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Ｃｍｐシステム、及び、渦電流測定あるいは光学測定を利用して、メタライゼーション処理を実状態で監視する方法
JP5113920B2
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本発明は、化学機械研磨（ＣＭＰ）及び化学蒸着等の製造工程中に半導体ウエハのフィルム特性（例えばフィルムエンドポイントあるいはフィルム厚）の測定を実行する装置に関する。
最上層フィルム厚を測定する方法としては、４点プローブ法あるいは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）法の２種類の方法が知られている。４点プローブ法では、ウエハ表面に多数の接触点を設けて伝導率を測定する。ＳＥＭ法では、ウエハの断面を取って、通常のＳＥＭ画像からフィルム厚を求める。４点プローブ法およびＳＥＭ法によれば、十分なフィルム測定値を求めることができるが、こうした方法は測定によってウエハを破壊してしまうので、モニタ用のウエハでした実行することができない。
非破壊で測定する試みの一つは、例えば光学的な反射率又は透過率測定を介して、フィルム厚の光学測定値を得ることである。ＣＭＰ行程中に実状態（in-situ ）で光学的に測定することは、通常は行われていない。これは、研磨中のサンプルを異物が覆い隠して、測定値の読みとりに悪影響を与えるためである。ウエハは、ウエハキャリヤと、プラテンの頂部に設けられたパッドと、の間で擦ることによって研磨される。ウエハ表面上に堆積されたフィルムの一部を機械的且つ科学的に除去する作業を効率よく行うために、通常、スラリが使用される。ウエハに接するＣＭＰスラリ及び残留物は、一般に、光学的に不均一且つほぼ不透明である。
この異物（例えばスラリ及びフィルム残留物）は、通常、サンプルの測定を妨げる。研磨工程では、フィルムが完全に又は一定の厚さまでウエハから除去されたタイミングを検出することが望ましい。一般に、フィルムが除去されたタイミングを、エンドポイントと称する。ウエハを研磨しすぎないためには、エンドポイントを検出することが重要である。例えば、銅のＣＭＰ処理では、最初、銅フィルムは光学的に不透明である。通常、銅のＣＭＰ処理では、３つのエンドポイントが検出される。第一のエンドポイントは、銅フィルムが特定の厚さまで減少したタイミングであり、これは、例えば銅フィルムが光学的に透明になり始めたタイミングである。第二は、銅が完全に除去されて、ライナ下層（例えばＴａＮ又はＷＮ）が露出するタイミングである。最後は、ライナ層が除去されたタイミングである。
フィルムのエンドポイントに到達したら、ウエハ上の他の構造を研磨しないように、或いは工程条件を変化させるために、研磨を停止することができる。ＣＭＰ処理に伴って沢山の異物（例えばスラリ及び／又はフィルム残留物）が生じるので、ウエハにＣＭＰ処理を施している途中で、エンドポイントを正確に判定することは困難である。
ＣＭＰ処理の途中に実状態（in-situ ）での光学測定を行うために様々な方法が提案されてきたが、これらの方法は、いずれも、ウエハを不明瞭にする異物の問題を解決することはできない。米国特許第５，４３３，６５１号には、ＣＭＰ研磨パッド及びプラテンのキャビティ内に設けられた窓を利用した、単一ビームの反射率計が開示されている。ここで開示されている方法は、プラテン／研磨パッド内に形成されたキャビティ内に、ＣＭＰスラリ及び残留物が蓄積してしまうという欠点を有している。このスラリ及び残留物は、光学測定を困難にする。欧州特許第９６３０２１７６．１号に開示されている別の方法では、スラリ及び残留物が蓄積し得るキャビティ内に「ソフト窓（ｓｏｆｔ ｗｉｎｄｏｗ）」を設けることによって、この問題を解決しようと試みている。残念なことに、この窓は、研磨工程及びパッド修正中に傷つけられて、光学測定の質を低下させる。また、ソフト窓を形成するために使用された材料は、通常、測定ビームを散乱させる。
米国特許５，０８１，７９６号では、ウエハのエッジ部分の小領域を研磨パッドのエッジから離し、次いで、このパッドの取り除かれた部分に水ジェットを当てて、ビームをウエハのエッジに導入可能としている。しかしながら、この方法は、ウエハのエッジ部分ににおいてしか、フィルムを測定できないと言う欠点を有する。ウエハの表面全体のうち小さな部分しか測定できないので、エンドポイントの測定が、非常に不正確になる。更に、この手続きは、研磨工程に悪影響を及ぼす可能性がある。
上で参照したニクナハッド（Ｎｉｋｏｏｎａｈａｄ）他による１９９９年９月１５日付けの継続出願願第０９／３９６，１４３号（代理人整理番号ＫＬＡ１Ｐ０１１）「自己清浄型光学測定を実行する装置及び方法」には、光学ＣＭＰ測定を実行するための他の方法が開示されている。この方法は、薄膜の特性を良好に測定することができるが、厚膜の光学測定には適していない。
加えて、フィルムが除去されるまでの所要時間を予測する現在の方法は、正確ではない。つまり、研磨時間は、ウエハによって大きくばらつく傾向がある。したがって、研磨時間の大きなばらつきに対応するために、研磨時間の予測値を大きめに見積もっておく必要がある。このようにすることで、フィルムが十分に除去することができるものの、同然ながら、スループットの低下を引き起こす。
非破壊的に測定する他の方法は、渦電流プローブを利用するものである。ライ（Ｌｉ）他による米国特許第６，０７２，３１３号には、こうした方法の一つが開示されている。この特許は、単にフィルムが変化したかを検出する渦電流プローブに関するものである。具体的には、開示された渦電流プローブは、ｈｉｇｈ−Ｑ調整共振回路を利用している形成される。この方法には、いくつかの欠点が伴う。例えば、ｈｉｇｈ−Ｑ共振回路は、環境の変化に敏感であり、そのため、温度、振動、及びプローブとウエハとの間の距離の変化といった環境条件の変動によって、渦電流プローブによる測定は、悪影響を受ける。加えて、単一の共振周波数での振幅の測定のみが提供される。結局、現在の方法では、測定しようとするテスト用のフィルムについて得られる情報量は、比較的限られたものである。
したがって、フィルムに堆積又は除去工程を施しながら、こうしたフィルムに関する情報を、実状態（in-situ ）で測定する手法及び装置が必要とされている。更に具体的には、正確且つ効率的にフィルム厚を測定し、更にフィルムのエンドポイントを検出可能な非破壊的手法及び装置が必要とされている。
したがって、本発明では、フィルムに堆積又は除去工程が施されている間に、こうしたフィルムに関する情報を提供する改良された装置及び方法を提供することによって、上述した問題の一部に対処する。具体的には、実状態（in-situ ）渦電流プローブによる測定あるいは光学素子による測定を行う改良されたメカニズムを開示する。
一実施形態において、本発明は、フィルムを除去する工程中に、渦電流プローブを使用して、サンプルのフィルムに関する実状態（in-situ ）の情報を取得する方法に関する。この渦電流プローブは、少なくとも一つの検出コイルを有する。渦電流プローブの検出コイルには、交流電圧が印加される。検出コイルがサンプルのフィルムに近接した位置にある時には、渦電流プローブの検出コイルは第１の信号を測定する。検出コイルが特定の組成を有する基準部材に近接あるいは所定距離だけ離れた位置にある時には、渦電流プローブの検出コイルは第２の信号を測定する。第１の信号は第２の信号によって校正されて、第１の信号に含まれている利得や位相の望ましくない歪みが補正される。こうして校正された第１の信号に基づいて、フィルムの特性値が決定される。
別の実施形態において、測定対象であるフィルムに関する情報を取得する測定デバイスが開示される。この測定デバイスは、交流電源と、この交流電源に接続された検出コイルとを備えており、この交流電源によって検出コイル上で交流電圧を発生させる。更に、この測定デバイスには、検出コイルに接続されてコイル上の交流電圧の変化を検出するインピーダンスメータと、プログラミング命令を記憶したメモリと、このメモリに結合されたプロセッサとが備えられている。このプロセッサ及びメモリは、サンプルのフィルムの厚さを決定するために、検出コイル上で交流電圧を発生させ、センサ上の交流電圧の変化を分析可能となっている。特定の実施において、このプロセッサ及びメモリは、更に、上述した方法を実行可能となっている。
