JP6263445B2

JP6263445B2 - 研磨装置および研磨方法

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Publication number: JP6263445B2
Application number: JP2014117602A
Authority: JP
Inventors: 高橋　太郎; 太郎高橋; 光男多田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2018-01-17
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: JP2015231014A

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置および研磨方法に関し、特に、渦電流式膜厚センサで基板の膜厚を監視しながら、当該基板を研磨する研磨装置および研磨方法に関する。

半導体デバイスの製造工程において、ウェハ上に形成された金属膜などの導電性膜を研磨する研磨工程が行われる。例えば、配線溝が形成された下地層上に金属膜を形成した後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行って、余分な金属膜を除去することで金属配線を形成する。この研磨工程においては、所望のターゲット膜厚に到達した時点である研磨終点を検出するために、渦電流式膜厚センサを用いて導電性膜の膜厚を検出することが行われている。

渦電流式膜厚センサは、導電性膜を感知するためのセンサコイルを有している。センサコイルは、研磨パッドを支持する研磨テーブル内部に配置されており、ウェハを研磨するために回転している研磨テーブルと共に回転する。センサコイルには高周波交流電流が流されており、センサコイルがウェハを横切る時に、高周波交流電流の影響でウェハの導電性膜に渦電流が発生する。渦電流式膜厚センサは、この渦電流によって形成される磁界の強さに従って変化するインピーダンスから膜厚指標値を取得する。

ウェハは、研磨パッドに押し付けられながら研磨される。また、研磨パッドは、その研磨面（上面）を再生するために、定期的にドレッシングされる。したがって、研磨パッドは、ウェハの研磨および研磨パッドのドレッシングを繰り返すにつれて徐々に摩耗する。研磨パッドは渦電流式膜厚センサのセンサコイルとウェハとの間に介在しているので、研磨パッドが摩耗すると、センサコイルとウェハとの間の距離が変化する。この結果、膜厚指標値が変化してしまう。

従来は、研磨パッドの摩耗に伴う膜厚指標値の変化を、ソフトウェア処理を行うことにより補正していた。しかしながら、このソフトウェア処理は、膜厚検出のための計算式を変更する必要が生じるなど、非常に複雑であるという問題があった。

特開２０１３−３６８８１号公報

そこで、本発明は、研磨パッドが摩耗しても、複雑なソフトウェア処理を行わずに基板の膜厚を正確に検出しながら基板を研磨することができる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けて、前記基板を研磨する研磨ヘッドと、前記研磨テーブルに設けられた窪み内に配置されたセンサコイルを有する渦電流式膜厚センサと、前記窪みの上部を閉じ、前記センサコイルを覆う蓋体と、前記研磨パッドの厚さの変化量に基づいて前記センサコイルを前記研磨パッドから離間する方向に移動させる位置調整装置とを備え、前記位置調整装置は前記窪み内に配置されていることを特徴とする研磨装置である。

好ましい態様は、前記研磨パッドの厚さの変化量を決定するパッド摩耗決定部をさらに備えたことを特徴とする。
好ましい態様は、前記パッド摩耗決定部は、摩耗していない前記研磨パッドの表面高さと、摩耗した前記研磨パッドの表面高さとの差から前記研磨パッドの厚さの変化量を決定することを特徴とする。
好ましい態様は、前記パッド摩耗決定部は、摩耗していない前記研磨パッドを用いて第１の基板を研磨したときに取得された前記渦電流式膜厚センサの出力値と、摩耗した前記研磨パッドを用いて第２の基板を研磨したときに取得された前記渦電流式膜厚センサの出力値との偏差から前記研磨パッドの厚さの変化量を決定することを特徴とする。
好ましい態様は、前記位置調整装置は、前記センサコイルを移動させる移動装置と、前記研磨パッドの厚さの変化量に基づいて前記移動装置を操作する操作制御部とを有することを特徴とする。
好ましい態様は、前記移動装置は、前記センサコイルに連結されたボールねじ機構と、該ボールねじ機構を駆動するサーボモータとを有することを特徴とする。

