記渦電流センサと光学式センサを備えた支
持体４６が配置され、被研磨面の表面状態をモニタす
る。ここで、穴４７（図１２（ａ）参照）および切欠き
４８（図１２（ｂ）参照）は、光学式センサが研磨面の
表面状態を観察するためのものである。

【００３９】本実施の形態においては、導電性膜として
Ｃｕ層およびバリア層について説明したが、Ｃｒ，Ｗ，
Ｔｉ等の他の金属であってもよい。また、渦電流セン
サ信号、ターンテーブルモータもしくはトップリング
モータの電流信号、テーブル内もしくはテーブル外に
設けた光学的手段による研磨面への入射および反射の光
学信号、研磨面の温度信号を単独または適切なる組合
せにより使用することにより、研磨終点の検出性能を向
上させることもできる。

【００４０】図１３は、本発明の渦電流センサをめっき
槽に配置した例を示す。めっき槽５１には金属めっき膜
を被着する半導体ウエハＷが配置され、治具５２に固定
されている。治具５２の内部にはセンサコイル１０が配
置され、コントローラ５３に接続されている。コントロ
ーラ５３には交流信号源および同期検波回路を備え、半
導体ウエハＷ上に被着する金属めっき膜の膜厚を検出す
る。これにより、めっき膜の形成状況を非接触で確実に
把握することができる。

【００４１】なお、本発明の渦電流センサは、上述の図
示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸
脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論
である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、導
電性膜の検出を極薄膜から比較的厚い膜迄高精度で行え
る。これにより、例えば半導体ウエハ上に形成されるバ
リア層等の極薄の高抵抗層の研磨時の膜厚管理も可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の渦電流センサの構成を示
すブロック図である。

【図２】図１に示す渦電流センサによる膜厚の変化に伴
う抵抗成分（Ｒ）・リアクタンス成分（Ｘ）の推移軌跡
を示す図である。

【図３】膜厚の変化による抵抗成分（Ｒ）およびリアク
タンス成分（Ｘ）の変化例を示す図である。

【図４】同期検波回路の構成例を示す図である。

【図５】センサコイルの構成例を示す図である。

【図６】図５に示すセンサコイルの接続例を示す図であ
る。

【図７】導電性膜の膜厚と同期検波出力の関係を示すグ
ラフであり、（ａ）はリアクタンス成分の変化を示し、
（ｂ）は抵抗成分の変化を示し、（ｃ）はインピーダン
ス（振幅）の変化を示す。

【図８】本発明の渦電流センサを備えたポリッシング装
置の全体構成を示す縦断面図である。

【図９】図８に示すポリッシング装置のターンテーブル
の平面図である。

【図１０】図８に示す装置における発振信号の検出例を
示す図である。

【図１１】渦電流センサの検出出力と膜厚の較正例を示
す図である。

【図１２】本発明の渦電流センサを備えた他のポリッシ
ング装置の構成例を示す斜視図である。

【図１３】本発明の渦電流センサを備えためっき槽を示
す図である。

【符号の説明】

１センサコイル２，１０（１０ａ〜１０ｆ）渦電流センサ３交流信号源５同期検波回路１１ボビン１２発振コイル１３検出コイル１４バランスコイル１６可変抵抗１７抵抗回路網１０５ｃｏｓ同期検波回路１０６ｓｉｎ同期検波回路１０９，１１０ベクトル演算回路Ｗ半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須藤康成東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 2F063 AA16 BA26 BC09 CA10 DA01 DA05 DB03 GA08 KA01 3C034 AA19 BB91 CA02 CB01 DD10 3C058 AA07 AC02 CB01 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性膜または導電性膜が形成される基
体の近傍に配置されるセンサコイルと、該センサコイル
に交流信号を供給して前記導電性膜に渦電流を形成する
信号源と、前記導電性膜に形成された渦電流を前記セン
サコイルにより検出する検出回路とを備えたことを特徴
とする渦電流センサ。
【請求項２】前記検出回路は、前記センサコイル端子
に現れる前記導電性膜中の渦電流信号から、抵抗成分
と、リアクタンス成分と、位相および振幅との少なくと
も１つを分離して出力する検波器であることを特徴とす
る請求項１記載の渦電流センサ。
【請求項３】前記検出回路はｃｏｓ成分検波器を備
え、前記センサコイル端子から見たインピーダンスのう
ち、抵抗成分を取り出すことを特徴とする請求項１記載
の渦電流センサ。
【請求項４】前記検出回路はｓｉｎ成分検波器を備
え、前記センサコイル端子から見たインピーダンスのう
ち、リアクタンス成分を取り出すことを特徴とする請求
項１記載の渦電流センサ。
【請求項５】前記センサコイルは、前記信号源に接続
する発振コイルと、該コイルの前記導電性膜または前記
基体側に配置する検出コイルと、前記発振コイルの前記
導電性膜の反対側に配置するバランスコイルとを具備
し、前記検出コイルとバランスコイルとは、互いに逆相
となるように接続したものであることを特徴とする請求
項１記載の渦電流センサ。
【請求項６】前記検出コイルとバランスコイルとを互
いに逆相となるように接続した直列回路に、可変抵抗を
含む抵抗ブリッジ回路を接続し、検出対象の前記導電性
膜が存在しないときに前記直列回路の出力がゼロとなる
ように調整可能としたことを特徴とする請求項５記載の
渦電流センサ。
【請求項７】導電性膜または導電性膜が形成される基
体の近傍にセンサコイルを配置し、該センサコイルに一
定周波数の交流電流を供給して前記導電性膜または前記
基体に渦電流を形成し、前記センサコイルの両端子から
見た前記導電性膜を含めたインピーダンスを計測し、前
記インピーダンスより前記導電性膜の膜厚を検出するこ
とを特徴とする導電性膜の検出方法。
【請求項８】前記センサコイルは、前記信号源に接続
する発振コイルと、該コイルの前記導電性膜側に配置す
る検出コイルと、前記発振コイルの前記導電性膜の反対
側に配置するバランスコイルとを具備し、前記検出コイ
ルとバランスコイルとは、互いに逆相となるように接続
したものであることを特徴とする請求項７記載の導電性
膜の検出方法。
【請求項９】複数の発振周波数源を備え、前記導電性
膜の種類に対応させて使用する発振周波数を選択可能と
したことを特徴とする請求項７記載の導電性膜の検出方
法。
【請求項１０】基板を保持する保持具と研磨面を備
え、少なくとも一部に導電性膜を有する基板の被研磨面
を前記研磨面に摺接させて研磨するポリッシング装置に
おいて、前記被研磨面の下方または上方に渦電流センサコイルを
備え、前記センサコイルは前記導電性膜に渦電流を形成
して該センサコイルから見た前記導電性膜により形成さ
れるインピーダンスから前記導電性膜の膜厚を検出する
ことを特徴とするポリッシング装置。