JP6779633B2 - 研磨装置 - Google Patents

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Description

本発明は、研磨装置に関し、特に研磨の終点を検知する終点検知センサを備え、半導体ウェハ等の基板に成膜した導電性膜を研磨するのに使用される研磨装置に関する。
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。そこで、研磨対象物である半導体ウェハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段として研磨装置により研磨（ポリッシング）することが行われている。
研磨装置は、研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、研磨対象物を保持して研磨パッドに押圧するためにトップリングを備える。研磨テーブルとトップリングはそれぞれ、駆動部（例えばモータ）によって回転駆動される。研磨剤を含む液体（スラリー）を研磨パッド上に流し、そこにトップリングに保持された研磨対象物を押し当てることにより、研磨対象物は研磨される。
研磨装置では、研磨対象物の研磨が不十分であると、回路間の絶縁がとれず、ショートするおそれが生じ、また、過研磨となった場合は、配線の断面積が減ることによる抵抗値の上昇、又は配線自体が完全に除去され、回路自体が形成されないなどの問題が生じる。このため、研磨装置では、最適な研磨終点を検出することが求められる。
このような技術としては、特開２０１２−１３５８６５号及び特開２０１３−５８７６２号に記載のものがある。これらの技術においては、ソレノイド型又は渦巻型のコイルを用いた渦電流センサが、終点検知センサとして用いられている。
特開２０１２−１３５８６５号 特開２０１３−５８７６２号
近年、半導体ウェハのエッジ近くの不良品率を減らすために、半導体ウェハのエッジの、より近くまで膜厚を測定して、In-situの閉ループ制御で膜厚コントロールを行いたいという要求がある。
また、トップリングには、空圧等を利用したエアバッグヘッド方式のものがある。エアバッグヘッドは、同心状の複数のエアバッグを有する。渦電流センサによる半導体ウェハの表面の凹凸の分解能を向上させて、狭い幅のエアバッグにて膜厚コントロールするために、より狭い範囲の膜厚を測定したいという要求がある。
しかし、ソレノイド型又は渦巻型のコイルでは、磁束を細くすることが困難であり、狭い範囲の測定に限界があった。
従来の一般的な渦電流センサにより、半導体ウェハの研磨面に形成される渦電流の面積(すなわち、渦電流センサのスポット径)は、約２０ｍｍ以上であり、１点当りの検出モニタ領域が一般に広く、広範囲の領域を平均化した膜厚しか得られなかった。このため、残
膜有無の検出精度およびプロファイルコントロールの精度に限界があり、特に、研磨後の基板のエッジ部における膜厚のばらつきに対応できなかった。これは、基板上に成膜した銅膜等の導電成膜を研磨する際、基板のエッジ部は境界領域となって、ここに成膜される膜の膜厚が他の場所に成膜される膜の膜厚に比べて変化し易いためである。また、基板の一部に残った、６ｍｍ幅以下の残膜の検出が一般に困難で、基板上への膜の成膜状態、あるいは膜の研磨条件の変動などにより、本来研磨すべき膜が基板の一部に残ってしまうことがあった。
なお、渦電流センサのスポット径が広い理由の１つは、センサコイル径が大きいためである。これを解決するため、渦電流センサのセンサコイル径を小さくし、膜厚の検出モニタ領域を小さくすることが考えられる。しかし、渦電流センサで膜厚が検出できる渦電流センサから膜までの距離は、センサコイル径と相関関係があり、センサコイル径を小さくすると、当該距離は小さくなる。渦電流センサと基板との間には研磨パッドが存在することから、渦電流センサと基板との間の距離は、研磨パッドの厚さ以下にすることはできない。センサコイル径を小さくすると、渦電流センサで膜厚が検出できる渦電流センサから膜までの距離が小さくなり、研磨パッドの厚さのために、渦電流を基板に形成することが困難になり、膜厚の検出が困難になる。
渦電流センサのスポット径が広い別の理由は、半導体ウェハと渦電流センサの距離が離れているために、磁束が広がることである。同一のコイルを用いた場合、半導体ウェハと渦電流センサとの間の距離が離れるほど、磁束が広がり、渦電流センサのスポット径が大きくなる。磁束が広がるほど、磁束が弱くなり、半導体ウェハに形成される渦電流が弱くなり、結果として、センサ出力が小さくなる。半導体ウェハの膜厚を精度よくコントロールするために、狭い範囲を測定できる渦電流センサが望まれている。
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、狭い範囲を測定できる終点検知センサを有して膜厚検出精度が向上した研磨装置を提供することを目的とする。
本願発明の研磨装置の第１の形態によれば、研磨対象物を研磨するための研磨表面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの、前記研磨表面とは反対側の裏面が取り付けられる研磨テーブルと、前記研磨テーブル内に配置され、前記研磨の終点を検知する終点検知センサとを有する研磨装置において、前記終点検知センサは、底面部と、前記底面部の中央に配置される磁心部と、前記底面部の周囲かつ前記磁心部の周囲に配置される周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、前記磁心部に配置され、前記研磨対象物に渦電流を形成する励磁コイルと、前記磁心部又は前記周壁部に配置され、前記研磨対象物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、前記研磨パッドの前記裏面側には、前記研磨テーブルに対向する部分に、前記磁心部および前記周壁部の一部を収容するための空間が配置され、前記磁心部および前記周壁部は、前記底面部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記磁心部および前記周壁部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置することを特徴とする研磨装置が提供される。
以上の形態によれば、研磨パッドの裏面側には、研磨テーブルに対向する部分に、磁心部および周壁部の一部を収容するための空間が配置されるため、研磨対象物とセンサの距離を近づけることができる。従来よりも、より小さい範囲の膜厚を感度良く測定することができる。
空間内に磁心部および周壁部の先端部（これらはフェライト等の磁性体からなる）のみを入れる場合、先端部のみを小さく製作すればよく、コイルがないため、先端部の小型化は容易に達成できる。結果として、ウェハ上のスポット径を、容易に小さくできる。また
、励磁コイルの周囲は周壁部で囲まれているため、磁束の漏れは少ない。
なお、空間の形状は、任意の形状が可能であり、例えば、円筒形、角柱形、円錐台、角錐台等の形状が可能である。
また、検出コイルを、磁心部ではなく周壁部に配置する場合、検出コイルを、研磨パッドの空間内に位置する周壁部の部分に配置することが好ましい。検出コイルを周壁部に配置する場合、周壁部は磁心部よりも外径が大きいため、検出コイルが大きくなり、検出できる領域のサイズが大きくなる。また、検出コイルが研磨パッドの空間内に配置されるため、検出コイルが研磨対象物に近くなり、研磨対象物の膜厚の検出精度がよくなる。
本願発明の研磨装置の第２の形態によれば、前記磁心部のうち、前記空間内に位置する前記磁心部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記磁心部の少なくとも一部分から分離可能である研磨装置が提供される。
本願発明の研磨装置の第３の形態によれば、前記周壁部のうち、前記空間内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分から分離可能である研磨装置が提供される。
第２、第３の形態によれば、以下の問題が解決できる。形状が異なる研磨パッドを初めて研磨テーブルに装着する際に、本実施形態のような分離可能な研磨装置を用いないで、終点検知センサを研磨テーブル内から研磨パッドに向かって外部に露出させようとした場合、次のような問題がある。露出している終点検知センサが研磨パッドと接触しないように、研磨パッドを新たに装着する毎に、前記空間の形状及び終点検知センサ全体の研磨テーブルからの高さを調整する必要がある。