本発明の一参考例は、研磨テーブル内に配置されたセンサコイルを有する渦電流式膜厚センサの出力値を取得しながら基板を研磨する方法であって、前記研磨テーブル上の研磨パッドの厚さの変化量に基づいてセンサコイルを前記研磨パッドから離間する方向に移動させ、その後、回転する前記研磨テーブル上の前記研磨パッドに基板を押圧して、当該基板を研磨しながら、前記渦電流式膜厚センサの出力値を取得することを特徴とする。
好ましい態様は、前記研磨パッドの厚さの変化量を決定する工程をさらに含むことを特徴とする。
好ましい態様は、前記研磨パッドの厚さの変化量を決定する工程は、前記研磨パッドの表面高さを測定し、前記表面高さの測定値を前記研磨パッドの初期表面高さから減算することにより前記研磨パッドの厚さの変化量を決定する工程であることを特徴とする。
好ましい態様は、前記研磨パッドの厚さの変化量を決定する工程は、摩耗していない前記研磨パッドを用いて第１の基板を研磨し、前記第１の基板を研磨しているときの前記渦電流式膜厚センサの出力値を基準出力値として取得し、摩耗した前記研磨パッドを用いて第２の基板を研磨し、前記第２の基板を研磨しているときの前記渦電流式膜厚センサの出力値を調整出力値として取得し、前記基準出力値からの前記調整出力値の偏差を算出し、前記偏差を前記研磨パッドの厚さの変化量に変換する工程であることを特徴とする。

本発明によれば、研磨パッドが摩耗してその厚さが変化したとしても、センサコイルと基板との間の距離が変わらないように、センサコイルの位置が調整される。したがって、センサコイルと基板との間の距離が一定に保たれるので、渦電流式膜厚センサは基板の膜厚を正確に検出することができる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図１に示した研磨テーブルの断面図である。センサコイルおよび位置調整装置の拡大図である。基準出力値（基準膜厚指標値）を用いて研磨パッドの厚さの変化量を推定する実施形態を説明する図である。基準出力値からの調整出力値の偏差を表すグラフである。基準出力値からの調整出力値の偏差と、研磨パッドの厚さの変化量との相関を示すグラフの一例を示す図である。渦電流式膜厚センサを示す模式図である。図７に示す渦電流式膜厚センサにおけるセンサコイルの構成例を示す。渦電流式膜厚センサの詳細な構成を示す模式図である。

以下、本発明の研磨方法について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１２と、支軸１４の上端に連結された研磨ヘッド揺動アーム１６と、研磨ヘッド揺動アーム１６の自由端に取り付けられた研磨ヘッドシャフト１８と、研磨ヘッドシャフト１８の下端に連結された研磨ヘッド２０と、を備えている。図１においては図示しないが、研磨ヘッドシャフト１８は、タイミングベルト等の連結手段を介して研磨ヘッド回転モータに連結されて回転駆動されるようになっている。この研磨ヘッドシャフト１８の回転により、研磨ヘッド２０が矢印で示す方向に研磨ヘッドシャフト１８周りに回転するようになっている。

研磨テーブル１２は、テーブル軸１２ａを介してその下方に配置されるテーブル回転モータ７０に連結されており、このテーブル回転モータ７０により研磨テーブル１２がテーブル軸１２ａ周りに矢印で示す方向に回転駆動されるようになっている。この研磨テーブル１２の上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の上面２２ａがウェハなどの基板を研磨する研磨面を構成している。

研磨ヘッドシャフト１８は、上下動機構２４により研磨ヘッド揺動アーム１６に対して上下動するようになっており、この研磨ヘッドシャフト１８の上下動により研磨ヘッド２０が研磨ヘッド揺動アーム１６に対して上下動するようになっている。研磨ヘッドシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

