JP2008087091A - 平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性膜の研磨終点を検出するのに極めて好適なセンサを提供して該研磨終点を高い精度で確実に検出し、ノイズの発生がなく、低消費電力で、さらにはコスト低減を図りうる平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置を提供する。
【解決手段】平面インダクタ３４とキャパシタ３５からなるセンサ回路系を構成する発振回路３６を有し、平面インダクタ３４をある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、位相分布により平面インダクタ３４と導電性膜との間に静電結合を引き起こし、該静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、平面インダクタ３４が作る磁界変化を伴う磁界と該磁界が前記導電性膜に侵入することによるセンサ回路系から見たインダクタンスの変化との二つの変化によって決まる共振周波数で発振する平面インダクタ搭載静電結合型センサを提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置に関するものであり、特に、化学機械的研磨加工（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）において導電性膜の研磨終点を高い精度で確実に検出することが可能な平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置に関するものである。

平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置に関連する従来技術として、例えば次のような渦電流センサが知られている。この従来技術は、導電性膜又は導電性膜が形成される基体の近傍に配置されるセンサコイル（渦電流センサ）と、該センサコイルに一定周波数の交流信号を供給して前記導電性膜に渦電流を形成する交流信号源と、前記導電性膜を含めたリアクタンス成分及び抵抗成分を計測する検出回路とを備え、前記センサコイルは、前記信号源に接続する発振コイルと、該コイルの前記導電性膜側に配置する検出コイルと、前記発振コイルの前記導電性膜側の反対側に配置するバランスコイルとを具備し、前記検出コイルとバランスコイルとは互いに逆相となるように接続されている。そして、前記検出回路で検出した抵抗成分及びリアクタンス成分から合成インピーダンスを出力し、該インピーダンスの変化から前記導電性膜の膜厚の変化を広いレンジでほぼ直線的な関係として検出するようにしている。（例えば、特許文献１参照）。

また、平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置に関連する他の従来技術として、例えば次のような距離測定用ＩＣが知られている。この従来技術は、パッケージに内蔵している発振器と、前記パッケージに配設されるとともに前記発振器に接続されて該発振器の発振周波数を特定する平面状インダクタとを備えている。ＩＣのパッケージ表面に導電性物質が接近すると、前記平面状インダクタによって前記発振器の発振周波数が変化する。該発振周波数を検出して導電性物質の接近距離を検出することができる。測定時間を短くするため、高い周波数の電流を前記平面状インダクタに流し、その表面に発生する静電気的な誘導を有効に利用している。用途として、ロボット・アームの位置計測による該アームの制御や、位置検出器の内部に格納することによる圧力検出等がある（例えば、特許文献２参照）。
特許第３５８７８２２号公報（第３頁、図１〜１１）。 特許第３３５２６１９号公報（第２〜４頁、図１８）。

半導体ウェハ上に形成した酸化膜にリソグラィ及びエッチングを施して配線パターンに対応した溝パターンを形成し、この上に前記溝パターンを充填するためのＣｕ等からなる導電性膜を成膜し、該導電性膜のうち不要部分を化学機械研磨により除去して配線パターンを形成するプロセスが知られている。この配線パターンの形成では、導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出してプロセスを停止することが極めて重要である。導電性膜の研磨が過剰であると配線の抵抗が増加し、研磨が過少であると配線の絶縁障害につながる。

これに対し、渦電流を利用して導電性膜の膜厚を監視する技術では、渦電流を引き起こすのに強い磁束を作る必要があり、インダクタの形状は三次元となっている。このため、
渦電流センサを研磨装置等に組み込む上で、一般的に次のような問題がある。コイルに流す電流が大きくなって消費電力が多くなり、電源装置も大型になる。磁束が周辺に漏れてノイズが発生し易い。導線をコイル状に巻く工程等が必要になってコスト高になる。

また、距離測定用ＩＣからなる従来技術においては、発振器と、該発振器に接続されて該発振器の発振周波数を特定する平面状インダクタとを備えて構成されているが、用途として、ロボット・アームの位置計測による該アームの制御や、位置検出器の内部に格納して圧力検出等に使用されている。

そこで、導電性膜の研磨終点を検出するのに極めて好適なセンサを提供して該研磨終点を高い精度で確実に検出し、ノイズの発生がなく、低消費電力で、さらにはコスト低減を図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。

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、平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る磁界変化を伴う磁界と該磁界が前記導電性膜に侵入することによる該導電性膜中の誘導電流が引き起こす磁界とが結合することによって生じる前記センサ回路系から見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振する平面インダクタ搭載静電結合型センサを提供する。

