JP5361299B2 - 研磨終了予測・検出方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨終了予測・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了予測・検出方法とその装置に関するものである。

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）。

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）。

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）。

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。
特許第３９１６３７５号公報。 特許第３９１６８４６号公報。 特表２００４−５２５５２１号公報。

ところで、本発明は表皮渦電流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、個別の表皮渦電流センサについては、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。

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渦電流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渦電流センサの違いについて。

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。

本発明における表皮渦電流センサは、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渦電流センサは、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、表皮渦電流センサは、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。

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。

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。

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、ウィ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。

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。

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。

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。

これに対し本発明における表皮渦電流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、表皮渦電流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。表皮渦電流センサも、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。

即ち、本発明における表皮渦電流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。

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。表皮渦電流センサは、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。

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、表皮渦電流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。

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、研磨時にウィ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）。

それに対して、表皮渦電流センサは、ウェーハとウィ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、ウィ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。以上から、表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウィ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、多波長型分光式センサと表皮渦電流センサは、互いに研磨終了時点で感度がよく信頼性が高いという有利性を有する一方、多波長型分光式センサは、ウィンドウとウェーハ間のスラリーの介在や、ウィンドウ表面の粗さに弱く、表皮渦電流センサは、ウェーハとセンサ間のギャップの変化に弱い。

本発明は、この二つの弱みに対して、相補的な構成とするため、多波長型分光式センサにおける光透過用のウィンドウ内に表皮渦電流センサを組み付けるもしくは多波長型分光式センサと表皮渦電流センサを一体的に配置するというセンサ構成としている。そうすることで、ウィンドウ表面が研磨やドレッシングによって荒れたり、またウィンドウ表面にスラリーが滞在することで、多波長型分光式センサに必要となるウェーハ表面からの反射光を受光する感度が低下しても、表皮渦電流センサがそれを効果的に補うことが可能となる。

逆に、表皮渦電流センサが、センサとウェーハ間のギャップが変化することによって感度が変化する場合は、その一体的な部品で構成したウィンドウでは、ウェーハ表面からの反射光を透過する際、ウィンドウとウェーハ間のギャップ変化は殆ど関係ない。そのため、表皮渦電流センサの感度変化を多波長型分光式センサがそれを補うことが可能となる。

以上から、二つのセンサは相補的な作用を持つため、研磨の状態が変化して、どちらかのセンサ状態が変化しても、それを補う作用が働き、安定してロバストな終点検出のための制御を行うことができる。

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。

それに対して、本発明における表皮渦電流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。

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。

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独立した性質を持たせて終点検出の正確性を向上させることを可能とし、一方のセンサの弱点に対し他方のセンサはそれを補うため一方のセンサは他方のセンサの光透過用のウィンドウに組み付けるもしくは一方のセンサと他方のセンサを一体的に配置するというセンサ構成とすることで安定して確実な研磨終点検出を行う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、ウェーハをプラテン上の研磨パッドに押し付け、前記プラテンに対し相対回転させて前記ウェーハ上の導電性膜を研磨し、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了予測・検出方法であって、
研磨中に前記ウェーハの表面状態をモニタするプラテン内に設けられたウィンドウに二つのセンサを配置し、
一つのセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による渦電流の変化を基に研磨終了時点を予測するセンサであって、前記所定の導電性膜としての金属膜を除去する終了前に表皮効果に基づいて渦電流が極大となる変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに、
他方のセンサは、前記ウィンドウを通して前記ウェーハに光を照射し、前記金属膜からの反射光をモニタして研磨終了時点を検出する多波長型分光式センサであって、双方のセンサは前記同一のウィンドウに組み付けられている研磨終了予測・検出方法を提供する。

この構成によれば、光透過用のウィンドウ内に設置された表皮渦電流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金属膜の表層のみに存在するため、該金属膜内に渦電流は発生しない。研磨終了間際に金属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金属膜を貫通して基板側に一部漏れ出し、それによって金属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、研磨終了間際に金属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。