本発明の別の態様においては、サンプルを監視しながら研磨剤によってサンプルを研磨する化学機械研磨（ＣＭＰ）システムが開示される。このＣＭＰシステムは、研磨テーブルと、研磨テーブル上でサンプルを保持するように構成されたサンプルキャリヤと、上述の測定デバイスとを備えている。研磨テーブル及びサンプルキャリヤは、サンプルと研磨テーブルとの間で研磨剤を受領し、研磨テーブルとサンプルキャリヤを相対的に動かすことで、サンプルを研磨するように構成される。測定デバイスは、サンプルが研磨されている間に、サンプルに関する情報を取得するように構成される。
別の実施形態においては、研磨剤によってサンプルを研磨し、サンプルを監視する化学機械研磨（ＣＭＰ）システムが開示されている。このＣＭＰシステムは、研磨テーブルと、研磨テーブル上でサンプルを保持するように構成されたサンプルキャリヤと、渦電流プローブとを備えている。研磨テーブル及びサンプルキャリヤは、サンプルと研磨テーブルとの間に研磨剤の供給を受けて、研磨テーブルとサンプルキャリヤとを相対的に動かすことによって、サンプルを研磨するように構成されている。渦電流プローブは、サンプルの研磨中に、サンプルの測定値を取得可能に構成されている。更に、このＣＭＰシステムは、サンプルの研磨中に、サンプルの測定値を取得可能な光学測定デバイスを備えている。このＣＭＰシステムには、メモリと、このメモリに接続されたプロセッサとを更に備えている。このプロセッサ及びメモリは、渦電流プローブ及び光学測定デバイスを操作することができる。
別の実施形態においては、サンプル上にフィルムを堆積させる装置が開示されている。この装置は、サンプルとサンプル上に蒸着する第１の材料とを収容するチャンバと、第１の材料をサンプル上に堆積している間にサンプルの測定値を取得可能な渦電流プローブとを備えている。この装置は、更に、光学測定デバイスを備えており、この光学測定デバイスは、サンプルに向かって光ビームを照射するとともに、サンプルから放射された光ビームを検出することができるように配置されている。更にこの装置は、メモリと、このメモリに結合されたプロセッサとを備えている。このプロセッサ及びメモリは、渦電流プローブ及び光学測定デバイスを操作することが可能である。
別の実施形態においては、本発明は、フィルムを除去する工程中に、渦電流プローブ及び光学測定デバイスを使用して、サンプルのフィルムに関する情報を実状態（in-situ ）で取得する方法を開示している。渦電流プローブがサンプルのフィルムに近接する位置にある時には、渦電流プローブにより第１の渦電流信号出力を測定する。光学測定デバイスがサンプルのフィルムに近接する位置にある時には、光学測定デバイスにより第２の光学信号出力を測定する。フィルムの第１の特性値は、第１の渦電流信号に基づいて決定され、フィルムの第２の特性値は、第１の光学信号に基づいて決定される。
別の実施形態においては、フィルムを除去する工程中に、光学測定デバイスを使用して、サンプルのフィルムに関する情報を実状態（in-situ ）で取得する方法が開示されている。光学測定デバイスは、サンプルからの光学信号を時間の関数として測定する。光学信号の反射率が低下する現象から、フィルムが除去されるまでに要する時間を予測することができる、次いで、この予測時間に基づいて、除去工程が終了する時間を修正する。反射率の低下を容易に確認することができるように、異なる入射角を一組とした複数組の光信号を、測定デバイスを用いて時間の関数として測定することとしても良い。
本発明の前記その他の特徴及び利点は、以下の本発明の説明と、本発明の原理を例示する添付図面とにおいて、更に詳しく提示される。
本発明の一実施形態による、渦電流測定デバイス又はプローブを有する化学機械研磨（ＣＭＰ）システムを示す説明図である。
本発明の一実施形態による、渦電流回路の簡略化した等価回路を示す説明図である。
本発明の一実施形態による、図２の渦電流プローブの出力を時間の関数として示したグラフである。
本発明の一実施形態による、図２の渦電流プローブの校正振幅出力を時間の関数として示したグラフである。
図２の渦電流プローブの測定された電圧ベクトル（Ｉ対Ｑ）のベクトルプロットを示す説明図である。
研磨工程中の時間に対する測定された銅の厚さのプロットを示す説明図である。
本発明の一実施形態によって生成された、８種類のリフトオフ曲線と、リフトオフ曲線に交差する円弧とを示すグラフである。
本発明の別の実施形態による、組み合わせ渦電流及び光学測定デバイスを示す側面図である。
本発明の一実施形態による、自己清浄型の対物レンズを有する一つ以上の測定システム（図示は省略）を取り入れた化学機械研磨（ＣＭＰ）装置の断面を示す説明図である。
反射率値をフィルム厚の関数とする４種類のグラフを示す説明図である。
サンプルに形成された二酸化珪素層、Ｔａ層、およびＣｕ層の３つの層を示す説明図である。
図８ＡのＣｕを相対的に高速で研磨した後の結果を示す説明図である。
相対的に高速でＣｕ層を研磨した結果であるＴａ層内のディッシング及び浸食を示す説明図である。
銅層の低速エッチングを示す説明図である。
本発明の一実施形態による、渦電流プローブと光学プローブとが組み合わされたマルチチャンバ堆積ツールを示す説明図である。
次に、本発明の具体的な実施形態について詳しく説明する。これらの具体的な実施形態の例は、添付の図面に例示されている。本発明をこれらの具体的な実施形態と関連付けて説明するが、これは、本発明を、説明する実施形態に限定することを意図するものではない。逆に、添付の請求項によって定義される本発明の趣旨及び範囲内に含むことが可能な代替物、修正物、均等物をもカバーすることが意図される。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細について述べている。本発明は、こうした具体的な詳細の一部又は全部がなくとも、実施することができる。尚、本発明についての詳細がいたずらに不明瞭になることを避けるため、周知の工程動作については詳細に説明していない。
電気抵抗率は、電気伝導率の逆数であるから、本発明にしたがってこれらの量の一方を決定することで、両方が決定される。簡単にするために、本明細書では、サンプルの電気伝導率を決定する実施形態を参考に、本発明を説明するが、門発明に基づいて電気抵抗率を決定するために、これらの実施形態を変形して実施する方法は、当業者にとっては自明である。更に、当業者にとって、複素電気コンダクタンス、抵抗、シート伝導、又はシート抵抗を決定するために、これらの実施形態を変形して実施する方法は自明である。例えば、電気抵抗は、説明した装置を使用して電気抵抗率を測定し、任意の従来手段でサンプルの直線寸法を別個に測定し、抵抗を決定するために、測定された抵抗率を測定された直線寸法で割ることで決定できる。請求項及び要約において、「コンダクタンス」という用語は、伝導率、抵抗率、コンダクタンス、抵抗、シート伝導、又はシート抵抗を示す広範な意味において使用されている。
請求項を含めた本明細書全体を通して、「交流電圧」という用語は、例えば、正弦、方形、又は鋸歯波形のような電圧も含めて、時間とともに周期的に変化する任意の電圧を示すものとして使用されている。
大まかに言えば、本発明のいくつかの実施形態は、渦電流測定及び／又は光学測定を、実状態（in-situ ）で実行する改良されたメカニズムを提供する。つまり、本発明の渦電流を測定するための装置及び手法は、それ自体で、或いは本発明の光学装置およびそのための手法と組み合わせて用いることができる。同様に、渦電流を測定する本発明の装置および手法とは関係なく、本発明の光学装置及び手法だけを使用することも可能である。
最初に新しい渦電流システムを参照すると、図１は、本発明の一実施形態による、渦電流測定デバイス又はプローブ１０２を有する化学機械研磨（ＣＭＰ）システム１００を示す図である。図中に示すように、渦電流プローブ１０２は、パッド１０６の下の研磨プラテン１１０内に取り付けられる。ＣＭＰ１００は、更に、ウエハ（図示は省略）を取り付けることが可能なウエハキャリヤ１０４を含む。当業者にとっては周知なことであるが、プラテン１１０及びパッド１０６は、ウエハキャリヤと相対的に移動し、これにより、取り付けられたウエハを研磨する。このように移動することで、渦電流プローブ１０２は、ウエハ、ウエハキャリヤ、及び／又はプラテン１１０がウエハキャリヤ１１０と相対的に移動したときの空き領域（free space：ウエハからもウエハキャリアからもはずれた領域）での測定値を得ることができる。下で説明するように、ウエハキャリヤ及び／又は空き領域の渦電流プローブ測定値は、ウエハの渦電流プローブ測定値の校正に利用可能であり、これにより、環境の影響を最小化することができる。