本実施形態では、空間内に位置する磁心部および／または周壁部の少なくとも一部分は、研磨テーブル内に位置する磁心部および／または周壁部の少なくとも一部分から分離可能であることにより、空間内に位置する磁心部および／または周壁部の少なくとも一部分のみを交換すればよい。研磨パッドの形状、特に、その厚さは、研磨パッドの種類ごとに変わるが、厚さの変化に対応して、研磨パッドに設ける空間の高さを変えることが好ましい。空間の高さの変更に伴い、磁心部および／または周壁部の形状を変える必要が生じる。この時に、本実施形態では、終点検知センサ全体の形状を変更する必要がなく、磁心部および／または周壁部の先端部のみの形状を変更するだけでよく、研磨パッドの変更に容易に対応することができる。
本実施形態では、終点検知センサの先端部と、研磨対象物との距離を常に、最短の距離に容易に維持するために、終点検知センサ全体の高さを調整する必要がない。すなわち、先端部の交換のみでよい。また、スポット径を調整するために、最短でない距離に調整したい場合でも、終点検知センサ全体の高さを調整する必要がない。
本願発明の研磨装置の第４の形態によれば、前記空間は、前記研磨パッドの前記裏面から前記研磨表面まで貫通している研磨装置が提供される。
本実施形態によれば、終点検知センサを回転テーブルに取り付ける際、特に、分離可能である磁心部の少なくとも一部分および／または周壁部の少なくとも一部分を位置決めして取り付けるときに、研磨パッドの上面が開放しているため、位置調整等の作業が容易に行える。なお、この形態の場合、研磨液等が研磨パッドの上面からセンサ部分に入ってくる。これに対処するために、水を排出する機構をセンサ部分に設けても良い。
なお、磁心部は分離可能とし、周壁部は分離不可として、センサ本体に対して、分離可
能な磁心部と、分離不可である周壁部の全体とを一体として脱着できるようにしてもよい。この場合、センサ製作時、具体的には、磁心部にコイルを巻きつける時に、コイルが巻かれる磁心部を露出することが可能になるため、磁心部にコイルを巻きつける作業が容易になるという利点がある。
本願発明の研磨装置の第５の形態によれば、前記周壁部の外周に配置された金属シールドを有し、前記金属シールドは、前記励磁コイルが生成する磁界を遮蔽する研磨装置が提供される。本実施形態によれば、周壁部の外側に金属シールドがあるため、漏れ磁束が減少するので、研磨対象物上に形成される磁束のスポット径が小さくなる。
本願発明の研磨装置の第６の形態によれば、研磨対象物を研磨するための研磨表面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの、前記研磨表面とは反対側の裏面が取り付けられる研磨テーブルと、前記研磨テーブル内に配置され、前記研磨の終点を検知する終点検知センサとを有する研磨装置において、前記終点検知センサは、底面部と、前記底面部の周囲に配置される周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、前記底面部の中央に配置され、前記研磨対象物に渦電流を形成する励磁コイルと、空心コイルであるか又は前記周壁部に配置されて前記周壁部をコアとするコイルであり、前記研磨対象物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、前記周壁部は、前記励磁コイルの周囲に配置され、前記励磁コイルは、空心部を有する空心コイルであり、前記研磨パッドの前記裏面には、前記研磨テーブルに対向する部分に、前記周壁部の一部を収容するための空間が配置され、前記周壁部は、前記底面部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記周壁部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置し、前記ポットコアは、前記空心部を前記空間に向かって延長した位置に、磁性体である磁心部を有し、前記磁心部は、前記空心部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記磁心部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置する研磨装置が提供される。
本実施形態によれば、励磁コイルは空心であり、コアが存在しない。コアにコイルは巻き付けない。空心コイルであるため、励磁周波数を高く設定することが可能であり、空間分解能が向上する。また、励磁コイルの周囲は周壁部で囲まれているため、磁束の漏れは少ない。
本願発明の研磨装置の第７の形態によれば、前記周壁部のうち、前記空間内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分から分離可能である研磨装置が提供される。
本願発明の研磨装置の第８の形態によれば、前記検出コイルは、前記空間内に位置する前記磁心部又は前記周壁部に配置される研磨装置が提供される。この場合、検出コイルが研磨パッドの空間内に配置されるため、検出コイルが研磨対象物に近くなり、研磨対象物の膜厚の検出精度がよくなる。
本願発明の研磨装置の第９の形態によれば、前記空間内に位置する前記磁心部および前記周壁部は、保持部に保持され、前記保持部は、前記終点検知センサまたは前記研磨テーブルに固定される研磨装置が提供される。
図１は、本実施例に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。 図２は、研磨テーブルと渦電流センサと半導体ウェハとの関係を示す平面図である。 図３は、渦電流センサの構成を示す図であり、図３（ａ）は渦電流センサの構成を示すブロック図であり、図３（ｂ）は渦電流センサの等価回路図である。 図４は、比較例の渦電流センサ４の近傍の拡大図を示す。 図５は、ポットコア６０の詳細形状を示す図である。 図６は本発明の渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。 図７は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。 図８（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図８（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。 図９（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図９（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。 図１０（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１０（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。 図１１（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１１（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。 図１２（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１２（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。 図１３は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。 図１４は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図であり、空間内に位置する磁心部および周壁部の固定方法を示す。 図１５は、図１４（ｅ）および１４（ｆ）に示す渦電流センサ５０の全体を示す概略図である。 図１６は、渦電流センサにおける各コイルの接続例を示す概略図である。 図１７は、渦電流センサの同期検波回路を示すブロック図である。 図１８は、膜厚制御を行う方法を示すブロック図である。 図１９は、渦電流センサが半導体ウェハ上を走査する軌跡を示す模式図である。 図２０は、渦電流センサが半導体ウェハ上を走査する軌跡を示す模式図である。 図２１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。