研磨ヘッド２０は、その下面にウェハを保持できるように構成されている。研磨ヘッド揺動アーム１６は支軸１４を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハを保持した研磨ヘッド２０は、研磨ヘッド揺動アーム１６の旋回によりウェハの受取位置から研磨テーブル１２の上方に移動される。そして、研磨ヘッド２０を下降させてウェハを研磨パッド２２の上面（研磨面）２２ａに押圧する。ウェハの研磨中は、研磨ヘッド２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド２２上に研磨液を供給する。このように、ウェハを研磨パッド２２の研磨面２２ａに摺接させてウェハの表面を研磨する。

研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド２０を昇降させる昇降機構２４は、軸受２６を介して研磨ヘッドシャフト１８を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ機構３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたＡＣサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介して研磨ヘッド揺動アーム１６に連結されている。

ボールねじ機構３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。研磨ヘッドシャフト１８は、ブリッジ２８と一体となって昇降（上下動）するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ機構３２を介してブリッジ２８が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド２０が上下動する。

この研磨装置は、研磨テーブル１２の研磨面２２ａをドレッシングするドレッシングユニット４０を備えている。このドレッシングユニット４０は、研磨面２２ａに摺接されるドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持するドレッサ揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下面はドレッシング面５０ａを構成し、このドレッシング面５０ａは砥粒（例えば、ダイヤモンド粒子）から構成されている。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６はドレッサ揺動アーム５５に固定されている。

ドレッサ揺動アーム５５は図示しないモータにより駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに矢印で示す方向に回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド２２の研磨面２２ａに押圧する。

研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はドレッサシャフト５１周りに回転され、図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面２２ａに供給される。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、ドレッシング面５０ａを研磨面２２ａに摺接させる。さらに、ドレッサ揺動アーム５５を、支軸５８を中心として旋回させてドレッサ５０を研磨面２２ａの半径方向に揺動させる。研磨パッド２２はドレッサ５０により削り取られ、これにより研磨面２２ａがドレッシング（再生）される。

研磨装置は、このドレッサ５０の鉛直方向の位置を利用して研磨パッド２２の厚さの変化量、すなわち研磨パッド２２の摩耗量を決定するパッド摩耗決定部６５を備えている。このパッド摩耗決定部６５は、パッド高さセンサ６０およびパッド摩耗算出器４７を有している。パッド高さセンサ６０は、ドレッサ５０の鉛直方向の位置から研磨パッド２２の表面高さを間接的に測定するパッド高さ測定器である。研磨パッド２２の表面高さとは、研磨パッド２２の上面、すなわち研磨面２２ａの高さである。そして、この研磨パッド２２の表面高さの変化量が研磨パッド２２の厚さの変化量、すなわち研磨パッド２２の摩耗量である。

ドレッサシャフト５１にはプレート６１が固定されており、パッド高さセンサ６０はプレート６１に固定されている。ドレッサ５０の上下動にともなって、プレート６１およびパッド高さセンサ６０が一体に上下動する。パッド高さセンサ６０は、ドレッサ揺動アーム５５の上面に対するプレート６１の相対位置（すなわち、ドレッサ５０の相対位置）を測定するように構成されている。

エアシリンダ５３を駆動すると、ドレッサ５０、ドレッサシャフト５１、プレート６１、およびパッド高さセンサ６０が一体に上下動する。一方、ドレッサ揺動アーム５５の鉛直方向の位置は固定である。パッド高さセンサ６０は、ドレッサ５０が研磨パッド２２の研磨面２２ａに接触しているときに、ドレッサ揺動アーム５５の上面に対するドレッサ５０の鉛直方向の相対位置を測定することにより、研磨パッド２２の研磨面２２ａの高さを間接的に測定する。なお、この例では、パッド高さセンサ６０として接触式パッド高さセンサが用いられているが、非接触式パッド高さセンサを用いてもよい。具体的には、リニアスケール、レーザ式センサ、超音波センサ、渦電流センサ、または距離センサなどをパッド高さセンサ６０として用いることができる。