渦電流プローブ１０２は、好ましくは、プロセッサ１０８に結合され、これは、本明細書で説明するデータ信号を生成し（例えば、下で説明するコンダクタンス関数及び関連するフィルム厚を示す信号と、下で説明する伝導率又は抵抗率の値及び関連する厚さの値を示す信号と）、関連するメモリにデータを格納（及びメモリから格納データを検索）するためのソフトウェアをプログラムされた多目的デジタルコンピュータを含む。当然ながら、渦電流プローブ１０２を制御し、プローブ１０２によって測定された信号を分析するために、ハードウェア及び／又はソフトウェアの任意の最適な組み合わせを利用することができる。
この渦電流プローブ回路は、任意の最適な方法で実施することができる。大まかに言えば、渦電流プローブは、検出コイルと、検出コイル上で交流電圧を発生させる交流電源と、検出コイル上のインピーダンス又はインピーダンスの変化を測定するインピーダンスメータとを含む。このインピーダンスメータは、検出コイルインピーダンスの実際及び架空の成分を測定する任意の最適なメータの形態にすることができる。或いは、このインピーダンスメータは、図２を参照しながら説明するように、検出コイル、基準コイル、及び同期検出器に結合されるブリッジを含むことができる。
図２は、本発明の一実施形態による、渦電流プローブ回路２００の簡略化された等価回路を示す説明図である。渦電流プローブ回路２００は、プローブヘッド２０３内に取り付けられた差動プローブコイル２０２を含む。差動コイル２０２は、サンプル近くに位置する検出コイル２０２ｂと、サンプルから離れて位置する基準コイル２０２ａとを含む。一実施形態において、プローブヘッド２０３は、ＣＭＰシステムのプラテン内に取り付けられる（図示は省略）。渦電流プローブ回路２００は、更に、差動プローブコイル２０２に結合されたインピーダンスブリッジ２０４を含む。このインピーダンスブリッジ２０４は、差動プローブコイル２０２のＩ及びＱ差分値を測定するために、同期検出ブロック２５０にも接続される。この差動プローブコイル２０２は、更に、電力増幅器２０６及びブリッジ２０４を通じて、周波数発生器（frequency source）２０８によって駆動される。
起動される時、周波数発生器２０８は、１ＫＨｚ乃至少なくとも１００ＭＨｚ内の選択された周波数で、差動プローブコイル２０２において交流電圧を生成する。差動プローブコイル２０２（及び関連する電気回線）が、周波数発生器２０８にとって５０オームの負荷となる代表的なケースにおいて、周波数発生器２０８は、差動プローブコイル２０２において約５ボルトの最高最低振幅を有する正弦波電圧を生成することができる。このプローブの空間分解能を増加させ、より小さなサンプル領域のコンダクタンスを測定可能にするために、差動プローブ２０２の直径を小さくし、差動プローブコイル２０２における交流電圧を大きくすればよい。加えて、交流電圧周波数は、任意の適切な要素に基づいて選択しても良い。例えば、この周波数は、異なるフィルム厚、材料組成、プローブ対キャリヤの距離、及び／又はプローブサイズに関して選択することができる。走査の周波数、或いはいくつかの併発する別個の周波数も、渦電流プローブ上で選択的に生成することができる。
広く知られているように、プローブで測定されるサンプルの深さは差動プローブコイル２０２における交流電圧周波数に応じて変化するので、多層構造を有するサンプルの中から所望の薄い層を選択的に測定することが可能である。この差動コイル電圧周波数は、差動コイルによる電磁場がサンプル内の望ましい深さまで延長されるように選択される。
検出コイル２０２ｂの下端部とサンプル２０５との間の一定の分離に関して、検出コイル２０２ｂにおける交流電圧に応じて検出コイル２０２ｂにおいて生じる交流電圧の振幅は、サンプル２０５のコンダクタンスによって変化する。差動増幅器２１０は、差動プローブコイル２０２に接続されており、基準コイル２０２ａと検出コイル２０２ｂとからの信号の間の差分を増幅する。基準コイル２０２ａと検出コイル２０２ｂとの間の差分を取り出すことで、環境の変化によってこれらのコイルに生じた差分は、こうした変化が理論上は両方のコイルに均等に影響を与えるため、減少させることが可能である。代わりに、単一のプローブコイルを使用しても良い。この差動信号は、同相成分及び直角位相成分を含む。差動増幅器２１０の出力は、第１のミキサ２１４に、周波数発生器２０８からの交流電圧出力と共に入力される。増幅器２１０の出力は、最初に９０度の位相シフトを施された交流電圧と共に、第２のミキサ２１６にも入力される。ミキサ２１４の出力は、ローパスフィルタ２１８に入力され、ミキサ２１６の出力は、ローパスフィルタ２２０へ出力される。これらのローパスフィルタの出力は、差動プローブコイル２０２の分離した同相（Ｉ）及び直交（Ｑ）成分となる。これらの信号は、次に、アナログデジタル変換器２２２及び２２４にそれぞれ送られ、デジタルＩ及びＱ値が生成される。代替方法を用いてＩ及びＱ値を検出しても良い。
伝導薄膜に高い感度を提供するために、増幅器２１０は、高利得（１０，０００乃至５０，０００程度）を提供するように選択することが望ましい。信号飽和を回避するために、こうした高利得は、検出コイル２０２ｂの近くにサンプルが存在しない時、ブリッジ電圧出力が事実上ゼロに近くなるように、ブリッジ回路２０４が正確に平衡を保っている場合のみ使用できる。二つのコイルが電気的に同一になるような差動プローブコイル組立体２０２を構築することは、現在のところ困難であるため、固定ブリッジ要素２０４又はプローブコイル２０２のインピーダンスを調整する必要がある。固定ブリッジ又はプローブコイルのインピーダンスは、任意の適切なインピーダンス調整メカニズムによって平衡にすることができる。例えば、一方のプローブコイル又は一方のブリッジ抵抗２０４に、可変抵抗を直列で追加することができる。この架空のインピーダンス条件は、一方のプローブコイル２０２又は一方のブリッジレジスタ２０４に小さな電気容量を配置することで平衡にすることができる。ここで説明したブリッジ回路を平衡化するために使用する抵抗及び容量素子は、手動で調整される別個のコンポーネントの形態にすることが可能であり、或いは、コンピュータ制御下で又は閉ループ制御回路を介して、ブリッジ回路を動的に平衡化するために使用できる電気的な可変抵抗及び可変容量ダイオード又はバラクタ（varactor）といった能動素子に置き換えても良い。当然ながら、二つのコイルが電気的に同一であるように差動プローブコイル組立体２０２を構築することが可能になれば、固定ブリッジ要素２０４又はプローブコイル２０２のインピーダンスを調整する必要はなくなることになる。
したがって、同期検出ブロック２５０からの出力信号は、好ましくは差動プローブコイル２０２における誘導電圧の同相成分および直角位相成分の両方の振幅を示すデジタル信号であり、図１のプロセッサ１０８において、（下で説明する形で）本発明による処理を施される。要するに、差動プローブコイル２０２における誘導電圧の同相及び直角位相成分は、交流相互誘導型ブリッジを使用して測定される。代替の渦電流回路は、マロリ他による１９９３年６月２５日付けの米国特許第５，５５２，７０４号において説明されている。
ブリッジの設計によって、測定中、プローブには、環境の変化に対するある程度の保護が提供される。つまり、ブリッジは、変化する環境条件に比較的影響されない。一部の好適な実施形態において、各コイルは、更に環境の影響を最小化し且つ信号対雑音比を向上させるコンダクタンスエポキシ又は高透過性フェライト材料といった材料のコアに巻き付けられる。他の好適な実施形態において、各コイルは、アクリル材料のコアに巻き付けられる。差動プローブ及びブリッジの設計によって、更に、基準コイル２０２ａに比べ、検出コイル２０２ｂでの好感度インピーダンス測定が提供される。つまり、サンプルによって影響される検出コイル２０２ｂの絶対インピーダンスを取得することができる。換言すれば、定量化可能な測定が行われる。
下で説明するように、絶対インピーダンス値は、絶対厚さ値と直接的に相関させることができる。したがって、正確な除去速度も、決定することができる。これまでの渦電流プローブ法では、厚さが変化したことのみを判断可能で、厚さがどれだけ変化したかを判断することはできない。つまり、従来方法は、環境によって生じた変化から当該エリアを分離することができない。したがって、従来方法では、広範な校正と工程及びサンプルの演繹的知識とが必要になる。
加えて、プローブ２０３は、小さなスポットサイズを得るために、容易に縮小できる。したがって、差動プローブのサイズが減少する時、差動プローブによって、小さいが有益な信号を依然として検出することができる。