以下、本発明の一実施例に係る研磨装置の実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、添付の図面において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の一実施例に係る研磨装置１０の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、研磨装置１０は、研磨テーブル１００と、研磨対象物である半導体ウェハＷ１等の基板を保持して研磨テーブル１００上の研磨面に押圧するトップリング１とを備えている。
研磨テーブル１００は、テーブル軸１００ａを介してその下方に配置される駆動部であるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１００ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル１００の上面(取付面)１０４には研磨パッド１０１が貼付されている。研磨パッド１０１の表面１０１ａが半導体ウェハＷ１を研磨する研磨表面を構成して
いる。研磨パッド１０１の、研磨表面１０１ａとは反対側の裏面１０１ｂが、研磨テーブル１００の取付面１０４に取り付けられている。トップリング１は、研磨パッド１０１の研磨表面１０１ａに対向させて半導体ウェハＷ１を保持できる。
研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されている。この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑ１が供給されるようになっている。図１に示すように、研磨テーブル１００の内部には、研磨の終点を検知する渦電流センサ（終点検知センサ）５０が埋設されている。
トップリング１は、半導体ウェハＷ１を研磨面１０１ａに対して押圧するトップリング本体２と、半導体ウェハＷ１の外周縁を保持して半導体ウェハＷ１がトップリングから飛び出さないようにするリテーナリング３とから基本的に構成されている。
トップリング１は、トップリングシャフト１１１に接続されている。このトップリングシャフト１１１は、上下動機構１２４によりトップリングヘッド１１０に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１１の上下動により、トップリングヘッド１１０に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。なお、トップリングシャフト１１１の上端にはロータリージョイント１２５が取り付けられている。
トップリングシャフト１１１およびトップリング１を上下動させる上下動機構１２４は、軸受１２６を介してトップリングシャフト１１１を回転可能に支持するブリッジ１２８と、ブリッジ１２８に取り付けられたボールねじ１３２と、支柱１３０により支持された支持台１２９と、支持台１２９上に設けられたＡＣサーボモータ１３８とを備えている。サーボモータ１３８を支持する支持台１２９は、支柱１３０を介してトップリングヘッド１１０に固定されている。
ボールねじ１３２は、サーボモータ１３８に連結されたねじ軸１３２ａと、このねじ軸１３２ａが螺合するナット１３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１１は、ブリッジ１２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ１３８を駆動すると、ボールねじ１３２を介してブリッジ１２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１１およびトップリング１が上下動する。
また、トップリングシャフト１１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用モータ１１４に設け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シャフト１１７によって支持されている。
図１に示すように構成された研磨装置において、トップリング１は、その下面に半導体ウェハＷ１などの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１１０はトップリングシャフト１１７を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウェハＷ１を保持したトップリング１は、トップリングヘッド１１０の旋回により半導体ウェハＷ１の受取位置から研磨テーブル１００の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させて半導体ウェハＷ１を研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに押圧する。こ
のとき、トップリング１および研磨テーブル１００をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１００の上方に設けられた研磨液供給ノズル１０２から研磨パッド１０１上に研磨液を供給する。このように、半導体ウェハＷ１を研磨パッド１０１の研磨面１０１ａに摺接させて半導体ウェハＷ１の表面を研磨する。
図２は、研磨テーブル１００と渦電流センサ５０と半導体ウェハＷ１との関係を示す平面図である。図２に示すように、渦電流センサ５０は、トップリング１に保持された研磨中の半導体ウェハＷ１の中心Ｃｗを通過する位置に設置されている。符号ＣＴは研磨テーブル１００の回転中心である。例えば、渦電流センサ５０は、半導体ウェハＷ１の下方を通過している間、通過軌跡（走査線）上で連続的に半導体ウェハＷ１のＣｕ層等の金属膜（導電性膜）を検出できるようになっている。
次に、本発明の一実施例に係る研磨装置が備える渦電流センサ５０について、添付図面を用いてより詳細に説明する。
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。
図３（ａ）に示すように、渦電流センサ５０は、検出対象の金属膜（または導電性膜）ｍｆの近傍に配置される。渦電流センサ５０の具体的な配置については後述する。そのコイルに交流信号源５２が接続されている。ここで、検出対象の金属膜（または導電性膜）ｍｆは、例えば半導体ウェハＷ１上に形成されたＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｗなどの薄膜である。渦電流センサ５０は、検出対象の金属膜（または導電性膜）に対して、例えば１．０〜４．０ｍｍ程度の近傍に配置される。
渦電流センサには、金属膜（または導電性膜）ｍｆに渦電流が生じることにより、発振周波数が変化し、この周波数変化から金属膜（または導電性膜）の膜厚の変化を検出する周波数タイプと、インピーダンスが変化し、このインピーダンス変化から金属膜（または導電性膜）の膜厚の変化を検出するインピーダンスタイプとがある。即ち、周波数タイプでは、図３（ｂ）に示す等価回路において、渦電流I２が変化することで、インピーダンスＺ１が変化し、信号源（可変周波数発振器）５２の発振周波数が変化すると、検波回路５４でこの発振周波数の変化を検出し、金属膜（または導電性膜）の変化を検出することができる。インピーダンスタイプでは、図３（ｂ）に示す等価回路において、渦電流I２が変化することで、インピーダンスＺ１が変化し、信号源（固定周波数発振器）５２から見たインピーダンスＺ１が変化すると、検波回路５４でこのインピーダンスＺ１の変化を検出し、金属膜（または導電性膜）の変化を検出することができる。
インピーダンスタイプの渦電流センサでは、膜厚の変化に伴う抵抗成分（Ｒ１）、リアクタンス成分（Ｘ１）、振幅出力（（Ｒ１２＋Ｘ１２）１／２）および位相出力（ｔａｎ−１Ｒ１／Ｘ１）を取り出すことができる。周波数、または振幅出力（（Ｒ１２＋Ｘ１２）１／２）等から、金属膜（または導電性膜）Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｗの膜厚の変化に関する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。
渦電流センサの周波数は、単一電波、混合電波、ＡＭ変調電波、ＦＭ変調電波、関数発生器の掃引出力または複数の発振周波数源を用いることができる。金属膜の膜種に適合させて、感度の良い発振周波数や変調方式を選択することが好ましい。