この構成によれば、発振回路は、その発振周波数帯が該平面インダクタのインダクタンスとキャパシタの集中定数キャパシタンスで決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。平面インダクタを導電性膜に平行に近接させると、該平面インダクタの持つ位相分布により導電性膜側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスを介して前記平面インダクタと導電性膜とが静電結合する。前記導電性膜の膜厚抵抗が無視し得ない領域では、前記平面インダクタのインダクタンスとキャパシタの集中定数キャパシタンスに、該分布キャパシタンスと前記導電性膜の膜厚抵抗とが加わった等価回路は、並列共振回路とみなすことができる。この並列共振回路の共振周波数は、その等価回路のアドミッタンスにおけるサセプタンス分がゼロになるときの値である。このサセプタンス分において、前記膜厚抵抗値は、分布キャパシタンスとの積である時定数の形で関わる。したがって、平面インダクタ搭載静電結合型センサは、前記静電結合を介して導電性膜の膜厚抵抗値の変化に対応した共振周波数で発振し、該膜厚抵抗値の増大に伴って発振周波数の増大を引き起こす。

また、平面インダクタは、変化する一次磁界を生み出す。該平面インダクタは、その平面インダクタ上の位相差により、導電性膜側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスを介して該平面インダクタと導電性膜とが静電結合する。この静電誘導の際に前記導電性膜の表面部に生じる誘導電流は、前記一次磁界を打ち消す方向に二次磁界を発生させる。該二次磁界は、センサ回路系のインダクタンスを減少させる方向に働く。ここで、導電性膜の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜に生じる前記誘導電流の発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界も弱まる。したがって、導電性膜の膜厚の減少はインダクタンスの減少分の低下につながり、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、発振周波数を減少させる。

そして、平面インダクタ搭載静電結合型センサは、前記静電結合を介しての前記導電性
膜の膜厚抵抗値の変化と、前記静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる共振周波数で発振する。

請求項２記載の発明は、平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る一次磁界と静電結合によって誘導される前記導電性膜中の誘導電流が作る二次磁界が結合することによって生じる前記センサ回路系から見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振する平面インダクタ搭載静電結合型センサを提供する。

この構成によれば、発振回路は、その発振周波数帯が該平面インダクタのインダクタンスとキャパシタの集中定数キャパシタンスで決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。平面インダクタを導電性膜に平行に近接させると、該平面インダクタの持つ位相分布により導電性膜側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスを介して前記平面インダクタと導電性膜とが静電結合する。前記導電性膜の膜厚抵抗が無視し得ない領域では、前記平面インダクタのインダクタンスとキャパシタの集中定数キャパシタンスに、該分布キャパシタンスと前記導電性膜の膜厚抵抗とが加わった等価回路は、並列共振回路とみなすことができる。この並列共振回路の共振周波数は、その等価回路のアドミッタンスにおけるサセプタンス分がゼロになるときの値である。このサセプタンス分において、前記膜厚抵抗値は、分布キャパシタンスとの積である時定数の形で関わる。したがって、平面インダクタ搭載静電結合型センサは、前記静電結合を介して導電性膜の膜厚抵抗値の変化に対応した共振周波数で発振し、該膜厚抵抗値の増大に伴って発振周波数の増大を引き起こす。

また、平面インダクタは、時間的に変化する一次磁界を生み出す。この時間的に変化する一次磁界は、導電性膜中に誘導電流を発生させる。該導電性膜中の誘導電流は平面インダクタが作る前記一次磁界を打ち消すような二次磁界を生み出し、平面インダクタと導電性膜との間で電磁結合が引き起こされる。前記誘導電流で生み出される二次磁界は、センサ回路系のインダクタンスを減少させる方向に働く。ここで、導電性膜の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜中に生じる前記誘導電流の発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界も弱まる。したがって、導電性膜の膜厚の減少はインダクタンスの減少分の低下につながり、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、発振周波数を減少させる。

そして、平面インダクタ搭載静電結合型センサは、前記静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる共振周波数で発振する。

請求項３記載の発明は、導電性膜を研磨して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出方法であって、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出方法を提供する。

この構成によれば、請求項１記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサにおいて、導電性膜の膜厚に対する発振周波数の値は、静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる。この二つの現象を積極的に取り入れて都合のよい信号を取り出すことで、導電性膜が、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点が検出される。