上述のように、本発明の渦電流測定手法は、様々なタイプの実状態（in-situ ）用途で利用することができる。例えば、渦電流プローブは、化学機械研磨（ＣＭＰ）ツール内に統合することができる。この用途において、渦電流プローブは、一つ以上のエッチング層での一つ以上のエンドポイントを検出するために利用される。別の例として、渦電流プローブは、堆積ツール内に統合することができる。この場合、渦電流プローブは、堆積層のフィルム厚を検出するために利用される。
最初のＣＭＰ用途に戻ると、渦電流プローブを使用してＣＭＰを施しているサンプルのフィルム厚を判断する手法が提供される。こうしたメカニズムは、温度、及びプローブとサンプルとの間の距離を判断するために使用することもできる。大まかに言えば、テスト中のサンプルと、サンプルキャリヤと、空き領域との位相及び振幅の測定値が得られる。このサンプルキャリヤ及び／又は空き領域の測定値は、テスト中のサンプルから得られた測定の校正に利用することができる。大まかに言えば、このサンプルキャリヤ及び／又は空き領域（又はオープンコイル）の測定値は、サンプルのフィルム圧の測定値内の利得及び誤差を補正するために使用される。
このサンプルキャリヤは、通常、サンプルを取り囲む（プラスチックで覆われた）伝導材料によって形成され、このサンプルキャリヤの組成及び厚さは、一定の状態を維持すると考えられる。したがって、サンプルキャリヤの測定は、サンプルの測定を継続的に校正するための安定した基準点を提供する。基準の測定は、プローブからキャリヤまでの距離を判断するメカニズムも提供する（例えば、パッド圧の測定として）。当然ながら、任意の適切な基準部材を使用可能であり、この基準部材は、任意の測定可能位置に置くことができる。例えば、伝導材料のスラグを、ウエハキャリヤの裏側に取り付けることができる。空き領域の測定は、検出回路の変化（例えばコイル温度その他の変化）を感知するメカニズムを提供する。
図３Ａは、本発明の一実施形態による、図２の渦電流プローブ（例えば実際又は架空の成分）の出力を時間の関数とするグラフを示す図である。このプローブは、ウエハと、ウエハキャリヤと、空き領域との全体で、連続して繰り返し測定値を得るように、ウエハ及びウエハキャリヤと相対的に移動する。好ましくは、このプローブは、ウエハ全体を容易に移動するように配置される。図３Ａを参照すると、サンプルキャリヤの測定ピーク信号値は、データ点２３４、４３４、及び６３４に表示されている（この例において、各データ点は、１ｍｓである）。空き領域（又はオープンコイル）のピーク信号値は、データ点２１２、４１２、及び６１２に表示されている。サンプルの中心点のピーク信号値は、データ点３１０、５１０、及び７１０に表示されている。
（例えばキャリヤに関する）基準ベクトルは、以下のように定めることができる。
ＲＥＦ（Ｉ，Ｑ）＝（Ｒi −ＯＣi ，Ｒq −ＯＣq ） ［１］
ＲＥＦ（Ｉ，Ｑ）＝（Ｒi −ＯＣi ，Ｒq −ＯＣq ） ［１］
Ｒi は、サンプルキャリヤ信号のＩ成分であり、Ｒq は、サンプルキャリヤ信号のＱ成分である。同様に、ＯＣi は、オープンコイル又は空き領域のＩ成分であり、ＯＣq は、オープンコイル又は空き領域のＱ成分である。次に、ウエハベクトルは、以下のように定めることができる。
ＷＡＦ（Ｉ，Ｑ）＝（Ｗi −ＯＣi ，Ｗq −ＯＣq ） ［２］
Ｗi は、ウエハ信号のＩ成分であり、Ｗq は、ウエハ信号のＱ成分である。
ＷＡＦ（Ｉ，Ｑ）＝（Ｗi −ＯＣi ，Ｗq −ＯＣq ） ［２］
Ｗi は、ウエハ信号のＩ成分であり、Ｗq は、ウエハ信号のＱ成分である。
サンプル及び基準の測定値を比較すれば、温度及びプローブ対キャリヤ距離による変化（及びその他の変化）は、最終的な校正振幅及び位相値から、大部分を取り除くことができる。例えば、温度の変化により、キャリヤ信号のピーク信号は、経時的にドリフトし低下する。こうした温度変化によって生じる信号の変化は、オープンコイル及び基準信号におけるドリフトを通知することで、ウエハピーク信号から差し引くことができる。同様に、プローブ対キャリヤ距離における変化によって、オープンコイル及びキャリヤピーク信号の間の差分に変化が生じる。こうした信号の変化も、ウエハ信号において補正することができる。
測定値は、差分コイル及びブリッジ装置により迅速に取得されるため、校正振幅及び位相値は、ＣＭＰ工程中に「オンザフライ（on-the-fly）」で迅速に生成することができる。これらの校正値は、その後、分析し、サンプルに関する様々な特性を容易に判断することができる。
図３Ｂは、本発明の一実施形態による、図２の渦電流プローブの校正振幅出力を時間の関数とするグラフを示す図である。振幅の値（垂直軸）は、厚さ値に容易に変換し、フィルム厚を時間の関数として生成することができる。例えば、既知の厚さ値を有するサンプルは、厚さの直線関数を電圧の関数として生成するために、渦電流プローブにより測定することができる。或いは、渦電流プローブにより測定されるサンプルの厚さは、４点プローブ等の任意の適切な測定システムにより決定することができる。振幅／厚さ対電圧のグラフは、既知のフィルム厚値及び組成を有する多数のサンプルに関して生成することができる。したがって、未知の厚さを有するサンプルからの測定電圧値は、厚さ対電圧のグラフを介して、厚さ値と相関させることができる。
多数の位置（例えば、キャリヤ位置、多数のウエハ位置、及びオープンコイル位置）での位相及び振幅の両方を測定することにより、大量の情報が提供される。例えば、異なる測定ベクトル（例えば、基準、ウエハ、及びオープンコイルベクトル）は、画像で例示することができる。例えば、フィルム圧の変化は、プローブコイルインピーダンスを、キャリヤ及びコイル測定値と併せて調査することで、プローブ対サンプル距離の変化と温度の影響とから分離することができる。図３Ｃは、測定ベクトル（Ｉ対Ｑ）それぞれのグラフである。様々な環境条件により、ベクトルは、グラフ内において特定の形でドリフトする。図中に示すように、温度変化により、ベクトルは、起点に向かって移動する。対照的に、プローブ対キャリヤ距離の増加により、キャリヤ信号の振幅は減少する。測定ベクトル方向は、材料の組成によっても影響を受ける。例えば、鉄類と非鉄類は、容易に区別することができる。
温度及び／又はプローブ対サンプル距離の値における変化は、ＣＭＰシステム内の問題を示す可能性がある。例えば、プローブ対キャリヤ距離の大幅な減少は、ＣＭＰシステムのパッドに交換が必要なことを示す可能性がある。別の例として、温度の大幅な上昇は、ＣＭＰシステムが過熱しており、修正処置が必要なことを示す可能性がある。温度変化は、エンドポイントを予測するために使用することもできる。例えば、銅が除去されるにつれて、銅の摩擦係数は変化し、この変化の結果、パッド及びスラリと擦れる銅によって生成される熱の量は変化する。こうした温度の変化は、その後、エンドポイントと直接的に相関させることができる。
加えて、サンプル全体の変化（研磨速度、温度、及びその他の変化）も、研磨中に判断することが可能であり、（例えば均一性を維持するために）工程をオンザフライで調整するのに利用できる。例えば、サンプルの一部が、サンプルの残りの部分より低速度で研磨されている時、研磨パラメータを調整し、研磨速度が遅いサンプル部分の研磨速度を増やすことができる。この調整手法は、研磨システムの特定の校正に応じて変化する。例えば、サンプルキャリヤの裏側に空気袋を取り付け、パッドに対する背圧をサンプルに及ぼすことができる。圧力は、特定のサンプル部分の裏側に位置する一つ以上の袋の空気量を増加させることで、特定のサンプル部分で増加させることができる。したがって、サンプル全体で均一にフィルムを除去することができる。他のタイプのＣＭＰシステムでは、圧力を制御するために、単にウエハの裏側に空気穴又は負圧穴を提供する。こうした構成において、空気又は負圧の量は、研磨速度の不均一性のレベルに基づいて、特定のサンプル部分で、単純に増減される。
時間履歴とサンプル全体での空間的に多様な測定（例えば厚さの放射測定）を使用することで、エンドポイントの決定に関して、より完全な範囲及び優れた信頼性の水準が得られる。時間履歴を使用することで、研磨速度を判断し、残りの厚さを判断してエンドポイントを決定することができる。放射状の不均一性も、エンドポイント及び／又は研磨速度の予測において、決定し、明らかにすることができる。したがって、エンドポイント予測において、相対的に高い信頼性の水準が得られる。
様々な工程パラメータ（例えば、温度変化、プローブ対サンプル距離、研磨速度、及びその他）をモニタリングする本発明の手法は、任意の適切な従来のモニタリング手法と統合することができる。例えば、モータ電流、トルク、及びモータ超音波をモニタリングする手法は、本発明の手法と併せて使用し、ＣＭＰ工程の動作パラメータを更に正確に調整することができる。