以下に、インピーダンスタイプの渦電流センサについて具体的に説明する。交流信号源５２は、２〜３０ＭＨｚ程度の固定周波数の発振器であり、例えば水晶発振器が用いられる。そして、交流信号源５２により供給される交流電圧により、渦電流センサ５０に電流Ｉ１が流れる。金属膜（または導電性膜）ｍｆの近傍に配置された渦電流センサ５０に電流が流れることで、この磁束が金属膜（または導電性膜）ｍｆと鎖交することでその間に相互インダクタンスＭ１が形成され、金属膜（または導電性膜）ｍｆ中に渦電流Ｉ２が流れる。ここでＲ１は渦電流センサを含む一次側の等価抵抗であり、Ｌ１は同様に渦電流センサを含む一次側の自己インダクタンスである。金属膜（または導電性膜）ｍｆ側では、Ｒ２は渦電流損に相当する等価抵抗であり、Ｌ２はその自己インダクタンスである。交流信号源５２の端子ａ１，ｂ１から渦電流センサ側を見たインピーダンスＺ１は、金属膜（または導電性膜）ｍｆ中に形成される渦電流損の大きさによって変化する。
最初に、本願の渦電流センサ５０の比較例として、図４に、渦電流センサ４と基板との間に、渦電流センサ４の磁心部および周壁部の一部を収容するための空間を有しない研磨パッドが存在する研磨装置を示す。本図の場合、空間を有しないため、渦電流センサ４と基板との間の距離は、研磨パッドの厚さ以下にすることはできない。本図は、渦電流センサの近傍の拡大した断面図を示す。
渦電流センサ４は、ポットコア６０と、３個のコイル６２，６３，６４により構成されている。磁性体であるポットコア６０は、底面部６１ａと、底面部６１ａの中央に設けられた磁心基部６１ｂと、底面部６１ａの周囲に設けられた周壁基部６１ｃとを有する。底面部６１ａは、渦電流センサ４のベース部６に、接着材やボルト等により取り付けられている。
３個のコイル６２，６３，６４のうち中央のコイル６２は、交流信号源５２に接続される励磁コイルである。この励磁コイル６２は、交流信号源５２より供給される電圧の形成する磁界により、近傍に配置される半導体ウェハＷ１上の金属膜（または導電性膜）ｍｆに渦電流を形成する。励磁コイル６２の金属膜（または導電性膜）側には、検出コイル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、磁心基部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、磁心基部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に印加される周波数は、任意の周波数、例えば２〜３０ＭＨｚの電気信号を印可することができる。渦電流センサの磁心材料は例えば、透磁率及び誘電率の両方の値が高いＭｎ−Ｚｎフェライトや、透磁率及び誘電率の両方の値が低いＮｉ−Ｚｎフェライトである。
渦電流センサは、磁心基部６１ｂに配置されるダミーコイル６４を有し、ダミーコイル６４は、導電性膜に形成される渦電流を検出する。磁心基部６１ｂの軸方向は、基板上の導電性膜に直交し、検出コイル６３と励磁コイル６２とダミーコイル６４は、磁心基部６１ｂの軸方向に異なる位置に配置され、かつ磁心基部６１ｂの軸方向に、基板上の導電性膜に近い位置から遠い位置に向かって、検出コイル６３、励磁コイル６２、ダミーコイル６４の順に配置される。検出コイル６３、励磁コイル６２、ダミーコイル６４からは、それぞれ、外部と接続するためのリード線が出ている。
研磨パッド１０１は、研磨表面１０１ａを有する研磨層２６と、裏面１０１ｂを有する裏打ち層２８とを有する。研磨層２６は、発泡ポリウレタンシート等からなる。裏打ち層２８は、ポリウレタン或いは不織布等からなる。研磨層２６は、発泡構造又は無発泡構造
を有する。無発泡構造の場合、ポリウレタン等に対してドレッシング処理により研磨表面１０１ａが荒らされて、研磨剤の保持力を高める処理がなされる。
図５に、ポットコア６０の詳細形状を示す。図５(ａ)は平面図であり、図５（ｂ）は、図５(ａ)の矢視ＡＡにおける断面図である。磁性体であるポットコア６０は、円板形状の底面部６１ａと、底面部６１ａの中央に設けられた円柱形状の磁心基部６１ｂと、底面部６１ａの周囲に設けられた円筒形状の周壁基部６１ｃとを有する。ポットコア６０の寸法の１例としては、底面部６１ａの直径Ｌ１は９ｍｍ、厚さＬ２は３ｍｍ、磁心基部６１ｂの直径Ｌ３は３ｍｍ、高さＬ４は５ｍｍ、周壁基部６１ｃの外径Ｌ５は９ｍｍ、内径Ｌ６は５ｍｍ、厚さＬ７は２ｍｍ、高さＬ４は５ｍｍである。磁心基部６１ｂの高さＬ４と、周壁基部６１ｃの高さＬ４は、図５では同一であるが、磁心基部６１ｂの高さＬ４は、周壁基部６１ｃの高さＬ４より、高くても低くてもよい。周壁基部６１ｃの外径は、図５では高さ方向に同一である円筒形状であるが、底面部６１ａから離れる方向に、すなわち先端に向かって細くなる先細形状(テーパ形状)でもよい。
磁場をポットコア６０の周囲に漏らさないようにするためには、周壁基部６１ｃの厚さＬ７が、磁心基部６１ｂの直径Ｌ３の１／２以上の長さであること、及び底面部６１ａの厚さＬ２が磁心基部６１ｂの直径Ｌ３以上の長さであることが好ましい。
検出コイル６３、励磁コイル６２、及びダミーコイル６４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。マンガニン線やニクロム線を使用することにより、電気抵抗等の温度変化が少なくなり、温度特性が良くなる。
次に、本発明の渦電流センサ５０を図６により説明する。図６は、本発明の渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。研磨パッド１０１の裏面１０１ｂには、研磨テーブル１００に対向する部分に、渦電流センサ５０の磁心部および周壁部の一部（磁心延長部８および周壁延長部１１）を収容するための空間３０が配置される。磁心部および周壁部は、底面部６１ａから空間３０に向かって伸びており、空間３０に向かって伸びた磁心部および周壁部の少なくとも先端部（磁心延長部８および周壁延長部１１）は、空間３０内に位置する。
本実施例によれば、研磨パッド１０１の裏面１０１ｂは、研磨テーブル１００に対向する部分に、磁心部および周壁部の一部（磁心延長部８および周壁延長部１１）を収容するための空間３０を有するため、研磨対象物とセンサの距離を近づけることができる。従来よりも、より小さい範囲の膜厚を感度良く測定することができる。
本実施例では、磁心部のうち、空間３０内に位置する磁心部の部分（磁心延長部８）は、研磨テーブル１００内に位置する磁心部の部分（磁心基部６１ｂ）から分離されている。また、周壁部のうち、空間３０内に位置する周壁部の部分（周壁延長部１１）は、研磨テーブル１００内に位置する周壁部の部分（周壁基部６１ｃ）から分離されている。すなわち、磁心部は、磁心基部６１ｂと磁心延長部８からなり、周壁部は、周壁基部６１ｃと周壁延長部１１からなる。本実施例の渦電流センサ５０は、比較例の渦電流センサ４に、磁性体のみからなる磁心延長部８および周壁延長部１１を付加したものである。以下では、磁心延長部８および周壁延長部１１からなる部分を、磁性体コア部１２と呼ぶ。磁心延長部８および周壁延長部１１の固定方法については、後述する。
本実施例では、空間３０内に位置する磁心部の部分は、研磨テーブル内に位置する磁心部の部分から分離可能である、および空間３０内に位置する周壁部の部分は、研磨テーブル内に位置する周壁部の部分から分離可能である。そのため、研磨パッド１０１の形状、特に、その厚さに対応して、研磨パッド１０１に設ける空間３０の高さが変わることに対
して、空間３０内に位置する磁心部の部分、および空間３０内に位置する周壁部の部分のみを交換することにより、容易に対応することができる。
図６に示す検出コイル６３と励磁コイル６２とダミーコイル６４は、通常のソレノイドコイルであるが、本発明は、ソレノイドコイルに限られない。検出コイル６３と励磁コイル６２とダミーコイル６４は、スパイラルコイルでもよい。ソレノイドコイルとスパイラルコイルの違いは以下のとおりである。ソレノイドコイルは、３次元形状のコイルであり、螺旋状、特に、コイルの軸方向に密巻きにした螺旋形状（後述する定義による「層」を複数、重ねることもある）のものである。一方、スパイラルコイルは、２次元形状のコイルであり、平面上に渦巻状（スパイラル）に巻かれたコイルである。
図７に、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の例を示す。図７は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。図７の渦電流センサ１５０は、検出コイル１６３と励磁コイル１６２とダミーコイル１６４がスパイラルコイルである点を除けば、図６の渦電流センサ５０と同様である。渦電流センサ１５０は、図４に示す比較例の渦電流センサ４に対応する本体部分１４が、スパイラルコイルである。