一方、多波長型分光式センサは、ウィンドウを通してウェーハに光を照射するとともに金属膜からの反射光を取り入れ、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金属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。研磨終了間際に金属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、一部の光が金属膜を透過し、該金属膜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。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、前記表皮渦電流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、タイムリーに精度よく研磨終了時点が検出される。

前記表皮渦電流センサは、ウィンドウ（センサ）とウェーハ間のギャップに敏感である。表皮渦電流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金属膜内に侵入するか否かは、ウィンドウ即ち表皮渦電流センサとウェーハ間のギャップにも依存する。表皮渦電流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、同じウィンドウ部に配置されている多波長型分光式センサでは、ウィンドウ（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、表皮渦電流センサで問題となるウィンドウ（センサ）とウェーハ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。

次に、前記多波長型分光式センサは、ウィンドウとウェーハの間に存在するスラリーが問題になる。即ち、研磨時にウィンドウとウェーハ間にスラリーが介在する場合、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、同じウィンドウ内に設置された表皮渦電流センサは、該ウインドウとウェーハ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、ウィンドウ（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、ウィンドウ上にスラリーが介在しようとも、安定して金属膜の膜状態に応じて磁束が金属膜内に侵入し、薄い金属膜では微量な渦電流を生じることになる。よって、表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウインドウとウェーハ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。また、研磨中にウィンドウ表面が削れて粗面化し、光が散乱して多波長型分光式センサの感度が低い場合においても、同じウィンドウ内に設置された表皮渦電流センサで精度よく研磨終点を予測する。センサ自体は、上記のような外乱が存在しない場合においては、双方とも原理的に研磨終了時点で金属膜の膜厚が薄くなってきたときに、検出感度が非常に高くなる。こうしたことによって、同じウィンドウ部に設けられた両センサは研磨終了時点において、相補的な作用を有するものである。

前述のように、表皮渦電流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どうかをチェックすることが可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記ウェーハの運動方向に対し、上流側のウィンドウ領域に上記表皮渦電流センサを組み付け、下流側のウィンドウ領域を上記多波長型分光式センサにおける光透過領域に設定するとともに、前記表皮渦電流センサの上方には上記研磨パッドと面一になるように擦り板を取り付けた研磨終了予測・検出方法を提供する。

この構成によれば、表皮渦電流センサの上方に取り付けられた擦り板により該表皮渦電流センサとウェーハ間に一定のギャップが形成される。擦り板の表面が研磨やドレッシングで荒らされると、その荒らされた表面にスラリーが僅かに滞在することがある。しかし、この荒らされた表面部に僅かに滞在するスラリーによる表皮渦電流センサとウェーハ間のギャップ長への影響は殆どなく、該ギャップ長はその後もほぼ一定に保たれてセンサとウェーハ間のギャップに対する表皮渦電流センサの感度のばらつきが抑えられる。また、擦り板はスラリーをせきとめてその直ぐ下流の光透過領域が設定されているウィンドウ領域へのスラリー侵入を防ぐように作用する。これにより、ウインドウとウェーハ間のスラリーの介在による多波長型分光式センサの感度のばらつきが抑えられる。

請求項３記載の発明は、ウェーハをプラテン上の研磨パッドに押し付け、前記プラテンに対し相対回転させて前記ウェーハ上の導電性膜を研磨し、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了予測・検出方法であって
研磨中にウェーハの表面状態をモニタする少なくとも二つのセンサを一体的に配置し、
その一つのセンサは、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渦電流センサを使用し、前記所定の導電性膜としてＣｕ膜を充て、該Ｃｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づいて渦電流が極大となる変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに、
他方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、且つ前記他方のセンサは、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了予測・検出方法を提供する。

この構成によれば、双方とも原理的に研磨終了間際において検出感度が高く相補的な役割を果たす表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとが一体的に配置されている。このうち、表皮渦電流センサは、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Ｃｕ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。表皮渦電流センサは、この磁束の特徴的な変化から研磨終了時点を精度よく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。該表皮渦電流センサと一体的に配置された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。