報告された研磨速度の変化は、フィルムのエンドポイントに達するまでに要する時間を予測するのにも使用できる。例えば、図３Ｄは、３種類のサンプル部分に関する３種類の研磨速度を例示ししている。各サンプル部分に関するエンドポイントの違いは、矢印３７５によって表されている。これにより、３種類のサンプル部分すべてに関して、エンドポイントに達するのに十分な長さの研磨時間を選択することができる（つまり最長の研磨時間）。
いくつかの渦電流測定分析手法は、マロリ他による１９９３年６月２５日付けの米国特許「５，５５２，７０４」において詳細に説明されている。この特許は、プローブとサンプルとの間の分離の測定又は知識を必要とせずに、渦電流プローブを使用してサンプル上でコンダクタンス測定を実行する方法及び装置について全般的に説明している。次に、この渦電流分析手法について、図４を参考に説明する。最初に、（オペレーティングプロセッサ１０８によって）ルックアップテーブルデータが生成され、このデータは、未知の伝導率を有するサンプル上でのその後の測定において使用するために、ルックアップテーブルとして（メモリ１０８に）格納される。
ルックアップテーブルデータを生成するために、既知の伝導率を有する多数のサンプル（Ｎサンプル）それぞれに関して、渦電流測定が最初に実行され、対応する多数のリフトオフ曲線（Ｎリフトオフ曲線）が生成される。８種類のこうしたリフトオフ曲線が、図４に表示されている。
各リフトオフ曲線は、差動コイル２０２において交流電圧を生成し、ｚ軸線に沿った多数のプローブ位置それぞれに関して、差動コイル２０２において誘導される差分交流電圧の同相成分および直角位相成分を両方とも測定することによって生成される。サンプルとプローブとの間の（ｚ軸線に沿った）分離は、測定する必要、或いはその他の方法で知る必要はない。
通常は、少数（２５等）のコイル電圧ペア（各ペアは、同相差分電圧および直角位相差分電圧を含む）が、各サンプルに関して測定される。各コイル電圧ペアは、サンプルに関するｚ軸線に沿って、異なるプローブ位置で測定される。各サンプルに関して、測定されたコイル差分電圧ペアのセットが処理され、リフトオフカーブが決定される。
具体的には、一定のサンプルに関して、プロセッサ１０８は、いくつかのプローブ位置それぞれでの同期検出ブロック２５０からの出力信号（差動コイル２０２電圧ペアを示す）を処理し、このデータに最も適合する多項関数（「同相」電圧対「直角位相」電圧の関数）を決定する。この関数は、サンプルに関するリフトオフ曲線を決定する。
こうしたリフトオフ曲線の例は、図４の「Ａ」の曲線である。リフトオフ曲線Ａは、既知の抵抗としてスクエア当たり０．０２１６オームを有するサンプルを測定することで得られた多数の検出コイル電圧ペア（例えば、七種類の検出コイル電圧ペア）を処理することで決定される。リフトオフ曲線Ｒは、Ｙ＝（Ｋ）−（Ｌ）Ｘ＋（Ｍ）Ｘ2 の形態の多項関数のグラフであり、Ｙは、ボルトを単位とする直角位相電圧であり、Ｘは、ボルトを単位とする同相電圧であり、Ｋ、Ｌ、及びＭは、定数である。プロセッサ１０８は、この二次多項関数を測定電圧ペアに最も適合するものとして特定する。
ほとんどの場合、２５個（又は２５個程度の数）の検出コイル電圧ペアは、十分な精度で各リフトオフ曲線を特徴付けるのに十分である。測定が行われる（ｚ軸線に沿った）プローブ位置の範囲は、サンプルの伝導率に比例し（伝導率の大きなサンプルでは、一般に、大きなプローブ対サンプル分離が必要）、プローブ半径にも依存する。（通常のサンプルに関する）経験則として、リフトオフ曲線を決定するために必要な差動プローブ対サンプル分離は、駆動コイル半径の５０％にほぼ等しい。非常に大きなプローブ対サンプル分離に関する検出コイル電圧は、リフトオフ曲線の決定に有意な貢献をしないデータの不必要な処理を避けるため、切り捨てること（或いは測定を避けること）を選択した。
図４の例を参照すると、リフトオフ曲線Ａないし曲線Ｈのそれぞれは、上述の曲線Ａを決定するために利用したものと同じ処理によって決定される（異なる既知の抵抗を有する８種類のサンプルそれぞれに関して一つのリフトオフ曲線Ａないし曲線Ｈ）。曲線Ａないし曲線Ｈに関連する（スクエア当たりのオームを単位とする）サンプルの抵抗は、それぞれ、０．０２１６、０．０２６３、０．０５２５、０．０６９９、０．０８１、０．１６、０．２５９７、及び０．３９である。
基準リフトオフ曲線のセット（例えば図４に示す曲線Ａないし曲線Ｈ）を決定した後、プロセッサ１０８は、「交差」電圧ペアのセットを決定し、各交差電圧ペアは、種類の異なる基準リフトオフ曲線の一つと「選択」曲線（例えば円弧又は別の多項関数のグラフにすることが可能）とのＸ−Ｙ電圧空間における交差を表しており、Ｘは、同相電圧を表し、Ｙは、直角位相電圧を表す。こうした「選択曲線」の一つ（円弧Ｖ）は、図２に表示されている。選択曲線Ｖは、Ｘ＝０ボルト及びほぼＹ＝０．８ボルトを中心とする半円である。或いは、起点（Ｙ＝０ボルト、Ｘ＝０ボルト）を中心とする円弧等、別の選択曲線を利用しても良い。リフトオフ曲線Ａに沿った点Ａ１の「Ｘ，Ｙ」座標は、「選択」曲線Ｖに関するこうした交差電圧ペアの例となる。
プロセッサ１０８が選択曲線に沿って交差電圧ペアのセットを決定した後、プロセッサ１０８は、本発明の方法における次のステップを実施し、これは、各交差電圧ペアに関連する既知の伝導率と選択曲線との関数関係を決定することである（下では「コンダクタンス関数」と呼ぶ）。このコンダクタンス関数は、基準リフトオフ曲線のいずれにも関連しない伝導率値を含め、選択曲線の各点に関する伝導率値を決定する。例えば、選択曲線Ｖ上の点Ｚは、（リフトオフ曲線Ｂに関連する）スクエア当たり０．０２６３オームより大きく、（リフトオフ曲線Ｃに関連する）スクエア当たり０．０５２５オームより小さい（選択曲線Ｖに関するコンダクタンス関数からプロセッサ１０８によって決定される）固有の伝導率に対応する。好適な実施形態の一クラスにおいて、プロセッサ１０８は、選択曲線上の多数の異なる点それぞれに関してコンダクタンス関数によって決定された伝導率値を、ルックアップテーブルとしてメモリ１０８に格納する。こうした各伝導率値は、対応するインデックス電圧ペアによってインデックス化されたメモリ位置にアクセスすることで、格納されたルックアップテーブルから取り出すことができる。
説明した方法を変更したものにおいては、各測定サンプルの既知のコンダクタンス（伝導率ではない）を、「選択」曲線上の交差電圧ペアに関連づけるコンダクタンス関数、或いは、各測定サンプルの既知の抵抗又は抵抗率を、「選択」曲線上の交差電圧ペアに関連づける「抵抗関数」又は「抵抗率関数」を、上述のコンダクタンス関数の代わりに決定及び処理することができる。便宜上、「コンダクタンス関数」という表現は、本明細書（請求項を含む）において、こうしたコンダクタンス関数、抵抗関数、又は抵抗率関数、或いは、測定サンプルのセットそれぞれにおける既知のコンダクタンス、伝導率、抵抗、抵抗率、シート抵抗、又はシート伝導を、「選択」曲線上の交差電圧ペアに関連づける任意の関数、及び（測定サンプルのセットそれぞれにおける既知のコンダクタンスを、「選択」曲線上の交差電圧ペアに関連づける）狭義のコンダクタンス関数を示す広範な意味において使用される。
渦電流プローブは、好ましくは、プラテン内に位置するが、サンプルキャリヤの裏側の中に位置しても良い。この配置において、このキャリヤは、基準信号を提供しなくなる。したがって、温度センサも、好ましくは、測定サンプル信号を任意の温度変化に関して校正できるように、このキャリヤに取り付けられる。（プラスチックに覆われた）基準金属スラグも、既知のサンプルに関する基準信号が得られるように、周期的にプローブを通り過ぎて移動するような配置にすることができる。この構成においては、ブリッジプローブ設計によっても、共振器プローブ設計と比較して、相対的に小さなスポットサイズの測定が可能になる。
このＣＭＰシステムは、渦電流プローブに加え、任意の適切な光学測定デバイスを含むこともできる。渦電流測定デバイスは、厚膜で良好に機能し、光学測定デバイスは薄膜で更に良好に機能するため、渦デバイスと光学デバイスとを組み合わせることで、広範囲のフィルム厚を測定することができる。図５は、本発明の一実施形態による、組み合わせ渦電流及び光学測定デバイス５００を示す側面図である。図中に示すように、組み合わせ測定デバイス５００は、ＣＭＰツール内に統合される。例示する実施形態においては、光ファイバ測定デバイス５０４及び（例えば上述のような）渦電流プローブ５０２が、ハウジング５１０に収納されている。ハウジング５１０は、渦電流信号及び光学信号を十分に透過させる材料によって形成される。例えば、このハウジングは、ガラスによって形成される。