また、請求項２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサにおいて、導電性膜の膜厚に対する発振周波数の値は、静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる。上記と同様に、この二つの現象を積極的に取り入れて都合のよい信号を取り出すことで、導電性膜が、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点が検出される。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いて導電性膜の研磨状況をモニタリングした際に得られる共振周波数のピークを基準に研磨終点を判断する平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出方法を提供する。

この構成によれば、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いて導電性膜の研磨状況をモニタリングした際に得られる共振周波数の値は、静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化もしくは電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化のいずれかの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる。そして、前記静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化に対しては該膜厚抵抗値の増大に伴って共振周波数の増大を引き起こす。また前記静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化もしくは電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化に対しては、いずれも導電性膜の膜厚の減少に伴って共振周波数は減少する。このような二つの変化が相乗した変化によって決まる共振周波数の値は、研磨の進行に伴って上がり、研磨終点の付近でピークを迎え、一気に落ち込む。この共振周波数のピークに基準に研磨終点が判断される。

請求項５記載の発明は、導電性膜が形成されたウェハを研磨ヘッドに保持し、回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに前記研磨ヘッドを回転させながら前記導電性膜を押し付けて該導電性膜を研磨する化学機械研磨における前記導電性膜を監視して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出装置であって、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを前記プラテン又は前記研磨ヘッドのいずれかに組み込んで、該平面インダクタ搭載静電結合型センサの発振周波数の変化から前記研磨終点を検出するように構成してなる平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出装置を提供する。

この構成によれば、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサは、化学機械研磨装置におけるプラテン又は研磨ヘッドのいずれかに組み込まれて導電性膜の研磨状況をモニタリングし、該導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を検出する。

請求項１記載の発明は、平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る磁界変化を伴う磁界と該磁界が前記導電性膜に侵入することによる該導電性膜中の誘導電流が引き起こす磁界とが結合することによって生じる前記センサ回路系から見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振するようにしたので、静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる共振
周波数信号を発振出力とすることで、導電性膜の研磨終点を検出するのに極めて好適なセンサを提供することができる。また、搭載する平面インダクタは、比較的安価で済むことからコスト低減を図ることができるという利点がある。

請求項２記載の発明は、平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る一次磁界と静電結合によって誘導される前記導電性膜中の誘導電流が作る二次磁界が結合することによって生じる前記センサ回路系から見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振するようにしたので、静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化との二つの変化が相乗した変化によって決まる共振周波数信号を発振出力とすることで、導電性膜の研磨終点を検出するのに極めて好適なセンサを提供することができるという利点がある。

請求項３記載の発明は、導電性膜を研磨して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出方法であって、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いて終点検出を行うようにしたので、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサによるそれぞれ二つの現象を積極的に取り入れて都合のよい信号を取り出すことで、導電性膜が、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点を精度良く検出することができるという利点がある。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いて導電性膜の研磨状況をモニタリングした際に得られる共振周波数のピークを基準に研磨終点を判断するようにしたので、共振周波数の値は、研磨の進行に伴って上がり、研磨終点の付近でピークを迎えることから、この共振周波数のピークを基準に、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点を高い精度で確実に検出することができるという利点がある。

請求項５記載の発明は、導電性膜が形成されたウェハを研磨ヘッドに保持し、回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに前記研磨ヘッドを回転させながら前記導電性膜を押し付けて該導電性膜を研磨する化学機械研磨における前記導電性膜を監視して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出装置であって、請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを前記プラテン又は前記研磨ヘッドのいずれかに組み込んで、該平面インダクタ搭載静電結合型センサの発振周波数の変化から前記研磨終点を検出するように構成したので、平面インダクタ搭載静電結合型センサは、化学機械研磨装置におけるプラテン又は研磨ヘッドのいずれかに組み込むことで、導電性膜の研磨状況を適切にモニタリングすることができて、導電性膜が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出することができるという利点がある。

導電性膜の研磨終点を検出するのに極めて好適なセンサを提供して該研磨終点を高い精度で確実に検出し、ノイズの発生がなく、低消費電力で、さらにはコスト低減を図るという目的を達成するために、平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る磁界変化を伴う磁界と該磁界が前記導電性膜に侵入することによる該導電性膜中の誘導電流が引き起こす磁界とが結合することによって生じる前記センサ回路系から
見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振する平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いて導電性膜の研磨状況をモニタリングした際に得られる共振周波数のピークを基準に研磨終点を判断することにより実現した。