また、多波長型分光式センサは、表皮渦電流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、表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウィ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、一体的に配置された両センサは研磨終了間際において、相補的に作用する。さらに、表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとは、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どうかをチェックすることが可能となる。

請求項４記載の発明は、表皮渦電流センサで構成された一つのセンサと、多波長型分光式センサで構成された他方のセンサとを備え、前記表皮渦電流センサは前記多波長型分光式センサにおける光透過用のウィンドウに組み付けられており、所定の導電性膜としての金属膜を研磨して、該金属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了予測・検出装置であって、請求項１記載の研磨終了予測・検出方法を実行する研磨終了予測・検出装置を提供する。

この構成によれば、表皮渦電流センサが多波長型分光式センサにおける光透過用のウィンドウに組み付けられた構成を有する研磨終了予測・検出装置は、ウィンドウに組み付けられた表皮渦電流センサにより、研磨が進行して金属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金属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、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を予測する。一方、多波長型分光式センサは、同じウィンドウを通してウェーハに光を照射するとともに金属膜からの反射光を取り入れ、Ｒ．Ｓ．Ａ値を評価することで研磨の進行に伴う金属膜の膜厚変化をモニタする。そしてＲ．Ｓ．Ａ値の急激な変化を基に研磨終了時点を検出する。これにより、研磨終了時点がタイムリーに精度よく検出される。

また、多波長型分光式センサは、表皮渦電流センサで問題となるウィンドウとウェーハ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、同じウィンドウ内に設置されている表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウインドウとウェーハ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、同じウィンドウ部に設けられた両センサは研磨終了時点において相補的に作用する。さらに、表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとは、両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どうかをチェックすることが可能となる。

請求項５記載の発明は、表皮渦電流センサで構成された一つのセンサと多波長型分光式センサで構成された他方のセンサとを一体的に配置し、所定の導電性膜としてのＣｕ膜を研磨して、該Ｃｕ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了予測・検出装置であって、請求項３記載の研磨終了予測・検出方法を実行する研磨終了予測・検出装置を提供する。

この構成によれば、双方とも原理的に研磨終了間際において検出感度が高く相補的な役割を果たす表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとが一体的に配置された構成を有する研磨終了予測・検出装置は、表皮渦電流センサにより、研磨が進行して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該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、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。一方、該表皮渦電流センサと一体的に配置された多波長型分光式センサにより、前記設定された検出範囲においてＲ．Ｓ．Ａ値を評価し、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。

また、多波長型分光式センサは、表皮渦電流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、表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウィ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、一体的に配置された両センサは研磨終了間際において、相補的に作用する。さらに、表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとは、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どうかをチェックすることが可能となる。

請求項１記載の研磨終了予測・検出方法の発明は、研磨終了間際に、ウィンドウ内に設置された表皮渦電流センサは金属膜を除去する終了前に表皮効果に基づく渦電流が極大となる変化が発生し、同じウィンドウ部に配置された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、同じウィンドウ部に設けられた表皮渦電流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を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。表皮渦電流センサは、その感度がウィンドウ（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、光を動作媒体として同じウィンドウ部に配置された
波長型分光式センサは、その感度が該ウィンドウ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、その感度がウィンドウとウェーハ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。さらに、研磨中にウィンドウ表面が削れて粗面化し、光が散乱して多波長型分光式センサの感度が低い場合等においても、同じウィンドウ内に設置された表皮渦流センサは精度よく研磨終了点を予測する。したがって、同じウィンドウ部に設けられた両センサは、一方のセンサの弱点に対して他方のセンサがそれを補うように相補的に作用して安定して確実に研磨終了点検出を行うことができるという利点がある。