研磨パッド２２の厚さの変化量は、次のようにして求められる。まず、エアシリンダ５３を駆動させてドレッサ５０を、摩耗していない研磨パッド２２の研磨面２２ａに当接させる。この状態で、パッド高さセンサ６０はドレッサ５０の初期位置（研磨パッド２２の初期表面高さ）を測定し、パッド摩耗算出器４７はそのドレッサ５０の初期位置（研磨パッド２２の初期表面高さ）の測定値を取得する。そして、一枚の、または複数枚のウェハの研磨処理が終了した後、再びドレッサ５０を研磨面２２ａに当接させ、この状態でパッド高さセンサ６０はドレッサ５０の位置を再度測定する。パッド摩耗算出器４７はそのドレッサ５０の位置（すなわち、摩耗した研磨パッド２２の表面高さ）の測定値を取得する。ドレッサ５０は研磨パッド２２の摩耗に従って下方に変位するため、パッド摩耗算出器４７は、研磨パッド２２の初期表面高さの測定値と、摩耗した研磨パッド２２の表面高さの測定値との差から、研磨パッド２２の厚さの変化量を決定することができる。

通常、ドレッシングユニット４０は、１枚のウェハを研磨するたびに研磨パッド２２のドレッシングを行なう。ドレッシングは、ウェハ研磨の前または後、あるいはウェハの研磨中に実施される。また、ウェハ研磨の前または後、およびウェハの研磨中にドレッシングが実施される場合もある。研磨パッド２２の厚さの変化量の算出には、いずれかのドレッシング時に取得されたパッド高さセンサ６０の測定値が使用される。

ドレッサ５０は、ドレッサ揺動アーム５５の揺動により、ドレッシング中研磨パッド２２上をその半径方向に揺動する。研磨パッド２２の表面高さの測定値は、パッド高さセンサ６０からパッド摩耗算出器４７に送られ、ここでドレッシング中の研磨パッド２２の表面高さの測定値の平均が求められる。なお、１回のドレッシング動作につき、ドレッサ５０は、１回または複数回研磨パッド２２上を往復する。

研磨装置は、ウェハＷの膜厚を検出するための渦電流式膜厚センサ７４を備えている。渦電流式膜厚センサ７４は、センサコイル７５と電流信号処理部７６とを備えている。センサコイル７５は、研磨テーブル１２に埋設されており、研磨テーブル１２と一体に回転する。電流信号処理部７６は研磨テーブル１２内に配置されてもよく、または研磨テーブル１２外に配置されてもよい。

渦電流信号処理部７６はセンサコイル７５に所定の高周波交流電流を流すように構成されている。このセンサコイル７５がウェハＷを横切る時に、センサコイル７５に流れる高周波交流電流の影響でウェハＷに形成された導電性膜に渦電流が発生する。電流信号処理部７６は、この渦電流によって形成される磁界の強さに従って変化するインピーダンスから膜厚指標値を生成する。この膜厚指標値は、渦電流式膜厚センサ７４の出力値である。以下の説明では、膜厚指標値を渦電流式膜厚センサ７４の出力値ということがある。

研磨テーブル１２が回転するたびにセンサコイル７５がウェハＷの表面を走査するので、電流信号処理部７６は、研磨テーブル１２が回転するたびに膜厚指標値を取得する。この膜厚指標値は、ウェハＷの導電性膜の厚さを直接的または間接的に示す値であり、ウェハＷの導電性膜の厚さに従って変化する。したがって、電流信号処理部７６は、この膜厚指標値に基づいてウェハＷの研磨進捗を監視することができる。例えば、電流信号処理部７６は、膜厚指標値が所定のしきい値に達した時点である研磨終点を決定することができる。