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は平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図、図２は研磨ヘッドの拡大縦断面図、図３は平面インダクタ搭載静電結合型センサがプラテンに組み込まれた状態を説明するための概略構成図、図４は平面インダクタ搭載静電結合型センサが研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための概略構成図である。

まず、本実施例に係る平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出装置の構成を、化学機械研磨装置の構成から説明する。図１において化学機械研磨装置１は、主としてプラテン２と、研磨ヘッド３とから構成されている。前記プラテン２は、円盤状に形成され、その下面中央には回転軸４が連結されており、モータ５の駆動によって矢印Ａ方向へ回転する。前記プラテン２の上面には研磨パッド６が貼着されており、該研磨パッド６上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるスラリーが供給される。

前記研磨ヘッド３は、図２に示すように、主としてヘッド本体７、キャリア８、リテーナリング９、リテーナリング押圧手段１０、弾性シート１１、キャリア押圧手段１６及びエアー等の制御手段で構成されている。

前記ヘッド本体７は円盤状に形成され、その上面中央に回転軸１２（図１参照）が連結されている。該ヘッド本体７は前記回転軸１２に軸着されて図示しないモータで駆動され図１の矢印Ｂ方向に回転する。

前記キャリア８は円盤状に形成され、前記ヘッド本体７の中央に配設されている。該キャリア８の上面中央部とヘッド本体７の中央下部との間にはドライプレート１３が設けられており、ピン１４，１４を介してヘッド本体７から回転が伝達される。

前記ドライプレート１３の中央下部と前記キャリア８の中央上部との間には作動トランス本体１５ａが固定されており、さらに前記キャリア８の中央上部には作動トランス１５のコア１５ｂが固定され、図示しない制御部に連結されてウェハＷ上（図２の下方側）に形成されたＣｕ等からなる導電性膜の研磨状態信号を該制御部に出力している。

前記キャリア８の上面周縁部にはキャリア押圧部材１６ａが設けられており、該キャリア８は該キャリア押圧部材１６ａを介してキャリア押圧手段１６から押圧力が伝達される。

前記キャリア８の下面にはエアーフロートライン１７から弾性シート１１にエアーを噴射するためのエアー吹出し口１９が設けられている。該エアーフロートライン１７にはエアーフィルタ２０及び自動開閉バルブＶ１を介してエアー供給源である給気ポンプ２１に接続されている。前記エアー吹出し口１９からのエアーの吹出しは前記自動開閉バルブＶ１の切替えによって実行される。

前記キャリア８の下面にはバキューム及び必要によりＤＩＷ（純水）又はエアーを吹き出すための孔２２が形成されている。該エアーの吸引は真空ポンプ２３の駆動によって実行され、そして、自動開閉バルブＶ２をバキュームライン２４に設け、該自動開閉バルブＶ２の切替えによって該バキュームライン２４を介し、バキューム及びＤＩＷの送給が実行される。

前記エアーフロートライン１７からのエアー送給及びバキュームライン２４からのバキューム作用及びＤＩＷの送給等は制御部からの指令信号によって実行される。

なお、前記キャリア押圧手段１６は、ヘッド本体７下面の中央部周縁に配置され、キャリア押圧部材１６ａに押圧力を与えることにより、これに結合されたキャリア８に押圧力を伝達する。このキャリア押圧手段１６は、好ましくはエアーの吸排気により膨脹収縮するゴムシート製のエアバック２５で構成される。該エアバック２５にはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。

前記リテーナリング９はリング状に形成され、キャリア８の外周に配置されている。このリテーナリング９は研磨ヘッド３に設けられたリテーナリングホルダ２７に取り付けられ、その内周部に前記弾性シート１１が張設されている。

前記弾性シート１１は円形状に形成され、複数の孔２２が開穿されている。該弾性シート１１は、周縁部がリテーナリング９とリテーナリングホルダ２７との間で挟持されることにより、リテーナリング９の内側に張設される。

前記弾性シート１１が張設されたキャリア８の下部には、キャリア８と弾性シート１１との間にエアー室２９が形成されている。導電性膜が形成されたウェハＷは該エアー室２９を介してキャリア８に押圧される。前記リテーナリングホルダ２７はリング状に形成された取付部材３０にスナップリング３１を介して取り付けられている。該取付部材３０にはリテーナリング押圧部材１０ａが連結されている。リテーナリング９は、このリテーナリング押圧部材１０ａを介してリテーナリング押圧手段１０からの押圧力が伝達される。