光デバイスは、正確な光学測定値が得られるように、任意の方法でＣＭＰツール内に統合することができる。例えば、渦電流プローブコイルは、光学素子に巻き付けることができる。好ましくは、光学測定デバイスは、渦電流プローブシステムと分離して、プラテン内に配置される。或いは、渦電流プローブは、上述のように、ウエハの裏側に配置することができる。一実施形態においては、自己清浄型対物レンズが、光学測定デバイスのために、ＣＭＰのプラテン及びパッドの中に挿入される。光学測定は、ＣＭＰ動作中に自己清浄型対物レンズを通じて行われる。自己清浄型対物レンズのいくつかの実施形態は、ニクナハッド他による１９９９年９月１５日付けの上述の同時系属米国特許出願第０９／３９６，１４３号「自己清浄型光学測定を実行する装置及び方法」、及びニクナハッド他による２０００年４月２４日付けの第０９／５５６，２３８号「化学機械研磨中にキラー粒子を検出する装置及び方法」において説明されている。
図６は、本発明の一実施形態による、自己清浄型の対物レンズを有する一つ以上の測定システム（図示は省略）を取り入れた化学機械研磨（ＣＭＰ）装置６００の断面を示す図である。様々な成分の寸法は、本発明の自己清浄型対物レンズをより明瞭に示すために、各種成分の寸法を誇張して示している。図中に示すように、ＣＭＰ装置６００は、サンプルホルダ６０１と、穴６０８を有したパッド６０７及びプラテン２０６とを備えている。サンプルホルダ６０１は、パッド６０７及びプラテン６０６に対してサンプル６０２を保持するように構成される。スラリ６０４は、サンプル６０２と、プラテン６０６の頭部を構成するパッドと、の間に設けられる。サンプルがパッド６０７に対して移動すると、スラリ６０４は、サンプル６０２を機械的且つ又は化学的に研磨するように機能する。もちろん、任意の適切な研磨剤を利用して良い。
パッド６０７及びプラテン６０６の穴６０８には、自己清浄型の対物レンズが取り付けられる。図６の自己清浄型の対物レンズは、光学素子６１０と、流動流体６２３とを備えている。自己清浄型と対物レンズの流動流体６１３は、任意の適切なメカニズムを用いて生成することができる。図中に示すように、自己清浄型の対物レンズは、光学素子６１０とサンプル表面６０２との間に一定の流体の流れを生成する流体ポンプ６１２と、流体出口６１４とを更に備えている。或いは、流動流体６１３を生成する単一デバイス内に、流体ポンピングシステムを導入しても良い。最後の例としては、視野領域の周囲にリング上の穴を形成し、この視野領域の中心にポンプから流体を供給することとしても良い。この流体は、その後、リング上の穴を通じて排出される。
流体ポンプ６１２には、流量率を調整するための制御弁（図示は省略）を設けることとしても良い。同様に、流体出口６１４に負圧を発生させて、流体出口６１４に流れ込む流量率を制御することとしても良い。例えば、流量率は、スラリの種類、研磨速度、流体リザーバのサイズ、光学素子の構成、光の波長、スラリの濃度、工程に及ぼす影響の程度等に応じて変更しても良い。図中に示すように、パッド６０７とサンプル６０２との間に設けられたスラリ６０４は、流動流体６１３によって、サンプル６０２の視野表面から実質的に排除される。
自己清浄型の対物レンズに近接してサンプルが存在する時期を判断するセンサ（図示は省略）を、流体ポンプ６１２に設けることとしても良い。センサは、圧力や光学的な入力又はその他の入力を用いて、サンプルの位置を検出することができる。そして、自己清浄型の対物レンズの近く又は頭部にサンプルが存在する場合には、流動流体を調整することとしても良い。こうすれば、自己清浄型の対物レンズ付近のスラリを過度に希釈することなく、光学通路上の異物を排除することができる。これにより、スラリが希釈されてサンプルを効果的に研磨できなくなることが防止される。
一つ以上の測定信号６１６は、光学素子６１０及び流動流体６１３を通じて、反射、検出、及び分析されるサンプル６０２に対して送られる。次いで、サンプル６０２から、一つ以上の検出可能信号６１８が反射される。自己清浄型対物連巣の流体６１３によって、信号通路からスラリが排除されるので、多の実状態（in-situ ）測定システムのように、スラリ６０４によって測定及び検出可能信号６１６及び６１８が大きく歪められる事態は生じない。
任意の適切なタイプ及び数の光学測定デバイスを、自己清浄型対物レンズ６００と併せて使用することができる。具体的な例として、反射率計システム、偏光解析器、緩衝計システム、及び光音響システムを使用することができる。光学測定デバイスは、様々な方法で構成することができる。反射率計は、多数の入射ビーム角度又は単一のビーム角度を使用して反射率を測定することができる。加えて、反射率計は、様々な波長又は単一の波長での反射率を測定することができる。同様に、偏光解析器は、多数の角度、単一の角度、多数の波長、及び単一の波長の任意の組み合わせにおいて測定を行うように構成することができる。
いくつかの反射率測定装置及び反射率分析手法は、ノートン（Ｎｏｒｔｏｎ）他による米国特許５，７４７，８１３号及びワング（Ｗａｎｇ）他による１９９９年４月２２日付けの米国特許出願第０９／２９８，０７７号において説明されている。偏光解析装置及び方法のいくつかの実施形態は、ピウォンカ−コーレ（Ｐｉｗｏｎｋａ−Ｃｏｒｌｅ）他による米国特許第５，９１０，８４２号において説明されている。光音響システム及び方法は、ニクナハッド他による１９９８年２月２４に付けの米国特許出願第０９／０２８，４１７号において説明されている。
この光学測定デバイスは、エンドポイント時間を予測するために利用することができる。エンドポイントが近い時には、反射率の下落が存在することが分かっている。図７は、反射率値をフィルム厚の関数とする四種類のグラフを示している。図中に示すように、フィルムが完全に除去される時に生じる反射率の下落が存在する。例えば、厚さ１０００オングストロームの銅層を除去する前に下落が存在し、別の下落は、１０００オングストロームの銅及び３００オングストロームのＴａＮの両方を除去する前に存在する。様々なフィルム厚および組成と動作条件とに関して、多数の反射率曲線を生成し、反射率の低下後、どのくらいの時間でエンドポイントが発生するかを決定することができる。例えば、エンドポイントは、低下の５秒後に発生する場合がある。この場合、エンドポイントに到達した状態を確保するために、予測される５秒よりも多少長く（例えば１０秒間）研磨を行うことができる。好ましくは、反射率は、より容易に低下を感知できるように、いくつかの入射角で測定される。
この反射率の下落は、エンドポイントに到達するまでの時間を予測するための容易に特定可能な目印を提供する。この予測手続きは、研磨開始からエンドポイントまでの研磨時間全体に関する従来の予測に対する改良を意味する。研磨工程全体を通じて、同じ速度で研磨工程が進む可能性は低いため、合計研磨時間の予測は、正確に行われる可能性は低い。対照的に、下落後の残り研磨時間を予測することは、エンドポイントに到達するまでのこうした短い時間量において、速度が大幅に変化する可能性が低いため、エンドポイント時間の正確な表示となる可能性が高い。渦電流プローブにより研磨速度の変化を判断する上述の手法も、エンドポイントの決定のために、反射率の下落と共に使用することができる。つまり、ウエハ全体での研磨速度の変化を補うために、余分な時間を追加することができる。例えば、最も研磨が遅いウエハの部分がエンドポイントに到達する状態を確保するために、余分な時間を追加することができる。
多数の入射角を得るために、任意の適切な光学測定デバイスを利用することができる。多数の入射角を有する光学システムのいくつかの実施形態は、ニクナハッドによる上述の同時系属米国特許出願第０９／３９６，１４３号及び第０９／５５６，２３８号において説明されている。
測定は、渦電流プローブ５０２と光学プローブ５０４との両方によって行い、フィルム厚測定の精度を最適化することができる。つまり、両方のプローブによって測定を行い、広範なフィルム厚で最適な結果を得る。例えば、渦及び光学プローブは、合わせることで、あらゆる種類の金属化エンドポイントを提供する。渦電流プローブ測定は、２００乃至４００Ａ以上といった厚いフィルムの測定に対する感度が高いことが分かっている。更に、光学測定は、厚さ約４００Ａ乃至５００Ａ以下の最上層Ｃｕに対する感度が高いことが分かっている。したがって、渦電流プローブ測定は、厚膜測定に利用可能であり、光学プローブは、薄膜測定に利用される。加えて、渦電流プローブは、サンプル上の下層のフィルムパターンに対する感度が相対的に低いと思われる。