請求項２記載の研磨終了予測・検出方法の発明は、請求項１記載の発明の効果に加えてさらに、ウィンドウ内に設置されている表皮渦電流センサの上方に研磨パッドと面一になるように擦り板を取り付けたことで、表皮渦電流センサとウェーハ間のギャップ長をほぼ一定に保つことができてセンサとウェーハ間のギャップに対する該表皮渦電流センサの感度のばらつきを抑えることができる。また、ウェーハの運動方向に対し上流側のウィンドウ領域内に表皮渦電流センサを組み付けたことで、擦り板の部分でスラリーをせきとめてその直ぐ下流の光透過領域が設定されているウィンドウ領域表面へのスラリー侵入を防ぐことができて、ウィンドウとウェーハ間のスラリーの介在による多波長型分光式センサの感度のばらつきを抑えることができるという利点がある。

請求項３記載の研磨終了予測・検出方法の発明は、双方とも原理的に研磨終了間際において検出感度が高く相補的な役割を果たす表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとが一体的に配置されている。このうち、表皮渦電流センサは、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いて渦電流が極大となる変化から研磨終了時点を精度よく予測するとともに多波長分光式センサが研磨終了時点を検出する際の研磨範囲を設定し、多波長分光式センサは、この設定された範囲において、Ｒ．Ｓ．Ａ値の急激な変化を基に研磨終了時点を予測することで 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。また、多波長分光式センサは、表皮渦電流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でき、これと逆に、表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウィ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できる。したがって、一体的に配置された両センサは研磨終了間際において、相補的に作用して研磨終了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。

請求項４記載の研磨終了予測・検出装置の発明は、研磨終了間際に、多波長型分光式センサにおける光透過用のウィンドウに組み付けられた表皮渦電流センサにより金属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、同じウィンドウ部に配置された多波長型分光式センサにはＲ．Ｓ．Ａ値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、同じウィンドウ部に設けられた両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、多波長型分光式センサは、表皮渦電流センサで問題となるウィンドウとウェーハ間のギャップに対する感度のばらつきを補うことができ、これと逆に、同じウィンドウ内に設置されている表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウィンドウとウェーハ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できる。このように、同じウィンドウ部に設けられた両センサは研磨終了時点において相補的に作用することで、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。

請求項５記載の研磨終了予測・検出装置の発明は、研磨終了間際に、一体的に配置された両センサのうち、表皮渦電流センサにより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て高い感度で精度よく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、一方、多波長型分光式センサは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。したがって、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。また、多波長型分光式センサは、表皮渦電流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でき、これと逆に、表皮渦電流センサは、多波長型分光式センサで問題となるウェーハとウィ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できる。このように、一体的に配置された両センサは研磨終了間際において相補的に作用することで、研磨終了時点検出の正確性を向上させることができる。さらに、表皮渦電流センサと多波長型分光式センサとは、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どうかをチェックすることができるという利点がある。

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独立した性質を持たせて終点検出の正確性を向上させることを可能とし、一方のセンサの弱点に対し他方のセンサはそれを補うため一方のセンサは他方のセンサの光透過用のウィンドウに組み付けるもしくは一方のセンサと他方のセンサを一体的に配置するというセンサ構成とすることで安定して確実な研磨終点検出を行うという目的を達成するために、ウェーハをプラテン上の研磨パッドに押し付け、前記プラテンに対し相対回転させて前記ウェーハ上の導電性膜を研磨し、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了予測・検出方法であって、研磨中に前記ウェーハの表面状態をモニタする少なくとも二つのセンサを配置し、その一つのセンサは、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渦電流センサを使用し、前記所定の導電性膜としての金属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、他方のセンサは、前記プラテン内に設けられたウィンドウを通して前記ウェーハに光を照射し、前記金属膜からの反射光をモニタして研磨終了時点を検出する多波長型分光式センサであって、前記表皮渦電流センサは前記ウィンドウに組み付け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は研磨終了予測・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渦電流センサ及び多波長型分光式センサのブロック図、図３は図２におけるウィンドウ部の拡大縦断面図である。まず、本実施例に係る研磨終了予測・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。