リテーナリング押圧手段１０はヘッド本体７の下面の外周部に配置され、リテーナリング押圧部材１０ａに押圧力を与えることにより、これに結合しているリテーナリング９を研磨用パッド６に押し付ける。このリテーナリング押圧手段１０も好ましくは、キャリア押圧手段１６と同様に、ゴムシート製のエアバック１６ｂで構成される。該エアバック１６ｂにはエアーを供給するための図示しない空気供給機構が連結されている。

そして、図３及び図４に示すように、化学機械研磨装置１における前記プラテン２の上部の部分又は前記研磨ヘッド３のキャリア８の部分に、導電性膜の研磨終点を検出するための平面インダクタ搭載静電結合型センサＳが組み込まれている。平面インダクタ搭載静電結合型センサＳがプラテン２側に組み込まれたとき、該平面インダクタ搭載静電結合型センサＳからの研磨終点の検出信号等は、スリップリング３２を介して外部に出力される。

図５は平面インダクタ搭載静電結合型センサの基本的な構成例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）はその等価回路を示している。この構成例の平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３は、平面インダクタ３４とキャパシタ３５からなる発振回路３６を主体として構成されている。前記平面インダクタ３４の形状は、図５（ａ）に示す角形のスパイラルの他に、丸形のスパイラル又はメアンダ形等であってもよい。

前記発振回路３６は、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３４のインダクタンスＬとキャパシタ３５の集中定数キャパシタンスＣ_０で決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。

ここで、前記平面インダクタ３４を導電性膜２８に平行に近接させると、次の（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの現象が起こり得る。この三つの現象（イ）、（ロ）、（ハ）を、それぞれ図を用いて順に説明する。

（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化。この現象を図６を用いて説明する。平面インダクタ３４を導電性膜２８に平行に近接させると、該平面インダクタ３４の持つ位相分布により導電性膜２８側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスＣｍ′を介して平面インダクタ３４と導電性膜２８とが静電結合する。

ここで、導電性膜２８の膜厚が十分に厚い場合には、該導電性膜２８を抵抗が殆どない導体として考えることができるが、膜厚が極端に薄い領域では、その膜厚抵抗Ｒを無視することはできない。このとき、図６の等価回路は、平面インダクタ３４のインダクタンスＬとキャパシタ３５の集中定数キャパシタンスＣ_０に、前記分布キャパシタンスＣｍ′と導電性膜２８の膜厚抵抗Ｒとが加わった並列共振回路とみなせる。

この並列共振回路の等価回路についてアドミッタンスＹを求めると式（２）のように書ける。

したがって、そのサセプタンスＢは式（３）のようになる。

この並列共振回路の共振周波数は、その等価回路のアドミッタンスＹにおけるサセプタンス分Ｂ＝０のときのω（＝２πｆ）の値である。式（３）より、膜厚抵抗Ｒは、分布キャパシタンスＣｍ′との積である時定数（Ｃｍ′・Ｒ）の形で共振条件に関わっている。したがって、該平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３の発振周波数は、分布キャパシタンスＣｍ′を介して膜厚抵抗Ｒの影響を受ける。シュミレーションの結果から、導電性膜２８の膜厚の減少、即ち膜厚抵抗Ｒの増大は発振周波数の増大を引き起こしうることが分かっている。

（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化。この現象を図７を用いて説明する。平面インダクタ３４は、変化する一次磁界Ｍ_１を生み出す。該平面インダクタ３４は、その平面インダクタ３４上の位相差により、導電性膜２８側に静電誘導を引き起こし、分布キャパシタンスＣｍ′を介して該平面インダクタ３４と導電性膜２８とが
静電結合する。

この静電誘導の際に前記導電性膜２８の表面部に生じる誘導電流Ｉ_１は、前記一次磁界Ｍ_１を打ち消す方向に二次磁界Ｍ_２を発生させる。該二次磁界Ｍ_２は、センサ回路系のインダクタンスを減少させる方向に働く。このため、インダクタンスの減少分をＬｍとすれば、発振周波数は、式（４）のように表すことができる。

ここで、導電性膜２８の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜２８に生じる前記誘導電流Ｉ_１の発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界Ｍ_２も弱まる。したがって、導電性膜２８の膜厚の減少は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、平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３の発振周波数を減少させる。

（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化。この現象を図８を用いて説明する。平面インダクタ３４は、時間的に変化する一次磁界Ｍ_１を生み出す。この時間的に変化する一次磁界Ｍ_１は、導電性膜２８中に誘導電流Ｉｉを発生させる。該導電性膜２８中の誘導電流Ｉｉは平面インダクタ３４が作る前記一次磁界Ｍ_１を打ち消すような二次磁界Ｍ_３を生み出し、平面インダクタ３４と導電性膜２８との間で電磁結合が引き起こされる。