図７の渦電流センサ１５０の３個のコイル１６２，１６３，１６４は、列を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗに対して平行方向と定義したときに、線材をそれぞれ１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルである。より詳細にいうと、３個のコイル１６２，１６３，１６４は、列を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して垂直方向、層を半導体ウエハ（基板）Ｗの金属膜（または導電性膜）が形成された面に対して平行方向と定義したときに、線材をそれぞれ１列Ｎ層巻きでスパイラル状に巻いたコイルである。Ｎは２以上の整数であり、例えば従来と同等以上の巻き数とすればＮは１０以上である。図７に示す例においては１列８層のコイルである。ただし、各コイル１６２，１６３，１６４は、２個のスパイラルコイルからなる。例えば、検出コイル１６３は、２個のスパイラルコイル１６，２０からなる。２個のスパイラルコイル１６，２０は、円板状の磁性体１８の上面と下面にそれぞれ配置されている。
スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０によれば、検出コイル１６３を線材又は導電体を１列複数層に巻いたスパイラルコイルで構成したので、検出コイル１６３を、ソレノイドコイルで構成した場合に比較して基板に近づけることができる。またスパイラルコイルは、線間の容量成分が小さくできるため、センサ感度が良くなる。従って、渦電流センサ１５０の発振周波数、内部回路の増幅度および励磁電圧を上昇させることなく、半導体ウェハ等の基板上の金属薄膜（または導電性薄膜）を検出することができる。
次に、図８により、磁心部および周壁部の一部を収容するための空間が、研磨パッド１０１の裏面１０１ｂから研磨表面１０１ａまで貫通している実施例について説明する。図８（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図８（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。図８（ａ），図８（ｂ）では、磁心部および周壁部の一部を収容するための空間３２、具体的には、磁性体コア部１２を収容するための空間３２が、研磨パッド１０１の裏面１０１ｂから研磨表面１０１ａまで貫通している。本実施例によれば、渦電流センサ５０、１５０を回転テーブル１００に取り付ける際、具体的には、磁性体コア部１２を位置決めして取り付けるときに、研磨パッド１０１の上面１０１ａが開放しているため、位置調整等の作業が容易に行える。
次に、図９により、磁心部は分離可能とし、周壁部は分離不可として、センサ本体に対して、分離可能な磁心部と、分離不可である周壁部の全体とを一体として脱着できる実施
例について説明する。図９（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図９（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。図９（ａ），図９（ｂ）では、磁心部は磁心基部６１ｂと、磁心延長部８に分離可能である。周壁部は分離不可であり、周壁基部６１ｃと、周壁延長部１１は一体化されていて、一部品である。
図９に示す渦電流センサ５０、１５０は、図８に示す渦電流センサ５０，１５０に対して、分離不可である周壁部を有するという点で異なる。本実施例では、センサ本体部分４ａ，１４ａに対して、具体的には底面部６１ａに対して、分離可能な磁心部（磁心延長部８）と、分離不可である周壁部（周壁基部６１ｃと周壁延長部１１）の全体とを一体として脱着できる（後述する図１４（ａ），１４（ｂ）を参照）。この場合、センサ製作時、具体的には、磁心基部６１ｂにコイルを巻きつける時に、コイルが巻かれる磁心基部６１ｂを露出することが可能になるため、磁心基部６１ｂにコイルを巻きつける作業が容易になるという利点がある。
次に、図１０により、周壁部の外周に配置された金属シールドを有し、金属シールドは、励磁コイルが生成する磁界を遮蔽する実施例について説明する。図１０（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１０（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。図１０（ａ），図１０（ｂ）では、分離不可である周壁部（周壁基部６１ｃと周壁延長部１１）の外周に金属シールド２２が配置される。金属シールド２２は、励磁コイル６２，１６２が生成する磁界を遮蔽する。なお、金属シールド２２は、図６，７に示す分離可能な周壁部を有する渦電流センサに適用することもできる。
図１０に示す渦電流センサ５０、１５０は、図９に示す渦電流センサ５０，１５０に対して、本体部分４ｂ，１４ｂが、金属シールド２２を有するという点で異なる。本実施例によれば、周壁基部６１ｃと周壁延長部１１の外側に金属シールド２２があるため、漏れ磁束が減少し、金属シールド２２がない渦電流センサと比較して、ウェハＷ１上に形成される磁束のスポット径が小さくなる。
次に、図１１により、励磁コイル、検出コイル、ダミーコイルが、空心部を有する空心コイルである実施例について説明する。図１１（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１１（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。図１１（ａ），図１１（ｂ）では、励磁コイル６２，１６２、検出コイル６３，１６３、ダミーコイル６４，１６４は、空心部２４を有する空心コイルである。
図１１に示す渦電流センサ５０、１５０は、図８に示す渦電流センサ５０，１５０に対して、本体部分４ｃ，１４ｃのコイルが、空心コイルであるという点で異なる。本実施例によれば、励磁コイル６２，１６２は空心であり、図８に示す磁心基部（コア）６１ｂが存在しない。磁心基部６１ｂにコイルは巻き付けない。空心コイルであるため、励磁周波数を高く設定することが可能であり、空間分解能が向上する。また、励磁コイルの周囲は周壁部（すなわち、ヨーク）６１ｃで囲まれているため、磁束の漏れが少ない。
次に、図１２により、空間３０，３２にある磁心部または周壁部に配置され、研磨対象物に形成される渦電流を検出する検出コイルを有する実施例について説明する。図１２（ａ）は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１２（ｂ）は、スパイラルコイルを用いた渦電流センサ１５０の構成例を示す概略図である。
図１２（ａ）では、検出コイル６３は、空間３０にある周壁部（周壁延長部）１０に配置され、ウェハＷ１に形成される渦電流を検出する。図１２（ｂ）では、検出コイル１６３は、空間３２にある磁心部（磁心延長部）８に配置され、ウェハＷ１に形成される渦電流を検出する。
図１２に示す渦電流センサ５０、１５０は、図８に示す渦電流センサ５０，１５０に対して、検出コイル６３，１６３が、空間３０、３２にあるという点で異なる。図１２（ａ）では、検出コイル６３を、研磨パッド１０１の空間３０内に入れるために、検出コイル６３を磁心基部６１ｂから分離して、周壁延長部１１に配置する。周壁延長部１１は磁心基部６１ｂよりも外径が大きいため、検出コイル６３が大きくなり、検出できる領域のサイズが大きくなる。また、図１２（ａ）、１２（ｂ）では、検出コイル６３，１６３が研磨パッド１０１の空間３０、３２内に配置されるため、検出コイル６３，１６３が研磨対象物に近くなり、研磨対象物の膜厚の検出精度がよくなる。図１２（ａ）、１２（ｂ）では、検出コイル６３，１６３が空間３０、３２内に配置されるため、回転テーブル１００内にある本体部分４ｄ，１４ｄが、図８の本体部分４，１４よりも、コイルの軸方向において小型化されるという利点がある。
次に、図１３により、図１１（ａ）と図１２（ａ）とを組み合わせた実施例について説明する。すなわち、本実施例では、励磁コイルとダミーコイルが、空心部を有する空心コイルであり、検出コイルが空間３０にある周壁部に配置される。図１３は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図である。図１３では、励磁コイル６２とダミーコイル６４は、空心部２４を有する空心コイルである。検出コイル６３は、空間３０にある周壁部（周壁延長部）１０に配置される。
次に、図１４により、空間３０，３２内に位置する磁心部および周壁部が、保持部に保持され、保持部は、終点検知センサまたは研磨テーブルに固定される実施例について説明する。図１４は、ソレノイドコイルを用いた渦電流センサ５０の構成例を示す概略図であり、空間内に位置する磁心部および周壁部の固定方法を示す。図１４（ａ），１４（ｂ）は、図９（ａ）に示す磁心部および周壁部の固定方法を示し、図１４（ｃ），１４（ｄ）は、図６（ａ）に示す磁心部および周壁部の固定方法を示し、図１４（ｅ），１４（ｆ）は、図１０（ａ）に示す磁心部および周壁部の固定方法を示す。