研磨パッド２２の厚さは、ウェハＷの研磨および研磨パッド２２のドレッシングを繰り返すにしたがって徐々に減少していく。研磨パッド２２の厚さが減少すると、センサコイル７５とウェハＷとの間の距離も変化し、渦電流式膜厚センサ７４の出力値（膜厚指標値）が変化する。そこで、研磨装置は、図２および図３に示されるように、研磨パッド２２の厚さの変化に基づいて、センサコイル７５の鉛直方向の位置を調整する位置調整装置７７を有している。図２は、図１に示した研磨テーブル１２の断面図であり、図３は、センサコイル７５および位置調整装置７７を示す拡大図である。

位置調整装置７７は、センサコイル７５を、研磨パッド２２の厚さの変化量（研磨パッド２２の摩耗量）に等しい距離だけ下方に移動させる。研磨パッド２２の厚さの変化量は、上述したパッド高さセンサ６０およびパッド摩耗算出器４７から構成されるパッド摩耗決定部６５により取得することができる。

図３に示されるように、位置調整装置７７は、センサコイル７５を鉛直方向に移動させる移動装置７８と、研磨パッド２２の厚さの変化量に基づいて移動装置７８を操作する操作制御部７９とを有する。センサコイル７５は、移動装置７８に連結されている。センサコイル７５および移動装置７８は、研磨テーブル１２に設けられた窪み１３内に配置されている。この窪み１３内に研磨液や純水などの処理液が浸入しないように、窪み１３の上部は蓋体８９で閉じられている。この蓋体８９は、センサコイル７５を覆うように設けられる。操作制御部７９は、研磨テーブル１２内に設けられてもよいし、研磨テーブル１２外に設けられてもよい。

図３に示される移動装置７８は、ねじ軸８０と当該ねじ軸８０が螺合するナット８１とを有するボールねじ機構８３と、ナット８１に下端が接続され、センサコイル７５に上端が接続された複数のロッド８５と、ねじ軸８０を回転させるサーボモータ８６と、ナット８１が連結された直動ガイド８７と、を備えている。図示した例では、ロッド８５は２本設けられ、当該ロッド８５を介して、センサコイル７５がナット８１に連結されている。直動ガイド８７は、ナット８１の上下動を許容するが、ナット８１の回転は許容しないように構成されている。ナット８１の上下動は直動ガイド８７によってガイドされる。

サーボモータ８６を正逆方向に回転させることにより、ねじ軸８０が正逆方向に回転し、ねじ軸８０に螺合するナット８１が直動ガイド８７に沿って上下動する。したがって、ナット８１にロッド８５を介して連結されているセンサコイル７５も、ナット８１の上下動に伴って鉛直方向に移動する。これにより、センサコイル７５の鉛直方向の位置を調整することが可能である。サーボモータ８６とボールねじ機構８３の組み合わせに代えて、エアシリンダを移動装置７８として用いてもよく、または圧電素子を移動装置７８として用いてもよい。

パッド摩耗決定部６５のパッド摩耗算出器４７は操作制御部７９に接続されており、研磨パッド２２の厚さの変化量はパッド摩耗決定部６５から操作制御部７９に送られる。操作制御部７９は移動装置７８を操作して、移動装置７８により、研磨パッド２２の厚さの変化量に等しい距離だけセンサコイル７５を研磨パッド２２から離間する方向に移動（すなわち下降）させる。したがって、研磨パッド２２の摩耗にかかわらず、センサコイル７５とウェハＷとの間の距離が一定に保たれる。結果として、研磨パッド２２が摩耗しても、複雑なソフトウェア処理を用いたセンサキャリブレーションを行う必要がない。

センサコイル７５の位置調整は、ウェハが研磨される前に実行される。したがって、渦電流式膜厚センサ７４は、研磨パッド２２の摩耗に影響されない正確な膜厚測定値をウェハの研磨中に取得することができる。正確な膜厚測定値を取得するために、センサコイル７５の位置調整は、１枚のウェハが研磨されるたびに実施されることが好ましいが、複数枚のウェハが研磨されるたびに実施されてもよい。

