JP6590612B2 - 渦電流センサ - Google Patents
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特開2009−204342号には、渦電流センサの磁心内部に電磁波の寸法共鳴を発生させて、磁心の断面積より小さい範囲に磁界を集中発生させることが記載されている。この磁界を金属膜に与えるので、渦電流センサの磁心の断面積より小さい空間分解能を得
ることができる。しかし、電磁波の寸法共鳴を利用する場合、磁束は細くなるが、磁束が弱くなる(磁界が弱くなる)という欠点があった。
ここで、C:真空の電磁波速度(3.0×108m/s)
μs:比透磁率
εr:比誘電率
f:印加する磁界(電磁波)の周波数
寸法共鳴を防ぐには、使用する材料及び周波数から寸法共鳴を起こす最小寸法を決めて、コアの寸法が、寸法共鳴を起こす最小寸法より小さくすればよい。本発明の場合、寸法共鳴を起こす最小寸法は、上記の式より、約7.5cmであることがわかる。従って、磁心部の外形寸法が50mm以下であるため、本発明では寸法共鳴は生じない。
う目的からも必要な周波数である。膜が薄くなるほど、また薄膜の抵抗値が大きくなるほど、薄膜の厚さの変化を検知するために、高周波数の信号を印可する必要がある。励磁コイルに、2MHz〜30MHzという高周波を印可することが、研磨装置において必要とされる。また、比誘電率が5〜15、比透磁率が1〜300という数値は、Ni−Zn系フェライトにより、達成可能である。
この時に、前記検出コイルと前記励磁コイルと前記ダミーコイルは、前記磁心部の軸方向に異なる位置に配置され、かつ前記磁心部の軸方向に、前記基板上の前記導電性膜に近い位置から遠い位置に向かって、前記検出コイル、前記励磁コイル、前記ダミーコイルの順に配置することが好ましい。
られたタイミングプーリ116に接続されている。したがって、トップリング用モータ114を回転駆動することによってタイミングプーリ116、タイミングベルト115、およびタイミングプーリ113を介して回転筒112およびトップリングシャフト111が一体に回転し、トップリング1が回転する。なお、トップリングヘッド110は、フレーム(図示せず)に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト117によって支持されている。
図3は、渦電流センサ50の構成を示す図であり、図3(a)は渦電流センサ50の構成を示すブロック図であり、図3(b)は渦電流センサ50の等価回路図である。
金属膜(または導電性膜)Cu,Al,Au,Wの測定情報が得られる。渦電流センサ50は、図1に示すように研磨テーブル100の内部の表面付近の位置に内蔵することができ、研磨対象の半導体ウェハに対して研磨パッドを介して対面するように位置し、半導体ウェハ上の金属膜(または導電性膜)に流れる渦電流から金属膜(または導電性膜)の変化を検出することができる。
63が配置され、金属膜(または導電性膜)に形成される渦電流により発生する磁界を検出する。励磁コイル62を挟んで検出コイル63と反対側にはダミーコイル64が配置されている。励磁コイル62は、磁心部61bに配置され、導電性膜に渦電流を形成する。検出コイル63は、磁心部61bに配置され、導電性膜に形成される渦電流を検出する。励磁コイル62には、渦電流センサ50の磁心部61b内部に電磁波の寸法共鳴が発生しないように、周波数が2MHz以上の電気信号が印可される。
る先細形状(テーパ形状)でもよい。
外周部210は、図7に示すように、磁心部61bの軸方向に伸びる少なくとも1つ、本図では4個の溝226を有する。図7(a)は断面図であり、図7(b)は平面図である。図7(a)は、図7(b)の矢視AAにおける断面図である。このように、外周部210に切れ込み(溝)226を入れて、外周部210における周方向の渦電流228の発生を防ぐ。外周部210の周方向に渦電流228が発生すると、測定対象である導電性膜に生じる渦電流が弱くなるからである。検出に使用するコア中央部から生じる磁場230は、ポットコア60の軸方向に生じる磁場であり、外周部210に発生する周方向の渦電流とは異なるため、外周部210の溝226によって遮断されない。側面に漏れる磁場232のみが溝226によって遮断される。
bの磁心部61bの軸方向は一致する。第1のポットコア60aの磁心部61bの軸方向と第2のポットコア60bの磁心部61bの軸方向は、基板W上の導電性膜に直交する。第1のポットコア60a及び第2のポットコア60bは、基板Wに近い位置から遠い位置に向かって、第1のポットコア60a、第2のポットコア60bの順に配置される。
本図では、図4の実施例とは異なり、2つのポットコアを用いている。本図の場合、検出コイル63とダミーコイル64が、別々のポットコア内に同様の配置で設けられている。図4の実施例では、検出コイル63とダミーコイル64が、1つのポットコア内に配置されている。そのため、検出コイル63と底面部61bとの距離は、ダミーコイル64と底面部61bとの距離よりも遠い。すなわち、検出コイル63とダミーコイル64は、ポットコアとの関係において、同様の配置ではない。図8の場合、検出コイル63とダミーコイル64は、ポットコア内に同様の配置で設けられているため、検出コイル63とダミーコイル64は、電気回路的に同様の特性を示すという利点がある。