別の実施形態において、高速エッチング中は、一エンドポイント手法が利用され、低速エッチング中は、別の手法が利用される。図８Ａないし図８Ｂは、相対的に高速なエッチングを表している。図８Ａは、サンプルの３つの層、つまり二酸化珪素層８０２、Ｔａ層８０４ａ、及びＣｕ層８０６ａを示している。エッチング前、Ｃｕ層８０６ａは、通常、Ｔａ下層８０４ａと比較して、相対的に大きな厚さを有する。
図８Ｂは、相対的に高速でＣｕをエッチングした後の結果を示している。当業者には周知であるように、この結果として、かなりの起伏があるＣｕ層８０６ａが生じる。例えば、Ｃｕ層８０６ａは、高位点８０８においては約１０００Ａになる可能性がある。Ｃｕ層８０６ａは、ここから、領域８１０ａ及び８１０ｂの厚さゼロまで、徐々に少なくなる場合がある。Ｃｕ層８０６のエンドポイントが正確に検出されない場合は、図８Ｃに示すように、障壁層のＴａ８０４ｂも、領域８１０ａ及び８１０ｂに沿って、エッチングされる恐れがある。つまり、Ｔａ層８０４において、ディッシング又は浸食が発生する恐れがある。ディッシング及び浸食は、Ｃｕエンドポイントが正確に検出されなかった時に発生する望ましくない効果である。解決策として、ディッシングが発生する前にＣｕ層８０６の相対的に大きな厚さ８０８（図８Ｂ）を正確に検出するために、渦電流プローブを利用することができる。
対照的に、相対的に低速のエッチングが利用される時、Ｃｕ層８５８は、図８Ｄに示すように、より均等にエッチングされる。例えば、Ｃｕ層は、最高点８５８において、約２００Ａになる可能性がある。この場合は、相対的に小さいＣｕ厚（例えば２００Ａ）において発生するＣｕエンドポイントを正確に測定するために、光学プローブを利用することができる。
上述の測定プローブの組み合わせは、他の任意の適切な実状態（in-situ ）ツールにおいて利用することができる。例えば、両ツールは、堆積ツール内で利用することができる。図９は、本発明の一実施形態による、組み合わせ渦電流及び光学プローブを有するマルチチャンバ堆積ツール９００を示す図である。
図中に示すように、堆積ツール９００は、第１のチャンバ９０２ａと、第２のチャンバ９０２ｂとを有する。当然ながら、任意の数及びタイプのチャンバを使用することができる。第１のチャンバ９０２ａは、サンプル９０４に第１の層を堆積させるのに使用することが可能であり、次いで、第２のチャンバ９０２ｂは、サンプル９０４に第２の層を堆積させるのに使用する。大まかに言えば、サンプル９０４は、第１のチャンバ９０２ａ内で第１の材料９０６ａの上に取り付けられる。第１の材料９０６ａは、サンプルに蒸着する（９０８ａ）。
図中に示すように、渦電流プローブ９１４ａは、サンプル９０４の裏側に取り付けることができる。渦電流プローブ９１４ａは、好ましくは、サンプルの裏側を通じて、第１の層の厚さを測定できる。加えて、光学エミッタ９１６ａ及び検出器９１８ａを、第１のチャンバ９０２ａ内に取り付けることができる。エミッタ９１６ａは、サンプルに向けて信号を放射し、信号はサンプル９０４で反射され、検出器９１８ａに向かう。
第２のチャンバ９０２は、同様に構成することができる。図中に示すように、第２のチャンバ９０２ｂも、サンプル９０４に蒸着させる第２の材料９０６ｂを含む（９０８ｂ）。第２のチャンバ９０２ｂは、更に、渦電流プローブ９１４ｂ及び光学エミッタ／検出器９１６ｂ及び９１８ｂを含む。
この光学エミッタ／検出器はオプションであり、堆積ツールは、渦電流プローブのみを含むこととしても良い。好ましくは、渦電流プローブにより、上述の校正手法及び／又はマロリの特許が実施される。
各チャンバに渦電流プローブを取り付けるのではなく、単一の渦電流プローブを、トランスファモジュール９１０内に取り付けることとしても良い。図中に示すように、渦電流プローブ９１２は、サンプル９０４の付近に配置される。したがって、サンプルがチャンバ間を移動する際に、フィルム厚を測定することができる。フィルム厚が不十分であると判断された場合は、フィルムの再適用のために、サンプルをチャンバに戻すことができる。当然ながら、各プローブは、フィルム厚の決定のために、更に、処理デバイス（図示せず）に結合される。
上述の発明について、明瞭な理解の目的で、ある程度詳細に説明したが、添付の請求項の範囲内で、特定の変更及び修正を実行できることは明らかである。なお、本発明の工程及び装置の両方を実施する多数の代替方法が存在する。
例えば、光学測定は、除去されているフィルムによって校正しても良い。銅を大幅に研磨した後、依然として光学的に不透明である時、これは、事実上、理想的な銅鏡であるように思える。この銅鏡は、その後、湾曲しているファイバ等、環境条件の変化を調整するために利用することができる。加えて、反射率値の低い物体を、光学通路内に周期的に配置し、校正用の低反射率基準を提供することができる。
上述の渦電流プローブ手法は、単に、サンプルの存在を検出するために使用することもできる。キャリヤ、パッド、又はプラテン内にピエゾセンサを埋め込み、研磨の力学を決定することもできる。例えば、サンプルがキャリヤを滑り落ちる時、異なる音が生成されるため、ピエゾセンサによって、この滑りを検出することができる。別の例として、この光学システムは、軌道プラテン内の内視鏡型装置内に取り付けることもできる。加えて、コンダクタンスポリマ接点をパッド内に取り付け、シート抵抗等、サンプルの様々な電気的測定値を非破壊的に得ることができる。
光学及び渦電流プローブセンサは、自己校正を提供するために、共に使用することもできる。例えば、光学プローブは、金属鏡面を基準として使用することで校正することができる。金属は、金属層がほとんど取り除かれ、依然として光学的に不透明である時、適切な鏡状の表面となる。このポイントは、渦電流プローブによって決定することができる。加えて、光学測定デバイスを使用して、フィルムが取り除かれた時期を判断し、その後、フィルム抵抗率測定ではなく、基板抵抗率測定を行うために、渦電流プローブを校正することができる。
したがって、本実施形態は、制限的ではなく例示的なものと考えられ、本発明は、本明細書で述べた詳細に制限されず、前記特許請求の範囲及び均等物の中で変形することが可能である。
本発明は、同一参照符号が同一構成要素を示す添付図面を用いた以下の詳細な説明から容易に理解されよう。
１…チャンバ
２…チャンバ
１００…化学機械研磨（ＣＭＰ）システム
１０２…渦電流プローブ
１０４…ウエハキャリヤ
１０６…パッド
１０８…オペレーティングプロセッサ
１１０…研磨プラテン
２００…渦電流プローブ回路
２０２…差動プローブコイル
２０２ａ…基準コイル
２０２ｂ…検出コイル
２０３…プローブヘッド
２０４…ブリッジ回路
２０５…サンプル
２０６…プラテン
２０６…器
２０８…周波数発生器
２１０…器
２１２…データ点
２１４…第１のミキサ
２１６…第２のミキサ
２１８…ローパスフィルタ
２２０…ローパスフィルタ
２２２…アナログデジタル変換器
２３４…データ点
２５０…同期検出ブロック
３１０…データ点
３７５…矢印
５００…光学測定デバイス
５０２…渦電流プローブ
５０４…光ファイバ測定デバイス
５１０…ハウジング
６００…ＣＭＰ装置
６０１…サンプルホルダ
６０２…サンプル
６０４…スラリ
６０６…プラテン
６０７…パッド
６０８…穴
６１０…光学素子
６１２…流体ポンプ
６１３…流動流体
６１４…流体出口
６１６…検出可能信号
６１８…検出可能信号
６２３…流動流体
８０２…二酸化珪素層
８０４…Ｔａ層
８０４ａ…Ｔａ下層
８０４ａ…Ｔａ層
８０４ｂ…Ｔａ
８０６…Ｃｕ層
８０６ａ…Ｃｕ層
８０８…高位点
８１０ａ…領域
８５８…Ｃｕ層
８５８…最高点
９００…堆積ツール
９０２…第２のチャンバ
９０２ａ…第１のチャンバ
９０２ｂ…第２のチャンバ
９０４…サンプル
９０６ａ…第１の材料
９０６ｂ…第２の材料
９１０…トランスファモジュール
９１２…渦電流プローブ
９１４ａ…渦電流プローブ
９１４ｂ…渦電流プローブ
９１６ａ…光学エミッタ
９１６ｂ…光学エミッタ／検出器
９１８ａ…検出器
２…チャンバ
１００…化学機械研磨（ＣＭＰ）システム
１０２…渦電流プローブ
１０４…ウエハキャリヤ
１０６…パッド
１０８…オペレーティングプロセッサ
１１０…研磨プラテン
２００…渦電流プローブ回路
２０２…差動プローブコイル
２０２ａ…基準コイル
２０２ｂ…検出コイル
２０３…プローブヘッド
２０４…ブリッジ回路
２０５…サンプル
２０６…プラテン
２０６…器
２０８…周波数発生器
２１０…器
２１２…データ点
２１４…第１のミキサ
２１６…第２のミキサ
２１８…ローパスフィルタ
２２０…ローパスフィルタ
２２２…アナログデジタル変換器
２３４…データ点
２５０…同期検出ブロック
３１０…データ点
３７５…矢印
５００…光学測定デバイス
５０２…渦電流プローブ
５０４…光ファイバ測定デバイス