パッド高さ測定器６０を用いて研磨パッド２２の厚さの変化量を実際に測定する上記実施形態以外にも、渦電流式膜厚センサ７４の出力値と予め取得された基準出力値（基準膜厚指標値）の差から研磨パッド２２の厚さの変化量を推定することも可能である。以下、基準出力値（基準膜厚指標値）を用いて研磨パッド２２の厚さの変化量を推定する実施形態について説明する。

図４は、基準出力値（基準膜厚指標値）を用いて研磨パッド２２の厚さの変化量を推定する実施形態を説明する図である。この実施形態では、上述した実施形態のパッド摩耗決定部６５に代えて、または追加して、パッド摩耗決定部９０が設けられている。このパッド摩耗決定部９０は、渦電流式膜厚センサ７４の電流信号処理部７６および位置調整装置７７の操作制御部７９に接続されている。

この実施形態では次のようにして研磨パッド２２の厚さの変化量が決定される。まず、所定の初期膜厚を有する第１のウェハ（第１の基板）が、摩耗していない研磨パッド２２に押し付けられて研磨される。この第１のウェハを研磨しているときの渦電流式膜厚センサ７４の出力値、すなわち膜厚指標値はパッド摩耗決定部９０に送られる。パッド摩耗決定部９０は、渦電流式膜厚センサ７４の出力値を基準出力値（基準膜厚指標値）として取得する。この基準出力値はパッド摩耗決定部９０に記憶される。第１のウェハは、基準出力値を取得するための専用基準ウェハ（基準基板）であってもよいし、または、同一膜厚を有する複数枚のウェハからなる１つのロッド内の最初に研磨されるウェハであってもよい。

次に、第１のウェハと同じ初期膜厚を有する第２のウェハ（第２の基板）が、摩耗した研磨パッド２２に押し付けられて研磨される。この第２のウェハを研磨しているときの渦電流式膜厚センサ７４の出力値、すなわち膜厚指標値はパッド摩耗決定部９０に送られる。パッド摩耗決定部９０は、この渦電流式膜厚センサ７４の出力値を調整出力値（調整膜厚指標値）として取得する。

パッド摩耗決定部９０は、基準出力値からの調整出力値の偏差を算出する。図５は、基準出力値からの調整出力値の偏差を表すグラフである。図５において、横軸が膜厚を表し、縦軸が渦電流式膜厚センサ７４の出力値を表している。図５から分かるように、研磨パッド２２が摩耗した結果、ウェハが同じ初期膜厚を有していても、渦電流式膜厚センサ７４の出力値が相違する。第１のウェハと第２のウェハは同じ初期膜厚を有しているので、初期膜厚における調整出力値の基準出力値からの偏差は、研磨パッド２２の厚さの変化量に対応する。そこで、パッド摩耗決定部９０は、調整出力値の基準出力値からの偏差を算出し、さらに、偏差を研磨パッド２２の厚さの変化量に変換する。

図６は、基準出力値からの調整出力値の偏差と、研磨パッド２２の厚さの変化量との相関を示すグラフの一例を示す図である。渦電流式膜厚センサ７４の出力は、当該渦電流式膜厚センサ７４と計測対象物（すなわち、ウェハ）との距離が近くなると増加し、渦電流式膜厚センサ７４と計測対象物との距離が遠くなると減少する。すなわち、研磨パッド２２が摩耗した結果、計測対象物と渦電流式膜厚センサ７４の距離が近くなると、渦電流式膜厚センサ７４の出力は増加する。よって、基準出力値からの調整出力値の偏差と、研磨パッド２２の厚さの変化量との相関は、例えば、計測対象物と渦電流式膜厚センサ７４の距離のｎ乗(ｎ：少数、整数)から導くことができる。パッド摩耗決定部９０は、調整出力値の偏差と研磨パッド２２の厚さの変化量との相関を示すデータテーブルまたは変換式を予め記憶しており、データテーブルまたは変換式を用いて偏差を研磨パッド２２の厚さの変化量に変換する。このようにして得られた研磨パッド２２の厚さの変化量は、操作制御部７９に送られる。