図１４（ａ），１４（ｃ）、１４（ｅ）は、平面図であり、図１４（ｂ），１４（ｄ）、１４（ｆ）は、それぞれ、図１４（ａ）のＡＡ断面図，１４（ｃ）のＢＢ断面図、１４（ｅ）のＣＣ断面図である。
図１４（ａ），１４（ｂ）では、空間３２内に位置する磁心延長部８および周壁延長部１１は、保持部３４に保持される。保持部３４の材質は、PP（ポリプロピレン）樹脂またはPEEK (ポリエーテルエーテルケトン)樹脂である。保持部３４の平面形状は楕円形であり、全体形状は楕円柱である。保持部３４の厚さｔ１は、図９に示す裏打ち層２８の厚さｔ２とほぼ同じである。磁心延長部８および周壁延長部１１を保持部３４に取り付ける方法は、樹脂を加工して穴をあけて磁心延長部８および周壁延長部１１を穴に固定する方法、または、磁心延長部８および周壁延長部１１を樹脂でモールドする等の方法がある。一体化された磁心延長部８、周壁延長部１１および保持部３４は、図１４（ｂ）に示すように、渦電流センサ５０の底面部６１ａに固定される。
図１４（ｃ），１４（ｄ）では、保持部３４は、非磁性体からなる位置決めピン３６を２個有する。渦電流センサ５０の本体部分４ａには、位置決めピン３６が挿入される穴３８が２個ある。一体化された位置決めピン３６、磁心延長部８、周壁延長部１１および保持部３４は、図１４（ｄ）に示すように、渦電流センサ５０の穴３８に固定される。
図１４（ｅ），１４（ｆ）では、一体化された磁心延長部８、周壁延長部１１、金属シールド２２および保持部３４は、図１４（ｆ）に示すように、渦電流センサ５０の底面部６１ａまたはベース部６に固定される。
図１５により、図１４（ｅ）および１４（ｆ）に示す渦電流センサ５０の全体を示す。図１５（ａ）は、平面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＤＤ断面図である。円周４０は、渦電流センサ５０の外径を示す。金属シールド２２の外側を取り囲む外周部４２は、樹脂で充填される。空間３２には、研磨時、水等が侵入してくる。そのため、空間３２から水等を排出する機構を、回転テーブル１００内に設けてもよい。なお、磁心延長部８、周壁延長部１１および保持部３４の高さは、研磨パッドの厚さに応じて変更できる。
図１６は、渦電流センサ５０，１５０における各コイルの接続例を示す概略図である。図１６（ａ）に示すように、検出コイル６３とダミーコイル６４とは互いに逆相に接続されている。
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１６（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１６（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。
そして、金属膜（または導電性膜）が検出コイル６３の近傍に存在する時には、金属膜（または導電性膜）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６３とダミーコイル６４とに鎖交するが、検出コイル６３のほうが金属膜（または導電性膜）に近い位置に配置されているので、両コイル６３，６４に生じる誘起電圧のバランスが崩れ、これにより金属膜（または導電性膜）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。即ち、交流信号源に接続された励磁コイル６２から、検出コイル６３とダミーコイル６４との直列回路を分離して、抵抗ブリッジ回路でバランスの調整を行うことで、ゼロ点の調整が可能である。従って、金属膜（または導電性膜）に流れる渦電流をゼロの状態から検出することが可能になるので、金属膜（または導電性膜）中の渦電流の検出感度が高められる。これにより、広いダイナミックレンジで金属膜（または導電性膜）に形成される渦電流の大きさの検出が可能となる。
図１７は、渦電流センサ５０，１５０の同期検波回路を示すブロック図である。図１７は、交流信号源５２側から渦電流センサ５０、１５０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。
上述したように、検出対象の金属膜（または導電性膜）ｍｆが成膜された半導体ウェハＷ１近傍に配置された渦電流センサ５０、１５０に、交流信号を供給する信号源５２は、
水晶発振器からなる固定周波数の発振器であり、例えば、２ＭＨｚ，８ＭＨｚの固定周波数の電圧を供給する。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、１５０に供給される。渦電流センサ５０、１５０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。
同期検波された信号は、ローパスフィルタ８７，８８により、信号成分以上の不要な高周波成分が除去され、ｃｏｓ同期検波出力である抵抗成分（Ｒ）出力と、ｓｉｎ同期検波出力であるリアクタンス成分（Ｘ）出力とがそれぞれ取り出される。また、ベクトル演算回路８９により、抵抗成分（Ｒ）出力とリアクタンス成分（Ｘ）出力とから振幅出力（Ｒ２＋Ｘ２）１／２が得られる。また、ベクトル演算回路９０により、同様に抵抗成分出力とリアクタンス成分出力とから位相出力（ｔａｎ−１Ｒ／Ｘ）が得られる。ここで、測定装置本体には、各種フィルタがセンサ信号の雑音成分を除去するために設けられている。各種フィルタは、それぞれに応じたカットオフ周波数が設定されており、例えば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を０．１〜１０Ｈｚの範囲で設定することにより、研磨中のセンサ信号に混在する雑音成分を除去して測定対象の金属膜（または導電性膜）を高精度に測定することができる。
なお、上記の各実施形態を適用した研磨装置において、図１８に示すように、トップリング１の内部の空間に複数の圧力室（エアバッグ）Ｐ１−Ｐ７を設け、圧力室Ｐ１−Ｐ７の内部圧力を調整することができる。すなわち、トップリング１の内側に形成された空間内には、複数の圧力室Ｐ１−Ｐ７が設けられる。複数の圧力室Ｐ１−Ｐ７は、中央の円形の圧力室Ｐ１と、この圧力室Ｐ１の外側に同心円状に配置された複数の環状の圧力室Ｐ２−Ｐ７と、を備える。各圧力室Ｐ１−Ｐ７の内部圧力は、各エアバッグ圧力コントローラ２４４により互いに独立して変化させることが可能である。これにより、各圧力室Ｐ１−Ｐ７に対応する位置の基板Ｗの各領域の押圧力を独立に調整することができる。
各領域の押圧力を独立に調整するためには、ウェハ膜厚分布を渦電流センサ５０，１５０により測定する必要がある。以下に説明するように、センサ出力と、トップリング回転数と、テーブル回転数からウェハ膜厚分布を求めることができる。
最初に、渦電流センサ５０、１５０が半導体ウェハの表面を走査するときの軌跡（走査線）について説明する。
本発明では、所定の時間内に渦電流センサ５０、１５０が半導体ウェハＷ１上に描く軌跡が半導体ウェハＷ１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。
図１９は、渦電流センサ５０、１５０が半導体ウェハＷ１上を走査する軌跡を示す模式図である。図１９に示すように、渦電流センサ５０、１５０は、研磨テーブル１００が１回転するごとに半導体ウェハＷ１の表面（被研磨面）を走査するが、研磨テーブル１００が回転すると、渦電流センサ５０、１５０は概ね半導体ウェハＷ１の中心Ｃｗ（トップリングシャフト１１１の中心）を通る軌跡を描いて半導体ウェハＷ１の被研磨面上を走査することになる。トップリング１の回転速度と研磨テーブル１００の回転速度とを異ならせることにより、半導体ウェハＷ１の表面における渦電流センサ５０、１５０の軌跡は、図１９に示すように、研磨テーブル１００の回転に伴って走査線ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，
…と変化する。この場合でも、上述したように、渦電流センサ５０、１５０は、半導体ウェハＷ１の中心Ｃｗを通る位置に配置されているので、渦電流センサ５０、１５０が描く軌跡は、毎回半導体ウェハＷ１の中心Ｃｗを通過する。