前記誘導電流Ｉｉで生み出される二次磁界Ｍ_３は、センサ回路系のインダクタンスを減少させる方向に働く。このため、インダクタンスの減少分をＬｍとすれば、発振周波数は、式（５）のように表すことができる。

そして、導電性膜２８の膜厚が、表皮効果を無視できないような薄い領域においては、導電性膜２８中に生じる前記誘導電流Ｉｉの発生量は膜厚が薄いほど減少すると考えられ、同時に前記二次磁界Ｍ_３も弱まる。したがって、導電性膜２８の膜厚の減少は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、平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３の発振周波数を減少させる。

上記（イ）、（ロ）及び（ハ）の三つの現象を考慮すると、導電性膜２８の膜厚に対する平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３の発振周波数の値は、一様な変化ではなくなる。本実施例は、これら三つの現象を積極的に取り入れることにより、終点検出において都合のよい信号を取り出すことにある。

ここで、前記図６に対する等価回路及び前記式（４）、（５）の関係をシュミレータにかけ、膜厚抵抗Ｒを０→∞（膜厚：厚い→薄い）に変化させたときの膜厚と共振周波数との関係を求めた結果を図９に示す。図９より、共振周波数は膜厚が薄くなるにつれて上昇し、膜厚抵抗Ｒが∞に近い領域において、共振周波数にピークＰが生じ得ることが分かる。実験結果も、図９とほぼ同様の共振周波数の変化特性が得られている。

このとき、前記（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの変化のうち、これら（イ）、（ロ）、（ハ）の三つの変化が相乗した場合に限らず、（イ）の変化と、（ロ）、（ハ）の両変化のうちの少なくともいずれかの変化とが相乗すれば、前記図９のような共振周波数の変化特性が得られる。

図１０は平面インダクタ搭載静電結合型センサの具体的な構成例を示している。この構成例の平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７における平面インダクタ３８は、絶縁物からなる基板３８ａ上に、Ｃｕ等の導電物質を用いてメアンダ型に構成されている。発振回路３９は、その発振周波数帯ｆが該平面インダクタ３８のインダクタンスとキャパシタ４０の集中定数キャパシタンスで決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。

平面インダクタ３８を導電性膜に平行に近接させると、前記した（イ）静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの現象が起こる。そして平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７は、これら三つの変化が相乗した変化によって決まる共振周波数で発振し、導電性膜の膜厚の変化に対し前記図９に示したのとほぼ同様の共振周波数の変化特性が得られる。

図１０の平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７は、前記平面インダクタ３８と前記キャパシタ４０の他に、オペアンプ等で構成された増幅器４１、抵抗等で構成されたフィードバック・ネットワーク４２及び周波数カウンタ４３が備えられている。該周波数カウンタ４３から研磨終点の検出信号等となる共振周波数信号が出力される。

次に、上述のように構成された平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の研磨作用及び終点検出動作を説明する。本終点検出動作では、図１０に示した平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７を用い、該平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７をプラテン２の上部の部分に組み込んだ場合について説明を進める。

まず、研磨ヘッド３を図示しない移動機構により所定箇所に待機中の導電性膜２８が非研磨のウェハＷ上に載置する。そして、該研磨ヘッド３のバキュームライン２４を作動させ、バキューム口１９ａ及び孔２２（バキューム孔）を介して弾性シート１１下面のエアー室２９を真空にし、これにより前記導電性膜２８が非研磨のウェハＷを吸着保持し、そして、前記移動機構により、該導電性膜２８が非研磨のウェハＷを吸着保持した研磨ヘッド３をプラテン２上に運び、該ウェハＷを、導電性膜２８が研磨パッド６に対接するようにプラテン２上に載置する。

前記バキュームライン２４はウェハＷ上部の導電性膜２８の研磨作業が終了したとき、再び、該バキュームライン２４の作動により前記ウェハＷを該研磨ヘッド３によって吸着保持し、図示しない洗浄装置へ搬送するときにも用いられる。

次いで、前記バキュームライン２４の作動を解除し、図示しないポンプからエアバック２５にエアーを供給して該エアバック２５を膨らませる。これと同時にキャリア８に設けたエアー吹出し口１９からエアー室２９にエアーを供給する。これにより、エアー室２９の内圧が高くなる。