検出コイル63とダミーコイル64とは、上述したように逆相の直列回路を構成し、その両端は可変抵抗76を含む抵抗ブリッジ回路77に接続されている。励磁コイル62は交流信号源52に接続され、交番磁束を生成することで、近傍に配置される金属膜(または導電性膜)mfに渦電流を形成する。可変抵抗76の抵抗値を調整することで、コイル63,64からなる直列回路の出力電圧が、金属膜(または導電性膜)が存在しないときにはゼロとなるように調整可能としている。コイル63,64のそれぞれに並列に入る可変抵抗76(VR1,VR2)でL1,L3の信号を同位相にするように調整する。即ち、図9(b)の等価回路において、
VR1-1×(VR2-2+jωL3)=VR1-2×(VR2-1+jωL1) (1)
となるように、可変抵抗VR1(=VR1-1+VR1-2)およびVR2(=VR2-1+VR2-2)を調整する。これにより、図9(c)に示すように、調整前のL1,L3の信号(図中点線で示す)を、同位相・同振幅の信号(図中実線で示す)とする。
図10は、交流信号源52側から渦電流センサ50側を見たインピーダンスZの計測回路例を示している。図16に示すインピーダンスZの計測回路においては、膜厚の変化に伴う抵抗成分(R)、リアクタンス成分(X)、振幅出力(Z)および位相出力(tan−1R/X)を取り出すことができる。
供給する。信号源52で形成される交流電圧は、バンドパスフィルタ82を介して渦電流センサ50に供給される。渦電流センサ50の端子で検出された信号は、高周波アンプ83および位相シフト回路84を経て、cos同期検波回路85およびsin同期検波回路86からなる同期検波部により検出信号のcos成分とsin成分とが取り出される。ここで、信号源52で形成される発振信号は、位相シフト回路84により信号源52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85とsin同期検波回路86とに導入され、上述の同期検波が行われる。
本発明では、所定の時間内に渦電流センサ50が半導体ウェハW上に描く軌跡が半導体ウェハWの表面の全体にわたってほぼ均等に分布するようにトップリング1と研磨テーブル100の回転速度比を調整する。
は膜厚に相当する信号の分布が検出された基板Wの押圧条件を決め、当該研磨装置の機器制御コントローラ248に送信してもよい。
図14は、研磨中に行う圧力コントロールの動作の一例を示すフローチャートである。まず、研磨装置は、基板Wを研磨位置に搬送する(ステップS101)。続いて、研磨装置は、基板Wの研磨を開始する(ステップS102)。
以上説明したように、本発明は以下の形態を有する。
形態1
導電性膜が形成された基板の近傍に配置される渦電流センサであって、前記渦電流センサは、
底面部と、前記底面部の中央に設けられた磁心部と、前記底面部の周囲に設けられた周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、
前記磁心部に配置され、前記導電性膜に渦電流を形成する励磁コイルと、
前記磁心部に配置され、前記導電性膜に形成される前記渦電流を検出する検出コイルとを有し、
前記磁性体の比誘電率は5〜15であり、比透磁率は1〜300であり、
前記磁心部の外形寸法は50mm以下であり、
前記励磁コイルには、周波数が2〜30MHzの電気信号が印可されることを特徴とする渦電流センサ。
形態2
前記渦電流センサは、前記磁心部に配置され、前記導電性膜に形成される前記渦電流を
検出するダミーコイルを有することを特徴とする形態1に記載の渦電流センサ。
形態3
導電性膜が形成された基板の近傍に配置される渦電流センサであって、前記渦電流センサは、
磁性体である第1のポットコアと、前記第1のポットコアの近傍に配置された磁性体である第2のポットコアとを有し、
前記第1のポットコア及び前記第2のポットコアは、それぞれ、底面部と、前記底面部の中央に設けられた磁心部と、前記底面部の周囲に設けられた周壁部とを有し、
前記渦電流センサは、
前記第1のポットコアの前記磁心部に配置され、前記導電性膜に渦電流を形成する第1の励磁コイルと、
前記第1のポットコアの前記磁心部に配置され、前記導電性膜に形成される前記渦電流を検出する検出コイルと、
前記第2のポットコアの前記磁心部に配置される第2の励磁コイルと、
前記第2のポットコアの前記磁心部に配置されるダミーコイルとを有し、
前記第1のポットコアの前記磁心部の軸方向と前記第2のポットコアの前記磁心部の軸方向は一致し、
前記第1のポットコア及び前記第2のポットコアは、前記基板に近い位置から遠い位置に向かって、前記第1のポットコア、前記第2のポットコアの順に配置されることを特徴とする渦電流センサ。
形態4
前記磁性体の比誘電率は5〜15であり、比透磁率は1〜300であり、
前記磁心部の外形寸法は50mm以下であり、
前記第1及び第2の励磁コイルには、周波数が2〜30MHzの電気信号が印可されることを特徴とする形態3に記載の渦電流センサ。