第２のウェハの研磨が終了した後、操作制御部７９は移動装置７８を操作して、移動装置７８により、研磨パッド２２の厚さの変化量に等しい距離だけセンサコイル７５を研磨パッド２２から離間する方向に移動（すなわち下降）させる。この状態で、次のウェハ（第３のウェハ）が研磨パッド２２に押し付けられて研磨される。研磨パッド２２の摩耗にかかわらず、センサコイル７５とウェハＷとの間の距離は一定に保たれるので、渦電流式膜厚センサ７４は、研磨パッド２２の摩耗に影響されない正確な膜厚測定値をウェハの研磨中に取得することができる。

このように、ウェハを１枚研磨するたびに、パッド摩耗決定部９０は、初期膜厚における調整出力値を渦電流式膜厚センサ７４から取得し、この取得された膜厚指標値と基準膜厚指標値との間の偏差を計算し、偏差を研磨パッド２２の厚さの変化量に変換する。そして、次のウェハが研磨される前に、センサコイル７５は、研磨パッド２２の厚さの変化量に等しい距離だけ、上述した移動装置７８により移動させられる。

複数枚のウェハを研磨するたびに、研磨パッド２２の厚さの変化量を決定し、センサコイル７５の位置を調整してもよい。

次に、渦電流式膜厚センサ７４についてより詳細に説明する。図７は、渦電流式膜厚センサ７４を示す模式図である。この渦電流式膜厚センサ７４は、センサコイル７５と、このセンサコイル７５に接続される交流電源１０３と、センサコイル７５を含む電気回路の抵抗成分Ｘ，誘導リアクタンス成分Ｙを検出する同期検波部１０５とを有している。交流電源１０３と同期検波部１０５とは、電流信号処理部７６に設けられている。導電性膜ｍｆは、例えばウェハＷ上に形成された銅、タングステン、タンタル、チタニウムなどの導電材料からなる薄膜である。センサコイル７５と導電性膜ｍｆとの距離Ｇは、例えば０．５ｍｍ〜５ｍｍに設定される。

図８は、図７に示す渦電流式膜厚センサ７４のセンサコイル７５の構成例を示す。センサコイル７５は、ボビン１１１に巻回された３層のコイル１１２，１１３，１１４により構成されている。中央のコイル１１２は、交流電源１０３に接続される励磁コイルである。この励磁コイル１１２は、交流電源１０３より供給される交流電流により磁界を形成し、ウェハＷ上の導電性膜に渦電流を発生させる。励磁コイル１１２の上側（導電性膜側）には、検出コイル１１３が配置され、導電性膜を流れる渦電流により発生する磁束を検出する。検出コイル１１３と反対側にはバランスコイル１１４が配置されている。

コイル１１３，１１４は、同じターン数（１〜５００）のコイルにより形成されることが好ましいが、コイル１１２のターン数は特に限定されない。検出コイル１１３とバランスコイル１１４とは互いに逆相に接続されている。導電性膜が検出コイル１１３の近傍に存在すると、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１１３とバランスコイル１１４とに鎖交する。このとき、検出コイル１１３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１１３，１１４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。

図９は、渦電流式膜厚センサ７４の詳細な構成を示す模式図である。交流電源１０３は、水晶発振器からなる固定周波数の発振器を有しており、例えば、１〜５０ＭＨｚの固定周波数の交流電流をセンサコイル７５に供給する。交流電源１０３で形成された交流電流は、バンドパスフィルタ１２０を介してセンサコイル７５に供給される。センサコイル７５の端子から出力された信号は、ブリッジ回路１２１および高周波アンプ１２３を経て、ｃｏｓ同期検波回路１２５およびｓｉｎ同期検波回路１２６からなる同期検波部１０５に送られる。ここで、交流電源１０３で形成される発振信号からは、位相シフト回路１２４により交流電源１０３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１２５とｓｉｎ同期検波回路１２６とに導入される。そして、同期検波部１０５によりインピーダンスの抵抗成分と誘導リアクタンス成分とが取り出される。