前記エアバック２５の膨らみによって、前記ウェハＷ上部の導電性膜２８とリテーナ
リング９が所定の圧力で研磨パッド６に押し付けられる。この状態でプラテン２を図１の矢印Ａ方向に回転させるとともに研磨ヘッド３を図１の矢印Ｂ方向に回転させる。そして、回転する研磨パッド６上に図示しないノズルからスラリーを供給してウェハＷ上部の導電性膜２８を研磨する。

そして、平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７により、該研磨中のウェハＷ上部の導電性膜２８に対し、次のように研磨の進行に伴う膜厚の変化が監視されて研磨終点が検出される。この導電性膜２８の膜厚変化の監視を前記図９を参照して説明する。対象試料は、ウェハＷ上部に絶縁膜及びバリヤ層を介してＣｕからなる導電性膜２８が形成されたものである。

プラテン２に組み込まれた平面インダクタ搭載静電結合型センサ３７は、研磨の進行に伴う導電性膜２８の膜厚の変化に対し、前記した（イ）静電結合を介しての導電性膜２８の膜厚抵抗値の変化、（ロ）静電結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化、及び（ハ）電磁結合で発生する二次磁界によるインダクタンスの変化の三つの変化が相乗した変化によって決まる共振周波数で発振する。

そして、膜厚が薄くなるにつれて導電性膜２８の膜厚抵抗値は徐々に増加し、これに伴って共振周波数は徐々に上昇し得る（図９中のｖ部分）。導電性膜２８がなくなる際まで研磨が進行すると、該導電性膜２８の膜厚抵抗値が増大して共振周波数は急上昇し（図９中のｕ部分）、膜厚抵抗値が∞に近い領域において、共振周波数にピークＰが生じ得る。この共振周波数の明確な変化であるピークＰをとらえることで、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点が確実に検出される。

研磨終点の検出後、プラテン２を、例えば１０回転程度回転させて回転を止め、ウェハＷ上部の導電性膜２８の研磨作業を停止する。なお、図９中のｖ部分に対しては、研磨速度を高めた荒削り研磨を実行し、その後、研磨速度を落とした仕上げ研磨等に移行させるような研磨工程とすると、導電性膜２８の不要部分の除去作業を効率良く行うことができる。

なお、前記平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３又は３７を用いて得られる導電性膜２８の研磨形状から、次回研磨における研磨圧又はゾーン圧等の研磨パラメータに対してフィードバックを行う面内膜厚分布フィードバックシステムを構築することができる。

前記平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３又は３７を用いて導電性膜２８の研磨状況をリアルタイムでモニタリングし、その際に得られる膜厚のウェハ面内分布から、研磨圧又はゾーン圧等の研磨パラメータをリアルタイムで制御するリアルタイム面内膜厚分布制御システムを構築することができる。

前記平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３又は３７を用いて導電性膜２８の研磨状況をリアルタイムでモニタリングし、研磨レート又は研磨形状を検出することで、ドレス、ヘッド洗浄をリアルタイムで制御する自動インターバルシステムを構築することができる。

また、上記面内膜厚分布フィードバックシステム、リアルタイム面内膜厚分布制御システム又は自動インターバルシステムの少なくともいずれかのシステムを搭載した終点検出装置により、極めて性能の優れた半導体デバイスを製造することができる。

上述したように、本実施例に係る平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置においては、平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３
，３７は、（イ）静電結合を介しての導電性膜２８の膜厚抵抗値の変化と、（ロ）静電結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化及び（ハ）電磁結合の結果発生する二次磁界によるインダクタンスの変化のうちの少なくともいずれかの変化とが相乗した変化によって決まる共振周波数信号を発振出力とすることで、導電性膜２８の研磨終点を検出するのに極めて好適なセンサを提供することができる。

搭載する平面インダクタ３４，３８は、比較的安価で済むことからコスト低減を図ることができる。

平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３，３７による前記（イ）の変化と、（ロ）、（ハ）の両変化のうちの少なくともいずれかの変化とを積極的に取り入れて都合のよい信号を取り出すことで、導電性膜２８が、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点を精度良く検出することができる。

平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３，３７が発振する共振周波数は、導電性膜２８の膜厚が薄くなるにつれて上昇し得るように変化し、該導電性膜２８の膜厚抵抗値が∞に近い領域においてピークが生じ得ることから、この共振周波数のピークを基準に、研磨により適正な厚さが除去されたときの研磨終点を高い精度で確実に検出することができる。