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。

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。

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。

図２及び図３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が該プラテン２及び研磨パッド６を貫通して形成されている。該観測孔１０には、ポリウレタンピース等の透明材料からなるウィンドウ１１が嵌め込まれている。そして、ウェーハＷの運動方向（図１中の回転方向Ｂ）に対し上流側に位置する上流側ウィンドウ領域１１ａ内に表皮渦電流センサ１２が組み付けられ、下流側には下流側ウィンドウ領域１１ｂを照射光及び反射光の光透過領域とする多波長型分光式センサ１３が組み込まれている。このように、表皮渦電流センサ１２と多波長型分光式センサ１３がウィンドウ１１部に一体的に配置されている。

前記表皮渦電流センサ１２は、後述するように、平面状インダクタ１４と共振用ボックス１５とで構成され、該平面インダクタ１４と共振用ボックス１５とは信号ケーブル１６で接続されるとともに平面インダクタ１４はウェーハＷ表面部の所定の導電性膜と対峙するように上流側ウィンドウ領域１１ａ内の上方に組み付けられ、共振用ボックス１５はその下方位置に組み付けられている。前記平面状インダクタ１４の上には研磨パッド６と面一になるように擦り板（パッド）１７が取り付けられている。

該擦り板１７により該表皮渦電流センサ１２とウェーハＷ間に一定のギャップが形成される。擦り板１７の表面が研磨やドレッシング等で荒らされると、その荒らされた表面にスラリーが僅かに滞在することがある。しかし、この荒らされた表面部に僅かに滞在するスラリーによる表皮渦電流センサ１２とウェーハＷ間のギャップ長への影響は殆どなく、該ギャップ長はその後もほぼ一定に保たれてセンサとウェーハＷ間のギャップに対する表皮渦電流センサ１２の感度のばらつきが抑えられる。また、擦り板１７はスラリーをせきとめてその直ぐ下流の下流側ウィンドウ領域１１ｂへのスラリー侵入を防ぐように作用する。これにより、ウインドウ１１とウェーハＷ間のスラリーの介在による多波長型分光式センサ１３の感度のばらつきを抑えることが可能となる。

前記表皮渦電流センサ１２における共振用ボックス１５からの特徴的な変化等を示す信号はスリップリング１８を介して外部のコンピュータ１９に出力される。コンピュータ１９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。

上記のように、表皮渦電流センサ１２と多波長型分光式センサ１３とをウィンドウ１１部に一体的に配置したことで、研磨中に、ウィンドウ１１の表面が荒れて粗面化し、光が散乱して多波長型分光式センサ１３の感度が低くなった場合においても同じウィンドウ１１内に設置されている表皮渦電流センサ１２で精度よく研磨終点が予測される。また、ウェーハＷと表皮渦電流センサ１２間のギャップが変化する場合においても同じウィンドウ１１を透過する多波長型分光式センサ１３の反射光はギャップ変化に殆ど関係なく研磨終了時点を検出することが可能となる。したがって、表皮渦電流センサ１２と多波長型分光式センサ１３とは、極めて効果的に相補的に作用する。

図４は、ウィンドウ１１の変形例を示している。この変形例は、擦り板１７を頂部として、ウィンドウ１１の上面に上流側スロープ１１ｃと下流側スロープ１１ｄが形成されている。該下流側スロープ１１ｄが形成されたウィンドウ１１の上面部は下流側ウィンドウ領域１１ｂの上面部となっている。上流側スロープ１１ｃにより、擦り板１７部によるスラリーのせきとめ作用が一層確実に生じる。また、下流側スロープ１１ｄにより下流側ウィンドウ領域１１ｂの上面とウェーハＷとの間にギャップが形成されるが、多波長型分光式センサ１３の感度には殆ど影響しない。そして、該下流側スロープ１１ｄの形成により、研磨やドレッシングによって下流側ウィンドウ領域１１ｂの上面は、荒らされることがない。そして、たとえ下流側ウィンドウ領域１１ｂの上面にスラリーが入り込んだとしても、スラリーは下流側スロープ１１ｄを流れ落ちる。よって、スラリーによる多波長型分光式センサ１３の感度低下が確実に抑えられる。なお、以下の説明では、ウィンドウ１１は前記図３に示したものが適用されている。