同期検波部１０５から出力された抵抗成分と誘導リアクタンス成分からは、ローパスフィルタ１２７，１２８により不要な高周波成分（例えば５ｋＨｚ以上の高周波成分）が除去され、インピーダンスの抵抗成分としての信号Ｘと誘導リアクタンス成分としての信号Ｙとがそれぞれ出力される。さらに、ベクトル演算回路１３０により、Ｘ信号とＹ信号とから、インピーダンスＺ［Ｚ＝（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２］が得られる。また、θ処理回路１３１により、同様にＸ信号とＹ信号とから、位相出力θ［θ＝ｔａｎ^−１Ｙ／Ｘ］が得られる。ベクトル演算回路１３０から出力されるインピーダンスＺが、膜厚に従って変化する上記膜厚指標値である。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

１２研磨テーブル
１２ａテーブル軸
１３窪み
１４，５８支軸
１６研磨ヘッド揺動アーム
１８研磨ヘッドシャフト
２０研磨ヘッド
２２研磨パッド
２２ａ研磨面
２４昇降機構
２５ロータリージョイント
２８ブリッジ
２９，５７支持台
３０，５６支柱
３２ボールねじ
３２ａねじ軸
３２ｂナット
３８ＡＣサーボモータ
４０ドレッシングユニット
４７パッド摩耗算出器
５０ドレッサ
５０ａドレッシング面
５１ドレッサシャフト
５２ドレッサ回転モータ
５３エアシリンダ
５５揺動アーム
６０パッド高さ測定器（パッド高さセンサ）
６１プレート
６５パッド摩耗決定部
７０テーブル回転モータ
７４渦電流式膜厚センサ
７５センサコイル
７６電流信号処理部
７７位置調整装置
７８移動装置
７９操作制御部
８０ねじ軸
８１ナット
８３ボールねじ機構
８５ロッド
８６サーボモータ
８７直動ガイド
８９蓋体
９０パッド摩耗決定部
１０３交流電源
１０５同期検波部
１１１ボビン
１１２励磁コイル
１１３検出コイル
１１４バランスコイル
１２０バンドパスフィルタ
１２１ブリッジ回路
１２３高周波アンプ
１２４位相シフト回路
１２５ｃｏｓ同期検波回路
１２６ｓｉｎ同期検波回路
１２７，１２８ローパスフィルタ
１３０ベクトル演算回路
１３１ θ処理回路

Claims

研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けて、前記基板を研磨する研磨ヘッドと、
前記研磨テーブルに設けられた窪み内に配置されたセンサコイルを有する渦電流式膜厚センサと、
前記窪みの上部を閉じ、前記センサコイルを覆う蓋体と、
前記研磨パッドの厚さの変化量に基づいて前記センサコイルを前記研磨パッドから離間する方向に移動させる位置調整装置とを備え、前記位置調整装置は前記窪み内に配置されていることを特徴とする研磨装置。
前記研磨パッドの厚さの変化量を決定するパッド摩耗決定部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記パッド摩耗決定部は、摩耗していない前記研磨パッドの表面高さと、摩耗した前記研磨パッドの表面高さとの差から前記研磨パッドの厚さの変化量を決定することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
前記パッド摩耗決定部は、摩耗していない前記研磨パッドを用いて第１の基板を研磨したときに取得された前記渦電流式膜厚センサの出力値と、摩耗した前記研磨パッドを用いて第２の基板を研磨したときに取得された前記渦電流式膜厚センサの出力値との偏差から前記研磨パッドの厚さの変化量を決定することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
前記位置調整装置は、前記センサコイルを移動させる移動装置と、前記研磨パッドの厚さの変化量に基づいて前記移動装置を操作する操作制御部とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記移動装置は、前記センサコイルに連結されたボールねじ機構と、該ボールねじ機構を駆動するサーボモータとを有することを特徴とする請求項５に記載の研磨装置。