形態5
前記周壁部の外部に配置された金属製の外周部を有することを特徴とする形態1から3までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。
形態6
前記外周部は、前記磁心部の軸方向に伸びる少なくとも1つの溝を有することを特徴とする形態5に記載の渦電流センサ。
形態7
前記検出コイル及び前記励磁コイルに使用される導線は、銅、マンガニン線、又はニクロム線であることを特徴とする形態1から6までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。形態8
前記励磁コイルに印加される電気信号の周波数は、前記渦電流センサの出力に基づいて前記導電性膜に形成された渦電流を検出する検出回路が発振しない周波数であることを特徴とする形態1から7までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。
形態9
前記検出コイルと前記励磁コイルの導線の巻き数は、前記渦電流センサの出力に基づいて前記導電性膜に形成された渦電流を検出する検出回路が発振しない周波数になるように設定されていることを特徴とする形態1から8までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。
形態10
前記導電性膜を含む研磨対象物を研磨するための研磨パッドが貼り付けられる研磨テーブルと、
前記研磨テーブルを回転駆動する駆動部と、
前記研磨対象物を保持して前記研磨パッドに押圧する保持部と、
前記研磨テーブルの内部に配置され、前記研磨テーブルの回転に伴い前記導電性膜に形成される前記渦電流を前記研磨対象物の研磨面に沿って検出する形態1から9のいずれか
1項に記載の渦電流センサと、
前記検出された前記渦電流から前記研磨対象物の膜厚データを算出する終点検出コントローラと、
を備える研磨装置。
形態11
形態10の研磨装置において、
前記終点検出コントローラが算出する膜厚データに基づいて、前記研磨対象物の複数の領域の押圧力を独立に制御する機器制御コントローラを備える研磨装置。
Claims (9)
- 導電性膜が形成された基板の近傍に配置され、前記導電性膜を検出する渦電流センサであって、前記渦電流センサは、
底面部と、前記底面部の中央に設けられた磁心部と、前記底面部の周囲に設けられた周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、
前記磁心部に配置され、前記導電性膜に渦電流を形成する励磁コイルと、
前記磁心部に配置され、前記導電性膜に形成される前記渦電流を検出する検出コイルとを有し、
前記磁性体の比誘電率は5〜15であり、比透磁率は1〜300であり、
前記磁心部の外形寸法は50mm以下であり、
前記励磁コイルには、周波数が2〜30MHzの電気信号が印可されることを特徴とする渦電流センサ。 - 前記渦電流センサは、前記磁心部に配置され、前記導電性膜に形成される前記渦電流を検出するダミーコイルを有することを特徴とする請求項1に記載の渦電流センサ。
- 前記周壁部の外部に配置された金属製の外周部を有することを特徴とする請求項1または2記載の渦電流センサ。
- 前記外周部は、前記磁心部の軸方向に伸びる少なくとも1つの溝を有することを特徴とする請求項3に記載の渦電流センサ。
- 前記検出コイル及び前記励磁コイルに使用される導線は、銅、マンガニン線、又はニクロム線であることを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記励磁コイルに印加される電気信号の周波数は、前記渦電流センサの出力に基づいて
前記導電性膜に形成された渦電流を検出する検出回路が発振しない周波数であることを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。 - 前記検出コイルと前記励磁コイルの導線の巻き数は、前記渦電流センサの出力に基づいて前記導電性膜に形成された渦電流を検出する検出回路が発振しない周波数になるように設定されていることを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の渦電流センサ。
- 前記導電性膜を含む研磨対象物を研磨するための研磨パッドが貼り付けられる研磨テーブルと、
前記研磨テーブルを回転駆動する駆動部と、
前記研磨対象物を保持して前記研磨パッドに押圧する保持部と、
前記研磨テーブルの内部に配置され、前記研磨テーブルの回転に伴い前記導電性膜に形成される前記渦電流を前記研磨対象物の研磨面に沿って検出する請求項1から7のいずれか1項に記載の渦電流センサと、
前記検出された前記渦電流から前記研磨対象物の膜厚データを算出する終点検出コントローラと、
を備える研磨装置。 - 請求項8の研磨装置において、
前記終点検出コントローラが算出する膜厚データに基づいて、前記研磨対象物の複数の領域の押圧力を独立に制御する機器制御コントローラを備える研磨装置。
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