前記表皮渦電流センサ１２を、図５乃至図９を用いて説明する。図５は表皮渦電流センサ（インダクタ型センサ）の詳細構成を示すブロック図、図６は表皮渦電流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７の（ａ）〜（ｄ）は表皮渦電流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８は表皮渦電流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９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。

図５において、表皮渦電流センサ（インダクタ型センサ）１２の主体を構成している発振回路２０は、インダクタンスＬとなる二次元の平面インダクタ１４に、キャパシタンスＣ_０となる集中定数キャパシタ２１が直列に接続されて、ＬＣ回路が構成されている。前記平面インダクタ１４は、絶縁物からなる方形状等の基板１４ａ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。平面インダクタ１４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１４ａ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形化することができる。そして、平面インダクタ１４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。

前記ＬＣ回路からの出力信号は増幅器２２に入力され、該増幅器２２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２３に入力されている。フィードバック・ネットワーク２３の出力信号が、平面インダクタ１４にポジティブ・フィードバックされることにより、該平面インダクタ１４を含めて発振回路２０が構成されている。

該発振回路２０は、基本的には、図６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１４のインダクタンスＬと集中定数キャパシタ２１のキャパシタンスＣ_０で決まるコルピッツ型等の発振回路となっている。

前記増幅器２２の出力端子には、周波数カウンタ２４が接続されている。該周波数カウンタ２４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。表皮渦電流センサ（インダクタ型センサ）１２における発振回路２０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２４とを近接して配置することで、該発振回路２０と周波数カウンタ２４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、表皮渦電流センサ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。

該表皮渦電流センサ１２は、平面インダクタ１４を除いた他の構成部品ないしは回路がＩＣ（集積回路）化されて共振用ボックス１５に内装されている。前記平面インダクタ１４は、薄い絶縁膜で被覆されており、前記図３では平面インダクタ１４と共振用ボックス１５とは信号ケーブル１６で接続されているが、該平面インダクタ１４は、共振用ボックス１５の表面部に固定することもできる。また、発振回路２０を構成している前記集中定数キャパシタ２１はキャパシタンスが可変となっており、表皮渦電流センサ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。

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２０の発振周波数ｆとに依存して式（２）のように決まる。

ω：２πｆ、μ：透磁率、σ：導電率である。

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２０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。

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７の（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。図７は表皮効果センサにおけるコイル（平面インダクタ）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。

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７（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。

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７（ｄ））。明らかに、先の発振周波数が１ＭＨｚで膜厚が１μｍの場合（図７（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。

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７（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。

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。

Ｃｕ導体膜で発振周波数が４０ＭＨｚの場合、Ｃｕの導電率を５８×１０^６Ｓ／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。

次いで、表皮渦電流センサ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８及び図９の（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。図９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９の（ａ）〜（ｄ）では、平面インダクタ１４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。

平面インダクタ１４が発振回路２０から発振される高周波で駆動され、該平面インダクタ１４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２５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２５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９（ａ））。また、表皮渦電流センサ１２から発振される共振周波数も所定の導電性膜２５の膜厚変化に関係なく一定に保持される（図９（ｅ）のａ領域）。

研磨が進行して所定の導電性膜２５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２５を貫通して漏洩磁束φ_Ｌが生じ始める。所定の導電性膜２５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２５中に貫通した漏洩磁束φ_Ｌ数に比例して渦電流Ｉｅが発生する（図９（ｂ））。

さらに研磨が進行すると、漏洩磁束φ_Ｌが増えて渦電流Ｉｅが導電性膜２５の膜面に沿った広い領域に発生する（図９（ｃ））。この広い領域に発生した渦電流Ｉｅが、図８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１４から発生した磁束φ_Ｌを打ち消すように作用する。結果的に導電性膜２５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１４の見かけ上のインダクタンスＬが低下する。その結果、表皮渦電流センサ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。