５１０…ハウジング
６００…ＣＭＰ装置
６０１…サンプルホルダ
６０２…サンプル
６０４…スラリ
６０６…プラテン
６０７…パッド
６０８…穴
６１０…光学素子
６１２…流体ポンプ
６１３…流動流体
６１４…流体出口
６１６…検出可能信号
６１８…検出可能信号
６２３…流動流体
８０２…二酸化珪素層
８０４…Ｔａ層
８０４ａ…Ｔａ下層
８０４ａ…Ｔａ層
８０４ｂ…Ｔａ
８０６…Ｃｕ層
８０６ａ…Ｃｕ層
８０８…高位点
８１０ａ…領域
８５８…Ｃｕ層
８５８…最高点
９００…堆積ツール
９０２…第２のチャンバ
９０２ａ…第１のチャンバ
９０２ｂ…第２のチャンバ
９０４…サンプル
９０６ａ…第１の材料
９０６ｂ…第２の材料
９１０…トランスファモジュール
９１２…渦電流プローブ
９１４ａ…渦電流プローブ
９１４ｂ…渦電流プローブ
９１６ａ…光学エミッタ
９１６ｂ…光学エミッタ／検出器
９１８ａ…検出器
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- 研磨剤を用いたサンプルの研磨と、該サンプルの監視とを行う化学機械研磨（ＣＭＰ）システムであって、
研磨テーブルと、
前記サンプルと前記研磨テーブルとの間に研磨材を介在させた状態で該サンプルと該研磨テーブルとの相対位置を変更することによって該サンプルの研磨を行うべく、該サンプルを該研磨テーブルに面した状態で保持するするサンプルキャリヤと、
前記サンプルの研磨中に、該サンプルの測定を行う渦電流プルーブと、
前記サンプルの研磨中に、該サンプルの測定を行う光学測定器と、
メモリと、
前記メモリに接続されて、該メモリとともに、前記渦電流プルーブおよび前記光学測定器を操作するプロセッサと
を備えるＣＭＰシステム。 - 前記渦電流プルーブの検出コイルが、前記光学測定器の光学素子に巻き付けられている請求項１記載のＣＭＰシステム。
- 請求項１または請求項２記載のＣＭＰシステムであって、
前記光学測定器は、前記研磨テーブルの穴の中に配置された自己清浄型対物レンズを備えているＣＭＰシステム。 - 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＣＭＰシステムであって、
渦電流プルーブは、
交流電源と、
前記交流電源に接続されて、該交流電源によって交流電圧が印加される検出コイルと、
前記検出コイルに接続されて、検出コイル上の交流電圧の変化を検出するインピーダンス検出器と
を備え、
前記プロセッサおよび前記メモリは、前記検出コイルに交流電圧を印加するとともに、前記センサに生じた交流電圧の変化を解析して、該サンプルの薄膜の厚さを決定する処理を行うプロセッサおよびメモリであるＣＭＰシステム。 - 請求項４記載のＣＭＰシステムであって、
前記プロセッサ及びメモリは、
（ａ）前記検出コイルが前記サンプルの薄膜に近接したときに、該検出コイルに生じる第１の信号を測定する処理と、
（ｂ）既知の組成を有するとともに前記検出コイルから離して設けられた基準部材に該検出コイルが近接したときに、該検出コイルに生じる第２の信号を測定する処理と、
（ｃ）前記第１の信号に含まれる非対称な利得の歪みを小さくするように、前記第２の信号に基づいて該第１の信号を校正する処理と、
（ｄ）前記校正された第１の信号に基づいて、前記薄膜の特性値を決定する処理と
を実行するプロセッサおよびメモリであるＣＭＰシステム。 - 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＣＭＰシステムであって、
前記プロセッサおよびメモリは、
高速研磨中に渦電流プルーブを扱う処理と、
低速研磨中に光学測定器を扱う処理と
を更に実行するプロセッサおよびメモリであるＣＭＰシステム。 - サンプルに形成された薄膜を除去しながら、渦電流プルーブおよび光学測定器を用いて、該サンプルの薄膜に関する情報を実状態で取得する方法であって、
前記渦電流プルーブが前記サンプルの薄膜に近接したときに、該渦電流プルーブによって第１の渦電流信号出力を測定する工程と、
前記光学測定器が前記サンプルの薄膜に近接したときに、該光学測定器によって第２の光学信号出力を測定する工程と、
前記第１の渦電流信号に基づいて、前記薄膜の第１の特性値を決定する工程と、
前記第１の光学信号に基づいて、前記薄膜の第２の特性値を決定する工程と、
を備える方法。 - 請求項７記載の方法であって、
前記渦電流プルーブの検出コイルが、既知の組成を有するとともに該検出コイルから離して設けられている基準部材に近接したときに、該検出コイルに生じる第２の渦電流信号を測定する工程と、
前記第１の渦電流信号に含まれる非対称な利得の歪みが小さくなるように、前記第２の渦電流信号に基づいて該第１の渦電流信号を校正する工程と
を更に備えている方法。 - 前記基準部材が、前記サンプルを保持するサンプルキャリヤである請求項８記載の方法。
- 請求項８または請求項９に記載の方法であって、
前記渦電流プルーブの検出コイルがオープンコイル位置にあるときに、該検出コイルに生じる第３の渦電流信号を検出するとともに、該第３の渦電流信号も考慮して、前記第１の渦電流信号を校正する工程を更に備えている方法。 - 第１の渦電流信号、前記第２の渦電流信号、および前記第３の渦電流信号の各々は、同相成分と直角位相成分とを含んでいる請求項１０記載の方法。
- 請求項１０または請求項１１記載の方法であって、
前記決定された特性値は、前記第１の信号、前記第２の信号、および前記第３の信号に基づいて求められた温度変化量あるいは前記検出コイルと前記基準部材との間の距離変化量であり、
前記求められた温度変化量あるいは距離変化量に基づいて、前記除去処理を調整する工程を更に備えている方法。 - 請求項１２記載の方法であって、
前記温度変化量は、前記第１の渦電流信号、前記第２の渦電流信号、および前記第３の渦電流信号との関係に基づいて求められ、
前記距離変化量は、時間の関数としても前記第３の渦電流信号の振幅に基づいて求められる方法。 - 前記除去処理を調整する工程は、前記渦電流プルーブと前記サンプルとの間に設けられたパッドを交換する工程である請求項１２記載の方法。
- 前記除去処理を調整する工程は、該除去処理を行う設備を変更する工程である請求項１２記載の方法。
- 前記除去処理を調整する工程は、終了時間を設定する工程である請求項１２記載の方法。
- 請求項８ないし請求項１６のいずれかに記載の方法であって、
前記特性値は、前記薄膜の膜厚であり、
前記膜厚は、
膜厚が既知のサンプルから得られた振幅値に基づいて、前記第１の渦電流信号の振幅値と膜厚との相関を求め、
前記第１の渦電流信号の振幅値と膜厚との相関を参照することにより、前記校正された第１の渦電流信号から求められた膜厚である方法。 - 膜厚が既知のサンプルから求められた前記振幅値と膜厚とが、時間の関数としてグラフに表されている請求項１７記載の方法。
- 前記第１の渦電流信号が、前記サンプルの複数の領域で測定される請求項８ないし請求項１８のいずれかに記載の方法。
- 請求項１９記載の方法であって、
前記決定された特性値は、前記校正された第１の信号に基づいて求められた前記サンプルの各測定領域での除去速度であり、
前記求められた除去速度に基づいて、除去の均一性を向上させるべく前記除去処理を調整する工程を更に備えている方法。 - 請求項２０記載の方法であって、
前記除去処理を調整する工程は、前記サンプルキャリヤに前記サンプルが保持されている領域の背面側に設けられた空気袋内の空気量を、前記求められた除去速度が相対的に低い領域では増加させる工程である方法。 - 請求項２０記載の方法であって、
前記除去処理を調整する工程は、前記求められた除去速度が想定的に低い領域では除去速度を増加させる工程である方法。 - 請求項１９記載の方法であって、
前記決定された特性値は、前記サンプルの各測定領域での除去速度であり、
前記薄膜が完全に除去されるまでに要する時間を、前記求められた除去速度に基づいて予測する工程と、
前記除去処理の終了時間を、前記薄膜が完全に除去されるまでの予測時間に基づいて調整する工程と
を更に備える方法。 - 請求項２３記載の方法であって、
前記第１の光学信号における反射率の低下を確認する工程と、
前記薄膜が完全に除去されるまでに要する第２の時間を、前記反射率の低下に基づいて予測する工程と
を更に備えており、
前記除去処理の終了時間を調整する工程は、前記第２の時間も考慮して調整する工程である方法。 - 前記予測された第２の時間は、前記反射率の低下後、短い時間となるように決定される請求項２４記載の方法。
- 前記第１の光信号が、前記反射率の低下を容易に確認すべく複数の入射角度で測定される請求項２４または請求項２５に記載の方法。