平面インダクタ搭載静電結合型センサ３３，３７は、化学機械研磨装置におけるプラテン２又は研磨ヘッド３のいずれかに組み込むことで、導電性膜２８の研磨状況を適切にモニタリングすることができて、該導電性膜２８が適正な厚さ除去されたときの研磨終点を確実に検出することができる。

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。

図は本発明の実施例に係る平面インダクタ搭載静電結合型センサ及びそれを用いた終点検出方法及び終点検出装置を示すものである。
平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出装置が組み込まれた化学機械研磨装置の斜視図。 図１の化学機械研磨装置における研磨ヘッドの拡大縦断面図。 平面インダクタ搭載静電結合型センサがプラテンに組み込まれた状態を説明するための図１の概略構成図。 平面インダクタ搭載静電結合型センサが研磨ヘッドに組み込まれた状態を説明するための図１の概略構成図。 平面インダクタ搭載静電結合型センサ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の平面インダクタ搭載静電結合型センサにおける静電結合を介しての導電性膜の膜厚抵抗値の変化作用を説明するための構成図。 図５の平面インダクタ搭載静電結合型センサにおける静電結合で発生する二次磁界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５の平面インダクタ搭載静電結合型センサにおける電磁結合で発生する二次磁界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５の平面インダクタ搭載静電結合型センサによる導電性膜の膜厚に対する共振周波数の変化例を示す特性図。 平面インダクタ搭載静電結合型センサの具体的な構成例を示すブロック図。

符号の説明

１ 化学機械研磨装置
２ プラテン
３ 研磨ヘッド
４ 回転軸
５ モータ
６ 研磨パッド
７ ヘッド本体
８ キャリア
９ リテーナリング
１０ リテーナリング押圧手段
１１ 弾性シート
１２ 回転軸
１３ ドライプレート
１４ ピン
１５ 作動トランス
１６ キャリア押圧手段
１７ エアーフロートライン
１９ エアー吹出し口
２０ エアーフィルタ
２１ 給気ポンプ
２２ 孔
２３ 真空ポンプ
２４ バキュームライン
２５ エアバック
２７ リテーナリングホルダ
２８ 導電性膜
２９ エアー室
３０ 取付部材
３１ スナップリング
３２ スリップリング
３３ 平面インダクタ搭載静電結合型センサ
３４ 平面インダクタ
３５ キャパシタ
３６ 発振回路
３７ 平面インダクタ搭載静電結合型センサ
３８ 平面インダクタ
３９ 発振回路
４０ キャパシタ
４１ 増幅器
４２ フィードバック・ネットワーク
４３ 周波数カウンタ
Ｗ ウェハ

Claims (5)

1. 平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る磁界変化を伴う磁界と該磁界が前記導電性膜に侵入することによる該導電性膜中の誘導電流が引き起こす磁界とが結合することによって生じる前記センサ回路系から見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振することを特徴とする平面インダクタ搭載静電結合型センサ。
2. 平面インダクタとキャパシタからなるセンサ回路系を構成する発振回路を有し、前記平面インダクタをある膜厚を有した導電性膜に平行に近接させ、前記平面インダクタの持つ位相分布により該平面インダクタと前記導電性膜との間に静電結合を引き起こし該静電結合を介しての前記導電性膜の膜厚抵抗値の変化と、前記平面インダクタが作る一次磁界と静電結合によって誘導される前記導電性膜中の誘導電流が作る二次磁界が結合することによって生じる前記センサ回路系から見たインダクタンスの変化との該二つの変化によって決まる共振周波数で発振することを特徴とする平面インダクタ搭載静電結合型センサ。
3. 導電性膜を研磨して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出方法であって、
   請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出方法。
4. 請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いて導電性膜の研磨状況をモニタリングした際に得られる共振周波数のピークを基準に研磨終点を判断することを特徴とする平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出方法。
5. 導電性膜が形成されたウェハを研磨ヘッドに保持し、回転するプラテンの表面に設けられた研磨パッドに前記研磨ヘッドを回転させながら前記導電性膜を押し付けて該導電性膜を研磨する化学機械研磨における前記導電性膜を監視して適正な厚さが除去されたときの研磨終点を検出する終点検出装置であって、
   請求項１又は２記載の平面インダクタ搭載静電結合型センサを前記プラテン又は前記研磨ヘッドのいずれかに組み込んで、該平面インダクタ搭載静電結合型センサの発振周波数の変化から前記研磨終点を検出するように構成してなることを特徴とする平面インダクタ搭載静電結合型センサを用いた終点検出装置。
   

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