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渦電流センサ１２から発振される共振周波数が上昇する（図９（ｅ）のｂ、ｃの領域）。

さらに研磨の進行により漏洩磁束φ_Ｌは増えて飽和する。しかし渦電流Ｉｅは、所定の導電性膜２５の膜厚体積の減少に伴い急速に減少する（図９（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、表皮渦電流センサ１２から発振される共振周波数が急速に低下する（図９（ｅ）のｄ領域）。

このように、研磨の進行により所定の導電性膜２５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渦電流センサ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２５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。

なお、表皮渦電流センサ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φ_Ｌ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）を利用して表皮渦電流センサ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φ_Ｌは渦電流Ｉｅと比例関係にあることから該漏洩磁束φ_Ｌ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。

前記多波長型分光式センサ１３を、前記図２並びに図１０乃至図１３を用いて説明する。図１０は多波長型分光式センサ１３における分光器の構成図、図１１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１２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１３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。

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２６、照射・受光光学系２７、受光部２８、分光器２９及び前記表皮渦電流センサ１２と共通のコンピュータ１９が備えられている。照射・受光光学系２７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ウィンドウ１１の下方位置に設置されている。

光源部２６から出射した白色光が、ライトガイド３０によって照射・受光光学系２７へ導かれ、該照射・受光光学系２７で集光されたのち、プラテン２に設けられたウィンドウ１１の下流側ウィンドウ領域１１ｂ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２７で集光されてライトガイド３１ａを介して受光部２８で受光され、さらにライトガイド３１ｂを介して分光器２９へ導かれる。このように、光源部２６からの白色光及び所定の導電性膜からの反射光が、ウィンドウ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。

図１０に示すように、前記分光器２９には、入射スリット３２、平面鏡３３、凹面回折格子３４、アレイ受光素子３５及びマルチプレクサ３６が備えられている。前記ライトガイド３１ｂを介して分光器２９に導かれた反射光は、入射スリット３２を介して平面鏡３３により凹面回折格子３４に導かれる。そして、該凹面回折格子３４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３５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３６を介してコンピュータ１９に出力される。

該コンピュータ１９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におけるウィンドウ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１９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１９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１９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２５の研磨終点を検出する。

導電性膜２５の研磨終了時には、該導電性膜２５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１１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１１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。

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１２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１２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。

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。

図１３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１３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。

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。

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１３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。

また、本実施例の多波長型分光式センサ１３は分光器２９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１２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。

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渦電流センサ１２と多波長型分光式センサ１３とを有する研磨終了予測・検出装置の作用を図１４乃至図１６を用いて説明する。図１４は研磨終了予測・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１５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１６は表皮渦電流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。

図１４のフローチャートを用いて研磨終了予測・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１９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１９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、表皮渦電流センサ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１９は分光器２９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９にエラー信号を出力し（ステップＳ１１）、該制御部９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）。

なお、前記ステップＳ５では、表皮渦電流センサ１２からの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で表皮渦電流センサ１２からのセンサ信号により研磨終了時点の予測が行われた後は、該表皮渦電流センサ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。

次いで、図１５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１５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１４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において表皮渦電流センサ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）。

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。

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１６を用いて表皮渦電流センサ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１６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渦電流センサ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。

表皮渦電流センサ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渦電流センサ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。

これらの挙動は、まず表皮渦電流センサ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。

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、表皮渦電流センサ１２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。

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、先に検出した表皮渦電流センサ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。

なお、本実施例では、ウェーハ研磨装置１に搭載したセンサは、表皮渦電流センサ１２と多波長型分光式センサ１３の２基としたが、ウェーハ研磨装置１に搭載するセンサ数は３基以上としてもよい。搭載するセンサ数を３基以上とすることで、ウェーハ上の導電性膜の研磨終了時点の予測及び検出を、より一層タイムリーで精度よく行うことができる。