図２０は、研磨テーブル１００の回転速度を７０min−１、トップリング１の回転速度を７７min−１として、所定時間（この例では５秒）内に渦電流センサ５０、１５０が描く半導体ウェハ上の軌跡を示す図である。図２０に示すように、この条件下では、研磨テーブル１００が１回転するごとに渦電流センサ５０、１５０の軌跡が３６度回転するので、５回走査するごとにセンサ軌跡が半導体ウェハＷ１上を半周だけ回転することになる。センサ軌跡の湾曲も考慮すると、所定時間内に渦電流センサ５０、１５０が半導体ウェハＷ１を６回走査することにより、渦電流センサ５０、１５０は半導体ウェハＷ１上をほぼ均等に全面スキャンすることになる。各軌跡について、渦電流センサ５０、１５０は、数百回の測定を行うことができる。半導体ウェハＷ１全体では例えば、１０００箇所から２０００箇所の測定点で膜厚を測定して、膜厚分布を求めることができる。
上述した例では、トップリング１の回転速度が研磨テーブル１００の回転速度よりも速い場合を示したが、トップリング１の回転速度が研磨テーブル１００の回転速度よりも遅い場合（例えば、研磨テーブル１００の回転速度が７０min−１、トップリング１の回転速度が６３min−１）も、センサ軌跡が逆方向に回転するだけであり、所定の時間内に渦電流センサ５０、１５０が半導体ウェハＷ１の表面に描く軌跡を半導体ウェハＷ１の表面の全周にわたって分布させる点では上述の例と同じである。
得られた膜厚分布に基づいて、基板Ｗの各領域の押圧力を制御する方法について以下説明する。図１８に示すように、渦電流センサ５０、１５０は、終点検出コントローラ２４６に接続され、終点検出コントローラ２４６は、機器制御コントローラ２４８に接続されている。渦電流センサ５０、１５０の出力信号は、終点検出コントローラ２４６に送られる。終点検出コントローラ２４６は、渦電流センサ５０、１５０の出力信号に対して必要な処理（演算処理・補正）を施してモニタリング信号（終点検出コントローラ２４６によって補正された膜厚データ）を生成する。終点検出コントローラ２４６は、モニタリング信号に基づいてトップリング１内の各圧力室Ｐ１−Ｐ７の内部圧力を操作する。すなわち、終点検出コントローラ２４６は、トップリング１が基板Ｗを押圧する力を決定し、この押圧力を機器制御コントローラ２４８へ送信する。機器制御コントローラ２４８は、トップリング１の基板Ｗに対する押圧力を変更するように各エアバッグ圧力コントローラ２４４に指令を出す。膜厚センサ（渦電流センサ）５０によって検出された基板Ｗの膜厚または膜厚に相当する信号の分布を機器制御コントローラ２４８で蓄積する。そして、終点検出コントローラ２４６から送信された基板Ｗの膜厚または膜厚に相当する信号の分布に応じて、機器制御コントローラ２４８で、機器制御コントローラ２４８のデータベースに格納された押圧条件に対する研磨量に基づいて、膜厚また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、各エアバッグ圧力コントローラ２４４に送信する。
基板Ｗの押圧条件は、例えば、次のように決められる。各々のエアバッグの圧力を変化させた時に研磨量が影響を受けるウェハエリアに関する情報に基づいて、各ウェハエリアの膜厚平均値を算出する。影響を受けるウェハエリアは実験結果などから算出し、前もって機器制御コントローラ２４８のデータベースに入力しておく。膜が薄くなっているウェハエリアに対応するエアバッグ箇所に対する圧力は低くし、膜が厚くなっているウェハエリアに対応するエアバッグ箇所に対する圧力は高くして、各エリアの膜厚が均一になるようにエアバッグ圧力をコントロールする。この時、過去の膜厚分布結果から、研磨レートを算出し、コントロールする圧力の指標にしてもよい。
また、膜厚センサによって検出された基板Ｗの膜厚または膜厚に相当する信号の分布を
上位のホストコンピュータ（複数の半導体製造装置と接続し、管理しているコンピュータ）に送信し、ホストコンピュータで蓄積してもよい。そして、研磨装置側から送信された基板Ｗの膜厚または膜厚に相当する信号の分布に応じて、ホストコンピュータで、ホストコンピュータのデータベースに格納された押圧条件に対する研磨量に基づいて、膜厚また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。
次に、基板Ｗの各領域の押圧力の制御フローについて説明する。
図２１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）。
続いて、終点検出コントローラ２４６は、基板Ｗの研磨中に、残膜指数(残膜量を表す膜厚データ)を研磨対象物の各領域について算出する（ステップＳ１０３）。続いて、機器制御コントローラ２４８は、残膜指数に基づいて残膜厚の分布を制御する（ステップＳ１０４）。
具体的には、機器制御コントローラ２４８は、各領域について算出された残膜指数に基づいて、基板Ｗの裏面の各領域に加える押圧力（すなわち、圧力室Ｐ１−Ｐ７内の圧力）を独立に制御する。なお、研磨初期には基板Ｗの被研磨膜表層の変質などにより研磨特性（圧力に対する研磨速度）が不安定になることがある。このような場合には、研磨開始から初回の制御を行うまでの間に、所定の待ち時間を設けてもよい。
続いて、機器制御コントローラ２４８は、残膜指数に基づいて研磨対象物の研磨を終了すべきか否かを決定する（ステップＳ１０５）。残膜指数があらかじめ設定された目標値に達していないと機器制御コントローラ２４８が判断した場合には（ステップＳ１０５，Ｎｏ）、ステップＳ１０３へ戻る。
一方、残膜指数があらかじめ設定された目標値に達したと機器制御コントローラ２４８が判断した場合には（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、機器制御コントローラ２４８は、研磨対象物の研磨を終了する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０５〜１０６においては
、研磨開始から所定の時間が経過したか否かを判断して研磨を終了することも可能である。本実施形態によれば、渦電流センサは、空間分解能が向上しているため、渦電流センサ出力の有効範囲が、エッジ等の狭い領域に広がるので、基板Ｗの領域ごとの測定点が増え、研磨の制御性の向上を図ることができ、基板の研磨平坦性を改善することができる。
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
研磨対象物を研磨するための研磨表面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの、前記研磨表面とは反対側の裏面が取り付けられる研磨テーブルと、前記研磨テーブル内に配置され、前記研磨の終点を検知する終点検知センサとを有する研磨装置において、
前記終点検知センサは、
底面部と、前記底面部の中央に配置される磁心部と、前記底面部の周囲かつ前記磁心部の周囲に配置される周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、
前記磁心部に配置され、前記研磨対象物に渦電流を形成する励磁コイルと、
前記磁心部又は前記周壁部に配置され、前記研磨対象物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、
前記研磨パッドの前記裏面側には、前記研磨テーブルに対向する部分に、前記磁心部および前記周壁部の一部を収容するための空間が配置され、
前記磁心部および前記周壁部は、前記底面部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記磁心部および前記周壁部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置することを特徴とする研磨装置。
形態２
前記磁心部のうち、前記空間内に位置する前記磁心部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記磁心部の少なくとも一部分から分離可能であることを特徴とする形態１に記載の研磨装置。
形態３
前記周壁部のうち、前記空間内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分から分離可能であることを特徴とする形態１または２に記載の研磨装置。
形態４
前記空間は、前記研磨パッドの前記裏面から前記研磨表面まで貫通していることを特徴とする形態１から３までのいずれか一項に記載の研磨装置。
形態５
前記周壁部の外周に配置された金属シールドを有し、前記金属シールドは、前記励磁コイルが生成する磁界を遮蔽することを特徴とする形態１から４までのいずれか一項に記載の研磨装置。
形態６