また、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研磨終了予測・検出方法とその装置を示すものである。
研磨終了予測・検出装置が組み込まれたウェーハ研磨装置の斜視図。 ウェーハ研磨装置に組み込まれた表皮渦電流センサ及び多波長型分光式センサのブロック図。 図２におけるウィンドウ部の拡大縦断面図。 図３におけるウィンドウの変形例を示す縦断面図。 表皮渦電流センサの詳細構成を示すブロック図。 表皮渦電流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。 表皮渦電流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。 表皮渦電流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。 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。 多波長型分光式センサにおける分光器の構成図。 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。 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。 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。 研磨終了予測・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。 研磨終了予測・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。 表皮渦電流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

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 ウィンドウ
１１ａ 上流側ウィンドウ領域
１１ｂ 下流側ウィンドウ領域
１２ 表皮渦電流センサ
１３ 多波長型分光式センサ
１４ 平面インダクタ
１５ 共振用ボックス
１６ 信号ケーブル
１７ 擦り板
１８ スリップリング
１９ コンピュータ
２０ 発振回路
２１ 集中定数キャパシタ
２２ 増幅器
２３ フィードバック・ネットワーク
２４ 周波数カウンタ
２５ 所定の導電性膜
２６ 光源部
２７ 照射・受光光学系
２８ 受光部
２９ 分光器
３０ ライトガイド
３１ ライトガイド
３２ 入射スリット
３３ 平面鏡
３４ 凹面回折格子
３５ アレイ受光素子
３６ マルチプレクサ

Claims (5)

1. ウェーハをプラテン上の研磨パッドに押し付け、前記プラテンに対し相対回転させて前記ウェーハ上の導電性膜を研磨し、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了予測・検出方法であって
   研磨中に前記ウェーハの表面状態をモニタするプラテン内に設けられたウィンドウに二つのセンサを配置し、一つのセンサは、導電性膜の材質を一因子として決まる表皮効果による渦電流の変化を基に研磨終了時点を予測するセンサであって、前記所定の導電性膜としての金属膜を除去する終了前に表皮効果に基づいて渦電流が極大となる変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに、他方のセンサは、前記ウィンドウを通して前記ウェーハに光を照射し、前記金属膜からの反射光をモニタして研磨終了時点を検出する多波長型分光式センサであって、双方のセンサは前記同一のウィンドウに組み付けられていることを特徴とする研磨終了予測・検出方法。
2. 上記ウェーハの運動方向に対し、上流側のウィンドウ領域に上記表皮渦電流センサを組み付け、下流側のウィンドウ領域を上記多波長型分光式センサにおける光透過領域に設定するとともに、前記表皮渦電流センサの上方には上記研磨パッドと面一になるように擦り板を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の研磨終了予測・検出方法。
3. ウェーハをプラテン上の研磨パッドに押し付け、前記プラテンに対し相対回転させて前記ウェーハ上の導電性膜を研磨し、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了予測・検出方法であって
   研磨中にウェーハの表面状態をモニタする少なくとも二つのセンサを一体的に配置し、
   その一つのセンサは、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渦電流センサを使用し、前記所定の導電性膜としてＣｕ膜を充て、該Ｃｕ膜を除去する終了前に表皮効果に基づいて渦電流が極大となる変化を利用して研磨終了時点を予測するとともに、
   他方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、且つ前記他方のセンサは、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了予測・検出方法。
4. 表皮渦電流センサで構成された一つのセンサと、多波長型分光式センサで構成された他方のセンサとを備え、前記表皮渦電流センサは前記多波長型分光式センサにおける光透過用のウィンドウに組み付けられており、所定の導電性膜としての金属膜を研磨して、該金属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了予測・検出装置であって、
   請求項１記載の研磨終了予測・検出方法を実行することを特徴とする研磨終了予測・検出装置。
5. 表皮渦電流センサで構成された一つのセンサと多波長型分光式センサで構成された他方のセンサとを一体的に配置し、所定の導電性膜としてのＣｕ膜を研磨して、該Ｃｕ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了予測・検出装置であって、
   請求項３記載の研磨終了予測・検出方法を実行することを特徴とする研磨終了予測・検出装置。

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