研磨対象物を研磨するための研磨表面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの、前記研磨表面とは反対側の裏面が取り付けられる研磨テーブルと、前記研磨テーブル内に配置され、前記研磨の終点を検知する終点検知センサとを有する研磨装置において、
前記終点検知センサは、
底面部と、前記底面部の周囲に配置される周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、
前記底面部の中央に配置され、前記研磨対象物に渦電流を形成する励磁コイルと、
空心コイルであるか又は前記周壁部に配置されて前記周壁部をコアとするコイルであり、前記研磨対象物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、
前記周壁部は、前記励磁コイルの周囲に配置され、
前記励磁コイルは、空心部を有する空心コイルであり、
前記研磨パッドの前記裏面には、前記研磨テーブルに対向する部分に、前記周壁部の一部を収容するための空間が配置され、
前記周壁部は、前記底面部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸
びた前記周壁部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置し、
前記ポットコアは、前記空心部を前記空間に向かって延長した位置に、磁性体である磁心部を有し、
前記磁心部は、前記空心部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記磁心部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置することを特徴とする研磨装置。
形態７
前記周壁部のうち、前記空間内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分から分離可能であることを特徴とする形態６に記載の研磨装置。
形態８
前記検出コイルは、前記空間内に位置する前記磁心部又は前記周壁部に配置されることを特徴とする形態１から７までのいずれか一項に記載の研磨装置。
形態９
前記空間内に位置する前記磁心部および前記周壁部は、保持部に保持され、前記保持部は、前記終点検知センサまたは前記研磨テーブルに固定されることを特徴とする形態１から８までのいずれか一項に記載の研磨装置。
４…本体部分
８…磁心延長部
１０…研磨装置
１１…周壁延長部
１２…磁性体コア部
１６…スパイラルコイル
１８…磁性体
２２…金属シールド
２４…空心部
２６…研磨層
２８…裏打ち層
３０…空間
３２…空間
３４…保持部
５０…渦電流センサ
６０…ポットコア
６２…励磁コイル
６３…検出コイル
６４…ダミーコイル
１０１…研磨パッド
１５０…渦電流センサ
１６２…励磁コイル
１６３…検出コイル
１６４…ダミーコイル
６１ａ…底面部
６１ｂ…磁心基部
６１ｃ…周壁基部
１０１ａ…研磨面
１０１ｂ…裏面

Claims (10)

  1. 研磨対象物を研磨するための研磨表面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの、前記研磨表面とは反対側の裏面が取り付けられる研磨テーブルと、前記研磨テーブル内に配置され、前記研磨の終点を検知する終点検知センサとを有する研磨装置において、
    前記終点検知センサは、
    底面部と、前記底面部の中央に配置される磁心部と、前記底面部の周囲かつ前記磁心部の周囲に配置される周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、
    前記磁心部に配置され、前記研磨対象物に渦電流を形成する励磁コイルと、
    前記磁心部又は前記周壁部に配置され、前記研磨対象物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、
    前記研磨パッドの前記裏面側には、前記研磨テーブルに対向する部分に、前記磁心部および前記周壁部の一部を収容するための空間が配置され、
    前記磁心部および前記周壁部は、前記底面部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記磁心部および前記周壁部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置し、
    前記周壁部の先端は先細形状であり、前記先細形状は、前記底面部から離れる方向に、かつ前記先端に向かって細くなり、
    前記周壁部は、前記磁心部を取り囲んでいることを特徴とする研磨装置。
  2. 前記磁心部のうち、前記空間内に位置する前記磁心部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記磁心部の少なくとも一部分から分離可能であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
  3. 前記周壁部のうち、前記空間内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分から分離可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
  4. 前記空間は、前記研磨パッドの前記裏面から前記研磨表面まで貫通していることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の研磨装置。
  5. 前記周壁部の外周に配置された金属シールドを有し、前記金属シールドは、前記励磁コイルが生成する磁界を遮蔽することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の研磨装置。
  6. 研磨対象物を研磨するための研磨表面を有する研磨パッドと、前記研磨パッドの、前記研磨表面とは反対側の裏面が取り付けられる研磨テーブルと、前記研磨テーブル内に配置され、前記研磨の終点を検知する終点検知センサとを有する研磨装置において、
    前記終点検知センサは、
    底面部と、前記底面部の周囲に配置される周壁部とを有する、磁性体であるポットコアと、
    前記底面部の中央に配置され、前記研磨対象物に渦電流を形成する励磁コイルと、
    空心コイルであるか又は前記周壁部に配置されて前記周壁部をコアとするコイルであり、前記研磨対象物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、
    前記周壁部は、前記励磁コイルの周囲に配置され、
    前記励磁コイルは、空心部を有する空心コイルであり、
    前記研磨パッドの前記裏面には、前記研磨テーブルに対向する部分に、前記周壁部の一部を収容するための空間が配置され、
    前記周壁部は、前記底面部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記周壁部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置し、
    前記ポットコアは、前記空心部を前記空間に向かって延長した位置に、磁性体である磁心部を有し、
    前記磁心部は、前記空心部から前記空間に向かって伸びており、前記空間に向かって伸びた前記磁心部の少なくとも先端部は、前記空間内に位置することを特徴とする研磨装置。
  7. 前記周壁部のうち、前記空間内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分は、前記研磨テーブル内に位置する前記周壁部の少なくとも一部分から分離可能であることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
  8. 前記検出コイルは、前記空間内に位置する前記磁心部又は前記周壁部に配置されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の研磨装置。
  9. 前記空間内に位置する前記磁心部および前記周壁部は、保持部に保持され、前記保持部は、前記終点検知センサまたは前記研磨テーブルに固定されることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載の研磨装置。
  10. 前記励磁コイル及び前記検出コイルは、前記空間内に位置する前記磁心部に配置されないことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の研磨装置。
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